JP5660301B2

JP5660301B2 - 検出回路、物理量測定装置

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Publication number: JP5660301B2
Application number: JP2010233830A
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Inventors: 巨樹井伊; 雅幸山口
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Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2015-01-28
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Description

本発明は、検出回路、物理量測定装置等に関する。

物理量測定装置からの出力信号には、測定対象である物理量を検出した検出信号に加えて、測定には不必要な不要信号の成分が含まれることがある。物理量測定装置では、例えば検出したアナログ信号に対してフィルター処理や増幅を行い、同期検波後の信号を平滑化して直流電圧に変換して増幅した信号を出力する。ここで、同期検波より前の処理ブロックをＡＣ段、同期検波以降の処理ブロックをＤＣ段と呼ぶ。ＡＣ段においては、検出信号と位相が同じである平行成分の不要信号と、検出信号と９０度位相がずれた直交成分の不要信号が存在する。

平行成分の不要信号は、ＤＣ段においても検出信号に対して直接の影響を及ぼす。また、同期検波によって直交成分の不要信号は除去されるが、例えば特許文献１にあるように直交成分の不要信号がＡＣ段において不要な電荷を生じることで検出信号に対して影響を及ぼす場合がある。そこで、特許文献１の発明では、加減算増幅回路にて不要信号を相殺することにより、不要信号の影響を除いた信号を出力する。

特開２０１０−０７１９０９号公報

しかし、特許文献１の発明では、直交成分の不要信号をキャンセルする信号を生成するために物理量測定装置の検出回路に９０度位相シフト回路を追加する必要がある。そのため、回路規模が増大してしまう。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。本発明のいくつかの態様によれば、回路規模の増加を抑えつつ不要信号をキャンセルして、出力信号の低ノイズ化を実現する検出回路等を提供できる。

（１）本発明は、センサー素子からの差動入力信号に基づいて前記センサー素子に印加される物理量を検出する検出回路であって、前記差動入力信号の差分を増幅して、第１の信号として出力する差動増幅回路と、前記第１の信号の高周波成分を透過させて、第２の信号として出力するハイパスフィルターと、前記第２の信号を増幅して、第３の信号として出力するＡＣアンプと、を含み、前記ハイパスフィルターは、前記第１の信号が入力される第１の端子と、前記第２の信号を出力する第２の端子とを備えるキャパシタと、前記第２の端子と接続される第３の端子と、キャンセル信号が入力される第４の端子とを備える抵抗器と、を含み、前記キャンセル信号を９０度位相シフトして前記第１の信号と合成し、前記差動入力信号に含まれている前記物理量の検出に不要な信号である不要信号の少なくとも一部を相殺する。

本発明によれば、通常の処理で高周波成分を透過させるために用いられるハイパスフィルターを、不要信号のキャンセル回路として利用するので回路規模の増加を抑えつつ不要信号をキャンセルして、出力信号の低ノイズ化を実現できる。ハイパスフィルターは抵抗器とキャパシタで構成されており、キャンセル信号が入力される第４の端子側からの見るとローパスフィルターとして機能する。そして、キャンセル信号は位相が９０度遅れるため、例えばキャンセル信号として第１の信号（差動増幅回路の出力）を反転させた位相をもつ信号を選択すれば、第１の信号と直交する不要信号をキャンセル（相殺）することが可能になる。

ここで、キャンセル信号は差動入力信号に基づいた信号を検出回路の内外から適宜選択して使用してもよい。後述するように、ＡＣ段で位相が９０度遅れた不要信号をキャンセルすることで、アナログゲインの設定上限値に影響を及ぼすＡＣ段における信号の合成振幅を小さくすることができる。

（２）この検出回路において、前記ＡＣアンプは、前記不要信号の少なくとも一部が相殺された前記第２の信号の信号レベルに基づいて増幅率の上限が設定されてもよい。

本発明によれば、不要信号の少なくとも一部が相殺された第２の信号（ハイパスフィルターの出力）の信号レベルに基づいてＡＣアンプの増幅率の上限を設定できる。測定対象である物理量を検出した検出信号と、測定には不必要な不要信号とを合成した信号の信号レベルに基づいて増幅率の上限を設定する場合に比べて、前記上限を大きくとることが可能である。すると、ＡＣ段で検出信号を大きくとることが可能になるため、Ｓ／Ｎ比が向上しセンサー素子に印加される物理量を精度よく検出できる。

（３）この検出回路において、前記センサー素子は振動子であって、前記振動子の励振電流に基づく信号である基準位相信号を受け取り、前記ハイパスフィルターは、不揮発性のメモリーである記憶部と、前記記憶部からの設定信号に応じて増幅率を変更できるプログラマブルゲインアンプと、を含み、前記プログラマブルゲインアンプによって前記基準位相信号を増幅してキャンセル信号としてもよい。

（４）この検出回路において、前記ハイパスフィルターは、前記プログラマブルゲインアンプの増幅率を０と設定することが可能であってもよい。

これらの発明によれば、プログラマブルゲインアンプによってキャンセル信号のゲインを選択できるので、不要信号を確実にキャンセルすることが可能になる。そして、キャンセルすべき不要信号が存在しない場合には、プログラマブルゲインアンプの増幅率を０にできることが好ましい。増幅率を０にするとは、具体的にはキャンセル信号を入力することに代えてアナログ接地電位と接続することであってもよい。

（５）この検出回路において、前記ＡＣアンプは、反転増幅回路を含み、前記反転増幅回路の反転入力端子に接続された抵抗器の他方の端には前記キャンセル信号が入力され、前記差動入力信号に含まれている前記物理量の検出に不要な信号である不要信号の少なくとも一部を相殺してもよい。

（６）本発明は、センサー素子からの差動入力信号に基づいて前記センサー素子に印加される物理量を検出する検出回路であって、前記差動入力信号の差分を増幅して、第１の信号として出力する差動増幅回路と、前記第１の信号の高周波成分を透過させて、第２の信号として出力するハイパスフィルターと、前記第２の信号を増幅して、第３の信号として出力するＡＣアンプと、を含み、前記ＡＣアンプは、反転増幅回路を含み、前記反転増幅回路の反転入力端子に接続された抵抗器の他方の端には前記キャンセル信号が入力され、前記差動入力信号に含まれている前記物理量の検出に不要な信号である不要信号の少なくとも一部を相殺する。

これらの発明によれば、通常の処理で信号の増幅に用いられるＡＣアンプを、不要信号のキャンセル回路として利用するので回路規模の増加を抑えつつ不要信号をキャンセルして、出力信号の低ノイズ化を実現できる。ＡＣアンプは反転増幅回路を含むが、反転入力端子に接続された抵抗器の他方の端は接地されるのではなく、前記キャンセル信号が入力される。そして、例えばキャンセル信号として第２の信号（ハイパスフィルターの出力）を反転させた位相をもつ信号を選択すれば、平行成分である不要信号をキャンセルすることが可能になる。

（７）この検出回路において、前記ＡＣアンプは、前記不要信号の少なくとも一部が相殺された前記第３の信号の信号レベルに基づいて増幅率の上限が設定される。

本発明によれば、不要信号の少なくとも一部が相殺された第３の信号（ＡＣアンプの出力）の信号レベルに基づいてＡＣアンプの増幅率の上限を設定できる。測定対象である物理量を検出した検出信号と、測定には不必要な不要信号とを合成した信号の信号レベルに基づいて増幅率の上限を設定する場合に比べて、前記上限を大きくとることが可能である。すると、ＡＣ段で検出信号を大きくとることが可能になるため、Ｓ／Ｎ比が向上しセンサー素子に印加される物理量を精度よく検出できる。

（８）この検出回路において、前記センサー素子は振動子であって、前記振動子の励振電流に基づく信号である基準位相信号を受け取り、前記ＡＣアンプは、不揮発性のメモリーである記憶部と、前記記憶部からの設定信号に応じて増幅率を変更できるプログラマブルゲインアンプと、を含み、前記プログラマブルゲインアンプによって前記基準位相信号を増幅してキャンセル信号としてもよい。

本発明によれば、プログラマブルゲインアンプによってキャンセル信号のゲインを選択できるので、不要信号を確実にキャンセルすることが可能になる。このとき、キャンセルすべき不要信号が存在しない場合には、プログラマブルゲインアンプの増幅率を０としてもよい。増幅率を０にするとは、具体的にはキャンセル信号を入力することに代えてアナログ接地電位と接続することであってもよい。

（９）本発明は、前記のいずれかに記載の検出回路を含む物理量測定装置である。

本発明によれば、回路規模の増加を抑えつつ不要信号をキャンセルして、出力信号の低ノイズ化を実現できる。

第１実施形態の検出回路のブロック図。第１実施形態の検出回路を含む物理量測定装置の図。駆動回路のブロック図。図４（Ａ）は不要信号の影響を示す図。図４（Ｂ）は不要信号の除去の流れを示す図。第１実施形態の検出回路のＡＣ段における回路の例を示す図。第１実施形態のキャンセル信号生成部における回路の例を示す図。第１実施形態の検出回路のＤＣ段における回路の例を示す図。

１．第１実施形態
本発明の第１実施形態について図１〜図７を参照して説明する。
１．１．本実施形態の検出回路の構成
図１は本実施形態の検出回路１０のブロック図である。検出回路１０は、センサー素子からの差動入力信号２９０、２９２をそれぞれ入力端子（Ｓ１）１０４、入力端子（Ｓ２）１０６で受け取る。本実施形態ではノイズ耐性のある差動入力を行うが、シングルエンド入力であってもよい。差動入力信号２９０、２９２には測定対象である物理量を検出した検出信号と、測定には不必要な不要信号が含まれている。検出回路１０は、差動入力信号２９０、２９２に基づくアナログ信号に対してＡＣ段１２で必要な処理を行い、同期検波回路６０を含むＤＣ段１４で直流電圧に変換して必要な処理を行う。そして、最終的な出力信号２９４を出力端子（ＶＯ１）１０８から出力する。

検出回路１０のＡＣ段１２は、チャージアンプ２０−１、２０−２、差動増幅回路（差動アンプ）３０、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）４０、ＡＣアンプ５０を含む。検出回路１０のＤＣ段１４は、同期検波回路６０、検出信号出力部７０を含む。

チャージアンプ２０−１、２０−２は、それぞれ差動入力信号２９０、２９２を増幅する。チャージアンプ２０−１とチャージアンプ２０−２とは同一の構成であり、差動入力信号２９０、２９２をそれぞれ同じように位相シフトする。なお、チャージアンプ２０−１、２０−２は省略されてもよい。

差動増幅回路３０は、チャージアンプ２０−１、２０−２から出力される信号１１０、１１２の両方を受け取り、これらの信号の差分を増幅して第１の信号１１４として出力する。ハイパスフィルター４０は、第１の信号１１４の高周波成分を透過させて、第２の信号１１６として出力する。そして、ＡＣアンプ５０は、第２の信号１１６を増幅して第３の信号１１８をＤＣ段１４に出力する。

同期検波回路６０は、第３の信号１１８を受け取り同期検波を行う。検出信号出力部７０は、同期検波回路６０から出力される信号１２０を受け取り、例えばローパスフィルター等の平滑処理により直流電圧に変換された信号を生成したり、得られた直流電圧を増幅したりする。そして得られた信号を出力信号２９４として出力する。

ここで、本実施形態の検出回路１０は、基準位相信号２０２を受け取る。そして、通常の処理で用いられるハイパスフィルター４０とＡＣアンプ５０を利用して、回路規模の増加を抑えながら不要信号を除去する。ハイパスフィルター４０、ＡＣアンプ５０は、基準位相信号２０２に基づいて不要信号をキャンセルするキャンセル信号を生成して、第１の信号１１４、又は第２の信号１１６と合成する。ここで、基準位相信号２０２は、例えばセンサー素子が振動子である場合に、その振動子の励振電流に基づく信号であってもよい。本実施形態の検出回路１０は、ハイパスフィルター４０やＡＣアンプ５０を、不要信号のキャンセル回路として利用するので回路規模の増加を抑えつつ不要信号をキャンセルして、出力信号の低ノイズ化を実現できる。

１．２．本実施形態の検出回路を含む物理量測定装置
図２は本実施形態の検出回路１０を含む物理量測定装置１の構成例である。本実施形態の検出回路１０は、物理量測定装置１の検出部分として機能する。なお、図１と同じ要素には同じ番号を付しており説明は省略する。

物理量測定装置１は、検出回路１０、駆動回路４１０、センサー素子である振動子２、３を含む。ここで、振動子２、３は一体であってもよい。例えば、物理量測定装置１がジャイロセンサーである場合、センサー素子に印加される物理量はコリオリ力である。コリオリ力は、振動する物体を回転させた場合に、物体の振動方向と回転軸のそれぞれに直交する方向に作用する力である。このとき、振動子２、３は一体であって、励振電流２００や駆動回路４１０からの駆動信号２０８を入出力する駆動電極と、差動入力信号２９０、２９２を出力する検出電極とを備えていてもよい。また、振動子２、３が一体であるか否かにかかわらず、振動子３は、センサー素子が検出した物理量と振動子２の励振電流２００の振幅Ｉ_ｄｒに比例した差動入力信号２９０、２９２を出力する。

ここで、検出回路１０は基準位相信号２０２を駆動回路４１０から受け取ってもよい。基準位相信号２０２は、具体例として励振電流２００を電流電圧変換回路で電圧に変換した信号であってもよい。このとき、差動入力信号２９０、２９２と基準位相信号２０２とは、どちらも励振電流２００に基づいて生成される信号であり互いに関連性を有する。そして、差動入力信号２９０、２９２に含まれる不要信号についても、同様に基準位相信号２０２と関連性を有し、例えば後述の回路例では不要信号の位相は基準位相信号２０２と平行、又は直交している。

１．３．駆動回路
図３は、物理量測定装置１に含まれる駆動回路４１０のブロック図の例である。図１〜図２と同じ要素には同じ番号を付しており説明は省略する。駆動回路４１０は、電流電圧変換回路４２０、全波整流回路４３０、比較調整回路４４０、駆動信号生成回路４５０を含む。

電流電圧変換回路４２０は、振動子２からの励振電流２００を電圧に変換して出力電圧２０２を出力する。本実施形態では、この出力電圧２０２が基準位相信号となる。出力電圧２０２の振幅は励振電流２００の振幅に比例している。全波整流回路４３０は、電流電圧変換回路４２０からの出力電圧２０２を全波整流して直流に近い電圧を得て出力電圧２０４を出力する。比較調整回路４４０は、全波整流回路４３０からの出力電圧２０４を比較電圧供給回路４４２からの電圧と比較し、比較結果を反映した信号である出力電圧２０６を駆動信号生成回路４５０に出力する。そして、駆動信号生成回路４５０は、電流電圧変換回路４２０からの出力電圧２０２に基づいて駆動信号２０８を生成するが、出力電圧２０６に基づいて駆動信号２０８の振幅を調整する。そして、この振幅の調整機能により振動子２からの励振電流２００を安定させ、結果として、物理量測定装置１が測定する物理量の検出信号を安定させる。

１．４．不要信号をＡＣ段で除去する理由
ここで、検出回路１０において不要信号をＡＣ段で除去する理由について説明する。ここでは、本実施形態の検出回路を含む物理量測定装置がジャイロセンサーであると仮定して具体例を用いて説明する。図４（Ａ）の信号は、ジャイロ信号１３０、静止時ジャイロ信号１３２、振動漏れ信号１３４であり、それぞれの矢印の向きは位相関係を示す。つまり、振動漏れ信号１３４だけが９０度遅れた位相を有する。図４（Ａ）の数値の単位であるｐｐｍは、例えばセンサー素子である振動子の励振電流に対する比率である。

ジャイロ信号１３０は測定対象である角速度を検出した検出信号である。そして、静止時ジャイロ信号１３２は物理量測定装置を静止させた状態で出力される信号であり、オフセット等が含まれるとしてもよい。振動漏れ信号１３４はセンサー素子である振動子の加工精度やその材料の不均一によってコリオリ力が生じていない場合でも出力される信号である。静止時ジャイロ信号１３２と振動漏れ信号１３４とは不要信号である。

このうち、振動漏れ信号１３４は、ジャイロ信号１３０に対して位相が９０度遅れており、例えば図１のＤＣ段に含まれる同期検波回路で除去できる。また、静止時ジャイロ信号１３２は、例えばＤＣ段に含まれる検出信号出力部において、適当な信号レベルを加減算することで除去できる。したがって、不要信号をＡＣ段で除去する必要はないとも思える。しかし、以下に述べるように回路規模の増加を極力抑えてＳ／Ｎ比の向上を図るには不要信号をＡＣ段で除去する必要が生じる。

ここで、ＡＣ段における信号の増幅をアナログゲインと呼び、ＤＣ段におけるものをデジタルゲインと呼ぶ。アナログゲインは例えば差動アンプやＡＣアンプで行われ、デジタルゲインでは例えば乗算器が用いられたりやビットシフトが行われたりする。ジャイロセンサーが、その後段の装置等に適切な電圧レベルの信号を出力するためには、アナログゲインとデジタルゲインを合わせてＧ_ｍａｘまでのゲイン設定が可能である必要があるとする。つまり、アナログゲインの設定上限値ＡＧ_ｍａｘとデジタルゲインの設定上限値ＤＧ_ｍａｘとを用いてＧ_ｍａｘ＝ＡＧ_ｍａｘ×ＤＧ_ｍａｘを満足する必要がある。

ここで、アナログゲインの上限設定値ＡＧ_ｍａｘは検出信号１３０だけでなく、不要信号との合成信号１３６の振幅に基づいて定まる。例えば、設計上の制約として増幅後の信号の振幅が５００［ｐｐｍ］以下でなければならない場合、合成信号１３６の振幅が３６０［ｐｐｍ］なので、ＡＧ_ｍａｘ＝１．４となる。Ｇ_ｍａｘ＝１０の場合には、ＤＧ_ｍａｘ＝８となる。つまり、不要信号の除去をＤＣ段で行う場合には、アナログゲインの上限設定値が小さくなるため、デジタルゲインの上限設定値を引き上げる必要がある。すると、ＤＣ段におけるデータパスのバス幅、データの一時保存に用いるメモリーや乗算器等のサイズが大きくなり、回路規模が増大することとなる。

一方、不要信号の除去をＡＣ段で行う場合には、静止時ジャイロ信号１３２と振動漏れ信号１３４とがキャンセルされるため、合成信号１３６の振幅も検出信号１３０と同じく２００［ｐｐｍ］となる。このとき、前記の例において、ＡＧ_ｍａｘ＝２．５であるため、ＤＧ_ｍａｘ＝４であればよい。すなわち、不要信号の除去をＡＣ段で行う場合には、ＤＣ段で回路規模が増大することはない。よって、不要信号をＡＣ段で除去することが望ましい。

図４（Ｂ）は、ＡＣ段で不要信号を除去する流れを示す図である。ここでは、検出信号１３０をＡｃｏｓ（ωｔ）、平行成分の不要信号である静止時ジャイロ信号１３２をＢｃｏｓ（ωｔ）、直交成分の不要信号である振動漏れ信号１３４をＣｓｉｎ（ωｔ）と表している。ＡＣ段での入力信号１４０はこれらの合成信号である。所望の出力信号１４６は不要信号をキャンセルして検出信号１３０だけが残った信号である。このような出力信号１４６を得るためには、直交成分の不要信号をキャンセルするキャンセル信号１４２（−Ｂｓｉｎ（ωｔ））と、平行成分の不要信号をキャンセルするキャンセル信号１４４（−Ｂｃｏｓ（ωｔ））を入力信号１４０に合成するとよい。

ここで、２つのキャンセル信号は振幅と９０度ずれた位相とが異なるだけであるから、回路規模の増加を極力抑えるためにも、１つの信号から生成することが望ましい。また、入力信号１４０にキャンセル信号を合成する操作も、通常の処理で用いる既存の回路を利用できれば回路規模の増加を抑えることが可能である。

第１実施形態では１つの基準位相信号２０２に基づいて、通常の処理で用いるハイパスフィルター４０とＡＣアンプ５０を利用して、直交成分の不要信号と平行成分の不要信号とに対する２つのキャンセル信号を生成するので、回路規模の増加を抑えつつ出力信号２９４のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

１．５．本実施形態の検出回路の詳細
１．５．１．ＡＣ段
図５は、本実施形態の検出回路のＡＣ段１２における回路の例を示す図である。図１〜図４と同じ要素には同じ番号を付しており説明は省略する。

チャージアンプ２０−１、２０−２は同一の構成であり、例えばオペアンプ２６、抵抗器（帰還抵抗）２４、キャパシタ（帰還容量）２２で構成されてもよい。このとき、抵抗器２４の抵抗値とキャパシタ２２の容量を適当に設定することで例えば９０度遅らせるなどの位相調整を行ってもよい。

差動増幅回路３０は、例えば抵抗器３２、３３、３４、３５とオペアンプ３６で構成されてもよい。差動増幅回路３０から出力される第１の信号１１４は、図４（Ｂ）の入力信号１４０に対応させることができる。

ハイパスフィルター４０は、例えばキャパシタ４２と抵抗器４４とキャンセル信号生成部８０−１で構成されてもよい。ハイパスフィルター４０のキャンセル信号１２２−１は、図４（Ｂ）の直交成分の不要信号をキャンセルするキャンセル信号１４２に対応させることができる。キャンセル信号生成部８０−１は、キャンセル信号１２２−１をアナログ接地電位に固定することを可能にするスイッチと、基準位相信号２０２に基づいてキャンセル信号１２２−１を生成するキャンセル信号生成回路８２−１とで構成されていてもよい。本実施形態のキャンセル信号生成回路８２−１の詳細については後述する。

ＡＣアンプ５０は、例えば抵抗器５４、５６とオペアンプ５２とキャンセル信号生成部８０−２で構成されてもよい。本実施形態では、キャンセル信号生成部８０−１とキャンセル信号生成部８０−２とは同一の構成であるため、説明は省略する。ＡＣアンプ５０のキャンセル信号１２２−２は、図４（Ｂ）の平行成分の不要信号をキャンセルするキャンセル信号１４４に対応させることができる。また、ＡＣアンプ５０が出力する第３の信号１１８は、図４（Ｂ）の出力信号１４６に対応させることができる。本実施の形態では、ＡＣ段の出力信号は不要信号がキャンセルされており検出信号の成分が残っている。

１．５．２．ハイパスフィルターのキャンセル信号の位相
本実施形態では、ハイパスフィルター４０もＡＣアンプ５０も、同じ基準位相信号２０２を入力信号とする同じ構成のキャンセル信号生成部８０−１、８０−２を含む。しかし、ハイパスフィルター４０のキャンセル信号１２２−１とＡＣアンプ５０のキャンセル信号１２２−２の位相は不要信号との合成時には９０度ずれている必要がある。本実施形態では、ハイパスフィルター４０を位相シフト回路として利用することで、特別に回路を追加することなくこれを実現している。

キャパシタ４２（容量Ｃ_０）と抵抗器４４（抵抗値Ｒ_０）とからなるハイパスフィルターを、キャンセル信号１２２−１を入力として見た場合にはローパスフィルターと定義でき、その伝達関数は数１になる。

動作周波数に対して適当なＣ_０、Ｒ_０を設定することで位相を９０度遅らせることができる。例えば、図４（Ｂ）の例を用いると、キャンセル信号１２２−１が−Ｃｃｏｓ（ωｔ）であっても、位相シフト回路を別途設けることなく不要信号との合成時には−Ｃｓｉｎ（ωｔ）に変換できる。

１．５．３．キャンセル信号生成部
図６は、本実施形態のキャンセル信号生成部８０−１における回路の例を示す図である。図１〜図５と同じ要素には同じ番号を付しており説明は省略する。なお、ここではキャンセル信号生成部８０−１について説明するが、キャンセル信号生成部８０−２も同じ構成である。

本実施形態のキャンセル信号生成部８０−１は、キャンセル信号１２２−１をアナログ接地電位に固定することを可能にするスイッチと、基準位相信号２０２に基づいてキャンセル信号１２２−１を生成するキャンセル信号生成回路８２−１を含む。キャンセル信号生成回路８２−１は、正転又は反転した信号を選択できる位相調整部８６と、位相調整部８６の出力信号の増幅率を変更できるプログラマブルゲインアンプ８８と、制御信号１２４Ａ〜１２４Ｃを与える不揮発性のメモリーである記憶部（フラッシュメモリー）８４を含む。なお、記憶部８４はフラッシュメモリーに限らずマスクＲＯＭ等でもよい。

本実施形態の位相調整部８６は、基準位相信号２０２を受け取り、抵抗器３０３とキャパシタ３０５で構成されるローパスフィルターで位相調整を行い、抵抗器３０２、３０４とオペアンプ３０６で構成される非反転増幅回路で増幅する。なお、位相調整が不要な場合にはローパスフィルターを省略してもよい。そして、非反転増幅回路からの出力信号をコンパレーター３０８によって反転して、排他的にオンになるスイッチ３１０、３１１によって正転又は反転した信号を選択する。スイッチ３１０、３１１を選択する制御信号１２４Ａは、記憶部８４から与えられる。制御信号１２４Ａの値は、差動入力信号２９０、２９２（図５参照）と基準位相信号２０２との位相関係によって定められる。

プログラマブルゲインアンプ８８は、位相調整部８６からの出力信号の振幅を不要信号がキャンセルできるレベルまで増幅する。本実施形態のプログラマブルゲインアンプ８８は、抵抗器３１２、可変抵抗器３１４、オペアンプ３１６で構成される反転増幅回路を含む。可変抵抗器３１４の抵抗値は制御信号１２４Ｂによって定められる。不要信号の大きさは個体差があるため、例えば製造時に適切な制御信号１２４Ｂの値を選択し、その情報を記憶部８４に記録してもよい。

キャンセル信号生成部８０−１は、その最終段にキャンセル信号１２２−１をアナログ接地電位に固定することを可能にするスイッチを含むことが望ましい。キャンセルすべき不要信号がない場合に、制御信号１２４Ｃによってアナログ接地電位に固定できるようにするためである。

このような構成のキャンセル信号生成部８０−１、８０−２を含むことにより、ハイパスフィルター４０、ＡＣアンプ５０は不要信号を適切にキャンセルすることが可能になる。そのため、アナログゲインの設定上限値ＡＧ_ｍａｘを大きくとることが可能になり、検出回路全体として回路規模の増大を抑制しつつＳ／Ｎ比を向上させることができる。

１．５．４．ＤＣ段
図７は、本実施形態の検出回路のＤＣ段１４における回路の例を示す図である。図１〜図６と同じ要素には同じ番号を付しており説明は省略する。

検出回路のＤＣ段１４は、ＡＣ段１２からの出力である第３の信号１１８を受け取って同期検波を行う同期検波回路６０と、同期検波回路６０からの出力信号を受け取って必要な処理を施した出力信号２９４を出力する検出信号出力部７０を含む。

同期検波回路６０は、抵抗器６２、６４、オペアンプ６６で構成される反転増幅回路によって第３の信号１１８の反転信号を生成する。そして、排他的にオンになるスイッチ６８、６９によって、正転又は反転した信号を選択する。スイッチ６８、６９の選択信号ＳＤＥＴは、例えば同期検波回路６０の外部から与えられるパルス信号であってもよい。

検出信号出力部７０は、抵抗器７１、７３とキャパシタ７２、７４をそれぞれ組み合わせて構成されるローパスフィルターを含んでいてもよい。ローパスフィルターは、同期検波の平滑化処理や後段の処理のプリフィルターとして機能する。検出信号出力部７０は、可変抵抗器７６、７７とオペアンプ７５で構成される可変ゲインアンプを含んでいてもよい。例えば、この可変ゲインアンプは本実施形態の検出回路を含む物理量測定装置において使用者が設定可能なデジタルゲインとして使用される。さらに出力信号２９４は、アンチエイリアシングのためのスイッチトキャパシタフィルター７８を経由して出力されてもよい。

本実施形態では、検出回路のＡＣ段で不要信号がキャンセルされているために、ＡＣ段でのゲイン設定を大きくすることができる。そして、ＡＣ段を高ゲインに設定し、かつＤＣ段でのゲインを低く設定することで低ノイズの良好な出力信号２９４を出力することが可能である。

２．変形例
本発明の検出回路は、以下のような変形が可能である。

第１実施形態では、直交成分の不要信号と平行成分の不要信号の両方をキャンセルしているが、どちらか一方のみをキャンセルしてもよい。例えば、直交成分の不要信号が微小である場合に、平行成分の不要信号のみをキャンセルする回路を備えることで、不要信号をキャンセルする効果はあまり低下させずに回路規模をさらに抑えることができる。

また、第１実施形態では、ハイパスフィルター４０とＡＣアンプ５０が独立にキャンセル信号生成回路８２−１、８２−２を有するが、その一部を共有してもよい。具体例としては位相調整部８６（図６参照）を共有してもよい。このことで、回路規模をより小さくすることができる。

また、第１実施形態では、キャンセル信号生成回路８２−１、８２−２は共通する１つの基準位相信号２０２を受け取るが、個別の基準位相信号を受け取ってもよい。また、キャンセル信号生成回路８２−１、８２−２は位相調整用のローパスフィルター（図６の抵抗器３０３、キャパシタ３０５参照）をバイパスする回路を備えていてもよい。これらの変形は、キャンセル信号生成回路の汎用性を高め、様々な不要信号への対応を可能にする。また、基準位相信号２０２として駆動回路４１０で生成される信号を用いる場合、キャンセル信号生成回路８２−１、８２−２は駆動回路４１０に含まれていてもよい。

これらの例示に限らず、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…物理量測定装置、２、３…振動子、１０…検出回路、１２…ＡＣ段、１４…ＤＣ段、２０−１、２０−２…チャージアンプ、２２、４２、７２、７４、３０５…キャパシタ、２４、３２、３３、３４、３５、４４、５４、５６、６２、６４、７１、７３、３０２、３０３、３０４、３０７、３０９、３１２…抵抗器、２６、３６、５２、６６、７５、３０６、３１６…オペアンプ、３０…差動増幅回路（差動アンプ）、４０…ハイパスフィルター（ＨＰＦ）、５０…ＡＣアンプ、６０…同期検波回路、６８、６９、３１０、３１１…スイッチ、７０…検出信号出力部、７６、７７、３１４…可変抵抗器、７８…スイッチトキャパシタフィルター、８０−１、８０−２…キャンセル信号生成部、８２−１、８２−２…キャンセル信号生成回路、８４…記憶部（フラッシュメモリー）、８６…位相調整部、８８…プログラマブルゲインアンプ、１００…入力端子（ＤＧ）、１０２…出力端子（ＤＳ）、１０４…入力端子（Ｓ１）、１０６…入力端子（Ｓ２）、１０８…出力端子（ＶＯ１）、１１０、１１２、１２０…信号、１１４…第１の信号、１１６…第２の信号、１１８…第３の信号、１２２−１、１２２−２、１４２、１４４…キャンセル信号、１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃ…制御信号、１３０…検出信号（ジャイロ信号）、１３２…静止時ジャイロ信号、１３４…振動漏れ信号、１３６…合成信号、１４０…入力信号、１４６、２９４…出力信号、２００…励振電流、２０２…基準位相信号（出力電圧）、２０４、２０６…出力電圧、２０８…駆動信号、２９０、２９２…差動入力信号、３０８…コンパレーター、４１０…駆動回路、４２０…電流電圧変換回路、４３０…全波整流回路、４４０…比較調整回路、４４２…比較電圧供給回路、４５０…駆動信号生成回路

Claims

センサー素子からの差動入力信号に基づいて前記センサー素子に印加される物理量を検出する検出回路であって、
前記差動入力信号の差分を増幅して、第１の信号として出力する差動増幅回路と、
前記第１の信号の高周波成分を透過させて、第２の信号として出力するハイパスフィルターと、
前記第２の信号を増幅して、第３の信号として出力するＡＣアンプと、を含み、
前記ハイパスフィルターは、
前記第１の信号が入力される第１の端子と、前記第２の信号を出力する第２の端子とを備えるキャパシタと、
前記第２の端子と接続される第３の端子と、キャンセル信号が入力される第４の端子とを備える抵抗器と、を含み、
前記キャンセル信号を９０度位相シフトして前記第１の信号と合成し、前記差動入力信号に含まれている前記物理量の検出に不要な信号である不要信号の少なくとも一部を相殺する検出回路。
請求項１に記載の検出回路において、
前記ＡＣアンプは、
前記不要信号の少なくとも一部が相殺された前記第２の信号の信号レベルに基づいて増幅率の上限が設定される検出回路。
請求項１乃至２のいずれかに記載の検出回路において、
前記センサー素子は振動子であって、
前記振動子の励振電流に基づく信号である基準位相信号を受け取り、
前記ハイパスフィルターは、
不揮発性のメモリーである記憶部と、
前記記憶部からの設定信号に応じて増幅率を変更できるプログラマブルゲインアンプと、を含み、
前記プログラマブルゲインアンプによって前記基準位相信号を増幅してキャンセル信号
とする検出回路。
請求項３に記載の検出回路において、
前記ハイパスフィルターは、
前記プログラマブルゲインアンプの増幅率を０と設定することが可能である検出回路。
請求項１乃至４のいずれかに記載の検出回路において、
前記ＡＣアンプは、
反転増幅回路を含み、
前記反転増幅回路の反転入力端子に接続された抵抗器の他方の端には前記キャンセル信号が入力され、前記差動入力信号に含まれている前記物理量の検出に不要な信号である不要信号の少なくとも一部を相殺する検出回路。
請求項１乃至５のいずれかに記載の検出回路を含む物理量測定装置。