(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に延びた直方体状の圧電体と、
前記圧電体の長手方向に延びる表面に長手方向中心軸に対してそれぞれ対称に配設された一対の駆動電極及び一対の検出電極と、
前記一対の駆動電極にそれぞれ独立して励振駆動信号を印加する一対の励振駆動手段と、
前記一対の検出電極による検出信号の差に基づいて前記長手方向中心軸まわりの回転角速度を検出するように構成された角速度検出手段と、
前記一対の駆動手段の少なくとも一方により印加される励振駆動信号の振幅を調整する振幅調整手段と、
前記一対の駆動手段の少なくとも一方により印加される励振駆動信号の位相を調整する位相調整手段とを備え、
前記一対の励振駆動手段は、前記一対の駆動電極の一方の駆動電極へ前記励振駆動信号を与えるとともに前記一方の駆動電極に対応する前記検出電極から帰還信号を得る第１の励振駆動手段と、前記一対の駆動電極の他方の駆動電極へ前記励振駆動信号を与えるとともに前記他方の駆動電極に対応する前記検出電極から帰還信号を得る前記第１の励振駆動手段とは異なる第２の励振駆動手段とを含み、
前記振幅調整手段および前記位相調整手段は、前記長手方向中心軸まわりの回転角速度が零のときに前記一対の検出電極による検出信号の差をほぼ零とするように前記振幅および前記位相を調整することを特徴とする圧電振動角速度計。
【請求項２】
前記圧電体が前記長手方向中心軸を通る水平面を中心として上下に二分割されるとともに間にアース電極を挟んで一体に接合されて構成され、このように二分割されたいずれか一方の圧電体の外面に前記一対の駆動電極が配設されて駆動用圧電体が構成されるとともに、他方の圧電体の外面に前記一対の検出電極が配設されて検出用圧電体が構成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動角速度計。
【請求項３】
前記振幅調整手段および前記位相調整手段は、前記圧電体が前記長手方向中心軸まわりに各加速度が零でない回転が与えられて前記一対の検出電極による検出信号の差が生じているときには、振幅および位相の調整を行わないように遅い応答性を有することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の圧電振動角速度計。
【請求項４】
前記第１の励振駆動手段は前記振幅調整手段を兼ねる励振駆動兼用振幅調整手段であり、前記第２の励振駆動手段は前記位相調整手段を兼ねる励振駆動兼用位相調整手段であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の圧電振動角速度計。
【請求項５】
前記一対の検出電極による検出信号の差を出力する差動手段を有し、前記差動手段の出力が前記振幅調整手段と前記位相調整手段とに入力されることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の圧電振動角速度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転角速度を検出する圧電振動タイプの角速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
角速度計は、航空機、船舶、自動車等のナビゲーションシステムおよびこれらの姿勢制御に用いられたり、スチルカメラ、ビデオカメラの手ぶれや振動感知に用いられているが、これらの用途から分かるように、高精度な角速度の検出が要求されることが多い。このような用途に用いられる角速度計として圧電振動タイプの角速度計がある。圧電振動角速度計は、振動子を振動された状態でこれに角速度が加わると、振動方向と角速度の外積という形でコリオリ力が加わり、振動子の振動方向と直角な方向にコリオリ力による振動が発生するという現象を利用した角速度計である。
【０００３】
このような圧電振動角速度計では、振動子を振動させるための駆動回路や、コリオリ力により発生した振動を検出する検出回路が設けられ、これらが組み合わされて角速度計が構成される。このような駆動および検出回路を有した従来の圧電振動角速度計の構成を図３に示している。この圧電振動角速度計を構成する検出回路４は、例えば直方体状の圧電体より構成される振動子１００の検出用電極１０３からの出力信号を測定するために用いられる。
【０００４】
この振動子１００は回転中心１の方向に伸びる駆動用の圧電体１００−１と、検出用の圧電体１００−２と、前記二つの圧電体１００−１，１００−２の間に形成されたアース電極１０４と、駆動用圧電体１００−１の外部下面に形成された駆動用電極１０１と、検出用圧電体１００−２の外部上面に中心軸１に対して左右２つに分割されて形成された検出用電極１０３Ｌ，１０３Ｒと、この二つの検出用電極間の中央を前記二つの検出用電極と平行に伸びて形成された帰還用電極１０２とから構成されている。
【０００５】
駆動用圧電体１００−１の外部下面に形成された駆動用電極１０１と、検出用圧電体１００−２の外部上面に形成された帰還用電極１０２との間には振動子１００を励振駆動するための自励振駆動回路３００が接続され、また検出用圧電体１００−２の外部上面に形成された２つの検出用電極１０３Ｌ、１０３Ｒはそれぞれ差動回路２００の反転（−）入力端子、非反転（＋）入力端子に接続され、差動回路２００によって２つの検出用電極１０３Ｌ、１０３Ｒからの出力差が検出されるように構成されている。
【０００６】
差動回路２００の出力は同期検波回路４００に入力されて検波される。差動回路２００の出力は振動子の無回転時には原理的に０であるが、振動子１００の回転時においては同相分の励振信号が相殺されて、逆相分の交流コリオリ信号のみとなる。検波はこのコリオリ信号位相に同期して行なうことができるように、同期スイッチング信号が位相調整回路５００から同期検波回路４００に入力されている。位相調整回路５００は自励振駆動回路３００に接続されており、励振信号の位相をおよそ９０度ずらしてコリオリ信号位相と同位相のスイッチング信号を生成するための回路である。同期検波回路４００の出力は平滑回路６００に入力され、リップルの少ない直流信号に変換される。
【０００７】
このような従来の検出回路４は無回転時には以下のように動作する。自励振駆動回路３００により駆動用圧電体１００−１の機械的な共振周波数の交流電圧（励振信号）を駆動用電極１０１に印加することで、振動子１００は励振方向（振動子１００の上下方向、図４内においてｖで示される方向）に励振（屈曲）させられる。この振動に伴った機械的な共振周波数の信号が、検出用圧電体１００−２の外部上面に形成された検出用電極１０３Ｒ、１０３Ｌから検出されるが、このときの検出信号は検出用電極１０３Ｒ，１０３Ｌにおいて、振幅、位相ともに同一であり原理的に差動回路２００の出力は０となる。従って、同期検波回路４００の出力も０となり、平滑回路６００の出力も０となっている。
【０００８】
振動子１００が回転中心１を中心に回転すると、振動子１００の励振方向ｖ及び振動子１００の回転中心１とは直角の方向（図１の図面上における左右方向）にコリオリの力Ｆｃが加わり、振動子１００は無回転時の励振方向から左右の方向に少しずれて振動することになる。このずれた分が二つの検出用電極１０３Ｒ、１０３Ｌからコリオリ信号として検出される。
【０００９】
ところで、回転中心１に対して二つの検出用電極１０３Ｌ，１０３Ｒは左右対称であり、一方の電極側が伸びるときには他方の電極側が縮小し圧電効果により互いに相反する分極電荷が検出用電極１０３Ｌ、１０３Ｒに誘起される。従って、左右二つの検出用電極１０３Ｌ、１０３Ｒから検出されるコリオリ信号は振幅が同一で互いに逆位相の機械的な共振周波数での交流信号となる。
【００１０】
また、原理的には励振信号に対して二つの検出用電極１０３Ｌ、１０３Ｒからのコリオリ信号は一方は９０度進み位相で、他方は９０度遅れ位相である。よって、回転の角速度Ωが一定の場合には差動回路２００の出力にはコリオリ信号が励振信号に対して９０度の位相差をもって、回転角速度に比例した振幅値で出力される。この出力を平滑回路６００で平滑し測定することによって、回転角速度Ωを検出することができる。
【００１１】
このような従来の圧電振動角速度計の検出回路４は、外部環境や振動子１００を形成する圧電体の経時変化等によって無回転時において差動回路２００の出力が０とならず、誤差信号が生じてしまった場合であっても、コリオリ信号はこのような誤差信号に対しておよそ９０度の位相差をもって出力されているので、このコリオリ信号の位相に同期して検波することにより差動回路出力後の誤差信号は正の部分と負の部分が常に対称になるように整流することができる。従って、この誤差信号は平滑回路６００によって相殺されることになり、正確な回転角速度測定への影響を軽減できるという利点を有するものであった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、振動子１００を形成する圧電体の個体間の特性のばらつき、経時変化及び外部環境の変化に伴う静電容量の変化等により検出電極１０３Ｒ、１０３Ｌから発生する帰還された励振信号の振幅及び位相が現実には必ずしも同一とはならないため、無回転時における両者の誤差信号がコリオリ信号位相と正確には９０度の位相差を持たないこともあり、同期検波回路４００及び平滑回路６００を通過しても誤差信号が完全には相殺されない場合が生じうる。そのため、より正確な回転角速度Ωの測定ができないことがあった。
【００１３】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、振動子個体間の特性のばらつきや外部環境変化等の影響を受けにくく、より正確な回転角速度の検出が可能な圧電振動角速度計を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的達成のため、本発明においては、長手方向に延びた直方体状の圧電体と、この圧電体の長手方向に延びる表面に長手方向中心軸に対してそれぞれ対称に配設された一対の駆動電極および一対の検出電極と、一対の駆動電極にそれぞれ独立して励振駆動信号を印加する一対の励振駆動手段と、一対の検出電極による検出信号の差に基づいて長手方向中心軸まわりの回転角速度を検出するように構成された角速度検出手段と、一対の駆動手段の少なくとも一方により印加される励振駆動信号の位相を調整する位相調整手段とを備えて圧電振動角速度計が構成される。その上で、一対の励振駆動手段は、一対の駆動電極の一方の駆動電極へ励振駆動信号を与えるとともに一方の駆動電極に対応する検出電極から帰還信号を得る第１の励振駆動手段と、一対の駆動電極の他方の駆動電極へ励振駆動信号を与えるとともに他方の駆動電極に対応する検出電極から帰還信号を得る第１の励振駆動手段とは異なる第２の励振駆動手段と含んでおり、振幅調整手段および位相調整手段は、長手方向中心軸まわりの回転角速度が零のときに一対の検出電極による検出信号の差をほぼ零とするように振幅および位相を調整する。
【００１５】
このような構成の圧電振動角速度計では、振動子個体間の特性のばらつきや外部環境変化等により圧電体の左右での振動にアンバランスが生じるなどして、無回転時において一対の検出電極により検出される信号に差が生じた場合には、振幅調整手段および位相調整手段が作動してこの差を零にするように振幅および位相の調整が自動的になされる。
【００１６】
なお、圧電体を長手方向中心軸を通る水平面を中心線として上下に二分割し、両者の間にアース電極を挟んで一体に接合されて構成することができる。この場合には、二分割されたいずれか一方の圧電対の外面に一対の駆動電極が配設されて駆動用圧電体が構成されるとともに、他方の圧電体の外面に一対の検出電極が配設されて検出用圧電体が構成される。また、振幅調整手段および位相調整手段は、圧電体が長手方向中心軸まわりに角加速度が零でない回転が与えられて左右の検出電極からの検出信号に差があるときには調整を行わないようにかなり遅い応答性を有するのが好ましい。これにより、振幅および位相の調整は、振動子が実際に回転して角速度検出を行うときには行われず、角速度検出を正確に行うことができ、振動子が無回転の間に調整が行われる。
【００１７】
また、第１の励振駆動手段を、振幅調整手段を兼ねる励振駆動兼用振幅調整手段とし、第２の励振駆動手段を、位相調整手段を兼ねる励振駆動兼用位相調整手段とすることが好ましい。また、一対の検出電極による検出信号の差を出力する差動手段を有し、差動手段の出力が振幅調整手段と位相調整手段とに入力されるように構成することが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。まず、図１に本発明に係る圧電振動角速度計に用いられる振動子１０の構成を示している。この振動子１０は、長手方向の中心軸１（なお、圧電振動角速度計はこの中心軸まわりの回転角速度成分を検出する）の方向に延びるそれぞれ直方体状をした駆動用圧電体１０−１および検出用圧電体１０−２と、これら二つの圧電体１０−１，１０−２の間に形成されたアース電極１４と、駆動用圧電体１０−１の下面に中心軸１に対して左右対称に分割形成された左右一対の駆動用電極１１Ｌ、１１Ｒ（これら両電極を総称して駆動用電極１１と称する）と、検出用圧電体１０−２の上面に中心軸１に対して左右対象に分割形成された左右一対の検出用電極１３Ｌ，１３Ｒ（これら両電極を総称して検出用電極１３と称する）とから構成されている。
【００１９】
このような構成の振動子１０に図２に示す駆動検出回路を組み合わされて本発明に係る圧電振動角速度計が構成される。この駆動検出回路は、まず、検出用圧電体１０−２の上面に形成された左右の検出用電極１３Ｌ、１３Ｒからの検出信号が入力される差動回路２０を有する。このとき、左側検出用電極１３Ｌは差動回路２００の反転（−）入力端子に接続され、右側検出用電極１３Ｒは非反転（＋）入力端子に接続され、差動回路２０からは、これら左右の検出用電極１３Ｌ、１３Ｒの検出信号の差が出力される。
【００２０】
この差動回路２０の出力は同期検波回路４０に入力されて検波される。ここで後述するように、理想状態において振動子１０が無回転の時には差動回路２０の出力は零であり、振動子１０の回転時においては同相分の励振信号が相殺されて、逆相分の交流コリオリ信号のみとなる。検波はこのコリオリ信号位相に同期して行なうことができるように、同期スイッチング信号が同期調整回路３０から同期検波回路４０に入力されている。なお、同期調整回路３０は右側検出用電極１３Ｒに繋がるラインに接続されており、検出励振信号の位相をおよそ９０度ずらしてコリオリ信号位相と同位相のスイッチング信号を生成するための回路である。このようにして同期検波回路４０において同期検波された出力信号は平滑回路５０に入力され、リップルの少ない直流信号に変換される。
【００２１】
一方、駆動用電極１１Ｌ，１１Ｒには、それぞれ図２に示すように励振駆動回路を兼用する自動振幅調整回路６０および自動位相調整回路７０が繋がっている。さらに、これら両回路６０，７０にはそれぞれ検出用電極１３Ｌ，１３Ｒからの検出信号が帰還入力されるようになっており、検出用電極１３Ｌ，１３Ｒは帰還用電極としての作用も有する。このように、振動子１０の左側の駆動用電極１１Ｌおよび検出用電極１３Ｌとの間に励振駆動兼用自動振幅調整回路６０を介してループが形成されており、励振駆動兼用自動振幅調整回路６０から振動子１０の固有振動数の周波数を有する駆動信号を駆動用電極１１Ｌに印加すれば、振動子１０の左側にこの周波数の励振駆動力が作用する。同様に、振動子１０の右側の駆動用電極１１Ｒおよび検出用電極１３Ｒとの間に励振駆動兼用自動位相調整回路７０を介してループが形成されており、励振駆動兼用自動位相調整回路７０から振動子１０の固有振動数の周波数を有する駆動信号を駆動用電極１１Ｒに印加すれば、振動子１０の右側にこの周波数の励振駆動力が作用する。これにより振動子１０はこの周波数で振動し、この振動により発生する圧電電力が検出用電極１３Ｌ，１３Ｒにより検出されて各回路６０，７０に入力されるため、振動子１０は上記周波数で自励振振動する。
【００２２】
このようにして自励振振動したときに検出用電極１３Ｌ，１３Ｒの検出信号は前述のように差動回路２０に入力されて両信号の差が差動回路２０から出力されるが、この差信号が上記両回路６０，７０に送られるようになっている。ここで、自動振幅調整回路６０はこの差信号を受けて、左右の検出用電極１３Ｌ，１３Ｒの検出信号における振幅の差を検出し、この振幅の差を零にするように左駆動用電極１１Ｌに印加する駆動信号を調整する。また、自動位相調整回路７０は上記差信号を受けて、左右の検出用電極１３Ｌ，１３Ｒの検出信号における位相の差を検出し、この位相の差を零にするように右駆動用電極１１Ｒに如何する駆動信号を調整する。この結果、振動子１０の左右のアンバランスが調整できる。上記振幅の差および位相の差の検出は、二位相ロックイン検出方式などにより行うことができる。
【００２３】
なお、上記両回路６０，７０による振幅および位相の自動調整に基づく左右のアンバランス調整は、振動子１０の個体間のばらつき、経時変化および外部環境の変化に伴う静電容量の変化等により生じるアンバランスを調整するものである。このため、検出しようとする角速度が加わっていない状態で行う必要があり、自動振幅調整回路６０および自動位相調整回路７０の応答性を鈍くしている。具体的には、０．１ＨＺ以下の周波数での差動後振幅変動に対しては両回路６０，７０による自動調整を行わせるがこれ以上の周波数での差動後振幅変動があるときにはこの自動調整は行わせないようにしている。
【００２４】
以上のように構成された圧電振動角速度計の作動について以下に説明するが、まず最初に振動子の左右のアンバランスが無い理想状態での作動を説明する。上述したように、励振駆動兼用自動振幅調整回路６０および励振駆動兼用自動位相調整回路７０からの駆動により振動子１０が自励振振動している状態において、振動子１０の中心軸１まわりの回転角速度が零の時（無回転時）には、理想状態では、左右の検出用電極１３Ｌ，１３Ｒからの検出信号は同一振幅、同一位相である。このため、差動回路２０の出力は０となり、同期検波回路４０及び平滑回路５０を通過した出力は０である。
【００２５】
振動子１０が自励振振動している状態において、振動子１０に中心軸１まわりに角速度が加わった場合（回転時）、振動子１０は横方向（自励振振動方向と直角な方向）にコリオリ力を受けるため、無回転時の振動から振動方向が横方向に若干変化する。このようなコリオリ力を受けた時には、左右の検出用電極１３Ｌ，１３Ｒからの信号は無回転時の信号と比較して、一方は９０度進み位相となり、他方は９０度遅れ位相となる信号（すなわち、振幅が同一で逆位相となる信号）がそれぞれ加わる。このため、差動回路２０には左右の検出用電極１３Ｌ，１３Ｒから、無回転時の信号に加えて、この信号に対して９０度位相の異なった信号（コリオリ力により生じる信号）が入力される。ここで、無回転時の振動は同一振幅、同一位相であるため、作動回路２０において相殺されるが、コリオリ力により加わる信号は、逆位相であるため差動回路２０において互いに加算されて出力される。すなわち、コリオリ力に対応する信号のみが差動回路２０から出力され、この出力を同期検波回路４０及び平滑回路５０を通過させることにより、振動子１０の中心軸１まわりの角速度を検出することができる。
【００２６】
次に理想状態ではない場合、すなわち、振動体の個体間のばらつきや、経時変化および外部環境の変化に伴う静電容量の変化などが発生する場合について説明する。従来の自励振回路では外部環境の変化や経時変化などによって振動状態が変化した場合、すなわち、自励振状態において無回転時で左右の検出用電極１３Ｌ，１３Ｒからの信号はそれぞれ振幅、位相が異なるようなアンバランスが生じた場合には、差動回路２０の出力が０とはならない。また、その出力の位相も励振信号に対して９０度とならないため、この差動残留分が同期検波、平滑された出力も０とならず、これにより検出誤差が生じる。
【００２７】
このようなことから、本回路では、無回転時の差動回路２０の出力をモニター信号として自動振幅調整回路６０と自動位相調整回路７０に入力するようになっている。自動振幅調整回路６０は、モニター信号を基にして振幅の相違が０になるように、振動子１０を駆動するための印加電圧の振幅を自動的に変化させる。同時に、自動位相調整回路７０はモニター信号を基にして位相の相違が０になるように、振動子を駆動するための印加電圧の位相を自動的に変化させる。これにより、外部環境の変化や経時変化などで振動子の状態が変化した場合においても、振動子を駆動するために印加する二つの駆動電圧の振幅及び位相を自動的に変化させて、無回転時においては常に差動増幅器の出力を０にするように動作する。よって、無回転時に同期検波回路４０及び平滑回路５０を通過した出力は常に０となるため、検出誤差を減少させることができる。
【００２８】
このとき、回転時の差動増幅器２０の出力の変化まで上記のような補正をしないように、自動振幅調整回路６０及び自動位相調整回路７０のそれぞれの応答性を、前述のようにあえて鈍くしている。すなわち、経時変化等のように差動増幅器２０の出力がゆっくり変化する場合には上記二つの調整回路が作動し、早い変化に対しては作動しないようにしている。これにより、回転軸まわりに時計方向、反時計方向の回転を交互に繰り返すような速い角速度の変化に対しては、上記二つの調整回路は作動せず、本来検出すべき角速度による信号を打ち消すことはない。
【００２９】
また、回転時に差動回路２０の出力は励振信号に対して常に正確に９０度の位相差を有するので、例えば、同期検波のスイッチング信号を同期調整回路３０から励振信号と９０度位相遅れのタイミングで入力することにより、外部環境の変化や経時変化があった場合でも、効率を落とすことなくコリオリ信号を抽出できる。また、残留差動応力が発生しないので、誤差も低減でき、高精度な角速度検出が可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、振動子個体間の特性のばらつきや外部環境変化等により圧電体の左右での振動にアンバランスが生じるなどして、無回転時において一対の検出電極により検出される信号に差が生じた場合には、振幅調整手段および位相調整手段が作動してこの差を零にするように振幅および位相の調整が自動的になされるので、振動子個体間の特性のばらつきや外部環境変化等に影響されることなしに、常に高精度な回転角速度検出が可能となる。
【００３１】
なお、振幅調整手段および位相調整手段は、圧電体が長手方向中心軸まわりに角加速度が零でない回転が与えられて左右の検出電極からの検出信号に差があるときには調整を行わないようにかなり遅い応答性を有するのが好ましく、これにより、振幅および位相の調整は、振動子が実際に回転して角速度検出を行うときには行われず、角速度検出精度に影響することなく、調整ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電振動角速度計を構成する振動子を示す斜視図である。
【図２】本発明の圧電振動角速度計の構成を示すブロック図である。
【図３】従来の圧電振動角速度計の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０  振動子
１１  駆動用電極
１３  検出用電極
１４  アース電極
２０  差動回路
４０  同期検波回路
５０  平滑回路
６０  自動振幅調整回路
７０  自動位相調整回路
【図１】
0003783893.tif 000002
【図２】
0003783893.tif 000003
【図３】
0003783893.tif 000004