JP2010237137A

JP2010237137A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2010237137A
Application number: JP2009087346A
Authority: JP
Inventors: Takatomi Sakakibara; 貴富榊原
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】音叉型振動子からなる角速度センサの検出感度を安定化する。
【解決手段】角速度検出素子０と、当該角速度検出素子０に与えられた角速度を検出する角速度検出回路部１とで角速度センサを構成する、角速度検出回路部１は、角速度検出素子０から得られるモニタ信号を用いて当該角速度検出素子０から得られるセンス信号のノイズ成分をキャンセルするノイズキャンセル回路３０を備える。このノイズキャンセル回路３０中の振幅調整回路４にて、加算切り替え用アナログスイッチを構成するＮＭＯＳＦＥＴとＰＭＯＳＦＥＴとの各々の基板電位をソース又はＧＮＤ・電源に切り替えるスイッチ回路を設け、アナログスイッチがオンの場合には基板電位を信号ラインに、オフの場合には電源・ＧＮＤにそれぞれ切り替えることで、当該アナログスイッチのオン抵抗増加を抑える。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機、船舶、車両、ロボット等の移動体の姿勢制御、ナビゲーション等に用いる角速度センサに関するものである。

被測定物に角速度検出素子として圧電素子を取り付け、この圧電素子に働くコリオリ力を測定することで、被測定物に発生した角速度を検出するように構成された角速度センサが知られている。具体的には、角速度検出素子と、当該角速度検出素子をドライブ信号で駆動して当該角速度検出素子に与えられた角速度成分を検出する角速度検出回路部とを備えた角速度センサであって、角速度検出回路部は、モニタ部とセンス部とにそれぞれ入力される電荷を電圧に変換する増幅器と、モニタ信号の位相を調整する位相調整回路と、モニタ信号の振幅を調整する振幅調整回路と、センス信号とモニタ信号とを加算する加算回路と、モニタ信号からクロック信号を生成するクロック生成器と、クロック信号を基準信号として加算回路の出力信号を切り替えて検波する検波回路と、当該検波回路の出力信号をＤＣ成分に変換する平滑回路とを備えたものである（特許文献１参照）。
特開２００５−２３３８１１号公報

センス信号側からのノイズ成分は、角速度検出素子毎に振幅が異なり、またモニタ信号に対し、増幅器に入力するセンス信号の極性もランダムである。モニタ信号を用いてノイズ成分をキャンセルする際、モニタ信号の振幅を振幅調整回路で調整し、位相が反転しているセンス信号側に加算する。その際、入力電圧が変動したり、電源電圧又は制御信号電圧が下がったりすると、基準電位付近で加算回路の出力波形が歪み、検出感度が変動する課題があった。

電源電圧又は制御信号電圧が下がると、基準電位付近にてＭＯＳＦＥＴのバックゲート効果により、アナログスイッチを構成しているＮＭＯＳＦＥＴとＰＭＯＳＦＥＴとが共に十分にはオンできなくなり、当該アナログスイッチのオン抵抗（インピーダンス）が増加することが、加算回路の出力波形に歪みが発生する要因である。

本発明の目的は、角速度センサ中のアナログスイッチのインピーダンス増加を抑制し、以て角速度成分の検出感度を安定化することにある。

本発明によれば、振幅調整回路のアナログスイッチを構成しているＮＭＯＳＦＥＴ及びＰＭＯＳＦＥＴの基板電位を入力電圧と等しくすることにより、どちらのＭＯＳＦＥＴのバックゲート効果も抑制し、入力電圧の変動があった場合や、電源電圧又は制御信号電圧が下がってきた場合でのアナログスイッチのオン抵抗の変動を抑制する。

本発明の角速度センサによれば、アナログスイッチの基板電位を切り替えることにより、ＭＯＳＦＥＴのバックゲート効果低減で、アナログスイッチのオン抵抗増加を低減し、オン抵抗増加によるゲイン変動をなくすことが可能になり、電源電圧又は制御信号電圧の低下による加算後の振幅歪みが改善でき、角速度成分の検出感度を安定化することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら、具体的に説明する。

図１は、本発明に係る角速度センサの構成例を示している。図１に示す角速度センサは、角速度検出素子０と、角速度検出回路部１とから構成される。角速度検出素子０は、例えば圧電素子からなる音叉型振動子で構成されている。角速度検出回路部１は、角速度検出素子０をドライブ信号で駆動し、角速度検出素子０に与えられた角速度に応じて当該角速度検出素子０から得られるモニタ電荷信号及びセンス電荷信号をもとに角速度を検出する回路であって、モニタ側増幅器２と、センス側増幅器３Ａ，３Ｂと、振幅調整回路４と、位相調整回路５と、加算回路６と、検波回路７と、クロック生成器８と、平滑回路９とから構成されている。位相調整回路５の出力は、不図示のＡＧＣ回路を介してドライブ信号となって角速度検出素子０に与えられる。振幅調整回路４及び加算回路６は、ノイズキャンセル回路３０を構成する。

図２は、図１中の振幅調整回路４と加算回路６とを含むノイズキャンセル回路３０の内部構成例を示している。振幅調整回路４は、モニタ信号の入力端子１６と、モニタ側入力可変抵抗（Ｒ３）１４と、基準電位１１と、加算切り替えスイッチ１０とから構成されている。加算回路６は、＋センス信号及び−センス信号の入力端子１６と、センス側入力抵抗（Ｒ１）１２と、オペアンプ１７と、帰還抵抗（Ｒ２）１３と、基準電位１１と、出力端子１５とから構成されている。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、図２中の加算切り替えスイッチ１０を構成するアナログスイッチの構成例を示す回路図であって、図３（ａ）は当該アナログスイッチのオフ状態を、図３（ｂ）は当該アナログスイッチのオン状態をそれぞれ示している。図３（ａ）及び図３（ｂ）によれば、加算切り替えスイッチ１０を構成するアナログスイッチは、制御信号２２を受け取るインバータ１８と、ＮＭＯＳＦＥＴ１９と、ＰＭＯＳＦＥＴ２０と、ＮＭＯＳＦＥＴ１９の基板電位を電源へ、ＰＭＯＳＦＥＴ２０の基板電位をＧＮＤへそれぞれ接続するスイッチ回路２１とから構成されている。

図４は、図１の角速度センサの動作を説明するための信号波形図である。角速度検出素子０に角速度が発生している場合、特定周波数の正弦波からなるドライブ信号に対して、振動に起因した振動周波数の正弦波からなるモニタ信号が、ドライブ信号と同位相で出力され、角速度検出素子０に与えられる角速度に応じてドライブ信号に同期した位相の９０度又は２７０度ずれた正弦波からなるセンス信号が出力される。センス信号は、ノイズ成分及び角速度成分からなっており、ノイズ成分はモニタ信号に対して、＋センス信号と−センス信号の各位相は正転か又は反転して入力される。また、角速度成分はモニタ信号に対して位相が９０度ずれて入力される。このノイズ成分をキャンセルし、角速度成分のみを検出する。

図５は、図１中の加算回路６の動作を説明するための信号波形図である。加算回路６は、モニタ信号と＋センス信号と−センス信号とを入力とし、モニタ信号と位相が反転しているセンス信号とを加算することで、ノイズ成分をキャンセルする。

図２を参照すると、加算回路６にてモニタ信号を＋センス信号と−センス信号とのいずれかに加算して、加算回路６の出力信号振幅が最小になるように、モニタ信号は入力可変抵抗（Ｒ３）１４と加算切り替えスイッチ１０のオン抵抗との合成インピーダンスと、帰還抵抗（Ｒ２）１３とで決まるゲインで振幅調整を行い、このモニタ信号に対して逆相のセンス信号側に、振幅調整後のモニタ信号を加算する。これにより、センス信号に含まれるノイズ成分を定常的にキャンセルすることで、角速度センサの動作状態において、定常的に角速度の検出が可能になる。

しかも、本発明によれば、アナログスイッチを構成するＮＭＯＳＦＥＴ１９及びＰＭＯＳＦＥＴ２０のバックゲート効果を抑制することで、当該アナログスイッチのインピーダンスを下げることが可能になる。

具体的には、図３（ａ）のように、制御信号２２が低電圧（Ｌ）であれば、ＮＭＯＳＦＥＴ１９のゲートが低電圧になり、ＰＭＯＳＦＥＴ２０のゲートはインバータ１８を介して高電圧になり、アナログスイッチはオフ状態になる。ＮＭＯＳＦＥＴ１９及びＰＭＯＳＦＥＴ２０のオフ状態では、これらＮＭＯＳＦＥＴ１９及びＰＭＯＳＦＥＴ２０の基板電位は、それぞれ低電位であるＧＮＤ及び高電位である電源電位になるように、スイッチ回路２１で切り替える。

また、図３（ｂ）のように、制御信号２２が高電圧（Ｈ）であれば、ＮＭＯＳＦＥＴ１９のゲートが高電圧になり、ＰＭＯＳＦＥＴ２０のゲートはインバータ１８を介して低電圧になり、アナログスイッチはオン状態になる。ＮＭＯＳＦＥＴ１９及びＰＭＯＳＦＥＴ２０のオン状態では、ＮＭＯＳＦＥＴ１９及びＰＭＯＳＦＥＴ２０の基板電位がそれぞれ入力電圧と等しくなるように、スイッチ回路２１で切り替える。入力側をソースと考えれば、入力変動によるソースと基板との間の電位差がなくなり、ＮＭＯＳＦＥＴ１９及びＰＭＯＳＦＥＴ２０のバックゲート効果を抑制することで、アナログスイッチのインピーダンスを下げることが可能になる。また、モニタ信号振幅レベルはＮＭＯＳＦＥＴ１９及びＰＭＯＳＦＥＴ２０の非飽和領域まで入ってこないので、スイッチ回路２１のバックバイアス効果を考慮する必要はない。

本発明によれば、振幅調整回路４のアナログスイッチを構成しているＮＭＯＳＦＥＴ１９及びＰＭＯＳＦＥＴ２０の基板電位を入力電圧と等しくすることにより、どちらのバックゲート効果も抑制し、入力電圧の変動があった場合や、電源電圧又は制御信号電圧が下がってきた場合でのオン抵抗の変動を抑制する。したがって、当該アナログスイッチを含むノイズキャンセル回路３０のゲイン変動を抑制することが可能になる。これにより、加算回路６の基準電位付近での出力波形歪みがなくなり、検出感度の向上が可能になる。

図６は、図１中の振幅調整回路４の他の構成例を示している。図６によれば、振幅調整回路４は、Ｒ−２Ｒ用抵抗２３と抵抗切り替え用スイッチ２４との組み合わせによるＲ−２Ｒラダー構成をとり、かつ抵抗切り替えでゲイン可変する回路である。図６中の抵抗切り替え用スイッチ２４も、図２中の加算切り替えスイッチ１０と同様に図３（ａ）及び図３（ｂ）に示したスイッチ回路２１を持つ。したがって、加算切り替えスイッチ１０の場合と同様の効果が得られる。

なお、アナログスイッチを構成する各ＭＯＳＦＥＴの基板バイアス電位を、振幅調整回路４のゲイン設定に応じて、最適なバイアス値に切り替えることとしてもよい。

本発明は、アナログスイッチの基板電位切り替えにより、電源電圧又は制御信号電圧の低下によるＭＯＳＦＥＴのバックゲート効果を抑え、当該アナログスイッチのオン抵抗値変動をなくすことで、角速度センサにおけるモニタ信号とセンス信号との加算後の振幅歪みをなくし、角速度成分の検出感度の向上に有効である。

本発明に係る角速度センサの構成例を示すブロック図である。図１中の振幅調整回路と加算回路とを含むノイズキャンセル回路の内部構成例を示す回路図である。図２中の加算切り替えスイッチを構成するアナログスイッチの構成例を示す回路図であって、（ａ）は当該アナログスイッチのオフ状態を、（ｂ）は当該アナログスイッチのオン状態をそれぞれ示している。図１の角速度センサの動作を説明するための信号波形図である。図１中の加算回路の動作を説明するための信号波形図である。図１中の振幅調整回路の他の構成例を示す回路図である。

０角速度検出素子
１角速度検出回路部
２モニタ側増幅器
３Ａ，３Ｂセンス側増幅器
４振幅調整回路
５位相調整回路
６加算回路
７検波回路
８クロック生成器
９平滑回路
１０加算切り替えスイッチ
１１基準電位
１２センス側入力抵抗
１３帰還抵抗
１４モニタ側入力可変抵抗
１５出力端子
１６入力端子
１７オペアンプ
１８インバータ
１９ＮＭＯＳＦＥＴ
２０ＰＭＯＳＦＥＴ
２１スイッチ回路
２２制御信号
２３Ｒ−２Ｒ用抵抗
２４抵抗切り替え用スイッチ
３０ノイズキャンセル回路

Claims

角速度検出素子と、前記角速度検出素子をドライブ信号で駆動し、前記角速度検出素子に与えられた角速度に応じて前記角速度検出素子から得られるモニタ信号及びセンス信号をもとに角速度を検出する角速度検出回路部とを備えた角速度センサであって、
前記角速度検出回路部は、前記モニタ信号を用いて前記センス信号のノイズ成分をキャンセルするノイズキャンセル回路を備え、
前記ノイズキャンセル回路は、アナログスイッチを用いて加算入力を切り替える振幅調整回路を有し、かつ前記加算切り替え用アナログスイッチのＮＭＯＳＦＥＴとＰＭＯＳＦＥＴとの各々の基板電位をソース又はＧＮＤ・電源に切り替えるスイッチ回路を有することを特徴とする角速度センサ。
角速度検出素子と、前記角速度検出素子をドライブ信号で駆動し、前記角速度検出素子に与えられた角速度に応じて前記角速度検出素子から得られるモニタ信号及びセンス信号をもとに角速度を検出する角速度検出回路部とを備えた角速度センサであって、
前記角速度検出回路部は、前記モニタ信号を用いて前記センス信号のノイズ成分をキャンセルするノイズキャンセル回路を備え、
前記ノイズキャンセル回路は、アナログスイッチを用いて抵抗切り替えでゲイン可変する振幅調整回路を有し、かつ前記抵抗切り替え用アナログスイッチのＮＭＯＳＦＥＴとＰＭＯＳＦＥＴとの各々の基板電位をソース又はＧＮＤ・電源に切り替えるスイッチ回路を有することを特徴とする角速度センサ。