JP2007071654A

JP2007071654A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JP2007071654A
Application number: JP2005258148A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takahashi; 尋之高橋
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2007-03-22

Abstract

【課題】振動子の材質や形状にかかわらず、また電極のみならず配線の引き回しをも含めたすべての電気的結合を除去するようにして、角速度信号の誤差を低減した。
【解決手段】振動子１と発振器２とで構成された自励発振部３と、この自励発振部３の励振信号に基づく信号を参照信号とした同期検波器６と、自励発振部３の発振をオンオフする第１信号切替部１０と角速度信号生成部４の出力信号をオンオフする第２信号切替部１１と、第１信号切替部１０と第２信号切替部１１とのオンオフを相互に逆相かつ周期的に制御する切替制御部１２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動子の電極及び配線の引き回し部分にて生ずる電気的結合を除去して誤差の少ない角速度信号を得る振動ジャイロに関する。

音叉型の振動ジャイロは、音叉である振動子を励振させておき、この振動子に角速度が印加したとき振動子に生じるコリオリ力を検出して角速度信号を得るものである。
かかる従来の音叉型の振動ジャイロの例を、図４にて示す。図４の従来に示す振動ジャイロは、音叉型の振動子１に対して発振器２を有してこの発振器２からの励振信号を振動子１の駆動電極（図示省略）に加え振動子１と発振器２とで振動子１の共振周波数による持続振動を生じさせる駆動系を有する。
他方、振動子１を励振させる駆動系とは別の検出系は、振動子１に角速度が印加されたとき生ずるコリオリ力を検出し角速度信号を得る角速度信号生成部４を有する。この角速度信号生成部４は、コリオリ力に基因する振動を振動子１の検出電極（図示省略）により捉えこの微弱な検出信号を増幅する交流増幅器５、この交流増幅器５にて増幅された検出信号に対し発振器２の励振信号に基づく参照信号にて同期検波しコリオリ力に相応する信号を直流振幅電圧として得る同期検波器６、この同期検波器６の直流電圧を増幅する直流増幅器７を有する。なお、角速度信号生成部４には、発振器２からの励振信号の波形成形を行う波形成形器８、この波形成形された励振信号につき安定な共振周波数近傍の位相になるように位相を補正して同期検波器６の参照信号を生成する移相器９を有する。

このようにして、振動子１に角速度が印加された場合には、角速度信号生成部４にてコリオリ力に相応する角速度信号が得られることになる。
特開平９−２８７９５７号公報特開２００１−２２１６３８号公報

従来の一般的な振動ジャイロは、以上のような構成を有するのであるが、実際の振動ジャイロには次のような問題がある。すなわち、振動子１の共振周波数あるいは振動子１の励振信号は例えば数ＫＨｚの周波数を有する一方、振動ジャイロ自体その大きさは、極めて小型であり、従って振動子１に備えられる駆動電極や検出電極あるいはそれら電極に接続される配線の引き回しが極めて近接している。このような状況においては、電極や配線が電気結合回路素子を構成することになり、このため駆動信号と検出信号との間で電気的結合が生じ、検出信号に恰も発振器２の励振信号が加わった状況が生じ、検出信号ひいては角速度信号の誤差が発生する。殊に、発振器１の励振信号を基準にするとき、この励振信号と振動子１の機械的振動との間には９０度の位相差があり、また、振動子１の機械的振動に対してコリオリ力による振動との間には更に９０度の位相差があることが判明している。従って、励振信号と検出信号あるいは角速度信号とは１８０度の位相差が存在し、このため検出信号に対して本来の検出信号か励振信号からの電気的結合かを区別することができないという状態が生じている。

この検出信号の誤差を抑える従来技術としては、特許文献１及び２が存在する。ここで特許文献１においては、振動子での電極配置を工夫して電気的結合を小さく抑える技術が開示されるが、配線の引き回しをも含めた電気的結合の発生まで除去する技術を開示するものではない。また、特許文献２においては、電極間に干渉防止部である溝を設けて電気的干渉を低減する技術が開示されるが、溝を形成するためには振動子の形状や材質に制約を受ける必要が生じ、また特許文献１と同様この特許文献２においても配線の引き回しをも含めた電気的結合の発生まで除去する技術を開示するものではない。

本発明は、上述の問題点を回避するために発明されたもので、振動子の形状や材質に関係なく、電極のみならず配線の引き回しをも含めたすべての電気的結合を除去するようにして、角速度信号の誤差を低減した振動ジャイロの提供を目的とする。

上述の目的を達成するため本発明は、励振された振動子に働くコリオリ力を検出信号に変換しこの検出信号に対して参照信号を用いた同期検波器により角速度信号を生成する角速度信号生成部を有する振動ジャイロにおいて、振動子の共振周波数を基準として発振する自励発振部と、この自励発振部の励振信号に基づく信号を参照信号とした同期検波器と、自励発振部の発振をオンオフする第１信号切替部と角速度信号生成部の出力信号をオンオフする第２信号切替部と、第１信号切替部と第２信号切替部とのオンオフを相互に逆相かつ周期的に制御する切替制御部と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、温度や環境の変化に伴う振動子の共振周波数の変化にて自励発振部の励振信号が変化することになり、この励振信号に基づく参照信号による同期検波器での角速度算出誤差を低減でき、この結果角速度信号誤差を低減することができる。同時に、第２信号切替部をオフし第１信号切替部のオンにて振動子の駆動のみを行い、第１信号切替部をオフし第２信号切替部のオンすることにより非駆動状態の振動子の振動からコリオリ力による検出信号を得て角速度信号を得ることができ、このため、振動子の励振信号による電気的結合が検出信号に加わることがなくなる。こうして、従来のように振動子に特異な構造を付与することなく、振動子を含む自励発振を同期検波器の参照信号とすると共に自励発振の非駆動状態の検出信号を捉えて電気的結合を抑えることにより、種々の角速度信号誤差要因を低減して、誤差の少ない角速度信号を得ることができる。

ここで、図１乃至図３を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、図１にて図４と同一部分は同符号を付す。
〔実施形態〕
図１は、本発明の実施形態を示すブロック図である。この図１において、振動ジャイロは、本例では音叉型の振動子１を有し、この音叉型の振動子１と発振器２とにより自励発振部３を有する。ここで、音叉型の振動子１としては、エリンバなどの恒弾性材料上に駆動／検出用電極としての圧電素子（圧電セラミックス等）を貼付したもの、あるいは水晶やタンタル酸リチウム等の圧電単結晶上に駆動／検出用電極を蒸着したものが挙げられる。また、図１では音叉型の振動子の形状を例示したが、振動型のジャイロであればその形状は２脚のみならず４脚や６脚、あるいは音片形等種々の振動子に適用することができる。ここでは２脚の音叉型の振動子１を例示する。

自励発振部３は、発振器２からの励振信号を振動子１の駆動電極（図示省略）に加え振動子１と発振器２とで振動子１の共振周波数による持続振動を生じさせる駆動系を構成する自励発振部３を有する。すなわち、振動子１は、発振器２の励振信号と振動子１の圧電効果の作用により機械的な共振周波数にて駆動（定常発振）され、振動子１及び発振器２を含む駆動系全体として自励発振部を構成している。そして、この自励発振部３は、温度や環境変化等にて振動子１の共振周波数のずれが生じたとしても発振器２からの励振信号もそれに伴い変化する機能を有する。

他方、振動子１を励振させる駆動系とは別の検出系は、共振周波数にて駆動されている振動子１に角速度が印加されたとき生ずるコリオリ力を検出し角速度信号を得る角速度信号生成部４を有する。すなわち、振動子１の駆動に伴う振動方向に対して直角なコリオリ力に基因する微弱振動を検出電極（図示省略）により検出し、角速度信号生成部４では、まず、この微弱な検出信号を増幅する交流増幅器５を有する。
角速度信号生成部４での交流増幅器５の後段には、この交流増幅器５にて増幅された検出信号に対し自励発振部３の励振信号に基づく参照信号にて同期検波しコリオリ力に相応する信号を直流振幅として得る同期検波器６を有する。この場合、温度や環境変化にて振動子１の共振周波数が変化しても、それに伴い自励発振部３の励振信号ひいては同期検波器６の参照信号が変化するので、同期検波器６での角速度信号の算出誤差を低減することができる。なお、この同期検波器６の参照信号は、自励発振部３の励振信号を波形成形する波形成形器８及びこの波形成形器８による信号の位相を補正する移相器９によって作られる。ここで、波形成形器８は、参照信号の基準となる信号を明確にするための波形成形を行うものであり、移相器９は、振動ジャイロ全体の系を見るに振動子１の共振周波数より若干ずれた周波数にて系が安定するという特性上、この若干ずれた共振周波数に相応して位相を補正するためのものである。

角速度信号生成部４において、同期検波器６にてＳ／Ｎを向上させ直流として取り出したコリオリ力に当たる角速度信号は、同期検波器６の後段に位置する直流増幅器７にて増幅されるものである。
更に、本実施形態では、切替制御部にて制御される二つの信号切替部１０、１１を有する。ここで、信号切替部１０、１１は、ラインを断続（オンオフ）するＦＥＴ等スイッチング機能を有するものであり、二つの信号切替部のうち一方のもの１０は、自励発振部３に備えられて発振器２の励振信号を断続する機能を有し、他方のもの１１は、角速度信号生成部４内の同期検波器６の前段に備えられて交流増幅器５にて増幅された検出信号を断続する機能を有する。この場合、信号切替部１１は、図１の鎖線にて示すように同期検波器６の後段に備えてもよく、信号切替部１１の機能としては、結果として角速度信号検出部４の出力信号をオンオフするものであれば良い。

これら二つの信号切替部１０、１１をオンオフするために信号切替部１０、１１には切替制御部１２が接続されている。この切替制御部１２は、例えば図２に示すような構成を有するもので、信号切替部１０（ＳＷ１）、１１（ＳＷ２）を周期的にオンオフ制御するものであり、しかも信号切替部１０と１１とは相互に逆になるように、言い換えれば信号切替部１０がオンのとき信号切替部１１がオフ、信号切替部１０がオフのとき信号切替部１１がオンとなるように制御をするものである。ここで、信号切替部１０のオン時間は振動子１を共振周波数にて駆動させるに十分な時間をとり、信号切替部１１のオン時間はコリオリ力による角速度信号算出のために十分な時間をとることができればよい。図２（ａ）に示す回路ブロックにおいては、クロック発生器１２ａ、レジスタ１２ｂ、フリップフロップ（Ｆ／Ｆ）１２ｃからなる簡略構成を例示するもので、クロックをレジスタ１２ｂにて計数し、レジスタ１２ｂ最終段の変化をＦ／Ｆ１２ｃの入力端子に入力することで、ＳＷ１、ＳＷ２を周期的に切り替えるようにしている。また、図２（ｂ）に示す回路ブロックでは、自励発振部３での励振信号を用い整形器１２ｄにてパルス化して分周器１２ｅにて分周して切替器１２ｆの切替信号としている。なお、自励発振部３の励振信号は前述のように変化する可能性があるが、この変化は切替制御部１２での切替信号として問題とはならない。また、この切替制御部１２は、ソフトウェアにても構成することができる。

図３は、この切替制御部１２により信号切替部１０、１１を制御した場合の波形図である。図３（ａ）は、自励発振部３での信号切替部１０のオン時の励振信号波形を示す。この図３（ａ）では、例えば４ｍｓｅｃごとにオンオフを繰り返す波形となっている。ついで、図３（ｂ）は、この励振信号による振動子１の機械振動波形を示す。ここでは、共振周波数を利用する振動子１にあって、そのＱ値が十分に高いとき励振信号がオフしても、そのまま機械的振動が減衰することなく持続する。図３（ｂ）は、その様子を示している。なお、図３（ｂ）の波形は、図３（ａ）の波形に対し９０度の位相差がある。更に、図３（ｃ）は、信号切替部１１のオン時での検出信号波形である。この検出信号は、角速度が振動子に印加されず角速度入力がない場合には当然生じないのであるが、角速度入力が存在する場合でも励振信号がオフしている４ｍｓｅｃの間のみこの検出信号が同期検波器６に入力されることになり、この検出信号により角速度信号が算出される。すなわち、検出信号は励振信号がオフされている状態でのみ得られることになるので、励振信号による振動子１の電極あるいは配線の引き回しでの電気的結合はあったとしても検出信号には影響を及ぼさない。なお、図３（ｂ）（ｃ）に示すように検出信号は機械的振動に対して９０度の位相差を持つ。

信号切替部１０と１１のオンオフの周期的繰り返しは、経時的に変化するコリオリ力を得るためには必要不可欠であり、図３においては、このオンオフ繰り返し周期を４ｍｓｅｃと例示したが、この繰り返し周期は、次のような関係に基づく。すなわち、振動子１の共振状態を２次系にて近似すると、励振信号オフ後のｔ秒後の振動変位ｙは、ω_ｎを共振角周波数、Ｑを機械的共振Ｑ値としたとき、次式となる。
ｙ＝ｅ＾（−ω_ｎｔ／２Ｑ）（なお、記号＾は指数を意味する）
この式をｔにて変形すると、次式となる。

ｔ＝−（２Ｑ／ω_ｎ）ＬＮｙ＝−（２Ｑ／πｆ_n）ＬＮｙ
（なお、ＬＮは自然対数を表す）
この式において共振周波数ｆ_nを８ＫＨｚ、Ｑ＝１００００、振動変位１％の低下（ｙ＝１．０〜ｙ＝０．９９）を許容するとき、ｔ＝４ｍｓｅｃを得る。
すなわち４ｍｓｅｃの繰り返し周期が得られる。このように共振周波数、Ｑ値、振動変位幅により求まる繰り返し周期が設定されることになる。なお、信号切替部１０、１１のオンオフを同じ４ｍｓｅｃにて繰り返すことを前提に説明をしてきたが、この繰り返しの時間は必ずしも同じである必要はなく、例えば信号切替部１０のオン時間が長く、相対的に信号切替部１１のオン時間が短くなるとしても、信号切替部１０のオン時間は振動子１を共振周波数にて駆動させるに十分な時間であり、信号切替部１１のオン時間はコリオリ力による角速度信号算出のために十分な時間あれば足りる。

以上の結果、本発明では、振動子の自励発振に基づく参照信号にて同期検波を行うため、共振周波数変動にも対応する角速度の算出ができ、誤差の少ない角速度信号を得ることができる。またこのため励振信号オフ後の振動の減衰が少ない。更に、励振信号オフ後の検出信号による角速度の算出にて前述の電気的結合もなく、誤差の少ない角速度信号を得ることができる。この結果、種々の点から角速度信号の誤差を低減することができる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。切替制御部の簡略ブロック図である。主要部の波形図である。従来例を示すブロック図である。

Claims

励振された振動子に働くコリオリ力を検出信号に変換しこの検出信号に対して参照信号を用いた同期検波器により角速度信号を生成する角速度信号生成部を有する振動ジャイロにおいて、
上記振動子の共振周波数を基準として発振する自励発振部と、この自励発振部の励振信号に基づく信号を参照信号とした上記同期検波器と、上記自励発振部の発振をオンオフする第１信号切替部と上記角速度信号生成部の出力信号をオンオフする第２信号切替部と、上記第１信号切替部と上記第２信号切替部とのオンオフを相互に逆相かつ周期的に制御する切替制御部と、を有することを特徴とする振動ジャイロ。