JP2000234934A - Conversion device for gyro scope - Google Patents

Conversion device for gyro scope

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JP2000234934A
JP2000234934A JP11035263A JP3526399A JP2000234934A JP 2000234934 A JP2000234934 A JP 2000234934A JP 11035263 A JP11035263 A JP 11035263A JP 3526399 A JP3526399 A JP 3526399A JP 2000234934 A JP2000234934 A JP 2000234934A
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JP
Japan
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pass filter
low
frequency
output
angular velocity
Prior art date
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JP11035263A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Hasegawa
和男 長谷川
Daisuke Takai
大輔 高井
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Alps Alpine Co Ltd
Original Assignee
Alps Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a conversion device for a gyro scope wherein more accurate angular output is detected by effectively removing a disturbance noise contained in the angular speed output of a gyro, especially that in synchronous with the sampling cycle of an A/D converter. SOLUTION: A time constant T1 of a first low-pass filter 10 is set to a sampling cycle Ts of an A/D conversion means 7 or below while a cutoff frequency f2 of a second low-pass filter 20 is set to a sampling frequency fs or above. With this, since the first low-pass filter 10 is operated as a primary low-pass filter, or an integrator, at the sampling frequency fs, a disturbance noise is integrally interpolated as a simple manner for cancel. Further, it functions as a secondary low-pass filter to the disturbance noise at a frequency above that, an angular output where a disturbance noise is more effectively removed is provided.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、振動型ジャイロス
コープにおいて、角速度変化に対応する出力から角度変
化に対応する出力を得る変換装置に係わり、特にA/D
変換器のサンプリング周期に同期した外乱ノイズを効果
的に除去できるようにしたジャイロスコープ用の変換装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibratory gyroscope, and more particularly to a converter for obtaining an output corresponding to a change in angle from an output corresponding to a change in angular velocity.
The present invention relates to a gyroscope conversion device capable of effectively removing disturbance noise synchronized with a sampling period of a converter.

【0002】[0002]

【従来の技術】振動型ジャイロスコープは、一般に圧電
振動子を主体として構成されている。前記圧電振動子に
曲げ振動を与えながら、圧電振動子をある回転系に置く
と、圧電振動子からコリオリ力に比例した出力が得られ
る。この出力は前記回転系の角速度変化に追従する(角
速度に比例する)出力となる。この出力をA/D変換
し、さらに時間積分することによって前記回転系で圧電
振動子に与えられた角度変化に追従する(角度に比例す
る)出力が得られる。以下においては、圧電振動子から
得られる前記角度速度変化に追従する出力を「角速度出
力」と呼び、時間積分後の角度変化に追従する出力を
「角度出力」と呼ぶ。
2. Description of the Related Art A vibration type gyroscope is generally constituted mainly of a piezoelectric vibrator. If the piezoelectric vibrator is placed in a certain rotating system while applying bending vibration to the piezoelectric vibrator, an output proportional to the Coriolis force is obtained from the piezoelectric vibrator. This output is an output that follows (changes in proportion to) the angular velocity of the rotary system. The output is subjected to A / D conversion and further time-integrated to obtain an output that follows (changes in proportion to) the angle given to the piezoelectric vibrator in the rotating system. In the following, the output that follows the angular velocity change obtained from the piezoelectric vibrator is referred to as “angular velocity output”, and the output that follows the angular change after time integration is referred to as “angle output”.

【0003】図7は、圧電振動子の角速度出力と、時間
積分後の角度出力を示し、A及びBは外乱ノイズがない
通常動作の場合、C及びDは外乱ノイズを含む場合であ
る。例えば、圧電振動子から図7Aに示すような角速度
出力が得られた場合、この角速度出力をA/D変換し、
さらにディジタル積分器で時間的に数値積分すると図7
Bに示すような角度出力を得ることができる。
FIG. 7 shows the angular velocity output of the piezoelectric vibrator and the angular output after time integration. A and B show the case of normal operation without disturbance noise, and C and D show the case of including disturbance noise. For example, when an angular velocity output as shown in FIG. 7A is obtained from the piezoelectric vibrator, the angular velocity output is A / D converted,
Fig. 7 shows the results of numerical integration over time with a digital integrator.
An angle output as shown in B can be obtained.

【0004】一方、上記圧電振動子の角速度出力には、
電気的なパルス性ノイズや検出回路のリップル電圧、あ
るいは外部振動の衝撃等により角速度以外の外乱ノイズ
成分が含まれることが多い。例えば、図7Cに示すよう
に、角速度出力にA/D変換器のサンプリング周期と一
致するような外乱ノイズが生じると、数値積分後の角度
出力は図7Dに示すような大きな誤差を含むものとな
る。よって、前記角速度出力からこのような不要な外乱
ノイズを除去する手段が必要となる。
On the other hand, the angular velocity output of the piezoelectric vibrator includes:
In many cases, disturbance noise components other than angular velocity are included due to electric pulse noise, ripple voltage of a detection circuit, or shock of external vibration. For example, as shown in FIG. 7C, when disturbance noise is generated in the angular velocity output that coincides with the sampling cycle of the A / D converter, the angular output after numerical integration includes a large error as shown in FIG. 7D. Become. Therefore, means for removing such unnecessary disturbance noise from the angular velocity output is required.

【0005】従来、上記のような不要な外乱ノイズを除
去するには、第1に圧電振動子そのものの応答を遅く
し、圧電振動子が外乱ノイズを拾わないようにする手
段、第2にA/D変換器のサンプリング速度を早めた
り、あるいは周波数に合わせてアナログ積分器をリセッ
トする手段、第3にローパスフィルタを設けて外乱ノイ
ズを除去する手段などにより、上記圧電振動子の角速度
出力から不要な外乱ノイズを除去することが考えられ
る。
Conventionally, in order to remove unnecessary disturbance noise as described above, firstly, the response of the piezoelectric vibrator itself is slowed down so that the piezoelectric vibrator does not pick up disturbance noise. The means for increasing the sampling rate of the / D converter or resetting the analog integrator in accordance with the frequency, and the third means for providing a low-pass filter to remove disturbance noise eliminate the need for the angular velocity output of the piezoelectric vibrator. It is conceivable to remove unnecessary disturbance noise.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記第1の手
段では、圧電振動子の構造に制約が生じ、ジャイロその
ものを小型化できなくなる場合がある。また第2の手段
では、数値積分後の角速度出力をデータとして取得する
ホスト機器側の都合上、A/D変換手段側のサンプリン
グ周波数のみを高く設定することができないという事情
がある。またディジタル積分器やアナログ積分器をリセ
ットするための手段が別途必要になり、その構成や制御
が複雑になるという問題もある。
However, in the first means, the structure of the piezoelectric vibrator is restricted, and the gyro itself may not be reduced in size. Further, in the second means, there is a situation that only the sampling frequency of the A / D conversion means cannot be set high because of the host device side which acquires the angular velocity output after numerical integration as data. In addition, there is another problem that means for resetting the digital integrator and the analog integrator is separately required, and the configuration and control thereof are complicated.

【0007】また、このような外乱ノイズの除去は、A
/D変換する前に上記第3の手段であるローパスフィル
タを用いて除去するのが一般的であるが、従来のローパ
スフィルタによる除去手段では、どのようなローパスフ
ィルタが最適であるかが不明であった。
The removal of such disturbance noise is performed by A
It is common to use a low-pass filter, which is the third means, to remove the signal before performing the / D conversion. However, with a conventional low-pass filter removing means, it is unclear what low-pass filter is optimal. there were.

【0008】一般に、ナビゲーションシステムのA/D
変換器のサンプリング周波数fsは40Hz(サンプリ
ング周期=25msec)程度であるが、このサンプリン
グ周波数fsに同期する外乱ノイズを除去するために
は、ローパスフィルタのカットオフ周波数をさらに低い
周波数としなければならなくなる。
Generally, A / D of a navigation system
Although the sampling frequency fs of the converter is about 40 Hz (sampling period = 25 msec), in order to remove disturbance noise synchronized with the sampling frequency fs, the cutoff frequency of the low-pass filter must be set to a lower frequency. .

【0009】ところが、単なる1次系のローパスフィル
タを使用した場合には、そのゲインの減衰傾度は一義的
に−6db/octと決まっているため、カットオフ周波数
fs付近のノイズの除去が可能であったとしても、それ
よりも高い周波数成分の外乱ノイズを角速度出力に影響
を与えずに除去することが困難となる。
However, when a simple low-pass filter of the primary system is used, since the attenuation slope of the gain is uniquely determined to be -6 db / oct, it is possible to remove noise near the cutoff frequency fs. Even if there is, it becomes difficult to remove disturbance noise of a higher frequency component without affecting the angular velocity output.

【0010】特に、2次系以上のローパスフィルタを直
接使用してサンプリング周波数fs付近の外乱ノイズを
除去しようとすると、本来予定していない角速度出力自
体をも除去してしまい、正確な角度を検出できないおそ
れがある。
In particular, if an attempt is made to remove disturbance noise near the sampling frequency fs by directly using a low-pass filter of a secondary system or higher, the angular velocity output itself that is not originally planned is also removed, and an accurate angle is detected. It may not be possible.

【0011】本発明は上記従来の課題を解決するための
ものであり、ジャイロの角速度出力に含まれる外乱ノイ
ズ、特にA/D変換器のサンプリング周期に同期した外
乱ノイズを効果的に除去し、より正確な角度出力を検出
できるようにしたジャイロスコープ用の変換装置を提供
することを目的としている。
The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and effectively eliminates disturbance noise included in an angular velocity output of a gyro, particularly disturbance noise synchronized with a sampling cycle of an A / D converter. It is an object of the present invention to provide a converter for a gyroscope capable of detecting a more accurate angle output.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電振動子
と、この圧電振動子に所定の交流駆動電力を供給して振
動させるドライブ手段と、前記圧電振動子からの角速度
変化に対応する出力に対して不要な周波数成分を除去す
るノイズ除去手段と、ノイズが除去された前記出力を所
定のサンプリング周期でA/D変換するA/D変換手段
と、A/D変換後の出力を数値積分して角度変化に対応
する値を得る積分器、とを有するジャイロスコープ用の
変換装置において、前記ノイズ除去手段は、第1のロー
パスフィルタと第2のローパスフィルタとからなり、前
記第1のローパスフィルタの時定数が前記A/D変換手
段のサンプリング周期以下に設定されており、且つ第2
のローパスフィルタのカットオフ周波数が前記サンプリ
ング周期に対応する周波数よりも高い周波数に設定され
ていることを特徴とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a piezoelectric vibrator, drive means for supplying a predetermined AC drive power to the piezoelectric vibrator to vibrate, and an output corresponding to a change in angular velocity from the piezoelectric vibrator. Noise removing means for removing unnecessary frequency components, A / D converting means for A / D converting the output from which noise has been removed at a predetermined sampling period, and numerically integrating the output after A / D conversion And an integrator that obtains a value corresponding to the angle change by the gyroscope, wherein the noise removing unit includes a first low-pass filter and a second low-pass filter; The time constant of the filter is set to be equal to or less than the sampling period of the A / D conversion means, and the second
Is set to a frequency higher than the frequency corresponding to the sampling period.

【0013】本発明におけるジャイロスコープ用の角速
度−角度変換のための変換装置では、第1のローパスフ
ィルタの時定数をA/D変換器のサンプリング周期と同
じ周波数か、又はわずかに低い周波数に設定することに
より、前記サンプリング周波数以上の周波数帯域では、
第1のローパスフィルタを完全な積分器として動作させ
ることができる。したがって、サンプリング周期に同期
する周波数成分からなる外乱ノイズを、それよりも低い
周波数である角速度出力のゲインを低下させることなく
低減することが可能となる。
In the converter for angular velocity-angle conversion for a gyroscope according to the present invention, the time constant of the first low-pass filter is set to the same frequency as the sampling period of the A / D converter or to a slightly lower frequency. By doing so, in a frequency band equal to or higher than the sampling frequency,
The first low pass filter can be operated as a perfect integrator. Therefore, it is possible to reduce disturbance noise composed of frequency components synchronized with the sampling cycle without lowering the gain of the angular velocity output which is a lower frequency.

【0014】また第1のローパスフィルタのカットオフ
周波数を、第2のローパスフィルタのカットオフ周波数
より高い周波数、より好ましくは少なくとも5倍以上高
い周波数に設定することにより、第2のローパスフィル
タが第1のローパスフィルタの積分動作に与える影響を
なくすことができる。
By setting the cut-off frequency of the first low-pass filter to a frequency higher than the cut-off frequency of the second low-pass filter, more preferably at least five times higher, The influence on the integration operation of the low-pass filter can be eliminated.

【0015】上記において、前記第1のローパスフィル
タが、1次系のローパスフィルタからなり、第2のロー
パスフィルタが1次系以上のローパスフィルタからなる
ものが好ましい。
In the above, it is preferable that the first low-pass filter comprises a first-order low-pass filter and the second low-pass filter comprises a first-order or higher-order low-pass filter.

【0016】上記構成では、第1のローパスフィルタの
カットオフ周波数から第2のローパスフィルタのカット
オフ周波数までの−6db/octを減衰傾度とする積分器
として動作させることができ、且つ第2のローパスフィ
ルタのカットオフ周波数よりも高い周波数では、−12
db/octを減衰傾度とするローパスフィルタとして機能
させることができる。
In the above configuration, it is possible to operate as an integrator having an attenuation gradient of −6 db / oct from the cutoff frequency of the first low-pass filter to the cutoff frequency of the second low-pass filter, and At frequencies higher than the cut-off frequency of the low-pass filter, -12
It can function as a low-pass filter with db / oct as the attenuation gradient.

【0017】したがって、第1のローパスフィルタのカ
ットオフ周波数から第2のローパスフィルタのカットオ
フ周波数までの間の周波数を成分とする外乱ノイズに対
しては、1次系のローパスフィルタとして、すなわち積
分器として機能し、外乱ノイズを簡易的に積分補間して
打ち消すことができる。またそれ以上の周波数成分から
なる外乱ノイズに対しては2次系のローパスフィルタと
して機能してこれを低減させることができる。よって、
角速度出力から効果的に外乱ノイズを除去することが可
能となり、正確な角度を得ることができる。
Therefore, with respect to disturbance noise having a component between the cut-off frequency of the first low-pass filter and the cut-off frequency of the second low-pass filter as a component, the first-order system low-pass filter, that is, the integral It functions as a detector, and can easily cancel disturbance noise by performing integral interpolation. Also, disturbance noise composed of higher frequency components functions as a secondary low-pass filter and can be reduced. Therefore,
Disturbance noise can be effectively removed from the angular velocity output, and an accurate angle can be obtained.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
して説明する。図1はジャイロスコープ用の変換装置を
示すブロック構成図である。図1に示すように、このジ
ャイロスコープの角速度の検出は、圧電音叉などからな
る振動子1によって行われる。そして、この振動子1の
駆動及び検出を行うための駆動/検出回路Aが設けられ
ている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a converter for a gyroscope. As shown in FIG. 1, the detection of the angular velocity of the gyroscope is performed by a vibrator 1 composed of a piezoelectric tuning fork or the like. A drive / detection circuit A for driving and detecting the vibrator 1 is provided.

【0019】駆動/検出回路Aには、発振手段4と、こ
の発振手段4の発振を受け振動子1に所定の交流駆動電
力を与えて駆動するためのドライブ手段2が設けられて
いる。また振動子1からの出力から位相差を検出して角
速度出力(角速度変化に追従する出力または角速度に比
例する出力)Vωを得る位相差検出手段3が設けられて
いる。位相差検出手段3の出力の一部は、増幅手段5に
よって増幅され、前記ドライブ手段2にフィードバック
されている。前記発振手段4は、発振制御手段(図示せ
ず)を備えており、前記位相差検出手段3の出力に基づ
いて発振手段4が正常な発振を行うようにフィードバッ
ク制御されている。
The drive / detection circuit A is provided with an oscillating means 4 and a driving means 2 for receiving the oscillation of the oscillating means 4 and applying a predetermined AC driving power to the vibrator 1 for driving. Further, there is provided a phase difference detecting means 3 for detecting a phase difference from an output from the vibrator 1 and obtaining an angular velocity output (an output following a change in the angular velocity or an output proportional to the angular velocity) Vω. A part of the output of the phase difference detecting means 3 is amplified by the amplifying means 5 and fed back to the driving means 2. The oscillation unit 4 includes an oscillation control unit (not shown), and is feedback-controlled so that the oscillation unit 4 performs normal oscillation based on the output of the phase difference detection unit 3.

【0020】また、増幅手段5の後段には、角速度出力
Vωから角速度出力以外の不要な周波数成分の除去を行
うノイズ除去手段(ローパスフィルタ)6が設けられて
いる。そして、ノイズが除去された後の角速度出力Vω
を所定のサンプリング周期でA/D変換するA/D変換
手段7が設けられ、さらにディジタル値に変換された角
速度出力を数値積分して角度出力(角度変化に追従する
出力または角度に比例する出力)に変換する積分器8が
設けられている。
A noise removing means (low-pass filter) 6 for removing unnecessary frequency components other than the angular velocity output from the angular velocity output Vω is provided downstream of the amplifying means 5. Then, the angular velocity output Vω after the noise has been removed
A / D conversion means 7 for performing A / D conversion at a predetermined sampling cycle is provided. Further, the angular velocity output converted into a digital value is numerically integrated to obtain an angle output (an output that follows an angle change or an output that is proportional to the angle). ) Is provided.

【0021】図2は角速度検出手段の一例として三脚音
叉型の圧電振動子を示す斜視図である。振動子1は、例
えばエリンバなどの恒弾性材料の平板の表裏両面に圧電
材料が積層されたもの、または全体が圧電材料の板材に
より形成されたものであり、振動子1の先端は分岐形成
され3つの振動脚1a、1bおよび1cとなっている。
各振動脚1a、1bおよび1cには、駆動電極が設けら
れている。前記ドライブ手段2から、この駆動電極に交
流駆動電力が与えられると、各振動脚1a、1bおよび
1cは、圧電効果により各振動脚の並び方向となるX方
向へ振動駆動される。
FIG. 2 is a perspective view showing a tripod tuning fork type piezoelectric vibrator as an example of the angular velocity detecting means. The vibrator 1 is formed by laminating a piezoelectric material on both front and back surfaces of a flat plate made of a constant elastic material such as an elinvar, or is formed entirely by a plate material of a piezoelectric material. There are three vibrating legs 1a, 1b and 1c.
Each of the vibrating legs 1a, 1b and 1c is provided with a drive electrode. When AC drive power is applied to the drive electrodes from the drive means 2, the vibrating legs 1a, 1b and 1c are driven to vibrate in the X direction, which is the direction in which the vibrating legs are arranged, by the piezoelectric effect.

【0022】各振動脚はX方向へ一次モードによる曲げ
変形振動を生じる。また、両側の振動脚1aと1bが同
じ位相で駆動され、中央の振動脚1cは、両側の振動脚
1a、1bと、位相が180度相違するように駆動され
る。両側の振動脚1aと1bのある時点での振幅の方向
が+X方向のとき、中央の振動脚1cの振幅方向は−X
方向である。
Each vibrating leg generates bending deformation vibration in the X direction in the first mode. The vibrating legs 1a and 1b on both sides are driven in the same phase, and the central vibrating leg 1c is driven so that the phases are 180 degrees different from the phases of the vibrating legs 1a and 1b on both sides. When the direction of the amplitude of the vibrating legs 1a and 1b on both sides at a certain point is the + X direction, the amplitude direction of the central vibrating leg 1c is -X.
Direction.

【0023】上記のように振動駆動された状態でZ軸回
りの回転系に置かれると、各振動脚に対し振動駆動方向
と直交する方向へのコリオリ力が作用し、各振動脚はY
方向へ振動する。このコリオリ力による振動成分も、両
側の振動脚1a、1bと、中央の振動脚1cとで逆の位
相となる。ある時点で両側の振動脚1aと1bがコリオ
リ力により+Y方向への振幅成分を持つとき、中央の振
動脚1cは−Y方向への振幅成分を持つ。図2では、中
央の振動脚1cに検出用電極1Aと1Bが設けられ、コ
リオリ力によるY方向への振動成分が圧電効果により検
出用電極1Aと1Bとから位相差の異なる信号が検出さ
れる。
When placed in a rotating system about the Z-axis while being driven as described above, Coriolis force acts on each of the vibrating legs in a direction orthogonal to the vibration driving direction, and each of the vibrating legs becomes Y-shaped.
Vibrates in the direction. The vibration components due to the Coriolis force also have opposite phases between the vibrating legs 1a and 1b on both sides and the center vibrating leg 1c. When the vibrating legs 1a and 1b on both sides have an amplitude component in the + Y direction due to Coriolis force at a certain point in time, the center vibrating leg 1c has an amplitude component in the -Y direction. In FIG. 2, detection electrodes 1A and 1B are provided on a center vibrating leg 1c, and signals having different phase differences from the detection electrodes 1A and 1B are detected by the piezoelectric effect of a vibration component in the Y direction due to Coriolis force. .

【0024】前記位相差検出手段3では、この検出用電
極1Aと1Bから検出された信号から位相差を求め、こ
れを角速度出力Vωとして出力する。角速度出力Vωは
増幅手段5において適度な信号レベルまで増幅された
後、ノイズ除去手段(ローパスフィルタ)6において不要
な外乱ノイズの除去が行なわれる。
The phase difference detecting means 3 obtains a phase difference from the signals detected from the detection electrodes 1A and 1B and outputs this as an angular velocity output Vω. After the angular velocity output Vω is amplified to an appropriate signal level by the amplification means 5, unnecessary disturbance noise is removed by the noise removal means (low-pass filter) 6.

【0025】ノイズ除去手段6において外乱ノイズが除
去された角速度出力Vωは、前記ノイズ除去手段6から
の角速度出力VωをA/D変換手段7によって所定のサ
ンプリング周期Tsによってディジタル信号に変換す
る。そして、A/D変換手段7の後段に設けられた積分
器8によって、そのディジタル信号を数値積分して角度
出力が求められる。この角度出力は、ナビゲーションシ
ステムなどのホスト機器9に出力され、ホスト機器9で
はこの角度出力に基づいて種々の制御が行われる。
The angular velocity output Vω from which disturbance noise has been removed by the noise removing means 6 is converted from an angular velocity output Vω from the noise removing means 6 into a digital signal by an A / D converter 7 at a predetermined sampling period Ts. Then, the digital signal is numerically integrated by an integrator 8 provided at the subsequent stage of the A / D conversion means 7 to obtain an angle output. This angle output is output to a host device 9 such as a navigation system, and the host device 9 performs various controls based on the angle output.

【0026】以下には、ジャイロスコープ用の変換装置
におけるノイズ除去手段(ローパスフィルタ)6につい
て説明する。図3Aは本発明でのノイズ除去手段(ロー
パスフィルタ)の回路構成図、図3Bはその電源回りの
回路図である。図3Aに示すノイズ除去手段6は、第1
のローパスフィルタ10と第2のローパスフィルタ20
から構成されている。
The noise removing means (low-pass filter) 6 in the gyroscope converter will be described below. FIG. 3A is a circuit diagram of the noise removing means (low-pass filter) according to the present invention, and FIG. 3B is a circuit diagram around the power supply. The noise removing means 6 shown in FIG.
Low-pass filter 10 and second low-pass filter 20
It is composed of

【0027】第1のローパスフィルタ10は、オペアン
プ11を主体に構成されたバターワース型1次系アクテ
ィブローパスフィルタである。すなわち、オペアンプ1
1の電源端子11aは電源Vccに接続され、接地端子
11bは電源VccのアースGに接続されている。また
オペアンプ11の非反転入力端子11cには電源電圧V
ccの半分(1/2)の電圧Vcc/2が供給されてい
る。また反転入力端子11dと出力端子11eとの間に
は、抵抗R2とコンデンサC1が並列接続されている。
そして、この反転入力端子11dには入力抵抗R1が接
続され、この入力抵抗R1に上記増幅手段5の角速度出
力Vωが入力される。
The first low-pass filter 10 is a Butterworth-type primary active low-pass filter mainly composed of an operational amplifier 11. That is, the operational amplifier 1
One power supply terminal 11a is connected to the power supply Vcc, and the ground terminal 11b is connected to the ground G of the power supply Vcc. The power supply voltage V is applied to the non-inverting input terminal 11c of the operational amplifier 11.
A voltage Vcc / 2 which is half (1/2) of cc is supplied. A resistor R2 and a capacitor C1 are connected in parallel between the inverting input terminal 11d and the output terminal 11e.
The input resistance R1 is connected to the inverting input terminal 11d, and the angular velocity output Vω of the amplifying means 5 is input to the input resistance R1.

【0028】また図3Aに示される第2のローパスフィ
ルタ20は、第1のローパスフィルタと同様のバターワ
ース型1次系アクティブローパスフィルタである。な
お、第2のローパスフィルタ20の次数は、1次系以上
であれば、2次系,3次系,…であってもよく、またパ
ッシブ型フィルタでもよい。
The second low-pass filter 20 shown in FIG. 3A is a Butterworth-type primary active low-pass filter similar to the first low-pass filter. The order of the second low-pass filter 20 may be a secondary system, a tertiary system,... Or a passive filter as long as it is a primary system or higher.

【0029】第2のローパスフィルタ20は、オペアン
プ21の電源端子21aが電源Vccに接続され、接地
端子21bは0電位となるアースGに接続されている。
オペアンプ21の非反転入力端子21cには電源電圧V
ccの半分(1/2)の電圧Vcc/2が供給されてい
る。また反転入力端子21dと出力端子21eとの間に
は、抵抗R4とコンデンサC2が並列接続されている。
そして、この反転入力端子21dには入力抵抗R3が接
続され、この入力抵抗R3は前記第1のローパスフィル
タ20の出力端子11eに接続されている。
In the second low-pass filter 20, the power supply terminal 21a of the operational amplifier 21 is connected to the power supply Vcc, and the ground terminal 21b is connected to the ground G at 0 potential.
The power supply voltage V is applied to the non-inverting input terminal 21c of the operational amplifier 21.
A voltage Vcc / 2 which is half (1/2) of cc is supplied. A resistor R4 and a capacitor C2 are connected in parallel between the inverting input terminal 21d and the output terminal 21e.
An input resistor R3 is connected to the inverting input terminal 21d, and the input resistor R3 is connected to the output terminal 11e of the first low-pass filter 20.

【0030】なお、図3Aの回路構成図では、図3Bに
示すようにオペアンプ11及び21が単一電源Vccで
駆動されている。このため、増幅手段5の角速度出力V
ωに電源電圧Vccの1/2に相当する電圧Vcc/2
がバイアスされており、従ってオペアンプ11及び21
の動作点はVcc/2である。
In the circuit diagram of FIG. 3A, the operational amplifiers 11 and 21 are driven by a single power supply Vcc as shown in FIG. 3B. For this reason, the angular velocity output V of the amplification means 5
ω is a voltage Vcc / 2 corresponding to の of the power supply voltage Vcc.
Are biased, so that the operational amplifiers 11 and 21
Is Vcc / 2.

【0031】図4は第1のローパスフィルタとして1次
系のフィルタによるゲイン周波数特性図、図5は第2の
ローパスフィルタの一例として1次系のフィルタによる
ゲイン周波数特性図、図6はノイズ除去手段全体のゲイ
ン周波数特性図である。
FIG. 4 is a gain frequency characteristic diagram of a first-order filter as a first low-pass filter, FIG. 5 is a gain frequency characteristic diagram of a first-order filter as an example of a second low-pass filter, and FIG. It is a gain frequency characteristic diagram of the whole means.

【0032】上記ホスト機器となるナビゲーションシス
テムは、一般的に車載用として使用されるが、車のハン
ドルをどんなに急激に変えても、そこで発生する角速度
の周波数は低い。従って、ナビゲーションシステムにお
けるA/D変換手段7のサンプリング周期Tsは、通常
25msec(サンプリング周波数fs=40Hz)程度
である。
The navigation system serving as the host device is generally used for a vehicle, but the frequency of the angular velocity generated there is low no matter how rapidly the steering wheel of the car is changed. Therefore, the sampling cycle Ts of the A / D converter 7 in the navigation system is usually about 25 msec (sampling frequency fs = 40 Hz).

【0033】図4のゲイン周波数特性図に示すように、
第1のローパスフィルタがA/D変換手段7のサンプリ
ング周波数fs(40Hz)付近で積分器として機能す
るようにするためには、カットオフ周波数f1(−3d
bポイント)は7Hz程度である。
As shown in the gain frequency characteristic diagram of FIG.
In order for the first low-pass filter to function as an integrator near the sampling frequency fs (40 Hz) of the A / D conversion means 7, the cutoff frequency f1 (-3d
b point) is about 7 Hz.

【0034】ここで、図3Aに示す第1のローパスフィ
ルタの時定数T1は、T1=1/(2π・f1)=1/
(2π・7[Hz])≒23(msec)で規定される。し
たがって、第1のローパスフィルタ10の時定数T1
を、A/D変換手段7のサンプリング周期Ts(25m
sec)以下に設定しておくことにより、サンプリング周
波数fs(40Hz)付近では、前記第1のローパスフ
ィルタ10を−6db/octの減衰傾度をもつ1次系のフ
ィルタとして、すなわち積分器として機能させることが
できる。なお、サンプリング周波数fs(40Hz)付
近でのゲイン減衰量は−15db程度である。
Here, the time constant T1 of the first low-pass filter shown in FIG. 3A is T1 = 1 / (2π · f1) = 1 /
(2π · 7 [Hz]) ≒ 23 (msec). Therefore, the time constant T1 of the first low-pass filter 10
To the sampling period Ts (25 m
In the vicinity of the sampling frequency fs (40 Hz), the first low-pass filter 10 functions as a first-order filter having an attenuation gradient of -6 db / oct, that is, as an integrator. be able to. The gain attenuation near the sampling frequency fs (40 Hz) is about -15 db.

【0035】一方、図5のゲイン周波数特性図に示すよ
うに、第2のローパスフィルタ20のカットオフ周波数
f2(−3dbポイント)は約120Hz程度に設定さ
れ、これは上記第1のローパスフィルタ10のカットオ
フ周波数f1の17倍程度ある。またサンプリング周波
数fs=40Hz付近のゲイン減衰量は0dbとなってい
る。なお、この場合の時定数T2は、T2=1/(2π
・f2)=1/(2π・120[Hz])≒1.3(mse
c)程度である。
On the other hand, as shown in the gain frequency characteristic diagram of FIG. 5, the cut-off frequency f2 (−3 db point) of the second low-pass filter 20 is set to about 120 Hz. Is about 17 times the cut-off frequency f1. The gain attenuation near the sampling frequency fs = 40 Hz is 0 db. The time constant T2 in this case is T2 = 1 / (2π
・ F2) = 1 / (2π · 120 [Hz]) ≒ 1.3 (mse
c) degree.

【0036】上記第1のローパスフィルタ10と第2の
ローパスフィルタ20とを、2段カスケード接続したノ
イズ除去手段(ローパスフィルタ)6全体のゲイン周波数
特性図は図6で示される。図6に示すように、サンプリ
ング周波数fs(40Hz)付近におけるノイズ除去手
段(ローパスフィルタ6)のゲイン減衰量は−15db程度
であり、これは第1のローパスフィルタ10と同じであ
る。このことは、ノイズ除去手段(ローパスフィルタ)6
は、サンプリング周波数fsでは第1のフィルタ10と
同じ1次系のフィルタとして、すなわち積分器として動
作していることを示しており、この周波数では第1のフ
ィルタ10は第2のローパスフィルタ20の影響を受け
ないことがわかる。
FIG. 6 shows a gain frequency characteristic diagram of the entire noise removing means (low-pass filter) 6 in which the first low-pass filter 10 and the second low-pass filter 20 are cascade-connected in two stages. As shown in FIG. 6, the gain attenuation of the noise removing means (low-pass filter 6) around the sampling frequency fs (40 Hz) is about −15 db, which is the same as that of the first low-pass filter 10. This means that the noise removing means (low-pass filter) 6
Indicates that at the sampling frequency fs, the first filter 10 operates as a filter of the same primary system as the first filter 10, that is, as an integrator. At this frequency, the first filter 10 It turns out that it is not affected.

【0037】また、A/D変換手段7のサンプリング周
波数fs(40Hz)以上の高い周波数、特に第2のロ
ーパスフィルタ20のカットオフ周波数f2(120H
z)以上の周波数では、−12db/octの減衰傾度で減
衰していることを確認できる。
A high frequency equal to or higher than the sampling frequency fs (40 Hz) of the A / D conversion means 7, especially the cutoff frequency f2 (120H) of the second low-pass filter 20 is used.
At frequencies above z), it can be confirmed that attenuation is at an attenuation gradient of -12 db / oct.

【0038】したがって、このノイズ除去手段(ローパ
スフィルタ)6は、A/D変換手段7のサンプリング周
波数fs(40Hz)以上の高い周波数では、2次系の
ローパスフィルタとして動作していることがわかる。
Therefore, it can be seen that the noise removing means (low-pass filter) 6 operates as a secondary low-pass filter at a high frequency equal to or higher than the sampling frequency fs (40 Hz) of the A / D converting means 7.

【0039】以上のように、第1のローパスフィルタの
時定数T1をA/D変換手段7のサンプリング周期Ts
以下に設定し、且つ第2のローパスフィルタ20のカッ
トオフ周波数f2が前記サンプリング周期Tsに対応す
る周波数fsよりも高い周波数とすることにより、好ま
しくは第1のローパスフィルタ10のカットオフ周波数
f1を前記サンプリング周期に対応する周波数の5倍以
上とすることにより、ノイズ除去手段6は、A/D変換
手段7のサンプリング周波数fsでは第1のフィルタ1
0と同様の1次系のフィルタとして、すなわち積分器と
して動作させることができる。またサンプリング周波数
fsでは、第2のローパスフィルタ20は第1ローパス
フィルタ10に何ら影響を与えないようにすることがで
きる。さらにサンプリング周波数fs以上の高い周波数
では、ノイズ除去手段6を2次系のローパスフィルタと
して動作させることができる。
As described above, the time constant T1 of the first low-pass filter is set to the sampling period Ts of the A / D converter 7.
By setting the cut-off frequency f2 of the second low-pass filter 20 to be higher than the frequency fs corresponding to the sampling period Ts, the cut-off frequency f1 of the first low-pass filter 10 is preferably set to By setting the frequency equal to or more than five times the frequency corresponding to the sampling period, the noise elimination unit 6 performs the first filter 1 with the sampling frequency fs of the A / D conversion unit 7.
It can be operated as a primary filter similar to 0, that is, as an integrator. Further, at the sampling frequency fs, the second low-pass filter 20 can have no influence on the first low-pass filter 10 at all. Further, at high frequencies equal to or higher than the sampling frequency fs, the noise removing means 6 can be operated as a secondary low-pass filter.

【0040】これにより、A/D変換手段7のサンプリ
ング周期T1に同期する外乱ノイズであれば特に効果的
に除去することができ、また角速度出力Vωそのものの
ゲインが減衰することを防止できる。よって、A/D変
換後に数値積分した場合に正確な角度を得ることが可能
となる。
Thus, any disturbance noise synchronized with the sampling period T1 of the A / D converter 7 can be particularly effectively removed, and the gain of the angular velocity output Vω itself can be prevented from attenuating. Therefore, an accurate angle can be obtained when numerical integration is performed after A / D conversion.

【0041】なお、上記実施の形態では、第2のローパ
スフィルタ20を1次系のフィルタとして説明したが、
第1のローパスフィルタ10に対し、第2のローパスフ
ィルタ20が影響を与えないものであれば、第2のロー
パスフィルタ20の次数は1次系以上のものであっても
よい。
In the above embodiment, the second low-pass filter 20 has been described as a primary filter.
As long as the second low-pass filter 20 does not affect the first low-pass filter 10, the order of the second low-pass filter 20 may be a first-order system or higher.

【0042】また、第1のローパスフィルタ10を1次
系とし、第2のローパスフィルタ20を1次系以上のフ
ィルタとして説明したが、第1のローパスフィルタ10
を1次系以上フィルタとし、第2のローパスフィルタ2
0を1次系のフィルタとしたものであってもよい。また
第2のローパスフィルタは、アクティブ型フィルタでも
よいし、あるいはパッシブ型フィルタでもよい。
Also, the first low-pass filter 10 has been described as a primary system and the second low-pass filter 20 has been described as a filter of a primary system or higher.
Is a first-order or higher-order filter, and the second low-pass filter 2
0 may be a primary filter. Further, the second low-pass filter may be an active filter or a passive filter.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、1次系ロ
ーパスフィルタ、即ち積分器として動作する周波数領域
と、2次系ローパスフィルタとして動作する周波数領域
を得ることができ、A/D変換器のサンプリング周期に
対応するサンプリング周波数を積分器として動作する周
波数領域に入るように1次系ローパスフィルタの時定数
を設定することにより、特にサンプリング周期に同期す
る外乱ノイズを効果的に打ち消すことができるようにな
る。
According to the present invention described above, a first-order low-pass filter, that is, a frequency region operating as an integrator and a second-order low-pass filter can be obtained. By setting the time constant of the first-order low-pass filter so that the sampling frequency corresponding to the sampling period of the converter falls within the frequency region operating as an integrator, in particular, effectively canceling disturbance noise synchronized with the sampling period. Will be able to

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】ジャイロスコープ用の変換装置を示すブロック
構成図、
FIG. 1 is a block diagram showing a converter for a gyroscope;

【図2】角速度検出手段の一例として三脚音叉型の圧電
振動子を示す斜視図、
FIG. 2 is a perspective view showing a tripod tuning fork type piezoelectric vibrator as an example of an angular velocity detecting unit;

【図3】Aは本発明におけるジャイロスコープ用の変換
装置におけるノイズ除去手段(ローパスフィルタ)を示
す回路構成図、Bはその電源回りの回路図、
3A is a circuit configuration diagram showing a noise removing means (low-pass filter) in the gyroscope converter according to the present invention, FIG. 3B is a circuit diagram around the power supply, FIG.

【図4】第1のローパスフィルタとして1次系のフィル
タによるゲイン周波数特性図、
FIG. 4 is a gain frequency characteristic diagram using a primary filter as a first low-pass filter;

【図5】第2のローパスフィルタの一例として1次系の
フィルタによるゲイン周波数特性図、
FIG. 5 is a diagram showing a gain frequency characteristic of a primary filter as an example of a second low-pass filter;

【図6】ノイズ除去手段全体のゲイン周波数特性図、FIG. 6 is a gain frequency characteristic diagram of the entire noise removing unit;

【図7】圧電振動子の角速度出力と角速度出力を時間積
分した角度の出力を示し、A及びBは外乱ノイズがない
場合、C及びDは外乱ノイズを含む場合、
FIG. 7 shows the angular velocity output of the piezoelectric vibrator and the angular output obtained by time-integrating the angular velocity output, where A and B have no disturbance noise, C and D have disturbance noise,

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 振動子(圧電振動子) 2 ドライブ手段 3 位相差検出手段 5 増幅手段 6 ノイズ除去手段(ローパスフィルタ) 7 A/D変換手段 8 積分器 10 第1のローパスフィルタ 20 第2のローパスフィルタ f1 第1のローパスフィルタのカットオフ周波数 f2 第2のローパスフィルタのカットオフ周波数 fs A/D変換手段のサンプリング周波数 T1 第1のローパスフィルタの時定数 T2 第2のローパスフィルタの時定数 Ts A/D変換手段のサンプリング周期 角速度出力 Vω DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Oscillator (piezoelectric oscillator) 2 Drive means 3 Phase difference detection means 5 Amplification means 6 Noise removal means (low-pass filter) 7 A / D conversion means 8 Integrator 10 First low-pass filter 20 Second low-pass filter f1 First No. 1 cut-off frequency of low-pass filter f2 Cut-off frequency of second low-pass filter fs Sampling frequency of A / D converter T1 Time constant of first low-pass filter T2 Time constant of second low-pass filter Ts A / D conversion Means sampling period Angular velocity output Vω

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電振動子と、この圧電振動子に所定の
交流駆動電力を供給して振動させるドライブ手段と、前
記圧電振動子からの角速度変化に対応する出力に対して
不要な周波数成分を除去するノイズ除去手段と、ノイズ
が除去された前記出力を所定のサンプリング周期でA/
D変換するA/D変換手段と、A/D変換後の出力を数
値積分して角度変化に対応する値を得る積分器、とを有
するジャイロスコープ用の変換装置において、 前記ノイズ除去手段は、第1のローパスフィルタと第2
のローパスフィルタとからなり、前記第1のローパスフ
ィルタの時定数が前記A/D変換手段のサンプリング周
期以下に設定されており、且つ第2のローパスフィルタ
のカットオフ周波数が前記サンプリング周期に対応する
周波数よりも高い周波数に設定されていることを特徴と
するジャイロスコープ用の変換装置。
1. A piezoelectric vibrator, drive means for supplying a predetermined AC drive power to the piezoelectric vibrator and vibrating the piezoelectric vibrator, and generating an unnecessary frequency component from an output corresponding to a change in angular velocity from the piezoelectric vibrator. A noise removing means for removing the noise and the noise-removed output at a predetermined sampling period,
A converter for a gyroscope, comprising: an A / D conversion unit for performing D conversion; and an integrator for numerically integrating an output after the A / D conversion to obtain a value corresponding to an angle change. The first low-pass filter and the second
Wherein the time constant of the first low-pass filter is set to be equal to or less than the sampling period of the A / D conversion means, and the cut-off frequency of the second low-pass filter corresponds to the sampling period. A converter for a gyroscope, wherein the converter is set to a frequency higher than the frequency.
【請求項2】 前記第1のローパスフィルタが、1次系
のローパスフィルタからなり、第2のローパスフィルタ
が1次系以上のローパスフィルタからなる請求項1記載
のジャイロスコープ用の変換装置。
2. The conversion device for a gyroscope according to claim 1, wherein the first low-pass filter comprises a first-order low-pass filter, and the second low-pass filter comprises a first-order or higher-order low-pass filter.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004239907A (en) * 2003-02-06 2004-08-26 Robert Bosch Gmbh Micromechanical yaw rate sensor
JP2008175805A (en) * 2006-12-20 2008-07-31 Epson Toyocom Corp Vibration gyro sensor
JP2008256668A (en) * 2007-03-09 2008-10-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd Angular velocity sensor

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