JP4608435B2

JP4608435B2 - 物理量測定装置

Info

Publication number: JP4608435B2
Application number: JP2005517148A
Authority: JP
Inventors: 昭二横井; 祥宏小林; 正行高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp; Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp; Seiko NPC Corp
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-01-19
Also published as: CN1764823B; EP1707919A1; KR100879156B1; CN1764823A; WO2005068938A1; US7441458B2; EP1707919B1; JPWO2005068938A1; EP1707919A4; KR20060126346A; US20050204814A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型ジャイロスコープ等の物理量測定装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
本出願人は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用することを検討した。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。本出願人は、特許文献１（特開平１１−２８１３７２号公報）には、主として平面内に延びる振動子を用いた、横置き型に適した振動型ジャイロスコープを提案した。
【先行義順文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２８１３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
振動型ジャイロスコープを製造する際には、自励発振回路を用いて、例えば水晶からなる駆動振動片に駆動振動を励振する。また、振動子上の検出電極から発信された出力電圧を処理することによって、回転角速度に対応する電圧値を得る。従来は、自励発振回路と検出回路とをディスクリートＩＣ上に形成していたが、製造工程数が多い。このため、本発明者は、モノリシックＩＣチップ上に自励発振回路と検出回路とを形成することによって、駆動−検出回路の量産を検討していた。
【０００５】
ところが、製造された同一仕様の多数の振動型ジャイロスコープについて、自励発振回路ごとに駆動電流を測定してみると、温度変化による駆動電流値の変動が大きいことが判明した。例えば車体制御システムにおいては、振動型ジャイロスコープは、幅広い環境温度、即ち高温と低温とにさらされる。このような使用温度範囲は、−４０℃〜＋８５℃の範囲にわたっている。このため、温度変化に伴って駆動電流が変化すると、駆動感度が変化し、この結果として検出電極からの出力電流も変化する。この結果、回転角速度の測定値に温度ドリフトが発生する。
【０００６】
また、検出電極からの出力電流を処理して、回転角速度に対応する検出電流を得るが、個々の振動型ジャイロスコープごとに、検出電流の測定値にバラツキが見られるようになった。これらの現象は、自励発振回路と検出回路とをディスクリートＩＣ上に形成していたときには見られないものであった。
【０００７】
本発明の課題は、振動子、振動子に駆動振動を励振する自励発振回路、および振動子からの検出信号を出力するための検出回路を使用し、検出信号に基づいて物理量を測定する装置において、少なくとも自励発振回路と検出回路とをモノリシックＩＣに形成した場合に、物理量に対応する検出感度の温度および振動子ごとの変動を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、振動子、この振動子に取り付けられた励振手段、振動子に駆動振動を励振する自励発振回路、および振動子からの検出信号を出力するための検出回路を使用し、検出信号に基づいて物理量を測定する装置であって、
自励発振回路が、振動子からの電流を電圧に変換しかつ抵抗器を有する電流／電圧変換器、電流／電圧変換器の下流に接続されておりかつ出力端が励振手段に接続されているコンパレータ、電流／電圧変換器の下流に接続されたローパスフィルター、このローパスフィルターの下流にある全波整流器、および全波整流器の下流にありかつ励振手段に接続される積分器を備えており、ローパスフィルターが抵抗器とコンデンサとを備えており、検出回路が、振動子からの出力信号を増幅するチャージアンプ回路を備えており、少なくとも電流／電圧変換器とチャージアンプ回路とがモノリシックＩＣに形成されており、ωがω０の５倍以上である（ωはローパスフィルターに入力される入力信号の角周波数であり、ω０はローパスフィルターの固有角周波数である）ことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、従来の自励発振回路１２を示す回路図である。
【図２】図２は、従来例の自励発振回路１２および検出回路１３を示す回路図である。
【図３】図３は、電流／電圧変換器３の構成例の一例を示す回路図である。
【図４】図４は、検出回路の構成例を示す回路図である。
【図５】図５は、チャージアンプ回路の構成例を示す回路図である。
【図６】図６は、ローパスフィルターの構成例を示す回路図である。
【図７】図７は、本発明例に係る自励発振回路１２Ａを示す回路図である。
【図８】図８は、本発明例に係る自励発振回路１２Ａおよび検出回路１３を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を適宜参照しつつ、本発明について説明する。
図１は、従来の自励発振回路１２を示す模式図である。振動子１には励振手段２が取り付けられており、励振手段２は自励発振回路１２に対して接続されている。自励発振回路１２は、電流／電圧増幅器（交流増幅器）３、ハイパスフィルタ５、コンパレータ６、全波整流器８，積分器１０、抵抗器を備えている。
【００１１】
起動時には、自励発振回路１２に対して起動回路から雑音を入力する。この雑音は、振動子１の駆動部を通過して周波数選択を受け、次いで矢印Ａのように電流／電圧変換器３に入力され、増幅されて電圧値に変換される。電流／電圧変換器３からの出力信号の一部を取り出し、全波整流器８に入力し、振幅の水準（大きさ）に変換する。５はハイパスフィルタであり、９は基準電圧源である。この振幅の信号を積分器１０に入力する。自励発振装置１２は、図示しない診断回路に連結されており、診断回路の出力はＤＩＡＧ端子を通して外部に出力される。
【００１２】
起動後の初期段階では、振動子１において雑音の大部分がカットされるため、全波整流器８からの出力が比較的小さい。このため、積分器１０における出力電圧を大きくし、発振ループを一周する間のループゲインが１より大きくなるようにする。時間が経過すると、整流器８からの出力が大きくなるので、積分器１０における出力電圧を小さくし、ループゲインが１になるようにする。
【００１３】
図２は、本例で使用する自励発振回路１２および検出回路１３を示すブロック図である。電流／電圧変換器３は、並列接続された抵抗器３ａおよびオペアンプ３ｂからなる。検出回路１３については後述する。
【００１４】
図３は、典型的な電流／電圧変換器３の構成を示すブロック図である。抵抗器３ａとオペアンプ３ｂとが並列接続されており、オペアンプ３ｂのマイナスおよびプラス端子が入力端子となる。出力電圧値は、Ａ×［（＋端子での電圧）−（−端子での電圧）］（Ａは１よりも十分に大きい）となる。＋端子での電圧は０ボルトのため、出力電圧を確定させるためには、−端子での電圧も０ボルトとなる必要がある。ここで入力電流値をｉとすると、−端子での電圧は０ボルトであるため、出力端子における電圧は（−Ｒ×ｉ）となる（Ｒは抵抗器３ａの抵抗値である）。
【００１５】
ここで、本発明者の検討によると、シリコンウエハ上に形成された抵抗器３ａの抵抗値Ｒは温度特性が悪く、例えば１０００ｐｐｍ以上の温度特性を有していた。この結果、接点４において駆動電流値を測定したときに、駆動電流値の温度変動が大きくなったものと考えられる。
【００１６】
図４は、検出回路の一例を示すブロック図である。振動子１に設けられた検出手段１５ａ、１５ｂからの各出力信号を、それぞれチャージアンプ１６Ａ、１６Ｂによって増幅し、各出力信号の差を作動アンプ１７によって増幅する。次いで、ハイパスフィルタ１８、アンプ１９を通過させる。一方、駆動信号の一部を派生させ、この派生信号を位相検波器３０に入力し、振動子１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２０、アンプ２１に通し、この出力を端子２２から外部に取り出す。
【００１７】
チャージアンプ回路１６Ａ、１６Ｂの構成例を図５に示す。本回路は、並列接続されたコンデンサ１６ａとオペアンプ１６ｂとからなる。オペアンプ１６ｂのマイナスおよびプラス端子が入力端子となる。＋端子での電圧は０ボルトのため、出力電圧を確定させるためには、−端子での電圧も０ボルトとなる必要がある。ここで入力電流値をｉとすると、−端子での電圧は０ボルトであるため、出力端子における電圧は（−ｉ／ωＣ）となる（Ｃはコンデンサ１６ａの容量である）。
【００１８】
ここで、ウエハ上に形成されたコンデンサの容量は、ウエハ間におけるバラツキが大きく、例えば２０％程度となる。このため、ウエハごとに、振動子からの出力信号をチャージアンプ回路によって増幅した後の電圧値が異なり、バラツキが発生する。
【００１９】
ここで、本発明においては、自励発振回路中にローパスフィルターを設ける。図６は、典型的なローパスフィルター２５の構成例を示す。ローパスフィルター２５は抵抗器２５ａとコンデンサ２５ｂとからなっており、コンデンサ２５ｂがアースされている。こうしたローパスフィルターにおいては、入力と出力との関係は式１で表される。
【００２０】
【数１】

【００２１】
ここで、ωは入力信号の角周波数であり、ω０はローパスフィルターの固有角周波数である。そして、式２の近似式により、式１の（出力／入力）は、（１／Ｒ_ｌ・Ｃ_ｌ）にほぼ比例することが導かれる。
【００２２】
【数２】

【００２３】
ただし、Ｃ_ｌはローパスフィルターのコンデンサの容量であり、Ｒ_ｌはローパスフィルターの抵抗の抵抗値である。
【００２４】
本発明においては、例えば図７に示すように、電流／電圧変換器３の下流にローパスフィルター２５を設置し、ローパスフィルター２５の出力を全波整流器８に入力する。ここで、電流／電圧変換器３を構成する抵抗器の抵抗値Ｒは、一つのウエハ内では同一である。そして、電流／電圧変換器３における増幅率は、前述のように抵抗器の抵抗値Ｒに比例している。また、ローパスフィルター２５における増幅率は、前述のように（１／Ｒ_ｌ・Ｃ_ｌ）に比例している。従って、測定電流値は、Ｒ×（１／Ｒ_ｌ・Ｃ_ｌ）に比例する。この結果、自励発振回路における測定電流値は、電流／電圧変換器の抵抗器Ｒに基づく温度特性が、ローパスフィルターの備える抵抗Ｒ_ｌの温度特性によって消去されるので、（１／Ｃ_ｌ）に比例するようになる
【００２５】
ここで、自励発振回路１２、１２Ａは、測定した電流値（接点４の下流で測定した電流値）を一定値に制御する回路である。従って、測定電流が（１／Ｃ_ｌ）に比例することから、駆動電流値はＣ_ｌに比例し、これによってループゲインが１となるように調整される。検出感度は駆動電流値に比例する。従って、検出感度は、ローパスフィルターを構成するコンデンサの容量Ｃ_ｌに比例することになる。これは、検出感度の温度特性が、ローパスフィルターを構成するコンデンサの容量Ｃ_ｌの温度特性に比例することを意味する。
【００２６】
また、検出回路においては、チャージアンプ回路の検出感度は、前述のように（１／Ｃ）に比例する。
【００２７】
従って、自励発振回路と検出回路との両方を含む全体の検出感度は、駆動電流値とチャージアンプ回路の検出感度との積に比例するので、Ｃ×（１／Ｃ_ｌ）に比例することになる。チャージアンプ回路のコンデンサの容量Ｃの温度特性、ローパスフィルターのコンデンサの容量Ｃ_ｌの温度特性は類似しているので、Ｃ×（１／Ｃ_ｌ）の温度特性は小さい。従って、自励発振回路および検出回路を含む全体の感度は、抵抗器の抵抗値Ｒの温度特性、およびコンデンサの容量Ｃのウエハごとのバラツキの影響を受けないことになる。
【００２８】
上記した温度特性消去という観点から、式２において、ローパスフィルターの増幅率は、（１／Ｒ_ｌ・Ｃ_ｌ）に完全に比例する必要はないが、（１／Ｒ_ｌ・Ｃ_ｌ）にできるだけ比例することが好ましい。この観点からは、ローパスフィルターの増幅率の（１／Ｒ_ｌ・Ｃ_ｌ）に対する比例係数は０．９倍以上であることが好ましく、０．９５倍以上であることが更に好ましい。また、ローパスフィルターの増幅率の（１／Ｒ_ｌ・Ｃ_ｌ）に対する比例係数は１．１倍以下であることが好ましく、１．０５倍以下であることが更に好ましい。
【００２９】
また、このためには、ωがω_０に比べて充分に大きいことが好ましい。この大きさは特に限定されないが、ωがω_０の５倍以上であることが好ましく、６倍以上であることが更に好ましく、８倍以上であることが最も好ましい。
【００３０】
図８は、本発明の一実施形態に係る自励発振回路１２Ａおよび検出回路１３を示す回路図である。自励発振回路１２Ａの動作は前述の通りである。振動子１に設けられた検出手段１５ａ、１５ｂからの各出力信号を、それぞれチャージアンプ１６Ａ、１６Ｂによって増幅し、各出力信号の差を作動アンプ１７によって増幅する。次いで、ハイパスフィルタ１８、アンプ１９を通過させる。一方、駆動信号の一部を派生させ、この派生信号を位相検波器３０に入力し、振動子１からの出力信号を検波する。検波後の出力信号を、ローパスフィルター２０、アンプ２１に通し、この出力を端子２２から外部に取り出す。
【００３１】
本発明において測定されるべき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。
【００３２】
また、電流／電圧変換器とローパスフィルターが同一モノリシックＩＣ上に形成される場合は特に効果がある。更に、チャージアンプ回路も同一モノリシックＩＣ上に形成した場合は特に好ましい。
【００３３】
ローパスフィルターの構成は特に限定されず、例えば低コストのＣＲフィルターを好適に使用できる。
【００３４】
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。
【００３５】
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。振動子を構成する材質としては、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。
【実施例】
【００３６】
（実施例１）
以下、図５〜図８を参照しつつ説明したような回路を構成し、駆動実験を行った。振動子としては、特開平１１−２８１３７２号公報に記載の振動子を使用した。この振動子は、２本の駆動振動片と、駆動振動片とは独立的に振動する２本の検出振動片とを備えている。起動回路から周波数１００〜５００ｋＨｚの雑音を発生させ、自励発振回路１２Ａに入力し、自励発振を開始した。駆動振動片の固有共振周波数は４５ｋＨｚである。ローパスフィルターのカットオフ周波数は５ｋＨｚとする。
【００３７】
この結果、−４０℃〜＋８５℃の範囲内における検出感度には±２％のバラツキがあった。また、１０個の振動型ジャイロスコープを作製して検出感度のバラツキを測定したところ、検出感度には±２％のバラツキがあった。
【００３８】
（比較例１）
実施例１において、自励発振回路からローパスフィルターを取り除いた。これ以外は実施例１と同様にして振動型ジャイロスコープを作製した。この結果、−４０℃〜＋８５℃の範囲内における検出感度には±１０％のバラツキがあった。また、１０個の振動型ジャイロスコープを作製して検出感度のバラツキを測定したところ、±２０％のバラツキがあった。

Claims

振動子、この振動子に取り付けられた励振手段、前記振動子に駆動振動を励振する自励発振回路、および前記振動子からの検出信号を出力するための検出回路を使用し、前記検出信号に基づいて物理量を測定する装置であって、
前記自励発振回路が、前記振動子からの電流を電圧に変換しかつ抵抗器を有する電流／電圧変換器、前記電流／電圧変換器の下流に接続されておりかつ出力端が前記励振手段に接続されているコンパレータ、前記電流／電圧変換器の下流に接続されたローパスフィルター、このローパスフィルターの下流にある全波整流器、および前記全波整流器の下流にありかつ前記励振手段に接続される積分器を備えており、前記ローパスフィルターが抵抗器とコンデンサとを備えており、前記検出回路が、前記振動子からの出力信号を増幅するチャージアンプ回路を備えており、少なくとも前記電流／電圧変換器と前記チャージアンプ回路とがモノリシックＩＣに形成されており、ωがω０の５倍以上である（ωは前記ローパスフィルターに入力される入力信号の角周波数であり、ω０は前記ローパスフィルターの固有角周波数である）ことを特徴とする、物理量測定装置。
前記自励発振回路の前記ローパスフィルターの下流における電流値がほぼ（１／Ｃ_ｌ）に比例する（Ｃ_ｌは前記ローパスフィルターの前記コンデンサの容量である）ことを特徴とする、請求項１記載の装置。
前記自励発振回路と前記検出回路とが前記モノリシックＩＣに形成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。