(57)【要約】【課題】  ノイズの低減を図った角速度検出を可能にする。【解決手段】  振動子２に形成された圧電素子３ａ，３ｂを含む振動ジャイロ１を上記圧電素子３ａ，３ｂに接続されたインピーダンス変換回路４を含む自励発振回路により上記振動ジャイロを駆動して、上記圧電素子３ａ，３ｂに接続された差動増幅回路７を含む検出系回路により、上記振動ジャイロ１に加えられた角速度を上記振動ジャイロ１の出力から検出する。【選択図】        図１
2005114436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体に形成された検出片と駆動片を含む振動ジャイロを駆動して、その出力を検出する振動ジャイロ駆動検出装置であって、
上記検出片に接続されたインピーダンス変換回路と、このインピーダンス変換回路に接続された加算回路と、この加算回路に接続された発振回路と、上記振動ジャイロにより構成される自励発振回路と、
上記検出片に接続された差動増幅回路を含む検出系回路とを備え、
上記検出片に接続されたインピーダンス変換回路を含む自励発振回路により上記振動ジャイロを駆動して、上記検出片に接続された差動増幅回路を含む検出系回路により、上記振動ジャイロに加えられた角速度を上記振動ジャイロの出力から検出することを特徴とする振動ジャイロ駆動検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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や、自動車などの移動体の姿勢制御等に用いられるジャイロ、特に屈曲振動を利用した柱状の振動ジャイロの出力を測定するための振動ジャイロ駆動検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような振動ジャイロとして、三角柱状の振動子に圧電素子を貼り付けたものや、円柱状の振動子に電極を印刷したものが実用化されている。
【０００３】
図７は、三角柱状の振動子１０２の側面に圧電素子１０３ａと圧電素子１０３ｂと圧電素子１０３ｃが形成されてなる振動ジャイロ１を用いた従来の振動ジャイロ駆動検出装置１００の構成を示すブロック図である。
【０００４】
振動ジャイロ駆動検出装置１００は、振動ジャイロ１０１の圧電素子１０３ａと圧電素子１０３ｂに接続されたインピーダンス変換回路１０４と、このインピーダンス変換回路１０４に接続された加算回路１０５及び差動増幅回路１０７と、上記加算回路１０５に接続された発振回路１０６と、この発振回路１０６と上記差動増幅回路１０７に接続された同期検波回路１０８と、この同期検波回路１０８に接続された直流増幅回路１０９を備え、上記発振回路１０６が上記振動ジャイロ１０１の圧電素子１０３ｃに接続されている。
【０００５】
この振動ジャイロ駆動検出装置１００では、振動ジャイロ１０１とインピーダンス変換回路１０４と加算回路１０５と発振回路１０６で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ１０１は発振し、駆動片として用いられる圧電素子１０３ｃの形成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１０１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、検出片として用いられる圧電素子１０３ａと圧電素子１０３ｂの間に出力差が生じ、差動増幅回路１０７から検出出力が得られる。このとき、振動ジャイロ１０１を駆動するための信号は、圧電素子１０３ａと圧電素子１０３ｂ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１０１を駆動するための信号は、差動増幅回路１０７で相殺される。すなわち、差動増幅回路１０７からは、回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。同期検波回路１０８は、この差動増幅回路１０７から出力される回転角速度の大きさに応じた信号を上記発振回路１０６の出力すなわち上記振動ジャイロ１０１を駆動するための信号で同期検波する。
【０００６】
この同期検波回路１０８による同期検波出力を直流増幅回路１０９で増幅して測定するｑｓことにより、振動ジャイロ１に加わった回転角速度を測定することができる。
【０００７】
ここで、インピーダンス変換回路１０４は、入力がハイ・インピーダンスＺ２で出力がロー・インピーダンスＺ３となっており、圧電素子１０３ａと圧電素子１０３ｂ間のインピーダンスＺ１と加算回路１０５の入力間のインピーダンスＺ４を分離するために用いられている。仮にインピーダンス変換回路１０４がない場合は、圧電素子１０３ａと圧電素子１０３ｂ間のインピーダンスＺ１と加算回路１０５の入力間のインピーダンスＺ４は分離されず、圧電素子１０３ａと圧電素子１０３ｂの間に生じた出力差はＺ４／（Ｚ１＋Ｚ４）を掛けた大きさになり、インピーダンス変換回路１０４がある場合に比べて小さくなってしまう。
【０００８】
また、図８は、円柱状の振動子１１２の側面に６つの電極１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ，１１３ｅ，１１３ｆが形成されてなる振動ジャイロ１１１を用いた従来の振動ジャイロ駆動検出装置１１０の構成を示すブロック図である。
【０００９】
この振動ジャイロ駆動検出装置１１０において、振動ジャイロ１１１の電極１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃはそれぞれ独立しており、電極１１３ｄ，１１３ｅ，１１３ｆが共通グランドに接続されている。そして、振動ジャイロ１１１の電極１１３ａと電極１１３ｂにインピーダンス変換回路１１４が接続され、このインピーダンス変換回路１１４に加算回路１１５及び差動増幅回路１１７接続され、上記加算回路１１５に発振回路１１６が接続され、この発振回路１１６と上記差動増幅回路１１７に同期検波回路１１８が接続され、この同期検波回路１１８に直流増幅回路１１９が接続され、上記発振回路１１６が上記振動ジャイロ１１１の電極１１３ｃに接続されている。
【００１０】
この振動ジャイロ駆動検出装置１１０では、振動ジャイロ１１１とインピーダンス変換回路１１４と加算回路１１５と発振回路１１６で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ１１１は発振し、駆動片として用いられる電極１１３ｃ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１１１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、検出片として用いられる電極１１３ａと電極１１３ｂの間に出力差が生じ、差動増幅回路１１７から検出出力が得られる。このとき、振動ジャイロ１１１を駆動するための信号は、電極１１３ａと電極１１３ｂにおいて同相で同じ大きさである。このため、振動ジャイロ１１１を駆動するための信号は、差動増幅回路１１７で相殺される。すなわち、差動増幅回路１１７からは、回転角速度の大きさに応じた信号のみが出力される。同期検波回路１１８は、この差動増幅回路１１７から出力される回転角速度の大きさに応じた信号を上記発振回路１１６の出力すなわち上記振動ジャイロ１１１を駆動するための信号で同期検波する。
【００１１】
この同期検波回路１１８による同期検波出力を直流増幅回路１１９で増幅して測定することにより、振動ジャイロ１１１に加わった回転角速度を測定することができる。
【００１２】
ここで、インピーダンス変換回路１１４は、入力がハイ・インピーダンスＺ１２で出力がロー・インピーダンスＺ１３となっており、電極１１３ａと電極１１３ｂ間のインピーダンスＺ１１と加算回路１１５の入力間のインピーダンスＺ１４を分離するために用いられている。仮にインピーダンス変換回路１１４がない場合は、電極１１３ａと電極１１３ｂ間のインピーダンスＺ１１と加算回路１１５の入力間のインピーダンスＺ１４は分離されず、電極１１３ａと電極１１３ｂの間に生じた出力差はＺ１４／（Ｚ１１＋Ｚ１４）を掛けた大きさになり、インピーダンス変換回路１１４がある場合に比べて小さくなってしまう（例えば、特許文献１参照）。
【００１３】
【特許文献１】特開平９−１５４５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、上述のような従来から知られている振動ジャイロの出力を検出する振動ジャイロ駆動検出装置では、電源ノイズがインピーダンス変換回路１４の出力間に電位差を生じさせ、差動増幅回路の出力ノイズを増大させる要因の一つとなっていた。
【００１５】
そこで、本発明は、このような従来の実状に鑑みて提案されたものであり、ノイズの低減を図った角速度検出を可能にした振動ジャイロ駆動検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、振動体に形成された検出片を含む振動ジャイロを駆動して、その出力を検出する振動ジャイロ駆動検出装置であって、上記検出片に接続されたインピーダンス変換回路と、このインピーダンス変換回路に接続された加算回路と、この加算回路に接続された発振回路と、上記振動ジャイロにより構成される自励発振回路と、上記検出片に接続された差動増幅回路を含む検出系回路とを備え、上記検出片に接続されたインピーダンス変換回路を含む自励発振回路により上記振動ジャイロを駆動して、上記検出片に接続された差動増幅回路を含む検出系回路により、上記振動ジャイロに加えられた角速度を上記振動ジャイロの出力から検出することを特徴とする振動ジャイロ駆動検出装置
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、振動体に形成された検出片を含む振動ジャイロを上記検出片に接続されたインピーダンス変換回路を含む自励発振回路により上記振動ジャイロを駆動して、上記検出片に接続された差動増幅回路を含む検出系回路により、上記振動ジャイロに加えられた角速度を上記振動ジャイロの出力から検出することにより、ノイズの低減化を図った振動ジャイロ駆動検出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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変更が可能であることは言うまでもない。
【００２０】
図１は、三角柱状の振動子２の側面に圧電素子３ａと圧電素子３ｂと圧電素子３ｃが形成されてなる振動ジャイロ１を用いた振動ジャイロ駆動検出装置１０の構成を示すブロック図である。
【００２１】
ここで、振動ジャイロ１は、図２（Ａ）の斜視図と図２（Ｂ）の断面図に示すように、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構成される三角柱状の振動子２を備え、この振動子２の側面に圧電素子３ａと圧電素子３ｂと圧電素子３ｃが形成されてなる。
【００２２】
この振動ジャイロ駆動検出装置１０は、振動ジャイロ１の圧電素子３ａと圧電素子３ｂに接続されたインピーダンス変換回路４及び差動増幅回路７と、上記インピーダンス変換回路４に接続された加算回路５と、この加算回路５に接続された発振回路６と、この発振回路６と上記差動増幅回路７に接続された同期検波回路８と、この同期検波回路８に接続された直流増幅回路９を備え、上記発振回路６が上記振動ジャイロ１の圧電素子３ｃに接続されている。
【００２３】
この振動ジャイロ駆動検出装置１０の各部における電圧波形のタイムチャートを図３に示す。この図３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。
【００２４】
この振動ジャイロ駆動検出装置１０では、振動ジャイロ１とインピーダンス変換回路４と加算回路５と発振回路６で形成される自励発振回路によって、振動ジャイロ１は発振し、駆動片として用いられる圧電素子３ｃ形成面に直交する方向に屈曲振動する。
【００２５】
すなわち、振動ジャイロ１は、圧電素子３ｃに印加される発振回路６の発振出力Ｖｇｏによって駆動される。そして、上記振動ジャイロ１の圧電素子３ａの出力Ｖｇｌと圧電素子３ｂの出力Ｖｇｒがインピーダンス変換回路４を介してＶｚｌとＶｚｒとして加算回路５に入力され、この加算回路５による上記ＶｚｌとＶｚｒの加算出力Ｖｓａが発振回路６に帰還される。
【００２６】
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、検出片として用いられる圧電素子３ａと圧電素子３ｂの間に出力差Ｖｇｌ−Ｖｇｒが生じ、差動増幅回路７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７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７の出力ＶｄａはＶｃｌ−Ｖｃｒに比例した信号となる。
【００２７】
この差動増幅回路７の出力Ｖｄａを同期検波回路８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８は差動増幅回路７の出力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Ｖｄｒ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９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。
【００２８】
ここで、インピーダンス変換回路４は、入力がハイ・インピーダンスＺ２で出力がロー・インピーダンスＺ３となっており、圧電素子３ａと圧電素子３ｂ間のインピーダンスＺ１と加算回路５の入力間のインピーダンスＺ４を分離するために用いられている。仮にインピーダンス変換回路４がない場合は、圧電素子３ａと圧電素子３ｂ間のインピーダンスＺ１と加算回路５の入力間のインピーダンスＺ４は分離されず、圧電素子３ａと圧電素子３ｂの間に生じた出力差はＺ４／（Ｚ１＋Ｚ４）を掛けた大きさになり、インピーダンス変換回路がある場合に比べて小さくなってしまう。
【００２９】
インピーダンス変換回路４は、入力と出力でのインピーダンスを変換しているだけで信号の大きさには影響を与えないため、圧電素子３ａの出力Ｖｇｌとインピーダンス変換回路４の一方の出力Ｖｚｌは同じ大きさとなり、圧電素子３ｂの出力Ｖｇｒとインピーダンス変換回路４の他方の出力Ｖｚｒは同じ大きさとなる。したがって、加算回路５の出力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の出力の和となる。この加算回路５と振動ジャイロ１とインピーダンス変換回路４と発振回路６による正帰還ループで発振回路を形成していて、振動ジャイロ１の共振周波数にて自励発振する。
【００３０】
このような振動ジャイロ駆動検出装置１０の電源に、数百キロヘルツ以上の発振周波数で作られたスイッチング・レギュレータの出力電圧を供給すると、電源ノイズがインピーダンス変換回路４の２つの出力間にも飛込むことで信号ノイズとなる。ここで、インピーダンス変換回路４の２つの出力への電源ノイズの飛込み方に違いがある場合は、２つの出力ＶｚｌとＶｚｒの間にノイズによる電位差が生じることになる。前記信号ノイズを含むインピーダンス変換回路４の２つの出力ＶｚｌとＶｚｒが、加算回路５で加算され、発振回路６を通して振動ジャイロ１に入力される。
【００３１】
当然、発振回路６の出力Ｖｇｏにも前記信号ノイズが乗っているが、振動ジャイロ１はバンド・パス・フィルタと同じ働きをするので、振動ジャイロ１の共振周波数以外の成分は除去される。したがって、圧電素子３ａと圧電素子３ｂの出力からは前記信号ノイズが除去されているので、差動増幅回路７の出力Ｖｄａにも前記信号ノイズが含まれず、電源ノイズの影響を受けない振動ジャイロ駆動検出装置１０を提供することができる。
【００３２】
ここで、振動ジャイロ１の出力を表す特性図の一例を図４に示す。この図４は、圧電素子３ａの出力Ｖｇｌあるいは圧電素子３ｂの出力Ｖｇｒを示している。縦軸は信号の大きさを表し、横軸は周波数ｆの大きさを表している。振動ジャイロ１の出力は周波数ｆｏで変調されており、この周波数ｆｏは通常１０ｋ〜１００ｋＨｚ程度に設定されている。この特性図より、振動ジャイロはバンド・パス・フィルタと同じ働きをしていることが分かる。
【００３３】
図５は、円柱状の振動子１２の側面に６つの電極１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆが形成されてなる振動ジャイロ１１を用いた振動ジャイロ駆動検出装置２０の構成を示すブロック図である。
【００３４】
ここで、振動ジャイロ１１は、図６（Ａ）の斜視図と図６（Ｂ）の断面図に示すように、水晶、セラミックなど、一般的に機械的な振動を生じ、かつ圧電特性を有する材料で構成される円柱状の振動子１２を備え、この振動子１２の側面に６つの電極１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆが形成されてなる。
【００３５】
この振動ジャイロ駆動検出装置２０において、振動ジャイロ１１の電極１３ａ，１３ｂ，１３ｃはそれぞれ独立しており、電極１３ｄ，１３ｅ，１３ｆが共通グランドに接続されている。そして、振動ジャイロ１１の電極１３ａと電極１３ｂにインピーダンス変換回路１４と差動増幅回路１７が接続されており、上記インピーダンス変換回路１４に加算回路１５接続され、この加算回路１５に発振回路１６が接続され、この発振回路１６と上記差動増幅回路１７に同期検波回路１８が接続され、この同期検波回路１８に直流増幅回路１９が接続され、上記発振回路１６が上記振動ジャイロ１１の電極１３ｃに接続されている。
【００３６】
このように、検出片である電極１３ａと電極１３ｂの出力信号をインピーダンス変換回路１４に入力し、インピーダンス変換回路１４の出力を加算回路１５に入力するとともに、検出片である電極１３ａと電極１３ｂの出力信号を差動増幅回路１７に入力することで、電源ノイズの影響を受けない振動ジャイロ駆動検出装置を提供することができる。
【００３７】
なお、この振動ジャイロ駆動検出装置２０における各回路１４，１５，１６，１７，１８，１９は、上述の振動ジャイロ駆動検出装置１０における各回路４，５，６，７，８，９と同じ機能を有するものであり、それらの詳細については説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】三角柱状の振動子を備える振動ジャイロを用いた振動ジャイロ駆動検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記三角柱状の振動子を備える振動ジャイロの構造を示す図である。
【図３】上記振動ジャイロ駆動検出装置の各部における電圧波形のタイムチャートである。
【図４】上記振動ジャイロの出力を表す特性図である。
【図５】円柱状の振動子を備える振動ジャイロを用いた振動ジャイロ駆動検出装置の構成を示すブロック図である。
【図６】上記円柱状の振動子を備える振動ジャイロの構造を示す図である。
【図７】三角柱状の振動子を備える振動ジャイロを用いた従来の振動ジャイロ駆動検出装置の構成を示すブロック図である。
【図８】円角柱状の振動子を備える振動ジャイロを用いた従来の振動ジャイロ駆動検出装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１，１１  振動ジャイロ、２，１２  振動子、 ３ａ，３ｂ，３ｃ  圧電素子、４，１４  インピーダンス変換回路、５，１５  加算回路、６，１６  発振回路、７，１７  差動増幅回路、８，１８  同期検波回路、９，１９  直流増幅回路、１０，２０  振動ジャイロ駆動検出装置、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ ，１３ｄ，１３ｅ ，１３ｆ  電極
【図１】
2005114436.tif 000003
【図２】
2005114436.tif 000004
【図３】
2005114436.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005114436.tif 000007
【図６】
2005114436.tif 000008
【図７】
2005114436.tif 000009
【図８】
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