WO2000016043A1 - Angle speed sensor - Google Patents

Description

明 細 書 角速度センサ 技術分野

本発明は角速度センサに関するものである。 背景技術

従来の角速度センサとして、電装技術会会報（V o 1 . 3 8 , No. 3 , 1 9 9 4 年） 第 2 6頁から第 3 3頁に発表されたものが知られている。

この角速度センサは、 音叉振動体に振動を与える励振部と、 振動体の振動 レベルを検出する手段と、 角速度に応じて生ずるコリオリカを検出する検出 手段と、 前記振動レベルを検出する手段の出力信号を増幅する第 1の増幅器 と、 前記第 1の増幅器の出力信号を整流し直流電圧を得る整流回路と、 前記 整流器の出力電圧と基準電圧との比較部と、 前記第 1の増幅器からの出力電 圧の位相を 9 0 ° シフトした電圧を前記比較部からの出力電圧によって増幅 する増幅度が変化し音叉振動体の振幅を一定に制御するように前記励振部に 接続した可変利得増幅器より構成している。

上記従来技術では、 電源投入直後は可変利得増幅器の増幅度が既定値内で 最大になり、 音 ¾振動体の振幅を急激に増加させるように働き、 センサの起 動時間を短縮する効果も多少はある。 しかし、 可変利得増幅器の増幅度の可 変範囲が有限かつあまり大きくできないため、 音叉振動体の振幅レベルが既 定値に到達するまでにある程度長い時間が必要であった。 また、 可変利得増 幅器の増幅度の最大値を既定値以上に大きく設定すれば、 センサの起動時間 を短縮可能であるが、 可変利得増幅器の出力電圧波形の飽和の問題、 の低減維持、 音叉振動体の振幅を一定に制御する場合の安定性といった総合 的な観点から可変利得増幅器の増幅度の最大値を既定値以上に大きくするこ とは困難である。

従って、 可変利得増幅器の増幅度の最大値を既定値以上に大きくせずに厂 音叉振動体の振幅を一定にするまでの時間 （起動時間） を短縮するのは難し レ^ また、 尖鋭度 Q (振動エネルギー/投入エネルギー） の大きな水晶音又 振動体のような場合は、 時定数て = Q / 2 7 f ( f ：駆動周波数） を f の著 しい増加なしに小さくすることは極めて難しい。 従って、 起動時間の低減の ために、 可変利得増幅器の増幅度の最大値を既定値以上に大きくできないこ とは著しい障害となる。 発明の開示

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、 起動時間の短縮を図ること が可能な角速度センサを提供することを目的とする。

この課題を解決するために本発明は、 振動体に振動を与える励振部と、 振 動体の振動レベルを検出する手段と、 角速度に応じて生ずるコリオリカを検 出する検出手段と、 前記振動レベルを検出する手段の出力信号を増幅する第 1の増幅器と、 前記第 1の増幅器の出力信号を整流し直流電圧を得る整流回 路と、 前記第 1の増幅器の出力信号を入力し前記整流回路の出力電圧の値に 応じて増幅度が変化する可変利得増幅器と、 前記可変利得増幅器の出力信号 を増幅する第 2の増幅器と、 前記整流回路の出力電圧と基準電圧発生部の出 力電圧が入力されるレベル判定回路と、 前記第 1の増幅器と前記第 2の増幅 器との間に第 3の増幅器とスィツチ手段とを有し、 前記第 1の増幅器の出力 信号が前記第 3の増幅器の正入力端子に入力され、 前記第 3の増幅器の負入 力端子と前記第 3の増幅器の出力端子との間に第 1の抵抗が挿入され、 前記 第 3の増幅器の負入力端子に電源電圧の 1ノ 2近傍の大きさの電圧がコンデ ンサを介して印加され、 前記第 3の増幅器の出力端子と前記第 2の増幅器の 入力端子との間に第 2の抵抗と前記スィツチ手段が直列に接続され、 前記レ ベル判定回路の出力によって前記スィッチ手段を駆動するように構成した""こ とを特徴とするものである。

この構成により、 可変利得増幅器の出力電圧波形の飽和の問題、 ノイズの 低減維持、 音叉振動体の振幅を一定に制御する場合の安定性といった総合的 な項目をすベてクリア一しながら角速度センサの起動時間の短縮を図ること が可能である。 特に尖鋭度 Qの大きな水晶音叉振動体のような場合には有効 である。 図面の簡単な説明

第 1図は本発明の角速度センサの実施例を説明するブロック図、 第 2図は 同センサにおける第 2の電圧増幅器のスィツチ制御夕イミングチヤ一卜、 第 3図は同センサにおける振動レベルを検出する手段の出力信号と励振部への 電圧印加状態の説明図である。 発明を実施するための最良の形態

(実施例）

第 1図は本発明の実施例における角速度センサのブロック図である。 第 1 図において、 1は音叉構造振動型角速度センサ素子ブロック、 2は第 1の増 幅器、 3は整流器、 4は平滑回路、 5は可変利得増幅器、 6は第 2の増幅器、 7は第 4の増幅器、 8は同期検波器、 9は口一パスフィル夕である。 1 0は 振動部材に圧電素子を貼付して構成した励振部、 1 1は振動部材に圧電素子 を貼付して構成し振動レベルを検出する手段、 1 2， 1 3は角速度に応じて 生ずるコリオリカを検出する第 1， 第 2の検出手段で、 励振部 1 0と第 1の 検出手段 1 2は直交接合され、 振動レベルを検出する手段 1 1と第 2の検出 手段 1 3も直交接合され、それぞれは連結板 1 4で連結され、 この連結板 1 4 を支持棒 1 5で一点支持し、 音叉構造振動型角速度センサ素子ブロック 1 ¾~ 構成している。 励振部 1 0の振動により音又振動する振動レベルを検出する 手段 1 1と振動レベルを検出する手段 1 1の出力信号を入力信号として増幅 する第 1の増幅器 2と、 前記第 1の増幅器 2の出力信号を整流する整流器 3 と、 前記整流器 3の出力電圧を平滑する平滑回路 4と、 前記平滑回路 4の出 力電圧値によって前記第 1の増幅器 2からの出力電圧を増幅する増幅度が変 化し音叉振動体の振幅を一定に制御する可変利得増幅器 5と、 前記可変利得 増幅器の出力信号を増幅する第 2の増幅器 6より構成されている。

印加される角速度に応じて生ずるコリオリカを検出する前記第 1 , 第 2の 検出手段 1 2 , 1 3の信号は第 4の増幅器 7で増幅され、 同期検波器 8で音 叉振動体の周期で検波されて角速度に比例した電圧となり、 ローパスフィル 夕 9によって増幅されて角速度電圧信号として出力される。

また、 第 1図において、 2 0は第 3の増幅器、 2 1はコンデンサ、 2 2は 第 1の抵抗、 2 3は第 2の抵抗、 2 4はコンデンサ、 2 5は基準電圧発生部、 2 6はレベル判定回路、 2 7はスィツチ手段である。

さらに、 整流器 3の出力電圧と基準電圧発生部 2 5の出力電圧が入力され るレベル判定回路 2 6と、 前記第 1の増幅器 2と前記第 2の増幅器 6との間 に第 3の増幅器 2 0とスィツチ手段 2 7とを備えている。 第 3の増幅器 2 0 の負入力端子には、 電源電圧 V c cの 1 Z 2の電圧がコンデンサ 2 1を介し て接続されている。

また、 前記第 1の増幅器 2の出力信号が前記第 3の増幅器 2 0の正入力端 子に入力され、 前記第 3の増幅器 2 0の負入力端子と前記第 3の増幅器 2 0 の出力端子との間に第 1の抵抗 2 2が挿入され、 前記第 3の増幅器 2 0の出 力端子と前記第 2の増幅器 6の入力端子との間に第 2の抵抗 2 3と前記スィ ツチ手段 2 7が直列に接続されている。 第 1の抵抗 2 2、 第 2の抵抗 2 3は、 それぞれ 1 Μ Ω、 2 0 であり、 電源 （図示せず） 投入後、 コンデンサ 2 4- の充電電圧値とレベル判定回路 2 6 (基準電圧発生部 2 5により設定された 設定電圧値 = V 1 ) と、 第 2図に示すスィッチ制御タイミングチャートに従 つて、 スィッチ手段 2 7をオン、 オフさせる。 第 3の増幅器 2 0は基準電圧 (電源電圧 V c cの 1 / 2 ) を中心に電源電圧から接地電圧までの出力波形 で動作しており、 タイミングチャート （第 2図参照） の第 1ステージ、 第 2 ステージでは、 第 3の増幅器 2 0がそれぞれオン、 オフになり、 第 3図に示 すように音叉振動体の振幅の小さな初期の段階 （振動レベルを検出する手段 1 1の出力信号の小さな初期の段階） では、 第 2の増幅器 6において出力電 圧が非常に大きく （励振部 1 0への印加電圧は、 起動時から最大出力電圧と なるように） でき、 音叉振動体の振幅が既定値に近づいてくる後半 （振動レ ベルを検出する手段 1 1の出力信号が既定値に達する段階） では小さな増幅 度となり （励振部 1 0への印加電圧も小さくなり）、 角速度センサの起動時 間を著しく短縮可能となるばかりか、 起動時の必要な時だけスィツチ手段 2 7により第 3の増幅器 2 0を駆動し、 少なくとも最終制御領域に入ってか らは可変利得増幅器 5の増幅度の最大値を従来通りの既定値に維持可能なた め、 出力電圧波形の飽和の問題、 ノイズの低減維持、 音叉振動体の振幅を一 定に制御する場合の安定性といった総合的な項目もすベてクリア一可能とな る。

また、 第 2図に示すように、 コンデンサ 2 4の充電電圧値とレベル判定回 路 2 6の設定電圧値 = V 1を所望に設定し、 各ステージにおける増幅度を適 宜設定することにより、 音叉振動体の振幅が一定になるまでの時間を任意に 設定することも当然可能である。

なお、 本実施例では、 音叉構造振動型角速度センサ素子ブロックとして振 動体に圧電素子を貼付した構成の例のみについて説明したが、 必ずしもこれ に限定されるものではない。 特に音又構造振動型角速度センサ素子ブロッ^" として、 尖鋭度 Qの大きな水晶音叉振動体を利用した場合には、 その効果が 顕著である。

また、 振動体としては、 必ずしも従来のような音又構造振動型に限定され るものではない。

また、 本実施例においては、 第 3の増幅器 2 0の負入力端子に電源電圧 V c cの 1 / 2の電圧がコンデンサ 2 1を介して接続されている例について 説明したが、 厳密に 1 Z 2である必要はなく、 1 / 2近傍の値であれば十分 要件は満足する。 産業上の利用可能性

以上のように本発明によれば、 起動とともに第 3の増幅器とスィッチ手段 により第 2の増幅器からの出力電圧を最大にし、 少なくとも最終制御領域に 入ってからは可変利得増幅器の増幅度の最大値を従来通りの既定値に維持可 能なため、 振動体の振幅が一定に到達するまでの時間を任意に設定する機能 を有するばかりか、 可変利得増幅器の出力電圧波形の飽和の問題、 ノイズの 低減維持、 振動体の振幅を一定に制御する場合の安定性といった総合的な項 目をすベてクリァ一しながら起動時間を著しく短縮可能な角速度センサが得 られる。

Claims

請 求 の 範 囲 動体に振動を与える励振部と、 振動体の振動レベルを検出する手段と、 角速度に応じて生ずるコリオリカを検出する検出手段と、 前記振動レべ- ルを検出する手段の出力信号を増幅する第 1の増幅器と、 前記第 1の増 幅器の出力信号を整流し直流電圧を得る整流回路と、 前記第 1の増幅器 の出力信号を入力し前記整流回路の出力電圧の値に応じて増幅度が変化 する可変利得増幅器と、 前記可変利得増幅器の出力信号を増幅する第 2 の増幅器と、 前記整流回路の出力電圧と基準電圧発生部の出力電圧が入 力されるレベル判定回路と、 前記第 1の増幅器と前記第 2の増幅器との 間に第 3の増幅器とスィツチ手段とを有し、 前記第 1の増幅器の出力信 号が前記第 3の増幅器の正入力端子に入力され、 前記第 3の増幅器の負 入力端子と前記第 3の増幅器の出力端子との間に第 1の抵抗が挿入され、 前記第 3の増幅器の負入力端子に電源電圧の 1 Z 2近傍の大きさの電圧 がコンデンサを介して印加され、 前記第 3の増幅器の出力端子と前記第 2の増幅器の入力端子との間に第 2の抵抗と前記スィツチ手段が直列に 接続され、 前記レベル判定回路の出力によって前記スィツチ手段を駆動 するように構成した角速度センサ。