WO2006040931A1

WO2006040931A1 - 振動ジャイロ用回路、振動ジャイロユニット、振動ジャイロの出力検出方法

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Publication number: WO2006040931A1
Application number: PCT/JP2005/017853
Authority: WO
Inventors: Kazuo Kurihara
Original assignee: Sony Corporation
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2006-04-20
Also published as: US7665360B2; KR20070051771A; EP1798520A4; KR101158937B1; EP1798520A1; CN1918452B; JP2006105896A; US20080276708A1; CN1918452A; JP4543866B2

Abstract

　振動ジャイロ（３１）の２つの検出片の出力信号の差（Ｖgl－Ｖgr）に応じた信号Ｖdaを出力する差動増幅回路（４）と、差動増幅回路（４）の出力信号Ｖdaを同期検波する同期検波回路（５）と、振動ジャイロ（３１）に供給される駆動信号（加算回路１の出力信号）Ｖsaに対して位相がシフトされた信号を同期検波用のタイミング信号Ｖckとして同期検波回路（５）に供給する移相回路（３）とを備え、駆動信号Ｖsaとタイミング信号Ｖckとの位相差θpsは、振動ジャイロ（３１）を駆動させて回転角速度が加えた状態で予め求められた、差動増幅回路（４）の出力信号Ｖdaの検波感度Ｓの位相差特性に基づいて設定された、高感度に回転角速度を検出できる振動ジャイロ用回路、振動ジャイロユニット、振動ジャイロの出力検出方法を提供する。

Description

明細書

振動ジャイロ用回路、振動ジャイロユニット、振動ジャイロの出力検出方法技術分野

[0001] 本発明は、振動している振動子に回転角速度が加わると生じるコリオリカに応じた信号を検出することにより、その加えられた回転角速度を検出する振動ジャイロ用回路、振動ジャイロユニット、振動ジャイロの出力検出方法に関し、詳しくは、上記コリオリカに応じた信号の検波タイミングを振動ジャイロの特性に合わせて最適に設定した振動ジャイロ用回路、振動ジャイロユニット、振動ジャイロの出力検出方法に関する。背景技術

[0002] 従来より、回転角速度を検出するセンサとしてジャイロが知られている。ジャイロの中でも特に振動子を用いて、るものは振動ジャイロと呼ばれ、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの手振れ検知、カーナビゲーシヨンシステムにおける方向検知、自動車などの移動体の姿勢制御と、つた様々な用途に広く用いられて、る。

[0003] 振動ジャイロとしては、四角柱状や三角柱状の振動子に圧電素子を貼り付けたものや、圧電セラミックスなど力なる円柱状の振動子に電極を印刷したものが実用化されている（例えば、特開 2000— 337883号公報参照）。

[0004] 図 13は、従来の振動ジャイロユニットの構成ブロック図の一例を示す。振動子 32と、これに貼り付けられた圧電素子 33a、 33bとからなる振動ジャイロ 31は、振動ジャィ口用回路に接続されている。振動ジャイロ用回路は、加算回路 1と、発振回路 2と、差動増幅回路 4と、同期検波回路 5と、移相回路 13と、直流増幅回路 6とを備える。振動ジャイロ 31と加算回路 1と発振回路 2は、振動ジャイロ 31の屈曲振動の共振周波数で振動ジャイロ 31を自励発振駆動させる自励発振回路 7aを構成する。

[0005] 発振回路 2の出力信号は、振動子 32に入力され、さらに振動子 32表面の導電めつきを介して圧電素子 33a、 33bにカロわる。圧電素子 33bの出力信号と、圧電素子 33a の出力信号は、加算回路 1に入力され加算される。加算回路 1の出力信号は、発振回路 2と移相回路 13に入力される。

[0006] また、圧電素子 33bの出力信号と、圧電素子 33aの出力信号は、差動増幅回路 4 にも入力される。差動増幅回路 4は、圧電素子 33bの出力信号と、圧電素子 33aの出力信号との差に応じた信号を出力し、その信号は同期検波回路 5にて、移相回路 13が出力するタイミング信号に同期して検波される。直流増幅回路 6は、同期検波回路 5で同期検波された直流信号を増幅する。

[0007] 振動ジャイロ 31は自励発振回路 7aによって駆動され、長手方向に直交する方向に屈曲振動する。振動ジャイロ 31の長手方向の中心軸のまわりに回転角速度が加わつてヽな、状態では、圧電素子 33bと圧電素子 33aの歪みは全く同じように生じるので圧電素子 33bからの出力信号と、圧電素子 33aからの出力信号は振幅、位相共に同一であり、したがって差動増幅回路 4の出力は 0である。

[0008] 振動ジャイロ 31が上述のように屈曲振動している状態で、振動ジャイロ 31の長手方向の中心軸のまわりに回転角速度が加わった場合には、長手方向及び屈曲振動方向に対して直角な方向にコリオリカが発生し、そのコリオリカによって屈曲振動の向きが変わり、 2つの検出片 (圧電素子 33a、 33b)間に出力差が生じ、差動増幅回路 4からはその差に比例した出力信号が得られる。

[0009] 回転角速度が加わったときの圧電素子 33bの出力信号は、振動ジャイロ 31に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリカに応じた出力信号とが重畳された信号である。同様に、回転角速度が加わったときの圧電素子 33aの出力信号は、振動ジャイロ 31に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリカに応じた出力信号とが重畳された信号である。

[0010] 上記駆動信号に応じた圧電素子 33bの出力信号と圧電素子 33aの出力信号とは、同相で同じ大きさの信号であるため差動増幅回路 4で相殺される。これに対して、コリオリ力に応じた圧電素子 33bの出力信号と圧電素子 33aの出力信号とは、逆相で同じ大きさの信号である。したがって、差動増幅回路 4の出力信号は、圧電素子 33bからの出力信号と圧電素子 33aからの出力信号との差に比例となり、差動増幅回路 4からは回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。なお、振動ジャイロ 31を駆動するための駆動信号は、加算回路 1の出力信号と同相であり、振幅は比例関係にある。

[0011] コリオリカは駆動信号による屈曲振動の方向に対して直交する方向に発生するため、コリオリカに応じて差動増幅回路 4から出力される信号は、原理上は、駆動信号と相関がある（同相の)加算回路 1の出力信号の振幅最大点で 0となり、加算回路 1の出力信号のゼロクロス点で最大となり、加算回路 1の出力信号と、差動増幅回路 4の出力信号との位相差は 90°となる。したがって、同期検波回路 5は、加算回路 1の出力信号との間に 90°の位相差を持つ移相回路 13の出力信号のタイミングで差動増幅回路 4の出力信号を検波すればょ、。

発明の開示

[0012] 従来においては、差動増幅回路 4の出力信号は、加算回路 1の出力信号に対して 90°の位相差を持つことを前提とした信号処理を行っている。しかし、振動ジャイロ 31 の構造、材質、寸法などに起因する要因によって、加算回路 1の出力信号と、差動増幅回路 4の出力信号との位相差は必ずしも 90°になるとは限らない。したがって、上記位相差が 90°ではない特性を有する振動ジャイロに対して、加算回路 1の出力信号から位相が 90°シフトされた移相回路 13のタイミング信号で、差動増幅回路 4の出力信号を同期検波してしまうと、差動増幅回路 4の出力信号の検波感度、すなわち回転角速度の検出感度が最大と成り得ず、またノイズは振動ジャイロの構造、材質、寸法などによってあまり変わらないので、回転角速度の検出に際しての SZN比が悪ィ匕すること〖こなる。

[0013] 本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、高感度に回転角速度を検出できる振動ジャイロ用回路、振動ジャイロユニット、振動ジャイロの出力検出方法を提供することにある。

[0014] 本発明は前記課題を解決するため以下の構成を採用した。

すなわち、本発明の振動ジャイロ用回路は、振動ジャイロの 2つの検出片の出力信号の差に応じた信号を出力する差動増幅回路と、差動増幅回路の出力信号を同期検波する同期検波回路と、振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされた信号を同期検波用のタイミング信号として同期検波回路に供給する移相回路とを備え、駆動信号とタイミング信号との位相差は、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、差動増幅回路の出力信号の検波感度の位相差特性に基づ！/ヽて設定された。 [0015] また、本発明の振動ジャイロユニットは、 2つの検出片を有する振動ジャイロと、それら検出片の出力信号の差に応じた信号を出力する差動増幅回路と、差動増幅回路の出力信号を同期検波する同期検波回路と、振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされた信号を同期検波用のタイミング信号として同期検波回路に供給する移相回路とを備え、駆動信号とタイミング信号との位相差は、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、差動増幅回路の出力信号の検波感度の位相差特性に基づ、て設定された。

[0016] ここで、振動ジャイロの 2つの検出片の出力信号の差は、振動ジャイロに回転角速度が加わって、な、状態では 0であり、回転角速度が加えられるとその回転角速度に応じた大きさとなる。したがって、差動増幅回路は、振動ジャイロに回転角速度がカロわって、な、状態では出力が 0であり、回転角速度が加えられるとその回転角速度に応じた大きさの信号を出力する。差動増幅回路の出力信号は交流信号であり、同期検波回路は、その差動増幅回路の出力信号を同期検波して直流に整流する。移相回路は、その同期検波のためのタイミング信号を作り、そのタイミング信号に同期して差動増幅回路の出力信号は整流される。

[0017] タイミング信号は、振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされており、その位相のシフト量 (駆動信号とタイミング信号との位相差）は、振動ジャイロが駆動されて回転角速度が加えられた状態で予め求められた、差動増幅回路の出力信号の検波感度の位相差特性に基づ、て設定されて、る。差動増幅回路の出力信号の検波感度とは、差動増幅回路の出力信号の整流後の直流信号の大きさであり、振動ジャイロに加わった回転角速度の検出感度に対応する。すなわち、本発明では

、上記位相差を様々に変えた場合のその位相差と回転角速度の検出感度との関係を予め求め、これに基づいて、高い感度が得られる位相差を設定値として設定する。従来のように、上記位相差を 90°に固定するのではなぐ振動ジャイロの特性に合わせて最適な位相差の設定を行うことができ、回転角速度の高感度の検出を実現する

[0018] また、移相回路としては、入力される駆動信号を、抵抗とコンデンサの時定数で決められる位相差だけ遅延させる積分回路を含む構成とすれば、抵抗の抵抗値の調整 (抵抗の段数を変えることによる抵抗値の調整も含む)またはコンデンサの容量の調整 (コンデンサの段数を変えることによる容量の調整も含む）により簡単に所望の位相差に設定でき、また回路構成も簡単であり、安価に上述した機能を有する移相回路を実現できる。

[0019] また、本発明の振動ジャイロの出力検出方法は、振動ジャイロの 2つの検出片の出力信号の差に応じた信号を、前記振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされたタイミング信号で同期検波することで前記振動ジャイロに加えられた回転角速度を検出する振動ジャイロの出力検出方法であって、

振動ジャイロに供給される駆動信号と、この駆動信号に対して位相がシフトされたタイミング信号との位相差を、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、振動ジャイロの 2つの検出片の出力信号の差に応じた信号の検波感度の位相差特性に基づ!ヽて設定し、この設定された位相差の分駆動信号に対して位相がシフトされたタイミング信号で、 2つの検出片の出力信号の差に応じた信号の同期検波を行う。

[0020] ここで、振動ジャイロの 2つの検出片の出力信号の差は、振動ジャイロに回転角速度が加わって、な、状態では 0であり、回転角速度が加えられるとその回転角速度に応じた大きさとなる。したがって、それら検出片の出力信号の差に応じた信号は、振動ジャイロに回転角速度が加わって、な、状態では 0であり、回転角速度が加えられるとその回転角速度に応じた大きさの信号となる。この検出片の出力信号の差に応じた信号は交流信号であり、これは、振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされたタイミング信号に同期して検波されて直流に整流される。

[0021] そのタイミング信号の位相シフト量 (駆動信号とタイミング信号との位相差）は、振動ジャイロが駆動されて回転角速度が加えられた状態で予め求められた、検出片の出力信号の差に応じた信号の検波感度の位相差特性に基づ、て設定されて、る。検出片の出力信号の差に応じた信号の検波感度とは、検出片の出力信号の差に応じた信号の整流後の直流信号の大きさであり、振動ジャイロに加わった回転角速度の検出感度に対応する。すなわち、本発明では、上記位相差を様々に変えた場合のその位相差と回転角速度の検出感度との関係を予め求め、これに基づいて、高い感度が得られる位相差を設定値として設定する。従来のように、上記位相差を 90°に固定するのではなぐ振動ジャイロの特性に合わせて最適な位相差の設定を行うことができ、回転角速度の高感度の検出を実現する。

図面の簡単な説明

[0022] [図 1]図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る振動ジャイロユニットの構成を示すプロック図である。

[図 2]図 2は、図 1に示した振動ジャイロの斜視図である。

[図 3]図 3は、同振動ジャイロの断面図である。

[図 4]図 4は、図 1に示した振動ジャイロ用回路の各部における電圧波形のタイムチヤート図である。

[図 5]図 5は、駆動信号と同期検波用のタイミング信号との間の位相差 Θと、回転角速度の検出感度 Sとの関係の一例を示すグラフである。

[図 6]図 6は、図 1に示した移相回路の一例を示す回路図である。

[図 7]図 7は、本発明の第 2の実施形態に係る振動ジャイロユニットの構成を示すプロック図である。

[図 8]図 8は、図 7に示した振動ジャイロの斜視図である。

[図 9]図 9は、同振動ジャイロの断面図である。

[図 10]図 10は、本発明の第 3の実施形態に係る振動ジャイロユニットの構成を示すブロック図である。

[図 11]図 11は、図 10に示した振動ジャイロの斜視図である。

[図 12]図 12は、同振動ジャイロの断面図である。

[図 13]図 13は、従来例の振動ジャイロユニットの構成を示すブロック図である。

発明を実施するための最良の形態

[0023] 以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなぐ本発明の技術的思想に基づ、て種々の変形が可能である。

[0024] [第 1の実施形態]

図 2は第 1の実施形態に係る振動ジャイロ 31の斜視図であり、図 3はその断面図である。振動ジャイロ 31は、表面に導電体がめっきされた四角柱状の振動子 32と、この振動子 32の第 1の側面 32aに貼り付けられた 2つの圧電素子 33a、 33bとから構成される。圧電素子 33a、 33bは、振動ジャイロ 31に駆動信号を供給するための駆動片と、振動ジャイロ 31に加わった回転角速度に応じた信号を検出するための検出片とを兼ねている。

[0025] 振動子 32は、例えば、アモルファスカーボン、エリンバ、 Fe— Ni合金、石英、ガラス、水晶、セラミックスなどの機械的屈曲振動を生じる材料力もなる。 2つの圧電素子 33 a、 33bは、それぞれ、振動子 32と同じ長さを有する四角柱状を呈し、振動子 32の長手方向に沿って延在し、両者の間に間隙を形成して互いに向き合つている。圧電素子 33aと圧電素子 33bとは、振動子 32の第 1の側面 32aを短手方向に二分する中心線に関して対称である。

[0026] 振動ジャイロ 31は振動ジャイロ用回路に接続され、この回路と振動ジャイロ 31とから振動ジャイロユニットが構成される。振動ジャイロ用回路は、図 1に示すように、加算回路 1と、発振回路 2と、差動増幅回路 4と、同期検波回路 5と、移相回路 3と、直流増幅回路 6とを備える。振動ジャイロ 31と加算回路 1と発振回路 2は、振動ジャイロ 31の屈曲振動の共振周波数で振動ジャイロ 31を自励発振駆動させる自励発振回路 7aを構成する。振動ジャイロ用回路は、例えば 1つの半導体チップに IC (integrated circui t)化されてなる。その半導体チップは、ベアチップあるいはパッケージングされて回路基板に実装され、この回路基板には振動ジャイロ 31も搭載され、振動ジャイロュ- ットを構成する。

[0027] 発振回路 2の出力信号 Vgoは、振動子 32の第 1の側面 32aと対向する第 2の側面 3 2bに入力され、さらに振動子 32表面の導電めつきを介して第 1の側面 32aに貼り付けられた圧電素子 33a、 33bにカロわる。圧電素子 33bの出力信号 Vglと、圧電素子 3 3aの出力信号 Vgrは、加算回路 1に入力され加算される。加算回路 1の出力信号 Vs aは発振回路 2で振幅と位相が調整され、駆動信号として振動ジャイロ 31に供給される。また、加算回路 1の出力信号 Vsaは移相回路 3にも入力される。

[0028] 圧電素子 33bの出力信号 Vglと、圧電素子 33aの出力信号 Vgrは、差動増幅回路 4 にも入力される。差動増幅回路 4は、 Vglと Vgrとの差に応じた信号 Vdaを出力し、その信号 Vdaは同期検波回路 5にて、移相回路 3が出力するタイミング信号 Vckに同期して検波される。直流増幅回路 6は、同期検波回路 5で同期検波された直流信号 Vs dを増幅して信号 Sを出力する。

[0029] 図 4は、上述した各信号波形のタイムチャート図である。左側は振動ジャイロ 31に回転角速度が加わっていないときの各信号波形を示し、右側は振動ジャイロ 31の長手方向の中心軸 C (図 1参照）のまわりに回転角速度が加わったときの各信号波形を示す。

[0030] 振動ジャイロ 31は自励発振回路 7aによって駆動され、第 1、第 2の側面 32a、 32b、および長手方向に直交する方向（図 1にお、て y方向）に屈曲振動する。振動ジャィ口 31の長手方向の中心軸 Cのまわりに回転角速度が加わって、な、状態では、圧電素子 33bと圧電素子 33aの歪みは全く同じように生じるので圧電素子 33bからの出力信号 Vglと圧電素子 33aからの出力信号 Vgrは振幅、位相共に同一であり、したがつて差動増幅回路 4の出力は 0である。

[0031] 振動ジャイロ 31が y方向に屈曲振動している状態で、振動ジャイロ 31の長手方向の中心軸 Cのまわりに回転角速度が加わった場合には、長手方向及び y方向の両方向に対して直角な X方向にコリオリカが発生し、そのコリオリカによって屈曲振動の向きが変わり、 2つの検出片 (圧電素子） 33a、 33b間に出力差が生じる。

[0032] すなわち、圧電素子 33bからの出力信号 Vglと、圧電素子 33aからの出力信号 Vgr との間に差 (Vgl— Vgr)が生じ、差動増幅回路 4からはその差 (Vgl— Vgr)に比例した出力信号 Vdaが得られる。

[0033] 回転角速度が加わったときの圧電素子 33bの出力信号 Vglは、振動ジャイロ 31に供給される駆動信号に応じた出力信号（図 4において破線で示す)と、コリオリカに応じた出力信号 Vcl (図 4において 1点鎖線で示す)とが重畳された信号である。同様に、回転角速度が加わったときの圧電素子 33aの出力信号 Vgrは、振動ジャイロ 31に供給される駆動信号に応じた出力信号（図 4において破線で示す)と、コリオリカに応じた出力信号 Vcr (図 4において 1点鎖線で示す)とが重畳された信号である。

[0034] 上記駆動信号に応じた圧電素子 33bの出力信号と圧電素子 33aの出力信号とは、同相で同じ大きさの信号であるため差動増幅回路 4で相殺される。これに対して、コリオリ力に応じた圧電素子 33bの出力信号 Vclと圧電素子 33aの出力信号 Vcrとは、逆相で同じ大きさの信号である。したがって、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaは (Vcl— Vcr)に比例となり、差動増幅回路 4からは回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。

[0035] また、コリオリカに応じた圧電素子 33bの出力信号 Vclと圧電素子 33aの出力信号 Vcrとは、逆相で同じ大きさの信号であるため、加算回路 1では相殺される。よって、発生するコリオリカには関係なぐ振動ジャイロ 31には一定の駆動信号が供給される。なお、駆動信号は、加算回路 1の出力信号 Vsaと同相であり、振幅は比例関係にある。

[0036] コリオリカに応じて差動増幅回路 4から出力される信号 Vdaは、原理上は、振動ジャイロ 31を駆動するための駆動信号、すなわちこれと同相の加算回路 1の出力信号 Vs aの振幅最大点で 0となり、 Vsaのゼロクロス点で最大となり、加算回路 1の出力信号 V saと、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaとの位相差は 90°となる。

[0037] しかし、振動ジャイロ 31の構造、材質、寸法などに起因する要因によって、加算回路 1の出力信号 Vsaと、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaとの位相差は必ずしも 90°になるとは限らない。図 4の例では、加算回路 1の出力信号 Vsaと差動増幅回路 4の出力信号 Vdaとの位相差 Θ psは 90°より大きくなつている。

[0038] そこで、本実施形態では、タイミング信号 Vckの、加算回路 1の出力信号 Vsaからの位相シフト量を 90°に固定せずに、実際に Vsaと Vdaとの間で生じている位相差に応じて設定する。そして、その設定された位相差 Θ psの分だけ加算回路 1の出力信号 Vsaから位相シフトされたタイミング信号 Vckのタイミングで、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaの同期検波を行う。したがって、移相回路 3は、加算回路 1の出力信号 Vsa から位相を Θ psだけシフトした方形波状のタイミング信号 Vckを作り、同期検波回路 5 に同期検波用のタイミング信号として供給する。

[0039] 同期検波回路 5は、交流信号である差動増幅回路 4の出力信号 Vdaを、タイミング信号 Vckに同期して全波整流することで信号 Vfrに変換した後、積分 (あるいは平滑ィ匕）し、直流信号 Vsdを出力する。すなわち、タイミング信号 Vckがローレベルのときに、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaの負電圧を正電圧の方向に反転して加え合わせる。なお、全波整流としていることで、半波整流の場合に比べ、信号 Vdaの検波感度を高くして、信号 Vsdの値を大きくできる。

[0040] 同期検波回路 5の出力信号 Vsdは、振動ジャイロ 31に加わった回転角速度の方向に応じた極性を有し、その回転角速度の大きさに比例する。そして、直流増幅回路 6 はその信号 Vsdを所定の大きさまで直流増幅して信号 Sを出力する。

[0041] 図 5は、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaの検波感度、すなわち振動ジャイロ 31に加えられた回転角速度の検出感度の位相差特性の一例を示す。縦軸は、直流増幅回路 6の出力信号 Sの大きさである。または、同期検波回路 5の出力信号 Vsdの大きさとしてもよい。横軸は、加算回路 1の出力信号 Vsaに対するタイミング信号 Vckの位相シフト量 Θを表す。

[0042] 図 5に示される特性は、アモルファスカーボンからなり図 2に示すような長さ 7.5mm 、幅 0.58mm、厚さ 0.6mmの寸法の振動子 32と、 PZTからなる圧電素子 33a、 33b とを用いた振動ジャイロ 31を駆動させて上記 y方向に屈曲振動させ、その状態で長手方向の中心軸 Cのまわりに回転角速度を加え、その駆動条件、加えた回転角速度の方向及び大きさを同じ条件とした状態で、上記タイミング信号 Vckの位相シフト量 Θを様々に変えて設定したときの、回転角速度を検出した結果である。

[0043] 図 5から明らかなように、加算回路 1の出力信号 Vsaに対するタイミング信号 Vckの位相シフト量 0が 110°〜150°のときに、高い感度 (最大感度を含む）が得られ、力つその高い感度で安定している。したがって、図 5の特性を有する振動ジャイロ 31については、 Vsaに対するタイミング信号 Vckの位相シフト量の設定値 Θ psを 110°〜1 50°の範囲に収まるようにすれば、そのタイミング信号 Vckに同期して検波される差動増幅回路 4の出力信号 Vdaの検波感度を高めることができ、結果として振動ジャイロ 3 1に加わった回転角速度の検出感度を高めることができる。

[0044] もし、図 5の特性を有するものに対して、従来のように 90°に固定した位相差 Θ psのタイミング信号で差動増幅回路 4の出力信号 Vdaの同期検波を行ってしまうと、信号 Vdaの全波整流及び積分後の直流値力図 4のタイミングで同期検波を行った場合よりも小さくなり、この結果、図 5のグラフからもゎカゝるように信号 Sの値すなわち回転角速度の検出感度が小さくなつてしまう。この場合には、振動ジャイロに加わった回転角速度が小さいとノイズにまぎれて認識できなくなるおそれがある。また、コリオリカは振動ジャイロの質量に比例するため、特に小型化された振動ジャイロではコリオリ力に応じた信号である差動増幅回路 4の出力信号 Vda力 S小さぐよってその信号 Vda を感度良く検波することは重要である。

[0045] なお、図 5に示す特性は一例であって、振動ジャイロの構造、材質、寸法などが変われば、図 5とは異なった特性となる。もちろん、振動ジャイロによっては、タイミング信号 Vckの駆動信号に対する位相差が原理どおりに 90°あるいはこの付近のときに最大感度が得られるものもある。この場合においても、上述のように予め求めた図 5のような感度 Sの位相差特性に基づいて位相差 Θ psは 90°に設定されること〖こなる。

[0046] なお、図 4に示す例では、加算回路 1の出力信号 Vsaに対するタイミング信号 Vckの位相差 Θ psを、加算回路 1の出力信号 Vsaに対する差動増幅回路 4の出力信号 Vsd の位相差に一致させて設定している力必ずしも一致させる必要はなぐ図 5に示した特性図からもわ力るように、最大感度でフラットになって、る位相差範囲では位相差の違いによる感度の違いはない、あるいは実用上無視できるほど小さいため、設定位相差 Θ psはその位相差範囲内に設定すればよい。

[0047] 図 6は、移相回路 3の一例を示す回路図である。この移相回路 3は、入力される加算回路 1の出力信号 Vsaに位相遅れを生じさせる遅延回路として、抵抗 63とコンデンサ 64とから構成される積分回路を有している。抵抗 63の一端は加算回路 1の出力側に接続され、他端はオペアンプ 65の正入力端子に接続されている。コンデンサ 64は、一端が抵抗 63の他端に接続され、他端が接地されている。抵抗 63の一端とォペアンプ 65の出力端子との間には、直列接続された 2つの抵抗 61、 62が接続されている。オペアンプ 65の負入力端子は、抵抗 61と抵抗 62との間に接続されている。ォペアンプ 65の出力端子はコンパレータ 66の入力端子に接続されている。

[0048] 加算回路 1の出力信号 Vsaは、抵抗 63とコンデンサ 64とから構成される積分回路を通った後、オペアンプ 65の正入力端子に入力される。オペアンプ 65の負入力端子の電位は正入力端子の電位となるので、抵抗 61の両端電圧は上記積分回路の出力と、加算回路 1の出力 Vsaとの差分となる。この抵抗 61の両端電圧により流れる電流は抵抗 62にそのまま流れ、オペアンプ 65の出力電圧が決定される。このオペアンプ 65の出力がコンパレータ 66を通ることで図 4に示すような移相回路 3の出力信号 (タイミング信号) Vckを得て、る。

[0049] ここで、抵抗 63の抵抗値を Rpsとし、コンデンサ 64の容量を Cpsとし、抵抗 61の抵抗値と抵抗 62の抵抗値とは等しいとし、加算回路 1の出力信号 Vsaの周波数を foとすると、この移相回路 3の入出力間の位相差、すなわち加算回路 1の出力信号 Vsaに対するタイミング信号 Vckの位相差 Θ psは下記（1)式で決まる。

Θ ps = 2 -tan^_1 (2 - π -Rps - Cps -fo) (1)

[0050] すなわち、時定数 (Rps ' Cps)で位相遅れ量 Θ psが決まるので、抵抗 63の抵抗値 R psあるいはコンデンサ 64の容量 Cpsを調整（抵抗 63とコンデンサ 64の段数の調整も含む)することで、所望の位相差 Θ psを容易に設定できる。

[0051] 移相回路 3としては、遅延回路 (積分回路）による位相の遅れを利用したものに限らず、進み回路 (微分回路）による位相の進みを利用したものを用いてもよい。

[0052] 近年、振動ジャイロユニットを搭載する機器の小型化及び低価格化に伴って、振動ジャイロユニットにも小型化及び低価格ィ匕が求められてきており、振動ジャイロ用回路は 1つの半導体チップに IC化されている。その回路の製造に際しては、先ず、 IC化する前の段階で、図 5に示すような位相差 0と感度 Sとの関係を求め、これに基づいて、上記抵抗 63の抵抗値 Rpsあるいはコンデンサ 64の容量 Cpsを調整して、高い感度を得ることができる位相差の設定値 Θ psを決める。そして、その設定値 Θ psで IC化し、その ICの出力をオシロスコープで観察し、正しい設定となっている力確認する。

[0053] この確認で、所望の感度が得られて、な、場合には、 Θ psを再設定する。例えば、抵抗 63は多数の抵抗がヒューズによって接続された構成を有し、レーザや高電圧を加えるなどの手段によって任意の箇所のヒューズを切断することで抵抗 63の抵抗値 Rpsを調整して、 0 psを調整する。

[0054] なお、設定値 Θ psを決めるにあたっては、図 5に示すような特性図を複数個の振動ジャイロについて求め、これら複数の特性図の統計的データ力も決める。あるいは、 1 個の振動ジャイロの特性図から決めてもよい。そして、設定値 Θ psは、構造、寸法、材質、製造条件などが同じ、同規格の振動ジャイロについて共通して適用される。

[0055] [第 2の実施形態] 次に、本発明の第 2の実施形態について説明する。なお、上記第 1の実施形態と同じ構成部分には同一の符号を付しその詳細な説明は省略する。

[0056] 第 2の実施形態に係る振動ジャイロ 41の斜視図を図 8に、断面図を図 9に示す。振動ジャイロ 41は、断面正三角形の三角柱状の振動子 42と、この振動子 42の 3つの側面にそれぞれ貼り付けられた 3つの圧電素子 43a、 43b、 43cとから構成される。圧電素子 43cは振動ジャイロ 41に駆動信号を供給するための駆動片として機能し、圧電素子 43a、 43bは振動ジャイロ 41に加わった回転角速度に応じた信号を検出するための検出片として機能する。

[0057] 振動子 42は、例えば、アモルファスカーボン、エリンバ、 Fe— Ni合金、石英、ガラス、水晶、セラミックスなどの機械的屈曲振動を生じる材料力もなる。 3つの圧電素子 43 a〜43cは、何れも同じ形状 (直方体状）、同じ寸法を有し、振動子 42の長手方向の中心軸に関して対称に配置されている。

[0058] 振動ジャイロ 41は、図 7に示す振動ジャイロ用回路に接続され、この回路と振動ジャイロ 41とから第 2の実施形態に係る振動ジャイロユニットが構成される。振動ジャィ口用回路は、第 1の実施形態と同様に、加算回路 1と、発振回路 2と、差動増幅回路 4 と、同期検波回路 5と、移相回路 3と、直流増幅回路 6とを備える。振動ジャイロ 41と加算回路 1と発振回路 2は、振動ジャイロ 41の屈曲振動の共振周波数で振動ジャィ口 41を自励発振駆動させる自励発振回路 7bを構成する。

[0059] 発振回路 2の出力信号 Vgoは、駆動片である圧電素子 43cに加えられる。検出片である圧電素子 43bの出力信号 Vglと圧電素子 43aの出力信号 Vgrは、加算回路 1 に入力され加算される。加算回路 1の出力信号 Vsaは、発振回路 2と移相回路 3に入力される。

[0060] また、圧電素子 43bの出力信号 Vglと、圧電素子 43aの出力信号 Vgrは、差動増幅回路 4にも入力される。差動増幅回路 4は、 Vglと Vgrとの差に応じた信号 Vdaを出力し、その信号 Vdaは同期検波回路 5にて、移相回路 3が出力するタイミング信号 Vck に同期して検波される。直流増幅回路 6は、同期検波回路 5で同期検波された直流信号 Vsdを増幅して信号 Sを出力する。

[0061] 振動ジャイロ 41は自励発振回路 7bによって駆動され、圧電素子 43cが貼り付けられた面、および長手方向に直交する方向（図 7において y方向）に屈曲振動する。振動ジャイロ 41の長手方向の中心軸 Cのまわりに回転角速度が加わつてヽな、状態では、圧電素子 43bと圧電素子 43aの歪みは全く同じように生じるので圧電素子 43bからの出力信号 Vglと圧電素子 43aからの出力信号 Vgrは振幅、位相共に同一であり、したがって差動増幅回路 4の出力は 0である。

[0062] 振動ジャイロ 41が y方向に屈曲振動している状態で、振動ジャイロ 41の長手方向の中心軸 Cのまわりに回転角速度が加わった場合には、長手方向及び y方向の両方向に対して直角な X方向にコリオリカが発生し、そのコリオリカによって屈曲振動の向きが変わり、 2つの検出片 (圧電素子 43a、 43b)間に出力差が生じる。

[0063] すなわち、圧電素子 43bからの出力信号 Vglと、圧電素子 43aからの出力信号 Vgr との間に差 (Vgl— Vgr)が生じ、差動増幅回路 4からはその差 (Vgl— Vgr)に比例した出力信号 Vdaが得られる。

[0064] 回転角速度が加わったときの圧電素子 43bの出力信号 Vglは、振動ジャイロ 41に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリカに応じた出力信号 Vclとが重畳された信号である。同様に、回転角速度が加わったときの圧電素子 43aの出力信号 Vgrは、振動ジャイロ 41に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリカに応じた出力信号 Vcrとが重畳された信号である。

[0065] 上記駆動信号に応じた圧電素子 43bの出力信号と圧電素子 43aの出力信号とは、同相で同じ大きさの信号であるため差動増幅回路 4で相殺される。これに対して、コリオリ力に応じた圧電素子 43bの出力信号 Vclと圧電素子 43aの出力信号 Vcrとは、逆相で同じ大きさの信号である。したがって、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaは (Vcl— Vcr)に比例となり、差動増幅回路 4からは回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。

[0066] また、コリオリカに応じた圧電素子 43bの出力信号 Vclと圧電素子 43aの出力信号 Vcrとは、逆相で同じ大きさの信号であるため、加算回路 1では相殺される。よって、発生するコリオリカには関係なぐ振動ジャイロ 41には一定の駆動信号が供給される。なお、駆動信号は、加算回路 1の出力信号 Vsaと同相であり、振幅は比例関係にある。 [0067] そして、第 2の実施形態においても、上記第 1の実施形態と同様、タイミング信号 Vc kの、加算回路 1の出力信号 Vsaからの位相シフト量を、実際に Vsaと Vdaとの間で生じている位相差に応じて設定する。そして、その設定された位相差 Θ psの分だけカロ算回路 1の出力信号 Vsaから位相シフトされたタイミング信号 Vckのタイミングで、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaの同期検波を行う。したがって、移相回路 3は、加算回路 1の出力信号 Vsaから位相を Θ psだけシフトした方形波状のタイミング信号 Vckを作り、同期検波回路 5に同期検波用のタイミング信号として供給する。

[0068] 同期検波回路 5は、交流信号である差動増幅回路 4の出力信号 Vdaを、タイミング信号 Vckに同期して全波整流することで信号 Vfrに変換した後、積分 (あるいは平滑ィ匕）し、直流信号 Vsdを出力する。この信号 Vsdは、振動ジャイロ 41に加わった回転角速度の方向に応じた極性を有し、その回転角速度の大きさに比例する。そして、直流増幅回路 6はその信号 Vsdを所定の大きさまで直流増幅して信号 Sを出力する。

[0069] 本実施形態においても、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaの検波感度、すなわち振動ジャイロ 41に加えられた回転角速度の検出感度と、加算回路 1の出力信号 Vsaに対するタイミング信号 Vckの位相シフト量 0との関係が予め求められ、これに基づいて位相差 Θ psが設定される。よって、加算回路 1の出力信号 Vsaに対する位相シフト量がその Θ psに設定されたタイミング信号 Vckで、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaの同期検波を行えば、 Vdaの検波感度を高めることができ、結果として振動ジャイロ 41 に加わった回転角速度の検出感度を高めることができる。

[0070] [第 3の実施形態]

次に、本発明の第 3の実施形態について説明する。なお、上記第 1の実施形態と同じ構成部分には同一の符号を付しその詳細な説明は省略する。

[0071] 第 3の実施形態に係る振動ジャイロ 51の斜視図を図 11に、断面図を図 12に示す。

振動ジャイロ 51は、円柱状の振動子 52と、この振動子 52の外周面に形成された電極 53a〜53fと力ら構成される。電極 53a、 53b、 53cはそれぞれ独立し、電極 53d〜 53fは共通グランドに接続される。電極 53cは振動ジャイロ 51に駆動信号を供給するための駆動片として機能し、電極 53a、 53bは振動ジャイロ 51に加わった回転角速度を検出するための検出片として機能する。 [0072] 振動子 52は圧電セラミックスなどの圧電体からなる。すべての電極 53a〜53fは振動子 52の長手方向と平行になるように配置されている。また、各々の電極 53a〜53f は、振動子 52を断面して現れる円の円周を 6等分した位置に配置されて、る。

[0073] 振動ジャイロ 51は、図 10に示す振動ジャイロ用回路に接続され、この回路と振動ジャイロ 51とから第 3の実施形態に係る振動ジャイロユニットが構成される。振動ジャィ口用回路は、第 1の実施形態と同様に、加算回路 1と、発振回路 2と、差動増幅回路 4 と、同期検波回路 5と、移相回路 3と、直流増幅回路 6とを備える。振動ジャイロ 51と加算回路 1と発振回路 2は、振動ジャイロ 51の屈曲振動の共振周波数で振動ジャィ口 51を自励発振駆動させる自励発振回路 7cを構成する。

[0074] 発振回路 2の出力信号 Vgoは、駆動片である電極 53cに加えられる。検出片である電極 53aの出力信号 Vglと電極 53bの出力信号 Vgrは、加算回路 1に入力され加算される。加算回路 1の出力信号 Vsaは、発振回路 2と移相回路 3に入力される。

[0075] また、電極 53aの出力信号 Vglと、電極 53bの出力信号 Vgrは、差動増幅回路 4にも入力される。差動増幅回路 4は、 Vglと Vgrとの差に応じた信号 Vdaを出力し、その信号 Vdaは同期検波回路 5にて、移相回路 3が出力するタイミング信号 Vckに同期して検波される。直流増幅回路 6は、同期検波回路 5で同期検波された直流信号 Vsd を増幅して信号 Sを出力する。

[0076] 振動ジャイロ 51は自励発振回路 7cによって駆動され、駆動片である電極 53cの表面、および長手方向に直交する方向（図 10において y方向）に屈曲振動する。振動ジャイロ 51の長手方向の中心軸 Cのまわりに回転角速度が加わっていない状態では、電極 53aと電極 53bの歪みは全く同じように生じるので電極 53aからの出力信号 Vg 1と電極 53bからの出力信号 Vgrは振幅、位相共に同一であり、したがって差動増幅回路 4の出力は 0である。

[0077] 振動ジャイロ 51が y方向に屈曲振動している状態で、振動ジャイロ 51の長手方向の中心軸 Cのまわりに回転角速度が加わった場合には、長手方向及び y方向の両方向に対して直角な X方向にコリオリカが発生し、そのコリオリカによって屈曲振動の向きが変わり、 2つの検出片（電極 53a、 53b)間に出力差が生じる。

[0078] すなわち、電極 53aからの出力信号 Vglと、電極 53bからの出力信号 Vgrとの間に差 (Vgl— Vgr)が生じ、差動増幅回路 4からはその差 (Vgl— Vgr)に比例した出力信号 Vdaが得られる。

[0079] 回転角速度が加わったときの電極 53aの出力信号 Vglは、振動ジャイロ 51に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリカに応じた出力信号 Vclとが重畳された信号である。同様に、回転角速度が加わったときの電極 53bの出力信号 Vgrは、振動ジャイロ 51に供給される駆動信号に応じた出力信号と、コリオリカに応じた出力信号 Vcrとが重畳された信号である。

[0080] 上記駆動信号に応じた電極 53aの出力信号と電極 53bの出力信号とは、同相で同じ大きさの信号であるため差動増幅回路 4で相殺される。これに対して、コリオリカに応じた電極 53aの出力信号 Vclと電極 53bの出力信号 Vcrとは、逆相で同じ大きさの信号である。したがって、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaは (Vcl— Vcr)に比例となり、差動増幅回路 4からは回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。

[0081] また、コリオリカに応じた圧電素子 53aの出力信号 Vclと圧電素子 53bの出力信号 Vcrとは、逆相で同じ大きさの信号であるため、加算回路 1では相殺される。よって、発生するコリオリカには関係なぐ振動ジャイロ 51には一定の駆動信号が供給される。なお、駆動信号は、加算回路 1の出力信号 Vsaと同相であり、振幅は比例関係にある。

[0082] そして、第 3の実施形態においても、上記第 1の実施形態と同様、タイミング信号 Vc kの、加算回路 1の出力信号 Vsaからの位相シフト量を、実際に Vsaと Vdaとの間で生じている位相差に応じて設定する。そして、その設定された位相差 Θ psの分だけカロ算回路 1の出力信号 Vsaから位相シフトされたタイミング信号 Vckのタイミングで、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaの同期検波を行う。したがって、移相回路 3は、加算回路 1の出力信号 Vsaから位相を Θ psだけシフトした方形波状のタイミング信号 Vckを作り、同期検波回路 5に同期検波用のタイミング信号として供給する。

[0083] 同期検波回路 5は、交流信号である差動増幅回路 4の出力信号 Vdaを、タイミング信号 Vckに同期して全波整流することで信号 Vfrに変換した後、積分 (あるいは平滑ィ匕）し、直流信号 Vsdを出力する。この信号 Vsdは、振動ジャイロ 51に加わった回転角速度の方向に応じた極性を有し、その回転角速度の大きさに比例する。そして、直流増幅回路 6はその信号 Vsdを所定の大きさまで直流増幅して信号 Sを出力する。

[0084] 本実施形態においても、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaの検波感度、すなわち振動ジャイロ 51に加えられた回転角速度の検出感度と、加算回路 1の出力信号 Vsaに対するタイミング信号 Vckの位相シフト量 0との関係が予め求められ、これに基づいて位相差 Θ psが設定される。よって、加算回路 1の出力信号 Vsaに対する位相シフト量がその Θ psに設定されたタイミング信号 Vckで、差動増幅回路 4の出力信号 Vdaの同期検波を行えば、 Vdaの検波感度を高めることができ、結果として振動ジャイロ 51 に加わった回転角速度の検出感度を高めることができる。

[0085] なお、上記各実施形態では、位相差 Θ psを、加算回路 1の出力信号 Vsaに対してのタイミング信号 Vckの位相差としたが、発振回路 2の出力信号 Vgoは加算回路 1の出力信号 Vsaと同相かつ振幅比例の関係にあるので、位相差 Θ psを、発振回路 2の出力信号 Vgoに対してのタイミング信号 Vckの位相差としてもよい。

産業上の利用の可能性

[0086] 本発明の振動ジャイロ用回路によれば、駆動信号に対する同期検波用のタイミング信号の位相差は、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、差動増幅回路の出力信号の検波感度の位相差特性に基づいて設定されるので、振動ジャイロの種類や構造によって高、感度が得られる位相差が異なって、ても、その高い感度を得られる位相差に設定でき、この結果、回転角速度の検出が高感度で行え、対雑音比（SZN比）を向上できる。

[0087] 本発明の振動ジャイロユニットによれば、駆動信号に対する同期検波用のタイミング信号の位相差は、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、差動増幅回路の出力信号の検波感度の位相差特性に基づいて設定されるので、振動ジャイロの種類や構造によって高、感度が得られる位相差が異なってヽても、その高い感度を得られる位相差に設定でき、この結果、回転角速度の検出が高感度で行え、対雑音比（SZN比）を向上できる。また、一般に振動ジャイロが小型になると感度は低下するので、回転角速度を高感度で検出できるということは、振動ジャイロの小型化を図るうえで有利となる。

[0088] 本発明の振動ジャイロの出力検出方法によれば、駆動信号に対する同期検波用のタイミング信号の位相差は、振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、振動ジャイロの 2つの検出片の出力信号の差に応じた信号の検波感度の位相差特性に基づ!、て設定されるので、振動ジャイロの種類や構造によって高 V、感度が得られる位相差が異なって、ても、その高、感度を得られる位相差に設定でき、この結果、回転角速度の検出が高感度で行え、対雑音比（SZN比）を向上できる。

Claims

請求の範囲

[1] 振動ジャイロの 2つの検出片の出力信号の差に応じた信号を出力する差動増幅回路と、

前記差動増幅回路の出力信号を同期検波する同期検波回路と、

前記振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされた信号を前記同期検波用のタイミング信号として前記同期検波回路に供給する移相回路と、を備えた振動ジャイロ用回路であって、

前記駆動信号と前記タイミング信号との位相差は、前記振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、前記差動増幅回路の出力信号の検波感度の位相差特性に基づ!、て設定された

ことを特徴とする振動ジャイロ用回路。

[2] 前記移相回路は、抵抗とコンデンサとからなる積分回路を含み、前記積分回路は、前記駆動信号の入力を受け、前記駆動信号を前記抵抗と前記コンデンサの時定数で決められる前記位相差だけ遅延させる

ことを特徴とする請求項 1に記載の振動ジャイロ用回路。

[3] 2つの検出片を有する振動ジャイロと、

前記検出片の出力信号の差に応じた信号を出力する差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力信号を同期検波する同期検波回路と、

前記振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされた信号を前記同期検波用のタイミング信号として前記同期検波回路に供給する移相回路と、を備えた振動ジャイロユニットであって、

ことを特徴とする振動ジャイロユニット。

[4] 前記移相回路は、抵抗とコンデンサとからなる積分回路を含み、前記積分回路は、前記駆動信号の入力を受け、前記駆動信号を前記抵抗と前記コンデンサの時定数で決められる前記位相差だけ遅延させることを特徴とする請求項 3に記載の振動ジャイロユニット。

[5] 振動ジャイロの 2つの検出片の出力信号の差に応じた信号を、前記振動ジャイロに供給される駆動信号に対して位相がシフトされたタイミング信号で同期検波することで前記振動ジャイロに加えられた回転角速度を検出する振動ジャイロの出力検出方法であって、

前記駆動信号と前記タイミング信号との位相差を、前記振動ジャイロを駆動させて回転角速度を加えた状態で予め求められた、前記検出片の出力信号の差に応じた信号の検波感度の位相差特性に基づ、て設定し、この設定された位相差の分前記駆動信号に対して位相がシフトされた前記タイミング信号で前記同期検波を行うことを特徴とする振動ジャイロの出力検出方法。

[6] 前記位相差を、抵抗とコンデンサとから構成され前記駆動信号の入力を受けて前記駆動信号を遅延させる積分回路の前記抵抗の抵抗値の調整により設定することを特徴とする請求項 5に記載の振動ジャイロの出力検出方法。

[7] 前記位相差を、抵抗とコンデンサとから構成され前記駆動信号の入力を受けて前記駆動信号を遅延させる積分回路の前記コンデンサの容量の調整により設定することを特徴とする請求項 5に記載の振動ジャイロの出力検出方法。