JPH07270166A - 振動ジャイロ検出方式 - Google Patents
振動ジャイロ検出方式Info
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- JPH07270166A JPH07270166A JP6085764A JP8576494A JPH07270166A JP H07270166 A JPH07270166 A JP H07270166A JP 6085764 A JP6085764 A JP 6085764A JP 8576494 A JP8576494 A JP 8576494A JP H07270166 A JPH07270166 A JP H07270166A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
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Abstract
化に対して直線的に変動し、簡単に補正することができ
る振動ジャイロ検出方式を得る。 【構成】 振動ジャイロ10は、正3角柱状の振動体1
4と圧電素子16a,16b,16cとからなる振動子
12を含む。増幅回路34と位相補正回路36とからな
る発振回路32で、振動体14を屈曲振動させる。圧電
素子16a,16bを、検出回路38,44を介して、
第1および第2のスイッチング回路40,46に接続す
る。反転回路50を用いて、第1および第2のスイッチ
ング回路40,46に、逆位相の制御信号を与える。ス
イッチング回路40,46は、制御信号によって交互に
断続して作動する。スイッチング回路40,46の出力
を平滑回路52で平滑し、さらに増幅回路54で増幅す
る。
Description
に関し、特にたとえば、柱状の振動子を用いた振動ジャ
イロから得られる2つの検出信号から回転角速度を検出
するための振動ジャイロ検出方式に関する。
を用いた振動ジャイロを示す図解図である。振動ジャイ
ロ1は、振動子2を含む。振動子2は、たとえば正3角
柱状の振動体3と、その側面の中央部に形成される圧電
素子4a,4b,4cを含む。圧電素子4a,4b間に
は、可変抵抗器5が接続される。この可変抵抗器5と圧
電素子4cとの間に、発振回路6が接続される。この発
振回路6の信号が圧電素子4a,4bに与えられ、圧電
素子4cの出力信号が発振回路6に帰還される。それに
よって、振動体3は、圧電素子4c形成面に直交する方
向に屈曲振動する。
される。この差動回路7の出力信号は同期検波回路8で
検波され、さらに平滑回路9で平滑される。振動ジャイ
ロ1に回転角速度が加わっていないとき、振動体3は圧
電素子4c形成面に直交する方向に屈曲振動しているた
め、圧電素子4a,4bの出力信号は共に等しくなる。
このとき、振動ジャイロ1には回転角速度が加わってい
ないため、この出力信号は駆動信号である。ところが、
実際には、振動体3や圧電素子4a,4b,4cの加工
精度のばらつきによって、圧電素子4a,4bの出力信
号に差が生じるため、差動回路7に入力される信号が同
じになるように、可変抵抗器5が調整される。したがっ
て、このとき、差動回路7の出力信号は0である。
すると、コリオリ力によって振動体3の屈曲振動の方向
が変わり、圧電素子4a,4bに発生する信号に差が生
じる。この信号の変化は振動体3の振動方向の変化に対
応するため、圧電素子4a,4bに発生する信号は回転
角速度に対応した信号となる。この回転角速度に対応し
た信号は、図11(A)および(B)に示すように、駆
動信号と90°の位相差を有している。圧電素子4a,
4bから差動回路7に入力される駆動信号成分は、位相
およびレベルが同じ信号であるため、差動回路7で相殺
される。また、圧電素子4a,4bは、無回転時におけ
る振動体3の振動方向を中心として対称となるように配
置されているため、回転角速度が加わって振動方向が変
わると、圧電素子4a,4bにはそれぞれ逆極性の信号
が発生する。したがって、差動回路7でその差をとる
と、回転角速度に対応した大きい信号を得ることができ
る。この差動回路7からの出力信号の正部分または負部
分を同期検波して平滑することにより、振動子2に加わ
った回転角速度を検出することができる。
ロでは、予め無回転時の差動回路の出力が0となるよう
に、可変抵抗器が調整されている。しかしながら、雰囲
気温度の変化などにより、振動子の特性が変動すること
がある。特に、雰囲気温度の変化により、駆動信号成分
のレベルの変動が大きい。そのため、2つの圧電素子か
らの駆動信号成分にレベル差が生じると差動回路で相殺
されず、出力信号となって現れる。つまり、図12に示
すように、回転角速度を与えなくても、雰囲気温度によ
って出力信号が変動する。しかも、その変動は雰囲気温
度の変化に対して曲線を描くため、補正が困難である。
したがって、回転角速度に対応した信号に駆動信号成分
が重畳され、正確に回転角速度を検出できなくなる。
回転時の出力信号が雰囲気温度の変化に対して直線的に
変動し、簡単に補正することができる、振動ジャイロ検
出方式を提供することである。
子の振動を利用して回転角速度を検出するために2つの
検出信号を出力する振動ジャイロと、2つの検出信号を
断続するための2つのスイッチング回路とを含み、2つ
のスイッチング回路は交互に作動し、2つのスイッチン
グ回路の出力信号が合成されて合成信号となる、振動ジ
ャイロ検出方式である。この振動ジャイロ検出方式にお
いて、スイッチング回路は、回転角速度に対応した信号
の発生に同期して作動する。また、合成信号から2つの
検出信号の和の1/2を差し引くための差動回路を付加
してもよい。さらに、雰囲気温度の変化に応じて合成信
号を補正するための温度補償回路を付加してもよい。
転角速度に対応した信号との間には90°の位相差があ
るため、回転角速度に対応した信号の発生に同期して2
つの検出信号を交互に断続して出力すれば、回転角速度
に対応した信号の正部分または負部分が出力される。こ
のとき、一方の検出信号に含まれる駆動信号の正部分と
負部分および他方の検出信号に含まれる駆動信号の正部
分と負部分とが、交互に出力される。したがって、2つ
のスイッチング回路の出力信号を合成したのち平滑すれ
ば、駆動信号の正部分と負部分とが相殺される。そし
て、回転角速度に対応した信号は、正部分または負部分
のいずれかであるため、平滑することによって直流信号
が得られる。この直流信号は回転角速度に対応している
ため、これを測定することによって振動ジャイロに加わ
った回転角速度を検出することができる。
とれば、2つのスイッチング回路の出力信号を合成した
信号の中に含まれる駆動信号とほぼ等しくなる。そのた
め、合成信号から検出回路の出力信号の和の1/2を差
し引けば、駆動信号はほぼ除去される。合成信号の中に
残った駆動信号も、平滑することによって相殺される。
このとき、2つの検出信号に含まれる回転角速度に対応
した信号は、互いに逆極性であるため、和をとることに
よって相殺される。したがって、合成信号から検出回路
の出力信号の和の1/2を差し引いても、その中に含ま
れる回転角速度に対応した信号に変化はない。
に含まれる駆動信号成分を除去できるため、雰囲気温度
が変化して駆動信号成分が変動しても、駆動信号成分の
レベル差は除去され、残る位相差は直線性の良好な信号
として得ることができる。したがって、温度補償回路を
用いることによって、温度変化に対する信号の傾きを容
易に補正することができる。
は、その出力信号が雰囲気温度の変化に対して良好な直
線性を有しているため、簡単に温度補償を行うことがで
きる。そのため、雰囲気温度が変化しても、変動の少な
い信号を得ることができる。したがって、雰囲気温度が
変化しても、正確に回転角速度を検出することができ
る。
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。
いた振動ジャイロの一例を示す回路図である。振動ジャ
イロ10は、振動子12を含む。振動子12は、図2に
示すように、たとえば正3角柱状の振動体14を含む。
振動体14は、たとえばエリンバ,鉄−ニッケル合金,
石英,ガラス,水晶,セラミックなど、一般的に振動を
生じる材料で形成される。振動体14の3つの側面のほ
ぼ中央には、それぞれ圧電素子16a,16b,16c
が形成される。圧電素子16aは、図3に示すように、
たとえば圧電セラミックなどからなる圧電層18aを含
む。この圧電層18aの両面に、電極20a,22aが
形成される。そして、一方の電極22aが、振動体14
に接着剤などで接着される。同様に、圧電素子16b,
16cは圧電層18b,18cを含み、その両面に電極
20b,22bおよび電極20c,22cが形成され
る。そして、一方の電極22b,22cが、振動体14
に接着剤などで接着される。
抗24,26が接続される。これらの抵抗24,26
は、可変抵抗器28に接続される。さらに、圧電素子1
6cには、抵抗30が接続される。そして、可変抵抗器
28と抵抗30との間に、発振回路32が接続される。
発振回路32は、増幅回路34と位相補正回路36とで
構成される。増幅回路34は、たとえばオペアンプと抵
抗とを組み合わせて形成される。また、位相補正回路3
6は、抵抗とコンデンサとを組み合わせて形成される。
そして、圧電素子16cの出力信号が増幅回路34に帰
還され、さらに位相補正回路36で位相補正されて、圧
電素子16a,16bに信号が与えられる。この信号に
よって、振動体14は、圧電素子16c形成面に直交す
る方向に屈曲振動する。
れ、検出回路38は第1のスイッチング回路40に接続
される。第1のスイッチング回路40としては、たとえ
ばnチャンネルのFETが用いられる。ここでは、FE
Tのドレインが検出回路38に接続され、ソースが後述
の平滑回路に接続される。また、FETのゲートには、
ダイオード42を介して、発振回路32からの信号が制
御信号として入力される。したがって、FETのゲート
に負の信号が入力されたときに、検出回路38の出力信
号が平滑回路に伝達される。
接続され、検出回路44は第2のスイッチング回路46
に接続される。第2のスイッチング回路46としては、
たとえばnチャンネルのFETが用いられる。ここで
は、FETのドレインが検出回路44に接続され、ソー
スが第1のスイッチング回路40として用いられるFE
Tのソースに接続される。したがって、第1のスイッチ
ング回路40の出力信号と第2のスイッチング回路46
の出力信号とが合成される。第2のスイッチング回路4
6として用いられるFETのゲートには、ダイオード4
8を介して、反転回路50に接続される。反転回路50
では発振回路32からの信号が反転させられ、その出力
信号が制御信号としてFETのゲートに与えられる。し
たがって、第1のスイッチング回路40と第2のスイッ
チング回路46には、互いに逆位相の制御信号が与えら
れる。それにより、第1のスイッチング回路40および
第2のスイッチング回路46からは、交互に信号が出力
される。
グ回路40および第2のスイッチング回路46としてn
チャンネルのFETを使用したが、どちらか一方をpチ
ャンネルのFETとしてもよい。このようにすれば、反
転回路50は不要となり、第1のスイッチング回路40
および第2のスイッチング回路46に同じ制御信号を与
えることができる。この場合でも、第1のスイッチング
回路40および第2のスイッチング回路46から、交互
に信号を出力させることができる。また、図4に示すよ
うに、FETのソースを電源電圧の中間点に接続し、ド
レインを検出回路と平滑回路に接続してもよい。この場
合、FETがONになったときに検出回路からの信号が
平滑回路に伝達されず、FETがOFFになったときに
検出回路からの信号が平滑回路に伝達される。
スイッチング回路46の出力信号は、平滑回路52に入
力される。平滑回路52は、たとえば抵抗とコンデンサ
とで構成される。さらに、平滑回路52は増幅回路54
に接続される。増幅回路54は、たとえばオペアンプ,
抵抗,コンデンサ,可変抵抗器などで構成される。
路32の信号によって、圧電素子16c形成面に直交す
る方向に屈曲振動する。振動子12に回転角速度が加わ
っていないときには、圧電素子16a,16bの出力信
号は同じである。このとき、振動ジャイロ10には回転
角速度が加わっていないため、この出力信号は駆動信号
である。そして、振動子12が振動体14の軸を中心と
して回転すると、コリオリ力によって振動体14の屈曲
振動の方向が変わる。振動体14の振動方向が変わる
と、図5(A)および(B)に示すように、圧電素子1
6a,16bには異なる信号が発生する。この信号の変
化は振動体14の振動方向の変化に対応するため、圧電
素子16a,16bに発生する信号は、駆動信号と90
°の位相差を有し、かつ回転角速度に対応した信号とな
る。また、圧電素子16a,16bは無回転時における
振動方向に対して対称に配置されているため、圧電素子
16a,16bには互いに逆位相の信号が発生する。そ
して、駆動信号と回転角速度に対応した信号との合成信
号が、圧電素子16a,16bから検出信号として出力
される。
出回路38,44を介して、第1のスイッチング回路4
0および第2のスイッチング回路46に入力される。第
1のスイッチング回路40および第2のスイッチング回
路46からは、図5(C)に示すように、制御信号によ
って回転角速度に対応した信号に同期して出力される。
たとえば、図5(C)の範囲aに示すように、第2のス
イッチング回路46からは、圧電素子16bから出力さ
れる回転角速度に対応した信号に同期して、検出回路4
4の出力信号が出力される。このとき、第1のスイッチ
ング回路40からは、信号が出力されない。したがっ
て、平滑回路52には、回転角速度に対応した信号の正
部分と、駆動信号の正部分および負部分とが入力され
る。
第1のスイッチング回路40からは、圧電素子16aか
ら出力される回転角速度に対応した信号に同期して、検
出回路38の出力信号が出力される。このとき、第2の
スイッチング回路46からは、信号が出力されない。し
たがって、平滑回路52には、回転角速度に対応した信
号の正部分と、駆動信号の正部分および負部分とが入力
される。次に、図5(C)の範囲cに示すように、第2
のスイッチング回路46からは、検出回路44の出力信
号が出力される。このように、第1のスイッチング回路
40と第2のスイッチング回路46とが、交互に作動す
る。したがって、平滑回路52には、回転角速度に対応
した信号の正部分と駆動信号成分とが合成された検出信
号が入力される。
れ、増幅回路54に入力される。平滑回路52に入力さ
れる信号の中の駆動信号成分は、正部分と負部分とを含
んでいるため、平滑することによって相殺される。それ
に対して、回転角速度に対応した信号は、正部分のみが
含まれているため、図5(D)に示すように、平滑回路
52から正の直流信号が出力される。回転角速度に対応
した信号は、与えられた回転角速度に応じてレベルが変
わるため、平滑回路52から得られる直流信号のレベル
を測定することによって、回転角速度の大きさを検出す
ることができる。また、回転角速度の方向によってコリ
オリ力の方向も変わるため、それに応じて圧電素子16
a,16bに発生する信号の極性も変わる。この場合、
第1のスイッチング回路40および第2のスイッチング
回路46からは、回転角速度に対応した信号の負部分が
出力される。したがって、平滑回路52からは、負の直
流信号が出力される。このように、平滑回路52から出
力される直流信号の極性を測定することによって、回転
角速度の方向を知ることができる。平滑回路52の出力
信号は、増幅回路54で増幅される。
変化すると、図6(A)および(B)に示すように、駆
動信号にレベル差が生じる。この場合においても、図6
(C)に示すように、第1のスイッチング回路40およ
び第2のスイッチング回路46からは、回転角速度に対
応した信号の正部分と、駆動信号の正部分および負部分
とが出力される。このとき、第1のスイッチング回路4
0および第2のスイッチング回路46から出力される駆
動信号にはレベル差があるため、不連続な駆動信号が平
滑回路52に入力される。しかしながら、第1のスイッ
チング回路40および第2のスイッチング回路46から
出力される駆動信号は、それぞれ正部分と負部分とを含
んでいるため、平滑することによって駆動信号が相殺さ
れる。したがって、図6(D)に示すように、平滑回路
52からは、回転角速度に対応した直流出力を得ること
ができる。このように、駆動信号にレベル差があって
も、回転角速度に対応した信号のみを測定することがで
きる。
第2のスイッチング回路46から出力される駆動信号成
分を除去するために、図7に示すように、スイッチング
回路40,46と平滑回路52との間に差動回路56を
設けてもよい。差動回路56の非反転入力端には、第1
のスイッチング回路40および第2のスイッチング回路
46の出力端が接続される。さらに、第1の検出回路3
8および第2の検出回路44の出力信号が抵抗58,6
0で分圧され、差動回路56の反転入力端に入力され
る。第1の検出回路38および第2の検出回路44から
は、互いに逆位相の回転角速度に対応した信号が出力さ
れるため、抵抗58,60で合成されることによって相
殺される。そして、第1の検出回路38および第2の検
出回路44から出力される駆動信号成分の和の1/2
が、差動回路56の反転入力端に入力される。
がない場合、差動回路56の反転入力端に入力される信
号は、圧電素子16a,16bから得られる駆動信号と
同じになる。そのため、差動回路56からは、回転角速
度に対応した信号のみが出力される。この信号を平滑す
れば、回転角速度に対応した直流信号が得られる。ま
た、図6に示すように駆動信号にレベル差がある場合、
差動回路56で駆動信号の和の1/2を差し引けば、差
動回路56から出力される信号に含まれる駆動信号成分
は小さくなる。しかも、その駆動信号成分は正部分と負
部分とを含んでいるため、平滑回路52で平滑すること
により相殺される。
ば、駆動信号の影響を除去することができる。したがっ
て、雰囲気温度の変化などにより駆動信号成分のレベル
に変化があっても、位相差が図8の実線に示されるよう
に、平滑回路52の出力信号は、雰囲気温度の変化に対
して直線性を有している。このように、直線性を有する
信号が得られるため、その傾きの補正も簡単に行うこと
ができる。
が考えられる。この温度補償回路61では、2つの抵抗
62,64と2つのダイオード66,68とでブリッジ
回路が形成される。そして、ブリッジ回路の中央部に可
変抵抗器70が接続され、ブリッジ回路が電源Vccに
接続される。可変抵抗器70の可変端子は、図7に示す
回路の抵抗58,60の接続点に接続される。ブリッジ
回路が平衡状態のときには、可変抵抗器70に電流が流
れない。ところが、雰囲気温度が上昇するとダイオード
66,68の抵抗値が下がり、ダイオード66,68に
電流が流れる。そのため、可変抵抗器70で電圧降下が
発生し、その電圧が抵抗58,60の接続点に与えられ
る。
6,68の抵抗値が上がり、抵抗62,64に電流が流
れる。したがって、可変抵抗器70には、ダイオード6
6,68に電流が流れたときと逆極性の電圧降下が発生
する。このように、可変抵抗器70の可変端子を調整す
ることにより、雰囲気温度の変化に対して、さまざまな
傾きをもつ直流出力を得ることができる。この直流出力
を抵抗58,60の接続点に与えることにより、平滑回
路52の出力信号を補正することができる。このよう
に、ダイオードの温度特性を利用することによって、図
8の点線に示すように、雰囲気温度の変化に対してほと
んど変動しない出力を得ることができる。もちろん、ダ
イオード以外の感温素子を用いて温度補償回路を形成し
てもよい。
抗器28で調整されるが、固定抵抗を用いてトリミング
を行い、それによって位相調整を行ってもよい。この場
合、位相調整のための可変抵抗器28を省略することが
でき、ボリュームレスとすることができる。また、上述
の実施例では、圧電素子16cの出力信号を発振回路に
帰還して、圧電素子16a,16bに発振回路の信号を
入力したが、圧電素子16a,16bの出力信号を発振
回路に帰還し、発振回路の信号を圧電素子16cに与え
ることによって振動体14を屈曲振動させてもよい。ま
た、振動体14の形状としては、正3角柱状に限らず、
他の角柱状または円柱状であってもよい。さらに、振動
体を圧電体で形成し、圧電素子の代わりに電極を形成し
た振動子を使用することもできる。このように、この発
明の振動ジャイロ検出方式は、2つの検出信号から回転
角速度を検出する振動子に適用することができる。
ジャイロの一例を示す回路図である。
示す斜視図である。
び第2のスイッチング回路の変形例を示す回路図であ
る。
子の出力および平滑回路の入出力を示すグラフである。
子の出力および平滑回路の入出力を示すグラフである。
の回路を加えた回路図である。
ある。
例を示す回路図である。
ャイロの一例を示す図解図である。
2つの圧電素子の出力を示すグラフである。
すグラフである。
Claims (4)
- 【請求項1】 柱状の振動子の振動を利用して回転角速
度を検出するために2つの検出信号を出力する振動ジャ
イロ、および前記2つの検出信号を断続するための2つ
のスイッチング回路を含み、 前記2つのスイッチング回路は交互に作動し、前記2つ
のスイッチング回路の出力信号が合成されて合成信号と
なる、振動ジャイロ検出方式。 - 【請求項2】 前記スイッチング回路は回転角速度に対
応した信号の発生に同期して作動する、請求項1の振動
ジャイロ検出方式。 - 【請求項3】 前記合成信号から前記2つの検出信号の
和の1/2を差し引くための差動回路を含む、請求項1
または請求項2の振動ジャイロ検出方式。 - 【請求項4】 雰囲気温度の変化に応じて前記合成信号
を補正するための温度補償回路を含む、請求項1ないし
請求項3のいずれかの振動ジャイロ検出方式。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08576494A JP3201135B2 (ja) | 1994-03-30 | 1994-03-30 | 振動ジャイロ検出方式 |
| US08/408,924 US5648608A (en) | 1994-03-30 | 1995-03-22 | Vibrating gyroscope detecting system |
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