JP3942762B2

JP3942762B2 - Vibrator, vibratory gyroscope, linear accelerometer and measuring method of rotational angular velocity

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Publication number: JP3942762B2
Application number: JP03257199A
Authority: JP
Inventors: 菊池　　尊行; 庄作郷治; 幸久大杉; 隆雄相馬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2019-02-10
Also published as: JPH11325917A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転系内の回転角速度を検出するために使用される角速度センサに用いられる振動子、振動型ジャイロスコープ、直線加速度計、および回転角速度の測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、回転系内の回転角速度を検出するための角速度センサとして、圧電体を用いた振動型ジャイロスコープが、航空機や船舶、宇宙衛星などの位置の確認用として利用されてきた。最近では、民生用の分野としてカーナビゲーションや、ＶＴＲやスチルカメラの手振れの検出などに使用されている。
【０００３】
このような圧電振動型ジャイロスコープは、振動している物体に角速度が加わると、その振動と直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そして、その原理は力学的モデルで解析される（例えば、「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１〜４９７頁）。そして、圧電型振動ジャイロスコープとしては、これまでに種々のものが提案されている。例えば、スペリー音叉型ジャイロスコープ、ワトソン音叉型ジャイロスコープ、正三角柱型音片ジャイロスコープ、円筒型音片ジャイロスコープ等が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
こうした振動型ジャイロスコープにおいては、円盤形状の振動子を使用したものが、例えば、米国特許第５５４００９４号公報に開示されている。この特許においては、円盤形状の平板状の振動子に対して、例えば４つのノード（節）を持つ駆動振動を励起し、この振動子に対して垂直な回転軸を中心とする回転を振動子に加え、振動子に励起される検出振動の振幅を検出している。ここで励起される検出振動も４つのノード（節）を有している。
【０００５】
しかし、こうした振動子においては、感度は必ずしも高くなかった。また、駆動振動に付随して発生する種々のノイズの中に検出振動が含まれてしまい、検出振動の振幅の寄与を検出信号から正確に分離することが困難であり、この観点からも感度が低く、また信号／雑音比率が低かった。
【０００６】
また、本発明者は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用することを検討した。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。
【０００７】
従来の圧電振動型ジャイロスコープは、ほとんどの場合、振動子を回転軸に対して平行に配置（いわゆる縦置き）しなければ、回転角速度を検出することができない。しかし、通常、測定したい回転系の回転軸は、装着部に対して垂直である。従って、このような圧電振動型ジャイロスコープを実装する際、圧電振動型ジャイロスコープの低背化を達成すること、即ち、振動型ジャイロスコープを回転軸方向に見たときの寸法を減少させることができなかった。
【０００８】
本発明の課題は、感度が高く、Ｓ／Ｎ比が良好な、新しい原理に基づく振動型ジャイロスコープおよび振動子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る振動子は、環状振動系とその内側の基部とが連結部により連結され、さらに基部より環状振動系に向かって突出する他の振動系を備えていることを特徴とする、振動子。備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、回転系の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、前記の振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段であって、環状振動系と他の振動系との一方に設けられている励振手段と、振動子の回転によって振動子に発生した検出振動を検出する検出手段であって、環状振動系と他の振動系との他方に設けられている検出手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記振動子を用いて回転系の回転角速度を検出する方法であって、環状振動系と他の振動系との一方に励振手段を設け、環状振動系と他の振動系との他方に検出手段を設け、励振手段によって振動子に駆動振動を励振し、振動子の回転によって振動子に発生した検出振動を、検出手段によって検出することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、直線加速度を検出するための直線加速度計であって、前記振動子と、この振動子に直線加速度が加わったときに振動子に加わるニュートンの力による振動子の変形を検出するための検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明者は、振動型ジャイロスコープに使用できる振動子の振動原理について基礎研究を行ってきたが、この過程で、まったく新しい原理に基づく振動子および振動型ジャイロスコープを開発することに成功した。
【００１４】
即ち、環状振動系と、この環状振動系とは独立して振動する他の振動系と、環状振動系と他の振動系とを連結する連結部とを設けることによって、環状振動系の振動と他の振動系との振動を独立させ、これらの一方に駆動振動を励振し、他方に検出振動を励振することを想到した。例えば、環状振動系に駆動振動を励振したとき、ある回転軸を考えたときに、この回転軸を中心として回転していない時（回転角速度が０のとき）には、他の振動系が実質的に振動しないようにする。回転時には、環状振動系内において、駆動振動に対応してコリオリ力が作用し、この結果、振動子に検出振動が励振される。この検出振動のうち、他の振動系内に現れる検出振動成分のみを検出する。
【００１５】
このとき、検出振動系が実質的に振動しないとは、例えば駆動振動を励起したときの検出振動系の振動の振幅が、駆動振動の最大振幅の１／１０００以下である場合を含む。
【００１６】
従来の振動型ジャイロスコープにおいては、いずれも駆動振動アームの駆動振動が、何らかの形で検出アームにも歪みとして影響を及ぼし、検出信号にノイズを発生させていた。また、円盤状振動子を使用していた前記の従来技術においても、駆動振動による円盤状振動子の歪みのために、検出振動の感度低下、Ｓ／Ｎ比低下を招いていた。本発明によれば、このような、検出信号に不可避的に発生していたノイズを、抑制ないし防止することができる。この点で、本発明は、振動型ジャイロスコープに内在していた根本的な問題点を解決したものである。
【００１７】
本発明においては、環状振動系と他の振動系とが、所定面内に延びていることが特に好ましい。これは厳密に幾何学的意味で所定面内に延びていることを言うものではなく、本技術分野において常識的な値、即ち、厚さにして１ｍｍ以下の範囲内に環状振動系と他の振動系とが形成されていることを意味する。この際、環状振動系および他の振動系以外の部分は、所定面から突出することもありえるが、振動子の全体が所定面内に形成されていることが好ましい。
【００１８】
環状振動系とは、完全に円環状であることを意味しておらず、幾何学的には閉曲線をなしておればよい。しかし、この閉曲線は、楕円形状、真円形状であることが好ましい。また、環状振動系の振動の重心が、振動子の全体の重心上か、またはその近傍（振動子の全体の重心から直径１ｍｍの円内）に存在していることが好ましい。これによって、環状振動系における駆動振動が互いに相殺し合い、検出振動を検出するための他の振動系に対する駆動振動の影響が一層小さくなる。
【００１９】
本発明の一実施形態では、他の振動系が、環状振動系の内側に設けられている内側振動系を含み、この内側振動系は、環状振動系に連結されている基部と、振動子の重心から見たときに基部の外周縁部から環状振動系に向かって延びている屈曲振動片とを備えている。この場合には、環状振動系と屈曲振動片との一方に励振手段を設け、他方に検出手段を設ける。図１−図９は、この実施形態に係るものである。
【００２０】
図１（ａ）は、振動子１Ａを示す斜視図であり、図１（ｂ）は、振動子１Ａの駆動振動１Ｂを示す正面図であり、図２は、振動子１Ａの検出振動１Ｃを示す正面図である。図１、図２の実施形態では、所定面に対して垂直な回転軸Ｚを中心とする回転の回転角速度を検出する。
【００２１】
振動子１Ａの環状振動系２は、本例では円環形状をなしている。環状振動系２の内側に、例えば正方形状の基部３Ａが設けられており、基部３Ａの相対向する二片に、それぞれ直線状の細長い屈曲振動片５Ａ、５Ｂが設けられている。基部３Ａと環状振動系２とは、連結部４Ａ、４Ｂによって連結されている。この結果、環状振動系２の内側に中空部６Ａ、６Ｂが形成されている。Ｏは、回転軸Ｚと振動子の所定面との交点（回転中心）である。ＧＯは振動子の全体の重心（非振動時）であり、ＧＤは駆動振動の重心である。３ａは基部３の外周縁部である。
【００２２】
図１（ｂ）に示すように、環状振動系２に駆動振動を励振する。ここで、２ｃ、２ｇの振幅が小さく、２ａ、２ｂ、２ｈがＡＹのように屈曲し、２ｄ、２ｅ、２ｆもこれと同様にＡＹのように屈曲する。振動子１Ａに対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、図２に示す検出振動１Ｃが励振される。ここで例えば２ａ、２ｅの部分はＢＸのように逆位相で振動する。これに応じて、各屈曲振動片５Ａ、５Ｂには、所定面内の屈曲振動成分ＣＸが励振される。ＣＸによる歪みを、公知の手段によって、電気信号として検出する。
【００２３】
このような振動子および振動型ジャイロスコープによれば、振動子の駆動振動および検出のための振動が、いずれも所定面内で行われ、振動子が回転軸に対して交差する方向に延びるように、振動子を設置した場合にも、振動子から回転軸の方向に向かって一定重量の突出部を設けることなく、十分に高い感度で回転角速度を検出できる。なお、これは後述する各振動子においても、回転軸Ｚを中心とする回転の角速度を検出する場合に当てはまる。
【００２４】
基部から環状振動系へと向かって突出する屈曲振動片は、一つであっても良いが、複数あることが好ましく、複数の屈曲振動片が、振動子の重心ＧＯを中心として回転対称の位置にあることが特に好ましい。例えば、図１、図２においては、屈曲振動片５Ａ、５Ｂが、振動子の重心ＧＯを中心として二回対称の位置に設けられている。
【００２５】
ここで、各屈曲振動片が重心ＧＯを中心として回転対称の位置にあるとは、重心ＧＯを中心として、問題とする複数の屈曲振動片が、それぞれ所定面内で同じ所定角度離れている状態を意味する。従って、一つの屈曲振動片について、ＧＯを中心として、所定面内で所定角度回転させる操作を行うと、他の屈曲振動片の位置に位置する。例えば、図１においては、屈曲振動片５Ａと５Ｂとは、１８０°離れているので、屈曲振動片５Ａを１８０°回転させる操作を行うと、屈曲振動片５Ｂの位置にくる。回転対称は、具体的には２回対称、３回対称、４回対称であることが好ましい。
【００２６】
駆動振動の重心ＧＤは、振動子の全体の重心ＧＯ上か、または重心ＧＯの近傍（振動子の全体の重心から直径１ｍｍの円内）に存在していることが好ましい。これによって、環状振動系における駆動振動が互いに相殺し合い、内側振動系に対する駆動振動の影響が一層小さくなる。
【００２７】
なお、現実の振動型ジャイロスコープにおいては、回転軸と所定面とが直交しておらず、交差していることがある。この場合にも、所定面に垂直な回転軸Ｚを中心とする回転成分の角速度について、前記の検出方法は有効である。しかし、所定面と実際の回転軸との交差角度が大きくなり過ぎると、測定感度が低下するので、所定面と回転軸とがなす角度は、６０−１２０度とすることが好ましく、８５−９５度とすることが好ましく、直交していることが一層好ましい。
【００２８】
また、図１においては、回転中心（回転軸と所定面との交点）Ｏが、振動子の重心ＧＯおよび駆動振動の全体の重心ＧＤと一致しているが、必ずしもその必要はない。なぜなら、回転中心Ｏが振動子の重心ＧＯとは一致していない場合も、更には回転中心Ｏが振動子の外部に位置している場合も、基本的に本願発明の振動子は有用であり、本発明の振動型ジャイロスコープに使用できるからである。
【００２９】
この理由を述べる。振動子が回転しているときに、回転中心Ｏと振動子の重心ＧＯとが一致していない場合の振動子の各部分の変位速度は、回転中心Ｏが振動子の重心ＧＯと一致している場合の振動子の各部分の変位速度（回転による振動子の各部分の変位速度）と、振動子の各部分の並進運動による変位速度とのベクトル和となる。そして、振動子の各部分の並進運動による変位速度については、コリオリ力は働かないので、振動型ジャイロスコープによって検出することなく消去できるからである。
【００３０】
ここで、一般的に、本発明の振動子の材質等について述べる。
本発明の振動子の全体を、同一の圧電単結晶によって形成することができる。この場合には、まず圧電単結晶の薄板を作製し、この薄板をエッチング、研削により加工することによって、振動子を作製できる。振動子の各部分は、別の部材によってそれぞれ形成することもできるが、一体で構成することが好ましい。
【００３１】
平板形状の材料、例えば水晶等の圧電単結晶の平板状の材料から、エッチングプロセスによって振動子を形成する場合には、振動子の各屈曲振動片等の各構成片に特定形状の突起、例えば細長い突起が生成することがある。このような突起は、厳密には設計時に予定された振動子の対称性を低下させる原因となる。しかし、この突起は存在していても良く、突起の高さは小さい方が好ましいが、突起の高さが振動子の構成片の幅の１／５以下であれば一般に問題なく使用できる。他の製造上の原因による突起以外の非対称部分が振動子に存在する場合にも同様である。
【００３２】
なお、このように突起などが振動子に存在する場合には、エッチング加工後に、この突起の一部をレーザー加工等によって削除することによって、または振動子の突起以外の部分をレーザー加工等によって削除することによって、調整できる。これによって、環状振動系の重心、屈曲振動片の重心、駆動振動の重心、検出振動の重心の各位置を調整し、これらが、振動子の全体の重心ＧＯの近傍領域内に位置するようにできる。
【００３３】
振動子の材質は特に限定するものでないが、水晶、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ₃）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶等からなる圧電単結晶を使用することが好ましい。
【００３４】
前記した単結晶の中では、ＬｉＮｂＯ₃単結晶、ＬｉＴａＯ₃単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶が、電気機械結合係数が特に大きい。また、ＬｉＮｂＯ₃単結晶とＬｉＴａＯ₃単結晶とを比較すると、ＬｉＴａＯ₃単結晶の方がＬｉＮｂＯ₃単結晶よりも電気機械的結合係数が一層大きく、かつ温度安定性も一層良好である。
【００３５】
圧電単結晶を使用すると、検出感度を良好にすることができるとともに、検出ノイズを小さくできる。しかも、圧電単結晶を使用すると、温度変化に対して特に鈍感な振動子を作製でき、このような振動子は、温度安定性を必要とする車載用として好適である。この点について更に説明する。
【００３６】
音叉型の振動子を使用した角速度センサとしては、例えば特開平８−１２８８３３号公報に記載された圧電振動型ジャイロスコープがある。しかし、こうした振動子においては、振動子が２つの方向に向かって振動する。このため、振動子を特に圧電単結晶によって形成した場合には、圧電単結晶の２方向の特性を合わせる必要がある。しかし、現実には圧電単結晶には異方性がある。
【００３７】
一般に圧電振動型ジャイロスコープでは、測定感度を良好にするために、駆動の振動モードの固有共振周波数と検出の振動モードの固有共振周波数との間に、一定の振動周波数差を保つことが要求されている。しかし、圧電単結晶は異方性を持っており、結晶面が変化すると、振動周波数の温度変化の度合いが異なる。例えば、ある特定の結晶面に沿って切断した場合には、振動周波数の温度変化がほとんどないが、別の結晶面に沿って切断した場合には、振動周波数が温度変化に敏感に反応する。従って、振動子が２つの方向に向かって振動すると、２つの振動面のうち少なくとも一方の面は、振動周波数の温度変化が大きい結晶面になる。
【００３８】
従って、振動子の全体を所定面内で振動するようにし、かつ振動子を圧電単結晶によって形成した場合には、単結晶の最も温度特性の良い結晶面のみを振動子において利用できるようになった。
【００３９】
即ち、この場合には、振動子の全体が所定平面内で振動するように設計されていることから、圧電単結晶のうち振動周波数の温度変化がほとんどない結晶面のみを利用して、振動子を製造することができる。これによって、きわめて温度安定性の高い振動型ジャイロスコープを提供できる。
【００４０】
本発明の振動子を圧電性材料によって形成した場合には、この振動子に駆動電極および検出電極を設ける。圧電性材料としては、圧電単結晶の他に、ＰＺＴ等の圧電セラミックスがある。
【００４１】
また、本発明の振動子を、エリンバー等の恒弾性金属によって形成することもできる。この場合には、振動子の所定箇所に圧電体を取り付ける必要がある。
【００４２】
本発明の振動子は、圧電材料や恒弾性合金の他に、シリコンマイクロマシンにおいて使用されるように、シリコン半導体プロセスによって形成することもできる。この場合には、振動子を駆動する際には、静電力等を利用する。
【００４３】
具体的には静電検出電極を利用できる。また、静電検出電極のかわりに、特定の金属がドープされた半導体ドーピング領域を設け、この半導体ドーピング領域によってピエゾ抵抗素子を構成できる。この場合には、振動子が回転するときに、各屈曲振動片の各ピエゾ抵抗素子に加わる応力による抵抗値の変化を測定し、回転角速度の指標として検出する。
【００４４】
図３は、振動子１１Ａ（駆動振動）を示す斜視図であり、図４は、図３の振動子の検出振動１１Ｂを示す斜視図である。図３、図４の実施形態では、軸Ｚを中心とする回転の回転角速度成分を検出する。
【００４５】
振動子１１Ａの環状振動系１２は、本例では曲折形状をなしている。環状振動系１２の内側に基部３Ａが設けられており、基部３Ａの相対向する二片に、それぞれ直線状の細長い屈曲振動片５Ａ、５Ｂが設けられており、各屈曲振動片の先端側に重量部９が設けられている。基部３Ａと環状振動系１２とは、連結部４Ａ、４Ｂによって連結されている。この結果、環状振動系１２の内側に中空部６Ｃ、６Ｄが形成されている。
【００４６】
連結部４Ａ、４Ｂの先端側には、それぞれ屈曲振動片１２ｂ、１２ｃ、１２ｇ、１２ｆが設けられており、これらの各屈曲振動片は、各連結部に対してほぼ直交している。７は、環状振動系と連結部との接続部分を示す。これらの各屈曲振動片は、更に屈曲振動片１２ａ、１２ｈ、１２ｄ、１２ｅによって互いに連結されている。１０は、各屈曲振動片の接続部分を示している。
【００４７】
図３に示すように、環状振動系１２に駆動振動ＡＸ、Ｄを励振する。ここで、各屈曲振動片１２ｂと１２ｃとの一組、１２ｆと１２ｇとの一組は、それそれ、ＡＸのように互いに順位相で屈曲振動する。この振動の結果、Ｄで示す振動が引き起こされる。
【００４８】
この振動子に対して、回転軸Ｚを中心とする回転成分を加えると、図４に示す検出振動１１Ｂが励振される。連結部４Ａ、４Ｂは、矢印ＢＹで示すように、互いに逆位相で振動する。これに応じて、各屈曲振動片５Ａ、５Ｂには、所定面内の屈曲振動成分ＣＸが励振される。
【００４９】
図５−図７の実施形態においては、図１−図４で説明したプロセスに加えて、更に、所定面に対して平行な回転軸ＸまたはＹを中心とする回転の回転角速度を検出できる。この際には、回転軸ＸまたはＹを中心とする回転に応じて振動子２１Ａに加わるコリオリ力によって励起される検出振動のうち、所定面に対して垂直な面垂直振動成分を検出する必要がある。また、この場合には、同じ振動子を使用して、回転軸Ｘを中心とする回転の回転角速度成分と、回転軸Ｙを中心とする回転の回転角速度成分との双方を検出できる。
【００５０】
図５は、振動子２１Ａを示す斜視図である。振動子２１Ａの環状振動系２２は円環形状をなしている。環状振動系２２の内側に例えば正方形状の基部３Ａが設けられており、基部３Ａの四片に、それぞれ直線状の細長い屈曲振動片５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄが設けられている。基部３Ａと環状振動系２２とは、例えば４列の連結部４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆによって連結されている。この結果、環状振動系２２の内側に中空部６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、６Ｈが形成されている。
【００５１】
図６（ａ）に示すように、環状振動系２２に駆動振動２１Ｂを励振する。この駆動振動においては、２２ａ、２２ｅがＡＹのように振動し、２２ｃ、２２ｇがＡＸのように振動し、２２ｂ、２２ｄ、２２ｆ、２２ｈがノードとなる。振動子２１Ａに対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、図６（ｂ）に示す検出振動２１Ｃが励振される。即ち、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、ＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。これに応じて、各屈曲振動片５Ａ、５Ｂには、所定面内の屈曲振動成分ＣＸが励振される。また、各屈曲振動片５Ｃ、５Ｄには、所定面内の屈曲振動成分ＣＹが励振される。振動ＣＸ、ＣＹによる歪みを、電気信号として検出する。
【００５２】
また、振動子２１Ａに対して、図７（ａ）に示すように、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、検出振動２１Ｄが励振される。即ち、図６（ａ）に示す駆動振動２１Ｂのうち、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹはこの回転に対して中立的であり、Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じてコリオリ力が作用する。この結果、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、環状振動系２２の特に２２ｃ、２２ｇ付近に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振され、これに応じて、屈曲振動片５Ｃ、５ＤにＺ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。振動ＦＺによる歪みを、電気信号として検出する。
【００５３】
図７の例では、Ｙ軸を中心とする回転の角速度を検出したが、この系では、Ｘ軸とＹ軸とは等価であるので、Ｘ軸を中心とする回転成分の角速度を測定することもできる。また，Ｘ軸を中心とする回転成分の角速度と、Ｙ軸を中心とする回転成分の角速度とを、同じ振動子によって測定できる。
【００５４】
図８、９の実施形態においては、所定面に対して平行な回転軸Ｙを中心とする回転の回転角速度を検出できる。図８（ａ）は、振動子３１Ａを示す斜視図であり、図８（ｂ）は、振動子３１Ａの駆動振動３１Ｂを示す正面図であり、図９（ａ）は、振動子３１Ａの検出振動３１Ｃを示す斜視図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の上面図である。
【００５５】
振動子３１Ａの環状振動系２は円環形状をなしている。環状振動系２の内側に、例えば正方形状の基部３Ａが設けられている。基部３Ａの相対向する二辺の各端部に、それぞれ直線状の細長い屈曲振動片５Ｅ、５Ｆ、５Ｇ、５Ｈが設けられている。
【００５６】
図８（ｂ）に示すように、環状振動系２の各部分をＡＸ、ＡＹのように振動させる。振動子３１Ａに対して、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、図９（ｂ）に示す検出振動３１Ｃが励振される。即ち、駆動振動３１Ｂのうち、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹはこの回転に対して中立的であり、Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じてコリオリ力が作用する。この結果、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、環状振動系２に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振され、これに応じて、屈曲振動片５Ｅ、５Ｆ，５Ｇ、５ＨにＺ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。基部の同じ辺上にある各屈曲振動片の振動の位相は逆相になる。
【００５７】
本発明の他の実施形態においては、内側振動系が平板状振動系からなり、この平板状振動系に駆動振動を励振するか、あるいは平板状振動系に検出振動を励起させる。この場合には、平板状振動系を第二の環状振動系とすることができ、この場合には第二の環状振動系は屈曲振動する。あるいは、平板状振動系を盤状振動体とすることができ、この場合は盤状振動体は伸縮振動する。
【００５８】
また、環状振動系に、振動子の重心から見たときに環状振動系の外周縁部から径方向へと向かって延びている屈曲振動片、および／または、環状振動系の内周縁部から振動子の重心へと向かって延びている屈曲振動片を設けることができる。こうした屈曲振動片は、振動子の重心を中心として互いに回転対称の位置に設けることが好ましい。この「回転対称」については、前述したとおりである。
【００５９】
図１０は、振動子４１を示す正面図である。振動子４１の環状振動系４２は円環形状をなしている。環状振動系４２の内側に、円盤形状の平板状振動系１４が設けられている。平板状振動系１４と環状振動系４２とは、例えば４列の連結部４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆによって連結されており、環状振動系４２の内側に中空部６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ、６Ｈが形成されている。環状振動系４２の内側へと向かって延びるように、４本の屈曲振動片１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄが形成されている。各屈曲振動片は、振動子の重心ＧＯを中心として４回の回転対称の位置にある。
【００６０】
本例では、平板状振動系１４を駆動振動体として使用している。即ち、平板状振動系１４にＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。この駆動振動においては、例えば円盤状振動体１４を周方向に４分割したときに、各領域１６Ａ、１６ＣをＹ軸方向に振動させ、各領域１６Ｂ、１６ＤをＸ軸方向に振動させる。各領域の境界がノードとなる。平板状振動系１４の振動は伸縮振動となる。
【００６１】
振動子４１に対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、図１１に示すように、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、平板状振動系１４にＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。図１０に示す領域１６Ａ−１６Ｄを４５度回転させた位置に相当する各領域１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄの各境界付近にノードが現れる。これに応じて、各屈曲振動片１５Ａ、１５Ｃには、所定面内の屈曲振動成分ＣＸが励振され、各屈曲振動片１５Ｂ、１５Ｄには、所定面内の屈曲振動成分ＣＹが励振される。振動ＣＸ、ＣＹによる歪みを、電気信号として検出する。
【００６２】
また、振動子４１に対して、図１２に示すように、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、これに応じて検出振動が励振される。即ち、図１０に示す駆動振動のうち、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹは、この回転に対して中立的であり、Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じてコリオリ力が作用する。この結果、図１２に示すように、平板状振動系１４のうち、Ｘ方向の駆動振動成分ＡＸの振幅が大きかった領域に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振され、これに応じて、屈曲振動片１５Ｂ、１５ＤにＺ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。
【００６３】
図１２の例では、Ｙ軸を中心とする回転の角速度を検出したが、この系では、屈曲振動片１５Ａ、１５Ｂに現れる振動成分を検出することによって、Ｘ軸を中心とする回転成分の角速度を検出できる。また，Ｘ軸を中心とする回転成分の角速度と、Ｙ軸を中心とする回転成分の角速度とを、同じ振動子によって測定できる。
【００６４】
図１３は、振動子５１を示す正面図である。振動子５１の環状振動系４２、連結部４Ａ−４Ｄ、屈曲振動片１５Ａ−１５Ｄの形態およびその動作は、図１０−図１２に示したものと同じである。
【００６５】
本実施形態においては、第二の環状振動系２４を駆動振動体として使用している。即ち、第二の環状振動系２４に、ＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。この駆動振動は、各連結部との接続部分を始点とする屈曲振動となる。振動子５１に対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、第二の環状振動系２４に、ＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。
【００６６】
これに応じて、各屈曲振動片１５Ａ、１５Ｃには、所定面内の屈曲振動成分ＣＸが励振され、各屈曲振動片１５Ｂ、１５Ｄには、所定面内の屈曲振動成分ＣＹが励振される。
【００６７】
また、振動子５１に対して、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、環状振動系２４のうち、Ｘ方向の駆動振動成分ＡＸの振幅が大きかった領域に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振される。これに応じて、屈曲振動片１５Ｃ、１５ＤにＺ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。
【００６８】
図１４は、振動子６１を示す正面図である。振動子６１の環状振動系４２、連結部４Ａ−４Ｄ、平板状振動系１４の形態およびその動作は、図１０−図１２に示したものと同じである。
【００６９】
本実施形態においては、屈曲振動片１５Ｅ、１５Ｆ、１５Ｇ、１５Ｈを、それぞれ、振動子の重心ＧＯから離れる方向へと向かって延びるように形成する。これらの屈曲振動片の動作は、前述した屈曲振動片１５Ａ−１５Ｄと同じである。
【００７０】
なお、図１０−図１４のような各実施形態において、環状振動系の外側と内側との双方に屈曲振動片を設けることもできる。また、各屈曲振動片の位置と個数とは、種々変更できるが、２−４個設け、かつ重心ＧＯを中心として２−４回対称の位置に設けることが特に好ましい。
【００７１】
本発明においては、屈曲振動片を用いず、前記した環状振動系において、または前記した第二の環状振動系や平板状振動系において、検出振動を検出することができる。図１５−図２０は、この実施形態に係るものである。
【００７２】
図１５は、振動子７１を示す正面図である。振動子７１の環状振動系１９は円環形状をなしている。環状振動系１９の内側に、円盤形状の平板状振動系１４が設けられている。平板状振動系１４と環状振動系１９とは、例えば４列の連結部４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆによって連結されている。
【００７３】
本例では、平板状振動系１４にＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。振動子４１に対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、図１６に示すように、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、平板状振動系１４に、ＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。これに応じて、環状振動系１９には、所定面内の屈曲振動成分ＣＸと、所定面内の屈曲振動成分ＣＹとが励振される。この際、所定面内の屈曲振動成分ＣＸ、ＣＹは、いずれも、環状振動系がその長さ方向（周方向）へと向かって伸縮する伸縮振動として現れる。
【００７４】
振動子７１に対して、図１７に示すように、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、図１５に示す駆動振動のうち、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹは、この回転に対して中立的である。Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じて、振動子にコリオリ力が作用する。この結果、図１７に示すように、平板状振動系１４のうち、Ｘ方向の駆動振動成分ＡＸの振幅が大きかった領域に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振される。これに応じて、環状振動系１９には、Ｚ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。このＦＺの振動は、環状振動系の屈曲振動となるので、伸縮振動よりも感度が高い可能性がある。むろん、この方法によって、Ｘ軸を中心とする回転成分の角速度を検出することもできる。
【００７５】
図１８は、振動子８１を示す正面図である。振動子８１の環状振動系１９、連結部４Ａ−４Ｄの形態およびその動作は、図１５−図１７に示したものと同じである。ただし、本例では第二の環状振動系２４を駆動振動体として使用している。即ち、第二の環状振動系２４に、ＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。この駆動振動は、各連結部との接続部分を始点とする屈曲振動となる。
【００７６】
また、外側の環状振動系に駆動振動を励振し、内側振動系、特に平板状振動系において検出振動を検出することができる。図１９は、この実施形態にも係るものである。
【００７７】
即ち、環状振動系１９に、ＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。この駆動振動は、各連結部との接続部分を始点とする屈曲振動となる。振動子９１に対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、環状振動系１９に、ＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。これに応じて、第二の環状振動系２４には、所定面内の屈曲振動成分ＣＸ、ＣＹが励振される。
【００７８】
また、振動子９１に対して、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、駆動振動成分のうち、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹは、この回転に対して中立的であり、Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じてコリオリ力が作用する。この結果、環状振動系１９のうち、Ｘ方向の駆動振動成分ＡＸの振幅が大きかった領域に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振され、これに応じて、環状振動系２４に、Ｚ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。
【００７９】
本発明においては、環状振動系を３つ以上設けることができる。この場合には、いずれの環状振動系に駆動振動を励振してもよいが、少なくとも駆動振動を励振していない環状振動系において検出振動を検出する必要がある。環状振動系の個数の上限は特に限定されないが、製造上の観点からは４個以下とすることが好ましい。
【００８０】
この際、特に好ましくは、検出振動を行う環状振動系を２以上設け、各環状振動系において、それぞれ異なる軸を中心とする回転成分の角速度を検出することができる。これによって、同じ振動子を使用して、相異なる軸を中心とする回転成分の角速度を検出することができ、しかも、各角速度の値のＳ／Ｎ比を一層向上させることかできる。
【００８１】
この場合には、Ｘ軸またはＹ軸を中心とする回転成分の角速度を、一つの環状振動系において検出し、Ｚ軸を中心とする回転成分の角速度を、これとは別の環状振動系において検出することができる。更には、３つの環状振動系において、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸をそれぞれ中心とする各回転成分の角速度をそれぞれ別個に検出することができる。図２０は、三つの環状振動系を有する振動子に係るものである。
【００８２】
振動子１０１は、環状振動系１９と、第二の環状振動系２４と、外側環状振動系３４とを備えている。環状振動系１９、２４、３４は、例えば円環形状をなしている。環状振動系１９と第二の環状振動系２４とは、例えば４列の連結部４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆによって連結されている。環状振動系１９と外側環状振動系３４とは、例えば４列の連結部４Ｇ、４Ｈ、４Ｉ、４Ｊによって連結されており、これらの間に中空部６Ｉ、６Ｊ、６Ｋ、６Ｌが形成されている。
【００８３】
本例では、環状振動系１９に、ＡＸ、ＡＹで示すような駆動振動を励振する。振動子１０１に対して、回転軸Ｚを中心とする回転を加えると、駆動振動の振動方向とは直交する方向に向かってコリオリ力が働き、環状振動系１９に、ＢＸ、ＢＹのように振動が現れる。これに応じて、環状振動系２４には、所定面内の屈曲振動成分ＣＸと、所定面内の屈曲振動成分ＣＹとが励振される。外側の環状振動系３４には、所定面内の屈曲振動成分ＣＸと、所定面内の屈曲振動成分ＣＹとが励振される。
【００８４】
振動子１０１に対して、回転軸Ｙを中心とする回転を加えると、Ｙ軸方向の振動成分ＡＹは、この回転に対して中立的である。Ｘ軸方向の振動成分ＡＸに応じて、振動子にコリオリ力が作用する。この結果、環状振動系１９のうち、Ｘ方向の駆動振動成分ＡＸの振幅が大きかった領域に、ＥＺで示すＺ軸方向の振動成分が励振される。これに応じて、第二の環状振動系２４と外側の環状振動系３４には、それぞれ、Ｚ軸方向の検出振動成分ＦＺが励振される。
【００８５】
そして、例えば内側の第二の環状振動系２４において、Ｚ軸を中心とする回転成分の角速度を検出し、外側の環状振動系３４において、Ｘ軸および／またはＹ軸を中心とする回転成分の角速度を検出する。
【００８６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、感度が高く、Ｓ／Ｎ比が良好な、新しい原理に基づく振動型ジャイロスコープおよび振動子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、振動子１Ａを示す斜視図であり、（ｂ）は、振動子１Ａの駆動振動１Ｂを示す正面図である。
【図２】振動子１Ａの検出振動１Ｃを示す正面図である。
【図３】振動子１１Ａの駆動振動の状態を示す斜視図である。
【図４】振動子１１Ａの検出振動１１Ｂを示す斜視図である。
【図５】振動子２１Ａを示す斜視図である。
【図６】（ａ）は、振動子２１Ａの駆動振動２１Ｂを示す正面図であり、（ｂ）は、振動子２１Ａの検出振動２１Ｃを示す正面図である。
【図７】（ａ）は、振動子２１Ａの検出振動２１Ｄを示す斜視図であり、（ｂ）は検出振動２１Ｄの上面図である。
【図８】（ａ）は、振動子３１Ａを示す斜視図であり、（ｂ）は、振動子３１Ａの駆動振動３１Ｂを示す正面図である。
【図９】（ａ）は、振動子３１Ａの検出振動３１Ｃを示す斜視図であり、（ｂ）は検出振動３１Ｃの上面図である。
【図１０】振動子４１およびその駆動振動を示す正面図である。
【図１１】振動子４１をＺ軸を中心として回転させたときの検出振動を示す正面図である。
【図１２】振動子４１をＹ軸を中心として回転させたときの検出振動を示す正面図である。
【図１３】振動子５１およびその動作状態を説明するための正面図である。
【図１４】振動子６１およびその動作状態を説明するための正面図である。
【図１５】振動子７１およびその駆動振動を示す正面図である。
【図１６】振動子７１をＺ軸を中心として回転させたときの検出振動を示す正面図である。
【図１７】振動子７１をＹ軸を中心として回転させたときの検出振動を示す正面図である。
【図１８】振動子８１およびその動作状態を説明するための正面図である。
【図１９】振動子９１およびその動作状態を説明するための正面図である。
【図２０】振動子１０１およびその動作状態を説明するための正面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１１Ａ、２１Ａ、３１Ａ、４１、５１、６１、７１、８１、９１、１０１振動子，１Ｂ、１１Ｂ、２１Ａ、３１Ｂ駆動振動，１Ｃ、１１Ｂ、２１Ｃ、３１Ｃ検出振動，２、１２、１９、２２、４２環状振動系，３Ａ基部，４Ａ−４Ｊ連結部，５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆ、５Ｇ、５Ｈ基部から突出する屈曲振動片，１４平板状振動系（円盤状振動体），１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ環状振動系から重心ＧＯの方へと向かって延びる屈曲振動片，１５Ｅ、１５Ｆ、１５Ｇ、１５Ｈ環状振動系から外側へと向かって延びる屈曲振動片，２４平板状振動系（円環形状の振動体），３４外側環状振動系，ＡＸ駆動振動のうちＸ軸方向の振動成分，ＡＹ駆動振動のうちＹ軸方向の振動成分，ＢＸＺ軸を中心とする回転成分によって駆動振動系に引き起こされた振動のＸ軸方向の成分，ＢＹＺ軸を中心とする回転成分によって駆動振動系に引き起こされた振動のＹ軸方向の成分，ＣＸＺ軸を中心とする回転成分による検出振動のうちＸ軸方向の成分，ＣＹＺ軸を中心とする回転成分による検出振動のうちＹ軸方向の成分，ＥＺＹ軸を中心とする回転成分によって駆動振動系に引き起こされた振動のＺ軸方向の成分，ＦＺＹ軸を中心とする回転成分によって検出振動系に引き起こされた振動のＺ軸方向の成分，Ｏ回転中心，ＧＤ駆動振動の重心，ＧＯ振動子の全体の重心[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vibrator, a vibratory gyroscope, a linear accelerometer, and a method for measuring a rotational angular velocity used in an angular velocity sensor used for detecting a rotational angular velocity in a rotating system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as an angular velocity sensor for detecting a rotational angular velocity in a rotating system, a vibratory gyroscope using a piezoelectric body has been used for confirming the position of an aircraft, a ship, a space satellite, or the like. Recently, it is used as a consumer field for car navigation, detection of camera shake of a VTR or a still camera, and the like.
[0003]
Such a piezoelectric vibrating gyroscope utilizes the fact that when an angular velocity is applied to a vibrating object, a Coriolis force is generated in a direction perpendicular to the vibration. The principle is analyzed by a mechanical model (for example, “Acoustic wave device technology handbook”, Ohm, pages 491 to 497). Various piezoelectric vibratory gyroscopes have been proposed so far. For example, Sperry tuning fork type gyroscope, Watson tuning fork type gyroscope, equilateral triangular prism type piece gyroscope, cylindrical type piece gyroscope, etc. are known.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As such a vibration type gyroscope, one using a disk-shaped vibrator is disclosed in, for example, US Pat. No. 5,554,0094. In this patent, a drive vibration having, for example, four nodes is excited with respect to a disk-shaped flat vibrator, and rotation about a rotation axis perpendicular to the vibrator is caused to vibrate. In addition, the amplitude of the detected vibration excited by the vibrator is detected. The detected vibration excited here also has four nodes.
[0005]
However, the sensitivity of such a vibrator is not necessarily high. In addition, the detection vibration is included in various noises generated along with the drive vibration, and it is difficult to accurately separate the contribution of the amplitude of the detection vibration from the detection signal. Low and signal / noise ratio was low.
[0006]
In addition, the inventor has been studying various applications of the vibratory gyroscope. For example, the inventor has examined the use of the vibratory gyroscope as a rotational speed sensor used in a vehicle control method of a vehicle body rotational speed feedback type of an automobile. . In such a system, the direction of the steering wheel itself is detected by the rotation angle of the steering wheel. At the same time, the rotational speed at which the vehicle body is actually rotating is detected by the vibration gyroscope. Then, the direction of the steering wheel is compared with the actual rotational speed of the vehicle body to obtain a difference, and based on this difference, correction is made to the wheel torque and the steering angle, thereby realizing stable vehicle body control.
[0007]
In most cases, the conventional piezoelectric vibration type gyroscope cannot detect the rotational angular velocity unless the vibrator is arranged parallel to the rotation axis (so-called vertical placement). However, usually, the rotation axis of the rotating system to be measured is perpendicular to the mounting portion. Therefore, when mounting such a piezoelectric vibratory gyroscope, it is possible to achieve a low profile of the piezoelectric vibratory gyroscope, that is, to reduce the size when the vibratory gyroscope is viewed in the rotation axis direction. could not.
[0008]
An object of the present invention is to provide a vibratory gyroscope and a vibrator based on a new principle with high sensitivity and good S / N ratio.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The vibrator according to the present invention includes an annular vibration system and The inner base is connected by a connecting part, and another vibration system that protrudes from the base toward the annular vibration system A vibrator characterized by comprising. It is characterized by having.
[0010]
The present invention also relates to a vibratory gyroscope for detecting a rotational angular velocity of a rotary system, the vibrator and excitation means for exciting a drive vibration with respect to the vibrator, and an annular vibration system Excitation means provided in one of the vibration system and the other vibration system, and detection means for detecting the detection vibration generated in the vibrator due to the rotation of the vibrator, the other of the annular vibration system and the other vibration system And provided detection means.
[0011]
The present invention is also a method for detecting a rotational angular velocity of a rotating system using the vibrator, wherein an excitation means is provided in one of the annular vibration system and the other vibration system, and the annular vibration system and the other vibration system are provided. And a detecting means provided on the other side of the vibrator to excite the driving vibration in the vibrator by the exciting means, and the detecting means detects the detected vibration generated in the vibrator by the rotation of the vibrator.
[0012]
The present invention is also a linear accelerometer for detecting linear acceleration, wherein the transducer and deformation of the transducer due to Newton's force applied to the transducer when linear acceleration is applied to the transducer are detected. And a detecting means for doing so.
[0013]
The present inventor has conducted basic research on the vibration principle of a vibrator that can be used in a vibratory gyroscope. In this process, the inventors have succeeded in developing a vibrator and a vibratory gyroscope based on a completely new principle.
[0014]
That is, by providing an annular vibration system, another vibration system that vibrates independently of the annular vibration system, and a connecting portion that connects the annular vibration system and another vibration system, It was conceived that vibrations with other vibration systems were made independent, driving vibrations were excited on one of them, and detection vibrations were excited on the other. For example, when driving vibration is excited in an annular vibration system, when a certain rotation axis is considered and the rotation is not centered on this rotation axis (when the rotation angular velocity is 0), the other vibration system is substantially Avoid vibration. During rotation, a Coriolis force acts in response to the drive vibration in the annular vibration system, and as a result, the detection vibration is excited in the vibrator. Of this detected vibration, only detected vibration components appearing in other vibration systems are detected.
[0015]
At this time, the fact that the detection vibration system does not substantially vibrate includes, for example, the case where the vibration amplitude of the detection vibration system when the drive vibration is excited is 1/1000 or less of the maximum amplitude of the drive vibration.
[0016]
In all of the conventional vibration type gyroscopes, the drive vibration of the drive vibration arm has some sort of influence on the detection arm as distortion, and noise is generated in the detection signal. Also in the above-described conventional technique using the disk-shaped vibrator, the sensitivity of the detected vibration and the S / N ratio are lowered due to the distortion of the disk-shaped vibrator due to the drive vibration. According to the present invention, such noise inevitably generated in the detection signal can be suppressed or prevented. In this respect, the present invention solves the fundamental problem inherent in the vibration type gyroscope.
[0017]
In the present invention, it is particularly preferable that the annular vibration system and the other vibration system extend in a predetermined plane. This does not mean that it extends in a predetermined plane in a strict geometric sense, but is a common sense value in this technical field, that is, within a range of 1 mm or less in thickness, an annular vibration system and other This means that a vibration system is formed. At this time, the portions other than the annular vibration system and other vibration systems may protrude from the predetermined plane, but it is preferable that the entire vibrator is formed within the predetermined plane.
[0018]
An annular vibration system does not mean that it is completely annular, and it only needs to form a closed curve geometrically. However, it is preferable that the closed curve has an elliptical shape or a perfect circular shape. Further, it is preferable that the center of gravity of the vibration of the annular vibration system exists on the whole center of gravity of the vibrator or in the vicinity thereof (in a circle having a diameter of 1 mm from the whole center of gravity of the vibrator). As a result, the drive vibrations in the annular vibration system cancel each other, and the influence of the drive vibration on other vibration systems for detecting the detected vibration is further reduced.
[0019]
In one embodiment of the present invention, the other vibration system includes an inner vibration system provided inside the annular vibration system, and the inner vibration system includes a base connected to the annular vibration system, and a vibrator. A bending vibration piece extending from the outer peripheral edge of the base toward the annular vibration system when viewed from the center of gravity. In this case, excitation means is provided on one of the annular vibration system and the bending vibration piece, and detection means is provided on the other. 1 to 9 relate to this embodiment.
[0020]
1A is a perspective view showing the vibrator 1A, FIG. 1B is a front view showing the drive vibration 1B of the vibrator 1A, and FIG. 2 shows the detected vibration 1C of the vibrator 1A. FIG. In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the rotational angular velocity of rotation about the rotation axis Z perpendicular to the predetermined plane is detected.
[0021]
The annular vibration system 2 of the vibrator 1A has an annular shape in this example. For example, a square base portion 3A is provided inside the annular vibration system 2, and linear elongated slender bending vibration pieces 5A and 5B are provided on two opposing pieces of the base portion 3A, respectively. The base 3A and the annular vibration system 2 are connected by connecting portions 4A and 4B. As a result, hollow portions 6A and 6B are formed inside the annular vibration system 2. O is an intersection (rotation center) between the rotation axis Z and a predetermined plane of the vibrator. GO is the center of gravity of the entire vibrator (when not vibrating), and GD is the center of gravity of the drive vibration. 3 a is an outer peripheral edge of the base 3.
[0022]
As shown in FIG. 1B, drive vibration is excited in the annular vibration system 2. Here, the amplitudes of 2c and 2g are small, 2a, 2b and 2h are bent like AY, and 2d, 2e and 2f are bent similarly to AY. When rotation about the rotation axis Z is applied to the vibrator 1A, detection vibration 1C shown in FIG. 2 is excited. Here, for example, the portions 2a and 2e vibrate in opposite phases like BX. In response to this, a bending vibration component CX within a predetermined plane is excited in each of the bending vibration pieces 5A and 5B. Distortion due to CX is detected as an electrical signal by a known means.
[0023]
According to such a vibrator and a vibratory gyroscope, both the drive vibration of the vibrator and the vibration for detection are performed within a predetermined plane so that the vibrator extends in a direction intersecting the rotation axis. In addition, even when the vibrator is installed, the rotational angular velocity can be detected with sufficiently high sensitivity without providing a protrusion having a constant weight from the vibrator toward the rotation axis. This also applies to the case of detecting the angular velocity of rotation about the rotation axis Z in each transducer described later.
[0024]
The number of flexural vibration pieces protruding from the base toward the annular vibration system may be one, but it is preferable that there are a plurality of flexural vibration pieces, and the plurality of flexural vibration pieces are rotationally symmetric positions around the center of gravity GO of the vibrator. It is particularly preferable that For example, in FIGS. 1 and 2, the bending vibration pieces 5 A and 5 B are provided at two-fold symmetrical positions about the center of gravity GO of the vibrator.
[0025]
Here, the fact that each bending vibration piece is in a rotationally symmetric position about the center of gravity GO means that the plurality of problem bending vibration pieces are separated from each other by the same predetermined angle within a predetermined plane about the center of gravity GO. Means. Therefore, when an operation is performed to rotate one bending vibration piece by a predetermined angle within a predetermined plane with GO as the center, the bending vibration piece is positioned at the position of the other bending vibration piece. For example, in FIG. 1, since the bending vibration pieces 5A and 5B are separated from each other by 180 °, when the operation of rotating the bending vibration piece 5A by 180 ° is performed, the bending vibration pieces 5A and 5B come to the position of the bending vibration piece 5B. Specifically, the rotational symmetry is preferably a 2-fold symmetry, 3-fold symmetry, or 4-fold symmetry.
[0026]
The center of gravity GD of the drive vibration is preferably present on the entire center of gravity GO of the vibrator or in the vicinity of the center of gravity GO (in a circle having a diameter of 1 mm from the center of gravity of the whole vibrator). As a result, the drive vibrations in the annular vibration system cancel each other, and the influence of the drive vibration on the inner vibration system is further reduced.
[0027]
In an actual vibratory gyroscope, the rotation axis and the predetermined plane are not orthogonal to each other and may intersect. Also in this case, the detection method described above is effective for the angular velocity of the rotation component centered on the rotation axis Z perpendicular to the predetermined plane. However, if the angle of intersection between the predetermined surface and the actual rotation axis becomes too large, the measurement sensitivity decreases. Therefore, the angle formed between the predetermined surface and the rotation axis is preferably 60-120 degrees, and 85-95. It is preferable to set the angle, and it is more preferable that they are orthogonal.
[0028]
In FIG. 1, the rotation center (intersection of the rotation axis and the predetermined surface) O coincides with the center of gravity GO of the vibrator and the entire center of gravity GD of the drive vibration, but this is not always necessary. This is because the vibrator of the present invention is basically useful even when the rotation center O does not coincide with the center of gravity GO of the vibrator, and even when the rotation center O is located outside the vibrator. This is because it can be used for the vibratory gyroscope of the present invention.
[0029]
The reason is described. When the vibrator is rotating, the displacement speed of each part of the vibrator when the center of rotation O and the center of gravity GO of the vibrator do not coincide with each other is such that the center of rotation O coincides with the center of gravity GO of the vibrator. This is the vector sum of the displacement speed of each part of the vibrator (the displacement speed of each part of the vibrator due to rotation) and the displacement speed due to the translational motion of each part of the vibrator. This is because the Coriolis force does not act on the displacement speed due to the translational motion of each part of the vibrator, and can be eliminated without being detected by the vibratory gyroscope.
[0030]
Here, the material of the vibrator of the present invention will be generally described.
The entire vibrator of the present invention can be formed of the same piezoelectric single crystal. In this case, first, a piezoelectric single crystal thin plate is prepared, and the thin plate is processed by etching and grinding, whereby a vibrator can be manufactured. Each part of the vibrator can be formed by a separate member, but it is preferable to form the part integrally.
[0031]
When a vibrator is formed from a flat plate material, for example, a piezoelectric single crystal flat plate material such as quartz, by an etching process, a protrusion having a specific shape on each constituent piece such as each bending vibration piece of the vibrator, for example, An elongated protrusion may be generated. Strictly speaking, such protrusions cause a decrease in the symmetry of the vibrator planned at the time of design. However, this protrusion may be present, and it is preferable that the height of the protrusion is small. However, if the height of the protrusion is 1/5 or less of the width of the constituent piece of the vibrator, it can be generally used without any problem. The same applies to the case where an asymmetric part other than the protrusion due to other manufacturing causes exists in the vibrator.
[0032]
In addition, when a projection or the like is present on the vibrator as described above, a part of the projection is deleted by laser processing or the like after etching, or a portion other than the projection of the vibrator is deleted by laser processing or the like. Can be adjusted. As a result, the positions of the center of gravity of the annular vibration system, the center of gravity of the flexural vibration piece, the center of gravity of the drive vibration, and the center of gravity of the detected vibration are adjusted so that they are located in the vicinity of the entire center of gravity GO of the vibrator. it can.
[0033]
The material of the vibrator is not particularly limited, but crystal, LiNbO _Three LiTaO _Three Lithium niobate-lithium tantalate solid solution (Li (Nb, Ta) O _Three It is preferable to use a piezoelectric single crystal made of a single crystal, a lithium borate single crystal, a langasite single crystal, or the like.
[0034]
Among the single crystals described above, LiNbO _Three Single crystal, LiTaO _Three The single crystal, lithium niobate-lithium tantalate solid solution single crystal has a particularly large electromechanical coupling coefficient. LiNbO _Three Single crystal and LiTaO _Three Compared with single crystal, LiTaO _Three Single crystal is LiNbO _Three The electromechanical coupling coefficient is larger than that of the single crystal, and the temperature stability is better.
[0035]
When a piezoelectric single crystal is used, detection sensitivity can be improved and detection noise can be reduced. In addition, when a piezoelectric single crystal is used, a vibrator that is particularly insensitive to temperature changes can be manufactured, and such a vibrator is suitable for in-vehicle use that requires temperature stability. This point will be further described.
[0036]
As an angular velocity sensor using a tuning fork type vibrator, for example, there is a piezoelectric vibration type gyroscope described in JP-A-8-128833. However, in such a vibrator, the vibrator vibrates in two directions. For this reason, when the vibrator is formed of a piezoelectric single crystal, it is necessary to match the characteristics of the two directions of the piezoelectric single crystal. However, in reality, the piezoelectric single crystal has anisotropy.
[0037]
In general, a piezoelectric vibration type gyroscope is required to maintain a certain vibration frequency difference between the natural resonance frequency of the driving vibration mode and the natural resonance frequency of the detection vibration mode in order to improve measurement sensitivity. ing. However, the piezoelectric single crystal has anisotropy, and when the crystal plane changes, the degree of temperature change of the vibration frequency differs. For example, when cutting along a specific crystal plane, there is almost no change in temperature of the vibration frequency, but when cutting along another crystal plane, the vibration frequency responds sensitively to temperature change. Therefore, when the vibrator vibrates in two directions, at least one of the two vibration surfaces becomes a crystal surface with a large temperature change of vibration frequency.
[0038]
Therefore, when the entire vibrator is vibrated in a predetermined plane and the vibrator is formed of a piezoelectric single crystal, only the crystal plane having the best temperature characteristics of the single crystal can be used in the vibrator. It was.
[0039]
That is, in this case, since the entire vibrator is designed to vibrate within a predetermined plane, only the crystal plane of the piezoelectric single crystal that has almost no change in temperature of the vibration frequency is used. Can be manufactured. As a result, a vibratory gyroscope with extremely high temperature stability can be provided.
[0040]
When the vibrator of the present invention is formed of a piezoelectric material, the vibrator is provided with a drive electrode and a detection electrode. Examples of the piezoelectric material include piezoelectric ceramics such as PZT in addition to the piezoelectric single crystal.
[0041]
Further, the vibrator of the present invention can be formed of a constant elastic metal such as Elinvar. In this case, it is necessary to attach a piezoelectric body to a predetermined portion of the vibrator.
[0042]
The vibrator of the present invention can be formed by a silicon semiconductor process so as to be used in a silicon micromachine in addition to a piezoelectric material and a constant elastic alloy. In this case, electrostatic force or the like is used when driving the vibrator.
[0043]
Specifically, an electrostatic detection electrode can be used. Further, instead of the electrostatic detection electrode, a semiconductor doping region doped with a specific metal is provided, and a piezoresistive element can be configured by this semiconductor doping region. In this case, when the vibrator rotates, a change in resistance value due to stress applied to each piezoresistive element of each bending vibration piece is measured and detected as an index of the rotational angular velocity.
[0044]
FIG. 3 is a perspective view showing the vibrator 11A (drive vibration), and FIG. 4 is a perspective view showing the detected vibration 11B of the vibrator of FIG. In the embodiment of FIGS. 3 and 4, the rotational angular velocity component of rotation about the axis Z is detected.
[0045]
The annular vibration system 12 of the vibrator 11A has a bent shape in this example. A base portion 3A is provided inside the annular vibration system 12, and two linearly elongated bending vibration pieces 5A and 5B are provided on the two opposing pieces of the base portion 3A, respectively, on the tip side of each bending vibration piece. A weight part 9 is provided. The base 3A and the annular vibration system 12 are connected by connecting portions 4A and 4B. As a result, hollow portions 6 C and 6 D are formed inside the annular vibration system 12.
[0046]
Bending vibration pieces 12b, 12c, 12g, and 12f are provided on the distal ends of the connecting portions 4A and 4B, respectively, and these bending vibrating pieces are substantially orthogonal to the respective connecting portions. Reference numeral 7 denotes a connecting portion between the annular vibration system and the connecting portion. These bending vibration pieces are further connected to each other by bending vibration pieces 12a, 12h, 12d, and 12e. Reference numeral 10 denotes a connecting portion of each bending vibration piece.
[0047]
As shown in FIG. 3, drive vibrations AX and D are excited in the annular vibration system 12. Here, one set of each of the bending vibration pieces 12b and 12c and one set of 12f and 12g vibrate and vibrate in the order of each other like AX. As a result of this vibration, a vibration indicated by D is caused.
[0048]
When a rotational component centered on the rotational axis Z is added to this vibrator, a detection vibration 11B shown in FIG. 4 is excited. The connecting portions 4A and 4B vibrate in mutually opposite phases as indicated by arrows BY. In response to this, a bending vibration component CX within a predetermined plane is excited in each of the bending vibration pieces 5A and 5B.
[0049]
5-7, in addition to the processes described in FIGS. 1-4, the rotational angular velocity of rotation about the rotation axis X or Y parallel to the predetermined plane can be detected. At this time, it is necessary to detect a surface vertical vibration component perpendicular to a predetermined plane among detection vibrations excited by Coriolis force applied to the vibrator 21A according to rotation about the rotation axis X or Y. is there. In this case, both the rotational angular velocity component of rotation about the rotation axis X and the rotational angular velocity component of rotation about the rotation axis Y can be detected using the same vibrator.
[0050]
FIG. 5 is a perspective view showing the vibrator 21A. The annular vibration system 22 of the vibrator 21A has an annular shape. For example, a square base portion 3A is provided inside the annular vibration system 22, and linear elongated slender bending vibration pieces 5A, 5B, 5C, and 5D are provided on four pieces of the base portion 3A. The base 3A and the annular vibration system 22 are connected by, for example, four rows of connecting portions 4C, 4D, 4E, and 4F. As a result, hollow portions 6E, 6F, 6G, and 6H are formed inside the annular vibration system 22.
[0051]
As shown in FIG. 6A, drive vibration 21 B is excited in the annular vibration system 22. In this drive vibration, 22a and 22e vibrate like AY, 22c and 22g vibrate like AX, and 22b, 22d, 22f, and 22h become nodes. When rotation about the rotation axis Z is applied to the vibrator 21A, detection vibration 21C shown in FIG. 6B is excited. That is, the Coriolis force acts in a direction orthogonal to the vibration direction of the drive vibration, and vibration appears like BX and BY. In response to this, a bending vibration component CX within a predetermined plane is excited in each of the bending vibration pieces 5A and 5B. In addition, a bending vibration component CY within a predetermined plane is excited in each bending vibration piece 5C, 5D. Distortion due to vibrations CX and CY is detected as an electrical signal.
[0052]
Further, as shown in FIG. 7A, when the vibrator 21A is rotated about the rotation axis Y, the detection vibration 21D is excited. That is, in the drive vibration 21B shown in FIG. 6A, the vibration component AY in the Y-axis direction is neutral with respect to this rotation, and the Coriolis force acts according to the vibration component AX in the X-axis direction. As a result, as shown in FIGS. 7A and 7B, the vibration component in the Z-axis direction indicated by EZ is excited particularly in the vicinity of 22c and 22g of the annular vibration system 22, and the bending vibration piece is accordingly generated. The detected vibration component FZ in the Z-axis direction is excited in 5C and 5D. Distortion due to the vibration FZ is detected as an electrical signal.
[0053]
In the example of FIG. 7, the angular velocity of rotation about the Y axis is detected. However, in this system, the X axis and the Y axis are equivalent, so the angular velocity of the rotation component around the X axis is measured. You can also. Further, the angular velocity of the rotation component centered on the X axis and the angular velocity of the rotation component centered on the Y axis can be measured by the same vibrator.
[0054]
In the embodiment of FIGS. 8 and 9, the rotational angular velocity of rotation about the rotation axis Y parallel to the predetermined plane can be detected. 8A is a perspective view showing the vibrator 31A, FIG. 8B is a front view showing the drive vibration 31B of the vibrator 31A, and FIG. 9A is a detection of the vibrator 31A. It is a perspective view which shows the vibration 31C, FIG.9 (b) is a top view of Fig.9 (a).
[0055]
The annular vibration system 2 of the vibrator 31A has an annular shape. For example, a square base 3 A is provided inside the annular vibration system 2. Linear long and thin bending vibration pieces 5E, 5F, 5G, and 5H are provided at the ends of the two opposite sides of the base 3A.
[0056]
As shown in FIG. 8B, each part of the annular vibration system 2 is vibrated like AX and AY. When rotation about the rotation axis Y is applied to the vibrator 31A, detection vibration 31C shown in FIG. 9B is excited. That is, in the drive vibration 31B, the vibration component AY in the Y-axis direction is neutral with respect to this rotation, and a Coriolis force acts according to the vibration component AX in the X-axis direction. As a result, as shown in FIGS. 9A and 9B, the vibration component in the Z-axis direction indicated by EZ is excited in the annular vibration system 2, and the bending vibration pieces 5E, 5F, 5G, The detected vibration component FZ in the Z-axis direction is excited at 5H. The phase of the vibration of each bending vibration piece on the same side of the base is reversed.
[0057]
In another embodiment of the present invention, the inner vibration system is a plate-like vibration system, and drive vibration is excited in the plate-like vibration system or detection vibration is excited in the plate-like vibration system. In this case, the plate-like vibration system can be a second annular vibration system, and in this case, the second annular vibration system bends and vibrates. Alternatively, the plate-like vibration system can be a plate-like vibration body, and in this case, the plate-like vibration body vibrates and expands.
[0058]
In addition, when viewed from the center of gravity of the vibrator, the annular vibration system vibrates from the bending vibration piece extending radially from the outer peripheral edge of the annular vibration system and / or from the inner peripheral edge of the annular vibration system. A flexural vibration piece extending toward the center of gravity of the child can be provided. Such bending vibration pieces are preferably provided at rotationally symmetric positions around the center of gravity of the vibrator. This “rotation symmetry” is as described above.
[0059]
FIG. 10 is a front view showing the vibrator 41. The annular vibration system 42 of the vibrator 41 has an annular shape. A disc-shaped flat plate-like vibration system 14 is provided inside the annular vibration system 42. The plate-like vibration system 14 and the annular vibration system 42 are connected by, for example, four rows of connecting portions 4C, 4D, 4E, and 4F, and hollow portions 6E, 6F, 6G, and 6H are formed inside the annular vibration system 42. Has been. Four bending vibration pieces 15A, 15B, 15C, and 15D are formed so as to extend toward the inside of the annular vibration system 42. Each bending vibration piece is in a rotationally symmetric position four times around the center of gravity GO of the vibrator.
[0060]
In this example, the flat plate vibration system 14 is used as a drive vibration body. That is, drive vibrations such as AX and AY are excited in the plate-like vibration system 14. In this drive vibration, for example, when the disk-shaped vibrating body 14 is divided into four in the circumferential direction, the regions 16A and 16C are vibrated in the Y-axis direction, and the regions 16B and 16D are vibrated in the X-axis direction. The boundary of each area becomes a node. The vibration of the flat vibration system 14 is a stretching vibration.
[0061]
When rotation about the rotation axis Z is applied to the vibrator 41, a Coriolis force acts in a direction orthogonal to the vibration direction of the drive vibration, as shown in FIG. Vibration appears like BX and BY. Nodes appear in the vicinity of the boundaries of the regions 17A, 17B, 17C, and 17D corresponding to positions obtained by rotating the regions 16A to 16D shown in FIG. 10 by 45 degrees. Accordingly, the flexural vibration component CX in the predetermined plane is excited in each of the flexural vibration pieces 15A and 15C, and the flexural vibration component CY in the predetermined plane is excited in each of the flexural vibration pieces 15B and 15D. Distortion due to vibrations CX and CY is detected as an electrical signal.
[0062]
Further, as shown in FIG. 12, when the vibrator 41 is rotated about the rotation axis Y, the detected vibration is excited accordingly. That is, among the drive vibrations shown in FIG. 10, the vibration component AY in the Y-axis direction is neutral with respect to this rotation, and the Coriolis force acts according to the vibration component AX in the X-axis direction. As a result, as shown in FIG. 12, the vibration component in the Z-axis direction indicated by EZ is excited in the region where the amplitude of the drive vibration component AX in the X direction is large in the plate-like vibration system 14, and accordingly, The detected vibration component FZ in the Z-axis direction is excited in the bending vibration pieces 15B and 15D.
[0063]
In the example of FIG. 12, the angular velocity of rotation about the Y axis is detected. However, in this system, the angular velocity of the rotational component about the X axis is detected by detecting the vibration component appearing in the bending vibration pieces 15A and 15B. Can be detected. Further, the angular velocity of the rotation component centered on the X axis and the angular velocity of the rotation component centered on the Y axis can be measured by the same vibrator.
[0064]
FIG. 13 is a front view showing the vibrator 51. The forms and operations of the annular vibration system 42, the connecting portions 4A-4D, and the bending vibration pieces 15A-15D of the vibrator 51 are the same as those shown in FIGS.
[0065]
In the present embodiment, the second annular vibration system 24 is used as a driving vibration body. That is, drive vibrations such as AX and AY are excited in the second annular vibration system 24. This driving vibration is bending vibration starting from a connection portion with each connecting portion. When rotation about the rotation axis Z is applied to the vibrator 51, Coriolis force acts in a direction orthogonal to the vibration direction of the drive vibration, and the second annular vibration system 24 has BX and BY. Vibration appears.
[0066]
Accordingly, the flexural vibration component CX in the predetermined plane is excited in each of the flexural vibration pieces 15A and 15C, and the flexural vibration component CY in the predetermined plane is excited in each of the flexural vibration pieces 15B and 15D.
[0067]
Further, when rotation about the rotation axis Y is applied to the vibrator 51, a region of the annular vibration system 24 in which the amplitude of the drive vibration component AX in the X direction is large is shown in the Z-axis direction indicated by EZ. The vibration component is excited. In response to this, the detected vibration component FZ in the Z-axis direction is excited in the bending vibration pieces 15C and 15D.
[0068]
FIG. 14 is a front view showing the vibrator 61. The form and operation of the annular vibration system 42, the connecting portion 4A-4D, and the plate-like vibration system 14 of the vibrator 61 are the same as those shown in FIGS.
[0069]
In the present embodiment, the bending vibration pieces 15E, 15F, 15G, and 15H are formed so as to extend in a direction away from the center of gravity GO of the vibrator. The operations of these bending vibration pieces are the same as those of the bending vibration pieces 15A-15D described above.
[0070]
In each embodiment as shown in FIGS. 10 to 14, bending vibration pieces can be provided on both the outside and the inside of the annular vibration system. The position and the number of each bending vibration piece can be variously changed, but it is particularly preferable to provide 2-4 pieces and to provide a position 2-4 times symmetrical about the center of gravity GO.
[0071]
In the present invention, the detection vibration can be detected in the above-described annular vibration system or in the above-described second annular vibration system or flat plate-like vibration system without using the bending vibration piece. 15 to 20 relate to this embodiment.
[0072]
FIG. 15 is a front view showing the vibrator 71. The annular vibration system 19 of the vibrator 71 has an annular shape. A disc-shaped flat plate-like vibration system 14 is provided inside the annular vibration system 19. The plate-like vibration system 14 and the annular vibration system 19 are connected by, for example, four rows of connecting portions 4C, 4D, 4E, and 4F.
[0073]
In this example, driving vibrations such as AX and AY are excited in the plate-like vibration system 14. When rotation about the rotation axis Z is applied to the vibrator 41, a Coriolis force acts in a direction orthogonal to the vibration direction of the drive vibration, as shown in FIG. , BX and BY appear as vibrations. In response to this, the annular vibration system 19 is excited by a bending vibration component CX in a predetermined plane and a bending vibration component CY in a predetermined plane. At this time, the flexural vibration components CX and CY in the predetermined plane both appear as expansion and contraction vibrations in which the annular vibration system expands and contracts in the length direction (circumferential direction).
[0074]
When the oscillator 71 is rotated about the rotation axis Y as shown in FIG. 17, the vibration component AY in the Y-axis direction of the drive vibration shown in FIG. 15 is neutral with respect to this rotation. Is. Coriolis force acts on the vibrator according to the vibration component AX in the X-axis direction. As a result, as shown in FIG. 17, the vibration component in the Z-axis direction indicated by EZ is excited in the region where the amplitude of the drive vibration component AX in the X direction is large in the planar vibration system 14. In response to this, the detected vibration component FZ in the Z-axis direction is excited in the annular vibration system 19. Since the vibration of FZ becomes a bending vibration of an annular vibration system, there is a possibility that the sensitivity is higher than the stretching vibration. Of course, the angular velocity of the rotational component around the X axis can also be detected by this method.
[0075]
FIG. 18 is a front view showing the vibrator 81. The form and operation of the annular vibration system 19 and the connecting portion 4A-4D of the vibrator 81 are the same as those shown in FIGS. However, in this example, the second annular vibration system 24 is used as a driving vibration body. That is, drive vibrations such as AX and AY are excited in the second annular vibration system 24. This driving vibration is bending vibration starting from a connection portion with each connecting portion.
[0076]
In addition, it is possible to excite drive vibration in the outer annular vibration system, and to detect detection vibration in the inner vibration system, particularly in the flat plate vibration system. FIG. 19 also relates to this embodiment.
[0077]
That is, drive vibrations such as AX and AY are excited in the annular vibration system 19. This driving vibration is bending vibration starting from a connection portion with each connecting portion. When rotation about the rotation axis Z is applied to the vibrator 91, a Coriolis force acts in a direction orthogonal to the vibration direction of the drive vibration, and the ring vibration system 19 vibrates like BX and BY. Appears. Accordingly, bending vibration components CX and CY within a predetermined plane are excited in the second annular vibration system 24.
[0078]
Further, when rotation about the rotation axis Y is applied to the vibrator 91, the vibration component AY in the Y-axis direction among the drive vibration components is neutral with respect to this rotation, Coriolis force acts according to the vibration component AX. As a result, a vibration component in the Z-axis direction indicated by EZ is excited in a region of the annular vibration system 19 where the amplitude of the drive vibration component AX in the X direction is large. The detected vibration component FZ in the axial direction is excited.
[0079]
In the present invention, three or more annular vibration systems can be provided. In this case, the drive vibration may be excited in any annular vibration system, but it is necessary to detect the detected vibration in at least the annular vibration system in which the drive vibration is not excited. The upper limit of the number of annular vibration systems is not particularly limited, but is preferably 4 or less from the viewpoint of manufacturing.
[0080]
At this time, particularly preferably, two or more annular vibration systems that perform detection vibration are provided, and in each of the annular vibration systems, angular velocities of rotational components around different axes can be detected. This makes it possible to detect the angular velocities of the rotational components around different axes using the same vibrator, and to further improve the S / N ratio of each angular velocity value.
[0081]
In this case, the angular velocity of the rotational component centered on the X or Y axis is detected in one annular vibration system, and the angular velocity of the rotational component centered on the Z axis is detected in another annular vibration system. Can be detected. Furthermore, in the three annular vibration systems, the angular velocities of the rotational components around the X axis, the Y axis, and the Z axis can be detected separately. FIG. 20 relates to a vibrator having three annular vibration systems.
[0082]
The vibrator 101 includes an annular vibration system 19, a second annular vibration system 24, and an outer annular vibration system 34. The annular vibration systems 19, 24, and 34 have, for example, an annular shape. The annular vibration system 19 and the second annular vibration system 24 are connected by, for example, four rows of connecting portions 4C, 4D, 4E, and 4F. The annular vibration system 19 and the outer annular vibration system 34 are connected by, for example, four rows of connecting portions 4G, 4H, 4I, and 4J, and hollow portions 6I, 6J, 6K, and 6L are formed therebetween. .
[0083]
In this example, drive vibrations such as AX and AY are excited in the annular vibration system 19. When rotation about the rotation axis Z is applied to the vibrator 101, a Coriolis force acts in a direction orthogonal to the vibration direction of the drive vibration, and the ring vibration system 19 vibrates like BX and BY. Appears. In response to this, the annular vibration system 24 is excited with a flexural vibration component CX in a predetermined plane and a flexural vibration component CY in a predetermined plane. A bending vibration component CX in a predetermined plane and a bending vibration component CY in a predetermined plane are excited in the outer annular vibration system 34.
[0084]
When rotation about the rotation axis Y is applied to the vibrator 101, the vibration component AY in the Y-axis direction is neutral with respect to this rotation. Coriolis force acts on the vibrator according to the vibration component AX in the X-axis direction. As a result, a vibration component in the Z-axis direction indicated by EZ is excited in an area of the annular vibration system 19 where the amplitude of the drive vibration component AX in the X direction is large. In response to this, a detected vibration component FZ in the Z-axis direction is excited in the second annular vibration system 24 and the outer annular vibration system 34, respectively.
[0085]
For example, in the second annular vibration system 24 on the inner side, the angular velocity of the rotation component centered on the Z axis is detected, and in the outer annular vibration system 34, the rotation component centered on the X axis and / or the Y axis is detected. Detect angular velocity.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a vibratory gyroscope and a vibrator based on a new principle with high sensitivity and good S / N ratio.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a perspective view showing a vibrator 1A, and FIG. 1B is a front view showing a drive vibration 1B of the vibrator 1A.
FIG. 2 is a front view showing a detected vibration 1C of a vibrator 1A.
FIG. 3 is a perspective view showing a state of driving vibration of a vibrator 11A.
FIG. 4 is a perspective view showing a detection vibration 11B of a vibrator 11A.
FIG. 5 is a perspective view showing a vibrator 21A.
6A is a front view showing a drive vibration 21B of the vibrator 21A, and FIG. 6B is a front view showing a detected vibration 21C of the vibrator 21A.
7A is a perspective view showing a detection vibration 21D of the vibrator 21A, and FIG. 7B is a top view of the detection vibration 21D.
8A is a perspective view showing a vibrator 31A, and FIG. 8B is a front view showing a drive vibration 31B of the vibrator 31A.
9A is a perspective view showing a detected vibration 31C of the vibrator 31A, and FIG. 9B is a top view of the detected vibration 31C.
10 is a front view showing a vibrator 41 and its driving vibration. FIG.
FIG. 11 is a front view showing detected vibration when the vibrator 41 is rotated around the Z axis.
FIG. 12 is a front view showing detected vibration when the vibrator 41 is rotated around the Y axis.
FIG. 13 is a front view for explaining a vibrator 51 and its operating state.
FIG. 14 is a front view for explaining a vibrator 61 and its operating state.
15 is a front view showing a vibrator 71 and its driving vibration. FIG.
FIG. 16 is a front view showing detected vibration when the vibrator 71 is rotated around the Z axis.
FIG. 17 is a front view showing the detected vibration when the vibrator 71 is rotated about the Y axis.
FIG. 18 is a front view for explaining a vibrator 81 and its operating state.
FIG. 19 is a front view for explaining a vibrator 91 and its operating state.
20 is a front view for explaining the vibrator 101 and its operation state. FIG.
[Explanation of symbols]
1A, 11A, 21A, 31A, 41, 51, 61, 71, 81, 91, 101 vibrator, 1B, 11B, 21A, 31B drive vibration, 1C, 11B, 21C, 31C detected vibration, 2, 12, 19, 22, 42 Annular vibration system, 3A base part, 4A-4J connecting part, 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G, 5H Bending vibration piece protruding from the base part, 14 Flat plate vibration system (disc-like vibration body) , 15A, 15B, 15C, 15D Bending vibration piece extending from the annular vibration system toward the center of gravity GO, 15E, 15F, 15G, 15H Bending vibration piece extending outward from the ring vibration system, 24 Flat plate vibration System (annular vibrator), 34 outer ring vibration system, vibration component in the X-axis direction of the AX drive vibration, vibration component in the Y-axis direction of the AY drive vibration, and rotation component around the BX Z axis Therefore, the X-axis component of the vibration caused in the drive vibration system, the Y-axis component of the vibration caused in the drive vibration system by the rotation component around the BY Z axis, and the rotation component around the CX Z axis Of the vibration caused by the drive vibration system due to the component in the X-axis direction among the detected vibration due to CY, the component in the Y-axis direction among the detected vibration due to the rotational component centered on the CY-Z axis, Z-axis direction component, FZ Y-axis component of vibration caused by the rotation component around the Y-axis, O rotation center, GD drive vibration center of gravity, GO center of gravity of the entire vibrator

Claims

環状振動系とその内側の基部とが連結部により連結され、さらに基部より環状振動系に向かって突出する他の振動系を備えていることを特徴とする、振動子。A vibrator comprising: an annular vibration system and a base portion inside the annular vibration system connected by a connecting portion, and further comprising another vibration system protruding from the base portion toward the annular vibration system .

前記環状振動系と前記他の振動系とが、所定面内に延びていることを特徴とする、請求項１記載の振動子。The vibrator according to claim 1, wherein the annular vibration system and the other vibration system extend in a predetermined plane.

前記他の振動系が、前記振動子の重心から見たときに前記基部の外周縁部から前記環状振動系に向かって延びている屈曲振動片を備える内側振動系であることを特徴とする、請求項１記載の振動子。The other vibration system is an inner vibration system including a bending vibration piece extending from an outer peripheral edge portion of the base portion toward the annular vibration system when viewed from the center of gravity of the vibrator . The vibrator according to claim 1 .

前記内側振動系が平板状振動系からなることを特徴とする、請求項３記載の振動子。The vibrator according to claim 3, wherein the inner vibration system is a flat plate vibration system.

前記屈曲振動片が、前記振動子の重心を中心として互いに回転対称の位置に設けられていることを特徴とする、請求項３記載の振動子。The vibrator according to claim 3 , wherein the bending vibration piece is provided at a rotationally symmetric position around the center of gravity of the vibrator.

前記環状振動系の振動の全体の重心が、前記振動子の重心の近傍領域内にあることを特徴とする、請求項１記載の振動子。The vibrator according to claim 1, wherein the center of gravity of the vibration of the annular vibration system is in a region near the center of gravity of the vibrator.

回転系の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、請求項１−６のいずれか一つの請求項に記載の振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段であって、前記環状振動系と前記他の振動系との一方に設けられている励振手段と、前記振動子の回転によって前記振動子に発生した検出振動を検出する検出手段であって、前記環状振動系と前記他の振動系との他方に設けられている検出手段とを備えていることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。A vibratory gyroscope for detecting a rotational angular velocity of a rotary system, wherein the vibrator according to any one of claims 1 to 6 and excitation means for exciting drive vibration to the vibrator An excitation means provided in one of the annular vibration system and the other vibration system, and a detection means for detecting a detection vibration generated in the vibrator by the rotation of the vibrator, A vibratory gyroscope comprising a detection means provided on the other of the annular vibration system and the other vibration system.

回転系の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、請求項３または５記載の振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段であって、前記環状振動系と前記内側振動系の前記屈曲振動片との一方に設けられている励振手段と、前記振動子の回転によって前記振動子に発生した検出振動を検出する検出手段であって、前記環状振動系と前記屈曲振動片との他方に設けられている検出手段とを備えていることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。6. A vibratory gyroscope for detecting a rotational angular velocity of a rotary system, comprising: the vibrator according to claim 3 or 5; and excitation means for exciting drive vibration to the vibrator, wherein the annular vibration system Excitation means provided on one of the bending vibration piece of the inner vibration system and detection means for detecting detection vibration generated in the vibrator due to rotation of the vibrator, the annular vibration system and A vibrating gyroscope comprising a detecting means provided on the other side of the bending vibration piece.

回転系の回転角速度を検出するための振動型ジャイロスコープであって、請求項４記載の振動子と、この振動子に対して駆動振動を励振する励振手段であって、前記環状振動系と前記平板状振動系との一方に設けられている励振手段と、前記振動子の回転によって前記振動子に発生した検出振動を検出する検出手段であって、前記環状振動系と前記平板状振動系との他方に設けられている検出手段とを備えていることを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。A vibratory gyroscope for detecting a rotational angular velocity of a rotary system, comprising: the vibrator according to claim 4; and excitation means for exciting drive vibration to the vibrator, the annular vibration system and the Excitation means provided on one side of the flat plate vibration system, and detection means for detecting detection vibration generated in the vibrator due to rotation of the vibrator, the annular vibration system and the flat plate vibration system And a detecting means provided on the other side of the vibrating gyroscope.

前記環状振動系と前記他の振動系とが所定面内に延びており、前記振動型ジャイロスコープが、前記所定面に対して垂直な回転軸を中心とする回転の回転角速度を検出するものであり、前記所定面に対して垂直な回転軸を中心とする回転に応じて前記振動子に加わるコリオリ力によって励起される検出振動のうち、前記所定面内の面内振動成分を検出することを特徴とする、請求項７−９のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。The annular vibration system and the other vibration system extend in a predetermined plane, and the vibration gyroscope detects a rotational angular velocity of rotation about a rotation axis perpendicular to the predetermined plane. And detecting an in-plane vibration component in the predetermined plane among detection vibrations excited by a Coriolis force applied to the vibrator according to rotation about a rotation axis perpendicular to the predetermined plane. wherein, according to claim 7 - 9 vibratory gyroscope according to any one of claims.

請求項１−６のいずれか一つの請求項に記載の振動子を用いて回転系の回転角速度を検出する方法であって、前記環状振動系と前記他の振動系との一方に励振手段を設け、前記環状振動系と前記他の振動系との他方に検出手段を設け、前記励振手段によって前記振動子に駆動振動を励振し、前記振動子の回転によって前記振動子に発生した検出振動を、前記検出手段によって検出することを特徴とする、回転角速度の検出方法。A method for detecting a rotational angular velocity of a rotating system using the vibrator according to any one of claims 1 to 6 , wherein an excitation means is provided in one of the annular vibration system and the other vibration system. A detecting means is provided on the other of the annular vibration system and the other vibration system, the driving vibration is excited in the vibrator by the exciting means, and the detected vibration generated in the vibrator by the rotation of the vibrator is provided. Detecting the rotation angular velocity by the detecting means.

請求項２−６のいずれか一つの請求項に記載の振動子を用いて、前記所定面に対して垂直な回転軸を中心とする回転の回転角速度を検出する方法であって、前記所定面に対して垂直な回転軸を中心とする回転に応じて前記振動子に加わるコリオリ力によって励起される検出振動のうち、前記所定面内の面内振動成分を検出することを特徴とする、回転角速度の測定方法。A method for detecting a rotational angular velocity of rotation about a rotation axis perpendicular to the predetermined plane using the vibrator according to any one of claims 2 to 6 , wherein the predetermined plane is the predetermined plane. An in-plane vibration component in the predetermined plane is detected from detected vibrations excited by Coriolis force applied to the vibrator according to rotation about a rotation axis perpendicular to the rotation. Angular velocity measurement method.

請求項２−６のいずれか一つの請求項に記載の振動子を用いて、前記所定面に対して垂直な回転軸を中心とする回転の回転角速度と、前記所定面に対して平行な回転軸を中心とする回転の回転角速度とを検出する方法であって、前記所定面内に対して垂直な回転軸を中心とする回転に応じて前記振動子に加わるコリオリ力によって励起される検出振動から、前記所定面内の面内振動成分を検出し、かつ前記所定面に対して垂直な面垂直振動成分を検出することを特徴とする、回転角速度の測定方法。A rotational angular velocity of rotation about a rotation axis perpendicular to the predetermined plane and rotation parallel to the predetermined plane using the vibrator according to any one of claims 2 to 6. A detection vibration excited by a Coriolis force applied to the vibrator in accordance with a rotation about a rotation axis perpendicular to the predetermined plane. The method for measuring the rotational angular velocity includes detecting an in-plane vibration component in the predetermined plane and detecting a plane vertical vibration component perpendicular to the predetermined plane.

直線加速度を検出するための直線加速度計であって、請求項１−６のいずれか一つの請求項に記載の振動子と、この振動子に直線加速度が加わったときに前記振動子に加わるニュートンの力による前記振動子の変形を検出するための検出手段とを備えることを特徴とする、直線加速度計。A linear accelerometer for detecting linear acceleration, wherein the vibrator according to any one of claims 1 to 6 and a Newton applied to the vibrator when linear acceleration is applied to the vibrator. A linear accelerometer, comprising: detecting means for detecting the deformation of the vibrator due to the force of.