JP2005233811A

JP2005233811A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2005233811A
Application number: JP2004044269A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Uemura; 猛植村; Keisuke Kuroda; 啓介黒田; Toshiyuki Nozoe; 利幸野添
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-02
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: JP4428079B2

Abstract

【課題】電源回路部からの駆動電圧の供給が停止されても、是正信号を必要以上に大きくすることなく、振動子の破壊の恐れを抑制した角速度センサを提供することを目的としている。
【解決手段】軸部２１に一対のアーム部２２を有し、圧電素子からなる音叉型の振動子２３と、この振動子２３を駆動させ、振動子２３に与えられた角速度を検出する制御回路部２４とを備え、モニタ信号２７（振動周波数）の振幅とドライブ信号２５（特定周波数）の振幅との振幅差の最大値を予め設定するとともに、最大値を超える振幅差が生じた場合は、是正信号をドライブ信号２５に入力しない判定回路部４２を設けた構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等に用いる角速度センサに関するものである。

以下、従来の角速度センサについて図面を参照しながら説明する。

図９は従来の角速度センサの振動子の平面図、図１０は同角速度センサのブロック図、図１１は同角速度センサのドライブ信号およびモニタ信号およびセンス信号の波形図である。

図９、図１０において、従来の角速度センサは、軸部１に一対のアーム部２を有し、圧電素子からなる音叉型の振動子３と、この振動子３を駆動させ、振動子３に与えられた角速度を検出する制御回路部４とを備えている。

まず、振動子３には、振動子３を特定周波数で振動させるためのドライブ信号５を入力するドライブ電極部６と、振動子３の振動周波数を検知しモニタ信号７として出力するモニタ電極部８と、振動子３に与えられた角速度に起因してモニタ信号７に同期した同期周波数を検知しセンス信号９として出力するセンス電極部１０とを形成している。ドライブ電極部６およびセンス電極部１０はアーム部２に形成し、モニタ電極部８は軸部１とアーム部２の境界近傍に形成している。

次に、制御回路部４には、振動子３のモニタ電極部８に接続したモニタ回路部１１、このモニタ回路部１１に接続したＡＧＣ回路部１２、このＡＧＣ回路部１２に接続した駆動回路部１３、振動子３のセンス電極部１０に接続した角速度検出回路部１４を設けている。

モニタ回路部１１は、モニタ電極部８から出力されたモニタ信号７を入力する増幅器と、この増幅器の出力信号を入力するバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタの出力信号を入力する整流器と、この整流器の出力信号を入力する平滑回路とにより構成している。

ＡＧＣ回路部１２は、モニタ回路部１１における平滑回路の出力信号を入力し、かつモニタ回路部１１におけるバンドパスフィルタの出力信号を増幅あるいは減衰させる機能を有している。

駆動回路部１３は、増幅あるいは減衰されたバンドパスフィルタの出力信号を、振動子３の駆動用のドライブ信号５としてドライブ電極部６に出力している。

角速度検出回路部１４は、センス電極部１０から出力されたセンス信号９から角速度の値を検出している。

また、振動子３はドライブ電極部６からドライブ信号５が入力されることによって振動して駆動するとともに、その振動はモニタ電極部８からモニタ信号７として出力されるが、このドライブ信号５は特定周波数の正弦波であり、このドライブ信号５（特定周波数の正弦波）の振幅が、モニタ信号７（振動子３の振動に起因した振動周波数の正弦波）の振幅と異なる場合、モニタ信号７の振幅とドライブ信号５の振幅が互いに一致するように制御されている。具体的には、モニタ信号７の振幅がドライブ信号５の振幅よりも小さい場合は、ドライブ信号５の振幅を増加させる是正信号がドライブ信号５に付加されており、モニタ信号７の振幅がドライブ信号５の振幅よりも大きい場合は、ドライブ信号５の振幅を減少させる是正信号がドライブ信号５に付加されている。これらの機能はＡＧＣ回路部１２と駆動回路部１３によって行っており、振動子３の振動が一定振幅に保持されるようになっている。

上記角速度センサにおいて、ドライブ信号５、モニタ信号７、センス信号９の関係は、図１１に示すようになる。すなわち、図１１（ａ）に示すように、特定周波数の正弦波からなるドライブ信号５に対して、図１１（ｂ）に示すように、振動子３の振動に起因した振動周波数の正弦波からなるモニタ信号７がドライブ信号５と同位相で出力され、振動子３に与えられる角速度に応じて、図１１（ｃ）に示すように、モニタ信号７に同期して位相の９０度進んだ正弦波からなるセンス信号９が出力される。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２０００−１９３４５９号公報

上記従来の構成では、図１２に示すように、ドライブ信号５の振幅に対して、モニタ信号７の振幅が小さくなった場合は、ＡＧＣ回路部１２によって、ドライブ信号５の振幅を増加させる是正信号が駆動回路部１３に出力され、ドライブ信号５に付加される。

このＡＧＣ回路部１２および駆動回路部１３を駆動させるための駆動電圧は制御回路部４に接続された電源回路部（図示せず）から供給されるが、この電源回路部から駆動電圧の供給が停止された場合、例えば、エンジンの停止等が行われた場合、駆動回路部１３から出力されるドライブ信号５も停止される。

この際、駆動回路部１３の他、制御回路部４の他の回路部も含め、一般的に、すべての回路が瞬時に停止することは難しい。すなわち、ドライブ信号５の停止が完全に完了するまでの時間において、駆動回路部１３に供給される電圧の急激な低下に応じてドライブ信号５の振幅も急激に低下し、振動子３の振動にともなうモニタ信号７の振幅も非常に小さくなる。反対にこれを是正するための是正信号は非常に大きくなり、ドライブ信号５の振幅を非常に大きくする是正信号が駆動回路部１３から振動子３のドライブ電極部６に出力される。

このような状態になると、振動子３は必要以上に駆動され、振動子３が破壊される恐れを生じるという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決するものであり、電源回路部からの駆動電圧の供給が停止されても、是正信号を必要以上に大きくすることなく、振動子の破壊の恐れを抑制した角速度センサを提供することを目的としている。

上記従来の問題点を解決するために本発明は、特に、振動周波数の振幅と特定周波数の振幅との振幅差の最大値を予め設定するとともに、最大値を超える振幅差が生じた場合は、是正信号をドライブ信号に付加しない判定回路を設けた構成である。

以上のように本発明によれば、振動周波数の振幅と特定周波数の振幅との振幅差の最大値を予め設定するとともに、最大値を超える振幅差が生じた場合は、是正信号をドライブ信号に入力しない判定回路を設けているので、電源回路部から駆動電圧の供給が停止され、駆動回路部に供給される電圧の急激な低下に起因して是正信号が非常に大きくなっても、上記最大値を超える振幅差が生じていれば、その是正信号はドライブ信号に付加されないので、振動子の破壊の恐れを抑制することができる。

以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における角速度センサのブロック図、図２は同角速度センサに用いる振動子の平面図、図３は同角速度センサの動作状態における各電極部の入出力信号の波形図、図４は同角速度センサの位相ずれが生じたドライブ信号およびモニタ信号の波形図、図５は同角速度センサのドライブ信号およびモニタ信号の波形図、図６はＨ字形状の同角速度センサに用いる振動子の平面図である。

図１、図２において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、軸部２１に一対のアーム部２２を有し、圧電素子からなる音叉型の振動子２３と、この振動子２３を駆動させ、振動子２３に与えられた角速度を検出する制御回路部２４とを備えている。

まず、振動子２３には、振動子２３を特定周波数で振動させるためのドライブ信号２５を入力するドライブ電極部２６と、振動子２３の振動周波数を検知しモニタ信号２７として出力するモニタ電極部２８と、振動子２３に与えられた角速度に起因してモニタ信号２７に同期した同期周波数を検知しセンス信号２９として出力するセンス電極部３０とを形成している。ドライブ電極部２６およびセンス電極部３０はアーム部２２に形成し、モニタ電極部２８は軸部２１とアーム部２２の境界近傍に形成している。

次に、制御回路部２４には、振動子２３のモニタ電極部２８に接続したモニタ回路部３１、このモニタ回路部３１に接続したＡＧＣ回路部３２、このＡＧＣ回路部３２に接続した駆動回路部３３、振動子２３のセンス電極部３０に接続した角速度検出回路部３４を設けている。

モニタ回路部３１は、モニタ電極部２８から出力されたモニタ信号２７を入力する増幅器と、この増幅器の出力信号を入力するバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタの出力信号を入力する整流器と、この整流器の出力信号を入力する平滑回路とにより構成している。

ＡＧＣ回路部３２は、モニタ回路部３１における平滑回路の出力信号を入力し、かつモニタ回路部３１におけるバンドパスフィルタの出力信号を増幅あるいは減衰させる機能を有している。

駆動回路部３３は、増幅あるいは減衰されたバンドパスフィルタの出力信号を、振動子２３の駆動用のドライブ信号２５としてドライブ電極部２６に出力している。

角速度検出回路部３４は、センス電極部３０から出力されたセンス信号２９から角速度の値を検出している。

上記角速度センサにおいて、ドライブ信号２５、モニタ信号２７、センス信号２９の関係は、図３に示すようになる。すなわち、図３（ａ）に示すように、特定周波数の正弦波からなるドライブ信号２５に対して、図３（ｂ）に示すように、振動子２３の振動に起因した振動周波数の正弦波からなるモニタ信号２７がドライブ信号２５と同位相で出力され、振動子２３に与えられる角速度に応じて、図３（ｃ）に示すように、モニタ信号２７に同期して位相の９０度進んだ正弦波からなるセンス信号２９が出力される。

また、振動子２３はドライブ電極部２６からドライブ信号２５が入力されることによって振動して駆動するとともに、その振動はモニタ電極部２８からモニタ信号２７として出力されるが、このドライブ信号２５は特定周波数の正弦波であり、このドライブ信号２５（特定周波数の正弦波）の振幅が、モニタ信号２７（振動子２３の振動に起因した振動周波数の正弦波）の振幅と異なる場合、モニタ信号２７の振幅とドライブ信号２５の振幅が互いに一致するように制御されている。

具体的には、図４に示すように、モニタ信号２７の振幅がドライブ信号２５の振幅よりも小さい場合は、ドライブ信号２５の振幅を増加させる是正信号がドライブ信号２５に付加されており、図５に示すように、モニタ信号２７の振幅がドライブ信号２５の振幅よりも大きい場合は、ドライブ信号２５の振幅を減少させる是正信号がドライブ信号２５に付加されている。これらの機能はＡＧＣ回路部３２と駆動回路部３３からなる付加回路部４３によって行っており、振動子２３の振動が一定振幅に保持されるようになっている。

さらに、この付加回路部４３には、モニタ信号２７（振動周波数）の振幅とドライブ信号２５（特定周波数）の振幅との振幅差の最大値を予め設定するとともに、最大値を超える振幅差が生じた場合は、是正信号をドライブ信号２５に付加しない判定回路部４２を接続している。

また、制御回路部２４には、振動子２３に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検知したセンス信号２９の信号成分をノイズ信号成分として、センス信号２９の信号成分からノイズ信号成分を除去する補正回路部３５を設けている。

ノイズ信号成分には第１ノイズ信号成分と第２ノイズ信号成分とがある。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１のノイズ信号成分は、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれていない状態において生じたものである。

この第１ノイズ信号成分は振動子２３の質量バランスによって生じるものである。例えば、Ｕ字形状やＨ字形状の音叉型の振動子２３の場合、それぞれのアーム部２２の質量にバラツキがあると第１ノイズ信号成分が生じる。また、音叉型でなく、柱状や錐状の形状の振動子２３においても、重心を基準にして、質量差があると、第１ノイズ信号成分が生じる。Ｈ字形状の音叉型の振動子２３としては、図６に示すものがある。この振動子２３では、軸部２１に対してアーム部２２が４つあり、ドライブ電極部２６およびモニタ電極部２８およびセンス電極部３０がそれぞれ軸部２１およびアーム部２２に形成されている。

第２ノイズ信号成分は、第１ノイズ信号成分を除いたものであって、図３（ａ）、（ｂ）に示すモニタ信号２７とセンス信号２９において、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれている状態に起因して生じたものであり、図７（ａ）、（ｂ）に示すような位相ずれ（Ｗ）に起因して生じる。このような位相が互いにずれる状態になるのは、制御回路部２４内の温度上昇に起因する。

補正回路部３５は、図８に示すように、第１ノイズ信号成分の除去用として第１ノイズ用補正回路３６と第２ノイズ信号成分の除去用として第２ノイズ用補正回路３７とを有しており、モニタ回路部３１の増幅器に接続している。

第１ノイズ用補正回路３６および第２ノイズ用補正回路３７には、第１ノイズ信号成分と第２ノイズ信号成分を予め記憶したメモリ部３８を接続し、このメモリ部３８に予め記憶した第１ノイズ信号成分および第２ノイズ信号成分をセンス信号２９の信号成分から定常的に除去している。特に、第１ノイズ用補正回路３６および第２ノイズ用補正回路３７は、内部抵抗を有するスイッチ３９とラダー抵抗４０とを組み合わせて形成しており、ラダー抵抗４０の抵抗値をトランジスタ等のスイッチ３９の内部抵抗の抵抗値に対して１００倍以上に設定している。

モニタ信号２７およびセンス信号２９は、図１の増幅器において、それぞれ互いに増幅するとともに、この増幅度を略同等にしている。センス電極部３０から出力されるセンス信号２９の増幅器が２つあるのは、センス電極部３０を２つ設けているからである。

上記構成により、振動子２３に質量バランスがあっても、その質量バランスに起因して生じたセンス信号２９成分はノイズ信号成分として除去する補正回路部３５を設けているので、正確な角速度を算出することができる。

また、ノイズ信号成分を予め記憶したメモリ部３８を補正回路部３５に接続し、メモリ部３８に予め記憶したノイズ信号成分をセンス信号２９の信号成分から定常的に除去しているので、角速度センサの動作状態において、定常的に正確な角速度を算出することができる。このメモリ部３８は、ＥＥＰＲＯＭ等を用いている。

また、補正回路部３５には、内部抵抗を有するスイッチ３９とラダー抵抗４０とを組み合わせて形成した回路を設け、ラダー抵抗４０の抵抗値をスイッチ３９の内部抵抗の抵抗値に対して１００倍以上に設定しているので、スイッチ３９をオフからオン状態に切り替えた際に、そのオン抵抗が小さくなり、インピーダンスマッチングが向上する。

また、ノイズ信号成分は、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれていない状態において生じた第１ノイズ信号成分とし、補正回路部３５は第１ノイズ信号成分を除去する専用の第１ノイズ用補正回路３６を設けているので、複数のノイズ信号成分の内、確実に第１ノイズ信号成分を除去できる。

また、ノイズ信号成分は、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれていない状態において生じた第１ノイズ信号成分を除いたものであって、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれている状態に起因して生じた第２のノイズ信号成分とし、補正回路部３５は第２ノイズ信号成分を除去する専用の第２ノイズ用補正回路３７を設けているので、複数のノイズ信号成分の内、確実に第２ノイズ信号成分を除去できる。

また、モニタ信号２７およびセンス信号２９は増幅器により互いに増幅するとともに、この増幅度を略同等にしているので、第２ノイズ信号成分の除去がし易い。

なお、本実施の形態において、ノイズ信号成分を取り出すとともに、メモリ部３８にノイズ信号成分を記憶させるためのノイズ信号端子４１を設けて、ノイズ信号成分をメモリ部３８に記憶させた後に、ノイズ信号端子４１を非導通にしてもよい。この場合、ノイズ信号端子４１は非道通にしているので、製造工程中や実装基板への実装後に、ノイズ信号端子４１に不要に電流が流れ、角速度センサに悪影響を発生させることを抑制できる。

以上のように、本発明にかかる角速度センサは、振動子に質量バランスがあっても、その質量バランスに起因して生じたセンス信号成分はノイズ信号成分として除去する補正回路部を設けているので、正確な角速度を算出することができ、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等の用途に適用できる。

本発明の一実施の形態における角速度センサのブロック図同角速度センサに用いる振動子の平面図同角速度センサのドライブ信号およびモニタ信号およびセンス信号の波形図同角速度センサのドライブ信号およびモニタ信号の波形図同角速度センサのドライブ信号およびモニタ信号の波形図Ｈ字形状の音叉型の振動子の平面図同角速度センサの位相ずれが生じたドライブ信号およびモニタ信号の波形図同角速度センサの補正回路部およびこれに接続された増幅器を示す回路図従来の角速度センサの振動子の平面図同角速度センサのブロック図同角速度センサのドライブ信号およびモニタ信号およびセンス信号の波形図同角速度センサのドライブ信号およびモニタ信号の波形図

符号の説明

２１軸部
２２アーム部
２３振動子
２４制御回路部
２５ドライブ信号
２６ドライブ電極部
２７モニタ信号
２８モニタ電極部
２９センス信号
３０センス電極部
３１モニタ回路部
３２ＡＧＣ回路部
３３駆動回路部
３４角速度検出回路部
３５補正回路部
３６第１ノイズ用補正回路
３７第２ノイズ用補正回路
３８メモリ部
３９スイッチ
４０ラダー抵抗
４１ノイズ信号端子
４２判定回路部
４３付加回路部

Claims

振動子と、前記振動子を駆動して前記振動子に与えられた角速度を検出する制御回路部とを備え、前記振動子には、前記振動子を特定周波数で振動させるためのドライブ信号を入力するドライブ電極部と、前記振動子の振動周波数を検知しモニタ信号として出力するモニタ電極部と、前記振動子に与えられた角速度に起因して前記モニタ信号に同期した同期周波数を検知しセンス信号として出力するセンス電極部とを形成し、前記振動周波数の振幅が前記特定周波数の振幅と異なる場合、前記振動周波数の振幅と前記特定周波数の振幅が互いに一致するように、前記振動周波数の振幅が前記特定周波数の振幅よりも小さい場合は、前記特定周波数の振幅を増加させる是正信号を前記ドライブ信号に付加するとともに、前記振動周波数の振幅が前記特定周波数の振幅よりも大きい場合は、前記特定周波数の振幅を減少させる是正信号を前記ドライブ信号に付加する付加回路部を有し、前記振動周波数の振幅と前記特定周波数の振幅との振幅差の最大値を予め設定するとともに、最大値を超える振幅差が生じた場合は、前記是正信号を前記ドライブ信号に入力しない判定回路部を設けた角速度センサ。