JP2001188011A

JP2001188011A - 振動ジャイロ

Info

Publication number: JP2001188011A
Application number: JP2000316143A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Fujimoto; 克己藤本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2001-07-10
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: JP3627643B2

Abstract

(57)【要約】【課題】コリオリ力をピークホールドして電圧を増幅
してデジタル化した角速度検出信号を出力する振動ジャ
イロを提供する。【解決手段】振動子１からのＬ信号とＲ信号とを加算
回路２で加算した基準信号をＡＧＣ回路４でレベルを一
定にし、移相回路５で位相を調整して振動子１を励振す
る。基準信号を矩形波形成回路６で矩形波に形成してサ
ンプルホールドのためのタイミング信号をマイクロプロ
セッサ７を介してＶ−Ｔ変換回路８に与える。差動増幅
回路３はＬ信号とＲ信号との差動成分＋コリオリ力をサ
ンプルホールド回路８１でサンプルホールドし、積分回
路８２で積分してコンパレータ８３で所定のレベルと比
較し、コリオリ力に応じたデューティ比を有するデジタ
ル信号を角速度検出信号としてマイクロプロセッサ７に
与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は振動ジャイロに関
し、たとえばカメラの手振れ補正やナビゲーションシス
テムなどに利用されるバイモルフ振動子の出力から角速
度を検出する振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２は振動ジャイロに用いられるバイ
モルフ振動子の一例を示す外観斜視図である。図１２に
おいて、バイモルフ振動子１は、圧電素子を分極方向を
逆向きにして２枚貼り付けて断面が四角形となるように
したものである。この振動子１を駆動して面垂直方向
（Ｘ軸方向）に縦振動モードで振動させておき、長手方
向（Ｚ軸方向）にある角速度（Ω）で回転させると、コ
リオリ力によって駆動方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に
同期した横振動モードで振動が生ずる。

【０００３】この横振動の振幅は角速度に比例するの
で、これを利用して角速度の値が検出される。振動子１
には図示しないが一方主面には左右の電極が、他方主面
には全面電極が設けられていて、左右の電極からＬ
（左）信号とＲ（右）信号が出力される。このような振
動子１では、バランスやヌル電圧（オフセット電圧，中
性点電圧とも称する）や感度をそれぞれ個別に調整する
必要がある。

【０００４】図１３は図１２に示した振動子１の出力を
得るための角速度検出回路のブロック図である。図１３
において、振動子１の２つの出力の差が差動増幅回路２
１で増幅され、同期検波回路２２によって振幅波形が検
波され、平滑回路２３で平滑されて直流電圧となり、Ｄ
Ｃアンプ２４で直流増幅される。この信号にはヌル電圧
が含まれている。ＤＣアンプ２４で信号を増幅すると、
ヌル電圧も増幅されてしまうため、たとえばフィルタで
構成されたＤＣカット回路２５によってＤＣ成分がカッ
トされ、残った角速度の変化に対応する低周波の交流信
号が増幅回路２６でさらに増幅されてアナログ信号とし
て出力される。ここでアナログ信号はＡ／Ｄコンバータ
２７でデジタル信号に変換され、角速度検出信号として
マイクロプロセッサ２８に与えられてカメラの振動振れ
を抑制したり、ナビゲーションのための制御が行なわれ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図１３に示した角速度
検出回路において、振動子１からはＬ成分とＲ成分の信
号が出力され、差動増幅回路２１によって差動信号が出
力され、理想的にはヌル電圧が０Ｖになるはずである
が、左右のバランスがずれていると、ずれの成分の電圧
がヌル電圧として出力されてしまう。信号成分を増幅す
るためにＤＣアンプ２４のゲインを大きくすると、含ま
れているヌル電圧によってＤＣアンプが飽和してしまう
ため、ＤＣアンプの絶対的な増幅度の上限が定まってし
まう。

【０００６】また、ＤＣカット回路２５でＤＣ成分をカ
ットするためには、たとえば０．１Ｈｚ以上の信号のみ
を通過させるようなハイパスフィルタを構成しようとす
ると、２０μＦの大容量のコンデンサと、１ＭΩの抵抗
の組合せのハイパスフィルタを必要とし、装置が大型化
してしまう。

【０００７】さらに、図１３に示した回路では、差動増
幅回路２１の出力は左右の信号成分の位相がずれて出力
される場合と、左右の信号成分の振幅がずれて出力され
る場合とがある。左右の信号成分はｓｉｎ波であるため
振幅がずれている場合には差動出力の振幅が変わるだけ
で済むが、左右の信号成分の位相がずれていると、基準
信号に対して位相のずれた信号が出力されてしまうとい
う問題点もある。

【０００８】他の従来例として、特公平６−１３９７０
号公報には、振動子の回転時の角速度による出力電圧の
ベクトルと静止時のヌル電圧のベクトルのなす位相差角
度が９０度になるように振動子の検出側面に駆動信号を
与え、出力電圧とヌル電圧の合成ベクトルの位相差から
角速度を検知することが記載されている。

【０００９】しかし、この例では、振動子出力の振幅は
線形性を有しているが、位相差−感度の関係は基本的に
リニアではなく、ヌル位相の影響を受けて非線形性が変
動しやすいという欠点がある。このため、コリオリ力の
振幅値をデジタル化するのが望ましい。

【００１０】そのような例として、特開昭６２−１５０
１１６号公報には、発振の駆動による角速度信号が極
大，極小になる時刻でサンプルホールドすることが記載
されている。

【００１１】また、特開平７−２６０４９３号公報に
は、圧電素子の通過電流の差を検出し、この検出する振
動子の変位速度が０となるタイミングでサンプルホール
ドすることについて記載されている。ただし、サンプル
ホールドした信号をどのようにデジタル処理するかにつ
いては記載されていない。

【００１２】それゆえに、この発明の主たる目的は、コ
リオリ力をコリオリ力位相の位置によらずサンプルホー
ルドして増幅し、デジタル化する振動ジャイロにおける
角速度検出回路を提供することである。

【００１３】この発明の他の目的は、ヌル電圧を検出し
て補正できる振動ジャイロにおける角速度検出回路を提
供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
振動子をＸ軸方向に励振させ、Ｚ軸周りに回転したとき
に、Ｙ軸方向に発生したコリオリ力による振動を検出す
る振動ジャイロであって、振動子から出力される第１お
よび第２の信号に基づいて基準信号を発生し、振動子を
励振させる駆動手段と、振動子から出力される第１およ
び第２の信号に基づいてコリオリ力を含む差動信号を抽
出する信号抽出手段と、駆動手段から出力される基準信
号に基づいてコリオリ力をサンプルホールドするための
タイミング信号を発生するタイミング信号発生手段と、
抽出された差動信号をタイミング信号に基づいてサンプ
ルホールドし、差動信号の微小な電圧変化を時間軸に拡
大して角速度検出信号として出力する電圧−時間軸変換
手段とを備えて構成される。なお、サンプル点はピーク
値近傍が効率の点で好ましいが、どの位相に特定される
までなく成立することはいうまでもない。

【００１５】請求項２に係る発明では、請求項１の振動
子は、それぞれがわずかな振幅と位相の差を有して第１
および第２の信号を出力する第１および第２の電極と全
面電極とを有していて、駆動手段は第１および第２の信
号を加算して基準信号として出力する加算手段と、加算
手段から出力される基準信号のレベルを一定にするレベ
ル制御手段と、レベル制御手段から出力される基準信号
の位相を調整して全面電極に出力する位相調整手段とを
含む。

【００１６】請求項３に係る発明では、請求項１または
２の電圧−時間軸変換手段は、コリオリ力を含む差動信
号をタイミング信号に基づいてサンプルホールドするサ
ンプルホールド手段と、サンプルホールド手段の出力信
号を積分する積分手段と、積分された信号を所定のレベ
ルで比較して時間軸に拡大して出力する比較手段とを含
む。

【００１７】請求項４に係る発明では、請求項１または
２の電圧−時間軸変換手段は、コリオリ力を含む差動信
号をタイミング信号に基づいてサンプリングし、ドルー
プ特性によりピーク値をリニアに減少させるサンプルホ
ールド手段と、リニアに減少する信号を所定のレベルで
比較して時間軸を拡大して出力する比較手段とを含む。

【００１８】請求項５に係る発明では、サンプルホール
ド手段によるサンプリング点をコリオリ力の特定位相と
別の波長における別の位相で異ならせるためのタイミン
グ信号を発生する手段と、サンプルホールド手段による
サンプルホールド値を比較してヌルの差動電圧を類推
し、類推したヌルの差動電圧に基づいて比較手段の所定
のレベルを制御する。

【００１９】請求項６に係る発明では、請求項１ないし
５のいずれかのタイミング信号発生手段は、基準信号の
前縁と後縁を検出してクロック信号を計数し、所定の計
数値のときにタイミング信号を出力する。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の一実施形態の振
動ジャイロのブロック図である。図１において、振動子
１には左電極１Ｌと右電極１Ｒと全面電極１Ｃとが設け
られていて、左電極１Ｌと右電極１Ｒには抵抗Ｒ１，Ｒ
２を介して電圧＋Ｖが与えられている。＋Ｖは通常中正
電位もしくは基準電位である。左電極１Ｌ，右電極１Ｒ
からは第１の信号であるＬ信号と第２の信号であるＲ信
号とがそれぞれコリオリ力を含んで出力されて加算手段
である加算回路２と、信号抽出手段である差動増幅回路
３とに与えられる。加算回路２はＬ信号とＲ信号とを加
算してＬ＋Ｒ信号を出力する。このように、加算回路２
でＬ信号とＲ信号とを加算することにより、コリオリ力
が消されて安定な帰還信号となる。

【００２１】上述の帰還信号が基準信号としてレベル制
御手段であるＡＧＣ回路４に与えられてレベルが一定な
駆動電圧となり、この駆動電圧が位相調整手段である移
相回路５を介して振動子１の全面電極１Ｃに与えられ
る。移相回路５は加算回路２の出力の位相を調整するも
のであり、加算回路２の出力と全面電極１Ｃに与えられ
る駆動電圧の位相差が所望する周波数で安定に発振する
ように調整する。この実施形態では位相差はほぼ０であ
る。これらの振動子１と加算回路２とＡＧＣ回路４と移
相回路５は発振回路を構成している。また、加算回路２
とＡＧＣ回路４と移相回路５とで振動子１を励振させる
駆動手段を構成している。

【００２２】加算回路２の出力の基準信号は、たとえば
コンパレータから構成された矩形波形成回路６に与えら
れ、矩形波が形成されてタイミング抽出信号としてマイ
クロプロセッサ７に与えられる。なお、矩形波形成回路
６には、加算回路２の出力ではなく、図１の点線に示す
ように、移相回路５の出力の駆動電圧を基準信号として
与えるようにしてもよい。

【００２３】マイクロプロセッサ７は、タイミング抽出
信号の前縁と後縁とを判別するとともに、タイミング抽
出信号の前縁から後縁までの時間を基準パルスで計数
し、その計数値で周波数を識別する。したがって、マイ
クロプロセッサ７は加算回路２の出力の基準信号の周波
数と位相とがどのような関係になっているかを容易に判
別できる。さらに、マイクロプロセッサ７はタイミング
抽出信号に基づいてサンプルホールドのためのタイミン
グ信号を電圧−時間軸変換手段であるをＶ−Ｔ変換回路
８に出力する。すなわち、矩形波形成回路６とマイクロ
プロセッサ７とでタイミング信号発生手段を構成してい
る。

【００２４】振動子１から出力されたＬ信号とＲ信号と
が与えられた差動増幅回路３は、その出力である差動信
号をＶ−Ｔ変換回路８に出力する。Ｖ−Ｔ変換回路８
は、微小な電圧の変化ΔＥを大きな時間の領域ΔＴに拡
散するものである。これは、差動増幅回路３の出力はレ
ベルが低いため増幅する必要があり、従来の直流増幅回
路では、従来例で説明したようにヌル電圧によって飽和
してしまうために増幅率の上限が決まってしまっていた
という問題点を解決するものである。

【００２５】これに対して、この発明の実施形態では、
小さなレベルの差動増幅回路３の出力電圧を大きな時間
の領域ΔＴに拡散し、それをコンパレータで所定のレベ
ルと比較してデジタル信号を出力する。このため、Ｖ−
Ｔ変換回路８にはサンプルホールド手段であるサンプル
ホールド回路８１と、積分手段である積分回路８２と、
比較手段であるコンパレータ８３とが設けられている。
サンプルホールド回路８１は、マイクロプロセッサ７か
らのタイミング信号に基づいて、差動増幅回路３の出力
をサンプルホールドして積分回路８２に与える。積分回
路８２はサンプルホールドされた信号を積分し、コンパ
レータ８３に出力する。コンパレータ８３は積分出力を
所定のレベルと比較してコリオリに応じたデューティ比
を有するデジタル信号としてマイクロプロセッサ７に出
力する。

【００２６】図２および図３は図１に示した角速度検出
回路の各部の波形図である。次に、図２を参照して、振
動子１から出力される信号について説明する。振動子１
から出力されるＬ信号（ａ）とＲ信号（ｂ）はわずかな
がら振幅と位相に差を有している。Ｌ信号（ａ）とＲ信
号（ｂ）の差をとるとＬ−Ｒ（ｃ）となり、和ととると
Ｌ＋Ｒ（ｄ）となる。

【００２７】Ｌ−Ｒ（ｃ）は、Ｌ信号とＲ信号との位相
のずれが大きければ大きいほどゼロクロス点が移動す
る。このＬ−Ｒ信号はヌル差動電圧とも称する。Ｌ−Ｒ
信号にはコリオリ力が重なって出力されており、差動＋
コリオリとして出力される。コリオリ力は差動電圧と分
離したくとも分離することができない性質を持ってい
る。その理由は、コリオリ力は図２（ｅ）に示すよう
に、実際の信号として出力されるものではないからであ
る。以下の説明では、Ｌ−Ｒ信号は差動＋コリオリ力を
意味しているものとする。コリオリ力（ｅ）はＬ＋Ｒ
（ｄ）と同相になり、Ｌ＋Ｒの極大点と極小点近傍でコ
リオリ力も極大，極小となる。振動子１を左右に回転さ
せると、コリオリ力（ｅ）の振幅が変化し、Ｌ信号
（ａ），Ｒ信号（ｂ）はＬ＋Ｒ（ｄ）に対して位相が変
化する。

【００２８】このように、振動子１の左電極１Ｌと右電
極１Ｒから出力される図２で示したＬ信号（ａ）とＲ信
号（ｂ）は加算回路２で加算され、図２に示すＬ＋Ｒ信
号（ｄ）が基準信号としてＡＧＣ回路４に与えられてレ
ベルが一定にされる。さらに、基準信号は移相回路５で
位相が調整された後、振動子１の全面電極１Ｃに与える
ことによって発振回路が発振動作を持続する。加算回路
２から出力されたＬ＋Ｒ信号は矩形波形成回路６によっ
て矩形波に形成されてタイミング抽出信号としてマイク
ロプロセッサ７に与えられる。

【００２９】ここで、図２に示すように、基準信号とし
てのＬ＋Ｒ信号（ｄ）の極大点および極小点近傍でコリ
オリ力（ｅ）が最大，最小となる。この位相は発振回路
の位相や検出抵抗による位相ずれに依存する。基準信号
は移相回路５で任意に調整が可能である。なお、基準信
号としては要するに位相や周波数が安定なものであれ
ば、図２に示すＬ信号（ａ）やＲ信号（ｂ）をそれぞれ
単独で使用してもよい。しかし、Ｌ信号やＲ信号にはコ
リオリ力が重畳されているため、矩形波にしたとき、差
動との位相ずれが生じたり、デューティが変動したりす
るので好ましくはない。

【００３０】一方、差動増幅回路３はＬ信号とＲ信号と
の差のＬ−Ｒ信号を出力する。Ｌ−Ｒ信号はＶ−Ｔ変換
回路８に与えられてサンプルホールド回路８１によりサ
ンプルホールドされる。ここで、マイクロプロセッサ７
は図２（ｆ）に示すように、矩形波に形成された基準信
号の前縁である立上がりと後縁である立下がりを検出
し、マイクロプロセッサ７内で発生される図２（ｇ）に
示すような基準クロック信号またはそれに類するクロッ
ク信号によって基準信号の１周期の計数値を演算する。
図２（ｈ）は基準信号のたとえば１／４の周期のタイミ
ングでサンプルホールドするためのタイミング信号を出
力するタイミングを示している。

【００３１】図３（ａ）は基準信号を示し、図３（ｂ）
はサンプルホールドのタイミング信号を示し、サンプル
ホールド回路８１はこのタイミング信号に基づいて、Ｌ
−Ｒ信号を図３（ｃ）に示すようにサンプルホールドす
る。最も好ましいのはコリオリ力のピーク点でサンプル
ホールドすることが最も効率的であるが、必ずしもピー
ク点でサンプルホールドする必要はなく、ピーク点の近
傍でサンプルホールドしてもよい。このサンプルホール
ド電圧は、角速度に依存し、積分回路８２によって積分
され、積分回路８２のリーク電流によって図３（ｄ）に
示すように信号波形が時間の経過に伴って右下がりでリ
ニアに傾斜し、次のタイミング信号に基づいて、Ｌ−Ｒ
信号が再びサンプルホールドされる。

【００３２】積分回路８２の出力の積分信号はコンパレ
ータ８３に与えられ、所定のレベルと比較されて図３
（ｅ）に示すコリオリ力に応じたデューティ比を有する
デジタル信号に変換され、角速度検出信号としてマイク
ロプロセッサ７に出力される。マイクロプロセッサ７
は、このデジタル信号を基準クロックで計数し、角速度
を演算する。

【００３３】Ｖ−Ｔ変換回路８は、図４に示すように、
積分回路８３のリーク電流を小さくすることによって時
定数を大きくしてホールド時間を長くすれば、同じ角速
度電圧の変化ΔＥに対して、時間領域ΔＴ１がΔＴ２の
ように大きくなり、分解能もしくは感度が上昇する。し
たがって、サンプルホールドのあるタイミングから次の
サンプルホールドのタイミングまでの時間を任意に設定
すれば時間領域を任意に拡張できる。

【００３４】この場合、ホールド時間は基準信号の１周
期を超えることがあり得る。このことは、従来の同期検
波−積分−直流増幅が電圧レベルの増幅であるのに対し
て、この実施形態では、時間軸レベルでの拡張にあるこ
とを意味する。従来例では、ＤＣ増幅器に電源電圧によ
る絶対的な増幅度の上限があるのに対して、本発明では
基本的には無限大の増幅度が得られることを意味してい
る。

【００３５】このように時間領域を拡大することによっ
て、その間のＬ−Ｒ信号を捨て去ることができる。バイ
モルフ振動子の駆動周波数は、数ｋＨｚから１００ｋＨ
ｚであり、カメラの手振れ補正やカーナビゲーションシ
ステムにおいては、角速度信号の上限はせいぜい５０Ｈ
ｚ以下の信号があればよいためにＬ−Ｒ信号を部分的に
捨て去っても構わないので、この実施形態では１０００
倍以上の拡張が可能であることを意味している。

【００３６】図５は、この発明の他の実施形態のブロッ
ク図である。前述の図１に示した例では、基準信号を矩
形波に変換してマイクロプロセッサ７のソフト処理によ
ってサンプルホールドのタイミング信号を生成したが、
この図５に示した例は、加算回路２の出力の基準信号を
タイミング信号発生回路９に与え、ハード構成によりサ
ンプルホールドのためのタイミング信号を生成してサン
プルホールド回路８１に与えるようにしたものである。
すなわち、タイミング信号発生回路９は、図１に示した
マイクロプロセッサ７のソフト処理をハード構成で実現
するものであり、基準信号の前縁と後縁を検出する検出
回路と、前縁から後縁までの期間基準クロックパルスで
計数するカウンタと、カウンタの計数値に基づいて、タ
イミング信号を出力する論理回路などによって構成され
る。その結果、タイミング信号発生回路９は単独でタイ
ミング信号発生手段を構成していることになる。

【００３７】なお、コンパレータ８３から出力されるデ
ジタル出力は、図１と同様のマイクロプロセッサ７に入
力してソフト処理してもよく、あるいはハード回路でデ
ジタル信号を基準クロックで計数し、角速度信号を出力
するようにしてもよい。

【００３８】図６はこの発明のさらに他の実施形態に用
いられるサンプルホールド回路を示す回路図である。図
１および図５に示した実施形態では、Ｖ−Ｔ変換回路８
はサンプルホールド回路８１でサンプルホールドし、そ
のサンプル電圧を積分回路８２で積分するようにした
が、この実施形態では、サンプルホールド回路のドルー
プ特性を利用して積分回路を不要にする。

【００３９】このため、図６に示したサンプルホールド
回路８１は、従来から知られたものであり、入力バッフ
ァＢＡ１と、出力バッファＢＡ２と、トランジスタＴＲ
１，ＴＲ２と、ＦＥＴと、抵抗Ｒ１とコンデンサＣとに
よって構成されており、マイクロプロセッサ７からトラ
ンジスタＴＲ１のエミッタにタイミング信号が与えられ
ると、トランジスタＴＲ１，ＴＲ２およびＦＥＴが順次
導通し、入力バッファＢＡ１を介して入力された信号が
コンデンサＣに貯えられる。そして、ＦＥＴが遮断する
と、ＦＥＴのソースとゲートとの間に接続されている抵
抗Ｒ１を介してコンデンサＣの充電電圧がリークする。

【００４０】図７および図８は図６に示したサンプルホ
ールド回路によるサンプルホールド信号とドループ特性
を示す図である。図６に示した抵抗Ｒ１がなければ極め
て一般的なサンプルホールド回路であり、次式のリーク
電流ｉによって決まる傾斜で信号のレベルを変換する。

【００４１】ΔＶ／ΔＴ＝ｉ（leak）／Ｃしかし、図６に示す抵抗Ｒ１を設けて感度増幅度を調整
すれば、図７（ｃ）に示すようなドループ特性により、
積分回路で積分したのと同様なリニアなスロープの特性
を持たせることができる。抵抗Ｒ１を大きくすればする
ほどスロープの傾斜が緩やかになる。その場合、サンプ
ルホールドのタイミングパルスの間隔を広くする必要が
ある。

【００４２】図７（ｃ）に示すサンプルホールド出力を
図１に示したコンパレータ８３で所定のレベルと比較す
ることにより、図７（ｄ）に示すようにコンパレータ８
３の出力であるデジタル信号を出力できる。

【００４３】図８は振動子１が振られてコリオリ力が動
いているときの波形図であり、コリオリ力のピークが動
くことによって、サンプルホールド出力も図８（ｃ）に
示すように、それに追従して動き、図８（ｄ）に示すコ
ンパレータ８３のデジタル出力のデューティ比が変化す
る。このデューティ比が角速度信号となる。

【００４４】図９および図１０はこの発明のさらに他の
実施形態の振動ジャイロを示すブロック図である。この
図９および図１０に示した実施形態は、コリオリ力の１
波長目と２波長目のサンプルホールドさせる点をそれぞ
れ異ならせ、それぞれのサンプルホールド値を比較して
ヌルの差動電圧を類推し、類推したヌルの差動電圧の大
きさをマイクロプロセッサ７内でＤ／Ａ変換し、図９に
示すようにオフセット調整回路１０によってヌル電圧を
取り除くか、または図１０に示すようにコンパレータ８
３のレベルを制御するものである。

【００４５】図１１はサンプルホールド点を示す波形図
である。図１１に示すように、サンプルホールド信号の
立上がり位置を基準信号の９０度位相（Ｆ１）の後、同
じ９０度位相（Ｆ１’）ではなく、それからさらに９０
度ずれたポイント（Ｆ２）で検出する。温度などにより
差動の形が変化することが十分考えられるが、その値を
求めれば、以下の式より常時ヌル電圧を監視して制御を
かけることができる。

【００４６】図１１のＦ１，Ｆ２は次式で表わすことが
できる。Ｆ１＝Ａ｛（ｓｉｎωｔ＋α）＋（Ｂｓｉｎωｔ）｝Ｆ２＝Ａ（ｃｏｓωｔ＋α）ＡはＬ−Ｒ信号の振幅であり、コリオリ力Ｂが０のとき
は次式で示される。

【００４７】Ｆ１²＋Ｆ２²＝Ａ² 上記式を演算することによって、差動の振幅の大きさを
知ることができ、Ａの値からヌル電圧を知ることができ
る。

【００４８】以下、図１１を参照して図１０の動作につ
いて説明する。図１１において、Ｆ１点はコリオリ力極
大点であり、Ｆ２点はコリオリ力ゼロ点である。Ｆ２点
でのサンプリングに対応するコンパレータ出力時間であ
るＴ２はコリオリ力の存在に関わらず一定である。

【００４９】まず、振動ジャイロの起動直後はコリオリ
力はゼロなので、起動直後のＴ１およびＴ２であるＴ１
（０）およびＴ２（０）から差動入力のＡおよびαの初
期値であるＡ（０）およびα（０）を計算する（ステッ
プ１）。

【００５０】次に、Ｔ２（０）の大きさを基に、マイク
ロプロセッサ７はＤ／Ａコンバータ（マイクロプロセッ
サ７に含まれている）を介してＴ２（０）のデューティ
比が１：１になるようにコンパレータ８３のレベルを調
整して、再度Ｔ２（ｔ１）を測定する（ステップ２）。

【００５１】この状態でＴ１（ｔ２）を測定する。Ｔ１
（ｔ２）はコリオリ力とともに変動する。この変動がな
くなるように、再びＤ／Ａコンバータがコンパレータ８
３のレベルを調整する。つまり、コリオリ力を０にする
ように調整する。すると、Ｔ２（ｔ３）はコンパレータ
８３のレベルの変動に応じてデューティ比１：１を中心
に変動し、ヌル電圧がキャンセルされてコリオリ力のみ
を反映した出力が得られる。このときのＴ１（ｔ２）と
Ｔ２（ｔ１）から再びＡ（ｔ２）およびα（ｔ２）を計
算する（ステップ３）。

【００５２】上記の（ステップ２）、（ステップ３）を
間欠的に行い、Ｔ２の大きさをある一定の間隔でモニタ
ーする。温度変化などによりヌル電圧が変動すると、そ
の都度（ステップ２）のアクションでコンパレータオフ
セットレベルを調整する。この際、Ａ、αを求めること
は必ずしも必要ではないが、外部からの衝撃などの異常
入力でＴ２が大きく変動し、Ａ、αが特異な値を取った
ときは、過去のＡ、αの値からのずれの大きさを判断す
ることにより、オフセットレベル調整をスキップするこ
とができる。

【００５３】なお、図９の場合でも、図１０との違いは
Ｄ／Ａコンバータがコンパレータ８３の代わりにオフセ
ット調整回路１０を制御するという点だけで、コンパレ
ータ８３を制御する場合とほぼ同様に機能する。

【００５４】従来例では、ヌル電圧は同期検波の積分信
号として出力されるため、それらのヌル電圧を補正する
手段は設けられていなかった。このため、一定の角速度
の回転では、角速度出力とヌル電圧との区別がつかない
ということが起こり得る。

【００５５】これに対して、この実施形態では、連続し
て検出する２つの信号のコリオリ力の差が微小であるこ
とが条件となるものの、それらの中点電位によりヌル電
圧を常に０となるように制御することができ、ヌル電圧
の温度変化の影響をキャンセルすることができる。

【００５６】なお、この図９および図１０の実施形態
は、図５に示した実施形態に適用してもよい。

【００５７】また、上述の実施形態は、この発明をバイ
モルフ振動子に適用した場合について説明したが、これ
に限ることはなく、金属の四角柱や三角柱に圧電素子を
貼付けた振動子や、円柱状の圧電素子を使用した音片型
の振動子または音叉構造の振動子などのようにＬ／Ｒ信
号が出力され、基準信号と励振電圧や和電圧がとれる圧
電振動ジャイロにはすべてこの発明を適用できる。

【００５８】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００５９】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、振動
子から出力される第１および第２の信号に基づいて基準
信号を発生して振動子を励振させ、振動子から抽出した
コリオリ力を含む差動信号をタイミング信号によりサン
プルホールドし、サンプルホールド値の微小な電圧変化
を時間軸に拡大し、その出力を所定のレベルと比較する
ことにより角速度検出信号を出力できる。したがって、
従来のように同期検波などのデジタル化するうえで重複
する回路を不要にでき、コストを下げることができる。

【００６０】さらに、より好ましくは、Ｖ−Ｔ変換手段
としてサンプルホールド手段のスルーレートを可変にし
て増幅機能を持たせることにより、Ｖ−Ｔ変換手段の回
路構成を簡単にできる。

【００６１】さらに、より好ましくは、コリオリ力の１
波長目の特定位相点とそれとは異なる位相点でサンプル
ホールド値を比較してヌルの差動電圧を類推し、類推し
たヌルの差動電圧に基づいて差動信号にオフセットをか
けたり、比較手段のレベルを制御することにより、ヌル
電位が常に０となるような制御を行なうことができ、ヌ
ル電圧の温度変化の影響をキャンセルすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態の角度検出回路を示す
ブロック図である。

【図２】図１に示した角速度検出回路の各部の波形図
である。

【図３】図１に示した角速度検出回路の各部の波形図
である。

【図４】図１に示したＶ−Ｔ変換回路の積分回路の時
定数と分解能もしくは感度との関係を示す図である。

【図５】この発明の他の実施形態の角速度検出回路を
示すブロック図である。

【図６】この発明のさらに他の実施形態で用いられる
サンプルホールド回路の回路図である。

【図７】図６に示したサンプルホールド回路の動作を
説明するための波形図である。

【図８】図６に示したサンプルホールド回路の動作を
説明するための波形図である。

【図９】この発明のさらに他の実施形態の角速度検出
回路を示すブロック図であり、ヌル電圧を取り除く例を
示す。

【図１０】この発明のさらに他の実施形態の角速度検
出回路を示すブロック図であり、コンパレータのレベル
を制御する例を示す。

【図１１】図９および図１０に示した実施形態の動作
を説明するための波形図である。

【図１２】この発明の背景となりかつこの発明が適用
されるバイモルフ振動子の外観斜視図である。

【図１３】従来の角速度検出回路のブロック図であ
る。

【符号の説明】

１振動子、２加算回路、３差動増幅回路、４Ａ
ＧＣ回路、５移相回路、６矩形波形成回路、７マ
イクロプロセッサ、８Ｖ−Ｔ変換回路、９タイミング
信号発生回路、１０ヌル電圧調整回路、８１サンプ
ルホールド回路、８２積分回路、８３コンパレー
タ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子をＸ軸方向に励振させ、Ｚ軸周り
に回転したときに、Ｙ軸方向に発生したコリオリ力によ
る振動を検出する振動ジャイロであって、前記振動子から出力される第１および第２の信号に基づ
いて基準信号を発生し、前記振動子を励振させる駆動手
段、前記振動子から出力される前記第１および第２の信号に
基づいて、コリオリ力を含む差動信号を抽出する信号抽
出手段、前記駆動手段から出力される基準信号に基づいて、前記
コリオリ力をサンプルホールドするためのタイミング信
号を発生するタイミング信号発生手段、および前記信号
抽出手段によって抽出された前記差動信号を前記タイミ
ング信号発生手段から発生されたタイミング信号に基づ
いてサンプルホールドし、前記差動信号の微小な電圧変
化を時間軸に拡大して角速度検出信号として出力する電
圧−時間軸変換手段を備えた、振動ジャイロ。
【請求項２】前記振動子は、それぞれがわずかな振幅
と位相の差を有する前記第１および第２の信号を出力す
る第１および第２の電極と、全面電極とを有していて、前記駆動手段は、前記第１および第２の信号を加算して前記基準信号とし
て出力する加算手段と、前記加算手段から出力される前記基準信号のレベルを一
定にするレベル制御手段と、前記レベル制御手段から出力される前記基準信号の位相
を調整して前記全面電極に出力する位相調整手段とを含
む、請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】前記電圧−時間軸変換手段は、コリオリ力を含む前記差動信号を前記タイミング信号に
基づいて、サンプルホールドするサンプルホールド手段
と、前記サンプルホールド手段の出力信号を積分する積分手
段と、前記積分手段によって積分された信号を所定のレベルで
比較して時間軸に拡大して出力する比較手段とを含む、
請求項１または２に記載の振動ジャイロ。
【請求項４】前記電圧−時間軸変換手段は、コリオリ力を含む前記差動信号を前記タイミング信号に
基づいてサンプリングし、ドループ特性によりピーク値
をリニアに減少させるサンプルホールド手段と、前記サンプルホールド手段によってリニアに減少する信
号を所定のレベルで比較して時間軸に拡大して出力する
比較手段とを含む、請求項１または２に記載の振動ジャ
イロ。
【請求項５】前記サンプルホールド手段によるサンプ
リング点をコリオリ力の特定位相と別の波長における別
の位相で異ならせるためのタイミング信号を発生する手
段と、前記サンプルホールド手段によるサンプルホールド値を
比較してヌルの差動電圧を類推し、類推したヌルの差動
電圧に基づいて前記比較手段の所定のレベルを制御する
手段とを含む、請求項３または４に記載の振動ジャイ
ロ。
【請求項６】前記タイミング信号発生手段は、前記基
準信号の前縁と後縁を検出してクロック信号を計数し、
所定の計数値のときに前記タイミング信号を出力するこ
とを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の
振動ジャイロ。