JP2003014465A - Vibration type gyroscope - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、振動子が振動しな
がら回転したときに発生するコリオリ力を利用して回転
角速度を検出する振動型ジャイロスコープに係り、特に
振動子の振動周波数の調整を容易にでき、また安定した
支持が可能で、さらに量産性に富む構造とすることが可
能な振動型ジャイロスコープに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration type gyroscope which detects a rotational angular velocity by utilizing a Coriolis force generated when a vibrator rotates while vibrating, and in particular, adjusting a vibration frequency of the vibrator. The present invention relates to a vibrating gyroscope that can be easily and stably supported, and that has a structure that is highly productive.
【0002】[0002]
【従来の技術】回転角速度を検出するジャイロスコープ
は、航空機や船舶の慣性航法システムなどに使用されて
いるが、最近では、車載用ナビゲーションシステムやロ
ボットや無人走行車の姿勢制御、さらにはテレビカメラ
やビデオカメラの画面振れ防止装置などにも使用される
ようになってきている。2. Description of the Related Art Gyroscopes that detect rotational angular velocity are used in inertial navigation systems for aircraft and ships, but recently, they have been used in navigation systems for vehicles, attitude control of robots and unmanned vehicles, and even television cameras. It has also come to be used as a screen shake preventing device for video cameras.
【0003】このような種々の分野の使用に適するジャ
イロスコープとしては小型のものが必要になっており、
そこで振動型ジャイロスコープが着目されている。As a gyroscope suitable for use in such various fields, a small one is required,
Therefore, a vibrating gyroscope is receiving attention.
【0004】図28はこの種の振動型ジャイロスコープ
の基本構造を示している。この振動型ジャイロスコープ
は、恒弾性金属(エリンバ)により形成された柱状の振
動子1に、駆動用の圧電素子2と検出用の圧電素子3が
貼着されている。駆動用の圧電素子2により振動子1に
x軸方向への曲げ振動を与えながら、振動子1を軸Oを
中心として回転させると、振動子1に対しy軸方向へコ
リオリ力が作用する。このコリオリ力による振動子1の
y軸方向の曲げ振動が圧電素子3により電圧として検出
される。FIG. 28 shows the basic structure of this type of vibrating gyroscope. In this vibrating gyroscope, a piezoelectric element 2 for driving and a piezoelectric element 3 for detection are attached to a columnar vibrator 1 formed of a constant elastic metal (elinvar). When the vibrator 1 is rotated about the axis O while the vibrator 1 is applied with bending vibration in the x-axis direction by the driving piezoelectric element 2, a Coriolis force acts on the vibrator 1 in the y-axis direction. The bending vibration of the vibrator 1 in the y-axis direction due to this Coriolis force is detected as a voltage by the piezoelectric element 3.
【0005】振動子1の質量をm、駆動用の圧電素子2
により与えられる振動子1のx軸方向の振動速度をv
(ベクトル値)、O軸を中心とする角速度をω(ベクト
ル値)とすると、コリオリ力F(ベクトル値)は、The mass of the vibrator 1 is m, and the piezoelectric element 2 for driving
The vibration velocity of the vibrator 1 in the x-axis direction given by
(Vector value) and the angular velocity about the O axis is ω (Vector value), Coriolis force F (Vector value) is
【0006】[0006]
【数1】
となり、コリオリ力Fは角速度ωに比例する。このコリ
オリ力Fによる振動子1のy軸方向への変形振動が、検
出用圧電素子3により電圧に変換され、この検出電圧か
ら角速度ωが求められる。[Equation 1] And the Coriolis force F is proportional to the angular velocity ω. The deformation vibration of the vibrator 1 in the y-axis direction due to the Coriolis force F is converted into a voltage by the detection piezoelectric element 3, and the angular velocity ω is obtained from this detection voltage.
【0007】しかしながら、図28に示したジャイロス
コープでは、高価な恒弾性金属を柱状に加工しているた
め、材料の部留まりが悪く、また高精度な柱状に加工し
なくてはならないために加工コストが高くなる。またこ
の種のジャイロスコープでは、駆動用の圧電素子2によ
り振動子1を曲げ振動させたときの共振周波数を調整す
る必要があるが、このため柱状の振動子1のいずれかの
部分を削って調整する必要があり、調整作業が非常に繁
雑である。However, in the gyroscope shown in FIG. 28, an expensive constant elasticity metal is processed into a columnar shape, so that the material remains unsatisfactory and the columnar shape must be processed with high precision. High cost. In addition, in this type of gyroscope, it is necessary to adjust the resonance frequency when the vibrator 1 is flexurally vibrated by the driving piezoelectric element 2. For this reason, any part of the columnar vibrator 1 must be removed. It needs to be adjusted, and the adjustment work is very complicated.
【0008】そこで、本発明の発明者は、図29に示す
ように、平板状の恒弾性金属の振動子4を使用した二脚
音叉型の振動型ジャイロスコープについて検討した。こ
のジャイロスコープは、振動子4の先端中心部に溝4a
を形成し、平板内を2片の弾性腕4bと4cに分離した
ものである。図30(A)に示すように、駆動用の圧電
素子を用いてそれぞれの弾性腕4bと4cを板の面方向
に沿って固有の共振周波数にて振動させる。この振動は
ある時点での振幅が、弾性腕4bと4cとで+x方向と
−x方向とで示すように逆位相とする。このような振動
が与えられた状態で振動子4に対し軸Oを中心とする回
転が与えられると、各弾性腕4bと4cには図30
(B)に示すようにコリオリ力による+yおよび−y方
向の変形が生じる。この変形を検出用の圧電素子により
検出し、電圧に変換することにより角速度ωを求めるこ
とができる。Therefore, the inventor of the present invention has studied a bipod tuning fork type vibration gyroscope using a vibrator 4 made of a plate-shaped constant elastic metal as shown in FIG. This gyroscope has a groove 4a at the center of the tip of the vibrator 4.
And the inside of the flat plate is separated into two pieces of elastic arms 4b and 4c. As shown in FIG. 30 (A), the elastic arms 4b and 4c are vibrated at a natural resonance frequency along the plane direction of the plate using a driving piezoelectric element. This vibration is such that the amplitudes at a certain time point are in opposite phases as indicated by the + x direction and the −x direction by the elastic arms 4b and 4c. When the oscillator 4 is rotated about the axis O in the state where such vibration is applied, the elastic arms 4b and 4c are moved as shown in FIG.
As shown in (B), deformation in the + y and −y directions due to the Coriolis force occurs. The angular velocity ω can be obtained by detecting this deformation with a piezoelectric element for detection and converting it into a voltage.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら図29お
よび図30に示した板状の二脚音叉型の振動子4を使用
した振動型ジャイロスコープには以下に列記する問題点
がある。However, the vibrating gyroscope using the plate-shaped bipod tuning fork type vibrator 4 shown in FIGS. 29 and 30 has the following problems.
【0010】(1)二脚音叉型では、駆動時の共振周波
数を調整する場合、全ての弾性腕4bと4cを別々にト
リミングする必要があるため、共振周波数の調整作業が
繁雑である。またこの調整時に弾性腕4bと4cとが非
対称形状となるおそれがあるが、弾性腕4bと4cが非
対称形状になると、振動子4にねじれが生じあるいは非
対称位置に振動の節が現れて、図30(B)に示すコリ
オリ力による変形をバランスよく高精度に検出できなく
なる。(1) In the two-leg tuning fork type, when adjusting the resonance frequency during driving, it is necessary to trim all the elastic arms 4b and 4c separately, so that the resonance frequency adjusting operation is complicated. Further, the elastic arms 4b and 4c may have an asymmetrical shape at the time of this adjustment. However, if the elastic arms 4b and 4c have an asymmetrical shape, the vibrator 4 may be twisted or a vibration node may appear at an asymmetrical position. The deformation due to the Coriolis force shown in 30 (B) cannot be detected with good balance and high accuracy.
【0011】(2)二脚音叉型では、コリオリ力により
各弾性腕4b,4cにy方向の変形振動が生じた場合
に、振動の節線が図29にて(イ)と(ロ)の位置に現
れる。よって振動子4は、その後端中央にて例えば支持
棒5で片持ち支持することが必要になり、その支持構造
が限られてしまう。支持棒5を使用した片持ち支持で
は、機械的支持強度が不安定であり、振動子4が外部振
動の影響を受けやすくなる。(2) In the two-leg tuning fork type, when a deformation vibration in the y direction is generated in each elastic arm 4b, 4c due to the Coriolis force, the nodal lines of the vibration are shown by (a) and (b) in FIG. Appear in position. Therefore, the vibrator 4 needs to be supported in a cantilever manner at the center of the rear end of the vibrator 4, for example, and the supporting structure thereof is limited. With cantilevered support using the support rod 5, the mechanical support strength is unstable, and the vibrator 4 is easily affected by external vibration.
【0012】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、振動型ジャイロスコープにおいて、振動子を安定
した状態で支持できるようにすることを目的としてい
る。The present invention is intended to solve the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to enable a vibrator to be supported in a stable state in a vibration type gyroscope.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明は、2箇所の溝に
より分離された3個の弾性腕を有する振動子と、少なく
とも1個の弾性腕に振動を発生させる駆動手段と、振動
子が回転したときに弾性腕に生じる前記振動方向と交叉
する方向への振動成分を検出する検出手段とを有し、前
記駆動手段によって両側の弾性腕と、中央の弾性腕とが
互いに逆方向へ変形して振動させられるものであり、少
なくとも各溝の延長線上の基部にて、前記溝の貫通方向
に対面する両面で支持されていることを特徴とするもの
である。According to the present invention, a vibrator having three elastic arms separated by two grooves, a driving means for generating vibration in at least one elastic arm, and a vibrator are provided. And a detection unit that detects a vibration component generated in the elastic arm in a direction intersecting with the vibration direction when rotated, and the elastic arms on both sides and the central elastic arm are deformed in opposite directions by the driving unit. And is vibrated, and is supported on at least the base portion on the extension line of each groove on both sides facing in the penetrating direction of the groove.
【0014】また好ましくは、溝の深さ寸法をL3、溝
が形成されておらず且つ支持されていない範囲での前記
L3と同じ方向の長さをL0としたときに、L0/L3
が0.6以上であり、さらに好ましくは、溝の深さ寸法
をL3、溝が形成されておらず且つ支持されていない範
囲での前記L3と同じ方向の長さをL0としたときに、
L0/L3が0.8以上で1.0以下である。Further, preferably, when the depth dimension of the groove is L3 and the length in the same direction as L3 in the range where the groove is not formed and is not supported is L0, L0 / L3
Is 0.6 or more, and more preferably, when the depth dimension of the groove is L3, and the length in the same direction as L3 in the range where the groove is not formed and is not supported is L0,
L0 / L3 is 0.8 or more and 1.0 or less.
【0015】上記手段では、振動子に2箇所の溝が形成
されて、3個の弾性腕が設けられる。例えば振動子が恒
弾性金属にて形成され、弾性腕に振動を与える駆動手段
と、振動を検出する検出手段が、恒弾性金属に接合され
た圧電素子により構成される。駆動手段により少なくと
も1個の弾性腕に振動が与えられ、弾性腕が所定の周波
数にて共振振動している状態で、振動子に回転を与える
と、コリオリ力により弾性腕が前記振動方向と交叉する
方向へ共振振動する。この振動が前記検出手段により検
出され、この検出出力から回転角速度が求められる。In the above means, two grooves are formed in the vibrator and three elastic arms are provided. For example, the vibrator is made of a constant elastic metal, and the driving means for applying vibration to the elastic arm and the detecting means for detecting the vibration are composed of a piezoelectric element bonded to the constant elastic metal. When at least one elastic arm is vibrated by the driving means, and the vibrator is rotated while the elastic arm is resonantly vibrating at a predetermined frequency, the Coriolis force causes the elastic arm to cross the vibration direction. Resonantly vibrates in the direction of. This vibration is detected by the detection means, and the rotational angular velocity is obtained from this detection output.
【0016】また、振動子そのものが圧電材料により形
成され、その弾性腕に接合された駆動用電極に交流電力
を与えることにより弾性腕が所定の周波数にて共振振動
する。コリオリ力により弾性腕に発生する共振振動は、
弾性腕に接合された検出用電極により交流電力として検
出され、これにより回転角速度が検出される。Further, the vibrator itself is made of a piezoelectric material, and AC power is applied to the driving electrode joined to the elastic arm, so that the elastic arm resonates and vibrates at a predetermined frequency. The resonance vibration generated in the elastic arm by Coriolis force is
It is detected as AC power by the detection electrode joined to the elastic arm, and thereby the rotational angular velocity is detected.
【0017】上記のように、振動子に3個の弾性腕が設
けられている場合、弾性腕の共振振動における周波数の
調整の際に、必ずしも全ての弾性腕をトリミングなどす
る必要がない。As described above, when the vibrator is provided with three elastic arms, it is not always necessary to trim all the elastic arms when adjusting the frequency of the resonance vibration of the elastic arms.
【0018】両側の弾性腕と中央の弾性腕とが互いに逆
の位相にて変形する振動モードが採用される場合には、
中央の弾性腕の長さを変えるだけで共振周波数の調整が
できる。この振動モードは、両側の弾性腕と中央の弾性
腕とを、互いに逆の位相にて駆動することにより発生す
る振動モードである。あるいは両側の弾性腕だけを共に
同じ方向へ駆動し、中央の弾性腕がその反力により逆位
相にて振動する場合、または中央の弾性腕だけを駆動
し、両側の弾性腕がその反力により逆位相にて振動する
場合などである。When a vibration mode in which the elastic arms on both sides and the central elastic arm are deformed in mutually opposite phases is adopted,
The resonance frequency can be adjusted simply by changing the length of the central elastic arm. This vibration mode is a vibration mode generated by driving the elastic arms on both sides and the central elastic arm in opposite phases. Or, if both elastic arms are driven together in the same direction and the central elastic arm vibrates in opposite phase due to the reaction force, or only the central elastic arm is driven and both elastic arms are driven by the reaction force. This is the case when vibration occurs in the opposite phase.
【0019】また、両側の弾性腕と中央の弾性腕とが互
いに逆の位相にて振動する場合には、振動子の溝が形成
されていない基端の振幅がきわめて小さくなるため、基
端を剛性支持することが可能となる。例えば前記基端の
少なくとも溝の延長線部分を剛体により挟持することに
より高い強度にて振動子を支持できるようになる。振動
子の基端を剛体支持できることにより、振動子の支持を
安定させることが可能になる。Further, when the elastic arms on both sides and the central elastic arm vibrate in mutually opposite phases, the amplitude of the base end where the groove of the vibrator is not formed becomes extremely small. It becomes possible to rigidly support. For example, by sandwiching at least the extended line portion of the groove at the base end with a rigid body, the vibrator can be supported with high strength. Since the base end of the vibrator can be rigidly supported, it becomes possible to stabilize the support of the vibrator.
【0020】また振動子を剛体支持する場合、溝の深さ
寸法をL3、溝が形成されておらず且つ剛体支持されて
いない範囲での前記L3と同じ方向の長さをL0とした
ときに、好ましくはL0/L3が0.6以上であり、さ
らに好ましくは、L0/L3が0.8以上で1.0以下
である。この範囲内の寸法を選ぶことにより振動子の電
気・機械結合係数(kvn)を向上させることができる。
L0/L3をこの範囲に選ぶことにより、平板状の振動
子の各弾性腕の幅寸法が同じであり、しかも弾性腕の前
記y方向への共振振動がx方向の共振振動よりも高次で
ある場合に、特にx方向の共振振動において、電気・機
械結合係数を良くしまた安定させることが可能になる。When the oscillator is rigidly supported, the depth dimension of the groove is L3, and the length in the same direction as L3 in the range where the groove is not formed and is not rigidly supported is L0. , L0 / L3 is preferably 0.6 or more, and more preferably L0 / L3 is 0.8 or more and 1.0 or less. By selecting a dimension within this range, the electromechanical coupling coefficient (kvn) of the vibrator can be improved.
By selecting L0 / L3 in this range, the width dimensions of the elastic arms of the flat plate-shaped vibrator are the same, and the resonance vibration of the elastic arms in the y direction is higher than the resonance vibration in the x direction. In some cases, it is possible to improve and stabilize the electromechanical coupling coefficient, especially in resonance vibrations in the x direction.
【0021】ここで電気・機械結合係数とは、電気・機
械変換の性能を表わし、動的状態で振動子に与えた電気
的エネルギーとこれによる機械的出力エネルギーの比の
平方根で与えられる。Here, the electromechanical coupling coefficient represents the performance of electromechanical conversion, and is given by the square root of the ratio of the electrical energy applied to the oscillator in the dynamic state and the mechanical output energy resulting therefrom.
【0022】[0022]
【実施例】以下、本発明について図面を参照して説明す
る。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings.
【0023】図10は本発明の第1実施例による振動型
ジャイロスコープの斜視図、図11はその振動子の平面
図、図12はその駆動手段と検出手段および回路構成を
示す振動子の端面図、図13(A)は第1実施例の振動
子の他の構造を示す平面図、図13(B)はその側面
図、図14は図13に示す構造での駆動手段と検出手段
および回路構成を示す振動子の端面図、図15は図13
に示す構造での駆動および検出特性を示す線図、図16
ないし図19は図13に示す構造での電気・機械結合係
数の特性を示す線図、図20は図13に示す構造をさら
に簡素化して形成した場合の振動子の構造を示す斜視
図、図21は第2実施例による振動型ジャイロスコープ
の斜視図、図22(A)はその振動子の平面図、同図
(B)は駆動手段と検出手段を示すための振動子の端面
図、図24は本発明の第3実施例による振動型ジャイロ
スコープの斜視図、図25は本発明の第4実施例による
振動型ジャイロスコープの振動子を表裏両面から示した
斜視図、図26はその振動子の駆動と振動検出のための
回路構成を示す端面図、図27は第4実施例の振動子の
振動状態を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view of a vibrating gyroscope according to the first embodiment of the present invention, FIG. 11 is a plan view of its vibrator, and FIG. 12 is an end face of the vibrator showing its driving means, detecting means and circuit configuration. FIG. 13 (A) is a plan view showing another structure of the vibrator of the first embodiment, FIG. 13 (B) is a side view thereof, and FIG. 14 is a driving means and a detecting means in the structure shown in FIG. FIG. 15 is an end view of the vibrator showing the circuit configuration, and FIG.
16 is a diagram showing drive and detection characteristics in the structure shown in FIG.
19 is a diagram showing the characteristics of the electromechanical coupling coefficient in the structure shown in FIG. 13, and FIG. 20 is a perspective view showing the structure of the vibrator when the structure shown in FIG. 13 is further simplified. 21 is a perspective view of the vibrating gyroscope according to the second embodiment, FIG. 22 (A) is a plan view of the vibrator, and FIG. 22 (B) is an end view of the vibrator for showing the driving means and the detecting means. 24 is a perspective view of a vibrating gyroscope according to a third embodiment of the present invention, FIG. 25 is a perspective view showing a vibrator of a vibrating gyroscope according to a fourth embodiment of the present invention from the front and back sides, and FIG. FIG. 27 is an end view showing a circuit configuration for driving the child and detecting vibration, and FIG. 27 is a perspective view showing a vibration state of the vibrator of the fourth embodiment.
【0024】また、図1ないし図9および図23は、振
動型ジャイロスコープを構成する振動子の基本的な構造
と機能を説明し、併せて前記各実施例が最適であること
を説明するためのものである。Further, FIGS. 1 to 9 and 23 explain the basic structure and function of the vibrator constituting the vibration type gyroscope, and also explain that each of the above-described embodiments is optimal. belongs to.
【0025】本発明の発明者は、図1(A)(平面図)
および(B)(側面図)に示す平板状の三脚音叉型の振
動子10を使用して振動型ジャイロスコープを構成する
ことを検討した。The inventor of the present invention has shown in FIG. 1 (A) (plan view)
And (B) (side view), it was studied to construct a vibrating gyroscope using the flat tripod tuning fork type vibrator 10.
【0026】この振動子10は、恒弾性金属(エリン
バ)を平板状に形成したものである。この恒弾性金属
(エリンバ)は、室温付近にて温度変化に対するヤング
率の変化がほとんどない材料であり、例えばNi(ニッ
ケル)とCr(クロム)とMn(マンガン)との合金、
またはCo(コバルト)とFe(鉄)とCr(クロム)
との合金あるいはこれにNi(ニッケル)を加えた合金
などである。The vibrator 10 is made of a constant elastic metal (elinvar) in a flat plate shape. This constant elasticity metal (elinvar) is a material whose Young's modulus hardly changes with room temperature near room temperature, and is, for example, an alloy of Ni (nickel), Cr (chromium) and Mn (manganese),
Or Co (cobalt), Fe (iron) and Cr (chrome)
And an alloy obtained by adding Ni (nickel) thereto.
【0027】以下の各実施例においては、平板状の振動
子の板厚方向をyで示し、この板厚方向yと直交する方
向で平板の面に沿う方向をxで表わす。また図2に示す
ようにx−y平面での振動子の回転角速度をωで表わ
す。In each of the following embodiments, the plate thickness direction of the plate-shaped vibrator is represented by y, and the direction orthogonal to the plate thickness direction y and along the plane of the plate is represented by x. Further, as shown in FIG. 2, the rotational angular velocity of the vibrator on the xy plane is represented by ω.
【0028】図1に示すように、振動子10は、恒弾性
金属の板材の一端から同じ長さの2つの溝11,11が
切り込まれている。溝11,11は平板の板厚方向(y
方向)へ貫通して形成されたものであり、これにより中
央の弾性腕10aと、その左右両側の弾性腕10b,1
0cとがx方向へ分離されて形成されている。図1で
は、振動子10の全長をL、中央弾性腕10aの長さを
L1、溝が形成されていない基部10dの全長をL2、
両溝11,11の深さをL3で示している。As shown in FIG. 1, the vibrator 10 has two grooves 11 and 11 of the same length cut from one end of a plate member of a constant elastic metal. The grooves 11 and 11 are in the plate thickness direction (y
Direction), so that the central elastic arm 10a and the elastic arms 10b, 1 on both the left and right sides thereof are formed.
0c and 0c are formed separately in the x direction. In FIG. 1, the total length of the vibrator 10 is L, the length of the central elastic arm 10a is L1, the total length of the base portion 10d in which the groove is not formed is L2,
The depth of both grooves 11, 11 is indicated by L3.
【0029】それぞれの弾性腕10aと10b,10c
あるいは1個の弾性腕または2個の弾性腕を、例えば板
面方向(x方向)へ所定の周波数にて共振振動させ、こ
の振動子10を回転させると、各弾性腕10a,10
b,10cは、コリオリ力により板厚方向(y方向)へ
変形して共振振動する。前記数1に記載したように、コ
リオリ力は角速度(ω)に比例するため、各弾性腕のy
方向への振動による変形量を例えば圧電素子により電圧
に変換することにより角速度(ω)を検出することがで
きる。Each elastic arm 10a, 10b, 10c
Alternatively, when one elastic arm or two elastic arms are resonantly vibrated at a predetermined frequency in the plate surface direction (x direction) and the vibrator 10 is rotated, the elastic arms 10a, 10
b and 10c are deformed in the plate thickness direction (y direction) by the Coriolis force and resonate and vibrate. Since the Coriolis force is proportional to the angular velocity (ω) as described in Equation 1, y of each elastic arm
The angular velocity (ω) can be detected by converting the amount of deformation due to the vibration in the direction into a voltage using, for example, a piezoelectric element.
【0030】ここで、コリオリ力により各弾性腕がy方
向へ変形振動する際の振動モード(振幅位相)として
は、図2に示すモード(以下、Aモードと呼ぶ)と、図
4に示すモード(以下、Bモードと呼ぶ)がある。The vibration mode (amplitude phase) when each elastic arm deforms and vibrates in the y direction by the Coriolis force is the mode shown in FIG. 2 (hereinafter referred to as A mode) and the mode shown in FIG. (Hereinafter, referred to as B mode).
【0031】図2に示すAモードは、両側の弾性腕10
bと10cのある時点で振幅方向が共に+x方向とな
り、このときの中央の弾性腕10aの振幅方向が−x方
向となるように共に駆動する場合である。このとき振動
子10をO軸を中心として角速度ωにて回転させると、
コリオリ力が生じ、弾性腕10bと10cの振幅方向が
共に+y方向で、中央の弾性腕10aの振幅方向が逆の
−y方向となるように変形振動する。図2では、両側の
弾性腕10b,10cと中央の弾性腕10aを共に逆の
振動位相となるように±x方向へ振動駆動させている
が、次のような駆動を行った場合にも同様にAモードの
振動となる。In the A mode shown in FIG. 2, the elastic arms 10 on both sides are arranged.
In this case, the amplitude directions of both b and 10c are + x direction at a certain point, and the central elastic arm 10a is driven together so that the amplitude direction is −x direction. At this time, when the oscillator 10 is rotated about the O axis at an angular velocity ω,
Coriolis force is generated, and the elastic arms 10b and 10c are deformed and vibrated so that both the amplitude directions are the + y direction and the central elastic arm 10a has the opposite amplitude direction. In FIG. 2, the elastic arms 10b and 10c on both sides and the central elastic arm 10a are oscillated in the ± x directions so that they have opposite vibration phases, but the same applies when the following drive is performed. It becomes A mode vibration.
【0032】まず、中央の弾性腕10aを駆動すること
なく、両側の弾性腕10bと10cを共に同じ位相にて
ある時点での振幅方向が+x方向となるように振動駆動
する。このとき弾性腕10bと10cの+x方向への振
動の反力により中央の弾性腕10aが前記弾性腕10b
と10cと逆の位相にて−x方向に振動する。このとき
振動子10をO軸を中心として角速度ωにて回転させる
と、コリオリ力が生じ弾性腕10bと10cの振動方向
がある時点で共に+y方向で、このときに中央の弾性腕
10aの振幅方向が逆に−y方向となる振動が発生す
る。このような場合も、Aモードとなる。First, without driving the central elastic arm 10a, the elastic arms 10b and 10c on both sides are both oscillated and driven so that the amplitude direction at a certain time point is the + x direction. At this time, the central elastic arm 10a is moved by the reaction force of the vibration of the elastic arms 10b and 10c in the + x direction.
And oscillate in the -x direction in the opposite phase to 10c. At this time, when the vibrator 10 is rotated about the O axis at an angular velocity ω, a Coriolis force is generated and the elastic arms 10b and 10c both vibrate in the + y direction at a certain point, and at this time, the amplitude of the central elastic arm 10a is increased. Vibration occurs in which the direction is opposite to the -y direction. Even in such a case, the A mode is set.
【0033】図4に示すBモードは、中央の弾性腕10
aを駆動せずに中立状態とし、左右両側の弾性腕10b
と10cを逆の位相にて振動させるものである。すなわ
ち、ある時点における駆動による振幅方向が、一方の弾
性腕10bにおいて+x方向で、他方の弾性腕10cに
おいて−x方向となる場合である。このときコリオリ力
により、同じ時点において弾性腕10bの振幅方向が+
y方向で弾性腕10cの振幅方向が−y方向となるよう
に変形振動する。なお中央の弾性腕10aは中立状態と
なりy方向へ振動しない。In the B mode shown in FIG. 4, the central elastic arm 10 is used.
The elastic arms 10b on both left and right sides are set to a neutral state without driving a.
And 10c are vibrated in opposite phases. That is, the amplitude direction due to the driving at a certain time point is the + x direction in one elastic arm 10b and the −x direction in the other elastic arm 10c. At this time, due to the Coriolis force, the amplitude direction of the elastic arm 10b becomes + at the same time point.
The elastic arm 10c is deformed and vibrated in the y direction so that the amplitude direction of the elastic arm 10c is the −y direction. The central elastic arm 10a is in a neutral state and does not vibrate in the y direction.
【0034】上記のAモードとBモードにおいて、振動
子の弾性腕をx方向へ駆動して共振振動させ、この振動
子を回転させると、コリオリ力により弾性腕にy方向へ
の共振振動が得られるため、このy方向への振動を検出
することにより角速度を求めることができる。あるいは
逆に、振動子の弾性腕をy方向へ駆動して共振させ、こ
の振動子を回転させ、コリオリ力により弾性腕にx方向
の振動を発生させる。この振動を検出することにより角
速度を検出することができる。In the above A mode and B mode, when the elastic arm of the vibrator is driven in the x direction to cause resonant vibration, and the vibrator is rotated, the Coriolis force causes the elastic arm to generate resonant vibration in the y direction. Therefore, the angular velocity can be obtained by detecting the vibration in the y direction. Alternatively, conversely, the elastic arm of the vibrator is driven in the y direction to resonate, the vibrator is rotated, and the Coriolis force causes the elastic arm to vibrate in the x direction. The angular velocity can be detected by detecting this vibration.
【0035】ここで、上記AモードとBモードのそれぞ
れにおいて、各弾性腕のy方向への共振振動の周波数の
調整について検討する。図6は、AモードとBモードと
で、それぞれ中央の弾性腕10aの長さ寸法L1のみを
変化させた場合の無支持状態での共振周波数の変化を示
している。Bモードでは、中央の弾性腕10aが振動し
ていないため、この弾性腕10aの長さL1は共振周波
数と無関係であるが、Aモードでは、中央の弾性腕10
aの長さL1のみを変化させれば、共振周波数が比例的
に変化することが解る。すなわち、図2に示すAモード
では、中央の弾性腕10aの先端を切断してその長さL
1を変化させるだけで、共振周波数を自由に調整できる
ことになる。L1を長くすれば共振周波数が低く、中央
の弾性腕10aの先端を切ってL1を短くすれば共振周
波数が高くなる。Here, the adjustment of the frequency of the resonance vibration of each elastic arm in the y direction in each of the A mode and the B mode will be examined. FIG. 6 shows changes in the resonance frequency in the unsupported state in the A mode and the B mode when only the length dimension L1 of the central elastic arm 10a is changed. In the B mode, since the central elastic arm 10a is not vibrating, the length L1 of the elastic arm 10a is irrelevant to the resonance frequency.
It can be seen that the resonance frequency changes proportionally if only the length L1 of a is changed. That is, in the A mode shown in FIG. 2, the length of the central elastic arm 10a is cut by cutting the distal end thereof.
The resonance frequency can be freely adjusted only by changing 1. When L1 is lengthened, the resonance frequency is low, and when L1 is shortened by cutting the tip of the elastic arm 10a at the center, the resonance frequency becomes high.
【0036】図7は、溝11が形成されていない基部1
0dの長さL2とy方向への共振振動の周波数との関係
を示している。図2に示すAモードでは、基部10dの
長さが共振周波数の変化と無関係であるのに対し、図4
に示すBモードでは、基部10dの長さL2を変えると
共振周波数が比例的に変化する。このBモードについて
説明すると、図4に示すように、Bモードではy方向へ
の振動の際の節線が(イ)と(ロ)で示す位置にある。
ここで図5(A)に示す基部10dの寸法L2が長いも
のと同図(B)に示すL2が短いものとを対比すると、
節線(ロ)は基部10dの寸法L2が短くなるにしたが
って先端方向(図の右方向)へ移動する。節線(ロ)が
先端方向へ移動すると、弾性腕10bと10cの実質的
な振動部分の寸法が短くなり共振周波数が高くなる。す
なわちBモードでは、振動子10を後端から切断しある
いは溝11,11の深さを変えて、基部10dの寸法L
2を変化させるだけで共振周波数を調整できることにな
る。FIG. 7 shows the base portion 1 in which the groove 11 is not formed.
The relationship between the length L2 of 0d and the frequency of the resonance vibration in the y direction is shown. In the A mode shown in FIG. 2, the length of the base portion 10d is irrelevant to the change in the resonance frequency.
In the B mode shown in, the resonance frequency changes proportionally when the length L2 of the base portion 10d is changed. Explaining the B mode, as shown in FIG. 4, in the B mode, the nodal lines when vibrating in the y direction are at the positions indicated by (a) and (b).
Here, when the dimension L2 of the base portion 10d shown in FIG. 5 (A) is long and the dimension L2 shown in FIG. 5 (B) is short,
The nodal line (b) moves toward the tip (to the right in the drawing) as the dimension L2 of the base 10d becomes shorter. When the nodal line (b) moves toward the distal end, the size of the substantially vibrating portion of the elastic arms 10b and 10c becomes shorter and the resonance frequency becomes higher. That is, in the B mode, the vibrator 10 is cut from the rear end or the depths of the grooves 11 and 11 are changed, and the dimension L of the base portion 10d is changed.
The resonance frequency can be adjusted simply by changing 2.
【0037】以上のように、振幅がy方向となる振動の
共振周波数の調整作業としては、図2に示すAモードで
は中央の弾性腕10aの先端を切断するだけでよく、ま
た図4に示すBモードでは振動子10の基端を切断する
だけでよいため、調整作業が非常に簡単である。またこ
れらの作業により振動子10の形状の対称性が変わらな
いため、調整作業により非対称になってねじり振動など
が生じることはない。As described above, in order to adjust the resonance frequency of the vibration whose amplitude is in the y direction, in the A mode shown in FIG. 2, it is sufficient to cut the tip of the central elastic arm 10a, and as shown in FIG. In the B mode, it is only necessary to cut the base end of the vibrator 10, so the adjustment work is very simple. Further, since the symmetry of the shape of the vibrator 10 is not changed by these operations, the adjustment operation does not cause asymmetry to cause torsional vibration.
【0038】また、上記のy方向への共振振動での共振
周波数の調整については、それぞれの弾性腕10a,1
0b,10cのx方向への共振振動の周波数には影響が
ない。このため弾性腕10a,10b,10cのy方向
の共振振動とx方向の共振振動の周波数を近づけること
が可能になる。Further, regarding the adjustment of the resonance frequency in the above-mentioned resonance vibration in the y direction, the elastic arms 10a, 1 are adjusted.
There is no influence on the frequency of the resonant vibration of 0b and 10c in the x direction. Therefore, the frequencies of the resonance vibration in the y direction and the resonance vibration in the x direction of the elastic arms 10a, 10b, 10c can be made close to each other.
【0039】次に振動子10の支持条件について検討す
る。図2に示すAモードでは、y方向の振動に着目した
場合、中央の弾性腕10aと、両側の弾性腕10b,1
0cとが互いに逆の位相で振動するため、溝11,11
が形成されていない基部10dの基端における振幅+Δ
yおよび−Δyはきわめて小さな値である(図3参
照)。例えば溝11,11の深さL3が40mmの場合
で基部10dの寸法L2が10mmないし30mmの範
囲のものでは、弾性腕の先端の振幅yと、基部10dの
基端の振幅Δyとの比が、±1.0に対して±0〜10
-3(マイナス3乗)程度である。Next, the conditions for supporting the vibrator 10 will be examined. In the A mode shown in FIG. 2, when focusing on the vibration in the y direction, the central elastic arm 10a and the elastic arms 10b, 1 on both sides are arranged.
0c vibrates in opposite phases to each other, so that the grooves 11, 11
Amplitude + Δ at the base end of the base portion 10d in which no ridge is formed
y and −Δy are extremely small values (see FIG. 3). For example, when the depth L3 of the grooves 11 and 11 is 40 mm and the dimension L2 of the base portion 10d is in the range of 10 mm to 30 mm, the ratio between the amplitude y of the tip of the elastic arm and the amplitude Δy of the base end of the base portion 10d is , ± 1.0 to ± 1.0
It is about -3 (minus cube).
【0040】したがって両側の弾性腕10b,10cと
中央の弾性腕10aとを逆の位相で振動させるAモード
の場合、溝11,11の深さL3に対して基部10dの
長さL2がどのような寸法であっても、基部10dを剛
体により挟持して支持したときに、各弾性腕10a,1
0b,10cの振動モードに大きな影響は与えない。し
たがって図10に示すように、振動子10の基部10d
の基端部分を剛体12aと12bにより挟持する支持構
造が可能になる。ただし、剛体支持された場合に基部1
0dの剛体支持されていない部分の長さ寸法L0(図1
3参照)は、振動子のx方向の共振振動の電気・機械結
合係数および共振尖鋭度(Q値)に影響を与える。この
点については図16ないし図19に基づいて後の実施例
にて説明する。Therefore, in the case of the A mode in which the elastic arms 10b and 10c on both sides and the central elastic arm 10a are vibrated in opposite phases, what is the length L2 of the base 10d with respect to the depth L3 of the grooves 11 and 11? Even if the dimensions are different, when the base 10d is sandwiched and supported by a rigid body, the elastic arms 10a, 1
There is no great influence on the vibration modes of 0b and 10c. Therefore, as shown in FIG.
It is possible to provide a support structure in which the base end portion of the is clamped by the rigid bodies 12a and 12b. However, when it is rigidly supported, the base 1
The length dimension L0 of the portion of 0d which is not rigidly supported (see FIG.
3) affects the electromechanical coupling coefficient and resonance sharpness (Q value) of resonance vibration of the vibrator in the x direction. This point will be described in a later embodiment based on FIGS. 16 to 19.
【0041】また必ずしも基部10dの幅方向全体を剛
体12aと12bとで挟持する必要はない。図2のAモ
ードでは振動の節線(イ)が溝11,11の延長線上に
あるため、この溝11,11の延長線の2箇所において
基部10dを剛体で挟持するだけでも、振動子10を充
分に安定した状態で剛性保持することができる。Further, it is not always necessary to sandwich the entire width of the base portion 10d between the rigid bodies 12a and 12b. In the A mode of FIG. 2, since the nodal line (a) of the vibration is on the extension line of the grooves 11 and 11, even if the base portion 10d is sandwiched by the rigid bodies at the two positions of the extension lines of the grooves 11 and 11, the vibrator 10 is not required. The rigidity can be maintained in a sufficiently stable state.
【0042】次に、図4に示すBモードの場合には、図
4と図5(A)(B)に示すように、節線(イ)と
(ロ)が振動子の中心線に対して対称形状となるため、
常に基部10d全体を図10に示すように剛体支持する
ことはできない。この場合には、図21に示すように基
部10dの基端中央部を支持棒13により支持する構造
が好ましい。Next, in the B mode shown in FIG. 4, as shown in FIGS. 4 and 5A and 5B, the node lines (a) and (b) are relative to the center line of the vibrator. The symmetrical shape,
The entire base portion 10d cannot always be rigidly supported as shown in FIG. In this case, as shown in FIG. 21, a structure in which the base portion 10d of the base portion 10d is supported by the support rod 13 is preferable.
【0043】ただし上記支持棒13の長さLaおよび直
径Daの寸法が、弾性腕のy方向の振動の共振周波数の
変化に影響を与える。図23において(a)は直径Da
がそれぞれ0.5mmと0.8mmの支持棒13の長さ
Laと、振動子の共振周波数との関係を示したものであ
る。この線図によれば、支持棒13の寸法Laが長くな
ればなるほど、このLaの変化が振動子の共振周波数に
影響を与えなくなり、また支持棒13の直径Daが小さ
いほど、Daの変化が共振周波数に影響を与えなくな
る。よって支持棒13の長さはある程度長くすることが
必要であり例えば15mm以上が好ましい。また支持棒
13の直径Daはある程度小さくすることが必要であ
り、例えば0.5mm以下が好ましい。However, the length La and the diameter Da of the support rod 13 affect the change of the resonance frequency of the vibration of the elastic arm in the y direction. In FIG. 23, (a) is the diameter Da
Shows the relationship between the length La of the support rod 13 of 0.5 mm and 0.8 mm and the resonance frequency of the vibrator. According to this diagram, as the dimension La of the support rod 13 becomes longer, this change in La does not affect the resonance frequency of the oscillator, and as the diameter Da of the support rod 13 becomes smaller, the change in Da becomes smaller. It does not affect the resonance frequency. Therefore, it is necessary to lengthen the support bar 13 to some extent, and for example, 15 mm or more is preferable. Further, the diameter Da of the support rod 13 needs to be reduced to some extent, and is preferably 0.5 mm or less, for example.
【0044】しかし、図21に示すように振動子10の
一端のみを支持棒13により支持した構造では、機械的
な支持強度が弱く、振動子の各弾性腕が外部振動の影響
を受けやすくなる。そのため、図24に示すように振動
子10の基部10dと中央の弾性腕10aのそれぞれの
端部の中央を支持棒13と14とで両側から支持する構
造にすれば、機械的強度を格段と向上させることができ
る。この場合でも、それぞれの支持棒13と14の長さ
寸法と直径が共振周波数に影響を与えるため、これらの
寸法を最適なものに設定することが必要である。However, in the structure in which only one end of the vibrator 10 is supported by the support bar 13 as shown in FIG. 21, the mechanical support strength is weak and each elastic arm of the vibrator is easily affected by external vibration. . Therefore, as shown in FIG. 24, if the structure is such that the center of each end of the base portion 10d of the vibrator 10 and the central elastic arm 10a is supported from both sides by the support rods 13 and 14, the mechanical strength is remarkably increased. Can be improved. Even in this case, the length and diameter of each of the support rods 13 and 14 affect the resonance frequency, so it is necessary to set these dimensions to the optimum ones.
【0045】ただし、図4に示すBモードであっても、
溝11,11の深さ寸法L3が全長Lの1/3以下であ
れば、基部10dの基端の振幅は極めて小さくほとんど
0となる。したがって溝の深さL3が全長Lの1/3以
下であれば、Bモードであっても、図10に示すのと同
様に、剛体12aと12bとで保持した支持構造が可能
である。However, even in the B mode shown in FIG.
When the depth dimension L3 of the grooves 11 and 11 is 1/3 or less of the total length L, the amplitude of the base end of the base portion 10d is extremely small and becomes almost zero. Therefore, if the depth L3 of the groove is 1/3 or less of the total length L, even in the B mode, a support structure held by the rigid bodies 12a and 12b is possible as in the case shown in FIG.
【0046】次に、振動型ジャイロスコープにおいて、
弾性腕のy方向の振動を検出する際の検出精度は、弾性
腕のy方向への振動の共振尖鋭度(Q値)に関係する。
そこでAモードとBモードにおいて、各弾性腕がy方向
へ振動する際の共振尖鋭度について検討する。Next, in the vibration type gyroscope,
The detection accuracy when detecting the vibration of the elastic arm in the y direction is related to the resonance sharpness (Q value) of the vibration of the elastic arm in the y direction.
Therefore, in the A mode and the B mode, the resonance sharpness when each elastic arm vibrates in the y direction will be examined.
【0047】まず図2に示すAモードでは、中央の弾性
腕10aの幅寸法D1と両側の弾性腕10b,10cの
それぞれの幅寸法D2との関係が共振尖鋭度に大きく影
響を与える。これは、y方向へ互いに逆位相で振動する
弾性腕10aの質量または慣性モーメントと弾性腕10
bと10cの質量または慣性モーメントの差が共振尖鋭
度に深く関係していることを意味している。First, in the A mode shown in FIG. 2, the relationship between the width dimension D1 of the central elastic arm 10a and the width dimension D2 of each of the elastic arms 10b and 10c on both sides greatly affects the resonance sharpness. This is because the mass or the moment of inertia of the elastic arm 10a and the elastic arm 10a which vibrate in the y direction in opposite phases to each other.
This means that the difference in mass or moment of inertia between b and 10c is closely related to the resonance sharpness.
【0048】そこで前記D1とD2が同じ幅寸法の振動
子と、D1がD2の幅寸法の2倍の振動子とを作成し、
それぞれの振動子の弾性腕をAモードにてy方向へ振動
させて共振尖鋭度(Q値)を測定した。その結果、D1
がD2の2倍とした振動子では、D1とD2が等しい振
動子に対し尖鋭度(Q値)がほぼ2倍に向上されること
が解った。すなわち、図2に示すAモードでは中央の弾
性腕10aの幅寸法D1を両側の弾性腕10b,10c
の幅寸法D2のほぼ2倍にすることが好ましい。Therefore, an oscillator having the same width dimension as D1 and D2 and an oscillator having D1 twice the width dimension of D2 are prepared.
The resonance sharpness (Q value) was measured by vibrating the elastic arm of each oscillator in the y direction in the A mode. As a result, D1
It was found that the sharpness (Q value) of the vibrator having a doubled D2 is almost doubled as compared with the vibrator having the same D1 and D2. That is, in the A mode shown in FIG. 2, the width dimension D1 of the central elastic arm 10a is set to the elastic arms 10b and 10c on both sides.
It is preferable that the width dimension D2 is approximately doubled.
【0049】ただし、Aモードにおいて、中央の弾性腕
10aの幅寸法と両側の弾性腕10b,10cの幅寸法
を共に同じ寸法Dとした場合(図13参照)、x方向の
共振周波数とy方向への共振周波数を近づけることが可
能である。すなわち中央の弾性腕10aと両側の弾性腕
10b,10cの幅寸法を同じDとし、各弾性腕をx方
向へ1次共振モードにて振動させ、y方向へ2次共振モ
ードにて共振させると、x方向とy方向の両共振モード
での振動数を近づけることができ、振動型ジャイロスコ
ープとして好ましいものになる。However, in the A mode, when the width dimension of the central elastic arm 10a and the width dimensions of the elastic arms 10b and 10c on both sides are the same dimension D (see FIG. 13), the resonance frequency in the x direction and the y direction It is possible to approach the resonance frequency to. That is, when the width dimension of the central elastic arm 10a and the elastic arms 10b and 10c on both sides are the same D, and each elastic arm is vibrated in the primary resonance mode in the x direction and in the secondary resonance mode in the y direction. , And the frequencies in both resonance modes in the x direction and the y direction can be made close to each other, which is preferable as a vibration type gyroscope.
【0050】この場合に、振動子10の溝11が形成さ
れていない部分で且つ剛体支持されていない部分の長さ
寸法L0と、溝11の深さ寸法L3とを、ある範囲の比
率にて設定すると振動子のx方向の共振振動の電気・機
械結合係数および共振尖鋭度(Q値)が向上しまたは安
定する。図13はこの場合の振動子を使用したものを好
ましい実施例として示したものであり、図16ないし図
19は、上記の寸法の比率と電気・機械結合係数との関
係について説明したものである。In this case, the length dimension L0 of the portion where the groove 11 of the vibrator 10 is not formed and the portion which is not rigidly supported and the depth dimension L3 of the groove 11 are within a certain range ratio. When set, the electromechanical coupling coefficient and resonance sharpness (Q value) of resonance vibration of the vibrator in the x direction are improved or stabilized. FIG. 13 shows a preferred embodiment using the vibrator in this case, and FIGS. 16 to 19 explain the relationship between the above-mentioned dimensional ratio and the electromechanical coupling coefficient. .
【0051】次に、図4に示すBモードの場合には、図
23の(b)に示すように、振動子の弾性腕がy方向に
振動する際の共振尖鋭度(Q値)が、支持棒13の長さ
Laと直径Daとに影響される。図23の(b)は支持
棒13の直径Daが0.5mmと0.8mmの場合にお
いて、支持棒13の長さLaとQ値との関係を示したも
のである。この図23の(b)によれば、支持棒13の
長さLaを例えば15mm以上、直径Daを例えば0.
5mm以下とすることにより、尖鋭度(Q値)の劣化を
抑えることができる。これは図24に示すように両端か
ら支持棒13と14と支持したものにおいても同様の傾
向となる。Next, in the case of the B mode shown in FIG. 4, the resonance sharpness (Q value) when the elastic arm of the vibrator vibrates in the y direction is as shown in FIG. It is affected by the length La and the diameter Da of the support rod 13. FIG. 23B shows the relationship between the length La of the support rod 13 and the Q value when the diameter Da of the support rod 13 is 0.5 mm and 0.8 mm. According to FIG. 23B, the length La of the support rod 13 is, for example, 15 mm or more, and the diameter Da is, for example, 0.
By setting the thickness to 5 mm or less, deterioration of sharpness (Q value) can be suppressed. This also applies to the case where the support rods 13 and 14 are supported from both ends as shown in FIG.
【0052】次に、各弾性腕の一次または二次などの振
動モードについて説明する。図8は、前記Aモードにお
けるある時点での各弾性腕10a,10b,10cのx
方向への変形状態を点線で示し、図9(A)(B)は各
弾性腕がy方向へ振動したときの変形状態を示してい
る。Next, the primary or secondary vibration mode of each elastic arm will be described. FIG. 8 shows x of each elastic arm 10a, 10b, 10c at a certain point in the A mode.
The deformed state in the direction is shown by a dotted line, and FIGS. 9A and 9B show the deformed state when each elastic arm vibrates in the y direction.
【0053】各弾性腕10a,10b,10cは、圧電
素子などの駆動手段によりそれぞれx方向へ駆動される
が、このときには図8に示すように一次振動モードにて
共振させる。そしてコリオリ力によりy方向へ振動する
際の弾性腕は、図9(A)に示す二次振動モードあるい
は同図(B)に示す三次振動モード、あるいはそれ以上
の高次の振動モードにて共振することになる。また、圧
電素子などの駆動手段により弾性腕10a,10b,1
0cをy方向へ振動駆動し、コリオリ力により弾性腕が
x方向へ振動する場合においても同じである。The elastic arms 10a, 10b, 10c are respectively driven in the x direction by driving means such as piezoelectric elements. At this time, as shown in FIG. 8, they resonate in the primary vibration mode. The elastic arm that vibrates in the y direction due to the Coriolis force resonates in the secondary vibration mode shown in FIG. 9 (A), the tertiary vibration mode shown in FIG. 9 (B), or higher vibration modes higher than that. Will be done. In addition, elastic arms 10a, 10b,
The same applies when 0c is oscillated in the y direction and the elastic arm vibrates in the x direction due to the Coriolis force.
【0054】このようにy方向の共振がx方向の共振よ
りも高次になるのは、平板状の振動子を使用することの
特徴のひとつである。平板状の振動子を使用することに
より材料の部留まりがよく、また調整の際のトリミング
が行いやすく、振動子を安価にて量産できる。また、弾
性腕の幅寸法を設定することなどにより、y方向の所定
の次数の共振振動の周波数と、これよりも低次の共振モ
ードとなるx方向の共振振動の周波数を近づけることも
可能である。The fact that the resonance in the y-direction is higher than the resonance in the x-direction is one of the characteristics of using the flat plate-shaped vibrator. By using a plate-shaped vibrator, the material remains well, and trimming during adjustment is easy, and the vibrator can be mass-produced at low cost. Further, by setting the width dimension of the elastic arm, it is possible to bring the frequency of resonance vibration of a predetermined order in the y direction close to the frequency of resonance vibration in the x direction, which is a resonance mode of a lower order than this. is there.
【0055】また、弾性腕をx方向へ2次あるいはそれ
以上の共振モードにて振動させ、y方向へ3次または4
次などの共振振動モードにて振動させても同じである。Further, the elastic arm is vibrated in the x-direction in the secondary or higher resonance mode, and the third-order or the fourth-order in the y-direction.
It is the same even when vibrating in the following resonance vibration modes.
【0056】また、平板状の振動子ではBモードにおい
ても、同様にx方向への共振振動よりもy方向の共振振
動の方が高次となる。In the flat-plate vibrator, similarly, in the B mode, the resonance vibration in the y direction is higher than the resonance vibration in the x direction.
【0057】図10ないし図12は、上記の検討結果に
基づいて振動モードが図2に示すAモードとなる振動型
ジャイロスコープの第1実施例を示したものである。FIGS. 10 to 12 show a first embodiment of the vibration type gyroscope in which the vibration mode is the A mode shown in FIG. 2 based on the above examination result.
【0058】図11と図12に示すように、中央の弾性
腕10aには、駆動手段として駆動用の圧電素子26が
表裏両面に二対設けられ、両側の弾性腕10b,10c
には、同じく駆動手段として駆動用の圧電素子27,2
8が表裏両面から一対ずつ取付けられている。各圧電素
子の分極方向は、図12にて図示右方向の場合を
(+)、図示左方向の場合を(−)にて示している。各
圧電素子26,27,28はそれぞれ表裏面に電極が設
けられており、一方の電極は各弾性腕10a,10b,
10cの表面に密着して導通され、振動子10を経てア
ースされている。そして図12に示すように、各圧電素
子26,27,28の表面の電極に駆動用交流電源から
電力が与えられる。As shown in FIGS. 11 and 12, the central elastic arm 10a is provided with two pairs of driving piezoelectric elements 26 as driving means on both front and back surfaces thereof, and the elastic arms 10b and 10c on both sides are provided.
Similarly, driving piezoelectric elements 27, 2 are also used as driving means.
8 are attached one by one from both front and back sides. The polarization direction of each piezoelectric element is indicated by (+) in the right direction in the drawing and by (-) in the left direction in the drawing in FIG. Electrodes are provided on the front and back surfaces of each of the piezoelectric elements 26, 27, 28, and one of the electrodes has each of the elastic arms 10a, 10b,
The surface of 10c is in close contact with the surface of the element 10c for electrical continuity, and is grounded via the vibrator 10. Then, as shown in FIG. 12, electric power is applied to the electrodes on the surfaces of the respective piezoelectric elements 26, 27, 28 from a driving AC power source.
【0059】駆動用の圧電素子26,27,28の分極
方向が図12に示すように設定された結果、図2に示す
ように、中央の弾性腕10aと、左右の弾性腕10b,
10cとは逆の位相(ある時点での振幅がx方向の±逆
方向)となるように振動する。As a result of setting the polarization directions of the driving piezoelectric elements 26, 27, 28 as shown in FIG. 12, as shown in FIG. 2, the central elastic arm 10a and the left and right elastic arms 10b,
It vibrates so as to have a phase opposite to that of 10c (amplitude at a certain point is ± reverse of the x direction).
【0060】中央の弾性腕10aには、検出手段として
表裏一対の検出用の圧電素子21が取付けられ、左右の
弾性腕10bと10cにも、検出手段としてそれぞれ表
裏一対ずつの検出用の圧電素子22と23が取付けられ
ている。これらの圧電素子21,22,23の分極方向
も図12にて(+)(−)で示すとおりである。それぞ
れの圧電素子21,22,23の一方の電極は弾性腕1
0a,10b,10cの表面に密着してアースされてお
り、表面側の電極からの出力が集められて検出電圧Vが
得られる。A pair of front and back piezoelectric elements 21 for detection are attached to the central elastic arm 10a as detection means, and a pair of front and back piezoelectric elements for detection are also attached to the left and right elastic arms 10b and 10c respectively. 22 and 23 are attached. The polarization directions of these piezoelectric elements 21, 22, and 23 are also as shown by (+) (-) in FIG. One electrode of each piezoelectric element 21, 22, 23 is an elastic arm 1
Grounded in close contact with the surfaces of 0a, 10b, and 10c, and the output from the electrodes on the surface side is collected to obtain the detection voltage V.
【0061】各弾性腕10a,10b,10cを、ある
時点での振幅方向が+x方向および−x方向となるよう
に例えば1次共振モードにて振動駆動し、この状態の振
動子10を回転させると、各弾性腕にコリオリ力が作用
する。このコリオリ力はある時点での各弾性腕10a,
10b,10cのx方向への振動速度v(ベクトル値)
に比例したものとなり、各弾性腕はy方向へ例えば2次
共振モードにて振動する。The elastic arms 10a, 10b, 10c are oscillated and driven, for example, in the primary resonance mode so that the amplitude directions at a certain time point are the + x direction and the -x direction, and the vibrator 10 in this state is rotated. Then, Coriolis force acts on each elastic arm. This Coriolis force is applied to each elastic arm 10a,
Vibration velocity v (vector value) of 10b and 10c in the x direction
And each elastic arm vibrates in the y direction in, for example, the secondary resonance mode.
【0062】各弾性腕10a,10b,10cのコリオ
リ力によるy方向への振動の際、弾性腕の表面の歪みが
前記検出用の圧電素子21,22,23により電圧に変
換され、交流電力として出力される。ジャイロスコープ
では、上記の各検出用の圧電素子21,22,23によ
り検出される交流電力の和に基づいて角速度ωが算出さ
れる。When the elastic arms 10a, 10b, 10c vibrate in the y direction due to the Coriolis force, the surface distortion of the elastic arms is converted into a voltage by the piezoelectric elements 21, 22, 23 for detection, and is converted into AC power. Is output. In the gyroscope, the angular velocity ω is calculated based on the sum of the AC power detected by the piezoelectric elements 21, 22, 23 for detection described above.
【0063】前記の検討によれば、Aモードでは、溝1
1,11が形成されていない基部10dの振幅が非常に
小さいため、振動の節線(イ)の部分あるいは基部10
dの幅方向全体を剛体12a,12bで挟持することが
可能であり、機械的支持が非常に安定する。According to the above examination, in the A mode, the groove 1
Since the amplitude of the base portion 10d in which 1 and 11 are not formed is very small, the nodal line (a) of the vibration or the base portion 10d
The entire width direction of d can be sandwiched by the rigid bodies 12a and 12b, and the mechanical support is very stable.
【0064】また共振尖鋭度(Q値)を向上するために
は、中央の弾性腕10aの幅寸法D1を左右の弾性腕1
0b,10cの幅寸法D2の2倍にすることが好まし
い。In order to improve the resonance sharpness (Q value), the width dimension D1 of the central elastic arm 10a is set to the left and right elastic arms 1.
It is preferable to double the width dimension D2 of 0b and 10c.
【0065】また図6に示したように、Aモードでは中
央の弾性腕10aの長さL1を変えることにより共振周
波数を調整できる。よって周波数調整作業は、中央の弾
性腕10aの先端をトリミングするだけでよい。Further, as shown in FIG. 6, in the A mode, the resonance frequency can be adjusted by changing the length L1 of the central elastic arm 10a. Therefore, the frequency adjustment work only needs to trim the tip of the central elastic arm 10a.
【0066】図13と図14は、上記第1実施例におけ
る振動子の他の構造を示し、図13(A)は振動子の平
面図、図13(B)は振動子の側面図、図14は振動子
の端面図である。13 and 14 show another structure of the vibrator in the first embodiment, FIG. 13 (A) is a plan view of the vibrator, FIG. 13 (B) is a side view of the vibrator, and FIG. 14 is an end view of the vibrator.
【0067】この振動子10は、厚さ寸法がt0の平板
状の恒弾性金属(エリンバ)により形成されており、溝
11,11により分離された弾性腕10a,10b,1
0cの幅が全て同じ寸法Dである。溝11の深さ寸法は
L3であり、溝11が形成されていない基部10dにお
いて、剛体12a,12bにより支持されていない部分
の前記L3と同じ方向の長さ寸法がL0である。The vibrator 10 is made of a flat elastic metal (elinvar) having a thickness t0, and elastic arms 10a, 10b, 1 separated by the grooves 11, 11.
The width of 0c has the same dimension D. The depth dimension of the groove 11 is L3, and in the base portion 10d where the groove 11 is not formed, the length dimension of the portion not supported by the rigid bodies 12a and 12b in the same direction as the L3 is L0.
【0068】この振動子10の振動は、図10の実施例
と同様にAモードである。図14に示すように、それぞ
れの弾性腕10a,10b,10cには、駆動手段とし
ての圧電素子26,27,28が設けられ、また各弾性
腕10a,10b,10cには、検出手段として圧電素
子21,22,23が設けられている。各圧電素子の分
極方向(+)(−)は図14にて矢印で示す通りであ
る。The vibration of the vibrator 10 is in the A mode as in the embodiment of FIG. As shown in FIG. 14, each elastic arm 10a, 10b, 10c is provided with a piezoelectric element 26, 27, 28 as a drive means, and each elastic arm 10a, 10b, 10c is provided with a piezoelectric element as a detection means. Elements 21, 22, 23 are provided. The polarization directions (+) and (-) of each piezoelectric element are as shown by arrows in FIG.
【0069】上記各圧電素子26,27,28により、
振動子10の弾性腕は図2に示すx方向へ駆動され1次
共振にて振動する。振動子10が図2に示すように中心
線Oに対して回転すると各弾性腕10a,10b,10
cにはコリオリ力によりy方向へのAモードによる2次
共振の振動が生じる。この振動が検出手段としての圧電
素子21,22,23により検出され、検出出力が得ら
れる。By the above piezoelectric elements 26, 27 and 28,
The elastic arm of the vibrator 10 is driven in the x direction shown in FIG. 2 and vibrates at the primary resonance. When the vibrator 10 rotates about the center line O as shown in FIG. 2, each elastic arm 10a, 10b, 10
In c, a secondary resonance vibration due to the A mode in the y direction occurs due to the Coriolis force. This vibration is detected by the piezoelectric elements 21, 22, and 23 as a detection means, and a detection output is obtained.
【0070】図13では、各圧電素子の厚さ寸法がt1
で示され、さらに圧電素子の長さ寸法と幅寸法とがLs
とdとで示されている。In FIG. 13, the thickness dimension of each piezoelectric element is t1.
, And the length and width dimensions of the piezoelectric element are Ls.
And d.
【0071】以下の表1は、振動子10の前記寸法D,
L3,t0および各圧電素子の寸法Ls,d,t1の具体
的な組み合せを示している。IないしIVはそれぞれの
寸法の振動子の試料番号である。Table 1 below shows the dimensions D,
A specific combination of L3, t0 and the dimensions Ls, d, t1 of each piezoelectric element is shown. I to IV are sample numbers of the vibrators of the respective sizes.
【0072】[0072]
【表1】 [Table 1]
【0073】図15は、上記表1に各寸法が示された試
料IIIの振動子において、基部10dの剛性支持され
ていない部分の長さ寸法L0を180mmとした場合
の、角速度ωの検出精度を示している。FIG. 15 shows the detection accuracy of the angular velocity ω when the length dimension L0 of the portion of the base portion 10d that is not rigidly supported is 180 mm in the vibrator of the sample III whose dimensions are shown in Table 1 above. Is shown.
【0074】駆動用の各圧電素子26,27,28に対
して、ピークツーピークが5ボルトの交流電圧を駆動周
波数8116Hzにて与えて各弾性腕10a,10b,
10cをx方向へ駆動して1次共振にて振動させた。各
弾性腕10a,10b,10cを同じ幅寸法Dとするこ
とにより、Aモードの共振にて、x方向への1次共振振
動の周波数とy方向への2次共振振動の周波数とが近い
値になる。前記駆動周波数8116Hzは、各弾性腕1
0a,10b,10cのx方向への1次共振周波数と、
y方向への2次共振周波数の中間の周波数に設定したも
のである。An AC voltage having a peak-to-peak value of 5 V is applied to each of the driving piezoelectric elements 26, 27, 28 at a driving frequency of 8116 Hz, so that each elastic arm 10a, 10b ,.
10c was driven in the x direction and vibrated at the primary resonance. By setting the elastic arms 10a, 10b, and 10c to have the same width dimension D, the value of the primary resonance vibration in the x direction and the frequency of the secondary resonance vibration in the y direction are close to each other at the resonance of the A mode. become. The drive frequency 8116 Hz is set for each elastic arm 1.
0a, 10b, 10c primary resonance frequencies in the x direction,
The frequency is set to an intermediate frequency between the secondary resonance frequencies in the y direction.
【0075】この振動子10を中心線Oに対しx−y平
面で角速度ωを変化させて回転させ、各弾性腕をy方向
へ2次共振にて振動させて、このとき検出用の圧電素子
21,22,23から得られた出力を測定した。図15
は横軸に角速度ω(deg/sec)を示し、縦軸に圧電素子
からの検出出力(Vout/Vin)を示している。ただ
し、出力Voutは実効値で示されている。図15では、
前記試料IIIの振動子を回転させた際に、所定の角速
度のときの検出出力をそれぞれ5回ずつ測定し、その平
均値をとって線図中に示している。図15に示すよう
に、検出出力は、角速度に比例して直線性に変化してい
る。よって検出出力により角速度を比例的に算出するこ
とが可能であることが解る。This vibrator 10 is rotated by changing the angular velocity ω with respect to the center line O in the xy plane, and each elastic arm is vibrated by the secondary resonance in the y direction. At this time, the piezoelectric element for detection is used. The outputs obtained from 21, 22, 23 were measured. Figure 15
Indicates the angular velocity ω (deg / sec) on the horizontal axis and the detection output (Vout / Vin) from the piezoelectric element on the vertical axis. However, the output Vout is shown as an effective value. In FIG.
When the vibrator of the sample III is rotated, the detection output at a predetermined angular velocity is measured 5 times each, and the average value thereof is taken and shown in the diagram. As shown in FIG. 15, the detection output changes linearly in proportion to the angular velocity. Therefore, it is understood that the angular velocity can be proportionally calculated from the detected output.
【0076】次に、図13と図14に示す構造の振動子
において、基部10dの剛性支持されていない部分の長
さ寸法L0と溝11の深さ寸法l3との比が、振動子の
電気・機械結合係数に与える影響について調べた。Next, in the vibrator having the structure shown in FIG. 13 and FIG. 14, the ratio of the length dimension L0 of the portion of the base portion 10d which is not rigidly supported to the depth dimension 13 of the groove 11 is the electric potential of the transducer. -The effect on the mechanical coupling coefficient was investigated.
【0077】図16ないし図19は、それぞれ表1に示
した寸法の試料I,II,III,IVにおいて、L0
/L3の比を0.1から1.0まで変化させたときの電
気・機械結合係数を示している。各図において白丸を結
んだ線は、各弾性腕のx方向の1次共振振動での電気・
機械結合係数(kvn)を示し、黒丸を結んだ線は、各弾
性腕のy方向の2次共振振動での電気・機械結合係数
(kvn)を示している。FIGS. 16 to 19 show L0 for samples I, II, III and IV having the dimensions shown in Table 1, respectively.
The electric / mechanical coupling coefficient when the ratio of / L3 is changed from 0.1 to 1.0 is shown. In each figure, the line connecting the white circles is the electric force of the primary resonance vibration of each elastic arm in the x direction.
The mechanical coupling coefficient (kvn) is shown, and the line connecting the black circles shows the electromechanical coupling coefficient (kvn) at the secondary resonance vibration of each elastic arm in the y direction.
【0078】この各図において、白丸で示したx方向へ
の1次共振振動では、y方向の2次共振振動に比べて電
気系と機械系との間の変換の効率が低下し、またx方向
への1次共振振動では、L0/L3の比率が電気系と機
械系との間の変換の効率に大きく影響を与えることが解
る。各試料IないしIVにおいて、x方向の1次共振振
動での電気・機械結合係数がある程度安定した値となる
ためには、L0/L3が0.6以上であることが好まし
い。さらに好ましくはL0/L3が0.8以上である。
すなわち溝11の深さ寸法L3(弾性腕10a,10
b,10cの長さ)に対し、基部10dの剛性支持され
ていない部分の寸法L0が長いほうがx方向の1次共振
での電気系と機械系との間の変換の効率がよく、共振の
尖鋭度(Q値)を向上させ且つ安定させることができ
る。また図16ないし図19ではL0/L3が1に近づ
くと、さらに電気・機械結合係数が増加するが、1を越
えると振動子全体の振動バランスがくずれるおそれがあ
る。よってL0/L3の好ましい範囲は0.6以上で、
同様に好ましい範囲は0.6以上で1.0以下、さらに
好ましい範囲は0.8以上1.0以下である。In each of the figures, the primary resonance vibration in the x direction indicated by a white circle has a lower conversion efficiency between the electrical system and the mechanical system than the secondary resonance vibration in the y direction, and x It can be seen that in the first-order resonance vibration in the direction, the ratio of L0 / L3 greatly affects the efficiency of conversion between the electric system and the mechanical system. In each of the samples I to IV, L0 / L3 is preferably 0.6 or more so that the electromechanical coupling coefficient in the primary resonance vibration in the x direction becomes a stable value to some extent. More preferably, L0 / L3 is 0.8 or more.
That is, the depth dimension L3 of the groove 11 (elastic arms 10a, 10
b, 10c), the longer the dimension L0 of the portion of the base 10d that is not rigidly supported, the better the efficiency of conversion between the electrical system and the mechanical system in the primary resonance in the x direction, and The sharpness (Q value) can be improved and stabilized. Further, in FIGS. 16 to 19, when L0 / L3 approaches 1, the electromechanical coupling coefficient further increases, but when L0 / L3 exceeds 1, the vibration balance of the entire vibrator may be disturbed. Therefore, the preferable range of L0 / L3 is 0.6 or more,
Similarly, the preferable range is 0.6 or more and 1.0 or less, and the more preferable range is 0.8 or more and 1.0 or less.
【0079】なお、図10に示す実施例および図13に
示す実施例において、各弾性腕を圧電素子によりy方向
へ2次共振振動にて駆動し、振動子が回転した際のコリ
オリ力により各弾性腕に発生するx方向の1次共振振動
を圧電素子により検出し、この出力から角速度を検出す
ることが可能である。In the embodiment shown in FIG. 10 and the embodiment shown in FIG. 13, each elastic arm is driven by the second resonance vibration in the y direction by the piezoelectric element, and each elastic arm is driven by the Coriolis force when the vibrator rotates. It is possible to detect the primary resonance vibration in the x direction in the elastic arm by the piezoelectric element and detect the angular velocity from this output.
【0080】図21と図22に示す第2実施例は、振動
子10の振動モードが図4に示すBモードとなるように
構成された振動型ジャイロスコープである。The second embodiment shown in FIGS. 21 and 22 is a vibration gyroscope configured so that the vibration mode of the vibrator 10 becomes the B mode shown in FIG.
【0081】図22に示すように、Bモードでは、左右
の弾性腕10bと10cのみが振動するため、両弾性腕
10bと10cに表裏それぞれ一対ずつの駆動手段とし
ての圧電素子36と37が取付けられている。そして各
弾性腕10bと10cに検出手段としての圧電素子31
と32がそれぞれ表裏一対ずつ取付けられている。As shown in FIG. 22, in the B mode, only the left and right elastic arms 10b and 10c vibrate. Therefore, the piezoelectric elements 36 and 37 as the driving means are attached to the both elastic arms 10b and 10c, one pair on the front and one on the back. Has been. Then, the piezoelectric element 31 as a detecting means is attached to each elastic arm 10b and 10c.
And 32 are mounted on the front and back respectively.
【0082】各圧電素子の分極方向は、図22(B)に
て図示右方向を(+)で左方向を(−)で示している。
それぞれの圧電素子の一方の電極は弾性腕10bと10
cの表面に密着してアースされている。そして図12と
同様に、駆動用の圧電素子36と37の表面の電極に交
流電力が与えられ、また検出用の圧電素子31と32の
表面の電極から検出出力が取り出される。The polarization direction of each piezoelectric element is indicated by (+) in the right direction and by (-) in the left direction in FIG. 22B.
One electrode of each piezoelectric element has elastic arms 10b and 10b.
It is closely attached to the surface of c and grounded. Then, as in FIG. 12, AC power is applied to the electrodes on the surfaces of the driving piezoelectric elements 36 and 37, and the detection output is taken out from the electrodes on the surfaces of the detecting piezoelectric elements 31 and 32.
【0083】図4に示すように、Bモードでは、駆動用
の圧電素子36と37とにより弾性腕10bと10cが
ある時点にて振幅が+x方向と−x方向となるように駆
動され、これにより生じる両弾性腕10bと10cのy
方向の変形振動の表面歪みが検出用の圧電素子31と3
2とで電圧に変換される。この交流電力の和をとること
により、角速度ωを検出できる。As shown in FIG. 4, in the B mode, the driving piezoelectric elements 36 and 37 drive the elastic arms 10b and 10c so that the amplitudes are in the + x direction and the -x direction at a certain point in time. Y of both elastic arms 10b and 10c caused by
The surface strain of the deformation vibration in the direction is detected by the piezoelectric elements 31 and 3
Converted to a voltage with 2. The angular velocity ω can be detected by taking the sum of this AC power.
【0084】このBモードの振動子を用いる場合には、
図21に示すように、支持棒13により基部10dの基
端中央を支持する構造とするのが一般的であるが、図2
4に示すように基部10dの基端中央と弾性腕10aの
先端中央部をそれぞれ支持棒13と14とで支持するこ
とにより、機械的な支持が安定する。図21に示す支持
構造の場合には、支持棒13の長さLaを例えば15m
m以上とし、且つ直径Daを0.5mm以下とすること
により、共振周波数を安定させ、またQ値を高くでき
る。また図24に示す両端支持の場合にも、それぞれの
支持棒13と14の長さと直径を選択することにより共
振周波数を安定させ、且つQ値を高くできる。When using this B-mode oscillator,
As shown in FIG. 21, it is general that the support bar 13 supports the center of the base end of the base portion 10d.
As shown in FIG. 4, mechanical support is stabilized by supporting the center of the base end of the base portion 10d and the center of the tip end of the elastic arm 10a by the support rods 13 and 14, respectively. In the case of the support structure shown in FIG. 21, the length La of the support bar 13 is, for example, 15 m.
By setting the diameter to m or more and the diameter Da to 0.5 mm or less, the resonance frequency can be stabilized and the Q value can be increased. Also in the case of both-ends support shown in FIG. 24, the resonance frequency can be stabilized and the Q value can be increased by selecting the length and diameter of each of the support rods 13 and 14.
【0085】さらにBモードの場合であっても、溝11
の深さ寸法L3が全長Lの1/3以下であれば、基部1
0dの基端の振幅をほとんど0にできるため、溝11の
寸法をこのように設定することにより、図10に示した
のと同様に、基部10dを剛体12a,12bで保持す
る構造が可能である。Further, even in the B mode, the groove 11
If the depth dimension L3 of is less than 1/3 of the total length L, the base 1
Since the amplitude of the base end of 0d can be made almost 0, by setting the dimension of the groove 11 in this way, a structure in which the base 10d is held by the rigid bodies 12a and 12b is possible as in the case shown in FIG. is there.
【0086】このBモードでは、図7に示すように基部
10dの寸法L2を変えることにより、共振周波数を変
化させることが可能であるため、基部10dの基端をト
リミングし、あるいは溝11,11の深さを変えること
により、共振周波数の調整作業を簡単にできる。In the B mode, since the resonance frequency can be changed by changing the dimension L2 of the base 10d as shown in FIG. 7, the base end of the base 10d is trimmed or the grooves 11 and 11 are formed. The adjustment work of the resonance frequency can be simplified by changing the depth of.
【0087】また、この実施例においても弾性腕10b
と10cを±y方向へ互いに逆位相となるように駆動し
て振動させ、振動子10を回転させた際にコリオリ力に
より生じる±x方向の振動を検出し、この検出出力から
角速度ωを求めてもよい。Also in this embodiment, the elastic arm 10b is also used.
And 10c are oscillated by driving them in the ± y directions so as to have opposite phases to each other, and vibrations in the ± x directions caused by the Coriolis force when the vibrator 10 is rotated are detected, and the angular velocity ω is obtained from this detection output. May be.
【0088】次に、図25から図27は、本発明の第4
実施例の振動型ジャイロスコープの振動子40を示して
いる。Next, FIGS. 25 to 27 show the fourth embodiment of the present invention.
The vibrator 40 of the vibration type gyroscope of the example is shown.
【0089】この実施例では、振動子40全体が圧電材
料により構成されている。そして先端から溝41,41
が切り込まれて、3つの弾性腕40a,40b,40c
が形成されている。各弾性腕40a,40b,40cに
おける分極方向は、図26にて白抜きの矢印で示す通り
である。In this embodiment, the entire vibrator 40 is made of a piezoelectric material. And from the tip to the grooves 41, 41
Is cut, and three elastic arms 40a, 40b, 40c are cut.
Are formed. The polarization direction in each elastic arm 40a, 40b, 40c is as shown by the white arrow in FIG.
【0090】この振動子40では、両側の弾性腕40
b,40cが駆動専用で、中央の弾性腕40aが検出専
用である。In this vibrator 40, the elastic arms 40 on both sides are
b and 40c are dedicated to driving, and the central elastic arm 40a is dedicated to detection.
【0091】図26に示すように、駆動用の弾性腕40
b,40cの表面には駆動用電極51a,51bないし
54a,54bが積層されて設けられている。駆動用電
極のうち51a,52b,53a,54bがそれぞれア
ース接続され、51b,52a,53b,54aに交流
電力が与えられる。その結果、図27に示すように、あ
る時点で弾性腕40bと40cが例えば−xで示すよう
に同じ振幅方向へ振動する。この振動子を軸Oを中心と
して回転させると、弾性腕40bと40cにコリオリ力
が作用し、弾性腕40bと40cが同じ方向例えば−y
方向へ変形振動する。As shown in FIG. 26, the elastic arm 40 for driving is used.
Driving electrodes 51a and 51b to 54a and 54b are laminated and provided on the surfaces of b and 40c. Among the driving electrodes, 51a, 52b, 53a, 54b are grounded, respectively, and AC power is applied to 51b, 52a, 53b, 54a. As a result, as shown in FIG. 27, the elastic arms 40b and 40c vibrate at the same time in the same amplitude direction as indicated by, for example, -x. When this oscillator is rotated about the axis O, Coriolis force acts on the elastic arms 40b and 40c, and the elastic arms 40b and 40c move in the same direction, for example, -y.
It deforms and vibrates in the direction.
【0092】両弾性腕40bと40cがx方向へ同じ位
相にて振動すると、その反力により中央の弾性腕40a
が両弾性腕40b,40cと逆の位相で振動する。例え
ばある時点での弾性腕40bと40cの振幅方向−x方
向の場合、中央の弾性腕40aの振幅方向が+x方向と
なる。すなわちx方向へ駆動される弾性腕40b,40
cに対し中央の弾性腕40aは力学的なバランスをとる
ように逆向きに変形して振動する。このとき、中央の弾
性腕40aはコリオリ力により+y方向に振動する。When both elastic arms 40b and 40c vibrate in the same phase in the x direction, the reaction force causes the elastic arm 40a at the center to move.
Vibrates in a phase opposite to that of the elastic arms 40b and 40c. For example, in the case of the amplitude direction −x direction of the elastic arms 40b and 40c at a certain point, the amplitude direction of the central elastic arm 40a is the + x direction. That is, the elastic arms 40b, 40 driven in the x direction
The elastic arm 40a at the center with respect to c is deformed and vibrates in the opposite direction so as to maintain a mechanical balance. At this time, the central elastic arm 40a vibrates in the + y direction by the Coriolis force.
【0093】そのため、図26に示すように、中央の弾
性腕40aの表面にはそれぞれ検出用の電極61aない
し63bが設けられている。検出用の電極のうち61
b,62a,63bはアースされ、61a,62b,6
3aとアースとの間で交流電力が検出される。Therefore, as shown in FIG. 26, detection electrodes 61a to 63b are provided on the surface of the central elastic arm 40a. 61 of the electrodes for detection
b, 62a, 63b are grounded, 61a, 62b, 6
AC power is detected between 3a and ground.
【0094】この第4実施例でのy方向の振動状態は、
図10などの実施例に示したのと同じAモードである。
よって振動子40の基端を剛体により挟持して支持する
ことが可能であり、また中央の弾性腕40aの長さを変
えることにより共振周波数を変えることができるなど、
Aモードとしての効果を発揮できる。また図13に示す
基部10dの剛性支持されていない部分の寸法L0と溝
の深さL3(弾性腕の長さ)との比の好ましい範囲も、
図13の実施例で説明したのと同じである。The vibrating state in the y direction in the fourth embodiment is
This is the same A mode as shown in the embodiment of FIG.
Therefore, the base end of the oscillator 40 can be sandwiched and supported by a rigid body, and the resonance frequency can be changed by changing the length of the central elastic arm 40a.
The effect as A mode can be exhibited. Further, the preferable range of the ratio of the dimension L0 of the portion of the base portion 10d that is not rigidly supported and the groove depth L3 (length of the elastic arm) shown in FIG.
This is the same as described in the embodiment of FIG.
【0095】また、図25の実施例において、両側の弾
性腕40b,40cを駆動する場合、その駆動振動方向
をy方向とし、その反力により中央の弾性腕40aを逆
方向へ振動させ、コリオリ力により生じるx方向の振動
を検出用電極により検出するようにしてもよい。Further, in the embodiment of FIG. 25, when the elastic arms 40b and 40c on both sides are driven, the driving vibration direction is set to the y direction, and the reaction force causes the central elastic arm 40a to vibrate in the opposite direction to cause Coriolis. Vibration in the x direction caused by force may be detected by the detection electrodes.
【0096】なお、上記の各実施例では、3個の弾性腕
10a,10b,10cまたは40a,40b,40c
のうちの2個または3個をx方向またはy方向へ共振振
動させるように駆動し、コリオリ力により生じた各弾性
腕のy方向またはx方向への共振振動を検出して角速度
ωを求めるようにしているが、3個の弾性腕10a,1
0b,10cまたは40a,40b,40cのうちの1
個の弾性腕のみを駆動してもよい。例えば中央の弾性腕
10aまたは40aのみをx方向またはy方向へ共振振
動するように駆動し、回転時のコリオリ力により生じる
中央の弾性腕10aまたは40aのy方向またはx方向
の振動を検出し、これにより角速度ωを求めてもよい。
この場合も、共振周波数の調整は板材となる弾性腕10
aまたは40aのみをトリミングすればよく、調節作業
が簡単である。In each of the above embodiments, the three elastic arms 10a, 10b, 10c or 40a, 40b, 40c are used.
Two or three of them are driven so as to cause resonant vibration in the x direction or the y direction, and the angular vibration ω is obtained by detecting the resonant vibration in the y direction or the x direction of each elastic arm caused by the Coriolis force. However, the three elastic arms 10a, 1
1 of 0b, 10c or 40a, 40b, 40c
Only one elastic arm may be driven. For example, only the central elastic arm 10a or 40a is driven so as to resonate in the x direction or the y direction, and the vibration of the central elastic arm 10a or 40a in the y direction or the x direction generated by the Coriolis force during rotation is detected. From this, the angular velocity ω may be obtained.
Also in this case, the resonance frequency is adjusted by the elastic arm 10 which is a plate material.
It is sufficient to trim only a or 40a, and the adjustment work is easy.
【0097】また図10と図11の実施例、図13の実
施例、図21と図22の実施例において、コリオリ力に
より共振振動する3個または2個の弾性腕のうちの1個
のみから振動を検出し、角速度ωを求めるようにしても
よい。Also, in the embodiment of FIGS. 10 and 11, the embodiment of FIG. 13, and the embodiment of FIGS. 21 and 22, only one of the three or two elastic arms that resonate and vibrate by the Coriolis force is used. The vibration may be detected to obtain the angular velocity ω.
【0098】また、以上の各実施例において、振動子は
x方向の振動が1次共振のときにy方向の振動が2次共
振となるような薄板形状のものとなっているが、振動子
は例えば図26に示すようにある程度の厚さを有する平
板材であってもよい。あるいは各弾性腕の断面が正方形
となるような三脚音叉型の振動子であってもよい。In each of the above embodiments, the vibrator has a thin plate shape such that when the vibration in the x direction is the primary resonance, the vibration in the y direction is the secondary resonance. May be, for example, a flat plate material having a certain thickness as shown in FIG. Alternatively, it may be a tripod tuning fork type vibrator in which each elastic arm has a square cross section.
【0099】また、図20に示すように、平板状の二脚
音叉型の振動子10Aと10Bを剛体のスペーサ10D
により剛性接合し、中央の2枚の板片により弾性腕10
aを形成し、両側の板片により弾性腕10b,10cを
構成してもよい。この簡易型の三脚音叉型の振動子は、
前記それぞれの実施例での振動子の代わりに使用するこ
とができ、AモードとBモードのそれぞれの振動にて動
作させることが可能である。Further, as shown in FIG. 20, flat plate-shaped bipod tuning fork type vibrators 10A and 10B are connected to a rigid spacer 10D.
Rigid joint with the elastic arm 10
Alternatively, the elastic arms 10b and 10c may be formed by forming a and forming plate members on both sides. This simple type tripod tuning fork type transducer
It can be used in place of the vibrator in each of the above-mentioned embodiments, and can be operated with each of A-mode and B-mode vibrations.
【0100】[0100]
【発明の効果】以上のように本発明では、振動子に3個
の弾性腕が設けられているが、共振周波数の調整の際に
必ずしも全ての弾性腕をトリミングなどする必要がな
く、中央の弾性腕の長さを変えるだけでよいし、あるい
は溝が形成されていない基部の長さを変えることにより
簡単に周波数調整ができるようになる。また調整の結
果、振動子が非対称振動となるおそれもほとんど無くな
る。As described above, according to the present invention, the vibrator is provided with three elastic arms. However, it is not always necessary to trim all the elastic arms when adjusting the resonance frequency. It is only necessary to change the length of the elastic arm, or the frequency can be easily adjusted by changing the length of the base portion where the groove is not formed. Further, as a result of the adjustment, there is almost no possibility that the vibrator will be asymmetrical.
【0101】また、両側の弾性腕と中央の弾性腕とが逆
の位相にて振動する構造にすることにより、振動子の基
部を両面側から支持することが可能になり、安定した支
持の振動型ジャイロスコープを構成できる。Also, by adopting a structure in which the elastic arms on both sides and the central elastic arm vibrate in opposite phases, it becomes possible to support the base of the vibrator from both sides, and vibration of stable support can be achieved. Type gyroscope can be configured.
【0102】上記において、溝が形成されておらず支持
されていない部分の長さ寸法と溝の深さあるいは弾性腕
の長さとの比を前記の好ましい範囲に設定することによ
り、電気系と機械系との間の変換の効率を向上させ、共
振尖鋭度を向上させまたは安定させることが可能にな
る。In the above, by setting the ratio of the length dimension of the portion where the groove is not formed and is not supported and the depth of the groove or the length of the elastic arm to the above preferable range, the electrical system and the mechanical system are It is possible to improve the efficiency of conversion to and from the system and improve or stabilize the resonance sharpness.
【図1】(A)は振動子の構造を示す平面図、(B)は
その側面図、1A is a plan view showing a structure of a vibrator, FIG. 1B is a side view thereof, FIG.
【図2】隣接する弾性腕が逆位相の振動となるAモード
を示す振動子の斜視図、FIG. 2 is a perspective view of a vibrator showing an A mode in which adjacent elastic arms vibrate in opposite phases;
【図3】Aモードの振動における振動子の基部の振幅を
説明する模式説明図、FIG. 3 is a schematic explanatory view for explaining the amplitude of the base portion of the vibrator in A-mode vibration,
【図4】中央の弾性腕が振動しないBモードを示す振動
子の斜視図、FIG. 4 is a perspective view of a vibrator showing a B mode in which a central elastic arm does not vibrate;
【図5】(A)(B)はBモードにおいて基部の長さを
変えたときの節線の位置の変化を説明する振動子の平面
図、5 (A) and 5 (B) are plan views of a transducer for explaining the change in the position of the nodal line when the length of the base is changed in the B mode.
【図6】中央の弾性腕の長さを変えたときの共振周波数
の変化を示す線図、FIG. 6 is a diagram showing a change in resonance frequency when the length of the central elastic arm is changed,
【図7】基部の長さを変えたときの共振周波数の変化を
示す線図、FIG. 7 is a diagram showing a change in resonance frequency when the length of the base is changed,
【図8】弾性腕がx方向へ一次振動モードにて駆動され
る状態を示す模式説明図、FIG. 8 is a schematic explanatory view showing a state in which the elastic arm is driven in the primary vibration mode in the x direction,
【図9】(A)は弾性腕がy方向へ二次振動モードにて
駆動される状態を示す模式説明図、(B)は三次振動モ
ードにて駆動される状態を示す模式説明図、9A is a schematic explanatory view showing a state in which an elastic arm is driven in a secondary vibration mode in ay direction, and FIG. 9B is a schematic explanatory diagram showing a state in which the elastic arm is driven in a tertiary vibration mode;
【図10】Aモード振動の振動型ジャイロスコープとな
る第1実施例の斜視図、FIG. 10 is a perspective view of a first embodiment which is a vibration type gyroscope for A mode vibration;
【図11】第1実施例の振動子の平面図、FIG. 11 is a plan view of the vibrator according to the first embodiment,
【図12】第1実施例の駆動手段と検出手段および回路
構成を示す振動子の端面図、FIG. 12 is an end view of a vibrator showing a driving means, a detecting means, and a circuit configuration of the first embodiment,
【図13】第1実施例の他の構造の振動子を示すもので
あり(A)は平面図、(B)は側面図、13A and 13B show a vibrator having another structure according to the first embodiment, in which FIG. 13A is a plan view and FIG. 13B is a side view.
【図14】駆動手段と検出手段および回路構成を示す図
13(A)の端面図、FIG. 14 is an end view of FIG. 13A showing a driving means, a detecting means, and a circuit configuration;
【図15】図13に示す振動型ジャイロスコープの検出
特性線図、15 is a detection characteristic diagram of the vibration type gyroscope shown in FIG.
【図16】表1に示した試料Iの電気・機械結合係数の
特性を示す線図、16 is a diagram showing characteristics of the electrical / mechanical coupling coefficient of Sample I shown in Table 1, FIG.
【図17】表1に示した試料IIの電気・機械結合係数
の特性を示す線図、FIG. 17 is a diagram showing characteristics of the electrical / mechanical coupling coefficient of Sample II shown in Table 1.
【図18】表1に示した試料IIIの電気・機械結合係
数の特性を示す線図、FIG. 18 is a diagram showing characteristics of the electromechanical coupling coefficient of Sample III shown in Table 1.
【図19】表1に示した試料IVの電気・機械結合係数
の特性を示す線図、FIG. 19 is a diagram showing the characteristics of the electromechanical coupling coefficient of Sample IV shown in Table 1,
【図20】振動子を簡易型の構造とした場合の斜視図、FIG. 20 is a perspective view when the vibrator has a simple structure,
【図21】Bモード振動の振動型ジャイロスコープとな
る第2実施例の斜視図、FIG. 21 is a perspective view of a vibrating gyroscope for B-mode vibration according to a second embodiment;
【図22】(A)は第2実施例の振動子の平面図、
(B)はその端面図、FIG. 22A is a plan view of the vibrator of the second embodiment,
(B) is its end view,
【図23】Bモードにおける支持棒の長さおよび直径と
共振周波数との関係を示す線図、FIG. 23 is a diagram showing the relationship between the resonance frequency and the length and diameter of the support rod in B mode;
【図24】振動子の中心部を両端支持したBモードのジ
ャイロスコープとなる第3実施例を示す斜視図、FIG. 24 is a perspective view showing a third embodiment which is a B-mode gyroscope in which the central portion of the vibrator is supported at both ends;
【図25】圧電材料により形成された第4実施例の振動
子を表裏両面から示す斜視図、FIG. 25 is a perspective view showing the vibrator of the fourth embodiment formed of a piezoelectric material from both the front and back sides,
【図26】第4実施例での駆動用電極と検出用電極の配
置を示す振動子の端面図、FIG. 26 is an end view of a vibrator showing the arrangement of drive electrodes and detection electrodes in the fourth embodiment;
【図27】第4実施例の振動子のある時点での変形状態
を示す斜視図、FIG. 27 is a perspective view showing a deformed state of the vibrator of the fourth embodiment at a certain time point;
【図28】従来の振動型ジャイロスコープの振動子を示
す斜視図、FIG. 28 is a perspective view showing a vibrator of a conventional vibrating gyroscope,
【図29】板材による二脚音叉型の振動子を示す斜視
図、FIG. 29 is a perspective view showing a two-legged tuning fork type vibrator made of a plate material;
【図30】(A)は図29の振動子の駆動振動状態を示
す模式図、(B)はコリオリ力による変形を示す模式
図、30A is a schematic diagram showing a driving vibration state of the vibrator of FIG. 29, FIG. 30B is a schematic diagram showing deformation by Coriolis force,
10 振動子、 10a,10b,10c 弾性腕 10d 基部 11 溝 12a,12b 剛体 13,14 支持棒 21,22,23 Aモードでの検出用圧電素子 26,27,28 Aモードでの駆動用圧電素子 31,32 Bモードでの検出用圧電素子 36,37 Bモードでの駆動用圧電素子 40 振動子 40a,40b,40c 弾性腕 51a〜54b 駆動用電極 61a〜63b 検出用電極 10 oscillators, 10a, 10b, 10c elastic arm 10d base 11 grooves 12a, 12b rigid body 13,14 Support rod 21,22,23 A mode detection piezoelectric element 26, 27, 28 Piezoelectric element for driving in A mode Piezoelectric element for detection in 31, 32 B mode 36,37 Piezoelectric element for driving in B mode 40 oscillators 40a, 40b, 40c elastic arm 51a-54b Driving electrodes 61a-63b Detection electrodes
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大西 一正 東京都大田区雪谷大塚町1番7号 アルプ ス電気株式会社内 (72)発明者 佐藤 昭 東京都大田区雪谷大塚町1番7号 アルプ ス電気株式会社内 Fターム(参考) 2F105 AA01 AA06 AA08 BB04 CC04 CD02 CD06 CD13 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Kazumasa Onishi 1-7 Aki, Otsuka-cho, Yukiya, Ota-ku, Tokyo Su Electric Co., Ltd. (72) Inventor Akira Sato 1-7 Aki, Otsuka-cho, Yukiya, Ota-ku, Tokyo Su Electric Co., Ltd. F term (reference) 2F105 AA01 AA06 AA08 BB04 CC04 CD02 CD06 CD13
Claims (3)
腕を有する振動子と、少なくとも1個の弾性腕に振動を
発生させる駆動手段と、振動子が回転したときに弾性腕
に生じる前記振動方向と交叉する方向への振動成分を検
出する検出手段とを有し、 前記駆動手段によって両側の弾性腕と、中央の弾性腕と
が互いに逆方向へ変形して振動させられるものであり、
少なくとも各溝の延長線上の基部にて、前記溝の貫通方
向に対面する両面で支持されていることを特徴とする振
動型ジャイロスコープ。1. A vibrator having three elastic arms separated by two grooves, drive means for generating vibration in at least one elastic arm, and generated in the elastic arm when the vibrator rotates. A detection means for detecting a vibration component in a direction intersecting with the vibration direction, wherein the driving means causes the elastic arms on both sides and the central elastic arm to deform and vibrate in mutually opposite directions. ,
A vibrating gyroscope, which is supported on at least a base portion on an extension line of each groove on both sides facing each other in a penetrating direction of the groove.
らず且つ支持されていない範囲での前記L3と同じ方向
の長さをL0としたときに、L0/L3が0.6以上で
ある請求項1記載の振動型ジャイロスコープ。2. When L3 is the depth of the groove and L0 is the length in the same direction as the L3 in the range where the groove is not formed and is not supported, L0 / L3 is 0.6. The vibrating gyroscope according to claim 1, which is the above.
らず且つ支持されていない範囲での前記L3と同じ方向
の長さをL0としたときに、L0/L3が0.8以上で
1.0以下である請求項1または2記載の振動型ジャイ
ロスコープ。3. When the depth dimension of the groove is L3 and the length in the same direction as L3 in the range where the groove is not formed and is not supported is L0, L0 / L3 is 0.8. The vibrating gyroscope according to claim 1 or 2, which is 1.0 or less.
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| JP20132293 | 1993-07-22 | ||
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2007047167A (en) * | 2005-08-08 | 2007-02-22 | Litton Syst Inc | Nodal position correction method of vibrating beam |
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2002
- 2002-05-24 JP JP2002150086A patent/JP2003014465A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007047167A (en) * | 2005-08-08 | 2007-02-22 | Litton Syst Inc | Nodal position correction method of vibrating beam |
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Legal Events
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