JP4307452B2

JP4307452B2 - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JP4307452B2
Application number: JP2006011930A
Authority: JP
Inventors: 尋之高橋
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: JP2007192695A

Description

本発明は、駆動電極から検出電極への電気的結合の影響を除去する振動ジャイロに関する。

振動ジャイロは、振動子に振動を付与しておき、回転に伴うコリオリ力の作用にて生ずる新たな振動を検出して回転角速度を検出するものである。図８（ａ）は、一例として６脚の振動子を図示するもので、胴体部１の上下方向（図中Ｙ方向）両側に３本の圧電性単結晶の脚２が備えられ、この３本の脚２は、左右方向（図中Ｚ方向）に並べて配置される構造を示している。これら脚２のうち上側の中央脚２３を除いた左右の駆動脚２１、２２には、駆動電極３１、３２が貼付され、下側の中央脚２６を除いた左右の検出脚２４、２５には、検出電極３４、３５が貼付されている。そして、駆動電極３１、３２には、自励発振部４が接続されて発振信号が供給され、この自励発振と逆圧電効果により脚の機械的な共振周波数にて左右の駆動脚２１、２２は、互いに逆相で左右方向に定常振動されることになる。この状態でＹ軸周りの回転が生じた場合、コリオリ力が働き下側の検出脚２４、２５が前後方向（図面表裏方向：Ｘ方向）に振動し、この振動を検出電極３４、３５にて電気的に取り出し、交流増幅部５にて増幅された角速度信号を得る。なお、駆動電極３１、３２による左右方向の振動を発生させ、検出電極３４、３５による前後方向の振動検出のために、圧電性単結晶をＸカット水晶として脚２を形成した場合には、図８（ｂ）のように駆動電極３１、３２はそれぞれ駆動脚２１、２２の表裏両面に貼付され、検出電極３４、３５は図８（ｃ）のようにそれぞれ検出脚２４、２５の表裏左右四面に貼付される。以下、本書では全般にＸカットの圧電性単結晶の例について説明する。

図９において、振動子の駆動電極に接続される自励発振部４の発振信号により駆動脚２１、２２をその共振周波数にて定常振動させる場合、この自励発振部４の発振信号は、角速度信号検出部１００にて例えばコンパレータ等の波形成形部６に入力されて例えば矩形波に整形され、ついで移相部７にて位相調整されて後述する同期検波部８の参照信号とされる。
一方、駆動脚２１、２２の定常振動に伴い、Ｙ軸周りの回転が生じた場合、コリオリ力による検出脚２４、２５の前後振動は、検出電極にて角速度信号として取り出され、角速度信号検出部１００にて交流増幅部５で増幅され、ついで同期検波部８にて直流信号に変換され、さらに直流増幅部９にて増幅された角速度信号を得る。
特開２００１−２２１６３８号公報

このような従来の振動ジャイロにおいては、上述のとおり駆動電極３１、３２に発振信号を送り、検出電極３４、３５にて振動を取り出すものであるが、駆動電極３１、３２での発振信号が検出電極３４、３５に取り込まれて電気的結合が生じあるいは検出電極３４、３５の配線引き回し部分にて電気的結合が生じている。本来検出電極３４、３５からは角速度信号のみ取り出したいのであるが、この電気的結合が、雑音となって角速度信号に乗り、結果的に精確な角速度信号が得られないという問題を生ずる。そして、自励発振部４の発振信号と駆動脚の振動変位との間には約９０度の位相差を有し、さらに駆動脚の振動変位とコリオリ力による脚変位との間には９０度の位相差を生ずる。このため、発振信号と角速度信号とは、位相上同位相となり、結果的に駆動電極の発振信号が検出電極の検出された振動信号と結合した場合、位相上でも角速度信号との区別がつかなくなる。このような結果、精確な角速度信号が得られないことになる。

このため、特許文献１は、振動子の脚に形成された電極に沿って溝（干渉防止部）を形成し、電気的干渉を低減することが開示される。ところが、脚への溝の形成は、振動子が非常に小さな部品であることも相俟って、振動子の形状や材質の制約を受けるという問題を有する。また、溝を形成したとしても、配線引き回し部分での電気的結合は除去しきれない。
本発明は、上述の問題に鑑み発明されたもので、振動子の材質や形状の制約を受けることなく、配線引き回しも含めた電極間の電気的結合の影響を除去するようにした振動ジャイロの提供を目的とする。

上述の目的を達成するため本発明は、圧電体からなる複数の脚に駆動電極と検出電極とを備え、この駆動電極への駆動信号にて脚を振動させた状態で脚へのコリオリ力による振動にて検出電極に角速度信号を生ずる振動子を有する振動ジャイロにおいて、検出電極を備えた脚に、駆動信号による振動及びコリオリ力による振動に伴う電位差が互いに生ぜずかつ駆動電極との電気的結合にて電位差を互いに生じ得る一対のダミー電極を備えたことを特徴とする。

ダミー電極の配置により、このダミー電極によっても検出電極への電気的結合雑音と同等の電気的結合雑音が得られ、しかも配線の引き回しによる電気的結合雑音も含めて得ることができ、このため検出電極で得られる角速度信号からダミー電極で得られる電気的結合雑音を減算することにより、精確な角速度信号を得ることが可能となる。

以下、図１〜図７を参照して本発明の振動ジャイロの実施形態を説明する。なお、図において図８、図９と同一部分には同符号を付し、必要がなければその説明を省略する。
〔第1実施形態〕
図１は、胴体部１を中心に上下に３脚ずつ備えた計６脚の振動子を示しており、胴体部１の上側に駆動脚２１、２２及び中央脚２３、胴体部１の下側に検出脚２４、２５及び中央脚２６を有する。この振動子の材質としては、水晶やタンタル酸リチウムなどの圧電性単結晶からなる。ここではＸカットの単結晶例えば水晶について述べる。また、以後の説明においては、従来技術の説明と同様、脚の表裏（前後）は図面の表裏に対応させ、脚の左右は図面の左右に対応させるものとする。

駆動脚２１、２２それぞれの表裏二面には、駆動電極３１、３２が被着形成され、検出脚２４、２５の表裏左右四面には、検出電極３４、３５が被着形成されている。本例では、更に、胴体部１の下側（検出脚側）の中央脚２６の表裏二面にダミー電極３６が被着形成されている。上記駆動電極３１、３２は、発振信号（駆動信号）によって駆動脚２１、２２を左右方向に振動させる幅と長さを有し、また、検出電極３４、３５は検出脚２４、２５の前後方向のコリオリ力による振動を電気信号として取り出す長さと幅を有する。そして、この図１にて下側中央脚２６のダミー電極３６は、検出電極と同様の長さと幅を有している。これら駆動電極３１、３２、検出電極３４、３５、及びダミー電極３６は、例えば金属からなる導電体の蒸着により一括して被着形成され得る。

図２は、（ａ）にて駆動脚２１、２２、中央脚２３、駆動電極３１、３２の端面とその配線を示し、（ｂ）にて検出脚２４、２５、検出電極３４、３５及び中央脚２６、ダミー電極３６の端面とこれらの配線２７，２８の引き回し状態を示す。駆動電極３１、３２への発振信号の印加にて例えば図示のような電界に基づく歪が生じ駆動脚２１、２２には、左右方向に互いに逆相の振動が生ずる。一方、Ｘカットの検出脚２４、２５及び中央脚２６においては、検出脚２４、２５にてコリオリ力による前後方向（図２では上下方向）の振動によって図２の矢印方向の電界が生じるので、この電界を電位差として取り出すため、黒の検出電極を同一配線に接続し、白の検出電極を別の同一配線につなげている。また、中央脚２６のダミー電極３６は、検出脚２４、２５にコリオリ力に基づく振動が生じたとしてもその電界を電位差として取り出せない位置、ここでは例えば表裏二面に被着形成されている。この中央脚２６は、通常振動しない脚であるが、仮に振動したとしても表裏両面のダミー電極３６は同電位のままで振動による電位差は生じない。

駆動電極３１、３２に供給されて駆動脚２１、２２を左右方向に振動させる発振信号は、容量性あるいは誘導性インピーダンスを介し又は電波での電気的結合により、検出電極３４、３５あるいはその配線２７の引き回しにて拾われる。換言すれば、角速度に基づくコリオリ力がなく検出電極が振動していなくとも、検出電極３４及び３５の間には電気的結合雑音が生じ、検出電極３４又は３５につながる一方の出力端子を基準電位とするとき他方の出力端子３５又は３４に電気的結合雑音が生ずる。同様に、駆動電極３１、３２に供給されて駆動脚２１、２２を振動させる発振信号に基づき検出電極３４、３５に近いダミー電極３６間にも電気的結合雑音が生じ、このダミー電極３６の一方の出力端子を基準電位とするとき他方の出力端子に電気的結合雑音を生ずる。そして、この電気的結合雑音は、駆動電極３１、３２の発振信号に起因して発生し駆動電極３１、３２に対して相互に近傍に位置する検出電極３４、３５及びダミー電極３６に生ずることで同じ電気結合雑音とみなすことができる。したがって、検出電極３４、３５間に生ずる電気的結合雑音からダミー電極３６に生ずる電気的結合雑音を差し引けば、検出電極による角速度信号から雑音を除くことが可能となる。

図３は、振動子と共に信号処理部を含む振動ジャイロの構成を示す。振動子及び角速度信号検出部１００の構成は図８、図９とほぼ同じである。すなわち、角速度信号検出部１００は、６脚の振動子の駆動脚２１、２２をその共振周波数にて定常振動させる自励発振部４、発振信号を例えばコンパレータ等にて例えば矩形波に整形する波形成形部６、位相調整されて後述する同期検波部８の参照信号源とされる移相部７を備え、振動する検出脚２４、２５の検出電極３４、３５にて得られた電気的結合雑音を含む角速度信号が入力されて増幅される交流増幅部５、参照信号にて直流に変換される同期検波部８を備える。

更に振動子の中央脚２６に備えられたダミー電極３６は、このダミー電極３６によって得られる電気的結合雑音を増幅する交流増幅部１１に接続され、この交流増幅部１１は、増幅された電気的結合雑音を直流信号に変換する同期検波部１２に接続される。これら交流増幅部１１、同期検波部１２は、電気的結合検出部１０を構成する。同期検波部１２の参照信号は、前述の角速度信号検出部１００の波形成形部６にて整形された信号を取り込み位相調整を行う移相部７にて得る。また、同期検波部８と１２とは、減算器１４に接続され、この減算器１４では、同期検波部８にて得られた電気的結合雑音を含む角速度信号から同期検波部１２にて得られた電気的結合雑音を減算して本来の精確な角速度信号としている。そして、この減算器１４に接続された直流増幅部９にて直流の角速度信号が増幅される。

今、振動子に角速度が作用せずコリオリ力が生じない状態を仮定して、駆動電極３１、３２に発振信号を印加して駆動脚２１、２２を左右方向に振動させている場合、検出電極３４、３５には電気的結合雑音が乗り同期検波部８の出力にはこの雑音に当たる直流信号が生ずる。同時に検出電極３４、３５近傍に位置するダミー電極３６にも電気的結合雑音が乗り同期検波部１２の出力にもこの雑音に当たる直流信号が生ずる。この結果、減算器１４における減算にて同期検波部８及び１２それぞれの雑音に当たる直流信号が減算されて打ち消しあい、直流増幅部９への雑音の出力は生じない。したがって、誤った角速度信号の発生が軽減される。この雑音の除去は、振動子に角速度が作用してコリオリ力が発生している状態でも同じである。

なお、駆動電極３１、３２に対する検出電極３４、３５の電気的結合と、駆動電極３１、３２に対するダミー電極３６の電気的結合とを厳密に比較した場合、これら双方の電気的結合経路が容量性／誘導性のインピーダンスの差異を有する場合には電気的結合の位相状態に差異が生ずる。このため、角速度信号検出部１００の移相部７に対して電気的結合検出部１０に、破線に示したようにダミー電極用の位相差に当たる移相部１３を独立に設けることにより、より厳密な雑音除去が可能となる。更に、図３では、交流増幅部１１でゲイン調整が行われ、同期検波部８に対する同期検波部１２のレベルの整合が採られることになるが、更に検出電極３４、３５の電気的結合に対するダミー電極３６の電気的結合の雑音レベルを厳密に整合させるべく、破線に示したようにゲイン調整部１５を介在させても良い。

図４は、ダミー電極３６の種々の配置例を示すもので、（ａ）〜（ｄ）の図において左図は、６脚の振動子のうち３脚の検出脚２４、２５と中央脚２６を示し、右図は、この３脚を端面から見た図である。ここで、図４（ａ）では、中央脚２６の左右の対向する面にダミー電極３６を設けた例を示し、図４（ｂ）は、中央脚２６の表または裏の同一面にダミー電極３６を設けた例を示し、図４（ｃ）は、いずれか一方の検出脚（図では検出脚２４としているが検出脚２５でも双方の検出脚２４、２５でも良い）の表または裏の同一面に検出電極を挟むようにしてダミー電極３６を設けた例を示し、図４（ｄ）は、いずれか一方の検出脚（図では検出脚２４としているが検出脚２５でも双方の検出脚２４、２５でも良い）の表裏の対向する面にダミー電極３６を設けた例を示す。なお、ダミー電極配置の変形例としてはこの図４の例に限ることなく、発振信号による振動及びコリオリ力による振動を検出しないで電気的結合雑音による電位差を得る電極配置であれば種々の変形例がある。
〔第２実施形態〕
これまで説明した第１実施形態は、６脚の振動子を示したものであるが、この実施形態では２脚の音叉型振動子を述べる。この音叉型振動子は、駆動脚と検出脚とが同一の２脚を有し、各脚の表裏両面には駆動電極３１、３２が備えられ、また各脚の表裏左右四面には検出電極３４、３５が備えられ、そして各脚の左右外側面には検出電極を挟むようにダミー電極３６が備えられている。そして、駆動電極３１、３２及び検出電極３４、３５は、図２と同様に結線され、ダミー電極３６同士は例えば図５に示すように結線される。ここでダミー電極３６の配置は、発振信号による駆動振動あるいはコリオリ力による振動にて電位差が生ずることなく電気的結合雑音が得られる位置に備えられる。
〔第３実施形態〕
図６は、４脚の振動子である第３実施形態の二つの例を示す。図６（ａ）（ｂ）において左図は、４脚の振動子のうち２脚の検出脚２４、２５を示し、右図は、この２脚を端面から見た図である。ここで、図６（ａ）では、いずれか一方の検出脚（図では検出脚２４としているが検出脚２５でも双方の検出脚２４、２５でも良い）の表または裏の同一面にダミー電極３６を設けた例を示し、図４（ｂ）は、検出脚（図では検出脚２４としているが検出脚２５でも双方の検出脚２４、２５でも良い）の対向する面にダミー電極３６を設けた例を示す。ここでもダミー電極３６の配置は、発振信号による駆動振動あるいはコリオリ力による振動にて電位差が生ずることなく電気的結合雑音が得られる位置に備えられる。
〔第４実施形態〕
これまでの説明では、いわゆるＸカットの振動子について述べてきた。しかしながら、単結晶のカットはＸカットのみならず他のカットも存在する。図７は、Ｚカットの電極配置を例示するものであり、（ａ）は６脚振動子の検出電極３４、３５及びダミー電極３６の配置を例示した端面を示し、（ｂ）は音叉型２脚振動子の駆動電極３１、３２、検出電極３４、３５、及びダミー電極３６の配置状態を例示した端面を示している。

６脚の振動子の一例を示す構成図である。６脚を端面からみて結線状態を含めた構成図である。振動子と処理回路を含む振動ジャイロの一例のブロック構成図である。６脚のダミー電極の配置変形例を示す構成図である。音叉型振動子の一例の構成を示す図である。４脚の振動子の二例の構成を示す図である。Ｚカットの脚を端面からみた電極配置状態図である。従来の６脚の振動子を例示する構成図である。振動子と処理回路を含む振動ジャイロの従来例のブロック構成図である。

Claims

圧電体からなる複数の脚に駆動電極と検出電極とを備え、この駆動電極への駆動信号にて上記脚を振動させた状態で上記脚へのコリオリ力による振動にて検出電極に角速度信号を生ずる振動子を有する振動ジャイロにおいて、
上記脚に、上記駆動信号による振動及び上記コリオリ力による振動に伴う電位差が互いに生ぜずかつ駆動電極との電気的結合にて電位差を互いに生じ得る一対のダミー電極を備え、
上記振動子は、それぞれに上記駆動電極及び上記検出電極を備えた２脚の少なくとも１脚に上記一対のダミー電極を備えた音叉型振動子であることを特徴とする振動ジャイロ。
圧電体からなる複数の脚に駆動電極と検出電極とを備え、この駆動電極への駆動信号にて上記脚を振動させた状態で上記脚へのコリオリ力による振動にて検出電極に角速度信号を生ずる振動子を有する振動ジャイロにおいて、
上記脚に、上記駆動信号による振動及び上記コリオリ力による振動に伴う電位差が互いに生ぜずかつ駆動電極との電気的結合にて電位差を互いに生じ得る一対のダミー電極を備え、
上記振動子は、それぞれに上記検出電極を備えた２脚の少なくとも１脚に上記ダミー電極を備えた４脚型振動子であることを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
圧電体からなる複数の脚に駆動電極と検出電極とを備え、この駆動電極への駆動信号にて上記脚を振動させた状態で上記脚へのコリオリ力による振動にて検出電極に角速度信号を生ずる振動子を有する振動ジャイロにおいて、
上記脚に、上記駆動信号による振動及び上記コリオリ力による振動に伴う電位差が互いに生ぜずかつ駆動電極との電気的結合にて電位差を互いに生じ得る一対のダミー電極を備え、
上記振動子は、それぞれに上記検出電極を備えた左右の２脚の少なくとも１脚に上記一対のダミー電極を備えた６脚型振動子であることを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
上記ダミー電極に接続されて電気的結合雑音を検出する電気的結合検出部と、上記検出電極に接続されて角速度信号を含む振動信号を検出する角速度信号検出部と、この角速度信号検出部からの振動信号と上記電気的結合検出部からの電気的結合雑音との差分を採り上記振動信号に含まれる電気的結合雑音を除去する減算部と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の振動ジャイロ。