KR101158937B1

KR101158937B1 - 진동 자이로용 회로, 진동 자이로 유닛, 진동 자이로의출력 검출 방법

Info

Publication number: KR101158937B1
Application number: KR1020067011104A
Authority: KR
Inventors: 가즈오 구리하라
Original assignee: 소니 주식회사
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2012-06-21
Also published as: EP1798520A1; EP1798520A4; JP4543866B2; KR20070051771A; WO2006040931A1; CN1918452B; JP2006105896A; US7665360B2; CN1918452A; US20080276708A1

Abstract

진동 자이로(31)의 2개의 검출편의 출력 신호의 차(Vgl-Vgr)에 따른 신호 Vda를 출력하는 차동 증폭 회로(4)와, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda를 동기 검파하는 동기 검파 회로(5)와, 진동 자이로(31)에 공급되는 구동 신호(가산 회로(1)의 출력 신호) Vsa에 대하여 위상이 시프트된 신호를 동기 검파용 타이밍 신호 Vck로서 동기 검파 회로(5)에 공급하는 위상 시프트 회로(3)를 구비하고, 구동 신호 Vsa와 타이밍 신호 Vck와의 위상차 θps는, 진동 자이로(31)를 구동시켜서 회전 각속도가 가해진 상태에서 미리 구해진, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 검파 감도 S의 위상차 특성에 기초하여 설정된, 고감도로 회전 각속도를 검출할 수 있는 진동 자이로용 회로, 진동 자이로 유닛, 진동 자이로의 출력 검출 방법을 제공한다.

차동 증폭 회로, 회전 각속도, 위상 시프트 회로, 컨덴서, 적분 회로

Description

진동 자이로용 회로, 진동 자이로 유닛, 진동 자이로의 출력 검출 방법{VIBRATION GYRO CIRCUIT, VIBRATION GYRO UNIT, AND VIBRATION GYRO OUTPUT DETECTING METHOD}

본 발명은, 진동하고 있는 진동자에 회전 각속도가 가해지면 발생하는 코리올리력에 따른 신호를 검출함으로써, 그 가해진 회전 각속도를 검출하는 진동 자이로용 회로, 진동 자이로 유닛, 진동 자이로의 출력 검출 방법에 관한 것으로, 자세히는, 상기 코리올리력에 따른 신호의 검파 타이밍을 진동 자이로의 특성에 맞추어서 최적으로 설정한 진동 자이로용 회로, 진동 자이로 유닛, 진동 자이로의 출력 검출 방법에 관한 것이다.

종래부터, 회전 각속도를 검출하는 센서로서 자이로가 알려져 있다. 자이로 중에서도 특히 진동자를 이용하고 있는 것은 진동 자이로라고 하며, 비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라의 손 떨림 검지, 카 내비게이션 시스템에서의 방향 검지, 자동차 등의 이동체의 자세 제어 등과 같은 여러 용도로 널리 이용되고 있다.

진동 자이로로서는, 사각주 형상이나 삼각주 형상의 진동자에 압전 소자를 접착한 것이나, 압전 세라믹스 등으로 이루어지는 원주 형상의 진동자에 전극을 인쇄한 것이 실용화되어 있다(예를 들면, 일본 특개 2000-337883호 공보 참조).

도 13은, 종래의 진동 자이로 유닛의 구성 블록도의 일례를 나타낸다. 진동자(32)와, 이것에 접착된 압전 소자(33a, 33b)로 이루어지는 진동 자이로(31)는, 진동 자이로용 회로에 접속되어 있다. 진동 자이로용 회로는, 가산 회로(1)와, 발진 회로(2)와, 차동 증폭 회로(4)와, 동기 검파 회로(5)와, 위상 시프트 회로(13)와, 직류 증폭 회로(6)를 구비한다. 진동 자이로(31)와 가산 회로(1)와 발진 회로(2)는, 진동 자이로(31)의 굴곡 진동의 공진 주파수로 진동 자이로(31)를 자려 발진 구동시키는 자려 발진 회로(7a)를 구성한다.

발진 회로(2)의 출력 신호는, 진동자(32)에 입력되고, 또한 진동자(32) 표면의 도전 도금을 통하여 압전 소자(33a, 33b)에 가해진다. 압전 소자(33b)의 출력 신호와, 압전 소자(33a)의 출력 신호는, 가산 회로(1)에 입력되어 가산된다. 가산 회로(1)의 출력 신호는, 발진 회로(2)와 위상 시프트 회로(13)에 입력된다.

또한, 압전 소자(33b)의 출력 신호와, 압전 소자(33a)의 출력 신호는, 차동 증폭 회로(4)에도 입력된다. 차동 증폭 회로(4)는, 압전 소자(33b)의 출력 신호와, 압전 소자(33a)의 출력 신호와의 차에 따른 신호를 출력하고, 그 신호는 동기 검파 회로(5)로써, 위상 시프트 회로(13)가 출력하는 타이밍 신호에 동기하여 검파된다. 직류 증폭 회로(6)는, 동기 검파 회로(5)로 동기 검파된 직류 신호를 증폭한다.

진동 자이로(31)는 자려 발진 회로(7a)에 의해서 구동되고, 길이 방향에 직교하는 방향으로 굴곡 진동한다. 진동 자이로(31)의 길이 방향의 중심축의 주위에 회전 각속도가 가해지지 않은 상태에서는, 압전 소자(33b)와 압전 소자(33a)의 왜 곡은 완전히 동일하게 발생하기 때문에 압전 소자(33b)로부터의 출력 신호와, 압전 소자(33a)로부터의 출력 신호는 진폭, 위상 모두 동일하며, 따라서 차동 증폭 회로(4)의 출력은 0이다.

진동 자이로(31)가 전술된 바와 같이 굴곡 진동하고 있는 상태에서, 진동 자이로(31)의 길이 방향의 중심축의 주위에 회전 각속도가 가해진 경우에는, 길이 방향 및 굴곡 진동 방향에 대하여 직각인 방향에 코리올리력이 발생하고, 그 코리올리력에 의해서 굴곡 진동의 방향이 변하여, 2개의 검출편(압전 소자(33a, 33b)) 사이에 출력차가 발생하여, 차동 증폭 회로(4)로부터는 그 차에 비례한 출력 신호가 얻어진다.

회전 각속도가 가해졌을 때의 압전 소자(33b)의 출력 신호는, 진동 자이로(31)에 공급되는 구동 신호에 따른 출력 신호와, 코리올리력에 따른 출력 신호가 중첩된 신호이다. 마찬가지로, 회전 각속도가 가해졌을 때의 압전 소자(33a)의 출력 신호는, 진동 자이로(31)에 공급되는 구동 신호에 따른 출력 신호와, 코리올리력에 따른 출력 신호가 중첩된 신호이다.

상기 구동 신호에 따른 압전 소자(33b)의 출력 신호와 압전 소자(33a)의 출력 신호는, 동상이고 동일한 크기의 신호이기 때문에 차동 증폭 회로(4)에서 상쇄된다. 이에 대하여, 코리올리력에 따른 압전 소자(33b)의 출력 신호와 압전 소자(33a)의 출력 신호는, 역상으로 동일한 크기의 신호이다. 따라서, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호는, 압전 소자(33b)로부터의 출력 신호와 압전 소자(33a)로부터의 출력 신호와의 차에 비례로 되고, 차동 증폭 회로(4)로부터는 회전 각속도의 크 기에 따른 신호만이 출력된다. 또한, 진동 자이로(31)를 구동하기 위한 구동 신호는, 가산 회로(1)의 출력 신호와 동상이며, 진폭은 비례 관계에 있다.

코리올리력은 구동 신호에 의한 굴곡 진동의 방향에 대하여 직교하는 방향으로 발생하기 때문에, 코리올리력에 따라서 차동 증폭 회로(4)로부터 출력되는 신호는, 원리 상으로는, 구동 신호와 상관이 있는 (동상의) 가산 회로(1)의 출력 신호의 진폭 최대점에서 0으로 되고, 가산 회로(1)의 출력 신호의 제로 크로스점에서 최대로 되며, 가산 회로(1)의 출력 신호와, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호와의 위상차는 90°로 된다. 따라서, 동기 검파 회로(5)는, 가산 회로(1)의 출력 신호 사이에 90°의 위상차를 갖는 위상 시프트 회로(13)의 출력 신호의 타이밍에서 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호를 검파하면 된다.

<발명의 개시>

종래에서는, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호는, 가산 회로(1)의 출력 신호에 대하여 90°의 위상차를 갖는 것을 전제로 한 신호 처리를 행하고 있다. 그러나, 진동 자이로(31)의 구조, 재질, 치수 등에 기인하는 요인에 의해서, 가산 회로(1)의 출력 신호와, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호와의 위상차는 반드시 90°가 되는 것은 아니다. 따라서, 상기 위상차가 90°가 아닌 특성을 갖는 진동 자이로에 대하여, 가산 회로(1)의 출력 신호로부터 위상이 90° 시프트된 위상 시프트 회로(13)의 타이밍 신호로, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호를 동기 검파하면, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호의 검파 감도, 즉 회전 각속도의 검출 감도가 최대로 이루어질 수 없으며, 또한 노이즈는 진동 자이로의 구조, 재질, 치수 등에 따라서 그 다지 변하지 않기 때문에, 회전 각속도의 검출에서의 S/N비가 악화하게 된다.

본 발명은 전술한 문제를 감안하여 이루어져, 그 목적으로 하는 바는, 고감도로 회전 각속도를 검출할 수 있는 진동 자이로용 회로, 진동 자이로 유닛, 진동 자이로의 출력 검출 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이하의 구성을 채용했다.

즉, 본 발명의 진동 자이로용 회로는, 진동 자이로의 2개의 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호를 출력하는 차동 증폭 회로와, 차동 증폭 회로의 출력 신호를 동기 검파하는 동기 검파 회로와, 진동 자이로에 공급되는 구동 신호에 대하여 위상이 시프트된 신호를 동기 검파용의 타이밍 신호로서 동기 검파 회로에 공급하는 위상 시프트 회로를 구비하고, 구동 신호와 타이밍 신호와의 위상차는, 진동 자이로를 구동시켜 회전 각속도를 가한 상태에서 미리 구해진, 차동 증폭 회로의 출력 신호의 검파 감도의 위상차 특성에 기초하여 설정되었다.

또한, 본 발명의 진동 자이로 유닛은, 2개의 검출편을 갖는 진동 자이로와, 이들 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호를 출력하는 차동 증폭 회로와, 차동 증폭 회로의 출력 신호를 동기 검파하는 동기 검파 회로와, 진동 자이로에 공급되는 구동 신호에 대하여 위상이 시프트된 신호를 동기 검파용의 타이밍 신호로서 동기 검파 회로에 공급하는 위상 시프트 회로를 구비하고, 구동 신호와 타이밍 신호와의 위상차는, 진동 자이로를 구동시켜 회전 각속도를 가한 상태에서 미리 구해진, 차동 증폭 회로의 출력 신호의 검파 감도의 위상차 특성에 기초하여 설정되었다.

여기서, 진동 자이로의 2개의 검출편의 출력 신호의 차는, 진동 자이로에 회 전 각속도가 가해지지 않은 상태에서는 0이며, 회전 각속도가 가해지면 그 회전 각속도에 따른 크기로 된다. 따라서, 차동 증폭 회로는, 진동 자이로에 회전 각속도가 가해지지 않은 상태에서는 출력이 0이며, 회전 각속도가 가해지면 그 회전 각속도에 따른 크기의 신호를 출력한다. 차동 증폭 회로의 출력 신호는 교류 신호이며, 동기 검파 회로는, 그 차동 증폭 회로의 출력 신호를 동기 검파하여 직류로 정류한다. 위상 시프트 회로는, 그 동기 검파를 위한 타이밍 신호를 만들고, 그 타이밍 신호에 동기하여 차동 증폭 회로의 출력 신호는 정류된다.

타이밍 신호는, 진동 자이로에 공급되는 구동 신호에 대하여 위상이 시프트되어 있고, 그 위상의 시프트량(구동 신호와 타이밍 신호와의 위상차)은, 진동 자이로가 구동되어 회전 각속도가 가해진 상태에서 미리 구해진, 차동 증폭 회로의 출력 신호의 검파 감도의 위상차 특성에 기초하여 설정되어 있다. 차동 증폭 회로의 출력 신호의 검파 감도는, 차동 증폭 회로의 출력 신호의 정류 후의 직류 신호의 크기이며, 진동 자이로에 가해진 회전 각속도의 검출 감도에 대응한다. 즉, 본 발명에서는, 상기 위상차를 여러가지로 바꾼 경우의 그 위상차와 회전 각속도의 검출 감도와의 관계를 미리 구하고, 이에 기초하여, 높은 감도가 얻어지는 위상차를 설정값으로서 설정한다. 종래와 같이, 상기 위상차를 90°로 고정하는 것은 아니고, 진동 자이로의 특성에 맞추어서 최적의 위상차의 설정을 행할 수 있어, 회전 각속도의 고감도의 검출을 실현한다.

또한, 위상 시프트 회로로서는, 입력되는 구동 신호를, 저항과 컨덴서의 시상수로 결정되는 위상차만큼 지연시키는 적분 회로를 포함하는 구성이라고 하면, 저항의 저항값의 조정(저항의 단수를 바꿈으로써 저항값의 조정도 포함함) 또는 컨덴서의 용량의 조정(컨덴서의 단수를 바꿈으로써 용량의 조정도 포함함)에 의해 간단히 원하는 위상차로 설정할 수 있으며, 또한 회로 구성도 간단하여, 염가로 전술한 기능을 갖는 위상 시프트 회로를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 진동 자이로의 출력 검출 방법은, 진동 자이로의 2개의 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호를, 상기 진동 자이로에 공급되는 구동 신호에 대하여 위상이 시프트된 타이밍 신호로 동기 검파함으로써 상기 진동 자이로에 가해진 회전 각속도를 검출하는 진동 자이로의 출력 검출 방법으로서,

진동 자이로에 공급되는 구동 신호와, 이 구동 신호에 대하여 위상이 시프트된 타이밍 신호와의 위상차를, 진동 자이로를 구동시켜 회전 각속도를 가한 상태에서 미리 구해진, 진동 자이로의 2개의 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호의 검파 감도의 위상차 특성에 기초하여 설정하고, 이 설정된 위상차만큼 구동 신호에 대하여 위상이 시프트된 타이밍 신호로, 2개의 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호의 동기 검파를 행한다.

여기서, 진동 자이로의 2개의 검출편의 출력 신호의 차는, 진동 자이로에 회전 각속도가 가해지지 않은 상태에서는 0이며, 회전 각속도가 가해지면 그 회전 각속도에 따른 크기로 된다. 따라서, 이들 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호는, 진동 자이로에 회전 각속도가 가해지지 않은 상태에서는 0이며, 회전 각속도가 가해지면 그 회전 각속도에 따른 크기의 신호로 된다. 이 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호는 교류 신호이며, 이것은 진동 자이로에 공급되는 구동 신호에 대하 여 위상이 시프트된 타이밍 신호에 동기하여 검파되어 직류로 정류된다.

그 타이밍 신호의 위상 시프트량(구동 신호와 타이밍 신호와의 위상차)은, 진동 자이로가 구동되어 회전 각속도가 가해진 상태에서 미리 구해진, 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호의 검파 감도의 위상차 특성에 기초하여 설정되어 있다. 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호의 검파 감도는, 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호의 정류 후의 직류 신호의 크기로, 진동 자이로에 가해진 회전 각속도의 검출 감도에 대응한다. 즉, 본 발명에서는, 상기 위상차를 여러가지로 바꾼 경우의 그 위상차와 회전 각속도의 검출 감도와의 관계를 미리 구하고, 이에 기초하여, 높은 감도가 얻어지는 위상차를 설정값으로서 설정한다. 종래와 같이, 상기 위상차를 90°로 고정하는 것은 아니고, 진동 자이로의 특성에 맞추어서 최적의 위상차의 설정을 행할 수 있어, 회전 각속도의 고감도의 검출을 실현한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 진동 자이로 유닛의 구성을 도시하는 블록도.

도 2는 도 1에 도시한 진동 자이로의 사시도.

도 3은 동일 진동 자이로의 단면도.

도 4는 도 1에 도시한 진동 자이로용 회로의 각 부에서의 전압 파형의 타임차트도.

도 5는 구동 신호와 동기 검파용의 타이밍 신호 사이의 위상차 θ와, 회전 각속도의 검출 감도 S와의 관계의 일례를 나타내는 그래프.

도 6은 도 1에 도시한 위상 시프트 회로의 일례를 도시하는 회로도.

도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 진동 자이로 유닛의 구성을 도시하는 블록도.

도 8은 도 7에 도시한 진동 자이로의 사시도.

도 9는 동일 진동 자이로의 단면도.

도 10은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 진동 자이로 유닛의 구성을 도시하는 블록도.

도 11은 도 10에 도시한 진동 자이로의 사시도.

도 12는 동일 진동 자이로의 단면도.

도 13은 종래예의 진동 자이로 유닛의 구성을 도시하는 블록도.

<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>

이하, 본 발명을 적용한 구체적인 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상에 기초하여 여러가지의 변형이 가능하다.

[제1 실시 형태]

도 2는 제1 실시 형태에 따른 진동 자이로(31)의 사시도이며, 도 3은 그 단면도이다. 진동 자이로(31)는, 표면에 도전체가 도금된 사각주 형상의 진동자(32)와, 이 진동자(32)의 제1 측면(32a)에 접착된 2개의 압전 소자(33a, 33b)로 구성된다. 압전 소자(33a, 33b)는, 진동 자이로(31)에 구동 신호를 공급하기 위한 구동편과, 진동 자이로(31)에 가해진 회전 각속도에 따른 신호를 검출하기 위한 검출편 을 겸하고 있다.

진동자(32)는, 예를 들면, 아몰퍼스 카본, 엘린바, Fe-Ni 합금, 석영, 글래스, 수정, 세라믹스 등의 기계적 굴곡 진동을 발생하는 재료로 이루어진다. 2개의 압전 소자(33a, 33b)는, 각각, 진동자(32)와 동일한 길이를 갖는 사각주 형상을 나타내고, 진동자(32)의 길이 방향을 따라 연장하고, 양자 사이에 간극을 형성하여 상호 마주 향하고 있다. 압전 소자(33a)와 압전 소자(33b)는, 진동자(32)의 제1 측면(32a)를 짧은 방향으로 이분하는 중심선에 관해서 대칭이다.

진동 자이로(31)는 진동 자이로용 회로에 접속되고, 이 회로와 진동 자이로(31)로부터 진동 자이로 유닛이 구성된다. 진동 자이로용 회로는, 도 1에 도시한 바와 같이 가산 회로(1)와, 발진 회로(2)와, 차동 증폭 회로(4)와, 동기 검파 회로(5)와, 위상 시프트 회로(3)와, 직류 증폭 회로(6)를 구비한다. 진동 자이로(31)와 가산 회로(1)와 발진 회로(2)는, 진동 자이로(31)의 굴곡 진동의 공진 주파수로 진동 자이로(31)를 자려 발진 구동시키는 자려 발진 회로(7a)를 구성한다. 진동 자이로용 회로는, 예를 들면 1개의 반도체 칩에 IC(Integrated Circuit)화되어 이루어진다. 그 반도체 칩은, 베어 칩 혹은 패키징되어 회로 기판에 실장되고, 이 회로 기판에는 진동 자이로(31)도 탑재되어, 진동 자이로 유닛을 구성한다.

발진 회로(2)의 출력 신호 Vgo는, 진동자(32)의 제1 측면(32a)과 대향하는 제2 측면(32b)에 입력되고, 또한 진동자(32) 표면의 도전 도금을 통하여 제1 측면(32a)에 접착된 압전 소자(33a, 33b)에 가해진다. 압전 소자(33b)의 출력 신호 Vgl과, 압전 소자(33a)의 출력 신호 Vgr은, 가산 회로(1)에 입력되어 가산된다. 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa는 발진 회로(2)로 진폭과 위상이 조정되고, 구동 신호로서 진동 자이로(31)에 공급된다. 또한, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa는 위상 시프트 회로(3)에도 입력된다.

압전 소자(33b)의 출력 신호 Vgl과, 압전 소자(33a)의 출력 신호 Vgr은, 차동 증폭 회로(4)에도 입력된다. 차동 증폭 회로(4)는, Vgl과 Vgr와의 차에 따른 신호 Vda를 출력하고, 그 신호 Vda는 동기 검파 회로(5)로써, 위상 시프트 회로(3)가 출력하는 타이밍 신호 Vck에 동기하여 검파된다. 직류 증폭 회로(6)는, 동기 검파 회로(5)로 동기 검파된 직류 신호 Vsd를 증폭하여 신호 S를 출력한다.

도 4는, 전술한 각 신호 파형의 타임차트도이다. 좌측은 진동 자이로(31)에 회전 각속도가 가해지고 있지 않을 때의 각 신호 파형을 나타내고, 우측은 진동 자이로(31)의 길이 방향의 중심축 C(도 1 참조)의 주위에 회전 각속도가 가해졌을 때의 각 신호 파형을 나타낸다.

진동 자이로(31)는 자려 발진 회로(7a)에 의해서 구동되고, 제1, 제2 측면(32a, 32b), 및 길이 방향에 직교하는 방향(도 1에서 y 방향)으로 굴곡 진동한다. 진동 자이로(31)의 길이 방향의 중심축 C의 주위에 회전 각속도가 가해지지 않은 상태에서는, 압전 소자(33b)와 압전 소자(33a)의 왜곡은 완전히 동일하게 발생하기 때문에 압전 소자(33b)로부터의 출력 신호 Vgl과 압전 소자(33a)로부터의 출력 신호 Vgr은 진폭, 위상 모두 동일하며, 따라서 차동 증폭 회로(4)의 출력은 0이다.

진동 자이로(31)가 y 방향으로 굴곡 진동하고 있는 상태에서, 진동 자이 로(31)의 길이 방향의 중심축 C의 주위에 회전 각속도가 가해진 경우에는, 길이 방향 및 y 방향의 양 방향에 대하여 직각인 x 방향으로 코리올리력이 발생하고, 그 코리올리력에 의해서 굴곡 진동의 방향이 변하여, 2개의 검출편(압전 소자)(33a, 33b) 사이에 출력차가 발생한다.

즉, 압전 소자(33b)로부터의 출력 신호 Vgl과, 압전 소자(33a)로부터의 출력 신호 Vgr 사이에 차(Vgl-Vgr)가 발생하고, 차동 증폭 회로(4)로부터는 그 차(Vgl-Vgr)에 비례한 출력 신호 Vda가 얻어진다.

회전 각속도가 가해졌을 때의 압전 소자(33b)의 출력 신호 Vgl은, 진동 자이로(31)에 공급되는 구동 신호에 따른 출력 신호(도 4에서 파선으로 나타냄)와, 코리올리력에 따른 출력 신호 Vcl(도 4에서 일점쇄선으로 나타냄)이 중첩된 신호이다. 마찬가지로, 회전 각속도가 가해졌을 때의 압전 소자(33a)의 출력 신호 Vgr은, 진동 자이로(31)에 공급되는 구동 신호에 따른 출력 신호(도 4에서 파선으로 나타냄)와, 코리올리력에 따른 출력 신호 Vcr(도 4에서 일점쇄선으로 나타냄)이 중첩된 신호이다.

상기 구동 신호에 따른 압전 소자(33b)의 출력 신호와 압전 소자(33a)의 출력 신호는, 동상이고 동일한 크기의 신호이기 때문에 차동 증폭 회로(4)에서 상쇄된다. 이에 대하여, 코리올리력에 따른 압전 소자(33b)의 출력 신호 Vcl과 압전 소자(33a)의 출력 신호 Vcr은, 역상으로 동일한 크기의 신호이다. 따라서, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda는 (Vcl-Vcr)에 비례로 되어, 차동 증폭 회로(4)로부터는 회전 각속도의 크기에 따른 신호만이 출력된다.

또한, 코리올리력에 따른 압전 소자(33b)의 출력 신호 Vcl과 압전 소자(33a)의 출력 신호 Vcr은, 역상으로 동일한 크기의 신호이기 때문에, 가산 회로(1)에서는 상쇄된다. 따라서, 발생하는 코리올리력에는 상관없이, 진동 자이로(31)에는 일정한 구동 신호가 공급된다. 또한, 구동 신호는, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa와 동상이며, 진폭은 비례 관계에 있다.

코리올리력에 따라서 차동 증폭 회로(4)로부터 출력되는 신호 Vda는, 원리 상은, 진동 자이로(31)를 구동하기 위한 구동 신호, 즉 이것과 동상의 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa의 진폭 최대점에서 0으로 되고, Vsa의 제로 크로스점에서 최대로 되어, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa와, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda와의 위상차는 90°로 된다.

그러나, 진동 자이로(31)의 구조, 재질, 치수 등에 기인하는 요인에 의해서, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa와, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda와의 위상차는 반드시 90°가 되는 것은 아니다. 도 4의 예에서는, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa와 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda와의 위상차 θps는 90°보다 커져 있다.

따라서, 본 실시 형태에서는, 타이밍 신호 Vck의, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa로부터의 위상 시프트량을 90°로 고정하지 않고서, 실제로 Vsa와 Vda 사이에서 발생하고 있는 위상차에 따라서 설정한다. 그리고, 그 설정된 위상차 θps의 분만큼 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa로부터 위상 시프트된 타이밍 신호 Vck의 타이밍으로, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 동기 검파를 행한다. 따라서, 위상 시프트 회로(3)는, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa로부터 위상을 θps만큼 시프트한 방형파 형상의 타이밍 신호 Vck를 만들고, 동기 검파 회로(5)에 동기 검파용의 타이밍 신호로서 공급한다.

동기 검파 회로(5)는, 교류 신호인 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda를, 타이밍 신호 Vck에 동기하여 전파 정류함으로써 신호 Vfr로 변환한 후, 적분(혹은 평활화)하여, 직류 신호 Vsd를 출력한다. 즉, 타이밍 신호 Vck가 로우 레벨일 때에, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 부전압을 정전압의 방향으로 반전하여 서로 더한다. 또한, 전파 정류로 하고 있음으로써 반파 정류인 경우에 비하여, 신호 Vda의 검파 감도를 높게 하고, 신호 Vsd의 값을 크게 할 수 있다.

동기 검파 회로(5)의 출력 신호 Vsd는, 진동 자이로(31)에 가해진 회전 각속도의 방향에 따른 극성을 가지며, 그 회전 각속도의 크기에 비례한다. 그리고, 직류 증폭 회로(6)는 그 신호 Vsd를 소정의 크기까지 직류 증폭하여 신호 S를 출력한다.

도 5는, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 검파 감도, 즉 진동 자이로(31)에 가해진 회전 각속도의 검출 감도의 위상차 특성의 일례를 나타낸다. 종축은, 직류 증폭 회로(6)의 출력 신호 S의 크기이다. 또는, 동기 검파 회로(5)의 출력 신호 Vsd의 크기로 하여도 된다. 횡축은, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa에 대한 타이밍 신호 Vck의 위상 시프트량 θ를 나타낸다.

도 5에 도시되는 특성은, 아몰퍼스 카본으로 이루어져 도 2에 도시하는 것 같은 길이 7.5㎜, 폭 0.58㎜, 두께 0.6㎜의 치수의 진동자(32)와, PZT로 이루어지는 압전 소자(33a, 33b)를 이용한 진동 자이로(31)를 구동시켜 상기 y 방향으로 굴 곡 진동시키고, 그 상태에서 길이 방향의 중심축 C의 주위에 회전 각속도를 가하여, 그 구동 조건, 가한 회전 각속도의 방향 및 크기를 동일한 조건으로 한 상태에서, 상기 타이밍 신호 Vck의 위상 시프트량 θ을 여러가지로 바꾸어서 설정했을 때의, 회전 각속도를 검출한 결과이다.

도 5에서부터 분명한 바와 같이, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa에 대한 타이밍 신호 Vck의 위상 시프트량 θ가 110°～150°일 때에, 높은 감도(최대 감도를 포함함)가 얻어지고, 또한 그 높은 감도로 안정되어 있다. 따라서, 도 5의 특성을 갖는 진동 자이로(31)에 대해서는, Vsa에 대한 타이밍 신호 Vck의 위상 시프트량의 설정값 θps를 110°～150°의 범위에 들어가도록 하면, 그 타이밍 신호 Vck에 동기하여 검파되는 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 검파 감도를 높일 수 있으며, 결과적으로 진동 자이로(31)에 가해진 회전 각속도의 검출 감도를 높일 수 있다.

만일, 도 5의 특성을 갖는 것에 대하여, 종래와 같이 90°로 고정한 위상차 θps의 타이밍 신호로 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 동기 검파를 행하면, 신호 Vda의 전파 정류 및 적분후의 직류 값이, 도 4의 타이밍에서 동기 검파를 행한 경우보다도 작아지고, 이 결과, 도 5의 그래프로부터도 알 수 있듯이 신호 S의 값 즉 회전 각속도의 검출 감도가 작아지게 된다. 이 경우에는, 진동 자이로에 가해진 회전 각속도가 작으면 노이즈에 섞여서 인식할 수 없게 될 우려가 있다. 또한, 코리올리력은 진동 자이로의 질량에 비례하기 때문에, 특히 소형화된 진동 자이로로서는 코리올리력에 따른 신호인 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda가 작으 며, 따라서 그 신호 Vda를 감도 좋게 검파하는 것은 중요하다.

또한, 도 5에 도시하는 특성은 일례로서, 진동 자이로의 구조, 재질, 치수 등이 변하면, 도 5와는 서로 다른 특성으로 된다. 물론, 진동 자이로에 따라서는, 타이밍 신호 Vck의 구동 신호에 대한 위상차가 원리대로 90° 혹은 이 부근일 때에 최대 감도가 얻어지는 경우도 있다. 이 경우에도, 전술된 바와 같이 미리 구한 도 5와 같은 감도 S의 위상차 특성에 기초하여 위상차 θps는 90°로 설정되는 것으로 된다.

또한, 도 4에 도시하는 예에서는, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa에 대한 타이밍 신호 Vck의 위상차 θps를, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa에 대한 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vsd의 위상차에 일치시켜 설정하고 있지만, 반드시 일치시킬 필요는 없고, 도 5에 도시한 특성도에서부터 알 수 있듯이, 최대 감도로 플랫으로 되어 있는 위상차 범위에서는 위상차의 차이에 의한 감도의 차이는 없거나, 혹은 실용상 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에, 설정 위상차 θps는 그 위상차 범위 내에 설정하면 된다.

도 6은, 위상 시프트 회로(3)의 일례를 도시하는 회로도이다. 이 위상 시프트 회로(3)는, 입력되는 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa에 위상 지연을 발생시키는 지연 회로로서, 저항(63)과 컨덴서(64)로 구성되는 적분 회로를 갖고 있다. 저항(63)의 일단은 가산 회로(1)의 출력측에 접속되고, 타단은 오피 앰프(65)의 플러스 입력 단자에 접속되어 있다. 컨덴서(64)는, 일단이 저항(63)의 타단에 접속되고, 타단이 접지되어 있다. 저항(63)의 일단과 오피 앰프(65)의 출력 단자 사이에 는, 직렬 접속된 2개의 저항(61, 62)이 접속되어 있다. 오피 앰프(65)의 마이너스 입력 단자는, 저항(61)과 저항(62) 사이에 접속되어 있다. 오피 앰프(65)의 출력 단자는 콤퍼레이터(66)의 입력 단자에 접속되어 있다.

가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa는, 저항(63)과 컨덴서(64)로 구성되는 적분 회로를 통한 후, 오피 앰프(65)의 플러스 입력 단자에 입력된다. 오피 앰프(65)의 마이너스 입력 단자의 전위는 플러스 입력 단자의 전위로 되기 때문에, 저항(61)의 양단 전압은 상기 적분 회로의 출력과, 가산 회로(1)의 출력 Vsa와의 차분으로 된다. 이 저항(61)의 양단 전압에 의해 흐르는 전류는 저항(62)에 그대로 흘러서, 오피 앰프(65)의 출력 전압이 결정된다. 이 오피 앰프(65)의 출력이 콤퍼레이터(66)를 통과함으로써 도 4에 도시하는 바와 같은 위상 시프트 회로(3)의 출력 신호(타이밍 신호) Vck를 얻고 있다.

여기서, 저항(63)의 저항값을 Rps로 하고, 컨덴서(64)의 용량을 Cps로 하고, 저항(61)의 저항값과 저항(62)의 저항값은 동일하다고 하고, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa의 주파수를 fo라고 하면, 이 위상 시프트 회로(3)의 입출력 사이의 위상차, 즉 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa에 대한 타이밍 신호 Vck의 위상차 θps는 하기 수학식 1에 의해 결정된다.

즉, 시상수(Rps?Cps)에 의해 위상 지연량 θps가 결정되기 때문에, 저항(63)의 저항값 Rps 혹은 컨덴서(64)의 용량 Cps를 조정(저항(63)과 컨덴서(64)의 단수의 조정도 포함함)함으로써, 원하는 위상차 θps를 용이하게 설정할 수 있다.

위상 시프트 회로(3)로서는, 지연 회로(적분 회로)에 의한 위상의 지연을 이용한 것에 한하지 않고, 진행 회로(미분 회로)에 의한 위상의 진행을 이용한 것을 이용해도 된다.

최근, 진동 자이로 유닛을 탑재하는 기기의 소형화 및 저가격화에 수반하여, 진동 자이로 유닛에도 소형화 및 저가격화가 구해져 오고 있고, 진동 자이로용 회로는 1개의 반도체 칩에 IC화되어 있다. 그 회로의 제조에서는, 우선, IC화하기 전의 단계에서, 도 5에 도시하는 바와 같은 위상차 θ와 감도 S와의 관계를 구하고, 이에 기초하여, 상기 저항(63)의 저항값 Rps 혹은 컨덴서(64)의 용량 Cps를 조정하여, 높은 감도를 얻을 수 있는 위상차의 설정값 θps를 결정한다. 그리고, 그 설정값 θps로 IC화하고, 그 IC의 출력을 오실로스코프로 관찰하여, 올바른 설정으로 되어 있는지를 확인한다.

이 확인에 의해, 원하는 감도가 얻어지지 않은 경우에는, θps를 재설정한다. 예를 들면, 저항(63)은 다수의 저항이 퓨즈에 의해서 접속된 구성을 갖고, 레이저나 고전압을 가하는 등의 수단에 의해서 임의의 개소의 퓨즈를 절단함으로써 저항(63)의 저항값 Rps를 조정하고, θps를 조정한다.

또한, 설정값 θps를 결정함에 있어서는, 도 5에 도시하는 바와 같은 특성도를 복수개의 진동 자이로에 대하여 구하고, 이들 복수의 특성도의 통계적 데이터로부터 결정한다. 혹은, 1개의 진동 자이로의 특성도로부터 결정하여도 된다. 그리고, 설정값 θps는, 구조, 치수, 재질, 제조 조건 등이 동일한, 동 규격의 진동 자 이로에 대하여 공통되어 적용된다.

[제2 실시 형태]

다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 상기 제1 실시 형태와 동일한 구성 부분에는 동일한 부호를 붙여 그 상세한 설명은 생략한다.

제2 실시 형태에 따른 진동 자이로(41)의 사시도를 도 8에, 단면도를 도 9에 도시한다. 진동 자이로(41)는, 단면 정삼각형의 삼각주 형상의 진동자(42)와, 이 진동자(42)의 3개의 측면에 각각 접착된 3개의 압전 소자(43a, 43b, 43c)로 구성된다. 압전 소자(43c)는 진동 자이로(41)에 구동 신호를 공급하기 위한 구동편으로서 기능하고, 압전 소자(43a, 43b)는 진동 자이로(41)에 가해진 회전 각속도에 따른 신호를 검출하기 위한 검출편으로서 기능한다.

진동자(42)는, 예를 들면, 아몰퍼스 카본, 엘린바, Fe-Ni 합금, 석영, 글래스, 수정, 세라믹스 등의 기계적 굴곡 진동을 발생하는 재료로 이루어진다. 3개의 압전 소자(43a～43c)는, 모두 동일한 형상(직방체 형상), 동일한 치수를 가지며, 진동자(42)의 길이 방향의 중심축에 관해서 대칭으로 배치되어 있다.

진동 자이로(41)는, 도 7에 도시하는 진동 자이로용 회로에 접속되고, 이 회로와 진동 자이로(41)로부터 제2 실시 형태에 따른 진동 자이로 유닛이 구성된다. 진동 자이로용 회로는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 가산 회로(1)와, 발진 회로(2)와, 차동 증폭 회로(4)와, 동기 검파 회로(5)와, 위상 시프트 회로(3)와, 직류 증폭 회로(6)를 구비한다. 진동 자이로(41)와 가산 회로(1)와 발진 회로(2)는, 진동 자이로(41)의 굴곡 진동의 공진 주파수로 진동 자이로(41)를 자려 발진 구동 시키는 자려 발진 회로(7b)를 구성한다.

발진 회로(2)의 출력 신호 Vgo는, 구동편인 압전 소자(43c)에 가해진다. 검출편인 압전 소자(43b)의 출력 신호 Vgl과 압전 소자(43a)의 출력 신호 Vgr은, 가산 회로(1)에 입력되어 가산된다. 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa는, 발진 회로(2)와 위상 시프트 회로(3)에 입력된다.

또한, 압전 소자(43b)의 출력 신호 Vgl과, 압전 소자(43a)의 출력 신호 Vgr은, 차동 증폭 회로(4)에도 입력된다. 차동 증폭 회로(4)는, Vgl과 Vgr와의 차에 따른 신호 Vda를 출력하고, 그 신호 Vda는 동기 검파 회로(5)로써, 위상 시프트 회로(3)가 출력하는 타이밍 신호 Vck에 동기하여 검파된다. 직류 증폭 회로(6)는, 동기 검파 회로(5)로 동기 검파된 직류 신호 Vsd를 증폭하여 신호 S를 출력한다.

진동 자이로(41)는 자려 발진 회로(7b)에 의해서 구동되고, 압전 소자(43c)가 접착된 면, 및 길이 방향에 직교하는 방향(도 7에서 y 방향)으로 굴곡 진동한다. 진동 자이로(41)의 길이 방향의 중심축 C의 주위에 회전 각속도가 가해지지 않은 상태에서는, 압전 소자(43b)와 압전 소자(43a)의 왜곡은 완전히 동일하게 발생하기 때문에 압전 소자(43b)로부터의 출력 신호 Vgl과 압전 소자(43a)로부터의 출력 신호 Vgr은 진폭, 위상 모두 동일하며, 따라서 차동 증폭 회로(4)의 출력은 0이다.

진동 자이로(41)가 y 방향으로 굴곡 진동하고 있는 상태에서, 진동 자이로(41)의 길이 방향의 중심축 C의 주위에 회전 각속도가 가해진 경우에는, 길이 방향 및 y 방향의 양 방향에 대하여 직각인 x 방향으로 코리올리력이 발생하고, 그 코리올리력에 의해서 굴곡 진동의 방향이 변하여, 2개의 검출편(압전 소자(43a, 43b)) 사이에 출력차가 발생한다.

즉, 압전 소자(43b)로부터의 출력 신호 Vgl과, 압전 소자(43a)로부터의 출력 신호 Vgr 사이에 차(Vgl-Vgr)가 발생하고, 차동 증폭 회로(4)로부터는 그 차(Vgl-Vgr)에 비례한 출력 신호 Vda가 얻어진다.

회전 각속도가 가해졌을 때의 압전 소자(43b)의 출력 신호 Vgl은, 진동 자이로(41)에 공급되는 구동 신호에 따른 출력 신호와, 코리올리력에 따른 출력 신호 Vcl이 중첩된 신호이다. 마찬가지로, 회전 각속도가 가해졌을 때의 압전 소자(43a)의 출력 신호 Vgr은, 진동 자이로(41)에 공급되는 구동 신호에 따른 출력 신호와, 코리올리력에 따른 출력 신호 Vcr이 중첩된 신호이다.

상기 구동 신호에 따른 압전 소자(43b)의 출력 신호와 압전 소자(43a)의 출력 신호는, 동상이고 동일한 크기의 신호이기 때문에 차동 증폭 회로(4)에서 상쇄된다. 이에 대하여, 코리올리력에 따른 압전 소자(43b)의 출력 신호 Vcl과 압전 소자(43a)의 출력 신호 Vcr은, 역상으로 동일한 크기의 신호이다. 따라서, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda는 (Vcl-Vcr)에 비례로 되어, 차동 증폭 회로(4)로부터는 회전 각속도의 크기에 따른 신호만이 출력된다.

또한, 코리올리력에 따른 압전 소자(43b)의 출력 신호 Vcl과 압전 소자(43a)의 출력 신호 Vcr은, 역상으로 동일한 크기의 신호이기 때문에, 가산 회로(1)에서는 상쇄된다. 따라서, 발생하는 코리올리력에는 상관없이, 진동 자이로(41)에는 일정한 구동 신호가 공급된다. 또한, 구동 신호는, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa 와 동상이고, 진폭은 비례 관계에 있다.

그리고, 제2 실시 형태에서도, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 타이밍 신호 Vck의, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa로부터의 위상 시프트량을, 실제로 Vsa와 Vda 사이에서 발생하고 있는 위상차에 따라서 설정한다. 그리고, 그 설정된 위상차 θps의 분만큼 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa로부터 위상 시프트된 타이밍 신호 Vck의 타이밍으로, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 동기 검파를 행한다. 따라서, 위상 시프트 회로(3)는, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa로부터 위상을 θps만큼 시프트한 방형파 형상의 타이밍 신호 Vck를 만들고, 동기 검파 회로(5)에 동기 검파용의 타이밍 신호로서 공급한다.

동기 검파 회로(5)는, 교류 신호인 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda를, 타이밍 신호 Vck에 동기하여 전파 정류함으로써 신호 Vfr로 변환한 후, 적분(혹은 평활화)하여, 직류 신호 Vsd를 출력한다. 이 신호 Vsd는, 진동 자이로(41)에 가해진 회전 각속도의 방향에 따른 극성을 가지며, 그 회전 각속도의 크기에 비례한다. 그리고, 직류 증폭 회로(6)는 그 신호 Vsd를 소정의 크기까지 직류 증폭하여 신호 S를 출력한다.

본 실시 형태에서도, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 검파 감도, 즉 진동 자이로(41)에 가해진 회전 각속도의 검출 감도와, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa에 대한 타이밍 신호 Vck의 위상 시프트량 θ과의 관계가 미리 구해지고, 이에 기초하여 위상차 θps가 설정된다. 따라서, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa에 대한 위상 시프트량이 그 θps로 설정된 타이밍 신호 Vck에 의해, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 동기 검파를 행하면, Vda의 검파 감도를 높일 수 있으며, 결과적으로 진동 자이로(41)에 가해진 회전 각속도의 검출 감도를 높일 수 있다.

[제3 실시 형태]

다음으로, 본 발명의 제3 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 상기 제1 실시 형태와 동일한 구성 부분에는 동일한 부호를 붙여서 그 상세한 설명은 생략한다.

제3 실시 형태에 따른 진동 자이로(51)의 사시도를 도 11에, 단면도를 도 12에 도시한다. 진동 자이로(51)는, 원주 형상의 진동자(52)와, 이 진동자(52)의 외주면에 형성된 전극(53a～53f)으로 구성된다. 전극(53a, 53b, 53c)은 각각 독립하고, 전극(53d～53f)은 공통 그라운드에 접속된다. 전극(53c)은 진동 자이로(51)에 구동 신호를 공급하기 위한 구동편으로서 기능하고, 전극(53a, 53b)은 진동 자이로(51)에 가해진 회전 각속도를 검출하기 위한 검출편으로서 기능한다.

진동자(52)는 압전 세라믹스 등의 압전체로 이루어진다. 모든 전극(53a～53f)은 진동자(52)의 길이 방향과 평행하게 되도록 배치되어 있다. 또한, 각각의 전극(53a～53f)은, 진동자(52)를 단면하여 나타나는 원의 원주를 6등분한 위치에 배치되어 있다.

진동 자이로(51)는, 도 10에 도시하는 진동 자이로용 회로에 접속되고, 이 회로와 진동 자이로(51)로부터 제3 실시 형태에 따른 진동 자이로 유닛이 구성된다. 진동 자이로용 회로는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 가산 회로(1)와, 발진 회로(2)와, 차동 증폭 회로(4)와, 동기 검파 회로(5)와, 위상 시프트 회로(3)와, 직류 증폭 회로(6)를 구비한다. 진동 자이로(51)와 가산 회로(1)와 발진 회로(2)는, 진동 자이로(51)의 굴곡 진동의 공진 주파수로 진동 자이로(51)를 자려 발진 구동시키는 자려 발진 회로(7c)를 구성한다.

발진 회로(2)의 출력 신호 Vgo는, 구동편인 전극(53c)에 가해진다. 검출편인 전극(53a)의 출력 신호 Vgl과 전극(53b)의 출력 신호 Vgr은, 가산 회로(1)에 입력되어 가산된다. 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa는, 발진 회로(2)와 위상 시프트 회로(3)에 입력된다.

또한, 전극(53a)의 출력 신호 Vgl과, 전극(53b)의 출력 신호 Vgr은, 차동 증폭 회로(4)에도 입력된다. 차동 증폭 회로(4)는, Vgl과 Vgr와의 차에 따른 신호 Vda를 출력하고, 그 신호 Vda는 동기 검파 회로(5)에서, 위상 시프트 회로(3)가 출력하는 타이밍 신호 Vck에 동기하여 검파된다. 직류 증폭 회로(6)는, 동기 검파 회로(5)로 동기 검파된 직류 신호 Vsd를 증폭하여 신호 S를 출력한다.

진동 자이로(51)는 자려 발진 회로(7c)에 의해서 구동되고, 구동편인 전극(53c)의 표면, 및 길이 방향에 직교하는 방향(도 10에서 y 방향)으로 굴곡 진동한다. 진동 자이로(51)의 길이 방향의 중심축 C의 주위에 회전 각속도가 가해지지 않은 상태에서는, 전극(53a)과 전극(53b)의 왜곡은 완전히 동일하게 발생하기 때문에 전극(53a)으로부터의 출력 신호 Vgl과 전극(53b)으로부터의 출력 신호 Vgr은 진폭, 위상 모두 동일하며, 따라서 차동 증폭 회로(4)의 출력은 0이다.

진동 자이로(51)가 y 방향으로 굴곡 진동하고 있는 상태에서, 진동 자이로(51)의 길이 방향의 중심축 C의 주위에 회전 각속도가 가해진 경우에는, 길이 방 향 및 y 방향의 양 방향에 대하여 직각인 x 방향으로 코리올리력이 발생하고, 그 코리올리력에 의해서 굴곡 진동의 방향이 변하여, 2개의 검출편(전극(53a, 53b)) 사이에 출력차가 발생한다.

즉, 전극(53a)으로부터의 출력 신호 Vgl과, 전극(53b)으로부터의 출력 신호 Vgr 사이에 차(Vgl-Vgr)가 발생하고, 차동 증폭 회로(4)로부터는 그 차(Vgl-Vgr)에 비례한 출력 신호 Vda가 얻어진다.

회전 각속도가 가해졌을 때의 전극(53a)의 출력 신호 Vgl은, 진동 자이로(51)에 공급되는 구동 신호에 따른 출력 신호와, 코리올리력에 따른 출력 신호 Vcl이 중첩된 신호이다. 마찬가지로, 회전 각속도가 가해졌을 때의 전극(53b)의 출력 신호 Vgr은, 진동 자이로(51)에 공급되는 구동 신호에 따른 출력 신호와, 코리올리력에 따른 출력 신호 Vcr이 중첩된 신호이다.

상기 구동 신호에 따른 전극(53a)의 출력 신호와 전극(53b)의 출력 신호는, 동상이고 동일한 크기의 신호이기 때문에 차동 증폭 회로(4)에서 상쇄된다. 이들에 대하여, 코리올리력에 따른 전극(53a)의 출력 신호 Vcl과 전극(53b)의 출력 신호 Vcr은, 역상으로 동일한 크기의 신호이다. 따라서, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda는 (Vcl-Vcr)에 비례로 되어, 차동 증폭 회로(4)로부터는 회전 각속도의 크기에 따른 신호만이 출력된다.

또한, 코리올리력에 따른 압전 소자(53a)의 출력 신호 Vcl과 압전 소자(53b)의 출력 신호 Vcr이란, 역상으로 동일한 크기의 신호이기 때문에, 가산 회로(1)에서는 상쇄된다. 따라서, 발생하는 코리올리력에는 상관없이, 진동 자이로(51)에는 일정한 구동 신호가 공급된다. 또한, 구동 신호는, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa와 동상이며, 진폭은 비례 관계에 있다.

그리고, 제3 실시 형태에서도, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 타이밍 신호 Vck의, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa로부터의 위상 시프트량을, 실제로 Vsa와 Vda 사이에서 발생하고 있는 위상차에 따라서 설정한다. 그리고, 그 설정된 위상차 θps의 분만큼 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa로부터 위상 시프트된 타이밍 신호 Vck의 타이밍으로, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 동기 검파를 행한다. 따라서, 위상 시프트 회로(3)는, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa로부터 위상을 θps만큼 시프트한 방형파 형상의 타이밍 신호 Vck를 만들고, 동기 검파 회로(5)에 동기 검파용 타이밍 신호로서 공급한다.

동기 검파 회로(5)는, 교류 신호인 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda를, 타이밍 신호 Vck에 동기하여 전파 정류함으로써 신호 Vfr로 변환한 후, 적분(혹은 평활화)하고, 직류 신호 Vsd를 출력한다. 이 신호 Vsd는, 진동 자이로(51)에 가해진 회전 각속도의 방향에 따른 극성을 가지며, 그 회전 각속도의 크기에 비례한다. 그리고, 직류 증폭 회로(6)는 그 신호 Vsd를 소정의 크기까지 직류 증폭하여 신호 S를 출력한다.

본 실시 형태에서도, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 검파 감도, 즉 진동 자이로(51)에 가해진 회전 각속도의 검출 감도와, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa에 대한 타이밍 신호 Vck의 위상 시프트량 θ과의 관계가 미리 구해지고, 이에 기초하여 위상차 θps가 설정된다. 따라서, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa에 대한 위상 시프트량이 그 θps로 설정된 타이밍 신호 Vck에 의해, 차동 증폭 회로(4)의 출력 신호 Vda의 동기 검파를 행하면, Vda의 검파 감도를 높일 수 있어, 결과적으로 진동 자이로(51)에 가해진 회전 각속도의 검출 감도를 높일 수 있다.

또한, 상기 각 실시 형태에서는, 위상차 θps를, 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa에 대한 타이밍 신호 Vck의 위상차로 하였지만, 발진 회로(2)의 출력 신호 Vgo는 가산 회로(1)의 출력 신호 Vsa와 동상 또한 진폭 비례의 관계에 있기 때문에, 위상차 θps를, 발진 회로(2)의 출력 신호 Vgo에 대한 타이밍 신호 Vck의 위상차로 하여도 된다.

본 발명의 진동 자이로용 회로에 의하면, 구동 신호에 대한 동기 검파용 타이밍 신호의 위상차는, 진동 자이로를 구동시켜 회전 각속도를 가한 상태에서 미리 구해진, 차동 증폭 회로의 출력 신호의 검파 감도의 위상차 특성에 기초하여 설정되므로, 진동 자이로의 종류나 구조에 의해서 높은 감도가 얻어지는 위상차가 상이하더라도, 그 높은 감도를 얻을 수 있는 위상차로 설정할 수 있으며, 이 결과, 회전 각속도의 검출이 고감도로 행해져서, 대 잡음비(S/N비)를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 진동 자이로 유닛에 따르면, 구동 신호에 대한 동기 검파용의 타이밍 신호의 위상차는, 진동 자이로를 구동시켜 회전 각속도를 가한 상태에서 미리 구해진, 차동 증폭 회로의 출력 신호의 검파 감도의 위상차 특성에 기초하여 설정되므로, 진동 자이로의 종류나 구조에 의해서 높은 감도가 얻어지는 위상차가 상이하더라도, 그 높은 감도를 얻을 수 있는 위상차로 설정할 수 있으며, 이 결과, 회 전 각속도의 검출이 고감도로 행해져서, 대 잡음비(S/N비)를 향상시킬 수 있다. 또한, 일반적으로 진동 자이로가 소형으로 되면 감도는 저하하기 때문에, 회전 각속도를 고감도로 검출할 수 있다는 것은, 진동 자이로의 소형화를 도모하는 데에 있어서 유리하게 된다.

본 발명의 진동 자이로의 출력 검출 방법에 따르면, 구동 신호에 대한 동기 검파용의 타이밍 신호의 위상차는, 진동 자이로를 구동시켜 회전 각속도를 가한 상태에서 미리 구해진, 진동 자이로의 2개의 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호의 검파 감도의 위상차 특성에 기초하여 설정되므로, 진동 자이로의 종류나 구조에 의해서 높은 감도가 얻어지는 위상차가 상이하더라도, 그 높은 감도를 얻을 수 있는 위상차로 설정할 수 있으며, 이 결과, 회전 각속도의 검출이 고감도로 행해져서, 대 잡음비(S/N비)를 향상시킬 수 있다.

Claims

진동 자이로의 2개의 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호를 출력하는 차동 증폭 회로와,

상기 차동 증폭 회로의 출력 신호를 동기 검파하는 동기 검파 회로와,

상기 진동 자이로에 공급되는 구동 신호에 대하여 위상이 시프트된 신호를 상기 동기 검파용의 타이밍 신호로서 상기 동기 검파 회로에 공급하는 위상 시프트 회로를 구비한 진동 자이로용 회로로서,

상기 구동 신호와 상기 타이밍 신호와의 위상차는, 상기 진동 자이로를 구동시켜 회전 각속도를 가한 상태에서 미리 구해진, 상기 차동 증폭 회로의 출력 신호의 검파 감도의 위상차 특성에 기초하여 설정된 것을 특징으로 하는 진동 자이로용 회로.
제1항에 있어서,

상기 위상 시프트 회로는, 저항과 컨덴서로 이루어지는 적분 회로를 포함하고, 상기 적분 회로는, 상기 구동 신호의 입력을 받아, 상기 구동 신호를 상기 저항과 상기 컨덴서의 시상수로 결정되는 상기 위상차만큼 지연시키는 것을 특징으로 하는 진동 자이로용 회로.
2개의 검출편을 갖는 진동 자이로와,

상기 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호를 출력하는 차동 증폭 회로와,

상기 차동 증폭 회로의 출력 신호를 동기 검파하는 동기 검파 회로와,

상기 진동 자이로에 공급되는 구동 신호에 대하여 위상이 시프트된 신호를 상기 동기 검파용의 타이밍 신호로서 상기 동기 검파 회로에 공급하는 위상 시프트 회로를 구비한 진동 자이로 유닛으로서,

상기 구동 신호와 상기 타이밍 신호와의 위상차는, 상기 진동 자이로를 구동시켜 회전 각속도를 가한 상태에서 미리 구해진, 상기 차동 증폭 회로의 출력 신호의 검파 감도의 위상차 특성에 기초하여 설정된 것을 특징으로 하는 진동 자이로 유닛.
제3항에 있어서,

상기 위상 시프트 회로는, 저항과 컨덴서로 이루어지는 적분 회로를 포함하고, 상기 적분 회로는, 상기 구동 신호의 입력을 받아, 상기 구동 신호를 상기 저항과 상기 컨덴서의 시상수로 결정되는 상기 위상차만큼 지연시키는 것을 특징으로 하는 진동 자이로 유닛.
진동 자이로의 2개의 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호를, 상기 진동 자이로에 공급되는 구동 신호에 대하여 위상이 시프트된 타이밍 신호로 동기 검파함으로써 상기 진동 자이로에 가해진 회전 각속도를 검출하는 진동 자이로의 출력 검출 방법으로서,

상기 구동 신호와 상기 타이밍 신호와의 위상차를, 상기 진동 자이로를 구동시켜 회전 각속도를 가한 상태에서 미리 구해진, 상기 검출편의 출력 신호의 차에 따른 신호의 검파 감도의 위상차 특성에 기초하여 설정하고, 이 설정된 위상차만큼 상기 구동 신호에 대하여 위상이 시프트된 상기 타이밍 신호로 상기 동기 검파를 행하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로의 출력 검출 방법.
제5항에 있어서,

상기 위상차를, 저항과 컨덴서로 구성되어 상기 구동 신호의 입력을 받아 상기 구동 신호를 지연시키는 적분 회로의 상기 저항의 저항값의 조정에 의해 설정하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로의 출력 검출 방법.
제5항에 있어서,

상기 위상차를, 저항과 컨덴서로 구성되어 상기 구동 신호의 입력을 받아 상기 구동 신호를 지연시키는 적분 회로의 상기 컨덴서의 용량의 조정에 의해 설정하는 것을 특징으로 하는 진동 자이로의 출력 검출 방법.