JP2009192460A

JP2009192460A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2009192460A
Application number: JP2008035599A
Authority: JP
Inventors: Sukeji Sonoda; 右司其田; Masamitsu Ohara; 正満大原; Shinjiro Ueda; 真二郎上田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】本発明は、角速度センサの常温及び近傍の温度が変化することでセンス信号の位相ズレが発生し、同期検波器でモニター信号と位相ズレした状態で検波することで、角速度センサに角速度が付加されていないにも関わらず、あたかも角速度が加わっているような出力信号が発生してしまうということはなく、特性の向上した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に同期検波器３２と非反転増幅器３４および平滑回路３５を設け、かつ前記非反転増幅器３４における反転入力端子４０に第１の抵抗４１を介して固定電圧を印加する固定電源４２を設け、かつ非反転増幅器３４における反転入力端子４０に前記第１の抵抗４１および固定電源４２と並列に第２の抵抗４３を介して端子４４を設けた構成としたものである。
【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。

図７は従来の角速度センサにおける検出回路を示すブロック図である。

図７において、１は振動子である。２は駆動回路で、この駆動回路２は前記振動子１を所定の振幅および周波数で振動駆動させるものである。３は検出回路で、この検出回路３は、前記振動子１に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子１に発生する電荷を増幅する電荷増幅器４と、この電荷増幅器４の出力信号の位相を変化させるオペアンプからなる位相器５と、この位相器５からの出力信号を前記駆動回路２からの出力信号に同期検波させる同期検波器６と、この同期検波器６の出力信号を平滑するとともに増幅する平滑回路７とにより構成されているものである。

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。

従来の角速度センサは、振動子１の固有振動数で励振した状態で、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、振動子１にコリオリ力が生じ、これが電荷として検出され、そして検出回路３により出力信号に変換されることによって、角速度を検出するものであった。

ここで、振動子１の形状のアンバランスにより、位相ズレが発生し、角速度が振動子１に負荷されていないにも関わらず、図８（ａ）に示すような誤差信号が従来の検出回路３における電荷増幅器４および位相器５を介して発生する場合を考えて見ると、従来の角速度センサにおいては、図８（ｂ）に示すような駆動回路２における出力信号に同期して、出力信号が図８（ｃ）に示す信号に変換される。そうすると、平滑回路７により平滑化されるため、誤差信号が零出力値となり、これにより、振動子１の形状のアンバランスにより発生する誤差信号をキャンセルすることができるものであった。

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２００３−２４７８２８号公報

しかしながら、上記した従来の構成においては、角速度センサにおいて常温もしくは近傍の温度変化でセンス信号の位相ズレが発生したときに、同期検波器６において図９（ａ）に示すように、同期検波器６から出力される出力信号の位相がずれることとなるため、図９（ｂ）に示すような駆動回路２における出力信号に同期して同期検波すると、出力信号が図９（ｃ）に示すように、負側の面積が大きくなることとなり、これにより、平滑回路７により平滑化した信号は負の値となるから、角速度センサに角速度が付加されていないにも関わらず、あたかも角速度が加わっているような出力信号が発生して、出力電圧がシフトし、この状態で角速度を印加しても出力電圧が変化しない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、角速度センサにおいて常温もしくは近傍の温度が変化したときにセンス信号の位相ズレが発生し、同期検波器において、同期検波器から出力される出力信号の位相ズレが発生したとしても、角速度センサに角速度が付加されていないにも関わらず、出力電圧がシフトし、この状態で角速度が印加しても出力電圧が変化しないということはなく、特性が向上した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検出回路とを備え、前記検出回路に同期検波器と非反転増幅器および平滑回路を設け、かつ前記非反転増幅器における反転入力端子に第一の抵抗を介して基準電圧源を設け、前記反転入力端子と第二の抵抗を介した可変電圧を印加できる端子を設ける構成としたもので、この構成によれば、第二の抵抗を介した可変電圧を印加できる端子から、角速度センサにおいて常温もしくは近傍の温度がセンス信号に位相ズレが発生したときに、同期検波器にて位相ズレした状態で検波し、平滑回路から出力される電圧がシフトしても、そのシフト値を、非反転増幅器における反転入力端子に印加する電圧を変化させることにより補正することができ、これにより、角速度センサに角速度が付加されていないにも関わらず、あたかも角速度が加わっているような出力信号が発生してしまうことがないため、特性の向上した角速度センサを提供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検出回路とを備え、前記検出回路に非反転増幅器を設けるとともに、この非反転増幅器における反転入力端子に第１の抵抗を介して固定電圧を印加する固定電源を設け、かつ非反転増幅器における反転入力端子に前記第１の抵抗および固定電源と並列に第２の抵抗を介して可変電圧を印加する可変電源を設けたもので、この構成によれば、検出回路に非反転増幅器を設けるとともに、この非反転増幅器における反転入力端子に第１の抵抗を介して固定電圧を印加する固定電源を設け、かつ非反転増幅器における反転入力端子に前記第１の抵抗および固定電源と並列に第２の抵抗を介してＤＡコンバータの出力電圧を簡易的に対応できる端子を設けたため、角速度センサの常温及び近傍の温度変化によりセンス信号の位相ズレが発生し、平滑回路から出力される出力信号のシフト値を、非反転増幅器における反転入力端子に印加するＤＡコンバータ出力電圧を簡易的に変化させることにより、補正することができ、これにより、角速度センサに角速度が付加されていないにも関わらず、あたかも角速度が加わっているような出力信号が発生してしまうことはないため、特性の向上した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および非反転増幅器の回路図である。

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、非反転増幅器３４と、平滑回路３５とを備えている。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。

３６はモニター回路で、このモニター回路３６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３６からの出力信号を検波クロック３７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３７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３８およびパッシブローパスフィルター３９からなるバターワースフィルターで構成されている。そしてまた、前記非反転増幅器３４は、ノイズ除去手段３３からの出力信号を増幅するとともに、反転入力端子４０にトリマブル抵抗からなる第１の抵抗４１を介して固定電源４２に接続することにより固定電圧を印加している。さらに、前記非反転増幅器３４における反転入力端子４０には、前記第１の抵抗４１と並列に固定抵抗からなる第２の抵抗４３を介して、ＤＡコンバータ出力電圧に対応可能な端子４４に接続しており、この端子４４により、ＤＡコンバータ出力電圧を非反転増幅器３４における反転入力端子４０に入力している。また、この非反転増幅器３４からの出力信号を前記平滑回路３５に入力することにより、平滑化して、角速度に応じた出力信号を出力している。

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３６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３７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。そうすると、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３７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からの出力信号を、ノイズ信号除去手段３３でノイズを除去した後、平滑回路３５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。

ここで、振動子２１の寸法バラツキにより、角速度センサに角速度が付加されていないにも関わらず、振動子２１の振動駆動により、検出電極２３に電荷が発生する場合を考えて見ると、その場合には、一対の検出電極２３に、それぞれ図５（ａ）、図５（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５（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５（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５（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３６により図５（ｆ）に示すモニター電圧に変換し、さらに、検波クロック３７により図５（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。そうすると、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３７からの出力信号に同期して検波し、図５（ｈ）に示す出力信号を出力する。そして、この同期検波器３２からの出力信号を、ノイズ信号除去手段３３でノイズを除去した後、平滑回路３５により平滑すると、図５（ｉ）に示すように、零値となり、振動子２１の寸法バラツキにより発生したノイズ信号が除去されるものである。

ここで、さらに、角速度センサの常温及び近傍の温度変化でセンス信号の位相ズレの発生により、同期検波器３２からのセンス信号の位相が図６（ａ）に示すように、変動する場合を考えると、図６（ｂ）に示すようなモニター回路３６における出力信号に同期して同期検波すると、出力信号が図６（ｃ）に示すように、負側の面積が大となることとなる。

そうすると、図６（ｄ）に示すように、平滑回路３５からは、負の出力信号が出力される。この場合、外部コンピュータ（図示せず）が、角速度センサに角速度が付加されていないにも関わらず負の出力信号が出力されていることを認識して、各々の温度に応じた電圧値をＤＡコンバータ出力電圧対応可能な端子４４から第２の抵抗４３を介して、非反転増幅器３４における反転入力端子４０に入力する。そうすると（数１）に示すように、非反転増幅器３４における抵抗３４ａと、第２の抵抗４３の値に応じて、非反転増幅器３４からの出力信号の電圧値が大きくなる方向にシフトする。

したがって、同期検波器３２の温度変化による出力信号の変動を補正する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、非反転増幅器３４における反転入力端子４０に第１の抵抗４１を介して固定電源４２により固定電圧を印加するとともに、前記第１の抵抗４１および固定電源４２と並列に非反転増幅器３４における反転入力端子４０に第２の抵抗４３を介してＤＡコンバータ出力電圧を簡易的に対応可能な端子４４を設けた構成としているため、角速度センサの常温及び近傍の温度変化でセンス信号の位相ズレが発生し、同期検波器３２から出力される出力信号の位相が変化したとしても、平滑回路３５から出力される出力信号のシフト値を、非反転増幅器３４における反転入力端子４０に印加する電圧を変化させることにより補正することができ、これにより、角速度センサに角速度が付加されていないにも関わらず、あたかも角速度が加わっているような出力信号が発生してしまうことはないため、特性の向上した角速度センサを提供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、角速度センサの常温及び近傍の温度変化でセンス信号の位相ズレが発生し、平滑回路で出力電圧がシフトし、角速度センサに角速度が付加されていないにも関わらず、あたかも角速度が加わっているような出力信号が発生してしまうということはなく、特性の向上した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および非反転増幅器の回路図（ａ）〜（ｉ）本発明の一実施の形態における角速度センサの動作状態を示す波形図（ａ）〜（ｉ）本発明の一実施の形態における角速度センサの動作状態を示す波形図（ａ）〜（ｅ）本発明の一実施の形態における角速度センサの動作状態を示す波形図従来の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（ａ）〜（ｃ）従来の角速度センサの動作状態を示す波形図（ａ）〜（ｄ）従来の角速度センサの動作状態を示す波形図

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
３２同期検波器
３４非反転増幅器
３５平滑回路
４０反転入力端子
４１第１の抵抗
４２固定電源
４３第２の抵抗
４４端子

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検出回路とを備え、前記検出回路に同期検波器と非反転増幅器および平滑回路を設け、かつ前記非反転増幅器における反転入力端子に第一の抵抗を介して基準電圧源を設け、前記反転入力端子と第二の抵抗を介して出力端子を設ける構成とした角速度センサ。