JP2009293941A

JP2009293941A - 振動型角速度センサ

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Publication number: JP2009293941A
Application number: JP2008144750A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kawada; 賢治川田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-02
Also published as: JP5217642B2

Abstract

【課題】異なる次数ごとに高調波同期検波回路を設けることなく、基本波に重畳する奇数次の高調波成分を減衰させることができる振動型角速度センサを提供する。
【解決手段】駆動部１０でサイン波の参照信号を生成し、検波部３０で該サイン波の参照信号を用いて同期検波する。そして、掛け算部４０で同期検波された信号にサイン波の参照信号を掛け合わせてゲイン補正することにより、高次高調波成分を小さくしたゲイン補正信号を得る。これにより、高次高調波成分の正波成分と負波成分とを相殺しやすくして、高次高調波成分を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動信号に従って振動子が振動することで角速度を検出する振動型角速度センサに関する。

従来より、基本波に重畳する奇数次の高調波成分を減衰させるようにした振動型角速度センサが、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、角速度を検出して角速度信号を出力する振動子と、基準周波数で振動子を振動駆動する振動駆動部と、振動子から入力される検出信号から原検出振動波形を抽出し、該原検出振動波形から主検波波形を抽出する角速度検出部と、主検波波形に含まれる奇数次残留高調波成分を除去する高調波除去部と、振動駆動部で生成された基準周波数を持つ振動モニタ信号を矩形波の主検波クロック信号に変換して角速度検出部に入力するコンパレータとを備えた振動型角速度センサが提案されている。主検波クロック信号は、ｄｕｔｙ比が５０％の矩形波である。

また、角速度検出部は、あらかじめ定められた周波数帯域に含まれる角速度成分を抽出する主同期検波回路を備えている。さらに、高調波除去部は例えば３次高調波を選択的に同期検波する高調波同期検波回路を備えている。

このような振動型角速度センサでは、主同期検波回路は、主検波クロック信号を用いて、原検出振動波形から基準周波数を有する基本波成分を、奇数次高調波成分が残留した主検波波形として同期検波する。また、高調波除去部は、高調波同期検波回路が抽出した奇数次高調波検波波形を用いて残留奇数次高調波成分を減少させる信号処理を行う。基準周波数の同期検波では除去しきれない奇数次高調波成分を減衰させている。
特開２００６−４７１４４号公報

しかしながら、上記従来の技術では、３次高調波を同期検波するために一つの高調波同期検波回路が必要になっている。すなわち、３次よりも高次の高調波を除去するためには、各高調波に対応した高調波同期検波回路を個別に設けなければならず、高調波除去部、ひいては振動型角速度センサの回路が肥大化するという問題があった。

本発明は、上記点に鑑み、異なる次数ごとに高調波同期検波回路を設けることなく、基本波に重畳する奇数次の高調波成分を減衰させることができる振動型角速度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基準周波数で振動する駆動信号と、ｄｕｔｙ比が５０％の矩形波よりも立ち上がりが遅く基準周波数と同一周波数で振動する参照信号とを生成する駆動部（１０）と、駆動信号に従って振動子が振動することで角速度に応じた検出信号を出力するセンシング部（２０）と、駆動部（１０）から入力される参照信号を用いて、センシング部（２０）から入力される検出信号を同期検波することにより、基準周波数で振動する基本波と基本波に重畳された高次高調波とを含んだ同期検波信号を生成する検波部（３０）と、駆動部（１０）から参照信号を入力すると共に検波部（３０）から同期検波信号を入力し、参照信号を用いて同期検波信号のゲイン補正を行って残留奇数次高調波成分を減少させる信号処理を行う信号処理部とを備えていることを特徴とする。

これによると、ノイズとなる高次高調波の波形は基準周波数の一周期内に多数の波形が含まれることから各波形の振幅が鋭いため、参照信号を矩形波としたときに急峻な矩形波の立ち上がりによって検出信号に含まれる高次高調波成分が同期検波信号に含まれやすくなってしまうが、駆動部（１０）にて生成する参照信号は矩形波よりも立ち上がりが遅くされているため、該参照信号の緩やかな立ち上がりによって検出信号に含まれる高次高調波成分が同期検波信号に含まれにくくすることができる。

また、信号処理部にて、矩形波よりも立ち上がりが遅くされた参照信号を用いてゲイン補正を行うため、高次高調波、特に残留奇数次高調波の振幅を減少させることができる。これにより、奇数次高調波については、正波成分と負波成分とを相殺させやすくすることができる。

以上のように、参照信号として矩形波よりも立ち上がりが遅い信号を用いて検波およびゲイン補正を行うことにより、異なる次数ごとに高調波同期検波回路を設けることなく、基本波に重畳する高次高調波成分、特に残留奇数次高調波成分を減衰させることができる。

請求項２に記載の発明では、信号処理部は、参照信号の振幅と同期検波信号の振幅とを掛け合わせることにより、波形が凸状に鋭くされた基本波と振幅が縮小された高次高調波とを含んだゲイン補正信号を生成する掛け算部（４０）を備えていることを特徴としている。

このように、掛け算部（４０）を用いて、矩形波よりも立ち上がりが遅くされた参照信号の振幅を同期検波信号に含まれる奇数次高調波の振幅に掛け合わせるゲイン補正を行うことができる。

請求項３に記載の発明のように、参照信号の波形がサイン波をなしていても良い。

請求項４に記載の発明では、信号処理部は、参照信号を入力し、この参照信号から台形波を生成し、台形波の参照信号を用いて信号処理を行うようになっていることを特徴とする。このように、参照信号として台形波を用いることができる。

また、請求項５に記載の発明では、台形波は角速度検出領域の増幅ゲインを一定にしていることを特徴とする。

これによると、参照信号によって角速度を検出する領域の増幅ゲインを一定にすることができ、基本波の位相ずれに対するゼロ点変動を直線化できるので、精度向上を図ることができる。

一方、請求項６に記載の発明では、信号処理部は、参照信号を入力し、この参照信号からｄｕｔｙ比が５０％未満の方形波を生成し、ｄｕｔｙ比が５０％未満の方形波を用いて信号処理を行うようになっていることを特徴とする。このように、参照信号としてｄｕｔｙ比が５０％未満の方形波を用いることができる。

また、請求項７に記載の発明では、方形波は角速度検出領域の増幅ゲインを一定にしていることを特徴とする。これにより、請求項５に記載の発明と同様に、参照信号によって角速度を検出する領域の増幅ゲインを一定にすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る振動型角速度センサの全体構成図である。この図に示されるように、振動型角速度センサは、駆動部１０と、センシング部２０と、検波部３０と、掛け算部４０と、ＬＰＦ５０とを備えて構成されている。

駆動部１０は、センシング部２０を駆動させる機能と、検波部３０および掛け算部４０で信号処理させる参照信号を出力する機能とを有している。したがって、駆動部１０は、センシング部２０を駆動させるため、基準周波数で振動する一定のｄｕｔｙ比の駆動信号を生成すると共に、検波部３０および掛け算部４０で用いられる参照信号を生成してそれぞれを出力する。

参照信号は矩形波ではない信号、すなわちｄｕｔｙ比が５０％の矩形波よりも立ち上がりが遅く基準周波数と同一周波数で振動する信号である。「矩形波よりも立ち上がりが遅く」とは、振幅が少しずつ上昇するという意味も含んでいる。本実施形態では、駆動部１０は、参照信号としてサイン波信号を生成する。

センシング部２０は、角速度を検出し、該角速度に応じた検出信号を出力するものである。具体的に、センシング部２０は、図示しない振動子を有しており、駆動部１０から入力した駆動信号に従って振動子をあらかじめ定められた基準方向に基準周波数で振動させ、振動子に角速度が作用したとき、基準方向に直交する検出方向へのコリオリ力に基づく新たな振動成分を検出し、この振動成分を検出信号として出力する。

検波部３０は、駆動部１０から入力される参照信号を用いて、センシング部２０から入力した検出信号を同期検波するものである。上述のように、参照信号はサイン波であるから、検波部３０はサイン波の参照信号によって検出信号を検波する。これにより、検出信号に奇数次高調波が含まれていれば、検波部３０は、少なくとも基準周波数で振動する基本波と基本波に重畳された高次高調波とを含んだ同期検波信号を生成して出力する。高次高調波には、奇数次高調波および偶数次高調波が含まれている。

掛け算部４０は、駆動部１０から参照信号を入力すると共に検波部３０から同期検波信号を入力し、参照信号の振幅と同期検波信号の振幅とを掛け合わせることにより、同期検波信号に含まれる高調波を除去するためのゲイン補正を行うものである。掛け算部４０は、ゲイン補正して得られたゲイン補正信号を生成して出力する。

なお、掛け算部４０は、本発明の信号処理部を構成するものである。この信号処理部は、駆動部１０から参照信号を入力すると共に検波部３０から同期検波信号を入力し、参照信号を用いて同期検波信号のゲイン補正を行って残留奇数次高調波成分を減少させる信号処理を行う。そして、掛け算部４０は、信号処理部において特にゲイン補正を行う部位に相当する。

ＬＰＦ５０は、掛け算部４０から入力されるゲイン補正信号を平滑化するいわゆるローパスフィルタ回路である。ＬＰＦ５０は、ゲイン補正信号を平滑化して出力信号を生成し、該出力信号をセンサの外部に出力する。以上が、本実施形態に係る振動型角速度センサの全体構成である。

次に、上記振動型角速度センサの作動について、図２を参照して説明する。図２は、各信号に含まれる基本波（ｆｄ）、基本波（ｆｄ）の２倍の２次高調波、基本波（ｆｄ）の３倍の３次高調波の各波形を分解して示した図である。

まず、駆動部１０の駆動信号によってセンシング部２０の振動子が振動すると、センシング部２０から検出信号が出力される。図２に示されるように、検出信号には、基本波に加え、２次高調波や３次高調波、さらに図示しない４次以上の高次の高調波も含まれている。

そして、検波部３０に検出信号が入力されると共に、駆動部１０からサイン波の参照信号が入力されると、検波部３０にて同期検波が行われる。このように、参照信号に従って検波を行うと、同期検波信号において基本波については、図２に示されるように、ゼロ点レベルの片側に負波成分を折り返した一種の整流化処理を受けた波形が現れる。また、２次の高調波については、参照信号の一周期において正波成分と負波成分とが２つずつ現れる。さらに、３次の高調波については、参照信号の一周期において正波成分が４つと負波成分が２つ現れる。

しかしながら、駆動部１０にて生成されるサイン波の参照信号は、参照信号が矩形波の場合よりも立ち上がりが遅くされているため、該サイン波の参照信号の緩やかな立ち上がりによって検出信号に含まれる偶数次高調波成分および奇数次高調波成分が同期検波信号に含まれにくくすることができる。

このような各波形成分が含まれた同期検波信号において、２次などの偶数次の高調波成分については、同期検波信号が平滑化処理されることで正波成分と負波成分とが完全に相殺されて消える。しかし、同期検波信号そのものが平滑化処理されても、３次などの奇数次の高調波成分については正波成分が負波成分よりも大きいために完全に相殺されずにノイズ成分として残る。従って、以下のようにして、該ノイズ成分が除去される。

すなわち、サイン波の参照信号と検波部３０で得られた同期検波信号とが掛け算部４０に入力され、該掛け算部４０で参照信号の振幅と同期検波信号の振幅とが掛け合わされるゲイン補正が行われる。このように、掛け算部４０にて、矩形波よりも立ち上がりが遅くされたサイン波の参照信号の振幅を同期検波信号に含まれる高次高調波の振幅に掛け合わせるゲイン補正により、高次高調波の振幅を小さくすることができる。

図２に示されるゲイン補正信号の波形は、破線が同期検波信号の波形であり、実線がゲイン補正信号の波形である。これによると、基本波については掛け算部４０によって波形が凸状に鋭くなっている。これは、上記のように、サイン波の参照信号によってゲイン補正した結果、同期検波信号に含まれていた高調波成分が減少したためであり、この減少分によって基本波が鋭くなっている。

また、２次および３次の高調波については、掛け算部４０によるゲイン補正によって、振幅が減少している。具体的に、２次高調波については、正波成分および負波成分の両方の振幅がそれぞれ減少している。一方、３次高調波については、正波成分の振幅が減少している。したがって、高次高調波については、ゲイン補正によって正波成分と負波成分との差が小さくなり、正波成分と負波成分とを相殺させやすくすることができる。

このようにして掛け算部４０で得られたゲイン補正信号は、ＬＰＦ５０にて平滑化処理される。つまり、基本波については平均値が得られ、高次高調波については正波成分と負波成分とが相殺されてほとんど０になる。したがって、ＬＰＦ５０から出力される出力信号には、高次高調波の成分がほとんど除去された信号が出力される。

以上説明したように、本実施形態では、検波部３０で同期検波するための参照信号および掛け算部４０でゲイン補正するための参照信号として、サイン波の参照信号を用いることが特徴となっている。このように、参照信号として矩形波よりも立ち上がりが遅いサイン波を用いて同期検波およびゲイン補正を行うことにより、検波部３０で得られる同期検波信号に高次高調波成分が含まれにくくすることができる。また、掛け算部４０にて高次高調波の振幅を小さくした、すなわち高次高調波成分を小さくしたゲイン補正信号を得ることができ、ひいては高次高調波成分の正波成分と負波成分との相殺によって高次高調波成分を除去することができる。したがって、異なる次数ごとに高調波同期検波回路を設けなくても、基本波に重畳する高次高調波成分、特に奇数次高調波成分を減衰させることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記第１実施形態では、参照信号の波形としてサイン波を採用しているが、角速度信号として利用する基本波の位相ずれに対するゼロ点変動が非直線的になり、角速度検出精度が低下する可能性がある。そこで、本実施形態では、参照信号として台形波を用いることが特徴となっている。

図３は、本実施形態に係る振動型角速度センサの全体構成図である。この図に示されるように、図１に示される構成に対して、駆動部１０から参照信号を入力し、該参照信号から台形波を生成し、台形波の参照信号を掛け算部４０に入力するＡ／Ｄ変換部６０が備えられている。

このように、掛け算部４０にてゲイン補正する際の参照信号として台形波を用いることにより、参照信号において角速度を検出する領域の増幅ゲインを一定にすることができ、基本波の位相ずれに対するゼロ点変動を直線化できるので、精度向上を図ることができる。

なお、掛け算部４０およびＡ／Ｄ変換部６０は、本発明の信号処理部を構成するものである。

（第３実施形態）
本実施形態では、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、参照信号として、角速度検出領域以外の増幅ゲインを０とし、正波成分のデューティ比を５０％未満した方形波を用いることが特徴となっている。

図４は、本実施形態に係る振動型角速度センサの全体構成図である。この図に示されるように、Ａ／Ｄ変換部６０は、駆動部１０から参照信号を入力し、該参照信号からｄｕｔｙ比が５０％未満の方形波を生成し、ｄｕｔｙ比が５０％未満の方形波を掛け算部４０に入力する。ｄｕｔｙ比は、例えば２７％である。

以上のように、参照信号として、サイン波や台形波ではなく、ｄｕｔｙ比が小さくされた方形波を用いてゲイン補正することもできる。

（他の実施形態）
第１実施形態では、振動型角速度センサにＬＰＦ５０が含まれているが、該ＬＰＦ５０が含まれていなくても良い。つまり、振動型角速度センサから出力される信号を処理する外部装置にＬＰＦ５０が備えられていれば良い。

また、ＬＰＦ５０は、掛け算部４０と共に信号処理部を構成するものであっても良い。これにより、信号処理部から残留奇数高調波成分が相殺された出力信号を出力することができる。

本発明の第１実施形態に係る振動型角速度センサの全体構成図である。各信号の基本波、２倍波、３倍波の各波形を示した図である。本発明の第２実施形態に係る振動型角速度センサの全体構成図である。本発明の第３実施形態に係る振動型角速度センサの全体構成図である。

符号の説明

１０駆動部
２０センシング部
３０検波部
４０掛け算部
６０Ａ／Ｄ変換部

Claims

基準周波数で振動する駆動信号と、ｄｕｔｙ比が５０％の矩形波よりも立ち上がりが遅く前記基準周波数と同一周波数で振動する参照信号とを生成する駆動部（１０）と、
前記駆動信号に従って振動子が振動することで角速度に応じた検出信号を出力するセンシング部（２０）と、
前記駆動部（１０）から入力される前記参照信号を用いて、前記センシング部（２０）から入力される検出信号を同期検波することにより、前記基準周波数で振動する基本波と前記基本波に重畳された高次高調波とを含んだ同期検波信号を生成する検波部（３０）と、
前記駆動部（１０）から前記参照信号を入力すると共に前記検波部（３０）から前記同期検波信号を入力し、前記参照信号を用いて前記同期検波信号のゲイン補正を行って残留奇数次高調波成分を減少させる信号処理を行う信号処理部とを備えていることを特徴とする振動型角速度センサ。
前記信号処理部は、前記参照信号の振幅と前記同期検波信号の振幅とを掛け合わせることにより、波形が凸状に鋭くされた基本波と振幅が縮小された高次高調波とを含んだゲイン補正信号を生成する掛け算部（４０）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の振動型角速度センサ。
前記参照信号の波形は、サイン波をなしていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
前記信号処理部は、前記参照信号を入力し、この参照信号から台形波を生成し、前記台形波の参照信号を用いて信号処理を行うようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
前記台形波は、角速度検出領域の増幅ゲインを一定にしていることを特徴とする請求項４に記載の振動型角速度センサ。
前記信号処理部は、前記参照信号を入力し、この参照信号からｄｕｔｙ比が５０％未満の方形波を生成し、前記ｄｕｔｙ比が５０％未満の方形波を用いて信号処理を行うようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
前記方形波は、角速度検出領域の増幅ゲインを一定にしていることを特徴とする請求項６に記載の振動型角速度センサ。