JP2008058212A

JP2008058212A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2008058212A
Application number: JP2006237228A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Murakami; 英之村上; Takashi Kawai; 孝士川井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: JP5045034B2

Abstract

【課題】本発明は、温度変化の多い環境下で使用しても出力特性が安定している角速度センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の角速度センサは、モニタ信号検出回路３９からのモニタ信号が所定値のときの出力信号検出回路４０からの出力信号を角速度の信号としてサンプリングするサンプリング制御手段４５を設けた構成としたことにより、出力信号が温度変化により変化するのを抑制できるため、温度変化の多い環境下で使用しても出力特性が安定している角速度センサを提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に、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利用できる角速度センサに関するものである。

従来のこの種の角速度センサは、図４に示すような構成となっていた。

図４は従来の角速度センサの回路図を示したもので、この図４において、１は振動子で、この振動子１は一対の振動部２と、この一対の振動部２のそれぞれの先端に配設された一対の検知部３とにより構成されている。また、前記振動子１における一対の振動部２の一方には駆動用圧電素子４を設け、かつ他方には振動検出用圧電素子５を設けている。そしてまた、前記振動子１における一対の検知部３には角速度検出用圧電素子６を設けている。７はモニタ信号検出回路で、このモニタ信号検出回路７は前記振動子１における振動検出用圧電素子５の電荷を入力する電流アンプ８と、この電流アンプ８の出力信号を入力するバンドパスフィルタ９と、このバンドパスフィルタ９の出力信号を入力する整流器１０と、この整流器１０の出力信号を入力する平滑回路１１とにより構成されている。１２はＡＧＣ回路で、このＡＧＣ回路１２は前記モニタ信号検出回路７における平滑回路１１の出力信号を入力し、前記モニタ信号検出回路７におけるバンドパスフィルタ９の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。１３は駆動制御回路で、この駆動制御回路１３は前記ＡＧＣ回路１２の出力信号を入力するとともに、前記駆動用圧電素子４に駆動信号を入力するものである。

１４は検出回路部で、この検出回路部１４は振動子１に加わる角速度により前記一対の角速度検出用圧電素子６に発生する電荷を入力し、電圧に変換するチャージアンプ１５と、このチャージアンプ１５の出力信号を入力するバンドパスフィルタ１６と、このバンドパスフィルタ１６の出力信号を入力する同期検波器１７と、この同期検波器１７の出力信号を入力する平滑回路１８と、この平滑回路１８の出力信号を入力するとともに、増幅して角速度信号を出力する直流アンプ１９とにより構成されている。２０は故障検出回路で、この故障検出回路２０は、前記チャージアンプ１５の出力信号と前記バンドパスフィルタ１６の出力信号とを比較して両者の電圧差を出力する差動アンプ２１と、この差動アンプ２１の出力信号を入力する整流器２２と、この整流器２２の出力信号を入力する平滑回路２３と、この平滑回路２３の出力信号を入力するとともに、基準電圧器２５の電圧と比較して故障情報を出力電圧として出力する比較器２４とにより構成されている。

以上のように構成された従来の角速度センサについて、次に、その動作を図面を参照しながら説明する。

図５（ａ）〜（ｇ）は従来の角速度センサの動作状態を示す図である。

図５（ａ）における振動子１の駆動用圧電素子４に交流電圧を加えると、前記振動子１が共振し、そしてこの振動子１の振動検出用圧電素子５に、図５（ｂ）に示すように電荷が発生する。この振動検出用圧電素子５に発生した電荷を電流アンプ８に入力して正弦波形の出力電圧に変換する。そしてこの電流アンプ８の出力電圧をモニタ信号検出回路７におけるバンドパスフィルタ９に入力し、振動子１の共振周波数のみを抽出し、ノイズ成分を除去する。そしてまた、前記モニタ信号検出回路７におけるバンドパスフィルタ９の出力信号を整流器１０に入力することにより、負電圧成分を正電圧に変換した後、平滑回路１１に入力することにより、直流電圧信号に変換する。そしてＡＧＣ回路１２は前記平滑回路１１の直流電圧信号が大の場合には前記バンドパスフィルタ９の出力信号を減衰させるような信号を、一方、前記平滑回路１１の直流電圧信号が小の場合には前記バンドパスフィルタ９の出力信号を増幅させるような信号を駆動制御回路１３に入力し、前記振動子１の振動が一定振幅になるように調整するものである。また前記振動子１に角速度ωが加わると、一対の角速度検出用圧電素子６に図５（ｃ）に示すように電荷が発生する。そしてこの角速度検出用圧電素子６の電荷はコリオリ力により発生するため、前記振動検出用圧電素子５に発生する信号より位相が９０度進んでいる。そしてまたチャージアンプ１５は前記角速度検出用圧電素子６に発生する電荷を図５（ｄ）に示すように出力電圧に変換する。このとき、前記チャージアンプ１５はコンデンサ（図示せず）を設けており、前記角速度検出用圧電素子６の出力をさらに９０度進めるものである。そしてこのチャージアンプ１５の出力信号から前記バンドパスフィルタ１６により振動子１の共振周波数成分のみを抽出し、ノイズ成分を除去するとともに、このバンドパスフィルタ１６の出力を同期検波器１７に入力し、図５（ｅ）に示すように前記振動子１の振動の周期で位相検波するとともに、図５（ｆ）に示すように前記バンドパスフィルタ１６の出力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、そして前記同期検波器１７の出力電圧を平滑回路１８および直流アンプ１９により図５（ｇ）に示すように平滑化するとともに増幅し、そして角速度の信号として、相手側のコンピュータ（図示せず）等に入力することにより、角速度を検出するものである。

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。
特開平７−１８１０４２号公報

しかしながら、上記従来の構成においては、モニタ信号検出回路７におけるＡＧＣ回路１２と、検出回路部１４における同期検波器１７の特性が温度の変化により変化するため、温度変化の多い環境下で角速度センサを使用すると、出力特性が不安定になってしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、温度変化の多い環境下で使用しても出力特性が安定している角速度センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、振動子と、この振動子に設けられるとともに駆動電圧が印加される駆動電極と、前記振動子に設けられるとともに前記振動子の駆動により発生する電荷を出力するモニタ電極と、このモニタ電極から出力される電荷をモニタ信号に変換するモニタ信号検出回路と、前記振動子に設けられるとともにこの振動子に角速度が負荷された状態で、振動子にコリオリ力により発生する電荷を出力する検出電極と、この検出電極から出力される電荷を出力信号に変換する出力信号検出回路と、前記モニタ信号検出回路からのモニタ信号が所定値のときの出力信号検出回路からの出力信号を角速度の信号としてサンプリングするサンプリング制御手段と、このサンプリング制御手段からの出力信号をデジタル信号として出力する出力回路とを備えたもので、この構成によれば、モニタ信号検出回路からのモニタ信号が所定値のときの出力信号検出回路からの出力信号を角速度の信号としてサンプリングするサンプリング制御手段を設けているため、同期検波器を使用することなく、角速度信号を検出することができ、これにより、出力信号が温度変化により変化するのを抑制できるため、温度変化の多い環境下で使用しても出力特性が安定している角速度センサを提供することができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、出力信号検出回路からの出力信号を角速度の信号としてサンプリングするためのモニタ信号の所定値を基準電圧としたもので、この構成によれば、出力信号検出回路からの出力信号を角速度の信号としてサンプリングするためのモニタ信号の所定値を基準電圧としているため、出力信号検出回路からの出力信号とモニタ信号との位相差である約９０度のずれを基に出力信号の最大値を検出することができ、これにより、出力信号の感度を向上させることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、振動子と、この振動子に設けられるとともに駆動電圧が印加される駆動電極と、前記振動子に設けられるとともに前記振動子の駆動により発生する電荷を出力するモニタ電極と、このモニタ電極から出力される電荷をモニタ信号に変換するモニタ信号検出回路と、前記振動子に設けられるとともにこの振動子に角速度が負荷された状態で、振動子にコリオリ力により発生する電荷を出力する検出電極と、この検出電極から出力される電荷を出力信号に変換する出力信号検出回路と、前記モニタ電極からのモニタ信号が基準電圧のときのタイミングを検出することにより駆動信号の周波数を規定する周波数規定手段と、前記モニタ電極からのモニタ信号のピーク値を読み取るとともに、駆動信号のピーク値を調整する振幅調整手段とを備えたもので、この構成によれば、モニタ電極からのモニタ信号が基準電圧のときのタイミングを検出することにより駆動信号の周波数を規定する周波数規定手段と、前記モニタ電極からのモニタ信号のピーク値を読み取るとともに、駆動信号のピーク値を調整する振幅調整手段とを設けているため、ＡＧＣ回路を設けることなく、駆動信号の振幅を所定の値にすることができ、これにより、駆動信号の振幅が温度変化により変動するのを抑制できるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の角速度センサは、振動子と、この振動子に設けられるとともに駆動電圧が印加される駆動電極と、前記振動子に設けられるとともに前記振動子の駆動により発生する電荷を出力するモニタ電極と、このモニタ電極から出力される電荷をモニタ信号に変換するモニタ信号検出回路と、前記振動子に設けられるとともにこの振動子に角速度が負荷された状態で、振動子にコリオリ力により発生する電荷を出力する検出電極と、この検出電極から出力される電荷を出力信号に変換する出力信号検出回路と、前記モニタ信号検出回路からのモニタ信号が所定値のときの出力信号検出回路からの出力信号を角速度の信号としてサンプリングするサンプリング制御手段と、このサンプリング制御手段からの出力信号をデジタル信号として出力する出力回路とを備えたもので、前記モニタ信号検出回路からのモニタ信号が所定値のときの出力信号検出回路からの出力信号を角速度の信号としてサンプリングするサンプリング制御手段を設けているため、同期検波器を使用することなく、角速度信号を検出することができ、これにより、出力信号が温度変化により変化するのを抑制できるため、温度変化の多い環境下で使用しても出力特性が安定している角速度センサを提供することができるという優れた効果を奏するものである。

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斜視図、図２は同角速度センサの駆動回路および検出回路を示すブロック図である。

図１、図２において、３１は振動子で、この振動子３１は四角柱状の水晶製の駆動電極振動体３２と、四角柱状の水晶製の検出電極振動体３３と、水晶製の接続部３４とにより構成されている。そして前記駆動電極振動体３２には、４つの側面に金からなる駆動電極３５が設けられている。また前記検出電極振動体３３は駆動電極振動体３２と平行に設けられているもので、その表面および裏面には金からなるモニタ電極３６が設けられている。そしてまた前記検出電極振動体３３には、内側の側面に金からなるＧＮＤ電極（図示せず）が設けられ、かつ外側の側面に金からなる一対の検出電極３８が設けられている。３９は増幅器からなるモニタ信号検出回路で、このモニタ信号検出回路３９は前記振動子３１のモニタ電極３６の電荷を入力するとともに、モニタ信号としての出力電圧に変換するものである。

４０は出力信号検出回路で、この出力信号検出回路４０は、一対の増幅器４１とこの増幅器４１の差動を検出する差動増幅器４２とで構成され、そしてこの出力信号検出回路４０は振動子３１における検出電極３８にコリオリ力により発生する電荷を出力信号に変換している。４３はコンパレータからなる周波数規定手段で、この周波数規定手段４３は前記モニタ信号検出回路３９からの出力信号を矩形波に変換している。４４はＡＤ変換器で、このＡＤ変換器４４は前記モニタ信号検出回路３９からの出力信号を１０ｂｉｔからなるデジタル形式のモニタ信号に変換している。また、前記ＡＤ変換器４４は前記出力信号検出回路４０からの出力信号を１０ｂｉｔからなるデジタル形式の出力信号に変換している。４５はサンプリング制御手段で、このサンプリング制御手段４５にはモニタ信号検出回路３９からのモニタ信号と周波数規定手段４３からの矩形波信号が入力されるもので、その信号に応じて、サンプリング制御手段４５は前記ＡＤ変換器４４の動作を制御している。４６はＤＡ変換器からなる振幅調整手段で、この振幅調整手段４６は前記サンプリング制御手段４５の制御に基づき、サンプリング制御手段４５から入力されたデジタル形式からなる駆動信号をアナログ信号からなる駆動信号に変換している。４７は駆動増幅器で、この駆動増幅器４７は、前記振幅調整手段４６からの出力信号を駆動電極３５に入力することにより、振動子３１の駆動における振幅量が一定になるようにしている。４８は出力回路で、この出力回路４８は前記サンプリング制御手段４５からのデジタル形式からなる出力信号を外部に角速度信号として出力するものである。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次にその動作を説明する。

振動子３１の駆動電極３５に交流電圧を加えると、前記振動子３１が共振し、そしてこの振動子３１のモニタ電極３６に電荷が発生する。このモニタ電極３６に発生した電荷は、増幅器からなるモニタ信号検出回路３９に入力され、図３（ａ）に示すように、正弦波形のモニタ信号として出力される。そしてこのモニタ信号検出回路３９からのモニタ信号を周波数規定手段４３により、図３（ｂ）に示すように、矩形波からなる出力信号に変換した後、サンプリング制御手段４５に入力することにより、駆動信号の周波数を検出する。そしてまた、このサンプリング制御手段４５は周波数規定手段４３の矩形波からなる出力信号を基に、波形の立ち上がり点よりもπ／２ｒａｄ進んだ点でのモニタ信号を図３（ａ）に示すように、駆動信号の最大振幅量として検出した後、１０ｂｉｔからなるデジタル信号に変換している。また、この１０ｂｉｔからなるデジタル信号を、予めサンプリング制御手段４５に準備した所定値と比較することにより、１０ｂｉｔからなるデジタル信号が小さい値の場合には、大きな値を振幅調整手段４６に出力する。一方、１０ｂｉｔからなるデジタル信号が大きい値の場合には、小さな値を振幅調整手段４６に出力する。そして、振幅調整手段４６は前記周波数規定手段４３により検出した駆動信号の周波数と同じ周波数の矩形波からなる駆動信号を、前記サンプリング制御手段４５からの制御を基に、図３（ｃ）に示すように、振動子３１における駆動電極３５に入力し、振動子３１を所定の振幅および周波数で振動駆動させるものである。

ここで、振動子３１の駆動電極振動体３２が振動方向に速度ｖで屈曲振動している状態において、前記振動子３１の長手方向の中心軸周りに前記振動子３１が角速度ωで回転すると、この振動子３１の検出電極振動体３３にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により前記検出電極振動体３３における一対の検出電極３８に発生する電荷を、出力信号検出回路４０により変換することにより、図３（ｄ）に示すような出力信号を前記ＡＤ変換器４４に出力する。そして、このＡＤ変換器４４は、サンプリング制御手段４５の指令により、図３（ｂ）に示す周波数規定手段４３からの矩形波信号の立下り点に応じて、ピーク値を読み取り１０ｂｉｔからなる出力信号を出力する。

そして、このデジタル形式からなる出力信号は、出力回路４８から出力信号として出力され、角速度を検出するものである。

上記した本発明の一実施の形態においては、出力信号検出回路４０からの出力信号を角速度の信号としてサンプリングするためのモニタ信号の所定値を基準電圧としているため、出力信号検出回路４０からの出力信号とモニタ信号との位相差である約９０度のずれを基に出力信号の最大値を検出することができ、これにより、出力信号の感度を向上させることができるという効果が得られるものである。

またここで、角速度センサの周囲の温度が変化する場合を考えて見ると、上記本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、モニタ信号検出回路３９からのモニタ信号が所定値のときの出力信号検出回路４０からの出力信号を角速度の信号としてサンプリングするサンプリング制御手段４５を設けているため、同期検波器を使用することなく、角速度信号を検出することができ、これにより、出力信号が温度変化により変化するのを抑制できるため、温度変化の多い環境下で使用しても出力特性が安定している角速度センサを提供することができるという効果が得られるものである。

そしてまた、上記本発明の一実施の形態においては、モニタ電極３６からのモニタ信号が基準電圧のときのタイミングを検出することにより駆動信号の周波数を規定する周波数規定手段４３と、前記モニタ電極３６からのモニタ信号のピーク値を読み取るとともに、駆動信号のピーク値を調整する振幅調整手段４６とを設けているため、ＡＧＣ回路を設けることなく、駆動信号の振幅を所定の値にすることができ、これにより、駆動信号の振幅が温度変化により変動するのを抑制できるという効果が得られるものである。

本発明に係る角速度センサは、出力信号が温度変化により変化するのを抑制でき、これにより、出力特性の安定した角速度センサを提供することができるという効果を有するものであり、特に、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利用でき、かつ故障診断機能を有する角速度センサとして有用なものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの振動子の斜視図同角速度センサの駆動回路および検出回路を示すブロック図（ａ）〜（ｄ）同角速度センサが動作したときの出力信号を示す波形図従来の角速度センサの回路図（ａ）〜（ｇ）同角速度センサの動作状態における出力信号を示す図

符号の説明

３１振動子
３５駆動電極
３６モニタ電極
３８検出電極
３９モニタ信号検出回路
４０出力信号検出回路
４３周波数規定手段
４５サンプリング制御手段
４６振幅調整手段

Claims

振動子と、この振動子に設けられるとともに駆動電圧が印加される駆動電極と、前記振動子に設けられるとともに前記振動子の駆動により発生する電荷を出力するモニタ電極と、このモニタ電極から出力される電荷をモニタ信号に変換するモニタ信号検出回路と、前記振動子に設けられるとともにこの振動子に角速度が負荷された状態で、振動子にコリオリ力により発生する電荷を出力する検出電極と、この検出電極から出力される電荷を出力信号に変換する出力信号検出回路と、前記モニタ信号検出回路からのモニタ信号が所定値のときの出力信号検出回路からの出力信号を角速度の信号としてサンプリングするサンプリング制御手段と、このサンプリング制御手段からの出力信号をデジタル信号として出力する出力回路とを備えた角速度センサ。
出力信号検出回路からの出力信号を角速度の信号としてサンプリングするためのモニタ信号の所定値を基準電圧とした請求項１記載の角速度センサ。
振動子と、この振動子に設けられるとともに駆動電圧が印加される駆動電極と、前記振動子に設けられるとともに前記振動子の駆動により発生する電荷を出力するモニタ電極と、このモニタ電極から出力される電荷をモニタ信号に変換するモニタ信号検出回路と、前記振動子に設けられるとともにこの振動子に角速度が負荷された状態で、振動子にコリオリ力により発生する電荷を出力する検出電極と、この検出電極から出力される電荷を出力信号に変換する出力信号検出回路と、前記モニタ電極からのモニタ信号が基準電圧のときのタイミングを検出することにより駆動信号の周波数を規定する周波数規定手段と、前記モニタ電極からのモニタ信号のピーク値を読み取るとともに、駆動信号のピーク値を調整する振幅調整手段とを備えた角速度センサ。