JP4406863B2 - 振動型角速度センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動する検出素子を用いて、これに加えられた角速度に応じた出力を与える振動型角速度センサ装置に関する。

一般に、ある方向に振動(仮に、一次振動という)する物体に角速度が加わると、一次振動と直交する方向にコリオリの力が生じることにより、一次振動と直交する方向にも振動（二次振動）が発生する。振動型角速度センサ装置は、この現象を利用するものである。すなわち、水晶などの圧電物質で作られた２端音叉やビーム状の検出素子に互いに対向する駆動電極対を設け、この駆動電極対に駆動回路を接続して発信回路を構成し、検出素子に一次振動をさせた状態で、検出素子に角速度が加えられると、検出素子の振動が変化し、この変化に応じて、検出素子に設けられた互いに対向するピックアップ電極対の間の容量（すなわち、電荷量）が変化するので、ピックアップ電極に接続されたチャージアンプ（電荷増幅器）又は電流増幅器からの信号に基づいて角速度に応じた電圧を出力することができる。

しかし、検出素子は、その固有振動数や共振時の振幅（最大振幅）が周囲温度、駆動電圧及びその他の要因でわずかながら変化するので、このような特性の変動に伴い出力も変化し、測定誤差を生じるという問題がある。したがって、振動型角速度センサ装置においては、この問題に対して何らかの対策が講じられるのが通例である。
従来は、この問題に対して、駆動電極に流れる電流の変動を基に駆動電圧を変化させて検出素子の振動振幅そのものを一定に保つよう制御することで対処していた（例えば、下記の特許文献１及び特許文献２参照）。
特許第２７８１１６１号公報（段落０００５〜０００６、図１） 米国特許第５４２６９７０号（欄５〜８、ＦＩＧ．５）

しかし、設計段階では検出素子の振動振幅が大小どちらに変動するか分からないため、駆動回路の出力電圧（検出素子の駆動電圧）の設計中心値は、駆動回路の許容する最大電圧に設定するわけにはいかないので、幾分抑え気味に設定せざるをえない。検出素子の感度は検出素子の一次振動の振幅（以降、一次振動振幅という）に比例し、一次振動振幅は、駆動回路の出力電圧に比例するので、駆動回路の出力電圧を控えめに設定すると、結果的に、実際の動作において検出素子の一次振動振幅も感度も抑え気味にして使用することになり、センサ性能を最大限に生かしきれないという問題があった。
したがって、検出素子の性能を犠牲にすることなく検出素子の特性変動に伴う測定誤差を補正することができる角速度センサ装置があれば好都合である。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、検出素子を備えた振動型角速度センサと、前記角速度センサの駆動電極に接続されたチャージアンプ及び前記チャージアンプの後方に接続された９０度位相アンプとを備えた前記検出素子を振動させる駆動回路と、前記角速度センサのピックアップ電極に接続され、前記検出素子に加えられる角速度による二次振動に比例する信号を出力する検出回路を備え、前記駆動回路が、前記検出素子の一次振動のレベルを検出する検出手段を含み、前記駆動回路の許容する最大電圧で前記検出素子を振動させ、前記検出回路が、前記検出素子に加えられる角速度による二次振動を検出する手段と、前記一次振動のレベルを検出する検出手段により検出されたレベルと前記検出素子により定まる基準電圧とを比較する比較手段と、前記比較手段の出力に応じて前記二次振動を検出する手段の出力を調整する手段とを備えた振動型角速度センサ装置である。この構成により、センサ性能を最大限に生かしながら検出素子の特性変動に伴う測定誤差を補正することができる。

以下、本発明の振動型角速度センサの実施の形態を添付図面により詳細に説明する。なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。
図１は、本発明の角速度センサ装置の実施の形態を示す略ブロック図である。図１において、角速度センサ装置１は、角速度センサ１０、角速度センサ１０を駆動する駆動回路２０、及び角速度センサ１０の出力から角速度を測定する検出回路３０からなる。

角速度センサ１０は、いわゆる半導体振動型角速度センサであり、半導体で作られた検出素子１２、検出素子１２の互いに対向する面に設けられた少なくとも１対の電極である駆動電極１４及び駆動モニタ電極１５、角速度による二次振動に比例する信号を検出する少なくとも１対のピックアップ電極１６、１７を備える。角速度センサ１０は、上記の形式のものに限定されることなく、市販のものを含め適切な仕様の振動型角速度センサであれば何でもよい。

駆動回路２０は、入力端子が角速度センサ１０の駆動電極１４に接続され、一次振動振幅をモニタリングする駆動モニタ電極１５の電荷を電圧に変換するチャージアンプ２１、チャージアンプ２１の出力端子に接続され、所定の増幅度で増幅するＡＣ増幅器２２、ＡＣ増幅器２２の出力端子に接続され、その出力信号の位相を９０度シフトする９０度位相シフタ２３、９０度位相シフタ２３の出力端子に接続され、９０度位相シフタ２３の出力信号の波形を整形する波形整形器２４、及び入力端子が波形整形器２４の出力端子に接続され、出力端子が角速度センサ１０の駆動電極１４に接続され、角速度センサ１０へ印加する駆動電圧を設定する駆動バッファ２５からなる。検出素子１２の駆動電極１４及び一次振動振幅をモニタリングする駆動モニタ電極１５に挟まれた部分と、前述の要素２１から２５までの閉ループは、発振回路を構成する。本発明によれば、検出素子１２がほぼ最大の振幅となる固有振動数で振動するように９０度位相シフタ２３にて一次振動振幅の出力位相を９０度シフトさせている。

検出回路３０は、入力端子が検出素子１２のピックアップ電極１６、１７に接続され、ピックアップ電極１６、１７の間の電荷を電圧に変換するチャージアンプ３１、入力端子がチャージアンプ３１の出力端子に接続され、９０度位相シフタ２３後の一次振動振幅の出力信号のレベル変動に応じて生じる出力変動を補償するような増幅出力を与える等化増幅回路３２、検出信号入力端子が等化増幅回路３２の出力端子に接続され、同期信号入力端子が９０度位相シフタ２３の出力端子に接続された同期検波器３３、入力端子が同期検波器３３の出力端子に接続されたローパスフィルタ（ＬＰＦ）３５、及び入力端子がＬＰＦ３５の出力端子に接続された０点調整・増幅器３６からなる。

本発明による等化増幅回路３２は、９０度位相シフタ２３後の一次振動振幅の出力信号の振幅又はレベルを検出するレベル検出器３２１、レベル検出器３２１の出力信号から９０度位相シフタ２３後の一次振動振幅の出力変動を検出する基準となる基準電圧Ｖｒを発生するＶｒ発生器３２２、レベル検出器３２１とＶｒ発生器３２２の出力信号を入力とする比較器３２３、及び比較器３２３の出力信号に基づいて検出素子１２の一次振動振幅の変化の影響が出力信号に現れないように利得を制御してチャージアンプ３１からの検出信号を増幅する利得制御増幅器３２４からなる。

以上のように構成された角速度センサ装置１の動作を説明する。
角速度センサ１０の駆動電極１４及び一次振動振幅をモニタリングする駆動モニタ電極１５と駆動回路２０からなる発信回路において、角速度センサ１０の検出素子１２は、ほぼ最大振幅で振動する。一方、角速度センサ１０に角速度又は回転が加えられると、これに応じて、ピックアップ電極１６、１７の間の容量（すなわち、電荷）が変化するので、ピックアップ電極１６、１７の間の電荷をチャージアンプ３１で電圧に変換して等化増幅回路３２の利得制御増幅器３２４に与える。

等化増幅回路３２では、駆動バッファ２５の駆動振幅による検出素子１２の一次振動振幅に比例する９０度位相シフタ２３後の出力のレベル（例えば、出力の実効値Ｖrms）をレベル検出器３２１で検出し、検出されたレベルＶrmsとＶｒ発生器３２２から得られる基準電圧Ｖｒとを比較器３２３で比較する。すなわち、比較器３２３は、例えばレベル検出器３２１の出力Ｖrmsと基準電圧Ｖｒとの差に比例するか、又は差と共に線形に変化する電圧Ｖｃを出力する。ここでは、説明を簡単にするために、比較器３２３が検出されたレベルＶrmsと基準電圧Ｖｒとの差に比例する比較出力Ｖｃを出力するものとする。この場合、利得制御増幅器３２４は、比較器３２３の出力電圧Ｖｃがゼロ（Ｖrms＝Ｖｒ）ならば利得制御増幅器３２４の利得を所定の基準値とし、電圧Ｖｃが正（Ｖrms＞Ｖｒ）ならば利得制御増幅器３２４の利得を前述の基準値よりＶｃ相当分だけ小さくし、電圧Ｖｃが負（Ｖrms＜Ｖｒ）ならば利得制御増幅器３２４の利得を前述の基準値よりＶｃ相当分だけ大きくすることにより、検出回路３０最終出力（すなわち、０点調整・増幅器３６の出力）が検出素子１２の一次振動振幅の変動の影響を受けないようにする。

このため、検出素子１２の一次振動振幅を適切な間隔で変化させ、各振幅値に対して最終段の０点調整・増幅器３６の出力が一定となるように利得を調整する。なお、検出素子１２の一次振動振幅の増減量とチャージアンプ３１の出力信号の増減量は製品サンプルごとに異なる可能性があるので、利得の調整は、角速度センサ装置１ごとに検査段階で行うことが好ましい。

利得制御増幅器３２４の出力は、同期検波器３３において、９０度位相シフタ２３の出力と同期して検波され、検出素子１２の駆動振幅と検出素子１２に加えられる角速度に比例した信号となる。同期検波器３３の出力は、ＬＰＦ３５で高周波成分が除去され、０点調整・増幅器３６を経て出力される。

以上説明したように、本発明によれば、検出素子１２の駆動電圧自体は帰還制御を行うことなく、検出素子１２を駆動回路が許容する最大電圧つまり最大振幅で振動させ、温度特性の変化による誤差は、検出回路の増幅利得を調整することにより補正するので、センサ性能を最大限に生かしながら検出素子１２の特性変動に伴う測定誤差を補正することができる。

上述の例では、チャージアンプ２１を用いて増幅部２９を構成したが、図２に示すようにチャージアンプ２１の代わりに電流増幅器２１０を用いて増幅部２９ａを実現してもよい。この場合、９０度位相シフタ２３は不要となる。

本発明によれば、実際の動作において検出素子の一次振動振幅が変化した場合、この駆動振幅変化に応じて検出回路の利得を変化させることにより、角速度センサとしての特性変動を低減させることができる。また、温度特性変動による誤差修正のために駆動振幅を抑えて設定する必要がないので、常に最大振幅で駆動させることができ、センサ性能を最大限に生かすことが可能となる。

本発明の角速度センサ装置の実施の形態を示す略ブロック図である。 図１の増幅部に代えて用いることができる回路例のブロック図である。

符号の説明

１ 角速度センサ装置
１０ 角速度センサ
１２ 検出素子
１４ 駆動電極
１５ 駆動モニタ電極
１６、１７ ピックアップ電極
２０ 駆動回路
２１、３１ チャージアンプ
２２ ＡＣ増幅器
２３ ９０度位相シフタ
２４ 波形整形器
２５ 駆動バッファ
２９、２９ａ 増幅部
３０ 検出回路
３２ 等化増幅回路
３３ 同期検波器
３５ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
３６ ０点調整・増幅器
４０ 導線
２１０ 電流増幅器
３２１ レベル検出器
３２２ Ｖｒ（基準電圧）発生器
３２３ 比較器
３２４ 利得制御増幅器

Claims (1)

1. 検出素子を備えた振動型角速度センサと、
   前記角速度センサの駆動電極に接続されたチャージアンプ及び前記チャージアンプの後方に接続された９０度位相アンプとを備えた前記検出素子を振動させる駆動回路と、
   前記角速度センサのピックアップ電極に接続され、前記検出素子に加えられる角速度による二次振動に比例する信号を出力する検出回路を備え、
   前記駆動回路が、前記検出素子の一次振動のレベルを検出する検出手段を含み、前記駆動回路の許容する最大電圧で前記検出素子を振動させ、
   前記検出回路が、前記検出素子に加えられる角速度による二次振動を検出する手段と、前記一次振動のレベルを検出する検出手段により検出されたレベルと前記検出素子により定まる基準電圧とを比較する比較手段と、前記比較手段の出力に応じて前記二次振動を検出する手段の出力を調整する手段とを備えた振動型角速度センサ装置。