JP2006162276A - 物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 センサ回路中に周期を持った波形信号を有するジャイロセンサにおいて、ＣＲ発振回路を備えなくても、記憶装置に記憶された各種情報の時分割読み出しが行えるようにする。
【解決手段】 ジャイロセンサでは、もともと自励発振信号として用いることができる所定周波数の信号がセンサ回路中に存在することから、これを記憶部４０のデータの読み出しに用いる。例えば、駆動信号そのもの、振動子１０に備えられる駆動用のセンサエレメントが出力する駆動振動検知信号、Ｃ−Ｖ変換回路２２や増幅回路２３もしくは調整回路２４の出力信号、ヨー検知用のセンサエレメントが出力するヨー検知信号、Ｃ−Ｖ変換回路３１、増幅回路３２の出力信号を記憶部４０のデータの読み出しに用いることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発振信号に基づいてセンサ動作が行われるジャイロセンサなどの物理量センサに関するものである。

従来、ジャイロセンサ等の物理量センサでは、ＥＰＲＯＭ等の記憶装置が内蔵され、この記憶装置にセンサ回路の調整に関するデータ等、各種情報が記憶される。このような物理量センサでは、記憶装置に記憶された各種情報の時分割読み出しを行うことでセンサ動作を行うが、この記憶装置に記憶された各種情報の時分割読み出しのクロックにはセンサ回路中に内蔵したＣＲ発振回路の信号が用いられている。
特開平０５−３３４８８８号公報

しかしながら、記憶装置に記憶された各種情報の時分割読み出しのために、センサ回路中にＣＲ発振回路を内蔵させなければならず、その分、物理量センサのチップ面積の増大に繋がり、センサ構造の拡大、コスト高となっている。

本発明は上記点に鑑みて、センサ回路中に周期を持った波形信号を有する物理量センサにおいて、ＣＲ発振回路を備えなくても、記憶装置に記憶された各種情報の時分割読み出しが行えるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、駆動部（２０）もしくはヨー検知部（３０）の少なくとも一方に存在する所定の周波数の出力信号からなる自励発振信号を、記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いていることを特徴としている。

ジャイロセンサ等の物理量センサでは、もともと自励発振信号として用いることができる所定周波数の信号がセンサ回路中に存在することから、これを記憶部（４０）のデータの読み出しに用いることが可能である。

これにより、記憶部（４０）にＣＲ発振回路を内蔵する必要が無くなり、物理量センサのセンサ回路を構成するチップの面積の削減を図ることができ、引いては、センサ構造の簡略化、コスト削減を図ることが可能となる。

例えば、駆動部（２０）では、請求項２に示されるように、駆動振動検知信号を記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いることができる。また、請求項３に示されるように、駆動振動検知信号を電圧値に変換する電圧変換回路（２２）の出力信号、請求項４に示されるように、電圧変換回路（２２）の出力信号を所定ゲインで増幅する増幅回路（２３）の出力信号、さらには、請求項５に示されるように、増幅回路（２３）の出力信号の位相を駆動信号に合わせると共に、駆動用のセンサエレメントが一定振幅で駆動振動されるように駆動信号を補正する調整回路（２４）の出力信号を記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いることができる。

一方、ヨー検知部（３０）では、請求項６に示されるように、ヨー検知信号を記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いることができる。また、請求項７に示されるように、ヨー検知信号を電圧変換する電圧変換回路（３１）の出力信号、請求項８に示されるように、電圧変換回路（３１）の出力信号を所定ゲインで増幅する増幅回路（３２）の出力信号を記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いることもできる。

さらに、請求項９に示されるように、駆動信号を記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いることも可能である。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態を適用した物理量センサとしてのジャイロセンサのセンサ回路のブロック構成を図１に示す。以下、この図を参照して本実施形態におけるセンサ回路について説明する。

図１に示されるように、振動子１０と、駆動部２０と、ヨー検知部３０と、記憶部４０とが備えられ、これらによりセンサ回路が構成されている。

振動子１０は、センシング手段に相当するもので、駆動用およびヨー検知用のセンサエレメント（図示せず）を備えており、駆動用のセンサエレメントが駆動振動を行っている際にヨーが発生すると、コリオリ力によって一対で構成されたヨー検知用のセンサエレメントが振動するようになっている。この振動子１０は、一対のヨー検知用のセンサエレメントそれぞれでの振動に応じた出力（検知信号）を発生させると共に、駆動用のセンサエレメントが的確に駆動振動しているかを検出するために駆動振動に応じた出力を発生させるようになっている。

駆動部２０は、振動子１０における駆動用センサエレメントを振動させるためのものであり、駆動用のセンサエレメントからの駆動振動検知信号を信号処理することで駆動信号を発生させる。この駆動部２０には、センサ駆動電源および昇圧回路を含む駆動回路２１、Ｃ−Ｖ変換回路２２、増幅回路２３、調整回路２４が含まれている。

駆動回路２１は、振動子１０における駆動用のセンサエレメントに対して駆動用の電圧を印加するものである。この駆動回路２１は、センサ駆動用電源および昇圧回路を備えており、昇圧回路にて、センサ駆動電源からの電圧を昇圧することで振動子１０における駆動用のセンサエレメントを振動させるための電圧を形成したのち、駆動用のセンサエレメントを所定振幅かつ所定周波数で駆動するために、所定の周波数の電圧を駆動信号として駆動用のセンサエレメントに対して出力する。そして、Ｃ−Ｖ変換回路２２を介してフィードバックされる駆動信号に基づいて、駆動回路２１が発生させる駆動信号を調整するようになっている。

Ｃ−Ｖ変換回路２２は、振動子１０から、振動子１０における駆動用のセンサエレメントの駆動振動に応じた容量値を示す検知信号（以下、駆動振動検知信号という）を受け取り、それを電圧変換するものである。このＣ−Ｖ変換回路２２での電圧変換後の駆動振動検知信号が増幅回路２３に入力されるようになっている。

増幅回路２３は、Ｃ−Ｖ変換回路２２によって電圧変換された駆動振動検知信号を所定の電圧値まで増幅するものである。

調整回路２４は、駆動信号の位相を調整すると共に、振動子１０の駆動振動が一定振幅となるように調整するものである。

上記したように駆動回路２１により駆動振動検知信号に基づいて駆動信号が形成されることになるため、駆動振動検知信号の位相が実際に駆動用のセンサエレメントに出力したい駆動信号の位相とずれている。この位相のズレを修復するために、駆動振動検知信号の位相を調整し、駆動信号の位相に合わせなければならない。このため、調整回路２４によって、駆動振動検知信号の位相が補正され、その結果、それに基づいて形成される駆動信号の位相が調整されるようになっている。これにより、駆動信号の周波数が所定の周波数とされる。

また、調整回路２４は、駆動振動検知信号から現在の駆動用のセンサエレメントの振幅を検知すると共に、その振幅が一定となるように駆動信号を補正するようになっている。この調整回路２４からの信号に基づいて、駆動回路２１が発生させる駆動信号が調整され、その結果、振動子１０における駆動用のセンサエレメントが一定の振幅かつ所定の周波数で駆動振動させられることになる。

ヨー検知部３０は、振動子１０におけるヨー検知用のセンサエレメントからのヨー検知信号を信号処理することでセンサ出力を得るものである。このヨー検知部３０には、Ｃ−Ｖ変換回路３１、増幅回路３２、同期検波回路３３およびＬＰＦ調整回路３４が備えられている。

Ｃ−Ｖ変換回路３１は、ヨー検知用のセンサエレメントに対してヨーが加わったときに発生する振動に応じた容量値で示される検知信号（以下、ヨー検知信号という）を電圧変換するものである。このＣ−Ｖ変換回路３１は、ヨー検知用のセンサエレメントが一対の左右対称構造として設けられた場合には、２つのチャージアンプによって構成され、それぞれのチャージアンプによってヨー検知信号に応じた電圧が出力されるようになっている。このＣ−Ｖ変換回路３１の出力した電圧が増幅回路３２に入力されるようになっている。

増幅回路３２は、電圧変換されたヨー検知信号を所定ゲインで増幅するものである。この増幅回路３２は、上記したＣ−Ｖ変換回路３１が２つのチャージアンプで構成される場合には、それらの出力の差動を増幅する差動増幅回路として構成される。この増幅回路３２の出力が同期検波回路３３に入力されるようになっている。

同期検波回路３３は、増幅回路３２で増幅されたヨー検知信号の中から駆動周波数以外のノイズ成分を除去するものである。例えば、同期検波回路３３は、調整回路２４によって調整された位相に基づいて、増幅回路３２の出力から駆動信号の周波数と同期する成分を通過させるようになっている。この同期検波回路３３の出力がＬＰＦ調整回路３４に出力するようになっている。

ＬＰＦ調整回路３４は、同期検波回路３３を通過後の信号のうち、所定周波数以下の成分のみを抽出するものである。このＬＰＦ調整回路３４がセンサ出力として用いられることになるが、このＬＰＦ調整回路３４を通過した後の信号にも、出力オフセットや感度の温度特性が含まれていることから、それを調整するために、０点・感度温特調整回路を設けることもできる。

記憶部４０は、センサ回路の各部で用いられるデータを記憶し、記憶されたデータが読み出されて用いられることで、本実施形態におけるジャイロセンサのセンサ回路がセンサ動作を行うようになっている。例えば、記憶部４０には、増幅回路２３、３２で用いられる増幅ゲインに関するデータ、調整回路３４での調整値変更データ等の各種データが記憶される。

図２（ａ）に、記憶部４０の具体的なブロック構成を示し、この図を参照して記憶部４０の詳細について説明する。なお、参考として、図２（ｂ）に、従来の記憶部Ｊ４０のブロック構成を示し、本実施形態のジャイロセンサのセンサ回路に備えられる記憶部４０との違いを示しておく。

記憶部４０は、例えばＥＰＲＯＭによって構成され、ＥＰＲＯＭ記憶部４１、センスアンプ４２、プリラッチ部４３およびメインラッチ部４４によって構成されている。

ＥＰＲＯＭ記憶部４１は、データを記憶する部分であり、ここの部分に上述した各種データが記憶されている。センスアンプ４２は、ＥＰＲＯＭ記憶部４１に記憶されているデータを読み出す役割を果たす。このセンスアンプ４２で読み出されたデータがプリラッチ部４３に入力され、プリラッチ部４３にて、読み出したデータが一時的に格納されるようになっている。メインラッチ部４４は、プリラッチ部４３に一時的に格納されたデータをセンサ回路中の所望の場所に出力するものである。このメインラッチ部４４は、複数備えられていて、それぞれがセンサ回路中の所望の場所に常に接続されたものとなっている。

ここで、記憶部４０では、センスアンプ４２がＥＰＲＯＭ記憶部４１から各種データを読み出す時、および、プリラッチ部４３に一時的に格納されたデータをメインラッチ部４４に伝える時に、クロックとして発振信号が用いられる。この発振信号として、本実施形態では、ジャイロセンサのセンサ回路の各部で出力されている信号、つまり、ジャイロセンサのセンサ回路の自励発振信号を用いている。これにより、図２（ｂ）に示される従来の記憶部Ｊ４０のように、記憶部Ｊ４０中にＣＲ発振回路Ｊ４１を内蔵しなくても済む構成としている。

この自励発振信号について、図１中に示した破線矢印で示した出力信号とカッコ付きの符号（１）〜（８）、および、図３に示す各出力信号の出力波形図を参照して説明する。

図３に示されるように、図１中の各部の出力信号の出力波形は、サイン波形となる。図３（ａ）は、図１中の（１）、（３）、（５）の出力信号の出力波形、図３（ｂ）は、図１中の（２）、（４）、（６）、（７）、（８）の出力信号の出力波形に相当し、これらの図からも判るように、すべての場所の出力信号が所定周波数となっている。なお、これら図３（ａ）、（ｂ）では、出力信号を実線と破線で示したが、（１）〜（８）の出力信号において位相が反転しているものもあることを示したものであり、実線と破線のいずれか一方が各場所での出力信号の出力波形となる。

このため、図１中の符号（１）〜（８）のいずれかの場所の出力信号を自励発振信号として用い、記憶部４０におけるデータの読み出しやプリラッチ部４３からメインラッチ部４４へデータの移送を行うことが可能となる。

なお、図３（ａ）、（ｂ）は、図１中の（１）〜（８）の場所の出力信号として説明したが、これらの図は各部の波形の概要を示したものに過ぎず、実際には異なる振幅になる場所もある。また、自励発振信号は、基本的には、ＥＰＲＯＭ記憶部４１からのデータの読み出し等のクロックとして用いるものであるため、サイン波形ではそのまま用いられない場合がある。このような場合には、自励発振信号として用いる出力信号の振幅に応じたしきい値との比較を行うコンパレータを用いることで、サイン波形を矩形波形に変換することができ、その矩形波形をクロックとした自励発振信号とすることができる。

このように、ジャイロセンサでは、もともと自励発振信号として用いることができる所定周波数の信号がセンサ回路中に存在することから、これを記憶部４０のデータの読み出しに用いることが可能である。

これにより、記憶部４０にＣＲ発振回路を内蔵する必要が無くなり、ジャイロセンサのセンサ回路を構成するチップの面積の削減を図ることができ、引いては、センサ構造の簡略化、コスト削減を図ることが可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、ジャイロセンサのセンサ回路を構成する主な部分を図示して説明したが、必ずしも図１に示される構成でなければならない訳ではない。すなわち、ジャイロセンサのセンサ回路では、出力信号が所定の周波数となる場所が存在するため、その出力信号を自励発振信号として用いて記憶部４０のデータの読み出しを行うようにするものであれば、どのような構成であっても構わない。

また、センサ回路中に、例えば定期的に電圧値を診断する回路が備えられる場合がある。このような回路は、駆動部２０もしくはヨー検知部３０中に備えられ、これら駆動部２０もしくはヨー検知部３０のうち所定の周波数の出力信号の電圧値を比較するものであるため、その診断を行う回路中にも所定の周波数の出力信号を発生させる場所が存在する。このような回路は、駆動部２０およびヨー検知部３０の一部、つまりジャイロセンサのセンサ回路を構成する一回路であるため、その場所の出力信号を記憶部４０のデータ読み出しのために用いることも可能である。

本発明の第１実施形態におけるジャイロセンサのセンサ回路のブロック構成を示す図である。 （ａ）は、図１に示されるジャイロセンサのセンサ回路中の記憶部の具体的なブロック構成を示した図であり、（ｂ）は、従来のジャイロセンサのセンサ回路中の記憶部の具体的なブロック構成を示した図である。 図１中の（１）〜（８）の場所の出力信号の出力波形図である。

符号の説明

１０…振動子、２０…駆動部、２１…駆動回路、２２…Ｃ−Ｖ変換回路、２３…増幅回路、２４…調整回路、３０…ヨー検知部、３１…Ｃ−Ｖ変換回路、３２…増幅回路、３３…同期検波回路、３４…ＬＰＦ調整回路、４０…記憶部、４１…ＥＰＲＯＭ記憶部、４２…センスアンプ、４３…プリラッチ部、４４…メインラッチ部。

Claims (9)

1. 駆動信号に基づいて一定振幅で駆動振動されると共に該駆動振動に応じた駆動振動検知信号を出力する駆動用のセンサエレメントおよび該駆動用のセンサエレメントが駆動振動されている際に加わったヨーに応じたヨー検知信号を出力するヨー検知用のセンサエレメントを有して構成されるセンシング手段（１０）と、
   前記駆動振動検知信号を信号処理して、前記駆動信号を出力する駆動部（２０）と、
   前記ヨー検知信号を信号処理して、前記ヨーに応じたセンサ出力を発生させるヨー検知部（３０）と、
   前記駆動部（２０）と前記ヨー検知部（３０）での信号処理に用いられるデータを記憶する記憶部（４０）とを有したセンサ回路を備えて成る物理量センサであって、
   前記センシング手段（１０）の検知信号、もしくは、前記駆動部（２０）と前記ヨー検知部（３０）のいずれかに存在する所定の周波数の出力信号からなる自励発振信号を、前記記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記駆動振動検知信号が前記記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いられていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
3. 前記駆動部（２０）には、前記駆動振動検知信号を電圧値に変換する電圧変換回路（２２）が備えられており、この電圧変換回路（２２）の出力信号が前記記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いられていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
4. 前記駆動部（２０）には、前記駆動振動検知信号を電圧値に変換する電圧変換回路（２２）と、この電圧変換回路（２２）の出力信号を所定ゲインで増幅する増幅回路（２３）が備えられており、前記増幅回路（２３）の出力信号が前記記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いられていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
5. 前記駆動部（２０）には、前記駆動振動検知信号を電圧値に変換する電圧変換回路（２２）と、この電圧変換回路（２２）の出力信号を所定ゲインで増幅する増幅回路（２３）と、前記増幅回路（２３）の出力信号の位相を前記駆動信号に合わせると共に、前記駆動用のセンサエレメントが一定振幅で駆動振動されるように前記駆動信号を補正する調整回路（２４）とが備えられており、前記調整回路（２４）の出力信号が前記記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いられていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
6. 前記ヨー検知信号が前記記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いられていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
7. 前記ヨー検知部（３０）には、前記ヨー検知信号を電圧変換する電圧変換回路（３１）が備えられており、この電圧変換回路の出力信号が前記記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いられていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
8. ヨー検知部（３０）には、前記ヨー検知信号を電圧変換する電圧変換回路（３１）と、この電圧変換回路（３１）の出力信号を所定ゲインで増幅する増幅回路（３２）が備えられており、前記増幅回路（３２）の出力信号が前記記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いられていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
9. 前記駆動信号が前記記憶部（４０）に備えられるデータの読み出しのクロックとして用いられていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
   

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