JP2013044658A

JP2013044658A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2013044658A
Application number: JP2011183269A
Authority: JP
Inventors: Sukeji Sonoda; 右司其田; Shinjiro Ueda; 真二郎上田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2013-03-04

Abstract

【課題】本発明は、電荷増幅器からの出力信号にどのようなノイズ成分がのっている場合でも、確実にノイズ成分を除去することができる角速度センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の角速度センサは、検出回路３７における第１の電荷増幅器３８と第２の電荷増幅器３９とから出力される出力信号の差値を増幅する差動増幅器４０にコンデンサ４５および抵抗４６を並列に接続したローパスフィルタ４７を設け、出力信号からノイズ成分を除去する構成としたものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、特に、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション、カメラの手振れ補正、等に利用できる角速度センサに関するものである。

従来のこの種の角速度センサは、図６〜図８に示すような構成となっていた。

図６は従来の角速度センサの模式図、図７は同角速度センサにおける検出回路を示すブロック図、図８は同角速度センサの検出回路における差動増幅器である。

図６〜図８において、１は振動子で、この振動子１は駆動電極振動体２と、検出電極振動体３と接続部４とにより構成されている。そして前記駆動電極振動体２には、駆動電極５が設けられている。そしてまた前記検出電極振動体３には、側面に第１の検出電極６および第２の検出電極７が設けられている。８は駆動回路で、この駆動回路８は前記振動子１における駆動電極５に電荷を入力する増幅器９およびＡＧＣ回路１０を設けている。

１１は検出回路で、この検出回路１１は、前記振動子１における第１の検出電極６にコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する第１の電荷増幅器１２と、第２の検出電極７にコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する第２の電荷増幅器１３と、図８に示すように、前記第１の電荷増幅器１２および第２の電荷増幅器１３との出力信号を入力するとともに両者の差値を増幅して出力する差動増幅器１４と、この差動増幅器１４の出力信号を入力する感度調整回路１５と、この感度調整回路１５の出力信号を入力するオフセット調整回路１６と、このオフセット調整回路の出力信号を入力する同期検波器１７とにより構成されている。

以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。

駆動電極振動体２における駆動電極５に駆動交流電圧を印加して、振動子１の固有振動数で励振し、振動子１を振動させた状態で、この振動子１の軸心方向Ｚを中心とする角速度Ωが振動子１に印加されると、コリオリ力が生じ、これが検出電極振動体３における第１の検出電極６および第２の検出電極７によって電荷として検出され、各々、第１の電荷増幅器１２および第２の電荷増幅器１３とにより出力信号に変換される。そして、第１の電荷増幅器１２および第２の電荷増幅器１３の出力信号を差動増幅器１４に入力するとともに、差動をとることにより、差動増幅器１４から出力信号を出力する。さらに、感度調整回路１５およびオフセット調整回路１６を介して同期検波器１７に入力し、前記駆動回路８の振動の周期で位相検波させることにより、出力信号を角速度の信号として、相手側のコンピュータ（図示せず）等に入力し、角速度を検出するものである。

ここで、角速度センサを相手側基板（図示せず）に実装する場合を考えると、角速度センサの近傍にコイル（図示せず）等を配置する場合が多々あるものであった。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００７−３２７９４５号公報

しかしながら、上記従来の構成では、角速度センサを実装するユーザ用基板（図示せず）に予め実装されたコイル（図示せず）に、ＤＣ/ＤＣコンバータ（図示せず）より電気信号が発生し、コイル（図示せず）が振動することとなり、これにより、検出回路１１からの出力信号が共振し、図９に示すように、ノイズが発生し、正確な角速度を検出することができなくなってしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、角速度センサの近くにコイル等が配置されることにより、出力信号にノイズ成分がのっている場合でも、確実にノイズ成分を除去することができる角速度センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、一対の検出電極を設けた振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子における一方の検出電極に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する第１の電荷増幅器と、他方の検出電極に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する第２の電荷増幅器と、前記第１の電荷増幅器と第２の電荷増幅器とから出力される出力信号の差値を増幅する差動増幅器と、この差動増幅器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路とからなる検出回路とを備え、前記検出回路における差動増幅器にコンデンサおよび抵抗を並列に接続したローパスフィルタを設けたもので、この構成によれば、検出回路における差動増幅器にコンデンサおよび抵抗を並列に接続したローパスフィルタを設けることにより、出力信号からノイズ成分を除去することができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の角速度センサは、一対の検出電極を設けた振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子における一方の検出電極に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する第１の電荷増幅器と、他方の検出電極に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する第２の電荷増幅器と、前記第１の電荷増幅器と第２の電荷増幅器とから出力される出力信号の差値を増幅する差動増幅器と、この差動増幅器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路とからなる検出回路とを備え、前記検出回路における差動増幅器にコンデンサおよび抵抗を並列に接続したローパスフィルタを設けたもので、この構成によれば、検出回路における差動増幅器にコンデンサおよび抵抗を並列に接続したローパスフィルタを設けることにより、出力信号からノイズ成分を除去する角速度センサを提供することができるという効果を有するものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの斜視図同角速度センサの駆動回路および検出回路を示すブロック図同角速度センサの検出回路における差動増幅器を示す図（ａ）〜（ｈ）同角速度センサの動作状態における出力信号を示す波形図本発明の一実施の形態における角速度センサにおける出力信号から検出回路の差動増幅器におけるローパスフィルタにより、ノイズ信号を除去した状態を示す図従来の角速度センサの模式図従来の角速度センサの回路ブロック図従来の角速度センサの検出回路における差動増幅器を示す図従来の角速度センサにおける出力信号からノイズ信号が発生する状態を示す図

以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの斜視図、図２は同角速度センサの駆動回路および検出回路を示すブロック図である。

図１、図２において、２１は振動子で、この振動子２１は四角柱状の水晶製の駆動電極振動体２２と、四角柱状の水晶製の検出電極振動体２３と、水晶製の接続部２４とにより構成されている。そして前記駆動電極振動体２２には、４つの側面に金からなる駆動電極２５ａおよび駆動電極２５ｂが設けられている。また前記検出電極振動体２３は駆動電極振動体２２と平行に設けられているもので、その表面および裏面には金からなるモニタ電極２６が設けられている。そしてまた前記検出電極振動体２３には、内側の側面に金からなるＧＮＤ電極２７が設けられ、かつ外側の側面に金からなる第１の検出電極２８ａおよび第２の検出電極２８ｂが設けられている。２９は駆動回路で、この駆動回路２９は前記振動子２１のモニタ電極２６の電荷を入力する増幅器３０と、この増幅器３０の出力信号を入力するバンドパスフィルタ３１と、このバンドパスフィルタ３１の出力信号を入力する整流器３２と、この整流器３２の出力信号を入力する平滑回路３３とにより構成されている。３４はＡＧＣ回路で、このＡＧＣ回路３４は前記駆動回路２９における平滑回路３３の出力信号を入力し、前記平滑回路３３の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。３５は駆動制御回路で、この駆動制御回路３５は前記ＡＧＣ回路３４の出力信号を入力するとともに、前記振動子２１における駆動電極２５ａに駆動信号を入力するものである。３６は反転アンプで、この反転アンプ３６は前記駆動制御回路３５の出力信号を入力するとともに、前記振動子２１における駆動電極２５ｂに駆動制御回路３５の出力信号を反転させた駆動信号を入力するものである。

３７は検出回路で、この検出回路３７は、前記振動子２１における第１の検出電極２８ａにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する第１の電荷増幅器３８と、第２の検出電極２８ｂにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する第２の電荷増幅器３９と、前記第１の電荷増幅器３８および第２の電荷増幅器３９との出力信号を入力するとともに両者の差値を増幅して出力する差動増幅器４０と、この差動増幅器４０の出力信号を入力する位相器４１と、この位相器４１の出力信号を入力する同期検波器４２と、この同期検波器４２の出力信号を入力する平滑回路４３と、この平滑回路４３の出力信号を入力するとともに、増幅して角速度信号を出力する直流アンプ４４とにより構成されている。そして、前記検出回路３７における差動増幅器４０には、図３に示すように、コンデンサ４５および抵抗４６からなるローパスフィルタ４７を設けている。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次にその動作を説明する。

振動子２１の駆動電極２５ａおよび２５ｂに交流電圧を加えると、振動子２１が共振し、そしてこの振動子２１のモニタ電極２６に電荷が発生する。このモニタ電極２６に発生した電荷は、駆動回路２９における増幅器３０に入力され、正弦波形の出力電圧として出力される。そしてこのモニタ電極２６の出力電圧を前記バンドパスフィルタ３１に入力し、振動子２１の共振周波数のみを抽出し、ノイズ成分を除去して、図４（ａ）に示すような正弦波形を出力する。そしてまた前記バンドパスフィルタ３１の出力信号を整流器３２に入力することにより、負電圧成分を正電圧に変換した後、平滑回路３３に入力することにより、直流電圧信号に変換する。そしてＡＧＣ回路３４は前記平滑回路３３の直流電圧信号が大の場合には前記バンドパスフィルタ３１の出力信号を減衰させるような信号を、一方、前記平滑回路３３の直流電圧信号が小の場合には前記バンドパスフィルタ３１の出力信号を増幅させるような信号を駆動制御回路３５に入力し、前記振動子２１の振動を一定振幅になるように調整するものである。

ここで、振動子２１の駆動電極振動体２２が振動方向に速度ｖで屈曲振動している状態において、前記振動子２１の長手方向の中心軸周りに前記振動子２１が角速度ωで回転すると、この振動子２１の検出電極振動体２３にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により前記検出電極振動体２３の第１の検出電極２８ａに図４（ｂ）に示すような電荷が発生するとともに、第２の検出電極２８ｂに図４（ｃ）に示すような電荷が発生する。そしてこの第１の検出電極２８ａに発生する電荷はコリオリ力により発生するため、前記モニタ電極２６に発生する信号より、第１の検出電極２８ａに生じる電荷の位相が９０度進むとともに、第２の検出電極２８ｂに生じる電荷の位相が２７０度進んでいる。そして前記第１の電荷増幅器３８により、第１の検出電極２８ａから発生する電荷を図４（ｄ）に示すような出力電圧に変換する。第２の電荷増幅器３９は、第２の検出電極２８ｂから発生する電荷を増幅し、図４（ｅ）に示すような出力電圧に変換する。

そして、第１の電荷増幅器３８および第２の電荷増幅器３９の出力信号を差動増幅器４０に入力するとともに、差値をとることにより、差動増幅器４０が差値からなる出力信号を出力する。さらに位相器４１により、前記差動増幅器４０の出力電圧を９０度遅らせて図４（ｆ）に示すような出力電圧に変換する。そしてこの位相器４１の出力信号を同期検波器４２に入力し、前記駆動回路２９におけるバンドパスフィルタ３１の振動の周期で位相検波させるとともに、前記位相器４１の出力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、図４（ｇ）に示すような出力信号を得る。そしてこの同期検波器４２の出力電圧を前記平滑回路４３および直流アンプ４４により平滑化するとともに、増幅し、図４（ｈ）に示すような出力信号を得る。そして直流アンプ４４の出力信号を角速度の信号として、相手側のコンピュータ（図示せず）等に入力し、角速度を検出するものである。

ここで、角速度センサを実装するユーザ用基板（図示せず）に予め実装されたコイル（図示せず）に、ＤＣ/ＤＣコンバータ（図示せず）より電気信号が発生し、コイル（図示せず）が振動する場合を考える。

本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、検出回路３７における差動増幅器４０にコンデンサ４５および抵抗４６を並列に接続したため、コンデンサ４５および抵抗４６を並列に接続したローパスフィルタ４７により、図５に示すように、出力信号からノイズ成分を除去することができるという作用効果を有するものである。

本発明に係る角速度センサは、電荷増幅器からの出力信号にどのようなノイズ成分がのっている場合でも、確実にノイズ成分を除去することができるという効果を有するものであり、特に、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等に使用される角速度センサとして有用なものである。

２１振動子
２８ａ第１の検出電極
２８ｂ第２の検出電極
２９駆動回路
３７検出回路
３８第１の電荷増幅器
３９第２の電荷増幅器
４０差動増幅器
４２同期検波器
４３平滑回路
４５コンデンサ
４６抵抗
４７ローパスフィルタ

Claims

一対の検出電極を設けた振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子における一方の検出電極に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する第１の電荷増幅器と、他方の検出電極に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する第２の電荷増幅器と、前記第１の電荷増幅器と第２の電荷増幅器とから出力される出力信号の差値を増幅する差動増幅器と、この差動増幅器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路とからなる検出回路とを備え、前記検出回路における差動増幅器にコンデンサおよび抵抗を並列に接続したローパスフィルタを設けた角速度センサ。