JP3664950B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は角速度センサに関し、たとえばカメラの手ぶれ補正やナビゲーションシステムなどに利用されるバイモルフ振動子を用いた振動ジャイロの発振出力から角速度を検出する角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は角速度センサに用いられるバイモルフ振動子の一例を示す外観斜視図であり、図５は図４に示したバイモルフ振動子から出力される振動波形図である。
【０００３】
図４において、バイモルフ振動子１は圧電素子を分極方向を逆向きにして２枚貼付け、断面が四角形となるようにしたものである。この振動子１を面垂直振動（Ｘ軸方向）に縦振動モードで振動させておき、軸方向（Ｚ軸方向）にある角度（ω）で回転させると、コリオリ力によって駆動面と垂直方向（Ｙ軸方向）に横振動モードで振動が生ずる。
【０００４】
この振動の振幅は角速度に比例するので、これを利用して角速度の値が検出される。振動子１には図示しないが左右の電極と全面電極が設けられていて、図５に示すように左右の電極からＬ（左）信号（ａ）とＲ（右）信号（ｂ）が出力される。このＬ信号とＲ信号はわずかながら振幅と位相に差を有している。Ｌ信号とＲ信号の差をとるとＬ−Ｒ（ｃ）となり、和をとるとＬ＋Ｒ（ｄ）となる。
【０００５】
Ｌ−Ｒ信号はＬ信号とＲ信号との位相のずれが大きければ大きいほどゼロクロス点が移動する。このＬ−Ｒ信号はヌル差電圧とも称する。Ｌ−Ｒ信号にはコリオリ力が重なって出力されており、差動＋コリオリとして出力される。コリオリ力は分離したくとも分離することができない性質を持っている。その理由は、コリオリ力は図５（ｅ）に示すように、実際の信号として出力されるものではなく、あくまでも仮想的なものだからである。以下の説明では、Ｌ−Ｒ信号は差動＋コリオリ力を意味しているものとする。コリオリ力（ｅ）はＬ＋Ｒ（ｄ）と同相になり、Ｌ＋Ｒの極大点と極小点近傍でコリオリ力も極大，極小となる。振動子１を左右に振ると、コリオリ力（ｅ）の位相が図５で左右に変化し、Ｌ信号（ａ），Ｒ信号（ｂ）は位相が変化しない。
【０００６】
このような振動子１では、バランスやヌル電圧（オフセット電圧，中性点電圧とも称する）や感度をそれぞれ個別に調整する必要がある。
【０００７】
図６は図４に示した振動子１の出力を得るための角速度検出回路のブロック図である。図６において、振動子１の差動出力が差動増幅回路２０１で増幅され、同期検波回路２０２によって振幅波形が検波され、平滑回路２０３で平滑されて直流電圧となり、ＤＣアンプ２０４で直流増幅される。ＤＣアンプ２０４で信号増幅すると、ヌル電圧も増幅されてしまうため、たとえばフィルタで構成されたＤＣカット回路２０５によってＤＣ成分がカットされ、増幅回路２０６でさらに増幅されてアナログ信号として出力される。ここでアナログ信号はＡ／Ｄコンバータ２０７でデジタル信号に変換され、角速度検出信号がマイクロプロセッサ２０８に与えられてカメラの振動ぶれを抑制したり、ナビゲーションのための制御が行なわれる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示した角速度検出回路において、振動子1の源感度が低いためＤＣアンプ２０４として２０ｄＢのゲインで信号を増幅する必要がある。また、ヌル電圧の温度特性などによって、基準レベルがシフトすると直流増幅した場合に、ヌル電圧が電源電圧を超えてしまうような場合があるため、ＤＣ増幅度に制限を加える必要がある。それを防ぐためにＤＣカット回路２０５を設け、再度増幅回路２０６で増幅する必要があり、さらに回路要素が増加してしまう。
【０００９】
最近のマイクロプロセッサやデジタルプロセッサ（ＤＳＰ）の性能向上は著しくまたコストも安価になっているので、できる限り前処理の段階でデジタル信号に変換する方がシステムトータルコストは低減できる。
【００１０】
特に、ポインティングデバイスのように低コストで角速度を検出しかつ２軸を必要とするようなデバイスでは、同期検波回路２０２や平滑回路２０３およびＤＣアンプ２０４などの多くの周辺回路を２つ準備して対応することによるコストアップが問題となっていた。
【００１１】
それゆえに、この発明の主たる目的は、冗長な回路を必要とせず、比較的簡単な回路構成で角速度信号が直接得られるような角速度センサを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、振動子をＸ軸方向に振動させ、Ｚ軸回りに回転したときに、Ｙ軸方向に発生したコリオリ力による振動から角速度を検出する角速度センサであって、振動子から出力される差動信号に基づいて基準信号を発生し、振動子を励振させる駆動手段と、振動子から出力されるコリオリ力を含む差動信号を抽出する信号抽出手段と、出力されたコリオリ力を含む差動信号をデジタル信号に変換する変換手段と、デジタル信号に変換された差動信号からπ／２位相のずれた差動信号を生成し、この差動信号と元の差動信号との２乗総和を演算し、コリオリ力に比例する強度信号を演算して出力する演算手段を備えて構成される。
【００１３】
請求項２に係る発明では、請求項１の演算手段は、差動信号の位相をπ／２シフトする位相回路と、元の差動信号を２乗する第１の乗算回路と、位相がπ／２シフトされた差動信号を２乗する第２の乗算回路と、第１の乗算回路の出力と第２の乗算回路の出力とを加算する加算回路と、加算回路の出力の平方根を求める平方根回路とを含む。
【００１４】
請求項３に係る発明は、振動子をＸ軸方向に励振させ、Ｚ軸回りに回転したときに、Ｙ軸方向に発生したコリオリ力による振動から角速度を検出する角速度センサであって、振動子から出力される左信号および右信号に基づいて基準信号を発生し、振動子を励振させる駆動手段と、振動子から出力されるコリオリ力を含む左信号および右信号を抽出する信号抽出手段と、出力されたコリオリ力を含む左信号および右信号をデジタル信号に変換する変換手段と、デジタル信号に変換された左信号および右信号からπ／２位相のずれた左信号および右信号を生成し、この左信号および右信号と元の左信号および右信号との２乗総和を演算し、コリオリ力に比例する強度信号を演算して出力する演算手段を備えて構成される。
請求項４に係る発明では、請求項３の演算手段は、左信号および右信号の位相をそれぞれπ／２シフトする位相回路と、元の左信号および右信号をそれぞれ個別的に２乗する第１の乗算回路と、位相がπ／２シフトされた左信号および右信号をそれぞれ個別的に２乗する第２の乗算回路と、第１の乗算回路で２乗された左信号と第２の乗算回路で２乗された位相がπ／２シフトされた左信号とを加算する第１の加算回路と、第１の乗算回路で２乗された右信号と第２の乗算回路で２乗された位相がπ／２シフトされた右信号とを加算する第２の加算回路と、第１の加算回路の出力の平方根を求める第１の平方根回路と、第２の加算回路の出力の平方根を求める第２の平方根回路と、第１および第２の平方根回路の差を求める減算回路とを備えて構成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態における角速度センサのブロック図である。図１において、振動子１には左電極１Ｌと右電極１Ｒと全面電極１Ｃとが設けられていて、左電極１Ｌと右電極１Ｒには抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して電圧Ｖが与えられている。左電極１Ｌ，右電極１Ｒからは前述の図５に示したＬ信号とＲ信号とがそれぞれコリオリ力を含んで出力されて加算回路２と差動増幅回路３とに与えられる。加算回路２はＬ信号とＲ信号とを加算してＬ＋Ｒ信号を出力する。このように、加算回路２でＬ信号とＲ信号とを加算することにより、コリオリ力が消されて安定な帰還信号となる。
【００１６】
上述の帰還信号は基準信号としてＡＧＣ回路４に与えられてレベルが一定な駆動電圧となり、この駆動電圧が発振回路５に与えられる。発振回路５は加算回路２の出力の位相を調整するための信号を発振して全面電極１Ｃに与える。発振回路５は加算回路２の出力と全面電極１Ｃに与えられる駆動電圧の位相差が所望する周波数で安定に発振するように調整する。この実施形態では位相差はほぼ０である。
【００１７】
差動増幅回路３は前述の図５に示したＬ−Ｒ信号を出力してＤＳＰ２０に与える。なお、差動増幅回路３からＬ−Ｒの差動信号をＤＳＰ２０に与えることなく、左信号Ｌ／右信号Ｒを個別的にＤＳＰ２０に与えるようにしてもよい。
【００１８】
図２は図１に示したＤＳＰの具体的な構成を示すブロック図である。この図２は図１に示した振動子１から直接Ｌ／Ｒ信号が個別的に与えられるものとする。振動子１からのＬ信号とＲ信号は個別的にＡ／Ｄコンバータ１０１，１０２に与えられてデジタル信号に変換される。ここで、Ｌ／Ｒ信号は角速度入力時にはそれぞれ次式に示すように符号を反対にして出力される。
【００１９】
Ｌ＝Ａ＊ｓｉｎ（ω＋ｔ１）＋Ｂ＊ｓｉｎ（ω） … （１）
Ｒ＝Ａ＊ｓｉｎ（ω＋ｔ２）−Ｂ＊ｓｉｎ（ω） … （２）
Ａ：基本波の振幅
Ｂ：コリオリ力の信号振幅
最初に、入力Ｌ／Ｒから振幅Ｂを抽出することを考えてみる。今第（１）式の信号に対してヒルベルトトランスフォーマ２１１でπ／２位相がずれた信号をＬ′とすると、
Ｌ′＝Ａ＊ｃｏｓ（ω＋ｔ１）＋Ｂ＊ｃｏｓ（ω） … （３）
乗算器２２１と２３１とによってＬおよびＬ′の２乗をそれぞれ求め、加算器２４１によってそれらの２乗総和を計算すると、第（４）式で表わされる。
【００２０】

同様にして、Ｒ側はヒルベルトトランスフォーマ２１２によってπ／２位相がずれた信号Ｒ′が出力され、乗算器２２２と２３２とによってＲおよびＲ′の２乗をそれぞれ求め、加算器２４２によってそれらの２乗総和を求めると、第（５）式となる。
【００２１】
Ｙ＝Ｒ＊Ｒ＋Ｒ’＊Ｒ’
＝（Ａ＊Ａ−２Ａ＊Ｂ＊ｃｏｓ（ｔ２）＋Ｂ＊Ｂ） ・・・ （５）
第（４）式および第（５）式において、ｔ１およびｔ２が０のときは、第（６）式となる。
【００２２】
Ｘ＝（Ａ＋Ｂ）＊（Ａ＋Ｂ）
Ｙ＝（Ａ−Ｂ）＊（Ａ−Ｂ） … （６）
第（６）式より、平方根回路２５１，２５２でＸＹの平方根をそれぞれ計算すると、
Ｘ′＝√Ｘ＝Ａ＋Ｂ
Ｙ′＝√Ｙ＝Ａ−Ｂ
さらに、減算器２６と１／２回路によりＢ＝（Ｘ′−Ｙ′）／２を演算することにより、コリオリ振幅を判別できる。
【００２３】
なお、位相ずれがあった場合は、Ｘ＝（Ａ＋Ｂ）＊（Ａ＋Ｂ）−α，Ｙ＝（Ａ−Ｂ）＊（Ａ−Ｂ）−βとなり、Ｂに初期差動差のファクタが加算もしくは減算される。しかし、ポインティングデバイスなどのアプリケーションに必要なのは角速度入力の時間的変化であるので、Ａ，ｔ１、ｔ２が一定であれば、結果的にＸ′，Ｙ′から計算されたＢが真のＢ′よりずれていたとしても相変わらずＢはＢ′に未定な比例定数との積に比例している。その値を基準として経時変化を追えば特にＢ′が既知のものである必要はない。
【００２４】
つまり、Ａ／Ｄコンバータ１０１，１０２で得られたＬ／Ｒの信号をπ／２位相をずらせるヒルベルトトランスフォーマ２１１，２１２を数学的に構成することおよびその解の２乗総和の平方根の和の１／２で振幅を特定することができる。
【００２５】
図３はこの発明の他の実施形態のブロック図である。図２に示した実施形態は、Ｌ，Ｒ信号を個別にＡ／Ｄ変換してコリオリ成分を抽出するようにしたが、図３に示した実施形態は、Ｌ−Ｒの差動信号に基づいてコリオリ成分を抽出するものである。
【００２６】
図１に示した差動増幅回路３から出力されたＬ−Ｒ信号は、Ａ／Ｄコンバータ１０でＡ／Ｄ変換され、ヒルベルトトランスフォーマ２１によってπ／２ずれた信号（Ｌ−Ｒ）′が出力され、元の（Ｌ−Ｒ）信号が乗算器２２で２乗され、π／２ずれた（Ｌ−Ｒ）′信号が乗算器２３で２乗され、それらが加算器２４で加算され、平方根回路２５で平方根が求められてコリオリ成分が抽出される。
【００２７】
これらの動作を式で示すと、差動信号（Ｌ−Ｒ）は、第（７）式で表わされる。
【００２８】
（Ｌ−Ｒ）＝ｃ＊ｓｉｎ（ω） … （７）
ヒルベルトトランスフォーマ２１はＬ−Ｒ信号をπ／２位相をずらせることにより、次の第（８）式に示す信号を出力する。
【００２９】
（Ｌ−Ｒ）′＝ｃ＊ｃｏｓ（ω） … （８）
乗算器２２，２３はそれぞれ２乗し、加算器２４が２乗総和を求めると、次の第（９）式に示す信号が出力される。
【００３０】
Ｘ＝（Ｌ−Ｒ）＊（Ｌ−Ｒ）＋（Ｌ−Ｒ）′＊（Ｌ−Ｒ）′＝ｃ＊ｃ…（９）
平方根回路２５は第（９）式の平方根Ｘ′＝√ｃ（＝２Ｂ）を求め、コリオリ信号の大きさを参照する。
【００３１】
上述のごとく、図３で示した実施形態では、Ｌ−Ｒ信号に基づいてコリオリ成分を求めることにより、図２に示した実施形態に比べて構成を簡単にできる。
【００３２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、振動ジャイロから出力されるＬ／Ｒ信号もしくは差動信号をデジタル信号に変換し、そのπ／２位相ずれた信号と元の信号との２乗総和からコリオリ力に比例する強度信号を冗長な回路を用いることなく容易に抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施形態の概略ブロック図である。
【図２】 図１に示したＤＳＰの具体的なブロック図である。
【図３】 図１に示したＤＳＰの他の具体例を示すブロック図である。
【図４】 この発明の背景となりかつこの発明が適用されるバイモルフ振動子の外観斜視図である。
【図５】 バイモルフ振動子から出力される振動波形を示す図である。
【図６】 従来の角速度検出回路のブロック図である。
【符号の説明】
１ 振動子、２ 加算回路、３ 差動増幅回路、４ ＡＧＣ回路、５ 発振回路、１０,１０１,１０２ Ａ／Ｄコンバータ、２０ ＤＳＰ、２１，２１１，２１２ ヒルベルトトランスフォーマ、２２，２３，２２１，２２２，２３１，２３２ 乗算器、２４，２４１，２４２ 加算器、２５，２５１，２５２ 平方根回路、２６ 減算器、２７ １／２回路。

Claims (4)

1. 振動子をＸ軸方向に励振させ、Ｚ軸回りに回転したときに、Ｙ軸方向に発生したコリオリ力による振動から角速度を検出する角速度センサであって、
   前記振動子から出力される差動信号に基づいて基準信号を発生し、前記振動子を励振させる駆動手段、
   前記振動子から出力されるコリオリ力を含む差動信号を抽出する信号抽出手段、
   前記信号抽出手段から出力されたコリオリ力を含む差動信号をデジタル信号に変換する変換手段、および
   前記変換手段によってデジタル信号に変換された差動信号からπ／２位相のずれた差動信号を生成し、この差動信号と元の差動信号との２乗総和を演算し、前記コリオリ力に比例する強度信号を演算して出力する演算手段を備えた、角速度センサ。
2. 前記演算手段は、
   前記差動信号の位相をπ／２シフトする位相回路と、
   前記元の差動信号を２乗する第１の乗算回路と、
   前記位相回路によって位相がπ／２シフトされた差動信号を２乗する第２の乗算回路と、
   前記第１の乗算回路の出力と前記第２の乗算回路の出力とを加算する加算回路と、
   前記加算回路の出力の平方根を求める平方根回路とを備えた、請求項１に記載の角速度センサ。
3. 振動子をＸ軸方向に励振させ、Ｚ軸回りに回転したときに、Ｙ軸方向に発生したコリオリ力による振動から角速度を検出する角速度センサであって、
   前記振動子から出力される左信号および右信号に基づいて基準信号を発生し、前記振動子を励振させる駆動手段、
   前記振動子から出力されるコリオリ力を含む左信号および右信号を抽出する信号抽出手段、
   前記信号抽出手段から出力されたコリオリ力を含む左信号および右信号をデジタル信号に変換する変換手段、および
   前記変換手段によってデジタル信号に変換された左信号および右信号からπ／２位相のずれた左信号および右信号を生成し、この左信号および右信号と元の左信号および右信号との２乗総和を演算し、前記コリオリ力に比例する強度信号を演算して出力する演算手段を備えた、角速度センサ。
4. 前記演算手段は、
   前記左信号および右信号の位相をそれぞれπ／２シフトする位相回路と、
   元の左信号および右信号をそれぞれ個別的に２乗する第１の乗算回路と、
   前記位相回路によって位相がπ／２シフトされた左信号および右信号をそれぞれ個別的に２乗する第２の乗算回路と、
   前記第１の乗算回路で２乗された左信号と前記第２の乗算回路で２乗された位相がπ／２シフトされた左信号とを加算する第１の加算回路と、
   前記第１の乗算回路で２乗された右信号と前記第２の乗算回路で２乗された位相がπ／２シフトされた右信号とを加算する第２の加算回路と、
   前記第１の加算回路の出力の平方根を求める第１の平方根回路と、
   前記第２の加算回路の出力の平方根を求める第２の平方根回路と、
   前記第１および第２の平方根回路の差を求める減算回路とを備えた、請求項３に記載の角速度センサ。

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