JP3581992B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は振動ジャイロに関し、特にたとえば、振動体の屈曲振動の変化から回転角速度を検出することができる振動ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の振動ジャイロの一例を示す図解図である。振動ジャイロ１は、たとえば正３角柱状の振動体２を含む。振動体２の３つの側面には、圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃが形成される。圧電素子３ａ，３ｂは、振動体２を屈曲振動させるための駆動用として用いられ、また振動ジャイロ１に加わった回転角速度に対応した信号を検出するための検出用としても用いられる。また、圧電素子３ｃは、振動体２を自励振動させるときの帰還用として用いられる。
【０００３】
圧電素子３ａ，３ｂには抵抗４が接続され、これらの抵抗４と帰還用の圧電素子３ｃとの間に、たとえば反転増幅回路と位相回路とからなる発振回路５が接続される。さらに、圧電素子３ａ，３ｂは、差動増幅回路６に接続される。この差動増幅回路６の出力信号は、同期検波回路７で検波され、さらに平滑回路８で平滑される。発振回路５の信号によって、振動体２は圧電素子３ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動する。この状態では、理想的には、圧電素子３ａ，３ｂに入力される駆動信号は同じであり、差動増幅回路６から駆動信号成分は出力されない。また、振動体２は圧電素子３ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動しているため、圧電素子３ａ，３ｂに生じる信号は同じであり、差動増幅回路６からは圧電素子３ａ，３ｂに生じる信号も出力されない。このように、差動増幅回路６からの出力信号は０であり、振動ジャイロ１に回転角速度が加わっていないことがわかる。
【０００４】
振動ジャイロ１が振動体２の軸を中心として回転すると、コリオリ力によって振動体２の振動方向が変わる。それによって、圧電素子３ａ，３ｂの出力信号間に差が生じ、その差が差動増幅回路６から出力される。差動増幅回路６の出力信号は、同期検波回路７で、同じ位相の信号に同期して検波される。差動増幅回路６からの出力信号は、振動ジャイロ１に加わった回転角速度に対応しているため、これを同期検波し平滑回路８で平滑すれば、その平滑回路８の出力信号から回転角速度を検出することができる。
【０００５】
しかしながら、このような振動ジャイロ１では、圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃのインピーダンスにばらつきがあったり、２つの圧電素子３ａ，３ｂを含む２つの共振系の共振特性にずれがあったりするため、差動増幅回路６に同じ信号が入力されず、差動増幅回路６から駆動信号成分が出力される。つまり、振動ジャイロ１に回転角速度が加わっていなくても、差動増幅回路から信号が出力される。そのため、差動増幅回路６の出力信号を整流し、その直流電圧分をキャンセルすることにより、オフセット調整が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、無回転時に平滑回路からの出力信号が０となるように調整しても、差動増幅回路からは駆動信号成分が出力されているため、回転角速度に対応した信号が重畳されると、差動増幅回路からは大きい信号が出力される。そのため、差動増幅回路およびその後段の回路の出力ダイナミックレンジを確保しなければならず、検出用の２つの圧電素子の出力信号の差が大きい場合や、大きい回転角速度が加わった場合などのことを考えて回路を設計すると、回路部の消費電力が大きくなる。そのため、回路全体の消費電力が大きくなる。
【０００７】
また、ダイナミックレンジが十分確保できない場合、大きい回転角速度が加わって差動増幅回路の出力信号が大きくなると、図８に示すように、回転角速度と平滑回路の出力信号との間の直線性が損なわれたり、回転角速度の方向によって感度に差が生じたりする。
【０００８】
それゆえに、この発明の主たる目的は、オフセット調整を行うことができ、しかもダイナミックレンジを大きくすることなく、回転角速度と出力信号との間の直線性を確保することができる振動ジャイロを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、柱状の振動体と、振動体の側面に形成され駆動用と検出用とを兼用する複数の駆動検出手段と、振動体を振動させるために駆動検出手段に接続される発振回路と、駆動検出手段がその入力端に接続される差動回路と、差動回路の出力信号に加算するための信号であって、同期信号と同相または逆相で所定の振幅の信号を作成する加算信号演算器と、差動回路の出力信号に加算信号演算器の出力信号を加算してオフセット信号の振幅を圧縮するとともにその位相を同期信号と９０°の位相差をもたせる加算器と、加算器の出力信号を同期信号で同期検波してオフセット信号をキャンセルする同期検波回路とを含む、振動ジャイロである。
加算するための信号を得るために、発振回路は、反転増幅回路と、反転増幅回路の出力信号の位相を調整するための位相回路とを含み、反転増幅回路の出力信号が加算信号演算器に入力される。
また、発振回路の出力信号の位相を変えるための位相補正回路を含み、位相補正回路の出力信号が加算信号演算器に入力されてもよい。
さらに、複数の駆動検出手段の出力信号を合成するための加算回路と、加算回路の出力信号の位相を変えるための位相補正回路とを含み、位相補正回路の出力信号が加算信号演算器に入力されてもよい。
【００１０】
【作用】
同期信号と同相または逆相の信号のレベルを調整し、差動回路の出力信号に加算することにより、差動回路の出力信号の位相を変えることができ、オフセット調整ができる。また、差動回路の出力信号に上述の信号を加算することにより、信号レベルを小さくすることができる。
【００１１】
これを説明するために、差動回路の出力信号を Ａ ｓｉｎ （ωｔ ＋ α） とし、同期信号と同相または逆相の信号を Ｂ ｃｏｓ （ωｔ）として計算する。ここで、差動回路の出力信号と同期信号との間に９０°の位相差があれば、オフセット調整をする必要はないが、振動系のばらつきなどにより、αのずれが生じる。これらの信号を加算すると、合成信号 Ｆ （ωｔ）は次式のようになる。

【００１２】
この合成信号をオフセット調整するために、−π／２〜π／２の間で積分したときに０となるようにＢが調整される。このように調整すれば、平滑回路の出力信号を０にすることができる。したがって、この範囲で積分すると、次式が得られる。

よって、 Ｆ （ωｔ） ＝ Ａ ｓｉｎωｔ ｃｏｓα
ここで、−１≦ ｃｏｓα≦１であるから、絶対値を ａｂｓで表すと、
ａｂｓ （Ａ ｓｉｎωｔ） ≧ ａｂｓ （Ｆ （ωｔ））
つまり、αのずれのある差動回路の出力信号のレベルが圧縮される。
【００１３】
【発明の効果】
この発明によれば、加算される信号のレベルを調整することにより、振動ジャイロの出力信号のオフセット調整ができる。さらに、駆動信号成分を圧縮することができるため、回転角速度に対応した信号が重畳されても、差動回路の出力信号があまり大きくならない。したがって、差動回路やその後段の回路のダイナミックレンジを必要以上に大きくする必要がなく、回路の消費電力を抑えることができる。これらの効果から、さらに回転角速度と振動ジャイロの出力信号との間の直線性を得ることができ、回転方向の違いによる感度差も小さくすることができる。
【００１４】
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詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１５】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例を示す図解図である。振動ジャイロ１０は、振動子１１を含む。振動子１１は、図２および図３に示すように、たとえば正３角柱状の振動体１２を含む。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。
【００１６】
振動体１２の３つの側面には、それぞれ圧電素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃが形成される。圧電素子１４ａは、たとえば圧電セラミックからなる圧電層１６ａを含み、圧電層１６ａの両面には電極１８ａ，２０ａが形成される。そして、一方の電極２０ａが、振動体１２の側面に接着される。同様に、圧電素子１４ｂ，１４ｃは圧電層１６ｂ，１６ｃを含み、圧電層１６ｂ，１６ｃの両面には、電極１８ｂ，２０ｂおよび電極１８ｃ，２０ｃが形成される。そして、一方の電極２０ｂ，２０ｃが、振動体１２の側面に接着される。圧電素子１４ａ，１４ｂは、振動体１２を屈曲振動させるための駆動用として用いられ、さらに回転角速度に対応した信号を得るための検出用としても用いられる。また、圧電素子１４ｃは、振動体１２を屈曲振動させるときの帰還用として用いられる。
【００１７】
圧電素子１４ａ，１４ｂには、それぞれ抵抗２２，２４が接続される。これらの抵抗２２，２４と圧電素子１４ｃとの間に発振回路２６が接続される。発振回路２６は、反転増幅回路２８および位相回路３０を含む。そして、圧電素子１４ｃの出力信号が反転増幅回路２８に帰還され、反転増幅回路２８の出力信号が位相回路３０で位相補正されて圧電素子１４ａ，１４ｂに入力される。それにより、振動体１２は自励振駆動され、圧電素子１４ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動する。
【００１８】
さらに、圧電素子１４ａ，１４ｂは、差動増幅回路３２の入力端に接続される。差動増幅回路３２の出力信号には、加算信号演算器３４から信号が加算される。加算信号演算器３４には、反転増幅回路２８の出力信号が入力され、この信号と同相または逆相の信号が加算信号演算器３４から出力される。このとき、加算信号演算器３４では、出力信号のレベルが調整される。差動増幅回路３２の出力信号と加算信号演算器３４の出力信号との合成信号は、同期検波回路３６に入力される。同期検波回路３６では、反転増幅回路２８の出力信号に同期して信号が検波される。さらに、同期検波回路３６の出力信号は、平滑回路３８で平滑される。
【００１９】
この振動ジャイロ１０では、発振回路２６によって、振動体１２が圧電素子１４ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動する。この屈曲振動によって、圧電素子１４ｃからは、図４に示すような正弦波Ａが出力される。この信号が反転増幅回路２８で反転増幅され、さらに位相回路３０で位相補正されて、位相回路３０からは、圧電素子１４ｃの出力信号と９０°の位相差を有する信号Ｂが出力される。この位相回路３０の出力信号が圧電素子１４ａ，１４ｂに与えられ、振動体１２は自励振駆動される。
【００２０】
このとき、圧電素子１４ａ，１４ｂのインピーダンスのばらつきや、圧電素子１４ａ，１４ｂを含む振動系の特性のばらつきなどにより、差動増幅回路３２からは、位相回路３０の出力信号と位相差のある信号Ｃが出力される。この信号Ｃが信号Ａに同期して検波され、それが平滑されると、振動ジャイロ１０に回転角速度が加わっていなくても、平滑回路３８から信号が出力される。そのため、オフセット調整を行うために、信号Ａと同相または逆相の信号が加算される。この実施例では、信号Ａと逆相の加算信号、すなわち反転増幅回路２８の出力信号と同相の加算信号Ｄが加算信号演算器３４から出力され、差動増幅回路３２の出力信号に加算される。
【００２１】
このとき、圧電素子１４ｃの出力信号Ａが最大レベルとなる部分において、差動増幅回路３２の出力信号Ｃと加算信号Ｄとの合成信号Ｅが０となるように、加算信号Ｄのレベルが調整される。したがって、同期検波回路３６において、たとえば信号Ａの正の部分、すなわち反転増幅回路２８の出力信号の負の部分に同期して信号Ｅを検波すれば、信号Ｅの正の部分と負の部分の面積は等しくなる。そのため、平滑回路３８で同期検波回路３６の出力信号を平滑すれば、その出力信号は０となる。さらに、このような加算信号Ｄを加算することにより、差動増幅回路３２の出力信号のレベルが圧縮されていることがわかる。
【００２２】
この状態で、振動体１２の軸を中心として回転すると、コリオリ力によって振動体１２の屈曲振動の方向が変わる。それにより、圧電素子１４ａ，１４ｂには、信号Ａと同位相または逆位相の信号が発生する。この信号は振動体１２に加わった回転角速度に対応した値であり、その位相は回転角速度の方向によって決まる。この信号が出力信号Ｅに重畳される。同期検波回路３６に入力された信号は反転増幅回路２８の出力信号に同期して検波されるため、回転角速度に対応した信号は、その正部分または負部分のみが検波される。したがって、平滑回路３８で平滑すれば、回転角速度に対応した直流信号が得られる。このとき、駆動信号成分は０となるため、回転角速度に対応した信号のみを得ることができる。
【００２３】
この振動ジャイロ１０では、加算信号を加算することにより駆動信号成分が圧縮されているため、加算信号を用いない場合に比べて、回転角速度に対応した信号が重畳されても、同期検波回路３６に入力される信号のレベルが大きくならない。そのため、回路部のダイナミックレンジを大きくする必要がなく、消費電力を小さくすることができる。
【００２４】
また、差動増幅回路３２の出力信号を圧縮することにより、回路部のダイナミックレンジを大きくしなくても、平滑回路３８から回転角速度に対応した大きい信号を出力させることができ、振動ジャイロ１０の出力信号の直線性をよくすることができる。さらに、振動ジャイロ１０の出力信号の直線性をよくすることができるため、回転角速度の方向による感度のばらつきを小さくすることができ、正確に回転角速度を検出することができる。このように、オフセット調整を行うとともに、駆動信号成分の圧縮を行うためには、回転角速度が加わっていないときに平滑回路３８の出力信号が０となるように、加算信号のレベルを調整すればよい。
【００２５】
なお、上述の実施例では、加算信号を得るために、反転増幅回路２８の出力信号を加算信号演算器３４に入力したが、図５に示すように、位相回路３０の出力信号を位相補正回路４０で位相補正して加算信号演算器３４に入力してもよい。また、図６に示すように、加算器４２で圧電素子１４ａ，１４ｂの出力信号を合成し、加算器４２の出力信号を位相補正回路４０で位相補正してもよい。
【００２６】
また、上述の実施例では、振動体１２に圧電素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃを接着して振動子１１を形成したが、圧電体材料で振動体１２を形成し、圧電素子１４ａ〜１４ｃに代えて電極を形成してもよい。また、振動体１２の形状は正３角柱状に限らず、他の角柱状または円柱状に形成してもよい。これらの振動子１１を用いても、複数の駆動検出用の圧電素子または電極が形成されていれば、この発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す図解図である。
【図２】図１に示す振動ジャイロの振動子を示す斜視図である。
【図３】図２に示す振動子の断面図である。
【図４】図１に示す振動ジャイロの各部の信号波形を示すグラフである。
【図５】この発明の他の実施例を示す図解図である。
【図６】この発明のさらに他の実施例を示す図解図である。
【図７】従来の振動ジャイロの一例を示す図解図である。
【図８】印加回転角速度と平滑回路の出力信号との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 振動ジャイロ
１１ 振動子
１２ 振動体
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 圧電素子
２６ 発振回路
２８ 反転増幅回路
３０ 位相回路
３２ 差動増幅回路
３４ 加算信号演算器
３６ 同期検波回路
３８ 平滑回路
４０ 位相補正回路
４２ 加算器

Claims (4)

1. 柱状の振動体、
   前記振動体の側面に形成され、駆動用と検出用とを兼用する複数の駆動検出手段、
   前記振動体を振動させるために前記駆動検出手段に接続される発振回路、
   前記駆動検出手段がその入力端に接続される差動回路、
   前記差動回路の出力信号に加算するための信号であって、同期信号と同相または逆相で所定の振幅の信号を作成する加算信号演算器、
   前記差動回路の出力信号に前記加算信号演算器の出力信号を加算してオフセット信号の振幅を圧縮するとともにその位相を前記同期信号と９０°の位相差を持たせる加算器、および
   前記加算器の出力信号を前記同期信号で同期検波して前記オフセット信号をキャンセルする同期検波回路を含む、振動ジャイロ。
2. 前記発振回路は、反転増幅回路と、前記反転増幅回路の出力信号の位相を調整するための位相回路とを含み、前記反転増幅回路の出力信号が前記加算信号演算器に入力される、請求項１に記載の振動ジャイロ。
3. 前記発振回路の出力信号の位相を変えるための位相補正回路を含み、前記位相補正回路の出力信号が前記加算信号演算器に入力される、請求項１に記載の振動ジャイロ。
4. 複数の前記駆動検出手段の出力信号を合成するための加算回路と、前記加算回路の出力信号の位相を変えるための位相補正回路とを含み、前記位相補正回路の出力信号が前記加算信号演算器に入力される、請求項１に記載の振動ジャイロ。

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