WO2023037554A1 - 振動型角速度センサ - Google Patents
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Definitions
- This invention relates to a vibrating angular velocity sensor.
- the above Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-115559 discloses an angular velocity sensor (vibrating angular velocity sensor).
- This angular velocity sensor has a ring-shaped element portion and a plurality of electrodes arranged radially outwardly of the ring-shaped element portion and circumferentially.
- the plurality of electrodes includes primary electrodes and secondary electrodes.
- An AC power source is connected to generate primary vibration in the ring-shaped element portion by applying an AC voltage to one of the primary electrode and the secondary electrode.
- the other of the primary electrode and the secondary electrode is connected to detection means for detecting the magnitude of the electrical signal generated in the ring-shaped element portion.
- a detecting means connected to the other of the primary electrode and the secondary electrode detects the magnitude of an electric signal generated in the other of the primary electrode and the secondary electrode due to the secondary vibration. be done. Also, an AC voltage is applied to the other of the primary electrode and the secondary electrode for canceling the secondary vibration based on the magnitude of the detected electrical signal. Then, the magnitude of the angular velocity is calculated based on the magnitude of the AC voltage for canceling the secondary vibration.
- the angular velocity detected by the vibrating angular velocity sensor has a bias component (zero point output from the sensor even when no angular velocity is applied). error from ) is included.
- the bias component is caused by the asymmetry of the gyro element included in the vibrating angular velocity sensor. Therefore, in a conventional vibrating angular velocity sensor such as that disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No.
- an electrode one of the primary electrode and the secondary electrode
- the electrode to which the detection means is connected the other of the primary electrode and the secondary electrode
- the output of the switched vibrating angular velocity sensor before and after is configured to cancel the bias component by subtracting .
- the present invention has been made to solve the above problems, and one object of the present invention is to cancel the bias component while continuously detecting the angular velocity in a vibrating angular velocity sensor in motion.
- An object of the present invention is to provide a vibrating angular velocity sensor capable of
- a vibrating angular velocity sensor includes a first angular velocity sensor section and a second angular velocity sensor section, the second angular velocity sensor section comprising an oscillator and a closed angular velocity sensor.
- a primary-side control circuit in which the output of the closed control loop induces primary vibration in the vibrator, and a secondary vibration generated in the vibrator due to the angular velocity applied to the vibrator.
- a secondary-side control circuit having a closed control loop for detecting, wherein the primary-side control circuit is configured to be able to switch electrodes for inducing primary vibration in the vibrator, and the secondary-side control circuit is configured to switch the electrodes for inducing primary vibration in the vibrator;
- the second angular velocity sensor unit detects the angular velocity based on the secondary vibration of the oscillator by the secondary side control circuit, and the second angular velocity sensor unit detects the angular velocity based on the secondary vibration of the oscillator.
- Angular velocity is detected by one angular velocity sensor unit during the predetermined period, and a first detection result detected by the first angular velocity sensor unit during the predetermined period and a second detection result detected by the second angular velocity sensor unit during the predetermined period. and to calculate the bias component of the first angular velocity sensor unit.
- the second angular velocity sensor section detects the angular velocity based on the secondary vibration of the vibrator by the secondary side control circuit during the predetermined period. 1) switching the electrode for inducing the primary vibration in the vibrator and the electrode for detecting the secondary vibration of the vibrator, and detecting the angular velocity based on the secondary vibration of the vibrator by the secondary side control circuit. Further, the vibrating angular velocity sensor detects the angular velocity during the predetermined period by the first angular velocity sensor, detects the first detection result detected by the first angular velocity sensor during the predetermined period, and detects the second angular velocity during the predetermined period.
- the bias component of the first angular velocity sensor is calculated based on the second detection result detected by the sensor.
- the second angular velocity sensor unit switches between the electrode that induces the primary vibration of the vibrator and the electrode that detects the secondary vibration of the vibrator.
- the detection result can be used to continuously cancel the bias component of the first angular velocity sensor section.
- the bias component can be canceled while continuously detecting the angular velocity in the vibrating angular velocity sensor in motion.
- the bias component caused by the temperature change can be continuously canceled, so the bias component that fluctuates depending on the temperature of the surrounding environment can be canceled with high accuracy. .
- the value of the first detection result detected by the first angular velocity sensor unit during the predetermined period is changed to the second detection result detected by the second angular velocity sensor unit during the predetermined period.
- the bias component of the first angular velocity sensor is calculated.
- the predetermined period includes a first period during which the secondary-side control circuit detects the angular velocity based on the secondary vibration of the vibrator, a second period in which the electrode for inducing vibration and the electrode for detecting the secondary vibration of the vibrator are switched, and the secondary-side control circuit detects the angular velocity based on the secondary vibration of the vibrator;
- the period and the second period are of the same length of time.
- the period detected by the next-side control circuit can be made equal.
- the detection result detected by the secondary side control circuit of the second angular velocity sensor unit and the secondary side after switching the electrode for inducing the primary vibration in the vibrator and the electrode for detecting the secondary vibration of the vibrator are switched.
- the detection result detected by the control circuit can be used to calculate the bias component without performing correction considering the difference in the detection period.
- the predetermined period is preferably a short period during which the bias component of the second angular velocity sensor section is substantially constant.
- the secondary vibration including substantially the same bias component that does not fluctuate is transmitted to each of the second speed sensors before and after switching between the electrode for inducing the primary vibration in the vibrator and the electrode for detecting the secondary vibration of the vibrator.
- the secondary-side control circuit of the second angular velocity sensor unit the secondary vibration of the electrode and the vibrator that induces the primary vibration in the vibrator is detected from the detection result of the secondary-side control circuit of the second angular velocity sensor unit.
- the bias component can be easily canceled from the second detection result detected by the second angular velocity sensor section by subtracting the detection result by the secondary side control circuit after switching the electrode to be used.
- the first detection result detected by the first angular velocity sensor unit in the first predetermined period and the second angular velocity sensor unit detected in the first predetermined period Based on the detection result, the bias component of the first angular velocity sensor is calculated, and using the angular velocity detected by the second angular velocity sensor during the second predetermined period and the bias component of the first angular velocity sensor, It is configured to calculate a bias component of the second angular velocity sensor.
- the bias component of the first angular velocity sensor section and the bias component of the second angular velocity sensor section can be corrected in the first predetermined period and the second predetermined period, respectively. It is possible to further improve the accuracy of canceling the bias component.
- the first angular velocity sensor preferably has a vibrator and a closed control loop, and the output of the closed control loop induces primary vibration in the vibrator.
- a secondary control circuit having a closed control loop for detecting secondary vibration generated in the vibrator due to an angular velocity applied to the vibrator; and the electrode for detecting the secondary vibration of the vibrator are configured so as not to be switched.
- the primary vibration is induced in the vibrator by using the second angular velocity sensor section capable of switching between the electrode for inducing the primary vibration in the vibrator and the electrode for detecting the secondary vibration of the vibrator. It is possible to accurately cancel the bias component of the first angular velocity sensor section that cannot switch the electrode and the electrode that detects the secondary vibration of the vibrator.
- the first detection result is an integral value of the angular velocity detected by the first angular velocity sensor during the predetermined period
- the second detection result is the second angular velocity sensor during the predetermined period. 2 It is an integrated value of the angular velocity detected by the angular velocity sensor.
- the vibrator preferably includes a ring-type vibrator.
- the vibration mode by the primary side control circuit is similar to the vibration mode by the primary side control circuit after electrode switching. Therefore, if the present invention is applied to a vibrating angular velocity sensor including a ring-shaped vibrator, there is no need to consider the influence of the difference in vibration modes.
- the bias component can be canceled while the angular velocity is continuously detected by the vibrating angular velocity sensor in motion.
- FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a vibrating angular velocity sensor according to one embodiment
- FIG. 3 is a block diagram showing a first angular velocity sensor section of the vibrating angular velocity sensor according to one embodiment
- FIG. 4 is a block diagram showing a second angular velocity sensor section of the vibrating angular velocity sensor according to one embodiment
- FIG. 5 is a diagram for explaining calculation of a bias of the vibrating angular velocity sensor according to one embodiment
- FIG. 1 The configuration of a vibrating angular velocity sensor 100 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
- FIG. 1 The configuration of a vibrating angular velocity sensor 100 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
- FIG. 1 The configuration of a vibrating angular velocity sensor 100 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
- FIG. 1 The configuration of a vibrating angular velocity sensor 100 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
- the vibrating angular velocity sensor 100 includes a first angular velocity sensor section 101, a second angular velocity sensor section 102, and a control circuit 103.
- the first angular velocity sensor section 101 and the second angular velocity sensor section 102 are configured to detect angular velocities around axes parallel or coaxial to each other.
- the first angular velocity sensor unit 101 has a vibrator 11 and a closed control loop, and the output of the closed control loop induces primary vibration in the vibrator 11.
- a primary side control circuit. 12 and a secondary side control circuit 13 having a closed control loop for detecting secondary vibration generated in the vibrator 11 due to the angular velocity applied to the vibrator 11 .
- the vibrator 11 includes a ring-shaped vibrator.
- the primary side control circuit 12 of the first angular velocity sensor unit 101 includes an amplifier circuit 21, a synchronous detection circuit 22, a loop filter 23, a modulation circuit 24, a drive circuit 25, and a PLL (Phase Locked Loop) circuit (phase synchronous circuit) 26 and a reference signal generation circuit 27 .
- the vibrator 11, amplifier circuit 21, synchronous detection circuit 22, loop filter 23, modulation circuit 24 and drive circuit 25 are connected in this order to form a closed control loop.
- Loop filter 23 includes, for example, an integration filter.
- the secondary-side control circuit 13 of the first angular velocity sensor unit 101 includes an amplifier circuit 31, a synchronous detection circuit 32, an adder circuit 33, a loop filter 34, a modulation circuit 35, a drive circuit 36, an amplifier circuit 37, and a contains.
- the vibrator 11, amplifier circuit 31, synchronous detection circuit 32, addition circuit 33, loop filter 34, modulation circuit 35 and drive circuit 36 are connected in this order to form a closed control loop.
- the addition circuit 33 is composed of a general addition/subtraction circuit using operational amplifiers.
- loop filter 34 includes, for example, an integration filter.
- the output of the loop filter 34 is input to the amplifier circuit 37 . Then, the signal output from the amplifier circuit 37 is output to the outside as the sensor output of the first angular velocity sensor section 101 .
- the first angular velocity sensor unit 101 is configured such that the electrode 50 that induces the primary vibration of the vibrator 11 and the electrode 50 that detects the secondary vibration of the vibrator 11 cannot be switched.
- the first angular velocity sensor unit 101 is provided with an addition/subtraction amount adjustment circuit 14 to which the output from the primary side control circuit 12 (output from the loop filter 23) is input.
- the addition/subtraction amount adjustment circuit 14 adjusts the magnitude of the output of the loop filter 23 of the primary side control circuit 12 that depends on the temperature, and applies the adjusted output (first offset value) to the addition of the secondary side control circuit 13. It is configured to be input to circuit 33 .
- the addition amount of the first offset value is adjusted by dividing the voltage using a potentiometer (volume resistor) or the like.
- the first angular velocity sensor unit 101 is provided with an addition/subtraction amount adjustment circuit 15 to which a constant signal S1 independent of temperature is input.
- the addition/subtraction amount adjustment circuit 15 is configured to adjust the magnitude of the constant signal S1 and input the adjusted constant signal S1 (second offset value) to the addition circuit 33 of the secondary side control circuit 13. ing.
- the addition amount of the constant signal S1 is adjusted by dividing the voltage using a potentiometer (volume resistor) or the like.
- the second angular velocity sensor unit 102 has a vibrator 11 and a closed control loop, and the output of the closed control loop induces primary vibration in the vibrator 11.
- the vibrator 11 includes a ring-shaped vibrator.
- the second angular velocity sensor unit 102 is arranged at a position where the temperature change rate is small.
- the primary side control circuit 16 of the second angular velocity sensor unit 102 includes an amplifier circuit 21, a synchronous detection circuit 22, a loop filter 23, a modulation circuit 24, a drive circuit 25, and a PLL (Phase Locked Loop) circuit (phase synchronous circuit) 26 and a reference signal generation circuit 27 .
- the vibrator 11, amplifier circuit 21, synchronous detection circuit 22, loop filter 23, modulation circuit 24 and drive circuit 25 are connected in this order to form a closed control loop.
- Loop filter 23 includes, for example, an integration filter.
- the secondary-side control circuit 17 of the second angular velocity sensor section 102 includes an amplifier circuit 31, a synchronous detection circuit 32, an adder circuit 33, a loop filter 34, a modulation circuit 35, a drive circuit 36, an amplifier circuit 37, and a contains.
- the vibrator 11, amplifier circuit 31, synchronous detection circuit 32, addition circuit 33, loop filter 34, modulation circuit 35 and drive circuit 36 are connected in this order to form a closed control loop.
- the addition circuit 33 is composed of a general addition/subtraction circuit using operational amplifiers.
- loop filter 34 includes, for example, an integration filter.
- the output of the loop filter 34 is input to the amplifier circuit 37 . Then, the signal output from the amplifier circuit 37 is output to the outside as the sensor output of the second angular velocity sensor section 102 .
- the second angular velocity sensor unit 102 is configured such that the electrode 50 that induces the primary vibration in the vibrator 11 can be switched by the primary side control circuit 16 , and the secondary side control circuit 17
- the electrodes 50 for detecting the secondary vibration of the vibrator 11 can be switched by .
- a switch 41 is provided on the signal input side to the vibrator 11, and a switch 42 is provided on the signal output side (the output side of the amplifier circuit 21) from the vibrator 11.
- a switch 43 is provided on the signal input side to the vibrator 11, and a switch 44 is provided on the signal output side from the vibrator 11 (the output side of the amplifier circuit 31).
- Each of the switches 41, 42, 43, and 44 is configured to switch between a state of being connected to the primary side control circuit 16 and a state of being connected to the secondary side control circuit 17. .
- switches 41 and 42 connect the electrode 50 arranged above the vibrator 11 and the primary control circuit 16
- switches 43 and 44 are arranged below the vibrator 11 .
- a state in which the electrode 50 and the secondary-side control circuit 17 are connected is shown.
- the terms “upper side” and “lower side” refer to the “upper side” and “lower side”, respectively, for explanation in FIG. It does not mean “lower side”.
- the switches 41 and 42 By switching the switches 41 and 42 , the electrodes 50 that induce the primary vibration in the vibrator 11 are switched by the primary-side control circuit 16 . Further, by switching the switches 43 and 44 , the electrode 50 for detecting the secondary vibration of the vibrator 11 is switched by the secondary side control circuit 17 . Specifically, switches 41 and 42 shown in FIG. From the state in which the electrode 50 arranged on the lower side of the vibrator 11 and the secondary side control circuit 17 are connected, the switch 41 and the switch 42 are connected to the electrode 50 arranged on the upper side of the vibrator 11 and the secondary side control circuit. Circuit 17 is connected, and switch 43 and switch 44 are switched to a state in which electrode 50 arranged on the lower side of vibrator 11 and primary side control circuit 16 are connected.
- the primary control circuit 16 switches the electrode 50 that induces the primary vibration in the vibrator 11
- the secondary control circuit 17 switches the electrode 50 that detects the secondary vibration of the vibrator 11 .
- the terms “upper side” and “lower side” refer to the “upper side” and “lower side”, respectively, for explanation in FIG. It does not mean “lower side”.
- the second angular velocity sensor unit 102 is provided with an addition/subtraction amount adjustment circuit 14 to which the output from the primary side control circuit 16 (output from the loop filter 23) is input.
- the addition/subtraction amount adjustment circuit 14 adjusts the magnitude of the output of the loop filter 23 of the primary side control circuit 16 that depends on the temperature, and applies the adjusted output (first offset value) to the addition of the secondary side control circuit 17. It is configured to be input to circuit 33 .
- the addition amount of the first offset value is adjusted by dividing the voltage using a potentiometer (volume resistor) or the like.
- the second angular velocity sensor unit 102 is provided with an addition/subtraction amount adjustment circuit 15 to which a constant signal S1 independent of temperature is input.
- the addition/subtraction amount adjustment circuit 15 is configured to adjust the magnitude of the constant signal S1 and input the adjusted constant signal S1 (second offset value) to the addition circuit 33 of the secondary side control circuit 17. ing.
- the addition amount of the constant signal S1 is adjusted by dividing the voltage using a potentiometer (volume resistor) or the like.
- the control circuit 103 causes the second angular velocity sensor unit 102 to detect the angular velocity based on the secondary vibration of the oscillator 11 by the secondary side control circuit 17 in a predetermined period, and a process of switching the electrode 50 for inducing the primary vibration of the vibrator 11 and the electrode 50 detecting the secondary vibration of the vibrator 11 to detect the angular velocity based on the secondary vibration of the vibrator 11 by the secondary side control circuit 17; is configured to control the Specifically, as shown in FIG. 4C, during a predetermined period from time t1 to time t2 and from time t4 to time t5 after electrode switching, secondary side control of the second angular velocity sensor unit 102 is performed.
- a circuit 17 performs processing for detecting the angular velocity based on the secondary vibration of the vibrator 11 .
- control circuit 103 is configured to perform control for detecting the angular velocity in a predetermined period by the first angular velocity sensor unit 101 . Specifically, as shown in FIG. 4B, during predetermined periods from time t1 to time t2 and from time t4 to time t5, the secondary-side control circuit 13 of the first angular velocity sensor unit 101 vibrates. A process of detecting the angular velocity based on the secondary vibration of the element 11 is performed.
- control circuit 103 controls the first angular velocity sensor based on the first detection result detected by the first angular velocity sensor unit 101 during the predetermined period and the second detection result detected by the second angular velocity sensor unit 102 during the predetermined period. It is configured to calculate the bias component (B1(t)) of the unit 101 .
- control circuit 103 subtracts the value of the second detection result detected by the second angular velocity sensor unit 102 during the predetermined period from the value of the first detection result detected by the first angular velocity sensor unit 101 during the predetermined period. It is configured to calculate the bias component of the first angular velocity sensor unit 101 .
- the predetermined period includes a first period (a period from time t1 to time t2) during which the secondary-side control circuit 17 detects the angular velocity based on the secondary vibration of the vibrator 11, and a second period after the electrode switching. and a second period (period from time t4 to time t5) during which the side control circuit 17 performs processing for detecting the angular velocity based on the secondary vibration of the vibrator 11 .
- the first period and the second period have the same length of time. As shown in FIG. 4, the first period and the second period each have a length of time T. As shown in FIG.
- the first detection result is an integrated value of angular velocities detected by the first angular velocity sensor unit 101 in a predetermined period.
- the second detection result is an integrated value of angular velocities detected by the second angular velocity sensor unit 102 in a predetermined period.
- the predetermined period is a short period during which the bias component of the second angular velocity sensor section 102 is substantially constant.
- the predetermined period has a length of several seconds to several tens of seconds.
- the predetermined period is a period during which the influence of temperature change can be ignored and the bias component of the second angular velocity sensor section 102 can be assumed to remain substantially unchanged.
- the integrated value I1 of the first detection result in a predetermined period (first period from time t1 to time t2 and second period from time t4 to time t5) shown in FIG. is represented as
- the angular velocity ⁇ 1(t) detected by the secondary-side control circuit 13 of the first angular velocity sensor unit 101 is the angular velocity (true angular velocity) ⁇ 0(t) generated by the motion (movement) shown in FIG. 1
- the bias B1(t) of the angular velocity sensor unit 101 it is expressed as in Equation (2).
- equation (1) is derived as equation (3).
- the integrated value I2 of the second detection result in a predetermined period (the first period from time t1 to time t2 and the second period from time t4 to time t5) shown in FIG. 4).
- the integrated value is subtracted considering that ⁇ 2(t) is inverted with respect to the bias component.
- the angular velocity ⁇ 2(t) detected by the secondary-side control circuit 17 of the second angular velocity sensor unit 102 and the angular velocity ⁇ 2(t) detected by the secondary-side control circuit 17 after switching the electrodes correspond to the motion shown in FIG.
- angular velocity (true angular velocity) ⁇ 0(t) caused by the (movement) and the bias B2(t) of the second angular velocity sensor unit 102 they are represented by equations (5) and (6), respectively.
- equation (6) is negative because ⁇ 0(t) is inverted with respect to the bias component.
- equation (4) is derived as equation (7).
- the bias B1(t) of the first angular velocity sensor section 101 and the bias B1(t) of the second angular velocity sensor section 102 B2(t) can be assumed to hold equations (9) and (10) because the amount of change over time is negligible (because it is constant).
- B1 is the bias value of the first angular velocity sensor unit 101 in the first period and the second period
- B2 is the bias value of the second angular velocity sensor part 102 in the first period and the second period.
- equation (11) is derived from equation (8).
- the bias value B1 of the first angular velocity sensor unit 101 is calculated by dividing (I1-I2) by 2T.
- the calculated bias value B1 is used for angular velocity detection by the first angular velocity sensor unit 101 . For example, it is used as an observation update for the Kalman filter.
- Control is performed to switch between the electrode 50 that induces the primary vibration of the vibrator 11 of the second angular velocity sensor unit 102 and the electrode 50 that detects the secondary vibration of the vibrator 11, and the angular velocity for calculating the bias value B1 is controlled. It suffices that the relationships of equations (9) and (10) hold during the measurement period. Therefore, for example, even if the time interval (t6-t5) to time t6, which is the starting point of the next process, is long and B1 changes, it can be similarly corrected by the process from time t6. However, it is always preferable to make the time interval (t6-t5) small enough so that the change in B1 is small.
- control is performed to switch between the electrode 50 for inducing the primary vibration of the vibrator 11 of the second angular velocity sensor unit 102 and the electrode 50 for detecting the secondary vibration of the vibrator 11, and the angular velocity for calculating the bias value B1 is controlled.
- the relationship of formula (10) may not hold during the measurement period. In other words, the formula (12) may be obtained. Even in this case, ⁇ is taken into consideration at the start of operation (at the start of movement), and the two first angular velocity sensor unit 101 and second angular velocity sensor unit 102 are used to mutually correct the bias components. , and bias component (B2(t)).
- the control circuit 103 is based on the first detection result detected by the first angular velocity sensor unit 101 during the first predetermined period and the second detection result detected by the second angular velocity sensor unit 102 during the first predetermined period. , the bias component of the first angular velocity sensor unit 101 is calculated. In addition, the control circuit 103 calculates the bias component of the second angular velocity sensor section 102 using the angular velocity detected by the second angular velocity sensor section 102 in the second predetermined period and the bias component of the first angular velocity sensor section 101. do. The control circuit 103 alternately repeats these controls. That is, B1, which is the bias component of the first angular velocity sensor unit 101, is corrected by the first calculation of the bias component.
- the second angular velocity sensor unit 102 detects the angular velocity based on the secondary vibration of the oscillator 11 by the secondary-side control circuit 17 in a predetermined period, and switching the electrode 50 for inducing the secondary vibration and the electrode 50 for detecting the secondary vibration of the vibrator 11, and detecting the angular velocity based on the secondary vibration of the vibrator 11 by the secondary side control circuit 17;
- the vibration type angular velocity sensor 100 detects the angular velocity in a predetermined period by the first angular velocity sensor section 101, and the first detection result detected by the first angular velocity sensor section 101 in the predetermined period and the second angular velocity in the predetermined period.
- the bias component of the first angular velocity sensor unit 101 is calculated.
- the second angular velocity sensor section 102 detects the electrode 50 that induces the primary vibration of the vibrator 11 and the electrode 50 that detects the secondary vibration of the vibrator 11 .
- the bias component of the first angular velocity sensor unit 101 can be continuously canceled using the second detection result calculated while switching.
- the bias component can be canceled while the angular velocity is continuously detected in the vibrating angular velocity sensor 100 in motion.
- the bias component caused by the temperature change can be continuously canceled, so the bias component that fluctuates depending on the temperature of the surrounding environment can be canceled with high accuracy. .
- the value of the second detection result detected by the second angular velocity sensor unit 102 in the predetermined period is subtracted to calculate the bias component of the first angular velocity sensor unit 101 .
- the angular velocity based on the actual motion detected by the first angular velocity sensor unit 101 and the angular velocity based on the actual motion detected by the second angular velocity sensor unit 102 can be offset.
- only the bias component can be extracted. As a result, it is possible to easily calculate the bias component of the first angular velocity sensor section 101 even when the vibrating angular velocity sensor 100 is in motion (even if the angular velocity is not constant).
- the predetermined period includes the first period in which the secondary-side control circuit 17 detects the angular velocity based on the secondary vibration of the vibrator 11 and the primary period in which the vibrator 11 a second period in which the electrode 50 for inducing vibration and the electrode 50 for detecting the secondary vibration of the vibrator 11 are switched, and the secondary-side control circuit 17 detects the angular velocity based on the secondary vibration of the vibrator 11; , where the first period and the second period are of the same length of time.
- the period of detection by the secondary-side control circuit 17 of the second angular velocity sensor unit 102, the electrode 50 that induces the primary vibration of the vibrator 11, and the electrode 50 that detects the secondary vibration of the vibrator 11 are switched.
- the period detected by the secondary side control circuit 17 can be made equal.
- the detection result detected by the secondary-side control circuit 17 of the second angular velocity sensor unit 102, the electrode 50 for inducing the primary vibration of the vibrator 11, and the electrode 50 for detecting the secondary vibration of the vibrator 11 are switched.
- the detection result detected by the secondary-side control circuit 17 can be used to calculate the bias component without performing correction considering the difference in the detection period.
- the predetermined period is a short period during which the bias component of the second angular velocity sensor section 102 is substantially constant.
- the second angular velocity sensor section detects the secondary vibration including substantially the same bias component that does not fluctuate. 102 can be detected by the secondary side control circuit 17 of the second angular velocity sensor section 102.
- the electrode 50 and the vibrator 11 that induce the primary vibration in the vibrator 11 By subtracting the detection result by the secondary side control circuit 17 after switching the electrode 50 for detecting the secondary vibration, the bias component can be easily canceled from the second detection result detected by the second angular velocity sensor unit 102. can be done.
- the first detection result detected by the first angular velocity sensor unit 101 during the first predetermined period and the second detection result detected by the second angular velocity sensor unit 102 during the first predetermined period Based on the detection result, the bias component of the first angular velocity sensor unit 101 is calculated. Also, the bias component of the second angular velocity sensor section 102 is calculated using the angular velocity detected by the second angular velocity sensor section 102 in the second predetermined period and the bias component of the first angular velocity sensor section 101 . As a result, the bias component of the first angular velocity sensor section 101 and the bias component of the second angular velocity sensor section 102 can be corrected in the first predetermined period and the second predetermined period, respectively. can be further improved.
- the first angular velocity sensor unit 101 is configured such that the electrode 50 that induces the primary vibration of the vibrator 11 and the electrode 50 that detects the secondary vibration of the vibrator 11 cannot be switched. is configured to As a result, the primary vibration is applied to the vibrator 11 by using the second angular velocity sensor unit 102 that can switch between the electrode 50 that induces the primary vibration in the vibrator 11 and the electrode 50 that detects the secondary vibration of the vibrator 11 .
- the bias component of the first angular velocity sensor section 101 that cannot switch the electrode 50 for inducing and the electrode 50 for detecting the secondary vibration of the vibrator 11 can be canceled with high accuracy.
- the first detection result is the integrated value of the angular velocity detected by the first angular velocity sensor unit 101 during the predetermined period
- the second detection result is the angular velocity detected by the second angular velocity sensor during the predetermined period. It is the integrated value of the angular velocity detected by the unit 102 .
- the vibrator 11 includes a ring-type vibrator.
- the vibration mode by the primary side control circuit 16 is similar to the vibration mode by the primary side control circuit 16 after electrode switching. Accordingly, it is not necessary to consider the influence of the difference in the vibration modes of the vibrating angular velocity sensor 100 including the ring-shaped vibrator 11 .
- the vibrator may have a symmetrical shape, and may be disc-shaped, cup-shaped (wine glass-shaped), octagonal, or the like.
- control loop may be configured with a configuration other than the configuration including the amplifier circuit, synchronous detection circuit, loop filter, modulation circuit, and drive circuit.
- an integration filter is used as a loop filter
- a loop filter other than an integration filter may be used.
- the first angular velocity sensor has an example of a configuration in which the electrode for inducing the primary vibration of the vibrator and the electrode for detecting the secondary vibration of the vibrator cannot be switched. It is not limited to this.
- the first angular velocity sensor section may be switchable between an electrode that induces the primary vibration of the vibrator and an electrode that detects the secondary vibration of the vibrator, similarly to the second angular velocity sensor section.
- the vibrating angular velocity sensor may be provided with three or more angular velocity sensor units.
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Abstract
この振動型角速度センサ（１００）は、第１角速度センサ部（１０１）と第２角速度センサ部（１０２）とを備える。第２角速度センサ部により、所定期間において、２次側制御回路（１７）により振動子（１１）の２次振動に基づく角速度を検出する処理と、振動子に１次振動を誘起する電極（５０）および振動子の２次振動を検出する電極を切り替えて、２次側制御回路により振動子の２次振動に基づく角速度を検出する処理と、を行う。第１角速度センサ部により、所定期間において、角速度を検出する。所定期間において第１角速度センサ部により検出した第１検出結果と、所定期間において第２角速度センサ部により検出した第２検出結果とに基づいて、第１角速度センサ部のバイアス成分を算出する。
Description
この発明は、振動型角速度センサに関する。
従来、振動型角速度センサが知られている。たとえば、特開２００９－１１５５５９号公報に開示されている。
上記特開２００９－１１５５５９号公報には、角速度センサ（振動型角速度センサ）が開示されている。この角速度センサは、リング状のエレメント部と、リング状のエレメント部の径方向外側でかつ周状に複数の電極とが配置されている。複数の電極は、一次電極と二次電極とを含む。一次電極と二次電極とのうちの一方に交流電圧を印加することにより、リング状のエレメント部に一次振動を発生させる交流電源が接続されている。また、一次電極と二次電極とのうちの他方には、リング状のエレメント部に発生する電気信号の大きさを検出する検出手段が接続されている。そして、リング状のエレメント部に一次振動が発生している状態で、エレメント部の法線方向回りに回転運動が発生すると、回転運動の角速度に応じた二次振動がエレメント部に発生する。そして、一次電極と二次電極とのうちの他方に接続されている検出手段によって、二次振動に起因して一次電極と二次電極とのうちの他方に発生する電気信号の大きさが検出される。また、検出された電気信号の大きさに基づいて、二次振動を打ち消すための交流電圧が一次電極と二次電極とのうちの他方に印加される。そして、二次振動を打ち消すための交流電圧の大きさに基づいて角速度の大きさが演算される。
また、上記特開２００９－１１５５５９号公報に記載のような従来の振動型角速度センサでは、振動型角速度センサが検出する角速度にはバイアス成分（角速度が加わっていない状態でもセンサから出力されるゼロ点からの誤差）が含まれている。バイアス成分は、振動型角速度センサに含まれるジャイロ素子の非対称性などに起因して生じる。そこで、上記特開２００９－１１５５５９号公報のような従来の振動型角速度センサは、角速度を一定とさせた状態（振動型角速度センサを静止させた状態）において、交流電源が接続されている電極（一次電極と二次電極とのうちの一方）と、検出手段が接続されている電極（一次電極と二次電極とのうちの他方）とを切り替え、切り替えられた前後の振動型角速度センサの出力を差分することにより、バイアス成分をキャンセルするように構成されている。
上記特開２００９－１１５５５９号公報に記載のような従来の振動型角速度センサでは、角速度を一定とさせた状態（振動型角速度センサを静止させた状態）において、バイアス成分をキャンセルするための角速度を検出する必要があるので、運動させた状態でバイアス成分をキャンセルするための角速度を検出することが困難である。そこで、運動中の振動型角速度センサにおいて角速度を継続的に検出しながら、バイアス成分をキャンセルすることが可能な振動型角速度センサが望まれている。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、運動中の振動型角速度センサにおいて角速度を継続的に検出しながら、バイアス成分をキャンセルすることが可能な振動型角速度センサを提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による振動型角速度センサは、第１角速度センサ部と、第２角速度センサ部と、を備え、第２角速度センサ部は、振動子と、閉じた制御ループを有し、閉じた制御ループの出力が振動子に１次振動を誘起させる１次側制御回路と、振動子に印加される角速度に起因して振動子に発生する２次振動を検出する閉じた制御ループを有する２次側制御回路と、を含み、１次側制御回路によって振動子に１次振動を誘起する電極を切り替え可能に構成されており、２次側制御回路によって振動子の２次振動を検出する電極を切り替え可能に構成されており、第２角速度センサ部により、２次側制御回路により振動子の２次振動に基づく角速度を検出する処理と、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極を切り替えて、２次側制御回路により振動子の２次振動に基づく角速度を検出する処理と、を所定期間において行うとともに、第１角速度センサ部により、上記所定期間において、角速度を検出し、上記所定期間において第１角速度センサ部により検出した第１検出結果と、上記所定期間において第２角速度センサ部により検出した第２検出結果とに基づいて、第１角速度センサ部のバイアス成分を算出するように構成されている。
この発明の一の局面による振動型角速度センサは、上記のように、第２角速度センサ部により、上記所定期間において、２次側制御回路により振動子の２次振動に基づく角速度を検出する処理と、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極を切り替えて、２次側制御回路により振動子の２次振動に基づく角速度を検出する処理と、を行う。また、振動型角速度センサは、第１角速度センサ部により、上記所定期間において、角速度を検出し、上記所定期間において第１角速度センサ部により検出した第１検出結果と、上記所定期間において第２角速度センサ部により検出した第２検出結果とに基づいて、第１角速度センサ部のバイアス成分を算出するように構成されている。これにより、第１角速度センサ部により角速度を検出しながら、第２角速度センサ部により、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極を切り替えながら算出した第２検出結果を用いて、第１角速度センサ部のバイアス成分を継続的にキャンセルすることができる。その結果、運動中の振動型角速度センサにおいて角速度を継続的に検出しながら、バイアス成分をキャンセルすることができる。また、周囲の環境の温度変化があった場合でも、温度変化に起因したバイアス成分を継続的にキャンセルすることができるので、周囲の環境の温度によって変動するバイアス成分を精度よくキャンセルすることができる。
上記一の局面による振動型角速度センサにおいて、好ましくは、上記所定期間において第１角速度センサ部により検出した第１検出結果の値から、上記所定期間において第２角速度センサ部により検出した第２検出結果の値を減じることにより、第１角速度センサ部のバイアス成分を算出するように構成されている。このように構成すれば、第１角速度センサ部により検知した実際の運動に基づく角速度と、第２角速度センサ部により検知した実際の運動に基づく角速度とを、相殺することができるので、角速度を一定としなくても、バイアス成分のみを抽出することができる。その結果、振動型角速度センサの運動中においても（角速度が一定でなくても）第１角速度センサ部のバイアス成分を容易に算出することができる。
上記一の局面による振動型角速度センサにおいて、好ましくは、上記所定期間は、２次側制御回路により振動子の２次振動に基づく角速度を検出する処理を行う第１期間と、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極を切り替えて、２次側制御回路により振動子の２次振動に基づく角速度を検出する処理を行う第２期間とを含み、第１期間および第２期間は、同じ長さの時間である。このように構成すれば、第２角速度センサ部の２次側制御回路により検出する期間と、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極を切り替えて、２次側制御回路により検出する期間とを等しくすることができる。これにより、第２角速度センサ部の２次側制御回路により検出した検出結果と、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極を切り替えた後の２次側制御回路により検出した検出結果とを、検出期間の相違を考慮した補正を行うことなくバイアス成分の算出に用いることができる。
上記一の局面による振動型角速度センサにおいて、好ましくは、上記所定期間は、第２角速度センサ部のバイアス成分が略一定となる短い期間である。このように構成すれば、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極を切り替える前後において、変動しない略同じバイアス成分を含む２次振動を第２各速度センサ部の２次側制御回路により検出することができるので、第２角速度センサ部の２次側制御回路による検出結果から、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極を切り替えた後の２次側制御回路による検出結果を減じることにより、第２角速度センサ部により検出した第２検出結果からバイアス成分を容易にキャンセルすることができる。
上記一の局面による振動型角速度センサにおいて、好ましくは、第１の所定期間において第１角速度センサ部により検出した第１検出結果と、第１の所定期間において第２角速度センサ部により検出した第２検出結果とに基づいて、第１角速度センサ部のバイアス成分を算出するとともに、第２の所定期間において第２角速度センサ部により検出した角速度と、第１角速度センサ部のバイアス成分とを用いて、第２角速度センサ部のバイアス成分を算出するように構成されている。このように構成すれば、第１角速度センサ部のバイアス成分と、第２角速度センサ部のバイアス成分とを、それぞれ、第１の所定期間および第２の所定期間において、補正することができるので、バイアス成分をキャンセルする精度をより向上させることができる。
上記一の局面による振動型角速度センサにおいて、好ましくは、第１角速度センサ部は、振動子と、閉じた制御ループを有し、閉じた制御ループの出力が振動子に１次振動を誘起させる１次側制御回路と、振動子に印加される角速度に起因して振動子に発生する２次振動を検出する閉じた制御ループを有する２次側制御回路と、を含み、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極は切り替えられないように構成されている。このように構成すれば、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極を切り替え可能な第２角速度センサ部を用いて、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極を切り替えられない第１角速度センサ部のバイアス成分を精度よくキャンセルすることができる。
上記一の局面による振動型角速度センサにおいて、好ましくは、第１検出結果は、上記所定期間において第１角速度センサ部により検出した角速度の積分値であり、第２検出結果は、上記所定期間において第２角速度センサ部により検出した角速度の積分値である。このように構成すれば、あるタイミングにおける検出結果を用いてバイアス成分を算出する場合と異なり、上記所定期間における検出結果を積算した積分値を用いてバイアス成分を算出することができるので、バイアス成分以外のノイズを平準化させてキャンセルすることができる。その結果、バイアス成分をより精度よく算出することができる。
上記一の局面による振動型角速度センサにおいて、好ましくは、振動子は、リング型の振動子を含む。ここで、リング型の振動子は、対称的な形状を有するので、１次側制御回路による振動モードと、電極切り替え後の１次側制御回路による振動モードとが類似する。このため、本発明をリング型の振動子を含む振動型角速度センサに適用すれば、振動モードの差異の影響を考慮する必要がない。
本発明によれば、上記のように、運動中の振動型角速度センサにおいて角速度を継続的に検出しながら、バイアス成分をキャンセルすることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１～図４を参照して、本実施形態による振動型角速度センサ１００の構成について説明する。
図１に示すように、振動型角速度センサ１００は、第１角速度センサ部１０１と、第２角速度センサ部１０２と、制御回路１０３とを備えている。第１角速度センサ部１０１と、第２角速度センサ部１０２とは、互いに平行または同軸の軸線回りの角速度を検出するように構成されている。
第１角速度センサ部１０１は、図２に示すように、振動子１１と、閉じた制御ループを有し、閉じた制御ループの出力が振動子１１に１次振動を誘起させる１次側制御回路１２と、振動子１１に印加される角速度に起因して振動子１１に発生する２次振動を検出する閉じた制御ループを有する２次側制御回路１３とを備えている。振動子１１は、リング型の振動子を含んでいる。
第１角速度センサ部１０１の１次側制御回路１２は、増幅回路２１と、同期検波回路２２と、ループフィルタ２３と、変調回路２４と、駆動回路２５と、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路（位相同期回路）２６と、基準信号生成回路２７とを含んでいる。そして、振動子１１、増幅回路２１、同期検波回路２２、ループフィルタ２３、変調回路２４および駆動回路２５が、この順で接続されており、閉じた制御ループを構成している。ループフィルタ２３は、たとえば積分フィルタを含んでいる。
第１角速度センサ部１０１の２次側制御回路１３は、増幅回路３１と、同期検波回路３２と、加算回路３３と、ループフィルタ３４と、変調回路３５と、駆動回路３６と、増幅回路３７とを含んでいる。そして、振動子１１、増幅回路３１、同期検波回路３２、加算回路３３、ループフィルタ３４、変調回路３５および駆動回路３６が、この順で接続されており、閉じた制御ループを構成している。加算回路３３は、オペアンプを用いた一般的な加減算回路により構成されている。また、ループフィルタ３４は、たとえば積分フィルタを含んでいる。また、ループフィルタ３４の出力が、増幅回路３７に入力される。そして、増幅回路３７から出力された信号が、第１角速度センサ部１０１のセンサ出力として、外部に出力される。
ここで、本実施形態では、第１角速度センサ部１０１は、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０は切り替えられないように構成されている。
また、第１角速度センサ部１０１には、１次側制御回路１２からの出力（ループフィルタ２３からの出力）が入力される加減算量調整回路１４が設けられている。加減算量調整回路１４は、温度に依存する１次側制御回路１２のループフィルタ２３の出力の大きさを調整して、調整した出力（第１オフセット値）を、２次側制御回路１３の加算回路３３に入力するように構成されている。たとえば、加減算量調整回路１４において、ポテンショメータ（ボリューム抵抗）などを用いて分圧することにより、第１オフセット値の加算量の調整が行われる。
また、第１角速度センサ部１０１には、温度に依存しない一定の信号Ｓ１が入力される加減算量調整回路１５が設けられている。加減算量調整回路１５は、一定の信号Ｓ１の大きさを調整して、調整した一定の信号Ｓ１（第２オフセット値）を、２次側制御回路１３の加算回路３３に入力するように構成されている。たとえば、加減算量調整回路１５において、ポテンショメータ（ボリューム抵抗）などを用いて分圧することにより、一定の信号Ｓ１の加算量の調整が行われる。
第２角速度センサ部１０２は、図３に示すように、振動子１１と、閉じた制御ループを有し、閉じた制御ループの出力が振動子１１に１次振動を誘起させる１次側制御回路１６と、振動子１１に印加される角速度に起因して振動子１１に発生する２次振動を検出する閉じた制御ループを有する２次側制御回路１７とを備えている。振動子１１は、リング型の振動子を含んでいる。第２角速度センサ部１０２は、温度の変化率が小さい位置に配置されている。
第２角速度センサ部１０２の１次側制御回路１６は、増幅回路２１と、同期検波回路２２と、ループフィルタ２３と、変調回路２４と、駆動回路２５と、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路（位相同期回路）２６と、基準信号生成回路２７とを含んでいる。そして、振動子１１、増幅回路２１、同期検波回路２２、ループフィルタ２３、変調回路２４および駆動回路２５が、この順で接続されており、閉じた制御ループを構成している。ループフィルタ２３は、たとえば積分フィルタを含んでいる。
第２角速度センサ部１０２の２次側制御回路１７は、増幅回路３１と、同期検波回路３２と、加算回路３３と、ループフィルタ３４と、変調回路３５と、駆動回路３６と、増幅回路３７とを含んでいる。そして、振動子１１、増幅回路３１、同期検波回路３２、加算回路３３、ループフィルタ３４、変調回路３５および駆動回路３６が、この順で接続されており、閉じた制御ループを構成している。加算回路３３は、オペアンプを用いた一般的な加減算回路により構成されている。また、ループフィルタ３４は、たとえば積分フィルタを含んでいる。また、ループフィルタ３４の出力が、増幅回路３７に入力される。そして、増幅回路３７から出力された信号が、第２角速度センサ部１０２のセンサ出力として、外部に出力される。
ここで、本実施形態では、第２角速度センサ部１０２は、１次側制御回路１６によって振動子１１に１次振動を誘起する電極５０を切り替え可能に構成されており、２次側制御回路１７によって振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替え可能に構成されている。具体的には、１次側制御回路１６において、振動子１１に対する信号の入力側にスイッチ４１、および、振動子１１からの信号の出力側（増幅回路２１の出力側）にスイッチ４２が設けられている。また、２次側制御回路１７において、振動子１１に対する信号の入力側にスイッチ４３、および、振動子１１からの信号の出力側（増幅回路３１の出力側）にスイッチ４４が設けられている。スイッチ４１、スイッチ４２、スイッチ４３、および、スイッチ４４は、各々、１次側制御回路１６に接続される状態と、２次側制御回路１７に接続される状態とを切り替え可能に構成されている。
図３では、スイッチ４１およびスイッチ４２が振動子１１の上方側に配置される電極５０と１次側制御回路１６とを接続し、スイッチ４３およびスイッチ４４が振動子１１の下方側に配置される電極５０と２次側制御回路１７とを接続する状態を示している。なお、「上方側」および「下方側」とは、それぞれ、図３での説明のための「上方側」および「下方側」を意味しており、実際の振動子１１における「上方側」および「下方側」を意味しているのではない。
そして、スイッチ４１およびスイッチ４２が切り替えられることにより、１次側制御回路１６によって振動子１１に１次振動を誘起する電極５０が切り替えられる。また、スイッチ４３およびスイッチ４４が切り替えられることにより、２次側制御回路１７によって振動子１１の２次振動を検出する電極５０が切り替えられる。具体的には、図３に示されている、スイッチ４１およびスイッチ４２が振動子１１の上方側に配置される電極５０と１次側制御回路１６とを接続し、スイッチ４３およびスイッチ４４が振動子１１の下方側に配置される電極５０と２次側制御回路１７とを接続している状態から、スイッチ４１およびスイッチ４２が振動子１１の上方側に配置される電極５０と２次側制御回路１７とを接続し、スイッチ４３およびスイッチ４４が振動子１１の下方側に配置される電極５０と１次側制御回路１６とを接続する状態に切り替えられる。これにより、１次側制御回路１６によって振動子１１に１次振動を誘起する電極５０が切り替えられ、２次側制御回路１７によって振動子１１の２次振動を検出する電極５０が切り替えられる。なお、「上方側」および「下方側」とは、それぞれ、図３での説明のための「上方側」および「下方側」を意味しており、実際の振動子１１における「上方側」および「下方側」を意味しているのではない。
また、第２角速度センサ部１０２には、１次側制御回路１６からの出力（ループフィルタ２３からの出力）が入力される加減算量調整回路１４が設けられている。加減算量調整回路１４は、温度に依存する１次側制御回路１６のループフィルタ２３の出力の大きさを調整して、調整した出力（第１オフセット値）を、２次側制御回路１７の加算回路３３に入力するように構成されている。たとえば、加減算量調整回路１４において、ポテンショメータ（ボリューム抵抗）などを用いて分圧することにより、第１オフセット値の加算量の調整が行われる。
また、第２角速度センサ部１０２には、温度に依存しない一定の信号Ｓ１が入力される加減算量調整回路１５が設けられている。加減算量調整回路１５は、一定の信号Ｓ１の大きさを調整して、調整した一定の信号Ｓ１（第２オフセット値）を、２次側制御回路１７の加算回路３３に入力するように構成されている。たとえば、加減算量調整回路１５において、ポテンショメータ（ボリューム抵抗）などを用いて分圧することにより、一定の信号Ｓ１の加算量の調整が行われる。
ここで、本実施形態では、制御回路１０３は、第２角速度センサ部１０２により、所定期間において、２次側制御回路１７により振動子１１の２次振動に基づく角速度を検出する処理と、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替えて、２次側制御回路１７により振動子１１の２次振動に基づく角速度を検出する処理と、を行う制御をするように構成されている。具体的には、図４（Ｃ）に示すように、時間ｔ１から時間ｔ２まで、および、電極切り替え後の時間ｔ４から時間ｔ５までの所定期間において、第２角速度センサ部１０２の２次側制御回路１７により振動子１１の２次振動に基づく角速度を検出する処理が行われる。
また、制御回路１０３は、第１角速度センサ部１０１により、所定期間において、角速度を検出する処理を行う制御をするように構成されている。具体的には、図４（Ｂ）に示すように、時間ｔ１から時間ｔ２まで、および、時間ｔ４から時間ｔ５までの所定期間において、第１角速度センサ部１０１の２次側制御回路１３により振動子１１の２次振動に基づく角速度を検出する処理が行われる。
また、制御回路１０３は、所定期間において第１角速度センサ部１０１により検出した第１検出結果と、所定期間において第２角速度センサ部１０２により検出した第２検出結果とに基づいて、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分（Ｂ１（ｔ））を算出するように構成されている。
また、制御回路１０３は、所定期間において第１角速度センサ部１０１により検出した第１検出結果の値から、所定期間において第２角速度センサ部１０２により検出した第２検出結果の値を減じることにより、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分を算出するように構成されている。
なお、所定期間は、２次側制御回路１７により振動子１１の２次振動に基づく角速度を検出する処理を行う第１期間（時間ｔ１から時間ｔ２までの期間）と、電極切り替え後の２次側制御回路１７により振動子１１の２次振動に基づく角速度を検出する処理を行う第２期間（時間ｔ４から時間ｔ５までの期間）とを含んでいる。また、第１期間および第２期間は、同じ長さの時間である。図４に示すように、第１期間および第２期間は、各々時間Ｔの長さを有している。
また、第１検出結果は、所定期間において第１角速度センサ部１０１により検出した角速度の積分値である。また、第２検出結果は、所定期間において第２角速度センサ部１０２により検出した角速度の積分値である。
また、所定期間は、第２角速度センサ部１０２のバイアス成分が略一定となる短い期間である。たとえば、所定期間は、数秒から数十秒程度の長さを有している。また、所定期間は、温度変化の影響が無視でき、第２角速度センサ部１０２のバイアス成分が略変わらないと仮定できる期間である。
図４（Ｂ）に示す、所定期間（時間ｔ１から時間ｔ２までの第１期間、および、時間ｔ４から時間ｔ５までの第２期間）における第１検出結果の積分値Ｉ１は、式（１）のように表される。
ただし、第１角速度センサ部１０１の２次側制御回路１３により検出した角速度ω１（ｔ）は、図４（Ａ）に示す運動（移動）により生じる角速度（真の角速度）ω０（ｔ）および第１角速度センサ部１０１のバイアスＢ１（ｔ）を用いて、式（２）のように表される。
したがって、式（１）は、式（３）のように導出される。
また、図４（Ｃ）に示す、所定期間（時間ｔ１から時間ｔ２までの第１期間、および、時間ｔ４から時間ｔ５までの第２期間）における第２検出結果の積分値Ｉ２は、式（４）のように表される。
なお、時間ｔ４から時間ｔ５までの第２期間は、ω２（ｔ）がバイアス成分に対して反転されることを考慮して、積分値を減算している。
第２角速度センサ部１０２の２次側制御回路１７により検出した角速度ω２（ｔ）および電極切り替え後の２次側制御回路１７により検出した角速度ω２（ｔ）は、図４（Ａ）に示す運動（移動）により生じる角速度（真の角速度）ω０（ｔ）および第２角速度センサ部１０２のバイアスＢ２（ｔ）を用いて、それぞれ、式（５）および式（６）のように表される。
なお、時間ｔ４から時間ｔ５までの第２期間の式（６）では、ω0（ｔ）がバイアス成分に対して反転されるため、マイナスがかけられる。
したがって、式（４）は、式（７）のように導出される。
第１検出結果の積分値Ｉ１から第２検出結果の積分値Ｉ２を減じると、式（８）のように導出される。
ここで、時間ｔ１から時間ｔ２までの第１期間、および、時間ｔ４から時間ｔ５までの第２期間において、第１角速度センサ部１０１のバイアスＢ１（ｔ）と、第２角速度センサ部１０２のバイアスＢ２（ｔ）とは、各々、時間的な変化量が無視できるので（一定であるので）、式（９）および式（１０）が成り立つと仮定できる。
ただし、Ｂ１は、第１期間および第２期間における第１角速度センサ部１０１のバイアス値であり、Ｂ２は、第１期間および第２期間における第２角速度センサ部１０２のバイアス値である。
したがって、式（８）から、式（１１）が導出される。
Ｔは、既知であるため、（Ｉ１―Ｉ２）を２Ｔで除算することにより、第１角速度センサ部１０１のバイアス値Ｂ１が算出される。算出したバイアス値Ｂ１を、第１角速度センサ部１０１による角速度検出に用いる。たとえば、カルマンフィルタの観測更新として利用する。
なお、第２角速度センサ部１０２の振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替える制御を行い、バイアス値Ｂ１を算出するための角速度の測定を行う期間中に式（９）および式（１０）の関係が成立していればよい。このため、たとえば、次の処理の開始点となる時間ｔ６までの時間間隔（ｔ６－ｔ５）が大きく、Ｂ１が変化した場合でも、同様に、次の時間ｔ６からの処理により補正可能である。ただし、常に、Ｂ１の変化が小さくするために、時間間隔（ｔ６－ｔ５）を十分に小さくすることが好ましい。
ここで、第２角速度センサ部１０２の振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替える制御を行い、バイアス値Ｂ１を算出するための角速度の測定を行う期間中に式（１０）の関係が成立しない場合がある。つまり、式（１２）となる場合がある。
この場合でも、動作開始時（移動開始時）に、αを加味しておき、２つの第１角速度センサ部１０１および第２角速度センサ部１０２を使用して、相互にバイアス成分を補正することにより、バイアス成分（Ｂ２（ｔ））の時間変化にも対応することが可能である。
つまり、制御回路１０３は、第１の所定期間において第１角速度センサ部１０１により検出した第１検出結果と、第１の所定期間において第２角速度センサ部１０２により検出した第２検出結果とに基づいて、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分を算出する。また、制御回路１０３は、第２の所定期間において第２角速度センサ部１０２により検出した角速度と、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分とを用いて、第２角速度センサ部１０２のバイアス成分を算出する。そして、制御回路１０３は、これらの制御を交互に繰り返す。つまり、最初のバイアス成分の算出により、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分であるＢ１を補正する。次のサイクルにおいて、補正したＢ１を用いて、第２角速度センサ部１０２のバイアス成分であるＢ２のαを算出する。そして、さらに次のサイクルにおいて、補正したαを用いて、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分であるＢ１を補正する。以降は、これらの処理を交互に繰り返す。
なお、動作開始時の移動開始前において、静止させた状態（角速度ω０（ｔ）が一定の状態）において、αを求めて、以降、上記のようにして順次α（ｔ）を補正してもよい。
（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
本実施形態では、上記のように、第２角速度センサ部１０２により、所定期間において、２次側制御回路１７により振動子１１の２次振動に基づく角速度を検出する処理と、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替えて、２次側制御回路１７により振動子１１の２次振動に基づく角速度を検出する処理と、を行う。また、振動型角速度センサ１００を、第１角速度センサ部１０１により、所定期間において、角速度を検出し、所定期間において第１角速度センサ部１０１により検出した第１検出結果と、所定期間において第２角速度センサ部１０２により検出した第２検出結果とに基づいて、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分を算出するように構成する。これにより、第１角速度センサ部１０１により角速度を検出しながら、第２角速度センサ部１０２により、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替えながら算出した第２検出結果を用いて、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分を継続的にキャンセルすることができる。その結果、運動中の振動型角速度センサ１００において角速度を継続的に検出しながら、バイアス成分をキャンセルすることができる。また、周囲の環境の温度変化があった場合でも、温度変化に起因したバイアス成分を継続的にキャンセルすることができるので、周囲の環境の温度によって変動するバイアス成分を精度よくキャンセルすることができる。
また、本実施形態では、上記のように、所定期間において第１角速度センサ部１０１により検出した第１検出結果の値から、所定期間において第２角速度センサ部１０２により検出した第２検出結果の値を減じることにより、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分を算出するように構成する。これにより、第１角速度センサ部１０１により検知した実際の運動に基づく角速度と、第２角速度センサ部１０２により検知した実際の運動に基づく角速度とを、相殺することができるので、角速度を一定としなくても、バイアス成分のみを抽出することができる。その結果、振動型角速度センサ１００の運動中においても（角速度が一定でなくても）第１角速度センサ部１０１のバイアス成分を容易に算出することができる。
また、本実施形態では、上記のように、所定期間は、２次側制御回路１７により振動子１１の２次振動に基づく角速度を検出する処理を行う第１期間と、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替えて、２次側制御回路１７により振動子１１の２次振動に基づく角速度を検出する処理を行う第２期間とを含み、第１期間および第２期間は、同じ長さの時間である。これにより、第２角速度センサ部１０２の２次側制御回路１７により検出する期間と、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替えて、２次側制御回路１７により検出する期間とを等しくすることができる。その結果、第２角速度センサ部１０２の２次側制御回路１７により検出した検出結果と、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替えた後の２次側制御回路１７により検出した検出結果とを、検出期間の相違を考慮した補正を行うことなくバイアス成分の算出に用いることができる。
また、本実施形態では、上記のように、所定期間は、第２角速度センサ部１０２のバイアス成分が略一定となる短い期間である。これにより、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替える前後において、変動しない略同じバイアス成分を含む２次振動を第２角速度センサ部１０２の２次側制御回路１７により検出することができるので、第２角速度センサ部１０２の２次側制御回路１７による検出結果から、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替えた後の２次側制御回路１７による検出結果を減じることにより、第２角速度センサ部１０２により検出した第２検出結果からバイアス成分を容易にキャンセルすることができる。
また、本実施形態では、上記のように、第１の所定期間において第１角速度センサ部１０１により検出した第１検出結果と、第１の所定期間において第２角速度センサ部１０２により検出した第２検出結果とに基づいて、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分を算出する。また、第２の所定期間において第２角速度センサ部１０２により検出した角速度と、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分とを用いて、第２角速度センサ部１０２のバイアス成分を算出する。これにより、第１角速度センサ部１０１のバイアス成分と、第２角速度センサ部１０２のバイアス成分とを、それぞれ、第１の所定期間および第２の所定期間において、補正することができるので、バイアス成分をキャンセルする精度をより向上させることができる。
また、本実施形態では、上記のように、第１角速度センサ部１０１は、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０は切り替えられないように構成されている。これにより、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替え可能な第２角速度センサ部１０２を用いて、振動子１１に１次振動を誘起する電極５０および振動子１１の２次振動を検出する電極５０を切り替えられない第１角速度センサ部１０１のバイアス成分を精度よくキャンセルすることができる。
また、本実施形態では、上記のように、第１検出結果は、所定期間において第１角速度センサ部１０１により検出した角速度の積分値であり、第２検出結果は、所定期間において第２角速度センサ部１０２により検出した角速度の積分値である。これにより、あるタイミングにおける検出結果を用いてバイアス成分を算出する場合と異なり、所定期間における検出結果を積算した積分値を用いてバイアス成分を算出することができるので、バイアス成分以外のノイズを平準化させてキャンセルすることができる。その結果、バイアス成分をより精度よく算出することができる。
また、本実施形態では、上記のように、振動子１１は、リング型の振動子を含む。ここで、リング型の振動子は、対称的な形状を有するので、１次側制御回路１６による振動モードと、電極切り替え後の１次側制御回路１６による振動モードとが類似する。これにより、リング型の振動子１１を含む振動型角速度センサ１００の振動モードの差異の影響を考慮する必要がない。
（変形例）
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、リング型の振動子が用いられる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、振動子が対称的な形状を有していればよく、円盤型、カップ型（ワイングラス型）、八角形型、などの振動子を用いてもよい。
また、上記実施形態では、振動子、増幅回路、同期検波回路、ループフィルタ、変調回路および駆動回路により閉じた制御ループが構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、増幅回路、同期検波回路、ループフィルタ、変調回路および駆動回路からなる構成以外の構成により制御ループが構成されていてもよい。
また、上記実施形態では、ループフィルタとして積分フィルタが用いられる例を示したが、たとえば、積分フィルタ以外のループフィルタを用いてもよい。
また、上記実施形態では、第１角速度センサ部は、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極を切り替えられない構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１角速度センサ部も、第２角速度センサ部と同様に、振動子に１次振動を誘起する電極および振動子の２次振動を検出する電極が切り替え可能であってもよい。
また、上記実施形態では、振動型角速度センサに、第１角速度センサ部と、第２角速度センサ部との２つの角速度センサ部が設けられている構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、振動型角速度センサに、３つ以上の角速度センサ部が設けられていてもよい。
１１ 振動子
１２、１６ １次側制御回路
１３、１７ ２次側制御回路
５０ 電極
１００ 振動型角速度センサ
１０１ 第１角速度センサ部
１０２ 第２角速度センサ部
１２、１６ １次側制御回路
１３、１７ ２次側制御回路
５０ 電極
１００ 振動型角速度センサ
１０１ 第１角速度センサ部
１０２ 第２角速度センサ部
Claims (8)
- 第１角速度センサ部と、
第２角速度センサ部と、を備え、
前記第２角速度センサ部は、
振動子と、
閉じた制御ループを有し、前記閉じた制御ループの出力が前記振動子に１次振動を誘起させる１次側制御回路と、
前記振動子に印加される角速度に起因して前記振動子に発生する２次振動を検出する閉じた制御ループを有する２次側制御回路と、を含み、
前記１次側制御回路によって前記振動子に前記１次振動を誘起する電極を切り替え可能に構成されており、
前記２次側制御回路によって前記振動子の前記２次振動を検出する電極を切り替え可能に構成されており、
前記第２角速度センサ部により、前記２次側制御回路により前記振動子の前記２次振動に基づく角速度を検出する処理と、前記振動子に前記１次振動を誘起する電極および前記振動子の前記２次振動を検出する電極を切り替えて、前記２次側制御回路により前記振動子の前記２次振動に基づく角速度を検出する処理と、を所定期間において行うとともに、前記第１角速度センサ部により、前記所定期間において、角速度を検出し、前記所定期間において前記第１角速度センサ部により検出した第１検出結果と、前記所定期間において前記第２角速度センサ部により検出した第２検出結果とに基づいて、前記第１角速度センサ部のバイアス成分を算出するように構成されている、振動型角速度センサ。 - 前記所定期間において前記第１角速度センサ部により検出した前記第１検出結果の値から、前記所定期間において前記第２角速度センサ部により検出した前記第２検出結果の値を減じることにより、前記第１角速度センサ部のバイアス成分を算出するように構成されている、請求項１に記載の振動型角速度センサ。
- 前記所定期間は、前記２次側制御回路により前記振動子の前記２次振動に基づく角速度を検出する処理を行う第１期間と、前記振動子に前記１次振動を誘起する電極および前記振動子の前記２次振動を検出する電極を切り替えて、前記２次側制御回路により前記振動子の前記２次振動に基づく角速度を検出する処理を行う第２期間とを含み、
前記第１期間および前記第２期間は、同じ長さの時間である、請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。 - 前記所定期間は、前記第２角速度センサ部のバイアス成分が略一定となる短い期間である、請求項１～３のいずれか１項に記載の振動型角速度センサ。
- 第１の前記所定期間において前記第１角速度センサ部により検出した前記第１検出結果と、前記第１の所定期間において前記第２角速度センサ部により検出した前記第２検出結果とに基づいて、前記第１角速度センサ部のバイアス成分を算出するとともに、第２の前記所定期間において前記第２角速度センサ部により検出した角速度と、前記第１角速度センサ部のバイアス成分とを用いて、前記第２角速度センサ部のバイアス成分を算出するように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の振動型角速度センサ。
- 前記第１角速度センサ部は、
振動子と、
閉じた制御ループを有し、前記閉じた制御ループの出力が前記振動子に１次振動を誘起させる１次側制御回路と、
前記振動子に印加される角速度に起因して前記振動子に発生する２次振動を検出する閉じた制御ループを有する２次側制御回路と、を含み、
前記振動子に前記１次振動を誘起する電極および前記振動子の前記２次振動を検出する電極は切り替えられないように構成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の振動型角速度センサ。 - 前記第１検出結果は、前記所定期間において前記第１角速度センサ部により検出した角速度の積分値であり、
前記第２検出結果は、前記所定期間において前記第２角速度センサ部により検出した角速度の積分値である、請求項１～６のいずれか１項に記載の振動型角速度センサ。 - 前記振動子は、リング型の振動子を含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の振動型角速度センサ。
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|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2023037554A1 true WO2023037554A1 (ja) | 2023-03-16 |
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ID=85506238
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| WO (1) | WO2023037554A1 (ja) |
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