JP2008070131A - 角速度センサ - Google Patents
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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
【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。
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
36,40 CR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
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
36,40 CR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 (3)
- 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。
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