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JP2008145325A - Vibration gyro - Google Patents

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JP2008145325A
JP2008145325A JP2006334341A JP2006334341A JP2008145325A JP 2008145325 A JP2008145325 A JP 2008145325A JP 2006334341 A JP2006334341 A JP 2006334341A JP 2006334341 A JP2006334341 A JP 2006334341A JP 2008145325 A JP2008145325 A JP 2008145325A
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JP
Japan
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beams
additional mass
axis
mode
vibrator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2006334341A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mitsuharu Chiba
光晴 千葉
Koichi Shuda
浩一 習田
Koichi Okamoto
幸一 岡本
Akiko Oshima
亜希子 大島
Takeshi Mizuno
豪 水野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokin Corp
Original Assignee
NEC Tokin Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by NEC Tokin Corp filed Critical NEC Tokin Corp
Priority to JP2006334341A priority Critical patent/JP2008145325A/en
Publication of JP2008145325A publication Critical patent/JP2008145325A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-cost vibration gyro for detecting biaxial angular speeds by facilitating evaluation, mounting, or the like, having superior productivity and small output drift, obtaining stable output, and further having durability with respect to impacts from the outside. <P>SOLUTION: Additional mass parts 4a, 4b, 4c, 4d formed plarnarly are supported on beams 3a, 3b, 3c, 3d formed in the same plane, a connection part of the beams 3a, 3d is supported on one end of the beam 3e, and the connection part of the beams 3b, 3c is supported on one end of the beam 3f. Furthermore, a vibrator 1 connecting the other end of beams 3e, 3f is supported on a frame body 2 of an outer peripheral part via beams 3g, 3h, and the vibrator for a vibration gyro is made to function as an exciting part and a detection part is used. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、角速度センサとして使用される振動ジャイロに関し、特に自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型VTRの手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープに好適な振動ジャイロに関するものである。   The present invention relates to a vibration gyro used as an angular velocity sensor, and more particularly to a vibration gyro suitable for a gyroscope used in a navigation system, an attitude control device of an automobile, a camera shake prevention device of a camera-integrated VTR, and the like.

振動ジャイロとは、速度を持つ物体に回転角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。振動ジャイロは電気的な信号を印加することで機械的な振動(以下、「駆動モード」と呼ぶ。)を励起することができ、且つ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動(以下、「検出モード」と呼ぶ。)の大きさを電気的に検出可能とした系を有し、予め、駆動モードを励振した状態で、駆動モードの振動面と検出モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした回転角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出モードが発生し、出力電圧として検出できる。この検出された出力電圧は駆動モードの大きさおよび回転角速度に比例するので、駆動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから回転角速度の大きさを求めることができる。   A vibrating gyroscope is an angular velocity sensor that utilizes a dynamic phenomenon in which when a rotational angular velocity is applied to an object having a velocity, a Coriolis force is generated in the object itself in a direction perpendicular to the velocity direction. The vibration gyro can excite mechanical vibration (hereinafter referred to as “driving mode”) by applying an electrical signal, and mechanical vibration in a direction orthogonal to the driving vibration (hereinafter, referred to as “driving mode”). A system in which the magnitude of “detection mode” can be electrically detected, and in a state where the drive mode is excited in advance, the line of intersection between the vibration surface in the drive mode and the vibration surface in the detection mode When a rotational angular velocity about a parallel axis is given, a detection mode is generated by the action of the aforementioned Coriolis force, and can be detected as an output voltage. Since the detected output voltage is proportional to the magnitude of the drive mode and the rotational angular velocity, the magnitude of the rotational angular velocity can be obtained from the magnitude of the output voltage when the magnitude of the drive mode is constant.

近年、振動ジャイロにおいても、その他の電子部品と同様に小型化、低価格化が急速に進められている。また、例えば、手振れ防止装置等では、一般に2軸の回転角速度の検出が必要であるため、1軸の回転角速度を検出できる製品を2つ使用している場合がほとんどである。このような状況の中で、振動ジャイロの小型化、低価格化へのアプローチの1つとして、2軸の回転角速度の検出を1つの製品内で可能にする検討がなされている。このような構成の場合、1軸の製品を別々に生産するのに比べ、回路や外部入出力端子等の共通部分を共有することが可能となり、小型・低価格化を図ることができる。また、携帯電話機をはじめとした、携帯機器への搭載の検討も始まり、これまで以上に耐衝撃性、高安定化が求められている。   In recent years, vibration gyros have been rapidly reduced in size and price in the same manner as other electronic components. In addition, for example, an anti-shake device or the like generally requires detection of a biaxial rotational angular velocity, and therefore, in most cases, two products that can detect a uniaxial rotational angular velocity are used. Under such circumstances, as one approach to reducing the size and cost of a vibrating gyroscope, studies have been made to enable detection of a biaxial rotational angular velocity within one product. In such a configuration, it is possible to share common parts such as a circuit and an external input / output terminal as compared with the case where a single-axis product is produced separately, thereby achieving a reduction in size and price. In addition, studies on mounting on mobile devices such as mobile phones have begun, and more shock resistance and higher stability are required than ever.

図6は従来の振動ジャイロ用素子を示す斜視図である。図6において、振動子111は、エリンバなどの恒弾性金属材料からなる正方形状の板状の振動体112と、振動体112の主面の中央部に配置された圧電素子113とからなる。圧電素子113の表面には、複数の分割された電極116が配されている。振動体112には各辺の中央から中心点に向う4本の切り欠き121、122、123、124によって4つの振動体111a、111b、111c、111dが形成されている。振動子111は、ノード軸N1およびノード軸N2を軸とする軸対称モードで振動し、ノード軸N1とノード軸N2の交点付近で支持固定される。角速度の検出は、振動子111の平面内で振動するモードを用い、平面内の直交する2軸の角速度の検出を可能としている。このような振動ジャイロは特許文献1に開示されている。   FIG. 6 is a perspective view showing a conventional vibrating gyro element. In FIG. 6, the vibrator 111 is composed of a square plate-like vibrating body 112 made of a constant elastic metal material such as an elimba, and a piezoelectric element 113 arranged at the center of the main surface of the vibrating body 112. A plurality of divided electrodes 116 are arranged on the surface of the piezoelectric element 113. In the vibrating body 112, four vibrating bodies 111a, 111b, 111c, and 111d are formed by four notches 121, 122, 123, and 124 from the center of each side to the center point. The vibrator 111 vibrates in an axially symmetric mode with the node axis N1 and the node axis N2 as axes, and is supported and fixed near the intersection of the node axis N1 and the node axis N2. The angular velocity is detected by using a mode that vibrates in the plane of the vibrator 111, and two angular velocities perpendicular to each other in the plane can be detected. Such a vibration gyro is disclosed in Patent Document 1.

特許第3206551号公報Japanese Patent No. 3206551

しかしながら、前述した従来の振動ジャイロ用素子では、支持部を振動子の中央部に設けて、振動子の外周部が自由に振動できるようにする必要があるため、1つずつ振動子を切り出した後でないと振動子の特性評価を行うことができないという問題点がある。   However, in the above-described conventional vibratory gyro element, it is necessary to provide a support portion at the center of the vibrator so that the outer periphery of the vibrator can vibrate freely. There is a problem that the characteristics of the vibrator cannot be evaluated unless it is later.

また、中央部での支持は、実装が難しく、振動子の周波数調整やバランス調整を行う場合にも、特殊な治具を作製し、振動子を中央部のみで支持固定して宙吊りにする必要があるため、生産性が低下するという問題点がある。   Also, it is difficult to mount the support at the center, and even when adjusting the frequency or balance of the vibrator, it is necessary to create a special jig and support and fix the vibrator only at the center to suspend it. Therefore, there is a problem that productivity is lowered.

さらに、中央部のノード付近を支持固定する場合、支持固定できる面積は非常に小さく、振動を阻害せずに支持することは非常に難しく、支持部から振動が漏れると同時に、外部からの振動の影響を受け易く、出力が不安定となる。また、支持が1点であるため、外部から衝撃を受けた場合に、衝撃力がその1点に集中し、破壊し易いという問題点もある。   Furthermore, when supporting and fixing the vicinity of the node in the center, the area that can be supported and fixed is very small, and it is very difficult to support without disturbing the vibration. It is easily affected and the output becomes unstable. In addition, since the support is at one point, there is a problem that when an impact is applied from the outside, the impact force is concentrated on the one point and is easily broken.

したがって、本発明は上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、評価や実装等が容易で生産性が良く、出力ドリフトが小さく、安定した出力が得られ、さらに、外部からの衝撃に対しても堅牢で且つ、2軸の角速度の検出が可能である安価な振動ジャイロの提供を課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art. Specifically, evaluation, mounting, etc. are easy, productivity is good, output drift is small, stable output is obtained, and robust against external impact, and biaxial angular velocity can be detected. It is an object to provide an inexpensive vibration gyro that is possible.

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、略四角の平板に貫通穴加工を施し、振動可能な付加質量部をビームで支える構造を形成することで、励振部と検出部として機能させ、支持をその外縁部で行うことをその要旨とする。   The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, according to the present invention, through holes are formed in a substantially rectangular flat plate, and a structure that supports an additional mass part that can vibrate with a beam is formed, so that it functions as an excitation part and a detection part, and is supported at its outer edge part. This is the gist.

請求項1に記載の発明は、平面内に形成された、4つの付加質量部4a、4b、4c、4dが時計回りに配置され、前記付加質量部と同一平面内に形成された、4つの柱状のビーム3a、3b、3c、3dの一端が、前記付加質量部4a、4b、4c、4dに、それぞれ接続され、前記ビーム3a、3dの前記付加質量部に接続されない他端同士および前記ビーム3b、3cの前記付加質量部に接続されない他端同士がそれぞれ接続され、前記付加質量部と同一平面内に形成された、2つの柱状のビーム3e、3fの一端が、それぞれ前記ビーム3a、3dの接続部および前記ビーム3b、3cの接続部に接続され、前記ビーム3e、3fでの前記ビーム3a、3b、3c、3dには接続されない他端同士を接続した構造を有する振動子を用いる振動ジャイロであって、2つの同位相の付加質量部4a、4cと2つの同位相の付加質量部4b、4dとが互いに逆位相で振動し且つ付加質量部4a、4b、4c、4dを形成した平面と垂直な面外方向に振動する駆動モードの駆動手段と、付加質量部4a、4bの重心間の中点および付加質量部4c、4dの重心間の中点を通る第1の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段と、付加質量部4a、4dの重心間の中点および付加質量部4b、4cの重心間の中点を通り前記第1の軸に直交する第2の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段とを備え、前記付加質量部4a、4b、4c、4dおよび前記ビーム3a、3b、3c、3d、3e、3fの配置がその配置面内で前記第2の軸に関して略対称な構造を有し且つ前記第1の軸に関して非対称な構造を有し、前記第1の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、2つの同位相のビーム3a、3cと、2つの同位相のビーム3b、3dとが互いに逆位相で振動し且つ前記第2の軸方向に屈曲振動する第1の検出モードを用い、前記第2の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、2つの同位相のビーム3a、3dと、2つの同位相のビーム3b、3cとが互いに逆位相で振動し且つ前記第2の軸方向に屈曲振動する第2の検出モードを用いたことを特徴とする振動ジャイロである。   In the first aspect of the present invention, four additional mass portions 4a, 4b, 4c, and 4d formed in a plane are arranged in a clockwise direction, and four additional mass portions are formed in the same plane as the additional mass portion. One ends of the columnar beams 3a, 3b, 3c, and 3d are connected to the additional mass portions 4a, 4b, 4c, and 4d, respectively, and the other ends that are not connected to the additional mass portions of the beams 3a and 3d and the beams. The other ends of 3b and 3c that are not connected to the additional mass section are connected to each other, and one end of two columnar beams 3e and 3f formed in the same plane as the additional mass section are respectively connected to the beams 3a and 3d. And a beam having a structure in which the other ends of the beams 3e, 3f that are not connected to the beams 3a, 3b, 3c, and 3d are connected to each other. The two in-phase additional mass portions 4a and 4c and the two in-phase additional mass portions 4b and 4d vibrate in mutually opposite phases, and the additional mass portions 4a, 4b, 4c and 4d are A drive unit in a driving mode that vibrates in an out-of-plane direction perpendicular to the formed plane, and a first axis passing through a midpoint between the centroids of the additional mass portions 4a and 4b and a midpoint between the centroids of the additional mass portions 4c and 4d Detecting means for displacement due to Coriolis force generated by an angular velocity around an axis parallel to the first axis, passing through the midpoint between the centroids of the additional mass portions 4a and 4d and the midpoint between the centroids of the additional mass portions 4b and 4c. And a means for detecting displacement due to Coriolis force generated by an angular velocity around an axis parallel to a second axis orthogonal to the additional mass portions 4a, 4b, 4c, 4d and the beams 3a, 3b, 3c, 3d, 3e. 3f arrangement is the arrangement Having a substantially symmetric structure with respect to the second axis and an asymmetric structure with respect to the first axis, and for detecting angular velocity about an axis parallel to the first axis, two in-phase The first detection mode in which the beams 3a and 3c and the two in-phase beams 3b and 3d vibrate in opposite phases and bend and vibrate in the second axis direction is used, and is parallel to the second axis. For detecting the angular velocity around the axis, the two in-phase beams 3a and 3d and the two in-phase beams 3b and 3c vibrate in opposite phases and bend and vibrate in the second axial direction. 2 is a vibration gyro characterized by using two detection modes.

この駆動モードは、付加質量部4aおよび4cと、付加質量部4bおよび4dとが互いに逆位相で、且つ、付加質量部を形成した平面と垂直な面外方向に振動する。この駆動モードは、非常に対称性が良く、ビーム3eと3fに捩れを発生させるが、ビーム3eと3fの接続部で力が相殺され、その接続部は、駆動モードのノード点となる。   In this drive mode, the additional mass portions 4a and 4c and the additional mass portions 4b and 4d vibrate in the out-of-plane direction perpendicular to the plane on which the additional mass portions are formed. This drive mode has very good symmetry and causes the beams 3e and 3f to twist, but the force is canceled at the connection between the beams 3e and 3f, and the connection becomes the node point of the drive mode.

前述の駆動モードを励振した状態で、第1の軸と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部4aおよび4cと、付加質量部4bおよび4dとが互いに逆位相で、第2の軸方向に振動する。この振動の検出には、第1の検出モードを利用できる。この第1の検出モードは、ビーム3aおよび3cと、ビーム3bおよび3dとが互いに逆位相で、第2の軸方向に屈曲振動する。ビーム3aおよび3bと、ビーム3cおよび3dが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム3aおよび3dの振動による力と、ビーム3bおよび3cの振動による力は、ビーム3eとビーム3fの接続部で相殺され、その接続部は、第1の検出モードのノード点となる。   When an angular velocity around an axis parallel to the first axis is applied in the state where the drive mode is excited, a Coriolis force acts on the additional mass unit, and the additional mass units 4a and 4c and the additional mass units 4b and 4d. Oscillate in the second axial direction in mutually opposite phases. The first detection mode can be used to detect this vibration. In this first detection mode, the beams 3a and 3c and the beams 3b and 3d are in antiphase with each other and bend and vibrate in the second axial direction. The beams 3a and 3b and the beams 3c and 3d are vibration modes in which the tuning fork vibrates, respectively. Since it is a tuning fork vibration, the force caused by the vibrations of the beams 3a and 3d and the force caused by the vibrations of the beams 3b and 3c cancel each other at the connection portion between the beam 3e and the beam 3f, and the connection portion is a node in the first detection mode. It becomes a point.

同様に、駆動モードを励振した状態で、第2の軸と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部4aおよび4cと、付加質量部4bおよび4dとが互いに逆位相で、第1の軸方向に力を受ける。しかし、付加質量部4a〜4dには、それぞれビーム3a〜3dが接続され、第1の軸方向の変位が制限されている。したがって、それぞれの付加質量部は、回転し、第2の軸方向に振動することとなる。   Similarly, when an angular velocity about an axis parallel to the second axis is applied with the drive mode excited, Coriolis force acts on the additional mass unit, and the additional mass units 4a and 4c, the additional mass unit 4b, 4d is opposite in phase and receives a force in the first axial direction. However, the beams 3a to 3d are connected to the additional mass portions 4a to 4d, respectively, and displacement in the first axial direction is limited. Therefore, each additional mass part rotates and vibrates in the second axial direction.

ここで、前述の通り、振動子は、第1の軸を通る平面に関して、非対称な構造を有している。この非対称性により、ビーム3aおよび3dと、ビーム3bおよび3cとが互いに逆位相で、第2の軸方向に屈曲振動する。この振動の検出には、第2の検出モードを利用できる。この第2の検出モードは、ビーム3aおよび3dと、ビーム3bおよび3cとが互いに逆位相で、第2の軸方向に屈曲振動する。ビーム3aおよび3bと、ビーム3cおよび3dが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム3aおよび3dの振動による力と、ビーム3bおよび3cの振動による力は、ビーム3eとビーム3fの接続部で相殺され、その接続部は、第2の検出モードのノード点となる。   Here, as described above, the vibrator has an asymmetric structure with respect to a plane passing through the first axis. Due to this asymmetry, the beams 3a and 3d and the beams 3b and 3c are bent and vibrated in the second axial direction in opposite phases. The second detection mode can be used to detect this vibration. In this second detection mode, the beams 3a and 3d and the beams 3b and 3c are in antiphase with each other and bend and vibrate in the second axial direction. The beams 3a and 3b and the beams 3c and 3d are vibration modes in which the tuning fork vibrates, respectively. Since it is a tuning fork vibration, the force caused by the vibrations of the beams 3a and 3d and the force caused by the vibrations of the beams 3b and 3c cancel each other at the connection portion between the beam 3e and the beam 3f, and the connection portion is a node in the second detection mode. It becomes a point.

ただし、この第2の検出モードを利用するためには、第1の軸を通る平面に関して、非対称な構造とすることが必要不可欠である。この非対称性がなければ、前述の第2の検出モードは、利用できない。仮に第1の軸を通る平面に関して、対称な構造とすれば、付加質量部は、第2の軸方向に振動しないか、すべての付加質量部が同相で第2の軸方向に振動する。第2の軸方向に振動しない場合、角速度の検出ができない。すべての付加質量部が同相で第2の軸方向に振動する場合、ビーム3a〜3dは、付加質量部と同様に、同相で第2の軸方向に屈曲振動する。この場合、すべての付加質量部が同じ方向に振動するため、振動子の重心位置が大きく変化し易い。振動ジャイロの設計において、振動子の周波数の設計が非常に重要であるが、周波数の設計と同時に、ビーム3eとビーム3fの接続部をノード点とする構造設計を行うのは、非常に困難である。   However, in order to use this second detection mode, it is indispensable to have an asymmetric structure with respect to a plane passing through the first axis. Without this asymmetry, the second detection mode described above cannot be used. If the structure is symmetrical with respect to the plane passing through the first axis, the additional mass portion does not vibrate in the second axial direction or all the additional mass portions vibrate in the second axial direction in phase. If it does not vibrate in the second axial direction, angular velocity cannot be detected. When all the additional mass parts vibrate in the second axial direction in the same phase, the beams 3a to 3d bend and vibrate in the second axial direction in the same phase as the additional mass part. In this case, since all the additional mass portions vibrate in the same direction, the position of the center of gravity of the vibrator is likely to change greatly. In the design of the vibration gyroscope, the design of the frequency of the vibrator is very important, but it is very difficult to design the structure with the connection point between the beam 3e and the beam 3f as the node point at the same time as the design of the frequency. is there.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1記載の振動ジャイロにおいて、前記付加質量部と同一平面内に形成された2つの柱状のビーム3g、3hの一端が、いずれも前記ビーム3eとビーム3fの接続部に接続され、且つ前記付加質量部を形成した平面と垂直で前記第2の軸を通る平面に関して略対称に配置され、前記振動子の外周部には前記付加質量部と略同一平面内に枠体が形成され、前記ビーム3g、3hの他端は前記枠体に接続され、前記枠体を介して、前記振動子が支持されたことを特徴とする振動ジャイロである。   The invention according to claim 2 is the vibrating gyroscope according to claim 1, wherein one end of each of the two columnar beams 3g and 3h formed in the same plane as the additional mass portion is the beam 3e. It is connected to the connection part of the beam 3f and is arranged substantially symmetrically with respect to a plane passing through the second axis perpendicular to the plane on which the additional mass part is formed. The vibrating gyroscope is characterized in that a frame is formed in the same plane, the other ends of the beams 3g and 3h are connected to the frame, and the vibrator is supported via the frame.

このビーム3eとビーム3fの接続部は、駆動モード、第1、第2の検出モードのすべてに対して、ノード点となっているため、その接続部をビーム3gおよび3hを介して、振動子外周に配置された枠体に接続しても、枠体への振動の伝播は少なく、枠体もノード点となる。したがって、振動子の外縁部を支持することが可能となり、良好な支持特性が得られ、出力ドリフトも低減し、実装が容易で生産性も高くなる。また、振動子の外縁部の全周を支持することも可能であり、衝撃が加わっても、衝撃力が分散するので、外部衝撃に強く、安定性が高い、高信頼性の振動ジャイロ用素子が提供できる。さらに、振動子の製造工程において、ウエハ上に複数個の振動子を同時に形成し、外縁同士が接続した状態においても、振動ジャイロ用素子特性を検査することが容易となる。振動子を1つずつ切り出すことなく、振動特性の検査、周波数調整、バランス調整を行うことができる。また、容易に検査、調整が可能で、後工程の歩留まりも改善でき、生産性が非常に高くなる。   Since the connection portion between the beam 3e and the beam 3f is a node point in all of the drive mode and the first and second detection modes, the connection portion is connected to the transducer via the beams 3g and 3h. Even if it is connected to a frame disposed on the outer periphery, there is little propagation of vibration to the frame and the frame also becomes a node point. Therefore, the outer edge portion of the vibrator can be supported, good support characteristics can be obtained, output drift is reduced, mounting is easy, and productivity is increased. It is also possible to support the entire circumference of the outer edge of the vibrator, and even if an impact is applied, the impact force disperses, so it is strong against external impact, highly stable, and a highly reliable vibration gyro element. Can be provided. Further, in the vibrator manufacturing process, it is easy to inspect the characteristics of the vibratory gyro element even when a plurality of vibrators are simultaneously formed on the wafer and the outer edges are connected to each other. Inspection of vibration characteristics, frequency adjustment, and balance adjustment can be performed without cutting out the vibrators one by one. In addition, inspection and adjustment can be easily performed, the yield of the post-process can be improved, and the productivity becomes very high.

さらに、本発明によれば、振動ジャイロ用振動子の平面内の2軸の角速度を検出できる。一般的なデジタルスチルカメラ等で使用する場合、そのまま基板上に実装できるので、実装が容易となる。また、1つの振動子で2軸の回転角速度の検出が可能であるため、回路や外部端子等の共通部分を共有することで、1軸の製品を2つ使用するのに比べ、小型・低コスト化が可能となる。   Furthermore, according to the present invention, it is possible to detect biaxial angular velocities in the plane of the vibrator for a vibrating gyroscope. When used in a general digital still camera or the like, it can be mounted on the substrate as it is, so that mounting becomes easy. In addition, because it is possible to detect the rotational angular velocity of two axes with one vibrator, by sharing common parts such as circuits and external terminals, it is smaller and lower than using two single-axis products. Cost can be reduced.

また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2記載の振動ジャイロにおいて、前記振動子が圧電単結晶板で一体的に形成されてなることを特徴とする振動ジャイロである。本発明は、平面的な構造をとっており、四角形状の圧電単結晶板に穴あけ加工を施すことで、容易に形成でき、生産性が高い。さらに、ニオブ酸リチウムなど、高結合材料を用い、駆動モードの励振、検出モードの検出を行うことで、SN比の高い振動ジャイロ用素子が提供できる。   According to a third aspect of the present invention, in the vibration gyro according to the first or second aspect, the vibrator is integrally formed of a piezoelectric single crystal plate. The present invention has a planar structure, and can be easily formed by punching a rectangular piezoelectric single crystal plate, resulting in high productivity. Furthermore, by using a high-coupling material such as lithium niobate and performing drive mode excitation and detection mode detection, a vibration gyro element having a high S / N ratio can be provided.

前記のごとく、本発明によれば、評価や実装等が容易で生産性が良く、出力ドリフトが小さく、安定した出力が得られ、さらに外部からの衝撃に対しても堅牢で、且つ、2軸の角速度の検出が可能である安価な振動ジャイロを提供できる。   As described above, according to the present invention, evaluation, mounting, etc. are easy, productivity is good, output drift is small, stable output is obtained, and robust against external impacts. It is possible to provide an inexpensive vibration gyro capable of detecting the angular velocity.

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図3は本発明の一実施の形態での振動ジャイロ用振動子を示す上面図である。2.7mm×3.8mm、厚さ0.25mmの四辺形状のニオブ酸リチウム圧電単結晶板に穴加工を施すことで、1枚の圧電単結晶板の同一面内に、付加質量部4a〜4dを、ビーム3a〜3hによって、枠体2に接続し、振動子1を形成している。付加質量部4a〜4dには、それぞれ、ビーム3a〜3dが接続されているが、各付加質量部の左端にビームが接続されているため、本実施の形態では、振動子1は、紙面に対して、上下対称、左右非対称な形状となっている。   FIG. 3 is a top view showing a vibrator for a vibrating gyroscope according to an embodiment of the present invention. By applying holes to a quadrilateral lithium niobate piezoelectric single crystal plate having a size of 2.7 mm × 3.8 mm and a thickness of 0.25 mm, additional mass portions 4a to 4a are formed in the same plane of one piezoelectric single crystal plate. 4d is connected to the frame 2 by the beams 3a to 3h, and the vibrator 1 is formed. Beams 3a to 3d are connected to the additional mass portions 4a to 4d, respectively. However, since the beam is connected to the left end of each additional mass portion, in the present embodiment, the vibrator 1 is placed on the paper surface. On the other hand, it has a vertically symmetric and asymmetrical shape.

また、ビーム3aの表面には検出電極6a、基準電位電極7c、7dを、ビーム3bの表面には検出電極6b、基準電位電極7f、7gを、ビーム3cの表面には検出電極6c、基準電位電極7f、7hを、ビーム3dの表面には検出電極6d、基準電位電極7c、7eを、ビーム3eの表面には駆動電極5a、基準電位電極7aを、ビーム3fの表面には駆動電極5b、基準電位電極7bを形成した。各電極は、クロムを下地とした金により電極を形成した。   Further, the detection electrode 6a and reference potential electrodes 7c and 7d are provided on the surface of the beam 3a, the detection electrode 6b and reference potential electrodes 7f and 7g are provided on the surface of the beam 3b, and the detection electrode 6c and reference potential are provided on the surface of the beam 3c. Electrodes 7f and 7h, detection electrode 6d and reference potential electrodes 7c and 7e on the surface of beam 3d, drive electrode 5a and reference potential electrode 7a on the surface of beam 3e, and drive electrode 5b on the surface of beam 3f, A reference potential electrode 7b was formed. Each electrode was formed of gold with chromium as a base.

ここで、本実施の形態による振動ジャイロの動作原理について説明する。図1は本実施の形態における振動ジャイロの振動モードを示す図である。すなわち、図1(a)、図1(b)、図1(c)は未動作時の変形前の状態を示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図1(d)、図1(e)、図1(f)はXモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図1(g)、図1(h)、図1(i)はYモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図1(j)、図1(k)、図1(l)はZモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図である。   Here, the operation principle of the vibration gyro according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating a vibration mode of the vibration gyro according to the present embodiment. That is, FIG. 1A, FIG. 1B, and FIG. 1C show a state before deformation when not operating, and are a perspective view, a front view, and a plan view, respectively, FIG. 1 (e) and 1 (f) show the X mode, which are a perspective view, a front view, and a plan view, respectively, and FIG. 1 (g), FIG. 1 (h), and FIG. 1 (j), FIG. 1 (k), and FIG. 1 (l) show the Z mode, respectively, and are a perspective view, a front view, and a plan view, respectively. is there.

図1(d)〜図1(f)に示すXモードでは、図3を同時に参照し、2つの同位相の付加質量部4aおよび4cと、2つの同位相の付加質量部4bおよび4dとが互いに逆位相で、且つ、付加質量部をX軸方向に振動する。この駆動モードは、非常に対称性が良く、ビーム3e、3fに捩れを発生させるが、ビーム3e、3fの接続部で力が相殺され、その結果、ビーム3g、3hに接続された枠体2への振動の伝播は少なく、枠体2全体がノード点となる。   In the X mode shown in FIG. 1D to FIG. 1F, referring to FIG. 3 at the same time, two in-phase additional mass portions 4a and 4c and two in-phase additional mass portions 4b and 4d are provided. The additional mass part is vibrated in the X-axis direction in mutually opposite phases. This drive mode has very good symmetry and causes twisting of the beams 3e and 3f, but the force is canceled at the connection portions of the beams 3e and 3f, and as a result, the frame 2 connected to the beams 3g and 3h. There is little propagation of vibration to the frame 2, and the entire frame 2 becomes a node point.

Xモードを励振した状態で、Y軸(第1の軸)と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部4aおよび4cと、付加質量部4bおよび4dとが互いに逆位相で、Z軸方向に振動する。この振動の検出には、図1(j)〜図1(l)に示すZモードを利用できる。このZモード(第1の検出モード)は、2つの同位相のビーム3aおよび3cと、2つの同位相のビーム3bおよび3dとが互いに逆位相で、Z軸方向に屈曲振動する。ビーム3aおよび3bと、ビーム3cおよび3dが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム3aおよびビーム3dの振動による力と、ビーム3bおよびビーム3cの振動による力とは、ビーム3eとビーム3fの接続部で相殺され、その結果、ビーム3g、3hに接続された枠体2への振動の伝播は少なく、枠体2全体がノード点となる。この時、Xモードの振動速度が一定であれば、これらの発生した、Zモードの振幅の大きさは、印加した角速度に比例し、これらの振動を電気的に取り出せば、角速度センサとして機能する。   When an angular velocity about an axis parallel to the Y axis (first axis) is applied in the state where the X mode is excited, Coriolis force acts on the additional mass unit, and the additional mass units 4a and 4c and the additional mass unit 4b. And 4d are in opposite phases and vibrate in the Z-axis direction. For detection of this vibration, the Z mode shown in FIGS. 1 (j) to 1 (l) can be used. In this Z mode (first detection mode), the two in-phase beams 3a and 3c and the two in-phase beams 3b and 3d are in opposite phases and bend and vibrate in the Z-axis direction. The beams 3a and 3b and the beams 3c and 3d are vibration modes in which the tuning fork vibrates, respectively. Since it is a tuning fork vibration, the force caused by the vibration of the beam 3a and the beam 3d and the force caused by the vibration of the beam 3b and the beam 3c cancel each other at the connection portion between the beam 3e and the beam 3f. The propagation of vibration to the frame 2 thus made is small, and the entire frame 2 becomes a node point. At this time, if the vibration speed of the X mode is constant, the magnitude of the generated Z mode amplitude is proportional to the applied angular velocity, and if these vibrations are electrically extracted, the sensor functions as an angular velocity sensor. .

同様に、Xモードを励振した状態で、Z軸と平行な軸回りの角速度を印加すると、付加質量部には、コリオリ力が働き、付加質量部4aおよび4cと、付加質量部4bおよび4dとが互いに逆位相で、Y軸方向に力を受ける。しかし、付加質量部4a〜4dには、それぞれビーム3a〜3dが接続され、Y軸方向の変位が制限されている。したがって、それぞれの付加質量部は、回転し、Z軸方向に振動することとなる。   Similarly, when an angular velocity about an axis parallel to the Z axis is applied in the state where the X mode is excited, Coriolis force acts on the additional mass unit, and the additional mass units 4a and 4c, the additional mass units 4b and 4d, Are opposite in phase and receive force in the Y-axis direction. However, the beams 3a to 3d are connected to the additional mass portions 4a to 4d, respectively, and displacement in the Y-axis direction is limited. Therefore, each additional mass part rotates and vibrates in the Z-axis direction.

ここで、前述の通り、振動子は、左右非対称な構造を有している。この非対称性により、ビーム3aおよび3dと、ビーム3bおよび3cとが互いに逆位相で、Z軸方向に屈曲振動する。すなわち、Xモードを励振することで、付加質量部4aおよび4cが+X方向の速度を持ち、付加質量部4bおよび4dが−X方向の速度を持った状態において、Z軸(第2の軸)と平行な軸回りの角速度を印加し、コリオリ力が発生すると、付加質量部4aおよび4cは、−Y方向に力を受け、付加質量部4bおよび4dは、+Y方向に力を受ける。しかし、ビーム3a〜3dの存在により、Y軸方向の変位を制限するため、それぞれの付加質量部は、ビームとの接続部を中心に回転しようとする。その結果、付加質量部4aおよび4dは、−Z方向に変位し、付加質量部4bおよび4cは、+Z方向に変位する。したがって、ビーム3aおよび3dと、ビーム3bおよび3cとが互いに逆位相で、Z軸方向に屈曲振動する。   Here, as described above, the vibrator has a left-right asymmetric structure. Due to this asymmetry, the beams 3a and 3d and the beams 3b and 3c are bent and vibrated in the Z-axis direction in opposite phases. That is, by exciting the X mode, the additional mass parts 4a and 4c have a speed in the + X direction, and the additional mass parts 4b and 4d have a speed in the -X direction, the Z axis (second axis) When a Coriolis force is generated by applying an angular velocity around an axis parallel to the additional mass portions 4a and 4c, the additional mass portions 4a and 4c receive a force in the -Y direction, and the additional mass portions 4b and 4d receive a force in the + Y direction. However, in order to limit the displacement in the Y-axis direction due to the presence of the beams 3a to 3d, each additional mass portion tries to rotate around the connection portion with the beam. As a result, the additional mass portions 4a and 4d are displaced in the −Z direction, and the additional mass portions 4b and 4c are displaced in the + Z direction. Therefore, the beams 3a and 3d and the beams 3b and 3c are bent and vibrated in the Z-axis direction in opposite phases.

この振動の検出には、Yモードを利用できる。このYモード(第2の検出モード)は、2つの同位相のビーム3aおよび3dと、2つの同位相のビーム3bおよび3cとが互いに逆位相で、Z軸方向に屈曲振動する。ビーム3aおよび3bと、ビーム3cおよび3dが、それぞれ音叉振動する振動モードである。音叉振動であるため、ビーム3aおよび3dの振動による力と、ビーム3bおよび3cの振動による力は、ビーム3eとビーム3fの接続部では相殺され、その結果、ビーム3g、3hに接続された枠体2への振動の伝播は少なく、枠体2全体がノード点となる。この時、Xモードの振動速度が一定であれば、これらの発生した、Yモードの振幅の大きさは、印加した角速度に比例し、これらの振動を電気的に取り出せば、角速度センサとして機能する。   The Y mode can be used to detect this vibration. In this Y mode (second detection mode), the two in-phase beams 3a and 3d and the two in-phase beams 3b and 3c are in antiphase with each other and bend and vibrate in the Z-axis direction. The beams 3a and 3b and the beams 3c and 3d are vibration modes in which the tuning fork vibrates, respectively. Since it is a tuning fork vibration, the force caused by the vibrations of the beams 3a and 3d and the force caused by the vibrations of the beams 3b and 3c cancel each other at the connection portion between the beam 3e and the beam 3f. As a result, the frame connected to the beams 3g and 3h The propagation of vibration to the body 2 is small, and the entire frame 2 becomes a node point. At this time, if the vibration velocity of the X mode is constant, the magnitude of the generated Y mode amplitude is proportional to the applied angular velocity, and functions as an angular velocity sensor if these vibrations are electrically extracted. .

ただし、このYモードを利用するためには、左右非対称な構造とすることが必要不可欠である。この非対称性がなければ、Yモードは、利用できない。仮に左右対称な構造とすれば、付加質量部は、Z軸方向に振動しないか、すべての付加質量部が同相でZ軸方向に振動する。   However, in order to use this Y mode, it is indispensable to have a left-right asymmetric structure. Without this asymmetry, the Y mode cannot be used. If the structure is symmetrical, the additional mass part does not vibrate in the Z-axis direction, or all the additional mass parts vibrate in the Z-axis direction in the same phase.

前者は、付加質量部をZ軸方向に2等分する位置にビームを接続した場合である。Xモードを励振した状態でZ軸と平行な軸回りで角速度を印加し、Y軸方向に力を受けても、付加質量部が回転しないため、Z軸方向に変位しない。   The former is a case where the beam is connected to a position where the additional mass portion is divided into two equal parts in the Z-axis direction. Even when an angular velocity is applied around an axis parallel to the Z axis in the state where the X mode is excited and a force is applied in the Y axis direction, the additional mass portion does not rotate, so that it does not move in the Z axis direction.

後者の場合、左右非対称な場合と同様に、Xモードを励振した状態でZ軸と平行な軸回りで角速度を印加すると、付加質量部4aおよび4cと、付加質量部4bおよび4dは、互いに逆向きのY軸方向の力を受ける。また、ビーム3a〜3dの存在により、Y軸方向の変位を制限するため、それぞれの付加質量部は、ビームとの接続部を中心に回転しようとする。しかし、付加質量部4aおよび4dと、付加質量部4bおよび4cでは、ビームとの接続位置が左右で逆となる。その結果、付加質量部4a〜4dは、Z軸方向に同相で変位する。したがって、ビーム3a〜3dは、同相でZ軸方向に屈曲振動する。この場合、すべての付加質量部が同じ方向に振動するため、振動子の重心位置が大きく変化し易い。振動ジャイロの設計において、振動子の周波数の設計が非常に重要であるが、周波数の設計と同時に、ビーム3eとビーム3fの接続部をノード点とする構造設計を行うのは、非常に困難である。   In the latter case, as in the case of the left-right asymmetry, when the angular velocity is applied around the axis parallel to the Z axis with the X mode excited, the additional mass units 4a and 4c and the additional mass units 4b and 4d are opposite to each other. Receives a force in the direction of the Y-axis. Further, in order to limit the displacement in the Y-axis direction due to the presence of the beams 3a to 3d, each additional mass portion tries to rotate around the connection portion with the beam. However, in the additional mass portions 4a and 4d and the additional mass portions 4b and 4c, the connection positions with the beams are reversed on the left and right. As a result, the additional mass portions 4a to 4d are displaced in phase in the Z-axis direction. Therefore, the beams 3a to 3d are flexibly oscillated in the Z-axis direction in the same phase. In this case, since all the additional mass portions vibrate in the same direction, the position of the center of gravity of the vibrator is likely to change greatly. In the design of the vibration gyroscope, the design of the frequency of the vibrator is very important, but it is very difficult to design the structure with the connection point between the beam 3e and the beam 3f as the node point at the same time as the design of the frequency. is there.

上記の振動の励振および検出には、振動子1に配置した電極を用いる。図3に示したビーム3e、3fに形成した駆動電極5a、5bにXモードの共振周波数の電気信号を入力することでXモードを励振し、ビーム3a〜3dに形成した検出電極6a〜6dに生じる電荷を検出することで、YモードおよびZモードの振動が検出できる。   An electrode disposed on the vibrator 1 is used for excitation and detection of the vibration. The X mode is excited by inputting an electric signal having a resonance frequency of the X mode to the drive electrodes 5a and 5b formed on the beams 3e and 3f shown in FIG. 3, and the detection electrodes 6a to 6d formed on the beams 3a to 3d are excited. By detecting the generated charges, vibrations in the Y mode and the Z mode can be detected.

この各電極の配置は、それぞれの振動モードにおけるビームの表面に発生する電荷の分布を解析して決定した。図2は電荷の分布を示す模式図である。図2(a)はXモードでの電荷の分布を示す模式図、図2(b)はYモードでの電荷の分布を示す模式図、図2(c)はZモードでの電荷の分布を示す模式図である。図2において、「+」と「−」は、発生電荷の極性を示し、楕円は、その範囲を示している。この電荷分布は、選択した材料によって異なり、さらに異方性材料であれば、結晶の方位によっても様々な分布を示す。   The arrangement of each electrode was determined by analyzing the distribution of charges generated on the surface of the beam in each vibration mode. FIG. 2 is a schematic diagram showing the charge distribution. 2A is a schematic diagram showing the charge distribution in the X mode, FIG. 2B is a schematic diagram showing the charge distribution in the Y mode, and FIG. 2C is the charge distribution in the Z mode. It is a schematic diagram shown. In FIG. 2, “+” and “−” indicate the polarities of the generated charges, and the ellipse indicates the range. This charge distribution varies depending on the selected material, and if it is an anisotropic material, it exhibits various distributions depending on the crystal orientation.

図4は、本実施の形態における結晶方位を示す図である。図4に示すように、本実施の形態に使用したニオブ酸リチウムからなる圧電単結晶板は、厚さ0.25mmにXカットされた素板から、圧電単結晶のZ’軸と振動子のZ軸とが成す角度が50度になるように切り出されたもので、各モードにおける表面に発生する電荷の分布は図2に示した様になる。この電荷分布を考慮して、図3に示すように、ビーム3eおよび3fの表面にXモードの振動を励振させるための駆動電極5a、5bと、基準電位電極7a、7bとをそれぞれ配置した。   FIG. 4 is a diagram showing the crystal orientation in the present embodiment. As shown in FIG. 4, the piezoelectric single crystal plate made of lithium niobate used in the present embodiment is made up of the Z ′ axis of the piezoelectric single crystal and the vibrator from the X plate cut to a thickness of 0.25 mm. It is cut out so that the angle formed with the Z-axis is 50 degrees, and the distribution of charges generated on the surface in each mode is as shown in FIG. Considering this charge distribution, as shown in FIG. 3, drive electrodes 5a and 5b for exciting X-mode vibration and reference potential electrodes 7a and 7b are arranged on the surfaces of the beams 3e and 3f, respectively.

同様に、ビーム3a〜3dの表面に、YモードおよびZモードの振動検出用の検出電極6a〜6dと基準電位電極7c〜7hを配置した。検出電極6a、6b、6c、6dには、YモードおよびZモードの電荷が発生するが、それぞれ発生する電荷の極性が異なるため、加算や差動回路によって、Yモードによる発生電荷とZモードによる発生電荷とを区別することが可能である。   Similarly, Y-mode and Z-mode vibration detection electrodes 6a to 6d and reference potential electrodes 7c to 7h are disposed on the surfaces of the beams 3a to 3d. The detection electrodes 6a, 6b, 6c, and 6d generate Y-mode and Z-mode charges, but since the polarities of the generated charges are different from each other, the charge generated by the Y-mode and the Z-mode are generated by addition or a differential circuit. It is possible to distinguish from the generated charge.

図5は、本発明の一実施の形態における振動ジャイロの回路を示すブロック図である。駆動手段として、電流検出回路9eと、位相回路10aと、AGC回路11(オートゲインコントロール回路)とを有し、検出手段として、電流検出回路9a、9b、9c、9dと、加算回路14a、14b、14c、14dと、差動回路13a、13bと、位相回路10bと、同期検波回路15a、15bと、フィルタ回路16a、16bとを有し、また各回路の動作基準電位を設定するための基準電位回路12を有する。   FIG. 5 is a block diagram illustrating a vibration gyro circuit according to an embodiment of the present invention. The driving means includes a current detection circuit 9e, a phase circuit 10a, and an AGC circuit 11 (auto gain control circuit), and the detection means includes current detection circuits 9a, 9b, 9c, and 9d, and addition circuits 14a and 14b. , 14c, 14d, differential circuits 13a, 13b, phase circuit 10b, synchronous detection circuits 15a, 15b, and filter circuits 16a, 16b, and a reference for setting the operation reference potential of each circuit A potential circuit 12 is included.

Xモードの周波数で、駆動電極5aおよび5bを駆動するには、駆動状態を一定に保つためのAGC回路11の出力を駆動電極5aおよび5bに接続し、電流検出回路9eを基準電位電極7aおよび7bに接続する。電流検出回路9eの仮想接地の効果により、基準電位電極7aおよび7bの電位は、基準電位に固定され、駆動電極5aおよび5bと基準電位電極7aおよび7bの間に駆動電圧を印加することが可能となる。   In order to drive the drive electrodes 5a and 5b at the frequency of the X mode, the output of the AGC circuit 11 for keeping the drive state constant is connected to the drive electrodes 5a and 5b, and the current detection circuit 9e is connected to the reference potential electrode 7a and Connect to 7b. Due to the virtual ground effect of the current detection circuit 9e, the potentials of the reference potential electrodes 7a and 7b are fixed to the reference potential, and a drive voltage can be applied between the drive electrodes 5a and 5b and the reference potential electrodes 7a and 7b. It becomes.

駆動電極5aおよび5bに流れる駆動電流は、電流検出回路9eで検出、移相回路10aで位相調整、AGC回路11で振幅調整され、駆動電極5aおよび5bに再び印加される。この閉ループにより、Xモードの共振周波数で自励発振させることができる。同時に、AGC回路11の出力は、移相回路10bを通り、同期検波回路15aおよび15bの参照信号として入力される。Xモードを自励発振させた状態で、Z軸回りの角速度を印加すると、Yモードの振動が発生する。Yモードの振動により、図2(b)に示す電荷が発生する。   The drive current flowing in the drive electrodes 5a and 5b is detected by the current detection circuit 9e, adjusted in phase by the phase shift circuit 10a, adjusted in amplitude by the AGC circuit 11, and applied again to the drive electrodes 5a and 5b. This closed loop enables self-excited oscillation at the X-mode resonance frequency. At the same time, the output of the AGC circuit 11 passes through the phase shift circuit 10b and is input as a reference signal for the synchronous detection circuits 15a and 15b. When an angular velocity about the Z axis is applied in a state where the X mode is self-excited, vibration in the Y mode occurs. The electric charge shown in FIG. 2B is generated by the vibration of the Y mode.

したがって、検出電極6aおよび6dと検出電極6bおよび6cには、互いに逆位相の電荷が発生する。検出電極6a〜6dには、電流検出回路9a〜9dがそれぞれ接続され、それぞれの信号が電圧に変換される。加算回路14aには、電流検出回路9aと9d、加算回路14bには、電流検出回路9bと9cが接続され、同相成分同士の信号を加え合わせる。加算回路14aと14bは、逆相の信号が出力されるため、差動回路13aで増幅することができ、同期検波回路15a、フィルタ回路16aによって、Z軸回りの角速度に比例した電気信号として取り出すことが可能となる。   Accordingly, charges of opposite phases are generated in the detection electrodes 6a and 6d and the detection electrodes 6b and 6c. Current detection circuits 9a to 9d are connected to the detection electrodes 6a to 6d, respectively, and each signal is converted into a voltage. Current detection circuits 9a and 9d are connected to the adder circuit 14a, and current detection circuits 9b and 9c are connected to the adder circuit 14b to add together the signals of the in-phase components. Since the adder circuits 14a and 14b output signals of opposite phases, they can be amplified by the differential circuit 13a and taken out by the synchronous detection circuit 15a and the filter circuit 16a as electric signals proportional to the angular velocity around the Z axis. It becomes possible.

同様に、Y軸回りの角速度を印加すると、Zモードの振動が発生する。Zモードの振動により、図2(c)のような電荷が発生する。したがって、検出電極6aおよび6cと検出電極6bおよび6dには、互いに逆位相の電荷が発生する。加算回路14cには、電流検出回路9aと9c、加算回路14dには、電流検出回路9bと9dが接続され、同相成分同士の信号を加え合わせる。加算回路14cと14dは、逆相の信号が出力されるため、差動回路13bで増幅することができ、同期検波回路15b、フィルタ回路16bによって、Y軸回りの角速度に比例した電気信号として取り出すことが可能となる。   Similarly, when an angular velocity about the Y axis is applied, vibration in the Z mode occurs. Charges as shown in FIG. 2C are generated by the vibration of the Z mode. Accordingly, charges of opposite phases are generated in the detection electrodes 6a and 6c and the detection electrodes 6b and 6d. Current detection circuits 9a and 9c are connected to the adder circuit 14c, and current detection circuits 9b and 9d are connected to the adder circuit 14d, and the signals of the in-phase components are added together. The adder circuits 14c and 14d output a signal having a reverse phase, so that they can be amplified by the differential circuit 13b and taken out by the synchronous detection circuit 15b and the filter circuit 16b as electric signals proportional to the angular velocity around the Y axis. It becomes possible.

また、Yモードによる発生電荷は、加算回路14c、14dによって、相殺され、Zモードによる発生電荷は、加算回路14a、14bによって、相殺される。したがって、フィルタ回路16aの出力は、Z軸回りのみの角速度に比例した出力、フィルタ回路16bの出力は、Y軸回りのみの回転角速度に比例した出力が得られる。すなわち、本実施の形態による振動ジャイロは、Y軸およびZ軸の2軸の角速度検出が可能な角速度センサとして機能する。   Further, the generated charge due to the Y mode is canceled by the adding circuits 14c and 14d, and the generated charge due to the Z mode is canceled by the adding circuits 14a and 14b. Therefore, the output of the filter circuit 16a is an output proportional to the angular velocity only around the Z axis, and the output of the filter circuit 16b is an output proportional to the rotational angular velocity only around the Y axis. That is, the vibration gyro according to the present embodiment functions as an angular velocity sensor capable of detecting the two-axis angular velocities of the Y axis and the Z axis.

前述の通り、駆動モードの振動が少ない、枠体2で支持できるので、駆動モードの振動を阻害することなく、安定な支持特性が得られる。そして、センサ出力が安定化し、出力ドリフトも低減する。また、枠体2の全周を支持できるので、振動子1に衝撃が加わっても、力を分散でき、耐衝撃性の高い構造となる。さらに、振動子1の平面内の直交する2軸の回転角速度の検出が可能となるので、駆動回路や検出回路および外部端子等の共通部分を共有することができる。加えて、枠体2を支持固定することができるため、実装が容易で、生産性も高くなる。   As described above, since the frame 2 can support the drive mode with less vibration, stable support characteristics can be obtained without inhibiting the drive mode. And a sensor output is stabilized and an output drift is also reduced. Further, since the entire circumference of the frame body 2 can be supported, even if an impact is applied to the vibrator 1, the force can be dispersed and a structure having high impact resistance is obtained. Furthermore, since it is possible to detect the rotational angular velocities of two orthogonal axes in the plane of the vibrator 1, common parts such as a drive circuit, a detection circuit, and an external terminal can be shared. In addition, since the frame body 2 can be supported and fixed, mounting is easy and productivity is increased.

製造工程においては、圧電単結晶のウエハ上に複数個の前記振動ジャイロ用素子を同時に形成し、枠体2同士が接合した状態であっても、特性を検査することが容易となる。また振動子を1つずつ切り出すことなく、振動特性の検査、周波数調整、バランス調整を行うこともでき、容易に検査、調整可能で、後工程の歩留まりも改善できる。   In the manufacturing process, even when a plurality of vibrating gyro elements are simultaneously formed on a piezoelectric single crystal wafer and the frame bodies 2 are joined together, it is easy to inspect the characteristics. In addition, vibration characteristics can be inspected, frequency adjustment, and balance adjustment can be performed without cutting out the vibrators one by one, which can be easily inspected and adjusted, and the yield of subsequent processes can be improved.

本実施の形態では、ニオブ酸リチウムの圧電単結晶板を利用しているが、タンタル酸リチウム、水晶、ランガサイト、酸化亜鉛、PZT、圧電薄膜等でも、本発明により、有用な振動ジャイロを構成できる。   In this embodiment, a lithium niobate piezoelectric single crystal plate is used. However, a useful vibrating gyroscope is constituted by lithium tantalate, quartz, langasite, zinc oxide, PZT, piezoelectric thin film, and the like. it can.

本実施の形態は、圧電性を利用した振動ジャイロであるが、駆動、検出方法の一部または全部を、電磁誘導の利用や静電力を利用したトランスジューサ、或いは、電極間の容量変化による変位検出によって置換えても良い。   This embodiment is a vibrating gyroscope that uses piezoelectricity, but some or all of the drive and detection methods are based on the use of electromagnetic induction, a transducer that uses electrostatic force, or displacement detection due to capacitance change between electrodes. May be replaced by

前述のごとく、本発明によれば、評価や実装等が容易で生産性が良く、出力ドリフトが小さく、安定した出力が得られ、さらに、外部からの衝撃に対しても堅牢で且つ、2軸の角速度の検出が可能である安価な振動ジャイロを提供できる。   As described above, according to the present invention, evaluation, mounting, etc. are easy, productivity is good, output drift is small, stable output is obtained, and robust against external impacts. It is possible to provide an inexpensive vibration gyro capable of detecting the angular velocity.

本発明の一実施の形態での振動ジャイロの振動モードを示す図。図1(a)、図1(b)、図1(c)は未動作時の変形前の状態を示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図1(d)、図1(e)、図1(f)はXモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図1(g)、図1(h)、図1(i)はYモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図であり、図1(j)、図1(k)、図1(l)はZモードを示し、それぞれ、斜視図、正面図、平面図。The figure which shows the vibration mode of the vibration gyro in one embodiment of this invention. 1 (a), 1 (b), and 1 (c) show a state before deformation when not operating, and are a perspective view, a front view, and a plan view, respectively, and FIG. 1 (d) and FIG. (E), FIG.1 (f) shows X mode, and are a perspective view, a front view, and a top view, respectively, FIG.1 (g), FIG.1 (h), FIG.1 (i) shows Y mode. FIG. 1 (j), FIG. 1 (k), and FIG. 1 (l) show a Z mode, respectively, and are a perspective view, a front view, and a plan view, respectively. 電荷の分布を示す模式図。図2(a)はXモードでの電荷の分布を示す模式図、図2(b)はYモードでの電荷の分布を示す模式図、図2(c)はZモードでの電荷の分布を示す模式図。The schematic diagram which shows distribution of an electric charge. 2A is a schematic diagram showing the charge distribution in the X mode, FIG. 2B is a schematic diagram showing the charge distribution in the Y mode, and FIG. 2C is the charge distribution in the Z mode. FIG. 本発明の一実施の形態での振動ジャイロ用振動子を示す上面図。1 is a top view showing a vibrator for a vibrating gyroscope according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態での結晶方位を示す図。The figure which shows the crystal orientation in one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態での振動ジャイロの回路を示すブロック図。The block diagram which shows the circuit of the vibration gyro in one embodiment of this invention. 従来の振動ジャイロ用素子を示す斜視図。The perspective view which shows the element for conventional vibration gyroscopes.

符号の説明Explanation of symbols

1,111 振動子
2 枠体
3a〜3h ビーム
4a〜4d 付加質量部
5a、5b 駆動電極
6a〜6d 検出電極
7a〜7h 基準電位電極
9a〜9e 電流検出回路
10a、10b 移相回路
11 AGC回路
12 基準電位回路
13a、13b 差動回路
14a、14b、14c、14d 加算回路
15a、15b 同期検波回路
16a、16b フィルタ回路
111a、111b、111c、111d、112 振動体
113 圧電素子
116 電極
121、122、123、124 切り欠き
N1、N2 ノード軸
1,111 Vibrator 2 Frames 3a to 3h Beams 4a to 4d Additional mass portions 5a and 5b Drive electrodes 6a to 6d Detection electrodes 7a to 7h Reference potential electrodes 9a to 9e Current detection circuits 10a and 10b Phase shift circuit 11 AGC circuit 12 Reference potential circuit 13a, 13b Differential circuit 14a, 14b, 14c, 14d Adder circuit 15a, 15b Synchronous detection circuit 16a, 16b Filter circuit 111a, 111b, 111c, 111d, 112 Vibrating body 113 Piezoelectric element 116 Electrodes 121, 122, 123 , 124 Notch N1, N2 Node axis

Claims (3)

平面内に形成された、4つの付加質量部4a、4b、4c、4dが時計回りに配置され、前記付加質量部と同一平面内に形成された、4つの柱状のビーム3a、3b、3c、3dの一端が、前記付加質量部4a、4b、4c、4dに、それぞれ接続され、
前記ビーム3a、3dの前記付加質量部に接続されない他端同士および前記ビーム3b、3cの前記付加質量部に接続されない他端同士がそれぞれ接続され、
前記付加質量部と同一平面内に形成された、2つの柱状のビーム3e、3fの一端が、それぞれ前記ビーム3a、3dの接続部および前記ビーム3b、3cの接続部に接続され、
前記ビーム3e、3fでの前記ビーム3a、3b、3c、3dには接続されない他端同士を接続した構造を有する振動子を用いる振動ジャイロであって、
2つの同位相の付加質量部4a、4cと2つの同位相の付加質量部4b、4dとが互いに逆位相で振動し且つ付加質量部4a、4b、4c、4dを形成した平面と垂直な面外方向に振動する駆動モードの駆動手段と、
付加質量部4a、4bの重心間の中点および付加質量部4c、4dの重心間の中点を通る第1の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段と、
付加質量部4a、4dの重心間の中点および付加質量部4b、4cの重心間の中点を通り、前記第1の軸に直交する第2の軸に平行な軸回りの角速度によって生じるコリオリ力による変位の検出手段とを備え、
前記付加質量部4a、4b、4c、4dおよび前記ビーム3a、3b、3c、3d、3e、3fの配置がその配置面内で前記第2の軸に関して略対称な構造を有し且つ前記第1の軸に関して非対称な構造を有し、
前記第1の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、2つの同位相のビーム3a、3cと、2つの同位相のビーム3b、3dとが互いに逆位相で振動し且つ前記第2の軸方向に屈曲振動する第1の検出モードを用い、
前記第2の軸と平行な軸回りの角速度の検出には、2つの同位相のビーム3a、3dと、2つの同位相のビーム3b、3cとが互いに逆位相で振動し且つ前記第2の軸方向に屈曲振動する第2の検出モードを用いたことを特徴とする振動ジャイロ。
Four additional mass portions 4a, 4b, 4c, 4d formed in a plane are arranged clockwise, and four columnar beams 3a, 3b, 3c, formed in the same plane as the additional mass portion, One end of 3d is connected to each of the additional mass portions 4a, 4b, 4c, 4d,
The other ends of the beams 3a and 3d not connected to the additional mass part and the other ends of the beams 3b and 3c not connected to the additional mass part are connected, respectively.
One end of two columnar beams 3e and 3f formed in the same plane as the additional mass part is connected to the connection part of the beams 3a and 3d and the connection part of the beams 3b and 3c, respectively.
A vibrating gyroscope using a vibrator having a structure in which the other ends of the beams 3e and 3f that are not connected to the beams 3a, 3b, 3c, and 3d are connected to each other;
A plane perpendicular to the plane in which the two in-phase additional mass portions 4a, 4c and the two in-phase additional mass portions 4b, 4d vibrate in opposite phases and form the additional mass portions 4a, 4b, 4c, 4d Drive means in a drive mode that vibrates outward;
Means for detecting displacement due to Coriolis force generated by an angular velocity about an axis parallel to the first axis passing through the midpoint between the centroids of the additional mass portions 4a and 4b and the midpoint between the centroids of the additional mass portions 4c and 4d;
Coriolis produced by an angular velocity around an axis parallel to a second axis perpendicular to the first axis passing through a midpoint between the centroids of the additional mass units 4a and 4d and a midpoint between the centroids of the additional mass units 4b and 4c. A means for detecting displacement by force,
The arrangement of the additional mass portions 4a, 4b, 4c, 4d and the beams 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f has a substantially symmetric structure with respect to the second axis in the arrangement plane, and the first Having an asymmetric structure with respect to the axis of
For detection of angular velocity around an axis parallel to the first axis, the two in-phase beams 3a and 3c and the two in-phase beams 3b and 3d vibrate in opposite phases and the second Using the first detection mode that flexes and vibrates in the axial direction,
For detection of angular velocity around an axis parallel to the second axis, the two in-phase beams 3a and 3d and the two in-phase beams 3b and 3c vibrate in mutually opposite phases and the second A vibration gyro using a second detection mode in which bending vibration is generated in an axial direction.
請求項1記載の振動ジャイロにおいて、
前記付加質量部と同一平面内に形成された2つの柱状のビーム3g、3hの一端が、いずれも前記ビーム3eとビーム3fの接続部に接続され、且つ前記付加質量部を形成した平面と垂直で前記第2の軸を通る平面に関して略対称に配置され、
前記振動子の外周部には前記付加質量部と略同一平面内に枠体が形成され、前記ビーム3g、3hの他端は前記枠体に接続され、前記枠体を介して、前記振動子が支持されたことを特徴とする振動ジャイロ。
The vibrating gyroscope according to claim 1,
One end of each of the two columnar beams 3g and 3h formed in the same plane as the additional mass portion is connected to the connection portion between the beam 3e and the beam 3f, and is perpendicular to the plane on which the additional mass portion is formed. Arranged substantially symmetrically with respect to a plane passing through the second axis,
A frame body is formed on the outer peripheral portion of the vibrator in substantially the same plane as the additional mass section, and the other ends of the beams 3g and 3h are connected to the frame body, and the vibrator is passed through the frame body. A vibrating gyroscope characterized by being supported.
請求項1または2記載の振動ジャイロにおいて、
前記振動子が圧電単結晶板で一体的に形成されてなることを特徴とする振動ジャイロ。
The vibrating gyroscope according to claim 1 or 2,
A vibratory gyro, wherein the vibrator is integrally formed of a piezoelectric single crystal plate.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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