JP2548679B2

JP2548679B2 - 振動ジャイロスコープ

Info

Publication number: JP2548679B2
Application number: JP5342715A
Authority: JP
Inventors: 章夫井村; 哲也毛見
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1993-12-16
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1996-10-30
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: JPH07167660A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は振動ジャイロスコープ
に関し、特に検出感度を改善した振動ジャイロスコープ
に関する。この振動ジャイロスコープは、自動車用ナビ
ゲーション、あるいは車輌、産業用の運動制御装置など
に用いることができる。

【０００２】

【従来の技術】振動ジャイロスコープは周知のように、
主方向の振動に誘引されたコリオリ力による副振動を検
出して、角速度を検出するものである。例えば、特開平
２−５１０６６号公報には、次のような振動ジャイロス
コープが開示されている。すなわち、主振動検出圧電体
からの電圧信号を増幅し、さらに位相を約９０°ずらし
て、強制振動をさせるための駆動信号を生成し、該駆動
信号を駆動用圧電体に印加して、ジャイロ振動素子を主
方向に自励振動させる。そして、この自励振動の状態に
おいて、角速度により誘起されたコリオリ力によって発
生される主方向振動と直交方向の副振動を検出すること
により、角速度を検出する。

【０００３】ところで、振動ジャイロスコープの検出感
度は、主方向の固有周波数と副方向の固有周波数とが完
全に一致する時に最大になることが知られている。そこ
で、一般的には、ジャイロ振動素子を精密機械加工によ
り、主方向と副方向の固有周波数が、誤差で約５Ｈｚ以
下になるまで一致させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
精密機械加工は、通常常温下で行われるため、常温下で
の周波数誤差は微小であっても、ジャイロ振動素子の温
度による物性変化、形状変化のため、常温より高い温度
あるいは低い温度では、比較的大きな周波数誤差が発生
し、検出精度が低下するという問題があった。

【０００５】これに対して、従来は、ジャイロ振動素子
の主方向の固有周波数をモニタし、温度変化等の環境変
化による主副方向固有周波数差の変動の検出感度への影
響をマイクロコンピュータでデジタル的に求める方法が
試みられている。しかしながら、この方法は複雑なデー
タ処理回路を必要とし、コスト的に不利であるという問
題があった。

【０００６】本発明の目的は、前記した従来技術に鑑
み、簡単かつ低コストの装置を用いて、主方向と副方向
の固有周波数が等しくなるように調整することができ、
よって高精度の検出を行うことのできる振動ジャイロス
コープを提供することにある。

【０００７】また、本発明の他の目的は、環境条件に左
右されずに、高精度の検出を行うことができる振動ジャ
イロスコープを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、ジャイロ振動素子の主方向固有周波数
を電気的に制御し、該主方向固有周波数と副方向固有周
波数の差を所定値以内に納める手段を具備した点に特徴
がある。

【０００９】

【作用】本発明は、ジャイロ振動素子の主方向の振動を
検出し、駆動信号と前記主方向の振動と同相または逆相
の信号とを生成する。そして、これらの信号を合成し
て、あるいは合成すること無く別個にジャイロ振動素子
に印加する。これにより、ジャイロ振動素子はその変形
と同期した応力を発生し、みかけの剛性は変化させられ
る。この結果、ジャイロ振動素子の主方向の固有周波数
は変化させられることになり、主、副方向の固有周波数
差を調整することができるようになる。

【００１０】

【実施例】以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説
明する。図１は本発明の一実施例の構成を示すブロック
図である。図において、１は均一な弾性率をもつ恒弾性
体からなるジャイロ振動素子（以下、素子と呼ぶ）であ
り、その断面形状は矩形をしている。なお、該素子１の
断面形状は、三角形あるいは円形であってもよい。前記
素子１の一つの側面には圧電セラミック、圧電プラスチ
ック等の主方向駆動圧電体２が形成され、この面と向い
合う他方の側面には主方向振動検出用圧電体３が形成さ
れている。また、前記側面と直角方向の側面には、副方
向振動検出圧電体４が形成されている。なお、前記主方
向駆動圧電体２、主方向振動検出用圧電体３および副方
向振動検出圧電体４の各々に接続された端子２ａ、３ａ
および４ａを、以下では、それぞれ駆動端子、フィード
バック端子および検出端子と呼ぶことにする。

【００１１】次に、５はフィードバック端子３ａからの
信号を増幅し、約９０°の位相補正を行って駆動信号を
生成する駆動回路である。この駆動回路５は、増幅器５
ａと９０°移相器５ｂとから構成されている。６は本発
明の要部である主方向振動周波数制御用信号生成回路で
ある。この主方向振動周波数制御用信号生成回路６は、
前記フィードバック端子３ａからの信号の完全同相ある
いは完全逆相信号を生成する。７は、前記駆動回路５お
よび主方向振動周波数制御用信号生成回路６から出力さ
れた信号を合成して駆動端子２ａに供給する合成回路で
ある。

【００１２】また、８は前記フィードバック端子３ａか
らの信号を用いて同期信号を生成する同期波形生成回路
である。この同期波形生成回路８は、前記駆動端子２ａ
からの信号を用いて同期信号を生成するようにしてもよ
い。９は、前記同期波形生成回路８からの同期信号に基
づいて、検出端子４ａからの信号である前記副方向振動
検出圧電体４からの角速度に対応した大きさの信号を、
ある特定の時間間隔のみ検出する同期検波回路である。

【００１３】次に、上記の構成を有する本実施例の動作
を説明する。素子１はノード点で図示されていない支持
部材により支持されており、主方向駆動圧電体２に駆動
信号が印加されると、主方向（矢印ａ方向）に屈曲振動
する。この状態において、素子１が例えばその軸を中心
としてｃ方向に回転すると、前記主方向の振動と直交す
る方向（矢印ｂ方向）にコリオリ力が働く。前記主方向
の振動とコリオリ力による振動とは、前記主方向振動検
出用圧電体３および副方向振動検出圧電体４により検出
される。

【００１４】主方向振動検出用圧電体３からの検出信号
は、フィードバック端子３ａをへて、駆動回路５、主方
向振動周波数制御用信号生成回路６および同期波形生成
回路８に印加される。駆動回路５は、入力してきたフィ
ードバック信号を増幅し、９０°の位相調整をして合成
回路７に出力する。一方、主方向振動周波数制御用信号
生成回路６はフィードバック信号に対して完全に同相あ
るいは完全に逆相でかつ該フィードバック信号を増幅し
た信号を生成し、合成回路７に出力する。この合成回路
７は、入力してきた二つの信号を減算あるいは加算等で
合成して、素子１の主方向駆動圧電体２に印加する。

【００１５】本実施例によれば、前記主方向振動周波数
制御用信号生成回路６から出力される信号のフィードバ
ック信号に対する増幅倍率を変化させることにより、素
子１の主方向の固有周波数を変化させることができ、素
子１の主方向と副方向の固有周波数を一致させることが
できる。この結果、該素子１からなる振動ジャイロスコ
ープの検出感度を向上することができる。なお、素子１
に、主方向振動周波数制御用信号生成回路６の出力であ
るフィードバック信号に対して完全に同相あるいは完全
に逆相の信号を印加すると、素子１の主方向の固有周波
数を微調整することができる理由は後で説明する。

【００１６】前記のようにして副方向振動検出圧電体４
から検出された検出感度の向上された副方向の振動は、
同期波形生成回路８からの同期信号に基づいて、同期検
波回路９によって、角速度に対応した大きさの信号を、
ある特定の時間間隔のみ検出される。このようにして検
出された信号は、例えば平滑され、次いで増幅されて角
速度検出信号として出力される。

【００１７】次に、前記素子１に、前記主方向振動周波
数制御用信号生成回路６の出力信号を印加すると、その
主方向の固有周波数を微調整することができる理由を説
明する。

【００１８】前述のように、前記主方向振動周波数制御
用信号生成回路６は、フィードバック端子３ａからの信
号の完全同相あるいは完全逆相信号を生成する。該主方
向振動周波数制御用信号生成回路６は、例えば図２に示
されているように、完全逆相信号を出力させるには、オ
ペアンプと抵抗Ｒ１、Ｒ２を用いた反転増幅器から構成
することができる。この増幅器の増幅率（倍率）Ｇは周
知のように、−Ｒ２／Ｒ１になる。なお、完全同相信号
を出力させる場合には、同相増幅器を用いるか、または
図２のオペアンプに例えば１８０°移相器を接続すれば
よい。あるいは、図２のオペアンプの出力に１８０°移
相器を並列に接続し（点線で図示）、同相と逆相出力を
選択できるようにしてもよい。

【００１９】前記完全同相あるいは完全逆相信号が前記
素子１の駆動端子２ａに印加されると、素子１はその変
形と同相あるいは逆相の同期した応力を発生し、振動復
元力が増減し、該素子１のみかけの剛性は変化させられ
る。この結果、該素子１の主方向の固有周波数は変化さ
せられることになる。

【００２０】換言すれば、素子１は電圧を印加される
と、電圧／歪変換効果により、素子１内に応力（歪）が
発生される。この電圧として、変形の変位と同相あるい
は逆相となるフィードバック端子３ａからの信号と完全
に同相である電圧あるいは完全に逆相である電圧を用い
ると、前記応力は復元力に転化され、この復元力の大小
で、素子１の主方向の固有周波数を制御することができ
るようになる。

【００２１】例えば、図３に示されているように、常温
において、主方向振動周波数制御用信号生成回路６の倍
率Ｇが０の時に、素子１の主方向の固有周波数が７９７
２．４Ｈｚであったとすると、前記倍率Ｇを−２にする
と、素子１の主方向の固有周波数は７９７２．１Ｈｚに
変化する。また、倍率Ｇを−４、−６、−８にすると、
素子１の主方向の固有周波数はそれぞれ７９７１．６Ｈ
ｚ、７９７１．２Ｈｚ、７９７０．９Ｈｚに変化する。
このように、主方向振動周波数制御用信号生成回路６の
倍率Ｇを変えると、素子１の主方向の固有周波数を制御
することができることがわかる。

【００２２】さて、常温において、主方向と副方向の固
有周波数の誤差が約５Ｈｚ以下に調整されていた素子１
の環境条件が常温から高温Ｔに変化したとすると、本実
施例では該高温Ｔに対応する倍率Ｇが選ばれる。この温
度Ｔに対応する倍率Ｇは、予め、素子１を種々の環境温
度に置き、倍率Ｇを変えて、各環境温度ごとに主方向と
副方向の固有周波数の誤差を測定して、その誤差が所定
値以内におさまる倍率Ｇを求め、これをテーブルとして
予めまとめておくことにより、実使用時においても簡単
に求めることができる。すなわち、実使用時には、この
テーブルから、測定された環境温度Ｔに対する倍率Ｇを
読み出すことにより、素子１の主方向の固有周波数を調
整することができ、該環境温度Ｔにおいて、前記誤差が
前記所定値である約５Ｈｚ以下になるようにすることが
できる。

【００２３】なお、前記倍率Ｇは、図示されていない制
御回路にセンサで測定した環境温度に関する信号を供給
し、該制御回路により、環境温度に応じて自動的に選択
できるようにしてもよい。

【００２４】次に、本発明の第２実施例を説明する。図
４は本実施例の構成を示すブロック図であり、１０は周
波数制御用圧電体を示し、他の符号は、図１と同一また
は同等物を示す。本実施例は、素子１の側面に、主方向
駆動圧電体２から独立した周波数制御用素子１０を設
け、これに前記主方向振動周波数制御用信号生成回路６
から出力されたフィードバック信号に対して完全に同相
あるいは完全に逆相の信号を供給した点に特徴がある。

【００２５】本実施例においても、第１実施例と同様
に、素子１の主方向の固有周波数を調整することがで
き、素子１の主、副方向の固有周波数の誤差を所定値以
内にする調整をすることができる。この結果、高精度の
検出出力を提供することができるようになる。なお、本
実施例においても、圧電体の断面形状は、矩形に限定さ
れずに、三角形、円形あるいは音叉形であってもよい。

【００２６】次に、本発明の第３実施例を、図５を参照
して説明する。図５において、１１は、フィードバック
信号の移相と増幅を行う移相・増幅回路であり、他の符
号は、図１と同一または同等物を示す。

【００２７】この実施例は次のような考えから作成され
たものである。第１実施例（図１）の合成回路７は駆動
回路５からの駆動信号と主方向振動周波数制御用信号生
成回路６からの主方向振動周波数制御用信号とを加算ま
たは減算により合成する回路であるので、該合成回路７
の出力信号は、前記駆動回路５からの駆動信号の位相を
変えかつその振幅を変えたものに外ならない。これは、
さらに原点にもどって考えると、フィードバック端子３
ａからのフィードバック信号の位相を変え、かつその振
幅を変えたものに外ならない。因みに、主方向振動周波
数制御用信号生成回路６からの主方向振動周波数制御用
信号が０であれば、合成回路７の出力信号は前記フィー
ドバック信号を増幅しかつ９０°の移相をした信号、す
なわち駆動回路５の出力信号そのものに過ぎない。

【００２８】そこで、本発明者が研究した結果、前記移
相・増幅回路１１により、フィードバック信号の位相を
（９０°＋φ°）だけ移相した時、該フィードバック信
号をｃｏｓφに逆比例させて増幅すると、第１実施例と
同様に、素子１の主方向の固有周波数を調整することが
でき、主方向の固有周波数と副方向の固有周波数との誤
差が前記所定値である約５Ｈｚ以下になるようにするこ
とができることがわかった。

【００２９】以下に、前記移相・増幅回路１１により、
フィードバック信号の位相を（９０°＋φ°）だけ移相
した時、該フィードバック信号をｃｏｓφに逆比例させ
て増幅すると、素子１の主方向の固有周波数を調整する
ことができる理由を理論的に説明する。

【００３０】いま、図６に示されているように、ｚ方向
に延びる素子１にｘ方向の加振力Ｆを印加して素子１を
振動させると、下記の微分方程式が成立する。

【００３１】

【数１】ここに、ｘは素子１の変位量、ｍは素子１の質量、ｃは
振動の減衰係数、ｋは復元ばね定数、Ｆは加振力であ
る。上記の(1) 式から、周知のように、素子１の固有周
波数ｆ0 は下記のようになる。

【００３２】

【数２】次に、前記固有周波数ｆ0 を変えるために、素子１の変
位ｘと同相または逆相の加振力−ｋ´ｘを追加すると、
前記(1) 式は次の(3) 式のようになる。

【００３３】

【数３】次に、前記(1) 式のＦと(3) 式の（Ｆ−ｋ´ｘ）との、
振幅と位相の違いを求めることにする。まず、加振力−
ｋ´ｘを加えた時に、共振状態になったとすると、下記
の式が成立する。Ｆ＝Ｆ0 ｅ^{j2π(f0+Δf)t}……(4) ここに、Δf は、固有周波数の補正分である。

【００３４】(4) 式を(3) 式に代入して、(3) 式の微分
方程式を解くと、解ｘは次のようになる。

【００３５】

【数４】前記（Ｆ−ｋ´ｘ）のｘに(5) 式のｘを代入すると、次
の式が成立する。

【００３６】

【数５】したがって、ＦとＦ−ｋ´ｘとの振幅比と位相差とは、
次式で表すことができる。

【００３７】

【数６】 (7) 式の位相φは、ｔａｎφ＝４πΔｆ・ｍ／ｃである
から、(7) 式をさらに変形すると、下式のようになる。

【００３８】

【数７】すなわち、位相をφずらすと、振幅は１／ｃｏｓφ倍さ
れる。この時、変位ｘは次式のようになる。

【００３９】

【数８】したがって、変位ｘと加振力（Ｆ−ｋ´ｘ）の位相差
は、（Ｆ−ｋ´ｘ）が変位ｘより、φ＋π／２だけ進み
位相にすればよい。換言すれば、前記移相・増幅回路１
１は、主方向振動検出用圧電体３からの信号の位相を
（φ＋π／２）だけ制御し、かつ該信号の振幅を該主方
向振動検出用圧電体３からの信号との位相差の正弦値の
逆数（１／ｃｏｓφ＝１／ｓｉｎθ、ただし、θ＝φ＋
π／２）に比例するように増幅する回路であればよい。

【００４０】図７は前記移相・増幅回路１１の一具体例
を示す回路図である。同図は、移相・増幅回路１１を、
増幅器１１ａと９０°移相器１１ｂとからなる駆動信号
生成回路と、バンド消去フィルタ１１ｃからなる増幅移
相回路とから構成したものである。ここに、バンド消去
フィルタ１１ｃの入出力特性Ｖo ／Ｖi は、次のように
なる。

【００４１】

【数９】この回路において、抵抗Ｒ1 または容量Ｃ1 を変化する
と、位相差φが変化すると同時にゲイン振幅Ｖo ／Ｖi
も１／ｃｏｓφに比例して変化することがわかる。

【００４２】なお、図７では、説明を分かりやすくする
ために、移相・増幅回路１１を、増幅器１１ａ、９０°
移相器１１ｂおよびバンド消去フィルタ１１ｃから構成
したが、本実施例はこれに限定されず、１個の回路で実
現しても良い。この場合には、この回路１１は、前記主
方向振動検出用圧電体３からの信号の位相をθだけ制御
し、かつその振幅を該主方向振動検出用圧電体３からの
信号との位相差の正弦値の逆数（１／ｓｉｎθ）に比例
するように増幅する移相・増幅回路であればよい。

【００４３】以上のように、バンド消去フィルタを用い
て位相を変化させ、かつ振幅を変化させることにより、
位相制御が可能になり、系の主方向の固有周波数の制御
が可能になる。

【００４４】したがって、本実施例によれば、主方向の
固有周波数を副方向の固有周波数に近付けて、主、副方
向の固有周波数の差を所定値内、例えば５Ｈｚ以内に押
さえることができるようになり、高精度の検出を行うこ
とのできる振動ジャイロスコープを提供することができ
る。

【００４５】図８は、前記第１〜３実施例に適用するこ
とができるジャイロ振動素子を構成する素子１と、その
側面に形成された電極の具体例を示す。同図(a) は断面
が正方形の素子１の一側面に駆動電極２１ａおよび２１
ｂと、主方向周波数制御電極２２ａを形成し、他方の平
行な側面にフィードバック電極２３ａおよび２３ｂと主
方向周波数制御電極２２ｂとを形成する。また、前記側
面と直交する二つの側面に、４個の検出電極２４ａ〜２
４ｄを形成したものである。

【００４６】また、同図(b) は断面が正三角形の素子１
の二つの斜面に、駆動電極３１ａ〜３１ｄと、主方向周
波数制御電極３２ａ、３２ｂ、および主方向用周波数制
御電極３２ｃとを形成し、その底面にフィードバック電
極３３ａおよび３３ｂを形成したものである。

【００４７】なお、本発明のジャイロ振動素子の断面
形状は他の形状のものも使用することができ、また、前
記各電極の配置もさまざまな変形が可能である。また、
本発明は、圧電体により主方向の振動を起振される振動
ジャイロスコープに限定されず、周知の静電力、熱応
力、あるいは電磁力により起振される振動ジャイロスコ
ープにも適用できることは勿論である。」

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、機械加工精度によらず
に、電気的に、主、副方向の固有周波数差を調節するこ
とができるので、簡単に、かつ低コストで、高感度の振
動ジャイロスコープを提供することができるという効果
がある。

【００４９】また、電気的に周波数を制御することがで
きるので、環境温度が変化しても高精度特に高感度で角
周波数を検出できる振動ジャイロスコープを提供するこ
とができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示すブロック図
である。

【図２】第１実施例の主方向振動周波数制御用信号生
成回路の一具体例を示す回路図である。

【図３】前記主方向振動周波数制御用信号生成回路の
増幅率と主方向の固有周波数との関係の一具体例を示す
図である。

【図４】本発明の第２実施例の構成を示すブロック図
である。

【図５】本発明の第３実施例の構成を示すブロック図
である。

【図６】ジャイロ振動素子が加振力Ｆにより振動する
様子を示す説明図である。

【図７】第３実施例の移相・増幅回路の具体例を示す
回路図である。

【図８】ジャイロ振動素子を構成する圧電体とその側
面に形成する周波数制御電極の具体例を示す図である。

【符号の説明】

１…ジャイロ振動素子、２…主方向駆動圧電体、３…主
方向振動検出用圧電体、４…副方向振動検出圧電体、５
…駆動回路、６…主方向振動周波数制御用信号生成回
路、７…合成回路、８…同期波形生成回路、９…同期検
波回路、１０…周波数制御用圧電体、１１…移相・増幅
回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−249664（ＪＰ，Ａ) 特開平６−18266（ＪＰ，Ａ) 特開平３−156312（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−38110（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−193019（ＪＰ，Ａ) 実開昭64−15911（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】主方向への駆動圧電体、主方向振動検出
用圧電体、および副方向振動検出用圧電体を備えたジャ
イロ振動素子と、前記主方向振動検出用圧電体からの信号を増幅かつ９０
°位相補正を行い駆動電圧信号を生成する駆動回路と、任意の増幅率で、前記主方向振動検出用圧電体からの電
圧信号の同相または逆相信号を生成する主方向振動周波
数制御用信号生成回路と、前記駆動電圧信号と主方向振動周波数制御用信号とを合
成する合成回路とを具備し、前記合成回路の出力信号を前記主方向への駆動圧電体に
印加することにより、前記ジャイロ振動素子の主方向固
有周波数を制御し、該主方向固有周波数と副方向固有周
波数の差を所定値以内に納めるようにしたことを特徴と
する振動ジャイロスコープ。
【請求項２】主方向への駆動圧電体、主方向振動検出
用圧電体、周波数制御用圧電体および副方向振動検出用
圧電体を備えたジャイロ振動素子と、前記主方向振動検出用圧電体からの信号を増幅かつ９０
°位相補正を行い駆動電圧信号を生成する駆動回路と、任意の増幅率で、前記主方向振動検出用圧電体からの電
圧信号の同相または逆相信号を生成する主方向振動周波
数制御用信号生成回路とを具備し、前記主方向振動周波数制御用信号生成回路の出力信号を
前記周波数制御用圧電体に印加することにより、前記ジ
ャイロ振動素子の主方向固有周波数を制御し、該主方向
固有周波数と副方向固有周波数の差を所定値以内に納め
るようにしたことを特徴とする振動ジャイロスコープ。
【請求項３】請求項１または２記載の振動ジャイロス
コープにおいて、前記主方向振動周波数制御用信号生成回路の増幅率を、
環境温度に応じて変えるようにしたことを特徴とする振
動ジャイロスコープ。
【請求項４】主方向への駆動圧電体、主方向振動検出
用圧電体および副方向振動検出用圧電体を備えたジャイ
ロ振動素子と、前記主方向振動検出用圧電体からの信号の位相を制御
し、かつその振幅を該主方向振動検出用圧電体からの信
号との位相差の正弦値の逆数に比例するように増幅する
移相・増幅回路とを具備し、前記移相・増幅回路の出力信号を前記主方向への駆動圧
電体に印加することにより、前記ジャイロ振動素子を励
振し、かつ前記ジャイロ振動素子の主方向固有周波数を
制御し、該主方向固有周波数と副方向固有周波数の差を
所定値以内に納めるようにしたことを特徴とする振動ジ
ャイロスコープ。
【請求項５】請求項４記載の振動ジャイロスコープに
おいて、前記移相・増幅回路を、前記主方向振動検出用圧電体か
らの信号の位相を９０°補正し、さらに該９０°補正さ
れた信号の位相を制御し、かつその振幅を該位相制御量
の余弦値の逆数に比例するように増幅する移相・増幅回
路から構成したことを特徴とする振動ジャイロスコー
プ。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかの振動ジャイロ
スコープにおいて、周波数制御された前記主方向への振動の起振力が、圧電
力、静電力、熱応力および電磁力のうちの少くとも一つ
であることを特徴とする振動ジャイロスコープ。