JP2011002295A - Angular velocity detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動子を励振振動させることにより振動子に生じた角速度を検出する角速度検出装置に関する。 The present invention relates to an angular velocity detection device that detects an angular velocity generated in a vibrator by exciting the vibrator.
従来、振動子を三次元直交座標系における第1の軸に沿って励振振動させ、第2の軸周りの角速度によって生じる第3の軸に沿った振動を検出することにより、第2の軸周りの角速度を算出する角速度検出装置が知られている。係る角速度検出装置は、第2の軸を鉛直軸とする向きで車両に搭載されることにより、ヨーレートセンサーとして用いられている。 Conventionally, a vibrator is excited and oscillated along a first axis in a three-dimensional orthogonal coordinate system, and a vibration along a third axis caused by an angular velocity around the second axis is detected. There is known an angular velocity detection device for calculating the angular velocity. Such an angular velocity detection device is used as a yaw rate sensor by being mounted on a vehicle with the second axis as a vertical axis.
このような角速度検出装置において生じる問題点の一つに、振動子が、その高次共振周波数に応じて、励振振動に対する高次振動(周波数が励振振動のn倍の振動)をすることが挙げられる。振動子が高次振動をすると、角速度と高次振動との関係で、上記第3の軸に沿った振動が高次成分を含んでしまう。この結果、出力する角速度信号に高次成分が重畳し、誤差が生じることになる。 One of the problems that occur in such an angular velocity detection device is that the vibrator performs higher-order vibration (vibration whose frequency is n times that of the excitation vibration) in response to the higher-order resonance frequency. It is done. When the vibrator performs high-order vibration, the vibration along the third axis includes a high-order component due to the relationship between the angular velocity and the high-order vibration. As a result, higher-order components are superimposed on the angular velocity signal to be output, resulting in an error.
これを解消することを主眼とする角速度センサについての発明が開示されている(例えば、特許文献1参照)。このセンサでは、基本波を同期検波する主同期検波回路とは別に、主同期検波回路では除去不可能な、基本波に重畳する奇数次高調波を選択的に抽出する高調波同期検波回路を設け、主同期検波回路からの主検波波形から、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ものとしている。 An invention of an angular velocity sensor whose main purpose is to eliminate this is disclosed (for example, see Patent Document 1). In addition to the main synchronous detection circuit that detects the fundamental wave synchronously, this sensor is equipped with a harmonic synchronous detection circuit that selectively extracts odd harmonics superimposed on the fundamental wave that cannot be removed by the main synchronous detection circuit. The signal processing for reducing the residual odd harmonic components is performed using the odd harmonic detection waveform extracted by the harmonic synchronous detection circuit from the main detection waveform from the main synchronous detection circuit.
一方、装置の温度環境に応じて振動子の特性変動が生じることに鑑み、温度データに応じてバイアス補償を行なう振動ジャイロについての発明が開示されている(例えば、特許文献2参照)。 On the other hand, in view of the fact that the characteristics of the vibrator vary depending on the temperature environment of the apparatus, an invention has been disclosed regarding a vibrating gyroscope that performs bias compensation according to temperature data (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、上記従来のセンサにおいては、励振周波数と振動子の高次共振周波数が同期する時間が必ず存在し、この時間帯では、振動子の高次共振による振動変位がコリオリ力による変位信号に重畳する。このため、角速度として検出した信号に誤差が重畳し、検出精度が低下する場合がある。 However, in the conventional sensor described above, there is always a time for the excitation frequency and the higher-order resonance frequency of the vibrator to be synchronized. To do. For this reason, an error may be superimposed on the signal detected as the angular velocity, and the detection accuracy may decrease.
なお、係る不都合は、装置の温度変化に応じて生じるものである。この点、上記特許文献2に記載の振動ジャイロでは、温度データに応じてバイアス補償を行なっている。
Such inconvenience arises according to the temperature change of the apparatus. In this regard, the vibration gyro described in
ここで、バイアス補償データは予め試験によって計測されたものであるが、装置に与えられる角速度の大きさや振幅等の環境が変化した場合に適切な値となる保証はない。従って、振動子の高次共振による振動変位に起因した測定誤差を十分に除去できない場合がある。 Here, the bias compensation data is measured in advance by a test, but there is no guarantee that an appropriate value is obtained when the environment such as the magnitude or amplitude of the angular velocity given to the apparatus changes. Therefore, there may be a case where measurement errors due to vibration displacement due to higher-order resonance of the vibrator cannot be sufficiently removed.
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、振動子の高次共振周波数の影響を十分に排除することが可能な角速度検出装置を提供することを、主たる目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and a main object thereof is to provide an angular velocity detection device capable of sufficiently eliminating the influence of the higher-order resonance frequency of the vibrator.
上記目的を達成するための本発明の一態様は、
励振振動される振動子と、
前記振動子を励振振動させるための駆動信号を出力する駆動手段と、
前記振動子における前記励振振動とは異なる方向の変位を検出するための検出手段と、
前記検出手段により検出された変位に基づいて、前記励振振動の方向と前記検出手段により検出される変位の方向の双方に直交する方向周りの角速度を検出する角速度検出手段と、を備える角速度検出装置であって、
温度を検出する温度検出手段を備え、
前記駆動手段は、前記温度検出手段により検出された温度が変化するのに応じて、前記駆動信号の態様を変更することを特徴とする、
角速度検出装置である。
In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention provides:
A vibrator to be vibrated,
Drive means for outputting a drive signal for exciting and vibrating the vibrator;
Detecting means for detecting displacement in a direction different from the excitation vibration in the vibrator;
An angular velocity detection device comprising: angular velocity detection means for detecting an angular velocity around a direction orthogonal to both the direction of the excitation vibration and the direction of displacement detected by the detection means based on the displacement detected by the detection means. Because
Temperature detecting means for detecting temperature,
The drive means changes the mode of the drive signal according to a change in temperature detected by the temperature detection means,
It is an angular velocity detection device.
この本発明の一態様によれば、振動子の高次共振周波数の影響を十分に排除することができる。 According to this aspect of the present invention, the influence of the higher-order resonance frequency of the vibrator can be sufficiently eliminated.
本発明の一態様において、
前記駆動手段は、例えば、前記温度検出手段により検出された温度が変化するのに応じて、前記駆動信号の振幅、振幅の限界、及びバイアスの少なくとも一つを変更する手段である。
In one embodiment of the present invention,
For example, the driving unit is a unit that changes at least one of an amplitude, a limit of amplitude, and a bias of the driving signal in accordance with a change in temperature detected by the temperature detecting unit.
本発明によれば、振動子の高次共振周波数の影響を十分に排除することが可能な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 angular velocity detection apparatus which can fully eliminate the influence of the high order resonant frequency of a vibrator | oscillator can be provided.
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[基本構成]
図1は、本発明の一実施例に係る角速度検出装置1のシステム構成例である。図示するように、角速度検出装置1は、基本的な構成として、振動子10と、駆動回路20と、励振変位検出回路22と、ゲインコントロール回路24と、PLL(Phase-Locked Loop)回路26と、分周器28と、センサ変位検出回路30と、同期検波回路32と、積分器34と、を備える。
[Basic configuration]
FIG. 1 is a system configuration example of an angular
角速度検出装置1は、例えばMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)センサとして構成される。この場合、振動子10は、図示しない支持基板上に浮かぶように形成されており、梁構造を介して、支持基板から突出した固定部に接続されている。この梁構造は、支持基板に向かう方向にある程度の幅を有する平板構造である。
The angular
係る構造によって、振動子10は、指示基板に向かう方向を法線とする平面上で、ある程度の自由度をもって変位することができる。
With such a structure, the
そして、振動子10の周囲には、励振用及び振動検出用(あるX方向の振動検出用、及びX方向に直交するY方向の振動検出用)の複数の電極が配設されている。ここで、X方向とY方向は、上記支持基板に向かう方向を法線とする平面に含まれる。
A plurality of electrodes for excitation and vibration detection (for detecting vibration in a certain X direction and for detecting vibration in the Y direction orthogonal to the X direction) are disposed around the
励振用電極は、静電駆動によって振動子をあるX方向に振動させる。X方向の変位は、X方向の振動検出用電極によって検出され、励振変位検出回路22に出力される。一方、X方向とY方向の双方に直交するZ方向周りの角速度に起因して、コリオリ力によって生じるY方向の変位は、Y方向の振動検出用電極によって検出され、センサ変位検出回路30に出力される。
The excitation electrode vibrates the vibrator in a certain X direction by electrostatic driving. The displacement in the X direction is detected by the vibration detection electrode in the X direction and output to the excitation
なお、振動子10の形状や電極の配設位置について特段の制限はなく、如何なるものを用いても構わない。
There are no particular restrictions on the shape of the
駆動回路20は、ゲインコントロール回路24から入力される振幅値信号、分周器28から入力される駆動タイミング信号、及び後述する昇圧回路44から入力される信号に基づいて、励振用電極にAC成分を有する電圧信号(駆動信号)を印加して、振動子10を振動させる。
Based on the amplitude value signal input from the
励振変位検出回路22は、X方向の振動検出用電極の静電容量を電圧に変換し(Q/V変換)、これを復調した励振検出信号をゲインコントロール回路24、及びPLL回路26に出力する。
The excitation
ゲインコントロール回路24は、振動子10の目標変位(振幅)と、励振検出信号が示す実際の変位との比較により駆動回路20への指示信号を生成する。より具体的には、振動子10の目標変位と実際の変位とを一致させるためのフィードバック制御における差分要素及び積分要素のゲイン等を決定して駆動回路20に出力する。
The
PLL回路26は、位相比較器、ローパスフィルター、VCO等を有する。位相比較器には、励振変位検出回路22が出力する励振検出信号と、分周器28が出力する駆動タイミング信号が入力される。位相比較器は、これらの位相差を示す信号を、ローパスフィルターを介してVCOに出力する。
The
分周器28は、VCOから入力された信号を、例えば90度位相シフトさせ、駆動タイミング信号、及びこれと同周期の検波タイミング信号を生成する。駆動タイミング信号は駆動回路20に、検波タイミング信号は同期検波回路32に、それぞれ出力される。
The
係る構成によって、振動子10の共振点で駆動回路20の駆動周波数をロックすることができる。
With this configuration, the drive frequency of the
センサ変位検出回路30は、Y方向の振動検出用電極により検出された静電容量を電圧に変換し(Q/V変換)、これを復調した角速度検出信号を同期検波回路32に出力する。
The sensor
同期検波回路32は、分周器28が生成した検波タイミング信号を基準とし、角速度検出信号のうち位相が所定範囲の信号の符号を反転させた検波信号を生成する。角速度検出信号、及び検波信号については、後述する図2を参照することができる。
The synchronous detection circuit 32 uses the detection timing signal generated by the
積分器34は、同期検波回路32が生成した検波信号を平滑化し、角速度信号を外部に出力する。
The
係る構成によって、Z方向周りの角速度により発生するY方向周りの振動の振れ幅に応じた角速度信号が生成され、外部に出力される。角速度検出装置1が車両に搭載される場合、例えばZ方向が鉛直方向となるように設置され、車両のヨー方向の角速度を検出するヨーレートセンサーとして用いられる。
With such a configuration, an angular velocity signal corresponding to the amplitude of vibration around the Y direction generated by the angular velocity around the Z direction is generated and output to the outside. When the angular
[問題点]
ところで、係る構成において振動子10は、その共振周波数に応じて、励振振動に対する高次振動(周波数が励振振動のn倍の振動)をする場合がある。すなわち、温度変化等により励振振動の周波数や高次共振の周波数が徐々に変化し、励振振動の周波数の奇数倍と高次共振の周波数が一致すると、角速度検出信号に重畳している高次振動の周波数成分が角速度信号に含まれてしまうことになる。なお、原理的には、偶数倍の高次成分は打ち消し合ってゼロとなるため問題は生じない。
[problem]
By the way, in such a configuration, the
図2は、係る不都合が生じる様子を示す図である。図示するように、例えば3次の高調波信号が角速度検出信号に重畳している場合、最終的に出力される角速度信号が誤差成分を含んでしまうことになる。 FIG. 2 is a diagram showing how such inconvenience occurs. As shown in the figure, for example, when a third-order harmonic signal is superimposed on the angular velocity detection signal, the finally outputted angular velocity signal includes an error component.
[特徴的な構成及び処理]
そこで、本実施例の角速度検出装置1では、温度センサ40、駆動波形調整回路42、昇圧回路44等の構成要素を有し、装置内の温度に応じて駆動回路20による振動子10の励振振動の態様を変更することにした。高次共振の周波数は、振動子10の温度に起因して変化するからである。
[Characteristic configuration and processing]
Therefore, the angular
図3は、温度センサ40により検出される温度の変化に応じた、駆動信号の態様変化を示す図である。図示するように、常温では、励振用電極に出力する駆動信号の振幅を、クランプ電圧で上限、下限が設定されたものとする。次いで、温度が上昇すると(図における(A))、駆動信号の振れ幅を小さくする。更に温度が上昇すると(図における(B))、DCバイアス電圧(駆動信号におけるDC成分)を大きく又は小さく変更する。更に温度が上昇して高温になると(図における(C))、クランプ電圧を大きく変更する。
FIG. 3 is a diagram illustrating a change in the driving signal according to a change in temperature detected by the
このような制御によって、励振振動と、振動子10の高次共振振動との同期による振動の発生を抑制し、角速度信号の検出精度を高く維持することができる。
By such control, it is possible to suppress the generation of vibration due to synchronization between the excitation vibration and the higher-order resonance vibration of the
すなわち、バイアス電圧を変更すると、振動子10を含む構造体の機械的なバネ定数を変化させることができる。機械的なバネ定数を変化させると、振動子10の高次共振の周波数が変化するため、駆動信号のDCバイアス電圧を変化させることにより、高次共振による振動の変位を抑制することができる。
That is, when the bias voltage is changed, the mechanical spring constant of the structure including the
また、駆動信号の波形が台形状となると、矩形波としての性質を有することになり、自身の周波数とは別の周波数成分を内包することになる。従って、駆動波形を調整することで、発生する別の周波数成分と高次の共振周波数との同期を防止することができる。 Further, when the waveform of the drive signal has a trapezoidal shape, it has a property as a rectangular wave and includes a frequency component different from its own frequency. Therefore, by adjusting the drive waveform, it is possible to prevent synchronization between another generated frequency component and a higher-order resonance frequency.
駆動波形調整回路42は、温度センサ40から入力される情報に基づいて、駆動信号の振幅を変更するための信号(励振振幅調整信号)をゲインコントロール回路24に出力し、振幅の限界値、及びバイアスを変更するための信号(クランプ電圧調整信号、及びDCバイアス調整信号)を昇圧回路44に出力する。なお、必ずしも駆動信号の振幅、振幅の限界値、及びバイアスの全部を変更する必要はなく、これらのうち一部を変更するものであってもよい。
The drive
このような制御を実現するための構成として、ゲインコントロール回路24は、図4に示すような積分回路を有する。ゲインコントロール回路24は、駆動波形調整回路42から入力される駆動振幅調整信号に基づいてコンデンサの容量を変更し、励振変位情報(励振検出信号)から駆動振幅情報を生成する際のゲインを調整する。
As a configuration for realizing such control, the
また、昇圧回路44は、図5に示すような構成を複数個有する。昇圧回路44は、外部電源44A(装置内部で生成してもよい)とオペアンプ44Bを接続する電力ラインの抵抗値をクランプ電圧調整信号に基づいて変更し、昇圧用の内部電源電圧を変更する。スイッチ44Cは、クランプ電圧調整信号に基づいてオン/オフ制御される。
The
昇圧回路44は、更に、図6に示すような構成を有する。昇圧回路44は、DCバイアス調整信号に基づいて切換え制御がされるツェナー部を有し、ツェナーの段数や端子Xにおける電位を変更することにより、DCバイアス電圧を調整する。
The
以上説明した本実施例の角速度検出装置1によれば、装置内の温度に応じて駆動回路20による振動子10の励振振動の態様を変更するため、励振振動と、振動子10の高次共振振動との同期による振動の発生を抑制し、角速度信号の検出精度を高く維持することができる。従って、振動子の高次共振周波数の影響を十分に排除することができる。
According to the angular
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。 The best mode for carrying out the present invention has been described above by using the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. And substitutions can be added.
例えば、実施例で示したような振動型の角速度検出装置は、製造上、駆動共振周波数にバラツキを有し、このバラツキによって角速度検出に影響度が大きい共振モードに個体差が生じるため、PLL回路26が有するVCOの入力電圧のデータ(駆動共振周波数に相当する)を駆動波形調整回路42に供給するものとしてよい。
For example, the vibration-type angular velocity detection device as shown in the embodiment has variations in the drive resonance frequency in manufacturing, and individual variations occur in resonance modes that have a large influence on the angular velocity detection due to this variation. Data of the VCO input voltage (corresponding to the drive resonance frequency) of the
図7は、PLL回路26が有するVCOの入力電圧のデータを駆動波形調整回路42に供給する場合の角速度検出装置1のシステム構成例である。
FIG. 7 shows a system configuration example of the angular
駆動波形調整回路42では、供給されたVCOの入力電圧のデータに基づいて、図3で示したような駆動信号の態様変化を調整する。具体的には、異なる態様(図3では(A)→(B)等)に遷移させるための温度閾値を変更したり、温度センサ40からの温度情報とVCOの入力電圧の周波数の双方を加味して駆動信号の態様変化を調整したりする。なお、VCOの入力電圧の周波数から振動子10の温度を推定することもできる。
The drive
このように、VCOの入力電圧のデータを駆動波形調整回路42に供給することによって、角速度の検出精度を更に高めることができる。
As described above, by supplying the input voltage data of the VCO to the drive
本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。 The present invention can be used in the automobile manufacturing industry, the automobile parts manufacturing industry, and the like.
1 角速度検出装置
10 振動子
20 駆動回路
22 励振変位検出回路
24 ゲインコントロール回路
26 PLL回路
28 分周器
30 センサ変位検出回路
32 同期検波回路
34 積分器
40 温度センサ
42 駆動波形調整回路
44 昇圧回路
44A 外部電源
44B オペアンプ
44C スイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記振動子を励振振動させるための駆動信号を出力する駆動手段と、
前記振動子における前記励振振動とは異なる方向の変位を検出するための検出手段と、
前記検出手段により検出された変位に基づいて、前記励振振動の方向と前記検出手段により検出される変位の方向の双方に直交する方向周りの角速度を検出する角速度検出手段と、を備える角速度検出装置であって、
温度を検出する温度検出手段を備え、
前記駆動手段は、前記温度検出手段により検出された温度が変化するのに応じて、前記駆動信号の態様を変更することを特徴とする、
角速度検出装置。 A vibrator to be vibrated,
Drive means for outputting a drive signal for exciting and vibrating the vibrator;
Detecting means for detecting displacement in a direction different from the excitation vibration in the vibrator;
An angular velocity detection device comprising: angular velocity detection means for detecting an angular velocity around a direction orthogonal to both the direction of the excitation vibration and the direction of displacement detected by the detection means based on the displacement detected by the detection means. Because
Temperature detecting means for detecting temperature,
The drive means changes the mode of the drive signal according to a change in temperature detected by the temperature detection means,
Angular velocity detector.
請求項1に記載の角速度検出装置。 The drive means is means for changing at least one of an amplitude, a limit value of amplitude, and a bias of the drive signal in response to a change in temperature detected by the temperature detection means.
The angular velocity detection device according to claim 1.
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