JP2002228450A - ジャイロ装置およびそれを用いた電子装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 角速度情報をＳ／Ｎの悪化を招かない形でデ
ジタル信号として出力することのできるジャイロ装置お
よびそれを用いた電子装置を提供する。 【解決手段】 平滑増幅回路１０の出力と振動子２の駆
動信号を元に生成した三角波を比較回路１４で比較する
ことによって、角速度情報とジャイロ装置の温度情報を
含むパルス幅変調信号を出力する。 【効果】 駆動電圧の低下に伴うＳ／Ｎの悪化という問
題が発生せず、ＥＭＩノイズに対する耐性も低下しな
い。また、分解能をほぼ無限に向上させることもでき
る。さらに、温度情報が得られるので、これを用いた温
度補正が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジャイロ装置およ
びそれを用いた電子装置、例えば自動車のナビゲーショ
ンシステムやビデオカメラなどの手ぶれ補正装置などに
用いられるジャイロ装置およびそれを用いた電子装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のナビゲーションシステムやビデ
オカメラなどの手ぶれ補正装置などにはジャイロ装置が
用いられ、その構成としてはさまざまなものが提案され
ている。そして、ジャイロ装置で得られた角速度情報を
デジタル信号として扱うことが多くなっているが、角速
度の情報をデジタル信号として扱うことに関する公知文
献としては、例えば実開平６−３３０２２号公報や特開
平１０−３３２３８１号公報がある。

【０００３】前者はアナログ信号として出力された角速
度情報をＡ／Ｄコンバータでデジタル信号（ビット情
報）に変換し、このデジタル信号をあらかじめ記憶され
ている角速度と雰囲気温度との関係と比較することによ
って、角速度情報の温度補正を行おうというものであ
る。

【０００４】また、後者は、アナログ信号として出力さ
れた角速度情報をＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変
換し、このデジタル信号をあらかじめ記憶された補正デ
ータに基づいてＣＰＵで演算して補正を行い、再度Ｄ／
Ａコンバータでアナログ信号に戻して出力している。こ
れは、アナログ信号による角速度情報の各種の補正が不
十分なところを、デジタル化とＣＰＵによる演算処理に
よって補って、より自由度の高い補正を行うことを目的
としている。

【０００５】このように、従来はアナログ信号をＡ／Ｄ
コンバータを用いてデジタル信号に変換することが一般
的であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ナビゲーシ
ョンシステムや手ぶれ補正装置などに用いられるマイク
ロプロセッサやメモリなどの半導体は、ＰＣ用やゲーム
器用のマイクロプロセッサやメモリとの共通化が進んで
おり、それにしたがって駆動電圧の低下が進んでいる。
例えば、従来は５Ｖだった駆動電圧が３Ｖや２Ｖに低下
していくという傾向がある。

【０００７】しかしながら、従来のＡ／Ｄコンバータを
用いたものの場合には、駆動電圧の低下に伴ってアナロ
グ信号のデジタル化の際の信号のノイズマージンが低下
して、角速度情報のＳ／Ｎの悪化を招くという問題があ
る。また、ＥＭＩノイズに対する耐性も低下するという
問題がある。

【０００８】本発明は上記の問題点を解決することを目
的とするもので、角速度情報をＳ／Ｎの悪化を招かない
形でデジタル信号として出力することのできるジャイロ
装置およびそれを用いた電子装置を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のジャイロ装置は、角速度を検出する角速度
検出手段と、該角速度検出手段で検出された角速度情報
でキャリア信号をパルス幅変調してパルス幅変調信号と
して出力するパルス幅変調手段とを有することを特徴と
する。

【００１０】また、本発明のジャイロ装置は、前記角速
度検出手段が所定の駆動信号で駆動される振動子を有す
るジャイロ装置であって、前記駆動信号から前記キャリ
ア信号を生成するキャリア信号生成手段を有することを
特徴とする。

【００１１】また、本発明のジャイロ装置は、前記パル
ス幅変調信号から角速度情報を復調する復調手段と、前
記パルス幅変調信号から前記キャリア信号の周波数を検
出するキャリア周波数検出手段と、該キャリア周波数検
出手段で検出した周波数を、あらかじめ記憶されている
補正情報と対応させて、前記復調された角速度情報の温
度補正を行う温度補正手段を有することを特徴とする。

【００１２】また、本発明の電子装置は、上記のジャイ
ロ装置を用いたことを特徴とする。

【００１３】このように構成することにより、本発明の
ジャイロ装置においては、角速度情報をＳ／Ｎの良い形
でデジタル信号として出力することができる。

【００１４】また、本発明の電子装置においては、性能
の向上を図ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１に、本発明のジャイロ装置の
一実施例の概略ブロック図を示す。図１において、ジャ
イロ装置１は、振動子の一種である圧電振動子２、抵抗
Ｒ１およびＲ２、加算回路３、移相回路４、ＡＧＣ回路
５、移相回路７、差動回路８、同期検波回路９、平滑増
幅回路１０、波形成形回路１２、三角波発生回路１３、
比較回路１４、出力端子１６から構成されている。

【００１６】ここで、図２に圧電振動子２の構成を示
す。圧電振動子２は、厚み方向に分極されるとともに一
方主面に検出電極２Ｌ、２Ｒが形成された圧電体基板２
Ｕと、厚み方向に分極されるとともに一方主面に共通電
極２Ｃが形成された圧電体基板２Ｄが、中間電極２Ｆを
介して他方主面同士で貼り合わされて構成されている。

【００１７】図１に戻って、このように構成された圧電
振動子２の検出電極２Ｌは、抵抗Ｒ１を介して基準電位
に接続されている。また、圧電振動子２の検出電極２Ｒ
は、抵抗Ｒ２を介して基準電位に接続されている。２つ
の検出電極２Ｌ、２Ｒは、加算回路３に接続され、その
出力は移相回路４とＡＧＣ回路５を順に介して圧電振動
子２の共通電極２Ｃに接続されている。また、同じく２
つの検出電極２Ｌ、２Ｒは、差動回路８に接続され、そ
の出力は同期検波回路９、平滑増幅回路１０を介して比
較回路１４の一方の入力に接続されている。加算回路３
の出力は移相回路７を介して同期検波回路９に接続され
ている。さらに、加算回路３の出力は波形成形回路１２
と三角波発生回路１３を順に介して比較回路１４の他方
の入力に接続されている。比較回路１４の出力は出力端
子１６に接続されている。

【００１８】このように構成されたジャイロ装置１にお
いて、２つの検出電極２Ｌ、２Ｒに発生する電荷は抵抗
Ｒ１、Ｒ２によって電圧に変換され、加算回路３に入力
されて加算され、移相回路４で位相が調節され、ＡＧＣ
回路５で増幅されて共通電極２Ｃに印加される。これに
よって、圧電振動子２は厚み方向（圧電体基板２Ｈ、２
Ｌの厚み方向）に屈曲振動するように自励発振で駆動さ
れる。したがって、加算回路３、位相回路４、および増
幅回路５は圧電振動子駆動手段６を構成している。ま
た、加算回路３、位相回路４、ＡＧＣ回路５から出力さ
れる信号は、位相や振幅などは異なるものの、いずれも
圧電振動子２を駆動するための駆動信号ということがで
きる。

【００１９】このようなジャイロ装置１の厚み方向に屈
曲振動する圧電振動子２は、角速度の印加されない状態
においては、圧電振動子２の厚み方向の屈曲振動によっ
て２つの検出電極２Ｌ、２Ｒで発生する信号が一致する
ように、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の抵抗値が設定されて
いる。

【００２０】そして、ジャイロ装置１の厚み方向に屈曲
振動する圧電振動子２に、その長手方向に平行な軸を回
転の軸とする角速度が印加されると、圧電振動子２はコ
リオリ力によって幅方向（圧電体基板２Ｈ、２Ｌの幅方
向）にも屈曲振動する。これによって、２つの検出電極
２Ｌ、２Ｒで発生する信号にも、コリオリ力に応じて互
いに逆方向の変化が生じる。

【００２１】２つの検出電極２Ｌ、２Ｒで発生した信号
は差動回路８にも入力されて、その差の信号（差動信
号）が出力される。この差動信号はコリオリ力に応じた
ものとなる。差動信号は同期検波回路９に入力される。
一方、加算回路３から出力された信号は移相回路７で位
相が調整された上で同期検波回路９に同期信号として入
力される。同期検波回路９に入力された差動信号は同期
信号にしたがって同期検波され、平滑増幅回路１０で平
滑・増幅され、角速度に応じてレベルの変化するアナロ
グ信号として比較回路１４に入力される。すなわち、平
滑増幅回路１０から出力されるアナログ信号には角速度
情報が含まれていることになる。したがって、移相回路
７、差動回路８、同期検波回路９、平滑増幅回路１０は
コリオリ力検出手段１１を構成している。また、振動子
２、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、圧電振動子駆動手段６、コリ
オリ力検出手段１１はいわゆる振動ジャイロ方式の角速
度検出手段を構成している。

【００２２】加算回路３から出力された信号は波形成形
回路１２にも入力される。加算回路３から出力された信
号は波形成形回路１２で矩形波信号に成形され、さらに
三角波発生回路１３で三角波信号に成形され、比較回路
１４に入力される。このとき、三角波発生回路１３は、
最大値と最小値が入力される矩形波信号の周波数に依存
せず、周波数の変化に応じて傾きが変化するような回路
であることが望ましい。

【００２３】比較回路１４は三角波発生回路１３から入
力された三角波信号と平滑増幅回路１０から入力された
コリオリ力に応じた信号を比較し、三角波信号がコリオ
リ力に応じた信号よりレベルが低いときにはＬレベル、
レベルが高いときにはＨレベルとなるデジタル信号とし
て出力端子１６から出力する。三角波信号が常に一定の
波形を保つのに対して、コリオリ力に応じた信号は角速
度の大きさにしたがってレベルが変化する。そのため、
比較回路１４から出力されるデジタル信号は、角速度の
大きさに応じて周波数は変化せず、デューティの変化す
るパルス幅変調信号となる。したがって、波形成形回路
１２、三角波発生回路１３、比較回路１４はパルス幅変
調手段１５を構成していることになる。また、波形成形
回路１２から出力される矩形波信号は、パルス幅変調さ
れる前のキャリア信号であり、また加算回路３から出力
された駆動信号から生成されたものである。そして、波
形成形回路１２はキャリア信号生成手段と言える。

【００２４】ここで、図３に、ジャイロ装置１から出力
されるパルス幅変調信号の波形と角速度との関係を示
す。図３（ａ）は角速度＝ゼロの時、（ｂ）は角速度＝
ω１の時、（ｃ）は角速度＝−ω１の時の波形である。
このように、角速度＝ゼロの時はデューティ＝５０の矩
形波となるのに対して、例えば角速度＝ω１の時はデュ
ーティー＝６６の矩形波となり、逆に角速度＝−ω１の
時はデューティ＝３３の矩形波となり、角速度に応じて
デューティが変化することが分かる。

【００２５】なお、比較回路１４に入力されるコリオリ
力に応じた信号には駆動信号の周波数の成分は含まれて
いないために、同じく比較回路１４に入力される三角波
信号は位相に関する制限はない。そのため、ジャイロ装
置１においては、加算回路３の出力を駆動信号として波
形成形回路１２に入力しているが、移相回路４やＡＧＣ
回路５の出力を駆動信号として波形成形回路１２に入力
しても構わず、さらには加算回路３に入力される２つの
信号の一方を駆動信号としても構わないものである。

【００２６】このように、本願発明のジャイロ装置１に
おいては、角速度情報をパルス幅変調を行ったデジタル
信号として出力することができる。この場合、Ａ／Ｄコ
ンバータを用いていないために、その分解能が駆動電圧
に依存しない。そのため、駆動電圧の低下に伴うＳ／Ｎ
の悪化という問題は発生せず、ＥＭＩノイズに対する耐
性も低下しない。特に、分解能に関しては、例えば駆動
信号を何度か分周してキャリア信号の周波数を下げるこ
とによって分解能をほぼ無限に向上させることができ、
角速度情報の精度を大幅に向上させることができるとい
う優れたメリットを有している。

【００２７】また、パルス変調のためのキャリア信号を
振動子の駆動信号から生成しているため、キャリア信号
のために独自の信号源を備える必要がなく、デジタル信
号出力構成とすることによるジャイロ装置のコスト上昇
や回路の大型化を最小限にすることができる。

【００２８】なお、上記のジャイロ装置１においては、
振動子２を、その共振周波数を利用して自励発振させて
いるが、キャリア信号を生成するための振動子の駆動信
号を得る手段としては、独立した発振器を利用した他励
発振によって駆動信号を得ているものでも構わないもの
で、自励発振の場合と全く同様の作用効果を奏するもの
である。

【００２９】また、上記のジャイロ装置１においては、
角速度検出手段として振動ジャイロを用い、しかもキャ
リア信号を振動ジャイロの振動子の駆動信号から生成し
ていたが、本発明のジャイロ装置としてはこれに限定さ
れるものではない。

【００３０】例えば、角速度検出手段に加えてキャリア
信号のための独自の信号源をジャイロ装置の内部に備え
ていたり、あるいはジャイロ装置の外部から供給するよ
うな構成であっても構わないものである。ジャイロ装置
の外部からキャリア信号を供給する方法としては、例え
ばナビゲーションシステムのＭＰＵから供給することな
どが考えられる。

【００３１】そして、キャリア信号を振動子の駆動信号
から生成しない場合には、角速度検出手段が振動ジャイ
ロである必要すらなく、回転体ジャイロや光ファイバー
ジャイロなどの振動子（振動質量）を持たない角速度検
出手段であっても構わないものである。

【００３２】ところで、振動ジャイロの振動子を自励発
振で駆動する場合、振動子（すなわち振動ジャイロ）の
動作温度に応じて振動子の共振周波数が変化するため
に、駆動信号の周波数も変化する。これは、振動子の動
作温度と共振周波数（厳密には自励発振の駆動周波数）
との関係があらかじめわかっていれば、キャリア信号、
すなわち駆動信号の周波数を検出して比較することによ
って振動ジャイロの動作温度を知ることができるという
ことを意味している。

【００３３】そして、図１に示したジャイロ装置１にお
いては、出力端子１６からはキャリア信号と同じ周期の
パルス幅変調信号が出力されている。このパルス幅変調
信号からはキャリア信号の周波数を容易に求めることが
できる。したがって、補正情報として振動子２の動作温
度とキャリア信号の周波数との関係をあらかじめ記憶し
ておくことによって、ジャイロ装置１の動作温度を検出
し、それによって動作温度の変化によって発生する角速
度情報の変化に対して補正を行うことができる。

【００３４】なお、角速度検出手段からの出力に含まれ
る角速度情報の補正という見地からすれば、周波数情報
をわざわざ温度情報に変換する必要もない。単純に、周
波数と、この周波数に応じた補正情報があれば、より直
接的に直截的に角速度情報を補正することが可能とな
る。

【００３５】ここで、図４に、ジャイロ装置１から出力
されるパルス幅変調信号の波形と動作温度との関係を示
す。図４（ａ）は温度＝Ｔ０で角速度＝ゼロの時、
（ｂ）は温度＝Ｔ１で角速度＝ゼロの時、（ｃ）は温度
＝Ｔ１で角速度＝ω１の時の波形である。このように、
温度＝Ｔ０で角速度＝ゼロの時にキャリア信号の周波数
＝ｆ１でデューティ＝５０の矩形波となるように設定し
ておくと、例えば温度＝Ｔ１で角速度＝ゼロの時にはキ
ャリア信号の周波数はｆ２に変わるもののデューティは
５０のままである。さらに、温度＝Ｔ１で角速度＝ω１
になると、キャリア信号の周波数＝ｆ２でデューティ＝
６６となり、角速度に応じてデューティが変化するだけ
でなく、温度に応じてキャリア信号の周波数が変化する
ことが分かる。

【００３６】このように、本願発明のジャイロ装置にお
いては、パルス幅変調信号によって角速度情報を出力す
ることができるだけでなく、その周波数によってジャイ
ロ装置の動作温度の情報を出力することができ、１つの
パルス幅変調信号に２つの情報が乗っていることにな
る。

【００３７】なお、上記の説明は振動子を自励発振で駆
動する振動ジャイロを角速度検出手段とするものに関し
ていたが、他励発振の振動ジャイロ、あるいは振動ジャ
イロ以外の角速度検出手段を有するジャイロ装置であっ
ても、ジャイロ装置の中に備えられたキャリア信号のた
めの信号源に、動作温度と発振周波数との関係があらか
じめわかっているものを用いれば、全く同様に周波数に
よって動作温度の情報を出力することができ、角速度情
報の温度補正をすることができるものである。

【００３８】図５に、本発明のジャイロ装置の別の実施
例のブロック図を示す。図５において、ジャイロ装置２
０は、前述の角速度情報の温度補正を行う手段を有する
ジャイロ装置で、図１に示したジャイロ装置１に加え
て、ジャイロ装置１の出力に接続されてパルス幅変調信
号から角速度情報を復調する復調手段２１、同じくジャ
イロ装置１の出力に接続されてパルス幅変調信号からキ
ャリア信号の周波数を検出するキャリア周波数検出手段
２２、キャリア信号の周波数と温度との関係を記憶して
いる記憶手段２３、キャリア周波数検出手段２２で検出
したキャリア信号の周波数と記憶手段２３に記憶されて
いるキャリア信号の周波数と温度との関係にしたがっ
て、復調手段２１で復調された角速度情報の温度補正を
行う温度補正手段２４を備えている。温度補正手段２４
の出力は出力端子２５に接続されている。

【００３９】このように構成されたジャイロ装置２０に
おいては、図１に示したジャイロ装置１においてジャイ
ロ装置の外部に備えられた何らかの回路において行って
いた温度補正を、ジャイロ装置自身で行うことができ
る。

【００４０】もちろん、このような補正をジャイロ装置
を搭載する装置側のＭＰＵとメモリを用いて実施するこ
とも可能である。また、ジャイロ装置の筐体に補正情報
を添付・表示し、この情報をＭＰＵもしくはメモリに供
給・記憶させることも可能である。

【００４１】図６に、本発明の電子装置の一実施例であ
るビデオカメラの斜視図を示す。図６において、ビデオ
カメラ３０は、手ぶれ補正用に本発明のジャイロ装置１
を備えている。

【００４２】このように構成されたビデオカメラ３０に
おいては、Ｓ／Ｎの良い角速度情報がデジタルデータと
して得られ、温度補正の容易なジャイロ装置１を用いて
いるため、性能の向上を図ることができる。

【００４３】なお、本発明の電子装置としては、ビデオ
カメラに限られるものではなく、振動ジャイロを同じく
手ぶれ補正用に用いるデジタルカメラや、位置検出に用
いるナビゲーションシステムなど、振動ジャイロを用い
るあらゆる電子装置を含むものである。

【００４４】

【発明の効果】本発明のジャイロ装置によれば、角速度
を検出する角速度検出手段と、検出された角速度情報で
キャリア信号をパルス幅変調してパルス幅変調信号とし
て出力するするパルス幅変調手段とを有することによっ
て、Ｓ／Ｎの良い角速度情報をデジタル信号として出力
することができる。また、同じデジタル信号からジャイ
ロ装置の温度を検出することができ、角速度情報の温度
補正を容易に行うことができる。

【００４５】また、本発明の電子装置によれば、本発明
のジャイロ装置を用いることによって性能の向上を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のジャイロ装置の一実施例を示す概略ブ
ロック図である。

【図２】図１のジャイロ装置における圧電振動子を示す
斜視図である。

【図３】図１のジャイロ装置から出力されるパルス幅変
調信号を示す波形図である。

【図４】図１のジャイロ装置から出力されるパルス幅変
調信号を示す波形図である。

【図５】本発明のジャイロ装置の別の実施例を示すブロ
ック図である。

【図６】本発明の電子装置の一実施例を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１、２０…ジャイロ装置 ２…圧電振動子 ２Ｌ、２Ｒ…検出電極 ３…加算回路 ４、７…移相回路 ５…増幅回路 ６…圧電振動子駆動手段 ８…差動回路 ９…同期検波回路 １０…平滑増幅回路 １１…コリオリ力検出手段 １２…波形成形回路 １３…三角波発生回路 １４…比較回路 １５…パルス幅変調手段 １６、２５…出力端子 ２１…復調手段 ２２…キャリア周波数検出手段 ２３…記憶手段 ２４…温度補正手段 ３０…ビデオカメラ Ｒ１、Ｒ２…抵抗

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 角速度を検出する角速度検出手段と、 該角速度検出手段で検出された角速度情報でキャリア信
   号をパルス幅変調してパルス幅変調信号として出力する
   パルス幅変調手段とを有することを特徴とするジャイロ
   装置。
2. 【請求項２】 前記角速度検出手段が所定の駆動信号で
   駆動される振動子を有する振動ジャイロであって、 前記駆動信号から前記キャリア信号を生成するキャリア
   信号生成手段を有することを特徴とする、請求項１に記
   載のジャイロ装置。
3. 【請求項３】 前記パルス幅変調信号から角速度情報を
   復調する復調手段と、 前記パルス幅変調信号から前記キャリア信号の周波数を
   検出するキャリア周波数検出手段と、 該キャリア周波数検出手段で検出した周波数を、あらか
   じめ記憶されている補正情報と対応させて、前記復調さ
   れた角速度情報の温度補正を行う温度補正手段を有する
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載のジャイロ
   装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載のジ
   ャイロ装置を用いたことを特徴とする電子装置。