JP2008070132A - Angular velocity sensor - Google Patents

Angular velocity sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2008070132A
JP2008070132A JP2006246502A JP2006246502A JP2008070132A JP 2008070132 A JP2008070132 A JP 2008070132A JP 2006246502 A JP2006246502 A JP 2006246502A JP 2006246502 A JP2006246502 A JP 2006246502A JP 2008070132 A JP2008070132 A JP 2008070132A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
output signal
amplifier
vibrator
amplitude
phase shifter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006246502A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masayoshi Murakami
昌良 村上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2006246502A priority Critical patent/JP2008070132A/en
Publication of JP2008070132A publication Critical patent/JP2008070132A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an angular velocity sensor that surely cancels error signals generated in output signal, when excessive impact is given to a vibrator. <P>SOLUTION: In this angular velocity sensor, a phase shifter 31 is provided with an amplitude attenuation means, comprising a changeover switch changing over between resistance values of first and second injection resistances in the phase shifter 31, to attenuate the amplitude of an output signal from a differential amplifier 29. As a result, the error signals from the output signals can be surely canceled. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

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、かつ故障診断機能を有する角速度センサに関するものである。   The present invention particularly relates to an angular velocity sensor that can be used for attitude control and navigation of a moving body such as an aircraft, an automobile, a robot, a ship, and a vehicle and that has a failure diagnosis function.

従来のこの種の角速度センサは、図9に示すような構成となっていた。   This type of conventional angular velocity sensor has a configuration as shown in FIG.

図9は従来の角速度センサにおける検出回路を示すブロック図である。   FIG. 9 is a block diagram showing a detection circuit in a conventional angular velocity sensor.

図9において、1は振動子である。2は駆動回路で、この駆動回路2は前記振動子1を所定の振幅および周波数で振動駆動している。3は検出回路で、この検出回路3は、前記振動子1に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子1に発生する電荷を増幅する電荷増幅器4と、この電荷増幅器4の出力信号の位相を変化させるオペアンプからなる位相器5と、この位相器5からの出力信号を前記駆動回路2からの出力信号に同期検波させる同期検波器6と、この同期検波器6からの出力信号を平滑するとともに増幅するDC化出力回路7とで構成されている。   In FIG. 9, 1 is a vibrator. Reference numeral 2 denotes a drive circuit, which drives the vibrator 1 with a predetermined amplitude and frequency. Reference numeral 3 denotes a detection circuit. The detection circuit 3 amplifies a charge generated in the vibrator 1 by Coriolis force when an angular velocity is loaded on the vibrator 1, and an output signal of the charge amplifier 4 A phase shifter 5 composed of an operational amplifier for changing the phase, a synchronous detector 6 for synchronously detecting an output signal from the phase shifter 5 with an output signal from the drive circuit 2, and an output signal from the synchronous detector 6 being smoothed And a DC output circuit 7 that amplifies and amplifies the circuit.

以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。   Next, the operation of the conventional angular velocity sensor configured as described above will be described.

従来の角速度センサは、振動子1の固有振動数で励振した状態で、この振動子1の軸心方向Zを中心とする角速度Ωが振動子1に印加されると、振動子1にコリオリ力が生じ、これが電荷として検出され、そして検出回路3により出力信号に変換されることにより、角速度を検出するものであった。   In a state where the conventional angular velocity sensor is excited at the natural frequency of the vibrator 1, when an angular velocity Ω centering on the axial direction Z of the vibrator 1 is applied to the vibrator 1, the Coriolis force is applied to the vibrator 1. This is detected as an electric charge, and converted into an output signal by the detection circuit 3, thereby detecting the angular velocity.

ここで、振動子1の形状のアンバランスにより、角速度が振動子1に負荷されていないにも関わらず、図10(a)に示すような誤差信号が従来の検出回路3における電荷増幅器4および位相器5を介して発生する場合を考えてみると、従来の角速度センサにおいては、図10(b)に示すような駆動回路2における出力信号に同期して、出力信号が図10(c)に示す信号に変換される。そうすると、DC化出力回路7により平滑化されるため、誤差信号が零出力値となり、これにより、振動子1の形状のアンバランスにより発生する誤差信号をキャンセルすることができるものであった。   Here, due to the imbalance of the shape of the vibrator 1, an error signal as shown in FIG. 10A is generated by the charge amplifier 4 and the conventional detection circuit 3 even though the angular velocity is not loaded on the vibrator 1. Considering the case where the signal is generated through the phase shifter 5, in the conventional angular velocity sensor, the output signal is synchronized with the output signal in the drive circuit 2 as shown in FIG. Is converted into the signal shown in FIG. Then, since it is smoothed by the DC output circuit 7, the error signal becomes a zero output value, whereby the error signal generated due to the imbalance of the shape of the vibrator 1 can be canceled.

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2003−247828号公報
As prior art document information relating to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
JP 2003-247828 A

しかしながら、上記従来の構成では、振動子1に過大な衝撃が加わることにより発生する誤差信号が、位相器5の上側出力飽和電圧を超えると、図11(a)に示すように、出力信号の一部が頭打ちになるため、一般的に、同期検波器6における上側出力飽和電圧と基準電位との差が、下側出力飽和電圧と基準電位との差よりも小であることにより、図11(b)に示すように、基準電位よりも下側の出力が多くなり、これにより、図11(c)に示すように、DC化出力回路7から誤差信号が出力されてしまうという課題を有していた。   However, in the above-described conventional configuration, when an error signal generated by an excessive shock applied to the vibrator 1 exceeds the upper output saturation voltage of the phase shifter 5, as shown in FIG. Since a part of the output reaches a peak, generally, the difference between the upper output saturation voltage and the reference potential in the synchronous detector 6 is smaller than the difference between the lower output saturation voltage and the reference potential. As shown in FIG. 11B, the output below the reference potential increases, and as a result, an error signal is output from the DC output circuit 7 as shown in FIG. Was.

本発明は上記従来の課題を解決するもので、振動子に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号を出力信号から確実にキャンセルすることができ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。   The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide an angular velocity sensor capable of reliably canceling an error signal generated when an excessive shock is applied to a vibrator from an output signal. It is.

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。   In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.

本発明の請求項1に記載の発明は、振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器と、この電荷増幅器からの出力信号の位相を変化させるとともに基準電位が上側出力飽和電圧と下側出力飽和電圧の中点から偏移しているオペアンプからなる位相器と、この位相器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路と、この平滑回路の出力信号を増幅して出力するオペアンプからなる直流増幅器とを備え、前記位相器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて電荷増幅器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を位相器に設けるとともに、前記直流増幅器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて平滑回路からの出力信号を増幅させる振幅増幅手段を直流増幅器に設け、前記増幅減衰手段の減衰率と前記振幅増幅手段の増幅率とが互いに逆数になるように構成したもので、この構成によれば、位相器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて電荷増幅器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を位相器に設けているため、振動子に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号が位相器の上側出力飽和電圧以上または下側出力飽和電圧以下になるということはなくなり、これにより、出力信号の一部が頭打ちになるということはないため、同期検波器における信号変換後に、基準電位よりも下側の出力が多くなることもなくなり、その結果、出力信号から誤差信号を確実にキャンセルすることができるという作用効果を有するものである。   According to a first aspect of the present invention, a vibrator, a drive circuit for driving the vibrator with a predetermined amplitude and frequency, and a vibrator by a Coriolis force when an angular velocity is loaded on the vibrator. A charge amplifier that amplifies the generated charge and converts it to a voltage, and changes the phase of the output signal from the charge amplifier, and the reference potential is shifted from the middle point of the upper output saturation voltage and the lower output saturation voltage. A phase shifter composed of an operational amplifier, a synchronous detector for synchronously detecting an output signal from the phase shifter with an output signal from the drive circuit, a smoothing circuit for smoothing the output signal of the synchronous detector, and the smoothing circuit An amplitude that attenuates the amplitude of the output signal from the charge amplifier by switching the resistance value of the injection resistor in the phase shifter. Attenuating means is provided in the phase shifter, and an amplitude amplifying means for amplifying an output signal from the smoothing circuit by switching a resistance value of the injection resistor in the DC amplifier is provided in the DC amplifier, and the attenuation rate of the amplification attenuating means and the amplitude amplification are provided. According to this configuration, the amplitude attenuating means for attenuating the amplitude of the output signal from the charge amplifier by switching the resistance value of the injection resistor in the phase shifter is phase-adjusted. Therefore, the error signal generated when an excessive shock is applied to the vibrator will not be higher than the upper output saturation voltage or lower than the lower output saturation voltage of the phaser. Therefore, after the signal conversion in the synchronous detector, the output below the reference potential does not increase and the result is , And has a effect that the error signal from the output signal can be reliably canceled.

本発明の請求項2に記載の発明は、振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器と、この電荷増幅器からの出力信号の位相を変化させる位相器と、この位相器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させるとともに基準電位が上側出力飽和電圧と下側出力飽和電圧の中点から偏移している少なくとも2つのオペアンプを有する同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路と、この平滑回路の出力信号を増幅して出力する直流増幅器とを備え、前記同期検波器におけるオペアンプの個数を切り替えて位相器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を同期検波器に設けるとともに、前記直流増幅器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて平滑回路からの出力信号を増幅させる振幅増幅手段を直流増幅器に設け、前記振幅減衰手段の減衰率と前記振幅増幅手段の増幅率とが互いに逆数になるように構成したもので、この構成によれば、同期検波器におけるオペアンプの個数を切り替えて位相器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を同期検波器に設けているため、振動子に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号が同期検波器におけるオペアンプの上側出力飽和電圧以上または下側出力飽和電圧以下になるということはなくなり、これにより、出力信号の一部が頭打ちになるということはないため、同期検波器における信号変換後に、基準電位よりも下側の出力が多くなることもなくなり、その結果、出力信号から誤差信号を確実にキャンセルすることができるという作用効果を有するものである。   According to a second aspect of the present invention, a vibrator, a drive circuit that vibrates the vibrator with a predetermined amplitude and frequency, and the vibrator by Coriolis force when an angular velocity is applied to the vibrator. A charge amplifier that amplifies the generated charge and converts it into a voltage, a phase shifter that changes the phase of the output signal from the charge amplifier, and synchronously detects the output signal from the phase shifter with the output signal from the drive circuit And a synchronous detector having at least two operational amplifiers whose reference potentials are deviated from the midpoint of the upper output saturation voltage and the lower output saturation voltage, a smoothing circuit for smoothing the output signal of the synchronous detector, A DC amplifier that amplifies and outputs the output signal of the smoothing circuit, and switches the number of operational amplifiers in the synchronous detector to attenuate the amplitude of the output signal from the phase shifter. Means is provided in the synchronous detector, and an amplitude amplifying means for amplifying an output signal from the smoothing circuit by switching a resistance value of the injection resistor in the DC amplifier is provided in the DC amplifier, and the attenuation rate of the amplitude attenuating means and the amplitude amplification are provided. According to this configuration, the amplitude attenuating means for attenuating the amplitude of the output signal from the phase shifter by switching the number of operational amplifiers in the synchronous detector is detected synchronously. Therefore, the error signal generated when an excessive shock is applied to the vibrator will not be higher than the upper output saturation voltage or lower than the lower output saturation voltage of the operational amplifier in the synchronous detector. Because part of the output signal does not reach its peak, there are many outputs below the reference potential after signal conversion in the synchronous detector. Becomes also eliminated, as a result, those having effect that the error signal from the output signal can be reliably canceled.

本発明の請求項3に記載の発明は、特に、電荷増幅器と位相器との間に判定回路を設け、この判定回路により電荷増幅器からの出力信号を判定して前記位相器における振幅減衰手段の抵抗値の切り替えをするようにしたもので、この構成によれば、常時、電荷増幅器からの出力信号を監視することができるという作用効果を有するものである。   In the invention according to claim 3 of the present invention, in particular, a determination circuit is provided between the charge amplifier and the phase shifter, and an output signal from the charge amplifier is determined by the determination circuit to determine the amplitude attenuation means in the phase shifter. The resistance value is switched. According to this configuration, the output signal from the charge amplifier can be constantly monitored.

以上のように本発明の角速度センサは、振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器と、この電荷増幅器からの出力信号の位相を変化させるとともに基準電位が上側出力飽和電圧と下側出力飽和電圧の中点から偏移しているオペアンプからなる位相器と、この位相器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路と、この平滑回路の出力信号を増幅して出力するオペアンプからなる直流増幅器とを備え、前記位相器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて電荷増幅器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を位相器に設けるとともに、前記直流増幅器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて平滑回路からの出力信号を増幅させる振幅増幅手段を直流増幅器に設け、前記増幅減衰手段の減衰率と前記振幅増幅手段の増幅率とが互いに逆数になるように構成したもので、この構成によれば、位相器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて電荷増幅器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を位相器に設けているため、振動子に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号が位相器の上側出力飽和電圧以上または下側出力飽和電圧以下になるということはなくなり、これにより、出力信号の一部が頭打ちになるということはないため、同期検波器における信号変換後に、基準電位よりも下側の出力が多くなることもなくなり、その結果、出力信号から誤差信号を確実にキャンセル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。   As described above, the angular velocity sensor according to the present invention is generated in the vibrator by the Coriolis force when the vibrator is driven at a predetermined amplitude and frequency, and when the angular velocity is loaded on the vibrator. Amplifier that amplifies and converts the generated charge into a voltage, and an operational amplifier that changes the phase of the output signal from the charge amplifier and shifts the reference potential from the midpoint of the upper and lower output saturation voltages A phase detector comprising: a synchronous detector for synchronously detecting an output signal from the phase shifter with an output signal from the drive circuit; a smoothing circuit for smoothing the output signal of the synchronous detector; and an output of the smoothing circuit And a DC amplifier composed of an operational amplifier for amplifying and outputting the signal, and switching the resistance value of the injection resistor in the phase shifter to attenuate the amplitude of the output signal from the charge amplifier A width attenuating means is provided in the phase shifter, and an amplitude amplifying means for amplifying an output signal from the smoothing circuit by switching a resistance value of the injection resistor in the DC amplifier is provided in the DC amplifier, and the attenuation rate and the amplitude of the amplification attenuating means are provided. According to this configuration, the amplitude attenuating means that attenuates the amplitude of the output signal from the charge amplifier by switching the resistance value of the injection resistor in the phase shifter. Since it is provided in the phase shifter, the error signal generated when an excessive shock is applied to the vibrator will not be higher than the upper output saturation voltage of the phase shifter or lower than the lower output saturation voltage. Since part of the signal never reaches a peak, the output below the reference potential does not increase after signal conversion in the synchronous detector. Results, in which an excellent effect that the error signal from the output signal can be reliably canceled.

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。   Hereinafter, an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。   FIG. 1 is a perspective view of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing a drive circuit and a detection circuit of the angular velocity sensor.

図1、図2において、11は振動子で、この振動子11は四角柱状の水晶製の駆動電極振動体12と、四角柱状の水晶製の検出電極振動体13と、水晶製の接続部14とにより構成されている。そして前記駆動電極振動体12には、4つの側面に金からなる駆動電極15aおよび駆動電極15bが設けられている。また前記検出電極振動体13は駆動電極振動体12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16が設けられている。そしてまた前記検出電極振動体13には、内側の側面に金からなるGND電極17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18a、18bが設けられている。19は駆動回路で、この駆動回路19は前記振動子11のモニタ電極16の電荷を入力する増幅器20と、この増幅器20の出力信号を入力するバンドパスフィルタ21と、このバンドパスフィルタ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とにより構成されている。24はAGC回路で、このAGC回路24は前記駆動回路19における平滑回路23の出力信号を入力し、前記バンドパスフィルタ21の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。25は駆動制御回路で、この駆動制御回路25は前記AGC回路24の出力信号を入力するとともに、前記振動子11における駆動電極15aに駆動信号を入力するものである。26は反転アンプで、この反転アンプ26は前記駆動制御回路25の出力信号を入力するとともに、前記振動子11における駆動電極15bに駆動制御回路25の出力信号を反転させた駆動信号を入力するものである。   In FIGS. 1 and 2, reference numeral 11 denotes a vibrator. The vibrator 11 includes a quadrangular columnar crystal drive electrode vibrating body 12, a quadrangular columnar crystal detection electrode vibrator 13, and a crystal connection portion 14. It is comprised by. The drive electrode vibrating body 12 is provided with drive electrodes 15a and 15b made of gold on four side surfaces. The detection electrode vibrating body 13 is provided in parallel with the drive electrode vibrating body 12, and monitor electrodes 16 made of gold are provided on the front and back surfaces thereof. The detection electrode vibrating body 13 is provided with a GND electrode 17 made of gold on the inner side surface and a pair of detection electrodes 18a and 18b made of gold on the outer side surface. Reference numeral 19 denotes a drive circuit. The drive circuit 19 includes an amplifier 20 for inputting the electric charge of the monitor electrode 16 of the vibrator 11, a bandpass filter 21 for inputting an output signal of the amplifier 20, and an output of the bandpass filter 21. A rectifier 22 for inputting a signal and a smoothing circuit 23 for inputting an output signal of the rectifier 22 are configured. An AGC circuit 24 receives the output signal of the smoothing circuit 23 in the drive circuit 19 and amplifies or attenuates the output signal of the band-pass filter 21. Reference numeral 25 denotes a drive control circuit. The drive control circuit 25 inputs an output signal of the AGC circuit 24 and inputs a drive signal to the drive electrode 15a of the vibrator 11. Reference numeral 26 denotes an inverting amplifier. The inverting amplifier 26 inputs an output signal of the drive control circuit 25 and inputs a drive signal obtained by inverting the output signal of the drive control circuit 25 to the drive electrode 15b of the vibrator 11. It is.

27は検出回路で、この検出回路27は、前記振動子11における一対の検出電極18a,18bのうちの一方の検出電極18aにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する電荷増幅器28aと、一対の検出電極18a,18bのうちの他方の検出電極18bにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する電荷増幅器28bと、これらの電荷増幅器28aおよび28bの出力信号を入力する差動増幅器29と、この差動増幅器29の出力信号を判定する判定回路30と、前記差動増幅器29の出力信号を入力するオペアンプからなる位相器31と、この位相器31の出力信号を入力する同期検波器32と、この同期検波器32の出力信号を入力する平滑回路33と、この平滑回路33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オペアンプからなる直流増幅器34とにより構成されている。   Reference numeral 27 denotes a detection circuit. The detection circuit 27 includes a charge amplifier 28a that converts a charge generated by Coriolis force in one of the pair of detection electrodes 18a and 18b of the vibrator 11 into a voltage, and a pair of detection electrodes 18a and 18b. A charge amplifier 28b for converting the charge generated by the Coriolis force to the other detection electrode 18b of the detection electrodes 18a and 18b into a voltage, and a differential amplifier 29 for inputting output signals of these charge amplifiers 28a and 28b, A determination circuit 30 for determining an output signal of the differential amplifier 29, a phase shifter 31 composed of an operational amplifier for inputting the output signal of the differential amplifier 29, and a synchronous detector 32 for inputting the output signal of the phase shifter 31 The smoothing circuit 33 for inputting the output signal of the synchronous detector 32 and the output signal of the smoothing circuit 33 are inputted and amplified for angular velocity. It is constituted by a DC amplifier 34 consisting of an operational amplifier to output a signal.

そして、前記検出回路27における判定回路30は、図3に示すように、第1のコンパレータ35と第2のコンパレータ36とで構成されており、前記差動増幅器29からの出力信号が3.8V以上の場合には、第1のコンパレータ35から位相器31に切り替え信号が送られ、一方、差動増幅器29からの出力信号が0.7V以下の場合には、第2のコンパレータ36から位相器31に切り替え信号が送られる。前記検出回路27における位相器31は基準電位が2.5Vで、上側出力飽和電圧を4.0Vに、下側出力飽和電圧を0.5Vに設定しており、そして基準電位2.5Vは上側出力飽和電圧4.0Vと下側出力飽和電圧0.5Vの中点である2.25Vから上側に偏移している。   As shown in FIG. 3, the determination circuit 30 in the detection circuit 27 includes a first comparator 35 and a second comparator 36, and an output signal from the differential amplifier 29 is 3.8V. In the above case, a switching signal is sent from the first comparator 35 to the phase shifter 31. On the other hand, when the output signal from the differential amplifier 29 is 0.7 V or less, the second comparator 36 sends it to the phase shifter. A switching signal is sent to 31. The phase shifter 31 in the detection circuit 27 has a reference potential of 2.5 V, an upper output saturation voltage set to 4.0 V, and a lower output saturation voltage set to 0.5 V, and the reference potential 2.5 V is set to the upper side. It is shifted upward from 2.25V, which is the midpoint between the output saturation voltage 4.0V and the lower output saturation voltage 0.5V.

そしてまた、位相器31には、図4に示すように、切り替えスイッチ37を設けており、この切り替えスイッチ37により、位相器31における第1の注入抵抗38と第2の注入抵抗39のいずれか一方を選択するようにしている。そして、位相器31は、前記第1の注入抵抗38、第2の注入抵抗39および帰還抵抗40の組み合わせにより、第2の注入抵抗39を切り替えスイッチ37が選択すると、第1の注入抵抗38を切り替えスイッチ37が選択した場合に比べて、位相器31の増幅率が50%になるように設定されている。また、前記検出回路27における直流増幅器34は、図5に示すように、切り替えスイッチ41を設けており、この切り替えスイッチ41により、直流増幅器34における第1の注入抵抗42と第2の注入抵抗43のいずれか一方を選択するようにしている。そして、直流増幅器34は、前記第1の注入抵抗42、第2の注入抵抗43および帰還抵抗44の組み合わせにより、第2の注入抵抗43を切り替えスイッチ41が選択すると、第1の注入抵抗42を切り替えスイッチ41が選択した場合に比べて、位相器31の増幅率が200%になるように設定されている。   In addition, the phase shifter 31 is provided with a changeover switch 37 as shown in FIG. 4, and the changeover switch 37 allows either the first injection resistor 38 or the second injection resistance 39 in the phase shifter 31 to be selected. One is selected. Then, when the changeover switch 37 selects the second injection resistor 39 by the combination of the first injection resistor 38, the second injection resistor 39, and the feedback resistor 40, the phase shifter 31 sets the first injection resistor 38. Compared with the case where the changeover switch 37 is selected, the amplification factor of the phase shifter 31 is set to be 50%. As shown in FIG. 5, the DC amplifier 34 in the detection circuit 27 is provided with a changeover switch 41, and the changeover switch 41 causes the first injection resistor 42 and the second injection resistor 43 in the DC amplifier 34 to be provided. Either one of them is selected. When the changeover switch 41 selects the second injection resistor 43 by the combination of the first injection resistor 42, the second injection resistor 43, and the feedback resistor 44, the DC amplifier 34 changes the first injection resistor 42. Compared to the case where the changeover switch 41 is selected, the amplification factor of the phase shifter 31 is set to be 200%.

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。   Next, the operation of the angular velocity sensor according to one embodiment of the present invention configured as described above will be described.

振動子11の駆動電極15aおよび15bに交流電圧を加えると、振動子11が共振し、そしてこの振動子11のモニタ電極16に電荷が発生する。このモニタ電極16に発生した電荷は、駆動回路19における増幅器20に入力され、正弦波形の出力電圧として出力される。そしてこのモニタ電極16の出力電圧を前記バンドパスフィルタ21に入力し、振動子11の共振周波数のみを抽出し、ノイズ成分を除去して、図6(a)に示すような正弦波形を出力する。そしてまた前記バンドパスフィルタ21の出力信号を整流器22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23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24は前記平滑回路23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21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23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21の出力信号を増幅させるような信号を前記駆動制御回路25に入力し、前記振動子11の振動を一定振幅になるように調整するものである。ここで、振動子11の駆動電極振動体12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11の長手方向の中心軸周りに前記振動子11が角速度ωで回転すると、この振動子11の検出電極振動体13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13の一対の検出電極18における一方の検出電極18aに図6(b)に示すような電荷が発生するとともに、他方の検出電極18bに図6(c)に示すような電荷が発生する。そしてこの一対の検出電極18に発生する電荷はコリオリ力により発生するため、前記モニタ電極16に発生する信号より、一方の検出電極18aに生じる電荷の位相が90度進むとともに、他方の検出電極18bに生じる電荷の位相が270度進んでいる。そして前記差動増幅器29により、一方の検出電極18aから発生する電荷を図6(d)に示すような出力電圧に変換する。増幅器28bは、他方の検出電極18bから発生する電荷を増幅し、図6(e)に示すような出力電圧に変換する。   When an AC voltage is applied to the drive electrodes 15 a and 15 b of the vibrator 11, the vibrator 11 resonates and charges are generated at the monitor electrode 16 of the vibrator 11. The electric charges generated in the monitor electrode 16 are input to the amplifier 20 in the drive circuit 19 and output as a sinusoidal output voltage. Then, the output voltage of the monitor electrode 16 is input to the band-pass filter 21, only the resonance frequency of the vibrator 11 is extracted, the noise component is removed, and a sine waveform as shown in FIG. 6A is output. . Further, the output signal of the bandpass filter 21 is input to the rectifier 22 to convert the negative voltage component into a positive voltage, and then input to the smoothing circuit 23 to be converted into a DC voltage signal. When the DC voltage signal of the smoothing circuit 23 is large, the AGC circuit 24 attenuates the output signal of the bandpass filter 21. On the other hand, when the DC voltage signal of the smoothing circuit 23 is small, Is for inputting a signal for amplifying the output signal of the band-pass filter 21 to the drive control circuit 25 and adjusting the vibration of the vibrator 11 to have a constant amplitude. Here, when the vibrator 11 rotates at an angular velocity ω around the central axis in the longitudinal direction of the vibrator 11 in a state in which the drive electrode vibrating body 12 of the vibrator 11 is bending-vibrated at a speed v in the vibration direction, A Coriolis force of F = 2 mV × ω is generated in the detection electrode vibrating body 13 of the vibrator 11. Due to this Coriolis force, a charge as shown in FIG. 6B is generated in one detection electrode 18a of the pair of detection electrodes 18 of the detection electrode vibrating body 13, and the other detection electrode 18b is shown in FIG. 6C. A charge as shown is generated. Since the charges generated in the pair of detection electrodes 18 are generated by the Coriolis force, the phase of the charge generated in one detection electrode 18a advances by 90 degrees from the signal generated in the monitor electrode 16, and the other detection electrode 18b. The phase of the charge generated at 270 is advanced by 270 degrees. The differential amplifier 29 converts the charge generated from one detection electrode 18a into an output voltage as shown in FIG. The amplifier 28b amplifies the charge generated from the other detection electrode 18b and converts it into an output voltage as shown in FIG.

そして、電荷増幅器28aおよび電荷増幅器28bの出力信号を差動増幅器29に入力するとともに、差動をとることにより、差動増幅器29が差動からなる出力信号を出力する。さらに位相器31により、前記差動増幅器29の出力電圧を90度遅らせて図6(f)に示すような出力電圧に変換する。そしてこの位相器31の出力信号を同期検波器32に入力し、前記駆動回路19におけるバンドパスフィルタ21の振動の周期で位相検波させるとともに、前記位相器31の出力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、図6(g)に示すような出力信号を得る。そしてこの同期検波器32の出力電圧を前記平滑回路33および直流増幅器34により平滑化するとともに、増幅し、図6(h)に示すような出力信号を得る。そして直流増幅器34の出力信号を角速度の信号として、相手側のコンピュータ(図示せず)等に入力し、角速度を検出するものである。   Then, the output signals of the charge amplifier 28a and the charge amplifier 28b are input to the differential amplifier 29, and the differential amplifier 29 outputs a differential output signal by taking the differential. Further, the phase shifter 31 delays the output voltage of the differential amplifier 29 by 90 degrees and converts it into an output voltage as shown in FIG. Then, the output signal of the phase shifter 31 is input to the synchronous detector 32, and phase detection is performed at the period of vibration of the bandpass filter 21 in the drive circuit 19, and the negative voltage component of the output voltage of the phase shifter 31 is positive voltage. To obtain an output signal as shown in FIG. The output voltage of the synchronous detector 32 is smoothed and amplified by the smoothing circuit 33 and the DC amplifier 34 to obtain an output signal as shown in FIG. The output signal of the DC amplifier 34 is input as an angular velocity signal to a counterpart computer (not shown) or the like to detect the angular velocity.

ここで、角速度センサにおける振動子11に過大な衝撃力が作用し、図7(a)に示すように、差動増幅器29からの出力信号の最大値が位相器31の上側出力飽和電圧4.0Vを超える4.1Vとなった場合、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、判定回路30における第1のコンパレータ35がオンし、位相器31の切り替えスイッチ37が切り替わって、第2の注入抵抗39がオン状態となる。この状態においては、第1の注入抵抗38に切り替えスイッチ37が切り替わった場合に比べて、位相器31の増幅率が50%になるため、図7(b)に示すように、位相器31により位相を変換させる信号の最大値は3.3Vになる。これは、位相器31の上側出力飽和電圧4.0V以下であるため、位相器31からの出力信号は頭打ちにならない。そうすると、駆動回路2における出力信号に同期して、図7(c)に示す信号に変換される。そして、平滑回路33により、図7(d)に示すように、誤差信号がキャンセルされるため、正確な角速度を検出することができるものである。   Here, an excessive impact force acts on the vibrator 11 in the angular velocity sensor, and as shown in FIG. 7A, the maximum value of the output signal from the differential amplifier 29 is the upper output saturation voltage 4. In the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention, when the voltage becomes 4.1 V exceeding 0 V, the first comparator 35 in the determination circuit 30 is turned on, the changeover switch 37 of the phase shifter 31 is switched, and the second The injection resistor 39 is turned on. In this state, since the amplification factor of the phase shifter 31 is 50% as compared with the case where the changeover switch 37 is switched to the first injection resistor 38, as shown in FIG. The maximum value of the signal for phase conversion is 3.3V. Since the upper output saturation voltage of the phase shifter 31 is 4.0 V or less, the output signal from the phase shifter 31 does not reach a peak. Then, it is converted into the signal shown in FIG. 7C in synchronization with the output signal in the drive circuit 2. Since the error signal is canceled by the smoothing circuit 33 as shown in FIG. 7 (d), an accurate angular velocity can be detected.

上記したように、本発明の一実施の形態においては、位相器31における第1の注入抵抗38と第2の注入抵抗39の抵抗値を切り替えて差動増幅器29からの出力信号の振幅を減衰させる切り替えスイッチ37からなる振幅減衰手段を位相器31に設けているため、振動子11に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号が位相器31の上側出力飽和電圧以上または下側出力飽和電圧以下になるということはなくなり、これにより、出力信号の一部が頭打ちになるということはないため、同期検波器32における信号変換後に、基準電位よりも下側の出力が多くなることもなくなり、その結果、出力信号から誤差信号を確実にキャンセルすることができるという効果が得られるものである。   As described above, in one embodiment of the present invention, the amplitude of the output signal from the differential amplifier 29 is attenuated by switching the resistance values of the first injection resistor 38 and the second injection resistor 39 in the phase shifter 31. Since the phase shifter 31 is provided with an amplitude attenuating means including the changeover switch 37, an error signal generated when an excessive impact is applied to the vibrator 11 is equal to or higher than the upper output saturation voltage of the phase shifter 31 or lower output saturation. As a result, a part of the output signal does not reach a peak, so that the output below the reference potential does not increase after signal conversion in the synchronous detector 32. As a result, the effect that the error signal can be canceled reliably from the output signal can be obtained.

また、直流増幅器34は、図5に示すように、切り替えスイッチ41が第2の注入抵抗43を選択した場合は、第1の注入抵抗42を切り替えスイッチ41が選択した場合に比べて、位相器31の増幅率が200%になるように設定されているため、角速度からなる出力信号は、前述したように、一旦、位相器31により出力信号が50%に減衰するが、直流増幅器34により200%に増幅され、そしてこれらは合わせて100%の信号となるもので、このことから、位相器31における切り替えスイッチ37と直流増幅器34における切り替えスイッチ41が動作しても角速度信号自体は変化しないため、同一の出力信号を出力させることができるものである。   Further, as shown in FIG. 5, the direct current amplifier 34 has a phase shifter when the changeover switch 41 selects the second injection resistor 43, compared with the case where the changeover switch 41 selects the first injection resistor 42. Since the amplification factor of 31 is set to be 200%, the output signal composed of the angular velocity is once attenuated to 50% by the phase shifter 31 as described above. Since these are 100% signals in total, the angular velocity signal itself does not change even if the changeover switch 37 in the phase shifter 31 and the changeover switch 41 in the DC amplifier 34 are operated. The same output signal can be output.

なお、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、位相器31における切り替えスイッチ37を切り替えて、差動増幅器29からの出力信号を減衰させる場合について説明したが、図8に示すように、一対のオペアンプ45を直列に接続した同期検波器32に切り替えスイッチ46を設け、そしてこの切り替えスイッチ46により、使用するオペアンプ45の個数を変えて増幅率を変化させるようにした場合でも、上記本発明の一実施の形態と同様の効果が得られるものである。   In the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention, the case where the changeover switch 37 in the phase shifter 31 is switched to attenuate the output signal from the differential amplifier 29 has been described. As shown in FIG. Even when the changeover switch 46 is provided in the synchronous detector 32 in which a pair of operational amplifiers 45 are connected in series, and the number of the operational amplifiers 45 to be used is changed by the changeover switch 46, the amplification factor is changed. The same effects as those of the embodiment of the invention can be obtained.

本発明に係る角速度センサは、振動子に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号を出力信号から確実にキャンセル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使用される角速度センサとして有用なものである。   The angular velocity sensor according to the present invention has an effect that an error signal generated when an excessive impact is applied to the vibrator can be reliably canceled from the output signal, and in particular, an aircraft, an automobile, a robot, It is useful as an angular velocity sensor used for attitude control and navigation of a moving body such as a ship or a vehicle.

本発明の一実施の形態における角速度センサの斜視図The perspective view of the angular velocity sensor in one embodiment of this invention 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Block diagram showing drive circuit and detection circuit of same angular velocity sensor 同角速度センサの検出回路における判定回路を示す回路図Circuit diagram showing determination circuit in detection circuit of same angular velocity sensor 同角速度センサの検出回路における位相器を示す回路図Circuit diagram showing phase shifter in detection circuit of same angular velocity sensor 同角速度センサの検出回路における直流増幅器を示す回路図Circuit diagram showing DC amplifier in detection circuit of same angular velocity sensor (a)〜(h)同角速度センサの動作状態における出力信号を示す波形図(A)-(h) Waveform diagram which shows the output signal in the operating state of the same angular velocity sensor (a)〜(d)同角速度センサにおける振幅減衰手段が動作した状態を示す波形図(A)-(d) Waveform diagram which shows the state which the amplitude attenuation | damping means in the same angular velocity sensor operated. 本発明の他の実施の形態における角速度センサの検出回路の同期検波器を示す回路図The circuit diagram which shows the synchronous detector of the detection circuit of the angular velocity sensor in other embodiment of this invention 従来の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The block diagram which shows the drive circuit and detection circuit of the conventional angular velocity sensor (a)〜(c)同角速度センサに過大な振動が負荷された状態で動作する状態を示す波形図(A)-(c) Waveform diagram which shows the state which operate | moves in the state where excessive vibration was loaded to the same angular velocity sensor (a)〜(c)同角速度センサに過大な振動が負荷されるとともに誤差信号をキャンセルできない状態を示す波形図(A)-(c) Waveform diagram showing a state in which excessive vibration is loaded on the same angular velocity sensor and the error signal cannot be canceled

符号の説明Explanation of symbols

11 振動子
19 駆動回路
27 検出回路
28a,28b 電荷増幅器
30 判定回路
31 位相器
32 同期検波器
33 平滑回路
34 直流増幅器
38,39,45 振幅減衰手段
42,43 振幅増幅手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Vibrator 19 Drive circuit 27 Detection circuit 28a, 28b Charge amplifier 30 Determination circuit 31 Phase shifter 32 Synchronous detector 33 Smoothing circuit 34 DC amplifier 38, 39, 45 Amplitude attenuation means 42, 43 Amplitude amplification means

Claims (3)

振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器と、この電荷増幅器からの出力信号の位相を変化させるとともに基準電位が上側出力飽和電圧と下側出力飽和電圧の中点から偏移しているオペアンプからなる位相器と、この位相器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路と、この平滑回路の出力信号を増幅して出力するオペアンプからなる直流増幅器とを備え、前記位相器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて電荷増幅器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を位相器に設けるとともに、前記直流増幅器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて平滑回路からの出力信号を増幅させる振幅増幅手段を直流増幅器に設け、前記増幅減衰手段の減衰率と前記振幅増幅手段の増幅率とが互いに逆数になるように構成した角速度センサ。 A vibrator, a drive circuit that vibrates the vibrator with a predetermined amplitude and frequency, and a charge that amplifies the charge generated in the vibrator by Coriolis force when the vibrator is loaded with an angular velocity and converts it into a voltage. A phase shifter composed of an amplifier and an operational amplifier that changes the phase of the output signal from the charge amplifier and whose reference potential is shifted from the midpoint of the upper output saturation voltage and the lower output saturation voltage; DC detector comprising a synchronous detector for synchronously detecting an output signal with an output signal from the drive circuit, a smoothing circuit for smoothing the output signal of the synchronous detector, and an operational amplifier for amplifying and outputting the output signal of the smoothing circuit And an amplitude attenuating means for attenuating the amplitude of the output signal from the charge amplifier by switching the resistance value of the injection resistor in the phase shifter. An amplitude amplifying means for amplifying the output signal from the smoothing circuit by switching the resistance value of the injection resistor in the DC amplifier is provided in the DC amplifier, and the attenuation factor of the amplification attenuating means and the amplification factor of the amplitude amplifying means are opposite to each other. An angular velocity sensor configured as described above. 振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器と、この電荷増幅器からの出力信号の位相を変化させる位相器と、この位相器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させるとともに基準電位が上側出力飽和電圧と下側出力飽和電圧の中点から偏移している少なくとも2つのオペアンプを有する同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路と、この平滑回路の出力信号を増幅して出力する直流増幅器とを備え、前記同期検波器におけるオペアンプの個数を切り替えて位相器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を同期検波器に設けるとともに、前記直流増幅器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて平滑回路からの出力信号を増幅させる振幅増幅手段を直流増幅器に設け、前記振幅減衰手段の減衰率と前記振幅増幅手段の増幅率とが互いに逆数になるように構成した角速度センサ。 A vibrator, a drive circuit that vibrates the vibrator with a predetermined amplitude and frequency, and a charge that amplifies the charge generated in the vibrator by Coriolis force when the vibrator is loaded with an angular velocity and converts it into a voltage. An amplifier, a phase shifter that changes the phase of the output signal from the charge amplifier, and the output signal from the phase shifter is synchronously detected with the output signal from the drive circuit, and the reference potential is set to the upper output saturation voltage and the lower output Synchronous detector having at least two operational amplifiers shifted from the midpoint of the saturation voltage, a smoothing circuit that smoothes the output signal of the synchronous detector, and a direct current that amplifies and outputs the output signal of the smoothing circuit An amplitude attenuating means for attenuating the amplitude of the output signal from the phase shifter by switching the number of operational amplifiers in the synchronous detector. And an amplitude amplifying means for amplifying an output signal from the smoothing circuit by switching a resistance value of the injection resistor in the DC amplifier, and the attenuation factor of the amplitude attenuating means and the amplification factor of the amplitude amplifying means are reciprocal to each other. An angular velocity sensor configured to be 電荷増幅器と位相器との間に判定回路を設け、この判定回路により電荷増幅器からの出力信号を判定して前記位相器における振幅減衰手段の抵抗値の切り替えをするようにした請求項1記載の角速度センサ。 The determination circuit is provided between the charge amplifier and the phase shifter, and an output signal from the charge amplifier is determined by the determination circuit to switch the resistance value of the amplitude attenuating means in the phase shifter. Angular velocity sensor.
JP2006246502A 2006-09-12 2006-09-12 Angular velocity sensor Pending JP2008070132A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006246502A JP2008070132A (en) 2006-09-12 2006-09-12 Angular velocity sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006246502A JP2008070132A (en) 2006-09-12 2006-09-12 Angular velocity sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008070132A true JP2008070132A (en) 2008-03-27

Family

ID=39291854

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006246502A Pending JP2008070132A (en) 2006-09-12 2006-09-12 Angular velocity sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008070132A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9927238B2 (en) 2015-03-09 2018-03-27 Seiko Epson Corporation Physical quantity sensor, electronic apparatus, and moving object

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9927238B2 (en) 2015-03-09 2018-03-27 Seiko Epson Corporation Physical quantity sensor, electronic apparatus, and moving object

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10288426B2 (en) Circuit device, physical-quantity detecting apparatus, electronic apparatus, and moving object
US7779688B2 (en) Vibration gyro sensor
WO2010150736A1 (en) Angular velocity sensor, and synchronous detection circuit used therein
JP4310571B2 (en) Capacitance detection type vibration gyro and capacitance change detection method
JP2008102091A (en) Capacitive detecting circuit
US10031176B2 (en) Circuit device, physical quantity detection device, electronic apparatus, and moving object
US20160334213A1 (en) Phase-based Measurement and control of a Gyroscope
JP4599848B2 (en) Angular velocity sensor
US10055975B2 (en) Circuit device, physical quantity detection device, electronic apparatus, and moving object
JP2007057262A (en) Sensor circuit
US9513309B2 (en) Inertia sensor with switching elements
JP2008170294A (en) Angular velocity sensor
JP2008070132A (en) Angular velocity sensor
KR100415076B1 (en) Method of detecting angular velocity and vibrating gyroscope
EP0803704A3 (en) Vibration gyroscope
JP2002228452A (en) Oscillatory gyro and electronic apparatus using the same and self-diagnostic method therefor
JP4150292B2 (en) Capacitive sensor device with abnormality detection function
JP5045034B2 (en) Angular velocity sensor
JP2008070131A (en) Angular velocity sensor
JP4793012B2 (en) Overlap angular velocity sensor
JP2014149229A (en) Angular velocity sensor
JP2002213961A (en) Vibration gyro and self-diagnozing method for vibration gyro
JP2013120180A (en) Angular velocity sensor
JPH04295716A (en) Angular-velocity-sensor driving circuit
JP2006170917A (en) Angular speed detector