JP3718786B2 - 振動ジャイロ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、振動ジャイロに関し、特に、振動体を自励発振駆動する帰還型自励発振回路を具備する振動ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例を図２および図３を参照して説明する。
図２において、１は弾性金属或は半導体により構成される振動ジャイロの振動体を示す。この振動体１は、図３に示される如く６角柱状に構成され、支持部４０を介してフレーム部３０に一体に構成されている。この振動体１の上面の中央部には駆動用圧電素子２が形成される。この駆動用圧電素子２はジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）その他の圧電材料を、振動体１の上面の中央部に直接にスパッタリング或は蒸着することにより被着形成される。振動体１の下側の斜面の中央部には検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂが形成される。この検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂも、駆動用圧電素子２と同様に、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）その他の圧電材料を振動体１の下側の斜面の中央部に直接にスパッタリング或は蒸着することにより形成される。これらの圧電素子にはそれぞれ圧電素子電極被膜が成膜される。
【０００３】
４は加算回路であり、１０は位相調整用フィルタ６およびコンパレータ７より成る帰還型自励発振回路である。駆動用圧電素子２の電極は発振回路１０に接続し、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂの電極は加算回路４に接続している。なお、弾性金属或は半導体より成る振動体１のこれら圧電素子の形成される表面自体は、これら圧電素子それぞれの他方の電極を構成している。回路を単一電源で駆動させる必要上、振動体１に定電圧素子８から基準電圧が付与されている。
【０００４】
発振回路１０の発振振動数は振動体１の駆動方向の固有振動数と同一の振動数の駆動信号を発生する。この駆動信号が駆動用圧電素子２に印加され、これにより振動体１は図２において上下方向に屈曲振動せしめらる。そして、振動体１はその上下方向の歪みの大きさおよび振動数に対応して図２における左右方向にも屈曲振動し、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂはそれぞれこの屈曲振動に対応する電圧出力を発生する。
【０００５】
振動体１を上下方向に駆動振動している時に入力軸である振動体の軸回りの角速度が入力されると、左右方向にコリオリ力が生じて振動体１には左右方向の力が作用する。このコリオリ力により振動体１の振動方向がずれるところから検出用圧電素子３の出力電圧は変化する。この場合、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂの内の一方の出力は増加するのに対して、他方の検出用圧電素子の出力は減少する。何れか一方の検出用圧電素子３の出力の変化量、或は両者の出力の差動出力の変化量を加算回路４により加算出力する。
【０００６】
ここで、図５を参照するに、加算回路４の加算出力は（ａ）に示される通りの位相、振幅を有するＡ’である。位相調整用フィルタ６はこの加算出力Ａ’に対して、定電圧素子８の基準電圧Ｃ’を基準にして駆動用圧電素子２から駆動用のコンパレータ７までの位相をほぼ０°にする位相調整を施し、出力する回路である。この位相調整用フィルタ６の出力は（ｂ）に示されるＢ’であり、これとコンパレータの閾値として（ｃ）の基準電圧Ｃ’をコンパレータ７に入力する。これらの比較結果である（ｄ）の矩形波Ｄ’を駆動信号として振動体１の駆動用圧電素子２に印加することにより振動体１を自励発振駆動している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上の振動ジャイロの発振回路１０は、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂの出力或は加算回路４の出力Ａ’にオフセットが含まれると、出力Ａ’はオフセットの分だけ信号レベルが変化する。従って、出力Ａ’がコンパレータ７の基準電圧Ｃ’を通過するタイミングは図５（ｂ）に示される如くオフセットを通過するタイミングとは異なる。コンパレータ７はこの基準電圧Ｃ’を閾値電圧Ｃ’とするものであり、図５（ｃ）および図５（ｄ）に示される如く、コンパレータ７の出力Ｄ’のデューティサイクルは５０％から変動し、振動体１を安定して駆動することが困難になる。これに起因して、検出角速度および出力バイアスが変動し、振動ジャイロの動作は正確性を欠くに到る。
【０００８】
この発明は、上述の問題を解消した振動体を自励発振駆動する帰還型自励発振回路を具備する振動ジャイロを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
弾性金属或は半導体を多角柱状に形成して支持部４０を介してフレーム部３０に一体に構成される振動体１を具備し、振動体１に駆動用圧電素子２および１対の検出用圧電素子３ａおよび３ｂを形成して単一電源で動作する帰還型自励発振回路１０により振動体１を駆動振動させて角速度を検出する振動ジャイロにおいて、帰還型自励発振回路は検出用圧電素子の加算出力を位相調整した結果の出力電圧と加算出力のオフセットとに基づいて矩形波を生成するものである振動ジャイロを構成した。
【００１０】
そして、帰還型自励発振回路１０は加算回路４の出力を入力してそのオフセットを生成するオフセット電圧用フィルタ５、加算回路４の出力を位相調整する位相調整用フィルタ６、オフセット電圧用フィルタ５の生成するオフセット電圧Ｃo と位相調整用フィルタ６の位相調整出力電圧Ｂとを入力して矩形波を生成するコンパレータ７より成るものである振動ジャイロを構成した。
【００１１】
また、オフセット電圧用フィルタ５は抵抗を入力端とする逆Ｌ型ＲＣフィルタより成るものである振動ジャイロを構成した。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図１を参照して説明する。図１において、図２における参照数字と共通する参照数字は互に共通する部材を意味するものとする。
振動体１は、図２の従来例と同様に、６角柱状に構成されている。この振動体１の上面の中央部には駆動用圧電素子２が形成される。振動体１の下側の斜面の中央部には検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂが形成される。これらの圧電素子にはそれぞれ圧電素子電極被膜が成膜される。駆動用圧電素子２の電極は帰還型自励発振回路１０に接続し、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂの電極は加算回路４に接続している。なお、弾性金属或は半導体より成る振動体１のこれら圧電素子の形成される表面自体は、これら圧電素子それぞれの他方の電極を構成している。回路を単一電源で駆動させる必要上、振動体１に定電圧素子８から基準電圧が付与されている。
【００１３】
帰還型自励発振回路１０の発振振動数は振動体１の駆動方向の固有振動数と同一の振動数の駆動信号を発生する。この駆動信号が駆動用圧電素子２に印加されてこれにより振動体１は図１において上下方向に屈曲振動せしめらる。そして、振動体１はその上下方向の歪みの大きさおよび振動数に対応して図１における左右方向にも屈曲振動し、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂはそれぞれこの屈曲振動に対応する電圧出力を発生する。
【００１４】
ここで、振動体１が上下方向に駆動振動している時に入力軸である振動体の軸回りの角速度が入力されると、左右方向にコリオリ力が生じて振動体１には左右方向の力が作用する。このコリオリ力により振動体１の振動方向がずれるところから検出用圧電素子３の出力電圧は変化する。この場合、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂの内の一方の出力は増加するのに対して、他方の検出用圧電素子の出力は減少する。何れか一方の検出用圧電素子３の出力の変化量、或は両者の出力の差動出力の変化量を加算回路４により加算出力する。
【００１５】
図４を参照するに、加算回路４の加算出力は図４（ａ）に示される通りのＡである。この発明はこの加算出力Ａをオフセット電圧用フィルタ５に入力し、図４（ｃ）のオフセット電圧Ｃo を発生出力する。このオフセット電圧Ｃo を位相調整用フィルタ６に印加すると共に、この位相調整用フィルタ６には加算回路４の加算出力Ａも印加し、位相調整用フィルタ６は加算出力Ａに対してこのオフセット電圧Ｃo を基準にして駆動用圧電素子２から駆動用コンパレータ７までの位相をほぼ０°にする位相調整を施して出力する。この位相調整用フィルタ６の出力である図４（ｂ）のＢと先のオフセット電圧用フィルタ５の出力するのオフセット電圧Ｃo をコンパレータ７に入力する。これらの比較結果である図４（ｄ）の矩形波Ｄを振動体１の駆動用圧電素子２に印加することにより振動体１の自励発振駆動が行なわれる。
【００１６】
ここで、加算出力Ａのオフセットが変動した時、位相調整用フィルタ６の出力Ｂのオフセットと、オフセット電圧用フィルタ５から出力されるオフセット電圧は共に同様に変動するところから、コンパレータ７においては常に入力の高低の中間の電圧を基準として矩形波を出力することになる。その結果、波形のデューティサイクルは５０％となり、振動体１を安定して駆動させることになる。従って、動作状態の安定した振動ジャイロを得ることができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明は、振動ジャイロの帰還型自励発振回路において、振動体の検出用圧電素子の電圧出力の加算結果の位相調整出力とそのオフセット電圧を比較することにより常に電圧出力の中間電圧を基準にした比較をすることとなり、検出用圧電素子の電圧出力および加算回路の電圧出力のオフセット電圧の変動に対して発振出力用のコンパレータから安定したデューティサイクル５０％の矩形波出力が得られる。従って、振動状態が安定した振動ジャイロが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を説明する図。
【図２】従来例を説明する図。
【図３】振動体を説明する図。
【図４】実施例の電圧波形を説明する図。
【図５】従来例の電圧波形を説明する図。
【符号の説明】
１ 振動体
２ 駆動用圧電素子
３ａ、３ｂ 検出用圧電素子
４ 加算回路
５ オフセット電圧用フィルタ
６ 位相調整用フィルタ
１０ 発振回路
３０ フレーム部
４０ 支持部
【発明の属する技術分野】
この発明は、振動ジャイロに関し、特に、振動体を自励発振駆動する帰還型自励発振回路を具備する振動ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来例を図２および図３を参照して説明する。
図２において、１は弾性金属或は半導体により構成される振動ジャイロの振動体を示す。この振動体１は、図３に示される如く６角柱状に構成され、支持部４０を介してフレーム部３０に一体に構成されている。この振動体１の上面の中央部には駆動用圧電素子２が形成される。この駆動用圧電素子２はジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）その他の圧電材料を、振動体１の上面の中央部に直接にスパッタリング或は蒸着することにより被着形成される。振動体１の下側の斜面の中央部には検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂが形成される。この検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂも、駆動用圧電素子２と同様に、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）その他の圧電材料を振動体１の下側の斜面の中央部に直接にスパッタリング或は蒸着することにより形成される。これらの圧電素子にはそれぞれ圧電素子電極被膜が成膜される。
【０００３】
４は加算回路であり、１０は位相調整用フィルタ６およびコンパレータ７より成る帰還型自励発振回路である。駆動用圧電素子２の電極は発振回路１０に接続し、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂの電極は加算回路４に接続している。なお、弾性金属或は半導体より成る振動体１のこれら圧電素子の形成される表面自体は、これら圧電素子それぞれの他方の電極を構成している。回路を単一電源で駆動させる必要上、振動体１に定電圧素子８から基準電圧が付与されている。
【０００４】
発振回路１０の発振振動数は振動体１の駆動方向の固有振動数と同一の振動数の駆動信号を発生する。この駆動信号が駆動用圧電素子２に印加され、これにより振動体１は図２において上下方向に屈曲振動せしめらる。そして、振動体１はその上下方向の歪みの大きさおよび振動数に対応して図２における左右方向にも屈曲振動し、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂはそれぞれこの屈曲振動に対応する電圧出力を発生する。
【０００５】
振動体１を上下方向に駆動振動している時に入力軸である振動体の軸回りの角速度が入力されると、左右方向にコリオリ力が生じて振動体１には左右方向の力が作用する。このコリオリ力により振動体１の振動方向がずれるところから検出用圧電素子３の出力電圧は変化する。この場合、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂの内の一方の出力は増加するのに対して、他方の検出用圧電素子の出力は減少する。何れか一方の検出用圧電素子３の出力の変化量、或は両者の出力の差動出力の変化量を加算回路４により加算出力する。
【０００６】
ここで、図５を参照するに、加算回路４の加算出力は（ａ）に示される通りの位相、振幅を有するＡ’である。位相調整用フィルタ６はこの加算出力Ａ’に対して、定電圧素子８の基準電圧Ｃ’を基準にして駆動用圧電素子２から駆動用のコンパレータ７までの位相をほぼ０°にする位相調整を施し、出力する回路である。この位相調整用フィルタ６の出力は（ｂ）に示されるＢ’であり、これとコンパレータの閾値として（ｃ）の基準電圧Ｃ’をコンパレータ７に入力する。これらの比較結果である（ｄ）の矩形波Ｄ’を駆動信号として振動体１の駆動用圧電素子２に印加することにより振動体１を自励発振駆動している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上の振動ジャイロの発振回路１０は、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂの出力或は加算回路４の出力Ａ’にオフセットが含まれると、出力Ａ’はオフセットの分だけ信号レベルが変化する。従って、出力Ａ’がコンパレータ７の基準電圧Ｃ’を通過するタイミングは図５（ｂ）に示される如くオフセットを通過するタイミングとは異なる。コンパレータ７はこの基準電圧Ｃ’を閾値電圧Ｃ’とするものであり、図５（ｃ）および図５（ｄ）に示される如く、コンパレータ７の出力Ｄ’のデューティサイクルは５０％から変動し、振動体１を安定して駆動することが困難になる。これに起因して、検出角速度および出力バイアスが変動し、振動ジャイロの動作は正確性を欠くに到る。
【０００８】
この発明は、上述の問題を解消した振動体を自励発振駆動する帰還型自励発振回路を具備する振動ジャイロを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
弾性金属或は半導体を多角柱状に形成して支持部４０を介してフレーム部３０に一体に構成される振動体１を具備し、振動体１に駆動用圧電素子２および１対の検出用圧電素子３ａおよび３ｂを形成して単一電源で動作する帰還型自励発振回路１０により振動体１を駆動振動させて角速度を検出する振動ジャイロにおいて、帰還型自励発振回路は検出用圧電素子の加算出力を位相調整した結果の出力電圧と加算出力のオフセットとに基づいて矩形波を生成するものである振動ジャイロを構成した。
【００１０】
そして、帰還型自励発振回路１０は加算回路４の出力を入力してそのオフセットを生成するオフセット電圧用フィルタ５、加算回路４の出力を位相調整する位相調整用フィルタ６、オフセット電圧用フィルタ５の生成するオフセット電圧Ｃo と位相調整用フィルタ６の位相調整出力電圧Ｂとを入力して矩形波を生成するコンパレータ７より成るものである振動ジャイロを構成した。
【００１１】
また、オフセット電圧用フィルタ５は抵抗を入力端とする逆Ｌ型ＲＣフィルタより成るものである振動ジャイロを構成した。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図１を参照して説明する。図１において、図２における参照数字と共通する参照数字は互に共通する部材を意味するものとする。
振動体１は、図２の従来例と同様に、６角柱状に構成されている。この振動体１の上面の中央部には駆動用圧電素子２が形成される。振動体１の下側の斜面の中央部には検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂが形成される。これらの圧電素子にはそれぞれ圧電素子電極被膜が成膜される。駆動用圧電素子２の電極は帰還型自励発振回路１０に接続し、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂの電極は加算回路４に接続している。なお、弾性金属或は半導体より成る振動体１のこれら圧電素子の形成される表面自体は、これら圧電素子それぞれの他方の電極を構成している。回路を単一電源で駆動させる必要上、振動体１に定電圧素子８から基準電圧が付与されている。
【００１３】
帰還型自励発振回路１０の発振振動数は振動体１の駆動方向の固有振動数と同一の振動数の駆動信号を発生する。この駆動信号が駆動用圧電素子２に印加されてこれにより振動体１は図１において上下方向に屈曲振動せしめらる。そして、振動体１はその上下方向の歪みの大きさおよび振動数に対応して図１における左右方向にも屈曲振動し、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂはそれぞれこの屈曲振動に対応する電圧出力を発生する。
【００１４】
ここで、振動体１が上下方向に駆動振動している時に入力軸である振動体の軸回りの角速度が入力されると、左右方向にコリオリ力が生じて振動体１には左右方向の力が作用する。このコリオリ力により振動体１の振動方向がずれるところから検出用圧電素子３の出力電圧は変化する。この場合、検出用圧電素子３ａおよび検出用圧電素子３ｂの内の一方の出力は増加するのに対して、他方の検出用圧電素子の出力は減少する。何れか一方の検出用圧電素子３の出力の変化量、或は両者の出力の差動出力の変化量を加算回路４により加算出力する。
【００１５】
図４を参照するに、加算回路４の加算出力は図４（ａ）に示される通りのＡである。この発明はこの加算出力Ａをオフセット電圧用フィルタ５に入力し、図４（ｃ）のオフセット電圧Ｃo を発生出力する。このオフセット電圧Ｃo を位相調整用フィルタ６に印加すると共に、この位相調整用フィルタ６には加算回路４の加算出力Ａも印加し、位相調整用フィルタ６は加算出力Ａに対してこのオフセット電圧Ｃo を基準にして駆動用圧電素子２から駆動用コンパレータ７までの位相をほぼ０°にする位相調整を施して出力する。この位相調整用フィルタ６の出力である図４（ｂ）のＢと先のオフセット電圧用フィルタ５の出力するのオフセット電圧Ｃo をコンパレータ７に入力する。これらの比較結果である図４（ｄ）の矩形波Ｄを振動体１の駆動用圧電素子２に印加することにより振動体１の自励発振駆動が行なわれる。
【００１６】
ここで、加算出力Ａのオフセットが変動した時、位相調整用フィルタ６の出力Ｂのオフセットと、オフセット電圧用フィルタ５から出力されるオフセット電圧は共に同様に変動するところから、コンパレータ７においては常に入力の高低の中間の電圧を基準として矩形波を出力することになる。その結果、波形のデューティサイクルは５０％となり、振動体１を安定して駆動させることになる。従って、動作状態の安定した振動ジャイロを得ることができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明は、振動ジャイロの帰還型自励発振回路において、振動体の検出用圧電素子の電圧出力の加算結果の位相調整出力とそのオフセット電圧を比較することにより常に電圧出力の中間電圧を基準にした比較をすることとなり、検出用圧電素子の電圧出力および加算回路の電圧出力のオフセット電圧の変動に対して発振出力用のコンパレータから安定したデューティサイクル５０％の矩形波出力が得られる。従って、振動状態が安定した振動ジャイロが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例を説明する図。
【図２】従来例を説明する図。
【図３】振動体を説明する図。
【図４】実施例の電圧波形を説明する図。
【図５】従来例の電圧波形を説明する図。
【符号の説明】
１ 振動体
２ 駆動用圧電素子
３ａ、３ｂ 検出用圧電素子
４ 加算回路
５ オフセット電圧用フィルタ
６ 位相調整用フィルタ
１０ 発振回路
３０ フレーム部
４０ 支持部
Claims (3)
- 弾性金属或は半導体を多角柱状に形成して支持部を介してフレーム部に一体に構成される振動体を具備し、振動体に駆動用圧電素子および１対の検出用圧電素子を形成して単一電源で動作する帰還型自励発振回路により振動体を駆動振動させて角速度を検出する振動ジャイロにおいて、
帰還型自励発振回路は検出用圧電素子の加算出力を位相調整した結果の出力電圧と加算出力のオフセットとに基づいて矩形波を生成するものであることを特徴とする振動ジャイロ。 - 請求項１に記載される振動ジャイロにおいて、
帰還型自励発振回路は加算回路の加算出力を入力してそのオフセットを生成するオフセット電圧用フィルタ、加算回路の加算出力を位相調整する位相調整用フィルタ、オフセット電圧用フィルタの生成するオフセット電圧と位相調整用フィルタの位相調整出力電圧とを入力して矩形波を生成するコンパレータより成るものであることを特徴とする振動ジャイロ。 - 請求項２に記載される振動ジャイロにおいて、
オフセット電圧用フィルタは抵抗を入力端とする逆Ｌ型ＲＣフィルタより成るものであることを特徴とする振動ジャイロ。
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| JP03219197A JP3718786B2 (ja) | 1997-02-17 | 1997-02-17 | 振動ジャイロ |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP03219197A JP3718786B2 (ja) | 1997-02-17 | 1997-02-17 | 振動ジャイロ |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH10227643A JPH10227643A (ja) | 1998-08-25 |
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1997
- 1997-02-17 JP JP03219197A patent/JP3718786B2/ja not_active Expired - Fee Related
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