JP2010054405A - Oscillator for angular velocity detector and angular velocity detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は角速度検出装置用振動子及び角速度検出装置に関する。 The present invention relates to a vibrator for an angular velocity detection device and an angular velocity detection device.
角速度検出装置は、進行方向を検出する目的で車載用カーナビゲーションシステムに搭載されている。また、手振れ検出のためにスチールカメラあるいはビデオカメラ等にも搭載されており、また携帯情報端末や携帯ゲーム機器等の入力デバイスとしても応用が期待されている。 The angular velocity detection device is mounted on an in-vehicle car navigation system for the purpose of detecting the traveling direction. It is also mounted on still cameras or video cameras for detecting camera shake, and is expected to be applied as an input device for portable information terminals and portable game devices.
振動型角速度検出装置は、定常的に振動する振動子に対して角速度が印加されたとき、コリオリ力により生ずる振動の変化を検出する。 The vibration type angular velocity detection device detects a change in vibration caused by Coriolis force when an angular velocity is applied to a vibrator that constantly vibrates.
振動子は、圧電体により構成されるか、あるいは金属製の振動子(体)に圧電膜を付加したものが用いられる。この圧電体ないし圧電膜により、振動子の脚の変位が電荷に変換されるため、この電荷を、電極を介して集め、電流電圧変換あるいは電荷電圧変換することにより、振動子の脚の変位を読み取れる。 As the vibrator, a piezoelectric body or a piezoelectric vibrator added to a metallic vibrator (body) is used. The displacement of the leg of the vibrator is converted into an electric charge by the piezoelectric body or the piezoelectric film, so that the electric charge is collected through the electrode, and the displacement of the leg of the vibrator is reduced by current-voltage conversion or charge-voltage conversion. I can read.
角速度の検出時に、定常的に振動させられる駆動電極と、角速度印加時の振動変化を検出するための検出電極とを有する角速度検出装置が、特許文献1に記載されている。
角速度印加により振動子の振動が変化すると、検出電極に誘起される電荷が変化する。この電荷の変化は、振動子の駆動周波数と同一周波数の情報であるため、まず、検出回路において、電流電圧変換回路ないし電荷電圧変換回路で電圧に変換し、さらに同期検波することで、角速度に比例した、直流の出力電圧信号を得ることができる。これが、振動型角速度検出装置の基本原理である。 When the vibration of the vibrator changes due to the application of the angular velocity, the charge induced in the detection electrode changes. This change in charge is information having the same frequency as the drive frequency of the vibrator. A proportional DC output voltage signal can be obtained. This is the basic principle of the vibration type angular velocity detection device.
なお、同期検波前の信号は交流であるが、同期検波後は直流になるため、信号振幅はここで小さくなる。 Note that the signal before synchronous detection is alternating current, but the signal amplitude becomes small here because it is direct current after synchronous detection.
検出回路では複数の増幅器を用いて微弱な信号を増幅する。角速度検出装置のSNR向上のためには、検出回路内の、できるだけ信号源に近い増幅器に、大きな利得を持たせることが有効である。仮に信号源から離れた増幅回路で大きく増幅しようとすると、信号源との間の他の回路により重畳した雑音も一緒に増幅することになり、雑音が増大する。 The detection circuit amplifies a weak signal using a plurality of amplifiers. In order to improve the SNR of the angular velocity detection device, it is effective to give a large gain to the amplifier in the detection circuit as close to the signal source as possible. If an amplification circuit that is far from the signal source is to be greatly amplified, noise superimposed by another circuit between the signal source and the signal source is also amplified together, increasing the noise.
ここで問題となるのが、静止時に検出電極に誘起される電荷量である。 The problem here is the amount of charge induced in the detection electrode when stationary.
静止時に、検出電極に電荷が誘起される要因は、2つある。ひとつは振動子の製造誤差などによるもれ振動、もうひとつは駆動電極―検出電極間の容量結合である。以降、もれ振動による雑音を機械もれ信号、容量結合による雑音を電気もれ信号、これらの和を単にもれ信号と呼ぶ。
There are two factors that cause charge to be induced in the detection electrode at rest. One is leakage vibration due to manufacturing errors of the vibrator, and the other is capacitive coupling between the drive electrode and the detection electrode. Hereinafter, noise due to leakage vibration is referred to as a mechanical leakage signal, noise due to capacitive coupling is referred to as an electrical leakage signal, and the sum of these is simply referred to as a leakage signal.
もれ信号が大きいと、増幅率を大きくとることができない。したがってSNR改善のためには、もれ信号の振幅低減が必要である。 If the leak signal is large, the gain cannot be increased. Therefore, it is necessary to reduce the amplitude of the leak signal in order to improve the SNR.
電気もれ信号については、脚を挟んで2つの検出電極を設け、それぞれから取り出された信号の差を取ることで、ある程度相殺できることが知られている。しかし、差をとる前の
信号振幅は大きいため、差を取る前の利得は制限される。また、駆動電極と、それぞれの検出電極との間の結合容量は必ずしも等しくないため、その差分は相殺できずに残る。
It is known that an electric leakage signal can be canceled to some extent by providing two detection electrodes with a leg interposed therebetween and taking a difference between signals extracted from each. However, since the signal amplitude before taking the difference is large, the gain before taking the difference is limited. Further, since the coupling capacitances between the drive electrodes and the respective detection electrodes are not necessarily equal, the difference remains without being canceled out.
特許文献1には、もれ信号を抑える手法が記載されている。特許文献1に記載されてものは、電気もれ信号に着目し、電気もれ信号と逆位相の信号を印加することで、これを相殺するものである。
具体的には、振動子上の、駆動脚の又部下方の基部に、補正電極を設け、この補正電極と検出電極との間の寄生容量を用いて、補正信号を注入している。注入する信号は、振動子を駆動する駆動電圧の位相を反転して使用している。 Specifically, a correction electrode is provided on a base of the vibrator below the drive leg and a correction signal is injected using a parasitic capacitance between the correction electrode and the detection electrode. The signal to be injected is used by inverting the phase of the driving voltage for driving the vibrator.
特許文献1では、二脚音叉型の振動子における例が記載されている。このタイプの振動子では、同じ脚に駆動電極と検出電極の両方が設けられている。
In
これに対し、特許文献2に記載されているように、三脚以上音叉型振動子を用いた角速度検出装置も存在する。この装置においては、2つの駆動のための脚に対し、検出のための脚を独立させて設け、3つの脚を基部で接続するような構成をとる。このような振動子では、駆動電極を駆動脚に、検出電極を検出脚に、それぞれ設けている。
On the other hand, as described in
このように検出のための脚を独立させた振動子では、もれ振動を小さく抑える設計が可能となるため、機械もれ信号が低減できる。また駆動電極と検出電極が離れるため、結合容量が小さくなり、電気もれ信号も低減できる。 In this way, a vibrator with independent legs for detection can be designed to suppress leakage vibration to a low level, so that a mechanical leakage signal can be reduced. Further, since the drive electrode and the detection electrode are separated from each other, the coupling capacitance is reduced, and the electric leakage signal can be reduced.
このような振動子に対して、さらに電気もれ信号を低減するために、特許文献1のように駆動脚の又部下方の基部に補正電極を設けた場合、補正電極と検出電極との距離が遠く、結合容量が小さくなるために、調整可能な範囲が狭まるという問題があった。
For such a vibrator, in order to further reduce the electric leakage signal, when a correction electrode is provided at the base below the drive leg as in
本発明は上述した従来技術による問題点を解決するためになされたものであり、もれ信号の影響の小さく、SNRの高い角速度検出装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-described problems caused by the prior art, and an object of the present invention is to provide an angular velocity detection device having a small influence of a leak signal and a high SNR.
上記の課題を解決するために、本発明にかかる角速度検出装置用振動子では、定常的に振動する少なくとも2つの駆動脚と、角速度印加時に振動が発生する検出脚と、前記駆動脚および前記検出脚を接続する基部と、前記駆動脚を励振するために前記駆動脚に設けられた駆動電極と、前記検出脚の前記振動を検出するために前記検出客に設けられた検出電極と、前記検出電極に補正信号を印加するための補正電極と、を備える角速度検出装置用振動子において、前記補正電極を、前記基部における前記検出脚の接続部近傍に設けることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, in the vibrator for an angular velocity detection device according to the present invention, at least two drive legs that constantly vibrate, a detection leg that generates vibration when angular velocity is applied, the drive leg, and the detection A base for connecting a leg; a drive electrode provided on the drive leg for exciting the drive leg; a detection electrode provided on the detection customer for detecting the vibration of the detection leg; and the detection In the vibrator for an angular velocity detecting device including a correction electrode for applying a correction signal to the electrode, the correction electrode is provided near a connection portion of the detection leg in the base portion.
この構成によれば、補正電極を検出電極の近くに設けることができ、寄生容量を大きくすることができるため、効果的なもれ信号の相殺が可能となる。
According to this configuration, the correction electrode can be provided near the detection electrode, and the parasitic capacitance can be increased, so that effective leakage signal cancellation can be achieved.
前記検出電極は第1の検出電極と第2の検出電極からなり、
前記補正電極が、前記基部における前記第1の検出電極と第2の検出電極との電極間に設けることができる。この構成によれば、第1の検出電極と第2の検出電極の両方に対して、効率よく補正信号を注入することができる。
The detection electrode includes a first detection electrode and a second detection electrode,
The correction electrode may be provided between the first detection electrode and the second detection electrode in the base. According to this configuration, the correction signal can be efficiently injected into both the first detection electrode and the second detection electrode.
前記補正電極と第1の検出電極との距離と、前記補正電極と第2の検出電極との距離とを異ならせることができる。この構成によれば1つの補正電極からの補正信号で、第1の検出電極と第2の検出電極への補正量を最適化することができる。 The distance between the correction electrode and the first detection electrode can be made different from the distance between the correction electrode and the second detection electrode. According to this configuration, the correction amount to the first detection electrode and the second detection electrode can be optimized with the correction signal from one correction electrode.
本発明にかかる角速度検出装置は、前記振動子と、前記駆動脚を励振するための発振回路と、前記検出脚の振動を検出するための検出回路と、検出回路の信号を補正するための補正信号を生成する補正信号生成回路とを備え、前記発振回路は、前記駆動脚の振動を検出するための変位検出回路を含み、前記補正信号生成回路は、前記変位検出回路の出力信号を元に、前記振動子の発振周波数と同一周波数の補正信号を生成する。この構成によれば、補正信号を生成するために専用の発振器を用意する必要が無く、回路規模を削減できる。
また、発振回路の出力を基にする場合に比べ、歪の少ない補正信号を生成することができ、低雑音化が図れる。
An angular velocity detection device according to the present invention includes the vibrator, an oscillation circuit for exciting the drive leg, a detection circuit for detecting vibration of the detection leg, and a correction for correcting a signal of the detection circuit. A correction signal generation circuit for generating a signal, wherein the oscillation circuit includes a displacement detection circuit for detecting vibration of the drive leg, and the correction signal generation circuit is based on an output signal of the displacement detection circuit. Then, a correction signal having the same frequency as the oscillation frequency of the vibrator is generated. According to this configuration, it is not necessary to prepare a dedicated oscillator for generating the correction signal, and the circuit scale can be reduced.
In addition, a correction signal with less distortion can be generated as compared with the case based on the output of the oscillation circuit, and noise can be reduced.
前記補正信号生成回路が、位相を調整する移相回路と、振幅を調整する振幅調整回路と、を備えることが出来る。この構成によれば、発振回路内の増幅器の位相遅れなどにより、電気もれと補正信号とに位相差が生じた場合や、振幅に過不足が生じた場合に、これを補正することができる。この結果、もれ信号振幅を効果的に低減でき、低雑音化が可能となる。 The correction signal generation circuit may include a phase shift circuit that adjusts the phase and an amplitude adjustment circuit that adjusts the amplitude. According to this configuration, when there is a phase difference between the electric leakage and the correction signal due to the phase delay of the amplifier in the oscillation circuit, or when the amplitude is excessive or insufficient, this can be corrected. . As a result, the leakage signal amplitude can be effectively reduced and the noise can be reduced.
前記発振回路が、該発振回路内の前記変位検出回路の出力信号振幅を検出する振幅検出回路と、この振幅検出回路の出力を元に前記出力信号の利得を調整する可変利得回路とを備え、前記振動子の振幅を一定にする自動利得制御機能を構成することができる。 The oscillation circuit includes an amplitude detection circuit that detects an output signal amplitude of the displacement detection circuit in the oscillation circuit, and a variable gain circuit that adjusts the gain of the output signal based on the output of the amplitude detection circuit, An automatic gain control function for making the amplitude of the vibrator constant can be configured.
本発明によれば、SNRの高い振動型角速度検出装置用振動子及び振動型角速度検出装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the vibrator | oscillator for vibration type angular velocity detection apparatuses and vibration type angular velocity detection apparatus with high SNR can be provided.
以下、本発明の最適な実施形態について、図1〜図3を用いて説明する Hereinafter, an optimal embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の角速度検出装置用振動子の第1の実施形態を示す図である。振動子1は、角速度検出時に定常的に振動する2つの駆動脚2と、振動子1にコリオリ力が印加された際に振動する検出脚3と、駆動脚2および検出脚3を接続する基部4と、を備える。駆動脚2と検出脚3と基部4は、圧電体により形成される。駆動脚2は第1の駆動電極5aと、第2の駆動電極5bと、を備え、また検出脚3は、第1の検出電極6aと、第2の検出電極6bと、からなる検出電極対6を備える。さらに、振動子1は基部4において第1の検出電極6aと、第2の検出電極6bと、の間に補正電極7を備える。三脚以上の振動子の構造については、よく知られたものであるので、以上の説明にとどめておく。各電極に、図3に示す制御回路が接続される。この制御回路については後述する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a vibrator for an angular velocity detection device of the present invention. The
振動子1は、定常時には駆動脚2が面内方向に振動し、検出脚3は静止している。振動子1に角速度が印加されると、コリオリ力により駆動脚2に面外方向振動成分が生じ、これ
により検出脚3が振動する。この振動を、検出電極対6によって検出することで、印加された角速度を検出する。
In the
第1の検出電極6aと第2の検出電極6bの両方に対して近い位置に、補正電極7が設けられる。この構成によれば、補正信号を効率よく第1の検出電極6aならびに第2の検出電極6bに注入することができる。
The
なお、基部4上において、第1の検出電極6aは、第2の検出電極6bよりも第1の駆動電極5aとの間の距離が近い。従って、第1の駆動電極5aの信号は、距離の近い第1の検出電極6aに、より強く結合する。一方、距離の遠い第2の検出電極6bに対しては、相対的に弱い結合となる。このため、第1の検出電極6aに印加される電気もれ信号の振幅と第2の検出電極6bに印加される電気もれ信号の振幅に差が生じる。
On the
この差を補正するために、補正電極7と第1の検出電極6aの距離と、補正電極7と第2の検出電極6bの距離とを異ならせる。すなわち補正電極7・第1の検出電極6aの間隔(図1中のA1)を、補正電極7・第2の検出電極6bの間隔(図中のA2)に比べて近くすることで調整量をバランスさせることができる。
In order to correct this difference, the distance between the
この様に、第1の検出電極6aと第2の検出電極6bに対して補正電極7との距離を異ならせることで、電極間の結合容量を変化させ、それぞれの検出電極に対して最適な補正信号を注入することができる。これにより、第1の検出電極6aと、第2の検出電極6bのそれぞれに対して最適なもれ信号振幅抑圧が可能となり、SNRの高い角速度検出装置が実現できる。
In this way, by changing the distance between the
(第2の実施形態)
図2は、本発明の角速度検出装置用振動子の第2の実施形態を示す図である。振動子21は、角速度検出時に定常的に振動する2本の駆動脚22と、振動子21にコリオリ力が印加された際に振動する2本の検出脚23a、23bと、駆動脚22および検出脚23a、23bを接続する基部24と、を備える。また第1の検出脚23aは、第1の検出電極26aと、第2の検出電極26bとを備え、第2の検出脚23bは、第3の検出電極26cと、第4の検出電極26dとを備える。さらに、振動子21は、基部24において第1の検出電極26aと、第2の検出電極26bと、の間に第1の補正電極27aを備え、また第3の検出電極26cと、第4の検出電極26dと、の間に第2の補正電極27bを備える。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the vibrator for an angular velocity detection device of the present invention. The
この振動子21は、定常時には駆動脚22が面内方向に振動し、検出脚23は静止している。振動子21に角速度が印加されると、コリオリ力により駆動脚22に面外方向振動成分が生じ、これにより検出脚23a、23bが振動する。この振動を、検出電極対26によって検出することで、角速度を検出する。
In the
この構成によれば、第1の検出電極26aと、第2の検出電極26bとの両方に対して近い位置に、補正電極27を設けることができる。したがって、補正信号を効率よく第1の検出電極26aならびに第2の検出電極26bに注入することができる。
According to this configuration, the correction electrode 27 can be provided at a position close to both the
また、本実施例のように検出脚を複数持つ振動子については、それぞれの検出脚に対して補正電極を設けることで、補正特性を向上させている。すなわち補正電極が1つの場合に比べ、補正範囲を広げることができる。 Further, in the vibrator having a plurality of detection legs as in the present embodiment, the correction characteristics are improved by providing correction electrodes for the respective detection legs. That is, the correction range can be expanded compared to the case where there is one correction electrode.
図3は、実施形態1及び2における振動子1,21を制御する制御回路の構成を示すブロ
ック図である。制御回路は、振動子1,21を定常的に発振させるための発振回路51と、振動子1,21の角速度検出信号を処理する検出回路52と、補正電極7,27に印加するための補正信号を生成する、補正信号生成回路53と、を備える。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a control circuit that controls the
発振回路51は、振動子の振動脚の変位を検出する変位検出回路55と、その振幅を検知する振幅検出回路57と、振幅検出回路57の出力を元にして、正弦波発振をさせるために利得を変化させる可変利得回路56と、を備える。
The
検出回路52は、検出脚の変位を検出するための変位検出回路60を、それぞれの検出電極6,26に対して備え、これらの変位検出回路60の出力の差分をとるための差動増幅回路61と、差動増幅された信号を同期検波し、角速度信号を直流に変換するための同期検波回路62と、さらにこの信号を所望のレベルに増幅するための増幅回路63と、交流成分を除去するためのローパスフィルタ(LPF)64と、を備える。
The
ここで、検出回路52の動作について簡単に説明する。
Here, the operation of the
振動子1,21に対してコリオリ力が印加された場合、変位検出回路60の出力には、振幅が変化する、駆動周波数と同一周波数の信号として現れる。印加される角速度が大きいほど、この振幅変化は大きくなる。
When a Coriolis force is applied to the
ただし、変位検出回路60の出力には、前述した電気もれ信号が重畳されている。従って、差動増幅回路61によって、第1の検出電極側の変位検出回路60の出力と、第2の検出電極側の変位検出回路60の出力との差をとり、電気もれ信号をある程度相殺する。
However, the aforementioned electric leakage signal is superimposed on the output of the
角速度検出装置の出力としては、角速度に比例した直流電圧であることが望ましいので、変位検出回路60の信号を同期検波回路62により同期検波する。この際の検波クロックとしては、発振回路53の中から信号を取り出し、位相を調整して使用する。
Since the output of the angular velocity detection device is preferably a DC voltage proportional to the angular velocity, the signal of the
同期検波した信号は、角速度情報が直流に変換されているが、駆動周波数成分も雑音として重畳されている。そこで、LPF64を通すことで駆動周波数成分を除去し、所望の信号を得る。
The synchronously detected signal has angular velocity information converted to direct current, but the drive frequency component is also superimposed as noise. Therefore, the driving frequency component is removed by passing through the
また、角速度情報を所望のレベルに増幅するために、増幅回路63を用いる。
In addition, an
以上が検出回路52の動作の説明である。本発明では、さらに補正回路53を設ける。
The above is the description of the operation of the
補正回路53では、発振回路51の変位検出回路55から駆動周波数の信号を取り出し、移相回路58および振幅調整回路59で位相と振幅を調整して、補正信号を生成し、振動子上の補正電極に印加する。なお、移相回路58および振幅調整回路59での位相と振幅の調整は、第1の検出電極6aと第2の検出電極6bとのもれ信号の波形を測定し、そのもれ信号の移相と振幅に従って最適な補正が行われる(検出電極6a,6bのもれ信号が低減される)ように調整を行う。また、この調整は角速度検出装置の製造時に1度行うことにより、以後角速度検出装置の動作時には常に補正が行われる。
In the
補正電極7に印加された補正信号は、補正電極7と検出電極6a、6bの間の寄生容量を通して、検出回路52内の変位検出回路60に入力される。これにより、変位検出回路60の電気もれ信号による出力振幅を相殺することができる。
The correction signal applied to the
さらに、補正電極7と第1の検出電極6a間の寄生容量と、補正電極7と第2の検出電極6b間の寄生容量とに対して、図1に示したように、意図的に差を設けることで、それぞ
れの検出電極6a、6bに対して適した補正信号を注入することができる。
Further, as shown in FIG. 1, a difference is intentionally made between the parasitic capacitance between the
このようにしてもれ信号振幅を低減することにより、変位検出回路60の利得を上げることができ、角速度検出装置のSNRを向上できる。
By reducing the signal amplitude in this way, the gain of the
1 振動子
2 駆動脚
3 検出脚
4 基部
5a 第1の駆動電極
5b 第2の駆動電極
6 検出電極対
6a 第1の検出電極
6b 第2の検出電極
7 補正電極
21 振動子
22 駆動脚
23a 第1の検出脚
23b 第2の検出脚
24 基部
26a 第1の検出電極
26b 第2の検出電極
26c 第3の検出電極
26d 第4の検出電極
27a 第1の補正電極
27b 第2の補正電極
51 発振回路
52 検出回路
53 補正信号生成回路
55 変位検出回路
56 可変利得回路
57 振幅検出回路
58 移相回路
59 振幅調整回路
60 変位検出回路
61 差動増幅回路
62 同期検波回路
63 増幅回路
64 LPF
DESCRIPTION OF
21
51
Claims (6)
前記補正電極が、前記基部における前記第1の検出電極と第2の検出電極との電極間に設けられていることを特徴とする請求項1記載の角速度検出装置用振動子。 The detection electrode includes a first detection electrode and a second detection electrode,
2. The vibrator for an angular velocity detecting device according to claim 1, wherein the correction electrode is provided between the first detection electrode and the second detection electrode in the base. 3.
前記検出脚の振動を検出するための検出回路と、検出回路の信号を補正するための補正信号を生成する補正信号生成回路とを備え、前記発振回路は、前記駆動脚の振動を検出するための変位検出回路を含み、前記補正信号生成回路は、前記変位検出回路の出力信号を元に、前記振動子の発振周波数と同一周波数の補正信号を生成することを特徴とする角速度検出装置。 The vibrator according to claim 1 or 2, and an oscillation circuit for exciting the drive leg,
A detection circuit for detecting vibration of the detection leg; and a correction signal generation circuit for generating a correction signal for correcting a signal of the detection circuit, wherein the oscillation circuit detects vibration of the drive leg. An angular velocity detection device, wherein the correction signal generation circuit generates a correction signal having the same frequency as the oscillation frequency of the vibrator based on an output signal of the displacement detection circuit.
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2008
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US11555702B2 (en) | 2015-08-26 | 2023-01-17 | Seiko Epson Corporation | Physical quantity detection device, manufacturing method for physical quantity detection device, electronic apparatus, and moving object |
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