JP2002107148A

JP2002107148A - 角速度測定装置

Info

Publication number: JP2002107148A
Application number: JP2000295555A
Authority: JP
Inventors: Shoji Yokoi; 昭二横井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2002-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】振動子に加えられている回転の回転角速度を検
出するための角速度測定装置において、０点温度ドリフ
トを抑制する新たな方法を提供する。【解決手段】角速度測定装置１１は、振動子１、振動子
１に駆動振動を励振するための自励発振回路５、振動子
１を駆動させるための信号からの派生信号Ｂの位相を移
相角１００−１７０°変化させ、移相信号Ｃを得るため
の移相回路６、および振動子１の検出手段４から発生す
る出力信号Ｘを移相信号Ｃを用いて検波するための検波
回路８を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動子に加えられ
ている回転の回転角速度を検出するための振動型ジャイ
ロスコープに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】振動型ジャイロスコープにおいては、温
度変化、湿度変化などの要因によって、ドリフトが発生
し、検出信号の精度が低下することが知られている。特
開平８−１４９１５号公報には、振動型ジャイロスコー
プにおいて、検出信号から、寄生振動による偽信号成分
を除去することが開示されている。この方法において
は、自励発振回路によって振動子に駆動振動を励振する
のと共に、振動ジャイロからのフィードバック信号を増
幅し、このフィードバック信号を９０°前後移相し、移
相後のフィードバック信号と、振動子からの出力信号と
を合成する。出力信号中には、真正の検出信号の他に、
駆動振動からの漏れ信号と、寄生振動による偽信号成分
とが含まれている。寄生振動による偽信号成分と、移相
後のフィードバック信号とは、位相が順相であるか、あ
るいは逆相（１８０°相違）になっている。そこで、移
相後のフィードバック信号と、振動子からの出力信号と
を合成する際に、移相後のフィードバック信号と寄生振
動による偽信号成分とを相殺できる。これによって、回
転角速度が０の場合の偽出力、つまり０点温度ドリフト
を最小限に抑制しようとしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この振動型ジ
ャイロスコープにおいては、移相後のフィードバック信
号と、振動子からの出力信号とを合成する合成回路が必
要である。また、この合成の際に、寄生振動による偽信
号成分と移相後のフィードバック信号との振幅が大きく
異なっていると、寄生振動による偽信号成分の消去がほ
とんど行われないはずである。このため、合成の際に、
寄生振動による偽信号成分を消去するためには、フィー
ドバック信号の増幅率を適切に設定する必要がある。

【０００４】しかし、例えば車体制御システムにおいて
は、振動型ジャイロスコープは、幅広い環境温度、即ち
高温と低温とにさらされる。このような使用温度範囲
は、−４０℃〜＋８５℃の範囲にわたっている。

【０００５】寄生振動による偽信号成分の大きさは、環
境温度変化に応じて大きく変化するので、フィードバッ
ク信号の適切な増幅率も大きく変化するはずである。こ
の増幅率を温度変化に応じて変化させるためには、例え
ば感温抵抗あるいは温度センサーと、Ｄ／Ａコンバータ
ーと、所定の計算手段とが必要となる。振動型ジャイロ
スコープの補正回路がこのように多部品となり、大型化
することは、コストとスペースの観点から避けるべきで
ある。

【０００６】本発明の課題は、振動子に加えられている
回転の回転角速度を検出するための角速度測定装置であ
って、振動子、振動子に駆動振動を励振するための自励
発振回路、および振動子の検出手段から発生する出力信
号を移相信号を用いて検波するための検波回路を備えて
いる角速度測定装置において、０点温度ドリフトを抑制
する新たな方法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、振動子に加え
られている回転の回転角速度を検出するための角速度測
定装置であって、振動子、振動子に駆動振動を励振する
ための自励発振回路、振動子を駆動させるための信号か
らの派生信号の位相を移相角１００−１７０°変化さ
せ、移相信号を得るための移相回路、および振動子の検
出手段から発生する出力信号を移相信号を用いて検波す
るための検波回路を備えていることを特徴とする。

【０００８】以下、本発明の原理について説明する。

【０００９】図１は、本発明の装置１１のブロック図で
ある。振動子１には、所定の駆動手段２、検出手段４が
設けられている。駆動手段２には、外部の自励発振回路
５が接続されている。自励発振回路それ自体の動作は周
知である。まず、自励発振回路５を駆動し、振動子１を
所定周波数で励振する。この駆動信号をＡとする。Ａの
波形は限定されないが、好ましくは正弦波、余弦波ある
いは矩形波である。

【００１０】この駆動信号Ａから派生信号Ｂを分岐させ
る。この派生信号は、図１の例では、振動子１側から発
生した信号から派生したフィードバック信号である。し
かし、この派生信号の派生の方式は特に限定されない。
派生信号は、そのもととなる駆動信号Ａと同じ周波数と
位相とを有している。図２（ａ）には、派生信号Ｂを模
式的に示す。

【００１１】一方、図１に示すように、振動子１の検出
手段４からの出力信号を増幅器７によって増幅する。こ
の出力信号Ｘは、真正の検出信号Ｄの他、漏れ信号Ｅ
と、後述する結合Ｆを含んでいる。

【００１２】真正の検出信号Ｄは、図２（ａ）に示すよ
うに、派生信号Ｂと同じ周波数を有しており、かつ派生
信号Ｂとは９０°位相がずれているはずである。これ
は、振動子が、コリオリ力を利用して回転角速度の検出
を行っているからである。

【００１３】これに対して、駆動信号Ａによって振動子
内に引き起こされた駆動振動は、そのまま機械的に振動
子を伝搬して検出手段４に伝わり、検出手段４からの出
力信号内に漏れ信号Ｅを発生させる。漏れ信号Ｅの位相
は、そのもととなる駆動信号および派生信号の位相と同
じである。

【００１４】これらの各信号の位相の関係を図２（ｂ）
に示す。派生信号Ｂと漏れ信号Ｅとは同位相であり、真
正の検出信号Ｄの位相は９０°ずれている。

【００１５】ここで、従来、漏れ信号をカットするため
に移相回路６を用いていた。即ち、派生信号Ｂを９０°
移相させることによって、移相信号Ｃを得る。移相信号
Ｃの位相は、漏れ信号Ｅの位相とは９０°ずれているは
ずである。従って、検波回路８に移相信号Ｃを入力し、
出力信号Ｘを検波する。この結果、検波後の出力信号Ｈ
からは、不要な漏れ信号Ｅは消去されており、真正の検
出信号Ｄが得られるはずである。この検波後の出力信号
Ｈを平滑化回路９に入力し、その出力を増幅器１０で増
幅する。

【００１６】しかし、この方法によれば、漏れ信号に付
随して発生する結合成分Ｆの影響をカットすることがで
きない。この結果、特に、目的温度範囲が広い場合、例
えば−４０℃から＋８５℃にわたるような場合には、０
点温度ドリフトが大きくなり、対応困難なことがわかっ
た。

【００１７】この理由は、以下のように考えられる。図
３（ａ）に示すように、出力信号（Ｘ）中には、不要な
漏れ信号Ｅの他に、不要な結合成分Ｆが含まれている。
結合成分Ｆは、主として振動子１内部の結合容量３から
生ずるものと思われる。この結果、不要成分は、漏れ信
号Ｅと結合成分Ｆとの和Ｇとなる。

【００１８】ここで、移相信号Ｃを使用して検波する
と、検波後の出力信号Ｈ中に、Ｚ成分が残留する。Ｚ成
分は、真正の検出信号Ｄと同位相、同周波数であるの
で、両者は分離されないままで一体として出力される。
この結果、検波後の出力信号Ｈは、真正の検出信号とは
食い違った値となる。

【００１９】ここで、Ｚの大きさが常に一定であれば、
Ｚを真正の検出信号Ｄと分離せずに処理しても、測定誤
差には寄与しないはずである。しかし、本発明者が実際
に回転角速度と、検波後の信号Ｈとの関係を調査したと
ころ、検波後の出力信号Ｈは、図３（ｃ）に模式的に示
すように、−４０℃から＋８５℃までの温度変化に応じ
て大きく変化することが判明した。

【００２０】本発明者は、更に漏れ信号Ｅと結合成分Ｆ
との関係を調査した。この結果、図４（ａ）に示すよう
に、漏れ信号Ｅと結合成分Ｆとの合成波Ｇを考えると、
ＥとＧとの位相角αが、温度変化に応じてほとんど変化
せず一定であるか、あるいは、温度変化に応じて一次関
数的に僅かに変化することを発見した。

【００２１】つまり、幅広い温度範囲にわたって、位相
角αがほぼ一定であるか、あるいは非常に小さい傾きの
一次関数に従って変化するのであれば、検波の際の移相
角を制御するだけで、基本的にほぼ温度ドリフトを消去
できるはずである。本発明は、このような発見に基づい
てなされたものである。

【００２２】即ち、ある温度において、図４（ｂ）に示
すように、派生信号Ｂを（９０°＋α）移相し、移相信
号Ｃを得たものとする。すると、不要信号の和Ｇは、移
相信号Ｃに比べて９０°ずれる。従って、移相信号Ｃに
よって出力信号Ｘを検波すると、不要信号Ｇ、即ち漏れ
信号Ｅおよび結合成分Ｆが除去される。

【００２３】ここで、目的温度範囲において、ＧのＥに
対する移相角αがほぼ一定であるものとすると、移相回
路６における移相角は一定に設定すればよい。このよう
な移相角の一定値への設定は、当業者であれば可変抵抗
１２を使用して容易に行える。

【００２４】また、目的温度範囲において、ＧのＥに対
する移相角αが、ほぼ一次関数的に変化するものとす
る。例えば、図５に示すように、αが−４０℃から＋８
５℃の間で変化するものとする。このとき、０℃におけ
る移相角αをａとし、傾きをｂ（ｄｅｇ．／℃）とする
と、−４０℃におけるαは（ａ−４０ｂ）となり、＋８
５℃におけるαは（ａ＋８５ｂ）となる。

【００２５】このような場合には、移相回路６における
移相角を、α＝（ａ＋ｂＴ）（Ｔは摂氏単位での温度）
に従って変化させることによって、理論的には−４０℃
から＋８５℃の目的温度範囲にわたって０点温度ドリフ
トを消去できることになる。このような一次関数的な移
相角の変更は、移相回路６内に感温抵抗１２を追加する
だけで行えるので、比較的に容易であり、スペースとコ
ストとを必要としない。

【００２６】移相回路における派生信号の移相角を１０
０°以上とすることによって、結合成分Ｆの除去を効果
的に行える。この観点からは、移相角を１１０°以上と
することが好ましい。また、移相回路における派生信号
の移相角を１７０°以下とすることによって、結合成分
Ｆだけでなく、漏れ信号Ｅの除去も効果的に行える。移
相角が大きくなり過ぎると、漏れ信号Ｅの検波による除
去が困難になってくるからである。この観点からは、移
相角を１４０°以下とすることが好ましい。

【００２７】振動子の構成は特に限定されない。振動子
は、エリンバー等の恒弾性合金から構成することがで
き、この場合には振動子上に多結晶圧電素子を設け、駆
動手段、検出手段を構成する。好ましくは、振動子が圧
電性単結晶からなり、振動子に、駆動振動を励起するた
めの駆動電極と、検出振動を検出するための検出電極と
を設ける。圧電性単結晶には、水晶、ＬｉＴａＯ₃ 単結
晶、ＬｉＮｂＯ₃ 単結晶などがある。

【００２８】以下、具体的な実験結果を示す。水晶振動
子１を、図１に示すような回路に接続した。振動子１
を、２３ｋＨｚの周波数で自励振した。これと共に振動
子１からの出力Ｘを、検波前に、ロックインアンプに接
続し、ロックインアンプからのｘ方向、ｙ方向の出力を
測定した。この際の回転角速度は０とした。環境温度
は、−４０℃と＋８５℃との間で変化させた。そして、
ロックインアンプからのｘ方向の出力を、図６の縦軸に
（ｍＶ）単位で記録し、ｙ方向の出力を横軸に（ｍＶ）
単位で記録した。図６における「室温」は２５℃であ
る。縦軸の出力値は、図４において、漏れ信号Ｅ（検波
前）に該当する。横軸の出力値は、真正の検出信号Ｄお
よび結合成分Ｆに該当する。しかし、回転角速度は０で
あるので、実際には横軸の出力値は、結合成分Ｆのみを
反映しているはずである。

【００２９】この結果から分かるように、増幅後（検波
前）の漏れ信号Ｅは、約０．３ｍＶから約−３．２ｍＶ
の間で大きく変化している。ここで、横軸の出力値は、
約−２．７から約−１．６ｍＶで変化している。

【００３０】従来のように、派生信号Ｂの信号を９０°
移相させて検波を行うと、図６において縦軸方向の変化
は消去され、横軸方向の変化のみが残る。従って、温度
ドリフトＰは、約１．１ｍＶとなるはずである。

【００３１】これに対して、本発明に従い、移相角αを
９０＋２５°に設定し、検波を行ったものとする。この
際、−４０℃から＋８５℃まで移相角αは一定値にす
る。すると、温度ドリフトは、Ｑのようになり、約０．
４ｍＶとなる。

【００３２】更に、−４０℃と＋８５℃との間におい
て、αはほぼ一次関数的に増加する傾向のあることが、
図６から明らかに読み取れる。従って、αを温度に応じ
て一次関数的に増加させることによって、温度ドリフト
を一層低減させ得ることは明らかである。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、振
動子に加えられている回転の回転角速度を検出するため
の角速度測定装置であって、振動子、振動子に駆動振動
を励振するための自励発振回路、および振動子の検出手
段から発生する出力信号を移相信号を用いて検波するた
めの検波回路を備えている角速度測定装置において、０
点温度ドリフトを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】角速度測定装置の回路構成を示すブロック図で
ある。

【図２】（ａ）は、派生信号Ｂ、検出信号Ｄ、漏れ信号
Ｅの波形の一例を示すグラフであり、図２（ｂ）は各信
号Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの各位相の関係を示す図である。

【図３】（ａ）−（ｃ）は、従来法によって温度ドリフ
トが増大する理由を説明する図である。

【図４】（ａ）、（ｂ）は、本発明例の検波プロセスを
説明する図である。

【図５】温度と移相角αとの関係を示すグラフである。

【図６】−４０℃−＋８５℃における、検波前の出力信
号Ｘの２つの出力成分の変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１振動子２駆動手段３結合容量４検出手段５自励発振回路６移
相回路７、１０増幅器８検波回路
１１角速度測定装置１２感温抵抗ま
たは可変抵抗Ａ駆動信号Ｂ派生信
号Ｃ移相信号Ｄ検出信号Ｅ
漏れ信号Ｆ結合成分Ｇ漏れ信号Ｅと結合成分Ｆとの和Ｈ検波後
の出力信号Ｘ検波前の出力信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子に加えられている回転の回転角速度
を検出するための角速度測定装置であって、振動子、前記振動子に駆動振動を励振するための自励発振回路、前記振動子を駆動させるための信号からの派生信号の位
相を移相角１００−１７０°変化させ、移相信号を得る
ための移相回路、および前記振動子の検出手段から発生
する出力信号を前記移相信号を用いて検波するための検
波回路を備えていることを特徴とする、角速度測定装
置。
【請求項２】前記角速度測定装置の目的温度範囲におい
て、前記移相角を略一定に保持することを特徴とする、
請求項１記載の装置。
【請求項３】前記角速度測定装置の目的温度範囲におい
て、前記移相角を、環境温度の一次関数として変化させ
ることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項４】前記移相回路が、前記環境温度に応じて抵
抗が一次関数的に変化する感温抵抗を備えていることを
特徴とする、請求項３記載の装置。