JPH05312579A

JPH05312579A - ジャイロコンパス

Info

Publication number: JPH05312579A
Application number: JP4143333A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakamura; 村武中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 1993-11-22
Also published as: DE69307587D1; US5375336A; EP0568978A1; EP0568978B1; DE69307587T2

Abstract

(57)【要約】【目的】回転角速度および直線方向の速度または加速
度の両方を測定することができるジャイロコンパスを得
る。【構成】角速度センサ１２の支持台２６を、一端で回
転可能に固定し、圧電素子３０で振動させる。この振動
によって、角速度センサ１２に既知の回転角速度を与え
る。角速度センサ１２の２つの出力の差を、第１の差動
回路４４で測定する。第１の差動回路４４の出力を、２
つの同期検波回路４６，４８で、１８０°異なる位相に
同期して検波する。検波した信号を平滑回路５０，５４
で平滑し、さらに増幅回路５２，５６で増幅する。増幅
回路５２，５６の出力信号を、可変抵抗器５８で合成す
る。さらに、増幅回路５２の出力信号から、可変抵抗器
５８の出力信号および既知の回転角速度に対応する信号
を差し引く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はジャイロコンパスに関
し、特にたとえば、自動車などの移動体の位置を検出す
るためのジャイロコンパスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、たとえば自動車の位置を測定する
ためには、たとえば角速度センサなどが使用されてい
た。この場合、角速度センサなどによって検出される自
動車の移動方向と、自動車の速度計から得られる移動距
離とから、自動車の位置が検出されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、自動車の速
度はタイヤの回転数から計算されるため、タイヤの空気
量や道路の凹凸などによって、測定される移動距離に誤
差が生じる。そのため、自動車の位置を正確に検出する
ことが困難であった。また、タイヤの回転数を求めるた
めのセンサへの接続を必要としていた。

【０００４】それゆえに、この発明の主たる目的は、自
動車などの移動体の移動方向および移動距離を正確に測
定するために、回転角速度および直線方向の速度または
加速度の両方を正確に測定することができるジャイロコ
ンパスを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、角速度セン
サと、角速度センサに既知の回転角速度を与えるための
角速度付与手段と、角速度センサの出力信号を異なる位
相に同期して検波するための複数の同期検波回路と、複
数の同期検波回路の出力を平滑するための複数の平滑回
路と、複数の平滑回路の出力を合成するための合成手段
とを含む、ジャイロコンパスである。

【０００６】

【作用】角速度センサに既知の回転角速度が与えられる
ため、角速度センサに直線方向の速度または加速度が加
わると、その速度または加速度に対応した信号が角速度
センサの出力信号に重畳される。さらに、外界から角速
度センサに回転角速度が加わると、その出力信号は、既
知の回転角速度に対応する信号，外界からの回転角速度
に対応した信号および直線方向の速度または加速度に対
応する信号の合成信号となる。

【０００７】角速度センサの出力信号を異なる位相に同
期して検波すると、それぞれの位相において、回転角速
度に対応した信号と直線方向の速度または加速度に対応
した信号との合成信号が得られる。これらの信号を平滑
し、合成することによって、外界からの回転角速度に対
応した信号および既知の回転角速度に対応した信号が相
殺される。したがって、合成手段から得られる信号は、
直線方向の速度または加速度に対応した信号となる。さ
らに、同期検波された信号の１つから、既知の回転角速
度に対応する信号および直線方向の速度または加速度に
対応した信号を差し引けば、外界から角速度センサに加
わった回転角速度に対応する信号が得られる。

【０００８】

【発明の効果】この発明によれば、角速度センサに既知
の回転角速度を与えることによって、角速度センサの出
力信号には直線方向の速度または加速度に対応した信号
が重畳される。そして、直線方向の速度または加速度に
対応した信号のみを取り出すことができるため、その速
度または加速度を検出することができる。さらに、得ら
れた速度または加速度を積分することによって、移動距
離を知ることができる。また、外界から角速度センサに
加わった回転角速度に対応する信号を得ることができる
ため、その回転角速度を知ることができる。このよう
に、外界からの回転角速度と直線方向の速度または加速
度の両方を測定することができるため、このジャイロコ
ンパスを自動車などに積載すれば、自動車の位置を正確
に測定することができる。

【０００９】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実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１０】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示すブロック図
である。ジャイロコンパス１０は角速度センサ１２を含
む。角速度センサ１２としては、たとえば図１および図
２に示すように、振動型の角速度センサが用いられる。
角速度センサ１２は、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、一般に機械的な振動を生じ
る材料で、正３角柱状に形成される。

【００１１】振動体１４の３つの側面の中央部には、そ
れぞれ圧電素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃが形成される。
圧電素子１６ａは、たとえば磁器からなる圧電層１８ａ
を含み、圧電層１８ａの両主面には電極２０ａ，２２ａ
が形成される。そして、一方の電極２２ａが、振動体１
４の側面に接着される。同様に、圧電素子１６ｂ，１６
ｃは圧電層１８ｂ，１８ｃを含み、その両主面に電極２
０ｂ，２０ｃおよび電極２２ｂ，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
２２ｂ，２２ｃが、振動体１４の側面に接着される。

【００１２】さらに、振動体１４のノード点付近は、た
とえば金属線からなる支持部材２４ａ，２４ｂで支持さ
れる。支持部材２４ａ，２４ｂは、たとえば溶接するこ
とによって、振動体１４のノード点付近に固着される。
そして、支持部材２４ａ，２４ｂは、支持台２６に固着
される。支持台２６の一端は、固定軸２８で回転可能に
固定される。この固定軸２８は、振動体１４の軸方向と
平行になるように取り付けられる。さらに、支持台２６
の下面には、角速度付与手段としての圧電素子３０が形
成される。圧電素子３０は、たとえば圧電層３０ａの両
主面に電極３０ｂ，３０ｃが形成されたものである。こ
の圧電素子３０によって、支持台２６は回転軸２８を中
心として円弧を描くように往復振動し、角速度センサ１
２に回転角速度が与えられる。

【００１３】このジャイロコンパス１０では、角速度セ
ンサ１２の圧電素子１６ａ〜１６ｃのうち、任意の２つ
が検出用に用いられ、その２つあるいは他の１つが駆動
用に用いられる。この実施例では、圧電素子１６ａ，１
６ｂが検出用および駆動用として用いられ、圧電素子１
６ｃが帰還用として用いられる。

【００１４】駆動用の圧電素子１６ａ，１６ｂと帰還用
の圧電素子１６ｃとの間には、角速度センサ１２を自励
振駆動するための帰還ループとして、発振回路４０およ
び位相回路４２が接続される。これらの発振回路４０と
位相回路４２とによって駆動信号が与えられ、角速度セ
ンサ１２は、圧電素子１６ｃ形成面に直交する方向に屈
曲振動する。

【００１５】さらに、検出用の圧電素子１６ａ，１６ｂ
は、第１の差動回路４４に接続される。第１の差動回路
４４では、圧電素子１６ａ，１６ｂの出力の差が検出さ
れる。第１の差動回路４４の出力は、第１の同期検波回
路４６および第２の同期検波回路４８に入力される。こ
れらの第１の同期検波回路４６および第２の同期検波回
路４８には、位相回路４２から同期信号が与えられる。
そして、これらの第１の同期検波回路４６および第２の
同期検波回路４８では、互いに１８０°異なった位相に
同期して、第１の差動回路４４の出力信号が検波され
る。

【００１６】第１の同期検波回路４６は第１の平滑回路
５０に接続され、さらに第１の平滑回路５０は第１の増
幅回路５２に接続される。第１の平滑回路５０では、第
１の同期検波回路４６の出力信号が平滑され、平滑され
た信号が第１の増幅回路５２で増幅される。同様に、第
２の同期検波回路４８は第２の平滑回路５４に接続さ
れ、さらに第２の平滑回路５４は第２の増幅回路５６に
接続される。そして、第２の平滑回路５４では、第２の
同期検波回路４８の出力信号が平滑され、平滑された信
号が第２の増幅回路５６で増幅される。

【００１７】第１の増幅回路５２および第２の増幅回路
５６の出力信号は、合成手段としての可変抵抗器５８に
接続される。可変抵抗器５８は、ジャイロコンパス１０
に直線方向の速度または加速度が加わっていないとき
に、その出力が０となるように調整される。さらに、こ
の可変抵抗器５８の出力信号と第１の増幅回路５２の出
力信号とが、第２の差動回路６０に入力される。この第
２の差動回路６０では、第１の増幅回路５２の出力信号
から可変抵抗器６０の出力信号が差し引かれる。

【００１８】角速度付与手段としての圧電素子３０に
は、これを駆動するための発振回路６２が接続される。
この発振回路６２の信号によって、支持台２６は、回転
軸２８を中心として円弧を描くように振動する。さら
に、発振回路６２からは、支持台２６を駆動することに
よって角速度センサ１２に与えられる回転角速度に対応
した信号が出力される。この回転角速度に対応した信号
と第２の差動回路６０の出力信号とが、第３の差動回路
６４に入力される。第３の差動回路６４では、第２の差
動回路６０の出力信号から回転角速度に対応した信号が
差し引かれる。既知の回転角速度に対応した信号は、外
界から回転角速度や直線方向の速度または加速度が加わ
っていないときに、第２の差動回路６０から得られる出
力信号と同じ信号である。

【００１９】次に、このジャイロコンパス１０の働きに
ついて説明する。まず、圧電素子３０が駆動されず、角
速度センサ１２に回転角速度が与えられていない場合に
ついて考える。この状態で、角速度センサ１２の振動体
１４は、圧電素子１６ｃ形成面に直交する方向に屈曲振
動させられている。そして、外部からも回転角速度が加
わらず、直線方向の速度または加速度も加わらない場
合、２つの圧電素子１６ａ，１６ｂに発生する電圧は同
じ方向で同じ大きさとなる。したがって、第１の差動回
路４４の出力は０となる。そのため、可変抵抗器５８お
よび第３の差動回路６４の出力は共に０となり、回転角
速度も直線方向の速度または加速度も加わっていないこ
とがわかる。

【００２０】次に、支持台２６を動かして、角速度セン
サ１２に既知の回転角速度が与えられた場合について考
える。この状態で、外部からの回転角速度および直線方
向の速度または加速度が加わらない場合、与えられた回
転角速度によって、圧電素子１６ａ，１６ｂ間の出力電
圧に差が生じる。したがって、第１の差動回路４４には
出力信号が発生する。角速度センサ１２に与えられる回
転角速度は、発振回路６２によって一定の周期と振幅で
与えられる。そのため、第１の差動回路４４の出力は、
図３（Ａ）に示すように、たとえば正弦波として出力さ
れる。第１の同期検波回路４６では、たとえば０Ｖを中
心として正側の信号が検波される。また、第２の同期検
波回路４８では、０Ｖを中心として負側の信号が検波さ
れる。したがって、図３（Ｂ），図３（Ｃ）に示すよう
に、第１の同期検波回路４６の出力信号と第２の同期検
波回路４８の出力信号とは、互いに逆向きで、かつ同じ
大きさを有している。そのため、これらの信号を平滑，
増幅すると、図３（Ｄ），図３（Ｅ）に示すように、互
いに逆向きで、かつ同じ大きさの直流出力が得られる。
これらの信号を可変抵抗器５８で合成すると、図３
（Ｆ）に示すように、その出力は０となる。それによっ
て、直線方向の加速度が加わっていないことがわかる。

【００２１】また、第１の増幅回路５２の出力は、第１
の差動回路４４の出力信号の正側を検波し、増幅したも
のである。そして、可変抵抗器５８の出力は０であるた
め、第２の差動回路６０の出力信号は、第１の増幅回路
５２と同じものとなる。この第２の差動回路６０の出力
信号は、角速度センサ１２に与えられている既知の回転
角速度に対応した信号である。したがって、図３（Ｇ）
に示すように、第３の差動回路６４からの出力は０とな
る。これによって、角速度センサ１２に外界から回転角
速度が加わっていないことがわかる。

【００２２】次に、角速度センサ１２の軸に直交する直
線方向に速度または加速度が加わった場合について考え
る。このとき、圧電素子３０によって、角速度センサ１
２に既知の回転角速度が与えられているため、振動体１
４には速度または加速度の加わった方向に力が働く。そ
のため、圧電素子１６ａ，１６ｂに発生する電圧には、
速度または加速度に応じて、一定の出力電圧が重畳され
る。したがって、第１の差動回路４４の出力信号は、図
４（Ａ）に示すように、たとえば０Ｖより正側に移動し
た波形の信号となる。なお、角速度センサ１２には外界
から回転角速度が加わっていないため、第１の差動回路
４４の出力信号の振幅は、図３（Ａ）と同じである。こ
の出力信号が、第１の同期検波回路４６および第２の同
期検波回路４８で、互いに１８０°異なる位相に同期し
て検波される。すなわち、第１の同期検波回路４６で
は、図４（Ｂ）に示すように、第１の差動回路４４の出
力信号の正側が検波される。また、第２の同期検波回路
４８では、図４（Ｃ）に示すように、第１の差動回路４
４の出力信号の負側が検波される。これらの信号を第１
の平滑回路５０および第２の平滑回路５４で平滑し、第
１の増幅回路５２および第２の増幅回路５６で増幅する
と、図４（Ｄ），図４（Ｅ）に示すように、第１の増幅
回路５２からは高い電圧が出力され、第２の増幅回路５
６からは低い電圧が出力される。これらの信号を可変抵
抗器５８で合成すると、その出力端からは、図４（Ｆ）
に示すように、速度または加速度に対応した出力が得ら
れる。

【００２３】また、第２の差動回路６０では、第１の増
幅回路５２の出力信号から可変抵抗器５８の出力信号が
差し引かれる。そのため、第２の差動回路６０からは、
第１の増幅回路５２の出力信号から角速度センサ１２に
加わった直線方向の速度または加速度による信号を差し
引いた信号が出力される。この信号は、角速度センサ１
２に与えられた既知の回転角速度に対応する信号であ
る。したがって、第３の差動回路６４で既知の回転角速
度に対応する信号が差し引かれると、第３の差動回路か
らの出力は０となる。このことから、角速度センサ１２
には、外界から回転角速度が加わっていないことがわか
る。

【００２４】次に、角速度センサ１２に外界から回転角
速度が加わった場合について考える。この場合、角速度
センサ１２には既知の回転角速度が与えられているた
め、外界からの回転角速度によって、たとえば圧電素子
１６ａに発生する電圧が大きくなり、圧電素子１６ｂに
発生する電圧が小さくなる。そのため、第１の差動回路
４４の出力信号の振幅は、図５（Ａ）に示すように、既
知の回転角速度のみが与えられている場合に比べて大き
くなる。この信号が、第１の同期検波回路４６および第
２の同期検波回路４８で、互いに１８０°異なる位相に
同期して検波される。したがって、第１の同期検波回路
４６の出力信号は、図５（Ｂ）に示すように、０Ｖを中
心として正側の信号となる。また、第２の同期検波回路
４８の出力信号は、図５（Ｃ）に示すように、０Ｖを中
心として負側の信号となる。これらの信号が第１の平滑
回路５０および第２の平滑回路５４で平滑され、さらに
第１の増幅回路５２および第２の増幅回路５６で増幅さ
れると、図５（Ｄ）および図５（Ｅ）に示すように、互
いに逆向きで、かつ同じ大きさの信号が出力される。こ
れらの信号を可変抵抗器５８で合成すると、その可変抵
抗器５８の出力は０となる。このことから、角速度セン
サ１２には直線方向の速度または加速度が加わっていな
いことがわかる。

【００２５】第２の差動回路６０では、第１の増幅回路
５２の出力信号から可変抵抗器５８の出力信号が差し引
かれるが、可変抵抗器５８の出力は０であるため、第１
の増幅回路５２の出力信号が、そのまま第２の差動回路
６０から出力される。この出力信号には、角速度センサ
１２に与えられた既知の回転角速度および外界から加わ
った回転角速度に対応する信号が含まれている。したが
って、第３の差動回路６４で、既知の回転角速度に対応
する信号が差し引かれると、図５（Ｇ）に示すように、
外界から加わった回転角速度に対応した信号のみが出力
される。この信号から、角速度センサ１２に外界から加
わった回転角速度を知ることができる。

【００２６】次に、角速度センサ１２に外界からの回転
角速度および直線方向の速度または加速度の両方が加わ
った場合について考える。この場合、第１の差動回路４
４からは、図６（Ａ）に示すように、たとえば既知の回
転角速度のみが与えられている場合よりも振幅が大き
く、しかも０Ｖよりも正側に移動した出力信号が得られ
る。この信号が、第１の同期検波回路４６および第２の
同期検波回路４８で、互いに１８０°異なる位相に同期
して検波される。したがって、第１の同期検波回路４６
からは、図６（Ｂ）に示すように、正側の電圧が出力さ
れる。また、第２の同期検波回路４８からは、図６
（Ｃ）に示すように、負側の電圧が出力される。これら
の信号が、第１の平滑回路５０および第２の平滑回路５
４で平滑され、さらに第１の増幅回路５２および第２の
増幅回路５６で増幅される。したがって、第１の増幅回
路５２からは、図６（Ｄ）に示すように、高い電圧が出
力され、第２の増幅回路５６からは、図６（Ｅ）に示す
ように、低い電圧が出力される。これらの信号を可変抵
抗器５８で合成することにより、既知の回転角速度およ
び外界から加わった回転角速度に対応した信号は相殺さ
れる。そして、可変抵抗器５８からは、直線方向の速度
または加速度に対応した出力信号のみが出力される。

【００２７】また、第２の差動回路６０では、第１の増
幅回路５２の出力信号から可変抵抗器５８の出力信号が
差し引かれる。そのため、第２の差動回路６０の出力
は、角速度センサ１２に与えられた既知の回転角速度お
よび外界から加わった回転角速度に対応する信号とな
る。したがって、第３の差動回路６４で、既知の回転角
速度に対応した信号が差し引かれれば、外界から加わっ
た回転角速度に対応した信号のみが出力される。この信
号から、外界から加わった回転角速度を知ることができ
る。

【００２８】なお、上述の実施例では、外界からの回転
角速度によって第１の差動回路４４の出力信号の振幅が
大きくなり、直線方向の速度または加速度によって第１
の差動回路４４の出力信号が正側に移動した、しかしな
がら、外界からの回転角速度や直線方向の速度または加
速度の加わる方向や大きさによって、第１の差動回路４
４の出力信号は、小さくなったり、負側に移動したりす
る。このような場合でも、上述の実施例と同様にして、
回転角速度および直線方向の速度または加速度を検出す
ることができる。

【００２９】このように、このジャイロコンパス１０を
用いれば、回転角速度および直線方向の速度または加速
度の両方を測定することができる。したがって、直線方
向の速度または加速度を積分すれば、移動距離を知るこ
とができる。さらに、回転角速度から移動方向を知るこ
とができるため、たとえば自動車などが移動しても正確
にその位置を検出することができる。この場合、移動距
離およびその方向を正確に測定することができるため、
タイヤの空気量や道路の凹凸による誤差もなくなる。ま
た、自動車への搭載時の接続を簡略化することができ
る。

【００３０】このジャイロコンパス１０の配置として
は、たとえば振動体１４の軸が水平方向になるように配
置してもよいし、垂直方向になるように配置してもよ
い。また、振動体１４の軸が水平方向あるいは垂直方向
以外の向きに配置されてもよい。つまり、この振動ジャ
イロ１０では、振動体１４の軸を中心とした回転角速度
およびその軸に直交する直線方向の速度または加速度を
測定することができる。したがって、複数のジャイロコ
ンパス１０を用いて、それらの配置方向を変えておけ
ば、あらゆる方向の回転角速度および直線方向の速度ま
たは加速度を測定することができる。

【００３１】なお、上述の実施例では、角速度センサ１
２を自励振駆動して屈曲振動させたが、他励振駆動によ
って屈曲振動させることも可能である。さらに、角速度
センサとしては、振動型のものに限らず、たとえば光フ
ァイバー，ガスレート，コマジャイロなどの他の角速度
センサを使用することも可能である。これらの角速度セ
ンサに既知の回転角速度を与えることによって、外界か
らの回転角速度および直線方向の速度または加速度の両
方を検出することができる。また、既知の回転角速度を
与える手段として圧電素子を用いたが、他の電磁石やア
クチュエータを使用してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】図１に示すジャイロコンパスの角速度センサ周
辺を示す側面図である。

【図３】角速度センサに既知の回転角速度のみを与えた
場合の各回路の出力信号を示すグラフである。

【図４】角速度センサに既知の回転角速度および直線方
向の速度または加速度を与えた場合の各回路の出力信号
を示すグラフである。

【図５】角速度センサに既知の回転角速度および外界か
らの回転角速度を与えた場合の各回路の出力信号を示す
グラフである。

【図６】角速度センサに既知の回転角速度，直線方向の
速度または加速度および外界からの回転角速度を与えた
場合の各回路の出力信号を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ジャイロコンパス１２角速度センサ３０角速度付与手段としての圧電素子４４第１の差動回路４６第１の同期検波回路４８第２の同期検波回路５０第１の平滑回路５２第１の増幅回路５４第２の平滑回路５６第２の増幅回路５８合成手段としての可変抵抗器６０第２の差動回路６４第３の差動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】角速度センサ、前記角速度センサに既知の回転角速度を与えるための角
速度付与手段、前記角速度センサの出力信号を異なる位相に同期して検
波するための複数の同期検波回路、前記複数の同期検波回路の出力を平滑するための複数の
平滑回路、および前記複数の平滑回路の出力を合成する
ための合成手段を含む、ジャイロコンパス。