JP2000221040A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 記憶容量が小さくても正確にドリフト補正を
行うことができ、全温度範囲において正確に角速度を検
出することができる振動ジャイロを得る。 【解決手段】 振動ジャイロ１０は、発振回路２８で屈
曲振動する角速度センサ１２を含む。角速度センサ１２
の２つの出力信号を差動増幅回路３０に入力し、その出
力信号を同期検波回路３２で検波した後、直流増幅回路
３４で増幅する。直流増幅回路３４の出力信号および温
度センサ３８の出力信号をＡ／Ｄコンバータ３６，４０
でデジタル信号に変換し、処理装置４２で処理する。予
め温度を変えて温度ドリフトを実測し、温度ドリフトの
変化をｎ次関数近似して、得られた係数パラメータを処
理装置４２に記憶させる。この係数パラメータから、使
用時の温度におけるドリフト値を算出し、補正を行うこ
とにより正確な角速度を検出する。

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、特にたとえば、カーナビゲーションシステムやカメ
ラの手振れ防止用などとして角速度を検出するために用
いられる振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、従来の振動ジャイロの一例を
示すブロック図である。振動ジャイロ１は、角速度セン
サ２を含む。角速度センサ２としては、たとえば正３角
柱状の振動体３の側面に圧電素子４ａ，４ｂ，４ｃを形
成したものが用いられる。そして、圧電素子４ａ，４ｂ
と圧電素子４ｃとの間に、発振回路５が接続される。さ
らに、圧電素子４ａ，４ｂは差動増幅回路６の入力端に
接続される。差動増幅回路６の出力信号は同期検波回路
７に接続され、さらに同期検波回路７は直流増幅回路８
に接続される。

【０００３】このような振動ジャイロ１では、圧電素子
４ｃの出力信号が発振回路５に帰還され、この信号が増
幅され、さらに位相補正されたのち、駆動信号として圧
電素子４ａ，４ｂに入力される。それにより、振動体３
は、圧電素子４ｃ形成面に直交する向きに屈曲振動す
る。このとき、圧電素子４ａ，４ｂの屈曲状態は同じと
なり、これらの圧電素子４ａ，４ｂからは、同じ信号が
出力される。そのため、差動増幅回路６からは信号が出
力されず、直流増幅回路８からも信号が出力されない。
したがって、角速度センサ２に角速度が加わっていない
ことがわかる。

【０００４】この状態で、振動体３の軸を中心として角
速度が加わると、屈曲振動に直交する向きにコリオリ力
が働く。このコリオリ力によって、振動体３の振動方向
が変わる。そのため、圧電素子４ａ，４ｂの屈曲状態に
差が生じ、圧電素子４ａ，４ｂの一方においてはコリオ
リ力に対応して出力信号が増加し、他方においてはコリ
オリ力に対応して出力信号が減少する。そのため、差動
増幅回路６からはコリオリ力に対応した大きい出力信号
を得ることができる。そして、同期検波回路７におい
て、差動増幅回路６の出力信号が、発振回路５の信号に
同期して検波される。それにより、差動増幅回路６の出
力信号の正部分のみまたは負部分のみ、または正負のい
ずれかを反転した信号が検波される。この信号が直流増
幅回路８で増幅され、コリオリ力に対応した直流信号が
得られる。なお、角速度の方向が逆の場合には、同期検
波回路７において、差動増幅回路６の出力信号の逆極性
の部分が検波される。したがって、直流増幅回路８の出
力信号の極性から、角速度の方向を知ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、角速度
センサには温度ドリフトがあり、雰囲気温度が変化する
と、角速度センサの出力信号が変化する。そのため、角
速度センサに加わる角速度が同じでも、雰囲気温度が変
化すると、その出力信号が変化し、正確な角速度を検出
することができない。そこで、温度ドリフトを補正する
ために、個々の振動ジャイロについて、予め温度を変化
させて温度ドリフトを実測し、各温度におけるドリフト
値をＲＯＭなどに記憶させ、実際に振動ジャイロを使用
するときに、温度センサで温度を測定し、その温度にお
けるドリフト値をＲＯＭから読み出し、振動ジャイロの
出力信号を補正することが考えられる。

【０００６】ところが、温度ドリフトは、個々の振動ジ
ャイロによって全て異なり、しかも温度変化に比例して
変化するものではないため、正確に補正をしようとすれ
ば、細かく温度を変化させ、各温度におけるドリフト値
を実測しなければならない。そして、各温度における多
くのドリフト値を記憶させるためには、ＲＯＭの記憶容
量を大きくする必要がある。また、温度の変化幅を大き
くすれば、実測するドリフト値の数は減るが、データの
数が少ないため、正確な補正をすることができない。

【０００７】それゆえに、この発明の主たる目的は、記
憶容量が小さくても正確にドリフト補正を行うことがで
き、全温度範囲において正確に角速度を検出することが
できる振動ジャイロを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、角速度に対
応した信号を出力する角速度センサと、角速度センサの
出力信号を処理するための処理装置と、角速度センサの
近傍の温度を測定するための温度センサとを含み、温度
を変化させて実測した角速度センサのドリフトをｎ次関
数近似して得られた係数パラメータを処理装置に記憶さ
せ、温度センサによって測定された温度に対応して係数
パラメータから算出した補正値により角速度センサの出
力信号を補正することを特徴とする、振動ジャイロであ
る。この振動ジャイロにおいて、角速度センサの出力信
号および温度センサの出力信号をデジタル信号に変換す
るためのＡ／Ｄコンバータを含み、Ａ／Ｄコンバータに
よって変換されたデジタル信号が前記処理装置で処理さ
れる。

【０００９】温度ドリフトを実測し、得られた結果をｎ
次関数近似することにより、ｎ＋１個の係数パラメータ
で実際の温度ドリフトに近い変化をする関数を得ること
ができる。そのため、実際に振動ジャイロを使用する際
に、温度センサで温度を測定することにより、得られた
関数から各温度におけるドリフト値を算出することがで
きる。したがって、算出したドリフト値により角速度セ
ンサの出力信号を補正すれば、正確な角速度を検出する
ことができる。温度ドリフトが複雑な変化をす場合に
は、ｎ次関数近似のｎの値を大きくする必要があるが、
相当複雑な変化をするものであっても、４次関数近似あ
るいは５次関数近似の程度で、正確に温度ドリフトに近
似させることができる。

【００１０】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の振動ジャイロ
の一例を示すブロック図である。振動ジャイロ１０は、
角速度センサ１２を含む。角速度センサ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、一般的に機械的
な振動を生じる材料で形成される。振動体１４の３つの
側面には、それぞれ圧電素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃが
形成される。

【００１２】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。圧電層１８ａの両面には、電極２０ａ，２２ａが形
成される。そして、一方の電極２２ａが、振動体１４の
側面に接着される。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、これらの圧電素子１６ｂ，１６ｃの一方の電極２２
ｂ，２２ｃが、振動体１４の側面に接着される。

【００１３】圧電素子１６ａ，１６ｂには、それぞれ抵
抗２４，２６が接続される。これらの抵抗２４，２６と
圧電素子１６ｃとの間に、発振回路２８が接続される。
この場合、圧電素子１６ｃからの出力信号が、発振回路
２８に帰還される。そして、発振回路２８において、帰
還された信号が増幅され、さらに位相調整されて、駆動
信号が形成される。この駆動信号が圧電素子１６ａ，１
６ｂに与えられ、それによって振動体１４が屈曲振動す
る。

【００１４】さらに、圧電素子１６ａ，１６ｂは、差動
増幅回路３０の入力端に接続される。差動増幅回路３０
の出力端は同期検波回路３２に接続される。同期検波回
路３２では、差動増幅回路３０の出力信号が、発振回路
２８の信号に同期して検波される。さらに、同期検波回
路３２は直流増幅回路３４に接続される。直流増幅回路
３４は、アナログ信号をデジタル信号に変換するための
Ａ／Ｄコンバータ３６に接続される。また、角速度セン
サ１２の近傍には温度センサ３８が設けられ、この温度
センサ３８が、別のＡ／Ｄコンバータ４０に接続され
る。そして、２つのＡ／Ｄコンバータ３６，４０が、処
理装置４２に接続される。処理装置４２では、温度セン
サ３８の出力信号に応じて、角速度センサ１２の出力信
号が処理される。

【００１５】この振動ジャイロ１０では、発振回路２８
からの駆動信号によって圧電素子１６ａ，１６ｂが伸縮
し、それによって振動体１４が圧電素子１６ｃ形成面に
直交する向きに屈曲振動する。このとき、圧電素子１６
ａ，１６ｂの屈曲状態は同じとなり、これらの圧電素子
１６ａ，１６ｂからは、同じ信号が出力される。したが
って、差動増幅回路３０からは、信号が出力されない。

【００１６】角速度センサ１２の軸を中心として角速度
が加わると、振動体１４の屈曲振動の向きと直交する方
向にコリオリ力が働く。それによって、振動体１４の屈
曲振動の向きが変わる。そのため、圧電素子１６ａ，１
６ｂの屈曲状態に差が生じ、それに伴って圧電素子１６
ａ，１６ｂの出力信号に差が生じる。振動体１４の振動
方向の変化は、コリオリ力に対応しているため、圧電素
子１６ａ，１６ｂの出力信号の変化もコリオリ力に対応
したものとなる。つまり、圧電素子１６ａ，１６ｂの一
方の出力信号がコリオリ力に対応して増加すると、他方
の出力信号がコリオリ力に対応して減少する。そのた
め、差動増幅回路３０からは、コリオリ力に対応した大
きい出力信号を得ることができる。

【００１７】差動増幅回路３０の出力信号は、同期検波
回路３２において、正部分のみまたは負部分のみ、また
は正負のいずれかを反転した信号が検波される。この同
期検波回路３２で検波された信号が、直流増幅回路３４
で増幅される。したがって、直流増幅回路３４の出力信
号のレベルから、角速度センサ１２に加わった角速度の
大きさを知ることができる。また、角速度センサ１２に
加わる角速度の方向が逆になった場合、同期検波回路３
２で検波される信号の極性が逆になる。そのため、直流
増幅回路３４からの出力信号の極性も逆となる。したが
って、直流増幅回路３４の出力信号の極性から、角速度
センサ１２に加わった角速度の方向を知ることができ
る。

【００１８】直流増幅回路３４の出力信号は、Ａ／Ｄコ
ンバータ３６に入力され、デジタル信号に変換された角
速度信号が得られる。また、角速度センサ１２の近傍に
は、温度センサ３８が設けられる。この温度センサ３８
の出力信号が、別のＡ／Ｄコンバータ４０に入力され、
デジタル信号に変換された温度信号が得られる。そし
て、２つのＡ／Ｄコンバータ３６，４０の出力信号が、
処理装置４２に入力される。Ａ／Ｄコンバータ３６から
得られる角速度信号は、Ａ／Ｄコンバータ４０から得ら
れる温度信号に対応して処理される。

【００１９】この振動ジャイロ１０では、処理装置４２
で角速度信号を処理するために、予め角速度センサ１２
の温度ドリフトを算出するための係数パラメータが記憶
される。このような係数パラメータを得るためのフロー
図が、図４に示される。まず、角速度センサ１２の温度
ドリフトが実測される。そのため、ステップＳ１におい
て、初期測定が開始される。つまり、角速度センサ１２
に角速度が加わらない状態で、Ａ／Ｄコンバータ３６か
らの角速度信号が測定される。このような測定が、温度
を変えて行われるが、ステップＳ２においては、所定の
全ての温度において、測定が行われたかどうかが判断さ
れる。所定の複数の温度において、測定が完了していな
い場合には、さらに測定が続行される。

【００２０】温度ドリフトの測定が続行される場合、ス
テップＳ３において、Ａ／Ｄコンバータ３６からの角速
度信号が取り込まれる。さらに、ステップＳ４におい
て、Ａ／Ｄコンバータ４０からの温度信号が取り込ま
れ、現在の温度が算出される。そして、温度を変化させ
ながらこのような測定を行い、所定の温度における角速
度信号が取り込まれたところで、測定が終了する。この
ように、角速度が与えられていない状態で温度を変化さ
せ、角速度信号を測定することにより、温度ドリフトを
実測することができる。測定が終了すると、ステップＳ
５において、得られたデータに基づいて、ｎ次関数近似
が行われる。つまり、図５に示すように、実測した温度
ドリフトに近い曲線が得られるような近似式が求めら
れ、ステップＳ６において、得られた近似式の係数パラ
メータが処理装置４２に記憶される。なお、図５におい
ては、実測した温度ドリフトに基づいて、３次関数近似
により得られた曲線を示してある。

【００２１】これらのステップＳ１〜Ｓ６は、振動ジャ
イロ１０を製造する工程で行われ、係数パラメータを記
憶した処理装置４２を有する振動ジャイロ１０が出荷さ
れる。もちろん、処理装置４２には、記憶した係数パラ
メータを用いて温度ドリフトを補正するためのプログラ
ムが組み込まれている。

【００２２】ユーザーが振動ジャイロ１０を使用する際
には、図６に示すフロー図にしたがって、温度ドリフト
が補正される。まず、ステップＳ１０において、初期設
定が行われる。ここでは、記憶した係数パラメータが呼
び出される。次に、ステップＳ１１において、角速度信
号が取り込まれる。さらに、ステップＳ１２において、
温度信号が取り込まれる。そして、温度信号から、現在
の温度が算出される。次に、ステップＳ１３において、
記憶した係数パラメータを用いたｎ次関数から、現在の
温度におけるドリフト値が算出される。このドリフト値
が補正値となる。そして、ステップＳ１４において、角
速度信号から補正値が差し引かれ、角速度信号が補正さ
れる。これにより、ステップＳ１５において、ドリフト
成分が除去された正確な角速度値が出力される。このよ
うなステップＳ１１〜Ｓ１５が繰り返されることによ
り、温度変化に関わりなく、正確な角速度値を得ること
ができる。

【００２３】これらのステップによって補正をした場
合、図５に示すドリフト信号を３次関数近似した曲線を
用いて補正した場合、図７に示すように、温度変化に対
して、変動の少ない特性が得られている。図５に示す特
性では、温度ドリフトの最大値と最小値の差が約６２０
ｍＶあったのに対し、図７では約１５７ｍＶになってい
る。さらに、同じドリフト特性を有する振動ジャイロに
ついて、４次関数近似を行って補正をした場合、図８に
示すように、温度ドリフトの最大値と最小値の差が約８
６ｍＶとなる。また、図９に示すように、５次関数近似
を行って補正をした場合、図９に示すように、温度ドリ
フトの最大値と最小値の差が７９ｍＶとなった。

【００２４】このように、ｎ次関数近似の次数を増やす
ことにより、実際のドリフト変化に近い曲線を表す関数
を得ることができ、この関数を用いて補正を行うことに
より、温度ドリフトの小さい振動ジャイロ１０を得るこ
とができる。なお、個々の振動ジャイロ１０において、
それぞれ温度ドリフトの変化のしかたが異なるため、個
々の振動ジャイロ１０において、係数パラメータが求め
られる。このような処理装置４２の設定は、振動ジャイ
ロ１０の製造時に行われるため、ユーザーは、品質のば
らつきのない振動ジャイロを得ることができる。

【００２５】なお、温度ドリフトの変化が複雑な場合、
ｎ次関数近似の次数を大きくする必要があるが、ほとん
どの場合、４次関数近似または５次関数近似の程度で、
正確に角速度信号を補正することが可能である。ｎ次関
数近似においては、ｎ＋１個の係数パラメータが得られ
るが、５次関数近似を行っても、得られる係数パラメー
タは６個であり、処理装置４２の記憶容量を大きくする
必要がない。

【００２６】なお、図１に示す振動ジャイロ１０では、
正３角柱状の振動体に圧電素子を接着した角速度センサ
を用いたが、角速度センサとしては、たとえば２つの圧
電体板を接着したバイモルフ型の振動体を用いた角速度
センサなど、他の角速度センサを用いることができる。
つまり、どのような角速度センサであっても、その温度
ドリフトを実測して、ｎ次関数近似によって温度ドリフ
トの変化に近い曲線を有する関数を導き出し、この関数
から補正値を求めることにより、記憶容量の小さい処理
装置を用いても、正確な角速度値を出力させることがで
きる。

【００２７】

【発明の効果】この発明によれば、記憶容量の小さい処
理装置を用いて、正確な温度ドリフトの補正を行うこと
ができ、個々の振動ジャイロについて、正確な補正を行
うことかできる。そのため、全ての振動ジャイロについ
て、温度変化があっても正確な角速度値を出力させるこ
とができ、特性のばらつきの小さい振動ジャイロを得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の振動ジャイロの一例を示すブロック
図である。

【図２】図１に示す振動ジャイロに用いられる角速度セ
ンサの一例を示す斜視図である。

【図３】図２に示す角速度センサの断面図である。

【図４】図１に示す振動ジャイロにおいて、処理装置の
設定を行う過程を示すフロー図である。

【図５】図４に示すフロー図において、温度ドリフトと
３次関数近似を行って求めた曲線とを示すグラフであ
る。

【図６】図４に示す工程で調整された振動ジャイロを使
用するときに処理装置で行われる処理を示すフロー図で
ある。

【図７】図５に示す実測した角速度信号と、３次関数近
似によって得られた補正値によって補正した出力とを示
すグラフである。

【図８】図５に示す実測した角速度信号と、４次関数近
似によって得られた補正値によって補正した出力とを示
すグラフである。

【図９】図５に示す実測した角速度信号と、５次関数近
似によって得られた補正値によって補正した出力とを示
すグラフである。

【図１０】従来の振動ジャイロの一例を示すブロック図
である。

【符号の説明】

１０ 振動ジャイロ １２ 角速度センサ １４ 振動体 １６ａ，１６ｂ，１６ｃ 圧電素子 ２８ 発振回路 ３０ 差動増幅回路 ３２ 同期検波回路 ３４ 直流増幅回路 ３６ Ａ／Ｄコンバータ ３８ 温度センサ ４０ Ａ／Ｄコンバータ ４２ 処理装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 角速度に対応した信号を出力する角速度
   センサ、 前記角速度センサの出力信号を処理するための処理装
   置、および前記角速度センサの近傍の温度を測定するた
   めの温度センサを含み、 温度を変化させて実測した前記角速度センサのドリフト
   をｎ次関数近似して得られた係数パラメータを前記処理
   装置に記憶させ、前記温度センサによって測定された温
   度に対応して前記係数パラメータから算出した補正値に
   より前記角速度センサの出力信号を補正することを特徴
   とする、振動ジャイロ。
2. 【請求項２】 前記角速度センサの出力信号および前記
   温度センサの出力信号をデジタル信号に変換するための
   Ａ／Ｄコンバータを含み、前記Ａ／Ｄコンバータによっ
   て変換されたデジタル信号が前記処理装置で処理され
   る、請求項１に記載の振動ジャイロ。