JP3698787B2

JP3698787B2 - 圧電振動ジャイロ

Info

Publication number: JP3698787B2
Application number: JP01635896A
Authority: JP
Inventors: 浩一習田
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1996-02-01
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2016-02-01
Also published as: JPH09210691A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電振動ジャイロに関し、特に、所謂棒状屈曲振動子を用いる圧電振動ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、カメラ一体型ＶＴＲにおける手振れ防止機構及び自動車用ナビゲーションシステム等では、ジャイロスコープが用いられており、このジャイロスコープのうちには圧電振動子を用いた圧電振動ジャイロがある。圧電振動ジャイロでは、振動物体（振動している物体）に角速度が与えられるとその振動方向に直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用している。
【０００３】
ここで、振動系において、互いに直交する２方向における振動が可能でさらにこの振動の検出が可能である振動系を考えると、一方向における振動を励振した状態で、２方向の振動面が交わる線と平行な軸を中心軸として振動子自体を回転させると、上述のコリオリ力によって振動（一方向における振動）と直角な方向に力が作用することになる。この結果、他方向の振動が励振されることになる。この他方向の振動の大きさは、一方向の振動（入力側の振動）の大きさ及び上述の回転（つまり、角速度）に比例する。この結果、圧電振動子を用いた場合には、入力電圧が一定であれば、出力電圧の大きさから角速度の大きさを知ることができる。
【０００４】
ここで、図４を参照して、従来の圧電振動ジャイロ用圧電振動子について説明する。
【０００５】
図４に示す圧電振動子は、円柱状の圧電セラミック体１を備えており、圧電セラミック体１の側面には駆動用電極２が配設されると共に、検出用電極３，４とアース用電極５とが配設されている。これら駆動用電極２と検出用電極３，４とは互いに接続されており、これら駆動用電極２と検出用電極３，４とはアース用電極５との間で分極処理されている。
【０００６】
圧電セラミック体１はゴム状軟磁性体１１ａ，１１ｂで支持されており、ゴム状軟磁性体１１ａ，１１ｂは絶縁性ホルダー１２に固定されている。具体的には、ホルダー１２には所定の間隔をおいて一対の保持部１２ａ，１２ｂが形成されており、ゴム状軟磁性体１１ａ，１１ｂはそれぞれ保持部１２ａ，１２ｂに固定されている。
【０００７】
ホルダー１２には合計４個の端子７〜１０が埋め込まれている。具体的には、保持部１２ａの両側端にはそれぞれコ字状の端子７，１０が埋め込まれ、その一部が保持部１２ａの上面，下面に露出している。同様に、保持部１２ｂの両側端にはそれぞれコ字状の端子８，９が埋め込まれ、その一部が保持部１２ｂの上面，下面に露出している。そして、上述の電極２〜５はそれぞれリード線６を介して端子７〜１０の一端面（上端面）に接続され、図示されない端子７〜１０の他端面（下端面）は測定用回路に接続される。
【０００８】
ここで、図５を参照して、カメラ一体型ＶＴＲを例にあげて、手振れの大きさを検出して画面の揺れを補正する際に用いられる圧電振動ジャイロについて説明する。
【０００９】
図５に示す圧電振動ジャイロは、図４に示した圧電振動ジャイロ用圧電振動子（以下単に圧電振動子と呼ぶ）を２個備えている。図５においては、これら圧電振動子を参照番号２１，２２で示し、圧電振動子２２においては、図４に示す端子７〜１０をそれぞれ参照番号７´〜１０´で示すものとする。
【００１０】
圧電振動子２１，２２は互いに直交して配置され、これによって、例えばヨー方向及びピッチ方向の２軸における角速度を検出する。図４で説明したように、端子７，７´は駆動用電極に接続され、端子８，９，８´，９´は検出用電極に接続され、端子１０，１０´はアース用電極に接続されている。
【００１１】
ここで、図６も参照して、同一構成の駆動検出回路３１，３２を二つ用いて圧電振動子２１，２２はそれぞれ独立的に駆動検出される。
【００１２】
図示のように、検出駆動回路３１は、発振回路３１ａ，差動回路３１ｂ，同期検波回路３１ｃ，及び整流回路３１ｄを備えており、同様に、検出駆動回路３２は、発振回路３２ａ，差動回路３２ｂ，同期検波回路３２ｃ，及び整流回路３２ｄを備えている。
【００１３】
駆動検出回路３１に注目して、発振回路３１ａは端子８，９、つまり、検出用電極に接続されると共に、端子７（つまり、駆動用電極）及び同期検波回路３１ｃに接続されており、発振回路３１ａは自励発振回路を構成している。
【００１４】
発振回路３１ａからの発振信号は駆動信号として端子７に与えられると共に、同期検波用信号として同期検波回路３１ｃに与えられる。端子８，９からの検出信号は差動回路３１ｂに与えられ、差動回路３１ｂは、例えば、これら検出信号を差動増幅して差動増幅信号として出力する。
【００１５】
同期検波回路３１ｃでは同期検波用信号に同期して差動増幅信号を検波して検波信号として出力する。この検波信号は整流回路３１ｄで整流され検出電圧信号（第１の検出電圧信号）として出力端子３１ｅから出力される。同様に、駆動検出回路３２からは出力端子３２ｅを介して第２の検出電圧信号が出力される。そして、これら第１の検出電圧信号及び第２の検出電圧信号に応じて、例えば、ヨー方向及びピッチ方向の２軸における角速度を検出する。
【００１６】
ところで、圧電振動子を製造する際、同一の圧電振動子を製造しようとしても、製造過程における種々の要因によって圧電振動子の共振周波数は僅かにずれ、各圧電振動子の共振周波数が異なってしまう。このため、圧電振動子を駆動する際には、上述のように、各圧電振動子毎に発振回路を配置し、この発振回路を自励発振回路とする必要がある。つまり、上記の発振回路３１ａ，３２ａは、互いに異なる周波数の発振信号を送出する。
【００１７】
このような圧電振動ジャイロにおいて、２個の圧電振動子を互いに接近して配置した場合、一方の圧電振動子の励振振動が空気中又は共通の基板等を介して他方の圧電振動子に伝達される結果、相互に干渉が発生する。そして、このような干渉がノイズとなってジャイロ特性が劣化する恐れがある。
【００１８】
例えば、圧電振動ジャイロに角速度が加えられていない状態でその出力を測定すると、図７に示すように、２個の圧電振動子において共振周波数の差は約１０Ｈｚあり、ジャイロ出力に１０Ｈｚの干渉ノイズが生じていることがわかる（尚、この測定に当たっては、圧電セラミック体としてφ２．０×１６ｍｍの形状のものを用いた）。
【００１９】
このような不具合を防止するためには、一般に、２個の圧電振動子を離して配置したり（第１の手法）、又は、ダンパー材を用いた支持ベース等によって互いに励振振動が伝達され難い構造が採用される（第２の手法）。
【００２０】
さらに、２個の圧電振動子の形状を互いに異なる形状としてそれぞれの共振周波数の差を大きく（通常２００Ｈｚ以上）して、圧電振動ジャイロ出力のうちの手振れによる周波数帯域（０．１Ｈｚ〜５０Ｈｚ）よりも干渉ノイズの周波数が高くなるようにする（２００Ｈｚ以上）。そして、干渉ノイズをローパスフィルタでカットして干渉ノイズレベルを低減させる手法も採用されている（第３の手法）。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上述の第１の手法において、２個の圧電振動子を離して配置する結果、ジャイロ自体が大型化するばかりでなく、圧電振動子を離して配置しても干渉ノイズを程度よく低減させることが難しいという問題点がある。
【００２２】
また、第２の手法においても、励振振動の相互伝達を防止することは難しく、いずれにしても、第１の手法及び第２の手法共に干渉ノイズを効果的に低減させることが困難である。
【００２３】
一方、第３の手法では、圧電振動ジャイロを製造する際、互いに形状の異なる２個の圧電振動子を作成し、これら圧電振動子に電極を形成する必要がある。つまり、同一の製造条件下で、２種類の圧電振動子を製造することが必要となり、量産性が著しく低下してしまうという問題点がある。このような、問題点は、３個の圧電振動子を用いた３軸圧電振動ジャイロでより顕著となる。
【００２４】
本発明の目的はジャイロ特性が良好で量産化できる圧電振動ジャイロを提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数の圧電振動子を互いに直交する状態に別体で配置すると共に、該直交する座標軸における角速度を検出するようにした圧電振動ジャイロにおいて、複数の圧電振動子の各々を同一の周波数を有する駆動信号で駆動する駆動手段であると共に、該複数の圧電振動子のうち一つの出力を受け該駆動信号を生成する自励発振回路を備えた圧電振動ジャイロが得られる。
【００２６】
このように、駆動手段である自励発振回路により同一周波数の駆動信号で各圧電振動子を駆動することによって、各圧電振動子の共振周波数差に起因する干渉ノイズを相殺でき、この結果、ジャイロ特性を良好にできるばかりでなく、製造過程における種々の要因による圧電振動子の共振周波数のずれを気にすることなく圧電振動子を量産化できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は、本発明による圧電振動ジャイロに用いられる駆動検出部の一例を示すブロック図である。図１に示す圧電振動ジャイロは、駆動検出回路４１及び検出回路４２を備えており、これら駆動検出回路４１及び検出回路４２は、後述するように圧電振動子に接続される。
【００２９】
駆動検出回路４１及び検出回路４２に接続される圧電振動子は、図５に示す状態に配置、即ち、２個のものが別体で離間されて配置される。尚、以下の説明では、便宜上、圧電振動子は図５における参照符号と同一の参照番号を用いて説明する。
【００３０】
駆動検出回路４１は、発振回路４１ａ，差動回路４１ｂ，同期検波回路４１ｃ，及び整流回路４１ｄを備えており、検出回路４２は、差動回路４２ａ，同期検波回路４２ｂ，及び整流回路４２ｃを備えている。
【００３１】
図５も参照するものとすれば、駆動検出回路４１において、発振回路４１ａは、圧電振動子２１の端子８，９、つまり、検出用電極に接続されると共に、端子７（つまり、駆動用電極）及び同期検波回路４１ｃに接続されており、発振回路４１ａは自励発振回路を構成している。さらに、発振回路４１ａは圧電振動子２２の端子７´（つまり、駆動電極）に接続されると共に、同期検波回路４２ｂに接続されている。この結果、発振回路３１ａからの発振信号が駆動信号として端子７，７´に与えられ、圧電振動子２１，２２が駆動される。
【００３２】
圧電振動子２１からの検出信号は端子８，９を介して差動回路３１ｂに与えられ、差動回路３１ｂでは、例えば、これら検出信号を差動増幅して差動増幅信号として出力する。
【００３３】
同期検波回路４１ｃには発振回路４１ａからの発振信号が同期検波用信号として与えられ、同期検波回路４１ｃでは同期検波用信号に同期して差動増幅信号を検波して検波信号として出力する。この検波信号は整流回路４１ｄで整流され検出電圧信号（第１の検出電圧信号）として出力端子４１ｅから出力される。
【００３４】
同様に、圧電振動子２２からの検出信号は端子８´，９´を介して差動回路４２ａに与えられる。同期検波回路４２ｂでは同期検波用信号に同期して差動回路４２ａの出力（差動増幅信号）を検波して検波信号として出力する。この検波信号は整流回路４２ｃで整流され検出電圧信号（第２の検出電圧信号）として出力端子４２ｄから出力される。そして、これら第１の検出電圧信号及び第２の検出電圧信号に応じて、例えば、ヨー方向及びピッチ方向の２軸における角速度が検出される。
【００３５】
上記の圧電振動ジャイロに角速度が加えられていない状態で、その出力を測定すると、図２に示すように、２個の圧電振動子において共振周波数の差が存在しても、ジャイロ出力には、干渉ノイズがまったく生じていないことが判る（尚、この測定に当たっては、圧電セラミック体としてφ２．０×１６ｍｍの形状のものを用いた）。
【００３６】
このように、一方の圧電振動子（圧電振動子２１）の検出出力のみを用いて自励発振回路を構成し、この自励発振回路の出力（発振信号）を他方の圧電振動子（圧電振動子２２）の駆動電極にも加えることによって、共振周波数の差に起因する干渉ノイズを相殺できる。
【００３７】
上述の例では、２軸圧電振動ジャイロについて説明したが、３軸圧電振動ジャイロについても、図１と同様に構成することができる。図３を参照して、３軸圧電振動ジャイロについて説明する。尚、図３に示す例において、図１に示す例と同一の構成要素については同一の参照番号を付す。
【００３８】
３軸圧電振動ジャイロでは３個の圧電振動子が用いられ、これら圧電振動子は互いに直交して配置される。つまり、図５に示す状態において、圧電振動子２１，２２に直交して別の圧電振動子（以下、略図するが付加圧電振動子と呼ぶことにする）が配置される。この付加圧電振動は圧電振動子２１，２２と同様に構成され、以下の説明では、付加圧電振動子の駆動電極に接続される端子に符号７ａを、検出電極に接続される端子に符号８ａ，９ａを、アース電極に接続される端子に符号１０ａを付す。
【００３９】
図３に示す圧電振動ジャイロは、駆動検出回路４１及び検出回路４２の他に検出回路４３を備えている。そして、検出回路４３は、差動回路４３ａ，同期検波回路４３ｂ，及び整流回路４３ｃを備えている。
【００４０】
駆動検出回路４１の発振回路からは端子７ａに発振信号が駆動信号として与えられ、さらに、この発振信号は同期検波用信号として同期検波回路４３ｂにも与えられる。そして、差動回路４３ａには端子８ａ，９ａを介して付加圧電振動子の検出信号が与えられる。
【００４１】
従って、検出回路４３からは、付加圧電振動子に加わる加速度に応じた検出電圧信号（第３の検出電圧信号）が出力端子４３ｄを介して出力される。
【００４２】
このように、一つの自励発振回路を用いて３軸方向の加速度を検出することができ、このような３軸圧電振動ジャイロにおいても、共振周波数差に起因する干渉ノイズが互いに相殺され、各出力（つまり、第１の検出電圧信号乃至第３の検出電圧信号）における干渉ノイズをなくすことができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、複数の別体で配置された圧電振動子の各々を駆動手段である一つの自励発振回路により同一の周波数を有する駆動信号で駆動すると共に、各圧電振動子のうち一つの出力を受け駆動信号を生成するようにしているため、各圧電振動子の共振周波数差に起因する干渉ノイズを有効に防止することができ、この結果、製造過程における種々要因による圧電振動子の共振周波数のずれを気にすることなく圧電振動子を製造できることにより、圧電振動子の量産化が可能となる。さらに、各圧電振動子の共振周波数差に起因する干渉ノイズを防止できるため、ジャイロ特性を良好にできるという効果がある。
【００４４】
さらに、本発明では、自励発振回路を一つ備えるだけで済み、しかもローパスフィルタ等のフィルタ回路が不要であるため、各圧電振動子が別体で離間されて配置される構成の割には全体を小型化できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧電振動ジャイロに用いられる駆動検出部の一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す圧電振動ジャイロにおける干渉ノイズの状態を説明するための図である。
【図３】本発明による圧電振動ジャイロに用いられる駆動検出部の他の例を示すブロック図である。
【図４】圧電振動ジャイロ用圧電振動子を示す斜視図である。
【図５】２軸圧電振動ジャイロにおける圧電振動子の配置関係を示す図である。
【図６】従来の圧電振動ジャイロに用いられる駆動検出部を示すブロック図である。
【図７】図６に示す圧電振動ジャイロにおける干渉ノイズの状態を説明するための図である。
【符号の説明】
１圧電セラミック体
２駆動用電極
３，４検出用電極
５アース用電極
７〜１０，７´〜１０´，７ａ〜１０ａ端子
３１，３２，４１駆動検出回路
４２，４３検出回路
３１ａ，３２ａ，４１ａ発振回路
３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ａ，４３ａ差動回路
３１ｃ，３２ｃ，４１ｃ，４２ｂ，４３ｂ同期検波回路
３１ｄ，３２ｄ，４１ｄ，４２ｃ，４３ｃ整流回路

Claims

複数の圧電振動子を互いに直交する状態に別体で配置すると共に、該直交する座標軸における角速度を検出するようにした圧電振動ジャイロにおいて、前記複数の圧電振動子の各々を同一の周波数を有する駆動信号で駆動する駆動手段であると共に、該複数の圧電振動子のうち一つの出力を受け該駆動信号を生成する自励発振回路を備えたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。