-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Erfassungsschaltung für eine physikalische Größe, die in einem Sensor für eine physikalische Größe zu verwendend ist, der eine physikalische Größe, die von außen auf den Sensor für eine physikalische Größe einwirkt, erfasst, wobei dieser die Erfassungsschaltung für eine physikalische Größe aufweist, und betrifft eine elektronische Einrichtung mit der Erfassungsschaltung für eine physikalische Größe.
-
STAND DER TECHNIK
-
Ein Sensor für eine physikalische Größe, der eine physikalische Größe erfassen kann, etwa eine Winkelgeschwindigkeit und eine Beschleunigung, ist bislang in einer Vielzahl technischer Gebiete, etwa der Erfassung einer Kameraerschütterung einer Digitalkamera, der Steuerung der Lage einer beweglichen Einheit, etwa von Luftfahrzeugen, Automobilen, Robotern und Schiffen, der Führung von Lenkwaffen und Steuerung von Raumfahrzeugen verwendet wurden.
-
Generell beinhaltet der Sensor für eine physikalische Größe ein Sensorelement für eine physikalische Größe, das ein Sensorsignal in Reaktion auf die Einwirkung einer physikalischen Größe von außen ausgibt, und eine Erfassungsschaltung für eine physikalische Größe, die ein Erfassungssignal zur Gewinnung eines Signals der physikalischen Größe aus dem Sensorsignal verwendet. Dieser Sensor für eine physikalische Größe kann eine unerwartete Phasenverschiebung zwischen dem Sensorsignal und dem Erfassungssignal aufgrund von Schwankungen bei den Herstellungsprozessen (beispielsweise Streuung bei der Diffusion in Widerständen oder Kondensatoren) oder aufgrund von Umgebungsänderungen (beispielsweise Temperaturänderung) erzeugen. Es ist daher erforderlich, dass die Phasenbeziehung zwischen dem Sensorsignal und dem Erfassungssignal so eingestellt wird, dass das Sensorsignal zu dem Erfassungssignal synchronisiert ist.
-
In den vergangenen Jahren wurden Mikro-Verarbeitungstechniken in Schaltungen entwickelt, wodurch die Digitalisierung in Erfassungsschaltungen für eine physikalische Größe zunimmt. Das
japanische Patent mit der Nummer 2728300 (PTL 1) offenbart eine Signal Verarbeitungsschaltung für einen Zwei-Achsen Winkelgeschwindigkeitssensor. Diese Schaltung wird implementiert durch eine digitale Schaltung, in der eine Analog-Digital-Wandlerschaltung ein Sensorsignal, das von einem Sensor geliefert wird, in ein digitales Sensorsignal umwandelt, eine Sinus-Erzeugungsschaltung zur Erzeugung eines digitalen Sinussignals, und durch einen digitalen Multiplizierer zum Multiplizieren des digitalen Sensorsignals mit dem digitalen Sinussignal.
-
13 zeigt eine Arbeitsweise der Analog-Digital-Wandlerschaltung in dem Sensor für eine physikalische Größe. Die Analog-Digital-Wandlerschaltung tastet ein Sensorsignal während jeder Abtastperiode ab, wobei es zu einem Abtasttaktsignal synchron ist, und wandelt analoge Werte (Amplitudenwerte) A0, A1, A2, ... der abgetasteten Sensorsignale in digitale Werte P0, P1, P2, ... um.
-
ZITATLISTE
-
PATENTLITERATUR
-
- PTL 1: japanisches Patent mit der Nummer 2728300
-
ÜBERBLICK
-
Ein Sensor für eine physikalische Größe ist so ausgebildet, dass er mit einem Sensorelement für eine physikalische Größe verwendet wird, das ein Sensorsignal in Reaktion auf eine physikalische Größe ausgibt. Eine Erfassungsschaltung für eine physikalische Größe, die in dem Sensor für eine physikalische Größe verwendet ist, umfasst eine Signalerzeugungseinheit zur Erzeugung eines Erfassungssignals und einen Multiplizierer zum Multiplizieren des Sensorsignals mit dem Erfassungssignal. Die Signalerzeugungseinheit wandelt eine erste Phase eines vorbestimmten Signals mit einer Frequenz, die einer Frequenz des Sensorsignals entspricht, in eine zweite Phase um, und berechnet einen Amplitudenwert, der der zweiten Phase entspricht, um das Erfassungssignal zu erzeugen. Dieser Sensor für eine physikalische Größe erhöht die Genauigkeit der Phaseneinstellung, ohne dass eine Abtastfrequenz erhöht wird.
-
KURZE BESCHREIBUNG VON ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine Blockansicht eines Sensors für eine physikalische Größe gemäß einer anschaulichen Ausführungsform.
-
2 ist eine Blockansicht eines Sensorelements für eine physikalische Größe und einer Ansteuerschaltung des Sensors für eine physikalische Größe gemäß der Ausführungsform.
-
3 ist eine Blockansicht einer Sinus-Erzeugungseinheit des Sensors für eine physikalische Größe gemäß der Ausführungsform.
-
4 ist eine Blockansicht einer weiteren Sinus-Erzeugungseinheit des Sensors für eine physikalische Größe gemäß der Ausführungsform.
-
5 ist eine Blockansicht eines weiteren Sensors für eine physikalische Größe gemäß der Ausführungsform.
-
6 ist eine Blockansicht eines noch weiteren Sensors für eine physikalische Größe gemäß der Ausführungsform.
-
7 ist eine Blockansicht eines weiteren Sensors für eine physikalische Größe gemäß der Ausführungsform.
-
8 ist eine Blockansicht eines weiteren Sensors für eine physikalische Größe gemäß der Ausführungsform.
-
9 ist eine Blockansicht eines weiteren Sensors für eine physikalische Größe gemäß der Ausführungsform.
-
10 ist eine Blockansicht einer Sinus-Erzeugungseinheit des in 9 gezeigten Sensors für eine physikalische Größe.
-
11 ist eine Blockansicht eines weiteren Sensors für eine physikalische Größe gemäß der Ausführungsform.
-
12 ist eine Blockansicht einer elektronischen Einrichtung mit einem daran montierten Sensor für eine physikalische Größe gemäß der Ausführungsform.
-
13 zeigt einen Prozess, der von einer Analog-Digital-Wandlerschaltung eines konventionellen Sensors für eine physikalische Größe ausgeführt wird.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
1 ist eine Blockansicht eines Sensors für eine physikalische Größe 1 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform. Der Sensor 1 weist ein Sensorelement für eine physikalische Größe 10, eine Ansteuerschaltung 11 und eine Erfassungsschaltung für eine physikalische Größe 12 auf.
-
Das Sensorelement 10 empfängt ein Ansteuersignal Sdrv mit einer vorbestimmten Frequenz, das von der Ansteuerschaltung 11 geliefert wird, wobei es mit der Frequenz schwingt und das Sensorsignal S10 in Reaktion auf eine physikalische Größe (beispielsweise Winkelgeschwindigkeit, Beschleunigung), die von außen einwirkt, ausgegeben wird. Das Sensorsignal S10 hat eine Frequenz, die einer Frequenz des Ansteuersignals Sdrv entspricht. Beispielsweise entspricht eine Mittelfrequenz des Sensorssignals S10 der Frequenz des Ansteuersignals Sdrv. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Sensorelement für eine physikalische Größe 10 ein Winkelgeschwindigkeitssensor in der Art einer Stimmgabel. Die Ansteuerschaltung 11 liefert das Ansteuersignal Sdrv zu dem Sensorelement 10, um das Sensorelement 10 in Schwingungen zu versetzen. Das Sensorelement 10 gibt ein Schwingungssignal Sosc in Reaktion auf die Schwingung aus. Die Ansteuerschaltung 11 stellt eine Frequenz und eine Amplitude des Ansteuersignals Sdrv in Reaktion auf das Schwingungssignal Sosc ein, das von dem Sensorelement 10 bereitgestellt wird. Die Erfassungsschaltung für eine physikalische Größe 12 erfasst eine physikalische Größe auf der Grundlage des Sensorsignals S10, das von dem Sensorelement 10 bereitgestellt wird.
-
Es wird nachfolgend die Ansteuerschaltung 11 detailliert beschrieben. 2 ist eine Blockansicht des Sensorelements für eine physikalische Größe 10 und der Ansteuerschaltung 11. Das Sensorelement 10 weist einen Stimmgabelkörper 10a, einen iezo-elektrischen Treiber Pdrv, einen piezo-elektrischen Schwingungsdetektor Posc und piezo-elektrische Winkelgeschwindigkeitsdetektoren PDa und PDb auf. Der piezo-elektrische Treiber Pdrv, der piezo-elektrische Schwingungsdetektor Posc und die piezo-elektrischen Winkelgeschwindigkeitsdetektoren PDa und PDb sind auf dem Stimmgabelkörper 10a vorgesehen. Der piezo-elektrische Treiber Pdrv versetzt den Stimmgabelkörper 10a auf die Frequenz und die Amplitude des Ansteuersignals Sdrv reagierend in Schwingung. Diese Schwingung bewirkt, dass der piezo-elektrische Schwingungsdetektor Posc elektrische Ladungen erzeugt, um dadurch das Schwingungssignal Sosc zu erzeugen.
-
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit einer Drehung auf den Stimmgabelkörper 10a einwirkt, während der Stimmgabelkörper 10a schwingt, verformt sich der Stimmgabelkörper 10a in Reaktion auf eine Coriolis-Kraft, die aufgrund der Winkelgeschwindigkeit der Drehung erzeugt wird. Die Verformung in Reaktion auf die Coriolis-Kraft, die durch die Windgeschwindigkeit der Drehung hervorgerufen wird, erzeugt elektrische Ladungen auf den piezo-elektrischen Winkelgeschwindigkeitsdetektoren PDa und PDb, wodurch das Sensorsignal S10 erzeugt wird.
-
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, weist die Ansteuerschaltung 11 einen Überwachungsverstärker 11a, einen Verstärker mit automatischer Verstärkungssteuerung (AGC) 11b und einen Ansteuerungsverstärkung 11c auf. Der Überwachungsverstärker 11a wandelt elektrische Ladungen (elektrischen Strom), d. h., das Schwingungssignal Sosc, das von dem Sensorelement für eine physikalische Größe 10 geliefert wird, in eine Spannung um und sendet die Spannung als Signal Smon an den AGC 11b. Der AGC11b verstärkt das Signal Smon und sendet die verstärkte Spannung als Signal Sagc an den Ansteuerungsverstärkung 11c. Der AGC 11b ändert eine Verstärkung, mit der das Signal Smon verstärkt wird, derart, dass eine Spannung des Signals Sagc, das an den Ansteuerungsverstärkung 11c gesendet wird, konstant bleiben kann. Der Ansteuerungsverstärkung 11c steuert eine Frequenz und eine Amplitude des Ansteuerungssignals Sdrv in Reaktion auf das Signal Sagc, das von dem AGC 11b geliefert wird. Wie zuvor erläutert ist, wird das Ansteuerungssignal Sdrv in Reaktion auf das Spannungssignal Sosc so eingestellt, dass eine maximale Schwingungsamplitude und eine Schwingungsfrequenz des Sensorelements für eine physikalische Größe 10 konstant bleiben.
-
Die Erfassungsschaltung für eine physikalische Größe 12 wird nachfolgend detailliert erläutert. Wie in 1 gezeigt ist, weist die Erfassungsschaltung 12 eine Signalformungsschaltung 101, einen Frequenzmultiplizierer 102, eine Signalerzeugungseinheit 100, einen Eingangsverstärker 103, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 105, einen Multiplizierer 115 und einen digitalen Filter 120 auf.
-
Die Signalformungsschaltung 101 wandelt das Schwingungssignal Sosc in ein Rechtecksignal um und gibt das Rechtecksignal als Referenztaktsignal CKref aus. Beispielsweise kann die Signalformungsschaltung 101 durch einen Komparator und einen Inverter implementiert werden. Die Frequenz des Referenztaktsignals CKref ist im Wesentlichen identisch zu der Frequenz des Ansteuerungssignals Sdrv, d. h., der Frequenz des Sensorsignals S10.
-
Der Frequenzmultiplizierer 102 multipliziert das Referenztaktsignal CKref, das von der Signalformungsschaltung 101 erhalten wird, wodurch ein multipliziertes Taktsignal CKx mit einer Frequenz erzeugt wird, die höher ist als diejenige des Referenztaktsignals CKref. Der Frequenzmultiplizierer 102 ist beispielsweise durch eine Phasenregelschleife (PLL) implementiert.
-
Der Eingangsverstärker 103 wandelt das Sensorsignal S10, das von dem Sensorelement für eine physikalische Größe 10 bereitgestellt wird, in eine Spannung um und gibt die Spannung als ein analoges Sensorsignal Asnc aus. Das Sensorsignal S10 enthält einen gewissen unnötigen Signalanteil. Beispielsweise ist in dem Sensorelement für eine physikalische Größe 10 die Richtung der von dem Ansteuerungssignal Sdrv hervorgerufenen Schwingung senkrecht zu der Richtung der Verformung in Reaktion auf die einwirkende physikalische Größe (beispielsweise Winkelgeschwindigkeit), die zu erfassen ist. Die Schwingung und die Verformung stören sich im Idealfall nicht. In der Realität stört jedoch die erzwungene Schwingung die Verformung, die in Reaktion auf die physikalische Größe erzeugt wird, aufgrund eines Fehlers bei Prozessen der Herstellung des Sensorelements für eine physikalische Größe 10, so dass es möglich ist, dass unnötige Signale, die zur Erfassung der physikalischen Größe unnötig sind, mit dem Sensorsignal S10 gemischt sind. Eine mechanische Kopplungsauslösch-(MCC)Einheit 104 addiert zu dem analogen Sensorsignal Asnc ein mechanisches Kopplungs-(MC)Signal, das erzeugt wird, indem die Phase des Ansteuerungssignals Sdrv eingestellt wird, wodurch zumindest ein Teil des unnötigen Signals, das in dem Signal Asnc enthalten ist, ausgelöscht wird, um das unnötige Signal zu reduzieren.
-
Der Analog-Digital-Wandler 105 tastet das analoge Sensorsignal Asnc ab, während es mit einem Abtasttaktsignal CKsp synchron ist, und wandelt den abgetasteten Amplitudenwert (analoger Wert) in einen digitalen Wert um. Dieser Schritt macht es möglich, dass das analoge Sensorsignal Asnc in ein digitales Sensorsignal Dsnc, das aus mehreren digitalen Werten gebildet ist, umgewandelt wird. Eine Amplitude des unnötigen Signals, das in dem Sensorsignal S10 enthalten ist, kann deutlich größer sein als eine Amplitude eines Signals, das der zu erfassenden physikalischen Größe entspricht. In diesem Falle wird das in dem analogen Sensorsignal Asnc enthaltene unnötige Signal, das dem Analog-Digital-Wandler 105 eingespeist wird, ausgelöscht, um einen dynamischen Bereich des Wandlers 105 in Bezug auf das Signal zu erweitern, das der physikalischen Größe entspricht, wodurch die physikalische Größe genauer erfasst wird.
-
Die Signalerzeugungseinheit 100 weist eine Sinus-Erzeugungseinheit 106, einen Temperatursensor 107, einen Tiefpassfilter (LPF) 108, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 109 und einen Speicher 110 auf.
-
Der Temperatursensor 107 erfasst eine Temperatur und gibt Temperaturdaten, die der erfassten Temperatur entsprechen, aus. Die Temperaturdaten durchlaufen den LPF 108 und werden dann durch den Wandler 109 in einen digitalen Wert umgewandelt. Die in das digitale Signal umgewandelten Temperaturdaten werden der Sinus-Erzeugungseinheit 106 jeweils in einer vorbestimmten Zeitspanne eingespeist. Der Speicher 110 speichert einen Korrekturbetrag, der den Temperaturdaten entspricht. Der Temperatursensor 107, der LPF 108, der Analog-Digital-Wandler 109 und der Speicher 110 bilden einen Korrekturbetrag-Generator 111.
-
3 ist eine Blockansicht der Sinus-Erzeugungseinheit 106.
-
Die Sinus-Erzeugungseinheit 106 weist eine Phasenberechnungseinheit 106a und einen Sinus-Generator 106d auf, und ist mit dem Korrekturbetrag-Generator 111 verbunden.
-
Die Phasenberechnungseinheit 106h berechnet eine Phase Φ1 auf der Grundlage des frequenz-multiplizierten Taktsignals CKx, das aus dem Frequenzmultiplizierer 102 erhalten wird, und ermittelt Korrekturkoeffizienten a1, a2 und a3, die Temperaturdaten Td, die von dem Temperatursensor 107 geliefert werden, entsprechen, um eine Phase Φ2 zu berechnen, die aus der Phase Φ1 auf der Grundlage der Korrekturkoeffizienten a1, a2 und a3 umgewandelt wird. Gemäß dieser Ausführungsform berechnet die Phasenberechnungseinheit 106a einen Korrekturbetrag Ad und die Phase Φ2 unter Verwendung der Gleichungen (1), die durch die Phase Φ1, die Temperaturdaten Td, und die Korrekturkoeffizienten a1, a2 und a3 festgelegt sind: Ad = a1 × Td2 + a2 × Td + a3
ϕ2 = ϕ1 + Ad (1)
-
Der Sinus-Generator 106d berechnet einen Amplitudenwert, der der Eingangsphase Φ2 entspricht, wodurch ein Erfassungssignal Ddet erzeugt wird, das ein Sinussignal bildet. Ein Berechnungsverfahren zur Bereitstellung einer Phase zur Erzeugung des Sensorsignals kann beispielsweise eine CORDIC-Berechnung anwenden.
-
Wie zuvor erläutert ist, wandelt die Signalerzeugungseinheit 100 die Phase Φ1 eines vorbestimmten Signals mit einer Frequenz, die der Frequenz des Sensorsignals S10 entspricht, in die Phase Φ2 um, und berechnet dann den Amplitudenwert, der der Phase Φ2 entspricht, um das Erfassungssignal Ddet zu erzeugen. Gemäß dieser Ausführungsform ist das vorbestimmte Signal das Schwingungssignal Sosc.
-
4 ist eine Blockansicht einer weiteren Sinus-Erzeugungseinheit 206 gemäß der Ausführungsform. In 4 werden Komponenten, die identisch zu der in 3 gezeigten Sinus-Erzeugungseinheit 106 sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Sinus-Erzeugungseinheit 206 weist einen Sinus-Generator 206d anstelle des Sinus-Generators 106d der Sinus-Erzeugungseinheit 106 auf.
-
Der Sinus-Generator 206d weist die Phasenberechnungseinheit 106a, eine Adressenberechnungseinheit 106b, einen Speicherabschnitt 106c und einen Signal-Generator 306d auf.
-
Die Phasenberechnungseinheit 106a berechnet die Phase Φ2 aus der Phase Φ1 auf der Grundlage des frequenz-multiplizierten Taktsignals CKx, das von dem Frequenzmultiplizierer 102 erhalten wird. Die Phasenberechnungseinheit 106a erhält aus dem Speicher 110 den Korrekturbetrag Ad, der den Temperaturdaten Td entspricht, die von dem Temperatursensor 107 bereitgestellt werden, und wandelt dann die Phase Φ1 auf der Grundlage des Korrekturbetrags Ad in die Phase Φ2 um, um die Phase Φ2 zu berechnen. Die Phasenberechnungseinheit 106a gibt dann die Phase Φ2 an die Adressenberechnungseinheit 106b aus.
-
Die Adressenberechnungseinheit
106b speichert Adressen, die Phasen zugeordnet sind. Tabelle 1 zeigt Werte der Phase, die in der Adressenberechnungseinheit
106b gespeichert sind, und Adressen, die den Werten der Phase entsprechen. TABELLE 1
| Phase (rad) | Adresse |
| 0,000 | 0 |
| 0,025 | 1 |
| 0,049 | 2 |
| 0,074 | 3 |
| 0,098 | 4 |
| 0,123 | 5 |
| 0,147 | 6 |
| ... | ... |
-
Die Adressenberechnungseinheit 106b wählt eine Adresse entsprechend der Phase Φ2, die von der Phasenberechnungseinheit 106a bereitgestellt wird, aus und gibt die ausgewählte Adresse an den Speicherabschnitt 106c aus. Genauer gesagt, die Adressenberechnungseinheit 106b wählt eine Adresse ad1 und eine Adresse ad2 aus den Werten der in Tabelle 1 gezeigten Phase aus, und gibt die Adressen an den Speicherabschnitt 106c aus. Die Adresse ad1 entspricht aus den Werten, die kleiner als die Phase Φ2 sind, dem der Phase Φ2 nächstgelegenen Wert. Die Adresse ad2 entspricht von den Werten, die größer als die Phase Φ2 sind, dem Wert, der der Phase Φ2 am nächsten liegt. Wenn beispielsweise die Phasenberechnungseinheit 106a die Phase Φ2 zu 0,06 (rad) berechnet, wählt die Adressenberechnungseinheit 106b die Adresse „2” aus den in Tabelle 1 gezeigten Werte, der kleiner als 0,06 (rad) ist und am nächsten zum Wert 0,06 (rad) liegt, und die Adresse „3” der aus den in Tabelle 1 gezeigten Werten, die größer als 0,06 (rad) sind, und am nächsten zu 0,06 (rad) liegt aus, und gibt dann die ausgewählten Adressen an den Speicherabschnitt 106c aus.
-
Wenn die Adressenberechnungseinheit 106b die Adressen ad1 und ad2 an den Speicherabschnitt 106c ausgibt, gibt die Adressenberechnungseinheit 106b eine Adresse ad0 entsprechend der Phase Φ2 an den Signalgenerator 306d aus. Genauer gesagt, wie in Tabelle 1 gezeigt ist, sind die Adressen proportional zu den Phasen, d. h., eine lineare Abhängigkeit zwischen der Phase und der Adresse ermöglicht die Berechnung der Adresse ad0 entsprechend der Phase Φ2 unter Verwendung der folgenden Gleichung (2): ad0 = ϕ2 × 1 / Ph (2).
-
Der Phasenschritt Ph ist ein Phaseninkrement von einer Phase, die einer Adresse entspricht, zu einer Phase, die der nächsten Phase entspricht.
-
Der Phasenschritt Ph, der ein Phaseninkrement in Bezug auf die in Tabelle 1 gezeigten Adressen ist, beträgt 2π/256. Folglich wird in dem Falle, dass die Phase Φ2 gleich 0,06 (rad) ist, die Adresse ad0 berechnet zu: ad0 = 0,06 × (256/2π) = 2,4446.
-
Der Speicherabschnitt
106c speichert Adressenwerte und Daten einer Amplitude gemäß den Adressenwerten. Tabelle 2 zeigt die Adressenwerte und die Daten, die den Adressenwerten entsprechen, die in dem Speicherabschnitt
106c gespeichert sind. TABELLE 2
| Adresse | Adresse |
| 0 | 0,000 |
| 1 | 0,025 |
| 2 | 0,049 |
| 3 | 0,074 |
| 4 | 0,098 |
| 5 | 0,122 |
| 6 | 0,147 |
| ... | ... |
-
Der Speicherabschnitt 106c gibt an den Signalgenerator 306d Daten1 und Daten2, die den Adressen ad1 und ad2 entsprechen, aus, die von der Adressenberechnungseinheit 106d bereitgestellt werden. Wenn beispielsweise als Eingabe die Adresse „2” und „3” ausgewählt sind, gibt der Speicherabschnitt 106c Daten „0,0049” aus, die der Adresse „2” entsprechen, und gibt die Daten „0,0074”, die der Adresse „3” entsprechen, an den Signalgenerator 306d aus.
-
Auf der Grundlage der Adressen ad0, ad1 und ad2, die von der Adressenberechnungseinheit 106b bereitgestellt werden, und den Daten1 und Daten2, die von dem Speicherabschnitt 106c bereitgestellt werden, kann der Signalgenerator 306d das Erfassungssignal Ddet berechnen, das ein Sinussignal bildet, wobei Gleichung (3) verwendet wird: Ddet = data1 + (ad0 – ad1) × (data2 – data1) (3).
-
Der Multiplizierer 115 multipliziert das digitale Sensorsignal Dsnc mit dem Erfassungssignal Ddet. Das digitale Sensorsignal Ssnc wird von dem Analog-Digital-Wandler 105 bereitgestellt, während das Signal Ddet von der Sinus-Erzeugungseinheit 106 (206) erzeugt wird. Diese Multiplikation erfasst ein Signal einer physikalischen Größe, die der physikalischen Größe entspricht, die von dem Sensorelement für eine physikalische Größe 10 erfasst wird.
-
Der digitale Filter 120 lässt lediglich eine Niederfrequenzkomponente des Signals der physikalischen Größe, das durch den Multiplizierer 115 erfasst wird, durch, um ein Rauschen zu entfernen. Die Niederfrequenzkomponente durchläuft den digitalen Filter 120 als ein digitales Erfassungssignal Dphy.
-
Der zuvor erläuterte Aufbau ermöglicht es, dass ein Sinussignal mit beliebiger Phase berechnet wird, so dass die Phase eines Erfassungssignals in genauer Weise durch Berechnung ohne Erhöhung einer Taktfrequenz eingestellt werden kann. Diese genaue Phaseneinstellung wird nicht durch eine Einstellung des Erfassungssignals oder des Signals einer physikalischen Größe durch Echtzeitaufbereitung erreicht. Dieses Einstellungsverfahren beruht auf einer analogen Größe oder einem Taktsignal. Andererseits kann ein Umgebungsparameter, etwa die Temperatur, in der Phasenberechnung mit eingeschlossen werden, und die Verwendung eines Sensorsignals mit einer korrekt eingestellten Phase als ein Erfassungssignal, das mit einem zu erfassenden Signal multipliziert ist, ermöglicht die Ausführung der Erfassung. Somit kann ein genauer und kostengünstiger Sensor für eine physikalische Größe 1 erhalten werden, ohne dass die Leistungsaufnahme und eine Schaltungsgröße zunehmen.
-
Die Signalverarbeitungsschaltung, die in der PTL 1 offenbar ist, erfordert eine Phaseneinstellung zwischen einem digitalen Sensorsignal und einem digitalen Sinussignal in minimalen Schritten an Daten des digitalen Sensorsignals, um in genauerer Weise die Daten (digitalen Wert) zu verarbeiten, die von einer Analog-Digital-Wandlerschaltung erhalten werden. Anders ausgedrückt, eine Auflösung (minimale Größe) einer Phaseneinstellung kann nicht kleiner als eine Abtastperiode einer Analog-Digital-Wandlerschaltung sein, so dass die Abtastfrequenz der Analog-Digital-Wandlerschaltung angehoben wird, um die Genauigkeit der Phaseneinstellung zu verbessern. Jedoch erfordert die höhere Abtastfrequenz eine größere Schaltungsgröße und eine höhere Leistungsaufnahme.
-
Die Form des Sensorelements für eine physikalische Größe 10 gemäß der Ausführungsform ist nicht auf die Form einer Stimmgabel beschränkt, sondern sie kann eine andere Form haben, etwa die Form einer kreisförmigen Säule, die Form einer Säule als reguläres Dreieck, die Form einer Säule als reguläres Viereck, oder eine Ringform.
-
5 ist eine Blockansicht eines weiteren Sensors für eine physikalische Größe 201 gemäß der Ausführungsform. In 5 sind Komponenten, die identisch sind zu denen des in 1 und 2 gezeigten Sensors für eine physikalische Größe 1, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Sensor für eine physikalische Größe 201 umfasst ein Sensorelement für eine physikalische Größe 210 anstelle des Sensorelements 10 des Sensors für eine physikalische Größe 1, der in 1 und 2 gezeigt ist. Das Sensorelement für eine physikalische Größe 210 ist ein Beschleunigungssensor des kapazitiven Typs und weist einen fixierten Abschnitt 10b, einen beweglichen Abschnitt 10c, bewegliche Elektroden Pma1 und Pmb1, Erfassungselektroden Pfa und Pfb und einen Differenzverstärker auf. Der bewegliche Abschnitt 10c ist mit dem fixierten Abschnitt 10b so verbunden, dass er sich in Reaktion auf eine Beschleunigung bewegt. Die beweglichen Elektroden Pma1 und Pmb1 sind auf dem beweglichen Abschnitt 10c angeordnet. Die Erfassungselektroden Pfa und Pfb sind auf dem fixierten Abschnitt 10b so angeordnet, dass sie entsprechend jeweils der beweglichen Elektrode Pma1 und Pmd1 zugewandt sind. Die bewegliche Elektrode Pma1 und die Erfassungselektrode Pfa, die einander zugewandt sind, bilden ein kapazitives Element Ca. Die bewegliche Elektrode Pmb1 und die Erfassungselektrode Pfb, die einander zugewandt sind, bilden ein kapazitives Element Cb. Die kapazitiven Elemente Ca und Cb empfangen das Ansteuerungssignal Sdrv aus der Ansteuerschaltung 11. Der Differenzverstärker gibt das Sensorsignal S10 aus, das einer Differenz zwischen elektrischen Ladungen entspricht, die auf den Erfassungselektroden Pfa und Pfb erzeugt werden. Eine auf das Sensorelement für eine physikalische Größe 210 einwirkende Beschleunigung lenkt den beweglichen Abschnitt 10c aus, wodurch die Kapazität eines der kapazitiven Elemente Ca und Cb vergrößert und die Kapazität des anderen der kapazitiven Elemente Ca und Cb verkleinert wird. Dieser Vorgang erzeugt eine Differenz zwischen den elektrischen Ladungen, die auf den Erfassungselektroden Pfa und Pfb erzeugt werden, und gibt das Sensorsignal S10 als Ausgabe aus, das der Differenz entspricht.
-
6 ist eine Blockansicht eines noch weiteren Sensors für eine physikalische Größe 301 gemäß der Ausführungsform. In 6 sind Komponenten, die denjenigen des in 1 und 2 gezeigten Sensor für eine physikalische Größe 1 entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Sensor für eine physikalische Größe 301 umfasst ein Sensorelement für eine physikalische Größe 310 anstelle des Sensorelements 10 des in 1 und 2 gezeigten Sensors für eine physikalische Größe 1. Das Sensorelement 310 ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor des kapazitiven Typs und umfasst einen beweglichen Abschnitt 10c, Ansteuerelektroden Pma2 und Pmb2, und Erfassungselektroden Pfa und Pfb. Der bewegliche Abschnitt 10c und die Ansteuerelektroden Pma2 und Pmb2 sind entlang einer Richtung 301a so angeordnet, dass der bewegliche Abschnitt 10c zwischen den Ansteuerelektroden Pma2 und Pmb2 angeordnet ist. Der bewegliche Abschnitt 10c und die Erfassungselektroden Pfa und Pfb sind entlang einer Richtung 301b, die senkrecht zu der Richtung 301a verläuft, so angeordnet, dass der bewegliche Abschnitt 10c zwischen den Erfassungselektroden Pfa und Pfb angeordnet ist. Die Erfassungselektrode Pfa und der bewegliche Abschnitt 10c bilden ein kapazitives Element Ca mit einer Kapazität, und die Erfassungselektrode Pfb und der bewegliche Abschnitt 10c bilden ein kapazitives Element Cb mit einer Kapazität. Das Ansteuerungssignal Sdrv, das von der Ansteuerschaltung 11 bereitgestellt wird, bewirkt, dass der bewegliche Abschnitt 10c entlang der Richtung 301a eine ansteuernde Schwingung ausführt. Während der bewegliche Abschnitt 10c schwingt, wird eine Drehbewegung auf das Sensorelement für eine physikalische Größe 310 ausgeübt, so dass der bewegliche Abschnitt 10c eine Schwingung für die Erfassung entlang der Richtung 301b in Reaktion auf eine Coriolis-Kraft ausführt, die durch die Drehbewegung hervorgerufen wird. Diese Schwingung zur Erfassung bzw. Detektierung erhöht die Kapazität eines der kapazitiven Elemente Ca und Cb und verringert die Kapazität des anderen der kapazitiven Elemente Ca und Cb. Dieser Vorgang ruft eine Differenz zwischen elektrischen Ladungen hervor, die auf den Erfassungselektroden Pfa und Pfb erzeugt werden, so dass das Sensorsignal S10 entsprechend dieser Differenz ausgegeben wird.
-
7 ist eine Blockansicht eines weiteren Sensors für eine physikalische Größe 401 gemäß der Ausführungsform. In 7 sind Komponenten, die identisch sind zu denjenigen des in 1 gezeigten Sensors für eine physikalische Größe, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Sensor für eine physikalische Größe 401 umfasst einen Abwärts-Abtast-Prozessor 120a, der in einer hinteren Stufe eines Analog-Digital-Wandlers 105 vorgesehen ist. Der Abwärts-Abtast-Prozessor 120a umfasst einen Dezimationsfilter und reduziert eine Abtastfrequenz des digitalen Sensorsignals Dsnc, indem digitale Werte aus dem digitalen Sensorsignal Dsnc verkleinert werden, wodurch eine Abtastfrequenz des digitalen Erfassungssignals Dphy verringert wird, das dem digitalen Filter 120 zuzuführen ist. Folglich können eine Schaltungsgröße und eine Leistungsaufnahme des digitalen Filters 120 reduziert werden.
-
8 ist eine Blockansicht eines weiteren Sensors für eine physikalische Größe 501 gemäß der Ausführungsform. In 8 sind Komponenten, die identisch sind zu denjenigen des in 1 gezeigten Sensors für eine physikalische Größe 1, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Ansteuerschaltung 11 des Sensors 501 umfasst einen Bandpassfilter (BPF) 11d, der zwischen dem Überwachungsverstärker 11a und dem AGC 11b vorgesehen ist. Das Ansteuerungssignal Sdrv, das der Signalformungsschaltung 101 zugeführt wird, kann aus einer vorhergehenden Stufe des BPF 11d oder von einer späteren Stufe erhalten werden.
-
9 ist eine Blockansicht eines weiteren Sensors für eine physikalische Größe 601 gemäß der Ausführungsform. In 9 sind Komponenten, die identisch sind zu denen des in 1 gezeigten Sensors für eine physikalische Größe 1, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Wie zuvor erläutert ist, kann gegebenenfalls ein Teil der unnötigen Signale in dem analogen Sensorsignal Asnc verbleiben, obwohl der MCC 104 unnötige Signale, die in dem analogen Sensorsignal Asnc enthalten sind, reduziert. In diesem Falle enthält das digitale Sensorsignal Dsnc die verbleibenden unnötigen Signale. Der in 9 gezeigte Sensor für eine physikalische Größe 601 reduziert die unnötigen Signale, die in dem Signal Dsnc enthalten sind. Der Sensor 601 enthält einen Auslöschabschnitt für ein unnötiges Signal 151, der zwischen dem ADC 105 und dem Multiplizierer 115 vorgesehen ist. Auf der Grundlage des Schwingungssignals Sosc, das ein vorbestimmtes Signal ist, erzeugt die Sinus-Erzeugungseinheit 106 der Signalerzeugungseinheit 100 ein digitales Auslöschungssignal Duc, und der Auslöschabschnitt für unnötige Signale 151 addiert das digitale Auslöschungssignal Duc zu dem digitalen Sensorsignal Dsnc hinzu, wodurch zumindest einen Teil der unnötigen Signale, die in dem digitalen Sensorsignal Dsnc enthalten sind, ausgelöscht wird, um die unnötigen Signale zu reduzieren.
-
Die Sinus-Erzeugungseinheit 106 erzeugt das Erfassungssignal Ddet, das dem Multiplizierer 115 zugeleitet wird, als das digitale Auslöschungssignal Duc, oder erzeugt das Signal Duc durch Verschieben einer Phase des Erfassungssignals Ddet.
-
10 ist eine Blockansicht der Sinus-Erzeugungseinheit 306 des Sensors für eine physikalische Größe 601, der in 9 gezeigt ist. In 10 sind Komponenten, die identisch zu jenen der in 3 (4) gezeigten Sinus-Erzeugungseinheit 106 sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Sinus-Erzeugungseinheit 306 umfasst einen Signalgenerator 406d zusätzlich zu den strukturellen Elementen der Sinus-Erzeugungseinheit 106 (206), die in 3 (4) gezeigt ist. Der Signalgenerator 406d erzeugt das digitale Auslöschungssignal Duc auf der Grundlage der Phase Φ2, die von der Phasenberechnungseinheit 106a bereitgestellt wird, und gibt das digitale Auslöschungssignal Duc an den Multiplizierer 115 aus. Die Sinus-Erzeugungseinheit 306 kann die Signalform des digitalen Auslöschungssignals Duc in eine andere Form als die Sinusform des Erfassungssignals Ddet hinsichtlich Phase, Frequenz und Signalform ändern, so dass die unnötigen Signale, die in dem digitalen Sensorsignal Dsnc enthalten sind, das von dem ADC 105 bereitgestellt wird, effizienter reduziert werden können.
-
11 ist eine Blockansicht eines weiteren Sensors für eine physikalische Größe 701. In 11 sind Komponenten, die identisch zu denen des in 9 gezeigten Sensors für eine physikalische Größe 601 sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Sensor für eine physikalische Größe 701 umfasst ferner eine Auslöschungssignal-Erzeugungseinheit 606, die das digitale Auslöschungssignal Duc auf der Grundlage von Temperaturdaten Td und einem Korrekturkoeffizienten erzeugt, der von dem Korrekturbetrag-Generator 111 bereitgestellt wird. Der Korrekturkoeffizient, der der Auslöschungssignal-Erzeugungseinheit 606 zugeleitet wird, kann sich von den Korrekturkoeffizienten a1, a2 und a3, die der Sinus-Erzeugungseinheit 106 (206) zugeleitet werden, unterscheiden. Die Auslöschungssignal-Erzeugungseinheit 606 kann die Frequenz, Phase und Signalform des digitalen Auslöschungssignals Duc so gestalten, dass sie sich von dem Erfassungssignal Ddet unterscheiden, wodurch die unnötigen Signale, die in dem digitalen Sensorsignal Dsnc enthalten sind, das von dem ADC 105 ausgegeben wird, deutlich reduziert werden.
-
12 ist eine Blockansicht einer elektronischen Einrichtung 70, wobei der Sensor für eine physikalische Größe 1 (401, 501, 601 oder 701) gemäß der Ausführungsform daran montiert ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Sensor für eine physikalische Größe 1 (401, 501, 601 oder 701) ein Winkelgeschwindigkeitssensor. Die elektronische Einrichtung 70 ist beispielsweise eine digitale Kamera und weist den Sensor für eine physikalische Größe 1 (401, 501, 601 oder 701), einen Anzeigeabschnitt 71, einen Verarbeitungsabschnitt 72, etwa eine CPU, einen Speicher 73 und einen Bedienabschnitt 74 auf.
-
Der Sensor für eine physikalische Größe 1 (401, 501, 601 oder 701) umfasst das Sensorelement für eine physikalische Größe 10, die Ansteuerschaltung 11 und die Erfassungsschaltung für eine physikalische Größe 12, wie in 1 oder anderen Zeichnungen gezeigt. Der Sensor für eine physikalische Größe 1 hat ausgezeichnete Eigenschaften, etwa eine kompakte Größe, eine geringe Leistungsaufnahme und eine hohe Genauigkeit. Die elektronische Einrichtung 70 (beispielsweise Video-Kamera oder digitale Kamera für unbewegte Bilder) mit dem Sensor für eine physikalische Größe 1 (401, 501, 601 oder 701) kann somit eine geringe Größe, eine geringe Leistungsaufnahme haben und kann eine Kamera-Erschütterung in genauer Weise korrigieren.
-
Der Sensor für eine physikalische Größe 1 (401, 501, 601 oder 701) gemäß der Ausführungsform verbessert somit das Leistungsverhalten der elektronischen Einrichtung 70, die nicht nur die Digitalkamera sein kann, sondern auch ein Fahrzeugnavigationssystem, ein Fahrzeug, ein Luftfahrzeug oder ein Roboter.
-
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
-
Eine Erfassungsschaltung für eine physikalische Größe gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Genauigkeit der Phasenjustierung verbessern, ohne dass eine Abtastfrequenz erhöht wird, und ist für einen Sensor für eine physikalische Größe zweckdienlich (beispielsweise einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Typs mit Stimmgabel, einen Beschleunigungssensor des elektrostatischen Typs), der beispielsweise in mobilen Einrichtungen, Mobiltelefonen, digitalen Kameras und Spiele-Konsolen verwendet wird.
-
-
Bezugszeichenliste
-
- 1, 201, 301, 401, 501, 601
- Sensor für eine physikalische Größe
- 10
- Sensorelement für eine physikalische Größe
- 11
- Ansteuerschaltung
- 12
- Erfassungsschaltung für eine physikalische Größe
- 70
- Elektronische Einrichtung
- 100
- Signalerzeugungseinheit
- 105
- Analog-Digital-Wandler
- 106
- Sinus-Erzeugungseinheit
- 107
- Temperaturdetektor
- 110
- Speicherabschnitt
- 111
- Korrekturbetrag-Generator
- 115
- Multiplizierer
- 151
- Auslöschungsabschnitt für unnötige Signale
