JP5034624B2 - Angular velocity sensor - Google Patents
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Description
本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いるセンサに関するものである。 The present invention relates to sensors used in various electronic devices such as attitude control and navigation of moving bodies such as aircraft, automobiles, robots, ships, and vehicles.
以下、従来の角速度センサについて説明する。 Hereinafter, a conventional angular velocity sensor will be described.
図6は従来の角速度センサの回路ブロック図である。 FIG. 6 is a circuit block diagram of a conventional angular velocity sensor.
図6において、従来の角速度センサは、駆動電極2、モニタ電極3、検出電極4を有する振動子1と、この振動子1の駆動電極2に接続した駆動回路5と、振動子1の検出電極4に接続した検出増幅回路6と、振動子1のモニタ電極3に接続したモニタ増幅回路7と、このモニタ増幅回路7と駆動回路5の間に接続した振動制御回路8と、検出増幅回路6の出力信号をモニタ増幅回路7の出力信号によって検波する同期検波回路9が備えられている。モニタ増幅回路7は、第1の増幅器10、第1の帰還抵抗11、第1の帰還容量12によって構成される。検出増幅回路6は、第2の増幅器13、第2の帰還抵抗14、第2の帰還容量15によって構成される。
In FIG. 6, the conventional angular velocity sensor includes a vibrator 1 having a drive electrode 2, a
また、振動子1は、図7に示すように、振動子基板16と、その上層に配置される基準電極17と、基準電極17の上層に配置される圧電層18と、圧電層18の上層に配置される駆動電極2、モニタ電極3、検出電極4によって構成される。
Further, as shown in FIG. 7, the vibrator 1 includes a
このとき、下部電極である基準電極17と、上部電極である駆動電極2、モニタ電極3、検出電極4との間には、圧電層18の比誘電率ε、電極面積S、電極間距離dとすれば、
At this time, the relative dielectric constant ε, the electrode area S, and the inter-electrode distance d of the
で表される駆動電極容量19、モニタ電極容量20、検出電極容量21が形成される。
Are formed, a
モニタ電極容量20、検出電極容量21は、それぞれモニタ増幅回路7、検出増幅回路6の入力負荷容量となる。この入力負荷容量によって生じる増幅器のゲインピークの周波数fpは、図8に示すように、入力負荷容量をCL、増幅器の帯域周波数をfu、増幅器の帰還抵抗をRfとして次式で表される。
The
この入力負荷容量によるゲインピークを平坦化するためには、 In order to flatten the gain peak due to this input load capacity,
で表される補償容量Cfを、帰還抵抗Rfに並列に接続する必要がある。 Is required to be connected in parallel to the feedback resistor Rf.
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。
上記従来の構成では、モニタ増幅回路と検出増幅回路で用いる増幅器の帯域周波数fu、および帰還抵抗が同一であったとしても、モニタ電極の静電容量値と検出電極の静電容量値の入力負荷容量値CLが異なることに起因して、モニタ増幅回路と検出増幅回路のそれぞれのピーク周波数fpも異なり、モニタ増幅回路と検出増幅回路の帰還容量Cfを異なる値にして、ピーク周波数fpを減衰させる必要が生じる。 In the above conventional configuration, even if the bandwidth frequency fu and the feedback resistance of the amplifier used in the monitor amplifier circuit and the detection amplifier circuit are the same, the input load of the capacitance value of the monitor electrode and the capacitance value of the detection electrode Due to the difference in capacitance value CL, the peak frequency fp of the monitor amplifier circuit and the detection amplifier circuit are also different, and the feedback capacitance Cf of the monitor amplifier circuit and the detection amplifier circuit is set to different values to attenuate the peak frequency fp. Need arises.
その結果、図9に示すように、モニタ増幅回路から出力されるモニタ増幅信号と検出増幅回路から出力される検出増幅信号が位相ずれを生じて、この位相差Φに応じて同期検波回路の出力に不要なオフセット信号が発生し、角速度を誤差検知するという問題点を有していた。 As a result, as shown in FIG. 9, the monitor amplification signal output from the monitor amplification circuit and the detection amplification signal output from the detection amplification circuit cause a phase shift, and the output of the synchronous detection circuit is output according to this phase difference Φ. In this case, an unnecessary offset signal is generated and the angular velocity is detected as an error.
本発明は上記問題点を解決し、モニタ増幅信号と検出増幅信号が互いに位相ずれがないようにした角速度センサを提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that solves the above-described problems and prevents the monitor amplification signal and the detection amplification signal from being out of phase with each other.
上記目的を達成するために本発明は、特に、駆動電極とモニタ電極と検出電極とを有する振動子と、前記駆動電極に駆動信号を通電し前記振動子を振動させる駆動回路と、慣性力に起因して前記検出電極から出力される検出信号を増幅する検出信号増幅回路と、前記モニタ電極から出力されるモニタ信号を増幅するモニタ信号増幅回路と、前記モニタ信号増幅回路から出力される前記モニタ増幅信号を基準にして前記駆動信号の通電量を制御する振動制御回路と、前記モニタ増幅信号を基準にして前記検出増幅信号を検波する同期検波回路とを備え、前記モニタ信号増幅回路は第1増幅器と第1帰還抵抗と第1帰還容量とを有し、前記検出信号増幅回路は第2増幅器と第2帰還抵抗と第2帰還容量とを有し、前記モニタ電極で生成される静電容量値と前記検出電極で生成される静電容量値とを等しくし、前記第1帰還抵抗と前記第2帰還抵抗とを等しくし、前記第1帰還容量と前記第2帰還容量とを等しくした構成である。 In order to achieve the above object, the present invention particularly relates to a vibrator having a drive electrode, a monitor electrode, and a detection electrode, a drive circuit for supplying a drive signal to the drive electrode to vibrate the vibrator, and an inertial force. Due to this, a detection signal amplification circuit that amplifies the detection signal output from the detection electrode, a monitor signal amplification circuit that amplifies the monitor signal output from the monitor electrode, and the monitor that is output from the monitor signal amplification circuit A vibration control circuit that controls an energization amount of the drive signal with reference to the amplified signal; and a synchronous detection circuit that detects the detected amplified signal with reference to the monitor amplified signal. An amplifier, a first feedback resistor, and a first feedback capacitor; and the detection signal amplifier circuit has a second amplifier, a second feedback resistor, and a second feedback capacitor, and is generated by the monitor electrode. Was equal to the capacitance value generated in an amount value and the detection electrode, before SL and equal to the second feedback resistor and the first feedback resistor, equal to the second feedback capacitor between the first feedback capacitor This is the configuration.
上記構成により、モニタ電極で生成される静電容量値と検出電極で生成される静電容量値とが等しいので、モニタ増幅回路と検出増幅回路のそれぞれのピーク周波数も等しくなり、モニタ増幅回路と検出増幅回路の第1、第2帰還容量を同一の値で調整して、ピーク周波数を減衰させることができる。すなわち、モニタ増幅回路から出力されるモニタ増幅信号と検出増幅回路から出力される検出増幅信号が位相ずれを抑制でき、位相差Φに起因した同期検波回路の出力オフセット信号も抑制して、角速度の誤差検知を抑制できる。 With the above configuration, since the capacitance value generated at the monitor electrode and the capacitance value generated at the detection electrode are equal, the peak frequencies of the monitor amplification circuit and the detection amplification circuit are also equal, and the monitor amplification circuit The peak frequency can be attenuated by adjusting the first and second feedback capacitors of the detection amplifier circuit with the same value. That is, the monitor amplification signal output from the monitor amplification circuit and the detection amplification signal output from the detection amplification circuit can suppress the phase shift, the output offset signal of the synchronous detection circuit due to the phase difference Φ is also suppressed, and the angular velocity Error detection can be suppressed.
特に、第1増幅器の構成素子と第2増幅器の構成素子を等しくし、第1帰還抵抗と第2帰還抵抗とを等しくし、第1帰還容量と第2帰還容量とを等しくすれば、モニタ増幅回路から出力されるモニタ増幅信号と検出増幅回路から出力される検出増幅信号が位相ずれをさらに抑制でき、上記効果を得ることができる。 In particular, if the components of the first amplifier and the second amplifier are made equal, the first feedback resistor and the second feedback resistor are made equal, and the first feedback capacitor and the second feedback capacitor are made equal, the monitor amplification The monitor amplification signal output from the circuit and the detection amplification signal output from the detection amplifier circuit can further suppress the phase shift, and the above effect can be obtained.
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である。 FIG. 1 is a block diagram of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
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、駆動電極32とモニタ電極33と検出電極34とを有する振動子31と、駆動電極32に駆動信号を通電し振動子31を振動させる駆動回路35と、慣性力に起因して検出電極34から出力される検出信号を増幅する検出信号増幅回路36と、モニタ電極33から出力されるモニタ信号を増幅するモニタ信号増幅回路37と、モニタ信号増幅回路37から出力されるモニタ増幅信号を基準にして駆動信号の通電量を制御する振動制御回路38と、モニタ増幅信号を基準にして検出増幅信号を検波する同期検波回路39と、振動制御回路38の前段に、モニタ増幅信号の振幅値を減衰させる減衰回路49を設けている。
In FIG. 1, an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention includes a
上記のモニタ信号増幅回路37は第1増幅器40と第1帰還抵抗41と第1帰還容量42とを有し、検出信号増幅回路36は第2増幅器43と第2帰還抵抗44と第2帰還容量45とを有している。
The monitor
また、モニタ電極33の電極面積と検出電極34の電極面積とを等しくすることにより、モニタ電極33で生成される静電容量値と前記検出電極34で生成される静電容量値とを等しくしている。
Further, by making the electrode area of the
さらに、第1増幅器40の構成素子と第2増幅器43の構成素子を等しくし、第1帰還抵抗41と第2帰還抵抗44とを等しくし、第1帰還容量42と第2帰還容量45とを等しくしている。
Further, the constituent elements of the first amplifier 40 and the constituent elements of the
上記の振動子31は、図2に示すように、基板46と、その上層に配置される基準電極47と、基準電極47の上層に配置される圧電層48と、圧電層48の上層に配置される駆動電極32、モニタ電極33、検出電極34によって構成される。
As shown in FIG. 2, the
上記構成により、モニタ電極33で生成される静電容量値と検出電極34で生成される静電容量値とが等しいので、図3に示すように、モニタ増幅回路37と検出増幅回路36のそれぞれのピーク周波数も等しくなり、図4に示すように、モニタ増幅回路37と検出増幅回路36の第1、第2帰還容量42、45を同一の値で調整して、ピーク周波数を減衰させることができる。
With the above configuration, since the capacitance value generated by the
すなわち、図5に示すように、モニタ増幅回路37から出力されるモニタ増幅信号と検出増幅回路36から出力される検出増幅信号の位相ずれを抑制でき、位相差Φに起因した同期検波回路39の出力オフセット信号も抑制して、角速度の誤差検知を抑制できる。
That is, as shown in FIG. 5, the phase shift between the monitor amplification signal output from the
特に、第1増幅器40の構成素子と第2増幅器43の構成素子を等しくし、第1帰還抵抗41と第2帰還抵抗44とを等しくし、第1帰還容量42と第2帰還容量45とを等しくすれば、モニタ増幅回路37から出力されるモニタ増幅信号と検出増幅回路36から出力される検出増幅信号が位相ずれをさらに抑制でき、上記効果を得ることができる。
In particular, the constituent elements of the first amplifier 40 and the constituent elements of the
また、モニタ電極33の電極面積と検出電極34の電極面積とを等しくすることにより、モニタ電極33で生成される静電容量値と検出電極34で生成される静電容量値とを容易に等しくできる。
Further, by making the electrode area of the
さらに、振動制御回路38の前段に、モニタ増幅信号の振幅値を減衰させる減衰回路49を設けているので、振動制御回路38によって、駆動電極32に通電する駆動信号の振幅値を適切に制御できる。すなわち、モニタ増幅信号をそのまま振動制御回路38に入力すると、モニタ信号がモニタ増幅回路37にて増幅されているので、振動子31の駆動状態が必要以上に大きく振動していると誤認識され、振動制御回路38にて減衰した振幅値の小さい駆動信号を駆動電極32に入力してしまう恐れがある。単純に、検出増幅回路36のゲインを上げると、モニタ増幅回路37のゲインも連動して上がり、振動子31の駆動状態が必要以上に大きく振動していると誤認識されるものである。
Furthermore, since the
しかし、上記構成により、モニタ増幅信号は減衰回路49にて減衰されるので、検出側のゲインを上げられると共に、駆動側には適切に制御された駆動信号を生成でき、この適切に制御された駆動信号を駆動電極32に入力できるものである。この駆動増幅信号の減衰の程度は、モニタ信号と同じレベルまで減衰してもよい。
However, since the monitor amplification signal is attenuated by the
本発明に係る角速度センサは、検出感度を向上できるので、各種電子機器に適用できるものである。 Since the angular velocity sensor according to the present invention can improve detection sensitivity, it can be applied to various electronic devices.
32 駆動電極
33 モニタ電極
34 検出電極
35 駆動回路
36 検出信号増幅回路
37 モニタ信号増幅回路
38 振動制御回路
39 同期検波回路
40 第1増幅器
41 第1帰還抵抗
42 第1帰還容量
43 第2増幅器
44 第2帰還抵抗
45 第2帰還容量
46 基板
47 基準電極
48 圧電層
49 減衰回路
32
Claims (4)
前記モニタ信号増幅回路は第1増幅器と第1帰還抵抗と第1帰還容量とを有し、前記検出信号増幅回路は第2増幅器と第2帰還抵抗と第2帰還容量とを有し、前記モニタ電極で生成される静電容量値と前記検出電極で生成される静電容量値とを等しくし、前記第1帰還抵抗と前記第2帰還抵抗とを等しくし、前記第1帰還容量と前記第2帰還容量とを等しくした角速度センサ。 A vibrator having a drive electrode, a monitor electrode, and a detection electrode; a drive circuit for passing a drive signal through the drive electrode to vibrate the vibrator; and a detection signal output from the detection electrode due to inertial force. A detection signal amplification circuit for amplifying, a monitor signal amplification circuit for amplifying a monitor signal output from the monitor electrode, and an energization amount of the drive signal based on the monitor amplification signal output from the monitor signal amplification circuit A vibration control circuit for controlling, and a synchronous detection circuit for detecting the detection amplification signal on the basis of the monitor amplification signal,
The monitor signal amplifier circuit includes a first amplifier, a first feedback resistor, and a first feedback capacitor, and the detection signal amplifier circuit includes a second amplifier, a second feedback resistor, and a second feedback capacitor, a capacitance value generated by the electrostatic capacitance value and the detection electrode that is generated at the electrode equal the previous SL first and feedback resistor equal to the second feedback resistor, the said first feedback capacitor An angular velocity sensor having the same second feedback capacity.
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