JP2017207440A - ジャイロセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、高精度化、高感度化が可能なジャイロセンサ装置を提供する。【解決手段】ジャイロセンサ装置１は、振動式ジャイロセンサのセンシングエレメント（以下、エレメント）３に、該エレメント３を駆動軸方向に振動させるための駆動信号を供給する駆動信号発生回路５と、第１振動信号Ｖｍと第２振動信号Ｖｃとが入力される処理部１１と、を備える。第１振動信号Ｖｍは、エレメント３の駆動軸方向における振動の振幅である駆動振動振幅に比例した振幅を有する。第２振動信号Ｖｃは、エレメント３の角速度に起因して該エレメント３に発生するコリオリ力に比例した振幅を有する。そして、処理部１１は、第１振動信号Ｖｍと第２振動信号Ｖｃとに基づいて、駆動振動振幅に対するコリオリ力の比率を算出し、その算出結果を、角速度検出結果Ｄｓｏとして出力する。【選択図】図１

Description

本開示は、ジャイロセンサ装置に関する。

振動式ジャイロセンサを用いて角速度を検出するジャイロセンサ装置として、例えば特許文献１に記載の装置がある。特許文献１に記載の装置は、センシングエレメントとしての圧電素子に、駆動信号を供給する回路として、温度補償回路付き移相回路を備えている。その温度補償回路付き移相回路は、圧電素子からの出力電圧が温度変化に依らず常時一定となるように、圧電素子への駆動信号を制御している。

特開平９−３３２５９号公報

振動式ジャイロセンサでは、角速度を検出するためのセンシングエレメントに駆動信号が供給されることで、該センシングエレメントが駆動軸方向に振動する。センシングエレメントの駆動軸方向の振動を、駆動振動といい、その駆動振動の振幅を、駆動振動振幅という。そして、駆動軸方向に振動するセンシングエレメントが、駆動軸方向と直交する方向の回転軸を中心に回転すると、すなわちセンシングエレメントに角速度が生じると、駆動軸方向と回転軸との両方に直交する検出軸方向に、コリオリ力が生じる。このコリオリ力により、センシングエレメントには、検出軸方向の振動が生じる。センシングエレメントの検出軸方向の振動を、検出振動といい、その検出振動の振幅を、検出振動振幅という。

検出振動振幅は、コリオリ力に比例し、コリオリ力は、駆動振動の速度（以下、駆動振動速度）と角速度とに比例する。また、駆動振動振幅は、駆動振動速度に比例する。
よって、特許文献１等に記載の従来のジャイロセンサ装置では、駆動振動振幅が一定となるように駆動信号を調節するフィードバック制御を行うことで、駆動振動速度が常に一定であると仮定することにより、検出振動振幅が常に真の角速度を表す、と見なしている。そして、その検出振動振幅を電気的に検出することで、角速度を検出している。

このような従来のジャイロセンサ装置では、下記（１）〜（３）の問題がある。
（１）駆動振動振幅を一定にするフィーバック制御を実施するためには、例えば、実際の駆動振動振幅と目標値とをリアルタイムで比較する比較回路と、比較回路による比較結果に応じてセンシングエレメントへの駆動信号を調節するＡＧＣ回路とが、少なくとも必要になる。このような比較回路とＡＧＣ回路の回路規模は大きくなるため、ジャイロセンサ装置を小型化することができず、その結果、消費電力の増大やコストアップも招く。なお、ＡＧＣは「オートマチックゲインコントロール」の略である。特に、近年のＩｏＴ応用システムでは、多数の高精度センサが必要となるが、従来のジャイロセンサ装置では、小型化の要求を達成できないため、ＩｏＴ応用システムへの適用が困難になる。なお、ＩｏＴは「Ｉｎｔｅｒｎｅｔ−ｏｆ−Ｔｈｉｎｇｓ」の略である。

（２）駆動振動振幅を一定にするフィーバック制御では、センシングエレメントの共振周波数が温度や時間経過等の要因で変化して駆動振動速度が変化することによる検出感度の変化は、補正することができない。このため、従来のジャイロセンサ装置では、例えば自動車の自動運転システムなど、高精度が要求されるシステムへの適用が困難となる。

（３）駆動振動振幅を一定とするため、センシングエレメントの有する最大振動振幅を用いることができない。つまり、センシングエレメントのセンシング能力に常にブレーキをかけた状態となるため、センシングエレメントの有する最大感度による角度検出はできない。この結果、目標となる高感度を達成するためには、センシングエレメント自体を必要以上に高感度設計する必要性が生じ、小型化や低コスト化の妨げとなる。

そこで、本開示は、小型化、高精度化、高感度化が可能なジャイロセンサ装置を提供する。

本開示の一態様はジャイロセンサ装置である。このジャイロセンサ装置は、駆動部（５）と、処理部（１１，５３，７３）と、を備える。
駆動部は、振動式ジャイロセンサのセンシングエレメント（３）に、該センシングエレメントを駆動軸方向に振動させるための駆動信号を供給する。

処理部には、第１振動信号と、第２振動信号とが入力される。第１振動信号は、センシングエレメントの駆動軸方向における振動の振幅である駆動振動振幅に比例した振幅を有する。第２振動信号は、センシングエレメントの角速度に起因して該センシングエレメントに発生するコリオリ力に比例した振幅を有する。そして、処理部は、第１振動信号と第２振動信号とに基づいて、駆動振動振幅に対するコリオリ力の比率を算出し、その算出結果を、センシングエレメントの角速度の検出結果として出力する。

このジャイロセンサ装置によれば、駆動振動振幅を一定にするフィードバック制御を行うことなく、温度変化によって駆動振動振幅が変化しても、換言すると駆動振動速度が変化しても、精度の良い角速度の検出結果を得ることができる。つまり、温度変化によって駆動振動振幅が変化すると、発生するコリオリ力も変化するが、角速度が同じであれば、駆動振動振幅に対するコリオリ力の比率であって、処理部が算出する角速度の検出結果は変わらない。

よって、上記フィードバック制御のための回路が不要になることによる小型化と、温度変化に対して角速度を精度良く検出することができるという高精度化とを、実現することができる。

また、センシングエレメントの共振周波数が温度変化等で変化して駆動振動速度が変化し、その結果、駆動振動振幅が変化しても、角速度が同じであれば、駆動振動振幅に対するコリオリ力の比率であって、処理部が算出する角速度の検出結果は変わらない。よって、センシングエレメントの共振周波数の変化に伴う検出感度の変化も補正することができる。

更に、駆動振動振幅を、センシングエレメントの有する最大の駆動振動振幅にすることが可能となる。よって、角速度の検出について、高感度化を実現することができる。
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施態様のジャイロセンサ装置の構成を示すブロック図である。 第１パルス遅延回路及び第１パルス位置検出回路の構成を表す構成図である。 遅延ユニットの構成を表す構成図である。 第１制御部の動作を説明する説明図である。 第２実施形態のジャイロセンサ装置の構成を示すブロック図である。 第３実施形態のジャイロセンサ装置の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態を説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示す第１実施形態のジャイロセンサ装置１は、例えば乗用車等の車両に搭載される。ジャイロセンサ装置１は、振動式ジャイロセンサのセンシングエレメント（以下、エレメント）３と、駆動信号発生回路５と、を備える。

エレメント３は、例えば音叉型のエレメントである。エレメント３は、駆動信号発生回路５が出力する所定周波数の駆動信号Ｖｄが供給されることにより、駆動軸方向に振動する。この駆動軸方向の振動が駆動振動である。本実施形態では、図１における左右方向をｘ軸方向としており、このｘ軸方向が、駆動軸方向である。

そして、駆動軸方向に振動するエレメント３が、駆動軸方向と直交する方向の回転軸を中心に回転すると、すなわちエレメント３に角速度が生じると、駆動軸方向と回転軸との両方に直交する検出軸方向に、コリオリ力ｆｃが生じる。本実施形態では、図１における前後方向をｙ軸方向としており、このｙ軸方向が、検出軸方向である。

コリオリ力ｆｃは、エレメント３の駆動振動速度と角速度とに比例する。駆動振動振幅は、駆動振動速度に比例するため、コリオリ力ｆｃは、エレメント３の駆動振動振幅と角速度とに比例する。このコリオリ力ｆｃにより、エレメント３には、検出軸方向の振動（すなわち、検出振動）が生じる。そして、検出振動振幅はコリオリ力ｆｃに比例する。

また、ジャイロセンサ装置１は、第１振動信号出力回路７と、第２振動信号出力回路９と、を備える。
エレメント３のモニタ用電極には、駆動振動に応じた電荷の変化が現れる。そして、第１振動信号出力回路７は、モニタ用電極の電荷の変化を電圧信号に変換することにより、第１振動信号Ｖｍを出力する。第１振動信号Ｖｍは、０Ｖよりも大きい所定の振動中心電圧Ｖｚｍを中心にして振動すると共に、駆動振動振幅に比例した振幅を有する信号である。第１振動信号Ｖｍの周波数は、駆動信号Ｖｄの周波数と同じである。

また、エレメント３の検出用電極には、検出振動に応じた電荷の変化が現れる。そして、第２振動信号出力回路９は、検出用電極の電荷の変化を電圧信号に変換することにより、第２振動信号Ｖｃを出力する。第２振動信号Ｖｃは、０Ｖよりも大きい所定の振動中心電圧Ｖｚｃを中心にして振動すると共に、検出振動振幅に比例した振幅を有する信号である。検出振動振幅は、コリオリ力ｆｃに比例するため、第２振動信号Ｖｃの振幅はコリオリ力ｆｃに比例する。よって、第２振動信号Ｖｃの振幅は、駆動振動振幅と角速度とに比例する。また、第２振動信号Ｖｃの周波数は、第１振動信号Ｖｍの周波数と同じである。また、第１振動信号Ｖｍと第２振動信号Ｖｃとの位相は、９０度ずれている。なお、第１振動信号Ｖｍの振動中心電圧Ｖｚｍと、第２振動信号Ｖｃの振動中心電圧Ｖｚｃは、同じであっても、異なっていても、どちらでも良い。

また、ジャイロセンサ装置１は、処理部１１を備える。処理部１１には、第１振動信号Ｖｍと、第２振動信号Ｖｃとが、入力される。
処理部１１は、第１振動信号Ｖｍと第２振動信号Ｖｃとに基づいて、駆動振動振幅に対するコリオリ力ｆｃの比率を算出し、その算出結果をエレメント３の角速度の検出結果（以下、角速度検出結果）Ｄｓｏとして出力する。

処理部１１は、上記比率を算出するための構成要素として、第１検出部２１と、第２検出部２２と、比率算出部２３と、を備える。
第１検出部２１は、第１振動信号Ｖｍから、駆動振動振幅を表す第１検出信号Ｄｍを出力する。第２検出部２２は、第２振動信号Ｖｃから、コリオリ力ｆｃを表す第２検出信号Ｄｃを出力する。本実施形態において、第１検出信号Ｄｍと第２検出信号Ｄｃは、デジタル信号である。比率算出部２３には、第１検出信号Ｄｍと第２検出信号Ｄｃとが入力される。比率算出部２３の動作については後で説明する。

第１検出部２１は、第１検出信号Ｄｍを出力するための構成要素として、第１パルス遅延回路３１を備える。更に、第１検出部２１は、第１パルス位置検出回路３２と、第１制御部３３と、第１演算部３４と、を備える。

図２に示すように、第１パルス遅延回路３１は、入力されるパルス信号（以下、パルス）を出力側に伝播させる速度（以下、パルス伝播速度）が第１振動信号Ｖｍの電圧値に比例して大きくなるように構成された複数の遅延ユニット３５を備える。そして、その複数の遅延ユニット３５は直列に接続されている。

具体的には、図２及び図３に示すように、第１パルス遅延回路３１を構成するｎ個の遅延ユニット３５のそれぞれは、インバータゲート回路３６を２段直列に接続したものである。なお、ｎは２以上の整数である。そして、遅延ユニット３５の電源Ｖｉｎ、すなわちインバータゲート回路３６の電源Ｖｉｎとして、第１振動信号Ｖｍが供給される。このため、各遅延ユニット３５でのパルス伝播速度は、第１振動信号Ｖｍによって制御される。具体的には、各遅延ユニット３５でのパルス伝播速度は、第１振動信号Ｖｍの電圧値に比例して大きくなる。

そして、第１パルス遅延回路３１には、外部からハイのパルスＰａが入力される。そして、そのパルスＰａは、第１パルス遅延回路３１を構成するｎ個の遅延ユニット３５のうち、初段の遅延ユニット３５に入力される。よって、直列に接続された各遅延ユニット３５からは、その遅延ユニット３５をパルスＰａが通過したタイミングで、そのパルスＰａが出力される。以下では、各遅延ユニット３５の出力信号Ｐ１〜Ｐｎのことを、遅延パルス群という。

また、図２に示すように、第１パルス位置検出回路３２は、ラッチ回路３６と、エンコーダ３７と、を備える。
第１パルス位置検出回路３２には、外部からクロックＣＫａが入力される。そして、そのクロックＣＫａは、ラッチ回路３６に入力される。

ラッチ回路３６は、クロックＣＫａの例えば立ち上がりタイミングで、第１パルス遅延回路３１からの遅延パルス群Ｐ１〜Ｐｎの状態を記憶する。遅延パルス群Ｐ１〜Ｐｎの状態とは、ハイまたはローの状態である。

エンコーダ３７は、ラッチ回路３６が記憶した遅延パルス群Ｐ１〜Ｐｎの状態から、パルスＰａが通過した遅延ユニット３５の数を表すデジタル信号を出力する。このエンコーダ３７が出力するデジタル信号が、第１パルス位置検出回路３２の出力信号Ｄｏ１となる。

よって、第１パルス遅延回路３１にハイのパルスＰａが入力されてからクロックＣＫａに立ち上がりエッジが生じるまでの期間にパルスＰａが通過した遅延ユニット３５の数を表すデジタル信号が、第１パルス位置検出回路３２の出力信号Ｄｏ１となる。また、出力信号Ｄｏ１は、上記期間における第１振動信号Ｖｍの積分値をデジタル値に変換した信号でもある。

第１制御部３３は、第１パルス遅延回路３１へのパルスＰａの出力と、第１パルス位置検出回路３２へのクロックＣＫａの出力とを、少なくとも行う。クロックＣＫａは第１演算部３４にも入力される。そして、第１演算部３４は、第１パルス位置検出回路３２の出力信号Ｄｏ１から、第１検出信号Ｄｍを生成して出力する。第１制御部３３と第１演算部３４の動作については、後で説明する。

第２検出部２２は、第２検出信号Ｄｃを出力するための構成要素として、第２パルス遅延回路４１を備える。更に、第２検出部２２は、第２パルス位置検出回路４２と、第２制御部４３と、第２演算部４４と、を備える。

第２パルス遅延回路４１は、パルス伝播速度が第２振動信号Ｖｃの電圧値に比例して大きくなるように構成された複数の遅延ユニットを備える。そして、第２パルス遅延回路４１においても、その複数の遅延ユニットは直列に接続されている。具体的には、第２パルス遅延回路４１は、第１パルス遅延回路３１と同じ構成を有しているが、遅延ユニット３５の電源Ｖｉｎとして、第２振動信号Ｖｃが供給される点が異なる。なお、図１に示すように、第２パルス遅延回路４１に入力されるパルスの符号としては、「Ｐｂ」を用いる。

また、第２パルス位置検出回路４２は、第１パルス位置検出回路３２と同じ構成を有している。つまり、第２パルス位置検出回路４２は、第１パルス位置検出回路３２と同様に、ラッチ回路３６と、エンコーダ３７と、を備える。なお、図１に示すように、第２パルス位置検出回路４２に入力されるクロックの符号としては、「ＣＫｂ」を用いる。

よって、第２検出部２２では、第２パルス遅延回路４１にハイのパルスＰｂが入力されてからクロックＣＫｂに立ち上がりエッジが生じるまでの期間にパルスＰｂが通過した遅延ユニット３５の数を表すデジタル信号が、第２パルス位置検出回路４２の出力信号Ｄｏ２となる。

第２制御部４３は、第２パルス遅延回路４１へのパルスＰｂの出力と、第２パルス位置検出回路４２へのクロックＣＫｂの出力とを、少なくとも行う。クロックＣＫｂは第２演算部４４にも入力される。そして、第２演算部４４は、第２パルス位置検出回路４２の出力信号Ｄｏ２から、第２検出信号Ｄｃを生成して出力する。第２制御部４３と第２演算部４４の動作については、後で説明する。

［１−２．第１制御部の動作］
第１振動信号Ｖｍが振動中心電圧Ｖｚｍを横切るタイミングを、ゼロクロスタイミングという。そして、ゼロクロスタイミングのうち、第１振動信号Ｖｍが振動中心電圧Ｖｚｍを下から上へ横切るタイミングを、ハイ側ゼロクロスタイミングといい、第１振動信号Ｖｍが振動中心電圧Ｖｚｍを上から下へ横切るタイミングを、ロー側ゼロクロスタイミングという。また、第１振動信号Ｖｍが振動中心電圧Ｖｚｍよりも大きくなる半周期の期間を、ハイ側半周期期間といい、第１振動信号Ｖｍが振動中心電圧Ｖｚｍよりも小さくなる半周期の期間を、ロー側半周期期間という。また、このような呼称は、第２振動信号Ｖｃについても同様である。

第１制御部３３は、下記〈ｍ１〉，〈ｍ２〉の動作を行う。
〈ｍ１〉第１制御部３３は、図４の時刻ｔ１に示すように、第１振動信号Ｖｍの何れかのハイ側ゼロクロスタイミングにて、第１パルス遅延回路３１へのパルスＰａをハイにする。なお、第１パルス遅延回路３１へのパルスＰａがハイになった時点を、パルスＰａのスタート時という。

〈ｍ２〉そして、第１制御部３３は、図４に示すように、第１パルス位置検出回路３２へのクロックＣＫａを、第１振動信号Ｖｍのゼロクロスタイミングで毎回立ち上がるように出力する。第１制御部３３は、第１振動信号Ｖｍのゼロクロスタイミングを、例えば駆動信号Ｖｄに基づいて特定する。

このため、第１パルス位置検出回路３２からは、第１振動信号Ｖｍのゼロクロスタイミング毎に、パルスＰａのスタート時から該パルスＰａが通過した遅延ユニット３５の数を表すデジタル信号が、出力信号Ｄｏ１として出力される。

［１−３．第１演算部の動作］
第１演算部３４は、クロックＣＫａに同期して動作し、更新された出力信号Ｄｏ１を取り込む。

そして、第１演算部３４は、第１振動信号Ｖｍのロー側ゼロクロスタイミングで更新された出力信号Ｄｏ１の値から、直前のハイ側ゼロクロスタイミングで更新された出力信号Ｄｏ１の値を引いた値（以下、Ｎｍ１）を算出する。このＮｍ１は、第１振動信号Ｖｍのハイ側半周期期間に第１パルス遅延回路３１においてパルスＰａが通過した遅延ユニット３５の数であると共に、図４に示すように、第１振動信号Ｖｍのハイ側半周期期間における積分値Ｓ１を表す。

また、第１演算部３４は、第１振動信号Ｖｍのハイ側ゼロクロスタイミングで更新された出力信号Ｄｏ１の値から、直前のロー側ゼロクロスタイミングで更新された出力信号Ｄｏ１の値を引いた値（以下、Ｎｍ２）を算出する。このＮｍ２は、第１振動信号Ｖｍのロー側半周期期間に第１パルス遅延回路３１においてパルスＰａが通過した遅延ユニット３５の数であると共に、図４に示すように、第１振動信号Ｖｍのロー側半周期期間における積分値Ｓ２を表す。

そして、第１演算部３４は、連続して算出したＮｍ１とＮｍ２との差である「Ｎｍ１−Ｎｍ２」を算出し、その「Ｎｍ１−Ｎｍ２」を表すデジタル信号を、第１検出信号Ｄｍとして出力する。

このように生成される第１検出信号Ｄｍは、第１振動信号Ｖｍのハイ側半周期期間における積分値Ｓ１から、第１振動信号Ｖｍのロー側半周期期間における積分値Ｓ２を引いた値、すなわち「Ｓ１−Ｓ２」に相当し、第１振動信号Ｖｍの振幅を表す。よって、第１検出信号Ｄｍは、駆動振動振幅を表す。

［１−４．第２制御部の動作］
第２制御部４３も、第１制御部３３と同様の動作を行う。つまり、第２制御部４３は、下記〈ｃ１〉，〈ｃ２〉の動作を行う。

〈ｃ１〉第２制御部４３は、第２振動信号Ｖｃの何れかのハイ側ゼロクロスタイミングにて、第２パルス遅延回路４１へのパルスＰｂをハイにする。なお、第２パルス遅延回路４１へのパルスＰｂがハイになった時点を、パルスＰｂのスタート時という。

〈ｃ２〉そして、第２制御部４３は、第２パルス位置検出回路４２へのクロックＣＫｂを、第２振動信号Ｖｃのゼロクロスタイミングで毎回立ち上がるように出力する。第２制御部４３は、第２振動信号Ｖｃのゼロクロスタイミングを、例えば駆動信号Ｖｄあるいは第１振動信号Ｖｍのゼロクロスタイミングに基づいて特定する。

このため、第２パルス位置検出回路４２からは、第２振動信号Ｖｃのゼロクロスタイミング毎に、パルスＰｂのスタート時から該パルスＰｂが通過した遅延ユニット３５の数を表すデジタル信号が、出力信号Ｄｏ２として出力される。

［１−５．第２演算部の動作］
第２演算部４４も、第１演算部３４と同様に動作する。
即ち、第２演算部４４は、クロックＣＫｂに同期して動作し、更新された出力信号Ｄｏ２を取り込む。

そして、第２演算部４４は、第２振動信号Ｖｃのロー側ゼロクロスタイミングで更新された出力信号Ｄｏ２の値から、直前のハイ側ゼロクロスタイミングで更新された出力信号Ｄｏ２の値を引いた値（以下、Ｎｃ１）を算出する。このＮｃ１は、第２振動信号Ｖｃのハイ側半周期期間に第２パルス遅延回路４１においてパルスＰｂが通過した遅延ユニット３５の数であると共に、第２振動信号Ｖｃのハイ側半周期期間における積分値を表す。

また、第２演算部４４は、第２振動信号Ｖｃのハイ側ゼロクロスタイミングで更新された出力信号Ｄｏ２の値から、直前のロー側ゼロクロスタイミングで更新された出力信号Ｄｏ２の値を引いた値（以下、Ｎｃ２）を算出する。このＮｃ２は、第２振動信号Ｖｃのロー側半周期期間に第２パルス遅延回路４１においてパルスＰｂが通過した遅延ユニット３５の数であると共に、第２振動信号Ｖｃのロー側半周期期間における積分値を表す。

そして、第２演算部４４は、連続して算出したＮｃ１とＮｃ２との差である「Ｎｃ１−Ｎｃ２」を算出し、その「Ｎｃ１−Ｎｃ２」を表すデジタル信号を、第２検出信号Ｄｃとして出力する。

このように生成される第２検出信号Ｄｃは、第２振動信号Ｖｃのハイ側半周期期間における積分値から、第２振動信号Ｖｃのロー側半周期期間における積分値を引いた値に相当し、第２振動信号Ｖｃの振幅を表す。よって、第２検出信号Ｄｃは、コリオリ力ｆｃを表す。

［１−６．比率算出部の動作］
比率算出部２３は、第１検出部２１からの第１検出信号Ｄｍと、第２検出部２２からの第２検出信号Ｄｃとを、入力する。そして、比率算出部２３は、第１検出信号Ｄｍの値に対する第２検出信号Ｄｃの値の比率、すなわち「Ｄｃ／Ｄｍ」を、駆動振動振幅に対するコリオリ力の比率として算出し、その算出した比率を角速度検出結果Ｄｓｏとして出力する。この比率算出部２３が出力する角速度検出結果Ｄｓｏも、デジタル信号である。

なお、比率算出部２３、第１制御部３３、第１演算部３４、第２制御部４３及び第２演算部４４の一部又は全部は、例えば１つ又は複数のマイクロコンピュータによって構成したり、論理回路やアナログ回路等を組み合わせたハードウェアで構成したりすることができる。

［１−７．第１実施形態の効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）駆動振動振幅を一定に制御することなく、エレメント３の温度変化が生じたときにおいても、常に精度の良い角速度検出結果Ｄｓｏを得ることができる。

例えば温度変化によって駆動振動振幅が大きくなったとすると、発生するコリオリ力ｆｃも大きくなるが、角速度が同じであれば、駆動振動振幅に対するコリオリ力ｆｃの比率は変わらない。よって、温度変化によって駆動振動振幅が変わっても、角速度が同じであれば、第１検出信号Ｄｍの値に対する第２検出信号Ｄｃの値の比率である「Ｄｃ／Ｄｍ」は変わらない。つまり、処理部１１の比率算出部２３によって出力される角速度検出結果Ｄｓｏは変わらない。

このような第１実施形態のジャイロセンサ装置１によれば、駆動振動振幅を一定にするフィードバック制御のための回路が不要になることによる小型化と、温度変化に対して角速度を精度良く検出することができるという高精度化とを、実現することができる。また、「Ｄｃ／Ｄｍ」の算出結果を角速度検出結果Ｄｓｏとすることは、電源電圧ドリフトや製造ばらつきに対しても同様に有効である。

（１ｂ）また、エレメント３の共振周波数が温度変化等で変化して駆動振動速度が変化し、その結果、駆動振動振幅が変化しても、角速度が同じであれば、駆動振動振幅に対するコリオリ力ｆｃの比率であって、処理部１１が算出する角速度検出結果Ｄｓｏは変わらない。よって、エレメント３の共振周波数の変化に伴う検出感度の変化も補正することができる。

（１ｃ）更に、駆動振動振幅を、エレメント３の有する最大の駆動振動振幅にすることが可能となる。つまり、エレメント３の有する最大感度による角速度検出が可能となる。よって、角速度の検出について、高感度化を実現することができる。

（１ｄ）処理部１１は、第１振動信号Ｖｍから第１検出信号Ｄｍを出力する第１検出部２１と、第２振動信号Ｖｃから第２検出信号Ｄｃを出力する第２検出部２２と、「Ｄｃ／Ｄｍ」を、駆動振動振幅に対するコリオリ力ｆｃの比率として算出する比率算出部２３と、を備える。このような処理部１１は、近年の標準的な電子回路技術を用いることにより、小型で低コストで低電力な回路として実現することができる。

（１ｅ）第１検出部２１は、パルス伝播速度が第１振動信号Ｖｍの電圧値に比例して大きくなる複数の遅延ユニット３５によって構成された第１パルス遅延回路３１を用いて、第１検出信号Ｄｍを出力するように構成されている。第２検出部２２も、パルス伝播速度が第２振動信号Ｖｃの電圧値に比例して大きくなる複数の遅延ユニット３５によって構成された第２パルス遅延回路４１を用いて、第２検出信号Ｄｃを出力するように構成されている。このため、第１検出部２１及び第２検出部２２を、小規模なデジタル回路によって構成することができる。

（１ｆ）第１検出部２１は、第１振動信号Ｖｍのハイ側半周期期間にパルスが通過した遅延ユニット３５の数Ｎｍ１と、第１振動信号Ｖｍのロー側半周期期間にパルスが通過した遅延ユニット３５の数Ｎｍ２との、差を表すデジタル信号を、第１検出信号Ｄｍとして出力する。同様に、第２検出部２２は、第２振動信号Ｖｃのハイ側半周期期間にパルスが通過した遅延ユニット３５の数Ｎｃ１と、第２振動信号Ｖｃのロー側半周期期間にパルスが通過した遅延ユニット３５の数Ｎｍ２との、差を表すデジタル信号を、第２検出信号Ｄｃとして出力する。

このため、第１振動信号Ｖｍのハイ側半周期期間における積分値から、第１振動信号Ｖｍのロー側半周期期間における積分値を引いた値を、第１検出信号Ｄｍとすることができる。同様に、第２振動信号Ｖｃのハイ側半周期期間における積分値から、第２振動信号Ｖｃのロー側半周期期間における積分値を引いた値を、第２検出信号Ｄｃとすることができる。よって、第１振動信号Ｖｍにノイズが乗っても、そのノイズによる第１検出信号Ｄｍへの影響を抑制することができる。同様に、第２振動信号Ｖｃにノイズが乗っても、そのノイズによる第２検出信号Ｄｃへの影響を抑制することができる。従って、ノイズによる角速度の検出精度低下を抑制することができる。

なお、本実施形態では、駆動信号発生回路５が駆動部に相当する。
［２．第２実施形態］
第１実施形態と共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。また、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成や信号を示すものであって、先行する説明を参照する。そして、これらのことは、後述する他の実施形態についても同様である。

［２−１．構成］
図５に示すように、第２実施形態のジャイロセンサ装置５１は、第１実施形態と比較すると、処理部１１に代えて、処理部５３を備える。処理部５３は、処理部１１と同じ役割を果たすものである。そして、処理部５３は、スイッチ５５と、検出部５７と、比率算出部５８と、を備える。

スイッチ５５には、第１振動信号Ｖｍと第２振動信号Ｖｃとが入力される。そして、スイッチ５５は、第１振動信号Ｖｍと第２振動信号Ｖｃとの一方を、選択信号として切り替えて出力する。スイッチ５５は、後述の制御部６３によって制御される。

検出部５７は、パルス遅延回路６１と、パルス位置検出回路６２と、制御部６３と、演算部６４と、を備える。
パルス遅延回路６１は、第１実施形態の第１パルス遅延回路３１と同じ構成の回路である。但し、パルス遅延回路６１における各遅延ユニット３５の電源Ｖｉｎとしては、スイッチ５５からの選択信号が供給される。つまり、パルス遅延回路６１によるＡ／Ｄ変換対象は、選択信号である。

パルス位置検出回路６２は、第１実施形態の第１パルス位置検出回路３２と同じ構成の回路である。
制御部６３は、スイッチ５５の切り替え制御と、パルス遅延回路６１へのパルスＰａの出力と、パルス位置検出回路６２へのクロックＣＫａの出力とを、少なくとも行う。クロックＣＫａは演算部６４にも入力される。そして、演算部６４は、パルス位置検出回路６２の出力信号Ｄｏ１から、第１検出信号Ｄｍと第２検出信号Ｄｃとを生成して出力する。

［２−２．制御部の動作］
制御部６３は、スイッチ５５に第１振動信号Ｖｍを選択信号として出力させた状態で、第１実施形態の第１制御部３３と同じ動作、すなわち〈ｍ１〉，〈ｍ２〉の動作を行う。この動作のことを、第１動作という。

また、制御部６３は、スイッチ５５に第２振動信号Ｖｃを選択信号として出力させた状態で、第１実施形態の第２制御部４３と同じ動作、すなわち〈ｃ１〉，〈ｃ２〉の動作を行う。この動作のことを、第２動作という。なお、制御部６３は、第２動作では、第１実施形態における〈ｃ１〉,〈ｃ２〉の説明において、「パルスＰｂ」を「パルスＰａ」に読み替え、「クロックＣＫｂ」を「クロックＣＫａ」に読み替えた動作を行うこととなる。

そして、制御部６３は、第１動作と第２動作とを、例えば一定時間後毎あるいは第１振動信号Ｖｍの所定周期毎に交互に実施する。
［２−３．演算部の動作］
演算部６４は、制御部６３が第１動作を行う場合、すなわちスイッチ５５から第１振動信号Ｖｍが出力される場合に、第１実施形態の第１演算部３４と同じ動作を行うことにより、第１検出信号Ｄｍを生成して出力する。

また、演算部６４は、制御部６３が第２動作を行う場合、すなわちスイッチ５５から第２振動信号Ｖｃが出力される場合に、第１実施形態の第２演算部４４と同じ動作を行うことにより、第２検出信号Ｄｃを生成して出力する。

このため、検出部５７は、スイッチ５５からの選択信号が第１振動信号Ｖｍである場合には、第１振動信号Ｖｍの振幅を表す第１検出信号Ｄｍを出力する。また、検出部５７は、スイッチ５５からの選択信号が第２振動信号Ｖｃである場合には、第２振動信号Ｖｃの振幅（すなわちコリオリ力ｆｃ）を表す第２検出信号Ｄｃを出力する。

［２−４．比率算出部の動作］
比率算出部５８は、検出部５７からの第１検出信号Ｄｍと第２検出信号Ｄｃとを入力し、第１検出信号Ｄｍの値に対する第２検出信号Ｄｃの値の比率、すなわち「Ｄｃ／Ｄｍ」を、駆動振動振幅に対するコリオリ力の比率として算出する。そして、その算出した比率を角速度検出結果Ｄｓｏとして出力する。

［２−５．第２実施形態の効果］
以上のような第２実施形態によっても、第１実施形態について述べた効果と同様の効果が得られる。更に、第１実施形態と比較して、２つの検出部を１つに減らすことができるため、一層の小型化を実現することができる。なお、第２実施形態では、スイッチ５５が切り替え部に相当する。

［３．第３実施形態］
［３−１．構成］
図６に示すように、第３実施形態のジャイロセンサ装置７１は、第１実施形態と比較すると、第２検出部２２に代えて、サーボ制御回路７５を備える。

サーボ制御回路７５は、エレメント３に対して、コリオリ力ｆｃの方向における該エレメント３の変位量を零にするサーボ制御を行うと共に、そのサーボ制御の制御量を表すデジタル信号を、第２検出信号Ｄｃとして出力する回路である。サーボ制御の制御量は、コリオリ力ｆｃに比例するため、サーボ制御回路７５から出力される第２検出信号Ｄｃは、コリオリ力ｆｃを表す信号となる。このようなサーボ制御回路７５は、例えば、特開２０１１−１３７７７７号公報や特開２０１５−５２４８４号公報等に記載されている。

サーボ制御回路７５は、例えば、サーボ制御の制御量に所定の定数を乗じたデジタル信号を、第２検出信号Ｄｃとして出力するように構成されても良い。
［３−２．第３実施形態の効果］
以上のような第３実施形態によっても、第１実施形態について述べた（１ａ）〜（１ｃ）の効果が得られる。また、第３実施形態では、サーボ制御回路７５が第２検出部に相当しており、（１ｄ）で述べた効果も得られる。また、第１検出部２１に関しては、第１実施形態と同じであるため、（１ｅ），（１ｆ）で述べた効果が得られる。

［他の実施形態］
以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

〈他の実施形態１〉
例えば、第１実施形態において、第１検出部２１の第１パルス遅延回路３１は、パルスＰａを周回させるリング状パルス遅延回路であっても良い。この場合、例えば、初段の遅延ユニット３５をアンドゲート回路にすると共に、そのアンドゲート回路の一方の入力端子をパルスＰａの入力端子とし、該アンドゲートの他方の入力端子と最終段の遅延ユニット３５の出力端子とを接続すれば良い。

そして、第１パルス遅延回路３１をリング状パルス遅延回路にした場合、リング状パルス遅延回路におけるパルスの周回回数をカウントするカウンタを設けると共に、第１パルス位置検出回路３２の代わりに、下記のデータ出力回路を設ければ良い。

データ出力回路は、クロックＣＫａが立ち上がる毎に、リング状パルス遅延回路からの遅延パルス群とカウンタによるカウント値とを、入力情報として取り込む。そして、データ出力回路は、取り込んだ入力情報に基づいて、パルスＰａのスタート時から該パルスＰａが通過した遅延ユニット３５の数を表すデジタル信号を出力する。

なお、上記のようなリング状パルス遅延回路、カウンタ及びデータ出力回路を備えた回路は、時間Ａ／Ｄ変換回路と呼ばれ、例えば特開２００５−１０２１２９号公報や特開平５−２５９９０７号公報等に記載されている。また、特開２００５−１０２１２９号公報には、上記データ出力回路の構成として、ラッチ＆エンコーダ及びラッチ回路を備えた構成が記載されている。

つまり、第１検出部２１は、リング状パルス遅延回路を備えた時間Ａ／Ｄ変換回路を用いて構成しても良い。同様に、第１実施形態の第２検出部２２と、第２実施形態の検出部５７と、第３実施形態の第１検出部２１とのそれぞれも、リング状パルス遅延回路を備えた時間Ａ／Ｄ変換回路を用いて構成しても良い。

〈他の実施形態２〉
パルス遅延回路を構成する遅延ユニット３５は、インバータゲート回路３６以外でも良く、例えば、ナンドゲート回路、ノアゲート回路、アンドゲート回路、オアゲート回路など、デジタル回路で用いられる様々なゲート回路を用いることができる。また、遅延ユニット３５は、アナログ回路で用いられる遅延素子を用いて構成しても良い。

〈他の実施形態３〉
比率算出部２３，５８は、前述の比率をデジタル信号処理によって算出するように構成されていたが、その比率をアナログ信号処理によって算出するように構成されても良い。

〈他の実施形態４〉
第１検出部２１は、例えば、パルス遅延回路を用いないＡ／Ｄ変換回路を備え、そのＡ／Ｄ変換回路を用いて第１検出信号Ｄｍを出力するように構成されても良い。このことは、第２検出部２２及び検出部５７についても同様である。

〈その他〉
上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしても良い。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしても良い。また、上記実施形態の構成の一部を省略しても良い。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換しても良い。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。また、上述したジャイロセンサ装置の他、当該ジャイロセンサ装置を構成要素とするシステム、当該ジャイロセンサ装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、ジャイロセンサ信号の処理方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

３…エレメント、５…駆動信号発生回路、１１，５３，７３…処理部

Claims (6)

1. 振動式ジャイロセンサのセンシングエレメント（３）に、該センシングエレメントを駆動軸方向に振動させるための駆動信号を供給するように構成された駆動部（５）と、
   前記センシングエレメントの前記駆動軸方向における振動の振幅である駆動振動振幅に比例した振幅を有する第１振動信号と、前記センシングエレメントの角速度に起因して前記センシングエレメントに発生するコリオリ力に比例した振幅を有する第２振動信号と、が入力される処理部（１１，５３，７３）と、を備え、
   前記処理部は、前記第１振動信号と前記第２振動信号とに基づいて、前記駆動振動振幅に対する前記コリオリ力の比率を算出し、その算出結果を前記センシングエレメントの角速度の検出結果として出力するように構成されている、
   ジャイロセンサ装置。
2. 請求項１に記載のジャイロセンサ装置であって、
   前記処理部（１１，７３）は、
   前記第１振動信号から、前記駆動振動振幅を表す第１検出信号を出力するように構成された第１検出部（２１）と、
   前記第２振動信号から、前記コリオリ力を表す第２検出信号を出力するように構成された第２検出部（２２，７５）と、
   前記第１検出信号と前記第２検出信号とを入力し、前記第１検出信号の値に対する前記第２検出信号の値の比率を、前記駆動振動振幅に対する前記コリオリ力の比率として算出するように構成された比率算出部（２３）と、を備える、
   ジャイロセンサ装置。
3. 請求項２に記載のジャイロセンサ装置であって、
   前記第１検出部（２１）は、
   入力されるパルス信号を出力側に伝播させる速度が前記第１振動信号の電圧値に比例して大きくなるように構成された複数の遅延ユニット（３５）が、直列に接続された第１パルス遅延回路（３１）を備え、該第１パルス遅延回路を用いて前記第１検出信号を出力するように構成されており、
   前記第２検出部（２２）は、
   入力されるパルス信号を出力側に伝播させる速度が前記第２振動信号の電圧値に比例して大きくなるように構成された複数の遅延ユニット（３５）が、直列に接続された第２パルス遅延回路（４１）を備え、該第２パルス遅延回路を用いて前記第２検出信号を出力するように構成されている、
   ジャイロセンサ装置。
4. 請求項３に記載のジャイロセンサ装置であって、
   前記第１検出部は、
   前記第１振動信号が該第１振動信号の振動中心電圧よりも大きくなる半周期の期間に前記第１パルス遅延回路において前記パルス信号が通過した前記遅延ユニットの数と、前記第１振動信号が該第１振動信号の振動中心電圧よりも小さくなる半周期の期間に前記第１パルス遅延回路において前記パルス信号が通過した前記遅延ユニットの数との、差を表すデジタル信号を、前記第１検出信号として出力するように構成され、
   前記第２検出部は、
   前記第２振動信号が該第２振動信号の振動中心電圧よりも大きくなる半周期の期間に前記第２パルス遅延回路において前記パルス信号が通過した前記遅延ユニットの数と、前記第２振動信号が該第２振動信号の振動中心電圧よりも小さくなる半周期の期間に前記第２パルス遅延回路において前記パルス信号が通過した前記遅延ユニットの数との、差を表すデジタル信号を、前記第２検出信号として出力するように構成されている、
   ジャイロセンサ装置。
5. 請求項１に記載のジャイロセンサ装置であって、
   前記処理部（５３）は、
   前記第１振動信号と前記第２振動信号との一方を、選択信号として切り替えて出力するように構成された切り替え部（５５）と、
   前記切り替え部からの前記選択信号が入力され、前記選択信号が前記第１振動信号である場合には該第１振動信号の振幅を表す第１検出信号を出力し、前記選択信号が前記第２振動信号である場合には該第２振動信号の振幅を表す第２検出信号を出力するように構成された検出部（５７）と、
   前記第１検出信号の値に対する前記第２検出信号の値の比率を、前記駆動振動振幅に対する前記コリオリ力の比率として算出するように構成された比率算出部（５８）と、を備える、
   ジャイロセンサ装置。
6. 請求項２に記載のジャイロセンサ装置であって、
   前記第２検出部（７５）は、前記コリオリ力の方向における前記センシングエレメントの変位量を零にするサーボ制御の制御量に基づいて、前記第２検出信号を出力するように構成されている、
   ジャイロセンサ装置。

Images