JP4536016B2 - 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４に従来の振動ジャイロの構成を示す。振動ジャイロは振動子１０と、この振動子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成される。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。振動子の材質としては上述したエリンバの他にシリコン単結晶上に駆動用及び検出用の圧電素子（圧電セラミクス）を貼付したもの、或いは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用及び検出用の電極を蒸着したもの等がある。また振動子形状として図４では音叉形状の振動子を例示したが、他にも音片型、３脚型、４脚型、６脚型などの各種型式があり、どの型式の振動子を使用しても本発明を適用することができる。振動ジャイロの基本原理は例えば非特許文献１に詳細に説明されている。

駆動部２０はこの例では自励発振回路２１を備えた例を示す。振動子１０はこの自励発振回路２１と振動子１０に貼り付けた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され、自励振動する。振動子１０の共振周波数は振動子１０の材質や大きさ、形状などに依存するが、一般に数ｋＨｚ〜数１０ｋHｚとされている。振動子１０の２本の脚は図４において紙面と平行する方向に互いに逆相で振動し、この振動が圧電素子の圧電効果によって電気信号に変換され、電気的に取り出される。
取り出された検出信号は微弱なため、この例では角速度信号検出部３０−１に設けた交流増幅器３１で増幅し、増幅された検出信号が同期検波回路に入力される。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し、角速度検出信号を得る。図４において、３３は自励発振信号を例えば矩形波に波形整形する波形整形回路、３４は波形整形された信号の位相を調整する移相回路を示す。

同期検波回路３２から出力される角速度検出信号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（検出周波数帯域として例えばＤＣ〜数１０Ｈｚ）を決定する。
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。更に、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も９０°の位相差が生じる。つまり、自励発振信号と検出信号とは位相的に同相となる。このため自励発振振動が検出部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）、駆動信号と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５及び図６はこの様子を説明するための図である。図５はこのような自励発振信号の検出回路側への電気的な結合がない場合を示す。図６は電気的な結合がある場合を示す。なお、図５、図６の各図において、Ａは入力角速度を示し、Ｂは交流増幅器３１の出力を示す。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６Ｂに示す信号Ｓ１は電気的漏れ信号、Ｓ２はコリオリ力によって発生した信号を示す。ここではこれら電気的漏れ信号Ｓ１とコリオリ力によって発生した信号Ｓ２を合わせて検出信号と称することにする。図６Ｃに示すV_OFSは漏れ信号Ｓ１によって発生したオフセット電圧を示す。オフセット電圧V_OFSが発生することにより検出精度が損なわれることになる。

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劣化を防止すべく、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によって振幅変調し、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構成とされる。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できるようにしている。
特開２００３−２８６４２号公報 「超音波エレクトロニクス振動論−基礎と応用−」富川義朗編著、朝倉書店

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、振動子に高次共振振動を誘発させ、動作が不安定になるおそれがある。また、例えばディジタル信号処理を行なう場合、ノイズ成分除去のみを目的として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発させることのないようにし、角速度検出信号への駆動振動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しようとするものである。

この発明では振動子と、この振動子を共振駆動する駆動部と、振動子の検出信号により入力された角速度に対応した角速度検出信号を出力する検出部とを備えて構成する振動ジャイロにおいて、駆動部は、自励発振回路と、この自励発振回路が生成する自励発振信号を矩形波に整形し、矩形波によって振動子を自励振動させる波形整形回路とを備え、検出部は、振動子からの検出信号を上記波形整形回路が出力する矩形波を参照信号として同期検波する第１の同期検波回路を備え、この第１の同期検波回路から角速度検出信号を取り出す角速度検出部と、角速度検出部で取り出された角速度検出信号に混入した自励発振信号の成分に対応した漏れ信号成分を推定する電気的漏れ信号推定部と、電気的漏れ信号推定部で推定した漏れ信号成分を角速度検出部が取り出した角速度検出信号から減算して除去する減算回路と、減算回路の減算結果をろ波して角速度検出周波数帯域の角速度信号を出力する低域通過フィルタとを備え、電気的漏れ信号推定部は波形整形回路が出力する矩形波から、この矩形波に含まれる任意の次数の高調波を検出する高調波抽出回路と、この高調波抽出回路で抽出した高調波を参照信号として振動子が出力する検出信号を同期検波する第２の同期検波回路を備える。

この発明では更に、上記振動ジャイロにおいて、高調波抽出回路をフェイズロックループによって構成することを特徴とする。
この発明では更に上記振動ジャイロにおいて、電気的漏れ信号推定部の出力側に直流増幅器を設け、この直流増幅器の利得を第１の同期検波回路が出力する角速度検出信号に含まれる電気的漏れ信号成分の量に応じて設定することを特徴とする。

この発明による振動ジャイロによれば振動子を矩形波で駆動するが、振動子の機械共振は狭帯域フィルタ特性を持つため、矩形波に含まれる高調波成分には応答せず、矩形波の基本周波数で励振され、高次共振が誘発されるおそれは全くない。
一方、電気的な結合によって振動子から出力される検出信号に混入する駆動信号は矩形波で表われる。矩形波には奇数次の高調波を多量に含むから、この発明では波形整形回路から振動子に与えられる矩形波状の駆動信号の中から任意の次数の高調波を駆動信号から抽出し、この抽出した高調波信号を参照信号として振動子から得られる検出信号を同期検波すれば、この同期検波出力は振動子が出力した検出信号に混入した漏れ信号成分として推定することができる。この結果、この漏れ信号成分として取り出した信号成分を第１の同期検波回路が出力する角速度検出信号から減算することにより、漏れ信号成分が除去された角速度信号を得ることができる。

従って、この発明によれば振動子に共振周波数より高い周波数の信号を印加しないから、振動子に高次共振振動を誘発させるおそれはない。この高次共振振動の誘発を抑えながら且つ漏れ信号成分を除去することができる効果が得られる。

この発明による振動ジャイロは振動子の駆動部に波形整形回路を設け、この波形整形回路で生成した矩形波で振動子を励振する。振動子からコリオリ力に対応して発生する信号を検出部に入力する。
検出部には角速度検出回路と電気的漏れ信号推定部とが設けられる。角速度検出回路は矩形状の駆動信号が参照信号として入力される第１の同期検波回路を備え、この第１の同期検波回路により振動子からコリオリ力に対応して出力される検波信号を同期検波し、この同期検波により角速度検出信号を得る。

電気的漏れ信号推定部には駆動信号から任意の次数の高調波を抽出する高調波抽出回路と、この高調波抽出回路で抽出した高調波を参照信号として振動子から出力される角速度検出信号を同期検波する第２の同期検波回路とを有し、この第２の同期検波回路から電気的漏れ信号として推定される信号を得る。
電気的漏れ信号として推定される信号を、第１の同期検波回路から出力される角速度検出信号から減算することにより、角速度検出信号から電気的な漏れ信号成分を除去することができる。電気的漏れ信号成分が除去された角速度検出信号は低域通過フィルタでろ波され、角速度信号として出力される。

図１にこの発明の一実施例を示す。図４と対応する部分には同一符号を付して示す。この発明では駆動部２０に波形整形回路２２を設け、この波形整形回路２２で自励発振回路２１が出力する自励発振信号（正弦波形）を図２Ａに示す矩形波に波形整形する。矩形波に整形された駆動信号を振動子１０に印加し、振動子１０を共振周波数で励振する。
振動子１０に振動子長手軸回りに角速度が入力されると、コリオリ力に対応した検出信号が発生する。この検出信号が検出部３０に設けられた角速度信号検出部３０−１に入力される。角速度信号検出部３０−１はこの例では交流増幅器３１と第１の同期検波回路３２と、移相回路３４とによって構成した場合を示す。

交流増幅器３１は振動子１０が出力する検出信号を増幅し、その増幅出力を角速度信号検出部３０−１を構成する第１の同期検波回路３２と、電気的漏れ信号推定部４０−１を構成する第２の同期検波回路４１に被同期検波信号として供給する。
図２Ｂに交流増幅器３１から出力される信号の様子を示す。信号Ｓ１は電気的漏れ信号成分、信号Ｓ２は角速度が入力された状態のコリオリ力に対応して出力される信号成分を示す。
第１の同期検波回路３２は移相回路３４から波形整形回路２２が出力する矩形波状の駆動信号（図２Ａ）を参照信号として入力し、駆動信号により振動子１０が検出信号として出力する信号（この信号には図２Ｂに示す漏れ信号Ｓ１とコリオリ力に対応して出力する信号Ｓ２を含む）を同期検波する。図２Ｃに同期検波回路３２の出力信号の波形を示す。この波形には図２に示した電気的漏れ信号Ｓ１が混入している状態を示す。この電気的漏れ信号Ｓ１の混入により同期検波出力にはオフセット電圧がV_OFS発生する。

電気的漏れ信号推定部４０−１には高調波抽出回路４２が設けられる。この高調波抽出回路４２は矩形状の駆動信号の中から任意の次数の高調波を抽出する。高調波抽出回路４２の具体的な実施例を図３に示す。図３に示す例では位相比較器４２−１と、ループフィルタ４２−２と、電圧制御発振器４２−３と、１／３分周器４２−４とによって構成される、いわゆるフェイズロックループを用いた例を示す。フェイズロックループによれば分周器４２−４の分周数１／Ｎを任意に設定することにより位相比較器４２−１に入力される駆動信号のＮ倍の周波数の信号を取り出すことができる。例えばＮをＮ＝３とした場合には駆動信号の３倍の周波数、つまり３次の高調波を参照信号として取り出すことができる。

高調波抽出回路４２で抽出した高調波を移相回路４３で被同期検波信号との位相合せを行ない第２の周期検波回路４１へ参照信号として入力することにより、第２の同期検波回路４１は交流増幅器３１から与えられる信号に含まれる駆動信号の３次高調波成分を同期検波する。同期検波出力を直流増幅器４４の利得を適宜設定することによって直流レベル調整し、第１の周期検波回路３２の出力に含まれるオフセット電圧V_OFSに合致した電圧信号に調整して減算回路３７に入力し、第１の同期検波回路３２の出力から直流増幅器４４の出力を減算することにより第１の同期検波回路３２の出力からオフセット電圧V_OFSを除去することができる。この結果、低域通過フィルタ３５と直流増幅器３６を通じて出力される角速度出力は図２Ｅに示すようにオフセット電圧V_OFSが除去された信号となる。

ここで、振動子１０から得られる検出信号に重畳する電気的漏れ信号の量を推定する電気的漏れ信号推定部４０−１において、漏れ量を検出するための振動子１０が出力する検出信号に含まれる高調波成分を利用した理由について説明する。
振動子１０が出力する検出信号に重畳する電気的漏れ信号は、振動子１０における電気的結合量が一定であるものとすると、図２Ｂに示すように一定振幅の矩形波で表される。これに対し、振動子１０の脚の共振は狭帯域フィルタとして作用するから、振動子１０から出力される検出信号は駆動信号の基本周波数を持つ正弦波で表される。この正弦波は振動子１０に角速度が入力されると図２Ｂに示すように振幅が変動するが、電気的漏れ信号Ｓ１の振幅は一定値を維持する。従って、電気的漏れ信号Ｓ１に含まれる高調波成分は角速度の入力があってもほぼ一定値を維持することになる。この点から角速度検出信号に含まれる高調波成分を電気的漏れ信号の検出信号として利用することにより角速度入力に影響を受けることなく、一定量の電気的漏れ量を検出できることになる。

更に、電気的結合量が変動したとしても、その電気的結合量の変動に連動して第２の同期検波回路４１に入力される被同期検波信号も同一方向に変動するから、電気的漏れ信号推定部４０−１で推定する電気的漏れ信号の量も変動する。従って、常にオフセット電圧V_OFSの除去状態を維持することができる。この結果、仮に温度変動などにより振動子１０における 電気的結合量が変動しても、オフセット電圧V_OFSの発生を抑制することができる。

移動体の姿勢検出装置等広い分野で利用される。

この発明の一実施例を説明するためのブロック図。 図１に示した実施例の動作を説明するための波形図。 図１に示した実施例に用いる高調波抽出回路の具体例を説明するためのブロック図。 従来の技術を説明するためのブロック図。 従来の技術の動作を説明するための波形図。 従来の技術の不都合を説明するための波形図。

符号の説明

１０ 振動子 ３５ 低域通過フィルタ
２０ 駆動部 ３６ 直流増幅器
２１ 自励発振回路 ３７ 減算回路
２２ 波形整形回路 ４０−１ 電気的漏れ信号推定部
３０ 検出部 ４１ 第２の同期検波回路
３０−１ 角速度信号検出部 ４２ 高調波抽出回路
３１ 交流増幅器 ４３ 移相回路
３２ 第１の同期検波回路 ４４ 直流増幅器
３４ 移相回路

Claims (3)

1. 振動子と、この振動子を共振駆動する駆動部と、上記振動子の検出信号により入力された角速度に対応した角速度検出信号を出力する検出部とを備えて構成する振動ジャイロにおいて、
   上記駆動部は、
   自励発振回路と、この自励発振回路が生成する自励発振信号を矩形波に整形し、矩形波によって上記振動子を自励振動させる波形整形回路とを備え、
   上記検出部は、
   上記振動子からの検出信号を上記波形整形回路が出力する矩形波を参照信号として同期検波する第１の同期検波回路を備え、この第１の同期検波回路から角速度検出信号を取り出す角速度検出部と、
   上記角速度検出部で取り出された角速度検出信号に混入した上記自励発振信号の成分に対応した漏れ信号成分を推定する電気的漏れ信号推定部と、
   上記電気的漏れ信号推定部で推定した漏れ信号成分を上記角速度検出部から取り出された角速度検出信号から減算して除去する減算回路と、
   上記減算回路の減算結果をろ波して角速度検出周波数帯域の角速度信号を出力する低域通過フィルタとを備え、
   上記電気的漏れ信号推定部は上記波形整形回路が出力する矩形波から、この矩形波に含まれる任意次数の高調波を検出する高調波抽出回路と、この高調波抽出回路で抽出した高調波を参照信号として上記振動子が出力する検出信号を同期検波する第２の同期検波回路を備えることを特徴とする振動ジャイロ。
2. 請求項１に記載の振動ジャイロにおいて、上記高調波抽出回路をフェイズロックループによって構成することを特徴とする振動ジャイロ。
3. 請求項１又は２の何れかに記載の振動ジャイロにおいて、上記電気的漏れ信号推定部の出力側に直流増幅器を設け、この直流増幅器の利得を上記第１の同期検波回路が出力する角速度検出信号に含まれる電気的漏れ信号成分の量に応じて設定することを特徴とする振動ジャイロ。

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