JP4573017B2

JP4573017B2 - 振動子を用いた検出方法および検出装置

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Publication number: JP4573017B2
Application number: JP2001161902A
Authority: JP
Inventors: 石川　　誠司; 菊池　　尊行
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2021-05-30
Also published as: JP2002350139A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子を用いた検出方法および検出装置、例えば振動型ジャイロスコープに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動型ジャイロスコープを例えば車両に搭載し、車両の方向制御に使用することが試みられている。こうした用途においては、振動型ジャイロスコープは電池によって駆動されているので、できる限り消費電力を減らし、電池の寿命を長くすることが必要である。
【０００３】
カメラ用途において、振動型ジャイロスコープの消費電力を減らすための技術として、特開２０００−２８４３３６号公報が知られている。この公報には手振れ補正機能付きカメラが記載されている。即ち、カメラに角速度センサーを内蔵し、角速度センサーからの出力に基づいて手振れを検出し、この手振れに基づいて画面を補正する。そして、通常時は角速度センサーへの電力供給を停止して休止させる。カメラに把持状態検出部を設け、この検出部が人の手で把持されたことを検出する。そして、手による把持を検出すると、角速度センサーへの電力供給を再開して起動させ、手振れの補正を開始する。これによって、必要最小限の時間のみ角速度センサーを動かすようにし、センサーの消費電力を削減している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば車載用途の振動型ジャイロスコープにおいては、振動型ジャイロスコープを起動してから短時間で正常な動作を開始させ、車両の位置の検出を始めることが必要不可欠である。しかし、振動型ジャイロスコープの振動子は、例えば水晶、ニオブ酸リチウムといった強誘電性単結晶からなっており、Ｑ値が非常に高い。このため、例えば車両を発進させたときにジャイロを起動すると、起動後に振動型ジャイロスコープの動作が安定化するまでの時間が長く、ジャイロの動作が安定化するまでの間は車両の方向および位置を確認できないことになる。このため、車両の位置制御への利用が困難となる。
【０００５】
本発明の課題は、振動子に駆動振動を励振し、振動子に印加される物理量を、振動子から得られた検出信号に基づいて検出するのに際して、検出装置の消費電力を低減すると共に、検出装置の動作が安定化するまでの立ち上がり時間を短くできるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、振動子に印加される物理量を検出する方法であって、
振動子およびこの振動子の制御回路を使用し、制御回路が、振動子に駆動振動を励振するための駆動回路、および振動子の駆動振動および物理量に基づいて振動子から出力される出力信号を処理し、物理量に対応する検出信号を出力する検出回路を備えており、検出回路が、振動子から出力される出力信号を増幅する交流増幅回路と、この交流増幅回路からの出力を直流信号に変換し、増幅する直流増幅回路とを備えており、物理量の検出を行わないときに制御回路の一部への供給電力を低下させ、物理量の検出を行わないときに交流増幅回路への供給電力を定格に維持し、交流増幅回路から出力された交流信号に基づいて、制御回路のうち供給電力が低下している部分への供給電力を定格電力へと復元させることを特徴とする、検出方法に係るものである。
【０００７】
また、本発明は、振動子に印加される物理量を検出する装置であって、振動子およびこの振動子の制御回路を備えており、制御回路が、
振動子に駆動振動を励振するための駆動回路、
振動子の駆動振動および物理量に基づいて振動子から出力される出力信号を処理し、物理量に対応する検出信号を出力する検出回路、および
制御回路への供給電力を制御し、物理量の検出を行わないときに制御回路の一部への供給電力を低下させる電源制御装置を備えており、
検出回路が、振動子から出力される検出信号を増幅する交流増幅回路と、この交流増幅回路からの出力を直流信号に変換し、増幅する直流増幅回路と、交流増幅回路から出力された交流信号をチェックするチェック回路とを備えており、物理量の検出を行わないときに交流増幅回路への供給電力を定格に維持し、チェック回路に入力された交流信号に基づいて、制御回路のうち供給電力が低下している部分への供給電力を定格電力へと復元させることを特徴とする、検出装置に係るものである。
【０００８】
本発明によれば、物理量の検出を行わないときに制御回路の一部への供給電力を低下させており、制御回路の全体への供給電力を一括して停止することは行なわない。これによって、制御回路のうち、動作の立ち上がり易い領域への供給電力を選択的に低下させ、動作の安定化までに時間のかかる領域への供給電力は低下させないようにできる。この結果、制御回路の一部への供給電力を低下させることによって、検出装置の消費電力を低減できる。これと同時に、検出装置の動作が安定化するまでの立ち上がり時間を短くできる。
そして、交流増幅回路の動作を維持してその出力をモニターし、交流増幅回路の出力をトリガーとして利用するようにした。この結果、交流増幅回路からの出力が、所定の一定値を超えたり、あるいは急激に変化した場合に、検出装置を起動することができる。
【０００９】
ここで、物理量は特に限定はされない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、検出装置としては慣性センサーが好ましい。
【００１０】
「制御回路の一部への供給電力を低下させる」とは、供給電力をその部分の定格電力に対して低下させることを言う。即ち、供給電力をゼロにまで低下させる場合（供給電力を停止する場合）と、供給電力の値を定格電力に比べて低い、ゼロを超える値にまで低下させる場合とを含む。供給電力を定格電力に比べて低くする場合には、供給電力を定格電力の５０％以下とすることが好ましく、２０％以下とすることが一層好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
好適な実施形態においては、駆動回路が振動子の自励発振回路を備えており、この自励発振回路が振幅制御回路を備えており、物理量の検出を行わないときに振幅制御回路への供給電力を低下させる。自励発振回路は、振動子を一定周波数で発振させるための励振回路の一種である。
【００１２】
自励発振回路は、起動回路と、周波数制御のための交流増幅器と、振幅制御回路（ＡＧＣ回路）とを備えている。振幅制御回路においては、振幅の変動を抑制し、一定の振幅値が出力されるようにする。振動子に印加される駆動信号の振幅が一定でないと、振動子から出力されるべき検出信号の値も一定とならず、正確な測定を行うことができない。
【００１３】
この実施形態においては、振幅制御回路への供給電力を低下させる。この際、駆動回路の周波数制御回路への供給電力は低下させないこととする。
駆動回路においては、まず周波数制御回路の発振周波数が安定化するまでに時間がかかるので、ジャイロ停止時にも周波数制御回路への供給電力は一定に維持し、発振周波数は安定な状態に維持しておく。その上で、ジャイロ起動時には振幅制御回路を起動し、起動後に振幅の変動を調節するようにした。この結果、駆動回路の全体を停止させ、次いで起動する場合に比べると、駆動回路から発振する駆動信号の周波数と振幅とが規定値に達するまでの時間を短くできる。
【００１４】
振幅制御回路への供給電力を低下させる場合、駆動回路から発振する信号の振幅は、定格振幅かその近辺に維持しておくことが好ましい。なぜなら、ジャイロの停止時に振幅を一定値に維持しておき、ジャイロを起動させた場合には、振幅の細かい変動を振幅制御回路によって抑制するだけでよいので、振幅安定化までに要する時間が短いからである。この観点からは、ジャイロ停止時の駆動回路から発振する信号の振幅は、定格振幅の５０％以上とすることが好ましく、７０％以上とすることが一層好ましい。
【００１５】
好適な実施形態においては、物理量の検出を行わないときに検出回路の少なくとも一部への供給電力を低下させる。即ち、例えばＱ値の高い強誘電性単結晶からなる振動子を用いて物理量の検出を行う場合には、駆動信号の変化に対して、振動子が敏感に反応する。このため、一般に、振動子の振動（周波数および振幅）が実際に安定化するまでには比較的に時間がかかる。これに対して、検出回路の場合にはこうした問題がなく、比較的迅速に立ち上がる。従って、本実施形態においては、物理量の検出を行わないときに検出回路の一部への供給電力を低下させる。
【００１６】
好適な実施形態においては、検出回路が、振動子から出力される出力信号を増幅する交流増幅回路と、この交流増幅回路からの出力を直流信号に変換し、増幅する直流増幅回路とを備えており、物理量の検出を行わないときに少なくとも直流増幅回路への供給電力を低下させる。
【００１７】
即ち、検出回路が直流増幅回路と交流増幅回路とを備えている場合には、通常、直流増幅回路の消費電力が相対的に大きい。従って、本実施形態においては、直流増幅回路への供給電力を低下させ、交流増幅回路の動作は維持しておく。これによって、効果的な節電が可能となる。
【００１８】
本発明においては、検出回路が、振動子から出力される出力信号を増幅する交流増幅回路と、この交流増幅回路からの出力を直流信号に変換し、増幅する直流増幅回路とを備えている。
【００１９】
そして、物理量の検出を行わないときに交流増幅回路への供給電力を定格に維持し、交流増幅回路から出力された交流信号に基づいて、制御回路のうち供給電力が低下している部分への供給電力を定格電力へと復元させる。
【００２０】
この実施形態においては、交流増幅回路の動作を維持してその出力をモニターし、直流増幅回路への供給電力を低下させ、交流増幅回路の出力をトリガーとして利用するようにした。この結果、交流増幅回路からの出力が、所定の一定値を超えたり、あるいは急激に変化した場合に、検出装置を起動することができる。
【００２１】
この実施形態において特に好ましくは、物理量の検出を行わないときに少なくとも消費電力の大きい直流増幅回路への供給電力を低下させ、交流増幅回路から出力された交流信号に基づいて、直流増幅回路への供給電力を定格電力へと復元させる。
【００２２】
一実施形態においては、物品に加速度センサーを取り付けることによって、物品に不規則な加速度が加わったことを検知する。この場合には、物品に取り付けられた加速度センサーの検出回路において、交流増幅回路からの出力は、物品に不規則な加速度が加わったことを検知し、大きく変動する。この変動をチェック回路によって検知し、直流増幅回路を起動する。
【００２３】
他の実施形態においては、物品の姿勢の変化を検出する角速度センサーを物品に取り付ける。物品が落下したり、変形したり、物品に衝撃が加わったりしていた場合には、物品に大きな回転角速度が加わる。本発明では、物品に不規則な加速度が加わったことを検知する。この場合には、物品に取り付けられた角速度センサーの検出回路において、交流増幅回路からの出力は、物品に不規則な角速度が加わったことを検知し、大きく変動する。この変動をチェック回路によって関知し、直流増幅回路を起動する。
【００２４】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しつつ更に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る制御回路１および検出装置を示すブロック図であり、図２、図３、図４は、図１の装置の動作を説明するためのフローチャートである。本検出装置は、回転角速度を測定するための振動型ジャイロスコープである。
【００２５】
制御回路１は、駆動回路２と検出回路３とを備えている。駆動回路２は、振動子の駆動振動部５を励振するためのものである。駆動回路２には、自励発振回路２２と診断回路９とが設けられている。そして、起動回路４によって自励発振回路を起動する。振動子の駆動振動部５は、交流増幅回路７、１０とＡＧＣ回路８とに連結されている。また、ＡＧＣ回路８は診断回路９に連結されており、診断回路の出力はＤＩＡＧ端子を通して外部に出力される。自励発振回路それ自体の動作は周知である。駆動信号の波形は限定されないが、好ましくは正弦波、余弦波あるいは矩形波である。
【００２６】
検出回路３には、交流増幅回路２０、直流増幅回路１９および電源制御装置１６が設けられている。交流増幅回路においては、振動子の検出部６Ａ、６Ｂからの検出信号（交流）を交流増幅器１１Ａ、１１Ｂを用いて増幅し、各増幅器からの出力を加算器１２によって加算する。振動子から出力される出力信号は、回転角速度の大きさを反映する真正の検出信号の他、漏れ信号と、寄生容量との結合による偽信号とを含んでいる。
【００２７】
一方、駆動回路で使用中の駆動信号の一部を派生信号として分岐させる。この派生信号は、そのもととなる駆動信号と同じ周波数と位相とを有するものとする。
【００２８】
真正の検出信号は、派生信号と同じ周波数を有しており、かつ派生信号とは９０°位相がずれているはずである。これは、振動子が、コリオリ力を利用して回転角速度の検出を行っているからである。
【００２９】
これに対して、駆動信号によって振動子内に引き起こされた駆動振動は、そのまま機械的に振動子を伝搬して検出手段６Ａ、６Ｂに伝わり、検出信号内に漏れ信号を発生させる。漏れ信号の周波数および位相は、そのもととなる駆動信号および派生信号の周波数および位相と同じである。従って、派生信号と漏れ信号とは同位相であり、回転角速度を反映した真正の検出信号の位相とは９０°ずれている。
【００３０】
派生信号を移相器１３に通し、移相信号を得る。移相信号の位相は、漏れ信号の位相とは例えば９０°ずれているはずである。この移相信号を位相検波器に入力し、振動子からの出力信号を検波する。この結果、検波後の出力信号においては、不要な漏れ信号は消去されており、あるいは少なくとも低減されているはずである。この検波後の出力信号をローパスフィルター１７に入力し、平滑化し，次いで０点調整回路に入力する。この出力を外部に取り出す。
【００３１】
本発明においては、電源制御装置１６をＡＧＣ回路８、移相器１３、位相検波器１４、ローパスフィルター１７、０点調整回路１８に対して接続し、これらの電圧を、互いに独立の状態で別個に制御できるようになっている。また、交流増幅回路２０の出口は、入力チェック回路１５に向かって分岐しており、チェック回路１５の出力が電源制御装置１６に接続されている。更に、外部のトリガー信号入力部２４も電源制御装置に接続されている。
【００３２】
以下、制御回路１の動作を、図２−図４を参照しつつ概略的に説明する。まず図２に示すように、制御回路を起動し（Ｓ２）、振動子を駆動し、駆動状態が安定化してから回転角速度の測定を行う（Ｓ４）。測定工程Ｓ４においては、回転角速度を測定するか、あるいは本発明に従って制御回路の一部への供給電力を低減する。次いで、振動型ジャイロスコープの動作が不要であれば、制御回路の全体を停止し（Ｓ６）、処理を終了する。
【００３３】
制御回路を起動した後には、図３に示すように、回転角速度の測定の有無を選択する（Ｓ８）。そして、回転角速度の測定を選択しない（ＮＯ）場合には、測定工程を終了するかどうかを選択する（Ｓ１４）。Ｓ１４において（ＹＥＳ）を選択すると、測定工程Ｓ４は終了する。Ｓ１４において測定工程を終了しない場合には、電源低減工程Ｓ１６に移行する。
【００３４】
Ｓ８において回転角速度の測定を選択した場合（ＹＥＳ）には、振動子からの検出信号を、交流増幅回路、直流増幅回路において処理し、処理済の検出信号を出力する（Ｓ１０）。次いで、検出信号の処理を継続するかどうかを選択する（Ｓ１２）。処理継続を選択した場合には、Ｓ１０に戻る。出力処理継続を選択しない場合（ＮＯ）には、測定工程の終了の可否を選択する（Ｓ１４）。
【００３５】
検出信号の処理継続を選択せず、かつ測定工程は終了しない場合には、次の測定に備えて電力低減工程Ｓ１６に入る。Ｓ１６においては、図４に示すように、まず、ＡＧＣ回路８、移相器１３、直流増幅回路１９への供給電力を低下させ、待機モードに入る（Ｓ１８）。次にトリガー信号が電源制御装置１６に入力されるまで、この待機モードが継続する。交流増幅回路２０からの出力の一部を入力チェック回路１５においてモニターし、出力が設定値の範囲内であり（ＹＥＳ）、かつ外部からのトリガー信号の入力がない（Ｓ２２、ＮＯ）の場合には、待機状態を継続する（引き続き交流増幅回路の出力と外部からのトリガー信号の入力の有無を監視する）。交流増幅回路の出力が設定値を超えた場合には（Ｓ２０、ＮＯ）、ＡＧＣ回路、移相器、直流増幅回路への入力電力を定格電力に復元させ（Ｓ２４）、電力低減工程Ｓ１６を終了し、振動子からの検出信号の処理を開始する（Ｓ１０）。外部からのトリガー信号の入力があった場合（Ｓ２２、ＹＥＳ）にも同様とする。
【００３６】
直流増幅回路を構成する電子素子は特に限定されず、広い意味で交流信号を平滑化させる処理と、増幅処理とに利用可能な素子を含む。また、交流増幅回路を構成する電子素子は特に限定されず、交流増幅器の他、加算器、減算器、乗算器のような算術素子を含む。
【００３７】
振動子の構成は特に限定されない。振動子を構成する材質のＱ値は、３０００以上であることが好ましく、１００００以上であることが一層好ましい。こうした材質としては、エリンバー等の恒弾性合金、強誘電性単結晶（圧電性単結晶）を例示できる。こうした単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ホウ酸リチウム、ランガサイトを例示できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、振動子に駆動振動を励振し、振動子に印加される物理量を、振動子から得られた検出信号に基づいて検出するのに際して、検出装置の消費電力を低減すると共に、検出装置の動作が安定化するまでの立ち上がり時間を短くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る制御回路１および検出装置を示すブロック図である。
【図２】図１の装置の動作の各工程を概略的に示すフローチャートである。
【図３】回転角速度の測定工程を概略的に示すフローチャートである。
【図４】電力低減工程を概略的に示すフローチャートである。
【符号の説明】
１制御回路２駆動回路３検出回路
４起動回路５振動子（駆動部分）６Ａ、６Ｂ振動子（検出部分）７、１０増幅器８ＡＧＣ回路（振幅制御回路）１１Ａ、１１Ｂ各検出部分からの検出信号を増幅する交流増幅器１２加算器１３移相器１４位相検波器１５入力直流増幅回路１６電源制御装置１７ローパスフィルター１８０点調整回路１９直流増幅回路２０交流増幅回路２２自励発振回路２４トリガー信号入力部

Claims

振動子に印加される物理量を検出する方法であって、
振動子およびこの振動子の制御回路を使用し、前記制御回路が、前記振動子に駆動振動を励振するための駆動回路、および前記振動子の前記駆動振動および前記物理量に基づいて前記振動子から出力される出力信号を処理し、前記物理量に対応する検出信号を出力する検出回路を備えており、前記検出回路が、前記振動子から出力される前記出力信号を増幅する交流増幅回路と、この交流増幅回路からの出力を直流信号に変換し、増幅する直流増幅回路とを備えており、前記物理量の検出を行わないときに前記制御回路の一部への供給電力を低下させ、前記物理量の検出を行わないときに前記交流増幅回路への供給電力を定格に維持し、前記交流増幅回路から出力された交流信号に基づいて、前記制御回路のうち前記供給電力が低下している部分への供給電力を定格電力へと復元させることを特徴とする、検出方法。
前記物理量の検出を行わないときに前記検出回路の少なくとも一部への供給電力を低下させることを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記物理量の検出を行わないときに前記直流増幅回路への供給電力を低下させ、前記交流増幅回路から出力された交流信号に基づいて、前記直流増幅回路への供給電力を定格電力へと復元させることを特徴とする、請求項２記載の方法。
前記駆動回路が前記振動子の自励発振回路を備えており、この自励発振回路が振幅制御回路を備えており、前記物理量の検出を行わないときに前記振幅制御回路への供給電力を低下させることを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記物理量が、慣性の変化を反映する物理量であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の方法。
振動子に印加される物理量を検出する装置であって、振動子およびこの振動子の制御回路を備えており、前記制御回路が、
前記振動子に駆動振動を励振するための駆動回路、
前記振動子の前記駆動振動および前記物理量に基づいて前記振動子から出力される出力信号を処理し、前記物理量に対応する検出信号を出力する検出回路、および
前記制御回路への供給電力を制御し、前記物理量の検出を行わないときに前記制御回路の一部への供給電力を低下させる電源制御装置を備えており、
前記検出回路が、前記振動子から出力される前記検出信号を増幅する交流増幅回路と、この交流増幅回路からの出力を直流信号に変換し、増幅する直流増幅回路と、前記交流増幅回路から出力された交流信号をチェックするチェック回路とを備えており、前記物理量の検出を行わないときに前記交流増幅回路への供給電力を定格に維持し、前記チェック回路に入力された前記交流信号に基づいて、前記制御回路のうち前記供給電力が低下している部分への供給電力を定格電力へと復元させることを特徴とする、検出装置。
前記物理量の検出を行わないときに前記検出回路の少なくとも一部への供給電力を低下させることを特徴とする、請求項６記載の装置。
前記物理量の検出を行わないときに前記直流増幅回路への供給電力を低下させ、前記交流増幅回路から出力された交流信号に基づいて、前記直流増幅回路への供給電力を定格電力へと復元させることを特徴とする、請求項７記載の装置。
前記駆動回路が前記振動子の自励発振回路を備えており、この自励発振回路が振幅制御回路を備えており、前記物理量の検出を行わないときに前記振幅制御回路への供給電力を低下させることを特徴とする、請求項６記載の装置。
前記検出装置が慣性センサーであることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか一つの請求項に記載の装置。
前記検出回路が、前記振動子を駆動させるための信号からの派生信号の位相を変化させ、移相信号を得るための移相器、および
前記振動子の出力信号を前記移相信号を用いて検波するための位相検波器を備えていることを特徴とする、請求項６〜１０のいずれか一つの請求項に記載の装置。