JP3750679B2

JP3750679B2 - 外力検知センサ装置

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Publication number: JP3750679B2
Application number: JP2003348404A
Authority: JP
Inventors: 義宏小中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
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Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2006-03-01
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Description

本発明は角速度や加速度の検知が可能な外力検知センサ装置に関するものである。

図２にはジャイロを構成するセンサ部の構成例が平面図により示されている。この図２に示すジャイロ１のセンサ部２は基板３を有し、この基板３の上面には、支持固定部４と、櫛歯形状の駆動用固定電極部５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ）および検出用固定電極部６（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ）がそれぞれ固定配設されており、上記支持固定部４には支持部７（７ａ，７ｂ）を介して振動素子８が接続されている。

上記振動素子８は基板３と間隔を介して配置され、図２に示すＸ方向とＹ方向の２方向に振動が可能なものであり、駆動梁９（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ）と、外枠１０と、櫛歯形状の駆動用可動電極部１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ）と、支持部１２（１２ａ，１２ｂ）と、検出梁１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ）と、内枠１４と、櫛歯形状の検出用可動電極部１５（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ）とを有して構成されている。

すなわち、上記駆動梁９ａ，９ｂの各一端側は共通に上記支持部７ａに接続され、また、駆動梁９ｃ，９ｄの各一端側は共通に上記支持梁７ｂに接続されており、上記駆動梁９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの各他端側は共通に外枠１０に接続されている。

この外枠１０には櫛歯形状の上記各駆動用可動電極部１１がそれぞれ対応する上記櫛歯形状の駆動用固定電極部５と互いに間隔を介して噛み合うように設けられている。上記互いに対向し合う駆動用固定電極部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと駆動用可動電極部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの組は第１の駆動部を構成し、上記駆動用固定電極部５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈと駆動用可動電極部１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈの組は第２の駆動部を構成している。

また、上記外枠１０には該外枠１０の内側に向かって支持部１２ａ，１２ｂがそれぞれ伸張形成され、上記支持部１２ａの先端側からはさらに検出梁１３ａ，１３ｂが、また、支持部１２ｂからは検出梁１３ｃ，１３ｄがそれぞれ伸張形成されている。

上記各検出梁１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの伸長先端側には内枠１４が共通に接続され、この内枠１４には櫛歯形状の上記各検出用可動電極部１５がそれぞれ対応する上記櫛歯形状の検出用固定電極部６と互いに間隔を介して噛み合うように設けられている。上記互いに対向する検出用固定電極部６ａ，６ｂ，６ｃと検出用可動電極部１５ａ，１５ｂ，１５ｃの組が第１の検出部を構成し、検出用固定電極部６ｄ，６ｅ，６ｆと検出用可動電極部１５ｄ，１５ｅ，１５ｆの組が第２の検出部を構成している。

また、図示されていないが上記各駆動用固定電極部５に外部から電力を供給するための導体パターン、および、検出用固定電極部６と導通接続する導通パターンが形成されている。

図２に示すセンサ部２は上記のように構成されている。このセンサ部２では、上記互いに対向している駆動用固定電極部５と駆動用可動電極部１１間に交流の駆動電圧（駆動信号）が印加されると、その駆動電圧に基づいた静電力の大きさの変化によって、保持部７ａ，７ｂを支点にして振動素子８全体が上記各駆動梁９の弾性を利用して図２に示すＸ方向に駆動振動する。

このように振動素子８がＸ方向に駆動している状態で、Ｚ方向（図２では紙面に垂直な方向）を中心軸にして回転すると、上記振動素子８の駆動方向（Ｘ方向）と回転の中心軸方向（Ｚ方向）に共に直交する方向、つまり、Ｙ方向にコリオリ力が発生する。このＹ方向のコリオリ力によって、上記振動素子８の内枠１４が支持部１２ａ，１２ｂを支点とし上記各検出梁１３の弾性を利用して上記外枠１０に対し相対的にＹ方向に検出振動する。

このＹ方向の検出振動に基づいた上記検出用固定電極部６と検出用可動電極部１５間の静電容量の変化を検出することによって、Ｚ軸回りの角速度の大きさを検出することができる。

なお、上記のようなセンサ部２は、通常、空気のダンピング等の悪影響を避けるために、例えば、ガラス部材によって形成された収容空間内に収容され減圧された状態で封止される。この場合、センサ部２の上記駆動用固定電極部５や検出用固定電極部６は、例えば、上記ガラス部材に設けられたスルーホールを介して外部と導通接続することが可能な構成と成している。

図３には上記センサ部２に接続する信号処理回路の一例が上記センサ部２の主要部分と共に示されている。この信号処理回路２０は、第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１と、第２検出用のＣ−Ｖ変換部２２と、加算増幅部２３と、差動増幅部２４と、ＡＧＣ（Auto Gain Control）部２５と、位相反転部２６と、同期検波部２７とを有して構成されている。なお、図３では、信号処理回路の構成を分かり易く説明するために、前記センサ部２の駆動用固定電極部５と検出用固定電極部６と振動素子８が簡略に示されている。

上記第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１は前記センサ部２の第１の検出部を構成する検出用固定電極部６（６ａ，６ｂ，６ｃ）と検出用可動電極部１５（１５ａ，１５ｂ，１５ｃ）間の総静電容量を電圧に変換して信号出力する構成を有している。また、上記第２検出用のＣ−Ｖ変換部２２は前記第２の検出部を構成する検出用固定電極部６（６ｄ，６ｅ，６ｆ）と検出用可動電極部１５（１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ）間の総静電容量を電圧に変換して信号出力する構成を有している。

上記第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１から出力される信号は、振動素子８がＸ方向の駆動振動のみである場合には、例えば、図４の（ａ）の鎖線Ａ１に示すような波形を持つ信号Ａ１となる。この駆動振動に起因した信号Ａ１は振動素子８を駆動振動させるための駆動用固定電極部５と駆動用可動電極部１１間に印加される駆動信号と位相が９０°ずれている。

また、角速度に起因して振動素子８の内枠１４が上記Ｘ方向だけでなくＹ方向にも振動している場合には、第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１の出力信号は、上記駆動振動に起因した信号成分Ａ１と、図４の（ａ）の実線Ｂ１に示す波形を持つ角速度に起因した信号成分Ｂ１とが重なって成る信号となる。上記信号成分Ｂ１は角速度の大きさに応じた振幅の大きさを持ち、その位相は上記信号成分Ａ１の位相と９０°ずれている。

さらに、角速度だけでなくＹ方向の加速度にも起因して上記内枠１４が振動する場合がある。この場合には、上記第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１の出力信号は、上記駆動振動に基づいた信号成分Ａ１と、上記角速度に起因した信号成分Ｂ１と、図４の（ａ）の点線Ｃ１に示す波形を持つ加速度に起因した信号成分Ｃ１とが重なって成る信号となる。上記信号成分Ｃ１は加速度の大きさに応じた振幅の大きさを持ち、その位相は上記信号成分Ａ１と同相である。

また、同様に、上記第２検出用のＣ−Ｖ変換部２２から出力される信号は、振動素子８が駆動振動のみである場合には、図４の（ｂ）の鎖線Ａ２に示す波形を持つ信号Ａ２となり、その信号Ａ２は上記第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１から出力される信号Ａ１と振幅の大きさおよび位相が等しい信号である。

さらに、振動素子８の内枠１４が駆動振動および角速度に起因して振動している場合には、第２検出用のＣ−Ｖ変換部２２の出力信号は、上記駆動振動に起因した信号成分Ａ２と、図４の（ｂ）の実線Ｂ２に示すような波形を持つ角速度に起因した信号成分Ｂ２とが重なって成る信号となる。上記信号成分Ｂ２は角速度の大きさに応じた振幅の大きさを持ち、換言すれば、前記第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１の出力信号における信号成分Ｂ１の振幅の大きさとほぼ等しい振幅の大きさを持ち、その信号成分Ｂ２の位相は上記信号成分Ａ２と２７０°位相がずれ、また、上記第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１の出力信号における信号成分Ｂ１とは１８０°位相がずれている。

さらに、振動素子８の内枠１４が駆動振動および角速度および加速度に起因して振動している場合には、上記第２検出用のＣ−Ｖ変換部２２の出力信号は、上記駆動振動に基づいた信号成分Ａ２と、上記角速度に起因した信号成分Ｂ２と、図４の（ｂ）の点線Ｃ２に示す波形を持つ加速度に起因した信号成分Ｃ２とが重なって成る信号となる。上記信号成分Ｃ２は加速度の大きさに応じた振幅の大きさを持ち、換言すれば、上記第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１の出力信号における信号成分Ｃ１の振幅の大きさとほぼ等しい振幅の大きさを持ち、その信号成分Ｃ２の位相は上記信号成分Ａ２および信号成分Ｃ１と１８０°位相がずれている。

上記のように、第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１および第２検出用のＣ−Ｖ変換部２２はそれぞれ振動素子８の振動の状態に応じた信号を加算増幅部２３および差動増幅部２４に出力する。

加算増幅部２３は上記第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１の出力信号と、第２検出用のＣ−Ｖ変換部２２の出力信号とを加算・増幅する。この加算増幅部２３の信号の加算によって、上記角速度に起因した第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１の出力信号における信号成分Ｂ１と、第２検出用のＣ−Ｖ変換部２２の出力信号における信号成分Ｂ２とは相殺されて除去され、また、同様に、加速度に起因した前記信号成分Ｃ１と信号成分Ｃ２とも相殺されて除去される。これにより、加算増幅部２３は、上記信号成分Ａ１と信号成分Ａ２とが加算された駆動振動による信号成分のみに応じた信号を駆動検出信号（モニタ信号）としてＡＧＣ部２５および同期検波部２７に出力する。すなわち、この加算増幅部２３は、駆動方向（Ｘ方向）の振動素子８の振動に応じた駆動検出信号を出力する駆動振動検出部として機能するものである。

ＡＧＣ部２５は、上記振動素子８が共振周波数でもって振動する際に得られる前記駆動信号の出力が常に一定となるように駆動信号を出力する。この駆動信号は、前記第１の駆動部を構成する駆動用固定電極部５（５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）と駆動用可動電極部１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）の組と、第２の駆動部を構成する駆動用固定電極部５（５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ）と駆動用可動電極部１１（１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈ）の組のうちの一方の駆動部（図３に示す例では上記第１の駆動部）にはそのまま加えられ、他方の駆動部には上記駆動信号を位相反転部２６により位相反転させた駆動信号が加えられる。この駆動信号の印加によって、上記の如く振動素子８は駆動振動する。

上記差動増幅部２４は上記第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１から出力された信号と第２検出用のＣ−Ｖ変換部２２から出力された信号との差を取る。この差動増幅部２４の信号の差動によって、上記第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１の出力信号における駆動振動による信号成分Ａ１と、第２検出用のＣ−Ｖ変換部２２の出力信号における駆動振動による信号成分Ａ２とは相殺される。これにより、差動増幅部２４は、上記角速度による前記信号成分Ｂ１と信号成分Ｂ２が加算されて成る図５の実線Ｂ３に示すような信号成分Ｂ３と、上記加速度による信号成分Ｃ１と信号成分Ｃ２が加算されて成る図５の点線Ｃ３に示すような信号成分Ｃ３とに基づいた角速度・加速度混在信号を同期検波部２７に出力する。

すなわち、差動増幅部２４は、角速度の大きさに応じた角速度成分Ｂ３と、加速度の大きさに応じた加速度成分Ｃ３とが混在した角速度・加速度混在信号を出力する角速度・加速度混在信号出力部として機能するものである。

同期検波部２７は位相シフタ（図示せず）を内蔵し、この位相シフタによって上記加算増幅部２３から出力された駆動検出信号の位相を９０°ずらして角速度用参照信号を作り出し、この角速度用参照信号を利用して上記差動増幅部２４から出力された角速度・加速度混在信号を同期検波する。

つまり、角速度用参照信号は上記角速度・加速度混在信号の角速度成分Ｂ３の位相と同相あるいは１８０°位相がずれた信号であり、同期検波部２７は、上記角速度用参照信号の位相が０°〜１８０°の区間Ｄ１と、１８０°〜３６０°の区間Ｄ２とで角速度・加速度混在信号の積分を行う（同期検波する）。この同期検波によって、上記角速度・加速度混在信号の加速度成分Ｃ３は除去されることから、同期検波部２７は、角速度成分Ｂ３に応じた信号を角速度信号として出力する。この角速度信号によって角速度の大きさを検出することができる。

特開２０００−３２９５５８号公報特開平７−１２０４９０号公報特開平７−１２８３５６号公報特開平１０−３１８７５５号公報

ところで、上記のような図２に示すセンサ部２および図３に示す信号処理回路２０を有して成るジャイロ１では、角速度しか検出することができない。このため、角速度と加速度を共に検知することが可能なセンサ装置を形成しようとした場合には、上記ジャイロ１の他に、加速度検知用の振動素子を備えた加速度センサを用意し、それらジャイロ１と加速度センサを組み合わせて上記角速度と加速度を検知することができるセンサ装置を構成することとなる。

このようなセンサ装置では、角速度検出用の振動素子と加速度検出用の振動素子との２個の振動素子を設けなければならないために、センサ装置が大型化してしまうという問題があった。

また、上記ジャイロ１では、同期検波部２７において角速度・加速度混在信号を同期検波する際に、前記角速度・加速度混在信号の角速度成分Ｂ３に対して角速度用参照信号の位相がずれている検波角ずれが生じている場合があり、この場合には、図５に示す正規の区間Ｄ１，Ｄ２からずれた区間Ｄ１’，Ｄ２’でもって角速度・加速度混在信号が同期検波されてしまう。

この場合には、上記検波角ずれに起因して角速度・加速度混在信号の中の加速度成分Ｃ３を完全に除去することができずに残ってしまい、同期検波部２７から出力される角速度信号に上記加速度成分Ｃ３に基づいた加速度ノイズ成分が乗ってしまうこととなる。この加速度ノイズ成分に起因して正確な角速度の大きさを得ることができないという問題が生じる。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、角速度と加速度を共に検出することができる小型の外力検知センサ装置を提供することであり、第２の目的は、角速度あるいは加速度の検出精度の向上を図ることができる外力検知センサ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明は次に示す構成をもって前記課題を解決する手段としている。すなわち、第１の発明は、角速度と加速度を共通に検知するセンサ部と、このセンサ部により検知された角速度の大きさに応じた角速度成分と加速度の大きさに応じた加速度成分とから成る角速度・加速度混在信号を出力する角速度・加速度混在信号出力部と、上記角速度・加速度混在信号から上記角速度成分と加速度成分をそれぞれ分離して取り出し角速度信号と、加速度信号として出力する信号分離部とを備え、上記角速度信号と加速度信号のうちの一方側の取り出し信号に対してノイズ成分となる他方側の信号を上記信号分離部から検出して減衰する減衰部と、上記取り出し信号から上記減衰部の減衰動作によって得られた信号を差し引いて上記取り出し信号に含まれているノイズ成分を取り除くノイズ除去部とが設けられている構成をもって前記課題を解決する手段としている。

第２の発明は、上記第１の発明の構成を備え、角速度・加速度混在信号の角速度成分と加速度成分は互いに９０°位相がずれている交流成分であり、信号分離部は角速度信号取り出し部と加速度信号取り出し部を有し、上記角速度信号取り出し部は、上記角速度成分と同相あるいは１８０°位相が異なる角速度用参照信号を利用して上記角速度・加速度混在信号を同期検波して上記加速度成分を除去し角速度成分に応じた角速度信号を出力する構成と成し、上記加速度信号取り出し部は、上記加速度信号と同相あるいは１８０°位相が異なる加速度用参照信号を利用して上記角速度・加速度混在信号を同期検波して上記角速度成分を除去し加速度成分に応じた加速度信号を出力する構成と成していることを特徴として構成されている。

第３の発明は、上記第１又は第２の発明の構成を備え、センサ部は角速度と加速度を共通に検出する方向に振動が自在な振動素子を有し、角速度・加速度混在信号出力部は、角速度に起因した上記検出方向の振動素子の振動に基づいた角速度成分と、加速度に起因した検出方向の振動素子の振動に基づいた加速度成分とから成る角速度・加速度混在信号を出力する構成と成していることを特徴として構成されている。

第４の発明は、上記第２の発明の構成を備え、センサ部は、角速度と加速度を共通に検出する方向と、該検出方向に対して直交する駆動方向とに振動が自在な振動素子を有し、上記駆動方向の振動素子の振動に応じた駆動検出信号を出力する駆動振動検出部を備え、角速度・加速度混在信号出力部は、角速度に起因した上記検出方向の振動素子の振動に基づいた角速度成分と、加速度に起因した検出方向の振動素子の振動に基づいた加速度成分とから成る角速度・加速度混在信号を出力する構成と成し、角速度用参照信号は上記駆動検出信号と９０°位相がずれた信号と成し、加速度用参照信号は上記駆動検出信号と同相あるいは１８０°位相がずれた信号と成していることを特徴として構成されている。

上記構成の発明において、信号分離部は、角速度・加速度混在信号出力部から出力された角速度・加速度混在信号を取り込み、この角速度・加速度混在信号から角速度成分と加速度成分をそれぞれ分離して角速度信号、加速度信号として取り出すことで、１つのセンサ部を備えるだけで角速度成分と加速度成分を両方共に検出することとなる。

信号分離部において角速度・加速度混在信号から角速度成分と加速度成分をそれぞれ分離して取り出すとき、例えば、角速度成分と加速度成分とを同期検波して分離するときに、検波角ずれに起因して角速度信号に加速度成分に起因した加速度ノイズ成分が乗ってしまっても、上記検出した加速度信号を利用することで上記加速度ノイズ成分を角速度信号から除去することができる。同様に、角速度信号を利用して加速度信号から検波角ずれに起因した角速度成分によるノイズ成分を除去することができる。

上記発明によれば、角速度と加速度を共通に検知するセンサ部を１つ設けるだけで、角速度の大きさに応じた角速度信号と加速度の大きさに応じた加速度信号とをそれぞれ別々に検出することができる。すなわち、上記１つのセンサ部を備えただけで、角速度と加速度を両方共に検出することができる。これにより、角速度検出用のセンサ部と加速度検出用のセンサ部という如く別個独立した２つのセンサ部を設けなくて済むので、角速度と加速度を共に検出することができる外力検知センサ装置の大幅な小型化を促進させることができる。

また、信号分離部によって角速度・加速度混在信号から角速度信号と加速度信号を分離する際に、角速度信号と加速度信号のうちの一方側の取り出し信号に対して他方側の信号の成分がノイズ成分となって残っていても、減衰部とノイズ除去部によって除去するので、角速度、加速度の正確な大きさを得ることができ、角速度、加速度の検出精度をより一層向上させることができる。

特に、信号分離部における同期検波によって、角速度・加速度混在信号から角速度成分と加速度成分を分離して取り出す際に、例えば、角速度成分に対して角速度用参照信号の位相がずれている検波角ずれが生じて角速度成分に加速度成分に基づいた加速度ノイズ成分が重畳するようなことがあっても検出精度の高い角速度を得ることができ、同様に、加速度成分に対して加速度用参照信号の位相がずれている検波角ずれが生じて加速度成分に角速度成分に基づいた角速度ノイズ成分が重畳していても加速度の検出精度を向上させることができる。

センサ部が振動素子により構成されているものにあっては、角速度や加速度を高感度で検出することができる。また、振動素子は広い面を有するものであることから、従来のように角速度検知用の振動素子と加速度検知用の振動素子を共に設けて角速度および加速度を検知可能なセンサ装置を形成した場合には、そのセンサ装置はかなり大型なものとなってしまうが、この発明では、角速度と加速度を共通に検知する振動素子を１つ設けるだけでよいので、外力検知センサ装置の小型化が図れ、有効である。

また、同期検波に用いる角速度用参照信号、加速度用参照信号が振動素子の駆動方向の振動に応じた駆動検出信号に基づいた信号であるものにあっては、角速度・加速度混在信号の角速度成分、加速度成分の位相と、上記角速度用参照信号、加速度用参照信号の位相とがずれてしまう検波角ずれの発生があっても検波角ずれによる悪影響を除去することができる。

以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。

第１の実施形態例の外力検知センサ装置は、上記図２に示すようなセンサ部に、この第１の実施形態例において特徴的な図１に示す信号処理回路が接続して成るものであり、１つの振動素子を設けるだけで、図２に示すＺ軸回りの回転の角速度と、Ｙ方向の加速度とを共に検知することができるセンサ装置である。なお、この第１の実施形態例の説明において、図２に示すセンサ部の説明は前述したので省略し、また、図１に示す信号処理回路に関しては、上記図３に示す信号処理回路と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

本発明者は、角速度・加速度混在信号出力部である差動増幅部２４から出力される角速度・加速度混在信号の角速度成分Ｂ３と加速度成分Ｃ３との位相が互いに９０°ずれていることに着目し、上記角速度・加速度混在信号の角速度成分Ｂ３と加速度成分Ｃ３をそれぞれ分離して取り出す本実施形態例に特有な次に示すような信号処理回路を考え出した。

すなわち、この第１の実施形態例において特徴的な信号処理回路は、図１に示すように、第１検出用のＣ−Ｖ変換部２１と、第２検出用のＣ−Ｖ変換部２２と、駆動振動検出部である加算増幅部２３と、角速度・加速度混在信号出力部である差動増幅部２４と、ＡＧＣ部２５と、位相反転部２６と、同期検波部２７，３０と、減衰部である減衰器３３，３５と、ノイズ除去部である差動増幅部３４，３６とを有して構成されている。

この第１の実施形態例では、同期検波部２７によって角速度信号取り出し部が構成され、同期検波部３０によって加速度信号取り出し部が構成されている。

つまり、同期検波部２７は前述したように上記角速度成分Ｂ３と同相あるいは１８０°位相がずれた角速度用参照信号に基づいて上記角速度・加速度混在信号を同期検波することによって、角速度・加速度混在信号の加速度成分Ｃ３を除去し、角速度成分Ｂ３に応じた信号を角速度信号として出力する。

同期検波部３０は加算増幅部２３から出力された駆動検出信号を加速度用参照信号として取り込むと共に、差動増幅部２４から出力された角速度・加速度混在信号を取り込み、上記加速度用参照信号を利用して角速度・加速度混在信号を同期検波する。上記駆動検出信号は上記角速度・加速度混在信号の加速度成分Ｃ３と同相あるいは１８０°位相がずれていることから、加速度用参照信号の位相が０°〜１８０°の区間ｄ１と１８０°〜３６０°の区間ｄ２でもって角速度・加速度混在信号を同期検波することにより、角速度・加速度混在信号の角速度成分Ｂ３が除去され、上記加速度成分Ｃ３のみを取り出すことができる。これにより、同期検波部３０は、上記加速度成分Ｃ３に応じた信号を加速度信号として出力する。

このように、上記同期検波部２７と同期検波部３０によって、角速度・加速度混在信号の角速度成分と加速度成分を分離して取り出し角速度信号、加速度信号を出力する信号分離部が構成されている。

同期検波部２７および同期検波部３０において角速度・加速度混在信号を同期検波する際に検波角ずれが生じる場合がある。同期検波部２７において検波角ずれが生じた場合には、該同期検波部２７から出力される角速度信号には加速度成分Ｃ３に起因した加速度ノイズ成分が乗ってしまう。また、同期検波部３０において検波角ずれが生じた場合には、該同期検波部３０から出力される加速度信号には角速度成分Ｂ３に起因した角速度ノイズ成分が乗ってしまう。このように、角速度信号、加速度信号に検波角ずれに起因したノイズ成分が乗ってしまうと、外力検知センサ装置の角速度、加速度の検出精度が低下してしまうという問題が生じる。

上記同期検波部２７、同期検波部３０に検波角ずれが生じるか否かは信号処理回路の回路定数等によって予め分かることから、上記同期検波部２７に検波角ずれが生じる場合には、図１の実線に示すような減衰部である減衰器３３と、ノイズ除去部である差動増幅部３４とが設けられる。また、上記同期検波部３０に検波角ずれが生じる場合には、図１の点線に示すような減衰部である減衰器３５と、ノイズ除去部である差動増幅部３６とが設けられる。

上記角速度信号に含まれる検波角ずれに起因した加速度ノイズ成分の大きさと、同期検波部３０から出力される加速度信号の大きさとの比は信号処理回路の回路定数等によって予め求まる。上記減衰器３３の減衰率はその加速度信号の大きさに対する上記加速度ノイズ成分の大きさの比に予め設定されており、減衰器３３は、同期検波部３０から出力された加速度信号を取り込み、この加速度信号を上記設定の減衰率でもって減衰して上記差動増幅部３４に出力する。つまり、減衰器３３は、角速度信号に含まれている検波角ずれに起因した加速度ノイズ成分の大きさを持つ信号を差動増幅部３４に出力する。

差動増幅部３４は、上記同期検波部２７から出力される角速度信号を取り出し信号として取り込み、この取り出し信号と上記減衰器３３の出力信号との差を取り、上記角速度信号から上記検波角ずれに起因した加速度ノイズ成分を除去して出力する。

また、同様に、加速度信号に含まれている検波角ずれに起因した角速度ノイズ成分の大きさと、同期検波部２７から出力される角速度信号の大きさとの比は信号処理回路の回路定数等によって予め求まり、減衰器３５の減衰率は、上記同期検波部２７から出力される加速度信号の大きさに対する上記角速度ノイズ成分の大きさの比に予め設定されている。減衰器３５は上記同期検波部２７から出力された角速度信号を上記設定の減衰率でもって減衰して差動増幅部３６に出力する。この減衰器３５の出力信号は、加速度信号に含まれている検波角ずれに起因した角速度ノイズ成分の大きさを持つ信号である。

差動増幅部３６は上記同期検波部３０から出力される加速度信号を取り出し信号として取り込み、この取り出し信号と上記減衰器３５の出力信号との差を取り、上記加速度信号から上記検波角ずれに起因した角速度ノイズ成分を除去する。

上記第１の実施形態例によれば、角速度・加速度混在信号から角速度成分Ｂ３と加速度成分Ｃ３をそれぞれ分離して取り出し角速度信号、加速度信号として出力する信号分離部を設けたので、角速度と加速度を共通に検知する振動素子８を１個設けるだけで、角速度の大きさに応じた角速度信号と加速度の大きさに応じた加速度信号とをそれぞれ独立した状態で得ることができる。

このことから、上記第１の実施形態例に特有な信号処理回路を設けることによって、１個の振動素子を設けるだけで角速度と加速度を両方共に検出することができるという今までにない画期的な外力検知センサ装置となる。

また、ジャイロと加速度センサとを組み合わせて角速度および加速度を検知するセンサ装置を構成する場合に比べて、この第１の実施形態例では、上記のように振動素子を１個設けるだけでよいので、外力検知センサ装置の小型化が容易である。さらに、１つの振動素子と、図１に示すような簡単な回路構成の信号処理回路を設けるだけでよいので、部品点数が大幅に減少し、これにより、部品コストの削減を図ることができることから、外力検知センサ装置を安価で提供することが可能である。

さらに、同期検波部２７から出力される角速度信号に検波角ずれに起因した加速度ノイズ成分が乗っている場合や、同期検波部３０の出力信号である加速度信号に検波角ずれに起因した角速度ノイズ成分が乗っている場合には、それら角速度信号、加速度信号から検波角ずれに起因したノイズ成分を除去する構成を備えたので、検波角ずれの悪影響が取り除かれた角速度信号、加速度信号を得ることができ、角速度、加速度の検出精度の悪化を防止することができる。このことから、角速度と加速度の検出精度の信頼性を向上させることができるという優れた効果を得ることが可能である。

なお、この発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、上記各実施形態例では、センサ部２は図２に示す形態であったが、上記センサ部２は角速度と加速度を共通に検知することができる形態であればよく、センサ部２は図２に示す形態に限定されるものではなく、適宜の形態を採り得るものである。

また、上記実施形態例では、同期検波に用いる角速度用参照信号、加速度用参照信号は加算増幅部２３から出力される駆動検出信号に基づいた信号であったが、例えば、上記角速度用参照信号、加速度用参照信号はＡＧＣ部２５から出力される駆動信号を利用した信号であってもよい。この場合、上記駆動信号は、角速度・加速度混在信号の角速度成分Ｂ３と同相あるいは１８０°位相がずれている信号であり、加速度成分Ｃ３とは９０°位相がずれている信号であることから、上記角速度用参照信号は駆動信号により構成され、加速度用参照信号は上記駆動信号の位相を９０°ずらした信号により構成される。

さらに、上記各実施形態例では、角速度と加速度を両方共に検出することができる外力検知センサ装置の一例を示したが、例えば、本発明は、角速度のみを検知するジャイロや、加速度のみを検知する加速度センサである外力検知センサ装置にも適用することができる。例えば、ジャイロにおける上記図３に示した信号処理回路２０に減衰器３３および差動増幅部３４を組み込み、これら減衰器３３と差動増幅部３４によって上記検波角ずれに起因した加速度ノイズ成分が除去された角速度信号を出力する構成とする。このような構成を備えることによって、検波角ずれに起因した加速度ノイズ成分が除去された角速度信号を得ることができるので、角速度の検出精度に優れたジャイロを提供することができる。また、加速度センサに関しても同様に、加速度の検出精度が高い加速度センサを得ることができる。

本発明に係る外力検知センサ装置の第１の実施形態例である信号処理回路の構成を示すブロック図である。従来のセンサ部の一形態例を示す平面図である。従来のジャイロを構成する信号処理回路の構成例を示すブロック図である。図１および図３に示すＣ−Ｖ変換部から出力される信号の波形例を示す波形図である。図１および図３に示す差動増幅部から出力される角速度・加速度混在信号の波形例を示す波形例である。

符号の説明

２センサ部
８振動素子
２３加算増幅部
２４差動増幅部
２７，３０同期検波部
３３，３５減衰器
３４，３６差動増幅部

Claims

角速度と加速度を共通に検知するセンサ部と、このセンサ部により検知された角速度の大きさに応じた角速度成分と加速度の大きさに応じた加速度成分とから成る角速度・加速度混在信号を出力する角速度・加速度混在信号出力部と、上記角速度・加速度混在信号から上記角速度成分と加速度成分をそれぞれ分離して取り出し角速度信号、加速度信号として出力する信号分離部とを備え、上記角速度信号と加速度信号のうちの一方側の取り出し信号に対してノイズ成分となる他方側の信号を上記信号分離部から検出して減衰する減衰部と、上記取り出し信号から上記減衰部の減衰動作によって得られた信号を差し引いて上記取り出し信号に含まれているノイズ成分を取り除くノイズ除去部とが設けられていることを特徴とする外力検知センサ装置。
角速度・加速度混在信号の角速度成分と加速度成分は互いに９０°位相がずれている交流成分であり、信号分離部は角速度信号取り出し部と加速度信号取り出し部を有し、上記角速度信号取り出し部は、上記角速度成分と同相あるいは１８０°位相が異なる角速度用参照信号を利用して上記角速度・加速度混在信号を同期検波して上記加速度成分を除去し角速度成分に応じた角速度信号を出力する構成と成し、上記加速度信号取り出し部は、上記加速度信号と同相あるいは１８０°位相が異なる加速度用参照信号を利用して上記角速度・加速度混在信号を同期検波して上記角速度成分を除去し加速度成分に応じた加速度信号を出力する構成と成していることを特徴とする請求項１記載の外力検知センサ装置。
センサ部は角速度と加速度を共通に検出する方向に振動が自在な振動素子を有し、角速度・加速度混在信号出力部は、角速度に起因した上記検出方向の振動素子の振動に基づいた角速度成分と、加速度に起因した検出方向の振動素子の振動に基づいた加速度成分とから成る角速度・加速度混在信号を出力する構成と成していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の外力検知センサ装置。
センサ部は、角速度と加速度を共通に検出する方向と、該検出方向に対して直交する駆動方向とに振動が自在な振動素子を有し、上記駆動方向の振動素子の振動に応じた駆動検出信号を出力する駆動振動検出部を備え、角速度・加速度混在信号出力部は、角速度に起因した上記検出方向の振動素子の振動に基づいた角速度成分と、加速度に起因した検出方向の振動素子の振動に基づいた加速度成分とから成る角速度・加速度混在信号を出力する構成と成し、角速度用参照信号は上記駆動検出信号と９０°位相あるいは２７０°位相がずれた信号と成し、加速度用参照信号は上記駆動検出信号と同相あるいは１８０°位相がずれた信号と成していることを特徴とした請求項２記載の外力検知センサ装置。