(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状の外周面に複数の帯状電極端子が配備されて成ると共に、該複数の帯状電極端子には少なくとも直交する２つの方向の振動を独立して励振できるように配置された二つ以上の駆動端子、及び該駆動端子にほぼ対向する位置に配備された少なくとも一つ以上の検出端子が含まれる圧電振動子における屈曲モードを利用して駆動・検出回路により駆動・検出を行う圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路において、前記駆動・検出回路は、前記圧電振動子の屈曲振動の共振周波数近傍で自励発振させるための発振回路と、前記駆動端子の一方のものに第１の駆動信号を加える第１の駆動回路と、前記圧電振動子における共振周波数の逆数及び時定数を示す応答速度よりも十分大きい周期を発生するタイマー回路と、前記タイマー回路で発生する前記周期により増幅度の符号を反転、非反転に切り替える符号反転回路と、前記第１の駆動信号を約９０度位相を遅らせるか又は進ませる位相回路と、前記駆動端子のもう一方のものに第２の駆動信号を加える第２の駆動回路とを備えて成る駆動回路部を含み、更に、前記第１の駆動回路では、前記第１の駆動信号を前記圧電振動子の屈曲振動の共振周波数近傍の周波数で一定振幅の交流電圧として印加し、前記第２の駆動回路では、前記第２の駆動信号を前記第１の駆動信号と同一周波数で前記位相回路の通過を経て該第１の駆動信号と位相差が約±９０度となる交流電圧として印加し、前記符号反転回路では、前記周期の時分割で前記第２の駆動信号の位相を前記第１の駆動信号＋約９０度と前記第１の駆動信号−約９０度とにほぼ反転させることにより、前記圧電振動子に励振する円を含む楕円運動の回転方向を前記周期毎に反転させるように前記第２の駆動回路を介して該第２の駆動信号を加えることを特徴とする圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路。
【請求項２】
請求項１記載の圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路において、前記駆動・検出回路は、前記検出端子の少なくとも１つのものに接続された検出回路を含み、前記検出回路は、前記タイマー回路の前記周期の出力に同期して増幅度の符号を反転、非反転に切り替える符号反転回路と積分回路とを具備すると共に、Ｘ方向又はＹ方向の振動の大きさを検出するときに時分割で旋回方向を変えて励振する楕円運動の方向に同期して検出信号を反転、非反転させることにより、無回転時の出力電圧を相殺して回転時の出力のみを検出するように構成されたことを特徴とする圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として船舶や自動車等の移動体自身及び搭載される機器の姿勢制御や、自動車等のナビゲーションシステム等に用いられるジャイロスコープのうち、特に圧電振動子の超音波振動を用いた所謂圧電振動ジャイロに関し、詳しくは圧電振動子の振動を駆動・検出するための圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、圧電振動ジャイロは、振動している物体に回転角速度が与えられると、その振動方向と直角な方向にコリオリ力を生ずるという力学現象を利用したジャイロスコープに属される。圧電振動ジャイロでは、一方の振動を励振した状態で圧電振動子を回転させると、上述したコリオリ力の作用によりこの振動と直角な方向に力が加わり、他方の振動が励振される。この励振の大きさは入力側の振動の大きさ及び回転角速度に比例するため、入力電圧を一定にした状態でこの振動の大きさに比例した出力電圧の大きさから回転角速度の大きさを求めることができる。
【０００３】
図７は、従来の圧電振動ジャイロの一構成例を示す概略図である。図７において、正方形断面形状を有する金属角柱５７の隣り合う面に厚さ方向に分極された圧電セラミックス薄板５８，５９がそれぞれ接合されている。この金属角柱５７は、中心軸に交差する方向に互いに直角に二つの方向（Ｘ，Ｙ）に、ほぼ同じ共振周波数で屈曲振動が可能であり、圧電セラミックス薄板５８にこの共振周波数の電圧を印加すると、圧電セラミックス薄板５８を接合した面が凹凸となる方向（Ｘ方向とする）に屈曲振動する。この状態で金属角柱５７を長さ方向を軸（Ｚ）として回転させると、金属角柱５７は、コリオリ力の作用により圧電セラミックス薄板５９を接合した面が凹凸となる方向（Ｙ方向とする）に屈曲振動し、圧電セラミックス薄板５９に回転角速度に比例した電圧が発生する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示した従来の圧電振動ジャイロにおける励振（駆動）・検出の場合、圧電セラミックス薄板５８，５９の接着位置ずれや、金属角柱５７の加工精度によりＸ方向のみを励振している筈の回転角速度が加わっていない状態でもＹ方向の振動が励振されることがあり、これによって圧電セラミック薄板５９に出力電圧が発生するため、圧電振動ジャイロの精度を悪化させているという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、回転角速度が加わっていない無回転時の出力を削減できて高精度に検出し得る圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、円柱状の外周面に複数の帯状電極端子が配備されて成ると共に、該複数の帯状電極端子には少なくとも直交する２つの方向の振動を独立して励振できるように配置された二つ以上の駆動端子、及び該駆動端子にほぼ対向する位置に配備された少なくとも一つ以上の検出端子が含まれる圧電振動子における屈曲モードを利用して駆動・検出回路により駆動・検出を行う圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路において、駆動・検出回路は、圧電振動子の屈曲振動の共振周波数近傍で自励発振させるための発振回路と、駆動端子の一方のものに第１の駆動信号を加える第１の駆動回路と、圧電振動子における共振周波数の逆数及び時定数を示す応答速度よりも十分大きい周期を発生するタイマー回路と、タイマー回路で発生する周期により増幅度の符号を反転、非反転に切り替える符号反転回路と、第１の駆動信号を約９０度位相を遅らせるか又は進ませる位相回路と、駆動端子のもう一方のものに第２の駆動信号を加える第２の駆動回路とを備えて成る駆動回路部を含み、更に、第１の駆動回路では、第１の駆動信号を圧電振動子の屈曲振動の共振周波数近傍の周波数で一定振幅の交流電圧として印加し、第２の駆動回路では、第２の駆動信号を第１の駆動信号と同一周波数で位相回路の通過を経て該第１の駆動信号と位相差が約±９０度となる交流電圧として印加し、符号反転回路では、周期の時分割で第２の駆動信号の位相を第１の駆動信号＋約９０度と第１の駆動信号−約９０度とにほぼ反転させることにより、圧電振動子に励振する円を含む楕円運動の回転方向を周期毎に反転させるように第２の駆動回路を介して該第２の駆動信号を加える圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路が得られる。
【０００７】
又、本発明によれば、上記圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路において、駆動・検出回路は、検出端子の少なくとも１つのものに接続された検出回路部を含み、更に、検出回路部は、タイマー回路の周期の出力に同期して増幅度の符号を反転、非反転に切り替える符号反転回路と積分回路とを具備すると共に、Ｘ方向又はＹ方向の振動の大きさを検出するときに時分割で旋回方向を変えて励振する楕円運動の方向に同期して検出信号を反転、非反転させることにより、無回転時の出力電圧を相殺して回転時の出力のみを検出するように構成された圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路が得られる。
【０００８】
【作用】
本発明の圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路では、駆動回路部の働きで圧電振動子における励振する円を含む楕円運動の旋回方向によりコリオリ力が加わる力の方向が変化し、又検出回路部の働きでも円を含む楕円運動の方向に同期して反転させ、更に得られた出力を旋回運動の方向を反転させる分割時間より十分長い時定数で平均化しているため、圧電振動子の加工精度等により発生する無回転時の出力成分が相殺される。式を用いて説明すると、ある周期Ｔ１における検出電極１の出力電圧をＶT1、Ｔ１と逆方向に旋回している次の周期Ｔ１′における検出電極１の出力電圧をＶT2、Ｘ方向の振動成分で励起される電圧成分をＶｘ、加工精度等により発生する無回転時の出力電圧成分をＶ０、コリオリ力によって励起される振動による出力電圧成分をＶｗとすると、ＶT1及びＶT2はそれぞれＶT1＝Ｖｘ＋Ｖ０＋Ｖｗ、ＶT2＝Ｖｘ＋Ｖ０−Ｖｗと表わすことができる。よって、出力端子からの出力電圧Ｖout は、Ｖout ＝（ＶT1−ＶT2）＝２Ｖｗとなり、コリオリ力による成分、即ち、印加される回転角速度成分のみの出力が得られることになる。従って、圧電振動ジャイロにおいて精度高く検出可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１０】
図１は、一実施例における圧電振動ジャイロに用いられる圧電振動子１０の一例として圧電セラミックス円柱１を用いた圧電振動子の一例を示す斜視図である。圧電セラミックス円柱１から成る圧電振動子１０の外周面上に長さ方向と平行なｎ個（ｎは３以上）の帯状電極２が形成されている。以下説明を簡単にするためにｎ＝８の場合について説明する。図２は図１に示した圧電セラミックス円柱１の分極方向を示す断面図である。図１において、圧電セラミックス円柱１に等間隔で８個の帯状電極２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７及び２８を形成している。これらの電極を互いに一つおきの帯状電極２１，２３，２５，２７及び２２，２４，２６，２８を電気的に接続して２端子として分極処理を施すと、圧電セラミックス円柱１の断面方向の分極の向きは、図２の破線の矢印で示される方向となる。これらの各帯状電極の間隔部をそれぞれＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６，Ｇ７、及びＧ８とする。今、間隔部Ｇ１に交流電圧を印加すると、印加電解の向きが分極の向きと等しい場合には間隔部Ｇ１に伸び歪みが発生し、印加電解の向きが分極の向きと逆向きの場合には間隔部Ｇ１に縮み歪みが発生する。従って、間隔部Ｇ１部に圧電セラミックス円柱１の屈曲振動モードにほぼ等しい周波数の励振用の交流電界を印加すると圧電セラミックス円柱１は圧電横効果により間隔部Ｇ１の中心と圧電セラミックス円柱１の中心とを結ぶ矢印２９の方向に屈曲振動する。
【００１１】
図３は、上述した一実施例の圧電振動ジャイロを構成するための接続に供される圧電振動子１０の断面図及び駆動・検出回路を示す回路ブロック図である。
【００１２】
この駆動・検出回路は、上述した各帯状電極を機能付けた場合、帯状電極（検出端子）２７は、自励発振の条件を満たすための発振回路３５に接続され、発振回路３５の出力は、第１の駆動回路３１に入力され、圧電振動子１０に屈曲振動を励起するのに必要な所定の電圧に増幅した第１の駆動信号（圧電振動子１０の屈曲振動の共振周波数近傍の周波数で一定振幅の交流電圧）として帯状電極（駆動端子）２３に加えられ、Ｘ方向の振動を自励発振駆動している。更に、第１の駆動回路３１からの第１の駆動信号の出力は、位相回路３３に入力され、約９０度位相を遅らせられる。位相回路３３からの出力は、タイマー回路３６の出力信号によって周期Ｔ１毎に増幅度の符号を反転させる符号反転回路３４に入力され、符号反転回路３４で任意の符号とされた出力は、第２の駆動回路３２で所定の電圧に増幅した第２の駆動信号（第１の駆動信号と同一周波数で位相回路３３の通過を経て第１の駆動信号と位相差が約±９０度となる交流電圧）として帯状電極（駆動端子）２１に加えられ、Ｙ方向の振動を励起する。タイマー回路３６は、圧電振動子１０の共振周波数及び時定数を示す応答周波数よりも十分長い時間Ｔ１の周期の出力パルスを生成している。尚、ここでの発振回路３５、第１の駆動回路３１、タイマー回路３６、位相回路３３、符号反転回路３４、及び第２の駆動回路３２による構成部分は駆動回路部とみなすことができる。又、帯状電極（検出端子）２７は、増幅回路３７及び同期検波回路３８に入力され、Ｘ方向の振動に応じた出力電圧が検出される。同期検波回路３８は、符号反転回路３９に接続され、タイマー回路３６の出力に応じて時間Ｔ１周期で増幅度の符号を切り替えて出力される。符号反転回路３９の出力は、ローパスフィルタ４０に入力され、時間Ｔ１より十分長い時間で平均化されて出力端子（ＯＵＴＰＵＴ）４１に出力される。尚、ここでの増幅回路３７及び同期検波回路３８、タイマー回路３６の機能を含む符号反転回路３９、及び積分回路の機能を成すローパスフィルタ４０による構成部分は検出回路部とみなすことができる。
【００１３】
図４は、圧電振動ジャイロの圧電振動子１０（圧電セラミック円柱１）に励振される旋回運動の状態及びコリオリ力の方向を説明するための図であり、同図（ａ）は圧電振動子１０の振動状態及び回転時のコリオリ力の方向を示すための断面図に関するもの，同図（ｂ）は圧電振動子１０の旋回角を説明するための斜視図に関するものである。ここでは、圧電振動子１０のＸ方向とＹ方向とにそれぞれ位相の異なる（約９０度）駆動力を印加することによって図４（ａ）中に矢印で示される振動状態にあって破線で示される向きにコリオリ力が働く結果、図４（ｂ）に破線で示されるような所定の挟角で規定される旋回運動が励起されることを示している。本発明では、この旋回運動の方向を時分割で逆転させることでコリオリ力の方向が逆転することを利用して不要出力を取り除くことを主旨としている。
【００１４】
更に、図５は、図３に示す各部であって、駆動端子に加えられる駆動電圧、検出端子に出力される駆動振動成分、コリオリ力により生じる起電力、及び加工精度等の影響により出力される不要出力の波形と圧電振動子１０の状態とを説明するために示したもので、同図（Ａ）はタイマー回路３６の出力波形に関するもの，同図（Ｂ）は帯状電極（駆動端子の一つ）２３に加えられるＸ方向の駆動電圧の波形に関するもの，同図（Ｃ）は帯状電極（駆動端子のもう一つ）２１に加えられるＹ方向の駆動電圧の波形に関するもの，同図（Ｄ）は同図（Ｂ）に示す駆動電圧によって励起されたＸ方向の振動による帯状電極（検出端子）２７の出力電圧成分Ｖｘの波形に関するもの，同図（Ｅ）は帯状電極（検出端子）２７に出力されるコリオリ力による出力成分Ｖｗの波形に関するもの，同図（Ｆ）は帯状電極（検出端子）２７に出力される不要出力成分Ｖ０（圧電振動子１０の加工精度等の影響で現れる）の波形に関するもの，同図（Ｇ）は周期Ｔ１における圧電振動子１０の旋回状態及びコリオリ力の方向を示す断面方向での模式図に関するもの，同図（Ｈ）は周期Ｔ１′における圧電振動子１０の旋回状態及びコリオリ力の方向を示す断面方向での模式図に関するものである。
【００１５】
ある周期Ｔ１の区間において、第１の駆動回路３１の出力と第２の駆動回路３２の出力との位相差が約＋９０度とすると、圧電振動子１０のある着目点２０は図５（Ｇ）の破線１１で示すように円運動する。この円運動している圧電振動子１０にその長さ方向を軸として回転角速度ω（図５（Ｇ）中の矢印１４）を加えると、圧電振動子１０の着目点２０の接線方向で表わされる速度（図５（Ｇ）中の矢印１２）に垂直な方向にコリオリ力１３が加わる。コリオリ力１３の方向は旋回による圧電振動子１０の着目点２０の位置によって図５（Ｇ）のＧ−１，Ｇ−２，Ｇ−３，Ｇ−４の矢印１３に示すように変化する。このコリオリ力１３によって帯状電極（検出端子）２７には、図５（Ｅ）の周期Ｔ１に示すような起電力を生じる。
【００１６】
次の周期Ｔ１′において、タイマー回路３６の出力に応じて、第２の駆動回路３２の出力電圧は反転し、第１の駆動回路３１の出力と第２の駆動回路３２の出力との位相差が約−９０度となる。ここで、圧電振動子１０のある着目点２０は、図５（Ｈ）の矢印１５が周期Ｔ１のときと逆方向に運動する。この時のコリオリ力の方向は図５（Ｈ）の矢印１６の方向となり、図５（Ｅ）の周期Ｔ１′の区間に示すように帯状電極（検出端子）２７の出力には、周期Ｔ１の区間とは逆位相の起電力が誘起される。
【００１７】
帯状電極（検出端子）２７に出力される電圧には、図５（Ｄ）、図５（Ｅ）、図５（Ｆ）を合成した電圧が出力される。この出力電圧は、同期検波回路３８で整流され、符号反転回路３９を介してローパスフィルタ４０でさらに平均化される。よって出力電圧は、ある周期Ｔ１における帯状電極（検出端子）２７の出力電圧をＶT1、周期Ｔ１と逆方向に旋回している次の周期Ｔ１′における帯状電極（検出端子）２７の出力電圧をＶT2、Ｘ方向の振動成分で励起される電圧成分をＶｘ、加工精度等により発生する無回転時の出力電圧成分をＶ０、コリオリ力によって励起される振動による出力電圧成分をＶｗとすると、ＶT1、ＶT2はそれぞれＶT1＝Ｖｘ＋Ｖ０＋Ｖｗ、ＶT2＝Ｖｘ＋Ｖ０−Ｖｗと表わすことができる。よって、出力端子（ＯＵＴＰＵＴ）４１の出力Ｖout は、Ｖout ＝（ＶT1−ＶT2）＝２Ｖｗとなり、励振した振動成分及び不要出力成分はキャンセルされ、コリオリ力による成分すなわち印加される回転角速度成分のみの出力電圧が得られることになる。
【００１８】
以上の説明は、圧電セラミック円柱１で圧電振動子１０を構成した圧電振動ジャイロの場合についての説明であるが、その他にも圧電セラミックパイプ，金属柱，圧電素子等で構成した振動子を持つ圧電振動ジャイロについても同様な効果が得られることは明白である。
【００１９】
図６は、本発明の他の実施例における圧電振動ジャイロを構成するための接続に供される圧電振動子１０の断面図及び駆動・検出回路を示す回路ブロック図である。ここでは、先の一実施例の場合と比べ、Ｙ方向の帯状電極２５を検出端子として検出回路部における増幅回路３７に接続することにより、駆動・検出回路の検出回路部における符号反転回路３９を用いることなく同様な出力を得ることができるようにした点が相違している。
【００２０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の圧電振動ジャイロ用駆動・検出回路によれば、従来の圧電振動ジャイロに対する駆動・検出と比べて励振した振動成分及び加工精度等による静止時の不要出力の影響が少なく、圧電振動ジャイロにおいて誤差の少ない高精度な検出が可能になるため、工業的な価値が大となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例における圧電振動ジャイロに用いられる圧電振動子の構造を示す斜視図である。
【図２】  本発明の一実施例における圧電振動ジャイロの圧電振動子の分極の状態及び基本原理を説明するための断面図である。
【図３】  本発明の一実施例における圧電振動ジャイロを構成するための接続に供される圧電振動子の断面図及び駆動・検出回路を示す回路ブロック図である。
【図４】  本発明の一実施例における圧電振動ジャイロの圧電振動子に励振される旋回運動の状態及びコリオリ力の方向を説明するための図であり、（ａ）は圧電振動子の振動状態及び回転時のコリオリ力の方向を示すための断面図に関するもの，（ｂ）は圧電振動子の旋回角を説明するための斜視図に関するものである。
【図５】  図３に示す各部であって、駆動端子に加えられる駆動電圧、検出端子に出力される駆動振動成分、コリオリ力により生じる起電力、及び加工精度等の影響により出力される不要出力の波形と圧電振動子の状態とを説明するために示したもので、（Ａ）はタイマー回路の出力波形に関するもの，（Ｂ）は帯状電極（駆動端子の一つ）に加えられるＸ方向の駆動電圧の波形に関するもの，（Ｃ）は帯状電極（駆動端子のもう一つ）に加えられるＹ方向の駆動電圧の波形に関するもの，（Ｄ）は（Ｂ）に示す駆動電圧によって励起されたＸ方向の振動による帯状電極（検出端子）の出力電圧成分の波形に関するもの，（Ｅ）は帯状電極（検出端子）に出力されるコリオリ力による出力成分の波形に関するもの，（Ｆ）は帯状電極（検出端子）に出力される不要出力成分の波形に関するもの，（Ｇ）は周期Ｔ１における圧電振動子の旋回状態及びコリオリ力の方向を示す断面方向での模式図に関するもの，（Ｈ）は周期Ｔ１′における圧電振動子の旋回状態及びコリオリ力の方向を示す断面方向での模式図に関するものである。
【図６】  本発明の他の実施例における圧電振動ジャイロを構成するための接続に供される圧電振動子の断面図及び駆動・検出回路を示す回路ブロック図である。
【図７】  従来の圧電振動ジャイロの一構造例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    圧電セラミック円柱
２，２１〜２８    帯状電極
１０    圧電振動子
３１    第１の駆動回路
３２    第２の駆動回路
３３    位相回路
３４，３９    符号反転回路
３５    発振回路
３６    タイマー回路
３７    増幅回路
３８    同期検波回路
４０    ローパスフィルタ
４１    出力端子
５７    金属角柱
５８，５９    圧電セラミック薄板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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