JPWO2005068938A1 - 物理量測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
本発明は、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であって、自励発振回路が電流/電圧変換器とローパスフィルターとを備えており、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に形成されていることを特徴とする。
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は、検出回路の構成例を示す回路図である。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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)。
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。
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。
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/R1・C1)にほぼ比例することが導かれる。
たたし、C1はローパスフィルターのコンデンサの容量であり、R1はローパスフィルターの抵抗の抵抗値である。
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/R1・C1)に比例している。従って、測定電流値は、R×(1/R1・C1)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R1の温度特性によって消去されるので、(1/C1)に比例するようになる
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/C1)に比例することから、駆動電流値はC1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C1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C1の温度特性に比例することを意味する。
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。
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/C1)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C1の温度特性は類似しているので、C×(1/C1)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。
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/R1・C1)に完全に比例する必要はないが、(1/R1・C1)にできるた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/R1・C1)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/R1・C1)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。
また、このためには、ωがω0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ω0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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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 (8)
- 振動子、この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電流/電圧変換器とローパスフィルターとを備えており、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に形成されていることを特徴とする、物理量測定装置。 - 前記自励発振回路が、全波整流器および積分器を備えてい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。
- 回転角速度を測定するための装置であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の装置。
- 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い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装置。
- 前記ローパスフィルターの増幅率の(1/R1・C1)に対する比例係数が0.9倍以上、1.1倍以下である(C1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り、R1は前記ローパスフィルターの前記抵抗器の抵抗値である)ことを特徴とする、請求項5記載の装置。
- ωがω0の5倍以上である(ωは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、請求項1〜6のいずれか一つの請求項に記載の装置。
- 前記自励発振回路における測定電流値がほぼ(1/C1)に比例する(C1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5〜7のいずれか一つの請求項に記載の装置。
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