JP2007107909A - 振動型慣性力検知センサの検出信号処理方法 - Google Patents

振動型慣性力検知センサの検出信号処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、振動型慣性力検知センサの検出信号処理方法に関して、振動型慣性力検知センサの検出精度を向上させる検出信号処理方法を提供するものである。
【解決手段】この目的を達成するために、振動型慣性力検知センサの検出信号処理方法に関して、特に、振動型慣性力検知センサの検出系回路５において同期検波された信号から高調波成分を除去し、この高調波成分を除去した信号を増幅し、この増幅された信号を平滑することとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動型慣性力検知センサの検出信号処理方法に関する。
例えば、振動型慣性力検知センサの一例である振動型角度センサは図１に示すように、駆動手段１と検知手段２を設けたセンサ素子３と、駆動手段１に制御電圧を印加しセンサ素子３を振動させるとともにその振動を制御する駆動制御回路４と、検知手段２から出力された検知信号を処理する検出系回路５を備えた構成であり、検出系回路５においては検知手段２から出力された検知信号を差動アンプ６を用いて差動増幅し、この差動増幅された信号とこの検知信号を反転アンプ７を用いて反転した信号とを同期検波器８を用いて同期検波し、その後、ローパスフィルタ９を用いて平滑することにより、外部衝撃などの外乱ノイズを抑制した信号を出力する手法が知られている。
そして、従来のローパスフィルタ９は、図示したものとは異なるが同期検波後の信号を先ずプリアンプにより増幅してから平滑回路を用いて平滑したり、アクティブフィルタを用いて増幅しながら平滑したりしていた。
なお、この出願の発明に関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２００２−２６７４４８号公報
しかしながら、同期検波後の信号は図６に示されるよう鋸刃状の波形（同期検波出力８ａ）となっているため、この波形の切り替わり部分１０においては増幅処理能力が追従しきれずに、平滑時のオフセット１１の原因となる波形誤差１２を含んでしまい高い精度での平滑処理が行えず、結果として、振動型慣性力検知センサの性能を検出系回路５の内部処理にて低下させてしまうという問題を有していた。
そこで、本発明はこのような問題を解決し、振動型慣性力検知センサの検出精度を向上させる検出信号処理方法を提供するものである。
この目的を達成するために本発明は、特に振動型慣性力検知センサの検出系回路において同期検波された信号から高調波成分を除去し、この高調波成分を除去した信号を増幅し、この増幅された信号を平滑することとしたのである。
この方法を用いることにより、振動型慣性力検知センサの検出精度を向上させることが出来るのである。
以下、本発明の一実施の形態について図を用いて説明する。なお、上述した背景技術と同様の構成については同じ符号を付して説明する。
図１は振動型慣性力検知センサの一例である振動型角速度センサを示すブロック図であり、その基本構成はセンサ素子３と、このセンサ素子３の振動を制御する駆動制御回路４と、センサ素子３から出力された信号を処理する検出系回路５を備えている。
また、センサ素子３は図２に示されるごとくシリコン基板からなる音叉型の振動子１３から延出された一対の駆動アーム１４にそれぞれＰＺＴからなる圧電薄膜の上下面を電極で挟み込んだ駆動手段１となる駆動電極１ａおよび検知手段２となる検知電極２ａが設けられ、駆動アーム１４の付け根部分にもＰＺＴからなる圧電薄膜の上下面を電極で挟み込んだモニタ手段１５となるモニタ電極１５ａが設けられた構成であり、駆動電極１ａに図１に示す駆動制御回路４から駆動電極を印加することにより駆動アーム１４が矢印で示すよう側方に振動し、この振動状態において検出軸回りに角速度が加わることでコリオリ力により駆動アーム１４に図面における前後方向に撓みが生じ、この撓みにより検知電極２ａから検出信号を図１に示す検出系回路５に出力するものである。
また、図２に示すモニタ電極１５ａは、駆動アーム１４の振幅量を検知してその情報を駆動制御回路４にフィードバックすることにより先に述べた振幅量を規定状態となるよう駆動制御回路４から駆動電極１ａに印加する制御電圧を調節するために用いられるものである。
そして、図１に示される検出系回路５においては、センサ素子３に設けられた２つの検知電極２ａから出力される検出信号（図３に示す検知出力２ｂ、２ｃ）が、先ずそれぞれの検知信号をカレントアンプやチャージアンプなどの増幅器１６を用いて増幅し、この２つの増幅信号を差動アンプ６を用いて差動増幅し、この差動増幅された信号（図３における差動アンプ出力６ａ）を位相シフタ１７で位相を９０度遅延させ、その遅延信号（図３における位相シフタ出力１７ａ）を分岐させ一方の信号を直接的に同期検波器８に入力するとともに、他方の信号を反転アンプ７で位相を反転させてその信号（図３における反転アンプ出力７ａ）を同期検波器８に入力し、これら２つの信号（図３における位相シフタ出力１７ａと反転アンプ出力７ａ）をモニタ手段１５から出力される信号（図３におけるモニタ信号１５ａ）から形成した同期信号（図３における検波ＣＬＫ出力１８ａ）で検波を行い、図３に示す鋸刃状の同期検波出力８ａを形成するのである。
なお、この図３に示す検波ＣＬＫ出力１８ａは、モニタ回路１５から出力されるモニタ信号１５ａを検波クロック１８を用いてパルス波形に変換したものである。
そして、この振動型角速度センサにおいては、鋸刃状の同期検波出力８ａを平滑する図１に示すローパスフィルタ９の構成を、同期検波出力８ａの高調波成分を除去するパッシブフィルタ１９を通した後に、アンプ２０で増幅し、その後、積分器などの平滑回路２１を用いて平滑する構成としており、これにより従来の同期検波出力８ａを先ず増幅してから平滑するものに比べて検出系回路５における検出精度の低下を抑制でき、結果として、振動型慣性力検知センサの検出精度を向上させることが出来るのである。
すなわち、従来のプリアンプやアクティブフィルタのように同期検波出力８ａを先ず増幅し追って平滑するものであるため、図６に示されるように、鋸刃状の同期検波出力８ａをプリアンプやアクティブフィルタで増幅することで、アンプの追従性に起因して波形の切り替わり部分１０においてタイムラグ１０ａが生じ実波形と増幅波形とで波形誤差１２が生じてしまい、この波形誤差１２を含んだ状態で平滑することにより、その出力にオフセット１１が生じることになる。
しかしながら、同期検波出力８ａは、そもそも図５に示されるように基本波成分１９ａに対して２次高調波成分１９ｂや３次高調波成分１９ｃなど高調波成分が合成された信号であるため、この高調波成分を除去するパッシブフィルタ１９を通して高調波成分を除去した後に、残る正弦波的ななめらかな基本波１９ａを図４に示されるように増幅し、この増幅されたアンプ出力２０ａを平滑することで、図６に示すような波形誤差１２を含むことがなく、出力オフセット１１の発生を抑制でき、結果として検出系回路５における検出精度の低下が抑制でき、ひいては振動型慣性力検知センサの検出精度を向上させることが出来るのである。
なお、検出信号の高調波成分を除去するパッシブフィルタ１９の構成としては、特に図示していないが検出信号経路に対して直列に抵抗素子を配置し、この抵抗素子の少なくとも一端と基準電位間にコンデンサ素子を配置する一般的な高調波抑制回路を用いることで実現することができる。
また、上述した一実施の形態においては振動型慣性力検出センサとして振動型角速度センサを例に挙げて説明したが、本発明はこれに制限されるものではなく、駆動アームを振動させることにより慣性力、例えば加速度などを検知する構成において同様の作用、効果を奏するものである。
本発明にかかる電子機器は、振動型慣性力検出センサにおいてより高い検出精度を可能と出来るという効果を有し、特に慣性力に対して高い検知精度を要する電子機器向けの用途に有用である。
本発明の一実施形態における振動型慣性力検知センサを示すブロック図 振動型慣性力検知センサに用いられるセンサ素子３を示す上面図 同振動型慣性力検知センサにおける検出波形の推移を示した波形図 同振動型慣性力検知センサにおける同期検波後の処理における検出波形の推移を示した波形図 同同期検波後の波形成分を示す模式図 従来の振動型慣性力検知センサにおける同期検波後の処理における検出波形の推移を示した波形図
符号の説明
１ 駆動手段
２ 検知手段
４ 駆動制御回路
５ 検出系回路
１４ 駆動アーム
１５ モニタ手段

Claims (1)

  1. 駆動アームと、この駆動アームに設けられて前記駆動アームを振動させる駆動手段と、前記駆動アームに慣性力が加わることで生じる撓みにより検出信号を発生させる検知手段と、前記駆動アームの振動をモニタリングするモニタ手段と、前記駆動アームの振動量を制御する駆動制御回路と、前記検知信号を処理する検出系回路とを備え、前記検出系回路において、前記検出手段により検出された位相が１８０度異なる２つの検出信号を差動増幅し、この差動増幅された信号を前記モニタ手段から出力されたモニタ信号を用いて同期検波し、この同期検波された信号から高調波成分を除去し、この高調波成分を除去した信号を増幅し、この増幅された信号を平滑することを特徴とする振動型慣性力検知センサの検出信号処理方法。
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