JPH11142159A - 振動ジャイロ用回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度特性や初期特性のばらつきが少なく、か
つ検出回路からの出力ノイズの少ない振動ジャイロ用回
路を得る。 【解決手段】 振動ジャイロ用回路１０は、たとえば正
３角柱状の振動体５２の側面に圧電素子５４ａ〜５４ｃ
を形成した振動ジャイロ５０を用いるための回路であ
る。検出用の圧電素子５４ａ，５４ｂの出力を、抵抗１
２ａ，１２ｂを介して反転増幅回路１４ａ，１４ｂに入
力する。反転増幅回路１４ａ，１４ｂの出力信号を加算
回路２０で合成し、位相回路２２で位相補正をして圧電
素子５４ｃに与える。反転増幅回路１４ａ，１４ｂの出
力信号を、差動回路２４，同期検波回路２６，平滑回路
２８，直流増幅回路３０からなる検出回路に入力する。
演算増幅器１６ａ，１６ｂに接続された帰還抵抗１８
ａ，１８ｂを調整し、反転増幅回路１４ａ，１４ｂの出
力レベルを調整する。

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用回
路に関し、特にたとえば、カーナビゲーションシステ
ム，車両の姿勢制御，カメラの手振れ補正などを行うた
めに回転角速度を検出するための振動ジャイロのための
振動ジャイロ用回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の振動ジャイロ用回路の一
例を示すブロック図である。ここで用いられる振動ジャ
イロ１は、正３角柱状の振動体２を含む。振動体２の３
つの側面には、それぞれ圧電素子３ａ，３ｂ，３ｃが形
成される。圧電素子３ａ，３ｂは、それぞれ可変抵抗器
からなる負荷抵抗４ａ，４ｂを介して基準電位に接続さ
れる。さらに、圧電素子３ａ，３ｂは、バッファ回路５
ａ，５ｂを介して発振回路６に接続される。発振回路６
では、バッファ回路５ａ，５ｂの出力信号が合成され、
振幅および位相が調整されて、駆動信号として圧電素子
３ｃに与えられる。それにより、振動体２は、圧電素子
３ｃ形成面に直交する向きに屈曲振動する。

【０００３】さらに、バッファ回路５ａ，５ｂは、検出
回路７に接続される。検出回路７は、たとえば差動回
路，同期検波回路，平滑回路，直流増幅回路などを含
む。検出回路７の差動回路からは、バッファ回路５ａ，
５ｂの出力信号の差が出力され、その出力信号が同期検
波回路において発振回路６の信号に同期して検波され
る。さらに、検波された信号は平滑回路で平滑され、直
流増幅回路で増幅される。

【０００４】無回転時においては、圧電素子３ａ，３ｂ
の屈曲状態は同じであるため、その出力信号は同じであ
り、検出回路７の差動回路からは信号が出力されない。
振動体２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２の振動方向が変わる。そのため、圧電素
子３ａ，３ｂの屈曲状態に差が生じ、その出力信号にも
差が生じる。このような振動体２の屈曲状態の変化は、
コリオリ力に対応したものであるため、検出回路７の出
力信号を測定すれば、振動ジャイロ１に加わった回転角
速度を検出することができる。

【０００５】この振動ジャイロ用回路では、負荷抵抗４
ａ，４ｂとして用いられる可変抵抗器が調整されること
により、圧電素子３ａ，３ｂの出力信号のレベルおよび
位相が調整される。それにより、無回転時における検出
回路７の出力信号が０となるように、オフセット調整が
行われている。

【０００６】また、図６に示すように、オフセット調整
回路８を使用し、このオフセット調整回路８によって、
無回転時における検出回路７の出力信号が０となるよう
に調整される場合もある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示す振動ジャイロ用回路では、可変抵抗器を調整するこ
とにより、２つの出力系のインピーダンスがアンバラン
スとなり、温度特性や初期特性にばらつきが生じる。ま
た、図６に示す振動ジャイロ用回路では、オフセット調
整用に検出回路とは別の専用回路を使用しなければなら
ず、そこから発生する出力ノイズが検出回路の信号に重
畳し、検出回路からの出力ノイズを増大させてしまう。

【０００８】それゆえに、この発明の主たる目的は、温
度特性や初期特性のばらつきが少なく、かつ検出回路か
らの出力ノイズの少ない振動ジャイロ用回路を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、振動ジャイ
ロの２つの信号の差から回転角速度に対応した信号を得
るための振動ジャイロ用回路であって、２つの信号が出
力レベルを調整できる増幅回路を介して差動回路に入力
される、振動ジャイロ用回路である。この振動ジャイロ
用回路において、増幅回路としては、反転入力端に振動
ジャイロの信号が入力される演算増幅器と、演算増幅器
の出力端と反転入力端との間に接続される帰還抵抗とを
含み、帰還抵抗として可変抵抗器が用いられた反転増幅
回路とすることができる。また、増幅回路としては、非
反転入力端に振動ジャイロの信号が入力される演算増幅
器と、演算増幅器の出力端と反転入力端との間に接続さ
れる帰還抵抗と、反転入力端と基準電位との間に接続さ
れる抵抗とを含み、帰還抵抗と抵抗の一方に可変抵抗器
が用いられた増幅回路としてもよい。

【００１０】無回転時における振動ジャイロの２つの出
力信号にレベル差や位相差がある場合、増幅回路を調整
することにより、その出力信号のレベルが調整される。
それによって、無回転時における検出回路の出力信号が
０に近くなるように調整される。このとき、振動ジャイ
ロの出力側に接続される負荷抵抗を可変抵抗とする必要
がなく、出力系のインピーダンスのアンバランスを防止
することができる。さらに、オフセット調整用の専用回
路を使用する必要がなく、ノイズの発生源が増えること
を防止することができる。この振動ジャイロ用回路にお
いて、オフセット調整を行うためには、演算増幅器に接
続される可変抵抗器を調整することにより、差動増幅回
路や増幅回路の出力信号のレベルが調整される。

【００１１】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。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の振動ジャイロ用
回路の一例を示すブロック図である。この振動ジャイロ
用回路１０を用いるための振動ジャイロ５０は、図２お
よび図３に示すように、たとえば正３角柱状の振動体５
２を含む。振動体５２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。

【００１３】振動体５２の３つの側面の中央部には、そ
れぞれ圧電素子５４ａ，５４ｂ，５４ｃが形成される。
圧電素子５４ａは、圧電セラミックなどで形成される圧
電層５６ａを含む。圧電層５６ａの両面には、電極５８
ａ，６０ａが形成される。そして、一方の電極６０ａ
が、振動体５２の側面に接着される。同様に、圧電素子
５４ｂ，５４ｃは圧電層５６ｂ，５６ｃを含み、その両
面には電極５８ｂ，６０ｂおよび電極５８ｃ，６０ｃが
形成される。そして、これらの圧電素子５４ｂ，５４ｃ
の一方の電極６０ｂ，６０ｃが、振動体５２の側面に接
着される。

【００１４】圧電素子５４ａ，５４ｂには、それぞれ抵
抗１２ａ，１２ｂが接続される。これらの抵抗１２ａ，
１２ｂは、それぞれ反転増幅回路１４ａ，１４ｂに接続
される。反転増幅回路１４ａは演算増幅器１６ａを含
み、演算増幅器１６ａの反転入力端と出力端との間に、
帰還抵抗１８ａが接続される。帰還抵抗１８ａとして
は、可変抵抗器が用いられる。そして、演算増幅器１６
ａの非反転入力端は、基準電位に接続される。同様に、
反転増幅回路１４ｂは演算増幅器１６ｂを含み、演算増
幅器１６ｂの反転入力端と出力端との間に、帰還抵抗１
８ｂが接続される。帰還抵抗１８ｂとしては、可変抵抗
器が用いられる。そして、演算増幅器１６ｂの非反転入
力端は、基準電位に接続される。なお、抵抗１２ａ，１
２ｂは、反転増幅回路１４ａ，１４ｂのための入力抵抗
として働くとともに、負荷抵抗としても働く。抵抗１２
ａ，１２ｂが負荷抵抗として働く理由は、演算増幅器１
６ａ，１６ｂのイマジナリーショートにより、反転入力
端と非反転入力端の電位が同じとなり、圧電素子５４
ａ，５４ｂが抵抗１２ａ，１２ｂを介して基準電位に接
続されたのと同じ状態となるからである。

【００１５】反転増幅回路１４ａ，１４ｂは、駆動回路
を構成する加算回路２０に接続される。加算回路２０で
は、反転増幅回路１４ａ，１４ｂの出力信号が合成さ
れ、位相回路２２で位相補正されて、振動ジャイロ５０
を駆動するための駆動信号が形成される。得られた駆動
信号は、抵抗１２ｃを介して、圧電素子５４ｃに入力さ
れる。

【００１６】また、反転増幅回路１４ａ，１４ｂは、検
出回路を構成する差動回路２４に接続される。差動回路
２４の出力信号は、同期検波回路２６で、加算回路２０
の信号に同期して検波される。同期検波回路２６の出力
信号は平滑回路２８で平滑され、さらに直流増幅回路３
０で増幅される。

【００１７】この振動ジャイロ用回路１０では、振動ジ
ャイロ５０の圧電素子５４ａ，５４ｂの出力信号が反転
増幅回路１４ａ，１４ｂで増幅され、加算回路２０およ
び位相回路２２でレベルおよび位相が調整されて、駆動
信号として圧電素子５４ｃに入力される。この駆動信号
によって、圧電素子５４ｃは伸縮し、それによって振動
体５２は、圧電素子５４ｃ形成面に直交する向きに屈曲
振動する。

【００１８】無回転時においては、振動体５２は圧電素
子５４ｃ形成面に直交する向きに屈曲振動するため、圧
電素子５４ａ，５４ｂの屈曲状態は同じになる。そのた
め、圧電素子５４ａ，５４ｂの出力信号は同じとなり、
差動回路２４からは信号が出力されない。そのため、直
流増幅回路３０の出力も０となり、回転角速度が加わっ
ていないことがわかる。

【００１９】振動体５２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５２の振動方向が変わる。そ
のため、圧電素子５４ａ，５４ｂの屈曲状態に差が生
じ、差動回路２４から圧電素子５４ａ，５４ｂの出力信
号の差に対応した信号が出力される。差動回路２４の出
力信号は、同期検波回路２６で加算回路２０の信号に同
期して検波される。それにより、同期検波回路２６から
は、差動回路２４の出力信号の正部分のみまたは負部分
のみ、あるいは正負のいずれかを反転した信号が出力さ
れる。そして、同期検波回路２６の出力信号が平滑回路
２８で平滑され、さらに直流増幅回路３０で増幅される
ことにより、振動ジャイロ５０に加わったコリオリ力に
対応するレベルの直流信号が得られる。コリオリ力は、
振動ジャイロ５０に加わった回転角速度に対応している
ため、直流増幅回路３０の出力信号を測定することによ
り、回転角速度を検出することができる。

【００２０】振動ジャイロ５０に加わる回転角速度の方
向が変わると、振動体５２の振動方向の変化は逆とな
り、圧電素子５４ａ，５４ｂの出力信号の変化も逆とな
る。そのため、差動回路２４から出力される信号の極性
も逆となり、同期検波回路２６で検波される信号も逆極
性となる。それにより、直流増幅回路３０の出力信号の
極性も逆になる。したがって、直流増幅回路３０の出力
信号の極性から、振動ジャイロ５０に加わった回転角速
度の向きを知ることができる。

【００２１】このような振動ジャイロ５０では、振動体
５２の形状のアンバランス、圧電素子５４ａ〜５４ｃの
形状や接着位置などの違いにより、無回転時において、
圧電素子５４ａ，５４ｂの出力信号が完全に同じとなら
ない場合がある。このような場合、無回転時においても
直流増幅回路３０から信号が出力されるため、この信号
を０にするオフセット調整が必要となる。この振動ジャ
イロ用回路１０では、オフセット調整をするために、反
転増幅回路１４ａ，１４ｂの帰還抵抗１８ａ，１８ｂが
調整される。帰還抵抗１８ａ，１８ｂを調整することに
よって、反転増幅回路１４ａ，１４ｂの増幅度が変わ
り、出力される信号のレベルを調整することができる。

【００２２】たとえば、圧電素子５４ａ，５４ｂの出力
信号の位相が同じでレベルが異なるとき、帰還抵抗１８
ａ，１８ｂを調整することにより、反転増幅回路１４
ａ，１４ｂの出力信号のレベルを合わせることができ、
差動回路２４の出力信号を０にすることができる。ま
た、圧電素子５４ａ，５４ｂの出力信号の位相が異なる
場合、反転増幅回路１４ａ，１４ｂのレベルを調整して
も差動回路２４の出力信号を０にすることはできない
が、無回転時における同期検波回路２６の出力信号の正
部分と負部分とが同じとなるようにすることができる。
この場合、同期検波回路２６の出力信号を平滑すること
により、信号の正部分と負部分とが相殺されて、直流増
幅回路３０の出力信号を０にすることができる。

【００２３】このように、この振動ジャイロ用回路１０
では、反転増幅回路１４ａ，１４ｂの帰還抵抗１８ａ，
１８ｂを調整することにより、無回転時における直流増
幅回路３０の出力信号を０にすることができる。無回転
時の出力信号を０に調整しておくことにより、振動ジャ
イロ５０に回転角速度が加わったとき、直流増幅回路３
０から回転角速度に対応したレベルの信号を出力させる
ことができる。

【００２４】また、図４に示すように、圧電素子５４
ａ，５４ｂを増幅回路３２ａ，３２ｂに接続してもよ
い。この場合、圧電素子５４ａ，５４ｂは負荷抵抗１２
ａ，１２ｂを介して基準電位に接続され、圧電素子５４
ａ，５４ｂと負荷抵抗１２ａ，１２ｂとの中間部分が、
増幅回路３２ａ，３２ｂに接続される。増幅回路３２ａ
は、演算増幅器３４ａと、この演算増幅器３４ａの反転
入力端と出力端との間に接続される帰還抵抗３６ａと、
演算増幅器３４ａの反転入力端と基準電位との間に接続
される抵抗３８ａとで構成される。そして、圧電素子５
４ａの出力信号は、演算増幅器３４ａの非反転入力端に
入力される。同様に、増幅回路３２ｂは、演算増幅器３
４ｂと、演算増幅器３４ｂの反転入力端と出力端との間
に接続される帰還抵抗３６ｂと、演算増幅器３４ｂの反
転入力端と基準電位との間に接続される抵抗３８ｂとで
構成される。そして、圧電素子５４ｂの出力信号は、演
算増幅器３４ｂの非反転入力端に接続される。

【００２５】この振動ジャイロ用回路１０では、増幅回
路３２ａ，３２ｂの増幅度を調整するために、演算増幅
器３６ａ，３６ｂに接続された抵抗が調整される。この
場合、帰還抵抗３６ａ，３６ｂを可変抵抗器とし、反転
入力端と基準電位との間の抵抗３８ａ，３８ｂを固定抵
抗器としてもよいし、帰還抵抗３６ａ，３６ｂを固定抵
抗器として、反転入力端と基準電位との間の抵抗３８
ａ，３８ｂを可変抵抗器としてもよい。どちらの場合で
あっても、増幅回路３４ａ，３４ｂの増幅度を調整する
ことができ、オフセット調整を行うことができる。

【００２６】これらの振動ジャイロ用回路１０を用いれ
ば、負荷抵抗１２ａ，１２ｂとして同じ固定抵抗器を用
いることができ、２つの出力系のインピーダンスのアン
バランスを防ぐことができる。そのため、回転角速度の
検出において、温度特性や初期特性のばらつきを抑える
ことができる。また、検出回路の中の増幅回路を調整す
ることによりオフセット調整ができ、別回路としてのオ
フセット調整用回路を必要としないため、ノイズの発生
を抑えることができ、正確に回転角速度を検出すること
ができる。

【００２７】なお、振動ジャイロ５０の振動体５２とし
ては、３角柱状に限らず、４角柱状やその他の角柱状に
してもよい。たとえば、４角柱状の振動体を用いた場
合、振動体の隣接する２つの側面に形成された圧電素子
が検出用として用いられ、他の隣接する２つの側面に形
成された圧電素子に駆動信号が入力される。それによっ
て、振動体は、対向する稜線を結ぶ向きに屈曲振動す
る。

【００２８】また、振動体５２として、圧電体材料で形
成された円柱状の振動体を用いることもできる。この場
合、円柱状の振動体の周囲に等間隔で３つの電極が形成
される。このような振動ジャイロ５０においても、２つ
の電極を検出用とし、別の１つの電極を駆動用として用
いることにより、振動体を屈曲振動させることができ
る。

【００２９】このように、２つの出力信号の差を検出す
る方式の振動ジャイロにおいて、その出力信号をレベル
調整可能な増幅回路に接続することにより、特性のばら
つきやノイズを抑えることができ、正確に回転角速度を
検出することができる。

【００３０】

【発明の効果】この発明によれば、振動ジャイロから出
力される２つの検出用信号のレベルを調整することによ
り、温度特性や初期特性のばらつきを抑えることがで
き、しかも出力ノイズの少ない信号を得ることができ
る。したがって、正確に回転角速度を検出することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の振動ジャイロ用回路の一例を示すブ
ロック図である。

【図２】図１に示す振動ジャイロ用回路に用いられる振
動ジャイロの一例を示す斜視図である。

【図３】図２に示す振動ジャイロの断面図である。

【図４】この発明の振動ジャイロ用回路の他の例を示す
ブロック図である。

【図５】従来の振動ジャイロ用回路の一例を示すブロッ
ク図である。

【図６】従来の振動ジャイロ用回路の他の例を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

１０ 振動ジャイロ用回路 １２ａ，１２ｂ 負荷抵抗 １４ａ，１４ｂ 反転増幅回路 １６ａ，１６ｂ 演算増幅器 １８ａ，１８ｂ 帰還抵抗 ２０ 加算回路 ２２ 位相回路 ２４ 差動回路 ２６ 同期検波回路 ２８ 平滑回路 ３０ 直流増幅回路 ３２ａ，３２ｂ 増幅回路 ３４ａ，３４ｂ 演算増幅器 ３６ａ，３６ｂ 帰還抵抗 ３８ａ，３８ｂ 抵抗 ５０ 振動ジャイロ ５２ 振動体 ５４ａ，５４ｂ，５４ｃ 圧電素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動ジャイロの２つの信号の差から回転
   角速度に対応した信号を得るための振動ジャイロ用回路
   であって、 前記２つの信号が出力レベルを調整できる増幅回路を介
   して差動回路に入力される、振動ジャイロ用回路。
2. 【請求項２】 前記増幅回路は、反転入力端に前記振動
   ジャイロの信号が入力される演算増幅器と、前記演算増
   幅器の出力端と反転入力端との間に接続される帰還抵抗
   とを含み、前記帰還抵抗として可変抵抗器が用いられた
   反転増幅回路である、請求項１に記載の振動ジャイロ用
   回路。
3. 【請求項３】 前記増幅回路は、非反転入力端に前記振
   動ジャイロの信号が入力される演算増幅器と、前記演算
   増幅器の出力端と反転入力端との間に接続される帰還抵
   抗と、前記反転入力端と基準電位との間に接続される抵
   抗とを含み、前記帰還抵抗と前記抵抗の一方に可変抵抗
   器が用いられた増幅回路である、請求項１に記載の振動
   ジャイロ用回路。