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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Vibration, welche einen Testkörper derart ansteuert, dass dieser mit einem PWM-Steuerungssignal vibriert.
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HINTERGRUND
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Verschiedene herkömmliche Systeme beinhalten Vorrichtungen zur Erzeugung von Vibration, welche einen Testkörper derart ansteuern, dass dieser mit einem PWM(Pulsweitenmodulation)-Steuerungssignal vibriert. Einige dieser Vorrichtungen zur Erzeugung von Vibration erzeugen PWM-Steuerungssignale durch Vergleichen eines Eingangssignalniveaus mit einem Schwellenniveau, wie in der
JP-A-2005-524077 (
US 2003/0200803 A1 ) beispielsweise offenbart.
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Gemäß der oben beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung von Vibration wird jedoch eine analoge Wellenform verwendet beim Vergleichen des Eingangssignalniveaus mit dem Schwellenniveau. Dieses analoge Signal ist anfällig für Hintergrundrauschen oder Ähnliches. Wird ein Schaltkreis bereitgestellt, um den Einfluss des Hintergrundrauschens zu reduzieren, wird die Vorrichtung groß.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Vibration bereitzustellen, welche den Einfluss von Hintergrundrauschen bei der Ansteuerung eines Testkörpers reduziert, damit dieser mit einem PWM-Steuerungssignal vibriert.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Vibration bereitgestellt, um einen Testkörper derart anzusteuern, dass dieser in Antwort auf ein PWM-Steuerungssignal vibriert. Die Vorrichtung zur Erzeugung von Vibration umfasst ein Paar von Elektroden, welche das PWM-Steuerungssignal in den Testkörper eingeben, und ein Steuerungsteil, welches als PWM-Steuerungssignal ein hohes Niveausignal und ein niedriges Niveausignal an das Paar von Elektroden ausgibt. Das hohe Niveausignal und das niedrige Niveausignal haben jeweils Potenziale, die höher oder niedriger sind als das Potenzial eines Referenzsignals. Das Steuerungsteil gibt das hohe Niveausignal und das niedrige Niveausignal jeweils an eine und die andere des Paars von Elektroden aus.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist ein Blockdiagramm, das einen Gyrosensor zeigt;
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2 ist eine Ebenenansicht eines Beispiels eines Elements, das in 1 gezeigt ist;
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3 ist ein Wellenformdiagramm, welches Signalkomponenten eines Verschiebungsdetektionssignals anzeigt, wenn das Element in einem Resonanzzustand ist;
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4 ist ein erklärendes Diagramm, welches einen synchronen Detektorkreislauf zeigt, welcher in 1 gezeigt ist;
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5 ist ein detailliertes Diagramm eines Steuerungskreislaufs, der in 1 gezeigt ist;
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6 ist ein Flussdiagramm, welches die erste Verarbeitung zeigt, welche durch einen Kontrollkreislaufs, der in 5 gezeigt ist, durchgeführt wird;
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7 ist ein Flussdiagramm, welches eine AGC-Verarbeitung zeigt, welche durch den Kontrollkreislauf durchgeführt wird;
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8 ist ein Wellenformdiagramm, welches im Detail ein Steuerungsdetektionssignal zu der AGC-Verarbeitungszeit zeigt;
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9 ist ein erklärendes Diagramm, welches ein Verfahren zur Erzeugung eines PWM-Steuerungssignals durch einen DCO, der in 5 gezeigt ist, zeigt;
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10A, 10B und 10C sind jeweils schematische Ansichten eines Vibrationskörpers und von Elektroden, ein Wellenformdiagramm, welches ein Beispiel des PWM-Steuerungssignals zeigt, und ein Wellenformdiagramm, welches Kopplungshintergrundrauschen zeigt; und
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11A und 11B sind Graphen, welche jeweils Effekte der AGC-Verarbeitung auf ein Tastverhältnis und eine Amplitude zeigen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM
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In Anlehnung an 1, ist ein Gyrosensor 1 als Vorrichtung zur Erzeugung von Vibration ausgestaltet, um einen Testkörper vibrieren zu lassen, das heißt, um den Testkörper derart anzusteuern, dass dieser mit einem PWM(Pulsweitenmodulation)-Steuerungssignal vibriert. Der Gyrosensor 1 besteht aus einem Element 10, zwei ersten Stadiumskreisläufen 20, einem Signaldetektionskreislauf 30, einem EPROM 40 und einem Steuerungskreislauf 50. Das Element 10, der erste Stadiumskreislauf 20, der Signaldetektionskreislauf 30 und der EPROM 40 sind herkömmlich, wie in allgemeinen Gyrosensoren verwendet. Der Steuerungskreislauf 50 und der erste Stadiumskreislauf 20 bilden einen selbsterregten Resonanzkreislauf.
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In dem Element 10 verschiebt sich ein Vibrator 11, der in 2 gezeigt ist, um von der Richtung der Vibration in Antwort auf eine externe Kraft, die während des Vibrierens aufgebracht wird, abzuweichen. Daher variiert der elektrostatische Widerstand. Das Element 10, welches beispielsweise in 2 gezeigt ist, ist herkömmlich, wie in MEMS-Gyros verwendet.
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Das Element 10 besteht aus dem Vibrator 11, Elektroden 12, 13, 14 und einem Rahmen 15. Der Vibrator 11 wird durch den Rahmen 15 gehalten. Wenn ein PWM-Steuerungssignal auf die Elektroden 13, 14 aufgebracht wird, wird elektrostatischer Widerstand zwischen Widerstandsteilen 13a und 14a erzeugt. Dieser Widerstand vibriert den Rahmen 15 in der Auf-ab-Richtung in 2.
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Der Vibrator 11 vibriert mit dem Rahmen 15. Wenn eine externe Kraft aufgebracht wird, verschiebt sich der Vibrator 11 in der Links-rechts-Richtung in 2 und variiert den elektrostatischen Widerstand zwischen dem Vibrator 11 und der Elektrode 12. Das Element 10 gibt den elektrostatischen Widerstand zwischen den Widerstandsteilen 13a und 14a und den elektrostatischen Widerstand zwischen dem Vibrator 11 und der Elektrode 12 an den ersten Stadiumskreislauf 20 aus.
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Zurückverweisend auf 1 beinhaltet der erste Stadiumskreislauf 20 einen Wandlerkreislauf (nicht dargestellt). Dieser CV-Wandlerkreislauf wandelt den elektrostatischen Widerstand in ein Spannungssignal. Der erste Stadiumskreislauf 20 wandelt auf der Signaldetektionsseite, welche mit dem Signaldetektionskreislauf 30 verbunden ist, den elektrostatischen Widerstand, welcher zwischen dem Vibrator 11 und der Elektrode 12 erzeugt wird, in ein Spannungssignal. Dieses Spannungssignal ist ein Winkelgeschwindigkeitssignal, auf das ein Spannungsvariationssignal auferlegt ist. Das Winkelgeschwindigkeitssignal zeigt eine Winkelgeschwindigkeit des Vibrators 11 des Elements 10 an. Das Spannungsvariationssignal wird durch die Resonanz des Elements 10 erzeugt. Der erste Stadiumskreislauf 20 wandelt auf der Steuerungsseite, welche mit dem Steuerungskreislauf 50 verbunden ist, den elektrostatischen Widerstand, welcher zwischen den Widerstandsteilen 13a und 14a erzeugt wird, in ein Spannungssignal. In der folgenden Beschreibung wird das Spannungssignal, welches von dem ersten Stadiumskreislauf 20 auf der Steuerungsseite ausgegeben wird, als Steuerungsdetektionssignal bezeichnet, und das Steuerungssignal, welches von dem ersten Stadiumskreislauf 20 auf der Signaldetektionsseite ausgegeben wird, wird als Verschiebungsdetektionssignal bezeichnet.
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Der Signaldetektionskreislauf 30 nimmt das Winkelgeschwindigkeitssignal von dem Verschiebungsdetektionssignal, welches von dem ersten Stadiumskreislauf 20 eingegeben wird, um eine Ausgabe, welche das Verhalten des Vibrators 11 anzeigt, zu schaffen. Der Signaldetektionskreislauf 30 beinhaltet einen synchronen Detektor 31, einen LPF (low-pass filter, Tiefpassfilter) 32 und einen Verstärkungseinstellungskreislauf 33. Das Steuerungssignal, welches durch den Steuerungskreislauf 50 erzeugt wird, wird in den synchronen Detektor 31 als Referenzsignal eingegeben. Der synchrone Detektor 31 führt eine synchrone Detektion unter Verwendung des Referenzsignals aus, um dadurch Signalkomponenten einer Steuerungssignalperiode von dem Verschiebungsdetektionssignal zu entfernen.
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Wie in 3 gezeigt, ist das Verschiebungsdetektionssignal in das Winkelgeschwindigkeitssignal, die Steuerungssignalkomponente und eine DC-Komponente (direct current component, Direktstromkomponente) aufgespaltet. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass eine Phase eines Ausgangssignals des Elements um ungefähr 90° relativ zu der externen Kraft, welche auf das Element in einem Resonanzzustand aufgebracht wird, abweicht. In einem ebenfalls in 3 gezeigten Beispiel ist die Steuerungssignalkomponente, welche die Ausgangssignalkomponente ist, welche erzeugt wird, wenn der Vibrator 11 in Antwort auf das Steuerungssignal vibriert, 90° phasenversetzt relativ zu dem Steuerungssignal, welches als Referenzsignal eingegeben worden ist.
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Aus diesem Grund multipliziert der synchrone Detektor 31 das Verschiebungsdetektionssignal und das Referenzsignal. Somit wird die Steuerungssignalkomponente, welche die Phasenabweichung von ungefähr 90° relativ zu dem Referenzsignal aufweist, von dem Verschiebungsdetektionssignal entfernt.
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Zurückverweisend auf 3 wird das Signal, welches durch den synchronen Detektor 31 erfasst wird, einer Entfernung von Hochfrequenzkomponenten durch den LPF 32 und dann einer Sensitivitätskorrektur und einer Signalverstärkung durch das Verstärkungseinstellungsteil 33 unterworfen. Ein Sensitivitätskorrekturkoeffizient ist in dem EPROM 40 gespeichert.
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Die Ausgestaltung des Steuerungskreislaufs 50 wird als Nächstes beschrieben. Wie in 5 gezeigt, beinhaltet der Steuerungskreislauf 50 einen Zeit-Digital-Wandler (time-to-digital converter, TDC) 51, einen digital kontrollierten Oszillator (DCO) 53, den Kontrollkreislauf 52, einen Schalter 56, einen Zeit-A/D-Wandler (ADC(TAD)) 57 und einen Ringoszillator 60. Der Kontrollkreislauf 52 kann ein Mikrocomputer sein, welcher verschiedene programmierte Verarbeitungen durchführt.
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Der Ringoszillator
60 ist ein digitaler Oszillationskreislauf. Dieser Ringoszillator
60 kann wie in beispielsweise der
JP-A-H07-183800 (
US 5,477,196 A ) offenbart ausgestaltet sein. Das heißt, der Ringoszillator
60 beinhaltet eine Mehrzahl von Gatekreisläufen
62 wie zum Beispiel Inverter, welche in einer Ringform miteinander verbunden sind, so dass ein Eingangssignal (Pin), welches als Pulssignal eingegeben wird, durch jeden Gatekreislauf
62 invertiert wird und zirkuliert wird, um zu dem Gatekreislauf
62 zurückzukehren, in den das Eingangssignal eingegeben wird.
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Von einer Mehrzahl aus Ausgangsterminals Q1 bis QN, von denen jeder jedem Gatekreislauf 62 entspricht, werden Signale, von denen jedes einer Inversionsbetriebszeit (Gateverzögerungszeit) des Gatekreislaufs 62 entspricht, ausgegeben. Die Signale, welche von den mehreren Ausgangsterminals Q1 bis QN ausgegeben werden, werden in den TDC 51 und den DCO 53 eingegeben.
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Das Steuerungsdetektionssignal wird in den TDC 51 von dem ersten Stadiumskreislauf 20 eingegeben. Das Steuerungssignal wird von dem DCO 53 zurückgegeben und in den TDC 51 eingegeben. Der TDC 51 erfasst die Phasendifferenz des Steuerungsdetektionssignals relativ zu dem Steuerungssignal (das heißt, die Phasenverzögerung des Steuerungsdetektionssignals relativ zu dem Steuerungssignal) als digitale Zeitinformation.
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Diese Phasendifferenz wird durch Messen einer Zeitdifferenz zwischen einer Pulssteigerungszeit des Steuerungssignals und einer Pulssteigerungszeit des Steuerungsdetektionssignals erfasst (die Steigerungszeit eines Signals, welches durch Digitalisieren des Steuerungsdetektionssignals durch einen Komparator oder Ähnliches produziert wird). Beim Messen der Zeitdifferenz verwendet der TCD 51 das Pulssignal, welches durch den Ringoszillator 60 erzeugt wird, als Taktimpuls. Das heißt, der TDC 51 zählt das Pulssignal, welches durch den Ringoszillator 60 erzeugt wird, während einer Periode von der Pulssteigerungszeit des Steuerungssignals bis zu der Pulssteigerungszeit des Steuerungsdetektionssignals und berechnet die Phasendifferenz basierend auf dem Zählwert.
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Der DCO
53 gibt das Steuerungssignal zu einem Intervall, welches einem Kontrollsignal entspricht, welches von dem Kontrollkreislauf
52 eingegeben wird, aus. Beim Bestimmen des Intervalls verwendet der DCO
53 das Pulssignal, welches durch den Ringoszillator
60 erzeugt wird, als Taktimpuls. Das Steuerungssignal, welches durch den DCO
53 ausgegeben wird, wird in das Element
10 und auch in den TDC
51 eingegeben. Der DCO
53 kann so beschaffen sein, wie in der
JP-A-H07-106923 (
US 5,525,939 A ) offenbart. Die Verwendung des Taktimpulses des gleichen Ringoszillators
60 ist herkömmlich, wie in der
JP-A-H07-183800 (
US 5,477,196 A ) und Ähnlichem beschrieben, und daher wird hier keine detaillierte Beschreibung vorgenommen.
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Der Kontrollkreislauf 52 kontrolliert das Intervall des Steuerungssignals (d. h. die Frequenz des Steuerungssignals), so dass die durch den TCD 51 erfasste Phasendifferenz eine vorherbestimmte Resonanzphasendifferenz wird. Diese Kontrolle wird durch Ausgabe des Kontrollsignals, welches ein digitales Signal ist, an den DCO 53 ausgeführt. Die Resonanzphasendifferenz bedeutet eine Phasendifferenz zwischen einer Phase der externen Kraft und einer Phase der Vibration eines Objekts in einem Zustand, dass das Objekt in Resonanz ist. Es ist bekannt, dass diese Resonanzphasendifferenz ungefähr 90° beträgt. Jedoch kann diese Resonanzphasendifferenz leicht von 90° abweichen aufgrund verschiedener Bedingungen. Die Resonanzphasendifferenz ist beispielsweise 87° als spezieller Wert.
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Der Kontrollkreislauf 52 kontrolliert die Frequenz des Steuerungssignals, weil es bekannt ist, dass die Abweichung der Vibrationsphase des Vibrators 11 (Phase des Steuerungsdetektionssignals) relativ zu der Phase der externen Kraft, welche in den Vibrator 11 eingegeben wird (Phase des Steuerungssignals), von der Frequenz abhängt. Im Speziellen in einem Fall, dass die Frequenz niedriger ist als die Resonanzfrequenz, wird die Phasenverzögerung der Vibrationsphase des Vibrators relativ zu der Phase der externen Kraft kleiner als die Resonanzphasendifferenz, welche ungefähr 90° beträgt. In einem Fall, dass die Frequenz höher als die Resonanzfrequenz ist, wird die Phasenverzögerung der Vibrationsphase des Vibrators relativ zu der Phase der externen Kraft größer als die Resonanzphasendifferenz. Aus diesem Grund kann die erfasste Phasendifferenz durch Erhöhen oder Verringern der Frequenz des Steuerungssignals eingestellt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass in einem Fall, dass die Phasenverzögerung kleiner und größer ist als die Resonanzphasendifferenz, die beiden Phasen jeweils in Phase oder gegenphasig verlaufen.
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Da die erfasste Phasendifferenz somit durch Erhöhen und Verringern der Frequenz des Steuerungssignals eingestellt werden kann, führt der Kontrollkreislauf 52 eine Frequenzanpassungsverarbeitung wie später beschrieben durch. Das heißt, die Frequenz wird erhöht, wenn die erfasste Phasendifferenz kleiner als die Resonanzphasendifferenz ist. Somit wird die erfasste Phasendifferenz größer und nähert sich der Resonanzphasendifferenz. Auf der anderen Seite wird die Frequenz verringert, wenn die erfasste Phasendifferenz größer ist als die Resonanzphasendifferenz. Somit wird die erfasste Phasendifferenz kleiner und nähert sich der Resonanzphasendifferenz.
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Der Schalter 56 wählt entweder das Steuerungsdetektionssignal oder zwei Arten von Referenzspannungen in Antwort auf ein Auswahlsignal aus, welches durch den Kontrollkreislauf 52 ausgegeben wird, und gibt das ausgewählte Signal an den ADC 57 aus. Der ADC 57 ist als ein ADC vom variablen Eingangsstromspannungstyp ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl an Gatekreisläufen 62 ähnlich dem Ringoszillator 60, welcher oben beschrieben worden ist. Der ADC 57 gibt einen Zählwert, welcher einer Spannung (Eingangsspannung) des Steuerungsdetektionssignals entspricht, als einen digitalen Wert in Übereinstimmung mit einem Abtastsignal, welches von dem Kontrollkreislauf 52 ausgegeben wird, aus. Der ADC 57 hat somit die Funktion eines Zeit-A/D-Wandlers (TAD).
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Der TAD ist herkömmlich und hier nicht im Detail beschrieben. In den ADC 57 wird das Steuerungsdetektionssignal (Sin) als eine Stromspannung eines jeden Gatekreislaufs 62 durch einen Puffer 61 eingegeben. Die Inversionsbetriebszeit in jedem Gatekreislauf 62 variiert mit einem Spannungsniveau des Steuerungsdetektionssignals. Signale, welche von den mehreren Ausgangsterminals Q1 bis QN ausgegeben werden, werden in den Kontrollkreislauf 52 eingegeben.
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Der Kontrollkreislauf 52 führt vor der oben beschriebenen Frequenzanpassungsverarbeitung eine erste Verarbeitung durch, welche eine allgemeine Resonanzkontrollverarbeitung ist, so dass der Vibrator 11 des Elements 10 zu einem allgemeinen Resonanzzustand angesteuert wird. Die erste Verarbeitung des Kontrollkreislaufs 52 wird im ersten Betrieb wie in 6 gezeigt zur Zeit des Startens der Messung beispielsweise durchgeführt. Das Steuerungsdetektionssignal enthält nicht die Winkelgeschwindigkeitssignalkomponente, und daher ist die Phase des Steuerungsdetektionssignals ein Signal, welches von der Steuerungssignalkomponente abstammt.
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Bei der ersten Verarbeitung wird zuerst die allgemeine Resonanzkontrollverarbeitung wie oben beschrieben ausgeführt (S1, S2). Das heißt, das Steuerungssignal, welches von dem DCO 53 ausgegeben wird, wird gewobbelt (S1). Wobbeln umfasst einen Bereich von einer Frequenz, welche genügend niedriger ist als die Resonanzfrequenz des Elements 10, bis zu einer Frequenz, welche genügend höher ist als die Resonanzfrequenz. Wobbeln der Frequenz wird zu einem Zeitpunkt beendet, wenn bestimmt wird, dass die Frequenz der allgemeine Resonanzzustand ist. In einem Fall, dass der Ringoszillator 60 Gateverzögerungskreisläufe beinhaltet, hat der Ringoszillator 60 Temperaturcharakteristika. Aus diesem Grund wird bei S1 eine Temperaturkompensation ausgeführt, so dass die Frequenz des Steuerungssignals von der niedrigsten Grenze zu der höchsten Grenze unabhängig von Umgebungstemperaturen gewobbelt wird.
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Daraufhin wird bestimmt, dass der Vibrator 11 des Elements 10 in dem allgemeinen Resonanzzustand ist. Im Speziellen wird bestimmt, dass der Vibrator 10 in dem allgemeinen Resonanzzustand ist, wenn die Phasendifferenz, welche durch den TDC 51 erfasst wird, innerhalb eines vorherbestimmten allgemeinen Resonanzbereichs liegt, welcher nach dem allgemeinen Dafürhalten dem allgemeinen Resonanzzustand entspricht. Der allgemeine Resonanzbereich ist beispielsweise von 90% bis 110% der Resonanzphasendifferenz. Wenn der allgemeine Resonanzzustand in dem Verlauf des Wobbelns der Frequenz des Steuerungssignals bestimmt worden ist, wird eine Amplitude einer Wellenform des Steuerungsdetektionssignals schnell groß. Aus diesem Grund kann der allgemeine Resonanzzustand basierend auf der Amplitude eines Signals, welches von dem A/D-Wandler ausgegeben wird, in einem Fall bestimmt werden, dass der A/D-Wandler (ADC 57 oder Ähnliches) zum Wandeln des Steuerungsdetektionssignals in ein digitales Signal vorgesehen ist. S3 wird nach dem Bestimmen des allgemeinen Resonanzzustands ausgeführt.
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Daraufhin wird die Frequenzanpassungsverarbeitung wie oben beschrieben ausgeführt. Das heißt, die Phasendifferenz zwischen dem Steuerungssignal und dem Steuerungsdetektionssignal wird erfasst. Im Speziellen wird ein Signal, welches die Phasendifferenz angibt, aus dem TDC 51 entnommen.
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Dann wird die Frequenz des Steuerungssignals geändert, so dass die erfasste Phasendifferenz der Resonanzphasendifferenz entspricht (S4). Im Speziellen wird, wenn die erfasste Phasendifferenz kleiner und größer ist als die Resonanzphasendifferenz, die Frequenz des Steuerungssignals jeweils durch einen vorherbestimmten Wert erhöht oder verringert. Nach dem Ändern der Frequenz des Steuerungssignals wird S3 ausgeführt, um die Phasendifferenz wieder zu erfassen.
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Wenn festgestellt wird, dass die erfasste Phasendifferenz gleich der Resonanzphasendifferenz ist, wird die Frequenz nicht geändert. Wenn die Frequenz nicht geändert wird, kann S3 nochmals ausgeführt werden, um die Überwachung der Phasendifferenz weiterzuführen. Alternativ kann die erste Verarbeitung der 6 beendet werden. Wenn die erste Verarbeitung beendet ist, wird der selbsterregte Resonanzzustand des Vibrators 11 beibehalten durch Weiterführen der Verarbeitung, welche S3 und S4 entspricht, während die Winkelgeschwindigkeitssignalkomponente erfasst wird.
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Der Kontrollkreislauf 52 führt eine AGC(automatic gain control, automatische Verstärkungssteuerung)-Verarbeitung aus, welche in 7 gezeigt wird, separat von der ersten Verarbeitung, welche in 6 gezeigt wird. Die AGC-Verarbeitung wird zu jedem vorherbestimmten Intervall gestartet oder bei jeder Veränderung der Umgebungstemperatur, welche außerhalb eines vorherbestimmten Veränderungsreferenzwerts liegt. Diese Verarbeitung ist zum Kontrollieren des Tastverhältnisses des PWM-Steuerungssignals, so dass die Größe der Vibration des Vibrators 11 auf einem vorherbestimmten Größenniveau gehalten wird. Bei S11 bis S13 wird die Verarbeitung der A/D-Wandlung für eine für jede Verarbeitung festgesetzte Periode weitergeführt.
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Bei der AGC-Verarbeitung, wie in 7 gezeigt ist, wird die Referenzspannung von 1,6 V zuerst A/D-gewandelt (S11). Bei diesem Schritt wird ein Auswahlsignal, welches eine Eingabe der ersten Referenzspannung (1,6 V) anzeigt, zu dem Schalter 56 ausgegeben, so dass die erste Referenzspannung in den ADC 57 durch den Schalter 56 eingegeben wird.
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Der Kontrollkreislauf 52 hat auch eine Ausgestaltung der synchronen Detektion ähnlich zu dem synchronen Detektor 31. Der Kontrollkreislauf 52 ist dazu ausgelegt, das Steuerungssignal und das Steuerungsdetektionssignal synchron zu erfassen, so dass die Vibrationsphase des Vibrators 11 erfasst wird. Der Kontrollkreislauf 52 gibt ein Abtastsignal an den ADC 57 zu Zeitpunkten aus, wenn die Vibrationsphase 0° und 180° wird, das heißt, bei jedem Intervall von 1/2 Zyklusperiode. Der ADC 57 gibt den digitalen Wert aus, welcher auf dem Zählwert des Ringoszillators zwischen zwei Abtastsignalen basiert.
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Dieser digitale Wert entspricht der Integration von Veränderungen des Spannungswerts zwischen den Abtastsignalen. Das Auflösungsvermögen ist die Gateverzögerungszeit. Der Digitalwert zu dieser Zeit entspricht A, wie in 8 gezeigt.
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Daraufhin wird das Steuerungsdetektionssignal Sin A/D-gewandelt (S12). Bei diesem Schritt wird ein Auswahlsignal, welches eine Eingabe des Steuerungsdetektionssignals anzeigt, an den Schalter 56 ausgegeben, so dass das Steuerungsdetektionssignal in den ADC 57 durch den Schalter 56 eingegeben wird. Der ADC 57 gibt somit einen Digitalwert aus, welcher einer durchschnittlichen Spannung davon bei jeder 1/2 Zyklusperiode des Steuerungsdetektionssignals entspricht. Das heißt, der Digitalwert zu diesem Zeitpunkt wird ein Wert, von welchem zu jeder 1/2 Zyklusperiode des Steuerungsdetektionssignals ein Durchschnitt genommen wird. Dieser Digitalwert entspricht B und C, wie in 8 gezeigt.
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Daraufhin wird die Referenzspannung von 1,2 V A/D-gewandelt (S13). Bei diesem Schritt wird ein Auswahlsignal, welches eine Eingabe der zweiten Referenzspannung (1,2 V) anzeigt, an den Schalter 56 ausgegeben, so dass die zweite Referenzspannung in den ADC 57 durch den Schalter 56 eingegeben wird. Der ADC 57 gibt somit einen Digitalwert aus, welcher D entspricht, wie in 8 gezeigt.
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In dem in 7 gezeigten Flussdiagramm werden die erste Referenzspannung (1,6 V), das Steuerungsdetektionssignal und die zweite Referenzspannung (1,2 V) in dieser Reihenfolge abgetastet. In dem Beispiel von 8 jedoch werden die erste Referenzspannung (1,6 V), die zweite Referenzspannung (1,2 V) und das Steuerungsdetektionssignal in dieser Reihenfolge abgetastet. Diese Reihenfolge des Abtastens kann willkürlich bestimmt werden.
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Daraufhin wird ein Verhältnis ΔBC/ΔAD einer Potenzialdifferenz in dem Steuerungsdetektionssignal (Potenzialdifferenz ΔBC zwischen B und C in 8) zu einer Potenzialdifferenz der Referenzspannung (Potenzialdifferenz ΔAD zwischen A und D in 8) berechnet (S14). Dann wird das Tastverhältnis des PWM-Steuerungssignals festgesetzt, so dass das berechnete Verhältnis auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die Potenzialdifferenz des Steuerungsdetektionssignals, welches kleiner ist als ein Zielwert, zeigt an, dass die Größe der Vibration des Vibrators 11 kleiner als der Zielwert ist. Daher wird das Tastverhältnis festgesetzt, um die Größe des Rahmens 15 zu vergrößern. Die Potenzialdifferenz des Steuerungsdetektionssignal, welches größer ist als der Wert des Zielverhältnisses, zeigt an, dass die Größe der Vibration des Vibrators 11 größer als der Zielwert ist. Daher wird das Tastverhältnis festgesetzt, um die Größe der Vibration zu verringern.
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Der Kontrollkreislauf 52 berechnet bei S14 einen Zählwert DT des Ringoszillators 60, welcher 1/8 Periode der Vibrationsperiode des Vibrators 11 entspricht, so dass die Phasendifferenz zwischen dem Steuerungssignal und dem Steuerungsdetektionssignal die Resonanzphasendifferenz wird. Der Kontrollkreislauf 52 berechnet einen Wert α, mit dem das Tastverhältnis für das Erstellen des Verhältnisses zwischen der Potenzialdifferenz des Steuerungsdetektionssignals und der Potenzialdifferenz der Referenzspannungskonstante (DT – α)/DT wird. Der Kontrollkreislauf 52 gibt somit acht Werte an den DCO 53 in einer Zyklusperiode aus. Diese Werte werden in der Reihenfolge (DT – α), (DT – α), (DT + α), (DT + α), (DT – α), (DT – α), (DT + α), (DT + α) usw. ausgegeben.
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Wie in 9 gezeigt, gibt der DCO 53 an die Elektrode 13 beispielsweise das niedrige Niveausignal, welches niedriger ist als das Potenzial des Referenzsignals, als die ersten zwei Ausgangssignale (Pulse) aus. Der DCO 53 gibt das Referenzsignal des Referenzpotenzials als die nächsten zwei Ausgangssignale aus. Der DCO 53 gibt das hohe Niveausignal, welches höher ist als das Potenzial des Referenzsignals, als die nächsten zwei Ausgangssignale aus. Der DCO 53 gibt das Referenzsignal als die letzten zwei Ausgangssignale aus.
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Der DCO 53 erzeugt in Antwort auf die oben beschriebenen Ausgangssignale von dem Kontrollkreislauf 52 das PWM-Steuerungssignal durch kontinuierliche Ausgabe des Signals jedes Niveaus für eine Periode, welche dem Zählwert ((DT – α) oder (DT + α)) des Ringoszillators 60 entspricht, welcher durch den Kontrollkreislauf 52 bezeichnet wird. Diese Ausgestaltung gibt den Puls (die geraden Zahlen von diesem Puls), welcher der Vibrationsphase entspricht, und den Puls (die ungeraden Zahlen von diesem Puls), welcher dem Tastverhältnis entspricht, aus. Der DCO 53 gibt somit zumindest acht Pulse in einer Zyklusperiode einer Veränderung der Wellenformphase (Vibrationsphase) aus.
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Der Steuerungskreislauf 50 (DCO 53) wendet ein erstes PWM-Steuerungssignal, welches in 9 gezeigt ist, auf eine Elektrode (erste Elektrode) 13 des Paars von Elektroden 13, 14 (10A) an, auf welche das PWM-Steuerungssignal angewendet wird, um den Vibrator 11 zum Vibrieren zu bringen. Der Steuerungskreislauf 50 wendet weiterhin ein zweites PWM-Steuerungssignal auf die andere Elektrode (zweite Elektrode) 14 an. Das zweite PWM-Steuerungssignal ist von entgegengesetzter Polarität zu dem ersten PWM-Steuerungssignal. Das heißt, wie in 10B gezeigt, wenn das hohe Niveausignal auf die erste Elektrode 13 angewendet wird, wird das niedrige Niveausignal auf die zweite Elektrode 14 angewendet. Sowohl das erste PWM-Steuerungssignal als auch das zweite PWM-Steuerungssignal nehmen ein Referenzpotenzialniveau des Referenzsignals zwischen dem hohen Niveausignal und dem niedrigen Niveausignal. Somit wird Kopplungshintergrundrauschen reduziert, wie in 10C gezeigt. Die AGC-Verarbeitung wird beendet, wenn die Signale wie oben beschrieben ausgegeben werden.
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Die oben beschriebene Ausführungsform hat die folgenden Merkmale und Vorteile.
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Der Gyrosensor 1 hat ein Paar von Elektroden 13 und 14, auf welche das PWM-Steuerungssignal in dem Vibrator angewendet wird; und den Steuerungskreislauf 50, welcher als PWM-Steuerungssignal das hohe Niveausignal und das niedrige Niveausignal zu dem Paar von Elektroden 13 und 14 ausgibt. Das hohe Niveausignal und das niedrige Niveausignal haben Potenziale, welche jeweils höher oder niedriger sind als das Potenzial des Referenzsignals. Der Steuerungskreislauf 50 gibt das hohe Niveausignal und das niedrige Niveausignal jeweils zu einer und der anderen des Paars von Elektroden 13 und 14 aus. Da das hohe Niveausignal und das niedrige Niveausignal an das Paar von Elektroden 13 und 14 ausgegeben werden, kann Hintergrundrauschen, welches durch diese Signale erzeugt wird, entfernt werden. Dadurch kann der Einfluss von Hintergrundrauschen reduziert werden.
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Der Gyrosensor 1 hat den TDC 51 (umfassend den Ringoszillator 60), welcher die Phasendifferenz zwischen der Wellenformphase des PWM-Steuerungssignals und der Vibrationsphase des Vibrators 11 erfasst. Der Steuerungskreislauf 50 (außer dem TDC 51) gibt das phasenangepasste Steuerungssignal aus, so dass die Phasendifferenz die vorherbestimmte Phasendifferenz wird. Die Phasendifferenz zwischen der Wellenformphase des PWM-Steuerungssignals und der Vibrationsphase des Vibrators 11 kann so kontrolliert werden, dass sie die vorherbestimmte Phasendifferenz ist.
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Weiterhin kann, da der TDC 51 den Digitalwert, welcher der Phasendifferenz entspricht, ausgibt, mehr Betrieb gegen Hintergrundrauschen bereitgestellt werden.
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Der Steuerungskreislauf 50 (außer dem TDC 51) gibt das phasenangepasste Steuerungssignal aus, so dass die Phasendifferenz zwischen der Wellenformphase des PWM-Steuerungssignals und der Vibrationsphase des Vibrators 11 die Phasendifferenz wird, welche die selbsterregte Resonanz des Vibrators 11 herbeiführt. Da der Vibrator 11 durch Selbsterregung resoniert, kann die Energie, welche dem Vibrator 11 zugeführt wird, minimiert werden, und der Vibrator 11 kann derart angesteuert werden, dass er effizient vibriert.
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Der Steuerungskreislauf 50 (außer dem TDC 51) gibt das phasenangepasste Steuerungssignal aus, so dass die Vibrationsphase eine Phasenverzögerung von 90° oder ungefähr 90° relativ zu der Wellenformphase hat. Der Vibrator 11 kann dazu angesteuert werden, durch Selbsterregung zu resonieren.
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Der TDC 51 erfasst die Phasendifferenz basierend auf der Gateverzögerungszeit des Ringoszillators 60, in welchem die Mehrzahl der Gatekreisläufe 62 in Serie in der Ringform verbunden ist. Die Gateverzögerungszeit gibt die Verzögerungszeit jedes Gates an. Da die Phasendifferenz mit dem Auflösevermögen der Gateverzögerungszeit erfasst werden kann, kann die Akkuratheit der Phasendifferenzdetektion erhöht werden.
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Der Signaldetektionskreislauf ist für die Erzeugung der Ausgabe basierend auf dem Verhalten des Vibrators 11 vorgesehen. Da der Ausgabewert entsprechend dem Verhalten des Vibrators 22 bereitgestellt wird (zum Beispiel die Corioliskraft, welche auf den Vibrator 11 aufgebracht wird), kann der Gyrosensor 1 dazu verwendet werden, als Sensor zu funktionieren.
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Der TDC 51 erfasst die Größe der Vibration des Vibrators 11. Der Steuerungskreislauf 50 (außer dem TCD 51) bestimmt das Tastverhältnis des PWM-Steuerungssignals, so dass die Größe die vorherbestimmte Größe in Übereinstimmung mit der Größe der Vibration des Vibrators 11 wird. Der Steuerungskreislauf 50 gibt das PWM-Steuerungssignal des erfassten Tastverhältnisses aus. Der Steuerungskreislauf (außer dem TDC 51) beinhaltet den Kontrollkreislauf 52 und den DCO 53. Der Kontrollkreislauf 52 gibt den Kontrollwert, welcher dem Zieltastverhältnis des PWM-Steuerungssignals entspricht, aus. Der DCO 53 erzeugt das PWM-Steuerungssignal, welches eine Pulsweite an, welche dem eingegebenen Kontrollwert entspricht, und erzeugt das PWM-Steuerungssignal durch Durchführen der Zeitmessung basierend auf der Gateverzögerungszeit in Übereinstimmung mit dem Kontrollwert. Da das PWM-Steuerungssignal mit der Pulsweite, welche dem eingegebenen Kontrollwert entspricht, durch Messen der Zeit basierend auf der Gateverzögerungszeit erzeugt wird, kann die Verarbeitung zur Erzeugung des PWM-Steuerungssignals durch digitale Verarbeitung durchgeführt werden. Daher kann im Vergleich zu dem Fall einer Erzeugung des PWM-Steuerungssignals durch analoge Verarbeitung der Einfluss von Hintergrundrauschen reduziert werden.
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Der DCO 53 erzeugt das PWM-Steuerungssignal unter Verwendung des Pulses, welcher durch den Ringoszillator 60, welcher die Mehrzahl von Gatekreisläufen 62 aufweist, welche in Serie in der Ringform verbunden sind, erzeugt wird. Der Puls wird erzeugt basierend auf der Gateverzögerungszeit, welche die Verzögerungszeit eines jeden Gatekreislaufs 62 angibt. Da das PWM-Steuerungssignal die Pulsweite hat, deren Auflösevermögen die Gateverzögerungszeit ist, kann das PWM-Steuerungssignal mit einer höheren Akkuratheit ausgegeben werden.
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Der DCO 53 verwendet den gleichen Ringoszillator 60, wie ihn der TDC 51 verwendet (Ringoszillator 60), und erzeugt das PWM-Steuerungssignal unter Verwendung des Pulses, welcher basierend auf der Gateverzögerungszeit, welche von dem Ringoszillator 60 zur Verfügung gestellt wird, erzeugt wird. Der DCO 53 und der TDC 51 (Ringoszillator 60) können ein gemeinsames Auflösevermögen haben. Die Signalverarbeitung kann vereinfacht werden.
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Der DCO 53 gibt als das PWM-Steuerungssignal den Puls, welcher der Wellenformphase entspricht, und den Puls, welcher dem Tastverhältnis entspricht, aus. Die Phase des Steuerungssignals kann ausgegeben werden durch den Puls, welcher der Wellenformphase bei der Ausgabe des PWM-Steuerungssignals entspricht.
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Der DCO 53 gibt die Pulse zu zumindest acht Zeiten in der Periode aus, in der die Wellenformphase die Veränderung einer Zyklusperiode durchläuft. Das PWM-Steuerungssignal kann erzeugt werden während der Ausgabe des Signals, welches die Phase des Steuerungssignals angemessen angibt.
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Der ADC 57 erzeugt nicht nur den Amplitudendigitalwert, welcher der Größe der Vibrationswellenform des Vibrators 11 entspricht, sondern auch den Spannungsdigitalwert, welcher der Differenz zwischen den zwei verschiedenen Referenzspannungen entspricht. Der Steuerungskreislauf 50 (außer TCD 51) erzeugt das Steuerungssignal, so dass das Verhältnis zwischen dem Spannungsdigitalwert und dem Amplitudendigitalwert konstant wird. Da die Amplitude der Vibrationswellenform digital verarbeitet werden kann, kann der Einfluss von Hintergrundrauschen im Vergleich zu der Ausgestaltung mit analoger Verarbeitung reduziert werden. Da das Steuerungssignal so erzeugt wird, dass das Verhältnis zwischen der Differenz (Spannungsdigitalwert) der Referenzspannungen und dem Amplitudendigitalwert, welcher der Größe der Vibrationswellenform entspricht, konstant gehalten wird, kann das Steuerungssignal sogar in einem Fall ordnungsgemäß erzeugt werden, dass die Ausgestaltung für die A/D-Wandlung durch eine Umweltbedingung wie Temperatur beeinflusst wird.
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11A und 11B zeigen ein Ergebnis eines Vergleichs zwischen einem Fall (AGC), bei dem AGC-Verarbeitung wie in der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt wird, und einem Fall (KEIN AGC), bei dem keine AGC-Verarbeitung ausgeführt wird. Es wird hierbei verstanden, dass in dem Fall, bei dem keine AGC-Verarbeitung vorliegt, das Tastverhältnis des PWM-Steuerungssignals nicht von dem konstanten Wert (11A) abgeändert wird, sondern dass die Amplitude des Steuerungsdetektionssignals in Übereinstimmung mit der Temperatur variiert wird (11B). Im Fall der AGC-Verarbeitung wie in der vorliegenden Ausführungsform wird das Tastverhältnis des PWM-Steuerungssignals rückkopplungskontrolliert in Übereinstimmung mit der Größe des Steuerungsdetektionssignals. Daher variiert das Tastverhältnis des PWM-Steuerungssignals mit der Temperatur (11A) und die Amplitude des Steuerungsdetektionssignals bleibt konstant.
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Der ADC 57 erfasst einen Durchschnittswert der Vibrationswellenform in einer vorherigen Halbperiode der Wellenform und einen Durchschnittswert derselben in einer späteren Halbperiode und setzt die Differenz dieser Durchschnittswerte als den Amplitudendigitalwert fest. Die Amplitude kann somit mit hoher Akkuratheit erfasst werden.
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Der ADC 57 ist wie der Zeit-A/D-Wandler ausgestaltet (welcher die Eingangsspannung als den Digitalwert, welcher der Gateverzögerungszeit entspricht, ausgibt). Die A/D-Wandlung kann in einer einfachen Ausgestaltung durchgeführt werden. Der ADC 57 setzt den Abtastzeitpunkt unter Verwendung der synchronen Detektion fest. Der Abtastzeitpunkt kann akkurater festgesetzt werden. Der ADC 57 erzeugt bei jedem regelmäßigen Intervall oder bei einem unregelmäßigen Intervall den Spannungsdigitalwert, welcher der Differenz zwischen den zwei verschiedenen Referenzspannungen entspricht. Da der Spannungsdigitalwert, wenn notwendig, wiederholt erzeugt werden kann, ist es möglich, flexibel auf Änderungen in der Umweltbedingung wie Temperatur zu antworten.
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Der Schalter 56 ist dazu geschaffen, die Vibrationswellenform des Vibrators 11 oder eine der Referenzspannungen auszuwählen und auszugeben, und der ADC 57 integriert das eingegebene Signal. Der Kontrollkreislauf 52 (Steuerungskreislauf 50) schaltet den Schalter 56 zu jedem vorherbestimmten Zeitpunkt um. Der ADC 57 tastet die Vibrationswellenform ab, wenn die Vibrationswellenform des Vibrators 11 durch den Schalter 56 ausgewählt wird. Der ADC 57 tastet die Referenzspannung ab, wenn eine der Referenzspannungen durch den Schalter 56 ausgewählt wird. Da der ADC 57 das Signal umschaltet, um zu der Referenzspannung oder der Vibrationswellenform A/D-gewandelt zu werden, kann die Vibrationswellenform erfasst werden, während diese Charakteristika entsprechend korrigiert werden, sogar wenn die Charakteristika des ADC 57 in Übereinstimmung mit der Umweltbedingung wie beispielsweise Temperatur sich verändern.
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Der ADC 57 tastet in Serie die eine Referenzspannung (hohes Niveau), die Vibrationswellenform und die andere Referenzspannung (niedriges Niveau) in dieser Reihenfolge ab. Die Vibrationswellenform kann sogar dann akkurat erfasst werden, wenn die Referenzspannung gewisse Variationen hat.
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Die oben beschriebene Ausführungsform kann abgewandelt werden. Beispielsweise werden bei der AGC-Verarbeitung gemäß der Ausführungsform zwei Referenzspannungen (1,6 V und 1,2 V) bereitgestellt, und die Differenz zwischen den zwei Spannungen wird berechnet. Jedoch kann nur eine Referenzspannung bereitgestellt werden, und eine Spannung wie beispielsweise eine Durchschnittsspannung des Steuerungsdetektionssignals (Zentrumsspannung der Amplitude) kann als eine andere Referenzspannung verwendet werden.
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In der Ausführungsform entspricht der Gyrosensor 1 der Vorrichtung zur Erzeugung von Vibration und der Vibrator 11 entspricht dem Testkörper. Der Steuerungskreislauf 50 (außer TDC 51) entspricht einem Steuerungsteil, der TDC 51 und der Ringoszillator 60 entsprechen einem Phasendifferenzdetektionsteil, und der Gatekreislauf 62 entspricht einem Gate. Der DCO 53 entspricht einem Steuerungssignalerzeugungskreislauf und der Signaldetektionskreislauf entspricht einem Verhaltensausgabeteil.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2005-524077 A [0002]
- US 2003/0200803 A1 [0002]
- JP 07-183800 A [0027, 0031]
- US 5477196 A [0027, 0031]
- JP 07-106923 A [0031]
- US 5525939 A [0031]
