WO1994011706A1 - Angular velocity detector circuit - Google Patents

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WO1994011706A1
WO1994011706A1 PCT/JP1993/001668 JP9301668W WO9411706A1 WO 1994011706 A1 WO1994011706 A1 WO 1994011706A1 JP 9301668 W JP9301668 W JP 9301668W WO 9411706 A1 WO9411706 A1 WO 9411706A1
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electrode
circuit
output
input
electrodes
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Application number
PCT/JP1993/001668
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fumio Nakajima
Original Assignee
Citizen Watch Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Citizen Watch Co., Ltd. filed Critical Citizen Watch Co., Ltd.
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Publication of WO1994011706A1 publication Critical patent/WO1994011706A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5607—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks

Definitions

  • the present invention relates to a detection circuit for detecting a rotational angular velocity using an angular velocity sensor constituted by a vibrator, and more particularly to a rotational angular velocity detection circuit having high measurement accuracy and suitable for mass production.
  • a vibrating angular velocity sensor that vibrates an object and detects the force of Coriolis from a detection element on the vibrating object has been put into practical use, and the mass of the gyroscope is kept constant. It is vibrated at the frequency of.
  • a rotational force is applied to a mass, a Coriolis force is generated at the same frequency in a direction perpendicular to the vibration of the mass.
  • the principle of the vibration type angular velocity sensor is to measure the angular velocity by detecting the vibration of the mass due to this force.
  • a circuit for detecting an angular velocity using an angular velocity sensor based on the above principle is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-172711.
  • the vibrator described in this publication is a composite vibrator in which a vibrating unit in which a driving portion and a detecting portion are joined in an orthogonal manner is connected by a connecting block to form a tuning fork structure.
  • the vibrator is made of a constant elastic metal such as an T-type piezoelectric ceramics are used.
  • a constant elastic metal such as an T-type piezoelectric ceramics are used.
  • an electrode is formed on the surface of the metal for driving and detection, a thin piezoelectric element is adhered on the electrode, and an electrode is formed thereon.
  • the oscillation circuit that oscillates the oscillator is composed of an amplifier and a feedback circuit in principle.
  • the amplification factor of the amplifier is ⁇
  • the phase delay of the amplifier is ⁇ 1
  • the transmissivity of the feedback circuit is 3
  • the phase delay is 02
  • the phase is delayed by 180 ° by an amplifier circuit to satisfy Equation (2) of the oscillation condition, and a phase shift circuit that combines multiple resistors and capacitors is used.
  • a phase shift circuit that combines multiple resistors and capacitors is used.
  • the conventional angular velocity detection circuit requires a phase shift circuit as described above, and further requires a phase shift shift by the resistance and the capacitance of the piezoelectric element itself. Therefore, the transmissivity of the feedback circuit; S and the phase shift delay 02 change due to the constant change of the phase shift circuit due to the temperature change, and the oscillation becomes unstable. Eventually, when a rotational force is applied, the vibration generated in the vibrator due to the Coriolis force becomes unstable, and the output of the detection circuit drifts, resulting in a problem that the accuracy is significantly deteriorated.
  • the amplification factor ⁇ of the amplifier must be increased to satisfy Equation (1) of the above-mentioned oscillation conditions. It is necessary to provide an amplifier.
  • a reference voltage generation circuit and the like are required, and the detection circuit becomes complicated.
  • An object of the present invention is to provide a circuit for detecting a rotational angular velocity that has a high measurement accuracy and is suitable for mass production, provided with a ⁇ circuit that oscillates stably with a simple configuration.
  • An angular velocity detection circuit includes a quartz resonator provided with a first electrode for exciting the resonator, and a second electrode provided in a direction perpendicular to the first electrode for extracting an electric field generated by rotation.
  • An oscillator circuit having an inverting amplifier connected to the first electrode of the crystal unit as an input and the second electrode connected to an output, and a differential amplifier circuit connected to the input of the second electrode of the crystal unit. It has a detection circuit that receives the output of the dynamic amplification circuit as an input and uses the output of the oscillation circuit as a detection signal, and an output amplification circuit that receives the output of the detection circuit as an input.
  • the angular velocity detection circuit of the present invention provides a first electrode on two parallel surfaces to excite the vibrator, and a second electrode in a direction perpendicular to the first electrode to extract an electric field generated by rotation.
  • An oscillation circuit having an inverting amplifier connected to a part of a first electrode of the crystal resonator as an input and another part of the first electrode to an output, and a second element of the crystal resonator.
  • a configuration comprising: a differential amplifier circuit in which the electrodes of the differential amplifier are connected to the input; a detection circuit in which the output of the differential amplifier circuit is used as an input; and an output of the oscillation circuit is used as a detection signal; It is.
  • the angular velocity detection circuit of the present invention includes a first electrode for exciting the vibrator, a second electrode provided in a direction perpendicular to the first electrode, and a second electrode for extracting an electric field generated by rotation.
  • a crystal oscillator having a third electrode provided on the same surface as a part of the crystal oscillator; an oscillation circuit having an inverting amplifier having a first electrode of the crystal oscillator connected to an input and a second electrode connected to an output;
  • a differential amplifier circuit having the third electrode of the oscillator as an input, a detection circuit having the output of the differential amplifier as an input, and having the output of the oscillation circuit as a detection signal, and an output amplifier having the output of the detection circuit as an input; It has a configuration with
  • the angular velocity detection circuit has a first configuration for exciting the vibrator. And a second electrode in a direction perpendicular to the first electrode, and on a surface opposite to the third electrode and the third electrode connected to the second electrode to extract an electric field generated by rotation.
  • An oscillation circuit having an inverting amplifier with the second electrode connected to the input and the second electrode connected to the output; a differential amplifier circuit connecting the fifth and sixth electrodes of the crystal unit to the input;
  • the configuration includes a detection circuit that uses the output of the amplification circuit as an input and the output of the oscillation circuit as a detection signal, and an output amplification circuit that receives the output of the detection circuit as an input.
  • the angular velocity detection circuit of the present invention includes a first electrode for exciting the vibrator, a second electrode provided in a direction perpendicular to the first electrode, and a second electrode for extracting an electric field generated by rotation.
  • a third electrode connected to the second electrode, a crystal oscillator having a fourth electrode and a fifth electrode provided on the opposite surface of the third electrode, and a second electrode
  • An oscillation circuit having an inverting amplifier with its electrodes connected to the output, a differential amplifier circuit with its fourth and fifth electrodes connected to the input, and an output of the differential amplifier circuit as its input.
  • the configuration includes a detection circuit that uses the output of the oscillation circuit as a detection signal, and an output amplification circuit that receives the output of the detection circuit as an input.
  • the angular velocity detection circuit of the present invention is provided with a first electrode for exciting a vibrator, and a second electrode in a direction perpendicular to the first electrode, and for extracting an electric field generated by rotation.
  • a third electrode connected to the second electrode; a fourth electrode perpendicular to the third electrode; a crystal resonator having a fifth electrode provided on a surface opposite to the fourth electrode; and a crystal.
  • a configuration that includes a detection circuit that receives the output of the differential amplifier circuit as an input and uses the output of the oscillation circuit as a detection signal, and an output amplifier circuit that receives the output of the detection circuit as an input.
  • the present invention is configured as described above using a crystal unit and an inverting amplifier.
  • the gain 1 I of the feedback circuit is about 0.2 to 0.9, and the phase delay 02 is almost 1 80 °.
  • the amplification factor of an inverting amplifier is generally 20 to 30 db or more, and at a frequency of about 30 KHz, the phase rotation of a general inverting amplifier is almost close to 180 °. And the oscillation conditions of Equation (2) are satisfied.
  • the angular velocity detection circuit of the present invention does not require a phase shift circuit in the feedback section of the oscillation circuit, and does not decrease the transmissibility due to fluctuations in the characteristics of the phase shift circuit and fluctuations in the phase delay, so that highly stable oscillation is performed. It is. Moreover, the detection output is superimposed on the oscillation output to stably operate the differential amplifier circuit, thereby preventing a drift from occurring in the output of the detection circuit. it can. Furthermore, the circuit configuration is simple and suitable for mass production. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a detection circuit according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view showing a crystal resonator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an electrode of the crystal resonator according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a detection circuit according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a perspective view showing a crystal resonator according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing electrodes of the crystal resonator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a detection circuit according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a perspective view showing a crystal resonator according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a sectional view showing the electrodes of the vibrator according to the third embodiment of the present invention, and FIG. Put to the fourth embodiment That a cross section 6 of an electrode of a crystal oscillator, the first 1 drawing is a sectional view showing an electrode of the quartz resonator of the fifth embodiment of the present invention, the first Fig. 2, the second of the present invention
  • FIG. 13 is a front view of the crystal unit according to the fifth embodiment
  • FIG. 13 is a rear view of the crystal unit according to the fifth embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 15 is a cross-sectional view showing an electrode of a crystal unit according to a sixth embodiment
  • FIG. 15 is a front view of the crystal unit according to a sixth embodiment of the present invention;
  • FIG. 17 is a rear view of the crystal unit according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a sectional view showing electrodes of the crystal unit according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a front view of a crystal unit according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a side view of the crystal unit according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a rear view of the crystal unit according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing electrodes of the crystal unit according to the eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a front view of the crystal unit according to the eighth embodiment of the present invention, and
  • FIG. 23 is a rear view of the crystal unit according to the eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a detection circuit according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view showing a vibrator according to the first embodiment
  • FIG. 3 is a diagram showing the arrangement and interconnection of electrodes of the vibrator.
  • the crystal unit shown in Fig. 2 rotates the XY plane by 0 to 10 ° with respect to the X axis (electric axis), cuts the crystal at the XY 'plane that is the Y axis (the mechanical axis), and cuts the crystal.
  • the crystal unit is a tuning fork type consisting of branches 19, 20 and a base 21. It is formed integrally from the plate by photoengraving and etching technology, or wire-to-saw processing technology.
  • the electrode 1 is provided on one of the surfaces parallel to the Y'Z 'plane of one of the branches 19 of the tuning fork, and the electrode 2 is provided on the opposite surface.
  • An electrode 7 is provided on one of the surfaces parallel to the Y'Z 'plane of the other branch portion 20 of the tuning fork, and an electrode 8 is provided on the opposite surface.
  • electrodes 1 and 2 and electrodes 7 and 8 are connected to each other in the crystal unit, and terminals 16 and 15 are provided, respectively, and a surface parallel to the XY 'plane of branch 19 is provided. Electrodes 3 and 4 are provided on one of them. Electrodes 5 and 6 are provided on the opposite surface.
  • electrodes 9 and 10 are provided on one of the surfaces parallel to the XY 'plane of the branch portion 20, and the electrodes 11 and 12 are provided on the opposite surfaces. ⁇ Then, the electrodes 3 and 6 and the electrode 4 are provided. And electrode 5, electrode 9 and electrode 12, electrode 10 and electrode 11 are connected to each other in the vibrator, and terminals 17, 18, 18, 13 and 14 are provided respectively.
  • These electrodes 1 to 12 are formed of a metal film such as chrome and gold (Au) by a vacuum evaporation method.
  • the terminals 13 to 18 of the crystal oscillator 30 are connected to the oscillation circuit 40. That is, the terminals 13 and 14 are connected to the output of the inverter 46, which is an inverting amplifier composed of CMOS transistors (complementary field-effect transistors), through the resistors 44 and 43 of the oscillation circuit 40. And terminal 15 to the input of inverter 46. Then, the terminal 16 is connected to the output of the inverter 46. Also connect terminals 17 and 18 to the input of inverter 46 via resistors 41 and 42.
  • the resistors 41 and 42 may be provided as thin film resistors, for example, on the base 21 of the crystal unit shown in FIG.
  • an inverter consisting of a CMOS transistor is shown as an example of an inverting amplifier, but any amplifier having a high input resistance may be used.
  • the resistor 45 is a feedback resistor R f
  • the capacitors 47 and 48 are an input capacitance C in and an output capacitance C out t, respectively, and form a feedback circuit together with the crystal oscillator 30.
  • the Coriolis force Fc is correspondingly applied to both branches 19, 20 of the tuning fork in a plane parallel to the VZ' plane. Occur in opposite directions within each other.
  • the differential amplifier circuit 50 also serves as a phase shift circuit.
  • the output voltage of the differential amplifier circuit 50 and the output voltage of the oscillation circuit 40 are in phase.
  • a phase shift circuit may be provided after the oscillation circuit 40 or the differential amplifier circuit 50.
  • the output voltage of the oscillation circuit 40 superimposed on the detection output and applied to the input terminal of the differential amplifier circuit 50 is sufficiently large, so that the differential amplifier circuit 50 operates stably and the drift generated at the output is reduced. It becomes very small.
  • the output of the differential amplifier circuit 50 is connected to the input terminal of the detection circuit 60, and the output of the oscillation circuit 40 is detected as a detection signal.
  • the output of the detection circuit 60 is
  • the output of the output amplifying circuit 70 is connected to the input terminal of an output amplifying circuit 70 including a smoothing circuit, and the output of the output amplifying circuit 70 is a DC voltage proportional to the rotational angular velocity.
  • the angular velocity can be known from the magnitude of this value, and an angular velocity detector (gyroscope) can be realized.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a detection circuit in the second embodiment
  • FIG. 5 is a perspective view showing a quartz oscillator in the second embodiment
  • FIG. 6 shows the arrangement and interconnection of the electrodes of the oscillator. It is sectional drawing.
  • the crystal resonator shown in FIG. 5 is an X-cut crystal resonator similar to the first embodiment.
  • the crystal unit includes branches 19 and 20 and a base 21, and electrodes are formed on the branches 19 and 20.
  • the electrode 1 is provided on one of the surfaces parallel to the Y'Z 'plane of one branch 19 of the tuning fork, and the electrode 2 is provided on the opposite surface.
  • an electrode 26 is provided on one of the surfaces parallel to the XY 'plane, and an electrode 27 is provided on the opposite surface.
  • the other branch 20 is provided with electrodes 7, 8, 9, 10, 11, 12 similarly to the first embodiment of FIG.
  • the electrodes 1 and 2, the electrodes 26 and 27, the electrodes 7 and 8 are connected to each other in the vibrator, and the terminals 16 and 25 are provided. Further, as in the first embodiment, a terminal 13 connected to the electrode 9 and the electrode 12 and a terminal 14 connected to the electrode 10 and the electrode 11 1. are provided.o
  • the terminals 13, 14, 16, and 25 of the crystal unit 30 are connected to the oscillation circuit 40. That is, terminals 13 and 14 are connected to the output of inverter 46 via resistors 43 and 44 of oscillation circuit 40. Terminal 16 is connected to the output of inverter 46 and terminals 25 To the input of the Inverter 46. As a result, the excitation voltage of the oscillation circuit 40 is applied only to the branch 19 of the crystal resonator shown in FIG. 5, thereby increasing the stability of oscillation.
  • the terminals 13 and 14 of the crystal unit 30 are connected to the input of the differential amplifier circuit 50.
  • Differential amplifier circuit 50 and detector circuit 60 The circuit configuration and operation of the power amplifier circuit 70 are the same as in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a detection circuit in the third embodiment
  • FIG. 8 is a perspective view showing a vibrator in the third embodiment
  • FIG. 9 is a sectional view showing electrode arrangement and interconnection of the vibrator. It is.
  • the crystal unit shown in Fig. 8 rotates the XY plane by 2 to 10 ° and the YZ plane by 50 to 60 ° with respect to the X axis (electric axis), and supports the X, Y, and Z axes.
  • the X-axis, Y'-axis, and Z'-axis are the axes to be cut, and the crystal is cut along the Z'Y 'plane, and the electrode arrangement that causes expansion and contraction in the Z' direction to the neutral plane 81 of the vibration.
  • This is a so-called NT-cut crystal resonator.
  • the crystal unit consists of branches 1.9, 20 and base 21. Electrodes are formed on the branches 19 and 20.
  • the electrode 1 is provided on one of the surfaces parallel to the X'Y 'plane of one branch 19 of the tuning fork, and the electrode 2 is provided on the opposite surface.
  • An electrode 7 is provided on one of the surfaces parallel to the X'Y 'plane of the other branch portion 20 of the tuning fork, and an electrode 8 is provided on the opposite surface.
  • electrodes 1 and 2 and electrodes 7 and 8 are connected to each other in the crystal unit, and terminals 16 and 15 are provided, respectively.
  • the electrodes 3 and 4 are provided on one of the surfaces parallel to the Z'Y 'plane of the branch 19, and the electrodes 5 and 6 are provided on the opposite surfaces.
  • the electrodes 9 and 10 are provided on one of the surfaces parallel to the Z'Y 'plane of the branch portion 20, and the electrodes 11 and 12 are provided on the opposite surface. Then, the electrodes 3, 6, 6, 10, and 11, the electrodes 4, 5, 5, 12, and 9 are connected to each other in the vibrator, and the terminals 14, 13 are provided.
  • terminals 13 and 14 of the crystal unit 30 are connected to the oscillation circuit 40. That is, terminal 13 is connected to the output of inverter 46, and terminal 14 is connected to the input of inverter 46. Terminals 15 and 16 are connected to the input of differential amplifier circuit 50.
  • FIG. 10 is a sectional view showing the electrode arrangement and interconnection of the vibrator.
  • the crystal resonator according to this embodiment is an NT pump crystal resonator similar to the third embodiment.
  • an electrode 1 is provided on one of the surfaces parallel to the X'Y 'plane of one branch 19 of the tuning fork, and an electrode 2 is provided on the opposite surface.
  • An electrode 7 is provided on one of the surfaces parallel to the X'Y 'plane of the other branch portion 20 of the tuning fork, and an electrode 8 is provided on the opposite surface. Then, electrodes 1 and 2 and electrodes 7 and 8 are connected to each other in the crystal unit, and terminals 16 and 15 are provided, respectively.
  • electrodes 3 and 4 are provided on one of the surfaces parallel to the Z'Y 'plane of branch 19, and electrode 27 is provided on the opposite surface.
  • electrodes 9 and 10 are provided on one of the surfaces parallel to the 0'Y 'plane of the branch portion 20, and the electrode 2.4 is provided on the opposite surface. Then, the electrodes 3 and 10 and the electrodes 4 and 9 are connected to each other in the vibrator, and terminals 14 and 13 are provided, respectively.
  • the electrodes 24 and 27 are connected to each other.
  • terminals 13 and 14 of the crystal unit 30 are connected to the oscillation circuit 40. That is, terminal 13 is connected to the output of inverter 46, and terminal 14 is connected to the input of inverter 46. Also, terminals 15 and 16 are connected to the inputs of the differential amplifier circuit 50.
  • the circuit configurations and operations of the differential amplifier circuit 50, the detection circuit 60, and the output amplifier circuit 70 are the same as those in the above-described embodiments.
  • Fig. 11 shows the electrode arrangement and interconnection of the transducer in the fifth embodiment.
  • Fig. 12 and Fig. 13 are plan views showing the electrode arrangement of the resonator.
  • Fig. 12 is a front view of the crystal resonator.
  • Fig. 13 is a rear view of the crystal resonator. It is.
  • the crystal resonator of this embodiment is an X-cut crystal resonator.
  • the crystal unit is composed of branches 19 and 20 and a base 21. The end of the base 21 is fixed by a member 22. Electrodes are formed on the branches 19, 20 and the base 21 as shown in FIGS. As shown in Fig. 11, the electrode 1 is provided on one of the surfaces parallel to the Y'Z 'plane of one branch 19 of the tuning fork, and the electrode 3 is provided on one of the planes parallel to the XY' plane. And an electrode 5 is provided on the opposite surface.
  • the electrode 8 is provided on one of the surfaces parallel to the ⁇ ' ⁇ 'plane of the other branch portion 20, the electrodes 9 and 10 are provided on one of the surfaces parallel to the XY' plane, and the electrode 1 is provided on the opposite surface. 1, 1 and 2 are provided. Then, the electrode 1, the electrode 10, and the electrode 12, and the electrode 3, the electrode 5, and the electrode 8 are connected to each other in the crystal resonator, and terminals 13 and 14 are provided, respectively. These electrodes 1, 3, 5, 8, 10, and 12 are electrodes for exciting the crystal resonator. Also, a terminal 16 is provided on the electrode 9 and a terminal 15 is provided on the electrode 11. These electrodes 9 and 11 are electrodes for extracting the generated electric field.
  • terminals 13 and 14 of the crystal unit 30 are connected to the oscillation circuit 40. That is, terminal 13 is connected to the output of inverter 46, and terminal 14 is connected to the input of inverter 46. Also, terminals 15 and 16 are connected to the input of the differential amplifier circuit 50.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the electrode arrangement and interconnection of the vibrator in the sixth embodiment
  • FIGS. 15 and 16 are plan views showing the electrode arrangement of the vibrator.
  • the figure is a front view of the crystal unit
  • FIG. 16 is a rear view of the crystal unit.
  • the crystal resonator of this embodiment is an X-cut crystal resonator.
  • the crystal unit is composed of branches 19, 20 and a base 21.
  • the end of the base 21 is a fixed part 23, and terminals for external connection are formed. Have been. Electrodes are formed on the branches 19 and 20 and the base 21 as shown in FIGS.
  • an electrode 1 is provided on one of the surfaces parallel to the Y'Z 'plane of one branch 19 of the tuning fork, and an electrode 2 is provided on the opposite surface.
  • an electrode 26 is provided on one of the surfaces parallel to the X ⁇ 'plane, and an electrode 27 is provided on the opposite surface.
  • electrodes 9 and 10 are provided on one of the surfaces parallel to the XY ′ plane of the other branch portion 20, and electrodes 11 and 12 are provided on the opposite surface. Then, electrodes 1 and 2 are connected to each other, and electrodes 26 and 27 are connected to each other in the crystal unit, and terminals 13 and 14 are provided, respectively.
  • These electrodes 1, 2, 26, and 27 are electrodes for exciting the crystal resonator.
  • the electrode 9, the electrode 11 and the electrode 2 are connected to each other in the vibrator.
  • the terminal 13 to which these electrodes 2, 9, and 11 are connected is connected to the output of the oscillation circuit 40 shown in FIG. Therefore, the electrodes 9 and 11 show the same potential as the output voltage of the oscillation circuit.
  • a terminal 15 is provided on the electrode 10 and a terminal 16 is provided on the electrode 12.
  • These electrodes 10 and 12 are electrodes for extracting an electric field generated by rotation.
  • the terminals 15 and 16 have an output in which the generated electric field is superimposed on the output of the oscillation circuit 40. Is obtained.
  • the present embodiment is established even if the electrode arrangement of the branch portion 19 is rotated 90 ° left and right. PT / JP9301668
  • terminals 13 and 14 of the crystal 1 element 30 are connected to the oscillation circuit 40. That is, terminal 13 is connected to the output of inverter 46, and terminal 14 is connected to the input of inverter 46. Also, terminals 15 and 16 are connected to the input of the differential amplifier circuit 50.
  • the output of the differential amplifier circuit 50 is purely dependent on the electric field generated by the angular velocity ⁇ , since the output of the oscillation circuit 40 is subtracted.
  • the circuit configurations and operations of the differential amplifier circuit 50, the detection circuit 60, and the output amplifier circuit 70 are the same as those in the above-described embodiments.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing the electrode arrangement and interconnection of the vibrator according to the seventh embodiment
  • FIGS. 18, 19 and 20 are plan views showing the electrode arrangement of the vibrator.
  • FIG. 18 is a front view of the crystal unit
  • FIG. 19 is a side view
  • FIG. 20 is a rear view.
  • the crystal resonator of this embodiment is an X-cut crystal resonator, and includes branch portions 19 and 20, a base portion 21 and a fixed portion 23 as shown in FIG. Electrodes are formed on the branches 19, 20 and the base 21 as shown in FIG. 18, FIG. 19, and FIG.
  • the electrode 1 is provided on one of the surfaces parallel to the ⁇ ′ ⁇ ′ plane of the branch 19 of the tuning fork, the electrode 2 is provided on the opposite surface, and further parallel to the XY ′ plane.
  • the electrode 26 is provided on one of the surfaces, and the electrode 27 is provided on the opposite surface.
  • the electrode 7 is provided on one of the surfaces parallel to the ⁇ ' ⁇ 'plane of the other branch portion 20.
  • the electrodes 28 and 29 are provided on the opposite surface.
  • electrode 1 and electrode 2, electrode 2 6 and the electrode 2 7 respectively provided terminals 1 4 1 3 connected to 1 have within the crystal oscillator to.
  • the electrodes 1, 2, 26, and 27 are electrodes for exciting the crystal resonator.
  • the electrode 7 is connected to the electrodes 26 and 27.
  • the terminal 13 to which these electrodes 26, 27 and 7 are connected is connected to the output of the oscillation circuit 40 in FIG. 7, as described later. Therefore, the electrode 7 has the same potential as the output voltage of the oscillation circuit 40. Also, a terminal 15 is provided on the electrode 28, and a terminal 16 is provided on the electrode 29. These electrodes 28 29 are electrodes for extracting the electric field generated by rotation. As described above, since the electrode 7 has the same potential as the output of the oscillation circuit 40, an output in which the generated electric field is superimposed on the output of the oscillation circuit 30 is obtained at the terminals 15 and 16. In addition, in FIG. 17, the present embodiment is satisfied even if the electrode arrangement of the branch portion 19 is rotated 90 ° left and right.
  • terminals 13 and 14 of the crystal unit 30 are connected to the oscillation circuit 40. That is, terminal 13 is connected to the output of inverter 46, and terminal 14 is connected to the input of inverter 46. Also, terminals 15 and 16 are connected to the inputs of the differential amplifier circuit 50.
  • the circuit configurations and operations of the differential amplifier circuit 50, the detection circuit 60, and the output amplifier circuit 70 are the same as those in the above-described embodiments.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing the arrangement and connection of the electrodes of the vibrator in the eighth embodiment
  • FIGS. 22 and 23 are plan views showing the arrangement of the electrodes of the vibrator. Is a front view of the crystal unit
  • FIG. 23 is a rear view.
  • the crystal resonator of this embodiment is an X-cut crystal resonator, and includes branch portions 19 and 20, a base portion 21 and a fixed portion 23 as shown in FIG. Electrodes are formed on the branches 19 and 20 and the base 21 as shown in FIGS.
  • an electrode 1 is provided on one of the parallel surfaces on the Y'Z 'plane of one branch 19 of the tuning fork, and an electrode 2 is provided on the opposite surface.
  • an electrode 26 is provided on one of the surfaces parallel to the XY 'plane, and an electrode 27 is provided on the opposite surface.
  • the electrode is placed on one of the surfaces parallel to the XY 'plane of the other branch 20.
  • the electrode 12 is provided on the opposite surface, and the electrode 7 is provided on a surface parallel to the Y′Z ′ plane. Then, the electrodes 1 and 2 and the electrodes 26 and 27 are connected to each other in the crystal unit, and terminals 14 and 13 are provided, respectively. These electrodes 1, 2, 26, and 27 are electrodes for exciting the crystal resonator.
  • the electrode 7 is connected to the electrodes 26 and 27.
  • the terminal 13 to which these electrodes 26, 27, and 7 are connected is connected to the output of the oscillation circuit 40 in FIG. 7 as described later. Therefore, the electrode 7 has the same potential as the output voltage of the oscillation circuit 40. Also, a terminal 15 is provided on the electrode 10 and a terminal 16 is provided on the electrode 12.
  • These electrodes 10 and 12 are electrodes for extracting an electric field generated by rotation. As described above, since the electrode 7 has the same potential as the output of the oscillation circuit 40, an output in which the generated electric field is superimposed on the output of the oscillation circuit 40 is obtained at the terminals 15 and 16. In addition, in FIG. 21, the present embodiment is established even if the electrode arrangement of the branch portion 19 is rotated 90 ° left and right.
  • terminals 13 and 14 of the crystal unit 30 are connected to the oscillation circuit 40. That is, terminal 13 is connected to the output of inverter 46, and terminal 14 is connected to the input of inverter 46. Also, terminals 15 and 16 are connected to the inputs of the differential amplifier circuit 50.
  • the circuit configuration and operation of the differential amplifier circuit 50, the detection circuit 60, and the output amplifier circuit 70 are the same as those in the above-described embodiments.
  • an inverter is configured by a CM0S transistor as an inverting amplifier, but all other circuits may be configured by a CMOS transistor. It is.
  • the example of the crystal oscillator whose oscillation frequency is around 32 KHz is shown.However, even if the oscillator has a higher frequency band, the oscillation circuit can be oscillated with the same configuration by selecting the frequency. It is.
  • the substrate material of the resonator was quartz
  • a single crystal of lithium tantalate, a single crystal of lithium niobate, and a single crystal of lithium borate were used.
  • a material having piezoelectricity such as a crystal may be used, and a vibrator may be formed by applying or bonding a piezoelectric material to a silicon substrate.
  • a tuning fork type vibrator has been described as an example, the present invention can be applied to a vibrating piece that performs bending vibration.
  • Example 1 and Example 2 are based on Claim 1.
  • Embodiment 3 and Embodiment 4 are based on claim 2.
  • Embodiment 5 is based on claim 3.
  • Example 6 is based on claim 4.
  • Embodiment ⁇ is based on claim 5.
  • Embodiment 8 is based on claim 6.
  • each embodiment is intended to illustrate the invention and not to limit the invention.
  • INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the angular velocity detection circuit of the present invention can be used in an inertial navigation system of an airplane or a ship, or a virtual reality head-mount display, a mouse of a personal computer, or a video camera. It can be suitably used for hand-held devices and small devices such as small robots.

Description

明 糸田 書 角速度検出回路 発明の背景
[発明の技術分野]
本発明は、 振動子で構成された角速度センサーを用いて回転角速度 を検出する検出回路に関し、 測定精度が高く 、 かつ、 量産に適した 回転角速度の検出回路に関する。
[背景技術]
従来から飛行機や船舶の慣性航法装置として、 機械式の回転型ジ ャィ ロス —プが使われている。 これは安定した性能を持つもので あるが、 装置が大きく なり、 価格も高く 、 小型機器へ組み込むこ と が困難である。
また、 近年、 物体を振動させて、 振動する物体上の検出素子から コ リオリ の力を検出する振動型角速度センサ一の実用化が進んでお り、 これはジャイロスコープを構成する質量を、 一定の振動数で振 動させているものである。 質量に回転力が加わると、 コ リオリの力 が、 質量の振動と直角の方向に同じ振動数で生じる。 この力による 質量の振動を検出するこ とによって角速度を測定するのが、 振動型 角速度セ ンサ一の原理である。
上記の原理による角速度センサーを用いた角速度の検出回路は、 例えば特開平 3— 1 7 2 7 1 1号公報で開示されている。 この公報 に記載の振動子は、 駆動部分と検知部分とを直交した形で接合した 振動ュニッ トを、 連結プロッ クで連結して音叉構造にした複合振動 子である。
従来、 振動子と してはエリ ンバーなどの恒弾性金属、 または P Z T系の圧電セラ ミ ックを用いている。 恒弾性金属を用いた振動子の 場合は、 駆動および検出のため、 金属の表面に電極を形成し、 その 上に薄い圧電素子を接着し、 さらにその上に電極を形成している。
振動子を発振させる発振回路は、 原理的には増幅器と帰還回路と で構成される。 一般に、 増幅器の増幅率を α、 増幅器の位相遅れを θ 1、 帰還回路の伝達率を 3、 位相遅れを 0 2とすると、 発振回路 の発振条件は
i I · I yS I > 1 (1 )
0 1 + 0 2 = 3 60° (2)
である。
従来は角速度回路を構成する発振回路において、 発振条件の第 （ 2 ) 式を満たすために、 増幅回路で位相を 1 8 0° 遅らせ、 さ らに 複数の抵抗と容量を組み合わせた移相回路で 9 0° 遅らせ、 最後に 抵抗と圧電素子自身の容量で 90° 遅らせることにより 1ループの 位相遅れを 36 0 ° にしている。
従来の角速度検出回路は、 上述したように移相回路を必要と し、 さ らに抵抗と圧電素子自身の容量による移相シフ トを必要とする。 このため、 温度の変化に伴う移相回路の定数変化によつて帰還回路 の伝達率 ; S、 移相遅れ 02が変化し、 発振が不安定になる。 ひいて は回転力が加わつたとき、 コ リオリの力によって振動子に発生する 振動も不安定になり、 検波回路出力に ドリフ トが発生し、 精度が著 し く悪く なるという問題がある。
また、 移相回路の複数の抵抗により帰還回路の伝達率 Sが低く な るので、 上記発振条件の第 （ 1 ) 式を満たすために、 増幅器の増幅 率 αを大き く したり、 複数個の増幅器を設けたりする必要がある。 さ らに、 帰還回路の伝達率 5を一定に保って発振を安定化するため に、 基準電圧発生回路などが必要となり、 検出回路が複雑化すると いう問題がある。
本発明は、 これらの問題を解決するためになされたものであり、 簡単な構成で高安定に発振する^ 回路を備えた、 測定精度が高く かつ、 量産に適した回転角速度の検出回路を提供することを目的と する。
[発明の開示]
本発明の角速度検出回路は、 振動子を励振するために第 1の電極 を設け、 回転による発生電界を取り出すために第 1 の電極と直角方 向に第 2の電極を設けた水晶振動子と、 水晶振動子の第 1 の電極を 入力に、 第 2の電極を出力に接続した反転増幅器を有する発振回路 と、 水晶振動子の第 2の電極を入力に接続した差動増幅回路と、 差 動増幅回路の出力を入力と し発振回路出力を検波信号とする検波回 路と、 検波回路出力を入力とする出力増幅回路とを備えた構成と し
"Iめる Q
また、 本発明の角速度検出回路は、 振動子を励振するために平行 な二面に第 1の電極を設け、 回転による発生電界を取り出すために 第 1 の電極と直角方向に第 2の電極を設けた水晶振動子と、 水晶振 動子の第 1の電極の一部を入力に、 第 1 の電極の他の部分を出力に 接続した反転増幅器を有する発振回路と、 水晶振動子の第 2の電極 を入力に接続した差動増幅回路と、 差動増幅回路の出力を入力と し 発振回路出力を検波信号とする検波回路と、 検波回路出力を入力と する出力増幅回路とを備えた構成と してある。
また、 本発明の角速度検出回路は、 振動子を励振するために第 1 の電極と、 第 1 の電極と直角方向に第 2の電極を設け、 回転による 発生電界を取り出すために第 2の電極の一部と同一面上に第 3の電 極を設けた水晶振動子と、 水晶振動子の第 1電極を入力に、 第 2の 電極を出力に接続した反転増幅器を有する発振回路と、 水晶振動子 の第 3の電極を入力とする差動増幅回路と、 差動増幅回路の出力を 入力と し発振回路出力を検波信号とする検波回路と、 検波回路出力 を入力とする出力増幅回路とを備えた構成と してある。
また、 本発明の角速度検出回路は、 振動子を励振するために第 1 の電極と、 第 1 の電極と直角方向に第 2の電極を設け、 回転による 発生電界を取り出すために第 2の電極に接続された第 3の電極およ び第 3の電極の反対面上に第 4の電極と、 第 3の電極と同一面上に 第 5の電極と、 第 4の電極と同一面上に第 6の電極を設けた水晶振 動子と、 水晶振動子の第 1 の電極を入力に、 第 2の電極を出力に接 続した反転増幅器を有する発振回路と、 水晶振動子の第 5の電極と 第 6の電極を入力に接続した差動増幅回路と、 差動増幅回路の出力 を入力と発振回路出力を検波信号とする検波回路と、 検波回路出力 を入力とする出力増幅回路とを備えた構成と してある。
また、 本発明の角速度検出回路は、 振動子を励振するために第 1 の電極と、 第 1 の電極と直角方向に第 2の電極を設け、 回転による 発生電界を取り出すために第 2の電極に接続された第 3の電極と、 第 3の電極の反対面上に第 4の電極および第 5の電極を設けた水晶 振動子と、 水晶振動子の第 1 の電極を入力に、 第 2の電極を出力に 接続した反転増幅器を有する発振回路と、 水晶振動子の第 4の電極 と第 5の電極を入力に接続した差動増幅回路と、 差動増幅回路の出 力を入力と し発振回路出力を検波信号とする検波回路と、 検波回路 出力を入力とする出力増幅回路とを備えた構成と してある。
さ らに、 本発明の角速度検出回路は、 振動子を励振するために第 1 の電極と、 第 1 の電極と直角方向に第 2の電極を設け、 回転によ る発生電界を取り出すために第 2の電極に接続された第 3の電極と. 第 3の電極と直角方向に第 4の電極と、 第 4の電極の反対面上に第 5の電極を設けた水晶振動子と、 水晶振動子の第 1 の電極を入力に. 第 2の電極を出力に接続した反転増幅器を有する発振回路と、 水晶 振動子の第 4の電極と第 5の電極を入力に接続した差動増幅回路と. 差動増幅回路の出力を入力と し発振回路出力を検波信号とする検波 回路と、 検波回路出力を入力とする出力増幅回路とを備えた構成と し 乙め O o
本発明は、 水晶振動子及び反転増幅器によつて上記のように構成 した発振回路を用いているので、 周波数 3 2 K H z近傍で発振する 水晶振動子の場合、 帰還回路の増幅率 1 I は 0 . 2〜 0 . 9程度 になり、 位相遅れ 0 2はほぼ 1 8 0 ° になる。 また、 これにより高 い周波数帯でも、 周波数を選択することにより同じような条件を得 ることができる。 一方、 反転増幅器の増幅率は一般に 2 0〜 3 0 d b以上あり、 3 0 K H z程度の周波数では、 一般の反転増幅器の位 相回転はほとんど 1 8 0 ° に近いから、 第 （ 1 ) 式および第 （ 2 ) 式の発振条件を満足する。
従って、 本発明の角速度検出回路においては、 発振回路の帰還部 に移相回路を必要とせず、 移相回路の特性変動による伝達率の低下 や位相遅れの変動がないので高安定な発振が行なわれる。 また、 発 振出力に検出出力を重畳して差動増幅回路を安定に動作させている, これにより、 検波回路出力に ドリフ 卜が発生したりするこ とがなぐ. 測定精度を著しく高めることができる。 さらに、 回路構成が簡単で あり、 量産にも適している。 図面の簡単な説明 第 1図は、 本発明の第一の実施例における検出回路を示す回路図 であり、 第 2図は、 本発明の第一の実施例における水晶振動子を示 す斜視図であり、 第 3図は、 本発明の第一の実施例における水晶振 動子の電極を示す断面図であり、 第 4図は、 本発明の第二の実施例 における検出回路を示す回路図であり、 第 5図は、 本発明の第二の 実施例における水晶振動子を示す斜視図であり、 第 6図は、 本発明 の第二の実施例における水晶振動子の電極を示す断面図であり、 第 7図は、 本発明の第三の実施例における検出回路を示す回路図であ り、 第 8図は、 本発明の第三の実施例における水晶振動子を示す斜 視図であり、 第 9図は、 本発明の第三の実施例における振動子の電 極を示す断面図であり、 第 1 0図は、 本発明の第四の実施例におけ る水晶振動子の電極を示す断面 6であり、 第 1 1図は、 本発明の第 五の実施例における水晶振動子の電極を示す断面図であり、 第 1 2 図は、 本発明の第五の実施例における水晶振動子の前面図であり、 第 1 3図は、 本発明の第五の実施例におげる水晶振動子の背面図で あり、 第 1 4図は、 本発明の第六の実施例における水晶振動子の電 極を示す断面図であり、 第 1 5図は本発明の第六の実施例における 水晶振動子の前面図であり、 第 1 6図は、 本発明の第六の実施例に おける水晶振動子の背面図であり、 第 1 7図は本発明の第七の実施 例における水晶振動子の電極を示す断面図であり、 第 1 8図は、 本 発明の第七の実施例における水晶振動子の前面図であり、 第 1 9図 は、 本発明の第七の実施例における水晶振動子の側面図であり、 第 2 0図は、 本発明の第七の実施例における水晶振動子の背面図であ り、 第 2 1図は、 本発明の第八の実施例における水晶振動子の電極 を示す断面図であり、 第 2 2図は、 本発明の第八の実施例における 水晶振動子の前面図であり、 第 2 3図は、 本発明の第八の実施例に おける水晶振動子の背面図である。 発明を荬施するための最自の形熊 以下、 本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。
第 1図は本発明の第一の実施例における検出回路を示す回路図、 第 2図は第一の実施例における振動子を示す斜視図、 第 3図は振動 子の電極の配置と相互接続を示す断面図である。
図 2に示す水晶振動子は、 X軸 （電気軸） に関して、 X Y面を 0 〜 1 0 ° 回転して Y軸 （機械軸） Y ' 軸とした X Y ' 面で水晶を切 断し、 Y ' 軸方向の伸縮を振動の中立面 8 1 (図 3 ) の両側に起こ させる電極配置をしたもので、 いわゆる Xカ ツ ト水晶振動子である, こ こに Y ' 軸に直交する Z軸 （光軸） を Z ' 軸とする。 水晶振動子 は枝部 1 9， 2 0と基部 2 1 からなる音叉型であり、 一つの水晶基 板から写真製版とエツチング技術、 あるいはワイヤ一ソ一加工技術 によって一体に形成されている。
第 3図に示すように、 音叉の一方の枝部 1 9の Y ' Z ' 面に平行 な面の一つに電極 1を設け、 反対面に電極 2を設ける。 また、 音叉 の他方の枝部 2 0の Y ' Z ' 面に平行な面の一つに電極 7を設け、 反対面に電極 8を設ける。 そ して電極 1 と電極 2、 電極 7 と電極 8 を水晶振動子内で互いに接続し、 それぞれ端子 1 6、 1 5を設ける, さ らに、 枝部 1 9の X Y' 面に平行な面の一つに電極 3、 4を設け. 反対面に電極 5、 6を設ける。 さ らに枝部 2 0の X Y ' 面に平行な 面の一つに電極 9、 1 0を設け、 反対面に電極 1 1、 1 2を設ける < そ して電極 3 と電極 6、 電極 4と電極 5、 電極 9 と電極 1 2、 電極 1 0 と電極 1 1 を振動子内で互いに接続し、 それぞれに端子 1 7、 1 8、 1 3、 1 4を設ける。 これらの電極 1〜 1 2は、 ク ロムと金 ( A u ) などの金属膜を真空蒸着法により形成している。
第 1図に示すように、 水晶振動子 3 0の端子 1 3〜 1 8を発振回 路 4 0に接続する。 すなわち、 端子 1 3、 1 4を発振回路 4 0の抵 抗 4 4、 4 3を介して、 C M O S トランジスタ （相補型電界効果 ト ラ ンジスタ） で構成された反転増幅器であるイ ンバータ 4 6の出力 に接続し、 端子 1 5をイ ンバータ 4 6の入力に接続する。 そして端 子 1 6をイ ンバータ 4 6の出力に接続する。 また端子 1 7、 1 8を 抵抗 4 1、 4 2を介してイ ンバー夕 4 6の入力に接続する。 この抵 抗 4 1、 4 2は、 第 2図の水晶振動子の例えば基部 2 1 に、 薄膜抵 抗と して設けてもよい。 こ こに反転増幅器の例と して C M O S トラ ンジスタからなるイ ンバータを示したが、 入力抵抗が高い増幅器な ら何でもよい。 抵抗 4 5は帰還抵抗 R f であり、 コ ンデンサ 4 7、 4 8はそれぞれ入力容量 C i n、 出力容量 C o u n t であって、 水 晶振動子 3 0と共に帰還回路を形 する。
この構成は前記の発振条件の第 （ 1 ) 式、 第 （ 2 ) 式を満たすの で、 電圧を印加すると、 第 3図の実線の矢印の方向に電界が印加さ れ、 発振回路が発振を始め、 すぐに定常状態になり、 第 2図の X軸 方向に特定の共振周波数で自励振動する。
水晶振動子の Y' 軸まわりに角速度 ωの回転力が加わると、 これ に応じてコ リオリの力 F cが、 音叉の両方の枝部 1 9、 2 0に対し V Z' 面に平行な面内に互いに反対方向に発生する。
こ こで、 振動している枝部の振動の速度 Vを
v = a * s i n o) o t 3)
a ： 振動の速度振幅
ω。 ： 振動の角周波数
とすれば、 一つの枝部に働く コリオ リの力 F cは下記めようになる, Ρ ο = 2ηιω ν = 2ηιω · a · s i η ωσ 1 ( 4ゾ
m ： 振動部の質量
角速度 ωによるコ リオリの力で振動子の枝部が変形することによ り、 第 3図の破線の矢印のように電界が発生して、 端子 1 3、 1 4 に検出出力を生じ、 第 1図にて発振回路 40の出力に重畳して差動 増幅回路 5 0の入力に印加される。 差動増幅回路 5 0の出力は、 発 振回路 4 0の出力が差し引かれて、 純粋に角速度 ωによる発生電界 に依存する ものになる。
差動増幅回路 5 0の出力電圧の位相と発振回路 4 0の出力電圧の 位相は同じでなければならないが、 本実施例の検出回路においては 差動増幅回路 5 0が移相回路を兼ねており、 差動増幅回路 50の出 力電圧と発振回路 40の出力電圧は位相が合っている。 しかし必要 に応じて、 発振回路 4 0または差動増幅回路 5 0の後に移相回路を 設けてもよい。
検出出力に重畳して差動増幅回路 50の入力端子に印加される発 振回路 4 0の出力電圧は十分大きいので、 差動増幅回路 5 0は安定 に動作し、 出力に発生する ドリフ トが非常に小さく なる。 差動増幅 回路 5 0の出力は検波回路 6 0の入力端子に接続され、 発振回路 4 0の出力を検波信号と して検波される。 検波回路 6 0の出力は、 平 滑回路を含む出力増幅回路 7 0の入力端子に接続され、 出力増幅回 路 7 0の出力は回転角速度に比例した直流電圧となる。 この値の大 きさから回転角速度を知るこ とができ、 角速度検出装置 （ジャイ ロ スコープ） を実現できる。
次に、 本発明の第二の実施例を図面にもとづいて説明する。
第 4図は第二の実施例における検出回路を示す回路図、 第 5図は 第二の実施例における水晶振動子を示す斜視図、 第 6図は振動子の 電極の配置と相互接続を示す断面図である。
第 5図の水晶.振動子は、 第一の実施例と同じく X力 ッ ト水晶振動 子である。 水晶振動子は枝部 1 9、 20と基部 2 1からなり、 枝部 1 9 , 2 0に電極を形成する。 第 6図に示すように、 音叉の一方の 枝部 1 9の Y' Z ' 面に平行な面の一つに電極 1を設け、 反対面に 電極 2を設ける。 さらに、 XY' 面に平行な面の一つに電極 2 6を 設け、 反対面に電極 2 7を設ける。 また、 他方の枝部 20には、 第 3図の第一の実施例と同じょうに、 電極 7、 8、 9、 1 0、 1 1、 1 2を設ける。 そして電極 1 と電極 2、 電極 26と電極 2 7と電極 7 と電極 8を振動子内で互いに接続し、 それぞれ端子 1 6、 2 5を 設ける。 さ らに第一の実施例と同じょうに、 電極 9 と電極 1 2に接 続する端子 1 3 と、 電極 1 0と電極 1 1.に接続する端子 1 4を設け る o
第 4図に示すように、 水晶振動子 30の端子 1 3、 1 4、 1 6、 2 5を発振回路 40に接続する。 すなわち端子 1 3、 1 4を発振回 路 4 0の抵抗 4 3、 4 4を介して、 イ ンバー夕 46の出力に接続し. 端子 1 6をイ ンバータ 46の出力に接続し、 端子 2 5をィ ンバ一夕 4 6の入力に接続する。 これにより、 発振回路 40による励振電圧 が第 5図の水晶振動子の枝部 1 9のみに加わるようにして、 発振の 安定度を高めている。
また、 第 4図にて、 水晶振動子 3 0の端子 1 3、 1 4を差動増幅 回路 5 0の入力に接続する。 差動増幅回路 5 0と検波回路 6 0と出 力増幅回路 70の回路構成と動作については、 第一の実施例と同じ である。
次に、 本発明の第三の実施例を図面にもとづいて説明する。
第 7図は第三の実施例における検出回路を示す回路図、 第 8図は 第三の実施例における振動子を示す斜視図、 第 9図は振動子の電極 配置と相互接続を示す断面図である。
第 8図に示す水晶振動子は、 X軸 （電 軸） に関して、 XY面を 2〜 1 0 ° 回転し、 Y Z面を 50〜 60° 回転して、 X軸、 Y軸、 Z軸に対応するそれぞれの軸を X' 軸、 Y' 軸、 Z ' 軸と して、 Z' Y' 面で水晶を切断し、 Z' 方向の伸縮を振動の中立面 8 1に起こ させる電極配置をしたもので、 いわゆる NTカ ッ ト水晶振動子であ る。 水晶振動子は枝部 1.9、 20と基部 2 1からなる。 この枝部 1 9、 20に電極を形成する。
第 9図に示すように、 音叉の一方の枝部 1 9の X' Y' 面に平行 な面の一つに電極 1を設け、 反対面に電極 2を設ける。 また、 音叉 の他方の枝部 2 0の X' Y ' 面に平行な面の一つに電極 7を設け、 反対面に電極 8を設ける。 そ して、 電極 1と電極 2、 電極 7と電極 8を水晶振動子内で互いに接続し、 それぞれ端子 1 6、 1 5を設け る。 さらに、 枝部 1 9の Z ' Y ' 面に平行な面の一つに電極 3、 4 を設け、 反対面に電極 5、 6を設ける。 さらに枝部 2 0の Z ' Y ' 面に平行な面の一つに電極 9、 1 0を設け、 反対面に電極 1 1、 1 2を設ける。 そ して電極 3と電極 6 と電極 1 0と電極 1 1、 電極 4 と電極 5 と電極 1 2と電極 9を振動子内で互いに接続し、 それぞれ 端子 1 4、 1 3を設ける。
第 7図に示すように、 水晶振動子 30の端子 1 3、 1 4を発振回 路 4 0に接続する。 すなわち端子 1 3をイ ンバー夕 46の出力に接 続し、 端子 1 4をイ ンバー夕 46の入力に接続する。 また、 端子 1 5、 1 6を差動増幅回路 5 0の入力に接続する。
水晶振動子の Y' 軸のまわりに角速度 ωの回転力が加わると、 コ リォリの力が生じて第 9図の破 rffe矢印のように電界が発生し、 端 子 1 5、 1 6に出力を生じて、 第 7図の差動増幅回路 5 0の入力端 子に、 発振回路 4 0の出力に重畳して印加される。 差動増幅回路 5 0の出力は発振回路 4· 0の出力が差し引かれて、 純粋に角速度 ωに よる発生電界に依存するものになる。 差動増幅回路 5 0、 検波回路 6 0、 出力増幅回路 7 0の回路構成と動作は既述の実施例と同じで do ^> ο
次に、 本発明の第四の実施例を図面にもとづいて説明する。
第 1 0図は振動子の電極配置と相互接続を示す断面図である。 この実施例の水晶振動子は、 第三の実施例と同様に N T力ッ 卜水 晶振動子である。 第 1 0図に示すように、 音叉の一方の枝部 1 9の X ' Y ' 面に平行な面の一つに電極 1を設け、 反対面に電極 2を設 ける。 また、 音叉の他方の枝部 2 0の X ' Y ' 面に平行な面の一つ に電極 7を設け、 反対面に電極 8を設ける。 そ して、 電極 1 と電極 2、 電極 7 と電極 8を水晶振動子内で互いに接続し、 それぞれ端子 1 6、 1 5を設ける。 さらに、 枝部 1 9の Z ' Y ' 面に平行な面の 一つに電極 3、 4を設け、 反対面に電極 2 7を設ける。 さ らに枝部 2 0の∑ ' Y ' 面に平行な面の一つに電極 9、 1 0を設け、 反対面 に電極 2 .4を設ける。 そして電極 3 と電極 1 0、 電極 4と電極 9を 振動子内で互いに接続し、 それぞれ端子 1 4、 1 3を設ける。 また 電極 2 4 と電極 2 7を互いに接続する。
先の第 7図に示すように、 水晶振動子 3 0の端子 1 3、 1 4を発 振回路 4 0に接続する。 すなわち端子 1 3をィ ンバ一夕 4 6の出力 に接続し、 端子 1 4をイ ンバータ 4 6の入力に接続する。 また、 端 子 1 5、 1 6を差動増幅回路 5 0の入力に接続する。 差動増幅回路 5 0、 検波回路 6 0、 出力増幅回路 7 0の回路構成と動作は既述の 実施例と同じである。
次に、 本発明の第五の実施例を図面にもとづいて説明する。
第 1 1 図は第五の実施例における振動子の電極配置と相互接続を 示す断面図、 第 1 2図と第 1 3図は振動子の電極配置を示す平面図 であって、 第 1 2図は水晶振動子の前面図、 第 1 3図は水晶振動子 の背面図である。
この実施例の水晶振動子は Xカ ツ ト水晶振動子である。 第 1 2図 に示すように、 水晶振動子は枝部 1 9、 20と基部 2 1とからなり . 基部 2 1の末端は部材 22によって固定されている。 枝部 1 9、 2 0、 基部 2 1に電極を第 1 2図、 第 1 3図に示すよ うに形成する。 第 1 1図に示すように、 音叉の一方の枝部 1 9の Y' Z ' 面に平 行な面の一つに電極 1を設け、 XY' 面に平行な面の一つに電極 3 を設け、 反対面に電極 5を設ける。 また、 他方の枝部 20の Υ' Ζ' 面に平行な面の一つに電極 8を設け、 XY' 面に平行な面の一つに 電極 9、 1 0を設け、 反対面に電極 1 1、 1 2を設ける。 そして、 電極 1 と電極 1 0と電極 1 2、 電極 3と電極 5と電極 8を水晶振動 子内で互いに接続し、 それぞれ端子 1 3、 1 4を設ける。 これら電 極 1、 3、 5、 8、 1 0、 1 2が水晶振動子を励振するための電極 である。 また、 電極 9に端子 1 6を設け、 電極 1 1に端子 1 5を設 ける。 これらの電極 9、 1 1が発生電界を取り出すための電極であ ο
先の第 7図に示すように、 水晶振動子 30の端子 1 3、 1 4を発 振回路 4 0に接続する。 すなわち端子 1 3をィ ンバ一夕 4 6の出力 に接続し、 端子 1 4をイ ンバータ 4 6の入力に接榱する。 また、 端 子 1 5、 1 6を差動増幅回路 50の入力に接続する。
水晶振動子の Y' 軸まわりに角速度 ωの回転力が加わると、 コ リ ォ リの力が生じて、 音叉の枝部 1 9、 2 0に第 1 1図の破線の矢印 のように電界が発生し、 端子 1 5、 1 6に検出出力を生じて、 第 7 図の差動増幅回路 5 0の入力端子に、 発振回路 30の出力に重畳し て印加される。 差動増幅回路 50の出力は、 発振回路 40の出力が 差し引かれて、 純粋に角速度 ωによる発生電界に依存する ものにな る。 差動増幅回路 50、 検波回路 6 0、 出力増幅回路 7 0の回路構 成と動作は既述の実施例と同じである。
次に、 本発明の第六の実施例を図面にもとづいて説明する。
第 1 4図は第六の実施例における振動子の電極配置と相互接続を 示す断面図、 第 1 5図と第 1 6図は振動子の電極配置を示す平面図 であって、 第 1 5図は水晶振動子の前面図、 第 1 6図は水晶振動子 の背面図である。
この実施例の水晶振動子は Xカ ツ ト水晶振動子である。 第 1 5図 に示すように、 水晶振動子は枝部 1 9、 2 0 と基部 2 1 とからなり . 基部 2 1 の末端は固定部 2 3になって、 外部接続用の端子が形成さ れている。 枝部 1 9、 2 0 と、 基部 2 1 に電極を第 1 5図、 第 1 6 図に示すように形成する。
第 1 4図に示すように、 音叉の一方の枝部 1 9の Y ' Z ' 面に平 行な面の一つに電極 1を設け、 反対面に電極 2を設ける。 さらに X Υ ' 面に平行な面の一つに電極 2 6を設け、 反対面に電極 2 7を設 ける。 また、 他方の枝部 2 0の X Y ' 面に平行な面の一つに電極 9、 1 0を設け、 反対面に電極 1 1、 1 2を設ける。 そ して、 電極 1 と 電極 2、 電極 2 6 と電極 2 7を水晶振動子内で互いに接続し、 それ ぞれ端子 1 3、 1 4を設ける。 これらの電極 1、 2、 2 6、 2 7が 水晶振動子を励振するための電極で.ある。 また、 電極 9 と電極 1 1 と電極 2を振動子内で互いに接続する。 後に述べるように、 これら の電極 2、 9、 1 1の接続された端子 1 3は、 先の第 7図に示す発 振回路 4 0の出力に接続される。 したがって、 電極 9 と電極 1 1 と は、 発振回路の出力電圧と同じ電位を示す。 また、 電極 1 0に端子 1 5を設け、 電極 1 2に端子 1 6を設ける。 これらの電極 1 0、 1 2が、 回転による発生電界を取り出すための電極である。 前述のよ うに、 電極 9と電極 1 1 とが発振回路 4 0の出力と同電位になるた め、 端子 1 5、 端子 1 6には発振回路 4 0の出力に発生電界が重畳 された出力が得られる。 なお第 1 4図にて、 枝部 1 9の電極配置を 左右に 9 0 ° 回転しても本実施例は成立する。 P T/JP9301668
先の第 7図に示すように、 水晶1 ^動子 30の端子 1 3、 1 4を発 振回路 4 0に接続する。 すなわち端子 1 3をイ ンバータ 4 6の出力 に接続し、 端子 1 4をイ ンバ一タ 4 6の入力に接続する。 また、 端 子 1 5、 1 6を差動増幅回路 50の入力に接続する。
電圧を印加すると、 第 1 4図の実線の矢印の方向に電界が印加さ れ、 発振回路は発振を開始してすぐに定常状態になり、 第 1 5図の X軸方向に、 一定の共振周波数で自励振動する。 水晶振動子の Y' 軸まわり に角速度 ωの回転力が加わると、 コ リオリの力が生じて、 音叉の枝部 1 9、 20に第 1 4図の破線の矢印のように電界が発生 し、 端子 1 5、 1 6に検出出力を生じて、 第 7図の差動増幅回路 5 0の入力に、 発振回路 40の出力に重畳して印加される。 差動増幅 回路 50の出力は発振回路 4 0の出力が差し引かれて、 純粋に角速 度 ωによる発生電界に依存するものになる。 差動増幅回路 5 0、 検 波回路 6 0、 出力増幅回路 7 0の回路構成と動作は既述の実施例と 同じである。
次に、 本発明の第七の実施例を図面にもとづいて説明する。
第 1 7図は第七の実施例の振動子の電極配置と相互接続を示す断 面図、 第 1 8図と第 1 9図と第 2 0図は振動子の電極配置を示す平 面図であって、 第 1 8図は水晶振動子の前面図、 第 1 9図は側面図. 第 2 0図は背面図である。
この実施例の水晶振動子は Xカ ツ ト水晶振動子であり、 第 1 8図 に示すように枝部 1 9、 2 0と基部 2 1、 固定部 2 3とからなる。 枝部 1 9、 20と、 基部 2 1 に電極を第 1 8図、 第 1 9図、 第 2 0 図に示すように形成する。
第 1 7図に示すように、 音叉の枝部 1 9の Υ' Ζ ' 面に平行な面 の一つに電極 1を設け、 反対面に電極 2を設け、 さ らに X Y' 面に 平行な面の一つに電極 26を設け、 反対面に電極 2 7を設ける。 ま た、 他方の枝部 2 0の Υ' Ζ ' 面に平行な面の一つに電極 7を設け. 反対面に電極 2 8、 2 9を設げる。 そして、 電極 1 と電極 2、 電極 2 6 と電極 2 7を水晶振動子内で1 いに接続してそれぞれ端子 1 4 1 3を設ける。 この電極 1、 2、 2 6、 2 7が水晶振動子を励振す るための電極である。 また、 電極 2 6 と電極 2 7に電極 7を接続す る。 これらの電極 2 6、 2 7、 7の接続された端子 1 3は、 後述す るように第 7図の発振回路 4 0の出力に接続される。 従って、 電極 7は発振回路 4 0の出力電圧と同じ電位を示す。 また、 電極 2 8 に 端子 1 5を設け、 電極 2 9に端子 1 6を設ける。 これらの電極 2 8 2 9が回転による発生電界を取り出すための電極である。 上記のよ うに、 電極 7が発振回路 4 0の出力と同電位になるため、 端子 1 5 端子 1 6 には発振回路 3 0の出力に発生電界が重畳された出力が得 られる。 なお第 1 7図にて、 枝部 1 9の電極配置を左右に 9 0 ° 回 転しても本実施例は成立する。
先の第 7図に示すように、 水晶振動子 3 0の端子 1 3、 1 4を発 振回路 4 0に接続する。 すなわち端子 1 3をイ ンバ一タ 4 6の出力 に接続し、 端子 1 4をイ ンバータ 4 6の入力に接続する。 また、 端 子 1 5、 1 6を差動増幅回路 5 0の入力に接続する。 差動増幅回路 5 0、 検波回路 6 0、 出力増幅回路 7 0の回路構成と動作は既述の 実施例と同じである。
次に、 本発明の第八の実施例を図面にもとづいて説明する。
第 2 1図は第八の実施例における振動子の電極配置と接続を示す 断面図、 第 2 2図と第 2 3図は振動子の電極配置を示す平面図であ つて、 第 2 2図は水晶振動子の前面図、 第 2 3図は背面図である。
この実施例の水晶振動子は Xカ ツ 卜水晶振動子であり、 第 2 2図 に示すように枝部 1 9、 2 0 と基部 2 1、 固定部 2 3 とからなる。 枝部 1 9、 2 0 と、 基部 2 1 に電極を第 2 2図、 第 2 3図に示すよ うに形成する。
第 2 1 図に示すように、 音叉の一方の枝部 1 9の Y ' Z ' 面に平 行な面の一つに電極 1 を設け、 反対面に電極 2を設ける。 さ らに、 X Y ' 面に平行な面の一つに電極 2 6を設け、 反対面に電極 2 7を 設ける。 また、 他方の枝部 2 0の X Y ' 面に平行な面の一つに電極
1 0を設け、 反対面に電極 1 2を設け、 さらに Y ' Z ' 面に平行な 面に電極 7を設ける。 そして、 電極 1 と電極 2、 電極 2 6 と電極 2 7を水晶振動子内で互いに接続し、 それぞれ端子 1 4、 1 3を設け る。 この電極 1、 2、 2 6、 2 7が水晶振動子を励振するための電 極である。 また、 電極 2 6 と電極 2 7に電極 7を接続する。 これら の電極 2 6、 2 7、 7の接続された端子 1 3は、 後に述べるように 第 7図の発振回路 4 0の出力に接続される。 従って、 電極 7は発振 回路 4 0の出力電圧と同じ電位を示す。 また、 電極 1 0に端子 1 5 を設け、 電極 1 2 に端子 1 6を設ける。 これらの電極 1 0、 1 2が 回転による発生電界を取り出すための電極である。 前述のように、 電極 7が発振回路 4 0の出力と同電位になるため、 端子 1 5、 端子 1 6には発振回路 4 0の出力に発生電界が重畳された出力が得られ る。 なお、 第 2 1図にて、 枝部 1 9の電極配置を左右に 9 0 ° 回転 しても本実施例は成立する。
先の第 7図に示すように、 水晶振動子 3 0の端子 1 3、 1 4を発 振回路 4 0に接続する。 すなわち端子 1 3をイ ンバータ 4 6の出力 に接続し、 端子 1 4をイ ンバータ 4 6の入力に接続する。 また、 端 子 1 5、 1 6を差動増幅回路 5 0の入力に接続する。 差動増幅回路 5 0、 検波回路 6 0、 出力増幅回路 7 0め回路構成と動作は既述の 実施例と同じである。
以上に説明した実施例では、 反転増幅器として C M 0 S トラ ンジ ス夕でイ ンバ一タを構成した例を示したが、 他の回路をすベて C M O S 卜ラ ンジス夕で構成することも可能である。
また、 実施例では、 発振周波数が 3 2 K H z近傍の水晶振動子の 例を示したが、 これより高い周波数帯の振動子でも、 周波数を選択 すれば、 同じ構成の発振回路で発振が可能である。
また、 振動子の基板材料が水晶である例を示したが、 タ ンタル酸 リ チウム単結晶や、 ニオブ酸リチウム単結晶や、 ホウ酸リ チウム単 結晶などの圧電性を備えた材料 よく 、 さ らに、 シ リ コ ン基板に 圧電性材料を塗布または接着して振動子を形成してもよい。 また、 振動子と して音叉型のものを例に説明したが、 屈曲振動を行なう音 片でも本発明を適用するこ とができ る。
理解の便のために、 上述の実施例と本発明の請求項との関連を揚 げておく 。 実施例 1 と実施例 2は請求項 1にもとづく ものである。 実施例 3 と実施例 4は請求項 2にもとづく ものである。 実施例 5は 請求項 3 にもとづく ものである。 実施例 6は請求項 4にもとづく も のである。 実施例 Ίは請求項 5にもとづく ものである。 実施例 8は 請求項 6 にもとづく ものである。 と もより各実施例は発明を例示す る ものであって、 限定する ものでない。 産業 卜の利用可能件 以上のように本発明の角速度検出回路は、 飛行機や船舶の慣性航 法装置に、 また、 バーチャルリア リ ティ 一のヘッ ドマウ ン トディ ス ブレイ， パソコ ンのマウス， ビデオカメ ラの手触れ装置， 及び小型 ロボッ ト等の小型機器に好適に用いるこ とができる。

Claims

請求 の 範 囲
1 . 振動子を励振するために第 1 の電極を設け、 回転による発生電 界を取り出すために第 1の電極と直角方向に第 2の電極を設けた水 晶振動子と、
水晶振動子の第 1の電極を入力に、 第 2の電極を出力に接続した 反転増幅器を有する発振回路と、 水晶振動子の第 2の電極を入力に 接続した差動増幅回路と、 差動増幅回路の出力を入力と し発振回路 出力を検波信号とする検波回路と、 検波回路出力を入力とする出力 増幅回路とを備えたこ とを特徴とする角速度検出回路。
2 . 振動子を励振するために平行な二面に第 1 の電極を設け、 回転 による発生電界を取り出すために第 1の電極と直角方向に第 2の電 極を設けた水晶振動子と、
水晶振動子の第 1の電極の一部を入力に、 第 1の電極の他の部分 を出力に接続した反転増幅器を有する発振回路と、 水晶振動子の第 2の電極を入力に接続した差動増幅回路と、 差動増幅回路の出力を 入力と し発振回路出力を検波信号とする検波回路と、 検波回路出力 を入力とする出力増幅回路とを備えたこ とを特徴とする角速度検出 回路。
3 . 振動子を励振するために第 1 の電極と、 第 1 の電極と直角方向 に第 2の電極を設け、 回転による発生電界を取り出すために第 2の 電極の一部と同一面上に第 3の電極を設けた水晶振動子と、
水晶振動子の第 1電極を入力に、 第 2の電極を出力に接続した反 転増幅器を有する発振回路と、 水晶振動子の第 3の電極を入力とす る差動増幅回路と、 差動増幅回路の出力を入力とし発振回路出力を 検波信号とする検波回路と、 検波回路出力を入力とする出力増幅回 路とを備えたこ とを特徴とする角速度検出回路。
4 . 振動子を励振するために第 1 の電極と、 第 1の電極と直角方向 に第 2の電極を設け、 回転による発生電界を取り出すために第 2の 電極に接続された第 3の電極および第 3の電極の反対面上に第 4の 電極と、 第 3の電極と同一面上に第 5の電極と、 第 4の電極と同一 面上に第 6の電極を設けた水晶振動子と、
水晶振動子の第 1の電極を入力に、 第 2の電極を出力に接続した 反転増幅器を有する発振回路と、 水晶振動子の第 5の電極と第 6の 電極を入力に接続した差動増幅回路と、 差動増幅回路の出力を入力 と発振回路出力を検波信号とする検波回路と、 検波回路出力を入力 とする出力増幅回路とを備えたことを特徴とする角速度検出回路。
5 . 振動子を励振するために第 1 の電極と、 第 1 の電極と直角方向 に第 2の電極を設け、 回転による発生電界を取り出すために第 2の 電極に接続された第 3の電極と、 第 3の電極の反対面上に第 4の電 極および第 5の電極を設けた水晶振動子と、
水晶振動子の第 1の電極を入力に、 第 2の電極を出力に接続した 反転増幅器を有する発振回路と、 水晶振動子の第 4の電極と第 5の 電極を入力に接続した差動増幅回路と、 差動増幅回路の出力を入力 と し発振回路出力を検波信号とする検波回路と、 検波回路出力を入 力とする出力増幅回路とを備えたこ とを特徴とする角速度検出回路 <
6 . 振動子を励振するために第 1の電極と、 第 1の電極と直角方向 に第 2の電極を設け、 回転による発生電界を取り出すために第 2の 電極に接続された第 3の電極と、 第 3の電極と直角方向に第 4の電 極と、 第 4の電極の反対面上に第 5の電極を設けた水晶振動子と、 水晶振動子の第 1の電極を入力に、 第 2の電極を出力に接続した 反転増幅器を有する発振回路と、 水晶振動子の第 4の電極と第 5の 電極を入力に接続した差動増幅回路と、 差動増幅回路の出力を入力 どし発振回路出力を検波信号とする検波回路と、 検波回路出力を入 力とする出力増幅回路とを備えたこ とを特徴とする角速度検出回路,
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