JP4935069B2 - 角速度センサ - Google Patents

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Description

本発明は、各種電子機器に用いる角速度センサに関するものである。
以下、従来の角速度センサについて説明する。
図５は従来の角速度センサのブロック図、図６は同角速度センサのノイズ成分検知時の図５の（ａ）点〜（ｇ）点の波形図、図７は同角速度センサの歪成分検知時の図５の（ａ）点〜（ｇ）点の波形図である。
図５において、従来の角速度センサは、振動子２と、この振動子２を振動させるための駆動回路４と、コリオリ力（慣性力）に起因して振動子２に生じる歪を検知するための検知回路６とを備えている。振動子２には、音叉形状、Ｈ形状、Ｔ形状、音片形状等、各種の形状のものがあるが、この振動子２を振動させて、コリオリ力の発生に伴う振動子２の歪を電気的に検知して角速度を算出するものである。
振動子２には、駆動回路４からのドライブ信号により振動子２を振動させるための駆動手段８が設けられるとともに、コリオリ力（慣性力）に起因して振動子に生じる歪を検知信号として検知回路６に出力する第１検知手段１０と第２検知手段１２が設けられている。
また、振動子２には、振動状態をモニタするモニタ手段１４が設けられ、モニタ手段１４から出力されたモニタ信号が検波器１６で検波されて、検波信号が取り出される。
一方、第１検知手段１０および第２検知手段１２から出力された２つの検知信号は、差動アンプ１８により互いに差動信号として取り出され、位相シフタ２０によって位相を９０度シフト（遅延）したシフト信号を形成するとともに、さらに、そのシフト信号の一部は反転アンプ２２により位相を１８０度反転して反転信号を形成する。
これらシフト信号と反転信号とが検波信号を基に同期検波回路２４により同期検波されて同期検波信号が取り出される。さらに、後処理回路２６により平滑処理されて出力信号が取り付され、この出力信号に基づき角速度が算出される。一般に、検知信号には、コリオリ力に起因して振動子２に生じた歪に基づく歪成分の他に、ノイズ成分が混合された信号となっているので、このノイズ成分を除去して歪成分だけを取り出し、角速度が算出されている。
角速度センサのノイズ成分検知時の図５（ａ）点〜（ｇ）点の波形図は図６に示すようになり、歪成分検知時の図５（ａ）点〜（ｇ）点の波形図は図７に示すようになり、実際には、これら図６と図７の波形が合成された合成波形から角速度が算出される。
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００２−２４３４５１号公報
上記構成において、図６に示す反転信号は、図５に示す反転アンプ２２を通してシフト信号が反転されているので、この反転アンプ２２に起因した位相遅れが生じる。すなわち、反転信号はシフト信号に対して完全に反転しておらず、図６に示すように反転信号はシフト信号に対して（ｔ）時間だけ位相ずれしている。このため、この（ｔ）時間の位相ずれ分は同期検波信号が平滑化された際に、出力信号として出力される。
一般的には、反転信号はシフト信号に対して完全に反転させるようにして、ノイズ成分が出力信号として出力されないようにしているので、出力信号は歪成分だけの出力として認識される。
しかし、上記構成は、（ｔ）時間の位相ずれ分に起因してノイズ成分が出力信号として出力されるため、この出力信号が歪成分の出力信号と混在して、角速度が生じていないにもかかわらず、角速度が生じていると誤認識されるという問題点を生じていた。
本発明では上記問題点を解決し、ノイズ成分が出力されないようにして、角速度の誤認識を抑制した角速度センサを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために本発明は、振動子と、前記振動子を振動させるための駆動回路と、慣性力に起因して前記振動子に生じる歪を検知するための検知回路と、を備え、前記振動子は、第１の検知信号を出力する第１の検知手段と、前記第１の検知信号と位相が反転している第２の検知信号を出力する第２の検知手段と、を有し、前記検知回路は、前記第１の検知信号を基準として、前記第２の検知信号との差動を第１の差動信号として出力する第１の差動アンプと、前記第２の検知信号を基準として、前記第１の検知信号との差動を第２の差動信号として出力する第２の差動アンプと、前記第１の差動信号および第２の差動信号を同期検波する同期検波回路と、を有する構成としたものである。
上記構成により、第１の差動信号および第２の差動信号を互いに位相ずれなく反転することができる。よって、この第１の差動信号および第２の差動信号を同期検波すれば、適正な同期検波を行うことができ、位相ずれに起因したノイズ成分が出力されることがなく角速度の誤認識を抑制できる。
以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の一実施の形態における角速度センサのブロック図、図２は同角速度センサの振動子の平面図、図３は同角速度センサのノイズ成分検知時の図１の（Ａ）点〜（Ｇ）点の波形図、図４は同角速度センサの歪成分検知時の図１の（Ａ）点〜（Ｇ）点の波形図である。
図１において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、振動子３２と、この振動子３２を振動させるための駆動回路３４と、コリオリ力（慣性力）に起因して振動子３２に生じる歪を検知するための検知回路３６とを備えている。振動子３２には、音叉形状、Ｈ形状、Ｔ形状、音片形状等、各種の形状のものがあるが、この振動子３２を振動させて、コリオリ力の発生に伴う振動子３２の歪を電気的に検知して角速度を算出するものである。
振動子３２には、駆動回路３４からのドライブ信号により振動子３２を振動させるための駆動手段３８が設けられるとともに、コリオリ力（慣性力）に起因して振動子３２に生じる歪を検知信号として検知回路３６に出力する第１検知手段４０と第２検知手段４２が設けられている。図２において、振動子３２は、固定基部４１に２本のアーム部４３が連続された音叉形状であって、ＰＺＴからなる圧電薄膜をＡｇやＡｕ等の金属導体からなる電極で挟み込んで形成した多層構造の駆動電極４５および検知電極４７をシリコン基板上に配置して形成したものである。駆動手段３８は駆動電極４５として、第１検知手段４０と第２検知手段４２は検知電極４７として、振動子３２の２本のアーム部４３の各々に配置されており、駆動子３２の振動の際、これらアーム部４３が互いに近づいたり遠ざかったりしている。
駆動回路３４は振動子３２を振動させつつ一定の振幅で振動するように、駆動電極４５に印加する駆動電圧を制御する回路であり、ＡＧＣや増幅器等により構成され、検知回路３６はコリオリ力の発生に伴う振動子３２の歪に起因して検知電極４７から電気的に出力された検知信号を処理する回路であり、差動回路や積分回路等により構成されている。
また、振動子３２には、振動状態をモニタするモニタ手段４４が設けられ、モニタ手段４４から出力されたモニタ信号は位相シフタ５０により位相が９０度シフト（遅延）される。シフトされたシフト信号は検波器４６で検波されて検波信号が取り出される。
一方、第１検知手段４０および第２検知手段４２から出力された２つの検知信号は、互いに位相が反転している。第１検知手段４０と第２検知手段４２は２本のアーム部４３の各々に配置されているため、検知信号は互いに反転した波形となる。この互いに反転した２つの検知信号から、第１差動アンプ４８を介して、第１検知手段４０から出力された一方の検知信号を基準として第２検知手段から出力された他方の検知信号との差動を第１差動信号として形成し、第２差動アンプ４９を介して、第２検知手段４２から出力された他方の検知信号を基準として第１検知手段４０から出力された一方の検知信号との差動を第２差動信号として形成している。これにより、第１差動信号および第２差動信号は互いに位相ずれがなく反転した波形となる。
この第１差動信号と第２差動信号とが検波信号を基に同期検波回路５４により同期検波されて同期検波信号が取り出される。さらに、後処理回路５６により平滑処理されて出力信号が取り出され、この出力信号に基づき角速度が算出される。一般に、検知信号には、コリオリ力に起因して振動子３２に生じた歪に基づく歪成分の他に、ノイズ成分が混合された信号となっているので、このノイズ成分を除去して歪成分だけを取り出し、角速度が算出されている。
角速度センサのノイズ成分検知時の図１の（Ａ）点〜（Ｇ）点の波形図は図３に示すようになり、歪成分検知時の図１の（Ａ）点〜（Ｇ）点の波形図は図４に示すようになり、実際には、これら図３と図４の波形が合成された合成波形から角速度が算出される。
上記構成により、２つの検知信号は互いに位相が反転しているので、一方の検知信号を基準として他方の検知信号との差動に基づいて第１差動信号を形成し、他方の検知信号を基準として一方の検知信号との差動に基づいて第２差動信号を形成することにより、第１差動信号および第２差動信号を互いに位相ずれなく反転することができる。
よって、この第１差動信号および第２差動信号を同期検波すれば、適正な同期検波を行うことができ、位相ずれに起因したノイズ成分が出力されることがなく角速度の誤認識を抑制できる。
以上のように本発明にかかる角速度センサは、適正な同期検波を行うことができ、位相ずれに起因したノイズ成分が出力されることがなく角速度の誤認識を抑制できるので、各種の電子機器に有用である。
本発明の一実施の形態における角速度センサのブロック図 同角速度センサの振動子の平面図 同角速度センサのノイズ成分検知時の図１の（Ａ）点〜（Ｇ）点の波形図 同角速度センサの歪成分検知時の図１の（Ａ）点〜（Ｇ）点の波形図 従来の角速度センサのブロック図 同角速度センサのノイズ成分検知時の図５の（ａ）点〜（ｇ）点の波形図 同角速度センサの歪成分検知時の図５の（ａ）点〜（ｇ）点の波形図
符号の説明
３２ 振動子
３４ 駆動回路
３６ 検知回路
３８ 駆動手段
４０ 第１検知手段
４１ 固定基部
４２ 第２検知手段
４３ アーム部
４４ モニタ手段
４５ 駆動電極
４６ 検波器
４７ 検知電極
４８ 第１差動アンプ
４９ 第２差動アンプ
５０ 位相シフタ
５４ 同期検波回路
５６ 後処理回路

Claims (3)

  1. 振動子と、
    前記振動子を振動させるための駆動回路と、
    慣性力に起因して前記振動子に生じる歪を検知するための検知回路と、を備え、
    前記振動子は、第１の検知信号を出力する第１の検知手段と、前記第１の検知信号と位相が反転している第２の検知信号を出力する第２の検知手段と、を有し、
    前記検知回路は、前記第１の検知信号を基準として、前記第２の検知信号との差動を第１の差動信号として出力する第１の差動アンプと、
    前記第２の検知信号を基準として、前記第１の検知信号との差動を第２の差動信号として出力する第２の差動アンプと、
    前記第１の差動信号および第２の差動信号を同期検波する同期検波回路と、を有する角速度センサ。
  2. 同期検波するための検波信号は、前記振動子の駆動振動をモニタするモニタ信号の位相をシフトしたシフト信号に基づいて形成した請求項１記載の角速度センサ。
  3. 前記振動子は、固定基部に２本のアーム部が連接された音叉形状であって、前記駆動回路および前記第１の検知手段と前記第２の検知手段を２本の前記アーム部の各々に配置した請求項１記載の角速度センサ。
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