JPH0835841A - Vibration gyroscope - Google Patents
Vibration gyroscopeInfo
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- JPH0835841A JPH0835841A JP6170889A JP17088994A JPH0835841A JP H0835841 A JPH0835841 A JP H0835841A JP 6170889 A JP6170889 A JP 6170889A JP 17088994 A JP17088994 A JP 17088994A JP H0835841 A JPH0835841 A JP H0835841A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、自動車などに搭載さ
れるナビゲーションシステムなどに用いられる振動ジャ
イロに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration gyro used in a navigation system mounted on an automobile or the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】振動ジャイロは、物体の回転の角速度を
正確に知ることができるセンサの一種であり、自動車の
ナビゲーションシステムやＶＴＲカメラの手振れ補正な
どに広く応用されている。2. Description of the Related Art A vibration gyro is a kind of sensor capable of accurately knowing the angular velocity of the rotation of an object, and is widely applied to the navigation system of automobiles and the image stabilization of VTR cameras.
【０００３】かかる振動ジャイロの一例として、図５の
（ａ）に示す概略構成のものが知られている。１は振動
子、２は圧電素子、３は発振回路、４は差動検出器であ
る。圧電素子２は駆動用２ａ、検出用２ｂ、及び帰還用
２ｃの３種があり、断面が四角柱の振動子１の各面に図
示のように取り付けられている。As an example of such a vibration gyro, there is known one having a schematic configuration shown in FIG. Reference numeral 1 is a vibrator, 2 is a piezoelectric element, 3 is an oscillation circuit, and 4 is a differential detector. There are three types of piezoelectric elements 2, a driving type 2a, a detecting type 2b, and a returning type 2c, which are attached to the respective faces of the vibrator 1 having a rectangular cross section as illustrated.
【０００４】発振回路３からの信号により駆動用圧電素
子が矢印ｆの方向に振動し、その帰還信号が発振回路３
へ送られる。この振動子１を回転させると矢印ｔ方向へ
コリオリ力が発生し、これを検出用圧電素子２ｂ、２ｂ
により検出し、差動検出器４によりコリオリ振動成分の
みを検出するように構成されている。The driving piezoelectric element vibrates in the direction of the arrow f by the signal from the oscillation circuit 3, and the feedback signal thereof is generated by the oscillation circuit 3.
Sent to. When this vibrator 1 is rotated, a Coriolis force is generated in the direction of arrow t, and this is detected by the piezoelectric elements 2b and 2b for detection.
And the differential detector 4 detects only the Coriolis vibration component.
【０００５】図５の（ｂ）に示す振動ジャイロも特開平
２−２６６２１４号公報における従来例として知られて
いる。この従来例では、振動子１’は三角柱状のものが
使用され、駆動用２ａが独立に、検出用及び帰還用（２
ｂｃ、２ｂｃ）は兼用形の圧電素子２が用いられてい
る。The vibrating gyro shown in FIG. 5B is also known as a conventional example in Japanese Patent Laid-Open No. 2-266214. In this conventional example, a vibrator 1 ′ having a triangular prism shape is used, and the driving 2 a is independently used for detection and feedback (2
The dual-purpose piezoelectric element 2 is used for bc and 2bc).
【０００６】この例では、振動子を三角柱状とすること
で角速度が加わった時の振動モードが駆動と検出の合成
モードとなり高感度となる。In this example, by forming the vibrator into a triangular prism shape, the vibration mode when an angular velocity is applied becomes a combined mode of driving and detection, and high sensitivity is achieved.
【０００７】図５の（ｃ）の従来例は、特開平２−２６
６２１４号公報及び日本機械学会誌の論文「小形ジャイ
ロとその応用」（著者中村武、１９９３年１１月、ＶＯ
Ｌ．９６、ＮＯ．９００）により知られている。この公
報による振動ジャイロにも三角柱状の振動子１”を使用
し、圧電素子２は帰還用２ｃを独立に、駆動・検出用２
ａｂ、２ａｂを兼用形として設けている。The conventional example shown in FIG. 5C is disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-26.
No. 6214 publication and a paper in the journal of the Japan Society of Mechanical Engineers "Small Gyro and Its Applications" (Author Takeshi Nakamura, November 1993, VO)
L. 96, NO. 900). The vibrating gyro according to this publication also uses a triangular prism-shaped vibrator 1 ″, and the piezoelectric element 2 has a feedback 2 c independently and a drive / detection 2
Ab and 2ab are provided as a dual-purpose type.
【０００８】この例では上記（ｂ）の方式のものに比し
て、駆動系と検出系を共用することにより共振系の不一
致やずれによる特性変化に、特にそれぞれの圧電素子の
特性上のばらつきや経時変化、温度変化による影響をさ
らに抑制したものである。In this example, as compared with the system of the above-mentioned method (b), by sharing the drive system and the detection system, characteristic changes due to mismatch and deviation of the resonance system, especially variations in the characteristics of the respective piezoelectric elements. It further suppresses the effects of changes with time, changes in temperature, and changes in temperature.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】上記した３つの従来例
のうち（ｃ）の形式のものは、圧電素子の駆動用と検出
用を一体共用形としてノイズ成分及びドリフト成分を抑
制するようにしたもので、上記公報によると振動ジャイ
ロとしては高精度に振動成分を検出し、従って正確な回
転速度の検出ができるとされている。Among the above-mentioned three conventional examples, the one of the type (c) is configured so that the driving and detecting of the piezoelectric element are integrally shared to suppress the noise component and the drift component. However, according to the above publication, it is said that the vibration gyro can detect the vibration component with high accuracy, and thus can accurately detect the rotation speed.
【００１０】しかし、この例では駆動用と検出用を一体
化したために駆動信号の影響が検出側に生じてしまい、
この影響がドリフト成分として現れるため、必ずしも完
全なものである訳ではない。又、一体形としたために駆
動用と検出用の圧電素子として同一構成・材質の圧電セ
ラミックが用いられることとなり、駆動用としては好ま
しいが、検出用としては必ずしも適当ではない。However, in this example, since the driving and the detection are integrated, the influence of the driving signal occurs on the detection side,
Since this influence appears as a drift component, it is not always perfect. Further, since it is integrated, piezoelectric ceramics of the same structure and material are used as the driving and detecting piezoelectric elements, which is preferable for driving, but not necessarily suitable for detecting.
【００１１】即ち、圧電セラミックは圧電定数（単位電
界を加えた場合に生じる歪み率）が大きく、振動子を大
きく振動させることはできるが、圧電出力定数（単位応
力を加えたときに生じる電界強さ）が小さいため信号検
出感度が低く、このためＳＮ比が悪くなり、特性上のば
らつきや経時変化及び温度変化があった場合に回転角速
度を必ずしも正確に測定できるとは限らないからであ
る。That is, the piezoelectric ceramic has a large piezoelectric constant (a strain rate generated when a unit electric field is applied) and can vibrate the vibrator greatly, but a piezoelectric output constant (electric field strength generated when a unit stress is applied). This is because the signal detection sensitivity is low due to a small value, and thus the SN ratio is deteriorated, and the rotational angular velocity cannot always be accurately measured when there is a variation in characteristics, a change over time, or a temperature change.
【００１２】この発明は、上述した従来の振動ジャイロ
の種々の問題点に留意して、駆動用と検出用の圧電素子
として駆動用は圧電定数、検出用は圧電出力定数の大き
いものを用いて大きく振動させかつ高感度に振動検出す
るのを可能とし正確な角速度を測定し得る振動ジャイロ
を提供することを課題とする。In the present invention, in consideration of various problems of the above-described conventional vibration gyro, a piezoelectric element for driving and a piezoelectric element for detecting have a large piezoelectric constant, and a piezoelectric element for detecting has a large piezoelectric output constant. An object of the present invention is to provide a vibration gyro that can vibrate greatly and can detect vibration with high sensitivity and can measure an accurate angular velocity.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する手
段としてこの発明は、機械振動を生じる材料から成る振
動子に圧電素子を設け、これら圧電素子のうち駆動用は
圧電定数が大のものとし、検出用は駆動用より大きい圧
電出力定数を有する異種特性の圧電素子を用いて回転角
速度信号を検出するように構成して成る振動ジャイロの
構成としたのである。As a means for solving the above problems, the present invention provides a piezoelectric element on a vibrator made of a material that causes mechanical vibration, and among those piezoelectric elements, those for driving have a large piezoelectric constant. Then, the vibration gyro is configured to detect the rotational angular velocity signal by using a piezoelectric element having different characteristics having a piezoelectric output constant larger than that for driving for detection.
【００１４】上記振動ジャイロの構成において、前記検
出用圧電素子を圧電特性が温度や経時変化に対して安定
な単結晶圧電素子とするのが好ましい。In the above vibrating gyro, it is preferable that the detecting piezoelectric element is a single crystal piezoelectric element whose piezoelectric characteristics are stable with respect to temperature and changes with time.
【００１５】あるいは、前記駆動用圧電素子を圧電セラ
ミックとし、検出用圧電素子を水晶形式のものとしても
よい。Alternatively, the driving piezoelectric element may be a piezoelectric ceramic, and the detecting piezoelectric element may be of a crystal type.
【００１６】上記いずれの発明においても、前記検出用
圧電素子に負荷抵抗とインピーダンス変換回路を接続
し、負荷抵抗Ｒの値は検出用圧電素子からの出力が安定
する領域であって、検出用圧電素子の容量値Ｃ、駆動用
圧電素子の駆動用交流信号周波数ｆに対し１／（２π・
ｆ・ｃ・Ｒ）2 が０．１５以下となる領域に選ぶように
するのが好ましい。In any of the above inventions, a load resistance and an impedance conversion circuit are connected to the detection piezoelectric element, and the value of the load resistance R is a region in which the output from the detection piezoelectric element is stable. 1 / (2π · with respect to the capacitance value C of the element and the driving AC signal frequency f of the driving piezoelectric element
It is preferable to select a region where f · c · R) 2 is 0.15 or less.
【００１７】[0017]
【作用】上記構成の第一の発明の振動ジャイロは、駆動
用の圧電素子として圧電定数の大きいもの、検出用とし
て圧電出力定数の大きい異なる特性のものが用いられて
いる。このため振動子の駆動振幅が大きく、検出側では
出力信号電圧が高くなり、高感度の検出ができる。The vibrating gyroscope according to the first aspect of the present invention, which has a large piezoelectric constant as a driving piezoelectric element and different characteristics with a large piezoelectric output constant, is used for detection. Therefore, the drive amplitude of the vibrator is large, the output signal voltage is high on the detection side, and highly sensitive detection is possible.
【００１８】振動ジャイロは、駆動用の圧電素子により
振動子を振動させ、この振動中にジャイロに回転力が加
えられると振動子の振動方向と直交方向にコリオリ振動
が生じ、これを検出用の圧電素子で検出して回転角速度
に対応する直流信号を出力する。コリオリ振動は駆動用
の圧電素子による振動子の振動に比して極めて小さな振
動であるため、検出用の圧電素子が高感度であればこれ
を精度よく検出することができるのである。The vibrating gyro vibrates the vibrator by the driving piezoelectric element, and if a rotational force is applied to the gyro during this vibration, Coriolis vibration is generated in a direction orthogonal to the vibration direction of the vibrator, which is used for detection. The piezoelectric element detects and outputs a DC signal corresponding to the rotational angular velocity. Since the Coriolis vibration is extremely small compared to the vibration of the vibrator due to the driving piezoelectric element, if the detecting piezoelectric element has high sensitivity, it can be detected accurately.
【００１９】第二の発明では、検出用の圧電素子として
単結晶圧電素子を用いることとしている。In the second invention, a single crystal piezoelectric element is used as the detecting piezoelectric element.
【００２０】検出側の圧電素子として要求される特性と
しては、検出信号が高感度で検出できることであるが、
圧電特性が温度や経時変化に対して安定していることも
重要な要素である。The characteristic required of the piezoelectric element on the detection side is that the detection signal can be detected with high sensitivity.
It is also an important factor that the piezoelectric characteristics are stable with respect to temperature and changes with time.
【００２１】圧電セラミック等の単結晶体は、焼結後の
多結晶体に分極処理して圧電性を得ているのに対して、
水晶等の単結晶体は、結晶自信の自発分極がありこれに
より圧電性を得ているため温度的に安定するのである。While a single crystal body such as a piezoelectric ceramic has a piezoelectric property obtained by polarization treatment of a polycrystalline body after sintering,
A single crystal body such as quartz crystal has spontaneous polarization, which is self-sustaining and has piezoelectricity, so that it is stable in temperature.
【００２２】第三の発明は、駆動用として圧電セラミッ
ク、検出用として水晶の圧電素子を用いている。これに
より、振動子を大きく振動させ、検出側には高感度で確
実に検出信号を得ることができ、温度や経時変化に対し
て安定した出力信号を出力することになる。In the third invention, a piezoelectric ceramic element is used for driving and a crystal piezoelectric element is used for detection. As a result, the vibrator is vibrated greatly, and a detection signal can be reliably obtained with high sensitivity on the detection side, and a stable output signal is output with respect to temperature and changes over time.
【００２３】第四の発明では、検出用の圧電素子に負荷
抵抗とインピーダンス変換回路を接続している。このた
め、圧電素子からの検出信号は、出力電流を殆んど必要
とせず、効率よく信号を検出できる。In the fourth invention, the load resistance and the impedance conversion circuit are connected to the piezoelectric element for detection. Therefore, the detection signal from the piezoelectric element requires almost no output current, and the signal can be detected efficiently.
【００２４】しかも負荷抵抗の値は検出用圧電素子から
の出力が安定する領域内の値として設定される。従っ
て、圧電素子の容量が小さいことによる出力低下も発生
せず、検出感度が高くなって、検出信号のＳＮ比が上が
り、圧電素子の特性上のばらつきや温度、経時変化があ
っても正確な回転角速度が検出される。Moreover, the value of the load resistance is set as a value within a region where the output from the detecting piezoelectric element is stable. Therefore, the output is not decreased due to the small capacity of the piezoelectric element, the detection sensitivity is increased, the SN ratio of the detection signal is increased, and even if there is variation in the characteristics of the piezoelectric element, temperature, or change with time, it is accurate. The rotational angular velocity is detected.
【００２５】[0025]
【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
して説明する。図１の（ａ）は第一実施例の振動ジャイ
ロの全体概略図、（ｂ）はインピーダンス変換回路の例
を示す図である。この実施例の振動ジャイロ１０は、断
面が四角柱状の振動子１１の各側面に圧電素子１２（１
２ａ〜１２ｃ）を取り付けたものから成る。振動子１１
は、石英、ガラス、水晶などの一般に機械的な振動を生
じ易い材料が使用される。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1A is an overall schematic view of the vibration gyro of the first embodiment, and FIG. 1B is a view showing an example of an impedance conversion circuit. The vibrating gyroscope 10 of this embodiment has a piezoelectric element 12 (1
2a to 12c) are attached. Oscillator 11
In general, a material such as quartz, glass, or crystal that easily causes mechanical vibration is used.
【００２６】圧電素子１２は、その両面に電極層Ｐを有
し、この電極層Ｐは、例えば金、銀、アルミニウムなど
の電極材料でスパッタリング、あるいは蒸発などの薄膜
技術により形成される。The piezoelectric element 12 has an electrode layer P on both sides thereof, and the electrode layer P is formed by an electrode material such as gold, silver or aluminum by a thin film technique such as sputtering or evaporation.
【００２７】上記圧電素子１２は、駆動用と検出用とし
て互いに異なる特性のものが使用されており、駆動用１
２ａは圧電定数の大きい圧電セラミック（圧電定数ｄ形
式）が用いられ、検出用１２ｂは圧電出力定数の大きい
水晶圧電素子（圧電定数ｇ形式）が用いられている。な
お検出用１２ｂとしては後で説明するように樹脂系圧電
素子を用いることもできる。１２ｃは帰還用であり、そ
の帰還信号系を発振回路１３へ接続して、振動子１１を
自励振動させるようにしている。The piezoelectric element 12 has characteristics different from each other for driving and detecting.
A piezoelectric ceramic (piezoelectric constant d type) having a large piezoelectric constant is used for 2a, and a quartz crystal piezoelectric element (piezoelectric constant g type) having a large piezoelectric output constant is used for detection 12b. A resin-based piezoelectric element may be used as the detecting element 12b, as will be described later. Reference numeral 12c is for feedback, and its feedback signal system is connected to the oscillation circuit 13 so that the vibrator 11 can be self-excited.
【００２８】検出用１２ｂ、１２ｂの圧電素子には負荷
抵抗１５ａ、１５ｂとインピーダンス変換回路１６ａ、
１６ｂが接続され、その検出信号を検出回路１４で処理
して角速度信号を得るように構成されている。The piezoelectric elements for detection 12b and 12b include load resistors 15a and 15b and an impedance conversion circuit 16a.
16b is connected, and the detection signal is processed by the detection circuit 14 to obtain an angular velocity signal.
【００２９】インピーダンス変換回路１６ａ、１６ｂ
は、例えば図１の（ｂ）に示すような電圧ホロワ回路で
構成されており、入力インピーダンスが高く、出力イン
ピーダンスが低くなるようにインピーダンス変換する回
路である。又、検出回路１４は２つの検出用１２ａ、１
２ｂの圧電素子からの検出信号を差動増幅して角速度信
号のみを検出し、この信号を検波し、ＡＣ−ＤＣ変換し
た後直流増幅等して角速度に応じた直流信号を出力す
る。Impedance conversion circuits 16a and 16b
Is a circuit configured by, for example, a voltage follower circuit as shown in FIG. 1B, which performs impedance conversion so that the input impedance is high and the output impedance is low. Further, the detection circuit 14 includes two detection circuits 12a and 1a.
The detection signal from the piezoelectric element 2b is differentially amplified to detect only the angular velocity signal, this signal is detected, AC-DC converted, and then DC amplified to output a DC signal corresponding to the angular velocity.
【００３０】上述した圧電セラミックは、一般に圧電層
としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴと略称される）が
用いられ、水晶又は樹脂系のものに比して誘電率（印加
された電界により生じる歪み率）が大きく、従って圧電
定数が大きい。このため振動体を大きく振動させること
ができる。In the above-mentioned piezoelectric ceramics, lead zirconate titanate (abbreviated as PZT) is generally used as the piezoelectric layer, and the dielectric constant (strain rate caused by an applied electric field) is higher than that of quartz or resin type. ) Is large and therefore the piezoelectric constant is large. Therefore, the vibrating body can be greatly vibrated.
【００３１】一方、検出用として用いられる水晶又は樹
脂系圧電素子（一般にフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ
と略称される）が用いられる）は、誘電率、圧電定数が
小さいが、圧電出力定数が大きく、従って出力信号電圧
が高い。On the other hand, a crystal or resin-based piezoelectric element used for detection (generally vinylidene fluoride resin (PVDF
Is used)) has a small dielectric constant and a small piezoelectric constant, but has a large piezoelectric output constant and thus a high output signal voltage.
【００３２】上述した３種類（ＰＺＴ、水量、ＰＶＤ
Ｆ）の圧電素子の特性について表１に示す。The above three types (PZT, water amount, PVD
Table 1 shows the characteristics of the piezoelectric element of F).
【００３３】[0033]
【表１】 [Table 1]
【００３４】上表から分るように、ＰＶＤＦ等の樹脂系
圧電素子は感度が水晶を用いる場合より大きくなる。し
かし、樹脂系の圧電素子は、特に高温における温度安定
性に劣るのに対し、水晶は比較的温度安定性が良いため
温度変化に対し安定した出力が得られる。従って、高温
での温度安定性を要求されない場合は、検出用として樹
脂系圧電素子を用いてもよい。As can be seen from the above table, the sensitivity of the resin-based piezoelectric element such as PVDF is higher than that when quartz is used. However, a resin-based piezoelectric element is inferior in temperature stability especially at high temperature, whereas a crystal is relatively good in temperature stability, so that a stable output can be obtained against a temperature change. Therefore, when temperature stability at high temperature is not required, a resin-based piezoelectric element may be used for detection.
【００３５】以上の構成とした実施例の振動ジャイロは
次のように作用する。発振回路１３からの駆動用交流信
号を駆動用１２ａの圧電電子に加えると、振動子１１は
図中の矢印ｆの方向に自励振動する。この振動中に回転
力が振動ジャイロに加えられると、矢印ｔ方向にコリオ
リ振動が生じ、これが検出用１２ａ、１２ｂの圧電素子
により検出される。The vibrating gyroscope of the embodiment having the above construction operates as follows. When the driving AC signal from the oscillation circuit 13 is applied to the piezoelectric electrons of the driving 12a, the vibrator 11 self-excitedly vibrates in the direction of arrow f in the figure. When a rotational force is applied to the vibration gyro during this vibration, Coriolis vibration occurs in the direction of arrow t, and this is detected by the piezoelectric elements 12a and 12b for detection.
【００３６】駆動用１２ａの圧電素子は、圧電定数が大
きいため、振動子１１の振動振幅は大きく振動する。そ
して回転力を加えられたことにより生じるコリオリ振動
は、感度の高い水晶を用いた検出用１２ａ、１２ｂの圧
電素子で検出される。Since the piezoelectric element for driving 12a has a large piezoelectric constant, the vibration amplitude of the vibrator 11 vibrates greatly. Then, the Coriolis vibration caused by the application of the rotational force is detected by the piezoelectric elements 12a and 12b for detection using quartz having high sensitivity.
【００３７】但し、圧電出力定数の大きい水晶や樹脂系
圧電素子は誘電率が小さく圧電素子の容量が小さくなる
ので、微小な電流しか取り出すことができず、そのまま
では感度低下をもたらす場合がある。However, since a crystal or a resin-based piezoelectric element having a large piezoelectric output constant has a small dielectric constant and a small capacitance of the piezoelectric element, only a minute current can be taken out, which may lead to a decrease in sensitivity.
【００３８】そこで、この実施例では上記負荷抵抗１５
ａ、１５ｂとインピーダンス変換回路１６ａ、１６ｂの
構成により圧電素子からの検出信号を高いインピーダン
スで受けるようにして、圧電素子からの出力電流が小さ
くても効率よく信号を検出できるようにしているのであ
る。即ち、圧電素子からの出力信号を高入力インピーダ
ンスで受けるため、圧電素子と負荷抵抗で構成される回
路からの電流の漏れがなく効率的に出力が得られるので
ある。Therefore, in this embodiment, the load resistor 15 is
The configuration of a and 15b and the impedance conversion circuits 16a and 16b allows the detection signal from the piezoelectric element to be received with a high impedance so that the signal can be efficiently detected even if the output current from the piezoelectric element is small. . That is, since the output signal from the piezoelectric element is received with high input impedance, there is no leakage of current from the circuit composed of the piezoelectric element and the load resistor, and an efficient output can be obtained.
【００３９】負荷抵抗と出力の関係を図２に示す。この
測定結果は、負荷抵抗１５ａ、１５ｂの抵抗値Ｒを変え
た場合にインピーダンス変換回路１６ａ、１６ｂから得
られる出力の振幅Ｖを測定した結果である。The relationship between the load resistance and the output is shown in FIG. This measurement result is a result of measuring the amplitude V of the output obtained from the impedance conversion circuits 16a and 16b when the resistance value R of the load resistors 15a and 15b is changed.
【００４０】この測定では、振動体の励振周波数ｆ＝８
ｋＨｚ、圧電素子の容量値Ｃ＝５３０ｐＦを用いた。図
示の結果から分るように、振動ジャイロの振動を効率良
く検出するには負荷抵抗Ｒ＝１００ｋΩ以上であればよ
いことが得られた。In this measurement, the excitation frequency f of the vibrating body f = 8
A frequency value of kHz and a capacitance value C of the piezoelectric element C = 530 pF were used. As can be seen from the results shown in the figure, it was found that the load resistance R = 100 kΩ or more was sufficient to efficiently detect the vibration of the vibration gyro.
【００４１】図２には、負荷抵抗Ｒと出力振幅Ｖの関係
を表す下記の理論式による計算値も示している。FIG. 2 also shows the calculated value by the following theoretical formula showing the relationship between the load resistance R and the output amplitude V.
【００４２】 Ｖ＝Ｖ0 ／［１＋（１／２・π・ｆ・ｃ・Ｒ）2 ］1/2 ……（１） Ｖ0 は図２に示す出力振幅Ｖの飽和した値であり、ここ
では実験結果からＶ0＝７２０ｍＶとした。図から分か
るように、計算値と実験値はよく一致しており（１）式
の正しいことが分かる。従って、効率よく信号検出する
に必要な負荷抵抗値は（１）式から推定できる。V = V 0 / [1+ (1/2 · π · f · c · R) 2 ] 1/2 (1) V 0 is a saturated value of the output amplitude V shown in FIG. Here, from the experimental results, V 0 = 720 mV. As can be seen from the figure, the calculated value and the experimental value are in good agreement, and it can be seen that the equation (1) is correct. Therefore, the load resistance value required for efficient signal detection can be estimated from the equation (1).
【００４３】又、出力振幅Ｖが安定する領域（本実施例
ではＲ≧約１００ｋΩ）では、（１）式から振動体の励
振周波数ｆや圧電素子の容量値ｃ及び負荷抵抗Ｒの温度
や経時変化等に対しても出力が安定する効果があること
が理解されるであろう。なお、この実施例ではＲ＝２２
０ｋΩとした。Further, in the region where the output amplitude V is stable (R ≧ about 100 kΩ in this embodiment), from the equation (1), the excitation frequency f of the vibrating body, the capacitance value c of the piezoelectric element, and the temperature of the load resistance R and the time elapse. It will be understood that the output has the effect of being stabilized against changes and the like. In this embodiment, R = 22
It was set to 0 kΩ.
【００４４】帰還用１２ｃの圧電素子として、この実施
例では量産性を考慮して量産性に優れたＰＺＴを用いた
が、発振回路を構成するために振動体の振動を高感度で
検出する必要がある場合にはＰＶＤＦが適し、温度安定
性が要求される場合には水晶が適する。As the piezoelectric element for the feedback 12c, PZT which is excellent in mass productivity is used in this embodiment in consideration of mass productivity, but it is necessary to detect the vibration of the vibrating body with high sensitivity in order to configure the oscillation circuit. In some cases PVDF is suitable, and in the case where temperature stability is required, quartz is suitable.
【００４５】図３に第二実施例の振動ジャイロの概略構
成図を示す。この振動ジャイロ１０’は、３角柱の振動
子２１と圧電素子２２ａ、２２ｂｃ、２２ｂｃで構成さ
れている。第一実施例と同様に、駆動用２２ａの圧電素
子として圧電セラミック、検出・帰還用２２ｂｃ、２２
ｂｃとして水晶圧電素子が用いられており、検出用と帰
還用は共用形を用いている。FIG. 3 shows a schematic block diagram of the vibrating gyroscope of the second embodiment. The vibrating gyro 10 'includes a vibrator 21 having a triangular prism shape and piezoelectric elements 22a, 22bc, 22bc. Similar to the first embodiment, a piezoelectric ceramic is used as the driving 22a piezoelectric element, and detection / feedback 22bc, 22.
A quartz piezoelectric element is used as bc, and a common type is used for detection and feedback.
【００４６】このため、圧電素子２２ｂｃ、２２ｂｃか
らの信号を抵抗２７ａ、２７ｂを介して両者の信号の平
均をとりこれを帰還用の信号として発振回路２３に入力
し、その出力信号を駆動用２２ａの圧電素子に印加して
振動子を自励振駆動する回路構成としている。その他の
構成については第一実施例と同じであり、同一構成部材
については２０番台の対応する符号を付して説明は省略
する。Therefore, the signals from the piezoelectric elements 22bc and 22bc are averaged via the resistors 27a and 27b, and the averaged signal is input to the oscillation circuit 23 as a feedback signal, and the output signal is output to the driving 22a. The circuit configuration is such that the vibrator is driven by self-excitation by being applied to the piezoelectric element. The rest of the configuration is the same as that of the first embodiment, and the same components are assigned the corresponding reference numerals in the 20s and the description thereof is omitted.
【００４７】図４は第三実施例の振動ジャイロの概略構
成図を示す。この振動ジャイロ１０”では、検出用３２
ｂｃの圧電素子の負荷抵抗３５ａ、３５ｂを用いて帰還
用の信号を検出側から得て発振回路３３に入力し、その
出力信号を駆動用３２ａの圧電素子に印加して振動子を
自励振駆動する回路構成とした。その他の構成は第二実
施例と同じであり、同一機能部材には３０番台の対応す
る符号を付して説明は省略する。FIG. 4 is a schematic diagram of the vibrating gyroscope of the third embodiment. This vibrating gyro 10 "has 32
A signal for feedback is obtained from the detection side using the load resistors 35a and 35b of the piezoelectric element of bc and input to the oscillation circuit 33, and the output signal is applied to the piezoelectric element of the driving 32a to drive the vibrator by self-excitation. Circuit configuration. The other configurations are the same as those of the second embodiment, and the same functional members are designated by the corresponding reference numerals in the thirties and the description thereof is omitted.
【００４８】[0048]
【効果】以上詳述に説明したように、この出願の第一の
発明の振動ジャイロは、振動子に取付けた圧電素子のう
ち駆動用は圧電定数大、検出用に圧電出力定数大の異な
る特性のものを使用することとしたから、振動子は大き
な振動振幅で振動し、コリオリ振動を検出する検出側で
は高感度の検出信号が得られ、従って検出信号はＳＮ比
が高くなり、正確な回転角速度信号が得られるという極
めて有利な利点が得られる。As described in detail above, the vibrating gyroscope according to the first invention of this application has different characteristics such that the piezoelectric element attached to the vibrator has a large piezoelectric constant for driving and a large piezoelectric output constant for detection. Since it is decided to use the one of the above, the vibrator vibrates with a large vibration amplitude, and a high-sensitivity detection signal can be obtained on the detection side that detects Coriolis vibration. Therefore, the detection signal has a high SN ratio and accurate rotation. The very advantageous advantage of obtaining an angular velocity signal is obtained.
【００４９】第二の発明では、検出側の圧電素子として
単結晶圧電素子を用いるとしたから、特に圧電素子の温
度変化があっても安定した出力が得られるという利点が
得られる。In the second invention, since the single crystal piezoelectric element is used as the detection-side piezoelectric element, there is an advantage that a stable output can be obtained even if the temperature of the piezoelectric element changes.
【００５０】第三の発明では、駆動用の圧電素子として
圧電セラミック、検出用として水晶圧電素子を用いると
したから、第一及び第二の発明のものを確実に実施で
き、同様な効果を得ることができる。In the third invention, since the piezoelectric ceramic is used as the driving piezoelectric element and the quartz crystal piezoelectric element is used for the detection, the first and second inventions can be reliably implemented, and the same effect is obtained. be able to.
【００５１】第四の発明では、検出用圧電素子に負荷抵
抗とインピーダンス変換回路を接続したから、負荷抵抗
とインピーダンス変換回路を適切に設定することによっ
て回路からの電流の漏れを防止し小さな検出電流であっ
ても効率よく出力信号を得ることができる。In the fourth aspect of the present invention, since the load resistance and the impedance conversion circuit are connected to the detection piezoelectric element, the load resistance and the impedance conversion circuit are appropriately set to prevent leakage of current from the circuit and to reduce the small detection current. Even in this case, the output signal can be obtained efficiently.
【００５２】さらに、負荷抵抗値は出力が安定する領域
内に設定されるため、圧電素子の特性のばらつき、温
度、経時変化があっても安定した出力信号が得られると
いう種々の利点が得られる。Further, since the load resistance value is set within the region where the output is stable, various advantages can be obtained in that a stable output signal can be obtained even if there are variations in the characteristics of the piezoelectric element, temperature, and changes over time. .
【図１】第一実施例の振動ジャイロの概略構成及びイン
ピーダンス変換回路例を示す図FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a vibrating gyroscope according to a first embodiment and an example of an impedance conversion circuit.
【図２】負荷抵抗と出力振幅の関係を示す図FIG. 2 is a diagram showing a relationship between load resistance and output amplitude.
【図３】第二実施例の振動ジャイロの概略構成図FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a vibrating gyroscope according to a second embodiment.
【図４】第三実施例の振動ジャイロの概略構成図FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a vibrating gyroscope according to a third embodiment.
【図５】従来例の振動ジャイロの概略構成図FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a conventional vibration gyro.
１０、１０’、１０” 振動ジャイロ １１、２１、３１ 振動子 １２、２２、３２ 圧電素子 １２ａ、２２ａ、３２ａ 駆動用圧電素子 １２ｂ 検出用圧電素子 １２ｃ 帰還用圧電素子 ２２ｂｃ、３２ｂｃ 検出・帰還用圧電素子 １３、２３、３３ 発振回路 １４、２４、３４ 検出回路、 １５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂ、３５ａ、３５ｂ 負
荷抵抗 １６ａ、１６ｂ、２６ａ、２６ｂ、３６ａ、３６ｂ イ
ンピーダンス変換回路10, 10 ', 10 "Vibration gyro 11, 21, 31 Vibrator 12, 22, 32 Piezoelectric element 12a, 22a, 32a Driving piezoelectric element 12b Detection piezoelectric element 12c Feedback piezoelectric element 22bc, 32bc Detection / feedback piezoelectric Elements 13, 23, 33 Oscillation circuit 14, 24, 34 Detection circuit, 15a, 15b, 25a, 25b, 35a, 35b Load resistance 16a, 16b, 26a, 26b, 36a, 36b Impedance conversion circuit
Claims (4)
圧電素子を設け、これら圧電素子のうち駆動用は圧電定
数が大のものとし、検出用は駆動用より大きい圧電出力
定数を有する異種特性の圧電素子を用いて回転角速度信
号を検出するように構成して成る振動ジャイロ。1. A piezoelectric element is provided on a vibrator made of a material that causes mechanical vibration, and a piezoelectric element for driving has a large piezoelectric constant and a piezoelectric element for detection has a different piezoelectric output constant than that for driving. A vibration gyro configured to detect a rotational angular velocity signal using the piezoelectric element of.
経時変化に対して安定な単結晶圧電素子としたことを特
徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。2. The vibrating gyroscope according to claim 1, wherein the detecting piezoelectric element is a single crystal piezoelectric element whose piezoelectric characteristics are stable with respect to temperature and changes with time.
し、検出用圧電素子を水晶形式のものとしたことを特徴
とする請求項１に記載の振動ジャイロ。3. The vibrating gyroscope according to claim 1, wherein the driving piezoelectric element is a piezoelectric ceramic, and the detecting piezoelectric element is of a crystal type.
ーダンス変換回路を接続し、負荷抵抗Ｒの値は検出用圧
電素子からの出力が安定する領域であって、検出用圧電
素子の容量値Ｃ、駆動用圧電素子の駆動用交流信号周波
数ｆに対し１／（２π・ｆ・ｃ・Ｒ）2 が０．１５以下
となる領域に選ぶようにしたことを特徴とする請求項１
乃至３のいずれかに記載の振動ジャイロ。4. A load resistance and an impedance conversion circuit are connected to the detection piezoelectric element, and the value of the load resistance R is a region where the output from the detection piezoelectric element is stable, and the capacitance value C of the detection piezoelectric element. 2. A region in which 1 / (2π · f · c · R) 2 is 0.15 or less with respect to the driving AC signal frequency f of the driving piezoelectric element is selected.
The vibrating gyroscope according to any one of 1 to 3.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6170889A JPH0835841A (en) | 1994-07-22 | 1994-07-22 | Vibration gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6170889A JPH0835841A (en) | 1994-07-22 | 1994-07-22 | Vibration gyroscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0835841A true JPH0835841A (en) | 1996-02-06 |
Family
ID=15913205
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6170889A Pending JPH0835841A (en) | 1994-07-22 | 1994-07-22 | Vibration gyroscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0835841A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8065914B2 (en) | 2007-07-06 | 2011-11-29 | Seiko Epson Corporation | Vibration gyro |
-
1994
- 1994-07-22 JP JP6170889A patent/JPH0835841A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8065914B2 (en) | 2007-07-06 | 2011-11-29 | Seiko Epson Corporation | Vibration gyro |
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