JP5245246B2 - 慣性力センサ - Google Patents
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Description
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、各種電子機器に用いられる慣性力センサに関するものである。
従来の慣性力センサは音叉状のセンス素子を振動させ、これに加わる慣性力をコリオリ力を利用して検出するため、センス素子の振幅を一定にするべくセンス素子を振動させる駆動回路内にＡＧＣ回路を設けている。
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。
特開平９−２８１１３８号公報
しかしながら、ＡＧＣ回路は多くのアナログ素子により形成されているため、各素子の温度特性が累積されて大きなものとなってしまい、温度変化に伴うセンス素子の振幅を一定化することが困難なものとなり、結果として慣性力センサの検出精度に影響を及ぼしていた。
そこで、本発明はこのような問題を解決し、慣性力センサの検出精度を高めることを目的とする。
この目的を達成するために本発明は、駆動回路を前記モニタ信号を１ビットのデジタル値に変換し、前記デジタル値に基づいて振幅情報を形成し、前記振幅情報を予め決められた基準振幅情報と比較し、この比較情報を基に補正情報を生成し、前記補正情報から得る倍率にしたがって前記デジタル値を演算処理してマルチビットの駆動信号に変換し、前記マルチビットの駆動信号を所定の出力信号に変換し、前記駆動電極に出力するようにしたため、１ビットデジタル信号が０／１の１ビット信号であるため補正情報の倍率が決定すれば「１」の信号をその倍率に置換すればマルチビット信号に変換できることとなり、これにより、一般的に行われる積算処理などが不要となることから駆動回路を簡易なものとすることができるという作用効果を有するものである。
本発明の角速度センサは、駆動電極と、センス電極と、モニタ電極を有するセンス素子と、前記モニタ電極より出力されたモニタ信号を検知し前記駆動電極に対する駆動信号を形成する駆動回路と、前記センス電極から出力されたセンス信号を電気的に処理するセンス回路とを備え、前記駆動回路は前記モニタ信号を１ビットのデジタル値に変換し、前記デジタル値に基づいて振幅情報を形成し、前記振幅情報を予め決められた基準振幅情報と比較し、この比較情報を基に補正情報を生成し、前記補正情報から得る倍率にしたがって前記デジタル値を演算処理してマルチビットの駆動信号に変換し、前記マルチビットの駆動信号を所定の出力信号に変換し、前記駆動電極に出力するようにしたもので、この構成によれば、駆動回路を前記モニタ信号を１ビットのデジタル値に変換し、前記デジタル値に基づいて振幅情報を形成し、前記振幅情報を予め決められた基準振幅情報と比較し、この比較情報を基に補正情報を生成し、前記補正情報から得る倍率にしたがって前記デジタル値を演算処理してマルチビットの駆動信号に変換し、前記マルチビットの駆動信号を所定の出力信号に変換し、前記駆動電極に出力するようにしたため、１ビットデジタル信号が０／１の１ビット信号であるため補正情報の倍率が決定すれば「１」の信号をその倍率に置換すればマルチビット信号に変換できることとなり、これにより、一般的に行われる積算処理などが不要となることから駆動回路を簡易なものとすることが可能な慣性力センサを提供することができるという効果を有するものである。
以下、本発明の一実施の形態における慣性力センサについて、図面を参照しながら説明する。
図１は慣性力センサの一例である角速度センサを示したものであり、その構成は大まかにセンス素子１と、このセンス素子１を振動させる駆動回路２と、センス素子１から出力されるセンス信号３を電気的に処理するセンス回路４で構成されている。
センス素子１は図２に示されるように、音叉状のシリコン基板５上に、駆動電極６、センス電極７、モニタ電極８が形成されており、駆動電極６に対して駆動回路２から所定周波数の駆動信号９を印加することで、センス素子１の駆動アーム１０を図中における左右方向に振動させ、この状態でセンス素子１に角速度が加わることでコリオリ力が生じ駆動アーム１０が図中における前後方向に撓み、この撓みによりセンス電極７からセンス信号３が出力されるのである。なお、特に図示はしていないが、駆動電極６、センス電極７、モニタ電極８はＰＺＴ薄膜を上下電極で挟み込んだ構造となっている。
また、モニタ電極８はセンス素子１の振動状態を検知するもので、音叉の振動に応じた信号をモニタ信号１１として出力するものである。
そして、この角速度センサの駆動回路２は図１に示されるように、モニタ信号１１を１ビットデジタル信号にＡＤ変換するシグマ・デルタ変調器（以下、ΣΔと称す）１２と、このΣΔ１２から出力された１ビットデジタル信号をマルチビット信号に変換するデジタルフィルタ１３と、このマルチビット信号のゼロクロスを検出し位相情報を形成する比較回路１４と、この位相情報と先のマルチビット信号より１周期ごとのピーク・トゥー・ピークを検出する振幅検出回路１５と、このピーク・トゥー・ピークの検出により得られた振幅情報を予め設定された基準振幅情報と比較して補正情報を生成する補正情報生成回路１６と、ΣΔ１２から出力された１ビットデジタル信号を補正情報と演算処理する信号処理回路１７と、この信号処理回路１７により形成されたマルチビットの駆動信号をフィルタリングするデジタルフィルタ１８と、このフィルタリングされたマルチビットの駆動信号を１ビットデジタル信号に変換し駆動電極６に出力するΣΔ１９とで構成している。
なお、ＡＤ変換を行うΣΔ１２は、モニタ電極８から出力されたアナログ信号（モニタ信号１１）をオーバーサンプリングし、シグマ・デルタ変換することで１ビットデジタル信号に変換するものである。
そして、信号処理回路１７はモニタ信号をΣΔ１２で形成した１ビットデジタル信号を補正情報から得る倍率にしたがって、例えば補正情報の倍率が「５」で１ビットデジタル信号が「・・・００１１０１０・・・」であれば、その信号を「・・・００５５０５０・・・」といったマルチビット信号に変換するのである。なお、ここで１ビットデジタル信号が０／１の１ビット信号であるため補正情報の倍率が決定すれば「１」の信号をその倍率に置換すればマルチビット信号に変換できるため、一般的に行われる積算処理などが不要となることから処理回路が簡易なものと出来るのである。
そして、このように角速度センサを構成することにより、駆動回路２がデジタル信号処理により行われるようになり、温度変化に伴う信号変動が抑制されるため、それによりセンス素子１の振幅を一定化することができ、角速度センサの検出精度を高めることができるのである。
なお、ＡＤ変換を行うΣΔ１２は１ビットデジタル信号に変換するものであるから、先に述べたΣΔ１２を用いず、Ｉ／Ｖ変換器もしくは積分器によって得られた信号を逐次比較型などのＡ／Ｄ変換器によりマルチビットデジタル信号に変換することも出来るのであるが、ΣΔ１２はその回路構成として内部に積分器機能を有したものであるため回路規模の小型化が出来るのである。
また、ΣΔ１９はマルチビット信号を１ビットデジタル信号に変換するものであるから、ΣΔ１９を用いずＤ／Ａ変換器によりアナログ信号化し駆動電極６に出力できるが、ΣΔ１９で１ビットデジタル信号に変換することで、この１ビットデジタル信号で直接センス素子１を振動できるようになり、回路規模の小型化が出来るのである。
なお、上述した一実施の形態では、慣性力センサとして角速度センサを例に挙げて説明したが、センス素子１を振動させコリオリ力を利用するものであれば、加速度センサなどにも適応できるものである。
本発明に係る慣性力センサは、慣性力センサの検出精度を高めることができ、各種電子機器に用いる慣性力センサとして有用となるものである。
１ センス素子
２ 駆動回路
４ センス回路
６ 駆動電極
７ センス電極
８ モニタ電極
２ 駆動回路
４ センス回路
６ 駆動電極
７ センス電極
８ モニタ電極
Claims (1)
- 駆動電極と、センス電極と、モニタ電極を有するセンス素子と、前記モニタ電極より出力されたモニタ信号を検知し前記駆動電極に対する駆動信号を形成する駆動回路と、前記センス電極から出力されたセンス信号を電気的に処理するセンス回路とを備え、前記駆動回路は前記モニタ信号を１ビットのデジタル値に変換し、前記デジタル値に基づいて振幅情報を形成し、前記振幅情報を予め決められた基準振幅情報と比較し、この比較情報を基に補正情報を生成し、前記補正情報から得る倍率にしたがって前記デジタル値を演算処理してマルチビットの駆動信号に変換し、前記マルチビットの駆動信号を所定の出力信号に変換し、前記駆動電極に出力することを特徴とする慣性力センサ。
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