KR20060129930A - 검파 회로, 검파 방법 및 물리량 측정 장치 - Google Patents

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요시히로 고바야시
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니뽄 가이시 가부시키가이샤
세이코 엡슨 가부시키가이샤
세이코 엔피시 가부시키가이샤
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Abstract

검파 회로(30)는 피동기 검파 신호의 입력부(30a)와, 피동기 검파 신호에 대한 기준 신호의 입력부(30b)와, 피동기 검파 신호에 대하여 오프셋 신호를 인가하는 오프셋 신호 입력부(30c)를 구비하고 있다. 오프셋 신호를 피동기 검파 신호에 중첩하고, 이어서 기준 신호에 기초하여 동기 검파한다.

Description

검파 회로, 검파 방법 및 물리량 측정 장치{DETECTION CIRCUITS, DETECTION METHOD AND SYSTEMS FOR MEASURING PHYSICAL QUANTITIES}
본 발명은 검파 회로, 검파 방법 및 물리량 측정 장치에 관한 것이다.
본 출원인은 진동형 자이로스코프의 응용에 대해서 여러 가지 검토를 진행시키고 있으며, 예컨대 자동차의 차체 회전 속도 피드백식의 차량 제어 방법에 이용하는 회전 속도 센서에 진동형 자이로스코프를 사용하는 것을 검토했다. 이러한 시스템에 있어서, 스티어링 휠(steering wheel)의 방향 자체는 핸들의 회전 각도에 의해서 검출된다. 이와 동시에, 실제로 차체가 회전하고 있는 회전 속도를 진동 자이로스코프에 의해 검출한다. 그리고, 스티어링 휠의 방향과 실제 차체의 회전 속도를 비교하여 차(差)를 구하고, 이 차에 기초하여 차륜 토크, 스티어링 각에 보정을 가함으로써, 안정된 차체 제어를 실현한다. 본 출원인은 일본 특개평 11-281372호 공보에서 주로 평면 내로 연장되는 진동자를 이용한, 가로 배치 타입에 알맞은 진동형 자이로스코프를 제안했다.
진동형 자이로스코프를 제조하는 경우에는, 자려발진(自勵發振) 회로를 이용하여, 예컨대 수정으로 이루어지는 구동 진동편에 구동 진동을 여진(勵振)시킨다. 또한, 진동자 상의 검출 전극으로부터 발신된 출력 전압을 처리함으로써, 회전각속 도에 대응하는 전압치를 얻는다. 이러한 회로로서는, 일본 특개평 11-44540호 공보, 일본 특허 공개 2003-87057호 공보에 기재된 것이 있다.
종래에는, 자려 발진 회로와 검출 회로를 디스크리트 부품에 의해 구성했지만, 제조 공정수가 많다. 이 때문에, 본 발명자는, 모놀리식 IC 칩 상에 자려 발진 회로와 검출 회로를 형성함으로써, 구동-검출 회로를 양산하는 것을 검토하고 있었다.
자이로 센서용의 IC를 모노리식화할 때, IC화 프로세스에는 크게 나누어 바이폴라(bipolar)와 CMOS가 있다. 검출 전극에 있어서의 미소 전류를 측정하기 위해서는, CMOS 프로세스가 바람직하다. 그러나, CMOS 프로세스로 IC화를 하면, 노이즈가 크고, 특히 검출 회로에 있어서 1/f 노이즈가 커진다.
도 1은 검출 회로의 일례를 도시하는 블럭도이다. 진동자(11)에 설치된 검출 수단(12A, 12B)으로부터의 각 출력 신호를, 각각 전하 증폭기(13A, 13B)에 의해서 증폭하고, 각 출력 신호의 차를 차동 증폭기(14)에 의해서 증폭한다. 이어서, 증폭기(15)를 통과시킨다. 한편, 구동 신호의 일부를 파생시키고, 이 파생 신호를 위상 검파기(30)에 입력하며, 진동자(1)로부터의 출력 신호를 검파 회로(16)에 통과시켜 검파한다. 이 결과, 검파후의 출력 신호에 있어서, 불필요한 누설 신호는 소거되거나, 혹은 적어도 저감되고 있다. 이 검파후의 출력 신호를 저역 통과 필터(17), 증폭기(18)에 통과시킨다. 도 1의 S4에서 자이로 방향 진동 성분과 누설 방향 진동 성분은, 도 2의 S4에 도시한 바와 같이 된다. 자이로 신호 성분을 검파하면, S5에서 나타낸 바와 같은 파형이 된다. 이 신호를 저역 통과 필터(17)에 통 과시키면, S6에서 나타낸 바와 같은 직류 신호가 얻어진다. 이 때, 검파 및 저역 통과 필터 통과후에는 신호 진폭이 작아진다. 이 때문에, 통상 직류 신호를 증폭기(18)에서 증폭하고, 오프셋 조정 회로(19)로부터의 신호를 가한다. 이 증폭후의 출력을 출력 단자(20)에서 측정한다.
여기서, 예컨대 1/f 노이즈가 문제가 되는 것으로 판명되어 왔다. 1/f 노이즈는 저주파의 노이즈이며, 주로 증폭기로부터 발생한다. 이 때문에, 저역 통과 필터(17)의 하류에 있어서의 노이즈의 증폭율을 저하시킬 필요가 있다.
예컨대, 도 3에 도시한 바와 같이, 저역 통과 필터(17)의 하류에 비반전 증폭기(21), 반전 증폭기(22)를 배치한 것으로 한다. 증폭기로는 반전 증폭기와 비반전 증폭기가 있다. 여기서, 증폭기의 노이즈를 Vn으로 하고, 증폭 회로의 게인을 A로 한다. 그렇게 하면, 반전 증폭기의 출력 노이즈는 [(A+1)×Vn]이 되고, 비반전 증폭기의 출력 노이즈는 [A×Vn]이 된다. 따라서, 노이즈를 낮게 한다고 하는 관점에서는 비반전 증폭기를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 도 3에 도시하는 회로에서, 비반전 증폭기(21) 및 오프셋 조정 D/A(19)로부터의 반전 증폭기(22)의 입력 임피던스가 서로 동일하다고 하면, 1/f 노이즈는 Vn×A+Vn×(2A+1)=Vn×(3A+1)이 된다. 예컨대 A=4라고 하면, 도 3의 회로에 있어서 저역 통과 필터 이후의 1/f 노이즈는 13 Vn이 된다. 따라서, A의 증폭율을 갖는 증폭기를 가능한 한 상류 측으로 이동시킬 것이 요망된다.
이 때문에, 본 발명자는 도 5에 도시한 바와 같이, A의 증폭율을 갖는 증폭기를 상류측으로 이동시키는 것을 시도했다. 이 경우에는, 증폭기(23)의 신호에 대하여 오프셋 신호를 입력한다. 이 경우에, 저역 통과 필터(17) 및 오프셋 조정 D/A(19)로부터의 반전 증폭기(23)의 입력 임피던스가 서로 동일하다고 하면, 1/f 노이즈는 Vn×(2A+1)+Vn×2=Vn×(2A+3)이 된다. 예컨대 A=4라고 하면, 1/f 노이즈는 11 Vn이 된다. 여기서, 노이즈 자체는 반전 증폭기에서보다도 비반전 증폭기에서 더 작다. 그러나, 비반전 증폭기는 입력 전압 범위가 작다. 오프셋 조정을 하기 위해서는, 증폭기 입력 범위가 넓을 필요가 있으며, 이 때문에 노이즈가 큰 반전 증폭기를 사용하지 않을 수 없어, 검출 회로에 있어서의 1/f 노이즈의 저감이 어렵다.
본 발명의 과제는, 동기 검파후의 신호를 증폭하는 데 있어서, 증폭후의 신호의 노이즈를 저감하는 것이다.
본 발명은, 피동기 검파 신호의 입력부와, 피동기 검파 신호에 대한 기준 신호의 입력부와, 피동기 검파 신호에 대하여 오프셋 신호를 인가하는 오프셋 신호 입력부를 구비하며, 오프셋 신호를 피동기 검파 신호에 중첩한 후에 상기 기준 신호에 기초하여 동기 검파하는 것을 특징으로 하는 검파 회로에 관하는 것이다.
또한, 본 발명은, 피동기 검파 신호에 대하여 오프셋 신호를 중첩하고, 이어서 기준 신호에 기초하여 동기 검파하는 것을 특징으로 하는 검파 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 진동자와, 이 진동자에 구동 진동을 여진시키는 구동 회로, 그리고 진동자로부터의 검출 신호를 출력하기 위한 검출 회로를 사용하고, 검출 신호에 기초하여 물리량을 측정하는 장치로서, 검출 회로가 검파 회로를 갖추고 있고, 검파 회로는 피동기 검파 신호의 입력부와, 피동기 검파 신호에 대한 기준 신호의 입력부, 그리고 피동기 검파 신호에 대하여 오프셋 신호를 인가하는 오프셋 신호 입력부를 구비하고 있으며, 오프셋 신호를 피동기 검파 신호에 중첩한 후에 기준 신호에 기초하여 동기 검파하는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명자는, 피동기 검파 신호에 대한 오프셋 신호를 피동기 검파 신호에 중첩하고, 기준 신호에 의해서 동기 검파하는 회로를 생각하기에 이르렀다. 이로써, 동기 검파후 증폭시의 증폭기로서, 입력 전압 범위가 좁은 비반전 증폭기를 사용할 수 있게 되었다. 비반전 증폭기는 반전 증폭기에 비하여 1/f 노이즈가 작기 때문에, 노이즈를 현저히 저감하는 것이 가능하다.
도 1은 종래 예의 검출 회로를 도시하는 회로도.
도 2는 포인트 S4, S5, S6에 있어서의 각 파형을 도시한 도면.
도 3은 본 발명자가 검토한 비교예의 검출 회로를 도시하는 회로도.
도 4는 반전 증폭기 및 비반전 증폭기의 구성 예를 도시하는 회로도.
도 5는 본 발명자가 검토한 다른 비교예의 검출 회로를 도시하는 회로도.
도 6은 동기 검파 회로를 도시하는 회로도.
도 7은 도 6에 도시된 동기 검파 회로의 포인트 1∼6에 있어서의 각 파형을 도시하는 파형도.
도 8은 오프셋 신호 입력 기능을 지닌 동기 검파 회로를 도시하는 회로도.
도 9는 도 8에 도시된 회로의 각 포인트 1∼7에 있어서의 파형의 예를 도시하는 파형도.
도 10은 오프셋 신호 입력 기능을 지닌 동기 검파 회로(30)가 설치된 검출 회로를 도시하는 블럭도.
도 11은 자려 발진 회로(49) 및 오프셋 신호 입력 기능을 지닌 동기 검파 회로(30)가 설치된 검출 회로(50)를 도시하는 회로도.
이하, 본 발명의 동기 검파 회로에 관해서 설명한다.
도 6은 종래의 동기 검파 회로(16)를 도시하는 회로도이다. 도 7은 도 6의 회로의 포인트 1∼6에 있어서의 각 전압 파형을 도시한다. 피동기 검파 신호 입력부(16a)에 대하여 피동기 검파 신호를 입력한다(포인트 1). 포인트 1에 있어서의 파형은, 예컨대 도 7의 (1)에 도시한 바와 같은 정현파이다. 피동기 검파 신호 입력부(16a)는 실질적으로 반전 증폭기로 이루어져 있고, 직렬 저항기(27), 병렬 저항기(28) 및 증폭기(26)를 구비한다. 이 결과, 포인트 2에 있어서는, 도 7의 (2)에 도시한 바와 같이, 포인트 1에서의 정현파가 반전한다. 이 출력은 스위치 1(29A), 스위치 2(29B)를 지나서, 검파 회로의 출력 포인트 6에 연결되고 있다.
한편, 기준 신호 입력부(16b)로부터 기준 신호를 입력한다. 포인트 3에 있어서의 신호를 도 7의 (3)에 도시한다. 이 신호를 비교기(25)에 통과시키면, 포인트 4에서는 사각파로 변화된다. 또한, 포인트 5에서는, 포인트 4에 있어서의 사각 파의 파형이 반전된다. 그리고, 일정 주기로 스위치 1의 온-오프와 스위치 2의 온-오프를 전환한다. 이 결과, 포인트 6에서의 출력이 얻어진다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 오프셋 신호 입력 기능을 지닌 검파 회로(30)를 도시하는 회로도이며, 도 9는 도 8에 도시된 회로의 각 포인트에 있어서의 파형의 예를 도시한다.
피동기 검파 신호 입력부(30a)에 대하여 피동기 검파 신호를 입력한다(포인트 1). 포인트 1에 있어서의 파형은 예컨대 도 9의 (1)에 도시한 바와 같은 정현파이다. 피동기 검파 신호 입력부(30a)는 실질적으로 반전 증폭기로 이루어져 있고, 직렬 저항기(27), 병렬 저항기(28) 및 증폭기(26)를 구비한다. 이 결과, 포인트 2에 있어서는, 도 9의 (2)에 도시한 바와 같이, 포인트 1에서의 정현파가 반전된다. 이 출력은 스위치 1(29A), 스위치 2(29B)를 통해서, 검파 회로의 출력 포인트 6에 연결되고 있다.
한편, 기준 신호 입력부(30b)로부터 기준 신호를 입력한다. 포인트 3에 있어서의 신호를 도 9의 (3)에 도시한다. 이 신호를 비교기(25)에 통과시키면, 포인트 4에서는 사각파로 변화된다. 또한 포인트 5에서는, 포인트 4에 있어서의 사각파의 파형이 반전된다.
여기서, 본 예에 있어서는, 오프셋 입력부(30c)로부터 저항기(31)를 통해서 오프셋 신호를 입력한다. 오프셋 신호는 도 9의 (7)에 도시한 바와 같은 직류 전압 신호이다. 오프셋 신호의 크기는, 예컨대 비회전시 진동자의 검출 전극으로부터의 누설 신호 크기(제로점 온도 드리프트)에 의해서 결정한다. 그리고, 일정 주 기로 스위치 1의 온-오프와 스위치 2의 온-오프를 전환한다. 이 결과, 포인트 6에서의 출력이 얻어진다. 여기서, 스위치 1을 온으로 하고 있는 기간에는, 오프셋 신호가 입력되고, 스위치 1을 오프로 하고 있는 기간에는, 오프셋 신호가 입력되지 않게 되고 있다. 이 결과, 검파 회로 전체의 출력 포인트 6에 있어서의 파형은 도 9에 도시한 바와 같이 된다. 즉, 출력 파형 자체는 도 7의 (6)과 큰 차가 없지만, 스위치 1의 기간에 있어서는 오프셋 전압 신호가 중첩되고, 스위치 2의 기간에 있어서는 오프셋 신호가 중첩되고 있지 않다.
이와 같이, 동기 검파 회로의 단계에서, 필요한 오프셋 신호를 중첩함으로써 이하의 효과가 있다. 예컨대 도 10에 도시한 바와 같이, 오프셋 입력 기능을 지닌 동기 검파 회로(30)를 증폭기(15)의 하류에 마련한다. 동기 검파 회로(30)는 오프셋 조정부(19)와 동기 검파부(16)를 구비하고 있고, 회로(30)의 구성은 예컨대 도 8에 도시한다. 이 회로(30)에서, 전술한 바와 같이 오프셋 신호를 포함하는 검파후 출력 신호를 얻는다. 이 신호를 저역 통과 필터(17), 비반전 증폭기(21), 반전 증폭기(22)에 통과시키고, 단자(20)로 출력한다.
여기서, 본 예에서는, 저역 통과 필터 통과전에 오프셋 신호를 입력하고 있고, 하류 증폭기(21)로의 신호 전압의 입력 범위가 좁다[도 9의 (6)]. 따라서, 증폭기로서, 입력 전압 범위가 좁은 비반전 증폭기(21)를 사용할 수 있다. 비반전 증폭기(21)에 있어서의 증폭율을 A로 하고, 반전 증폭기(22)에 있어서의 증폭율을 1이라고 하면, 1/f 노이즈는 Vn×A+Vn×2=Vn×(A+2)으로 된다. A=4라고 하면, 노이즈는 6 Vn까지 저감된다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 자려 발진 회로(49) 및 검출 회로(50)를 도시하는 회로도이다.
진동자(11)에 여진 수단(40)이 부착되어 있고, 여진 수단(40)은 자려 발진 회로(49)에 대하여 접속되어 있다. 자려 발진 회로(49)는 전류/전압 증폭기(교류 증폭기)(41), 고역 패스 필터(42), 비교기(43), 전파(全波) 정류기(44), 적분기(45), 저항기를 구비한다.
기동시에는, 기동 회로로부터 자려 발진 회로(49)에 대하여 노이즈를 입력한다. 이 노이즈는 진동자(11)의 구동부(40)를 통과하여 주파수 선택을 받고, 이어서 전류/전압 변환기(41)에 입력되며, 증폭되어 전압치로 변환된다. 전류/전압 변환기(41)로부터의 출력 신호의 일부를 취출하고, 전파 정류기(44)에 입력하여, 진폭의 수준(크기)으로 변환한다. 도면 부호 46은 기준 전압원이다. 이 진폭의 신호를 적분기(45)에 입력한다. 자려 발진 장치(49)는 도시하지 않는 진단 회로에 연결되어 있고, 진단 회로의 출력은 DIAG 단자를 통해서 외부로 출력된다.
기동후의 초기 단계에서는, 노이즈의 대부분이 진동자(11)에서 컷트되므로, 전파 정류기(44)로부터의 출력이 비교적 작다. 이 때문에, 적분기(45)에서의 출력을 크게 하고, 발진 루프를 일주하는 동안의 루프 게인이 1보다 커지도록 한다. 시간이 경과하면 정류기(44)로부터의 출력이 커지므로, 적분기(45)에 있어서의 출력을 작게 하여 루프 게인이 1이 되도록 한다.
검출 회로(50)에 있어서는, 진동자(11)에 마련된 검출 수단(12A, 12B)으로부터의 각 출력 신호를, 각각 전하 증폭기(13A, 13B)에 의해서 증폭하고, 각 출력 신 호의 차를 차동 증폭기(14)에 의해서 증폭한다. 계속해서, 증폭기(15)를 통과시킨다. 한편, 구동 신호의 일부를 파생시키고, 이 파생 신호를 오프셋 신호 입력 기능을 지닌 위상 검파기(30)에 입력하여, 진동자(11)로부터의 출력 신호를 검파한다. 검파후의 출력 신호를 저역 통과 필터(17), 비반전 증폭기(21), 반전 증폭기(22)에 통과시켜, 이 출력을 출력 단자(22)에서 외부로 취출한다.
본 발명에 있어서, 오프셋 신호란, 피동기 검파 신호가 0인 경우의, 출력의 직류 전압을 말하며, 물리량 측정 장치에 있어서 물리량이 0인 경우에 측정치가 0이 되도록 조정하기 위한 신호이다.
동기 검파용의 기준 신호의 파형은 한정되지 않지만, 정현파, 사각파, 삼각파, 톱파를 예시할 수 있다.
본 발명에 있어서 측정되어야 하는 물리량은 특별히 한정되지는 않는다. 진동자에 구동 진동을 여진시키고, 구동 진동 중인 진동자에 대한 물리량의 영향에 의해서 진동자의 진동 상태로 변화가 생겼을 때에, 이 진동 상태의 변화로부터 검출 회로를 통해서 검출 가능한 물리량을 대상으로 한다. 이러한 물리량으로서는, 진동자에 인가되는 가속도, 각속도, 각가속도가 특히 바람직하다. 또한, 검출 장치로서는 관성 센서가 바람직하다.
구동 신호의 파형은 한정되지 않지만, 바람직하게는 정현파, 코사인파 혹은 사각파이다.
진동자의 구성은 특별히 한정되지 않는다. 진동자를 구성하는 재질의 Q치는 3000 이상인 것이 바람직하고, 10000 이상인 것이 한층 더 바람직하다. 진동자를 구성하는 재질로서는, 엘린바(elinvar) 등의 항탄성 합금, 강유전성 단결정(압전성 단결정)을 예시할 수 있다. 이러한 단결정으로서는 수정, 니오븀산리튬, 탄탈산리튬, 니오븀산리튬-탄탈산리튬 고용체, 붕산리튬, 랑거사이트(langasite)를 예시할 수 있다.
예
이하, 도 1, 도 11을 참조하면서 설명한 것과 같은 비교예의 회로를 구성하여, 구동 검출 실험을 했다. 진동자로서는, 일본 특개평 11-281372호 공보에 기재된 진동자를 사용했다. 이 진동자는 2개의 구동 진동편과 이 구동 진동편에 대해 독립적으로 진동하는 2개의 검출 진동편을 구비하고 있다. 기동 회로로부터 주파수 100∼500 kHz의 노이즈를 발생시키고, 자려 발진 회로에 입력하며, 자려 발진을 시작했다. 구동 진동편의 고유 공진 주파수는 45 kHz이다. 저역 통과 필터의 컷오프 주파수는 200 Hz로 한다.
검출 회로로부터 얻어진 검출 신호에 대한 1/f 노이즈는 10 μV/√Hz(1 Hz)이었다.
이에 대하여, 도 1에 도시하는 검출 회로에 있어서, 검파 회로를 도 8에 도시한 바와 같이 변경했다. 이 결과, 비교예에 비해서, 1/f 노이즈는 60% 저감되었다.

Claims (4)

  1. 피(被)동기 검파 신호의 입력부와, 상기 피동기 검파 신호에 대한 기준 신호의 입력부와, 상기 피동기 검파 신호에 대하여 오프셋 신호를 인가하는 오프셋 신호 입력부를 구비하고, 상기 오프셋 신호를 상기 피동기 검파 신호에 중첩한 후에 상기 기준 신호에 기초하여 동기 검파하는 것을 특징으로 하는 검파 회로.
  2. 피동기 검파 신호에 대하여 오프셋 신호를 중첩하고, 이어서 기준 신호에 기초하여 동기 검파하는 것을 특징으로 하는 검파 방법.
  3. 진동자와, 이 진동자에 구동 진동을 여진(勵振)시키는 구동 회로, 그리고 상기 진동자로부터의 검출 신호를 출력하기 위한 검출 회로를 사용하고, 상기 검출 신호에 기초하여 물리량을 측정하는 장치로서,
    상기 검출 회로는 검파 회로를 구비하고, 이 검파 회로는 피동기 검파 신호의 입력부와, 상기 피동기 검파 신호에 대한 기준 신호의 입력부와, 상기 피동기 검파 신호에 대하여 오프셋 신호를 인가하는 오프셋 신호 입력부를 구비하며, 상기 오프셋 신호를 상기 피동기 검파 신호에 중첩한 후에 상기 기준 신호에 기초하여 동기 검파하는 것을 특징으로 하는 물리량 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서, 회전각속도를 측정하기 위한 장치인 것을 특징으로 하는 물 리량 측정 장치.
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