JPH06147901A - 圧電振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度変化があってもドリフト信号を除去する
ことができ、分解能の高い圧電振動ジャイロを得る。 【構成】 振動子１２を励振信号発生回路３８で駆動す
る。２つの圧電素子１６ａ，１６ｂの出力の差を、差動
増幅器４０から出力する。回転角速度によるコリオリ力
に対応した信号が０になるときに、サンプルホールド回
路５２で差動増幅器４０の出力信号をサンプリングす
る。サンプルホールド回路５４の出力電流をダイオード
４６に流して、ダイオード４６の抵抗値を調整し、差動
増幅器４０から出力されるドリフト信号を除去する。ド
リフト成分を除去した信号を、同期検波回路６０で検波
する。検波した信号を、平滑回路６４で直流出力に変換
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は圧電振動ジャイロに関
し、特にたとえば、角速度を検知することにより移動体
の位置を検知して適切な誘導を行うナビゲーションシス
テム、あるいは外的振動を検知して適切な制振を行うヨ
ーレートセンサなどに応用できる圧電振動ジャイロに関
する。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、この発明の背景となる従来の
圧電振動ジャイロの一例を示す図解図である。圧電振動
ジャイロ１は、たとえば正３角柱状の振動体２と、振動
体２の側面に形成される２つの圧電素子３ａ，３ｂおよ
び別の圧電素子３ｃとからなる振動子を含む。２つの圧
電素子３ａ，３ｂと他の圧電素子３ｃとの間には、発振
回路出力源４および位相補正回路５が接続される。これ
らの発振回路出力源４および位相補正回路５によって、
励振信号発生回路が形成される。さらに、２つの圧電素
子３ａ，３ｂの出力信号は、差動増幅器６に入力され
る。差動増幅器６の出力信号は、同期検波回路７で検波
され、さらに平滑回路８で直流出力に変換される。差動
増幅器６の出力を調整するために、差動増幅器６の入力
側に、可変抵抗９が接続される。

【０００３】振動ジャイロ１の振動体２は、励振信号発
生回路によって、圧電素子３ｃ形成面に直交する方向に
屈曲振動する。そして、振動体２がその軸を中心として
回転した場合、振動体２の振動方向と直交する方向にコ
リオリ力が働く。そのため、振動体２の振動方向は、無
回転時の振動方向からずれる。そのため、２つの圧電素
子３ａ，３ｂの間に出力の差が生じ、差動増幅器６から
出力信号が得られる。この出力信号は、回転角速度の大
きさに応じた値となる。この出力信号を同期検波回路７
で検波し、平滑回路８で平滑した出力を測定することに
より、振動体２に加わった回転角速度を測定することが
できる。

【０００４】このような振動ジャイロ１では、温度の変
化などにより、圧電素子３の圧電定数、特に圧電素子３
ａ，３ｂの静電容量が変化し、振動子のインピーダンス
が変化する。この振動子のインピーダンス変化によっ
て、駆動力や検出力に差が生じ、ドリフト信号が発生し
ていた。このようなドリフト信号を抑制するために、同
期検波回路８でコリオリ力による信号に同期して信号を
検波することにより、図１３に示すように、ドリフト成
分を相殺していた。また、可変抵抗１０を調整すること
により、無回転時におけるドリフト成分が０になるよう
に調整していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな振動ジャイロでは、ある温度でドリフト信号が０に
なるように調整しても、温度が変化すると振動子のイン
ピーダンスが変化し、ドリフト信号が発生する。そのた
め、雰囲気温度の変化などにより、正確に回転角速度を
測定することが困難な場合がある。また、このような場
合、微小角速度による信号とドリフト信号との区別がで
きない場合があり、分解能が低くなる。

【０００６】それゆえに、この発明の主たる目的は、温
度変化があってもドリフト信号を除去することができ、
分解能の高い圧電振動ジャイロを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、柱状の振動
体と、振動体の側面に形成される少なくとも２つの圧電
素子と、２つの圧電素子に入力することによって振動体
を励振するための励振信号発生回路と、励振信号発生回
路が接続された２つの圧電素子からの出力の差を検出す
るための差動回路と、差動回路から出力されるコリオリ
力に対応する信号が０になるポイントで差動回路からの
出力信号をサンプリングし、サンプリングした信号に対
応した信号を出力するためのサンプルホールド回路と、
圧電素子に接続され、サンプルホールド回路からの出力
信号に応じて抵抗値が変化する可変抵抗手段とを含む、
圧電振動ジャイロである。

【０００８】

【作用】コリオリ力に対応する信号が０になるポイント
で、差動回路からの出力信号がサンプリングされる。こ
のときサンプリングされる信号は、ドリフト信号であ
る。このドリフト信号に対応した出力が、サンプルホー
ルド回路から出力され、それによって可変抵抗手段の抵
抗値が変化する。可変抵抗手段の抵抗値を調整すること
により、差動回路から出力されるドリフト信号を０にす
る。

【０００９】サンプルホールド回路による差動回路から
の出力信号のサンプリングは、コリオリ力に対応する信
号が０になる時点で行われる。そして、次のサンプリン
グ時まで、サンプルホールド回路から一定の信号が出力
される。したがって、可変抵抗手段の抵抗値の調整は、
差動回路からの信号のサンプリング時ごとに行われる。

【００１０】

【発明の効果】この発明によれば、差動回路から出力さ
れるドリフト信号を０にすることができる。ドリフト信
号を０にするための調整は、コリオリ力に対応する信号
が０になる時点ごとに行われるため、温度の変化に関係
なく調整可能である。したがって、温度変化などによる
振動子のインピーダンス変化に関係なく、正確な回転角
速度を検出することができる。また、このような圧電振
動ジャイロでは、ドリフト信号が０になるように周期的
に調整されるため、微小角速度も正確に検出することが
でき、分解能を高めることができる。

【００１１】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。

【００１２】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示す回路図であ
る。圧電振動ジャイロ１０は、振動子１２を含む。振動
子１２は、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、
たとえば正３角柱状の振動体１４を含む。この振動体１
４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。

【００１３】この振動体１４には、その３つの側面の中
央部に、それぞれ圧電素子１６ａ，１６ｂおよび１６ｃ
が形成される。圧電素子１６ａは、たとえば磁器からな
る圧電層１８ａを含み、圧電層１８ａの両面には、それ
ぞれ電極２０ａおよび２２ａが形成される。なお、これ
らの電極２０ａおよび２２ａ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
など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１６ｂ，１６ｃ
も、たとえば磁器からなる圧電層１８ｂ，１８ｃを含
み、それらの圧電層１８ｂ，１８ｃの両面に、電極２０
ｂ，２０ｃおよび電極２２ｂ，２２ｃが形成される。そ
して、これらの圧電素子１６ａ〜１６ｃの一方の電極２
０ａ〜２０ｃが、たとえば導電接着剤で振動体１４に接
着される。

【００１４】さらに、振動体１４のノード点近傍は、た
とえば金属線からなる支持部材２４および２６で支持さ
れる。この支持部材２４，２６は、たとえば溶接するこ
とによって、振動体１４のノード点近傍に固着される。

【００１５】圧電素子１６ａには抵抗３０が接続され、
圧電素子１６ｂには抵抗３２が接続される。これらの抵
抗３０，３２には、位相補正回路３４を介して発振回路
出力源３６が接続される。これらの位相補正回路３４と
発振回路出力源３６とで励振信号発生回路３８が形成さ
れる。さらに、別の圧電素子１６ｃに、発振回路出力源
３６が接続される。したがって、圧電素子１６ａ，１６
ｂと圧電素子１６ｃとの間に励振信号が与えられ、それ
によって、振動体１４は圧電素子１６ｃ形成面に直交す
る方向に屈曲振動する。

【００１６】圧電素子１６ａ，１６ｂは、それぞれ、差
動増幅器４０の入力側に接続される。さらに、差動増幅
器４０の非反転入力側は、抵抗４２を介して接地され
る。また、差動増幅器４０の反転入力側は、コンデンサ
４４および可変抵抗手段としてのダイオード４６を介し
て接地される。差動増幅器４０の出力側は、結合用コン
デンサ４８および抵抗５０を介して、サンプルホールド
回路５２に接続される。そして、サンプルホールド回路
５２の出力端はアンプ５４に接続され、さらに抵抗５６
を介して、ダイオード４６のアノードに接続される。さ
らに、サンプルホールド回路５２には、コンデンサ５８
を介して発振回路出力源３６が接続され、サンプリング
を行うためのパルスが入力される。

【００１７】また、差動増幅器４０の出力信号は、同期
検波回路６０に入力される。同期検波回路６０は、たと
えばＦＥＴ６２を含む。このＦＥＴ６２を介して、抵抗
５０が接地される。さらに、ＦＥＴ６２を動作させるた
めに、ＦＥＴ６２のゲートに発振回路出力源３６が接続
される。同期検波回路６０で検波された信号は、平滑回
路６４に入力される。平滑回路６４は、たとえば２つの
抵抗６６，６８と２つのコンデンサ７０，７２とで形成
される。

【００１８】この圧電振動ジャイロ１０では、励振信号
発生回路３８からの励振信号によって、振動体１４が圧
電素子１６ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動する。こ
のとき、圧電素子１６ａについて考えると、その周辺の
等価回路は図３に示すようになる。つまり、励振信号発
生回路３８の出力インピーダンスＺｏに抵抗３０が接続
され、さらに抵抗３０には、圧電素子１６ａの静電容量
Ｃと差動増幅器４０の入力インピーダンスＺｉとの並列
回路が接続される。ここで、出力インピーダンスＺｏと
入力インピーダンスＺｉとのマッチングがとれている場
合、図４に示すように、静電容量Ｃによって励振信号よ
り４５°遅れた信号が出力される。

【００１９】次に、振動子１２に回転角速度が加わった
とき、コリオリ力が働いて圧電素子１６ａ，１６ｂに起
電力が発生する。このときの等価回路は、図５に示すよ
うな定電流源を有する回路となる。これを図３と同様に
定電圧源を有する回路に変換すると、図６に示すような
回路となる。すなわち、定電圧源に圧電素子１６ａによ
る静電容量Ｃが接続され、さらに静電容量Ｃには、抵抗
３０と差動増幅器４０の入力インピーダンスＺｉとの並
列回路が接続される。したがって、コリオリ力による信
号は、図７に示すように、励振信号に比べて４５°進ん
だ信号となる。

【００２０】したがって、図８に示すように、無回転時
の静電容量Ｃによる信号と回転時のコリオリ力による信
号との間には、９０°の位相差がある。つまり、差動増
幅器４０の出力側からは、このような９０°の位相差の
ある信号が出力される。差動増幅器４０の出力信号は、
サンプルホールド回路５２でサンプリングされる。サン
プリングを行うためのサンプリングパルスは、発振回路
出力源３６から同期検波回路６０に送られる同期信号か
ら得られる。同期信号は、図９に示すように、コリオリ
力に対応する信号に同期した信号である。そして、図１
０に示すように、コンデンサ５８によって、同期信号の
立上がり時および立下がり時にパルスが発生する。した
がって、正のパルスが入力されたときに、サンプルホー
ルド回路５２で信号をサンプリングするようにしておけ
ば、コリオリ力による信号が０になるときの信号、すな
わちドリフト信号のみをサンプリングすることができ
る。

【００２１】サンプルホールド回路５２からは、サンプ
リングしたときのドリフト信号が、次のサンプリング時
まで継続して出力される。この信号がアンプ５４で増幅
され、アンプ５４からダイオード４６に電流が流れる。
この電流によってダイオード４６の抵抗値が変化し、差
動増幅器４０の反転入力側に接続された抵抗４２の抵抗
値との比が調整される。それによって、差動増幅器４０
の出力側から出力されるドリフト信号を０にすることが
できる。このような調整が、コリオリ力に対応した信号
の１周期ごとに行われるため、ドリフト信号を常に０に
保つことができる。

【００２２】ドリフト信号は、たとえば温度変化による
圧電素子１６ａ，１６ｂの静電容量の変化などにより生
じるが、この圧電振動ジャイロ１０では、温度変化に関
係なくドリフト信号を抑制することができる。なお、コ
リオリ力に対応した信号は、たとえば８ｋＨｚなどの周
波数を有し、温度変化などによるドリフト信号の変化に
比べて極めて短時間でサンプリングが繰り返される。し
たがって、サンプリングの周期内におけるドリフト信号
の変化はほとんど無視することができ、コリオリ力に対
応した信号のみを出力することができる。

【００２３】ドリフト成分が除去された信号は、同期検
波回路６０で検波される。この実施例では、同期信号に
よってＦＥＴ６２の動作が制御される。そして、図１１
に示すように、コリオリ力に対応した信号の正側の部分
が平滑回路６４に送られる。平滑回路６４では、検波さ
れた信号が平滑される。したがって、平滑回路６４の出
力信号を測定することによって、回転角速度を正確に測
定することができる。さらに、この圧電振動ジャイロ１
０では、ドリフト信号が０となるように周期的に調整さ
れるため、微小角速度を正確に測定することができ、分
解能を高くすることができる。

【００２４】なお、上述の実施例では、可変抵抗手段と
してダイオード４６を使用したが、たとえばＦＥＴなど
他の手段を可変抵抗手段として使用してもよい。また、
抵抗３２に代えて可変抵抗手段を接続するなど、駆動側
に可変抵抗手段を接続してもよい。この場合、振動子１
２の駆動を調整することによって、ドリフト信号を除去
することができる。さらに、振動体１４の形状として
は、４角柱状など他の角柱状または円柱状であってもよ
い。また、サンプリングパルスの正負とも利用してもよ
く、サンプリング時の正負の値が等しくなるようにバラ
ンス調整し、ドリフト成分を相殺してもよい。

【００２５】また、上述の実施例では、振動体１４に３
つの圧電素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃを形成したが、２
つの圧電素子１６ａ，１６ｂだけを形成し、それらを駆
動用および検出用として使用してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す回路図である。

【図２】（Ａ）は図１に示す圧電振動ジャイロに使用さ
れる振動子の斜視図であり、（Ｂ）は線ＩＩＢ−ＩＩＢ
における断面図である。

【図３】振動子の無回転時における圧電素子周辺の等価
回路図である。

【図４】図３に示す回路の信号波形を示す波形図であ
る。

【図５】振動ジャイロに回転角速度が加わったときの圧
電素子周辺の等価回路図である。

【図６】図５に示す回路の定電流源を定電圧源に変換し
たときの等価回路図である。

【図７】図５および図６に示す回路の信号波形を示す波
形図である。

【図８】圧電素子の静電容量変化による信号とコリオリ
力による信号との関係を示す波形図である。

【図９】同期検波を行うための同期信号を示す波形図で
ある。

【図１０】サンプルホールド回路でサンプリングを行う
ためのサンプリングパルスを示す波形図である。

【図１１】ドリフト成分を除去した信号を同期検波する
状態を示す波形図である。

【図１２】この発明の背景となる従来の圧電振動ジャイ
ロの一例を示す回路図である。

【図１３】図１２に示す従来の圧電振動ジャイロでドリ
フト信号を相殺する状態を示す波形図である。

【符号の説明】

１０ 圧電振動ジャイロ １２ 振動子 １４ 振動体 １６ａ 圧電素子 １６ｂ 圧電素子 １６ｃ 圧電素子 ３８ 励振信号発生回路 ４０ 差動増幅器 ４６ ダイオード ５２ サンプルホールド回路 ６０ 同期検波回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱状の振動体、 前記振動体の側面に形成される少なくとも２つの圧電素
   子、 ２つの前記圧電素子に入力することによって前記振動体
   を励振するための励振信号発生回路、 前記励振信号発生回路が接続された２つの前記圧電素子
   からの出力の差を検出するための差動回路、 前記差動回路から出力されるコリオリ力に対応する信号
   が０になるポイントで前記差動回路からの出力信号をサ
   ンプリングし、サンプリングした信号に対応した信号を
   出力するためのサンプルホールド回路、および前記圧電
   素子に接続され、前記サンプルホールド回路からの出力
   信号に応じて抵抗値が変化する可変抵抗手段を含む、圧
   電振動ジャイロ。