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JP2008064657A - Angular velocity detection method, angular velocity sensor element piece, and angular velocity detection circuit - Google Patents

Angular velocity detection method, angular velocity sensor element piece, and angular velocity detection circuit Download PDF

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JP2008064657A
JP2008064657A JP2006244019A JP2006244019A JP2008064657A JP 2008064657 A JP2008064657 A JP 2008064657A JP 2006244019 A JP2006244019 A JP 2006244019A JP 2006244019 A JP2006244019 A JP 2006244019A JP 2008064657 A JP2008064657 A JP 2008064657A
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JP
Japan
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angular velocity
vibration
piece
sensor element
voltage
Prior art date
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Pending
Application number
JP2006244019A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Jun Watanabe
潤 渡辺
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Miyazaki Epson Corp
Original Assignee
Epson Toyocom Corp
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Publication date
Application filed by Epson Toyocom Corp filed Critical Epson Toyocom Corp
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Abstract

【課題】2端子で駆動(励振)と角速度の検出とができるようにする。
【解決手段】角速度センサ素子片10は、水晶板18から音叉型振動片に形成してある。水晶板18は、主面が水晶の結晶軸をX、Y、Zとした場合、XY平面に対するY軸回りの回転角度をθとしたときに、θ=0°、90°、180°、270°除く範囲であるカット角を有する。この音叉型角速度センサ素子片10は、振動腕14、16を励振すると、主面に沿った方向の屈曲振動の振動成分と、主面に直交した方向の屈曲振動の振動成分とが合成された円振動を行なう。
【選択図】図2
An object of the present invention is to enable driving (excitation) and detection of angular velocity with two terminals.
An angular velocity sensor element piece is formed from a crystal plate to a tuning fork type vibration piece. The quartz plate 18 has θ = 0 °, 90 °, 180 °, 270 when the rotation angle around the Y axis with respect to the XY plane is θ, where the crystal axes of the quartz crystal are X, Y, Z. It has a cut angle that is in the range excluding °. In the tuning fork type angular velocity sensor element piece 10, when the vibrating arms 14 and 16 are excited, the vibration component of the bending vibration in the direction along the main surface and the vibration component of the bending vibration in the direction orthogonal to the main surface are synthesized. Perform circular vibration.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、角速度の検出方法に係り、特に振動方式による角速度の検出方法と、角速度センサ素子片および角速度検出回路に関する。   The present invention relates to a method for detecting an angular velocity, and more particularly to a method for detecting an angular velocity by a vibration method, an angular velocity sensor element piece, and an angular velocity detection circuit.

角速度の検出には、回転するコマを利用した機械方式、光ファイバジャイロのような光学方式、ガス流を利用した流体方式、振動体の振動を利用した振動方式など、各種の方式がある。なかでも、振動させた振動体に回転により生ずるコリオリ力の作用による振動の変化を検出して角速度の大きさを求める振動方式のいわゆる振動ジャイロは、小型で安価に製造できる。このため、近年、振動ジャイロは、デジタルカメラの手ぶれの補正などに広く利用されている。   There are various methods for detecting the angular velocity, such as a mechanical method using a rotating piece, an optical method such as an optical fiber gyro, a fluid method using a gas flow, and a vibration method using vibration of a vibrating body. In particular, a so-called vibration gyro of a vibration type that detects a change in vibration due to the action of a Coriolis force generated by rotation of a vibrating body that is vibrated to obtain the magnitude of the angular velocity can be manufactured in a small size and at low cost. For this reason, in recent years, vibration gyros have been widely used for correcting camera shake of digital cameras.

振動ジャイロの角速度センサ素子片としては、特許文献1に記載のように音叉型振動片が知られている。この特許文献1に記載の角速度センサ素子片は、水晶体からなる音叉型振動片の、一対の腕の一方を駆動腕として水晶結晶のX軸方向に強制的に屈曲振動させる。そして、一対の腕の他方は検出腕とし、振動片に作用する角速度に伴うコリオリ力によって、検出腕が撓んだときに生ずる電荷を検出できるようにしている。
特開2005−241606号公報
As an angular velocity sensor element piece of a vibrating gyroscope, a tuning fork type vibrating piece is known as described in Patent Document 1. The angular velocity sensor element piece described in Patent Document 1 forcibly causes bending vibration in the X-axis direction of a crystal crystal using one of a pair of arms of a tuning fork type vibrating piece made of a crystal as a driving arm. The other of the pair of arms is used as a detection arm, and charges generated when the detection arm is bent can be detected by the Coriolis force accompanying the angular velocity acting on the vibration piece.
JP-A-2005-241606

しかし、特許文献1に記載の角速度センサ素子片は、1対の腕の一方を駆動腕とし、他方の腕を検出腕としている。このため、特許文献1に記載の角速度センサ素子片は、駆動腕に駆動電圧を印加するための1対の駆動用端子と、検出腕に生ずる電荷を検出するための1対の検出用端子との4つの端子を必要とする。したがって、特許文献1に記載の角速度センサ素子片は、駆動用端子を2端子(一対)のみを有する音叉型圧電振動片(通常の共振子)と振動片の形状が同じであるが、端子数が異なるために、音叉型圧電振動片と同一の製造工程で製造することができないとともに、端子数が多いので音叉型圧電振動片の製造工程と比較して製造工程が複雑なものとなる。   However, the angular velocity sensor element piece described in Patent Document 1 uses one of a pair of arms as a drive arm and the other arm as a detection arm. For this reason, the angular velocity sensor element piece described in Patent Document 1 includes a pair of drive terminals for applying a drive voltage to the drive arm, and a pair of detection terminals for detecting the charge generated in the detection arm. 4 terminals are required. Therefore, the angular velocity sensor element piece described in Patent Document 1 has the same shape as a tuning fork type piezoelectric vibrating piece (ordinary resonator) having only two driving terminals (a pair), but the number of terminals. Therefore, it cannot be manufactured in the same manufacturing process as the tuning fork type piezoelectric vibrating piece, and the number of terminals is large, so that the manufacturing process becomes complicated as compared with the manufacturing process of the tuning fork type piezoelectric vibrating piece.

しかも、特許文献1に記載の角速度センサ素子片は、1対の腕のうち一方のみで駆動(励振)させるようにしているために、CI値が大きくなり、駆動し難い。そして、このような振動片は、ますます要求が強くなっている小型化を進めると、CI値がさらに大きくなり、大きな駆動電力を必要とする等の副作用が発生してしまうので、このような副作用を好まない場合では充分に小型化を図ることができない。また、特許文献1に記載の角速度センサ素子片は、駆動腕に作用するコリオリ力による振動の状態が基部を介して検出腕に伝達され、その反力として検出腕を撓ませるようにしている。このため、検出腕の撓み量が小さく、撓み量に基づく電荷を検出するためには、大きなゲインを必要とするとともに、ノイズから電荷量に相当する信号電圧を得るためにロックインアンプなどの特殊な回路を必要とし、検出回路が高価となる。また、特許文献1に記載の角速度センサ素子片は、検出腕に生ずる電荷を検出するためのアナログの検出回路を必要とし、検出回路を構成する集積回路(IC)が大型化する。   In addition, since the angular velocity sensor element piece described in Patent Document 1 is driven (excited) by only one of the pair of arms, the CI value becomes large and is difficult to drive. And if such a resonator element is further reduced in size, which has become increasingly demanding, the CI value becomes larger and side effects such as requiring a large drive power will occur. If you do not like the side effects, you will not be able to reduce the size sufficiently. In the angular velocity sensor element piece described in Patent Document 1, the state of vibration due to the Coriolis force acting on the drive arm is transmitted to the detection arm through the base, and the detection arm is bent as a reaction force. For this reason, the amount of deflection of the detection arm is small, and in order to detect charges based on the amount of deflection, a large gain is required, and a special voltage such as a lock-in amplifier is required to obtain a signal voltage corresponding to the amount of charge from noise. And a detection circuit becomes expensive. Further, the angular velocity sensor element piece described in Patent Document 1 requires an analog detection circuit for detecting charges generated in the detection arm, and the integrated circuit (IC) constituting the detection circuit is increased in size.

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、2端子で駆動(励振)と角速度の検出とができるようにすることを目的としている。
また、本発明は、通常の音叉型圧電振動片と同一の工程で製造できるようにすることを目的としている。
The present invention has been made to solve the above-described drawbacks of the prior art, and has an object to enable driving (excitation) and detection of angular velocity with two terminals.
Another object of the present invention is to be able to manufacture the same tuning fork type piezoelectric vibrating piece in the same process.

さらに、本発明は、消費電流を小さくできるようにすることを目的としている。
また、本発明は、角速度を検出するために特殊な回路を必要とせず、ICの小型化を図ることができるようにすることなどを目的としている。
Another object of the present invention is to reduce current consumption.
Another object of the present invention is to make it possible to reduce the size of an IC without requiring a special circuit for detecting angular velocity.

上記の目的を達成するために、本発明に係る角速度の検出方法は、振動片を円振動させるとともに、前記円振動の変化を検出して前記振動片の前記円振動の軸線に直交した面内における角速度を求めることを特徴としている。   In order to achieve the above object, an angular velocity detection method according to the present invention causes a vibrating piece to vibrate in a circle and detects a change in the circular vibration to detect in a plane perpendicular to the axis of the circular vibration of the vibrating piece. It is characterized by obtaining the angular velocity at.

このようになっている本発明は、振動片をわざと円振動させておく。そして、このような円振動している振動片に、円振動の軸線に直交した面内において回転(角速度が作用)すると、作用する角速度の方向によって円振動の周波数が高くなったり、低くなったりする。したがって、振動片の円振動の振動周波数を検出することにより、振動片の円振動の軸線に直交した面内に作用する角速度の方向と速さを求めることができる。   In the present invention as described above, the vibration piece is intentionally caused to circularly vibrate. When such a circularly vibrating piece is rotated in a plane perpendicular to the axis of the circular vibration (angular velocity acts), the frequency of the circular vibration increases or decreases depending on the direction of the acting angular velocity. To do. Therefore, by detecting the vibration frequency of the circular vibration of the resonator element, the direction and speed of the angular velocity acting in the plane perpendicular to the axis of the circular vibration of the resonator element can be obtained.

そして、振動腕が予め円振動している音叉型の振動片(共振子)である場合、振動片に作用する回転運動の影響により生じる駆動腕の円振動の周波数微変化を駆動用端子にて検知することができる。すなわち、検出用の端子を特別に設ける必要がなく、通常の音叉型圧電振動片と同様に2端子であっても角速度センサ素子を実現することができる。このため、通常の音叉型圧電振動片と同じ製造工程において製造することができ、従来設備をそのまま利用することができて、コストを削減することができる。そして、音叉型振動片の2本の腕を駆動(励振)するようにしているため、振動片のCI値を小さくすることができ、消費電力を小さくできるとともに、センサ素子片をより小型にすることができる。なお、この発明において、円振動には、楕円振動を含んでいる。   If the vibrating arm is a tuning-fork-type vibrating piece (resonator) that has previously vibrated circularly, a slight change in the frequency of the circular vibration of the driving arm caused by the rotational motion acting on the vibrating piece is caused at the driving terminal Can be detected. That is, it is not necessary to provide a detection terminal in particular, and an angular velocity sensor element can be realized even with two terminals like a normal tuning fork type piezoelectric vibrating piece. For this reason, it can manufacture in the same manufacturing process as a normal tuning fork type piezoelectric vibrating piece, can utilize a conventional installation as it is, and can reduce cost. Since the two arms of the tuning fork type vibrating piece are driven (excited), the CI value of the vibrating piece can be reduced, the power consumption can be reduced, and the sensor element piece can be made smaller. be able to. In the present invention, the circular vibration includes elliptical vibration.

円振動の変化は、円振動の周波数または周期の変化であってよい。円振動の変化は、振幅の変化として求めることができるが、周波数(共振周波数)の変化として検出するようにすると、角速度が作用しているときと、作用していないときの共振励振との差として容易に求めることができる。したがって、円振動の変化の検出を容易に行なうことができる。円振動の周期の変化を求める場合も同様である。このように、円振動の変化を振動数または周期の変化として求めると、検出回路にロックインアンプなどの特別な回路を必要とせず、検出回路を安価に製造することができる。特に、円振動の変化を振動数の変化として検出する場合、検出回路のデジタル化を容易に行なうことができ、A/Dコンバータを必要としないことからICの小型化を図ることができる。   The change in the circular vibration may be a change in the frequency or period of the circular vibration. A change in circular vibration can be obtained as a change in amplitude. However, if it is detected as a change in frequency (resonance frequency), the difference between the resonance excitation when the angular velocity is acting and the resonance excitation when it is not acting. Can be easily obtained. Therefore, it is possible to easily detect a change in circular vibration. The same applies when obtaining a change in the period of circular vibration. As described above, when the change in the circular vibration is obtained as the change in the frequency or the period, a special circuit such as a lock-in amplifier is not required for the detection circuit, and the detection circuit can be manufactured at low cost. In particular, when a change in circular vibration is detected as a change in frequency, the detection circuit can be easily digitized, and an A / D converter is not required, so that the size of the IC can be reduced.

上記の角速度検出方法を実施するための角速度センサ素子片は、水晶のZ板に対するY軸回りの回転角度をθとしたときに、θ=0°、90°、180°、270°を除く範囲である主面を有する水晶板からなる音叉型振動片であることを特徴としている。   The angular velocity sensor element piece for carrying out the angular velocity detection method described above is a range excluding θ = 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °, where θ is the rotation angle of the crystal around the Y axis with respect to the Z plate. It is a tuning fork type vibration piece made of a quartz plate having a main surface.

水晶のXY面に対する水晶のY軸回りの回転角度をθとしたときに、θ=0°、90°、180°、270°を除くカット角を有する水晶板からなる音叉型振動片は、音叉の腕(振動腕)を励振すると、円振動をする。すなわち、振動腕を励振(駆動)すると、振動腕は、音叉型振動片の面内における通常の屈曲振動と、ウォーキングモードと呼ばれる振動片の主面に直交した方向の屈曲振動とを合成した円振動を行なう。したがって、上記したカット角の水晶板からなる音叉型振動片の駆動腕は、通常に励振するだけで円振動させることができる。そして、一対の振動腕の両方を駆動することができるため、CI値を小さくすることができ、消費電力の低減を図ることができるとともに、より小型化を図ることができる。   A tuning fork type resonator element comprising a quartz plate having cut angles other than θ = 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °, where θ is the rotation angle around the Y axis of the crystal with respect to the XY plane of the crystal, is a tuning fork. When the arm (vibrating arm) is excited, it vibrates circularly. That is, when the vibrating arm is excited (driven), the vibrating arm combines a normal bending vibration in the plane of the tuning-fork type vibrating piece and a bending vibration in a direction perpendicular to the main surface of the vibrating piece called a walking mode. Vibrate. Therefore, the driving arm of the tuning fork type vibrating piece made of the quartz plate having the cut angle can be caused to vibrate only by being normally excited. Since both of the pair of vibrating arms can be driven, the CI value can be reduced, power consumption can be reduced, and further downsizing can be achieved.

本発明に係る角速度検出回路は、振動腕が円振動する振動片を共振子として備える第1の電圧制御発振器と、第2の電圧制御発振器と、前記第1の電圧制御発振器の出力信号と前記第2の電圧制御発振器の出力信号とを位相比較する為の位相比較器と、前記位相比較器の出力信号を直流化するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタの出力信号を前記第2の電圧制御発振器へ遅延回路を介して印加する構成と、前記ローパスフィルタの出力信号を前記第1の電圧制御発振器へ印加する構成と、を有し、前記ローパスフィルタの出力信号を角速度情報として利用した構成を有することを特徴としている。これにより、上記の効果を得ることができる。   An angular velocity detection circuit according to the present invention includes a first voltage-controlled oscillator including a resonator element having a vibrating arm that vibrates circularly as a resonator, a second voltage-controlled oscillator, an output signal of the first voltage-controlled oscillator, and the A phase comparator for phase comparison of the output signal of the second voltage controlled oscillator, a low pass filter for converting the output signal of the phase comparator to DC, and an output signal of the low pass filter for the second voltage controlled oscillator And a configuration in which the output signal of the low-pass filter is applied to the first voltage controlled oscillator, and the output signal of the low-pass filter is used as angular velocity information. It is characterized by that. Thereby, said effect can be acquired.

振動片は、音叉型振動片であってよい。そして、振動片は、水晶板からなる音叉型振動片であり、水晶の結晶軸をX、Y、Zとして、XY平面に対するY軸回りの回転角度をθとしたときに、θ=0°、90°、180°、270°を除く範囲である主面を有する水晶板から形成するとよい。   The vibrating piece may be a tuning fork type vibrating piece. The vibrating piece is a tuning fork type vibrating piece made of a quartz plate. When the crystal axis of the crystal is X, Y, Z and the rotation angle about the Y axis with respect to the XY plane is θ, θ = 0 °, It is good to form from the quartz plate which has a main surface which is a range except 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees.

本発明に係る角速度検出方法、角速度センサ素子片および角速度検出回路の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図1は、本発明に係る角速度センサ素子片の模式的に示した斜視図である。図1において、角速度センサ素子片10は、圧電体基板によって音叉形状の振動片に形成してある。すなわち、角速度センサ素子片10は、略矩形状に形成した基部12と、基部12の一辺から同方向に平行させて突設した一対の振動部である振動腕14、16とからなっている。
Preferred embodiments of an angular velocity detection method, an angular velocity sensor element piece, and an angular velocity detection circuit according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an angular velocity sensor element piece according to the present invention. In FIG. 1, the angular velocity sensor element piece 10 is formed into a tuning fork-shaped vibrating piece by a piezoelectric substrate. That is, the angular velocity sensor element piece 10 includes a base portion 12 formed in a substantially rectangular shape and a pair of vibrating arms 14 and 16 which are a pair of vibration portions projecting in parallel in the same direction from one side of the base portion 12.

角速度センサ素子片10は、実施形態の場合、圧電体基板が水晶板であって、図2に示したカット角の水晶板18からなっている。図2に示したX、Y、Zの直交した3軸は、水晶の結晶軸であって、X軸が電気軸、Y軸が機械軸、Z軸が光軸である。そして、水晶板18は、水晶のZ板20となるXY平面に対してY軸回りに角度θ回転させたカット角となっている。水晶板18の面が、角速度センサ素子片10の主面となっている。   In the case of the embodiment, the angular velocity sensor element piece 10 is composed of a quartz crystal plate 18 having a cut angle shown in FIG. The three orthogonal X, Y, and Z axes shown in FIG. 2 are crystal axes of the crystal, where the X axis is the electrical axis, the Y axis is the mechanical axis, and the Z axis is the optical axis. The quartz plate 18 has a cut angle obtained by rotating the angle θ around the Y axis with respect to the XY plane serving as the quartz Z plate 20. The surface of the crystal plate 18 is the main surface of the angular velocity sensor element piece 10.

Y軸回りの回転角θは、実施形態の場合、θ≠0°、90°、180°、270°の範囲である。θ=0°、180°の場合、振動腕14、16を励振すると、音叉型振動片の面内(X軸方向)における屈曲振動のみを行ない、振動片の面に直交した方向(Z軸方向)の振動成分を含まず、またθ=90°、270°の場合、振動腕14、16を励振すると、音叉型振動片の面に直行した方向(Z軸方向)における屈曲振動のみを行ない、振動片の面内(X軸方向)の振動成分を含まず、後述する円振動を行なわせることができない。これに対して、θ=0°、90°、180°、270°を除くカット角(主面)を有する水晶板18は、音叉型振動片を形成して振動腕を駆動(励振)した場合、主面に沿った方向に2本の振動腕が対称的に動揺する音叉としての屈曲振動の振動成分と、水晶板18の主面に直交した方向に2本振動腕が互いに相反する方向に動揺するいわゆるウォーキングモードと呼ばれる屈曲振動の振動成分とが合成された円振動を行なう。   In the embodiment, the rotation angle θ around the Y axis is in the range of θ ≠ 0 °, 90 °, 180 °, 270 °. In the case of θ = 0 ° and 180 °, when the vibrating arms 14 and 16 are excited, only bending vibration is performed in the plane of the tuning fork-type vibrating piece (X-axis direction), and the direction orthogonal to the surface of the vibrating piece (Z-axis direction) In the case of θ = 90 ° and 270 °, when the vibrating arms 14 and 16 are excited, only bending vibration in the direction (Z-axis direction) perpendicular to the surface of the tuning-fork type vibrating piece is performed. It does not include a vibration component in the plane of the vibrating piece (X-axis direction), and circular vibration described later cannot be performed. On the other hand, the quartz plate 18 having a cut angle (main surface) excluding θ = 0 °, 90 °, 180 °, and 270 ° forms a tuning fork type vibration piece and drives (excites) the vibrating arm. The vibration component of the bending vibration as a tuning fork in which the two vibrating arms swing symmetrically in the direction along the main surface and the two vibrating arms in a direction opposite to each other in the direction orthogonal to the main surface of the quartz plate 18 A circular vibration in which a vibration component of a bending vibration called a so-called walking mode is synthesized is synthesized.

角速度センサ素子片10は、一対の振動腕14、16が略角柱状に形成してあり、それぞれ振動腕14、16に励振電極が設けてある。励振電極は、振動腕14、16のそれぞれの表裏主面に形成した主面電極22、24(裏面は、図示せず)と、主面に直交した両側側面に形成した側面電極26、28(図1の左側側面は、図示せず)とからなっている。各振動腕14、16のそれぞれの左右側面電極は、振動腕14、16のそれぞれの主面先端部に形成した先端連結電極部30、32を介して相互に接続してある。さらに、一方の振動腕14の主面に形成した主面電極22は、基部12に設けた導電パターン34を介して、他方の振動腕16の両側面に形成した側面電極28に接続してある。そして、主面電極22と側面電極28とは、基部12に設けた引出し電極36と一体に形成してある。同様に、他方の振動腕16の主面電極24は、一方の振動腕14の側面電極26に導電パターン38を介して接続してある。そして、主面電極24と側面電極26とは、基部12に設けた引出し電極40と一体に形成してある。   In the angular velocity sensor element piece 10, a pair of vibrating arms 14 and 16 are formed in a substantially prismatic shape, and excitation electrodes are provided on the vibrating arms 14 and 16, respectively. The excitation electrodes include main surface electrodes 22 and 24 (the back surface is not shown) formed on the front and back main surfaces of the vibrating arms 14 and 16, and side electrodes 26 and 28 (on the both side surfaces orthogonal to the main surface). The left side surface of FIG. 1 consists of (not shown). The left and right side electrodes of the vibrating arms 14 and 16 are connected to each other via tip connecting electrode portions 30 and 32 formed at the tip ends of the main surfaces of the vibrating arms 14 and 16, respectively. Further, the main surface electrode 22 formed on the main surface of one vibration arm 14 is connected to the side electrodes 28 formed on both side surfaces of the other vibration arm 16 via the conductive pattern 34 provided on the base 12. . The main surface electrode 22 and the side surface electrode 28 are formed integrally with the extraction electrode 36 provided on the base 12. Similarly, the main surface electrode 24 of the other vibrating arm 16 is connected to the side electrode 26 of one vibrating arm 14 via a conductive pattern 38. The main surface electrode 24 and the side surface electrode 26 are formed integrally with the extraction electrode 40 provided on the base 12.

これらの引出し電極36、40は、振動腕14、16の駆動(励振)するための駆動用端子であるとともに、振動腕14、16の円振動の変化を検出するための検出用端子でもある。したがって、通常の音叉型圧電振動片と同様に、2端子とすることができ、通常の音叉型圧電振動片の製造工程で製造することができる。このため、角速度センサ素子片10の製造コストを低減することができる。なお、各引出し電極36、40は、基部12の側面を介して裏面側にも延在されている。そして、角速度センサ素子片10の裏面には、表面と対称に電極が形成してある。   These lead electrodes 36 and 40 are driving terminals for driving (exciting) the vibrating arms 14 and 16 and are also detecting terminals for detecting changes in the circular vibration of the vibrating arms 14 and 16. Therefore, like a normal tuning fork type piezoelectric vibrating piece, it can have two terminals, and can be manufactured by a manufacturing process of a normal tuning fork type piezoelectric vibrating piece. For this reason, the manufacturing cost of the angular velocity sensor element piece 10 can be reduced. In addition, each extraction electrode 36 and 40 is extended also to the back surface side through the side surface of the base 12. FIG. And the electrode is formed in the back surface of the angular velocity sensor element piece 10 symmetrically with the surface.

このようになっている角速度センサ素子片10は、基部12に設けた引出し電極36、40が導電性接着剤などを介して、図示しないパッケージに設けた接合電極に接合され、パッケージ内に真空または不活性ガスの雰囲気に気密に封止される。そして、音叉型振動片からなる角速度センサ素子片10は、音叉型振動片の中心線42が検出軸(感応軸)となっており、中心線42回りの角速度ω検出する。   In the angular velocity sensor element piece 10 thus configured, the extraction electrodes 36 and 40 provided on the base 12 are joined to a joining electrode provided on a package (not shown) via a conductive adhesive or the like, and vacuum or It is hermetically sealed in an inert gas atmosphere. Then, the angular velocity sensor element piece 10 formed of a tuning fork type vibrating piece has a center line 42 of the tuning fork type vibrating piece as a detection axis (sensitive axis), and detects an angular velocity ω around the center line 42.

XY面に対してθ=0°、90°180°、270°を除く範囲にてθ回転させたカット角を有する水晶板18から形成した角速度センサ素子片10は、振動腕14、16を駆動(励振)すると、振動腕14、16が振動腕の軸線回りに円振動を行なう。すなわち、角速度センサ素子片10は、引出し電極36、40との間に所定周波数の電圧を印加すると、各振動腕14、16が主面に沿った方向の屈曲振動の振動成分と、主面に直交した方向の屈曲振動の振動成分(ウォーキングモード)とが合成された時計回り、または反時計回りの円振動を行なう。この円振動の回転方向は、θの値によって一意に定まる。そして、実施形態の場合、振動腕14、16の主面に沿った方向の屈曲振動の周期と、主面に直交した方向の屈曲振動の周期とを略一致させている。この両周期の一致は、振動腕14、16の幅bと厚みdとを調整することにより行なうことができる。   An angular velocity sensor element piece 10 formed from a crystal plate 18 having a cut angle rotated by θ in a range other than θ = 0 °, 90 ° 180 °, and 270 ° with respect to the XY plane drives the vibrating arms 14 and 16. When (excitation) occurs, the vibrating arms 14 and 16 perform circular vibration around the axis of the vibrating arms. That is, when a voltage of a predetermined frequency is applied between the angular velocity sensor element piece 10 and the extraction electrodes 36 and 40, the vibration components of the flexural vibration in the direction along the main surface and the vibration arms 14 and 16 are applied to the main surface. A clockwise vibration or a counterclockwise circular vibration in which the vibration components (walking mode) of the bending vibration in the orthogonal direction are combined is performed. The direction of rotation of this circular vibration is uniquely determined by the value of θ. In the case of the embodiment, the period of the bending vibration in the direction along the main surfaces of the vibrating arms 14 and 16 and the period of the bending vibration in the direction orthogonal to the main surfaces are substantially matched. The coincidence of both periods can be performed by adjusting the width b and thickness d of the vibrating arms 14 and 16.

振動腕14、16が円振動をしている場合、この角速度センサ素子片10の等価回路は、図3のように表すことができる。すなわち、円振動している角速度センサ素子片10は、電気端子(引出し電極36、40)44、44から見た場合、主面に沿った方向の音叉の屈曲振動の等価成分46と、主面に直交した方向のいわゆるウォーキングモードの屈曲振動の等価成分48とが結合回路50によって電気的に結合した状態とみなせる。そして、例えば、円振動の周波数が変化するなどの円振動が変化した場合、結合回路50の結合係数が変わったとみなすことができる。   When the vibrating arms 14 and 16 are performing circular vibration, an equivalent circuit of the angular velocity sensor element piece 10 can be expressed as shown in FIG. That is, the angular velocity sensor element piece 10 that is circularly vibrating has an equivalent component 46 of the bending vibration of the tuning fork in the direction along the main surface and the main surface when viewed from the electrical terminals (extracting electrodes 36 and 40) 44 and 44. It can be considered that the equivalent circuit 48 of the bending vibration in the so-called walking mode in the direction orthogonal to the direction is electrically coupled by the coupling circuit 50. For example, when the circular vibration changes, such as when the frequency of the circular vibration changes, it can be considered that the coupling coefficient of the coupling circuit 50 has changed.

例えば、角速度センサ素子片10は、振動腕14、16が励振されて、図4に示したように、反時計回りの円振動をしているとする。このとき、角速度センサ素子片10に振動部である振動腕14、16の円振動の軸線に直交した面内において時計回りの回転を受けたとする。すなわち、角速度センサ素子片10は、中心線42と直交した面内における反時計回りの角速度ωが作用したとする。このとき、振動腕14、16は、角速度ωによって、円振動を妨げられるような力を受け、円振動の振幅が小さくなるとともに、円振動の周波数が低下する。反対に、図4のように、振動腕14、16が反時計回りの振動をしているときに、時計回りの角加速度の作用を受けると、円振動が助長され、円振動の振幅が大きくなるとともに周波数が高くなる。   For example, the angular velocity sensor element piece 10 is assumed to vibrate counterclockwise as shown in FIG. 4 when the vibrating arms 14 and 16 are excited. At this time, it is assumed that the angular velocity sensor element piece 10 receives clockwise rotation in a plane orthogonal to the axis of the circular vibration of the vibrating arms 14 and 16 that are the vibrating portions. That is, it is assumed that the angular velocity sensor element piece 10 is subjected to a counterclockwise angular velocity ω in a plane orthogonal to the center line 42. At this time, the vibrating arms 14 and 16 receive a force that can prevent circular vibration due to the angular velocity ω, and the amplitude of the circular vibration decreases and the frequency of the circular vibration decreases. On the other hand, as shown in FIG. 4, when the vibrating arms 14 and 16 vibrate counterclockwise, when subjected to the action of the clockwise angular acceleration, the circular vibration is promoted and the amplitude of the circular vibration is increased. As the frequency increases.

このような円振動の変化(周波数の変化)は、図5に示したような回路によって検出され、図示しない変換回路(角速度演算回路)によって角速度の作用する方向と大きさに対応した信号に変換される。図5に示した回路は、周波数検出回路の一例である。音叉型振動片として形成された角速度センサ素子片10は、共振子として電圧制御発振回路52に接続され、電圧制御発振回路52とともに第1の電圧制御発振器として電圧制御水晶発振器(VCXO)54を形成する。電圧制御水晶発振器54の出力信号は、位相比較器56に入力するようにしてある。位相比較器56には、さらに、第2の電圧制御発振器(VCO)58の出力信号が入力するようになっている。   Such a change in circular vibration (change in frequency) is detected by a circuit as shown in FIG. 5, and is converted into a signal corresponding to the direction and magnitude of the angular velocity by a conversion circuit (angular velocity calculation circuit) (not shown). Is done. The circuit shown in FIG. 5 is an example of a frequency detection circuit. The angular velocity sensor element piece 10 formed as a tuning fork type vibrating piece is connected to a voltage controlled oscillation circuit 52 as a resonator, and forms a voltage controlled crystal oscillator (VCXO) 54 as a first voltage controlled oscillator together with the voltage controlled oscillation circuit 52. To do. The output signal of the voltage controlled crystal oscillator 54 is input to the phase comparator 56. Further, the output signal of the second voltage controlled oscillator (VCO) 58 is input to the phase comparator 56.

位相比較器56の出力側には、ローパスフィルタ60が設けてある。ローパスフィルタ60の出力側には、増幅器62と増幅器64とが並列に接続してある。増幅器62は、出力信号を電圧制御発振回路52内の電圧制御型の可変容量素子に周波数制御電圧として入力する。また、増幅器62の出力信号は、増幅器66を介して円振動の周波数情報として出力される。一方、増幅器64の出力信号は、遅延回路68を介して電圧制御発振器58に周波数制御信号として入力する。遅延回路68は、実施形態の場合、抵抗RとコンデンサCとを直列接続した積分回路からなる。遅延回路68は、RとCとにより定まる時定数だけ遅らせて増幅されたローパスフィルタの出力信号を電圧制御発振器58の電圧制御型の可変容量素子に周波数制御電圧として与える。   A low-pass filter 60 is provided on the output side of the phase comparator 56. On the output side of the low-pass filter 60, an amplifier 62 and an amplifier 64 are connected in parallel. The amplifier 62 inputs an output signal as a frequency control voltage to the voltage control type variable capacitance element in the voltage control oscillation circuit 52. The output signal of the amplifier 62 is output as frequency information of circular vibration through the amplifier 66. On the other hand, the output signal of the amplifier 64 is input as a frequency control signal to the voltage controlled oscillator 58 via the delay circuit 68. In the embodiment, the delay circuit 68 includes an integrating circuit in which a resistor R and a capacitor C are connected in series. The delay circuit 68 gives the output signal of the low-pass filter amplified by being delayed by a time constant determined by R and C as a frequency control voltage to the voltage control type variable capacitance element of the voltage control oscillator 58.

このように構成した検出回路は、角速度センサ素子片10に角速度が作用していないときの電圧制御水晶発振器(VCXO)54の共振周波数と、電圧制御発振器58の共振周波数とが一致させてある。また、図示しない位相調整回路により、位相比較器56に入力する電圧制御水晶発振器54の出力信号と電圧制御発振器58の出力信号との初期位相(スイッチがオンされたときの位相)が同期させてある。したがって、角速度センサ素子片10の中心線42に直交した面内の角速度ωが作用していない場合、位相比較器56に入力する電圧制御水晶発振器54と電圧制御発振器58との出力信号は、周波数が同じであり、同位相となる。このため、位相比較器56の出力信号は、0である。   In the detection circuit configured as described above, the resonance frequency of the voltage controlled crystal oscillator (VCXO) 54 when the angular velocity sensor element piece 10 is not acting is matched with the resonance frequency of the voltage controlled oscillator 58. In addition, the phase adjustment circuit (not shown) synchronizes the initial phase (the phase when the switch is turned on) of the output signal of the voltage controlled crystal oscillator 54 and the output signal of the voltage controlled oscillator 58 input to the phase comparator 56. is there. Therefore, when the in-plane angular velocity ω orthogonal to the center line 42 of the angular velocity sensor element piece 10 is not acting, the output signals of the voltage controlled crystal oscillator 54 and the voltage controlled oscillator 58 input to the phase comparator 56 are Are the same and have the same phase. For this reason, the output signal of the phase comparator 56 is zero.

角速度センサ素子片10に、中心線42と直交した面内の成分を有する角速度ωが作用すると、前記したように円振動の周波数(振動腕14、16の回転スピード)が変化する。このため、位相比較器56に入力する電圧制御水晶発振器54の出力信号と電圧制御発振器58の出力信号との間に位相にずれを生じる。位相比較器56は、この位相差に対応した位相差信号(電圧)を出力する。位相比較器56の出力信号は、ローパスフィルタ60によって高周波成分が除かれ、直流信号(直流電圧)にされる。この直流電圧は、増幅器62によって増幅されて電圧制御水晶発振器54の電圧制御発振回路52に周波数制御電圧として与えられる。電圧制御水晶発振器54は、電圧制御発振回路52に入力する周波数制御電圧に応じた周波数で発振する。   When the angular velocity ω having an in-plane component orthogonal to the center line 42 acts on the angular velocity sensor element piece 10, the frequency of circular vibration (the rotational speed of the vibrating arms 14 and 16) changes as described above. For this reason, a phase shift occurs between the output signal of the voltage controlled crystal oscillator 54 input to the phase comparator 56 and the output signal of the voltage controlled oscillator 58. The phase comparator 56 outputs a phase difference signal (voltage) corresponding to this phase difference. A high-frequency component is removed from the output signal of the phase comparator 56 by the low-pass filter 60 to obtain a DC signal (DC voltage). This DC voltage is amplified by the amplifier 62 and applied to the voltage controlled oscillation circuit 52 of the voltage controlled crystal oscillator 54 as a frequency control voltage. The voltage controlled crystal oscillator 54 oscillates at a frequency corresponding to the frequency control voltage input to the voltage controlled oscillation circuit 52.

一方、電圧制御発振器58には、遅延回路68介して増幅器64が増幅したローパスフィルタ60の出力信号(電圧)が周波数制御信号として入力する。すなわち、電圧制御発振器58は、遅延回路68のRとCとで定まる時定数の時間だけ遅れてローパスフィルタの出力する制御電圧に追随して発振周波数が変化する。したがって、増幅器62の出力側から取り出された電圧信号は、そのときに角速度センサ素子片10が受けている角速度の大きさに基づいた発振周波数の変化による位相差に相当する信号である。よって、増幅器62の出力信号を増幅器66によって増幅し(この増幅器66は、増幅器62の出力が十分に大きい場合には省略することができる)、図示しない変換器(角速度演算器)に出力する。これにより、角速度センサ素子片10に作用する角速度の方向と大きさとを求めることができる。   On the other hand, the output signal (voltage) of the low-pass filter 60 amplified by the amplifier 64 via the delay circuit 68 is input to the voltage controlled oscillator 58 as a frequency control signal. That is, the voltage-controlled oscillator 58 changes its oscillation frequency following the control voltage output from the low-pass filter with a delay of a time constant determined by R and C of the delay circuit 68. Therefore, the voltage signal extracted from the output side of the amplifier 62 is a signal corresponding to a phase difference due to a change in oscillation frequency based on the magnitude of the angular velocity received by the angular velocity sensor element piece 10 at that time. Therefore, the output signal of the amplifier 62 is amplified by the amplifier 66 (this amplifier 66 can be omitted when the output of the amplifier 62 is sufficiently large), and is output to a converter (angular velocity calculator) (not shown). As a result, the direction and magnitude of the angular velocity acting on the angular velocity sensor element piece 10 can be obtained.

このように、実施形態の角速度センサ素子片10は、一対の振動腕14、16を励振するようにしているため、CI値を小さくすることができる。したがって、角速度センサ素子片10は、CI値が小さいために消費電力を小さくすることができる。また、円振動の変化を周波数の変化として検出するため、ロックインアンプなどの特殊な回路を必要とせず、検出回路を安価に構成することができる。さらに、周波数を検出して角速度を求めることができるため、アナログ回路を必要とせず、検出回路を小型化でき、容易にデジタル化することができる。   Thus, since the angular velocity sensor element piece 10 of the embodiment excites the pair of vibrating arms 14 and 16, the CI value can be reduced. Accordingly, the angular velocity sensor element piece 10 has a small CI value, and thus can reduce power consumption. Further, since a change in circular vibration is detected as a change in frequency, a special circuit such as a lock-in amplifier is not required, and the detection circuit can be configured at low cost. Furthermore, since the angular velocity can be obtained by detecting the frequency, an analog circuit is not required, and the detection circuit can be downsized and easily digitized.

上記の実施形態は、本発明の一態様であって、実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、振動体を音叉形状に形成した場合について説明したが、振動体は、単なる棒状などの円振動をさせられるものであればよい。また、前記実施形態においては、円振動の変化を周波数の変化として検出する場合について説明したが、円振動の変化は、周期の変化や振幅の変化として検出してもよい。   The above embodiment is an aspect of the present invention, and is not limited to the embodiment. For example, in the above-described embodiment, the case where the vibrating body is formed in a tuning fork shape has been described. However, the vibrating body only needs to be capable of causing a circular vibration such as a simple bar shape. In the above embodiment, the case where the change in the circular vibration is detected as the change in the frequency has been described. However, the change in the circular vibration may be detected as a change in the period or a change in the amplitude.

また、上記の実施形態における振動腕14、16の円振動とは楕円振動、真円振動も含まれる。
特に、振動腕14、16を真円運動またはこれに近い円運動であるほど回転運動のバランスが良いので高感度特性を有する角速度センサ素子を得ることができる。
Further, the circular vibration of the vibrating arms 14 and 16 in the above embodiment includes elliptical vibration and perfect circular vibration.
In particular, since the balance of the rotational motion is better as the vibrating arms 14 and 16 are moved in a perfect circular motion or a circular motion close thereto, an angular velocity sensor element having high sensitivity characteristics can be obtained.

なお、前記検出回路においては、電圧制御水晶発振器54と位相を比較する発振器が電圧制御発振器58の共振子として特定した説明をしていないが、共振子としてコイルとコンデンサからなるCL共振回路の他に、AT水晶振動子などを用いた電圧制御水晶発振器を適用すれば高い周波数温度特性が得られるため、角速度検出回路の起動特性等に対して高い性能を得ることができる。   In the detection circuit, the oscillator that compares the phase with the voltage-controlled crystal oscillator 54 is not described as the resonator of the voltage-controlled oscillator 58, but other CL resonance circuits including a coil and a capacitor are used as the resonator. In addition, when a voltage controlled crystal oscillator using an AT crystal unit or the like is applied, a high frequency temperature characteristic can be obtained, so that a high performance can be obtained with respect to the starting characteristic of the angular velocity detection circuit.

すなわち、周波数温度特性が比較的悪いCL共振回路の場合、温度によって角速度検出回路の起動時に所望の周波数から大きく外れてしまう場合があるため、所望の動作状態に達するまでに幾度のフィードバック制御(位相比較および周波数制御)を必要としてしまう、または、フィードバック制御が不可能となってしまう。   That is, in the case of a CL resonance circuit with relatively poor frequency temperature characteristics, the temperature may deviate significantly from the desired frequency when the angular velocity detection circuit is started up. Therefore, the feedback control (phase) is not repeated until the desired operating state is reached. Comparison and frequency control) are required, or feedback control becomes impossible.

これに対して、周波数温度特性に優れるAT水晶振動子を使用した場合では、温度によって所望の周波数から大きく外れることがないので、所望の動作状態に達するまでのフィードバック制御が少ない回数で足りるのである。   On the other hand, when an AT crystal unit having excellent frequency temperature characteristics is used, it does not deviate significantly from the desired frequency depending on the temperature. Therefore, the number of feedback control until reaching the desired operating state is sufficient. .

実施の形態に係る角速度センサ素子片の斜視図である。It is a perspective view of the angular velocity sensor element piece which concerns on embodiment. 実施形態に係る角速度センサ素子片を形成する水晶板のカット角の説明図である。It is explanatory drawing of the cut angle of the crystal plate which forms the angular velocity sensor element piece which concerns on embodiment. 実施形態に係る角速度センサ素子片の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the angular velocity sensor element piece according to the embodiment. 実施形態に係る角速度センサ素子片の作用の説明図である。It is explanatory drawing of an effect | action of the angular velocity sensor element piece which concerns on embodiment. 実施形態に係る角速度センサ素子片の角速度による周波数変化を検出する回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the circuit which detects the frequency change by the angular velocity of the angular velocity sensor element piece which concerns on embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10………角速度センサ素子片(振動片)、12………基部、14、16………振動腕、22、24………主面電極、26、28………側面電極、36、40………引出し電極(端子)。   10 ......... Angular velocity sensor element piece (vibrating piece), 12 ......... Base, 14, 16 ......... Vibrating arm, 22, 24 ......... Main surface electrode, 26, 28 ......... Side electrode, 36, 40 ……… Extraction electrode (terminal).

Claims (6)

振動片を円振動させるとともに、前記円振動の変化を検出して前記振動片の前記円振動の軸線に直交した面内における角速度を求めることを特徴とする角速度検出方法。   A method for detecting an angular velocity, comprising: vibrating a vibrating piece in a circle; and detecting a change in the circular vibration to obtain an angular velocity in a plane perpendicular to the axis of the circular vibration of the vibrating piece. 請求項1に記載の角速度検出方法において、
前記円振動の変化は、前記円振動の周波数または周期の変化であることを特徴とする角速度検出方法。
The angular velocity detection method according to claim 1,
The change in circular vibration is a change in frequency or period of the circular vibration.
水晶の結晶軸をX、Y、Zとした場合、XY平面に対するY軸回りの回転角度をθとしたときに、θ=0°、90°、180°、270°を除く範囲である主面を有する水晶板からなる音叉型振動片であることを特徴とする角速度センサ素子片。   When the crystal axes of the quartz are X, Y, and Z, the main surface is in a range excluding θ = 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °, where θ is the rotation angle around the Y axis with respect to the XY plane. An angular velocity sensor element piece, which is a tuning fork type vibration piece made of a quartz plate having 振動腕が円振動する振動片を共振子として備える第1の電圧制御発振器と、第2の電圧制御発振器と、前記第1の電圧制御発振器の出力信号と前記第2の電圧制御発振器の出力信号とを位相比較するための位相比較器と、前記位相比較器の出力信号を直流化するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタの出力信号を前記第2の電圧制御発振器へ遅延回路を介して印加する構成と、前記ローパスフィルタの出力信号を前記第1の電圧制御発振器へ印加する構成と、を有し、前記ローパスフィルタの出力信号を角速度情報として利用した構成を有することを特徴とする角速度検出回路。   A first voltage-controlled oscillator including a resonator element whose resonator arm vibrates circularly as a resonator, a second voltage-controlled oscillator, an output signal of the first voltage-controlled oscillator, and an output signal of the second voltage-controlled oscillator Phase comparator, a low-pass filter that converts the output signal of the phase comparator into a direct current, and an output signal of the low-pass filter that is applied to the second voltage-controlled oscillator via a delay circuit And an arrangement for applying the output signal of the low-pass filter to the first voltage-controlled oscillator, and an arrangement using the output signal of the low-pass filter as angular velocity information. 請求項4に記載の角速度検出回路において、
前記振動片が音叉型振動片であることを特徴とする角速度検出回路。
The angular velocity detection circuit according to claim 4,
An angular velocity detection circuit, wherein the vibrating piece is a tuning fork type vibrating piece.
請求項4に記載の角速度検出回路において、
前記振動片が水晶板からなる音叉型振動片であり、水晶の結晶軸をX、Y、Zとして、XY平面に対するY軸回りの回転角度をθとしたときに、前記音叉型振動片がθ=0°、90°、180°、270°を除く範囲である主面を有する水晶板からなることを特徴とする角速度検出回路。
The angular velocity detection circuit according to claim 4,
The vibrating piece is a tuning fork type vibrating piece made of a quartz plate, and the tuning fork type vibrating piece is θ when the crystal axis of the crystal is X, Y, Z and the rotation angle about the Y axis with respect to the XY plane is θ. = An angular velocity detection circuit comprising a quartz plate having a main surface in a range excluding 0 °, 90 °, 180 °, and 270 °.
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