JP2010054438A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角速度による振動体の変位信号の位相のずれを補正して、安定的な動作が可能な角速度検出装置を提供することにある。
【解決手段】振動体４は、互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能である。振動体４を第１の方向に振動させた状態において、角速度の発生により、振動体４が第２の方向に変位しようとする。積分演算器４４，４５および帰還信号生成部４６及びバイアス加算部４７からなるサーボ系は、振動体４の変位を抑制するように外力を作用し、その外力の大きさに基づき角速度を検出する。位相補正演算部４３は、振動体４より出力する角速度による変位量を示す信号を、サーボ系に加算して、位相変動を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動式の角速度検出装置に係り、特に、振動体の変位信号の位相変動の影響を低減するに好適な角速度検出装置に関する。

従来の振動式の角速度検出装置としては、振動体の変位をサーボ回路により制御することで、角速度検出の精度を向上するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３７２９１９１号公報

特許文献１記載のものでは、角速度検出の精度を向上することはできるが、角速度により生じる振動変位そのものの伝達系で生じる位相のずれには、対応していないものである。

本発明の目的は、角速度による振動体の変位信号の位相のずれを補正して、安定的な動作が可能な角速度検出装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体と、該振動体を第１の方向に振動させた状態において、前記振動体が第２の方向にコリオリ力により変位する量を検出する変位検出手段と、前記振動体に働く前記コリオリ力を打ち消すように、前記振動体に外力を作用する外力発生手段と、前記変位検出手段により検出された信号に対して、前記振動体の振動変位に対して同位相の第１の検波信号により検波する第１の検波手段と、前記変位検出手段により検出された信号に対して、前記振動体の振動変位と９０度の位相遅れを有する第２の検波信号により検波する第２の検波手段と、前記第１の検波手段の出力及び前記第２の検波手段の出力を用いて、前記振動体の変位を抑制するように働くサーボ系とを有し、前記サーボ系が前記振動体に作用する外力の大きさに基づいて、角速度を検出する角速度検出装置であって、前記振動体より出力する角速度による変位量を示す信号およびまたは漏れ振動を示す信号に対して位相変動を補正する補正手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、角速度による振動体の変位信号の位相のずれを補正して、安定的な動作が可能となる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記サーボ系は、前記第１の検波手段の出力と、前記第２の検波手段の出力とを加算または減算した信号に対し積分演算を行い、帰還信号を生成する帰還信号生成手段と、該帰還信号生成手段の出力に所定のバイアスを加算した上で、前記外力発生手段に供給して漏れ振動による前記振動体の変位を抑制するバイアス加算手段とを備えるようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記補正手段は、前記第１の検波手段により検出された信号を、前記第２の検波手段により検出された信号に加算して補正信号を求める位相補正演算部であり、前記サーボ系に前記補正信号を供給して、位相変動を補正するようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記補正手段は、 基準信号に対する位相変化量に応じて、前記第１及び第２の検波信号の位相を変化させる位相補正演算部であり、前記第１及び第２の検波手段における検波信号の位相を変えることで、位相変動を補正するようにしたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記補正手段は、基準信号に対する位相変化量に応じて、前記第１及び第２の検波手段の出力信号の振幅の増幅率を変更する出力利得調整部であり、前記第１及び第２の検波手段の出力の利得を変えることで、位相変動を補正するようにしたものである。

本発明によれば、角速度による振動体の変位信号の位相のずれを補正して、安定的な動作が可能となる。

以下、図１及び図２を用いて、本発明の第１の実施形態による角速度検出装置の構成及び動作について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による角速度検出装置の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の第１の実施形態による角速度検出装置のタイミングチャートである。

図１に示すように、本実施形態の角速度検出装置の検出素子１は、振動子４と、固定電極２，３，５，６を備えている。振動子４は、所定の質量を持ち、所定の振動周波数ｆｄで振動軸方向（Ｘ軸方向）に振動する。固定電極３，６は、振動子４に対向して配置され、振動子４に対してＹ軸方向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変位検出手段である。固定電極２，５は、振動子４に働くコリオリ力を打ち消すように、振動子４にＹ軸方向に静電気力を働かせる外力発生手段である。

本実施形態の角速度検出装置は、振動体４をＸ軸方向に振動させた状態において、角速度の発生により、振動体４がＹ軸方向に変位したときの変位量を検出する。

また、本実施形態の角速度検出装置の信号処理部は、容量検出器１７と、ΔΣ変調器１８と、信号検出系の同期検波部４１と、サーボ系の同期検波部４２と、位相補正演算部４３と、信号検出系の積分演算部４４と、サーボ系の積分演算部４５と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２９と、帰還信号生成部４６と、バイアス加算部４７とを備えている。なお、これらの各部は、ＤＳＰ（Digjital Siginal Processor）により構成される。

本実施形態における信号処理部の特徴は、位相補正演算部４３を備えた点にある。位相補正演算部４３は、速度による振動体の変位信号の位相のずれを検出し、これをサーボ処理により補正するものである。

容量検出器１７は、振動子４と固定電極３の間の静電容量および振動子４と固定電極６の間の静電容量の差分を検出することにより、振動子４に働くコリオリ力による変位を検出する。ΔΣ変調器１８は、容量検出器１７の出力をΔΣ変調して、デジタル信号に変換する。

信号検出系の同期検波部４１は、振動子４の振動変位と同じ位相の検波信号Φ１とΔΣ変調器１８の出力を乗算する乗算器１９を備えている。サーボ系の同期検波部４２は、振動子４の振動変位に対して９０度の位相遅れを持つ検波信号Φ２とΔΣ変調器１８の出力を乗算する乗算器２０を備えている。

本実施形態の特徴である位相補正演算部４３は、同期検波器４１を同期検波器４２の出力に加算し、サーボ系の積分演算部４５に出力する加算器２２を備えている。

信号検出系の積分演算部４４は、積分ゲインを決める係数器２３と、積分演算を行う加算器２５と、振動周波数ｆｄの２倍の周波数でデータ保持を行う遅延回路２７とから構成される。サーボ系の積分演算部４５は、積分ゲインを決める係数器２４と、積分演算を行う加算器２６と、振動周波数ｆｄの２倍の周波数でデータ保持を行う遅延回路２８とから構成される。

ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２９は、積分演算部４４の出力の直流成分を抽出し、角速度信号として出力する。

帰還信号生成部４６は、振動子４の振動変位に対して同じ位相の信号Φ３と積分演算部４４の出力を乗算する乗算器３０と、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Φ４と積分演算部４５の出力を乗算する乗算器３１と、乗算器３０，３１の出力を加算する加算器３２とから構成される。

バイアス加算部４７は、帰還信号生成部４６の出力を反転する反転器３３と、帰還信号生成部４６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３４と、反転器３３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３５とから構成される。

次に、図１及び図２により、本実施形態の角速度検出装置の動作について説明する。

本実施形態の角速度検出装置は、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１７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に働くコリオリ力および、振動体の構造上の歪等に起因する振動軸方向からの漏れ振動を打ち消して、振動軸と直角方向に生じるコリオリ力および漏れ振動による振動子４の変位をゼロにするような電圧をセンサに帰還するようサーボ制御を行う。その帰還電圧の一部を角速度の検出信号とみなして取り出す。

具体的には、容量検出器１７とΔΣ変調器１８を介して得られる振動子の変位信号に対し、図２に示す検波信号Φ１（振動子４の振動変位と同位相の検波信号）により同期検波部４１で同期検波を行い、振動軸と直角方向の振動変位（コリオリ成分）を検出する。積分演算部４４は、同期検波部４１で得られた信号を積分する。

同様に、振動子の変位信号に対し、図２に示す検波信号Φ２（振動子４の振動変位に対して９０度の位相遅れを持つ検波信号）により同期検波部４２で同期検波を行い、振動軸方向から漏れこむ振動変位（エラー成分）を検出する。積分演算部４５は、同期検波部４２で得られた信号を積分する。

帰還信号生成部４６は、２つの積分演算部４４，４５で得られた信号を振動子４に帰還させるため、コリオリ成分に対しては図２に示す、信号Φ３を乗算器３０で乗算し、振動子４の振動軸と直角方向の角速度による振動変位に対する帰還信号を生成する。またエラー成分に対しては図２に示す信号Φ４を乗算器３１で乗算し、振動子４の振動軸方向の振動からの漏れ振動変位に対する帰還信号を生成する。

加算器３５は、上記２つの帰還信号を合成し、バイアス加算部４７で直流電圧Ｖｂを加算し、振動子４の固定電極２，５に入力することで、振動軸と直角方向の振動変位を打ち消す。この振動が打ち消されている状態での積分演算部４４の出力をローパスフィルタ２９を通過させ出力することで、角速度に相当する出力電圧を得る。

図２の振動体４の振動変位波形は、角速度が生じていない場合の漏れ振動による変位波形を示している。ここで、破線は、図２の振動子４の振動変位が位相の変動のない場合の変位波形を示している。実線は、図２の振動子４の振動変位が位相の変動がある場合の変位波形を示している。破線で波形と、実線で示す波形の位相の遅れ分が、位相の変動を示している。

ここで、図２の振動子４の振動変位が位相の変動のない場合、すなわち図２の破線の信号の場合、同期検波部４１は、検波信号Φ１より検波するため、その出力はゼロである。したがって、コリオリ成分側の同期検波部４１の出力はゼロであるため、位相補正演算部４３は、加算器２２の出力は加算器２２が存在しない場合と等価となる。そして、位相補正演算部４３の有無に関わらず、積分演算器４４の出力は常にゼロであり、したがってローパスフィルタ２９からの角速度出力はゼロである。

一方、エラー成分側のサーボ制御側である、同期検波部４２では、検波信号Φ２より検波するため、振動変位の正負の振幅値を検出する。したがって、積分演算部４５の出力はゼロではなく、正の値を出力する。帰還信号生成部４６とバイアス部４７は、積分演算部４５の正の出力により、帰還信号を振動子４に出力することで、漏れ振動による振動を打ち消すことができる。

以上説明した状態で、角速度が加わった場合、漏れ振動が打ち消された状態でコリオリ力による変位がコリオリ成分側のサーボ制御系に加わり、精度の高いコリオリ成分の検出とサーボ制御が実現される。

一方、振動変位に位相変動が生じている場合、すなわち図２の実線の信号の場合、同期検波部４２の出力は位相変動無しの場合に比べ、振幅のピーク値を検出できなく、検波出力が位相変動なしの場合に比べ小さくなる。ここで、位相補正演算部４３が無い場合、同期検波部４２は振動変位のピークから外れた値を検波するため、振動変位がゼロでない場合でも検波値がゼロになる。したがって、漏れ振動による振動を完全に打ち消すことができない。

それに対して、本実施形態では、位相補正演算部４３を備えている。振動変位の位相変動が生じている場合、同期検波部４１は、実線で示す信号を、検波信号Φ１より検波するため、その出力はゼロではなく、正の値を出力する。したがって、位相補正演算部４３では、同期検波部４１の正の出力（位相ずれによる誤差分）を、加算器２２で同期検波部４２の出力と加算することで、加算器２２の出力は、位相変動無しの場合に近い値となる。その結果、積分演算部４３の出力は、変動無しの場合とほぼ等しくなり、正常な帰還信号を振動体４に出力することができ、漏れ振動による振動を打ち消すことができるし、また、変位信号の位相ずれも補正することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、変位信号の位相変動を補正して、サーボ処理を実行するため、位相変動に強い安定的なサーボ処理が実現できる。

次に、図３及び図４を用いて、本発明の第２の実施形態による角速度検出装置の構成及び動作について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態による角速度検出装置の構成を示すブロック図である。なお、図３において、図１と同一符号は、同一部分を示している。図４は、本発明の第２の実施形態による角速度検出装置のタイミングチャートである。

本実施形態では、図１における位相補正演算部４３を除き、検波位相調整部４８を設けた点に特徴がある。本実施形態では、検波位相調整部４８は、位相ずれに応じて、同期検波部で用いる検波信号の位相を補正するようにしている。

図３に示す検波位相調整部４８は、遅延回路５０と、遅延回路５１とを備えている。遅延回路５０は、積分演算器４４の出力値に応じて乗算信号Φ１の位相を変化させ、乗算信号Φ１Ａとして同期検波部４１に出力する。遅延回路５１は、積分演算器４４の出力値に応じて乗算信号Φ２の位相を変化させ、乗算信号Φ２Ａとして同期検波部４２出力する。遅延回路５０，５１は、例えば、１６段構成のシフトレジスタに乗算信号Φ１、Φ２を入力し、積分演算器４４の出力に応じてシフトレジスタの１６個の出力から１つを選択して出力することで実現できる。

次に、動作について説明する。図４に示す振動子４の振動変位が位相変動のない状態，つまり破線の場合、図４に示す乗算器１９での乗算信号Φ１は破線の位相である。そのため、同期検波部４１の出力は常にゼロとなる。したがって積分演算部４４の出力は常にゼロであるから、検波位相調整部４８から出力される検波信号Φ１Ａは、元の検波信号Φ１と同位相であり、また検波信号Φ２Ａは元の検波信号Φ２と同位相である。

それに対して、図４に示す振動子４の振動変位が位相変動のある状態，まり実線の場合、図４に示す乗算器１９での乗算信号Φ１は、初期状態として、破線の位相である。そのため、同期検波部４１の出力は常にプラスの値となる。したがって、積分演算部４４の出力は、時間とともに徐々に増加する。その結果、検波位相調整部４８は、積分演算部４４の出力に対応して遅延回路５０，５１の遅延時間が自動的に切り替わり、図４の検波信号Φ１Ａが、振動変位がゼロ電位となるタイミングで、図４に示す積分演算部４４の出力が変化しなくなる遅延時間に収束する。その結果、検波信号Φ１Ａから９０°位相の遅れている検波信号Φ２Ａは振動変位と同位相となり、同期検波部４２において最適なタイミングで振動変位の同期検波ができる。

以上説明したように、本実施形態によっても、変位信号の位相変動を補正して、サーボ処理を実行するため、位相変動に強い安定的なサーボ処理が実現できる。

次に、図５及び図６を用いて、本発明の第３の実施形態による角速度検出装置の構成及び動作について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態による角速度検出装置の構成を示すブロック図である。なお、図５において、図１と同一符号は、同一部分を示している。図６は、本発明の第３の実施形態による角速度検出装置のタイミングチャートである。

本実施形態では、図１の位相補正演算部４３を除き、出力利得調整部４９を設けた構成である。本実施形態では、出力利得調整部４９は、位相ずれに応じて、積分演算器の出力のゲインを補正するようにしている。

出力利得調整部４９は、増幅率調整回路５２と、乗算器５３と、乗算器５４とを備える。増幅率調整回路５２は、積分演算部４４の出力に応じて乗算係数値Ｋ１，Ｋ２を変化させる。乗算器５３は、積分演算部４４の出力と増幅率調整回路の出力を乗算する。乗算器５４は、積分演算部４５の出力と増幅率調整回路５２の出力を乗算する。

出力利得調整部４９は、積分演算器４４の出力値に応じて乗算器５３，５４の乗算係数値Ｋ１，Ｋ２を変化させて、積分演算部４４，４５の出力を補正する。

遅延回路５２は、例えば積分演算部４４の出力に対応する複数の乗算係数値Ｋ１，Ｋ２を予めテーブルとして不揮発性記憶装置であるＲＯＭに記憶させておき、積分演算器４４の出力をＲＯＭのアドレス信号として入力し、そのアドレスに格納されているデータを乗算器５３、５４の乗算係数Ｋ１、Ｋ２として出力することで実現できる。

次に、動作について説明する。図５に示す振動子４の振動変位が、図６に示すように位相変動のない状態，つまり破線の場合、同期検波部４１の出力は常にゼロとなる。したがって積分演算部４４の出力は常にゼロであるから、出力利得調整部４９から出力される乗算係数Ｋ１，Ｋ２は、図６に示す破線のように常に１を出力する。

一方、図４に示す振動子４の振動変位が図６に示す位相変動のある状態，つまり実線の場合、同期検波部４１の出力はプラスの値となる。したがって、積分演算部４４の出力は時間とともに徐々に増加する。例えば、図６に示すように、振動変位１周期分（１／ｆｄ）の積分演算部４４の増加量ΔＰに応じて、出力利得調整部４９から出力される乗算係数Ｋ１は、図６に示す実線のＫ１のように１より小さい値が増幅率調整回路５２から出力される。また、乗算係数Ｋ２は、同様に、増加量ΔＰに応じて、図６に示す実線のＫ２のように、１より大きい値が増幅率調整回路５２から出力される。以上のように、位相変動に応じて、積分演算部４４および４５の出力の増幅率を変更することで位相変動なしの場合と同等の出力を得る。

以上説明したように、本実施形態によっても、変位信号の位相変動を補正して、サーボ処理を実行するため、位相変動に強い安定的なサーボ処理が実現できる。

本発明の第１の実施形態による角速度検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による角速度検出装置のタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態による角速度検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態による角速度検出装置のタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態による角速度検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態による角速度検出装置のタイミングチャートである。

符号の説明

１…検出素子
２，３…固定電極
４…振動子
５，６…固定電極
１７…容量検出器
１８…ΔΣ変調器
１９，２０…乗算器
２２…加算器
２３，２４…係数器
２５，２６…加算器
２７，２８…遅延回路
２９…ローパスフィルタ
３０，３１…乗算器
３２…加算器
３３…反転器
３４，３５…加算器
４１，４２…同期検波部
４３…位相補正演算部
４４，４５…積分演算部
４６…帰還信号生成部
４７…バイアス加算部
４８…検波位相調整部
４９…出力利得調整部
５０，５１…遅延回路
５２…増幅率調整回路
５３，５４…乗算器

Claims (5)

1. 互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体と、
   該振動体を第１の方向に振動させた状態において、前記振動体が第２の方向にコリオリ力により変位する量を検出する変位検出手段と、
   前記振動体に働く前記コリオリ力を打ち消すように、前記振動体に外力を作用する外力発生手段と、
   前記変位検出手段により検出された信号に対して、前記振動体の振動変位と同位相の第１の検波信号により検波する第１の検波手段と、
   前記変位検出手段により検出された信号に対して、前記振動体の振動変位に対して９０度の位相遅れを有する第２の検波信号により検波する第２の検波手段と、
   前記第１の検波手段の出力及び前記第２の検波手段の出力を用いて、漏れ振動による前記振動体の変位を抑制するように働くサーボ系とを有し、
   前記サーボ系の印加する力の大きさに基づいて、角速度を検出する角速度検出装置であって、
   前記振動体より出力する角速度による変位量を示す信号およびまたは漏れ振動を示す信号に対して位相変動を補正する補正手段を備えることを特徴とする角速度検出装置。
2. 請求項１記載の角速度検出装置において、
   前記サーボ系は、
   前記第１の検波手段の出力と、前記第２の検波手段の出力とを加算または減算した信号に対し積分演算を行い、帰還信号を生成する帰還信号生成手段と、
   該帰還信号生成手段の出力に所定のバイアスを加算した上で、前記外力発生手段に供給して漏れ振動による前記振動体の変位を抑制するバイアス加算手段とを備えることを特徴とする角速度検出装置。
3. 請求項１記載の角速度検出装置において、
   前記補正手段は、前記第１の検波手段により検出された信号を、前記第２の検波手段により検出された信号に加算して補正信号を求める位相補正演算部であり、
   前記サーボ系に前記補正信号を供給して、位相変動を補正することを特徴とする角速度検出装置。
4. 請求項１記載の角速度検出装置において、
   前記補正手段は、基準信号に対する位相変化量に応じて、前記第１及び第２の検波信号の位相を変化させる位相補正演算部であり、
   前記第１及び第２の検波手段における検波信号の位相を変えることで、位相変動を補正することを特徴とする角速度検出装置。
5. 請求項１記載の角速度検出装置において、
   前記補正手段は、基準信号に対する位相変化量に応じて、前記第１及び第２の検波手段の出力信号の振幅の増幅率を変更する出力利得調整部であり、
   前記第１及び第２の検波手段の出力の利得を変えることで、位相変動を補正することを特徴とする角速度検出装置。

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