JP4396725B2 - 検出装置、ジャイロセンサ及び電子機器 - Google Patents
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Description
図1に本実施形態の検出装置30を含むジャイロセンサ510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。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。
図2に本実施形態の検出装置30の構成例を示す。なお検出装置30は図2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。
センサ信号には、所望信号(所望波)と不要信号(不要波)が混在している。また不要信号の振幅は一般的に所望信号の振幅に比べて非常に大きいため、検出装置30に対する要求性能は高くなる。この不要信号には、機械振動漏れや、静電結合漏れや、離調周波数Δfや、2fd(2ωd)や、DCオフセットなどに起因するものがある。
A(t)sin(ωd×t)×Csin(ωd×t)
={(A(t)×C)/2}×{1−cos(2ωd×t)}
となる。従って図5(B)に示すように、同期検波後に所望信号はDC並びに2fdの周波数帯域に現れるようになる。
Bsin(ωd×t+π/2)×Csin(ωd×t)
={−(B×C)/2}×cos(2ωd×t+π/2)
となる。従って図5(B)に示すように、同期検波後に機械振動漏れの不要信号は2fd(2ωd)の周波数帯域に現れ、DCには現れない。
ジャイロセンサ510では、感度が所与の基準値に一致するように、検出装置30の全体のゲインの調整を行う感度調整が行われる。この感度(V/度/sec)は、図7の出力電圧VQ(VSQの電圧)の単位角速度当たりの変化量であり、出力電圧VQの直線の傾きに相当する。この感度調整の後に、後述するオフセット調整が行われる。
図8(A)、図8(B)に感度調整回路80(Programmable Gain Amp)の構成例を示
す。図8(A)は非反転増幅型の例である。図8(A)の感度調整回路80は、出力ノードND3と基準電源電圧AGND(広義には第1の電源電圧)のノードの間に設けられる可変抵抗RD1、RD2を含む。また、その非反転入力端子(+)に入力ノードND1が接続され、その反転入力端子(−)に可変抵抗RD1、RD2の出力タップQT(ノードND2)が接続されるオペアンプOPD1を含む。
図2のオフセット調整回路90は、例えば環境温度が25℃(ティピカル温度)である場合に、検出装置30の出力電圧(VSQの電圧)が基準出力電圧(例えばVDD/2)に一致するように、調整を行う。例えば図11(A)では、出力電圧VQが基準出力電圧VRと一致していない。この場合には図11(B)に示すように、初期オフセット電圧である|VQ−VR|が除去されて0になるように、オフセット調整回路90が調整を行う。具体的には、ジャイロセンサの製造後に検出装置30の出力電圧VQをモニタする。そして出力電圧VQを基準出力電圧VRに一致させるための初期オフセットの調整データを、図示しない不揮発性メモリ等に書き込む。するとオフセット調整回路90は、検出装置30の出力電圧VQがVRに一致するように、上記調整データに基づいてオフセット調整を行う。
(A1)ランダム雑音や回路中で発生するパルス性ノイズなどの不要信号が、SCFの通過帯域に折り返すのを防止する。
(A2)同期検波によって生じ、fd、2fdなどのk×fdに必ず存在する不要信号のオフセット変動分が、SCF114でのサンプリングによりDCに折り返し、DCに存在する所望信号(コリオリ力信号)の品質(S/N比)を劣化させるのを防止する。
(B2)同期検波によりfdや2fdに不要信号のオフセット変動分の強いスペクトラムが現れる。
(B3)SCFのサンプリング周波数がfsp=fdとなるため、fd、2fdなどの不要信号のオフセット変動分が、所望信号が存在するDCに折り返す。
ジャイロセンサのように微少信号を扱うセンサでは、不要信号の振幅は所望信号の振幅に比べて非常に大きい。従って、温度変動により機械振動漏れ等の不要信号の振幅が変動すると、不要信号の振幅変化分であるオフセット変動分も、所望信号の振幅(DC成分)に比べて非常に大きくなる。従って、プリフィルタ112の減衰度を適正に設定しないと、SCF114のサンプリングによるオフセット変動分のDC成分への折り返しにより、S/N比が劣化してしまうおそれがある。
不要信号のうち、離調周波数Δf=|fd−fs|に起因する不要信号は、センサ信号に検出側共振周波数fsの信号が混入し、このセンサ信号が同期検波回路100により同期検波されることにより発生する。例えばジャイロセンサの応答を良くするために、検出用振動子をアイドリング的に微少振幅で固有共振周波数fsにて振動させる場合がある。或いは、ジャイロセンサの外部からの外部振動が振動子に加わることで、検出用振動子が固有共振周波数fsにて振動してしまう場合がある。そしてこのように検出用振動子が周波数fsで振動すると、同期検波回路100に入力される信号VS5に周波数fsの信号が混入される。そして同期検波回路100は、周波数fdの参照信号RSに基づき同期検波を行うため、周波数fdとfsの差に相当する離調周波数Δf=|fd−fs|の不要信号が生成されてしまう。
Csin(ωd×t)×Dsin(ωs×t)
={−(D×C)/2}×[cos{(ωd+ωs)t}−cos{(ωd−ωs)t}]
となる。上式から明らかなように、周波数fsの信号が混入されることにより、同期検波後に、離調周波数Δf=|fd−fs|の不要信号が生成されてしまう。
図19にオフセット調整回路90の構成例を示す。なおオフセット調整回路90の構成は図19に限定されず、その構成要素を変更・削除したり、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。
44 AGC回路、46 2値化回路、60 検出回路、70 増幅回路、
72、74 Q/V(I/V)変換回路、76 差動増幅回路、80 感度調整回路、
90 オフセット調整回路、92 D/A変換回路、94 加算回路、
100 同期検波回路、110 フィルタ部、112 プリフィルタ、
114 SCF、116 ポストフィルタ、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 (14)
- 振動子を駆動して振動子を励振させる駆動回路と、
振動子からの出力信号を受け、所望信号を検出する検出回路とを含み、
前記検出回路は、
振動子からの出力信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の後段側に設けられ、ゲインを可変に制御して感度調整を行う感度調整回路と、
参照信号に基づいて同期検波を行う同期検波回路とを含み、
前記感度調整回路は、
前記同期検波回路の前段側に設けられ、可変ゲインアンプとして動作すると共にハイパスフィルタとして動作し、アクティブフィルタである前記ハイパスフィルタと前記可変ゲインアンプとで、オペアンプが共用されることを特徴とする角速度情報の検出装置。 - 請求項1において、
前記感度調整回路は、
感度の調整データに基づいてその抵抗値が可変に制御される可変抵抗と、
前記可変抵抗の抵抗値で決まるゲインで信号を増幅するためのオペアンプとを含むことを特徴とする検出装置。 - 請求項1又は2において、
前記感度調整回路は、
入力ノードと第1のノードとの間に設けられるキャパシタと、
前記第1のノードと第1の電源電圧のノードとの間に設けられる抵抗と、
出力ノードと前記第1の電源電圧のノードとの間に設けられ、前記出力ノードと出力タップの間の抵抗値と前記出力タップと前記第1の電源電圧のノードの間の抵抗値が、感度の調整データに基づいて可変に制御される可変抵抗と、
その非反転入力端子に前記第1のノードが接続され、その反転入力端子に前記可変抵抗の前記出力タップが接続され、その出力端子に前記出力ノードが接続されるオペアンプと
を含むことを特徴とする検出装置。 - 請求項1又は2において、
前記感度調整回路は、
入力ノードと第1のノードとの間に設けられる抵抗と、
前記第1のノードと第2のノードとの間に設けられるキャパシタと、
出力ノードと前記第2のノードとの間に設けられ、感度の調整データに基づいてその抵抗値が可変に制御される可変抵抗と、
その反転入力端子に前記第2のノードが接続され、その非反転入力端子に第1の電源電圧のノードが接続されるオペアンプとを含む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、
検出装置の出力信号の初期オフセット電圧を除去するための調整を行うオフセット調整回路と、
同期検波後の信号のフィルタ処理を行うフィルタ部を含み、
前記フィルタ部は、
離散時間型フィルタと、
前記離散時間型フィルタの前段側に設けられた連続時間型フィルタを含み、
前記連続時間型フィルタは、
環境変化による不要信号のオフセット変動分を除去する周波数特性を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項5において、
前記連続時間型フィルタは、
前記同期検波回路による同期検波により周波数k×fd(kは自然数)の周波数帯域に現れる不要信号のオフセット変動分を、所望信号の振幅以下に減衰する周波数特性を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項6において、
前記連続時間型フィルタは、
周波数fd、2fd、3fdの周波数帯域に現れる不要信号のオフセット変動分を、所望信号の振幅以下に減衰する周波数特性を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項6又は7において、
前記連続時間型フィルタは、1次のローパスフィルタであり、
所望信号の振幅をA0とし、周波数k×fdに現れる不要信号のオフセット変動分をΔAkとし、周波数fdでのフィルタの減衰率をaとした場合に、
前記連続時間型フィルタは、
ΔAk×(a/k)≦A0が成り立つように不要信号のオフセット変動分を減衰させる周波数特性を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項6又は7において、
前記連続時間型フィルタは、2次のローパスフィルタであり、
所望信号の振幅をA0とし、周波数k×fdに現れる不要信号のオフセット変動分をΔAkとし、周波数fdでのフィルタの減衰率をaとした場合に、
前記連続時間型フィルタは、
ΔAk×(a/k2)≦A0が成り立つように不要信号のオフセット変動分を減衰させる周波数特性を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項5乃至9のいずれかにおいて、
前記離散時間型フィルタは、スイッチト・キャパシタ・フィルタであることを特徴とする検出装置。 - 請求項10において、
前記スイッチト・キャパシタ・フィルタは、前記参照信号に応じたクロックに基づき動作することを特徴とする検出装置。 - 請求項5乃至11のいずれかにおいて、
前記離散時間型フィルタは、
振動子の駆動側共振周波数fdと検出側共振周波数fsとの差に対応する離調周波数Δf=|fd−fs|の成分を除去し、所望信号の周波数成分を通過させる周波数特性を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至12のいずれかに記載の検出装置と、
前記振動子と、
を含むことを特徴とするジャイロセンサ。 - 請求項13に記載のジャイロセンサと、
前記ジャイロセンサにより検出された角速度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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