JP2001153659A - Angular velocituy sensor - Google Patents

Angular velocituy sensor

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JP2001153659A
JP2001153659A JP33743799A JP33743799A JP2001153659A JP 2001153659 A JP2001153659 A JP 2001153659A JP 33743799 A JP33743799 A JP 33743799A JP 33743799 A JP33743799 A JP 33743799A JP 2001153659 A JP2001153659 A JP 2001153659A
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Japan
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sensor element
capacitance
angular velocity
sensor
detection
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JP33743799A
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Japanese (ja)
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Shiyougo Yoshino
彰悟 吉野
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an angular velocity sensor using a sensor element having an electrostatic capacity varied depending on an applied angular velocity, which has high detection precision with little dispersion of sensitivity and is manufacturable at a low cost. SOLUTION: This angular velocity sensor 50 comprises a sensor element 10 having an output end part 38 whose electrostatic capacity is varied depending on an applied angular velocity. An electrostatic capacity detecting circuit 52 consisting of an operational amplifier 54, a feedback resistance 56 and a reference voltage source 58 is connected to the output end 38 of the sensor element 10. The output end of the electrostatic capacity detecting circuit 52 for applying the voltage equal to the reference voltage source 58 to the output end 38 of the sensor element 10 as bias voltage by the imaginary short circuit of the operational amplifier 54 is connected to an AC amplifier 60, and further connected to a synchronous wave detecting circuit 62 and a low pass filter 64.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は角速度センサに関
し、特にたとえば、印加された角速度によって静電容量
が変化する静電容量型の角速度センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity sensor, and more particularly to, for example, a capacitance type angular velocity sensor whose capacitance changes according to an applied angular velocity.

【0002】[0002]

【従来の技術】図5は、従来の角速度センサに用いられ
るセンサ素子の一例を示す斜視図である。センサ素子1
0は、単結晶シリコン材料などで形成された基板12を
含む。基板12上には、略矩形状の振動子14が形成さ
れる。振動子14の4つの端部からは、支持梁16が延
びて形成される。支持梁16は折り曲げられて、その先
端部が基板12に固定される。
2. Description of the Related Art FIG. 5 is a perspective view showing an example of a sensor element used in a conventional angular velocity sensor. Sensor element 1
0 includes a substrate 12 formed of a single crystal silicon material or the like. A substantially rectangular vibrator 14 is formed on the substrate 12. Support beams 16 extend from four ends of the vibrator 14. The support beam 16 is bent, and its tip is fixed to the substrate 12.

【0003】振動子14の一方の対向端部には、それぞ
れくし歯状の駆動用可動電極18,20が形成される。
このような駆動用可動電極18,20に対向して、入力
端22,24が形成される。この入力端22,24から
は、くし歯状の駆動用固定電極26,28が延びるよう
に形成され、駆動用可動電極18,20と噛み合うよう
に配置される。これらの駆動用可動電極18と駆動用固
定電極26とによって一方の駆動用電極30が形成さ
れ、駆動用可動電極20と駆動用固定電極28とによっ
て他方の駆動用電極32が形成される。これらの駆動用
電極30,32に駆動信号を入力するために、入力端2
2,24が用いられる。
[0003] Comb-shaped driving movable electrodes 18 and 20 are formed at one opposing end of the vibrator 14, respectively.
Input terminals 22 and 24 are formed to face the movable electrodes 18 and 20 for driving. From the input ends 22 and 24, comb-shaped fixed electrodes 26 and 28 for driving are formed to extend, and are arranged so as to mesh with the movable electrodes 18 and 20 for driving. The driving movable electrode 18 and the driving fixed electrode 26 form one driving electrode 30, and the driving movable electrode 20 and the driving fixed electrode 28 form the other driving electrode 32. In order to input a drive signal to these drive electrodes 30 and 32, an input terminal 2
2, 24 are used.

【0004】さらに、振動子14の他方の対向端部に
は、検出用可動電極34,36が形成される。このよう
な検出用可動電極34,36に対向して、出力端38,
40が形成される。この出力端38,40からは、検出
用可動電極34,36と噛み合うようにして、検出用固
定電極42,44が延びるように形成される。これらの
検出用可動電極34と検出用固定電極42とによって一
方の検出用電極46が形成され、検出用可動電極36と
検出用固定電極44とによって他方の検出用電極48が
形成される。これらの検出用電極46,48から検出信
号を出力するために、出力端38,40が用いられる。
Further, detection movable electrodes 34 and 36 are formed at the other facing end of the vibrator 14. Opposite to the movable electrodes for detection 34, 36, the output terminals 38,
40 are formed. From the output ends 38 and 40, detection fixed electrodes 42 and 44 are formed to extend so as to mesh with the detection movable electrodes 34 and 36, respectively. The detection movable electrode 34 and the detection fixed electrode 42 form one detection electrode 46, and the detection movable electrode 36 and the detection fixed electrode 44 form the other detection electrode 48. Output terminals 38 and 40 are used to output detection signals from these detection electrodes 46 and 48.

【0005】このセンサ素子10では、入力端22,2
4に交流電圧を印加することにより、駆動用可動電極1
8と駆動用固定電極26との間および駆動用可動電極2
0と駆動用固定電極28との間に静電力が発生し、この
静電力によって振動子14が入力端22,24を結ぶ向
きに振動する。振動子14が振動している状態におい
て、基板12の面に直交する軸を中心とした角速度が印
加されると、振動子14の振動方向に直交する向き、す
なわち出力端38,40を結ぶ向きにコリオリ力が発生
する。このコリオリ力によって、振動子14は出力端3
8,40を結ぶ向きに振動する。それにより、検出用可
動電極34と検出用固定電極42との間の間隔および検
出用可動電極36と検出用固定電極44との間の間隔が
変化し、検出用電極46,48の静電容量が変化する。
このような静電容量の変化は、コリオリ力による振動子
14の振動変化に対応しているため、検出用電極46,
48の静電容量の変化を測定することにより、印加され
た角速度を検出することができる。
In this sensor element 10, input terminals 22, 2
4 by applying an AC voltage to the driving movable electrode 1.
8 and the driving fixed electrode 26 and the driving movable electrode 2
An electrostatic force is generated between 0 and the driving fixed electrode 28, and the vibrator 14 vibrates in a direction connecting the input terminals 22 and 24 by the electrostatic force. When an angular velocity about an axis perpendicular to the surface of the substrate 12 is applied while the vibrator 14 is vibrating, a direction perpendicular to the vibration direction of the vibrator 14, that is, a direction connecting the output ends 38 and 40 is applied. Generates a Coriolis force. Due to this Coriolis force, the vibrator 14 causes the output end 3
Vibrates in the direction connecting 8,40. As a result, the distance between the detection movable electrode 34 and the detection fixed electrode 42 and the distance between the detection movable electrode 36 and the detection fixed electrode 44 change, and the capacitance of the detection electrodes 46 and 48 changes. Changes.
Such a change in capacitance corresponds to a change in vibration of the vibrator 14 due to Coriolis force.
By measuring the change in the capacitance at 48, the applied angular velocity can be detected.

【0006】このような検出用電極46,48の静電容
量の変化を検出するために、たとえば図6に示すよう
に、駆動用交流電源1が入力端22に接続される。さら
に、出力端38には、静電容量検出回路2が接続され
る。ここで、静電容量検出回路2は、JFET3を含
み、JFET3のゲートに出力端38が接続される。ま
た、JFET3のゲートは、ゲート抵抗4を介してJF
ET3のソースに接続される。さらに、JFET3のソ
ースはソース抵抗5を介して接地され、ドレインには電
源電圧Vddが接続される。ここで、ゲート抵抗4は、
ほとんど電流を通さない高抵抗であり、概ね10MΩ〜
1GΩである。また、振動子14は、支持梁16を介す
ることで接地されている。この静電容量検出回路1で
は、JFET3のドレインに電源電圧Vddが接続され
ると、ソース抵抗5とドレイン電流Idとで発生したソ
ース電圧Vsが、ゲート抵抗4によってJFET3のゲ
ートにも印加され、検出用電極46の自己バイアス電圧
Vbとなる。
In order to detect such a change in the capacitance of the detection electrodes 46 and 48, the driving AC power supply 1 is connected to the input terminal 22, for example, as shown in FIG. Further, the capacitance detection circuit 2 is connected to the output terminal 38. Here, the capacitance detection circuit 2 includes the JFET 3, and the output terminal 38 is connected to the gate of the JFET 3. The gate of JFET 3 is connected to JF
Connected to the source of ET3. Further, the source of the JFET 3 is grounded via the source resistor 5, and the drain is connected to the power supply voltage Vdd. Here, the gate resistance 4 is
High resistance that hardly passes current, approximately 10MΩ ~
1 GΩ. The vibrator 14 is grounded via a support beam 16. In the capacitance detection circuit 1, when the power supply voltage Vdd is connected to the drain of the JFET 3, the source voltage Vs generated by the source resistance 5 and the drain current Id is also applied to the gate of the JFET 3 by the gate resistance 4, It becomes the self-bias voltage Vb of the detection electrode 46.

【0007】センサ素子10の検出用電極46の静電容
量変化を静電容量検出回路2で検出する原理が、図7に
示されている。JFET3のゲートは、通常入力インピ
ーダンスが高く、ほとんど電流の入出力がない。一方、
ゲート抵抗4によって、わずかではあるが、JFET3
からの電荷の流入は許されている。これにより、電源投
入から一定時間が経過すると、JFET3のゲートはソ
ース電圧Vsと同じ電圧にバイアスされる。しかしなが
ら、ゲート抵抗4は高抵抗であり、電荷の出入りは制限
されている。
FIG. 7 shows the principle of detecting a change in the capacitance of the detection electrode 46 of the sensor element 10 by the capacitance detection circuit 2. The gate of the JFET 3 usually has a high input impedance and hardly any current input / output. on the other hand,
Due to the gate resistance 4, JFET3
Charge is allowed to flow in. As a result, the gate of the JFET 3 is biased to the same voltage as the source voltage Vs after a certain time has elapsed since the power-on. However, the gate resistor 4 has a high resistance, and the entrance and exit of electric charges are restricted.

【0008】センサ素子10の検出用電極46の静電容
量Cにバイアス電圧Vbが印加されると、静電容量には
次式で表される電荷Qが蓄積される。 Q=CVb ・・・(1) ここで、角速度が印加されることにより、コリオリ力が
働き、静電容量が変化すると、電荷の出入りが制限され
ているため、静電容量に蓄積された電荷量は、素早く追
従することができない。したがって、電荷量が初期状態
で保持されるので、(1)式が成立するように、たとえ
ば静電容量Cが大きくなればゲート電圧Vbが小さくな
るというように、次式のようにゲート電圧が変化する。 Q=ΔCΔVb=一定 ・・・(2) ゲート電圧が変化すると、JFET3を流れるドレイン
電流Idが変化する。これにより、次式に示すように、
JFET3のソース電圧Vsが変化する。 ΔVs=ΔIdRs ・・・(3) ここで、Rsは、ソース抵抗5の抵抗値である。
When a bias voltage Vb is applied to the capacitance C of the detection electrode 46 of the sensor element 10, a charge Q represented by the following equation is accumulated in the capacitance. Q = CVb (1) Here, when the angular velocity is applied, Coriolis force acts, and when the capacitance changes, the inflow and outflow of the charge are restricted. The quantity cannot follow quickly. Therefore, since the charge amount is held in the initial state, the gate voltage is reduced as shown in the following equation so that the equation (1) is satisfied, for example, the gate voltage Vb decreases as the capacitance C increases. Change. Q = ΔCΔVb = constant (2) When the gate voltage changes, the drain current Id flowing through the JFET 3 changes. Thus, as shown in the following equation,
The source voltage Vs of JFET3 changes. ΔVs = ΔIdRs (3) Here, Rs is a resistance value of the source resistor 5.

【0009】このようにして、静電容量の変化は電圧変
化に変換される。なお、(1)〜(3)式より、センサ
の感度を大きくするためには、初期に蓄積される電荷量
を大きくすればよいことがわかり、そのためには、検出
用電極46の初期容量あるいはバイアス電圧Vbを大き
くすればよいことがわかる。
In this manner, a change in capacitance is converted into a change in voltage. From equations (1) to (3), it can be seen that the sensitivity of the sensor can be increased by increasing the amount of charge initially accumulated. It can be seen that the bias voltage Vb should be increased.

【0010】センサ素子10に印加された角速度を検出
するためには、静電容量検出回路2で静電容量から変換
された電圧が、図6に示すように、ACアンプ6で適当
な信号レベルまで増幅される。そして、ACアンプ6の
出力が、同期検波回路7によって、振動子の振動周波数
に合わせて同期検波される。さらに、同期検波回路7の
出力が、ローパスフィルタ8を経由してセンサ出力とな
り、センサ素子10に印加された角速度に応じた直流電
圧として出力される。
In order to detect the angular velocity applied to the sensor element 10, the voltage converted from the capacitance by the capacitance detection circuit 2 is applied to the AC amplifier 6 as shown in FIG. It is amplified until. Then, the output of the AC amplifier 6 is synchronously detected by the synchronous detection circuit 7 in accordance with the vibration frequency of the vibrator. Further, the output of the synchronous detection circuit 7 becomes a sensor output via the low-pass filter 8, and is output as a DC voltage corresponding to the angular velocity applied to the sensor element 10.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな角速度センサでは、JFETのドレイン電流の個体
差が非常に大きく、これにより自己バイアス電圧が大き
くばらつくことになる。そのため、検出用電極に印加さ
れるバイアス電圧がばらつき、センサの感度のばらつき
の原因となっていた。
However, in such an angular velocity sensor, the individual difference in the drain current of the JFET is very large, and the self-bias voltage greatly varies. For this reason, the bias voltage applied to the detection electrode varies, causing a variation in the sensitivity of the sensor.

【0012】また、2つの検出用電極を用いて角速度を
検出する場合、JFETの個体差により各検出用電極に
感度のばらつきが生じ、センサの角速度検出確度を悪化
させるという問題があった。また、外部からの不要な振
動によって発生した静電容量変化に対しては、同相除去
すべきところが、2つの出力端での感度差により残差信
号が残り、検出確度を悪化させるという問題があった。
このような問題を解決するためには、感度差を調整する
ための回路を別に用意する必要があり、コストアップに
つながる。
Further, when the angular velocity is detected by using two detection electrodes, there is a problem that the sensitivity of each detection electrode varies due to the individual difference of the JFET, thereby deteriorating the angular velocity detection accuracy of the sensor. Also, with respect to a change in capacitance caused by unnecessary external vibration, there is a problem that the in-phase should be removed, but a residual signal remains due to a sensitivity difference between the two output terminals, thereby deteriorating detection accuracy. Was.
In order to solve such a problem, it is necessary to separately prepare a circuit for adjusting the sensitivity difference, which leads to an increase in cost.

【0013】それゆえに、この発明の主たる目的は、感
度ばらつきが小さく、検出確度が高く、安価に製造する
ことができる、角速度センサを提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is, therefore, a primary object of the present invention to provide an angular velocity sensor that has small sensitivity variations, high detection accuracy, and can be manufactured at low cost.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】この発明は、印加された
角速度によってその静電容量が変化するセンサ素子と、
センサ素子の静電容量の変化を検出するための静電容量
検出回路とを含む角速度センサにおいて、静電容量検出
回路は、センサ素子の出力端が反転入力端に接続される
オペアンプと、オペアンプの出力端と反転入力端との間
に接続される帰還抵抗と、オペアンプの非反転入力端に
接続される基準電圧源とを含み、オペアンプのイマジナ
リショートによってセンサ素子の出力端に基準電圧源と
等しい電圧が印加されるようにしたことを特徴とする、
角速度センサである。このような角速度センサにおい
て、センサ素子は、一方の静電容量が増えたとき他方の
静電容量が減少する差動動作をする2つの出力端を有す
るものを用いることができ、この場合、2つの出力端の
それぞれに静電容量検出回路が接続される。このとき、
センサ素子の2つの出力端に接続された静電容量検出回
路において、それぞれの静電容量検出回路に含まれるオ
ペアンプの非反転入力端を共通の基準電圧源に接続する
ことができる。また、センサ素子の2つの出力端に接続
された静電容量検出回路において、それぞれの静電容量
検出回路に含まれるオペアンプの非反転入力端には異な
る基準電圧源を接続することができ、この場合、基準電
圧源の電圧を調整可能とすることができる。
According to the present invention, there is provided a sensor element whose capacitance changes according to an applied angular velocity;
In an angular velocity sensor including a capacitance detection circuit for detecting a change in capacitance of a sensor element, the capacitance detection circuit includes: an operational amplifier having an output terminal of the sensor element connected to the inverting input terminal; Includes a feedback resistor connected between the output terminal and the inverting input terminal, and a reference voltage source connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier, and is equal to the reference voltage source at the output terminal of the sensor element due to the imaginary short circuit of the operational amplifier. Characterized in that a voltage is applied.
It is an angular velocity sensor. In such an angular velocity sensor, a sensor element having two output terminals that perform a differential operation in which one capacitance increases when the other capacitance decreases can be used. A capacitance detection circuit is connected to each of the two output terminals. At this time,
In the capacitance detection circuits connected to the two output terminals of the sensor element, the non-inverting input terminals of the operational amplifiers included in the respective capacitance detection circuits can be connected to a common reference voltage source. Further, in the capacitance detecting circuits connected to the two output terminals of the sensor element, different reference voltage sources can be connected to the non-inverting input terminals of the operational amplifiers included in the respective capacitance detecting circuits. In this case, the voltage of the reference voltage source can be adjusted.

【0015】オペアンプのイマジナリショートによりセ
ンサ素子の出力端に基準電圧源と等しい電圧が印加され
るため、センサ素子の出力端に印加されるバイアス電圧
のばらつきを抑えることができる。そのため、センサ素
子の出力端部分の静電容量が変化すると、静電容量に蓄
積された電荷量が変化し、それに対応してオペアンプに
接続された帰還抵抗に流れる電流が変化する。それによ
って、オペアンプの出力電圧が変化し、センサ素子の出
力端部の静電容量の変化が出力電圧の変化に変換され
る。差動動作をする2つの出力端を有するセンサ素子を
用いる場合、2つの出力端にオペアンプのイマジナリシ
ョートによる基準電圧が印加され、それぞれの出力端の
静電容量の変化の検出ばらつきを抑えることができる。
このとき、2つの出力端に接続されるオペアンプの非反
転入力端を共通の基準電圧源に接続することにより、2
つの出力端に同じ値のバイアス電圧を印加することがで
きる。また、2つの出力端に接続されるオペアンプの非
反転入力端に調整可能な基準電圧源を接続すれば、基準
電圧源の電圧を調整することにより、2つの出力端に印
加される電圧を変えることができ、静電容量の初期値の
ばらつきを補正することができる。
Since the voltage equal to the reference voltage source is applied to the output terminal of the sensor element due to the imaginary short circuit of the operational amplifier, the variation in the bias voltage applied to the output terminal of the sensor element can be suppressed. Therefore, when the capacitance at the output terminal portion of the sensor element changes, the amount of charge accumulated in the capacitance changes, and the current flowing through the feedback resistor connected to the operational amplifier changes accordingly. As a result, the output voltage of the operational amplifier changes, and a change in the capacitance at the output end of the sensor element is converted into a change in the output voltage. In the case of using a sensor element having two output terminals that perform differential operation, a reference voltage due to an imaginary short of an operational amplifier is applied to the two output terminals, and it is possible to suppress variation in detection of a change in capacitance of each output terminal. it can.
At this time, by connecting the non-inverting input terminal of the operational amplifier connected to the two output terminals to a common reference voltage source,
The same bias voltage can be applied to the two output terminals. Further, if an adjustable reference voltage source is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier connected to the two output terminals, the voltage applied to the two output terminals is changed by adjusting the voltage of the reference voltage source. Thus, the variation in the initial value of the capacitance can be corrected.

【0016】この発明の上述の目的,その他の目的,特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments of the present invention with reference to the drawings.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】図1は、この発明の角速度センサ
の一例を示す図解図である。この角速度センサ50で
は、図5に示すセンサ素子10が用いられる。センサ素
子10の入力端22には、駆動用交流電源51が接続さ
れる。さらに、センサ素子10の出力端38は、図2に
示すような静電容量検出回路52に接続される。静電容
量検出回路52は、オペアンプ54を含む。このオペア
ンプ54の反転入力端に、センサ素子10の出力端38
が接続される。さらに、オペアンプ54の出力端と反転
入力端との間には、帰還抵抗56が接続される。また、
オペアンプ54の非反転入力端は、基準電圧源58を介
して接地される。なお、ここで用いられているセンサ素
子10の振動子14は、支持梁16を介して接地されて
いるが、振動子14は、基準電圧源58と異なる電圧で
あれば、接地に限らず任意の定電圧源に接続することが
できる。また、オペアンプ54の入力段は、バイポー
ラ、JFET、CMOSなどのいずれでもよいが、バイ
アス電流が小さいものであることが望ましい。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is an illustrative view showing one example of an angular velocity sensor according to the present invention. The angular velocity sensor 50 uses the sensor element 10 shown in FIG. A drive AC power supply 51 is connected to the input terminal 22 of the sensor element 10. Further, the output end 38 of the sensor element 10 is connected to a capacitance detection circuit 52 as shown in FIG. The capacitance detection circuit 52 includes an operational amplifier 54. The output terminal 38 of the sensor element 10 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 54.
Is connected. Further, a feedback resistor 56 is connected between the output terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 54. Also,
The non-inverting input terminal of the operational amplifier 54 is grounded via the reference voltage source 58. Although the vibrator 14 of the sensor element 10 used here is grounded via the support beam 16, the vibrator 14 is not limited to ground as long as the voltage is different from that of the reference voltage source 58. Can be connected to a constant voltage source. The input stage of the operational amplifier 54 may be any of a bipolar, a JFET, and a CMOS, but preferably has a small bias current.

【0018】この静電容量検出回路52では、オペアン
プ54の非反転入力端に基準電圧源58が接続されてい
ることにより、イマジナリショートによって反転入力端
が基準電圧源58と同じ電圧に設定される。これによ
り、センサ素子10の検出用固定電極42は、基準電圧
源58で設定した電圧値にバイアスされる。したがっ
て、検出用電極46の静電容量をC、検出用固定電極4
2へのバイアス電圧をVb、電流をi、時間をtとする
と、検出用電極46に蓄積される電荷量Qは、次式で表
される。 Q=CVb=it ・・・(4) センサ素子10に角速度が印加され、コリオリ力による
振動子14の振動によって検出用電極46の静電容量C
が変化すると、検出用電極46に蓄積される電荷量Qも
変化する。このとき、バイアス電圧Vbは、オペアンプ
54のイマジナリショートによって設定されているた
め、静電容量が変化しても変わらない。したがって、電
荷量の変化ΔQは、次式で表される。 ΔQ=ΔCVb ・・・(5) センサ素子10の検出用電極46から放出または吸引さ
れた電荷ΔQは、帰還抵抗56を流れる電流Δiとな
る。したがって、次式が成り立つ。 ΔQ=Δit ・・・(6) ここで、時間tは、静電容量が変化する時間を示す。こ
れは、振動型のセンサ素子であれば、振動子14の励振
周波数に等しい。帰還抵抗56を流れる電流Δiによ
り、静電容量検出回路50の出力には、電圧変化ΔVo
が発生する。ここで、帰還抵抗56の抵抗値をRとする
と、出力の電圧変化ΔVoは、次式で表される。 ΔVo=ΔiR ・・・(7) (5)、(6)、(7)式より、次式が導き出される。 ΔVo=ΔiR=ΔCVbR/t ・・・(8) このようにして、検出用電極46の静電容量変化が電圧
変化に変換される。(8)式より、バイアス電圧Vb、
言いかえれば、基準電圧源58の設定値を大きくし、帰
還抵抗56の抵抗値を大きくするほど、静電容量検出回
路50の出力電圧変化、すなわちセンサの感度が大きく
なることがわかる。具体的には、帰還抵抗56の抵抗値
は、10kΩ以上であることが望ましい。
In the capacitance detecting circuit 52, since the reference voltage source 58 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 54, the inverting input terminal is set to the same voltage as the reference voltage source 58 by imaginary short. . Thus, the detection fixed electrode 42 of the sensor element 10 is biased to the voltage value set by the reference voltage source 58. Therefore, the capacitance of the detection electrode 46 is C, and the detection fixed electrode 4 is
Assuming that the bias voltage to 2 is Vb, the current is i, and the time is t, the charge amount Q accumulated in the detection electrode 46 is expressed by the following equation. Q = CVb = it (4) An angular velocity is applied to the sensor element 10, and the capacitance C of the detection electrode 46 is generated by the vibration of the vibrator 14 due to the Coriolis force.
Changes, the amount of charge Q stored in the detection electrode 46 also changes. At this time, since the bias voltage Vb is set by the imaginary short of the operational amplifier 54, it does not change even if the capacitance changes. Therefore, the change ΔQ in the charge amount is expressed by the following equation. ΔQ = ΔCVb (5) The electric charge ΔQ released or sucked from the detection electrode 46 of the sensor element 10 becomes a current Δi flowing through the feedback resistor 56. Therefore, the following equation holds. ΔQ = Δit (6) Here, the time t indicates a time when the capacitance changes. This is equal to the excitation frequency of the vibrator 14 for a vibration-type sensor element. Due to the current Δi flowing through the feedback resistor 56, a voltage change ΔVo is output to the output of the capacitance detection circuit 50.
Occurs. Here, assuming that the resistance value of the feedback resistor 56 is R, the output voltage change ΔVo is expressed by the following equation. ΔVo = ΔiR (7) From the equations (5), (6) and (7), the following equation is derived. ΔVo = ΔiR = ΔCVbR / t (8) In this way, a change in capacitance of the detection electrode 46 is converted into a change in voltage. From equation (8), the bias voltage Vb,
In other words, it is understood that as the set value of the reference voltage source 58 is increased and the resistance value of the feedback resistor 56 is increased, the output voltage change of the capacitance detection circuit 50, that is, the sensitivity of the sensor is increased. Specifically, it is desirable that the resistance value of the feedback resistor 56 be 10 kΩ or more.

【0019】静電容量検出回路50の出力は、ACアン
プ60によって適当な信号レベルに増幅され、同期検波
回路62において振動子14の励振周波数に同期して検
波される。その後、ローパスフィルタ64を経由してセ
ンサ出力となり、センサ素子10に印加された角速度に
対応した直流電圧として出力される。
The output of the capacitance detecting circuit 50 is amplified to an appropriate signal level by an AC amplifier 60, and detected by a synchronous detecting circuit 62 in synchronization with the excitation frequency of the vibrator 14. After that, it becomes a sensor output via the low-pass filter 64 and is output as a DC voltage corresponding to the angular velocity applied to the sensor element 10.

【0020】この角速度センサ50では、センサ素子1
0の検出用電極46に印加されるバイアス電圧Vbは、
オペアンプ54の非反転入力端に接続された基準電圧源
58によって決まるので、センサ素子10の初期容量や
インピーダンスなどの影響を受けず、自由にバイアス電
圧の設定を行うことができる。これにより、センサ感度
のばらつきを抑えることができる。
In the angular velocity sensor 50, the sensor element 1
The bias voltage Vb applied to the zero detection electrode 46 is
Since it is determined by the reference voltage source 58 connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 54, the bias voltage can be set freely without being affected by the initial capacitance and impedance of the sensor element 10. Thereby, variation in sensor sensitivity can be suppressed.

【0021】また、センサ素子10の2つの検出用電極
46,48を用いた例が、図3に示されている。この角
速度センサ50では、センサ素子10の2つの出力端3
8,40のそれぞれに、静電容量検出回路52a,52
bが接続される。このとき、静電容量検出回路52a,
52bに用いられるオペアンプ54a,54bの非反転
入力端は、共通の基準電圧源58に接続される。したが
って、オペアンプ54a,54bのイマジナリショート
により、2つの検出用電極46,48には、基準電圧源
58の電圧がバイアス電圧Vbとして印加される。2つ
の静電容量検出回路52a,52bは、それぞれACア
ンプ60a,60bに接続される。さらに、これらのA
Cアンプ60a,60bは、差動増幅回路66に接続さ
れる。そして、差動増幅回路66は同期検波回路62に
接続され、同期検波回路62がローパスフィルタ64に
接続される。
FIG. 3 shows an example in which two detection electrodes 46 and 48 of the sensor element 10 are used. In this angular velocity sensor 50, two output terminals 3 of the sensor element 10
8 and 40, the capacitance detection circuits 52a and 52
b is connected. At this time, the capacitance detection circuits 52a,
The non-inverting input terminals of the operational amplifiers 54a and 54b used for 52b are connected to a common reference voltage source 58. Therefore, the voltage of the reference voltage source 58 is applied to the two detection electrodes 46 and 48 as the bias voltage Vb due to the imaginary short of the operational amplifiers 54a and 54b. The two capacitance detection circuits 52a and 52b are connected to AC amplifiers 60a and 60b, respectively. Furthermore, these A
The C amplifiers 60a and 60b are connected to a differential amplifier circuit 66. Then, the differential amplifier circuit 66 is connected to the synchronous detection circuit 62, and the synchronous detection circuit 62 is connected to the low-pass filter 64.

【0022】この角速度センサ50では、コリオリ力に
よって振動子14が出力端38,40を結ぶ向きに振動
すると、2つの検出用電極46,48の静電容量は、逆
に変化する。つまり、一方の検出用電極46の静電容量
が増えると、他方の検出用電極48の容量が減る。逆
に、一方の検出用電極46の静電容量が減ると、他方の
検出用電極48の静電容量が増える。このような静電容
量の変化により、検出用電極46,48に蓄積される電
荷量が変化し、静電容量検出回路52a,52bの出力
電圧Vo1,Vo2が変化する。このとき、センサ素子
10の出力は差動動作するため、Vo1が大きくなると
Vo2が小さくなり、Vo1が小さくなるとVo2が大
きくなる。
In the angular velocity sensor 50, when the vibrator 14 vibrates in the direction connecting the output terminals 38, 40 by Coriolis force, the capacitances of the two detection electrodes 46, 48 change in reverse. That is, when the capacitance of one detection electrode 46 increases, the capacitance of the other detection electrode 48 decreases. Conversely, when the capacitance of one detection electrode 46 decreases, the capacitance of the other detection electrode 48 increases. Due to such a change in the capacitance, the amount of charge accumulated in the detection electrodes 46 and 48 changes, and the output voltages Vo1 and Vo2 of the capacitance detection circuits 52a and 52b change. At this time, since the output of the sensor element 10 performs a differential operation, Vo2 decreases as Vo1 increases, and Vo2 increases as Vo1 decreases.

【0023】静電容量検出回路52a,52bの出力V
o1,Vo2は、ACアンプ60a,60bで適当な信
号レベルに増幅され、差動増幅回路66で減算処理され
る。したがって、センサ素子10に角速度が印加されて
いないときには、検出用電極46,48の静電容量は等
しいため、静電容量検出回路52a,52bの出力電圧
Vo1,Vo2も等しく、差動増幅回路66の出力は0
となる。しかしながら、センサ素子10に角速度が印加
されると、上述のように、センサ素子10の出力は差動
動作するため、差動増幅回路66から信号が出力され
る。このとき、検出用電極46,48に印加されるバイ
アス電圧Vbが等しいため、2つの検出用電極46,4
8の感度は概ね等しくなる。そして、外部からの不要な
振動により検出用電極46,48の静電容量が同相で変
化した場合には、減算処理によって同相成分が除去さ
れ、外部からの振動による不要な信号成分が除去され
る。
The output V of the capacitance detecting circuits 52a and 52b
The signals o1 and Vo2 are amplified to appropriate signal levels by the AC amplifiers 60a and 60b, and are subjected to subtraction processing by the differential amplifier circuit 66. Therefore, when the angular velocity is not applied to the sensor element 10, since the capacitances of the detection electrodes 46 and 48 are equal, the output voltages Vo1 and Vo2 of the capacitance detection circuits 52a and 52b are also equal, and the differential amplifier 66 Output is 0
Becomes However, when an angular velocity is applied to the sensor element 10, the output of the sensor element 10 performs a differential operation as described above, so that a signal is output from the differential amplifier circuit 66. At this time, since the bias voltages Vb applied to the detection electrodes 46, 48 are equal, the two detection electrodes 46, 4
The sensitivities of 8 are almost equal. When the capacitances of the detection electrodes 46 and 48 change in phase due to unnecessary external vibration, the in-phase component is removed by subtraction processing, and unnecessary signal components due to external vibration are removed. .

【0024】差動増幅回路66で不要な信号成分を除去
した後の信号は、同期検波回路62において振動子14
の励振周波数により同期検波される。その後、ローパス
フィルタ64を経由してセンサ出力となり、センサ素子
10に印加された角速度に対応した直流電圧として出力
される。
The signal from which unnecessary signal components have been removed by the differential amplifier circuit 66 is sent to the synchronous detection circuit 62 by the oscillator 14.
Is synchronously detected by the excitation frequency of After that, it becomes a sensor output via the low-pass filter 64 and is output as a DC voltage corresponding to the angular velocity applied to the sensor element 10.

【0025】このように、センサ素子10の2つの検出
用電極46,48を用いることにより、外部からの振動
による不要な信号成分が除去され、正確に角速度を検出
することができる。このとき、センサ素子10の2つの
検出用電極46,48に等しいバイアス電圧Vbが印加
されていることにより、検出用電極46,48での感度
を概ね等しくすることができるため、感度差による差信
号を小さくすることができ、検出確度を向上させること
ができる。また、2つの検出用電極46,48での感度
差を小さくすることができるため、感度差を調整するた
めの別の回路を用意する必要がなく、安価に角速度セン
サ50を製造することができる。
As described above, by using the two detection electrodes 46 and 48 of the sensor element 10, unnecessary signal components due to external vibrations are removed, and the angular velocity can be accurately detected. At this time, since the same bias voltage Vb is applied to the two detection electrodes 46 and 48 of the sensor element 10, the sensitivities of the detection electrodes 46 and 48 can be made substantially equal. The signal can be reduced, and the detection accuracy can be improved. Further, since the difference in sensitivity between the two detection electrodes 46 and 48 can be reduced, there is no need to prepare another circuit for adjusting the difference in sensitivity, and the angular velocity sensor 50 can be manufactured at low cost. .

【0026】また、センサ素子10の2つの検出用電極
46,48を用いる場合において、図4に示すように、
2つの静電容量検出回路52a,52bのオペアンプ5
4a,54bに、それぞれ異なる基準電圧源58a,5
8bを接続してもよい。これらの基準電圧源58a,5
8bの電圧は、調整可能となっている。この場合、セン
サ素子10の2つの検出用電極46,48には、異なる
バイアス電圧Vb1,Vb2が印加される。センサ素子
10の検出用電極46,48は、概ね等しくなるように
製造されるが、実際には、完全に等しくなるようにする
ことは不可能であり、わずかに初期容量が異なる。セン
サ素子10の初期容量がばらつくと、(8)式に示すよ
うに、センサ感度がばらつくことになる。しかしなが
ら、この角速度センサ50では、バイアス電圧Vb1,
Vb2を個別に調整可能であるため、初期容量のばらつ
きに応じてバイアス電圧Vb1,Vb2を調整すること
により、2つの検出用電極46,48の感度を概ね等し
くすることができる。したがって、検出用電極46,4
8の感度差による差信号を小さくすることができ、検出
確度を向上させることができる。
When the two detection electrodes 46 and 48 of the sensor element 10 are used, as shown in FIG.
Operational amplifier 5 of two capacitance detection circuits 52a and 52b
4a and 54b have different reference voltage sources 58a and 5b, respectively.
8b may be connected. These reference voltage sources 58a, 5
The voltage of 8b is adjustable. In this case, different bias voltages Vb1 and Vb2 are applied to the two detection electrodes 46 and 48 of the sensor element 10, respectively. Although the detection electrodes 46 and 48 of the sensor element 10 are manufactured so as to be substantially equal, it is actually impossible to make them completely equal, and the initial capacitance is slightly different. When the initial capacitance of the sensor element 10 varies, the sensor sensitivity varies as shown in Expression (8). However, in this angular velocity sensor 50, the bias voltages Vb1,
Since Vb2 can be adjusted individually, the sensitivity of the two detection electrodes 46 and 48 can be made substantially equal by adjusting the bias voltages Vb1 and Vb2 according to the variation in the initial capacitance. Therefore, the detection electrodes 46, 4
The difference signal due to the sensitivity difference of No. 8 can be reduced, and the detection accuracy can be improved.

【0027】[0027]

【発明の効果】この発明によれば、静電容量検出回路の
オペアンプのイマジナリショートを利用して、センサ素
子に基準電圧源の電圧をバイアス電圧として印加するこ
とができるため、センサ素子の初期容量やインピーダン
スなどの影響を受けず、センサ感度のばらつきを抑える
ことができる。また、センサ素子の2つの検出用電極を
利用する場合、同一の基準電圧電源を用いることによ
り、検出用電極へのバイアス電圧を等しくすることがで
き、検出用電極の感度ばらつきを小さくすることができ
る。それにより、外部からの振動による不要な信号を除
去することができ、検出確度を向上させることができ
る。また、2つの検出用電極での感度差を小さくするこ
とができるため、感度差を調整するための別の回路が不
要となり、安価に角速度センサを製造することができ
る。さらに、センサ素子の2つの検出用電極の初期容量
に差がある場合には、それぞれの検出用電極に接続され
るオペアンプに電圧調整可能な基準電圧源を接続するこ
とにより、検出用電極の感度差による差信号を小さくす
ることができ、検出確度を向上させることができる。
According to the present invention, the voltage of the reference voltage source can be applied as a bias voltage to the sensor element by utilizing the imaginary short circuit of the operational amplifier of the capacitance detection circuit. The variation in sensor sensitivity can be suppressed without being affected by the impedance or the like. When two detection electrodes of the sensor element are used, the same reference voltage power supply is used, so that the bias voltage to the detection electrodes can be equalized, and the sensitivity variation of the detection electrodes can be reduced. it can. Thus, unnecessary signals due to external vibrations can be removed, and the detection accuracy can be improved. Further, since the sensitivity difference between the two detection electrodes can be reduced, another circuit for adjusting the sensitivity difference becomes unnecessary, and the angular velocity sensor can be manufactured at low cost. Further, when there is a difference between the initial capacities of the two detection electrodes of the sensor element, the sensitivity of the detection electrodes is adjusted by connecting a voltage-adjustable reference voltage source to the operational amplifiers connected to the respective detection electrodes. The difference signal due to the difference can be reduced, and the detection accuracy can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の角速度センサの一例を示す図解図で
ある。
FIG. 1 is an illustrative view showing one example of an angular velocity sensor of the present invention;

【図2】図1に示す角速度センサに用いられる静電容量
検出回路の動作を説明するための図解図である。
FIG. 2 is an illustrative view for explaining an operation of a capacitance detection circuit used in the angular velocity sensor shown in FIG. 1;

【図3】この発明の角速度センサの他の例を示す図解図
である。
FIG. 3 is an illustrative view showing another example of the angular velocity sensor of the present invention;

【図4】この発明の角速度センサの別の例において用い
られる静電容量検出回路を示す図解図である。
FIG. 4 is an illustrative view showing a capacitance detection circuit used in another example of the angular velocity sensor of the present invention.

【図5】この発明および従来の角速度センサに用いられ
るセンサ素子を示す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing a sensor element used in the present invention and a conventional angular velocity sensor.

【図6】従来の角速度センサの一例を示す図解図であ
る。
FIG. 6 is an illustrative view showing one example of a conventional angular velocity sensor;

【図7】図6に示す従来の角速度センサに用いられる静
電容量検出回路の動作を説明するための図解図である。
FIG. 7 is an illustrative view for explaining the operation of a capacitance detection circuit used in the conventional angular velocity sensor shown in FIG. 6;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 センサ素子 14 振動子 46,48 検出用電極 50 角速度センサ 52 静電容量検出回路 54 オペアンプ 56 帰還抵抗 58 基準電圧源 Reference Signs List 10 sensor element 14 vibrator 46, 48 detection electrode 50 angular velocity sensor 52 capacitance detection circuit 54 operational amplifier 56 feedback resistor 58 reference voltage source

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 印加された角速度によってその静電容量
が変化するセンサ素子と、前記センサ素子の静電容量の
変化を検出するための静電容量検出回路とを含む角速度
センサにおいて、 前記静電容量検出回路は、前記センサ素子の出力端が反
転入力端に接続されるオペアンプと、前記オペアンプの
出力端と反転入力端との間に接続される帰還抵抗と、前
記オペアンプの非反転入力端に接続される基準電圧源と
を含み、 前記オペアンプのイマジナリショートによって前記セン
サ素子の前記出力端に前記基準電圧源と等しい電圧が印
加されるようにしたことを特徴とする、角速度センサ。
1. An angular velocity sensor comprising: a sensor element whose capacitance changes according to an applied angular velocity; and a capacitance detection circuit for detecting a change in capacitance of the sensor element. The capacitance detection circuit includes an operational amplifier having an output terminal of the sensor element connected to an inverting input terminal, a feedback resistor connected between an output terminal and an inverting input terminal of the operational amplifier, and a non-inverting input terminal of the operational amplifier. A reference voltage source connected thereto, wherein a voltage equal to the reference voltage source is applied to the output terminal of the sensor element by an imaginary short of the operational amplifier.
【請求項2】 前記センサ素子は、一方の静電容量が増
えたとき他方の静電容量が減少する差動動作をする2つ
の出力端を有し、前記2つの出力端のそれぞれに前記静
電容量検出回路が接続された、請求項1に記載の角速度
センサ。
2. The sensor element has two output terminals that perform a differential operation in which one capacitance increases and the other capacitance decreases, and the static output is provided to each of the two output terminals. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein a capacitance detection circuit is connected.
【請求項3】 前記センサ素子の2つの出力端に接続さ
れた前記静電容量検出回路において、それぞれの前記静
電容量検出回路に含まれる前記オペアンプの非反転入力
端が共通の前記基準電圧源に接続されたことを特徴とす
る、請求項2に記載の角速度センサ。
3. The reference voltage source, wherein a non-inverting input terminal of the operational amplifier included in each of the capacitance detection circuits is common to the capacitance detection circuits connected to two output terminals of the sensor element. The angular velocity sensor according to claim 2, wherein the angular velocity sensor is connected to the sensor.
【請求項4】 前記センサ素子の2つの出力端に接続さ
れた前記静電容量検出回路において、それぞれの前記静
電容量検出回路に含まれる前記オペアンプの非反転入力
端には異なる前記基準電圧源が接続され、前記基準電圧
源の電圧が調整可能であることを特徴とする、請求項2
に記載の角速度センサ。
4. The capacitance detection circuit connected to two output terminals of the sensor element, wherein the non-inverting input terminal of the operational amplifier included in each of the capacitance detection circuits has a different reference voltage source. Is connected, and the voltage of the reference voltage source is adjustable.
2. The angular velocity sensor according to 1.
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