JP2008256668A

JP2008256668A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2008256668A
Application number: JP2007244841A
Authority: JP
Inventors: Sukeji Sonoda; 右司其田; Shinjiro Ueda; 真二郎上田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: JP5286725B2

Abstract

【課題】本発明は、振動子の駆動周波数と検知周波数の差である離調周波数からなるノイズ成分を確実に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におけるノイズ除去手段３３をアクティブローパスフィルター３６とパッシブローパスフィルター３７からなるバターワースフィルターとチェビシェフフィルター３８とを直列に接続することにより構成したものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、デジタルスチルカメラあるいはビデオカメラの手ぶれ防止に利用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６〜図８に示すような構成となっていた。

図６は従来の角速度センサにおける振動子の斜視図、図７は同角速度センサにおける回路ブロック図、図８は同角速度センサの検出回路におけるノイズ信号除去手段の回路図である。

図６〜図８において、１は圧電音叉からなる振動子で、この振動子１には、図６に示すように、駆動電極（図示せず）と、第１の検出電極２ａおよび第２の検出電極２ｂを設けている。３は駆動回路で、この駆動回路３はドライブ手段４と発振手段５とにより構成されており、そして図７に示すように、発振手段５からの発振をドライブ手段４を介して振動子１における駆動電極（図示せず）に入力するようにしている。６は検出回路で、この検出回路６は位相差検出手段７と増幅手段８およびノイズ除去手段９とで構成されており、そして位相差検出手段７により振動子１における検出電極２から発生する出力信号の位相差を検出するようにしている。また、前記検出回路６における増幅手段８は位相差検出手段７からの出力信号を増幅し、さらにノイズ除去手段９は前記増幅手段８の出力信号から不要なノイズ周波数成分を除去して角速度出力を出力している。そしてまた、前記検出回路６におけるノイズ除去手段９は、図８に示すように第１のローパスフィルター１０と第２のローパスフィルター１１とを直列に接続することにより構成されている。

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。

角速度センサにおける振動子１の駆動電極（図示せず）に交流電圧が負荷されると、図６に示すように、振動子１がＸ方向に駆動周波数で振動駆動する。そして、振動子１のＺ軸周りに角速度が負荷されると、コリオリ力により、振動子１がＹ軸方向に検知周波数で振動する。そして、この振動により第１の検出電極２ａおよび第２の検出電極２ｂから発生する電荷からなる出力信号の位相差を位相差検出手段７により検出し、さらに増幅手段８で増幅することにより、角速度を検出するものであった。

また、角速度センサを搭載するデジタルスチルカメラ（図示せず）が、人の持つ手の振れによる振動周波数である約１０Ｈｚで振動すると、出力信号は第１のローパスフィルター１０および第２のローパスフィルター１１で減衰されることなく、ほとんどすべての出力信号を伝達する。すなわち、図９および（表１）に示すように、１０Ｈｚ時の第１のローパスフィルター１０および第２のローパスフィルター１１からなるノイズ除去手段９による出力信号のゲインは０ｄＢである。

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２０００−２３４９３４号公報

しかしながら、上記した従来の構成においては、振動子１の駆動周波数と検知周波数の差である約５００Ｈｚの離調周波数からなる信号がノイズ成分としてノイズ除去手段９に入力された場合は、図９および（表１）に示すように、５００Ｈｚ時のゲインは−１７ｄＢであって、ノイズ成分の除去が少ないため、実際には、角速度センサに角速度が負荷されていないにも関わらず、出力信号が発生し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、振動子の駆動周波数と検知周波数の差である離調周波数からなるノイズ成分を確実に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、駆動電極および検出電極を設けた振動子と、前記駆動電極に電圧を供給することにより振動子を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検出電極に発生する電荷を出力信号に変換するとともに、この出力信号のノイズ信号を除去するノイズ除去手段を設けた検出回路とを備え、前記検出回路におけるノイズ除去手段をバターワースフィルターとチェビシェフフィルターとを直列に接続することにより構成したもので、この構成によれば、手ぶれの振動周波数である１０Ｈｚにおいては、周波数特性による位相遅れ等の損失が発生することはなく、また、ノイズ成分である離調周波数においては、チェビシェフフィルターによる減衰率が大きいため、ノイズ成分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２に記載の発明は、特に、バターワースフィルターをパッシブローパスフィルターとアクティブローパスフィルターで構成するとともに、チェビシェフフィルターのＱ特性により発生するノイズ周波数に依存する周波数成分をアクティブローパスフィルターで除去するようにしたもので、この構成によれば、バターワースフィルターをパッシブローパスフィルターとアクティブローパスフィルターで構成するとともに、チェビシェフフィルターのＱ特性により発生するノイズ周波数に依存する周波数成分をアクティブローパスフィルターで除去するようにしているため、チェビシェフフィルターの共振点付近での特性の劣化を確実に防止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、駆動電極および検出電極を設けた振動子と、前記駆動電極に電圧を供給することにより振動子を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検出電極に発生する電荷を出力信号に変換するとともに、この出力信号のノイズ信号を除去するノイズ除去手段を設けた検出回路とを備え、前記検出回路におけるノイズ除去手段をバターワースフィルターとチェビシェフフィルターとを直列に接続することにより構成しているため、手ぶれの振動周波数である１０Ｈｚにおいては、周波数特性による位相遅れ等の損失が発生することはなく、また、ノイズ成分である離調周波数においては、チェビシェフフィルターによる減衰率が大きいため、ノイズ成分を確実に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振動子の上面図、図２は同角速度センサにおける駆動回路および検出回路を示すブロック図、図３は同角速度センサの検出回路におけるノイズ除去手段の回路図である。

図１〜図３において、２１は音叉形状のシリコン基板の上面にＰＺＴからなる圧電薄膜を設けた振動子で、この振動子２１は駆動電極２２および検出電極２３を設けている。また、前記振動子２１における接続部２４にはモニター電極２５を設けている。２６は駆動回路で、この駆動回路２６は図２に示すように、前記振動子２１における駆動電極２２に電気的に接続されている。２７は検出回路で、この検出回路２７は、一対の増幅器２８と、差動アンプ２９と、位相シフタ３０と、反転アンプ３１と、同期検波器３２と、ノイズ除去手段３３と、平滑回路３９とにより構成されている。そして、前記検出回路２７における一対の増幅器２８は、前記振動子２１における各々の一対の検出電極２３からの出力信号を増幅するとともに、前記差動アンプ２９に出力している。また、前記検出回路２７における差動アンプ２９は前記増幅器２８からの出力信号を差動増幅しており、さらに、前記位相シフタ３０により、差動アンプ２９からの出力信号の位相を９０度遅延させている。そしてまた、前記検出回路２７における反転アンプ３１は、前記位相シフタ３０からの出力信号を反転させて、同期検波器３２に入力している。また、この同期検波器３２には、位相シフタ３０からの出力信号も入力されているものである。

３４はモニター回路で、このモニター回路３４は前記振動子２１におけるモニター電極２５からの出力信号を入力するとともに、このモニター回路３４からの出力信号を検波クロック３５に入力している。また、前記検出回路２７における同期検波器３２は、前記位相シフタ３０および反転アンプ３１からの出力信号を検波クロック３５からの同期信号に合わせて検波を行い、ノイズ除去手段３３に入力している。そして、このノイズ除去手段３３は、図３に示すように、アクティブローパスフィルター３６とパッシブローパスフィルター３７からなるバターワースフィルターと、非反転増幅器４０およびチェビシェフフィルター３８とを直列に接続することにより構成しているものである。３９は平滑回路で、この平滑回路３９は前記チェビシェフフィルター３８からの出力信号を平滑化して出力しているものである。

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２１における駆動電極２２に交流電圧が印加されると、振動子２１が図１における矢印の方向に所定の周波数で振動駆動する。そしてこの状態において、振動子２１の長手方向を回転軸とする角速度が振動子２１に負荷されると、コリオリ力により、振動子２１における圧電薄膜に電荷が発生し、一対の検出電極２３に、それぞれ図４（ａ）、図４（ｂ）に示す波形からなる出力信号が発生する。そして、この出力信号を前記差動アンプ２９で差動増幅することにより、図４（ｃ）に示す出力信号を位相シフタ３０に入力する。この位相シフタ３０は、図４（ｄ）に示すように位相を９０度遅延させ、さらにその出力信号は反転アンプ３１により図４（ｅ）に示すように反転した信号として出力される。一方、前記振動子２１の駆動振幅によりモニター電極２５から発生する電荷を、モニター回路３４により図４（ｆ）に示すモニター電圧に変換し、さらに、検波クロック３５により図４（ｇ）に示す検波クロック出力信号を同期検波器３２に入力する。そして、この同期検波器３２は位相シフタ３０および反転アンプ３１からの出力信号を検波クロック３５からの出力信号に同期して検波し、図４（ｈ）に示す出力信号を出力する。そして、この同期検波器３２からの出力信号は、ノイズ信号除去手段３３でノイズを除去した後、平滑回路３９により平滑して図４（ｉ）に示すように角速度信号として出力するものである。

このとき、角速度センサを搭載するデジタルスチルカメラ（図示せず）が、人の持つ手の振れによる振動周波数である約１０Ｈｚで振動すると、アクティブローパスフィルター３６、パッシブローパスフィルター３７およびチェビシェフフィルター３８からなるノイズ除去手段３３がほとんどすべての出力信号を伝達するため、この１０Ｈｚ時のゲインは、図５および（表２）に示すように０ｄＢである。

一方、振動子２１の駆動周波数と検知周波数の差である約５００Ｈｚの離調周波数からなる信号がノイズ成分としてノイズ除去手段３３に入力された場合は、このノイズ除去手段３３の働きにより、５００Ｈｚ時のゲインは、図５および（表２）に示すように−３０ｄＢとなるものである。すなわち、本発明の一実施の形態においては、検出回路２７におけるノイズ除去手段３３をアクティブローパスフィルター３６とパッシブローパスフィルター３７からなるバターワースフィルターとチェビシェフフィルター３８とを直列に接続することにより構成しているため、手ぶれの振動周波数である１０Ｈｚにおいては、周波数特性による位相遅れ等の損失が発生することはなく、また、ノイズ成分である離調周波数の５００Ｈｚにおいては、チェビシェフフィルター３８による減衰率が大きいため、ノイズ成分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。

ここで、チェビシェフフィルター３８のＱ値により、出力信号に１８０Ｈｚのノイズ信号が付加された場合を考えてみると、図５に示すように、チェビシェフフィルター３８の１８０Ｈｚ付近での減衰率は、チェビシェフフィルター３８が１８０Ｈｚ付近で共振先鋭度が最大で、２ｄＢ増加することになり、その結果、チェビシェフフィルター３８単体では、ノイズ信号が増加することになってしまう。一方、アクティブローパスフィルター３６の１８０Ｈｚ付近での減衰率は−３．５ｄＢであるため、チェビシェフフィルター３８の特性によるノイズ信号の増加分をアクティブローパスフィルター３６の特性により、打ち消すことができるものである。

すなわち、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、バターワースフィルターをパッシブローパスフィルター３７とアクティブローパスフィルター３６で構成するとともに、チェビシェフフィルター３８のＱ特性により発生するノイズ周波数に依存する周波数成分をアクティブローパスフィルター３６で除去するようにしているため、チェビシェフフィルター３８の共振点付近での特性の劣化を確実に防止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、振動子の駆動周波数と検知周波数の差である離調周波数からなるノイズ成分を確実に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効果を有するものであり、特にデジタルスチルカメラあるいはビデオカメラの手ぶれ防止に利用する角速度センサとして有用となるものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの振動子の上面図同角速度センサにおける駆動回路および検出回路を示すブロック図同角速度センサの検出回路におけるノイズ除去手段の回路図（ａ）〜（ｉ）同角速度センサの動作状態を示す波形図同角速度センサにおける出力信号の周波数特性を示す図従来の角速度センサにおける振動子の斜視図同角速度センサにおける回路ブロック図同角速度センサの検出回路におけるノイズ信号除去手段の回路図同角速度センサにおける出力信号の周波数特性を示す図

符号の説明

２１振動子
２２駆動電極
２３検出電極
２６駆動回路
２７検出回路
３３ノイズ除去手段
３６アクティブローパスフィルター
３７パッシブローパスフィルター
３８チェビシェフフィルター

Claims

駆動電極および検出電極を設けた振動子と、前記駆動電極に電圧を供給することにより振動子を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検出電極に発生する電荷を出力信号に変換するとともに、この出力信号のノイズ信号を除去するノイズ除去手段を設けた検出回路とを備え、前記検出回路におけるノイズ除去手段をバターワースフィルターとチェビシェフフィルターとを直列に接続することにより構成した角速度センサ。
バターワースフィルターをパッシブローパスフィルターとアクティブローパスフィルタ−で構成するとともに、チェビシェフフィルターのＱ特性により発生するノイズ周波数に依存する周波数成分をアクティブローパスフィルターで除去するようにした請求項１記載の角速度センサ。