JPH08136266A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイナミックレンジを大きくすることなく、
回転角速度と出力信号との間の直線性を確保することが
できる振動ジャイロを得る。 【構成】 振動ジャイロ１０は、正３角柱状の振動体１
２と圧電素子１４ａ〜１４ｃとからなる振動子１１を含
む。抵抗２２，２４を介して、圧電素子１４ａ，１４ｂ
と圧電素子１４ｃとの間に、反転増幅回路２８と位相回
路３０とからなる発振回路２６を接続する。圧電素子１
４ａ，１４ｂを差動増幅回路３２に接続し、差動増幅回
路３２の出力信号に加算信号演算器３４の出力信号を加
算する。加算信号演算器３４からは、位相回路３０の出
力信号と同相または逆相の信号をレベル調整して出力す
る。差動増幅回路３２の出力信号と加算信号演算器３４
の出力信号との合成信号を同期検波回路３６で検波し、
さらに平滑回路３８で平滑する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は振動ジャイロに関し、
特にたとえば、振動体の屈曲振動の変化から回転角速度
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】図７は従来の振動ジャイロの一例を示す
図解図である。振動ジャイロ１は、たとえば正３角柱状
の振動体２を含む。振動体２の３つの側面には、圧電素
子３ａ，３ｂ，３ｃが形成される。圧電素子３ａ，３ｂ
は、振動体２を屈曲振動させるための駆動用として用い
られ、また振動ジャイロ１に加わった回転角速度に対応
した信号を検出するための検出用としても用いられる。
また、圧電素子３ｃは、振動体２を自励振動させるとき
の帰還用として用いられる。

【０００３】圧電素子３ａ，３ｂには抵抗４が接続さ
れ、これらの抵抗４と帰還用の圧電素子３ｃとの間に、
たとえば反転増幅回路と位相回路とからなる発振回路５
が接続される。さらに、圧電素子３ａ，３ｂは、差動増
幅回路６に接続される。この差動増幅回路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で平
滑される。発振回路５の信号によって、振動体２は圧電
素子３ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動する。この状
態では、理想的には、圧電素子３ａ，３ｂに入力される
駆動信号は同じであり、差動増幅回路６から駆動信号成
分は出力されない。また、振動体２は圧電素子３ｃ形成
面に直交する方向に屈曲振動しているため、圧電素子３
ａ，３ｂに生じる信号は同じであり、差動増幅回路６か
らは圧電素子３ａ，３ｂに生じる信号も出力されない。
このように、差動増幅回路６からの出力信号は０であ
り、振動ジャイロ１に回転角速度が加わっていないこと
がわかる。

【０００４】振動ジャイロ１が振動体２の軸を中心とし
て回転すると、コリオリ力によって振動体２の振動方向
が変わる。それによって、圧電素子３ａ，３ｂの出力信
号間に差が生じ、その差が差動増幅回路６から出力され
る。差動増幅回路６の出力信号は、同期検波回路７で、
同じ位相の信号に同期して検波される。差動増幅回路６
からの出力信号は、振動ジャイロ１に加わった回転角速
度に対応しているため、これを同期検波し平滑回路８で
平滑すれば、その平滑回路８の出力信号から回転角速度
を検出することができる。

【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１では、圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃの
インピーダンスにばらつきがあったり、２つの圧電素子
３ａ，３ｂを含む２つの共振系の共振特性にずれがあっ
たりするため、差動増幅回路６に同じ信号が入力され
ず、差動増幅回路６から駆動信号成分が出力される。つ
まり、振動ジャイロ１に回転角速度が加わっていなくて
も、差動増幅回路から信号が出力される。

【０００６】したがって、回転角速度に対応した信号が
重畳されると、差動増幅回路からは大きい信号が出力さ
れる。そのため、差動増幅回路およびその後段の回路の
出力ダイナミックレンジを確保しなければならず、検出
用の２つの圧電素子の出力信号の差が大きい場合や、大
きい回転角速度が加わった場合などのことを考えて回路
を設計すると、回路部の消費電力が大きくなる。そのた
め、回路全体の消費電力が大きくなる。

【０００７】また、ダイナミックレンジが十分確保でき
ない場合、大きい回転角速度が加わって差動増幅回路の
出力信号が大きくなると、図８に示すように、回転角速
度と平滑回路の出力信号との間の直線性が損なわれた
り、回転角速度の方向によって感度に差が生じたりす
る。

【０００８】それゆえに、この発明の主たる目的は、ダ
イナミックレンジを大きくすることなく、回転角速度と
出力信号との間の直線性を確保することができる振動ジ
ャイロを提供することである。

【０００９】

【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駆動用と検出用とを兼用
する複数の駆動検出手段と、振動体を振動させるために
駆動検出手段に接続される発振回路と、駆動検出手段が
その入力端に接続される差動回路と、差動回路の出力信
号に回転角速度に対応する信号と９０°の位相差を有す
る信号を加算するための加算信号演算器とを含む、振動
ジャイロである。加算するための信号を得るために、発
振回路は、反転増幅回路と、反転増幅回路の出力信号の
位相を調整するための位相回路とを含み、位相回路の出
力信号が加算信号演算器に入力される。また、発振回路
は、反転増幅回路と、反転増幅回路の出力信号の位相を
調整するための位相回路とを含み、さらに反転増幅回路
の出力信号の位相を変えるための位相補正回路を含み、
位相補正回路の出力信号が加算信号演算器に入力されて
もよい。さらに、複数の駆動検出手段の出力信号を合成
するための加算回路と、加算回路の出力信号の位相を変
えるための位相補正回路とを含み、位相補正回路の出力
信号が加算信号演算器に入力されてもよい。

【００１０】

【作用】回転角速度に対応した信号と９０°の位相差を
有する信号のレベルを調整し、差動回路の出力信号に加
算することにより、差動回路の出力信号のレベルを小さ
くすることができる。したがって、差動回路から出力さ
れる駆動信号成分を圧縮することができる。

【００１１】

【発明の効果】この発明によれば、加算される信号のレ
ベルを調整することにより、駆動信号成分を圧縮するこ
とができるため、回転角速度に対応した信号が重畳され
ても、差動回路の出力信号があまり大きくならない。し
たがって、差動回路やその後段の回路のダイナミックレ
ンジを必要以上に大きくする必要がなく、回路の消費電
力を抑えることができる。これらの効果から、さらに回
転角速度と振動ジャイロの出力信号との間の直線性を得
ることができ、回転方向の違いによる感度差も小さくす
ることができる。

【００１２】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。

【００１３】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示す図解図であ
る。振動ジャイロ１０は、振動子１１を含む。振動子１
１は、図２および図３に示すように、たとえば正３角柱
状の振動体１２を含む。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。

【００１４】振動体１２の３つの側面には、それぞれ圧
電素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃが形成される。圧電素子
１４ａは、たとえば圧電セラミックからなる圧電層１６
ａを含み、圧電層１６ａの両面には電極１８ａ，２０ａ
が形成される。そして、一方の電極２０ａが、振動体１
２の側面に接着される。同様に、圧電素子１４ｂ，１４
ｃは圧電層１６ｂ，１６ｃを含み、圧電層１６ｂ，１６
ｃの両面には、電極１８ｂ，２０ｂおよび電極１８ｃ，
２０ｃが形成される。そして、一方の電極２０ｂ，２０
ｃが、振動体１２の側面に接着される。圧電素子１４
ａ，１４ｂは、振動体１２を屈曲振動させるための駆動
用として用いられ、さらに回転角速度に対応した信号を
得るための検出用としても用いられる。また、圧電素子
１４ｃは、振動体１２を屈曲振動させるときの帰還用と
して用いられる。

【００１５】圧電素子１４ａ，１４ｂには、それぞれ抵
抗２２，２４が接続される。これらの抵抗２２，２４と
圧電素子１４ｃとの間に発振回路２６が接続される。発
振回路２６は、反転増幅回路２８および位相回路３０を
含む。そして、圧電素子１４ｃの出力信号が反転増幅回
路２８に帰還され、反転増幅回路２８の出力信号が位相
回路３０で位相補正されて圧電素子１４ａ，１４ｂに入
力される。それにより、振動体１２は自励振駆動され、
圧電素子１４ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動する。

【００１６】さらに、圧電素子１４ａ，１４ｂは、差動
増幅回路３２の入力端に接続される。差動増幅回路３２
の出力信号には、加算信号演算器３４からの信号が加算
される。加算信号演算器３４には、位相回路３０の出力
信号が入力され、この信号と同相または逆相の信号が加
算信号演算器３４から出力される。このとき、加算信号
演算器３４では、出力信号のレベルが調整される。差動
増幅回路３２の出力信号と加算信号演算器３４の出力信
号との合成信号は、同期検波回路３６に入力される。同
期検波回路３６では、反転増幅回路２８の出力信号に同
期して信号が検波される。さらに、同期検波回路３６の
出力信号は、平滑回路３８で平滑される。

【００１７】この振動ジャイロ１０では、発振回路２６
によって、振動体１２が圧電素子１４ｃ形成面に直交す
る方向に屈曲振動する。この屈曲振動によって、圧電素
子１４ｃからは、図４に示すような正弦波Ａが出力され
る。この信号が反転増幅回路２８で反転増幅され、さら
に位相回路３０で位相補正されて、位相回路３０から
は、圧電素子１４ｃの出力信号と９０°の位相差を有す
る信号Ｂが出力される。この位相回路３０の出力信号が
圧電素子１４ａ，１４ｂに与えられ、振動体１２は自励
振駆動される。

【００１８】このとき、圧電素子１４ａ，１４ｂのイン
ピーダンスのばらつきや、圧電素子１４ａ，１４ｂを含
む振動系の特性のばらつきなどにより、差動増幅回路３
２からは、位相回路３０の出力信号と位相差のある信号
Ｃが出力される。この信号Ｃが信号Ａに同期して検波さ
れ、それが平滑されると、振動ジャイロ１０に回転角速
度が加わっていなくても、平滑回路３８から信号が出力
される。そのため、差動増幅回路３２の出力信号のレベ
ルを小さくするために、信号Ａと９０°の位相差を有す
る信号が加算される。この実施例では、信号Ａより９０
°位相の進んだ加算信号、すなわち回転角速度に対応し
た信号より９０°位相の進んだ加算信号Ｄが加算信号演
算器３４から出力され、差動増幅回路３２の出力信号に
加算される。

【００１９】このとき、たとえば圧電素子１４ｃの出力
信号Ａが最大レベルとなる部分において、差動増幅回路
３２の出力信号Ｃと加算信号Ｄとの合成信号Ｅが最大レ
ベルとなるように、加算信号Ｄのレベルが調整される。
つまり、加算信号Ｄのゼロクロス点における差動増幅回
路３２の出力信号のレベルが、同期検波回路３６に入力
される信号Ｅの最大レベルとなる。したがって、このよ
うな加算信号Ｄを加算することにより、差動増幅回路３
２の出力信号のレベルが圧縮されることがわかる。

【００２０】この状態で、振動体１２の軸を中心として
回転すると、コリオリ力によって振動体１２の屈曲振動
の方向が変わる。それにより、圧電素子１４ａ，１４ｂ
には、信号Ａと同位相または逆位相の信号が発生する。
この信号は振動体１２に加わった回転角速度に対応した
値であり、その位相は回転角速度の方向によって決ま
る。この信号が出力信号Ｅに重畳される。同期検波回路
３６に入力された信号は反転増幅回路２８の出力信号に
同期して検波されるため、回転角速度に対応した信号
は、その正部分または負部分のみが検波される。したが
って、平滑回路３８で平滑すれば、回転角速度に対応し
た直流信号が得られる。このとき、同期検波回路３６に
は、回転角速度に対応した信号と信号Ｅとの合成信号が
入力されるため、平滑回路３８の出力信号は信号Ｅの直
流成分も含まれている。したがって、信号Ｅの直流成分
を除去すれば、回転角速度に対応した信号のみを得るこ
とができる。

【００２１】この振動ジャイロ１０では、加算信号を加
算することにより駆動信号成分が圧縮されているため、
加算信号を用いない場合に比べて、回転角速度に対応し
た信号が重畳されても、同期検波回路３６に入力される
信号のレベルが大きくならない。そのため、回路部のダ
イナミックレンジを大きくする必要がなく、消費電力を
小さくすることができる。

【００２２】また、差動増幅回路３２の出力信号を圧縮
することにより、回路部のダイナミックレンジを大きく
しなくても、平滑回路３８から回転角速度に対応した大
きい信号を出力させることができ、振動ジャイロ１０の
出力信号の直線性をよくすることができる。さらに、振
動ジャイロ１０の出力信号の直線性をよくすることがで
きるため、回転角速度の方向による感度のばらつきを小
さくすることができ、正確に回転角速度を検出すること
ができる。このような加算信号Ｄでは、同期信号として
用いられる信号Ａに対して９０°の位相差を有している
ため、同期検波回路３６で検波して平滑すれば、加算信
号成分は０となる。そのため、振動ジャイロ１０の感度
や出力に影響を与えることがなく、差動増幅回路３２の
出力信号のレベルに応じて、自動的に加算することもで
きる。

【００２３】このように、駆動信号成分の圧縮を行うた
めには、たとえば、信号Ａと９０°の位相差を有する信
号に同期して差動増幅回路３２の出力信号を検波し、そ
の交流分を整流して得られる直流成分のレベルによって
加算信号Ｄをつくることが考えられる。また、信号Ａと
９０°の位相差を有する信号に同期して差動増幅回路３
２の出力信号を検波し、その交流分の波高値に比例した
レベルの加算信号Ｄをつくることが考えられる。

【００２４】この振動ジャイロ１０において、オフセッ
ト調整ができている場合、すなわち信号Ａと差動増幅回
路３２の出力信号Ｃとが９０°の位相差がある場合、加
算信号Ｄのレベルを調整することにより、信号Ｃを相殺
することができる。この場合、平滑回路３８からは駆動
信号成分は出力されず、回転角速度に対応した信号のみ
を出力させることができる。

【００２５】なお、上述の実施例では、加算信号を得る
ために、位相回路３０の出力信号を加算信号演算器３４
に入力したが、図５に示すように、反転増幅回路２８の
出力信号を位相補正回路４０で位相補正して加算信号演
算器３４に入力してもよい。また、図６に示すように、
加算器４２で圧電素子１４ａ，１４ｂの出力信号を合成
し、加算器４２の出力信号を位相補正回路４０で位相補
正してもよい。

【００２６】また、上述の実施例では、振動体１２に圧
電素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃを接着して振動子１１を
形成したが、圧電体材料で振動体１２を形成し、圧電素
子１４ａ〜１４ｃに代えて電極を形成してもよい。ま
た、振動体１２の形状は正３角柱状に限らず、他の角柱
状または円柱状に形成してもよい。これらの振動子１１
を用いても、複数の駆動検出用の圧電素子または電極が
形成されていれば、この発明を適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す図解図である。

【図２】図１に示す振動ジャイロの振動子を示す斜視図
である。

【図３】図２に示す振動子の断面図である。

【図４】図１に示す振動ジャイロの各部の信号波形を示
すグラフである。

【図５】この発明の他の実施例を示す図解図である。

【図６】この発明のさらに他の実施例を示す図解図であ
る。

【図７】従来の振動ジャイロの一例を示す図解図であ
る。

【図８】印加回転角速度と平滑回路の出力信号との関係
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 ２６ 発振回路 ２８ 反転増幅回路 ３０ 位相回路 ３２ 差動増幅回路 ３４ 加算信号演算器 ３６ 同期検波回路 ３８ 平滑回路 ４０ 位相補正回路 ４２ 加算器

Claims (4)

【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、駆動用と検出用とを兼用
   する複数の駆動検出手段、 前記振動体を振動させるために前記駆動検出手段に接続
   される発振回路、 前記駆動検出手段がその入力端に接続される差動回路、
   および前記差動回路の出力信号に回転角速度に対応する
   信号と９０°の位相差を有する信号を加算するための加
   算信号演算器を含む、振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記発振回路は、反転増幅回路と、前記
   反転増幅回路の出力信号の位相を調整するための位相回
   路とを含み、前記位相回路の出力信号が前記加算信号演
   算器に入力される、請求項１に記載の振動ジャイロ。
3. 【請求項３】 前記発振回路は、反転増幅回路と、前記
   反転増幅回路の出力信号の位相を調整するための位相回
   路を含み、さらに前記反転増幅回路の出力信号の位相を
   変えるための位相補正回路を含み、前記位相補正回路の
   出力信号が前記加算信号演算器に入力される、請求項１
   に記載の振動ジャイロ。
4. 【請求項４】 複数の前記駆動検出手段の出力信号を合
   成するための加算回路と、前記加算回路の出力信号の位
   相を変えるための位相補正回路とを含み、前記位相補正
   回路の出力信号が前記加算信号演算器に入力される、請
   求項１に記載の振動ジャイロ。