JP4543866B2 - 振動ジャイロ用回路、振動ジャイロユニット、振動ジャイロの出力検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動している振動子に回転角速度が加わると生じるコリオリ力に応じた信号を検出することにより、その加えられた回転角速度を検出する振動ジャイロ用回路、振動ジャイロユニット、振動ジャイロの出力検出方法に関し、詳しくは、上記コリオリ力に応じた信号の検波タイミングを振動ジャイロの特性に合わせて最適に設定した振動ジャイロ用回路、振動ジャイロユニット、振動ジャイロの出力検出方法に関する。

従来より、回転角速度を検出するセンサとしてジャイロが知られている。ジャイロの中でも特に振動子を用いているものは振動ジャイロと呼ばれ、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの手振れ検知、カーナビゲーションシステムにおける方向検知、自動車などの移動体の姿勢制御といった様々な用途に広く用いられている。

振動ジャイロとしては、四角柱状や三角柱状の振動子に圧電素子を貼り付けたものや、圧電セラミックスなどからなる円柱状の振動子に電極を印刷したものが実用化されている。例えば、特許文献１参照。
特開２０００−３３７８８３号公報

図１３は、従来の振動ジャイロユニットの構成ブロック図の一例を示す。振動子３２と、これに貼り付けられた圧電素子３３ａ、３３ｂとからなる振動ジャイロ３１は、振動ジャイロ用回路に接続されている。振動ジャイロ用回路は、加算回路１と、発振回路２と、差動増幅回路４と、同期検波回路５と、移相回路１３と、直流増幅回路６とを備える。振動ジャイロ３１と加算回路１と発振回路２は、振動ジャイロ３１の屈曲振動の共振周波数で振動ジャイロ３１を自励発振駆動させる自励発振回路７ａを構成する。

発振回路２の出力信号は、振動子３２に入力され、さらに振動子３２表面の導電めっきを介して圧電素子３３ａ、３３ｂに加わる。圧電素子３３ｂの出力信号と、圧電素子３３ａの出力信号は、加算回路１に入力され加算される。加算回路１の出力信号は、発振回路２と移相回路１３に入力される。

また、圧電素子３３ｂの出力信号と、圧電素子３３ａの出力信号は、差動増幅回路４にも入力される。差動増幅回路４は、圧電素子３３ｂの出力信号と、圧電素子３３ａの出力信号との差に応じた信号を出力し、その信号は同期検波回路５にて、移相回路１３が出力するタイミング信号に同期して検波される。直流増幅回路６は、同期検波回路５で同期検波された直流信号を増幅する。

振動ジャイロ３１は自励発振回路７ａによって駆動され、長手方向に直交する方向に屈曲振動する。振動ジャイロ３１の長手方向の中心軸のまわりに回転角速度が加わっていない状態では、圧電素子３３ｂと圧電素子３３ａの歪みは全く同じように生じるので圧電素子３３ｂからの出力信号と、圧電素子３３ａからの出力信号は振幅、位相共に同一であり、したがって差動増幅回路４の出力は０である。

振動ジャイロ３１が上述のように屈曲振動している状態で、振動ジャイロ３１の長手方向の中心軸のまわりに回転角速度が加わった場合には、長手方向及び屈曲振動方向に対して直角な方向にコリオリ力が発生し、そのコリオリ力によって屈曲振動の向きが変わり、２つの検出片（圧電素子）３３ａ、３３ｂ間に出力差が生じ、差動増幅回路４からはその差に比例した出力信号が得られる。

回転角速度が加わったときの圧電素子３３ｂの出力信号は、振動ジャイロ３１に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリ力に応じた出力信号とが重畳された信号である。同様に、回転角速度が加わったときの圧電素子３３ａの出力信号は、振動ジャイロ３１に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリ力に応じた出力信号とが重畳された信号である。

上記駆動信号に応じた圧電素子３３ｂの出力信号と圧電素子３３ａの出力信号とは、同相で同じ大きさの信号であるため差動増幅回路４で相殺される。これに対して、コリオリ力に応じた圧電素子３３ｂの出力信号と圧電素子３３ａの出力信号とは、逆相で同じ大きさの信号である。したがって、差動増幅回路４の出力信号は、圧電素子３３ｂからの出力信号と圧電素子３３ａからの出力信号との差に比例となり、差動増幅回路４からは回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。なお、振動ジャイロ３１を駆動するための駆動信号は、加算回路１の出力信号と同相であり、振幅は比例関係にある。

コリオリ力は駆動信号による屈曲振動の方向に対して直交する方向に発生するため、コリオリ力に応じて差動増幅回路４から出力される信号は、原理上は、駆動信号と相関がある（同相の）加算回路１の出力信号の振幅最大点で０となり、加算回路１の出力信号のゼロクロス点で最大となり、加算回路１の出力信号と、差動増幅回路４の出力信号との位相差は９０゜となる。したがって、同期検波回路５は、加算回路１の出力信号との間に９０゜の位相差を持つ移相回路１３の出力信号のタイミングで差動増幅回路４の出力信号を検波すればよい。

従来においては、差動増幅回路４の出力信号は、加算回路１の出力信号に対して９０゜の位相差を持つことを前提とした信号処理を行っている。しかし、振動ジャイロ３１の構造、材質、寸法などに起因する要因によって、加算回路１の出力信号と、差動増幅回路４の出力信号との位相差は必ずしも９０゜になるとは限らない。したがって、上記位相差が９０゜ではない特性を有する振動ジャイロに対して、加算回路１の出力信号から位相が９０゜シフトされた移相回路１３のタイミング信号で、差動増幅回路４の出力信号を同期検波してしまうと、差動増幅回路４の出力信号の検波感度、すなわち回転角速度の検出感度が最大と成り得ず、またノイズは振動ジャイロの構造、材質、寸法などによってあまり変わらないので、回転角速度の検出に際してのＳ／Ｎ比が悪化することになる。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、高感度に回転角速度を検出できる振動ジャイロ用回路、振動ジャイロユニット、振動ジャイロの出力検出方法を提供することにある。

本発明は前記課題を解決するため以下の構成を採用した。
すなわち、本発明の振動ジャイロ用回路は、振動ジャイロの２つの検出片の出力信号の差に応じた信号を出力する差動増幅回路と、差動増幅回路の出力信号を同期検波する同期検波回路と、振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされた信号を同期検波用のタイミング信号として同期検波回路に供給する移相回路とを備え、駆動信号とタイミング信号との位相差は、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、差動増幅回路の出力信号の検波感度の位相差特性に基づいて設定された。

また、本発明の振動ジャイロユニットは、２つの検出片を有する振動ジャイロと、それら検出片の出力信号の差に応じた信号を出力する差動増幅回路と、差動増幅回路の出力信号を同期検波する同期検波回路と、振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされた信号を同期検波用のタイミング信号として同期検波回路に供給する移相回路とを備え、駆動信号とタイミング信号との位相差は、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、差動増幅回路の出力信号の検波感度の位相差特性に基づいて設定された。

ここで、振動ジャイロの２つの検出片の出力信号の差は、振動ジャイロに回転角速度が加わっていない状態では０であり、回転角速度が加えられるとその回転角速度に応じた大きさとなる。したがって、差動増幅回路は、振動ジャイロに回転角速度が加わっていない状態では出力が０であり、回転角速度が加えられるとその回転角速度に応じた大きさの信号を出力する。差動増幅回路の出力信号は交流信号であり、同期検波回路は、その差動増幅回路の出力信号を同期検波して直流に整流する。移相回路は、その同期検波のためのタイミング信号を作り、そのタイミング信号に同期して差動増幅回路の出力信号は整流される。

タイミング信号は、振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされており、その位相のシフト量（駆動信号とタイミング信号との位相差）は、振動ジャイロが駆動されて回転角速度が加えられた状態で予め求められた、差動増幅回路の出力信号の検波感度の位相差特性に基づいて設定されている。差動増幅回路の出力信号の検波感度とは、差動増幅回路の出力信号の整流後の直流信号の大きさであり、振動ジャイロに加わった回転角速度の検出感度に対応する。すなわち、本発明では、上記位相差を様々に変えた場合のその位相差と回転角速度の検出感度との関係を予め求め、これに基づいて、高い感度が得られる位相差を設定値として設定する。従来のように、上記位相差を９０゜に固定するのではなく、振動ジャイロの特性に合わせて最適な位相差の設定を行うことができ、回転角速度の高感度の検出を実現する。

また、移相回路としては、入力される駆動信号を、抵抗とコンデンサの時定数で決められる位相差だけ遅延させる積分回路を含む構成とすれば、抵抗の抵抗値の調整（抵抗の段数を変えることによる抵抗値の調整も含む）またはコンデンサの容量の調整（コンデンサの段数を変えることによる容量の調整も含む）により簡単に所望の位相差に設定でき、また回路構成も簡単であり、安価に上述した機能を有する移相回路を実現できる。

また、本発明の振動ジャイロの出力検出方法は、振動ジャイロの２つの検出片の出力信号の差に応じた信号を、前記振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされたタイミング信号で同期検波することで前記振動ジャイロに加えられた回転角速度を検出する振動ジャイロの出力検出方法であって、
振動ジャイロに供給される駆動信号と、この駆動信号に対して位相がシフトされたタイミング信号との位相差を、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、振動ジャイロの２つの検出片の出力信号の差に応じた信号の検波感度の位相差特性に基づいて設定し、この設定された位相差の分駆動信号に対して位相がシフトされたタイミング信号で、２つの検出片の出力信号の差に応じた信号の同期検波を行う。

ここで、振動ジャイロの２つの検出片の出力信号の差は、振動ジャイロに回転角速度が加わっていない状態では０であり、回転角速度が加えられるとその回転角速度に応じた大きさとなる。したがって、それら検出片の出力信号の差に応じた信号は、振動ジャイロに回転角速度が加わっていない状態では０であり、回転角速度が加えられるとその回転角速度に応じた大きさの信号となる。この検出片の出力信号の差に応じた信号は交流信号であり、これは、振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされたタイミング信号に同期して検波されて直流に整流される。

そのタイミング信号の位相シフト量（駆動信号とタイミング信号との位相差）は、振動ジャイロが駆動されて回転角速度が加えられた状態で予め求められた、検出片の出力信号の差に応じた信号の検波感度の位相差特性に基づいて設定されている。検出片の出力信号の差に応じた信号の検波感度とは、検出片の出力信号の差に応じた信号の整流後の直流信号の大きさであり、振動ジャイロに加わった回転角速度の検出感度に対応する。すなわち、本発明では、上記位相差を様々に変えた場合のその位相差と回転角速度の検出感度との関係を予め求め、これに基づいて、高い感度が得られる位相差を設定値として設定する。従来のように、上記位相差を９０゜に固定するのではなく、振動ジャイロの特性に合わせて最適な位相差の設定を行うことができ、回転角速度の高感度の検出を実現する。

本発明の振動ジャイロ用回路によれば、駆動信号に対する同期検波用のタイミング信号の位相差は、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、差動増幅回路の出力信号の検波感度の位相差特性に基づいて設定されるので、振動ジャイロの種類や構造によって高い感度が得られる位相差が異なっていても、その高い感度を得られる位相差に設定でき、この結果、回転角速度の検出が高感度で行え、対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を向上できる。

本発明の振動ジャイロユニットによれば、駆動信号に対する同期検波用のタイミング信号の位相差は、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、差動増幅回路の出力信号の検波感度の位相差特性に基づいて設定されるので、振動ジャイロの種類や構造によって高い感度が得られる位相差が異なっていても、その高い感度を得られる位相差に設定でき、この結果、回転角速度の検出が高感度で行え、対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を向上できる。また、一般に振動ジャイロが小型になると感度は低下するので、回転角速度を高感度で検出できるということは、振動ジャイロの小型化を図るうえで有利となる。

本発明の振動ジャイロの出力検出方法によれば、駆動信号に対する同期検波用のタイミング信号の位相差は、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、振動ジャイロの２つの検出片の出力信号の差に応じた信号の検波感度の位相差特性に基づいて設定されるので、振動ジャイロの種類や構造によって高い感度が得られる位相差が異なっていても、その高い感度を得られる位相差に設定でき、この結果、回転角速度の検出が高感度で行え、対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を向上できる。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

［第１の実施形態］
図２は第１の実施形態に係る振動ジャイロ３１の斜視図であり、図３はその断面図である。振動ジャイロ３１は、表面に導電体がめっきされた四角柱状の振動子３２と、この振動子３２の第１の側面３２ａに貼り付けられた２つの圧電素子３３ａ、３３ｂとから構成される。圧電素子３３ａ、３３ｂは、振動ジャイロ３１に駆動信号を供給するための駆動片と、振動ジャイロ３１に加わった回転角速度に応じた信号を検出するための検出片とを兼ねている。

振動子３２は、例えば、アモルファスカーボン、エリンバ、Fe−Ni合金、石英、ガラス、水晶、セラミックスなどの機械的屈曲振動を生じる材料からなる。２つの圧電素子３３ａ、３３ｂは、それぞれ、振動子３２と同じ長さを有する四角柱状を呈し、振動子３２の長手方向に沿って延在し、両者の間に間隙を形成して互いに向き合っている。圧電素子３３ａと圧電素子３３ｂとは、振動子３２の第１の側面３２ａを短手方向に二分する中心線に関して対称である。

振動ジャイロ３１は振動ジャイロ用回路に接続され、この回路と振動ジャイロ３１とから振動ジャイロユニットが構成される。振動ジャイロ用回路は、図１に示すように、加算回路１と、発振回路２と、差動増幅回路４と、同期検波回路５と、移相回路３と、直流増幅回路６とを備える。振動ジャイロ３１と加算回路１と発振回路２は、振動ジャイロ３１の屈曲振動の共振周波数で振動ジャイロ３１を自励発振駆動させる自励発振回路７ａを構成する。振動ジャイロ用回路は、例えば１つの半導体チップにＩＣ（integrated circuit）化されてなる。その半導体チップは、ベアチップあるいはパッケージングされて回路基板に実装され、この回路基板には振動ジャイロ３１も搭載され、振動ジャイロユニットを構成する。

発振回路２の出力信号Ｖgoは、振動子３２の第１の側面３２ａと対向する第２の側面３２ｂに入力され、さらに振動子３２表面の導電めっきを介して第１の側面３２ａに貼り付けられた圧電素子３３ａ、３３ｂに加わる。圧電素子３３ｂの出力信号Ｖglと、圧電素子３３ａの出力信号Ｖgrは、加算回路１に入力され加算される。加算回路１の出力信号Ｖsaは発振回路２で振幅と位相が調整され、駆動信号として振動ジャイロ３１に供給される。また、加算回路１の出力信号Ｖsaは移相回路３にも入力される。

圧電素子３３ｂの出力信号Ｖglと、圧電素子３３ａの出力信号Ｖgrは、差動増幅回路４にも入力される。差動増幅回路４は、ＶglとＶgrとの差に応じた信号Ｖdaを出力し、その信号Ｖdaは同期検波回路５にて、移相回路３が出力するタイミング信号Ｖckに同期して検波される。直流増幅回路６は、同期検波回路５で同期検波された直流信号Ｖsdを増幅して信号Ｓを出力する。

図４は、上述した各信号波形のタイムチャート図である。左側は振動ジャイロ３１に回転角速度が加わっていないときの各信号波形を示し、右側は振動ジャイロ３１の長手方向の中心軸Ｃ（図１参照）のまわりに回転角速度が加わったときの各信号波形を示す。

振動ジャイロ３１は自励発振回路７ａによって駆動され、第１、第２の側面３２ａ、３２ｂ、および長手方向に直交する方向（図１においてｙ方向）に屈曲振動する。振動ジャイロ３１の長手方向の中心軸Ｃのまわりに回転角速度が加わっていない状態では、圧電素子３３ｂと圧電素子３３ａの歪みは全く同じように生じるので圧電素子３３ｂからの出力信号Ｖglと圧電素子３３ａからの出力信号Ｖgrは振幅、位相共に同一であり、したがって差動増幅回路４の出力は０である。

振動ジャイロ３１がｙ方向に屈曲振動している状態で、振動ジャイロ３１の長手方向の中心軸Ｃのまわりに回転角速度が加わった場合には、長手方向及びｙ方向の両方向に対して直角なｘ方向にコリオリ力が発生し、そのコリオリ力によって屈曲振動の向きが変わり、２つの検出片（圧電素子）３３ａ、３３ｂ間に出力差が生じる。

すなわち、圧電素子３３ｂからの出力信号Ｖglと、圧電素子３３ａからの出力信号Ｖgrとの間に差（Ｖgl−Ｖgr）が生じ、差動増幅回路４からはその差（Ｖgl−Ｖgr）に比例した出力信号Ｖdaが得られる。

回転角速度が加わったときの圧電素子３３ｂの出力信号Ｖglは、振動ジャイロ３１に供給される駆動信号に応じた出力信号（図４において破線で示す）と、コリオリ力に応じた出力信号Ｖcl（図４において１点鎖線で示す）とが重畳された信号である。同様に、回転角速度が加わったときの圧電素子３３ａの出力信号Ｖgrは、振動ジャイロ３１に供給される駆動信号に応じた出力信号（図４において破線で示す）と、コリオリ力に応じた出力信号Ｖcr（図４において１点鎖線で示す）とが重畳された信号である。

上記駆動信号に応じた圧電素子３３ｂの出力信号と圧電素子３３ａの出力信号とは、同相で同じ大きさの信号であるため差動増幅回路４で相殺される。これに対して、コリオリ力に応じた圧電素子３３ｂの出力信号Ｖclと圧電素子３３ａの出力信号Ｖcrとは、逆相で同じ大きさの信号である。したがって、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaは（Ｖcl−Ｖcr）に比例となり、差動増幅回路４からは回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。

また、コリオリ力に応じた圧電素子３３ｂの出力信号Ｖclと圧電素子３３ａの出力信号Ｖcrとは、逆相で同じ大きさの信号であるため、加算回路１では相殺される。よって、発生するコリオリ力には関係なく、振動ジャイロ３１には一定の駆動信号が供給される。なお、駆動信号は、加算回路１の出力信号Ｖsaと同相であり、振幅は比例関係にある。

コリオリ力に応じて差動増幅回路４から出力される信号Ｖdaは、原理上は、振動ジャイロ３１を駆動するための駆動信号、すなわちこれと同相の加算回路１の出力信号Ｖsaの振幅最大点で０となり、Ｖsaのゼロクロス点で最大となり、加算回路１の出力信号Ｖsaと、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaとの位相差は９０゜となる。

しかし、振動ジャイロ３１の構造、材質、寸法などに起因する要因によって、加算回路１の出力信号Ｖsaと、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaとの位相差は必ずしも９０゜になるとは限らない。図４の例では、加算回路１の出力信号Ｖsaと差動増幅回路４の出力信号Ｖdaとの位相差θpsは９０゜より大きくなっている。

そこで、本実施形態では、タイミング信号Ｖckの、加算回路１の出力信号Ｖsaからの位相シフト量を９０゜に固定せずに、実際にＶsaとＶdaとの間で生じている位相差に応じて設定する。そして、その設定された位相差θpsの分だけ加算回路１の出力信号Ｖsaから位相シフトされたタイミング信号Ｖckのタイミングで、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaの同期検波を行う。したがって、移相回路３は、加算回路１の出力信号Ｖsaから位相をθpsだけシフトした方形波状のタイミング信号Ｖckを作り、同期検波回路５に同期検波用のタイミング信号として供給する。

同期検波回路５は、交流信号である差動増幅回路４の出力信号Ｖdaを、タイミング信号Ｖckに同期して全波整流することで信号Ｖfrに変換した後、積分（あるいは平滑化）し、直流信号Ｖsdを出力する。すなわち、タイミング信号Ｖckがローレベルのときに、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaの負電圧を正電圧の方向に反転して加え合わせる。なお、全波整流としていることで、半波整流の場合に比べ、信号Ｖdaの検波感度を高くして、信号Ｖsdの値を大きくできる。

同期検波回路５の出力信号Ｖsdは、振動ジャイロ３１に加わった回転角速度の方向に応じた極性を有し、その回転角速度の大きさに比例する。そして、直流増幅回路６はその信号Ｖsdを所定の大きさまで直流増幅して信号Ｓを出力する。

図５は、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaの検波感度、すなわち振動ジャイロ３１に加えられた回転角速度の検出感度の位相差特性の一例を示す。縦軸は、直流増幅回路６の出力信号Ｓの大きさである。または、同期検波回路５の出力信号Ｖsdの大きさとしてもよい。横軸は、加算回路１の出力信号Ｖsaに対するタイミング信号Ｖckの位相シフト量θを表す。

図５に示される特性は、アモルファスカーボンからなり図２に示すような長さ７.５ｍｍ、幅０.５８ｍｍ、厚さ０.６ｍｍの寸法の振動子３２と、ＰＺＴからなる圧電素子３３ａ、３３ｂとを用いた振動ジャイロ３１を駆動させて上記ｙ方向に屈曲振動させ、その状態で長手方向の中心軸Ｃのまわりに回転角速度を加え、その駆動条件、加えた回転角速度の方向及び大きさを同じ条件とした状態で、上記タイミング信号Ｖckの位相シフト量θを様々に変えて設定したときの、回転角速度を検出した結果である。

図５から明らかなように、加算回路１の出力信号Ｖsaに対するタイミング信号Ｖckの位相シフト量θが１１０゜〜１５０゜のときに、高い感度（最大感度を含む）が得られ、かつその高い感度で安定している。したがって、図５の特性を有する振動ジャイロ３１については、Ｖsaに対するタイミング信号Ｖckの位相シフト量の設定値θpsを１１０゜〜１５０゜の範囲に収まるようにすれば、そのタイミング信号Ｖckに同期して検波される差動増幅回路４の出力信号Ｖdaの検波感度を高めることができ、結果として振動ジャイロ３１に加わった回転角速度の検出感度を高めることができる。

もし、図５の特性を有するものに対して、従来のように９０゜に固定した位相差θpsのタイミング信号で差動増幅回路４の出力信号Ｖdaの同期検波を行ってしまうと、信号Ｖdaの全波整流及び積分後の直流値が、図４のタイミングで同期検波を行った場合よりも小さくなり、この結果、図５のグラフからもわかるように信号Ｓの値すなわち回転角速度の検出感度が小さくなってしまう。この場合には、振動ジャイロに加わった回転角速度が小さいとノイズにまぎれて認識できなくなるおそれがある。また、コリオリ力は振動ジャイロの質量に比例するため、特に小型化された振動ジャイロではコリオリ力に応じた信号である差動増幅回路４の出力信号Ｖdaが小さく、よってその信号Ｖdaを感度良く検波することは重要である。

なお、図５に示す特性は一例であって、振動ジャイロの構造、材質、寸法などが変われば、図５とは異なった特性となる。もちろん、振動ジャイロによっては、タイミング信号Ｖckの駆動信号に対する位相差が原理どおりに９０゜あるいはこの付近のときに最大感度が得られるものもある。この場合においても、上述のように予め求めた図５のような感度Ｓの位相差特性に基づいて位相差θpsは９０゜に設定されることになる。

なお、図４に示す例では、加算回路１の出力信号Ｖsaに対するタイミング信号Ｖckの位相差θpsを、加算回路１の出力信号Ｖsaに対する差動増幅回路４の出力信号Ｖsdの位相差に一致させて設定しているが、必ずしも一致させる必要はなく、図５に示した特性図からもわかるように、最大感度でフラットになっている位相差範囲では位相差の違いによる感度の違いはない、あるいは実用上無視できるほど小さいため、設定位相差θpsはその位相差範囲内に設定すればよい。

図６は、移相回路３の一例を示す回路図である。この移相回路３は、入力される加算回路１の出力信号Ｖsaに位相遅れを生じさせる遅延回路として、抵抗６３とコンデンサ６４とから構成される積分回路を有している。抵抗６３の一端は加算回路１の出力側に接続され、他端はオペアンプ６５の正入力端子に接続されている。コンデンサ６４は、一端が抵抗６３の他端に接続され、他端が接地されている。抵抗６３の一端とオペアンプ６５の出力端子との間には、直列接続された２つの抵抗６１、６２が接続されている。オペアンプ６５の負入力端子は、抵抗６１と抵抗６２との間に接続されている。オペアンプ６５の出力端子はコンパレータ６６の入力端子に接続されている。

加算回路１の出力信号Ｖsaは、抵抗６３とコンデンサ６４とから構成される積分回路を通った後、オペアンプ６５の正入力端子に入力される。オペアンプ６５の負入力端子の電位は正入力端子の電位となるので、抵抗６１の両端電圧は上記積分回路の出力と、加算回路１の出力Ｖsaとの差分となる。この抵抗６１の両端電圧により流れる電流は抵抗６２にそのまま流れ、オペアンプ６５の出力電圧が決定される。このオペアンプ６５の出力がコンパレータ６６を通ることで図４に示すような移相回路３の出力信号（タイミング信号）Ｖckを得ている。

ここで、抵抗６３の抵抗値をＲpsとし、コンデンサ６４の容量をＣpsとし、抵抗６１の抵抗値と抵抗６２の抵抗値とは等しいとし、加算回路１の出力信号Ｖsaの周波数をｆoとすると、この移相回路３の入出力間の位相差、すなわち加算回路１の出力信号Ｖsaに対するタイミング信号Ｖckの位相差θpsは下記（１）式で決まる。
θps＝２・tan^-1（２・π・Ｒps・Ｃps・ｆo）・・・・・（１）

すなわち、時定数（Ｒps・Ｃps）で位相遅れ量θpsが決まるので、抵抗６３の抵抗値Ｒpsあるいはコンデンサ６４の容量Ｃpsを調整（抵抗６３とコンデンサ６４の段数の調整も含む）することで、所望の位相差θpsを容易に設定できる。

移相回路３としては、遅延回路（積分回路）による位相の遅れを利用したものに限らず、進み回路（微分回路）による位相の進みを利用したものを用いてもよい。

近年、振動ジャイロユニットを搭載する機器の小型化及び低価格化に伴って、振動ジャイロユニットにも小型化及び低価格化が求められてきており、振動ジャイロ用回路は１つの半導体チップにＩＣ化されている。その回路の製造に際しては、先ず、ＩＣ化する前の段階で、図５に示すような位相差θと感度Ｓとの関係を求め、これに基づいて、上記抵抗６３の抵抗値Ｒpsあるいはコンデンサ６４の容量Ｃpsを調整して、高い感度を得ることができる位相差の設定値θpsを決める。そして、その設定値θpsでＩＣ化し、そのＩＣの出力をオシロスコープで観察し、正しい設定となっているか確認する。

この確認で、所望の感度が得られていない場合には、θpsを再設定する。例えば、抵抗６３は多数の抵抗がヒューズによって接続された構成を有し、レーザや高電圧を加えるなどの手段によって任意の箇所のヒューズを切断することで抵抗６３の抵抗値Ｒpsを調整して、θpsを調整する。

なお、設定値θpsを決めるにあたっては、図５に示すような特性図を複数個の振動ジャイロについて求め、これら複数の特性図の統計的データから決める。あるいは、１個の振動ジャイロの特性図から決めてもよい。そして、設定値θpsは、構造、寸法、材質、製造条件などが同じ、同規格の振動ジャイロについて共通して適用される。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、上記第１の実施形態と同じ構成部分には同一の符号を付しその詳細な説明は省略する。

第２の実施形態に係る振動ジャイロ４１の斜視図を図８に、断面図を図９に示す。振動ジャイロ４１は、断面正三角形の三角柱状の振動子４２と、この振動子４２の３つの側面にそれぞれ貼り付けられた３つの圧電素子４３ａ、４３ｂ、４３ｃとから構成される。圧電素子４３ｃは振動ジャイロ４１に駆動信号を供給するための駆動片として機能し、圧電素子４３ａ、４３ｂは振動ジャイロ４１に加わった回転角速度に応じた信号を検出するための検出片として機能する。

振動子４２は、例えば、アモルファスカーボン、エリンバ、Fe−Ni合金、石英、ガラス、水晶、セラミックスなどの機械的屈曲振動を生じる材料からなる。３つの圧電素子４３ａ〜４３ｃは、何れも同じ形状（直方体状）、同じ寸法を有し、振動子４２の長手方向の中心軸に関して対称に配置されている。

振動ジャイロ４１は、図７に示す振動ジャイロ用回路に接続され、この回路と振動ジャイロ４１とから第２の実施形態に係る振動ジャイロユニットが構成される。振動ジャイロ用回路は、第１の実施形態と同様に、加算回路１と、発振回路２と、差動増幅回路４と、同期検波回路５と、移相回路３と、直流増幅回路６とを備える。振動ジャイロ４１と加算回路１と発振回路２は、振動ジャイロ４１の屈曲振動の共振周波数で振動ジャイロ４１を自励発振駆動させる自励発振回路７ｂを構成する。

発振回路２の出力信号Ｖgoは、駆動片である圧電素子４３ｃに加えられる。検出片である圧電素子４３ｂの出力信号Ｖglと圧電素子４３ａの出力信号Ｖgrは、加算回路１に入力され加算される。加算回路１の出力信号Ｖsaは、発振回路２と移相回路３に入力される。

また、圧電素子４３ｂの出力信号Ｖglと、圧電素子４３ａの出力信号Ｖgrは、差動増幅回路４にも入力される。差動増幅回路４は、ＶglとＶgrとの差に応じた信号Ｖdaを出力し、その信号Ｖdaは同期検波回路５にて、移相回路３が出力するタイミング信号Ｖckに同期して検波される。直流増幅回路６は、同期検波回路５で同期検波された直流信号Ｖsdを増幅して信号Ｓを出力する。

振動ジャイロ４１は自励発振回路７ｂによって駆動され、圧電素子４３ｃが貼り付けられた面、および長手方向に直交する方向（図７においてｙ方向）に屈曲振動する。振動ジャイロ４１の長手方向の中心軸Ｃのまわりに回転角速度が加わっていない状態では、圧電素子４３ｂと圧電素子４３ａの歪みは全く同じように生じるので圧電素子４３ｂからの出力信号Ｖglと圧電素子４３ａからの出力信号Ｖgrは振幅、位相共に同一であり、したがって差動増幅回路４の出力は０である。

振動ジャイロ４１がｙ方向に屈曲振動している状態で、振動ジャイロ４１の長手方向の中心軸Ｃのまわりに回転角速度が加わった場合には、長手方向及びｙ方向の両方向に対して直角なｘ方向にコリオリ力が発生し、そのコリオリ力によって屈曲振動の向きが変わり、２つの検出片（圧電素子）４３ａ、４３ｂ間に出力差が生じる。

すなわち、圧電素子４３ｂからの出力信号Ｖglと、圧電素子４３ａからの出力信号Ｖgrとの間に差（Ｖgl−Ｖgr）が生じ、差動増幅回路４からはその差（Ｖgl−Ｖgr）に比例した出力信号Ｖdaが得られる。

回転角速度が加わったときの圧電素子４３ｂの出力信号Ｖglは、振動ジャイロ４１に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリ力に応じた出力信号Ｖclとが重畳された信号である。同様に、回転角速度が加わったときの圧電素子４３ａの出力信号Ｖgrは、振動ジャイロ４１に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリ力に応じた出力信号Ｖcrとが重畳された信号である。

上記駆動信号に応じた圧電素子４３ｂの出力信号と圧電素子４３ａの出力信号とは、同相で同じ大きさの信号であるため差動増幅回路４で相殺される。これに対して、コリオリ力に応じた圧電素子４３ｂの出力信号Ｖclと圧電素子４３ａの出力信号Ｖcrとは、逆相で同じ大きさの信号である。したがって、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaは（Ｖcl−Ｖcr）に比例となり、差動増幅回路４からは回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。

また、コリオリ力に応じた圧電素子４３ｂの出力信号Ｖclと圧電素子４３ａの出力信号Ｖcrとは、逆相で同じ大きさの信号であるため、加算回路１では相殺される。よって、発生するコリオリ力には関係なく、振動ジャイロ４１には一定の駆動信号が供給される。なお、駆動信号は、加算回路１の出力信号Ｖsaと同相であり、振幅は比例関係にある。

そして、第２の実施形態においても、上記第１の実施形態と同様、タイミング信号Ｖckの、加算回路１の出力信号Ｖsaからの位相シフト量を、実際にＶsaとＶdaとの間で生じている位相差に応じて設定する。そして、その設定された位相差θpsの分だけ加算回路１の出力信号Ｖsaから位相シフトされたタイミング信号Ｖckのタイミングで、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaの同期検波を行う。したがって、移相回路３は、加算回路１の出力信号Ｖsaから位相をθpsだけシフトした方形波状のタイミング信号Ｖckを作り、同期検波回路５に同期検波用のタイミング信号として供給する。

同期検波回路５は、交流信号である差動増幅回路４の出力信号Ｖdaを、タイミング信号Ｖckに同期して全波整流することで信号Ｖfrに変換した後、積分（あるいは平滑化）し、直流信号Ｖsdを出力する。この信号Ｖsdは、振動ジャイロ４１に加わった回転角速度の方向に応じた極性を有し、その回転角速度の大きさに比例する。そして、直流増幅回路６はその信号Ｖsdを所定の大きさまで直流増幅して信号Ｓを出力する。

本実施形態においても、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaの検波感度、すなわち振動ジャイロ４１に加えられた回転角速度の検出感度と、加算回路１の出力信号Ｖsaに対するタイミング信号Ｖckの位相シフト量θとの関係が予め求められ、これに基づいて位相差θpsが設定される。よって、加算回路１の出力信号Ｖsaに対する位相シフト量がそのθpsに設定されたタイミング信号Ｖckで、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaの同期検波を行えば、Ｖdaの検波感度を高めることができ、結果として振動ジャイロ４１に加わった回転角速度の検出感度を高めることができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、上記第１の実施形態と同じ構成部分には同一の符号を付しその詳細な説明は省略する。

第３の実施形態に係る振動ジャイロ５１の斜視図を図１１に、断面図を図１２に示す。振動ジャイロ５１は、円柱状の振動子５２と、この振動子５２の外周面に形成された電極５３ａ〜５３ｆとから構成される。電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃはそれぞれ独立し、電極５３ｄ〜５３ｆは共通グランドに接続される。電極５３ｃは振動ジャイロ５１に駆動信号を供給するための駆動片として機能し、電極５３ａ、５３ｂは振動ジャイロ５１に加わった回転角速度を検出するための検出片として機能する。

振動子５２は圧電セラミックスなどの圧電体からなる。すべての電極５３ａ〜５３ｆは振動子５２の長手方向と平行になるように配置されている。また、各々の電極５３ａ〜５３ｆは、振動子５２を断面して現れる円の円周を６等分した位置に配置されている。

振動ジャイロ５１は、図１０に示す振動ジャイロ用回路に接続され、この回路と振動ジャイロ５１とから第３の実施形態に係る振動ジャイロユニットが構成される。振動ジャイロ用回路は、第１の実施形態と同様に、加算回路１と、発振回路２と、差動増幅回路４と、同期検波回路５と、移相回路３と、直流増幅回路６とを備える。振動ジャイロ５１と加算回路１と発振回路２は、振動ジャイロ５１の屈曲振動の共振周波数で振動ジャイロ５１を自励発振駆動させる自励発振回路７ｃを構成する。

発振回路２の出力信号Ｖgoは、駆動片である電極５３ｃに加えられる。検出片である電極５３ａの出力信号Ｖglと電極５３ｂの出力信号Ｖgrは、加算回路１に入力され加算される。加算回路１の出力信号Ｖsaは、発振回路２と移相回路３に入力される。

また、電極５３ａの出力信号Ｖglと、電極５３ｂの出力信号Ｖgrは、差動増幅回路４にも入力される。差動増幅回路４は、ＶglとＶgrとの差に応じた信号Ｖdaを出力し、その信号Ｖdaは同期検波回路５にて、移相回路３が出力するタイミング信号Ｖckに同期して検波される。直流増幅回路６は、同期検波回路５で同期検波された直流信号Ｖsdを増幅して信号Ｓを出力する。

振動ジャイロ５１は自励発振回路７ｃによって駆動され、駆動片である電極５３ｃの表面、および長手方向に直交する方向（図１０においてｙ方向）に屈曲振動する。振動ジャイロ５１の長手方向の中心軸Ｃのまわりに回転角速度が加わっていない状態では、電極５３ａと電極５３ｂの歪みは全く同じように生じるので電極５３ａからの出力信号Ｖglと電極５３ｂからの出力信号Ｖgrは振幅、位相共に同一であり、したがって差動増幅回路４の出力は０である。

振動ジャイロ５１がｙ方向に屈曲振動している状態で、振動ジャイロ５１の長手方向の中心軸Ｃのまわりに回転角速度が加わった場合には、長手方向及びｙ方向の両方向に対して直角なｘ方向にコリオリ力が発生し、そのコリオリ力によって屈曲振動の向きが変わり、２つの検出片（電極）５３ａ、５３ｂ間に出力差が生じる。

すなわち、電極５３ａからの出力信号Ｖglと、電極５３ｂからの出力信号Ｖgrとの間に差（Ｖgl−Ｖgr）が生じ、差動増幅回路４からはその差（Ｖgl−Ｖgr）に比例した出力信号Ｖdaが得られる。

回転角速度が加わったときの電極５３ａの出力信号Ｖglは、振動ジャイロ５１に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリ力に応じた出力信号Ｖclとが重畳された信号である。同様に、回転角速度が加わったときの電極５３ｂの出力信号Ｖgrは、振動ジャイロ５１に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリ力に応じた出力信号Ｖcrとが重畳された信号である。

上記駆動信号に応じた電極５３ａの出力信号と電極５３ｂの出力信号とは、同相で同じ大きさの信号であるため差動増幅回路４で相殺される。これに対して、コリオリ力に応じた電極５３ａの出力信号Ｖclと電極５３ｂの出力信号Ｖcrとは、逆相で同じ大きさの信号である。したがって、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaは（Ｖcl−Ｖcr）に比例となり、差動増幅回路４からは回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。

また、コリオリ力に応じた圧電素子５３ａの出力信号Ｖclと圧電素子５３ｂの出力信号Ｖcrとは、逆相で同じ大きさの信号であるため、加算回路１では相殺される。よって、発生するコリオリ力には関係なく、振動ジャイロ５１には一定の駆動信号が供給される。なお、駆動信号は、加算回路１の出力信号Ｖsaと同相であり、振幅は比例関係にある。

そして、第３の実施形態においても、上記第１の実施形態と同様、タイミング信号Ｖckの、加算回路１の出力信号Ｖsaからの位相シフト量を、実際にＶsaとＶdaとの間で生じている位相差に応じて設定する。そして、その設定された位相差θpsの分だけ加算回路１の出力信号Ｖsaから位相シフトされたタイミング信号Ｖckのタイミングで、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaの同期検波を行う。したがって、移相回路３は、加算回路１の出力信号Ｖsaから位相をθpsだけシフトした方形波状のタイミング信号Ｖckを作り、同期検波回路５に同期検波用のタイミング信号として供給する。

同期検波回路５は、交流信号である差動増幅回路４の出力信号Ｖdaを、タイミング信号Ｖckに同期して全波整流することで信号Ｖfrに変換した後、積分（あるいは平滑化）し、直流信号Ｖsdを出力する。この信号Ｖsdは、振動ジャイロ５１に加わった回転角速度の方向に応じた極性を有し、その回転角速度の大きさに比例する。そして、直流増幅回路６はその信号Ｖsdを所定の大きさまで直流増幅して信号Ｓを出力する。

本実施形態においても、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaの検波感度、すなわち振動ジャイロ５１に加えられた回転角速度の検出感度と、加算回路１の出力信号Ｖsaに対するタイミング信号Ｖckの位相シフト量θとの関係が予め求められ、これに基づいて位相差θpsが設定される。よって、加算回路１の出力信号Ｖsaに対する位相シフト量がそのθpsに設定されたタイミング信号Ｖckで、差動増幅回路４の出力信号Ｖdaの同期検波を行えば、Ｖdaの検波感度を高めることができ、結果として振動ジャイロ５１に加わった回転角速度の検出感度を高めることができる。

なお、上記各実施形態では、位相差θpsを、加算回路１の出力信号Ｖsaに対してのタイミング信号Ｖckの位相差としたが、発振回路２の出力信号Ｖgoは加算回路１の出力信号Ｖsaと同相かつ振幅比例の関係にあるので、位相差θpsを、発振回路２の出力信号Ｖgoに対してのタイミング信号Ｖckの位相差としてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロユニットの構成を示すブロック図である。 図１に示した振動ジャイロの斜視図である。 同振動ジャイロの断面図である。 図１に示した振動ジャイロ用回路の各部における電圧波形のタイムチャート図である。 駆動信号と同期検波用のタイミング信号との間の位相差θと、回転角速度の検出感度Ｓとの関係の一例を示すグラフである。 図１に示した移相回路の一例を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロユニットの構成を示すブロック図である。 図７に示した振動ジャイロの斜視図である。 同振動ジャイロの断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロユニットの構成を示すブロック図である。 図１０に示した振動ジャイロの斜視図である。 同振動ジャイロの断面図である。 従来例の振動ジャイロユニットの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…加算回路、２…発振回路、３…移相回路、４…差動増幅回路、５…同期検波回路、６…直流増幅回路、７ａ〜７ｃ…自励発振回路、３１…振動ジャイロ、３２…振動子、３３ａ…圧電素子（駆動片兼検出片）、３３ｂ…圧電素子（駆動片兼検出片）、４１…振動ジャイロ、４２…振動子、４３ａ…圧電素子（検出片）、４３ｂ…圧電素子（検出片）、４３ｃ…圧電素子（駆動片）、５１…振動ジャイロ、５２…振動子、５３ａ…電極（検出片）、５３ｂ…電極（検出片）、５３ｃ…（駆動片）、５３ｄ〜５３ｆ…電極。

Claims (6)

1. 振動ジャイロの２つの検出片の出力信号の差に応じた差分信号を出力する差動増幅回路と、
   前記差分信号を同期検波する同期検波回路と、
   前記振動ジャイロに供給される駆動信号に対する位相差が、前記振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、前記差分信号の検波感度の位相差特性に基づいて、前記検波感度が最大となる最大感度の９０％以上の感度が得られる位相差範囲内で、９０°から外れた値に設定された、前記駆動信号と同周期であり、１８０°毎に高低が反転する方形波信号を、前記同期検波用のタイミング信号として前記同期検波回路に供給する移相回路と
   を具備する振動ジャイロ用回路。
2. 請求項１に記載の振動ジャイロ用回路であって、
   前記タイミング信号は、前記駆動信号に対する前記位相差が９０°から２０°以上外れた値に設定される
   振動ジャイロ用回路。
3. 請求項１に記載の振動ジャイロ用回路であって、
   前記移相回路は、前記位相差が前記位相差範囲内に設定された状態で、前記差動増幅回路及び前記同期検波回路と集積化される
   振動ジャイロ用回路。
4. 請求項１に記載の振動ジャイロ用回路であって、
   前記移相回路は、前記位相差を発生する積分回路、または微分回路を有する
   振動ジャイロ用回路。
5. ２つの検出片を有する振動ジャイロと、
   前記２つの検出片の出力信号の差に応じた差分信号を出力する差動増幅回路と、
   前記差分信号を同期検波する同期検波回路と、
   前記振動ジャイロに供給される駆動信号に対する位相差が、前記振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、前記差分信号の検波感度の位相差特性に基づいて、前記検波感度が最大となる最大感度の９０％以上の感度が得られる位相差範囲内で、９０°から外れた値に設定された、前記駆動信号と同周期であり、１８０°毎に高低が反転する方形波信号を、前記同期検波用のタイミング信号として前記同期検波回路に供給する移相回路と
   を具備する振動ジャイロユニット。
6. 振動ジャイロの２つの検出片の出力信号の差に応じた差分信号を出力し、
   前記差分信号を同期検波し、
   前記振動ジャイロに供給される駆動信号に対する位相差が、前記振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、前記差分信号の検波感度の位相差特性に基づいて、前記検波感度が最大となる最大感度の９０％以上の感度が得られる位相差範囲内で、９０°から外れた値に設定された、前記駆動信号と同周期であり、１８０°毎に高低が反転する方形波信号を、前記同期検波用のタイミング信号として出力する
   振動ジャイロの出力検出方法。

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