(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の検出用圧電素子と駆動用圧電素子が設けられたロッド状振動体と、上記一対の検出用の圧電素子からの出力信号の差動をとる差動増幅器と、
上記差動増幅器からの出力信号と上記駆動用圧電素子に供給される駆動信号とを乗算する演算回路と、
上記演算回路からの出力信号の帯域に合わせて上記駆動信号の周波数のＮ（Ｎ＝１，２，３・・・）倍又は１／Ｎ倍をサンプリング周波数とするように制御する制御回路と、アナログ／ディジタル変換を行うとともに、符号化処理を行うエンコード回路とを備え、
上記ロッド状振動体、上記差動増幅器、上記演算回路、上記制御回路、上記エンコード回路が装置本体に一体的に内蔵されていることを特徴とする振動ジャイロ装置。
【請求項２】
上記振動ジャイロ装置は、上記演算回路からの出力信号中の搬送波成分を除去する帯域フィルタを備え、上記帯域フィルタからの出力信号が上記エンコード回路に供給されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の振動ジャイロ装置。
【請求項３】
上記振動ジャイロ装置は、更に上記装置本体に内蔵され、上記エンコード回路の出力側に設けられて、上記ロッド状振動体の非線形性を補正するための線形性補正回路を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の振動ジャイロ装置。
【請求項４】
上記振動ジャイロ装置は、更に上記装置本体に内蔵されるとともに、上記エンコード回路の出力側に設けられ、上記ロッド状振動体の検出振動の次元を変換するための次元変換器とを備えていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の振動ジャイロ装置。
【請求項５】
上記次元変換器は、微分器から構成されていることを特徴とする請求の範囲第４項記載の振動ジャイロ装置。
【請求項６】
上記次元変換器は、積分器から構成されていることを特徴とする請求の範囲第４項記載の振動ジャイロ装置。
【発明の詳細な説明】
技術利用分野
本発明は、例えば、運動体の揺動運動をディジタル検出する振動ジャイロ装置に関する。
背景技術
従来から、運動体の揺動運動を検出するジャイロスコープには、極めて多くの種類があり、その動作、特徴、およびその使用方法がそれぞれ異なるため、必ずしもすべてのジャイロスコープが種々の用途に適しているとはいえないことがわかっている。
例えば、特公昭４２−２２７号公報、特公昭５４−１９２４２号公報および本発明と同一出願人による特開平０１−１１２９００号公報記載のオーディオ再生装置に用いられるリスナの頭部運動を検出するジャイロスコープの場合を考える。
上述のオーディオ再生装置は、音響信号をヘッドホンで再生する際に、本来スピーカで再生する場合に予め定められた位置関係に置かれるべきスピーカから音が再生されるのと同等の定位感、音場感等を、ヘッドホンで再生しても得られるものである。
これは、ステレオ等で収音された多チャンネルの音響信号を再生するシステムに用いるもので、特に、予め定められた位置関係、例えば、前方右、前方左、中央等に各音像を定位させるために各チャンネルに記録あるいは伝送される音響信号をヘッドホン等で再生する際に、リスナの頭部運動をジャイロスコープにより検出して、頭部の基準方向に対する仮想音源位置から両耳に至る制御信号等を読み出し、各チャンネルに入力される音響信号をこの制御信号等で補正し変更することにより、あたかもその仮想音源位置に置かれたスピーカから再生音が聞こえるような再生効果を与えるものである。
従って、この場合のリスナの頭部運動を検出するジャイロスコープは、リスナの頭部に搭載するため、小型で軽量、かつ低消費電力で長寿命、さらに取扱いが簡便で安価であることが要求される。
しかし、従来のジャイロスコープは、コマの性質を応用したコマ式ジャイロスコープと呼ばれるものであり、内部に高速回転体を有しているため、寿命が数千時間以下と短いこと、モータの駆動および検出用ピックアップに電磁式のものを用いることが多いので消費電力が多いという不都合があった。さらに、特殊交流電源を必要とし、使用する際には特殊回路を必要とするという不都合があった。
また、重量体積も大きく、さらに高価であり、高速回転体を有しているため、取扱いを極めて慎重に行う必要があり、リスナの頭部に設けて頭部の回転検出を行うのに適していないという不都合があった。
特に、複数の軸に対する回転運動を検出するためには、複数個のジャイロスコープを用いる必要があり、しかも、慣性力を応用したジャイロスコープは同一の場所に取り付ける必要があるためさらに不都合があった。
上述のコマ式ジャイロスコープを用いる場合には、同一場所に取り付けなければならないという制約はないものの、小型で軽量、かつ低消費電力で長寿命、さらに取扱いが簡便で安価であることが要求される上例の用途には適さないものである。
そこで、コマ式ジャイロスコープの欠点を補うジャイロスコープとして、回転体の代わりに種々の形状の振動体を電磁的に加振し、また振動を検出する振動ジャイロを用いることにより、小型で軽量、かつ低消費電力で長寿命、さらに取扱いが簡便で安価であること等の条件をかなり改善し、解決することができる。
しかし、振動ジャイロであっても、振動体の加振および検出を電磁的に行っているため、コマ式ジャイロスコープよりはかなり改善されているものの、消費電力、感度、体積、重量等に関しては上述の条件を満足することができなかった。
そこで、種々の形状の振動体を電磁的に加振し、また振動を検出する一般的な振動ジャイロの代わりに、加振あるいはおよび検出に圧電素子を用いた圧電振動ジャイロを用いることにより、小型で軽量、かつ低消費電力で長寿命、さらに取扱いが簡便で安価であること等の条件をさらに改善し、解決することができる。
しかし、従来の圧電振動ジャイロはアナログ形式であるため、外来ノイズの影響を受けやすく、また、伝送路が長くなると、伝送線の線間容量が大きくなるため、特に高域の信号が劣化しがちである。このような信号劣化を防止するためには、太いケーブルを用いることが必要であるが、運動体の揺動検出のためには、これらの太いケーブルを用いることは困難であり、特に多数の圧電振動ジャイロを用いる場合には検出不可能となることもある。また、検出した振動を電磁波等により無線装置で伝送する場合には、アナログ変調方式のため外乱の影響を受けやすいという不都合があった。
また、従来の圧電振動ジャイロのアナログ出力をディジタル出力に変換した場合には、圧電振動ジャイロのアナログ出力が必ずしも検出出力そのものではなく、種々の変調、例えば振幅変調等を受けるので、それを復調して正しい検出出力を得なければならないため、最終的に離散的なディジタル信号例にするために不要な処理、例えば平均化処理等を行う必要があるので、そのために時間遅れや、信号歪が生じるという不都合があった。
さらに、従来の圧電振動ジャイロにおいては、一方向の伝送しか行うことができず、振動体の振動状況に応じた細かな測定条件の設定のためには、振動体を止めて行わなければならなかったので、取扱いが煩雑になるという不都合があった。
これに加えて、振動の検出に当たっては、速度あるいは角速度、変位あるいは角度のように、検出器の変換法により取り出せる次元が異なり、振動出力を外部に設けた積分器や微分器に加えて、必要とする次元の振動形態に直して用いなければならず、やはり取扱いが煩雑になるという不都合があった。
発明の開示
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、操作性が良く、しかも検出精度の高い振動ジャイロ装置の提供を目的とする。
第１の発明の振動ジャイロ装置は、一対の検出用圧電素子と駆動用圧電素子が設けられたロッド状振動体と、一対の検出用の圧電素子からの出力信号の差動をとる差動増幅器と、差動増幅器からの出力信号と駆動用圧電素子に供給される駆動信号とを乗算する演算回路と、演算回路からの出力信号の帯域に合わせて駆動信号の周波数のＮ（Ｎ＝１，２，３・・・）倍又は１／Ｎ倍をサンプリング周波数とするように制御する制御回路と、アナログ／ディジタル変換を行うとともに、符号化処理を行うエンコード回路とを備えとを備え、ロッド状振動体、差動増幅器、演算回路、上記制御回路、エンコード回路が装置本体に一体的に内蔵されているものである。これによれば、振幅変調された検出信号のピーク値をそのまま量子化データとして、かつ、同期検波出力の極性を符号ビットとするディジタル信号に変換するので、外来ノイズの影響を受け難く、また伝送信号の劣化が少なくなる。
また、第２の発明の振動ジャイロ装置は、演算回路からの出力信号中の搬送波成分を除去する帯域フィルタを備え、帯域フィルタからの出力信号がエンコード回路に供給されるものである。これによれば、振幅変調された検出信号と、駆動用信号とから搬送波成分を除去し、かつ、同期検波出力の極性を符号ビットとするディジタル信号に変換するので、外来ノイズの影響を受け難く、また伝送信号の劣化が少なくなる。
また、第３の発明の振動ジャイロ装置は、更に装置本体に内蔵され、アナログ／ディジタル変換器の出力側に設けられて、振動ジャイロの非線形性を補正するための線形性補正回路とを備えているものである。これによれば、振動ジャイロの非線形性を補正するための線形性補正回路を一体的に内蔵したので、振動ジャイロの検出信号の非線形性を補正し、伝送経路中における外来ノイズの影響による検出信号の信号劣化がなくなり、伝送路を有効に利用でき、さらに高品位、高忠実度の信号伝送をすることができる。
また、第４の発明の振動ジャイロ装置は、更に装置本体に内蔵されるとともに、アナログ／ディジタル変換器の出力側に設けられ、振動ジャイロの検出振動の次元を変換するための次元変換器とを備えているものである。これによれば、振動ジャイロの検出振動の次元を変換するための次元変換器とを一体的に内蔵したので、検出信号の次元を必要とする次元に直すことができる。
また、第５の発明の振動ジャイロ装置は、次元変換器は、微分器から構成されているものである。これによれば、微分器により周波数帯域を所定範囲に制限し、検出信号の次元を必要とする次元に直すことができる。
また、第６の発明の振動ジャイロ装置は、次元変換器は、積分器から構成されているものである。これによれば、積分器により周波数帯域を所定範囲に制限し、検出信号の次元を必要とする次元に直すことができる。
【図面の簡単な説明】
図１はこの発明の振動ジャイロ装置の一実施例のブロック図である。
図２はこの発明の振動ジャイロ装置の他の実施例のブロック図である。
図３はこの発明の振動ジャイロ装置の振動ジャイロの動作を示す詳細な回路図である。
図４はこの発明の振動ジャイロ装置の動作を説明する図であり、図４Ａは検出信号を示し、図４Ｂは駆動用信号を示す。
図５はこの発明の振動ジャイロ装置の動作を説明する図である。
発明を実施するための最良の形態
図１は、本発明による振動ジャイロ装置の一実施例の構成を示すブロック図である。振動ジャイロ装置１０内には、振動ジャイロ１、復調器２、可変利得増幅器３、可変帯域フィルタ４、Ａ／Ｄ変換器５、線形性補正回路６、制御回路７が設けられている。
振動ジャイロ１は、振動が伝わるとその出力端の振動のレベルに応じた電気信号の変化が生じるものである。直線運動に対しては、加速度、速度、変位を検出できる振動ピックアップが用いられる。回転運動に対しては、角加速度、角速度、角度変化を検出できるジャイロスコープ等が用いられている。
このような振動ジャイロ１の検出信号はそのまま振動の変化を表す場合もあるが、変調波の形で出力される場合もある。変調波の形で出力される場合には復調器２によりその変化を取り出す。例えば、速度ピックアップからは振動速度に比例した電流が出力される。振動ジャイロの場合には、角速度（コリオリの力）に比例し、振幅変調された信号が出力されるので、同期検波等の復調処理が必要である。
こうして出力された検出信号は出力レベルが小さいので、後段のＡ／Ｄ変換器５のダイナミックレンジを有効に利用できるように可変利得増幅器３により増幅する。可変利得増幅器３により増幅された検出信号はさらに帯域を制限する可変帯域フィルタ４により必要とされる帯域が取り出される。
そして、これらの増幅度および帯域幅については、振動体の振動が常に一定ではなく、しかも必要とする信号の帯域も常に一定ではないことから、Ａ／Ｄ変換のサンプリングレートと共に、外部から制御することができるように構成されている。
これにより一層、Ａ／Ｄ変換器５のダイナミックレンジを有効に利用することができる。制御回路７は、外部からのディジタル制御信号を受け入れ、可変利得増幅器３、可変帯域フィルタ４、Ａ／Ｄ変換器５に必要な制御信号を生成して供給するものである。制御回路７は、振動ジャイロ装置１０内にＣＰＵを搭載する場合には、ＣＰＵで構成しても良い。
このように、増幅度のレベルおよび帯域幅の調整されたアナログの振動検出信号をＡ／Ｄ変換器５によりディジタル信号に変換し、さらにその後に、線形性補正回路６により、振動ジャイロ１の検出素子の非線形性を補正する。なお、この補正値は、制御回路７からの制御信号により外部から設定される増幅度に対応して修正される。
このような振動ジャイロ装置によれば、以下のような動作をする。振動ジャイロ１の至近距離において、振動の検出信号を増幅し、周波数帯域幅を制限し、ディジタル化しているので、歪が少なく、Ｓ／Ｎ比の良い振動の検出信号の伝達が可能となり、しかも、振動ジャイロ装置１０から離れた位置において増幅度、すなわち振動検出感度および帯域を制御することができるので、操作性が向上し、広範囲の目的に対応することができる。
また、必要な帯域の設定に合わせて、サンプリングレートも変化させることができるので、より多くの検出信号を時分割多重により伝送することができる。さらに、ディジタル出力信号の特徴を生かし、伝送路の使用電線数を大幅に削減することができ、経済的で信号劣化の少ない伝送が可能となる。
また、これに加えて、ディジタル信号に変換された後に、振動ジャイロ１の非直線性をディジタル処理により補正するので、極めて線形性の良い振動ジャイロ装置を構成することができる。
図２は、本発明による振動ジャイロ装置の他の実施例の構成を示すブロック図である。図２において、図１に対応するものには同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。図２に示す振動ジャイロ装置が図１に示したものと相違する点は、図１における振動ジャイロ装置の検出素子の線形性補正回路６を次元変換器８に替えた点である。
この次元変換器８は、例えば、微分器あるいは積分器で構成されるものである。この次元変換器８の動作は、振動ジャイロ１の変換原理に応じて振動の検出信号の次元を修正するものである。従って、この次元変換器８を設けることにより、振動の次元を変換して、さらに高精度な検出をすることができる。
この例における次元変換器８の微分あるいは積分の演算は、アナログ演算によることもできるが、図示したように、ディジタル信号の段階で行う方が、より高精度の演算が可能である。また、次元変換器８は、制御回路７のコントロールを受けているので、外部からの制御信号により、任意の特性を実現させることができる。
なお、この次元変換器８の微分器あるいは積分器に必要な演算部およびフィルタ部とは兼用することができる。この場合のディジタルフィルタとしては、ＩＩＲ，ＦＩＲ型等を目的に合わせて用いることができる。
図３に、振動ジャイロ１の動作を示す詳細な回路を示す。図３において、正方形断面の振動用正四角柱１１は種々の振動体から構成される。この振動用正四角柱１１の対向する２面には、検出用素子１２および１３、駆動用素子１４および１５が取り付けられている。この検出用素子１２および１３、駆動用素子１４および１５はそれぞれ磁歪素子により電磁的に検出、または駆動するものであるが、圧電素子により構成しても良い。振動用正四角柱１１の振動を変位量として検出するものであれば、どのような検出素子を用いても良い。この振動用正四角柱１１は、ロッド状振動体を構成する。
駆動用素子１４および１５には駆動用信号源１６が接続され、交番信号を供給するように構成されている。検出用素子１２および１３の出力は、差動増幅器１７に供給される。この差動増幅器１７の差動出力と駆動用信号源１６の出力とが乗算器または位相検波器１８に供給され、乗算または位相検波される。乗算器または位相検波器１８の出力は、帯域制限フィルタ１９に供給されて搬送波成分が除去された後に、Ａ／Ｄ変換器および符号ビット化器２０、すなわちエンコード回路に供給され、その符号により、右または左の回転を検出する。
このように構成された振動ジャイロは、図４および図５に示すように、以下のような動作をする。まず、駆動用素子１４および１５に振動用正四角柱１１の固有振動周波数の交番信号を印加すると、振動用正四角柱１１は図示の振動波形に基づいて強制振動される。この振動は一定のモードで共振を発生させるものである。
この場合、外力が加わらない状態では、検出用素子１２および１３の出力はされないが、振動用正四角柱１１に対して軸方向に角速度ωの回転力が加わると、コリオリの力により、搬送波としての強制振動用の交番信号が振幅変調され、図４Ａに示すような検出信号となって検出される。この場合の振幅の大きさは、軸に及ぼされる回転の角速度ωに比例し、回転方向は図４Ｂに示す駆動用信号に対する検出信号の位相ずれ方向に対応する。
従って、振幅変調された検出信号と、駆動用信号との積を取り、その信号を低域フィルタとしての帯域制限フィルタ１９で搬送波成分を除去し、検出信号とすることが行われている。
ここで、乗算器または位相検波器１８において積を取るための演算エラーまたは帯域制限フィルタ１９を通過することによる時間遅れが生じるので、図４Ａに示すような振幅変調された検出信号、図４Ｂに示す駆動用信号のＮ（Ｎ＝１，２，３・・・）倍又は１／Ｎ倍をサンプリング周波数とし、振幅変調信号の波高値のサンプル値をサンプル点とするＡ／Ｄ変換器、および振幅変調信号の波高値のサンプル値をサンプル点とし、かつ基準搬送波と振幅変調信号との同期検波出力の符号を図５に示すように符号ビット化データとしたＡ／Ｄ変換器および符号ビット化回路２０を設ける。また、サンプル周波数に対応した帯域制限フィルタ１９をその前後に設ける。ここで、図４は、極性のみに着目してピーク波高値をサンプリングした例を示すものである。また、図５において、ＭＳＢは同相であればプラス、逆相であればマイナスの符号が入り、以下ＬＳＢまでデータが入る。
これにより、振幅変調された検出信号のピーク値をそのまま量子化データとし、かつ、同期検波出力の極性を符号ビットとするディジタル信号に変換するので、外来ノイズの影響を受け難く、また伝送信号の劣化が少なくなる。
上例によれば、振動を検出したアナログ出力信号を検出素子の至近においてディジタル信号に変換するので、外来ノイズの影響を受け難く、また伝送信号の劣化を少なくすることができる。
また、上例によれば、振動ジャイロ装置内に、検出素子の非直線性を補正するための線形性補正回路や、振動検出次元を変換するための次元変換器を内蔵させるので、検出素子の非直線性を補正し、振動の次元を高精度に変換して出力することができる。
また、上例によれば、太くて重いケーブルは必要なく、光ケーブル等の細くて軽量なケーブルを用いることができる。
また、上例によれば、複数の振動ジャイロ装置を用いる場合でも、時分割多重伝送方式により、多数本の伝送線路を必要とせず、移動体の振動検出に適した構成にすることができる。
また、上例によれば、検出した振動をワイヤレス化して、ディジタル信号で伝送する場合にも、外乱の影響を受け難くすることができる。
また、上例によれば、双方向通信とすることにより、遠隔地からも容易に設定を変更することができる。
本発明によれば、振動ジャイロの検出信号を増幅する可変利得増幅器と、可変利得増幅器の出力信号をディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル変換器とを一体的に内蔵したので、振動ジャイロからできる限り近距離で検出信号を増幅し、ディジタル信号に変換することにより、伝送経路中における外来ノイズの影響による検出信号の信号劣化がなくなり、伝送路を有効に利用でき、高品位、高忠実度の信号伝送をすることができる。
また、本発明によれば、振動ジャイロの検出出力を増幅する可変利得増幅器と、可変利得増幅器の出力信号の周波数帯域を所定範囲に制限する可変帯域幅の帯域フィルタと、帯域フィルタの出力信号をディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル変換器とを一体的に内蔵したので、振動ジャイロからできる限り近距離で検出信号を増幅し、周波数帯域を所定範囲に制限し、ディジタル信号に変換することにより、伝送経路中における外来ノイズの影響による検出信号の信号劣化がなくなり、伝送路を有効に利用でき、高品位、高忠実度の信号伝送をすることができる。
また、本発明によれば、外部からのディジタル制御信号により、可変利得増幅器の増幅度制御信号、帯域フィルタの帯域幅制御信号、およびアナログ／ディジタル変換器のサンプリングレート制御信号を生成する制御回路とを一体的に内蔵したので、増幅度および帯域幅の制御を行い、アナログ／ディジタル変換のダイナミックレンジを有効に利用して、歪が少なく、Ｓ／Ｎ比の良い検出信号の伝達をすることができ、操作性が向上し、広範囲の目的に対応させることができる。
また、本発明によれば、上述において、振動ジャイロの非線形性を補正するための線形性補正回路を一体的に内蔵したので、振動ジャイロの検出信号の非線形性を補正し、伝送経路中における外来ノイズの影響による検出信号の信号劣化がなくなり、伝送路を有効に利用でき、さらに高品位、高忠実度の信号伝送をすることができる。
また、本発明によれば、上述において、振動ジャイロの非線形性を補正するための線形性補正回路を一体的に内蔵したので、周波数帯域を所定範囲に制限し、振動ジャイロの検出信号の非線形性を補正し、伝送経路中における外来ノイズの影響による検出信号の信号劣化がなくなり、伝送路を有効に利用でき、なお一層高品位、高忠実度の信号伝送をすることができる。
また、本発明によれば、上述において、振動ジャイロの検出振動の次元を変換するための次元変換器とを一体的に内蔵したので、検出信号の次元を必要とする次元に直すことができる。
また、本発明によれば、上述において、振動ジャイロの検出振動の次元を変換するための次元変換器とを一体的に内蔵したので、周波数帯域を所定範囲に制限し、検出信号の次元を必要とする次元に直すことができる。
産業上の利用の可能性
この発明によれば、運動体の揺動運動をディジタル検出して、この検出信号を用いて、電子機器の被制御信号を制御することにより、運動体の揺動運動に基づいた制御をする電子機器の制御装置に利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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