(57)【要約】【課題】  振動体を共振振動させるための自励発振に用いられるフィルタのカットオフ周波数のばらつきを低減することにより、振動体の振動制御の精度を向上させることができる角速度検出装置を提供することを目的とする。【解決手段】  振動された状態で角速度が印加されることにより生じるコリオリ力により変位する振動体１０２と、振動体１０２の変位量を示す検出信号を出力するＩＶ変換器３と、その検出信号に基づき濾波を行うｇｍ−Ｃフィルタ４，５２と、ｇｍ−Ｃフィルタ４，５２により濾波された信号に基づいて、振動体１０２の振動の位相と９０度位相がずれた駆動信号Ｓｄを生成する駆動制御回路７と、駆動信号Ｓｄに応じて振動体１０２を振動させる駆動用電極１０３とを備えた。また、ｇｍ−Ｃフィルタ４，５２は、基準発振源１３から出力された基準信号に応じてカットオフ周波数が変化するようにした。【選択図】      図１
2006329637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動された状態で角速度が印加されることにより生じるコリオリ力により変位する振動体と、
前記振動体の変位の量を検出し、検出した変位量を示す検出信号を出力する検出部と、
前記検出部から出力された検出信号に基づき濾波を行うフィルタ部と、
前記フィルタ部により濾波された信号に基づいて、前記振動体の振動の位相と９０度位相がずれた駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
前記駆動信号生成部により生成された駆動信号に応じて、前記振動体を振動させる駆動部と
を備え、
前記フィルタ部は、所定の周波数を有する基準信号に応じてカットオフ周波数が変化すること
を特徴とする角速度検出装置。
【請求項２】
前記フィルタ部は、
前記基準信号の周波数に応じた制御信号を出力するチューナ部と、
前記チューナ部から出力された制御信号に応じて増幅率が変化するｇｍ素子と、
前記ｇｍ素子の出力を濾波するキャパシタと
を備えるｇｍ−Ｃフィルタであること
を特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項３】
前記フィルタ部は、
前記基準信号の周波数に応じて擬似的な抵抗値が変化するスイッチトキャパシタ回路を備えるスイッチトキャパシタフィルタであること
を特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
【請求項４】
予め設定された所定の周波数を有するキャリア信号を出力するキャリア信号出力部と、
前記キャリア信号出力部から出力されたキャリア信号を前記振動体に付与することにより、前記振動体の変位量に応じた信号成分を前記キャリア信号に重畳させるキャリア信号付与部と
をさらに備え、
前記検出部は、前記信号成分が重畳されたキャリア信号を前記検出信号として検出すること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の角速度検出装置。
【請求項５】
前記検出部により検出された検出信号と前記キャリア信号出力部から出力されたキャリア信号とを乗算する乗算部と当該乗算部により乗算された信号を濾波するローパスフィルタとを備える同期検波回路をさらに備え、
前記ローパスフィルタは、前記フィルタ部であること
を特徴とする請求項４記載の角速度検出装置。
【請求項６】
前記キャリア信号出力部から出力されたキャリア信号を、前記基準信号として用いることを特徴とする請求項４又は５記載の角速度検出装置。
【請求項７】
前記駆動信号生成部により生成された駆動信号を、前記基準信号として用いることを特徴とする請求項５記載の角速度検出装置。
【請求項８】
前記検出部から出力された検出信号の信号レベルに応じて、前記キャリア信号出力部から前記キャリア信号付与部へ出力されるキャリア信号を増幅する増幅部をさらに備えることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の角速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、規定の振動を与えている振動体に外力による角速度が作用したときのコリオリ力を計測することによって角速度を計測する角速度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車におけるサスペンションやエアバッグの制御装置、航空機における慣性航法システム、カメラの手ぶれ補正装置などにおいて、ジャイロセンサを用いた角速度検出装置が用いられている。この種の角速度検出装置として、規定の振動を与えている質量体に外力による角速度が作用したときのコリオリ力を計測することによって角速度を計測する振動式ジャイロセンサが知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。
【０００３】
図９は、背景技術に係るジャイロセンサの構成を説明するための概念図である。図９に示すジャイロセンサ１０１は、略直方体形状の導電体から構成された振動体１０２と、図９に示すように振動体１０２の一辺と平行方向にＸ軸をとると、振動体１０２の一辺と間隔を有してＸ軸方向に対向配置される駆動用電極１０３と、Ｘ軸と直交するＹ軸方向に振動体１０２を間に挟んで対向配置される検出用電極１０５及び１０６とを備えている。駆動用電極１０３、検出用電極１０５，１０６は、それぞれ振動体１０２の一辺と間隔を有して対向配置され、振動体１０２との間に静電容量Ｃ１０３，Ｃ１０５，Ｃ１０６が形成されている。
【０００４】
図１０は、ジャイロセンサ１０１の動作を説明するための説明図である。図９に示すジャイロセンサ１０１において、駆動用電極１０３に交流電圧を印加すると、振動体１０２と駆動用電極１０３との間に周期的な静電気力が発生し、振動体１０２がＸ軸方向に沿って振動する。この状態で、ジャイロセンサ１０１に紙面に垂直方向の軸まわりに角速度Ｒが印加されるとＹ軸方向にコリオリ力が発生し、コリオリ力に応じて振動体１０２がＹ軸方向に変位する。振動体１０２がＹ軸方向に変位すると、振動体１０２と検出用電極１０５及び１０６との間の静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６が変化する。
【０００５】
従って、静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６は、振動体１０２の振動速度が一定であれば、ジャイロセンサ１０１に印加された角速度に応じて変化する。そこで、ジャイロセンサ１０１を用いた角速度検出装置は、静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６の容量変化を検出することにより、ジャイロセンサ１０１に印加された角速度を検出するようになっている。
【０００６】
ここで、角速度によって生じたコリオリ力によるＹ軸方向の変位は、Ｘ軸方向の振動速度に比例するため、角速度を精度よく検出するためには、振動体１０２の振動速度を大きく且つ一定の速度に保つことが必要である。そのためには、振動体１０２を固有の共振周波数で振動させることが望ましい。また、振動体１０２が共振状態になると、駆動用電極１０３に印加された駆動用の電圧信号に対し９０度位相が遅延した信号が、振動体１０２のＸ軸方向の機械的変位を示す検出信号として得られることが知られている。
【０００７】
そこで、従来、振動体１０２を振動させた場合におけるＸ軸方向の振動体１０２の機械的変位を示す検出信号を、９０度位相シフトして駆動用電極１０３へ駆動用電圧として供給することにより、振動体１０２を共振周波数で共振させるようにしている。
【０００８】
図１１は、背景技術に係る角速度検出装置の電気的構成を示すブロック図である。図１１において、ジャイロセンサ１０１は等価回路で示されている。図１１に示す角速度検出装置１００は、ジャイロセンサ１０１、キャリア発生回路１１１、ＩＶ変換器１１２、バンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦと略称する）１１３、第１同期検波回路１１５、第２同期検波回路１１６、駆動制御回路１１７、アンプ１１８、インバータ１１９及び移相器１２０，１２１を備えている。
【０００９】
キャリア発生回路１１１は、静電容量検出用の所定の周波数、例えば１００ｋＨｚの周波数を有するキャリア信号を、静電容量Ｃ１０５へ供給すると共に、インバータ１１９を介して静電容量Ｃ１０６へ供給する。すなわち、静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６へ供給されるキャリア信号は、互いに位相が１８０度異なるようにされている。
【００１０】
ＩＶ変換器１１２は、振動体１０２から検出された電流信号を電圧信号に変換し、ＢＰＦ１１３へ出力する。この場合、振動体１０２がＹ軸方向に変位すると静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６が変化し、振動体１０２がＸ軸方向に変位すると静電容量Ｃ１０３が変化する。そして、静電容量Ｃ１０５，Ｃ１０６，Ｃ１０３が変化すると、振動体１０２からＩＶ変換器１１２へ流れる電流が変化するので、ＩＶ変換器１１２の出力信号には、振動体１０２のＹ軸方向の変位量、すなわち振動体１０２に印加された角速度を示す信号成分と、振動体１０２の共振振動によるＸ軸方向の機械的変位を示す信号成分と、キャリア発生回路１１１から静電容量Ｃ１０５，Ｃ１０６を介して振動体１０２へ供給されたキャリア信号の信号成分とが含まれている。
【００１１】
ＢＰＦ１１３は、ＩＶ変換器１１２の出力信号から、ノイズ等の不要な周波数成分を除去する。移相器１２０は、キャリア信号の位相を９０度シフトして第１同期検波回路１１５へ出力する。
【００１２】
第１同期検波回路１１５は、ＢＰＦ１１３の出力信号を、移相器１２０から出力された信号に基づいて同期検波することにより、ＢＰＦ１１３の出力信号からキャリア信号の成分を除去し、第２同期検波回路１１６、駆動制御回路１１７、及び移相器１２１へ出力する。この場合、第１同期検波回路１１５の出力信号には、静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６の変化、すなわち振動体１０２のＹ軸方向の変位量を示す信号成分と、振動体１０２の共振振動によるＸ軸方向の機械的変位を示す信号成分とが含まれている。
【００１３】
駆動制御回路１１７は、静電容量Ｃ１０３へアンプ１１８を介して振動体１０２における共振周波数の交流電圧を駆動信号Ｓｄとして供給することにより、振動体１０２を共振振動させる回路で、ＩＶ変換器１１２で検出された信号の位相と駆動信号Ｓｄの位相とが９０度ずれるように駆動信号Ｓｄの位相を調節し、振動体１０２を自励発振により共振振動させる。例えば、ＩＶ変換器１１２、ＢＰＦ１１３、及び第１同期検波回路１１５によって、ＩＶ変換器１１２による検出信号の位相が５度遅れる場合には、駆動制御回路１１７は、第１同期検波回路１１５から出力された信号におけるＸ軸方向の機械的変位を示す信号成分の位相を８５度遅らすことにより、ＩＶ変換器１１２で検出された信号の位相と駆動信号Ｓｄの位相とが９０度ずれるようにする。
【００１４】
これにより、Ｘ軸方向の振動体１０２の機械的変位を示す検出信号を、９０度位相シフトして駆動用電極１０３へ駆動信号Ｓｄとして供給し、振動体１０２を共振周波数で自励発振させ、振動体１０２の振動速度を大きく且つ一定の速度にするようにされている。
【００１５】
そして、このように振動体１０２を共振振動させた状態で、第１同期検波回路１１５の出力信号が移相器１２１によって９０度シフトされ、第２同期検波回路１１６によって、第１同期検波回路１１５の出力信号が移相器１２１の出力信号に基づいて同期検波されることにより、第１同期検波回路１１５の出力信号から振動体１０２のＸ軸方向の機械的変位を示す信号成分が除去され、振動体１０２のＹ軸方向の変位量を示す信号成分、すなわち振動体１０２に印加された角速度を示す角速度信号Ｓｏｕｔが出力される。
【特許文献１】特開平８−１５９７７６号公報
【非特許文献１】「M.Nagao, H.Watanabe, E.Nakatani, K.Shirai, K.Aoyama, and M.Hashimoto : A Silicon Micromachined Gyroscope and Accelerometer for Vehicle Stability Control System, SAE Paper 2004-01-1113」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、上述のように構成された角速度検出装置では、駆動制御回路１１７によって、第１同期検波回路１１５の出力信号が、ＩＶ変換器１１２、ＢＰＦ１１３、及び第１同期検波回路１１５による信号の位相遅延を差し引いて、ＩＶ変換器１１２で検出された信号の位相と駆動信号Ｓｄの位相とが９０度ずれるように第１同期検波回路１１５の出力信号の位相がシフトされて駆動信号Ｓｄが生成される。この場合、ＢＰＦ１１３での位相遅延は、ＢＰＦ１１３のカットオフ周波数に依存している。そのため、ＢＰＦ１１３の特性ばらつきによりＢＰＦ１１３のカットオフ周波数がばらつくと、ＢＰＦ１１３による位相遅延もまたばらついて変動してしまう。
【００１７】
また、第１同期検波回路１１５は、乗算器とローパスフィルタとによって構成されるため、第１同期検波回路１１５における位相遅延も、ローパスフィルタのカットオフ周波数に依存する。このため、ローパスフィルタの特性ばらつきによりローパスフィルタのカットオフ周波数がばらつくと、第１同期検波回路１１５による位相遅延もまたばらついて変動してしまう。
【００１８】
このように、ＢＰＦ１１３や第１同期検波回路１１５に用いられるローパスフィルタ等のフィルタのカットオフ周波数がばらつくと、各部における位相遅延がばらついてＩＶ変換器１１２で検出された信号の位相と駆動信号Ｓｄの位相との位相差が９０度にならない結果、振動体１０２の振動周波数が共振周波数からずれてしまうという不都合があった。
【００１９】
特に、振動体１０２の共振振動のＱ値が１０００を超えるような高い値に設定される場合があり、このような場合には、例えば駆動信号Ｓｄの位相遅延が１度変化することにより、振動体１０２の振動振幅が５０％以上変化してしまう場合がある。そして、振動体１０２に作用するコリオリ力は、振動体１０２の振動振幅に依存しているため、駆動信号Ｓｄにおける位相遅延の誤差は、角速度の検出値に与える影響が大きい。
【００２０】
本発明は、このような問題に鑑みて為された発明であり、振動体を共振振動させるための自励発振に用いられるフィルタのカットオフ周波数のばらつきを低減することにより、振動体の振動制御の精度を向上させることができる角速度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上述の目的を達成するために、本発明に係る角速度検出装置は、振動された状態で角速度が印加されることにより生じるコリオリ力により変位する振動体と、前記振動体の変位の量を検出し、検出した変位量を示す検出信号を出力する検出部と、前記検出部から出力された検出信号に基づき濾波を行うフィルタ部と、前記フィルタ部により濾波された信号に基づいて、前記振動体の振動の位相と９０度位相がずれた駆動信号を生成する駆動信号生成部と、前記駆動信号生成部により生成された駆動信号に応じて、前記振動体を振動させる駆動部とを備え、前記フィルタ部は、所定の周波数を有する基準信号に応じてカットオフ周波数が変化することを特徴としている。
【００２２】
また、上述の角速度検出装置において、前記フィルタ部は、前記基準信号の周波数に応じた制御信号を出力するチューナ部と、前記チューナ部から出力された制御信号に応じて増幅率が変化するｇｍ素子と、前記ｇｍ素子の出力を濾波するキャパシタとを備えるｇｍ−Ｃフィルタであることを特徴としている。
【００２３】
また、上述の角速度検出装置において、前記フィルタ部は、前記基準信号の周波数に応じて擬似的な抵抗値が変化するスイッチトキャパシタ回路を備えるスイッチトキャパシタフィルタであることを特徴としている。
【００２４】
また、上述の角速度検出装置において、予め設定された所定の周波数を有するキャリア信号を出力するキャリア信号出力部と、前記キャリア信号出力部から出力されたキャリア信号を前記振動体に付与することにより、前記振動体の変位量に応じた信号成分を前記キャリア信号に重畳させるキャリア信号付与部とをさらに備え、前記検出部は、前記信号成分が重畳されたキャリア信号を前記検出信号として検出することを特徴としている。
【００２５】
また、上述の角速度検出装置において、前記検出部により検出された検出信号と前記キャリア信号出力部から出力されたキャリア信号とを乗算する乗算部と当該乗算部により乗算された信号を濾波するローパスフィルタとを備える同期検波回路をさらに備え、前記ローパスフィルタは、前記フィルタ部であることを特徴としている。
【００２６】
また、上述の角速度検出装置において、前記キャリア信号出力部から出力されたキャリア信号を、前記基準信号として用いることを特徴としている。
【００２７】
また、上述の角速度検出装置において、前記駆動信号生成部により生成された駆動信号を、前記基準信号として用いることを特徴としている。
【００２８】
また、上述の角速度検出装置において、前記検出部から出力された検出信号の信号レベルに応じて、前記キャリア信号出力部から前記キャリア信号付与部へ出力されるキャリア信号を増幅する増幅部をさらに備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２９】
このような構成の角速度検出装置は、振動体が、振動された状態で角速度が印加されるとコリオリ力により変位し、その変位量を示す検出信号が検出部からフィルタ部へ出力され、駆動信号生成部によって、フィルタ部で濾波された検出信号に基づいて、振動体を共振振動させるべく振動体の振動の位相と９０度位相がずれた駆動信号が生成され、この駆動信号に応じて振動体が振動される。そして、フィルタ部のカットオフ周波数は、所定の周波数を有する基準信号に応じて設定されるので、フィルタ部のカットオフ周波数のばらつきが低減され、フィルタ部における信号の位相遅延が低減される結果、振動体の振動制御の精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００３１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る角速度検出装置の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す角速度検出装置１は、キャリア発生回路２（キャリア信号出力部）、ＩＶ変換器３（検出部）、ｇｍ−Ｃフィルタ４（フィルタ部）、第１同期検波回路５、第２同期検波回路６、駆動制御回路７（駆動信号生成部）、アンプ８，９、インバータ１０、移相器１１，１２、基準発振源１３、分周器１４、及びジャイロセンサ１０１を備えている。
【００３２】
図１において、ジャイロセンサ１０１は等価回路で示されている。ジャイロセンサ１０１の構成は、図９及び図１１に示すジャイロセンサ１０１と同様であるので、その説明を省略する。また、図９に示すジャイロセンサ１０１における駆動用電極１０３は、請求項における駆動部の一例に相当し、検出用電極１０５，１０６は、キャリア信号付与部の一例に相当している。
【００３３】
キャリア発生回路２は、静電容量検出用の所定の周波数、例えば１００ｋＨｚの周波数を有するキャリア信号を、静電容量Ｃ１０５へ供給すると共に、インバータ１０を介して静電容量Ｃ１０６へ供給する。すなわち、静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６へ供給されるキャリア信号は、互いに位相が１８０度異なるようにされている。また、キャリア発生回路２から出力されたキャリア信号は、移相器１１によって９０度位相シフトされて、第１同期検波回路５へ出力される。
【００３４】
ＩＶ変換器３は、振動体１０２から検出された、振動体１０２の変位を示す検出信号である電流信号Ｓ１０２を電圧信号に変換し、ｇｍ−Ｃフィルタ４におけるＢＰＦ４１へ信号Ｓ３として出力する。この場合、振動体１０２がＹ軸方向に変位すると静電容量Ｃ１０５及びＣ１０６が変化し、振動体１０２がＸ軸方向に変位すると静電容量Ｃ１０３が変化する。そして、静電容量Ｃ１０５，Ｃ１０６，Ｃ１０３が変化すると、振動体１０２からＩＶ変換器３へ流れる電流が変化するので、ＩＶ変換器３の出力信号Ｓ３には、振動体１０２のＹ軸方向の変位量、すなわち振動体１０２に印加された角速度を示す信号成分と、振動体１０２の共振振動によるＸ軸方向の機械的変位を示す信号成分と、キャリア発生回路２から静電容量Ｃ１０５，Ｃ１０６を介して振動体１０２へ供給されたキャリア信号の信号成分とが含まれている。
【００３５】
基準発振源１３は、ｇｍ−Ｃフィルタ４及びｇｍ−Ｃフィルタ５２のカットオフ周波数を決定するための基準となる基準信号ＣＬＫ１をｇｍ−Ｃフィルタ４及び分周器１４へ出力する発振回路であり、例えば高精度の水晶発振回路が用いられる。分周器１４は、基準信号ＣＬＫ１を分周してｇｍ−Ｃフィルタ５２へ基準信号ＣＬＫ２として出力する。分周器１４の分周比は、例えば、キャリア発生回路２から出力されるキャリア信号の周波数が１００ｋＨｚであり、振動体１０２の共振振動周波数が２ｋＨｚであれば、略１／５０に設定される。
【００３６】
ｇｍ−Ｃフィルタ４は、基準発振源１３から出力された基準信号に応じてカットオフ周波数が変化するフィルタ部で、バンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦと略称する）４１と、チューナ部４２とを備えている。
【００３７】
図２は、ｇｍ−Ｃフィルタ４の構成の一例を示すブロック図である。図２に示すＢＰＦ４１は、ｇｍ素子４３，４４，４５と、演算増幅器４６と、キャパシタＣ１，Ｃ２とを用いて構成されている。ｇｍ素子４３，４４，４５は、＋入力端子と−入力端子との間に入力された信号を、所定の制御信号に応じた増幅率ｇｍで増幅して出力する素子で、例えばトランジスタを用いて構成され、例えば「EXTRA serise No.30  CMOSアナログ回路設計技術」（（株）トリケップス発行、岩田穆監修）に記載のｇｍ素子を用いることができる。
【００３８】
ＢＰＦ４１において、ＩＶ変換器３の出力信号Ｓ３が、ｇｍ素子４３の＋入力端子に接続され、ｇｍ素子４３の出力端子がｇｍ素子４４の−入力端子と演算増幅器４６の＋入力端子とに接続されている。また、ｇｍ素子４３の出力端子は、キャパシタＣ１を介してグラウンドに接続されている。ｇｍ素子４４の＋入力端子はグラウンドに接続され、ｇｍ素子４４の出力端子はｇｍ素子４５の−入力端子に接続されている。
【００３９】
そして、ｇｍ素子４５の＋入力端子はグラウンドに接続され、ｇｍ素子４５の出力端子は、ｇｍ素子４３の−入力端子に接続されると共に、キャパシタＣ２を介してグラウンドに接続されている。演算増幅器４６の出力端子は、演算増幅器４６の−入力端子に接続され、演算増幅器４６の出力信号が、ｇｍ−Ｃフィルタ４の出力信号Ｓ４として第１同期検波回路５へ出力される。
【００４０】
チューナ部４２は、基準発振源１３から出力された基準信号ＣＬＫ１に応じてｇｍ素子４３，４４，４５の増幅率を制御する制御信号ＶＣ１を出力し、ｇｍ素子４３，４４，４５の増幅率を設定することにより、ＢＰＦ４１のカットオフ周波数を基準信号ＣＬＫ１に応じた周波数に設定する。チューナ部４２としては、例えば、「ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ  ＣＩＲＣＵＩＴＳ  ＶＯＬ２３，ＮＯ．３，ＪＵＮＥ  １９８８  ｐｐ．７５４−７５５  Ａ  ４ＭＨｚ  ＣＭＯＳ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｔｉｍｅ  Ｆｉｌｔｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｏｎ  Ｃｈｉｐ  Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｔｕｎｉｎｇ  ５．ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ  ＴＵＮＩＮＧ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＣＩＲＣＵＩＴＲＹ  （ｆｉｇ．１０）」に記載のものを用いることができる。
【００４１】
これにより、ｇｍ−Ｃフィルタ４のカットオフ周波数は、基準発振源１３から出力された基準信号ＣＬＫ１に応じて設定されるので、フィルタの特性ばらつきによるカットオフ周波数のばらつきを低減することができる。また、カットオフ周波数のばらつきを低減することができる結果、ｇｍ−Ｃフィルタ４における信号の位相遅延のばらつきを低減することができる。
【００４２】
図３は、ＢＰＦ４１の周波数特性の一例を示す説明図である。ＩＶ変換器３から出力される信号Ｓ３は、キャリア発生回路２から出力されたキャリア信号、例えば１００ｋＨｚの周波数信号が、振動体１０２の振動周波数で変調された信号となる。そのため、例えば、振動体１０２が２ｋＨｚで振動すれば、図３に示すように、ＩＶ変換器３から出力される信号Ｓ３には、キャリア発生回路２から出力されたキャリア信号の周波数、例えば１００ｋＨｚの周波数成分と、振動体１０２の機械振動を示す周波数成分（以下、機械振動成分と称する）とが含まれている。機械振動成分は、キャリア信号の周波数に対して振動体１０２の振動周波数を加算した周波数成分、例えば１０２ｋＨｚの周波数信号と、キャリア信号の周波数に対して振動体１０２の振動周波数を減算した周波数成分、例えば９８ｋＨｚの周波数信号となる。
【００４３】
そして、ＢＰＦ４１は、信号Ｓ３におけるキャリア信号の周波数成分と、機械振動成分とを信号Ｓ４として第１同期検波回路５へ出力する。
【００４４】
第１同期検波回路５は、乗算器５１（乗算部）と、ｇｍ−Ｃフィルタ５２（フィルタ部）とを備えている。ｇｍ−Ｃフィルタ５２は、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと略称する）５３と、チューナ部５４とを備えている。
【００４５】
乗算器５１は、移相器１１から出力された信号、すなわちキャリア信号が９０度位相シフトされた信号と、信号Ｓ４とを乗算し、信号Ｓ５１としてｇｍ−Ｃフィルタ５２へ出力する。
【００４６】
図４は、ｇｍ−Ｃフィルタ５２の構成の一例を示すブロック図である。図４に示すＬＰＦ５３は、ｇｍ素子５３１，５３２，５３３と、キャパシタＣ３，Ｃ４とを備えて構成されている。ｇｍ素子５３１，５３２，５３３は、ｇｍ素子４３，４４，４５と同様に構成されたｇｍ素子である。
【００４７】
ＬＰＦ５３において、乗算器５１の出力信号Ｓ５１が、ｇｍ素子５３１の＋入力端子に入力され、ｇｍ素子５３１の出力端子がｇｍ素子５３２の−入力端子に接続されている。また、ｇｍ素子５３１の出力端子は、キャパシタＣ３を介してグラウンドに接続されている。ｇｍ素子５３２の＋入力端子はグラウンドに接続され、ｇｍ素子５３２の出力端子はｇｍ素子５３３の−入力端子に接続されている。
【００４８】
そして、ｇｍ素子５３３の＋入力端子はグラウンドに接続され、ｇｍ素子５３３の出力端子は、ｇｍ素子５３１の−入力端子に接続されると共に、キャパシタＣ４を介してグラウンドに接続されている。さらに、ｇｍ素子５３３の出力信号は、ｇｍ−Ｃフィルタ５２の出力信号Ｓ５として第２同期検波回路６、駆動制御回路７、及び移相器１２へ出力される。
【００４９】
チューナ部５４は、チューナ部４２と同様に構成されており、分周器１４から出力された基準信号ＣＬＫ２に応じてｇｍ素子５３１，５３２，５３３の増幅率を制御する制御信号ＶＣ２を出力し、ｇｍ素子５３１，５３２，５３３の増幅率を設定することにより、ＬＰＦ５３のカットオフ周波数を基準信号ＣＬＫ２に応じた周波数に設定する。
【００５０】
これにより、ｇｍ−Ｃフィルタ５２のカットオフ周波数は、基準信号ＣＬＫ２に応じて設定されるので、フィルタの特性ばらつきによるカットオフ周波数のばらつきを低減することができる。また、カットオフ周波数のばらつきを低減することができる結果、ｇｍ−Ｃフィルタ５２における信号の位相遅延のばらつきを低減することができる。
【００５１】
駆動制御回路７は、信号Ｓ５の位相を、振動体１０２の機械振動の位相と９０度ずれた位相に調整し、アンプ８を介して静電容量Ｃ１０３へ駆動信号Ｓｄとして出力する。具体的には、振動体１０２から得られる信号Ｓ１０２において、振動体１０２の機械振動は、キャリア信号によって変調された機械振動成分として、電流信号で表されている。この場合、静電容量Ｃ１０５，Ｃ１０６によって、電流の位相は９０度進み位相となるため、信号Ｓ１０２に含まれている機械振動成分は、振動体１０２の実際の機械振動の位相よりも９０度進み位相となっている。
【００５２】
そこで、駆動制御回路７は、ＩＶ変換器３、ｇｍ−Ｃフィルタ４、及び第１同期検波回路５における位相遅延を相殺するように予め位相シフト量が設定されている。これにより、駆動信号Ｓｄの位相を、振動体１０２の機械振動の位相と９０度ずれた位相にシフトさせることができる。
【００５３】
第２同期検波回路６は、移相器１２からの出力信号に基づいて信号Ｓ５を同期検波する同期検波回路で、信号Ｓ５から機械振動成分を除去して角速度を示す信号成分を抽出し、アンプ９を介して角速度信号Ｓｏｕｔとして外部へ出力する。
【００５４】
次に、上述のように構成された角速度検出装置１の動作について説明する。まず、駆動制御回路７からアンプ８を介して静電容量Ｃ１０３（駆動用電極１０３）へ駆動信号Ｓｄが供給されると、振動体１０２が振動する。次に、キャリア発生回路２からキャリア信号が、静電容量Ｃ１０５と、インバータ１０及び静電容量Ｃ１０６とを介して振動体１０２へ供給され、さらに振動体１０２に加速度が印加されると、ＩＶ変換器３によって、振動体１０２から振動体１０２に印加された角速度を示す信号成分と、機械振動成分と、キャリア信号の信号成分とが含まれた信号Ｓ１０２が取得され、信号Ｓ１０２が電圧に変換されて信号Ｓ３としてｇｍ−Ｃフィルタ４へ出力される。
【００５５】
そして、ｇｍ−Ｃフィルタ４によって、角速度を示す信号成分と、機械振動成分と、キャリア信号の信号成分以外の不要なノイズ等の周波数成分が除去され、信号Ｓ４として第１同期検波回路５へ出力される。
【００５６】
この場合、ｇｍ−Ｃフィルタ４のカットオフ周波数は、基準発振源１３から出力された基準信号ＣＬＫ１に応じて設定されるので、フィルタの特性ばらつきによるカットオフ周波数のばらつきが低減され、ｇｍ−Ｃフィルタ４における信号の位相遅延のばらつきが低減される。
【００５７】
次に、第１同期検波回路５によって、移相器１１からの出力信号に基づき信号Ｓ４が同期検波され、信号Ｓ４からキャリア信号の信号成分が除去されて信号Ｓ５として第２同期検波回路６、駆動制御回路７、及び移相器１２へ出力される。この場合、信号Ｓ５には、角速度を示す信号成分と、機械振動成分とが含まれている。
【００５８】
次に、駆動制御回路７によって、信号Ｓ５が、予め設定された位相シフト量だけ位相シフトされ、駆動信号Ｓｄが、振動体１０２の機械振動の位相と９０度ずれた位相にされて静電容量Ｃ１０３へ供給され、振動体１０２が共振周波数により共振振動される。
【００５９】
この場合、振動体１０２を共振振動させるための自励発振に用いられる信号経路、すなわち振動体１０２からＩＶ変換器３、ｇｍ−Ｃフィルタ４、第１同期検波回路５、駆動制御回路７、及びアンプ８を経由して静電容量Ｃ１０３に至る信号経路上のフィルタであるｇｍ−Ｃフィルタ４とｇｍ−Ｃフィルタ５２とにおけるフィルタのカットオフ周波数のばらつきが、部品の特性ばらつきや温度特性の影響を含めて低減されるので、ｇｍ−Ｃフィルタ４とｇｍ−Ｃフィルタ５２とにおける信号の位相遅延のばらつきが低減され、位相遅延が一定になり、駆動制御回路７における予め設定された位相シフト量の位相シフトにより駆動信号Ｓｄを振動体１０２の機械振動の位相と９０度ずれた位相にする振動体の振動制御の精度を向上させることができる結果、角速度信号Ｓｏｕｔの精度を向上させることができる。
【００６０】
なお、ＢＰＦ４１と第１同期検波回路５とにおけるＬＰＦ５３とをｇｍ−Ｃフィルタとして構成する例を示したが、ＢＰＦ４１と第１同期検波回路５とのうち、いずれか一方のみ、ｇｍ−Ｃフィルタとして構成される構成としてもよい。また、振動体１０２を共振振動させるための自励発振に用いられる信号経路上に、ＢＰＦ４１と第１同期検波回路５とのうち、いずれか一方のみ設けられる構成であってもよい。
【００６１】
また、基準発振源１３から出力された基準信号ＣＬＫ１を分周器１４により分周して基準信号ＣＬＫ２を生成する例を示したが、分周器１４の代わりに基準信号ＣＬＫ２を出力する発振器を設けてもよい。
【００６２】
また、ＢＰＦ４１と第１同期検波回路５とにおけるＬＰＦ５３とをｇｍ−Ｃフィルタとして構成する例を示したが、ｇｍ−Ｃフィルタの代わりにスイッチトキャパシタ回路により構成されたスイッチトキャパシタフィルタを用いてもよい。図５は、第１同期検波回路５におけるローパスフィルタ（ｇｍ−Ｃフィルタ５２）をスイッチトキャパシタフィルタによって構成した場合の一例を示す説明図である。図５（ａ）は、スイッチトキャパシタフィルタの構成の一例であり、図５（ｂ）は、スイッチトキャパシタフィルタの動作を説明するための概念図である。
【００６３】
図５（ａ）に示すスイッチトキャパシタフィルタは、スイッチＳＷ１と、キャパシタＣ５，Ｃ６とを備えて構成されている。スイッチＳＷ１は、接続端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を備え、基準信号ＣＬＫ２に応じて接続端子Ｔ３と、接続端子Ｔ１，Ｔ２との間の接続を切り替える切替スイッチである。そして、接続端子Ｔ３は、キャパシタＣ６を介してグラウンドに接続され、乗算器５１の出力信号Ｓ５１が接続端子Ｔ１によって受信され、接続端子Ｔ２はキャパシタＣ５を介してグラウンドに接続されている。さらに、キャパシタＣ５の端子電圧が信号Ｓ５として、第２同期検波回路６、駆動制御回路７、及び移相器１２へ出力される。
【００６４】
この場合、スイッチＳＷ１とキャパシタＣ６とによって、スイッチトキャパシタ回路５５が構成されている。そして、スイッチトキャパシタ回路５５は、図５（ｂ）に示すように、擬似的にスイッチＳＷ１のスイッチング周波数に応じて抵抗値が変化する可変抵抗とみなすことができる。これにより、図５（ａ）に示すスイッチトキャパシタフィルタは、基準信号ＣＬＫ２に応じてカットオフ周波数が変化するローパスフィルタとして機能する。
【００６５】
同様にして、ＢＰＦ４１についても、スイッチトキャパシタフィルタを用いたバンドパスフィルタとすることができる。
【００６６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る角速度検出装置について説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る角速度検出装置１ａの構成の一例を示すブロック図である。図６に示す角速度検出装置１ａは、図１に示す角速度検出装置１とは、基準発振源１３を備えず、キャリア発生回路２から出力されたキャリア信号が、基準信号ＣＬＫ１としてチューナ部４２と分周器１４とへ入力される点で異なる。その他の構成及び動作は図１に示す角速度検出装置１と同様であるのでその説明を省略する。
【００６７】
これにより、基準発振源１３を用いる必要がないので、角速度検出装置１ａの回路を簡素化することができる。
【００６８】
また、ＢＰＦ４１及びＬＰＦ５３における位相遅延量は、各フィルタを通過する信号周波数によって異なる。そのため、ＢＰＦ４１及びＬＰＦ５３のカットオフ周波数が一定のまま、キャリア発生回路２から出力されるキャリア信号の周波数が変動すると、ＢＰＦ４１及びＬＰＦ５３における位相遅延量が変動する結果、駆動信号Ｓｄを振動体１０２の機械振動の位相と９０度ずれた位相にする振動制御の精度が低下する。
【００６９】
しかし、図６に示す角速度検出装置１ａでは、キャリア発生回路２から出力されるキャリア信号の周波数が、例えばキャリア発生回路２の温度特性や部品ばらつきのため変化したり、あるいはキャリア信号の周波数を設計上変更した場合であっても、チューナ部４２,５４によって、キャリア信号（基準信号ＣＬＫ１，ＣＬＫ２）の周波数に応じてＢＰＦ４１及びＬＰＦ５３のカットオフ周波数が変化されるため、キャリア信号の周波数と連動してＢＰＦ４１及びＬＰＦ５３のカットオフ周波数が変化し、ＢＰＦ４１及びＬＰＦ５３における位相遅延量の変動を低減することができる。
【００７０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る角速度検出装置について説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係る角速度検出装置１ｂの構成の一例を示すブロック図である。図７に示す角速度検出装置１ｂは、図６に示す角速度検出装置１ａとは、振幅調整回路１５をさらに備える点で異なる。振幅調整回路１５は、ＩＶ変換器３から出力された検出信号である信号Ｓ３の信号レベルが反映された信号である第１同期検波回路５の出力信号Ｓ５の信号レベルに応じて、キャリア発生回路２から出力されるキャリア信号を増幅する増幅部の一例である。
【００７１】
振幅調整回路１５は、第１同期検波回路５の出力信号Ｓ５のピーク電圧を検出するピーク検出部１６と、ピーク検出部１６により検出されたピーク電圧の増減に応じてキャリア信号の増幅率を減増させるオートゲインコントローラ（以下、ＡＧＣと称する）１７とを備えている。
【００７２】
その他の構成及び動作は、図６に示す角速度検出装置１ａと同様であるのでその説明を省略し、以下、角速度検出装置１ｂの特徴的な動作について説明する。ジャイロセンサ１０１において、静電容量Ｃ１０５，Ｃ１０６のインピーダンスは、キャリア発生回路２から出力されるキャリア信号の周波数の増減に応じて減増する。例えば、キャリア信号の周波数が増大すると、静電容量Ｃ１０５，Ｃ１０６のインピーダンスが低下し、信号Ｓ１０２における電流が増大し、信号Ｓ３の信号振幅が増大する結果、後段の回路で得られる信号Ｓ４，Ｓ５の信号振幅も増大し、角速度信号Ｓｏｕｔの信号レベルが増大する。
【００７３】
そのため、キャリア発生回路２の特性ばらつきや温度特性等の影響により、キャリア発生回路２から出力されるキャリア信号の周波数が変化すると、角速度信号Ｓｏｕｔの信号レベルに影響を与え、角速度の検出精度が低下するおそれがある。
【００７４】
そこで、図７に示す角速度検出装置１ｂでは、例えばキャリア発生回路２から出力されるキャリア信号の周波数が増大して、第１同期検波回路５から出力される信号Ｓ５の信号振幅が増大すると、信号Ｓ５のピーク電圧がピーク検出部１６によって検出され、そのピーク電圧を示す信号がＡＧＣ１７へ出力され、ＡＧＣ１７によるキャリア信号の増幅率が低下され、ＡＧＣ１７から静電容量Ｃ１０５と、インバータ１０及び静電容量Ｃ１０６とを介して振動体１０２へ供給されるキャリア信号の信号振幅が低下される。
【００７５】
そして、キャリア信号の信号振幅が低下すると、キャリア信号の周波数の増大によって生じた信号Ｓ３の信号振幅の増大が相殺されるので、キャリア信号の周波数変化の影響による信号Ｓ３の信号振幅の変化を低減することができる。
【００７６】
同様に、例えばキャリア発生回路２から出力されるキャリア信号の周波数が減少して、第１同期検波回路５から出力される信号Ｓ５の信号振幅が減少すると、信号Ｓ５のピーク電圧がピーク検出部１６によって検出され、そのピーク電圧を示す信号がＡＧＣ１７へ出力され、ＡＧＣ１７によるキャリア信号の増幅率が増大され、ＡＧＣ１７から静電容量Ｃ１０５と、インバータ１０及び静電容量Ｃ１０６とを介して振動体１０２へ供給されるキャリア信号の信号振幅が増大される。
【００７７】
そして、キャリア信号の信号振幅が増大すると、キャリア信号の周波数の減少によって生じた信号Ｓ３の信号振幅の減少が相殺されるので、キャリア信号の周波数変化の影響による信号Ｓ３の信号振幅の変化を低減することができる。
【００７８】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る角速度検出装置について説明する。図８は、本発明の第４の実施形態に係る角速度検出装置１ｃの構成の一例を示すブロック図である。図８に示す角速度検出装置１ｃは、図７に示す角速度検出装置１ｂとは、分周器１４の代わりに逓倍器１８を備える点で異なる。逓倍器１８としては、例えば、ＰＬＬ（Phase-Locked Loop）回路を用いた逓倍回路を用いることができる。
【００７９】
そして、逓倍器１８によって、駆動制御回路７から出力される駆動信号Ｓｄが逓倍されて基準信号ＣＬＫ２が生成され、その生成された基準信号ＣＬＫ２が第１同期検波回路５へ供給される。この場合、例えば、振動体１０２の共振周波数すなわち駆動信号Ｓｄの周波数が２ｋＨｚ、キャリア信号の周波数が１００ｋＨｚ、ＬＰＦ５３のカットオフ周波数が８ｋＨｚとして設定されている場合、逓倍器１８の周波数倍率は、４倍に設定される。
【００８０】
その他の構成及び動作は、図７に示す角速度検出装置１ｂと同様であるのでその説明を省略し、以下、角速度検出装置１ｃの特徴的な動作について説明する。ジャイロセンサ１０１における振動体１０２の共振周波数は、振動体１０２や駆動用電極１０３の加工精度によってばらつきが生じ、特に静電容量Ｃ１０３のばらつきにより、共振周波数が変化する。そして、振動体１０２の共振周波数が変化すると、ＢＰＦ４１から第１同期検波回路５へ出力される信号Ｓ４に含まれる機械振動成分の信号周波数が変化する。
【００８１】
そうすると、ＬＰＦ５３における位相遅延が変化し、駆動制御回路７によって、ＬＰＦ５３から出力された信号Ｓ５に対して予め設定されたシフト量の位相シフトが行われても、駆動信号Ｓｄと振動体１０２の機械振動の位相とが９０度ずれた位相にならず、振動体の振動制御の精度が低下するおそれがある。
【００８２】
しかし、図８に示す角速度検出装置１ｃでは、振動体１０２の共振周波数が変化すると、逓倍器１８によって、その共振周波数と同じ周波数の信号である駆動信号Ｓｄと連動して基準信号ＣＬＫ２の周波数が変化され、チューナ部５４によって基準信号ＣＬＫ２に応じてＬＰＦ５３のカットオフ周波数が変化される。
【００８３】
これにより、振動体１０２における共振周波数の変化と連動してＬＰＦ５３のカットオフ周波数を変化させることができ、共振周波数の影響によるＬＰＦ５３における位相遅延の変化を低減することができる結果、駆動制御回路７における予め設定された位相シフト量の位相シフトにより駆動信号Ｓｄを振動体１０２の機械振動の位相と９０度ずれた位相にする振動体の振動制御の精度を向上させて共振振動を安定化し、角速度信号Ｓｏｕｔの精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る角速度検出装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示すｇｍ−Ｃフィルタの構成の一例を示す回路図である。
【図３】図１に示すＢＰＦの周波数特性の一例を示す説明図である。
【図４】図１に示すｇｍ−Ｃフィルタの構成の一例を示す回路図である。
【図５】図１に示す第１同期検波回路におけるローパスフィルタ（ｇｍ−Ｃフィルタ）をスイッチトキャパシタフィルタによって構成した場合の一例を示す説明図である。（ａ）は、スイッチトキャパシタフィルタの構成の一例であり、（ｂ）は、スイッチトキャパシタフィルタの動作を説明するための概念図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る角速度検出装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る角速度検出装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る角速度検出装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図９】背景技術に係るジャイロセンサの構成を説明するための概念図である。
【図１０】図９に示すジャイロセンサの動作を説明するための説明図である。
【図１１】背景技術に係る角速度検出装置の電気的構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８５】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ  角速度検出装置
２    キャリア発生回路
３    ＩＶ変換器
４    ｇｍ−Ｃフィルタ
５    第１同期検波回路
６    第２同期検波回路
７    駆動制御回路
８，９      アンプ
１０  インバータ
１１，１２  移相器
１３  基準発振源
１４  分周器
１５  振幅調整回路
１６  ピーク検出部
１７  ＡＧＣ
１８  逓倍器
４２  チューナ部
４３，４４，４５  ｇｍ素子
４６  演算増幅器
５１  乗算器
５２  ｇｍ−Ｃフィルタ
５３  ＬＰＦ
５４  チューナ部
５５  スイッチトキャパシタ回路
１０１      ジャイロセンサ
１０２      振動体
１０３      駆動用電極
１０５，１０６    検出用電極
５３１，５３２，５３３  ｇｍ素子
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６  キャパシタ
Ｃ１０３，Ｃ１０５，Ｃ１０６  静電容量
ＣＬＫ１，ＣＬＫ２  基準信号
Ｓｄ  駆動信号
【図１】
2006329637.tif 000003
【図２】
2006329637.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006329637.tif 000009
【図８】
2006329637.tif 000010
【図９】
2006329637.tif 000011
【図１０】
2006329637.tif 000012
【図１１】
2006329637.tif 000013