JP2004085314A

JP2004085314A - 振動型ジャイロセンサ

Info

Publication number: JP2004085314A
Application number: JP2002245590A
Authority: JP
Inventors: Toru Kitamura; 北村　透
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】振動子の機械共振を用いたセンサ周波数及び振幅を一定に保つための一次振動制御回路と、センサの出力を検出するための二次振動制御回路から構成される振動型ジャイロセンサにおいて、いずれの励振、駆動方法を採用する場合でも、前記回路間の電気的誤差信号、クロストークを低減し、センサに作用した角速度を高精度に検出、測定できる構成。
【解決手段】コリオリ力を発生させるための一次振動は、Ｑの高い機械共振を利用しているため、一次振動モードに加振する駆動を連続しなくとも継続可能であることを利用し、一次振動モードに加振する駆動がなされていない間に二次振動モードを検知するよう動作させることで、誤差信号の混入をなくして正確に二次振動モードを検出できる。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばリング状の振動子の径方向に生じる振動モードを利用して角速度を検出する振動型ジャイロセンサの改良に関し、振動子を固有振動数の一次振動モードに加振する駆動信号により、検出対象の二次振動モードの検出信号がマスクされるのを防止する制御系を備えた振動型ジャイロセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許第２７６６７４３号、特開平１０−２６７６６７号公報等に開示されるように振動子にリングを用いた振動型ジャイロセンサは、シリコン基板をエッチング加工して製造でき、基板内に形成したリングを同じシリコンの線状サスペンションで中吊り状態に構成できる。
【０００３】
すなわち、図１Ａに示す如く、エッチング加工されたシリコン基板１中央には八角形の空間部２が設けられ、その中央に細い線状のリング振動子３が形成されており、これは該空間の各角部から略Ｚ字状（ドッグレッグ状）に伸びる８本の線状サスペンション４で中吊りされた構成からなる。
【０００４】
かかる構成の振動子のリングには、従来の圧電などの他センサのように外来応力に敏感な固定支点がなく、またリングに与える楕円振動が外来応力による影響を受け難く、目的の角速度を高精度に検出できるという特徴を有している。
【０００５】
すなわち、図２に示すように、まずリング振動子３を固有振動数に加振した振動状態（モード１）で、角速度が加わると、振動モード１に対してコリオリ力が働き、その結果新たに振動モード２が発生することになり、例えば振動モード２が発生するモード１の不動点（ノード）をモニターすることによって、作用した角速度を得ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記構成のリング状の振動子を有する振動型ジャイロセンサにおいて、共振体となるリングの振動には圧電的、電界的または磁界的効果の各手段で励振することが可能である。例えば、図１Ｂに示すごとく、いずれの駆動方法の場合であってもセンサ１０のリング振動子の駆動周波数及び振幅を一定に保持するための駆動回路１１を有しこれを制御する一次制御回路１２と、当該センサ１０の二次振動を検出する検出回路１４を有し、これを制御し出力するための二次制御回路１５から構成される。
【０００７】
前記構成からなる振動型ジャイロセンサは、リング振動子に楕円振動が外来応力による影響を受け難く、目的の角速度を高精度に検出できるが、この一つのリング振動子が前記一次と二次の各振動モードを呈することから、例えばセンサ周波数及び振幅を一定に保つ一次側の制御ドライブ回路の信号が二次側の回路に混入して検出測定に大きな誤差が発生する問題があった。
【０００８】
この発明は、振動子の機械共振を用いたセンサ周波数及び振幅を一定に保つための一次振動制御回路と、センサの出力を検出するための二次振動制御回路から構成される振動型ジャイロセンサにおいて、いずれの励振、駆動方法を採用する場合でも、前記回路間の電気的誤差信号、クロストークを低減し、センサに作用した角速度を高精度に検出、測定できる構成からなる振動型ジャイロセンサの提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、振動型ジャイロセンサにおける一次と二次の振動制御回路間のクロストークの発生について種々検討した結果、振動子の励振手段、すなわちセンサの基本構成として採用する磁界的、電界的あるいは抵抗結合により、リング振動子の一次振動モードの制御ドライブ回路の信号が、二次振動モードの検出回路に混入し、微小な二次側の検出信号をマスクして大きな誤差が発生することを知見した。
【００１０】
発明者らは、上記のクロストーク信号をキャンセルできる構成について鋭意検討した結果、コリオリ力を発生させるための一次振動は、Ｑの高い機械共振を利用しているため、一次振動モードに加振する駆動を連続しなくとも継続可能であることを知見してこれに着目し、一次振動モードに加振する駆動がなされていない間に二次振動モードを検知するよう動作させることで、誤差信号の混入をなくして正確に二次振動モードを検出できることを知見した。
【００１１】
さらに発明者らは、前記構成において、一次振動モードを検知する検出回路を有したり、また二次振動モードを検知するために振動子を二次振動モードに加振する駆動回路を有する場合、いずれも前記加振のための駆動がなされていない間に一次振動モード又は二次振動モードあるいはその両方を検知することで電気的誤差信号の混入を防止できることを知見し、この発明を完成した。
【００１２】
すなわち、この発明は、振動子と、振動子を固有振動数の一次振動モードに加振する駆動手段と、一次振動モードにコリオリ力が作用して発生する二次振動モードを検知する検出手段とを有する振動型ジャイロセンサであり、加振のための駆動がなされていない間に二次振動モードを検知するよう動作させる制御手段を有することを特長とする振動型ジャイロセンサである。
【００１３】
また、この発明は、振動子と、振動子を固有振動数の一次振動モードに加振する駆動手段と一次振動モードを検知する検出手段を含む一次制御手段と、一次振動モードにコリオリ力が作用して発生する二次振動モードを検知する検出手段とを有する振動型ジャイロセンサであり、加振のための駆動がなされていない間に一次振動モード又は二次振動モードあるいはその両方を検知するよう動作させる制御手段を有することを特長とする振動型ジャイロセンサである。
【００１４】
さらに、この発明は、振動子と、振動子を固有振動数の一次振動モードに加振する駆動手段と一次振動モードを検知する検出手段を含む一次制御手段と、一次振動モードにコリオリ力が作用して発生する二次振動モードを検知するための振動子を二次振動モードに加振する駆動手段と二次振動モードの検出手段とを含む二次制御手段を有する振動型ジャイロセンサであり、加振のための駆動がなされていない間に一次振動モード又は二次振動モードあるいはその両方を検知するよう動作させる制御手段を有することを特長とする振動型ジャイロセンサである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明において、振動型ジャイロセンサを構成する振動子には、リング型、音叉型、平行平板型等の公知のいずれの形状、形態のものも採用できる。また、かかる振動子をその固有振動数の一次振動モードに加振する駆動手段には、公知の圧電式、磁界式、あるいは電界式の各駆動手段のいずれをも採用することできる。
【００１６】
ここで振動型ジャイロセンサのクロストークの概念を説明すると、励振に圧電式、磁界式あるいは電界式駆動のいずれを用いたとしても、図１Ａのリング振動子を有するセンサを、図１Ｂに示すごとき制御回路で作動させると、一次制御回路１２で制御されて一次駆動回路１１から出力される駆動信号と、角速度が加えられた結果、二次検出回路１４で検出される本来の検出信号とが、図４Ａに模式的に示すごとき波形を有している場合、前記駆動信号に起因する誤差信号が生じて、これが本来の二次検出信号に重畳されて、図示のごとき誤差信号を含む検出信号となってしまう。
【００１７】
そこでこの発明では、図３に示すごとく、図１Ｂに示す制御回路構成に対して、各一次と二次の駆動回路１１，１６と検出回路１３，１４にオン・オフを可能にするスイッチＳ１Ｄ，Ｓ２Ｄ，Ｓ１Ｐ，Ｓ２Ｐを設けてこれを制御する信号制御回路２０を付加する構成とし、図４Ｂに模式的に示すごとく、スイッチＳ１Ｄで一次駆動回路１１をオン・オフすることで励振しない時間を含む一次駆動信号を得ることができ、また同時にスイッチＳ２Ｐを逆にオン・オフすることで、一次駆動信号が無い時に二次検出回路１４を作動させる制御を行う。
【００１８】
信号制御回路２０を付加する構成である以外は同じセンサであることから、前述の一次駆動信号がセンサの出力に重畳されるが、一次駆動信号が無い時に作動した二次検出回路１４からの出力、すなわち二次検出信号には一次駆動信号は重畳されないため、正確な測定出力を得ることが可能となる。
【００１９】
この発明において、振動子を固有振動数の一次振動モードに加振する駆動手段と一次振動モードを検知する検出手段を含む一次制御手段としては、一次振動モードへの駆動手段には、上記の各種方法のいずれかを採用でき、採用した駆動手段に応じて、同様の駆動方式を採用し、あるいは励振用とは異なる駆動方式を採用して一次振動モードを検知することが可能である。例えば、励振用と同じ駆動方式で一次振動モードを検知するのに駆動側と同位相となるように検知側から励振するなど、位相制御のＰＬＬ回路を利用するなど、公知の制御回路や手段が採用できる。
【００２０】
また、一次振動モードにコリオリ力が作用して発生する二次振動モードを検知する検出手段には、上述のごとく、一次振動モードの励振用駆動手段と同じかあるいは異なる前記の駆動手段を利用して二次振動モードを検知することができる。
【００２１】
さらに、二次振動モードを検知するための振動子を二次振動モードに加振する駆動手段と二次振動モードの検出手段とを含む二次制御手段としては、上述の一次制御手段で述べた手法をそのまま採用することができる。すなわち、二次振動モードへの駆動手段には、圧電式、磁界式、あるいは電界式などの各駆動手段を採用でき、採用した駆動手段に応じて、同様の駆動方式を採用し、あるいは励振用とは異なる駆動方式を採用して一次振動モードを検知することが可能である。
【００２２】
従って、センサの駆動、制御手段としては、各次振動モードの検知手段を備えるか否かにかかわらず、例えば圧電式、磁界式、あるいは電界式などの一次振動モードに加振する駆動手段に採用した駆動方式を同一にしておくことで、センサ構成を単純化でき、小型化や省エネルギー化を図ることが容易になる。
【００２３】
この発明において、加振のための駆動がなされていない間に一次振動モード又は二次振動モードあるいはその両方を検知するよう動作させる制御手段としては、各振動モードの駆動や検知のために採用した手段に応じて、振動子の励振用駆動手段のオン・オフと検知手段のオン・オフが同時とならないように、例えばスイッチング回路の動作を、所要のタイムスケジュールとなるようロジック制御回路やシーケンス回路等を用いて制御することができる。
【００２４】
従って、前記制御により、一次振動モードの駆動手段に、動作時と非動作時をその時間差又は回数差を所要パターンで設定し、これに応じて該駆動手段の非動作時に一次振動モード又は二次振動モードあるいはその両方を検知する動作パターンを設定することが可能となる。
【００２５】
この発明は、前述のごとく、一次振動モードの駆動信号が無い時に二次振動モードの検出回路を作動させる制御を行うことを特徴とするが、二次検出信号に重畳した一次振動モードの駆動信号、すなわちクロストークの内容を予め検知して把握しておくことで、一次振動モードに駆動する駆動手段の動作時に二次振動モードの検出回路を作動させる手段を有する構成であっても、検出信号から重畳した一次振動モードの駆動信号を電気的に除去し、正確な検出が可能となる。従って、一次振動モードの駆動回路の動作時と非動作時にそれぞれ検出した二次振動モードの検出信号を対比して誤差を減じるアナログ又はデジタルの演算手段を備えることでも、この発明の目的を達成できる。
【００２６】
【実施例】
実施例１
所要部に磁石を配置して下部磁極部を設けた磁石板上にスペーサーを介して、シリコン基板より作製した図１Ａに示すリング振動子を線状サスペンションで同一平面上に懸架した構成の振動子板を載置し、さらに上部磁極部を設けた蓋板をスペーサーを介して積層し、内部を真空化して一体化した構成からなる振動型ジャイロセンサを用いた。
【００２７】
このジャイロセンサは、上述のごとくリング振動子を磁界式駆動源で一次振動モードに振動させるもので、図５に示す制御回路を有している。詳述すると、制御回路は、リング振動子の固有振動数の４倍の基準クロックを、Ｕ２，Ｕ３で四分周し、該固有振動数を得て、Ｕ４はＵ２の出力を二分周し、Ｕ５でＵ２の出力信号とＵ４の出力信号とのＡＮＤを取ることにより、固有振動１サイクル毎に発生するドライブ信号を得て、さらにＵ６で基準クロックと精度よく時間同期を行う構成からなっている。
【００２８】
図６Ａに示すグラフは、図５に示す制御回路を有するジャイロセンサであるが、常時、一次振動モードに振動させながら所要の角速度を印加して二次振動モードの検出を行う比較例の結果を示すもので、グラフの上側に示す波形は一次駆動信号であり、下側が二次検出信号の波形を示す。
【００２９】
これに対して図６Ｂに示すグラフは、図５に示す制御回路でこの発明による制御を行い、一次駆動信号がない時に二次振動モードの検出を行うようにしたものである。両グラフを比較することで、一次側と二次側との間にクロストークが３１．２ｍＶＰ・Ｐある中で、この発明によるジャイロセンサは、３．２ｍＶＰ・Ｐの微量の二次検出信号を精度よく検出できることが明らかである。
【００３０】
実施例２
所要パターンで電極を形成した下部電極板上にスペーサーを介して、シリコン基板より作製した図１Ａに示すリング振動子を線状サスペンションで同一平面上に懸架した構成の振動子板を載置し、さらに所要パターンで電極を形成した側部電極板を設け、内部を真空化して一体化した構成からなる振動型ジャイロセンサを用いた。
【００３１】
このジャイロセンサは、上述のごとくリング振動子を電界式駆動源で一次振動モードに振動させるもので、図７に示す制御回路を有している。詳述すると、制御回路は、リング振動子の固有振動数の４倍の基準クロックを、Ｕ２，Ｕ３で四分周し、該固有振動数を得手、これと同期した正弦波をＰＬＬ１で発生させ、Ｕ４はＵ２の出力を二分周し、さらにＵ６で基準クロックと精度よく同期を取り、Ｓ１で正弦波駆動信号を固有振動数の２倍の周期オン／オフする構成からなっている。
【００３２】
図８Ａに示すグラフは、図７に示す制御回路を有するジャイロセンサであるが、常時、一次振動モードに振動させながら所要の角速度を印加して二次振動モードの検出を行う比較例の結果を示すもので、グラフの上側に示す波形は一次駆動信号であり、下側が二次検出信号の波形を示す。
【００３３】
これに対して図８Ｂに示すグラフは、図７に示す制御回路でこの発明による制御を行い、一次駆動信号がない時に二次振動モードの検出を行うようにしたものである。両グラフを比較することで、一次側と二次側との間にクロストークが２６．４ｍＶＰ・Ｐある中で、この発明によるジャイロセンサは、３．２ｍＶＰ・Ｐの微量の二次検出信号を精度よく検出できることが明らかである。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によると、実施例に明らかなように、一次振動モードにいずれの励振、駆動方法を採用する場合でも、振動子を固有振動数の一次振動モードに加振する駆動信号により、検出対象の二次振動モードの検出信号がマスクされるのを防止することが可能である。
【００３５】
またこの発明によると、駆動や検出の制御系に僅かな改良を施すだけで、一次制御と二次制御系回路間の電気的誤差信号、クロストークを低減し、センサに作用した角速度を高精度に検出、測定できる制御系を備えた振動型ジャイロセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａは、リング振動子を有する振動型ジャイロセンサの主要構成部を示す斜視説明図であり、Ｂは、このジャイロセンサの制御回路を示す回路説明図である。
【図２】Ａは、一次と二次の振動モードを示すリング振動子の説明図であり、Ｂは、各振動モードの振動パターンの推移を示す説明図である。
【図３】この発明によるジャイロセンサの制御回路を示す回路説明図である。
【図４】Ａは、従来の制御回路を用いたジャイロセンサにて得られた、一次駆動信号、二次検出信号、一次駆動信号により発生する誤差信号、誤差信号を含む二次検出信号の各波形を示す波形説明図であり、Ｂは、この発明の制御回路を用いたジャイロセンサにて得られた一次駆動信号、二次検出信号、一次駆動信号により発生する誤差信号、誤差信号を含む二次検出信号の各波形を示す波形説明図である。
【図５】実施例における磁界式駆動源を有するジャイロセンサに適用した制御回路を示す回路説明図である。
【図６】一次駆動信号と二次検出信号の波形を示す測定器が出力したグラフであり、Ａは比較例、Ｂはこの発明の実施例の場合を示す。
【図７】実施例における電界式駆動源を有するジャイロセンサに適用した制御回路を示す回路説明図である。
【図８】一次駆動信号と二次検出信号の波形を示す測定器が出力したグラフであり、Ａは比較例、Ｂはこの発明の実施例の場合を示す。
【符号の説明】
１　シリコン基板
２　空間部
３　リング振動子
４　線状サスペンション
１０　センサ
１１，１６　駆動回路
１２　一次制御回路
１３，１４　検出回路
１５　二次制御回路
２０　信号制御回路

Claims

振動子と、振動子を固有振動数の一次振動モードに加振する駆動手段と、一次振動モードにコリオリ力が作用して発生する二次振動モードを検知する検出手段とを有する振動型ジャイロセンサであり、加振のための駆動がなされていない間に二次振動モードを検知するよう動作させる制御手段を有する振動型ジャイロセンサ。
振動子と、振動子を固有振動数の一次振動モードに加振する駆動手段と一次振動モードを検知する検出手段を含む一次制御手段と、一次振動モードにコリオリ力が作用して発生する二次振動モードを検知する検出手段とを有する振動型ジャイロセンサであり、加振のための駆動がなされていない間に一次振動モード又は二次振動モードあるいはその両方を検知するよう動作させる制御手段を有する振動型ジャイロセンサ。
振動子と、振動子を固有振動数の一次振動モードに加振する駆動手段と一次振動モードを検知する検出手段を含む一次制御手段と、一次振動モードにコリオリ力が作用して発生する二次振動モードを検知するための振動子を二次振動モードに加振する駆動手段と二次振動モードの検出手段とを含む二次制御手段を有する振動型ジャイロセンサであり、加振のための駆動がなされていない間に一次振動モード又は二次振動モードあるいはその両方を検知するよう動作させる制御手段を有する振動型ジャイロセンサ。
一次振動モードの駆動手段に、動作時と非動作時をその時間差又は回数差を所要パターンで設定し、これに応じて該駆動手段の非動作時に一次振動モード又は二次振動モードあるいはその両方を検知する動作パターンを設定する請求項１、請求項２又は請求項３に記載の振動型ジャイロセンサ。
一次振動モードに駆動する駆動手段の動作時に二次振動モードの検出回路を作動させる手段を有し、該駆動回路の動作時と非動作時にそれぞれ検出した二次振動モードの検出信号を対比して誤差を減じる演算手段を有する請求項３に記載の振動型ジャイロセンサ。
二次振動モードの検出手段を作動させる制御手段が、スイッチング回路である請求項１、請求項２又は請求項３に記載の振動型ジャイロセンサ。