JP6009142B2 - 振動型ジャイロセンサ及び振動型ジャイロ用回路 - Google Patents

Description

本発明は、振動型ジャイロセンサ及びこの振動型ジャイロセンサに用いられる振動型ジャイロ用回路に関する。

従来から、角速度を検出するセンサとして、振動型のジャイロセンサが広く知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の図１を参照して、特許文献１に記載の振動型ジャイロセンサは、振動ジャイロ３１と、振動ジャイロ用回路とを有する。振動ジャイロ３１は、振動子３２と、振動子３２の側面に設けられた２つの圧電素子３３ａ、３３ｂを含む。振動ジャイロ用回路は、加算回路１と、発振回路２と、差動増幅回路４と、同期検波回路５と、移相回路３と、直流増幅回路６とを含む。

発振回路２は、振動子ジャイロ３１に駆動信号を出力する。加算回路１は、振動子ジャイロ３１の２つの圧電素子３３ａ、３３ｂの出力信号を加算して出力する。発振回路２は、加算回路１で加算された信号の振幅と位相を調整して、再び振動ジャイロ３１に駆動信号を供給する。差動増幅回路４は、２つの圧電素子３３ａ、３３ｂの出力信号の差に応じた信号を出力する。同期検波回路５は、移相回路３が出力するタイミング信号に応じて、差動増幅回路から出力される信号を同期検波する。直流増幅回路６は、同期検波回路で同期検波された信号を増幅して出力する。

特許文献１の図６を参照して、移相回路３は、加算回路からの出力信号の位相をシフトさせる位相シフト部分（積分回路、オペアンプ６５等により構成される）と、位相シフト部分から出力される信号を２値化して同期検波用のタイミング信号として出力するコンパレータ６６とを含む。コンパレータ６６で閾値となる信号は、一般的に周辺回路の基準電位等が用いられる。

特開２００６−１０５８９６号公報（段落[００２６]〜［００３０］、［００４９］図１、図６）

ここで、加算回路から出力される信号（以下、振動モニタ信号）は、理想状態であれば、振動周波数成分のみからなる正弦波状信号となる。しかしながら、実際には、振動ジャイロ３１又は振動ジャイロ用回路のインピーダンスが電源投入時よりも経時的に変化することで、振動モニタ信号の低周波成分が変動しまう場合がある。

このような現象が発生した場合、従来では固定された基準電位をコンパレータ６６の閾値として用いているため、振動モニタ信号をコンパレータ６６で２値化してタイミング信号を生成する際に、タイミング信号の"Ｈ"区間と、"Ｌ"区間とで差が生じてしまう。タイミング信号がずれてしまうと、同期検波回路で検出信号を正確に同期検波することができないため、角速度信号にノイズが混入してしまうといった問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、振動モニタ信号の低周波成分が変動してしまったとしても、"Ｈ"区間と、"Ｌ"区間とが略等しい同期検波用のタイミング信号を生成することができる振動型ジャイロセンサ等の技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る振動型ジャイロセンサは、振動部と、同期検波器と、タイミング信号出力部とを具備する。
前記同期検波器は、前記振動部の検出信号を同期検波用のタイミング信号のタイミングに合わせて同期検波する。
前記タイミング信号出力部は、ローパスフィルタと、コンパレータと、第１の位相シフト器とを有する。
前記ローパスフィルタは、前記振動部の振動状態を示す振動モニタ信号の低周波成分を取り出す。
前記コンパレータは、前記ローパスフィルタにより取り出された前記振動モニタ信号の低周波成分を閾値として、前記振動モニタ信号を２値化信号に変換する。
前記第１の位相シフト器は、前記振動モニタ信号の位相をシフトする。
前記タイミング信号出力部は、２値化され、かつ、位相がシフトされた前記振動モニタ信号を前記同期検波用のタイミング信号として出力する。

この振動型ジャイロセンサでは、コンパレータは、ローパスフィルタにより取り出された振動モニタ信号の低周波成分を閾値として、振動モニタ信号を２値化信号に変換する。これにより、振動モニタ信号の低周波成分がコンパレータの閾値となるので、例えば、振動部のインピーダンスが経時的に変化する等の理由により、振動モニタ信号の低周波成分が変動してしまったとしても、この振動モニタ信号の変動に追従して、コンパレータの閾値も同じように変動する。これにより、振動モニタ信号の低周波成分が変動したとしても、コンパレータは、"Ｈ"区間と、"Ｌ"区間とが略等しい２値化信号を生成することができる。その結果、同期検波器は、適切なタイミングで検出信号を同期検波することができるので、角速度信号にノイズが混入してしまうことを防止することができる。

上記振動型ジャイロセンサにおいて、前記第１の位相シフト器は、前記振動モニタ信号が前記コンパレータにより２値化された後に、２値化された前記振動モニタ信号の位相をシフトしてもよい。あるいは、前記第１の位相シフト器は、前記振動モニタ信号が前記コンパレータにより２値化される前に、前記振動モニタ信号の位相をシフトしてもよい。

第１の位相シフト器が、振動モニタ信号の２値化前に、振動モニタ信号の位相をシフトする場合、第１の位相シフト器として、アナログ信号の位相をシフトさせる単純な回路構成の位相シフト器を用いることができる。これにより、コストを削減することができる。

第１の位相シフト器が、振動モニタ信号の２値化後に、２値化された振動モニタ信号の位相をシフトする場合、第１の位相シフト器は、位相比較器と、ループフィルタと、電圧制御発振器と、分周器と、タイミング生成器とを有していてもよい。
位相比較器は、前記コンパレータにより２値化された前記振動モニタ信号と、比較信号との位相差に応じた位相差信号を出力する。
前記ループフィルタは、前記位相差信号を平滑化して、周波数制御信号を出力する。
前記電圧制御発振器は、前記周波数制御信号に応じた周波数特性の発振信号を出力する。
前記分周器は、前記発振信号を所定の倍率で分周した分周信号を前記比較信号として出力する。
前記タイミング生成器は、前記発振信号と、前記分周信号とを入力し、２値化された前記振動モニタ信号の位相をシフトさせた信号を出力する。

この第１の位相シフト器では、ＰＬＬ（Phase Locked loop）型の回路構成を有しているので、振動モニタ信号の周波数が変動した場合でも、この周波数の変動に追従して、２値化信号の位相を正確にシフトさせることができる。

上記振動型ジャイロセンサは、駆動信号出力部をさらに具備していてもよい。
前記駆動信号出力部は、第２の位相シフト器と、振幅調整器とを有する。
前記第２の位相シフト器は、前記振動モニタ信号の位相をシフトする。
前記振幅調整器は、前記振動モニタ信号の振幅を調整する。
前記駆動信号出力部は、位相がシフトされ、かつ、振幅が調整された前記振動モニタ信号を、前記振動部の駆動信号として出力する。

上記振動型ジャイロセンサにおいて、前記第１の位相シフト器は、前記振動モニタ信号が前記コンパレータにより２値化される前に、前記振動モニタ信号の位相をシフトしてよい。
この場合、前記２の位相シフト器は、前記振動モニタ信号が前記振幅調整器により振幅の調整がされる前に、前記振動モニタ信号の位相をシフトしてもよい。
この場合、前記第１の位相シフト器及び第２の位相シフト器は、共通の１つの位相シフト器が用いられてもよい。

この振動型ジャイロセンサでは、第１の位相シフト器及び第２の位相シフト器として、共通の１つの位相シフト器が用いられるので、コストを削減することができる。

上記振動型ジャイロセンサにおいて、前記ローパスフィルタの遮断周波数は、１００Ｈｚ以上であってもよい。

ローパスフィルタの遮断周波数が１００Ｈｚ以上である場合、ローパスフィルタ通過後の信号（コンパレータの閾値となる信号）の位相遅延量が、１Ｈｚ以下で１°以下となる。これにより、振動モニタ信号の低域変動に対して、ローパスフィルタ通過後の信号（コンパレータの閾値となる信号）を正確に追従させることができる。これにより、"Ｈ"区間と、"Ｌ"区間とが正確に等しい２値化信号（同期検波用のタイミング信号）を生成することができる。

上記振動型ジャイロセンサにおいて、前記ローパスフィルタは、抵抗及びコンデンサにより構成されてもよい。あるいは、前記ローパスフィルタは、スイッチドキャパシタを含むフィルタ回路により構成されてもよい。

本発明の一形態に係る振動型ジャイロ用回路は、同期検波器と、タイミング信号出力部とを具備する。
前記同期検波器は、振動部の検出信号を同期検波用のタイミング信号のタイミングに合わせて同期検波する。
前記タイミング信号出力部は、ローパスフィルタと、コンパレータと、第１の位相シフト器とを有する。
前記ローパスフィルタは、振動部の振動状態を示す振動モニタ信号の低周波成分を取り出す。
前記コンパレータは、前記ローパスフィルタにより取り出された前記振動モニタ信号の低周波成分を閾値として、前記振動モニタ信号を２値化信号に変換する。
前記第１の位相シフト器は、前記振動モニタ信号の位相をシフトする。
前記タイミング信号出力部は、２値化され、かつ、位相がシフトされた前記振動モニタ信号を前記同期検波用のタイミング信号として出力する。

以上説明したように、本発明の一形態によれば、振動モニタ信号の低周波成分が変動してしまったとしても、"Ｈ"区間と、"Ｌ"区間とが略等しい同期検波用のタイミング信号を生成することができる振動型ジャイロセンサ等の技術を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロセンサの振動部を示す模式図である。 振動部と、振動型ジャイロ用回路との結線図である。 振動型ジャイロ用回路を示す模式図である。 振動型ジャイロセンサ動作時の各信号の出力波形を示す図である。 第２の位相シフト器の一例を示す図である。 ローパスフィルタの一例を示す図である。 第１の位相シフト器の一例を示す図である。 図７に示すＡ点での信号Ａと、Ｂ点での信号Ｂと、第１の位相シフト器の出力信号との関係を示す図である。 比較例に係る振動型ジャイロ用回路を示す図である。 比較例において、コンパレータに入力される振動モニタ信号及びコンパレータの閾値と、コンパレータから出力される２値化信号との関係を示した図である。 本発明の一実施形態において、コンパレータに入力される振動モニタ信号及びコンパレータに入力されるローパスフィルタ通過後の信号（コンパレータの閾値）と、コンパレータから出力される２値化信号との関係を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る振動型ジャイロ用回路を示す図である。 振動部の他の例を示す図である。 図１３に示す振動部が用いられた場合の、振動部と、振動型ジャイロ用回路との結線図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。

＜第１実施形態＞
［振動ジャイロセンサの全体構成及び各部の構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る振動型ジャイロセンサ１００の振動部１０を示す模式図である。図２は、振動部１０と、振動型ジャイロ用回路２０との結線図である。図３は、振動型ジャイロ用回路２０を示す模式図である。図４は、振動型ジャイロセンサ１００動作時の各信号の出力波形を示す図である。

図１〜図３に示すように、振動型ジャイロセンサ１００は、振動部１０と、振動型ジャイロ用回路２０とを有する。

図１に示すように、振動部１０は、振動子１１と、振動子１１に設けられた圧電素子１４とを含む。振動子１１は、一方向（Ｙ軸方向）に長い直方体形状のビーム１２と、ビーム１２の一端部を支持する基部１３とを有する。

圧電素子１４は、振動子１１の上面に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等でなる圧電膜１５を有する。また、圧電素子１４は、圧電膜１５上において、ビーム１２の幅方向（Ｘ軸方向）の中央に設けられた駆動電極１６と、駆動電極１６を挟み込むようにして駆動電極１６の両側に設けられた第１の検出電極１７及び第２の検出電極１８とを有する。

図２及び図３に示すように、振動型ジャイロ用回路２０は、加算器２１と、減算器２２と、駆動信号出力部２３（図３破線参照）と、タイミング信号出力部２４（図３破線参照）と、同期検波器２５と、フィルタ２６とを有する。振動型ジャイロ用回路２０は、例えば、１つの半導体チップ上にＩＣ（Integrated Circuit）化されている。

加算器２１は、第１の検出電極１７により検出された第１の検出信号と、第２の検出電極１８により検出された第２の検出信号との加算信号を生成して、生成された加算信号を振動部１０の振動状態を示す振動モニタ信号として出力する（図４（Ｂ）参照）。

減算器２２は、第１の検出電極１７により検出された第１の検出信号と、第２の検出電極１８により検出された第２の検出信号との差信号を生成して、生成された差信号を振動部１０の検出信号として出力する（図４（Ｃ）参照）。

駆動信号出力部２３は、振動モニタ信号の位相及び振幅を調整して、位相及び振幅が調整された振動モニタ信号を駆動信号として出力する（図４（Ａ）、（Ｂ）参照）。駆動信号出力部２３は、振動モニタ信号の位相を所定の位相量（例えば、９０°）シフトさせる第２の位相シフト器２７と、振動モニタ信号の振幅が一定となるように調整する自動利得制御部２８（ＡＧＣ：Automatic Gain Control）（振幅調整器）とを含む。駆動信号出力部２３から出力された駆動信号は、駆動電極１６に印加され、これにより、振動子１１は、自励発振する。

図５は、第２の位相シフト器２７の一例を示す図である。

図５に示すように、第２の位相シフト器２７は、抵抗値Ｒの３つの抵抗４１、４２、４３と、静電容量Ｃのコンデンサ４４と、オペアンプ４５とを含む。第２の位相シフト器２７の入力は、抵抗４１を介してオペアンプ４５の正帰還端子に接続され、また、入力は、抵抗４２を介して、オペアンプ４５の負帰還端子に接続される。オペアンプ４５の正帰還端子と、ＧＮＤとの間には、コンデンサ４４が接続される。また、オペアンプ４５の出力と、負帰還端子との間には、抵抗４３が接続される。

図５に示す第２の位相シフト器２７は、入力信号（振動モニタ信号）に対して、以下の式（１）に示す位相シフト量（位相遅延量）を持った信号を出力することができる。
位相シフト量＝ｔａｎ^−１−２ＲＣ／｛１−（ＲＣ）^２｝・・・（１）

駆動電極１６に駆動信号が印加されると、振動子１１のビーム１２は、ビーム１２の長手方向（Ｙ軸方向）に直行するする方向（Ｚ軸方向）に屈曲振動する。ビーム１２の長手方向を中心軸として、その中心軸の回りに角速度が加わっていない状態では、第１の検出電極１７により検出される第１の検出信号と、第２の検出電極１８により検出される第２の検出信号とでは、振幅及び位相が等しい。従って、減算器２２の出力信号（振動部１０の検出信号）は、０となる。

一方、ビーム１２が屈曲振動している状態で、ビーム１２の長手方向を中心軸として、その中心軸の回りに角速度が加わった場合、ビーム１２の長手方向及び屈曲振動方向に直交する方向（Ｘ軸方向）に角速度の大きさに応じたコリオリ力が発生する。コリオリ力が発生すると、ビーム１２は、Ｘ軸方向にも振動し、これにより、第１の検出信号と、第２の検出信号との間に、コリオリ力の大きさに応じた位相差が発生する。２つの検出信号に位相差が発生すると、減算器２２からコリオリ力の大きさ（角速度の大きさ）に応じた検出信号が出力される（図４（Ｃ）参照）。

減算器２２から出力された振動部１０の検出信号は、同期検波器２５に入力される。同期検波器２５は、タイミング信号出力部２４（第１の位相シフト器３１）から出力される同期検波用のタイミング信号（図４（Ｄ）参照）のタイミングに合わせて、検出信号を同期検波する（図４（Ｅ）参照）。フィルタ２６は、同期検波器２５で同期検波された信号を平滑化することでジャイロ信号（角速度信号）を生成し、出力する（図４（Ｆ）参照）。

タイミング信号出力部２４は、振動モニタ信号を２値化し、振動モニタ信号の位相をシフトさせる。そして、タイミング信号出力部２４は、２値化され、位相がシフトされた振動モニタ信号を同期検波用のタイミング信号として出力する。タイミング信号出力部２４は、振動モニタ信号の低周波成分を取り出すローパスフィルタ２９と、ローパスフィルタ２９により取り出された振動モニタ信号の低周波成分を閾値として、振動モニタ信号を２値化信号に変換するコンパレータ３０とを含む。また、タイミング信号出力部２４は、コンパレータ３０により出力された２値化信号の位相を所定の位相量（例えば、９０°）シフトさせる第１の位相シフト器３１を含む。

図６は、ローパスフィルタ２９の一例を示す図である。

図６（Ａ）には、抵抗５１及びコンデンサ５２により構成されたローパスフィルタ２９が示されている。図６（Ｂ）には、スイッチドキャパシタ５０を含むフィルタ回路により構成されたローパスフィルタ２９が示されている。

図６（Ａ）に示す例では、ローパスフィルタ２９は、入力と出力との間に設けられた抵抗値Ｒの抵抗５１と、抵抗５１の出力側及びＧＮＤの間に設けられた静電容量Ｃのコンデンサとを含む。図６に示すローパスフィルタ２９の遮断周波数ｆｃは、以下の式（２）で表される。
遮断周波数ｆｃ＝１／２πＲＣ・・・（２）

図６（Ｂ）に示す例では、ローパスフィルタ２９は、一般的にスイッチドキャパシタンスフィルタと呼ばれる構成を有している。このローパスフィルタ２９は、スイッチドキャパシタ５０と、オペアンプ５９と、出力コンデンサ５８とを含む。

スイッチドキャパシタ５０は、静電容量Ｃｉの入力コンデンサ５３と、入力及び入力コンデンサ５３の間に設けられたスイッチ５４と、入力コンデンサ５３及びオペアンプ５９の負帰還端子の間に設けられたスイッチ５５とを含む。また、スイッチドキャパシタ５０は、入力コンデンサ５３の入力側及びＧＮＤの間に設けられたスイッチ５６と、入力コンデンサ５３の出力側及びＧＮＤの間に設けられたスイッチ５７とを含む。

静電容量Ｃｏの出力コンデンサ５８は、オペアンプ５９の出力端子及びオペアンプ５９の負帰還端子の間に接続されている。オペアンプ５９の正帰還端子は、ＧＮＤ又は基準電位に接続されている。

図６（Ｂ）に示すローパスフィルタ２９の遮断周波数ｆｃは、以下の式（３）で表される。なお、式（３）に示すｆｓｗは、スイッチング周波数である。
遮断周波数ｆｃ＝Ｃｉｆｓｗ／２πＣｏ・・・（３）

図７は、第１の位相シフト器３１の一例を示す図である。図８は、図７に示すＡ点での信号Ａと、Ｂ点での信号Ｂと、第１の位相シフト器３１の出力信号との関係を示す図である。

図７に示すように、第１の位相シフト器３１は、位相比較器６１と、ループフィルタ６２と、電圧制御発振器６３（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）と、第１のフリップフロップ６４と、第２のフリップフロップ６５と、インバータ６６とを有する。

位相比較器６１は、コンパレータ３０により２値化された振動モニタ信号を基準信号として、この基準信号と、第１のフリップフロップ６４のＱ出力端子から出力される比較信号との位相差に応じた位相差信号を出力する。ループフィルタ６２は、位相比較器６１から出力された相差信号を平滑化して、周波数制御信号を出力する。

電圧制御発振器６３は、ループフィルタ６２から出力された周波数制御信号に応じた周波数特性を有する矩形波状の発振信号を出力する。

第１のフリップフロップ６４及び第２のフリップフロップ６５は、Ｄ型のフリップフロップが用いられている。第１のフリップフロップ６４及び第２のフリップフロップ６５は、それぞれ、Ｄ入力端子、ＣＫ（クロック）入力端子、Ｑ出力端子、Ｑ＿出力端子（反転出力端子）、ＣＬＲ＿（クリア）端子及びＰＲ＿（プリセット）端子を有する。なお、本明細書中において、「＿」の記号は、反転を意味することとし、図面中では、文字の上側のバーで表される。

第１のフリップフロップ６４は、発振信号の分周用に設けられている（分周器）。一方、第２のフリップフロップ６５は、同期検波用のタイミング信号の生成用に設けられている（タイミング生成器）。

第１のフリップフロップ６４のＱ出力端子は、位相比較器６１の入力側に接続されている。第１のフリップフロップ６４のＱ＿出力端子は、第１のフリップフロップ６４のＤ入力端子に接続されている。また、第１のフリップフロップ６４のＱ＿出力端子は、第２のフリップフロップ６５のＤ入力端子に接続されている。電圧制御発振器６３の出力は、インバータ６６を介して第２のフリップフロップ６５のＣＫ入力端子に接続される。

電圧制御発振器６３から出力された発振信号は、第１のフリップフロップ６４のＣＫ入力端子に入力される。第１のフリップフロップ６４は、ＣＫ入力端子から入力される矩形波状の発振信号がＬｏｗからＨｉｇｈへ変化するとき、Ｑ出力端子から出力される信号のレベルをＤ入力端子から入力される信号（Ｑ＿出力端子からの出力信号）のレベルに変化させる。それ以外の場合は、第１のフリップフロップ６４は、Ｑ出力端子から出力される信号のレベルを保持する。

これにより、第１のフリップフロップ６４のＱ出力端子からは、電圧制御発振器６３からの発振信号が２分周された分周信号が出力される。この分周信号は、位相比較器６１の比較信号として、位相比較器６１の入力側に入力される。

第１のフリップフロップ６４のＱ＿出力端子からは、Ｑ出力端子から出力される分周信号とは位相が逆である信号（逆位相信号）が出力される。この信号は、第１のフリップフロップ６４のＤ入力端子に入力され、また、第２のフリップフロップ６５のＤ入力端子に入力される。電圧制御発振器６３から出力された発振信号は、インバータ６６を介してＣＫ入力端子に入力される。

図８には、図７のＡ点で示される位置での信号Ａの波形と、図７のＢ点で示される位置での信号Ｂの波形と、第２のフリップフロップ６５のＱ出力端子から出力される信号の波形とが示されている。

第２のフリップフロップ６５のＤ入力端子には、図８（Ａ）に示される波形の信号Ａが入力される。一方、第２のフリップフロップ６５のＣＫ入力端子には、図８（Ｂ）に示される波形の信号Ｂ（インバータ６６通過後の発振信号）が入力される。

第２のフリップフロップ６５は、ＣＫ入力端子から入力される信号ＢがＬｏｗからＨｉｇｈへ変化するとき、Ｑ出力端子から出力される信号のレベルをＤ入力端子から入力される信号Ａのレベルに変化させる。それ以外の場合は、第１のフリップフロップ６４は、Ｑ出力端子から出力される信号のレベルを保持する。

これにより、第２のフリップフロップ６５のＱ出力端子からは、図８（Ｃ）に示すような波形の出力信号が出力される。第２のフリップフロップ６５のＱ出力端子から出力される信号は、第１の位相シフト器３１に入力される信号に対して９０°位相が遅延した信号となる。このようにして、第１の位相シフト器３１は、コンパレータ３０により出力された２値化信号の位相を９０°遅延させる。

図７に示す第１の位相シフト器３１は、ＰＬＬ（Phase Locked loop）型の回路構成を有しているので、振動モニタ信号の周波数が変動した場合でも、この周波数の変動に追従して、コンパレータ３０から出力される２値化信号の位相を正確にシフトさせることができる。

ここでの説明では、分周比が２で、位相シフト量が９０°であるとして説明したが、他の分周比を用いて９０°以外の位相シフト量とすることも可能である。第１のフリップフロップ６４及び第２のフリップフロップ６５の代わりに、第１の周波数カウンタ及び第２の周波数カウンタが用いられてもよい。第１の周波数カウンタは、電圧制御発振器６３から出力される発振信号の周波数を任意の数だけカウントして第１のカウント信号を生成する。第１のカウント信号は、位相比較器６１の入力側に入力される。第２の周波数カウンタは、２値化信号をイネーブルとして、電圧制御発振器６３から出力される発振信号の周波数を任意の数だけカウントすることで第２のカウント信号を生成する。第２のカウント信号は、同期検波用のタイミング信号として、同期検波器２５へ出力される。

［作用等］
次に、第１実施形態に係る振動型ジャイロセンサ１００の作用等について説明する。
なお、本実施形態に係る振動型ジャイロセンサ１００の作用等を説明するのに先立って、まず、比較例に係る振動型ジャイロ用回路１２０について説明する。

「比較例」
図９は、比較例に係る振動型ジャイロ用回路１２０を示す図である。

図９に示すように、比較例に係る振動型ジャイロ用回路１２０は、位相シフト器１２７と、自動利得制御部１２８（ＡＧＣ）と、コンパレータ１３０と、基準電圧源１２９と、同期検波器１２５と、フィルタ１２６とを有する。

位相シフト器１２７は、振動モニタ信号の位相をシフトさせる。位相がシフトされた振動モニタ信号は、自動利得制御部１２８に入力され、自動利得制御部１２８は、位相がシフトされた振動モニタ信号の振幅を調整して、駆動信号として出力する。位相シフト器１２７により位相がシフトされた振動モニタ信号は、コンパレータ１３０にも入力される。コンパレータ１３０は、基準電圧源１２９から供給される信号を閾値として、位相がシフトされた振動モニタ信号を２値化信号に変換する。コンパレータ１３０から出力される２値化信号は、同期検波用のタイミング信号として、同期検波器１２５に入力される。

同期検波器１２５は、同期検波用のタイミング信号に同期して、検出信号を同期検波する。フィルタ１２６は、同期検波器１２５で同期検波された信号を平滑化してジャイロ信号（角速度信号）として出力する。

図１０は、コンパレータ１３０に入力される振動モニタ信号及びコンパレータ１３０の閾値（図１０（Ａ））と、コンパレータ１３０から出力される２値化信号（図１０（Ｂ））との関係を示した図である。図１０（Ａ）には、振動部１０又は振動型ジャイロ用回路１２０のインピーダンスが経時的に変化する等の理由により、振動モニタ信号の低周波成分が変動し、振動モニタ信号が上方にずれた場合の一例が示されている。

図９に示す例では、コンパレータ１３０の閾値となる信号は、基準電圧源１２９から入力される固定された値である。従って、図１０（Ａ）に示すように、振動部１０のインピーダンスの変動等が原因で、振動モニタ信号の低周波成分が変動してしまい、振動モニタ信号が徐々に上方に変動してしまった場合、閾値が振動モニタ信号の振幅の中心からずれてしまう。これにより、図１０（Ｂ）に示すように、コンパレータ１３０から出力される２値化信号のデューティー比が徐々に５０％からずれていってしまう。その結果、比較例では、同期検波器１２５が検出信号を正確に同期検波することができないため、角速度信号にノイズが混入してしまう。

「本実施形態」
次に、本実施形態に係る振動型ジャイロセンサ１００について説明する。

図１１は、コンパレータ３０に入力される振動モニタ信号及びコンパレータ３０に入力されるローパスフィルタ２９通過後の信号（閾値）（図１１（Ａ））と、コンパレータ３０から出力される２値化信号（図１１（Ｂ））との関係を示す図である。

図１１（Ａ）には、振動部１０又は振動型ジャイロ用回路２０のインピーダンスが経時的に変化する等の理由により、振動モニタ信号の低周波成分が変動し、振動モニタ信号が上方にずれた場合の一例が示されている。

上記したように、本実施形態では、コンパレータ３０は、ローパスフィルタ２９により取り出された振動モニタ信号の低周波成分を閾値として、振動モニタ信号を２値化信号に変換する。従って、図１１（Ａ）に示すように、コンパレータ３０に入力される振動モニタ信号の低周波成分が変動しまい、振動モニタ信号が上方に変動してしまっても、その変動に追従して、コンパレータ３０の閾値も同じように変動する。

これにより、振動モニタ信号の低周波成分が変動したとしても、図１１（Ｂ）に示すように、コンパレータ３０は、"Ｈ"区間と、"Ｌ"区間とが略等しい（Ｄｕｔｙ比が５０％である）２値化信号を生成することができる。その結果、同期検波器２５は、適切なタイミングで検出信号を同期検波することができるので、ジャイロ信号（角速度信号）にノイズが混入してしまうことを防止することができる。

さらに、本実施形態では、単純な構成により"Ｈ"区間と、"Ｌ"区間とが略等しい２値化信号を生成することができるので、コストを削減することができる。

ここで、本実施形態では、上記のように、コンパレータ３０により、"Ｈ"区間と、"Ｌ"区間とが略等しい（Ｄｕｔｙ比が５０％である）２値化信号を生成することを目的の１つとしている。一方、ローパスフィルタ２９のカットオフ周波数が適切でないと、コンパレータ３０に入力される振動モニタ信号と、コンパレータ３０の閾値となるローパスフィルタ２９通過後の信号との間で位相が大きくずれてしまう。この場合、コンパレータ３０の出力信号のＤｕｔｙ比が５０％からずれてしまい、"Ｈ"区間と、"Ｌ"区間とが略等しい２値化信号を生成することができない。従って、ローパスフィルタ２９の遮断周波数ｆｃは、適切に設定されている必要がある。

典型的には、ローパスフィルタ２９の遮断周波数ｆｃは、１００Ｈｚ以上とされる。遮断周波数が１００Ｈｚ以上とされれば、ローパスフィルタ通過後の信号（閾値）の位相遅延量が１Ｈｚ以下の周波数で、１°以下となる。従って、遮断周波数ｆｃが１００Ｈｚ以上とされた場合、コンパレータ３０に入力される振動モニタ信号と、閾値としてのローパスフィルタ２９通過後の信号（１Ｈｚ以下）との間の位相差が１°以下となる。この場合、コンパレータ３０は、"Ｈ"区間と、"Ｌ"区間とが略等しい２値化信号を生成することができる。なお、遮断周波数が１ｋＨｚとされれば、振動モニタ信号と、ローパスフィルタ２９通過後の信号（１Ｈｚ以下）との間での位相差は、略０とされる。

例えば、ローパスフィルタ２９が図６（Ａ）に示す形態である場合、ＲやＣの値を適宜設定することで、遮断周波数ｆｃを１００Ｈｚ以上とすればよい。また、例えば、ローパスフィルタ２９が図７（Ｂ）に示す形態である場合、Ｃｉ、ｆｓｗ、Ｃｏの値を適宜設定することで、遮断周波数を１００Ｈｚ以上とすればよい。なお、ローパスフィルタ２９の遮断周波数は、典型的には、振動部１０の駆動周波数の１／１０以下とされる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態以降の説明では、上述の第１実施形態と同様の構成及び機能を有する部分については、説明を省略又は簡略化する。

図１２は、第２実施形態に係る振動型ジャイロ用回路７０を示す図である。

第２実施形態では、位相シフト器７３がコンパレータ３０よりも振動部１０側に設けられており、位相シフト器７３が振動モニタ信号の位相をシフトさせた後に、コンパレータ３０が振動モニタ信号を２値化する点で、上述の第１実施形態と異なっている。また、第２実施形態では、位相シフト器７３が、タイミング信号出力部７２と、駆動信号出力部７１とで共通で用いられている点で異なっている。

図１２に示すように、振動型ジャイロ用回路７０は、駆動信号出力部７１と、タイミング信号出力部７２と、同期検波器２５と、フィルタ２６とを有する。駆動信号出力部７１は、位相シフト器７３と、自動利得制御部２８とを含む。タイミング信号出力部７２は、駆動信号出力部７１と共通で用いられる位相シフト器７３と、ローパスフィルタ２９と、コンパレータ３０とを含む。

位相シフト器７３は、例えば、図５に示す形態の位相シフト器（アナログ信号用の位相シフト器）が用いられる。なお、図５に示す位相シフト器は、上述の第１実施形態において、第２の位相シフト器２７の一例として挙げた位相シフト器である。

位相シフト器７３は、振動モニタ信号の位相をシフトさせる。位相がシフトされた振動モニタ信号は、自動利得制御部２８に入力され、自動利得制御部２８は、位相がシフトされた振動モニタ信号の振幅を調整して、駆動信号として出力する。位相シフト器７３により位相がシフトされた振動モニタ信号は、コンパレータ３０にも入力される。コンパレータ３０は、ローパスフィルタ２９通過後の振動モニタ信号を閾値として、位相がシフトされた振動モニタ信号を２値化信号に変換する。コンパレータ３０から出力される２値化信号は、同期検波用のタイミング信号として、同期検波器２５に入力される。

同期検波器２５は、同期検波用のタイミング信号に同期して、検出信号を同期検波する。フィルタ２６は、同期検波器２５で同期検波された信号を平滑化してジャイロ信号（角速度信号）として出力する。

第２実施形態のように、位相シフト器７３による振動モニタ信号の位相シフト後に、コンパレータ３０による振動モニタ信号の２値化が実行された場合にも、上述の第１実施形態と同様の作用効果を奏する。すなわち、振動モニタ信号の低周波成分が変動したとしても、コンパレータ３０は、"Ｈ"区間と、"Ｌ"区間とが略等しい２値化信号を生成することができる。これにより、ジャイロ信号（角速度信号）にノイズが混入してしまうことを防止することができる。

また、第２実施形態では、タイミング信号出力部７２の位相シフト器として、アナログ信号の位相をシフトさせる単純な回路構成の位相シフト器７３を用いることができる。これにより、コストを削減することができる。さらに、第２実施形態では、駆動信号出力部７１と、タイミング信号出力部７２とで共通の１つの位相シフト器７３が用いられるので、さらにコストを削減することができる。但し、必ずしも駆動信号出力部７１と、タイミング信号出力部７２とで共通の１つの位相シフト器７３が用いられなくてもよい。例えば、駆動信号出力部７１と、タイミング信号出力部７２とで、位相シフト量が異なる位相シフト器が用いられても構わない。

＜各種変形例＞
図１３は、振動部の他の例を示す図である。図１４は、図１３に示す振動部が用いられた場合の、振動部と、振動型ジャイロ用回路との結線図である。

図１３及び図１４に示す振動部９では、振動子１１のビーム１２上に形成された圧電膜１５上に、特別に振動モニタ電極１９が設けられている。振動モニタ電極１９は、ビーム１２の幅方向（Ｘ軸方向）の中央において、駆動電極１６の一端部側に配置されている。図１４に示すように、振動モニタ信号は、振動モニタ電極１９から直接取り出される。従って、図１３及び図１４に示す例では、加算器２１が設けられていない。その他の点については、図１及び図２と同様である。

９、１０…振動部
１１…振動子
１４…圧電素子
２０、７０…振動型ジャイロ用回路
２３、７１…駆動信号出力部
２４、７２…タイミング信号出力部
２５…同期検波器
２６…フィルタ
２７、３１、７３…位相シフト器
２８…自動利得制御部
２９…ローパスフィルタ
３０…コンパレータ
６１…位相比較器
６２…ループフィルタ
６３…電圧制御発振器
６４…第１のフリップフロップ
６５…第２のフリップフロップ
６６…インバータ
１００…振動型ジャイロセンサ

Claims (6)

1. 振動状態を検出する複数の検出電極を有する振動部と、
   前記複数の検出電極の少なくとも一部で検出される前記振動部の検出信号を同期検波用のタイミング信号のタイミングに合わせて同期検波する同期検波器と、
   前記複数の検出電極の少なくとも一部で検出され前記振動部の振動状態を示す振動モニタ信号の低周波成分を取り出すローパスフィルタと、前記ローパスフィルタにより取り出された前記振動モニタ信号の低周波成分を閾値として、前記振動モニタ信号を２値化信号に変換するコンパレータと、前記振動モニタ信号の位相をシフトする第１の位相シフト器とを有し、２値化され、かつ、位相がシフトされた前記振動モニタ信号を前記同期検波用のタイミング信号として出力するタイミング信号出力部と
   を具備し、
   前記第１の位相シフト器は、
   前記コンパレータにより２値化された前記振動モニタ信号と、比較信号との位相差に応じた位相差信号を出力する位相比較器と、
   前記位相差信号を平滑化して、周波数制御信号を出力するループフィルタと、
   前記周波数制御信号に応じた周波数特性の発振信号を出力する電圧制御発振器と、
   前記発振信号が入力される第１のＣＫ入力端子と、前記発振信号を所定の倍率で分周した分周信号を前記比較信号として出力する第１のＱ出力端子と、前記第１のＱ出力端子の出力信号の逆位相信号を出力する第１のＱ反転出力端子と、前記逆位相信号が入力される第１のＤ入力端子とを含むＤ型フリップフロップにより構成された分周器と、
   前記発振信号が入力される第２のＣＫ入力端子と、前記逆位相信号が入力される第２のＤ入力端子と、２値化された前記振動モニタ信号の位相をシフトさせた信号を出力する第２のＱ出力端子とを含むＤ型フリップフロップにより構成されたタイミング生成器とを有する
   振動型ジャイロセンサ。
2. 請求項１に記載の振動型ジャイロセンサであって、
   前記振動モニタ信号の位相をシフトする第２の位相シフト器と、前記振動モニタ信号の振幅を調整する振幅調整器とを有し、位相がシフトされ、かつ、振幅が調整された前記振動モニタ信号を、前記振動部の駆動信号として出力する駆動信号出力部をさらに具備する
   振動型ジャイロセンサ。
3. 請求項１に記載の振動型ジャイロセンサであって、
   前記ローパスフィルタの遮断周波数は、１００Ｈｚ以上である
   振動型ジャイロセンサ。
4. 請求項１に記載の振動型ジャイロセンサであって、
   前記ローパスフィルタは、抵抗及びコンデンサにより構成される
   振動型ジャイロセンサ。
5. 請求項１に記載の振動型ジャイロセンサであって、
   前記ローパスフィルタは、スイッチドキャパシタを含むフィルタ回路により構成される
   振動型ジャイロセンサ。
6. 振動部の振動状態を検出する複数の検出電極の少なくとも一部で検出される前記振動部の検出信号を同期検波用のタイミング信号のタイミングに合わせて同期検波する同期検波器と、
   前記複数の検出電極の少なくとも一部で検出され前記振動部の振動状態を示す振動モニタ信号の低周波成分を取り出すローパスフィルタと、前記ローパスフィルタにより取り出された前記振動モニタ信号の低周波成分を閾値として、前記振動モニタ信号を２値化信号に変換するコンパレータと、前記振動モニタ信号の位相をシフトする第１の位相シフト器とを有し、２値化され、かつ、位相がシフトされた前記振動モニタ信号を前記同期検波用のタイミング信号として出力するタイミング信号出力部と
   を具備し、
   前記第１の位相シフト器は、
   前記コンパレータにより２値化された前記振動モニタ信号と、比較信号との位相差に応じた位相差信号を出力する位相比較器と、
   前記位相差信号を平滑化して、周波数制御信号を出力するループフィルタと、
   前記周波数制御信号に応じた周波数特性の発振信号を出力する電圧制御発振器と、
   前記発振信号が入力される第１のＣＫ入力端子と、前記発振信号を所定の倍率で分周した分周信号を前記比較信号として出力する第１のＱ出力端子と、前記第１のＱ出力端子の出力信号の逆位相信号を出力する第１のＱ反転出力端子と、前記逆位相信号が入力される第１のＤ入力端子とを含むＤ型フリップフロップにより構成された分周器と、
   前記発振信号が入力される第２のＣＫ入力端子と、前記逆位相信号が入力される第２のＤ入力端子と、２値化された前記振動モニタ信号の位相をシフトさせた信号を出力する第２のＱ出力端子とを含むＤ型フリップフロップにより構成されたタイミング生成器とを有する
   振動型ジャイロ用回路。

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