JP2536133B2 - 差動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は差動回路に関し、特に振動ジャイロの２つ
の検出用の圧電素子から出力差を検出するための差動回
路に関する。

（従来の技術） 第５図および第６図は、それぞれ、この発明の背景と
なる従来の振動ジャイロの一例および他の例を示す図解
図である。

第５図に示す振動ジャイロ１では、４角柱状の振動体
２の一方の対向側面に、駆動用圧電素子3aおよび3bがそ
れぞれ形成され、他方の対向側面に、検出用圧電素子4a
および4bがそれぞれ形成されている。

また、第６図に示す振動ジャイロ１では、３角柱状の
振動体２の１つの側面に２つの駆動用圧電素子3aおよび
3bが間隔を隔てて形成され、他の２つの側面に検出用圧
電素子4aおよび4bがそれぞれ形成されている。

ところが、第５図に示す振動ジャイロ１では、その回
転時に、検出用圧電素子4aおよび4bの屈曲量の差が小さ
いので、それらの出力差があまり得られない。そのた
め、その回転角速度を正確に知ることが困難である。

一方、第６図に示す振動ジャイロ１では、その回転時
に、検出用圧電素子4aおよび4bの屈曲量の差が大きくな
るので、それらの出力差が大きくなり、その回転角速度
を正確に知ることができるが、振動体２の１つの側面に
２つの駆動用圧電素子3aおよび3bを形成しなければなら
ないので、その構造が複雑となり、コストが高くなって
しまう。

そこで、本願発明者は、回転角速度を正確に知ること
ができ、しかも、構造が簡単である、新規な振動ジャイ
ロを考え出した。この新規な振動ジャイロは、たとえ
ば、３角柱状の振動体の３つの側面に圧電素子がそれぞ
れ形成され、それらの圧電素子のうちいずれかが駆動用
として、他の２つの圧電素子が検出用として用いられる
ものである。

上述のいずれの振動ジャイロでも、１つの検出用の圧
電素子の出力からその回転角速度を測定することができ
るが、たとえばその精度の点などから、２つの検出用の
圧電素子の出力差を差動回路で検出することによって、
その回転角速度が測定される。

（発明が解決しようとする課題） ところが、従来の差動回路では、振動ジャイロの２つ
の検出用の圧電素子の出力間に位相差が生じた場合、そ
れらの出力差を正確に検出することができない。

また、従来の差動回路では、たとえばコンパレータな
どの複雑な手段が使用されるため、構造が複雑である。

それゆえに、この発明の主たる目的は、振動ジャイロ
の２つの検出用の圧電素子からの出力差を正確に検出す
ることができ、しかも、構造が簡単である、差動回路を
提供することである。

（課題を解決するための手段） この発明は、振動ジャイロの２つの検出用の圧電素子
からの出力差を検出するための差動回路であって、２つ
の検出用の圧電素子にそれぞれ接続される２つの入力端
と、その入力端が入力端の一方に接続される理想ダイオ
ード回路と、その入力側が入力端の他方に接続され、理
想ダイオード回路とは極性の異なる別の理想ダイオード
回路と、それらの入力側が理想ダイオード回路および別
の理想ダイオード回路の出力側にそれぞれ接続される２
つの平滑回路と、２つの平滑回路の出力を合成するため
の合成手段と、合成手段の出力側に接続される出力端と
を含む、差動回路である。

（作用） 差動回路の２つの入力端を振動ジャイロの２つの検出
用の圧電素子にそれぞれ接続すれば、理想ダイオード回
路によって、一方の圧電素子の出力が一方向に半波整流
され、別の理想ダイオード回路によって、他方の圧電素
子の出力が逆方向に半波整流される。そして、それらの
整流された出力は、２つの平滑回路によって、それぞれ
平滑される。そして、それらの平滑された出力は、合成
手段によって、合成される。合成された出力は、出力端
から出力される。

（発明の効果） この発明によれば、振動ジャイロの２つの検出用の圧
電素子の出力が互いに逆方向に半波整流され平滑されて
から合成されるので、それらの出力間に位相差が生じて
も、それらの出力差を正確に検出することができ、しか
も、コンパレータなどの複雑な手段を使用しないので、
簡単な構造である、差動回路が得られる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利
点は、図面を参照して行う以下の実施例の説明が一層明
らかとなろう。

（実施例） 第2A図および第2B図は、それぞれ、この発明が適用さ
れる新規な振動ジャイロの一例を示し、第2A図はその斜
視図であり、第2B図は第2A図の線II B−II Bにおける断
面図である。

振動ジャイロ10は、たとえば正３角柱状の振動体12を
含む。この振動体12は、たとえばエリンバ，鉄−ニッケ
ル合金，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形成される。

この振動体12には、その３つの側面の中央部にそれぞ
れ圧電素子14a,14bおよび14cが形成される。圧電素子14
aは、たとえば磁器からなる圧電層16aを含み、圧電層16
aの両主面にはそれぞれ電極18aおよび20aが形成され
る。なお、これらの電極18aおよび20aは、たとえば金，
銀，アルミニウム，ニッケル，銅−ニッケル合金（モネ
ルメタル）などの電極材料で、たとえばスパッタリン
グ，蒸着等の薄膜技術であるいはその材料によっては印
刷技術で形成される。同様に、他の圧電素子14bおよび1
4cも、それぞれ、たとえば磁器からなる圧電層16bおよ
び16cを含み、それらの圧電層16bと16cとの両主面に
も、電極18bおよび20bと18cおよび20cとが、それぞれ形
成されている。そして、これらの圧電素子14a〜14cの一
方の電極18a〜18cは、たとえば導電接着剤で振動体12に
接着される。

さらに、振動体12のノード点近傍は、たとえば金属線
からなる支持部材22および24で支持される。この支持部
材22および24は、たとえば熔接することによって、振動
体12のノード点近傍に固着される。なお、これらの支持
部材22および24は、導電性ペーストで固着されてもよ
い。これらの支持部材22および24は、振動ジャイロ10の
アース端子として用いられる。

この振動ジャイロ10では、圧電素子14a〜14cのうち任
意のものを駆動用に用いれば、他の２つの圧電素子を検
出用に用いることができる。この実施例では、たとえ
ば、圧電素子14aが駆動用として用いられ、他の圧電素
子14bおよび14cが検出用として用いられる。そして、駆
動用の圧電素子14aに駆動信号を印加すれば、振動体12
が振動し、検出用の圧電素子14bおよび14cから同様の正
弦波が出力される。また、その状態で振動ジャイロ10を
その軸を中心として回転すれば、検出用の一方の圧電素
子の出力は回転角速度に従って大きくなり、逆に検出用
の他方の圧電素子の出力は小さくなる。

第１図を参照して説明すると、この振動ジャイロ10の
検出用の圧電素子14bおよび14cと、駆動用の圧電素子14
aとの間には、振動ジャイロ10を自励振駆動するための
帰還ループとして発振回路30が接続される。

すなわち、この発振回路30は、検出用の圧電素子14b
および14cの出力を合成した形で駆動用の圧電素子14aに
印加するためのものであって、入力端としての２つの固
定端子32aおよび32bを有する可変抵抗器32を含む。そし
て、可変抵抗器32の固定端子32aおよび32bは、圧電素子
14bの電極20bおよび圧電素子14cの電極20cにそれぞれ接
続される。この可変抵抗器32は、圧電素子14bおよび14c
からの出力間に生じる電圧誤差および位相差を補正し、
かつ、それらの出力を合成するためのものである。な
お、この可変抵抗器32の代わりに、２つの固定抵抗器で
それらの出力を合成するようにしてもよい。

さらに、この可変抵抗器32の可動端子32cは、反転増
幅器34の入力側に接続される。この反転増幅器34は、１
つのオペアンプ36を含み、可変抵抗器32からの出力の位
相を反転し、かつ、その信号を増幅するためのものであ
る。

反転増幅器34の出力側は、ローパスフィルタ38の入力
側に接続される。ローパスフィルタ38は、たとえば２段
のRCフィルタ40および42を含み、それらのRCフィルタ40
および42は、それぞれ、たとえば45度の遅れ力率を有す
る。このローパスフィルタ38は、反転増幅器34からの出
力の位相を90度遅らせ、かつその出力に含まれる高調波
成分を抑制するためのものである。そして、このローパ
スフィルタ38の出力側は、抵抗44を介して、駆動用の圧
電素子14aの電極20aに接続される。

さらに、振動ジャイロ10の圧電素子14bおよび圧電素
子14cの出力は、それらの出力差を検出するための差動
回路50の２つの入力端にそれぞれ入力される。

すなわち、この差動回路50は、理想ダイオード回路52
を含み、この理想ダイオード回路52の入力側には、検出
用の一方の圧電素子14bの電極20bが接続される。この理
想ダイオード回路52は、１つのオペアンプ54とそれぞれ
が順方向に接続された２つのダイオード56および58を含
み、圧電素子14bからの正弦波出力を正の信号に半波整
流するためのものである。

また、検出用の他方の圧電素子14cの電極20cは、上述
の理想ダイオード回路52とは極性の異なる別の理想ダイ
オード回路60の入力側に接続される。この別の理想ダイ
オード回路60は、１つのオペアンプ62とそれぞれが逆方
向に接続された２つのダイオード64および66と含み、圧
電素子14cからの正弦波出力を負の信号に半波整流する
ためのものである。

さらに、理想ダイオード回路52および60の出力側は、
それぞれ、たとえばRCフィルタからなる平滑回路68およ
び70の入力側に接続される。そして、それらの平滑回路
68および70の出力側は、それぞれ、合成手段としての可
変抵抗器72の固定端子72aおよび72bに接続される。この
可変抵抗器72は、可動端子72cを有する。

次に、第１図，第3A図および第3B図を参照して、振動
ジャイロ10の無回転時および回転時における各回路の動
作などについて説明する。なお、第１図には、振動ジャ
イロ10の無回転時の各部の出力波形を、回路とともに示
した。また、第3A図には、振動ジャイロ10の無回転時に
おける検出用の圧電素子14bおよび14cの出力，発振回路
30の可変抵抗器32の出力，差動回路50の出力を示し、第
3B図には、振動ジャイロ10を一方向に回転している場合
のそれらの出力を示した。この場合、第3A図および第3B
図には、それらの出力の大きさおよび波形を略正確に表
し、それらの位相を正確に表していない。

振動ジャイロ10の無回転時には、振動ジャイロ10が駆
動用の圧電素子14aの主面に直交する方向に屈曲振動を
するので、圧電素子14bおよび14cは同様に屈曲する。そ
のため、これらの圧電素子14bおよび14cからは、特に第
3A図に示すように、同様な正弦波が出力される。

発振回路30では、圧電素子14bおよび14cからの出力
が、合成された形で可変抵抗器32の可動端子32cから出
力される。この場合、圧電素子14bおよび14cの合成出力
は、理想状態においては、振動ジャイロ10の駆動側を基
準にして−90度の位相を有する所定の正弦波になる。と
ころが、圧電素子14bおよび14cの出力間に電圧誤差や位
相差が生じる場合には、圧電素子14bおよび14cの出力を
単に合成しただけでは、上述の所定の正弦波が得られな
い。

しかしながら、その可変抵抗器32を調整することによ
って、圧電素子14bおよび14cの出力間の電圧誤差および
位相差を補正することができる。したがって、可変抵抗
器32を調整することによって、可動端子32cからの出力
を、駆動側を基準にして−90度の位相を有する所定の正
弦波に補正することができる。

そして、反転増幅器34では、この可変抵抗器32からの
正弦波出力の位相が反転され、かつ、その信号が増幅さ
れる。したがって、この反転増幅器34からは、振動ジャ
イロ10の駆動側を基準にして90度の位相を有する信号が
出力される。

そして、ローパスフィルタ38では、反転増幅器34から
の出力の位相が90度遅れ、かつその出力に含まれる高調
波成分が抑制される。したがって、ローパスフィルタ38
からは、高調波成分によるスプリアスのない、かつ振動
ジャイロ10の駆動側と同相で常に一定な信号が出力され
る。

そして、このローパスフィルタ38からの出力は、結合
用の抵抗44を介して、駆動用の圧電素子14aの電極20aに
印加される。したがって、この実施例では、振動ジャイ
ロ10を効率よく自励振駆動することができる。

一方、差動回路50では、理想ダイオード回路52によっ
て、圧電素子14bの正弦波出力が順方向に半波整流され
る。そのため、理想ダイオード回路52からは、圧電素子
14bからの正弦波出力の正の信号が出力される。

また、別の理想ダイオード回路60によって、圧電素子
14cからの正弦波出力が逆方向に半波整流され、その正
弦波出力の負の信号が出力される。

そして、平滑回路68および70によって、理想ダイオー
ド回路52および60からの出力は、それぞれ、正の直流お
よび負の直流に平滑される。

そして、これらの直流出力は、合成手段としての可変
抵抗器72の固定端子72aおよび72bに与えられる。したが
って、この可変抵抗器72の可動端子72cからは、平滑回
路68および70からの直流出力が合成された形で出力され
る。

この差動回路50では、圧電素子14bの出力を順方向に
半波整流して平滑しかつ圧電素子14cの出力を逆方向に
半波整流して平滑しそれから合成するため、それらの出
力間に位相差があっても、その位相差による誤差は生じ
ない。

しかも、それらの出力間に電圧誤差があっても、合成
手段としての可変抵抗器72を調整することによって、そ
れらの電圧誤差を補正することができる。なお、この実
施例では、振動ジャイロ10の無回転時における差動回路
50の出力が０になるように調整される。したがって、差
動回路50からの出力が０であることを確認すれば、振動
ジャイロ10が回転していないことがわかる。

一方、振動ジャイロ10をその軸を中心として一方向に
回転した場合、振動ジャイロ10の振動方向と直交する方
向にコリオリ力が働く。そのため、振動ジャイロ10の振
動方向は、無回転時の振動方向からずれる。この時、た
とえば、検出用の一方の圧電素子14bはその主面に直交
する方向に近い方向に、検出用の他方の圧電素子14cは
その主面に平行する方向に近い方向に、それぞれ屈曲振
動する。

この場合、特に第3B図に示すように、検出用の一方の
圧電素子14bからの出力は大きくなり、逆に、検出用の
他方の圧電素子14cからの出力は、圧電素子14bの出力が
大きくなる分だけ小さくなる。したがって、この場合
も、発振回路30の可変抵抗器32からの出力は、無回転時
の出力と同じになる。

そして、可変抵抗器32からの出力は、無回転時の場合
と同様に、反転増幅器34およびローパスフィルタ38など
を介して、駆動用の圧電素子14aに印加される。したが
って、振動ジャイロ10の回転時にも、その無回転時と同
様に、振動ジャイロ10を効率よく自励振駆動することが
できる。

一方、差動回路50では、圧電素子14bの出力が圧電素
子14cの出力より大きくなるため、平滑回路68の出力の
絶対値が他方の平滑回路70の出力の絶対値より大きくな
る。したがって、合成手段としての可変抵抗器72からは
第3B図に示すように正の直流が出力され、振動ジャイロ
10が一方向に回転していることがわかる。

なお、振動ジャイロ10の回転角速度が大きくなればな
るほど、圧電素子14bおよび14cの出力差が大きくなるの
で、差動回路50からの出力も大きくなる。したがって、
差動回路50の出力の大きさから、振動ジャイロ10の回転
角速度を知ることができる。この場合も、この差動回路
50では、圧電素子14bの出力を順方向に半波整流して平
滑しかつ圧電素子14cの出力を逆方向に半波整流して平
滑しそれから合成するため、それらの出力間に位相差が
あっても、その位相差による誤差は生じない。

なお、振動ジャイロ10が逆方向に回転している場合
は、圧電素子14bおよび14cの出力の大きさが逆になるの
で、差動回路50からは、負の直流が出力される。したが
って、差動回路50の出力の極性から、振動ジャイロ10の
回転方向を知ることができる。

発明者の実験によれば、この実施例では、振動ジャイ
ロ10の回転角速度と差動回路50の出力電圧とは、それら
の関係を第４図のグラフに示すように、S/N比ないしは
精度のよいリニアな関係を有する。

なお、上述の実施例では、差動回路50において、平滑
回路68および70の出力を合成するための合成手段として
可変抵抗器72が用いられているが、可変抵抗器72に代え
て、２つの固定抵抗器でそれらの出力を合成するように
してもよい。

また、上述の実施例では、特別な発振回路30によって
振動ジャイロ10を自励振駆動したが、この特別な発振回
路30に代えて通常の和動増幅器によって振動ジャイロ10
を自励振駆動してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す回路図である。 第2A図および第2B図は、それぞれ、この発明が適用され
る振動ジャイロの一例を示し、第2A図はその斜視図であ
り、第2B図は第2A図の線II B−II Bにおける断面図であ
る。 第3A図および第3B図は、それぞれ、第１図実施例の各部
における出力を示すグラフであり、第3A図は振動ジャイ
ロの無回転時の出力を示し、第3B図はその回転時の出力
を示す。 第４図は第１図実施例における振動ジャイロの回転角速
度と差動回路の出力電圧との関係を示すグラフである。 第５図および第６図は、それぞれ、この発明の背景とな
る従来の振動ジャイロの一例および他の例を示す図解図
である。 図において、10は振動ジャイロ、50は差動回路、52およ
び60は理想ダイオード回路、68および70は平滑回路、72
は可変抵抗器を示す。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動ジャイロの２つの検出用の圧電素子か
   らの出力差を検出するための差動回路であって、 前記２つの検出用の圧電素子にそれぞれ接続される２つ
   の入力端、 その入力端が前記入力端の一方に接続される理想ダイオ
   ード回路、 その入力側が前記入力端の他方に接続され、前記理想ダ
   イオード回路とは極性の異なる別の理想ダイオード回
   路、 それらの入力側が前記理想ダイオード回路および前記別
   の理想ダイオード回路の出力側にそれぞれ接続される２
   つの平滑回路、 前記２つの平滑回路の出力を合成するための合成手段、
   および 前記合成手段の出力側に接続される出力端を含む、差動
   回路。
2. 【請求項２】前記合成手段は、前記２つの平滑回路の出
   力側の間に接続される抵抗器を含む、特許請求の範囲第
   １項記載の差動回路。
3. 【請求項３】前記抵抗器は可変抵抗器を含み、 前記２つの平滑回路の出力側は前記可変抵抗器の２つの
   固定端子にそれぞれ接続され、さらに 前記出力端は前記可変抵抗器の可動端子に接続される、
   特許請求の範囲第２項記載の差動回路。