JP2008070229A - 検出装置、センサ及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】検出装置30は、駆動回路40と検出回路60とオフセット調整回路20を含む。駆動回路40は、物理量トランスデューサからのフィードバック信号を増幅する駆動側増幅回路42を含み、検出回路60は、物理量トランスデューサからの検出信号を増幅する検出側増幅回路70を含む。オフセット調整回路20は、駆動側増幅回路42により増幅された後の信号である駆動側増幅信号VD2を駆動回路40から受け、駆動側増幅信号VD2と周波数が同一のオフセット調整信号VOFを、検出側増幅回路70により増幅された後の信号である検出側増幅信号VS3に対して合成する。
【選択図】図1
Description
また本発明では、前記駆動回路の前記駆動側増幅回路は、前記物理量トランスデューサからの前記フィードバック信号の増幅を行うための電流/電圧変換回路を含み、前記検出回路の前記検出側増幅回路は、前記物理量トランスデューサからの前記検出信号の増幅を行うための電荷/電圧変換回路を含み、前記オフセット調整回路は、前記電流/電圧変換回路により第1の角度だけ移相された前記駆動側増幅信号を受け、前記電荷/電圧変換回路により第2の角度だけ移相された前記検出側増幅信号に対して前記オフセット調整信号を合成するようにしてもよい。
図1に本実施形態の検出装置30の構成例を示す。この検出装置30は駆動回路40と検出回路60を含む。なお検出装置30は図1の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
(A1)漏れ信号(不要信号、DCオフセット)のレベルが変動すると、出力オフセットも変動する。例えば電源電圧の変動等により駆動信号の振幅が変化すると、漏れ信号のレベルも変動し、これによりジャイロ出力信号VSQのオフセットも変動してしまう。
(A2)ジャイロセンサの信号帯域はDC〜数百Hzであるため、オフセット調整回路21が含むオペアンプ(増幅器)OPJの1/fノイズが影響し、ジャイロ出力信号VSQのSNR(Signal-to-Nose Ratio)が悪化する。
(A3)オフセット調整電圧VAを生成するために、基準電圧生成回路やD/A変換回路が必要になり、回路の大規模化や高コスト化を招く。
(A4)同期検波回路101の後段側にオフセット調整回路21が設けられているため、同期検波回路101の入力信号VS5に漏れ信号も重畳されてしまい、オペアンプ等の飽和制限により、検出できる角速度範囲が小さくなる。
図5(A)に、検出側の増幅回路70の構成例を示す。増幅回路70は、Q/V変換回路72、74、差動増幅回路76を含む。Q/V変換回路72、74は、振動子10で発生した電荷(電流)を電圧に変換する。差動増幅回路76は、Q/V変換回路72、74からの信号VS1P、VS1Mの差動増幅を行う。
次に図7、図8の複素平面図を用いて、オフセット調整の詳細について説明する。図7、図8において、Idrは駆動回路40による振動子10の駆動電流であり、Vdrは駆動電圧である(図1のVD)。θdrは、駆動電圧Vdrと駆動電流Idrとの位相差である。この位相差θdrは、振動子10の寄生インダクタンスや寄生キャパシタ等により生じるものである。
(1)図7、図8において、駆動電流は下式のように表される。
ここでD1は駆動電流振幅である。また図7、図8は、駆動信号の駆動電流ベクトルであるIdrの方向を実軸の正方向とする複素数平面図になっている。
(2)駆動電圧は下式のように表される。
ここでD2は駆動電圧振幅であり、θdrは駆動電圧と駆動電流の位相差である。
(3)フィードバック信号増幅信号(駆動側増幅信号VD2)は下式のように表される。
=Adr・D2・cos(ωt+θ1+θdr)
=G・cos(ωt+θ1+θdr)
ここでAdrは駆動電圧−フィードバック信号増幅信号の増幅率である。またθ1(第1の角度)は駆動側の移相であり、例えば駆動側の増幅回路42をI/V変換回路43で構成した場合には、θ1はπ[rad](180[deg])程度になる。
(4)ジャイロ検出電流は下式のように表される。
ここでFCはコリオリ力であり、Kgはコリオリ力−検出電流の変換効率であり、ωは駆動角振動数である。
(5)同期検波前におけるジャイロ検出信号(所望信号)は下式のように表される。
=FC・Kg・A1・cos(ωt+π/2+θ2)
=H・cos(ωt+π/2+θ2)
ここでA1は検出回路の同期検波前増幅率であり、θ2(第2の角度)は同期検波前の検出側の移相である。例えば検出側の増幅回路70をQ/V変換回路72、74で構成した場合には、θ2は−π/2[rad](−90[deg])程度になる。
(6)ジャイロ出力におけるジャイロ検出信号(所望信号)は下式のように表される。
=H・Kd・A2・cos(θdr−π/2+θ1−θ2)
ここでKdは同期検波振幅変換の最大効率であり、A2は検出回路の同期検波以後の増幅率である。ここではAM変調が行われているため、|Vgyro(ωt)|max=FC・Kg・A1=Hとなる。
(7)同期検波前における機械漏れ信号は下式のように表される。
=Kvib・A1・D1・cos(ωt+θ2)
=I・cos(ωt+θ2)
ここでKvibは検出電流−機械漏れの比例定数である。
(8)ジャイロ出力における機械漏れ信号は下式のように表される。
=I・Kd・A2・cos(θdr+θ1−θ2)
(9)同期検波前における静電漏れ信号は下式のように表される。
=Kes・A1・D2・cos(ωt+θdr+π/2+θ2)
=J・cos(ωt+θdr+π/2+θ2)
ここでKesは駆動電圧−静電漏れの比例定数である。
(10)ジャイロ出力における静電漏れ信号は下式のように表される。
=J・Kd・A2・cos(θ1−θ2−π/2)
(11)その他の不要信号(機械漏れ、静電漏れ以外の不要信号)をVetc(ωt)とすると、同期検波前の漏れ信号の合計である合計漏れ信号は下式のようになる。
(12)オフセット調整回路が出力すべきオフセット調整信号は下式のようになる。
ここでAofsは調整ゲインであり、θofsは図7、図8に示すように合計漏れ信号−駆動電圧の位相差である。
図9(A)にオフセット調整回路20の第1の構成例を示す。このオフセット調整回路20は、抵抗RC1、RC2、オペアンプOPC1、位相反転切替回路22を含む。
図1では、検出回路60は、駆動回路40からの同期信号CLKに基づいて同期検波を行う同期検波回路100を含んでいる。そして検出側の増幅信号VS3は、同期検波回路100による同期検波前の信号となっており、オフセット調整回路20は、同期検波前の増幅信号VS3に対して、オフセット調整信号VOFを合成している。
図19に本実施形態の検出装置30の第1の変形例を示す。図1では、オフセット調整回路20は、駆動側増幅信号として、正弦波の信号VD2を受けて、オフセット調整信号VOFを生成している。これに対して図19では、オフセット調整回路20は、駆動側増幅信号として、矩形波の同期信号CLKを受けて、オフセット調整信号VOFを生成している。このように駆動側増幅信号は、正弦波であってもよいし、矩形波であってもよい。また例えば駆動信号VDを、駆動側増幅信号としてオフセット調整回路20に入力してもよい。このように、オフセット調整回路20に入力される駆動側増幅信号としては、種々の信号を用いることができる。
図23に本実施形態の検出装置30を含むジャイロセンサ510(広義にはセンサ)と、ジャイロセンサ510を含む電子機器500の構成例を示す。なお電子機器500、ジャイロセンサ510は図23の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。また本実施形態の電子機器500としては、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話機、カーナビゲーションシステム、ロボット、ゲーム機、携帯型情報端末等の種々のものが考えられる。
16、17 検出側振動子、20 オフセット調整回路、21 合成部、
22 位相反転切替回路、24 移相回路、30 検出装置、40 駆動回路、
42 増幅回路、43 I/V変換回路、44 AGC回路、46 2値化回路、
60 検出回路、70 増幅回路、72、74 Q/V変換回路、76 差動増幅回路、
80 感度調整回路、100 同期検波回路、110 フィルタ部、
112 差動増幅回路、500 電子機器、510 ジャイロセンサ、
520 処理部、530 メモリ、540 操作部、550 表示部
Claims (16)
- 駆動信号を出力して物理量トランスデューサを駆動し、前記物理量トランスデューサからフィードバック信号を受ける駆動回路と、
前記物理量トランスデューサから検出信号を受け、前記検出信号から所望信号を検出する検出回路と、
オフセットの調整処理を行うオフセット調整回路とを含み、
前記駆動回路は、
前記物理量トランスデューサからの前記フィードバック信号を増幅する駆動側増幅回路を含み、
前記検出回路は、
前記物理量トランスデューサからの前記検出信号を増幅する検出側増幅回路を含み、
前記オフセット調整回路は、
前記駆動側増幅回路により増幅された後の信号である駆動側増幅信号を前記駆動回路から受け、前記駆動側増幅信号と周波数が同一のオフセット調整信号を、前記検出側増幅回路により増幅された後の信号である検出側増幅信号に対して合成することを特徴とする検出装置。 - 請求項1において、
前記駆動回路の前記駆動側増幅回路は、
前記物理量トランスデューサからの前記フィードバック信号の増幅を行うための電流/電圧変換回路を含み、
前記検出回路の前記検出側増幅回路は、
前記物理量トランスデューサからの前記検出信号の増幅を行うための電荷/電圧変換回路を含み、
前記オフセット調整回路は、
前記電流/電圧変換回路により第1の角度だけ移相された前記駆動側増幅信号を受け、前記電荷/電圧変換回路により第2の角度だけ移相された前記検出側増幅信号に対して前記オフセット調整信号を合成することを特徴とする検出装置。 - 請求項1又は2において、
前記駆動信号の電流ベクトルの方向を実軸の正方向とする複素数平面において、前記検出信号に含まれる不要信号の電圧ベクトルを、前記駆動側増幅信号の電圧ベクトルに平行な軸に投影した成分をオフセット信号の電圧とした場合に、
前記オフセット調整回路は、
前記オフセット信号の電圧に応じた前記オフセット調整信号を前記検出側増幅信号に対して合成することを特徴とする検出装置。 - 請求項3において、
前記オフセット調整回路は、
前記オフセット信号の電圧が正の電圧レベルである場合には、負の電圧レベルの前記オフセット調整信号を前記検出側増幅信号に対して合成し、前記オフセット信号の電圧が負の電圧レベルである場合には、正の電圧レベルの前記オフセット調整信号を前記検出側増幅信号に対して合成することを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至4のいずれかにおいて、
前記オフセット調整回路は、
オフセットの調整データに基づいて、前記駆動側増幅信号に対する前記オフセット調整信号のゲインを制御するゲイン制御回路を含むことを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記オフセット調整回路は、
前記オフセット調整信号の位相の反転、非反転を切り替える位相反転切替回路を含むことを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至6のいずれかにおいて、
前記オフセット調整回路は、
離散時間型フィルタにより構成され、前記オフセット調整信号の位相を変化させる移相回路を含むことを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至7のいずれかにおいて、
前記検出回路は、
前記駆動回路からの同期信号に基づいて同期検波を行う同期検波回路を含み、
前記検出側増幅信号は、前記同期検波回路による同期検波前の信号であり、
前記オフセット調整回路は、
同期検波前の前記検出側増幅信号に対して前記オフセット調整信号を合成することを特徴とする検出装置。 - 請求項8において、
前記同期検波回路は、
前記同期信号に基づいて、ダブルバランス・ミキサ方式で同期検波を行うことを特徴とする検出装置。 - 請求項9において、
前記同期検波回路は、
前記同期信号が第1の電圧レベルとなる第1の期間では、前記増幅回路により増幅された第1の信号に対応する信号を、第1の出力信号として出力し、前記第1の信号の反転信号となる第2の信号に対応する信号を、第2の出力信号として出力し、
前記同期信号が第2の電圧レベルとなる第2の期間では、前記第2の信号に対応する信号を、前記第1の出力信号として出力し、前記第1の信号に対応する信号を、前記第2の出力信号として出力することを特徴とする検出装置。 - 請求項9又は10において、
前記同期検波回路の後段側に設けられるフィルタ部を含み、
前記フィルタ部は、
前記同期検波回路からの第1、第2の出力信号が、第1、第2の差動入力信号として入力される差動増幅回路を含むことを特徴とする検出装置。 - 請求項11において、
前記差動増幅回路は、
前記第1、第2の差動入力信号の差動増幅を行う差動アンプとして動作すると共にローパスフィルタとして動作することを特徴とする検出装置。 - 請求項8乃至12のいずれかにおいて、
前記検出回路は、
前記同期検波回路の前段側に設けられ、ゲインを可変に制御して感度調整を行う感度調整回路を含み、
前記検出側増幅信号は、前記感度調整回路による感度調整前の信号であり、
前記オフセット調整回路は、
感度調整前の前記検出側増幅信号に対して前記オフセット調整信号を合成することを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至13のいずれかにおいて、
前記物理量トランスデューサは振動ジャイロであることを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至14のいずれかに記載の検出装置と、
前記物理量トランスデューサと、
を含むことを特徴とするセンサ。 - 請求項15に記載のセンサと、
前記センサの検出情報に基づいて処理を行う処理部と、
を含むことを特徴とする電子機器。
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