JP2013120180A

JP2013120180A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2013120180A
Application number: JP2011269699A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yamada; 浩平山田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-06-17

Abstract

【課題】本発明は振動子の重量が不釣合の場合であっても不要な信号が発生してしまうということのない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】この目的を達成するために、本発明の角速度センサは、差動増幅器２９から出力される出力信号と逆極性で同一振幅であるキャンセル信号を第１の電荷増幅器２８ａまたは第２の電荷増幅器２８ｂのいずれか一方の後段に注入するキャンセル信号出力回路３５を設ける構成としたものである。
【選択図】図２

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等に利用でき、かつ故障診断機能を有す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５、図６に示すような構成となっていた。

図５は従来の角速度センサの斜視図、図６は同角速度センサにおける信号検出回路を示すブロック図である。

図５、図６において、１は直方体形状の振動子で、この振動子１は外側面に一対の駆動用圧電素子２と、検出用圧電素子３とを設けている。４は増幅器で、この増幅器４は振動子１における検出用圧電素子３から発生する電荷を電圧に変換するとともに増幅しているものである。

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。

駆動用圧電素子２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、両駆動用圧電素子２の配列方向Ｘに振動子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、Ｘ方向及びＺ方向に対して直角な方向Ｙにコリオリ力が生じ、これが検出用圧電素子３によって電荷として検出され、増幅器４により出力信号に変換される。

ここで、増幅器４からの出力信号にノイズ信号が発生する場合を考えると、従来の角速度センサにおいては、図６に示すように、一対の角速度センサを準備し、増幅器４からの出力信号のうちの共通成分のみを抽出する共通成分抽出部６を設けることにより、共通成分にはノイズ成分が少ないことを利用してノイズ信号を除去するようにしていた。

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。

特開平６−１７４４７５号公報

しかしながら、上記従来の構成では、振動子１の重量が不釣合の場合には振動子１が斜めに駆動振動することとなり、その結果、角度変換部（図示せず）から不要な信号が発生し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、振動子の重量が不釣合の場合であっても不要な信号が発生してしまうということのない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、駆動電極、第１の検出電極、第２の検出電極およびモニター電極を設けた振動子と、この振動子を所定の振動数に振動駆動させるようにモニター電極からの出力信号を基に駆動信号を出力する駆動回路と、前記振動子における第１の検出電極から出力される電荷を電圧に変換する第１の電荷増幅器と前記振動子における第２の検出電極から出力される電荷を電圧に変換する第２の電荷増幅器と前記第１の電荷増幅器と第２の電荷増幅器との出力信号の差値を出力する差動回路とからなる検出回路とを備え、前記振動子に角速度が働いていない状態において、差動増幅器から出力される出力信号と逆極性で同一振幅であるキャンセル信号を第１の電荷増幅器または第２の電荷増幅器のいずれか一方の後段に注入するキャンセル信号出力回路を設けたもので、この構成によれば、差動増幅器に発生した不要信号と逆相のキャンセル信号を電荷増幅器の後段に注入することとなり、その結果、ドリフト信号を除去することができるのでノイズが軽減するという作用効果が得られるものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、前記駆動回路にバンドパスフィルタを設けるとともに検出回路における差動回路の後段に位相器を設けかつキャンセル信号出力回路に比較回路を設け、前記バンドパスフィルタからの出力信号のゼロクロス点を基に、位相器からの出力を比較するようにしたもので、この構成によれば、不要信号の振幅量を正確に測定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、駆動電極、第１の検出電極、第２の検出電極およびモニター電極を設けた振動子と、この振動子を所定の振動数に振動駆動させるようにモニター電極からの出力信号を基に駆動信号を出力する駆動回路と、前記振動子における第１の検出電極から出力される電荷を電圧に変換する第１の電荷増幅器と前記振動子における第２の検出電極から出力される電荷を電圧に変換する第２の電荷増幅器と前記第１の電荷増幅器と第２の電荷増幅器との出力信号の差値を出力する差動回路とからなる検出回路とを備え、前記振動子に角速度が働いていない状態において、差動増幅器から出力される出力信号と逆極性で同一振幅であるキャンセル信号を第１の電荷増幅器または第２の電荷増幅器のいずれか一方の後段に注入するキャンセル信号出力回路を設けたもので、この構成によれば、差動増幅器に発生した不要信号と逆相のキャンセル信号を電荷増幅器の後段に注入することとなり、その結果、ドリフト信号を除去することができるのでノイズが軽減することが可能な角速度センサを提供することが出来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（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（ａ）〜（ｅ）キャンセル信号出力回路が動作した状態を示す波形図従来の角速度センサの斜視図同角速度センサにおける信号検出回路を示すブロック図

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、１１は振動子で、この振動子１１は四角柱状の駆動電極振動体１２と、四角柱状の検出電極振動体１３と、接続部１４とにより構成されている。そして前記駆動電極振動体１２には、４つの側面に金属からなる駆動電極１５ａおよび駆動電極１５ｂが設けられている。また前記検出電極振動体１３は駆動電極振動体１２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ー電極１６が設けられている。そしてまた前記検出電極振動体１３には、内側の側面に金からなるＧＮＤ電極１７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１８ａおよび第２の検出電極１８ｂが設けられている。１９は駆動回路で、この駆動回路１９は前記振動子１１のモニター電極１６の電荷を入力する増幅器２０と、この増幅器２０の出力信号を入力するバンドパスフィルタ２１と、このバンドパスフィルタ２１の出力信号を入力する整流器２２と、この整流器２２の出力信号を入力する平滑回路２３とにより構成されている。２４はＡＧＣ回路で、このＡＧＣ回路２４は前記駆動回路１９における平滑回路２３の出力信号を入力し、前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。２５は駆動制御回路で、この駆動制御回路２５は前記ＡＧＣ回路２４の出力信号を入力するとともに、前記振動子１１における駆動電極１５ａに駆動信号を入力するものである。２６は反転アンプで、この反転アンプ２６は前記駆動制御回路２５の出力信号を入力するとともに、前記振動子１１における駆動電極１５ｂに駆動制御回路２５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。

２７は検出回路で、この検出回路２７は、前記振動子１１における第１の検出電極１８ａにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する電荷増幅器２８ａと、第２の検出電極１８ｂにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する電荷増幅器２８ｂと、これらの電荷増幅器２８ａおよび２８ｂの出力信号を入力する差動増幅器２９と、この差動増幅器２９の出力信号を入力する位相器３０と、この位相器３０の出力信号を入力する同期検波器３１と、この同期検波器３１の出力信号を入力する平滑回路３２と、この平滑回路３２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３３とにより構成されている。

３５はキャンセル信号出力回路で、このキャンセル信号出力回路３５は、比較器３６と発振器３７とで構成されている。そして、前記キャンセル信号出力回路３５における比較器３６は駆動回路１９におけるバンドパスフィルタ２１からの出力信号と、位相器３０からの出力信号とを比較して、比較信号を出力している。そしてまた、前記キャンセル信号出力回路３５における発振器３７は、前記比較器３６からの比較信号を基に出力信号を出力し、電荷増幅器２８ｂの後段に出力するものである。

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１１の駆動電極１５ａおよび１５ｂに交流電圧を加えると、振動子１１が共振し、そしてこの振動子１１のモニター電極１６に電荷が発生する。このモニター電極１６に発生した電荷は、駆動回路１９における増幅器２０に入力され、正弦波形の出力電圧として出力される。そしてこのモニター電極１６の出力電圧を前記バンドパスフィルタ２１に入力し、振動子１１の共振周波数のみを抽出し、ノイズ成分を除去して、図３（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２１の出力信号を整流器２２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２３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２４は前記平滑回路２３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２１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２３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２１の出力信号を増幅させるような信号を駆動制御回路２５に入力し、前記振動子１１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１１の駆動電極振動体１２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１１の長手方向の中心軸周りに前記振動子１１が角速度ωで回転すると、この振動子１１の検出電極振動体１３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１３の一対の検出電極１８における一方の検出電極１８ａに図３（ｂ）に示すような電荷が発生するとともに、他方の検出電極１８ｂに図３（ｃ）に示すような電荷が発生する。そしてこの一対の検出電極１８に発生する電荷はコリオリ力により発生するため、前記モニター電極１６に発生する信号より、一方の検出電極１８ａに生じる電荷の位相が９０度進むとともに、他方の検出電極１８ｂに生じる電荷の位相が２７０度進んでいる。そして前記差動増幅器２９により、一方の検出電極１８ａから発生する電荷を図３（ｄ）に示すような出力電圧に変換する。増幅器２８ｂは、他方の検出電極１８ｂから発生する電荷を増幅し、図３（ｅ）に示すような出力電圧に変換する。

そして、電荷増幅器２８ａおよび電荷増幅器２８ｂの出力信号を差動増幅器２９に入力するとともに、差動をとることにより、差動増幅器２９が差動からなる出力信号を出力する。さらに位相器３０により、前記差動増幅器２９の出力電圧を９０度遅らせて図３（ｆ）に示すような出力電圧に変換する。そしてこの位相器３０の出力信号を同期検波器３１に入力し、前記駆動回路１９におけるバンドパスフィルタ２１の振動の周期で位相検波させるとともに、前記位相器３０の出力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、図３（ｇ）に示すような出力信号を得る。そしてこの同期検波器３１の出力電圧を前記平滑回路３２および直流アンプ３３により平滑化するとともに、増幅し、図３（ｈ）に示すような出力信号を得る。そして直流アンプ３３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、角速度センサに角速度が加わらない状態において振動子１１の重量バランスの不釣合いから振動子１１が斜めに振動する場合を考える。

検出回路２７における電荷増幅器２８ａからは図４（ａ）に示す出力信号が出力され、一方、電荷増幅器２８ｂからは図４（ｂ）に示す出力信号が出力される。

そうすると、差動増幅器２９からは図４（ａ）と図４（ｂ）との差値に相当する図４（ｃ）に相当する出力信号が出力される。そして、位相器３０により９０度位相を遅らせ、位相器３０から図４（ｄ）に示す出力信号が出力される。比較器３６は駆動回路１９におけるバンドパスフィルタ２１からのゼロクロス点を基に、図４（ｄ）の最大振幅値を検出し、さらに、発振器３７により、位相を９０度早めて、図４（ｅ）に示す出力信号を得る。この発振器３７からの出力信号は、図４（ｃ）に示す出力信号を反転させた信号に相当する。すなわち、図４（ｅ）に示す出力信号を電荷増幅器２８ｂの後段に注入することにより、差動増幅器２９に発生する不要なノイズ信号を除去することが出来る。

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、角速度センサに角速度が負荷されない状態において、差動増幅器２９から出力される出力信号と逆極性で同一振幅であるキャンセル信号を電荷増幅器２８ｂの後段に注入するキャンセル信号出力回路３５を設けたため、差動増幅器２９に発生した不要信号と逆相のキャンセル信号を第一の電荷増幅器２８ｂの後段に注入することとなり、その結果ドリフト信号を除去することができるので、ノイズを軽減することができるという作用効果が得られるものである。

本発明に係る角速度センサは、振動子の重量が不釣合の場合であっても不要な信号が発生してしまうということのない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。

１１振動子
１８ａ第１の検出電極
１８ｂ第２の検出電極
１９駆動回路
２７検出回路
２８ａ，２８ｂ電荷増幅器
２９差動増幅器
３５キャンセル信号出力回路
３６比較器
３７発振器

Claims

駆動電極、第１の検出電極、第２の検出電極およびモニター電極を設けた振動子と、この振動子を所定の振動数に振動駆動させるようにモニター電極からの出力信号を基に駆動信号を出力する駆動回路と、前記振動子における第１の検出電極から出力される電荷を電圧に変換する第１の電荷増幅器と前記振動子における第２の検出電極から出力される電荷を電圧に変換する第２の電荷増幅器と前記第１の電荷増幅器と第２の電荷増幅器との出力信号の差値を出力する差動回路とからなる検出回路とを備え、前記振動子に角速度が働いていない状態において、差動増幅器から出力される出力信号と逆極性で同一振幅であるキャンセル信号を第１の電荷増幅器または第２の電荷増幅器のいずれか一方の後段に注入するキャンセル信号出力回路を設けた角速度センサ。
前記駆動回路にバンドパスフィルタを設けるとともに検出回路における差動回路の後段に位相器を設けかつキャンセル信号出力回路に比較回路を設け、前記バンドパスフィルタからの出力信号のゼロクロス点を基に、位相器からの出力を比較するようにした請求項１記載の角速度センサ。