JP2011058860A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動式の角速度センサにおいては、センサを内包する筐体内の圧力変動や、センサ素子，制御回路自体の温度変動，経時劣化等により駆動方向と検出方向の共振周波数の関係が変動しセンサの検出感度が変動する。
【解決手段】振動体からの変位信号を同期検波する同期検波手段と、その出力が常に最大値となるように共振周波数調整電極に与える電圧値を変化させる手段と、その出力を検出軸方向の共振周波数調整電極に帰還させる手段とで構成される。
【効果】温度や圧力の変動や経時劣化等に影響されずセンサの検出感度を一定に保つことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動式の角速度センサに係り、特に振動体の変位信号の位相変動の影響を低減する角速度センサに関する。

振動式の角速度センサを高精度に制御する方法としては、特許文献１記載のような装置が開示されている。

特開２００５−４３０９８号公報

振動式の角速度センサにおいては、センサの検出感度を一定に保つために、駆動軸方向の共振周波数と、それと直行する検出軸方向の共振周波数を一致もしくは一定の周波数差となるように調整する。しかしながら、センサを内包する筐体内の圧力変動や、センサ素子，制御回路自体の温度変動，経時劣化等により駆動方向と検出方向の共振周波数の関係が変動しセンサの検出感度が変動するという課題がある。

上記課題に対し、特許文献１記載の技術は、振動体を検出軸方向に所望の共振周波数で振動させる検出駆動回路を設け、振動体を検出方向に振動させ、センサ出力のゲインが所望の値となるように、検出方向の共振周波数を調整するものである。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、駆動軸方向から検出軸方向への漏れ振動、または検出側のサーボ制御電極に所望の共振周波数信号を入力することで検出軸方向への振動を検出し、その検出結果により検出軸方向の共振周波数を調整し、上記の機能を実現するものである。

上記課題は、角速度検出装置において、角速度の発生に関わらず第２の方向に恒常的に生じる変位を検出する手段と、その出力に応じて前記第２の方向の共振周波数を調整する手段を有することにより解決される。

また、上記課題は、角速度検出装置において、第２の方向への変位を抑制するため振動体に設けたサーボ電極に、前記振動体を前記第２の方向に振動させる信号を入力する手段と、前記第２の方向に生じる変位を検出する手段と、その出力に応じて前記第２の方向の共振周波数を調整する手段を有することにより解決される。

常時、駆動軸方向と検出軸方向の共振周波数を一致または一定の周波数分離調することができるため、センサの検出感度を一定に保つことができる。

第１の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成。 第１の実施例の角速度センサの信号処理回路のタイミングチャート。 第２の実施例の角速度センサの信号処理回路の構成。 第２の実施例の角速度センサの信号処理回路のタイミングチャート。 共振周波数に対するセンサ感度特性。 角速度なしの場合の振動特性。 角速度ありの場合の振動特性。 サーボ制御時の振動特性。 ｆｙ調整時の振動特性。

振動体からの変位信号を同期検波する手段と、それらの出力を演算する手段と、その出力を用いて検出軸方向の共振周波数を調整する手段が最良の形態である。以下、本発明の実施例を図１，図２および図５〜図７により説明する。

図５は、検出軸側の共振周波数ｆｙとセンサ感度の特性を示した図である。図５に示すように、ｆｙが振動軸方向の共振周波数ｆｘに一致するときセンサ感度が最大となる。センサの感度が最大であるということは、センサ出力が最大となることであるから、本実施例では、センサ出力を検出し、図１のｆｙ調整制御３２により、センサ出力を常に最大に保つようにｆｙ調整電極３１にフィードバック制御を行う。図６に角速度が加わらない場合の振動軸と検出軸それぞれの方向の振動波形を示す。また図７に角速度が加わった場合の振動軸と検出軸それぞれの方向の振動波形を示す。図６において、角速度なしの場合、検出軸方向において角速度による振動は発生しないが、振動軸方向からの漏れ振動は常に発生している。この理由は、センサエレメントの製造上の特性ばらつきや応力による歪により振動軸方向から少し斜め方向に振動するため、検出軸方向への振動成分が発生するためである。一方図７においては、角速度ありの場合、検出軸方向において振動軸方向からの漏れ振動に加え、角速度による振動が発生する。また図７より、振動軸方向の共振周波数ｆｘと検出軸方向の共振周波数ｆｙが等しい場合、角速度振動に対し漏れ振動の位相は９０°遅れる特性がある。以上より、本実施例では、角速度の有無によらず常に発生している漏れ振動に着目し、漏れ振動の振幅が常に最大となるようにｆｙ調整電極３１を調整することでｆｘとｆｙを等しくする制御とした。また、図２および図７に示すように、同期検波信号をΦ２とすると、角速度信号は９０°の位相差があるため、Φ２による同期検波では、角速度が印加された場合でも、同期検波出力はゼロとなる。したがって、たとえば自動車にこの角速度センサを搭載した場合、走行前の静止時のみではなく、角速度の発生する走行時において常にｆｘ＝ｆｙとする制御を実行できる。

図１は第１の実施例の角速度センサの制御回路のブロック図である。図２は第１の実施例の角速度センサの制御回路のタイミングチャートである。本実施例の角速度センサの検出素子１は所定の質量を持ち所定の振動周波数ｆｘで図１中の振動軸方向に振動する振動子４と、振動子４を振動軸方向に振動させるための駆動電極４５と、振動子４に対向して配置され、角速度の印加で生じるコリオリ力により振動軸と直角の方向に振動子４に生じる変位を静電容量の変化で検出する固定電極３および６（変位検出手段）と、振動軸と直角の方向に振動子４に生じる振動の共振周波数を調整するｆｙ調整電極３１により構成される。信号処理部は、駆動電極４５に、振動軸方向の共振周波数ｆｘ振動の交流信号を発生する駆動信号発生器４３と、振動子４と固定電極３の間の静電容量および振動子４と固定電極６の間の静電容量の差分を検出することにより、振動子４に働くコリオリ力による変位を検出する容量検出器７と、容量検出器７の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器８と、図２に示すように周波数が駆動周波数ｆｘで、位相がＡ／Ｄ出力（振動子４の検出変位）に対して９０度進んだ信号Φ１と、Φ１と検出軸方向の変位出力を乗算器１０で乗算する同期検波９と、位相がＡ／Ｄ出力（振動子４の振動変位）と同一の信号Φ２と、その出力の直流成分を抽出するＬＰＦ（ローパスフィルタ）１８と、Φ２と検出軸方向の変位出力を乗算器４０で乗算する同期検波部３９と、振動周波数ｆｘの逆数の時間の遅延を持つ遅延回路３３と、同期検波３９の出力と遅延回路３３の出力を比較し、＋側出力が大きければ“１”を、−側出力が大きければ“−１”を出力する比較器３４と、加算器３５と振動周波数ｆｘの逆数の時間の遅延を持つ遅延回路３６とからなるｆｙ調整制御３２と、その出力に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算する加算器３７と、加算器３７の出力をｆｙ調整電極３１に印加するためにアナログ信号電圧に変換するＤＡ変換器３８により構成したものである。つぎに動作について説明する。

本実施例の角速度センサでは振動子４に働くコリオリ力による振動子４の変位を固定電極３，６と容量検出器７により検出する。そして、その振幅を角速度の検出信号とみなして出力する。最初に、容量検出器７とＡＤ変換器８を介して得られる振動子の変位信号に対し、図２に示す同期信号Φ２により同期検波部３９で同期検波を行い、振動軸と直角方向の振動変位を検出する。つぎに、ｆｙ調整制御３２において、同期検波３９の出力と、遅延回路３３に蓄えられた信号を比較器３４で比較する。同期検波３９の出力が、遅延回路３３に蓄えられた１周期前の信号より大きい場合は比較器３４は“１”を出力し、加算器３５で１周期前の遅延回路３６が１増加する。また反対の場合は、１減少する。図２に示ように、同期検波出力が１周期ごとに増加していく期間では、比較器３４の出力は“１”を連続して出力し、最大値に収束した状態では、比較器３４の出力が＋１とー１を交互に繰り返すことになり、その結果、図２のｆｙ調整出力に示すように、１周期ごとに±１の振動を繰り返しながら同期結果出力を常に最大値に保つようにｆｙ調整電極３１に調整電圧を出力する。

次に、本発明の第２の実施例である角速度センサを図３，図４，図８，図９により説明する。この実施例は静止時に強制的に振動子を検出軸方向に振動させ、そのときの振動振幅が最大となるようにｆｙ調整電極に印加する調整電圧を制御する。通常動作時の振動体の変位を図８に示す。角速度の印加により発生するコリオリ力により生じる検出方向の振動に対し、サーボ電極に印加する信号により抑制し、その抑制力を発生させる信号振幅をセンサ出力とする。次に、ｆｙ調整時の振動体の変位を図９に示す。ｆｙ調整時は、振動子の角速度サーボ電極に、振動方向の共振周波数ｆｘの交流信号を入力し、強制的に振動子を検出軸方向に振動させ、その振動振幅を最大に保つよう制御する。

図３は第２の実施例の角速度センサの信号処理回路のブロック図である。図４は第２の実施例のタイムチャートである。本実施例の角速度センサの検出素子１は所定の質量を持ち所定の振動周波数ｆｘで図１中の振動軸方向に振動する振動子４と、振動子４を振動軸方向に振動させるための駆動電極４５と、振動子４に対向して配置され、角速度の印加で生じるコリオリ力により振動軸と直角の方向に振動子４に生じる変位を静電容量の変化で検出する固定電極３および６（変位検出手段）と、振動子４に働くコリオリ力を打ち消すように振動子４に静電気力を働かせる固定電極２および５と、振動軸と直角の方向に振動子４に生じる振動の共振周波数を調整するｆｙ調整電極３１により構成される。また、信号処理部は振動子４と固定電極３の間の静電容量および振動子４と固定電極６の間の静電容量の差分を検出することにより、振動子４に働くコリオリ力による変位を検出する容量検出器７と、容量検出器７の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換器８と、図４に示すように周波数が駆動周波数ｆｘで、位相がＡ／Ｄ出力（振動子４の検出変位）と同一の信号Φ１と、Φ１と検出軸方向の変位出力を乗算器１０で乗算する同期検波９と、積分ゲインを決める係数器１２と、積分演算を行う加算器１３と、振動周波数ｆｘの周波数の逆数の時間の遅延を持つ遅延回路１５から成るシフトレジスタとで構成する積分１１と、積分１１の出力の直流成分を抽出し角速度検出結果として出力するＬＰＦ（ローパスフィルタ）１８と、振動体４を振動軸方向に対し振動軸方向の共振周波数ｆｘで加振駆動する制御する駆動信号発生器４３と、通常動作のときは積分１１の出力を選択し、検出方向の共振周波数を調整するときは駆動信号発生器４３から振動軸方向の共振周波数ｆｘの周波数の交流信号を選択するセレクタ４２と、セレクタ４２の出力に対し、加算器２１の出力に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算する加算器２３と、加算器２３の出力を固定電極５に印加するためにアナログ信号電圧に変換するＤＡ変換器２５と、加算器２１の信号を反転する反転器２２と、反転器２２に一定のバイアス電圧Ｖｂを加算する加算器２４と、加算器２４の出力を固定電極２に印加するためにアナログ信号電圧に変換するＤＡ変換器２６と、図１の第一の実施例で説明したｆｙ調整制御により構成したものである。

つぎに動作について説明する。最初に通常のセンサ動作について説明する。本実施例の角速度センサでは振動子４に働くコリオリ力による振動子４の変位を固定電極３，６と容量検出器７により検出する。そして、固定電極２，５に電圧を印加することで電極と振動子の間に発生する静電気力により、振動子４に働くコリオリ力と振動体の構造上の歪等に起因する振動軸方向からの漏れ振動を打ち消す動作を行う。その手段として振動軸と直角方向に生じるコリオリ力による振動子４の変位をゼロにするような電圧をセンサに帰還するようサーボ制御を行う。そして、そのときの帰還電圧の一部を角速度の検出信号とみなして出力する。最初に、容量検出器７とＡＤ変換器８を介して得られる振動子の変位信号に対し、図４に示す同期信号Φ１により同期検波９で同期検波を行い、振動軸と直角方向の振動変位（以下、コリオリ成分と称す）を検出する。つぎに、積分１１において、同期検波９で得られた信号を積分する。そして、積分１１で得られた信号を振動子４に帰還させるため、セレクタ４２で積分１１の出力を角速度振動制御部２７に入力する。角速度振動制御部２７で、コリオリ成分に対してΦ２の反転信号を乗算器１９で乗算し、振動子４の振動軸と直角方向の角速度による振動変位に対する帰還信号を生成する。そして、直流バイアス電圧Ｖｂを加算器２３，２４で加算して振動子４の固定電極２，５に印加することで振動軸と直角方向の振動変位を打ち消す。また、この振動が打ち消されている状態での積分１１の出力をローパスフィルタ１８を通して角速度検出結果として出力する。つぎに検出方向の共振周波数の調整動作について説明する。最初に、動作モード選択信号で駆動信号発生器４３の駆動信号を選択しセレクタ４２の出力とする。そして角速度サーボ電極２および５へ入力する。振動子が検出方向への振動が無いときに周波数ｆｘの交流電圧を印加することで、振動子を強制的にｆｘで振動させる。この状態で、図４に示すようにＡＤ変換器８の出力を同期検波し、その出力に対して、図１の実施例で説明したｆｙ調整制御３２を実施することで検出側の共振周波数ｆｙを振動側の共振周波数ｆｘに一致させることができ、センサ感度を一定に保つことができる。

１ 検出素子
２，３，５，６ 固定電極
４ 振動子
７ 容量検出器
８ ＡＤ変換器
９ 同期検波
１０，４０ 乗算器
１１ 積分
１２ 係数器
１３，２３，２４，３５，３７ 加算器
１５，３３，３６ 遅延回路
１８ ローパスフィルタ
２２ 反転器
２５，２６，３８ ＤＡ変換器
２７ 角速度振動制御部
３１ ｆｙ調整電極
３２ ｆｙ調整制御
３４ 比較器
４３ 駆動信号発生器
４４ レジスタ
４５ 駆動電極

Claims (6)

1. 互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体を有し、振動体を第１の方向に振動させた状態において、角速度の発生により、振動体が第２の方向に変位したときの変位量を検出する角速度検出装置において、
   角速度の発生に関わらず前記第２の方向に恒常的に生じる変位を検出する手段と、
   その出力に応じて前記第２の方向の共振周波数を調整する手段を有することを特徴とする角速度検出装置。
2. 請求項１において、
   角速度の発生に関わらず第２の方向に恒常的に生じる変位は、振動体を第１の方向に振動させた状態において生じる第２の方向への漏れ振動であることを特徴とする角速度検出装置。
3. 請求項１において、
   第２の方向の共振周波数を調整する手段は、検出した変位量が常に最大の値を維持するよう振動体へ印加する電圧を調整することを特徴とする角速度検出装置。
4. 互いに直交する第１の方向および第２の方向に変位可能な振動体を有し、振動体を第１の方向に振動させた状態において、角速度の発生による振動体の第２の方向への変位を抑制するように働くサーボ機能を有する角速度検出装置において、
   前記第２の方向への変位を抑制するため前記振動体に設けたサーボ電極に、前記振動体を前記第２の方向に振動させる信号を入力する手段と、
   前記第２の方向に生じる変位を検出する手段と、
   その出力に応じて前記第２の方向の共振周波数を調整する手段を有することを特徴とする角速度検出装置。
5. 請求項１または４において、
   前記振動体を前記第２の方向に振動させる信号は、前記第１の方向の共振周波数と等しいかまたは一定の周波数差となる周波数の信号であることを特徴とする角速度検出装置。
6. 請求項４において、
   前記第２の方向の共振周波数を調整する手段は、検出した変位量が常に最大の値を維持するよう振動体へ印加する電圧を調整することを特徴とする角速度検出装置。

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