JP5041122B2 - 振動ジャイロセンサ - Google Patents

Description

本発明は、角速度を検出するのに使用される振動ジャイロセンサに関する。

近年、カーナビゲーション装置において自立航法によって自車位置を特定する場合、ジャイロセンサからの角速度情報を元に進行方向を検出している。このようなジャイロセンサは、通常、角速度の大きさに応じたアナログ信号を出力している。そのアナログ信号をＡ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換して、ナビゲーションシステムに取り込み、演算処理している。

アナログ信号をデジタル信号に変換する場合、Ａ／Ｄコンバータの電源電圧の変動によってその分解能あたりの電圧幅、あるいはその基準電圧が変動する場合がある。そのため、ジャイロセンサから出力されるアナログ信号も電源電圧に依存して変動することが必要となる。また、車載用途のため温度に対しても、高安定な出力信号が必要となる。

この問題を解決するために、例えば特許文献１には、検出信号を電源電圧に依存させるレシオメトリック機能を持つジャイロセンサが提案されている。

特開２００６−１０４０８号公報

しかしながら、特許文献１では、感度信号に関してレシオメトリック回路はあるが、温度補償がないため、感度信号が温度に対して不安定である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、温度および電源電圧の変動に対しても安定した出力信号を生成できる振動ジャイロセンサを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の振動ジャイロセンサでは、振動子と、前記振動子を駆動するための１対の駆動電極と、前記振動子に加わるコリオリ力を検出する２つ以上の検出電極と、前記１対の駆動電極の一方の電極に接続しモニタ信号を出力するモニタ回路と、前記モニタ信号を増幅して前記１対の駆動電極の他方の電極に出力する駆動回路と、前記駆動回路の出力信号の振幅を一定に調整する振幅調整回路と、前記振動子の前記検出電極から得られる信号を増幅し検出信号を出力する増幅回路と、２つ以上の前記検出信号を差動増幅し差動増幅信号を出力する差動増幅回路と、前記差動増幅信号を前記モニタ信号で同期検波し検波信号を出力する同期検波回路と、ノイズ除去用のフィルタ回路と、からなる振動ジャイロセンサにおいて、前記振動ジャイロセンサは、さらに、環境温度に依存した温度信号を出力する温度センサと、前記フィルタ回路から出力される感度信号に対して、温度補償と電源電圧の変動に対して比例に変動する温度補償型レシオメトリック回路と、を有し、さらに、前記振動ジャイロセンサ内のオフセット電圧を調整するオフセット調整回路と、前記増幅回路と前記差動増幅回路と前記同期検波回路と前記フィルタ回路と前記温度補償型レシオメトリック回路の基準電圧が電源に依存する回路構成になっており、前記オフセット電圧と前記振動子にコリオリ力が加わっていない状態である静止時電圧がレシオメトリック特性となるようにした、ことを要旨とする。

この構成によれば、温度補償型レシオメトリック回路により、環境温度に依存した温度信号に基づき感度信号を温度補償することができるので、感度信号の温度変動による影響を極力抑えることができる。

また、本発明の振動ジャイロセンサでは、前記温度補償型レシオメトリック回路は、電源電圧に依存する基準電圧と前記温度信号の電圧に基づき、前記感度信号のレシオメトリック特性と、前記感度信号の温度補償と、を行なう。

この構成によれば、温度補償型レシオメトリック回路により、電源電圧に依存した基準電圧に基づき感度信号をレシオメトリック特性にすることができるので、電源電圧の電圧変動によって比例して変動することができる。

また、本発明の振動ジャイロセンサでは、前記温度補償型レシオメトリック回路は、乗算器である。

この構成によれば、温度補償型レシオメトリック回路として乗算器を用いることにより、回路設計を容易にできる。

また、本発明の振動ジャイロセンサでは、前記温度補償型レシオメトリック回路は、ギルバートセル乗算器である。

この構成によれば、温度補償型レシオメトリック回路としてギルバートセル乗算器を用いることにより、回路設計を容易にできる。

また、本発明の振動ジャイロセンサでは、前記温度補償型レシオメトリック回路は、各回路の基準電圧を電源電圧に依存することで、前記静止時電圧をレシオメトリック特性にした。

この構成によれば、前記静止時電圧をレシオメトリック特性にすることができるので、電源電圧の変動によって比例して前記静止時電圧を変動することができる。

また、本発明の振動ジャイロセンサでは、前記オフセット調整回路は基準電圧を電源電圧に依存する基準電圧とし、前記オフセット電圧がレシオメトリック特性にした。

この構成によれば、温度補償型レシオメトリック回路により、電源電圧に依存した基準電圧に基づき感度信号を温度補償することができるので、電源電圧の電圧変動によって比例して変動する事ができる。

また、本発明の振動ジャイロセンサでは、前記振動子は、基部と、前記基部から突出する駆動振動系および前記基部から突出する複数の検出振動系を備えている。

また、本発明の振動ジャイロセンサでは、前記フィルタ回路は、スイッチドキャパシタフィルタ、ＬＣフィルタ、ＲＣフィルタ、オペアンプを使ったアクティブフィルタを含む。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（第１実施形態）

＜振動ジャイロセンサの構成＞
まず、第１実施形態に係る振動ジャイロセンサの構成について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る振動ジャイロセンサの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、振動ジャイロセンサ１は、振動子１００と、モニタ回路１１０と、駆動回路１１２と、振幅調整回路１１４と、増幅回路であるチャージアンプ回路２０２、２０４と、差動増幅回路２０６と、同期検波回路２０８と、フィルタ回路２１６と、０点オフセット調整回路２１０と、温度補償回路２１２と、温度センサ２１４と、温度補償型レシオメトリック回路３００と、バンドギャップリファレンス回路３２０と、基準電圧発生回路３２２と、から構成されている。

ここで、振動子の構成について、図５を参照して説明する。図５は、振動子の構成を示すブロック図である。

振動子１００は、図５に示すように、基部１０、一対の駆動振動系３０Ａ、３０Ｂおよび一対の検出振動系３１Ａ、３１Ｂを備えている。本例の基部１０は、振動子の重心ＧＯ（振動子が振動していないときの重心）を中心として四回対称の略正方形をなしている。各駆動振動系３０Ａ、３０Ｂ、各検出振動系３１Ａ、３１Ｂは、それぞれ、基部１０の周縁部１０ａの各辺から突出している。

各駆動振動系３０Ａ、３０Ｂは、それぞれ、基部１０の周縁部１０ａから径方向に突出する細長い支持部１５Ａ、１５Ｂと、支持部１５Ａ、１５Ｂの長手方向に直交する方向に向かって延びる各一対の駆動振動片１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄとを備えている。本例では、各駆動振動片の先端に幅広の重量部ないしハンマーヘッド１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄが設けられており、各重量部内に貫通孔１２が設けられている。

各検出振動系３１Ａ、３１Ｂは、それぞれ、基部１０の周縁部１０ａから径方向に突出して延びる細長い検出振動片２０からなっている。各検出振動片２０の先端にはそれぞれ幅広の重量部ないしハンマーヘッド１８Ａ、１８Ｂが設けられており、各重量部内に貫通孔１３が設けられている。

次に振動子１００の動作について述べる。後述の駆動電極を使用し、駆動振動片１６Ａと１６Ｂとを同位相で矢印Ａのように共振させ、駆動振動片１６Ｃと１６Ｄとを同位相で矢印Ａのように共振させる。屈曲振動片１６Ａ〜１６Ｄの駆動振動の全体の重心が、振動子の重心ＧＯ上か、またはその近傍に位置するようにする。

この状態で、振動子１００を所定面（Ｘ−Ｙ面）内でωのように回転させると、回転中にコリオリ力が振動子１００に作用する結果、各支持部１５Ａ、１５Ｂは、矢印Ｂのように、その基部１０への付け根１５ａを中心として屈曲振動する。この際、支持部１５Ａと１５Ｂとの各屈曲振動の位相は、重心ＧＯを中心として周方向に見たときに反対向きになる。これに対応して、各検出振動片２０は、矢印Ｃに示すように、その基部１０への付け根を中心として屈曲振動する。各検出振動片２０が屈曲振動すると、後述の検出電極に信号電圧が発生するので、この信号電圧から回転角速度を算出する。

好ましくは、各駆動振動系が、重心ＧＯを中心として回転対称の位置にある。これは、重心ＧＯを中心として、問題とする複数の駆動振動系が、それぞれ所定面内で同じ所定角度離れている状態を意味する。従って、一つの駆動振動系を所定面内で所定角度回転させる操作を行なうと、他の振動系の位置に位置する。例えば、図５においては、振動系３０Ａと３０Ｂとは、１８０°離れているので、振動系３０Ａを１８０°回転させる操作を行なうと、振動系３０Ｂの位置にくる。回転対称は、２回対称、３回対称、４回対称であることが好ましい。

次に、図１のモニタ回路１１０は、振動子１００の駆動振動系３０Ａに接続され、駆動振動系３０Ａの電位Ｖ１をモニタし、モニタ信号Ｖ７を出力する。駆動回路１１２は、振動子１００の駆動振動系３０Ｂと接続され、モニタ信号Ｖ７から駆動信号Ｖ２を出力する。振幅調整回路１１４は、駆動回路１１２と並列に接続され、駆動信号Ｖ２の振幅を一定に調整する。モニタ回路１１０と駆動回路１１２と振幅調整回路１１４は、バンドギャップリファレンス回路３２０の出力電位Ｖｒｅｆ１で動作する。

チャージアンプ回路２０２は、振動子１００の検出振動系３１Ｂと接続され、信号Ｖ３を増幅し、検出信号Ｖ５を出力する。チャージアンプ回路２０４は、振動子１００の検出振動系３１Ａと接続され、信号Ｖ４を増幅し、検出信号Ｖ６を出力する。差動増幅回路２０６は、チャージアンプ回路２０２、２０４と接続され、検出信号Ｖ５、Ｖ６を差動増幅し、差動増幅信号Ｖ８を出力する。

同期検波回路２０８は、差動増幅回路２０６及びモニタ回路１１０と接続され、差動増幅信号Ｖ８をモニタ信号Ｖ７で同期検波し、検波信号Ｖ９を出力する。

０点オフセット調整回路２１０は、検波信号Ｖ９に対し、静止時信号のオフセットを調整する。温度センサ２１４は、環境温度に依存した電圧の温度信号Ｖｔｅｍｐを出力する。温度補償回路２１２は、温度センサ２１４と接続され、温度信号Ｖｔｅｍｐにより検波信号Ｖ９を温度補償する。

フィルタ回路２１６は、同期検波回路２０８と接続され、ノイズを除去したフィルタ信号Ｖｉｎ＋Ｖｒｅｆを出力する。

温度補償型レシオメトリック回路３００は、フィルタ回路２１６及び温度センサ２１４と接続され、温度信号Ｖｔｅｍｐと基準電圧Ｖｒｅｆとフィルタ信号Ｖｉｎ＋Ｖｒｅｆから感度信号Ｖｏｕｔ＋Ｖｒｅｆを出力する。

チャージアンプ回路２０２、２０４と差動増幅回路２０６と同期検波回路２０８と０点オフセット調整回路２１０と温度補償回路２１２とフィルタ回路２１６と温度補償型レシオメトリック回路３００は、基準電圧発生回路３２２の出力する基準電圧Ｖｒｅｆで動作する。

＜振動ジャイロセンサの出力信号＞
ここで、振動ジャイロセンサの出力信号について図４を参照して説明する。図４は、振動ジャイロセンサの出力信号を示すグラフ図である。

図４に示すように、角速度センサの出力信号は、大きく分けて感度信号、静止時電圧、オフセット電圧の３つの信号から構成される。

感度信号は、コリオリ力によって振動子１００から発生する電荷をチャージアンプ回路２０２、２０４、差動増幅回路２０６、同期検波回路２０８、フィルタ回路２１６によりフィルタ信号Ｖｉｎ＋Ｖｒｅｆとして出力する。静止時電圧は、電源電圧ＶｄｄのＶｄｄ／２、もしくは、使用者が所望する電圧とし、角速度が加わっていない状態の電圧であり、振動ジャイロセンサ１の基準電圧としている。オフセット電圧は、振動子１００からの漏れ信号や、振動ジャイロセンサ１の増幅器などから発生したオフセット電圧である。

＜温度補償型レシオメトリック回路の構成＞
次に、温度補償型レシオメトリック回路の構成について図２を参照して説明する。図２は、温度補償型レシオメトリック回路の構成を示すブロック図である。

図２に示すように、温度補償型レシオメトリック回路３００は、演算増幅器３０８と、抵抗Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８と、アナログ乗算器３０６と、電圧−電流変換器３１０と、から構成されている。

基準電圧発生回路３２２は、演算増幅器３０２と、抵抗Ｒ１、Ｒ２と、から構成されている。また、バンドギャップリファレンス回路３２０は、演算増幅器３０４と、抵抗Ｒ３、Ｒ４と、から構成されている。

電源電圧Ｖｄｄと接地電位の間に、抵抗Ｒ１とＲ２が直列に接続され、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点に演算増幅器３０２の＋端子が接続されている。また、演算増幅器３０２の−端子と出力端子が相互に接続されている。演算増幅器３０２の出力電圧である基準電圧Ｖｒｅｆは、Ｖｒｅｆ＝Ｖｄｄ×Ｒ１／Ｒ２となる。

電源電圧Ｖｄｄと接地電位の間に、抵抗Ｒ３とＲ４が直列に接続され、抵抗Ｒ３とＲ４の接続点に演算増幅器３０４の＋端子が接続されている。また、演算増幅器３０４の−端子と出力端子が相互に接続されている。演算増幅器３０４の出力電圧である補助電圧Ｖｒｅｆ１は、Ｖｒｅｆ１＝Ｖｄｄ×Ｒ３／Ｒ４となる。

電圧−電流変換器３１０は、電源電圧Ｖｄｄとアナログ乗算器３０６の間に接続され、さらに電圧端子側に、温度センサ２１４の出力電圧である温度信号Ｖｔｅｍｐが入力され、温度信号Ｖｔｅｍｐを電流に変換した電流値Ｉｔｅｍｐがアナログ乗算器３０６に出力される。

アナログ乗算器３０６は、フィルタ回路２１６の出力電圧であるフィルタ信号Ｖｉｎ＋Ｖｒｅｆと、演算増幅器３０２の出力電圧Ｖｒｅｆと、演算増幅器３０４の出力電圧Ｖｒｅｆ１が入力されている。

演算増幅器３０８は、＋端子が抵抗Ｒ５を介してアナログ乗算器３０６と、−端子が抵抗Ｒ６を介してアナログ乗算器３０６と、接続されている。さらに−端子には、演算増幅器３０２の出力電圧Ｖｒｅｆが抵抗Ｒ７を介して接続され、＋端子は、出力端子と抵抗Ｒ８を介して接続されている。演算増幅器３０８の出力端子は、感度信号Ｖｏｕｔ＋Ｖｒｅｆを出力する。

ｇｍをスケールファクタとすると、アナログ乗算器３０６の出力端子間の電位差ΔＶは、ΔＶ＝ｇｍ×｛（Ｖｉｎ＋Ｖｒｅｆ）−Ｖｒｅｆ｝×（Ｖｒｅｆ１−Ｖｒｅｆ）＝ｇｍ×｛（Ｖｉｎ＋Ｖｒｅｆ）−Ｖｒｅｆ｝×（Ｒ３／Ｒ４−Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｄｄとなる。さらに、演算増幅器３０８がＡ倍であるとすると、Ｖｏｕｔは、Ｖｏｕｔ＝Ａ×ｇｍ×Ｖｉｎ×（Ｒ３／Ｒ４−Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｄｄ＋（Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｄｄとなる。

これにより、Ｖｏｕｔは、ｇｍを形成するパラメータのＩｔｅｍｐが変動することで温度補償がかかる。また、電源電圧Ｖｄｄに対しては、（Ｒ３／Ｒ４−Ｒ１／Ｒ２）×Ｖｄｄによってレシオメトリック化される。

以上に述べた前記実施形態によれば、以下の効果が得られる。

本実施形態では、温度補償型レシオメトリック回路に温度依存電圧を設け、感度信号を温度補償したことにより感度信号の温度変動を極力抑えることができ、温度補償型レシオメトリック回路内に温度補償回路を入れたことにより回路の小型化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることができる。以下、変形例を挙げて説明する。

（変形例１）本発明に係る振動ジャイロセンサの第１変形例について説明する。前記第１実施形態では、図２のような温度補償型レシオメトリック回路３００を提案したが、図３に示すような温度補償型レシオメトリック回路３００でも実現できる。図３は、変形例１に係る温度補償型レシオメトリック回路の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、変形例１に係る温度補償型レシオメトリック回路３００は、温度依存定電流源３２４と、第１差動増幅器３２６と、電源依存定電流源３２８と、第２差動増幅器３３０と、電流−電圧変換回路３３２と、から構成されている。

バンドギャップリファレンス回路３２０は、固定電圧Ｖｒｅｆ１を出力する。基準電圧発生回路３２２は、基準電圧Ｖｒｅｆ＝（Ｒ９／Ｒ１０）×Ｖｄｄとなる。

温度依存定電流源３２４は、Ｖｄｄと固定電圧Ｖｒｅｆ１と温度信号Ｖｔｅｍｐが入力される。第１差動増幅器３２６は、フィルタ信号Ｖｉｎ＋Ｖｒｅｆと基準電圧Ｖｒｅｆと、温度依存定電流源３２４の２つの出力信号が入力される。

電源依存定電流源３２８は、Ｖｄｄと基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。第２差動増幅器３３０は、第１差動増幅器３２６の２つの出力信号と、電源依存定電流源３２８の出力信号が入力される。電流−電圧変換回路３３２は、第２差動増幅器３３０の２つの出力信号と、基準電圧Ｖｒｅｆが入力され、感度レシオメトリック及び感度温度補償された感度信号Ｖｏｕｔ＋Ｖｒｅｆが出力される。

第１実施形態に係る振動ジャイロセンサの構成を示すブロック図。 第１実施形態に係る温度補償型レシオメトリック回路の構成を示すブロック図。 変形例１に係る温度補償型レシオメトリック回路の構成を示すブロック図。 角速度センサの出力信号を示すグラフ図。 振動子の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…振動ジャイロセンサ、１００…振動子、１１０…モニタ回路、１１２…駆動回路、１１４…振幅調整回路、２０２、２０４…チャージアンプ回路、２０６…差動増幅回路、２０８…同期検波回路、２１０…０点オフセット調整回路、２１２…温度補償回路、２１４…温度センサ、２１６…フィルタ回路、３００…温度補償型レシオメトリック回路、３０２、３０４、３０８…演算増幅器、３０６…アナログ乗算器、３１０…電圧−電流変換器、３２０…バンドギャップリファレンス回路、３２２…基準電圧発生回路、３２４…温度依存定電流源、３２６…第１差動増幅器、３２８…電源依存定電流源、３３０…第２差動増幅器、３３２…電流−電圧変換回路。

Claims (7)

1. 振動子と、
   前記振動子を駆動するための１対の駆動電極と、
   前記振動子に加わるコリオリ力を検出する２つ以上の検出電極と、
   前記１対の駆動電極の一方の電極に接続しモニタ信号を出力するモニタ回路と、
   前記モニタ信号を増幅して前記１対の駆動電極の他方の電極に出力する駆動回路と、
   前記駆動回路の出力信号の振幅を一定に調整する振幅調整回路と、
   前記振動子の前記検出電極から得られる信号を増幅し検出信号を出力する増幅回路と、
   ２つ以上の前記検出信号を差動増幅し差動増幅信号を出力する差動増幅回路と、
   前記差動増幅信号を前記モニタ信号で同期検波し検波信号を出力する同期検波回路と、
   ノイズ除去用のフィルタ回路と、
   を有する振動ジャイロセンサにおいて、
   前記振動ジャイロセンサは、さらに、
   環境温度に依存した温度信号を出力する温度センサと、
   前記フィルタ回路から出力される感度信号に対して、電源電圧に依存する基準電圧と前記温度信号の電圧に基づき、前記感度信号がレシオメトリック特性になるようにするとともに、前記感度信号の温度補償を行う温度補償型レシオメトリック回路と、
   を有し、
   さらに、前記振動ジャイロセンサ内のオフセット電圧を調整するオフセット調整回路と、前記差動増幅回路と前記同期検波回路と前記フィルタ回路の基準電圧が電源に依存する回路構成になっており、前記振動子にコリオリ力が加わっていない状態である静止時電圧がレシオメトリック特性となるようにした、
   ことを特徴とする振動ジャイロセンサ。
2. 請求項１に記載の振動ジャイロセンサにおいて、
   前記温度補償型レシオメトリック回路は、
   前記温度信号を、電源電圧に依存する電流に変換する電圧−電流変換器と、
   前記感度信号、電源電圧に依存する第１の基準電圧、電源電圧に依存する第２の基準電圧、及び、前記電圧−電流変換器の出力電流が入力され、前記感度信号の電圧と前記第１の基準電圧との差、前記第２の基準電圧と前記第１の基準電圧との差、及び、前記電圧−電流変換器の出力電流をパラメーターとするスケールファクターを乗算した電圧を出力するアナログ乗算器と、を含む、ことを特徴とする振動ジャイロセンサ。
3. 請求項１に記載の振動ジャイロセンサにおいて、前記温度補償型レシオメトリック回路は、乗算器である、ことを特徴とする振動ジャイロセンサ。
4. 請求項１に記載の振動ジャイロセンサにおいて、前記温度補償型レシオメトリック回路は、ギルバートセル乗算器である、ことを特徴とする振動ジャイロセンサ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の振動ジャイロセンサにおいて、前記オフセット調整回路の基準電圧を電源電圧に依存する基準電圧とし、前記オフセット電圧がレシオメトリック特性になるようにした、ことを特徴とする振動ジャイロセンサ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の振動ジャイロセンサにおいて、前記振動子は、基部と、前記基部から突出する駆動振動系および前記基部から突出する複数の検出振動系を備えていることを特徴とする振動ジャイロセンサ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の振動ジャイロセンサにおいて、前記フィルタ回路は、スイッチドキャパシタフィルタ、ＬＣフィルタ、ＲＣフィルタ、オペアンプを使ったアクティブフィルタを含む、ことを特徴とする振動ジャイロセンサ。

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