JP3581992B2 - 振動ジャイロ - Google Patents
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Description
【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3a,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】
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。そのため、差動増幅回路6の出力信号を整流し、その直流電圧分をキャンセルすることにより、オフセット調整が行われる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、無回転時に平滑回路からの出力信号が0となるように調整しても、差動増幅回路からは駆動信号成分が出力されているため、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、オフセット調整を行うことができ、しかも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加算するための信号であって、同期信号と同相または逆相で所定の振幅の信号を作成する加算信号演算器と、差動回路の出力信号に加算信号演算器の出力信号を加算してオフセット信号の振幅を圧縮するとともにその位相を同期信号と90°の位相差をもたせる加算器と、加算器の出力信号を同期信号で同期検波してオフセット信号をキャンセルする同期検波回路とを含む、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、反転増幅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】
同期信号と同相または逆相の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位相を変えることができ、オフセット調整ができる。また、差動回路の出力信号に上述の信号を加算することにより、信号レベルを小さくすることができる。
【0011】
これを説明するために、差動回路の出力信号を A sin (ωt + α) とし、同期信号と同相または逆相の信号を B cos (ωt)として計算する。ここで、差動回路の出力信号と同期信号との間に90°の位相差があれば、オフセット調整をする必要はないが、振動系のばらつきなどにより、αのずれが生じる。これらの信号を加算すると、合成信号 F (ωt)は次式のようになる。
【0012】
この合成信号をオフセット調整するために、−π/2〜π/2の間で積分したときに0となるようにBが調整される。このように調整すれば、平滑回路の出力信号を0にすることができる。したがって、この範囲で積分すると、次式が得られる。
よって、 F (ωt) = A sinωt cosα
ここで、−1≦ cosα≦1であるから、絶対値を absで表すと、
abs (A sinωt) ≧ abs (F (ωt))
つまり、αのずれのある差動回路の出力信号のレベルが圧縮される。
【0013】
【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、振動ジャイロの出力信号のオフセット調整ができる。さらに、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。
【0014】
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。
【0015】
【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11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。
【0016】
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16a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12の側面に接着される。同様に、圧電素子14b,14cは圧電層16b,16cを含み、圧電層16b,16c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,20cが、振動体12の側面に接着される。圧電素子14a,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。
【0017】
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。
【0018】
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から信号が加算される。加算信号演算器34には、反転増幅回路28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。
【0019】
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。
【0020】
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32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、オフセット調整を行うために、信号Aと同相または逆相の信号が加算される。この実施例では、信号Aと逆相の加算信号、すなわち反転増幅回路28の出力信号と同相の加算信号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。
【0021】
このとき、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0となるように、加算信号Dのレベルが調整される。したがって、同期検波回路36において、たとえば信号Aの正の部分、すなわち反転増幅回路28の出力信号の負の部分に同期して信号Eを検波すれば、信号Eの正の部分と負の部分の面積は等しくなる。そのため、平滑回路38で同期検波回路36の出力信号を平滑すれば、その出力信号は0となる。さらに、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32の出力信号のレベルが圧縮されていることがわかる。
【0022】
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、駆動信号成分は0となるため、回転角速度に対応した信号のみを得ることができる。
【0023】
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。
【0024】
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。このように、オフセット調整を行うとともに、駆動信号成分の圧縮を行うためには、回転角速度が加わっていないときに平滑回路38の出力信号が0となるように、加算信号のレベルを調整すればよい。
【0025】
なお、上述の実施例では、加算信号を得るために、反転増幅回路28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、位相回路30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)
- 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、
前記差動回路の出力信号に加算するための信号であって、同期信号と同相または逆相で所定の振幅の信号を作成する加算信号演算器、
前記差動回路の出力信号に前記加算信号演算器の出力信号を加算してオフセット信号の振幅を圧縮するとともにその位相を前記同期信号と90°の位相差を持たせる加算器、および
前記加算器の出力信号を前記同期信号で同期検波して前記オフセット信号をキャンセルする同期検波回路を含む、振動ジャイロ。 - 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、前記反転増幅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。
- 前記発振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。
- 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。
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