JP2005114436A - Vibration gyro drive and detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ビデオカメラの手振れ検知やカーナビゲーションシステムにおける方向検知や、自動車などの移動体の姿勢制御等に用いられるジャイロ、特に屈曲振動を利用した柱状の振動ジャイロの出力を測定するための振動ジャイロ駆動検出装置に関するものである。 The present invention relates to vibration for measuring the output of a gyroscope used for detecting camera shake of a video camera, direction detection in a car navigation system, attitude control of a moving body such as an automobile, particularly a columnar vibration gyro using bending vibration. The present invention relates to a gyro drive detection device.
従来、このような振動ジャイロとして、三角柱状の振動子に圧電素子を貼り付けたものや、円柱状の振動子に電極を印刷したものが実用化されている。 Conventionally, as such a vibrating gyroscope, those in which a piezoelectric element is attached to a triangular prism-shaped vibrator and those in which electrodes are printed on a cylindrical vibrator have been put into practical use.
図7は、三角柱状の振動子102の側面に圧電素子103aと圧電素子103bと圧電素子103cが形成されてなる振動ジャイロ1を用いた従来の振動ジャイロ駆動検出装置100の構成を示すブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a conventional vibration gyro drive detection device 100 using the
振動ジャイロ駆動検出装置100は、振動ジャイロ101の圧電素子103aと圧電素子103bに接続されたインピーダンス変換回路104と、このインピーダンス変換回路104に接続された加算回路105及び差動増幅回路107と、上記加算回路105に接続された発振回路106と、この発振回路106と上記差動増幅回路107に接続された同期検波回路108と、この同期検波回路108に接続された直流増幅回路109を備え、上記発振回路106が上記振動ジャイロ101の圧電素子103cに接続されている。
The vibration gyro drive detection device 100 includes an
この振動ジャイロ駆動検出装置100では、振動ジャイロ101とインピーダンス変換回路104と加算回路105と発振回路106で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ101は発振し、駆動片として用いられる圧電素子103cの形成面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で、振動ジャイロ101の長軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。これによって、検出片として用いられる圧電素子103aと圧電素子103bの間に出力差が生じ、差動増幅回路107から検出出力が得られる。このとき、振動ジャイロ101を駆動するための信号は、圧電素子103aと圧電素子103bにおいて同相で同じ大きさの信号である。このため、振動ジャイロ101を駆動するための信号は、差動増幅回路107で相殺される。すなわち、差動増幅回路107からは、回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。同期検波回路108は、この差動増幅回路107から出力される回転角速度の大きさに応じた信号を上記発振回路106の出力すなわち上記振動ジャイロ101を駆動するための信号で同期検波する。
In the vibration gyro drive detection device 100, the vibration gyro 101 oscillates by a self-excited oscillation circuit formed by the vibration gyro 101, the
この同期検波回路108による同期検波出力を直流増幅回路109で増幅して測定するqsことにより、振動ジャイロ1に加わった回転角速度を測定することができる。
The rotational angular velocity applied to the
ここで、インピーダンス変換回路104は、入力がハイ・インピーダンスZ2で出力がロー・インピーダンスZ3となっており、圧電素子103aと圧電素子103b間のインピーダンスZ1と加算回路105の入力間のインピーダンスZ4を分離するために用いられている。仮にインピーダンス変換回路104がない場合は、圧電素子103aと圧電素子103b間のインピーダンスZ1と加算回路105の入力間のインピーダンスZ4は分離されず、圧電素子103aと圧電素子103bの間に生じた出力差はZ4/(Z1+Z4)を掛けた大きさになり、インピーダンス変換回路104がある場合に比べて小さくなってしまう。
Here, the
また、図8は、円柱状の振動子112の側面に6つの電極113a,113b,113c,113d,113e,113fが形成されてなる振動ジャイロ111を用いた従来の振動ジャイロ駆動検出装置110の構成を示すブロック図である。
8 shows a configuration of a conventional vibration gyro drive detection device 110 using a vibration gyro 111 in which six
この振動ジャイロ駆動検出装置110において、振動ジャイロ111の電極113a,113b,113cはそれぞれ独立しており、電極113d,113e,113fが共通グランドに接続されている。そして、振動ジャイロ111の電極113aと電極113bにインピーダンス変換回路114が接続され、このインピーダンス変換回路114に加算回路115及び差動増幅回路117接続され、上記加算回路115に発振回路116が接続され、この発振回路116と上記差動増幅回路117に同期検波回路118が接続され、この同期検波回路118に直流増幅回路119が接続され、上記発振回路116が上記振動ジャイロ111の電極113cに接続されている。
In this vibration gyro drive detection device 110, the
この振動ジャイロ駆動検出装置110では、振動ジャイロ111とインピーダンス変換回路114と加算回路115と発振回路116で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ111は発振し、駆動片として用いられる電極113cの側面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で、振動ジャイロ111の長軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。これによって、検出片として用いられる電極113aと電極113bの間に出力差が生じ、差動増幅回路117から検出出力が得られる。このとき、振動ジャイロ111を駆動するための信号は、電極113aと電極113bにおいて同相で同じ大きさである。このため、振動ジャイロ111を駆動するための信号は、差動増幅回路117で相殺される。すなわち、差動増幅回路117からは、回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。同期検波回路118は、この差動増幅回路117から出力される回転角速度の大きさに応じた信号を上記発振回路116の出力すなわち上記振動ジャイロ111を駆動するための信号で同期検波する。
In the vibration gyro drive detection device 110, the vibration gyro 111 oscillates by the self-excited oscillation circuit formed by the vibration gyro 111, the
この同期検波回路118による同期検波出力を直流増幅回路119で増幅して測定することにより、振動ジャイロ111に加わった回転角速度を測定することができる。
The rotational angular velocity applied to the vibration gyro 111 can be measured by amplifying and measuring the synchronous detection output by the
ここで、インピーダンス変換回路114は、入力がハイ・インピーダンスZ12で出力がロー・インピーダンスZ13となっており、電極113aと電極113b間のインピーダンスZ11と加算回路115の入力間のインピーダンスZ14を分離するために用いられている。仮にインピーダンス変換回路114がない場合は、電極113aと電極113b間のインピーダンスZ11と加算回路115の入力間のインピーダンスZ14は分離されず、電極113aと電極113bの間に生じた出力差はZ14/(Z11+Z14)を掛けた大きさになり、インピーダンス変換回路114がある場合に比べて小さくなってしまう(例えば、特許文献1参照)。
Here, the
ところで、上述のような従来から知られている振動ジャイロの出力を検出する振動ジャイロ駆動検出装置では、電源ノイズがインピーダンス変換回路14の出力間に電位差を生じさせ、差動増幅回路の出力ノイズを増大させる要因の一つとなっていた。
By the way, in the vibration gyro drive detection device that detects the output of the vibration gyro known as described above, the power supply noise causes a potential difference between the outputs of the
そこで、本発明は、このような従来の実状に鑑みて提案されたものであり、ノイズの低減を図った角速度検出を可能にした振動ジャイロ駆動検出装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and an object of the present invention is to provide a vibration gyro drive detection device that can detect angular velocity with reduced noise.
本発明は、振動体に形成された検出片を含む振動ジャイロを駆動して、その出力を検出する振動ジャイロ駆動検出装置であって、上記検出片に接続されたインピーダンス変換回路と、このインピーダンス変換回路に接続された加算回路と、この加算回路に接続された発振回路と、上記振動ジャイロにより構成される自励発振回路と、上記検出片に接続された差動増幅回路を含む検出系回路とを備え、上記検出片に接続されたインピーダンス変換回路を含む自励発振回路により上記振動ジャイロを駆動して、上記検出片に接続された差動増幅回路を含む検出系回路により、上記振動ジャイロに加えられた角速度を上記振動ジャイロの出力から検出することを特徴とする振動ジャイロ駆動検出装置 The present invention is a vibration gyro drive detection device that drives a vibration gyro including a detection piece formed on a vibrating body and detects the output thereof, an impedance conversion circuit connected to the detection piece, and this impedance conversion An addition circuit connected to the circuit; an oscillation circuit connected to the addition circuit; a self-excited oscillation circuit constituted by the vibration gyro; and a detection system circuit including a differential amplifier circuit connected to the detection piece; The vibration gyro is driven by a self-excited oscillation circuit including an impedance conversion circuit connected to the detection piece, and the vibration gyro is connected to the vibration gyro by a detection system circuit including a differential amplifier circuit connected to the detection piece. A vibration gyro drive detecting device characterized in that an applied angular velocity is detected from the output of the vibration gyro.
本発明では、振動体に形成された検出片を含む振動ジャイロを上記検出片に接続されたインピーダンス変換回路を含む自励発振回路により上記振動ジャイロを駆動して、上記検出片に接続された差動増幅回路を含む検出系回路により、上記振動ジャイロに加えられた角速度を上記振動ジャイロの出力から検出することにより、ノイズの低減化を図った振動ジャイロ駆動検出装置を提供することができる。 In the present invention, the vibration gyro including the detection piece formed on the vibrating body is driven by the self-excited oscillation circuit including the impedance conversion circuit connected to the detection piece, and the difference connected to the detection piece is detected. By detecting the angular velocity applied to the vibration gyro from the output of the vibration gyro by a detection system circuit including a dynamic amplification circuit, it is possible to provide a vibration gyro drive detection device designed to reduce noise.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更が可能であることは言うまでもない。 Note that the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
図1は、三角柱状の振動子2の側面に圧電素子3aと圧電素子3bと圧電素子3cが形成されてなる振動ジャイロ1を用いた振動ジャイロ駆動検出装置10の構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a vibration gyro
ここで、振動ジャイロ1は、図2(A)の斜視図と図2(B)の断面図に示すように、エリンバ、鉄−ニッケル、石英、ガラス、水晶、セラミックなど、一般的に機械的な振動を生じる材料で構成される三角柱状の振動子2を備え、この振動子2の側面に圧電素子3aと圧電素子3bと圧電素子3cが形成されてなる。
Here, as shown in the perspective view of FIG. 2A and the cross-sectional view of FIG. 2B, the
この振動ジャイロ駆動検出装置10は、振動ジャイロ1の圧電素子3aと圧電素子3bに接続されたインピーダンス変換回路4及び差動増幅回路7と、上記インピーダンス変換回路4に接続された加算回路5と、この加算回路5に接続された発振回路6と、この発振回路6と上記差動増幅回路7に接続された同期検波回路8と、この同期検波回路8に接続された直流増幅回路9を備え、上記発振回路6が上記振動ジャイロ1の圧電素子3cに接続されている。
The vibration gyro
この振動ジャイロ駆動検出装置10の各部における電圧波形のタイムチャートを図3に示す。この図3は、振動ジャイロ1の長軸を中心とした回転がない場合を静止時として表し、長軸を中心とした回転が加わった場合を回転角速度が加わったときとして表している。
FIG. 3 shows a time chart of voltage waveforms in each part of the vibration gyro
この振動ジャイロ駆動検出装置10では、振動ジャイロ1とインピーダンス変換回路4と加算回路5と発振回路6で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ1は発振し、駆動片として用いられる圧電素子3c形成面に直交する方向に屈曲振動する。
In this vibration gyro
すなわち、振動ジャイロ1は、圧電素子3cに印加される発振回路6の発振出力Vgoによって駆動される。そして、上記振動ジャイロ1の圧電素子3aの出力Vglと圧電素子3bの出力Vgrがインピーダンス変換回路4を介してVzlとVzrとして加算回路5に入力され、この加算回路5による上記VzlとVzrの加算出力Vsaが発振回路6に帰還される。
That is, the
この状態で、振動ジャイロ1の長軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。これによって、検出片として用いられる圧電素子3aと圧電素子3bの間に出力差Vgl−Vgrが生じ、差動増幅回路7から出力Vdaが得られる。このとき、振動ジャイロ1を駆動するための信号は、静止時の圧電素子3aと圧電素子3bの出力であり、圧電素子3aと圧電素子3bにおいて同相で同じ大きさの信号である。このため、振動ジャイロ1を駆動するための信号は、差動増幅回路7で相殺される。次に、コリオリ力に応じた信号は、圧電素子3aと圧電素子3bにおいて逆相で同じ大きさの信号VclおよびVcrである。したがって、差動増幅回路7の出力VdaはVcl−Vcrに比例した信号となる。
In this state, when the
この差動増幅回路7の出力Vdaを同期検波回路8で同期検波することで直流信号Vsdに変換している。同期検波回路8は差動増幅回路7の出力Vdaをクロック信号Vckのタイミングで全波整流することで信号Vdrに変換した後で積分し、直流信号Vsdを得ている。この信号Vsdを直流増幅回路9で所定の大きさまで直流増幅することで、回転により生じる角速度信号のみを検出することができる。
The output Vda of the differential amplifier circuit 7 is converted into a DC signal Vsd by synchronous detection by the
ここで、インピーダンス変換回路4は、入力がハイ・インピーダンスZ2で出力がロー・インピーダンスZ3となっており、圧電素子3aと圧電素子3b間のインピーダンスZ1と加算回路5の入力間のインピーダンスZ4を分離するために用いられている。仮にインピーダンス変換回路4がない場合は、圧電素子3aと圧電素子3b間のインピーダンスZ1と加算回路5の入力間のインピーダンスZ4は分離されず、圧電素子3aと圧電素子3bの間に生じた出力差はZ4/(Z1+Z4)を掛けた大きさになり、インピーダンス変換回路がある場合に比べて小さくなってしまう。
Here, the
インピーダンス変換回路4は、入力と出力でのインピーダンスを変換しているだけで信号の大きさには影響を与えないため、圧電素子3aの出力Vglとインピーダンス変換回路4の一方の出力Vzlは同じ大きさとなり、圧電素子3bの出力Vgrとインピーダンス変換回路4の他方の出力Vzrは同じ大きさとなる。したがって、加算回路5の出力Vsaでは、コリオリ力に応じた信号は相殺され、静止時の圧電素子3aと圧電素子3bの出力の和となる。この加算回路5と振動ジャイロ1とインピーダンス変換回路4と発振回路6による正帰還ループで発振回路を形成していて、振動ジャイロ1の共振周波数にて自励発振する。
Since the
このような振動ジャイロ駆動検出装置10の電源に、数百キロヘルツ以上の発振周波数で作られたスイッチング・レギュレータの出力電圧を供給すると、電源ノイズがインピーダンス変換回路4の2つの出力間にも飛込むことで信号ノイズとなる。ここで、インピーダンス変換回路4の2つの出力への電源ノイズの飛込み方に違いがある場合は、2つの出力VzlとVzrの間にノイズによる電位差が生じることになる。前記信号ノイズを含むインピーダンス変換回路4の2つの出力VzlとVzrが、加算回路5で加算され、発振回路6を通して振動ジャイロ1に入力される。
When the output voltage of a switching regulator made with an oscillation frequency of several hundred kilohertz or more is supplied to the power source of the vibration gyro
当然、発振回路6の出力Vgoにも前記信号ノイズが乗っているが、振動ジャイロ1はバンド・パス・フィルタと同じ働きをするので、振動ジャイロ1の共振周波数以外の成分は除去される。したがって、圧電素子3aと圧電素子3bの出力からは前記信号ノイズが除去されているので、差動増幅回路7の出力Vdaにも前記信号ノイズが含まれず、電源ノイズの影響を受けない振動ジャイロ駆動検出装置10を提供することができる。
Of course, the signal noise is also present on the output Vgo of the oscillation circuit 6, but the
ここで、振動ジャイロ1の出力を表す特性図の一例を図4に示す。この図4は、圧電素子3aの出力Vglあるいは圧電素子3bの出力Vgrを示している。縦軸は信号の大きさを表し、横軸は周波数fの大きさを表している。振動ジャイロ1の出力は周波数foで変調されており、この周波数foは通常10k〜100kHz程度に設定されている。この特性図より、振動ジャイロはバンド・パス・フィルタと同じ働きをしていることが分かる。
Here, an example of a characteristic diagram showing the output of the
図5は、円柱状の振動子12の側面に6つの電極13a,13b,13c,13d,13e,13fが形成されてなる振動ジャイロ11を用いた振動ジャイロ駆動検出装置20の構成を示すブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a vibration gyro drive detection device 20 using the vibration gyro 11 in which six
ここで、振動ジャイロ11は、図6(A)の斜視図と図6(B)の断面図に示すように、水晶、セラミックなど、一般的に機械的な振動を生じ、かつ圧電特性を有する材料で構成される円柱状の振動子12を備え、この振動子12の側面に6つの電極13a,13b,13c,13d,13e,13fが形成されてなる。
Here, as shown in the perspective view of FIG. 6A and the cross-sectional view of FIG. 6B, the vibration gyro 11 generally generates mechanical vibrations such as crystal and ceramic and has piezoelectric characteristics. A
この振動ジャイロ駆動検出装置20において、振動ジャイロ11の電極13a,13b,13cはそれぞれ独立しており、電極13d,13e,13fが共通グランドに接続されている。そして、振動ジャイロ11の電極13aと電極13bにインピーダンス変換回路14と差動増幅回路17が接続されており、上記インピーダンス変換回路14に加算回路15接続され、この加算回路15に発振回路16が接続され、この発振回路16と上記差動増幅回路17に同期検波回路18が接続され、この同期検波回路18に直流増幅回路19が接続され、上記発振回路16が上記振動ジャイロ11の電極13cに接続されている。
In this vibration gyro drive detection device 20, the
このように、検出片である電極13aと電極13bの出力信号をインピーダンス変換回路14に入力し、インピーダンス変換回路14の出力を加算回路15に入力するとともに、検出片である電極13aと電極13bの出力信号を差動増幅回路17に入力することで、電源ノイズの影響を受けない振動ジャイロ駆動検出装置を提供することができる。
As described above, the output signals of the
なお、この振動ジャイロ駆動検出装置20における各回路14,15,16,17,18,19は、上述の振動ジャイロ駆動検出装置10における各回路4,5,6,7,8,9と同じ機能を有するものであり、それらの詳細については説明を省略する。
The
1,11 振動ジャイロ、2,12 振動子、 3a,3b,3c 圧電素子、4,14 インピーダンス変換回路、5,15 加算回路、6,16 発振回路、7,17 差動増幅回路、8,18 同期検波回路、9,19 直流増幅回路、10,20 振動ジャイロ駆動検出装置、13a,13b,13c ,13d,13e ,13f 電極 1,11 vibrating gyroscope, 2,12 vibrator, 3a, 3b, 3c piezoelectric element, 4,14 impedance conversion circuit, 5,15 addition circuit, 6,16 oscillation circuit, 7,17 differential amplification circuit, 8,18 Synchronous detection circuit, 9, 19 DC amplification circuit, 10, 20 Vibration gyro drive detection device, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f electrode
Claims (1)
上記検出片に接続されたインピーダンス変換回路と、このインピーダンス変換回路に接続された加算回路と、この加算回路に接続された発振回路と、上記振動ジャイロにより構成される自励発振回路と、
上記検出片に接続された差動増幅回路を含む検出系回路とを備え、
上記検出片に接続されたインピーダンス変換回路を含む自励発振回路により上記振動ジャイロを駆動して、上記検出片に接続された差動増幅回路を含む検出系回路により、上記振動ジャイロに加えられた角速度を上記振動ジャイロの出力から検出することを特徴とする振動ジャイロ駆動検出装置。
A vibration gyro drive detection device for driving a vibration gyro including a detection piece and a drive piece formed on a vibrating body and detecting an output thereof,
An impedance conversion circuit connected to the detection piece; an addition circuit connected to the impedance conversion circuit; an oscillation circuit connected to the addition circuit; and a self-excited oscillation circuit configured by the vibration gyro;
A detection system circuit including a differential amplifier circuit connected to the detection piece,
The vibration gyro is driven by a self-excited oscillation circuit including an impedance conversion circuit connected to the detection piece, and applied to the vibration gyro by a detection system circuit including a differential amplifier circuit connected to the detection piece. A vibration gyro drive detection device characterized by detecting an angular velocity from the output of the vibration gyro.
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