JP4763565B2 - 位相補償同期検波回路、振動ジャイロ - Google Patents
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振動子10の共振周波数は振動子10の材質や大きさ、形状などに依存するが、一般に数kHz〜数10kHzとされている。振動子10の2本の脚は図9において紙面と平行する方向に互いに逆相で振動し、この振動が圧電素子の圧電効果によって電気信号に変換され、電気的に取り出される。
検出部30はこの例では交流増幅器31、同期検波回路32、移相回路34、低域通過フィルタ35、直流増幅器36を備えた例を示す。
同期検波回路32の同期検波出力は低域通過フィルタ35を介してこの例では直流増幅器36に入力され、直流増幅器36でさらに増幅されて角速度出力とされる。なお、低域通過フィルタ35は振動ジャイロの検出周波数帯域(例えばDC〜100Hz)を決定する。
図1に本発明による位相補償同期検波回路の最良の実施形態を示す。図中40は本発明による位相補償同期検波回路を示す。図9及び図10と対応する部分には同一符号を付して示している。
本発明による位相補償同期検波回路40は参照信号RFを用いて被同期検波信号SIを同期検波する同期検波回路32と、制御端子CTを備え、制御端子CTに印加される制御電圧CVにより同期検波回路32に印加される参照信号RFの位相を偏移させる移相回路34と、同期検波回路32の同期検波出力から参照信号RFの周波数成分を除去して被同期検波信号成分を出力する低域通過フィルタ35と、低域通過フィルタのカットオフ周波数より低い周波数の位相制御発振信号LWを発振し、移相回路34において参照信号RFに周期的な位相偏移を与える位相制御発振回路41と、位相制御発振回路41の位相制御発振信号LWを参照信号として低域通過フィルタ35の出力に含まれる位相制御発振信号LWの成分を同期検波し、同期検波回路32で同期検波される被同期検波信号SIと参照信号RFとに位相差がない場合、直流成分がゼロとなる同期検波信号を出力し、位相差がある場合、正又は負の直流成分を含む同期検波信号を出力する位相差検出用同期検波回路42と、位相差検出用同期検波回路42の検出出力を積分する積分回路43と、積分回路43の積分電圧と位相制御発振信号とを加え合わせて移相回路34の制御端子CTに印加する加算回路44とによって構成される。
低域通過フィルタ35は参照信号RFの周波数成分を除去するために設けられており、出力端子OUTに出力されるろ波出力信号LFには参照信号RFの周波数成分は含まれない。例として参照信号RFの周波数は10kHz程度に選ばれる場合が多い。
低域通過フィルタ35は上述の通り参照信号RFの周波数成分を除去するために設けられており、位相制御発振信号LWの周波数成分は出力されるようにそのカットオフ周波数は位相制御発振信号LWの周波数(例えば1kHz)より高い例えば2〜3kHz程度に選定される。この結果、低域通過フィルタ35は位相制御発振信号LWの周波数成分を含むろ波出力信号LFを出力する。
一方、同期検波回路32において、被同期検波信号SIと参照信号RFとの位相差を生じている状況下では位相差検出用同期検波回路42は図5B及び図7Bに示すような正又は負の直流成分を含む位相差検出同期検波出力信号DT−2を出力する。
図7Bに示す位相差検出同期検波出力信号DT−2が積分回路43に入力された場合、積分回路43はこの入力信号を積分して正極性の直流電圧を出力する。正極性の積分電圧が加算回路44を介して移相回路34の制御端子CTに入力される。移相回路34は制御端子CTに正極性の積分電圧(直流電圧)が印加されることにより、参照信号RFの位相を遅れ位相から進み位相の方向に偏移し、被同期検波信号SIの位相に合致した状態で制御系の制御動作が収束する。
以下では各部の波形を例示して具体的な動作について説明する。
図2Aに位相制御発振回路41が発振する位相制御発振信号LWの波形を示す。図2Aの例ではゼロを中心に振幅が±αである波形を1周期分示す。図2Bは位相制御発振信号LWによって移相回路34で発生する周期的な位相偏移の様子を示す。図2Bに示す例では被同期検波信号SIと参照信号RFとの間に位相差がないことから周期的な位相偏移はゼロを中心に位相が+α°、−α°に偏移する。またここでも先に説明した動作の概要説明と同様に、移相回路34は制御端子CTに入力される制御電圧CVが正極性に振れると参照信号RFの位相が進み位相方向に偏移し、負極性に振れると参照信号RFの位相が遅れ位相方向に偏移するものとする。図2Cは周期的に位相偏移する参照信号RFと被同期検波信号SIの位相関係を示す。図2Cに示す実線は被同期検波信号SIを示し、点線は参照信号RFが位相偏移した波形を示す。矩形で表わす波形は同期検波回路32に印加する参照信号RFの波形を示す。図示するように位相制御発振信号LWの電圧が正に振れている期間では参照信号RFの位相は被同期検波信号SIの位相より進み位相となっており、位相制御発振信号LWの電圧がゼロに近い状況では参照信号RFと被同期検波信号SIの位相差はゼロの状態に近づき、位相制御発振信号LWの電圧が負極性に振れると参照信号RFの位相は被同期検波信号SIの位相より遅れ位相となることが表されている。
図2Dに同期検波回路32から出力される同期検波出力信号DT−1の波形を示す。
図3Bに位相差検出用同期検波回路42の位相差検出同期検波出力信号DT−2の波形を示す。図から明らかなように位相差検出同期検波出力信号DT−2の波形は正負が対称であるため、直流成分はゼロとなる。従って、位相差検出同期検波信号DT−2を積分回路43で積分した出力電圧は、平均値ゼロの信号となる。
この結果、加算回路44を介して移相回路34の制御端子CTに入力される制御電圧CVは位相制御発振回路41が出力する位相制御発振信号LWのみであり、その制御電圧CVによる参照信号RFの位相偏移は図3Cに示すようにゼロを中心に位相制御発振信号LWの周期で進み方向に+α°、遅れ方向に−α°の位相偏移を呈し、直流的な位相偏移は生じない。
図4Aは位相制御発振信号LWを示す。この場合も上述と同様にゼロを中心に正及び負方向に+αと−αの振幅で振れている様子を示す。
図4Bはδ°進み位相である参照信号RFについて位相制御発振信号LWによる移相回路34から出力される参照信号RFの位相偏移の様子を示す。ここでは参照信号RFが被同期検波信号SIの位相よりδ°位相が進んでいるものとするから、参照信号RFの位相は+δ°を中心に進み方向にδ°+α°、遅れ方向にδ°−α°に偏移する。
図4Dに同期検波回路32の同期検波出力信号DT−1の波形を示す。
位相差検出用同期検波回路42では図5Aに示すろ波出力信号LFを位相制御発信信号LWで同期検波することから、位相差検出用同期検波回路42の位相差検出同期検波信号DT−2は図5Bに示すように前半の半サイクルと後半の半サイクルで非対称の波形となる。つまり、図5Bに示す例では前半の正電圧領域より後半の負電圧領域の方が大きい非対称となり、負の直流成分を持つ同期検波出力信号となる。この結果、積分回路43では負電圧を出力し、この負の積分電圧に加算回路44で位相制御発振信号LWを加え合せて移相回路34の制御端子CTに負の積分電圧に位相制御発振信号LWが重畳した制御電圧CVを印加する。
図6Aは位相制御発振信号LWを示す。
移相回路34の制御端子CTには上述と同様に位相制御発振信号LWが印加される。移相回路34から同期検波回路32に出力される参照信号RFの位相は図6Bに示すように遅れ位相−δ°を中心に−δ°+α°と−δ°−α°の間を偏移する。この位相偏移によれば位相制御発振信号LWの前半の半サイクルの期間では参照信号RFの位相は被同期検波信号SIの位相に近づくが、後半の半サイクルの期間では参照信号RFの位相は−δ°より更に−α°相当分遅れ位相となる。この様子は図6Cに示す参照信号RFと被同期検波信号SIの位相関係から読み取ることができる。
以下では上述した位相補償同期検波回路40を利用した本発明の振動ジャイロの実施例を図8を用いて説明する。図8に示す実施例では図9に示した振動ジャイロの構成に位相補償同期検波回路40を適用した場合を示す。ここでは振動ジャイロの構成と、振動ジャイロと位相補償同期検波回路40との係わりに関してのみ説明する。
振動子10は図9でも説明したように音叉形の共振子で構成され振動子10で発生する共振検出信号が駆動部20を構成する自励発振回路21に帰還されてループ発振回路を構成する。自励発振回路21は振動子10の共振周波数で自励発振し、振動子10をその共振周波数で駆動する。振動子10の駆動信号は、位相補償同期検波回路40を構成する移相回路34に供給され、矩形波に波形整形されて参照信号RFを出力する。
位相補償同期検波回路40の出力端子OUTには第2の低域通過フィルタ37を接続する。そのろ波出力を増幅回路36で増幅し、角速度信号を出力する。
ここで位相補償同期検波回路40を構成する低域通過フィルタ35のろ波出力には位相制御発振信号LWの周波数成分が含まれている。この第2の低域通過フィルタ37は位相制御発振信号成分を除去するとともに、振動ジャイロの検出周波数帯域を決定する。
20 駆動部 36 増幅回路
30 検出部 37 低域通過フィルタ
31 交流増幅器 40 位相補償同期検波回路
32 同期検波回路 41 位相制御発振回路
34 移相回路 42 位相差検出用同期検波回路
CT 制御端子 43 積分回路
44 加算回路
Claims (2)
- 参照信号を用いて被同期検波信号を同期検波する同期検波回路と、
制御端子を備え、制御端子に印加される制御電圧により上記同期検波回路に印加する参照信号の位相を偏移させる移相回路と、
上記同期検波回路の同期検波出力から上記参照信号の周波数成分を除去して上記被同期検波信号成分を出力する低域通過フィルタと、
上記低域通過フィルタのカットオフ周波数より低い周波数の位相制御発振信号を発振し、上記移相回路において上記参照信号に周期的な位相偏移を与える位相制御発振回路と、
上記位相制御発振回路の位相制御発振信号を参照して上記低域通過フィルタの出力に含まれる位相制御発振信号成分を同期検波し、上記同期検波回路で同期検波される被同期検波信号と参照信号との間に位相差がない場合、直流成分がゼロとなる同期検波信号を出力し、位相差がある場合、正又は負の直流成分を含む同期検波信号を出力する位相差検出用同期検波回路と、
上記位相差検出用同期検波回路の同期検波出力を積分する積分回路と、
上記積分回路の積分電圧と上記位相制御発振信号とを加え合わせて上記移相回路の制御端子に印加する加算回路と、
によって構成したことを特徴とする位相補償同期検波回路。 - 共振駆動され、コリオリ力による共振振動の変化を電気信号として検出可能な振動子と、
この振動子を共振駆動する駆動部と、
上記振動子が出力する検出信号から上記コリオリ力に対応した信号を検出する検出部とを備えて構成される振動ジャイロにおいて、
上記駆動部は上記振動子を共振振動させる発振回路で構成され、
上記検出部は上記請求項1記載の位相補償同期検波回路で構成され、
上記振動子は、圧電素子検出信号を、上記被同期検波信号として上記同期検波回路に入力し、上記移相回路は、上記振動子の駆動信号を矩形波に波形整形して上記参照信号を生成し、
上記位相補償同期検波回路の出力側に上記位相制御発振信号を除去し、角速度検出信号を出力する低域通過フィルタを接続したことを特徴とする振動ジャイロ。
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