JP2009229152A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】
コリオリ力による振動子の変位がゼロになるようにサーボ系を構成しているが、振動子に共振特性があるためにサーボ系のゲインを大きくすることに限界があり、サーボ系の応答性に限界があった。
【解決手段】
振動子を所定の振動周波数で振動させ、この振動子にコリオリ力が働く様に検出部を構成し、このコリオリ力を打ち消す様に前記振動子に外力を繰り返し制御系により与える。これにより高感度且つＳＮ比の高い角速度センサが実現される。
【選択図】図１

Description

本発明は振動式の角速度センサに係り、特に振動子を支える梁の非線形性の影響を低減する角速度センサに関する。

所定の質量を持ち所定の振動周波数で振動する振動子を持ち、前記振動子に働くコリオリ力による変位を打ち消す様に前記振動子に外力を働かせる角速度センサの従来例には特許文献１（特開２００４−４１２７号公報）に記載された加速度角速度検出装置や、特許文献２（ＷＯ２００６／０８２１２８号）に記載された自己診断付きセンサなどがある。

特開２００４−４１２７号公報 ＷＯ２００６／０８２１２８号

振動型の角速度センサではコリオリ力と感度を如何に大きくし、ノイズ成分を如何に低減させ、ＳＮ比を如何に向上させるかが課題になっている。特開２００４−４１２７号に記載の加速度角速度検出装置ではコリオリ力による振動子の変位の検出出力を同期検波することでＳＮ比の向上を図っていた。また、ＷＯ２００６／０８２１２８号に記載の自己診断付きセンサではコリオリ力による振動子の変位がゼロになるようにサーボ系を構成して、このサーボ系の出力を同期検波することでＳＮ比の向上を図っていた。しかし、上記従来技術では同期検波によりノイズ成分の低減は図れたが、感度の向上に関しては配慮が欠けていた。

振動型の角速度センサにおいて角速度に対する感度を大きくするには振動子の振動振幅を大きくすることで達成できる。しかし、振動子の振動振幅を大きくすると振動子を支える梁の非線形性により振動子の振動に頭打ちや非対称振動などの歪を生じさせる。この振動子の振動の歪は振動子の振動によって発生するコリオリ力にも歪を生じさせ、このコリオリ力に高調波成分を生じさせる。

上記従来技術（特開２００４−４１２７号）では振動子の所定の振動周波数のみを同期検波により検出して、これがゼロになるように振動子の所定の振動周波数成分のみをフィードバックするため、高調波成分にはフィードバックが働かず、制御系の不安定性と測定誤差が増加するので振動子の振動振幅を大きくすることに限界があった。

また、上記従来技術（ＷＯ２００６／０８２１２８号）ではコリオリ力による振動子の変位がゼロになるようにサーボ系を構成しているが、振動子に共振特性があるためにサーボ系のゲインを大きくすることに限界があり、サーボ系の応答性に限界があった。この為、振動子の振動を大きくして感度を向上させようとすると、梁の非成形性によって生じるコリオリ力の高調波成分に対してフィードバックが働かず、測定誤差が増加するので振動子の振動振幅を大きくすることに限界があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は振動子の振動振幅を大きくして生じる歪があったとしてもコリオリ力に対するサーボが効果的に働く様にすることで、この歪によって生じるサーボ系の不安定性や測定誤差を低減することで、高感度且つＳＮ比の高い角速度センサを提供することにある。

上記目的は、振動子を所定の振動周波数で振動させ、この振動子にコリオリ力が働く様に検出部を構成し、このコリオリ力を打ち消す様に前記振動子に外力を繰り返し制御系により与えることにより達成される。

本発明によれば、振動子の振動振幅を大きくして生じる歪があったとしてもコリオリ力に対するサーボが効果的に働くので、この歪によって生じるサーボ系の不安定性や測定誤差を低減できるので、高感度且つＳＮ比の高い角速度センサを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

まず、本発明の第１の実施例である角速度センサを図１〜図３により説明する。なお、図１は第１の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成、図２は第１の実施例の角速度センサの信号処理回路のタイミングチャート、図３は第１の実施例の繰り返し制御系８の伝達特性である。

本実施例の角速度センサの検出素子１は所定の質量を持ち所定の振動周波数ｆｄで図１中の振動軸方向に振動する振動子４と、振動子４に対向して配置され振動子４に働くコリオリ力による変位を静電容量の変化で検出する固定電極３，６（変位検出手段）と、振動子４に働くコリオリ力を打ち消す様に振動子４に静電気力を働かせる固定電極２，５（外力発生手段）により構成される。

また、信号処理部は振動子４と固定電極３の間の静電容量と振動子４と固定電極６の間の静電容量の差分を検出して振動子４に働くコリオリ力による変位を検出する容量検出器７と、加算器９と振動周波数ｆｄの逆数の時間の４分の１の時間の遅延を持つ遅延回路１０と振動周波数ｆｄの逆数の時間の４分の３の時間の遅延を持つ遅延回路１１とにより構成される繰り返し制御系８と、繰り返し制御系８の出力に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算して固定電極５に電圧を印加する加算器１４と、繰り返し制御系８の出力を反転する反転器１６と、反転器１６に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算して固定電極２に電圧を印加する加算器１５と、繰り返し制御系８の出力に図２に示す様に振動子４の振動変位に対して９０度の位相遅れを持つ信号Φ１を乗算する乗算器１２と、乗算器１２の出力の直流成分を抽出するＬＰＦ（ローパスフィルタ）１３により構成される。

本実施例の角速度センサでは振動子４に働くコリオリ力による振動子４の変位を固定電極３，６と容量検出器７により検出して、固定電極２，５に印加する電圧により発生する静電気力により、振動子４に働くコリオリ力を打ち消して振動子４のコリオリ力による変位をゼロにする。この制御系に本実施例では繰り返し制御系８を採用した。繰り返し制御系８は周期的な誤差に対して有用な手段で図３に示すような伝達特性を持つ、これにより振動子４の振動に頭打ちや非対称性があったとしても振動子４のコリオリ力による変位をゼロにできる。つまり、振動子４の振動振幅を大きくして振動子４の振動に非線形性が生じて、この非線形な振動により生じるコリオリ力の高調波成分に対しても高速に且つ安定に追従する。つまり、高調波成分に対する制御系の追従性の悪さによって生じる角速度センサの検出誤差が生じないので振動子４の振動振幅を大きくすることができ、角速度センサの感度を大きくすることができる。

また、遅延回路１０よって振動周波数ｆｄの逆数の時間の４分の１の時間の遅延により９０度の位相遅延を持たせることで、振動子４の共振特性によって生じる９０度の位相遅れ特性を補償することで繰り返し制御系８の安定性を向上させた。

また、繰り返し制御系８は図３に示すように高い周波数選択性を持つので振動子４のコリオリ力による変位を高いＳＮ比で検出できる。

また、容量検出器７の動作クロックと繰り返し制御系８の動作クロックを整数倍にすることで、クロックの生成回路の簡略化を図った。

次に、本発明の第２の実施例である角速度センサを図４，図５により説明する。なお、図４は第２の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成、図５は第２の実施例の角速度センサの信号処理回路のタイミングチャートである。なお、第２の実施例の角速度センサは第１の実施例の角速度センサの信号処理回路にΔΣ変調器を組み合わせたものである。本実施例の角速度センサの検出素子１は第１の実施例と同様に所定の質量を持ち所定の振動周波数ｆｄで振動する振動子４と、振動子４に対向して配置され振動子４に働くコリオリ力による変位を検出する固定電極３，６と、振動子４に働くコリオリ力を打ち消す様に振動子４に静電気力を働かせる固定電極２，５により構成される。また、信号処理部は振動子４と固定電極３の間の静電容量と振動子４と固定電極６の間の静電容量の差分を検出して振動子４に働くコリオリ力による変位を検出する容量検出器１７と、容量検出器１７の出力をΔΣ変調するΔΣ変調器１８と、ΔΣ変調器１８の出力を振動周波数ｆｄの４倍の周波数に間引きするデシメータ１９と、デシメータ１９の出力を図５に示す振動周波数ｆｄの４倍の周波数でサンプリングするサンプラ２０と、積分ゲインを決める係数器２１と積分演算を行う加算器２２と振動周波数ｆｄの４倍の周波数の逆数の時間の遅延を持つ遅延回路２４，２５，２６，２７から構成される繰り返し制御系２３と、遅延回路２４の出力に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算して固定電極５に電圧を印加する加算器３０と、遅延回路２６の出力に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算して固定電極２に電圧を印加する加算器３１と、遅延回路２４の出力に図５に示す振動子４の振動変位に対して９０度の位相遅れを持つ信号Φ３を乗算する乗算器２８と、乗算器２８の出力の直流成分を抽出するＬＰＦ（ローパスフィルタ）２９により構成される。

本実施例の角速度センサでは駆動周波数ｆｄの４倍の周波数で間引きして４個の遅延回路２４，２５，２６，２７をシリアルに並べて繰り返し制御系２３を構成した。本実施例では４個の遅延回路２４，２５，２６，２７により繰り返し制御系２３を構成したのでコリオリ力の歪に対して２倍の高調波まで対応できる。これを駆動周波数ｆｄの８倍の周波数で間引きして８個の遅延回路で構成すれば４倍の高調波まで、駆動周波数ｆｄの１６倍の周波数で間引きして１６個の遅延回路で構成すれば８倍の高調波まで対応できる。また、遅延回路２６の出力を加算器３１へ出力することで位相を１８０度遅らせ、第１の実施例で必要であった反転器１６を削除した。なお、本実施例では振動子４の振動変位とサンプラのサンプリング信号Φ２を同位相にして角速度センサの位相ずれによる誤差を無くした。

次に、本発明の第３の実施例である角速度センサを図６により説明する。なお、図６は第３の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成である。なお、第３の実施例の角速度センサは第２の実施例の繰り返し制御系２３に比例要素３２を追加したものである。第２の実施例の繰り返し制御系２３は積分要素しかないので高速性に若干の問題があった。これを改善するために本実施例では比例ゲインを決める係数器３３と遅延回路３４，３５，３６，３７から構成される比例要素３２を設け、比例要素３２の出力を加算器３８を介して繰り返し制御系２３に加えるようにした。これにより、第１の実施例に比べてより高速に応答できるようにした。

次に、本発明の第４の実施例である角速度センサを図７により説明する。なお、図７は第４の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成である。なお、第４の実施例の角速度センサは第２の実施例に遅延回路３９とサンプラ４０，４１を追加したものである。遅延回路３９はデシメータ１９の出力タイミングを遅延させることで繰り返し制御系２３にダンピングを働かせて系の安定化を図った。繰り返し制御系２３において入力のサンプリングのタイミングに遅延を持たせることで系の特性にダンピングを働かせることができ、これにより系の安定性の向上を図ることができる。しかし、固定電極２，５に印加する信号にまで遅延が及ぶと位相ずれによる誤差が角速度センサの出力に生じるので、サンプラ４０，４１を設けて位相ずれの補償を行い、位相ずれによる誤差が角速度センサに生じるのを防いだ。

次に、本発明の第５の実施例である角速度センサを図８，図９により説明する。なお、図８は第５の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成、図９は第５の実施例の角速度センサの信号処理回路のタイミングチャートである。なお、第５の実施例の角速度センサは第２の実施例に図９に示す０度の位相の信号Φ４でサンプリングするサンプラ４６と、９０度の位相の信号Φ５でサンプリングするサンプラ４９と、サンプラ４６，４９の出力をホールドするホールド回路４５，４８と、ホールド回路４５の出力と図９に示す信号Φ６を乗算することでホールド回路４５の出力に応じた波高値を持ち周波数が駆動周波数ｆｄで位相が振動子４の振動変位に対して９０度遅れた信号を発生する乗算器４４と、ホールド回路４８の出力と図９に示す信号Φ７を乗算することでホールド回路４８の出力に応じた波高値を持ち周波数が駆動周波数ｆｄで位相が振動子４の振動変位に一致した信号を発生する乗算器４７と、乗算器４４と乗算器４７の加算信号を作る加算器４３と、加算器４３の信号を反転する反転器４２を追加して、周波数ｆｄの信号のみを選択的にフィードバックする構成にしたものである。本実施例では周波数ｆｄの信号のみを選択的にフィードバックすることで振動子４のＱが高い時にも安定して動作できるようにした。

第１の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成。 第１の実施例の角速度センサの信号処理回路のタイミングチャート。 第１の実施例の繰り返し制御系８の伝達特性。 第２の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成。 第２の実施例の角速度センサの信号処理回路のタイミングチャート。 第３の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成。 第４の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成。 第５の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成。 第５の実施例の角速度センサの信号処理回路のタイミングチャート。

符号の説明

１ 検出素子
２，３，５，６ 固定電極
４ 振動子
７，１７ 容量検出器
８，２３ 繰り返し制御系
９，１４，１５，２２，３０，３１，３８，４３ 加算器
１０，１１，２４，２５，２６，２７，３４，３５，３６，３７，３９ 遅延回路
１２，２８，４４，４７ 乗算器
１３，２９ ＬＰＦ（ローパスフィルタ）
１６，４２ 反転器
１８ ΔΣ変調器
１９ デシメータ
２０，４０，４１，４６，４９ サンプラ
２１，３３ 係数器
３２ 比例要素
４５，４８ ホールド回路

Claims (7)

1. 質量を持ち所定の振動周波数で振動する振動子と、
   検出すべき回転角速度により生じる前記振動子に働くコリオリ力による前記振動子の変位を検出する変位検出手段と、
   前記振動子に働くコリオリ力を打ち消す様に前記振動子に外力を働かせる外力発生手段とを有する角速度センサにおいて、
   前記所定の振動周波数の逆数の時間の繰り返し制御により、前記変位検出手段の出力がゼロになるように前記外力発生手段を制御する制御系を備えたことを特徴とする角速度センサ。
2. 請求項１において、
   前記繰り返し制御系は、前記所定の振動周波数の逆数の４分の１の時間の遅延手段１と、前記所定の振動周波数の逆数の４分の３の時間の遅延手段２と、前記遅延手段１の出力を前記外力発生手段に出力する手段とにより構成されたことを特徴とする角速度センサ。
3. 請求項１または２において、
   前記変位検出手段の出力をΔΣ変調するΔΣ変調器と、
   前記ΔΣ変調器の出力を前記所定の振動周波数の整数倍且つ４倍以上の周波数で前記ΔΣ変調器の出力を間引きするデシメータと
   を有することを特徴とする角速度センサ。
4. 請求項３において、
   前記デシメータが前記所定の振動周波数の４倍の整数倍の周波数で前記ΔΣ変調器の出力を間引きすることを特徴とする角速度センサ。
5. 請求項４において、
   前記デシメータの出力周波数の逆数の時間の遅延を持ち、前記デシメータの出力周波数を前記所定の振動周波数で割った数の遅延回路があり、これらの遅延回路はシリアルに接続され、このシリアルに接続された遅延回路の前半４分の１個目の遅延回路の出力を外力発生手段に出力することを特徴とする角速度センサ。
6. 請求項３〜５のいずれかおいて、
   前記デシメータの出力タイミングを遅延させる手段を有することを特徴とする角速度センサ。
7. 請求項１において、
   前記繰り返し制御系の出力を前記振動子の振動に同期した信号でサンプリングするサンプリング手段１と、
   前記繰り返し制御系の出力を前記振動子の振動に対して９０度遅れた信号でサンプリングするサンプリング手段２と、
   前記サンプリング手段１に前記振動子の振動に対して９０度遅れた信号で乗算する乗算手段１と、
   前記サンプリング手段２に前記振動子の振動に同期した信号で乗算する乗算手段２とを有することを特徴とする角速度センサ。

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