(57)【要約】【課題】本発明は、振動子の近傍に温度センサを設けることなく、振動子の近傍の温度を検出することが可能な角速度センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】本発明の角速度センサは、駆動回路２９の後段に、駆動制御回路３５の出力信号を入力する整流器４８と、この整流器４８の出力信号を入力する平滑回路４９と、この平滑回路４９からの出力信号と基準電圧５０とを比較して差動を出力する差動増幅器５１とからなる温度検出手段４７を設けたものである。【選択図】図１
2010038683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電極、検出電極およびモニタ電極を設けた振動子と、この振動子におけるモニタ電極からのモニタ信号を処理して駆動電極に入力することにより、振動子を一定の振幅で振動させる駆動回路と、前記振動子に角速度が加わった際に働くコリオリ力により発生する電荷を処理して出力信号を発生させる検出回路と、前記振動子を内側に収納するケースとを備え、前記駆動回路の後段に温度検出手段を設けた角速度センサ。
【請求項２】
温度検出手段を、駆動回路の出力信号を入力する整流器と、この整流器の出力信号を入力する平滑回路と、この平滑回路からの出力信号と基準電圧とを比較して差動を出力する差動増幅器とで構成した請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】
検出回路の後段に増幅器を設けるとともに、この増幅器の増幅率を温度検出手段における差動増幅器からの出力信号により変化させるようにした請求項１記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、航空機、自動車、ロボット、船舶、自動車両等の移動体の姿勢制御に用いられる角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【０００３】
図６は従来の角速度センサにおける回路構成を示すブロック図である。
【０００４】
図６において、１は三角柱状の振動子で、この振動子１の２つの側面には２つの圧電素子２がＧＮＤ電極３を介して駆動用かつ検出用として設けられている。また、振動子１における圧電素子２の表面には各々駆動用かつ検出用として機能する電極４を設けている。そしてまた、振動子１における残りの１つの側面には、ＧＮＤ電極３を介してモニタ圧電素子５を設けており、さらにこのモニタ圧電素子５の表面にはモニタ電極６を設けている。７は駆動制御回路で、この駆動制御回路７は発振回路８と位相回路９とにより構成されており、発振回路８にモニタ電極６の信号を入力するとともに、発振回路８の出力信号を位相回路９を介して電極４に入力することにより、振動子１を安定して振動させるものである。
【０００５】
１０は検出回路で、この検出回路１０は一対の電極４の出力信号の双方を入力する差動増幅回路１１と、この差動増幅回路１１の出力信号を入力するとともに、前記駆動制御回路７における位相回路９の出力信号に応じて同期検波をする同期検波回路１２と、この同期検波回路１２の出力信号を入力するとともに、整流し、かつ増幅する整流増幅回路１３とにより構成されている。１４は温度センサからなる温度検出手段で、この温度検出手段１４は前記振動子１の近傍に配設され、振動子１の周囲の温度を検出するものである。１５はＡ／Ｄ変換器で、このＡ／Ｄ変換器１５は温度検出手段１４のアナログ信号を入力するとともに、デジタル信号に変換するものである。１６はＣＰＵからなる演算手段で、ＥＰＲＯＭからなる記憶手段１７に予め記憶した動作プログラムにより、ＥＥＰＲＯＭからなる記憶手段１８に予め記憶した補正データをもとに、Ａ／Ｄ変換器１５の出力信号を演算し、その演算した結果を出力信号として出力するものである。１９は加算器で、この加算器１９はＣＰＵからなる演算手段１６の出力信号をＤ／Ａ変換器２０によりアナログ信号からなる出力信号に変換し、検出回路１０における整流増幅回路１３の出力信号に加算するものである。
【０００６】
以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。
【０００７】
振動子１における一対の電極４に交流電圧を加えると、モニタ電極６から出力される出力信号を基に発振回路８および位相回路９により振動子１が一定の振動数で自励振動駆動する。そして、自励振動駆動している振動子１に角速度が加わるとコリオリ力により、一対の圧電素子２に電荷が発生する。この電荷を検出回路１０における差動増幅回路１１により、差動の出力電圧に変換した後、同期検波回路１２により、位相回路９の位相に合わせて同期検波し、さらに整流増幅回路１３により増幅し、出力信号として加算器１９に入力する。
【０００８】
ここで、角速度センサの周囲の温度が−２０℃〜６０℃まで変化する場合を考えてみると、従来の角速度センサにおいては、（表１）に示すように、振動子１の近傍の温度を温度センサからなる温度検出手段１４により検出するとともに、そのときの温度毎の補正値を（表２）に示すように、個別にＥＥＰＲＯＭからなる記憶手段１８に記憶させておき、さらにＥＰＲＯＭからなる記憶手段１７に記憶させた補正プログラムにより、補正量を算出する。そして、この補正量を加算器１９における出力信号に加算し、角速度センサにおける出力信号を補正するようにしていた。
【０００９】
【表１】
2010038683.tif 000003
【００１０】
【表２】
2010038683.tif 000004
【００１１】
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。
【特許文献１】特開平５−２９６７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来の構成においては、温度変化による出力信号の変動を補正するために、振動子１の近傍に温度センサからなる温度検出手段１４を設けているため、角速度センサの部品点数が多くなってしまうという課題を有していた。
【００１３】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、振動子の近傍に温度センサを設けることなく、振動子の近傍の温度を検出することが可能な角速度センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００１５】
本発明の請求項１に記載の発明は、駆動電極、検出電極およびモニタ電極を設けた振動子と、この振動子におけるモニタ電極からのモニタ信号を処理して駆動電極に入力することにより、振動子を一定の振幅で振動させる駆動回路と、前記振動子に角速度が加わった際に働くコリオリ力により発生する電荷を処理して出力信号を発生させる検出回路と、前記振動子を内側に収納するケースとを備え、前記駆動回路の後段に温度検出手段を設けたもので、この構成によれば、駆動回路の後段に温度検出手段を設けているため、振動子の近傍に温度センサを設けることなく、振動子の近傍の温度を検出することができるという作用効果を有するものである。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、温度検出手段を、駆動回路の出力信号を入力する整流器と、この整流器の出力信号を入力する平滑回路と、この平滑回路からの出力信号と基準電圧とを比較して差動を出力する差動増幅器とで構成したもので、この構成によれば、温度検出手段を、駆動回路の出力信号を入力する整流器と、この整流器の出力信号を入力する平滑回路と、この平滑回路からの出力信号と基準電圧とを比較して差動を出力する差動増幅器とで構成しているため、基準電圧を常温時における平滑回路からの出力電圧に設定することにより、駆動制御回路からの温度変化による出力信号の変化量を正確に検出することができるという作用効果を有するものである。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、検出回路の後段に増幅器を設けるとともに、この増幅器の増幅率を温度検出手段における差動増幅器からの出力信号により変化させるようにしたもので、この構成によれば、検出回路の後段に増幅器を設けるとともに、この増幅器の増幅率を温度検出手段における差動増幅器からの出力信号により変化させるようにしているため、温度変化により発生する出力信号の変動を自動的に補正することができるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように本発明の角速度センサは、駆動電極、検出電極およびモニタ電極を設けた振動子と、この振動子におけるモニタ電極からのモニタ信号を処理して駆動電極に入力することにより、振動子を一定の振幅で振動させるようにした駆動回路と、前記振動子に角速度が加わった際に働くコリオリ力により発生する電荷を処理して出力信号を発生させる検出回路と、前記振動子を内側に収納するケースとを備え、前記駆動回路の後段に温度検出手段を設けているため、振動子の近傍に温度センサを設けることなく、振動子の近傍の温度を検出することが可能な角速度センサを提供することができるという優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの回路構成を示すブロック図、図２は同角速度センサにおける振動子の斜視図、図３は同角速度センサの分解斜視図である。
【００２１】
図１〜図３において、２１は音叉形状の水晶製の振動子で、この振動子２１は四角柱状の検出電極振動体２２と、この検出電極振動体２２と平行に設けられた四角柱状の駆動電極振動体２３と、前記検出電極振動体２２の一端と駆動電極振動体２３の一端を接続する水晶製の接続部２４とにより構成されている。また、前記振動子２１における駆動電極振動体２３には、４つの側面に金からなる駆動電極２５が設けられている。そしてまた、前記振動子２１における検出電極振動体２２の表面および裏面には金からなるモニタ電極２６がそれぞれ設けられるとともに、この検出電極振動体２２における内側の側面には金からなるＧＮＤ電極２７が設けられ、かつ外側の側面には金からなる第１の検出電極２８ａおよび第２の検出電極２８ｂが設けられている。
【００２２】
２９は駆動回路で、この駆動回路２９は、前記振動子２１の一方のモニタ電極２６の電荷を入力する増幅器３０と、この増幅器３０の出力信号を入力するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１と、このバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の出力信号を入力する整流器３２と、この整流器３２の出力信号を入力する平滑回路３３とにより構成されている。３４はＡＧＣ回路で、このＡＧＣ回路３４は前記駆動回路２９における平滑回路３３の出力信号を入力し、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。３５は駆動制御回路で、この駆動制御回路３５はＡＧＣ回路３４の出力信号を入力するとともに、前記振動子２１における駆動電極２５に駆動信号を入力するものである。３６は反転増幅器で、この反転増幅器３６は駆動制御回路３５の出力信号を入力するとともに、振動子２１における駆動電極２５に駆動制御回路３５の出力信号を反転させた駆動信号を入力するものである。
【００２３】
３７は検出回路で、この検出回路３７は振動子２１における第１の検出電極２８ａにコリオリ力によって発生する電荷を電圧に変換する第１の増幅器３９と、第２の検出電極２８ｂにコリオリ力によって発生する電荷を電圧に変換する第２の増幅器４１と、前記第１の増幅器３９および第２の増幅器４１の出力信号を入力する差動増幅器４２と、この差動増幅器４２の出力信号を入力する位相器４３と、この位相器４３の出力信号を入力する同期検波器４４と、この同期検波器４４の出力信号を入力する平滑回路４５と、この平滑回路４５の出力信号を入力するとともに、増幅して角速度信号を出力する直流増幅器４６とにより構成されている。
【００２４】
４７は温度検出手段で、この温度検出手段４７は、前記駆動制御回路３５の電荷を入力する整流器４８と、この整流器４８の出力信号を入力する平滑回路４９と、この平滑回路４９からの出力信号とＥＥＰＲＯＭからなる基準電圧５０とを比較して、差電圧を増幅して出力する差動増幅器５１とにより構成され、そして、基準電圧５０には常温時での平滑回路４９からの出力信号が書き込まれているものである。５２は駆動回路診断コンパレータで、この駆動回路診断コンパレータ５２には前記平滑回路４９からの出力信号が入力され、かつこの駆動回路診断コンパレータ５２は前記駆動回路２９の故障を検出するものである。５５は温度診断コンパレータで、この温度診断コンパレータ５５には前記差動増幅器５１の出力信号が入力され、かつこの温度診断コンパレータ５５は角速度センサの周辺の温度異常を検出するものである。また、前記差動増幅器５１からの出力信号は前記検出回路３７における直流増幅器４６に入力されるもので、この入力値を基に、前記直流増幅器４６の増幅率を変化させて、検出回路３７からの出力信号を変化させているものである。５６はケースで、このケース５６は、基台５７と、支持台５８と、カバー５９とで構成されており、前記ケース５６の内側には、振動子２１を収納している。また、前記ケース５６における支持台５８は直方体形状を有しており、この支持台５８は前記振動子２１における接続部２４の根元を支持している。また、前記ケース５６における基台５７は、前記支持台５８の下部を固着している。さらに、前記ケース５６におけるカバー５９は前記基台５７の上面を覆うように設けており、ケース５６の内側には、Ｎ2ガスが１ａｔｍの状態で封入されている。
【００２５】
以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次にその動作を説明する。
【００２６】
振動子２１の駆動電極２５に交流電圧を加えると振動子２１が共振し、この振動子２１のモニタ電極２６に電荷が発生する。このモニタ電極２６に発生した電荷は、駆動回路２９における増幅器３０に入力され、正弦波形の出力電圧として出力される。そしてこの増幅器３０の出力電圧をバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１に入力し、振動子２１の共振周波数のみを抽出するとともに、ノイズ成分を除去し、図４（ａ）に示すような正弦波形を出力する。そしてまた、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の出力信号を整流器３２に入力することにより、負電圧成分を正電圧に変換し、その後、平滑回路３３に入力することにより、直流電圧信号に変換する。そしてＡＧＣ回路３４は平滑回路３３の直流電圧信号が大の場合にはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の出力信号を減衰させるような信号を、また、平滑回路３３の直流電圧信号が小の場合にはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の出力信号を増幅させるような信号を駆動制御回路３５に入力し、振動子２１の振動を一定振幅になるように調整するものである。
【００２７】
ここで、振動子２１の駆動電極振動体２３が振動方向に速度ｖで屈曲振動している状態において、振動子２１の長手方向の中心軸周りに振動子２１が角速度ωで回転すると、この振動子２１の検出電極振動体２２にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力によって検出電極振動体２２に設けた第１の検出電極２８ａに図４（ｂ）に示すような電荷が発生するとともに、第２の検出電極２８ｂに図４（ｃ）に示すような電荷が発生する。そして第１の増幅器３９により、第１の検出電極２８ａから発生する電荷を図４（ｄ）に示すような出力電圧に変換する。また第２の増幅器４１は、第２の検出電極２８ｂから発生する電荷を反転増幅し、図４（ｅ）に示すような出力電圧に変換する。そしてまた、差動増幅器４２は第１の増幅器３９および第２の増幅器４１の出力信号の差動を取り、さらにこの差動増幅器４２の出力信号の位相を位相器４３により９０度遅らせて、図４（ｆ）に示すような出力電圧に変換する。そして、この位相器４３の出力信号を同期検波器４４に入力し、駆動回路２９におけるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１の振動の周期で位相検波させるとともに、位相器４３の出力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、図４（ｇ）に示すような出力信号を得る。そして、同期検波器４４の出力電圧を平滑回路４５および直流増幅器４６により平滑化するとともに増幅し、図４（ｈ）に示すような出力信号を得る。そして、検出回路３７の直流増幅器４６の出力信号を角速度の信号として、外部に出力する。
【００２８】
ここで、角速度センサの周囲の温度が−４０℃〜１２５℃まで変化する場合を考えてみる。角速度センサの周囲の温度が高くなると、（数１）に示す状態方程式により、ケース５６に封入されたＮ2ガスの圧力が（表３）に示すように、高くなる。
【００２９】
【数１】
2010038683.tif 000005
【００３０】
【表３】
2010038683.tif 000006
【００３１】
そのことによって、振動子２１の駆動振動に対する空気抵抗が増加することとなり、振動子２１が撓みにくくなる。そうすると、ＡＧＣ回路３４が機能して、図５（ａ）に示すように、駆動制御回路３５からの出力信号が大きくなる。そして、温度検出手段４７の一部を構成する整流器４８からの出力信号は前記駆動制御回路３５からの出力信号を反転させて、図５（ｂ）のようになる。また、平滑回路４９は前記整流器４８の出力信号を平滑して、図５（ｃ）に示す出力信号を出力する。予めＥＥＰＲＯＭからなる基準電圧５０には、常温時での平滑回路４９からの出力信号が書き込まれているため、図５（ｄ）に示すように、差動増幅器５１は、平滑回路４９と基準電圧５０との電圧差を温度情報として出力する。
【００３２】
すなわち、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、駆動制御回路３５の後段に整流器４８、平滑回路４９、差動増幅器５１で構成される温度検出手段４７を設けているため、振動子２１の近傍に温度センサを設けることなく、振動子２１の近傍の温度を検出することができるという効果が得られるものである。
【００３３】
そして、コンパレータ５５は、前記差動増幅器５１からの出力信号をコンパレータ５５における上限基準電圧と比較して、この上限基準電圧を超える場合には、図５（ｅ）に示すように、温度異常であるとして、出力信号を出力するものである。
【００３４】
また、前記平滑回路４９の出力信号は、駆動回路２９の故障を診断するために、コンパレータ５２に入力されており、このコンパレータ５２の上限基準電圧以上または下限基準電圧以下となった場合には、駆動回路２９が故障しているとして、故障情報を出力するものである。
【００３５】
そしてまた、前記差動増幅器５１の出力信号は、検出回路３７における直流増幅器４６に接続されており、差動増幅器５１から出力される温度変化による出力信号に応じて、直流増幅器４６の増幅率を変化させて、検出回路３７からの出力信号を補正するものである。
【００３６】
すなわち、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、検出回路３７の後段に増幅器４６を設けるとともに、この増幅器４６の増幅率を温度検出手段４７における差動増幅器５５からの出力信号により変化させるようにしているため、温度変化により発生する出力信号の変動を自動的に補正することができるという効果が得られるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る角速度センサは、振動子の近傍に温度センサを設けることなく、振動子の近傍の温度を検出することが可能な角速度センサを提供することができるという効果を有するものであり、特に航空機、自動車、ロボット、船舶、自動車両等の移動体の姿勢制御に用いられる角速度センサとして有用となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施の形態における角速度センサの回路構成を示すブロック図
【図２】同角速度センサにおける振動子の斜視図
【図３】同角速度センサの分解斜視図
【図４】（ａ）〜（ｈ）同角速度センサにおける出力信号を示す波形図
【図５】（ａ）〜（ｅ）同角速度センサにおける温度検出手段が動作状態を示す波形図
【図６】従来の角速度センサにおける回路構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００３９】
２１  振動子
２５  駆動電極
２６  モニタ電極
２８ａ，２８ｂ  検出電極
２９  駆動回路
３７  検出回路
４６  直流増幅器
４７  温度検出手段
４８  整流器
４９  平滑回路
５０  基準電圧
５１  差動増幅器
５６  ケース
【図２】
2010038683.tif 000007
【図３】
2010038683.tif 000008
【図４】
2010038683.tif 000009
【図５】
2010038683.tif 000010
【図６】
2010038683.tif 000011
【図１】
2010038683.tif 000012