(57)【要約】【課題】  回路構成が簡単であり、出力する角速度信号の増幅率の調整を容易に行うことが可能で、信号増幅のために用いる可変増幅器を比較的飽和しずらくすることができる角速度信号処理回路を提供する。  【解決手段】  角速度検出素子に設けられた角速度検出部２０ａ，２０ｂによって検出された信号を差動増幅させ、参照信号に基づいて同期検波して角速度信号として出力する角速度信号処理回路であって、前記同期検波を行う同期検波器４０の後段に、出力する角速度信号の感度を調整するための可変増幅器６０を配置し、外部端子での感度調整用抵抗器の切り替え、及び外部信号での感度切り替えを行うことを特徴とする。【選択図】    図２
2007093233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
角速度検出素子から得た２つの検出信号を差動増幅する差動増幅器と、差動増幅器からの出力信号を、前記角速度検出素子を駆動させる駆動回路から出力される参照信号に基づいて検波する同期検波器とを有する角速度信号処理回路であって、
前記同期検波器の出力側に、同期検波器の出力信号の大きさを調整する感度調整部を設けたことを特徴とする角速度信号処理回路。
【請求項２】
前記感度調整部は、増幅器と、前記増幅器の入力端子と出力端子との間に設けられ、増幅器の増幅率を調整する抵抗器とを有することを特徴とする請求項１に記載の角速度信号処理回路。
【請求項３】
前記感度調整部には任意の抵抗値を有する抵抗器を接続するための外部接続端子が設けられることを特徴とする請求項２に記載の角速度信号処理回路。
【請求項４】
前記感度調整部には複数の抵抗器と、前記複数の抵抗器のうちのいずれかを選択するための選択回路が備えられることを特徴とする請求項２に記載の角速度信号処理回路。
【請求項５】
前記選択回路には、選択信号を入力するための外部端子が設けられることを特徴とする請求項４に記載の角速度信号処理回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサに係り、特に角速度検出素子に設けられた角速度検出部によって検出された角速度信号を処理するための角速度信号処理回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動式の角速度センサを構成する場合、図９に示すように角速度検出素子（図９においては音叉型圧電素子とする）１には、角速度検出素子を励振させるための駆動用電極（不図示）と、角速度を検出するための検出用電極（角速度検出部：不図示）とが設けられる。駆動用電極と角速度検出部とはそれぞれ駆動回路と角速度信号処理回路とに接続されている。このような構成の角速度センサ３では、前記駆動回路から前記駆動用電極に対して駆動信号を伝達することにより角速度検出素子１の振動腕２がＸ軸方向に沿って矢印Ａで示す方向へ所定の周期で励振する。このように振動腕２を励振させた角速度検出素子１に対してＹ軸回りの角速度ωが加わると、角速度検出素子１にはＸ軸に直交する方向にコリオリ力が生じ、角速度検出素子１の振動腕２には矢印Ｂで示す方向に撓みが生じる。ここで、角速度ωは、コリオリ力の大きさに比例して定まるため、前記角速度検出部によって角速度検出素子１の撓み量を検出することにより角速度ωを求めることができる。
【０００３】
上記のような角速度センサ３では通常、角速度検出部は角速度検出素子１に対して２箇所に設けられる。具体的には、２つの角速度検出部によって検出される角速度信号の位相が相対的に約１８０°ずれる位置となるように配置される（例えば一対の振動腕のそれぞれに対として設けるなど）。このように、角速度検出部によって検出された２つの角速度信号の位相を１８０°ずらすことにより、検出された角速度信号にω以外の成分の加速度（ノイズ成分）が加えられている場合でも、いずれかの角速度信号を反転させて加算することにより、ノイズ成分を相殺して角速度成分のみを取り出すことが可能となる。このような構成の角速度信号処理回路は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示されている角速度信号処理回路は、２つの角速度検出部によって検出された信号を、スイッチドキャパシタ回路、及び調整用コンデンサ等によって任意の増幅率で増幅し、増幅させた信号を差動増幅器へ入力することでノイズ成分を取り除いて出力する構成としている。このような構成の角速度信号処理回路によれば、角速度を検出する検出対象の動作や大きさ、及び検出精度に応じた任意の増幅率で増幅した角速度信号を得ることができる。
【特許文献１】特開平７−２１８２７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されているような角速度信号処理回路によれば、上述したように検出方向の角速度以外のノイズ成分を相殺し、任意の倍率で増加させた角速度信号を得ることができる。しかし、上記のような構成の角速度信号処理回路は、角速度検出部で検出された信号のそれぞれを任意の増幅率で増幅し、これを差動増幅器へ入力するという構成としているため、ノイズ成分を完全に相殺するためには２つの角速度検出部で検出される角速度信号の増幅率を完全に一致させる必要がある。ところが、２系統の回路における増幅率を完全に一致させることは容易でない。このため、増幅率の切り替えを行う場合には、２系統の回路の増幅率を完全に一致させるために切り替え制御の同期を図る必要があり、このための高精度な回路の作りこみが必要となるという問題がある。また、個々の角速度検出部からの角速度信号をそれぞれ任意の増幅率で同期させて増幅させる構成としているため、増幅率を調整するための抵抗、コンデンサ等をそれぞれの回路に対して個別に設ける必要があり、回路自体が大型化してしまうといった問題もある。さらに、上記構成の角速度信号処理回路では、信号を増幅する際に角速度成分のみならずノイズ成分の信号も同時に増幅してしまうため、ノイズ成分の増幅量も包括するダイナミックレンジの広い増幅器を使用する必要が生じるといった問題もある。
【０００６】
そこで本発明では、回路構成を簡略化し、角速度信号の増幅率の調整を容易に行うことが可能で、比較的ダイナミックレンジの狭い増幅器であっても従来と同程度の増幅率に対応することができる角速度信号処理回路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】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る角速度信号処理回路は、角速度検出素子から得た２つの検出信号を差動増幅する差動増幅器と、差動増幅器からの出力信号を、前記角速度検出素子を駆動させる駆動回路から出力される参照信号に基づいて検波する同期検波器とを有する角速度信号処理回路であって、前記同期検波器の出力側に、同期検波器の出力信号の大きさを調整する感度調整部を設けたことを特徴とする。このような構成とすることにより、１つの感度調整部の感度を調整するだけで角速度信号の増幅率を変えることができるようになる。このため回路構成を簡略化することができる。また、このような構成であれば、増幅率の調整を行う際に同期を取る必要が無いため、増幅率の調整が容易となる。さらに、増幅率を調整する角速度信号は、角速度検出部より検出された２つの信号を差動増幅し、ノイズ成分をキャンセルした単一な信号となるため、増幅する信号にノイズ成分が含まれていない。このため、比較的容量の小さな増幅器であったとしても、飽和状態となることが少ない。
【０００８】
また、上記のような構成の角速度信号処理回路では、前記感度調整部は、増幅器と、前記増幅器の入力端子と出力端子との間に設けられ、増幅器の増幅率を調整する抵抗器とを有するものとすると良い。このような構成とすることにより、増幅率の調整は、増幅器に取り付けられた抵抗器を取り替えることのみで実行することができるようになる。
【０００９】
また、上記のような構成の角速度信号処理回路では、前記感度調整部には任意の抵抗値を有する抵抗器を接続するための外部接続端子を設けるようにすることが望ましい。このような構成とすることにより、抵抗器の切り替えが容易となり、増幅率の調整も容易となる。また、抵抗器を外部から容易に取り替えることが可能な構成であるため、角速度信号処理回路、あるいは角速度センサとして製品を出荷した後でも、抵抗器さえあれば増幅率の調整ができるようになる。このため、出荷先で、仕様に応じて任意の増幅率に調整することも可能となる。さらに、抵抗器を外部から接続するだけで任意の増幅率に調整することができるため、回路としてのベースは１通りだけで良く、在庫管理がし易くなる。
【００１０】
また、上記のような構成の角速度信号検出回路では、前記感度調整部に複数の抵抗器と、前記複数の抵抗器のうちのいずれかを選択するための選択回路とを備えるようにすると良い。このような構成とすることにより、選択回路の切替のみで増幅率の切り替えを行うことができるようになる。
【００１１】
また、前記選択回路には、選択信号を入力するための外部端子を設けるようにすることが望ましい。このような構成とすることにより、選択回路の切り替えは信号の入力のみで行うことができるようになる。このため、出荷先での要望に応じて信号入力により容易に増幅率を変えることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の角速度信号処理回路に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の実施形態であって、その主要部を逸脱しない限りにおいて本発明は種々の態様を採るものとする。
【００１３】
まず、図１、図２を参照して本発明の角速度信号処理回路に係る第１の実施形態について説明する。本実施形態の角速度信号処理回路１０は、図１に示すように、角速度検出部２０に接続された角速度信号検出用の増幅器３０、同期検波器４０、平滑化用のフィルタ５０、及び角速度信号の感度を調整するための感度調整部である可変増幅器６０とを基本構成とする。
【００１４】
前記角速度検出部２０は、図２に詳細を示すように、１つの角速度信号処理回路１０に対して２つ設けられる。２つの角速度検出部２０ａ，２０ｂの関係は、背景技術の項でも述べたように、角速度検出素子１（図９参照）に対して、互いの角速度検出部２０ａ，２０ｂで検出される角速度信号の位相が相対的に約１８０°ずれる位置に配置されるというものである（検出信号については図３参照）。このような位置関係に配置された角速度検出部２０ａ，２０ｂは、上述した増幅器３０のチャージアンプ３２，３４に接続される。
【００１５】
前記チャージアンプ３２，３４は、オペアンプ３２ａ，３４ａ、抵抗３２ｃ，３４ｃ、コンデンサ３２ｂ，３４ｂ、及び抵抗３２ｄ，３４ｄによって構成されている。このような構成のチャージアンプ３２，３４では、オペアンプ３２ａ，３４ａによって検出した角速度信号をＱ／Ｖ変換させ、抵抗３２ｃ，３４ｃとコンデンサ３２ｂ，３４ｂとによって角速度信号の増幅率が調整されると共に、角速度信号の位相がシフトされる。なお、本実施形態においてチャージアンプ３２，３４を構成する抵抗３２ｃ，３４ｃとコンデンサ３２ｂ，３４ｂとは、出力時の感度調整を行うことを目的としたものではないため、可変とする必要が無い。このため、予め定められた抵抗値、容量値の抵抗とコンデンサをオペアンプ３２ａ，３４ａに接続しておけば良い。このように、本実施形態の角速度信号処理回路１０も背景技術の項で述べた角速度信号処理回路と同様に、角速度検出部２０ａ，２０ｂで検出された信号を個別に増幅する構成を採ることとなるが、本実施形態の角速度信号処理回路１０では、増幅率の任意調整を必要としないため、調整時に行われる同期制御という作業が不要となる。また、抵抗３２ｃ，３４ｃやコンデンサ３２ｂ，３４ｂを切り替える必要が無いため、それぞれのチャージアンプ３２，３４に対して個別に用意していた、切替接続のための抵抗やコンデンサ、スイッチ等が不要となり、回路構成が簡易化される。
【００１６】
本実施形態の角速度信号処理回路１０では、抵抗３２ｃ，３４ｃとコンデンサ３２ｂ，３４ｂとによる角速度信号の位相のシフト量は、後段の同期検波器４０に入力される参照信号に対して９０°ずれたものとなるように互いの角速度信号の位相を同期させて約９０°シフトさせるようにしている（図４参照）。
【００１７】
上記のように構成された２つのチャージアンプ３２，３４の出力側端子は、差動増幅器（オペアンプ）３６のマイナス（−）側の入力端子とプラス（＋）側の入力端子とのそれぞれに接続される。このようにプラスとマイナスの入力側端子にそれぞれ接続されたチャージアンプ３２とチャージアンプ３４から出力される角速度信号は、上述したように、相対的に約１８０°ずれた信号となっているため、角速度信号成分が増幅され、ノイズ成分は打ち消されることとなる。角速度検出部２０ａによって検出された角速度信号をＳ１、角速度検出部２０ｂによって検出された角速度信号をＳ２、それ以外の加速度成分（ノイズ成分）をａとして数式を示すと、次のようになる。
【数１】
2007093233.tif 000003
ここで、Ｓ２はＳ１信号の位相を１８０°ずらしたＳ１の反転信号なので、数式上、
【数２】
2007093233.tif 000004
と表すことができる。これを数式１に代入すると、
【数３】
2007093233.tif 000005
と表すことができ、角速度成分は２倍となり、ノイズ成分は打ち消されることが証明される。波形の移り変わりを示すと、例えば図５のようになる（図５ではＳ１信号がオペアンプ３６のマイナス側の入力端子から入力されているため、Ｓ２信号に準ずる形態となる）。
【００１８】
上記のようにして角速度信号を増幅する差動増幅器３６の出力側端子は、同期検波器４０の入力側端子に接続されている。同期検波器４０の入力側端子には、前記差動増幅器３６とは別に、駆動回路７０が接続されている。前記駆動回路７０からは、角速度検出素子１を駆動（励振）させるための信号が同期検波のための参照信号として入力される。このため、前記差動増幅器３６から同期検波器４０に入力された角速度信号は、参照信号に基づいて同期検波されることとなる。ここで、同期検波器４０では、参照信号のＬｏｗ又はＨｉのどちらかのレベルの信号が入力されることにより角速度信号が反転するような構成とされている。そして、同期検波器４０から出力される信号は、静止時においては、ノイズ（駆動周波数漏れ等）はキャンセルされ（図６参照）回転時においては、主要信号を取り出す（図７参照）。
【００１９】
上記同期検波器４０の出力側端子は、平滑化用のフィルタ５０の入力側端子に接続されている。同期検波器４０から出力された角速度信号は、この平滑化用のフィルタ５０により、フィルタの通過帯域以外の成分、すなわち高周波成分がカットされる。
【００２０】
前記平滑化用のフィルタ５０の出力側端子は、出力信号の感度調整用に設けられた可変増幅器６０の入力側端子に接続される。当該可変増幅器６０は、信号を増幅するためのオペアンプ６２と、信号の増幅率を調整するための抵抗６４、及び抵抗６３とにより構成されるものである。本実施形態の可変増幅器６０は、平滑用のフィルタ５０から出力された信号の増幅率調整を行うための抵抗６４を前記オペアンプ６２に対して任意に切り替え可能とするために、前記抵抗６４を前記オペアンプ６２に接続するための外部接続端子１８を備えている。この外部接続端子１８に接続される抵抗６４は、検出対象とするものの動作、精度に応じて任意に取り替えるようにして、一定の抵抗値を有するものを備えるようにしても良いし、ボリューム調整やスイッチ切換によって抵抗値を変化させる可変抵抗であっても良い。
【００２１】
上記のように、同期検波器４０の後段に可変増幅器６０を配置して、出力する角速度信号の感度調整を行う構成としたことにより、静止時のノイズ（駆動周波数漏れ等）が、同期検波によってキャンセルされるため、主要の信号成分のみ、感度調整ができる。また、２つの角速度検出部２０ａ，２０ｂで検出した角速度信号を差動増幅させた後に感度を調整することとなるため、２系統の回路（チャージアンプ３２に接続された回路とチャージアンプ３４に接続された回路）の抵抗値の同期を取りながら感度の調整を行うという必要が無く、増幅率を任意の値に容易に調整することができる。また、外部接続端子１８を備えて、接続する抵抗６４を容易に変更することが可能な構成としたことにより、角速度センサ１４、あるいは角速度信号処理回路１０を出荷した先で検出対象とするものの動作、精度に応じて増幅率（感度）を調整することが可能となる。また、調整部が１系統となったため、増幅率を調整するために必要とする部品も１系統分だけとなり、回路構成が簡略化されることとなる。さらに、外部接続端子１８を設け、出荷先にて仕様に応じた抵抗を取り付けることが可能な構成としたため、製造元での仕様分けが不要となり製造ラインや在庫を１つに纏めることが可能となる。
【００２２】
可変増幅器６０の出力側端子は、外部接続端子１６に接続されており、感度調整を行った角速度信号を外部回路へ出力することが可能な構成とされている。
【００２３】
このような構成の角速度信号処理回路１０において角速度検出部２０は、静止時に生じる漏れ振動と、角速度ωが与えられた際に生じる振動とを角速度信号として検出することができる。
【００２４】
まず、角速度検出素子が静止した状態、すなわち角速度ωが与えられていない状態では、駆動回路からの信号によって角速度検出素子１の振動腕２が励進することに伴い、角速度検出部２０ａ，２０ｂがその漏れ信号を角速度信号として検出することとなる。ここで検出される角速度信号は、振動腕２の励振に伴うものであるため、駆動回路からの出力信号（参照信号）と同位相の信号となる。
【００２５】
このようにして角速度検出部２０ａと角速度検出部２０ｂとによって検出された２つの静止時の角速度信号は、上述したように相対的な位相が１８０°ずれた信号となり、チャージアンプ３２，３４へそれぞれ入力される。チャージアンプ３２，３４に入力された信号は、予め定められた増幅率で増幅されると共に、入力された角速度信号の位相が９０°シフトされて出力される。
【００２６】
チャージアンプ３２とチャージアンプ３４とからそれぞれ出力された信号は、差動増幅器３６に入力されることにより、角速度成分が反転増幅され、ノイズ成分はカットされて出力される。
【００２７】
このように差動増幅器３６にて増幅された角速度信号は、同期検波器４０に入力され、同じく同期検波器４０に入力される駆動回路からの参照信号に基づいて同期検波されて出力される。ここで、同期検波器４０に入力される角速度信号は上述したように、参照信号に対して位相を９０°ずらした信号であり、参照信号がＬｏｗ又はＨｉのレベルの時に、基準オフセット電圧を境にして反転されるため、基準オフセット電圧を境界にして電圧値が同一となり、互いに打ち消し合うこととなる（図６参照）。
【００２８】
一方、角速度検出素子１に角速度ωが与えられた場合、角速度検出部２０ａ，２０ｂで検出される角速度信号はそれぞれ、駆動回路から出力される信号（参照信号）に対して約９０°ずれたものとなる。そして角速度検出部２０ａと角速度検出部２０ｂとによって検出される角速度信号は約１８０°ずれたものとなる。この信号をそれぞれチャージアンプ３２、チャージアンプ３４へ入力することにより、出力される角速度信号の位相は、駆動回路からの出力信号に対して約１８０°ずれたもの、あるいは同期したものとなる。２つのチャージアンプ３２，３４から出力された角速度信号は、差動増幅器３６へ入力されてノイズ成分がカットされ、同期検波器４０へ出力される。同期検波器４０には上述したように、角速度信号の他に、参照信号として駆動回路からの出力信号が入力されている。角速度信号は参照信号がＬｏｗ又はＨｉのレベルの時に、基準オフセット電圧を境にして反転されるため、同期検波器４０に入力された信号は図７のようになる（図７では、Ｌｏｗレベルで反転）。このようにして同期検波が行われることで、オフセット基準電圧を境界にしてコリオリ力の大きさを示す電圧値が打ち消し合い、残ったＵＳＢ（Upper Side Band）あるいはＬＳＢ（Lower Side Band）がコリオリ力の大きさ、及び方向（ＣＷ：Clock Wise／ＣＣＷ：Counter Clock Wise）を示す角速度信号として同期検波器４０から出力される。同期検波された後の信号は、平滑用のフィルタ５０に入力され、平滑化し、可変増幅器６０へ入力される。可変増幅器６０にて任意の増幅率で増幅された角速度信号は、角速度信号として外部接続端子１６から外部回路へと出力される。
【００２９】
次に図８を参照して本発明の角速度信号処理回路に係る第２の実施形態について説明する。本実施形態の角速度信号処理回路１１０の基本的構成は、第１の実施形態として示した角速度信号処理回路１０と同様である。すなわち、角速度検出部２０に接続された角速度信号検出用の増幅器１３０、同期検波器１４０、平滑用のフィルタ１５０、及び角速度信号の感度を調整するための可変増幅器１６０といった基本構成を有するものである。よってその構成を同一とする箇所については図面に１００を足した符号を附して詳細な説明及び作用効果を省略することとする。
【００３０】
本実施形態の角速度信号処理回路１１０と第１の実施形態の角速度信号処理回路１０との構成上の違いは、同期検波器１４０の後段（平滑用のフィルタ１５０の後段）に設けた可変増幅器１６０の構成にある。
【００３１】
本実施形態における可変増幅器１６０は、図８に示すように、信号増幅用のオペアンプ１６２に対して複数の抵抗１６４ａ，１６４ｂ，・・・，１６４ｎを予め接続しておくことを特徴とする。前記複数の抵抗器はそれぞれ、図８に示すように並列に接続されており、選択回路１６６により適宜切り替え接続が可能な構成としている。また、本実施形態の角速度信号処理回路１１０では、選択回路１６６に対して切替信号入力端子１１７を設け、外部からの信号入力によりオペアンプ１６２に接続する抵抗器を容易に切り替えられる構成とした。
【００３２】
このような構成とした場合であっても、従来に比べて回路構成を簡略化することができる。また、同期制御が不要なため、抵抗値の切り替えを任意かつ容易に行うことができるようになる。すなわち信号の増幅率を任意の値に容易に変えられるようになる。また、外部信号の入力のみで抵抗値の切り替え（感度調整）が可能なため、出荷先での切り替えも容易に行うことができる。
【００３３】
上記実施形態に示した角速度信号処理回路は、同期検波の後に出力信号の調整を行うことを特徴とするものであり、その他の構成、例えば高帯域フィルタや温度補償回路等を回路内に設けている場合であっても、本発明の実施形態の一部とみなすことができる。
【００３４】
また、上記実施形態では、オペアンプ６２，１６２に対して接続する抵抗器を抵抗素子、あるいは可変抵抗素子として示しているが、コンデンサ等他の素子との組合せにより抵抗値を設定、あるいは可変とするものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の角速度信号処理回路に係る第１の実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る角速度信号処理回路の増幅器に係る部分を詳細に示した図である。
【図３】２つの角速度検出部によって検出される信号のずれの様子を示す図である。
【図４】角速度検出部によって検出された角速度信号が増幅器を通過することによって増幅、及び位相シフトされる様子を示す図である。
【図５】角速度信号が差動増幅される様子を示す図である。
【図６】角速度検出素子に角速度を加えない状態の時に検出された角速度信号が同期検波される様子を示す図である。
【図７】角速度検出素子に角速度を加えた状態の時に検出された角速度信号が同期検波される様子を示す図である。
【図８】本発明の角速度信号処理回路に係る第２の実施形態の概略構成を示す図である。
【図９】角速度センサの構成を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０………角速度信号処理回路、２０（２０ａ，２０ｂ）………角速度検出部、３０………増幅器、３２，３４………チャージアンプ、３６………差動増幅器、４０………同期検波器、５０………平滑用のフィルタ、６０………可変増幅器。
【図１】
2007093233.tif 000006
【図２】
2007093233.tif 000007
【図３】
2007093233.tif 000008
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007093233.tif 000012
【図８】
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【図９】
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