JP5338211B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

Description

この発明は、コリオリ力を利用して角速度を検出する振動ジャイロに関するものである。

例えばディジタルビデオカメラやディジタルスチルカメラにおいては、手ぶれ補正のために振動ジャイロを用いて、角速度を検出することがある（例えば、特許文献１参照。）。

図１は、従来の振動ジャイロの構成例を示す図である。
振動ジャイロ１０１は、圧電振動子１２２、加算回路１３４、発振回路１３６、検出回路１４２、および位相反転回路１３８を備える。

圧電振動子１２２は柱形状振動子であり、図１では柱形の断面を示している。この圧電振動子１２２は、駆動用電極１２６、検出用電極１２８Ａ，１２８Ｂ、中間電極１３０、および圧電体１２４Ａ，１２４Ｂを備える。圧電体１２４Ａ，１２４Ｂは中間電極１３０を挟んで設けられ、それぞれ図中の矢印Ｐ方向に分極されている。この圧電振動子１２２は、発振回路１３６から駆動用電極１２６に印加される正弦波のドライブ電圧により、圧電体１２４Ａ，１２４Ｂがそれぞれ紙面に垂直な方向に伸長または収縮する。この伸縮方向が圧電体１２４Ａ，１２４Ｂで互いに逆方向となることで圧電振動子１２２全体としては上下に屈曲振動する。圧電振動子１２２に手ぶれ等により角速度が加わると、振動の方向（上下）に対して垂直な方向（左右）の変形がコリオリ力に起因して加わる。圧電振動子１２２には、この変形に応じた電位差が検出用電極１２８Ａ，１２８Ｂとの間に生じる。

加算回路１３４は検出用電極１２８Ａの検出電圧と検出用電極１２８Ｂの検出電圧とを加算平均した電圧を出力する。発振回路１３６はドライブ電圧を出力する。検出回路１４２は、検出用電極１２８Ａの検出電圧と検出用電極１２８Ｂの検出電圧との電位差から圧電効果による起電圧を検出する。位相反転回路１３８は、加算回路１３４の出力する電圧の位相を反転させ、検出抵抗を介して検出用電極１２８Ａ，１２８Ｂに出力する。
特開２０００−２０５８６１号公報

上記振動ジャイロの構成では、検出用電極１２８Ａ，１２８Ｂに現れる検出電圧は、圧電振動子１２２の駆動共振抵抗と検出抵抗１４０Ａ，１４０Ｂとからなる分圧回路でドライブ電圧を分圧したものになり、次式で表されるようにドライブ電圧と検出電圧とは比例する。ただし、検出電圧の振幅V［Vpp］、ドライブ電圧の振幅V_drv［Vpp］、検出抵抗（２本並列分）R_k［Ω］、圧電振動部の駆動共振抵抗Z［Ω］である。

この比例係数は１よりも小さい正の値であるため、振動ジャイロ１０１では、ドライブ電圧V_drvや検出電圧Vが高いほど圧電振動子の両端電圧（V_drv−V）が増大し、ドライブ電圧V_drvや検出電圧Vが低いほど圧電振動子の両端電圧（V_drv−V）が低減する。したがって、この振動ジャイロ１０１では、機械駆動振幅や感度を増大させるためには、ドライブ電圧V_drvと検出電圧Vとをともに高める必要がある。

ところで、一般に振動ジャイロでは、発振回路により圧電振動子を他励振させると、発振周波数が圧電振動子の共振点からずれる虞がある。そこで、自動利得制御（ＡＧＣ）回路と移相回路とを設けて圧電振動子を自励振させることで、発振周波数を圧電振動子の共振点にすることが考えられる。この場合、ＡＧＣ回路は加算回路の出力電圧が一定振幅になるように、自動利得制御したドライブ電圧を出力し、移相回路はドライブ電圧の位相を制御して自励振が生じるようにする。

ＡＧＣ回路を設けた構成では、ドライブ電圧の振幅が大きすぎるとドライブ電圧がＡＧＣ回路のダイナミックレンジを逸脱してクリップされ、発振停止などの問題が発生する。そのため、ドライブ電圧はＡＧＣ回路のダイナミックレンジを逸脱しない範囲に収まるように設定する必要がある。また、近年は振動ジャイロにセット側から供給する入力電源電圧は低減する要請が強く、ＡＧＣ回路のダイナミックレンジにドライブ電圧を収めるには、ドライブ電圧をさらに低くしなければいけないことがある。

例えば、入力電源電圧をV_cc=2.6［V］に抑制する場合、ＡＧＣ回路のドライブアンプのトランジスタ飽和電圧を考慮するとドライブ電圧の振幅は2.0Vpp以下に収まるように抑制する必要がある。このようにドライブ電圧の振幅を抑制すると、圧電振動子の両端電圧や機械駆動振幅も抑制されてしまい、高感度なジャイロ特性を実現することは難しい。

本発明の目的は、抑制した入力電源電圧であっても高感度なジャイロ特性を実現できる振動ジャイロを提供することにある。

本発明の振動ジャイロは、圧電振動部と加算回路と自動利得制御回路とＢＴＬ回路と検出回路とを備える。圧電振動部は、駆動用電極に入力されるドライブ電圧に基づいて振動が生じ、コリオリ力によって生じる変形により、第１・第２の検出用電極それぞれに変形に応じた電位差で検出電圧が生じる。加算回路は、第１・第２の検出用電極それぞれの検出電圧を加算する。自動利得制御回路は、加算回路の出力電圧が一定振幅となるように、自動利得制御してドライブ電圧を出力する。ＢＴＬ回路は、加算回路の出力電圧から反転させた位相で、検出電圧よりも大きい振幅の電圧を、検出抵抗を介して第１・第２の検出用電極に出力する。検出回路は、第１・第２の検出用電極それぞれの検出電圧から電位差を検出する。ここで、自動利得制御回路は、検出電圧の振幅V_agcが、

となるようにその回路定数が設定されている。

この構成では、検出電圧よりも振幅が大きく位相が反転した電圧（以下、ＢＴＬ電圧と称する。）を検出抵抗の一端に出力し、ドライブ電圧を圧電振動部の一端に出力する。したがって、圧電振動部と検出抵抗との接続点の検出電圧は、圧電振動部の駆動共振抵抗と検出抵抗との抵抗比に応じたドライブ電圧とＢＴＬ電圧との分圧になり、自動利得制御回路（ＡＧＣ回路）により一定振幅に自動利得制御される。

上記式の右辺は、検出電圧に対するＢＴＬ電圧の増幅率であるＢＴＬゲインが１倍である場合に、ドライブ電圧が設計上限値V'_drvとなる検出電圧の振幅を表す。本構成では、ＢＴＬ電圧の振幅を検出電圧よりも大きくするのでＢＴＬゲインは１倍よりも大きく、したがって、上記式は、ＢＴＬゲインが１倍である場合にドライブ電圧が設計上限値となる検出電圧の振幅よりも、実際の検出電圧の振幅が小さくなるように自動利得制御して、低電源電圧化の要請を実現することを表す。

このように実際の検出電圧の振幅を抑制しても、本構成でのＢＴＬ電圧は検出電圧よりも大きな振幅で位相が反転されたものなので、検出抵抗の両端電圧はＢＴＬゲイン１倍の場合よりも増加する。すると、圧電振動部の駆動共振抵抗と検出抵抗との抵抗比は一定なので、圧電振動部の両端電圧もＢＴＬゲイン１倍の場合よりも増加する。そのため、低電源電圧化の要請に従うドライブ電圧に設定しても圧電振動部の両端電圧を高めることができ、圧電振動部の機械振動振幅を増大させられる。

ここで、ドライブ電圧の設計上限値V'_drvは、

であると好適である。この構成では、圧電振動部の温度特性によりドライブ電圧が温度変動しても、自動利得制御回路のドライブアンプ飽和電圧を考慮した電源電圧よりも低い電圧範囲に、温度変動の範囲内でドライブ電圧を収めることができ、発振停止やドライブ波形のクランプを防げる。

ＢＴＬ回路は、検出電圧に対する出力電圧のゲインG_bが、

となるように電圧振幅を増幅すると好適である。これにより、ＡＧＣ回路によって自動利得制御される検出電圧V_agcの振幅がどのようなものであっても、ドライブ電圧V_drvが設計上限値を上回ることはなくなる。また、ＢＴＬゲインが１倍よりも大きいので、圧電振動部の両端電圧を大きくでき、圧電振動部の機械振動振幅を増大させられる。

ゲインG_bは、

を満たすと好適である。これにより、ＡＧＣ回路によって自動利得制御される検出電圧V_agcの振幅値がどのようなものであっても、ドライブ電圧V_drvを設計上限値と略等しくしながら、圧電振動部の両端電圧を最大化でき、圧電振動部の機械振動振幅を最大化できる。

自動利得制御回路は、加算回路の出力電圧を平滑化する時定数回路を備え、加算回路の出力電圧の振幅が、時定数回路に平滑誤差が生じる振幅よりも大きくなるように、自動利得制御回路の回路定数が設定されていると好適である。自動利得制御回路には加算回路の出力電圧を平滑化するコンデンサ等からなる時定数回路が用いられるが、時定数回路での平滑誤差が生じないように検出電圧の振幅は設定したほうがよい。

この発明によれば、低電源電圧化の要請に従うようにドライブ電圧の振幅を抑制したままＢＴＬゲインを増大させることで、従来よりも圧電振動部の機械振動振幅を増大させることができ、振動ジャイロの感度が高まる。

次に、本発明の実施形態に係る振動ジャイロ１を説明する。
図２は、振動ジャイロ１に設ける圧電振動子１１の斜視図である。この圧電振動子１１は、分極処理が施された２枚の圧電体基板を、その分極方向が対向するように貼り合わせた後、音叉型に形成した圧電振動子である。圧電振動子１１の対をなす脚部には、図に示す底面部分に駆動用電極Ｅａと検出用電極Ｅｄ１，Ｅｄ２とを形成している。また貼り合わせた面には、中間金属膜Ｅｄｓが介在する。駆動用電極Ｅａと検出用電極Ｅｄ１，Ｅｄ２との間にドライブ電圧を印加することによって、圧電振動子１１の対をなす脚部は左右開閉方向に基本振動する。

この圧電振動子１１に図に示すＲ方向に角速度が加わると、圧電振動子１１の対をなす脚部はコリオリ力によって、図における上下方向に互いに逆向きに変形することになる。なお、圧電振動子１１の電極Ｅｄ１，Ｅｄ２，Ｅａを形成した面に対向する面には金属膜を形成してもよいし、形成しなくてもよい。

図３は振動ジャイロ１のブロック図である。

振動ジャイロ１は、圧電振動子１１、検出抵抗１１Ａ，１１Ｂ、加算回路２２、位相反転回路２０、ＢＴＬ増幅回路２１、自動利得制御回路（ＡＧＣ回路）２３、移相回路２４、差動増幅回路２５、検波タイミング生成回路２６、位相シフト回路２７、同期検波回路２８、直流増幅フィルタ２９、特性補正回路３０、および基準電圧回路３１を備える。

基準電圧回路３１は回路各部に必要な入力電源電圧を生成し、回路各部に与える。

圧電振動子１１は駆動用電極Ｅａ、検出用電極Ｅｄ１，Ｅｄ２、および中間金属膜Ｅｓを備える。中間金属膜Ｅｓは圧電振動子１１の厚み方向の内部に、回路に接続せずに形成している。コリオリ力に応じた変形により、中間金属膜Ｅｓと検出用電極Ｅｄ１との間、および中間金属膜Ｅｓと検出用電極Ｅｄ２との間、それぞれに逆極性の起電圧が発生する。

加算回路２２は圧電振動子１１の検出用電極Ｅｄ１，Ｅｄ２それぞれに現れる検出電圧を加算平均する。ここでは、圧電振動子に角速度が加わっていなければ各検出電圧と加算平均した電圧とが同一の振幅V_agcとなるようにする。

ＡＧＣ回路２３は、加算平均電圧を所定の振幅と比較して、検出電圧V_agcが一定振幅になるように、ループゲインを制御したドライブ電圧V_drvを出力する。検出電圧V_agcは、ＡＧＣ回路２３の回路定数の設定により、所定の振幅として任意に設定することができる。

移相回路２４は、加算回路２２、ＡＧＣ回路２３、移相回路２４、及び圧電振動子１１からなるループで発振動作するようにドライブ電圧V_drv[Vpp]の位相を制御し、圧電振動子１１へ出力する。したがって、圧電振動子１１、加算回路２２、ＡＧＣ回路２３、及び、移相回路２４が構成する発振ループでは、圧電振動子１１の固有共振周波数を発振周波数とした自励発振が生じる。

位相反転回路２０は、加算回路２２の出力電圧V_agcの位相を１８０ｄｅｇ反転させる。ＢＴＬ増幅回路２１は、位相反転回路２０の出力電圧をＢＴＬゲインG_b倍で増幅し、ＢＴＬ電圧V_btl[Vpp]として検出抵抗１１Ａ，１１Ｂそれぞれの一端に出力する。これらの位相反転回路２０とＢＴＬ増幅回路２１とが、本発明のＢＴＬ回路を構成する。ＢＴＬ電圧V_btlは、検出電圧V_agcをゲインG_b倍で反転増幅したものであり、次式で表される。

このＢＴＬ電圧V_btlは、ＢＴＬゲインG_b倍の設定により、所定の振幅として任意に設定することができる。

圧電振動子１１の駆動用電極Ｅａにドライブ電圧V_drvが印加されることで、圧電振動子１１は、前述のとおり開閉振動する。そして、圧電振動子１１の検知軸の軸回りに角速度が生じると、圧電振動子１１はコリオリ力により変形し、検出用電極Ｅｄ１，Ｅｄ２それぞれの検出電圧V_agcは互いに逆方向に変化し、２つの検出用電極Ｅｄ１，Ｅｄ２間に電位差が生じる。

差動増幅回路２５は、検出用電極Ｅｄ１，Ｅｄ２間の電位差を差動増幅して、起電圧信号を得る。同期検波回路２８は差動増幅された起電圧信号を前記発振周波数の発振周期に同期して同期検波する。検波タイミング生成回路２６はＡＧＣ回路２３の入力側または出力側から取り出した発振信号を入力し、同期検波のための基準位相信号を生成する。位相シフト回路２７はこの基準位相信号を同期検波に必要な位相分だけシフトさせて、これを最終的な同期検波の基準位相信号として同期検波回路２８に対して与える。直流増幅フィルタ２９は同期検波回路２８からの出力電圧を直流増幅して電圧信号を出力する。この電圧は圧電振動子１１の検知軸回りの角速度に比例した電圧信号となる。特性補正回路３０は、直流増幅フィルタ２９のゲイン及びオフセットを補正することによって、角速度に対する出力電圧のゲイン、オフセット、温度特性等の特性（特性カーブ）を補正する。差動増幅回路２５、同期検波回路２８、検波タイミング生成回路２６、位相シフト回路２７、直流増幅フィルタ２９、および特性補正回路３０は、本発明の検出回路を構成する。

ここで、検出電圧V_agcとドライブ電圧V_drvとＢＴＬ電圧V_btlとの関係について説明すると、検出電圧V_agcは、圧電振動子１１の駆動共振抵抗Z［Ω］と検出抵抗１１Ａ，１１Ｂの検出抵抗（２本並列分）R_k［Ω］との抵抗比に応じた、ドライブ電圧V_drvとＢＴＬ電圧V_btlとの分圧である。図４（Ａ）に、圧電振動子１１と検出抵抗１１Ａ，１１Ｂとによる分圧回路の回路図を示す。

検出抵抗の両端電圧V_r[Vpp]は、ＢＴＬ電圧V_btlと検出電圧V_agcとの差電圧であり、次式で表される。

したがって、ＢＴＬゲインG_bが大きくＢＴＬ電圧V_btlの振幅が大きいほど、検出抵抗１１Ａ，１１Ｂの両端電圧V_rは検出電圧V_agcに比較して大きな電圧振幅となる。

検出抵抗１１Ａ，１１Ｂの両端にはＡＧＣ電圧の(1＋G_b)倍の振幅の電圧がかかるので、この分圧回路は、ＢＴＬ回路を設けることにより低下した等価検出抵抗値で検出電圧V_agcの位相反転電圧を分圧する等価分圧回路とみなすことができる。図４（Ｂ）に、この等価分圧回路の回路図を示す。ここで等価抵抗値R'_kは次式で表される。

ところで、ドライブ電圧V_drvは、圧電振動子１１の駆動共振抵抗Zと等価検出抵抗値R'_kとに基づいて次式で表される。

圧電振動子１１の両端電圧V_s[Vpp]は、ドライブ電圧V_drvと検出電圧V_agcとの差電圧であり、次式で表される。

したがって、検出電圧V_agc一定の条件のもとでは、ゲインG_bが大きいほど等価検出抵抗R'_kは小さくなり、ドライブ電圧V_drvおよび圧電振動子１１の両端電圧V_sは、検出電圧V_agcに比較して大きい電圧振幅となる。

このように、ドライブ電圧V_drvは、ＢＴＬ電圧V_btlと検出電圧V_agcとの組み合わせにより定まり、圧電振動子１１の両端電圧V_sや検出抵抗１１Ａ，１１Ｂの等価検出抵抗値R'_kは、ドライブ電圧V_drvとＢＴＬ電圧V_btlと検出電圧V_agcとの組み合わせにより定まる。

次に、本発明の効果を、分圧回路の抵抗比を所定のものとした構成例を基に説明する。ここでは、ＢＴＬ電圧を増幅しないＢＴＬゲインG_b=1.0［倍］の場合と、ＢＴＬゲインG_b=2.5［倍］としてＢＴＬ電圧を増幅する場合とを比較する。

ただし、いずれの場合も、圧電振動子１１と検出抵抗１１Ａ，１１Ｂは同一のものであり、ＢＴＬゲインG_b=2.5［倍］の場合とＢＴＬゲインG_b=1［倍］の場合とで略同じドライブ電圧V_drvが実現できるように、検出電圧振幅V_agcおよびＢＴＬゲインG_bを異ならせている。

図５（Ａ）はＢＴＬゲインG_b=1［倍］の場合での検出電圧V_agcとドライブ電圧V_drvとＢＴＬ電圧V_btlとの関係を例示する図である。図５（Ｂ）はＢＴＬゲインG_b=2.5［倍］の場合での検出電圧V_agcとドライブ電圧V_drvとＢＴＬ電圧V_btlとの関係を例示する図である。図５（Ｃ）は、ＢＴＬゲインG_b=1［倍］の場合とＢＴＬゲインG_b=2.5［倍］の場合との圧電振動子両端電圧V_sの関係を例示する図である。

ＢＴＬゲインG_b=1.0［倍］の例では、検出電圧V_agc=0.7Vppとしている。この場合、ＢＴＬ電圧V_btl=0.7Vpp、圧電振動子１１の両端電圧V_s=0.87Vppであった。

一方、ＢＴＬゲインG_b=2.5［倍］の例では、ＢＴＬゲインG_b=1.0［倍］の場合と同等のドライブ電圧V_drvとするために、検出電圧V_agc=0.5Vppとしている。この場合、ＢＴＬ電圧V_btl=1.25Vpp、圧電振動子１１の両端電圧V_s=1.02Vppとなり、圧電振動子１１の両端電圧V_sが比較例の約1.2倍に上昇した。

このように、ＢＴＬゲインを１倍よりも大きくすることにより、ドライブ電圧V_drvを変えずに検出電圧V_agcを低下させても、圧電振動子１１の両端電圧V_sを上昇させることが可能になる。したがって、ドライブ電圧V_drvを低電源電圧化の要請に従うように抑制したまま、圧電振動子１１の機械振動振幅を大きくして振動ジャイロの高感度化を図ることが可能になる。

次に、ドライブ電圧V_drvの具体的な制約について説明する。

振動ジャイロ１の電源電圧は限られていて、その上、ＡＧＣ回路２３ではドライブアンプでのトランジスタ飽和電圧V_satによって入力電源電圧V_ccからの電圧ドロップが生じる。例えばＡＧＣ回路２３を含む発振回路の入力電源電圧V_cc=2.6Vで、トランジスタ飽和電圧の上下の合計V_sat =0.6Vであれば、ドライブ電圧V_drvの振幅がV_cc−V_sat＝2.0Vppよりも大きくなると、ドライブ電圧がクリップして歪み、発振停止などの問題が発生してジャイロとして動作しなくなる。したがって、ドライブ電圧V_drvは、ＡＧＣ回路２３を含む発振回路のダイナミックレンジの範囲となるように抑制する必要がある。

その上、圧電振動子の駆動共振抵抗Zには温度特性があり、ドライブ電圧V_drvはその影響を受け変化する。図６（Ａ）は、圧電振動子のドライブ電圧V_drvの振幅温度特性を例示する図であり、図６（Ｂ）は、ドライブ電圧V_drvの振幅変動割合（25℃基準)を例示する図である。例示する圧電振動子では、ドライブ電圧V_drvは+75℃では+25℃に比べて振幅が約30%増加する。したがって、この圧電振動子の使用温度の上限が75℃であれば、常温25℃でのドライブ電圧V_drvは、2.0Vppよりも30％程度抑えた1.4Vpp程度のものにすれば、上限温度75℃になっても、ドライブ電圧V_drvは2.0Vppを下回り、ＡＧＣ回路２３のダイナミックレンジを逸脱することがなくなる。

このように室温でのドライブ電圧V_drvを抑制することにより、高温時にもドライブ電圧V_drvがＡＧＣ回路２３のダイナミックレンジを逸脱することがなくなる。そのため、室温でのドライブ電圧V_drvは以下の式を満足させる必要がある。ここで、ドライブ電圧の設計上限値V'_drv［Vpp］、使用温度範囲における最大ドライブ電圧に対する室温ドライブ電圧の割合である振幅変動割合A_drv［倍］である。

以上のようにドライブ電圧V_drvには制約があるので、上式を満足するドライブ電圧V_drvを実現するように、ＡＧＣ回路２３の回路定数やＢＴＬゲインG_bは設定する必要がある。

ここで、検出電圧V_agcとドライブ電圧V_drvとの関係は次式で表される。

前述のようにドライブ電圧V_drvは設計上限値V'_drvよりも小さくする必要があるので、ＡＧＣ電圧V_agcは次式を満足するように設定する必要がある。

この場合、ＢＴＬゲインG_bは１倍よりも大きいため、ＡＧＣ電圧V_agcは次式を満足するものとなる。

検出電圧V_agcが上式を満足するように、ＡＧＣ回路２３の回路定数を設定して自動利得制御を行うことにより、適切なＢＴＬゲインG_bにすることで、ドライブ電圧V_drvがＡＧＣ回路２３を含む発振回路のダイナミックレンジを逸脱することをなくしながら、圧電振動子１１の両端電圧V_sをＢＴＬゲインG_b =1［倍］の場合よりも増大させることが可能になる。例えば、ＢＴＬゲインG_b=１［倍］の時に検出電圧V_agc=0.7Vppでドライブ電圧V_drv =1.4Vppとなるような分圧回路の構成例であれば、検出電圧V_agcが0.7Vppよりも小さくなるようにＡＧＣ回路２３の回路定数を設定することによって、ドライブ電圧V_drvに1.4Vppを下回らせながら、圧電振動子１１の両端電圧V_sをＢＴＬゲインG_b =1［倍］の場合よりも増大させることが可能になる。

なお、ＡＧＣ回路２３は、回路内に検出電圧V_agcを平滑化するコンデンサを含む時定数回路を備え、その時定数回路で平滑誤差が生じないように検出電圧V_agcは設定したほうがよい。検出電圧V_agcが小さすぎると振幅レベルとして検知しにくいので、検出電圧はV_agc>0.3Vppとすることが望ましい。

次に、検出電圧V_agcとドライブ電圧V_drvとが規定された場合に、圧電振動子１１の両端電圧V_sを最大化するゲインG_bの値について説明する。

図７（Ａ）は、上述の分圧回路の構成例でドライブ電圧V_drvの設定値ごとに、ＢＴＬ電圧V_btlと検出電圧V_agcとの振幅の組み合わせをプロットした図である。図中の各実線は、それぞれドライブ電圧V_drv1.2Vpp，1.4Vpp，1.7Vppを実現するＢＴＬ電圧V_btlと検出電圧V_agcとの振幅の組み合わせを示している。

ここで、ドライブ電圧V_drvの設定値が1.4Vppとなるような、ＢＴＬ電圧V_btlと検出電圧V_agcとの振幅の組み合わせについて、以下に検討する。

図７（Ｂ）は、ドライブ電圧V_drvの設定値が1.4Vppである場合での、ＢＴＬ電圧V_btlと検出電圧V_agcとの設定値の組み合わせ、および、ＢＴＬ電圧V_btlと圧電振動子１１の両端電圧V_sとの組み合わせをプロットした図である。

圧電振動子１１の両端電圧V_sは、ドライブ電圧V_drvと検出電圧V_agcの差として求められるため、ドライブ電圧V_drvが1.4Vppであれば、検出電圧V_agcが小さい方がドライブ電圧V_drvとの差が大きくとれ、圧電振動子１１の両端電圧V_sを稼ぐことができる。したがって、ＢＴＬ電圧V_btlの増加すなわち検出電圧V_agcの縮小に伴って、圧電振動子１１の両端電圧V_sは上昇する。これにより、ＢＴＬ電圧V_btlが最大で、かつ、検出電圧V_agcが最小となる組み合わせで圧電振動子１１の両端電圧振幅V_sは最大となる。

図７（Ｃ）は、ドライブ電圧V_drv=1.4Vppとした場合での、ＢＴＬ電圧V_btlと振動ジャイロ１の角速度感度との関係をプロットした図である。

振動ジャイロ１の角速度感度は、圧電振動子１１の機械振動振幅が大きければ高まる。また、圧電振動子１１の機械振動振幅は、圧電振動子１１の両端電圧V_sが高まれば大きくなる。上述のように、所定のドライブ電圧V_drvを実現する組み合わせのうち、ＢＴＬ電圧V_btlが最大で、かつ、検出電圧V_agcが最小となる組み合わせで、圧電振動子１１の両端電圧V_sは最大となるため、振動ジャイロ１の角速度感度もこの組み合わせで最大となる。

ここで、前述のように検出電圧V_agcは次式を満足する。

この式を変形すると、次式が導出される。

ＢＴＬゲインG_bが最も大きい場合に、ＢＴＬ電圧V_btlが最大となる。すなわちＢＴＬゲインG_bが次式を満足するとき、ＢＴＬ電圧V_btlが最大となり、検出電圧V_agc最小、圧電振動子１１の両端電圧V_s最大、および、振動ジャイロ１の角速度感度最大となる。

上式のようにＢＴＬゲインG_bを設定することにより、任意の検出電圧V_agcに対して、ドライブ電圧V_drvが設計上限値V'_drv以下に収まるようにしながら、圧電振動子１１の両端電圧V_sや機械振動振幅を最大化し、振動ジャイロ１の感度を最大化できる。

例えばZ=35[kΩ]，R_k=65[kΩ]，A_drv=0.7[倍]，V_sat=0.6[V]，V_cc=2.6[V]の場合に、V_agc=0.5[Vpp]と設定するのであればGb = 2.34[倍]のとき、ドライブ電圧V_drvを設計上限値V'_drv=1.4[Vpp]以下に収めながら、圧電振動子１１の両端電圧V_sや機械振動振幅を最大化し、振動ジャイロ１の感度を最大化できる。

従来の振動ジャイロの構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る振動ジャイロの圧電振動子の構成例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る振動ジャイロの構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る振動ジャイロの圧電振動子周辺の等価回路図である。 ＢＴＬゲインG_b=1.0［倍］の場合と、ＢＴＬゲインG_b=2.5［倍］の場合とを比較する図である。 圧電振動子の温度特性による影響を説明する図である。 所定のドライブ電圧を実現する検出電圧とＢＴＬ電圧との組み合わせを説明する図である。

符号の説明

１…振動ジャイロ
１１…圧電振動子
１１Ａ，１１Ｂ…検出抵抗
２０…位相反転回路
２１…ＢＴＬ増幅回路
２２…加算回路
２３…ＡＧＣ回路
２４…移相回路
２５…差動増幅回路
２６…検波タイミング生成回路
２７…位相シフト回路
２８…同期検波回路
２９…直流増幅フィルタ
３０…特性補正回路
３１…基準電圧回路

Claims (5)

1. 駆動用電極に入力されるドライブ電圧に基づいて振動が生じ、コリオリ力によって生じる変形により、第１・第２の検出用電極それぞれに前記変形に応じた電位差で検出電圧が生じる圧電振動部と、
   前記第１・第２の検出用電極それぞれの前記検出電圧を加算する加算回路と、
   前記加算回路の出力電圧が一定振幅となるように、自動利得制御して前記ドライブ電圧を出力する自動利得制御回路と、
   前記加算回路の出力電圧から反転させた位相で、前記検出電圧よりも大きい振幅の電圧を、検出抵抗を介して前記第１・第２の検出用電極に出力するＢＴＬ回路と、
   前記第１・第２の検出用電極の前記検出電圧から前記電位差を検出する検出回路と、を備え、
   前記自動利得制御回路は、前記検出電圧の振幅V_agcが、
   

   

   となるようにその回路定数が設定されている、振動ジャイロ。
   ただし、前記検出電圧の振幅V_agc［Vpp］、前記ドライブ電圧の設計上限値V'_drv［Vpp］、前記検出抵抗（２本並列分）R_k［Ω］、前記圧電振動部の駆動共振抵抗Z［Ω］である。
2. 前記ドライブ電圧の設計上限値V'_drvは、
   

   

   である、請求項１に記載の振動ジャイロ。
   ただし、使用温度範囲における前記ドライブ電圧の最大値に対する室温における前記ドライブ電圧の電圧値の割合である振幅変動割合A_drv［倍］、前記自動利得制御回路の入力電源電圧V_cc［V］、前記自動利得制御回路のドライブアンプ飽和電圧（上下）V_sat［V］である。
3. 前記ＢＴＬ回路は、前記検出電圧に対する出力電圧のゲインG_b［倍］が
   

   

   である、請求項１または２に記載の振動ジャイロ。
4. 前記ゲインG_bは、
   

   

   を満たす、請求項３に記載の振動ジャイロ。
5. 前記自動利得制御回路は、前記加算回路の出力電圧を平滑化する時定数回路を備え、前記加算回路の出力電圧の振幅が、前記時定数回路に平滑誤差が生じる振幅よりも大きくなるように、前記自動利得制御回路の回路定数が設定されている、請求項１〜４のいずれかに記載の振動ジャイロ。

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