(57)【要約】【課題】本発明は車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム等に用いられる角速度センサにおいて、複数の振動モードを有する振動子であっても起動時の異常発振を抑制し、適正なセンス信号を出力することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために、角速度センサは、駆動信号により駆動されて発振する振動子と、振動子から出力されるモニタ信号を濾波するバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタから出力される濾波信号を増幅して駆動信号を生成する駆動部と、外部から与えられた角速度に応じて振動子から出力されるセンス信号に基づいて角速度信号を出力する検出部と、を備え、振動子の発振開始時はバンドパスフィルタの帯域幅を第１の帯域幅とし、振動子が所定の駆動振動周波数で発振した後はバンドパスフィルタの帯域幅を第１の帯域幅よりも広い第２の帯域幅とした構成とする。【選択図】図１
2014122828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号により駆動されて発振する振動子と、
前記振動子から出力されるモニタ信号を濾波するバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタから出力される濾波信号を増幅して前記駆動信号を生成する駆動部と、
外部から与えられた角速度に応じて前記振動子から出力されるセンス信号に基づいて角速度信号を出力する検出部と、を備え、
前記振動子の発振開始時は前記バンドパスフィルタの帯域幅を第１の帯域幅とし、
前記振動子が正常に発振した後は前記バンドパスフィルタの帯域幅を前記第１の帯域幅よりも広い第２の帯域幅とした角速度センサ。
【請求項２】
前記駆動部は、前記モニタ信号が予め定めた振幅となるように制御信号が印加される自動利得制御増幅器を有し、
前記制御信号のレベルが所定のレベルに到達した場合に前記振動子が正常に発振したと判断する請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
駆動信号により駆動されて発振する振動子と、
前記振動子から出力されるモニタ信号を濾波するバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタから出力される濾波信号を増幅して前記駆動信号を生成する駆動部と、
外部から与えられた角速度に応じて前記振動子から出力されるセンス信号に基づいて角速度信号を出力する検出部と、
前記濾波信号の周波数を計測する周波数計測部と、を備え、
前記周波数計測部が計測した周波数が所定の駆動振動周波数と異なる場合には、前記バンドパスフィルタの帯域幅を前記第１の帯域幅よりも狭い第３の帯域幅とした角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機、車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム、カメラやビデオの手振れ補正、携帯端末やゲーム機のモーション検知等に用いられる角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は従来の角速度センサ１の概略ブロック図である。角速度センサ１は、駆動信号により駆動されて発振する振動子２と、振動子２から出力されるモニタ信号を濾波するバンドパスフィルタ３と、バンドパスフィルタ３から出力される濾波信号を増幅して駆動信号を生成する駆動部４と、外部から与えられた角速度に応じて振動子２から出力されるセンス信号に基づいて角速度信号を出力する検出部５と、を備えていた。振動子２から出力されるモニタ信号は振動子２の振動モードの高次振動周波数や駆動振動モード以外の振動モードに起因して発生する不要周波数信号を含み、バンドパスフィルタ３はこの不要周波数信号を抑圧していた。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−８８５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、複数の軸回りの角速度を検出する多軸対応の角速度センサが求められており、多軸化を実現するために振動子２の構造が複雑化している。その結果、振動子２は駆動振動モード以外に多くの振動モードを持つようになり、異常発振による感度劣化の原因となっている。
【０００６】
特に振動子２の起動時（発振開始時）にはバンドパスフィルタ３の帯域の広さによっては、駆動振動モード以外の周波数で発振する可能性が高くなる。その結果、振動子２は異常発振を行い、外部から与えられた角速度に応じて適正なセンス信号を出力することが出来なくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明の角速度センサは、駆動信号により駆動されて発振する振動子と、振動子から出力されるモニタ信号を濾波するバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタから出力される濾波信号を増幅して駆動信号を生成する駆動部と、外部から与えられた角速度に応じて振動子から出力されるセンス信号に基づいて角速度信号を出力する検出部と、を備え、振動子の発振開始時はバンドパスフィルタの帯域幅を第１の帯域幅とし、振動子が正常に発振した後はバンドパスフィルタの帯域幅を第１の帯域幅よりも広い第２の帯域幅とした構成とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の角速度センサは、複数の振動モードを有する振動子であっても起動時の異常発振を抑制し、適正なセンス信号を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１における角速度センサの概略ブロック図
【図２】実施の形態１における多軸検出振動子の斜視図
【図３】多軸検出振動子の共振点とバンドパスフィルタの帯域との関係図
【図４】多軸検出振動子の駆動回路をデジタル回路による構成例を示す図
【図５】デジタル回路によるバンドパスフィルタの構成例を示す図
【図６】実施の形態２における角速度センサの概略ブロック図
【図７】実施の形態２における振動子の共振点とバンドパスフィルタの帯域との関係図
【図８】従来の角速度センサの概略ブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における角速度センサ１１の概略ブロック図である。  
【００１２】
図１において、角速度センサ１１は、駆動信号Ｓ３により駆動されて発振する振動子１２と、振動子１２から出力されるモニタ信号Ｓ１を濾波するバンドパスフィルタ１３と、バンドパスフィルタ１３から出力される濾波信号Ｓ２を増幅して駆動信号Ｓ３を生成する駆動部１４と、外部から与えられた角速度に応じて振動子１２から出力されるセンス信号Ｓ４に基づいて角速度信号Ｓ５を出力する検出部１５と、を備えている。また、バンドパスフィルタ１３の帯域幅を制御する制御部１６を備えており、この制御部１６は、振動子１２の発振開始時はバンドパスフィルタ１３の帯域幅を第１の帯域幅とし、振動子１２が正常に発振した後はバンドパスフィルタ１３の帯域幅を第１の帯域幅よりも広い第２の帯域幅となるように制御信号Ｓ６を出力する。
【００１３】
この構成により、角速度センサ１１は、複数の振動モードを有する振動子であっても起動時の異常発振を抑制し、適正なセンス信号を出力することができる。
【００１４】
以下、各構成要素について説明する。
【００１５】
図２（ａ）および（ｂ）は、振動子１２として用いられる多軸検出振動子２０の斜視図である。多軸検出振動子２０は、４つの錘２１と、支持体２３と、４つの錘２１を支持体２３にそれぞれ連結する４つのアーム２２と、を備えている。アーム２２は可撓性を有している。
【００１６】
多軸検出振動子２０を図１に示す角速度センサ１１の振動子１２として用いた場合の動作を以下説明する。互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなるＸＹＺ空間において、多軸検出振動子２０は、Ｘ軸の方向に駆動振動を与えることにより、Ｚ軸回りの角速度２５およびＹ軸回りの角速度２７を検出することができる。
【００１７】
図２（ａ）はＺ軸の回りの角速度２５を検出する場合の多軸検出振動子２０の動作を示している。多軸検出振動子２０は駆動信号Ｓ３により駆動振動モードが励起され、アーム２２および錘２１に対してＸ軸方向の駆動振動２４が発生する。駆動振動２４が発生している状態でＺ軸の回りの角速度２５が与えられると、コリオリの力によりアーム２２および錘２１はＹ軸の方向にセンス振動２６を行う。このセンス振動２６に基づいて多軸検出振動子２０はＺ軸の回りの角速度２５に対応するセンス信号Ｓ４を出力する。センス信号Ｓ４は駆動振動２４と同じ周波数を有し、Ｚ軸の回りの角速度２５に応じた振幅を有する。検出回路１５は、モニタ信号Ｓ１を用いてセンス信号Ｓ４を検波することにより、Ｚ軸の回りの角速度２５に対応する角速度信号Ｓ５を出力する。
【００１８】
図２（ｂ）はＹ軸の回りの角速度２７を検出する場合の多軸検出振動子２０の動作を示している。駆動振動２４が発生している状態でＹ軸の回りの角速度２７が与えられると、コリオリの力によりアーム２２および錘２１はＺ軸の方向にセンス振動２８を行う。このセンス振動２８に基づいて多軸検出振動子２０はＹ軸の回りの角速度２７に対応するセンス信号Ｓ４を出力する。センス信号Ｓ４は駆動振動２４と同じ周波数を有し、Ｙ軸の回りの角速度２７に応じた振幅を有する。検出回路１５は、モニタ信号Ｓ１を用いてセンス信号Ｓ４を検波することにより、Ｙ軸の回りの角速度２７に対応する角速度信号Ｓ５を出力する。
【００１９】
なお、多軸検出振動子２０において、駆動信号Ｓ３から駆動振動２４への変換およびセンス振動２６、２８からセンス信号Ｓ４への変換は、圧電方式や、静電容量方式、電磁駆動方式のいずれで行われてもよい。
【００２０】
図３は、多軸検出振動子２０の共振点とバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の帯域との関係を示した図である。図３の（ａ）は多軸検出振動子２０の共振点を例示したものであり、駆動振動周波数ｆｄ以外に、ｆ０、ｆ１、ｆ２などの共振点を有する。これは、Ｚ軸の回りの角速度２５およびＹ軸の回りの角速度２７を高精度で検出するために図２に示すような４つの錘２１と４つのアーム２２と支持体２３とを備えた複雑な形状となっているためである。このため、バンドパスフィルタ１３の帯域幅が広いと、多軸検出振動子２０が駆動振動周波数ｆｄ以外の共振点（例えば、ｆ１やｆ２）で発振してしまい、角速度を適切に検出できなくなってしまう。
【００２１】
本実施の形態における角速度センサ１においては、制御部１６がバンドパスフィルタ１３の帯域幅を制御することにより、異常発振を防ぐことができる。すなわち、図３の（ｂ）に示すように、制御部１６は、多軸検出振動子２０の起動時（発振開始時）にはバンドパスフィルタ１３の帯域幅を第１の帯域幅ＢＷ１とする。そして、多軸検出振動子２０が駆動振動周波数ｆｄで発振した後は、図３の（ｃ）に示すように、バンドパスフィルタ１３の帯域幅を第１の帯域幅ＢＷ１よりも広い第２の帯域幅ＢＷ２とする。このように制御することにより、起動時は帯域幅が狭いため、駆動振動周波数ｆｄ以外の共振点（例えば、ｆ１やｆ２）で発振しにくくなる。また、駆動振動周波数ｆｄで発振した後は帯域幅を広くするため、駆動周波数ｆｄの変動、特に外乱振動による周波数の急変や温度変化等に起因する周波数の変化、経年劣化に起因する周波数の経時変化に対しても安定に駆動振動を維持することができる。
【００２２】
以下、バンドパスフィルタ１３の帯域幅を制御する方法について説明する。バンドパスフィルタ１３はデジタル型でもアナログ型でも良いが、ここではデジタル型について説明する。
【００２３】
図４は、多軸検出振動子２０の駆動回路をデジタル回路で構成した場合の構成例である。振動子１２とバンドパスフィルタ１３との間に、モニタ信号Ｓ１をデジタル信号に変換するΣΔＡＤＣ１７を設けている。また、濾波信号Ｓ２の振幅を一定値になるように制御するＡＧＣ１４ａおよびこのＡＧＣ１４ａの出力信号をアナログ信号に変換するＤＡＣ１４ｂで駆動部１４を構成している。
【００２４】
図５に示すバンドパスフィルタ３０は、バンドパスフィルタ１３を２次のデジタルＩＩＲフィルタとして構成した場合の一構成例である。図示するように、バンドパスフィルタ３０は６つの乗算器３１〜３６、２つの遅延器３７〜３８、４つの加算器３９〜４２で構成される。６つの乗算器３１〜３６の増幅率をそれぞれａ0、ａ1、ａ2、ｂ0、ｂ1、ｂ2とすると、バンドパスフィルタ３０の周波数特性Ｈ（ｚ）は以下の（数１）で表される。
【００２５】
【数１】
2014122828.tif 000003
【００２６】
したがって、ａ0、ａ1、ａ2、ｂ0、ｂ1、ｂ2のそれぞれの値を、多軸検出振動子２０の起動時（発振開始時）と、駆動振動周波数で発振した後とで切り替えることにより、バンドパスフィルタ３０の帯域幅を制御することができる。具体的には、デジタル信号のサンプリング周波数およびパスバンド始端周波数とパスバンド終端周波数を定め、双一次変換を行うことにより、第１の帯域幅ＢＷ１および第２の帯域幅ＢＷ２を実現するａ0、ａ1、ａ2、ｂ0、ｂ1、ｂ2の値を定めることができる。なお、図５および（数１）は２次のバンドパスフィルタの例を示したが、さらに段数を増やすことで減衰量を上げることができる。
【００２７】
なお、多軸検出振動子２０が正常に発振したか否かを判断する方法としては、ＡＧＣ１４ａの出力値を利用する方法がある。ＡＧＣ１４ａは、濾波信号Ｓ２の振幅が一定値になるように制御するため、多軸検出振動子２０の駆動振動が定常状態となった場合は、ＡＧＣ１４ａの出力値が一定値に収束する。したがって、予め所定のレベルに閾値を設けておき、ＡＧＣ１４ａに印加する制御信号のレベルがこの閾値に到達した場合に多軸検出振動子２０が正常に発振したと判断することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図６は実施の形態２における角速度センサ５１の概略ブロック図である。図６において、図１に示す角速度センサ１１と同じ部分には同じ参照番号を付す。角速度センサ５１は、角速度センサ１１に対し、濾波信号Ｓ２の周波数を計測する周波数計測部５２が付加されている。この周波数計測部５２が計測した周波数は制御部１６に入力されている。
【００２９】
制御部１６は、周波数計測部５２が計測した周波数が所定の駆動振動周波数と異なる場合には、バンドパスフィルタ１３の帯域幅を第１の帯域幅ＢＷ１よりも狭い第３の帯域幅ＢＷ３とする。この制御により、振動子１２が異常発振した場合でも正常発振に誘導することができる。
【００３０】
図７は、本実施の形態における振動子１２の共振点とバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）の帯域との関係を示した図である。図３の（ａ）と比べ、本実施の形態における振動子１２は駆動振動周波数ｆｄに近い共振点ｆ３を有する。この共振点ｆ３は駆動振動周波数ｆｄに近いため、図７の（ｂ）に示すように、狭い帯域幅である第１の帯域幅ＢＷ１で起動したとしても、この共振点ｆ３で発振（異常発振）してしまう可能性がある。
【００３１】
周波数計測部５２は濾波信号Ｓ２の周波数を計測し、この周波数が駆動振動周波数ｆｄと異なる場合は、制御部１６は図７の（ｃ）に示すように、バンドパスフィルタ１３の帯域幅を第１の帯域幅ＢＷ１よりも狭い第３の帯域幅ＢＷ３とする。この制御により、振動子１２の発振を駆動振動周波数ｆｄに誘導することができる。
【００３２】
なお、この際に異常検知信号を出力してもよい。これにより、バンドパスフィルタ１３が狭い第３の帯域幅ＢＷ３となっており、不安定な駆動状態であることを外部に通知することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の角速度センサは、複数の振動モードを有する振動子であっても起動時の異常発振を抑制し、適正なセンス信号を出力することができるので、航空機、車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム、カメラやビデオの手振れ補正、携帯端末やゲーム機のモーション検知等に用いられる角速度センサとして有用である。
【符号の説明】
【００３４】
１１  角速度センサ
１２  振動子
１３  バンドパスフィルタ
１４  駆動部
１５  検出部
１６  制御部
１７  ΣΔＡＤＣ
２０  多軸検出振動子
２１  錘
２２  アーム
２３  支持体
２４  駆動振動
２５、２７  角速度
２６、２８  センス振動
３０  バンドパスフィルタ
３１〜３６  増幅器
３７〜３８  遅延器
３９〜４２  加算器
５１  角速度センサ
５２  周波数計測部
Ｓ１  モニタ信号
Ｓ２  濾波信号
Ｓ３  駆動信号
Ｓ４  センス信号
Ｓ５  角速度信号
【図１】
2014122828.tif 000004
【図２】
2014122828.tif 000005
【図３】
2014122828.tif 000006
【図４】
2014122828.tif 000007
【図５】
2014122828.tif 000008
【図６】
2014122828.tif 000009
【図７】
2014122828.tif 000010
【図８】
2014122828.tif 000011