JP3664950B2 - 角速度センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は角速度センサに関し、たとえばカメラの手ぶれ補正やナビゲーションシステムなどに利用されるバイモルフ振動子を用いた振動ジャイロの発振出力から角速度を検出する角速度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
図4は角速度センサに用いられるバイモルフ振動子の一例を示す外観斜視図であり、図5は図4に示したバイモルフ振動子から出力される振動波形図である。
【0003】
図4において、バイモルフ振動子1は圧電素子を分極方向を逆向きにして2枚貼付け、断面が四角形となるようにしたものである。この振動子1を面垂直振動(X軸方向)に縦振動モードで振動させておき、軸方向(Z軸方向)にある角度(ω)で回転させると、コリオリ力によって駆動面と垂直方向(Y軸方向)に横振動モードで振動が生ずる。
【0004】
この振動の振幅は角速度に比例するので、これを利用して角速度の値が検出される。振動子1には図示しないが左右の電極と全面電極が設けられていて、図5に示すように左右の電極からL(左)信号(a)とR(右)信号(b)が出力される。このL信号とR信号はわずかながら振幅と位相に差を有している。L信号とR信号の差をとるとL−R(c)となり、和をとるとL+R(d)となる。
【0005】
L−R信号はL信号とR信号との位相のずれが大きければ大きいほどゼロクロス点が移動する。このL−R信号はヌル差電圧とも称する。L−R信号にはコリオリ力が重なって出力されており、差動+コリオリとして出力される。コリオリ力は分離したくとも分離することができない性質を持っている。その理由は、コリオリ力は図5(e)に示すように、実際の信号として出力されるものではなく、あくまでも仮想的なものだからである。以下の説明では、L−R信号は差動+コリオリ力を意味しているものとする。コリオリ力(e)はL+R(d)と同相になり、L+Rの極大点と極小点近傍でコリオリ力も極大,極小となる。振動子1を左右に振ると、コリオリ力(e)の位相が図5で左右に変化し、L信号(a),R信号(b)は位相が変化しない。
【0006】
このような振動子1では、バランスやヌル電圧(オフセット電圧,中性点電圧とも称する)や感度をそれぞれ個別に調整する必要がある。
【0007】
図6は図4に示した振動子1の出力を得るための角速度検出回路のブロック図である。図6において、振動子1の差動出力が差動増幅回路201で増幅され、同期検波回路202によって振幅波形が検波され、平滑回路203で平滑されて直流電圧となり、DCアンプ204で直流増幅される。DCアンプ204で信号増幅すると、ヌル電圧も増幅されてしまうため、たとえばフィルタで構成されたDCカット回路205によってDC成分がカットされ、増幅回路206でさらに増幅されてアナログ信号として出力される。ここでアナログ信号はA/Dコンバータ207でデジタル信号に変換され、角速度検出信号がマイクロプロセッサ208に与えられてカメラの振動ぶれを抑制したり、ナビゲーションのための制御が行なわれる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図6に示した角速度検出回路において、振動子1の源感度が低いためDCアンプ204として20dBのゲインで信号を増幅する必要がある。また、ヌル電圧の温度特性などによって、基準レベルがシフトすると直流増幅した場合に、ヌル電圧が電源電圧を超えてしまうような場合があるため、DC増幅度に制限を加える必要がある。それを防ぐためにDCカット回路205を設け、再度増幅回路206で増幅する必要があり、さらに回路要素が増加してしまう。
【0009】
最近のマイクロプロセッサやデジタルプロセッサ(DSP)の性能向上は著しくまたコストも安価になっているので、できる限り前処理の段階でデジタル信号に変換する方がシステムトータルコストは低減できる。
【0010】
特に、ポインティングデバイスのように低コストで角速度を検出しかつ2軸を必要とするようなデバイスでは、同期検波回路202や平滑回路203およびDCアンプ204などの多くの周辺回路を2つ準備して対応することによるコストアップが問題となっていた。
【0011】
それゆえに、この発明の主たる目的は、冗長な回路を必要とせず、比較的簡単な回路構成で角速度信号が直接得られるような角速度センサを提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、振動子をX軸方向に振動させ、Z軸回りに回転したときに、Y軸方向に発生したコリオリ力による振動から角速度を検出する角速度センサであって、振動子から出力される差動信号に基づいて基準信号を発生し、振動子を励振させる駆動手段と、振動子から出力されるコリオリ力を含む差動信号を抽出する信号抽出手段と、出力されたコリオリ力を含む差動信号をデジタル信号に変換する変換手段と、デジタル信号に変換された差動信号からπ/2位相のずれた差動信号を生成し、この差動信号と元の差動信号との2乗総和を演算し、コリオリ力に比例する強度信号を演算して出力する演算手段を備えて構成される。
【0013】
請求項2に係る発明では、請求項1の演算手段は、差動信号の位相をπ/2シフトする位相回路と、元の差動信号を2乗する第1の乗算回路と、位相がπ/2シフトされた差動信号を2乗する第2の乗算回路と、第1の乗算回路の出力と第2の乗算回路の出力とを加算する加算回路と、加算回路の出力の平方根を求める平方根回路とを含む。
【0014】
請求項3に係る発明は、振動子をX軸方向に励振させ、Z軸回りに回転したときに、Y軸方向に発生したコリオリ力による振動から角速度を検出する角速度センサであって、振動子から出力される左信号および右信号に基づいて基準信号を発生し、振動子を励振させる駆動手段と、振動子から出力されるコリオリ力を含む左信号および右信号を抽出する信号抽出手段と、出力されたコリオリ力を含む左信号および右信号をデジタル信号に変換する変換手段と、デジタル信号に変換された左信号および右信号からπ/2位相のずれた左信号および右信号を生成し、この左信号および右信号と元の左信号および右信号との2乗総和を演算し、コリオリ力に比例する強度信号を演算して出力する演算手段を備えて構成される。
請求項4に係る発明では、請求項3の演算手段は、左信号および右信号の位相をそれぞれπ/2シフトする位相回路と、元の左信号および右信号をそれぞれ個別的に2乗する第1の乗算回路と、位相がπ/2シフトされた左信号および右信号をそれぞれ個別的に2乗する第2の乗算回路と、第1の乗算回路で2乗された左信号と第2の乗算回路で2乗された位相がπ/2シフトされた左信号とを加算する第1の加算回路と、第1の乗算回路で2乗された右信号と第2の乗算回路で2乗された位相がπ/2シフトされた右信号とを加算する第2の加算回路と、第1の加算回路の出力の平方根を求める第1の平方根回路と、第2の加算回路の出力の平方根を求める第2の平方根回路と、第1および第2の平方根回路の差を求める減算回路とを備えて構成される。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の一実施形態における角速度センサのブロック図である。図1において、振動子1には左電極1Lと右電極1Rと全面電極1Cとが設けられていて、左電極1Lと右電極1Rには抵抗R1,R2を介して電圧Vが与えられている。左電極1L,右電極1Rからは前述の図5に示したL信号とR信号とがそれぞれコリオリ力を含んで出力されて加算回路2と差動増幅回路3とに与えられる。加算回路2はL信号とR信号とを加算してL+R信号を出力する。このように、加算回路2でL信号とR信号とを加算することにより、コリオリ力が消されて安定な帰還信号となる。
【0016】
上述の帰還信号は基準信号としてAGC回路4に与えられてレベルが一定な駆動電圧となり、この駆動電圧が発振回路5に与えられる。発振回路5は加算回路2の出力の位相を調整するための信号を発振して全面電極1Cに与える。発振回路5は加算回路2の出力と全面電極1Cに与えられる駆動電圧の位相差が所望する周波数で安定に発振するように調整する。この実施形態では位相差はほぼ0である。
【0017】
差動増幅回路3は前述の図5に示したL−R信号を出力してDSP20に与える。なお、差動増幅回路3からL−Rの差動信号をDSP20に与えることなく、左信号L/右信号Rを個別的にDSP20に与えるようにしてもよい。
【0018】
図2は図1に示したDSPの具体的な構成を示すブロック図である。この図2は図1に示した振動子1から直接L/R信号が個別的に与えられるものとする。振動子1からのL信号とR信号は個別的にA/Dコンバータ101,102に与えられてデジタル信号に変換される。ここで、L/R信号は角速度入力時にはそれぞれ次式に示すように符号を反対にして出力される。
【0019】
L=A*sin(ω+t1)+B*sin(ω) … (1)
R=A*sin(ω+t2)−B*sin(ω) … (2)
A:基本波の振幅
B:コリオリ力の信号振幅
最初に、入力L/Rから振幅Bを抽出することを考えてみる。今第(1)式の信号に対してヒルベルトトランスフォーマ211でπ/2位相がずれた信号をL′とすると、
L′=A*cos(ω+t1)+B*cos(ω) … (3)
乗算器221と231とによってLおよびL′の2乗をそれぞれ求め、加算器241によってそれらの2乗総和を計算すると、第(4)式で表わされる。
【0020】
同様にして、R側はヒルベルトトランスフォーマ212によってπ/2位相がずれた信号R′が出力され、乗算器222と232とによってRおよびR′の2乗をそれぞれ求め、加算器242によってそれらの2乗総和を求めると、第(5)式となる。
【0021】
Y=R*R+R’*R’
=(A*A−2A*B*cos(t2)+B*B) ・・・ (5)
第(4)式および第(5)式において、t1およびt2が0のときは、第(6)式となる。
【0022】
X=(A+B)*(A+B)
Y=(A−B)*(A−B) … (6)
第(6)式より、平方根回路251,252でXYの平方根をそれぞれ計算すると、
X′=√X=A+B
Y′=√Y=A−B
さらに、減算器26と1/2回路によりB=(X′−Y′)/2を演算することにより、コリオリ振幅を判別できる。
【0023】
なお、位相ずれがあった場合は、X=(A+B)*(A+B)−α,Y=(A−B)*(A−B)−βとなり、Bに初期差動差のファクタが加算もしくは減算される。しかし、ポインティングデバイスなどのアプリケーションに必要なのは角速度入力の時間的変化であるので、A,t1、t2が一定であれば、結果的にX′,Y′から計算されたBが真のB′よりずれていたとしても相変わらずBはB′に未定な比例定数との積に比例している。その値を基準として経時変化を追えば特にB′が既知のものである必要はない。
【0024】
つまり、A/Dコンバータ101,102で得られたL/Rの信号をπ/2位相をずらせるヒルベルトトランスフォーマ211,212を数学的に構成することおよびその解の2乗総和の平方根の和の1/2で振幅を特定することができる。
【0025】
図3はこの発明の他の実施形態のブロック図である。図2に示した実施形態は、L,R信号を個別にA/D変換してコリオリ成分を抽出するようにしたが、図3に示した実施形態は、L−Rの差動信号に基づいてコリオリ成分を抽出するものである。
【0026】
図1に示した差動増幅回路3から出力されたL−R信号は、A/Dコンバータ10でA/D変換され、ヒルベルトトランスフォーマ21によってπ/2ずれた信号(L−R)′が出力され、元の(L−R)信号が乗算器22で2乗され、π/2ずれた(L−R)′信号が乗算器23で2乗され、それらが加算器24で加算され、平方根回路25で平方根が求められてコリオリ成分が抽出される。
【0027】
これらの動作を式で示すと、差動信号(L−R)は、第(7)式で表わされる。
【0028】
(L−R)=c*sin(ω) … (7)
ヒルベルトトランスフォーマ21はL−R信号をπ/2位相をずらせることにより、次の第(8)式に示す信号を出力する。
【0029】
(L−R)′=c*cos(ω) … (8)
乗算器22,23はそれぞれ2乗し、加算器24が2乗総和を求めると、次の第(9)式に示す信号が出力される。
【0030】
X=(L−R)*(L−R)+(L−R)′*(L−R)′=c*c…(9)
平方根回路25は第(9)式の平方根X′=√c(=2B)を求め、コリオリ信号の大きさを参照する。
【0031】
上述のごとく、図3で示した実施形態では、L−R信号に基づいてコリオリ成分を求めることにより、図2に示した実施形態に比べて構成を簡単にできる。
【0032】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0033】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、振動ジャイロから出力されるL/R信号もしくは差動信号をデジタル信号に変換し、そのπ/2位相ずれた信号と元の信号との2乗総和からコリオリ力に比例する強度信号を冗長な回路を用いることなく容易に抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の一実施形態の概略ブロック図である。
【図2】 図1に示したDSPの具体的なブロック図である。
【図3】 図1に示したDSPの他の具体例を示すブロック図である。
【図4】 この発明の背景となりかつこの発明が適用されるバイモルフ振動子の外観斜視図である。
【図5】 バイモルフ振動子から出力される振動波形を示す図である。
【図6】 従来の角速度検出回路のブロック図である。
【符号の説明】
1 振動子、2 加算回路、3 差動増幅回路、4 AGC回路、5 発振回路、10,101,102 A/Dコンバータ、20 DSP、21,211,212 ヒルベルトトランスフォーマ、22,23,221,222,231,232 乗算器、24,241,242 加算器、25,251,252 平方根回路、26 減算器、27 1/2回路。
Claims (4)
- 振動子をX軸方向に励振させ、Z軸回りに回転したときに、Y軸方向に発生したコリオリ力による振動から角速度を検出する角速度センサであって、
前記振動子から出力される差動信号に基づいて基準信号を発生し、前記振動子を励振させる駆動手段、
前記振動子から出力されるコリオリ力を含む差動信号を抽出する信号抽出手段、
前記信号抽出手段から出力されたコリオリ力を含む差動信号をデジタル信号に変換する変換手段、および
前記変換手段によってデジタル信号に変換された差動信号からπ/2位相のずれた差動信号を生成し、この差動信号と元の差動信号との2乗総和を演算し、前記コリオリ力に比例する強度信号を演算して出力する演算手段を備えた、角速度センサ。 - 前記演算手段は、
前記差動信号の位相をπ/2シフトする位相回路と、
前記元の差動信号を2乗する第1の乗算回路と、
前記位相回路によって位相がπ/2シフトされた差動信号を2乗する第2の乗算回路と、
前記第1の乗算回路の出力と前記第2の乗算回路の出力とを加算する加算回路と、
前記加算回路の出力の平方根を求める平方根回路とを備えた、請求項1に記載の角速度センサ。 - 振動子をX軸方向に励振させ、Z軸回りに回転したときに、Y軸方向に発生したコリオリ力による振動から角速度を検出する角速度センサであって、
前記振動子から出力される左信号および右信号に基づいて基準信号を発生し、前記振動子を励振させる駆動手段、
前記振動子から出力されるコリオリ力を含む左信号および右信号を抽出する信号抽出手段、
前記信号抽出手段から出力されたコリオリ力を含む左信号および右信号をデジタル信号に変換する変換手段、および
前記変換手段によってデジタル信号に変換された左信号および右信号からπ/2位相のずれた左信号および右信号を生成し、この左信号および右信号と元の左信号および右信号との2乗総和を演算し、前記コリオリ力に比例する強度信号を演算して出力する演算手段を備えた、角速度センサ。 - 前記演算手段は、
前記左信号および右信号の位相をそれぞれπ/2シフトする位相回路と、
元の左信号および右信号をそれぞれ個別的に2乗する第1の乗算回路と、
前記位相回路によって位相がπ/2シフトされた左信号および右信号をそれぞれ個別的に2乗する第2の乗算回路と、
前記第1の乗算回路で2乗された左信号と前記第2の乗算回路で2乗された位相がπ/2シフトされた左信号とを加算する第1の加算回路と、
前記第1の乗算回路で2乗された右信号と前記第2の乗算回路で2乗された位相がπ/2シフトされた右信号とを加算する第2の加算回路と、
前記第1の加算回路の出力の平方根を求める第1の平方根回路と、
前記第2の加算回路の出力の平方根を求める第2の平方根回路と、
前記第1および第2の平方根回路の差を求める減算回路とを備えた、請求項3に記載の角速度センサ。
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