KR100879156B1 - 물리량 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물리량 측정 장치는 진동자(1), 진동자(1)에 구동 진동을 여진시키는 자려 발진 회로(12A) 및 진동자(1)로부터의 출력 신호를 출력하기 위한 검출 회로를 사용하고, 출력 신호에 기초하여 물리량을 측정하는 것을 목적으로 한다. 자려 발진 회로(12A)가 전류/전압 변환기(3)와 저역 필터(25)를 구비하고 있다. 검출 회로가 진동자로부터의 출력 신호를 증폭시키는 전하 증폭기 회로를 구비하고 있고, 적어도 전류/전압 변환기와 전하 증폭기 회로가 모놀리식 IC에 형성되어 있다.

Description

물리량 측정 장치{SYSTEMS OF MEASURING PHYSICAL QUANTITIES}
본 발명은 진동형 자이로스코프 등의 물리량 측정 장치에 관한 것이다.
본 출원인은 진동형 자이로스코프의 응용에 대해서 여러 가지 검토를 진행시키고 있으며, 예컨대 자동차의 차체 회전 속도 피드백식 차량 제어 방법에 이용하는 회전 속도 센서로 진동형 자이로스코프를 사용하는 것을 검토하였다. 이러한 시스템에 있어서는, 조향 바퀴의 방향 자체는 핸들의 회전 각도에 의해 검출한다. 이와 동시에, 실제로 차체가 회전하고 있는 회전 속도를 진동 자이로스코프에 의해 검출한다. 그리고, 조향 바퀴의 방향과 실제의 차체의 회전 속도를 비교하여 차이를 구하고, 이 차이에 기초하여 차륜 토크, 조향각에 보정을 가함으로써, 안정된 차체 제어를 실현한다. 본 출원인은 일본 특허 공개 평11-281372호 공보에는 주로 평면 내로 연장되는 진동자를 이용한 가로 배치 타입에 적합한 진동형 자이로스코프를 제안하였다.
진동형 자이로스코프를 제조할 때에는 자려 발진 회로를 이용하여, 예컨대 수정으로 이루어진 구동 진동편에 구동 진동을 여진시킨다. 또한, 진동자 위의 검출 전극으로부터 발신된 출력 전압을 처리함으로써, 회전각속도에 대응하는 전압값을 얻는다. 종래에는 자려 발진 회로와 검출 회로를 디스크리트 IC 상에 형성하였지만, 제조 공정수가 많다. 이 때문에, 본 발명자는 모놀리식 IC 칩 상에 자려 발진 회로와 검출 회로를 형성함으로써, 구동-검출 회로의 양산을 검토하고 있었다.
그런데, 제조된 동일 사양의 다수의 진동형 자이로스코프에 대해서 자려 발진 회로마다 구동 전류를 측정해 보면, 온도 변화에 따른 구동 전류값의 변동이 큰 것이 판명되었다. 예컨대 차체 제어 시스템에 있어서는 진동형 자이로스코프는 폭넓은 환경 온도, 즉 고온과 저온에 노출된다. 이러한 사용 온도 범위는 -40℃∼+85℃의 범위에 걸쳐 있다. 이 때문에, 온도 변화에 따라 구동 전류가 변화되면, 구동 감도가 변화되고, 이 결과로서 검출 전극으로부터의 출력 전류도 변화된다. 이 결과, 회전각속도의 측정값에 온도 드리프트가 발생한다.
또한, 검출 전극으로부터의 출력 전류를 처리하여 회전각속도에 대응하는 검출 전류를 얻지만, 개개의 진동형 자이로스코프마다 검출 전류의 측정값에 편차가 보이게 되었다. 이들 현상은 자려 발진 회로와 검출 회로를 디스크리트 IC 상에 형성하고 있을 때에는 보이지 않았다.
본 발명의 과제는 진동자, 진동자에 구동 진동을 여진시키는 자려 발진 회로 및 진동자로부터의 검출 신호를 출력하기 위한 검출 회로를 사용하고, 검출 신호에 기초하여 물리량을 측정하는 장치에 있어서, 적어도 자려 발진 회로와 검출 회로를 모놀리식 IC에 형성한 경우에, 물리량에 대응하는 검출 감도의 온도 및 진동자마다의 변동을 억제하는 것이다.
본 발명은 진동자, 진동자에 구동 진동을 여진시키는 자려 발진 회로 및 진동자로부터의 검출 신호를 출력하기 위한 검출 회로를 사용하고, 검출 신호에 기초하여 물리량을 측정하는 장치로서, 자려 발진 회로가 전류/전압 변환기와 저역 필터를 구비하고 있고, 검출 회로가 진동자로부터의 출력 신호를 증폭시키는 전하 증폭기 회로를 구비하고 있으며, 적어도 전류/전압 변환기와 전하 증폭기 회로가 모놀리식 IC로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 자려 발진 회로(12)를 도시한 회로도.
도 2는 종래예의 자려 발진 회로(12) 및 검출 회로(13)를 도시한 회로도.
도 3은 전류/전압 변환기(3)의 구성예의 일례를 도시한 회로도.
도 4는 검출 회로의 구성예를 도시한 회로도.
도 5는 전하 증폭기 회로의 구성예를 도시한 회로도.
도 6은 저역 필터의 구성예를 도시한 회로도.
도 7은 본 발명에 따른 자려 발진 회로(12A)를 도시한 회로도.
도 8은 본 발명에 따른 자려 발진 회로(12A) 및 검출 회로(13)를 도시한 회로도.
이하, 도면을 적절하게 참조하면서 본 발명에 대해서 설명한다.
삭제
도 1은 종래의 자려 발진 회로(12)를 도시한 모식도이다. 진동자(1)에는 여진 수단(2)이 부착되어 있고, 여진 수단(2)은 자려 발진 회로(12)에 대하여 접속되 어 있다. 자려 발진 회로(12)는 전류/전압 증폭기(교류 증폭기; 3), 고역 필터(5), 비교기(6), 전파 정류기(8), 적분기(10), 저항기를 구비하고 있다.
기동시에는 자려 발진 회로(12)에 대하여 기동 회로로부터 잡음을 입력한다. 이 잡음은 진동자(1)의 구동부를 통과하여 주파수 선택을 받고, 계속해서 화살표 A와 같이 전류/전압 변환기(3)에 입력되며, 증폭되어 전압값으로 변환된다. 전류/전압 변환기(3)로부터의 출력 신호의 일부를 추출하여 전파 정류기(8)에 입력시키고, 진폭 수준(크기)으로 변환한다. 5는 고역 필터이고, 9는 기준 전압원이다. 이 진폭의 신호를 적분기(10)에 입력한다. 자려 발진 장치(12)는 도시하지 않은 진단 회로에 연결되어 있고, 진단 회로의 출력은 DIAG 단자를 통하여 외부로 출력된다.
기동후의 초기 단계에서는, 진동자(1)에 있어서 잡음의 대부분이 차단되기 때문에, 전파 정류기(8)로부터의 출력이 비교적 작다. 이 때문에, 적분기(10)에 있어서의 출력 전압을 크게 하여, 발진 루프를 일주하는 동안의 루프 이득이 1보다 커지도록 한다. 시간이 경과하면, 정류기(8)로부터의 출력이 커지기 때문에, 적분기(10)에 있어서의 출력 전압을 작게 하여, 루프 이득이 1이 되게 한다.
도 2는 본 예에서 사용하는 자려 발진 회로(12) 및 검출 회로(13)를 도시한 블록도이다. 전류/전압 변환기(3)는 병렬 접속된 저항기(3a) 및 연산 증폭기(3b)로 이루어진다. 검출 회로(13)에 대해서는 후술한다.
도 3은 전형적인 전류/전압 변환기(3)의 구성을 도시한 블록도이다. 저항기(3a)와 연산 증폭기(3b)가 병렬 접속되어 있고, 연산 증폭기(3b)의 마이너스 및 플러스 단자가 입력 단자가 된다. 출력 전압값은 A×[(＋단자에서의 전압)－(－단자에서의 전압)](A는 1보다도 충분히 큼)이 된다. ＋단자에서의 전압은 0볼트이기 때문에, 출력 전압을 확정시키기 위해서는 －단자에서의 전압도 0볼트가 되어야 한다. 여기서 입력 전류값을 i라고 하면, －단자에서의 전압은 0볼트이기 때문에, 출력 단자에 있어서의 전압은 (－R×i)가 된다{R은 저항기(3a)의 저항값임}.
여기서, 본 발명자의 검토에 따르면, 실리콘웨이퍼 상에 형성된 저항기(3a)의 저항값(R)은 온도 특성이 나쁘며, 예컨대 1000 ppm 이상의 온도 특성을 갖고 있었다. 이 결과, 접점(4)에 있어서 구동 전류값을 측정했을 때에, 구동 전류값의 온도 변동이 커진 것으로 생각된다.
도 4는 검출 회로의 일례를 도시한 블록도이다. 진동자(1)에 마련된 검출 수단(15a, 15b)으로부터의 각 출력 신호를 각각 전하 증폭기(16A, 16B)에 의해 증폭시키고, 각 출력 신호의 차를 차동 증폭기(17)에 의해 증폭시킨다. 계속해서, 고역 필터(18), 증폭기(19)를 통과시킨다. 한편, 구동 신호의 일부를 파생시켜, 이 파생 신호를 위상 검파기(30)에 입력시키고, 진동자(1)로부터의 출력 신호를 검파한다. 이 결과, 검파 후의 출력 신호에 있어서는, 불필요한 누설 신호는 소거되고 있거나 혹은 적어도 저감되고 있는 것이다. 이 검파 후의 출력 신호를 저역 필터(20), 증폭기(21)에 통과시켜, 이 출력을 단자(22)로부터 외부로 추출한다.
전하 증폭기 회로(16A, 16B)의 구성예를 도 5에 도시한다. 본 회로는 병렬 접속된 콘덴서(16a)와 연산 증폭기(16b)로 이루어진다. 연산 증폭기(16b)의 마이너스 및 플러스 단자가 입력 단자가 된다. ＋단자에서의 전압은 0볼트이기 때문에, 출력 전압을 확정시키기 위해서는 －단자에서의 전압도 0볼트가 되어야 한다. 여기서 입력 전류값을 i라고 하면, －단자에서의 전압은 0볼트이기 때문에, 출력 단자에 있어서의 전압은 (－i/ωC)가 된다[C는 콘덴서(16a)의 용량임].
여기서, 웨이퍼 상에 형성된 콘덴서의 용량은 웨이퍼간에 있어서의 편차가 크고, 예컨대 20% 정도가 된다. 이 때문에, 웨이퍼마다, 진동자로부터의 출력 신호를 전하 증폭기 회로에 의해 증폭시킨 후의 전압값이 달라 편차가 발생한다.
여기서, 본 발명에 있어서는, 자려 발진 회로 중에 저역 필터를 설치한다. 도 6은 전형적인 저역 필터(25)의 구성예를 도시한다. 저역 필터(25)는 저항기(25a)와 콘덴서(25b)로 이루어져 있고, 콘덴서(25b)가 접지되어 있다. 이러한 저역 필터에 있어서는, 입력과 출력과의 관계는 하기 식 1로 표시된다.
Figure 112008006134961-pct00001
[식 1]
삭제
여기서, ω는 입력 신호의 각주파수이고, ω0은 저역 필터의 고유 각주파수이다. 그리고, 하기 식 2의 근사식에 의해 식 1의 (출력/입력)은 (1/R1·C1)에 거의 비례하는 것이 도출된다.
Figure 112006068266367-pct00002
[식 2]
삭제
단, C1은 저역 필터의 콘덴서의 용량이고, R1은 저역 필터의 저항의 저항값이다.
본 발명에 있어서는, 예컨대 도 7에 도시한 바와 같이, 전류/전압 변환기(3)의 하류에 저역 필터(25)를 설치하고, 저역 필터(25)의 출력을 전파 정류기(8)에 입력한다. 여기서, 전류/전압 변환기(3)를 구성하는 저항기의 저항값(R)은 하나의 웨이퍼 내에서는 동일하다. 그리고, 전류/전압 변환기(3)에 있어서의 증폭율은 전술한 바와 같이 저항기의 저항값(R)에 비례하고 있다. 또한, 저역 필터(25)에 있어서의 증폭율은 전술한 바와 같이 (1/R1·C1)에 비례하고 있다. 따라서, 측정 전류값은 R×(1/R1·C1)에 비례한다. 이 결과, 자려 발진 회로에 있어서의 측정 전류값은 전류/전압 변환기의 저항값(R)에 기초한 온도 특성이 저역 필터가 구비하는 저항(R1)의 온도 특성에 의해 소거되기 때문에, (1/C1)에 비례하게 된다.
여기서, 자려 발진 회로(12, 12A)는 측정한 전류값{접점(4)의 하류에서 측정한 전류값}을 일정값으로 제어하는 회로이다. 따라서, 측정 전류가 (1/C1)에 비례하기 때문에, 구동 전류값은 C1에 비례하고, 이것에 의해 루프 이득이 1이 되도록 조정된다. 검출 감도는 구동 전류값에 비례한다. 따라서, 검출 감도는 저역 필터를 구성하는 콘덴서의 용량(C1)에 비례하게 된다. 이것은 검출 감도의 온도 특성이 저역 필터를 구성하는 콘덴서의 용량(C1)의 온도 특성에 비례하는 것을 의미한다.
또한, 검출 회로에 있어서는, 전하 증폭기 회로의 검출 감도는 전술한 바와 같이 (1/C)에 비례한다.
따라서, 자려 발진 회로와 검출 회로의 양쪽을 포함하는 전체의 검출 감도는 구동 전류값과 전하 증폭기 회로의 검출 감도와의 곱에 비례하기 때문에, C1×(1/C)에 비례하게 된다. 전하 증폭기 회로의 콘덴서의 용량(C)의 온도 특성, 저역 필터의 콘덴서의 용량(C1)의 온도 특성은 유사하기 때문에, C1×(1/C)의 온도 특성은 작다.
따라서, 자려 발진 회로 및 검출 회로를 포함하는 전체의 감도는 저항기의 저항값(R)의 온도 특성 및 콘덴서의 용량(C)의 웨이퍼마다의 편차의 영향을 받지 않게 된다.
상기한 온도 특성 소거라는 관점에서, 식 2에 있어서, 저역 필터의 증폭율은 (1/R1·C1)에 완전히 비례할 필요는 없지만, (1/R1·C1)에 가능한 한 비례하는 것이 바람직하다. 이 관점에서는, 저역 필터의 증폭율의 (1/R1·C1)에 대한 비례 계수는 0.9배 이상인 것이 바람직하고, 0.95배 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 저역 필터의 증폭율의 (1/R1·C1)에 대한 비례 계수는 1.1배 이하인 것이 바람직하고, 1.05배 이하인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 이것을 위해서는 ω가 ω0에 비하여 충분히 큰 것이 바람직하다. 이 크기는 특별히 한정되지 않지만, ω가 ω0의 5배 이상인 것이 바람직하고, 6배 이상인 것이 더욱 바람직하며, 8배 이상인 것이 가장 바람직하다.
도 8은 본 발명의 일실시형태에 따른 자려 발진 회로(12A) 및 검출 회로(13)를 도시한 회로도이다. 자려 발진 회로(12A)의 동작은 전술한 바와 같다. 진동자(1)에 설치된 검출 수단(15a, 15b)으로부터의 각 출력 신호를 각각 전하 증폭기(16A, 16B)에 의해 증폭시키고, 각 출력 신호의 차를 차동 증폭기(17)에 의해 증폭시킨다. 계속해서, 고역 필터(18), 증폭기(19)를 통과시킨다. 한편, 구동 신호의 일부를 파생시켜, 이 파생 신호를 위상 검파기(30)에 입력시키고, 진동자(1)로부터의 출력 신호를 검파한다. 검파 후의 출력 신호를 저역 필터(20), 증폭기(21)에 통과시켜, 이 출력을 단자(22)로부터 외부로 추출한다.
본 발명에 있어서 측정해야 하는 물리량은 특별히 한정되지 않는다. 진동자에 구동 진동을 여진시키고, 구동 진동중인 진동자에 대한 물리량의 영향에 의해 진동자의 진동 상태에 변화가 생겼을 때에 이 진동 상태의 변화로부터 검출 회로를 통해 검출 가능한 물리량을 대상으로 한다. 이러한 물리량으로서는, 진동자에 인가되는 가속도, 각속도, 각가속도가 특히 바람직하다. 또한, 검출 장치로서는 관성 센서가 바람직하다.
또한, 전류/전압 변환기와 저역 필터가 동일 모놀리식 IC 상에 형성되는 경 우는 특히 효과가 있다. 더욱이, 전하 증폭기 회로도 동일 모놀리식 IC 상에 형성한 경우는 특히 바람직하다.
저역 필터의 구성은 특별히 한정되지 않고, 예컨대 저비용의 CR 필터를 적합하게 사용할 수 있다.
구동 신호의 파형은 한정되지 않지만, 바람직하게는 정현파, 코사인파 혹은 직사각형파이다.
진동자의 구성은 특별히 한정되지 않는다. 진동자를 구성하는 재질의 Q값은 3000 이상인 것이 바람직하고, 10000 이상인 것이 더욱 바람직하다. 진동자를 구성하는 재질로서는, 엘린바 등의 항 탄성 합금, 강유전성 단결정(압전성 단결정)을 예시할 수 있다. 이러한 단결정으로서는, 수정, 니오브산리튬, 탄탈산리튬, 니오브산리튬-탄탈산리튬 고용체, 붕산리튬, 랑거사이트(langasite)를 예시할 수 있다.
(실시예 1)
삭제
이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명한 바와 같은 회로를 구성하여 구동 실험을 행하였다. 진동자로서는, 일본 특허 공개 평성 제11-281372호 공보에 기재된 진동자를 사용하였다. 이 진동자는 2개의 구동 진동편과, 구동 진동편은 독립적으로 진동하는 2개의 검출 진동편을 구비하고 있다. 기동 회로로부터 주파수 100∼500 KHz의 잡음을 발생시켜, 자려 발진 회로(12A)에 입력시키고, 자려 발진을 시작하였다. 구동 진동편의 고유 공진 주파수는 45 KHz이다. 저역 필터의 차단 주파수는 5 KHz로 한다.
이 결과, －40℃∼＋85℃의 범위 내에서의 검출 감도에서는 ±2%의 편차가 있었다. 또한, 10개의 진동형 자이로스코프를 제작하여 검출 감도의 편차를 측정한 결과, 검출 감도에는 ±2%의 편차가 있었다.
(비교예 1)
실시예 1에 있어서, 자려 발진 회로에서 저역 필터를 제거하였다. 이것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 진동형 자이로스코프를 제작하였다. 이 결과, －40℃∼＋85℃의 범위 내에서의 검출 감도에는 ±10%의 편차가 있었다. 또한, 10개의 진동형 자이로스코프를 제작하여 검출 감도의 편차를 측정한 결과, ±20%의 편차가 있었다.

Claims (8)

  1. 진동자, 이 진동자에 구동 진동을 여진시키는 자려 발진 회로 및 상기 진동자로부터의 검출 신호를 출력하기 위한 검출 회로를 사용하여, 상기 검출 신호에 기초하여 물리량을 측정하는 장치로서,
    상기 자려 발진 회로는, 전류/전압 변환기와, 이 전류/전압 변환기의 교류 신호 출력을 증폭하는 저역 필터를 구비하고 있고, 상기 검출 회로는, 상기 진동자로부터의 출력 신호를 증폭시키는 전하 증폭기 회로를 구비하고 있으며, 적어도 상기 전류/전압 변환기와 상기 전하 증폭기 회로는 모놀리식(monolithic) IC로 형성되어 있고, 상기 저역 필터는 저항기와 콘덴서를 구비하고 있으며, 상기 콘덴서는 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자려 발진 회로는 전파 정류기 및 적분기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자려 발진 회로와 상기 검출 회로는 상기 모놀리식 IC로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 물리량 측정 장치는 회전 각속도를 측정하기 위한 장치인 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 저역 필터의 증폭율의 (1/R1·C1)에 대한 비례 계수는 0.9배 이상, 1.1배 이하(C1은 상기 저역 필터의 상기 콘덴서의 용량이고, R1은 상기 저역 필터의 상기 저항기의 저항값임)인 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서, ω가 ω0의 5배 이상(ω는 입력 신호의 각주파수이고, ω0은 상기 저역 필터의 고유 각주파수임)인 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
  8. 제1항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자려 발진 회로에 있어서의 측정 전류값이 (1/Cl)에 비례(Cl은 상기 저역 필터의 상기 콘덴서의 용량임)하는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
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