説明

ジャイロセンサ駆動装置

【課題】ジャイロセンサで駆動中に逆方向駆動を行って駆動停止を迅速に行うことができ、多軸ジャイロセンサにおける軸変更を迅速に行うことができ、多軸センシングを高速化することができるジャイロセンサ駆動装置を提供する。
【解決手段】本ジャイロセンサ駆動装置は、駆動電極から供給される駆動電圧により発生する振動とコリオリ力によるジャイロセンサの変形に相応する電圧を検出電極により検出する検出部と、発振位相条件を満たすために、検出部からの電圧を予め設定された位相だけシフトさせて駆動電圧を生成する位相シフタと、ジャイロセンサの駆動停止のために、位相シフタからの電圧を反転させて反転電圧を生成する反転部と、位相シフタからの駆動電圧と反転部からの反転電圧のいずれか一方を選択する選択部と、発振振幅条件を満たすために、選択部からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅してジャイロセンサの駆動電極に供給する増幅部とを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、移動端末機に適用されるジャイロセンサ駆動装置に関し、特に、ジャイロセンサの駆動中に逆方向駆動を行って駆動停止を迅速に行うことのできるジャイロセンサ駆動装置に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、ジャイロセンサ(Gyroscope Sensor)は、振動する物体のコリオリ力(Coriolis Force;Fc)を利用して角速度を測定するセンサである。
【0003】
ここで、ジャイロセンサにおけるコリオリ力は、下記数式1のような関係を有する。
【0004】
〔式1〕 Fc=2mVΩ
【0005】
ここで、Fcはコリオリ力、mは質量、Vは速度、Ωは角速度である。
【0006】
上記式1を参照すると、駆動信号でジャイロセンサを振動させて速度(V)を発生させ、コリオリ力(Fc)を測定する。このとき、質量(m)を既に知っているため、駆動により決定される速度(V)とセンシングされるコリオリ力(Fc)が分かれば、ジャイロセンサの角速度(Ω)を求めることができる。
【0007】
すなわち、角速度(Ω)は「Fc/2mV」で表されるため、物体(m)を一定の速度(V)で駆動させると、コリオリ力(Fc)を測定することにより角速度(Ω)を求めることができる。
【0008】
特に、コリオリ力(Fc)、速度(V)、及び角速度(Ω)は、相互に垂直方向のベクトルである。例えば、z方向の角速度(Ωz)を求めるために、x方向に速度(Vx)を与えてy方向のコリオリ力(Fc_y)を測定することができる。また、x方向及びy方向の角速度(Ωx,Ωy)を測定するために、z方向に速度(Vz)を与えてy方向及びx方向のコリオリ力(Fc_y,Fc_x)を測定することができる。
【0009】
つまり、様々な方向の角速度を測定するためには、振動する物体の振動方向を変更しなければならず、角速度の測定周波数範囲(帯域幅)が広くなるようにサンプリングレートを上げなければならない。
【0010】
例えば、0〜100Hzの測定周波数範囲を得るためには、少なくとも1秒に200回のサンプリングが行われなければならない。
【0011】
一般に、ジャイロセンサは、高い品質係数(Q)を有する物体を振動させるため、z軸方向に駆動させてx、y軸の角速度を測定した後、物体の動き方向を転換してx軸方向に駆動させてz軸の角速度を測定するためには、方向転換のための駆動停止時間が必要である。
【0012】
しかしながら、従来のジャイロセンサ駆動装置は、駆動中の停止のための特別な技術的手段を備えないため、駆動中に停止するまでに時間が長くかかり、これにより、安定化時間(settling time)が長く、多軸のジャイロセンサへの適用に適していないという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、ジャイロセンサで駆動中に逆方向駆動を行って駆動停止を迅速に行うことができ、多軸ジャイロセンサにおける軸変更を迅速に行うことができ、多軸センシングを高速化することができるジャイロセンサ駆動装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記本発明の課題を解決するための本発明の第1の態様においては、駆動電極から供給される駆動電圧により発生する振動とコリオリ力によるジャイロセンサの変形に相応する電圧を検出電極により検出する検出部と、発振位相条件を満たすために、前記検出部からの電圧を予め設定された位相だけシフトさせて駆動電圧を生成する位相シフタと、前記ジャイロセンサの駆動停止のために、前記位相シフタからの電圧を反転させて反転電圧を生成する反転部と、前記位相シフタからの駆動電圧と前記反転部からの反転電圧のいずれか一方を選択する選択部と、発振振幅条件を満たすために、前記選択部からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサの駆動電極に供給する増幅部とを含むジャイロセンサ駆動装置を提供する。
【0015】
また、本発明の第2の態様においては、駆動電極から供給される駆動電圧により発生する振動とコリオリ力によるジャイロセンサの変形に相応する電圧を検出電極により検出する検出部と、発振位相条件を満たすために、前記検出部からの電圧を予め設定された位相だけシフトさせて駆動電圧を生成する位相シフタと、前記ジャイロセンサの駆動停止のために、前記位相シフタからの電圧を反転させて反転電圧を生成する反転部と、前記位相シフタからの駆動電圧と前記反転部からの反転電圧のいずれか一方を選択する選択部と、発振振幅条件を満たすために、前記選択部からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサの駆動電極に供給する増幅部と、前記選択部にスイッチング制御信号を提供する制御部とを含むジャイロセンサ駆動装置を提供する。
【0016】
本発明の第2の態様において、前記制御部は、駆動中には前記選択部に駆動電圧の選択のためのスイッチング制御信号を提供し、駆動停止時には前記選択部に反転電圧の選択のためのスイッチング制御信号を提供することを特徴とする。
【0017】
本発明の第1及び第2の態様において、前記検出部は、差動信号を出力する前記ジャイロセンサの第1検出電極により電圧を検出する第1検出回路部と、前記ジャイロセンサの第2検出電極により電圧を検出する第2検出回路部と、前記第1検出回路部からの電圧と前記第2検出回路部からの電圧を差動増幅する差動増幅回路部とを含むことを特徴とする。
【0018】
前記位相シフタは、前記ジャイロセンサ、検出部、位相シフタ、選択部、及び増幅部を含む信号経路における信号の位相シフトが、発振条件を満たすために180°となるように、前記位相シフトが設定されることを特徴とする。
【0019】
前記増幅部は、前記選択部からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサの第1駆動電極に供給する第1増幅回路部と、前記選択部からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサの第2駆動電極に供給する第2増幅回路部とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【0020】
本発明によると、ジャイロセンサで駆動中に逆方向駆動を行って駆動停止を迅速に行うことができ、多軸ジャイロセンサにおける軸変更を迅速に行うことができ、多軸センシングを高速化することができ、また望ましくない振動によるクロストークを低減することができるという効果がある。
【0021】
つまり、ジャイロセンサを利用して多軸センシングする場合、停止時間を最小限に抑えて広い測定周波数範囲を得ることができ、望ましくない振動によるクロストークを最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置のブロック図である。
【図2】本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置の回路図である。
【図3】本発明の主要信号波形図である。
【図4】本発明の発振特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【0024】
本発明は後述する実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の理解を助けるために用いられるものである。本発明に参照された図面において実質的に同一の構成及び機能を有する構成要素には同一の符号を付す。
【0025】
図1は本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置のブロック図である。
【0026】
図1を参照すると、本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置は、駆動電極から供給される駆動電圧により発生する振動とコリオリ力によるジャイロセンサ10の変形に相応する電圧を検出電極により検出する検出部100を含む。
【0027】
本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置は、発振位相条件を満たすために、前記検出部100からの電圧を予め設定された位相だけシフトさせて駆動電圧を生成する位相シフタ200を含む。
【0028】
本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置は、前記ジャイロセンサ10の駆動停止のために、前記位相シフタ200からの電圧を反転させて反転電圧を生成する反転部400を含む。
【0029】
本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置は、前記位相シフタ200からの駆動電圧と前記反転部400からの反転電圧のいずれか一方を選択する選択部500を含む。
【0030】
本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置は、発振振幅条件を満たすために、前記選択部500からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサ10の駆動電極に供給する増幅部600を含む。
【0031】
本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置は、前記選択部500にスイッチング制御信号を提供する制御部800を含む。
【0032】
前記制御部800は、駆動中には前記選択部500に駆動電圧の選択のためのスイッチング制御信号を提供し、駆動停止時には前記選択部500に反転電圧の選択のためのスイッチング制御信号を提供するように構成される。
【0033】
図2は本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置の回路図である。
【0034】
図2を参照すると、前記検出部100は、差動信号を出力する前記ジャイロセンサ10の第1検出電極DTe1により電圧を検出する第1検出回路部110と、前記ジャイロセンサ10の第2検出電極DTe2により電圧を検出する第2検出回路部120と、前記第1検出回路部110からの電圧と前記第2検出回路部120からの電圧を差動増幅する差動増幅回路部130とを含む。
【0035】
前記位相シフタ200は、前記ジャイロセンサ10、検出部100、位相シフタ200、選択部500、及び増幅部600を含む信号経路における信号の位相シフトが、発振条件を満たすために180°となるように、前記シフト位相が設定される。
【0036】
前記増幅部600は、前記選択部500からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサ10の第1駆動電極DVe1に供給する第1増幅回路部610と、前記選択部500からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサ10の第2駆動電極DVe2に供給する第2増幅回路部620とを含む。
【0037】
図3は本発明の主要信号波形図である。図3において、SCは前記制御部800から前記選択部500に提供されるスイッチング制御信号であって、SC1は駆動電圧の選択のためのスイッチング制御信号であり、SC2は反転電圧の選択のためのスイッチング制御信号である。また、V20は前記位相シフタ200から出力される駆動電圧であり、V40は前記反転部400から出力される反転電圧である。
【0038】
図4は本発明の発振特性を示す図であり、反転電圧を利用しない場合と反転電圧を利用する場合とを比較するためのものであって、図4の(a)は逆方向駆動を用いないケースに該当する発振特性を示す図であり、図4の(b)は逆方向駆動による発振特性を示す図である。
【0039】
以下、本発明の作用及び効果を添付図面に基づいて説明する。
【0040】
図1〜図4を参照して本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置を説明すると、まず、図1に示すように、本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置は、ジャイロセンサ10を駆動するために必要な自励発振(self−oscillation)用フィードバック回路として、センサの駆動を検出するための検出部100、前記検出部100により検出された信号の位相を変換するための位相シフタ200、及び信号を増幅するための増幅部600を含む。
【0041】
このように、本発明の第1実施形態によるジャイロセンサ駆動装置は、前記ジャイロセンサ10を駆動する。
【0042】
このとき、図1及び図2を参照すると、前記ジャイロセンサ10は、駆動電極DVe1、DVe2から供給される駆動電圧Vdv1、Vdv2により振動を発生し、その振動とコリオリ力による前記ジャイロセンサ10の変形に相応する電圧を検出電極DTe1、DTe2から出力する。
【0043】
本発明の第1実施形態による検出部100は、前記ジャイロセンサ10の検出電極DTe1、DTe2から出力される電圧を検出し、この検出電圧Vdt1、Vdt2を位相シフタ200に提供する。
【0044】
本発明の第1実施形態による位相シフタ200は、図3に示すように、発振位相条件を満たすために、前記検出部100からの電圧を予め設定された位相だけシフトさせて駆動電圧V20を生成する。
【0045】
本発明の第1実施形態による反転部400は、図3に示すように、前記ジャイロセンサ10の駆動停止のために、前記位相シフタ200からの電圧を反転させて反転電圧V40を生成する。
【0046】
ここで、前記反転電圧V40は、前記位相シフタ200から出力される駆動電圧V20と180°の位相差を有する電圧であり、駆動停止のための電圧である。
【0047】
本発明の第1実施形態による選択部500は、図3に示すように、前記位相シフタ200からの駆動電圧V20と前記反転部400からの反転電圧V40のいずれか一方を選択する。
【0048】
例えば、前記選択部500は、前記ジャイロセンサ10の駆動のためには、前記位相シフタ200からの駆動電圧V20を選択する。
【0049】
これに対して、前記ジャイロセンサ10の駆動停止のために、前記選択部500は、前記反転部400からの反転電圧V40を選択する。すなわち、前記ジャイロセンサ10の自励発振を停止しようとするときは、前記反転部400を利用して、以前に供給された駆動信号V20と180°の位相差を有する反転信号V40で前記ジャイロセンサ10を逆方向に駆動することにより、前記ジャイロセンサ10の駆動を迅速に停止する。
【0050】
このような逆相駆動は、前記ジャイロセンサ10の特性によるもので、予想できない発振をなくすために非常に短時間で行われることができ、駆動停止時間を調節するために逆方向信号の大きさを調節することもできる。
【0051】
本発明の第1実施形態による増幅部600は、発振振幅条件を満たすために、前記選択部500からの電圧V50、すなわち駆動電圧V20又は反転電圧V40を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサ10の駆動電極に供給する。
【0052】
そして、本発明の第1実施形態による制御部800は、前記選択部500にスイッチング制御信号SCを提供する。
【0053】
すなわち、前記制御部800は、駆動中には前記選択部500に駆動電圧V20を選択するためのスイッチング制御信号を提供し、駆動停止時には前記選択部500に反転電圧V40を選択するためのスイッチング制御信号SCを提供する。
【0054】
これにより、前記選択部500は、前記スイッチング制御信号SCによって駆動電圧V20又は反転電圧V40を選択する。
【0055】
以下、図2を参照して前記検出部100について説明する。
【0056】
図2を参照すると、前記検出部100は、第1検出回路部110、第2検出回路部120、及び差動増幅回路部130を含む。
【0057】
ここで、前記第1検出回路部110は、差動信号を出力する前記ジャイロセンサ10の第1検出電極DTe1により電圧を検出する。
【0058】
また、前記第2検出回路部120は、前記ジャイロセンサ10の第2検出電極DTe2により電圧を検出する。
【0059】
さらに、前記差動増幅回路部130は、前記第1検出回路部110からの電圧と前記第2検出回路部120からの電圧を差動増幅する。
【0060】
一方、前記位相シフタ200は、前記ジャイロセンサ10、検出部100、位相シフタ200、選択部500、及び増幅部600を含む信号経路における信号の位相シフトが、発振条件を満たすために180°となるように、前記シフト位相が設定される。
【0061】
例えば、前記ジャイロセンサ10、検出部100、位相シフタ200、選択部500、及び増幅部600を含む信号経路における信号の位相シフトが90°であれば、前記位相シフタ200は位相シフトが90°に設定される。
【0062】
すなわち、本発明のジャイロセンサ駆動装置により駆動されるジャイロセンサ10が共振するためには、オープンループ(open−loop)の位相が180°であり、信号の利得が1でなければならない。駆動電圧がジャイロセンサ10を通ると、−90°の位相遅延が発生する。このとき、前記位相シフタ200と前記増幅部600は、このような共振条件を満たし、前記ジャイロセンサ10が自励発振を行うようになる。
【0063】
また、図1を参照すると、前記増幅部600が第1増幅回路部610及び第2増幅回路部620を含む場合、前記第1増幅回路部610は、前記選択部500からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサ10の第1駆動電極DVe1に供給することができる。
【0064】
また、前記第2増幅回路部620は、前記選択部500からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサ10の第2駆動電極DVe2に供給することができる。
【0065】
図4の(a)を参照すると、逆相駆動を用いない場合は、駆動停止制御時点から実際の駆動停止時点までにかかる制動時間が約15msと長い。従って、このような場合は、多軸ジャイロセンサにおける軸変更のための制動時間が長いため、測定時間が長くなるという問題がある。
【0066】
これに対して、図4の(b)を参照すると、本発明の反転部から提供される反転電圧を利用する逆相駆動を用いる場合は、駆動停止制御時点から実際の駆動停止時点までにかかる制動時間が約3msと相対的に非常に短い。従って、このような本発明によると、多軸ジャイロセンサにおける軸変更のための制動時間が短いため、測定が相対的にはるかに迅速に行われるという利点がある。
【0067】
前述のような本発明において、逆方向駆動を用いてジャイロセンサの自励発振を停止する場合、逆方向駆動を用いない場合より迅速にジャイロセンサの自励発振を停止することができる。例えば、反転駆動を用いる前の停止時間が15msであれば、本発明のように反転駆動を用いた場合は停止時間を3ms以内に短縮することができる。
【0068】
このような本発明によるジャイロセンサ駆動装置は、多軸ジャイロセンサを利用して多軸測定を行う場合、ジャイロセンサの駆動方向を任意に変えることが容易であり、より迅速にサンプリングを行うことができるという利点がある。
【符号の説明】
【0069】
10 ジャイロセンサ
100 検出部 110 第1検出回路部
120 第2検出回路部 130 差動増幅回路部
200 位相シフタ 400 反転部
500 選択部
600 増幅部
610 第1増幅回路部 620 第2増幅回路部
800 制御部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
駆動電極から供給される駆動電圧により発生する振動とコリオリ力によるジャイロセンサの変形に相応する電圧を検出電極により検出する検出部と、
発振位相条件を満たすために、前記検出部からの電圧を予め設定された位相だけシフトさせて駆動電圧を生成する位相シフタと、
前記ジャイロセンサの駆動停止のために、前記位相シフタからの電圧を反転させて反転電圧を生成する反転部と、
前記位相シフタからの駆動電圧と前記反転部からの反転電圧のいずれか一方を選択する選択部と、
発振振幅条件を満たすために、前記選択部からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサの駆動電極に供給する増幅部と
を含むことを特徴とするジャイロセンサ駆動装置。
【請求項2】
前記検出部は、
差動信号を出力する前記ジャイロセンサの第1検出電極により電圧を検出する第1検出回路部と、
前記ジャイロセンサの第2検出電極により電圧を検出する第2検出回路部と、
前記第1検出回路部からの電圧と前記第2検出回路部からの電圧を差動増幅する差動増幅回路部と
を含むことを特徴とする請求項1に記載のジャイロセンサ駆動装置。
【請求項3】
前記位相シフタは、
前記ジャイロセンサ、検出部、位相シフタ、選択部、及び増幅部を含む信号経路における信号の位相シフトが、発振条件を満たすために180°となるように、前記シフト位相が設定されることを特徴とする請求項2に記載のジャイロセンサ駆動装置。
【請求項4】
前記増幅部は、
前記選択部からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサの第1駆動電極に供給する第1増幅回路部と、
前記選択部からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサの第2駆動電極に供給する第2増幅回路部と
を含むことを特徴とする請求項3に記載のジャイロセンサ駆動装置。
【請求項5】
駆動電極から供給される駆動電圧により発生する振動とコリオリ力によるジャイロセンサの変形に相応する電圧を検出電極により検出する検出部と、
発振位相条件を満たすために、前記検出部からの電圧を予め設定された位相だけシフトさせて駆動電圧を生成する位相シフタと、
前記ジャイロセンサの駆動停止のために、前記位相シフタからの電圧を反転させて反転電圧を生成する反転部と、
前記位相シフタからの駆動電圧と前記反転部からの反転電圧のいずれか一方を選択する選択部と、
発振振幅条件を満たすために、前記選択部からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサの駆動電極に供給する増幅部と、
前記選択部にスイッチング制御信号を提供する制御部と
を含むことを特徴とするジャイロセンサ駆動装置。
【請求項6】
前記制御部は、駆動中には前記選択部に駆動電圧の選択のためのスイッチング制御信号を提供し、駆動停止時には前記選択部に反転電圧の選択のためのスイッチング制御信号を提供することを特徴とする請求項5に記載のジャイロセンサ駆動装置。
【請求項7】
前記検出部は、
差動信号を出力する前記ジャイロセンサの第1検出電極により電圧を検出する第1検出回路部と、
前記ジャイロセンサの第2検出電極により電圧を検出する第2検出回路部と、
前記第1検出回路部からの電圧と前記第2検出回路部からの電圧を差動増幅する差動増幅回路部と
を含むことを特徴とする請求項6に記載のジャイロセンサ駆動装置。
【請求項8】
前記位相シフタは、
前記ジャイロセンサ、検出部、位相シフタ、選択部、及び増幅部を含む信号経路における信号の位相シフトが、発振条件を満たすために180°となるように、前記シフト位相が設定されることを特徴とする請求項7に記載のジャイロセンサ駆動装置。
【請求項9】
前記増幅部は、
前記選択部からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサの第1駆動電極に供給する第1増幅回路部と、
前記選択部からの駆動電圧又は反転電圧を予め設定された利得で増幅して前記ジャイロセンサの第2駆動電極に供給する第2増幅回路部と
を含むことを特徴とする請求項8に記載のジャイロセンサ駆動装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2012−37499(P2012−37499A)
【公開日】平成24年2月23日(2012.2.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−285608(P2010−285608)
【出願日】平成22年12月22日(2010.12.22)
【出願人】(594023722)サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド. (1,585)
【Fターム(参考)】