JP4610012B2 - 物理量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、物理量測定装置に関するものである。

本出願人は、振動型ジャイロスコープの応用について種々検討を進めており、例えば自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに振動型ジャイロスコープを使用することを検討した。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。本出願人は、特許文献１（特開平１１−２８１３７２号公報）には、主として平面内に延びる振動子を用いた、横置き型に適した振動型ジャイロスコープを提案した。

振動型ジャイロスコープを製造する際には、自励発振回路を用いて、例えば水晶からなる駆動振動片に駆動振動を励振する。また、振動子上の検出電極から発信された出力電圧を処理することによって、回転角速度に対応する電圧値を得る。このような回路としては、特許文献２（特開平１１−４４５４０号公報）、特許文献３（特開２００３−８７０５７号公報）に記載がある。

特開平１１−２８１３７２号公報 特開平１１−４４５４０号公報 特開２００３−８７０５７号公報

従来は、自励発振回路と検出回路とをディスクリート部品により構成していたが、製造工程数が多い。このため、本発明者は、モノリシックＩＣチップ上に自励発振回路と検出回路とを形成することによって、駆動−検出回路の量産を検討していた。

ジャイロセンサ用のＩＣをモノリシック化する際、ＩＣ化のプロセスには、大きく分けてバイポーラおよびＣＭＯＳがある。検出電極における微小電流を測定するためには、ＣＭＯＳプロセスが好ましい。しかし、ＣＭＯＳプロセスでＩＣ化を行うと、ノイズが大きく、特に検出回路において１／ｆノイズが大きくなる。
図１は、検出回路の一例を示すブロック図である。振動子１１に設けられた検出手段１２Ａ、１２Ｂからの各出力信号を、それぞれチャージアンプ１３Ａ、１３Ｂによって増幅し、各出力信号の差を差動アンプ１４によって増幅する。次いで、アンプ１５を通過させる。一方、駆動信号の一部を派生させ、この派生信号を位相検波器３０に入力し、振動子１からの出力信号を、検波回路１６に通して検波する。この結果、検波後の出力信号においては、不要な漏れ信号は消去されており、あるいは少なくとも低減されているはずである。この検波後の出力信号をローパスフィルター17、アンプ18に通す。図１のＳ４におけるジャイロ方向振動成分と漏れ方向振動成分とは、図２のＳ４に示すようになる。ジャイロ信号成分を検波すると、Ｓ５で示すような波形となる。この信号をローパスフィルター１７に通すと、Ｓ６で示すような直流信号が得られる。この際、検波およびローパスフィルター通過後は信号振幅が小さくなる。このため、直流信号をアンプ１８で増幅し、オフセット調整回路１９からの信号を加えることが通常である。この増幅後の出力を出力端子２０で測定する。

ここで、例えば１／ｆノイズが問題になることが判明してきた。１／ｆノイズは低周波のノイズであり、主にアンプから発生する。このため、ローパスフィルター１７よりも下流におけるノイズの増幅率を低下させることが必要である。

例えば、図３に示すように、ローパスフィルター１７の下流に非反転アンプ２１、反転アンプ２２を配置したものとする。増幅器には、反転増幅器と非反転増幅器とがある。ここで、アンプのノイズをＶｎとし、増幅回路のゲインをＡとする。すると、反転増幅器の出力ノイズは［（Ａ＋１）×Ｖｎ］となり、非反転増幅器の出力ノイズは［Ａ×Ｖｎ］となる。従って、ノイズを低くするという観点からは、非反転アンプを使用することが好ましい。

そして、図３に示す回路においては、反転アンプ２２の入力インピーダンスを非反転アンプ２１からとオフセット調整Ｄ／Ａ１９からとで同一とすると、１／ｆノイズは、Ｖｎ×Ａ＋Ｖｎ×（２Ａ＋１）＝Ｖｎ×（３Ａ＋１）となる。例えばＡ＝４とすると、図３の回路におけるローパスフィルター以降の１／ｆノイズは１３Ｖｎとなる。従って、Ａの増幅率を有するアンプを、可能な限り上流側に移動させることが望まれる。

このため、本発明者は、図５に示すように、Ａの増幅率を有するアンプを上流側に移動させることを試みた。この場合には、アンプ２３の信号に対してオフセット信号を入力する。この場合には、反転アンプ２３の入力インピーダンスをローパスフィルター１７からとオフセット調整Ｄ／Ａ１９からとで同一とすると、１／ｆノイズは、Ｖｎ×（２Ａ＋１）＋Ｖｎ×２＝Ｖｎ×（２Ａ＋３）となる。例えばＡ＝４とすると、１／ｆノイズは１１Ｖｎとなる。ここで、ノイズ自体は非反転アンプの方が、反転アンプよりも小さい。しかし、非反転アンプは入力電圧範囲が小さい。オフセット調整を行うためには、アンプ入力範囲が広いことが必要であり、このためにノイズの大きい反転アンプを使用せざるを得ず、検出回路における１／ｆノイズの低減が難しい。

本発明の課題は、同期検波後の信号を増幅するのに際して、増幅後の信号のノイズを低減することである。

本発明は、振動子、この振動子に駆動振動を励振する駆動回路、および前記振動子からの検出信号を出力する、検波回路を備える検出回路を使用し、前記検出信号に基づいて物理量を測定する装置を提供する。

本装置は、反転されかつ直流オフセット信号を重畳した前記被同期検波信号と、非反転であって前記直流オフセット信号を重畳していない前記被同期検波信号とを基準信号によって検波して交互に出力する。検波回路が、被同期検波信号の入力部と、基準信号の入力部と、被同期検波信号に対して直流オフセット信号を印加するオフセット信号入力部と、直流オフセット信号が重畳された被同期検波信号を基準信号の周期に基づいて切り替えて出力する第一のスイッチと、オフセット信号が重畳されていない被同期検波信号を基準信号の周期に基づいて切り換えて出力する第二のスイッチと、被同期検波信号を反転増幅する反転増幅器と、この反転増幅器とオフセット信号入力部および被同期検波信号の入力部との間にそれぞれ設けられた各抵抗と、反転増幅器と並列に接続された抵抗とを備える。

基準信号の入力部が第一のスイッチおよび第二のスイッチに接続されており、反転増幅器の出力が第一のスイッチに接続されており、かつ被同期検波信号入力部が第二のスイッチに接続されており、オフセット信号が、前記物理量が０のときに測定値が０となるように調整する信号であることを特徴とする。

本発明者は、被同期検波信号に対してオフセット信号を被同期検波信号に重畳し、基準信号によって同期検波する回路を想到した。これによって、同期検波後の増幅時のアンプとして、入力電圧範囲の狭い非反転アンプを使用可能となった。非反転アンプは、反転アンプに比べて１／ｆノイズが小さいので、ノイズを著しく低減することが可能である。

従来例の検出回路を示す回路図である。 ポイントＳ４、Ｓ５、Ｓ６における各波形を示す図である。 本発明者が検討した比較例の検出回路を示す回路図である。 反転増幅器および非反転増幅器の構成例を示す回路図である。 本発明者が検討した他の比較例の検出回路を示す回路図である。 同期検波回路を示す回路図である。 図６の同期検波回路のポイント１〜６における各波形を示す波形図である。 オフセット信号入力機能付きの同期検波回路を示す回路図である。 図８の回路の各ポイント１〜７における波形例を示す。 オフセット信号入力機能付き同期検波回路３０を組み入れた検出回路を示すブロック図である。 自励発振回路４９およびオフセット信号入力機能付き同期検波回路３０を組み入れた検出回路５０を示す回路図である。

以下、本発明の同期検波回路について説明する。
図６は、従来の同期検波回路１６を示す回路図である。図７は、図６の回路のポイント１〜６における各電圧波形を示す。被同期検波信号入力部１６ａに対して被同期検波信号を入力する（ポイント１）。ポイント１における波形は、例えば図７の（１）に示すような正弦波である。被同期検波信号入力部１６ａは実質的に反転増幅器からなっており、直列抵抗器２７、並列抵抗器２８およびアンプ２６を備えている。この結果、ポイント２においては、図７の（２）に示すように、ポイント１での正弦波が反転する。この出力は、スイッチ１（２９Ａ）、スイッチ２（２９Ｂ）を通して、検波回路の出力ポイント６につながっている。

一方、基準信号入力部１６ｂから基準信号を入力する。ポイント３における信号を図７の（３）に示す。この信号をコンパレータ２５に通すと、ポイント４では矩形波に変化する。またポイント５では、ポイント４における矩形波の波形が反転する。そして、一定周期でスイッチ１のオン−オフをスイッチ２のオン−オフと切り換える。この結果、ポイント６での出力が得られる。

図８は、本発明の一実施形態に係るオフセット信号入力機能付き検波回路３０を示す回路図であり、図９は、図８の回路の各ポイントにおける波形例を示す。

被同期検波信号入力部３０ａに対して被同期検波信号を入力する（ポイント１）。ポイント１における波形は、例えば図９の（１）に示すような正弦波である。被同期検波信号入力部３０ａは実質的に反転増幅器からなっており、直列抵抗器２７、並列抵抗器２８およびアンプ２６を備えている。この結果、ポイント２においては、図９の（２）に示すように、ポイント１での正弦波が反転する。この出力は、スイッチ１（２９Ａ）、スイッチ２（２９Ｂ）を通して、検波回路の出力ポイント６につながっている。

一方、基準信号入力部３０ｂから基準信号を入力する。ポイント３における信号を図９の（３）に示す。この信号をコンパレータ２５に通すと、ポイント４では矩形波に変化する。またポイント５では、ポイント４における矩形波の波形が反転する。

ここで、本例においては、オフセット入力部３０ｃから抵抗器３１を通してオフセット信号を入力する。オフセット信号は、図９の（７）に示すような直流電圧信号である。オセフット信号の大きさは、例えば非回転時の振動子の検出電極からの漏れ信号の大きさ（ゼロ点温度ドリフト）によって決定する。そして、一定周期でスイッチ１のオン−オフをスイッチ２のオン−オフと切り換える。この結果、ポイント６での出力が得られる。ここで、スイッチ１をオンにしている期間には、オフセット信号が入力され、スイッチ１をオフにしている期間には、オフセット信号が入力されないようになっている。この結果、検波回路全体の出力ポイント６における波形は、図９に示すようになる。すなわち、出力波形自体は図７の（６）と大差ないが、スイッチ１の期間においてはオフセット電圧信号が重畳され、スイッチ２の期間においてはオフセット信号が重畳されていない。

このように、同期検波回路の段階で、必要なオフセット信号を重畳することによって、以下の効果がある。例えば図１０に示すように、オフセット入力機能付きの同期検波回路３０をアンプ１５の下流に設ける。同期検波回路３０は、オフセット調整部１９と同期検波部１６とを備えており、回路３０の構成は例えば図８に示す。この回路３０において、前述のようにオフセット信号を組み込んだ検波後出力信号を得る。この信号をローパスフィルター１７、非反転アンプ２１、反転アンプ２２に通し、端子２０に出力する。

ここで、本例では、ローパスフィルター通過前にオフセット信号を入力しており、下流アンプ２１への信号電圧の入力範囲が狭い（図９の（６））。従って、アンプとして、入力電圧範囲が狭い非反転アンプ２１を使用できる。非反転アンプ２１における増幅率をＡとして、反転アンプ２２における増幅率を１とすると、１／ｆノイズは、Ｖｎ×Ａ＋Ｖｎ×２＝Ｖｎ×（Ａ＋２）となる。Ａ＝４とすると、ノイズは６Ｖｎにまで低減される。

図１１は、本発明の一実施形態に係る自励発振回路４９および検出回路５０を示す回路図である。

振動子１１に励振手段４０が取り付けられており、励振手段４０は自励発振回路４９に対して接続されている。自励発振回路４９は、電流／電圧増幅器（交流増幅器）４１、ハイパスフィルター４２、コンパレータ４３、全波整流器４４、積分器４５、抵抗器を備えている。

起動時には、自励発振回路４９に対して起動回路から雑音を入力する。この雑音は、振動子１１の駆動部４０を通過して周波数選択を受け、次いで電流／電圧変換器４１に入力され、増幅されて電圧値に変換される。電流／電圧変換器４１からの出力信号の一部を取り出し、全波整流器４４に入力し、振幅の水準（大きさ）に変換する。４６は基準電圧源である。この振幅の信号を積分器４５に入力する。自励発振装置４９は、図示しない診断回路に連結されており、診断回路の出力はＤＩＡＧ端子を通して外部に出力される。

起動後の初期段階では、振動子１１において雑音の大部分がカットされるため、全波整流器４４からの出力が比較的小さい。このため、積分器４５における出力を大きくし、発振ループを一巡する間のループゲインが１より大きくなるようにする。時間が経過すると、整流器４４からの出力が大きくなるので、積分器４５における出力を小さくし、ループゲインが１になるようにする。

検出回路５０においては、振動子１１に設けられた検出手段１２Ａ、１２Ｂからの各出力信号を、それぞれチャージアンプ１３Ａ、１３Ｂによって増幅し、各出力信号の差を差動アンプ１４によって増幅する。次いで、アンプ１５を通過させる。一方、駆動信号の一部を派生させ、この派生信号を、オフセット信号入力機能付きの位相検波器３０に入力し、振動子１１からの出力信号を検波する。検波後の出力信号を、ローパスフィルター１７、非反転アンプ２１、反転アンプ２２に通し、この出力を出力端子２２から外部に取り出す。

本発明においては、オフセット信号とは、被同期検波信号が０の場合の、出力の直流電圧のことであり、物理量測定装置において物理量が０の場合に測定値が０となる様に調整するための信号である。

同期検波用の基準信号の波形は限定されないが、正弦波、矩形波、三角波、ノコギリ波を例示できる。

本発明において測定されるべき物理量は特に限定はされない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、検出装置としては慣性センサーが好ましい。

駆動信号の波形は限定されないが、好ましくは正弦波、余弦波あるいは矩形波である。

振動子の構成は特に限定されない。振動子を構成する材質のＱ値は、３０００以上であることが好ましく、１００００以上であることが一層好ましい。振動子を構成する材質としては、エリンバー等の恒弾性合金、強誘電性単結晶（圧電性単結晶）を例示できる。こうした単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ホウ酸リチウム、ランガサイトを例示できる。

以下、図１、図１１を参照しつつ説明したような比較例の回路を構成し、駆動検出実験を行った。振動子としては、特開平１１−２８１３７２号公報に記載の振動子を使用した。この振動子は、２本の駆動振動片と、駆動振動片とは独立的に振動する２本の検出振動片とを備えている。起動回路から周波数１００〜５００ｋＨｚの雑音を発生させ、自励発振回路に入力し、自励発振を開始した。駆動振動片の固有共振周波数は４５ｋＨｚである。ローパスフィルターのカットオフ周波数は２００Ｈｚとする。

検出回路から得られた検出信号について１／ｆノイズは１０μＶ／√Ｈｚ（１Ｈｚ）であった。

これに対して、図１に示す検出回路において、検波回路を、図８に示すように変更した。この結果、比較例に比べて、１／ｆノイズは６０％低減された。

Claims (4)

1. 振動子、この振動子に駆動振動を励振する駆動回路、および前記振動子からの検出信号を出力する、検波回路を備える検出回路を使用し、前記検出信号に基づいて物理量を測定する装置であって、
   反転されかつ直流オフセット信号を重畳した被同期検波信号と、非反転であって前記直流オフセット信号を重畳していない前記被同期検波信号とを基準信号によって検波して交互に出力し、前記検波回路が、被同期検波信号の入力部と、前記基準信号の入力部と、前記被同期検波信号に対して前記直流オフセット信号を印加するオフセット信号入力部と、前記直流オフセット信号が重畳された前記被同期検波信号を前記基準信号の周期に基づいて切り替えて出力する第一のスイッチと、前記オフセット信号が重畳されていない前記被同期検波信号を前記基準信号の周期に基づいて切り換えて出力する第二のスイッチと、前記被同期検波信号を反転増幅する反転増幅器と、この反転増幅器と前記オフセット信号入力部および前記被同期検波信号の入力部との間にそれぞれ設けられた各抵抗と、前記反転増幅器と並列に接続された抵抗とを備えており、前記基準信号の入力部が前記第一のスイッチおよび前記第二のスイッチに接続されており、前記反転増幅器の出力が前記第一のスイッチに接続されており、かつ前記被同期検波信号の入力部が前記第二のスイッチに接続されており、前記オフセット信号が、前記物理量が０のときに測定値が０となるように調整する信号であることを特徴とする、物理量測定装置。
2. 前記被同期検波信号が正弦波であることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記同期検波後の出力を、ローパスフィルター、非反転アンプおよび反転アンプに順次通すことを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 前記物理量が回転角速度であり、前記オフセット信号の大きさが、非回転時の振動子の検出電極からの漏れ信号の大きさであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の装置。

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