JPH0791957A - 圧電振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 センサ性能の改善を図り、かつ、振動体の歩
留まりの改善と調整方法の簡素化によりコストダウンを
図った改良型の圧電振動ジャイロを提供する。 【構成】 三角柱状の振動体１と、その振動を検出する
２つの検出用圧電素子２Ｒ，２Ｌと、振動体１を駆動す
る駆動用圧電素子４と、素子２Ｒ，２Ｌからの各出力信
号の振幅をそれぞれ調整する２つのバッファ回路６，８
と、回路６，８からの各出力信号を合成する合成回路１
０と、回路１０からの出力信号に応じて発振する発振回
路１２と、回路１２からの出力信号を移相し、素子４に
印加する移相回路１４と、バッファ回路６，８からの各
出力信号の差を検出する検出回路１６と、回路１６から
の出力信号を発振回路１２からの出力信号に同期して検
波する同期検波回路１８と、回路１８からの出力信号を
平滑する平滑回路２０と、回路２０からの出力信号を増
幅する増幅回路２２と、を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車の姿勢制御やナ
ビゲーションシステムにおいて回転角速度を検出するた
めに使用される振動ジャイロに関し、特に、恒弾性材料
からなる振動体に圧電素子を接着した圧電振動ジャイロ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術に係る圧電振動ジャイロとし
て、特開平３−１７２７１４号、特開平４−１０６４０
９号、特開平４−１０６４１０号、特開平４−１０６４
１１号及び特開平５−４５１６７号などの各公報に開示
されたものがある。これらの圧電振動ジャイロにおいて
は、正三角柱状の振動体が使用されており、いずれもそ
の三角柱状の振動体の３つの側面に形成された圧電素子
のうち、２つの圧電素子を振動子の駆動用かつ振動の検
出用として兼用することを前提としている。

【０００３】図１０は、このような従来の圧電振動ジャ
イロの基本回路構成を示すブロック図、図１１は、図１
０の回路における各部信号のタイミングチャートであ
る。振動体１０１には、２つの駆動用かつ検出用圧電素
子１０２Ｒ，１０２Ｌと、帰還用圧電素子１０４とが形
成されて振動子となり、それに発振回路１１２、移相回
路１１４及び位相調整回路１０５が図１０に示すように
接続されて、振動体１０１は帰還用圧電素子１０４の面
に直行する方向に振動せしめられる。このとき、圧電素
子１０２Ｒ，１０２Ｌの出力信号１８１及び１８２は、
同位相であり、かつ振幅も振幅調整回路１０６により等
しくなるよう調整されて、差動増幅回路１１６の出力は
０となる。

【０００４】そして、このような圧電振動ジャイロを、
振動体１０１の軸を中心として回転すると、回転の角速
度に応じたコリオリ力が働き、振動方向は無回転時の振
動方向からずれる。すなわち、圧電素子１０２Ｒ，１０
２Ｌの出力信号１８１及び１８２は、図１１に示すよう
に、無回転時の駆動信号と、その駆動信号に対し９０°
の位相差を有するコリオリ信号とを合成したものとな
る。そして、圧電素子１０２Ｒの信号１８１におけるコ
リオリ信号成分と、圧電素子１０２Ｌの信号１８２にお
けるコリオリ信号成分とは、逆位相となる。したがっ
て、差動増幅回路１１６により、コリオリ信号成分のみ
検出することが可能となる。

【０００５】また、帰還用圧電素子１０４の出力信号１
８３は、図１１に示すように、移相回路１１４により駆
動信号に対し９０°の位相差を有するように調整される
ため、発振回路１１２の出力信号１８４は図１１に示す
通りとなる。そこで、同期検波回路１１８において、差
動増幅回路１１６の出力を信号１８４に同期して検波す
れば、その出力信号１８５は、図１１に示すようなコリ
オリ信号となる。さらに、信号１８５を平滑回路１２０
で平滑し、その出力を直流増幅回路１２２で増幅すれ
ば、コリオリ力すなわち回転の角速度に比例した出力１
８６が得られる。

【０００６】さらに、従来、以上の基本回路に加えて、
感度補償回路及び零点電圧（振動ジャイロセンサに角速
度が印加されていないときのセンサの出力電圧）補償回
路を設けることも提案されており、その回路構成を図１
２に示す。この図に示すように、感度補償回路１３０
は、半波整流回路１３２、比較回路１３４及び増幅回路
１３６によって構成される。また、零点電圧補償回路１
４０は、同期検波回路１４２、平滑回路１４４及び（図
１０の直流増幅回路１２２に代わる）差動増幅回路１４
６によって構成される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の圧電振動ジャイロは、次のような問題点を有
している。第１の問題点は、前述のように２つの圧電素
子を振動子の駆動用かつ振動の検出用として兼用してい
るため、振動体そのものがもつ感度を犠牲にしているこ
とである。すなわち、駆動信号に重畳するコリオリ力に
よる信号を取り出すためには、振動体を駆動する発振回
路の出力インピーダンスをある程度大きくしなければ、
コリオリの信号が駆動信号に埋もれてしまう。これを防
ぐためには、発振回路の出力インピーダンスを大きくせ
ざるを得ないが、その結果、振動体を十分に振動させる
だけの駆動電流が供給できなくなる。このため、処理回
路側のゲインを上げることで従来対応してきたが、それ
により処理回路が外来ノイズの影響を受けやすくなって
しまう。さらに、高精度の増幅回路が必要となる。

【０００８】また、第２の問題点は、２つの圧電素子を
振動子の駆動用かつ振動の検出用に兼用しているため、
２つの圧電素子の温度ドリフト及び経時変化がセンサ性
能に著しく影響することである。具体的には、駆動用と
しての圧電素子の逆圧電効果、振動検出用としての圧電
素子の圧電効果、及び、圧電素子が持つ容量、の３つの
特性全てに温度ドリフト及び経時変化があるため、セン
サ性能への影響は複雑となり、処理回路での補正が困難
な状況になっていることである。

【０００９】かかる実情に鑑み、本発明の目的は、従来
技術が抱える上記の問題点を処理回路のみの改良で対応
し、センサ性能そのものの改善を図るとともに、振動体
の歩留まりの改善と調整方法の簡素化によるコストダウ
ンを図った、改良型の圧電振動ジャイロを提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく案
出された、本発明に係る第１の圧電振動ジャイロは、三
角柱状の振動体と、前記振動体の２つの側面にそれぞれ
形成され、前記振動体の振動をそれぞれ検出する第１及
び第２の検出用圧電素子と、前記振動体の他の１つの側
面に形成され、前記振動体の振動を駆動する駆動用圧電
素子と、前記第１及び第２の検出用圧電素子からの各出
力信号の振幅をそれぞれ調整する第１及び第２のバッフ
ァ回路と、前記第１及び第２のバッファ回路からの各出
力信号を合成する合成回路と、前記合成回路からの出力
信号に応じて発振する発振回路と、前記発振回路からの
出力信号を移相し、前記駆動用圧電素子に印加する移相
回路と、前記第１及び第２のバッファ回路からの各出力
信号の差を検出する第１の検出回路と、前記第１の検出
回路からの出力信号を、前記発振回路からの出力信号に
同期して検波する第１の同期検波回路と、前記第１の同
期検波回路からの出力信号を平滑する第１の平滑回路
と、前記第１の平滑回路からの出力信号を増幅する第１
の増幅回路と、を具備してなるものである。

【００１１】また、本発明に係る第２の圧電振動ジャイ
ロは、前記第１の圧電振動ジャイロにおいて、前記合成
回路からの出力信号を整流する整流回路と、前記整流回
路からの出力信号の電圧と所定の基準電圧とを比較する
比較回路と、前記移相回路と前記駆動用圧電素子との間
に挿入され、前記比較回路からの出力信号に応じて前記
移相回路からの出力信号の振幅を制御する第２の増幅回
路と、を更に具備するものである。

【００１２】また、本発明に係る第３の圧電振動ジャイ
ロは、前記第２の圧電振動ジャイロにおいて、前記第１
の検出回路からの出力信号を、前記第２の増幅回路から
の出力信号に同期して検波する第２の同期検波回路と、
前記第２の同期検波回路からの出力信号を平滑する第２
の平滑回路と、を更に具備し、前記第１の増幅回路に代
えて、前記第１及び第２の平滑回路からの各出力信号の
差を検出する第２の検出回路、を具備するものである。

【００１３】また、本発明に係る第４の圧電振動ジャイ
ロは、前記第３の圧電振動ジャイロにおいて、前記第２
の平滑回路と前記第２の検出回路との間に挿入される温
度補償回路を更に具備するものである。

【００１４】

【作用】上記の如く構成された第１の圧電振動ジャイロ
においては、第１及び第２の検出用圧電素子からの各出
力信号は、第１及び第２のバッファ回路においてその振
幅をそれぞれ調整され、次いで合成回路において合成さ
れることにより、コリオリ信号成分が相殺されて駆動信
号成分のみとなる。そして、その出力信号に応じて発振
する信号が発振回路により得られる。発振回路からの出
力信号は、移相回路において移相され、駆動用圧電素子
に印加されることにより、振動が継続する。また、第１
及び第２のバッファ回路からの各出力信号は、第１の検
出回路に入力されてその差すなわちコリオリ信号成分が
検出される。その第１の検出回路からの出力信号は、第
１の同期検波回路において、発振回路からの出力信号に
同期して検波され、第１の平滑回路において平滑され、
さらに第１の増幅回路において増幅されることにより、
コリオリ力すなわち回転角速度に応じた直流信号が得ら
れる。

【００１５】また、本発明に係る第２、第３及び第４の
圧電振動ジャイロにおいてもその基本的作用は同一であ
るが、その性能が改善される。以上の作用の詳細は、次
の実施例の説明においてより一層明らかとなるであろ
う。

【００１６】

【実施例】以下、添付図面の図１〜図９を参照して本発
明の実施例を説明する。

【００１７】図１は、本発明の第１の実施例、すなわち
本発明に係る第１の圧電振動ジャイロの実施例、の回路
構成を示すブロック図である。この図において、符号１
は振動体、２Ｒは振動検出用圧電素子（Ｒ側）、２Ｌは
振動検出用圧電素子（Ｌ側）、４は駆動用圧電素子、６
は第１のバッファ回路、８は第２のバッファ回路、１０
は前記合成回路としての加算回路、１２は発振回路、１
４は移相回路、１６は前記第１の検出回路としての差動
増幅回路、１８は第１の同期検波回路、２０は第１の平
滑回路、２２は前記第１の増幅回路としての直流増幅回
路、である。また、図２は、その図１の回路における各
部信号のタイミングチャートである。以下、第１実施例
の動作を説明する。

【００１８】検出用圧電素子２Ｒ，２Ｌから出力される
帰還信号８１，８２は、バッファ回路６，８にて振幅調
整され、次いで加算回路１０にて合成されて信号８３と
なる。この信号８３が発振回路１２に印加され、その出
力が移相回路１４にて９０°位相をずらされて、振動体
１の駆動用圧電素子４に印加されることにより、自励発
振回路が構成される。

【００１９】振動体１は図１に示されるＸ軸方向に振動
するが、この状態で振動体１が図１中の矢印方向に回転
すると、Ｙ軸方向に回転角速度に比例したコリオリの力
が作用する。このコリオリの力は、図２の信号８１，８
２に示すように、各検出用圧電素子の帰還信号に同期し
て重畳する。信号８１，８２の帰還信号は、あらかじめ
同位相で、同振幅に調整されているが、コリオリによる
信号は、図２の信号８１，８２に示すように逆位相とな
るため、加算回路１０で信号８１，８２を合成すると、
信号８３のように帰還信号のみが取り出せる。

【００２０】差動増幅回路１６及び同期検波回路１８に
おいて、帰還信号８３に同期して信号８１，８２の差分
を求めることで、信号８５に示すコリオリ信号のみが検
出できる。信号８５のコリオリ信号を平滑回路２０で平
滑し、直流増幅回路２２で所望の値まで増幅することに
より、図２の信号８６に示すような、回転角速度に比例
したアナログ出力が得られることとなる。

【００２１】次に、本発明の第２の実施例すなわち本発
明に係る第２の圧電振動ジャイロの実施例を、図３のブ
ロック回路図及び図４のタイミングチャートにより説明
する。この第２実施例の基本動作は、第１実施例と全く
同じである。異なる点は、センサ感度が環境変化やセン
サ各部の経時変化により変動することを防ぐため、半波
整流回路３２、比較回路３４及び増幅回路３６からなる
感度補償回路３０を設けたことにある。

【００２２】圧電振動ジャイロセンサの感度は、振動体
を構成する恒弾性材や３つの圧電素子の機械的特性や電
気的特性の変化、及び発振回路の出力特性等に大きく左
右される。影響の程度は、加算回路１０の出力より得ら
れる信号８３の帰還信号の振幅の変化となって現れる。
したがって、この帰還信号の振幅が常に一定となるよう
に制御すれば、この問題は解決可能である。以下に、感
度補償回路３０の動作原理を説明する。

【００２３】加算回路１０より出力される帰還信号８３
を半波整流回路３２により半波整流した波形が図４の信
号８８である。比較回路３４において、この信号８８を
平滑し（信号８９）、あらかじめ設定された基準電圧Ｖ
Ａと比較して、信号８９が一定（ＶＡ）となるように増
幅回路３６を制御する。この結果、信号８３は、常に一
定の振幅となるよう制御される。また、図４の信号８
３’は、感度補償の有無による、帰還信号８３の波形の
相違を示したものである。なお、第２実施例に示す半波
整流回路３２に代えて、全波整流回路としてももちろん
かまわない。

【００２４】次に、本発明の第３の実施例すなわち本発
明に係る第３の圧電振動ジャイロの実施例を、図５のブ
ロック回路図及び図６のタイミングチャートにより説明
する。この第３実施例の基本動作は、第２実施例と全く
同じである。異なる点は、環境変化や経時変化により発
生する検出用圧電素子２Ｒ，２Ｌのアンバランスによる
センサの零点電圧のドリフト分を検出する回路を設けた
ことにある。この零点電圧補償回路４０は、図５に示す
ように、同期検波回路４２、平滑回路４４及び（直流増
幅回路２２に代わる）差動増幅回路４６によって構成さ
れる。以下、零点電圧補償回路４０の動作原理を説明す
る。

【００２５】周囲の環境変化や経時変化によって検出用
圧電素子２Ｒ，２Ｌに発生するアンバランスは、図６の
信号８１，８２に示すように、振幅差及び位相差となっ
て現れることが実験結果により知られている。第１の同
期検波回路１８は、信号８１，８２の振幅差を主に検出
できるように、検波タイミングが設定されているため、
検波信号８５には、コリオリによる信号とドリフト成分
（振幅差分）とが検出される。第２の同期検波回路４２
は、信号８１，８２の位相差を主に検出できるように、
検波タイミングが設定されているため、検波信号９０に
は、ドリフト成分（位相差分）のみが検出される。な
お、コリオリによる信号には位相差が発生しないため、
信号９０にはコリオリ信号が検出されない。図７に示す
ように、ドリフトの振幅差分（信号９２）とドリフトの
位相差分（信号９１）は、類似した傾向を示すことが判
っているため、差動増幅回路４６にてこの信号９１を信
号９２から適度に差し引くことによって、センサ出力８
６に現れるドリフトを改善することが可能となる。

【００２６】次に、本発明の第４の実施例すなわち本発
明に係る第４の圧電振動ジャイロの実施例を、図８のブ
ロック回路図及び図９の特性図により説明する。この第
４実施例の基本動作は、第３実施例と全く同じである。
異なる点は、センサの零点電圧のドリフト分を補償する
回路にさらに温度補償回路５０を追加し、ドリフトに対
する補償をより高性能に実行できるようにしたことにあ
る。以下、その動作について説明する。

【００２７】前述の第３実施例では、信号９１と信号９
２の波形を一致させるため、信号９１のＶＲＥＦ（基準
電圧）からの偏差が１／ｎ（ｎは任意に設定可能な定
数）となるように信号９１を加工していたが、それで
は、図９に示すように、信号９２と完全に一致させるこ
とができないという問題点が残っている。この問題点を
解決するため、１／ｎのｎが温度によって変化するよう
な温度補償回路５０を設けることにより、信号９２とほ
ぼ完全に一致する信号９３を得ることが可能となる。

【００２８】以上、本発明の実施例について述べてきた
が、もちろん本発明はこれに限定されるものではなく、
特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な実施例を
案出することは当業者にとって容易なことであろう。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。 （１）本発明に係る第１の圧電振動ジャイロにおける効
果 検出用圧電素子と駆動用圧電素子とを独立して設定して
いるため、発振回路の出力インピーダンスを小さくする
ことができ、その結果、振動体そのものの感度を従来方
式に比べ、約１０倍上げることができる。すなわち、外
乱ノイズに対する耐性の向上と処理回路の簡素化による
コストダウンが可能となる。従来は、左右２つの圧電素
子で振動体を振動させていたため、左右の圧電素子のア
ンバランスがそのまま振動方向を変化させ、これがその
ままドリフト成分として出力されていた。本発明では、
駆動用圧電素子を１枚としたため、振動方向が変化する
こともなく、周囲環境や経時変化の影響を受けにくい。

【００３０】（２）本発明に係る第２の圧電振動ジャイ
ロにおける効果 感度補償回路の目的は、センサに回転角速度が加わって
いないときの検出用圧電素子からの信号の振幅が常に一
定となるようにすることである。しかしながら、従来技
術に係る感度補償方式は、図１２に示す帰還用圧電素子
の出力信号を使って間接的に補償しようとするため、帰
還用圧電素子や振動子等その他の誤差要因が介在して高
精度な調整ができない。また、誤差要因を打ち消すため
の調整が別途必要となっていた。本発明は、左右の検出
用圧電素子の出力信号を合成することにより、センサに
回転が加わっているときでも常に一定の出力が得られる
ことに着目し、この合成波形の振幅が常に一定となるよ
う感度補償をすることで完全な自動補償を実現する。

【００３１】（３）本発明に係る第３の圧電振動ジャイ
ロにおける効果 本発明に係る第２の圧電振動ジャイロにおいて残された
零点電圧のドリフト補償を、ドリフト検出回路を追加す
ることで改善できる。第３の圧電振動ジャイロの採用に
より、第２の圧電振動ジャイロに比較して、零点電圧の
ドリフトは約１／３になることが確認されている。

【００３２】（４）本発明に係る第４の圧電振動ジャイ
ロにおける効果 第３の圧電振動ジャイロにおける零点電圧のドリフト補
償の性能をさらに改善させるため、ドリフト検出回路に
温度補償回路を追加したものであり、第２の圧電振動ジ
ャイロに比較して、零点電圧のドリフトは約１／１０に
なることが確認されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る圧電振動ジャイロ
の回路構成を示すブロック図である。

【図２】図１の回路における各部信号のタイミングチャ
ートである。

【図３】本発明の第２の実施例に係る圧電振動ジャイロ
の回路構成を示すブロック図である。

【図４】図２の回路における各部信号のタイミングチャ
ートである。

【図５】本発明の第３の実施例に係る圧電振動ジャイロ
の回路構成を示すブロック図である。

【図６】図５の回路における各部信号のタイミングチャ
ートである。

【図７】図５の回路における信号の温度特性を示す図で
ある。

【図８】本発明の第４の実施例に係る圧電振動ジャイロ
の回路構成を示すブロック図である。

【図９】図８の回路における信号の温度特性を示す図で
ある。

【図１０】従来技術に係る第１の圧電振動ジャイロの回
路構成を示すブロック図である。

【図１１】図１０の回路における各部信号のタイミング
チャートである。

【図１２】従来技術に係る第２の圧電振動ジャイロの回
路構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１…振動体 ２Ｒ…振動検出用圧電素子（Ｒ側） ２Ｌ…振動検出用圧電素子（Ｌ側） ４…駆動用圧電素子 ６…第１のバッファ回路 ８…第２のバッファ回路 １０…加算回路 １２…発振回路 １４…移相回路 １６…差動増幅回路 １８…同期検波回路 ２０…平滑回路 ２２…直流増幅回路 ３０…感度補償回路 ３２…半波整流回路 ３４…比較回路 ３６…増幅回路 ４０…零点電圧補償回路 ４２…同期検波回路 ４４…平滑回路 ４６…差動増幅回路 ５０…温度補償回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三角柱状の振動体（１）と、 前記振動体（１）の２つの側面にそれぞれ形成され、前
   記振動体（１）の振動をそれぞれ検出する第１及び第２
   の検出用圧電素子（２Ｒ，２Ｌ）と、 前記振動体（１）の他の１つの側面に形成され、前記振
   動体（１）の振動を駆動する駆動用圧電素子（４）と、 前記第１及び第２の検出用圧電素子（２Ｒ，２Ｌ）から
   の各出力信号の振幅をそれぞれ調整する第１及び第２の
   バッファ回路（６，８）と、 前記第１及び第２のバッファ回路（６，８）からの各出
   力信号を合成する合成回路（１０）と、 前記合成回路（１０）からの出力信号に応じて発振する
   発振回路（１２）と、 前記発振回路（１２）からの出力信号を移相し、前記駆
   動用圧電素子（４）に印加する移相回路（１４）と、 前記第１及び第２のバッファ回路（６，８）からの各出
   力信号の差を検出する第１の検出回路（１６）と、 前記第１の検出回路（１６）からの出力信号を、前記発
   振回路（１２）からの出力信号に同期して検波する第１
   の同期検波回路（１８）と、 前記第１の同期検波回路（１８）からの出力信号を平滑
   する第１の平滑回路（２０）と、 前記第１の平滑回路（２０）からの出力信号を増幅する
   第１の増幅回路（２２）と、 を具備してなる圧電振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の圧電振動ジャイロにお
   いて、 前記合成回路（１０）からの出力信号を整流する整流回
   路（３２）と、 前記整流回路（３２）からの出力信号の電圧と所定の基
   準電圧とを比較する比較回路（３４）と、 前記移相回路（１４）と前記駆動用圧電素子（４）との
   間に挿入され、前記比較回路（３４）からの出力信号に
   応じて前記移相回路（１４）からの出力信号の振幅を制
   御する第２の増幅回路（３６）と、 を更に具備する圧電振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の圧電振動ジャイロにお
   いて、 前記第１の検出回路（１６）からの出力信号を、前記第
   ２の増幅回路（３６）からの出力信号に同期して検波す
   る第２の同期検波回路（４２）と、 前記第２の同期検波回路（４２）からの出力信号を平滑
   する第２の平滑回路（４４）と、 を更に具備し、前記第１の増幅回路（２２）に代えて、 前記第１及び第２の平滑回路（２０，４４）からの各出
   力信号の差を検出する第２の検出回路（４６）、 を具備する圧電振動ジャイロ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の圧電振動ジャイロにお
   いて、 前記第２の平滑回路（４４）と前記第２の検出回路（４
   ６）との間に挿入され、零点電圧の温度補償をするため
   の温度補償回路（５０）、 を更に具備する圧電振動ジャイロ。