WO2007043503A1

WO2007043503A1 - 振動型慣性力検知センサの検出信号処理方法及び振動型慣性力検知センサ

Info

Publication number: WO2007043503A1
Application number: PCT/JP2006/320164
Authority: WO
Inventors: Takeshi Uemura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2007-04-19
Also published as: CN101287961B; US20090145224A1; KR20080028474A; US7673529B2; US7886622B2; US20100095772A1; JP2007107909A; KR100985315B1; EP1936324A4; EP1936324B1; EP1936324A1; JP5458462B2; CN101287961A

Abstract

　本発明は、振動型慣性力検知センサの検出信号処理方法及びこの方法を採用した振動型慣性力検知センサに関して、振動型慣性力検知センサの検出精度を向上させる検出信号処理方法を提供するものである。このために、振動型慣性力検知センサの検出系回路において同期検波された信号から高調波成分を除去し、この高調波成分を除去した信号を増幅し、この増幅された信号を平滑することとした。

Description

明細書

振動型慣性カ検知センサの検出信号処理方法及び振動型慣性カ検知センサ

技術分野

[0001] 本発明は、振動型慣性カ検知センサの検出信号処理方法、及びこの方法を採用した振動型慣性カ検知センサに関する。

背景技術

[0002] 例えば、従来の振動型慣性カ検知センサの一例である振動型角度センサは、そのブロック図を図 6に示すように、駆動部 201と検知部 202を設けたセンサ素子 203と、駆動部 201に制御電圧を印加しセンサ素子 203を振動させるとともにその振動を制御する駆動制御回路 204と、検知部 202から出力された検出信号を処理する検出系回路 205を備えた構成である。検出系回路 205においては、検知部 202から出力された検出信号を差動アンプ 206を用いて差動増幅し、この差動増幅された信号とこの検出信号を反転アンプ 207を用いて反転した信号とを、同期検波器 208を用いて同期検波する。その後、ローパスフィルタ 209を用いて平滑することにより、外部衝撃などの外乱ノイズを抑制した信号を出力する手法が知られている。

[0003] そして、従来のローノスフィルタ 209は、同期検波後の信号を先ずプリアンプとしての反転アンプ 220により増幅して力も平滑回路 221を用いて平滑したり、あるいはァクティブフィルタ（図示せず)を用いて増幅しながら平滑して、た。

[0004] なお、この従来の振動型慣性カ検知センサの一例は、例えば、特開 2002— 2674 48号公報に開示されている。

[0005] し力しながら、この従来の振動型慣性カ検知センサでは、同期検波器 208における同期検波後の信号は、図 7の同期検波出力 208aに示されるような鋸刃状の波形となつていた。このため、この波形の切り替わり部分 210においては、ローパスフィルタ 20 9のプリアンプである反転アンプ 220やアクティブフィルタ等の増幅処理能力が追従しきれずに、その波形は図 7の反転アンプ出力 220aに示すようになつていた。なお、図 7において横軸は時間を、縦軸は各出力信号の電位を表している。 [0006] 図 7に示すとおり、この増幅処理後の反転アンプ出力 220aは、平滑後のセンサ出力 205aにおけるオフセット 211の原因となる波形誤差 212を含んでしまう。そのために、ローパスフィルタ 209の平滑回路 221は、高い精度での平滑処理が行えず、結果として、振動型慣性カ検知センサの性能を検出系回路 205の内部処理にて低下させてしまうと!、う問題を有して!/ヽた。

発明の開示

[0007] 本発明はこのような問題を解決し、振動型慣性カ検知センサの検出精度を向上させる検出信号処理方法、及びこの方法を採用した振動型慣性カ検知センサを提供するものである。

[0008] そのために本発明は、特に振動型慣性カ検知センサの検出系回路において同期検波された信号から高調波成分を除去し、この高調波成分を除去した信号を増幅し、この増幅された信号を平滑することとした。この方法を用いることにより、振動型慣性カ検知センサの検出精度を向上させることが出来る。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]図 1は本発明の一実施の形態における振動型慣性カ検知センサを示すブロック図である。

[図 2]図 2は振動型慣性カ検知センサに用いられるセンサ素子を示す上面図である。

[図 3]図 3は振動型慣性カ検知センサにおける検出波形の推移を示した波形図である。

[図 4]図 4は振動型慣性カ検知センサにおける同期検波後の処理における検出波形の推移を示した波形図である。

[図 5]図 5は同期検波後の波形成分を示す模式図である。

[図 6]図 6は従来の振動型慣性カ検知センサの一例である振動型角度センサのプロック図である。

[図 7]図 7は従来の振動型慣性カ検知センサにおける同期検波後の波形の推移を示した波形図である。

符号の説明

[0010] 101 駆動部 102 検知部

103 センサ素子

104 駆動制御回路

105 検出系回路

114 駆動アーム

115 モニタ部

発明を実施するための最良の形態

[0011] 以下、本発明の一実施の形態について図を用いて説明する。

[0012] 図 1は、本発明の振動型慣性カ検知センサの一例である振動型角速度センサを示すブロック図である。その基本構成はセンサ素子 103と、このセンサ素子 103の振動を制御する駆動制御回路 104と、センサ素子 103から出力された信号を処理する検出系回路 105を備えている。

[0013] 図 2は、本実施の形態の振動型角速度センサに用いられるセンサ素子 103の詳細な構成を示す上面図である。

[0014] センサ素子 103は、図 2に示されるごとぐシリコン基板力もなる音叉型の振動子 11 3から延出された一対の駆動アーム 114に、それぞれ PZT (チタン酸ジルコニウム酸鉛： lead zirconium titanate)力なる圧電薄膜の上下面を電極で挟み込んだ駆動部 101となる駆動電極 101a、および検知部 102となる検知電極 102aが設けられている。駆動アーム 114の付け根部分にも、 PZTからなる圧電薄膜の上下面を電極で挟み込んだ、モニタ部 115に接続されるモニタ電極 115aが設けられている。駆動電極 101aに、図 1に示す駆動制御回路 104から駆動電力を印加することにより、駆動アーム 114が矢印 116で示すように側方に振動する。この振動状態において検出軸回りに角速度が加わることで、コリオリカにより駆動アーム 114に、図 2における前後方向に橈みが生じ、この橈みにより検知電極 102aから検出信号を、図 1に示す検出系回路 105に出力するものである。

[0015] また、図 2に示すモニタ電極 115aは駆動アーム 114の振幅量を検知して、その情報をモニタ部 115を経由して駆動制御回路 104にフィードバックすることにより、先に述べた振幅量を規定状態となるよう、駆動制御回路 104から駆動電極 101aに印加する駆動電力を調節する。

[0016] 図 3に、本実施の形態の振動型各速度センサにおける各信号の波形の推移を示す。図 3において横軸は時間を、縦軸は各信号の電位を表している。図 4と図 5でも同様である。

[0017] 図 1に示される検出系回路 105においては、センサ素子 103に設けられた 2つの検知電極 102aから出力される検出信号（図 3に示す検知出力 102b、 102c)を、先ずカレントアンプやチャージアンプなどで構成される増幅器 110を用いて増幅する。次に、この 2つの増幅信号を差動アンプ 106を用いて差動増幅し、この差動増幅された信号（図 3における差動アンプ出力 106a)に対して、位相シフタ 117でその位相を 9 0度遅延させる。その位相遅延信号（図 3における位相シフタ出力 117a)を分岐させ、一方の信号を直接的に同期検波器 108に入力するとともに、他方の信号を反転ァンプ 107で位相反転させて、その信号（図 3における反転アンプ出力 107a)を同期検波器 108に入力する。

[0018] また、検波クロック部 118は、モニタ部 115から出力されるモニタ信号 115bを、ノルス波形である図 3の検波 CLK出力（検波クロック出力） 118aに変換する。

[0019] そして、同期検波器 108において、これら 2つの入力信号（図 3における位相シフタ出力 117aと反転アンプ出力 107a)を、検波クロック部 118から出力される検波 CLK 出力 118aで検波し、図 3に示す鋸刃状の同期検波出力 108aを形成する。

[0020] そして、この振動型角速度センサにおいては、鋸刃状の同期検波出力 108aを平滑する図 1に示すローパスフィルタ 109の構成を、同期検波出力 108aの高調波成分を除去するパッシブフィルタ 119を通した後に、アンプ 120で増幅し、その後、積分器などの平滑回路 121を用いて平滑する構成としている。これにより、従来の図 7の同期検波出力 208aを先ず増幅して力も平滑するものに比べて、検出系回路 105における検出精度の低下を抑制できる。その結果として、振動型慣性カ検知センサの検出精度を向上させることが出来るのである。なお、ノッシブフィルタとは、コンデンサゃ抵抗等の受動部品のみで構成されたフィルタをいう。

[0021] すなわち、従来のプリアンプやアクティブフィルタのように、同期検波出力 208aを先ず増幅し、その後、平滑すると、図 7に示されるように、鋸刃状の同期検波出力 208a をプリアンプやアクティブフィルタで増幅することで、アンプの追従性に起因して波形の切り替わり部分 210においてタイムラグ 210aが生じる。その結果、実波形と増幅波形とで波形誤差 212が生じてしまい、この波形誤差 212を含んだ状態で平滑することにより、その出力にオフセット 211が生じることになる。

[0022] し力しながら、図 1に示す同期検波器 108や図 6の同期検波器 208が出力する同期検波出力 108aや 208aは、そもそも図 5に示されるように基本波成分 219aに対して 2次高調波成分 219bや 3次高調波成分 219cなど、高調波成分が合成された信号である。そこで、図 4に示すように、同期検波出力 108aを、高調波成分を除去するパッシブフィルタ 119に入力し、このパッシブフィルタ 119を通して高調波成分を除去した後に残る、正弦波的でなめらかな基本波成分 219aだけを含むパッシブフィルタ出力 119aを出力する。そして、このパッシブフィルタ出力 119aを図 4に示されるようにアンプ 120で増幅し、この増幅されたアンプ出力 120aを平滑回路 121で平滑する。このようにすることで、この振動型角速度センサの出力は図 4に示すセンサ出力 10 5aのようになり、図 6に示すような波形誤差 212を含むことがないので、出力オフセット 211の発生を抑制できる。その結果として、検出系回路 105における検出精度の低下が抑制でき、ひいては、振動型慣性カ検知センサの検出精度を向上させることが出来るのである。

[0023] なお、検出信号の高調波成分を除去するノッシブフィルタ 119の構成としては、特に図示していないが、検出信号経路に対して直列に抵抗素子を配置し、この抵抗素子の少なくとも一端と基準電位間にコンデンサ素子を配置する、一般的な高調波抑制回路を用いることで実現することができる。

[0024] また、上述した一実施の形態においては、振動型慣性力検出センサとして振動型角速度センサを例に挙げて説明したが、本発明はこれに制限されるものではなぐ駆動アームを振動させることにより慣性力、例えば加速度などを検知するどのような構成においても、同様の作用、効果を奏するものである。

産業上の利用可能性

[0025] 本発明は、振動型慣性力検出センサにおいてより高い検出精度を可能とし、特に慣性力に対して高い検知精度を要する電子機器向けの用途に有用である。 [0026] 従って、本発明の産業上の利用可能性は極めて高い。

Claims

請求の範囲

[1] 駆動アームと、前記駆動アームに設けられて前記駆動アームを振動させる駆動部と、前記駆動アームに慣性力が加わることで生じる橈みにより検出信号を発生させる検知部と、前記駆動アームの振動をモニタリングするモニタ部と、前記駆動アームの振動量を制御する駆動制御回路と、前記検出信号を処理する検出系回路とを備え、前記検出系回路において、前記検知部により検出された位相が 180度異なる 2つの検出信号を差動増幅し、前記差動増幅された信号を前記モニタ部力出力されたモニタ信号を用いて同期検波し、前記同期検波された信号から高調波成分を除去し、前記高調波成分を除去した信号を増幅し、前記増幅された信号を平滑することを特徴とする、振動型慣性カ検知センサの検出信号処理方法。

[2] 駆動アームと、前記駆動アームに設けられて前記駆動アームを振動させる駆動部と、前記駆動アームに慣性力が加わることで生じる橈みにより検出信号を発生させる検知部と、前記駆動アームの振動をモニタリングするモニタ部と、前記駆動アームの振動量を制御する駆動制御回路と、前記検出信号を処理する検出系回路とを備え、前記検出系回路は、前記検知部により検出された位相が 180度異なる 2つの検出信号を差動増幅し、前記差動増幅された信号を前記モニタ部力出力されたモニタ信号を用いて同期検波し、前記同期検波された信号から高調波成分を除去し、前記高調波成分を除去した信号を増幅し、前記増幅された信号を平滑することを特徴とする、振動型慣性カ検知センサ。