JP2014149229A

JP2014149229A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2014149229A
Application number: JP2013018168A
Authority: JP
Inventors: Masanao Ota; 正直大田; Sukeji Sonoda; 右司其田; Shinjiro Ueda; 真二郎上田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-08-21

Abstract

【課題】想定以上の不要信号が発生した場合でも差動増幅器の飽和が起こり難く角速度の誤検出を抑制した角速度センサを提供する。
【解決手段】駆動電極と検出電極とを有する角速度検出素子と、励振させる駆動回路と、検出電極から角速度に応じた信号を取り出す検出回路とを備え、検出回路は、取り出した信号を差動増幅する差動増幅器と、差動増幅器から出力される差動信号を駆動回路からの信号に基づいて同期検波する同期検波器とを有し、差動増幅器は、第１のオペアンプ５０と、第１のオペアンプ５０と並列に接続される第１の抵抗部５１、５３と、第１の抵抗部５１、５３の抵抗値を変化させる第１の切替部５２、５４とからなり、同期検波器は、第２のオペアンプと、第２のオペアンプの入力側に接続される第２の抵抗部と、第２の抵抗部の抵抗値を変化する第２の切替部とからなり、信号に応じて差動増幅器と同期検波器の増幅率の配分を切り替える。
【選択図】図３

Description

本発明は、ラジオコントロール・ヘリコプターの姿勢制御、またはデジタルスチルカメラおよび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。

従来の角速度センサ１は、振動子２と、駆動回路３と、検出回路４と、を備えている。ここで、駆動回路３は振動子２に駆動信号を与えることで振動子２を所定の振幅および周波数で振動駆動させる。検出回路４は、振動子２に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子２に発生する電荷を増幅する電荷増幅器５と、この電荷増幅器５の出力信号の位相を変化させる位相器６と、この位相器６からの出力信号を駆動回路３からの出力信号に同期検波させる同期検波器７と、この同期検波器７の出力信号を平滑するとともに増幅する平滑回路８とを有している。

以上のように構成された従来の角速度センサ１について、次にその動作を説明する。

振動子２が励振した状態で、この振動子２の軸心方向を中心とする角速度Ωが振動子２に印加されると、振動子２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４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。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献としては、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、上記した従来の角速度センサでは、モータなどとの接続された基板上において、予期せぬほど大きな角速度に相当する振動が入力されて想定以上の不要信号が発生すると、差動増幅器に於ける出力が飽和する。その結果、角速度が入力されていないにもかかわらず、大きな角速度が急激に印加されたかの如き信号が検出回路から出力されてしまい、角速度センサが誤検出するという課題を有していた。

そこで本発明は、想定以上の不要信号が発生した場合でも差動増幅器の飽和が起こり難く、角速度の誤検出を抑制した角速度センサを提供する事を目的とする。

上記目的を達成するために本発明の角速度センサは、駆動電極と一対の検出電極とを有する角速度検出素子と、前記駆動電極に駆動信号を入力する事により角速度検出素子を励振させる駆動回路と、前記一対の検出電極から出力される出力信号から角速度に応じた信号を取り出す検出回路と、を備え、前記検出回路は、前記出力信号を差動増幅する差動増幅器と、前記差動増幅器から出力される差動信号を前記駆動回路からの信号に基づいて同期検波する同期検波器と、を有し、前記差動増幅器は、第１のオペアンプと、前記第１のオペアンプと並列に接続される第１の抵抗部と、前記第１の抵抗部の抵抗値を変化させる第１の切替部と、からなり、前記同期検波器は、第２のオペアンプと、前記第２のオペアンプの入力側に接続される第２の抵抗部と、前記第２の抵抗部の抵抗値を変化する第２の切替部と、からなる構成とした。

本発明の角速度センサは、振動による不要信号が大きいと判断される際に、差動増幅器の増幅率とその後段の同期検波器の増幅率との比率を切替える。これにより、差動増幅器の飽和を防ぐことができるので、振動に対する角速度センサの誤検出を抑制することができる。

本発明の実施の形態１における角速度センサの振動子の上面図同センサの駆動回路および検出回路を示すブロック図（ａ）同センサの検出回路における差動増幅器の回路図、（ｂ）同差動増幅器の第１の抵抗部と第１の切替部の構成例を示す図（ａ）同センサの同期検波器の回路図、（ｂ）同期検波器の第２の抵抗部と第２の切替部の構成例を示す図（ａ）〜（ｉ）同センサの動作状態を示す波形図角速度センサの出力波形を示す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

（実施の形態１）
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は本実施の形態における角速度センサ２０の振動子の上面図、図２は同角速度センサ２０の駆動回路および検出回路を示すブロック図である。

角速度センサ２０は、駆動電極と一対の検出電極とを有する角速度検出素子と、駆動電極に駆動信号を入力する事により角速度検出素子を励振させる駆動回路と、一対の検出電極から出力される出力信号から角速度に応じた信号を取り出す検出回路と、を備え、検出回路は、出力信号を差動増幅する差動増幅器と、差動増幅器から出力される差動信号を前記駆動回路からの信号に基づいて同期検波する同期検波器と、を有し、差動増幅器は、第１のオペアンプと、第１のオペアンプと並列に接続される第１の抵抗部と、第１の抵抗部の抵抗値を変化させる第１の切替部と、からなり、同期検波器は、第２のオペアンプと、第２のオペアンプの入力側に接続される第２の抵抗部と、第２の抵抗部の抵抗値を変化する第２の切替部と、からなる構成とした。

図１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および一対の検出電極２３（以降、検出電極２３と表記する）を設けている。また、振動子２１における接続部２４にはモニタ電極２５を設けている。

図２において、２６は駆動回路で、この駆動回路２６は、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、差動増幅器２９と、位相シフタ３０と、反転増幅器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、検出回路２７における一対の増幅器２８は、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、差動増幅器２９に出力している。また、検出回路２７における差動増幅器２９は増幅器２８からの出力信号を差動増幅しており、さらに、位相シフタ３０により、差動増幅器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、検出回路２７における反転増幅器３１は、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。３６はモニタ回路で、このモニタ回路３６は振動子２１におけるモニタ電極２５からの出力信号を入力するとともに、このモニタ回路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、検出回路２７における同期検波器３２は、位相シフタ３０および反転増幅器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、アクティブローパスフィルタ３８およびパッシブローパスフィルタ３９からなるバターワースフィルタで構成されている。そしてまた、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して、増幅した出力信号を平滑回路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。

図３（ａ）は角速度センサ２０の検出回路における差動増幅器２９の回路図、（ｂ）は同差動増幅器２９の第１の抵抗部と第１の切替部（図３（ａ）の領域Ｐ）の構成例を示した図である。差増増幅器２９は、第１のオペアンプ５０と、第１のオペアンプ５０と並列に接続される第１の抵抗部５１とを有し、増幅器２８からの出力信号を差動増幅する。そして、第１の抵抗部５１には第１の切替部５２が接続されている。そして、この第１の切替部５２により第１の抵抗部５１の抵抗値を変化させることができる。より詳細には、第１の抵抗部５１は、第１のオペアンプ５０と平行に設けた複数の抵抗５３と、複数のうちのいずれかと並列に設けた帰還抵抗切替スイッチ５４と、からなる。この帰還抵抗切替スイッチ５４を図示しない制御部によりＯＮ／ＯＦＦ制御することで第１の抵抗部５１の抵抗値を変化させることができる。その制御の具体的な方法としては、差動増幅器２９の出力側にコンパレータを付加し、このコンパレータの閾値をダイナミックレンジ近傍に設定する。そして、コンパレータからの出力がＨｉｇｈになる場合に、制御部が帰還抵抗切替スイッチ５４をＯＮにする。これにより、第１の抵抗部５１の抵抗値を低下することができる。ここで、第１の抵抗部５１の抵抗値が低下するということは、すなわち、差動増幅器２９の増幅率を低減するということと同義である。

図４（ａ）は角速度センサ２０の同期検波器の回路図、（ｂ）同期検波器の第２の抵抗部と第２の切替部（図４（ａ）の領域Ｑ）の構成例を示した図である。

同期検波器３２は、第２のオペアンプ６０と、第２のオペアンプ６０の入力側に接続される第２の抵抗部６１と、第２の抵抗部６１の抵抗値を変化する第２の切替部６２と、を有する。ここで、第２の抵抗部６１には第２の切替部６２が接続されている。そして、この第２の切替部６２により第２の抵抗部６１の抵抗値を変化させることができる。より詳細には、第２の抵抗部６１は、第２のオペアンプ６０と平行に設けた複数の抵抗６３と、この複数のうちのいずれかと並列に設けた抵抗切替スイッチ６４と、からなる。この抵抗切替スイッチ６４を制御部（図示しない）によりＯＮにすることで第２の抵抗部６１の抵抗を減少させることができる。ここで、第２の抵抗部６１の抵抗が減少するということは、すなわち、同期検波器３２の増幅率を増加するということと同義である。

この構成により、差動増幅器２９の飽和を防ぐことができるので、予期せぬ振動に対する角速度センサの誤検出を抑制することができる。これは、予期せぬ不要信号が生じて差動増幅器２９が飽和するような場合でも、第１の切替部５２により差動増幅器２９の増幅率を下げることで飽和を抑制することができるためである。

更に、帰還抵抗切替スイッチ５４と抵抗切替スイッチ６４とは互いに連動して動作することが望ましい。具体的には、第１の切替部５２と第２の切替部６２との抵抗値を切替える前後で、差動増幅器２９の増幅率と同期検波器３２の増幅率との乗算値が一定であるようにすることが望ましい。

この構成により、予期せぬ不要信号が発生したとしても前段の差動増幅器２９の増幅率を下げて差動増幅器２９の飽和を防ぎつつ、第２のオペアンプ６０の増幅率を上げる事で、角速度のみを検知するという本来の特性を維持する事ができる。

以上のように構成された本角速度センサについて、次にその動作を説明する。

図５（ａ）〜（ｉ）は、角速度センサの動作状態を示す波形図である。

まず、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、この出力信号を差動増幅器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増幅器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、振動子２１の駆動振幅によりモニタ電極２５から発生する電荷を、モニタ回路３６により図５（ｆ）に示すモニタ電圧に変換し、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および反転増幅器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５（ｉ）に示すように角速度に応じた信号として出力するものである。

図６は角速度センサの出力波形を示す図である。ここで、図６（ａ）は、図７で説明した従来の角速度センサ１の出力波形である。一方、図６（ｂ）は、本実施の形態の角速度センサ２０の出力波形を示している。ここで、波形（ａ）、波形（ｂ）は同じ大きさの角速度を与えた時の、両センサそれぞれの出力波形である。

従来の角速度センサ１では、電荷増幅器５のダイナミックレンジ（図６（ａ）中のＬ）を越える信号が印加されると、電荷増幅器５が飽和し、出力すべき角速度（波形（ａ）の破線部分）を検出できなくなる。一方、本実施の形態に係る角速度センサ２０では、差動増幅器２９に入力される信号が予め設定した閾値ωに達した時（図６（ｂ）の時間ｔ）、制御部が帰還抵抗切替スイッチ５４及び／又は抵抗切替スイッチ６４をＯＮ／ＯＦＦ制御する。これにより、差動増幅器２９に入力される信号をダイナミックレンジの範囲内に納めることができる、すなわち、差動増幅器２９が飽和することがないので、角速度のみを検知するという本来の特性を維持する事ができる。

なお、上述の説明では第１、第２の切替部として、複数の抵抗と、複数のうちのいずれかと並列に設けたスイッチとからなる構成として説明したが、これに限定されない。すなわち、例えば可変抵抗を用いて帰還抵抗を変化させる構成であってもよい。この場合、第１の抵抗部５１、および、第２の抵抗部６１を可変抵抗とし、この可変抵抗の抵抗値を制御部により制御する構成であってもよい。

なお、上述の説明では、差動増幅器が飽和した場合に、制御部の動作に基づいて増幅率の比率を変更する場合について説明したが、これに限定されない。すなわち、予め角速度センサの使用される環境が特定されている場合では、その使用環境に応じた各増幅器間の増幅比率を算出し、出荷時等に各切替部を用いて対応する抵抗部の抵抗値を設定するものであってもよい。

本発明は、ラジオコントロール・ヘリコプターの姿勢制御、またはデジタルスチルカメラおよび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である。

２０角速度センサ
２１振動子
２２駆動電極
２３検出電極
２４接続部
２５モニタ電極
２６駆動回路
２７検出回路
２８増幅器
２９差動増幅器
３０位相シフタ
３１反転増幅器
３２同期検波器
３３ノイズ除去手段
３４非反転増幅器
３５平滑回路
３６モニタ回路
３７検波クロック
３８アクティブローパスフィルタ
３９パッシブローパスフィルタ
５０第１のオペアンプ
５１第１の抵抗部
５２第１の切替部
５３抵抗
５４帰還抵抗切替スイッチ
６０第２のオペアンプ
６１第２の抵抗部
６２第２の切替部
６３抵抗
６４抵抗切替スイッチ

Claims

駆動電極と一対の検出電極とを有する角速度検出素子と、
前記駆動電極に駆動信号を入力する事により角速度検出素子を励振させる駆動回路と、
前記一対の検出電極から出力される出力信号から角速度に応じた信号を取り出す検出回路と、を備え、
前記検出回路は、
前記出力信号を差動増幅する差動増幅器と、
前記差動増幅器から出力される差動信号を前記駆動回路からの信号に基づいて同期検波する同期検波器と、を有し、
前記差動増幅器は、第１のオペアンプと、前記第１のオペアンプと並列に接続される第１の抵抗部と、前記第１の抵抗部の抵抗値を変化させる第１の切替部と、からなり、
前記同期検波器は、第２のオペアンプと、前記第２のオペアンプの入力側に接続される第２の抵抗部と、前記第２の抵抗部の抵抗値を変化する第２の切替部と、からなる
角速度センサ。
前記第１の抵抗部と前記第２の抵抗部との抵抗値を切替える前後で、
前記差動増幅器の増幅率と前記同期検波器の増幅率の乗算値が一定である請求項１に記載の角速度センサ。
前記第１の切替部は、前記オペアンプと平行に設けた複数の抵抗と、前記複数のうちのいずれかと並列に設けたスイッチと、からなる請求項１に記載の角速度センサ。
前記第２の切替部は、前記同期検波器と平行に設けた複数の抵抗と、前記複数のうちのいずれかと並列に設けたスイッチと、からなる請求項１に記載の角速度センサ。