JP3395394B2 - 振動制御装置 - 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、例えば、圧電形振動
ジャイロに用いる振動制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動ジャイロとしては、例えば、
図１１に示すようなものがある。この振動ジャイロにお
いては、振動子４を構成する圧電素子２，３を、それぞ
れインピーダンス素子Ｚ₁ ，Ｚ₂ を経て駆動装置６の出
力側に接続すると共に、この駆動装置６の出力側をさら
に他のインピーダンス素子Ｚ₃ を経て容量素子Ｃにも接
続して、これら圧電素子２，３および容量素子Ｃに、駆
動装置６からの駆動信号を同時に印加するようにしてい
る。

【０００３】また、インピーダンス素子Ｚ₁ ，Ｚ₂ と圧
電素子２，３とのそれぞれの接続点における出力は合成
し、その合成出力と、インピーダンス素子Ｚ₃ および容
量素子Ｃの接続点における出力とを差動増幅器７に供給
して、その差動出力を駆動装置６に帰還することにより
振動子４を自励振動させるようにし、さらに、これらイ
ンピーダンス素子Ｚ₁ ，Ｚ₂ と圧電素子２，３とのそれ
ぞれの接続点における出力を他の差動増幅器８に供給し
て、この差動増幅器８の出力に基づいて角速度検出信号
を得るようにしている。

【０００４】ここで、振動子４は、例えば、図１２に示
すように、横断面形状が四角形を成し、共振点を有する
振動体１の一側面１ａに圧電素子２を、その側面１ａと
隣接する他の側面１ｂに圧電素子３をそれぞれ形成した
もの、図１３に示すように、振動体１の同一側面上に幅
方向に分割して圧電素子２，３を形成したもの、図１４
に示すように、振動体１の対向する側面上に幅方向にず
らして圧電素子２，３を形成したもの、あるいは、図１
５に示すように、振動体１の対向する側面に実質的に一
つの圧電素子２として作用するように、それぞれ圧電素
子２ａ，２ｂを形成してこれらを並列接続すると共に、
他の対向する側面にも実質的に一つの圧電素子３として
作用するように、それぞれ圧電素子３ａ，３ｂを形成し
てこれらを並列接続したものが用いられる。

【０００５】また、その他の振動子４として、図１６に
示すように、横断面形状が三角形を成し、共振点を有す
る振動体１の二つの側面に圧電素子２，３を形成したも
のや、図１７に示すように、横断面形状が円形を成し、
共振点を有する振動体１の円周側面に圧電素子２，３を
形成したもの等、種々の横断面形状を有する振動体の側
面に実質的に二つの圧電素子を形成したものが用いられ
る。なお、ここでは、図１２〜図１７で例示したよう
に、振動体１に実質的に二つの圧電素子２，３を形成し
て成る振動子４を、図１８に示すように表すものとす
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
に示す従来の振動ジャイロにあっては、駆動装置６から
の駆動信号をインピーダンス素子Ｚ₁ ，Ｚ₂ を介して圧
電素子２，３に印加するようにしているため、振動子４
の機械的直列共振周波数ｆ_S 近傍において、圧電素子
２，３のインピーダンスが低下した際に、圧電素子２，
３に印加される信号レベルが低下して、差動増幅器７の
出力が最大となる周波数と、振動子４の機械的直列共振
周波数ｆ_S とが一致しなくなる。この現象を、図１９お
よび図２０を参照して、以下に説明する。

【０００７】図１９ＡおよびＢは、図１２で示した構成
の振動子４のアドミッタンス｜Ｙ｜の周波数特性および
位相特性の測定例を示すもので、図２０ＡおよびＢは、
差動増幅器７の伝達特性および位相特性を示すものであ
る。図１１に示す振動ジャイロでは、圧電素子２，３
が、それぞれインピーダンス素子Ｚ₁ ，Ｚ₂ に直列に接
続されているため、これら圧電素子２，３に印加される
信号レベルは、図１９Ａから｜Ｙ｜の大きい機械的直列
共振周波数ｆ_S 近傍において低下し、｜Ｙ｜の小さい機
械的並列共振周波数ｆ_a 近傍において増大することが理
解される。このため、差動増幅器７の出力は、印加信号
レベルの高い機械的並列共振周波数ｆ_a の影響を受け
て、その最大値を示す周波数は、図２０Ａに示されるよ
うに、機械的並列共振周波数ｆ_a 寄りにシフトしてしま
う。

【０００８】また、振動子４は、一つの圧電素子につい
て、図２１に等価回路を示すように、コイルＬ₁ ，コン
デンサＣ₁ および抵抗Ｒ₁ の直列共振回路に、制動容量
Ｃｄを並列に接続した並列共振回路で表され、インピー
ダンス素子Ｚ₁ ，Ｚ₂ は、例えば、抵抗、コンデンサ等
が用いられるため、例えば、インピーダンス素子Ｚ₁，
Ｚ₂ として抵抗を用いた場合、印加信号は、インピーダ
ンス素子Ｚ₁ ，Ｚ₂ の抵抗値に対する制動容量Ｃｄの値
によって決定される位相変化をも生じることになる。こ
のため、印加信号のレベルおよび位相は、ともに振動子
４のインピーダンス変化に伴って複雑に変動してしま
い、差動増幅器７の出力が最大となる周波数が、機械的
並列共振周波数ｆ_a 寄りとなってしまう。

【０００９】さらにまた、振動子４の等価定数、すなわ
ち制動容量Ｃｄ、コイルＬ₁ ，コンデンサＣ₁ および抵
抗Ｒ₁ は、個々に異なる温度依存性を有するため、周囲
温度の変化により差動増幅器７の出力が最大となる周波
数が変化する。ここで、自励振動は、差動増幅器７の出
力が最大となる周波数において生じるため、周囲温度の
変化によって、自励振動の設定周波数が変動し易くな
る。

【００１０】また、振動子４の機械的品質係数Ｑ_m は、
圧電素子２側の値と、圧電素子３側の値とが正確に一致
しているものでないため、自励振動の設定周波数の変動
に伴って、インピーダンス素子Ｚ₁ ，Ｚ₂ と圧電素子
２，３の接続点の出力に差を生じることになり、ヌル電
圧の発生、変動を生じ易くなる。

【００１１】さらに、振動子４は、その圧電素子２，３
にインピーダンス素子Ｚ₁ ，Ｚ₂ が接続され、全体とし
て高インピーダンスとなるため、圧電素子２，３とイン
ピーダンス素子Ｚ₁ ，Ｚ₂ とのそれぞれの接続点におい
て、電気的ノイズの影響を受け易いという問題もある。

【００１２】この発明の第１の目的は、上述した従来の
問題点に着目してなされたもので、振動子を、その機械
的直列共振周波数ｆ_S にほぼ一致した周波数で安定して
自励振動させることができるよう適切に構成した振動制
御装置を提供することを目的とする。

【００１３】この発明の第２の目的は、振動子を、その
機械的直列共振周波数ｆ_S にほぼ一致した周波数で安定
して自励振動させることができると共に、ヌル電圧をも
有効に低減できるよう適切に構成した振動制御装置を提
供することを目的とする。

【００１４】この発明の第３の目的は、振動子を、その
機械的直列共振周波数ｆ_S に正確に一致した周波数で安
定して自励振動させることができるよう適切に構成した
振動制御装置を提供することを目的とする。

【００１５】この発明の第４の目的は、振動子を、その
機械的直列共振周波数ｆ_S に正確に一致した周波数で安
定して自励振動させることができると共に、ヌル電圧の
発生やその変動を有効に低減できるよう適切に構成した
振動制御装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るための、第１の発明は、共振点を有する振動体の側面
に実質一対の圧電素子を有する振動子と、この振動子の
駆動信号を出力する信号出力端子を有する駆動装置と、
それぞれ帰還用入力端子を有する第１および第２の帰還
増幅器と、帰還用入力端子および信号用入力端子を有す
る第３の帰還増幅器とを有し、前記第１または第２の帰
還増幅器の帰還用入力端子を、一方の圧電素子の一方の
電極に、第２または第１の帰還増幅器の帰還用入力端子
を、他方の圧電素子の一方の電極にそれぞれ結合し、前
記第３の帰還増幅器の帰還用入力端子を、一対の圧電素
子のそれぞれ他方の電極に結合し、その信号用入力端子
を前記駆動装置の信号出力端子に結合して、該第３の帰
還増幅器の出力信号に基づく信号を、前記駆動装置に帰
還するよう構成したことを特徴とするものである。

【００１７】上記第２の目的を達成するための、第２の
発明は、共振点を有する振動体の側面に実質一対の圧電
素子を有する振動子と、この振動子の駆動信号を出力す
る信号出力端子を有する駆動装置と、それぞれ帰還用入
力端子を有する第１および第２の帰還増幅器と、帰還用
入力端子および信号用入力端子を有する第３の帰還増幅
器とを有し、前記第１または第２の帰還増幅器の帰還用
入力端子を、一方の圧電素子の一方の電極に、第２また
は第１の帰還増幅器の帰還用入力端子を、他方の圧電素
子の一方の電極にそれぞれ結合し、前記第３の帰還増幅
器の帰還用入力端子を、一対の圧電素子のそれぞれ他方
の電極に結合し、その信号用入力端子を前記駆動装置の
信号出力端子に結合して、該第３の帰還増幅器の出力信
号に基づく信号を、前記駆動装置に帰還すると共に、前
記第１および第２の帰還増幅器のそれぞれの帰還用入力
端子に供給するよう構成したことを特徴とするものであ
る。

【００１８】上記第３の目的を達成するための、第３の
発明は、共振点を有する振動体の側面に実質一対の圧電
素子を有する振動子と、この振動子の駆動信号を出力す
る信号出力端子および該振動子の制動容量の補償信号を
出力する補償信号出力端子を有する駆動装置と、それぞ
れ帰還用入力端子を有する第１および第２の帰還増幅器
と、帰還用入力端子および信号用入力端子を有する第３
の帰還増幅器とを有し、前記第１または第２の帰還増幅
器の帰還用入力端子を、一方の圧電素子の一方の電極
に、第２または第１の帰還増幅器の帰還用入力端子を、
他方の圧電素子の一方の電極にそれぞれ結合し、前記第
３の帰還増幅器の帰還用入力端子を、一対の圧電素子の
それぞれ他方の電極に結合すると共に、前記駆動装置の
補償信号出力端子に結合し、その信号用入力端子を前記
駆動装置の信号出力端子に結合して、該第３の帰還増幅
器の出力信号に基づく信号を、前記駆動装置に帰還する
よう構成したことを特徴とするものである。

【００１９】上記第４の目的を達成するための、第４の
発明は、共振点を有する振動体の側面に実質一対の圧電
素子を有する振動子と、この振動子の駆動信号を出力す
る信号出力端子および該振動子の制動容量の補償信号を
出力する補償信号出力端子を有する駆動装置と、それぞ
れ帰還用入力端子を有する第１および第２の帰還増幅器
と、帰還用入力端子および信号用入力端子を有する第３
の帰還増幅器とを有し、前記第１または第２の帰還増幅
器の帰還用入力端子を、一方の圧電素子の一方の電極
に、第２または第１の帰還増幅器の帰還用入力端子を、
他方の圧電素子の一方の電極にそれぞれ結合し、前記第
３の帰還増幅器の帰還用入力端子を、一対の圧電素子の
それぞれ他方の電極に結合すると共に、前記駆動装置の
補償信号出力端子に結合し、その信号用入力端子を前記
駆動装置の信号出力端子に結合して、該第３の帰還増幅
器の出力信号に基づく信号を、前記駆動装置に帰還する
と共に、前記第１および第２の帰還増幅器のそれぞれの
帰還用入力端子に供給するよう構成したことを特徴とす
るものである。

【００２０】前記第３の帰還増幅器の出力信号に基づく
信号は、前記第３の帰還増幅器の出力信号と前記駆動信
号とを合成して生成する。

【００２１】前記第３の帰還増幅器の出力信号に基づく
信号は、前記第３の帰還増幅器の出力信号と前記補償信
号とを合成して生成する。

【００２２】前記補償信号の振幅および位相は、前記振
動子の制動容量の値に対応して変化させることが、前記
振動子の制動容量をより正確に補償する点で好ましい。

【００２３】前記第３の帰還増幅器の出力信号に基づく
信号は、可変抵抗を経て前記第１および第２の帰還増幅
器のそれぞれの帰還用入力端子に供給し、前記第１およ
び第２の帰還増幅器の少なくとも一方の帰還抵抗は、可
変帰還抵抗をもって構成することが、実質一対の圧電素
子の相互の等価抵抗差および制動容量差を補って、ヌル
電圧の発生を有効に防止する点で好ましい。

【００２４】前記第１および第２の帰還増幅器の出力の
差を検出する差動増幅器を設けることが、角速度を検出
する点で好ましい。

【００２５】

【作用】第１の発明においては、実質一対の圧電素子の
それぞれ一方の電極を、第１，第２の帰還増幅器のそれ
ぞれの帰還用入力端子に結合し、それぞれ他方の電極
を、第３の帰還増幅器の帰還用入力端子に結合して、こ
の第３の帰還増幅器の信号用入力端子を駆動装置の信号
出力端子に結合すると共に、該第３の帰還増幅器の出力
信号に基づく信号を駆動装置に帰還しているので、駆動
装置に帰還される信号は、振動子の機械的直列共振周波
数にほぼ一致した周波数で最大となる。したがって、振
動子を、その機械的直列共振周波数にほぼ一致した周波
数で自励振動させることが可能となる。

【００２６】第２の発明においては、第１の発明におい
て、さらに第３の帰還増幅器の出力信号に基づく信号
を、第１，第２の帰還増幅器のそれぞれの帰還用入力端
子にも供給するようにしているので、振動子を、そのほ
ぼ自励振動周波数において安定して動作させることがで
きる他、実質一対の圧電素子の等価抵抗差を補うことが
でき、第１，第２の帰還増幅器の出力の差、すなわちヌ
ル電圧を有効に低減することが可能となる。

【００２７】第３の発明においては、実質一対の圧電素
子のそれぞれ一方の電極を、第１，第２の帰還増幅器の
それぞれの帰還用入力端子に結合し、それぞれ他方の電
極を第３の帰還増幅器の帰還用入力端子に結合すると共
に、駆動装置の補償信号出力端子に結合し、この第３の
帰還増幅器の信号用入力端子を駆動装置の信号出力端子
に結合すると共に、該第３の帰還増幅器の出力信号に基
づく信号を駆動装置に帰還しているので、駆動装置に帰
還される信号は、振動子の機械的直列共振周波数に正確
に一致した周波数で最大となる。したがって、振動子
を、その機械的直列共振周波数に正確に一致した周波数
で自励振動させることが可能となる。

【００２８】第４の発明においては、第３の発明におい
て、さらに第３の帰還増幅器の出力信号に基づく信号
を、第１，第２の帰還増幅器のそれぞれの帰還用入力端
子にも供給するようにしているので、振動子を、その自
励振動周波数において安定して動作させることができる
他、実質一対の圧電素子の等価抵抗差を補うことがで
き、第１，第２の帰還増幅器の出力の差、すなわちヌル
電圧やその変動を有効に低減することが可能となる。

【００２９】

【実施例】以下、この発明の実施例について、図面を参
照して説明する。図１は、この発明の第１実施例を示す
もので、角速度を検出する振動ジャイロに適用したもの
である。図１において、従来技術で述べた部分と同様の
部分には同一の符号を付してある。この実施例では、図
１２〜図１７に示したような振動子４、すなわち共振点
を有する種々の横断面形状の振動体１の側面に実質的に
二つの圧電素子２，３を形成してなる振動子４の振動を
制御する。

【００３０】図１において、圧電素子２，３の一方の電
極は、第１，第２の帰還増幅器１０Ｌ，１０Ｒの帰還用
入力端子１２Ｌ，１２Ｒにそれぞれ接続し、他方の電極
は、第３の帰還増幅器１７の帰還用入力端子３３に共通
に接続する。この第３の帰還増幅器１７の信号用入力端
子３５は、駆動装置６の駆動信号を出力する信号出力端
子９に接続し、これにより振動子４を駆動するようにす
る。また、第３の帰還増幅器１７の出力端子３８は、差
動増幅器２２の反転入力端子に結合し、この差動増幅器
２２の非反転入力端子は、駆動装置６の信号出力端子９
に結合して、差動増幅器２２において第３の帰還増幅器
１７の出力信号と、駆動装置６からの駆動信号との差を
検出し、その出力信号を駆動装置６の入力端子１４に帰
還して、振動子４を自励振動させるようにする。また、
帰還増幅器１０Ｌ，１０Ｒの出力は、差動増幅器２０に
供給し、これにより振動子４に作用する角速度によって
生じるコリオリの力を電圧として検出するようにする。

【００３１】なお、第１，第２の帰還増幅器１０Ｌ，１
０Ｒの出力側と、対応する帰還用入力端子１２Ｌ，１２
Ｒ側との間には、それぞれ帰還抵抗Ｒｆ_L ，Ｒｆ_R を接
続すると共に、その一方の帰還抵抗、この実施例では、
帰還抵抗Ｒｆ_R を可変帰還抵抗をもって構成する。ま
た、第３の帰還増幅器１７の出力側と、その帰還用入力
端子３３との間には、帰還抵抗Ｒｆ_M を接続する。

【００３２】この実施例によれば、第３の帰還増幅器１
７の出力信号に基づいて差動増幅器２２から駆動装置６
に帰還される信号は、駆動装置６から信号出力端子９に
出力される信号とは位相が１８０°異なるが、その振幅
は振動子４の機械的直列共振周波数にほぼ一致した周波
数で最大となる。したがって、振動子を、その機械的直
列共振周波数にほぼ一致した周波数で自励振動させるこ
とが可能となる。また、第２の帰還増幅器１０Ｒの帰還
抵抗Ｒｆ_R を可変帰還抵抗をもって構成しているので、
これにより角速度が作用しないときの第１，第２の帰還
増幅器１０Ｌ，１０Ｒの出力の差、すなわち差動増幅器
２０の出力がゼロとなるように調整することができる。
したがって、ヌル電圧を有効に低減でき、角速度を高精
度で検出することができる。

【００３３】図２は、この発明の第２実施例を示すもの
である。この実施例は、図１に示す第１実施例におい
て、差動増幅器２２の出力を可変抵抗ＶＲを経て第１，
第２の帰還増幅器１０Ｌ，１０Ｒの帰還用入力端子１２
Ｌ，１２Ｒにも供給するようにしたもので、その他の構
成は第１実施例と同様である。

【００３４】このように、差動増幅器２２の出力、すな
わち駆動信号と位相が１８０°異なる信号を、可変抵抗
ＶＲを経て第１，第２の帰還増幅器１０Ｌ，１０Ｒの帰
還用入力端子１２Ｌ，１２Ｒに供給すれば、これにより
圧電素子２，３の相互の等価抵抗差を補って、第１，第
２の帰還増幅器１０Ｌ，１０Ｒの帰還抵抗Ｒｆ_L ，可変
帰還抵抗Ｒｆ_R に、コリオリの力に対応した電流、すな
わち虚数成分の電流のみが流れるようにすることができ
る。しかも、これら帰還抵抗Ｒｆ_L および可変帰還抵抗
Ｒｆ_R に流れる虚数成分の電流は、可変帰還抵抗Ｒｆ_R
の調整により、角速度が作用しないときに互いに等しく
することができ、これによって圧電素子２，３の相互の
制動容量差を補うことができる。したがって、差動増幅
器２０の出力におけるヌル電圧の発生を極めて小さく抑
えることができ、角速度をより高精度で検出することが
できる。

【００３５】図３は、この発明の第３実施例を示すもの
である。この実施例では、図１に示す第１実施例におい
て、駆動装置６として、振動子４の制動容量の補償信号
を出力する補償信号出力端子１３を有するものを用い、
この補償信号出力端子１３をコンデンサＣｃを経て第３
の帰還増幅器１７の帰還用入力端子３３に結合して、圧
電素子２，３の他方の電極側の信号と補償信号とを合成
すると共に、この補償信号を、駆動信号に代えて差動増
幅器２２の非反転入力端子に供給するようにしたもの
で、その他の構成は図１と同様である。なお、コンデン
サＣｃは、好適には、振動子４の制動容量Ｃｄの温度依
存生に対応する温度依存性を有するものを用いる。

【００３６】図４は、図３に示す補償信号出力端子１３
を有する駆動装置６の構成の一例を示すものである。こ
の駆動装置６は、反転増幅器１５および非反転増幅器１
６を有し、入力端子１４からの信号を反転増幅器１５で
増幅し、その出力を補償信号として補償信号出力端子１
３に供給すると共に、非反転増幅器１６で増幅して、駆
動信号として信号出力端子９に供給する。すなわち、こ
の例では、信号出力端子９に供給される駆動信号と、補
償信号出力端子１３に供給される補償信号との位相を同
相とすると共に、それらの振幅比を非反転増幅器１６の
入力端子側の抵抗Ｒ_N およびＲｆ_D の組み合わせによっ
て適切に設定するようにする。

【００３７】図５ＡおよびＢは、図３において、振動子
４として図１９および図２０の測定に用いたのと同じも
のを用いて、差動増幅器２２の出力の伝達特性および位
相特性を測定した結果を示すものである。

【００３８】図３に示す第３実施例によれば、圧電素子
２，３に流れる電流成分のうち、それぞれの制動容量Ｃ
ｄに係わる虚数成分は、コンデンサＣ_C を経て合成され
る補償信号により打ち消されるので、第３の帰還増幅器
１７の帰還抵抗Ｒｆ_M には、圧電素子２，３を流れる電
流成分のうちの実数成分のみが流れることになる。した
がって、図５Ａ，Ｂに示す測定結果からも明らかなよう
に、差動増幅器２２の電圧利得は、振動子４の機械的直
列共振周波数ｆ_S において最大となるので、振動子４を
その機械的直列共振周波数ｆ_S に正確に一致した周波数
で安定して自励振動させることができる。また、この機
械的直列共振周波数ｆ_S での自励振動は、コンデンサＣ
ｃとして、振動子４の制動容量Ｃｄの温度依存性に対応
する温度依存性を有するものを用いることにより、より
安定化させることができる。

【００３９】図６は、図３に示す駆動装置６の他の構成
例を示すものである。この駆動装置６は、反転増幅器１
５ａ、自動利得制御回路（以下、ＡＧＣ回路と呼ぶ）２
８および非反転増幅器２５，１６ａを有し、入力端子１
４からの入力信号を反転増幅器１５ａで反転増幅してＡ
ＧＣ回路２８に供給する。ＡＧＣ回路２８は、比較器２
３および振幅制御器２４を有し、比較器２３において、
反転増幅器１５ａからの信号を直流化して基準レベルと
比較し、その比較結果に応じた直流信号を生成して、振
幅制御器２４に供給する。振幅制御器２４は、例えばＦ
ＥＴを有し、このＦＥＴのソース・ドレイン通路に反転
増幅器１５ａの出力信号を供給し、ゲートに比較器２３
からの出力を供給して、比較器２３の出力に基づいて反
転増幅器１５ａの出力信号の振幅を制御する。なお、Ａ
ＧＣ回路２８は、この例に限らず、例えば、集積化され
た乗算器等を用いて構成することもできる。

【００４０】ＡＧＣ回路２８で振幅制御された信号は、
非反転増幅器２５で所定の大きさに増幅して、その出力
を補償信号として補償信号出力端子１３に供給する他、
非反転増幅器１６ａで増幅して駆動信号として信号出力
端子９に供給する。すなわち、図４におけると同様に、
信号出力端子９に供給される駆動信号と、補償信号出力
端子１３に供給される補償信号との位相を同相とすると
共に、それらの振幅比を非反転増幅器１６ａの入力端子
側の抵抗Ｒ_N およびＲｆ_D の組み合わせによって適切に
設定するようにする。

【００４１】図６に示す駆動装置６を用いれば、図３に
おいて、周囲温度の変化により圧電素子２，３のそれぞ
れの等価抵抗等が増加または減少して、圧電素子２，３
を通過する合成電流が減少または増加し、それに伴って
駆動装置６の入力端子１４に帰還される差動増幅器２２
の出力が減少または増加すると、比較器２３の出力が下
降または上昇して、振幅制御器２４のＦＥＴのソース・
ドレイン間の抵抗が、増加または減少する。これによ
り、非反転増幅器２５に供給される信号の大きさは、比
較器２３に入力する信号が、基準レベルに対応する一定
値に達するまで増加または減少し、結果として、差動増
幅器２２の出力、すなわち圧電素子２，３を通過する合
成電流が一定に維持される。

【００４２】このようにして、第３の帰還増幅器１７の
帰還抵抗Ｒｆ_M を通過する電流、すなわち圧電素子２，
３を通過する合成電流のうち制動容量に対応する電流を
差し引いた電流は、一定に維持されるので、振動子４の
自励振動方向の等価抵抗は、見かけ上、一定に維持され
る。したがって、同一の圧電素子２，３で形成される振
動子４の感度方向の振動に対する等価抵抗等について
も、見かけ上、一定に維持されることになるので、入力
角速度に対する検出感度は、周囲温度の変化に関わらず
一定となり、高精度の検出が可能となる。

【００４３】なお、図６に示す駆動装置６を用いる場合
には、コンデンサＣｃとして、振動子４の制動容量Ｃｄ
の温度依存性に対応する温度依存性を有するものを用い
て自励振動を安定化させる方法の他、コンデンサＣｃを
一定値として、例えば、非反転増幅器１６ａの入力側に
おける抵抗Ｒｆ_D を負特性サーミスタ等を含む構成とし
て、非反転増幅器１６ａの出力を振動子４の制動容量Ｃ
ｄの温度依存性に相反して変化させて、自励振動をより
安定化させることもできる。

【００４４】このように構成した場合には、振動子４の
制動容量Ｃｄが、周囲温度の変化により増加または減少
すると、それに伴って振動子４の制動容量側を通過する
電流が増加または減少するため、非反転増幅器１６ａの
電圧利得が減少または増加して、振動子４の制動容量Ｃ
ｄを通過する電流は、補償信号出力端子１３からコンデ
ンサＣｃを経て供給される電流と、その大きさが等しく
なって打ち消される。さらに、振動子４の等価抵抗側お
よび制動容量側のそれぞれを通過する電流値の温度依存
性が類似した傾向を有するので、等価抵抗側を通過する
電流の増加量または減少量も抑制されて、駆動装置６の
入力端子１４に帰還される信号の振幅変化が低く抑えら
れる。

【００４５】したがって、温度変化による比較器２３の
出力の変化が小さくなって、振幅制御器２４のＦＥＴの
ソース・ドレイン間の抵抗の変化量が小さくなり、その
結果、広い温度範囲での振動子４の等価抵抗の大幅な変
化に対しても通過電流の変化が小さく、実質的にＡＧＣ
回路２８の動作可能範囲を拡大することができ、自励振
動をより安定化させることができる。

【００４６】図７は、この発明の第４実施例を示すもの
である。この実施例は、図３に示す第３実施例におい
て、差動増幅器２２に、第３の帰還増幅器１７の出力
と、駆動装置６の信号出力端子９における駆動信号とを
供給して、それらの差動出力を駆動装置６の入力端子１
４に帰還するようにしたもので、その他の構成は、図３
と同様である。なお、駆動装置６は、図４に示した構成
のものや、図６に示したＡＧＣ回路２８を有するものも
用いる。

【００４７】この実施例によれば、第３実施例における
と同様に、圧電素子２，３に流れる電流成分のうち、そ
れぞれの制動容量Ｃｄに係わる虚数成分は、コンデンサ
Ｃ_Cを経て合成される補償信号により打ち消されるの
で、第３の帰還増幅器１７の帰還抵抗Ｒｆ_M には、圧電
素子２，３を流れる電流成分のうちの実数成分のみが流
れることになる。したがって、差動増幅器２２の電圧利
得は、振動子４の機械的直列共振周波数ｆ_S において最
大となるので、振動子４をその機械的直列共振周波数ｆ
_S に正確に一致した周波数で安定して自励振動させるこ
とができる。

【００４８】図８は、この発明の第５実施例を示すもの
である。この実施例は、図３に示す第３実施例におい
て、帰還増幅器１０Ｌ，１０Ｒの帰還用入力端子１２
Ｌ，１２Ｒ側に、差動増幅器２２の出力を、可変抵抗Ｖ
Ｒを経て入力させるようにしたもので、その他の構成
は、図３と同様である。すなわち、この実施例では、駆
動装置６からの駆動信号と位相が１８０°異なる差動増
幅器２２の出力を、可変抵抗ＶＲにより圧電素子２，３
の等価抵抗の微妙な差異を調整して、それぞれの圧電素
子２，３の等価抵抗を流れる電流値に対応する電流とし
て帰還用入力端子１２Ｌ，１２Ｒに流入させる。なお、
駆動装置６は、図４に示した構成のものや、図６に示し
たＡＧＣ回路２８を有するものも用いる。

【００４９】このように構成すれば、振動子４をその機
械的直列共振周波数ｆ_S に正確に一致した周波数で安定
して自励振動させることができる他、第１，第２の帰還
増幅器１０Ｌ，１０Ｒにおいて圧電素子２，３の相互の
等価抵抗差を補って、これら第１，第２の帰還増幅器１
０Ｌ，１０Ｒの帰還抵抗Ｒｆ_L ，可変帰還抵抗Ｒｆ
_Rに、コリオリの力に対応した電流、すなわち虚数成分
の電流のみが流れるようにすることができる。しかも、
これら帰還抵抗Ｒｆ_L および可変帰還抵抗Ｒｆ_R に流れ
る虚数成分の電流は、可変帰還抵抗Ｒｆ_R の調整によ
り、角速度が作用しないときに互いに等しくなるよう
に、圧電素子２，３の相互の制動容量差を補うことがで
きる。したがって、差動増幅器２０の出力におけるヌル
電圧の発生を極めて小さく抑えることができ、角速度を
より高精度で検出することができる。

【００５０】図９Ａおよび図９Ｂは、図８において、振
動子４として図１９および図２０の測定に用いたのと同
じものを用いて、一方の帰還増幅器１０Ｌの出力の実数
成分および虚数成分の伝達特性を測定した結果を示すも
のである。

【００５１】図８に示す実施例によれば、差動増幅器２
２から帰還増幅器１０Ｌ，１０Ｒの帰還用入力端子１２
Ｌ，１２Ｒに流入する電流は、圧電素子２，３の等価抵
抗を流れる電流に対応し、かつその温度依存性に対応し
て変化することになる。したがって、周囲温度が変化し
ても、図９Ａ，Ｂからも明らかなように、帰還増幅器１
０Ｌ，１０Ｒの帰還抵抗Ｒｆ_L ，Ｒｆ_R には、常に実数
成分の電流が流れず、コリオリの力に対応した電流、す
なわち虚数成分の電流のみが流れることになるので、ヌ
ル電圧の発生およびその変動を有効に低減することがで
きると共に、入力角速度に対応した位相成分をより有効
に増幅でき、したがって図３におけるよりもより高精度
で角速度を検出することができる。

【００５２】図１０は、この発明の第６実施例を示すも
のである。この実施例は、図８に示す第５実施例におい
て、差動増幅器２２に、第３の帰還増幅器１７の出力
と、駆動装置６の信号出力端子９における駆動信号とを
供給して、それらの差動出力を駆動装置６の入力端子１
４に帰還するようにしたもので、その他の構成は、図８
と同様である。なお、駆動装置６は、図４に示した構成
のものや、図６に示したＡＧＣ回路２８を有するものも
用いる。したがって、この実施例においても、図８に示
した実施例におけると同様に、振動子４をその機械的直
列共振周波数ｆ_Sに正確に一致した周波数で安定して自
励振動させることができると共に、差動増幅器２０の出
力におけるヌル電圧の発生を極めて小さく抑えることが
でき、角速度をより高精度で検出することができる。

【００５３】なお、図１および図２に示す駆動装置６
は、図４または図６に示す構成のものにおいて、補償信
号出力端子１３を省略したものを用いることができる。
また、上述した各実施例では、帰還増幅器１０Ｌ，１０
Ｒとして演算増幅器を用いたが、その他の帰還増幅器を
用いることもできる。また、この発明は振動ジャイロに
限らず、種々の振動子の振動制御装置として適用するこ
とができる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明によれ
ば、駆動装置に帰還する信号を、振動子の機械的直列共
振周波数にほぼ一致した周波数で最大とすることができ
るので、振動子を、その機械的直列共振周波数にほぼ一
致した周波数で自励振動させることができる。

【００５５】また、第２の発明においては、第１の発明
において、さらに、駆動装置に帰還する信号を、第１，
第２の帰還増幅器のそれぞれの帰還用入力端子にも供給
するようにしたので、振動子を、そのほぼ自励振動周波
数において自励振動させることができる他、実質一対の
圧電素子の等価抵抗差を補って、第１，第２の帰還増幅
器の出力の差、すなわちヌル電圧を有効に低減すること
ができるので、振動ジャイロに適用した場合には、入力
角速度に対応した位相成分を有効に増幅することがで
き、角速度を高精度で検出することができる。

【００５６】また、第３の発明においては、駆動装置に
帰還する信号を、実質一対の圧電素子の制動容量を補償
して、振動子の機械的直列共振周波数に正確に一致した
周波数で最大とすることができるので、振動子を、その
機械的直列共振周波数に正確に一致した周波数で自励振
動させることができる。

【００５７】さらに、第４の発明においては、第３の発
明において、さらに、駆動装置に帰還する信号を、第
１，第２の帰還増幅器のそれぞれの帰還用入力端子にも
供給するようにしたので、振動子を、その自励振動周波
数に正確に一致した周波数で自励振動させることができ
る他、実質一対の圧電素子の等価抵抗差を補って、第
１，第２の帰還増幅器の出力の差、すなわちヌル電圧を
有効に低減することができるので、振動ジャイロに適用
した場合には、入力角速度に対応した位相成分を有効に
増幅することができ、角速度をより高精度で検出するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示すブロック図であ
る。

【図２】同じく、第２実施例を示すブロック図である。

【図３】同じく、第３実施例を示すブロック図である。

【図４】図３に示す駆動装置の一例の構成を示すブロッ
ク図である。

【図５】第３実施例における伝達特性および位相特性の
測定例を示す図である。

【図６】図３に示す駆動装置の他の例の構成を示すブロ
ック図ある。

【図７】この発明の第４実施例を示すブロック図であ
る。

【図８】同じく、第５実施例を示すブロック図である。

【図９】第５実施例における伝達特性および位相特性の
測定例を示す図である。

【図１０】この発明の第６実施例を示すブロック図であ
る。

【図１１】従来例を説明するためのブロック図である。

【図１２】この発明に使用可能な振動子の一例の構成を
示す図である。

【図１３】同じく、他の例の構成を示す図である。

【図１４】同じく、さらに他の例の構成を示す図であ
る。

【図１５】同じく、さらに他の例の構成を示す図であ
る。

【図１６】同じく、さらに他の例の構成を示す図であ
る。

【図１７】同じく、さらに他の例の構成を示す図であ
る。

【図１８】振動子の表示を説明するための図である。

【図１９】振動子のアドミッタンスの周波数特性及び位
相特性の測定例を示す図である。

【図２０】従来例における伝達特性および位相特性の測
定例を示す図である。

【図２１】振動子の等価回路を示す図である。

【符号の説明】

１ 振動体 ２，３ 圧電素子 ４ 振動子 ６ 駆動装置 １０Ｌ 第１の帰還増幅器 １０Ｒ 第２の帰還増幅器 １７ 第３の帰還増幅器 ２０，２２ 差動増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−260494（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−29181（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−243858（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−14912（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−118859（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−118860（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−241812（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04 H03H 9/00

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共振点を有する振動体の側面に実質一対
   の圧電素子を有する振動子と、この振動子の駆動信号を
   出力する信号出力端子を有する駆動装置と、それぞれ帰
   還用入力端子を有する第１および第２の帰還増幅器と、
   帰還用入力端子および信号用入力端子を有する第３の帰
   還増幅器とを有し、 前記第１または第２の帰還増幅器の帰還用入力端子を、
   一方の圧電素子の一方の電極に、第２または第１の帰還
   増幅器の帰還用入力端子を、他方の圧電素子の一方の電
   極にそれぞれ結合し、 前記第３の帰還増幅器の帰還用入力端子を、一対の圧電
   素子のそれぞれ他方の電極に結合し、その信号用入力端
   子を前記駆動装置の信号出力端子に結合して、該第３の
   帰還増幅器の出力信号に基づく信号を、前記駆動装置に
   帰還するよう構成したことを特徴とする振動制御装置。
2. 【請求項２】 共振点を有する振動体の側面に実質一対
   の圧電素子を有する振動子と、この振動子の駆動信号を
   出力する信号出力端子を有する駆動装置と、それぞれ帰
   還用入力端子を有する第１および第２の帰還増幅器と、
   帰還用入力端子および信号用入力端子を有する第３の帰
   還増幅器とを有し、 前記第１または第２の帰還増幅器の帰還用入力端子を、
   一方の圧電素子の一方の電極に、第２または第１の帰還
   増幅器の帰還用入力端子を、他方の圧電素子の一方の電
   極にそれぞれ結合し、 前記第３の帰還増幅器の帰還用入力端子を、一対の圧電
   素子のそれぞれ他方の電極に結合し、その信号用入力端
   子を前記駆動装置の信号出力端子に結合して、該第３の
   帰還増幅器の出力信号に基づく信号を、前記駆動装置に
   帰還すると共に、前記第１および第２の帰還増幅器のそ
   れぞれの帰還用入力端子に供給するよう構成したことを
   特徴とする振動制御装置。
3. 【請求項３】 共振点を有する振動体の側面に実質一対
   の圧電素子を有する振動子と、この振動子の駆動信号を
   出力する信号出力端子および該振動子の制動容量の補償
   信号を出力する補償信号出力端子を有する駆動装置と、
   それぞれ帰還用入力端子を有する第１および第２の帰還
   増幅器と、帰還用入力端子および信号用入力端子を有す
   る第３の帰還増幅器とを有し、 前記第１または第２の帰還増幅器の帰還用入力端子を、
   一方の圧電素子の一方の電極に、第２または第１の帰還
   増幅器の帰還用入力端子を、他方の圧電素子の一方の電
   極にそれぞれ結合し、 前記第３の帰還増幅器の帰還用入力端子を、一対の圧電
   素子のそれぞれ他方の電極に結合すると共に、前記駆動
   装置の補償信号出力端子に結合し、その信号用入力端子
   を前記駆動装置の信号出力端子に結合して、該第３の帰
   還増幅器の出力信号に基づく信号を、前記駆動装置に帰
   還するよう構成したことを特徴とする振動制御装置。
4. 【請求項４】 共振点を有する振動体の側面に実質一対
   の圧電素子を有する振動子と、この振動子の駆動信号を
   出力する信号出力端子および該振動子の制動容量の補償
   信号を出力する補償信号出力端子を有する駆動装置と、
   それぞれ帰還用入力端子を有する第１および第２の帰還
   増幅器と、帰還用入力端子および信号用入力端子を有す
   る第３の帰還増幅器とを有し、 前記第１または第２の帰還増幅器の帰還用入力端子を、
   一方の圧電素子の一方の電極に、第２または第１の帰還
   増幅器の帰還用入力端子を、他方の圧電素子の一方の電
   極にそれぞれ結合し、 前記第３の帰還増幅器の帰還用入力端子を、一対の圧電
   素子のそれぞれ他方の電極に結合すると共に、前記駆動
   装置の補償信号出力端子に結合し、その信号用入力端子
   を前記駆動装置の信号出力端子に結合して、該第３の帰
   還増幅器の出力信号に基づく信号を、前記駆動装置に帰
   還すると共に、前記第１および第２の帰還増幅器のそれ
   ぞれの帰還用入力端子に供給するよう構成したことを特
   徴とする振動制御装置。
5. 【請求項５】 前記第３の帰還増幅器の出力信号に基づ
   く信号を、前記第３の帰還増幅器の出力信号と前記駆動
   信号とを合成して生成するよう構成したことを特徴とす
   る請求項１，２，３または４記載の振動制御装置。
6. 【請求項６】 前記第３の帰還増幅器の出力信号に基づ
   く信号を、前記第３の帰還増幅器の出力信号と前記補償
   信号とを合成して生成するよう構成したことを特徴とす
   る請求項３または４記載の振動制御装置。
7. 【請求項７】 前記補償信号の振幅および位相を、前記
   振動子の制動容量の値に対応して変化させるよう構成し
   たことを特徴とする請求項３，４，５または６記載の振
   動制御装置。
8. 【請求項８】 前記第３の帰還増幅器の出力信号に基づ
   く信号を、可変抵抗を経て前記第１および第２の帰還増
   幅器のそれぞれの帰還用入力端子に供給するよう構成す
   ると共に、前記第１および第２の帰還増幅器の少なくと
   も一方の帰還抵抗を可変帰還抵抗をもって構成したこと
   を特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の振動
   制御装置。
9. 【請求項９】 前記第１および第２の帰還増幅器の出力
   の差を検出する差動増幅器を設けたことを特徴とする請
   求項１〜８のいずれか一つに記載の振動制御装置。