JP4535989B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

Description

この発明は入力角速度を検出する振動ジャイロに関する。

図５は振動ジャイロの従来構成例を示したものであり、振動ジャイロは振動子１０と、振動子１０を共振駆動する駆動部２０と、コリオリ力による振動子１０の振動を検出する検出部３０とによって構成されている。
振動子１０はこの例では簡略化して示しているが、音叉形状をなすものとされており、このような振動子１０は例えばエリンバなどの恒弾性材料によって作製される。振動子１０上には図示を省略しているが、駆動用の圧電素子と検出用の圧電素子とが貼り付けられている。

駆動部２０はこの例では自励発振回路２１を具備するものとされ、振動子２０はこの自励発振回路２１と圧電素子の圧電効果の作用により、機械的な共振周波数で駆動（定常発振）され、自励振動するものとされる。共振周波数は振動子１０の材質や大きさ、形状等に依存するが、一般に数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚとされており、振動子１０の２本の脚は図５において紙面平行方向に互いに逆相で振動する。
この振動状態で振動子１０の長手方向中心軸回りに角速度が入力すると、コリオリ力の作用によって２本の脚は互いに逆相で紙面垂直方向に振動し、この振動が圧電素子の圧電効果によって電気的に取り出される。

取り出された角速度の検出信号は微弱なため、この例では検出部３０の交流増幅器３１で増幅され、増幅された検出信号が同期検波回路３２に入力される。同期検波回路３２は自励発振回路２１の自励発振信号を波形整形し、位相調整した信号によって、入力された検出信号を同期検波する。図５中、３３は自励発振信号を波形整形する波形整形回路を示し、３４は波形整形された信号を位相調整する移相回路を示す。
同期検波回路３２の検波出力は低域通過フィルタ３５を介してこの例では直流増幅器３６に入力され、直流増幅器３６でさらに増幅されて角速度出力とされる。なお、低域通過フィルタ３５は振動ジャイロの検出特性（検出周波数帯域：例えばＤＣ〜数１０Ｈｚ）を決定するものとなっている。

ところで、自励発振信号により振動子１０をその共振周波数で駆動する場合、自励発振信号と振動子１０の脚の機械的な振動との間には９０°の位相差が生じる。さらに、振動子１０の脚の機械的振動（共振）とコリオリ力による脚の振動変位との間には９０°の位相差が生じる。つまり、自励発振信号と角速度の検出信号とは位相的に同相となり、このため自励発振信号が検出部３０の回路側に電気的に結合した場合（電気的に漏れた場合）、角速度の検出信号との区別が全くできず、角速度出力に対してオフセットやドリフトとして作用することになる。

図６及び７はこの様子を説明するための図であって、図６はこのような自励発振信号の検出回路側への電気的結合がない場合を示し、図７は電気的結合がある場合を示す。なお、図６、７各図において、（ａ）は入力角速度を示し、（ｂ）は交流増幅器３１の出力を示す。また、（ｃ）は検出部３０から出力される振動ジャイロの角速度出力を示す。
図７に例示したように、自励発振信号の検出回路側への電気的結合がある場合には、例えば角速度出力にオフセットＡが生じることになり、その分検出精度が損なわれるものとなる。

一方、このような、振動子を駆動するための駆動信号の検出回路側への電気的結合に起因する検出精度の悪化を防止すべく、角速度の検出信号から駆動信号の電気的結合によるノイズ（クロストークノイズ）を除去できるようにした構成が特許文献１に記載されている。
特許文献１では振動子の共振周波数（駆動周波数）よりも高い周波数を有する搬送波を、振動子の略共振周波数を有する変調波でもって振幅変調し、この振幅変調された信号を駆動信号として振動子に供給するものであって、これにより駆動信号の電気的結合によって検出信号に混入するノイズ成分の周波数を検出信号の周波数よりも高くし、低域通過フィルタで検出信号からノイズ成分を除去するようにしている。
特開２００３−２８６４２号公報

しかるに、上述した特許文献１に記載されている方法では共振周波数よりも高い周波数の駆動信号を振動子に印加するものであるため、振動子に高次共振を誘起する虞れがある。また、例えばディジタル信号処理を行う場合、ノイズ成分除去のみを目的に共振周波数よりも高速な処理が必要になるという問題も生じる。
この発明の目的はこのような問題に鑑み、従来のように振動子の共振周波数より高い周波数の信号を用いることなく、つまり振動子に高次共振を誘起することのないようにして、角速度検出信号への駆動信号の電気的結合に起因する性能低下を解消できるようにした振動ジャイロを提供することにある。

請求項１の発明によれば、振動子と、その振動子を共振駆動する駆動部と、コリオリ力による振動子の振動を検出する検出部とよりなり、駆動部は自励発振回路を具備して振動子を自励振動させるものとされ、検出部は振動子からの検出信号を自励発振回路の自励発振信号を用いて同期検波する同期検波回路を具備する振動ジャイロにおいて、振動子の共振周波数より低く、かつ角速度の検出周波数帯域より高い周波数の変調信号を生成する変調信号生成回路と、自励発振信号を上記変調信号で振幅変調して振動子の駆動信号とする変調回路と、上記同期検波回路の出力から電気的漏れ信号を差し引く減算器と、その減算器の出力が入力され、減算器出力を上記検出周波数帯域の角速度出力とする低域通過フィルタと、上記同期検波回路の出力を上記変調信号を用いて同期検波する第２の同期検波回路と、その第２の同期検波回路の出力を振幅調整して上記電気的漏れ信号とする振幅調整回路とが設けられる。

請求項２の発明によれば、振動子と、その振動子を共振駆動する駆動部と、コリオリ力による振動子の振動を検出する検出部とよりなり、駆動部は自励発振回路を具備して振動子を自励振動させるものとされ、検出部は振動子からの検出信号を自励発振回路の自励発振信号を用いて同期検波する同期検波回路を具備する振動ジャイロにおいて、振動子の共振周波数より低く、かつ角速度の検出周波数帯域より高い周波数の変調信号を生成する変調信号生成回路と、自励発振信号を上記変調信号で振幅変調して振動子の駆動信号とする変調回路と、上記同期検波回路の出力から電気的漏れ信号を差し引く減算器と、その減算器の出力が入力され、減算器出力を上記検出周波数帯域の角速度出力とする低域通過フィルタと、上記同期検波回路の出力を上記変調信号を用いて同期検波する第２の同期検波回路と、その第２の同期検波回路の出力を振幅調整する振幅調整回路と、その振幅調整回路の出力を、位相調整した上記変調信号で振幅変調して上記電気的漏れ信号とする第２の変調回路とが設けられる。

この発明によれば、駆動信号が検出側に電気的に結合することによる電気的漏れ信号を角速度の検出信号から除去することができ、よって検出精度に優れた振動ジャイロを得ることができる。
なお、振動子の駆動信号に振幅変調をかけるものの、変調信号は振動子の共振周波数より低い周波数であるため、従来のように変調信号によって振動子に高次共振を誘起するといった虞れもない。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による振動ジャイロの第１の実施例の構成を示したものであり、図５と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この例では駆動部２０に変調回路２２が設けられる。変調回路２２は自励発振回路２１からの自励発振信号を変調信号生成回路１５で生成された変調信号によって振幅変調し、この振幅変調された自励発振信号が駆動信号として振動子１０に供給されるものとなっている。

変調信号は振動子１０の共振周波数より低く、かつ角速度の検出周波数帯域より高い周波数を有するものとされ、例えば数１００Ｈｚ程度の周波数とされる。変調振幅は後述する電気的漏れ信号の検出に必要なＳ／Ｎが確保できればよいので微小量でよく、例えば自励発振信号の振幅（駆動振幅）の１％程度とされる。図２（ａ）は変調回路２２の出力（駆動信号）を模式的に示したものであり、図中、Ｔは変調信号の周期を示す。
振動子１０の機械的共振は一種の安定化機構であって、機械的共振特性は言わば狭帯域のフィルタであり、変調信号に対しては応答しない。従って、自励発振信号に重畳した変調信号は振動子１０の脚の機械的振動に影響せず、機械的な振動伝播に対しては変調信号は現れない。

一方、駆動信号の電気的な結合によって検出部３０の回路側に現れる信号には、変調信号がそのまま現れる。従って、電気的結合がある場合には図２（ｂ）に例示したように検出部３０における同期検波回路３２の出力には変調信号が重畳する。なお、図２（ｂ）は入力角速度がある場合を示している。
この例ではこのような同期検波回路３２の出力から電気的漏れ信号を検出して、その電気的漏れ信号を同期検波回路３２の出力から差し引くものとなっており、電気的漏れ信号を検出するための電気的漏れ信号検出部４０が検出部３０に設けられている。電気的漏れ信号検出部４０は第２の同期検波回路４１と波形整形回路４２と移相回路４３と振幅調整回路４４とによって構成されている。

同期検波回路３２の出力は第２の同期検波回路４１に入力され、同期検波回路４１は変調信号生成回路１５からの変調信号を波形整形回路４２で波形整形し、さらに移相回路４３で位相調整した信号によって、同期検波回路３２から入力された信号を同期検波する。
この同期検波回路４１の出力は電気的漏れ信号量に比例しており、振幅調整回路４４に入力されて振幅調整される。図２（ｃ）は振幅調整回路４４の出力を示す。振幅調整回路４４の出力は電気的漏れ信号に対応するものであり、減算器３７でこの電気的漏れ信号を同期検波回路３２の出力から差し引くことによって、検出信号から電気的漏れ信号を除去することができる。なお、減算器３７の出力には変調信号周波数成分が残っているが、低域通過フィルタ３５を通過させることによって、その成分は除去され、図２（ｄ）に示したような角速度出力が得られるものとなる。

このように、この例によれば振動子を駆動する駆動信号が振動子の共振周波数よりも低い周波数で振幅変調されているものとし、角速度検出信号に含まれる変調信号成分から電気的漏れ信号量を検出して、角速度検出信号から差し引くことで、電気的漏れ信号の影響を排除するものとなっている。従って、検出精度に優れた振動ジャイロを得ることができる。なお、振動子の共振周波数よりも低い周波数を変調信号として使用するため、振動子に高次共振を誘起することはなく、また例えばディジタル信号処理を行う場合であっても従来のように高速処理が必要になるという問題も発生しない。

図３はこの発明による振動ジャイロの第２の実施例の構成を示したものであり、この例では図１に示した構成に対し、電気的漏れ信号検出部４０にさらに第２の変調回路４５と移相回路４６とが設けられたものとなっている。
この例では振幅調整回路４４の出力に振幅変調をかけるものとなっており、変調回路４５は移相回路４６によって位相調整された変調信号によって振幅調整回路４４の出力を振幅変調する。振幅変調された信号は電気的漏れ信号とされて減算器３７に入力される。よって、この例では同期検波回路３２の出力に電気的結合によって重畳する変調信号を直接除去することができるものとなっている。

図４はこの図３に示した振動ジャイロにおける各部の波形を図２と同様に示したものであり、（ａ）は変調回路２２の出力（駆動信号）を示し、（ｂ）は同期検波回路３２の出力を示す。また、（ｃ）は変調回路４５の出力を示し、（ｄ）は検出部３０から出力される角速度出力を示す。
なお、上述した実施例では振動子の形状を音叉形状としているが、振動子には音片形、４脚形、６脚形など各種形状があり、いずれの形状の振動子を用いる場合であってもこの発明を適用することができる。さらに、振動子及びその駆動／検出系としては、エリンバなどの恒弾性材料やシリコン単結晶上に圧電素子を貼り付けた構造に限らず、例えば水晶や、タンタル酸リチウムなどの圧電性単結晶上に駆動／検出用の電極を蒸着した構造のものであってもよい。

この発明による振動ジャイロの第１の実施例を説明するための図。 図１における各部の波形例を模式的に示した図（駆動信号の検出側への電気的結合がある場合）。 この発明による振動ジャイロの第２の実施例を説明するための図。 図３における各部の波形例を模式的に示した図（駆動信号の検出側への電気的結合がある場合）。 振動ジャイロの従来構成例を説明するための図。 図５における各部の波形例を示す図（駆動信号の検出側への電気的結合がない場合）。 図５における各部の波形例を示す図（駆動信号の検出側への電気的結合がある場合）。

Claims (2)

1. 振動子と、その振動子を共振駆動する駆動部と、コリオリ力による上記振動子の振動を検出する検出部とよりなる振動ジャイロであって、
   上記駆動部は自励発振回路を具備して上記振動子を自励振動させるものとされ、上記検出部は上記振動子からの検出信号を上記自励発振回路の自励発振信号を用いて同期検波する同期検波回路を具備する振動ジャイロにおいて、
   上記振動子の共振周波数より低く、かつ角速度の検出周波数帯域より高い周波数の変調信号を生成する変調信号生成回路と、
   上記自励発振信号を上記変調信号で振幅変調して上記振動子の駆動信号とする変調回路と、
   上記同期検波回路の出力から電気的漏れ信号を差し引く減算器と、
   その減算器の出力が入力され、減算器出力を上記検出周波数帯域の角速度出力とする低域通過フィルタと、
   上記同期検波回路の出力を上記変調信号を用いて同期検波する第２の同期検波回路と、
   その第２の同期検波回路の出力を振幅調整して上記電気的漏れ信号とする振幅調整回路とが設けられていることを特徴とする振動ジャイロ。
2. 振動子と、その振動子を共振駆動する駆動部と、コリオリ力による上記振動子の振動を検出する検出部とよりなる振動ジャイロであって、
   上記駆動部は自励発振回路を具備して上記振動子を自励振動させるものとされ、上記検出部は上記振動子からの検出信号を上記自励発振回路の自励発振信号を用いて同期検波する同期検波回路を具備する振動ジャイロにおいて、
   上記振動子の共振周波数より低く、かつ角速度の検出周波数帯域より高い周波数の変調信号を生成する変調信号生成回路と、
   上記自励発振信号を上記変調信号で振幅変調して上記振動子の駆動信号とする変調回路と、
   上記同期検波回路の出力から電気的漏れ信号を差し引く減算器と、
   その減算器の出力が入力され、減算器出力を上記検出周波数帯域の角速度出力とする低域通過フィルタと、
   上記同期検波回路の出力を上記変調信号を用いて同期検波する第２の同期検波回路と、
   その第２の同期検波回路の出力を振幅調整する振幅調整回路と、
   その振幅調整回路の出力を、位相調整した上記変調信号で振幅変調して上記電気的漏れ信号とする第２の変調回路とが設けられていることを特徴とする振動ジャイロ。

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