JPWO2005068939A1 - 検波回路、検波方法および物理量測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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、特開平11−44540号公報、特開2003−87057号公報に記載がある。
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、被同期検波信号の入力部と、被同期検波信号に対する基準信号の入力部と、被同期検波信号に対してオフセット信号を印加するオフセット信号入力部とを備えており、オフセット信号を被同期検波信号に重畳した後に前記基準信号に基づいて同期検波することを特徴とする、検波回路に係るものである。
また、本発明は、被同期検波信号に対してオフセット信号を重畳し、次いで基準信号に基づいて同期検波することを特徴とする、検波方法に係るものである。
また、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、および振動子からの検出信号を出力するための検出回路を使用し、検出信号に基づいて物理量を測定する装置であって、検出回路が検波回路を備えており、検波回路が、被同期検波信号の入力部と、被同期検波信号に対する基準信号の入力部と、被同期検波信号に対してオフセット信号を印加するオフセット信号入力部とを備えており、オフセット信号を被同期検波信号に重畳した後に基準信号に基づいて同期検波することを特徴とする、物理量測定装置に係るものである。
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。
図2は、ポイントS4、S5、S6における各波形を示す図である。
図3は、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。
図4は、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。
図5は、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。
図6は、同期検波回路を示す回路図である。
図7は、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。
図8は、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9は、図8の回路の各ポイント1〜7における波形例を示す。
図10は、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。
図11は、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。
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。
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)
- 被同期検波信号の入力部と、前記被同期検波信号に対する基準信号の入力部と、前記被同期検波信号に対してオフセット信号を印加するオフセット信号入力部とを備えており、前記オフセット信号を前記被同期検波信号に重畳した後に前記基準信号に基づいて同期検波することを特徴とする、検波回路。
- 被同期検波信号に対してオフセット信号を重畳し、次いで基準信号に基づいて同期検波することを特徴とする、検波方法。
- 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ための検出回路を使用し、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、
前記検出回路が検波回路を備えており、この検波回路が、被同期検波信号の入力部と、前記被同期検波信号に対する基準信号の入力部と、前記被同期検波信号に対してオフセット信号を印加するオフセット信号入力部とを備えており、前記オフセット信号を前記被同期検波信号に重畳した後で前記基準信号に基づいて同期検波することを特徴とする、物理量測定装置。 - 回転角速度を測定するための装置であることを特徴とする、請求項3記載の装置。
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