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JP7614666B2 - Magnetic field sensor and magnetic field detection method - Google Patents

Magnetic field sensor and magnetic field detection method Download PDF

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JP7614666B2
JP7614666B2 JP2023543609A JP2023543609A JP7614666B2 JP 7614666 B2 JP7614666 B2 JP 7614666B2 JP 2023543609 A JP2023543609 A JP 2023543609A JP 2023543609 A JP2023543609 A JP 2023543609A JP 7614666 B2 JP7614666 B2 JP 7614666B2
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magnetic field
detection unit
vibration mode
rotational vibration
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貴城 塚本
秀治 田中
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Tohoku University NUC
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Tohoku University NUC
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Description

本発明は、磁場センサおよび磁場検出方法に関し、例えば、単一(1個)のモードマッチ(直交する2軸の共振周波数が一致)した2次元振動子を有するジャイロ装置を用いた磁場センサおよび磁場検出方法に関する。The present invention relates to a magnetic field sensor and a magnetic field detection method, for example, a magnetic field sensor and a magnetic field detection method using a gyro device having a single (one) mode-matched (resonant frequencies of two orthogonal axes are the same) two-dimensional oscillator.

従来から、磁場の大きさや方向を検出するための磁場センサ(磁気センサ等とも称される)が提案されている。例えば、下記の特許文献1には、ホールセンサ等の半導体素子を使用した磁場センサが開示されている。Magnetic field sensors (also called magnetic sensors) for detecting the magnitude and direction of a magnetic field have been proposed. For example, the following Patent Document 1 discloses a magnetic field sensor that uses a semiconductor element such as a Hall sensor.

特表2016-510116号公報Special table 2016-510116 publication

特許文献1に記載されているような、ホールセンサ等の半導体素子を用いた磁場センサは温度依存性を有するため、温度の変化に対して頑強ではない。このため、温度の変化によって磁場の測定精度が悪化してしまう虞がある。したがって、温度の変化に対して頑強な磁場センサが望まれている。 Magnetic field sensors using semiconductor elements such as Hall sensors, as described in Patent Document 1, are temperature dependent and therefore not robust against temperature changes. For this reason, there is a risk that the accuracy of measuring the magnetic field may deteriorate due to temperature changes. Therefore, a magnetic field sensor that is robust against temperature changes is desired.

本発明の目的の一つは、これらの問題を解決するための新規かつ有用な磁場センサおよび磁場検出方法を提供することにある。 One of the objects of the present invention is to provide a new and useful magnetic field sensor and magnetic field detection method to solve these problems.

本発明の一の態様は、
第1回転振動モードに対応する駆動信号および第2回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動され、さらに、第1回転振動モードに対応する第1電流信号および第2回転振動モードに対応する第2電流信号が入力される単一の2次元振動子と、
2次元振動子から出力される信号から、第1回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第1検出部と、
2次元振動子から出力される信号から、第2回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第2検出部と、
第1検出部によって検出された位相に基づいて、第1回転振動モードに対応する第1共振周波数を出力する第1発振回路と、
第2検出部によって検出された位相に基づいて、第2回転振動モードに対応する第2共振周波数を出力する第2発振回路と、
第1共振周波数第2共振周波数との差分に基づいて、磁場を検出する磁場検出部と
を備える
磁場センサである。
One aspect of the present invention is
a single two-dimensional vibrator that is driven by a drive signal corresponding to a first rotational vibration mode and a drive signal corresponding to a second rotational vibration mode, and further receives an input of a first current signal corresponding to the first rotational vibration mode and a second current signal corresponding to the second rotational vibration mode;
a first detection unit that detects an amplitude and a phase of a component corresponding to a first rotational vibration mode from a signal output from the two-dimensional oscillator;
a second detection unit that detects the amplitude and phase of a component corresponding to a second rotational vibration mode from a signal output from the two-dimensional oscillator;
a first oscillation circuit that outputs a first resonant frequency corresponding to a first rotational vibration mode based on the phase detected by the first detection unit;
a second oscillation circuit that outputs a second resonant frequency corresponding to a second rotational vibration mode based on the phase detected by the second detection unit;
The magnetic field sensor includes a magnetic field detection unit that detects a magnetic field based on the difference between the first resonant frequency and the second resonant frequency.

また、本発明の他の態様は、
2次元振動子に対して、第1回転振動モードに対応する駆動信号および第2回転振動モードに対応する駆動信号、および、第1回転振動モードに対応する第1電流信号および第2回転振動モードに対応する第2電流信号が入力され、
第1検出部が、2次元振動子から出力される信号から、第1回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第2検出部が、2次元振動子から出力される信号から、第2回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第1発振回路が、第1検出部によって検出された位相に基づいて、第1回転振動モードに対応する第1共振周波数を出力し、
第2発振回路が、第2検出部によって検出された位相に基づいて、第2回転振動モードに対応する第2共振周波数を出力し、
磁場検出部が、第1共振周波数第2共振周波数との差分に基づいて、磁場を検出する
磁場検出方法である。

Another aspect of the present invention is
A drive signal corresponding to a first rotational vibration mode and a drive signal corresponding to a second rotational vibration mode, and a first current signal corresponding to the first rotational vibration mode and a second current signal corresponding to the second rotational vibration mode are input to the two-dimensional vibrator;
a first detection unit detects an amplitude and a phase of a component corresponding to a first rotational vibration mode from a signal output from the two-dimensional oscillator;
a second detection unit detects an amplitude and a phase of a component corresponding to a second rotational vibration mode from a signal output from the two-dimensional oscillator;
a first oscillation circuit outputs a first resonant frequency corresponding to a first rotational vibration mode based on the phase detected by the first detection unit;
a second oscillation circuit outputs a second resonant frequency corresponding to a second rotational vibration mode based on the phase detected by the second detection unit;
The magnetic field detection method includes a magnetic field detection unit that detects a magnetic field based on a difference between a first resonant frequency and a second resonant frequency.

本発明によれば、温度の変化に頑強な磁場センサおよび磁場検出方法を提供できる。なお、本明細書により例示された効果により、本発明の内容が限定して解釈されるものではない。According to the present invention, it is possible to provide a magnetic field sensor and a magnetic field detection method that are robust against temperature changes. Note that the effects exemplified in this specification should not be construed as limiting the content of the present invention.

本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to be referred to when explaining the technology on which the present invention is based. 一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to which reference is made when describing an overview of one embodiment. 一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to which reference is made when describing an overview of one embodiment. 一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to which reference is made when describing an overview of one embodiment. 一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to which reference is made when describing an overview of one embodiment. 一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to which reference is made when describing an overview of one embodiment. 一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。FIG. 1 is a diagram to which reference is made when describing an overview of one embodiment. 一実施形態に係る2次元振動子の構成例を説明するための図である。1 is a diagram for explaining a configuration example of a two-dimensional oscillator according to an embodiment; 一実施形態に係る磁場センサの構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an example of the configuration of a magnetic field sensor according to an embodiment; 一実施形態により得られる効果の一例を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining an example of an effect obtained by an embodiment.

以下、本発明の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
<本発明の前提となる技術について>
<一実施形態>
<変形例>
以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The description will be made in the following order.
<Technology on which the present invention is based>
<One embodiment>
<Modification>
The embodiments and the like described below are preferred specific examples of the present invention, and the content of the present invention is not limited to these embodiments and the like.

<本発明の前提となる技術について>
本特許出願の発明者は、先に、ジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法を提案している。提案内容は、特許文献である特開2020-169819号公報として公開されている。本特許出願は、当該特許文献に記載された内容を適用することができる。本発明は、概略的には、上記特許文献に記載されたジャイロ装置を改良した磁場センサ、すなわち、FM(Frequency Modulation)ジャイロスコープの原理を応用した磁場センサである。そこで、本発明の理解を容易とするために、本発明の前提となる上記特許文献に記載された内容について簡単に説明する。なお、本発明は、上記特許文献に記載の内容を必ずしも全て含む必要は無く、その一部が用いられる態様であってもよい。
<Technology on which the present invention is based>
The inventor of this patent application has previously proposed a gyro device and a method for controlling the gyro device. The proposed content has been published as a patent document, JP 2020-169819 A. The content described in the patent document can be applied to this patent application. In general, the present invention is a magnetic field sensor that improves the gyro device described in the above patent document, that is, a magnetic field sensor that applies the principle of an FM (Frequency Modulation) gyroscope. Therefore, in order to facilitate understanding of the present invention, the content described in the above patent document, which is the premise of the present invention, will be briefly described. Note that the present invention does not necessarily need to include all of the content described in the above patent document, and may be an embodiment in which a part of it is used.

まず始めに、一般的なジャイロ装置(ジャイロスコープ)について説明する。なお、以下の説明では、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を使用した小型の振動型ジャイロ装置を例にして説明する。ジャイロ装置は、回転の角速度(以下、回転角速度と適宜、称する)を検出する。回転角速度Ωzを検出する方法として、複数の方法が知られている。第1の方法として、AM(Amplitude Modulation)モードと称される方法が知られている。AMモードでは、ドライブ軸(例えばX軸)方向に振動を与えたときに、コリオリ力によって変化するセンス軸(例えばY軸)方向の振幅(変位)を計測することで角速度を得る。センス軸方向の振幅が回転角速度Ωzに比例することから、当該振幅を検出することにより回転角速度Ωzを検出することができる。AMモードでは、ドライブ軸方向に与えられる振動がセンス軸方向を直接励振してしまう点を考慮して、ドライブ軸、センス軸方向における共振周波数が異なるように設定される(モードミスマッチ)。しかしながら、AMモードでは、共振周波数から離れた周波数で計測を行うため,感度が低下する等の問題がある。また、AMモードでは、感度と測定帯域に原理的にトレードオフがあり、高感度と広帯域を両立させることは不可能である。 First, a general gyro device (gyroscope) will be described. In the following description, a small vibration type gyro device using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) will be described as an example. The gyro device detects the angular velocity of rotation (hereinafter, appropriately referred to as the rotational angular velocity). There are several known methods for detecting the rotational angular velocity Ωz . As a first method, a method called AM (Amplitude Modulation) mode is known. In the AM mode, when vibration is applied in the drive axis (e.g., X-axis) direction, the angular velocity is obtained by measuring the amplitude (displacement) in the sense axis (e.g., Y-axis) direction that changes due to the Coriolis force. Since the amplitude in the sense axis direction is proportional to the rotational angular velocity Ωz , the rotational angular velocity Ωz can be detected by detecting the amplitude. In the AM mode, the resonant frequencies in the drive axis direction and the sense axis direction are set to be different (mode mismatch) in consideration of the fact that the vibration applied in the drive axis direction directly excites the sense axis direction. However, in the AM mode, since the measurement is performed at a frequency far from the resonant frequency, there are problems such as a decrease in sensitivity. Furthermore, in the AM mode, there is a theoretical trade-off between sensitivity and measurement bandwidth, and it is impossible to achieve both high sensitivity and a wide bandwidth.

第2の方法は、フォースリバランスと呼ばれる方法であり、AMモードのセンス軸方向の振幅が常に0になるようにフィードバック制御をかけ、そのフィードバック信号の大きさから回転角速度を得る方法である。この場合は、ドライブ軸とセンス軸の共振周波数を合わせた(モードマッチさせた)振動子を用いることができる。しかしながら、スケールファクタ(回転角速度に対する出力の大きさ)が、温度等により変動してしまう等の問題がある。 The second method is called force rebalancing, in which feedback control is applied so that the amplitude of the AM mode in the sense axis direction is always zero, and the rotational angular velocity is obtained from the magnitude of the feedback signal. In this case, a transducer in which the resonant frequencies of the drive axis and sense axis are matched (mode matched) can be used. However, there are problems such as the scale factor (magnitude of output relative to rotational angular velocity) fluctuating due to temperature, etc.

以上のような第1、第2の方法の問題に鑑み、後述する実施形態では、FMモードによるジャイロ装置の駆動を採用している。FMモードの特徴としては、他の方法に比べ、感度(スケールファクタ)が正確で安定する、原理的に温度特性に優れている、ダイナミックレンジに制限がない等の利点を有している点が挙げられる。In consideration of the problems with the first and second methods described above, the embodiment described below employs driving of the gyro device in FM mode. The FM mode has the advantages of being more accurate and stable in sensitivity (scale factor), superior temperature characteristics in principle, and unlimited dynamic range compared to other methods.

ここでFMモードの基本的な原理について説明する。なお、FMモードの原理そのものは公知であるのでここでは概略的な説明に留める。FMモードのジャイロは、直交(独立)する2軸方向に振動する振動子(共振子、共振器とも称される)で構成される。FMモードでは、各軸における共振周波数を一致させた振動子(モードマッチ)を用いる。この状態において、振動子に対して回転角速度が与えられた時、下記の数式1で表される関係が成り立つことが知られている。なお、数式1におけるλは共振周波数、ωは回転を与えていない場合の共振周波数(モードマッチしてあるので、2軸ともに同じ共振周波数)、Ωzは振動子に与えられる回転角速度を表している。 Here, the basic principle of the FM mode will be explained. The principle of the FM mode itself is well known, so only a brief explanation will be given here. The FM mode gyro is composed of an oscillator (also called a resonator or resonator) that vibrates in two orthogonal (independent) axial directions. In the FM mode, an oscillator with the same resonance frequency on each axis (mode match) is used. In this state, when a rotational angular velocity is applied to the oscillator, it is known that the relationship expressed by the following formula 1 holds. In formula 1, λ represents the resonance frequency, ω represents the resonance frequency when no rotation is applied (the two axes have the same resonance frequency because of mode match), and Ωz represents the rotational angular velocity applied to the oscillator.

なお、以下で言及する振動は直線振動(例えばX方向、Y方向)に限らず、モードマッチした直交振動モードであれば、どのような振動でも利用できる。例えば、リング型の共振器の場合は、図1、2に示すように、直交する2つの振動は必ずしも単純な直線振動にはならないが、それぞれの振動モードにおける変位の状態をモード座標(一般化座標)で表すと、直線振動と全く同じように扱うことができる。以下では、これらのモード座標(一般化座標)も含めて、一つのモードを"X軸(もしくはX方向)"、これと直交するモードを"Y軸(もしくはY方向)"と呼ぶ(なお、図1、2におけるモード1、2は数学的、もしくは振動学的に直交している状態を示している)。 Note that the vibrations mentioned below are not limited to linear vibrations (e.g., X-direction, Y-direction), and any vibration can be used as long as it is an orthogonal vibration mode that matches the mode. For example, in the case of a ring-type resonator, as shown in Figures 1 and 2, two orthogonal vibrations do not necessarily result in simple linear vibrations, but if the displacement state in each vibration mode is expressed in mode coordinates (generalized coordinates), it can be treated exactly the same as linear vibration. In the following, including these mode coordinates (generalized coordinates), one mode will be called the "X-axis (or X-direction)" and the mode perpendicular to this will be called the "Y-axis (or Y-direction)" (Note that modes 1 and 2 in Figures 1 and 2 show a state in which they are mathematically or vibrationally orthogonal).

Figure 0007614666000001
Figure 0007614666000001

数式1から下記の数式2が導出される。 The following equation 2 is derived from equation 1.

Figure 0007614666000002
Figure 0007614666000002

すなわち、数式2により示されるように、回転が与えられない時にはX軸、Y軸方向の共振周波数が一致していた、すなわちモードマッチしていたものが、回転を与えることにより共振周波数λがω+Ωzとω-Ωzとに分かれる。この2つの共振周波数をλ1、λ2とすると、共振周波数λ1、λ2の差(ずれ)が回転角速度Ωzに比例することから、2つの共振周波数をλ1、λ2を検出すれば、下記の数式3により回転角速度Ωzを得ることができる。 That is, as shown in Equation 2, when no rotation is applied, the resonant frequencies in the X-axis and Y-axis directions are the same, that is, mode-matched, but when rotation is applied, the resonant frequency λ splits into ω+ Ωz and ω- Ωz . If these two resonant frequencies are λ1 and λ2 , the difference (deviation) between the resonant frequencies λ1 and λ2 is proportional to the rotational angular velocity Ωz , so if the two resonant frequencies λ1 and λ2 are detected, the rotational angular velocity Ωz can be obtained using Equation 3 below.

Figure 0007614666000003
Figure 0007614666000003

ここで、λ1(=ω+Ωz)に対応する運動は時計回り(CW)に対応しており、λ2(=ω-Ωz)に対応する運動は反時計回り(CCW)に対応している。すなわち、モードマッチしている振動子に回転が与えられた場合には、固有振動モードは直線(X方向もしくはY方向単独の振動)ではなく、回転振動(X方向とY方向の振動の位相が±90度(°)ずれている2次元振動)になる。なお、実際の振動子の回転は、これらCWモードおよびCCWモードの重ねあわせとなる。 Here, the motion corresponding to λ 1 (= ω + Ω z ) corresponds to clockwise (CW), and the motion corresponding to λ 2 (= ω - Ω z ) corresponds to counterclockwise (CCW). In other words, when rotation is applied to a mode-matched oscillator, the natural vibration mode is not linear (vibration in the X or Y direction alone) but becomes rotational vibration (two-dimensional vibration in which the phase of the vibration in the X and Y directions is shifted by ±90 degrees (°)). Note that the actual rotation of the oscillator is a superposition of these CW and CCW modes.

「各モードの成分の検出方法について」
以上、FMモードについて説明した。例えば、上述したFMモードで2次元にモードマッチした1個の振動子(以下、2次元振動子と適宜、称する)を励振させる制御が行われる。したがって、回転角速度Ωzを得るためには、2次元振動子の回転振動(出力)に含まれるCWモード(第1回転振動モード)の成分とCCWモード(第2回転振動モード)の成分を独立して検出する必要がある。そこで、次に、2次元振動子の出力からCWモードの成分とCCWモードの成分を分離して検出する方法について説明する。
"Methods for detecting components of each mode"
The FM mode has been described above. For example, control is performed to excite one oscillator (hereinafter, appropriately referred to as a two-dimensional oscillator) that is mode-matched to two dimensions in the above-mentioned FM mode. Therefore, in order to obtain the rotational angular velocity Ωz , it is necessary to independently detect the CW mode (first rotational vibration mode) component and the CCW mode (second rotational vibration mode) component contained in the rotational vibration (output) of the two-dimensional oscillator. Therefore, next, a method of detecting the CW mode component and the CCW mode component separately from the output of the two-dimensional oscillator will be described.

図3は、一般的な同期検波方式を説明するための図である。入力信号(Signal)SIにある所定の振幅(Amplitude)および位相(Phase)を有する信号が入力される。入力信号SIが分岐され、乗算器(ミキサ)1、3のそれぞれに入力される。同期検波方式では、位相を90度ずらした2つの信号を参照信号として使用し、この参照信号を別々の乗算器1、3で乗算した後、フィルタ処理を行うことで復調出力を得る。例えば、参照信号としてcos波およびsin波が使用され、入力信号SIにcos波を乗算する処理が乗算器1により行われ、入力信号SIにsin波を乗算する処理が乗算器3により行われる。 Figure 3 is a diagram for explaining a general synchronous detection method. A signal having a certain amplitude and phase is input as an input signal (Signal) SI. The input signal SI is split and input to each of multipliers (mixers) 1 and 3. In the synchronous detection method, two signals with a phase shift of 90 degrees are used as reference signals, and these reference signals are multiplied by separate multipliers 1 and 3, and then filtered to obtain a demodulated output. For example, a cosine wave and a sine wave are used as reference signals, and the input signal SI is multiplied by the cosine wave by multiplier 1, and the input signal SI is multiplied by the sine wave by multiplier 3.

乗算器1から出力される信号がLPF(Low Pass Filter)2に入力されフィルタ処理がなされる。LPF2によるフィルタ処理により、LPF2からは、参照信号(本例ではcos波)と同じ周波数であり、且つ、同じ位相を持つ成分のみが出力される。The signal output from multiplier 1 is input to LPF (Low Pass Filter) 2 and filtered. As a result of filtering by LPF 2, only components that have the same frequency and phase as the reference signal (cosine wave in this example) are output from LPF 2.

一方、乗算器3から出力される信号がLPF4に入力され、フィルタ処理がなされる。LPF4によるフィルタ処理により、LPF4からは、乗算器3における参照信号(本例ではsin波)と同じ周波数であり、且つ、同じ位相を持つ成分のみが出力される。Meanwhile, the signal output from multiplier 3 is input to LPF 4 and filtered. As a result of filtering by LPF 4, only components that have the same frequency and phase as the reference signal (sine wave in this example) in multiplier 3 are output from LPF 4.

LPF2、4からの出力により入力信号SIが復調され、復調出力に基づいて入力信号SIの振幅rと位相θとが検出される。 The input signal SI is demodulated using the outputs from LPFs 2 and 4, and the amplitude r and phase θ of the input signal SI are detected based on the demodulated output.

この同期検波方式を発展、応用してCWモードの成分とCCWモードの成分とを検出する処理が行われる。なお、以下の説明では、2次元振動子内に生じているCWモードとCCWモードとが組み合わさった信号から、CWモードの成分のみを検出する例について説明するが、同様の処理によりCCWモードの成分を検出することができる。This synchronous detection method is developed and applied to detect the CW mode components and CCW mode components. In the following explanation, we will explain an example of detecting only the CW mode components from a signal that combines CW mode and CCW mode generated in a two-dimensional transducer, but the CCW mode components can be detected by similar processing.

図4は、入力信号SIからCWモードの成分を検出する方法を説明するための図である。入力信号SIとして、2次元振動子から出力される信号が入力される。2次元振動子を使用した場合には、図示するように、X、Y方向の成分を含むベクトル的な表記で入力信号SIを示すことができる。 Figure 4 is a diagram for explaining a method for detecting CW mode components from an input signal SI. A signal output from a two-dimensional oscillator is input as the input signal SI. When a two-dimensional oscillator is used, the input signal SI can be expressed in vector notation including components in the X and Y directions, as shown in the figure.

入力信号SIが分岐され、乗算器1、3のそれぞれに入力される。参照信号として信号CW-I(In phase)、CW-Q(Quadrature Phase)が使用され、入力信号SIに信号CW-Iを乗算する処理が乗算器1により行われ、入力信号SIに信号CCW-Iを乗算する処理が乗算器3により行われる。信号CW-I、信号CW-Qは、図4にシンボル的に示されているように、振幅、周波数、回転方向は同じで位相が90度ずれている信号である。 The input signal SI is branched and input to each of multipliers 1 and 3. Signals CW-I (In phase) and CW-Q (Quadrature Phase) are used as reference signals, and multiplier 1 multiplies the input signal SI by the signal CW-I, while multiplier 3 multiplies the input signal SI by the signal CCW-I. As symbolically shown in Figure 4, signals CW-I and CW-Q have the same amplitude, frequency, and direction of rotation, but are out of phase with each other by 90 degrees.

入力信号SIに対して信号CW-Iが乗算器1により乗算され、その出力がLPF2に供給される。入力信号SIに対して信号CW-Qが乗算器3により乗算され、その出力がLPF4に供給される。LPF2、4のそれぞれによるフィルタ処理の結果、入力信号SIが復調され、復調出力に基づいて入力信号SIに含まれるCWモードの成分の振幅rおよび位相θを検出することができる。 The input signal SI is multiplied by the signal CW-I in multiplier 1, and the output is supplied to LPF 2. The input signal SI is multiplied by the signal CW-Q in multiplier 3, and the output is supplied to LPF 4. As a result of filtering by each of LPFs 2 and 4, the input signal SI is demodulated, and the amplitude r and phase θ of the CW mode component contained in the input signal SI can be detected based on the demodulated output.

図5は、上述した乗算器1、3の詳細な構成例を説明するための図である。乗算器1は、例えば、乗算器1aと、乗算器1bと、加算器1cとを備えている。乗算器3は、例えば、乗算器3aと、乗算器3bと、加算器3cとを備えている。 Figure 5 is a diagram for explaining a detailed configuration example of the above-mentioned multipliers 1 and 3. Multiplier 1 includes, for example, multiplier 1a, multiplier 1b, and adder 1c. Multiplier 3 includes, for example, multiplier 3a, multiplier 3b, and adder 3c.

上述したように、2次元振動子の場合は入力信号SIとしてX軸、Y軸方向の信号(振幅)(以下、信号SIX、SIYと適宜、称する)が乗算器1に入力される。乗算器1aは、信号SIXに対して信号CW-IのX軸方向の成分を乗算し、乗算器1bは、信号SIYに対して信号CW-IのY軸方向の成分を乗算する。加算器1cは、乗算器1a、1bの出力を加算してLPF2に出力する。As described above, in the case of a two-dimensional oscillator, signals (amplitudes) in the X- and Y-axis directions (hereinafter referred to as signals SIX and SIY as appropriate) are input to multiplier 1 as input signal SI. Multiplier 1a multiplies signal SIX by the X-axis component of signal CW-I, and multiplier 1b multiplies signal SIY by the Y-axis component of signal CW-I. Adder 1c adds the outputs of multipliers 1a and 1b and outputs the result to LPF 2.

乗算器3aは、信号SIXに対して信号CW-QのX軸方向の成分を乗算し、乗算器3bは、信号SIYに対して信号CW-QのY軸方向の成分を乗算する。加算器3cは、乗算器3a、3bの出力を加算してLPF4に出力する。 Multiplier 3a multiplies signal SIX by the X-axis component of signal CW-Q, and multiplier 3b multiplies signal SIY by the Y-axis component of signal CW-Q. Adder 3c adds the outputs of multipliers 3a and 3b and outputs the result to LPF 4.

上述した方法により、2次元振動子の出力に含まれるCWモードの成分を検出できる点について、図6乃至図9を参照して更に詳細に説明する。図6に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例である。なお、本例では、CW-IのX軸方向の信号をsin波とし、Y軸方向の信号をcos波としている。入力信号SIが信号CW-Iの成分のみと仮定した場合には、乗算器1aの出力波形は波形WA1aとなり、乗算器1bの出力波形は波形WA2aとなる。各乗算器の出力を加算器1cで加算した信号の波形は、波形WA3aとなる。この信号波形をLPF2に通すと、LPF2によるフィルタ処理は平均を得る処理と等価の処理であることから、得られる信号の波形は波形WA3aと同様の波形WA4a(直流成分)となる。すなわち、入力信号SIに信号CW-Iの成分が含まれる場合は、信号CW-Iを使用した検波によりその成分を検出することができる。 The above-mentioned method allows the detection of the CW mode components contained in the output of the two-dimensional oscillator, which will be described in more detail with reference to Figs. 6 to 9. The example shown in Fig. 6 is an example of detection using the signal CW-I as a reference signal. In this example, the signal in the X-axis direction of CW-I is a sine wave, and the signal in the Y-axis direction is a cosine wave. If it is assumed that the input signal SI contains only the component of the signal CW-I, the output waveform of the multiplier 1a will be the waveform WA1a, and the output waveform of the multiplier 1b will be the waveform WA2a. The waveform of the signal obtained by adding the outputs of the multipliers by the adder 1c will be the waveform WA3a. When this signal waveform is passed through the LPF 2, the filtering process by the LPF 2 is equivalent to the process of obtaining the average, so the waveform of the obtained signal will be the waveform WA4a (DC component) similar to the waveform WA3a. In other words, if the input signal SI contains a component of the signal CW-I, that component can be detected by detection using the signal CW-I.

図7に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと位相が90度異なる信号CW-Qの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器1aの出力波形は波形WA1bとなり、乗算器1bの出力波形は波形WA2bとなる。これらの波形の出力を加算器1cで加算した信号は図示する通り0となり、したがって、LPF2の出力も図示する通り0となる。 The example shown in Figure 7 is an example of detection using signal CW-I as a reference signal, but assumes that input signal SI is composed only of signal CW-Q, which is 90 degrees out of phase with signal CW-I. In this case, the output waveform of multiplier 1a is waveform WA1b, and the output waveform of multiplier 1b is waveform WA2b. The signal obtained by adding the outputs of these waveforms in adder 1c is 0 as shown, and therefore the output of LPF2 is also 0 as shown.

図8に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと回転方向が異なる反時計回りの信号CCW-Iの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器1aの出力波形は波形WA1cとなり、乗算器1bの出力波形は波形WA2cとなる。各乗算器の出力を加算器1cで加算した信号の波形は、0を中心として対称となる波形WA3cとなる。この波形WA3aの信号をLPF2に通すとその出力は図示する通り0となる。 The example shown in Figure 8 is an example of detection using signal CW-I as a reference signal, assuming that the input signal SI contains only components of signal CCW-I, which has a counterclockwise rotation direction different from that of signal CW-I. In this case, the output waveform of multiplier 1a is waveform WA1c, and the output waveform of multiplier 1b is waveform WA2c. The waveform of the signal obtained by adding the outputs of each multiplier by adder 1c is waveform WA3c, which is symmetrical about 0. When the signal of waveform WA3a is passed through LPF2, the output becomes 0 as shown in the figure.

図9に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと回転方向が異なる反時計回りの信号であり、信号CCW-Iと位相が90度異なる信号CCW-Qの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器1aの出力波形は波形WA1dとなり、乗算器1bの出力波形は波形WA2dとなる。各乗算器の出力を加算器1cで加算した信号の波形は、0を中心として対称となる波形WA3dとなる。この波形WA3dの信号をLPF2に通すとその出力は図示の通り0となる。 The example shown in Figure 9 is an example of detection using signal CW-I as a reference signal, but assumes that input signal SI is a counterclockwise signal with a different rotation direction from signal CW-I, and contains only components of signal CCW-Q that is 90 degrees out of phase with signal CCW-I. In this case, the output waveform of multiplier 1a is waveform WA1d, and the output waveform of multiplier 1b is waveform WA2d. The waveform of the signal obtained by adding the outputs of each multiplier by adder 1c is waveform WA3d, which is symmetrical about 0. When this signal of waveform WA3d is passed through LPF2, the output becomes 0 as shown in the figure.

すなわち、2次元振動子内に生じている任意の2次元振動(CW-I,CW-Q,CCW-I,CCW-Qの線型結合で表される)を、信号CW-Iを参照信号として同期検波ですると、2次元振動子の出力信号に含まれる信号CW-Iの成分のみが得られる。このことは参照信号として他の信号を使用した場合の検出される成分についても当てはまる。以上をまとめると下記の表1が得られる。 In other words, if any two-dimensional vibration occurring within a two-dimensional oscillator (represented by a linear combination of CW-I, CW-Q, CCW-I, and CCW-Q) is synchronously detected using signal CW-I as the reference signal, only the component of signal CW-I contained in the output signal of the two-dimensional oscillator will be obtained. This also applies to the components detected when other signals are used as the reference signal. The above information can be summarized as shown in Table 1 below.

Figure 0007614666000004
Figure 0007614666000004

表1に示すように、2次元振動子の出力に信号CW-Qの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CW-Qとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が0となる。2次元振動子の出力に信号CCW-Iの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CCW-Iとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が0となる。2次元振動子の出力に信号CCW-Qの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CCW-Qとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が0となる。つまり、例えば2個の検出器を設け、各検出器における参照信号を信号CW-Iおよび信号CW-Qの組合せ、信号CCW-Iおよび信号CCW-Qの組合せにそれぞれ設定すれば、2次元振動子の出力からCWモードの成分およびCCWモードの成分を独立して検出できることになる。As shown in Table 1, if the output of the two-dimensional oscillator contains a CW-Q signal component, the reference signal can be detected as the CW-Q signal, while the output of other signal components will be 0. If the output of the two-dimensional oscillator contains a CCW-I signal component, the reference signal can be detected as the CCW-I signal, while the output of other signal components will be 0. If the output of the two-dimensional oscillator contains a CCW-Q signal component, the reference signal can be detected as the CCW-Q signal, while the output of other signal components will be 0. In other words, for example, if two detectors are provided and the reference signals in each detector are set to a combination of the CW-I and CW-Q signals, and a combination of the CCW-I and CCW-Q signals, respectively, the CW mode components and CCW mode components can be detected independently from the output of the two-dimensional oscillator.

以上の説明を踏まえて、角速度を検出可能なジャイロ装置(ジャイロ装置10)について説明する。図10は、ジャイロ装置10の構成例を示す図である。ジャイロ装置10は、例えば、単一の2次元振動子15と、駆動信号生成部20と、第1検出部30aと、第1発振回路の一例としての第1PLL(Phase Locked Loop)回路40aと、第1AGC(Automatic Gain Control)部50aと、第2検出部30bと、第2発振回路の一例としての第2PLL回路40bと、第2AGC部50bと、2次元振動子15の入力側に設けられた増幅器61a、61bと、2次元振動子15の出力側に設けられた増幅器62a、62bとを備えている。Based on the above explanation, a gyro device (gyro device 10) capable of detecting angular velocity will be described. FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration of the gyro device 10. The gyro device 10 includes, for example, a single two-dimensional vibrator 15, a drive signal generating unit 20, a first detection unit 30a, a first PLL (Phase Locked Loop) circuit 40a as an example of a first oscillation circuit, a first AGC (Automatic Gain Control) unit 50a, a second detection unit 30b, a second PLL circuit 40b as an example of a second oscillation circuit, a second AGC unit 50b, amplifiers 61a and 61b provided on the input side of the two-dimensional vibrator 15, and amplifiers 62a and 62b provided on the output side of the two-dimensional vibrator 15.

なお、図示は省略しているが、ジャイロ装置10は、DA(Digital to Analog)変換器およびAD(Analog to Digital)変換器を備え、デジタル信号処理により各処理を行うようにしても良い。この場合、DA変換器は、例えば、増幅器61a、61bの前段に設けられ、駆動信号生成部20から出力されるデジタル形式の駆動信号をアナログ形式に変換するように構成される。また、AD変換器は、例えば、増幅器62a、62bの後段に設けられ、2次元振動子15から出力されるアナログ形式の信号をデジタル形式に変換するように構成される。Although not shown in the figure, the gyro device 10 may be equipped with a DA (Digital to Analog) converter and an AD (Analog to Digital) converter, and each process may be performed by digital signal processing. In this case, the DA converter is provided, for example, in front of the amplifiers 61a and 61b, and configured to convert the digital drive signal output from the drive signal generating unit 20 into an analog format. The AD converter is provided, for example, in the rear of the amplifiers 62a and 62b, and configured to convert the analog signal output from the two-dimensional vibrator 15 into a digital format.

2次元振動子15は、例えば、リング形状を成しCWモードおよびCCWモードのそれぞれに対応した駆動信号により励振可能な振動部材である。なお、2次元振動子15の形状はリング形状に限定されるものではなく、正四角板、円柱、正四角柱、4個のマスを使用した4重マス型等、任意の形状とすることが可能である。The two-dimensional oscillator 15 is, for example, a ring-shaped vibrating member that can be excited by a drive signal corresponding to each of the CW mode and the CCW mode. The shape of the two-dimensional oscillator 15 is not limited to a ring shape, and it can be any shape, such as a square plate, a cylinder, a square prism, or a quadruple mass type using four masses.

駆動信号生成部20は、CWモードに対応する駆動信号(第1駆動信号)およびCCWモードに対応する駆動信号(第2駆動信号)を多重化した駆動信号を2次元振動子15に供給する。駆動信号生成部20から供給される駆動信号により2次元振動子15が励振させられる。本例では、CWモードに対応するX軸方向の駆動信号としてcos波(以下、coscw信号と表記する)、Y軸方向の駆動信号として-sin波(以下、-sincw信号と表記する)を用いている。なお、駆動信号は、Y方向信号がX方向信号に比べて90度位相が進んでいれば、必ずしもcos波、-sin波である必要はない。また、CCWモードに対応するX軸方向の駆動信号として-cos波(以下、-cosCCW信号と表記する)、Y軸方向の駆動信号として-sin波(以下、-sinCCW信号と表記する)を用いている。なお、駆動信号は、Y方向信号がX方向信号に比べて90度位相が遅れていれば、必ずしも-cos波、-sin波である必要はない。駆動信号生成部20は、例えば、第1PLL回路40aからフィードバックされる信号に基づいてCWモードに対応する駆動信号を生成し、第2PLL回路40bからフィードバックされる信号に基づいてCCWモードに対応する駆動信号を生成する。駆動信号生成部20は、例えば、乗算器201と、乗算器202と、乗算器203と、乗算器204と、加算器205と、加算器206とを備えている。 The drive signal generating unit 20 supplies the two-dimensional vibrator 15 with a drive signal obtained by multiplexing a drive signal (first drive signal) corresponding to the CW mode and a drive signal (second drive signal) corresponding to the CCW mode. The two-dimensional vibrator 15 is excited by the drive signal supplied from the drive signal generating unit 20. In this example, a cosine wave (hereinafter referred to as a cos cw signal) is used as the drive signal in the X-axis direction corresponding to the CW mode, and a -sine wave (hereinafter referred to as a -sin cw signal) is used as the drive signal in the Y-axis direction. Note that the drive signal does not necessarily have to be a cosine wave or a -sine wave as long as the Y-direction signal is 90 degrees out of phase with the X-direction signal. In addition, a -cosine wave (hereinafter referred to as a -cos CCW signal) is used as the drive signal in the X-axis direction corresponding to the CCW mode, and a -sine wave (hereinafter referred to as a -sin CCW signal) is used as the drive signal in the Y-axis direction. In addition, the drive signal does not necessarily have to be a -cosine wave or -sine wave as long as the Y-direction signal is delayed in phase by 90 degrees from the X-direction signal. The drive signal generating unit 20 generates a drive signal corresponding to the CW mode based on a signal fed back from the first PLL circuit 40a, and generates a drive signal corresponding to the CCW mode based on a signal fed back from the second PLL circuit 40b. The drive signal generating unit 20 includes, for example, a multiplier 201, a multiplier 202, a multiplier 203, a multiplier 204, an adder 205, and an adder 206.

第1検出部30aは、2次元振動子15の出力に含まれるCW成分の振幅rcwおよび位相θcwを検出する。なお、第1検出部30aの詳細については後述する。 The first detector 30a detects the amplitude rcw and phase θcw of the CW component included in the output of the two-dimensional oscillator 15. The first detector 30a will be described in detail later.

第1PLL回路40aは、位相比較器41aと、PID(Proportional Integral Differential)制御部42aと、VCO(Voltage Controlled Oscillator)やNCO(Numerical Controlled Oscillator)等の発振周波数を変化することができる発振器43aとを備えている。図示が煩雑となることを防止するために詳細な図示を省略しているが、第1PLL回路40aの出力(全ての出力でもよいし一部の出力でもよい)が駆動信号生成部20、第1検出部30aのそれぞれにフィードバックされるように構成されている。The first PLL circuit 40a includes a phase comparator 41a, a PID (Proportional Integral Differential) control unit 42a, and an oscillator 43a that can change the oscillation frequency of a VCO (Voltage Controlled Oscillator) or NCO (Numerical Controlled Oscillator). Although detailed illustration is omitted to avoid complicating the illustration, the output of the first PLL circuit 40a (which may be all of the output or a part of the output) is configured to be fed back to each of the drive signal generating unit 20 and the first detection unit 30a.

第1AGC部50aは、振幅比較器51aと、PID制御部52aとを備えている。第1AGC部50aの出力が駆動信号生成部20にフィードバックされるように構成されている。The first AGC unit 50a includes an amplitude comparator 51a and a PID control unit 52a. The output of the first AGC unit 50a is configured to be fed back to the drive signal generation unit 20.

第2検出部30bは、2次元振動子15の出力に含まれるCCW成分の振幅rCCWおよび位相θCCWを検出する。なお、第2検出部30bの詳細については後述する。 The second detection unit 30b detects the amplitude r CCW and phase θ CCW of the CCW component included in the output of the two-dimensional oscillator 15. Details of the second detection unit 30b will be described later.

第2PLL回路40bは、位相比較器41bと、PID制御部42bと、VCOやNCO等の発振周波数を変化することができる発振器43bとを備えている。図示が煩雑となることを防止するために詳細な図示を省略しているが、第2PLL回路40bの出力(全ての出力でもよいし一部の出力でもよい)が駆動信号生成部20、第2検出部30bのそれぞれにフィードバックされるように構成されている。The second PLL circuit 40b includes a phase comparator 41b, a PID control unit 42b, and an oscillator 43b that can change the oscillation frequency of the VCO, NCO, etc. Although detailed illustration is omitted to prevent the illustration from becoming complicated, the output of the second PLL circuit 40b (which may be all of the output or a part of the output) is configured to be fed back to each of the drive signal generation unit 20 and the second detection unit 30b.

第2AGC部50bは、振幅比較器51bと、PID制御部52bとを備えている。第2AGC部50bの出力が駆動信号生成部20にフィードバックされるように構成されている。The second AGC unit 50b includes an amplitude comparator 51b and a PID control unit 52b. The output of the second AGC unit 50b is configured to be fed back to the drive signal generation unit 20.

図11は、第1検出部30aの構成例を説明するための図である。第1検出部30aは、2次元振動子15から出力される信号が分岐されて入力される検出器31a、32aと、検出器31aの出力にフィルタ処理を行うLPF33aと、検出器32aの出力にフィルタ処理を行うLPF34aと、LPF33aおよびLPF34aからの出力に基づいて2次元振動子15の出力信号に含まれるCW成分の振幅rcwおよび位相θcwを検出する振幅位相検出部35aとを備えている。 11 is a diagram for explaining a configuration example of the first detection unit 30a. The first detection unit 30a includes detectors 31a and 32a to which a signal output from the two-dimensional oscillator 15 is branched and input, an LPF 33a that performs filtering on the output of the detector 31a, an LPF 34a that performs filtering on the output of the detector 32a, and an amplitude/phase detection unit 35a that detects the amplitude rcw and phase θcw of the CW component included in the output signal of the two-dimensional oscillator 15 based on the outputs from the LPFs 33a and 34a.

検出器31aは、2次元振動子15からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器310aと、2次元振動子15からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器311aと、乗算器310a、311aのそれぞれの出力を加算する加算器312aとを備えている。検出器32aは、2次元振動子15からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器320aと、2次元振動子15からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器321aと、乗算器320a、321aのそれぞれの出力を加算する加算器322aとを備えている。 Detector 31a includes a multiplier 310a to which the component in the X-axis direction of the output from the two-dimensional oscillator 15 is input, a multiplier 311a to which the component in the Y-axis direction of the output from the two-dimensional oscillator 15 is input, and an adder 312a that adds the outputs of multipliers 310a and 311a. Detector 32a includes a multiplier 320a to which the component in the X-axis direction of the output from the two-dimensional oscillator 15 is input, a multiplier 321a to which the component in the Y-axis direction of the output from the two-dimensional oscillator 15 is input, and an adder 322a that adds the outputs of multipliers 320a and 321a.

なお、本例では、X軸方向のCW-I成分をsin信号とし、Y軸方向のCW-I成分をcos信号とし、X軸方向のCW-Q成分をcos信号とし、Y軸方向のCW-Q成分を-sin信号としている。In this example, the CW-I component in the X-axis direction is a sine signal, the CW-I component in the Y-axis direction is a cosine signal, the CW-Q component in the X-axis direction is a cosine signal, and the CW-Q component in the Y-axis direction is a -sine signal.

図12は、第2検出部30bの構成例を説明するための図である。第2検出部30bは、2次元振動子15からの信号が分岐されて入力される検出器31b、32bと、検出器31bの出力にフィルタ処理を行うLPF33bと、検出器32bの出力にフィルタ処理を行うLPF34bと、LPF33bおよびLPF34bからの出力に基づいて2次元振動子15の出力信号に含まれるCCW成分の振幅rCCWおよび位相θCCWを検出する振幅位相検出部35bとを備えている。 12 is a diagram for explaining a configuration example of the second detection unit 30b. The second detection unit 30b includes detectors 31b and 32b to which a signal from the two-dimensional oscillator 15 is branched and input, an LPF 33b that performs filtering on the output of the detector 31b, an LPF 34b that performs filtering on the output of the detector 32b, and an amplitude/phase detection unit 35b that detects the amplitude r CCW and phase θ CCW of the CCW component included in the output signal of the two-dimensional oscillator 15 based on the outputs from the LPFs 33b and 34b.

検出器31bは、2次元振動子15からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器310bと、2次元振動子15からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器311bと、乗算器310b、311bのそれぞれからの出力を加算する加算器312bとを備えている。検出器32bは、2次元振動子15からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器320bと、2次元振動子15からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器321bと、乗算器320b、321bのそれぞれの出力を加算する加算器322bとを備えている。 Detector 31b includes a multiplier 310b to which the component in the X-axis direction of the output from the two-dimensional oscillator 15 is input, a multiplier 311b to which the component in the Y-axis direction of the output from the two-dimensional oscillator 15 is input, and an adder 312b that adds the outputs from multipliers 310b and 311b. Detector 32b includes a multiplier 320b to which the component in the X-axis direction of the output from the two-dimensional oscillator 15 is input, a multiplier 321b to which the component in the Y-axis direction of the output from the two-dimensional oscillator 15 is input, and an adder 322b that adds the outputs from multipliers 320b and 321b.

なお、本例では、X軸方向のCCW-I成分を-sin信号とし、Y軸方向のCCW-I成分をcos信号とし、X軸方向のCCW-Q成分を-cos信号とし、Y軸方向のCCW-Q成分を-sin信号としている。In this example, the CCW-I component in the X-axis direction is a -sine signal, the CCW-I component in the Y-axis direction is a cosine signal, the CCW-Q component in the X-axis direction is a -cosine signal, and the CCW-Q component in the Y-axis direction is a -sine signal.

次に、ジャイロ装置10の動作例について図10~図12を参照しながら説明する。駆動信号生成部20は、2次元振動子15に対する駆動信号を生成する。coscw信号および-sincw信号のそれぞれに対して、PID制御部52aからフィードバックされた信号が乗算器201、202で乗算された後、乗算器201からの出力信号が加算器205に供給され、乗算器202からの出力信号が加算器206に供給される。-cosCCW信号および-sinCCW信号のそれぞれに対して、PID制御部52bからフィードバックされた信号が乗算器203、204で乗算された後、乗算器203からの出力信号が加算器205に供給され、乗算器204からの出力信号が加算器206に供給される。加算器205は、乗算器201からの出力信号と乗算器203からの出力信号とを加算して出力する。加算器205からの出力信号が増幅器61aにより適宜な増幅率でもって増幅された後、2次元振動子15に入力Xdとして入力される。一方、加算器206は、乗算器202からの出力信号と乗算器204からの出力信号とを加算して出力する。加算器206からの出力信号が増幅器61bにより適宜な増幅率でもって増幅された後、2次元振動子15に入力Ydとして入力される。 Next, an operation example of the gyro device 10 will be described with reference to Figs. 10 to 12. The drive signal generating unit 20 generates a drive signal for the two-dimensional vibrator 15. After the cos cw signal and the -sin cw signal are multiplied by the multipliers 201 and 202, respectively, which are fed back from the PID control unit 52a, the output signal from the multiplier 201 is supplied to the adder 205, and the output signal from the multiplier 202 is supplied to the adder 206. After the -cos CCW signal and the -sin CCW signal are multiplied by the multipliers 203 and 204, respectively, which are fed back from the PID control unit 52b, the output signal from the multiplier 203 is supplied to the adder 205, and the output signal from the multiplier 204 is supplied to the adder 206. The adder 205 adds the output signal from the multiplier 201 and the output signal from the multiplier 203, and outputs the result. The output signal from the adder 205 is amplified by the amplifier 61a with an appropriate amplification factor, and then input as input Xd to the two-dimensional oscillator 15. Meanwhile, the adder 206 adds the output signal from the multiplier 202 and the output signal from the multiplier 204, and outputs the result. The output signal from the adder 206 is amplified by the amplifier 61b with an appropriate amplification factor, and then input as input Yd to the two-dimensional oscillator 15.

入力Xd、Ydによって2次元振動子15が励振され、2次元振動子15からの出力Xs、Ysが得られる。2次元振動子15からの出力Xs、Ysが増幅器62a、62bによって適宜な増幅率でもって増幅された後、出力Xsが分岐されて第1、第2検出部30a、30bのそれぞれに入力され、出力Ysが分岐されて第1、第2検出部30a、30bのそれぞれに入力される。 The two-dimensional oscillator 15 is excited by the inputs Xd and Yd , and outputs Xs and Ys are obtained from the two-dimensional oscillator 15. The outputs Xs and Ys from the two-dimensional oscillator 15 are amplified by the amplifiers 62a and 62b with appropriate amplification factors, and then the output Xs is branched and input to the first and second detection units 30a and 30b, respectively, and the output Ys is branched and input to the first and second detection units 30a and 30b, respectively.

第1検出部30aは、2次元振動子15の出力に含まれるCW成分を検出する。具体的には、第1検出部30aにおける検出器31aが信号CW-Iを使用して検波し、その結果にLPF33aによるフィルタ処理を行うことで2次元振動子15の出力に含まれるCW-I成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部35aに供給する。また、第1検出部30aにおける検出器32aが信号CW-Qを使用して検波し、その結果にLPF34aによるフィルタ処理を行うことで2次元振動子15の出力に含まれるCW-Q成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部35aに供給する。振幅位相検出部35aは、LPF33aおよびLPF34aからの出力に基づいて2次元振動子15の出力信号に含まれるCW成分の振幅rcwおよび位相θcwを検出する。すなわち、既述したように、信号CW-I、信号CW-Qのそれぞれを参照信号として同期検波することで、2次元振動子15の出力に含まれるCW成分のみを検出することができる。 The first detection unit 30a detects the CW component included in the output of the two-dimensional oscillator 15. Specifically, the detector 31a in the first detection unit 30a performs detection using the signal CW-I, and performs filtering on the result using the LPF 33a to detect the CW-I component included in the output of the two-dimensional oscillator 15, and supplies the detection result to the amplitude and phase detection unit 35a. Also, the detector 32a in the first detection unit 30a performs detection using the signal CW-Q, and performs filtering on the result using the LPF 34a to detect the CW-Q component included in the output of the two-dimensional oscillator 15, and supplies the detection result to the amplitude and phase detection unit 35a. The amplitude and phase detection unit 35a detects the amplitude rcw and phase θcw of the CW component included in the output signal of the two-dimensional oscillator 15 based on the outputs from the LPF 33a and the LPF 34a. That is, as described above, by performing synchronous detection using each of the signals CW-I and CW-Q as a reference signal, it is possible to detect only the CW component included in the output of the two-dimensional oscillator 15.

第1検出部30aにより検出された位相θcwが第1PLL回路40aに供給される。第1PLL回路40aにおける位相比較器41aは、位相θcwと設定位相θcw,set(以下の説明ではθcw,set =90°として話を進める)とを比較し、比較結果に基づいてPID制御部42aが位相θcwを90°すなわち共振周波数fcwとなる制御を実行する。PID制御部42aからの出力で発振器43aを制御し、これにより発振器43aからは共振周波数fcwの信号sincwおよび信号coscwが出力される。これらの信号が入力側にフィードバックされ、CWモードに対応する駆動信号の共振周波数が共振周波数fcwで維持される制御がなされる。また、信号sincwおよび信号coscwが第1検出部30aにフィードバックされ、これに基づいて参照信号としての信号CW-I、信号CW-Qが生成される。本例では、フィードバックされる信号と参照信号との間に、sin=sincw、cos=coscw、-sin=-1*sincwの関係が成り立っている。 The phase θ cw detected by the first detector 30a is supplied to the first PLL circuit 40a. The phase comparator 41a in the first PLL circuit 40a compares the phase θ cw with a set phase θ cw,set (in the following description, θ cw,set =90°), and the PID controller 42a executes control to set the phase θ cw to 90°, i.e., the resonant frequency f cw, based on the comparison result. The oscillator 43a is controlled by the output from the PID controller 42a, and the oscillator 43a outputs signals sin cw and cos cw with the resonant frequency f cw . These signals are fed back to the input side, and control is performed to maintain the resonant frequency of the drive signal corresponding to the CW mode at the resonant frequency f cw . In addition, the signals sin cw and cos cw are fed back to the first detector 30a, and based on this, signals CW-I and CW-Q are generated as reference signals. In this example, the relationships sin=sin cw , cos=cos cw , and −sin=−1*sin cw hold between the signal that is fed back and the reference signal.

第1検出部30aにより得られた振幅rcwが第1AGC部50aに供給される。第1AGC部50aにおける振幅比較器51aは、振幅rcwと所定の第1設定値Rset,cwとを比較し、比較結果に基づいてPID制御部52aが、振幅rcwが所定の第1設定値Rset,cwとなる制御を実行する。PID制御部52aからの出力が駆動信号生成部20にフィードバックされ、CWモードに対応する駆動信号の振幅が第1設定値Rset,cwで維持されるようにゲインをコントロールする制御がなされる。 The amplitude rcw obtained by the first detector 30a is supplied to the first AGC unit 50a. An amplitude comparator 51a in the first AGC unit 50a compares the amplitude rcw with a predetermined first set value Rset ,cw , and a PID controller 52a executes control so that the amplitude rcw becomes the predetermined first set value Rset ,cw based on the comparison result. An output from the PID controller 52a is fed back to the drive signal generator 20, and a gain is controlled so that the amplitude of the drive signal corresponding to the CW mode is maintained at the first set value Rset ,cw .

2次元振動子15の出力に含まれるCCW成分を検出する系についても同様の処理が実行される。具体的には、第2検出部30bにおける検出器31bが信号CCW-Iを使用して検波し、その結果にLPF33bよるフィルタ処理を行うことで2次元振動子15の出力に含まれるCCW-I成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部35bに供給する。また、第2検出部30bにおける検出器32bが信号CCW-Qを使用して検波し、その結果にLPF34bによるフィルタ処理を行うことで2次元振動子15の出力に含まれるCCW-Q成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部35bに供給する。振幅位相検出部35bは、LPF33bおよびLPF34bからの出力に基づいて2次元振動子15の出力信号に含まれるCCW成分の振幅rCCWおよび位相θCCWを検出する。すなわち、上述したように、信号CCW-I、信号CCW-Qのそれぞれを参照信号として同期検波することで、2次元振動子15の出力に含まれるCCW成分のみを検出することができる。 A similar process is performed for the system that detects the CCW component included in the output of the two-dimensional oscillator 15. Specifically, the detector 31b in the second detection unit 30b detects using the signal CCW-I, and the result is filtered by the LPF 33b to detect the CCW-I component included in the output of the two-dimensional oscillator 15, and the detection result is supplied to the amplitude and phase detection unit 35b. Also, the detector 32b in the second detection unit 30b detects using the signal CCW-Q, and the result is filtered by the LPF 34b to detect the CCW-Q component included in the output of the two-dimensional oscillator 15, and the detection result is supplied to the amplitude and phase detection unit 35b. The amplitude and phase detection unit 35b detects the amplitude r CCW and phase θ CCW of the CCW component included in the output signal of the two-dimensional oscillator 15 based on the outputs from the LPF 33b and the LPF 34b. That is, as described above, by synchronously detecting the signals CCW-I and CCW-Q as reference signals, it is possible to detect only the CCW component included in the output of the two-dimensional oscillator 15.

第2検出部30bにより得られた位相θCCWが第2PLL回路40bに供給される。第2PLL回路40bにおける位相比較器41bは、位相θCCWと90°とを比較し、比較結果に基づいてPID制御部42bが位相θCCWを0すなわち共振周波数fcwとなる制御を実行する。PID制御部42bからの出力で発振器43bを制御し、これにより発振器43bからは位相が一致した換言すれば共振周波数fCCWの信号sinCCWおよび信号cosCCWが出力される。共振周波数fCCWが入力側にフィードバックされ、CCWモードに対応する駆動信号の共振周波数が共振周波数fCCWとなるように維持する制御がなされる。また、信号sinCCWおよび信号cosCCWが第2検出部30bにフィードバックされ、これに基づいて参照信号としての信号CCW-I、信号CCW-Qが生成される。本例では、フィードバックされる信号と参照信号との間に、-sin=sinccw、cos=cosccw、-cos=-1*cosccw、の関係が成り立っている。 The phase θ CCW obtained by the second detector 30b is supplied to the second PLL circuit 40b. A phase comparator 41b in the second PLL circuit 40b compares the phase θ CCW with 90°, and a PID controller 42b executes control to set the phase θ CCW to 0, i.e., the resonant frequency f CW, based on the comparison result. An oscillator 43b is controlled by the output from the PID controller 42b, and the oscillator 43b outputs signals sin CCW and cos CCW that are in phase with each other, in other words, have the resonant frequency f CCW. The resonant frequency f CCW is fed back to the input side, and control is performed to maintain the resonant frequency of the drive signal corresponding to the CCW mode at the resonant frequency f CCW . In addition, the signals sin CCW and cos CCW are fed back to the second detector 30b, and based on this, signals CCW-I and CCW-Q are generated as reference signals. In this example, the following relationships hold between the fed back signal and the reference signal: -sin=sin ccw , cos=cos ccw , -cos=-1*cos ccw .

第2検出部30bにより得られた振幅rCCWが第2AGC部50bに供給される。第2AGC部50bにおける振幅比較器51bは、振幅rCCWと第2設定値Rset,CCWとを比較し、比較結果に基づいてPID制御部52bが、振幅rCCWが第2設定値Rset,CCWとなる制御を実行する。PID制御部52bからの出力が駆動信号生成部20にフィードバックされ、CCWモードに対応する駆動信号の振幅が第2設定値Rset,CCWで維持されるようにゲインをコントロールする制御がなされる。 The amplitude r CCW obtained by the second detection unit 30b is supplied to the second AGC unit 50b. An amplitude comparator 51b in the second AGC unit 50b compares the amplitude r CCW with a second set value R set,CCW , and a PID control unit 52b executes control such that the amplitude r CCW becomes the second set value R set,CCW based on the comparison result. An output from the PID control unit 52b is fed back to the drive signal generation unit 20, and a gain is controlled so that the amplitude of the drive signal corresponding to the CCW mode is maintained at the second set value R set,CCW .

図13は、ジャイロ装置10における信号の流れを模式的に示した図である。図13における太線が信号の流れを示している。2次元振動子15の出力に含まれるCCW成分は第1検出部30aによりカットされ、CW成分のみが一方の系(図13における上側の系)をループすることになる。2次元振動子15の出力に含まれるCW成分は第2検出部30bによりカットされ、CCW成分のみが他方の系(図13における下側の系)をループすることになる。 Figure 13 is a schematic diagram showing the signal flow in the gyro device 10. The thick lines in Figure 13 indicate the signal flow. The CCW component included in the output of the two-dimensional oscillator 15 is cut by the first detection unit 30a, and only the CW component loops through one system (the upper system in Figure 13). The CW component included in the output of the two-dimensional oscillator 15 is cut by the second detection unit 30b, and only the CCW component loops through the other system (the lower system in Figure 13).

次に、角速度検出部(角速度検出部70)の構成例について説明する。なお、本例では、角速度検出部70は、ジャイロ装置10に組み込まれているものとして説明するが、他の装置に組み込まれていてもよい。Next, an example of the configuration of the angular velocity detection unit (angular velocity detection unit 70) will be described. In this example, the angular velocity detection unit 70 is described as being incorporated in the gyro device 10, but it may be incorporated in another device.

図14は、角速度検出部70の構成例を示す図である。角速度検出部70は、例えば、減算器71と、乗算器72とを備えている。角速度検出部70は、第1PLL回路40aから出力される共振周波数fcwおよび第2PLL回路40bから出力される共振周波数fCCWを得、両共振周波数を減算器71で減算し、その結果を乗算器72で定数倍(角度ゲインが1である理想的な振動子の場合は1/2倍)する。すなわち、角速度検出部70は、上述した数式3と同様の演算を行うことで回転角速度Ωzを検出する。この回転角速度Ωzを積分することでジャイロ装置10は、回転した角度を検出することができる。 14 is a diagram showing an example of the configuration of the angular velocity detection unit 70. The angular velocity detection unit 70 includes, for example, a subtractor 71 and a multiplier 72. The angular velocity detection unit 70 obtains the resonance frequency f cw output from the first PLL circuit 40a and the resonance frequency f CCW output from the second PLL circuit 40b, subtracts the two resonance frequencies using the subtractor 71, and multiplies the result by a constant (1/2 in the case of an ideal oscillator with an angular gain of 1) using the multiplier 72. That is, the angular velocity detection unit 70 detects the rotational angular velocity Ωz by performing a calculation similar to that of the above-mentioned Equation 3. The gyro device 10 can detect the rotational angle by integrating this rotational angular velocity Ωz .

以上、説明したジャイロ装置10によれば、単一の2次元振動子により構成しているので、装置を小型化することが可能となるとともに、複数の振動子を使用した場合のように振動子の特性や使用環境を一致させる必要がなくなる。さらに、2次元振動子の出力からCW、CCWモードに対応する成分を独立して検出することができ、それらの検出結果から回転角速度を検出し、最終的には回転した角度を検出することができる。 The gyro device 10 described above is composed of a single two-dimensional oscillator, which allows the device to be made smaller and eliminates the need to match the characteristics and operating environment of the oscillators as occurs when multiple oscillators are used. Furthermore, the components corresponding to CW and CCW modes can be detected independently from the output of the two-dimensional oscillator, and the rotational angular velocity can be detected from these detection results, and ultimately the rotation angle can be detected.

<一実施形態>
[概要]
本実施形態は、上述したジャイロ装置10を改良することで温度依存性をキャンセルした磁場センサ(磁場センサ1000)を実現する。始めに、図15から図18を参照しつつ、係る磁場センサの原理を概略的に説明する。
<One embodiment>
[overview]
In this embodiment, a magnetic field sensor (magnetic field sensor 1000) in which temperature dependency is cancelled is realized by improving the above-mentioned gyro device 10. First, the principle of the magnetic field sensor will be roughly described with reference to Figs.

図15は、上述したCWモードにおける2次元振動子15の円運動を示し、図16は、上述したCCWモードにおける2次元振動子15の円運動を模式的に示した図である。図15および図16(図17、図18についても同様)では、2次元振動子15を円形で示すマスと、当該マスを支持する4つのバネ(X方向およびY方向のそれぞれにおける一対のバネ)により模式的に示している。 Figure 15 shows the circular motion of the two-dimensional oscillator 15 in the above-mentioned CW mode, and Figure 16 is a schematic diagram showing the circular motion of the two-dimensional oscillator 15 in the above-mentioned CCW mode. In Figures 15 and 16 (as well as Figures 17 and 18), the two-dimensional oscillator 15 is shown diagrammatically by a circular mass and four springs (a pair of springs in each of the X and Y directions) that support the mass.

2次元振動子15は、x軸、y軸におけるバネ定数等が等価、換言すれば、縮退していることから、通常(磁場がかかっていないとき)は、各回転振動モードにおいて同じ周波数f0で振動する。CWモードにおける回転運動の周波数をfcwとし、CCWモードにおける回転運動の周波数をfccwとすると、fcw=f0およびfccw=f0が成り立つ。なお、f0は、マスの質量とバネ定数により規定される周波数である。また、縮退とは、多数のモードで同じエネルギー(つまりは共振周波数)をもっていることであり、本例では、2次元振動子15の共振周波数が、静止座標系において各回転振動モードで同じであることを意味する。 The two-dimensional oscillator 15 normally (when no magnetic field is applied) vibrates at the same frequency f 0 in each rotational vibration mode because the spring constants in the x-axis and y-axis are equivalent, in other words, degenerate. If the frequency of the rotational motion in the CW mode is f cw and the frequency of the rotational motion in the CCW mode is f ccw , then f cw = f 0 and f ccw = f 0 hold. Note that f 0 is a frequency determined by the mass and spring constant of the mass. Degeneracy means that many modes have the same energy (i.e., resonant frequency), and in this example, the resonant frequency of the two-dimensional oscillator 15 is the same in each rotational vibration mode in the stationary coordinate system.

ここで、図17に示すように、CWモードでの振動時に磁場(Bz)がある場合を考える。2次元振動子15に対して、振動に同期して電流iを流す。磁場Bzがあることから、電流iを流すとローレンツ力F(F=I×BL)が発生する。振動と同期させることで、換言すれば、回転の接線方向に電流iを流すことにより、図17に示すように、常に内向きのローレンツ力Fが発生する。なお、X方向に流れる電流とY方向に流れる電流の大きさの比や流す電流の量を変化させることにより、回転の接線方向に電流が等価的に流れるようにすることができる。 Here, as shown in FIG. 17, consider the case where there is a magnetic field ( Bz ) during vibration in CW mode. A current i is passed through the two-dimensional oscillator 15 in synchronization with the vibration. Because of the presence of the magnetic field Bz , passing the current i generates a Lorentz force F (F=I×BL). By synchronizing with the vibration, in other words, by passing the current i in the tangential direction of the rotation, as shown in FIG. 17, an inward Lorentz force F is always generated. Note that by changing the ratio of the magnitude of the current flowing in the X direction to the current flowing in the Y direction or the amount of current passed, it is possible to make the current flow equivalently in the tangential direction of the rotation.

内向きのローレンツ力Fが発生することにより、バネの復元力が等価的に強められる。これにより共振周波数が高くなる。これを式で示すと下記の式(4)になる。 The inward Lorentz force F is generated, which equivalently strengthens the restoring force of the spring. This increases the resonant frequency. This can be expressed as the following equation (4).

Figure 0007614666000005
Figure 0007614666000005

また、図18に示すように、CCWモードでの振動時に磁場(Bz)がある場合を考える。2次元振動子15に対して、振動に同期して電流iを流す。CCWモードで流す電流iの向きはCWモードで流す電流iの向きとは反対側になる。磁場Bzがあることから、電流iを流すとローレンツ力Fが発生する。振動と同期させることで、換言すれば、回転の接線方向に電流iを流すことにより、図18に示すように、常に外向きのローレンツ力Fが発生する。なお、X方向に流れる電流とY方向に流れる電流の大きさの比や流す電流の量を変化させることにより、回転の接線方向に電流が等価的に流れるようにすることができる。 Also, as shown in FIG. 18, consider the case where a magnetic field (B z ) is present during vibration in CCW mode. A current i is passed through the two-dimensional oscillator 15 in synchronization with the vibration. The direction of the current i passed in CCW mode is opposite to the direction of the current i passed in CW mode. Due to the presence of the magnetic field B z , a Lorentz force F is generated when the current i is passed. By synchronizing with the vibration, in other words, by passing the current i in the tangential direction of the rotation, a Lorentz force F is always generated outward as shown in FIG. 18. Note that the current can be made to flow equivalently in the tangential direction of the rotation by changing the ratio of the magnitude of the current flowing in the X direction to the current flowing in the Y direction or the amount of current passed.

外向きのローレンツ力Fが発生することにより、バネの復元力が等価的に弱められる。これにより共振周波数が低くなる。これを式で示すと下記の式(5)になる。なお、ローレンツ力の向きは、CWモートとCCWモードにおいて反対に作用すれば、上記と逆の方向(つまり、CWモードで外向きのローレンツ力、CCWモードで内向きのローレンツ力)であってもよい。 The generation of an outward Lorentz force F equivalently weakens the restoring force of the spring, which lowers the resonant frequency. This can be expressed as equation (5) below. Note that the direction of the Lorentz force may be the opposite to the above (i.e., an outward Lorentz force in CW mode, and an inward Lorentz force in CCW mode) as long as it acts in the opposite direction in CW mode and CCW mode.

Figure 0007614666000006
Figure 0007614666000006

以上の変化を式で表すと下記の式(6)になる。 The above changes can be expressed as equation (6) below.

Figure 0007614666000007
Figure 0007614666000007

式(6)に示すように、磁場があることで縮退が解け、各振動モードにおける振動の周波数が式(4)、式(5)に示したものになる。ここで、f0は、2次元振動子15のヤング率が温度によって変化する、すなわち、温度依存性を有する。しかしながら、周波数差(fcw-fccw)はf0がキャンセルされるため温度の影響を受けない。また、2次元振動子15に流す電流はコントロール可能である。以上から、例えば、周波数差を測定した後に電流iの影響を演算により除去することにより磁場を測定することができる。上述したように周波数差は温度変化の影響を受けないことから、磁場を高精度に測定することが可能となる。 As shown in formula (6), the degeneracy is broken by the presence of a magnetic field, and the frequency of vibration in each vibration mode becomes the one shown in formula (4) and formula (5). Here, f 0 is dependent on temperature, that is, the Young's modulus of the two-dimensional oscillator 15 changes with temperature. However, the frequency difference (f cw -f ccw ) is not affected by temperature because f 0 is canceled. In addition, the current flowing through the two-dimensional oscillator 15 can be controlled. From the above, for example, the magnetic field can be measured by measuring the frequency difference and then removing the effect of the current i by calculation. As described above, the frequency difference is not affected by temperature changes, so that the magnetic field can be measured with high accuracy.

ところで、ジャイロ装置10を磁場センサとして用いる場合には、磁場センサは角速度も検出する。磁場がない場合には、下記の式(7)に示すように、角速度で変調された周波数の項kΩが表れる(CWモードの場合)。By the way, when the gyro device 10 is used as a magnetic field sensor, the magnetic field sensor also detects the angular velocity. When there is no magnetic field, the term kΩ, which is a frequency modulated by the angular velocity, appears (in the case of CW mode), as shown in the following equation (7).

Figure 0007614666000008
Figure 0007614666000008

磁場がある場合は上述した式(4)で表すことができるから、式(4)と式(7)とにより下記の式(8)が導出される。 When there is a magnetic field, it can be expressed by the above-mentioned equation (4), so the following equation (8) can be derived from equations (4) and (7).

Figure 0007614666000009
Figure 0007614666000009

同様のことはfCCWについてもあてはまる。以上から、ジャイロ装置10を磁場センサとして用いた場合の周波数差Δf(fcw-fccw)は、下記の式(9)で表される。 The same is true for f CCW . From the above, the frequency difference Δf(f cw -f ccw ) when the gyro device 10 is used as a magnetic field sensor is expressed by the following equation (9).

Figure 0007614666000010
Figure 0007614666000010

式(9)におけるΔfの式では、角速度依存の項2kΩと磁場および電流に依存する2Δf(I,B)の項(演算を行うことにより最終的には磁場そのものに対応する項)が表れる。図19は、それぞれの項に対応する波形のスペクトルを模式的に示した図である。図19の横軸は信号周波数を示し、縦軸は信号の大きさを示す。また、角速度依存の項2kΩに対応する波形が波形WA5であり、磁場および電流に依存する2Δf(I,B)の項に対応する波形が波形WA6である。The equation for Δf in equation (9) contains the angular velocity-dependent term 2kΩ and the term 2Δf(I,B) that depends on the magnetic field and current (a term that ultimately corresponds to the magnetic field itself through calculations). Figure 19 is a schematic diagram showing the spectrum of the waveforms corresponding to each term. The horizontal axis of Figure 19 indicates the signal frequency, and the vertical axis indicates the signal magnitude. The waveform that corresponds to the angular velocity-dependent term 2kΩ is waveform WA5, and the waveform that corresponds to the term 2Δf(I,B) that depends on the magnetic field and current is waveform WA6.

図19に示すように、両波形は、一般に周波数領域で重なりあうため、このままでは、角速度と磁場とを分離することができず、両者を検出することができない。そこで、コントロール可能な電流iの大きさを、所定の周波数で変調する。所定の周波数(変調信号の周波数)は、検出されると想定される角速度の周波数(例えば、100Hz)よりも高い周波数である。例えば、電流iを所定の周波数WBで変調する(i=i0sin(WB,t))。なお、第1周波数および第2周波数は同じでもよいし、異なっていてもよい。 As shown in Fig. 19, the two waveforms generally overlap in the frequency domain, so that in this state, it is not possible to separate the angular velocity and the magnetic field, and it is not possible to detect both. Therefore, the magnitude of the controllable current i is modulated at a predetermined frequency. The predetermined frequency (the frequency of the modulation signal) is a frequency higher than the frequency of the angular velocity that is expected to be detected (e.g., 100 Hz). For example, the current i is modulated at a predetermined frequency WB (i= i0 sin( WB , t)). Note that the first frequency and the second frequency may be the same or different.

これにより、図20に模式的に示すように、磁場による周波数変動成分(本例における波形WA6)が高周波側に周波数シフトされる。これを式で表すと下記の式(10)になる。 As a result, the frequency fluctuation component due to the magnetic field (waveform WA6 in this example) is frequency-shifted to the higher frequency side, as shown diagrammatically in Figure 20. This can be expressed as the following equation (10).

Figure 0007614666000011
Figure 0007614666000011

周波数WBで同期検波することにより磁場による周波数変動成分を検出することができる。電流iの大きさはわかっていることから、電流iで除算等することにより磁場の成分のみを検出することができる。 The frequency fluctuation components due to the magnetic field can be detected by synchronous detection at frequency WB . Since the magnitude of current i is known, only the magnetic field components can be detected by dividing by current i.

[2次元振動子の一例]
次に、本実施形態に適用可能な2次元振動子15Aについて説明する。2次元振動子15Aは、例えば、2次元振動子15に電流を流すための構成を追加したものである。図21は、2次元振動子15Aの構成例を示している。
[An example of a two-dimensional oscillator]
Next, a two-dimensional oscillator 15A applicable to this embodiment will be described. The two-dimensional oscillator 15A is, for example, a two-dimensional oscillator 15 to which a configuration for passing a current is added. Fig. 21 shows an example of the configuration of the two-dimensional oscillator 15A.

2次元振動子15Aは、中央付近にマス151を有している。マス151の形状は矩形状に限定されることはなく、円形状等の他の形状であってもよい。また、マス151は原理的には1個でもよいが、複数個あってもよい。例えば、4個のマス151を用いることでQ値を上げることができる。The two-dimensional oscillator 15A has a mass 151 near the center. The shape of the mass 151 is not limited to a rectangular shape, and may be other shapes such as a circular shape. In principle, there may be only one mass 151, but there may also be multiple masses 151. For example, the Q value can be increased by using four masses 151.

2次元振動子15Aは、2次元振動子15と同様に縮退振動子であることから、X方向およびY方向のそれぞれにおいてそれぞれ対称且つ等価な構成を有している。係る構成には、概略的には、ドライブ電極、マス151と接続されドライブ電極で駆動されるシャトル、および、シャトルの変位を検出するセンス電極が含まれる。 The two-dimensional oscillator 15A is a degenerate oscillator like the two-dimensional oscillator 15, and therefore has a symmetrical and equivalent configuration in each of the X and Y directions. This configuration generally includes a drive electrode, a shuttle connected to the mass 151 and driven by the drive electrode, and a sense electrode that detects the displacement of the shuttle.

例えば、X+側(図21における右側)には、ドライブ電極151Aが設けられる。ドライブ電極151Aがシャトル151Bに接続されている。ドライブ電極151Aの櫛歯電極に電圧が印加されることでシャトル151Bが変位し、これにより、シャトル151Bと接続されるマス151も変位する。シャトル151Bの変位は、センス電極151Cが有する櫛歯電極に発生する静電容量の変化を検出することにより、検出可能である。また、シャトル151Bには、電流を流すためのポート151D、151Eが設けられている。例えば、ポート151Dからポート151Eに向かって電流を流す制御が行われる。 For example, a drive electrode 151A is provided on the X+ side (the right side in Figure 21). The drive electrode 151A is connected to the shuttle 151B. When a voltage is applied to the comb-tooth electrode of the drive electrode 151A, the shuttle 151B is displaced, which also displaces the mass 151 connected to the shuttle 151B. The displacement of the shuttle 151B can be detected by detecting a change in electrostatic capacitance that occurs in the comb-tooth electrode of the sense electrode 151C. In addition, the shuttle 151B is provided with ports 151D and 151E for passing a current. For example, a control is performed to pass a current from port 151D to port 151E.

X-側(図21における左側)には、ドライブ電極152Aが設けられる。ドライブ電極152Aがシャトル152Bに接続されている。ドライブ電極152Aの櫛歯電極に電圧が印加されることでシャトル152Bが変位し、これにより、シャトル152Bと接続されるマス151も変位する。シャトル152Bの変位は、センス電極152Cが有する櫛歯電極に発生する静電容量の変化を検出することにより、検出可能である。また、シャトル152Bには、電流を流すためのポート152D、152Eが設けられている。例えば、ポート152Dからポート152Eに向かって電流を流す制御が行われる。 A drive electrode 152A is provided on the X-side (left side in Figure 21). The drive electrode 152A is connected to the shuttle 152B. When a voltage is applied to the comb-tooth electrode of the drive electrode 152A, the shuttle 152B is displaced, which also displaces the mass 151 connected to the shuttle 152B. The displacement of the shuttle 152B can be detected by detecting a change in electrostatic capacitance that occurs in the comb-tooth electrode of the sense electrode 152C. In addition, the shuttle 152B is provided with ports 152D and 152E for passing a current. For example, a control is performed to pass a current from port 152D to port 152E.

例えば、Y+側(図21における上側)には、ドライブ電極153Aが設けられる。ドライブ電極153Aがシャトル153Bに接続されている。ドライブ電極153Aの櫛歯電極に電圧が印加されることでシャトル153Bが変位し、これにより、シャトル153Bと接続されるマス151も変位する。シャトル153Bの変位は、センス電極153Cが有する櫛歯電極に発生する静電容量の変化を検出することにより、検出可能である。また、シャトル153Bには、電流を流すためのポート153D、153Eが設けられている。例えば、ポート153Dからポート153Eに向かって電流を流す制御が行われる。For example, a drive electrode 153A is provided on the Y+ side (upper side in Figure 21). Drive electrode 153A is connected to shuttle 153B. When a voltage is applied to the comb-tooth electrode of drive electrode 153A, shuttle 153B is displaced, which also displaces mass 151 connected to shuttle 153B. The displacement of shuttle 153B can be detected by detecting a change in electrostatic capacitance that occurs in the comb-tooth electrode of sense electrode 153C. In addition, shuttle 153B is provided with ports 153D and 153E for passing a current. For example, a control is performed to pass a current from port 153D to port 153E.

例えば、Y-側(図21における下側)には、ドライブ電極154Aが設けられる。ドライブ電極154Aがシャトル154Bに接続されている。ドライブ電極154Aの櫛歯電極に電圧を印加されることでシャトル154Bが変位し、これにより、シャトル154Bと接続されるマス151も変位する。シャトル154Bの変位は、センス電極154Cが有する櫛歯電極に発生する静電容量の変化を検出することにより、検出可能である。また、シャトル154Bには、電流を流すためのポート154D、154Eが設けられている。例えば、ポート154Dからポート154Eに向かって電流を流す制御が行われる。For example, a drive electrode 154A is provided on the Y-side (the lower side in Figure 21). The drive electrode 154A is connected to the shuttle 154B. When a voltage is applied to the comb-tooth electrode of the drive electrode 154A, the shuttle 154B is displaced, which also displaces the mass 151 connected to the shuttle 154B. The displacement of the shuttle 154B can be detected by detecting a change in electrostatic capacitance that occurs in the comb-tooth electrode of the sense electrode 154C. In addition, the shuttle 154B is provided with ports 154D and 154E for passing a current. For example, a control is performed to pass a current from port 154D to port 154E.

[磁場センサの構成例]
図22は、本実施形態に係る磁場センサ(磁場センサ1000)の構成例を示すブロック図である。磁場センサ1000は、例えば、上述したジャイロ装置10が有する構成の全てを備えている。なお、ジャイロ装置10が有する構成と同一または同質の構成については同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜、省略する。また、図22では、本発明と関連性が強い構成のみを図示し、他の構成に関する図示を適宜、省略している。
[Example of magnetic field sensor configuration]
Fig. 22 is a block diagram showing an example of the configuration of a magnetic field sensor (magnetic field sensor 1000) according to this embodiment. The magnetic field sensor 1000 includes, for example, all of the configurations of the gyro device 10 described above. Note that the same reference numerals are used for configurations that are the same or of the same quality as those of the gyro device 10, and duplicated descriptions are omitted as appropriate. Also, Fig. 22 shows only configurations that are closely related to the present invention, and illustrations of other configurations are omitted as appropriate.

磁場センサ1000は、2次元振動子15A、駆動信号生成部20、第1検出部30a、第2検出部30b、第1PLL回路40a、および、第2PLL回路40bを含む。また、磁場センサ1000は、さらに、第1電流信号生成部80a、第2電流信号生成部80b、信号源82、ミックス部85、加算器86、磁場検出部91、および、角速度検出部としてのLPF92を含む。The magnetic field sensor 1000 includes a two-dimensional vibrator 15A, a drive signal generating unit 20, a first detection unit 30a, a second detection unit 30b, a first PLL circuit 40a, and a second PLL circuit 40b. The magnetic field sensor 1000 further includes a first current signal generating unit 80a, a second current signal generating unit 80b, a signal source 82, a mix unit 85, an adder 86, a magnetic field detection unit 91, and an LPF 92 as an angular velocity detection unit.

第1電流信号生成部80aは、CWモードに対応する第1電流信号を生成する。第1電流信号生成部80aは、第1電流信号変換部81a、第1ゲイン変調部82a、および、乗算器83aを有している。第1電流信号変換部81aは、第1PLL回路40aの発振器43aから出力される信号(例えば、共振周波数fcwのsincw、coscw)を用いて、当該信号を電流に変換する。第1ゲイン変調部82aは、信号源82が発生する所定の周波数信号(例えば、100Hz以上の正弦波信号)から、振幅変調用の信号を生成する。この信号が、乗算器83aで電流信号に乗算されることで変調が与えられ、第1電流信号が生成される。なお、電流信号変換81aと乗算器83aとは構成的な順序が逆であっても良い。 The first current signal generating unit 80a generates a first current signal corresponding to the CW mode. The first current signal generating unit 80a has a first current signal converting unit 81a, a first gain modulating unit 82a, and a multiplier 83a. The first current signal converting unit 81a converts a signal (e.g., sin cw , cos cw of a resonant frequency f cw ) output from the oscillator 43a of the first PLL circuit 40a into a current. The first gain modulating unit 82a generates a signal for amplitude modulation from a predetermined frequency signal (e.g., a sine wave signal of 100 Hz or more) generated by the signal source 82. This signal is multiplied by the current signal by the multiplier 83a to provide modulation, and the first current signal is generated. The current signal converting unit 81a and the multiplier 83a may be in the reverse order.

第2電流信号生成部80bは、CCWモードに対応する第2電流信号を生成する。第2電流信号生成部80bは、第2電流信号変換部81b、第2ゲイン変調部82b、乗算器83b、および、反転回路84を有している。第2電流信号変換部81bは、第2PLL回路40bの発振器43bから出力される信号(例えば、共振周波数fcwのsinccw、cosccw)を用いて、当該信号を電流に変換する。反転回路84は、第2電流信号変換部81bから出力される電流信号を反転する。これにより、第2電流信号生成部80bで生成される第2電流信号の向きが第1電流信号の向きと反対になる。第2ゲイン変調部82bは、信号源82が発生する所定の周波数信号(例えば、100Hz以上の正弦波信号)から、振幅変調用の信号を生成する。この信号が、乗算器83bで電流信号に乗算されることで変調が与えられ、第2電流信号が生成される。なお、電流信号変換81bと乗算器83b、および、反転回路84は、構成的な順序が入れ替わっても良い。 The second current signal generating unit 80b generates a second current signal corresponding to the CCW mode. The second current signal generating unit 80b has a second current signal converting unit 81b, a second gain modulating unit 82b, a multiplier 83b, and an inverting circuit 84. The second current signal converting unit 81b converts a signal (e.g., sin ccw , cos ccw of the resonant frequency f cw ) output from the oscillator 43b of the second PLL circuit 40b into a current. The inverting circuit 84 inverts the current signal output from the second current signal converting unit 81b. As a result, the direction of the second current signal generated by the second current signal generating unit 80b becomes opposite to the direction of the first current signal. The second gain modulating unit 82b generates a signal for amplitude modulation from a predetermined frequency signal (e.g., a sine wave signal of 100 Hz or more) generated by the signal source 82. This signal is multiplied by the current signal by the multiplier 83b to provide modulation, and the second current signal is generated. The current signal converter 81b, the multiplier 83b, and the inverter circuit 84 may be arranged in a reverse order.

ミックス部85は、第1電流信号生成部80aで生成された第1電流信号と、第2電流信号生成部80bで生成された第2電流信号とをミックス(多重化)する。ミックス部85でミックスされた第1電流信号および第2電流信号が2次元振動子15Aに入力される。The mixer 85 mixes (multiplexes) the first current signal generated by the first current signal generator 80a and the second current signal generated by the second current signal generator 80b. The first current signal and the second current signal mixed by the mixer 85 are input to the two-dimensional oscillator 15A.

加算器86は、PID42aから出力される共振周波数fcw(第1共振周波数の一例)と、PID42bから出力される共振周波数fccw(第2共振周波数の一例)との差分を演算する。これにより、共振周波数fcwと共振周波数fccwとの差分であるΔfが得られる。Δfが磁場検出部91および第2LPF92のそれぞれに入力される。 The adder 86 calculates the difference between the resonance frequency f cw (an example of the first resonance frequency) output from the PID 42a and the resonance frequency f ccw (an example of the second resonance frequency) output from the PID 42b. This provides Δf, which is the difference between the resonance frequency f cw and the resonance frequency f ccw . Δf is input to the magnetic field detector 91 and the second LPF 92.

磁場検出部91は、共振周波数fcwおよび共振周波数fccwに基づいて、磁場を検出する。磁場検出部91は、乗算器91aおよび第1LPF91bを有している。乗算器91aは、Δfに対して信号源82からの変調信号を乗算する。第1LPF91bは、乗算器91aの出力に対して低域(カットオフ周波数以下)の信号のみを通過させるフィルタ処理を行う。第1LPF91bの後段で、磁場を検出するための適宜な演算(例えば、電流成分を取り除く演算等)が行われることで磁場が検出される。 The magnetic field detection unit 91 detects a magnetic field based on the resonant frequency f cw and the resonant frequency f ccw . The magnetic field detection unit 91 has a multiplier 91a and a first LPF 91b. The multiplier 91a multiplies Δf by a modulated signal from the signal source 82. The first LPF 91b performs a filtering process on the output of the multiplier 91a to pass only low-frequency signals (below the cutoff frequency). The magnetic field is detected by performing an appropriate calculation (e.g., a calculation to remove a current component) for detecting the magnetic field at a stage subsequent to the first LPF 91b.

第2LPF92は、加算器86の出力に対して低域(カットオフ周波数以下)の信号のみを通過させるフィルタ処理を行う。これにより、角速度に対応する成分の信号のみが抽出される。第2LPF92を通過した信号に対して適宜な演算(例えば、上述したジャイロ装置10における角速度検出部70で行われる演算と同様の演算)が行われることにより、角速度が検出される。The second LPF 92 performs a filtering process on the output of the adder 86, passing only low-frequency signals (below the cutoff frequency). This extracts only the signal components corresponding to the angular velocity. An appropriate calculation (for example, a calculation similar to the calculation performed by the angular velocity detection unit 70 in the gyro device 10 described above) is performed on the signal that has passed through the second LPF 92, thereby detecting the angular velocity.

[磁場センサの動作例]
次に、磁場センサ1000の動作例について説明する。駆動信号生成部20によって生成された駆動信号により2次元振動子15Aが励振される。このとき、ミックス部85でミックスされたx方向およびy方向のそれぞれの電流信号(第1電流信号(Ix)および第2電流信号(Iy))が2次元振動子15Aに入力される。
[Example of magnetic field sensor operation]
Next, an operation example of the magnetic field sensor 1000 will be described. The two-dimensional oscillator 15A is excited by the drive signal generated by the drive signal generating unit 20. At this time, the current signals in the x direction and the y direction (the first current signal (Ix) and the second current signal (Iy)) mixed by the mixer 85 are input to the two-dimensional oscillator 15A.

第1検出部30aが上述した処理を行うことにより位相θcwを検出する。位相θcwが、第1PLL回路40aに供給される。PID制御部42aは、位相比較器41aでの比較結果に基づいて、位相θcwが共振周波数fcwとなる制御を実行する。PID制御部42aから出力される共振周波数fcwは、加算器86に供給される。発振器43aから出力される信号は、駆動信号生成部20にフィードバックされ、駆動信号の生成に用いられる。また、発振器43aから出力される信号は、第1電流信号変換部81aにより電流信号に変換される。変換された電流信号は、信号源82が発生した信号により第1ゲイン変調部82aと乗算器83aにより振幅変調され、第1電流信号が生成される。CCWループでも同様の処理が行われることにより第2電流信号が生成される。第1電流信号および第2電流信号がミックス部85でミックスされた後に、2次元振動子15Aに入力される。 The first detection unit 30a detects the phase θ cw by performing the above-mentioned processing. The phase θ cw is supplied to the first PLL circuit 40a. The PID control unit 42a executes control so that the phase θ cw becomes the resonance frequency f cw based on the comparison result by the phase comparator 41a. The resonance frequency f cw output from the PID control unit 42a is supplied to the adder 86. The signal output from the oscillator 43a is fed back to the drive signal generation unit 20 and used to generate the drive signal. In addition, the signal output from the oscillator 43a is converted into a current signal by the first current signal conversion unit 81a. The converted current signal is amplitude modulated by the first gain modulation unit 82a and the multiplier 83a by the signal generated by the signal source 82, and the first current signal is generated. The second current signal is generated by performing the same processing in the CCW loop. The first current signal and the second current signal are mixed by the mix unit 85 and then input to the two-dimensional vibrator 15A.

第2PLL回路40bのPID制御部42bから出力される共振周波数fcwは、加算器86に供給される。加算器86で行われる演算により、共振周波数fcwと共振周波数fccwとの差分であるΔfが得られる。 The resonance frequency f cw output from the PID control section 42b of the second PLL circuit 40b is supplied to an adder 86. By a calculation performed in the adder 86, a difference Δf between the resonance frequency f cw and the resonance frequency f ccw is obtained.

乗算器91aにより信号源82が発生する信号がΔfに対して乗算されることで、磁場成分の信号が低周波側にシフトする(角速度成分の信号は高周波側にシフトする。)。そして、第1LPF91bによって低周波側にシフトした磁場成分の信号が検出され、検出された磁場成分の信号を用いて磁場が検出される。 The signal generated by the signal source 82 is multiplied by Δf by the multiplier 91a, so that the signal of the magnetic field component is shifted to the lower frequency side (the signal of the angular velocity component is shifted to the higher frequency side). Then, the signal of the magnetic field component shifted to the lower frequency side is detected by the first LPF 91b, and the magnetic field is detected using the signal of the detected magnetic field component.

また、Δfに対して第2LPF92によって低周波側の角速度成分の信号が検出され、検出された角速度成分の信号を用いて角速度が検出される。 In addition, the second LPF 92 detects the signal of the low-frequency angular velocity component for Δf, and the angular velocity is detected using the detected angular velocity component signal.

[本実施形態により得られる効果]
以上、本実施形態によれば、角速度だけでなく、磁場を検出することができるセンサを提供することができる。例えば、加速度や角速度の検出結果を磁場センサのセンシング結果によって補正することができる。磁場センサを別デバイスとして追加する必要がないので、センサのコストを低減でき、さらに、センサの小型化を実現することができる。
[Effects obtained by this embodiment]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a sensor that can detect not only angular velocity but also magnetic field. For example, the detection results of acceleration and angular velocity can be corrected by the sensing results of the magnetic field sensor. Since it is not necessary to add a magnetic field sensor as a separate device, the cost of the sensor can be reduced, and further, the sensor can be made smaller.

図23A~図23Cは、本実施形態により得られる効果の一例(シミュレーション結果)を示す。図23Aは、磁場(横軸)とCWおよびCCWの各モードの周波数(縦軸)との関係を示す図である。図中、ラインLNAがCWモードに対応し、ラインLNBがCCWモードに対応している。図23Aに示すように、磁場が加わると各モードの周波数が変化する(大きさは、同じで、増減方向は逆である。) Figures 23A to 23C show an example (simulation results) of the effect obtained by this embodiment. Figure 23A is a diagram showing the relationship between the magnetic field (horizontal axis) and the frequency (vertical axis) of each of the CW and CCW modes. In the figure, line LNA corresponds to the CW mode, and line LNB corresponds to the CCW mode. As shown in Figure 23A, when a magnetic field is applied, the frequency of each mode changes (the magnitude is the same, but the increase and decrease directions are opposite).

図23Bは、図23Aの結果を周波数差でみた場合のグラフである。図23Bに示すように、周波数差は磁場に略正比例していることがわかる。 Figure 23B is a graph showing the results of Figure 23A in terms of frequency difference. As shown in Figure 23B, it can be seen that the frequency difference is approximately directly proportional to the magnetic field.

図23Cは、図23Bの結果をログスケールで表示したグラフである。図23Cに示すように、広範囲(本例では、6桁の範囲)で線形を示していることがわかる。1nT(ナノテスラ)で1μHz程度の変化である。FMジャイロの場合には、1°/hrの変化が0.77μHzに相当する。FMジャイロでは,1°/h程度の安定性が得られている。すなわち、nT以下の安定度で磁場を十分に検出可能であることを示している。本実施形態によれば、地磁気よりも小さく、さらに、ダイナミックレンジが広い磁場センサを実現できる。 Figure 23C is a graph showing the results of Figure 23B on a log scale. As shown in Figure 23C, it can be seen that the results are linear over a wide range (in this example, a range of six digits). 1 nT (nanotesla) corresponds to a change of about 1 μHz. In the case of an FM gyro, a change of 1°/hr corresponds to 0.77 μHz. With an FM gyro, stability of about 1°/h is obtained. In other words, this shows that it is possible to adequately detect a magnetic field with stability of nT or less. According to this embodiment, a magnetic field sensor can be realized that is smaller than the geomagnetic field and has a wide dynamic range.

<変形例>
以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく各種の変形が可能である。
<Modification>
Although one embodiment of the present invention has been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment and various modifications are possible.

信号源82で発生する信号としては、単一周波数の正弦波のみでなく、他の方法、例えば広帯域の信号を用いたスペクトラム拡散技術が適用されてもよい。すなわち、ゲインを所定の拡散符号で拡散し後段で逆拡散することで、磁場成分の信号と角速度成分の信号とを分離するようにしてもよい。The signal generated by the signal source 82 may be not only a sine wave of a single frequency, but also other methods, such as a spectrum spread technique using a wideband signal. That is, the gain may be spread with a predetermined spreading code and then despread in a later stage to separate the magnetic field component signal and the angular velocity component signal.

本発明は、2次元にモードマッチする振動子であれば、形状、励振方法(静電、電磁、圧電など)等は特定の方法等に限定されることはない。 The present invention is not limited to any specific method, such as shape or excitation method (electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, etc.), as long as the vibrator is mode-matched in two dimensions.

2次元振動子15の出力を処理する回路は、ASIC(Application Specific integrated Circuit)等の集積回路で構成することも可能である。 The circuit that processes the output of the two-dimensional oscillator 15 can also be constructed using an integrated circuit such as an ASIC (Application Specific integrated Circuit).

本発明の作用効果を奏する範囲で、磁場センサが他の回路素子等を備える構成でもよい。また、磁場センサにおける一部の処理が、他の装置やクラウドサーバー等によって行われるようにしてもよい。また、本発明が、角速度を検出しない磁場のみを検出するセンサとして構成されてもよい。 The magnetic field sensor may be configured to include other circuit elements, etc., as long as the effects of the present invention are achieved. In addition, some of the processing in the magnetic field sensor may be performed by other devices, cloud servers, etc. In addition, the present invention may be configured as a sensor that detects only a magnetic field without detecting angular velocity.

本発明の磁場センサは、他の装置(例えば、ゲーム機器、撮像装置、スマートフォン、携帯電話、パーソナルコンピュータ等の各種の電子機器や、自動車、電車、飛行機、ヘリコプター、小型飛行体、宇宙用機器等の移動体、ロボット等)に組み込まれて使用されてもよい。The magnetic field sensor of the present invention may be incorporated into and used in other devices (e.g., various electronic devices such as game machines, imaging devices, smartphones, mobile phones, personal computers, etc., as well as moving objects such as automobiles, trains, airplanes, helicopters, small flying objects, space equipment, etc., robots, etc.).

上述した実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。また、本発明は、装置、方法、複数の装置からなるシステム(クラウドシステム等)により実現することができ、複数の実施形態および変形例で説明した事項は、技術的な矛盾が生じない限り相互に組み合わせることができる。The configurations, methods, steps, shapes, materials, and values given in the above-mentioned embodiments are merely examples, and different configurations, methods, steps, shapes, materials, and values may be used as necessary. Furthermore, the present invention can be realized by an apparatus, a method, or a system (such as a cloud system) consisting of multiple apparatuses, and the matters described in the multiple embodiments and variations can be combined with each other as long as no technical contradiction occurs.

10・・・ジャイロ装置
15、15A・・・2次元振動子
30a・・・第1検出部
30b・・・第2検出部
40a・・・第1PLL回路
40b・・・第2PLL回路
42a、42b・・・PID制御部
80a・・・第1電流信号生成部
81a・・・第1電流信号変換部
82a・・・第1ゲイン変調部
83a・・・乗算器
80b・・・第2電流信号生成部
81b・・・第2電流信号変換部
82b・・・第2ゲイン変調部
83b・・・乗算器
91・・・磁場検出部
91a・・・乗算器
91b・・・第1LPF
92・・・第2LPF
1000・・・磁場センサ
CW・・・第1回転振動モード
CCW・・・第2回転振動モード
10... Gyro device 15, 15A... Two-dimensional vibrator 30a... First detection unit 30b... Second detection unit 40a... First PLL circuit 40b... Second PLL circuit 42a, 42b... PID control unit 80a... First current signal generation unit 81a... First current signal conversion unit 82a... First gain modulation unit 83a... Multiplier 80b... Second current signal generation unit 81b... Second current signal conversion unit 82b... Second gain modulation unit 83b... Multiplier 91... Magnetic field detection unit 91a... Multiplier 91b... First LPF
92...Second LPF
1000...magnetic field sensor
CW: First rotational vibration mode
CCW: Second rotational vibration mode

Claims (8)

第1回転振動モードに対応する駆動信号および第2回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動され、さらに、前記第1回転振動モードに対応する第1電流信号および前記第2回転振動モードに対応する第2電流信号が入力される単一の2次元振動子と、
前記2次元振動子から出力される信号から、前記第1回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第1検出部と、
前記2次元振動子から出力される信号から、前記第2回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第2検出部と、
前記第1検出部によって検出された位相に基づいて、前記第1回転振動モードに対応する第1共振周波数を出力する第1発振回路と、
前記第2検出部によって検出された位相に基づいて、前記第2回転振動モードに対応する第2共振周波数を出力する第2発振回路と、
前記第1共振周波数前記第2共振周波数との差分に基づいて、磁場を検出する磁場検出部とを備える
磁場センサ。
a single two-dimensional vibrator that is driven by a drive signal corresponding to a first rotational vibration mode and a drive signal corresponding to a second rotational vibration mode, and further receives a first current signal corresponding to the first rotational vibration mode and a second current signal corresponding to the second rotational vibration mode;
a first detection unit that detects an amplitude and a phase of a component corresponding to the first rotational vibration mode from a signal output from the two-dimensional oscillator;
a second detection unit that detects an amplitude and a phase of a component corresponding to the second rotational vibration mode from a signal output from the two-dimensional oscillator;
a first oscillation circuit that outputs a first resonant frequency corresponding to the first rotational vibration mode based on the phase detected by the first detection unit;
a second oscillation circuit that outputs a second resonant frequency corresponding to the second rotational vibration mode based on the phase detected by the second detection unit;
a magnetic field detection unit that detects a magnetic field based on a difference between the first resonant frequency and the second resonant frequency.
前記第1共振周波数および前記第2共振周波数に基づいて回転の角速度を検出する角速度検出部を備える
請求項1に記載の磁場センサ。
The magnetic field sensor according to claim 1 , further comprising an angular velocity detection unit that detects an angular velocity of rotation based on the first resonant frequency and the second resonant frequency.
前記第1発振回路からフィードバックされる信号に基づいて、前記第1回転振動モードに対応する第1駆動信号を生成し、さらに、前記第2発振回路からフィードバックされる信号に基づいて、前記第2回転振動モードに対応する第2駆動信号を生成する駆動信号生成部を備える
請求項2に記載の磁場センサ。
3. The magnetic field sensor according to claim 2, further comprising a drive signal generating unit that generates a first drive signal corresponding to the first rotational vibration mode based on a signal fed back from the first oscillation circuit, and further generates a second drive signal corresponding to the second rotational vibration mode based on a signal fed back from the second oscillation circuit.
前記第1電流信号を生成する第1電流信号生成部と、
前記第2電流信号を生成する第2電流信号生成部と
を備え、
前記第1電流信号生成部は、前記第1発振回路からフィードバックされる信号を電流信号に変換し、当該電流信号に対して変調を与えることで前記第1電流信号を生成し、
前記第2電流信号生成部は、前記第2発振回路からフィードバックされる信号を電流信号に変換し、当該電流信号に対して変調を与えることで前記第2電流信号を生成する
請求項3に記載の磁場センサ。
a first current signal generating unit that generates the first current signal;
a second current signal generating unit that generates the second current signal,
the first current signal generating unit converts a signal fed back from the first oscillation circuit into a current signal and generates the first current signal by modulating the current signal;
The magnetic field sensor according to claim 3 , wherein the second current signal generating section converts a signal fed back from the second oscillation circuit into a current signal, and generates the second current signal by modulating the current signal.
調信号の周波数は、前記角速度検出部で検出されると想定される角速度の周波数よりも大きい値に設定される
請求項4に記載の磁場センサ。
The magnetic field sensor according to claim 4 , wherein a frequency of the modulated signal is set to a value greater than a frequency of the angular velocity assumed to be detected by the angular velocity detection unit.
前記角速度検出部は、前記第1共振周波数と前記第2共振周波数との差分に基づいて、前記角速度を検出する
請求項2からまでの何れかに記載の磁場センサ。
The magnetic field sensor according to claim 2 , wherein the angular velocity detection unit detects the angular velocity based on a difference between the first resonant frequency and the second resonant frequency.
前記第1電流信号の向きは、前記第2電流信号の向きとは反対側である
請求項1からまでの何れかに記載の磁場センサ。
The magnetic field sensor according to claim 1 , wherein the first current signal has a direction opposite to that of the second current signal.
2次元振動子に対して、第1回転振動モードに対応する駆動信号および第2回転振動モードに対応する駆動信号、および、前記第1回転振動モードに対応する第1電流信号および前記第2回転振動モードに対応する第2電流信号が入力され、
第1検出部が、前記2次元振動子から出力される信号から、前記第1回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第2検出部が、前記2次元振動子から出力される信号から、前記第2回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第1発振回路が、前記第1検出部によって検出された位相に基づいて、前記第1回転振動モードに対応する第1共振周波数を出力し、
第2発振回路が、前記第2検出部によって検出された位相に基づいて、前記第2回転振動モードに対応する第2共振周波数を出力し、
磁場検出部が、前記第1共振周波数前記第2共振周波数との差分に基づいて、磁場を検出する
磁場検出方法。
a drive signal corresponding to a first rotational vibration mode and a drive signal corresponding to a second rotational vibration mode, and a first current signal corresponding to the first rotational vibration mode and a second current signal corresponding to the second rotational vibration mode are input to a two-dimensional vibrator;
a first detection unit detects an amplitude and a phase of a component corresponding to the first rotational vibration mode from a signal output from the two-dimensional oscillator;
a second detection unit detects an amplitude and a phase of a component corresponding to the second rotational vibration mode from a signal output from the two-dimensional oscillator;
a first oscillation circuit outputs a first resonant frequency corresponding to the first rotational vibration mode based on the phase detected by the first detection unit;
a second oscillation circuit outputs a second resonant frequency corresponding to the second rotational vibration mode based on the phase detected by the second detection unit;
A magnetic field detection method, comprising: a magnetic field detection unit detecting a magnetic field based on a difference between the first resonant frequency and the second resonant frequency.
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