JPH09159459A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定した温度−感度変化率特性を有する振動
ジャイロを提供する。 【解決手段】 振動ジャイロ２０は振動子２２を含む。
振動子２２の圧電素子２６ａ，２６ｂは、抵抗２８ａ，
２８ｂを介して接地される。圧電素子２６ａ，２６ｂ
は、発振回路３０の２つの入力端に接続される。発振回
路３０の一方の出力端は、圧電素子２６ｃに接続され
る。圧電素子２６ａ，２６ｂは、差動増幅回路３２の非
反転入力端および反転入力端に接続される。差動増幅回
路３２の出力端は、同期検波回路３４の一方の入力端に
接続される。同期検波回路３４の他方の入力端には、同
期信号を出力する発振回路３０の他方の出力端が、同期
信号の位相を調整する移相回路３６を介して接続され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は振動ジャイロに関
し、特に回転角速度に応じた検出信号を同期信号に同期
して検波する振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は従来の振動ジャイロの一例を示す
図解図である。図９に示す振動ジャイロ１は振動子２を
含む。振動子２は正３角柱状の振動体３を含む。振動体
３はたとえばエリンバなどの恒弾性金属材料で形成され
る。振動体３の３つの側面のほぼ中央には、３つの圧電
素子４ａ，４ｂおよび４ｃがそれぞれ形成される。これ
らの圧電素子４ａ〜４ｃは、それぞれ、セラミックから
なる圧電体層を含み、圧電体層の両主面に電極がそれぞ
れ形成され、圧電体層の一方主面の電極が振動体３の側
面に接着され、圧電体層の他方主面の電極が信号の入出
力用として用いられる。

【０００３】この振動子２では、２つの圧電素子４ａお
よび４ｂが帰還用かつ検出用として用いられ、他の１つ
の圧電素子４ｃが駆動用として用いられる。そのため、
２つの圧電素子４ａおよび４ｂは、検出抵抗となる抵抗
５ａおよび５ｂを介して接地される。また、２つの圧電
素子４ａおよび４ｂは、発振回路６の２つの入力端にそ
れぞれ接続される。発振回路６の一方の出力端は、圧電
素子４ｃに接続される。さらに、２つの圧電素子４ａお
よび４ｂは、差動増幅回路７の非反転入力端および反転
入力端にそれぞれ接続される。差動増幅回路７の出力端
は、同期検波回路８の一方の入力端に接続される。同期
検波回路８の他方の入力端には、発振回路６の他方の出
力端が接続される。同期検波回路８の出力端は、平滑回
路９の入力端に接続される。平滑回路９の出力端は、直
流増幅回路１０の入力端に接続される。

【０００４】図９に示す振動ジャイロ１では、発振回路
６の一方の出力端から出力される駆動信号が圧電素子４
ｃに与えられると、振動体３は圧電素子４ｃの主面に直
交する方向に振動する。この状態で振動ジャイロ１が振
動体３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３の振動方向が変わる。そして、２つの圧電
素子４ａおよび４ｂ間には、回転角速度に応じた検出信
号が生じる。この検出信号は、圧電素子４ａの出力信号
と圧電素子４ｂの出力信号との差の信号であり、差動増
幅回路７で検出される。差動増幅回路７の出力信号すな
わち検出信号は、発振回路６の他方の出力端から出力さ
れる同期信号に同期して同期検波回路８で検波され、同
期検波回路８の出力信号は、平滑回路９で平滑にされ、
平滑回路９の出力信号は、直流増幅回路１０で増幅され
る。したがって、この振動ジャイロ１では、直流増幅回
路１０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】ところが、図９に示す
振動ジャイロ１では、振動子２の周辺の条件たとえば圧
電素子間の位相回転度や圧電素子に接続される検出抵抗
などの抵抗の抵抗値を変えた場合、検出信号と同期信号
との位相がずれ、検出信号を検波する効率が変化し、感
度、温度−感度変化率特性および温度−ドリフト特性が
変化してしまう。

【０００６】たとえば、図９に示す振動ジャイロ１にお
いて、抵抗５ａおよび５ｂのそれぞれのインピーダンス
を圧電素子４ａおよび４ｂのマッチング状態のそれぞれ
のインピーダンスに合わせたとき（マッチング状態のイ
ンピーダンスに合わせたとき）の圧電素子４ａおよび４
ｂのそれぞれの出力信号と同期信号との位相関係を図１
０（Ａ）に示し、抵抗５ａおよび５ｂのそれぞれのイン
ピーダンスを圧電素子４ａおよび４ｂのマッチング状態
のそれぞれのインピーダンスより大きくしたとき（マッ
チング状態のインピーダンスより大きくしたとき）の圧
電素子４ａおよび４ｂのそれぞれの出力信号と同期信号
との位相関係を図１０（Ｂ）に示し、抵抗５ａおよび５
ｂのそれぞれのインピーダンスを圧電素子４ａおよび４
ｂのマッチング状態のそれぞれのインピーダンスより小
さくしたとき（マッチング状態のインピーダンスより小
さくしたとき）の圧電素子４ａおよび４ｂのそれぞれの
出力信号と同期信号との位相関係を図１０（Ｃ）に示
し、それらのときの２５℃の感度を基準にした温度−感
度変化率特性を図１１に示す。なお、圧電素子のマッチ
ング状態のインピーダンスＺは、駆動信号の周波数をｆ
とし、その圧電素子の静電容量をＣとすると、Ｚ＝１／
（２πｆＣ）で表される。また、振動ジャイロ１に回転
角速度が加わっていないときの圧電素子４ａおよび４ｂ
の出力信号はほぼ同じになるが、図１０（Ａ）、図１０
（Ｂ）および図１０（Ｃ）には、振動ジャイロ１に回転
角速度が加わっているときの圧電素子４ａおよび４ｂの
それぞれの出力信号の一例を示す。

【０００７】また、図９に示す振動ジャイロ１では、温
度が変化した場合、振動子のたとえば圧電素子の温度特
性によって、検出信号と同期信号との位相がずれてしま
い、温度−感度変化率特性が変化してしまう。

【０００８】たとえば、図９に示す振動ジャイロ１にお
いて、常温時の圧電素子４ａおよび４ｂのそれぞれの出
力信号と同期信号との位相関係を図１２（Ａ）に示し、
高温時の圧電素子４ａおよび４ｂのそれぞれの出力信号
と同期信号との位相関係を図１２（Ｂ）に示し、低温時
の圧電素子４ａおよび４ｂのそれぞれの出力信号と同期
信号との位相関係を図１２（Ｃ）に示し、２５℃の感度
を基準にした温度−感度変化率特性を図１３に示す。な
お、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）に
は、振動ジャイロ１に回転角速度が加わっているときの
圧電素子４ａおよび４ｂのそれぞれの出力信号の一例を
示す。

【０００９】それゆえに、この発明の主たる目的は、安
定した温度−感度変化率特性を有する振動ジャイロを提
供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、回転角速度
に応じた検出信号を同期信号に同期して検波する振動ジ
ャイロにおいて、同期信号の位相を調整するための移相
回路を設けたことを特徴とする、振動ジャイロである。

【００１１】なお、この発明にかかる振動ジャイロで
は、移相回路に温度補償手段が設けられてもよい。

【００１２】

【作用】この発明にかかる振動ジャイロでは、移相回路
によって同期信号の位相が調整され、検出信号がほぼ一
定の効率で検波される。そのため、この発明にかかる振
動ジャイロでは、安定した温度−感度変化率特性が得ら
れる。

【００１３】

【発明の効果】この発明によれば、安定した温度−感度
変化率を有する振動ジャイロが得られる。

【００１４】また、この発明にかかる振動ジャイロで
は、位相回路に温度補償手段を設ければ、さらに安定し
た温度−感度変化率特性が得られる。

【００１５】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発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態の一
例を示す図解図である。図１に示す振動ジャイロ２０は
振動子２２を含む。

【００１７】振動子２２はたとえば正３角柱状の振動体
２４を含む。振動体２４は、たとえばエリンバ、鉄−ニ
ッケル合金などの恒弾性金属材料で形成される。

【００１８】振動体２４の３つの側面のほぼ中央には、
３つの圧電素子２６ａ，２６ｂおよび２６ｃがそれぞれ
形成される。これらの圧電素子２６ａ〜２６ｃは、それ
ぞれ、セラミックからなる圧電体層を含み、圧電体層の
両主面に電極がそれぞれ形成され、圧電体層の一方主面
の電極が振動体２４の側面に接着され、圧電体層の他方
主面の電極が信号の入出力用として用いられる。

【００１９】この振動子２２では、２つの圧電素子２６
ａおよび２６ｂが帰還用かつ検出用として用いられ、他
の１つの圧電素子２６ｃが駆動用として用いられる。そ
のため、２つの圧電素子２６ａおよび２６ｂは、検出抵
抗となる抵抗２８ａおよび２８ｂを介して接地される。

【００２０】また、２つの圧電素子２６ａおよび２６ｂ
は、発振回路３０の２つの入力端にそれぞれ接続され
る。発振回路３０の一方の出力端は、圧電素子２６ｃに
接続される。

【００２１】さらに、２つの圧電素子２６ａおよび２６
ｂは、差動増幅回路３２の非反転入力端および反転入力
端にそれぞれ接続される。差動増幅回路３２の出力端
は、同期検波回路３４の一方の入力端に接続される。同
期検波回路３４の他方の入力端には、発振回路３０の他
方の出力端が、移相回路３６を介して接続される。移相
回路３６は、発振回路３０の他方の出力端から出力され
る同期信号の位相を調整するためのものであって、たと
えば、図２に示すように、コンデンサ３６ａと抵抗３６
ｂとからなる。

【００２２】同期検波回路３４の出力端は、平滑回路３
８の入力端に接続される。平滑回路３８の出力端は、直
流増幅回路４０の入力端に接続される。

【００２３】この振動ジャイロ２０では、発振回路３０
の一方の出力端から出力される駆動信号が圧電素子２６
ｃに与えられると、振動体２４は圧電素子２６ｃの主面
に直交する方向に振動する。この状態で振動ジャイロ２
０が振動体２４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２４の振動方向が変わる。そのた
め、検出素子として働く２つの圧電素子２６ａおよび２
６ｂ間には、回転角速度に応じた検出信号が生じる。

【００２４】この検出信号は、圧電素子２６ａの出力信
号と圧電素子２６ｂの出力信号との差の信号であり、差
動増幅回路３２で検出される。差動増幅回路３２の出力
信号すなわち検出信号は、同期検波回路３４で同期信号
に同期して検波される。この同期信号は、発振回路３０
の他方の出力端から出力され、その位相が検出信号の位
相とほぼ同相になるように移相回路３６で調整される。
そのため、検出信号は、同期検波回路３４でほぼ一定の
ほぼ最大の効率で検波される。

【００２５】そして、同期検波回路３４の出力信号は、
平滑回路３８で平滑にされ、平滑回路３８の出力信号
は、直流増幅回路４０で増幅される。したがって、この
振動ジャイロ２０では、直流増幅回路４０の出力信号か
ら回転角速度を検出することができる。

【００２６】この振動ジャイロ１０では、特に、移相回
路３６によって同期信号の位相が調整され、検出信号が
同期検波回路３４でほぼ一定の効率で検波される。その
ため、この振動ジャイロ１０では、安定した温度−感度
変化率特性が得られる。

【００２７】すなわち、この振動ジャイロ１０におい
て、移相回路３６を設けない場合（同期信号の位相補償
前）と位相回路３６を設けた場合（同期信号の位相補償
後）との２５℃の感度を基準にした温度−感度変化率特
性を図３に示す。図３に示すグラフから明らかなよう
に、移相回路３６によって同期信号の位相を補償すれ
ば、安定した温度−感度変化率特性が得られる。

【００２８】さらに、この振動ジャイロ１０では、同期
信号の位相が検出信号の位相とほぼ同相になるように調
整されるため、検出信号はほぼ最大の効率で検波され、
感度が高い。すなわち、検出信号および同期信号の角速
度をωとし、検出信号と同期信号との位相差をαとすれ
ば、同期信号に同期して検波される検出信号の検波効率
は、次式で表される。

【００２９】

【数１】

【００３０】上式より、同期信号の位相が検出信号の位
相とほぼ同相になるように調整されれば、検出信号と同
期信号との位相差αがほぼ０となり、検出信号の検波効
率がほぼ最大になることがわかる。

【００３１】また、この振動ジャイロ１０では、移相回
路３６に温度補償手段を設ければ、さらに安定した温度
−感度変化率特性が得られる。

【００３２】すなわち、この振動ジャイロ１０におい
て、移相回路３６のコンデンサ３６ａおよび抵抗３６ｂ
として、温度特性がフラットなコンデンサおよび抵抗を
用いた場合（温度補償前）と温度補償手段となる温度補
償用コンデンサおよび正の抵抗温度係数を有する抵抗を
用いた場合（温度補償後）との２５℃の感度を基準にし
た温度−感度変化率特性を図４に示す。図４に示すグラ
フから明らかなように、移相回路３６に温度補償手段を
設ければ、さらに安定した温度−感度変化率特性が得ら
れる。

【００３３】なお、移相回路としては、図２に示す移相
回路に限らず、図５に示すように抵抗、コンデンサ、イ
ンダクタを用いた移相回路や図６に示すようにオペアン
プ、抵抗、コンデンサを用いた移相回路が用いられても
よい。

【００３４】また、移相回路に設けられる温度補償手段
となる抵抗およびコンデンサとしては、サーミスタ、温
度補償用抵抗、温度特性を有する拡散抵抗および温度補
償用コンデンサが用いられる。

【００３５】図７はこの発明の実施の形態の他の例を示
す図解図である。図７に示す振動ジャイロは、図１に示
す振動ジャイロと比べて、振動体２４に２つのみの圧電
素子２６ａおよび２６ｂが形成され、それらの圧電素子
２６ａおよび２６ｂが駆動用かつ検出用として用いられ
る。そのため、２つの圧電素子２６ａおよび２６ｂに
は、発振回路３０の２つの出力端がそれぞれ接続され
る。なお、図７に示す振動ジャイロでは、抵抗２８ａお
よび２８ｂ、差動増幅回路３２、同期検波回路３４、移
相回路３６、平滑回路３８および直流増幅回路４０が、
図１に示す振動ジャイロと同様に接続される。

【００３６】図７に示す振動ジャイロでは、発振回路３
０の２つの出力端から出力される駆動信号が２つの圧電
素子２６ａおよび２６ｂに与えられるが、図１に示す振
動ジャイロと同様に動作し、安定した温度−感度変化率
特性が得られるとともに感度が高い。

【００３７】図８はこの発明の実施の形態のさらに他の
例を示す図解図である。図８に示す振動ジャイロは、図
１に示す振動ジャイロと比べて、２つの圧電素子２６ａ
および２６ｂが駆動用かつ検出用として用いられ、他の
１つ圧電素子２６ｃが帰還用として用いられる。そのた
め、圧電素子２６ｃが負荷抵抗となる抵抗２９を介して
発振回路３０の入力端に接続され、発振回路３０の一方
の出力端が検出抵抗となる抵抗２８ａおよび２８ｂを介
して圧電素子２６ａおよび２６ｂに接続される。なお、
図８に示す振動ジャイロでは、差動増幅回路３２、同期
検波回路３４、移相回路３６、平滑回路３８および直流
増幅回路４０が、図１に示す振動ジャイロと同様に接続
される。

【００３８】図８に示す振動ジャイロでは、発振回路３
０の一方の出力端から出力される駆動信号が２つの圧電
素子２６ａおよび２６ｂに与えられるが、図１に示す振
動ジャイロと同様に動作し、安定した温度−感度変化率
特性が得られるとともに感度が高い。

【００３９】なお、上述の発明の実施の形態の各例で
は、正３角柱状の振動体が用いられているが、この発明
では、円柱状の振動体、４角柱状の振動体、あるいは他
の柱状の振動体が用いられてもよい。

【００４０】また、上述の発明の実施の形態の各例で
は、金属材料からなる振動体に圧電素子が形成された振
動子が用いられているが、この発明では、圧電体からな
る柱状の振動体の表面に電極を形成した振動子が用いら
れてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態の一例を示す図解図であ
る。

【図２】図１に示す振動ジャイロに用いられる移相回路
を示す回路図である。

【図３】図１に示す振動ジャイロの同期信号の位相補償
前および位相補償後の温度−感度変化率特性を示すグラ
フである。

【図４】図１に示す振動ジャイロの温度補償前および温
度補償後の温度−感度変化率特性を示すグラフである。

【図５】移相回路の他の各例を示す回路図である。

【図６】移相回路の別の各例を示す回路図である。

【図７】この発明の実施の形態の他の例を示す図解図で
ある。

【図８】この発明の実施の形態のさらに他の例を示す図
解図である。

【図９】従来の振動ジャイロの一例を示す図解図であ
る。

【図１０】図９に示す振動ジャイロにおいて、抵抗のイ
ンピーダンスを圧電素子のマッチング状態のインピーダ
ンスに合わせたとき、マッチング状態のインピーダンス
より大きくしたときおよびマッチング状態のインピーダ
ンスより小さくしたときの圧電素子の出力信号と同期信
号との位相関係を示すグラフである。

【図１１】図９に示す振動ジャイロにおいて、抵抗のイ
ンピーダンスを圧電素子のマッチング状態のインピーダ
ンスに合わせたとき、マッチング状態のインピーダンス
より大きくしたときおよびマッチング状態のインピーダ
ンスより小さくしたときの温度−感度変化率特性を示す
グラフである。

【図１２】図９に示す振動ジャイロの常温時、高温時お
よび低温時の圧電素子の出力信号と同期信号との位相関
係を示すグラフである。

【図１３】図９に示す振動ジャイロの温度−温度変化率
特性を示すグラフである。

【符号の説明】

２０ 振動ジャイロ ２２ 振動子 ２４ 振動体 ２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 圧電素子 ２８ａ，２８ｂ 抵抗 ３０ 発振回路 ３２ 差動増幅回路 ３４ 同期検波回路 ３６ 移相回路 ３８ 平滑回路 ４０ 直流増幅回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転角速度に応じた検出信号を同期信号
   に同期して検波する振動ジャイロにおいて、 前記同期信号の位相を調整するための移相回路を設けた
   ことを特徴とする、振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記移相回路に温度補償手段が設けられ
   る、請求項１に記載の振動ジャイロ。