WO2007125708A1 - 角速度センサの温度特性設定方法および角速度センサ - Google Patents

角速度センサの温度特性設定方法および角速度センサ Download PDF

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Inventor
Hideaki Sugibayashi
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Murata Manufacturing Co., Ltd.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

Definitions

  • the present invention relates to a method for setting temperature characteristics of an angular velocity sensor used for, for example, camera shake correction and the like and an angular velocity sensor.
  • angular velocity sensors that detect camera shake are used for camera shake correction.
  • Such an angular velocity sensor is driven by an oscillation circuit having the piezoelectric vibrator as a part of the oscillation circuit, detects an electromotive voltage generated by the vibration of the piezoelectric vibrator caused by Coriolis, and generates a voltage signal corresponding to the angular velocity. Output.
  • the electromotive voltage of the piezoelectric vibrator is differentially amplified, synchronously detected in synchronization with a driving signal for driving the piezoelectric vibrator, converted into a DC voltage signal, and then DC amplified.
  • detuning frequency This is called “detuning frequency”.
  • the detuning frequency has temperature characteristics, the angular velocity detection sensitivity varies with temperature.
  • the sensitivity of the angular velocity sensor varies with temperature, even if the same angular velocity is applied, different angular velocities are obtained depending on the temperature, which is a problem. Therefore, conventionally, the sensitivity is corrected according to the temperature so that the detection sensitivity of the angular velocity is within a predetermined range in the temperature range normally used.
  • a temperature sensitive element such as a thermistor is used in the resistance portion of the phase shift circuit composed of a capacitor and a resistor.
  • the electrodes 5, 7, 9 of the cylindrical piezoelectric vibrator 10 are connected to a reference potential.
  • the detection electrodes 6 and 8 are connected to the differential amplifier 11 and the phase shift circuit 14. Phase shift circuit
  • the drive electrode 14 is connected to the drive electrode 4 of the vibrator 10 via the drive oscillation circuit 15 to constitute a self-excited oscillation loop.
  • the frequency approximately following the resonance frequency of the vibrator 10 Is applied to the drive electrode 4 to excite bending vibration in the X direction. Since the detection electrodes 6 and 8 are arranged symmetrically with respect to the bending vibration in the X direction, the output of the X direction component is canceled by the differential amplifier 11.
  • the outputs of the detection electrodes 6 and 8 are out of phase, so the output of the differential amplifier 11 is an AC proportional to the Y-direction component, that is, the rotational angular velocity. Only voltage is output.
  • the output of the differential amplifier 11 is synchronously detected by the synchronous detection circuit 12 and rectified by the low-pass filter 13. As a result, a DC voltage proportional to the rotational angular velocity is output to the output terminal 16.
  • a temperature sensitive element 19 is used as a resistance element of the RC circuit of the phase shift circuit 14.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 11-344344
  • Patent Document 1 a circuit constant constituting a phase shift circuit in an oscillation loop of an oscillation circuit for driving a piezoelectric vibrator is corrected using a temperature sensitive element as described in Patent Document 1. Then, for example, a chip temperature sensing resistor for temperature compensation is required, and it is necessary to secure the mounting space.
  • a small angular velocity sensor with an area of 4 mm square or less is assumed, there is no space for mounting such chip parts. If you try to mount it forcibly, the work of surface mounting will be required, and productivity will drop significantly.
  • an object of the present invention is to provide a method for setting temperature characteristics of an angular velocity sensor with improved stability of angular velocity detection sensitivity in a temperature range to be used without using a temperature sensing element such as a chip temperature sensing resistor, and an angular velocity sensor Is to provide.
  • a temperature characteristic setting method for an angular velocity sensor includes a piezoelectric vibrator and a driving circuit that drives the piezoelectric vibrator by forming an oscillation circuit including the piezoelectric vibrator (addition circuit / amplitude control circuit, A voltage signal corresponding to Coriolis is detected by synchronously detecting an electromotive voltage signal generated by the vibration of the piezoelectric vibrator caused by Coriolis with a phase shift circuit) with a detection signal having a predetermined phase angle in the oscillation period of the oscillation circuit.
  • Synchronous detection circuit that outputs angular velocity detection signal
  • the sensitivity characteristics of the detuning frequency are derived from the temperature characteristics of the detuning frequency and the sensitivity characteristics of the detuning frequency.
  • the detection phase sensitivity change characteristic of how the sensitivity related to the detection phase changes with respect to the temperature change is derived from the temperature characteristic of the detection phase and the sensitivity characteristic of the detection phase.
  • the detection phase is determined so that a change in sensitivity of the detuning frequency is suppressed by a change in sensitivity of the detection phase.
  • An angular velocity sensor includes a piezoelectric vibrator, a driving circuit (an addition circuit, an amplitude control circuit, a phase shift circuit) that drives the piezoelectric vibrator by configuring an oscillation circuit including the piezoelectric vibrator, An angular velocity detection signal that is a voltage signal corresponding to Coriolis by synchronously detecting an electromotive voltage signal generated by vibration of the piezoelectric vibrator caused by Coriolis with a detection signal of a predetermined phase angle in an oscillation period by the oscillation circuit.
  • a driving circuit an addition circuit, an amplitude control circuit, a phase shift circuit
  • the driving circuit force includes a phase shift circuit that detects a signal synchronized with the oscillation period and outputs a synchronous signal phase-shifted by a predetermined phase angle with respect to the oscillation signal to the synchronous detection circuit. It is a feature.
  • the sensitivity related to the detuning frequency which is derived from the temperature characteristic of the detuning frequency that is the frequency of the difference between the oscillation frequency of the oscillation circuit and the frequency of the electromotive voltage signal, and the sensitivity characteristic of the detuning frequency is the temperature.
  • Sensitivity change characteristics of detuning frequency such as how to change Sensitivity related to the detection phase, which is derived from the temperature characteristic of the detection phase that is the difference between the Coriolis signal phase that is the phase angle of the electromotive voltage signal and the oscillation signal phase of the oscillation circuit, and the sensitivity characteristic of the detection phase,
  • the phase shift amount of the phase shift circuit is determined so as to suppress the sensitivity change of the detuning frequency due to the sensitivity change of the detection phase.
  • the temperature characteristic of the detection phase that is the difference between the Coriolis signal phase that is the phase angle of the electromotive voltage signal and the oscillation signal phase of the oscillation circuit, and the detection phase
  • Sensitivity changes to the temperature change related to the detection phase determined by the sensitivity characteristics occur, and the sensitivity changes to the temperature change related to the detuning frequency determined by the temperature characteristics of the detuning frequency and the sensitivity characteristics of the detuning frequency are suppressed.
  • Sensitivity can be kept almost constant over a wide temperature range without using a temperature element.
  • the phase shift setting circuit detects the signal whose driving circuit force is also synchronized with the oscillation period, and the synchronization signal is shifted in phase by a predetermined phase angle with respect to the oscillation signal. Is output to the synchronous detection circuit, so that it is possible to determine a change in sensitivity to a change in temperature without using a temperature sensing element by controlling the detection phase.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an angular velocity sensor shown in Patent Document 1.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of a piezoelectric vibrator used for the angular velocity sensor.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the angular velocity sensor.
  • FIG. 5 is a waveform diagram at a predetermined point in FIG.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a piezoelectric vibrator and a buffer circuit.
  • FIG. 7 is a graph showing temperature characteristics of detuning frequency.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between detuning frequency and sensitivity.
  • FIG. 9 is a diagram showing temperature characteristics of the detection phase.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between detection phase and sensitivity.
  • FIG. 11 is a diagram showing changes in sensitivity characteristics due to the phase and phase shift of synchronous detection and the temperature characteristics of total sensitivity.
  • FIG. 12 is a diagram showing changes in sensitivity characteristics due to the phase and phase shift of synchronous detection.
  • FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a frame for a half cycle of a synchronous detection circuit, a Coriolis waveform accompanying a temperature change, and an output voltage of the synchronous detection circuit.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an angular velocity sensor using a so-called sound piece type piezoelectric vibrator in which an electrode is formed on a prismatic piezoelectric body.
  • a piezoelectric vibrator 31 is a so-called bimorph sound piece type piezoelectric vibrator.
  • the piezoelectric vibrator 31 is provided with a left electrode 31L, a right electrode 31R, and a common electrode 31C !, and a drive voltage is applied between the left electrode 31L, the right electrode 31R, and the common electrode 31C.
  • an L signal and an R signal including an electromotive voltage generated by the vibration of the piezoelectric vibrator caused by Coriolis are extracted from the left electrode 31L and the right electrode 31R, respectively, and applied to the input canffer circuit 32.
  • the input buffer circuit 32 includes an adder circuit that adds the L signal and the R signal and outputs an L + R signal, and supplies the added signal to the amplitude control circuit 34. This added signal becomes a stable feedback signal with Coriolis cancelled.
  • the phase shift circuit 35 adjusts the phase of the addition signal from the input buffer circuit 32, and adjusts so that the phase difference between the addition signal and the drive voltage applied to the common electrode 31C is stably oscillated at a desired frequency.
  • the piezoelectric vibrator 31, the input buffer circuit 32, the amplitude control circuit 34, and the phase shift circuit 35 constitute an oscillation circuit.
  • the input buffer circuit 32, the amplitude control circuit 34, and the phase shift circuit 35 constitute a drive circuit that drives the piezoelectric vibrator 31.
  • the synchronization signal generation circuit 36 generates a rectangular wave synchronization signal based on the output signal of the amplitude control circuit 34.
  • the phase shift circuit 40 shifts the phase of the synchronization signal by a predetermined amount and gives the same to the synchronization detection circuit 37.
  • the synchronous detection circuit 37 detects the signal output from the differential amplifier circuit 33 in synchronization with the synchronous signal output from the phase shift circuit 40.
  • the output voltage of the synchronous detection circuit 37 is a DC voltage that is substantially proportional to the angular velocity applied to the piezoelectric vibrator 31.
  • the DC amplifying circuit 38 amplifies this and outputs it as an angular velocity detection signal.
  • the reference voltage generating circuit 39 outputs a reference voltage to the inside and outside of the angular velocity sensor.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the overall configuration when a tuning fork type piezoelectric vibrator is used as the piezoelectric vibrator 31.
  • the piezoelectric vibrator 31 is a piezoelectric vibrator formed in a tuning fork shape after bonding two polarization-treated piezoelectric substrates so that their polarization directions are opposite to each other.
  • Electrodes 31 L, 31 C, and 31 R are formed on the bottom surface portion of the child 31 shown in the figure of the pair of legs. By applying a drive voltage between the electrode 31L ′ 31R and the electrode 31C, the legs that make up the pair of the piezoelectric vibrators 31 perform basic vibration in the left-right open / close direction.
  • the intermediate layer in the thickness direction of the piezoelectric vibrator 31 is not connected to a circuit, and an intermediate metal film is formed between the intermediate metal film and the electrode 31L and between the intermediate metal film and the electrode 31R.
  • an electromotive voltage with a reverse polarity corresponding to Coriolica is generated.
  • a metal film may or may not be formed on the other main surface side facing the main surface on which the electrodes 31L, 31C and 31R of the piezoelectric vibrator 31 are formed.
  • FIG. 4 is a diagram showing a specific circuit configuration of the angular velocity sensor shown in FIG. 2, and the connection relationship of the circuits is partially modified for the sake of concreteness.
  • the piezoelectric vibrator 31 has the electrode 31R described above. , 31C, 31L and the intermediate metal film 31S.
  • the buffer circuits All, A12 receive the voltage generated at the electrodes 31L, 31R of the piezoelectric vibrator 31 with a high input impedance.
  • the connection point of resistors Rl l and R12 is connected to the reference voltage point.
  • the adder circuit 41 adds the output voltages of the buffers All and A12 and supplies the sum to the amplitude control circuit 34.
  • the phase shift circuit 35 shifts the phase between the input and output by a predetermined amount.
  • the piezoelectric vibrator 31 is driven by the voltage output from the phase shift circuit 35.
  • phase of the voltage applied between the electrodes (31R, 31L) of the piezoelectric vibrator 31 and the electrode 31C is adjusted by the phase shift circuit 35 so that the piezoelectric vibrator 31 resonates, and the amplitude control circuit 34 Since the amplitude is controlled by, the oscillation operation is continued.
  • the synchronization signal generation circuit 36 receives an L + R signal output from the addition circuit 41, that is, a signal corresponding to the oscillation period of the oscillation circuit, which is canceled by Coriolica, and receives an amplitude. To stabilize.
  • the phase shift circuit 40 shifts the phase of the output signal (sine wave signal) of the synchronization signal generation circuit 36 by a predetermined amount by controlling the time constant of the CR phase shift circuit.
  • the waveform shaping circuit 42 converts the signal output from the phase shift circuit 40 into a rectangular wave signal necessary for synchronous detection.
  • the synchronous detection circuit 37 detects the signal output from the differential amplifier circuit 33 in synchronization with the output signal of the waveform shaping circuit.
  • FIG. 5 is a waveform diagram of the output signal Sa of the synchronization signal generation circuit 36, the output signal Sb of the phase shift circuit 40, and the output signal Sc of the waveform shaping circuit 42 shown in FIG.
  • the synchronization signal generation circuit 36 outputs a sine wave signal
  • the phase shift circuit 40 shifts by a predetermined phase according to the time constant of the CR phase shift circuit.
  • the waveform shaping circuit 42 converts the signal Sb into a rectangular wave signal by giving a binary value with a predetermined threshold value, and gives it to the synchronous detection circuit 37.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the piezoelectric vibrator 31 and the buffers All and A12 shown in FIG.
  • the piezoelectric vibrator 31 is equivalently represented by a circuit including capacitors Ca and Cb, a resistor R, and an inductor L as shown in FIG. Fig. 6 (B) shows the circuit configuration of the input parts of buffers All and A12.
  • the detection capacitance C changes according to the temperature characteristics of the piezoelectric body of the piezoelectric vibrator 31. Therefore, the phase of the output voltage (voltage signal corresponding to Coriolica) of the buffers A1 and A12 changes with temperature, and the oscillation frequency changes with temperature. In addition, the frequency of the electromotive voltage signal generated by Coriolica also changes as the oscillation frequency changes.
  • FIG. 7 shows the oscillation frequency of the oscillation circuit (which is also the drive frequency for driving the piezoelectric vibrator, and is represented as the drive frequency in the figure) and the vibration caused by the vibration of the piezoelectric vibrator caused by Coriolica. It shows the temperature characteristics of the frequency of the voltage signal (hereinafter referred to as “detection signal”) and the detuning frequency that is the frequency of the difference.
  • the detuning frequency at 25 ° C is 50Hz
  • the amount of change in the detuning frequency at that temperature is OHz.
  • the drive frequency and the detection signal frequency both decrease as the temperature rises above 25 ° C and as the temperature decreases, but the reference temperature at which the rate of change of the detection frequency increases at a temperature higher than the reference temperature 25 ° C.
  • the change rate of the drive frequency is large at temperatures lower than 25 ° C. Therefore, the detuning frequency changes with temperature! (In this example, from 20 ° C to + 85 ° C) +35 to 56 Hz (about 91 Hz) with respect to the detuning frequency at 25 ° C Only changes almost linearly.
  • FIG. 8 shows the sensitivity characteristics of the piezoelectric vibrator with respect to the detuning frequency when the detuning frequency is set to 50 Hz at a reference temperature of 25 ° C.
  • the sensitivity is higher, and the higher the detuning frequency is (the larger the difference between the detected frequency and the driving frequency) is, the lower the sensitivity is.
  • the sensitivity is maximum at a detuning frequency of -19 Hz. While the sensitivity when the detuning frequency is + 90Hz is 0.2, the sensitivity when the detuning frequency force is SOHz is 0.8, which changes about 4 times.
  • FIG. 7 shows that the value of the detuning frequency increases to the plus side as the temperature decreases
  • FIG. 8 shows that the sensitivity decreases at that time. Conversely, the sensitivity increases as the temperature increases.
  • FIG. 9 shows the result of obtaining the temperature characteristic of the detection phase in a state where the piezoelectric vibrator 31 is connected to the evaluation circuit.
  • the gray colored part is the output signal of the differential amplifier circuit 33 measured for 10 seconds with the angular velocity applied (this signal is a signal for detecting Coriolis, so it is referred to as ⁇ Coriolis waveform '' !, Show the range of fluctuation! [0038]
  • ⁇ Coriolis waveform '' ! Show the range of fluctuation!
  • the “oscillation signal” is the output signal (L + R signal) of the adder circuit 41 shown in FIG. 4. From the zero crossing point of the fall of this oscillation signal to the node of the Coriolis waveform. The phase difference is the “detection phase”.
  • the detection phase is 35.4 ° at a low temperature of 20 ° C, and the detection phase is ⁇ 25.8 at + 25 ° C.
  • the detection phase is + 17.6 ° at a high temperature of + 85 ° C.
  • the detection phase is 0 around + 55 ° C. It becomes.
  • the synchronous detection circuit 37 uses the integrated value of the Coriolis waveform as a detection output signal for one period of the oscillation period from the zero-cross point of the falling edge of the oscillation signal. Specifically, the value obtained by adding the value obtained by inverting the sign of the negative half-wave integration value to the positive half-wave integration value is obtained. Alternatively, the detection output signal is the integrated value of the Coriolis waveform for the half period of the oscillation period from the zero-cross point of the falling edge of the oscillation signal.
  • FIG. 10 shows the relationship of sensitivity (detection efficiency) to the detection phase at 25 ° C.
  • the detection phase is 0 °
  • the sensitivity is maximized because the detection signal and Coriolis waveform nodes coincide. That is, the change in the output voltage of the synchronous detection circuit 37 due to the change in the size of Coriolis becomes the maximum.
  • the temperature change of the detection phase is ⁇ 35.4 ° at ⁇ 20 ° C, and 0 ° near + 55 ° C.
  • the sensitivity characteristic that accompanies the change of detection phase due to temperature change is the characteristic that it becomes low at low temperature and becomes maximum around + 55 ° C.
  • both the temperature characteristic of the detuning frequency and the temperature characteristic of the detection phase show a positive tendency in the sensitivity temperature characteristic in which the sensitivity is low at low temperatures and the sensitivity increases at high temperatures.
  • the sensitivity becomes maximum, and the sensitivity decreases as the phase shifts from there.
  • the detuning frequency due to temperature The detection phase is determined so as to correct the sensitivity change accompanying the change of.
  • FIG. 11 shows the correction.
  • A in Fig. 11 shows the sensitivity change characteristics associated with changes in detuning frequency due to temperature changes.
  • (b) is the sensitivity change characteristic as the detection phase changes due to temperature change.
  • Curve U is the characteristic when detection is performed in phase synchronized with the detection signal (L + R signal). This is an example in which the phase shift amount of the phase shift circuit 40 shown in Fig. 5 is determined, and the peak of the detection sensitivity with respect to the temperature change is shifted.
  • C in Fig. 11 is the total sensitivity characteristic combining the characteristic shown in (a) and the characteristic shown in curve C in (b).
  • FIG. 12 shows changes in sensitivity characteristics when the phase of the synchronous detection is shifted by the phase shift circuit 40.
  • the temperature range where the sensitivity change rate is 15 to + 5% is 0.
  • the phase amount in the phase shift circuit 40 is + 21 ° and the detection phase is 4 °
  • the temperature range satisfying the same sensitivity change rate is 0 ° C to +75
  • the phase shift amount is + 34 ° and the detection phase is + 9 °
  • the temperature range that satisfies the sensitivity change rate extends from 15 ° C to + 75 ° C.
  • the force can also reduce the sensitivity change rate.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a state of synchronous detection accompanying a temperature change in a state where the phase shift amount is optimized.
  • synchronous detection for a half cycle of the detection signal is shown.
  • the broken line is a rectangular wave output from the waveform shaping circuit 42 shown in FIG.
  • the sinusoidal waveform is a Coriolis waveform (the output of the differential amplifier circuit 33 shown in FIG. 4, ie, the waveform of the input signal to the synchronous detection circuit 37). Therefore, the sine wave in the half cycle shown in the broken line (interval (frame) for synchronous detection) is integrated. However, the same positive and negative areas are offset across the reference voltage. The voltage proportional to the remaining area indicated by the pinching becomes the output voltage of the synchronous detection circuit 37.
  • (A) is a low temperature state
  • (B) is a normal temperature state
  • (C) is a high temperature state.
  • the half-cycle of the sine wave of the Coriolis waveform is detected synchronously, but the amplitude of the Coriolis waveform increases due to the proximity of the detuning frequency as the temperature rises, but the phase of the Coriolis waveform with respect to the frame is shifted. Therefore, the offset part increases, and as a result, the area of the part shown by hatching is kept almost constant. In this way, a high-accuracy voltage corresponding to Coriolica is output from the synchronous detection circuit 37 over a wide temperature range.

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Abstract

　圧電振動子（３１）を含む発振回路の発振周波数と、コリオリ力に起因する圧電振動子の起電圧の周波数との差である離調周波数の温度特性を求め、離調周波数に対する感度の関係を求め、起電圧信号の位相角であるコリオリ信号位相と発振信号位相との差である検波位相の温度特性を求め、検波位相に対する感度の関係を求め、検波位相に関する温度変化に対する感度変化で、離調周波数に関する温度変化に対する感度変化を抑制するように検波位相のシフト量を定める。

Description

明 細 書
角速度センサの温度特性設定方法および角速度センサ
技術分野
[0001] この発明は、たとえばカメラの手ぶれ補正等に利用される角速度センサの温度特性 設定方法および角速度センサに関するものである。
背景技術
[0002] ディジタルスチルカメラやディジタルビデオカメラにおいては、手ぶれ補正のために カメラの手ぶれを検出する角速度センサが利用されている。
このような角速度センサは、圧電振動子を発振回路の一部とする発振回路によって 駆動するとともに、コリオリカに起因する圧電振動子の振動によって生じる起電圧を 検出して、角速度に応じた電圧信号を出力するものである。
上記圧電振動子の起電圧は差動増幅され、圧電振動子を駆動する駆動信号に同 期して同期検波されて直流電圧信号に変換された後、直流増幅される。
[0003] ここで圧電振動子の起電圧信号の周波数と発振回路の発振周波数との差 (以下、
「離調周波数」という。）が小さいほど角速度の検出感度が高くなる。また、離調周波 数は温度特性を持っているため、角速度の検出感度は温度によって変化する。
[0004] このように角速度センサの感度が温度により変化すると、同じ角速度が加わったとし ても温度によって異なる角速度が求まることになり、問題となる。そこで、従来は通常 使用する温度範囲で角速度の検出感度が所定範囲内に収まるように、温度に応じた 感度の補正を行っている。
[0005] 特許文献 1では、離調周波数の温度特性を補正するために、コンデンサと抵抗で 構成される移相回路の抵抗部分にサーミスタ等の感温素子を用いて 、る。
ここで特許文献 1の角速度センサの構成を図 1を参照して説明する。
図 1において、円柱型圧電振動子 10の電極 5, 7, 9は、基準電位に接続されてい る。検出電極 6, 8は差動増幅器 11および移相回路 14に接続されている。移相回路
14は、駆動発振回路 15を介して振動子 10の駆動電極 4に接続されて、自励発振ル ープが構成されている。これにより、振動子 10の共振周波数にほぼ追従した周波数 の交流電圧が駆動電極 4に印加され、 X方向の屈曲振動が励起される。検出電極 6 , 8は、 X方向の屈曲振動に対して対称に配置しているので、差動増幅器 11で X方 向成分の出力はキャンセルされる。
[0006] コリオリカによって励起される屈曲振動に対しては、検出電極 6および 8の出力は、 逆相となるから、差動増幅器 11の出力は Y方向の成分、すなわち回転角速度に比 例した交流電圧のみが出力される。差動増幅器 11の出力は、同期検波回路 12で同 期検波され、ローパスフィルター 13で整流された結果、回転角速度に比例した直流 電圧が出力端子 16に出力される。
[0007] このような回路において、移相回路 14の RC回路の抵抗素子として感温素子 19を 用いる。
特許文献 1：特開平 11― 344344号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] ところが、特許文献 1に示されて 、るように感温素子を用いて圧電振動子の駆動用 発振回路の発振ループ内の移相回路を構成する回路定数を補正するようにしたもの では、温度補償用のたとえばチップ感温抵抗等が必要となり、その実装スペースを確 保する必要がある。しかし、面積 4mm角以下の小型の角速度センサを想定した場合 に、そのようなチップ部品の実装スペースは存在しない。無理に実装しょうとすると表 面実装を行う作業が必要になり生産性が著しく低下する。
[0009] そこで、この発明の目的は、チップ感温抵抗等の感温素子を用いることなぐ使用 する温度範囲での角速度の検出感度の安定性を高めた角速度センサの温度特性 設定方法および角速度センサを提供することにある。
課題を解決するための手段
[0010] この発明の角速度センサの温度特性設定方法は、圧電振動子と、該圧電振動子を 含む発振回路を構成して前記圧電振動子を駆動する駆動回路 (加算回路 ·振幅制 御回路，移相回路）と、コリオリカに起因する前記圧電振動子の振動によって生じる 起電圧信号を、前記発振回路による発振周期での所定位相角の検波信号で同期検 波して、コリオリカに応じた電圧信号である角速度検出信号を出力する同期検波回 路と、を備えた角速度センサの温度特性設定方法であって、
(1)前記発振回路の発振周波数と前記起電圧信号の周波数との差の周波数であ る離調周波数の温度特性 (温度変化に対する離調周波数の変化特性)を求め、
(2)離調周波数の感度特性 (離調周波数に対する感度の関係)を求め、
(3)起電圧信号の位相角であるコリオリ信号位相と発振信号位相との差である検波 位相の温度特性を求め、
(4)前記検波位相の感度特性 (検波位相に対する感度の関係）を求め、
(5)前記離調周波数の温度特性と前記離調周波数の感度特性とで、離調周波数 に関する感度が温度変化に対してどのように変化するかという離調周波数の感度変 化特性を導きだし、
(6)前記検波位相の温度特性と前記検波位相の感度特性とで、検波位相に関する 感度が温度変化に対してどのように変化するかという検波位相の感度変化特性を導 きだし、
(7)前記検波位相の感度変化により前記離調周波数の感度変化を抑制するように 、前記検波位相を定めることを特徴としている。
[0011] この発明の角速度センサは、圧電振動子と、該圧電振動子を含む発振回路を構成 して前記圧電振動子を駆動する駆動回路 (加算回路 ·振幅制御回路 ·移相回路)と、 コリオリカに起因する前記圧電振動子の振動によって生じる起電圧信号を、前記発 振回路による発振周期での所定位相角の検波信号で同期検波して、コリオリカに応 じた電圧信号である角速度検出信号を出力する同期検波回路と、を備えた角速度セ ンサにおいて、
前記駆動回路力 前記発振周期に同期した信号を検出するとともに、当該発振信 号に対して所定位相角だけ位相シフトした同期信号を前記同期検波回路に対して 出力する位相シフト回路を備えたことを特徴としている。
[0012] また、前記発振回路の発振周波数と前記起電圧信号の周波数との差の周波数で ある離調周波数の温度特性と離調周波数の感度特性とで導き出される、離調周波数 に関する感度が温度変化に対してどのように変化するかという離調周波数の感度変 化特性と、 前記起電圧信号の位相角であるコリオリ信号位相と前記発振回路の発振信号位相 との差である検波位相の温度特性と検波位相の感度特性とで導き出される、検波位 相に関する感度が温度変化に対してどのように変化するかという検波位相の感度変 化特性とに関し、
前記検波位相の感度変化により前記離調周波数の感度変化を抑制するように、前 記位相シフト回路の移相量を定める。
発明の効果
[0013] この発明の角速度センサの温度特性設定方法によれば、起電圧信号の位相角で あるコリオリ信号位相と発振回路の発振信号位相との差である検波位相の温度特性 と、検波位相の感度特性とにより定まる検波位相に関する温度変化に対する感度変 化が生じて、離調周波数の温度特性と離調周波数の感度特性により定まる離調周波 数に関する温度変化に対する感度変化が抑制されるので、感温素子を用いることな ぐ広い温度範囲にわたって感度をほぼ一定に保つことができる。
[0014] また、この発明の角速度センサによれば、位相シフト設定回路が前記駆動回路力も 前記発振周期に同期した信号を検出するとともに、その発振信号に対して所定位相 角だけ移相した同期信号を同期検波回路に対して出力するので、この検波位相の 制御によって温度変化に対する感度変化を、感温素子を用いることなく定めることが でさるよう〖こなる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]特許文献 1に示されている角速度センサの構成を示す図である。
[図 2]この発明の実施形態に係る角速度センサの構成を示すブロック図である。
[図 3]同角速度センサに用いる圧電振動子の構成を示す斜視図である。
[図 4]同角速度センサの詳細な構成を示す回路図である。
[図 5]図 4中の所定点の波形図である。
[図 6]圧電振動子およびバッファ回路の等価回路図である。
[図 7]離調周波数の温度特性を示す図である。
[図 8]離調周波数と感度との関係を示す図である。
[図 9]検波位相の温度特性を示す図である。 [図 10]検波位相と感度との関係を示す図である。
[図 11]同期検波の位相と位相シフトによる感度特性の変化および総合感度の温度特 性を示す図である。
[図 12]同期検波の位相と位相シフトによる感度特性の変化を示す図である。
[図 13]同期検波回路の半周期分のフレームと温度変化に伴うコリオリカ波形および 同期検波回路の出力電圧との関係を示す図である。
符号の説明
[0016] 31—圧電振動子
31L, 31C, 31R—電極
40—位ネ目シフト回路
37—同期検波回路
発明を実施するための最良の形態
[0017] この発明の実施形態に係る角速度センサとその温度特性設定方法について各図 を参照して説明する。
図 2は、角柱状圧電体に電極を形成した所謂音片型の圧電振動子を用いた角速 度センサの構成を示すブロック図である。図 2において、圧電振動子 31は、所謂バイ モルフ音片型の圧電振動子である。この圧電振動子 31には左電極 31Lと右電極 31 Rと共通電極 31Cとを設けて!/、て、左電極 31L ·右電極 31Rと共通電極 31Cとの間 に駆動電圧を与える。また左電極 31Lと右電極 31Rとからそれぞれコリオリカに起因 する前記圧電振動子の振動によって生じる起電圧を含む L信号と R信号とを取り出し 、入カノ ッファ回路 32に与える。入力バッファ回路 32には L信号と R信号とを加算し て L+R信号を出力する加算回路を備えていて、その加算信号を振幅制御回路 34 へ与える。この加算信号はコリオリカの相殺された安定な帰還信号となる。
[0018] 上述の帰還信号を振幅制御回路 34に与えることにより、振幅一定の駆動電圧とな り、この駆動電圧を移相回路 35を介して圧電振動子 31の共通電極 31Cに与える。 移相回路 35は入力バッファ回路 32からの加算信号の位相を調整するものであり、こ の加算信号と共通電極 31Cに与える駆動電圧の位相差が所望周波数で安定に発 振するように調整する。 [0019] 上記圧電振動子 31、入力バッファ回路 32、振幅制御回路 34、および移相回路 35 は発振回路を構成している。また、入力バッファ回路 32と振幅制御回路 34と移相回 路 35とで、圧電振動子 31を駆動する駆動回路を構成している。
[0020] 同期信号生成回路 36は振幅制御回路 34の出力信号を基に、矩形波状の同期信 号を生成する。位相シフト回路 40は、その同期信号の位相を所定量シフトして同期 検波回路 37に与える。
[0021] 同期検波回路 37は、差動増幅回路 33から出力される信号を位相シフト回路 40か ら出力される同期信号に同期して検波を行う。この同期検波回路 37の出力電圧は、 圧電振動子 31に加わる角速度にほぼ比例した直流電圧である。直流増幅回路 38 は、これを直流増幅して角速度検出信号として出力する。また基準電圧発生回路 39 はこの角速度センサ内部および外部へ基準電圧を出力する。
[0022] 図 3は上記圧電振動子 31として音叉型の圧電振動子を用 、た場合の全体の構成 を示す斜視図である。この圧電振動子 31は分極処理が施された 2枚の圧電体基板 を、その分極方向が対向するように貼り合わせた後、音叉型に形成した圧電振動子 であって、音叉型の圧電振動子 31の、対をなす脚部の図に示す底面部分に電極 31 L, 31C, 31Rを形成している。この電極 31L' 31Rと電極 31Cとの間に駆動電圧を 印加することによって、圧電振動子 31の対をなす脚部は左右開閉方向に基本振動 する。
[0023] この圧電振動子 31に図に示す R方向に回転角速度が加わると、圧電振動子 31の 対をなす脚部はコリオリカによって、図における上下方向に逆向きに振動することに なる。
[0024] 圧電振動子 31の厚み方向の中間層には回路に接続しな 、中間金属膜を形成して いて、その中間金属膜と電極 31Lとの間、中間金属膜と電極 31Rとの間、にそれぞ れコリオリカに応じた逆極性の起電圧が発生する。なお、圧電振動子 31の電極 31L , 31C, 31Rを形成した主面に対向する他方主面側には金属膜を形成してもよいし 、しなくてちょい。
[0025] 図 4は図 2に示した角速度センサの具体的な回路構成を示す図であり、具体化のた めに回路の接続関係を部分的に変形して 、る。圧電振動子 31には前述の電極 31R , 31C, 31Lおよび上記中間金属膜 31Sを設けている。
[0026] バッファ回路 Al l, A12は圧電振動子 31の電極 31L, 31Rに発生する電圧を高 入力インピーダンスで受ける。また、抵抗 Rl l, R12の接続点は基準電圧点に接続 している。
[0027] 加算回路 41はバッファ Al l, A12の出力電圧を加算して振幅制御回路 34へ与え る。移相回路 35は入出力間の位相を所定量シフトする。圧電振動子 31は移相回路 35から出力する電圧によって駆動する。
[0028] 圧電振動子 31の電極（31R, 31L)と電極 31Cとの間に印加される電圧は圧電振 動子 31が共振するように移相回路 35により位相が調整され、振幅制御回路 34により 振幅が制御されるので発振動作を持続することになる。
[0029] 同期信号生成回路 36は、この例では、加算回路 41から出力される L+R信号、す なわちコリオリカの相殺された、上記発振回路の発振周期に相当する信号を入力し て振幅を安定化させる。位相シフト回路 40は同期信号生成回路 36の出力信号 (正 弦波信号)の位相を CR移相回路の時定数を制御することによって、同期信号生成 回路 36の出力信号を所定量シフトする。
[0030] 波形整形回路 42は、位相シフト回路 40から出力される信号を同期検波に必要な 矩形波信号に変換する。同期検波回路 37は、差動増幅回路 33から出力される信号 を波形整形回路の出力信号に同期して検波する。
[0031] 図 5は図 4に示した同期信号生成回路 36の出力信号 Sa、位相シフト回路 40の出 力信号 Sb、および波形整形回路 42の出力信号 Scの波形図である。このように同期 信号生成回路 36は正弦波信号を出力し、位相シフト回路 40が CR移相回路の時定 数によって所定位相分シフトする。波形整形回路 42は信号 Sbを所定のしき 、値で ニ値ィ匕することによって矩形波信号に変換して同期検波回路 37に与える。
[0032] 図 6は、図 4に示した圧電振動子 31およびバッファ Al l, A12部分の等価回路図 である。圧電振動子 31は等価的には図 6の (A)のようにコンデンサ Ca, Cb、抵抗 R およびインダクタ Lによる回路で表される。また図 6の（B)はバッファ Al l, A12の入 力部の回路構成を示している。ノ ッファ Al l, A12の入力部には検出抵抗を備えて V、て、圧電振動子 31は共振状態では等価的に検出容量 (C = Ca + Cb)とみなせる ので、この圧電振動子 31と検出抵抗とによって CR時定数回路を構成することになる 。そして、上記検出容量 Cは圧電振動子 31の圧電体の温度特性に応じて変化する。 そのためバッファ Al l, A12の出力電圧 (コリオリカに応じた電圧信号)の位相は温 度によって変化し、温度によって発振周波数が変化することになる。また、発振周波 数の変化に伴いコリオリカによる起電圧信号の周波数も変化する。
[0033] 図 7は前記発振回路の発振周波数 (圧電振動子を駆動する駆動周波数でもあるの で、図においては駆動周波数として表している。）とコリオリカに起因する圧電振動子 の振動によって生じる起電圧信号 (以下、「検出信号」という。）の周波数およびその 差の周波数である離調周波数の温度特性を示して ヽる。
[0034] ここでは 25°Cが基準であり、 25°Cの時の離調周波数は 50Hzであり、その温度で の離調周波数の変化量を OHzとしている。駆動周波数と検出信号の周波数は、いず れも温度が 25°Cより高くなるに従い、また低くなるに従い、低くなるが、基準温度 25 °Cより高温では検出周波数の変化率が大きぐ基準温度 25°Cより低温では駆動周波 数の変化率が大き 、。従って離調周波数は温度変化に伴!、 (この例では 20°Cか ら + 85°Cの範囲で）、 25°Cのときの離調周波数に対して + 35〜一 56Hz (約 91Hz) だけほぼ直線状に変化する。
[0035] 図 8は、基準温度 25°Cで離調周波数を 50Hzに設定した際の圧電振動子の離調 周波数に対する感度の特性を示して 、る。このように離調周波数が 0付近で (検出周 波数と駆動周波数が接近するほど)感度は高ぐ離調周波数が高くなるほど (検出周 波数と駆動周波数との差が大きくなると)感度が低下する。この例では離調周波数が — 19Hzで感度が最大となる。離調周波数が + 90Hzのときの感度が 0. 2であるのに 対し、離調周波数力 SOHzのときの感度は 0. 8であり約 4倍も変化する。
[0036] 以上にように、図 7から低温になるほど離調周波数の値はプラス側に大きくなり、図 8より、そのとき感度が低下することがわかる。逆に、高温になるほど感度は高くなる。
[0037] 図 9は、圧電振動子 31を評価回路に接続した状態で、検波位相の温度特性を求 めた結果を示している。図 9においてグレーで着色した部分は、角速度を与えた状態 で 10秒間にわたって計測した、差動増幅回路 33の出力信号 (この信号はコリオリカ を検出する信号であるので以下「コリオリ波形」と!、う。）の変動幅を示して!/、る。 [0038] このようにコリオリカの変化に応じてコリオリ波形の振幅が変化する際、コリオリ波形 には節 Pnと腹 Ps力 S生じる。この節および腹の位置は、前記発振回路の発振ループ の位相と圧電振動子の離調周波数によって決まる。
[0039] また、図 9において「発振信号」は図 4に示した加算回路 41の出力信号 (L+R信号 )であり、この発振信号の立ち下がりのゼロクロス点から上記コリオリ波形の節までの 位相差が「検波位相」である。
[0040] 図 9の（A) , (B) , (C)に示すように、 20°Cの低温では検波位相が 35. 4° で あり、 + 25°Cでは検波位相は— 25. 8° となり、 +85°Cの高温では検波位相は + 1 7. 6° となる。このように高温になる程、検波位相の絶対値は小さくなり、或る温度を 超えて位相差がプラスになる。図 9では表れていないが、 + 55°C付近で検波位相は 0。 となる。
[0041] 同期検波回路 37は上記発振信号の立ち下がりのゼロクロス点から発振周期の 1周 期分についてコリオリ波形の積分値を検波出力信号とする。具体的には負の半波の 積分値の符号を反転した値を正の半波の積分値に加算した値を求める。または、発 振信号の立ち下がりのゼロクロス点から発振周期の半周期分についてのコリオリ波形 の積分値を検波出力信号とする。
[0042] 図 10は 25°Cにおける上記検波位相に対する感度 (検出効率)の関係を示している 。検波位相が 0° であるとき、検波信号とコリオリ波形の節が一致するので感度は最 大となる。すなわち、コリオリカの大きさの変化による同期検波回路 37の出力電圧変 化が最大となる。バイモルフ音叉型圧電振動子を用いたこの例では、図 9に示したよ うに、検波位相の温度変化は— 20°Cで— 35. 4° ずれ、 + 55°C付近で 0° となるの で、温度変化によって検波位相が変化することに伴う感度特性は、低温で低ぐ + 5 5°C付近で最大になる、という特性となる。
[0043] 以上の結果から、離調周波数の温度特性と検波位相の温度特性はともに低温で感 度が低く高温で感度が上昇する感度温度特性がプラス傾向を示すことが分かる。
[0044] このように検波位相は 0° であるとき感度は最大となり、そこから位相がずれるに従 つて感度が低下する。
そこで、温度によって検波位相が変化することを利用して、温度による離調周波数 の変化にともなう感度変化を補正するように検波位相を定める。
[0045] 図 11はその補正について示している。図 11の（a)は温度変化により離調周波数が 変化することに伴う感度変化の特性である。 (b)は温度変化により検波位相が変化す ることに伴う感度変化の特性であり、曲線 Uは検波信号 (L+R信号）に同期した位相 で検波した場合の特性、曲線 Cは図 4に示した位相シフト回路 40の位相シフト量を定 めて、温度変化に対する検出感度のピークをシフトさせた例である。図 11の（c)は（a )に示した特性と (b)の曲線 Cで示した特性とを合成した総合感度特性である。温度 変化によって離調周波数が変化することに伴う感度変化が右上がりであるのに対し、 温度変化に対する補正後の検出感度は右下がり傾向となるので、総合感度は広い 温度範囲にわたって平坦な特性にでき、規格ィ匕された感度範囲内に収めることがで きる。
[0046] 図 12は上記位相シフト回路 40によって同期検波の位相をシフトさせた時の感度特 性の変化について示している。位相シフトを行わない場合（図 9 (B)に示したように、 2 5°Cで検波位相が 25. 8° である場合）、感度変化率が 15〜+ 5%である温度 範囲は 0°C〜30°Cと狭いが、位相シフト回路 40での位相量を + 21° として検波位 相を 4° にした場合、上記同じ感度変化率を満足する温度範囲は 0°C〜 + 75°C およびそれ以上の広い範囲にまで広げることができる。さらに上記位相シフト量を + 3 4° として検波位相を + 9° にした場合、上記感度変化率を満足する温度範囲は 15°Cから + 75°Cの広範囲に広がる。し力も感度変化率を狭めることができる。
[0047] 図 13は上記位相シフト量を最適化した状態での温度変化に伴う同期検波の様子 を示す図である。ここでは検波信号の半周期分の同期検波について示している。破 線は図 4に示した波形整形回路 42から出力される矩形波である。また正弦波状の波 形はコリオリ波形（図 4に示した差動増幅回路 33の出力すなわち同期検波回路 37へ の入力信号の波形)である。したがつてこの破線で示す半周期（同期検波される区間 (フレーム) )での正弦波が積分されることになるが、基準電圧を挟んで正負の面積が 同じ分は相殺されるので、ノ、ツチングで示した残りの面積に比例した電圧が同期検 波回路 37の出力電圧となる。
[0048] 図 13の (A)は低温状態、 (B)は常温状態、 (C)は高温状態である。低温状態では コリオリ波形の正弦波の半周期分が同期検波されるが、温度の上昇に伴って離調周 波数が近接するため、コリオリ波形の振幅が増大するが、上記フレームに対するコリ オリ波形の位相がずれるので、上記相殺部分が増大し、結果的にハッチングで示す 部分の面積がほぼ一定に保たれる。このようにして広い温度範囲にわたって、同期 検波回路 37からコリオリカに応じた高精度な電圧が出力される。

Claims

請求の範囲
[1] 圧電振動子と、該圧電振動子を含む発振回路を構成して前記圧電振動子を駆動 する駆動回路と、コリオリカに起因する前記圧電振動子の振動によって生じる起電圧 信号を、前記発振回路による発振周期での所定位相角の検波信号で同期検波して 、コリオリカに応じた電圧信号である角速度検出信号を出力する同期検波回路と、を 備えた角速度センサの温度特性設定方法であって、
前記発振回路の発振周波数と前記起電圧信号の周波数との差の周波数である離 調周波数の温度特性を求め、
離調周波数の感度特性を求め、
前記起電圧信号の位相角であるコリオリ信号位相と前記発振回路の発振信号位相 との差である検波位相の温度特性を求め、
前記検波位相の感度特性を求め、
前記離調周波数の温度特性と前記離調周波数の感度特性とで、離調周波数に関 する感度が温度変化に対してどのように変化するかという離調周波数の感度変化特 性を導きだし、
前記検波位相の温度特性と前記検波位相の感度特性とで、検波位相に関する感 度が温度変化に対してどのように変化するかという検波位相の感度変化特性を導き だし、
前記検波位相の感度変化により前記離調周波数の感度変化を抑制するように、前 記検波位相を定めることを特徴とする角速度センサの温度特性設定方法。
[2] 圧電振動子と、該圧電振動子を含む発振回路を構成して前記圧電振動子を駆動 する駆動回路と、コリオリカに起因する前記圧電振動子の振動によって生じる起電圧 信号を、前記発振回路による発振周期での所定位相角の検波信号で同期検波して 、コリオリカに応じた電圧信号である角速度検出信号を出力する同期検波回路と、を 備えた角速度センサにお!、て、
前記駆動回路力 前記発振周期に同期した発振信号を検出するとともに、当該発 振信号に対して所定位相角だけ位相シフトした検波信号を前記同期検波回路に対 して出力する位相シフト回路を備えた角速度センサ。 前記発振回路の発振周波数と前記起電圧信号の周波数との差の周波数である離 調周波数の温度特性と離調周波数の感度特性とで導き出される、離調周波数に関 する感度が温度変化に対してどのように変化するかという離調周波数の感度変化特 性と、
前記起電圧信号の位相角であるコリオリ信号位相と前記発振回路の発振信号位相 との差である検波位相の温度特性と検波位相の感度特性とで導き出される、検波位 相に関する感度が温度変化に対してどのように変化するかという検波位相の感度変 化特性とに関し、
前記検波位相の感度変化により前記離調周波数の感度変化を抑制するように、前 記位相シフト回路の移相量を定めた請求項 2に記載の角速度センサ。
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