JP4183272B2 - Angular velocity sensor and measuring method of angular velocity - Google Patents
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Description
本発明は、角速度センサおよび角速度の測定方法に関する。更に詳しくは、３つの振動脚を、所定の振動モードで平面的に動作させることによって、三軸方向の角速度をそれぞれ精度良く測定できる角速度センサおよび角速度の測定方法に関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor and an angular velocity measuring method. More specifically, the present invention relates to an angular velocity sensor and an angular velocity measuring method that can accurately measure angular velocities in three axial directions by operating three vibration legs in a planar manner in a predetermined vibration mode.
従来、共通の基部からほぼ平行に同方向に突出した３本の片持ちの振動体を備え、基部を利用して支持を行うように構成した三脚型音叉を用いた角速度センサが知られている。
かかる角速度センサにおいて、いずれかの振動モードで定常的に振動しているとき、回転軸の回りに、所定の角速度で振動系全体が回転させられると、コリオリ加速度により振動質量に見かけの力であるコリオリ力が生ずる。このコリオリ力の大きさおよび方向は、角速度と振動する質量の運動量のベクトル積の２倍である。また、このコリオリ力は、振動する各脚にそれぞれ生じ、位相は振動速度と一致するので、振動変位とは９０°ずれることになる。したがって、各脚の振動を適宜に組み合わせて、歪みを圧電的に検出し、位相を考慮して検出出力を同期検波手段により整流すれば、コリオリ力、すなわち角速度の座標軸方向の成分ωｘ、ωｙ、ωｚに比例する直流成分が得られることになる。2. Description of the Related Art Conventionally, an angular velocity sensor using a tripod type tuning fork that includes three cantilever vibrators that protrude in the same direction from a common base in the same direction and is configured to support using the base is known. .
In such an angular velocity sensor, when the entire vibration system is rotated at a predetermined angular velocity around the rotation axis when constantly oscillating in any vibration mode, an apparent force is exerted on the vibration mass by Coriolis acceleration. Coriolis force is generated. The magnitude and direction of this Coriolis force is twice the vector product of the angular velocity and the momentum of the vibrating mass. Further, this Coriolis force is generated in each leg that vibrates, and the phase coincides with the vibration speed, so that it is shifted from the vibration displacement by 90 °. Therefore, if the vibration of each leg is appropriately combined, the distortion is detected piezoelectrically, and the detection output is rectified by the synchronous detection means in consideration of the phase, the Coriolis force, that is, the components ωx, ωy, A DC component proportional to ωz is obtained.
そこで、具体的に、ほぼ平行な３本の振動脚を有する三脚型音叉の概形をなし、三脚面に垂直な方向にＺ軸を、音叉軸に平行な方向にＹ軸を、Ｚ軸とＹ軸とに直交する方向にＸ軸をとったとき、ＨＳモードと、Ｔモードと、ＨＡモードを可能な振動モードとして有し、ＨＳモードおよびＴモードは、互いに近い所定の固有振動数を与えられた振動体と、両モードを互いにほぼ９０°の位相差を保って振動させる駆動回路手段と、更に動体に作用する回転運動によって生起されるコリオリ力検出手段と、を備えた角速度センサが提案されている（例えば、特許文献１）。
そして、この角速度センサにおいて、コリオリ力検出手段は、Ｔモードに作用するωｘにより生起するＨＡモードの振動を検出する第１の検出回路手段と、ＨＳモードに作用するωｙによって生起するＴモードの変化分を検出する第２の検出回路手段、およびＨＳモードに作用するωｚによって生起するＨＡモードの振動を検出する第３の検出回路手段のうち少なくとも２つの検出回路手段を含んでいる。
In this angular velocity sensor, the Coriolis force detection means includes a first detection circuit means for detecting HA mode vibration caused by ωx acting on the T mode, and a change in T mode caused by ωy acting on the HS mode. At least two detection circuit means are included among the second detection circuit means for detecting the minute and the third detection circuit means for detecting the vibration in the HA mode caused by ωz acting on the HS mode.
しかしながら、特許文献１に開示された角速度センサは、ＨＳモードと、Ｔモードと、ＨＡモードとの中から、いずれか二つのモードを選択して組み合わせ、複合振動モードとしなければならなかった。
したがって、例えば、ＨＳモードと、Ｔモードを９０°位相をずらして振動する（ＨＳ＋Ｔモード）と、両外脚の先端は、複雑な円運動または楕円運動を行うことになり、それらを精度良く振動させることが困難であるという問題が見られた。
また、複合振動モードを用いた場合、コリオリ力検出手段によって、Ｔモードに作用するωｘにより生起するＨＡモードの振動や、ＨＳモードに作用するωｙによって生起するＴモードの変化分や、ＨＳモードに作用するωｚによって生起するＨＡモードの振動についても、精度良く検出することが困難であるという問題が見られた。
さらに、複合振動モードを用いた場合には、両外脚の先端は、複雑な円運動または楕円運動を行うことになり、消費電力が大きくなるばかりか、角速度センサの小型化や薄型化についても困難であるという問題も見られた。However, the angular velocity sensor disclosed in
Therefore, for example, when the HS mode and the T mode are vibrated by shifting the phase by 90 ° (HS + T mode), the tips of both outer legs perform complicated circular motion or elliptical motion, and vibrate them accurately. There was a problem that it was difficult to do.
Further, when the composite vibration mode is used, the Coriolis force detection means causes the HA mode vibration caused by ωx acting on the T mode, the T mode change caused by ωy acting on the HS mode, and the HS mode. There was also a problem that it was difficult to accurately detect the HA mode vibration caused by the acting ωz.
In addition, when using the combined vibration mode, the tips of both outer legs perform complicated circular or elliptical motions, which not only increases power consumption, but also reduces the size and thickness of angular velocity sensors. There was also a problem that it was difficult.
そこで、発明者らは鋭意検討した結果、角速度センサの形態を考慮するとともに、振動モードとして、ＨＳモードあるいはＨＡモードの実質的に単一モードを採用し、それぞれ振動脚を平面的に動作させることにより、各振動脚を精度良く振動させることができるとともに、三軸方向に生じたコリオリ力を精度良く検出できることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明は、角速度センサの形態を考慮するとともに、所定の単一の振動モードで平面的に動作させることによって、振動動作が簡易かつ精度良く可能であって、三軸方向に生じたコリオリ力の検出感度にすぐれるばかりか、さらには低消費電力化や小型化が容易な角速度センサおよび角速度の測定方法を提供することを目的とする。Therefore, as a result of intensive studies, the inventors considered the form of the angular velocity sensor, adopted a substantially single mode of the HS mode or the HA mode as the vibration mode, and operated the vibration legs in a planar manner, respectively. Thus, it has been found that each vibrating leg can be vibrated with high accuracy and the Coriolis force generated in the three-axis directions can be detected with high accuracy, thereby completing the present invention.
That is, the present invention takes into account the form of the angular velocity sensor, and can be vibrated easily and accurately by operating in a plane in a predetermined single vibration mode. It is an object of the present invention to provide an angular velocity sensor and an angular velocity measuring method that are not only excellent in force detection sensitivity but also easy to reduce power consumption and size.
本発明によれば、３つの振動脚を固定するための基部と、各振動脚に対応して連なる３つの質量体と、各振動脚を振動させるための発振回路部と、各質量体について発生したコリオリ力を検出するための検出部と、を有する三軸方向の角速度を測定するための角速度センサであって、振動脚を含む平面において直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、かつ平面に垂直方向にＺ軸をとったときに、第１振動脚がＹ軸方向に一致させてあるとともに、第２振動脚及び第３振動脚が、基部から、それぞれＹ軸から互いに離れるように斜め方向に延びる延設部を備えており、検出部において、各質量体について発生したコリオリ力を検出するに際して、各質量体の振動モードとして、第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に開閉するＨＳモード、あるいは第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に同方向に変位するとともに、第１振動脚が、その反対方向に変位するＨＡモードの動作を、平面的になす角速度センサが提供され、上述した問題点を解決することができる。
すなわち、各振動脚および各質量体を、所定の振動モードで平面的に動作させることによって、振動動作が簡易かつ精度良く可能であって、感度がすぐれるばかりか、さらには低消費電力化や小型化が容易な角速度センサを提供することができる。
According to the present invention, a base for fixing three vibration legs, three mass bodies connected in correspondence with each vibration leg, an oscillation circuit section for vibrating each vibration leg, and generation for each mass body An angular velocity sensor for measuring an angular velocity in three axial directions , the X axis and the Y axis being orthogonal to each other in a plane including the vibration legs, and a plane When the Z-axis is taken in the direction perpendicular to the first axis, the first vibrating leg is aligned with the Y-axis direction, and the second vibrating leg and the third vibrating leg are obliquely separated from the Y-axis from the base. When the Coriolis force generated for each mass body is detected by the detection unit, the second vibration leg and the third vibration leg are in the Y-axis direction as vibration modes of each mass body. HS that opens and closes simultaneously The HA mode operation in which the second vibration leg or the second vibration leg and the third vibration leg are simultaneously displaced in the same direction with respect to the Y-axis direction and the first vibration leg is displaced in the opposite direction. Therefore, the above-described problems can be solved.
That is, by operating each vibration leg and each mass body in a predetermined vibration mode in a planar manner, vibration operation can be performed easily and accurately, and not only the sensitivity is improved, but also power consumption is reduced. An angular velocity sensor that can be easily downsized can be provided.
また、本発明の角速度センサを構成するにあたり、第１振動脚と、第２振動脚及び第３振動脚とのなす角をそれぞれ２０〜７０°の範囲内の値とすることが好ましい。
このように構成することにより、３つの振動脚および各振動脚に連なる質量体を、所定の振動モードでより精度良く駆動させることができる。また、各振動脚および各振動脚に連なる質量体が振動しやすくなって、発生したコリオリ力を大きな値として、さらに感度良く検出することができる。In configuring the angular velocity sensor of the present invention, it is preferable that the angles formed by the first vibrating leg, the second vibrating leg, and the third vibrating leg are values within a range of 20 to 70 °, respectively.
With this configuration, the three vibrating legs and the mass body connected to each vibrating leg can be driven with higher accuracy in a predetermined vibration mode. In addition, each vibration leg and the mass body connected to each vibration leg easily vibrate, and the generated Coriolis force can be detected as a large value with higher sensitivity.
また、本発明の角速度センサを構成するにあたり、第２振動脚及び第３振動脚の途中に、それぞれ屈曲部が設けてあることが好ましい。
このように構成することにより、３つの振動脚および各振動脚に連なる質量体を、所定の振動モードでさらに精度良く駆動させることができる。また、各振動脚および各振動脚に連なる質量体が振動しやすくなって、いずれの方向に生じたコリオリ力であっても、それを大きな値として、感度良く検出することができる。In configuring the angular velocity sensor of the present invention, it is preferable that a bent portion is provided in the middle of each of the second vibrating leg and the third vibrating leg.
With this configuration, the three vibrating legs and the mass body connected to each vibrating leg can be driven with higher accuracy in a predetermined vibration mode. Further, each vibration leg and the mass body connected to each vibration leg are likely to vibrate, and any Coriolis force generated in any direction can be detected as a large value with high sensitivity.
また、本発明の角速度センサを構成するにあたり、各振動脚における少なくともの一つの幅を０．１〜３ｍｍ、長さを１〜１５ｍｍ、及び厚さを０．０５〜１ｍｍの範囲内の値とすることが好ましい。
このように構成することにより、角速度センサの薄型化や小型化が図れるとともに、各振動脚および各振動脚に連なる質量体を、所定の振動モードでさらに精度良く駆動させることができる。したがって、各質量体について発生したコリオリ力を、さらに感度良く検出することができる。Further, in configuring the angular velocity sensor of the present invention, at least one width of each vibration leg is 0.1 to 3 mm, the length is 1 to 15 mm, and the thickness is a value within the range of 0.05 to 1 mm. It is preferable to do.
With this configuration, the angular velocity sensor can be reduced in thickness and size, and each vibration leg and the mass body connected to each vibration leg can be driven more accurately in a predetermined vibration mode. Therefore, the Coriolis force generated for each mass body can be detected with higher sensitivity.
また、本発明の角速度センサを構成するにあたり、振動モードとして、ＨＳモードあるいはＨＶモードの周波数を、それぞれ１〜１００ｋＨｚの範囲内の値とすることが好ましい。
このように構成することにより、各振動脚および各振動脚に連なる質量体を、所定の振動モードでさらに精度良く駆動させることができる。したがって、各質量体について発生したコリオリ力を、さらに感度良く検出することができる。In configuring the angular velocity sensor of the present invention, it is preferable to set the frequency of the HS mode or the HV mode as a vibration mode to a value in the range of 1 to 100 kHz.
With this configuration, each vibration leg and the mass body connected to each vibration leg can be driven with higher accuracy in a predetermined vibration mode. Therefore, the Coriolis force generated for each mass body can be detected with higher sensitivity.
また、本発明の角速度センサを構成するにあたり、基部を介して、各振動脚に対応する位置に、第１´振動脚〜第３´振動脚が設けてあり、当該第１´振動脚〜第３´振動脚に、コリオリ力検出用電極が設けてあることが好ましい。
このように構成することにより、各振動脚を振動させるための発振回路部の一部としての振動用電極と、各振動脚に発生したコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用電極とを、分離することができる。したがって、各電極の構造や、それに連なる回路機構をそれぞれ簡略化することができる。Further, in configuring the angular velocity sensor of the present invention, the first ′ vibrating leg to the third ′ vibrating leg are provided at positions corresponding to the vibrating legs via the base, and the first ′ vibrating leg to the first It is preferable that a Coriolis force detection electrode is provided on the 3 ′ vibrating leg.
By configuring in this way, a vibration electrode as a part of the oscillation circuit unit for vibrating each vibration leg, and a Coriolis force detection electrode for detecting Coriolis force generated in each vibration leg, Can be separated. Therefore, the structure of each electrode and the circuit mechanism connected thereto can be simplified.
また、本発明の別の態様は、３つの振動脚を固定するための基部と、各振動脚に対応して連なる３つの質量体と、各振動脚を振動させるための発振回路部と、各質量体について発生したコリオリ力を検出するための検出部と、を有する三軸方向の角速度を測定するための角速度センサを用いた、被測定物における角速度の測定方法であって、
被測定物に対して、振動脚を含む平面において直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、かつ平面に垂直方向にＺ軸をとったときに、第１振動脚がＹ軸方向に一致させてあるとともに、前記第２振動脚及び第３振動脚が、基部から、それぞれＹ軸から互いに離れるように斜め方向に延びる延設部を備えた角速度センサを取り付ける工程と、
各質量体の振動モードとして、第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に開閉するＨＳモード、あるいは第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に同方向に変位するとともに、第１振動脚が、その反対方向に変位するＨＡモードの動作を、それぞれ平面的になす工程と、
検出部において、各質量体について発生したコリオリ力を検出する工程と、
を含むことを特徴とする角速度の測定方法である。
すなわち、角速度センサにおける各振動脚および各振動脚に連なる質量体を、所定の振動モードで平面的に動作させることによって、振動動作が簡易かつ精度良く可能であって、優れた感度が得られるばかりか、さらには低消費電力化や小型化を図ることができる。
According to another aspect of the present invention, there are provided a base for fixing three vibrating legs, three mass bodies connected to each vibrating leg, an oscillation circuit section for vibrating each vibrating leg, A method for measuring an angular velocity in an object to be measured using an angular velocity sensor for measuring an angular velocity in a triaxial direction having a detection unit for detecting a Coriolis force generated on a mass body,
When the X axis and the Y axis are two axes orthogonal to the object to be measured in the plane including the vibration legs, and the Z axis is perpendicular to the plane, the first vibration legs are aligned with the Y axis direction. A step of attaching an angular velocity sensor provided with an extending portion in which the second vibrating leg and the third vibrating leg extend from the base in an oblique direction so as to be separated from each other from the Y axis;
As the vibration mode of each mass body, the second vibration leg and the third vibration leg simultaneously open and close with respect to the Y-axis direction, or the second vibration leg and the third vibration leg with respect to the Y-axis direction. And simultaneously performing a HA mode operation in which the first vibrating leg is displaced in the same direction and the first vibrating leg is displaced in the opposite direction, respectively,
In the detection unit, a step of detecting Coriolis force generated for each mass body;
It is the measuring method of angular velocity characterized by including.
That is, by vibrating each vibration leg in the angular velocity sensor and the mass body connected to each vibration leg in a plane in a predetermined vibration mode, vibration operation can be performed easily and accurately, and excellent sensitivity can be obtained. In addition, low power consumption and downsizing can be achieved.
また、本発明の角速度の測定方法を実施するにあたり、
各質量体の振動モードがＨＳモードの場合、
Ｘ軸方向の検出モードを、第２振動脚及び第３振動脚が、Ｚ軸方向に同じ向きに変位するとともに、第１振動脚が反対向きに変位するＶモードとし、
Ｙ軸方向の検出モードを、第２振動脚及び第３振動脚が、Ｚ軸方向に逆向きに変位するＴモードとし、
Ｚ軸方向の検出モードを、ＨＡモードとし、
各質量体の振動モードがＨＡモードの場合、
Ｘ軸方向の検出モードを、Ｔモードとし、
Ｙ軸方向の検出モードを、Ｖモードとし、
Ｚ軸方向の検出モードを、ＨＳモードとする、
ことが好ましい。
このように実施することにより、各質量体について発生したコリオリ力を、所定の検出モードと結合させて、さらに感度良く検出することができる。In carrying out the angular velocity measuring method of the present invention,
When the vibration mode of each mass body is HS mode,
The detection mode in the X-axis direction is a V mode in which the second vibrating leg and the third vibrating leg are displaced in the same direction in the Z-axis direction, and the first vibrating leg is displaced in the opposite direction.
The detection mode in the Y-axis direction is a T mode in which the second vibrating leg and the third vibrating leg are displaced in the opposite direction in the Z-axis direction,
The detection mode in the Z-axis direction is the HA mode,
When the vibration mode of each mass body is the HA mode,
The detection mode in the X-axis direction is T mode,
The detection mode in the Y-axis direction is V mode,
The detection mode in the Z-axis direction is HS mode.
It is preferable.
By carrying out in this way, the Coriolis force generated for each mass body can be combined with a predetermined detection mode and detected with higher sensitivity.
［第１の実施形態］
第１の実施形態は、図１に例示するように、３つの振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃを固定するための基部１６と、各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃに対応して連なる３つの質量体１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃを振動させるための発振回路部（図示せず）と、各質量体１３ａ、１３ｂ、１３ｃについて発生したコリオリ力を検出するための検出部（図示せず）と、を有する三軸方向の角速度を測定するための角速度センサ１０であって、
各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃを含む平面において直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、かつ平面に垂直方向にＺ軸をとったときに、第１振動脚１２ｂがＹ軸方向に一致させてあるとともに、第２振動脚１２ａ及び第３振動脚１２ｃが、基部１６から、それぞれＹ軸から互いに離れるように斜め方向に延びる延設部１４ａ、１４ｃを備えており、
検出部において、それぞれの質量体１３ａ、１３ｂ、１３ｃについて発生したコリオリ力を検出するに際して、各質量体１３ａ、１３ｂ、１３ｃの振動モードとして、第２振動脚１２ａ及び第３振動脚１２ｃが、Ｙ軸方向に対して、同時に開閉するＨＳモード、あるいは第２振動脚１２ａ及び第３振動脚１２ｃが、Ｙ軸方向に対して、同時に同方向に変位するとともに、第１振動脚１２ｂが、その反対方向に変位するＨＡモードの動作を、平面的になす角速度センサ１０である。
以下、図１〜図２６を適宜参照して、第１の実施形態の角速度センサを具体的に説明する。
[First Embodiment]
In the first embodiment, as illustrated in FIG. 1, a
When the two axes orthogonal to each other in the plane including the
When detecting the Coriolis force generated for each
Hereinafter, the angular velocity sensor according to the first embodiment will be specifically described with reference to FIGS.
１．基本的構成
（１）振動脚
図１に示す３つの振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、それに対応して連なる各質量体１３ａ、１３ｂ、１３ｃを固有振動させて、コリオリ力を発生させるための部位である。
したがって、図２（ａ）〜（ｂ）に示すように、各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃを含む平面において直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、かつ平面に垂直方向にＺ軸をとったときに、図１に示すように、第１振動脚１２ｂがＹ軸方向に一致させてあるとともに、第２振動脚１２ａ及び第３振動脚１２ｃが、それぞれＹ軸から互いに離れるように斜め方向に延びる延設部１４ａ、１４ｃを備えていることを特徴とする。
この理由は、このような第２振動脚及び第３振動脚における延設部によって、２つの振動脚および各振動脚に連なる質量体が、第１振動脚を中心として、実質的にＶ字状に配置されるためである。したがって、所定の振動モードで、各振動脚を精度良く平面的に動作させることができるためである。
また、このような第２振動脚及び第３振動脚における延設部によって、各振動脚に連なる質量体において発生したコリオリ力を大きな値として、感度良く検出することができるためである。したがって、このような振動脚を備えた角速度センサであれば、２軸または３軸方向の角速度を精度良く測定することができる。1. Basic Configuration (1) Vibrating Legs The three vibrating
Therefore, as shown in FIGS. 2A to 2B, the two axes orthogonal to each other in the plane including the vibrating
The reason for this is that due to the extending portions of the second vibrating leg and the third vibrating leg, the mass body connected to the two vibrating legs and each vibrating leg is substantially V-shaped around the first vibrating leg. It is because it is arranged in. This is because each vibration leg can be accurately and planarly operated in a predetermined vibration mode.
In addition, this is because the Coriolis force generated in the mass body connected to each vibration leg can be detected as a large value with high sensitivity by the extended portions of the second vibration leg and the third vibration leg. Therefore, if it is an angular velocity sensor provided with such a vibration leg, the angular velocity in the biaxial or triaxial directions can be measured with high accuracy.
また、図２（ａ）〜（ｂ）に示すように、第１振動脚と、第２振動脚及び第３振動脚とのなす角（θ１、θ２）をそれぞれ２０〜７０°の範囲内の値とすることが好ましい。
この理由は、第２振動脚及び第３振動脚における延設部の長さや傾きを調整することによって、所定角度で各振動脚および各質量体を配置することにより、所定の振動モードでより精度良く駆動させることができるためである。また、各振動脚および各質量体が振動しやすくなって、発生したコリオリ力を大きな値として、さらに感度良く検出することができるためである。
すなわち、第１振動脚と、第２振動脚及び第３振動脚とのなす角がそれぞれ２０°未満の値になっても、７０°を超える値になっても、それぞれ各振動脚および各質量体を所定の振動モードで精度良く駆動させたり、発生したコリオリ力を大きな値として検出したりすることが困難となる場合があるためである。
したがって、第１振動脚と、第２振動脚及び第３振動脚とのなす角をそれぞれ３０〜６０°の範囲内の値とすることがより好ましい。
但し、振動脚を水晶から構成する場合、水晶の結晶構造が６０°を基本に形成されており、ひいては振動脚の製造の容易さや精度から考えて、第１振動脚と、第２振動脚及び第３振動脚とのなす角を６０°±１０の範囲内の値とすることがより好ましい。すなわち、角速度センサのＸＹＺ軸と、水晶の電気軸、機械軸、光軸とが、それぞれ実質的に一致することになる。
一方、振動脚を水晶以外の圧電性結晶や圧電性磁性材料、あるいはこれらの圧電性結晶等と、各種金属との積層体から構成した場合には、製造面から６０°±１０の範囲内の値に制限されず、第１振動脚と、第２振動脚及び第３振動脚とのなす角を上述した２０〜７０°の範囲内の値とすることが好ましい。Further, as shown in FIGS. 2A to 2B, angles (θ1, θ2) formed by the first vibrating leg, the second vibrating leg, and the third vibrating leg are within a range of 20 to 70 °, respectively. It is preferable to use a value.
The reason for this is that by adjusting the lengths and inclinations of the extending portions of the second vibration leg and the third vibration leg, each vibration leg and each mass body are arranged at a predetermined angle, thereby making it more accurate in a predetermined vibration mode. This is because it can be driven well. In addition, each vibrating leg and each mass body are likely to vibrate, and the generated Coriolis force can be detected as a large value with higher sensitivity.
That is, each of the vibrating legs and each of the masses, regardless of whether the angle formed by the first vibrating leg, the second vibrating leg, and the third vibrating leg is less than 20 ° or more than 70 °, respectively. This is because it may be difficult to accurately drive the body in a predetermined vibration mode or detect the generated Coriolis force as a large value.
Therefore, it is more preferable that the angle formed by the first vibrating leg, the second vibrating leg, and the third vibrating leg is a value within a range of 30 to 60 °.
However, when the vibrating leg is made of quartz, the crystal structure of the crystal is basically formed at 60 °. As a result, considering the ease and accuracy of manufacturing the vibrating leg, the first vibrating leg, the second vibrating leg, More preferably, the angle formed with the third vibrating leg is set to a value within the range of 60 ° ± 10. That is, the XYZ axes of the angular velocity sensor substantially coincide with the electric axis, mechanical axis, and optical axis of the crystal.
On the other hand, when the vibration leg is composed of a piezoelectric crystal other than quartz crystal, a piezoelectric magnetic material, or a laminate of these piezoelectric crystals and the like and various metals, it is within a range of 60 ° ± 10 from the manufacturing surface. The angle formed by the first vibrating leg, the second vibrating leg, and the third vibrating leg is preferably set to a value within the range of 20 to 70 ° described above.
また、図１に示すように、第２振動脚１２ａ及び第３振動脚１２ｃの途中に、それぞれ屈曲部１５ａ、１５ｃが設けてあることが好ましい。
この理由は、このように屈曲部が設けてあることにより、３つの振動脚および各振動脚に連なる質量体を、小型の角速度センサとして、所定の振動モードで精度良く駆動させることができるためである。すなわち、全て直線状の第２振動脚及び第３振動脚とすると、第２振動脚及び第３振動脚が、それぞれＹ軸から互いに離れるように斜め方向に延びる延設部が長くなって、横幅が大きな角速度センサとなるためである。
また、このように屈曲部が設けてあることにより、各振動脚および各振動脚に連なる質量体が振動しやすくなって、発生したコリオリ力を大きな値として、さらに感度良く検出することができるためである。Moreover, as shown in FIG. 1, it is preferable that the bending
The reason for this is that by providing such a bent portion, the three vibrating legs and the mass body connected to each vibrating leg can be accurately driven as a small angular velocity sensor in a predetermined vibration mode. is there. That is, if the second and third vibrating legs are all linear, the extending portions that extend in an oblique direction so that the second vibrating leg and the third vibrating leg are separated from the Y-axis are elongated, and the lateral width This is because it becomes a large angular velocity sensor.
In addition, since the bending portion is provided in this manner, each vibration leg and the mass body connected to each vibration leg are likely to vibrate, and the generated Coriolis force can be detected as a large value with higher sensitivity. It is.
また、各振動脚における少なくともの一つの幅を０．１〜３ｍｍ、長さを１〜１５ｍｍ、及び厚さを０．０５〜１ｍｍの範囲内の値とすることが好ましい。
この理由は、このように構成することにより、角速度センサの薄型化や小型化が図れるとともに、各振動脚および各振動脚に連なる質量体を、所定の振動モードでさらに精度良く駆動させることができるためである。したがって、このような形態であれば、各質量体について発生したコリオリ力を、さらに感度良く検出することができる。
なお、製造の容易さや、振動モードの周波数等の調整のためには、各振動脚の幅を０．２〜１ｍｍ、長さを２〜１０ｍｍ、及び厚さを０．１〜０．８ｍｍの範囲内の値とすることがより好ましい。Further, it is preferable that at least one width of each vibrating leg is 0.1 to 3 mm, the length is 1 to 15 mm, and the thickness is 0.05 to 1 mm.
The reason for this is that the angular velocity sensor can be made thinner and smaller, and the vibration legs and the mass body connected to the vibration legs can be driven more accurately in a predetermined vibration mode. Because. Therefore, with such a configuration, the Coriolis force generated for each mass body can be detected with higher sensitivity.
For ease of manufacture and adjustment of the frequency of the vibration mode, the width of each vibration leg is 0.2 to 1 mm, the length is 2 to 10 mm, and the thickness is 0.1 to 0.8 mm. A value within the range is more preferable.
（２）質量体
図１に示すように、質量体１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃに対応して連なって設けられ、所定のコリオリ力が直接的に発生する部位である。
したがって、各質量体は、各振動脚に対応している限り、各振動脚の別体として設けても良く、あるいは、図１に示すように、振動脚１２ａ、１２ｃの先端部を曲げたり、振動脚１３ｂの先端部を伸ばしたりして、各質量体１３ａ、１３ｂ、１３ｃとすることも好ましい。
なお、各質量体の大きさとしては、角速度センサの大きさや各振動脚の形態等にもよるが、通常、０．００１〜１０ｇの範囲内の値とすることが好ましい。(2) Mass Body As shown in FIG. 1, the
Therefore, each mass body may be provided as a separate body of each vibration leg as long as it corresponds to each vibration leg, or, as shown in FIG. 1, the ends of the
In addition, as a magnitude | size of each mass body, although it is based also on the magnitude | size of an angular velocity sensor, the form of each vibrating leg, etc., it is usually preferable to set it as the value within the range of 0.001-10g.
（３）基部
図１に示すように、基部１６は、各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃを固定するための部位である。
したがって、上述したように、振動脚を含む平面において直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、かつ平面に垂直方向にＺ軸をとったときに、第１振動脚がＹ軸方向に一致させてあるとともに、第２振動脚及び第３振動脚が、それぞれＹ軸から互いに離れるように斜め方向に延びる延設部を平面方向に固定できる構成とすることが好ましい。
また、図１に示すように、基部１６の一面に支持部１７を設けて、当該支持部１７を介して、平面部１８に取り付けることが好ましい。すなわち、シリコーンゴム等から構成された支持部１７によって、筐体等の平面部１８と、基部１６との間に所定間隔を設けることにより、角速度センサ１０の各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃを浮かせて、それらを安定的に振動できるように構成することが好ましい。(3) Base As shown in FIG. 1, the
Therefore, as described above, when the two axes perpendicular to the plane including the vibration legs are the X-axis and the Y-axis and the Z-axis is perpendicular to the plane, the first vibration leg is aligned with the Y-axis direction. In addition, it is preferable that the second vibrating leg and the third vibrating leg have a configuration in which an extending portion extending in an oblique direction so as to be separated from the Y axis can be fixed in a planar direction.
Further, as shown in FIG. 1, it is preferable that a
（４）発振回路部
図３に示すように、発振回路部は、各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃを所定の振動モードで振動させるための振動回路３０を含む部位である。
したがって、かかる発振回路部３０は、後述する発振回路、ＡＧＣ回路、インピーダンス変換回路、位相補正回路、コンパレータ等から構成してあることが好ましい。
ここで、図３に、発振回路部の一部として、周波数信号発振装置（発振回路）２７と、各出力端子２１、２３、２５と、グランド（あるいは基準電位）２２、２４、２６と、所定の配線とから構成されている振動回路３０を示す。
この振動回路３０において、各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃに駆動用信号を入力すべく、各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃに、複数の電極２０（２０ａ〜２０ｎ）が設けられている。そして、例えば、第２振動脚１２ａ及び第３振動脚１２ｃの電極は、側面の一つにおいては、それぞれ分割された形で２つの電極２０ａ、２０ｂ、２０ｋ、２０ｌが設けられ、側面のもう一つの面においては、それぞれ全面的に、１つの電極２０ｅが設けられている。また、第２振動脚１２ａ及び第３振動脚１２ｃの上下面には、それぞれ側面の電極を補助するために、ほぼ全面的に、一対の補助電極２０ｃ、２０ｄが設けてある。
一方、第１振動脚１２ｂの電極２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ、２０ｉは、振動脚の周囲である４面に対応して、それぞれ設けられている。
すなわち、振動脚を、例えば、水晶材のＺカット板を用いて構成した場合には、図３に示すように、第２振動脚１２ａ及び第３振動脚１２ｃの側面に分割して設けた電極２０ａ、２０ｂ、２０ｋ、２０ｌは、それぞれ垂直方向の振動に寄与するため、Ｔモードの駆動や検出に適している。一方、各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃの側面に全面的に設けた電極２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｊは、それぞれ水平方向の振動に寄与するため、ＨＳモードやＨＡモードの駆動や検出に適していると言える。
なお、発振回路部における回路構成については、種々変更することができる。例えば、任意の回路場所に、小範囲の位相調節のための論理回路や、Ｌ、Ｃ、Ｒ等のアナログ要素を挿入したり、さらには駆動用信号の増幅を行うためのフィルタを設けたりすることも好ましい。(4) Oscillation Circuit Unit As shown in FIG. 3, the oscillation circuit unit is a part including a
Therefore, it is preferable that the
Here, in FIG. 3, as a part of the oscillation circuit section, a frequency signal oscillation device (oscillation circuit) 27,
In this
On the other hand, the
That is, when the vibrating legs are formed using, for example, a quartz Z-cut plate, as shown in FIG. 3, the electrodes are provided separately on the side surfaces of the second vibrating
Note that various changes can be made to the circuit configuration of the oscillation circuit section. For example, a logic circuit for phase adjustment in a small range, an analog element such as L, C, or R, or a filter for amplifying a driving signal is provided at an arbitrary circuit location. It is also preferable.
（５）検出部
また、検出部は、各質量体について発生したコリオリ力を検出するための部位であって、例えば、発振回路部の一部をそのまま利用することができる。したがって、検出部は、後述するインピーダンス変換回路、差動回路、加算回路、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）、同期検出回路、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）、増幅回路等から構成してあることが好ましい。
ここで、検出部には、図３に示すように、各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃに駆動用信号を入力すべく、各振動脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃに、複数の電極２０（２０ａ〜２０ｎ）が設けられている。そして、出力端子２５からの出力と、出力端子２１からの出力との差を取ることによって、Ｖモードとしてのコリオリ力を検出することができる。また、出力端子２５からの出力と、出力端子２１からの出力との和を取ることによって、Ｔモードとしてのコリオリ力を検出することができる。さらに、出力端子２３からの出力によって、ＨＡモードとしてのコリオリ力を検出することができる。
すなわち、図３に示す例では、発振回路部からの駆動用信号を入力するための電極と、各質量体について発生したコリオリ力を検出するための電極とが、共通していることが好ましいと言える。
なお、検出部における検出回路の構成についても、発振回路部と同様に、種々変更することができる。(5) Detection part Moreover, a detection part is a site | part for detecting the Coriolis force generate | occur | produced about each mass body, Comprising: For example, a part of oscillation circuit part can be utilized as it is. Therefore, it is preferable that the detection unit includes an impedance conversion circuit, a differential circuit, an addition circuit, a BPF (band pass filter), a synchronization detection circuit, an LPF (low pass filter), an amplification circuit, and the like which will be described later.
Here, as shown in FIG. 3, a plurality of electrodes 20 (20a to 20n) are connected to the vibrating
That is, in the example shown in FIG. 3, it is preferable that the electrode for inputting the driving signal from the oscillation circuit unit and the electrode for detecting the Coriolis force generated for each mass body are preferably used in common. I can say that.
The configuration of the detection circuit in the detection unit can be variously changed as in the oscillation circuit unit.
２．振動動作
各質量体の振動動作として、図４に示すように、第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に開閉するＨＳモード、あるいは、後述する図８に示すように、第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に同方向に変位するとともに、第１振動脚が、その反対方向に変位するＨＡモードの動作を、平面的になすことを特徴とする。
この理由は、振動モードとして、ＨＳモードを採用した場合には、Ｘ軸方向の検出モードをＶモード、Ｙ軸方向の検出モードをＴモード、Ｚ軸方向の検出モードをＨＡモードとして、感度良くコリオリ力を検出することができるためである。
すなわち、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、角速度センサ（３脚タイプ）において、ＨＳモードの振動動作を行うとともに、Ｘ軸方向において角速度が作用した場合、コリオリ力が所定方向に発生し、それが、振動モードにノイズレベルで含まれるＶモードの振動と結合することにより、共振して大きな値のコリオリ力を検出することができる。
また、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、角速度センサ（３脚タイプ）において、ＨＳモードの振動動作を行うとともに、Ｙ軸方向において角速度が作用した場合、コリオリ力が所定方向に発生し、それが、振動モードにノイズレベルで含まれるＴモードの振動と結合することにより、共振して大きな値のコリオリ力を検出することができる。
さらに、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、角速度センサ（３脚タイプ）において、ＨＳモードの振動動作を行うとともに、Ｚ軸方向において角速度が作用した場合、コリオリ力が所定方向に発生し、それが、振動モードにノイズレベルで含まれるＨＡモードの振動と結合することにより、共振して大きな値のコリオリ力を検出することができる。2. Vibration Operation As the vibration operation of each mass body, as shown in FIG. 4, the second vibration leg and the third vibration leg are simultaneously opened and closed in the Y-axis direction, or as shown in FIG. In addition, the second vibration leg and the third vibration leg are simultaneously displaced in the same direction with respect to the Y-axis direction, and the HA mode operation in which the first vibration leg is displaced in the opposite direction is made planar. It is characterized by that.
This is because, when the HS mode is adopted as the vibration mode, the detection mode in the X-axis direction is the V mode, the detection mode in the Y-axis direction is the T mode, and the detection mode in the Z-axis direction is the HA mode. This is because the Coriolis force can be detected.
That is, as shown in FIGS. 5A to 5D, when the angular velocity sensor (tripod type) performs the HS mode vibration operation and the angular velocity is applied in the X-axis direction, the Coriolis force is applied in a predetermined direction. It is generated and coupled with the vibration of the V mode that is included in the vibration mode at the noise level, so that a large value of Coriolis force can be detected.
In addition, as shown in FIGS. 6A to 6D, in the angular velocity sensor (tripod type), when the HS mode vibration operation is performed and the angular velocity is applied in the Y-axis direction, the Coriolis force is in a predetermined direction. It is generated and coupled with the vibration of the T mode that is included in the vibration mode at the noise level, so that a large value of Coriolis force can be detected.
Further, as shown in FIGS. 7A to 7D, when the angular velocity sensor (tripod type) performs the HS mode vibration operation and the angular velocity is applied in the Z-axis direction, the Coriolis force is applied in a predetermined direction. When generated and coupled with the vibration of the HA mode included in the vibration mode at a noise level, a large value of Coriolis force can be detected by resonance.
また、振動モードとして、図８（ａ）〜（ｂ）に示すように、ＨＡモードを採用した場合であっても、Ｘ軸方向の検出モードをＴモード、Ｙ軸方向の検出モードをＶモード、Ｚ軸方向の検出モードをＨＳモードとして、感度良くコリオリ力を検出することができるためである。
すなわち、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、角速度センサ（３脚タイプ）において、ＨＡモードの振動動作を行うとともに、Ｘ軸方向において角速度が作用した場合、コリオリ力が所定方向に発生し、それが、振動モードにノイズレベルで含まれるＴモードの振動と結合することにより、共振して大きな値のコリオリ力を検出することができる。
また、図１０（ａ）〜（ｄ）に示すように、角速度センサ（３脚タイプ）において、ＨＡモードの振動動作を行うとともに、Ｙ軸方向において角速度が作用した場合、コリオリ力が所定方向に発生し、それが、振動モードにノイズレベルで含まれるＶモードの振動と結合することにより、共振して大きな値のコリオリ力を検出することができる。
さらに、図１１（ａ）〜（ｄ）に示すように、角速度センサ（３脚タイプ）において、ＨＡモードの振動動作を行うとともに、Ｚ軸方向において角速度が作用した場合、コリオリ力が所定方向に発生し、それが、振動モードにノイズレベルで含まれるＨＳモードの振動と結合することにより、共振して大きな値のコリオリ力を検出することができる。Further, as shown in FIGS. 8A to 8B, even if the HA mode is adopted as the vibration mode, the detection mode in the X-axis direction is the T mode, and the detection mode in the Y-axis direction is the V mode. This is because the Coriolis force can be detected with high sensitivity by setting the detection mode in the Z-axis direction to the HS mode.
That is, as shown in FIGS. 9A to 9D, when the angular velocity sensor (tripod type) performs the HA mode vibration operation and the angular velocity is applied in the X-axis direction, the Coriolis force is applied in a predetermined direction. It is generated and coupled with the vibration of the T mode that is included in the vibration mode at the noise level, so that a large value of Coriolis force can be detected.
As shown in FIGS. 10A to 10D, when the angular velocity sensor (tripod type) performs the HA mode vibration operation and the angular velocity acts in the Y-axis direction, the Coriolis force is applied in a predetermined direction. It is generated and coupled with the vibration of the V mode that is included in the vibration mode at the noise level, so that a large value of Coriolis force can be detected.
Further, as shown in FIGS. 11A to 11D, when the angular velocity sensor (tripod type) performs the HA mode vibration operation and the angular velocity is applied in the Z-axis direction, the Coriolis force is applied in a predetermined direction. When generated and coupled with the vibration of the HS mode included in the vibration mode at the noise level, a large value of Coriolis force can be detected by resonance.
一方、振動モードとして、例えば、図１２（ａ）〜（ｂ）に示すように、Ｔモードを採用した場合には、Ｘ軸方向の検出モードをＨＡモード、Ｙ軸方向の検出モードをＨＳモードとして検出できるものの、Ｚ軸方向においては、回転方向と、振動方向とが一致することから、感度良くコリオリ力を検出できないためである。
すなわち、図１３（ａ）〜（ｄ）に示すように、角速度センサ（３脚タイプ）において、Ｔモードの振動動作を行うとともに、Ｘ軸方向において角速度が作用した場合、コリオリ力が所定方向に発生し、それが、振動モードにノイズレベルで含まれるＨＡモードの振動と結合することにより、共振して大きな値のコリオリ力を検出することができる。
また、図１４（ａ）〜（ｄ）に示すように、角速度センサ（３脚タイプ）において、Ｔモードの振動動作を行うとともに、Ｙ軸方向において角速度が作用した場合、コリオリ力が所定方向に発生し、それが、振動モードにノイズレベルで含まれるＨＳモードの振動と結合することにより、共振して大きな値のコリオリ力を検出することができる。
しかしながら、図１５（ａ）〜（ｄ）に示すように、角速度センサ（３脚タイプ）において、Ｔモードの振動動作を行うとともに、Ｚ軸方向において角速度が作用した場合、コリオリ力が所定方向に発生するものの、回転方向と、振動方向とが一致することから、感度良くコリオリ力を検出することが困難になる。On the other hand, as shown in FIGS. 12A to 12B, for example, when the T mode is adopted as the vibration mode, the detection mode in the X-axis direction is the HA mode, and the detection mode in the Y-axis direction is the HS mode. This is because the Coriolis force cannot be detected with high sensitivity because the rotation direction and the vibration direction coincide with each other in the Z-axis direction.
That is, as shown in FIGS. 13A to 13D, when the angular velocity sensor (tripod type) performs a T-mode vibration operation and an angular velocity is applied in the X-axis direction, the Coriolis force is applied in a predetermined direction. When generated and coupled with the vibration of the HA mode included in the vibration mode at a noise level, a large value of Coriolis force can be detected by resonance.
In addition, as shown in FIGS. 14A to 14D, when the angular velocity sensor (tripod type) performs a T-mode vibration operation and an angular velocity is applied in the Y-axis direction, the Coriolis force is applied in a predetermined direction. When generated and coupled with the vibration of the HS mode included in the vibration mode at the noise level, a large value of Coriolis force can be detected by resonance.
However, as shown in FIGS. 15A to 15D, when the angular velocity sensor (tripod type) performs a T-mode vibration operation and an angular velocity is applied in the Z-axis direction, the Coriolis force is applied in a predetermined direction. Although it occurs, it is difficult to detect the Coriolis force with high sensitivity because the rotation direction and the vibration direction coincide with each other.
３．検出動作
角速度センサを用いた検出動作については、第２の実施形態で詳細に説明するため、ここでの説明は省略する。3. Detection Operation Since the detection operation using the angular velocity sensor will be described in detail in the second embodiment, description thereof is omitted here.
４．変形例
次いで、図１６〜図２４を参照しながら、角速度センサの変形例を説明する。
なお、図１６〜図１７は、３脚タイプの変形例を示し、図１８〜図２４は、６脚タイプの変形例を示している。4). Modified Example Next, a modified example of the angular velocity sensor will be described with reference to FIGS.
16 to 17 show a modification of the tripod type, and FIGS. 18 to 24 show a modification of the six leg type.
（１）３脚タイプの変形例
図１６（ａ）に、第１振動脚の長さを、第２振動脚及び第３振動脚の長さよりも長くした変形例１０ａを示す。このように構成すると、振動モードとしてのＨＡモードや、検出モードとしてのＶモードの周波数を低下させて、検出感度を高めることができる。
また、図１６（ｂ）に、相対的に第１振動脚の長さを短くする一方、第２振動脚´及び第３振動脚の長さを長くした変形例１０ｂを示す。このように構成すると、振動モードとしてのＨＡモードやＨＳモードの周波数を低下させて、検出感度を高めることができる。また、周波数に関して、ＨＳモードよりもＨＡモードの周波数を大きく変化させたり、ＶモードよりもＴモードの周波数を大きく変化させたりしい場合に有効である。
また、図１６（ｃ）に、相対的に第１振動脚の幅を狭くする一方、第２振動脚及び第３振動脚の幅を広くした変形例１０ｃを示す。このように構成すると、振動モードとしてのＨＡモードやＨＳモードの周波数が高くなり、消費電力を低下させることができる。また、周波数に関して、ＨＡモードよりもＨＳモードの周波数を大きく変化させたい場合に有効である。
また、図１６（ｄ）に、相対的に第１振動脚の幅を太くする一方、第２振動脚及び第３振動脚の幅を狭くした変形例１０ｄを示す。このように構成すると、振動モードとしてのＨＡモードの周波数が高くなり、消費電力を低下させることができる。
さらに、図１７（ａ）〜（ｂ）に、角速度センサ（３脚タイプ）の別の変形例１０ｅの平面図および側面図を示す。
各振動脚の厚さｔを厚くすると、検出モードとしてのＶモードやＴモードの周波数を高めて、消費電力を低下させることができる。(1) Modified Example of Three Leg Type FIG. 16A shows a modified example 10a in which the length of the first vibrating leg is longer than the lengths of the second vibrating leg and the third vibrating leg. If comprised in this way, the detection sensitivity can be raised by reducing the frequency of HA mode as a vibration mode, and V mode as a detection mode.
FIG. 16B shows a modified example 10b in which the lengths of the second vibrating leg ′ and the third vibrating leg are lengthened while the length of the first vibrating leg is relatively shortened. If comprised in this way, the frequency of HA mode or HS mode as a vibration mode can be reduced, and detection sensitivity can be raised. Further, it is effective when the frequency of the HA mode is changed more greatly than the HS mode or the frequency of the T mode is changed more than the V mode.
FIG. 16C shows a modified example 10c in which the width of the second vibrating leg and the third vibrating leg are increased while the width of the first vibrating leg is relatively reduced. If comprised in this way, the frequency of HA mode and HS mode as a vibration mode will become high, and power consumption can be reduced. Further, it is effective when it is desired to change the frequency of the HS mode more greatly than the HA mode.
FIG. 16D shows a modified example 10d in which the width of the first vibrating leg is relatively increased while the widths of the second vibrating leg and the third vibrating leg are reduced. If comprised in this way, the frequency of HA mode as a vibration mode will become high, and power consumption can be reduced.
Further, FIGS. 17A to 17B are a plan view and a side view of another modified example 10e of the angular velocity sensor (tripod type).
When the thickness t of each vibration leg is increased, the frequency of the V mode or the T mode as the detection mode can be increased and the power consumption can be reduced.
（２）６脚タイプの変形例
また、図１８に、角速度センサのさらに別の変形例として、６脚タイプの平面図を示すとともに、図１９に、電極４０（４０ａ〜４０ｕ）の配置および回路構成５０（５０ａ、５０ｂ）を示す。すなわち、少なくとも所定の形態を有する第１〜第３振動脚および各振動脚に対応して連なる３つの質量体等を供えるものの、基部を介して、各振動脚に対応する位置に、第１´振動脚〜第３´振動脚が設けてある６脚タイプの角速度センサも、本発明の角速度センサに含めることができる。
そこで、図２０（ａ）〜（ｂ）に、６脚タイプの角速度センサにおける基本構造を示すとともに、図２１（ａ）〜（ｂ）に、ＨＳモードにおける振動動作を示す。そして、図２２（ａ）〜（ｄ）に、ＨＳモードの振動動作を行った場合のＸ軸におけるコリオリ力の発生機構を示し、図２３（ａ）〜（ｄ）に、Ｙ軸におけるコリオリ力の発生機構を示し、図２４（ａ）〜（ｄ）に、Ｚ軸におけるコリオリ力の発生機構を示す。
そして、このような６脚タイプの角速度センサにおいて、基部を介して、各振動脚に対応する位置に、第１´振動脚〜第３´振動脚が設けてあるとともに、当該第１´振動脚〜第３´振動脚に、それぞれコリオリ力検出用電極が設けてあることが好ましい。
この理由は、このように構成することにより、各振動脚を振動させるための発振回路部の一部としての振動用電極と、各振動脚に発生したコリオリ力を検出するためのコリオリ力検出用電極とを、機能分離することができるためである。したがって、図１９に示すように、各電極４０（４０ａ〜４０ｕ）の構造や、それに連なる回路構成５０（５０ａ、５０ｂ）をそれぞれ簡略化することができる。(2) Six-leg type modification FIG. 18 shows a plan view of a six-leg type as still another modification of the angular velocity sensor, and FIG. 19 shows the arrangement and circuit of the electrodes 40 (40a to 40u). Configuration 50 (50a, 50b) is shown. That is, although the first to third vibrating legs having at least a predetermined form and three mass bodies connected in correspondence with the respective vibrating legs are provided, the first ′ ′ is provided at a position corresponding to each vibrating leg through the base. A six-leg type angular velocity sensor provided with the vibrating leg to the third 'vibrating leg can also be included in the angular velocity sensor of the present invention.
Therefore, FIGS. 20A to 20B show the basic structure of the six-legged angular velocity sensor, and FIGS. 21A to 21B show the vibration operation in the HS mode. FIGS. 22A to 22D show a mechanism for generating a Coriolis force in the X axis when the HS mode vibration operation is performed, and FIGS. 23A to 23D show a Coriolis force in the Y axis. FIG. 24A to FIG. 24D show the generation mechanism of the Coriolis force on the Z axis.
In such a six-leg type angular velocity sensor, the first ′ vibrating legs to the third ′ vibrating legs are provided at positions corresponding to the respective vibrating legs via the base, and the first ′ vibrating legs are provided. It is preferable that a Coriolis force detection electrode is provided on each of the third to third vibration legs.
The reason for this is that, by configuring in this way, a vibrating electrode as a part of the oscillation circuit unit for vibrating each vibrating leg, and a Coriolis force detection for detecting the Coriolis force generated in each vibrating leg. This is because the function of the electrode can be separated. Accordingly, as shown in FIG. 19, the structure of each electrode 40 (40a to 40u) and the circuit configuration 50 (50a, 50b) connected thereto can be simplified.
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、３つの振動脚を固定するための基部と、各振動脚に連なる３つの質量体と、各振動脚を振動させるための発振回路部と、各質量体について発生したコリオリ力を検出するための検出部と、を有する三軸方向の角速度を測定するための角速度センサを用いた、被測定物における角速度の測定方法であって、
被測定物に対して、振動脚を含む平面において直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、かつ平面に垂直方向にＺ軸をとったときに、第１振動脚がＹ軸方向に一致させてあるとともに、第２振動脚及び第３振動脚が、基部から、それぞれＹ軸から互いに離れるように斜め方向に延びる延設部を備えた角速度センサを取り付ける工程（以下、取付工程）と、
各質量体の振動モードとして、第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に開閉するＨＳモード、あるいは第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に同方向に変位するとともに、第１振動脚が、その反対方向に変位するＨＡモードの動作を、それぞれ平面的に動作させる工程（以下、振動工程）と、
検出部において、各質量体について発生したコリオリ力を検出する工程（以下、検出工程）と、
を含むことを特徴とする角速度の測定方法である。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, a base for fixing three vibration legs, three mass bodies connected to each vibration leg, an oscillation circuit section for vibrating each vibration leg, and a Coriolis generated for each mass body. A method for measuring an angular velocity in an object to be measured, using an angular velocity sensor for measuring an angular velocity in three axial directions having a detection unit for detecting force,
When the X axis and the Y axis are two axes orthogonal to the object to be measured in the plane including the vibration legs, and the Z axis is perpendicular to the plane, the first vibration legs are aligned with the Y axis direction. A step of attaching an angular velocity sensor (hereinafter referred to as an attachment step) in which the second vibration leg and the third vibration leg are provided with extending portions extending obliquely from the base so as to be separated from the Y axis , respectively.
As the vibration mode of each mass body, the second vibration leg and the third vibration leg simultaneously open and close with respect to the Y-axis direction, or the second vibration leg and the third vibration leg with respect to the Y-axis direction. , Simultaneously moving in the same direction, and the first vibration leg is moved in the opposite direction to the HA mode operation (hereinafter referred to as vibration step) in a plane,
In the detection unit, a step of detecting Coriolis force generated for each mass body (hereinafter, detection step),
It is the measuring method of angular velocity characterized by including.
１．取付工程
被測定物に対して、振動脚を含む平面において直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、かつ平面に垂直方向にＺ軸をとったときに、第１振動脚がＹ軸方向に一致させてあるとともに、第２振動脚及び第３振動脚が、それぞれＹ軸から互いに離れるように斜め方向に延びる延設部を備えた角速度センサを取り付ける工程である。
かかる取付工程の態様は、角速度センサを被測定物に対して、強固かつ安定的に取り付けるものであれば特に制限されるものではないが、例えば、角速度センサをハーメッチックシールした状態で、被測定物に対して取り付けることが好ましい。
この理由は、角速度センサに対する、外部の湿度や温度の影響を排除するためである。また、角速度センサを被測定物に対して取り付けるに際して、ねじやリベット等の機械的手段や硬化性接着剤等の化学的手段を採ることが好ましい。1. Mounting process When the two axes orthogonal to the object to be measured in the plane including the vibration legs are the X axis and the Y axis and the Z axis is perpendicular to the plane, the first vibration leg is in the Y axis direction. This is a step of attaching an angular velocity sensor having an extension portion that is matched and extends in an oblique direction so that the second vibrating leg and the third vibrating leg are separated from each other from the Y axis.
The mode of the mounting process is not particularly limited as long as the angular velocity sensor is securely and stably attached to the object to be measured. For example, the angular velocity sensor is hermetically sealed in a state where the angular velocity sensor is sealed. It is preferable to attach to the measurement object.
The reason for this is to eliminate the influence of external humidity and temperature on the angular velocity sensor. Further, when attaching the angular velocity sensor to the object to be measured, it is preferable to adopt mechanical means such as screws and rivets and chemical means such as curable adhesive.
２．振動工程
（１）振動モード
各質量体（第１質量体〜第３質量体）の振動モードとして、第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に開閉するＨＳモード、あるいは第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に同方向に変位するとともに、第１振動脚が、その反対方向に変位するＨＡモードの動作を、それぞれ平面的になす工程である。
また、かかる振動工程において、ＨＳモードあるいはＨＶモードの周波数を、それぞれ１〜１００ｋＨｚの範囲内の値とすることが好ましい。
この理由は、このような周波数範囲を選択することにより、周囲の自然振動の影響を受けることなく、各振動脚および各振動脚に連なる質量体を、所定の振動モードでさらに精度良く駆動させるためである。したがって、各質量体について発生したコリオリ力を、さらに感度良く検出することができる。
また、これらの周波数であれば、各振動脚および各振動脚に連なる質量体の形態への制限が少なくなって、小型化、薄型化を図ることができるためである。さらに、これらの周波数であれば、従来の角速度センサと比較して、消費電力を低下させることもできるためである。
したがって、振動モードとして、ＨＳモードあるいはＨＶモードの周波数を、それぞれ２〜５０ｋＨｚの範囲内の値とすることがより好ましく、１０〜３０ｋＨｚの範囲内の値とすることがさらに好ましい。
但し、かかる振動工程において、振動モードとしてのＨＳモードと、ＨＡモードとを適宜組み合わせることも好ましい。すなわち、振動回路や検出回路を対応させて工夫しなければならないが、ＨＳモードと、ＨＡモードとを所定時間ごとに交互に変えることも好ましい。あるいは、ＨＳモードの補助振動モードとして、ＨＡモードを組み込んだり、逆に、ＨＡモードの補助振動モードとして、ＨＳモードを組み込んだりすることも好ましい。その場合、ＨＳモードと、ＨＡモードとを明確に区別すべく、それぞれの周波数を少なくとも５０Ｈｚ以上異ならせることが好ましく、２００Ｈｚ以上異ならせることがさらに好ましい。2. Vibration step (1) Vibration mode As a vibration mode of each mass body (first mass body to third mass body), an HS mode in which the second vibration leg and the third vibration leg simultaneously open and close in the Y-axis direction, Alternatively, the second vibration leg and the third vibration leg are simultaneously displaced in the same direction with respect to the Y-axis direction, and the HA mode operation in which the first vibration leg is displaced in the opposite direction is made planar. It is a process.
In the vibration step, it is preferable that the frequency of the HS mode or the HV mode is set to a value in the range of 1 to 100 kHz.
The reason for this is that by selecting such a frequency range, each vibration leg and the mass body connected to each vibration leg can be driven more accurately in a predetermined vibration mode without being affected by the surrounding natural vibration. It is. Therefore, the Coriolis force generated for each mass body can be detected with higher sensitivity.
Moreover, if it is these frequencies, the restriction | limiting to the form of the mass body connected to each vibration leg and each vibration leg will decrease, and it can achieve size reduction and thickness reduction. Furthermore, if these frequencies are used, the power consumption can be reduced as compared with the conventional angular velocity sensor.
Therefore, as the vibration mode, the frequency of the HS mode or the HV mode is preferably set to a value in the range of 2 to 50 kHz, and more preferably set to a value in the range of 10 to 30 kHz.
However, in the vibration process, it is also preferable to appropriately combine the HS mode as the vibration mode and the HA mode. That is, it is necessary to devise the vibration circuit and the detection circuit in correspondence, but it is also preferable to alternately change the HS mode and the HA mode every predetermined time. Alternatively, it is also preferable to incorporate the HA mode as the auxiliary vibration mode of the HS mode, or conversely, incorporate the HS mode as the auxiliary vibration mode of the HA mode. In that case, in order to clearly distinguish between the HS mode and the HA mode, it is preferable that each frequency is different by at least 50 Hz, and more preferably, 200 Hz or more.
（２）振動回路
また、振動回路は、図２５の一部に示すように、発振回路、ＡＧＣ回路、インピーダンス変換回路、位相補正回路、コンパレータ等から構成してあることが好ましい。なお、発振回路は、角速度センサの駆動素子（Ｄｒ１、Ｄｒ２）に連なっているとともに、角速度センサの各振動脚の電極２０ｃ、２０ｄ、２０Ｊに電気接続されている。また、ＡＧＣ回路は、発振回路と、角速度センサの各振動脚の別の電極２０ｍ、２０ｎ、２０ｅとの間に電気接続されている。
ここで、振動回路における発振回路は、各振動脚を振動させために、所定周波数を有する駆動出力（駆動用信号）を作成するための回路である。
また、ＡＧＣ回路は、発振回路からの駆動出力を制御し、基本振動の振幅を安定化させるための回路である。
また、インピーダンス変換回路は、駆動素子（Ｄｒ１、Ｄｒ２）の出力を、そのまま駆動信号として使用すると、インピーダンスが高い出力信号となるため、駆動信号と、その後の回路との間で、インピーダンスマッチングを図るための回路である。
また、位相補正回路（位相シフト回路と称する場合もある。）は、ＸＹＺ軸の出力の同期検波を行なう際に、同期検波のタイミングとマッチングさせるための回路である。すなわち、同期検波のタイミングのための信号は、駆動信号を用いて生成するが、この駆動信号の位相をシフトさせることで、同期検波のタイミングを調整することが可能となる。
また、コンパレータは、駆動信号を完全な矩形波とするためのものである。すなわち、駆動信号は、通常、正弦波または台形波であることから、そのままであると、スイッチングのタイミングがとりにくいためである。(2) Oscillation circuit The oscillation circuit is preferably composed of an oscillation circuit, an AGC circuit, an impedance conversion circuit, a phase correction circuit, a comparator, and the like as shown in part of FIG. The oscillation circuit is connected to the driving elements (Dr1, Dr2) of the angular velocity sensor and is electrically connected to the
Here, the oscillation circuit in the oscillation circuit is a circuit for creating a drive output (drive signal) having a predetermined frequency in order to vibrate each vibration leg.
The AGC circuit is a circuit for controlling the drive output from the oscillation circuit and stabilizing the amplitude of the fundamental vibration.
In addition, since the impedance conversion circuit uses the output of the drive elements (Dr1, Dr2) as a drive signal as it is, the impedance conversion circuit becomes an output signal having a high impedance. Therefore, impedance matching is performed between the drive signal and the subsequent circuit. It is a circuit for.
The phase correction circuit (sometimes referred to as a phase shift circuit) is a circuit for matching the timing of synchronous detection when performing synchronous detection of the output of the XYZ axes. That is, a signal for the timing of synchronous detection is generated using the drive signal, and the timing of synchronous detection can be adjusted by shifting the phase of the drive signal.
The comparator is for making the drive signal a complete rectangular wave. That is, since the drive signal is usually a sine wave or a trapezoidal wave, if it is left as it is, switching timing is difficult to take.
３．検出工程
（１）検出モード
また、各質量体（第１質量体〜第３質量体）の振動モードがＨＳモードの場合には、以下の検出モードとすることが好ましい。
Ｘ軸方向：Ｖモード
Ｙ軸方向：Ｔモード
Ｚ軸方向：ＨＡモード3. Detection Step (1) Detection Mode In addition, when the vibration mode of each mass body (first mass body to third mass body) is the HS mode, the following detection mode is preferable.
X-axis direction: V mode Y-axis direction: T mode Z-axis direction: HA mode
また、第１質量体〜第３質量体の振動モードがＨＡモードの場合には、以下の検出モードとすることが好ましい。
Ｘ軸方向：Ｔモード
Ｙ軸方向：Ｖモード
Ｚ軸方向：ＨＳモード
この理由は、このように実施することにより、各質量体について発生したコリオリ力を、所定の検出モードと結合させて、さらに感度良く検出することができるためである。以下、検出回路の説明において、所定の検出モードと結合させて、コリオリ力をさらに感度良く検出できることを具体的に述べる。In addition, when the vibration mode of the first mass body to the third mass body is the HA mode, the following detection mode is preferable.
X-axis direction: T mode Y-axis direction: V mode Z-axis direction: HS mode This is because the Coriolis force generated for each mass body is combined with a predetermined detection mode by performing in this way. This is because it can be detected with high sensitivity. Hereinafter, in the description of the detection circuit, it will be specifically described that the Coriolis force can be detected with higher sensitivity in combination with a predetermined detection mode.
（２）検出回路
また、検出回路についても、図２５の一部に示すように、インピーダンス変換回路、差動回路、加算回路、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）、同期検出回路、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）、増幅回路等から構成してあることが好ましい。なお、検出回路は、角速度センサの駆動素子（Ｄｒ１、Ｄｒ２）に連なっているとともに、角速度センサの各振動脚の電極２１、２２、２３に電気接続されている。また、図２５の一部に示すように、基準電圧生成回路が設けてあり、角速度センサの各振動脚の電極２０ｂ、２０ｋ、２０ｆ、２０ｇに電気接続されている。
ここで、検出回路におけるインピーダンス変換回路は、各振動脚から得られる検出信号について、その後の回路との間で、インピーダンスマッチングを図るための回路である。
また、差動回路および加算回路は、検出信号について、それぞれ差をとったり、加算値をとったりする回路である。例えば、図３に示す検出回路（振動回路）の場合、出力端子２５からの出力と、出力端子２３からの出力と、出力端子２１からの出力と、の差および和等によって、Ｖモード、Ｔモード、ＨＡモードとしてのコリオリ力を得ることができる。
また、ＢＰＦは、低周波および高周波の不要な信号（ノイズ）を除去して、所定の発振周波数を有する信号を取り出すためのノイズフィルタである。
また、同期検出回路は、ＸＹＺ軸の出力の同期検波を行なう回路である。すなわち、ＹＹＺ軸の同期検波回路は、それぞれコリオリ力としての検出出力を整流するためのものであって、ＹＹＺ軸方向の角速度成分（ωｘ、ωｙ、ωｚ）に比例した直流成分を得るためのものである。
また、ＬＰＦは、所定周波数以上の不要な信号を除去して、所定の発振周波数を有する信号のみをさらに有効に取り出し、検出感度を高めるためのフィルタである。
また、増幅回路は、所定の発振周波数を有する信号をさらに増幅して取り出し、検出感度を高めるための回路である。
さらに、基準電圧生成回路は、上述した駆動回路のみならず、検出回路を安定的に動作させるとともに、角速度の検出感度を高めるための回路である。すなわち、基準電圧生成回路は、通常、回路の動作の電位差の１／２を生成し、例えば、回路の入力電圧Ｖｃｃが、５．０Ｖ、回路ＧＮＤ電位が０Ｖであれば、２．５Ｖの電位差とする。これにより、直流電圧に整流したあと、基準電圧が１／２Ｖｃｃであれば、直流電位がプラス側、マイナス側のいずれに変化した場合であっても、出力変化を大きくとれ、いわゆるダイナミックレンジが最大になるという利点を得ることができる。
逆に言えば、基準電圧生成回路が無い場合には、例えば、基準電圧がＧＮＤと同じく０Ｖになると、それ以上電圧が下がらないことになって、マイナス側の電圧変化の測定が困難となる場合がある。さらに、基準電圧生成回路が無い場合であって、例えば、入力電圧Ｖｃｃが基準電圧になると、それ以上電圧が上がらないことになって、プラス側の電圧変化の測定が困難となる場合がある。(2) Detection Circuit As shown in part of FIG. 25, the detection circuit also includes an impedance conversion circuit, a differential circuit, an addition circuit, a BPF (band pass filter), a synchronization detection circuit, an LPF (low pass filter), It is preferable that the circuit is composed of an amplifier circuit or the like. The detection circuit is connected to the drive elements (Dr1, Dr2) of the angular velocity sensor and is electrically connected to the
Here, the impedance conversion circuit in the detection circuit is a circuit for achieving impedance matching between the detection signal obtained from each vibration leg and the subsequent circuit.
In addition, the differential circuit and the addition circuit are circuits that respectively take a difference or take an addition value for the detection signals. For example, in the case of the detection circuit (vibration circuit) shown in FIG. 3, the V mode, T, and the like are determined by the difference and sum of the output from the
The BPF is a noise filter for removing a signal having a predetermined oscillation frequency by removing unnecessary low-frequency and high-frequency signals (noise).
The synchronous detection circuit is a circuit that performs synchronous detection of the outputs of the XYZ axes. That is, the YYZ-axis synchronous detection circuit is for rectifying the detection output as the Coriolis force, and for obtaining a DC component proportional to the angular velocity components (ωx, ωy, ωz) in the YYZ-axis direction. It is.
The LPF is a filter for removing an unnecessary signal having a predetermined frequency or higher and taking out only a signal having a predetermined oscillation frequency more effectively to increase detection sensitivity.
The amplifier circuit is a circuit for further amplifying and taking out a signal having a predetermined oscillation frequency to increase detection sensitivity.
Further, the reference voltage generation circuit is a circuit for stably operating not only the drive circuit described above but also the detection circuit and increasing the sensitivity of detecting the angular velocity. That is, the reference voltage generation circuit normally generates 1/2 of the circuit operation potential difference. For example, if the circuit input voltage Vcc is 5.0 V and the circuit GND potential is 0 V, a potential difference of 2.5 V is generated. And As a result, if the reference voltage is ½ Vcc after rectification to a DC voltage, the output change can be increased regardless of whether the DC potential changes to the positive side or the negative side, and the so-called dynamic range is maximized. The advantage of becoming can be obtained.
In other words, when there is no reference voltage generation circuit, for example, when the reference voltage becomes 0 V, which is the same as GND, the voltage does not decrease any more, and it becomes difficult to measure the negative voltage change. There is. Further, in the case where there is no reference voltage generation circuit, for example, when the input voltage Vcc becomes the reference voltage, the voltage does not increase any more, and it may be difficult to measure the positive voltage change.
次いで、角速度の検出作用の一例を図５（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、角速度センサ（３脚タイプ）において、ＨＳモードの振動動作を行った場合であって、Ｘ軸方向において所定の角速度が生じると、図５（ｂ）に示すように、各振動脚の質量体の振動における瞬時速度に比例して、速度と、角速度とに直交する向きにコリオリ力（Ｆｃ３１、Ｆｃ２１）が発生する。そこで、この発生したコリオリ力（Ｆｃ３１、Ｆｃ２１）を、検出回路によってそのまま検出することにより、Ｘ軸方向における角速度を算出することができる。
一方、発生したコリオリ力（Ｆｃ３１、Ｆｃ２１）の値はそのままでは比較的小さいために、振動モードにノイズレベルで含まれるＶモードの振動と結合させ、共振させて大きな値のコリオリ力として、検出回路によって検出することもできる。すなわち、図５（ｃ）および図５（ｄ）に示すように、発生したコリオリ力（Ｆｃ３１、Ｆｃ２１）が、Ｖモードの振動をすると想定されるためである。Next, an example of the action of detecting the angular velocity will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 5 (a), when the angular velocity sensor (tripod type) performs a vibration operation in the HS mode and a predetermined angular velocity occurs in the X-axis direction, FIG. 5 (b) As shown in FIG. 5, Coriolis force (Fc31, Fc21) is generated in a direction orthogonal to the velocity and the angular velocity in proportion to the instantaneous velocity in the vibration of the mass body of each vibrating leg. Therefore, by detecting the generated Coriolis force (Fc31, Fc21) as it is by the detection circuit, the angular velocity in the X-axis direction can be calculated.
On the other hand, since the value of the generated Coriolis force (Fc31, Fc21) is relatively small as it is, it is combined with the vibration of the V mode included in the vibration mode at the noise level and resonated to obtain a large value of Coriolis force. Can also be detected. That is, as shown in FIGS. 5C and 5D, the generated Coriolis force (Fc31, Fc21) is assumed to vibrate in the V mode.
よって、ＨＳモードの振動動作を行った場合であって、Ｘ軸方向において所定の角速度が生じた場合、検出回路において、検出モードをＶモードとすることにより、コリオリ力（Ｆｃ３１、Ｆｃ２１）を感度良く検出することができる。
また、ＨＳモードの振動動作を行った場合であって、Ｙ軸方向やＺ軸方向において所定の角速度が生じた場合も同様であって、上述したように、検出モードとして、ＴモードおよびＨＡモードとそれぞれ結合させ、共振させることにより大きな値のコリオリ力として、検出回路によって検出することもできる。
なお、図２６（ａ）〜（ｃ）に示すように、一例ではあるが、本発明の角速度センサおよび角速度の測定方法によれば、ＸＹＺ軸方向における角速度と、所定範囲の電位差とが比例することから、所定の検出感度が得られることが理解される。Therefore, when the vibration operation in the HS mode is performed and a predetermined angular velocity is generated in the X-axis direction, the detection circuit sets the detection mode to the V mode, and thereby the Coriolis force (Fc31, Fc21) is changed to the sensitivity. It can be detected well.
The same applies to the case where the vibration operation in the HS mode is performed and a predetermined angular velocity is generated in the Y-axis direction or the Z-axis direction. As described above, the detection mode includes the T mode and the HA mode. Can be detected by the detection circuit as a large Coriolis force by coupling and resonating with each other.
In addition, as shown in FIGS. 26A to 26C, according to the angular velocity sensor and the angular velocity measuring method of the present invention, the angular velocity in the XYZ-axis direction is proportional to the potential difference within a predetermined range, as an example. From this, it is understood that a predetermined detection sensitivity can be obtained.
本発明の角速度センサおよび角速度の測定方法によれば、所定の角速度センサにおいて、ＨＳモードあるいはＨＡモードの実質的に単一の振動モードを採用し、それぞれ振動脚を平面的に動作させることにより、振動脚を精度良く振動させることができるとともに、一定の角速度が生じた場合、それに起因して生起されたコリオリ力を三軸方向で、それぞれ精度良く検出できるようになった。
したがって、振動動作が簡易かつ精度良く可能であって、検出感度がすぐれるばかりか、さらには低消費電力化や小型化が容易な角速度センサおよび角速度の測定方法を提供することが可能となった。
よって、本発明の角速度センサおよび角速度の測定方法は、各種機械製品や電気製品、あるいは電子機器等に使用され、車載用角速度センサ、モーター用角速度センサ、傾斜計用角速度センサ、ＰＣ用角速度センサ、携帯電話用角速度センサ、液晶ＴＶ用角速度センサ、ナビゲータ用角速度センサ等、あるいはそれらを用いた角速度の測定方法に好適に使用することができる。According to the angular velocity sensor and the angular velocity measuring method of the present invention, the predetermined angular velocity sensor adopts a substantially single vibration mode of the HS mode or the HA mode, and each of the vibration legs is operated in a plane, The vibration leg can be vibrated with high accuracy, and when a certain angular velocity is generated, the Coriolis force generated due to the vibration can be detected with high accuracy in three axial directions.
Therefore, it is possible to provide an angular velocity sensor and an angular velocity measuring method that can easily and accurately perform vibration operation, have excellent detection sensitivity, and that can be easily reduced in power consumption and size. .
Therefore, the angular velocity sensor and the angular velocity measuring method of the present invention are used in various mechanical products, electrical products, electronic devices, etc., and are used in in-vehicle angular velocity sensors, motor angular velocity sensors, inclinometer angular velocity sensors, PC angular velocity sensors, It can be suitably used for a cellular phone angular velocity sensor, a liquid crystal TV angular velocity sensor, a navigator angular velocity sensor, or the like, or a method of measuring an angular velocity using them.
Claims (8)
前記振動脚を含む平面において直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、かつ平面に垂直方向にＺ軸をとったときに、前記第１振動脚がＹ軸方向に一致させてあるとともに、前記第２振動脚及び第３振動脚が、前記基部から、それぞれＹ軸から互いに離れるように斜め方向に延びる延設部を備えており、
前記検出部において、各質量体について発生したコリオリ力を検出するに際して、
各質量体の振動モードとして、前記第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に開閉するＨＳモード、あるいは前記第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に同方向に変位するとともに、前記第１振動脚が、その反対方向に変位するＨＡモードの動作を、平面的になすことを特徴とする角速度センサ。A base for fixing the three vibration legs, three mass bodies connected to each vibration leg, an oscillation circuit section for vibrating each vibration leg, and a Coriolis force generated for each mass body are detected. An angular velocity sensor for measuring an angular velocity in three axial directions ,
When the two axes orthogonal to each other in the plane including the vibration leg are the X axis and the Y axis and the Z axis is perpendicular to the plane, the first vibration leg is aligned with the Y axis direction, and The second vibration leg and the third vibration leg each include an extending portion extending in an oblique direction so as to be away from the Y axis from the base portion, respectively.
In detecting the Coriolis force generated for each mass body in the detection unit,
As the vibration mode of each mass body, the second vibration leg and the third vibration leg are simultaneously opened and closed with respect to the Y-axis direction, or the second vibration leg and the third vibration leg are in the Y-axis direction. On the other hand, the angular velocity sensor is characterized in that the HA mode operation in which the first vibrating leg is simultaneously displaced in the same direction and the first vibrating leg is displaced in the opposite direction is planar.
前記被測定物に対して、前記振動脚を含む平面において直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、かつ平面に垂直方向にＺ軸をとったときに、前記第１振動脚がＹ軸方向に一致させてあるとともに、前記第２振動脚及び第３振動脚が、前記基部から、それぞれＹ軸から互いに離れるように斜め方向に延びる延設部を備えた角速度センサを取り付ける工程と、
前記各質量体の振動モードとして、前記第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に開閉するＨＳモード、あるいは前記第２振動脚及び第３振動脚が、Ｙ軸方向に対して、同時に同方向に変位するとともに、前記第１振動脚が、その反対方向に変位するＨＡモードの動作を、それぞれ平面的になす工程と、
前記検出部において、各質量体について発生したコリオリ力を検出する工程と、
を含むことを特徴とする角速度の測定方法。A base for fixing the three vibration legs, three mass bodies connected to each vibration leg, an oscillation circuit section for vibrating each vibration leg, and a Coriolis force generated for each mass body are detected. A method for measuring an angular velocity in an object to be measured using an angular velocity sensor for measuring an angular velocity in three axial directions ,
When the X axis and the Y axis are two axes orthogonal to the object to be measured in the plane including the vibration legs, and the Z axis is perpendicular to the plane, the first vibration legs are in the Y axis direction. And attaching an angular velocity sensor having an extension portion extending in an oblique direction so that the second vibration leg and the third vibration leg are separated from the Y-axis from the Y-axis , respectively.
As the vibration mode of each mass body, the HS mode in which the second vibration leg and the third vibration leg simultaneously open and close with respect to the Y-axis direction, or the second vibration leg and the third vibration leg in the Y-axis direction. In contrast, the step of simultaneously performing the HA mode operation in which the first vibrating leg is displaced in the same direction and the first vibrating leg is displaced in the opposite direction, respectively,
In the detection unit, detecting a Coriolis force generated for each mass body;
A method of measuring angular velocity, comprising:
Ｘ軸方向の検出モードを、前記第２振動脚及び第３振動脚が、Ｚ軸方向に同じ向きに変位するとともに、前記第１振動脚が反対向きに変位するＶモードとし、
Ｙ軸方向の検出モードを、前記第２振動脚及び第３振動脚が、Ｚ軸方向に逆向きに変位するＴモードとし、
Ｚ軸方向の検出モードを、前記ＨＡモードとし、
前記各質量体の振動モードがＨＡモードの場合、
Ｘ軸方向の検出モードを、前記Ｔモードとし、
Ｙ軸方向の検出モードを、前記Ｖモードとし、
Ｚ軸方向の検出モードを、前記ＨＳモードとする、
ことを特徴とする請求項７に記載の角速度の測定方法。When the vibration mode of each mass body is the HS mode,
The detection mode in the X-axis direction is a V mode in which the second vibrating leg and the third vibrating leg are displaced in the same direction in the Z-axis direction, and the first vibrating leg is displaced in the opposite direction.
The detection mode in the Y-axis direction is a T mode in which the second vibrating leg and the third vibrating leg are displaced in the opposite direction in the Z-axis direction,
The detection mode in the Z-axis direction is the HA mode,
When the vibration mode of each mass body is the HA mode,
The detection mode in the X-axis direction is the T mode,
The detection mode in the Y-axis direction is the V mode,
The detection mode in the Z-axis direction is the HS mode.
The method of measuring an angular velocity according to claim 7.
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