JP3671570B2

JP3671570B2 - Vibrating gyro

Info

Publication number: JP3671570B2
Application number: JP35188896A
Authority: JP
Inventors: 村武中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JPH10170279A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は振動ジャイロに関し、特にたとえば、カメラの手振れ防止用やカーナビゲーションシステムなどにおいて回転角速度を検出するために用いられる、振動ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の振動ジャイロとしては、たとえば図９に示すようなワトソン型振動ジャイロがある。この振動ジャイロ１はＵ字状の振動体２を含み、振動体２の対向する面に駆動用圧電素子３が形成される。振動体２の２つの先端部には、振動体２の面と直交するようにして、板状の検出片４が形成される。検出片４の主面上には、検出用圧電素子５が形成される。この振動ジャイロ１では、駆動用圧電素子３に駆動信号が与えられ、振動体２がその主面に直交する方向に屈曲振動する。このとき、検出片４は、その主面に平行な方向に振動するため、検出用圧電素子５は屈曲しない。したがって、このときには、検出用圧電素子５から信号が出力されない。この状態で、ω₀で示すように、振動ジャイロ１の軸を中心として回転すると、振動体２の屈曲振動と直交する方向にコリオリ力が働く。このコリオリ力によって、検出片４は屈曲し、検出用圧電素子５も屈曲する。したがって、検出用圧電素子５からの出力信号を測定すれば、加わった回転角速度を検出することができる。
【０００３】
また、図１０に示すように、スペリー型振動ジャイロもある。この振動ジャイロ６では、Ｕ字状の振動体２が、支持部材７を介して、矩形板状の検出片８の一端の中央部に取り付けられている。振動体２の対向する面には、駆動用圧電素子３が形成される。また、検出片８の両面には、それぞれ検出用圧電素子９が形成される。これらの検出用圧電素子９は、支持部材７を挟んで両側に配置される。この振動ジャイロ６では、駆動用圧電素子３に駆動信号が与えられ、振動体２がその主面に直交する方向に屈曲振動する。このとき、２つの振動体２は互いに逆相となるように屈曲振動し、そのため検出片８は変位しない。そのため、検出用圧電素子９から信号が出力されない。この状態で、ω₀で示すように、振動ジャイロ６の軸を中心として回転すると、振動体２の屈曲振動と直交する方向にコリオリ力が働く。このコリオリ力によって、検出片８には、支持部材７を中心として回転するような力が働く。そのため、検出片８は、支持部材７を中心としてＳ字状に屈曲し、検出用圧電素子９も屈曲する。この屈曲によって、検出用圧電素子９から信号が出力される。したがって、検出用圧電素子９の出力信号を測定することによって、加わった回転角速度を検出することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ワトソン型の振動ジャイロでは、振動体の先端部に検出片があるため、大型になってしまう。さらに、振動体の先端部において振動体の面と検出片の面とが直交するような複雑な構造であるため、製造時に高い加工精度が必要となる。また、スペリー型の振動ジャイロでは、振動体と検出片とが細い支持部材を介して接続されているため、外部振動や衝撃による支持部材の変位が問題となる。
【０００５】
また、これらの振動ジャイロでは、Ｕ字状の音叉型振動体の底部中心部が近似的なノード点として支持されるが、実際には音叉型の振動体のノード点は２か所あり、振動体の底部中心部を支持すると振動漏れが発生する。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、簡単に製造でき、振動漏れが少なく、衝撃などによる影響が少なく、かつ小型の振動ジャイロを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、板状の基部と、基部の両端から互いの面が対向するように延びる２つの板状の振動片とで形成される音叉型の振動体、２つの振動片が逆相となるように屈曲振動したときにノード点となる基部の２点近傍に接続される２つの板状の検出片、２つの検出片の先端部を同時に支持するための支持部材、２つの振動片上に形成され、２つの振動片を逆相となるように屈曲振動させるための駆動用圧電素子、および２つの検出片上に形成される検出用圧電素子を含む、振動ジャイロである。
この振動ジャイロにおいて、検出片は、振動片と直交するように配置される。
また、振動片の先端部に重りを形成してもよい。
さらに、基部にリブ加工を施してもよい。
また、基部と角度をもって補強部材を形成してもよい。
さらに、基部に塊状のブロックを取り付けてもよい。
この振動ジャイロの駆動および検出を行うために、駆動用圧電素子の一方の出力信号を帰還信号とし、かつ駆動用圧電素子の他方に駆動信号を与えるための発振回路が構成され、２つの検出用圧電素子の出力信号の差または和が検出信号として取り出される。
また、２つの検出用圧電素子の出力信号の和または差を帰還信号とし、かつ２つの駆動用圧電素子に駆動信号を与えるための発振回路が構成され、２つの検出用圧電素子の出力信号の差または和が検出信号として取り出されてもよい。
【０００８】
無回転時においては、振動体の２つの振動片が互いに逆相となるように屈曲振動し、検出片が基体の２つのノード点近傍に接続されているため、検出片は変位しない。そのため、検出片上に形成された検出用圧電素子も変位せず、信号が出力されないため、回転角速度が加わっていないことがわかる。振動ジャイロに回転角速度が加わると、振動体の振動片の屈曲振動に直交する方向にコリオリ力が働く。このコリオリ力によって振動体が回転するが、検出片の先端部が同時に支持されているため、２つの検出片が逆向きに屈曲する。それにより、検出用圧電素子も屈曲し、回転角速度に対応した信号が出力される。
【０００９】
この振動ジャイロにおいて、振動片と検出片とが直交するように配置されている場合、板材などを所定の形状に打ち抜き、それを折り曲げることによって、振動体や検出片などを形成することができる。また、振動片の先端部に重りを形成することにより、コリオリ力による振動体の回転を大きくすることができ、検出片の屈曲も大きくなる。そのため、検出用圧電素子からの出力信号が大きくなる。また、基部にリブ加工を施したり、基部と角度をもって補強部材を形成したり、基部にブロックを取り付けることによって、基部が補強される。さらに、２つの検出用圧電素子の出力信号の差または和をとることにより、回転角速度に対応する信号を大きくすることができる。しかも、外部振動や衝撃などが振動ジャイロに加わったとき、２つの検出片は同じ向きに屈曲する。このような屈曲による検出用圧電素子の出力信号の差または和をとることにより、これらの出力信号が相殺される。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、検出用圧電素子から回転角速度に対応した信号を得ることができるため、この信号を測定することにより、回転角速度を検出することができる。振動体の基部にある２つのノード点近傍に２つの検出片が形成され、その検出片の先端部が支持されるため、振動体の振動片が屈曲振動するときに、検出片などからの振動漏れが少なく、検出片などの過度現象を抑制することができる。また、基体の２か所に検出片が形成されるため、振動体の支持を強固にすることができ、回転角速度が加わったときにスムーズな回転を得ることができ、振動体と検出片との一体化も可能である。しかも、２つの振動片の間に検出片が配置できるため、ワトソン型やスペリー型の振動ジャイロに比べて、振動ジャイロを小型化することができる。
【００１１】
また、振動体の振動片の先端部に重りを形成することにより、コリオリ力による検出片の変形を大きくすることができ、回転角速度に対応する信号を大きくすることができる。しかも、それぞれの検出片に形成された検出用圧電素子から、回転角速度に対応した信号が出力されるため、これらの検出用圧電素子から出力される信号の差または和をとることにより、回転角速度に対応した大きい信号を得ることができる。しかも、外部振動や衝撃によって発生する信号を相殺することができるため、外部振動や衝撃による影響を少なくすることができる。したがって、回転角速度の検出感度を上げることができる。さらに、打ち抜いた板材を折り曲げることによって、振動体および検出片を形成することができ、ワトソン型やスペリー型の振動ジャイロに比べて、製造が容易である。
【００１２】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の振動ジャイロの一例を示す斜視図であり、図２は図１の線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。振動ジャイロ１０は、音叉型の振動体１２を含む。振動体１２は、板状の基部１４と、２つの板状の振動片１６ａ，１６ｂとで構成されている。振動片１６ａ，１６ｂは、基部１４の長手方向の両端から、基部１４の面に直交するように形成される。これらの振動片１６ａ，１６ｂは、互いに対向するように配置される。
【００１４】
基部１４の幅方向の一端側において、２つの板状の検出片１８ａ，１８ｂが、振動片１６ａ，１６ｂと同じ方向に延びるように形成される。検出片１８ａ，１８ｂの面は、振動片１６ａ，１６ｂの面と直交するように形成される。このとき、検出片１８ａ，１８ｂは、幅の狭い接続部２０ａ，２０ｂによって、後述の２つのノード点近傍で基部１４に接続される。さらに、検出片１８ａ，１８ｂの先端部には、板状の支持部材２２が形成される。支持部材２２は、検出片１８ａ，１８ｂの両方に接続される。そして、支持部材２２の面は、検出片１８ａ，１８ｂの面と直交するように形成される。つまり、支持部材２２の面と基部１４の面とが平行になる。この支持部材２２が基板などに取り付けられて、振動ジャイロ１０が支持される。また、振動片１６ａ，１６ｂの先端部には、重り２４が形成される。
【００１５】
このような振動体１２，検出片１８ａ，１８ｂ，接続部２０ａ，２０ｂおよび支持部材２２などを得るために、たとえば図３に示すように、所定の形状に打ち抜いた板材２６を折り曲げることによって形成することができる。ここでは、長方形部分２６ａとＵ字状部分２６ｂとが一体的に形成された形状となっている。そして、図３の点線で示した部分で板材２６を折り曲げることにより、振動体１２，検出片１８ａ，１８ｂ，接続部２０ａ，２０ｂおよび支持部材２２などを得ることができる。
【００１６】
振動片１６ａ，１６ｂの外面には、それぞれ駆動用圧電素子２８ａ，２８ｂが形成される。駆動用圧電素子２８ａは、たとえば圧電セラミックなどで形成される圧電層３０ａを含む。この圧電層３０ａの両面に電極３２ａ，３４ａが形成される。そして、一方の電極３４ａが、振動片１６ａに接着される。同様に、駆動用圧電素子２８ｂは圧電層３０ｂを含み、その両面に電極３２ｂ，３４ｂが形成される。そして、一方の電極３４ｂが、振動片１６ｂに接着される。また、検出片１８ａ，１８ｂ上には、それぞれ検出用圧電素子３６ａ，３６ｂが形成される。検出用圧電素子３６ａ，３６ｂは圧電層３８ａ，３８ｂを含み、その両面に電極４０ａ，４２ａおよび電極４０ｂ，４２ｂが形成される。そして、一方の電極４２ａ，４２ｂが、検出片１８ａ，１８ｂに接着される。これらの駆動用圧電素子２８ａ，２８ｂおよび検出用圧電素子３６ａ，３６ｂは、同じ向きに分極処理される。たとえば、全ての圧電素子２８ａ，２８ｂ，３６ａ，３６ｂが、外側から振動片１６ａ，１６ｂ側および外側から検出片１８ａ，１８ｂ側に向かって分極される。
【００１７】
このような振動ジャイロ１０を使用するために、図４に示すように、２つの駆動用圧電素子２８ａ，２８ｂの間に発振回路４４が接続される。発振回路４４は、たとえば増幅回路４６と位相補正回路４８とを含む。増幅回路４６の入力端には、駆動用圧電素子２８ｂの出力信号が入力される。そして、増幅回路４６の出力信号が位相補正回路４８で位相補正され、駆動用圧電素子２８ａに駆動信号として与えられる。
【００１８】
さらに、２つの検出用圧電素子３６ａ，３６ｂは、検出回路５０に接続される。検出回路５０は差動回路５２を含み、この差動回路５２の入力端に検出用圧電素子３６ａ，３６ｂが接続される。差動回路５２の出力信号は、同期検波回路５４によって、増幅回路４６の信号に同期して検波される。同期検波回路５４の出力信号は平滑回路５６で平滑され、さらに直流増幅回路５８で増幅される。
【００１９】
この振動ジャイロ１０では、発振回路４４から駆動用圧電素子２８ａに与えられる駆動信号によって、２つの振動片１６ａ，１６ｂが、互いに逆相となるように屈曲振動する。つまり、図１に実線の矢印で示すように、一方の振動片１６ａが外側に屈曲するとき、他方の振動片１６ｂも外側に屈曲する。逆に、一点鎖線の矢印で示すように、一方の振動片１６ａが内側に屈曲するとき、他方の振動片１６ｂも内側に屈曲する。このような屈曲が連続して、音叉型の振動体１２の振動片１６ａ，１６ｂが開閉するような屈曲振動をする。
【００２０】
このとき、振動体１２の基部１４も屈曲するが、そのノード点は基部１４の中央部にはなく、基部１４の中央部から長手方向の両側に離れた２か所にノード点が存在する。そこで、２つの検出片１８ａ，１８ｂは、これらの２つのノード点近傍において、基部１４に接続される。したがって、振動体１２が開閉するような振動をしても、検出片１８ａ，１８ｂに振動が漏れず、検出片１８ａ，１８ｂは変位しない。そのため、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂからは信号が出力されず、直流増幅回路５８からの出力も０となる。したがって、振動ジャイロ１０に回転角速度が加わっていないことがわかる。
【００２１】
図１にω₀で示すように、振動ジャイロ１０の軸を中心として回転すると、振動片１６ａ，１６ｂの振動方向に直交する方向にコリオリ力が働く。このコリオリ力によって、基体１４の中央部を軸として回転力が働く。そのため、振動体１２が回転するが、支持部材２２が固定されているため、図５に示すように、検出片１８ａ，１８ｂが屈曲する。このとき、基部１４の中央部の両側に検出片１８ａ，１８ｂが配置されているため、２つの検出片１８ａ，１８ｂは、互いに逆向きに屈曲する。つまり、一方の検出片１８ａが下方に向かって屈曲したとき、他方の検出片１８ｂは上方に向かって屈曲する。逆に、一方の検出片１８ａが上方に向かって屈曲したとき、他方の検出片１８ｂは下方に向かって屈曲する。
【００２２】
これらの検出片１８ａ，１８ｂの屈曲に対応して、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂも屈曲する。そのため、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂから、屈曲に応じた信号が出力される。このような屈曲はコリオリ力に対応しているため、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂから出力される信号もコリオリ力に対応したものとなる。これらの検出用圧電素子３６ａ，３６ｂは同じ向きに分極されているため、このような逆向きの屈曲によって、逆極性の信号が出力される。したがって、差動回路５２で検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの出力信号の差をとれば、コリオリ力に対応した大きい信号を得ることができる。
【００２３】
差動回路５２の出力信号は、同期検波回路５４で検波される。このとき、増幅回路４６の信号に同期して検波されることにより、差動回路５２の出力信号は、その正部分のみまたは負部分のみ、または正負いずれかを反転した両波が検波される。同期検波回路５４の出力信号は平滑回路５６で平滑され、さらに直流増幅回路５８で増幅される。したがって、直流増幅回路５８の出力信号を測定することにより、振動ジャイロ１０に加わった回転角速度を検出することができる。
【００２４】
なお、回転角速度の方向が逆になれば、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂから出力される信号の位相が逆になるため、同期検波回路５４で検波される信号の極性も逆になる。したがって、直流増幅回路５８の出力信号の極性も逆となり、直流増幅回路５８の出力信号の極性から、回転角速度の向きを検出することができる。
【００２５】
この振動ジャイロ１０では、振動体１２の振動片１６ａ，１６ｂが屈曲振動するときに、基部１４の２つのノード点近傍に検出片１８ａ，１８ｂが接続されているため、振動体１２の振動が漏れにくい。また、振動体１２の振動が漏れにくいため、振動漏れによる検出片１８ａ，１８ｂや接続部２０ａ，２０ｂの過度現象を抑制することができる。
【００２６】
また、２つの検出片１８ａ，１８ｂで振動体１２が支持されているため、強固な支持を得ることができ、しかもスムーズな回転を得ることができる。さらに、振動体１２の内側に検出片１８ａ，１８ｂを配置して一体化することができ、振動ジャイロ１０を小型化することができる。
【００２７】
また、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの出力信号の差をとることにより、回転角速度に対応した大きい信号を得ることができる。さらに、外部振動や衝撃などが加わったとき、２つの検出片１８ａ，１８ｂは同じ向きに屈曲し、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂから同じ極性の信号が出力される。そのため、外部振動や衝撃などによる信号は、差動回路５２で相殺される。したがって、回転角速度の検出感度を良好にすることができる。また、重り２４を形成することにより、コリオリ力による振動体１２の回転力を大きくすることができ、検出片１８ａ，１８ｂの屈曲を大きくすることができる。したがって、重り２４を形成することによって、さらに検出感度を良好にすることができる。しかしながら、重り２４は、必ずしも形成する必要はない。
【００２８】
さらに、この振動ジャイロ１０では、図３に示すような形状に板材を打ち抜き、それを折り曲げることによって、振動体１２，検出片１８ａ，１８ｂ，接続部２０ａ，２０ｂおよび支持部材２２などを形成することができる。したがって、従来のワトソン型やスペリー型の振動ジャイロに比べて、簡単に製造することができ、低コストで振動ジャイロ１０を製造することができる。
【００２９】
また、図６に示すように、振動体１２の基部１４と検出片１８ａ，１８ｂとが、同一平面上に形成されてもよい。この場合、振動ジャイロ１０に回転角速度が加わったときに、基部１４が変形しないように、基部１４にリブ６０が形成されている。リブ６０は、基部１４に凹部または凸部として形成される。このリブ６０により、基部１４が補強され、基部１４が変形しにくくなる。さらに、基部１４と角度をもって、補強部材６２が形成されてもよい。このような振動体１２，検出片１８ａ，１８ｂ，接続部２０ａ，２０ｂ，支持部材２２および補強部材６２を得るためには、たとえば図７に示すように、２つのＵ字状部分６４ａ，６４ｂを含む板材６４を折り曲げればよい。このとき、補強部材６２は、板材６４の基部１４となるべき部分から延びて形成された部分６４ｃを折り曲げることによって形成される。さらに、折り曲げられた基部１４の内側に、塊状のブロック６６を形成してもよい。このようなブロック６６は、たとえば接着剤などによって、基部１４に接着される。
【００３０】
このようなリブ６０，補強部材６２およびブロック６６などによって、基部１４の変形を防ぐことができる。それにより、振動ジャイロ１０の特性を安定させることができる。また、これらの補強により、温度変化による基部１４の反りを防止することができ、温度変化による特性の変動を防ぐことができる。これらのリブ６０，補強部材６２およびブロック６６は、全てを形成する必要はなく、これらの中の少なくとも１つが形成されていればよい。
【００３１】
なお、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの分極方向は、互いに逆向きであってもよい。この場合、回転角速度が加わって、２つの検出片１８ａ，１８ｂが屈曲したとき、２つの検出用圧電素子３６ａ，３６ｂからは、同じ極性の信号が出力される。したがって、検出回路５０では、差動回路５２の代わりに、和動回路が用いられる。また、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂは、検出片１８ａ，１８ｂの他方面側に形成されてもよく、それぞれが異なる側に形成されてもよい。これらの場合でも、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの形成位置と、その分極方向により、検出回路５０に差動回路を用いるか和動回路を用いるがが選択される。
【００３２】
さらに、発振回路４４としては、図８に示すように、検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの出力信号を帰還信号としたものでもよい。この場合、発振回路４４には和動増幅回路６６が用いられ、この和動増幅回路６８によって、２つの検出用圧電素子３６ａ，３６ｂの出力信号の和が増幅される。そして、和動増幅回路６６の出力信号が位相補正回路４８で位相補正されて、駆動用圧電素子２８ａ，２８ｂに与えられる。このような発振回路４４を用いても、振動体１２の振動片１６ａ，１６ｂが開閉するような屈曲振動をさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の振動ジャイロの一例を示す斜視図である。
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】図１に示す振動ジャイロに用いられる振動体，検出片，接続部および支持部材の展開図である。
【図４】図１に示す振動ジャイロを用いるための回路の一例を示すブロック図である。
【図５】図１に示す振動ジャイロに回転角速度が加わったときの状態を示す図解図である。
【図６】この発明の振動ジャイロの他の例を示す斜視図である。
【図７】図６に示す振動ジャイロに用いられる振動体，検出片，接続部，支持部材および補強部材の展開図である。
【図８】この発明の振動ジャイロを用いるための回路の他の例を示すブロック図である。
【図９】従来の振動ジャイロの一例を示す斜視図である。
【図１０】従来の振動ジャイロの他の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０振動ジャイロ
１２振動体
１４基部
１６ａ，１６ｂ振動片
１８ａ，１８ｂ検出片
２０ａ，２０ｂ接続部
２２支持部材
２４重り
２６板材
２８ａ，２８ｂ駆動用圧電素子
３６ａ，３６ｂ検出用圧電素子
４４発振回路
４６増幅回路
４８位相補正回路
５０検出回路
５２差動回路
５４同期検波回路
５６平滑回路
５８直流増幅回路
６０リブ
６２補強部材
６６ブロック
６８和動増幅回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vibrating gyroscope, and more particularly to a vibrating gyroscope used for detecting a rotational angular velocity in camera shake prevention and car navigation systems, for example.
[0002]
[Prior art]
As a conventional vibrating gyroscope, for example, there is a Watson type vibrating gyroscope as shown in FIG. The vibrating gyroscope 1 includes a U-shaped vibrating body 2, and a driving piezoelectric element 3 is formed on a surface facing the vibrating body 2. A plate-shaped detection piece 4 is formed at two tip portions of the vibrating body 2 so as to be orthogonal to the surface of the vibrating body 2. A detection piezoelectric element 5 is formed on the main surface of the detection piece 4. In the vibrating gyroscope 1, a driving signal is given to the driving piezoelectric element 3, and the vibrating body 2 bends and vibrates in a direction perpendicular to the main surface. At this time, since the detection piece 4 vibrates in a direction parallel to the main surface, the detection piezoelectric element 5 does not bend. Accordingly, at this time, no signal is output from the detecting piezoelectric element 5. In this state, as indicated by ω ₀ , when rotating about the axis of the vibrating gyroscope 1, Coriolis force acts in a direction orthogonal to the bending vibration of the vibrating body 2. By this Coriolis force, the detection piece 4 is bent and the detection piezoelectric element 5 is also bent. Therefore, if the output signal from the detecting piezoelectric element 5 is measured, the applied rotational angular velocity can be detected.
[0003]
Further, as shown in FIG. 10, there is also a Sperry type vibration gyro. In the vibrating gyroscope 6, the U-shaped vibrating body 2 is attached to the central portion of one end of the rectangular plate-shaped detection piece 8 via a support member 7. A driving piezoelectric element 3 is formed on the opposing surface of the vibrating body 2. In addition, detection piezoelectric elements 9 are formed on both surfaces of the detection piece 8, respectively. These detection piezoelectric elements 9 are arranged on both sides of the support member 7. In the vibration gyro 6, a driving signal is given to the driving piezoelectric element 3, and the vibrating body 2 bends and vibrates in a direction orthogonal to the main surface. At this time, the two vibrators 2 bend and vibrate so as to be in opposite phases, and therefore the detection piece 8 is not displaced. Therefore, no signal is output from the detecting piezoelectric element 9. In this state, as indicated by ω ₀ , when rotating around the axis of the vibrating gyroscope 6, Coriolis force acts in a direction orthogonal to the bending vibration of the vibrating body 2. Due to this Coriolis force, a force that rotates around the support member 7 acts on the detection piece 8. Therefore, the detection piece 8 is bent in an S shape with the support member 7 as the center, and the detection piezoelectric element 9 is also bent. A signal is output from the detecting piezoelectric element 9 by this bending. Therefore, the applied rotational angular velocity can be detected by measuring the output signal of the detection piezoelectric element 9.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the Watson-type vibrating gyroscope is large because there is a detection piece at the tip of the vibrating body. Furthermore, since it has a complicated structure in which the surface of the vibrating body and the surface of the detection piece are orthogonal to each other at the tip of the vibrating body, high processing accuracy is required during manufacturing. Further, in the Sperry type vibration gyro, since the vibrating body and the detection piece are connected via a thin support member, displacement of the support member due to external vibration or impact becomes a problem.
[0005]
In these vibrating gyros, the center of the bottom of the U-shaped tuning fork type vibrating body is supported as an approximate node point, but in reality there are two node points of the tuning fork type vibrating body. When the center of the bottom of the body is supported, vibration leakage occurs.
[0006]
Therefore, a main object of the present invention is to provide a small-sized vibration gyro that can be easily manufactured, has less vibration leakage, is less affected by impact, and the like.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a tuning-fork type vibrating body formed by a plate-like base portion and two plate-like vibrating pieces extending so as to face each other from both ends of the base portion, the two vibrating pieces are in reverse phase. In this way, two plate-shaped detection pieces connected near the two points of the base that becomes the node point when bending and vibrating, a support member for simultaneously supporting the tip portions of the two detection pieces, and formed on the two vibration pieces The vibrating gyroscope includes a driving piezoelectric element for bending and vibrating the two vibrating pieces in opposite phases and a detecting piezoelectric element formed on the two detecting pieces.
In this vibration gyro, the detection piece is disposed so as to be orthogonal to the vibration piece.
A weight may be formed at the tip of the vibrating piece.
Further, the base may be ribbed.
Moreover, you may form a reinforcement member with an angle with a base.
Furthermore, you may attach a block block to a base.
In order to drive and detect the vibration gyro, an oscillation circuit is configured to use one output signal of the driving piezoelectric element as a feedback signal and give a driving signal to the other of the driving piezoelectric elements. The difference or sum of the output signals of the piezoelectric elements is taken out as a detection signal.
In addition, an oscillation circuit is configured to use the sum or difference of the output signals of the two detection piezoelectric elements as a feedback signal and to give a drive signal to the two drive piezoelectric elements. The difference or sum may be extracted as a detection signal.
[0008]
At the time of non-rotation, the two vibrating pieces of the vibrating body bend and vibrate so as to be in opposite phases to each other, and the detecting piece is connected in the vicinity of the two node points of the base body. Therefore, the detection piezoelectric element formed on the detection piece is not displaced, and no signal is output, so that it can be seen that no rotational angular velocity is applied. When a rotational angular velocity is applied to the vibrating gyroscope, a Coriolis force acts in a direction perpendicular to the bending vibration of the vibrating piece of the vibrating body. Although the vibrating body rotates by this Coriolis force, the two detection pieces are bent in opposite directions because the tip of the detection piece is supported at the same time. As a result, the detecting piezoelectric element is also bent, and a signal corresponding to the rotational angular velocity is output.
[0009]
In this vibration gyro, when the vibration piece and the detection piece are arranged so as to be orthogonal to each other, a vibrating body, a detection piece, or the like can be formed by punching a plate or the like into a predetermined shape and bending it. Further, by forming a weight at the tip of the vibration piece, the rotation of the vibration body due to the Coriolis force can be increased, and the bending of the detection piece is also increased. Therefore, the output signal from the detection piezoelectric element is increased. Moreover, a base is reinforced by giving a rib process to a base, forming a reinforcement member with an angle with a base, or attaching a block to a base. Furthermore, the signal corresponding to the rotational angular velocity can be increased by taking the difference or sum of the output signals of the two detection piezoelectric elements. In addition, when an external vibration or impact is applied to the vibration gyro, the two detection pieces are bent in the same direction. By taking the difference or sum of the output signals of the detecting piezoelectric element due to such bending, these output signals are canceled out.
[0010]
【The invention's effect】
According to the present invention, since a signal corresponding to the rotational angular velocity can be obtained from the detection piezoelectric element, the rotational angular velocity can be detected by measuring this signal. Since two detection pieces are formed near the two node points at the base of the vibrating body and the tip of the detection piece is supported, vibration from the detection piece or the like occurs when the vibrating piece of the vibrating body vibrates. Leakage is small, and an excessive phenomenon such as a detection piece can be suppressed. In addition, since the detection pieces are formed at two locations on the base, the support of the vibrating body can be strengthened, and smooth rotation can be obtained when the rotational angular velocity is applied. Can also be integrated. In addition, since the detection piece can be arranged between the two vibration pieces, the vibration gyro can be downsized as compared with the Watson-type or Sperry-type vibration gyro.
[0011]
Further, by forming a weight at the tip of the vibrating piece of the vibrating body, the deformation of the detecting piece due to the Coriolis force can be increased, and a signal corresponding to the rotational angular velocity can be increased. In addition, since signals corresponding to the rotational angular velocities are output from the detecting piezoelectric elements formed on the respective detection pieces, the rotational angular velocities are obtained by taking the difference or sum of the signals output from these detecting piezoelectric elements. A large signal corresponding to can be obtained. In addition, since the signal generated by the external vibration or impact can be canceled, the influence of the external vibration or impact can be reduced. Therefore, the detection sensitivity of the rotational angular velocity can be increased. Further, the vibrating body and the detection piece can be formed by bending the punched plate material, which is easier to manufacture than a Watson-type or Sperry-type vibration gyro.
[0012]
The above object, other objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments of the present invention with reference to the drawings.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a vibrating gyroscope according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG. The vibrating gyroscope 10 includes a tuning fork type vibrating body 12. The vibrating body 12 includes a plate-like base portion 14 and two plate-like vibrating pieces 16a and 16b. The vibration pieces 16 a and 16 b are formed from both ends of the base portion 14 in the longitudinal direction so as to be orthogonal to the surface of the base portion 14. These vibrating pieces 16a and 16b are arranged to face each other.
[0014]
On one end side in the width direction of the base portion 14, two plate-like detection pieces 18a and 18b are formed so as to extend in the same direction as the vibration pieces 16a and 16b. The surfaces of the detection pieces 18a and 18b are formed so as to be orthogonal to the surfaces of the vibration pieces 16a and 16b. At this time, the detection pieces 18a and 18b are connected to the base 14 in the vicinity of two node points described later by the narrow connection portions 20a and 20b. Furthermore, a plate-like support member 22 is formed at the tip of the detection pieces 18a and 18b. The support member 22 is connected to both the detection pieces 18a and 18b. The surface of the support member 22 is formed to be orthogonal to the surfaces of the detection pieces 18a and 18b. That is, the surface of the support member 22 and the surface of the base portion 14 are parallel. The support member 22 is attached to a substrate or the like, and the vibrating gyroscope 10 is supported. Also, a weight 24 is formed at the tip of the vibrating pieces 16a and 16b.
[0015]
In order to obtain such a vibrating body 12, the detection pieces 18a and 18b, the connecting portions 20a and 20b, the support member 22, and the like, for example, as shown in FIG. 3, the plate material 26 punched into a predetermined shape is bent. be able to. Here, the rectangular portion 26a and the U-shaped portion 26b are integrally formed. Then, the vibrating body 12, the detection pieces 18a and 18b, the connection portions 20a and 20b, the support member 22, and the like can be obtained by bending the plate member 26 at the portion indicated by the dotted line in FIG.
[0016]
Driving piezoelectric elements 28a and 28b are formed on the outer surfaces of the vibration pieces 16a and 16b, respectively. The driving piezoelectric element 28a includes a piezoelectric layer 30a formed of, for example, a piezoelectric ceramic. Electrodes 32a and 34a are formed on both surfaces of the piezoelectric layer 30a. One electrode 34a is bonded to the vibrating piece 16a. Similarly, the driving piezoelectric element 28b includes a piezoelectric layer 30b, and electrodes 32b and 34b are formed on both surfaces thereof. Then, one electrode 34b is bonded to the vibrating piece 16b. In addition, detection piezoelectric elements 36a and 36b are formed on the detection pieces 18a and 18b, respectively. The detection piezoelectric elements 36a and 36b include piezoelectric layers 38a and 38b, and electrodes 40a and 42a and electrodes 40b and 42b are formed on both surfaces thereof. And one electrode 42a, 42b is adhere | attached on detection piece 18a, 18b. The driving piezoelectric elements 28a and 28b and the detecting piezoelectric elements 36a and 36b are polarized in the same direction. For example, all the piezoelectric elements 28a, 28b, 36a, 36b are polarized from the outside toward the vibrating pieces 16a, 16b and from the outside toward the detection pieces 18a, 18b.
[0017]
In order to use such a vibrating gyroscope 10, an oscillation circuit 44 is connected between the two driving piezoelectric elements 28a and 28b as shown in FIG. The oscillation circuit 44 includes an amplification circuit 46 and a phase correction circuit 48, for example. The output signal of the driving piezoelectric element 28 b is input to the input terminal of the amplifier circuit 46. Then, the output signal of the amplifier circuit 46 is phase-corrected by the phase correction circuit 48 and is provided as a drive signal to the driving piezoelectric element 28a.
[0018]
Further, the two detection piezoelectric elements 36 a and 36 b are connected to the detection circuit 50. The detection circuit 50 includes a differential circuit 52, and detection piezoelectric elements 36 a and 36 b are connected to the input ends of the differential circuit 52. The output signal of the differential circuit 52 is detected by the synchronous detection circuit 54 in synchronization with the signal of the amplifier circuit 46. The output signal of the synchronous detection circuit 54 is smoothed by the smoothing circuit 56 and further amplified by the DC amplification circuit 58.
[0019]
In the vibrating gyroscope 10, the two vibrating pieces 16a and 16b bend and vibrate so as to be in opposite phases with each other by a driving signal given from the oscillation circuit 44 to the driving piezoelectric element 28a. That is, as shown by the solid line arrow in FIG. 1, when one vibrating piece 16a is bent outward, the other vibrating piece 16b is also bent outward. On the contrary, when one vibrating piece 16a bends inward, as indicated by an alternate long and short dash line arrow, the other vibrating piece 16b also bends inward. Such bending is continuously performed, and bending vibration is performed such that the vibration pieces 16a and 16b of the tuning fork type vibrating body 12 are opened and closed.
[0020]
At this time, the base portion 14 of the vibrating body 12 is also bent, but the node point is not in the central portion of the base portion 14, but there are two node points that are separated from the central portion of the base portion 14 on both sides in the longitudinal direction. Therefore, the two detection pieces 18a and 18b are connected to the base portion 14 in the vicinity of these two node points. Therefore, even if the vibrator 12 vibrates so as to open and close, the vibration does not leak to the detection pieces 18a and 18b, and the detection pieces 18a and 18b are not displaced. Therefore, no signal is output from the detecting piezoelectric elements 36a and 36b, and the output from the DC amplification circuit 58 is also zero. Therefore, it can be seen that no rotational angular velocity is applied to the vibrating gyroscope 10.
[0021]
As indicated by ω ₀ in FIG. 1, when rotating around the axis of the vibrating gyroscope 10, a Coriolis force acts in a direction perpendicular to the vibrating direction of the vibrating pieces 16a and 16b. Due to this Coriolis force, a rotational force acts on the central portion of the base 14 as an axis. Therefore, although the vibrating body 12 rotates, since the support member 22 is fixed, the detection pieces 18a and 18b are bent as shown in FIG. At this time, since the detection pieces 18a and 18b are arranged on both sides of the central portion of the base portion 14, the two detection pieces 18a and 18b are bent in directions opposite to each other. That is, when one detection piece 18a is bent downward, the other detection piece 18b is bent upward. Conversely, when one detection piece 18a is bent upward, the other detection piece 18b is bent downward.
[0022]
Corresponding to the bending of the detection pieces 18a and 18b, the detection piezoelectric elements 36a and 36b are also bent. Therefore, signals corresponding to the bending are output from the detecting piezoelectric elements 36a and 36b. Since such bending corresponds to the Coriolis force, signals output from the detecting piezoelectric elements 36a and 36b also correspond to the Coriolis force. Since these detection piezoelectric elements 36a and 36b are polarized in the same direction, a signal having a reverse polarity is output by such reverse bending. Therefore, if the difference between the output signals of the detecting piezoelectric elements 36a and 36b is obtained by the differential circuit 52, a large signal corresponding to the Coriolis force can be obtained.
[0023]
The output signal of the differential circuit 52 is detected by the synchronous detection circuit 54. At this time, by detecting in synchronization with the signal of the amplifier circuit 46, the output signal of the differential circuit 52 is detected only in the positive part, only in the negative part, or both waves in which either positive or negative is inverted. The output signal of the synchronous detection circuit 54 is smoothed by the smoothing circuit 56 and further amplified by the DC amplification circuit 58. Therefore, the rotational angular velocity applied to the vibrating gyroscope 10 can be detected by measuring the output signal of the DC amplification circuit 58.
[0024]
If the direction of the rotational angular velocity is reversed, the phases of the signals output from the detection piezoelectric elements 36a and 36b are reversed, and the polarity of the signal detected by the synchronous detection circuit 54 is also reversed. Therefore, the polarity of the output signal of the DC amplification circuit 58 is reversed, and the direction of the rotational angular velocity can be detected from the polarity of the output signal of the DC amplification circuit 58.
[0025]
In this vibrating gyroscope 10, when the vibrating pieces 16a and 16b of the vibrating body 12 are flexibly vibrated, the detecting pieces 18a and 18b are connected in the vicinity of the two node points of the base portion 14, so that the vibration of the vibrating body 12 leaks. Hateful. Moreover, since the vibration of the vibrating body 12 is difficult to leak, an excessive phenomenon of the detection pieces 18a and 18b and the connection portions 20a and 20b due to vibration leakage can be suppressed.
[0026]
In addition, since the vibrating body 12 is supported by the two detection pieces 18a and 18b, strong support can be obtained and smooth rotation can be obtained. Further, the detection pieces 18a and 18b can be arranged and integrated inside the vibrating body 12, and the vibrating gyroscope 10 can be reduced in size.
[0027]
Moreover, a large signal corresponding to the rotational angular velocity can be obtained by taking the difference between the output signals of the detecting piezoelectric elements 36a and 36b. Further, when external vibration or impact is applied, the two detection pieces 18a and 18b are bent in the same direction, and signals having the same polarity are output from the detection piezoelectric elements 36a and 36b. Therefore, signals due to external vibrations or shocks are canceled by the differential circuit 52. Therefore, the detection sensitivity of the rotational angular velocity can be improved. In addition, by forming the weight 24, the rotational force of the vibrating body 12 due to the Coriolis force can be increased, and the bending of the detection pieces 18a and 18b can be increased. Therefore, the detection sensitivity can be further improved by forming the weight 24. However, the weight 24 is not necessarily formed.
[0028]
Further, in the vibrating gyroscope 10, the plate member is punched into a shape as shown in FIG. Can do. Therefore, compared with the conventional Watson type or Sperry type vibration gyro, the vibration gyro 10 can be manufactured easily and at a low cost.
[0029]
Moreover, as shown in FIG. 6, the base 14 of the vibrating body 12 and the detection pieces 18a and 18b may be formed on the same plane. In this case, a rib 60 is formed on the base portion 14 so that the base portion 14 is not deformed when a rotational angular velocity is applied to the vibrating gyroscope 10. The rib 60 is formed in the base part 14 as a recessed part or a convex part. The rib 60 reinforces the base 14 and makes it difficult for the base 14 to deform. Further, the reinforcing member 62 may be formed at an angle with the base portion 14. In order to obtain the vibrating body 12, the detection pieces 18a and 18b, the connection portions 20a and 20b, the support member 22 and the reinforcing member 62, for example, as shown in FIG. 7, two U-shaped portions 64a and 64b are provided. What is necessary is just to bend the board | plate material 64 containing. At this time, the reinforcing member 62 is formed by bending a portion 64 c formed extending from a portion to be the base portion 14 of the plate material 64. Further, a block 66 having a block shape may be formed inside the bent base portion 14. Such a block 66 is adhered to the base portion 14 by, for example, an adhesive.
[0030]
Such rib 60, reinforcing member 62, block 66, and the like can prevent the base portion 14 from being deformed. Thereby, the characteristic of the vibration gyroscope 10 can be stabilized. Further, by these reinforcements, it is possible to prevent warping of the base portion 14 due to temperature changes, and it is possible to prevent fluctuations in characteristics due to temperature changes. The ribs 60, the reinforcing members 62, and the blocks 66 do not have to be formed entirely, and at least one of them may be formed.
[0031]
The polarization directions of the detection piezoelectric elements 36a and 36b may be opposite to each other. In this case, when the rotational angular velocity is added and the two detection pieces 18a and 18b are bent, signals of the same polarity are output from the two detection piezoelectric elements 36a and 36b. Therefore, in the detection circuit 50, a summing circuit is used instead of the differential circuit 52. The detection piezoelectric elements 36a and 36b may be formed on the other side of the detection pieces 18a and 18b, or may be formed on different sides. Even in these cases, the detection circuit 50 is selected to use a differential circuit or a summing circuit depending on the formation position of the detection piezoelectric elements 36a and 36b and the polarization direction thereof.
[0032]
Further, as shown in FIG. 8, the oscillation circuit 44 may be one in which the output signals of the detection piezoelectric elements 36a and 36b are feedback signals. In this case, a summing amplifier circuit 66 is used for the oscillation circuit 44, and the sum of the output signals of the two detection piezoelectric elements 36a and 36b is amplified by the summing amplifier circuit 68. Then, the output signal of the summing amplifier circuit 66 is phase-corrected by the phase correction circuit 48 and applied to the driving piezoelectric elements 28a and 28b. Even if such an oscillation circuit 44 is used, it is possible to cause bending vibration such that the vibration pieces 16a and 16b of the vibrating body 12 open and close.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a vibrating gyroscope according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
3 is a development view of a vibrating body, a detection piece, a connecting portion, and a supporting member used in the vibrating gyroscope shown in FIG.
4 is a block diagram showing an example of a circuit for using the vibration gyro shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is an illustrative view showing a state when a rotational angular velocity is applied to the vibrating gyroscope shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a perspective view showing another example of a vibrating gyroscope according to the present invention.
7 is a development view of a vibrating body, a detection piece, a connecting portion, a supporting member, and a reinforcing member used in the vibrating gyroscope shown in FIG.
FIG. 8 is a block diagram showing another example of a circuit for using the vibration gyro according to the present invention.
FIG. 9 is a perspective view showing an example of a conventional vibrating gyroscope.
FIG. 10 is a perspective view showing another example of a conventional vibrating gyroscope.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Vibrating gyroscope 12 Vibrating body 14 Base part 16a, 16b Vibrating piece 18a, 18b Detection piece 20a, 20b Connection part 22 Support member 24 Weight 26 Plate material 28a, 28b Driving piezoelectric element 36a, 36b Detection piezoelectric element 44 Oscillation circuit 46 Amplifying circuit 48 phase correction circuit 50 detection circuit 52 differential circuit 54 synchronous detection circuit 56 smoothing circuit 58 DC amplification circuit 60 rib 62 reinforcing member 66 block 68 summing amplification circuit

Claims

A tuning-fork type vibrating body formed of a plate-like base and two plate-like vibrating pieces extending so as to face each other from both ends of the base;
Two plate-like detection pieces connected in the vicinity of the two points of the base that becomes the node point when the two vibration pieces are bent and vibrated so as to be in opposite phases;
A support member for simultaneously supporting the tip portions of the two detection pieces;
A vibrating gyroscope including: a driving piezoelectric element formed on the two vibrating pieces for bending and vibrating the two vibrating pieces in opposite phases; and a detecting piezoelectric element formed on the two detecting pieces. .

The vibration gyro according to claim 1, wherein the detection piece is arranged to be orthogonal to the vibration piece.

The vibrating gyroscope according to claim 1, further comprising a weight formed at a tip portion of the vibrating piece.

The vibrating gyroscope according to any one of claims 1 to 3, wherein the base portion is ribbed.

The vibrating gyroscope according to claim 1, wherein a reinforcing member formed with an angle with respect to the base portion is formed.

The vibrating gyroscope according to claim 1, wherein a massive block is attached to the base.

An oscillation circuit is configured to use one output signal of the driving piezoelectric element as a feedback signal and to supply a driving signal to the other of the driving piezoelectric elements, and the difference or sum of the output signals of the two detection piezoelectric elements The vibration gyro according to any one of claims 1 to 6, wherein is extracted as a detection signal.

An oscillation circuit is configured to use the sum or difference of the output signals of the two detection piezoelectric elements as a feedback signal and to give a drive signal to the two drive piezoelectric elements, and to output the two output piezoelectric elements. The vibration gyro according to any one of claims 1 to 6, wherein a difference or sum is extracted as a detection signal.