JP5034624B2

JP5034624B2 - 角速度センサ

Info

Publication number: JP5034624B2
Application number: JP2007102428A
Authority: JP
Inventors: 啓介黒田; 猛植村; 智大内; 利幸野添
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2007-04-10
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-04-10
Also published as: JP2008261640A

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いるセンサに関するものである。

以下、従来の角速度センサについて説明する。

図６は従来の角速度センサの回路ブロック図である。

図６において、従来の角速度センサは、駆動電極２、モニタ電極３、検出電極４を有する振動子１と、この振動子１の駆動電極２に接続した駆動回路５と、振動子１の検出電極４に接続した検出増幅回路６と、振動子１のモニタ電極３に接続したモニタ増幅回路７と、このモニタ増幅回路７と駆動回路５の間に接続した振動制御回路８と、検出増幅回路６の出力信号をモニタ増幅回路７の出力信号によって検波する同期検波回路９が備えられている。モニタ増幅回路７は、第１の増幅器１０、第１の帰還抵抗１１、第１の帰還容量１２によって構成される。検出増幅回路６は、第２の増幅器１３、第２の帰還抵抗１４、第２の帰還容量１５によって構成される。

また、振動子１は、図７に示すように、振動子基板１６と、その上層に配置される基準電極１７と、基準電極１７の上層に配置される圧電層１８と、圧電層１８の上層に配置される駆動電極２、モニタ電極３、検出電極４によって構成される。

このとき、下部電極である基準電極１７と、上部電極である駆動電極２、モニタ電極３、検出電極４との間には、圧電層１８の比誘電率ε、電極面積Ｓ、電極間距離ｄとすれば、

で表される駆動電極容量１９、モニタ電極容量２０、検出電極容量２１が形成される。

モニタ電極容量２０、検出電極容量２１は、それぞれモニタ増幅回路７、検出増幅回路６の入力負荷容量となる。この入力負荷容量によって生じる増幅器のゲインピークの周波数ｆｐは、図８に示すように、入力負荷容量をＣＬ、増幅器の帯域周波数をｆｕ、増幅器の帰還抵抗をＲｆとして次式で表される。

この入力負荷容量によるゲインピークを平坦化するためには、

で表される補償容量Ｃｆを、帰還抵抗Ｒｆに並列に接続する必要がある。

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２００２−２６７４４８号公報

上記従来の構成では、モニタ増幅回路と検出増幅回路で用いる増幅器の帯域周波数ｆｕ、および帰還抵抗が同一であったとしても、モニタ電極の静電容量値と検出電極の静電容量値の入力負荷容量値ＣＬが異なることに起因して、モニタ増幅回路と検出増幅回路のそれぞれのピーク周波数ｆｐも異なり、モニタ増幅回路と検出増幅回路の帰還容量Ｃｆを異なる値にして、ピーク周波数ｆｐを減衰させる必要が生じる。

その結果、図９に示すように、モニタ増幅回路から出力されるモニタ増幅信号と検出増幅回路から出力される検出増幅信号が位相ずれを生じて、この位相差Φに応じて同期検波回路の出力に不要なオフセット信号が発生し、角速度を誤差検知するという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決し、モニタ増幅信号と検出増幅信号が互いに位相ずれがないようにした角速度センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、特に、駆動電極とモニタ電極と検出電極とを有する振動子と、前記駆動電極に駆動信号を通電し前記振動子を振動させる駆動回路と、慣性力に起因して前記検出電極から出力される検出信号を増幅する検出信号増幅回路と、前記モニタ電極から出力されるモニタ信号を増幅するモニタ信号増幅回路と、前記モニタ信号増幅回路から出力される前記モニタ増幅信号を基準にして前記駆動信号の通電量を制御する振動制御回路と、前記モニタ増幅信号を基準にして前記検出増幅信号を検波する同期検波回路とを備え、前記モニタ信号増幅回路は第１増幅器と第１帰還抵抗と第１帰還容量とを有し、前記検出信号増幅回路は第２増幅器と第２帰還抵抗と第２帰還容量とを有し、前記モニタ電極で生成される静電容量値と前記検出電極で生成される静電容量値とを等しくし、前記第１帰還抵抗と前記第２帰還抵抗とを等しくし、前記第１帰還容量と前記第２帰還容量とを等しくした構成である。

上記構成により、モニタ電極で生成される静電容量値と検出電極で生成される静電容量値とが等しいので、モニタ増幅回路と検出増幅回路のそれぞれのピーク周波数も等しくなり、モニタ増幅回路と検出増幅回路の第１、第２帰還容量を同一の値で調整して、ピーク周波数を減衰させることができる。すなわち、モニタ増幅回路から出力されるモニタ増幅信号と検出増幅回路から出力される検出増幅信号が位相ずれを抑制でき、位相差Φに起因した同期検波回路の出力オフセット信号も抑制して、角速度の誤差検知を抑制できる。

特に、第１増幅器の構成素子と第２増幅器の構成素子を等しくし、第１帰還抵抗と第２帰還抵抗とを等しくし、第１帰還容量と第２帰還容量とを等しくすれば、モニタ増幅回路から出力されるモニタ増幅信号と検出増幅回路から出力される検出増幅信号が位相ずれをさらに抑制でき、上記効果を得ることができる。

図１は本発明の一実施の形態における角速度センサのブロック図である。

図１において、本発明の一実施の形態における角速度センサは、駆動電極３２とモニタ電極３３と検出電極３４とを有する振動子３１と、駆動電極３２に駆動信号を通電し振動子３１を振動させる駆動回路３５と、慣性力に起因して検出電極３４から出力される検出信号を増幅する検出信号増幅回路３６と、モニタ電極３３から出力されるモニタ信号を増幅するモニタ信号増幅回路３７と、モニタ信号増幅回路３７から出力されるモニタ増幅信号を基準にして駆動信号の通電量を制御する振動制御回路３８と、モニタ増幅信号を基準にして検出増幅信号を検波する同期検波回路３９と、振動制御回路３８の前段に、モニタ増幅信号の振幅値を減衰させる減衰回路４９を設けている。

上記のモニタ信号増幅回路３７は第１増幅器４０と第１帰還抵抗４１と第１帰還容量４２とを有し、検出信号増幅回路３６は第２増幅器４３と第２帰還抵抗４４と第２帰還容量４５とを有している。

また、モニタ電極３３の電極面積と検出電極３４の電極面積とを等しくすることにより、モニタ電極３３で生成される静電容量値と前記検出電極３４で生成される静電容量値とを等しくしている。

さらに、第１増幅器４０の構成素子と第２増幅器４３の構成素子を等しくし、第１帰還抵抗４１と第２帰還抵抗４４とを等しくし、第１帰還容量４２と第２帰還容量４５とを等しくしている。

上記の振動子３１は、図２に示すように、基板４６と、その上層に配置される基準電極４７と、基準電極４７の上層に配置される圧電層４８と、圧電層４８の上層に配置される駆動電極３２、モニタ電極３３、検出電極３４によって構成される。

上記構成により、モニタ電極３３で生成される静電容量値と検出電極３４で生成される静電容量値とが等しいので、図３に示すように、モニタ増幅回路３７と検出増幅回路３６のそれぞれのピーク周波数も等しくなり、図４に示すように、モニタ増幅回路３７と検出増幅回路３６の第１、第２帰還容量４２、４５を同一の値で調整して、ピーク周波数を減衰させることができる。

すなわち、図５に示すように、モニタ増幅回路３７から出力されるモニタ増幅信号と検出増幅回路３６から出力される検出増幅信号の位相ずれを抑制でき、位相差Φに起因した同期検波回路３９の出力オフセット信号も抑制して、角速度の誤差検知を抑制できる。

特に、第１増幅器４０の構成素子と第２増幅器４３の構成素子を等しくし、第１帰還抵抗４１と第２帰還抵抗４４とを等しくし、第１帰還容量４２と第２帰還容量４５とを等しくすれば、モニタ増幅回路３７から出力されるモニタ増幅信号と検出増幅回路３６から出力される検出増幅信号が位相ずれをさらに抑制でき、上記効果を得ることができる。

また、モニタ電極３３の電極面積と検出電極３４の電極面積とを等しくすることにより、モニタ電極３３で生成される静電容量値と検出電極３４で生成される静電容量値とを容易に等しくできる。

さらに、振動制御回路３８の前段に、モニタ増幅信号の振幅値を減衰させる減衰回路４９を設けているので、振動制御回路３８によって、駆動電極３２に通電する駆動信号の振幅値を適切に制御できる。すなわち、モニタ増幅信号をそのまま振動制御回路３８に入力すると、モニタ信号がモニタ増幅回路３７にて増幅されているので、振動子３１の駆動状態が必要以上に大きく振動していると誤認識され、振動制御回路３８にて減衰した振幅値の小さい駆動信号を駆動電極３２に入力してしまう恐れがある。単純に、検出増幅回路３６のゲインを上げると、モニタ増幅回路３７のゲインも連動して上がり、振動子３１の駆動状態が必要以上に大きく振動していると誤認識されるものである。

しかし、上記構成により、モニタ増幅信号は減衰回路４９にて減衰されるので、検出側のゲインを上げられると共に、駆動側には適切に制御された駆動信号を生成でき、この適切に制御された駆動信号を駆動電極３２に入力できるものである。この駆動増幅信号の減衰の程度は、モニタ信号と同じレベルまで減衰してもよい。

本発明に係る角速度センサは、検出感度を向上できるので、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサのブロック図図１のＡ−Ａ断面図ピーク周波数の減衰前の増幅器の利得周波数特性図ピーク周波数の減衰後の増幅器の利得周波数特性図同期検波信号およびそれを処理した角速度信号を示す特性図従来の角速度センサのブロック図図６のＡ−Ａ断面図ピーク周波数の減衰前の増幅器の利得周波数特性図同期検波信号およびそれを処理した角速度信号を示す特性図

符号の説明

３２駆動電極
３３モニタ電極
３４検出電極
３５駆動回路
３６検出信号増幅回路
３７モニタ信号増幅回路
３８振動制御回路
３９同期検波回路
４０第１増幅器
４１第１帰還抵抗
４２第１帰還容量
４３第２増幅器
４４第２帰還抵抗
４５第２帰還容量
４６基板
４７基準電極
４８圧電層
４９減衰回路

Claims

駆動電極とモニタ電極と検出電極とを有する振動子と、前記駆動電極に駆動信号を通電し前記振動子を振動させる駆動回路と、慣性力に起因して前記検出電極から出力される検出信号を増幅する検出信号増幅回路と、前記モニタ電極から出力されるモニタ信号を増幅するモニタ信号増幅回路と、前記モニタ信号増幅回路から出力される前記モニタ増幅信号を基準にして前記駆動信号の通電量を制御する振動制御回路と、前記モニタ増幅信号を基準にして前記検出増幅信号を検波する同期検波回路とを備え、
前記モニタ信号増幅回路は第１増幅器と第１帰還抵抗と第１帰還容量とを有し、前記検出信号増幅回路は第２増幅器と第２帰還抵抗と第２帰還容量とを有し、前記モニタ電極で生成される静電容量値と前記検出電極で生成される静電容量値とを等しくし、前記第１帰還抵抗と前記第２帰還抵抗とを等しくし、前記第１帰還容量と前記第２帰還容量とを等しくした角速度センサ。
前記モニタ電極の電極面積と前記検出電極の電極面積とを等しくした請求項１記載の角速度センサ。
前記振動制御回路の前段に、前記モニタ増幅信号の振幅値を減衰させる減衰回路を設けた請求項１記載の角速度センサ。
前記第１増幅器の構成素子と前記第２増幅器の構成素子を等しくした請求項１に記載の角速度センサ。