WO2011102063A1 - 振動型慣性力センサ - Google Patents

振動型慣性力センサ Download PDF

Info

Publication number
WO2011102063A1
WO2011102063A1 PCT/JP2010/073718 JP2010073718W WO2011102063A1 WO 2011102063 A1 WO2011102063 A1 WO 2011102063A1 JP 2010073718 W JP2010073718 W JP 2010073718W WO 2011102063 A1 WO2011102063 A1 WO 2011102063A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
circuit
signal
gain
inertial force
vibrator
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/073718
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
良隆 加藤
章 森
誠 成田
Original Assignee
株式会社村田製作所
旭化成エレクトロニクス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所, 旭化成エレクトロニクス株式会社 filed Critical 株式会社村田製作所
Priority to CN201080063609.3A priority Critical patent/CN102753937B/zh
Priority to DE112010005045T priority patent/DE112010005045T5/de
Priority to JP2012500476A priority patent/JP5362097B2/ja
Publication of WO2011102063A1 publication Critical patent/WO2011102063A1/ja
Priority to US13/569,207 priority patent/US9021879B2/en

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • G01C19/5776—Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719

Definitions

  • the present invention relates to an inertial force sensor that detects an inertial force, and more particularly, to a vibration-type inertial force sensor that detects an inertial force using a vibrator.
  • the vibration type inertial force sensor is used as, for example, an angular velocity sensor that detects an angular velocity based on the inertial force.
  • the vibration type inertial force sensor includes a vibrator for detecting an angular velocity, an oscillation circuit section that supplies a drive signal to the vibrator, and a detection circuit section that detects the angular velocity of the vibrator.
  • the vibrator includes an electrostatic drive / capacitance detection type, a piezoelectric drive / piezoelectric detection type, and the like.
  • the vibrator includes a vibrating body that vibrates at an angular velocity, a driving unit that drives the vibrating body, a monitoring unit that feeds back a monitor signal corresponding to the amplitude of the vibrating body (vibration state of the vibrator) to the oscillation circuit unit, and the vibrating body
  • the detection means which outputs the detection signal based on the vibration displacement by the Coriolis force of this is provided.
  • the oscillation circuit unit is configured as a closed-loop self-excited oscillation circuit using a vibrator as a resonance element, generates a drive signal from a monitor signal corresponding to the amplitude of the vibrator, and supplies the drive signal to the vibrator. Control the vibration of the vibrating body.
  • the detection circuit unit generates and outputs an angular velocity detection signal based on the detection signal input from the vibrator detection means.
  • the angular velocity detection signal is a DC voltage corresponding to the magnitude of the angular velocity of the vibrator.
  • the vibration type inertial force sensor cannot detect the angular velocity during the period from when the power is turned on until the amplitude of the vibrating body reaches a predetermined magnitude.
  • the vibration-type inertial force sensor is desired to shorten the start-up time from when the power is turned on until the angular velocity can be detected.
  • Patent Document 1 discloses a vibration-type inertial force sensor that can shorten the start-up time. Is disclosed.
  • the vibration-type inertial force sensor disclosed in Patent Document 1 includes a voltage amplifier inside a variable gain amplifier circuit (VGA circuit) that constitutes an automatic gain control circuit (AGC circuit) or after the VGA circuit. Further, the voltage amplifier has switch means for switching the amplification factor (gain) according to the voltage level of the monitor signal.
  • VGA circuit variable gain amplifier circuit
  • AGC circuit automatic gain control circuit
  • the monitor signal is amplified by the VGA circuit until the amplitude of the vibrating body becomes a predetermined magnitude after the power is turned on, and the angular velocity of the vibrator can be detected. I have to. Therefore, it is possible to shorten the startup time of the vibration type inertial force sensor by increasing the amplification factor of the VGA circuit.
  • the conventional vibration type inertial force sensor has a problem that the start-up time can be shortened only within the gain variable range that the VGA circuit originally has the gain of the VGA circuit.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and the startup time from when the power is turned on until the inertial force (angular velocity) can be detected without causing the operation of the automatic gain control circuit to become unstable. It is an object of the present invention to provide a vibration type inertial force sensor capable of shortening.
  • a vibration type inertial force sensor includes a vibrator that detects inertial force, an oscillation circuit that supplies a drive signal to the vibrator, and detects inertial force of the vibrator.
  • a detection circuit unit that functions as a closed-loop self-excited oscillation circuit using the vibrator as a resonance element, and a monitor signal based on a capacitance according to a vibration state of the vibrator,
  • a signal conversion circuit that converts a monitor signal based on a voltage corresponding to an amount of change in capacitance, a gain is controlled based on the monitor signal converted by the signal conversion circuit, and the drive signal is generated.
  • an automatic gain control circuit for supplying the vibrator, and the signal conversion circuit has amplification means for amplifying the monitor signal at a predetermined amplification rate for a predetermined period after the power is turned on.
  • a vibration-type inertial force sensor including a vibrator, an oscillation circuit section, and a detection circuit section
  • the oscillation circuit section functions as a closed-loop self-excited oscillation circuit using the vibrator as a resonance element.
  • the signal conversion circuit that converts the monitor signal based on the capacitance according to the vibration state of the signal into the monitor signal based on the voltage corresponding to the change amount of the capacitance, and the gain is controlled based on the monitor signal converted by the signal conversion circuit
  • an automatic gain control circuit for generating a drive signal and supplying the drive signal to the vibrator.
  • the signal conversion circuit has amplification means for amplifying the monitor signal at a predetermined amplification factor for a predetermined period after the power is turned on, the greatly amplified monitor signal is supplied to the vibrator as a drive signal to vibrate the vibrator.
  • the start-up time from when the state is greatly changed until the inertial force can be detected after the power is turned on can be shortened.
  • the automatic gain control circuit has a variable gain range of the variable gain amplification circuit (a gain variable range inherent in the VGA circuit). An automatic gain control circuit that can be used and has stable operation and high accuracy can be realized.
  • the vibration type inertial force sensor according to a second aspect of the present invention is the vibration type inertial force sensor according to the first aspect, wherein the signal conversion circuit is composed of an operational amplifier circuit having a feedback capacitor, and the amplifying means is turned on for a predetermined period after the power is turned on.
  • the monitor signal is amplified by switching the magnitude of the feedback capacitor.
  • the signal conversion circuit is composed of an operational amplifier circuit having a feedback capacity
  • the amplification means amplifies the monitor signal by switching the magnitude of the feedback capacity for a predetermined period after the power is turned on.
  • a greatly amplified monitor signal is supplied as a drive signal to the vibrator to greatly change the vibration state of the vibrator, and the startup time from when the power is turned on until the inertial force can be detected can be shortened.
  • the gain of the amplifier circuit included in the automatic gain control circuit controls the gain of the automatic gain control circuit during the predetermined period.
  • the gain based on the control signal is an amplification factor of the amplifier circuit within a range in which the gain changes with respect to the change of the control signal after power is turned on. This is a period that is less than or equal to the maximum gain.
  • the control signal when the gain of the amplifier circuit included in the automatic gain control circuit has a negative characteristic with respect to the control signal for controlling the gain of the automatic gain control circuit, the control signal changes after the power is turned on.
  • the period during which the gain based on the control signal is less than or equal to the maximum gain of the amplification circuit within a range in which the gain changes as a predetermined period, it is possible to prevent the automatic gain control circuit from decreasing in gain.
  • the gain of the amplifier circuit included in the automatic gain control circuit controls the gain of the automatic gain control circuit during the predetermined period.
  • the gain based on the control signal is an amplification factor of the amplifier circuit in a range in which the gain changes with respect to the change of the control signal after power is turned on. This is a period that exceeds the maximum gain.
  • the control signal when the gain of the amplifier circuit included in the automatic gain control circuit has a positive characteristic with respect to the control signal for controlling the gain of the automatic gain control circuit, the control signal changes after the power is turned on.
  • the period during which the gain based on the control signal is equal to or greater than the maximum gain of the amplification circuit within a range in which the gain changes as a predetermined period, it is possible to prevent the automatic gain control circuit from reducing the gain.
  • the vibration type inertial force sensor according to a fifth aspect of the present invention is the vibration type inertial force sensor according to any one of the second to fourth aspects of the present invention, wherein the amplifying means controls the feedback based on a control signal for controlling the gain of the automatic gain control circuit. Switch the size of the capacity.
  • the amplifying means switches the magnitude of the feedback capacitance based on the control signal for controlling the gain of the automatic gain control circuit. Therefore, the switching timing is arbitrarily set by the magnitude of the control signal, and the power supply is turned on. It is possible to shorten the start-up time from when the power is supplied until the inertial force can be detected.
  • the switching timing is set in a period in which the gain based on the control signal is less than or equal to the maximum gain of the gain of the amplifier circuit. Thus, the gain of the automatic gain control circuit can be prevented from becoming small.
  • the gain based on the control signal is equal to the amplification factor of the amplification circuit. It is possible to prevent the gain of the automatic gain control circuit from being reduced by setting the switching timing during the period when the gain is equal to or greater than the maximum gain.
  • the vibration type inertial force sensor is the vibration type inertial force sensor according to the fifth aspect of the present invention, wherein the feedback capacitor includes a first feedback capacitor and a second feedback capacitor, and the first feedback capacitor is always connected to the operational amplifier circuit.
  • the second feedback capacitor is at least one capacitor connected to the operational amplifier circuit based on the control signal.
  • the first feedback capacitor is a capacitor that is always connected to the operational amplifier circuit
  • the second feedback capacitor is at least one capacitor that is connected to the operational amplifier circuit based on the control signal.
  • a vibration type inertial force sensor is a vibration type inertial force sensor including a vibrator, an oscillation circuit unit, and a detection circuit unit.
  • the oscillation circuit unit is a self-oscillation of closed loop using the vibrator as a resonance element.
  • a signal conversion circuit that functions as a circuit and converts a monitor signal based on the capacitance according to the vibration state of the vibrator into a monitor signal based on a voltage corresponding to the amount of change in the capacitance, and the signal conversion circuit.
  • An automatic gain control circuit that generates a drive signal by controlling an amplification factor (gain) based on the monitor signal and supplies the drive signal to the vibrator; Since the signal conversion circuit has amplification means for amplifying the monitor signal at a predetermined amplification factor for a predetermined period after the power is turned on, the greatly amplified monitor signal is supplied to the vibrator as a drive signal to vibrate the vibrator.
  • the start-up time from when the state is greatly changed until the inertial force can be detected after the power is turned on can be shortened.
  • the automatic gain control circuit has a variable gain range of the variable gain amplification circuit (a gain variable range inherent in the VGA circuit). An automatic gain control circuit that can be used and has stable operation and high accuracy can be realized.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a vibration type inertial force sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the vibration type inertial force sensor according to the embodiment of the present invention will be described below as being used as an angular velocity sensor that detects an angular velocity based on the inertial force.
  • the vibration type inertial force sensor shown in FIG. 1 includes a vibrator 1 that detects an angular velocity (inertial force), an oscillation circuit unit 2 that supplies a drive signal to the vibrator 1, and a detection circuit unit 3 that detects the angular velocity of the vibrator 1. I have.
  • the vibrator 1 is an electrostatic drive / capacitance detection type, and includes a vibrating body 11, a driving unit 12 for driving the vibrating body 11, and a monitor corresponding to the amplitude of the vibrating body 11 (vibration state of the vibrator 1).
  • the monitor unit 13 feeds back a signal to the oscillation circuit unit 2, and the detection unit 14 outputs a detection signal based on the magnitude of the angular velocity of the vibrator 1 by detecting the vibration displacement due to the Coriolis force of the vibrating body 11.
  • the vibrating body 11 is composed of a vibrating substrate made of a silicon material, a glass material, or the like.
  • the oscillation circuit unit 2 functions as a closed-loop self-excited oscillation circuit using the resonator 1 as a resonance element, and includes a CV conversion circuit (signal conversion circuit) 21, a signal amplification circuit 22, a filter circuit 23, and an AGC circuit (automatic gain control circuit). ) 24.
  • the oscillation circuit unit 2 is connected to the drive unit 12 and the monitor unit 13 of the vibrator 1, and the monitor signal is fed back from the monitor unit 13 to the CV conversion circuit 21.
  • the monitor signal fed back from the monitor means 13 is a monitor signal based on the electrostatic capacity corresponding to the amplitude of the vibrating body 11. Therefore, the CV conversion circuit 21 converts the monitor signal based on the capacitance corresponding to the magnitude of the amplitude of the vibrating body 11 into a monitor signal based on the voltage corresponding to the change amount of the capacitance.
  • the signal amplification circuit 22 amplifies the monitor signal converted by the CV conversion circuit 21 with a predetermined amplification factor (gain), and the filter circuit 23 removes the predetermined signal from the monitor signal amplified by the signal amplification circuit 22.
  • the AGC circuit 24 controls the amplification factor (gain) based on the monitor signal input from the filter circuit 23 so that the amplitude of the monitor signal is constant, and drives the vibrator 1 with the monitor signal amplified with the controlled amplification factor.
  • the signal is supplied to the driving means 12 as a signal.
  • the detection circuit unit 3 includes a detection circuit 31, a signal processing circuit 32, and a signal adjustment circuit 33.
  • the detection circuit 31 converts the detection signal input from the detection means 14 of the vibrator 1 into a detection signal based on a voltage corresponding to the vibration displacement caused by the Coriolis force of the vibrating body 11 and outputs the detection signal.
  • the signal processing circuit 32 performs signal processing such as extracting an angular velocity signal corresponding to the magnitude of the angular velocity from the detection signal input from the detection circuit 31.
  • the signal adjustment circuit 33 adjusts the phase of the detection signal signal-processed by the signal processing circuit 32 and outputs it as an angular velocity detection signal.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the AGC circuit 24 of the vibration type inertial force sensor according to the embodiment of the present invention.
  • the AGC circuit 24 includes a rectifier circuit 241, a comparison / smoothing circuit 242, and a VGA circuit (variable gain amplifier circuit) 243.
  • the rectifier circuit 241 rectifies the monitor signal input from the filter circuit 23, converts it into a RECT voltage (voltage of the monitor signal) that is a DC voltage, and outputs it.
  • the comparison / smoothing circuit 242 compares the RECT voltage output from the rectifier circuit 241 with the reference voltage (VCTRL voltage) corresponding to the reference amplitude of the vibrator 1, and determines the amplification factor of the VGA circuit 243 based on the comparison result.
  • a control signal (AGCO signal) to be controlled is output.
  • the comparison / smoothing circuit 242 smoothes and outputs the AGCO signal as necessary.
  • the RECT voltage corresponds to the amplitude of the vibrator 1 when the monitoring means 13 of the vibrator 1 outputs the monitor signal. Therefore, the control error ⁇ V in the amplitude of the vibrator 1 can be expressed by (Expression 1).
  • RECT indicates the voltage of the monitor signal (RECT voltage)
  • VCTRL indicates the reference voltage (VCTRL voltage).
  • ⁇ V is a negative value.
  • the control error ⁇ V has the relationship shown in (Equation 2) with the AGCO signal.
  • AGCO represents a control signal (AGCO signal)
  • Gctrl (> 0) represents an amplification factor of the control signal
  • VDD represents a drive voltage of the AGC circuit 24.
  • the monitor signal is amplified by the VGA circuit 243.
  • the monitor signal amplified by the VGA circuit 243 is supplied to the drive means 12 as a drive signal.
  • the drive unit 12 drives the vibrator 1 based on the drive signal, whereby the amplitude of the vibrating body 11 becomes constant.
  • the vibration type inertial force sensor can detect the angular velocity of the vibrator 1 by amplifying the monitor signal by the VGA circuit 243 until the amplitude of the vibrating body 11 becomes a predetermined magnitude after the power is turned on. It is in a state. Therefore, the startup time of the vibration type inertial force sensor can be shortened by increasing the amplification factor of the VGA circuit 243.
  • the amplification factor of the VGA circuit 243 is finite. Therefore, in the vibration type inertial force sensor according to the embodiment of the present invention, the CV conversion circuit 21 in the previous stage of the AGC circuit 24 including the VGA circuit 243 is provided with amplification means for amplifying the monitor signal, and the amplification factor of the VGA circuit 243 is obtained. By supplementing, start-up time is shortened.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of the CV conversion circuit 21 of the vibration type inertial force sensor according to the embodiment of the present invention.
  • the CV conversion circuit 21 includes an operational amplifier 211 to which a feedback capacitor C1 and a feedback resistor R1 connected in parallel to the feedback capacitor C1 are connected.
  • the operational amplifier 211 receives the monitor signal (input signal) output from the monitoring unit 13 at the negative input terminal, the reference voltage VREF at the positive input terminal, and outputs the converted monitor signal (output signal) from the output terminal. .
  • the CV conversion circuit 21 includes a feedback capacitor C2 having a capacitance value smaller than the feedback capacitor C1, and a changeover switch 212 for switching between the feedback capacitor C1 and the feedback capacitor C2, as amplification means 21a for amplifying the monitor signal. .
  • the CV conversion circuit 21 in which the feedback capacitor C1 has a capacitance value of about 2.0 pF and the feedback resistor R1 has a resistance value of about 280 M ⁇ has a cutoff frequency of about 280 Hz, and the drive frequency ( About 15 kHz) is sufficiently high.
  • the drive frequency of the CV conversion circuit 21 is sufficiently higher than the cutoff frequency, the amplification factor of the CV conversion circuit 21 is inversely proportional to the capacitance value of the feedback capacitance. Therefore, the gain of the CV conversion circuit 21 is increased by switching to the feedback capacitor C2 whose capacitance value is smaller than the feedback capacitor C1 using the changeover switch 212.
  • the capacitance value of the feedback capacitor C2 is set to about 0.5 pF, which is a quarter of the capacitance value of the feedback capacitor C1
  • the amplification factor of the CV conversion circuit 21 increases about four times.
  • the monitor signal converted by the CV conversion circuit 21 is amplified by switching to the feedback capacitor C2 using the changeover switch 212 at the time of turning on the power source of the vibration type inertial force sensor according to the embodiment of the present invention. (For example, about 4 times), the signal is output to the AGC circuit 24 through the signal amplification circuit 22 and the filter circuit 23.
  • the RECT voltage (monitor signal voltage) output from the rectifier circuit 241 also increases. Since the AGCO signal output from the comparison / smoothing circuit 242 can be obtained from (Expression 1) and (Expression 2), the voltage level increases according to the RECT voltage output from the rectifier circuit 241.
  • the monitor signal is amplified by the CV conversion circuit 21, the voltage level of the AGCO signal is in a level range where the gain based on the AGCO signal in the AGC circuit 24 is less than or equal to the maximum gain of the amplification factor of the VGA circuit 243.
  • the amplification factor of the VGA circuit 243 has a negative characteristic with respect to the control signal
  • the case where the amplification factor of the VGA circuit 243 has a positive characteristic with respect to the control signal may be considered depending on the circuit design.
  • the voltage level of the AGCO signal is in a level range where the gain based on the AGCO signal in the AGC circuit 24 is equal to or greater than the maximum gain of the amplification factor of the VGA circuit 243.
  • the VGA circuit 243 converts the monitor signal input to the VGA circuit 243 to the VGA circuit 243.
  • the VGA circuit of the circuit 243 amplifies the signal with substantially the maximum gain in the variable gain range inherent in the VGA circuit, and supplies the amplified signal to the driving means 12 as a driving signal. For this reason, the VGA circuit 243 amplifies the monitor signal amplified by the CV conversion circuit 21 at a substantially maximum gain within the variable gain range inherent in the VGA circuit of the VGA circuit 243.
  • the drive signal is set to be larger than that in the case of not amplifying, and the time from when the power is turned on until the amplitude of the vibrating body 11 becomes a predetermined magnitude is shortened, and the start-up time can be shortened.
  • the CV conversion circuit 21 amplifies the monitor signal by switching the feedback capacitors C1 and C2, the circuit configuration can be saved as compared with the case where the monitor signal is amplified by switching the resistance.
  • FIG. 4 is an exemplary diagram showing a timing chart of switching of the feedback capacitors C1 and C2 of the CV conversion circuit 21 of the vibration type inertial force sensor 21 according to the embodiment of the present invention, the amplification factor of the amplification means 21a, and the AGCO signal.
  • the CV conversion circuit 21 when the power is turned on, the CV conversion circuit 21 is connected to the feedback capacitor C2 using the changeover switch 212, and the amplification factor of the amplifying means 21a is about four times that when connected to the feedback capacitor C1. .
  • the voltage level of the AGCO signal is less than the maximum gain of the amplification factor of the VGA circuit 243 when the power is turned on. It exists in the level range that becomes.
  • the monitor signal amplified by the CV conversion circuit 21 and the VGA circuit 243 is supplied as a drive signal to the drive means 12 of the vibrator 1, and the drive means 12 is driven by the vibrator based on the supplied drive signal. 1, and a monitor signal corresponding to the vibration state of the vibrator 1 is fed back from the monitor unit 13 to the CV conversion circuit 21 and the VGA circuit 243.
  • the driving of the vibrator 1 approaches a steady state, and the voltage level of the AGCO signal is outside the level range where the gain based on the AGCO signal is less than the maximum gain of the amplification factor of the VGA circuit 243. It will be.
  • the CV conversion circuit 21 uses the changeover switch 212 to switch from the feedback capacitor C2.
  • the connection is switched to the feedback capacitor C1. This can prevent the gain of the AGC circuit 24 from becoming small. That is, the AGCO signal at the time of startup can be set large within a range where the amplification factor of the VGA circuit 243 does not decrease, and the gain of the oscillation circuit unit 2 as a whole can be increased.
  • the amplification factor of the amplifying unit 21a is about 1/4 times that when the feedback capacitor C2 is connected.
  • the feedback of the monitor signal is repeated, whereby the drive of the vibrator 1 approaches a steady state, and the voltage level of the AGCO signal becomes a gain based on the AGCO signal. From the level range in which the gain is less than the maximum gain, the steady drive range is reached. When the voltage level of the AGCO signal reaches the steady drive range, the vibration type inertial force sensor can detect the angular velocity of the vibrator 1 and the activation is completed. Note that the activation time in FIG. 4 refers to the period from when the power is turned on until the activation is completed.
  • the vibration-type inertial force sensor includes the vibrator 1, the oscillation circuit unit 2, and the detection circuit unit 3, and the oscillation circuit unit 2 resonates the vibrator 1. It functions as a closed-loop self-oscillation circuit as an element.
  • the oscillation circuit unit 2 includes a CV conversion circuit 21 that converts a monitor signal based on capacitance according to the vibration state of the vibrator 1 into a monitor signal based on a voltage corresponding to the amount of change in capacitance, and a CV conversion circuit.
  • an AGC circuit 24 that generates a drive signal by controlling an amplification factor (gain) so that the amplitude of the monitor signal converted in 21 becomes constant, and supplies the drive signal to the vibrator 1.
  • the CV conversion circuit 21 Since the CV conversion circuit 21 has amplification means 21a that amplifies the monitor signal at a predetermined amplification rate for a predetermined period after the power is turned on, the greatly amplified monitor signal is used as a drive signal to the drive means 12 of the vibrator 1. It is possible to greatly change the vibration state of the vibrator 1 by supplying the power and to shorten the startup time from when the power is turned on until the angular velocity of the vibrator 1 can be detected. Further, since the starting time of the vibration type inertial force sensor is shortened by using the amplifying means 21a of the CV conversion circuit 21, the AGC circuit 24 can be used in the variable gain range of the VGA circuit 243, and the operation is stable. A highly accurate AGC circuit can be realized.
  • the AGCO signal does not change the amplification factor (gain of the AGC circuit 24) of the VGA circuit 243 even if the AGCO signal changes after the power is turned on.
  • the CV conversion circuit 21 is connected to the feedback capacitor C2 to Has increased.
  • the vibration-type inertial force sensor according to the embodiment of the present invention is switched when the voltage level of the AGCO signal is outside the level range where the gain based on the AGCO signal is less than or equal to the maximum gain of the gain of the VGA circuit 243.
  • the CV conversion circuit 21 switches the connection from the feedback capacitor C2 to the feedback capacitor C1 using the changeover switch 212. That is, the CV conversion circuit 21 switches the connection from the feedback capacitor C2 to the feedback capacitor C1 based on the AGCO signal.
  • the CV conversion circuit 21 is connected from the feedback capacitor C2 to the feedback capacitor C1.
  • the AGCO signal at the time of start-up can be set large within a range where the amplification factor of the VGA circuit 243 does not decrease, and the gain of the oscillation circuit unit 2 as a whole also increases.
  • the starting time until the angular velocity of the child 1 can be detected can be shortened.
  • the voltage level of the AGCO signal when the power is turned on is such that the gain based on the AGCO signal has the maximum amplification factor of the VGA circuit 243.
  • the voltage level of the AGCO signal is Is in a level range where the gain based on the above is greater than or equal to the maximum gain of the amplification factor of the VGA circuit 243.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing another configuration of the CV conversion circuit 21 of the vibration type inertial force sensor according to the embodiment of the present invention.
  • the CV conversion circuit 21 shown in FIG. 5 includes a feedback capacitor C1 that is always connected to the operational amplifier 211, a feedback capacitor C2 that is connected in parallel to the feedback capacitor C1, an amplification unit 21a that amplifies the monitor signal, a feedback capacitor C2, and an operational amplifier. And a changeover switch 212 for switching the size of the feedback capacity by switching between connection and non-connection with 211. Therefore, the CV conversion circuit 21 shown in FIG. 5 has a configuration in which the feedback capacitor C1 and the operational amplifier 211 are always connected even when the changeover switch 212 fails and the feedback capacitor C2 and the operational amplifier 211 cannot be connected.
  • the CV conversion circuit 21 having a fail-safe configuration that does not lead to a fatal failure can be realized.
  • the feedback capacitor C2 is not limited to a configuration in which one capacitor is connected in parallel to the feedback capacitor C1, but may be a configuration in which a plurality of capacitors are connected in parallel to the feedback capacitor C1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

　本発明は、自動利得制御回路の動作が不安定になることなく、電源を投入してから慣性力（角速度）を検出することができるまでの起動時間を短縮することが可能な振動型慣性力センサを提供する。　本発明に係る振動型慣性力センサは、振動子１と、発振回路部２と、検出回路部３とを備え、発振回路部２は、振動子１を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、振動子１の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換するＣＶ変換回路（信号変換回路）２１と、ＣＶ変換回路（信号変換回路）２１で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して駆動信号を生成し、駆動信号を振動子１に供給する自動利得制御回路２４とを有し、ＣＶ変換回路（信号変換回路）２１は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段を有する。

Description

振動型慣性力センサ
　本発明は、慣性力を検出する慣性力センサに関し、特に、振動子を用いて慣性力を検出する振動型慣性力センサに関する。
　振動型慣性力センサは、例えば、慣性力に基づく角速度を検出する角速度センサとして使用される。振動型慣性力センサは、角速度を検出するための振動子、振動子に駆動信号を供給する発振回路部、及び振動子の角速度を検出する検出回路部を備えている。振動子には、静電駆動・容量検出型、圧電駆動・圧電検出型等がある。振動子は、角速度により振動する振動体、振動体を駆動する駆動手段、振動体の振幅の大きさ（振動子の振動状態）に応じたモニタ信号を発振回路部にフィードバックするモニタ手段、振動体のコリオリ力による振動変位に基づく検出信号を出力する検出手段を備えている。
　発振回路部は、振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として構成され、振動体の振幅の大きさに応じたモニタ信号から駆動信号を生成し、駆動信号を振動子に供給して振動体の振動を制御する。検出回路部は、振動子の検出手段から入力した検出信号に基づいて、角速度検出信号を生成し、出力する。なお、角速度検出信号は、振動子の角速度の大きさに応じた直流電圧である。
　振動型慣性力センサは、電源を投入してから振動体の振幅が所定の大きさになるまでの期間、角速度を検出することができない。振動型慣性力センサは、電源を投入してから角速度を検出することができるまでの起動時間を短縮することが望まれており、例えば、特許文献１に起動時間を短縮できる振動型慣性力センサが開示されている。特許文献１に開示されている振動型慣性力センサは、自動利得制御回路（ＡＧＣ回路）を構成する可変利得増幅回路（ＶＧＡ回路）の内部又はＶＧＡ回路の後段に電圧増幅器を備えている。さらに、電圧増幅器は、モニタ信号の電圧レベルにより増幅率（利得）を切替えるスイッチ手段を有している。
特開平１１－２８１３６８号公報
　従来の振動型慣性力センサでは、電源を投入してから、振動体の振幅が所定の大きさになるまでＶＧＡ回路によりモニタ信号を増幅して、振動子の角速度を検出することが可能な状態にしている。そのため、ＶＧＡ回路の増幅率を大きくすることで振動型慣性力センサの起動時間を短縮することが可能である。
　振動型慣性力センサの起動時間を短縮するためには、ＶＧＡ回路の増幅率を大きくすること（広範囲な利得可変範囲を有すること）が要求され、複雑な回路設計が必要となる。複雑な回路設計により、ＶＧＡ回路の増幅率を大きくすることができたとしても、利得可変範囲の全てにおいて、ＶＧＡ回路によりモニタ信号を増幅し、自動利得制御回路の動作を安定させることは困難であった。そのため、従来の振動型慣性力センサでは、ＶＧＡ回路の増幅率をＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲でしか起動時間を短縮することができないという問題があった。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、自動利得制御回路の動作が不安定になることなく、電源を投入してから慣性力（角速度）を検出することができるまでの起動時間を短縮することが可能な振動型慣性力センサを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために第１発明に係る振動型慣性力センサは、慣性力を検出する振動子と、該振動子に駆動信号を供給する発振回路部と、前記振動子の慣性力を検出する検出回路部とを備え、前記発振回路部は、前記振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、前記振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、該信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して前記駆動信号を生成し、該駆動信号を前記振動子に供給する自動利得制御回路とを有し、前記信号変換回路は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段を有する。
　第１発明では、振動子と、発振回路部と、検出回路部とを備える振動型慣性力センサ、発振回路部は、振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して駆動信号を生成し、駆動信号を振動子に供給する自動利得制御回路とを有している。信号変換回路は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段を有するので、大きく増幅したモニタ信号を駆動信号として振動子に供給して振動子の振動状態を大きく変化させ、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。また、信号変換回路の増幅手段を利用して振動型慣性力センサの起動時間を短縮するので、自動利得制御回路は、可変利得増幅回路の利得可変範囲（ＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲）で使用することができ、動作の安定した精度の良い自動利得制御回路を実現できる。
　また、第２発明に係る振動型慣性力センサは、第１発明において、前記信号変換回路は、フィードバック容量を有するオペアンプ回路で構成され、前記増幅手段は、電源を投入してから前記所定の期間、前記フィードバック容量の大きさを切り替えることでモニタ信号を増幅する。
　第２発明では、信号変換回路は、フィードバック容量を有するオペアンプ回路で構成され、増幅手段は、電源を投入してから所定の期間、フィードバック容量の大きさを切り替えることでモニタ信号を増幅するので、大きく増幅したモニタ信号を駆動信号として振動子に供給して振動子の振動状態を大きく変化させ、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。
　また、第３発明に係る振動型慣性力センサは、第１又は第２発明において、前記所定の期間は、前記自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して負の特性を有する場合、電源を投入してから、前記コントロール信号の変化に対して前記利得が変化する範囲において、前記コントロール信号に基づく前記利得が前記増幅回路の増幅率の最大利得以下になる期間である。
　第３発明では、自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して負の特性を有する場合、電源を投入してから、コントロール信号の変化に対して利得が変化する範囲において、コントロール信号に基づく利得が増幅回路の増幅率の最大利得以下になる期間を所定の期間とすることで、自動利得制御回路の利得が小さくなることを防止して、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。
　また、第４発明に係る振動型慣性力センサは、第１又は第２発明において、前記所定の期間は、前記自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して正の特性を有する場合、電源を投入してから、前記コントロール信号の変化に対して前記利得が変化する範囲において、前記コントロール信号に基づく前記利得が前記増幅回路の増幅率の最大利得以上になる期間である。
　第４発明では、自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して正の特性を有する場合、電源を投入してから、コントロール信号の変化に対して利得が変化する範囲において、コントロール信号に基づく利得が増幅回路の増幅率の最大利得以上になる期間を所定の期間とすることで、自動利得制御回路の利得が小さくなることを防止して、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。
　また、第５発明に係る振動型慣性力センサは、第２乃至第４発明のいずれか一つにおいて、前記増幅手段は、前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に基づいて、前記フィードバック容量の大きさを切り替える。
　第５発明では、増幅手段は、自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に基づいて、フィードバック容量の大きさを切り替えるので、コントロール信号の大きさで切り替えのタイミングを任意に設定し、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することが可能となる。また、自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率がコントロール信号に対して負の特性を有する場合、コントロール信号に基づく利得が増幅回路の増幅率の最大利得以下になる期間に切り替えのタイミングを設定することで自動利得制御回路の利得が小さくなることを防止することができ、増幅回路の増幅率がコントロール信号に対して正の特性を有する場合、コントロール信号に基づく利得が増幅回路の増幅率の最大利得以上になる期間に切り替えのタイミングを設定することで自動利得制御回路の利得が小さくなることを防止することができる。
　また、第６発明に係る振動型慣性力センサは、第５発明において、前記フィードバック容量は、第１フィードバック容量と、第２フィードバック容量とを備え、前記第１フィードバック容量は、前記オペアンプ回路に常時接続されている容量で、前記第２フィードバック容量は、前記コントロール信号に基づいて、前記オペアンプ回路に接続される少なくとも一つの容量である。
　第６発明では、第１フィードバック容量は、オペアンプ回路に常時接続されている容量で、第２フィードバック容量は、コントロール信号に基づいて、オペアンプ回路に接続される少なくとも一つの容量であるので、コントロール信号に基づいて接続される第２フィードバック容量との接続が不能になっても致命的な故障に至ることがないフェイルセーフな構成を有する信号変換回路を実現することができる。
　本発明に係る振動型慣性力センサは、振動子と、発振回路部と、検出回路部とを備える振動型慣性力センサで、発振回路部は、振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき増幅率（利得）を制御して駆動信号を生成し、駆動信号を振動子に供給する自動利得制御回路とを有している。信号変換回路は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段を有するので、大きく増幅したモニタ信号を駆動信号として振動子に供給して振動子の振動状態を大きく変化させ、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。また、信号変換回路の増幅手段を利用して振動型慣性力センサの起動時間を短縮するので、自動利得制御回路は、可変利得増幅回路の利得可変範囲（ＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲）で使用することができ、動作の安定した精度の良い自動利得制御回路を実現できる。
本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＡＧＣ回路の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路の切り替えスイッチ及び増幅率、ＡＧＣＯ信号のタイミングチャートを示す例示図である。 本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路の別の構成を示す回路図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサについて、図面を用いて具体的に説明する。以下の実施の形態は、特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではなく、実施の形態の中で説明されている特徴的事項の組み合わせの全てが解決手段の必須事項であるとは限らないことは言うまでもない。
　図１は、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサの構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサは、慣性力に基づく角速度を検出する角速度センサとして使用されるものとして以下説明する。図１に示す振動型慣性力センサは、角速度（慣性力）を検出する振動子１、振動子１に駆動信号を供給する発振回路部２、振動子１の角速度を検出する検出回路部３を備えている。
　振動子１は、静電駆動・容量検出型であって、振動体１１、振動体１１を駆動する駆動手段１２、振動体１１の振幅の大きさ（振動子１の振動状態）に応じたモニタ信号を発振回路部２にフィードバックするモニタ手段１３、振動体１１のコリオリ力による振動変位を検知することで振動子１の角速度の大きさに基づく検出信号を出力する検出手段１４を有している。振動体１１は、シリコン材料、ガラス材料等からなる振動基板により構成されている。
　発振回路部２は、振動子１を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、ＣＶ変換回路（信号変換回路）２１、信号増幅回路２２、フィルタ回路２３及びＡＧＣ回路（自動利得制御回路）２４を有している。
　発振回路部２は、振動子１の駆動手段１２及びモニタ手段１３と接続され、モニタ手段１３からモニタ信号がＣＶ変換回路２１にフィードバックされる。モニタ手段１３からフィードバックされたモニタ信号は、振動体１１の振幅の大きさに応じた静電容量に基づくモニタ信号である。そのため、ＣＶ変換回路２１は、振動体１１の振幅の大きさに応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する。信号増幅回路２２は、ＣＶ変換回路２１で変換したモニタ信号を、所定の増幅率（利得）で増幅し、フィルタ回路２３は、信号増幅回路２２で増幅したモニタ信号から所定の信号を取り除く。ＡＧＣ回路２４は、フィルタ回路２３から入力したモニタ信号に基づきモニタ信号の振幅が一定になるように増幅率（利得）を制御して、制御した増幅率で増幅したモニタ信号を振動子１の駆動信号として駆動手段１２に供給する。
　検出回路部３は、検出回路３１、信号処理回路３２及び信号調整回路３３を備えている。
　検出回路３１は、振動子１の検出手段１４から入力した検出信号を、振動体１１のコリオリ力による振動変位に対応した電圧に基づく検出信号に変換し、出力する。信号処理回路３２は、検出回路３１から入力した検出信号から、角速度の大きさに応じた角速度信号を取り出す等の信号処理を行う。信号調整回路３３は、信号処理回路３２で信号処理された検出信号に対して位相の調整等を行い、角速度検出信号として出力する。
　上述したように発振回路部２は、ＡＧＣ回路２４でモニタ信号の振幅が一定になるように増幅し、増幅したモニタ信号を振動子１の駆動信号として駆動手段１２に供給する。図２は、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＡＧＣ回路２４の構成を示すブロック図である。図２に示すように、ＡＧＣ回路２４は、整流回路２４１、比較・平滑化回路２４２、ＶＧＡ回路（可変利得増幅回路）２４３を有している。
　整流回路２４１は、フィルタ回路２３から入力したモニタ信号を整流して直流電圧であるＲＥＣＴ電圧（モニタ信号の電圧）に変換し、出力する。比較・平滑化回路２４２は、整流回路２４１が出力したＲＥＣＴ電圧と、振動子１の基準振幅に対応する基準電圧（ＶＣＴＲＬ電圧）とを比較し、比較した結果に基づきＶＧＡ回路２４３の増幅率を制御するコントロール信号（ＡＧＣＯ信号）を出力する。なお、比較・平滑化回路２４２は、必要に応じてＡＧＣＯ信号を平滑化して出力する。ここで、ＲＥＣＴ電圧は、振動子１のモニタ手段１３がモニタ信号を出力した時点の振動子１の振幅に対応している。そのため、振動子１の振幅における制御誤差ΔＶは、（式１）で表すことができる。
　ΔＶ＝ＲＥＣＴ－ＶＣＴＲＬ　・・・（式１）
　なお、（式１）において、ＲＥＣＴはモニタ信号の電圧（ＲＥＣＴ電圧）を、ＶＣＴＲＬは基準電圧（ＶＣＴＲＬ電圧）を、それぞれ示している。また、この例では、ＶＣＴＲＬ＞ＲＥＣＴの関係を満たすので、ΔＶは負の値となる。
　制御誤差ΔＶは、ＡＧＣＯ信号と（式２）に示す関係を有している。
　ＡＧＣＯ＝ΔＶ×Ｇｃｔｒｌ＋ＶＤＤ／２　・・・（式２）
　なお、（式２）において、ＡＧＣＯはコントロール信号（ＡＧＣＯ信号）を、Ｇｃｔｒｌ（＞０）はコントロール信号の増幅率を、ＶＤＤはＡＧＣ回路２４の駆動電圧を、それぞれ示している。
　比較・平滑化回路２４２から出力したＡＧＣＯ信号に基づき、ＶＧＡ回路２４３でモニタ信号を増幅する。ＶＧＡ回路２４３で増幅したモニタ信号は、駆動信号として駆動手段１２に供給される。当該駆動信号に基づいて駆動手段１２が振動子１を駆動することで、振動体１１の振幅が一定となる。
　振動型慣性力センサは、電源を投入してから、振動体１１の振幅が所定の大きさになるまでＶＧＡ回路２４３によりモニタ信号を増幅して、振動子１の角速度を検出することが可能な状態にしている。そのため、ＶＧＡ回路２４３の増幅率を大きくすることで振動型慣性力センサの起動時間を短縮することができる。しかし、ＶＧＡ回路２４３の増幅率は有限である。そこで、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサでは、ＶＧＡ回路２４３を含むＡＧＣ回路２４の前段にあるＣＶ変換回路２１にモニタ信号を増幅する増幅手段を設け、ＶＧＡ回路２４３の増幅率を補うことで、起動時間を短縮している。
　図３は、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路２１の構成を示す回路図である。図３に示すように、ＣＶ変換回路２１は、フィードバック容量Ｃ１と、フィードバック容量Ｃ１に並列接続したフィードバック抵抗Ｒ１とが接続されたオペアンプ２１１で構成されている。オペアンプ２１１は、負極の入力端子にモニタ手段１３が出力したモニタ信号（入力信号）が、正極の入力端子に基準電圧ＶＲＥＦがそれぞれ入力され、出力端子から変換したモニタ信号（出力信号）を出力する。さらに、ＣＶ変換回路２１は、モニタ信号を増幅する増幅手段２１ａとして、容量値がフィードバック容量Ｃ１より小さいフィードバック容量Ｃ２と、フィードバック容量Ｃ１とフィードバック容量Ｃ２とを切り替える切り替えスイッチ２１２とを有している。
　例えば、フィードバック容量Ｃ１の容量値を２．０ｐＦ程度、フィードバック抵抗Ｒ１の抵抗値を２８０ＭΩ程度にそれぞれ設定したＣＶ変換回路２１は、カットオフ周波数が約２８０Ｈｚとなり、カットオフ周波数に対して駆動周波数（約１５ｋＨｚ）が十分高くなる。ＣＶ変換回路２１の駆動周波数がカットオフ周波数に対して十分高い場合、ＣＶ変換回路２１の増幅率は、フィードバック容量の容量値に反比例する。従って、切り替えスイッチ２１２を用いて、容量値がフィードバック容量Ｃ１より小さいフィードバック容量Ｃ２に切り替えることで、ＣＶ変換回路２１の増幅率は増加することになる。例えば、フィードバック容量Ｃ２の容量値を、フィードバック容量Ｃ１の容量値の４分の１である０．５ｐＦ程度に設定した場合、ＣＶ変換回路２１の増幅率は約４倍に増加する。
　本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサの電源を投入する時点で、切り替えスイッチ２１２を用いてフィードバック容量Ｃ２に切り替えておくことで、ＣＶ変換回路２１で変換されたモニタ信号は増幅されて（例えば、約４倍）、信号増幅回路２２及びフィルタ回路２３を経てＡＧＣ回路２４に出力される。
　ＣＶ変換回路２１で変換されたモニタ信号が増幅されると、整流回路２４１が出力するＲＥＣＴ電圧（モニタ信号の電圧）も大きくなる。比較・平滑化回路２４２から出力するＡＧＣＯ信号は、（式１）及び（式２）から求めることができるため、整流回路２４１が出力したＲＥＣＴ電圧に従い電圧レベルが大きくなる。ＣＶ変換回路２１でモニタ信号が増幅されることにより、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルは、ＡＧＣ回路２４においてＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲に存在する。なお、ＶＧＡ回路２４３の増幅率がコントロール信号に対して負の特性を有する場合について示したが、回路設計によってはＶＧＡ回路２４３の増幅率がコントロール信号に対して正の特性を有する場合も考えられる。この場合、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルは、ＡＧＣ回路２４においてＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以上になるレベル範囲に存在する。
　ＶＧＡ回路２４３は、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲に存在する電圧レベルのＡＧＣＯ信号が入力されると、ＶＧＡ回路２４３に入力したモニタ信号を、ＶＧＡ回路２４３のＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲の略最大の増幅率で増幅し、駆動信号として駆動手段１２に供給する。そのため、ＶＧＡ回路２４３は、ＣＶ変換回路２１で増幅されたモニタ信号を、ＶＧＡ回路２４３のＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲の略最大の増幅率で増幅するので、ＣＶ変換回路２１でモニタ信号を増幅しない場合に比べて駆動信号が大きく設定され、電源を投入してから、振動体１１の振幅が所定の大きさになるまでの時間が短くなり、起動時間を短縮することができる。また、ＣＶ変換回路２１は、フィードバック容量Ｃ１、Ｃ２を切り替えてモニタ信号を増幅するので、抵抗を切り替えてモニタ信号を増幅する場合に比べて、回路構成を省スペース化することができる。
　図４は、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路２１のフィードバック容量Ｃ１、Ｃ２の切り替え及び増幅手段２１ａの増幅率、ＡＧＣＯ信号のタイミングチャートを示す例示図である。図４に示すように、電源投入時、ＣＶ変換回路２１は、切り替えスイッチ２１２を用いてフィードバック容量Ｃ２と接続され、増幅手段２１ａの増幅率がフィードバック容量Ｃ１と接続した場合の約４倍となる。図４は、ＶＧＡ回路２４３の増幅率がコントロール信号に対して負の特性を有するため、電源投入時、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルは、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲に存在する。
　電源を投入してから、ＣＶ変換回路２１及びＶＧＡ回路２４３で増幅されたモニタ信号は駆動信号として振動子１の駆動手段１２に供給され、供給された駆動信号に基づいて駆動手段１２が振動子１を駆動し、モニタ手段１３から振動子１の振動状態に応じたモニタ信号がＣＶ変換回路２１及びＶＧＡ回路２４３にフィードバックされる。モニタ信号のフィードバックを繰り返すことで、振動子１の駆動が定常状態に近づき、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲外に至ることになる。ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲外に至った時点で、ＣＶ変換回路２１は、切り替えスイッチ２１２を用いてフィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続を切り替える。これにより、ＡＧＣ回路２４の利得が小さくなることを防止できる。すなわち、ＶＧＡ回路２４３の増幅率が小さくならない範囲で、起動時におけるＡＧＣＯ信号を大きく設定することができ、発振回路部２全体としての利得を増加させることができる。
　ＣＶ変換回路２１は、フィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続が切り替わると、増幅手段２１ａの増幅率がフィードバック容量Ｃ２と接続した場合の約１／４倍となる。フィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１に接続を切り替えることで、ＣＶ変換回路２１及びＶＧＡ回路２４３にフィードバックされるモニタ信号は大きく変化し、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲内にとどまる。
　フィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１への接続の切り替え後、モニタ信号のフィードバックを繰り返すことで、振動子１の駆動が定常状態に近づき、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲から定常駆動範囲に至ることになる。ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが定常駆動範囲に至った時点で、振動型慣性力センサは振動子１の角速度を検出することが可能となり起動が完了する。なお、図４における起動時間とは、電源を投入してから起動が完了するまでをいう。
　以上のように、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサは、振動子１と、発振回路部２と、検出回路部３とを備え、発振回路部２は、振動子１を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能している。発振回路部２は、振動子１の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換するＣＶ変換回路２１と、ＣＶ変換回路２１で変換したモニタ信号の振幅が一定になるように増幅率（利得）を制御して駆動信号を生成し、駆動信号を振動子１に供給するＡＧＣ回路２４とを有している。ＣＶ変換回路２１は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段２１ａを有するので、大きく増幅したモニタ信号を駆動信号として振動子１の駆動手段１２に供給して振動子１の振動状態を大きく変化させ、電源を投入してから振動子１の角速度を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。また、ＣＶ変換回路２１の増幅手段２１ａを利用して振動型慣性力センサの起動時間を短縮するので、ＡＧＣ回路２４は、ＶＧＡ回路２４３の利得可変範囲で使用することができ、動作の安定した精度の良いＡＧＣ回路を実現できる。
　また、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサでは、電源を投入してから、ＡＧＣＯ信号が変化してもＶＧＡ回路２４３の増幅率（ＡＧＣ回路２４の利得）が変化しない、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲にＡＧＣＯ信号の電圧レベルが存在する期間において、ＣＶ変換回路２１は、フィードバック容量Ｃ２と接続して、増幅手段２１ａの増幅率を大きくしている。本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサは、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲外に至った時点で、切り替えスイッチ２１２を用いてフィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続を切り替えることで、ＶＧＡ回路２４３の増幅率が小さくなることを防止して、電源を投入してから角速度を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。
　さらに、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサでは、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲外に至った時点で、ＣＶ変換回路２１は、切り替えスイッチ２１２を用いてフィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続を切り替える。つまり、ＣＶ変換回路２１は、ＡＧＣＯ信号に基づいて、フィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続を切り替える。ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲外に至った時点で、ＣＶ変換回路２１は、フィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続を切り替えることで、ＶＧＡ回路２４３の増幅率が小さくならない範囲で、起動時におけるＡＧＣＯ信号を大きく設定することができ、発振回路部２全体としての利得も増加するため、電源を投入してから振動子１の角速度を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。なお、図４では、ＶＧＡ回路２４３の増幅率がコントロール信号に対して負の特性を有するため、電源投入時、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲に存在する例を用いて説明したが、ＶＧＡ回路２４３の増幅率がコントロール信号に対して正の特性を有する場合は、電源投入時、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルは、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以上になるレベル範囲に存在する。
　また、図５は、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路２１の別の構成を示す回路図である。図５に示すＣＶ変換回路２１は、オペアンプ２１１に常時接続されたフィードバック容量Ｃ１と、フィードバック容量Ｃ１に並列接続したフィードバック容量Ｃ２と、モニタ信号を増幅する増幅手段２１ａとして、フィードバック容量Ｃ２と、オペアンプ２１１との接続、非接続を切り替えてフィードバック容量の大きさを切り替える切り替えスイッチ２１２とを有している。そのため、図５に示すＣＶ変換回路２１では、切り替えスイッチ２１２が故障し、フィードバック容量Ｃ２とオペアンプ２１１との接続が不能になっても、フィードバック容量Ｃ１とオペアンプ２１１とが常時接続された構成であるため、致命的な故障に至ることがない、フェイルセーフな構成を有するＣＶ変換回路２１を実現することができる。なお、フィードバック容量Ｃ２は、フィードバック容量Ｃ１に一つの容量を並列接続した構成に限定されるものではなく、フィードバック容量Ｃ１に複数の容量を並列接続した構成でも良い。
１　振動子
２　発振回路部
３　検出回路部
１１　振動体
１２　駆動手段
１３　モニタ手段
１４　検出手段
２１　ＣＶ変換回路（信号変換回路）
２１ａ　増幅手段
２２　信号増幅回路
２３　フィルタ回路
２４　ＡＧＣ回路（自動利得制御回路）
３１　検出回路
３２　信号処理回路
３３　信号調整回路
２１１　オペアンプ
２１２　切り替えスイッチ
２４１　整流回路
２４２　比較・平滑化回路
２４３　ＶＧＡ回路（可変利得増幅回路）

Claims (6)

  1. 　慣性力を検出する振動子と、
    　該振動子に駆動信号を供給する発振回路部と、
    　前記振動子の慣性力を検出する検出回路部と
    　を備え、
    　前記発振回路部は、前記振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、
    　前記振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、
    　該信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して前記駆動信号を生成し、該駆動信号を前記振動子に供給する自動利得制御回路とを有し、
    　前記信号変換回路は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段を有することを特徴とする振動型慣性力センサ。
  2. 　前記信号変換回路は、フィードバック容量を有するオペアンプ回路で構成され、前記増幅手段は、電源を投入してから前記所定の期間、前記フィードバック容量の大きさを切り替えることでモニタ信号を増幅することを特徴とする請求項１に記載の振動型慣性力センサ。
  3. 　前記所定の期間は、前記自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して負の特性を有する場合、電源を投入してから、前記コントロール信号の変化に対して前記利得が変化する範囲において、前記コントロール信号に基づく前記利得が前記増幅回路の増幅率の最大利得以下になる期間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型慣性力センサ。
  4. 　前記所定の期間は、前記自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して正の特性を有する場合、電源を投入してから、前記コントロール信号の変化に対して前記利得が変化する範囲において、前記コントロール信号に基づく前記利得が前記増幅回路の増幅率の最大利得以上になる期間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型慣性力センサ。
  5. 　前記増幅手段は、前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に基づいて、前記フィードバック容量の大きさを切り替えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の振動型慣性力センサ。
  6. 　前記フィードバック容量は、第１フィードバック容量と、第２フィードバック容量とを備え、
    　前記第１フィードバック容量は、前記オペアンプ回路に常時接続されている容量で、
    　前記第２フィードバック容量は、前記コントロール信号に基づいて、前記オペアンプ回路に接続される少なくとも一つの容量であることを特徴とする請求項５に記載の振動型慣性力センサ。
PCT/JP2010/073718 2010-02-17 2010-12-28 振動型慣性力センサ WO2011102063A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201080063609.3A CN102753937B (zh) 2010-02-17 2010-12-28 振动型惯性力传感器
DE112010005045T DE112010005045T5 (de) 2010-02-17 2010-12-28 Oszillationstyp-Trägheitskraftsensor
JP2012500476A JP5362097B2 (ja) 2010-02-17 2010-12-28 振動型慣性力センサ
US13/569,207 US9021879B2 (en) 2010-02-17 2012-08-08 Oscillation type inertia force sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010-032398 2010-02-17
JP2010032398 2010-02-17

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US13/569,207 Continuation US9021879B2 (en) 2010-02-17 2012-08-08 Oscillation type inertia force sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011102063A1 true WO2011102063A1 (ja) 2011-08-25

Family

ID=44482672

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2010/073718 WO2011102063A1 (ja) 2010-02-17 2010-12-28 振動型慣性力センサ

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9021879B2 (ja)
JP (1) JP5362097B2 (ja)
CN (1) CN102753937B (ja)
DE (1) DE112010005045T5 (ja)
WO (1) WO2011102063A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101319712B1 (ko) * 2011-12-26 2013-10-17 삼성전기주식회사 자이로센서 구동회로, 자이로센서 시스템 및 자이로센서 구동 방법
JP6429199B2 (ja) * 2015-05-29 2018-11-28 日立オートモティブシステムズ株式会社 慣性センサ
JP6274460B2 (ja) * 2016-07-27 2018-02-07 セイコーエプソン株式会社 駆動回路、集積回路装置及びセンサー装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0933262A (ja) * 1995-07-25 1997-02-07 Nikon Corp 励振駆動回路及び方法並びにこれを用いた圧電振動角速度計
JPH11281368A (ja) * 1998-03-31 1999-10-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 角速度センサ駆動回路
JP2007221575A (ja) * 2006-02-17 2007-08-30 Seiko Epson Corp 発振回路、物理量トランスデューサ及び振動ジャイロセンサ
JP2009094573A (ja) * 2007-10-03 2009-04-30 Panasonic Corp 受光増幅装置
JP2009260503A (ja) * 2008-04-14 2009-11-05 Sharp Corp 受光アンプ素子、光ピックアップ、およびそれを備える光ディスク記録再生装置

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1234705A (en) * 1984-03-22 1988-04-05 Suzushi Kimura Angular velocity sensor
US5426970A (en) * 1993-08-02 1995-06-27 New Sd, Inc. Rotation rate sensor with built in test circuit
US5794080A (en) 1994-08-31 1998-08-11 Nikon Corporation Piezoelectric vibration angular velocity meter and camera using the same
DE69622815T2 (de) * 1995-05-30 2002-11-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd Drehgeschwindigkeitssensor
US6705151B2 (en) * 1995-05-30 2004-03-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Angular velocity sensor
JP3498209B2 (ja) * 1999-10-25 2004-02-16 株式会社村田製作所 外力検知センサ装置
US6445195B1 (en) * 2000-08-02 2002-09-03 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Drive feedthrough nulling system
JP4310571B2 (ja) * 2003-04-07 2009-08-12 株式会社村田製作所 静電容量検出型振動ジャイロ、および静電容量変化検出方法
JP4411529B2 (ja) * 2004-08-05 2010-02-10 株式会社デンソー 振動型角速度センサ
EP1788351B1 (en) * 2004-09-09 2017-05-03 Murata Manufacturing Co., Ltd. Oscillation type inertial force sensor
JP2006349409A (ja) 2005-06-14 2006-12-28 Denso Corp 静電駆動・容量検出型のジャイロセンサのセンサ回路
DE102005043560A1 (de) * 2005-09-12 2007-03-15 Siemens Ag Verfahren zum Betrieb eines Vibrationskreisels und Sensoranordnung
JP4696996B2 (ja) * 2006-03-27 2011-06-08 パナソニック株式会社 慣性力センサ
US7401515B2 (en) * 2006-03-28 2008-07-22 Honeywell International Inc. Adaptive circuits and methods for reducing vibration or shock induced errors in inertial sensors
JP4396725B2 (ja) * 2006-05-12 2010-01-13 セイコーエプソン株式会社 検出装置、ジャイロセンサ及び電子機器
US7849744B2 (en) 2006-08-02 2010-12-14 Seiko Epson Corporation Driving device, physical quantity measurement device, and electronic instrument
US7895894B2 (en) 2006-11-06 2011-03-01 Seiko Epson Corporation Driver device, physical quantity measuring device, and electronic instrument
US8061201B2 (en) * 2007-07-13 2011-11-22 Georgia Tech Research Corporation Readout method and electronic bandwidth control for a silicon in-plane tuning fork gyroscope
JP4450029B2 (ja) * 2007-07-24 2010-04-14 セイコーエプソン株式会社 発振駆動回路、発振駆動装置、物理量測定回路、物理量測定装置および電子機器
JP4687791B2 (ja) * 2007-09-19 2011-05-25 株式会社村田製作所 複合センサおよび加速度センサ
EP2060871A3 (en) * 2007-11-19 2012-12-26 Hitachi Ltd. Inertial sensor
JP2009162645A (ja) * 2008-01-08 2009-07-23 Panasonic Corp 慣性速度センサ信号処理回路およびそれを備える慣性速度センサ装置
JP5365173B2 (ja) * 2008-02-29 2013-12-11 セイコーエプソン株式会社 物理量測定装置および電子機器
US8578775B2 (en) * 2010-02-08 2013-11-12 Freescale Semiconductor, Inc. Generation, injection and use of pilot tones for gyro system characterization

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0933262A (ja) * 1995-07-25 1997-02-07 Nikon Corp 励振駆動回路及び方法並びにこれを用いた圧電振動角速度計
JPH11281368A (ja) * 1998-03-31 1999-10-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 角速度センサ駆動回路
JP2007221575A (ja) * 2006-02-17 2007-08-30 Seiko Epson Corp 発振回路、物理量トランスデューサ及び振動ジャイロセンサ
JP2009094573A (ja) * 2007-10-03 2009-04-30 Panasonic Corp 受光増幅装置
JP2009260503A (ja) * 2008-04-14 2009-11-05 Sharp Corp 受光アンプ素子、光ピックアップ、およびそれを備える光ディスク記録再生装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN102753937B (zh) 2016-03-02
DE112010005045T5 (de) 2012-10-25
US20130192366A1 (en) 2013-08-01
JP5362097B2 (ja) 2013-12-11
US9021879B2 (en) 2015-05-05
CN102753937A (zh) 2012-10-24
JPWO2011102063A1 (ja) 2013-06-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3260814B1 (en) Micro-electro-mechanical-system (mems) driver
JP3964875B2 (ja) 角速度センサ
JP5365173B2 (ja) 物理量測定装置および電子機器
US8754694B2 (en) Accurate ninety-degree phase shifter
JP5362096B2 (ja) 振動型慣性力センサ
US5675296A (en) Capacitive-component reducing circuit in electrostatic-type transducer means
JP2006349409A (ja) 静電駆動・容量検出型のジャイロセンサのセンサ回路
JP2015104035A5 (ja)
WO2016166960A1 (ja) 駆動回路、物理量センサ及び電子機器
JP4779692B2 (ja) 発振回路及び物理量トランスデューサ
JP5362097B2 (ja) 振動型慣性力センサ
JP4867385B2 (ja) 発振回路及び物理量トランスデューサ
JP7010354B2 (ja) Ｐｓｒｒを改善したチャージポンプ回路および高電圧生成方法
JP2007218717A5 (ja)
JP2007218717A (ja) 慣性力センサ
JP4631537B2 (ja) 容量式物理量センサのセンサ回路
JP5344955B2 (ja) 固体振動子発振回路およびこれを用いた物理量センサ
JP2008157766A (ja) 加速度検出装置
JP5040117B2 (ja) 発振回路、物理量トランスデューサ及び振動ジャイロセンサ
JP6709497B2 (ja) 自励発振回路
JPH0557243A (ja) 超音波振動発生装置
JP6237532B2 (ja) 自励発振回路
JP2008157767A (ja) 加速度検出装置
US9742417B1 (en) Self-oscillation circuit
JP2008151630A (ja) 加速度検出装置

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201080063609.3

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10846194

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012500476

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120100050457

Country of ref document: DE

Ref document number: 112010005045

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10846194

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1