(57)【要約】【課題】従来の角速度検出方法では、漏れ信号を相殺するために振動ジャイロごとにオフセット電圧を高精度に調整しなければならなかった。【解決手段】本発明では、角速度を検出するために位相比較器、ループフィルタ、電圧制御発振器からなるＰＬＬを備え、ループフィルタの出力の積分をアナログの角速度出力、電圧制御発振器の出力をパルスカウンタでカウントした出力と駆動回路の周波数でのパルス数の加算との差をディジタルの角速度出力とする。したがって、高精度な制御が必要であったオフセット電圧の加算または減算が不要である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子を駆動電極で振動させ、回転により生じるコリオリ力を検出電極で検出することで角速度を検知する振動ジャイロにおいて、
位相比較器、ループフィルタおよび電圧制御発振器を含むＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）
を備える振動ジャイロ。
【請求項２】
請求項１記載の振動ジャイロであって、
上記ループフィルタの出力を積分する積分器
を備える振動ジャイロ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の振動ジャイロであって、
上記電圧制御発振器の出力をカウントするパルスカウンタと、駆動回路の出力をカウントするパルスカウンタと、上記２つのパルスカウンタの出力を比較する比較器と、
を備える振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子の回転角速度の検出手段を備える振動ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に振動ジャイロの振動子を示す。１は振動子で、例えば、４つの面は長方形、２つの面は長方形の短い辺と同じ長さの辺である正方形からなる直方体であって、１つの正方形の面が固定されている。固定された正方形の面から対向する正方形の面に向かう方向をω軸とする。また、対向する長方形の２つの面には、長方形の面のそれぞれの長辺に沿って、幅が上記長方形の短辺の半分以下である駆動電極２ｉ（ｉ＝１〜４）が形成される。駆動電極２ｉが形成されている面の法線方向をｖ軸とする。さらに、もう一組の対向する長方形の２つの面には、各面の２つの長辺の中心線に沿って検出電極３ｉ（ｉ＝１、２）が形成される。検出電極３ｉが形成されている面の法線方向をＦｃ軸とする。
【０００３】
図２〜４を参照して振動ジャイロの原理を説明する。図２は振動ジャイロの動作原理を示す図、図３は従来の角速度検出部の機能構成を示す図、図４はアナログの角速度出力をディジタル化する変換部の機能構成を示す図である。駆動回路４からの電気信号によって、駆動電極２ｉが振動子１をｖ軸方向に振動させる。角速度が無い場合には、ｖ軸方向だけの振動のため、検出電極３ｉに発生する電圧は０である。外部から回転が加わると、ω軸に沿った角速度が生じ、コリオリ力がＦｃ軸方向に生じる。したがって、振動子１の振動はｖ軸方向とＦｃ軸方向の振動が合成された振動となる。Ｆｃ軸方向の振動によって生じる電圧を検出電極３ｉで検出する。理想的には、この電圧は角速度に比例した値となる。
【０００４】
検出電極３ｉから出力される電圧は、インピーダンス整合のためのバッファ５を介して乗算器７に入力される。一方、駆動回路４の出力は、駆動電極２ｉだけでなく同時に位相回路６に入力され、位相を９０度シフトし、乗算器７に入力する。理論的には、バッファ５からの角速度信号（コリオリ力）は、駆動回路の信号より９０度位相が遅れて検出電極３ｉから出力される。乗算器７では、バッファ５からの角速度信号と、位相回路６からの信号が同位相になることを利用しており、出力は正または負の波形となる。乗算器７からの出力は、ローパスフィルタ８で平滑化されて直流電圧となり、増幅器１０で増幅されてアナログの角速度出力２０となる。また、図４に示すようにアナログの角速度出力２０を、電圧を周波数に変換するＶＦコンバータ２１で角速度出力２０に比例した周波数のパルス列に変換する。パルスカウンタ２２では、パルス数をカウントすることでディジタルの角速度出力３０を得る。なお、ＶＦコンバータ２１とパルスカウンタ２２の代わりにＡ／Ｄコンバータを使用しても良い。
【０００５】
理想的には上記のような原理で振動ジャイロは動作する。しかし、振動子は圧電素子の結晶から製造するが、加工精度や材料の不均一等があり、理想的な動作とは完全には一致しない。具体的には、上記の加工精度や材料の不均一等によって、コリオリ力が無い場合でもＦｃ軸方向の振動が生じてしまう。これを漏れ振動と呼び、漏れ振動により検出電極３ｉに生じる電圧を漏れ信号と呼ぶ。漏れ振動だけならば位相は一定だが、コリオリ力が加わると、位相が変化する。また、駆動電極２ｉと検出電極３ｉの容量結合によって駆動回路４の信号と位相差のある信号も検出電極３ｉに発生する。位相差は結合する容量によって異なるため、振動ジャイロごとに異なる。
【０００６】
従来はこの漏れ信号分の電圧を打ち消すため、オフセット電圧９を増幅器１０の前に加算または減算している。例えば、増幅器１０の増幅率は１００倍程度、角速度感度は１０ｍＶ／°／ｓ程度とすると、地球の回転速度を検出するためには、１０ｍＶ／３６００（°／ｓ）／１００＝２８ｎＶであり、オフセット電圧の制御には精度の高さが要求される。しかし、オフセット電圧は温度でも変化するため、高精度の基準電圧回路が必要である。また、オフセット電圧の調整に関しては、特許文献１などには、オフセット電圧の調整を容易にする方法などが、記載されている。
【特許文献１】特開平１１−２８１３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の角速度検出方法では、漏れ信号を相殺するために振動ジャイロごとにオフセット電圧を高精度に調整しなければならなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、角速度を検出するために位相比較器、ループフィルタ、電圧制御発振器からなるＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）を備え、ループフィルタの出力の積分をアナログの角速度出力、電圧制御発振器の出力をパルスカウンタでカウントした出力と駆動回路の周波数でのパルス数の加算との差をディジタルの角速度出力とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、従来、オフセット電圧で打ち消そうとしていた漏れ信号を積極的に利用している点にポイントがあり、高精度な制御が必要であったオフセット電圧の加算または減算が不要である。また、ＶＦコンバータが不要となり、角速度出力をディジタル化するための構成が簡易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下にこの発明の実施形態を、図面を参照しながら説明するが、各図中の対応する部分は同一参照番号を付けて重複説明を省略する。
図５は、本発明での振動ジャイロの角速度検出部の機能構成を示す図である。４０はＰＬＬであり、位相比較器４１、ループフィルタ４２、電圧制御発振器４３から構成されている。位相比較器４１では、バッファ５からの出力である角速度信号と後述する電圧制御発振器４３からの出力を比較する。ループフィルタ４２は位相比較器４１からの出力を平滑化し、直流電圧を出力する。電圧制御発振器４３は、ループフィルタ４２からの出力に基づいて決まる周波数の正弦波を出力する。
【００１１】
漏れ信号の電圧ＶＬは、次のように表現できる。
ＶＬ＝Ａ０ｓｉｎ（ωｔ+θ０）
ただし、Ａ０は漏れ信号の振幅、ωは駆動回路の角速度、θ０は時刻０での初期位相、ｔは時間である。
コリオリ力が無い場合には、検出電極３ｉに発生する電圧ＶＤ０は、ＶＤ０＝ＶＬである。また、コリオリ力のみにより検出電極３ｉに発生する電圧ＶＣは、次式となる。
ＶＣ＝Ａ１ｓｉｎ（ωｔ+θ１）
ただし、Ａ１はコリオリ力により生じる検出信号の振幅、θ１は時刻０での初期位相である。
したがって、コリオリ力が働く場合に検出電極３ｉに発生する電圧ＶＤは、次のようになる。
【００１２】
ＶＤ＝Ａ０ｓｉｎ（ωｔ+θ０）＋Ａ１ｓｉｎ（ωｔ+θ１）
＝（Ａ０ｃｏｓθ０＋Ａ１ｃｏｓθ１）ｓｉｎωｔ
＋（Ａ０ｓｉｎθ０＋Ａ１ｓｉｎθ１）ｃｏｓωｔ
上記のＶＤ０とＶＤから、コリオリ力が発生することで、検出電極３ｉに発生する電圧の振幅と位相が変化することがわかる。
電圧制御発振器４３の出力をＶＤに対して９０度位相差をとるように設定する。コリオリ力の発生によってＶＤの位相が変化した場合には、ＶＤに対して９０度の位相差を維持するために位相比較器４１の出力が変化する。位相比較器４１の出力はループフィルタ４２で平滑化されて直流電圧となる。さらに、ループフィルタ４２の出力の変動によって電圧制御発振器４３の周波数が変わり、ＶＤと９０度の位相差になるように制御される。位相差が調整されると、位相比較器４１の出力は０に戻り電圧制御発振器４３の周波数も元の周波数に戻る。
【００１３】
また、コリオリ力が変化すればＶＤの位相が変化するので、位相比較器４１の出力が変化し、ループフィルタ４２から直流電圧が出力され、電圧制御発振器４３の周波数が変わり、ＶＤと９０度の位相差になるように制御される。位相差が調整されると、位相比較器４１の出力は０に戻り電圧制御発振器４３の周波数も元の周波数に戻る。
ループフィルタ４２からの出力は、角速度の変化（角加速度）を示すパラメータであり、この出力を積分器１９で積分することでアナログの角速度出力２０が得られる。また、ディジタルの角速度３０を得る方法としては、図４に示す構成でアナログの角速度出力２０をディジタルの角速度出力３０を得る方法の他に、図６に示すように電圧制御発振器４３の出力をパルスカウンタ２２でカウントしたパルス数と駆動回路４の出力をパルスカウンタ２３でカウントしたパルス数の差分をパルス数比較器２４で蓄積し、ディジタルの角速度出力３０を得る方法もある。さらに、積分器１９、パルスカウンタ２２、パルスカウンタ２３、およびパルス数比較器２４を振動ジャイロの構成部品には含めず、振動ジャイロからの情報を処理する装置などに含める方法もある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】振動ジャイロの振動子を示す図。
【図２】振動ジャイロの動作原理を示す図。
【図３】従来の角速度検出部の機能構成を示す図。
【図４】アナログの角速度出力をディジタル化する変換部の機能構成を示す図。
【図５】本発明の振動ジャイロの角速度検出部の機能構成を示す図。
【図６】本発明の振動ジャイロのディジタル角速度検出部の機能構成を示す図。
【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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