(57)【要約】【課題】  簡単な構成で低コスト化した振動ジャイロの駆動回路を提供する。【解決手段】  振動ジャイロ１の振動体に形成した２つの圧電素子３ａ，３ｂの各一方の側面に駆動信号を供給することより、上記圧電素子３ａ，３ｂの各一方の側面と対向する各他方の側面から得られる信号を加算する加算回路１１と、上記加算回路１１により得られる加算出力信号が帰還される発振回路１２とを備え、上記発振回路１２の発振出力として得られる正弦波信号を上記駆動信号として上記２つの圧電素子３ａ，３ｂの各一方の側面に供給する。【選択図】        図１
2006029901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体に形成した２つの圧電素子を含む振動ジャイロの駆動回路であって、
上記２つの圧電素子の各一方の側面に駆動信号を供給することより、上記圧電素子の各一方の側面と対向する各他方の側面から得られる信号を加算する加算回路と、
上記加算回路により得られる加算出力信号が帰還される発振回路とを備え、
上記発振回路の発振出力として得られる正弦波信号を上記駆動信号として上記２つの圧電素子の各一方の側面に供給することを特徴とした振動ジャイロの駆動回路。
【請求項２】
前記振動体の表面が導電メッキされていることを特徴とした請求項１記載の振動ジャイロの駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体に形成した２つの圧電素子を含む振動ジャイロの駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラの手振れ検知やカーナビゲーションシステムにおける方向検知、自動車などの移動体の姿勢制御等に用いられる民生用のジャイロとして、屈曲振動を利用した柱状の振動ジャイロが用いられており、例えば、四角柱状の振動子に２つの圧電素子を貼り付けた振動ジャイロが実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来、例えば図５に示すように、表面を導電メッキした四角柱状の振動子２と圧電素子３ａと圧電素子３ｂで構成され、振動子２の第一の側面に圧電素子３ａと圧電素子３ｂが並ぶように形成されてなる振動ジャイロ１を駆動回路２０により駆動して、２つ圧電素子３ａ，３ｂの出力から検知信号を取り出すようにしている。
【０００４】
図５に示す従来の振動ジャイロ１の駆動回路２０では、振動子２の第一の側面と対向する第二の側面は基準電位Ｖｒｅｆに接続される。この基準電位Ｖｒｅｆは、振動子２を通して圧電素子３ａと圧電素子３ｂの振動子２と接している側面に印加される。
【０００５】
上記振動子２の第一の側面に設けられた圧電素子３ａと圧電素子３ｂには、加算回路２２と差動増幅器２６が接続されているとともに、抵抗２１ａ，２１ｂとコンデンサ２５を介して発振回路２４が接続されている。また、上記加算回路２２は比較回路２３に接続されており、この比較回路２３が上記発振回路２４に接続されている。
【０００６】
そして、上記差動増幅器２６は同期検波回路２７に接続されており、この同期検波回路２７による検波信号Ｖｓｄ’が直流増幅回路２８を介して検知信号として出力されるようになっている。
【０００７】
このような構成の駆動回路２０において、上記発振回路２４の出力信号Ｖｇｏ’は、コンデンサ２５と抵抗２１ａと抵抗２１ｂを通して、圧電素子３ａと圧電素子３ｂの振動子２と接している側面と対向する側面に供給される。
【０００８】
そして、圧電素子３ａの出力信号Ｖｇｌ’と圧電素子３ｂの出力信号Ｖｇｒ’は、加算回路２２により加算され、その加算信号Ｖｓａ’が比較回路２３に入力される。比較回路２３は、加算回路２２による加算信号Ｖｓａ’と発振回路２４の出力信号Ｖｇｏ’を比較し、その比較出力信号Ｖｃｍ’を上記発振回路２４に供給する。また、圧電素子３ａの出力信号ｖｇｌ’と圧電素子３ｂの出力信号Ｖｇｒ’は、その差信号Ｖｄａ’が差動増幅回路２６により取り出されて同期検波回路２７で同期検波される。同期検波回路２７では、発振回路２４で作られたクロック信号Ｖｃｋ’を用いて上記差信号Ｖｄａ’を同期検波する。同期検波回路２４による検波信号Ｖｓｄ’は、直流増幅回路２８で増幅され検知信号として出力される。
【０００９】
ここで、図５に示した従来の振動ジャイロ１の駆動回路２０の各部における電圧波形のタイムチャートを図６に示してある。図６には、振動ジャイロ１の長軸を中心とした回転がない場合を静止時として表し、長軸を中心とした回転が加わった場合を回転角速度が加わったときとして表している。
【００１０】
振動ジャイロ１と抵抗２１ａ、抵抗２１ｂとコンデンサ２５と加算回路２２と比較回路２３と発振回路２４による正帰還ループで発振系を形成していて、振動ジャイロ１の共振周波数にて自励発振する。この発振により、振動ジャイロ１は第一の側面および第二の側面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で、振動ジャイロ１の長軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。これによって、圧電素子３ａと圧電素子３ｂの間に出力差Ｖｇｌ’−Ｖｇｒ’が生じ、差動増幅回路２６から差信号Ｖｄａ’が得られる。このとき、振動ジャイロ１を駆動するための信号は、静止時の圧電素子３ａと圧電素子３ｂの出力であり、圧電素子３ａと圧電素子３ｂにおいて同相で同じ大きさの信号である。このため、振動ジャイロ１を駆動するための信号は、差動増幅回路２６で相殺される。次に、コリオリ力に応じた信号は、圧電素子３ａと圧電素子３ｂにおいて逆相で同じ大きさの信号Ｖｃｌ’およびＶｃｒ’である。したがって、差動増幅回路２６により得られる差信号Ｖｄａ’はＶｃｌ’−Ｖｃｒ’に比例した信号となる。
【００１１】
この差動増幅回路２６により得られる差信号Ｖｄａ’を同期検波することで直流の検波信号Ｖｓｄ’に変換している。同期検波回路２７は、差動増幅回路２６からの差信号Ｖｄａ’をクロック信号Ｖｃｋ’のタイミングで全波整流することで信号Ｖｆｒ’に変換した後で積分し、直流の検波信号Ｖｓｄ’を得ている。この検波信号Ｖｓｄ’を直流増幅回路２８で所定の大きさまで直流増幅することで、回転により生じる角速度信号のみを検出することができる。
【００１２】
また、加算回路２２により得られる加算信号Ｖｓａ’では、コリオリ力に応じた信号は相殺され、静止時の圧電素子３ａと圧電素子３ｂの出力の和に比例した信号となる。圧電素子３ａのインピーダンスをＺｇｌとし、圧電素子３ｂのインピーダンスをＺｇｒとし、抵抗２１ａと抵抗２１ｂの値をＲｂとし、加算回路２２の入力インピーダンスを２・Ｒｓとすると、圧電素子３ａの出力信号Ｖｇｌ’と圧電素子３ｂの出力信号Ｖｇｒ’は以下のように示される。
【００１３】
Ｖｇｌ’＝［（Ｚｇｌ／／Ｒｓ）／｛（Ｚｇｌ／／Ｒｓ）＋Ｒｂ｝］・Ｖｇｏ’＝｛１／（１＋Ｒｂ／Ｒｓ＋Ｒｂ／Ｚｇｌ）｝・Ｖｇｏ’
Ｖｇｒ’＝［（Ｚｇｒ／／Ｒｓ）／｛（Ｚｇｒ／／Ｒｓ）＋Ｒｂ｝］・Ｖｇｏ’＝｛１／（１＋Ｒｂ／Ｒｓ＋Ｒｂ／Ｚｇｒ）｝・Ｖｇｏ’
そして、振動ジャイロ１の共振周波数で発振しているときに圧電素子３ａのインピーダンスＺｇｌと圧電素子３ｂのインピーダンスＺｇｒは最小になるため、圧電素子３ａの出力信号Ｖｇｌ’と圧電素子３ｂの出力信号Ｖｇｒ’の電圧振幅も最小となる。したがって、加算回路２２により得られる加算信号Ｖｓａ’の電圧振幅も最小となる。このような加算回路２２による加算信号Ｖｓａ’と発振回路２４の出力信号Ｖｇｏ’を比較することで、比較回路２３の比較出力信号Ｖｃｍ’は、共振周波数で発振しているときに電圧振幅が最大となり、発振系を形成するための正帰還ループとなる。比較回路２３の比較出力信号Ｖｃｍ’はＶｇｏ’−Ｖｓａ’に比例した信号である。この信号Ｖｃｍ’は波形が歪んでいるため、発振回路２４にて三角波に波形整形し、出力信号Ｖｇｏ’として出力している。
【００１４】
従来の駆動回路２０では、この信号Ｖｇｏ’の直流バイアス電圧をカットするために、コンデンサ２５が必要となる。コンデンサ２５がないと、信号Ｖｇｏ’の直流バイアス電圧は加算回路２２を通して比較回路２３に入力され、比較回路２３の２つの入力端子で直流バイアス電圧は同じ値となってしまう。すると、発振回路２４の出力信号Ｖｇｏ’は飽和してしまい、発振しなくなる。
【００１５】
【特許文献１】特開２０００−３０４５４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述のような従来から知られている振動ジャイロ１は、圧電素子３ａと圧電素子３ｂを駆動片と検出片の共用として用いているので非常に簡単な構造で形成できる。しかし、この振動ジャイロ１を駆動する駆動回路は、複雑で低コストでの実現が難しいという問題があった。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の問題点に鑑み、構成を簡略化し低コスト化を図ったジャイロの駆動回路を提供することにある。
【００１８】
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
すなわち、本発明は、振動体に形成した２つの圧電素子を含む振動ジャイロの駆動回路であって、上記２つの圧電素子の各一方の側面に駆動信号を供給することより、上記圧電素子の各一方の側面と対向する各他方の側面から得られる信号を加算する加算回路と、上記加算回路により得られる加算出力信号が帰還される発振回路とを備え、上記発振回路の発振出力として得られる正弦波信号を上記駆動信号として上記２つの圧電素子の各一方の側面に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、振動ジャイロの振動体に形成した２つの圧電素子の側面に駆動信号を入力し、上記側面と対向する側面から出力される信号を加算回路に入力し、上記加算回路の出力を発振回路に入力し、上記発振回路の発振出力として得られる正弦波信号を上記駆動信号として上記２つの圧電素子の各一方の側面に供給することで、構成を簡略化し低コスト化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００２２】
本発明では、例えば図１に示すような構成の駆動回路１０により、振動ジャイロ１を駆動する。
【００２３】
この振動ジャイロ１は、図２の斜視図及び図３の断面図に示すように、表面を導電メッキした四角柱状の振動子２と圧電素子３ａと圧電素子３ｂで構成され、振動子２の第一の側面に圧電素子３ａと圧電素子３ｂが並ぶように形成されてなる。振動子２は、エリンバ、鉄―ニッケル、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。
【００２４】
この振動ジャイロ１を駆動する駆動回路１０は、上記２つの圧電素子３ａ，３ｂの各一方の側面に駆動信号を供給することより、上記圧電素子３ａ，３ｂの各一方の側面と対向する各他方の側面から得られる信号を加算する加算回路１１と、上記加算回路１１により得られる加算出力信号が帰還される発振回路１２とを備え、上記発振回路１２の発振出力として得られる正弦波信号を上記駆動信号として上記２つの圧電素子３ａ，３ｂの各一方の側面に供給するようになっている。そして、上記振動子２の第一の側面に設けられた圧電素子３ａと圧電素子３ｂには、加算回路１１とともに差動増幅器１３が接続されており、この差動増幅器１３により得られる差信号Ｖｄａが同期検波回路１４により同期検波され、その検波信号Ｖｓｄが直流増幅回路１５を介して検知信号として出力されるようになっている。
【００２５】
すなわち、振動ジャイロ１は、振動子２の第一の側面に圧電素子３ａと圧電素子３ｂが並ぶように形成され、第一の側面と対向する第二の側面に発振回路１２の出力信号Ｖｇｏが入力される。この信号Ｖｇｏは、振動子２を通して圧電素子３ａと圧電素子３ｂの振動子２と接している側面に加わる。この側面と対向する側面から出力される圧電素子３ａの出力信号Ｖｇｌと圧電素子３ｂの出力信号Ｖｇｒは、加算回路１１に入力される。加算回路１１の加算出力信号Ｖｓａは、発振回路１２に入力される。また、圧電素子３ａの出力信号Ｖｇｌと圧電素子３ｂの出力信号Ｖｇｒは、差動増幅回路１３に入力される。差動増幅回路１３の出力Ｖｄａは同期検波回路１４で同期検波されるが、そのタイミングは発振回路１２で作られたクロック信号Ｖｃｋを用いて行っている。同期検波回路１４の出力信号Ｖｓｄは、直流増幅回路１５で増幅される。
【００２６】
ここで、図４は、図１に示した振動ジャイロ１を駆動する駆動回路１０の各部における電圧波形のタイムチャートである。振動ジャイロ１の長軸を中心とした回転がない場合を静止時として表し、長軸を中心とした回転が加わった場合を回転角速度が加わったときとして表している。
【００２７】
振動ジャイロ１と加算回路１１と発振回路１２による正帰還ループで発振系を形成していて、振動ジャイロ１の共振周波数にて自励発振する。この発振により、振動ジャイロ１は第一の側面および第２の側面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で、振動ジャイロ１の長軸を中心として回転すると、コリオリ力によって屈曲振動の向きが変わる。これによって、圧電素子３ａと圧電素子３ｂの間に出力差Ｖｇｌ−Ｖｇｒが生じ、差動増幅回路１３から出力Ｖｄａが得られる。このとき、振動ジャイロ１を駆動するための信号は、静止時の圧電素子３ａと圧電素子３ｂの出力であり、圧電素子３ａと圧電素子３ｂにおいて同相で同じ大きさの信号である。このため、振動ジャイロ１を駆動するための信号は、差動増幅回路１３で相殺される。次に、コリオリ力に応じた信号は、圧電素子３ａと圧電素子３ｂにおいて逆相で同じ大きさの信号Ｖｃｌ及び信号Ｖｃｒである。したがって、差動増幅回路１３により得られる差信号ＶｄａはＶｇｌ−Ｖｇｒに比例した信号となる。
【００２８】
この差動増幅回路１３により得られる差信号Ｖｄａを同期検波回路１４で同期検波することで直流信号Ｖｓｄに変換している。同期検波回路１４は、差動増幅回路１３から供給される差信号Ｖｄａをクロック信号Ｖｃｋのタイミングで全波整流することで信号Ｖｆｒに変換した後で積分し、直流信号Ｖｓｄを得ている。この信号Ｖｓｄを直流増幅回路１５で所定の大きさまで直流増幅することで、回転により生じる角速度信号のみを検出することができる。
【００２９】
また、加算回路１１の加算出力信号Ｖｓａでは、コリオリ力に応じた信号は相殺され、静止時の圧電素子３ａと圧電素子３ｂの出力の和に比例した信号となる。圧電素子３ａのインピーダンスをＺｇｌとし、圧電素子３ｂのインピーダンスをＺｇｒとし、加算回路１１の入力インピーダンスを２・Ｒｓとすると、圧電素子３ａの出力Ｖｇｌと圧電素子３ｂの出力Ｖｇｒは以下のように示される。
【００３０】
Ｖｇｌ＝｛Ｒｓ／（Ｚｇｌ＋Ｒｓ）｝・Ｖｇｏ＝｛１／（１＋  Ｚｇｌ／Ｒｓ）｝・Ｖｇｏ
Ｖｇｒ＝｛Ｒｓ／（Ｚｇｒ＋Ｒｓ）｝・Ｖｇｏ＝｛１／（１＋  Ｚｇｒ／Ｒｓ）｝・Ｖｇｏ
振動ジャイロ１の共振周波数で発振しているときに圧電素子３ａのインピーダンスＺｇｌと圧電素子３ｂのインピーダンスＺｇｒは最小になるため、圧電素子３ａの出力Ｖｇｌと圧電素子３ｂの出力Ｖｇｒの電圧振幅は最大となる。したがって、加算回路１１の加算出力信号Ｖｓａの電圧振幅も最大となり、発振系を形成するための正帰還ループとして機能する。さらに、この信号の増幅度を発振回路１２で調整することにより、発振回路１２は正弦波として発振し、その出力信号Ｖｇｏは正弦波信号となる。
【００３１】
図５に示した従来の振動ジャイロ１の駆動回路２０では、抵抗２１ａ、抵抗２１ｂとコンデンサ２５と比較回路２３が必要であり、また、発振回路２４で波形を三角波に整形し直しているのに対し、図１に示した本発明に係る振動ジャイロ１の駆動回路１０では、上記抵抗４ａ、抵抗４ｂとコンデンサ５と比較回路７に相当するものは機能的に不要である。また、発振回路で２４波形整形する必要もない。したがって、非常に簡素化された駆動回路１０で振動ジャイロ１を駆動してジャイロ出力を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る振動ジャイロの駆動回路の構成例を示すブロック図である。
【図２】上記振動ジャイロの斜視図である。
【図３】上記振動ジャイロの側面図である。
【図４】振動ジャイロの駆動回路の各部における電圧波形のタイムチャートである。
【図５】従来の振動ジャイロの駆動回路の構成例を示すブロック図である。
【図６】従来の振動ジャイロの駆動回路の各部における電圧波形のタイムチャート図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  振動ジャイロ、２  振動子、３ａ，３ｂ  圧電素子、１０  駆動回路、１１  加算回路、１２  発振回路、１３  差動増幅回路、１４  同期検波回路、１５  直流増幅回路
【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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