JP2014149228A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、出荷時に補正値が書き込まれた後でも、角速度センサの起動時の時間的な出力オフセットの変化を低減することを目的としたものである。
【解決手段】角速度を検出して検出信号を出力する検出素子９と、前記検出信号を電気的に処理して角速度信号を抽出する検出回路１０と、前記検出回路１０の出力側に接続される補正回路２０と、を備えた角速度センサ８であって、前記補正回路２０は、前記検出回路１０の出力側に接続され、前記角速度信号を遅延して遅延信号を出力する遅延回路部２１と、検出回路１０の出力側と前記遅延回路部２１の出力側とに接続され、前記角速度信号と前記遅延信号とを比較する比較回路部２２と、前記比較回路部２２の出力側に接続され、角速度信号を補正する補正量を生成する補正量生成部２３と、検出回路１０の出力側と前記補正量生成部２３の出力側とに接続され、角速度信号を補正する補正部２５と、を有する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話やスマートフォン等情報通信端末の入力装置、デジタルスチルカメラなどの手振れ補正、ナビゲーションシステム、車両制御システムなどに用いる角速度センサに関する。

図７に示すように、従来の角速度センサ１は、検出素子２と、検出素子２に与えられた角速度に対応する慣性量を検出する検出回路３と、検出回路３の出力側に接続されたローパスフィルタ４と、ローパスフィルタ４の出力を補正する補正回路５と、を備え、補正回路５は、補正量が外部から書き込まれる補正量保持部６と、ローパスフィルタ４の出力側及び補正量保持部６の出力側に接続された補正部７と、を有し、補正部７は、補正量保持部６が保持する補正量に基づいてローパスフィルタ４の出力値を補正していた。

ここで、角速度センサ１は、角速度が入力されていないときは出力をゼロ、または所定の基準値を出力し、角速度が入力されたときにこの角速度に応じた出力をすることが求められる。そこで、従来の角速度センサ１は、検出素子２の製造ばらつきに起因する出力のズレや、検出回路３の電気的なオフセットなどに起因する出力オフセット（初期オフセット）を測定し、その補正値を補正量保持部６に保持した状態で出荷されていた。

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。

特開２０００−０８８５７８号公報

しかしながら、上記、従来の角速度センサ１においては、出荷時に補正値が書き込まれた後でも、例えば、検出素子２に温度変化によるドリフトが印加されることよって出力オフセットが変動する場合がある。このような場合、補正値と実際のオフセットとにずれが生じ、結果、オフセットを正確に補正できないために角速度センサ１の出力の精度が低下するという課題があった。

そこで、本発明は、出力オフセットが変動する場合においても、正確にオフセットを補正することができる、高精度な角速度センサを提供することを目的とする。

上記目的を解決するために本発明の角速度センサは、角速度を検出して検出信号を出力する検出素子と、検出信号を電気的に処理して角速度信号を抽出する検出回路と、検出回路の出力側に接続される補正回路と、を備えた角速度センサであって、補正回路は、検出回路の出力側に接続され、角速度信号を遅延して遅延信号を出力する遅延回路部と、検出回路の出力側と遅延回路部の出力側とに接続され、角速度信号と遅延信号とを比較する比較回路部と、比較回路部の出力側に接続され、角速度信号を補正する補正量を生成する補正量生成部と、検出回路の出力側と補正量生成部の出力側とに接続され、角速度信号を補正する補正部と、を有する構成とする。

本発明の角速度センサは、出力オフセットが変動する場合においても、出力オフセットの変動が所定の値以下になるまで補正量の更新を継続するので、出力オフセットを正確に補正でき、高精度な角速度センサを提供できるという効果を奏するものである。

実施の形態１における角速度センサの回路を示したブロック図 同センサの検出素子を示す図 同検出素子の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図 （ａ）実施の形態１における角速度センサの検出回路のブロック図、（ｂ）同センサの駆動回路のブロック図 実施の形態１における角速度センサの比較回路部における動作を表す模式図 実施の形態１における角速度センサの補正部の別の構成例を示した図 従来の角速度センサのブロック図

（実施の形態１）
以下、本発明の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。

図１は本実施の形態における角速度センサの回路を示したブロック図である。

図１において、本発明の実施の形態における角速度センサ８は、角速度を検出して検出信号を出力する検出素子９と、検出信号を電気的に処理して角速度信号を抽出する検出回路１０と、検出回路１０の出力側に接続される補正回路２０と、を備え、補正回路２０は、検出回路１０の出力側に接続され、角速度信号を遅延して遅延信号を出力する遅延回路部２１と、検出回路１０の出力側と遅延回路部２１の出力側とに接続され、角速度信号と遅延信号とを比較する比較回路部２２と、比較回路部２２の出力側に接続され、角速度信号を補正する補正量を生成する補正量生成部２３と、検出回路１０の出力側と補正量生成部２３の出力側とに接続され、角速度信号を補正する補正部２５と、を有する構成とする。

以上のように構成された角速度センサについて、以下に構成の詳細とその動作とを説明する。

図２は、検出素子９の一例である音叉型の角速度センサ素子１０１を示した図であり、図３は検出素子９の一点鎖線Ａ−Ａ線における断面図である。

図３に示す如く、角速度センサ素子１０１は、音叉型のシリコン基板１０２、１０３の上に下部電極１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３が形成され、その上に圧電薄膜１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９が、更にその上に上部電極１２０、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５が形成されている。上部電極の内、１２０、１２２、１２３、１２５は駆動電極であり、１２１、１２４は検出電極である。また、下部電極は全て基準電位に接続されている。

角速度センサ素子１０１は、駆動電極１２０、１２２、１２３、１２５に所定の駆動電圧が印加されることで、図２のＸ軸方向に振動をし、その状態で、Ｙ軸周りの角速度が印加されるとコリオリ力により、アーム１０６、１０７がＺ軸方向に撓み、圧電薄膜１１５、１１８が同じく撓むことで検出電極１２１、１２４に電荷が発生する。この電荷の量がコリオリ力に比例することから、角速度を検出することが可能となる。ここで、角速度センサ素子１０１のアーム１０６、１０７がＸ軸方向でそれぞれ逆方向に動くように振動しているため、Ｙ軸周りに角速度が印加された場合のコリオリ力は、アーム１０６、１０７でそれぞれＺ軸方向の逆の方向に撓むことになる。このため、検出電極１２１、１２４にコリオリ力に応じて発生する電荷、または回路に接続したときに流れる電流は、それぞれ逆極性となる。また、図２のモニタ電極１２６は駆動振動に同期した周波数の信号を取り出すための電極であり、このモニタ電極１２６により検出された信号を後述する検出回路１０での検波に用いる。

図４（ａ）は、検出回路１０の一例を示したブロック図である。

図４（ａ）において、６０、６１は角速度センサ素子１０１の検出電極１２１、１２４にそれぞれ電気的に接続された入力端子、６２、６３はセンス電流電圧変換器、６４は差動増幅器、６５は同期検波器、６６はローパスフィルタ、６７は端子である。

センス電流電圧変換器６２、６３は、角速度センサ素子１０１の検出電極１２１、１２４において発生した、互いに逆極性の電流を電圧に変換する。

差動増幅器６４は、センス電流電圧変換器６２、６３からの出力を差動演算することにより、これらを実質的に合算する。

同期検波器６５は、差動増幅器６４からの出力（以下、検波信号）が入力され、クロック生成器５０から出力されるクロック信号を用いて検波信号を同期検波し、検波出力信号としてローパスフィルタ６６に出力する。

ローパスフィルタ６６は、同期検波器６５からの検波出力信号を入力として受け、所定のカットオフ周波数以上の周波数成分を減衰させることで、必要な角速度成分が含まれる周波数帯域に帯域を制限し、不要な信号の一部を抑圧するフィルタとして機能する。

図４（ｂ）は、図２に示す角速度センサ素子１０１を駆動する為の駆動回路５１のブロック図である。図４（ｂ）において、４０はモニタ電極１２６に電気的に接続され、モニタ電極１２６に発生する電荷によるモニタ電流（以下、モニタ信号）を駆動回路に入力するモニタ入力端子、４１はモニタ信号を電圧に変換するモニタ電流電圧変換器、４２は電圧に変換されたモニタ電流をＤＣ信号に変換するＤＣ変換器、４３は入力されたモニタ信号を、ＤＣ変換器４２の出力レベルに応じた利得で増幅するＡＧＣ回路、４４は不要な周波数成分を除去するバンドパスフィルタ、４５はバンドパスフィルタの出力を増幅する出力増幅器、４６は出力増幅器４５の出力を反転させる反転増幅器、４７、４８は角速度センサ素子１０１の駆動電極１２０、１２２、１２３、１２５の所定の電極に接続される駆動出力端子である。

この駆動回路５１のモニタ入力端子４０及び駆動出力端子４７、４８を角速度センサ素子１０１に接続することで駆動ループが形成され、自励発振により角速度センサ素子１０１に駆動電圧が印加される。また、ＡＧＣ回路４３では、ＤＣ変換器４２の出力が増加すればＡＧＣ回路４３のゲインが下がり、ＤＣ変換器４２の出力が減少すればＡＧＣ回路４３のゲインが増加するような制御がされており、これによって、ＡＧＣ回路４３への入力であるモニタ信号が概一定のレベルになるように制御がされ、結果的に駆動振動振幅が一定のレベルを保つ構成となっている。また、４９はモニタ電流電圧変換器４１で電圧に変換されたモニタ信号の位相を９０度回転させる位相器、５０はその出力を用いて同期検波用の方形波形のクロック信号を作るクロック生成器であり、この出力を用いて前述の同期検波器６５における同期検波が行われる。

次に、図１に戻って補正回路２０について説明する。

遅延回路部２１は、検出回路１０から角速度信号が入力され、入力された角速度信号を所定の時間以上遅延した遅延信号、例えば、人間の動きの最低周波数を１Ｈｚと想定した場合に、１Ｈｚ以下の信号を不要信号として除去するため、不要信号の周波数に対応した時間として、１秒の遅延をさせた遅延信号を生成し、後述の比較回路部２２に出力する。

図５は比較回路部２２の動作を表した模式図である。図５において、Ｆ（ｘ）は補正しない場合の角速度信号、Ｆ’（ｘ）は補正回路２０で補正を行う場合の角速度信号である。

比較回路部２２は、検出回路１０からの角速度信号Ｆ（ｔ）と遅延回路部２１からの遅延信号Ｆ（ｔ＋τ）との差分量｜Ｆ（ｔ）−Ｆ（ｔ＋τ）｜を所定の閾値ωと比較する。ここで、差分量が所定の閾値ω以下の場合には、時間的な出力オフセットの変化が所定の値以下に収まっていると判断し、後述の補正量生成部２３によって生成される補正量の更新を停止するための信号（補正量更新停止信号）を出力する。一方、差分量｜Ｆ（ｔ）−Ｆ（ｔ＋τ）｜が所定の閾値ω以上の場合には、時間的な出力オフセットの変化が所定の値以上発生していると判断し、後述の補正量生成部２３によって生成される補正量の更新を継続するための信号（補正量更新信号）を出力する。また、差分量｜Ｆ（ｔ）−Ｆ（ｔ＋τ）｜が所定の閾値ωより十分大きい場合、０点ドリフトでなく、所望の角速度が入力されたと判断し、後述の補正量生成部２３における補正量の更新を継続する。

補正量生成部２３は、検出回路１０からの角速度信号が入力され、入力された角速度信号の出力値と、角速度信号の出力レンジのセンター値との差分量をドリフトにて発生しているオフセット量と判断し、得られたオフセット量を補正量として生成し、保持する。また、補正量生成部２３は所定の時間間隔で差分量を生成し、比較回路部２２から入力される補正量更新信号に基づいて、先に生成した補正量を新たに生成した補正量に更新する。または、補正量更新停止信号に基づいて、新たに生成した補正量への更新を停止する。

補正部２５は、角速度信号が入力され、補正量生成部２３に保持されている補正量を検出回路１０からの角速度信号に加算（減算）することで、角速度信号を補正する。

以上のように構成された角速度センサについて、以下にその効果を説明する。

従来の角速度センサ１では、出力オフセットの変動に応じて補正量を変更することができなかったため、正確に出力オフセットを補正することが出来なかったが、本実施の形態に係る角速度センサでは、出力オフセットの変動が所定の値以下になるまで補正量の更新をするので、出力オフセットを正確に補正でき、高精度な角速度センサを得ることができる。

なお、遅延回路部２１において、角速度信号に含まれる成分のうち、除去したい不要信号の周波数に応じて角速度信号の遅延時間を変更してもよい。例えば、所望の角速度入力が、１Ｈｚ〜２０Ｈｚの周波数範囲にある場合、所望の角速度信号以下の低周波数の信号が温度変化によるドリフト成分として入力された場合に、信号処理部により出力される角速度信号と、遅延回路部２１にて１秒以上遅延した角速度信号との差を所定の閾値と比較することで、１Ｈｚ以下の温度変化によるドリフト成分であることを判断し、出力オフセットとして補正することが可能である。

なお、上述の説明では、比較回路部２２において、角速度信号と遅延回路部２１からの遅延信号との差分量を所定の閾値と比較し、所定の閾値以下の場合には、補正量生成部２３における補正量の更新を停止し、一方、差分量が所定の閾値以上の場合には、補正量生成部２３によって生成される補正量の更新を継続する構成について説明したが、これに限定されない。補正量の更新を停止または継続するための判定手段として、下記の構成を併用することも可能である。この構成について、図６を用いて説明する。

図６は、本実施の形態の角速度センサの補正部２５の別の構成例を示したブロック図である。補正部２５は、微分回路部２６と、コンパレータ２７と、条件判定部２８と、をさらに設けている。

微分回路部２６は、検出回路１０より入力された角速度信号を微分演算し、微分演算結果を所定の閾値と比較演算を行う。これと同時に、検出回路１０からの角速度信号をコンパレータ２７により所定の閾値と比較演算を行う。そして、微分回路部２６によって得られた比較演算結果とコンパレータ２７により得られた比較演算結果の出力を、条件判定部２８に入力する。

条件判定部２８は、微分回路部２６によって得られた比較演算結果とコンパレータ２７により得られた比較演算結果とが共に閾値以下となっている場合には、角速度信号が入っていないと判断し、補正量生成部２３における補正量を更新する。一方、微分回路部２６によって得られた比較演算結果とコンパレータ２７により得られた比較演算結果のどちらか一方が閾値以上となっている場合には、角速度信号が印加されていると判断し、補正量生成部２３における補正値の更新を一時的に停止する。

この構成により、フィルタ等を用いずに角速度成分の入力有無を確認することが出来るため、回路規模の小さい回路構成となり、角速度センサの小型化が可能となる。

条件判定部２８は、微分回路部２６およびコンパレータ２７のサンプリング時間を変えることで、所望の角速度を所定の値に変えることが出来るため、広域の周波数で角速度入力有無を判定することが出来る。

本発明の角速度センサは、携帯電話や、スマートフォンなどの情報通信端末の入力装置、デジタルスチルカメラなどの手振れ補正用、ナビゲーションシステム、車両制御システムなどに用いられる角速度センサとして有用である。

８ 角速度センサ
９ 検出素子
１０ 検出回路
２０ 補正回路
２１ 遅延回路部
２２ 比較回路部
２３ 補正量生成部
２５ 補正部
２６ 微分回路部
２７ コンパレータ
２８ 条件判定部
４０ モニタ入力端子
４１ モニタ電流電圧変換器
４２ ＤＣ変換器
４３ ＡＧＣ回路
４４ バンドパスフィルタ
４５ 出力増幅器
４６ 反転増幅器
４７、４８ 駆動出力端子
４９ 位相器
５０ クロック生成器
５１ 駆動回路
６０、６１ 入力端子
６２、６３ センス電流電圧変換器
６４ 差動増幅器
６５ 同期検波器
６６ ローパスフィルタ
６７ 端子
１０１ 角速度センサ素子
１０２、１０３ シリコン基板
１０６、１０７ アーム
１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３ 下部電極
１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９ 圧電薄膜
１２０、１２１、１２２、１２３、１２４、１２５ 上部電極

Claims (5)

1. 角速度を検出して検出信号を出力する検出素子と、
   前記検出信号を電気的に処理して角速度信号を抽出する検出回路と、
   前記検出回路の出力側に接続される補正回路と、
   を備えた角速度センサであって、
   前記補正回路は、
   前記検出回路の出力側に接続され、前記角速度信号を遅延して遅延信号を出力する遅延回路部と、
   検出回路の出力側と前記遅延回路部の出力側とに接続され、前記角速度信号と前記遅延信号とを比較して補正量更新信号を出力する比較回路部と、
   前記比較回路部の出力側に接続され、角速度信号を補正する補正量を生成し、前記補正量更新信号が入力されることで前記補正量を更新する補正量生成部と、
   検出回路の出力側と前記補正量生成部の出力側とに接続され、前記補正量に基づいて角速度信号を補正する補正部と、を有する角速度センサ。
2. 前記比較回路部は前記角速度信号と前記遅延信号との差分量を算出し、
   前記差分量が所定の閾値以上である場合、前記補正量更新信号を出力する
   請求項１に記載の角速度センサ。
3. 前記補正量生成部は、角速度が印加されている間には補正量を生成せず、角速度が印加されていない間には補正量を生成する請求項１に記載の角速度センサ。
4. 前記補正量生成部は、前記角速度信号の基準値からのオフセット量を取得し、前記オフセット量を前記補正量とする請求項１に記載の角速度センサ。
5. 前記遅延回路部は、不要信号の周波数に応じて前記角速度信号の遅延時間を変更する請求項１に記載の角速度センサ。

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