(57)【要約】【課題】本発明は、振動子に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号を出力信号から確実にキャンセルすることができる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、位相器３１における第１の注入抵抗と第２の注入抵抗の抵抗値を切り替えて差動増幅器２９からの出力信号の振幅を減衰させる切り替えスイッチからなる振幅減衰手段を位相器３１に設けた構成としたものである。これにより、出力信号から誤差信号を確実にキャンセルすることができる。【選択図】図２
2008070132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器と、この電荷増幅器からの出力信号の位相を変化させるとともに基準電位が上側出力飽和電圧と下側出力飽和電圧の中点から偏移しているオペアンプからなる位相器と、この位相器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路と、この平滑回路の出力信号を増幅して出力するオペアンプからなる直流増幅器とを備え、前記位相器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて電荷増幅器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を位相器に設けるとともに、前記直流増幅器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて平滑回路からの出力信号を増幅させる振幅増幅手段を直流増幅器に設け、前記増幅減衰手段の減衰率と前記振幅増幅手段の増幅率とが互いに逆数になるように構成した角速度センサ。
【請求項２】
振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器と、この電荷増幅器からの出力信号の位相を変化させる位相器と、この位相器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させるとともに基準電位が上側出力飽和電圧と下側出力飽和電圧の中点から偏移している少なくとも２つのオペアンプを有する同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路と、この平滑回路の出力信号を増幅して出力する直流増幅器とを備え、前記同期検波器におけるオペアンプの個数を切り替えて位相器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を同期検波器に設けるとともに、前記直流増幅器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて平滑回路からの出力信号を増幅させる振幅増幅手段を直流増幅器に設け、前記振幅減衰手段の減衰率と前記振幅増幅手段の増幅率とが互いに逆数になるように構成した角速度センサ。
【請求項３】
電荷増幅器と位相器との間に判定回路を設け、この判定回路により電荷増幅器からの出力信号を判定して前記位相器における振幅減衰手段の抵抗値の切り替えをす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、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等に利用でき、かつ故障診断機能を有す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は、図９に示すような構成となっていた。
【０００３】
図９は従来の角速度センサにおける検出回路を示すブロック図である。
【０００４】
図９において、１は振動子である。２は駆動回路で、この駆動回路２は前記振動子１を所定の振幅および周波数で振動駆動している。３は検出回路で、この検出回路３は、前記振動子１に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子１に発生する電荷を増幅する電荷増幅器４と、この電荷増幅器４の出力信号の位相を変化させるオペアンプからなる位相器５と、この位相器５からの出力信号を前記駆動回路２からの出力信号に同期検波させる同期検波器６と、この同期検波器６からの出力信号を平滑するとともに増幅するＤＣ化出力回路７とで構成されている。
【０００５】
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。
【０００６】
従来の角速度センサは、振動子１の固有振動数で励振した状態で、この振動子１の軸心方向Ｚを中心とする角速度Ωが振動子１に印加されると、振動子１にコリオリ力が生じ、これが電荷として検出され、そして検出回路３により出力信号に変換されることにより、角速度を検出するものであった。
【０００７】
ここで、振動子１の形状のアンバランスにより、角速度が振動子１に負荷されていないにも関わらず、図１０（ａ）に示すような誤差信号が従来の検出回路３における電荷増幅器４および位相器５を介して発生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、図１０（ｂ）に示すような駆動回路２における出力信号に同期して、出力信号が図１０（ｃ）に示す信号に変換される。そうすると、ＤＣ化出力回路７により平滑化されるため、誤差信号が零出力値となり、これにより、振動子１の形状のアンバランスにより発生する誤差信号をキャンセルすることができるものであった。
【０００８】
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２００３−２４７８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の構成では、振動子１に過大な衝撃が加わることにより発生する誤差信号が、位相器５の上側出力飽和電圧を超えると、図１１（ａ）に示すように、出力信号の一部が頭打ちになるため、一般的に、同期検波器６における上側出力飽和電圧と基準電位との差が、下側出力飽和電圧と基準電位との差よりも小であることにより、図１１（ｂ）に示すように、基準電位よりも下側の出力が多くなり、これにより、図１１（ｃ）に示すように、ＤＣ化出力回路７から誤差信号が出力されてしまうという課題を有していた。
【００１０】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、振動子に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号を出力信号から確実にキャンセルすることができる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】
【００１１】
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。
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器と、この電荷増幅器からの出力信号の位相を変化させるとともに基準電位が上側出力飽和電圧と下側出力飽和電圧の中点から偏移しているオペアンプからなる位相器と、この位相器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路と、この平滑回路の出力信号を増幅して出力するオペアンプからなる直流増幅器とを備え、前記位相器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて電荷増幅器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を位相器に設けるとともに、前記直流増幅器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて平滑回路からの出力信号を増幅させる振幅増幅手段を直流増幅器に設け、前記増幅減衰手段の減衰率と前記振幅増幅手段の増幅率とが互いに逆数になるように構成したもので、この構成によれば、位相器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて電荷増幅器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を位相器に設けているため、振動子に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号が位相器の上側出力飽和電圧以上または下側出力飽和電圧以下になるということはなくなり、これにより、出力信号の一部が頭打ちになるということはないため、同期検波器における信号変換後に、基準電位よりも下側の出力が多くなることもなくなり、その結果、出力信号から誤差信号を確実にキャンセルすることができるという作用効果を有するものである。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明は、振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器と、この電荷増幅器からの出力信号の位相を変化させる位相器と、この位相器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させるとともに基準電位が上側出力飽和電圧と下側出力飽和電圧の中点から偏移している少なくとも２つのオペアンプを有する同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路と、この平滑回路の出力信号を増幅して出力する直流増幅器とを備え、前記同期検波器におけるオペアンプの個数を切り替えて位相器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を同期検波器に設けるとともに、前記直流増幅器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて平滑回路からの出力信号を増幅させる振幅増幅手段を直流増幅器に設け、前記振幅減衰手段の減衰率と前記振幅増幅手段の増幅率とが互いに逆数になるように構成したもので、この構成によれば、同期検波器におけるオペアンプの個数を切り替えて位相器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を同期検波器に設けているため、振動子に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号が同期検波器におけるオペアンプの上側出力飽和電圧以上または下側出力飽和電圧以下になるということはなくなり、これにより、出力信号の一部が頭打ちになるということはないため、同期検波器における信号変換後に、基準電位よりも下側の出力が多くなることもなくなり、その結果、出力信号から誤差信号を確実にキャンセルすることができるという作用効果を有するものである。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、電荷増幅器と位相器との間に判定回路を設け、この判定回路により電荷増幅器からの出力信号を判定して前記位相器における振幅減衰手段の抵抗値の切り替えをするようにしたもので、この構成によれば、常時、電荷増幅器からの出力信号を監視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】
【００１５】
以上のように本発明の角速度センサは、振動子と、この振動子を所定の振幅および周波数で振動駆動する駆動回路と、前記振動子に角速度が負荷された際にコリオリ力により振動子に発生する電荷を増幅するとともに電圧に変換する電荷増幅器と、この電荷増幅器からの出力信号の位相を変化させるとともに基準電位が上側出力飽和電圧と下側出力飽和電圧の中点から偏移しているオペアンプからなる位相器と、この位相器からの出力信号を前記駆動回路からの出力信号に同期検波させる同期検波器と、この同期検波器の出力信号を平滑化する平滑回路と、この平滑回路の出力信号を増幅して出力するオペアンプからなる直流増幅器とを備え、前記位相器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて電荷増幅器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を位相器に設けるとともに、前記直流増幅器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて平滑回路からの出力信号を増幅させる振幅増幅手段を直流増幅器に設け、前記増幅減衰手段の減衰率と前記振幅増幅手段の増幅率とが互いに逆数になるように構成したもので、この構成によれば、位相器における注入抵抗の抵抗値を切り替えて電荷増幅器からの出力信号の振幅を減衰させる振幅減衰手段を位相器に設けているため、振動子に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号が位相器の上側出力飽和電圧以上または下側出力飽和電圧以下になるということはなくなり、これにより、出力信号の一部が頭打ちになるということはないため、同期検波器における信号変換後に、基準電位よりも下側の出力が多くなることもなくなり、その結果、出力信号から誤差信号を確実にキャンセル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】
【００１６】
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。
【００１７】
図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの斜視図、図２は同角速度センサの駆動回路および検出回路を示すブロック図である。
【００１８】
図１、図２において、１１は振動子で、この振動子１１は四角柱状の水晶製の駆動電極振動体１２と、四角柱状の水晶製の検出電極振動体１３と、水晶製の接続部１４とにより構成されている。そして前記駆動電極振動体１２には、４つの側面に金からなる駆動電極１５ａおよび駆動電極１５ｂが設けられている。また前記検出電極振動体１３は駆動電極振動体１２と平行に設けられているもので、その表面および裏面には金からなるモニタ電極１６が設けられている。そしてまた前記検出電極振動体１３には、内側の側面に金からなるＧＮＤ電極１７が設けられ、かつ外側の側面に金からなる一対の検出電極１８ａ、１８ｂが設けられている。１９は駆動回路で、この駆動回路１９は前記振動子１１のモニタ電極１６の電荷を入力する増幅器２０と、この増幅器２０の出力信号を入力するバンドパスフィルタ２１と、このバンドパスフィルタ２１の出力信号を入力する整流器２２と、この整流器２２の出力信号を入力する平滑回路２３とにより構成されている。２４はＡＧＣ回路で、このＡＧＣ回路２４は前記駆動回路１９における平滑回路２３の出力信号を入力し、前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。２５は駆動制御回路で、この駆動制御回路２５は前記ＡＧＣ回路２４の出力信号を入力するとともに、前記振動子１１における駆動電極１５ａに駆動信号を入力するものである。２６は反転アンプで、この反転アンプ２６は前記駆動制御回路２５の出力信号を入力するとともに、前記振動子１１における駆動電極１５ｂに駆動制御回路２５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。
【００１９】
２７は検出回路で、この検出回路２７は、前記振動子１１における一対の検出電極１８ａ，１８ｂのうちの一方の検出電極１８ａにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する電荷増幅器２８ａと、一対の検出電極１８ａ，１８ｂのうちの他方の検出電極１８ｂにコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換する電荷増幅器２８ｂと、これらの電荷増幅器２８ａおよび２８ｂの出力信号を入力する差動増幅器２９と、この差動増幅器２９の出力信号を判定する判定回路３０と、前記差動増幅器２９の出力信号を入力するオペアンプからなる位相器３１と、この位相器３１の出力信号を入力する同期検波器３２と、この同期検波器３２の出力信号を入力する平滑回路３３と、この平滑回路３３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オペアンプからなる直流増幅器３４とにより構成されている。
【００２０】
そして、前記検出回路２７における判定回路３０は、図３に示すように、第１のコンパレータ３５と第２のコンパレータ３６とで構成されており、前記差動増幅器２９からの出力信号が３．８Ｖ以上の場合には、第１のコンパレータ３５から位相器３１に切り替え信号が送られ、一方、差動増幅器２９からの出力信号が０．７Ｖ以下の場合には、第２のコンパレータ３６から位相器３１に切り替え信号が送られる。前記検出回路２７における位相器３１は基準電位が２．５Ｖで、上側出力飽和電圧を４．０Ｖに、下側出力飽和電圧を０．５Ｖに設定しており、そして基準電位２．５Ｖは上側出力飽和電圧４．０Ｖと下側出力飽和電圧０．５Ｖの中点である２．２５Ｖから上側に偏移している。
【００２１】
そしてまた、位相器３１には、図４に示すように、切り替えスイッチ３７を設けており、この切り替えスイッチ３７により、位相器３１における第１の注入抵抗３８と第２の注入抵抗３９のいずれか一方を選択するようにしている。そして、位相器３１は、前記第１の注入抵抗３８、第２の注入抵抗３９および帰還抵抗４０の組み合わせにより、第２の注入抵抗３９を切り替えスイッチ３７が選択すると、第１の注入抵抗３８を切り替えスイッチ３７が選択した場合に比べて、位相器３１の増幅率が５０％になるように設定されている。また、前記検出回路２７における直流増幅器３４は、図５に示すように、切り替えスイッチ４１を設けており、この切り替えスイッチ４１により、直流増幅器３４における第１の注入抵抗４２と第２の注入抵抗４３のいずれか一方を選択するようにしている。そして、直流増幅器３４は、前記第１の注入抵抗４２、第２の注入抵抗４３および帰還抵抗４４の組み合わせにより、第２の注入抵抗４３を切り替えスイッチ４１が選択すると、第１の注入抵抗４２を切り替えスイッチ４１が選択した場合に比べて、位相器３１の増幅率が２００％になるように設定されている。
【００２２】
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。
【００２３】
振動子１１の駆動電極１５ａおよび１５ｂに交流電圧を加えると、振動子１１が共振し、そしてこの振動子１１のモニタ電極１６に電荷が発生する。このモニタ電極１６に発生した電荷は、駆動回路１９における増幅器２０に入力され、正弦波形の出力電圧として出力される。そしてこのモニタ電極１６の出力電圧を前記バンドパスフィルタ２１に入力し、振動子１１の共振周波数のみを抽出し、ノイズ成分を除去して、図６（ａ）に示すような正弦波形を出力する。そしてまた前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を整流器２２に入力することにより、負電圧成分を正電圧に変換した後、平滑回路２３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２４は前記平滑回路２３の直流電圧信号が大の場合には前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を減衰させるような信号を、一方、前記平滑回路２３の直流電圧信号が小の場合には前記バンドパスフィルタ２１の出力信号を増幅させるような信号を前記駆動制御回路２５に入力し、前記振動子１１の振動を一定振幅になるように調整するものである。ここで、振動子１１の駆動電極振動体１２が振動方向に速度ｖで屈曲振動している状態において、前記振動子１１の長手方向の中心軸周りに前記振動子１１が角速度ωで回転すると、この振動子１１の検出電極振動体１３にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により前記検出電極振動体１３の一対の検出電極１８における一方の検出電極１８ａに図６（ｂ）に示すような電荷が発生するとともに、他方の検出電極１８ｂに図６（ｃ）に示すような電荷が発生する。そしてこの一対の検出電極１８に発生する電荷はコリオリ力により発生するため、前記モニタ電極１６に発生する信号より、一方の検出電極１８ａに生じる電荷の位相が９０度進むとともに、他方の検出電極１８ｂに生じる電荷の位相が２７０度進んでいる。そして前記差動増幅器２９により、一方の検出電極１８ａから発生する電荷を図６（ｄ）に示すような出力電圧に変換する。増幅器２８ｂは、他方の検出電極１８ｂから発生する電荷を増幅し、図６（ｅ）に示すような出力電圧に変換する。
【００２４】
そして、電荷増幅器２８ａおよび電荷増幅器２８ｂの出力信号を差動増幅器２９に入力するとともに、差動をとることにより、差動増幅器２９が差動からなる出力信号を出力する。さらに位相器３１により、前記差動増幅器２９の出力電圧を９０度遅らせて図６（ｆ）に示すような出力電圧に変換する。そしてこの位相器３１の出力信号を同期検波器３２に入力し、前記駆動回路１９におけるバンドパスフィルタ２１の振動の周期で位相検波させるとともに、前記位相器３１の出力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、図６（ｇ）に示すような出力信号を得る。そしてこの同期検波器３２の出力電圧を前記平滑回路３３および直流増幅器３４により平滑化するとともに、増幅し、図６（ｈ）に示すような出力信号を得る。そして直流増幅器３４の出力信号を角速度の信号として、相手側のコンピュータ（図示せず）等に入力し、角速度を検出するものである。
【００２５】
ここで、角速度センサにおける振動子１１に過大な衝撃力が作用し、図７（ａ）に示すように、差動増幅器２９からの出力信号の最大値が位相器３１の上側出力飽和電圧４．０Ｖを超える４．１Ｖとなった場合、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、判定回路３０における第１のコンパレータ３５がオンし、位相器３１の切り替えスイッチ３７が切り替わって、第２の注入抵抗３９がオン状態となる。この状態においては、第１の注入抵抗３８に切り替えスイッチ３７が切り替わった場合に比べて、位相器３１の増幅率が５０％になるため、図７（ｂ）に示すように、位相器３１により位相を変換させる信号の最大値は３．３Ｖになる。これは、位相器３１の上側出力飽和電圧４．０Ｖ以下であるため、位相器３１からの出力信号は頭打ちにならない。そうすると、駆動回路２における出力信号に同期して、図７（ｃ）に示す信号に変換される。そして、平滑回路３３により、図７（ｄ）に示すように、誤差信号がキャンセルされるため、正確な角速度を検出することができるものである。
【００２６】
上記したように、本発明の一実施の形態においては、位相器３１における第１の注入抵抗３８と第２の注入抵抗３９の抵抗値を切り替えて差動増幅器２９からの出力信号の振幅を減衰させる切り替えスイッチ３７からなる振幅減衰手段を位相器３１に設けているため、振動子１１に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号が位相器３１の上側出力飽和電圧以上または下側出力飽和電圧以下になるということはなくなり、これにより、出力信号の一部が頭打ちになるということはないため、同期検波器３２における信号変換後に、基準電位よりも下側の出力が多くなることもなくなり、その結果、出力信号から誤差信号を確実にキャンセルすることができるという効果が得られるものである。
【００２７】
また、直流増幅器３４は、図５に示すように、切り替えスイッチ４１が第２の注入抵抗４３を選択した場合は、第１の注入抵抗４２を切り替えスイッチ４１が選択した場合に比べて、位相器３１の増幅率が２００％になるように設定されているため、角速度からなる出力信号は、前述したように、一旦、位相器３１により出力信号が５０％に減衰するが、直流増幅器３４により２００％に増幅され、そしてこれらは合わせて１００％の信号となるもので、このことから、位相器３１における切り替えスイッチ３７と直流増幅器３４における切り替えスイッチ４１が動作しても角速度信号自体は変化しないため、同一の出力信号を出力させることができるものである。
【００２８】
なお、上記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、位相器３１における切り替えスイッチ３７を切り替えて、差動増幅器２９からの出力信号を減衰させる場合について説明したが、図８に示すように、一対のオペアンプ４５を直列に接続した同期検波器３２に切り替えスイッチ４６を設け、そしてこの切り替えスイッチ４６により、使用するオペアンプ４５の個数を変えて増幅率を変化させるようにした場合でも、上記本発明の一実施の形態と同様の効果が得られるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る角速度センサは、振動子に過大な衝撃が加わった場合に発生する誤差信号を出力信号から確実にキャンセル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、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等に使用される角速度センサとして有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態における角速度センサの斜視図
【図２】同角速度センサの駆動回路および検出回路を示すブロック図
【図３】同角速度センサの検出回路における判定回路を示す回路図
【図４】同角速度センサの検出回路における位相器を示す回路図
【図５】同角速度センサの検出回路における直流増幅器を示す回路図
【図６】（ａ）〜（ｈ）同角速度センサの動作状態における出力信号を示す波形図
【図７】（ａ）〜（ｄ）同角速度センサにおける振幅減衰手段が動作した状態を示す波形図
【図８】本発明の他の実施の形態における角速度センサの検出回路の同期検波器を示す回路図
【図９】従来の角速度センサの駆動回路および検出回路を示すブロック図
【図１０】（ａ）〜（ｃ）同角速度センサに過大な振動が負荷された状態で動作する状態を示す波形図
【図１１】（ａ）〜（ｃ）同角速度センサに過大な振動が負荷されるとともに誤差信号をキャンセルできない状態を示す波形図
【符号の説明】
【００３１】
１１  振動子
１９  駆動回路
２７  検出回路
２８ａ，２８ｂ  電荷増幅器
３０  判定回路
３１  位相器
３２  同期検波器
３３  平滑回路
３４  直流増幅器
３８，３９，４５  振幅減衰手段
４２，４３  振幅増幅手段
【図１】
2008070132.tif 000003
【図２】
2008070132.tif 000004
【図３】
2008070132.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008070132.tif 000007
【図６】
2008070132.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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