JP3035161B2 - 振動ジャイロスコープ - Google Patents

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、特に検出信号から寄生振動による偽信号成分を
除去し、検出精度を向上させるようにした振動ジャイロ
スコープに関する。

【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。

【０００３】図４は、従来の振動ジャイロスコープの一
例を示すブロック図である。図において、２１はジャイ
ロ振動素子（以下、単に「素子」と呼ぶ）であり、四角
柱、二重音叉、三角柱等の形状を有している。２２は自
励振動回路であり、素子２１のフィードバック端子から
検出されたフィードバック信号（以下、ＦＢ信号と呼
ぶ）ａを入力とし、素子２１の駆動端子に印加する駆動
信号ｂを生成する。ｃは該素子２１の検出端子から得ら
れた検出信号である。同期検波回路２５は、増幅器２４
によって増幅された検出信号ｃを、増幅器２３によって
増幅されたＦＢ信号ａによって、同期検波する。同期検
波された信号は平滑化回路２６に送られ、平滑化され
て、検出信号として出力される。

【０００４】ところで、従来の振動ジャイロスコープで
は、種々の要因（例えば、温度の変化、湿度の変化、経
時変化等）によりドリフトが発生し、検出信号の精度を
低下させることが知られており、該検出信号の精度の低
下を防止するための種々の対策が提案されている。例え
ば、検出回路による補正方式、素子の形状補正、圧電素
子の接合位置の変更、センサ自体の加熱冷却による定温
化等が提案されている。

【０００５】検出回路による補正方式の一例としては、
例えば特開平３−１７２７１４号公報に開示されている
もの（以下、第１先行技術と呼ぶ）がある。この公報に
開示された技術は、同期検波回路を２個設け、検波位相
ずれによる感度変化を補正するようにしたものである。

【０００６】また、素子の形状補正を開示した公報とし
ては、例えば特開平２−２３１５１７号公報がある。こ
の公報に開示された技術（以下、第２先行技術と呼ぶ）
は、柱状の側面の幅方向のほぼ中央部分に、その長さ方
向に延びる１本以上の溝を設けたものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の技術には、次のような問題があった。前記第１
先行技術は、同期検波される被検波信号が角速度に比例
する信号成分のみで構成される場合には有効であるが、
該被検波信号に含まれるヌル波と呼ばれる寄生波成分を
除去するのにはあまり有効でない。その理由は、ヌル波
そのものが同期検波され、最終出力の検出信号に残留す
るためである。なお、該ヌル波は、主に素子の製造誤差
により生成されるものである。

【０００８】また、第２先行技術は、寄生振動の発生そ
のものを抑え込むことを目的としており、ある程度の効
果は認められるが、寄生振動のない完全な素子を製造す
るために、多大なコストがかかり、製造が極めて難し
い。

【０００９】本発明は、上記の先行技術の問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的は、精度良くヌル波を
除去でき、かつ安価に実現できる振動ジャイロスコープ
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、ジャイロ振動素子を主方向に振
動させている時に発生する、該主方向と直角方向の副方
向の振動から角速度を検出する振動ジャイロスコープに
おいて、前記ジャイロ振動素子から得られたフィードバ
ック信号を増幅する手段と、該フィードバック信号を９
０°前後移相する移相手段と、前記副方向の振動によっ
て得られた検出信号と、前記増幅手段によって増幅さ
れ、前記移相手段によって９０°前後移相されたフィー
ドバック信号とを合成する合成手段とを具備した点に特
徴がある。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【作用】請求項１の発明によれば、前記寄生波のフィー
ドバック信号は前記検出信号の中に含まれている寄生波
と同じ振幅でかつ同位相または逆位相に補正される。こ
のため、前記合成回路により、検出信号と補正されたフ
ィードバック信号とを減算または加算で合成することに
より、前記検出信号の中から寄生波を除去することがで
きる。この結果、振動ジャイロスコープの検出精度を大
幅に向上することができる。

【００１４】

【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、本発明の振動ジャイロスコープの原理
を示すブロック図である。図において、１は振動ジャイ
ロ素子（以下、単に素子と略す）であり、その断面形状
は音叉形、四角、三角、円形等のものを用いることがで
きる。２ａ〜２ｃは該素子１の側面に圧電セラミック、
圧電プラスチック等により形成された圧電体、３は駆動
電圧が印加される駆動端子、４はＦＢ端子、５は検出信
号を出力する検出端子である。また、６はＦＢ端子４か
ら出力されたＦＢ信号のインピーダンス変換器であり、
例えばボルテージフォロワである。７は該インピーダン
ス変換器６からの信号を入力とする自励振動回路であ
り、素子１の駆動信号を生成して、該駆動信号を駆動端
子３に供給する。

【００１５】また、８はインピーダンス変換器６の出力
信号を分岐して増幅する増幅器、９は検出信号を増幅す
る増幅器であり、１０は前記増幅器８および９からの信
号を合成して、検出信号からヌル波のドリフト生成の成
分を除去する合成回路である。この合成回路１０は、例
えば加算あるいは減算回路から構成することができる。
該合成回路１０によって、ヌル波のドリフト生成成分を
除去できる理由は、後述する。１１は前記ヌル波のドリ
フト生成成分が除去された検出信号をＦＢ信号により同
期検波する同期検波回路、１２は平滑化回路である。

【００１６】次に、図１の装置の動作を説明する。素子
１は振動の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２ａに駆動信号が印
加されると、主方向（矢印ｘ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ｚ
方向に回転すると、前記主方向の振動と直交する方向
（ｙ方向）にコリオリ力が働く。該主方向の振動とコリ
オリ力による振動とは、それぞれ主方向振動検出圧電体
２ｂおよび副方向振動検出圧電体２ｃにより検出され
る。

【００１７】主方向振動検出圧電体２ｂからのＦＢ信号
Ｂは、ＦＢ端子４を経て、インピーダンス変換器６に印
加される。インピーダンス変換されたＦＢ信号Ｅは、自
励振動回路７に入力すると共に、分岐され増幅器８で増
幅されて合成回路１０に入力する。自励振動回路７は駆
動信号Ａを生成して、駆動端子３に出力する。一方、合
成回路１０は、増幅器９によって増幅された検出信号Ｃ
´と、増幅器８によって増幅されたＦＢ信号Ｆとを合成
し、検出信号Ｃ´からヌル波のドリフト生成成分を除去
する。ヌル波のドリフト生成成分を除去された検出信号
Ｄは、同期検波回路１１で検波され、平滑化回路１２で
平滑化される。

【００１８】ここで、前記合成回路１０により、検出信
号Ｃ´からヌル波のドリフト生成成分を除去できる理由
を説明する。図２は前記駆動端子３に印加される駆動信
号Ａ、ＦＢ信号Ｂ、検出信号Ｃに含まれる基準環境にお
けるヌル波Ｇおよび環境変化により位相変化したヌル波
Ｈの波形図を示す。また、Ｉ、Ｊは、それぞれ、該環境
変化により位相変化したヌル波ＨのＦＢ信号とπ／２位
相ずれた成分、該ＦＢ信号と同相または逆相成分の波形
図を示す。

【００１９】明らかなように、前記ＦＢ信号とπ／２位
相ずれたヌル波成分Ｉは、同期検波および平滑化でキャ
ンセルされる信号であるので、何らの問題がないが、Ｆ
Ｂ信号と同相または逆相成分Ｊは同期検波および平滑化
をしても残る信号である。

【００２０】そこで、本装置によれば、ＦＢ信号Ｂに、
増幅器８、９により正または負の倍率を乗じ、ＦＢ信号
から生成されたキャンセル波Ｆとヌル波のドリフト生成
成分Ｊの振幅が同一になるように増幅される。ヌル波の
ドリフト生成成分Ｊの振幅は平滑後の直流電圧出力と一
義的な関係があり、環境変化に伴う直流電圧出力の変化
をキャンセルするように増幅率を定めても良い。この結
果、合成回路１０は、検出信号Ｃからヌル波のドリフト
生成成分Ｊを除去して被検波信号Ｄを生成し、同期検波
回路１１に出力することができる。なお、増幅器８、９
は可変増幅器とし、温度等の条件に応じて増幅率を変え
るようにすることもできる。

【００２１】以上のように、本原理の装置によれば、検
出信号Ｃからほぼ完全に出力ドリフトを引起こすヌル波
成分を除去することができ、検出精度を著しく向上させ
ることができる。また、若干の回路素子のみを用いるた
め、極めて安価に実現することができる。

【００２２】次に、本発明の第１実施例を、図３を参照
して説明する。図において、１は振動ジャイロ素子、１
３はチャージアンプ、１４は可変移相器であり、他の符
号は、図１と同一または同等物を示す。なお、該可変移
相器１４としては、９０°の位相を中心に±数度の範囲
で可変できるものであればよい。

【００２３】この実施例では、可変移相器１４によりＦ
Ｂ信号Ｂの位相を（９０°±Δθ°）移相して、ＦＢ信
号Ｂより生成したキャンセル波Ｋと環境変化により位相
変化したヌル波Ｈ（図２参照）の位相が同一になるよう
にしている。また、ＦＢ信号Ｂとヌル波Ｈの振幅は、増
幅器８、９の増幅率を適当に選定することにより、同一
になるようにしている。この結果、合成回路１０から
は、ほぼ完全にヌル波全体を除去した検出信号Ｄを出力
することができる。

【００２４】なお、前記実施例は、圧電型のジャイロ振
動素子１を用いた例で説明したが、本発明はこれに限定
されず、静電力により駆動されるジャイロスコープ、熱
応力により駆動されるジャイロスコープ、あるいは電磁
力により駆動されるジャイロスコープにも適用できるこ
とは勿論である。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、わずかな電気回路を追加するのみで、検出信
号の中からヌル波またはヌル波のドリフト生成成分を除
去することができるので、高精度の振動ジャイロスコー
プを提供することができる。また、極めて安価に、本発
明の振動ジャイロスコープを実現することができる。

【００２６】さらに、振動ジャイロスコープにおいて特
に問題となっている温度ドリフトによる悪影響を効果的
に低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の原理の概略構成を示すブロック図で
ある。

【図２】 駆動信号、ＦＢ信号およびヌル波の波形例を
示す波形図である。

【図３】 本発明の第１実施例の概略構成を示すブロッ
ク図である。

【図４】 従来の振動ジャイロスコープの一例の概略構
成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１…ジャイロ振動素子、２ａ〜２ｃ…圧電体、３…駆動
端子、４…ＦＢ端子、５…検出端子、６…インピーダン
ス変換器、１４…可変移相器、７…自励振動回路、８、
９…増幅器、１０…合成回路、１１…同期検波回路、１
２…平滑化回路、１３…チャージアンプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ジャイロ振動素子を主方向に振動させて
   いる時に発生する、該主方向と直角方向の副方向の振動
   から角速度を検出する振動ジャイロスコープにおいて、 前記ジャイロ振動素子から得られたフィードバック信号
   を増幅する手段と、該フィードバック信号を９０°を中心として±数度の範
   囲で移相する移相手段と、 前記副方向の振動によって得られた検出信号と、前記増
   幅手段によって増幅され、環境変化により移相された寄
   生波と同相または逆相になるように、前記移相手段によ
   って移相されたフィードバック 信号とを合成する合成手
   段とを具備し、 前記合成により、前記検出信号に含まれている寄生波を
   除去するようにしたことを特徴とする振動ジャイロスコ
   ープ。
2. 【請求項２】 請求項１の振動ジャイロスコープにおい
   て、 寄生波除去のためのフィードバック信号の増幅率および
   移相量を温度等の環境によって変化させるようにしたこ
   とを特徴とする振動ジャイロスコープ。
3. 【請求項３】 請求項１の振動ジャイロスコープにおい
   て、 前記ジャイロ振動素子が、圧電駆動型、静電力駆動型、
   熱応力駆動型、および電磁力駆動型のいずれか一つであ
   る ことを特徴とする振動ジャイロスコープ。