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JP3627643B2 - Vibrating gyro - Google Patents

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JP3627643B2
JP3627643B2 JP2000316143A JP2000316143A JP3627643B2 JP 3627643 B2 JP3627643 B2 JP 3627643B2 JP 2000316143 A JP2000316143 A JP 2000316143A JP 2000316143 A JP2000316143 A JP 2000316143A JP 3627643 B2 JP3627643 B2 JP 3627643B2
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Description

【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21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、DC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62−150116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,R2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100kHz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50Hz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TR1,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83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83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】
F1+F2=A
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83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、4 AGC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、8 V−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。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vibration gyro and, for example, to a vibration gyro that detects an angular velocity from an output of a bimorph vibrator used for camera shake correction, a navigation system, or the like.
[0002]
[Prior art]
FIG. 12 is an external perspective view showing an example of a bimorph vibrator used in a vibrating gyroscope. In FIG. 12, a bimorph vibrator 1 is formed by attaching two piezoelectric elements with their polarization directions opposite to each other so that the cross section becomes a quadrangle. When this vibrator 1 is driven to vibrate in the vertical vibration mode in the vertical direction (X-axis direction) and rotated at an angular velocity (Ω) in the longitudinal direction (Z-axis direction), the driving direction is determined by the Coriolis force. Vibration occurs in the transverse vibration mode synchronized with the vertical direction (Y-axis direction).
[0003]
Since the amplitude of the lateral vibration is proportional to the angular velocity, the value of the angular velocity is detected using this. Although not shown, the vibrator 1 is provided with left and right electrodes on one main surface and full-surface electrodes on the other main surface, and L (left) and R (right) signals are output from the left and right electrodes. . In such a vibrator 1, it is necessary to individually adjust the balance, null voltage (also referred to as offset voltage, neutral point voltage), and sensitivity.
[0004]
FIG. 13 is a block diagram of an angular velocity detection circuit for obtaining the output of the vibrator 1 shown in FIG. In FIG. 13, the difference between the two outputs of the vibrator 1 is amplified by the differential amplifier circuit 21, the amplitude waveform is detected by the synchronous detection circuit 22, smoothed by the smoothing circuit 23 to become a direct current voltage, and the direct current by the DC amplifier 24. Amplified. This signal contains a null voltage. When the signal is amplified by the DC amplifier 24, the null voltage is also amplified. For example, the DC component is cut by the DC cut circuit 25 constituted by a filter, for example, and the low-frequency AC signal corresponding to the change in the remaining angular velocity is amplified. The signal is further amplified by the circuit 26 and output as an analog signal. Here, the analog signal is converted into a digital signal by the A / D converter 27 and is given to the microprocessor 28 as an angular velocity detection signal to suppress camera shake and control for navigation.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the angular velocity detection circuit shown in FIG. 13, the L component and R component signals are output from the vibrator 1, and the differential signal is output by the differential amplifier circuit 21. Ideally, the null voltage should be 0V. However, if the left and right balance is shifted, the voltage of the shifted component is output as a null voltage. When the gain of the DC amplifier 24 is increased in order to amplify the signal component, the DC amplifier is saturated by the included null voltage, so that the upper limit of the absolute amplification degree of the DC amplifier is determined.
[0006]
Further, in order to cut the DC component by the DC cut circuit 25, for example, if a high-pass filter that passes only a signal of 0.1 Hz or higher is to be configured, a combination of a 20 μF large-capacity capacitor and a 1 MΩ resistor The high-pass filter is required, and the apparatus becomes large.
[0007]
Furthermore, in the circuit shown in FIG. 13, the output of the differential amplifier circuit 21 may be output with the left and right signal components out of phase or with the left and right signal components shifted in amplitude. Since the left and right signal components are sin waves, if the amplitude is shifted, only the amplitude of the differential output needs to be changed. However, if the left and right signal components are shifted in phase, the phase shifts relative to the reference signal. There is also a problem that the output signal is output.
[0008]
As another conventional example, Japanese Patent Publication No. 6-13970 discloses a vibrator in which the phase difference angle formed by the vector of the output voltage due to the angular velocity at the time of rotation of the vibrator and the vector of the null voltage at rest is 90 degrees. It is described that an angular velocity is detected from a phase difference of a combined vector of an output voltage and a null voltage by giving a drive signal to the detection side.
[0009]
However, in this example, the amplitude of the transducer output has linearity, but the phase difference-sensitivity relationship is basically not linear, and the nonlinearity tends to fluctuate due to the influence of the null phase. There is. For this reason, it is desirable to digitize the amplitude value of the Coriolis force.
[0010]
As such an example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-150116 describes that the sample and hold is performed at the time when the angular velocity signal due to the drive of oscillation becomes maximum and minimum.
[0011]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-260493 describes that a difference in passing current of piezoelectric elements is detected and sample-and-hold is performed at a timing when the displacement speed of the vibrator to be detected becomes zero. However, it does not describe how to digitally process the sampled and held signal.
[0012]
Therefore, a main object of the present invention is to provide an angular velocity detection circuit in a vibration gyro that samples and holds the Coriolis force regardless of the position of the Coriolis force phase, amplifies it, and digitizes it.
[0013]
Another object of the present invention is to provide an angular velocity detection circuit in a vibration gyro capable of detecting and correcting a null voltage.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a vibration gyro that detects vibration caused by Coriolis force generated in the Y-axis direction when the vibrator is excited in the X-axis direction and rotated around the Z-axis, and is output from the vibrator. Driving means for generating a reference signal based on the first and second signals and exciting the vibrator, and a differential signal including Coriolis force based on the first and second signals output from the vibrator A signal extracting means for extracting the signal, a timing signal generating means for generating a timing signal for sampling and holding the Coriolis force based on the reference signal output from the driving means, and the extracted differential signal based on the timing signal. A voltage-time axis conversion unit that samples and holds and outputs a small voltage change of the differential signal on the time axis and outputs it as an angular velocity detection signal is configured. The sample point is preferably in the vicinity of the peak value in terms of efficiency, but needless to say, the sample point is established without being specified in any phase.
[0015]
In the invention according to claim 2, the vibrator according to claim 1 includes a first electrode and a second electrode, each of which has a slight difference in amplitude and phase and outputs the first and second signals, and a full-surface electrode. And the driving means adds the first and second signals and outputs as a reference signal, a level control means for making the level of the reference signal output from the addition means constant, and level control Phase adjusting means for adjusting the phase of the reference signal output from the means and outputting the reference signal to the entire surface electrode.
[0016]
In the invention according to claim 3, the voltage-time axis conversion means according to claim 1 or 2 is configured to sample and hold the differential signal including the Coriolis force based on the timing signal, and the output signal of the sample hold means. Integrating means for integrating, and comparing means for comparing the integrated signals at a predetermined level and expanding and outputting to the time axis.
[0017]
In the invention according to claim 4, the voltage-time axis conversion means according to claim 1 or 2 samples the differential signal including the Coriolis force based on the timing signal and linearly decreases the peak value by the droop characteristic. And means for comparing the linearly decreasing signal at a predetermined level and outputting the expanded time axis.
[0018]
In the invention according to claim 5, the means for generating a timing signal for making the sampling point by the sample hold means different between a specific phase of the Coriolis force and another phase at another wavelength is compared with the sample hold value by the sample hold means. Then, the null differential voltage is inferred, and a predetermined level of the comparison means is controlled based on the inferred null differential voltage.
[0019]
In the invention according to claim 6, the timing signal generating means according to any one of claims 1 to 5 detects a leading edge and a trailing edge of the reference signal, counts the clock signal, and outputs a timing signal when a predetermined count value is reached. Is output.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram of a vibration gyro according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the vibrator 1 is provided with a left electrode 1L, a right electrode 1R, and a full-surface electrode 1C, and a voltage + V is applied to the left electrode 1L and the right electrode 1R via resistors R1 and R2. . + V is usually a medium positive potential or a reference potential. From the left electrode 1L and the right electrode 1R, the L signal, which is the first signal, and the R signal, which is the second signal, are output including the Coriolis force, respectively. This is given to a certain differential amplifier circuit 3. The adder circuit 2 adds the L signal and the R signal and outputs an L + R signal. In this way, by adding the L signal and the R signal by the adder circuit 2, the Coriolis force is eliminated and a stable feedback signal is obtained.
[0021]
The above feedback signal is given as a reference signal to the AGC circuit 4 which is a level control means, and becomes a driving voltage having a constant level. This driving voltage is applied to the entire electrode of the vibrator 1 via the phase shift circuit 5 which is a phase adjusting means. 1C. The phase shift circuit 5 adjusts the phase of the output of the adder circuit 2 and adjusts so that the phase difference between the output of the adder circuit 2 and the driving voltage applied to the entire surface electrode 1C oscillates stably at a desired frequency. In this embodiment, the phase difference is almost zero. The vibrator 1, the adder circuit 2, the AGC circuit 4, and the phase shift circuit 5 constitute an oscillation circuit. The adder circuit 2, the AGC circuit 4, and the phase shift circuit 5 constitute drive means for exciting the vibrator 1.
[0022]
The reference signal output from the adder circuit 2 is supplied to a rectangular wave forming circuit 6 composed of a comparator, for example, and a rectangular wave is formed and supplied to the microprocessor 7 as a timing extraction signal. Note that the rectangular wave forming circuit 6 may be supplied with the driving voltage of the output of the phase shift circuit 5 as a reference signal, as shown by the dotted line in FIG.
[0023]
The microprocessor 7 discriminates the leading edge and the trailing edge of the timing extraction signal, counts the time from the leading edge to the trailing edge of the timing extraction signal with a reference pulse, and identifies the frequency based on the counted value. Therefore, the microprocessor 7 can easily determine the relationship between the frequency and phase of the reference signal output from the adder circuit 2. Further, the microprocessor 7 outputs a timing signal for sample hold based on the timing extraction signal to the VT conversion circuit 8 as voltage-time axis conversion means. That is, the rectangular wave forming circuit 6 and the microprocessor 7 constitute a timing signal generating means.
[0024]
The differential amplifier circuit 3 to which the L signal and the R signal output from the vibrator 1 are given outputs the differential signal as the output to the VT conversion circuit 8. The VT conversion circuit 8 diffuses a minute voltage change ΔE into a large time region ΔT. This is because the output of the differential amplifier circuit 3 has a low level and needs to be amplified. In the conventional DC amplifier circuit, as explained in the conventional example, it is saturated by the null voltage, so the upper limit of the amplification factor is determined. It solves the problem that it has been.
[0025]
On the other hand, in the embodiment of the present invention, the output voltage of the differential amplifier circuit 3 of a small level is diffused in the large time region ΔT, and it is compared with a predetermined level by a comparator to output a digital signal. For this reason, the VT conversion circuit 8 is provided with a sample hold circuit 81 as sample hold means, an integration circuit 82 as integration means, and a comparator 83 as comparison means. The sample hold circuit 81 samples and holds the output of the differential amplifier circuit 3 based on the timing signal from the microprocessor 7 and supplies it to the integration circuit 82. The integration circuit 82 integrates the sampled and held signal and outputs it to the comparator 83. The comparator 83 compares the integrated output with a predetermined level and outputs it to the microprocessor 7 as a digital signal having a duty ratio corresponding to Coriolis.
[0026]
2 and 3 are waveform diagrams of respective parts of the angular velocity detection circuit shown in FIG.
Next, a signal output from the vibrator 1 will be described with reference to FIG. The L signal (a) and R signal (b) output from the vibrator 1 have a slight difference in amplitude and phase. When the difference between the L signal (a) and the R signal (b) is taken, LR (c) is obtained, and when the sum is taken, L + R (d) is obtained.
[0027]
In LR (c), the zero-cross point moves as the phase shift between the L signal and the R signal increases. This LR signal is also called a null differential voltage. The LR signal is output with the Coriolis force superimposed, and is output as differential + Coriolis. Coriolis force has the property that it cannot be separated from the differential voltage even if it is desired to be separated. This is because the Coriolis force is not output as an actual signal as shown in FIG. In the following description, it is assumed that the LR signal means differential + Coriolis force. The Coriolis force (e) is in phase with L + R (d), and the Coriolis force is also maximized and minimized in the vicinity of the L + R maximum and minimum points. When the vibrator 1 is rotated left and right, the amplitude of the Coriolis force (e) changes, and the phases of the L signal (a) and the R signal (b) change with respect to L + R (d).
[0028]
As described above, the L signal (a) and the R signal (b) shown in FIG. 2 output from the left electrode 1L and the right electrode 1R of the vibrator 1 are added by the adder circuit 2, and the L + R signal ( d) is given as a reference signal to the AGC circuit 4 to make the level constant. Further, after the phase of the reference signal is adjusted by the phase shift circuit 5, the oscillation circuit continues to oscillate by supplying the reference signal to the entire surface electrode 1C of the vibrator 1. The L + R signal output from the adder circuit 2 is formed into a rectangular wave by the rectangular wave forming circuit 6 and applied to the microprocessor 7 as a timing extraction signal.
[0029]
Here, as shown in FIG. 2, the Coriolis force (e) becomes maximum and minimum in the vicinity of the maximum and minimum points of the L + R signal (d) as the reference signal. This phase depends on the phase of the oscillation circuit and the phase shift caused by the detection resistor. The reference signal can be arbitrarily adjusted by the phase shift circuit 5. Note that the L signal (a) and the R signal (b) shown in FIG. 2 may be used independently as long as the reference signal has a stable phase and frequency. However, since the Coriolis force is superimposed on the L signal and the R signal, when a rectangular wave is used, it is not preferable because a phase shift from the differential occurs or the duty fluctuates.
[0030]
On the other hand, the differential amplifier circuit 3 outputs an LR signal that is the difference between the L signal and the R signal. The LR signal is given to the VT conversion circuit 8 and sampled and held by the sample and hold circuit 81. Here, as shown in FIG. 2 (f), the microprocessor 7 detects the rising edge which is the leading edge and the trailing edge which is the trailing edge of the reference signal formed in the rectangular wave, and is generated in the microprocessor 7. A count value of one cycle of the reference signal is calculated using a reference clock signal as shown in FIG. FIG. 2 (h) shows the timing for outputting a timing signal for sample-holding at a timing of, for example, a quarter of the reference signal.
[0031]
3A shows the reference signal, FIG. 3B shows the timing signal of the sample and hold, and the sample and hold circuit 81 shows the LR signal as shown in FIG. 3C based on this timing signal. Hold the sample. It is most efficient to sample and hold at the peak point of the Coriolis force, but it is not always necessary to sample and hold at the peak point, and sample holding may be performed near the peak point. This sample-and-hold voltage depends on the angular velocity and is integrated by the integration circuit 82, and the signal waveform linearly slopes downward with time as shown in FIG. The LR signal is sampled and held again based on the next timing signal.
[0032]
The integrated signal output from the integrating circuit 82 is supplied to the comparator 83, compared with a predetermined level, converted into a digital signal having a duty ratio corresponding to the Coriolis force shown in FIG. 3 (e), and the microprocessor as an angular velocity detection signal. 7 is output. The microprocessor 7 counts this digital signal with the reference clock and calculates the angular velocity.
[0033]
As shown in FIG. 4, the V-T conversion circuit 8 increases the time constant for the same angular velocity voltage change ΔE by increasing the time constant by reducing the leakage current of the integration circuit 83 to increase the hold time. The region ΔT1 becomes larger as ΔT2, and the resolution or sensitivity increases. Therefore, the time domain can be arbitrarily expanded by arbitrarily setting the time from a certain sample-hold timing to the next sample-hold timing.
[0034]
In this case, the hold time can exceed one period of the reference signal. This means that the conventional synchronous detection-integration-DC amplification is a voltage level amplification, but in this embodiment, it is an expansion at the time axis level. In the conventional example, the DC amplifier has an upper limit of the absolute amplification degree due to the power supply voltage, whereas the present invention basically means that an infinite amplification degree can be obtained.
[0035]
By expanding the time domain in this way, the LR signal in the meantime can be discarded. The driving frequency of the bimorph vibrator is several kHz to 100 kHz. In camera shake correction and car navigation systems, the upper limit of the angular velocity signal only needs to be a signal of 50 Hz or less. Since it may be discarded, this embodiment means that expansion of 1000 times or more is possible.
[0036]
FIG. 5 is a block diagram of another embodiment of the present invention. In the example shown in FIG. 1, the reference signal is converted into a rectangular wave and the sample / hold timing signal is generated by the software processing of the microprocessor 7, but the example shown in FIG. The reference signal is supplied to the timing signal generation circuit 9, and a timing signal for sample and hold is generated by a hardware configuration and supplied to the sample and hold circuit 81. That is, the timing signal generation circuit 9 implements the software processing of the microprocessor 7 shown in FIG. 1 in a hardware configuration, and includes a detection circuit that detects the leading edge and the trailing edge of the reference signal, and the leading edge to the trailing edge. And a logic circuit that outputs a timing signal based on the count value of the counter. As a result, the timing signal generation circuit 9 alone constitutes timing signal generation means.
[0037]
The digital output output from the comparator 83 may be input to the microprocessor 7 similar to that shown in FIG. 1 and subjected to software processing, or the digital signal is counted with a reference clock by a hardware circuit and an angular velocity signal is output. It may be.
[0038]
FIG. 6 is a circuit diagram showing a sample hold circuit used in still another embodiment of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 1 and FIG. 5, the VT conversion circuit 8 samples and holds the sample voltage by the sample and hold circuit 81, and integrates the sample voltage by the integration circuit 82. By using the droop characteristic of the circuit, an integrating circuit is not required.
[0039]
For this reason, the sample and hold circuit 81 shown in FIG. 6 is conventionally known and includes an input buffer BA1, an output buffer BA2, transistors TR1 and TR2, FETs, a resistor R1, and a capacitor C. When a timing signal is applied from the microprocessor 7 to the emitter of the transistor TR1, the transistors TR1 and TR2 and the FET are sequentially turned on, and the signal input via the input buffer BA1 is stored in the capacitor C. When the FET is cut off, the charging voltage of the capacitor C leaks through the resistor R1 connected between the source and gate of the FET.
[0040]
7 and 8 are diagrams showing sample hold signals and droop characteristics by the sample hold circuit shown in FIG. Without the resistor R1 shown in FIG. 6, it is a very general sample-and-hold circuit, and converts the signal level at a slope determined by the leakage current i of the following equation.
[0041]
ΔV / ΔT = i (leak) / C
However, if the resistance R1 shown in FIG. 6 is provided to adjust the sensitivity amplification degree, the linear slope characteristic similar to that obtained by the integration circuit is provided by the droop characteristic as shown in FIG. 7C. Can do. The slope of the slope becomes gentler as the resistance R1 is increased. In that case, it is necessary to widen the interval between the timing pulses of the sample and hold.
[0042]
By comparing the sample and hold output shown in FIG. 7C with a predetermined level by the comparator 83 shown in FIG. 1, a digital signal that is the output of the comparator 83 can be outputted as shown in FIG.
[0043]
FIG. 8 is a waveform diagram when the vibrator 1 is shaken and the Coriolis force is moving. As the Coriolis force peak moves, the sample hold output also follows it as shown in FIG. The duty ratio of the digital output of the comparator 83 shown in FIG. This duty ratio becomes an angular velocity signal.
[0044]
9 and 10 are block diagrams showing a vibrating gyroscope according to still another embodiment of the present invention. The embodiment shown in FIG. 9 and FIG. 10 differs in that the first and second wavelengths of Coriolis force are sampled and held, and the respective sample and hold values are compared to estimate the null differential voltage. The analog differential voltage level analogized is D / A converted in the microprocessor 7, and the null voltage is removed by the offset adjustment circuit 10 as shown in FIG. 9, or the comparator 83 is turned on as shown in FIG. It controls the level.
[0045]
FIG. 11 is a waveform diagram showing sample hold points. As shown in FIG. 11, the rising position of the sample and hold signal is detected not at the same 90 degree phase (F1 ′) but at a point (F2) that is further shifted by 90 degrees after the 90 degree phase (F1) of the reference signal. . It is conceivable that the differential shape changes depending on the temperature or the like, but if the value is obtained, the null voltage can always be monitored and controlled from the following equation.
[0046]
F1 and F2 in FIG. 11 can be expressed by the following equations.
F1 = A {(sin ωt + α) + (B sin ωt)}
F2 = A (cos ωt + α)
A is the amplitude of the LR signal. When Coriolis force B is 0, it is expressed by the following equation.
[0047]
F12+ F22= A2
By calculating the above equation, the magnitude of the differential amplitude can be known, and the null voltage can be known from the value of A.
[0048]
The operation of FIG. 10 will be described below with reference to FIG.
In FIG. 11, point F1 is the Coriolis force maximum point, and point F2 is the Coriolis force zero point. The comparator output time T2 corresponding to the sampling at the point F2 is constant regardless of the presence of the Coriolis force.
[0049]
First, since the Coriolis force is zero immediately after the vibration gyro is activated, the initial values A (0) and α, which are the initial values of A and α of the differential inputs from T1 (0) and T2 (0) which are T1 and T2 immediately after activation. (0) is calculated (step 1).
[0050]
Next, based on the magnitude of T2 (0), the microprocessor 7 causes the duty ratio of T2 (0) to be 1: 1 through a D / A converter (included in the microprocessor 7). The level of the comparator 83 is adjusted, and T2 (t1) is measured again (step 2).
[0051]
In this state, T1 (t2) is measured. T1 (t2) varies with the Coriolis force. The D / A converter again adjusts the level of the comparator 83 so that this fluctuation is eliminated. That is, the Coriolis force is adjusted to zero. Then, T2 (t3) fluctuates around the duty ratio 1: 1 according to the fluctuation of the level of the comparator 83, the null voltage is canceled, and an output reflecting only the Coriolis force is obtained. A (t2) and α (t2) are calculated again from T1 (t2) and T2 (t1) at this time (step 3).
[0052]
The above (Step 2) and (Step 3) are intermittently performed, and the size of T2 is monitored at a certain interval. When the null voltage fluctuates due to a temperature change or the like, the comparator offset level is adjusted by an action (step 2) each time. At this time, it is not always necessary to obtain A and α. However, when T2 greatly fluctuates due to an abnormal input such as an external impact, and A and α take peculiar values, the past A and α By determining the magnitude of deviation from the value, the offset level adjustment can be skipped.
[0053]
9 also functions in substantially the same manner as in the case of controlling the comparator 83 only in that the D / A converter controls the offset adjustment circuit 10 instead of the comparator 83.
[0054]
In the conventional example, null voltages are output as an integrated signal for synchronous detection, and thus no means for correcting these null voltages has been provided. For this reason, it is possible that the angular velocity output and the null voltage cannot be distinguished by rotation at a constant angular velocity.
[0055]
On the other hand, in this embodiment, although the condition is that the difference between the Coriolis forces of two signals detected in succession is very small, the null voltage is controlled to always be zero by their midpoint potential. It is possible to cancel the influence of the temperature change of the null voltage.
[0056]
9 and 10 may be applied to the embodiment shown in FIG.
[0057]
Moreover, although the above-mentioned embodiment demonstrated the case where this invention was applied to the bimorph vibrator | oscillator, it is not restricted to this, The vibrator | oscillator which stuck the piezoelectric element to the metal square pillar or the triangular prism, or a cylindrical piezoelectric element The present invention can be applied to any piezoelectric vibration gyro that outputs an L / R signal such as a sound piece type vibrator using a device or a vibrator having a tuning fork structure and can take an excitation voltage or a sum voltage.
[0058]
The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a differential signal including a Coriolis force extracted from a vibrator by generating a reference signal based on the first and second signals output from the vibrator to excite the vibrator. An angular velocity detection signal can be output by sampling and holding the signal with a timing signal, expanding a minute voltage change of the sample and hold value on the time axis, and comparing the output with a predetermined level. Therefore, it is possible to eliminate the need for redundant circuits for digitization such as synchronous detection as in the prior art, and to reduce the cost.
[0060]
More preferably, the circuit configuration of the VT conversion means can be simplified by changing the slew rate of the sample and hold means as the VT conversion means and providing an amplification function.
[0061]
More preferably, the sample hold value is compared at a specific phase point of the first wavelength of the Coriolis force and a phase point different from that to estimate the null differential voltage, and the difference based on the estimated null differential voltage is obtained. By applying an offset to the motion signal or controlling the level of the comparison means, it is possible to perform control so that the null potential is always 0, and cancel the influence of the temperature change of the null voltage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an angle detection circuit according to an embodiment of the present invention.
2 is a waveform diagram of each part of the angular velocity detection circuit shown in FIG. 1. FIG.
3 is a waveform diagram of each part of the angular velocity detection circuit shown in FIG. 1. FIG.
4 is a diagram showing a relationship between a time constant of an integrating circuit of the VT conversion circuit shown in FIG. 1 and resolution or sensitivity.
FIG. 5 is a block diagram showing an angular velocity detection circuit according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a circuit diagram of a sample and hold circuit used in still another embodiment of the present invention.
7 is a waveform diagram for explaining the operation of the sample and hold circuit shown in FIG. 6; FIG.
8 is a waveform diagram for explaining the operation of the sample and hold circuit shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 9 is a block diagram showing an angular velocity detection circuit according to still another embodiment of the present invention, showing an example of removing a null voltage.
FIG. 10 is a block diagram showing an angular velocity detection circuit according to still another embodiment of the present invention, and shows an example of controlling the level of a comparator.
11 is a waveform diagram for explaining the operation of the embodiment shown in FIGS. 9 and 10. FIG.
FIG. 12 is an external perspective view of a bimorph vibrator as a background of the present invention and to which the present invention is applied.
FIG. 13 is a block diagram of a conventional angular velocity detection circuit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oscillator, 2 Adder circuit, 3 Differential amplifier circuit, 4 AGC circuit, 5 Phase shift circuit, 6 Rectangular wave formation circuit, 7 Microprocessor, 8 VT conversion circuit, 9 Timing signal generation circuit, 10 Null voltage adjustment Circuit, 81 Sample hold circuit, 82 Integration circuit, 83 Comparator.

Claims (6)

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。
A vibratory gyroscope for detecting vibration caused by Coriolis force generated in the Y-axis direction when the vibrator is excited in the X-axis direction and rotated around the Z-axis,
Driving means for generating a reference signal based on the first and second signals output from the vibrator and exciting the vibrator;
Signal extraction means for extracting a differential signal including Coriolis force based on the first and second signals output from the vibrator;
Timing signal generating means for generating a timing signal for sample-holding the Coriolis force based on a reference signal output from the driving means, and generating the timing signal from the differential signal extracted by the signal extracting means A vibration gyro provided with voltage-time axis conversion means that samples and holds based on a timing signal generated from the means, expands a minute voltage change of the differential signal on the time axis, and outputs it as an angular velocity detection signal.
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。
The vibrator includes first and second electrodes that output the first and second signals, each having a slight amplitude and phase difference, and a whole surface electrode,
The driving means includes
Adding means for adding the first and second signals and outputting as a reference signal;
Level control means for making the level of the reference signal output from the adding means constant;
The vibration gyro according to claim 1, further comprising: a phase adjusting unit that adjusts a phase of the reference signal output from the level control unit and outputs the reference signal to the entire surface electrode.
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。
The voltage-time axis conversion means includes:
Sample and hold means for sample and holding the differential signal including Coriolis force based on the timing signal;
Integrating means for integrating the output signal of the sample and hold means;
The vibration gyro according to claim 1, further comprising: a comparison unit that compares the signal integrated by the integration unit at a predetermined level and outputs the signal after expanding the time axis.
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。
The voltage-time axis conversion means includes:
Sample and hold means for sampling the differential signal including Coriolis force based on the timing signal, and linearly reducing the peak value by droop characteristics;
The vibration gyro according to claim 1, further comprising: a comparison unit that compares a signal that decreases linearly by the sample and hold unit at a predetermined level and outputs the signal while expanding the signal on a time axis.
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。
Means for generating a timing signal for differentiating a sampling point by the sample hold means with a specific phase of Coriolis force and another phase at another wavelength;
4. A means for comparing a sample and hold value obtained by the sample and hold means to estimate a null differential voltage, and controlling a predetermined level of the comparison means based on the estimated null differential voltage. 4. The vibrating gyroscope according to 4.
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。6. The timing signal generation means detects a leading edge and a trailing edge of the reference signal, counts a clock signal, and outputs the timing signal at a predetermined count value. The vibrating gyroscope according to any one of the above.
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