JP4310571B2 - 静電容量検出型振動ジャイロ、および静電容量変化検出方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量検出型振動ジャイロ、および静電容量変化検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、振動ジャイロをたとえば角速度検出用のセンサとして利用してカメラの手振れ検出や車両姿勢検出などの処理を行う場合、通常、センサから出力されるアナログ検出信号をA/D変換器でデジタル信号に変換した後、上記所定の補正処理が行われる。
【0003】
その際、電圧比較型のA/D変換器などでは、その変換基準電圧が電源電圧に依存する場合があるので、センサの検出精度を高める上では、センサの検出感度を上記電源電圧に依存させることが要求されることがある。
【0004】
このため、従来は、センサ素子となる振動子の駆動信号の振幅を供給電源電圧に依存して変化させ、これによって振動子から出力される検出信号の出力レベルを供給電源電圧に応じて変化させることで、結果的にセンサの検出感度が供給電源電圧に依存するようにして、センサ検出精度を高めるようにした技術が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−44540号公報(第1−3頁、図1)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の特許文献1に記載されているような従来技術においては、振動子に供給電源電圧に依存する駆動信号を加えてから、振動子で所要の検出信号が出力されるまでの間に電気→機械、機械→電気の各変換過程が幾度も介在するため、変換誤差が累積し、電源依存精度が不十分である。
【0007】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、静電容量検出型の振動ジャイロにおいて、供給電源電圧の変動に対する電源依存精度を向上させた静電容量検出型振動ジャイロ、および静電容量変化検出方法を提供することを目的とする。
【0008】
本発明は、上記の目的を達成するために、請求項1記載に係る発明では、角速度が加わることで検出電極と基準電極との間の静電容量が変化するセンサ素子と、このセンサ素子の静電容量の変化を検出する静電容量検出回路とを含む静電容量検出型振動ジャイロにおいて、静電容量検出回路の検出バイアス電圧を供給電源電圧に依存させることにより、電気・機械変換を途中で介在させずに、前記センサ素子の検出感度に供給電源電圧依存性を持たせて構成している。
【0009】
請求項2記載に係る発明では、請求項1記載の発明の構成において、前記センサ素子の検出電極に印加するバイアス電圧を供給電源電圧に依存するように構成している。
【0010】
請求項3記載に係る発明では、請求項2記載の発明の構成において、前記静電容量検出回路は演算増幅器を備え、この演算増幅器の反転入力端子にセンサ素子の検出電極を接続し、また、出力端子と反転入力端子との間を帰還抵抗を介して接続するとともに、非反転入力端子に供給電源電圧を抵抗分割した電圧をバイアス電圧として印加しており、このバイアス電圧を前記演算増幅器のイマジナリショートによって前記検出電極に加えていることを特徴としている。
【0011】
請求項4記載に係る発明では、請求項2記載の発明の構成において、前記供給電源電圧を抵抗分割した電圧をバイアス電圧として静電容量変化検出用抵抗素子を介して前記検出電極に印加していることを特徴としている。
【0012】
請求項5記載に係る発明では、静電容量検出型振動ジャイロにおける静電容量変化検出方法において、角速度が加わることで検出電極と基準電極との間の静電容量が変化するセンサ素子における当該静電容量の変化を静電容量検出回路で検出する際に、前記静電容量検出回路の検出バイアス電圧を供給電源電圧に依存するようにして、電気・機械変換を途中で介在させずに、前記センサ素子の検出速度に供給電源電圧依存性を持たせたことを特徴とする静電容量検出型振動ジャイロにおける静電容量変化検出方法。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の形態に係る静電容量検出型振動ジャイロの構成を示す回路図である。
【0014】
この実施の形態の静電容量検出型振動ジャイロ1は、角速度が加わることで検出電極と基準電極との間の静電容量が変化するセンサ素子2、このセンサ素子2の静電容量の変化を検出する静電容量検出回路3、およびセンサ素子2を駆動する駆動回路4を備える。
【0015】
上記のセンサ素子2は、Si基板上に振動子8が基板面内の互いに直交するX軸方向とY軸方向に変位可能に支持されるとともに、振動子8をX軸方向に駆動するための駆動電極9、振動子8のX軸方向の振動状態をモニタするためのモニタ電極10、および基板の面に直交するZ軸の周りに角速度が加わった場合のコリオリ力によるY軸方向の変位に伴って生じる容量変化を検出する一対の検出電極11a,11bがそれぞれ形成されて構成されている。この場合、振動子8は接地されており、その検出電極11a,11bと対向している部分が基準電極となる。なお、センサ素子2の構造自体はたとえば特開2001−153659号公報に開示されているように周知のものである。
【0016】
駆動回路4は、一種の自励発振回路であって、C/V変換回路22、自動利得制御回路(AGC)23、位相調整回路24、整流回路25、コンパレータ26を備えている。C/V変換回路22は演算増幅器A3を有し、この演算増幅器A3の反転入力端子にセンサ素子2のモニタ電極10が接続され、また、出力端子と反転入力端子との間が帰還抵抗Rf3を介して接続されるとともに、非反転入力端子にはバイアス電圧V1が印加されている。このバイアス電圧V1は供給電源電圧Vccを安定化したDC/DCコンバータなどの安定化電源27から供給されている。また、コンパレータ26の基準電圧V2についても同様に供給電源電圧Vccを安定化した安定化電源28から供給されている。
【0017】
上記構成において、モニタ用C/V変換回路22から出力されるモニタ信号は、自動利得制御回路23に与えられるとともに、整流回路25で平滑化されてコンパレータ26で基準電圧値V2と比較される。そして、コンパレータ26の出力が自動利得制御回路23に対してゲイン制御信号として与えられることにより、センサ素子2のX軸方向の変位量が常に一定になるようにモニタ信号の振幅が制御される。こうして、振幅制御されたモニタ信号は位相調整回路24で位相調整された後、センサ素子2に対する交流の駆動信号として供給される。そして、センサ素子2の駆動電極9に駆動信号が加えられると、センサ素子2はX軸方向に振動する。
【0018】
静電容量検出回路3は、一対のC/V変換回路15a,15b、差動増幅器16、同期検波回路17、ローパスフィルタ18、および増幅回路19を備えて構成されている。各々のC/V変換回路15a,15bは演算増幅器A1,A2を有し、各演算増幅器A1,A2の反転入力端子にセンサ素子2の各検出電極11a,11bが個別に接続され、また、出力端子と反転入力端子との間が帰還抵抗Rf1,Rf2を介して接続されるとともに、各非反転入力端子には共通のバイアス電圧Vbが印加されている。
【0019】
すなわち、この実施の形態では、静電容量検出回路3の演算増幅器A1,A2の非反転入力端子に対して供給電源電圧Vccを2つの抵抗R1,R2で分割した電圧が緩衝増幅器21を介してバイアス電圧Vbとして印加されている。したがって、このバイアス電圧Vbと等しい直流電圧が演算増幅器A1,A2のイマジナリショート動作によって演算増幅器A1,A2の反転入力端子に現れ、それがセンサ素子2の各検出電極11a,11bにそれぞれ加わるようになっている。
【0020】
これにより、センサ素子2の各検出電極11a,11bに印加するバイアス電圧Vbが供給電源電圧Vccに依存するように構成されている。そし、センサ素子2の各検出電極11a,11bにはバイアス電圧Vbと等しい直流電圧が加えられることにより、検出電極11a,11bには電荷が蓄積される。
【0021】
センサ素子2がX軸方向に振動している状態で基板の面に直交するZ軸を中心とした角速度が加わると、センサ素子2の振動方向(X軸方向)と直交するY軸方向にコリオリ力が発生する。そして、このコリオリ力によってセンサ素子2はY軸方向に振動する。すると、各々の検出電極11a,11bの静電容量が相反的に変化する。
【0022】
すなわち、各々のC/V変換回路15a,15bを構成する演算増幅器A1,A2のイマジナリショートによって、非反転端子に印加されるバイアス電圧Vbと等しい直流電圧がセンサ素子2の各検出電極11a,11bに加えられているので、検出電極11a,11bには電荷Qが蓄積されている。この状態でコリオリ力によってセンサ素子2がY軸方向に振動すると、これに起因して検出電極11a,11bの静電容量が変化する。つまり、一方の検出電極11aの静電容量が増加すると、他方の検出電極11bの静電容量が減少し、逆に、一方の検出電極11aの静電容量が減少すると、他方の検出電極11bの静電容量が増加する。そして、各検出電極11a,11bの静電容量変化がC/V変換回路15a,15bで電圧信号に変換される。
【0023】
ここで、各々のC/V変換回路15a,15bから出力される電圧信号について、コリオリ力に起因した容量変化ΔCに伴う電圧変動値ΔVoは次式で与えられる。
ΔVo=ω・ΔC・Vb・Zf (1)
ここに、ωはセンサ素子2の励振時の角周波数、ΔCはコリオリ力による容量変化、Vbはバイアス電圧、Zfは演算増幅器A1,A2の帰還インピーダンス(ここでは帰還抵抗Rf1,Rf2の抵抗値)である。
【0024】
上記(1)式から分かるように、各C/V変換回路15a,15bからは、コリオリ力に起因した静電容量の変化分ΔCが電圧変動値ΔVoに変換されて取り出される。しかも、その際、センサ素子2の検出電極11a,11bに共通に印加されるバイアス電圧Vbは、供給電源電圧Vccに依存しているので、各C/V変換回路11a,11bの検出出力の変化量ΔVoを供給電源電圧Vccに依存させることができる。換言すれば、コリオリ力の検出感度を供給電源電圧Vccに依存させることができる。
【0025】
この場合、従来のようなセンサ素子2への駆動信号に電源依存性をもたせるのに比べて電気・機械変換が途中で介在しないため、供給電源電圧Vccの変化が直接検出信号の変化量ΔVoとなり、電源依存精度が向上する。
【0026】
そして、各C/V変換回路15a,15bによって電圧信号に変換された出力は、差動増幅器16で両出力の差が取り出される。したがって、差動増幅器16の出力は2ΔVoとなる。次いで、差動増幅器16の出力は同期検波回路17で駆動信号の励振周波数に同期して検波され、ローパスフィルタ18、増幅回路19を経由して角速度に対応した値をもつ直流電圧として出力される。
【0027】
なお、上記の実施の形態では、静電容量検出回路3の各C/V変換回路15a,15bを構成する各演算増幅器A1,A2において、非反転増幅器の特性としてのイマジナリショートを利用してバイアス電圧Vbをセンサ素子2の検出電極11a,11bに印加するようにしたが、これに限らず図2に示すような構成とすることもできる。
【0028】
すなわち、図1におけるセンサ素子2の各検出電極11a,11bに接続されるC/V変換回路15a,15bを、緩衝増幅器A5,A6で構成する一方、供給電源電圧Vccを抵抗R1,R2で分割した電圧をバイアス電圧Vbとして静電容量変化検出用抵抗素子R3を介して検出電極11a,11bに印加している。
【0029】
ここで、各々のC/V変換回路15a,15bから出力される電圧信号について、コリオリ力に起因した容量変化ΔCに伴う電圧変動値ΔVoは次式で与えられる。
ΔVo=(ΔC/C+ΔC)・Vb (2)
ただし、R3>>1/(ω/C)
ここに、Cは検出電極11a,11bの静電容量、ΔCはコリオリ力による容量変化、Vbはバイアス電圧、R3は静電容量変化検出用抵抗素子R3の抵抗値である。
【0030】
上記(2)式から分かるように、この場合にも各C/V変換回路15a,15bからは、コリオリ力に起因した静電容量の変化分ΔCが電圧変動値ΔVに変換されて取り出される。しかも、その際、センサ素子2の検出電極11a,11bに印加するバイアス電圧Vbは、供給電源電圧Vccに依存しているので、各C/V変換回路15a,15bの検出出力ΔVを供給電源電圧Vccに依存させることができる。つまり、コリオリ力の検出感度を供給電源電圧Vccに依存させることができる。
【0031】
なお、本発明の静電容量検出型ジャイロおよび静電容量変化検出方法は、上記の実施の形態に示したようなSi基板上に構成されたセンサ素子を有するものに限定されるものではなく、他の構成の静電容量検出型のセンサ素子を有するものに対して適用しても構わないものである。
【0032】
【発明の効果】
本発明によれば、静電容量検出回路の検出バイアス電圧が供給電源電圧に依存するように構成しているので、結果的にセンサ素子の検出感度が供給電源電圧依存性をもつようにすることができる。特に、センサ素子の検出電極に印加するバイアス電圧が供給電源電圧に依存するようしておけば、センサ素子の駆動信号振幅を供給電源電圧に依存させる場合と比較すると、電気・機械変換が途中で介在しないため、電源依存精度を向上させることができる。
【0033】
この場合、演算増幅器のイマジナリショートを利用してバイアス電圧をセンサ素子の検出電極に加えるようにすれば、センサ素子の初期容量やインピーダンスなどの影響を受けず、センサ素子の感度ばらつきを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係る静電容量検出型振動ジャイロの構成を示す回路図である。
【図2】 静電容量検出型振動ジャイロを構成する静電容量検出回路の変形例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 静電容量検出型振動ジャイロ
2 センサ素子
3 静電容量検出回路
4 駆動回路
11a,11b 検出電極
15a,15b C/V変換回路
A1,A2 演算増幅器
Rf1,Rf2 帰還抵抗
Vcc 供給電源電圧
Vb バイアス電圧
R3 電流制限抵抗
Claims (5)
- 角速度が加わることで検出電極と基準電極との間の静電容量が変化するセンサ素子と、このセンサ素子の静電容量の変化を検出する静電容量検出回路とを含む静電容量検出型振動ジャイロにおいて、
前記静電容量検出回路の検出バイアス電圧を供給電源電圧に依存させることにより、電気・機械変換を途中で介在させずに、前記センサ素子の検出感度に供給電源電圧依存性を持たせたことを特徴とする静電容量検出型振動ジャイロ。 - 前記センサ素子の検出電極に印加するバイアス電圧を供給電源電圧に依存するように構成していることを特徴とする請求項1記載の静電容量検出型振動ジャイロ。
- 前記静電容量検出回路は演算増幅器を備え、この演算増幅器の反転入力端子にセンサ素子の検出電極を接続し、また、出力端子と反転入力端子との間を帰還抵抗を介して接続するとともに、非反転入力端子に供給電源電圧を抵抗分割した電圧をバイアス電圧として印加しており、このバイアス電圧を前記演算増幅器のイマジナリショートによって前記検出電極に加えていることを特徴とする請求項2記載の静電容量検出型振動ジャイロ。
- 前記供給電源電圧を抵抗分割した電圧をバイアス電圧として静電容量変化検出用抵抗素子を介して前記検出電極に印加していることを特徴とする請求項2記載の静電容量検出型振動ジャイロ。
- 角速度が加わることで検出電極と基準電極との間の静電容量が変化するセンサ素子における当該静電容量の変化を静電容量検出回路で検出する際に、前記静電容量検出回路の検出バイアス電圧を供給電源電圧に依存するようにして、電気・機械変換を途中で介在させずに、前記センサ素子の検出速度に供給電源電圧依存性を持たせたことを特徴とする静電容量検出型振動ジャイロにおける静電容量変化検出方法。
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