JP5210194B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

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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３に振動ジャイロの従来構成例を示す。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、図示しないが駆動用の圧電素子と検出用の圧電素子とを具備する。
駆動部２０は自励発振回路２１を具備し、振動子１０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。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 であり、振動子１０の２本の脚は図３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で増幅し、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の自励発振信号を位相調整し、波形整形した信号によって、入力された検出信号を同期検波する。図３中、３３は波形整形された信号を位相調整する移相回路を示し、３４は自励発振信号を波形整形する波形整形回路を示す。
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なる。
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の変位は同相の位相関係を持つ。一方、コリオリ力は速度に比例することから振動子１０の変位と９０°の位相関係を持ち、同様に角速度の検出信号も９０°の位相関係を持つ。従って、自励発振信号と角速度の検出信号とは９０°の位相関係を持つ。このため振動子１０の自励発振が機械的結合により検出部３０に漏れた場合、角速度の検出信号と９０°の位相関係を持つ信号が交流増幅器３１に入力される。
ここで、角速度信号のみが交流増幅器３１に入力された場合について説明する。
角速度信号は、自励発振信号と９０°の位相差を持つので自励発振回路２１の出力信号と交流増幅器３１の出力信号は９０°の位相関係を持つ。
自励発振回路２１の出力信号は、移相回路３３で９０°の位相移動が行われ、波形整形回路３４で矩形波に変換される。交流増幅器３１の出力信号は、波形整形回路３４の出力する矩形波で同期検波回路３２により同期検波され検波信号が得られる。同期検波回路３２の出力信号を低域通過フィルタ３５と直流増幅器３６に通すことで角速度出力が得られる。
次に、機械的結合による漏れ信号のみが交流増幅器３１に入力された場合について説明する。
機械的結合による漏れ信号は、角速度信号と９０°の位相差を持つので、自励発振回路２１の出力信号と機械的結合による漏れ信号による交流増幅器３１の出力信号は同相の関係を持つ。自励発振回路２１の出力信号は、移相回路３３で９０°の位相移動が行われ、波形整形回路３４で矩形波に変換される。交流増幅器３１の出力信号は、波形整形回路３４の出力する矩形波で同期検波回路３２により同期検波され検波信号が得られる。同期検波回路３２の出力信号を低域通過フィルタ３５と直流増幅器３６を通すと平均値は０になり、角速度出力に影響を与えない。
しかし、実際の回路では移相回路や波形整形回路の遅延、製造ばらつき等により角速度出力は０にならない。通常、検出する角速度信号は微弱であり、移相回路や波形整形回路の遅延、製造ばらつき等による、漏れ信号の誤出力は無視できない大きさとなる。特許文献１では、かかる漏れ信号を振動子１０の自励発振周波数よりも低い周波数で変調、検波することで漏れ信号の影響を除去している。
特許公開２００７-１３９６４２号公報
しかし、上述した特許文献１に記載されている方法では、自励発振周波数よりも低い数１００Hz程度の周波数で発振する変調信号生成回路１５が必要となり回路規模が大きくなる、という問題が発生する。本発明の目的は、低周波の変調信号を用いることなく、漏れ信号の影響を除去することにある。
上記問題を解決するために、本発明は振動ジャイロを振動子と、その振動子を共振駆動する駆動部と、コリオリ力による前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、前記駆動部は自励発振回路を具備して前記振動子を自励振動させ、前記検出部は前記振動子からの検出信号を前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、前記自励発振回路の出力信号を波形整形する波形整形回路と、前記波形整形回路の出力信号を検波信号とする同期検波回路と、前記同期検波回路の出力信号を直流に変換する整流回路と、前記整流回路の出力信号と前記自励発振回路の出力信号を乗算する掛け算回路と、前記振動子からの検出信号から前記掛け算回路の出力信号を減算する減算回路で構成することとした。
本発明によれば、低周波の変調信号を用いることなく、漏れ信号の影響を除去した振動ジャイロを構成することができるので、回路規模を小さくすることが出る、という効果を有する。
本発明の第一の実施例の構成図 本発明の第一の実施例の漏れ信号補償部の動作波形 従来の振動ジャイロの構成図
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明による振動ジャイロの一実施例の構成を示したものであり、図３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。
本発明による振動ジャイロは、振動子１０、駆動部２０、検出部３０、漏れ信号補償部４０を有する。漏れ信号補償部４０は、波形整形回路４１と同期検波回路４２と整流回路４３と掛け算回路４４と減算回路４５で構成される。
漏れ信号補償部４０の波形整形回路４１には、自励発振回路２１の信号が入力される。波形整形回路４１の信号は、同期検波回路４２に入力され、さらに同期検波回路４２の信号は、整流回路４３に入力される。掛け算回路４４には、自励発振回路２１の信号と整流回路４３の信号が入力され。減算回路４５には、交流増幅回路３１を介した振動子１０の信号と掛け算回路４４の信号が入力され。減算回路４５の信号は、検出部３０の同期検波回路３２に入力される。
漏れ信号補償回路の動作を、図２を用いて説明する。
ここで、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の変位は同相の位相関係を持つ。一方、コリオリ力は速度に比例することから振動子１０の変位と９０°の位相関係を持ち、同様に角速度の検出信号も９０°の位相関係を持つ。従って、自励発振信号と角速度の検出信号とは９０°の位相関係を持つ。このため振動子１０の自励発振が機械的結合により検出部３０に漏れた場合、角速度の検出信号と９０°の位相関係を持つ信号が交流増幅器３１に入力される。
上述のように、自励発振回路２１の出力信号（図２(ａ)）と機械的結合による漏れ信号による交流増幅器３１の出力信号（図２(ｂ)）は同相の関係を持つ。自励発振回路２１の出力信号（図２(ａ)）は、波形整形回路４１により図２(ｃ)の矩形波に波形整形され同期検波回路４２に検波信号として入力される。掛け算回路４４の出力信号が０と仮定すれば、交流増幅器３１の出力信号と等しい、減算回路４５の出力信号が同期検波回路４２に入力され、同期検波回路４２の出力信号は図２(ｄ)のような信号になる。同期検波回路４２の出力信号は整流回路４３より直流に変換される（図２(ｅ)）。
整流回路４３の出力信号（図２(ｅ)）は、掛け算回路４４により自励発振回路２１の出力信号と掛け算され、図２(ｆ)のような交流増幅器３１の出力信号と同相の信号となる。そして、減算回路４５において、交流増幅器３１の出力信号から掛け算回路４４の出力信号が減算さる。
以上説明したように、同期検波回路４２と整流回路４３と掛け算回路４４と減算回路４５で構成される信号のループは、減算回路４５の出力信号の漏れ信号成分が０になるようにフィードバック動作する。なお、交流増幅器３１の出力信号のうち、自励発振回路２１の出力信号と９０°の位相差を持つ角速度信号の成分は、同期検波回路４２の効果により漏れ信号補償部４０の動作に影響を与えない。
従って、交流増幅器３１の出力信号から漏れ信号成分を除去した角速度信号を、検出部３０の同期検波回路３２に入力することで、漏れ信号による角速度信号の誤出力を除去することが可能となる。
１０‥振動子
２０‥駆動部
２１‥自励発振回路
３０‥検出部
３１‥交流増幅器
３２、４２‥同期検波回路
３３‥移相回路
３４、４１‥波形整形回路
３５‥低域通過フィルタ
３６‥直流増幅器
４０‥漏れ信号補償部
４３‥整流回路
４４‥掛け算回路
４５‥減算回路

Claims (1)

  1. 振動子と、
    前記振動子を共振駆動する駆動部と、
    コリオリ力による前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、
    前記駆動部は自励発振回路を具備して前記振動子を自励振動させ、前記検出部は前記振動子からの検出信号を前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、
    前記自励発振回路の出力信号を波形整形する波形整形回路と、
    前記波形整形回路の出力信号を検波信号とする同期検波回路と、
    前記同期検波回路の出力信号を直流に変換する整流回路と、
    前記整流回路の出力信号と前記自励発振回路の出力信号を乗算する掛け算回路と、
    前記振動子からの検出信号から前記掛け算回路の出力信号を減算する減算回路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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