JP3985893B2

JP3985893B2 - 物理量の測定装置

Info

Publication number: JP3985893B2
Application number: JP2002036630A
Authority: JP
Inventors: 昭二横井; 信谷
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: JP2003240556A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子を用いた物理量測定装置、例えば振動型ジャイロスコープに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動型ジャイロスコープは、振動している物体に角速度が加わると、その振動と直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そして、その原理は力学的モデルで解析される。
【０００３】
本出願人は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用することを検討した。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。本出願人は、特開平１１−２８１３７２号公報には、主として平面内に延びる振動子を用いた、横置き型に適した振動型ジャイロスコープを提案した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
こうした用途においては、振動型ジャイロスコープは電池によって駆動されているので、できる限り消費電力を減らし、電池の寿命を長くすることが必要である。従って、車両が停止しているときには振動型ジャイロスコープを停止し、車両が発進するときに起動することが望ましい。このためには、振動型ジャイロスコープを起動してから短時間で正常な動作を開始させ、車両の位置の検出を始めることが必要不可欠である。
【０００５】
しかし、例えば車両を発進させたときにジャイロを起動すると、起動後に振動型ジャイロスコープの動作が安定化するまでの時間が長く、ジャイロの動作が安定化するまでの間は車両の方向および位置を確認できないことになる。このため、車両の位置制御への利用が困難となる。
【０００６】
特に、最近、振動子および振動子を収容するパッケージを小型化することが要求されている。本発明者は、振動子の小型化に対応するため、振動子を収容するパッケージ内を真空封止することを試みていた。ところが、振動子をＱ値の高い水晶によって形成し、かつ振動子をパッケージ内に真空封止すると、振動子の駆動Ｑ値が非常に高くなり、例えば１００，０００以上に達することがわかった。この結果、振動子に駆動振動を励振する際に、振動子からの出力信号が安定するまでの時間（起動時間）が長くなった。
【０００７】
本発明の課題は、振動子に駆動振動を励振し、振動子に印加される物理量を、振動子から得られた出力信号に基づいて検出するのに際して、測定用の振動子からの出力信号が安定化するまでの起動時間を短くできるようにすることである。
【０００８】
本発明は、振動子、この振動子と発振ループを構成し、振動子に駆動振動を励振する自励発振回路、および振動子からの出力信号を処理するための検出回路を備えており、出力信号に基づいて物理量を測定する装置を提供する。
【０００９】
自励発振回路が、振動子を駆動する駆動器、駆動器における利得を制御する振幅制御装置、自励発振回路の電流量を検出する電流検出器、および振動子と駆動器との間に直列接続されている抵抗器を備えており、電流検出器における電流量の検出値に基づいて振幅制御装置によって駆動器における利得を調整して前記振動子を安定発振させ、抵抗器の抵抗値が、振動子の駆動振動モードの等価直列抵抗よりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、振動子に駆動振動を励振し、振動子に印加される物理量を、振動子から得られた出力信号に基づいて検出するのに際して、振動子のＱ値が高い場合であっても、振動子からの出力信号が安定化するまでの起動時間を短くできる。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る振動子の自励発振回路８を示すブロック図である。振動子の駆動振動部３Ａには励振手段４が取り付けられている。励振手段４は自励発振回路８に対して接続されており、発振ループを構成している。起動の際には、まず自励発振回路８内の駆動器１の利得（ゲイン）の大きい状態でスタートする。この時点では駆動器への入力は雑音のみである。この雑音は、目的とする駆動振動の固有共振周波数を含む幅広い周波数の波動を含んでいる。この雑音を振動子３Ａに入力する。
【００１２】
振動子は、例えば後述するような圧電性単結晶からなる。振動子の周波数フィルター作用によって、目的とする固有共振周波数の振動を多く含む信号が出力され、この信号が駆動器１に入力される。発振ループ内でこうした操作が繰り返されることによって、目的とする固有共振周波数の信号の割合が高くなり、駆動器１への入力信号が大きくなる。この際、振動子からの出力を電流検出器６によって検出し、この検出値に基づいてＡＧＣ（振幅制御装置）７によって駆動器１を制御し、駆動器における利得を調整する。これによって、発振ループを信号が一周する間の利得（ループゲイン）が１となるようにする。最終的には、駆動器１の利得を調整することなしに、発振ループを信号が一周する間の利得（ループゲイン）が１となり、この状態で振動子が安定発振する。
【００１３】
振動子の安定発振は、物理量の測定には必要不可欠である。なぜなら、振動子において発振している駆動信号の振幅が一定でないと、振動子から出力されるべき出力信号の値も一定とならず、正確な測定を行うことができないからである。
【００１４】
本発明によれば、駆動器１と振動子３Ａとの間に抵抗器２を直列接続し、その抵抗値ＲＬを調整することによって、振動子３Ａの駆動振動のＱ値が高い場合にも、振動子からの出力信号が安定化するまでの時間（起動時間）を短くでき、好ましくは１．５秒以下とすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明において測定されるべき物理量は特に限定はされない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、検出装置としては慣性センサーが好ましい。
【００１６】
図２は、本発明の他の実施形態に係る自励発振回路８Ａを示すブロック図である。図２において、図１に示した部分には同じ符号をつけ、その説明を省略する。図２の例においては、振動子の駆動部分３Ａには２対の駆動電極４Ａ、４Ｂが設けられている。そして、各対の駆動電極４Ａ、４Ｂと駆動器１との間には、共通の抵抗器２（抵抗値ＲＬ）が直列接続されている。
【００１７】
図３は、本発明の更に他の実施形態に係る自励発振回路８Ｂを示すブロック図である。図３の例においては、振動子の駆動部分３Ａには２対の駆動電極４Ａ、４Ｂが設けられている。一対目の駆動電極４Ａと駆動器１との間には、抵抗器２Ａ（抵抗値ＲＡ）が直列接続されており、二対目の駆動電極４Ｂと駆動器１との間には、抵抗器２Ｂ（抵抗値ＲＢ）が直列接続されている。この場合には、各駆動電極ごとに、抵抗器の抵抗値をそれぞれ独立して制御可能である。
【００１８】
図４は、本発明の好適な実施形態に係る制御回路１０を示すブロック図である。本例の測定装置は、回転角速度を測定するための振動型ジャイロスコープに係るものである。
【００１９】
制御回路１０は、駆動回路１１と検出回路２３とを備えている。駆動回路１１は、振動子の駆動部３Ａを励振するためのものであり、自励発振回路８と診断回路１２とが設けられている。自励発振回路８は、図１〜３に示したものである。
【００２０】
起動時には、自励発振回路８に対して起動回路から雑音を入力する。この雑音は、振動子の駆動部３Ａを通過して周波数選択を受け、次いで駆動器１で増幅される。振動子からの出力信号の一部を取り出し、電流検出器６に入力し、振幅の水準（大きさ）に変換する。この振幅の信号を振幅制御装置７に入力する。自励発振回路８は診断回路１２に連結されており、診断回路１２の出力はＤＩＡＧ端子を通して外部に出力される。
【００２１】
起動後の初期段階では、振動子において雑音の大部分がカットされるため、電流検出器からの出力が比較的小さい。このため、駆動器１における利得を大きくし、発振ループを一周する間のループゲインが１になるようにする。時間が経過すると、電流検出器への入力信号の振幅が大きくなるので、駆動器１における利得を小さくし、ループゲインが１になるようにする。
【００２２】
振動子の振動に基づく出力信号は、以下のように処理する。即ち、振動子の検出部１５Ａ、１５Ｂから検出手段２５によって出力信号（交流）を得、この信号を交流増幅器１７Ａ、１７Ｂを用いて増幅し、各増幅器１７Ａ，１７Ｂからの出力を差動加算器１８によって差動加算する。
【００２３】
また、駆動信号の一部を派生させ、派生信号を移相器１３に通し、移相信号を得る。移相信号の位相は、駆動信号の位相とは、所定角度、例えば９０°ずれている。この移相信号を位相検波器１９に入力し、振動子からの出力信号を検波する。この結果、検波後の出力信号においては、不要な漏れ信号は消去されており、あるいは少なくとも低減されているはずである。この検波後の出力信号をローパスフィルター２０に入力し、平滑化し、次いで０点調整回路２１に入力する。この出力を外部に取り出す。
【００２４】
また、検出回路において、振動子の検出部と直列に抵抗器を挿入し、直列接続することによって、検出振動モードのＱ値が高くとも、出力信号中の振動ノイズを小さくすることができる。例えば、図５のブロック図に示すように、振動子の検出部１５から所定の検出手段２５によって出力信号を出力し、この出力信号を電流検出器１２に通し、検出回路へと送る。ここで、２８は振動子の検出部１５と電流検出器１２との間に直列接続された抵抗器である。
【００２５】
本発明において、振動子と駆動器との間に直列接続される抵抗器の個数や種類は特に限定されない。
【００２６】
本発明においては、振動子と駆動器との間に直列接続される抵抗器の抵抗値ＲＬは、振動子の駆動振動モードの等価直列抵抗Ｒよりも大きくする。
【００２７】
抵抗器は、その抵抗値ＲＬが大きいほど起動時間短縮効果が大きいが、抵抗値ＲＬが大き過ぎると、所望の駆動電流を得る為に必要な駆動電圧が高くなり好ましくない。この為、抵抗器の抵抗値ＲＬは、振動子の駆動振動モードの非共振インピーダンスＺの１００分の１以下であることが好ましい。ただし、Ｚ＝√（Ｌ／Ｃａ）である（Ｌは、振動子の駆動振動モードの等価直列インダクタンスである。Ｃａは、振動子の駆動振動モードの等価直列静電容量である）。
【００２８】
図２、図３の例においては、２対の駆動電極を逆並列接続した状態での振動子の駆動振動モードの等価直列抵抗Ｒ、等価直列インダクタンスＬ、等価直列静電容量Ｃａに対して、上記の条件を当てはめる。
【００２９】
前記抵抗器の抵抗値は、複数の抵抗器がある場合には、複数の抵抗器によって構成される回路全体の合成抵抗値である。例えば、図３の例においては、複数の抵抗器が並列接続されているので、回路全体の並列合成抵抗値ＲＬは、１／（１／ＲＡ＋１／ＲＢ）となる。
【００３０】
また、本発明においては、起動時間が１．５秒間以下となるように振動子と駆動器との間に直列接続される抵抗器の抵抗値（合計値）を調整することが好ましい。
【００３１】
駆動信号の波形は限定されないが、好ましくは正弦波、余弦波あるいは矩形波である。
【００３２】
振動子の構成は特に限定されない。振動子を構成する材質としては、エリンバー等の恒弾性合金、強誘電性単結晶（圧電性単結晶）を例示できる。こうした単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ホウ酸リチウム、ランガサイトを例示できる。また、振動子は、パッケージ内に気密封止されていることが好ましい。パッケージ内の雰囲気は、乾燥窒素または真空とするのが、好ましい。
【００３３】
【実施例】
（実施例）
以下、図２、図４を参照しつつ説明したような回路を構成し、駆動実験を行った。振動子としては、特開平１１−２８１３７２号公報に記載の振動子を使用した。この振動子は、２本の駆動振動片３Ａと、駆動振動片とは独立的に振動する２本の検出振動片１５Ａ、１５Ｂとを備えている。振動子は、シーム溶接パッケージ内に真空封止されている。この振動子の駆動振動モードの固有共振周波数は２９．０ｋＨｚであり、等価直列抵抗Ｒは６．０ｋΩであり、等価直列インダクタンスＬは３．４ｋＨであり、等価直列静電容量Ｃａは８．８ｆＦであり、Ｑ値は１０５０００であり、非共振インピーダンスＺ＝√（Ｌ／Ｃａ）は約６００ＭΩである。抵抗器２の抵抗値は３９ｋΩとした。
【００３４】
起動回路から周波数１００〜５００ｋＨｚの雑音を発生させ、発振ループに入力し、自励発振を開始した。振動子からの出力電圧と、起動後の経過時間との関係を図６に示す。図６からわかるように、振動型ジャイロスコープの起動時間は約１．０秒であった。
【００３５】
ただし、起動時間は以下のように測定した。即ち、駆動回路および検出回路に電力を投入した直後から、振動子からの出力信号の波形を収集した。振動子からの出力信号が十分に安定した値を定常値とする。そして、出力電圧の定常値からの偏差が、角速度に換算して±３ｄｅｇ／ｓｅｃの範囲内になるまでの経過時間を、起動時間とする。
【００３６】
（比較例）
実施例１において、抵抗器２の抵抗値を５ｋΩとした。これは、駆動振動モードの等価直列抵抗値（６ｋΩ）よりも小さい。そして、実施例１と同様にして起動実験を行い、図７に示す結果を得た。図７からわかるように、起動時間は約２．０秒であった。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、振動子に駆動振動を励振し、振動子に印加される物理量を、振動子から得られた出力信号に基づいて検出するのに際して、測定用の振動子からの出力信号が安定化するまでの起動時間を短くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る自励発振回路を示すブロック図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る自励発振回路を示すブロック図である。
【図３】本発明の更に他の実施形態に係る自励発振回路を示すブロック図である。
【図４】駆動回路１１および検出回路２３を備える制御回路１０を示すブロック図である。
【図５】検出回路に抵抗器１０を直列接続した実施形態を示すブロック図である。
【図６】振動型ジャイロスコープの起動後の経過時間と振動子からの出力電圧との関係を示すグラフである。
【図７】振動型ジャイロスコープの起動後の経過時間と振動子からの出力電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１駆動器２、２Ａ、２Ｂ振動子と直列接続される抵抗器３Ａ振動子の駆動部４、４Ａ、４Ｂ駆動電極（励振手段）６電流検出器７振幅制御装置８、８Ａ、８Ｂ自励発振回路１０制御回路１１駆動回路１２診断回路１５Ａ、１５Ｂ振動子の検出部２２直流増幅回路２３検出回路２５検出手段

Claims

振動子、この振動子と発振ループを構成し、前記振動子に駆動振動を励振する自励発振回路、および前記振動子からの出力信号を処理するための検出回路を備えており、前記出力信号に基づいて物理量を測定する装置であって、
前記自励発振回路が、前記振動子を駆動する駆動器、この駆動器における利得を制御する振幅制御装置、前記自励発振回路の電流量を検出する電流検出器、および前記振動子と前記駆動器との間に直列接続されている抵抗器を備えており、前記電流検出器における前記電流量の検出値に基づいて前記振幅制御装置によって前記駆動器における利得を調整して前記振動子を安定発振させ、前記抵抗器の抵抗値が、前記振動子の駆動振動モードの等価直列抵抗よりも大きいことを特徴とする、物理量の測定装置。
前記抵抗器の抵抗値を調整することによって、前記振動子に前記駆動振動を励振する際の起動時間を１．５秒以下とすることを特徴とする、請求項１記載の装置。
前記測定装置が慣性センサーであることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。