(57)【要約】【課題】  圧電振動子の検出回路であって浮遊容量に対し安定な回路、およびスケールファクタの温度依存性の低いジャイロセンサを提供すること。【解決手段】振動脚を有する圧電振動子１００と、この圧電振動子からの出力電流を電圧に変換する電流電圧変換回路２とを備えた圧電振動子の検出回路において、圧電振動子と電流電圧変換回路との間に電流アンプ回路１を設ける。これにより、浮遊容量に対して敏感な電流電圧変換回路と、浮遊容量が最も生じやすい箇所である圧電振動子とＩＣの接続部分とを、電流アンプによって分離することができる。したがって、浮遊容量に対する感度の低い電流アンプ回路を用いることで、全体として浮遊容量の影響を受けにくい検出回路を実現する。また上記の検出回路はゲインの周波数特性のピークを抑圧できるため、この検出回路をジャイロセンサに使うことで、スケールファクタの温度依存性の低いジャイロセンサを提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動脚を有する圧電振動子と、この圧電振動子からの出力電流を電圧に変換する電流電圧変換回路とを備えた圧電振動子の検出回路において、
前記圧電振動子と前記電流電圧変換回路との間に電流アンプ回路を設けたことを特徴とする圧電振動子の検出回路。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電振動の検出回路において、
前記圧電振動子の振動脚に、振動時の屈曲に対応して逆位相の電流を出力する二つの電極を設け、これら二つの電極にそれぞれ前記電流アンプ回路と電流電圧変換回路を一組ずつ接続し、
さらに差動増幅回路を設けて、前記二組の電流電圧変換回路のそれぞれの出力端子を該差動増幅回路の入力端子に接続することを特徴とする圧電振動子の検出回路。
【請求項３】
請求項１に記載の圧電振動子の検出回路において、
前記電流アンプ回路は、ＯＰアンプの反転入力端子−出力端子間を短絡し、
非反転入力端子−出力端子間に二つの抵抗を直列に接続し、
非反転入力端子を入力端子とし、前記直列接続した二つの抵抗の接続点を出力端子として構成することを特徴とする圧電振動子の検出回路。
【請求項４】
請求項１に記載の圧電振動子の検出回路において、
前記電流アンプ回路は、ＯＰアンプの非反転入力端子−出力端子間と、反転入力端子−出力端子間にそれぞれ抵抗を接続し、
反転入力端子を入力端子とし、非反転入力端子を出力端子として構成することを特徴とする圧電振動子の検出回路。
【請求項５】
請求項１に記載の圧電振動子の検出回路において、
前記電流アンプ回路は差動電流アンプ回路であり、該差動電流アンプ回路の入力端子を前記圧電振動子の電極に接続し、出力端子を前記電流電圧変換回路の入力端子に接続することを特徴とする圧電振動子の検出回路。
【請求項６】
請求項５に記載の圧電振動子の検出回路において、
前記差動電流アンプ回路は、ＯＰアンプの非反転入力端子−出力端子間に二つの抵抗を直列に接続し、
反転入力端子−出力端子間にも抵抗を接続し、
前記非反転入力端子と反転入力端子を入力端子とし、前記直列接続した二つの抵抗の接続点を出力端子として構成することを特徴とする圧電振動子の検出回路。
【請求項７】
請求項１に記載の圧電振動子の検出回路において、
差動増幅回路からなる補正回路を設け、前記圧電振動子の電極の電圧を前記電流電圧変換回路の基準電位にする補正を行うことを特徴とする圧電振動子の検出回路。
【請求項８】
圧電振動子に、駆動用の電極とコリオリ力検出用の電極とを設け、該コリオリ力検出用電極に検出回路を接続してなるジャイロセンサにおいて、
前記検出回路が請求項１から請求項７のいずれかに記載の構成をとることを特徴とするジャイロセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子と、電流アンプ回路と、電流電圧変換回路とを有する圧電振動子の検出回路に関し、特に浮遊容量に対する検出回路の動作の安定化に関する。
【０００２】
また、本発明はスケールファクタの温度依存性の低いジャイロセンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
圧電振動子は、電子機器の発振回路に利用されてきたが、近年では加速度センサ、ジャイロセンサといった各種センサにも広く使われている。
【０００４】
圧電振動子がセンサ用途で利用される場合、検出すべき物理量が発振状態にある振動子に対し与える影響を、電子回路で検出する構成になっている。たとえば、ジャイロセンサの場合、回転によるコリオリの力が加わることにより振動脚が屈曲し、これにより振動脚に設けられた電極の電荷量が変化する。これを電流電圧変換回路によって電圧に変換し、印加された角速度を検出する。
【０００５】
従来のジャイロセンサにおいて、圧電振動子に接続される検出回路の例として、特許文献１の図１に示される、ＯＰアンプと抵抗による電流電圧変換回路に、差動増幅回路をつないだ構成が知られている。この構成は、差動増幅回路により同相ノイズが相殺できるため、ＳＮ比を上げることができる。
【特許文献１】特開平１１−４４５４０号公報（第２−３頁）
【０００６】
この構成では、ＳＮ比は電流電圧変換回路の帰還抵抗値で支配される。帰還抵抗値をＲとすると、熱雑音は√Ｒに比例し、信号はＲに比例するため、ＳＮ比は√Ｒに比例する。したがってＲを大きくすればするほど、ＳＮ比には有利になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、電流電圧変換回路の帰還抵抗を大きくすると問題が生じる。帰還抵抗と、入力端の浮遊容量ＣでＬＰＦが構成され、位相を回転させるため、ＯＰアンプの出力の位相遅れが大きくなる周波数領域では正帰還に近づき、不安定になるのである。浮遊容量Ｃの大きさによっては、周波数特性で振幅にピークが生じたり、発振したりしてしまう。圧電振動子と電流電圧変換回路を接続するためには電極パッドや配線の引き回しが必要であるため、特に浮遊容量を生じやすく、問題となる。
【０００８】
したがって、帰還抵抗値には、周波数特性においてピークが発生しない程度に大きな値が選ばれる。しかし、浮遊容量は配線のレイアウトやパッケージの構造などによって変化するものであり、回路の設計段階で予測することは難しい。よって、安定に動作する帰還抵抗の最大値はいくつかの抵抗値で実験して確認する必要があった。
【０００９】
この現象を抑えるために、帰還抵抗に並列に帰還容量をつけることで位相補償を行う手法が一般に行われている。これは、帰還抵抗と浮遊容量によって形成されるＬＰＦの位相遅れを、帰還抵抗と帰還容量とで形成されるＨＰＦの位相進みで相殺するものである。
【００１０】
この手法により、電流電圧変換回路の周波数特性の改善が可能であるが、最適な帰還容量の値は浮遊容量の値によって異なるため、配線のレイアウトやパッケージ構造等の変更の度に帰還容量の値を調整する必要があった。
【００１１】
上記の事柄は、圧電振動子を用いたジャイロセンサでは大きな問題となる。電流電圧変換回路のゲインの周波数特性におけるピークは、回路を構成する素子の温度特性によって変化するため、圧電振動子の振動周波数近傍にピークがある場合、温度変化に伴うピークの変動が電流電圧変換のゲインを変化させ、ジャイロセンサのスケールファクタの温度依存性を劣化させる。
【００１２】
本発明は上述した従来技術による問題点を解決するためになされたものであり、浮遊容量の影響を排して安定に動作する検出回路を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明はスケールファクタの温度依存性の低いジャイロセンサに関する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明にかかる圧電振動子の検出回路は、圧電振動子と電流電圧変換回路との間に、電流アンプ回路を設ける。
【００１５】
この構成によれば、浮遊容量が最も生じやすい圧電振動子とＩＣの接続部分と電流電圧変換回路を分離して、間に電流アンプ回路を介在させ、浮遊容量による影響を抑圧する役割を電流アンプ回路が担当することになる。したがって、電流電圧変換回路が入力容量に対して敏感であってもその影響を受けずにすむ。浮遊容量に対する感度の低い電流アンプ回路を用いることで、全体として浮遊容量の影響を受けにくい検出回路を構成することができる。
【００１６】
そして、本発明にかかるジャイロセンサは、圧電振動子が、駆動用の電極と、コリオリ力検出用の電極とを有し、コリオリ力検出用電極に上記のような検出回路を接続してする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、圧電振動子の電極の電位が変動しても、それが直接電流電圧変換回路に伝わらないため、ゲインの周波数特性にピークが生じにくく、浮遊容量の影響を受けにくい検出回路を構成することができるという効果がある。
【００１８】
また、本発明によれば、雑音の同相成分を相殺し、ＳＮ比を改善するとともに、回路を小型化することができるという効果がある。
【００１９】
また、本発明によれば、電流アンプがＯＰアンプと抵抗のみで構成されるため、波形歪や温度依存性の低い回路を実現することができるという効果がある。
【００２０】
また、本発明によれば低入力インピーダンス化により圧電振動子の振動に与える影響を小さくすることができるという効果がある。
【００２１】
また、本発明によれば、電流電圧変換の基準電圧変動の影響を抑え、出力信号の精度を上げることができるという効果がある。
【００２２】
また、本発明によれば、検出回路のゲインの周波数特性にピークが現れにくく、ジャイロセンサのスケールファクタの温度依存性を低減することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の最適な実施の形態について図１〜４を用いて説明する。図１は、本発明にかかる圧電振動子の検出回路の第１の実施形態を示す回路図である。検出回路は、圧電
振動子１００と、電流アンプ回路１と、電流電圧変換回路２と、差動増幅回路３とを持つ。
【００２４】
電流アンプ回路１は、ＯＰアンプＵ１１１と、抵抗Ｒ１１１、Ｒ１１３とで構成されている。抵抗Ｒ１１３の一端がＯＰアンプＵ１１１の出力端子に接続されており、他端が抵抗Ｒ１１１の一端と接続されている。抵抗Ｒ１１１の他端は、ＯＰアンプＵ１１１の非反転入力端子に接続されている。また、ＯＰアンプＵ１１１の反転入力端子と出力は短絡されており、ボルテージフォロアを構成している。同じ回路が、ＯＰアンプＵ１１２、抵抗Ｒ１１６、およびＲ１１８でもう一組構成されており、以上の構成を持つ電流アンプ回路が圧電振動子１００の二つの電極にそれぞれ１組ずつ接続されている。
【００２５】
電流電圧変換回路２は、ＯＰアンプＵ１２１と、抵抗Ｒ１２１とで構成されている。抵抗Ｒ１２１は、ＯＰアンプＵ１２１の反転入力端子と出力端子の間に接続されている。同じ回路がＯＰアンプＵ１２２、抵抗Ｒ１７１でもう一組構成されており、電流アンプ回路１の２組の出力にそれぞれ１組ずつ接続されている。従来の検出回路における電流電圧変換回路で行われているように、抵抗Ｒ１２１あるいはＲ１７１に並列に帰還容量を加えてもよい。
【００２６】
差動増幅回路３は、ＯＰアンプＵ１３１と、抵抗１３１〜１３４とを持ち、差動増幅回路の二つの入力は電流電圧変換回路の２組の出力にそれぞれ接続されている。なお、差動増幅回路３は、計装アンプの形にしてもよい。この場合、回路の対称性を高めることができる。
【００２７】
次に、この回路の動作について説明する。電流アンプ回路１において、ＯＰアンプＵ１１１の非反転入力端子と反転入力端子の電圧がほぼ等しいとすると、抵抗Ｒ１１１と抵抗Ｒ１１３のそれぞれの両端にかかる電位差もほぼ等しい。したがって、抵抗Ｒ１１３に流れる電流と入力電流との比は、抵抗Ｒ１１１と抵抗Ｒ１１３の比となり、Ｒ１１１／Ｒ１１３で与えられる。
【００２８】
次段にはＲ１１１からの電流とＲ１１３からの電流の両方が流れ込むことから、電流アンプ回路１のゲインは、（Ｒ１１１＋Ｒ１１３）／Ｒ１１３で表すことができる。この電流が電流電圧変換回路２に流れ込む。
【００２９】
電流電圧変換回路２において、前段の電流アンプ回路１から供給された電流は抵抗Ｒ１２１によって電圧に変換される。
【００３０】
したがって、電流アンプ回路１と電流電圧変換回路２をあわせたゲインは、Ｒ１２１×
（Ｒ１１１＋Ｒ１１３）／Ｒ１１３で与えられる。
【００３１】
この構成によれば、ＯＰアンプＵ１１１（あるいはＵ１１２）はボルテージフォロアで動作しているため、ユニティゲイン周波数近くまでは安定して動作する。この電流アンプ回路１の入力インピーダンスも、ユニティゲイン周波数近くまで一定であり、その値はほぼＲ１１１（あるいはＲ１１６）である。検出回路全体の周波数特性は主にＲ１１１（あるいはＲ１１６）と、浮遊容量とで構成されるＬＰＦによって決まり、ピークの抑圧された周波数特性が得られる。したがって、圧電振動子１００の電極と検出回路との間の浮遊容量の影響を抑えることができ、ゲインの周波数特性にピークが生じにくいという効果がある。
【００３２】
さらに、この構成ではＯＰアンプと抵抗のみを使用しており、負帰還をかけているため波形の歪を小さくできるという効果がある。
【００３３】
また、電流電圧変換回路２のＯＰアンプＵ１２１（あるいはＵ１２２）の反転入力端子は、浮遊容量の影響を受けやすいが、これをＩＣの外に出す必要がなく、浮遊容量を抑えるのに有利である。
【００３４】
また、圧電振動子に、振動時に振動脚の屈曲に対応して逆位相の電流を出力する二つの電極を設けるとともに、差動増幅回路を有し、圧電振動子の二つの電極にそれぞれ電流アンプ回路１と、電流電圧変換回路２を一組ずつ接続して、圧電振動子の二つの電極から出た電流信号を電圧信号に変換した後、それぞれの出力を差動増幅回路の入力端子に接続することにより、雑音の同相成分を相殺し、ＳＮ比を改善することができる。
【００３５】
図１に示した電流アンプ回路１は、ＯＰアンプＵ１１１（あるいはＵ１１２）の非反転入力端子に圧電振動子１００を接続する構成をとっているが、図２の第２の実施形態のように反転入力端子に接続する構成をとっても良い。
【００３６】
図２に示す第２の実施形態の電流アンプ回路１は、ＯＰアンプＵ２１１と、抵抗Ｒ２１２、Ｒ２１３とで構成されている。抵抗Ｒ２１２は、ＯＰアンプＵ２１１の反転入力端子と出力端子との間に接続されており、抵抗Ｒ２１３は、ＯＰアンプＵ２１１の非反転入力端子と出力端子の間に接続されている。同じ回路が、ＯＰアンプＵ２１２、抵抗Ｒ２１６、Ｒ２１８で、もう一組構成されている。以上の構成を持つ電流アンプ回路１が、圧電振動子２００の二つの電極にそれぞれ１組ずつ接続されている。
【００３７】
電流アンプ回路１の後には、ＯＰアンプＵ２２１（あるいはＵ２２２）、抵抗Ｒ２２１（あるいは２７１）を持つ電流電圧変換回路２、そしてＯＰアンプＵ２３１、抵抗Ｒ２３１、Ｒ２３２、Ｒ２３３、Ｒ２３４を持つ差動増幅回路３が接続されている。電流電圧変換回路２および差動増幅回路３の動作については、図１のものと同じである。
【００３８】
以下、この回路の電流アンプ回路１の動作について説明する。なお、ＯＰアンプＵ２１１、抵抗Ｒ２１２、Ｒ２１３で構成される電流アンプを例に上げて説明を行うが、ＯＰアンプＵ２１２、抵抗Ｒ２１６、Ｒ２１８で構成される電流アンプの動作についても全く同じである。
【００３９】
電流アンプ回路１において、ＯＰアンプＵ２１１の非反転入力端子と反転入力端子の電圧がほぼ等しいとすると、抵抗Ｒ２１３の両端にかかる電位差は、抵抗Ｒ２１２のそれを反転した値となる。したがって、抵抗Ｒ２１３に流れる電流と入力電流との比は、抵抗Ｒ２１２と抵抗Ｒ２１３の比の−１倍となり、−Ｒ２１２／Ｒ２１３で与えられる。
【００４０】
次段にはＲ２１３からの電流のみが流れ込むことから、電流アンプ回路１のゲインは、−Ｒ２１２／Ｒ２１３で表すことができる。この電流が電流電圧変換回路２に流れ込む。
【００４１】
したがって、図２の実施形態において、電流アンプ回路１と電流電圧変換回路２を合わせたゲインは、Ｒ２２１×（−Ｒ２１２／Ｒ２１３）で与えられる。
【００４２】
この回路において、ＯＰアンプ２１１の反転入力端子に浮遊容量がついた場合を考える。まず、反転入力端子の電位は、入力電流に対して９０度遅れて変動する。
【００４３】
次いで、ＯＰアンプＵ２１１の非反転入力端子の電位について考える。次段の電流電圧変換回路２はＯＰアンプＵ２２１と抵抗Ｒ２２１とで構成されているが、その入力端子の電位は、入力電流の位相より９０度進んでいる。電流電圧変換回路２に入力される電流は、電流アンプ回路１によって位相が反転しているので、電流電圧変換回路２の入力端子の
電位は、圧電振動子２００が出力した電流に対して９０度遅れていることになる。
【００４４】
したがって、電流アンプ回路１のＯＰアンプＵ２１１の非反転入力端子は、小さな振幅ではあるが反転入力端子と同位相で、変動する。これにより、浮遊容量の影響を抑圧し、結果として図１の実施形態と同じく、ゲインの周波数特性のピークを抑圧できる。
【００４５】
また、図１の実施形態と同じく、ＯＰアンプと抵抗のみを使用した構成であって、負帰還をかけているため波形の歪を小さくできるという効果もある。
【００４６】
さらにこの回路は、図１の実施形態の回路に比べ、ＯＰアンプＵ２１１のゲイン分だけ入力インピーダンスを下げられるという効果がある。したがって圧電振動子２００の電極の電位が揺れるのを抑えることができ、圧電振動子２００に与える影響が小さいので有利である。
【００４７】
図３に示す第３の実施形態は、差動電流アンプ４と、電流電圧変換回路２とを持つ検出回路である。図３の差動電流アンプ回路４は、ＯＰアンプＵ３１１と、抵抗Ｒ３１１、Ｒ３１２、Ｒ３１３とを持つ。抵抗Ｒ３１２は、ＯＰアンプＵ２１１の反転入力端子と出力端子との間に接続されている。抵抗Ｒ３１１の一端はＯＰアンプＵ３１１の非反転入力端子に接続されており、他端は抵抗Ｒ３１３の一端と接続されている。抵抗Ｒ３１３の他端は、ＯＰアンプＵ３１１の出力端子に接続されている。
【００４８】
以上の構成を持つ差動電流アンプ回路４は、ＯＰアンプＵ３１１の反転入力端子、非反転入力端子が入力となり、電振動子３００の二つの電極にそれぞれ接続されている。
【００４９】
また、差動電流アンプ回路４の出力は抵抗Ｒ３１１と抵抗Ｒ３１３の接続点であり、このノードが電流電圧変換回路２に接続されている。
【００５０】
図３の差動電流アンプ回路４の動作を簡単に説明する。ＯＰアンプＵ３１１の非反転入力端子に流れ込む電流をｉ１、反転入力端子に流れ込む電流をｉ２とし、差動電流アンプ回路４の出力電流をｉ０とする。
【００５１】
ＯＰアンプＵ３１１の非反転入力端子と反転入力端子の電位がほぼ等しいとすると、Ｒ３１１・ｉ１＝Ｒ３１２・ｉ２＋Ｒ３１３・（ｉ０−ｉ１）が成り立つ。ここで、Ｒ３１２＝Ｒ３１１＋Ｒ３１３とすると、ｉ０＝Ｒ３１２／Ｒ３１３・（ｉ１−ｉ２）が導かれる。したがって、この回路はゲインがＲ３１２／Ｒ３１３の差動電流アンプとして動作することがわかる。
【００５２】
差動電流アンプ回路４は、図１の電流アンプ回路１と図２の電流アンプ回路１を重ね合わせたものと考えてもよい。
【００５３】
したがって、図３の実施形態において、差動電流アンプ回路４と電流電圧変換回路２をあわせたゲインは、−Ｒ３２１×Ｒ３１２／Ｒ３１３で与えられる。
【００５４】
この回路は、図１、図２の実施形態の回路に比べ、ＯＰアンプの数が少なく、回路を大幅に小型化できるという利点がある。図１、図２の実施形態ではＯＰアンプが５個必要であった機能を、図３の実施形態ではＯＰアンプ２個で実現できる。
【００５５】
図４に示す第３の実施形態は、差動電流アンプ回路４と電流電圧変換回路２に加えて、補正回路５とを持つ検出回路である。
【００５６】
図４の補正回路は、ＯＰアンプＵ４３２で構成されるボルテージフォロアと、ＯＰアンプＵ４３１、抵抗Ｒ４３１〜４３４で構成される差動増幅回路とを持つ。ボルテージフォロアの入力はＯＰアンプＵ４１１の反転入力端子につながっており、出力は電流電圧変換回路２のＯＰアンプＵ４２１の非反転入力端子に接続されている。
【００５７】
以上の構成を持つ補正回路５によれば、電流電圧変換の基準となる電位が圧電振動子４００の電極の電位となるので、浮遊容量による信号の位相遅れの影響を低減することができるという効果がある。ただし、圧電振動子４００の電極電位は直流ではないので、その変動分をＯＰアンプＵ４３１の差動増幅回路で補正する。
【００５８】
図４では差動電流アンプ回路４を１個用いているが、図１、図２のように電流アンプ回路１を２個用いてもよい。その場合、圧電振動子４００の二つの電極に対してそれぞれ補正回路５が必要となる。
【００５９】
また、圧電振動子の電極電位の変動が、出力電圧Ｖ０に比べて十分小さい場合、ＯＰアンプＵ４３１からなる差動増幅回路はなくてもよい。
【００６０】
この場合、補正回路５のＯＰアンプＵ４３２からなるボルテージフォロアを外して、圧電振動子４００の電極と、電流電圧変換回路２のＯＰアンプＵ４２１の非反転入力端子を直結してもよい。
【００６１】
図１〜４の検出回路は、ゲインの周波数特性のピークを抑圧できるため、温度変化によるゲイン変化も小さい。したがって、本発明の検出回路をジャイロセンサの検出回路として用いると、ジャイロセンサのスケールファクタの温度依存性を低減することができる。
【００６２】
具体的には、圧電振動子１００、２００、３００、４００が、発振のための電極とコリオリ力検出用電極を持ち、検出回路がコリオリ力検出用電極に接続する、という構成をとる。これにより、浮遊容量に対するスケールファクタの感度を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明における検出回路は、浮遊容量に対して感度が低いため、配線やパッケージの浮遊容量が未知の場合に有効である。
【００６４】
本発明における検出回路を用いたジャイロセンサは、スケールファクタの温度依存性が小さく、温度に対する要求の厳しいカーナビゲーション用のジャイロセンサに適している。
【００６５】
また、本発明における検出回路を用いたジャイロセンサは、回路規模が小さいため、手振れ補正用などの小型化、低コスト化が要求される用途に適している。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明による検出回路の第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明による検出回路の第２の実施形態を示す図である。
【図３】本発明による第３の実施形態で、差動電流アンプ回路を用いた検出回路を示す図である。
【図４】本発明による第４の実施形態で、補正回路を備えた検出回路を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  電流アンプ回路
２  電流電圧変換回路
３  差動増幅回路
４  差動電流アンプ回路
５  補正回路
１００、２００、３００、４００  圧電振動子
ＵＸ（Ｘは数字）  ＯＰアンプ
ＲＹ（Ｙは数字）  抵抗
【図１】
2008241330.tif 000003
【図２】
2008241330.tif 000004
【図３】
2008241330.tif 000005
【図４】
2008241330.tif 000006