JPH09105637A

JPH09105637A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JPH09105637A
Application number: JP7291733A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ebara; 原和博江; Katsumi Fujimoto; 本克己藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1995-10-12
Publication date: 1997-04-22

Abstract

(57)【要約】【課題】消費電力を大きくすることなく簡単にオフセ
ット調整を行うことができ、しかも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
を得る。【解決手段】振動ジャイロ２０は、振動体２４と圧電
素子２６ａ〜２６ｃからなる振動子２２を含む。圧電素
子２６ａ，２６ｂと圧電素子２６ｃとの間に、発振回路
４０を接続する。圧電素子２６ａ，２６ｂを差動回路４
２に接続し、一方の出力信号に加算信号調整器４４から
加算信号を加算する。同期検波回路４６において、差動
回路４２の出力信号を、発振回路４０の信号に同期して
検波する。同期検波回路４６は、平滑回路４８，ＤＣア
ンプ５０に順次接続する。加算信号調整器４４からは、
同期信号と９０°あるいは２７０°の位相差のある信号
以外の信号を出力する。

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４ａ，４ｂが
接続され、これらの抵抗４ａ，４ｂは可変抵抗器５に接
続される。さらに、可変抵抗器５と圧電素子３ｃとの間
には、発振回路６が接続される。また、圧電素子３ａ，
３ｂは、抵抗７ａ，７ｂを介して差動回路８に接続され
る。差動回路８の入力端は、抵抗９ａ，９ｂを介して可
変抵抗器１０に接続される。図７において、可変抵抗器
１０に接続された逆３角形は、電源電圧の中間点を示
す。さらに、差動回路８は同期検波回路１１に接続さ
れ、同期検波回路１１は平滑回路１２に接続される。こ
の平滑回路１２の出力信号が、ＤＣアンプ１３で増幅さ
れる。

【０００４】発振回路６は、たとえば増幅回路と位相補
正回路とを含み、圧電素子３ｃから帰還された信号が増
幅され、さらに位相補正される。そして、発振回路６の
信号が圧電素子３ａ，３ｂに与えられ、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。このと
き、圧電素子３ａ，３ｂの屈曲状態は同じであり、図８
に示すように、圧電素子３ａ，３ｂから差動回路８に入
力される信号は、同位相で同レベルである。したがっ
て、このとき、差動回路８の出力信号は０である。差動
回路８の出力信号は、発振回路６の信号に同期して、同
期検波回路１１で検波される。発振回路６から得られる
同期信号は、圧電素子３ａ，３ｂの出力信号と９０°の
位相差を有しているが、差動回路８の出力信号は０であ
るため、同期検波回路１１の出力信号も０である。した
がって、ＤＣアンプ１３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。

【０００５】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の屈曲振動の方向が変わ
る。そのため、圧電素子３ａ，３ｂの屈曲状態に差が生
じ、差動回路８から信号が出力される。差動回路８の出
力信号はコリオリ力に対応した信号であり、同期信号と
同じ位相を有している。同期検波回路１１では、同期信
号に同期して、コリオリ力に対応した信号が検波され
る。したがって、同期検波回路１１から出力される信号
は、交流信号の正部分または負部分のいずれかである。
同期検波回路１１の出力信号の正負は、回転角速度の向
きによって決まり、出力信号のレベルは回転角速度の大
きさによって決まる。したがって、同期検波回路１１の
出力信号を平滑回路１２で平滑し、ＤＣアンプ１３で増
幅すれば、回転角速度に対応した直流信号が出力され
る。このＤＣアンプの１３の出力信号を測定すれば、振
動ジャイロ１に加わった回転角速度を検出することがで
きる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】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、図９に示すように、無回転時に差動回路
８に同じ信号が入力されない場合がある。このような場
合、振動ジャイロ１に回転角速度が加わっていないにも
かかわらず、差動回路８から信号が出力される。

【０００７】このとき、圧電素子３ａ，３ｂの出力信号
に位相差がなければ、差動回路８の出力信号と同期信号
の位相差は９０°となるため、同期検波回路１１で検波
して平滑すれば、正部分と負部分とが相殺されて平滑回
路１２の出力信号は０となる。しかしながら、圧電素子
３ａ，３ｂの出力信号に位相差があると、図９に示すよ
うに、差動回路８の出力信号の位相が変わり、同期位置
がずれてしまう。そのため、平滑回路１２で平滑して
も、同期検波回路１１の出力信号が相殺されず、ＤＣア
ンプ１３から信号が出力される。

【０００８】このような不都合を解消するために、可変
抵抗器５，１０を調整し、差動回路８に入力される２つ
の信号の位相およびレベルを合わせ、平滑回路１２の出
力信号が０となるようにしていた。しかしながら、この
振動ジャイロ１では、可変抵抗器が２箇所にあり、部品
点数が多くなって部品スペースが大きくなり、また部品
コストも上昇する。

【０００９】また、圧電素子３ａ，３ｂの出力信号に位
相差がある場合、差動回路８の出力信号を相殺すること
ができず、回転角速度に対応した信号が重畳されると、
大きい信号が出力される。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ある。回路部のダイナミ
ックレンジが小さいと、図１０に示すように、回転角速
度と平滑回路１２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。そこで、圧電素子３ａ，３ｂ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、大きいダイナミックレンジを確保できる回路
を設計すると、回路部の消費電力が大きくなる。

【００１０】それゆえに、この発明の主たる目的は、消
費電力を大きくすることなく簡単にオフセット調整を行
うことができ、しかも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。

【００１１】

【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および検出用に用
いられる複数の駆動手段および検出手段と、検出手段が
その入力端に接続される差動回路と、差動回路の出力端
に接続され同期信号によって回転角速度に対応した信号
が出力される同期検波回路と、検出手段の１つから出力
される信号に同期信号と９０°あるいは２７０°の位相
差を有する信号以外の加算信号を加算するための加算信
号調整器とを含む、振動ジャイロである。この振動ジャ
イロにおいて、同期検波回路の出力信号を平滑するため
の平滑回路を含み、無回転時における平滑回路の出力信
号が０となるように、加算信号調整器によって加算信号
が調整される。さらに、振動体を振動させるための発振
回路を含み、発振回路の出力信号が同期信号として用い
られるとともに、加算信号調整器で調整されて加算信号
として用いられる。

【００１２】検出手段の１つから出力される信号に同期
信号と９０°あるいは２７０°の位相差を有する信号以
外の加算信号を加算することにより、差動回路に入力さ
れる信号の位相を合わせることができる。そのため、差
動回路から同期信号と９０°の位相差を有する信号を出
力させることができ、同期検波して平滑することによ
り、差動回路の出力信号を相殺することができる。

【００１３】振動ジャイロを調整するためには、平滑回
路の出力信号が０になるように、加算信号調整器によっ
て加算信号を調整すればよい。通常、発振回路の出力信
号が、同期検波回路で差動回路の出力信号を検波するた
めの同期信号として用いられるが、その信号を加算信号
をつくるために用いることができる。加算信号を同期信
号と同位相または逆位相にすれば、差動回路に入力され
る信号の位相を合わせることができる。また、同期信号
と加算信号の位相差を調整すれば、差動回路の出力信号
を０にすることも可能である。また、平滑回路の出力信
号を０にできない場合でも、その出力レベルを圧縮する
ことができる。

【００１４】

【発明の効果】この発明によれば、加算信号を調整する
ことによって、無回転時における平滑回路の出力信号を
０にでき、また出力信号を０にできないまでもそのレベ
ルを圧縮することができる。つまり、従来の振動ジャイ
ロのように、複数箇所を調整する必要がなく、簡単に調
整することができる。また、平滑回路の出力信号を小さ
くすることができるため、回転角速度に対応する信号が
重畳されても、信号レベルが大きくなることを防止する
ことができる。したがって、平滑回路の出力信号の直線
性を確保するために、回路のダイナミックレンジを大き
くする必要がなく、消費電力を抑えることができる。

【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はこの発明の振動ジャイロの
一例を示す図解図である。振動ジャイロ２０は、振動子
２２を含む。振動子２２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２４を含む。振動体２
４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。

【００１７】振動体２４の３つの側面には、それぞれ圧
電素子２６ａ，２６ｂ，２６ｃが形成される。圧電素子
２６ａは、たとえば圧電セラミックからなる圧電層２８
ａを含み、圧電層２８ａの両面には電極３０ａ，３２ａ
が形成される。そして、一方の電極３２ａが、振動体２
４の側面に接着される。同様に、圧電素子２６ｂ，２６
ｃは圧電層２８ｂ，２８ｃを含み、圧電層２８ｂ，２８
ｃの両面には、電極３０ｂ，３２ｂおよび電極３０ｃ，
３２ｃが形成される。そして、一方の電極３２ｂ，３２
ｃが、振動体２４の側面に接着される。圧電素子２６
ａ，２６ｂは、振動体２４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
２６ｃは、振動体２４を屈曲振動させるときの帰還用と
して用いられる。

【００１８】圧電素子２６ａ，２６ｂには、それぞれ抵
抗３４，３６が接続される。また、圧電素子２６ｃに
は、抵抗３８が接続される。これらの抵抗３４，３６と
抵抗３８との間に、発振回路４０が接続される。発振回
路４０は、たとえば増幅回路と位相補正回路とを含む。
そして、圧電素子２６ｃの出力信号が増幅回路に帰還さ
れ、さらに位相補正されて圧電素子２６ａ，２６ｂに入
力される。それにより、振動体２４は自励振駆動され、
圧電素子２６ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動する。

【００１９】さらに、圧電素子２６ａ，２６ｂは、差動
回路４２の入力端に接続される。このとき、一方の圧電
素子２６ｂの出力信号に、加算信号調整器４４からの信
号が加算される。加算信号調整器４４には、発振回路４
０の出力信号が入力され、たとえば、この信号と同相ま
たは逆相の信号が加算信号調整器４４から出力される。
このとき、加算信号調整器４４では、出力信号のレベル
が調整される。差動回路４２の出力信号は、同期検波回
路４６において、発振回路４０の出力信号に同期して検
波される。同期検波回路４６の出力信号は平滑回路４８
で平滑され、平滑された信号はＤＣアンプ５０で増幅さ
れる。

【００２０】この振動ジャイロ２０では、発振回路４０
によって、振動体２４が圧電素子２６ｃ形成面に直交す
る方向に屈曲振動する。このとき、圧電素子２６ａ，２
６ｂのインピーダンスのばらつきや、圧電素子２６ａ，
２６ｂを含む振動系の特性のばらつきがなければ、図８
に示すように、圧電素子２６ａ，２６ｂから同位相で同
レベルの信号が出力される。また、圧電素子２６ｃの出
力信号が発振回路４０で増幅され、さらに位相補正され
て、圧電素子２６ａ，２６ｂの出力信号と９０°の位相
差を有する信号が出力される。この信号が、同期検波回
路４６で同期検波するための同期信号として用いられ
る。振動ジャイロ２０に回転角速度が加わっていなけれ
ば、図８に示すように、差動回路４２の出力信号は０で
あり、同期検波回路４６，平滑回路４８およびＤＣアン
プ５０の出力信号も０である。

【００２１】しかしながら、圧電素子２６ａ，２６ｂの
インピーダンスのばらつきや、圧電素子２６ａ，２６ｂ
を含む振動系の特性のばらつきがあると、図４に示すよ
うに、圧電素子２６ａ，２６ｂから位相差のある信号が
差動回路４２に入力される。図４に示す例では、圧電素
子２６ｂの出力信号に、同期信号と逆相の信号が加算さ
れている。加算信号調整器４４では、加算信号のレベル
が調整される。加算信号のレベルが調整されることによ
り、差動回路４２に入力される２つの信号の位相を同じ
にすることができる。ただし、差動回路４２に入力され
る２つの信号のレベルは異なるため、差動回路４２から
は信号が出力される。しかしながら、この出力信号は、
同期信号と９０°の位相差があるため、同期検波回路４
６において、図４の斜線で示される部分が検波される。
検波された信号は、正部分と負部分とが同じ割合で含ま
れているため、平滑回路４８で平滑されることにより相
殺される。したがって、平滑回路４８の出力信号は０と
なる。

【００２２】この状態で、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の屈曲振動
の方向が変わる。それにより、圧電素子２６ａ，２６ｂ
には異なる信号が発生し、差動回路４２から入力信号の
差が出力される。この信号は、振動体２４の振動方向の
変化に対応した信号である。つまり、差動回路４２から
は、コリオリ力に対応した信号が出力され、これは同期
信号と同相または逆相の信号である。差動回路４２から
出力されるコリオリ力に対応した信号が、同期信号と同
相になるか逆相になるかについては、振動ジャイロ２０
に加わる回転角速度の向きによって決まる。また、差動
回路４２の出力信号のレベルは、回転角速度の大きさに
よって決まる。

【００２３】差動回路４２から出力されるコリオリ力に
対応した信号は、同期信号と同相または逆相であるた
め、同期検波回路４６では、信号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４８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
直流信号が、ＤＣアンプ５０で増幅される。したがっ
て、ＤＣアンプ５０の出力信号を測定すれば、振動ジャ
イロ２０に加わった回転角速度を検出することができ
る。

【００２４】この振動ジャイロ２０では、一方の圧電素
子２６ｂに加算信号を加算することにより、無回転時に
おける平滑回路４８の出力信号を０にすることができ
る。つまり、圧電素子２６ａ，２６ｂのインピーダンス
のばらつきや、圧電素子２６ａ，２６ｂを含む振動系の
特性にばらつきがあっても、その影響を小さくすること
ができる。したがって、回転角速度に対応した信号のみ
を得ることができ、振動ジャイロに加わった回転角速度
を正確に検出することができる。

【００２５】また、図５に示すように、加算信号の位相
およびレベルを適当に調整すれば、差動回路４２に入力
される２つの信号の位相およびレベルを同じにすること
ができる。この場合、差動回路４２からは信号が出力さ
れず、無回転時の振動ジャイロ２０の出力信号を０にす
ることができる。加算信号の位相やレベルを調整するた
めには、無回転時のＤＣアンプ５０の出力信号が０とな
るように、加算信号調整器４４を調整すればよい。

【００２６】なお、加算信号としては、同期信号と９０
°あるいは２７０°の位相差を有する信号以外であれ
ば、どのような信号であっても、差動回路４２に接続さ
れた圧電素子の一つから出力される信号に加算すること
ができる。ここで、同期信号と９０°あるいは２７０°
の位相差を有する信号を除く理由は、同期検波回路４６
で検波することにより、正部分と負部分とが出力される
ため、平滑回路４８で相殺されてしまい、無回転時の出
力信号の調整には寄与しないためである。これ以外の加
算信号であれば、位相やレベルを調整することにより、
無回転時の平滑回路の出力信号を０にできないまでも、
レベルを小さくすることが可能である。このような効果
は、三角波や鋸波などのような正弦波以外の加算信号を
用いても得ることができる。

【００２７】このように、振動子２２の特性のばらつき
などによる信号が圧縮されるため、回転角速度に対応し
た信号が重畳されても、信号レベルがあまり大きくなら
ない。そのため、回路部のダイナミックレンジを大きく
しなくても、出力信号の直線性を確保することができ
る。さらに、回路部のダイナミックレンジを大きくする
必要がないため、回路の消費電力が大きくならない。ま
た、調整部は加算信号調整器４４のみであり、簡単に調
整を行うことができる。さらに、複数の調整用部品を用
いる場合に比べて、回路部の占有面積を小さくすること
ができ、小型化が可能である。

【００２８】なお、図１に示す例では、圧電素子２６
ａ，２６ｂを駆動用と検出用に兼用し、圧電素子２６ｃ
を帰還ように用いたが、図６に示すように、圧電素子２
６ａ，２６ｂを検出用と帰還用に兼用し、圧電素子２６
ｃを駆動用に用いてもよい。この振動ジャイロ２０で
は、圧電素子２６ａ，２６ｂの出力信号が合成されて発
振回路４０に帰還され、発振回路４０の出力信号が圧電
素子２６ｃに与えられる。それによって、振動体２４
は、圧電素子２６ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動す
る。このような振動ジャイロ２０でも、一方の圧電素子
２６ｂの出力信号に加算信号を加算することにより、無
回転時における平滑回路４８の出力信号を０にするか、
または圧縮することができる。

【００２９】また、上述の振動ジャイロの各例では、振
動体２４に圧電素子２６ａ，２６ｂ，２６ｃを接着して
振動子２２を形成したが、圧電体材料で振動体２４を形
成し、圧電素子２６ａ〜２６ｃに代えて電極を形成して
もよい。また、振動体２４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２２を用いても、複数の駆動用および検出用の
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】この発明の振動ジャイロ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振動子の
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回路部の信号波形
を示すグラフである。

【図５】図４に示す例と異なる加算信号を用いたときの
各回路部の信号波形を示すグラフである。

【図６】この発明の振動ジャイロの他の例を示す図解図
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】図８に示す従来の振動ジャイロの各回路部の信
号波形を示すグラフである。

【図９】従来の振動ジャイロの振動子に特性ばらつきが
あるときの各回路部の信号波形を示すグラフである。

【図１０】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】

２０振動ジャイロ２２振動子２４振動体２６ａ，２６ｂ，２６ｃ圧電素子４０発振回路４２差動回路４４加算信号調整器４６同期検波回路４８平滑回路５０ＤＣアンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】柱状の振動体、前記振動体の側面に形成され、駆動用および検出用に用
いられる複数の駆動手段および検出手段、前記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端に接続され、同期信号によって回
転角速度に対応した信号が出力される同期検波回路、お
よび前記検出手段の１つから出力される信号に前記同期
信号と９０°あるいは２７０°の位相差を有する信号以
外の加算信号を加算するための加算信号調整器を含む、
振動ジャイロ。
【請求項２】前記同期検波回路の出力信号を平滑する
ための平滑回路を含み、無回転時における前記平滑回路の出力信号が０となるよ
うに、前記加算信号調整器によって前記加算信号が調整
される、請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】前記振動体を振動させるための発振回路
を含み、前記発振回路の出力信号が前記同期信号として用いられ
るとともに、前記加算信号調整器で調整されて前記加算
信号として用いられる、請求項１または請求項２に記載
の振動ジャイロ。