JP4559805B2 - 物理量センサ - Google Patents

Description

本発明は、物理量センサに関し、特に物理量センサの出力補正回路の構成に関する。

現在では、磁気量や加速度など、さまざまな種類の物理量を検出する物理量センサが利用されている。その中で特に、回転角速度を検出するものの代表として振動ジャイロがある。振動ジャイロは、音叉などの振動体に働く慣性力（コリオリの力）から角速度を検出するものであり、物体の姿勢制御やビデオカメラの手ぶれ補正、カーナビゲーションシステムなどに広く利用されている。
上記振動体の振動特性は周囲温度によって変化するが、物理量センサの出力の検出感度や零点電圧は常に一定である必要があるため、その出力信号の補正が必要である。この補正については、多くの提案がなされている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に示した従来技術においては、物理量センサの感度および出力零点が、温度変化に対しても一定となるように補正するための手法が提案されている。
図３は、特許文献１に示した従来技術を、その内容を逸脱しない範囲で書き直した回路図である。１はセンサ素子、２は検波回路、３はＤ／Ａ変換器、６は可変ゲイン増幅手段、７は制御手段、８は温度計測手段である。
なお、ここでの物理量センサの零点電圧とは、物理量センサに角速度を印加しないときの出力電圧であり、物理量センサの感度とは、印加した角速度から出力電圧への変換比率（スケールファクタ）を意味する。

特許文献１に示した従来技術の物理量センサでは、センサ素子１からの微弱出力を検波手段２によって検波および増幅し、これにＤ／Ａ変換器３から得られるドリフト補正信号を加算し、さらにこの信号を可変ゲイン増幅手段６で増幅することによって、所望の検出信号出力を得るようになっている。
ドリフト補正とは、物理量センサの出力零点（角速度を印加しないときの出力）の温度変化による変化、すなわち温度ドリフトを打ち消し、物理量センサの出力零点を０Ｖ近傍にする操作である。

制御手段７は、図示しない不揮発性メモリなどに予め記憶した各温度における補正データの中から、温度計測手段８が計測した周囲温度に対応するデータを読み出し、これをＤ／Ａ変換器３へ設定することでこの操作を行う。
Ｄ／Ａ変換器３は、ディジタルデータ入力に対応して、Ｄ／Ａ変換器３に固有の最小分解能電圧を整数倍した信号を出力する、よく知られた回路である。

また可変ゲイン増幅手段６の増幅率の値も、温度計測手段８が検出する周囲温度に応じ、適宜設定されるようになっている。

実用新案登録第２５７７７６０号公報（第２−３頁、第１図）

このような物理量センサにおいては、可変ゲイン増幅手段６の設定に関係なく、ドリフト補正操作によって物理量センサの出力（可変ゲイン増幅手段６の出力）がノイズレベル以上は変動（ジャンプ）しないことが特性上必須である。近年の物理量センサは低ノイズ化が進んでいるためこの要求は厳しい。

この特性を実現するため、特許文献１に示した従来技術では、例えば、可変ゲイン増幅手段６の増幅率が最大のときでも上記の変動量が小さく、かつ増幅率が最小のときでもドリフト補正が同等の範囲で可能なＤ／Ａ変換器、すなわちフルスケールレンジが広くかつ高分解能のＤ／Ａ変換器を選ぶ必要がある。
例えば、可変ゲイン増幅手段６の増幅率の上限と下限との比が４倍であれば、Ｄ／Ａ変換器３は４倍の精度が必要であるが、上記ノイズ特性を満すＤ／Ａ変換器３は、大規模で構成が複雑になるばかりでなく、製造誤差の影響で生産性が極めて悪くなることが知られている。

すなわち、特許文献１に示した従来技術では、ドリフト補正信号を生成するＤ／Ａ変換器３には、可変ゲイン増幅手段６の増幅率の可変幅が広い分だけ、より高性能なものを用いなければならないという問題があり、これはＤ／Ａ変換器３の大規模化および製造時の歩留まり低下につながり、実用的ではない。

本発明は上記の欠点を改善し、従来技術に比べ、高い精度を必要としない回路構成で、幅広いドリフト補正および幅広い感度補正が可能な物理量センサを提供することを目的とする。

本発明の物理量センサは、上記目的を達成するために、以下のような構造を採用する。

センサ素子の出力信号に対して出力零点及び検出感度の補正を行う調整手段を有する物
理量センサであって、調整手段は、出力零点を補正する補正信号を生成する補正信号生成手段と、補正信号生成手段の出力信号を増幅する補正信号調整手段と、センサ素子の出力信号に対して補正信号調整手段の補正信号を加算した信号を増幅する可変ゲイン増幅手段と、補正信号調整手段と可変ゲイン増幅手段の増幅率を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、補正信号生成手段の補正信号を制御するとともに、補正信号調整手段の増幅率と可変ゲイン増幅手段の増幅率を互いに逆数の値になるように制御することを特徴とする。

補正信号生成手段は、Ｄ／Ａ変換器であることを特徴とする。

制御手段は周囲温度を計測する温度計測手段を備え、該温度計測手段の出力に応じて補正信号調整手段の増幅率及び前記可変ゲイン増幅手段の増幅率を制御することを特徴とする。

制御手段は周囲温度を計測する温度計測手段を備え、該温度計測手段の出力に応じて補正信号生成手段の補正信号を制御することを特徴とする。

本発明の物理量センサは、補正信号生成手段の出力をさらに調整する補正信号調整手段を備えており、補正信号生成手段の分解能を実質的に可変できるようになっている。このため、例えば、可変ゲイン増幅手段の増幅率が高い設定値のときは、これに合わせて補正
信号調整手段の増幅率を小さく設定することで、補正信号生成手段の出力が最小分解能の分だけ変化した際に物理量センサ出力に生じる変動量を抑制することが可能となる。

逆に、可変ゲイン増幅手段の増幅率が低い設定値のときは、これに合わせて補正信号調整手段の増幅率を大きく設定することで、補正信号生成手段の出力を大きくすることができるので、補正信号生成手段の設定に必要な値は小さいデータ幅（ビット長）で済む。よって補正信号生成手段には、可変ゲイン増幅手段の可変幅によらず必要最小限の性能を有するものを用いることができる。
さらに、補正信号生成手段のデータ幅を小さくできることから、この補正信号生成手段への設定値を記憶するメモリについても、必要最低限のデータ幅で済むため、ドリフト補正データを記憶するメモリ量を小さくできるといった効果も有する。

また特に、補正信号調整手段の増幅率を可変ゲイン増幅手段のゲイン設定の常にちょうど逆数の値に設定することで、ドリフト補正操作によって物理量センサの出力に現れる変動量を可変ゲイン増幅手段の増幅率に関係なく一定量にすることも可能となる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の物理量センサの全体構成を説明する回路図である。

［構成説明：図１］
まず、図１を用いて本発明の物理量センサの全体構成について説明する。１０はセンサ手段、２０は検波手段、３０は補正信号生成手段、４０は補正信号調整手段、５０は加算手段、６０は可変ゲイン増幅手段、７０は制御手段、８０は温度計測手段、９０はメモリ手段、１００は調整手段である。Ｓ１はセンサ素子出力、Ｓ２は検波出力、Ｓ３は調整前補正信号、Ｓ４は補正信号、Ｓ５は加算信号、Ｓ６は物理量センサ出力、Ｓ７およびＳ８はディジタル入力である。なお、この物理量センサの回路部分、すなわち検波手段２０および調整手段１００は、外部から印加する±２．５Ｖの電圧で動作する構成となっている。

センサ素子１０は、音叉形状に形成した圧電材料に電極を配して構成する、回転角速度を検出可能なジャイロ振動子である。センサ素子１０は図示しない駆動回路によって発振駆動され、このセンサ素子１０が振動中に回転角速度を受けると、微弱な交流信号がセンサ素子出力Ｓ１として現れる。
検波手段２０は、このセンサ素子１０から得られたセンサ素子出力Ｓ１を増幅および検波し、直流化した信号を出力する回路である。検波手段２０の出力は検波出力Ｓ２とした。センサ素子１０および検波手段２０の構成は、一般に知られている回路であるので説明は省略する。

調整手段１００は、検波手段２０によって検波および増幅された検波出力Ｓ２の出力零点を所定の電圧値に調整し、さらに物理量センサの感度も調整して外部へ物理量センサ出力Ｓ６として出力する。

調整手段１００は、補正信号生成手段３０と補正信号調整手段４０と加算手段５０と可変ゲイン増幅手段６０と制御手段７０とで構成する。制御手段７０は、温度計測手段８０とメモリ手段９０とを有している。
メモリ手段９０には、予め、センサ感度補正データとドリフト補正データとが格納されている。
調整手段１００においては、補正信号生成手段３０の出力信号である調整前補正信号Ｓ３を、補正信号調整手段４０が電圧レベルを調整して補正信号Ｓ４として出力し、さらに
加算手段５０がこの補正信号Ｓ４と検波手段２０の検波出力Ｓ２とを加算した信号を加算信号Ｓ５として出力する。加算手段５０の加算信号Ｓ５は、可変ゲイン増幅手段６０が増幅し、物理量センサ出力Ｓ６として外部に出力する。

加算手段５０は、入力される複数の電圧信号を加算して出力する一般的な加算回路である。また、可変ゲイン増幅手段６０は、周囲温度の変化に対し物理量センサの感度を一定とするための増幅回路である。可変ゲイン増幅手段６０は、９ビットディジタル式の可変ゲインアンプであり、増幅率はディジタル入力Ｓ７により０．５〜２倍の範囲で可変できるものを用いる。ディジタル入力Ｓ７は、可変ゲイン増幅手段６０および補正信号調整手段４０の増幅率を設定するための９ビットディジタル信号であり、周囲温度情報をもとにメモリ手段９０から読み出されるセンサ感度補正データを表すデータである。

補正信号生成手段３０は、周囲温度の変化により生じる物理量センサの出力零点の温度ドリフトを打ち消し、物理量センサの出力零点を一定にするための回路である。補正信号生成手段３０は、１０ビットのＤ／Ａ変換器で構成する。
補正信号生成手段３０は、フルスケールレンジが電源電圧（±２．５Ｖ）の１／８、すなわち約±３１２ｍＶであるものを用いる。補正信号生成手段３０の出力分解能は約０．６ｍＶである。ディジタル入力Ｓ８は、補正信号生成手段３０の出力電圧値を設定するための符号付き１０ビットディジタル信号であり、周囲温度情報をもとにメモリ手段９０から読み出される各温度でのドリフト補正データを表すデータである。

補正信号調整手段４０は、補正信号生成手段３０の出力分解能を可変する目的の増幅回路である。可変ゲイン増幅手段６０と同じく、９ビットのディジタル式可変ゲインアンプである。増幅率はディジタル入力Ｓ７により０．５〜２倍の範囲で可変できる。ただし、補正信号調整手段４０は、可変ゲイン増幅手段６０に同じデータを入力した場合、可変ゲイン増幅手段６０に設定される増幅率に対して逆数の増幅率の設定となる構成とする。

例えば、入力データとして最大値である５１１（｛２の９乗｝−１）を入力する場合、可変ゲイン増幅手段６０の増幅率は２倍となり、補正信号調整手段４０は増幅率が０．５倍となる。また入力データとして最小値の０を入力する場合、可変ゲイン増幅手段６０の増幅率は０．５倍となり、補正信号調整手段４０は増幅率が２．０倍となる。補正信号調整手段４０や可変ゲイン増幅手段６０の構成については後述する。

制御手段７０は、周囲温度を計測する温度計測手段８０および不揮発性を有するメモリ手段９０とを備えた中央処理装置である。制御手段７０は、物理量センサの周囲温度を検知し、補正信号生成手段３０と補正信号調整手段４０と可変ゲイン増幅手段６０とを制御することで、物理量センサの温度ドリフトの補正および物理量センサの感度調整を行うものである。

［増幅回路の説明：図２］
次に、図２を用いて本発明の可変ゲイン増幅手段６０や補正信号調整手段４０に用いる可変ゲイン増幅回路の構成の一例について説明する。図２は、可変ゲイン増幅手段６０の構成を説明する回路図である。６１は入力抵抗部、６２は帰還抵抗部、６３は可変抵抗、６４は抵抗素子、６５はオペアンプ（演算増幅器）である。

可変ゲイン増幅手段６０は、オペアンプを用いた反転増幅回路で構成する。オペアンプ６５の非反転入力端子は接地している。可変ゲイン増幅手段６０の信号入力端子には加算信号Ｓ５を入力しており、この信号入力端子とオペアンプ６５の反転入力端子との間に入力抵抗部６１を接続している。帰還抵抗部６２は、オペアンプ６５の出力端子と反転入力端子との間に接続する。ここで帰還抵抗部６２は抵抗素子である。オペアンプ６５の出力
端子からは、調整手段１００の出力信号である物理量センサ出力Ｓ６が出力される。

入力抵抗部６１は、ディジタル的に抵抗値を変えることができる可変抵抗６３と抵抗素子６４とを並列接続して構成する回路である。入力抵抗部６１の合成抵抗値をＲ１、帰還抵抗部６２の抵抗値をＲ２とすると、可変ゲイン増幅手段６０の増幅率Ｋは、
Ｋ＝−Ｒ２／Ｒ１
と表すことができる。例として、可変抵抗６３の抵抗値を２０ＫΩ〜高抵抗とし、抵抗素子６４に６０ＫΩ、帰還抵抗部６２に３０ＫΩを選ぶことで、可変ゲイン増幅手段６０の増幅率Ｋを、ディジタル入力Ｓ７に対し、０．５〜２．０倍に変化させることができる。

また、補正信号調整手段４０については、上記の可変ゲイン増幅手段６０における入力抵抗部６１と帰還抵抗部６２とを入れ替えて接続した構成とすればよい。このような構成とすれば、可変ゲイン増幅手段６０に入力するデータと同じデータを補正信号調整手段４０に入力するだけで、補正信号調整手段４０の増幅率を常に可変ゲイン増幅手段６０に設定した増幅率の逆数の値に設定することができる。
上記のような構成で、本発明の物理量センサを構成する。

［制御手段の動作説明：図１］
続いて、図１に示す制御手段７０の動作について説明する。まず、制御手段７０は、温度計測手段８０から得られる周囲温度情報をもとに、予めメモリ手段９０に記憶してあるセンサ感度補正データを読み出し、入力データとしてディジタル入力Ｓ７を可変ゲイン増幅手段６０に送出する。これにより、可変ゲイン増幅手段６０は各温度毎に必要な増幅率の設定となる。これにより、制御手段７０は、物理量センサの感度（スケールファクタ）が一定となるように可変ゲイン増幅手段６０の増幅率を変化させる。

これと並行して制御手段７０は、温度計測手段８０から得られる周囲温度情報をもとに、予めメモリ手段９０に記憶してある各温度でのドリフト補正データを読み出し、そのデータを補正信号生成手段３０に送出する。これにより、補正信号生成手段３０は各温度毎に所定の電圧値を出力する。

さらに制御手段７０は、補正信号調整手段４０の増幅率を、可変ゲイン増幅手段６０に設定した増幅率のちょうど逆数の値となるように設定する。補正信号調整手段４０の出力である補正信号Ｓ４は、加算手段５０によって検波手段２０の出力に加算され、検波出力Ｓ２にドリフト補正が加わり、物理量センサの出力零点が０Ｖ近傍となるよう制御する。

上記のように制御手段７０が動作すると、補正信号生成手段３０の出力信号である調整前補正信号Ｓ３は、補正信号生成手段３０によって一旦レベル変換され、その後可変ゲイン増幅手段６０によって元のレベルへと戻されることは、本物理量センサの構成からも明らかである。したがって、補正信号生成手段３０の出力分解能についても物理量センサ出力Ｓ６からみれば常に一定となり、補正信号生成手段３０の固有の出力分解能と同じレベルの変動幅で物理量センサのドリフト補正操作がなされることが分かる。

以上、本発明の物理量センサの実施の形態の説明では、可変ゲイン増幅手段６０に設定する増幅率が変化する毎に補正信号調整手段４０の増幅率の設定も変化するような構成としていたが、これに限定されない。例えば、本物理量センサを使用する温度範囲で、可変ゲイン増幅手段６０が取り得る増幅率の範囲が比較的狭い場合、可変ゲイン増幅手段６０に設定する増幅率の代表値（例えば、最大値）の逆数値を補正信号調整手段４０の増幅率として固定的に設定してもよい。この場合は、補正信号調整手段４０の出力分解能は、物理量センサの出力から見て補正信号生成手段３０の元々の出力分解能より大きくはならないため、ドリフト補正による出力変動は小さく抑えることができる。

また、補正信号調整手段４０のデータ幅は、可変ゲイン増幅手段６０のデータ幅と同一として説明したが、これに限定されない。補正信号調整手段４０のデータ幅の方を小さくしてもよい。この場合は、補正信号調整手段４０に設定する値は可変ゲイン増幅手段６０に設定する値の上位ビットのデータを設定できるようにすればよい。

さらに、可変ゲイン増幅手段６０や補正信号調整手段４０における可変抵抗６３にはディジタル式のものを用いたが、サーミスタのような受動的な感温素子を用いても同様に動作することは明らかである。

以上、本発明による物理量センサについて説明した。本発明によれば、補正信号生成手段に精度の要らない簡素な回路を用いながらも、物理量センサの感度補正およびドリフト補正を幅広い範囲で行うことができる。さらにドリフト補正に必要なメモリ量も少なくて済むため、製造効率および信頼性の高い物理量センサを得ることができる。

本発明は、振動ジャイロを代表とする角速度センサや磁気センサ、加速度センサなどの幅広い種類の物理量センサの出力信号調整に適用することが可能である。

本発明の物理量センサの全体構成を示す回路図である。 本発明の物理量センサの可変ゲイン増幅手段の構成を説明する回路図である。 従来技術の物理量センサを示す回路図である。

符号の説明

１０ センサ素子
２０ 検波手段
３０ 補正信号生成手段
４０ 補正信号調整手段
５０ 加算手段
６０ 可変ゲイン増幅手段
７０ 制御手段
１００ 調整手段

Claims (4)

1. センサ素子の出力信号に対して出力零点及び検出感度の補正を行う調整手段を有する物理量センサであって、
   前記調整手段は、前記出力零点を補正する補正信号を生成する補正信号生成手段と、前記補正信号生成手段の出力信号を増幅する補正信号調整手段と、前記センサ素子の出力信号に対して前記補正信号調整手段の補正信号を加算した信号を増幅する可変ゲイン増幅手段と、前記補正信号調整手段と前記可変ゲイン増幅手段の増幅率を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記補正信号生成手段の補正信号を制御するとともに、前記補正信号調整手段の増幅率と前記可変ゲイン増幅手段の増幅率を互いに逆数の値になるように制御することを特徴とする物理量センサ。
2. 前記補正信号生成手段は、Ｄ／Ａ変換器であることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
3. 前記制御手段は周囲温度を計測する温度計測手段を備え、該温度計測手段の出力に応じて前記補正信号調整手段の増幅率及び前記可変ゲイン増幅手段の増幅率を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の物理量センサ。
4. 前記制御手段は周囲温度を計測する温度計測手段を備え、該温度計測手段の出力に応じて前記補正信号生成手段の補正信号を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の物理量センサ。

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