JPH06147904A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【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、分解能の高い振動ジャイロを提供する。 【構成】 振動ジャイロ１０は振動子１２を含み、振動
子１２は正３角柱状の振動体１４を含む。振動体１４の
３つの側面には、圧電素子１６ａ，１６ｂおよび１６ｃ
がそれぞれ形成される。圧電素子１６ａおよび１６ｂと
１６ｃとの間には、発振回路出力源３４および位相補正
回路３６からなる励振信号発生回路３８が接続される。
圧電素子１６ａおよび１６ｂは、差動増幅器４０の非反
転入力端および反転入力端にそれぞれ接続される。差動
増幅器４０の出力端は、結合用コンデンサ４２および抵
抗４４を介して、合成回路４６の一方の入力端に接続さ
れる。合成回路４６の出力端は、サンプルホールド回路
４８の入力端に接続され、サンプルホールド回路４８の
別の入力端には、コンデンサ５０を介して、発振回路出
力源３４の出力端が接続される。

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振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、この発明の背景となる従来の振
動ジャイロの一例を示す回路図である。この振動ジャイ
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３つの圧電素子３ａ，３ｂおよび３ｃ
とからなる振動子を含む。２つの圧電素子３ａおよび３
ｂと他の１つの圧電素子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お
よび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】この振動ジャイロ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および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３ａおよ
び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７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５に示すように、ドリフト信号を相
殺していた。また、可変抵抗９を調整することにより、
無回転時におけるドリフト信号が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、サンプ
ルホールド回路からの出力信号に応じて、サンプルホー
ルド回路からの出力信号が０になるように、差動回路か
らの出力信号を補正するための補正信号を出力する補正
信号出力回路とを含む、振動ジャイロである。

【０００８】

【作用】サンプルホールド回路は、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する。このサン
プリングされる信号は、ドリフト信号に相当する。さら
に、サンプルホールド回路は、このサンプリングした信
号に対応した信号を出力する。そして、サンプルホール
ド回路からの出力信号に応じて、補正信号出力回路は、
差動回路からの出力信号を補正するための補正信号を出
力する。この補正信号によって、サンプルホールド回路
からの出力信号すなわちドリフト信号が０になる。

【０００９】また、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、補正信号の調整は、差動回
路からの出力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。振動ジャイロ１０は、振動子１２を含む。振動子１
２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１４
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および１６
ｃも、たとえば磁器からなる圧電層１８ｂおよび１８ｃ
を含み、それらの圧電層１８ｂおよび１８ｃの両面に、
電極２０ｂ，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２０ａ〜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。これらの支持部材２４および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】振動子１２の圧電素子１６ｃは、図１に示
すように、発振回路出力源３４の入力端に接続される。
発振回路出力源３４の出力端は、位相補正回路３６の入
力端に接続される。これらの発振回路出力源３４と位相
補正回路３６とで励振信号発生回路３８が構成される。
位相補正回路３６の出力端は、抵抗３０および３２を介
して、圧電素子１６ａおよび１６ｂにそれぞれ接続され
る。したがって、圧電素子１６ａおよび１６ｂ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および１６ｂは、差動回路
としての差動増幅器４０の非反転入力端および反転入力
端にそれぞれ接続される。この差動増幅器４０は、圧電
素子１６ａおよび１６ｂの出力の差を検出するためのも
のである。

【００１７】差動増幅器４０の出力端は、結合用コンデ
ンサ４２および抵抗４４を介して、合成回路４６の一方
の入力端に接続される。この合成回路４６は、差動増幅
器４０の出力信号と後述の補正信号とを合成するための
ものである。

【００１８】合成回路４６の出力端は、サンプルホール
ド回路４８の入力端に接続され、サンプルホールド回路
４８の別の入力端には、コンデンサ５０を介して、発振
回路出力源３４の出力端が接続される。したがって、サ
ンプルホールド回路４８には、その入力端に合成回路４
６の出力信号が与えられ、その別の入力端にサンプリン
グパルスが与えられる。このサンプリングパルスは、発
振回路出力源３４の出力を微分することによって得ら
れ、結果的に、合成回路４６の出力端から出力されるコ
リオリ力に対応する信号が０になるポイントで発生す
る。また、サンプルホールド回路４８は、サンプリング
パルスに同期して、合成回路４６の出力信号をサンプリ
ングし、そのサンプリングした信号に相当する信号を出
力し続ける。

【００１９】サンプルホールド回路４８の出力端は、補
正信号出力回路としてのレベルコントロール回路５２の
入力端に接続され、レベルコントロール回路５２の別の
入力端には、抵抗５４および５６を介して、圧電素子１
６ａおよび１６ｂがそれぞれ接続される。このレベルコ
ントロール回路５２は、サンプルホールド回路４８の出
力信号に応じて、圧電素子１６ａおよび１６ｂからの合
成信号のレベルを調整し、補正信号を出力するためのも
のである。この補正信号は、差動増幅器４０から出力さ
れるドリフト信号を相殺するためのものであって、その
ドリフト信号と１８０°の位相を有し、かつ、そのドリ
フト信号と同じレベルを有する。このレベルコントロー
ル回路５２の出力端は、合成回路４６の他方の入力端に
接続される。

【００２０】また、合成回路４６の出力端は、同期検波
回路６０に接続される。同期検波回路６０は、たとえば
ＦＥＴ６２を含む。このＦＥＴ６２を介して、合成回路
４６の出力端が接地される。さらに、ＦＥＴ６２を動作
させるために、ＦＥＴ６２のゲートには、発振回路出力
源３４の出力端が接続される。

【００２１】同期検波回路６０の出力端は、平滑回路６
４の入力端に接続される。この平滑回路６４は、たとえ
ば２つの抵抗６６，６８と２つのコンデンサ７０，７２
とからなる２段のＲＣフィルタで構成される。

【００２２】この振動ジャイロ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。この場
合、原理的には、圧電素子１６ａおよび１６ｂからは同
様な信号が出力される。そして、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
および１６ｂ間に起電力が発生する。そのため、差動回
路４０からは、コリオリ力による信号が出力される。

【００２３】ところが、温度変化などによって、圧電素
子１６ａおよび１６ｂ間にドリフト信号が発生し、差動
回路４０からは、コリオリ力による信号より約９０°ず
れた位相を有するドリフト信号も出力する場合がある。

【００２４】このようなドリフト信号が差動回路４０か
ら出力されると、合成回路４６の一方の入力端には、図
３（Ａ）に示すように、コリオリ力による信号とその信
号より約９０°ずれた位相を有するドリフト信号とが入
力される。

【００２５】一方、サンプルホールド回路４８では、サ
ンプリングパルスに同期して、合成回路４６の出力信号
をサンプリングしている。このサンプリングパルスは、
図３（Ｂ）に示すように、コリオリ力による信号が０の
ときに発生するので、サンプルホールド回路４８は、コ
リオリ力による信号が０のときに合成回路４６から出力
されるドリフト信号をサンプリングしている。この場
合、ドリフト信号のピーク値がサンプリングされる。そ
して、サンプルホールド回路４８は、サンプリングした
ドリフト信号に相当する信号を出力する。

【００２６】サンプルホールド回路４８の出力信号は、
レベルコントロール回路５２の入力端に入力される。ま
た、サンプルホールド回路４８の別の入力端には、圧電
素子１６ａおよび１６ｂからの合成信号が入力される。
この合成信号は、図３（Ｃ）に示すように、先のドリフ
ト信号と１８０°の位相を有する。そのため、レベルコ
ントロール回路５２から出力される補正信号は、図３
（Ｄ）に示すように、ドリフト信号と１８０°の位相を
有し、かつ、ドリフト信号と同じレベルを有する。

【００２７】この補正信号は、合成回路４６の他方の入
力端に入力される。したがって、合成回路４６の出力
は、図３（Ｅ）に示すように、ドリフト信号が０とな
り、コリオリ力による信号のみとなる。

【００２８】このようにドリフト信号を０とするのは、
コリオリ力による信号が０になるポイントで順次行われ
るため、ドリフト信号を常に０に保つことができる。

【００２９】すなわち、ドリフト信号は、たとえば温度
変化による圧電素子１６ａおよび１６ｂの静電容量の変
化などにより生じるが、この振動ジャイロ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８ｋ
Ｈｚ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。

【００３０】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、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、この振動ジャイロ１０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。

【００３１】なお、上述の実施例では、圧電素子１６ａ
および１６ｂの合成信号のレベルを調整して補正信号を
得たが、励振信号発生回路３８で発生している信号の位
相およびレベルを調整してドリフト信号を０にする補正
信号を得てもよい。

【００３２】また、上述の実施例では、振動体１４に３
つの圧電素子１６ａ，１６ｂおよび１６ｃを形成した
が、２つの圧電素子１６ａおよび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。

【００３３】さらに、上述の実施例では、正３角柱状の
振動体を用いたが、正４角柱状など他の柱状の振動体が
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回路図である。

【図２】（Ａ）は図１に示す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】図１に示す振動ジャイロの各部における信号を
示す波形図である。

【図４】この発明の背景となる従来の振動ジャイロの一
例を示す回路図である。

【図５】図４に示す従来の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 振動ジャイロ １２ 振動子 １４ 振動体 １６ａ〜１６ｃ 圧電素子 ３４ 発振回路出力源 ３６ 位相補正回路 ３８ 励振信号発生回路 ４０ 差動増幅器 ４２ コンデンサ ４４ 抵抗 ４６ 合成回路 ４８ サンプルホールド回路 ５０ コンデンサ ５２ レベルコントロール回路 ５４ 抵抗 ５６ 抵抗 ６０ 同期検波回路 ６４ 平滑回路

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、 前記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、 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、および前記サン
   プルホールド回路からの出力信号に応じて、前記サンプ
   ルホールド回路からの出力信号が０になるように、前記
   差動回路からの出力信号を補正するための補正信号を出
   力する補正信号出力回路を含む、振動ジャイロ。