JP5266528B2 - Angular velocity sensor, angular velocity signal correction device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動子を使用した角速度センサに関し、特に角速度出力の誤差を低減させる装置に関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor using a vibrator, and more particularly to an apparatus for reducing an error in angular velocity output.
角速度センサには、内部に変位可能な錘部を有し、この錘部を所定の周波数を有し振動させることにより、系に角速度が加わったときに錘部に生じるコリオリ力により起こる変位を検出することにより、角速度を検出する方式のものがある。錘部の変位の検出方法には、錘部の変位による静電容量の変化を検出するものや、錘部の変位による応力の変化を圧電効果で検出するものなどがある。 The angular velocity sensor has a weight part that can be displaced inside, and this weight part has a predetermined frequency and vibrates to detect displacement caused by Coriolis force generated in the weight part when an angular velocity is applied to the system. By doing so, there is a method of detecting the angular velocity. As a method for detecting the displacement of the weight portion, there are a method for detecting a change in capacitance due to the displacement of the weight portion, a method for detecting a change in stress due to the displacement of the weight portion by a piezoelectric effect, and the like.
一例として、非特許文献1および非特許文献2に記載されている5−Axis Motion Sensorの概略構成を図1に示す。なお、上記文献で5−Axis Motion Sensorは、3軸加速度と2軸角速度を検出可能なセンサとして紹介している。ここでは角速度センサとしての働きを取り上げる。 As an example, a schematic configuration of 5-Axis Motion Sensor described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 is shown in FIG. In the above document, 5-Axis Motion Sensor is introduced as a sensor capable of detecting triaxial acceleration and biaxial angular velocity. Here, the function as an angular velocity sensor is taken up.
このセンサは上部ガラス基板101とSOI(Sillicon on Insulator)基板102および下部ガラス基板103から成る3層構造を有する。
This sensor has a three-layer structure including an
SOI基板102には錘部104および4本の梁部105〜108が形成されており、錘部104は、梁部105〜108で支持される構造になっている。ここで梁部105〜108は薄く形成されており、応力により曲げ変形しやすいため、錘部104は力が加わると変位しやすくなっている。
The
上部ガラス基板101には、上部固定電極E1〜E5が形成されている。下部ガラス基板103には下部固定電極E6〜E10が形成されている。錘部104は、外部から電位を与えられるようになっている。いずれの電極も錘部104と対向するように配置されているため、電極E1〜E10と錘部104の間には、静電容量C1〜C10が存在している。
Upper fixed electrodes E1 to E5 are formed on the
上記センサにどの軸方向にも力がかかっていないときの、y軸方向の側面から見た図200を図2に示す。
FIG. 2 shows a
次に、上記センサが角速度を検出する原理を図3および図4を使用して説明する。図3は、センサが角速度を検出する原理を示す図300を示す。図4は、角速度検出のブロック図400を示す。 Next, the principle by which the sensor detects the angular velocity will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows a diagram 300 illustrating the principle by which the sensor detects angular velocity. FIG. 4 shows a block diagram 400 of angular velocity detection.
まず、錘部104のX軸方向に力が加わったときのことを考える。錘部104のX軸方向に力が加わると、錘部104は梁部105〜108により支持されている構造であることから、錘部の質量中心に、梁部105、107を中心としたモーメントが働き、錘部104は梁部105、107を軸に回転する。このときの回転角θは、X軸方向に加える力Fxに比例する。錘部104が梁部105、107を軸に回転すると、錘部104と固定電極E1〜E4、E6〜E9との電極間距離がそれぞれ変化するため、対応する静電容量C1〜C10それぞれの値が変化する。そこで、例えば静電容量C1+C4と静電容量C2+C3の差、あるいは静電容量C6+C9と静電容量C7+C8の差を検出すると、錘部104のX軸方向に加わっている力に比例した量を検出できる。
First, consider the case where a force is applied in the X-axis direction of the
Z軸方向の変位を検出するには、例えば、静電容量C1+C2+C3+C4と静電容量C6+C7+C8+C9の差を検出してやればよい。 In order to detect the displacement in the Z-axis direction, for example, the difference between the capacitance C1 + C2 + C3 + C4 and the capacitance C6 + C7 + C8 + C9 may be detected.
角速度を検出するためには、駆動回路401により、上部固定電極E5に周波数fdを有する交流電圧V1を印加する。また、下部固定電極E10には交流電圧V1と位相差が180度の交流電圧V2が、駆動回路401により印加される。すると錘部104には、上部固定電極E5との間および下部固定電極E10との間に、それぞれ同じ向きに、時間的に周波数fdで振動するクーロン力が働くため、錘部104はZ軸方向に周波数fzで振動する。錘部104のZ軸方向の振動の周波数fzは駆動回路401により印加される交流電圧V1,V2の周波数fdと同じである。
In order to detect the angular velocity, the
このように、錘部104がZ軸方向に周波数fzで振動している状態で、センサにY軸周りの角速度が加わると、錘部104にはX軸方向にコリオリ力が発生する。錘部104のX軸方向に加わるコリオリ力Fxは、センサに加わっている角速度をΩy、錘部104の質量をm、錘部104のZ軸方向の速度をVzとすると、次式で表される。
As described above, when an angular velocity around the Y axis is applied to the sensor while the
錘部104は、Z軸方向に周波数fzで振動させているため、
vz = v0 sin(fzt)
と書ける。従って、錘部104に発生するコリオリ力は周波数fzで変調され、かつ、その振幅はセンサに加わっている角速度ΩyとZ軸方向の速さV0に比例する。この変調されたコリオリ力を、静電容量C1〜C4ならびに静電容量C6〜C10の容量変化として検出する。駆動回路201によって、錘部104のZ軸方向の振動の振幅が一定に保たれていれば、速さV0も一定となるので、角速度Ωyを検出できる。
Since the
v z = v 0 sin (f z t)
Can be written. Accordingly, the Coriolis force generated in the
X軸周りの角速度Ωxにより錘部104に発生するZ軸方向の振動の周波数fzで変調されたY軸方向のコリオリ力も、例えば、静電容量C1+C2と静電容量C3+C4の差を検出することによって、上記と同様に検出することができる。
The Coriolis force in the Y-axis direction modulated by the frequency fz of vibration in the Z-axis direction generated in the
上記の容量変化として得られたコリオリ力による角速度信号は、Z軸方向の振動の周波数fzで変調されているため、復調をする必要がある。復調を行う構成の一例を、図4を使用して説明する。 Since the angular velocity signal based on the Coriolis force obtained as the capacitance change is modulated at the vibration frequency fz in the Z-axis direction, it needs to be demodulated. An example of a configuration for performing demodulation will be described with reference to FIG.
まず、各部についての説明をする。駆動回路401は、入力信号である信号Zが所定の振幅となるように、センサの錘部104をZ軸方向に周波数fdで駆動するための交流電圧を出力する。CV変換器402は、所定の静電容量値を、所定の電圧値に変換する。移相器403は、入力信号の位相を所定の角度だけ変化させる。同期検波器404は、移相器403の出力を参照信号として、入力信号の同期検波を行う。ローパスフィルタ405は、入力信号に含まれる所定の周波数よりも高い周波数帯域の信号を減衰させる。
First, each part will be described. The
つぎに、図4の構成の働きについて説明をする。センサの静電容量(C1+C2)−(C3+C4)を、CV変換器402を使用して電圧値に変換した信号を信号Xとする。静電容量(C1+C4)−(C2+C3)を、CV変換器402を使用して電圧値に変換した信号を信号Yとする。また、静電容量(C1+C2+C3+C4)−(C6+C7+C8+C9)を、CV変換器402を使用して電圧値に変換した信号を信号Zとする。信号Xは梁部106と108を軸とした錘部104の回転角に比例する。信号Yは梁部105と107を軸とした錘部104の回転角に比例する。信号Zは錘部104のZ軸方向の変位に比例する。
信号X=(C1+C2)−(C3+C4)
信号Y=(C1+C4)−(C2+C3)
信号Z=(C1+C2+C3+C4)−(C6+C7+C8+C9)
Next, the function of the configuration of FIG. 4 will be described. A signal obtained by converting the capacitance (C1 + C2) − (C3 + C4) of the sensor into a voltage value using the
Signal X = (C1 + C2)-(C3 + C4)
Signal Y = (C1 + C4)-(C2 + C3)
Signal Z = (C1 + C2 + C3 + C4) − (C6 + C7 + C8 + C9)
センサのX軸まわりに角速度がかかっているときについて考える。信号Xは、前記角速度の大きさに比例したコリオリ力を周波数fzで変調した信号を含んでいる。この信号からコリオリ力の大きさを信号として取り出すためには、コリオリ力に同期した参照信号で同期検波してやればよい。 Consider a case where an angular velocity is applied around the X axis of the sensor. The signal X includes a signal obtained by modulating a Coriolis force proportional to the magnitude of the angular velocity with a frequency fz. In order to extract the magnitude of the Coriolis force from this signal, it is only necessary to perform synchronous detection with a reference signal synchronized with the Coriolis force.
コリオリ力に同期した信号は、錘部104のZ軸方向の変位信号である信号Zから作ることができる。コリオリ力は錘部104の速度Vzに比例する。速度Vzは錘部104の変位を微分したものである。つまり錘部104のZ軸方向の変位信号である信号Zを移相器403で信号Zに対して90°または−90°だけ移相してやれば、コリオリ力に同期した参照信号として使用することができる。
A signal synchronized with the Coriolis force can be generated from the signal Z which is a displacement signal of the
信号Xを、移相器403の出力で同期検波してやり、所定の帯域に制限したローパスフィルタ405に通すことでコリオリ力を検出することができる。コリオリ力は錘部104のZ軸方向の速度Vzと、センサにかかっている角速度Ωに比例する。いま錘部104のZ軸方向の速度Vzは駆動部401により一定の振幅に制御されている。従って、検出されるコリオリ力とかかっている角速度の間には比例関係が成り立つ。従って、ローパスフィルタ405の出力に、予め測定されたX軸まわりの角速度感度を乗じて、角速度出力Xを得る。Y軸まわりの角速度についても上記と同様にして検出できる。
The Coriolis force can be detected by synchronously detecting the signal X at the output of the
図5に信号の波形を描いた図を示す。図5左はセンサに角速度がかかっていないときの波形である。図5右はセンサに角速度がかかっているときの波形である。 FIG. 5 shows a signal waveform. The left side of FIG. 5 shows a waveform when no angular velocity is applied to the sensor. The right side of FIG. 5 shows a waveform when an angular velocity is applied to the sensor.
図5(a)は、錘部104がZ軸方向に駆動されているときの変位を表す波形(実線)と、錘部104の速度を表す波形(破線)である。前記の変位を表す波形は図4の信号Zの波形に相当する。前記の変位を表す波形と、前記の速度を表す波形は、位相が90°ずれている。
FIG. 5A shows a waveform (solid line) representing the displacement when the
図5(b)は、錘部104がZ軸方向に駆動されているとき、錘部104にかかるコリオリ力による錘部104の変位に伴う容量変化をCV変換器202で検出した波形で、図4の信号Xに相当する。センサに角速度がかかっていないときには、コリオリ力は発生しないため、その出力はゼロである。センサのX軸まわりに角速度ωがかかっているとき、信号Xは角速度ωに比例する振幅を有し、信号Zと90°ずれた位相で振動している。
FIG. 5B is a waveform obtained by detecting a change in capacitance due to the displacement of the
図5(c)は、前記信号Zを90°移相した信号で前記信号Xを同期検波したもので、図4の同期検波器204の出力である。コリオリ力と、信号Zを90°移相した信号は同じ位相なので、図に示したように、ゼロを中心に折り返した波形になる。 FIG. 5 (c) is a signal obtained by synchronously detecting the signal X with a signal obtained by shifting the signal Z by 90 °, and is an output of the synchronous detector 204 of FIG. Since the Coriolis force and the signal obtained by shifting the signal Z by 90 ° have the same phase, as shown in the figure, the waveform is folded around zero.
図5(d)は、前記同期検波後の波形を、所定の帯域を有するローパスフィルタに入力したときの、ローパスフィルタの出力波形である。センサにかかる角速度がゼロのときの出力はゼロであり、センサにかかる角速度Ω=ωのときは角速度ωに比例した出力値を得ることができる。 FIG. 5D shows an output waveform of the low-pass filter when the waveform after the synchronous detection is input to the low-pass filter having a predetermined band. When the angular velocity applied to the sensor is zero, the output is zero. When the angular velocity applied to the sensor is Ω = ω, an output value proportional to the angular velocity ω can be obtained.
以上のようにしてX軸まわりおよびY軸まわりの角速度を検出することができる。 As described above, angular velocities around the X axis and the Y axis can be detected.
先に示したセンサは、1つの錘部を設けるだけで、加速度3軸と角速度2軸を同時に検出できることを1つの特徴としている。 One feature of the above-described sensor is that it is possible to simultaneously detect three axes of acceleration and two axes of angular velocity by providing only one weight portion.
このセンサに、例えばX軸方向に加速度が加わると、錘部104のX軸方向に慣性力が生じる。もし、この加速度が錘部104のZ軸方向の振動周波数fzを含むような周波数帯域だと、図4に示した検出方法では、この慣性力による錘部104の変位を容量変化として検出する。その結果、角速度信号に、加速度による慣性力の信号がノイズとして重畳する。そのノイズの大きさは、センサの加速度感度に依存する。このセンサは加速度と角速度を同時に検出できることを特徴としているので、加速度感度を大幅に下げるわけにもいかない。また、このようなセンサは携帯機器への搭載のため、小型化への要求が厳しい。小型化すると電極面積が減るため、加速度感度を維持するためには錘部104の共振周波数を下げなければならない。すると上記の慣性力による影響はより顕著にみられるようになる。
For example, when acceleration is applied to this sensor in the X-axis direction, an inertial force is generated in the X-axis direction of the
図6に、同様の構造のセンサに、角速度がかかっていない状態で、幅約1ミリ秒で大きさが約1Gのパルス加速度を印加したときの角速度出力600を示す。角速度がかかっていないので出力はゼロであることが期待されるが、瞬間的に約4000deg/sにも相当する角速度出力が出力されている。
FIG. 6 shows an
角速度センサの出力は、積分して角度に直して利用されることが多い。図6の角速度出力を積分すると、約40°の角度誤差になる。これは実用上、許される誤差ではない。本発明の目的は、センサの加速度感度を損なうことなく、このような角度誤差を、簡単な仕組みで低減させることである。 In many cases, the output of the angular velocity sensor is integrated and converted into an angle. When the angular velocity output in FIG. 6 is integrated, an angular error of about 40 ° is obtained. This is not a practically acceptable error. An object of the present invention is to reduce such an angular error with a simple mechanism without impairing the acceleration sensitivity of the sensor.
上記課題を解決するために、本発明の角速度センサは、上記第1の軸に直交した第2の軸、ならびに、上記第1の軸および上記第2の軸にそれぞれ直交する第3の軸にかかる力を検出し、上記第1の軸方向と上記第2の軸方向と上記第3の軸方向の変位信号を出力する変位信号出力部と、上記第2および第3の軸方向の変位信号に含まれる、加速度による慣性力の信号を外乱信号として検出する外乱信号検知部と、上記外乱信号検知部から出力される外乱検知信号に基づき、上記第2および第3の軸方向の変位信号に基づく角速度信号を補正する補正部とを備え、上記外乱信号検知部は、上記角速度信号を含む信号を、上記角速度に対して90°位相がずれた参照信号で検波することにより、上記角速度信号と同じ帯域の上記外乱信号を検出することを特徴とする。 In order to solve the above problem, the angular velocity sensor of the present invention, the second axis orthogonal to the upper Symbol first axis, and a third axis perpendicular respectively to said first axis and said second axis A displacement signal output unit that detects a force applied to the first axis direction, outputs a displacement signal in the first axis direction, the second axis direction, and the third axis direction; and the displacement in the second and third axis directions A disturbance signal detector for detecting an inertial force signal due to acceleration as a disturbance signal, and a displacement signal in the second and third axial directions based on the disturbance detection signal output from the disturbance signal detector. And a disturbance signal detector that detects the angular velocity signal by detecting a signal including the angular velocity signal with a reference signal that is 90 ° out of phase with the angular velocity. Detects the above disturbance signal in the same band as And wherein the Rukoto.
また、さらに、上記第1の軸方向の変位信号の位相を所定の移相量だけ変化させる第1移相部と、上記移相部からの出力信号を参照信号とし、上記第2または第3の軸方向の変位信号を検波する同期検波部と、上記同期検波部からの出力信号に基づき角速度信号を出力するローパスフィルタとを備えるものとしてもよい。 Further, a first phase shift section that changes the phase of the first axial displacement signal by a predetermined phase shift amount, and an output signal from the phase shift section as a reference signal, the second or third It is also possible to include a synchronous detector that detects a displacement signal in the axial direction, and a low-pass filter that outputs an angular velocity signal based on an output signal from the synchronous detector.
また、上記第1移相部における移相量が、90度または−90度であることを特徴とするものとしてもよい。 The amount of phase shift in the first phase shift section may be 90 degrees or -90 degrees.
また、上記外乱信号検知部は、上記第1の軸方向の変位信号の位相を所定の移相量だけ変化させる第2移相部と、上記移相部からの出力信号を参照信号とし、上記第2または第3の軸方向の変位信号を検波する同期検波部と、上記同期検波部からの出力信号の振幅と、所定の閾値との比較を行う比較部とを備えるものとしてもよい。 Further, the disturbance signal detection unit uses a second phase shift unit that changes the phase of the displacement signal in the first axial direction by a predetermined phase shift amount, and an output signal from the phase shift unit as a reference signal, A synchronous detector that detects a displacement signal in the second or third axial direction, and a comparator that compares the amplitude of the output signal from the synchronous detector with a predetermined threshold value may be provided.
また、上記第2移相部における移相量が、0度または180度であるものとしてもよい。 Further, the amount of phase shift in the second phase shift section may be 0 degree or 180 degrees.
また、上記補正部は、上記外乱検知信号に基づき、上記第2または第3の軸方向の変位信号をサンプルアンドホールドするサンプルアンドホールド回路部と、上記外乱検知信号に基づき、上記第2または第3の軸方向の変位信号に基づく角速度信号と、上記サンプルアンドホールド回路部からの出力信号とのいずれか一方を出力する信号切替部とを備えるものとしてもよい。
また、上記検出信号出力部が、錘と、該錘を支持する梁と、該梁に対向して形成される電極とを備えた静電容量型センサと、上記錘を電極面に直交する第1の軸方向に駆動する駆動部と、上記第1の軸に直交した第2の軸、ならびに、上記第1の軸および上記第2の軸にそれぞれ直交する第3の軸にかかる力を、上記錘と上記電極との間の静電容量で検出し、上記第1の軸方向と上記第2の軸方向と上記第3の軸方向の変位信号を出力する静電容量変換部であるものとしてもよい。
また、上記検出信号出力部が、内部に変位可能な錘部を有し、上記錘部を所定の周波数を有し振動させることにより、系に角速度が加わったときに錘部に生じるコリオリ力により起こる変位を、錘部の変位による静電容量の変化で検出し、上記第1の軸方向と上記第2の軸方向と上記第3の軸方向の変位信号として出力するものとしてもよい。
また、上記検出信号出力部が、内部に変位可能な錘部を有し、上記錘部を所定の周波数を有し振動させることにより、系に角速度が加わったときに錘部に生じるコリオリ力により起こる変位を、錘部の変位による応力の変化を圧電効果で検出し、上記第1の軸方向と上記第2の軸方向と上記第3の軸方向の変位信号として出力するものとしてもよい。
また、第1の軸に直交した第2の軸、ならびに、上記第1の軸および上記第2の軸にそれぞれ直交する第3の軸のうち、上記第2および第3の軸方向の変位信号に含まれる、加速度による慣性力の信号を外乱信号として検出する外乱信号検知部と、上記外乱信号検知部から出力される外乱検知信号に基づき、上記第2および第3の軸方向の変位信号に基づく角速度信号を補正する補正部とを備え、上記外乱信号検知部は、上記角速度信号を含む信号を、上記角速度に対して90°位相がずれた参照信号で検波することにより、上記角速度信号と同じ帯域の上記外乱信号を検出するものとしてもよい。
また、上記第1の軸方向の変位信号の位相を所定の移相量だけ変化させる第1移相部と、上記移相部からの出力信号を参照信号とし、上記第2または第3の軸方向の変位信号を検波する同期検波部と、上記同期検波部からの出力信号に基づき角速度信号を出力するローパスフィルタとをさらに備えるものとしてもよい。
また、上記第1移相部における移相量が、90度または−90度であるものとしてもよい。
また、上記外乱信号検知部は、上記第1の軸方向の変位信号の位相を所定の移相量だけ変化させる第2移相部と、上記移相部からの出力信号を参照信号とし、上記第2または第3の軸方向の変位信号を検波する同期検波部と、上記同期検波部からの出力信号の振幅と、所定の閾値との比較を行う比較部とを備えるものとしてもよい。
また、上記第2移相部における移相量が、0度または180度であるものとしてもよい。
また、上記補正部は、上記外乱検知信号に基づき、上記第2または第3の軸方向の変位信号をサンプルアンドホールドするサンプルアンドホールド回路部と、上記外乱検知信号に基づき、上記第2または第3の軸方向の変位信号に基づく角速度信号と、上記サンプルアンドホールド回路部からの出力信号とのいずれか一方を出力する信号切替部とを備えるものとしてもよい。
The correction unit samples and holds the displacement signal in the second or third axial direction based on the disturbance detection signal, and the second or second based on the disturbance detection signal. 3 may be provided with a signal switching unit that outputs one of the angular velocity signal based on the axial displacement signal of 3 and the output signal from the sample and hold circuit unit.
In addition, the detection signal output unit includes a capacitance type sensor including a weight, a beam supporting the weight, and an electrode formed to face the weight, and a weight orthogonal to the electrode surface. A force applied to a drive unit that drives in the axial direction of one, a second axis that is orthogonal to the first axis, and a third axis that is respectively orthogonal to the first axis and the second axis, A capacitance conversion unit that detects a capacitance between the weight and the electrode and outputs displacement signals in the first axial direction, the second axial direction, and the third axial direction. It is good.
In addition, the detection signal output unit has a weight part that can be displaced inside, and the weight part is vibrated with a predetermined frequency. The displacement that occurs may be detected by a change in capacitance due to the displacement of the weight, and output as a displacement signal in the first axial direction, the second axial direction, and the third axial direction.
Further, the detection signal output unit has a weight part that can be displaced inside, and the weight part is vibrated with a predetermined frequency, so that the Coriolis force generated in the weight part when an angular velocity is applied to the system. The displacement that occurs may be detected as a displacement signal in the first axial direction, the second axial direction, and the third axial direction by detecting a change in stress due to the displacement of the weight portion by the piezoelectric effect.
Of the second axis orthogonal to the first axis, and the third axis orthogonal to the first axis and the second axis, the displacement signals in the second and third axial directions. Based on a disturbance signal detection unit for detecting an inertial force signal due to acceleration as a disturbance signal, and a disturbance detection signal output from the disturbance signal detection unit, to the displacement signals in the second and third axial directions. And a disturbance signal detector that detects the signal including the angular velocity signal with a reference signal that is 90 ° out of phase with the angular velocity signal, thereby detecting the angular velocity signal The disturbance signal in the same band may be detected.
A first phase shift section that changes the phase of the displacement signal in the first axial direction by a predetermined phase shift amount; and an output signal from the phase shift section is used as a reference signal, and the second or third axis A synchronous detection unit that detects a displacement signal in a direction and a low-pass filter that outputs an angular velocity signal based on an output signal from the synchronous detection unit may be further provided.
The phase shift amount in the first phase shift section may be 90 degrees or -90 degrees.
Further, the disturbance signal detection unit uses a second phase shift unit that changes the phase of the displacement signal in the first axial direction by a predetermined phase shift amount, and an output signal from the phase shift unit as a reference signal, A synchronous detector that detects a displacement signal in the second or third axial direction, and a comparator that compares the amplitude of the output signal from the synchronous detector with a predetermined threshold value may be provided.
Further, the amount of phase shift in the second phase shift section may be 0 degree or 180 degrees.
The correction unit samples and holds the displacement signal in the second or third axial direction based on the disturbance detection signal, and the second or second based on the disturbance detection signal. 3 may be provided with a signal switching unit that outputs one of the angular velocity signal based on the axial displacement signal of 3 and the output signal from the sample and hold circuit unit.
本発明は、角速度信号に対する外乱を検出する外乱検知部、および角速度信号を補正する角速度出力補正部を備えた構成により、外乱による誤差を低減させる効果を有する。 The present invention has an effect of reducing errors due to a disturbance by a configuration including a disturbance detection unit that detects a disturbance with respect to an angular velocity signal and an angular velocity output correction unit that corrects the angular velocity signal.
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
図7に、本発明の外乱による影響の低減を実施するため基本構成700を示す。基本構成700は、駆動回路701と、CV変換器702と、移相器703と、同期検波器704と、ローパスフィルタ705と、外部検知部706と、角速度出力補正部707とセンサ708とを備える。前述した図4におけるものと同様の構成の説明は省略する。
FIG. 7 shows a
外乱検知部706は、信号X、信号Yを入力とし、角速度信号ではない所定の大きさよりも大きい信号(つまり外乱)を検出し、外乱検出状態か非外乱検出状態かを表す2値の検出信号を出力する。角速度出力補正部707は、ローパスフィルタ705の出力である角速度出力X、角速度出力Yを入力とする。外乱検知信号が非検出状態であれば、角速度出力X、角速度出力Yをそのまま出力する。外乱検知信号が検出状態のとき、角速度出力X、角速度出力Yに対して補正を行なう。これにより、センサの角速度信号に外乱が入ってきたとき、角速度出力X、角速度出力Yは補正される。
The
つづいて、外乱検知部706の詳細について説明する。図8に外乱検知部706の構成例を示す。まず、各部の働きについて説明する。ハイパスフィルタ801は、所定の遮断周波数よりも低い周波数の信号を減衰させるフィルタである。遮断周波数は、センサの加速度信号を検出する帯域よりも十分高く、錘部をZ軸方向に駆動する周波数よりも低く設定されている。移相器802は、入力信号の位相を所定の角度だけずらした信号を出力する。同期検波器803は、ハイパスフィルタ801の出力信号を入力とし、移相器802の出力信号を参照信号として、同期検波を行う。振幅検出回路804は、入力信号の振幅を検出し、出力する。比較器805は、振幅検出回路804の出力と、外乱かどうかを判別するために予め定められた所定のしきい値とを比較する。振幅検出回路804の出力が上記しきい値よりも大きいとき、外乱検知信号Xを外乱検出状態にする。振幅検出回路804の出力が上記しきい値よりも小さいとき、外乱検知信号Xを非外乱検出状態に設定する。
Next, details of the
つぎに外乱検知部706の働きについて説明する。移相器802に入力される錘部104のZ軸方向の振動の変位をあらわす信号Zと、ハイパスフィルタ801の入力である信号Xに含まれる角速度信号は、ともに同じ周波数fzを有し、位相が90°ずれている。移相器802における移相量を0°または180°に設定すると、ハイパスフィルタ801の出力中に含まれる角速度信号と、移相器802の出力である参照信号の位相は90°ずれていることになる。従って、ある角速度がセンサに加わっているときでも、同期検波器803の出力は、外乱が存在しなければ0である。もし、参照信号の位相とは無関係な外乱(例えば、周波数fzを含むような周波数帯の振動による加速度)が錘部104に加わったときには、同期検波器803の出力に有限の値を有する信号が出力される。この信号の振幅を、振幅検出回路804にて検出する。そして比較器805へと入力し、予め定められた所定のしきい値よりも大きければ外乱検出信号Xを所定の時間τだけ外乱検出状態に設定する。ここで時間τはローパスフィルタ805の時定数よりも大きく設定しておく。以上は、信号Yについても同様である。このように、外乱検知部706は、角速度信号を含む信号を、角速度信号に対して90°位相がずれた参照信号で検波してやることで、角速度信号と同じ帯域の外乱を検出することができる。
Next, the function of the
次に、図9に外乱検知部706の構成の別の例を示す。
図9において、外乱検知部706は、ハイパスフィルタ901と、同期検波器903と、振幅検出回路904と、比較器905とを備える。この形態は、移相器の移相量を0°に設定し、移相器を省略する場合を示している。
Next, another example of the configuration of the
In FIG. 9, the
また、図10に外乱検知部706の構成のさらに別の例を示す。
図10において、外乱検知部706は、ハイパスフィルタ1001と、同期検波器1003と、振幅検出回路1004と、比較器1005と、反転増幅器1006とを備える。この形態は、移相器の位相量を180°に設定し、移相器を反転増幅器とする場合を示している。
FIG. 10 shows still another example of the configuration of the
In FIG. 10, the
つづいて、角速度出力補正部707の詳細について説明する。
図11に、角速度出力補正部707を実現するための構成の一例を示す。
Next, details of the angular velocity
FIG. 11 shows an example of a configuration for realizing the angular velocity
サンプルアンドホールド回路(S/H回路)1101は、補正前の角速度信号Xであるローパスフィルタ705の出力を入力とする。外乱検出信号Xが非外乱検出状態のときには所定の時間間隔T毎にサンプル動作を行う。外乱検出信号Xが外乱検出状態の時にはサンプル動作を行なわず、直前の値を保持し続ける。サンプル動作を行なう時間間隔T秒は、外乱検知部が外乱を検出するまでにかかる時間よりも大きく設定する。このようにTを設定することにより、サンプルアンドホールド回路は、確実に、外乱の影響を受ける前の値を出力することが可能となる。信号切換器1102は、補正前の角速度信号Xであるローパスフィルタ705の出力と、サンプルアンドホールド回路1101の出力を入力とする。外乱検知信号Xが非外乱検出状態であれば補正前の角速度信号Xを出力し、外乱検知信号Xが外乱検出状態であればサンプルアンドホールド回路1101の出力を出力する。
A sample and hold circuit (S / H circuit) 1101 receives the output of the low-
次に、図12に、角速度出力補正部707を実現するための構成の別の例を示す。
図12において、角速度出力補正部707は、信号切替器1202を備える。この形態は、外乱検知信号が非外乱検出状態のときは補正前角速度信号Xを出力し、外乱検知信号Xが外乱検出状態のときはゼロ信号を出力することにより、サンプルアンドホールド回路を省略する場合を示している。
Next, FIG. 12 shows another example of a configuration for realizing the angular velocity
In FIG. 12, the angular velocity
以上の構成により、外乱が検出され、その影響が落ち着くまでの間、外乱が検出される直前の値を出力し続けることによって、角速度出力に生じる誤差を低減させることができる。 With the above configuration, the error generated in the angular velocity output can be reduced by continuously outputting the value immediately before the disturbance is detected until the disturbance is detected and the influence is settled.
701 駆動回路
702 CV変換器
703 移相器
704 同期検波器
705 ローパスフィルタ
706 外部検知部
707 角速度出力補正部
801 ハイパスフィルタ
802 移相器
803 同期検波器
804 振幅検出回路
805 比較器
901 S/H回路
902 信号切換器
701
Claims (15)
前記第2および第3の軸方向の変位信号に含まれる、加速度による慣性力の信号を外乱信号として検出する外乱信号検知部と、
前記外乱信号検知部から出力される外乱検知信号に基づき、前記第2および第3の軸方向の変位信号に基づく角速度信号を補正する補正部と
を備え、
前記外乱信号検知部は、前記角速度信号を含む信号を、前記角速度に対して90°位相がずれた参照信号で検波することにより、前記角速度信号と同じ帯域の前記外乱信号を検出することを特徴とする角速度センサ。 Forces applied to a second axis orthogonal to the first axis and a third axis orthogonal to the first axis and the second axis are detected, and the first axial direction and the second axis are detected. A displacement signal output unit for outputting displacement signals in the axial direction of the second axis and the third axial direction
A disturbance signal detector for detecting an inertial force signal due to acceleration included in the displacement signals in the second and third axial directions as a disturbance signal;
A correction unit that corrects an angular velocity signal based on the displacement signals in the second and third axial directions based on a disturbance detection signal output from the disturbance signal detection unit;
With
The disturbance signal detection unit detects the disturbance signal in the same band as the angular velocity signal by detecting a signal including the angular velocity signal with a reference signal that is 90 ° out of phase with the angular velocity. Angular velocity sensor.
前記第1の軸方向の変位信号の位相を所定の移相量だけ変化させる第1移相部と、
前記移相部からの出力信号を参照信号とし、前記第2または第3の軸方向の変位信号を検波する同期検波部と、
前記同期検波部からの出力信号に基づき角速度信号を出力するローパスフィルタと
を備えることを特徴とする請求項1に記載の角速度センサ。 further,
A first phase shift section that changes the phase of the displacement signal in the first axial direction by a predetermined phase shift amount;
A synchronous detection unit that detects an output signal from the phase shift unit as a reference signal and detects a displacement signal in the second or third axial direction;
The angular velocity sensor according to claim 1, further comprising: a low-pass filter that outputs an angular velocity signal based on an output signal from the synchronous detection unit.
前記第1の軸方向の変位信号の位相を所定の移相量だけ変化させる第2移相部と、
前記移相部からの出力信号を参照信号とし、前記第2または第3の軸方向の変位信号を検波する同期検波部と、
前記同期検波部からの出力信号の振幅と、所定の閾値との比較を行う比較部と
を備えることを特徴とする請求項2または3に記載の角速度センサ。 The disturbance signal detector is
A second phase shift section that changes the phase of the displacement signal in the first axial direction by a predetermined phase shift amount;
A synchronous detection unit that detects an output signal from the phase shift unit as a reference signal and detects a displacement signal in the second or third axial direction;
The angular velocity sensor according to claim 2, further comprising: a comparison unit that compares the amplitude of the output signal from the synchronous detection unit with a predetermined threshold value.
前記外乱検知信号に基づき、前記第2または第3の軸方向の変位信号をサンプルアンドホールドするサンプルアンドホールド回路部と、
前記外乱検知信号に基づき、
前記第2または第3の軸方向の変位信号に基づく角速度信号と、
前記サンプルアンドホールド回路部からの出力信号とのいずれか一方を出力する信号切替部と
を備えることを特徴とする請求項4または5に記載の角速度センサ。 The correction unit is
A sample and hold circuit section that samples and holds the displacement signal in the second or third axial direction based on the disturbance detection signal;
Based on the disturbance detection signal,
An angular velocity signal based on the second or third axial displacement signal;
The angular velocity sensor according to claim 4, further comprising: a signal switching unit that outputs one of the output signals from the sample and hold circuit unit.
錘と、該錘を支持する梁と、該梁に対向して形成される電極とを備えた静電容量型センサと、
前記錘を電極面に直交する第1の軸方向に駆動する駆動部と、
前記第1の軸に直交した第2の軸、ならびに、前記第1の軸および前記第2の軸にそれぞれ直交する第3の軸にかかる力を、前記錘と前記電極との間の静電容量で検出し、前記第1の軸方向と前記第2の軸方向と前記第3の軸方向の変位信号を出力する静電容量変換部である請求項1乃至6の何れか1項に記載の角速度センサ。 The detection signal output unit is
A capacitance type sensor comprising a weight, a beam supporting the weight, and an electrode formed to face the beam;
A drive unit for driving the weight in a first axial direction perpendicular to the electrode surface;
A force applied to a second axis orthogonal to the first axis and a third axis orthogonal to the first axis and the second axis is applied to the electrostatic force between the weight and the electrode. 7. The capacitance converting unit that detects a capacitance and outputs a displacement signal in the first axial direction, the second axial direction, and the third axial direction. 7. Angular velocity sensor.
内部に変位可能な錘部を有し、前記錘部を所定の周波数を有し振動させることにより、系に角速度が加わったときに錘部に生じるコリオリ力により起こる変位を、錘部の変位による静電容量の変化で検出し、前記第1の軸方向と前記第2の軸方向と前記第3の軸方向の変位信号として出力するものである請求項1乃至6の何れか一項に記載の角速度センサ。 The detection signal output unit is
Displacement caused by Coriolis force generated in the weight portion when the angular velocity is applied to the system by causing the weight portion to displace inside and vibrating the weight portion with a predetermined frequency. 7. The detection according to claim 1, wherein the displacement signal is detected as a change in capacitance and output as a displacement signal in the first axial direction, the second axial direction, and the third axial direction. Angular velocity sensor.
内部に変位可能な錘部を有し、前記錘部を所定の周波数を有し振動させることにより、系に角速度が加わったときに錘部に生じるコリオリ力により起こる変位を、錘部の変位による応力の変化を圧電効果で検出し、前記第1の軸方向と前記第2の軸方向と前記第3の軸方向の変位信号として出力するものである請求項1乃至6の何れか一項に記載の角速度センサ。 The detection signal output unit is
Displacement caused by Coriolis force generated in the weight portion when the angular velocity is applied to the system by causing the weight portion to displace inside and vibrating the weight portion with a predetermined frequency. The change in stress is detected by a piezoelectric effect, and is output as a displacement signal in the first axial direction, the second axial direction, and the third axial direction. The angular velocity sensor described.
前記第2および第3の軸方向の変位信号に含まれる、加速度による慣性力の信号を外乱信号として検出する外乱信号検知部と、
前記外乱信号検知部から出力される外乱検知信号に基づき、前記第2および第3の軸方向の変位信号に基づく角速度信号を補正する補正部と
を備え、
前記外乱信号検知部は、前記角速度信号を含む信号を、前記角速度に対して90°位相がずれた参照信号で検波することにより、前記角速度信号と同じ帯域の前記外乱信号を検出することを特徴とする角速度信号補正装置。 Of a second axis orthogonal to the first axis, and a third axis orthogonal to the first axis and the second axis,
A disturbance signal detector for detecting an inertial force signal due to acceleration included in the displacement signals in the second and third axial directions as a disturbance signal;
A correction unit that corrects an angular velocity signal based on the displacement signals in the second and third axial directions based on a disturbance detection signal output from the disturbance signal detection unit;
With
The disturbance signal detection unit, a signal containing the angular speed signal, by detecting the reference signal 90 ° phase shifted with respect to the angular velocity, that you detect the disturbance signal in the same band as the angular velocity signal An angular velocity signal correction device characterized.
前記移相部からの出力信号を参照信号とし、前記第2または第3の軸方向の変位信号を検波する同期検波部と、
前記同期検波部からの出力信号に基づき角速度信号を出力するローパスフィルタと
をさらに備えることを特徴とする請求項10に記載の角速度信号補正装置。 A first phase shift section that changes the phase of the displacement signal in the first axial direction by a predetermined phase shift amount;
A synchronous detection unit that detects an output signal from the phase shift unit as a reference signal and detects a displacement signal in the second or third axial direction;
The angular velocity signal correction device according to claim 10, further comprising a low-pass filter that outputs an angular velocity signal based on an output signal from the synchronous detection unit.
前記第1の軸方向の変位信号の位相を所定の移相量だけ変化させる第2移相部と、
前記移相部からの出力信号を参照信号とし、前記第2または第3の軸方向の変位信号を検波する同期検波部と、
前記同期検波部からの出力信号の振幅と、所定の閾値との比較を行う比較部と
を備えることを特徴とする請求項11または12に記載の角速度信号補正装置。 The disturbance signal detector is
A second phase shift section that changes the phase of the displacement signal in the first axial direction by a predetermined phase shift amount;
A synchronous detection unit that detects an output signal from the phase shift unit as a reference signal and detects a displacement signal in the second or third axial direction;
The angular velocity signal correction apparatus according to claim 11, further comprising a comparison unit that compares an amplitude of an output signal from the synchronous detection unit with a predetermined threshold value.
前記外乱検知信号に基づき、前記第2または第3の軸方向の変位信号をサンプルアンドホールドするサンプルアンドホールド回路部と、
前記外乱検知信号に基づき、
前記第2または第3の軸方向の変位信号に基づく角速度信号と、
前記サンプルアンドホールド回路部からの出力信号とのいずれか一方を出力する信号切替部と
を備えることを特徴とする請求項13または14に記載の角速度信号補正装置。 The correction unit is
A sample and hold circuit section that samples and holds the displacement signal in the second or third axial direction based on the disturbance detection signal;
Based on the disturbance detection signal,
An angular velocity signal based on the second or third axial displacement signal;
The angular velocity signal correction device according to claim 13, further comprising: a signal switching unit that outputs one of the output signals from the sample and hold circuit unit.
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