JP2010133767A - 物理量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の物理量の検出結果の品位を保持し、かつ、検出結果を処理するＣＰＵに負荷をかけることなく、検出結果に応じて高い応答性の確保又はノイズ成分の低減のいずれを優先させるかを選択可能な物理量検出装置を提供すること。
【解決手段】物理量検出装置１は、センサー１０及びローパスフィルター２０を含む。センサー１０は、所定の物理量を検出し、検出した物理量の大きさに応じた電圧値の検出信号を出力する。ローパスフィルター２０は、センサー１０の検出信号１０ａに基づいて生成された制御信号５０ａにより、カットオフ周波数を、第１の周波数又は第１の周波数よりも低い第２の周波数に設定可能なＶＣＶＳ型のローパスフィルターとして構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度や加速度等の所定の物理量を検出する物理量検出装置に関する。

従来より、角速度や加速度等の物理量を検出する物理量検出装置が知られており、物理量検出装置の検出信号をホストコンピューターが処理する各種システムが実現されている。この種のシステムとして、例えば、車両の移動距離と移動方向から車両の現在位置を特定して地図上に表示するカーナビゲーションシステムが広く知られている。車両の移動距離は、例えば、車速センサーにより検出された速度を積分することにより計算することができる。一方、車両の移動方向は、例えば、ジャイロセンサーにより検出された角速度を積分することにより計算することができる。

車両の停止時には角速度は０であるので、ジャイロセンサーの検出信号は、理想的には一定の０点電圧の信号になるが実際にはノイズ成分を含むため一定の０点電圧の信号にならない。そのため、ジャイロセンサーの検出信号から得られる角速度を積分すると、移動方向の計算結果にはノイズ成分が積分された相当量の誤差が含まれるため、実際には停止しているのに微小回転しているという計算結果が得られることになる。そこで、ジャイロセンサーの後段にノイズ成分を減衰させるためのローパスフィルターが設けられる。ノイズ成分をできるだけ減衰させるためには、ローパスフィルターのカットオフ周波数をできるだけ低くすればよい。

一方、車両の移動時には、角速度の変量に対する高い応答性が要求される。高い応答速性を実現するためにはローパスフィルターのカットオフ周波数を高くして時定数を低くする必要がある。すなわち、車両の停止時と移動時で相反するローパスフィルターの特性が要求される。この相反する要求を満たすために、特許文献１において、ジャイロセンサーの出力信号をＡ／Ｄ変換したデータから車両が停止しているか移動しているかを判別し、車両が停止している時はデジタルフィルターのカットオフ周波数を低くし、車両が移動している時はデジタルフィルターのカットオフ周波数を高くするジャイロ装置が提案されている。
特開平６−１９４１７０号公報

特許文献１に記載されたジャイロ装置では、デジタルフィルターによりローパスフィルターを実現している。デジタルフィルターの処理を固定小数点計算で行えば信号が劣化し、検出結果の品位を保持することが難しい。デジタルフィルターの処理を浮動小数点計算で行えば信号を劣化させないようにできるが、そのようなデジタルフィルターを専用回路で構成すると大規模回路になりコストが増大するため現実的でない。一方、ＣＰＵが浮動小数点計算を行うことによりデジタルフィルターを実現する場合は、ＣＰＵが非常に重いタスクを処理することになり、移動距離や移動方向の計算タスク等の他のタスクの処理が制限されるという問題がある。さらに、デジタルフィルターのカットオフ周波数を切り替えるためにはバッファ段数を変更する必要があるが、カットオフ周波数が低いほど多くのバッファ段数が必要になるので、カットオフ周波数が高い時（車両の移動時）でもカットオフ周波数が低い時（車両の停止時）に必要なバッファ段数分のリソースを確保しておかなければならず、リソースの有効利用の点からも問題がある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、所定の物理量の検出結果の品位を保持し、かつ、検出結果を処理するＣＰＵに負荷をかけることなく、検出結果に応じて高い応答性の確保又はノイズ成分の低減のいずれを優先させるかを選択可能な物理量検出装置を提供することができる。

（１）本発明は、所定の物理量を検出する物理量検出装置であって、前記物理量を検出し、検出した前記物理量の大きさに応じた電圧値の検出信号を出力するセンサーと、前記センサーの前記検出信号に基づいて生成された制御信号により、カットオフ周波数を、第１の周波数又は前記第１の周波数よりも低い第２の周波数に設定可能なＶＣＶＳ型のローパスフィルターと、を含むことを特徴とする。

所定の物理量は、例えば、角速度、加速度、地磁気、圧力等である。

本発明の物理量検出装置によれば、ローパスフィルターのカットオフ周波数を第１の周波数に設定すれば高い応答性の確保を優先させることができ、ローパスフィルターのカットオフ周波数を第２の周波数に設定すればノイズ成分の低減を優先させることができる。

また、本発明の物理量検出装置では、ＶＣＶＳ型のローパスフィルターを使用するので、検出信号はアナログ信号のままノイズ成分を減衰させることができる。従って、本発明の物理量検出装置によれば、検出信号の品位を保持することができるとともに、デジタルフィルターを実現するためにＣＰＵが浮動小数点計算を行う必要がないためＣＰＵに負荷をかけないようにすることができる。

（２）本発明の物理量検出装置において、前記ローパスフィルターは、第１端子が前記センサーの出力端子と接続された第１の抵抗と、第１端子が前記第１の抵抗の第２端子と接続された第２の抵抗と、第１端子が前記第１の抵抗の前記第２端子と接続された第１の容量と、第１端子が前記第２の抵抗の第２端子と接続され、第２端子には基準電圧が供給される第２の容量と、第１端子が前記第２の抵抗の前記第２端子と接続された第３の容量と、非反転入力端子が前記第２の抵抗の前記第２端子と接続され、反転入力端子には出力端子が接続され、前記出力端子が前記第１の容量の第２端子と接続された差動増幅器と、第１端子が前記第３の容量の第２端子と接続され、第２端子には前記基準電圧が供給されるスイッチ回路と、を含む２次のローパスフィルターとして構成され、前記制御信号により、前記スイッチ回路の前記第１端子と前記第２端子を電気的に遮断又は接続することにより、カットオフ周波数が前記第１の周波数又は前記第２の周波数に設定されるようにしてもよい。

（３）本発明の物理量検出装置において、前記差動増幅器は、ゲインが１であるようにしてもよい。

（４）本発明の物理量検出装置において、前記スイッチ回路は、ドレイン端子又はソース端子がそれぞれ前記第１端子又は前記第２端子と接続され、ゲート端子に前記制御信号が供給されるＭＯＳＦＥＴを含むようにしてもよい。

（５）本発明の物理量検出装置は、前記センサーの前記検出信号に基づいて前記センサーが検出した前記物理量が閾値より大きいか又は小さいかを判別し、前記センサーが検出した前記物理量が前記閾値より大きい場合は前記ローパスフィルターのカットオフ周波数を前記第１の周波数に設定し、前記センサーが検出した前記物理量が前記閾値より小さい場合は前記ローパスフィルターのカットオフ周波数を前記第２の周波数に設定する前記制御信号を生成するカットオフ周波数設定部を含むようにしてもよい。

（６）本発明の物理量検出装置において、前記カットオフ周波数設定部は、前記閾値を可変に設定可能であるようにしてもよい。

（７）本発明の物理量検出装置は、前記ローパスフィルターの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部を含み、前記カットオフ周波数設定部は、前記デジタル信号に基づいて、前記センサーが検出した前記物理量が前記閾値より大きいか又は小さいかを判別するようにしてもよい。

（８）本発明の物理量検出装置において、前記制御信号は、外部から供給されるようにしてもよい。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．第１実施形態の物理量検出装置
１−１．物理量検出装置の全体構成
図１は、第１実施形態の物理量検出装置の構成を示す図である。

第１実施形態の物理量検出装置１は、センサー１０、ローパスフィルター２０、ＡＤ変換部３０、外部インターフェース部４０、カットオフ周波数設定部５０を含んで構成されている。

センサー１０は、角速度や加速度等の所定の物理量を検出する。センサー１０が物理量を検出していない時は、理想的には一定の電圧Ｖ_０（以下、「０点電圧」という）の検出信号１０ａが出力される。例えば、センサー１０がジャイロセンサーであれば、センサー１０が角速度を検出していない時の検出信号１０ａは０点電圧Ｖ_０の信号である。また、例えば、センサー１０が加速度センサーであれば、センサー１０が加速度を検出していない時の検出信号１０ａは０点電圧Ｖ_０の信号である。しかし、実際には、図２（Ａ）に示すように、センサー１０が物理量を検出していない時はノイズ成分が重畳された検出信号１０ａが出力される。

一方、センサー１０が物理量を検出している時は、検出信号１０ａの０点電圧を基準とする電圧値が、検出した物理量に応じて変化する。図２（Ｂ）は、物理量の大きさ及び極性を１／ｆの周期で徐々に変化させた時の検出信号１０ａを示している。例えば、センサー１０がジャイロセンサーであれば、検出信号１０ａの０点電圧を基準とする電圧値は、検出した角速度の大きさに応じて変化し、順方向（例えば、センサーの検出軸に対して時計回り）の角速度に対しては０点電圧よりも高く、逆方向（例えば、センサーの検出軸に対して反時計回り）の角速度に対しては０点電圧よりも低くなる。また、例えば、センサー１０が加速度センサーであれば、検出信号１０ａの０点電圧を基準とする電圧値は、検出した加速度の大きさに応じて変化し、順方向（例えば、センサーの検出軸方向）の加速度に対しては０点電圧よりも高く、逆方向（例えば、センサーの検出軸と反対方向）の加速度に対しては０点電圧よりも低くなる。

図１において、ローパスフィルター２０は、Ａ／Ｄ変換部３０の前段に配置され、アンチエリアスフィルタとして機能する。すなわち、ローパスフィルター２０は、検出信号１０ａに含まれ、Ａ／Ｄ変換部３０のサンプリングにより帯域内に折り返すノイズ成分を所定レベル以下に減衰させた信号２０ａを生成する。

Ａ／Ｄ変換部３０は、ローパスフィルター２０の出力信号２０ａを所定ビット数のデジタル信号３０ａに変換する。

外部インターフェース部４０は、所定ビット数のデジタル信号３０ａをシリアルデータに変換した信号４０ａをホストコンピューター２に送信する。ホストコンピューター２は、シリアルデータ信号４０ａに基づいて、所定の処理を行う。例えば、センサー１０が角速度センサーである場合、ホストコンピューター２は、シリアルデータ信号４０ａに基づいてセンサー１０が検出した角速度を計算し、さらに角速度を積分計算することにより回転角を取得し、センサー１０が取り付けられた物体の位置や姿勢の情報をモニター（図示せず）に表示する処理を行う。

カットオフ周波数設定部５０は、ローパスフィルター２０の出力信号２０ａに基づいて、ローパスフィルター２０のカットオフ周波数をｆ_ｃ１（本発明における第１の周波数に相当する）又はｆ_ｃ２（本発明における第２の周波数に相当する）のいずれかに設定する制御信号５０ａを生成する。

前記の通り、センサー１０が物理量を検出していない時は、図２（Ａ）に示すようなノイズ成分が重畳された検出信号１０ａが出力される。このノイズ成分を含んだ検出信号１０ａが変換されたシリアルデータ信号４０ａがホストコンピューター２に送信されると、ホストコンピューター２は微小な物理量が検出されたと判断して誤った処理を行う可能性がある。従って、センサー１０が物理量を検出していない時は、シリアルデータ信号４０ａにはできるだけノイズデータが含まれないようにする必要がある。

一方、センサー１０が物理量を検出している時は、検出信号１０ａは、センサー１０の感度を満たす範囲でシステムに要求される最高周波数（以下、「応答周波数」という）ｆ_ｒを上限とする信号成分を含む必要がある。さらに、ホストコンピューター２は検出量の変化に対して速やかに応答して処理することが望まれるため、センサー１０が検出信号１０ａを出力してからシリアルデータ信号４０ａが出力されるまでの時間をできるだけ短くして物理量検出装置１の応答性を高くする必要がある。

そこで、本実施形態におけるカットオフ周波数設定部５０は、センサー１０の検出信号１０ａに基づいてセンサー１０が検出した物理量が閾値より大きいか又は小さいかを判別し、センサー１０が検出した物理量が閾値より大きい場合はローパスフィルター１０のカットオフ周波数を応答周波数ｆ_ｒよりも十分高い周波数ｆ_ｃ１に設定し、センサー１０が検出した物理量が閾値より小さい場合はローパスフィルター２０のカットオフ周波数をＤＣ付近の十分低い周波数ｆ_ｃ２に設定する制御信号５０ａを生成する。

ローパスフィルター２０のカットオフ周波数をＤＣ付近の十分低い周波数ｆ_ｃ２に設定することにより、検出信号１０ａに含まれるノイズ成分を大幅に低減させることができる。逆に、ローパスフィルター２０のカットオフ周波数を応答周波数ｆ_ｒよりも十分高い周波数ｆ_ｃ１に設定することにより、ローパスフィルター２０の時定数が小さくなり、センサー１０が検出信号１０ａを出力してからシリアルデータ信号４０ａが出力されるまでの時間を短くすることができる。

１−２．ローパスフィルターの構成
図３は、本実施形態におけるローパスフィルターの構成例を示す図である。

本実施形態におけるローパスフィルター２０は、抵抗値Ｒ_１の抵抗２１（本発明における第１の抵抗に相当する）、抵抗値Ｒ_２の抵抗２２（本発明における第２の抵抗に相当する）、容量値Ｃ_１のコンデンサー２３（本発明における第１の容量に相当する）、容量値Ｃ_２のコンデンサー２４（本発明における第２の容量に相当する）、差動増幅器２５、容量値Ｃ_０のコンデンサー２６、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）２７、抵抗２８を含んで構成されたＶＣＶＳ（V oltage Controlled Voltage Source）型の２次のローパスフィルターである。

入力端子Ｉ_１は、センサー１０の出力端子と接続されており、検出信号１０ａが供給される。入力端子Ｉ_１には抵抗２１の第１端子が接続されている。

入力端子Ｉ_２は、カットオフ周波数設定部５０の出力端子と接続されており、制御信号５０ａが供給される。入力端子Ｉ_２には抵抗２８の第１端子が接続されている。

抵抗２１の第２端子、抵抗２２の第１端子及びコンデンサー２３の第１端子が互いに接続されている。また、抵抗２２の第２端子、コンデンサー２４の第１端子、差動増幅器２５の非反転入力端子（＋入力端子）及びコンデンサー２６の第１端子が互いに接続されている。また、コンデンサー２６の第２端子とＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７のドレイン端子が接続されている。また、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７のゲート端子と抵抗２８の第２端子が接続されている。コンデンサー２４の第２端子及びＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７のソース端子には基準電圧Ｖ_ｒｅｆが供給される。

出力端子Ｏ_１にはコンデンサー２３の第２端子、差動増幅器２５の反転入力端子（−入力端子）及び差動増幅器２５の出力端子が接続されており、出力端子Ｏ_１から信号２０ａが出力される。

Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７及び抵抗２８により構成される回路は、本発明におけるスイッチ回路として機能し、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７は、抵抗２８を介してゲート端子に供給される制御信号５０ａによりオン又はオフする。Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７は多少の逆バイアスがかかってもスイッチとして機能できるので、スイッチ回路の構成素子としてバイポーラトランジスターを使用するよりも有利である。

Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオフの時はコンデンサー２６の第２端子がフローティングになる。従って、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオフの時のローパスフィルター２０のカットオフ周波数ｆ_ｃ１及びＱファクターＱ_１は、差動増幅器２５のゲインをＫとすると、それぞれ次の式（１）及び式（２）で表される。

一方、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオンの時はコンデンサー２６の第２端子には基準電圧Ｖ_ｒｅｆが供給される。その結果、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７のオン抵抗が無視できるほど小さいとすると、差動増幅器２５の非反転入力端子（＋入力端子）と基準電圧Ｖ_ｒｅｆの間に容量値Ｃ_２＋Ｃ_０のコンデンサーが接続されているのと等価になる。従って、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオンの時のローパスフィルター２０のカットオフ周波数ｆ_ｃ２及びＱファクターＱ_２は、それぞれ式（１）及び式（２）におけるＣ_２をＣ_２＋Ｃ_０に置き換えた次の式（３）及び式（４）で表される。

ここで、差動増幅器２５のゲインＫを１とすると、式（２）及び式（４）より次の式（５）及び式（６）が得られる。

式（１）と式（３）を比較すると、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオンの時のカットオフ周波数ｆ_ｃ２は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオフの時のカットオフ周波数ｆ_ｃ１よりも低い。

また、式（５）と式（６）を比較すると、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオンの時のＱファクターＱ_２は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオフの時のＱファクターＱ_１よりも低い。すなわち、図３に示したＶＣＶＳ型の２次のローパスフィルター２０において、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７をオフからオンにすることによってカットオフ周波数がｆ_ｃ１からｆ_ｃ２に下がると、ＱファクターもＱ_１からＱ_２に下がる。

図４は、本実施形態におけるローパスフィルタの周波数特性の一例を示す図である。図４において、差動増幅器２５のゲインＫは１である。

Ｇ１は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオフの時のローパスフィルター２０の周波数特性を示しており、カットオフ周波数ｆ_ｃ１及びＱファクターＱ_１は、それぞれ式（１）及び式（５）で与えられる。周波数特性がＧ１であれば、ローパスフィルター２０のカットオフ周波数ｆ_ｃ１は応答周波数ｆ_ｒよりも十分高く時定数が小さい。そのため、物理量検出装置１は、高い応答性を実現することができる。

一方、Ｇ２は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオンの時のローパスフィルター２０の周波数特性を示しており、カットオフ周波数ｆ_ｃ２及びＱファクターＱ_２は、それぞれ式（３）及び式（６）で与えられる。周波数特性がＧ２であれば、ローパスフィルター２０は、ＤＣ付近の周波数の信号のみを減衰させずに通過させることができる。従って、センサー１０の検出信号１０ａに重畳されたノイズ成分は、ローパスフィルター２０によって大幅に減衰する。そのため、シリアルデータ信号４０ａにはノイズデータがほとんど含まれなくなるので、ホストコンピュータ２が実際には物理量が検出されていないのに微小な物理量が検出されたと判断して誤った処理を行うことを防止することができる。

前記の通り、本実施形態では、カットオフ周波数がｆ_ｃ１からｆ_ｃ２に下がるとＱファクターもＱ_１からＱ_２に下がる関係がある。仮に、カットオフ周波数がｆ_ｃ１からｆ_ｃ２に下がってもＱファクターがＱ_１のまま変化しないとすると、ローパスフィルター２０の周波数特性はＧ３のようになる。また、仮に、カットオフ周波数がｆ_ｃ１からｆ_ｃ２に下がるとＱファクターがＱ_１よりも高くなるとすると、ローパスフィルター２０の周波数特性はＧ４のようになる。本実施形態では、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオンの時のローパスフィルター２０の周波数特性がＧ２なので、周波数特性がＧ３やＧ４の場合と比較して、ｆ_ｃ２より低い周波数のノイズ成分をより減衰させる効果がある。

１−３．カットオフ周波数設定部の構成
図５は、本実施形態におけるカットオフ周波数設定部の構成例を示す図である。

本実施形態におけるカットオフ周波数設定部５０は、整流回路６０、平滑回路７０及び比較回路８０を含んで構成されている。

本実施形態における整流回路６０は、抵抗６１、抵抗６２、抵抗６３、差動増幅器６４、ダイオード６５、ダイオード６６及び抵抗６７を含んで構成されている。

抵抗６１の第１端子及び抵抗６２の第１端子は、入力端子Ｉ_１と接続されている。入力端子Ｉ_１は図３に示したローパスフィルター２０の出力端子Ｏ_１と接続されており、入力端子Ｉ_１にはローパスフィルター２０の出力信号２０ａが供給される。

抵抗６１と抵抗６３の抵抗値は等しく、抵抗６１の第２端子、抵抗６３の第１端子及び差動増幅器６４の非反転入力端子（＋入力端子）が互いに接続されている。また、抵抗６３の第２端子と差動増幅器６４の出力端子が接続されている。また、抵抗６２の第２端子、差動増幅器６４の反転入力端子（−入力端子）及びダイオード６５のアノード端子が互いに接続されている。また、ダイオード６５のカソード端子、ダイオード６６のカソード端子及び抵抗６７の第１端子が互いに接続され、ダイオード６６のアノード端子には基準電圧Ｖ_ｒｅｆが供給される。抵抗６７の第２端子は接地されている。

ダイオード６６には順方向の電流が流れるので、ｐｎ接合の順方向降下電圧をＶ_ｄとすると、ダイオード６６のカソード端子の電圧はＶ_ｒｅｆ−Ｖ_ｄになる。従って、ダイオード６５のカソード端子の電圧もＶ_ｒｅｆ−Ｖ_ｄになる。

入力端子Ｉ_１の電圧Ｖ_ｉｎが基準電圧Ｖ_ｒｅｆよりも高い時、すなわち、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｒｅｆ＋ΔＶの時はダイオード６５に順方向の電流が流れるので、ダイオード６５のアノード端子の電圧はＶ_ｒｅｆになる。従って、差動増幅器６４の反転入力端子（−入力端子）及び非反転入力端子（＋入力端子）の電圧もともにＶ_ｒｅｆになる。そうすると、抵抗６１と抵抗６３の抵抗値が等しいので、差動増幅器６４の出力端子の電圧はＶ_ｒｅｆ−ΔＶ、すなわち、入力端子Ｉ_１の電圧Ｖ_ｉｎ（＝Ｖ_ｒｅｆ＋ΔＶ）を基準電圧Ｖ_ｒｅｆに対して折り返した電圧になる。

一方、入力端子Ｉ_１の電圧が基準電圧Ｖ_ｒｅｆよりも低い時、すなわち、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｒｅｆ−ΔＶの時はダイオード６５に電流が流れないので、ダイオード６５のアノード端子の電圧は入力端子Ｉ_１の電圧Ｖ_ｉｎ（＝Ｖ_ｒｅｆ−ΔＶ）と等しくなる。従って、差動増幅器６４の反転入力端子（−入力端子）及び非反転入力端子（＋入力端子）の電圧もともにＶ_ｉｎ（＝Ｖ_ｒｅｆ−ΔＶ）になる。そのため、差動増幅器６４の出力端子の電圧は入力端子Ｉ_１の電圧Ｖ_ｉｎ（＝Ｖ_ｒｅｆ−ΔＶ）と等しくなる。

すなわち、整流回路６０は、入力端子Ｉ_１に供給されるローパスフィルター２０の出力信号２０ａを基準電圧Ｖ_ｒｅｆよりも低い電圧の信号に整流する。

本実施形態における平滑回路７０は、抵抗７１及びコンデンサー７２を含んで構成されている。抵抗７１の第１端子は差動増幅器６４の出力端子と接続されており、抵抗７１の第２端子とコンデンサー７２の第１端子が接続され、コンデンサー７２の第２端子は接地されている。すなわち、抵抗７１とコンデンサー７２による積分回路が構成されており、従って、整流回路６０の出力信号６０ａは、平滑回路７０により平滑されて信号７０ａになる。

本実施形態における比較回路８０は、差動増幅器８１及び可変抵抗８２を含んで構成されている。差動増幅器８１の非反転入力端子（＋入力端子）は抵抗７１の第２端子及びコンデンサー７２の第１端子と接続されており、差動増幅器８１の出力端子は出力端子Ｏ_１と接続されている。可変抵抗８２は、例えば、電源とグランドの間に複数の抵抗が直列接続された回路で実現することができ、選択信号（図示せず）に従い差動増幅器８１の反転入力端子（−入力端子）が各抵抗の間のタップのいずれかと接続される。

差動増幅器８１は、非反転入力端子（＋入力端子）の電圧が反転入力端子（−入力端子）の電圧よりも高い時は出力端子にハイレベルの電圧を出力し、非反転入力端子（＋入力端子）の電圧が反転入力端子（−入力端子）よりも低い時は出力端子にローレベルの電圧を出力する。差動増幅器８１の反転入力端子（−入力端子）には、選択信号に従って電源電圧が抵抗分圧された電圧が閾値電圧Ｖ_ｔｈとして供給され、平滑回路７０の出力信号７０ａの電圧レベルが閾値電圧Ｖ_ｔｈと比較される。本実施形態では、可変抵抗８２の抵抗値を変更することによって閾値電圧Ｖ_ｔｈを変更することができる。

出力端子Ｏ_１は図３に示したローパスフィルター２０の入力端子Ｉ_２と接続されており、出力端子Ｏ_１から出力される信号８０ａが図１における制御信号５０ａになる。

１−４．物理量検出装置の動作
図６（Ａ）〜図６（Ｅ）は、センサー１０の検出信号１０ａ、ローパスフィルター２０の出力信号２０ａ、整流回路６０の出力信号６０ａ、平滑回路７０の出力信号７０ａ、比較回路８０の出力信号８０ａの各波形の一例を示す図である。

図６（Ａ）〜図６（Ｅ）において、物理量検出装置１には、時刻Ｔ_１以前は物理量が加えられず、時刻Ｔ_１以降は物理量検出装置１に加えられる物理量の大きさ及び極性が応答周波数ｆ_ｒで周期的に変化しているものとする。

時刻Ｔ_１以前において、センサー１０は物理量を検出していないため、図６（Ａ）に示すように、センサー１０の検出信号１０ａにはノイズ成分が含まれている。ローパスフィルター２０のカットオフ周波数はｆ_ｃ２であり周波数特性は図４に示したＧ２になっているので、検出信号１０ａに含まれるノイズ成分はローパスフィルター２０によって減衰される。従って、図６（Ｂ）に示すように、ローパスフィルター２０の出力信号２０ａは一定電圧Ｖ_ｒｅｆの信号になっている。従って、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）に示すように、整流回路６０の出力信号６０ａ及び平滑回路７０の出力信号７０ａも一定電圧Ｖ_ｒｅｆの信号になっている。そして、図６（Ｄ）に示すように、平滑回路７０の出力信号７０ａの電圧Ｖ_ｒｅｆが閾値電圧Ｖ_ｔｈよりも高いので、図６（Ｅ）に示すように、比較回路８０の出力信号８０ａは一定電圧Ｖ_Ｈ（ハイレベル）の信号になっている。

時刻Ｔ_１においてセンサー１０が物理量を最初に検出すると、図６（Ａ）に示すように、センサー１０は、時刻Ｔ_１以降、０点電圧Ｖ_０を中心として振幅２Ｖ_１、周波数ｆ_ｒの検出信号１０ａを出力する。周波数ｆ_ｒは周波数特性Ｇ２の減衰域に含まれるので、ローパスフィルター２０は、図６（Ｂ）に示すように、Ｖ_ｒｅｆを中心として振幅２Ｖ_２、周波数ｆ_ｒの出力信号２０ａを出力する。従って、時刻Ｔ_１〜Ｔ_３において、整流回路６０の出力信号６０ａ及び平滑回路７０の出力信号７０ａは、それぞれ図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）に示すような信号になる。図６（Ｄ）に示すように、時刻Ｔ_１とＴ_２の間で平滑回路７０の出力信号７０ａの電圧Ｖ_ｒｅｆが閾値電圧Ｖ_ｔｈより低くなるので、図６（Ｅ）に示すように、時刻Ｔ_２あたりで比較回路８０の出力信号８０ａは一定電圧Ｖ_Ｌ（ローレベル）の信号になる。

時刻Ｔ_２において比較回路８０の出力信号８０ａ、すなわち、制御信号５０ａが一定電圧Ｖ_Ｌ（ローレベル）の信号になると、ローパスフィルター２０のカットオフ周波数がｆ_ｃ２からｆ_ｃ１に切り替わり周波数特性が図４に示したＧ１に変更される。周波数ｆ_ｒは周波数特性Ｇ１の通過域に含まれるので、ローパスフィルター２０の出力信号２０ａの振幅はセンサー１０の検出信号１０ａの振幅とほぼ同じになる。すなわち、図６（Ｂ）に示すように、ローパスフィルター２０は、時刻Ｔ_３以降、Ｖ_ｒｅｆを中心として振幅２Ｖ_１、周波数ｆ_ｒの出力信号２０ａを出力する。従って、時刻Ｔ_３以降、整流回路６０の出力信号６０ａ及び平滑回路７０の出力信号７０ａは、それぞれ図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）に示すような信号になる。図６（Ｄ）に示すように、時刻Ｔ_３以降も平滑回路７０の出力信号７０ａの電圧Ｖ_ｒｅｆが閾値電圧Ｖ_ｔｈより低くなるので、図６（Ｅ）に示すように、比較回路８０の出力信号８０ａは一定電圧Ｖ_Ｌ（ローレベル）であり、ローパスフィルター２０のカットオフ周波数はｆ_ｃ１のまま変更されない。

１−５．第１実施形態の効果
第１実施形態の物理量検出装置１では、カットオフ周波数設定部５０は、ローパスフィルター２０の出力信号２０ａを整流、平滑した信号７０ａの電圧レベルを比較回路８０により閾値電圧Ｖ_ｔｈと比較することにより制御信号５０ａを生成する。従って、閾値電圧Ｖ_ｔｈが適切に調整されていれば、制御信号５０ａはセンサー１０が物理量を検出しているか否かに対応してハイレベル又はローレベルになる。そして、ローパスフィルター２０のカットオフ周波数は、制御信号５０ａによりＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７をオフ又はオンすることにより、それぞれ応答周波数ｆ_ｒよりも十分高い周波数ｆ_ｃ１又はＤＣ付近の十分低い周波数ｆ_ｃ２に設定される。すなわち、本実施形態の物理量検出装置１によれば、センサー１０により物理量が検出されている時はローパスフィルター２０のカットオフ周波数がｆ_ｃ１に設定されるため高い応答性の確保を優先させることができ、センサー１０により物理量が検出されていない時はローパスフィルター２０のカットオフ周波数がｆ_ｃ２に設定されるため検出信号１０ａに含まれるノイズ成分の低減を優先させることができる。

また、第１実施形態では、ローパスフィルター２０は、ＶＣＶＳ型の２次のローパスフィルターとして構成されており、かつ、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ２７がオンするとコンデンサー２４とコンデンサー２６が並列接続されるように構成されている。そのため、差動増幅器２５のゲインＫを１にすれば、カットオフ周波数がｆ_ｃ２の時のＱファクターＱ_２が、カットオフ周波数がｆ_ｃ１の時のＱファクターＱ_１よりも小さくなる。従って、第１実施形態の物理量検出装置１によれば、センサー１０により物理量が検出されていない時は検出信号１０ａに含まれるノイズ成分の低減効果をより大きくすることができる。

さらに、第１実施形態の物理量検出装置１によれば、カットオフ周波数設定部５０の比較回路８０における閾値電圧Ｖ_ｔｈが変更可能であるので、サンプル毎に閾値電圧Ｖ_ｔｈを調整することにより、ローパスフィルター２０のカットオフ周波数の切り替えタイミングのサンプル間ばらつきを小さくすることができる。

２．第２実施形態の物理量検出装置
図７は、第２実施形態の物理量検出装置の構成を示す図である。

第２実施形態の物理量検出装置１では、カットオフ周波数設定部５０は、Ａ／Ｄ変換部３０が出力するデジタル信号３０ａに基づいて制御信号５０ａを生成する。

より具体的には、カットオフ周波数設定部５０は、Ａ／Ｄ変換部３０が出力するデジタル信号３０ａをデコードした一定時間のデータを、ＲＯＭ等の記憶部９０に記憶されている比較データ９０ａと照合し、センサー１０が検出した物理量が閾値より大きいか又は小さいかを判別する。そして、カットオフ周波数設定部５０は、センサー１０が検出した物理量が閾値より大きい場合は、制御信号５０ａをローレベルにしてローパスフィルター２０のカットオフ周波数をｆ_ｃ１に設定し、センサー１０が検出した物理量が閾値より小さい場合は、制御信号５０ａをハイレベルにしてローパスフィルター２０のカットオフ周波数をｆ_ｃ２に設定する。

カットオフ周波数設定部５０は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭ等に記憶されたプログラムを実行することにより実現することができる。

第２実施形態の物理量検出装置１によれば、一定時間のデータの推移に基づいて、ローパスフィルター２０のカットオフ周波数の切り替えをより詳細に制御することができる。

３．第３実施形態の物理量検出装置
図８は、第３実施形態の物理量検出装置の構成を示す図である。

第３実施形態の物理量検出装置１は、第２実施形態と異なり、Ａ／Ｄ変換部３０、外部インターフェース部４０及びカットオフ周波数設定部５０を含んでいない。物理量検出装置１のローパスフィルター２０の出力端子に接続されたマイクロコンピューター３に含まれるＡ／Ｄ変換回路３３０、外部インターフェース回路３４０、ＣＰＵ３５０及びＲＯＭ３９０が、それぞれ第２実施形態におけるＡ／Ｄ変換部３０、外部インターフェース部４０、カットオフ周波数設定部（ＣＰＵ）５０及び記憶部９０と同じ機能をする。

従って、第３実施形態の物理量検出装置１は、外部から供給された制御信号５０ａに基づいて、ローパスフィルター２０のカットオフ周波数を切り替える。

第３実施形態の物理量検出装置１によれば、制御信号５０が物理量検出装置１の外部から供給されるので、ローパスフィルター２０のカットオフ周波数の切り替え論理を簡単に変更することができる。

なお、角速度を検出する第１実施形態〜第３実施形態の物理量検出装置（角速度検出装置）は、デジタルカメラ、携帯電話機、携帯型情報端末、カーナビゲーションシステム、移動体やロボットの姿勢検出、姿勢制御を行う装置、バーチャルリアリティー等に使用されるヘッドマウントディスプレイ、頭の姿勢角度を検出するトラッカー、３Ｄゲームパッド等を使用するゲーム機等の種々の電子機器に組み込むことができる。

なお、本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

第１実施形態の物理量検出装置の構成を示す図。 本実施形態におけるセンサーの検出信号の一例を示す図。 本実施形態におけるローパスフィルターの構成例を示す図。 本実施形態におけるローパスフィルタの周波数特性の一例を示す図。 本実施形態におけるカットオフ周波数設定部の構成例を示す図。 本実施形態におけるカットオフ周波数設定部の各ノードにおける信号波形の一例を示す図。 第２実施形態の物理量検出装置の構成を示す図。 第３実施形態の物理量検出装置の構成を示す図。

符号の説明

１ 物理量検出装置、２ ホストコンピューター、３ マイクロコンピューター、１０ センサー、１０ａ 検出信号、２０ ローパスフィルター、２０ａ ローパスフィルターの出力信号、２１ 抵抗、２２ 抵抗、２３ コンデンサー、２４ コンデンサー、２５ 差動増幅器、２６ コンデンサー、２７ Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ、２８ 抵抗、３０ Ａ／Ｄ変換部、３０ａ Ａ／Ｄ変換部の出力信号、４０ 外部インターフェース部、４０ａ シリアルデータ信号、５０ カットオフ周波数設定部、５０ａ 制御信号、６０ 整流回路、６０ａ 整流回路の出力信号、６１ 抵抗、６２ 抵抗、６３ 抵抗、６４ 差動増幅器、６５ ダイオード、６６ ダイオード、６７ 抵抗、７０ 平滑回路、７０ａ 平滑回路の出力信号、７１ 抵抗、７２ コンデンサー、８０ 比較回路、８０ａ 比較回路の出力信号、８１ 差動増幅器、８２ 可変抵抗、９０ 記憶部、９０ａ 比較データ、３３０ Ａ／Ｄ変換回路、３４０ 外部インターフェース回路、３５０ ＣＰＵ、３９０ ＲＯＭ

Claims (8)

1. 所定の物理量を検出する物理量検出装置であって、
   前記物理量を検出し、検出した前記物理量の大きさに応じた電圧値の検出信号を出力するセンサーと、
   前記センサーの前記検出信号に基づいて生成された制御信号により、カットオフ周波数を、第１の周波数又は前記第１の周波数よりも低い第２の周波数に設定可能なＶＣＶＳ型のローパスフィルターと、を含むことを特徴とする物理量検出装置。
2. 請求項１において、
   前記ローパスフィルターは、
   第１端子が前記センサーの出力端子と接続された第１の抵抗と、第１端子が前記第１の抵抗の第２端子と接続された第２の抵抗と、第１端子が前記第１の抵抗の前記第２端子と接続された第１の容量と、第１端子が前記第２の抵抗の第２端子と接続され、第２端子には基準電圧が供給される第２の容量と、第１端子が前記第２の抵抗の前記第２端子と接続された第３の容量と、非反転入力端子が前記第２の抵抗の前記第２端子と接続され、反転入力端子には出力端子が接続され、前記出力端子が前記第１の容量の第２端子と接続された差動増幅器と、第１端子が前記第３の容量の第２端子と接続され、第２端子には前記基準電圧が供給されるスイッチ回路と、を含む２次のローパスフィルターとして構成され、前記制御信号により、前記スイッチ回路の前記第１端子と前記第２端子を電気的に遮断又は接続することにより、カットオフ周波数が前記第１の周波数又は前記第２の周波数に設定されることを特徴とする物理量検出装置。
3. 請求項２において、
   前記差動増幅器は、ゲインが１であることを特徴とする物理量検出装置。
4. 請求項２又は３において、
   前記スイッチ回路は、
   ドレイン端子又はソース端子がそれぞれ前記第１端子又は前記第２端子と接続され、ゲート端子に前記制御信号が供給されるＭＯＳＦＥＴを含むことを特徴とする物理量検出装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記センサーの前記検出信号に基づいて前記センサーが検出した前記物理量が閾値より大きいか又は小さいかを判別し、前記センサーが検出した前記物理量が前記閾値より大きい場合は前記ローパスフィルターのカットオフ周波数を前記第１の周波数に設定し、前記センサーが検出した前記物理量が前記閾値より小さい場合は前記ローパスフィルターのカットオフ周波数を前記第２の周波数に設定する前記制御信号を生成するカットオフ周波数設定部を含むことを特徴とする物理量検出装置。
6. 請求項５において、
   前記カットオフ周波数設定部は、
   前記閾値を可変に設定可能であることを特徴とする物理量検出装置。
7. 請求項５又は６において、
   前記ローパスフィルターの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部を含み、
   前記カットオフ周波数設定部は、
   前記デジタル信号に基づいて、前記センサーが検出した前記物理量が前記閾値より大きいか又は小さいかを判別することを特徴とする物理量検出装置。
8. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記制御信号は、外部から供給されることを特徴とする物理量検出装置。

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