JPWO2005080919A1 - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

振動子の質量バランスを加味して角速度を正確に算出することができる角速度センサを提供する。 軸部２１に一対のアーム部２２を有し、圧電素子からなる音叉型の振動子２３と、この振動子２３を駆動させ、振動子２３に与えられた角速度を検出する制御回路部２４とを備え、制御回路部２４は、振動子２３に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出したセンス信号２９の信号成分をノイズ信号成分として、センス信号２９の信号成分から除去するための補正信号を生成する補正回路部３５を備えている。

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、及び車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等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図面を参照しながら説明する。図１０は従来の角速度センサの振動子の平面図を示し、図１１は同角速度センサのブロック図を示し、図１２は同角速度センサの動作状態における各電極部の入出力信号の波形図を示している。

図１１及び図１２において、従来の角速度センサは、軸部１に一対のアーム部２を有し、圧電素子からなる音叉型の振動子３と、この振動子３を駆動させ、振動子３に与えられた角速度を検出する制御回路部４とを備えている。

振動子３は、振動子３を特定周波数で振動させるためのドライブ信号５が入力されるドライブ電極部６と、振動子３の振動周波数を検出し、モニタ信号７として出力するモニタ電極部８と、振動子３に与えられた角速度を検出して、モニタ信号７に同期したセンス信号９として出力するセンス電極部１０とを備えている。ドライブ電極部６及びセンス電極部１０はアーム部２に形成され、モニタ電極部８は軸部１及びアーム部２の境界近傍に形成されている。

制御回路部４は、振動子３のモニタ電極部８に接続されたモニタ回路部１１、このモニタ回路部１１に接続されたＡＧＣ回路部１２、このＡＧＣ回路部１２に接続された駆動回路部１３、及び振動子３のセンス電極部１０に接続された角速度検知回路部１４を備えている。

モニタ回路部１１は、モニタ電極部８から出力されたモニタ信号７が入力される増幅器と、この増幅器の出力信号が入力されるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）と、このバンドパスフィルタの出力信号が入力される整流器と、この整流器の出力信号が入力される平滑回路とにより構成されている。

ＡＧＣ回路部１２は、モニタ回路部１１の平滑回路からの出力信号が入力され、この入力された信号に従って、モニタ回路部１１のバンドパスフィルタからの出力信号を増幅あるいは減衰させる機能を有している。駆動回路部１３は、増幅あるいは減衰されたバンドパスフィルタからの出力信号を、振動子３の駆動用のドライブ信号５としてドライブ電極部６に出力している。角速度検知回路部１４は、センス電極部１０から出力されたセンス信号９から角速度を検出する。

振動子３はドライブ電極部６からドライブ信号５が入力されることによって振動して駆動するとともに、その振動はモニタ電極部８からモニタ信号７として出力される。このドライブ信号５は特定周波数の正弦波であり、このドライブ信号５（特定周波数の正弦波）の振幅が、モニタ信号７（振動子３の振動に起因した振動周波数の正弦波）の振幅と異なる場合、モニタ信号７の振幅とドライブ信号５の振幅が互いに一致するように制御される。

具体的には、モニタ信号７の振幅がドライブ信号５の振幅よりも小さい場合は、ドライブ信号５の振幅を増加させる是正信号がドライブ信号５に付加され、モニタ信号７の振幅がドライブ信号５の振幅よりも大きい場合は、ドライブ信号５の振幅を減少させる是正信号がドライブ信号５に付加される。これらの機能はＡＧＣ回路部１２と駆動回路部１３によって行っており、振動子３の振動が一定振幅に保持されるようになっている。

上記角速度センサにおいて、ドライブ信号５、モニタ信号７、センス信号９の関係は、図１２に示すようになる。すなわち、図１２（ａ）に示すように、特定周波数の正弦波からなるドライブ信号５に対して、図１２（ｂ）に示すように、振動子３の振動に起因した振動周波数の正弦波からなるモニタ信号７がドライブ信号５と同位相で出力され、振動子３に与えられる角速度に応じて、図１２（ｃ）に示すように、モニタ信号７に同期して位相の９０度進んだ正弦波からなるセンス信号９が出力される。

なお、この出願の発明に関連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２０００−１９３４５９号公報

しかしながら、上記従来の構成では、モニタ信号７に同期し、振動子３に与えられた角速度に起因する同期周波数が検出され、この同期周波数がセンス電極部１０からセンス信号９として出力されるが、振動子３の質量バランスによっては、振動子３に角速度が生じていない場合であっても、角速度が生じていると誤検出してセンス信号９が出力される場合があり、角速度が正しく算出されないという問題点を有していた。ここで、振動子３の質量バランスとは、例えば、Ｕ字形状やＨ字形状等の音叉型の振動子３では、各アーム部２の質量のバランスを指し、音叉型でなく、柱状や錐状の形状の振動子３では、重心を基準にした場合の質量のバランスを指している。

本発明は上記問題点を解決するものであり、振動子の質量バランスを加味して角速度を正確に算出することができる角速度センサを提供することを目的としている。

本発明による角速度センサは、振動子と、前記振動子を駆動して前記振動子に与えられた角速度を検出する制御回路部とを備え、前記振動子に、前記振動子を特定周波数で振動させるためのドライブ信号を入力するドライブ電極部と、前記振動子の振動周波数を検出しモニタ信号として出力するモニタ電極部と、前記振動子に与えられた角速度に起因して発生し、前記モニタ信号に同期したセンス信号を出力するセンス電極部とを形成し、前記振動子に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出した前記センス信号の信号成分をノイズ信号成分として、前記センス信号のセンス信号から除去する補正回路部を設けたことを特徴とする。

この構成によれば、振動子に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出されたセンス信号の信号成分がノイズ信号成分とされ、センス電極部により検出されたセンス信号の信号成分から除去されるため、振動子の質量バランスに起因するノイズ信号がセンス信号から除去され、角速度を正確に検出することができる。

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である。 同角速度センサに用いる振動子の平面図である。 同角速度センサのドライブ信号およびモニタ信号およびセンス信号の波形図である。 Ｈ字形状の音叉型の振動子の平面図である。 同角速度センサの位相ずれが生じたドライブ信号およびモニタ信号の波形図である。 同角速度センサの補正回路部およびこれに接続された増幅器を示す回路図である。 質量バランスがとれた理想的な振動子において、角速度が加わっていないときの波形図を示している。 質量バランスがとれていない振動子において、角速度が加わっていないときの従来の角速度センサの波形図を示している。 本角速度センサにおいて、振動子に角速度が加わったとこにおける波形図を示している。 従来の角速度センサの振動子の平面図である。 従来の角速度センサのブロック図である。 従来の角速度センサのドライブ信号およびモニタ信号およびセンス信号の波形図である。

以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて図面を参照しながら説明する。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を示し、図２は同角速度センサに用いる振動子の平面図を示し、図３は同角速度センサの動作状態における各電極部の入出力信号の波形図を示し、図４はＨ字形状の同角速度センサに用いる振動子の平面図を示し、図５は同角速度センサの位相ずれが生じたドライブ信号およびモニタ信号の波形図を示し、図６は同角速度センサの補正回路部を示す回路図である。

図１及び図２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、軸部２１に一対のアーム部２２を有し、圧電素子からなる音叉型の振動子２３と、この振動子２３を駆動させ、振動子２３に与えられた角速度を検出する制御回路部２４とを備えている。

振動子２３は、振動子２３を特定周波数で振動させるためのドライブ信号２５が入力されるドライブ電極部２６と、振動子２３の振動周波数を検出しモニタ信号２７として出力するモニタ電極部２８と、振動子２３に与えられた角速度に起因して発生し、モニタ信号に同期したセンス信号２９を出力するセンス電極部３０とを形成している。ドライブ電極部２６及びセンス電極部３０はアーム部２２に形成され、モニタ電極部２８は軸部２１及びアーム部２２の境界近傍に形成されている。

制御回路部２４は、振動子２３のモニタ電極部２８に接続されたモニタ回路部３１、このモニタ回路部３１に接続されたＡＧＣ回路部３２、このＡＧＣ回路部３２に接続された駆動回路部３３、及び振動子２３のセンス電極部３０に接続された角速度検知回路部３４を備えている。

モニタ回路部３１は、モニタ電極部２８から出力されたモニタ信号２７が入力される増幅器３１１と、この増幅器３１１の出力信号が入力されるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１２と、このバンドパスフィルタ３１２の出力信号が入力される整流器３１３と、この整流器３１３の出力信号が入力される平滑回路３１４とを備えている。

ＡＧＣ回路部３２は、平滑回路３１４の出力信号が入力され、入力された信号に従って、バンドパスフィルタ３１２の出力信号が増幅或いは減衰されるように駆動回路部３３を制御する。

駆動回路部３３は、ＡＧＣ回路部３２の制御の下、バンドパスフィルタ３１２からの出力信号を増幅或いは減衰させ、振動子２３の駆動用のドライブ信号２５としてドライブ電極部２６に出力する。角速度検知回路部３４は、センス電極部３０から出力されたセンス信号２９から角速度を検出する。

振動子２３は、ドライブ電極部２６からドライブ信号２５が入力されることによって振動して駆動されると共に、その振動はモニタ電極部２８からモニタ信号２７として出力される。このドライブ信号２５は特定周波数の正弦波であり、このドライブ信号２５（特定周波数の正弦波）の振幅が、モニタ信号２７（振動子２３の振動に起因した振動周波数の正弦波）の振幅と異なる場合、モニタ信号２７の振幅とドライブ信号２５の振幅が互いに一致するように制御される。

具体的には、モニタ信号２７の振幅がドライブ信号２５の振幅よりも小さい場合は、ドライブ信号２５の振幅を増加させる是正信号がドライブ信号２５に付加され、モニタ信号２７の振幅がドライブ信号２５の振幅よりも大きい場合は、ドライブ信号２５の振幅を減少させる是正信号がドライブ信号２５に付加される。その結果、振動子２３の振動が一定振幅に保持される。なお、これらの機能はＡＧＣ回路部３２及び駆動回路部３３により行われる。

上記角速度センサにおいて、ドライブ信号２５、モニタ信号２７、及びセンス信号２９の関係は、図３に示すようになる。すなわち、図３（ａ）に示すように、特定周波数の正弦波からなるドライブ信号２５に対して、図３（ｂ）に示すように、振動子２３の振動に起因した振動周波数の正弦波からなるモニタ信号２７がドライブ信号２５と同位相で出力され、振動子２３に与えられる角速度に応じて、図３（ｃ）に示すように、モニタ信号２７に同期して位相の９０度進んだ正弦波からなるセンス信号２９が出力される。なお、センス信号２９がモニタ信号２７に対して９０度位相が進んでいるのは、センス電極部３０に生じる電荷がコリオリ力に起因して生じるためである。

更に、制御回路部２４には、振動子２３に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出したセンス信号２９の信号成分をノイズ信号成分として、センス信号２９の信号成分からノイズ信号成分を除去する補正回路部３５が設けられている。

ノイズ信号成分には第１ノイズ信号成分と第２ノイズ信号成分とが含まれる。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１のノイズ信号成分は、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれていない状態において生じたものである。

この第１ノイズ信号成分は振動子２３の質量バランスによって生じるものである。例えば、Ｕ字形状やＨ字形状の音叉型の振動子２３の場合、それぞれのアーム部２２の質量にバラツキがあると第１ノイズ信号成分が生じる。また、音叉型でなく、柱状や錐状の形状の振動子２３においても、重心を基準にして、質量差があると、第１ノイズ信号成分が生じる。Ｈ字形状の音叉型の振動子２３としては、図４に示すものがある。この振動子２３では、軸部２１に対してアーム部２２が４つあり、ドライブ電極部２６及びセンス電極部３０がアーム部２２に形成され、モニタ電極部２８が軸部２１に形成されている。

第２ノイズ信号成分は、第１ノイズ信号成分を除いたものであって、図３（ａ）、（ｂ）に示すモニタ信号２７とセンス信号２９において、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれている状態に起因して生じたものであり、図５（ａ）、（ｂ）に示すような位相ずれ（Ｗ）に起因して生じる。このような位相が互いにずれる状態になるのは、制御回路部２４内の温度上昇に起因する。

補正回路部３５は、第１ノイズ信号成分の除去用として第１ノイズ用補正回路３６と第２ノイズ信号成分の除去用として第２ノイズ用補正回路３７とを有している。図６は補正回路部３５の詳細な回路図を示している。第１ノイズ用補正回路３６及び第２ノイズ用補正回路３７は、内部抵抗を有するスイッチ部３９とラダー抵抗４０とを組み合わせて形成されている。そして、ラダー抵抗４０の抵抗値は、トランジスタ等のスイッチ部３９の内部抵抗の抵抗値に対して１００倍以上に設定されている。

スイッチ部３９は、ラダー抵抗の２０ｋオームの抵抗に２個ずつ接続されたスイッチＳ１，Ｓ２、スイッチＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２、メモリ部３８からのデータをスイッチＳ１に出力するデータラインＬ１及びメモリ部３８からのデータを反転させてスイッチＳ２に出力インバータＩ１等を備えている。

例えば、スイッチ部３９の左から一番目のデータラインＬ１には、メモリ部３８から出力される８ビットのデータのうち、７ビット目のデータＤ６が入力される。そして、スイッチＳ１，Ｓ２は、データＤ６に従って排他的にオン・オフし、ラダー抵抗４０の左から一番目の２０ｋオームの抵抗を、モニタ回路部３１の出力端子側又は逆三角形マークで示すグランド側に接続させる。

また、スイッチ部３９の右側のスイッチＳ１１，Ｓ１２は、データＤ７に従って、排他的オン・オフされ、スイッチＳ２１，Ｓ２２は、データＤ７に従って排他的にオン・オフされ、ラダー抵抗４０の出力端子Ｐ１を、差動増幅器３４３の反転入力端子又は非反転入力端子に接続させる。これにより、差動増幅器３４３の反転入力端子に、第１ノイズ用補正回路３６のラダー抵抗４０の出力端子Ｐ１が接続され、差動増幅器３４３の非反転入力端子に、第２ノイズ用補正回路３７のラダー抵抗の出力端子Ｐ２が接続される。或いは、差動増幅器３４３の非転入力端子に、第１ノイズ用補正回路３６のラダー抵抗４０の出力端子Ｐ１が接続され、差動増幅器３４３の反転入力端子に第２ノイズ用補正回路３７のラダー抵抗の出力端子Ｐ２が接続される。

すなわち、第１ノイズ用補正回路３６は、メモリ部３８に記憶されたデータに従って、ラダー抵抗４０の抵抗値を調節し、増幅器３１１からの出力信号を減衰させて補正信号を生成し、この補正信号を増幅器３４１及び３４２から出力される両センス信号に重畳し、両センス信号に含まれる第１ノイズ信号成分を定常的に除去する。

また、第２ノイズ用補正回路３７は、メモリ部３８に記憶されたデータに従って、ラダー抵抗４０の抵抗値を調節し、増幅器３１１からの出力信号を減衰させて補正信号を生成し、この補正信号を増幅器３４１及び３４２から出力されるセンス信号に重畳し、両センス信号に含まれる第２ノイズ信号成分を定常的に除去する。

メモリ部３８は、第１ノイズ用補正回路３６がセンス信号から第１ノイズ信号成分を除去するための補正信号を生成する際に使用するデータを記憶すると共に、第２ノイズ用補正回路３７がセンス信号から第２ノイズ信号成分を除去するための補正信号を生成する際に使用するデータを記憶する。なお、メモリ部３８が記憶するデータは、実験等に得られた値が採用され、工場出荷時等において、ノイズ信号端子４１を介してメモリ部３８に書き込まれたものである。また、メモリ部３８としては、ＥＥＰＲＯＭ等が採用される。

モニタ信号２７及びセンス信号２９は、図１の増幅器３１１，３４１，３４２において、それぞれ互いに増幅されるとともに、この増幅度が略同等にされている。なお、センス電極部３０から出力されるセンス信号２９の増幅器が増幅器３４１，３４２と２つあるのは、センス電極部３０が２つ設けられているからである。

図１に示す角速度検知回路部３４は、増幅器３４１，３４２、差動増幅器３４３、位相器３４４、クロック生成回路３４５、同期検波器３４６、及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）３４７を備えている。増幅器３４１は２個あるセンス電極部３０のうち一方のセンス電極部３０から出力されるセンス信号２９を増幅し、増幅器３４２は他方のセンス電極部３０から出力されるセンス信号２９を増幅し、差動増幅器３４３に出力する。差動増幅器３４３は、増幅器３４１から出力されたセンス信号に補正回路部３５から出力された補正信号が重畳された信号と、増幅器３４２から出力されたセンス信号に補正回路部３５から出力された補正信号が重畳された信号との差分を増幅し、差動センス信号として位相器３４４に出力する。

ここで、補正回路部３５から出力される補正信号は、増幅器３４１から出力されるセンス信号及び増幅器３４２から出力されるセンス信号に重畳されることにより、両センス信号に含まれる第１ノイズ信号成分及び第２ノイズ信号成分を除去する。

位相器３４４は、差動増幅器３４３から出力された差動センス信号の位相を９０度進める。クロック生成回路３４５は、バンドパスフィルタ３１２から出力されたモニタ信号と同期し、モニタ信号の周期と同一周期のクロック信号を生成する。同期検波器３４６はクロック生成回路３４５から出力されたクロック信号と、位相器３４４から出力された信号とを乗じた信号をローパスフィルタ３４７に出力する。ローパスフィルタ３４７は、位相器３４４から出力された信号の高周波成分を除去し、角速度信号を出力する。

次に、図１に示す回路図及び図７〜図９に示す波形図を用いて本角速度センサの動作について説明する。図７は質量バランスがとれている振動子３、すなわち、理想的な振動子３において、角速度が加わっていないときの波形図を示している。図７（ａ）は駆動回路部３３が出力するドライブ信号２５を示し、（ｂ）はバンドパスフィルタ３１２から出力されるモニタ信号を示し、（ｃ）は差動増幅器３４３から出力される差動センス信号を示し、（ｄ）はクロック生成回路３４５から出力される信号を示し、（ｅ）は同期検波器３４６に入力される信号を示し、（ｆ）は同期検波器３４６から出力される信号を示し、（ｇ）はローパスフィルタ３４７から出力される角速度信号を示している。理想的な振動子３を用いた場合、図７（ｇ）に示すようにローパスフィルタ３４７からレベルが０の角速度信号が出力され、加速度が正確に検出されていることが分かる。

図８は質量バランスがとれていない振動子３を用いた従来の角速度センサにおいて、角速度が加わっていないときの波形図を示している。図８（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ、図７（ａ）〜（ｇ）に対応している。振動子３に角速度が加わっていない場合は、理想的には差動増幅器３４３からは図７（ｃ）に示すようなレベルが０の差動センス信号が出力されるはずである。しかしながら、振動子３の質量バランスがとれていない場合は、差動増幅器３４３からは図８（ｃ）に示すようなセンス信号、すなわち、第１ノイズ信号成分及び第２ノイズ信号成分を含むセンス信号が出力されてしまう。その結果、ローパスフィルタ３４７からは図８（ｇ）に示すようなレベルが０ではない角速度信号が出力されてしまう。

図９は、本角速度センサにおいて、振動子３に加速度が加わっているときの波形図を示している。図９（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ図８（ａ）〜（ｇ）と対応している。本角速度センサでは、差動増幅器３４３の両入力端子に入力されるセンス信号は、補正回路部３５で生成された補正信号が重畳されている。そのため、図９（ｃ）に示す差動センス信号には、第１ノイズ信号成分及び第２ノイズ信号成分が含まれていない。その結果、図９（ｇ）に示す角速度信号は、第１ノイズ信号成分及び第２ノイズ信号成分の影響を受けない。これにより、正確な角速度を検出することが可能となる。

以上説明したように、本角速度センサによれば、振動子２３の質量バランスに起因して生じるセンス信号２９に含まれるノイズ信号成分が補正回路部３５により生成される補正信号により除去されるため、正確な角速度を検出することができる。

また、ノイズ信号成分を予め記憶したメモリ部３８を補正回路部３５に接続し、メモリ部３８に予め記憶したデータに従って補正信号を生成し、この補正信号を基に、ノイズ信号成分をセンス信号２９の信号成分から定常的に除去しているので、角速度センサの動作状態において、定常的に正確な角速度を検出することができる。

また、補正回路部３５には、内部抵抗を有するスイッチ部３９とラダー抵抗４０とを組み合わせて形成した回路を設け、ラダー抵抗４０の抵抗値をスイッチ部３９の内部抵抗の抵抗値に対して１００倍以上に設定しているので、スイッチ部３９をオフからオン状態に切り替えた際に、そのオン抵抗が小さくなり、インピーダンスマッチングが向上する。

また、ノイズ信号成分は、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれていない状態において生じた第１ノイズ信号成分とし、補正回路部３５は第１ノイズ信号成分を除去する専用の第１ノイズ用補正回路３６を設けているので、複数のノイズ信号成分の内、確実に第１ノイズ信号成分を除去できる。

また、ノイズ信号成分は、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれていない状態において生じた第１ノイズ信号成分を除いたものであって、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれている状態に起因して生じた第２のノイズ信号成分とし、補正回路部３５は第２ノイズ信号成分を除去する専用の第２ノイズ用補正回路３７を設けているので、複数のノイズ信号成分の内、確実に第２ノイズ信号成分を除去できる。

また、モニタ信号２７及びセンス信号２９は増幅器３１１，３４１，３４２により互いに増幅されるとともに、この増幅度を略同等にしているので、第２ノイズ信号成分を精度良く除去することができる。

なお、本実施の形態において、ノイズ信号成分を取り出すとともに、メモリ部３８に記憶させた後に、ノイズ信号端子４１を非導通にしてもよい。この場合、ノイズ信号端子４１は非導通にされるため、製造工程中や実装基板への実装後に、ノイズ信号端子４１に不要に電流が流れ、角速度センサに悪影響を発生させることを抑制できる。

本発明を纏めると以下のようになる。

（１）振動子と、前記振動子を駆動して前記振動子に与えられた角速度を検出する制御回路部とを備え、前記振動子に、前記振動子を特定周波数で振動させるためのドライブ信号を入力するドライブ電極部と、前記振動子の振動周波数を検出し、モニタ信号として出力するモニタ電極部と、前記振動子に与えられた角速度に起因して発生し、前記モニタ信号に同期したセンス信号を出力するセンス電極部とを形成し、前記振動子に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出した前記センス信号の信号成分をノイズ信号成分として、前記センス信号の信号成分から除去するための補正信号を生成する補正回路部を設けたことを特徴とする。

この構成によれば、振動子に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出されたセンス信号の信号成分がノイズ信号成分とされ、角速度が生じた際にセンス電極部により検出されたセンス信号の信号成分から除去されるため、振動子の質量バランスに起因するノイズ信号がセンス信号から除去され、角速度を正確に検出することができる。

（２）また、上記構成において、前記補正信号を生成するためのデータを予め記憶したメモリ部を更に備え、前記補正回路部は、前記メモリ部に記憶されたデータに従って前記補正信号を生成し、生成した補正信号を前記センス信号に重畳することで、前記センス信号の信号成分から前記ノイズ信号成分を定常的に除去することが好ましい。

この構成によれば、ノイズ信号成分はメモリ部に記憶され、補正回路部はメモリ部に記憶されたノイズ信号成分をセンス信号から除去することでセンス信号を補正しているため、センス信号の補正処理を高速、かつ高精度に行うことができる。

（３）また、上記構成において、前記メモリ部は、データを記憶させるためのデータ入力端子を備え、前記データ入力端子は、前記メモリ部にデータが記憶される際に導通状態とされ、前記メモリ部にデータが記憶された後は、非導通状態とされることが好ましい。

この構成によれば、ノイズ信号端子はメモリ部にデータが記憶された後は、非導通状態とされるため、製造工程中や実装基板への実装後に、ノイズ信号端子に不要な電流が流れ、角速度センサに悪影響が生じることを抑制することができる。

（４）また、上記構成において、前記補正回路部は、ラダー抵抗と、前記メモリ部に記憶されたデータに従って前記ラダー抵抗の抵抗値を調整するスイッチ部とを備え、前記ラダー抵抗により前記モニタ信号を減衰させることで前記補正信号を生成することが好ましい。

この構成によれば、ラダー抵抗の抵抗値がメモリ部に記憶されたデータに従って調節され、当該ラダー抵抗によりモニタ信号が減衰させて補正信号が生成されるため、モニタ信号の信号成分からノイズ信号成分を精度良く除去することができる。

（５）また、上記構成において、前記ラダー抵抗の抵抗値を前記スイッチの内部抵抗の抵抗値に対して１００倍以上に設定したことが好ましい。

この構成によれば、ラダー抵抗の抵抗値がスイッチの内部抵抗の１００倍以上に設定されているため、スイッチをオンからオフ状態に切り替えた際に、そのオン抵抗が小さくなり、ラダー抵抗及びスイッチ間のインピーダンスマッチングを向上させることができる。

（６）また、上記構成において、前記ノイズ信号成分は、前記モニタ信号の位相に対して前記センス信号の位相がずれていない状態において生じた第１ノイズ信号成分を含み、前記補正回路部は、前記第１ノイズ信号成分を除去する第１ノイズ用補正回路を備えることが好ましい。

この構成によれば、モニタ信号の位相とセンス信号との位相がずれていない状態において生じたノイズ信号成分である第１ノイズ信号成分をセンス信号から除去する専用の回路である第１ノイズ用補正回路を備えているため、センス信号から第１ノイズ信号成分を高速かつ高精度に除去することができる。

（７）また、上記構成において、前記ノイズ信号成分は、前記第１ノイズ信号成分を除いたものであって、前記モニタ信号と前記センス信号との位相のずれに起因して生じる第２ノイズ信号成分を含み、前記補正回路部は前記第２ノイズ信号成分を除去する第２ノイズ用補正回路を備えることが好ましい。

この構成によれば、モニタ信号とセンス信号との位相のずれに起因して生じるノイズ信号成分である第２ノイズ信号成分をセンス信号から除去する専用の回路である第２ノイズ用補正回路を備えているため、センス信号から第２ノイズ信号成分を高速かつ高精度に除去することができる。

（８）また、上記構成において、前記モニタ信号を増幅するモニタ増幅器と、前記センス信号を増幅するセンス増幅器とを備え、前記モニタ増幅器及び前記センス増幅器の増幅度を同等にすることが好ましい。

この構成によれば、モニタ増幅器とセンス増幅器との各々の増幅度を同等にしたため、第２ノイズ信号成分を精度よく除去することができる。

（９）また、上記構成において、前記ノイズ信号成分は、前記振動子の質量バランスに起因して生じる信号成分であることが好ましい。

この構成によれば、振動子の質量バランスに起因して生じるノイズ信号成分をセンス信号から除去することができ、角速度を正確に算出することができる。

本発明にかかる角速度センサは、振動子に質量バランスに起因して生じたノイズ信号成分がセンス信号の信号成分から除去されるため、角速度を正確に算出することができ、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の用途に適用することができる。

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、及び車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等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図面を参照しながら説明する。図１０は従来の角速度センサの振動子の平面図を示し、図１１は同角速度センサのブロック図を示し、図１２は同角速度センサの動作状態における各電極部の入出力信号の波形図を示している。

図１０及び図１１において、従来の角速度センサは、軸部１に一対のアーム部２を有し、圧電素子からなる音叉型の振動子３と、この振動子３を駆動させ、振動子３に与えられた角速度を検出する制御回路部４とを備えている。

振動子３は、振動子３を特定周波数で振動させるためのドライブ信号５が入力されるドライブ電極部６と、振動子３の振動周波数を検出し、モニタ信号７として出力するモニタ電極部８と、振動子３に与えられた角速度を検出して、モニタ信号７に同期したセンス信号９として出力するセンス電極部１０とを備えている。ドライブ電極部６及びセンス電極部１０はアーム部２に形成され、モニタ電極部８は軸部１及びアーム部２の境界近傍に形成されている。

制御回路部４は、振動子３のモニタ電極部８に接続されたモニタ回路部１１、このモニタ回路部１１に接続されたＡＧＣ回路部１２、このＡＧＣ回路部１２に接続された駆動回路部１３、及び振動子３のセンス電極部１０に接続された角速度検知回路部１４を備えている。

モニタ回路部１１は、モニタ電極部８から出力されたモニタ信号７が入力される増幅器と、この増幅器の出力信号が入力されるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）と、このバンドパスフィルタの出力信号が入力される整流器と、この整流器の出力信号が入力される平滑回路とにより構成されている。

ＡＧＣ回路部１２は、モニタ回路部１１の平滑回路からの出力信号が入力され、この入力された信号に従って、モニタ回路部１１のバンドパスフィルタからの出力信号を増幅あるいは減衰させる機能を有している。駆動回路部１３は、増幅あるいは減衰されたバンドパスフィルタからの出力信号を、振動子３の駆動用のドライブ信号５としてドライブ電極部６に出力している。角速度検知回路部１４は、センス電極部１０から出力されたセンス信号９から角速度を検出する。

振動子３はドライブ電極部６からドライブ信号５が入力されることによって振動して駆動するとともに、その振動はモニタ電極部８からモニタ信号７として出力される。このドライブ信号５は特定周波数の正弦波であり、このドライブ信号５（特定周波数の正弦波）の振幅が、モニタ信号７（振動子３の振動に起因した振動周波数の正弦波）の振幅と異なる場合、モニタ信号７の振幅とドライブ信号５の振幅が互いに一致するように制御される。

具体的には、モニタ信号７の振幅がドライブ信号５の振幅よりも小さい場合は、ドライブ信号５の振幅を増加させる是正信号がドライブ信号５に付加され、モニタ信号７の振幅がドライブ信号５の振幅よりも大きい場合は、ドライブ信号５の振幅を減少させる是正信号がドライブ信号５に付加される。これらの機能はＡＧＣ回路部１２と駆動回路部１３によって行っており、振動子３の振動が一定振幅に保持されるようになっている。

上記角速度センサにおいて、ドライブ信号５、モニタ信号７、センス信号９の関係は、図１２に示すようになる。すなわち、図１２（ａ）に示すように、特定周波数の正弦波からなるドライブ信号５に対して、図１２（ｂ）に示すように、振動子３の振動に起因した振動周波数の正弦波からなるモニタ信号７がドライブ信号５と同位相で出力され、振動子３に与えられる角速度に応じて、図１２（ｃ）に示すように、モニタ信号７に同期して位相の９０度進んだ正弦波からなるセンス信号９が出力される。

なお、この出願の発明に関連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２０００−１９３４５９号公報

しかしながら、上記従来の構成では、モニタ信号７に同期し、振動子３に与えられた角速度に起因する同期周波数が検出され、この同期周波数がセンス電極部１０からセンス信号９として出力されるが、振動子３の質量バランスによっては、振動子３に角速度が生じていない場合であっても、角速度が生じていると誤検出してセンス信号９が出力される場合があり、角速度が正しく算出されないという問題点を有していた。ここで、振動子３の質量バランスとは、例えば、Ｕ字形状やＨ字形状等の音叉型の振動子３では、各アーム部２の質量のバランスを指し、音叉型でなく、柱状や錐状の形状の振動子３では、重心を基準にした場合の質量のバランスを指している。

本発明は上記問題点を解決するものであり、振動子の質量バランスを加味して角速度を正確に算出することができる角速度センサを提供することを目的としている。

本発明による角速度センサは、振動子と、前記振動子を駆動して前記振動子に与えられた角速度を検出する制御回路部とを備え、前記振動子に、前記振動子を特定周波数で振動させるためのドライブ信号を入力するドライブ電極部と、前記振動子の振動周波数を検出しモニタ信号として出力するモニタ電極部と、前記振動子に与えられた角速度に起因して発生し、前記モニタ信号に同期したセンス信号を出力するセンス電極部とを形成し、前記振動子に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出した前記センス信号の信号成分をノイズ信号成分として、前記センス信号のセンス信号から除去する補正回路部を設けたことを特徴とする。

この構成によれば、振動子に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出されたセンス信号の信号成分がノイズ信号成分とされ、センス電極部により検出されたセンス信号の信号成分から除去されるため、振動子の質量バランスに起因するノイズ信号がセンス信号から除去され、角速度を正確に検出することができる。

本発明によれば、振動子に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出されたセンス信号の信号成分がノイズ信号成分とされ、センス電極部により検出されたセンス信号の信号成分から除去されるため、振動子の質量バランスに起因するノイズ信号がセンス信号から除去され、角速度を正確に検出することができる。

以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて図面を参照しながら説明する。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を示し、図２は同角速度センサに用いる振動子の平面図を示し、図３は同角速度センサの動作状態における各電極部の入出力信号の波形図を示し、図４はＨ字形状の同角速度センサに用いる振動子の平面図を示し、図５は同角速度センサの位相ずれが生じたドライブ信号およびモニタ信号の波形図を示し、図６は同角速度センサの補正回路部を示す回路図である。

図１及び図２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、軸部２１に一対のアーム部２２を有し、圧電素子からなる音叉型の振動子２３と、この振動子２３を駆動させ、振動子２３に与えられた角速度を検出する制御回路部２４とを備えている。

振動子２３は、振動子２３を特定周波数で振動させるためのドライブ信号２５が入力されるドライブ電極部２６と、振動子２３の振動周波数を検出しモニタ信号２７として出力するモニタ電極部２８と、振動子２３に与えられた角速度に起因して発生し、モニタ信号に同期したセンス信号２９を出力するセンス電極部３０とを形成している。ドライブ電極部２６及びセンス電極部３０はアーム部２２に形成され、モニタ電極部２８は軸部２１及びアーム部２２の境界近傍に形成されている。

制御回路部２４は、振動子２３のモニタ電極部２８に接続されたモニタ回路部３１、このモニタ回路部３１に接続されたＡＧＣ回路部３２、このＡＧＣ回路部３２に接続された駆動回路部３３、及び振動子２３のセンス電極部３０に接続された角速度検知回路部３４を備えている。

モニタ回路部３１は、モニタ電極部２８から出力されたモニタ信号２７が入力される増幅器３１１と、この増幅器３１１の出力信号が入力されるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１２と、このバンドパスフィルタ３１２の出力信号が入力される整流器３１３と、この整流器３１３の出力信号が入力される平滑回路３１４とを備えている。

ＡＧＣ回路部３２は、平滑回路３１４の出力信号が入力され、入力された信号に従って、バンドパスフィルタ３１２の出力信号が増幅或いは減衰されるように駆動回路部３３を制御する。

駆動回路部３３は、ＡＧＣ回路部３２の制御の下、バンドパスフィルタ３１２からの出力信号を増幅或いは減衰させ、振動子２３の駆動用のドライブ信号２５としてドライブ電極部２６に出力する。角速度検知回路部３４は、センス電極部３０から出力されたセンス信号２９から角速度を検出する。

振動子２３は、ドライブ電極部２６からドライブ信号２５が入力されることによって振動して駆動されると共に、その振動はモニタ電極部２８からモニタ信号２７として出力される。このドライブ信号２５は特定周波数の正弦波であり、このドライブ信号２５（特定周波数の正弦波）の振幅が、モニタ信号２７（振動子２３の振動に起因した振動周波数の正弦波）の振幅と異なる場合、モニタ信号２７の振幅とドライブ信号２５の振幅が互いに一致するように制御される。

具体的には、モニタ信号２７の振幅がドライブ信号２５の振幅よりも小さい場合は、ドライブ信号２５の振幅を増加させる是正信号がドライブ信号２５に付加され、モニタ信号２７の振幅がドライブ信号２５の振幅よりも大きい場合は、ドライブ信号２５の振幅を減少させる是正信号がドライブ信号２５に付加される。その結果、振動子２３の振動が一定振幅に保持される。なお、これらの機能はＡＧＣ回路部３２及び駆動回路部３３により行われる。

上記角速度センサにおいて、ドライブ信号２５、モニタ信号２７、及びセンス信号２９の関係は、図３に示すようになる。すなわち、図３（ａ）に示すように、特定周波数の正弦波からなるドライブ信号２５に対して、図３（ｂ）に示すように、振動子２３の振動に起因した振動周波数の正弦波からなるモニタ信号２７がドライブ信号２５と同位相で出力され、振動子２３に与えられる角速度に応じて、図３（ｃ）に示すように、モニタ信号２７に同期して位相の９０度進んだ正弦波からなるセンス信号２９が出力される。なお、センス信号２９がモニタ信号２７に対して９０度位相が進んでいるのは、センス電極部３０に生じる電荷がコリオリ力に起因して生じるためである。

更に、制御回路部２４には、振動子２３に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出したセンス信号２９の信号成分をノイズ信号成分として、センス信号２９の信号成分からノイズ信号成分を除去する補正回路部３５が設けられている。

ノイズ信号成分には第１ノイズ信号成分と第２ノイズ信号成分とが含まれる。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１のノイズ信号成分は、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれていない状態において生じたものである。

この第１ノイズ信号成分は振動子２３の質量バランスによって生じるものである。例えば、Ｕ字形状やＨ字形状の音叉型の振動子２３の場合、それぞれのアーム部２２の質量にバラツキがあると第１ノイズ信号成分が生じる。また、音叉型でなく、柱状や錐状の形状の振動子２３においても、重心を基準にして、質量差があると、第１ノイズ信号成分が生じる。Ｈ字形状の音叉型の振動子２３としては、図４に示すものがある。この振動子２３では、軸部２１に対してアーム部２２が４つあり、ドライブ電極部２６及びセンス電極部３０がアーム部２２に形成され、モニタ電極部２８が軸部２１に形成されている。

第２ノイズ信号成分は、第１ノイズ信号成分を除いたものであって、図３（ａ）、（ｂ）に示すモニタ信号２７とセンス信号２９において、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれている状態に起因して生じたものであり、図５（ａ）、（ｂ）に示すような位相ずれ（Ｗ）に起因して生じる。このような位相が互いにずれる状態になるのは、制御回路部２４内の温度上昇に起因する。

補正回路部３５は、第１ノイズ信号成分の除去用として第１ノイズ用補正回路３６と第２ノイズ信号成分の除去用として第２ノイズ用補正回路３７とを有している。図６は補正回路部３５の詳細な回路図を示している。第１ノイズ用補正回路３６及び第２ノイズ用補正回路３７は、内部抵抗を有するスイッチ部３９とラダー抵抗４０とを組み合わせて形成されている。そして、ラダー抵抗４０の抵抗値は、トランジスタ等のスイッチ部３９の内部抵抗の抵抗値に対して１００倍以上に設定されている。

スイッチ部３９は、ラダー抵抗の２０ｋオーム抵抗に２個ずつ接続されたスイッチＳ１，Ｓ２、スイッチＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２、メモリ部３８からのデータをスイッチＳ１に出力するデータラインＬ１及びメモリ部３８からのデータを反転させてスイッチＳ２に出力インバータＩ１等を備えている。

例えば、スイッチ部３９の左から一番目のデータラインＬ１には、メモリ部３８から出力される８ビットのデータのうち、７ビット目のデータＤ６が入力される。そして、スイッチＳ１，Ｓ２は、データＤ６に従って排他的にオン・オフし、ラダー抵抗４０の左から一番目の２０ｋオームの抵抗を、モニタ回路部３１の出力端子側又は逆三角形マークで示すグランド側に接続させる。

また、スイッチ部３９の右側のスイッチＳ１１，Ｓ１２は、データＤ７に従って、排他的オン・オフされ、スイッチＳ２１，Ｓ２２は、データＤ７に従って排他的にオン・オフされ、ラダー抵抗４０の出力端子Ｐ１を、差動増幅器３４３の反転入力端子又は非反転入力端子に接続させる。これにより、差動増幅器３４３の反転入力端子に、第１ノイズ用補正回路３６のラダー抵抗４０の出力端子Ｐ１が接続され、差動増幅器３４３の非反転入力端子に、第２ノイズ用補正回路３７のラダー抵抗の出力端子Ｐ２が接続される。或いは、差動増幅器３４３の非転入力端子に、第１ノイズ用補正回路３６のラダー抵抗４０の出力端子Ｐ１が接続され、差動増幅器３４３の反転入力端子に第２ノイズ用補正回路３７のラダー抵抗の出力端子Ｐ２が接続される。

すなわち、第１ノイズ用補正回路３６は、メモリ部３８に記憶されたデータに従って、ラダー抵抗４０の抵抗値を調節し、増幅器３１１からの出力信号を減衰させて補正信号を生成し、この補正信号を増幅器３４１及び３４２から出力される両センス信号に重畳し、両センス信号に含まれる第１ノイズ信号成分を定常的に除去する。

また、第２ノイズ用補正回路３７は、メモリ部３８に記憶されたデータに従って、ラダー抵抗４０の抵抗値を調節し、増幅器３１１からの出力信号を減衰させて補正信号を生成し、この補正信号を増幅器３４１及び３４２から出力されるセンス信号に重畳し、両センス信号に含まれる第２ノイズ信号成分を定常的に除去する。

メモリ部３８は、第１ノイズ用補正回路３６がセンス信号から第１ノイズ信号成分を除去するための補正信号を生成する際に使用するデータを記憶すると共に、第２ノイズ用補正回路３７がセンス信号から第２ノイズ信号成分を除去するための補正信号を生成する際に使用するデータを記憶する。なお、メモリ部３８が記憶するデータは、実験等に得られた値が採用され、工場出荷時等において、ノイズ信号端子４１を介してメモリ部３８に書き込まれたものである。また、メモリ部３８としては、ＥＥＰＲＯＭ等が採用される。

モニタ信号２７及びセンス信号２９は、図１の増幅器３１１，３４１，３４２において、それぞれ互いに増幅されるとともに、この増幅度が略同等にされている。なお、センス電極部３０から出力されるセンス信号２９の増幅器が増幅器３４１，３４２と２つあるのは、センス電極部３０が２つ設けられているからである。

図１に示す角速度検知回路部３４は、増幅器３４１，３４２、差動増幅器３４３、位相器３４４、クロック生成回路３４５、同期検波器３４６、及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）３４７を備えている。増幅器３４１は２個あるセンス電極部３０のうち一方のセンス電極部３０から出力されるセンス信号２９を増幅し、増幅器３４２は他方のセンス電極部３０から出力されるセンス信号２９を増幅し、差動増幅器３４３に出力する。差動増幅器３４３は、増幅器３４１から出力されたセンス信号に補正回路部３５から出力された補正信号が重畳された信号と、増幅器３４２から出力されたセンス信号に補正回路部３５から出力された補正信号が重畳された信号との差分を増幅し、差動センス信号として位相器３４４に出力する。

ここで、補正回路部３５から出力される補正信号は、増幅器３４１から出力されるセンス信号及び増幅器３４２から出力されるセンス信号に重畳されることにより、両センス信号に含まれる第１ノイズ信号成分及び第２ノイズ信号成分を除去する。

位相器３４４は、差動増幅器３４３から出力された差動センス信号の位相を９０度進める。クロック生成回路３４５は、バンドパスフィルタ３１２から出力されたモニタ信号と同期し、モニタ信号の周期と同一周期のクロック信号を生成する。同期検波器３４６はクロック生成回路３４５から出力されたクロック信号と、位相器３４４から出力された信号とを乗じた信号をローパスフィルタ３４７に出力する。ローパスフィルタ３４７は、位相器３４４から出力された信号の高周波成分を除去し、角速度信号を出力する。

次に、図１に示す回路図及び図７〜図９に示す波形図を用いて本角速度センサの動作について説明する。図７は質量バランスがとれている振動子３、すなわち、理想的な振動子３において、角速度が加わっていないときの波形図を示している。図７（ａ）は駆動回路部３３が出力するドライブ信号２５を示し、（ｂ）はバンドパスフィルタ３１２から出力されるモニタ信号を示し、（ｃ）は差動増幅器３４３から出力される差動センス信号を示し、（ｄ）はクロック生成回路３４５から出力される信号を示し、（ｅ）は同期検波器３４６に入力される信号を示し、（ｆ）は同期検波器３４６から出力される信号を示し、（ｇ）はローパスフィルタ３４７から出力される角速度信号を示している。理想的な振動子３を用いた場合、図７（ｇ）に示すようにローパスフィルタ３４７からレベルが０の角速度信号が出力され、加速度が正確に検出されていることが分かる。

図８は質量バランスがとれていない振動子３を用いた従来の角速度センサにおいて、角速度が加わっていないときの波形図を示している。図８（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ、図７（ａ）〜（ｇ）に対応している。振動子３に角速度が加わっていない場合は、理想的には差動増幅器３４３からは図７（ｃ）に示すようなレベルが０の差動センス信号が出力されるはずである。しかしながら、振動子３の質量バランスがとれていない場合は、差動増幅器３４３からは図８（ｃ）に示すようなセンス信号、すなわち、第１ノイズ信号成分及び第２ノイズ信号成分を含むセンス信号が出力されてしまう。その結果、ローパスフィルタ３４７からは図８（ｇ）に示すようなレベルが０ではない角速度信号が出力されてしまう。

図９は、本角速度センサにおいて、振動子３に加速度が加わっているときの波形図を示している。図９（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ図８（ａ）〜（ｇ）と対応している。本角速度センサでは、差動増幅器３４３の両入力端子に入力されるセンス信号は、補正回路部３５で生成された補正信号が重畳されている。そのため、図９（ｃ）に示す差動センス信号には、第１ノイズ信号成分及び第２ノイズ信号成分が含まれていない。その結果、図９（ｇ）に示す角速度信号は、第１ノイズ信号成分及び第２ノイズ信号成分の影響を受けない。これにより、正確な角速度を検出することが可能となる。

以上説明したように、本角速度センサによれば、振動子２３の質量バランスに起因して生じるセンス信号２９に含まれるノイズ信号成分が補正回路部３５により生成される補正信号により除去されるため、正確な角速度を検出することができる。

また、ノイズ信号成分を予め記憶したメモリ部３８を補正回路部３５に接続し、メモリ部３８に予め記憶したデータに従って補正信号を生成し、この補正信号を基に、ノイズ信号成分をセンス信号２９の信号成分から定常的に除去しているので、角速度センサの動作状態において、定常的に正確な角速度を検出することができる。

また、補正回路部３５には、内部抵抗を有するスイッチ部３９とラダー抵抗４０とを組み合わせて形成した回路を設け、ラダー抵抗４０の抵抗値をスイッチ部３９の内部抵抗の抵抗値に対して１００倍以上に設定しているので、スイッチ部３９をオフからオン状態に切り替えた際に、そのオン抵抗が小さくなり、インピーダンスマッチングが向上する。

また、ノイズ信号成分は、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれていない状態において生じた第１ノイズ信号成分とし、補正回路部３５は第１ノイズ信号成分を除去する専用の第１ノイズ用補正回路３６を設けているので、複数のノイズ信号成分の内、確実に第１ノイズ信号成分を除去できる。

また、ノイズ信号成分は、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれていない状態において生じた第１ノイズ信号成分を除いたものであって、モニタ信号２７の位相に対してセンス信号２９の位相が互いにずれている状態に起因して生じた第２のノイズ信号成分とし、補正回路部３５は第２ノイズ信号成分を除去する専用の第２ノイズ用補正回路３７を設けているので、複数のノイズ信号成分の内、確実に第２ノイズ信号成分を除去できる。

また、モニタ信号２７及びセンス信号２９は増幅器３１１，３４１，３４２により互いに増幅されるとともに、この増幅度を略同等にしているので、第２ノイズ信号成分を精度良く除去することができる。

なお、本実施の形態において、ノイズ信号成分を取り出すとともに、メモリ部３８に記憶させた後に、ノイズ信号端子４１を非導通にしてもよい。この場合、ノイズ信号端子４１は非導通にされるため、製造工程中や実装基板への実装後に、ノイズ信号端子４１に不要に電流が流れ、角速度センサに悪影響を発生させることを抑制できる。

本発明を纏めると以下のようになる。

（１）振動子と、前記振動子を駆動して前記振動子に与えられた角速度を検出する制御回路部とを備え、前記振動子に、前記振動子を特定周波数で振動させるためのドライブ信号を入力するドライブ電極部と、前記振動子の振動周波数を検出し、モニタ信号として出力するモニタ電極部と、前記振動子に与えられた角速度に起因して発生し、前記モニタ信号に同期したセンス信号を出力するセンス電極部とを形成し、前記振動子に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出した前記センス信号の信号成分をノイズ信号成分として、前記センス信号の信号成分から除去するための補正信号を生成する補正回路部を設けたことを特徴とする。

この構成によれば、振動子に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出されたセンス信号の信号成分がノイズ信号成分とされ、角速度が生じた際にセンス電極部により検出されたセンス信号の信号成分から除去されるため、振動子の質量バランスに起因するノイズ信号がセンス信号から除去され、角速度を正確に検出することができる。

（２）また、上記構成において、前記補正信号を生成するためのデータを予め記憶したメモリ部を更に備え、前記補正回路部は、前記メモリ部に記憶されたデータに従って前記補正信号を生成し、生成した補正信号を前記センス信号に重畳することで、前記センス信号の信号成分から前記ノイズ信号成分を定常的に除去することが好ましい。

この構成によれば、ノイズ信号成分はメモリ部に記憶され、補正回路部はメモリ部に記憶されたノイズ信号成分をセンス信号から除去することでセンス信号を補正しているため、センス信号の補正処理を高速、かつ高精度に行うことができる。

（３）また、上記構成において、前記メモリ部は、データを記憶させるためのデータ入力端子を備え、前記データ入力端子は、前記メモリ部にデータが記憶される際に導通状態とされ、前記メモリ部にデータが記憶された後は、非導通状態とされることが好ましい。

この構成によれば、ノイズ信号端子はメモリ部にデータが記憶された後は、非導通状態とされるため、製造工程中や実装基板への実装後に、ノイズ信号端子に不要な電流が流れ、角速度センサに悪影響が生じることを抑制することができる。

（４）また、上記構成において、前記補正回路部は、ラダー抵抗と、前記メモリ部に記憶されたデータに従って前記ラダー抵抗の抵抗値を調整するスイッチ部とを備え、前記ラダー抵抗により前記モニタ信号を減衰させることで前記補正信号を生成することが好ましい。

この構成によれば、ラダー抵抗の抵抗値がメモリ部に記憶されたデータに従って調節され、当該ラダー抵抗によりモニタ信号が減衰させて補正信号が生成されるため、モニタ信号の信号成分からノイズ信号成分を精度良く除去することができる。

（５）また、上記構成において、前記ラダー抵抗の抵抗値を前記スイッチの内部抵抗の抵抗値に対して１００倍以上に設定したことが好ましい。

この構成によれば、ラダー抵抗の抵抗値がスイッチの内部抵抗の１００倍以上に設定されているため、スイッチをオンからオフ状態に切り替えた際に、そのオン抵抗が小さくなり、ラダー抵抗及びスイッチ間のインピーダンスマッチングを向上させることができる。

（６）また、上記構成において、前記ノイズ信号成分は、前記モニタ信号の位相に対して前記センス信号の位相がずれていない状態において生じた第１ノイズ信号成分を含み、前記補正回路部は、前記第１ノイズ信号成分を除去する第１ノイズ用補正回路を備えることが好ましい。

この構成によれば、モニタ信号の位相とセンス信号との位相がずれていない状態において生じたノイズ信号成分である第１ノイズ信号成分をセンス信号から除去する専用の回路である第１ノイズ用補正回路を備えているため、センス信号から第１ノイズ信号成分を高速かつ高精度に除去することができる。

（７）また、上記構成において、前記ノイズ信号成分は、前記第１ノイズ信号成分を除いたものであって、前記モニタ信号と前記センス信号との位相のずれに起因して生じる第２ノイズ信号成分を含み、前記補正回路部は前記第２ノイズ信号成分を除去する第２ノイズ用補正回路を備えることが好ましい。

この構成によれば、モニタ信号とセンス信号との位相のずれに起因して生じるノイズ信号成分である第２ノイズ信号成分をセンス信号から除去する専用の回路である第２ノイズ用補正回路を備えているため、センス信号から第２ノイズ信号成分を高速かつ高精度に除去することができる。

（８）また、上記構成において、前記モニタ信号を増幅するモニタ増幅器と、前記センス信号を増幅するセンス増幅器とを備え、前記モニタ増幅器及び前記センス増幅器の増幅度を同等にすることが好ましい。

この構成によれば、モニタ増幅器とセンス増幅器との各々の増幅度を同等にしたため、第２ノイズ信号成分を精度よく除去することができる。

（９）また、上記構成において、前記ノイズ信号成分は、前記振動子の質量バランスに起因して生じる信号成分であることが好ましい。

この構成によれば、振動子の質量バランスに起因して生じるノイズ信号成分をセンス信号から除去することができ、角速度を正確に算出することができる。

本発明にかかる角速度センサは、振動子に質量バランスに起因して生じたノイズ信号成分がセンス信号の信号成分から除去されるため、角速度を正確に算出することができ、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の用途に適用することができる。

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である。 同角速度センサに用いる振動子の平面図である。 同角速度センサのドライブ信号およびモニタ信号およびセンス信号の波形図である。 Ｈ字形状の音叉型の振動子の平面図である。 同角速度センサの位相ずれが生じたドライブ信号およびモニタ信号の波形図である。 同角速度センサの補正回路部およびこれに接続された増幅器を示す回路図である。 質量バランスがとれた理想的な振動子において、角速度が加わっていないときの波形図を示している。 質量バランスがとれていない振動子において、角速度が加わっていないときの従来の角速度センサの波形図を示している。 本角速度センサにおいて、振動子に角速度が加わったとこにおける波形図を示している。 従来の角速度センサの振動子の平面図である。 従来の角速度センサのブロック図である。 従来の角速度センサのドライブ信号およびモニタ信号およびセンス信号の波形図である。

符号の説明

２１ 軸部
２２ アーム部
２３ 振動子
２４ 制御回路部
２５ ドライブ信号
２６ ドライブ電極部
２７ モニタ信号
２８ モニタ電極部
２９ センス信号
３０ センス電極部
３１ モニタ回路部
３２ ＡＧＣ回路部
３３ 駆動回路部
３４ 角速度検知回路部
３５ 補正回路部
３６ 第１ノイズ用補正回路
３７ 第２ノイズ用補正回路
３８ メモリ部
３９ スイッチ部
４０ ラダー抵抗
４１ ノイズ信号端子
３１１ 増幅器
３１１，３４１，３４２ 増幅器
３１２ バンドパスフィルタ
３１３ 整流器
３１４ 平滑回路
３４３ 差動増幅器
３４４ 位相器
３４５ クロック生成回路
３４６ 同期検波器
３４７ ローパスフィルタ
Ｉ１ 出力インバータ
Ｌ１ データライン
Ｐ１ 出力端子
Ｐ２ 出力端子

Claims (9)

1. 振動子と、前記振動子を駆動して前記振動子に与えられた角速度を検出する制御回路部とを備え、
   前記振動子に、前記振動子を特定周波数で振動させるためのドライブ信号を入力するドライブ電極部と、前記振動子の振動周波数を検出し、モニタ信号として出力するモニタ電極部と、前記振動子に与えられた角速度に起因して発生し、前記モニタ信号に同期したセンス信号を出力するセンス電極部とを形成し、
   前記振動子に角速度が生じていない場合に、角速度が生じていると誤って検出した前記センス信号の信号成分をノイズ信号成分として、前記センス信号の信号成分から除去する補正回路部を設けたことを特徴とする角速度センサ。
2. 前記センス信号の信号成分からノイズ信号成分を除去するためのデータを予め記憶したメモリ部を更に備え、
   前記補正回路部は、前記メモリ部に記憶されたデータ及び前記モニタ信号を基に、補正信号を生成し、生成した補正信号を前記センス信号に重畳することで、前記センス信号の信号成分から前記ノイズ信号成分を定常的に除去することを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記メモリ部は、データを記憶させるためのデータ入力端子を備え、
   前記データ入力端子は、前記メモリ部にデータが記憶される際に導通状態とされ、前記メモリ部にデータが記憶された後は、非導通状態とされることを特徴とする請求項２記載の角速度センサ。
4. 前記補正回路部は、ラダー抵抗と、前記メモリ部に記憶されたデータに従って前記ラダー抵抗の抵抗値を調整するスイッチ部とを備え、前記ラダー抵抗により前記モニタ信号を減衰させることで前記補正信号を生成することを特徴とする請求項２又は３記載の角速度センサ。
5. 前記ラダー抵抗の抵抗値を前記スイッチの内部抵抗の抵抗値に対して１００倍以上に設定したことを特徴とする請求項４記載の角速度センサ。
6. 前記ノイズ信号成分は、前記モニタ信号の位相に対して前記センス信号の位相がずれていない状態において生じた第１ノイズ信号成分を含み、
   前記補正回路部は、前記第１ノイズ信号成分を除去する第１ノイズ用補正回路を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の角速度センサ。
7. 前記ノイズ信号成分は、前記第１ノイズ信号成分を除いたものであって、前記モニタ信号と前記センス信号との位相のずれに起因して生じる第２ノイズ信号成分を含み、
   前記補正回路部は、前記第２ノイズ信号成分を除去する第２ノイズ用補正回路を備えることを特徴とする請求項６記載の角速度センサ。
8. 前記モニタ信号を増幅するモニタ増幅器と、前記センス信号を増幅するセンス増幅器とを備え、
   前記モニタ増幅器及び前記センス増幅器の増幅度を同等にしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の角速度センサ。
9. 前記ノイズ信号成分は、前記振動子の質量バランスに起因して生じる信号成分であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の角速度センサ。

Images