CN104634991A - 传感器用集成电路、传感器装置、电子设备及移动体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种传感器用集成电路、传感器装置以及电子设备等，其基于角速度信号被进行了AD变换后的数字信号中所含的分量来推断偏置偏压。传感器用集成电路(20)具有：基于来自传感器元件(10)的信号而检测角速度信号的检测部(30)；对来自检测部的信号进行模拟-数字变换的AD变换部(50)；从在预定期间由AD变换器输出的数字信号中检测DC分量的DC分量检测部(80)。传感器用集成电路(20)可以进一步具有基于DC分量对数字信号进行补正的补正部(90)。DC分量检测部可以包括将低通的截止频率从第一频率切换至比所述第一频率低的第二频率的低通滤波电路(81)、每当截止频率被切换即对增益进行补正的增益补正部(126)。

Description

传感器用集成电路、传感器装置、电子设备及移动体

技术领域

本发明涉及传感器用集成电路、传感器装置以及电子设备。

背景技术

在例如音叉振动型的角速度传感器中，在输出信号中重叠有偏置偏压，从而由此在检测角度中产生误差(参照图18(A)(B))。偏置偏压是包括角速度为零的初始状态时的零偏压和由于电源变动、温度变动、冲击施加、老化变化等等的外部因素引起的随机的偏差在内的误差的通称。因此，通过消除偏置偏压而进行零点调节(校准)。

在专利文献1中，通过下述的1)或者2)的任意一个方法求取零点，即：1)通过平均化部而将第一角速度数据(零点未补正)平均化，或2)将第一角速度数据与已计算完毕的零点的差亦即第二角速度数据平均化。当检测对象的拍摄装置为静止状、且所计算出的零点与已计算完毕的零点之差为预定值以下时，更新零点，实施角速度信号的零点补正(参照图19(A)(B))。

专利文献1：日本特开2008-283443号公报(0034-0039)

发明内容

本发明的几个方式的目的在于，提供一种基于角速度信号被AD变换而得到的数字信号中所包含的分量而对偏置偏压进行推断的传感器用集成电路、传感器装置以及电子设备等。

本发明是为了解决上述课题的至少一部分而形成的，能够以下述的形态或方式实现。

(1)本发明的一个方式涉及一种传感器用集成电路，其特征在于，具有：检测部，其基于来自传感器元件的信号而对角速度信号进行检测；AD变换部，其将来自所述检测部的模拟信号变换为数字信号；直流分量检测部，其从在预定期间内由所述模拟/数字变换器输出的所述数字信号中检测直流分量。

本发明的一个方式定义了一种传感器用集成电路，其将在静止状态等的预定期间内输入的角速度信号进行AD(模拟/数字)变换，并基于AD变换后的数字信号中所包含的DC分量来推断偏置偏压。由于DC(直流)分量是反映角速度为零的初始状态时的零偏压和由电源变动、温度变动、冲击施加、老化变化等等的外部因素引起的随机的偏差的低频分量，因此反映了偏置偏压。

(2)在本发明的一方式中，可以采用如下方式，即，具有补正部，该补正部基于所述直流分量而对所述数字信号进行补正。由此，能够通过从角速度信号中消除偏置偏压而进行零点补正。DC分量的检测开始以及零点补正的实施可以通过程序控制来实施，也可以通过命令控制来实施。

(3)在本发明的一方式中，可以采用如下方式，即，所述DC分量检测部包括低通滤波电路，该低通滤波电路将低通的截止频率由第一频率切换至比所述第一频率低的第二频率。低通的截止频率随着频率降低需要增长滤波输出稳定的响应时间。因此，通过将低通的截止频率由较高的频率切换至较低的频率，从而与从当初设定为低的截止频率时相比能够缩短总计的响应时间。

(4)在本发明的一方式中，可以采用如下方式，即，所述直流分量检测部包括放大器，每当所述截止频率被切换时该放大器对增益进行补正。如果切换截止频率，则得不到输出信号的连续性。这是由于增益根据截止频率而改变的缘故。通过每当截止频率被切换时对增益进行补正，能够保证输出信号的连续性。

(5)在本发明的一方式中，可以采用如下方式，即，所述上述模拟/数字变换器与所述直流分量检测部之间还具有前置数字补正部，该前置数字补正部基于设定值而对所述数字信号的偏置进行补正。例如当基于出厂时测量的设定值对数字信号的偏置进行了前置补正后，DC分量检测部检测DC分量，补正部基于该DC分量而进行偏置消除。通过对偏置进行前置补正，能够缩短通过DC分量检测部进行数字滤波处理时的响应时间。

(6)在本发明的一方式中，可以采用如下方式，即，基于从外部输入的信号而开始进行所述DC分量检测部的检测动作。在本发明中，例如在电源接通、休眠解除后，可以通过程序控制而开始进行DC分量检测部中的检测动作，但通过基于从外部输入的信号而开始进行DC分量检测部中的检测动作，能够由用户任意地设定起动时刻。

(7)在本发明的一方式中，可以为，设置有表示所述DC分量检测部的所述DC分量的检测动作完成的标识，在所述标识被设置后，能够由所述补正部进行补正。如果预先知晓每个截止频率的响应时间，则DC分量的检测动作完成时刻可通过从DC分量检测部的检测动作时起的计时来进行检测。如果DC分量的检测动作的完成、例如标识等向外部输出，则随后可通过用户任意地设定DC分量除去的补正时刻。或者可以在标识被设置后经过规定时间后，通过程序控制来实施补正部的补正动作。换言之，只要标识未被设置，即禁止补正部的零点补正。

(8)本发明的其他方式定义具有：传感器元件、(1)～(7)中任意一项所述的传感器用集成电路的传感器装置或者电子设备。

附图说明

图1为本发明的一实施方式的传感器装置的概略框图。

图2为表示图1所示的陀螺仪传感器集成电路的主要部分的框图。

图3为图2所示的前置数字补正部的电路图。

图4为图2所示的两个数字补正部种的用于增益调节以及偏置消除的电路图。

图5为用于对通过数字滤波器的低通来检测DC数据的动作进行说明的图。

图6为将图2的DC分量通过滤波器(DCPF)作为传递函数的信号流示出的图。

图7为用于对DC分量通过滤波器(DCPF)的截止频率与增益的切换进行说明的图。

图8为表示形成为最终的截止频率fc＝0.1Hz时的输出响应的特性图。

图9为表示形成为最终的截止频率fc＝0.1mHz时的输出响应的特性图。

图10为表示不切换截止频率fc而将其固定成0.1Hz时响应时间变长的特性图。

图11放大示出图10的时间轴，为表示当切换截止频率fc时响应时间变短的特性图。

图12为表示当不进行增益补正而切换截止频率fc时输出变得不连续、响应时间也变长的特性图。

图13放大示出图12的时间轴，且为表示如果在每次切换截止频率fc时对增益进行，则输出连续、响应时间也变短的特性图。

图14为表示将图6所示的传递函数的信号流通过多段串联连接而成的信号流的图。

图15为示意性示出本实施方式的传感器用集成电路的程序模式与命令模式的各动作顺序的图。

图16中，图16(A)～图16(C)为表示在传感器装置处于静止状态时的命令模式下得到的波形的波形图。

图17中，图17(A)～图17(C)为表示在传感器装置处于动作状态时的命令模式下得到的波形的波形图。

图18中，图18(A)以及图18(B)为表示在输出信号中重叠了偏置偏压的波形和与之相伴的角度误差的图。

图19中，图19(A)以及图19(B)为表示从输出信号中除去偏置偏压后的波形和由此角度误差被补正的情况的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选的实施方式的1个示例进行说明。其中，可应用本发明的实施方式当然不局限于以下进行说明的实施方式。

图1示出具有陀螺仪传感器10和陀螺仪传感器集成电路20的传感器装置200。该传感器装置200可以搭载于拍摄装置等的各种电子设备中。图1中检测轴仅示出一个轴的部分，传感器装置200可以包括XYZ等的多个检测轴。

陀螺仪传感器集成电路20可以具有检测部30、低通滤波器(LPF)40、模拟/数字变换器(ADC)50、前置数字补正部60、角速度数据处理部70、DC分量检测部80、偏置补正部90、串行外设接口(SPI)100以及MPU(控制部)110等。MPU110可以包括命令解码器111与电阻器112。MPU110可以对偏置偏压的推断动作、偏置消除动作进行程序控制。MPU110通过命令解码器111而对经由SPI110输入的命令进行解码，可以将控制数据存储在由接下来被输入的地址锁指定的电阻器112内的区域中。MPU110可以基于存储于电阻器112中的控制数据而对偏置偏压的推断动作、偏置消除动作进行程序控制。

检测部30对来自陀螺仪传感器10的模拟输出进行Q-V变换并放大进而检测角速度信号。来自检测部30的角速度信号通过低通滤波器(LPF)40而被高域截止进而向模拟/数字变换器(ADC)50输入。ADC50以取样频率16fs(例如16fs＝250kHz)进行取样并进行A/D变换。

参照图2～图14对ADC50的下游的结构进行说明。在图2中，在ADC50的下游配置有第一低通滤波器(LPF1)51。第一低通滤波器(LPF1)51例如通过梳状滤波器(comb filter)构成，从16fs至fs而递减取样。

以第一低通滤波器(LPF1)51作为输入的前置数字补正部60例如具有图3的结构。在图3中，前置数字补正部60基于设定值(ICOCX、OCX、零点温度特性补正值、USEROCX)而对数字信号的偏置进行补正。在此，ICOCX为每个IC20的偏置调节值，OCX为每个模块(传感器10+IC20)的偏置调节值，零点温度特性补正值为例如4次近似函数的温度特性补正值，这些值都是在工厂出厂时测量的值。USEROCX为用户可设定的偏置调节值。这些调节值(补正值)基于滤波器增益调节信号而与ADC50的输出亦即数字信号相加。

如图2所示，角速度数据处理部70可以具有第二低通滤波器(LPF2)71、高通滤波器(HPF)72、第三低通滤波器(LPF3)73以及数字补正部74。第二低通滤波器(LPF2)71为带域限制用滤波器，第三低通滤波器(LPF3)73在fs～fs/128的范围内递减取样。关于数字补正部74，将使用图4在后文中叙述。

DC分量检测部80可以具有作为低通滤波电路的DC分量通过滤波器(DCPF)81、第三低通滤波器(LPF3)82以及数字补正部83。图5示意性示出角速度数据处理部70的输出(图5的上部分)与DC分量检测部80的输出(图5的下部分)。在DC分量检测部80中，例如形成为低通的截止频率fc＝0.1Hz，由此从数字信号中检测DC分量。

图6以传递函数的信号流的方式示出DC分量通过滤波器(DCPF)81。在图6中，DC分量通过滤波器(DCPF)81具有将本次输入的数据与电阻器125的数据Z^-1相加的加法器120。加法器120的输出向shift-add部121输入。shift-add部121包括移位部122与加法器123，不具有乘法器却能实现乘法功能。例如在将十进制算法的4的乘以1.5倍而得出6时，可以分解为1.5倍＝1倍+0.5倍。在二进制算法中，为2⁰倍+2^-1倍，可以分解为移位与加法。换句话说，将用二进制表示4的(0100)与将(0100)右移1位的(0010)相加，得出用二进制表示6的(0110)的乘法结果。移位部122通过移位而实现α＝2^-n倍，加法器123通过加法实现(1-2^-n)×输入值的运算。

加法器124将前次输入的数据与shift-add部121的输出数据相加，并作为前次数据Z^-1存储在电阻器125中。作为增益补正部的移位部126通过移位来实现将加法器120的输出数据增益g＝2^-k倍的增益补正，得出DC分量通过滤波器(DCPF)81的输出数据。

依据以上的信号流，DC分量通过滤波器(DCPF)81的传递函数可以通过下式示出。

[式1]

$H\left(z\right)=\frac{g(1+z^{-1})}{1-(1-\mathrm{\α})z^{-1}}$

在本实施方式中，移位部122切换α＝2^-n倍，由此DC分量通过滤波器(DCPF)81能够将低通的截止频率fc以频率降低的方式进行切换。图7示出α的设定值与截止频率fc的相关性。通过将α切换为2^-4、2^-5、…，能够将截止频率fc按照100Hz、50Hz、…频率依次降低的方式进行切换。最终设定的截止频率fc在图7的示例中为0.1Hz或者0.1mHz。在图8以及图9中分别示出形成为最终的截止频率fc＝0.1Hz以及fc＝0.1mHz时的输出响应。图8以及图9的横轴表示时间，纵轴用收敛余差＝[(输出-输入)/输入]×100(％)表示DCPF81的输出。在图8以及图9中，都实现响应时间41ms的收敛余差＜0.7％。

之所以如此切换截止频率是由于：如图7所示，截止频率fc越高则输出波形达到稳定所用的响应时间越短，而截止频率fc越低则响应时间越长。如图10和放大图10的时间轴的图11所示，在本实施方式的DCPF81中，在形成为fc＝0.1Hz时以50ms收敛，而当不切换截止频率fc固定为0.1Hz时，响应时间也需要10s。

接下来，在本实施方式中如图7所示，每次切换截止频率fc时，变更图6所示的放大器126的增益g(图7中显示为scale)。在变更中例如在以图7中的32sample的时间进行的切换中，为g(补正)＝α比＝2-⁴/2^-5＝2倍，为了保证连续性，示出对图7的电阻器125的电阻器值Z^-1进行2倍增益补正的值。如图12和放大了图12的时间轴的图13所示，在本实施方式的DCPF81中，当形成为fc＝0.1Hz时以50ms收敛，而当不进行增益补正而切换截止频率fc时，输出不连续，响应时间也需要10s。

图14针对DC分量通过滤波器(DCPF)81示出传递函数的信号流的变形例。图14将图6所示的信号流以多段例如2段串联连接。在这种情况下，与图7相同也可以通过各段的信号流同步切换截止频率fc与增益g。

接下来，参照图4对角速度数据处理部70的数字补正部74、DC分量检测部80的数字补正部83、加法器90进行说明。如图4所示，通过2个数字补正部74、83实施增益补正，ICGCX为实施每个IC的增益调节，GCX为实施每个模块(集成电路+传感器元件)的增益调节，灵敏度温度特性补正值为实施4次近似函数的补正等。另外，如图4所示，在数字补正部74、83的增益补正后，通过加法器90实施图4所示的减法1或者减法2，由此进行零点调节。

图1以及图4所示的补正部亦即加法器90将角速度数据处理部70的输出数据与DC分量检测部80的负的输出数据相加，实施偏置偏压补正(零点补正、校准)。由此，从图18(A)所示的存在偏置的输出数据中除去偏置偏压，得出图19(A)所示的无偏置的输出数据。

图15示意性示出图1所示的MPU110所进行的程序模式与命令模式的动作顺序。程序模式中，触发电源接通、复位解除或者休眠解除，MPU110使图1的DC分量检测部80开始动作，开始DC推断。MPU110从动作开始起计时，当到达预先设定的响应时间(图8、图9或者图11中收敛余差不足规定值的动作时间)后，将DC推断电路准备完毕标识设置于电阻器112。MPU110可以在标识设置后经过规定时间后执行控制加法器90的零点补正。

在图15所示的命令模式中，经由图1所示的SPI100由用户在任意的时刻输入命令。命令解码器111解译命令，将该控制数据设置于电阻器112。基于电阻器112的控制数据，MPU110使图1的DC分量检测部80开始动作，开始DC推断。MPU110从动作开始起计时，在到达预先设定的响应时间(在图8、图9或者图11中收敛余差不足规定值的动作时间)后，将DC推断电路准备完毕标识设置于电阻器112。然后，用户在任意的时刻输入命令。命令解码器111解译命令，该控制数据被设置于电阻器112。MPU110可基于电阻器112的控制数据执行控制加法器90的零点补正。此外，只要在电阻器112中DC推断电路准备完毕标识未被设置，即禁止加法器90的零点补正。

图16(A)～图16(C)示出在手持搭载有本实施方式的传感器装置200的拍摄装置(电子设备)的静止状态下，通过上述的命令模式的动作顺序得到的波形图。图16(A)示出DC分量检测部80的DCPF81以最终截止频率fc＝0.1Hz滤波后的输出波形，图16(B)示出由DCPF81检测的DC分量，图16(C)示出因命令发出而校准补正后的输出波形。图17(A)～图17(C)为与图16(A)～图16(C)相同的波形，不同之处在于是搭载有本实施方式的传感器装置200的拍摄装置(电子设备)从准备状态进行PAN动作时的动作状态的波形。

在实质不脱离本发明的新颖事项以及效果的范围内可实施很多的变形，这对于本领域技术人员是显而易见的。因此，这样的变形例全部应该涵盖于本发明的范围内。例如，在说明书或者附图中，至少一次与更广义或者同义的不同用语一起记载的用语在说明书或者附图的任意位置都可以更换为该不同的用语。

符号说明

10：陀螺仪传感器；20：传感器用IC(陀螺仪传感器IC)；30：检测部；50：ADC；60：前置数字补正部；80：DC分量检测部；81：低通滤波电路(DCPF)；90：补正部(加法器)；110：MPU(控制部)；111：命令解码器；112：电阻器；126：增益补正部。

Claims (9)

1.一种传感器用集成电路，其特征在于，具有：

检测部，其基于来自传感器元件的信号而对角速度信号进行检测；

模拟/数字变换部，其将来自所述检测部的模拟信号变换为数字信号；

直流分量检测部，其从在规定期间内由所述模拟/数字变换器输出的所述数字信号中检测直流分量。

2.如权利要求1所述的传感器用集成电路，其特征在于，

具有补正部，该补正部基于所述直流分量而对所述数字信号进行补正。

3.如权利要求2所述的传感器用集成电路，其特征在于，

所述直流分量检测部包括低通滤波电路，该低通滤波电路将低通的截止频率由第一频率切换至比所述第一频率低的第二频率。

4.如权利要求3所述的传感器用集成电路，其特征在于，

所述直流分量检测部包括增益补正部，每当所述截止频率切换时，该增益补正部对增益进行补正。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的传感器用集成电路，其特征在于，

在所述模拟/数字变换器与所述直流分量检测部之间还具有前置数字补正部，该前置数字补正部基于设定值而对所述数字信号的偏置进行补正。

6.如权利要求1至4中任意一项所述的传感器用集成电路，其特征在于，

基于从外部输入的信号而开始进行所述直流分量检测部的检测动作。

7.如权利要求2所述的传感器用集成电路，其特征在于，

设置有表示所述DC分量检测部的所述DC分量的检测动作完成的标识，在所述标识的被设置后，能够由上述补正部进行补正。

8.一种传感器装置，其特征在于，具有：

传感器元件；

权利要求1至7中任意一项所述的传感器用集成电路。

9.一种电子设备，其特征在于，具有：

传感器元件；

权利要求1至7中任意一项所述的传感器用集成电路。