(57)【要約】【課題】  ジャイロセンサの内部で任意に角速度出力の極性を反転させることができ、精度の良い角速度信号を出力するジャイロセンサを提供する。【解決手段】  振動ジャイロ素子１と、振動ジャイロ素子１を駆動させる駆動回路１０と、振動ジャイロ素子１に加わる角速度を検出する検出回路２０と、を備える同期検波方式のジャイロセンサ６０であって、検出回路２０は増幅部３０と同期検出部４０と出力部５０とを備え、同期検出部４０において、同期検波に用いる同期信号の極性を反転させることにより、角速度信号の極性を反転させる。【選択図】      図２
2006064613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動ジャイロ素子と、
前記振動ジャイロ素子を駆動させる駆動回路と、
前記振動ジャイロ素子に加わる角速度を検出する検出回路と、を備える同期検波方式のジャイロセンサであって、
前記検出回路は増幅部と同期検出部と出力部とを備え、
前記同期検出部において、同期検波に用いる同期信号の極性を反転させることにより、角速度信号の極性を反転させる機能を有することを特徴とするジャイロセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のジャイロセンサにおいて、前記同期検波に用いる同期信号の極性を反転させるか否かを選択できることを特徴とするジャイロセンサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のジャイロセンサにおいて、前記同期信号は前記駆動回路の信号を変換した信号であることを特徴とするジャイロセンサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のジャイロセンサを備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度の検出に用いるジャイロセンサおよび、当該ジャイロセンサを具備した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像機器の手ぶれ補正や、ＧＰＳ衛星信号を用いた車両等の移動体のナビゲーションシステムなどの姿勢制御として、ジャイロセンサが多く用いられている。
例えば、従来のジャイロセンサは特許文献１（図１０）に示すように、振動ジャイロ素子から角速度に対応した信号を取り出し、差動増幅回路にて差動増幅し、同期検波回路で正または負部分の信号が検波され、直流増幅回路を介して増幅された角速度信号が出力される。通常、ジャイロセンサの角速度出力は電圧信号であり、ジャイロセンサを基板表面に配置して、回転軸方向が時計回りで正極性、反時計回りで負極性の出力となっている。
また、これらの撮像機器やナビゲーションシステムでは、機器やシステムの小型化の要求により、両面実装基板を用い、ＩＣなどの電子部品と同様にジャイロセンサが基板裏面に実装される形態を採る場合がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２２１０４０号公報（図１０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ジャイロセンサは、角速度の検出方向と出力される極性が固定されており、ジャイロセンサを基板裏面に配置した場合には、基板表面から見て、回転軸が反転するため、ジャイロセンサから出力される角速度信号の極性が見かけ上、反転する現象が発生する。この現象を解消するために、ジャイロセンサの外部に極性反転回路を設け、ジャイロセンサの出力極性を反転させる必要がある。しかしながら、極性反転回路を用いた場合、基準となる電圧の変動やノイズ、さらには増幅器のノイズ等の影響で、反転した角速度信号の精度が低下するという課題があった。
【０００５】
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ジャイロセンサの内部で任意に角速度出力の極性を反転させることができ、精度の良い角速度信号を出力するジャイロセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のジャイロセンサは、振動ジャイロ素子と、前記振動ジャイロ素子を駆動させる駆動回路と、前記振動ジャイロ素子に加わる角速度を検出する検出回路と、を備える同期検波方式のジャイロセンサであって、前記検出回路は増幅部と同期検出部と出力部とを備え、前記同期検出部において、同期検波に用いる同期信号の極性を反転させることにより、角速度信号の極性を反転させる機能を有することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、同期検波に用いる同期信号の極性を反転させることにより、角速度信号の極性を反転させ、反転した角速度信号を出力することができる。このことから、ジャイロセンサを基板裏面に配置した場合に、角速度信号の極性を反転させる回路を外部に設ける必要がなくなる。また、角速度信号の極性を反転させる回路を設けた場合に問題となる、角速度信号の精度低下を防ぐことができ、精度の良い角速度信号をジャイロセンサから出力することができる。
さらに、ジャイロセンサの角速度出力をデジタル変換する場合においても、ソフトウェアの変更をする必要がなく、プログラムの書き換えやＲＯＭの交換が不要になる。
【０００８】
また、本発明のジャイロセンサは、同期検波に用いる同期信号の極性を反転させるか否かを選択できることを特徴とする。
【０００９】
このようにすれば、ジャイロセンサを基板の表裏のどちらでも配置することができ、基板設計の自由度が増す。
【００１０】
また、本発明のジャイロセンサは、同期信号は前記駆動回路の信号を変換した信号であることを特徴とする。
【００１１】
このように、ジャイロセンサを駆動する駆動回路の信号を利用することにより、新たな同期信号を得るための回路を設ける必要が無く、容易に同期信号を得ることができる。
【００１２】
また、本発明の電子機器は、上記のジャイロセンサを備えることを特徴とする。
【００１３】
このように本発明のジャイロセンサを電子機器に具備すれば、ジャイロセンサを基板の表裏のどちらでも配置することができ、基板設計の自由度が増し、電子機器の小型化に寄与できる。さらに、角速度信号の極性を反転しても、角速度信号の精度低下が無く特性の優れた電子機器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面に従って説明する。
（第１の実施形態）
【００１５】
図１（ａ）は、振動ジャイロ素子の概略構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、同図（ａ）のａａ−ａａ断線に沿う断面図である。
振動ジャイロ素子１はＹ軸方向に所定の長さに延在した振動腕２ａ，２ｂを有し、振動腕２ａ，２ｂは基部３に接続され音叉形状に形成されている。振動ジャイロ素子１はＺ軸方向に厚みを持ち、エリンバ合金などの恒弾性材料で形成されている。振動腕２ａの、対向するＹＺ平面には駆動素子５ａ，５ｂが設けられ、さらに、振動腕２ａの対向するＸＹ平面には検出素子７ａ，７ｂが設けられている。同様に、振動腕２ｂの、対向するＹＺ平面には駆動素子６ａ，６ｂが設けられ、さらに、振動腕２ｂの対向するＸＹ平面には検出素子８ａ，８ｂが設けられている。これらの駆動素子５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂおよび検出素子７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系圧電セラミックなどの圧電材料の平板に、Ａｕなどの電極を貼り合わせて形成されている。
また、振動腕２ａに設けられた駆動素子５ａ，５ｂは、お互いに異極となるように構成され、同様に振動腕２ｂに設けられた駆動素子６ａ，６ｂは、お互いに異極となるように構成されている。そして、駆動素子５ａ，６ｂは同極で、駆動素子５ｂ，６ａは同極となるように構成されている。
なお、振動ジャイロ素子の材料として、水晶、ランガサイト（Ｌａ3Ｃａ5ＳｉＯ14）、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ4）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、またはＢＮＴ−ＢＴ−ＳＴ系無鉛圧電セラミックなどの圧電材料を使用してもよい。
【００１６】
以上の構成の振動ジャイロ素子１において、駆動素子５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂに接続した駆動端子Ａ，Ａ´に交流信号を印加すると、図１（ａ）の矢印Ｃで示すように、振動腕２ａ，２ｂがＸ軸方向に固有の共振周波数で屈曲振動をする。振動腕２ａ，２ｂの屈曲振動は、駆動素子５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂの電極構成から、振動腕２ａ，２ｂの先端が、お互いに近づいたり遠ざかったりするように振動する。
振動腕２ａ，２ｂがＸ軸方向に屈曲振動している状態で、振動ジャイロ素子１がＹ軸回りに角速度ωで回転すると、Ｚ軸方向にコリオリ力Ｆが作用し、振動腕２ａ，２ｂはＺ軸方向にも屈曲振動を行う。このことから、検出素子７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂには、その圧電効果によりコリオリ力Ｆに対応した検出信号が発生する。
コリオリ力Ｆは角速度ωに比例するため、検出素子７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂに接続された検出端子Ｂ，Ｂ´から検出信号を取り出すことにより、角速度ωを求めることができる。
【００１７】
図２は、ジャイロセンサの回路構成を示す回路構成図である。
ジャイロセンサ６０は、振動ジャイロ素子１と駆動回路１０および検出回路２０を備えている。また、検出回路２０は、増幅部３０と同期検出部４０および出力部５０から構成されている。
駆動回路１０のＡＧＣ（Ａｕｔｏ  Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）付駆動回路１２は、振動ジャイロ素子１の駆動端子Ａに接続され、振動ジャイロ素子１の駆動端子Ａ´は増幅器１１に接続されている。そして、増幅器１１はＡＧＣ付駆動回路１２に接続され、ＡＧＣ付駆動回路１２と振動ジャイロ素子１の駆動端子Ａ，Ａ´および増幅器１１で発振ループが形成されている。
【００１８】
また、ＡＧＣ付駆動回路１２は位相シフタ４１に接続され、位相シフタ４１はコンパレータ４２に接続されている。コンパレータ４２は同期切り替え端子４５、およびインバータ４３にそれぞれ接続される。そして、インバータ４３は同期切り替え端子４４に接続される。同期切り替え端子４４，４５は、切り替えスイッチＳＷ１により、どちらかの切り替え端子が同期検波回路４６に接続される。
【００１９】
振動ジャイロ素子１の検出端子Ｂ、Ｂ´は、それぞれ増幅器３１，３２に接続し、増幅器３１，３２は差動増幅器３３に接続される。そして、差動増幅器３３は同期検波回路４６に接続される。
同期検波回路４６は、ローパスフィルタ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）５１に接続され、ローパスフィルタ５１は出力アンプ５２に接続される。
【００２０】
以上の構成のジャイロセンサ回路において、以下に回路動作について説明する。
駆動回路１０内のＡＧＣ付駆動回路１２より、振動ジャイロ素子１を駆動する駆動信号が出力される。ＡＧＣ付駆動回路１２から出力された駆動信号は振動ジャイロ素子１の駆動端子Ａに入力され、振動ジャイロ素子１を駆動する。そして、この時の振動レベルは駆動端子Ａ´からフィードバック信号として取り出し、このフィードバック信号は増幅器１１を経てＡＧＣ付駆動回路１２に帰還する。ＡＧＣ付駆動回路１２は、帰還したフィードバック信号を用いて利得を自動調整することにより、振動ジャイロ素子１の駆動振動レベルは一定に保たれる。このことから、振動ジャイロ素子１は固有の共振周波数で、かつ一定の振幅レベルで振動を継続することができる。
【００２１】
また、ＡＧＣ付駆動回路１２により出力される駆動信号は、位相シフタ４１によって、位相が９０度遅れるように位相調整され、コンパレータ４２で２値化される。ここで、切り替えスイッチＳＷ１が同期切り替え端子４５側に選択されていた場合、上記の位相調整された同期信号が同期検波回路４６へ同期信号として入力される。
また、切り替えスイッチＳＷ１が同期切り替え端子４４側に選択されていた場合、コンパレータ４２の出力はインバータ４３により極性が反転され、この反転された信号が同期検波回路４６へ同期信号として入力される。
このように、同期信号は駆動信号を利用し、駆動信号を変換して用いている。
【００２２】
一方、振動ジャイロ素子１に角速度ωが加わると、振動ジャイロ素子１の検出端子Ｂ，Ｂ´からはコリオリ力Ｆに比例した検出信号が出力される。検出信号は駆動信号を基準信号として角速度ωでＡＭ変調された信号と等価である。検出信号はそれぞれ増幅器３１，３２を経て、差動増幅器３３により増幅される。なお、この差動増幅方式を用いたのは、ノイズに対する耐性向上のためであり、例えば、検出端子Ｂ´を接地し、検出端子Ｂから出力される検出信号を増幅しても良い。
【００２３】
そして、差動増幅器３３より出力される増幅検出信号は、同期検波回路４６で直交検波される。この直交検波では、前述した切り替えスイッチＳＷ１で選択された同期信号に基づき直交検波が行われる。このため、切り替えスイッチＳＷ１が同期切り替え端子４４を選択した場合と、同期切り替え端子４５を選択した場合で、同期検波回路４６から出力される検波信号は、お互いに極性の異なる信号となる。
【００２４】
同期検波回路４６より出力された検波信号は、ローパスフィルタ５１を通すことにより、検波信号に重畳された高周波成分を除去する。そして、ローパスフィルタ５１の出力信号を出力アンプ５２によって、任意の信号レベルに増幅し、角速度ωに比例した角速度信号を出力することができる。
【００２５】
次に、図２を参考にしながら、上記ジャイロセンサ６０における回路構成の要部における信号波形を示し説明する。
図３は、切り替えスイッチＳＷ１が同期切り替え端子４５を選択した場合の、要部における信号の波形図である。
図３（ａ）はＡＧＣ付駆動回路１２から出力される駆動信号であり、同図（ｂ）はコンパレータ４２から出力される同期信号である。このように、コンパレータ４２から出力される同期信号は、駆動信号の位相が９０度遅れ２値化された信号となる。
図３（ｃ）は差動増幅器３３から出力される信号であり、コリオリ力に比例した検出信号を差動増幅した信号である。
図３（ｄ）は同期検波回路４６から出力される検波信号である。ここでは、図３（ｃ）の信号を、図３（ｂ）の同期信号に基づき検波した信号である。
図３（ｅ）はローパスフィルタ５１の出力信号であり、検波信号に重畳された高周波成分が除去されている。
【００２６】
図４は、切り替えスイッチＳＷ１が同期切り替え端子４４を選択した場合の、要部における信号の波形図である。
図４（ａ）はＡＧＣ付駆動回路１２から出力される駆動信号であり、同図（ｂ）はインバータ４３から出力される同期信号である。このように、インバータ４３から出力される同期信号は、駆動信号の位相が２７０度遅れ（９０度進んだ）、２値化された信号となる。
図４（ｃ）は差動増幅器３３から出力される信号であり、コリオリ力に比例した検出信号を差動増幅した信号である。
図４（ｄ）は同期検波回路４６から出力される検波信号である。ここでは、図４（ｃ）の信号を、図４（ｂ）の同期信号に基づき検波した信号である。
図４（ｅ）はローパスフィルタ５１の出力信号であり、検波信号に重畳された高周波成分が除去されている。
【００２７】
このように、同期検波に用いる同期信号の極性を反転させることにより、角速度信号の極性を反転させ、反転した角速度信号を出力することができる。このことから、ジャイロセンサ６０を基板裏面に配置した場合に、角速度信号の極性を反転させる回路を外部に設ける必要がなくなる。また、角速度信号の極性を反転させる回路を設けた場合に問題となる、角速度信号の精度低下を防ぐことができ、精度の良い角速度信号をジャイロセンサから出力することができる。また、ジャイロセンサの角速度出力をデジタル変換する場合においても、ソフトウェアの変更をする必要がなく、プログラムの書き換えやＲＯＭの交換が不要になる。さらに、切り替えスイッチＳＷ１でジャイロセンサから出力される角速度信号の極性を選択することができることから、ジャイロセンサを基板の表裏のどちらでも配置することができ、基板設計の自由度を上げることができる。
【００２８】
なお、本実施形態では音叉形状の振動ジャイロ素子について説明をしたが、振動ジャイロ素子として、Ｓｉ基板などの表面をマイクロマシン加工したジャイロセンサでも実施が可能である。
（第２の実施形態）
【００２９】
図５は本発明の電子機器の実施形態を示す構成図である。
ジャイロセンサを用いた応用機器として、姿勢を検出することが必要な、ビデオカメラやデジタルカメラ、さらには車載用や携帯用ナビゲーションシステムなどの電子機器が挙げられる。ビデオカメラやデジタルカメラにジャイロセンサなどの撮像機器に用いた場合には、撮像の手ぶれ補正を行い、車載用や携帯用ナビゲーションシステムなどにジャイロセンサを用いた場合には、システムの姿勢検出を行っている。
例えば、車載用ナビゲーションシステムなどの電子機器１００に、第１の実施形態におけるジャイロセンサ６０が具備され、角速度の検出を行う。ジャイロセンサが基板裏面に配置された場合には、ジャイロセンサの角速度出力の極性を反転するように選択することにより、精度の良い角速度信号が出力される。
【００３０】
このように、ジャイロセンサ６０を電子機器１００に具備すれば、ジャイロセンサ６０を基板の表裏のどちらでも配置することができ、基板設計の自由度が増し、電子機器の小型化に寄与できる。さらに、角速度信号の極性を反転しても、角速度信号の精度低下が無く特性の優れた電子機器を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、角速度を認識するジャイロセンサに限らず、出力される極性により変化の方向や量を認識する様々なセンサに応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る実施形態の振動ジャイロ素子を説明する図であり、（ａ）は振動ジャイロ素子の斜視図、（ｂ）は同図（ａ）のａａ−ａａ断線に沿う断面図。
【図２】ジャイロセンサの回路構成図。
【図３】（ａ）から（ｅ）は回路内における要部の信号の波形図。
【図４】（ａ）から（ｅ）は回路内における要部の信号の波形図。
【図５】電子機器の構成を示す構成図。
【符号の説明】
【００３３】
１…振動ジャイロ素子、２ａ，２ｂ…振動腕、３…基部、５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ…駆動素子、７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ…検出素子、１０…駆動回路、１１…増幅器、１２…ＡＧＣ付駆動回路、２０…検出回路、３０…増幅部、３１，３２…増幅器、３３…差動増幅器、４０…同期検出部、４１…位相シフタ、４２…コンパレータ、４３…インバータ、４４，４５…同期切り替え端子、４６…同期検波回路、５０…出力部、５１…ローパスフィルタ、５２…出力アンプ、６０…ジャイロセンサ、１００…電子機器、Ａ，Ａ´…駆動端子、Ｂ，Ｂ´…検出端子、ＳＷ１…切り替えスイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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