(57)【要約】【課題】小型化した振動ジャイロモジュールおよびその信号処理方法を提供する。【解決手段】振動ジャイロモジュール１０は、振動センサ２２と、振動センサ２２に電気信号を供給する発振回路２４と、振動センサ２２が出力した信号を受ける差動増幅回路２８と、差動増幅回路２８が出力した信号と発振回路２４が出力した信号とを入力し、発振回路２４が出力した信号に同期させて差動増幅回路２８が出力した信号を検波する同期検波回路用スイッチ３２と、同期検波回路用スイッチ３２が出力した信号を入力し、この信号の最大周波数よりも高い周波数帯を除去するアンチエイリアスフィルタ３４と、アンチエイリアスフィルタ３４の後段に接続したＡ／Ｄ変換器３６とを備えた構成である。【選択図】図１
2008157719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動センサと、
前記振動センサに電気信号を供給する発振回路と、
前記振動センサが出力した信号を受ける増幅回路と、
前記増幅回路が出力した信号と前記発振回路が出力した信号とを入力し、前記発振回路が出力した信号に同期させて前記増幅回路が出力した信号を検波する同期検波回路用スイッチと、
前記同期検波回路用スイッチの後段に接続したＡ／Ｄ変換器と、
を備えたことを特徴とする振動ジャイロモジュール。
【請求項２】
前記Ａ／Ｄ変換器は、アンチエイリアスフィルタを介して前記同期検波回路用スイッチに接続し、
前記アンチエイリアスフィルタは、前記同期検波回路用スイッチが出力する信号の最大周波数よりも高いナイキスト周波数を設定してある、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロモジュール。
【請求項３】
前記Ａ／Ｄ変換器の後段に、ディジタルフィルタとなる同期検波用積分器が接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の振動ジャイロモジュール。
【請求項４】
振動センサが出力した信号を増幅し、この増幅した信号を同期用信号に同期させて検波し、この検波した信号の最大周波数よりも高いナイキスト周波数を設定したアンチエイリアスフィルタに前記検波した信号を通して前記最大周波数よりも高い周波数帯を除去した後、ディジタル信号に変換することを特徴とする振動ジャイロモジュールの信号処理方法。
【請求項５】
前記ディジタル信号を積分処理して不要な周波数帯を除去することを特徴とする請求項４に記載の振動ジャイロモジュールの信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動ジャイロモジュールおよびその信号処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の振動ジャイロは、アナログ信号を出力している。このため振動ジャイロを使用するユーザは、ディジタルの出力を必要とする場合、振動ジャイロの後段にアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器を接続し、振動ジャイロから出力したアナログ信号をディジタル信号に変換して、利用している。
【０００３】
そして従来の振動ジャイロは、振動センサ、この振動センサに電気信号を供給する発振回路、および振動センサが出力した信号を検波する同期検波回路を備えている。この同期検波回路は、図２に示すように、同期検波回路用スイッチ２と同期検波回路用積分器３を備えている。同期検波回路用スイッチ２は、振動センサが出力した信号および同期用の信号を入力し、同期用の信号に基づいて、振動センサから入力した信号を検波している。また同期検波回路用積分器３はアナログ回路で構成してあり、同期検波回路用スイッチ２から入力した信号から必要な周波数帯の信号を通過して、これを振動ジャイロの出力にしている。
【０００４】
すなわち振動センサが出力する信号には、角速度の検出に必要なスペクトル成分と、不要なスペクトル成分が含まれている。このため同期検波回路１は、振動センサが出力した信号を同期検波回路用スイッチ２で検波した後、この検波した信号（全スペクトル）の中から角速度の検出に必要なスペクトル成分を同期検波回路用積分器３で取り出して、これを振動ジャイロの出力としている。そして同期検波回路１から出力したアナログ信号、すなわち角速度の検出に必要なスペクトル成分は、図２に示すように、Ａ／Ｄ変換器４に入力してディジタル信号に変化された後、出力される。
【０００５】
ところで振動ジャイロについて開示したものには特許文献１がある。特許文献１に開示された振動ジャイロは、角速度センサの後段に差動増幅回路、同期検波回路、直流増幅回路、Ａ／Ｄ変換器を接続するとともに、温度センサの後段にＡ／Ｄ変換器を接続して、各Ａ／Ｄ変換器の後段に処理装置を接続している。
【特許文献１】特開２０００−２２１０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した同期検波回路用積分器はアナログ回路で構成してあるので、大容量のコンデンサや、このコンデンサに接続されるスイッチが必要になる。このため振動ジャイロに必要な回路を集積回路にて構成した場合、広面積化する大容量のコンデンサやスイッチによって、同期検波回路用積分器の回路規模が大きくなってしまい、ひいては振動ジャイロが大型になってしまう。
【０００７】
また同期検波回路用積分器はアナログ回路なので、フィルタのカットオフの特性曲線（遷移域の減衰傾度）を急峻にできない。同期検波回路用積分器は、前述したように、同期検波回路用スイッチで検波した信号の中から、角速度の検出に必要な例えば低周波域のスペクトル成分を取り出すようにフィルタとしての通過域と、雑音信号となる高周波帯域のスペクトル成分を排除するようにフィルタとしての減衰域とを持たなければならないので、フィルタのカットオフの特性曲線が急峻になっていることが求められる（理想的なフィルタには、通過域と減衰とがカットオフ周波数（遮断周波数）を境に遷移域を無しに切り替わるものが求められる）。ところがアナログ回路で構成した同期検波回路用積分器は、フィルタのカットオフの特性曲線が急峻でないため、不要なスペクトル成分のカットを優先させるために不要なスペクトル成分の周波数帯にフィルタの減衰域を合わせてしまうと、必要なスペクトル成分の周波数帯がフィルタの遷移域と重なってしまうので必要なスペクトル成分の信号レベルが減衰してしまう。
【０００８】
また必要なスペクトル成分の信号レベルの減衰を防ぐために必要なスペクトル成分の周波数帯とフィルタの通過域とを合わせてしまうと、不要なスペクトル成分の周波数帯がフィルタの遷移域と重なってしまう為に不要なスペクトル成分の信号をあまり減衰させることができなくなってしまう。このため振動ジャイロから出力する信号には、必要なスペクトル成分と不要なスペクトル成分が混じってしまう。したがって、Ａ／Ｄ変換器が出力するディジタル信号は、信号／ノイズ（Ｓ／Ｎ）比が悪かったり、雑音が含まれていたりすることとなる。
【０００９】
またアナログ回路で構成した同期検波回路用積分器は、ハードウェアで構成しているのでフィルタの特性変更を行い難く、特性確度を保ち難いという課題がある。また信頼性を確保し難いという課題もある。
【００１０】
また同期検波回路用積分器から出力する信号には、比較的低い周波数帯域の信号のみが含まれている。このため振動ジャイロの後段に接続するＡ／Ｄ変換器では、同期検波回路用積分器が出力したアナログ信号をディジタル信号に変換するときのサンプリング周波数をあまり上げる必要はないが、逆にサンプリング周波数を下げると量子化ノイズ密度が大きくなってしまう。
【００１１】
なお従来の同期検波回路は、同期検波回路用積分器がアナログ回路で構成してあるので、同期検波回路用スイッチの後段に同期検波回路用積分器を接続して、同期検波回路用スイッチで検波した信号を同期検波回路用積分器で積分しないと、畳み込み積分ができなかった。このため同期検波回路用スイッチと同期検波回路用積分器で構成した同期検波回路の後段にＡ／Ｄ変換器を接続する必要があった。
【００１２】
本発明は、小型化した振動ジャイロモジュールおよびその信号処理方法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】
【００１３】
本発明に係る振動ジャイロモジュールは、振動センサと、振動センサに電気信号を供給する発振回路と、振動センサが出力した信号を受ける増幅回路と、増幅回路が出力した信号と発振回路が出力した信号とを入力し、発振回路が出力した信号に同期させて増幅回路が出力した信号を検波する同期検波回路用スイッチと、同期検波回路用スイッチの後段に接続したＡ／Ｄ変換器と、を備えたことを特徴としている。振動ジャイロモジュールは、ディジタル信号を出力するために、同期検波回路用スイッチの後段にＡ／Ｄ変換器を設けているだけであるから、小型にできる。すなわち本発明に係る振動ジャイロモジュールは、従来のように大容量のコンデンサやスイッチを必要としないから、小型化できる。
【００１４】
そして前述したＡ／Ｄ変換器は、アンチエイリアスフィルタを介して同期検波回路用スイッチに接続し、アンチエイリアスフィルタは、同期検波回路用スイッチが出力する信号の最大周波数よりも高いナイキスト周波数を設定してある、ことを特徴としている。これによりアンチエイリアスフィルタに入力した信号のうち、ナイキスト周波数よりも高いスペクトル成分、すなわち同期検波回路用スイッチが出力する信号の最大周波数よりも高い周波数帯が除去される。そしてＡ／Ｄ変換器には、振動センサから出力した電気信号の全スペクトルがほぼ保存された状態で入力するので、全スペクトルをそのままディジタル信号に変換できる。このためＡ／Ｄ変換器が出力するディジタル信号には、振動センサが出力した全てのスペクトル成分が含まれているので、角速度の検出に必要なスペクトル成分の信号レベルが劣化していない。よってディジタル信号の品質を良くできる。またＡ／Ｄ変換器のサンプリング周波数が上がるので、量子化ノイズ密度を小さくできる。
【００１５】
また本発明に係る振動ジャイロモジュールは、Ａ／Ｄ変換器の後段に、ディジタルフィルタとなる同期検波用積分器が接続したことを特徴としている。これによりフィルタのカットオフの特性を急峻にできる。そしてＡ／Ｄ変換器が出力する信号には、振動センサが出力した全てのスペクトル成分が含まれているので、同期検波用積分器は、ディジタルとなった全スペクトルの中から角速度の検出に必要なスペクトル成分を、信号レベルが劣化することなく取り出すことができる。よって振動ジャイロモジュールの出力信号は高品質となる。
【００１６】
また本発明に係る振動ジャイロモジュールの信号処理方法は、振動センサが出力した信号を増幅し、この増幅した信号を、同期用信号に同期させて検波し、この検波した信号の最大周波数よりも高いナイキスト周波数を設定したアンチエイリアスフィルタに前記検波した信号を通して最大周波数よりも高い周波数帯を除去した後、ディジタル信号に変換することを特徴としている。これにより振動ジャイロモジュールはディジタル信号を出力することができる。そして振動ジャイロモジュールは、ディジタル信号を出力するために、振動センサが出力するアナログ信号を同期検波し、アンチエイリアスフィルタを通した後、Ａ／Ｄ変換するだけであるから、構成が簡単になって小型にできる。またアンチエイリアスフィルタは、ナイキスト周波数を検波した信号の最大周波数よりも高く設定しているから、検波した信号が変化するのを防止できる。
【００１７】
また本発明に係る振動ジャイロモジュールの信号処理方法は、ディジタル信号を積分処理して不要な周波数帯を除去することを特徴としている。本発明に係る信号処理方法は、ディジタル信号を積分処理するから、この積分処理をするフィルタをディジタルフィルタで構成することができる。これによりディジタルフィルタのカットオフの特性を急峻にでき、角速度の検出に必要なスペクトル成分を通過して、不要なスペクトル成分を遮断できる。よって振動ジャイロモジュールは、高品質の信号を出力できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る振動ジャイロモジュールおよびその信号処理方法の実施形態について説明する。図１は振動ジャイロモジュールのブロック図である。振動ジャイロモジュール１０は、振動ジャイロ部２０および積分処理部４０を備えている。振動ジャイロ部２０は、振動センサ２２、発振回路２４、電流電圧（ＩＶ）変換回路２６、差動増幅回路２８（増幅回路）、移相回路３０、同期検波回路用スイッチ３２、アンチエイリアスフィルタ３４およびアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器３６を備えている。
【００１９】
振動センサ２２は角速度を検出する素子であり、水晶を始めとする薄板の圧電材料で形成した圧電ジャイロであればよい。この振動センサ２２は、例えば回転軸方向に対して垂直方向に２本の振動腕が基部から平行して延びた構成の駆動部と、２本の駆動腕の中間に位置する基部の部分から振動腕と平行して延びた構成の検出部（各部とも図示せず）を備えている。そして発振回路２４は振動センサ２２に接続し、前記駆動部に電気信号を供給している。この電気信号が供給されることによって、前記駆動部が２本の振動腕を対称的に屈曲するように励振する。また振動センサ２２に角速度が加わった場合、前記駆動部が励振している方向と直交する向きにコリオリ力が働くので、これにより前記検出部が振動して電気信号を出力する。
【００２０】
なお、このような構成の振動センサ２２を用いることは、回転軸方向に対して直交方向（振動センサ２２の搭載面方向）に幅広である素子の平面方向を一致させることが可能であるので振動ジャイロモジュール１０の低背化に有効である。
【００２１】
ＩＶ変換回路２６は振動センサ２２に接続し、前記検出部から出力された電気信号を電流から電圧に変換して出力している。このためＩＶ変換回路２６は、前記検出部と１対１に接続している。差動増幅回路２８は、ＩＶ変換回路２６にそれぞれ接続している。そして差動増幅回路２８は、各ＩＶ変換回路２６が出力した信号の差をとり、これを出力している。すなわち差動増幅回路は、振動センサが出力した信号を増幅して出力している。移相回路３０は発振回路２４に接続し、発振回路２４の出力端から出力される信号を位相調整している。
【００２２】
同期検波回路用スイッチ３２は差動増幅回路２８および移相回路３０に接続し、差動増幅回路２８から入力した信号を検波している。アンチエイリアスフィルタ３４は、同期検波回路用スイッチ３２に接続している。このアンチエイリアスフィルタ３４は、同期検波回路用スイッチ３２が出力した信号のうちナイキスト周波数以上の周波数帯を除去して出力している。Ａ／Ｄ変換器３６はアンチエイリアスフィルタ３４に接続し、入力したアナログ信号をディジタル信号に変換している。
【００２３】
なおアンチエイリアスフィルタ３４を用いることで、例えば高速データ処理を必要とするような高い標本化周波数による測定処理を行わなくてもエイリアスの発生に伴うＡ／Ｄ変換不良の発生を防止することができる。
【００２４】
積分処理部４０は、振動ジャイロ部２０に接続している。振動ジャイロ部２０は、入出力（Ｉ／Ｏ）ポート４２、デバイスドライバ４４、ソケット４６およびディジタルの同期検波用積分器４８を備えている。デバイスドライバ４４は、Ｉ／Ｏポート４２を介して、振動ジャイロ部２０のＡ／Ｄ変換器３６に接続している。このデバイスドライバ４４は、Ａ／Ｄ変換器３６から出力したディジタル信号を積分処理部４０に入力する制御等を行っている。同期検波用積分器４８は、ソケット４６を介して、デバイスドライバ４４に接続している。ソケット４６は、ソフトウェアコンポーネント５０の入口にあたり、同期検波積分器４８は、ソフトウェアコンポーネント５０の内部に設けられている。この同期検波用積分器４８は、入力したディジタル信号の中から、角速度の検出に不要なスペクトル成分を除去している。
【００２５】
次に、振動ジャイロモジュール１０の信号処理方法について説明する。まず振動ジャイロ部２０では、発振回路２４から振動センサ２２に電気信号を供給して、振動センサ２２を発振させる。すなわち前記駆動部を励振する。そして振動センサ２２に角速度が加わると、前記駆動部が励振している方向に対して垂直方向にコリオリ力が働くので、このコリオリ力を前記検出部で検出して電気信号として出力する。なお、この電気信号には、角速度の検出に必要なスペクトル成分と、不要なスペクトル成分が含まれている。そして電気信号はＩＶ変換回路２６に入力して、電流の信号から電圧の信号に変換された後、差動増幅回路２８に入力する。差動増幅回路２８は、ＩＶ変換回路２６を介して、振動センサ２２から入力した２つの電気信号の差をとって増幅し、これを同期検波回路用スイッチ３２に出力する。また移相回路３０は、発振回路２４からの出力端から入力した信号の位相を調整し、これを同期検波回路用スイッチ３２に出力する。
【００２６】
同期検波回路用スイッチ３２は、移相回路３０から入力した信号（同期用信号）に同期させて、差動増幅回路２８から入力した信号を検波する。この検波された信号、すなわち同期検波回路用スイッチ３２から出力したアナログ信号は、アンチエイリアスフィルタ３４に入力する。アンチエイリアスフィルタ３４では、Ａ／Ｄ変換器３６でエイリアスが乗らないよう、同期検波回路用スイッチ３２から出力する信号のナイキスト周波数よりも高い周波数帯を除去している。すなわちＡ／Ｄ変換器３６で設定されるサンプリング周波数は、アンチエイリアスフィルタ３４に入力するアナログ信号の最大周波数がナイキスト周波数を下回るようにしておく。またアンチエイリアスフィルタ３４では、入力したアナログ信号をカットしないようカットオフ周波数（遮断周波数）と特性曲線（減衰傾度）を決定しておく。これによりアンチエイリアスフィルタ３４では、同期検波回路用スイッチ３２が出力した信号（振動センサ２２が出力した電気信号）に変化を与えることが無く、入力した信号（全スペクトル）を減衰させることなくそのままの状態で出力している。すなわちアンチエイリアスフィルタ３４により、入力したアナログ信号は変化しない。
【００２７】
そしてアンチエイリアスフィルタ３４を通過したアナログ信号はＡ／Ｄ変換器３６に入力する。Ａ／Ｄ変換器３６は、入力したアナログ信号をディジタル信号に変換して出力する。このディジタル信号が、振動ジャイロ部２０の出力となる。したがって振動ジャイロ部２０では、振動センサ２２が出力した電気信号に含まれる全てのスペクトル成分をディジタル信号に変換している。
【００２８】
この後、積分処理部４０はディジタル信号を入力する。前述した振動ジャイロ部２０では、振動センサ２２が出力した全スペクトルを保存した状態でディジタル信号に変換しているので、このディジタル信号には角速度の検出に必要なスペクトル成分と、不要なスペクトル成分が含まれている。このため積分処理部４０では、振動ジャイロ部２０から出力した信号の全てのスペクトル成分の中から、角速度の検出に必要なスペクトル成分を取り出す処理をする。
【００２９】
具体的には、積分処理部４０は、デバイスドライバ４４の制御により、Ｉ／Ｏポート４２を介してＡ／Ｄ変換器３６からディジタル信号を入力する。そしてディジタル信号は、ソケット４６を介してソフトウェアコンポーネント５０に入力する。このソフトウェアコンポーネント５０内に設けてある同期検波用積分器４８は入力した信号を畳み込み積分して、この信号の中から必要な周波数帯域の信号のみを通過している。すなわち同期検波用積分器は積分処理をすることにより、振動ジャイロ部から出力した全スペクトルの中から、角速度の検出に必要なスペクトル成分を取り出している。
【００３０】
ここで同期検波用積分器４８はディジタルフィルタなので、アナログ回路を用いた従来の同期検波回路用積分器に比べてカットオフの特性曲線を急峻にして理想的なフィルタを実現できる。したがって同期検波用積分器４８は、必要なスペクトル成分の信号レベルの劣化を抑えながら、不要なスペクトル成分を概ねカットすることができる。そして同期検波用積分器４８の出力信号として、角速度の検出に必要なスペクトル成分を出力できる。よって、この出力信号はＳ／Ｎ比が向上しており、また雑音が含まれていることもない。
【００３１】
このような振動ジャイロおよびその信号処理方法において、振動ジャイロ部２０は、ディジタル信号を得るために、同期検波回路用スイッチ３２の後段にアンチエイリアスフィルタ３４とＡ／Ｄ変換器３６を設けているだけであるから（ローパスフィルタを備えていないので）、小型にすることができる。またアンチエイリアスフィルタ３４は、入力する信号の最大周波数よりも高い周波数帯を除去するために、ナイキスト周波数を上記最大周波数よりも高くするとともに、カットオフ周波数と特性曲線を決定している。このためＡ／Ｄ変換器３６には、振動センサ２２から出力した信号がほぼ保存された状態で入力をすることができ、Ａ／Ｄ変換器３６が出力するディジタル信号の品質を良くできる。またＡ／Ｄ変換器３６のサンプリング周波数が上がるので、量子化ノイズ密度を小さくできる。
【００３２】
また積分処理部４０では、同期検波用積分器４８をディジタルで構成しているので、このフィルタのカットオフの特性曲線を急峻にできる。よって同期検波用積分器４８に入力した信号のうち、必要な周波数帯のみが通過し、不要な周波数帯を遮断しているので、高品質の出力信号が得られる。すなわち同期検波用積分器４８の出力信号は、欲しい情報の劣化が少なく、またノイズが少ないという特徴がある。また同期検波用積分器４８はディジタルフィルタなので、フィルタの特性曲線の調整や変更を行いやすい。このため振動ジャイロ部２０の形態に応じて、同期検波用積分器４８の調整や変更が適宜できる。また同期検波用積分器４８はディジタルで構成しているので、信頼性を向上できる。
【００３３】
そして、このような振動ジャイロモジュール１０は、振動ジャイロ部２０と積分処理部４０を備えた振動ジャイロモジュール１０を部品メーカが製造して、ユーザに販売することができる。また振動ジャイロモジュール１０の振動ジャイロ部２０を部品メーカが製造するとともに、振動ジャイロ部２０を購入したユーザが積分処理部４０を作製して、振動ジャイロ部２０と接続し、振動ジャイロ部２０と積分処理部４０を備えた振動ジャイロモジュール１０を得ることができる。さらに振動ジャイロモジュール１０は、複数の振動ジャイロ部２０を１つの積分処理部４０に接続してもよい。すなわち各振動ジャイロ部２０から出力するディジタル信号を積分処理部４０に入力して、積分処理部４０が入力したディジタル信号をそれぞれ処理することもできる。これにより振動ジャイロモジュール１０を小型化することができる。
【００３４】
なお前述した実施形態では、同期検波用積分器４８がソフトウェアコンポーネント５０内に設けられた構成であるが、この形態に限定されることはない。すなわち同期検波用積分器４８は、デバイスドライバ４４内に設けることができる。そして、この変形例の場合、Ｉ／Ｏポート４２を介してＡ／Ｄ変換器３６から入力したディジタル信号を、デバイスドライバ４４内に設けた同期検波用積分器４８を通して、不要な周波数帯を除去することができる。なおこの変形例に示す同期検波用積分器４８もディジタルフィルタである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】振動ジャイロモジュールのブロック図である。
【図２】従来技術に係る同期検波回路とＡ／Ｄ変換器のブロック図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０………振動ジャイロモジュール、２２………振動センサ、２４………発振回路、２８………差動増幅回路、３２………同期検波回路用スイッチ、３４………アンチエイリアスフィルタ、３６………Ａ／Ｄ変換器。
【図１】
2008157719.tif 000003
【図２】
2008157719.tif 000004