JP2008070131A

JP2008070131A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2008070131A
Application number: JP2006246501A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Murakami; 昌良村上
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】本発明は、電荷増幅器からの出力信号にどのようなノイズ成分がのっている場合でも、確実にノイズ成分を除去することができる角速度センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の角速度センサは、検出回路２７における電荷増幅器２８ａおよび電荷増幅器２８ｂと同期検波器３１との間に電荷増幅器２８ａおよび電荷増幅器２８ｂの出力信号に生じるノイズ信号を除去するノイズ信号除去手段３５を設けた構成としたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等に利用でき、かつ故障診断機能を有する角速度センサに関するものである。

従来のこの種の角速度センサは、図５、図６に示すような構成となっていた。

図５は従来の角速度センサの斜視図、図６は同角速度センサにおける信号検出回路を示すブロック図である。

図５、図６において、１は直方体形状の振動子で、この振動子１は外側面に一対の駆動用圧電素子２と、検出用圧電素子３とを設けている。４は増幅器で、この増幅器４は振動子１における検出用圧電素子３から発生する電荷を電圧に変換するとともに増幅しているものである。

以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。

駆動用圧電素子２に駆動交流電圧を印加して、振動子１の固有振動数で励振し、両駆動用圧電素子２の配列方向Ｘに振動子１を振動させた状態で、この振動子１の軸心方向Ｚを中心とする角速度Ωが振動子１に印加されると、Ｘ方向及びＺ方向に対して直角な方向Ｙにコリオリ力が生じ、これが検出用圧電素子３によって電荷として検出され、増幅器４により出力信号に変換される。

ここで、増幅器４からの出力信号にノイズ信号が発生する場合を考えると、従来の角速度センサにおいては、図６に示すように、一対の角速度センサを準備し、増幅器４からの出力信号のうちの共通成分のみを抽出する共通成分抽出部６を設けることにより、共通成分にはノイズ成分が少ないことを利用してノイズ信号を除去するようにしていた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平６−１７４４７５号公報

しかしながら、上記従来の構成では、一対の角速度センサにおける増幅器４からの出力信号に共通のノイズ成分がのっている場合には、共通成分抽出部６からの出力信号にもノイズ成分がのることになり、これにより、正確な角速度を検出することができなくなってしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、電荷増幅器からの出力信号にどのようなノイズ成分がのっている場合でも、確実にノイズ成分を除去することができる角速度センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器とこの電荷増幅器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器とこの同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路とからなる検出回路とを備え、前記検出回路における電荷増幅器と同期検波器との間に電荷増幅器の出力信号に生じるノイズ信号を除去するノイズ信号除去手段を設けたもので、この構成によれば、検出回路における電荷増幅器と同期検波器との間に電荷増幅器の出力信号に生じるノイズ信号を除去するノイズ信号除去手段を設けたため、増幅器からの出力信号にどのようなノイズ成分がのっている場合でも、確実にノイズ成分を除去することができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、ノイズ信号除去手段を、ＣＲ発振器と、このＣＲ発振器の出力信号を分周することにより、電荷増幅器から出力されるノイズ信号と略同一の周波数の出力信号を出力する分周回路と、この分周回路からの出力信号の位相を電荷増幅器からのノイズ信号を反転させた位相の信号に変換して出力する位相器と、前記分周回路からの出力信号の振幅と電荷増幅器からのノイズ信号の振幅とを略同一になるように調整する可変減衰器とにより構成したもので、この構成によれば、分周回路により電荷増幅器から出力されるノイズ信号と略同一の周波数の出力信号を出力するとともに、位相器により前記分周回路からの出力信号の位相を電荷増幅器からのノイズ信号を反転させた位相の信号に変換して出力し、さらに、可変減衰器により、前記分周回路からの出力信号の振幅と電荷増幅器からのノイズ信号の振幅とが略同一になるように調整しているため、ノイズ信号除去手段からの出力信号を電荷増幅器の出力信号に加算することにより、角速度センサの出力信号からのノイズ信号を確実に除去することができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、ノイズ信号除去手段を構成する分周回路、位相器および可変減衰器を複数設けるとともに、各々の分周回路、位相器および可変減衰器からの出力信号を合成する合成回路を設け、電荷増幅器からの出力信号に生じる複数の周波数からなるノイズ信号の全てを除去するようにしたもので、この構成によれば、ノイズ信号除去手段を構成する分周回路、位相器および可変減衰器を複数設けるとともに、各々の分周回路、位相器および可変減衰器からの出力信号を合成する合成回路を設け、電荷増幅器からの出力信号に生じる複数の周波数からなるノイズ信号の全てを除去するようにしているため、電荷増幅器からの出力信号に複数の周波数からなるノイズ信号が含まれている場合でも、複数の分周回路、位相器および可変減衰器からの出力信号を合成する合成回路からの出力信号を加算することにより、増幅器からの出力信号に生じる複数の周波数からなるノイズ信号の全てを確実に除去することができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の角速度センサは、振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器とこの電荷増幅器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器とこの同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路とからなる検出回路とを備え、前記検出回路における電荷増幅器と同期検波器との間に電荷増幅器の出力信号に生じるノイズ信号を除去するノイズ信号除去手段を設けているため、増幅器からの出力信号にどのようなノイズ成分がのっている場合でも、確実にノイズ成分を除去することができる角速度センサを提供することができるという優れた効果を奏するものである。

以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの斜視図、図２は同角速度センサの駆動回路および検出回路を示すブロック図である。

図１、図２において、１１は振動子で、この振動子１１は四角柱状の水晶製の駆動電極振動体１２と、四角柱状の水晶製の検出電極振動体１３と、水晶製の接続部１４とにより構成されている。そして前記駆動電極振動体１２には、４つの側面に金からなる駆動電極１５ａおよび駆動電極１５ｂが設けられている。また前記検出電極振動体１３は駆動電極振動体１２と平行に設けられているもので、その表面および裏面には金からなるモニタ電極１６が設けられている。そしてまた前記検出電極振動体１３には、内側の側面に金からなるＧＮＤ電極１７が設けられ、かつ外側の側面に金からなる一対の検出電極１８ａ，１８ｂが設けられている。１９は駆動回路で、この駆動回路１９は前記振動子１１のモニタ電極１６の電荷を入力する増幅器２０と、この増幅器２０の出力信号を入力するバンドパスフィルタ２１と、このバンドパスフィルタ２１の出力信号を入力する整流器２２と、この整流器２２の出力信号を入力する平滑回路２３とにより構成されている。２４はＡＧＣ回路で、このＡＧＣ回路２４は前記駆動回路１９における平滑回路２３の出力信号を入力し、前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。２５は駆動制御回路で、この駆動制御回路２５は前記ＡＧＣ回路２４の出力信号を入力するとともに、前記振動子１１における駆動電極１５ａに駆動信号を入力するものである。２６は反転アンプで、この反転アンプ２６は前記駆動制御回路２５の出力信号を入力するとともに、前記振動子１１における駆動電極１５ｂに駆動制御回路２５の出力信号を反転させた駆動信号を入力するものである。

２７は検出回路で、この検出回路２７は、前記振動子１１における一対の検出電極１８ａ，１８ｂのうちの一方の検出電極１８ａにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する電荷増幅器２８ａと、一対の検出電極１８ａ，１８ｂのうちの他方の検出電極１８ｂにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する電荷増幅器２８ｂと、これらの電荷増幅器２８ａおよび２８ｂの出力信号を入力する差動増幅器２９と、この差動増幅器２９の出力信号を入力する位相器３０と、この位相器３０の出力信号を入力する同期検波器３１と、この同期検波器３１の出力信号を入力する平滑回路３２と、この平滑回路３２の出力信号を入力するとともに、増幅して角速度信号を出力する直流アンプ３３とにより構成されている。３４はモニタ端子で、このモニタ端子３４は前記差動増幅器２９からの出力信号を検出するように設けられている。３５はノイズ信号除去手段で、このノイズ信号除去手段３５は、第１のＣＲ発振器３６と、この第１のＣＲ発振器３６から出力される出力信号を分周して出力する第１の分周回路３７と、この第１の分周回路３７からの出力信号の位相を変換して出力する第１の位相器３８と、この第１の位相器３８からの出力信号の振幅を調整する第１の可変減衰器３９とを備えるとともに、第２のＣＲ発振器４０と、この第２のＣＲ発振器４０から出力される出力信号を分周して出力する第２の分周回路４１と、この第２の分周回路４１からの出力信号の位相を変換して出力する第２の位相器４２と、この第２の位相器４２からの出力信号の振幅を調整する第２の可変減衰器４３とを備え、さらに前記第１の可変減衰器３９からの出力信号と第２の可変減衰器４３からの出力信号を合成して出力する合成回路４４とを備えている。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次にその動作を説明する。

振動子１１の駆動電極１５ａおよび１５ｂに交流電圧を加えると、振動子１１が共振し、そしてこの振動子１１のモニタ電極１６に電荷が発生する。このモニタ電極１６に発生した電荷は、駆動回路１９における増幅器２０に入力され、正弦波形の出力電圧として出力される。そしてこのモニタ電極１６の出力電圧を前記バンドパスフィルタ２１に入力し、振動子１１の共振周波数のみを抽出し、ノイズ成分を除去して、図３（ａ）に示すような正弦波形を出力する。そしてまた前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を整流器２２に入力することにより、負電圧成分を正電圧に変換した後、平滑回路２３に入力することにより、直流電圧信号に変換する。そしてＡＧＣ回路２４は前記平滑回路２３の直流電圧信号が大の場合には前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を減衰させるような信号を、一方、前記平滑回路２３の直流電圧信号が小の場合には前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を増幅させるような信号を駆動制御回路２５に入力し、前記振動子１１の振動を一定振幅になるように調整するものである。

ここで、振動子１１の駆動電極振動体１２が振動方向に速度ｖで屈曲振動している状態において、前記振動子１１の長手方向の中心軸周りに前記振動子１１が角速度ωで回転すると、この振動子１１の検出電極振動体１３にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により前記検出電極振動体１３の一対の検出電極１８における一方の検出電極１８ａに図３（ｂ）に示すような電荷が発生するとともに、他方の検出電極１８ｂに図３（ｃ）に示すような電荷が発生する。そしてこの一対の検出電極１８に発生する電荷はコリオリ力により発生するため、前記モニタ電極１６に発生する信号より、一方の検出電極１８ａに生じる電荷の位相が９０度進むとともに、他方の検出電極１８ｂに生じる電荷の位相が２７０度進んでいる。そして前記差動増幅器２９により、一方の検出電極１８ａから発生する電荷を図３（ｄ）に示すような出力電圧に変換する。増幅器２８ｂは、他方の検出電極１８ｂから発生する電荷を増幅し、図３（ｅ）に示すような出力電圧に変換する。

そして、電荷増幅器２８ａおよび電荷増幅器２８ｂの出力信号を差動増幅器２９に入力するとともに、差動をとることにより、差動増幅器２９が差動からなる出力信号を出力する。さらに位相器３０により、前記差動増幅器２９の出力電圧を９０度遅らせて図３（ｆ）に示すような出力電圧に変換する。そしてこの位相器３０の出力信号を同期検波器３１に入力し、前記駆動回路１９におけるバンドパスフィルタ２１の振動の周期で位相検波させるとともに、前記位相器３０の出力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、図３（ｇ）に示すような出力信号を得る。そしてこの同期検波器３１の出力電圧を前記平滑回路３２および直流アンプ３３により平滑化するとともに、増幅し、図３（ｈ）に示すような出力信号を得る。そして直流アンプ３３の出力信号を角速度の信号として、相手側のコンピュータ（図示せず）等に入力し、角速度を検出するものである。

ここで、角速度信号の周波数よりも高い周波数のノイズ信号が図４（ａ）に示すように、差動増幅器２９からの出力信号にのっている場合を考えると、このような状態において、同期検波器３１により、駆動回路１９の駆動周波数に応じた同期検波および反転をさせた後、平滑回路３２により平滑化すると、誤差成分が直流アンプ３３からの出力信号にのってしまう。そこで、モニタ端子３４から差動増幅器２９からの出力信号を取り出し、ＦＦＴアナライザ（図示せず）に入力して、周波数分析をすると、図４（ｂ）に示すような、本来の角速度に応じた周波数成分の他に、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すような高調波の周波数成分が出力される。そこで、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、第１のＣＲ発振器３６からの出力信号を第１の分周回路３７により分周した後、第１の位相器３８により、図４（ｃ）に示す出力信号の位相を反転させた信号を出力し、さらにその出力信号を第１の可変減衰器３９により調整して、図４（ｃ）に示す振幅と同一の振幅からなる出力信号である図４（ｅ）に示すような出力信号を出力し、また、これと同様に、第２のＣＲ発振器４０からの出力信号を第２の分周回路４１により分周した後、第２の位相器４２により、図４（ｄ）に示す出力信号の位相を反転させた信号を出力し、さらにその出力信号を第２の可変減衰器４３により調整して、図４（ｄ）に示す振幅と同一の振幅からなる出力信号である図４（ｆ）に示すような出力信号を出力し、そして、この第１の可変減衰器３９からの出力信号と第２の可変減衰器４３からの出力信号を合成回路４４により合成して、前記差動増幅器２９からの出力信号に加算することにより、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すようなノイズ信号からなる成分を除去するようにしているもので、このような構成とすることにより、図４（ｂ）に示す角速度信号のみからなる本来の出力信号を位相器３０に入力することができるため、同期検波器３１、平滑回路３２および直流アンプ３３を介して、角速度センサから角速度に応じた正確な出力信号を出力することができるものである。

上記した本発明の一実施の形態においては、ノイズ信号除去手段３５を、第１のＣＲ発振器３６と、この第１のＣＲ発振器３６の出力信号を分周することにより、差動増幅器２９から出力されるノイズ信号と略同一の周波数の出力信号を出力する第１の分周回路３７と、この第１の分周回路３７からの出力信号の位相を差動増幅器２９からのノイズ信号を反転させた位相の信号に変換して出力する第１の位相器３８と、前記第１の分周回路３７からの出力信号の振幅と差動増幅器２９からのノイズ信号の振幅とを略同一になるように調整する第１の可変減衰器３９とで構成したもので、第１の分周回路３７により差動増幅器２９から出力されるノイズ信号と略同一の周波数の出力信号を出力するとともに、第１の位相器３８により前記第１の分周回路３７からの出力信号の位相を差動増幅器２９からのノイズ信号を反転させた位相の信号に変換して出力し、さらに、第１の可変減衰器３９により、前記第１の分周回路３７からの出力信号の振幅と差動増幅器２９からのノイズ信号の振幅とが略同一になるように調整しているため、ノイズ信号除去手段３５からの出力信号を差動増幅器２９の出力信号に加算することにより、角速度センサの出力信号からのノイズ信号を確実に除去することができるという効果が得られるものである。

また、上記本発明の一実施の形態においては、ノイズ信号除去手段３５を、第１の分周回路３７、第２の分周回路４１、第１の位相器３８、第２の位相器４２、第１の可変減衰器３９および第２の可変減衰器４３で構成するとともに、第１の分周回路３７、第１の位相器３８および第１の可変減衰器３９を介した出力信号と、第２の分周回路４１、第２の位相器４２および第２の可変減衰器４３を介した出力信号とを合成する合成回路４４を設け、差動増幅器２９からの出力信号に生じる２つの周波数からなるノイズ信号の双方を除去するようにしているため、差動増幅器２９からの出力信号に２つの周波数からなるノイズ信号が含まれている場合でも、第１の分周回路３７、第１の位相器３８および第１の可変減衰器３９を介した出力信号と、第２の分周回路４１、第２の位相器４２および第２の可変減衰器４３を介した出力信号とを加算することにより、差動増幅器２９からの出力信号に生じる２つの周波数からなるノイズ信号の双方を確実に除去することができるという効果が得られるものである。

本発明に係る角速度センサは、電荷増幅器からの出力信号にどのようなノイズ成分がのっている場合でも、確実にノイズ成分を除去することができるという効果を有するものであり、特に、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等に使用される角速度センサとして有用なものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの斜視図同角速度センサの駆動回路および検出回路を示すブロック図（ａ）〜（ｈ）同角速度センサの動作状態における出力信号を示す波形図（ａ）〜（ｆ）同角速度センサにおけるノイズ信号除去手段が動作した状態を示す波形図従来の角速度センサの斜視図同角速度センサの動作状態を示すブロック図

符号の説明

１１振動子
１９駆動回路
２７検出回路
２８ａ，２８ｂ電荷増幅器
３１同期検波器
３２平滑回路
３５ノイズ信号除去手段
３６，４０ＣＲ発振器
３７，４１分周回路
３８，４２位相器
３９，４３可変減衰器
４４合成回路

Claims

振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器とこの電荷増幅器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器とこの同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路とからなる検出回路とを備え、前記検出回路における電荷増幅器と同期検波器との間に電荷増幅器の出力信号に生じるノイズ信号を除去するノイズ信号除去手段を設けた角速度センサ。
ノイズ信号除去手段を、ＣＲ発振器と、このＣＲ発振器の出力信号を分周することにより、電荷増幅器から出力されるノイズ信号と略同一の周波数の出力信号を出力する分周回路と、この分周回路からの出力信号の位相を電荷増幅器からのノイズ信号を反転させた位相の信号に変換して出力する位相器と、前記分周回路からの出力信号の振幅と電荷増幅器からのノイズ信号の振幅とが略同一になるように調整する可変減衰器とにより構成した請求項１記載の角速度センサ。
ノイズ信号除去手段を構成する分周回路、位相器および可変減衰器を複数設けるとともに、各々の分周回路、位相器および可変減衰器からの出力信号を合成する合成回路を設け、電荷増幅器からの出力信号に生じる複数の周波数からなるノイズ信号の全てを除去するようにした請求項２記載の角速度センサ。