JP4784607B2 - 角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置 - Google Patents

角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置 Download PDF

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Description

この発明は、たとえばカメラの手ぶれ補正等に利用される角速度センサのインタフェース回路および角速度検出装置に関するものである。
ディジタルスチルカメラやディジタルビデオカメラにおいては、手ぶれ補正のためにカメラの手ぶれを検出する角速度センサが利用されている。
このような手ぶれ補正等に利用される角速度センサは、圧電振動子とその圧電振動子を駆動するとともに、コリオリ力に起因する圧電振動子の振動によって生じる起電圧を検出して、角速度に応じた電圧信号を出力するものである。この角速度センサの出力信号を基に、手ぶれ補正のような、角速度に応じた何らかの制御を行うためには、角速度センサの出力信号を増幅し、角速度に応じた電圧信号に変換する必要がある。この増幅回路は直流増幅回路であり、回路定数のばらつき等によって必然的に直流オフセットが生じる。また、ある基準より低周波の角速度変化は検出しようとする手ぶれによるものではなく、たとえばパーン・ティルトなど使用者自身の意図的なカメラ操作によって生じるものであるので、そのような低周波成分はカットすべき信号である。そこで従来は、たとえば特許文献1に示されているように、角速度センサの出力信号をハイパスフィルタを介して直流成分および低周波成分をカットして直流増幅するように回路を構成していた。
ここで特許文献1に示されている角速度センサインタフェース回路について図1を参照して説明する。
図1において、角速度センサ11は電源電圧VCCを入力し、角速度に応じた角速度検出信号Voを出力する。コンデンサC1および抵抗R1はハイパスフィルタ12を構成していて、抵抗R2,R3およびオペアンプOPは直流増幅回路を構成している。このハイパスフィルタ12と直流増幅回路とによって角速度センサインタフェース回路を構成している。
上記ハイパスフィルタ12内には、抵抗R1の両端を短絡するスイッチSWを設けていて、角速度センサ11および角速度センサインタフェース回路の起動時にスイッチSWをオンして抵抗R1両端を短絡する。このことによって、ハイパスフィルタ12内のコンデンサC1の充電時定数を最低限のものとし、コンデンサC1を定常電圧まで高速に充電して、角速度センサインタフェース回路の出力信号を直ちに利用できるようにしている。
特開平5−207356号公報
図1に示したハイパスフィルタ12内のコンデンサC1の容量は、たとえば数10μFと大容量であり、図1に示したようなスイッチSWで抵抗R1を短絡しても、コンデンサC1の定常的な電圧までの充電には数秒程度必要となり、たとえばカメラの手ぶれ補正のためにこの角速度検出装置を設けておいても、カメラの電源オンと同時に手ぶれ補正機能を使用するといったことはできなかった。
図2は、図1に示した角速度センサインタフェース回路の各部の波形図である。電源VCCの印加によって角速度検出信号VoであるA点の電圧Vaが基準電圧Vrefより高い電圧である場合(正のオフセットをもつ場合)、オペアンプOPの出力電圧Va0は最初電源電圧VCCにクランプされ、その後のB点の電圧Vbの低下に伴って、Va0は低下し、最終的に基準電圧Vrefに収束することになる。
従来のディジタルビデオカメラ等では、セットの電源投入直後から撮影開始までにたとえばテープのローデング時間など、他のリソースの制約に応じた待機時間が存在するので、角速度検出装置の応答速度が多少遅くても、そのことは問題とはならなかった。しかし、近年のディジタルスチルカメラやDVDビデオカメラ等においては、電源投入直後から撮影できなければならず、上記応答性が問題となる。
そこで、この発明の目的は、上記立ち上がり時間(電源投入後、角速度に応じた電圧が正しく出力されるまでの時間)を大幅に短縮化して上述の問題を解消した角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置を提供することにある。
前記課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
[1]この発明の角速度センサインタフェース回路は、例えば図3・図4に示されるように、圧電振動子(1)と、該圧電振動子を駆動するとともに当該圧電振動子の振動によって生じる起電圧を検出する回路とを備えた角速度センサに印加される角速度に応じた電圧信号である角速度検出信号(Vo)を角速度信号処理回路(101)へ出力するものであって、
前記角速度検出信号を増幅する角速度検出信号増幅回路(30)と、
起動後のオフセット調整期間に、前記角速度検出信号増幅回路の出力電圧が、前記印加される角速度が0であるときに出力される電圧である基準電圧(Vref)となるように、前記角速度検出信号増幅回路(30)のオフセットを調整するオフセット調整回路(31)と、
前記オフセット調整期間に、前記角速度信号処理回路(101)へ前記基準電圧を与え、前記オフセット調整期間経過後に、前記角速度検出信号増幅回路(30)の出力信号を前記角速度信号処理回路(101)へ与える入力スイッチ回路(SW1)と、を備えたことを特徴としている。
[2]また、例えば図6・図9に示されるように、前記角速度信号処理回路(101)の入力部に、前記角速度検出信号増幅回路(30)の出力に対してシリーズに接続したコンデンサ(C21)と、該コンデンサと前記基準電圧ラインとの間にシャントに接続した抵抗(R25)と、を含むハイパスフィルタ(22)を設ける。
[3]また、前記オフセット調整期間に前記コンデンサ(C21)の両端を短絡し、前記オフセット調整期間経過後に前記コンデンサの両端を開放する放電スイッチ回路(SW2)を設ける。
[4]また、例えば図10に示されるように、前記角速度信号処理回路は、前記角速度検出信号増幅回路(30)の出力電圧を増幅する増幅回路(32)と不要周波数帯域の信号成分を減衰させるフィルタ(33)とを備えて、角速度の大きさに応じた電圧信号を出力するものであって、当該角速度信号処理回路および前記角速度センサをそれぞれ2つ備えるとともに、
前記2つの角速度信号処理回路の出力電圧信号を時分割でAD変換してホスト装置などの外部へ出力するADコンバータを備えたものとする。
[5]また、この発明の角速度検出装置は、上記[4]において2つの角速度センサは、角速度の回転軸が互いに直交する関係にある
[1]例えば図3において、起動後のオフセット調整期間に、オフセット調整回路(31)の作用により、角速度センサ(21)から出力される電圧が増幅回路30の出力で基準電圧(Vref)となるように、オフセットが調整される。そして、入力スイッチ回路(SW1)により、前記オフセット調整期間に、基準電圧が角速度信号処理回路(101)へ与えられ、オフセット調整期間経過後に、角速度センサ(21)の出力が増幅回路30を介して角速度信号処理回路(101)へ与えられる。オフセット調整回路(31)はたとえば、角速度センサ(21)の出力信号を増幅する直流増幅回路の例えば参照電圧を所定値にしてオフセットを調整するだけであるので、充放電時定数とは無関係である。そのため、従来のハイパスフィルタのコンデンサの充電時定数を小さくすることによって立ち上がり時間を短縮化するものに比べて立ち上がり時間を大幅に短縮化できる。
[2]例えば図6において、角速度センサ(21)の出力信号である角速度検出信号の処理を行う角速度信号処理回路(101)の入力部に、直列接続のコンデンサ(C21)を含むハイパスフィルタ(22)が設けられていて、放電スイッチ回路の作用により、オフセット調整期間に上記コンデンサの両端が短絡され、オフセット調整期間経過後にコンデンサの両端が開放されるので、オフセット調整期間経過後は、角速度信号処理回路(101)はハイパスフィルタを通した信号に対して増幅等の信号処理を行うことができる。
このように、直列接続のコンデンサを含む時定数回路であるハイパスフィルタを設けてもコンデンサの充放電時定数を一時的に小さくするといった切り替えを行う必要はないので、コンデンサに定常電圧が充電されるまで待つ必要がなく、立ち上がり時間が長くなることがない。
[3]放電スイッチ回路(SW2)は、オフセット調整期間に、ハイパスフィルタ(22)のコンデンサ(C21)の両端を短絡するので、コンデンサ(C21)に電荷が充電されていたとしても、オフセット調整期間にコンデンサ(C21)の放電が行われ、オフセット調整期間経過後、ハイパスフィルタは入力信号に対して直ちに正常に動作する。
[4]例えば図10において、印加される角速度の大きさに応じた電圧信号を出力する角速度信号処理回路を2つ備えるとともに、この2つの角速度信号処理回路の出力電圧信号を時分割でAD変換するADコンバータを備えることによって、回路規模を増大することなく、2つの角速度センサを用いることができる。
[5]また、この2つの角速度センサ(21)の角速度の回転軸が互いに直交するものとすることにより、たとえばピッチングとヨーイングの方向について手ぶれ補正を行うための小型の角速度検出装置として用いることができる。
特許文献1に示されている角速度センサインタフェース回路の構成例を示す図である。 同角速度センサインタフェース回路の起動時の各部の波形を示す図である。 第1の実施形態に係る角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置の構成を示すブロック図である。 角速度センサの構成を示すブロック図である。 図3に示す角速度センサインタフェース回路の起動時の状態を示すタイミングチャートである。 第2の実施形態に係る角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置の構成を示すブロック図である。 同角速度センサインタフェース回路の起動時の状態を示すタイミングチャートである。 図6に示す角速度検出装置の出力信号Va0の電圧波形図および比較用の角速度検出装置の出力信号の電圧波形図である。 第3の実施形態に係る角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置の構成を示すブロック図である。 第4の実施形態に係る角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置の構成を示すブロック図である。
符号の説明
1−圧電振動子
11,21−角速度センサ
12,22−ハイパスフィルタ
30−角速度検出信号増幅回路
31−オフセット調整回路
32−増幅回路
33−ローパスフィルタ
34−ADコンバータ
100−角速度センサインタフェース回路
101−角速度信号処理回路
200−角速度検出装置
SW1−入力スィッチ回路
SW2−放電スイッチ回路
Vo−角速度検出信号
《第1の実施形態》
図3は、第1の実施形態に係る角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置の構成を示す図である。
図3において、角速度検出装置200は、角速度センサ21、角速度センサインタフェース回路100、および角速度信号処理回路101を備えている。
角速度センサ21は圧電振動子と、その圧電振動子を駆動するとともにその圧電振動子の振動によって生じる起電圧を検出する回路とを備えていて、印加される角速度に応じた電圧信号である角速度検出信号Voを出力する。また基準電圧Vrefを出力する。
角速度センサインタフェース回路100は、角速度センサ21から出力される角速度検出信号Voを直流増幅するとともに、その出力オフセットの調整を行うものであり、角速度検出信号増幅回路30とオフセット調整回路31とを備えている。
角速度信号処理回路101は角速度センサインタフェース回路100から出力される角速度検出信号を増幅する増幅回路を備えている。
図4は、図3に示した角速度センサ21の構成を示すブロック図である。図4において、振動子1には左電極1Lと右電極1Rと共通電極1Cとを設けていて、左電極1Lと右電極1Rには抵抗を介して電圧+Vを与える。左電極1L,右電極1Rからそれぞれコリオリ力を含むL信号とR信号とを取り出し、加算回路2と差動増幅回路3とに与えられる。加算回路2はL信号とR信号とを加算してL+R信号を出力する。このように、加算回路2でL信号とR信号とを加算することにより、コリオリ力を相殺して安定な帰還信号を得る。
上述の帰還信号を振幅制御回路4に与えることにより振幅一定の駆動電圧となり、この駆動電圧を移相回路5を介して振動子1の共通電極1Cに与える。移相回路5は加算回路2の出力の位相を調整するものであり、加算回路2の出力と共通電極1Cに与える駆動電圧の位相差が所望周波数で安定に発振するように調整する。これらの振動子1、加算回路2、振幅制御回路4、および移相回路5は発振回路を構成している。また、加算回路2と振幅制御回路4と移相回路5とで振動子1を駆動する駆動回路を構成している。
加算回路2の出力信号は、たとえばコンパレータから構成する同期信号生成回路6に与え、矩形波状の同期信号を同期検波回路7に与える。
同期検波回路7は、差動増幅回路3から出力される信号を同期信号生成回路6から出力される同期信号に同期して検波を行う。この同期検波回路7の出力電圧は、圧電振動子1に加わる角速度にほぼ比例した直流電圧である。直流増幅回路8は、これを直流増幅して角速度検出信号Voとして出力する。また基準電圧発生回路9はこの角速度センサ21内部および外部へ基準電圧Vrefを出力する。
次に、再び図3を参照して角速度センサインタフェース回路100の作用について説明する。
この角速度検出装置200の電源投入により、制御回路24はリセットされ、動作を開始する。まず制御回路24は起動直後100msの間、カウンタ25をリセット状態に保つ。この100msの間に角速度センサ21の出力電圧が安定化するのを待つ。その後、制御回路24はクロック信号発生回路23からのクロック信号をカウンタ25へ与える。これにより、カウンタ25は初期値0からクロック信号をカウントする。DAコンバータ26はカウンタ25の値に応じた電圧信号をオペアンプOP1の非反転入力端子(+)に与える。カウンタ25のカウントアップに伴ってオペアンプOP1の非反転入力端子の入力電圧は上昇する。
コンパレータCP1はオペアンプOP1の出力電圧と基準電圧Vrefとを比較して、オペアンプOP1の出力電圧が基準電圧に達したとき、制御回路24へ与える制御信号(フラグ)をセットする(ハイレベルにする)。(図3において、下向き三角記号は基準電圧Vrefラインを表している。)これにより、制御回路24はカウンタ25へ与えるクロック信号を停止する。この状態で、オペアンプOP1の出力電圧は基準電圧Vrefに等しくなる。また、上記フラグをセットしたことによりオフセット調整期間が終了する。
起動後のオフセット調整期間では入力スイッチ回路SW1は基準電圧Vref側を選択している。そのため角速度信号処理回路101には基準電圧Vrefが入力されることになる。
このように、オフセット調整期間に、角速度信号処理回路101に対して基準電圧Vrefを入力することにより、角速度信号処理回路101は、角速度=0と同等の電圧を外部のホスト装置に出力することになる。角速度検出装置の起動時は一般的に大きな角速度は作用していないので、オフセット調整期間でも、もっともらしい(まともな)信号を出力することができる。したがって、角速度検出装置のまさに起動直後でも、外部のホスト装置は誤動作することなく、角速度検出装置の出力信号を利用することが可能となる。
上記フラグのセットにより、すなわちコンパレータCP1の出力により、入力スイッチ回路SW1はオペアンプOP1の出力であるADJOUT側を選択するように切り替わる。したがってオフセット調整期間の経過後は、角速度センサ21から出力される角速度検出信号Voが角速度検出信号増幅回路30で所定ゲインに増幅され、角速度信号処理回路101のオペアンプOP2による増幅回路でさらに所定ゲイン(たとえば、100〜200倍)増幅される。
図5は図3の各部の電源投入後の状態を示すタイミングチャートである。制御回路24は電源投入直後100msの間、カウンタ25をリセット状態に保ち、この100msの間に角速度センサ21の出力電圧が安定化するのを待つ。
100msの後はカウンタ25に対してクロック信号を与える。これにより、最大5.6msが経過するまでに上述した動作によりフラグがセットされてオフセット調整が完了する。この5.6msはカウンタ25の最大カウント数(DAコンバータ26の入力最大値)とクロック信号の周波数とによって定まる。
《第2の実施形態》
次に、第2の実施形態に係る角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置について図6〜図8を参照して説明する。
図6は、第2の実施形態に係る角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置の構成を示す図である。図3に示したものと異なり、この第2の実施形態では角速度信号処理回路101の入力部に、角速度検出信号増幅回路30の出力に対してシリーズに接続したコンデンサC21、およびこのコンデンサC21と基準電圧ラインとの間にシャントに接続した抵抗R25からなるハイパスフィルタ22を設けている。また、このコンデンサC21の両端には放電スイッチ回路SW2を設けている。その他の部分の構成・作用は図3に示したものと同様である。
上記放電スイッチ回路SW2はオフセット調整期間にオンされる。また、入力スイッチ回路SW1はオフセット調整期間に基準電圧Vref側に選択される。したがって、オフセット調整期間にコンデンサC21の両端電圧および両端電圧間の電荷の偏りが消去される。
図7は、図6の各部の電源投入後の状態を示すタイミングチャートである。制御回路24は電源投入直後100msの間、カウンタ25をリセット状態に保ち、この100msの間に角速度センサ21の出力電圧が安定化するのを待つ。
100msの後はカウンタ25に対してクロック信号を与える。これにより、最大5.6msが経過するまでに上述した動作によりフラグがセットされてオフセット調整が完了する。放電スイッチ回路SW2は電源投入から125msの間(カウンタ25のリセット解除から25msが経過するまで)は、放電スイッチ回路SW2はオン状態であり、入力スイッチ回路SW1は基準電圧Vref側を選択する。これによりコンデンサC21の両端電圧および両端電圧間の電荷の偏りが消去される。
図8は、図6に示した角速度検出装置200の出力信号Va0の電圧波形図および比較用の角速度検出装置の出力信号の電圧波形図である。
図8において(A)〜(C)は、図6に示した角速度検出装置200の出力信号Va0の起動時の波形である。ここで横軸の1目盛りは1秒である。
図8の(A)〜(I)と角速度検出装置の条件との関係は次のとおりである。
[表1]
――――――――――――――――――――――――――――――――――
Vo=1.146[V] Vo=1.321[V] Vo=1.547[V]
Vref=1.349[V] Vref=1.348[V] Vref=1.353[V]
Voff=-204[mV] Voff=-27[mV] Voff=195[mV]
――――――――――――――――――――――――――――――――――
入力・放電スイッチ有り (A) (B) (C)
高速充電スイッチ有り (D) (E) (F)
スイッチ無し (G) (H) (I)
――――――――――――――――――――――――――――――――――
ここで、Voffは角速度センサ21およびオペアンプOP1のオフセット電圧であり、角速度検出信号Voの電圧と基準電圧Vrefとの差の電圧である。すなわち図8において(A)(D)(G)は、オフセット電圧が−204mV、(B)(E)(H)はオフセット電圧が−27mV、(C)(F)(I)はオフセット電圧が195mVである角速度センサをそれぞれ用いた場合の例である。
また、図8において(A)(B)(C)は図6に示したように入力スイッチ回路SW1と放電スイッチ回路SW2を備えた場合の起動時の波形である。(D)(E)(F)は図1に示した、ハイパスフィルタ部分に高速充電用スイッチSWを備えた従来の角速度センサインタフェース回路において、そのスイッチSWをオンした状態での起動時の波形である。(G)(H)(I)は上記高速充電用のスイッチも存在しない従来の角速度センサインタフェース回路における起動時の波形である。
図8の(A)(B)(C)に示すように、角速度センサ21およびオペアンプOP1のオフセット電圧の絶対値が大きくても、電源投入直後から直ちにVa0電圧が安定することが分かる。
図1に示した回路で高速充電用のスイッチSWが存在しなければ、図8の(H)に示したように、オペアンプのオフセットが−27mVと小さくても、立ち上がりに時間が掛かることが分かる。また、図8の(D)(G)(F)(I)に示したように、上記高速充電用のスイッチSWを起動時に投入してもオペアンプのオフセットが大きければ、立ち上がり時間はさほど短縮されないことが分かる。
《第3の実施形態》
次に、第3の実施形態に係る角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置について図9を参照して説明する。
図6に示した回路と異なるのは、ハイパスフィルタ22内に放電スイッチ回路SW2を設けていない点である。このようにハイパスフィルタ22内のコンデンサC21の両端を短絡する放電スイッチ回路SW2が存在しなくても、オフセット調整期間では入力スイッチ回路SW1がVref側を選択しているので、コンデンサC21の入力スイッチ回路SW1側は基準電圧Vrefとなる。またコンデンサC21のオペアンプOP2側についても抵抗R25を介して基準電圧Vrefが印加される。そのため電源投入直後にコンデンサC21に電荷が充電されていなければ、コンデンサC21に充放電電流が流れることはない。従って、通常はコンデンサC21に対する充放電がオフセット調整期間に生じることはなく、立ち上がり時間が延びることもない。
《第4の実施形態》
図10は第4の実施形態に係る角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置の構成を示すブロック図である。角速度センサ21、角速度検出信号増幅回路30、オフセット調整回路31、入力スイッチ回路SW1、およびハイパスフィルタ22の構成については図6に示したものと同様である。増幅回路32はハイパスフィルタ22の出力信号を増幅し、ローパスフィルタ33は所定周波数以上の不要な信号成分を除去する。
この第4の実施形態では、上記各部を2系統備えている。第1の系統には符号の末尾にAを付していて、第2の系統にはBを付している。
ADコンバータ34はローパスフィルタ33A,33Bの出力信号を時分割的に選択するとともにディジタルデータに変換する。マイクロコンピュータ40はADコンバータ34に対する入力の切り替えを行うとともにAD変換された値を読み取って、たとえば手ぶれ補正処理を行う。
角速度センサ21Aはヨーイング方向の角速度すなわち鉛直線を回転軸とする角速度に感応するようにカメラ内に配置する。また角速度センサ21Bはピッチング方向の角速度すなわち左右の水平軸を回転軸とする角速度に感応するようにカメラ内に配置する。このようにして回路規模を増大することなく、2つの角速度センサを用いることができる。

Claims (5)

  1. 圧電振動子と、該圧電振動子を駆動するとともに当該圧電振動子の振動によって生じる起電圧を検出する回路とを備えた角速度センサに印加される角速度に応じた電圧信号である角速度検出信号を角速度信号処理回路へ出力する角速度センサインタフェース回路であって、
    前記角速度検出信号を増幅する角速度検出信号増幅回路と、
    起動後のオフセット調整期間に、前記角速度検出信号増幅回路の出力電圧が、前記印加される角速度が0であるときに出力される電圧である基準電圧となるように、前記角速度検出信号増幅回路のオフセットを調整するオフセット調整回路と、
    前記オフセット調整期間に、前記角速度信号処理回路へ前記基準電圧を与え、前記オフセット調整期間経過後に、前記角速度検出信号増幅回路の出力信号を前記角速度信号処理回路へ与える入力スイッチ回路と、
    を備えた角速度センサインタフェース回路。
  2. 請求項1に記載の角速度センサ、角速度信号処理回路および角速度センサインタフェース回路を備え、
    前記角速度信号処理回路の入力部に、前記角速度検出信号増幅回路の出力に対してシリーズに接続したコンデンサと、該コンデンサと前記基準電圧ラインとの間にシャントに接続した抵抗と、を含むハイパスフィルタを備えたことを特徴とする角速度検出装置。
  3. 前記オフセット調整期間に前記コンデンサの両端を短絡し、前記オフセット調整期間経過後に前記コンデンサの両端を開放する放電スイッチ回路を設けた請求項2に記載の角速度検出装置
  4. 請求項1に記載の角速度センサ、角速度信号処理回路および角速度センサインタフェース回路を備え、
    前記角速度信号処理回路は、前記角速度検出信号増幅回路の出力電圧を増幅する増幅回路と不要周波数帯域の信号成分を減衰させるフィルタとを備えて、前記印加される角速度の大きさに応じた電圧信号を出力するものであって、当該角速度信号処理回路および前記角速度センサをそれぞれ2つ備えるとともに、
    前記2つの角速度信号処理回路の出力電圧信号を時分割でAD変換して外部へ出力するADコンバータを備えたことを特徴とする角速度検出装置。
  5. 前記2つの角速度センサは、角速度の回転軸が互いに直交する関係にある請求項4に記載の角速度検出装置。
JP2007540851A 2006-04-26 2007-02-19 角速度センサインタフェース回路および角速度検出装置 Expired - Fee Related JP4784607B2 (ja)

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