JP2006170914A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動体を共振周波数で振動させることにより、角速度の検出精度を向上することができる角速度検出装置を提供する。
【解決手段】 導電性を有する振動体１０２と、振動体１０２との間に静電容量を生じさせる駆動用電極１０３と、駆動用電極１０３へ周期信号を供給することにより振動体１０２を振動させる駆動信号発生器７と、振動体１０２に角速度が印加された場合に振動体１０２に作用するコリオリ力に基づいて角速度を検出する角速度検出部と、周期信号とは逆極性の反転信号を出力する反転器８と、振動体１０２が振動して静電容量が変化することにより振動体１０２に誘起される誘起信号に反転信号を重畳させて重畳信号を生成するキャパシタＣ１とを備えた。そして、駆動信号発生器７は、キャパシタにより生成される重畳信号の位相を９０度ずらした信号を周期信号として駆動用電極へ供給するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、規定の振動を与えている振動体に外力による角速度が作用したときのコリオリ力を計測することによって角速度を計測する角速度検出装置に関する。

近年、自動車におけるサスペンションやエアバッグの制御装置、航空機における慣性航法システム、カメラの手ぶれ補正装置などにおいて、ジャイロセンサを用いた角速度検出装置が用いられている。この種の角速度検出装置として、規定の振動を与えている質量体に外力による角速度が作用したときのコリオリ力を計測することによって角速度を計測する振動式ジャイロセンサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図８は、背景技術に係るジャイロセンサの構成を説明するための概念図である。図８に示すジャイロセンサ１０１は、略直方体形状の導電体から構成された振動体１０２と、図８に示すように振動体１０２の一辺と平行方向にＸ軸をとると、振動体１０２の一辺と間隔を有してＸ軸方向に対向配置される駆動用電極１０３と、Ｘ軸と直交するＹ軸方向に振動体１０２を間に挟んで対向配置される検出用電極１０５及び１０６と、を備えている。駆動用電極１０３、検出用電極１０５，１０６は、それぞれ振動体１０２の一辺と間隔を有して対向配置され、振動体１０２との間に静電容量Ｃ１０３，Ｃ１０５，Ｃ１０６が形成されている。

図９は、ジャイロセンサ１０１の動作を説明するための説明図である。図８に示すジャイロセンサ１０１において、駆動用電極１０３に交流電圧を印加すると、振動体１０２と駆動用電極１０３との間に周期的な静電気力が発生し、振動体１０２がＸ軸方向に沿って振動する。この状態で、ジャイロセンサ１０１に紙面に垂直方向の軸まわりに角速度Ｒが印加されるとＹ軸方向にコリオリ力が発生し、コリオリ力に応じて振動体１０２がＹ軸方向に変位する。振動体１０２がＹ軸方向に変位すると、振動体１０２と検出用電極１０５及び１０６との間の静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６が変化する。従って、静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６は、振動体１０２の振動速度が一定であれば、ジャイロセンサ１０１に印加された角速度に応じて変化する。

ここで、角速度によって生じたコリオリ力によるＹ軸方向の変位は、Ｘ軸方向の振動速度に比例するため、振動体１０２の振動速度を大きく且つ一定の速度に保つことが必要である。そのためには、振動体１０２を固有の共振周波数で振動させることが望ましい。一般に、物体の変位を表す信号波形から９０度位相がずれた信号を用いて物体を振動させることにより、その物体を共振周波数で振動させうることが知られている。そこで、従来、振動体１０２を振動させた場合におけるＸ軸方向の振動体１０２の機械的変位を示す検出信号を、９０度位相シフトして駆動用電極１０３へ駆動用電圧として供給することにより、振動体１０２を共振周波数で共振させるようにしている。

図１０は、背景技術に係る角速度検出装置の電気的構成を示すブロック図である。図１０において、ジャイロセンサ１０１は等価回路で示されている。図１０に示す角速度検出装置１００は、ジャイロセンサ１０１、キャリア発生回路１１１、Ｉ／Ｖ変換器１１２、バンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦと略称する）１１３、アンプ１１４、同期検波回路１１５、ＢＰＦ１１６、及び駆動信号発生器１１７を備えている。

駆動信号発生器１１７は、静電容量Ｃ１０３へ振動体１０２における共振周波数の交流電圧を駆動用電圧として供給することにより、振動体１０２を振動させる。振動体１０２の共振周波数は、例えば１〜９ｋＨｚ程度である。キャリア発生回路１１１は、静電容量検出用の所定の周波数、例えば１００ｋＨｚの周波数を有するキャリア信号を、静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６へ互いに位相を１８０度異ならせて供給する。図１０に示すジャイロセンサ１０１の等価回路において、静電容量Ｃ１０３，Ｃ１０５，Ｃ１０６は振動体１０２に接続されており、振動体１０２はＩ／Ｖ変換器１１２に接続されている。

そして、静電容量Ｃ１０５とＣ１０６とが等しい場合、すなわち振動体１０２が検出用電極１０５及び１０６の中央に位置する場合、キャリア発生回路１１１から静電容量Ｃ１０５を介してＩ／Ｖ変換器１１２へ流れる電流Ｉ₁₀₅と静電容量Ｃ１０６を介してＩ／Ｖ変換器１１２へ流れる電流Ｉ₁₀₆とが相殺され、ゼロになるようにされている。また、ジャイロセンサ１０１に角速度が印加され振動体１０２の位置がコリオリ力によって変位すると、振動体１０２と検出用電極１０５及び１０６との間の距離が変化して静電容量Ｃ１０５とＣ１０６との間に差異が生じる結果、電流Ｉ₁₀₅と電流Ｉ₁₀₆との間に差異が生じ、電流Ｉ₁₀₅と電流Ｉ₁₀₆との差分に相当する検出電流Ｉ₁がＩ／Ｖ変換器１１２へ流れるようにされている。すなわち、Ｉ／Ｖ変換器１１２へ流れる検出電流Ｉ₁に基づいて、振動体１０２のコリオリ力による変位量を検出することができるようになっている。

一方、駆動信号発生器１１７から駆動用電極１０３へ駆動用電圧が供給されることにより、駆動信号発生器１１７から振動体１０２へ静電容量Ｃ１０３を介して電流Ｉ₁₀₃が流れる。この場合、電流Ｉ₁₀₃は、振動体１０２が振動して振動体１０２と駆動用電極１０３との間隔が変化し、従って静電容量Ｃ１０３が変化することにより重畳される信号成分、すなわち振動体１０２を振動させた場合におけるＸ軸方向の振動体１０２の機械的変位を示す信号成分（以下、振動成分と称する）と、駆動用電圧が静電容量Ｃ１０３を通過することにより生じる信号成分（以下、駆動電圧成分と称する）と、を含んでいる。

そして、検出電流Ｉ₁と、電流Ｉ₁₀₃とを加算した電流が、Ｉ／Ｖ変換器１１２によって電圧信号に変換され、ＢＰＦ１１３によってキャリア信号の周波数例えば１００ｋＨｚの周波数成分、すなわち検出電流Ｉ₁に応じた周波数成分がアンプ１１４へ出力され、アンプ１１４により増幅され、同期検波回路１１５によってキャリア信号に基づき同期検波されて、振動体１０２の変位量すなわちジャイロセンサ１０１に印加された角速度を表す検出信号Ｓｏｕｔが出力される。

一方、Ｉ／Ｖ変換器１１２の出力信号は、ＢＰＦ１１６によって振動体１０２の共振周波数（例えば２ｋＨｚ）付近の周波数成分、すなわち電流Ｉ₁₀₃に応じた周波数成分が振動体１０２の変位を示す振動検出信号Ｓｄとして駆動信号発生器１１７へ出力され、さらに駆動信号発生器１１７により振動検出信号Ｓｄが９０度位相をずらして駆動用電極１０３へ駆動用電圧として供給されることにより、振動体１０２が共振周波数で振動されるようになっている。
特開平８−２４７７６７号公報

ところで、上述のように構成された角速度検出装置では、電流Ｉ₁₀₃に基づき得られた振動検出信号Ｓｄの位相を９０度ずらして駆動用電極１０３へ駆動用電圧として供給するので、駆動用電極１０３へ供給される駆動用電圧にも、電流Ｉ₁₀₃に含まれる振動成分と駆動電圧成分とが含まれることとなる。

図１１は、上述のように構成された角速度検出装置１００において検出される振動検出信号Ｓｄを説明する信号波形図である。図１１において、振動検出信号Ｓｄにおける振動成分を実線の振動成分信号１２１で示し、振動検出信号Ｓｄにおける駆動電圧成分を破線の駆動電圧成分信号１２２で示している。図１１に示すように、振動成分信号１２１と駆動電圧成分信号１２２とは、周波数が等しく、位相が異なる信号となる。また、振動検出信号Ｓｄは、振動成分信号１２１と駆動電圧成分信号１２２とが合成された信号となる。

図１２は、振動成分信号１２１の周波数特性を示す図である。図１２（ａ）は、振動成分信号１２１の周波数と振動体１０２の振幅変位量との関係を示し、図１２（ｂ）は、振動成分信号１２１における周波数と位相変位量との関係を示している。図１２（ａ）に示すように、振動成分信号１２１の周波数が振動体１０２の共振周波数ｆ₀となった場合に振動体１０２の振幅変位量が最大となる。また、図１２（ｂ）に示すように、振動成分信号１２１の位相は振動成分信号１２１の周波数に応じて変化し、振動成分信号１２１の周波数が振動体１０２の共振周波数ｆ₀となった場合に位相変位量が９０度となる。従って、振動成分信号１２１の位相を９０度ずらして駆動用電極１０３へ駆動用電圧として供給することにより、振動体１０２を共振周波数で振動させることができる。

図１３は、駆動電圧成分信号１２２の周波数特性を示す図である。図１３（ａ）は、駆動電圧成分信号１２２の周波数と振動体１０２の振幅変位量との関係を示し、図１３（ｂ）は、駆動電圧成分信号１２２における周波数と位相変位量との関係を示している。図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、振動成分信号１２１の周波数が変化しても振動体１０２の振幅変位量及び位相変化量は一定である。従って、駆動電圧成分信号１２２と振動体１０２の共振周波数ｆ₀との間には相関関係が無く、駆動電圧成分信号１２２の位相を９０度ずらして駆動用電極１０３へ駆動用電圧として供給したとしても振動体１０２を共振周波数で振動させることはできない。

従って、振動体１０２を共振周波数で安定して振動させるためには、振動体１０２を振動させた場合におけるＸ軸方向の振動体１０２の機械的変位を示す検出信号、すなわち振動成分信号１２１を９０度位相をシフトして駆動用電極１０３へ駆動用電圧として供給する必要がある。

ところが、振動検出信号Ｓｄには、振動成分信号１２１と駆動電圧成分信号１２２とが含まれているので、振動検出信号Ｓｄを９０度位相シフトして駆動用電圧として駆動用電極１０３へ供給したとしても、振動体１０２を安定して共振周波数で振動させることができず、従って振動体１０２に印加された角速度に基づくコリオリ力によるＹ軸方向の変位量が安定せず、Ｙ軸方向の変位量に応じて出力される角速度を表す検出信号Ｓｏｕｔの精度が低下してしまうという不都合があった。

この場合、振動検出信号Ｓｄからフィルタを用いて振動成分信号１２１を分離することが考えられるが、振動成分信号１２１と駆動電圧成分信号１２２とは、周波数が同一であるため振動検出信号Ｓｄからフィルタを用いて振動成分信号１２１を分離することが困難である。

本発明は、このような問題に鑑みて為された発明であり、振動体を共振周波数で振動させることにより、角速度の検出精度を向上することができる角速度検出装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る角速度検出装置は、電極と、前記電極と対向配置されて静電容量を生じる振動体と、前記電極へ周期信号を供給することにより前記振動体を振動させる駆動信号発生部と、前記振動体に角速度が印加された場合に前記振動体に作用するコリオリ力に基づいて前記角速度を検出する角速度検出部と、前記周期信号とは逆極性の反転信号を出力する反転信号出力部と、前記振動体が振動して前記静電容量が変化することにより前記振動体に誘起される誘起信号に前記反転信号を重畳させて重畳信号を生成するキャパシタと、を備え、前記駆動信号発生部は、前記キャパシタにより生成される重畳信号の位相を９０度ずらした信号を前記周期信号として前記電極へ供給することを特徴としている。

また、上述の角速度検出装置において、前記キャパシタは、前記静電容量と略同一の静電容量を有することを特徴としている。

そして、上述の角速度検出装置において、前記反転信号出力部は、前記反転信号の増幅率が可変にされていることを特徴としている。

さらに、上述の角速度検出装置において、前記反転信号出力部における前記増幅率を設定する増幅率設定部をさらに備え、前記増幅率設定部は、前記キャパシタにより生成される重畳信号のレベルを最少にするべく前記反転信号出力部における増幅率を設定する設定動作を行うことを特徴としている。

また、上述の角速度検出装置において、前記増幅率設定部は、前記設定動作を行う場合、前記駆動信号発生部により供給される周期信号の周波数を前記振動体の共振周波数とは異なる周波数にさせることを特徴としている。

そして、上述の角速度検出装置において、前記キャパシタにより生成された重畳信号を増幅して前記駆動信号発生部へ供給する重畳信号増幅部をさらに備え、前記駆動信号発生部は、前記重畳信号増幅部により増幅された信号の位相を９０度ずらした信号を前記周期信号として前記電極へ供給し、前記重畳信号増幅部は、前記増幅率設定部により前記設定動作が実行された後、前記重畳信号を増幅する増幅率を増大させることを特徴としている。

このような構成の角速度検出装置は、駆動信号発生部によって電極へ周期信号を供給することにより生じる静電気力によって振動体が振動し、このように振動体が振動して電極との間の静電容量が変化することにより、静電容量を介して振動体に印加される周期信号に振動体の機械的変位を示す信号成分が重畳された信号が、振動体に誘起信号として誘起される。そして、キャパシタによって、周期信号とは逆極性の反転信号が振動体に誘起された誘起信号に重畳されることにより誘起信号に含まれる周期信号成分が差し引かれ、振動体の機械的変位を示す信号成分を有する重畳信号が生成される。さらに、駆動信号発生部によって、この振動体の機械的変位を示す重畳信号の位相を９０度ずらした信号が周期信号として電極へ供給されることにより、振動体が共振周波数で振動する。振動体が共振周波数で振動すると、振動体の振動速度が安定化され、振動体に角速度が印加された場合に振動体に作用するコリオリ力の安定性が向上するので、角速度検出部によってコリオリ力に基づいて検出される角速度の精度を向上することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る角速度検出装置の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す角速度検出装置１は、Ｉ／Ｖ変換器２、バンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦと略称する）３、アンプ４、同期検波回路５、ＢＰＦ６、駆動信号発生器７、キャパシタＣ１、反転信号出力部の一例である反転器８、キャリア発生回路９、及びジャイロセンサ１０１を備えている。図１において、ジャイロセンサ１０１は等価回路で示されている。また、Ｉ／Ｖ変換器２、ＢＰＦ３、アンプ４、同期検波回路５、駆動信号発生器７、キャリア発生回路９、及びジャイロセンサ１０１によって、振動体１０２に角速度が印加された場合に振動体１０２に作用するコリオリ力に基づいて角速度を検出する角速度検出部の一例が構成されている。また、図８に示すジャイロセンサ１０１における駆動用電極１０３は、請求項における電極の一例に相当している。ジャイロセンサ１０１の構成は、図８及び図１０に示すジャイロセンサ１０１と同様であるので、その説明を省略する。

駆動信号発生器７は、例えばオールパスフィルタを用いた位相シフト回路やＰＬＬ（Phase-Locked Loop）回路等を用いて構成され、ＢＰＦ６から出力された振動検出信号Ｓｄの位相を９０度シフトして駆動用電極１０３（静電容量Ｃ１０３）へ供給することにより振動体１０２における共振周波数の交流電圧である駆動用電圧Ｖｄ（周期信号）を生成し、振動体１０２を共振周波数で振動させる。振動体１０２の共振周波数は、例えば２．３ｋＨｚである。また、駆動信号発生器７は、駆動用電圧Ｖｄを反転器８へ出力する。キャリア発生回路９は、静電容量検出用の所定の周波数、例えば１００ｋＨｚの周波数を有するキャリア信号を、検出用電極１０５及び１０６（静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６）へ互いに位相を１８０度異ならせて供給する。また、振動体１０２はＩ／Ｖ変換器２に接続されている。

反転器８は、駆動信号発生器７から静電容量Ｃ１０３へ供給される駆動用電圧Ｖｄの極性を反転（位相を１８０度シフト）して、キャパシタＣ１を介して振動体１０２とＩ／Ｖ変換器２との接続点へ出力する。キャパシタＣ１は、静電容量Ｃ１０３と略同等の静電容量を有する。Ｉ／Ｖ変換器２は、入力された電流を電圧に変換し、電圧信号ＳｖとしてＢＰＦ３及び６へ出力する。

ＢＰＦ３は、Ｉ／Ｖ変換器２から出力された電圧信号Ｓｖのうちキャリア発生回路９から出力されるキャリア信号の周波数、例えば１００ｋＨｚの周波数成分（振動体１０２に印加された角速度が反映された周波数成分）を選択的に通過させてアンプ４へ出力する。アンプ４は、ＢＰＦ３から出力された信号を増幅して同期検波回路５へ出力する。同期検波回路５は、アンプ４から出力された信号を、キャリア発生回路９から出力されるキャリア信号に基づき同期検波し、振動体１０２の変位量すなわちジャイロセンサ１０１に印加された角速度を表す検出信号Ｓｏｕｔを出力する。

ＢＰＦ６は、Ｉ／Ｖ変換器２から出力された電圧信号Ｓｖのうち駆動信号発生器７から出力される駆動用電圧Ｖｄの周波数（振動体１０２の共振周波数）、例えば２．３ｋＨｚの周波数成分を振動検出信号Ｓｄとして駆動信号発生器７へ出力する。

次に、上述のように構成された角速度検出装置１の動作を説明する。まず、駆動信号発生器７は、任意の周波数信号を駆動用電圧Ｖｄとして駆動用電極１０３（静電容量Ｃ１０３）へ供給する。そうすると、振動体１０２は、駆動用電極１０３との間に生じる静電気力によって振動すると共に、駆動信号発生器７から振動体１０２へ静電容量Ｃ１０３を介して電流Ｉ₁₀₃が流れる。この場合、振動体１０２が振動して振動体１０２と駆動用電極１０３との間隔が変化することにより静電容量Ｃ１０３が変化するので、電流Ｉ₁₀₃には、静電容量Ｃ１０３が変化することにより重畳される信号成分すなわち振動体１０２を振動させた場合におけるＸ軸方向の振動体１０２の機械的変位を示す振動成分と、駆動用電圧Ｖｄが静電容量Ｃ１０３を通過することにより生じる駆動電圧成分とが含まれている。この場合、電流Ｉ₁₀₃が請求項における誘起信号に相当している。

次に、反転器８によって、駆動信号発生器７から静電容量Ｃ１０３へ供給される駆動用電圧Ｖｄの極性を反転（位相を１８０度シフト）した反転信号がキャパシタＣ１を介して振動体１０２とＩ／Ｖ変換器２との接続点へ出力される。そうすると、キャパシタＣ１は静電容量Ｃ１０３と略同等の静電容量を有するので、キャパシタＣ１に流れる電流Ｉ_C1は、電流Ｉ₁₀₃における駆動電圧成分と略同等であって流れる方向が逆方向の電流にされる。従って、振動体１０２からＩ／Ｖ変換器２へ流れる電流Ｉ₁₀₃から電流Ｉ_C1、すなわち駆動電圧成分に相当する電流が差し引かれ、振動成分を示す電流Ｉ₂がＩ／Ｖ変換器２へ供給される。これにより、電流Ｉ₁₀₃から駆動電圧成分を差し引いて、振動成分を示す電流Ｉ₂をＩ／Ｖ変換器２へ供給することができる。この場合、電流Ｉ₂は重畳信号の一例に相当している。

次に、Ｉ／Ｖ変換器２によって電流Ｉ₂が電圧に変換され、電圧信号ＳｖとしてＢＰＦ３及び６へ出力される。そして、ＢＰＦ６によって、Ｉ／Ｖ変換器２から出力された電圧信号Ｓｖのうち振動体１０２の共振周波数、例えば２．３ｋＨｚの周波数成分が振動検出信号Ｓｄとして駆動信号発生器７へ出力され、振動検出信号Ｓｄが駆動信号発生器７によって９０度位相がずらされて駆動用電圧Ｖｄとして駆動用電極１０３（静電容量Ｃ１０３）へ供給されることにより、振動体１０２が共振周波数で振動する。

この場合、反転器８とキャパシタＣ１とによって電流Ｉ₁₀₃から駆動電圧成分が差し引かれて振動成分を示す電流Ｉ₂が生成され、この電流Ｉ₂応じて生成された振動成分を示す電圧信号Ｓｖの位相が９０度ずらされて駆動用電圧Ｖｄとして駆動用電極１０３（静電容量Ｃ１０３）へ供給されるので、振動体１０２を安定して共振周波数で振動させることができる。

次に、振動体１０２が共振周波数で振動している状態で、キャリア発生回路９から、例えば１００ｋＨｚのキャリア信号が検出用電極１０５及び１０６（静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６）へ互いに位相を１８０度異ならせて供給される。そして、ジャイロセンサ１０１に角速度が印加され振動体１０２の位置がＹ軸方向にコリオリ力によって変位すると、振動体１０２と検出用電極１０５及び１０６との間の距離が変化して静電容量Ｃ１０５とＣ１０６との間に差異が生じる結果、電流Ｉ₁₀₅と電流Ｉ₁₀₆との間に差異が生じ、電流Ｉ₁₀₅と電流Ｉ₁₀₆との差分に相当する検出電流Ｉ₁がＩ／Ｖ変換器２へ流れる。従って、検出電流Ｉ₁と電流Ｉ₂とを合成した電流（Ｉ₁＋Ｉ₂）がＩ／Ｖ変換器２に入力され、Ｉ／Ｖ変換器２によって電流（Ｉ₁＋Ｉ₂）が電圧に変換され、電圧信号ＳｖとしてＢＰＦ３及び６へ出力される。

次に、ＢＰＦ３によって、Ｉ／Ｖ変換器２から出力された電圧信号Ｓｖのうちキャリア発生回路９から出力されるキャリア信号の周波数、例えば１００ｋＨｚの周波数成分が通過され、アンプ４へ出力される。これにより、電圧信号Ｓｖのうち電流Ｉ₁に基づく信号成分、すなわちジャイロセンサ１０１に印加された角速度が反映されている信号成分がＢＰＦ３からアンプ４へ出力される。

そして、ＢＰＦ３から出力された角速度が反映されている信号が、アンプ４によって増幅されて同期検波回路５へ出力され、同期検波回路５によってアンプ４から出力された信号がキャリア発生回路９から出力されるキャリア信号に基づき同期検波され、振動体１０２の変位量すなわちジャイロセンサ１０１に印加された角速度を表す検出信号Ｓｏｕｔが出力される。

この場合、振動体１０２を安定して共振周波数で振動させた状態で、振動体１０２に印加された角速度に応じて振動体１０２に作用するコリオリ力に基づく電流Ｉ₁を検出することができ、電流Ｉ₁に基づいて角速度を表す検出信号Ｓｏｕｔが生成されるので、振動体１０２の共振周波数による振動を安定化し、角速度の検出精度を向上することができる。

なお、ジャイロセンサ１０１は、図８に示すように水平面内に振動体１０２、駆動用電極１０３、及び検出用電極１０５，１０６を配置して振動体１０２を水平方向に振動させる例を示したが、図２に示すように駆動用電極１０３を振動体１０２の下部に配置して、振動体１０２を垂直方向（Ｚ軸方向）に振動させるようにしてもよい。角速度Ｒが印加された場合における図２に示すジャイロセンサ１０１ａに作用するコリオリ力Ｆは、下記式（１）によって示される。

Ｆ＝２ｍｖ×Ｒ ・・・（１）
ただし、ｍは振動体１０２の質量、ｖは振動体１０２の変位速度である。

式（１）から、コリオリ力Ｆは、振動体１０２の質量ｍに比例する。従って、質量ｍを大きくするほど振動体１０２に作用するコリオリ力を増大させ、振動体１０２の変位量を増大させることができるので、角速度Ｒに応じて得られる検出電流Ｉ₁を増大させることができる結果、角速度の検出精度を向上させることができる。

一方、図２に示すように駆動用電極１０３を振動体１０２の下部に配置する構成とすれば、駆動用電極１０３の面積を増大させて駆動用電極１０３と振動体１０２との間の静電容量Ｃ１０３を増大させ、静電気力による振動体１０２の駆動力を増大させることが容易となる。従って、図２に示すジャイロセンサ１０１ａの構成によれば、駆動用電極１０３による振動体１０２の駆動力を増大させ、振動体１０２の質量を増大させることにより検出電流Ｉ₁を増大させて角速度の検出精度を向上させることが容易となる。

この場合、静電容量Ｃ１０３を増大させると、静電容量Ｃ１０３を流れる電流Ｉ₁₀₃における駆動電圧成分が増大することとなる。しかし、図１に示す角速度検出装置１においては、図２に示すジャイロセンサ１０１ａを用いて静電容量Ｃ１０３を増大させた場合であってもキャパシタＣ１の静電容量を静電容量Ｃ１０３と略同一にすることにより、電流Ｉ₁₀₃における駆動電圧成分を除去することができるので、駆動電圧成分の影響を排除して振動体１０２の共振周波数による振動を安定化し、角速度の検出精度を向上することが容易である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る角速度検出装置について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係る角速度検出装置１ａの構成の一例を示すブロック図である。図３に示す角速度検出装置１ａと図１に示す角速度検出装置１とでは、下記の点で異なる。すなわち、図３に示す角速度検出装置１ａでは、反転器８ａにおける反転信号の増幅率が可変にされている。その他の構成は図１に示す角速度検出装置１と同様であるのでその説明を省略し、以下本実施形態の特徴的な点について説明する。

図３に示す角速度検出装置１ａでは、図１に示す角速度検出装置１と同様に、反転器８ａによって駆動用電圧Ｖｄの極性を反転した反転信号がキャパシタＣ１を介して振動体１０２とＩ／Ｖ変換器２との接続点へ出力されることにより、振動体１０２からＩ／Ｖ変換器２へ流れる電流Ｉ₁₀₃から電流Ｉ_C1、すなわち駆動電圧成分に相当する電流が差し引かれ、振動成分を示す電流Ｉ₂がＩ／Ｖ変換器２へ供給されるようになっている。この場合、電流Ｉ₁₀₃から駆動電圧成分に相当する電流を差し引くためにはキャパシタＣ１の静電容量と静電容量Ｃ１０３とを略同一にすることが望ましい。

しかし、静電容量Ｃ１０３は、振動体１０２と駆動用電極１０３との間の距離や駆動用電極１０３の面積などの影響を受けるので、ジャイロセンサ１０１の加工精度によりバラツキを生じやすい。そこで、キャパシタＣ１の静電容量が静電容量Ｃ１０３より小さい場合には反転器８ａの増幅率を増大させ、キャパシタＣ１の静電容量が静電容量Ｃ１０３より大きい場合には反転器８ａの増幅率を減少させることにより、キャパシタＣ１の静電容量と静電容量Ｃ１０３との間に差異が生じた場合であっても電流Ｉ₁₀₃から駆動電圧成分に相当する電流を差し引く精度を向上させ、駆動電圧成分の影響を排除して振動体１０２の共振周波数による振動を安定化し、角速度の検出精度を向上することができる。

反転器８ａの増幅率は、例えばジャイロセンサ１０１に所定の角速度を与えた場合に当該角速度を示す検出信号Ｓｏｕｔが得られるように、設定すればよい。

図４は、図３に示す反転器８ａの構成の一例を示す回路図である。図４に示す反転器８ａは、いわゆる反転増幅回路であり、演算増幅器８１の非反転入力端子がグラウンドに接続され、駆動用電圧Ｖｄが抵抗Ｒ１を介して演算増幅器８１の反転入力端子に入力され、帰還抵抗として可変抵抗器ＶＲ１が用いられている。図４に示す反転器８ａによれば、可変抵抗器ＶＲ１の抵抗値を設定することにより、反転信号の増幅率を可変にすることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る角速度検出装置について説明する。図５は、本発明の第３の実施形態に係る角速度検出装置１ｂの構成の一例を示すブロック図である。図５に示す角速度検出装置１ｂと図３に示す角速度検出装置１ａとでは、下記の点で異なる。すなわち、図５に示す角速度検出装置１ｂは、反転器８ａの代わりに反転信号の増幅率が可変にされたオートゲインコントローラ（以下、ＡＧＣと称する）８ｂ（反転信号出力部）を備え、ＡＧＣ８ｂにおける増幅率を設定する増幅率設定部１１をさらに備える。

増幅率設定部１１は、ＢＰＦ６から出力される振動検出信号Ｓｄのレベル、すなわちキャパシタＣ１により生成される電流Ｉ₂を最少にするべくＡＧＣ８ｂにおける増幅率を設定する。また、増幅率設定部１１は、ＡＧＣ８ｂにおける増幅率を設定する場合、駆動信号発生器７により供給される駆動用電圧Ｖｄの周波数を振動体１０２の共振周波数とは異なる周波数にさせるべく、ＢＰＦ６から駆動信号発生器７へ供給される振動検出信号Ｓｄの信号経路を遮断する。

その他の構成は図３に示す角速度検出装置１ａと同様であるのでその説明を省略し、以下本実施の形態の特徴的な点について説明する。図５に示す増幅率設定部１１は、全波整流回路１２と、キャパシタＣ２と、比較部１３と、モード切替部１４と、スイッチＳＷ１とを備えている。全波整流回路１２は、ＢＰＦ６から出力された振動検出信号Ｓｄを全波整流する全波整流回路である。キャパシタＣ２は、全波整流回路１２から出力された信号を平滑して信号Ｓａを生成する。なお、増幅率設定部１１は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成されていてもよく、図５に示す増幅率設定部１１の構成に限定されない。

モード切替部１４は、ＡＧＣ８ｂにおける増幅率を設定するための設定モードと角速度を測定する測定モードとを切り替えるための制御回路で、制御信号を出力して比較部１３の動作を制御することによりモード切替を行う。比較部１３は、モード切替部１４から設定モードを指示する制御信号が出力された場合、信号Ｓａの信号レベルと予め設定された所定の基準レベルＶref1とを比較し、その比較結果に応じて増幅率を変化させるべく制御信号をＡＧＣ８ｂへ出力すると共に、スイッチＳＷ１をオフすべくモード信号ＳｂをローレベルでスイッチＳＷ１へ出力する。また、比較部１３は、モード切替部１４から測定モードを指示する制御信号が出力された場合、ＡＧＣ８ｂの増幅率を保持させると共に、スイッチＳＷ１をオンすべくモード信号Ｓｂをハイレベルにする。なお、モード信号Ｓｂは、設定モードでローレベル、測定モードでハイレベルにされる信号である。

スイッチＳＷ１は、ＢＰＦ６と駆動信号発生器７との間に介設されており、ＢＰＦ６から駆動信号発生器７へ供給される振動検出信号Ｓｄの信号経路を比較部１３からのモード信号Ｓｂに応じて開閉する。ＡＧＣ８ｂは、比較部１３からの制御信号に応じて信号増幅率を変化させる。

その他の構成は図３に示す角速度検出装置１ａと同様であるのでその説明を省略し、以下、図５に示す角速度検出装置１ｂの動作について説明する。まず、例えばユーザが図略の電源スイッチをオンすることにより、角速度検出装置１ｂの各部に動作用電源電圧が供給されると、モード切替部１４により設定モードに切り替えるべく制御信号が比較部１３へ出力され、比較部１３からのモード信号ＳｂがローレベルにされてスイッチＳＷ１がオフされる。そうすると、ＢＰＦ６から駆動信号発生器７へ供給される振動検出信号Ｓｄの信号経路が遮断されることにより駆動信号発生器７によって振動検出信号Ｓｄの位相を９０度ずらした信号が駆動用電圧Ｖｄとして駆動用電極１０３へ供給されることがなくなるので、駆動信号発生器７から駆動用電極１０３へ振動体１０２の共振周波数ｆ₀とは異なる周波数の駆動用電圧Ｖｄが供給され、共振周波数ｆ₀とは異なる周波数で振動体１０２が振動する。

次に、振動体１０２が共振周波数ｆ₀とは異なる周波数で振動体１０２が振動すると、振動体１０２の変位量が減少するため振動体１０２からＩ／Ｖ変換器２へ流れる電流Ｉ₁₀₃における振動成分が減少する。この場合、駆動信号発生器７は、電流Ｉ₁₀₃における振動成分が略ゼロとなる周波数の信号を駆動用電圧Ｖｄとして出力することが望ましい。そして、電流Ｉ₁₀₃における振動成分が略ゼロとなれば、電流Ｉ₁₀₃はすなわち駆動電圧成分に相当するので、電流Ｉ₁₀₃を最少にするべくＡＧＣ８ｂの増幅率を設定することにより、電流Ｉ₁₀₃から駆動電圧成分に相当する電流を差し引く精度を向上させることができる。

そこで、増幅率設定部１１は、電流Ｉ₁₀₃に基づきＩ／Ｖ変換器２及びＢＰＦ６により得られた振動検出信号Ｓｄを最少にするべくＡＧＣ８ｂの増幅率を設定する。図６は、増幅率設定部１１の動作を説明するための信号波形図である。まず、図６におけるタイミングＴ１において、設定モードで駆動信号発生器７から駆動用電極１０３（静電容量Ｃ１０３）へ共振周波数ｆ₀とは異なる周波数で駆動用電圧Ｖｄが供給され、振動体１０２から振動成分が略ゼロの電流Ｉ₁₀₃が出力される。この状態では、ＡＧＣ８ｂの増幅率が設定されていないので、ＡＧＣ８ｂから駆動用電圧Ｖｄを反転増幅した信号ＳｃがキャパシタＣ１へ供給されても電流Ｉ₁₀₃を十分相殺することができない。そのため電流Ｉ₁₀₃から電流Ｉ_C1を差し引いた電流Ｉ₂に基づきＩ／Ｖ変換器２及びＢＰＦ６で生成された振動検出信号Ｓｄの信号レベルは高いレベルになっている。

次に、振動検出信号Ｓｄが、全波整流回路１２で全波整流されキャパシタＣ２で平滑されて、振動検出信号Ｓｄの実効値電圧が信号Ｓａとして比較部１３に入力される。そうすると、比較部１３によって、信号Ｓａのレベルは基準レベルＶref1より高いと判断されてＡＧＣ８ｂの増幅率が増大され、ＡＧＣ８ｂから出力される信号Ｓｃの信号レベルが増大されて電流Ｉ_C1が増加し、電流Ｉ₂が減少して振動検出信号Ｓｄのレベルが低下する。以上のように、比較部１３による振動検出信号Ｓｄの比較処理とＡＧＣ８ｂの増幅率設定処理とが繰り返されることにより、徐々に振動検出信号Ｓｄのレベルが低下すると共に信号Ｓａの信号レベルが低下する。

次に、信号Ｓａの信号レベルが低下して基準レベルＶref1以下になると、比較部１３によって電流Ｉ₁₀₃がＡＧＣ８ｂから出力される信号Ｓｃによって十分相殺され、ＡＧＣ８ｂの増幅率が適当な値に設定されたと判断され、比較部１３からＡＧＣ８ｂの増幅率を保持させる旨の制御信号が出力されると共にモード信号ＳｂがハイレベルにされてスイッチＳＷ１がオンされ、測定モードに移行する。

測定モードにおいては、ＡＧＣ８ｂの増幅率は設定モードにおいて設定された増幅率が保持され、以降、図３に示す角速度検出装置１ａと同様の動作により角速度が検出され、検出された角速度を示す検出信号Ｓｏｕｔが出力される。

これにより、環境変化、例えば温度変化や経年劣化によりジャイロセンサ１０１やＡＧＣ８ｂ等の内部回路の特性が変化し、電流Ｉ₁₀₃から駆動電圧成分を十分除去できなくなった場合であっても、増幅率設定部１１によって駆動電圧成分を十分除去するべくＡＧＣ８ｂの増幅率が設定されるので、電流Ｉ₁₀₃から駆動電圧成分に相当する電流を差し引く精度を向上させ、駆動電圧成分の影響を排除して振動体１０２の共振周波数による振動を安定化し、角速度の検出精度を向上することができる。

なお、モード切替部１４は、例えばユーザによる設定モードの指示を受け付ける操作スイッチを備え、設定モードの指示が受け付けられた場合に設定モードに切り替える構成としてもよい。また、モード切替部１４は、ジャイロセンサ１０１に角速度が印加されない状態において、例えば角速度検出装置１ｂが起動された後一定の期間内において、比較部１３によって信号Ｓａのレベルが基準レベルＶref1を超えたことが検知された場合に設定モードに切り替える構成としてもよい。あるいは、モード切替部１４は、タイマー機能を備えて一定期間毎に測定モードから設定モードへと切り替える構成としてもよい。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る角速度検出装置について説明する。図７は、本発明の第４の実施形態に係る角速度検出装置１ｃの構成の一例を示すブロック図である。図７に示す角速度検出装置１ｃと図５に示す角速度検出装置１ｂとでは、下記の点で異なる。すなわち、図７に示す角速度検出装置１ｃは、ＢＰＦ６から出力される振動検出信号Ｓｄを増幅して振動検出信号Ｓｄ２として、全波整流回路１２及びスイッチＳＷ１へ出力するＡＧＣ１５をさらに備えている。ＡＧＣ１５は、比較部１３から出力されたモード信号Ｓｂに応じて振動検出信号Ｓｄの増幅率を変化させる増幅回路で、モード信号Ｓｂがハイレベルになった場合、すなわち設定モードにおいてＡＧＣ８ｂの増幅率が設定された後に測定モードに移行した場合、振動検出信号Ｓｄ２の信号レベルを飽和させない程度に振動検出信号Ｓｄの増幅率を増大させる。

その他の構成は図５に示す角速度検出装置１ｂと同様であるのでその説明を省略し、以下本実施の形態の動作について説明する。まず、測定モード時には、ＢＰＦ６から出力される振動成分を示す振動検出信号Ｓｄは非常に微少な信号であるため、駆動信号発生器７において信号振幅が小さい振動検出信号Ｓｄをそのまま用いて９０度位相シフトさせる信号処理を行うと、駆動用電圧Ｖｄにおける位相シフトの精度が低下してしまい、振動体１０２の共振振動の安定性が損なわれる。そこで、測定モード時には、ＡＧＣ１５の増幅率を増大し、振動検出信号Ｓｄ２の信号振幅を飽和させない範囲で十分増大させてから駆動信号発生器７において位相シフト等の信号処理を行うことが望ましい。

そこで、まず、図５に示す角速度検出装置１ｂと同様に、例えばユーザが図略の電源スイッチをオンすることにより、角速度検出装置１ｃの各部に動作用電源電圧が供給されると、モード切替部１４により設定モードに切り替えるべく制御信号が比較部１３へ出力され、比較部１３によりモード信号ＳｂがローレベルにされてスイッチＳＷ１がオフされる。そして、駆動信号発生器７から駆動用電極１０３（静電容量Ｃ１０３）へ共振周波数ｆ₀とは異なる周波数で駆動用電圧Ｖｄが供給され、振動体１０２から振動成分が略ゼロの電流Ｉ₁₀₃が出力される。この状態では、ＡＧＣ８ｂの増幅率が設定されていないので、ＡＧＣ８ｂから駆動用電圧Ｖｄを反転増幅した信号ＳｃがキャパシタＣ１へ供給されても電流Ｉ₁₀₃を十分相殺することができない。そのため電流Ｉ₁₀₃に基づきＩ／Ｖ変換器２で電圧変換され、ＢＰＦ６でフィルタリングされた振動検出信号Ｓｄのレベルは高レベルになっている。

一方、比較部１３によりモード信号Ｓｂがローレベルにされ設定モードになると、ＡＧＣ１５は、予め設定された所定の増幅率αで振動検出信号Ｓｄを増幅し、振動検出信号Ｓｄ２として全波整流回路１２及びスイッチＳＷ１へ出力する。この場合、上述したように、ＡＧＣ８ｂの増幅率が設定されていない状態では、振動検出信号Ｓｄのレベルは高いレベルになっているので、増幅率αは、例えば振動検出信号Ｓｄ２を飽和させない程度の低増幅率にされている。

次に、図５に示す角速度検出装置１ｂと同様にして増幅率設定部１１によりＡＧＣ８ｂの増幅率が設定されると、振動検出信号Ｓｄから駆動電圧成分が除去されて信号レベルが低下する。そこで、増幅率設定部１１によりＡＧＣ８ｂの増幅率が設定された後、比較部１３によりモード信号Ｓｂがハイレベルにされ、すなわち測定モードにされると、駆動信号発生器７における９０度位相をシフトさせる信号処理の精度を向上させるべくＡＧＣ１５の増幅率が増大され、振動検出信号Ｓｄ２の信号振幅が増大される。この場合、ＡＧＣ１５の増幅率は、例えば振動検出信号Ｓｄ２を飽和させない範囲で最大の増幅率になるように設定される。

これにより、測定モードにおいて、振動検出信号Ｓｄ２の信号振幅を増大させて駆動信号発生器７における９０度位相をシフトさせる信号処理の精度を向上させることができるので、駆動用電圧Ｖｄにおける位相シフトの精度を向上させ、振動体１０２の共振振動における安定性を向上させることにより、角速度の検出精度を向上することができる。

なお、本願発明者は、図７に示す角速度検出装置１ｃによって、実験的に測定モード時におけるＡＧＣ８ｂの増幅率を設定モード時におけるＡＧＣ８ｂの増幅率に対し、１００倍増大させることができ、これにより駆動用電圧Ｖｄを共振周波数に一致させる精度を向上させて振動体１０２の共振振動における安定性が向上されることを確認した。

本発明の第１の実施形態に係る角速度検出装置の構成の一例を示すブロック図である。 図１に示すジャイロセンサの変形例を示す概念図である。 本発明の第２の実施形態に係る角速度検出装置の構成の一例を示すブロック図である。 図３に示す反転器の構成の一例を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る角速度検出装置の構成の一例を示すブロック図である。 図５に示す増幅率設定部の動作を説明するための信号波形図である。 本発明の第４の実施形態に係る角速度検出装置の構成の一例を示すブロック図である。 背景技術に係るジャイロセンサの構成を説明するための概念図である。 図８に示すジャイロセンサの動作を説明するための説明図である。 背景技術に係る角速度検出装置の電気的構成を示すブロック図である。 図１０に示す角速度検出装置において検出される振動検出信号を説明する信号波形図である。 図１１に示す振動成分信号の周波数特性を示す図である。 図１１に示す駆動電圧成分信号の周波数特性を示す図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 角速度検出装置
２ Ｉ／Ｖ変換器
３，６ ＢＰＦ
４ アンプ
５ 同期検波回路
７ 駆動信号発生器
８，８ａ 反転器
９ キャリア発生回路
１１ 増幅率設定部
１２ 全波整流回路
１３ 比較部
１４ モード切替部
８１ 演算増幅器
１０１，１０１ａ ジャイロセンサ
１０２ 振動体
１０３ 駆動用電極
１０５，１０６ 検出用電極
Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ
Ｃ１０３，Ｃ１０５，Ｃ１０６ 静電容量
ＳＷ１ スイッチ
ＶＲ１ 可変抵抗器

Claims (6)

1. 電極と、
   前記電極と対向配置されて静電容量を生じる振動体と、
   前記電極へ周期信号を供給することにより前記振動体を振動させる駆動信号発生部と、
   前記振動体に角速度が印加された場合に前記振動体に作用するコリオリ力に基づいて前記角速度を検出する角速度検出部と、
   前記周期信号とは逆極性の反転信号を出力する反転信号出力部と、
   前記振動体が振動して前記静電容量が変化することにより前記振動体に誘起される誘起信号に前記反転信号を重畳させて重畳信号を生成するキャパシタと、
   を備え、
   前記駆動信号発生部は、前記キャパシタにより生成される重畳信号の位相を９０度ずらした信号を前記周期信号として前記電極へ供給することを特徴とする角速度検出装置。
2. 前記キャパシタは、前記静電容量と略同一の静電容量を有することを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
3. 前記反転信号出力部は、前記反転信号の増幅率が可変にされていることを特徴とする請求項１又は２記載の角速度検出装置。
4. 前記反転信号出力部における前記増幅率を設定する増幅率設定部をさらに備え、
   前記増幅率設定部は、前記キャパシタにより生成される重畳信号のレベルを最少にするべく前記反転信号出力部における増幅率を設定する設定動作を行うことを特徴とする請求項３記載の角速度検出装置。
5. 前記増幅率設定部は、前記設定動作を行う場合、前記駆動信号発生部により供給される周期信号の周波数を前記振動体の共振周波数とは異なる周波数にさせることを特徴とする請求項４記載の角速度検出装置。
6. 前記キャパシタにより生成された重畳信号を増幅して前記駆動信号発生部へ供給する重畳信号増幅部をさらに備え、
   前記駆動信号発生部は、前記重畳信号増幅部により増幅された信号の位相を９０度ずらした信号を前記周期信号として前記電極へ供給し、
   前記重畳信号増幅部は、前記増幅率設定部により前記設定動作が実行された後、前記重畳信号を増幅する増幅率を増大させることを特徴とする請求項４又は５記載の角速度検出装置。

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