JPH05296771A

JPH05296771A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH05296771A
Application number: JP4125536A
Authority: JP
Inventors: Tomohito Takahata; 畠智史高
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1992-04-17
Filing date: 1992-04-17
Publication date: 1993-11-09

Abstract

(57)【要約】【目的】温度が変化しても回転角速度をほとんど誤差
なく検出することができる、振動ジャイロを提供する。【構成】振動ジャイロ１０は振動子１１を含み、振動
子１１は回転角速度に応じた信号が出力される圧電素子
１４ａおよび１４ｂを有する。圧電素子１４ａおよび１
４ｂは、差動増幅回路４０の２つの入力端に接続され
る。差動増幅回路４０の出力端は、同期検波回路４２お
よび整流増幅回路４４を介して、アナログ加算器４６の
一方の入力端に接続される。また、振動子１１の近傍に
は、振動子１１の周辺の温度を検出するための温度セン
サ５０が設けられる。この温度センサ５０は、Ａ／Ｄ変
換器５２の入力端に接続される。Ａ／Ｄ変換器５２の別
の入力端には、アナログ加算器４６の出力端が接続され
る。Ａ／Ｄ変換器５２の出力端はＣＰＵ５４の入力側に
接続され、ＣＰＵ５４にはＥＥＰＲＯＭ５６が接続され
る。ＣＰＵ５４の出力側は、Ｄ／Ａ変換器５８を介し
て、アナログ加算器４６の他方に入力端に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は振動ジャイロに関し、
特に回転角速度を検出することができる、振動ジャイロ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動ジャイロとしては、たとえ
ば、３角柱状の振動体の３つの側面に圧電素子がそれぞ
れ形成された振動子を用いたものがあった。この振動ジ
ャイロでは、たとえば、２つの圧電素子が駆動用かつ検
出用として用いられ、他の１つの圧電素子が帰還用とし
て用いられる。

【０００３】そして、この従来の振動ジャイロでは、帰
還用の１つの圧電素子から駆動用かつ検出用の２つの圧
電素子に駆動信号を与えれば、振動体が振動する。この
ように振動体が振動した状態で振動子が回転すれば、駆
動用かつ検出用の２つの圧電素子間に出力差が生じ、そ
の出力差に応じた出力信号によって回転角速度が検出さ
れる。この場合、振動子の無回転時における出力信号
（以下、単に「無回転時出力信号」という。）を基準値
として、振動子の回転時における出力信号（以下、単に
「回転時出力信号」という。）から回転角速度が検出さ
れる。なお、無回転時出力信号を基準値にした回転時出
力信号を時間で積分すれば、回転角度も検出される。

【０００４】従来、このような基準値としては、振動ジ
ャイロを搭載する移動体が移動する前に無回転時出力信
号を検出し、その無回転時出力信号を用いる方法と、振
動ジャイロを搭載した移動体が静止状態であるか否かを
別のセンサで逐次検出し、静止状態であることを検出し
た時の無回転時出力信号で逐次更新していく方法とがあ
った。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、基準値とな
る無回転時出力信号が温度変化によって変動するため、
振動ジャイロを搭載した移動体が移動している間に温度
変化が生じた場合、上記のいずれの方法でも、その温度
変化に伴う基準値の変動に対応することができず、その
温度変化によって回転角速度や回転角度に誤差を生じる
可能性がある。特に、回転角度は、出力信号を時間で積
分して検出するため、誤差が大きくなる。さらに、上記
の後者の方法では、移動体の静止状態を検出するための
別のセンサが必要であるので、高価なものとなる。

【０００６】それゆえに、この発明の主たる目的は、温
度が変化しても回転角速度をほとんど誤差なく検出する
ことができる、振動ジャイロを提供するである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、回転角速度
に応じた信号が出力される圧電素子を有する振動子を含
む振動ジャイロであって、振動子の周辺の温度を検出す
るための温度検出手段と、振動子の無回転時における圧
電素子の出力信号を検出するための出力信号検出手段
と、出力信号検出手段で検出した圧電素子の出力信号か
ら圧電素子の出力信号を補正するための補正信号を演算
するための演算手段と、温度検出手段で検出した温度に
対応して補正信号に関与する補正データを記憶するため
の記憶手段と、圧電素子の出力信号に補正信号を合成す
るための合成手段とを含み、温度検出手段で検出した温
度に対応する補正信号が圧電素子の出力信号に合成され
る、振動ジャイロである。

【０００８】

【作用】圧電素子からは回転角速度に応じた信号が出力
される。温度検出手段によって、振動子の周辺の温度が
検出される。出力信号検出手段によって、振動子の無回
転時における圧電素子の出力信号が検出される。演算手
段によって、出力信号検出手段で検出した圧電素子の出
力信号から圧電素子の出力信号を補正するための補正信
号が演算される。記憶手段によって、温度検出手段で検
出した温度に対応して補正信号に関与する補正データが
記憶される。合成手段によって、圧電素子の出力信号に
補正信号が合成される。この場合、温度検出手段で検出
した温度に対応する補正信号が圧電素子の出力信号に合
成される。そのため、振動子の周辺の温度が変化し圧電
素子からの出力信号が変動しても、合成手段から出力さ
れる信号がほとんど変動しない。したがって、振動子の
周辺の温度が変化しても、合成手段から出力される信号
から回転角速度がほとんど誤差なく検出される。

【０００９】

【発明の効果】この発明によれば、温度が変化しても回
転角速度をほとんど誤差なく検出することができる、振
動ジャイロが得られる。しかも、この発明にかかる振動
ジャイロでは、移動体の静止状態を検出するための別の
センサが不要となる。さらに、この発明にかかる振動ジ
ャイロでは、振動子の周辺の温度に対応して、圧電素子
の出力信号を補正するための補正信号を演算することが
でき、かつ、その補正信号に関与する補正データを記憶
することができる。

【００１０】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１１】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示すブロック図
である。この振動ジャイロ１０は、振動子１１を含み、
振動子１１は、たとえば正３角柱状の振動体１２を含
む。この振動体１２は、たとえばエリンバ，鉄−ニッケ
ル合金，石英，ガラス，水晶，セラミックなど、一般的
に機械的な振動を生じる材料で形成される。

【００１２】この振動体１２には、その３つの側面の中
央に、圧電素子１４ａ，１４ｂおよび１４ｃがそれぞれ
形成される。圧電素子１４ａは、たとえば磁器からなる
圧電層１６ａを含み、圧電層１６ａの両主面には電極１
８ａおよび２０ａがそれぞれ形成される。なお、これら
の電極１８ａおよび２０ａは、たとえば金，銀，アルミ
ニウム，ニッケル，銅−ニッケル合金（モネルメタル）
などの電極材料で、たとえばスパッタリング，蒸着等の
薄膜技術であるいはその材料によっては印刷技術で形成
される。同様に、他の圧電素子１４ｂおよび１４ｃも、
それぞれ、たとえば磁器からなる圧電層１６ｂおよび１
６ｃを含み、それらの圧電層１６ｂと１６ｃとの両主面
にも、電極１８ｂおよび２０ｂと１８ｃおよび２０ｃと
が、それぞれ形成されている。そして、これらの圧電素
子１４ａ〜１４ｃの一方の電極１８ａ〜１８ｃは、たと
えば導電接着剤で振動体１２に接着される。

【００１３】さらに、振動体１２の２つのノード点の近
傍部分は、たとえば金属線からなる支持部材（図示せ
ず）で、それぞれ支持される。これらの支持部材は、た
とえば溶接することによって、あるいは導電性ペースト
で接着することによって、振動体１２の２つのノード点
の近傍部分にそれぞれ固着される。これらの支持部材
は、振動体１２のアース端子として用いられる。

【００１４】この振動子１１では、たとえば、２つの圧
電素子１４ａおよび１４ｂが駆動用かつ検出用として用
いられ、他の圧電素子１４ｃが帰還用として用いられ
る。そして、帰還用の圧電素子１４ｃから駆動用かつ検
出用の圧電素子１４ａおよび１４ｂに駆動信号を帰還す
れば、振動体１２が振動し、それらの圧電素子１４ａお
よび１４ｂから同様の正弦波が出力される。また、その
状態で振動子１１がその軸を中心として回転すれば、駆
動用かつ検出用の一方の圧電素子の出力は回転角速度に
従って大きくなり、逆に駆動用かつ検出用の他方の圧電
素子の出力は回転角速度に従って小さくなる。

【００１５】この振動子１１の帰還用の圧電素子１４ｃ
の電極２０ｃと、駆動用の圧電素子１４ａおよび１４ｂ
の電極２０ａおよび２０ｂとの間には、振動子１１を自
励振駆動するための帰還ループとして、発振回路３０お
よび位相回路３２が接続される。

【００１６】さらに、圧電素子１４ａおよび圧電素子１
４ｂは、差動増幅回路４０の２つの入力端に、それぞれ
接続される。差動増幅回路４０は、たとえばオペアンプ
を含み、このオペアンプの非反転入力端および反転入力
端に、圧電素子１４ａおよび１４ｂの電極２０ａおよび
２０ｂが、それぞれ接続される。この差動増幅回路４０
は、圧電素子１４ａおよび１４ｂの出力差を検出するた
めのものである。

【００１７】差動増幅回路４０の出力端は、同期検波回
路４２の一方の入力端に接続される。同期検波回路４２
の他方の入力端には、位相回路３２が接続される。この
同期検波回路４２は、差動増幅回路４０の出力を振動子
１１の駆動信号に同期して検波するためのものである。

【００１８】さらに、同期検波回路４２の出力端は、整
流増幅回路４４の入力端に接続される。この整流増幅回
路４４は、同期検波回路４２の出力を整流して増幅する
ためのものである。

【００１９】整流増幅回路４４の出力端は、合成手段と
してのアナログ加算器４６の一方の入力端に接続され
る。このアナログ加算器４６は、圧電素子１４ａおよび
１４ｂ間の出力信号すなわち整流増幅回路４４の出力信
号に、その出力信号を補正すべき補正信号を加算するた
めのものである。

【００２０】また、振動子１１の近傍には、たとえば正
特性サーミスタや白金温度センサなどからなる温度セン
サ５０が設けられる。この温度センサ５０は、振動子１
１の周辺の温度を検出するためのものである。

【００２１】温度センサ５０は、たとえばＡ／Ｄ変換器
５２の入力端に接続される。さらに、Ａ／Ｄ変換器５２
の別の入力端には、アナログ加算器４６の出力端が接続
される。このＡ／Ｄ変換器５２は、温度センサ５０から
のアナログ信号およびアナログ加算器４６から出力され
る信号をそれぞれのデジタル信号に変換するためのもの
である。

【００２２】Ａ／Ｄ変換器５２の出力端はＣＰＵ５４の
入力側に接続され、ＣＰＵ５４にはＥＥＰＲＯＭ５６と
ＥＰＲＯＭ５７とが接続される。このＣＰＵ５４は、Ａ
／Ｄ変換器５２からのデジタル信号によって補正信号を
演算したり、補正信号に関与する補正データを出力した
りするためのものである。また、ＥＥＰＲＯＭ５６に
は、補正信号に関与する補正データなどが記憶される。
さらに、ＥＰＲＯＭ５７には、動作プログラムなどが書
き込まれる。

【００２３】ＣＰＵ５４の出力側には、Ｄ／Ａ変換器５
８の入力端が接続される。このＤ／Ａ変換器５８は、Ｃ
ＰＵ５４からの補正データによって、補正信号を出力す
るためのものである。この補正信号は、振動子１１の圧
電素子１４ａおよび１４ｂ間の出力信号すなわち整流増
幅回路４４の出力信号を補正するための信号である。Ｄ
／Ａ変換器５８の出力端は、アナログ加算器４６の他方
の入力端に接続される。

【００２４】次に、図２に示すフロー図などを参照し
て、この振動ジャイロ１０の操作ないし動作について説
明する。

【００２５】最初のステップＳ１では、ＣＰＵ５４によ
って、学習モードかそうでない通常モードかが判断され
る。学習モードとは、この振動ジャイロ１０の圧電素子
１４ａおよび１４ｂ間の出力信号すなわち整流増幅回路
４４の出力信号を補正するための補正信号を演算したり
その補正信号に関与する補正データを記憶したりするモ
ードである。また、通常モードとは、この振動ジャイロ
１０によって、回転角速度を検出し、学習モードで得ら
れた補正データに基づいて補正を加えた出力を行うモー
ドである。これらの学習モードおよび通常モードは、Ｃ
ＰＵ５４に接続されたスイッチ（図示せず）などによっ
て、選択される。なお、学習モードを選択する場合に
は、特に振動子１１を無回転状態にしておく。そして、
学習モードと判断されれば、ステップＳ３に進む。

【００２６】ステップＳ３では、温度センサ５０によっ
て、振動子１１の周辺の温度が検出される。この場合、
Ａ／Ｄ変換器５２では、温度センサ５０で検出した温度
がたとえば−２０℃〜６０℃の範囲において、たとえば
５℃ごとに、アナログ信号を読み取り、温度センサ５０
からのアナログ信号が異なったデジタル信号に変換され
る。なお、この実施例において、アナログ信号に相当す
る温度とデジタル信号との具体的な関係を表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】したがって、Ａ／Ｄ変換器５２によって、
温度センサ５０によって検出された温度がたとえば−１
７．５℃であれば、温度センサ５０からのアナログ信号
がたとえば「００００」のデジタル信号に変換され、そ
のデジタル信号がＣＰＵ５４に与えられる。

【００２９】次のステップＳ５では、振動子１１の無回
転時におけるアナログ加算器４６から出力される信号が
検出される。この場合、アナログ加算器４６から出力さ
れる信号は、Ａ／Ｄ変換器５２によって、所定のデジタ
ル信号に変換され、そのデジタル信号が、ＣＰＵ５４に
与えられる。

【００３０】その次のステップＳ７では、アナログ加算
器４６から出力される信号が、ほぼ０ｍＶたとえば−
０．１ｍＶ〜０．１ｍＶの範囲にあるかどうかが判断さ
れる。この場合、アナログ加算器４６から出力される信
号は、初期的には、Ｄ／Ａ変換器５８から０．０ｍＶの
補正信号が出力されるので、圧電素子１４ａおよび１４
ｂ間の出力信号すなわち整流増幅回路４４からの出力信
号となる。そして、その信号が−０．１ｍＶ〜０．１ｍ
Ｖの範囲にないと判断されれば、ステップＳ９に進む。

【００３１】ステップ９では、振動子１１の無回転時に
おけるアナログ加算器４６から出力される信号を０ｍＶ
に近づける補正信号が演算される。この場合、アナログ
加算器４６から出力される信号が−０．１ｍＶより小さ
ければ、初期的には０．０ｍＶである補正信号に０．１
ｍＶの電圧が加算される。逆に、アナログ加算器４６か
ら出力される信号が０．１ｍＶより大きければ、初期的
には０．０ｍＶである補正信号から０．１ｍＶの電圧が
減算される。そして、ステップ１１に進む。

【００３２】ステップＳ１１では、演算された補正信号
が、Ｄ／Ａ変換器５８からアナログ加算器４６に出力さ
れ、整流増幅回路４４の出力信号に加算される。そし
て、ステップＳ５に戻る。

【００３３】したがって、ステップＳ５〜１１は、アナ
ログ加算器４６から出力される信号が−０．１ｍＶ〜
０．１ｍＶの範囲になるまで繰り返される。アナログ加
算器４６から出力される信号が初期的にはたとえば−
０．６５ｍＶであれば、補正信号が０．６ｍＶに演算さ
れるまで、ステップＳ５〜１１が繰り返される。

【００３４】一方、ステップＳ７において、アナログ加
算器４６から出力される信号が−０．１ｍＶ〜０．１ｍ
Ｖの範囲にあると判断されれば、ステップＳ１３に進
む。

【００３５】ステップＳ１３では、最終的に演算された
補正信号に関与する補正データが、温度センサ５０で検
出した温度すなわちＡ／Ｄ変換器５２からＣＰＵ５４に
出力されているデジタル信号に対応して、ＥＥＰＲＯＭ
５６に書き込まれる。

【００３６】以上のステップＳ３〜１３は、振動子１１
の周辺の温度がたとえば−１７．５℃〜５７．５℃の温
度範囲において、たとえば５℃ごとに行われる。なお、
この実施例において、ＥＥＰＲＯＭ５６に書き込まれる
デジタル信号と補正データとの具体的な関係を表２に示
す。

【００３７】

【表２】

【００３８】ここで、ＥＥＰＲＯＭ５６に書き込まれる
デジタル信号と補正データとの関係について詳しく説明
する。

【００３９】振動子１１の無回転時において、振動子１
１の周辺の温度によっては圧電素子１４ａおよび１４ｂ
間に出力差が生じる場合があり、整流増幅回路４４の出
力信号は、たとえば、図３の点線で示すように、常に０
ｍＶとはならず、振動子１１の周辺の温度にほぼ比例し
て変動する。振動子１１の無回転時において、整流増幅
回路４４の出力信号を常に０ｍＶにするためには、その
出力信号に逆向きの補正信号を加算すればよい。たとえ
ば、−１７．５℃においては、整流増幅回路４４の出力
信号が−０．６ｍＶであるので、その出力信号に０．６
ｍＶの補正信号を加算すれば０ｍＶとなる。一方、−１
７．５℃付近の温度すなわち−２０℃以上で−１５℃未
満の温度範囲においては、Ａ／Ｄ変換器５２からは同じ
デジタル信号「００００」がＣＰＵ５４に出力されてい
る。また、−２０℃以上で−１５℃未満の温度範囲のよ
うに狭い温度範囲においては、整流増幅回路４４の出力
信号があまり変動しない。そのため、−２０℃以上で−
１５℃未満の温度範囲においては、整流増幅回路４４の
出力信号に０．６ｍＶの補正信号を加算すれば、ほぼ０
ｍＶとなる。また、他の温度範囲においては、０．５ｍ
Ｖ〜−０．９ｍＶの補正信号を加算すれば、ほぼ０ｍＶ
となる。そのため、この実施例では、整流増幅回路４４
の出力信号には、図３の１点鎖線で示すように、０．１
ｍＶを１単位として所定数の単位の補正信号が加算され
る。たとえば、−１７．５℃付近の温度においては、整
流増幅回路４４の出力信号に６単位の補正信号が加算さ
れる。

【００４０】そして、整流増幅回路４４の出力信号に加
算する補正信号の単位数を４桁の２進数で表したデジタ
ル信号を、補正データとした。たとえば、−１７．５℃
付近においては、加算する補正信号の単位数が６である
ので、補正データは「０１１０」となる。この場合、Ｃ
ＰＵ５４に入力されているデジタル信号は、「０００
０」である。そのため、ＥＥＰＲＯＭ５６には、デジタ
ル信号「００００」と補正データ「０１１０」とが対応
して記録される。

【００４１】同様に、他の温度範囲においても、ＥＥＰ
ＲＯＭ５６には、ＣＰＵ５４に入力されているデジタル
信号と補正データとが対応して記録される。

【００４２】したがって、ＥＥＰＲＯＭ５６に記録され
るデジタル信号と補正データとは、表２に示す関係とな
る。

【００４３】一方、ステップＳ１において、通常モード
と判断されれば、この振動ジャイロ１０は、次のように
動作する。

【００４４】振動ジャイロ１０は、振動子１１の帰還用
の圧電素子１４ｃの出力が帰還ループとしての発振回路
３０および位相回路３２よって駆動用かつ検出用の圧電
素子１４ａおよび１４ｂに帰還されるため、自励振駆動
する。これは、先の学習モードにおいても同様である。

【００４５】振動子１１の無回転時においては、整流増
幅回路４４からの信号は、図３の点線で示すように、振
動子１１の周辺の温度にほぼ比例して変動する。

【００４６】一方、温度センサ５０によって、振動子１
１の周辺の温度が検出され、その温度に応じたアナログ
信号が出力される。そのアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器
５２によって、所定のデジタル信号に変換される。その
デジタル信号はＣＰＵ５４に与えられる。

【００４７】ＣＰＵ５４では、そのデジタル信号に対応
する補正データをＥＥＰＲＯＭ５６から呼び出し、その
補正データをＤ／Ａ変換器５８に出力する。

【００４８】Ｄ／Ａ変換器５８では、ＣＰＵ５４からの
補正データを、整流増幅回路４４の出力信号を補正する
ための補正信号に変換する。なお、この実施例におい
て、Ａ／Ｄ変換器５８に入力される補正データとＡ／Ｄ
変換器５８から出力される補正信号との具体的な関係を
表３に示す。

【００４９】

【表３】

【００５０】すなわち、Ｄ／Ａ変換器５８から出力され
る補正信号は、図３の１点鎖線で示すように、０．１ｍ
Ｖを１単位として所定数の単位の信号となる。

【００５１】そして、Ｄ／Ａ変換器５８からの補正信号
は、アナログ加算器４６によって、整流増幅回路４４の
出力信号に加算される。したがって、振動子１１の無回
転時においては、振動子１１の周辺の温度が変化して
も、アナログ加算器４６から出力される信号は、図３の
実線で示すように、ほぼ０ｍＶとなる。

【００５２】また、この振動ジャイロ１０では、振動子
１１がその軸を中心に一方向に回転した場合、たとえ
ば、駆動用かつ検出用の一方の圧電素子１４ａの出力が
その回転角速度に従って大きくなり、他方の圧電素子１
４ｂの出力がその回転角速度に従って小さくなる。その
ため、振動子１１の回転角速度が大きくなればなるほ
ど、圧電素子１４ａおよび１４ｂの出力差すなわち差動
増幅回路４４からの信号が大きくなり、アナログ加算器
４６から出力される信号も大きくなる。

【００５３】したがって、この振動ジャイロ１０では、
振動子１１の周辺の温度が変化しても、アナログ加算器
４６から出力される信号の大きさから、回転角速度をほ
とんど誤差なく検出することができる。

【００５４】また、振動子１１が逆方向に回転している
場合は、圧電素子１４ａおよび１４ｂの出力の大きさが
逆になるので、アナログ加算器４６から出力される信号
の極性も逆になる。したがって、アナログ加算器４６か
ら出力される信号の極性から、振動ジャイロ１０の回転
方向を知ることができる。

【００５５】なお、上述の実施例では、振動子に正３角
柱状の振動体が用いられているが、たとえば４角柱状な
ど多角柱状の振動体が用いられてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】図１に示す実施例のフロー図である。

【図３】図１に示す実施例において、振動子の無回転時
における温度変化に対する整流増幅回路，Ｄ／Ａ変換器
およびアナログ加算器からのそれぞれの信号の電圧を示
すグラフである。

【符号の説明】

１０振動ジャイロ１１振動子１２振動体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ圧電素子３０発振回路３２位相回路４０差動増幅回路４２同期検波回路４４整流増幅回路４６アナログ加算器５０温度センサ５２Ａ／Ｄ変換器５４ＣＰＵ５６ＥＥＰＲＯＭ５７ＥＰＲＯＭ５８Ｄ／Ａ変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転角速度に応じた信号が出力される圧
電素子を有する振動子を含む振動ジャイロであって、前記振動子の周辺の温度を検出するための温度検出手
段、前記振動子の無回転時における前記圧電素子の出力信号
を検出するための出力信号検出手段、前記出力信号検出手段で検出した前記圧電素子の出力信
号から前記圧電素子の出力信号を補正するための補正信
号を演算するための演算手段、前記温度検出手段で検出した温度に対応して前記補正信
号に関与する補正データを記憶するための記憶手段、お
よび前記圧電素子の出力信号に前記補正信号を合成する
ための合成手段を含み、前記温度検出手段で検出した温度に対応する前記補正信
号が前記圧電素子の出力信号に合成される、振動ジャイ
ロ。