JPH1151657A - 圧電振動式角速度センサの励振回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、圧電振動式角速度センサの
励振回路において、圧電振動子の励振側脚部を確実に安
定して発振させることにある。 【構成】 圧電振動式角速度センサの励振回路で、励振
側脚部に印加する信号電荷が電圧変換回路と信号調整回
路と増幅回路を経由した励振信号で駆動し、更に増幅回
路からの信号を、自動振幅制御回路から増幅回路に帰還
させた制御信号で増幅回路の増幅率を制御することによ
り課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】圧電振動式角速度センサの励
振回路において、圧電振動子の励振側脚部を確実に安定
して励振させる（励振用）発振回路構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動子を発振させるには通常、位相
と増幅率が一定の条件を満たすことが必要である。その
条件として位相に関しては、圧電振動子を含んだ発振回
路の帰還ループを一巡したときの位相のずれθが０度ま
たは３６０度であることが必要である。一方、増幅率に
関しては、圧電振動子を含んだ発振回路の帰還ループの
ループ利得が１以上になることが必要である。また、圧
電振動子の固有周波数だけが確実に発振すれば良く、そ
れ以外の周波数はむしろ不要波（スプリアス）とした位
置づけで捉えられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧電振動式角
速度センサに使用される圧電振動子では、角速度を検出
するために必要な特徴を有しているため、圧電振動子が
目的の振動モードで確実に安定して発振する事が困難で
あるという課題が存在する。

【０００４】すなわち、圧電振動式角速度センサは少な
くとも２つの脚部の一方の脚部に交流電圧を印加して励
振（発振）させ、圧電振動子の他方の脚部からコリオリ
の力による振動を、検出するように圧電振動子が動作す
る。言い換えれば、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸を持つ空間上にお
いて、圧電振動子をＸ軸に平行に振動させながら、Ｙ軸
を中心に回転させると、Ｘ軸に垂直なＺ軸方向にコリオ
リの力が発生し、Ｚ軸方向にコリオリの力に比例した大
きさの振動成分を持つことになる。そこで、Ｚ軸方向の
振動成分により発生する電荷量を計測したり、振動の変
位量を検出することで、コリオリの力の大きさを検知す
ることが可能となるものである。

【０００５】そのため、発振している一方の脚部の振動
が他方の脚部に伝わり、この脚部で確実に安定して振動
させ、微弱なコリオリの力に比例した大きさの振動成分
を持ち、かつこの振動成分を検出しなければならない。
このため、圧電振動式角速度センサの圧電振動子は共振
特性が極めて弱く、従って共振周波数での位相ずれやイ
ンピーダンス変化も小さく、角速度を検出するための振
動モード以外にも多数の振動モードが強く発生するとい
う現象が存在するため、圧電振動式角速度センサの圧電
振動子では、目的の振動モードで確実に安定して発振す
る事が困難である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、圧電振
動式角速度センサに使用する圧電振動子において、圧電
振動子が角速度センサとして動作する振動モードで確実
に発振させるための発振回路構成について、圧電振動子
を発振させるための一定条件（位相と増幅率）を満足さ
せ、かつ振動モードを選別するためのものである。圧電
振動式角速度センサの励振側脚部を発振させるために
は、励振側脚部の信号電荷を、それぞれ独立した電圧変
換回路と信号調整回路と増幅回路を経由させた信号で励
振側脚部を駆動する事で、圧電振動子を含んだ発振回路
の帰還ループを構成する。さらに増幅回路の増幅率を自
動振幅制御回路によって制御する。このような手段によ
って励振側脚部の発振に必要な位相ずれと増幅率を確保
し、かつ目的とする振動モードと振動周波数を得ること
によって、課題を解決することができた。

【０００７】

【背景】圧電振動式角速度センサは、少なくとも２つの
脚部の一方の脚部に交流電圧を印加して励振（発振）さ
せ、圧電振動子の他方の脚部から、コリオリの力による
振動を検出するように圧電振動子が動作する。言い換え
れば、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸を持つ空間上において、圧電振
動子をＸ軸に平行に振動させながらＹ軸を中心に回転さ
せるとＸ軸に垂直なＺ軸方向にコリオリの力が発生し、
Ｚ軸方向にコリオリの力に比例した大きさの振動成分を
持つことになる。そこで、Ｚ軸方向の振動成分により発
生する電荷量を計測したり、振動の変位量を検出するこ
とで、コリオリの力の大きさを検知することが可能とな
るものである。

【０００８】前述の動作原理を利用し、コリオリの力は
角速度の大きさに比例して定まることから、コリオリの
力によるの撓み変位量として間接的に、圧電素子の圧電
効果、容量変化などで直接的に測定すれば、振動子のＹ
軸方向のまわりに作用した回転角速度の大きさを求める
ことができる。これらの特徴を利用することで、振動す
る振動子を角速度検出用素子として車両や航空機などに
搭載し、その走行あるいは飛行軌跡を記録したり、旋回
時に発生するヨーレイトを検出することが行われてい
る。また、この角速度検出素子をロボットに搭載して、
その姿態制御などにも適応することができる。

【０００９】しかしながら、前述するように角速度セン
サは、励振側の脚部の振動を利用して検出側の脚部を振
動させ、検出側の脚部に働くコリオリの力によって角速
度の大きさを検出するため、励振側の脚部を確実に振動
させないと検出側脚部で角速度の検出感度が落ちてしま
う。本発明では励振側の脚部を確実に振動させるため
に、励振側脚部の信号電荷を、それぞれ独立した電圧変
換回路と信号調整回路と増幅回路を経由した信号で励振
側脚部を駆動する事で、圧電振動子を含んだ発振回路の
帰還ループを構成し、さらに増幅回路の増幅率を自動振
幅制御回路によって制御することを特徴とし、課題を解
決することができた。

【００１０】

【実施例】以下、添付図面に従ってこの発明の実施例を
説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象
を示すものとする。図１に本発明の角速度センサの励振
側脚部を発振させる励振回路７のブロック図を示す。

【００１１】圧電振動子の励振側脚部を発振させる励振
回路７で、励振脚部に発生する信号電荷が電圧変換回路
１と信号調整回路２と増幅回路３を経由した励振信号で
圧電振動子を駆動し、更に増幅回路３からの信号から自
動振幅制御回路４によって作られた制御信号を増幅回路
３に帰還させて励振信号の振幅を自動制御する励振回路
７である。

【００１２】要するに、励振側脚部において、圧電振動
子が歪むことによって発生する信号電荷は極めて微弱な
ため、信号電荷を効率良く検出できように独立した電圧
変換回路１によって電圧信号に変換され、この電圧信号
は信号調整回路２に入力される。信号調整回路２によっ
て、圧電振動子が発振するように、圧電振動子を含んだ
発振回路の帰還ループを一巡したときの位相ずれが０度
または３６０度になるように、圧電振動子の足りない位
相ずれの分を発振回路で補っている。また、位相ずれと
利得の周波数特性を制御して、角速度センサとして動作
するために必要な振動モード以外では、発振条件を満た
さないようにして、その他の不要な振動モードでの発振
や、自励発振を防止している。

【００１３】信号調整回路２によって調整された電圧信
号は増幅回路３に入力される。増幅回路３によって、角
速度センサとして動作するために必要な振動モードでの
共振周波数において、圧電振動子を含んだ発振回路の帰
還ループのループ利得が１以上となるように、電圧信号
を増幅し、圧電振動子を駆動する。また、圧電振動子の
振動が一定の振幅の正弦波状の振動になるように、増幅
回路３の増幅率を自動振幅制御回路４で自動制御してい
る。

【００１４】図２から図４は本発明の他の実施形態を示
すブロック図である。基本的な回路構成は図１と同じで
あるが、図２においては増幅回路３と圧電振動子の間に
駆動回路５を挿入している。要するに、増幅回路３と圧
電振動子の間に駆動回路５を付加することで、増幅回路
５は圧電振動子を駆動する必要がなくなり増幅回路３の
能力に余裕が得られる。また、独立した駆動回路５を付
加することにより、より大きな駆動力を得ることがで
き、圧電振動子の発振をより安定させることが実現でき
る。

【００１５】図３においては、信号調整回路２と増幅回
路３の間に直流成分をカットするフィルタ６を挿入した
ものである。要するに、電圧変換回路１から出力される
信号は元来が交流成分の信号であるため直流成分の信号
は不要信号として、増幅回路３での増幅の妨げになって
しまう。励振信号は非常に小さく敏感であるため、交流
成分信号に直流成分が混在することは、必要とする増幅
率を得る上で障害となってしまう。

【００１６】図４においては、前記の図２と図３の回路
構成を合成したもので、信号調整回路２と増幅回路３の
間に直流成分をカットするフィルタ６を挿入し、増幅回
路３と圧電振動子の間に駆動回路５を挿入した回路構成
である。要するに、電圧変換回路１からの信号の直流成
分を除去して、増幅回路３で増幅し、その信号を駆動回
路５によって、安定して圧電振動子を駆動することがで
きる回路構成としたものである。

【００１７】

【発明の効果】本発明により圧電振動子として確実に励
振させることにより、検出信号である角速度に比例した
コリオリの力による振動を確実に検出することができ
る。この励振回路により、角速度センサで使われる圧電
振動子は、発振の容易性より角速度の検出性能を重要視
する設計が可能となり、角速度センサとしての感度や安
定性などの性能を大幅に向上させることができる。ま
た、角速度センサの歩留まりも大幅に向上させることが
できるとともに、圧電振動子の製造コストを削減するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電振動式角速度センサの発振回路の
ブロックである。

【図２】本発明の他の実施形態である増幅回路と圧電振
動子の間に駆動回路を挿入した励振回路のブロックであ
る。

【図３】本発明の他の実施形態である信号調整回路と増
幅回路の間に直流成分をカットするフィルタを挿入した
励振回路のブロックである。

【図４】本発明の他の実施形態である信号調整回路と増
幅回路の間に直流成分をカットするフィルタを挿入し、
増幅回路と圧電振動子の間に駆動回路を挿入した励振回
路のブロックである。

【符号の説明】 １ 電圧変換回路 ２ 信号調整回路 ３ 増幅回路 ４ 自動振幅制御回路 ５ 駆動回路 ６ フィルタ ７ 励振回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２つの脚部を持つ圧電振動子
   の一方の脚部に交流電圧を印加して該圧電振動子を励振
   させ、該圧電振動子を回転させることにより該圧電振動
   子の他方の脚部から、コリオリの力として角速度を検出
   する圧電振動式角速度センサの励振回路において、 該励振側脚部の信号電荷を電圧変換回路と信号調整回路
   と増幅回路を経由した励振信号で駆動し、更に該増幅回
   路からの信号を自動振幅制御回路から該増幅回路に帰還
   させた制御信号で増幅率を制御することで該圧電振動子
   を励振することを特徴とする圧電振動式角速度センサの
   励振回路。
2. 【請求項２】 前記圧電振動式角速度センサの励振回路
   において、該増幅回路と該圧電振動子の間に駆動回路を
   挿入したことを特徴とする請求項１記載の圧電振動式角
   速度センサの励振回路。
3. 【請求項３】 前記圧電振動式角速度センサの励振回路
   において、該信号調整回路と該増幅回路の間に直流成分
   をカットするフィルタを挿入したことを特徴とする請求
   項１記載の圧電振動式角速度センサの励振回路。
4. 【請求項４】 前記圧電振動式角速度センサの励振回路
   において、該信号調整回路と該増幅回路の間に直流成分
   をカットする該フィルタを挿入し、該増幅回路と該圧電
   振動子の間に該駆動回路を挿入したことを特徴とする請
   求項１記載の圧電振動式角速度センサの励振回路。