JP2008261685A

JP2008261685A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2008261685A
Application number: JP2007103634A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Takashima; 義則高嶋
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-30

Abstract

【課題】本発明は、角速度センサを搭載する車両が高地を移動する等して角速度センサにおける振動子の傾き角が絶えず変化しても、角速度センサの出力信号が変動するということはなく、安定した出力信号が得られ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、振動子１１と、この振動子１１を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路１９と、前記振動子１１に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子１１に発生する電荷を増幅するとともに出力電圧に変換して出力する検出回路２０とを備え、前記検出回路２０に、角速度センサが取り付けられる被検出体の傾斜に応じて発生する出力誤差を補正する補正手段３４を設けたものである。
【選択図】図４

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８、図９に示すような構成となっていた。

図８は従来の角速度センサの斜視図、図９は同角速度センサの側面図である。

図８、図９において、１は音叉形状の振動子で、この振動子１は一対の柱部２と、この柱部２の一端側を接続する接続部３を設けている。４は支持部材で、この支持部材４は、図９に示すように前記振動子１における接続部３を鉛直方向に対してδ度傾斜させるように支持している。５は基台で、この基台５は前記支持部材４を取り付けており、そして前記振動子１を鉛直方向に対してδ度傾けて、固定している。

以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。

振動子１に駆動交流電圧を印加して、振動子１の固有振動数で振動子１を励振させ、この振動子１の軸心方向Ｚを中心とする角速度Ωが印加されると、励振方向と垂直な方向にコリオリ力が生じる。そして、このコリオリ力が振動子１によって電荷として検出されるため、この電荷を増幅して出力電圧に変換して出力することにより、角速度センサに付加されている角速度を検出するようにしていた。

ここで、従来の角速度センサを、図１０に示すようなナビゲーション装置６に装着する場合を考えてみると、ナビゲーション装置６は、自動車（図示せず）の中で、運転者から見やすいように傾けて設けられているため、従来の角速度センサにおいては、振動子１が基台５に予めδ度傾けた状態で支持されることになり、これにより、ナビゲーション装置６がδ度傾いている場合には、振動子１自体は鉛直方向を向くように構成されているため、ナビゲーション装置６が車両（図示せず）に対してδ度傾いた状態で取り付けられていても、振動子１が鉛直方向に対して傾いていないため、角速度センサの出力信号の感度の低下を防止することができるものであった。

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２００３−２２７８４４号公報

しかしながら、上記従来の構成では、ナビゲーション装置６を取り付けている車両（図示せず）自体が高地を移動する等して傾き角が絶えず変化する場合には、車両（図示せず）とともに、ナビゲーション装置６および角速度センサにおける振動子１の傾き角も絶えず変化することとなり、これにより、角速度センサの出力信号が変動し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、角速度センサを搭載する車両が高地を移動する等して角速度センサにおける振動子の傾き角が絶えず変化しても、角速度センサの出力信号が変動するということはなく、安定した出力信号が得られ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出力電圧に変換して出力する検出回路とを備え、前記検出回路に、角速度センサが取り付けられる被検出体の傾斜に応じて発生する出力誤差を補正する補正手段を設けたもので、この構成によれば、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出力電圧に変換して出力する検出回路に、角速度センサが取り付けられる被検出体の傾斜に応じて発生する出力誤差を補正する補正手段を設けているため、ナビゲーション装置を取り付けている車両自体の傾き角が絶えず変化してナビゲーション装置および角速度センサにおける振動子の傾き角が絶えず変化しても、角速度センサにおける振動子の傾き角および負荷される角速度に応じた補正値を角速度センサからの出力信号に加算することができ、これにより、角速度センサの出力信号が変動するということはなくなるため、安定した出力信号が得られ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、補正手段を、加速度検出部と、この加速度検出部の出力信号により算出した被検出体の傾斜角に対応する補正信号を検出回路に加算して出力する補正回路とにより構成したもので、この構成によれば、補正手段を、加速度検出部と、この加速度検出部の出力信号により算出した被検出体の傾斜角に対応する補正信号を検出回路に加算して出力する補正回路とにより構成しているため、前記加速度検出部により、角速度センサが設置される傾き角を検出することができ、これにより、角速度センサの傾き角に応じた補正値を常時角速度センサの出力信号に加算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３に記載の発明は、特に、補正手段における補正回路にＥＥＰＲＯＭを設けたもので、この構成によれば、補正手段における補正回路にＥＥＰＲＯＭを設けているため、出力信号を補正する補正値を容易に検出回路に提供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出力電圧に変換して出力する検出回路とを備え、前記検出回路に、角速度センサが取り付けられる被検出体の傾斜に応じて発生する出力誤差を補正する補正手段を設けているため、ナビゲーション装置を取り付けている車両自体の傾き角が絶えず変化してナビゲーション装置および角速度センサにおける振動子の傾き角が絶えず変化しても、角速度センサにおける振動子の傾き角および負荷される角速度に応じた補正値を角速度センサからの出力信号に加算することができ、これにより、角速度センサの出力信号が変動するということはなくなるため、安定した出力信号が得られる角速度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側面図、図２は同角速度センサにおける振動子の上面図、図３は同角速度センサにおける内装パッケージの側断面図、図４は同角速度センサにおける回路図、図５は同角速度センサにおける補正手段を構成する加速度検出部の上面図である。

図１〜図５において、１１は音叉形状のＳｉからなる振動子で、この振動子１１は、図２に示すように、一側面に二対の駆動電極１２を設けており、そしてこの駆動電極１２はＰＺＴからなる圧電薄膜（図示せず）の上下面を電極（図示せず）で挟み込んで構成している。また、前記振動子１１の一側面には、前記駆動電極１２の間に位置して第１の検出電極１３ａおよび第２の検出電極１３ｂを設けているもので、この第１の検出電極１３ａおよび第２の検出電極１３ｂはＰＺＴからなる圧電薄膜（図示せず）の上下面を電極（図示せず）で挟み込んで構成している。そしてまた、前記振動子１１の根元側にはモニター電極１４を設けているもので、このモニター電極１４に発生する電荷を検出することにより、振動子１１の振動状態をモニターしている。

１５は内装パッケージで、この内装パッケージ１５は、図３に示すように、底面側に樹脂板１６を設けるとともに、この樹脂板１６の上面に多層のセラミック製の積層板１７を設けており、そしてこの積層板１７に前記振動子１１を固着しているものである。１８はＩＣで、このＩＣ１８は前記振動子１１における駆動電極１２に駆動電圧を供給する駆動回路１９を設けるとともに、検出電極１３からの出力信号を処理する検出回路２０を設けている。そして、前記駆動回路１９は、図４に示すように、前記振動子１１のモニタ電極１６の電荷を入力する増幅器２１と、この増幅器２１の出力信号を入力するバンドパスフィルター２２と、このバンドパスフィルター２２の出力信号を入力する整流器２３と、この整流器２３の出力信号を入力する平滑回路２４とを設けているものである。また、前記駆動回路１９にはＡＧＣ回路２５を設けており、このＡＧＣ回路２５は前記駆動回路１９における平滑回路２４の出力信号を入力し、そして前記バンドパスフィルター２２の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。

２６は駆動制御回路で、この駆動制御回路２６は前記ＡＧＣ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１２に駆動信号を入力するものである。２７は反転アンプで、この反転アンプ２７は前記駆動制御回路２６の出力信号を入力し、かつ前記振動子１１における一方の駆動電極１２に駆動制御回路２６の出力信号を反転させた駆動信号を入力するとともに、他方の駆動電極１２に前記駆動制御回路２６からの出力信号を直接に入力するものである。また、前記検出回路２０は、前記振動子１１における第１の検出電極１３ａにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する第１の電荷増幅器２８と、第２の検出電極１３ｂにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する第２の電荷増幅器２９を設けている。３０は差動増幅器で、この差動増幅器３０は、前記第１の電荷増幅器２８および第２の電荷増幅器２９の出力信号を入力するとともに、差動をとった後、増幅して出力するものである。３１は位相器で、この位相器３１は前記差動増幅器３０の出力信号を入力するとともに、出力信号の位相を変化させるものである。３２は同期検波器で、この同期検波器３２は前記位相器３１の出力信号を前記駆動回路１９におけるバンドパスフィルター２２からの出力信号を基に、同期して検波するものである。３３はローパスフィルターで、このローパスフィルター３３は前記同期検波器３２の出力信号を入力するとともに、ノイズ信号を除去するものである。

３４は補正手段で、この補正手段３４は、加速度検出部３５と、この加速度検出部３５からの出力信号を処理するＣＰＵからなる補正回路３６とにより構成されている。そして、前記加速度検出部３５は、図５に示すように、振動子３７にＰＺＴからなる圧電薄膜（図示せず）の上下面を挟み込む駆動電極３８および検出電極３９を設けている。そして、前記駆動電極３８に、前記駆動回路１９におけるバンドパスフィルター２２からの出力信号をアッテネータ４０を介して振幅を調整された交流電圧を負荷することにより、振動子３７が所定の周波数で振動する。この状態で、錘部４１に、側方から加速度が加わることにより、振動子３７が屈曲し、これにより、振動子３７の振動周波数が変化し、検出電極３９から振動子３７の振動周波数の変化を出力することにより、加速度を検出するものである。４２は一対の増幅器で、この増幅器４２は前記振動子３７における一対の検出電極３９からの出力信号の各々を増幅するものである。４３は差動増幅器で、この差動増幅器４３は前記一対の増幅器４２からの出力信号の差動をとるとともに、増幅するものである。４４は位相器で、この位相器４４は前記差動増幅器４３からの出力信号の位相を変化させるものである。４５は同期検波器で、この同期検波器４５は前記位相器４４からの出力信号をアッテネータ４０からの出力信号を基準として、同期検波して出力するものである。４６はローパスフィルターで、このローパスフィルター４６は前記同期検波器４５からの出力信号からノイズ信号を除去して出力するものである。４７はＥＥＰＲＯＭで、前記補正回路３６により、補正を行うための補正データを保管している。４８は加算器で、この加算器４８は前記補正回路３６からの出力信号を検出回路２０におけるローパスフィルター３３からの出力信号に加算するものである。

上記回路構成においては、補正手段３４における補正回路３６にＥＥＰＲＯＭ４７を設けているため、出力信号を補正する補正値を容易に検出回路２０に提供できるという効果が得られるものである。

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１１の駆動電極１２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１４に電荷が発生する。このモニタ電極１４に発生した電荷は、駆動回路１９における増幅器２１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１４の出力電圧を前記バンドパスフィルター２２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ー２２の出力信号を整流器２３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２４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２５は前記平滑回路２４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ー２２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２４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ー２２の出力信号を増幅させるような信号を駆動制御回路２６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第１の検出電極１３ａ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１３ｂに図６（ｃ）に示すような電荷が発生する。そしてこの一対の第１の検出電極１３ａおよび第２の検出電極１３ｂ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１４に発生する信号より、第１の検出電極１３ａ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１３ｂ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３０により、第１の検出電極１３ａおよび第２の検出電極１３ｂから発生する電荷の差動を取り増幅して、図６（ｄ）に示すような出力電圧に変換する。さらに位相器３１により、前記差動増幅器３０の出力電圧を９０度遅らせて図６（ｅ）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ー２２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（ｆ）に示すような出力信号を得る。そしてこの同期検波器３２の出力電圧をローパスフィルター３３を介して図６（ｇ）に示すような出力信号を得るものである。

ここで、ナビゲーション装置（図示せず）を取り付けている車両（図示せず）自体が高地を移動することにより、傾く場合を考えてみる。

図７に示すように、傾斜機能付角速度負荷装置４９の内側に角速度センサを組み付けることにより、角速度センサの設置状態の傾き角を変化させながら、角速度センサに負荷させる角速度を変化させる。そうすると、角速度センサにおける検出回路２０から、角速度センサの傾きに応じて減衰した出力信号が傾斜機能付角速度負荷装置４９のＣＰＵ５０に入力される。一方、加速度検出部３５におけるローパスフィルター４６からは、ＣＰＵ５０に傾斜角度θ度に応じた出力信号が出力される。そして、ＣＰＵ５０は、各々の角速度信号の傾斜角度の変化および角速度の変化に応じた補正値をＥＥＰＲＯＭ４７に保管する。この補正値は、概略（数１）で算出される値であるが、検出される角速度および傾き角に応じた個別の各々の値である。

すなわち、ＥＥＰＲＯＭ４７に保管された補正値により補正することにより、各々の角速度センサの傾き角および角速度に応じた正確な角速度の出力信号に補正することができ、（数１）の算出式での補正値よりも正確に出力値の補正が可能となるものである。

そして、角速度センサを傾斜機能付角速度負荷装置４９から取り外した後、センサとして使用するために、車両（図示せず）に取り付けると、図４に示すように、加速度検出部３５におけるローパスフィルター４６からの加速度の出力信号および角速度センサにおける検出回路２０のローパスフィルター３３からの出力信号を補正回路３６に入力することにより、この補正回路３６により、ＥＥＰＲＯＭ４７から補正値を取り出す。そして、この補正値を検出回路２０における加算器４８に加算して、検出回路２０からの出力を正確に補正するものである。

上記した本発明の一実施の形態においては、角速度の被検出体の傾斜に応じて発生する出力誤差を補正する補正手段３４を検出回路２０に設けているため、ナビゲーション装置（図示せず）を取付けている車両自体の傾き角が絶えず変化してナビゲーション装置（図示せず）および角速度センサにおける振動子１１の傾き角が絶えず変化しても、角速度センサにおける振動子１１の傾き角および負荷される角速度に応じた補正値を角速度センサからの出力信号に加算することができ、これにより、角速度センサの出力信号が変動するということはなくなるため、安定した出力信号が得られるという効果を有するものである。

また、前記補正手段３４を、加速度検出部３５と、この加速度検出部３５の出力信号により算出した被検出体の傾斜角に対応する補正信号を検出回路２０に加算して出力する補正回路３６とにより構成しているため、前記加速度検出部３５により、角速度センサが設置される傾き角を検出することができ、これにより、角速度センサの傾き角に応じた補正値を常時角速度センサの出力信号に加算することが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、ナビゲーション装置および角速度センサにおける振動子の傾き角が絶えず変化しても、安定した出力信号が得られ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側面図同角速度センサにおける振動子の上面図同角速度センサにおける内装パッケージの側断面図同角速度センサにおける回路図同角速度センサにおける補正手段を構成する加速度検出部の上面図（ａ）〜（ｇ）同角速度センサの動作する状態を示す波形図同角速度センサにおけるＥＥＰＲＯＭに傾斜機能付角速度負荷装置から補正データを書き込む状態を示す回路図従来の角速度センサの斜視図同角速度センサの側面図同角速度センサが取り付けられるナビゲーション装置の斜視図

符号の説明

１１振動子
１９駆動回路
２０検出回路
３４補正手段
３５加速度検出部
３６補正回路
４７ＥＥＰＲＯＭ

Claims

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出力電圧に変換して出力する検出回路とを備え、前記検出回路に、角速度センサが取り付けられる被検出体の傾斜に応じて発生する出力誤差を補正する補正手段を設けた角速度センサ。
補正手段を、加速度検出部と、この加速度検出部の出力信号により算出した被検出体の傾斜角に対応する補正信号を検出回路に加算して出力する補正回路とにより構成した請求項１記載の角速度センサ。
補正手段における補正回路にＥＥＰＲＯＭを設けた請求項２記載の角速度センサ。