JP2010181312A - Angular velocity sensor - Google Patents

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Hideyuki Murakami
英之 村上
Takashi Kawai
孝士 川井
Masayuki Nabeya
公志 鍋谷
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Panasonic Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an angular velocity sensor that can be reduced in size by fining a semiconductor process. <P>SOLUTION: The angular velocity sensor includes: a ΣΔ type A/D converter 66 for converting analog signals output from a first sense electrode 34 and a second one 35 to digital signals; a correction computation means 71 for correcting output signals from the ΣΔ type A/D converter 66; and further a ΣΔ type D/A converter 75 provided at the rear stage of the correction computation means 71. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、特に、航空機、車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム等に用いられる角速度センサに関するものである。   The present invention particularly relates to an angular velocity sensor used for attitude control of a moving body such as an aircraft or a vehicle, a navigation system, or the like.

従来のこの種の角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。   A conventional angular velocity sensor of this type will be described with reference to the drawings.

図4は従来の角速度センサを示すブロック図で、この図4において、1はセンサ素子で、このセンサ素子1はセンス電極2とモニタ電極3により構成されている。4はドライブ回路で、このドライブ回路4は前記センサ素子1におけるモニタ電極3の電荷を入力する電流アンプ5と、この電流アンプ5の出力信号を入力するバンドパスフィルタ6と、このバンドパスフィルタ6の出力信号を入力する整流器7と、この整流器7の出力信号を入力する平滑回路8と、平滑回路8の出力信号を入力し、前記ドライブ回路4におけるバンドパスフィルタ6の出力信号を増幅あるいは減衰させるAGC回路9と、このAGC回路9の出力信号を入力するとともに、前記センサ素子1に駆動信号を出力する駆動回路10とで構成されるアナログ回路となっているものである。11はセンス回路で、このセンス回路11は前記センサ素子1におけるセンス電極2から出力される信号を角速度出力信号に変換するものである。   FIG. 4 is a block diagram showing a conventional angular velocity sensor. In FIG. 4, reference numeral 1 denotes a sensor element, and the sensor element 1 includes a sense electrode 2 and a monitor electrode 3. Reference numeral 4 denotes a drive circuit. The drive circuit 4 includes a current amplifier 5 for inputting the charge of the monitor electrode 3 in the sensor element 1, a bandpass filter 6 for inputting an output signal of the current amplifier 5, and the bandpass filter 6 , A smoothing circuit 8 for inputting the output signal of the rectifier 7, an output signal of the smoothing circuit 8, and amplifying or attenuating the output signal of the bandpass filter 6 in the drive circuit 4. The AGC circuit 9 is an analog circuit composed of an AGC circuit 9 to be input and a drive circuit 10 for inputting an output signal of the AGC circuit 9 and outputting a drive signal to the sensor element 1. Reference numeral 11 denotes a sense circuit. The sense circuit 11 converts a signal output from the sense electrode 2 in the sensor element 1 into an angular velocity output signal.

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
特開平7−181042号公報
As prior art document information relating to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
JP-A-7-181042

しかしながら、上記した従来の構成においては、ドライブ回路4における電流アンプ5、バンドパスフィルタ6、AGC回路9および駆動回路10のすべてがアナログ回路で構成されているため、半導体プロセスの微細化による小型化が困難であるという課題を有していた。   However, in the conventional configuration described above, all of the current amplifier 5, the band pass filter 6, the AGC circuit 9, and the drive circuit 10 in the drive circuit 4 are configured by analog circuits. Had the problem of being difficult.

本発明は上記従来の課題を解決するもので、半導体プロセスの微細化による小型化が可能となる角速度センサを提供することを目的とするものである。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and to provide an angular velocity sensor that can be miniaturized by miniaturization of a semiconductor process.

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。   In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.

本発明の請求項1に記載の発明は、駆動電極とセンス電極とモニタ電極を有するセンサ素子と、このセンサ素子を所定の駆動周波数で駆動させるドライブ回路と、前記センス電極から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器と、このAD変換器からの出力信号を補正する補正演算手段とを備えるとともに、さらに前記補正演算手段の後段にDA変換器を設けたもので、この構成によれば、センサ素子のセンス電極から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器と、このAD変換器からの出力信号を補正する補正演算手段とを備えるとともに、さらに補正演算手段の後段にDA変換器を設けているため、センス回路の全てがデジタル回路で構成されることになり、これにより、半導体プロセスの微細化が可能となるため、角速度センサを容易に小型化することができるという作用効果を有するものである。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a sensor element having a drive electrode, a sense electrode, and a monitor electrode, a drive circuit for driving the sensor element at a predetermined drive frequency, and an analog signal output from the sense electrode. A AD converter for converting the signal into a digital signal and a correction calculation means for correcting the output signal from the AD converter, and a DA converter is provided after the correction calculation means. According to the present invention, the AD converter that converts the analog signal output from the sense electrode of the sensor element into a digital signal, the correction calculation means that corrects the output signal from the AD converter, and the subsequent stage of the correction calculation means are further provided. Since the D / A converter is provided, all sense circuits are composed of digital circuits, thereby miniaturizing semiconductor processes. Possible, and therefore, those having a effect that it is possible to easily reduce the size of the angular velocity sensor.

本発明の請求項2に記載の発明は、特に、AD変換器を、少なくとも2つの入力信号を切り替える入力切替手段と、少なくとも2つのレベルの電荷量を出力するDA変換手段と、前記入力切替手段とDA変換手段とから出力される電荷を積分しその少なくとも2つの積分値を保持する積分手段と、この積分手段から出力される少なくとも2つの積分値を所定の値と比較する比較手段と、この比較手段の少なくとも2つの出力に応じて前記DA変換手段の出力を切り替えるDA切替手段と、前記比較手段から出力される少なくとも2つの比較信号の差を演算する差分演算手段とからなるΣΔ型AD変換器で構成したもので、
この構成によれば、演算手段として、前記比較手段から出力される少なくとも2つの比較信号の差を演算する差分演算手段を設けているため、電源電圧変化や温度変化の影響により、入力切替手段、DA変換手段、積分手段、比較手段およびDA切替手段からの出力信号が、演算手段に対する少なくとも2つの入力信号に対し同様に加わることになり、これにより、演算手段が有する差分演算手段により、少なくとも2つの入力信号の信号処理結果の差を演算することによって、入力切替手段、DA変換手段、積分手段、比較手段およびDA切替手段からの出力信号における基準電圧変動等の影響をキャンセルできるという作用効果を有するものである。
According to the second aspect of the present invention, in particular, the AD converter includes an input switching unit that switches at least two input signals, a DA conversion unit that outputs charge amounts of at least two levels, and the input switching unit. Integrating means for integrating the charges output from the DA converting means and holding at least two integral values thereof, comparing means for comparing at least two integral values outputted from the integrating means with a predetermined value, and ΣΔ AD conversion comprising DA switching means for switching the output of the DA conversion means in accordance with at least two outputs of the comparison means, and difference calculation means for calculating the difference between at least two comparison signals output from the comparison means It is composed of a vessel,
According to this configuration, since the difference calculation means for calculating the difference between at least two comparison signals output from the comparison means is provided as the calculation means, the input switching means due to the influence of the power supply voltage change or the temperature change, The output signals from the DA conversion means, the integration means, the comparison means, and the DA switching means are similarly applied to at least two input signals to the calculation means, so that at least 2 by the difference calculation means included in the calculation means. By calculating the difference between the signal processing results of the two input signals, the effect of canceling the influence of the reference voltage fluctuation or the like in the output signal from the input switching means, DA conversion means, integration means, comparison means, and DA switching means can be achieved. It is what you have.

本発明の請求項3に記載の発明は、特に、DA変換器をΣΔ型DA変換器で構成したもので、この構成によれば、AD変換器およびDA変換器を共にΣΔ型で構成しているため、AD変換器およびDA変換器を1チップからなるIC化にする場合、さらに小型化することができるという作用効果を有するものである。   The invention according to claim 3 of the present invention is, in particular, that the DA converter is configured by a ΣΔ DA converter, and according to this configuration, both the AD converter and the DA converter are configured by a ΣΔ type. Therefore, when the AD converter and the DA converter are made into an IC composed of one chip, there is an effect that the size can be further reduced.

本発明の請求項4に記載の発明は、特に、補正演算手段の後段にDA変換器と並列にSPIバスを設け、このSPIバスによりデジタル信号からなる出力信号を外部に出力するように構成したもので、この構成によれば、補正演算手段の後段にDA変換器と並列にSPIバスを設け、このSPIバスによりデジタル信号からなる出力信号を外部に出力するように構成しているため、アナログ信号およびデジタル信号の双方の角速度情報を出力できるという作用効果を有するものである。   The invention according to claim 4 of the present invention is particularly configured so that an SPI bus is provided in parallel with the DA converter after the correction calculation means, and an output signal composed of a digital signal is output to the outside by this SPI bus. Therefore, according to this configuration, an SPI bus is provided in parallel with the DA converter at the subsequent stage of the correction calculation means, and an output signal composed of a digital signal is output to the outside through this SPI bus. It has the effect of being able to output angular velocity information of both signals and digital signals.

本発明の請求項5に記載の発明は、特に、温度センサを設けるとともに、補正演算手段とDA変換器との間にスイッチを設け、前記温度センサからの出力信号をスイッチに入力し、SPIバスからの指令により、DA変換器から温度情報を出力するように構成したもので、この構成によれば、温度センサからの出力信号をスイッチに入力し、SPIバスからの指令により、DA変換器から温度情報を出力するように構成しているため、DA変換器から角速度情報と温度情報のいずれか一方を選択しながら出力することができるという作用効果を有するものである。   According to the fifth aspect of the present invention, in particular, a temperature sensor is provided, a switch is provided between the correction calculation means and the DA converter, an output signal from the temperature sensor is input to the switch, and an SPI bus is provided. The temperature information is output from the DA converter according to the command from the controller. According to this configuration, the output signal from the temperature sensor is input to the switch, and the DA converter receives the command from the SPI bus. Since it is configured to output temperature information, it has an operational effect that it can be output while selecting either angular velocity information or temperature information from the DA converter.

以上のように本発明の角速度センサは、駆動電極とセンス電極とモニタ電極を有するセンサ素子と、このセンサ素子を所定の駆動周波数で駆動させるドライブ回路と、前記センス電極から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器と、このAD変換器からの出力信号を補正する補正演算手段とを備えるとともに、さらに前記補正演算手段の後段にDA変換器を設けているため、センス回路の全てがデジタル回路で構成されることになり、これにより、半導体プロセスの微細化が可能となるため、容易に小型化することができるという優れた効果を有するものである。   As described above, the angular velocity sensor of the present invention includes a sensor element having a drive electrode, a sense electrode, and a monitor electrode, a drive circuit for driving the sensor element at a predetermined drive frequency, and an analog signal output from the sense electrode. Since the AD converter for converting into a digital signal and the correction calculation means for correcting the output signal from the AD converter are provided, and the DA converter is provided in the subsequent stage of the correction calculation means, all of the sense circuits are provided. Since this is constituted by a digital circuit, the semiconductor process can be miniaturized, so that it has an excellent effect that it can be easily downsized.

(実施の形態1)
以下、実施の形態1を用いて、本発明の特に請求項1,2,3に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the first and second aspects of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態1におけるΣΔ型AD変換器を用いた角速度センサの回路図である。   FIG. 1 is a circuit diagram of an angular velocity sensor using a ΣΔ AD converter according to Embodiment 1 of the present invention.

図1において、30はセンサ素子で、このセンサ素子30は振動体31と、この振動体31を振動させるための圧電体を有する駆動電極32と、振動状態に応じて電荷を発生する圧電体を有するモニタ電極33と、前記センサ素子30に角速度が印加されると電荷を発生する圧電体を有する一対のセンス電極とを設けている。また、前記センサ素子30における一対のセンス電極は、第1のセンス電極34と、この第1のセンス電極34と逆極性の電荷を発生する第2のセンス電極35とで構成されている。36は電荷増幅器で、この電荷増幅器36には前記センサ素子30におけるモニタ電極33が出力する電荷が入力され、そしてこの入力された電荷を所定の倍率で電圧に変換するものである。37はバンドパスフィルタで、このバンドパスフィルタ37には前記電荷増幅器36の出力が入力され、そして入力された信号のノイズ成分を除去してモニタ信号を出力するものである。38はAGC回路で、このAGC回路38は半波整流平滑回路(図示せず)を有しているもので、前記バンドパスフィルタ37の出力信号を半波整流して平滑したDC信号を生成し、このDC信号をもとに前記バンドパスフィルタ37の出力するモニタ信号を増幅あるいは減衰させて出力するものである。39は駆動回路で、この駆動回路39には前記AGC回路38の出力が入力され、前記センサ素子30の駆動電極32に駆動信号を出力するものである。そして、前記電荷増幅器36、バンドパスフィルタ37、AGC回路38および駆動回路39によりドライブ回路40を構成している。   In FIG. 1, reference numeral 30 denotes a sensor element. The sensor element 30 includes a vibrating body 31, a drive electrode 32 having a piezoelectric body for vibrating the vibrating body 31, and a piezoelectric body that generates an electric charge according to the vibration state. And a pair of sense electrodes having a piezoelectric body that generates an electric charge when an angular velocity is applied to the sensor element 30. Further, the pair of sense electrodes in the sensor element 30 includes a first sense electrode 34 and a second sense electrode 35 that generates charges having a polarity opposite to that of the first sense electrode 34. Reference numeral 36 denotes a charge amplifier. The charge amplifier 36 receives charges output from the monitor electrode 33 of the sensor element 30, and converts the input charges into a voltage at a predetermined magnification. Reference numeral 37 denotes a band pass filter. The output of the charge amplifier 36 is input to the band pass filter 37, and a noise component of the input signal is removed to output a monitor signal. An AGC circuit 38 has a half-wave rectifying / smoothing circuit (not shown). The AGC circuit 38 generates a smoothed DC signal by half-wave rectifying the output signal of the bandpass filter 37. Based on this DC signal, the monitor signal output from the band-pass filter 37 is amplified or attenuated and output. Reference numeral 39 denotes a drive circuit. The output of the AGC circuit 38 is input to the drive circuit 39, and a drive signal is output to the drive electrode 32 of the sensor element 30. The charge amplifier 36, the band pass filter 37, the AGC circuit 38, and the drive circuit 39 constitute a drive circuit 40.

41はPLL回路で、このPLL回路41は前記ドライブ回路40におけるバンドパスフィルタ37が出力するモニタ信号を逓倍し、位相ノイズを時間的に積分し低減して出力するものである。42はタイミング生成回路で、このタイミング生成回路42は前記PLL回路41から出力されるモニタ信号を逓倍した信号をもとに、モニタ信号の2周期間を第1のタイミングΦ1、第2のタイミングΦ2、第3のタイミングΦ3、第4のタイミングΦ4に分割してこのタイミング信号を生成して出力するものである。そして、前記PLL回路41とタイミング生成回路42とでタイミング制御回路43を構成している。44は入力切替手段で、この入力切替手段44は前記センサ素子30における第1のセンス電極34と接続され前記第2のタイミングΦ2で動作するアナログスイッチ45(以下、SWと記す)と、第2のセンス電極35と接続され前記第4のタイミングΦ4で動作するアナログスイッチ46とで構成されている。この構成により、入力切替手段44は、第1のセンス電極34または第2のセンス電極35からの入力信号を第2のタイミングΦ2または第4のタイミングΦ4で切り替えて出力することになる。47はDA切替手段で、このDA切替手段47は、第1の基準電圧49および第2の基準電圧50を有し、そしてこの第1の基準電圧49と第2の基準電圧50を所定の信号により切り替え、前記第2のタイミングΦ2では第1の基準電圧49の信号を出力し、一方、第4のタイミングΦ4では第2の基準電圧50の信号を出力するものである。51はDA出力手段で、このDA出力手段51は前記DA切替手段47の出力信号が入力されるコンデンサ52と、このコンデンサ52の両端に接続され、かつ前記第1のタイミングΦ1と第3のタイミングΦ3で動作してコンデンサ52の電荷を放電するSW53,54により構成されている。そして、前記DA切替手段47とDA出力手段51とでDA変換手段48を構成し、かつこのDA変換手段48は第1のタイミングΦ1と第3のタイミングΦ3で前記コンデンサ52の電荷を放電し、さらに前記第2のタイミングΦ2と第4のタイミングΦ4で前記DA切替手段47が出力する基準電圧に応じた電荷を入出力するものである。   The PLL circuit 41 multiplies the monitor signal output from the bandpass filter 37 in the drive circuit 40, and integrates and reduces the phase noise in time to output it. Reference numeral 42 denotes a timing generation circuit. The timing generation circuit 42 is based on a signal obtained by multiplying the monitor signal output from the PLL circuit 41, and the first timing Φ1 and the second timing Φ2 for two periods of the monitor signal. The timing signal is divided into a third timing Φ3 and a fourth timing Φ4, and is output. The PLL circuit 41 and the timing generation circuit 42 constitute a timing control circuit 43. Reference numeral 44 denotes input switching means. The input switching means 44 is connected to the first sense electrode 34 in the sensor element 30 and operates at the second timing Φ2, and is referred to as SW. The analog switch 46 is connected to the sense electrode 35 and operates at the fourth timing Φ4. With this configuration, the input switching unit 44 switches and outputs the input signal from the first sense electrode 34 or the second sense electrode 35 at the second timing Φ2 or the fourth timing Φ4. Reference numeral 47 denotes a DA switching means. The DA switching means 47 has a first reference voltage 49 and a second reference voltage 50, and the first reference voltage 49 and the second reference voltage 50 are set to a predetermined signal. The signal of the first reference voltage 49 is output at the second timing Φ2, while the signal of the second reference voltage 50 is output at the fourth timing Φ4. Reference numeral 51 denotes DA output means. The DA output means 51 is connected to the capacitor 52 to which the output signal of the DA switching means 47 is input, and to both ends of the capacitor 52, and the first timing Φ1 and the third timing. It is composed of SWs 53 and 54 that operate at Φ3 and discharge the electric charge of the capacitor 52. The DA switching unit 47 and the DA output unit 51 constitute a DA conversion unit 48. The DA conversion unit 48 discharges the electric charge of the capacitor 52 at the first timing Φ1 and the third timing Φ3. Further, charges corresponding to the reference voltage output by the DA switching means 47 are input / output at the second timing Φ2 and the fourth timing Φ4.

55はスイッチで、このスイッチ55には前記入力切替手段44とDA変換手段48の出力が入力され、前記第2のタイミングΦ2と第4のタイミングΦ4で出力するものである。56は積分回路で、この積分回路56には前記スイッチ55の出力が入力されるもので、演算増幅器57と、この演算増幅器57の帰還に並列に接続される一対のコンデンサ58,59と、このコンデンサ58,59に接続される一対のスイッチ60,61とにより構成されている。また、スイッチ60は第1のタイミングΦ1と第2のタイミングΦ2で動作し、前記積分回路56への入力信号がコンデンサ58に積分されて積分値が保持されることになる。そしてまた、スイッチ61は前記第3のタイミングΦ3と第4のタイミングΦ4で動作し、前記積分回路56への入力信号がコンデンサ59に積分されて積分値が保持されることになる。そして、前記スイッチ55と積分回路56とで積分手段62を構成し、かつこの積分手段62は、前記第1のタイミングΦ1と第2のタイミングΦ2でスイッチ55の出力をコンデンサ58に積分してその積分値を出力するとともに、前記第3のタイミングΦ3と第4のタイミングΦ4でスイッチ55の出力をコンデンサ59に積分してその積分値を出力するものである。   55 is a switch, and the switch 55 receives the outputs of the input switching means 44 and the DA conversion means 48 and outputs them at the second timing Φ2 and the fourth timing Φ4. Reference numeral 56 denotes an integrating circuit to which the output of the switch 55 is input. The operational amplifier 57, a pair of capacitors 58 and 59 connected in parallel to the feedback of the operational amplifier 57, It is composed of a pair of switches 60 and 61 connected to capacitors 58 and 59. Further, the switch 60 operates at the first timing Φ1 and the second timing Φ2, and the input signal to the integration circuit 56 is integrated into the capacitor 58 and the integrated value is held. In addition, the switch 61 operates at the third timing Φ3 and the fourth timing Φ4, and the input signal to the integrating circuit 56 is integrated into the capacitor 59 to hold the integrated value. The switch 55 and the integrating circuit 56 constitute an integrating means 62, and the integrating means 62 integrates the output of the switch 55 into the capacitor 58 at the first timing Φ1 and the second timing Φ2. In addition to outputting an integral value, the output of the switch 55 is integrated into the capacitor 59 at the third timing Φ3 and the fourth timing Φ4, and the integral value is output.

63は比較手段で、この比較手段63には前記積分手段62が出力する積分信号が入力され、そしてこの積分信号と所定の値とを比較する比較器64と、この比較器64が出力する1ビットデジタル信号が入力されるD型フリップフロップ65とにより比較手段63は構成されている。また、前記D型フリップフロップ65は前記第2のタイミングΦ2と第4のタイミングΦ4の開始時に前記1ビットデジタル信号をラッチしてラッチ信号を出力するものであり、このラッチ信号は、前記DA変換手段48のDA切替手段47に入力されて基準電圧49,50を切り替えるものである。そして、前記入力切替手段44、DA変換手段48、積分手段62および比較手段63によりΣΔ型AD変換器66を構成している。また、このΣΔ型AD変換器66は上記構成により、前記センサ素子30における一対のセンス電極34,35より出力される電荷をΣΔ変調し、1ビットデジタル信号に変換して出力するものである。   63 is a comparison means. The comparison means 63 receives the integration signal output from the integration means 62, and compares the integration signal with a predetermined value. Comparing means 63 is constituted by a D-type flip-flop 65 to which a bit digital signal is inputted. The D-type flip-flop 65 latches the 1-bit digital signal and outputs a latch signal at the start of the second timing Φ2 and the fourth timing Φ4. The reference voltage 49, 50 is input to the DA switching means 47 of the means 48 and switched. The input switching means 44, DA converting means 48, integrating means 62, and comparing means 63 constitute a ΣΔ AD converter 66. Further, the ΣΔ AD converter 66 is configured to ΣΔ modulate the electric charges output from the pair of sense electrodes 34 and 35 in the sensor element 30 and convert it into a 1-bit digital signal and output it.

67はラッチ回路で、このラッチ回路67には前記ΣΔ型AD変換器66の比較手段63における比較器64より出力される1ビットデジタル信号が入力され、前記1ビットデジタル信号をラッチする一対のD型フリップフロップ68,69によりラッチ回路67は構成されている。また、D型フリップフロップ68は第2のタイミングΦ2で前記1ビットデジタル信号をラッチするものであり、D型フリップフロップ69は第4のタイミングΦ4で前記1ビットデジタル信号をラッチするものである。70は差分演算手段で、この差分演算手段70には前記ラッチ回路67における一対のD型フリップフロップ68,69がラッチして出力する一対の1ビットデジタル信号が入力され、そして差分演算手段70はこの一対の1ビットデジタル信号の差を演算する1ビット差分演算を置換処理により実現するものである。つまり、差分演算手段70に入力される一対の1ビットデジタル信号が、“00”“01”“10”“11”である時、それぞれ“0”“−1”“1”“0”と置き換えて出力する構成となっている。   A latch circuit 67 receives a 1-bit digital signal output from the comparator 64 in the comparison means 63 of the ΣΔ AD converter 66 and latches the 1-bit digital signal. A latch circuit 67 is constituted by the type flip-flops 68 and 69. The D-type flip-flop 68 latches the 1-bit digital signal at the second timing Φ2, and the D-type flip-flop 69 latches the 1-bit digital signal at the fourth timing Φ4. Reference numeral 70 denotes difference calculation means. The difference calculation means 70 receives a pair of 1-bit digital signals latched and output by the pair of D-type flip-flops 68 and 69 in the latch circuit 67. A 1-bit difference operation for calculating the difference between the pair of 1-bit digital signals is realized by a replacement process. That is, when the pair of 1-bit digital signals input to the difference calculation means 70 are “00”, “01”, “10”, and “11”, they are replaced with “0”, “−1”, “1”, and “0”, respectively. Output.

71は補正演算手段で、この補正演算手段71には前記差分演算手段70が出力する1ビット差分信号が入力され、この1ビット差分信号と所定の補正情報との補正演算を置換処理により実現するものである。つまり、上記したように補正演算手段71に入力される1ビット差分信号が“0”“1”“−1”であり、例えば、補正情報が“5”である場合にはそれぞれ“0”“5”“−5”と置き換えて出力する構成となっている。72はデジタルフィルタで、このデジタルフィルタ72には前記補正演算手段71より出力されるデジタル差分信号が入力され、そしてこのデジタルフィルタ72はノイズ成分を除去するフィルタリング処理を行うものである。また、前記ラッチ回路67、差分演算手段70、補正演算手段71およびデジタルフィルタ72により演算手段73を構成しているもので、この演算手段73は、第2、第4のタイミングで一対の1ビットデジタル信号をラッチして、差分演算、補正演算、フィルタリング処理を行い、マルチビット信号を出力することになる。そしてまた、前記タイミング制御回路43とΣΔ型AD変換器66および演算手段73によりセンス回路74を構成している。   Reference numeral 71 denotes a correction calculation means. The correction calculation means 71 receives a 1-bit difference signal output from the difference calculation means 70, and realizes a correction calculation between the 1-bit difference signal and predetermined correction information by replacement processing. Is. That is, as described above, the 1-bit difference signal input to the correction calculation means 71 is “0”, “1”, “−1”. For example, when the correction information is “5”, “0” “ The output is replaced with 5 ""-5 ". Reference numeral 72 denotes a digital filter. The digital filter 72 receives a digital difference signal output from the correction calculation means 71, and the digital filter 72 performs a filtering process to remove noise components. The latch circuit 67, the difference calculation means 70, the correction calculation means 71, and the digital filter 72 constitute a calculation means 73. The calculation means 73 is a pair of one bit at the second and fourth timings. A digital signal is latched, a difference operation, a correction operation, and a filtering process are performed, and a multi-bit signal is output. The timing control circuit 43, the ΣΔ AD converter 66, and the arithmetic means 73 constitute a sense circuit 74.

75はΣΔ型DA変換器で、このΣΔ型DA変換器は、第1の加算器76、第2の加算器77、遅延素子78、1ビット変換器79および増幅器80で構成されているものである。   75 is a ΣΔ DA converter, and this ΣΔ DA converter is composed of a first adder 76, a second adder 77, a delay element 78, a 1-bit converter 79, and an amplifier 80. is there.

上記したように本発明の実施の形態1における角速度センサにおいては、第1のセンス電極34および第2のセンス電極35から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するΣΔ型AD変換器66と、このΣΔ型AD変換器66からの出力信号を補正する補正演算手段71とを備えるとともに、さらに補正演算手段71の後段にΣΔ型DA変換器75を設けているため、センス回路74の全てがデジタル回路で構成されることになり、これにより、半導体プロセスの微細化が可能となるため、角速度センサを容易に小型化することができるという効果が得られるものである。   As described above, in the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention, the ΣΔ AD converter 66 that converts the analog signals output from the first sense electrode 34 and the second sense electrode 35 into digital signals, Since the correction calculation means 71 for correcting the output signal from the ΣΔ AD converter 66 is provided and the ΣΔ DA converter 75 is provided at the subsequent stage of the correction calculation means 71, all of the sense circuits 74 are digital. As a result, the semiconductor process can be miniaturized, so that the angular velocity sensor can be easily reduced in size.

また、ΣΔ型AD変換器66およびΣΔ型DA変換器75は共にΣΔ型であるため、ΣΔ型AD変換器66およびΣΔ型DA変換器75を1チップからなるIC化にする場合、さらに小型化することができるという効果が得られるものである。   Further, since both the ΣΔ AD converter 66 and the ΣΔ DA converter 75 are ΣΔ types, when the ΣΔ AD converter 66 and the ΣΔ DA converter 75 are integrated into one chip, the size is further reduced. The effect that it can do is acquired.

以上のように構成された本発明の実施の形態1における角速度センサについて、次にその動作を説明する。   Next, the operation of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described.

前記センサ素子30の駆動電極32に交流電圧を加えると、前記振動体31が共振し、モニタ電極33に電荷が発生する。このモニタ電極33に発生した電荷をドライブ回路40における電荷増幅器36に入力し、正弦波形の出力電圧に変換する。そしてこの電荷増幅器36の出力電圧をバンドパスフィルタ37に入力し、前記振動体31の共振周波数のみを抽出し、ノイズ成分を除去した図2(a)に示すような正弦波形を出力する。そしてまた、前記ドライブ回路40におけるバンドパスフィルタ37の出力信号をAGC回路38が有する半波整流平滑回路(図示せず)に入力することにより、DC信号に変換する。そしてAGC回路38はこのDC信号が大の場合には前記ドライブ回路40におけるバンドパスフィルタ37の出力信号を減衰させるような信号を、一方、前記DC信号が小の場合には前記ドライブ回路40におけるバンドパスフィルタ37の出力信号を増幅させるような信号を駆動回路39に入力し、前記振動体31の振動が一定振幅となるように調整するものである。さらに、前記センス回路74におけるタイミング制御回路43に、図2(a)に示される正弦波信号が入力され、前記PLL回路41で逓倍した信号をもとにタイミング生成回路42により図2(b)で示される第1のタイミングΦ1、第2のタイミングΦ2、第3のタイミングΦ3、第4のタイミングΦ4を形成する。そして、このタイミング信号が前記ΣΔ型AD変換器66および演算手段73に、SWの切替およびラッチ回路のラッチタイミングとして入力される。また、位相器で位相を90度シフトさせた前記正弦波信号を所定の基準電圧(図示せず)と比較する電圧コンパレータ(図示せず)に入力し、そしてその出力をロジック回路(図示せず)に入力するようにした場合でも、前記タイミング信号Φ1、Φ2、Φ3、Φ4を形成することは可能であるが、この場合、正弦波信号の電圧ノイズおよび温度変化や電源変動による電圧ノイズが位相ノイズとして表れることになる。この位相ノイズは、入力信号や積分切替手段を切り替えるタイミングノイズとして信号処理の精度に悪影響を与える要因となるが、前記PLL回路41を用いて時間的に積分され位相ノイズが低減されたタイミング信号とすることにより、切替タイミングノイズを低減し信号処理の精度を高めることができるものである。また、前記センサ素子30が図1に図示している駆動方向に速度Vで屈曲振動している状態において、前記振動体31の長手方向の中心軸周りにセンサ素子30が角速度ωで回転すると、このセンサ素子30にF=2mV×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により前記センサ素子30が有する一対のセンス電極34,35に、図2(c)および図2(d)に示すように電荷が発生する。そしてこのセンス電極34,35に発生する電荷はコリオリ力により発生するため、前記モニタ電極33に発生する信号より位相が90度進んでいる。そしてまた、前記一対のセンス電極34,35に発生した出力信号は図2(c)および図2(d)に示す通り、正極性信号と負極性信号の関係にある。   When an AC voltage is applied to the drive electrode 32 of the sensor element 30, the vibrating body 31 resonates and charges are generated at the monitor electrode 33. The charge generated on the monitor electrode 33 is input to the charge amplifier 36 in the drive circuit 40 and converted into a sinusoidal output voltage. Then, the output voltage of the charge amplifier 36 is input to a band pass filter 37, and only the resonance frequency of the vibrating body 31 is extracted, and a sine waveform as shown in FIG. Further, the output signal of the bandpass filter 37 in the drive circuit 40 is input to a half-wave rectifying / smoothing circuit (not shown) included in the AGC circuit 38 to be converted into a DC signal. The AGC circuit 38 generates a signal for attenuating the output signal of the bandpass filter 37 in the drive circuit 40 when the DC signal is large, while the AGC circuit 38 in the drive circuit 40 when the DC signal is small. A signal that amplifies the output signal of the bandpass filter 37 is input to the drive circuit 39, and the vibration of the vibrating body 31 is adjusted to have a constant amplitude. Further, the sine wave signal shown in FIG. 2A is inputted to the timing control circuit 43 in the sense circuit 74, and the timing generation circuit 42 based on the signal multiplied by the PLL circuit 41 shows the timing control circuit 43 in FIG. The first timing Φ1, the second timing Φ2, the third timing Φ3, and the fourth timing Φ4 are formed. This timing signal is input to the ΣΔ AD converter 66 and the arithmetic means 73 as SW switching and latch timing of the latch circuit. Further, the sine wave signal whose phase is shifted by 90 degrees by the phase shifter is input to a voltage comparator (not shown) that compares it with a predetermined reference voltage (not shown), and the output thereof is a logic circuit (not shown). ), It is possible to form the timing signals Φ1, Φ2, Φ3, and Φ4. In this case, however, the voltage noise of the sine wave signal and the voltage noise due to temperature change and power supply fluctuation are in phase. It will appear as noise. The phase noise is a factor that adversely affects the accuracy of signal processing as timing noise for switching the input signal and the integration switching means. However, the phase noise is integrated with time using the PLL circuit 41 and the phase signal is reduced. By doing so, switching timing noise can be reduced and the accuracy of signal processing can be increased. When the sensor element 30 is bent and vibrated at a speed V in the driving direction illustrated in FIG. 1, the sensor element 30 rotates at an angular speed ω around the central axis in the longitudinal direction of the vibrating body 31. A Coriolis force of F = 2 mV × ω is generated in the sensor element 30. Due to this Coriolis force, electric charges are generated in the pair of sense electrodes 34 and 35 of the sensor element 30 as shown in FIGS. 2 (c) and 2 (d). Since the charges generated in the sense electrodes 34 and 35 are generated by Coriolis force, the phase is advanced by 90 degrees from the signal generated in the monitor electrode 33. The output signals generated at the pair of sense electrodes 34 and 35 are in a relationship between a positive polarity signal and a negative polarity signal as shown in FIGS. 2 (c) and 2 (d).

この場合におけるΣΔ型AD変換器66の動作を以下に説明する。このΣΔ型AD変換器66は第1のタイミングΦ1、第2のタイミングΦ2、第3のタイミングΦ3および第4のタイミングΦ4を繰り返すことによって動作するもので、第1のタイミングΦ1および第2のタイミングΦ2ではセンサ素子30におけるセンス電極34から出力される正極性信号がΣΔ変調されて1ビットデジタル信号に変換され、また第3のタイミングΦ3および第4のタイミングΦ4では負極性信号がΣΔ変調されて1ビットデジタル信号に変換される。   The operation of the ΣΔ AD converter 66 in this case will be described below. The ΣΔ type AD converter 66 operates by repeating the first timing Φ1, the second timing Φ2, the third timing Φ3, and the fourth timing Φ4. The first timing Φ1 and the second timing At Φ2, the positive polarity signal output from the sense electrode 34 in the sensor element 30 is ΣΔ modulated and converted into a 1-bit digital signal, and at the third timing Φ3 and the fourth timing Φ4, the negative polarity signal is ΣΔ modulated. It is converted into a 1-bit digital signal.

上記した4つのタイミングでの動作をひとつずつ説明する。まず第1のタイミングΦ1では、積分手段62におけるコンデンサ58と接続されているSW60がONになり、このコンデンサ58に保持されている積分値が比較手段63における比較器64に入力され比較結果が1ビットデジタル信号として出力される。また、DA変換手段48におけるスイッチ53と54がONになりコンデンサ52に保持されている電荷が放電される。   The operation at the above four timings will be described one by one. First, at the first timing Φ1, the SW 60 connected to the capacitor 58 in the integrating means 62 is turned on, and the integrated value held in the capacitor 58 is input to the comparator 64 in the comparing means 63 and the comparison result is 1. It is output as a bit digital signal. Further, the switches 53 and 54 in the DA conversion means 48 are turned on, and the electric charge held in the capacitor 52 is discharged.

次に第2のタイミングΦ2では、前記比較手段63の比較器64より出力される1ビットデジタル信号が第2のタイミングΦ2の立ち上がり時にD型フリップフロップ65にラッチされ、このラッチ信号が前記DA変換手段48のDA切替手段47に入力される。この入力されたラッチ信号に応じて基準電圧49,50が切り替えられてコンデンサ52に入力され、DA変換手段48より切り替えられた基準電圧に応じた電荷が出力される。それとともに、入力切替手段44ではスイッチ45がONになり、前記センサ素子30のセンス電極34より発生する電荷が出力される。さらに、積分手段62におけるスイッチ55がONになり、前記入力切替手段44とDA変換手段48から出力される電荷が積分回路56に入力される。これにより第2のタイミングΦ2では、積分回路56におけるコンデンサ58に、図2(c)の斜線部で示される電荷量とDA変換手段48より出力される電荷量の総和が積分されて保持されることになる。   Next, at the second timing Φ2, the 1-bit digital signal output from the comparator 64 of the comparing means 63 is latched in the D-type flip-flop 65 at the rising edge of the second timing Φ2, and this latch signal is converted to the DA converter. Input to the DA switching means 47 of the means 48. The reference voltages 49 and 50 are switched in accordance with the input latch signal and input to the capacitor 52, and the charge corresponding to the switched reference voltage is output from the DA converter 48. At the same time, the switch 45 is turned ON in the input switching means 44, and the electric charge generated from the sense electrode 34 of the sensor element 30 is output. Further, the switch 55 in the integrating means 62 is turned ON, and the charges output from the input switching means 44 and the DA converting means 48 are input to the integrating circuit 56. Thus, at the second timing Φ2, the sum of the charge amount indicated by the hatched portion in FIG. 2C and the charge amount output from the DA conversion means 48 is integrated and held in the capacitor 58 in the integration circuit 56. It will be.

上記した第1のタイミングΦ1および第2のタイミングΦ2での以上の動作によりセンサ素子30のセンス電極34から出力される振幅値の半分に相当する電荷量がΣΔ変調され、特に第1のタイミングΦ1と第2のタイミングΦ2の信号の立ち上がり時に1ビットデジタル信号として出力されることになる。   With the above operation at the first timing Φ1 and the second timing Φ2, the charge amount corresponding to half of the amplitude value output from the sense electrode 34 of the sensor element 30 is ΣΔ modulated, and in particular, the first timing Φ1. When the signal at the second timing Φ2 rises, it is output as a 1-bit digital signal.

また、第1のタイミングΦ1および第2のタイミングΦ2での動作と同様に、第3のタイミングΦ3および第4のタイミングΦ4では、センサ素子30のセンス電極35から出力される振幅値の半分に相当する電荷量がΣΔ変調され、特に第3のタイミングΦ3と第4のタイミングΦ4の信号の立ち上がり時に1ビットデジタル信号に変換されて出力されることになる。以上の動作により、センサ素子30における一対のセンス電極34,35から出力される電荷の振幅値の半分に相当する電荷量が一つのΣΔ型AD変換器66によりΣΔ変調されて一対の1ビットデジタル信号として上記タイミングで出力されることになる。   Similarly to the operations at the first timing Φ1 and the second timing Φ2, the third timing Φ3 and the fourth timing Φ4 correspond to half of the amplitude value output from the sense electrode 35 of the sensor element 30. The amount of charge to be modulated is ΣΔ-modulated, and is converted into a 1-bit digital signal and output, particularly at the rise of the signals at the third timing Φ3 and the fourth timing Φ4. With the above operation, the charge amount corresponding to half of the amplitude value of the charges output from the pair of sense electrodes 34 and 35 in the sensor element 30 is ΣΔ modulated by one ΣΔ AD converter 66 and paired with one pair of 1-bit digital signals. The signal is output at the above timing.

そしてまた、センサ素子30における一対のセンス電極34,35から出力される電荷は、角速度によるコリオリ力で発生する、モニタ電極33に発生する信号より位相が90度進んだセンス信号だけでなく、モニタ信号と同相の不要信号があるため、センサ素子30における一対のセンス電極34,35からセンス信号と不要信号の合成信号が出力される場合について説明する。角速度によるコリオリ力で発生するセンス信号は、図2(c)(d)で示され、そして上記で説明した通り、第2のタイミングΦ2と第4のタイミングΦ4で、積分回路56により図2(c)(d)の斜線部で示される電荷量、つまり、振幅値の半分に相当する電荷量が積分されることになる。さらに、センス電極34,35より発生する不要信号は図2(e)(f)で示され、そして前記センス信号と同様に第2のタイミングΦ2と第4のタイミングΦ4で、図2(e)(f)の斜線部で示される電荷量、つまり、不要信号の振幅の最大値から最小値までの区間の電荷量が積分されるもので、これは振幅の中央値を基準に積分するとキャンセルされて“0”の電荷量となるものである。つまり、第2のタイミングΦ2と第4のタイミングΦ4での積分手段62の動作により、不要信号がキャンセルされてセンス信号の振幅に応じた電荷量が積分される、いわゆる同期検波処理が一対の入力信号のそれぞれに対し実施されることになる。よって、上記不要信号のない場合の動作の説明と同様に、前記ΣΔ型AD変換器66からは同期検波処理された信号がΣΔ変調され、1ビットデジタル信号に変換されて出力されることになる。   In addition, the electric charges output from the pair of sense electrodes 34 and 35 in the sensor element 30 are not only the sense signal whose phase is advanced by 90 degrees from the signal generated in the monitor electrode 33, which is generated by the Coriolis force due to the angular velocity, Since there is an unnecessary signal in phase with the signal, a case where a combined signal of the sense signal and the unnecessary signal is output from the pair of sense electrodes 34 and 35 in the sensor element 30 will be described. The sense signal generated by the Coriolis force due to the angular velocity is shown in FIGS. 2C and 2D, and as described above, the integration circuit 56 generates the sense signal shown in FIG. c) The charge amount indicated by the hatched portion in (d), that is, the charge amount corresponding to half of the amplitude value is integrated. Further, unnecessary signals generated from the sense electrodes 34 and 35 are shown in FIGS. 2E and 2F, and in the same manner as the sense signal, the second timing Φ2 and the fourth timing Φ4, FIG. The amount of charge indicated by the shaded area in (f), that is, the amount of charge in the interval from the maximum value to the minimum value of the amplitude of the unnecessary signal is integrated. This is canceled if integration is performed based on the median value of the amplitude. Thus, the charge amount becomes “0”. That is, a so-called synchronous detection process in which the unnecessary signal is canceled and the charge amount according to the amplitude of the sense signal is integrated by the operation of the integrating means 62 at the second timing Φ2 and the fourth timing Φ4 is a pair of inputs. Will be implemented for each of the signals. Therefore, similarly to the description of the operation when there is no unnecessary signal, the signal subjected to the synchronous detection processing is ΣΔ modulated from the ΣΔ AD converter 66, converted into a 1-bit digital signal, and output. .

以上の動作により、センサ素子30における一対の出力信号を同期検波処理しながらΣΔ変調することが可能となるもので、このような同期検波された信号のデジタル値を、通常のIV変換回路、位相器、同期検波回路などのアナログ回路を必要とすることなく、またこれらを用いた場合より非常に小さな回路規模で、つまり小型で、かつ低コストで得ることができるものである。   With the above operation, the pair of output signals in the sensor element 30 can be subjected to ΣΔ modulation while performing synchronous detection processing, and the digital value of the signal subjected to such synchronous detection is converted into a normal IV conversion circuit, phase The circuit can be obtained without the need for an analog circuit such as a detector and a synchronous detection circuit, and with a circuit scale much smaller than when these are used, that is, with a small size and low cost.

次に、演算手段73について、その動作を説明する。まず、第2のタイミングΦ2で、前記ΣΔ型AD変換器66の比較手段63における比較器64より出力される1ビットデジタル信号が、ラッチ回路67のD型フリップフロップ68にラッチされる。また、第4のタイミングΦ4で、前記ΣΔ型AD変換器66の比較手段63における比較器64より出力される1ビットデジタル信号が、ラッチ回路67のD型フリップフロップ69にラッチされる。   Next, the operation of the calculation means 73 will be described. First, the 1-bit digital signal output from the comparator 64 in the comparator 63 of the ΣΔ AD converter 66 is latched in the D-type flip-flop 68 of the latch circuit 67 at the second timing Φ2. At the fourth timing Φ 4, the 1-bit digital signal output from the comparator 64 in the comparison unit 63 of the ΣΔ AD converter 66 is latched in the D-type flip-flop 69 of the latch circuit 67.

この一対のD型フリップフロップ68,69にラッチされた一対の1ビットデジタル信号は、上記で説明した通り、センサ素子30における一対のセンス電極34,35より出力された信号の不要信号を除いた振幅値の半分に相当する電荷量をそれぞれΣΔ変調によりデジタル値に変換したものである。次に、前記ラッチ回路67が出力する一対の1ビットデジタル信号が1ビット差分演算手段70に入力され、この一対の1ビットデジタル信号の差が演算されて1ビット差分信号が出力される。ここで、第1のタイミングΦ1での1ビット差分信号は、一つ前の周期における第2のタイミングΦ2、第4のタイミングΦ4でラッチされた1ビットデジタル信号の差であり、この1ビット差分信号は、図2(c)(d)で示されるセンサ素子30における一対のセンス電極34,35より出力される信号の不要信号を除いた振幅値を表す信号となる。以上の動作により、センサ素子30における一対のセンス電極34,35から出力される正極性信号と負極性信号の関係にある一対の入力信号が同じ1つの積分手段62を用いて積分されるため、2つの積分手段で別々に積分を行う場合よりも個々の積分手段の特性による一対の入力信号の積分結果の相対誤差への影響が大きく低減されるものである。これと同様に、DA変換手段48も一対の入力信号の信号処理に対し同じ1つのDA変換手段を用いる構成となっている。また、比較手段63でも一対の積分結果を同じ基準電圧と比較器を用いて比較を行うことにより、比較器の特性や基準電圧の変動の比較結果の相対誤差への影響が大きく低減される。上記のように、一対の入力信号を同一の積分手段、DA変換手段、比較手段を用いて信号処理するようにしているため、複数の各手段を用いて信号処理した場合と比べて各手段の相対誤差の影響が大きく低減されるものである。   The pair of 1-bit digital signals latched by the pair of D-type flip-flops 68 and 69 excludes unnecessary signals output from the pair of sense electrodes 34 and 35 in the sensor element 30 as described above. The charge amount corresponding to half of the amplitude value is converted into a digital value by ΣΔ modulation. Next, a pair of 1-bit digital signals output from the latch circuit 67 are input to a 1-bit difference calculation means 70, and a difference between the pair of 1-bit digital signals is calculated to output a 1-bit difference signal. Here, the 1-bit difference signal at the first timing Φ1 is the difference between the 1-bit digital signal latched at the second timing Φ2 and the fourth timing Φ4 in the previous period, and this 1-bit difference signal. The signal is a signal representing an amplitude value excluding unnecessary signals of signals output from the pair of sense electrodes 34 and 35 in the sensor element 30 shown in FIGS. As a result of the above operation, the pair of input signals in the relationship between the positive polarity signal and the negative polarity signal output from the pair of sense electrodes 34 and 35 in the sensor element 30 are integrated using the same single integration means 62. The influence on the relative error of the integration result of a pair of input signals due to the characteristics of the individual integration means is greatly reduced as compared with the case where the integration is performed separately by the two integration means. Similarly, the DA conversion means 48 is configured to use the same one DA conversion means for signal processing of a pair of input signals. Also, the comparison means 63 compares the pair of integration results with the same reference voltage and the comparator, thereby greatly reducing the influence of the comparator characteristics and the reference voltage variation on the relative error of the comparison result. As described above, since a pair of input signals are subjected to signal processing using the same integration means, DA conversion means, and comparison means, each means is compared with a case where a plurality of means are used for signal processing. The influence of relative error is greatly reduced.

また、電源電圧変化や温度変化の影響による各手段における基準電圧変動等の影響も、一対の入力信号に対して同様に加わるため、演算手段73が有する1ビット差分演算手段70により一対の入力信号の信号処理結果の差を演算することにより、各手段における基準電圧変動等の影響をキャンセルでき、これにより、精度良く一対の入力信号の差をAD変換できるという効果を有し、またそれと同時に、センサ素子30における一対のセンス電極34,35より出力されてΣΔ型AD変換器に入力される一対の入力信号が含んでいる同相ノイズ成分やオフセット成分の影響もキャンセルでき、これにより、精度良く一対の入力信号の差信号を形成できるという効果を有するものである。   In addition, since the influence of the reference voltage variation in each means due to the influence of the power supply voltage change and the temperature change is similarly applied to the pair of input signals, the pair of input signals is obtained by the 1-bit difference calculation means 70 included in the calculation means 73. By calculating the difference between the signal processing results, it is possible to cancel the influence of the reference voltage fluctuation or the like in each means, thereby having the effect that the difference between the pair of input signals can be accurately AD converted, and at the same time, The influence of the in-phase noise component and the offset component included in the pair of input signals output from the pair of sense electrodes 34 and 35 in the sensor element 30 and input to the ΣΔ type AD converter can be canceled. It is possible to form a difference signal between the input signals.

そしてまた、一対の入力信号の差をとる1ビット差分演算とは、比較手段の出力信号が“1”“0”からなる1ビット信号である場合、差分演算手段に入力される一対の比較信号が“00”“01”“10”“11”の4種類に限られ、差をとった結果もそれぞれ “0”“−1”“1”“0”と予め決まっていることを利用して、非常に簡単な回路構成で加減算を行う演算器を用いることなく入力信号に応じた減算処理を行った結果を得ることができる1ビットデジタル演算であり、このように減算処理を行った一対の入力信号を1つの差分信号とした後にΣΔAD変換で通常必要となるデジタルフィルタによるローパスやデシメーション等の信号処理を行う構成とすることにより、一対の入力信号をローパスやデシメーション等で信号処理するデジタルフィルタを入力信号のそれぞれに用意し、そしてデジタルフィルタによりマルチビット化した後にマルチビットの加減算を行える演算器を用いて差分演算処理する場合に比べて、差分演算回路、デジタルフィルタなどの演算回路が非常に小さな回路規模で、つまり小型で、かつ低コストで構成でき、かつ高精度な信号処理を実現できるという効果を有するものである。   Further, the 1-bit difference calculation that takes a difference between a pair of input signals is a pair of comparison signals input to the difference calculation means when the output signal of the comparison means is a 1-bit signal consisting of “1” and “0”. Is limited to four types, “00”, “01”, “10”, and “11”, and the result of taking the difference is also determined in advance as “0”, “−1”, “1”, and “0”. This is a 1-bit digital operation that can obtain the result of the subtraction process according to the input signal without using an arithmetic unit that performs addition / subtraction with a very simple circuit configuration. A signal processing such as low-pass and decimation using a digital filter, which is normally required for ΣΔ AD conversion, after the input signal has been converted into one differential signal, allows signal processing of a pair of input signals using low-pass and decimation. Compared to the case where the difference filter is processed using an arithmetic unit that can add and subtract multi-bits after the digital filter is prepared for each input signal and converted into multi-bits by the digital filter, the difference calculation circuit, the digital filter, etc. The circuit has an effect that the circuit can be configured with a very small circuit scale, that is, small in size and at low cost, and high-accuracy signal processing can be realized.

次に、1ビット差分演算手段70が出力する1ビット差分信号が補正演算手段71に入力され、この1ビット差分信号と所定の補正情報との補正演算が置換処理により行われる。この補正演算は、上記したように、1ビット差分信号が “0”“1”“−1”の3値に限られることを利用して、例えば所定の補正情報が “5”である場合に、補正演算手段に入力される1ビット差分信号“0”“1”“−1”を、それぞれ“0”“5”“−5”と置換処理することにより乗算を実現して信号の補正が可能となるものである。   Next, the 1-bit difference signal output from the 1-bit difference calculation means 70 is input to the correction calculation means 71, and the correction calculation between the 1-bit difference signal and predetermined correction information is performed by a replacement process. As described above, this correction calculation uses the fact that the 1-bit difference signal is limited to the three values “0”, “1”, “−1”, and for example, when the predetermined correction information is “5”. The 1-bit differential signal “0”, “1”, “−1” input to the correction calculation means is replaced with “0”, “5”, “−5”, respectively, so that multiplication is realized to correct the signal. It is possible.

これにより、前記センサ素子30の製造バラツキなどに起因する角速度に対する感度のバラツキや、温度変動によるセンサ素子30の感度変動を、適切な補正情報を設定することにより補正することが可能となるものである。さらに、デジタルフィルタによりマルチビット信号に変換した後にマルチビット信号を乗算処理する乗算器を用意して乗算処理することにより信号の補正を行う場合に比べて、非常に小さな回路規模で実現でき、さらにこの置換処理では有限語調によるデータの切捨てなどは存在せず、高精度な補正演算を実現できる。その結果、センサ素子およびセンス回路の感度調整が、小型で、かつ低コストで高精度を実現できるという効果が得られるものである。   Accordingly, it is possible to correct the sensitivity variation with respect to the angular velocity due to the manufacturing variation of the sensor element 30 and the sensitivity variation of the sensor element 30 due to the temperature variation by setting appropriate correction information. is there. Furthermore, it can be realized with a very small circuit scale as compared with the case where signal correction is performed by preparing a multiplier that multiplies the multibit signal after conversion to a multibit signal by a digital filter and performing the multiplication process. In this replacement process, there is no truncation of data in a finite tone, and a highly accurate correction calculation can be realized. As a result, the sensitivity adjustment of the sensor element and the sense circuit can be realized with a small size and a high accuracy at a low cost.

そして、前記デジタルフィルタ72から出力されるマルチビット化したデジタル信号を前記ΣΔ型DA変換器75に入力してDA変換することにより、ΣΔ型DA変換器75から、角速度に応じたアナログ信号からなる出力信号を出力するものである。   Then, the multi-bit digital signal output from the digital filter 72 is input to the ΣΔ DA converter 75 and DA-converted, whereby the ΣΔ DA converter 75 includes an analog signal corresponding to the angular velocity. An output signal is output.

(実施の形態2)
以下、実施の形態2を用いて、本発明の特に請求項4および請求項5に記載の発明について説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the second and second embodiments of the present invention will be described in particular.

図3は本発明の実施の形態2における角速度センサの回路図である。なお、この本発明の実施の形態2においては、上記した本発明の実施の形態1と同様の構成を有するものについては、同一番号を付し、その説明は省略する。   FIG. 3 is a circuit diagram of the angular velocity sensor according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment of the present invention, components having the same configurations as those of the first embodiment of the present invention described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

81は温度センサで、この温度センサ81は周囲温度を常時計測しており、この温度センサ81からの出力信号を演算手段73における補正演算手段71に入力することにより、1ビット差分演算手段70からの出力信号を補正している。82はスイッチで、このスイッチ82は前記デジタルフィルタ72および温度センサ81の双方からの出力信号を入力しているもので、前記ΣΔ型DA変換器75と並列に設けられたSPIバス83からの指令により、デジタルフィルタ72からの角速度信号または温度センサ81からの温度情報信号のうち、いずれか一方を選択して、ΣΔ型DA変換器75に出力するものである。そして、このΣΔ型DA変換器75は、角速度信号または温度情報信号のうち、いずれか一方のデジタル出力信号をアナログ出力信号に変換して外部に出力するものである。   Reference numeral 81 denotes a temperature sensor. The temperature sensor 81 constantly measures the ambient temperature. By inputting an output signal from the temperature sensor 81 to the correction calculation means 71 in the calculation means 73, the 1-bit difference calculation means 70 The output signal is corrected. Reference numeral 82 denotes a switch. The switch 82 inputs output signals from both the digital filter 72 and the temperature sensor 81, and commands from an SPI bus 83 provided in parallel with the ΣΔ DA converter 75. Thus, one of the angular velocity signal from the digital filter 72 and the temperature information signal from the temperature sensor 81 is selected and output to the ΣΔ DA converter 75. The ΣΔ DA converter 75 converts either one of the angular velocity signal and the temperature information signal into an analog output signal and outputs the analog output signal to the outside.

上記したように本発明の実施の形態2における角速度センサにおいては、温度センサ81からの出力信号をスイッチ82に入力し、そしてSPIバス83からの指令により、ΣΔ型DA変換器75から温度情報を出力するように構成しているため、ΣΔ型DA変換器75から角速度情報と温度情報のいずれか一方を選択しながら出力することができるという効果が得られるものである。   As described above, in the angular velocity sensor according to the second embodiment of the present invention, the output signal from the temperature sensor 81 is input to the switch 82, and the temperature information is received from the ΣΔ DA converter 75 by the command from the SPI bus 83. Since it is configured to output, it is possible to obtain an effect that it can be output while selecting either angular velocity information or temperature information from the ΣΔ DA converter 75.

一方、演算手段73におけるデジタルフィルタ72からの出力信号はSPIバス83にも入力されており、そして、このSPIバス83を介して外部にデジタル信号からなる角速度情報を出力しているもので、すなわち、ΣΔ型DA変換器75と並列にSPIバス83を設け、このSPIバス83によりデジタル信号からなる出力信号を外部に出力するように構成しているため、アナログ信号およびデジタル信号の双方の角速度情報を出力することができるという効果が得られるものである。   On the other hand, the output signal from the digital filter 72 in the computing means 73 is also input to the SPI bus 83, and the angular velocity information consisting of digital signals is output to the outside via the SPI bus 83, that is, Since the SPI bus 83 is provided in parallel with the ΣΔ DA converter 75 and the output signal composed of the digital signal is output to the outside by the SPI bus 83, the angular velocity information of both the analog signal and the digital signal is provided. Can be output.

本発明にかかる角速度センサは、半導体プロセスの微細化による小型化が可能となる角速度センサを提供することができるという効果を有し、航空機、車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム等に用いられる角速度センサとして有用である。   The angular velocity sensor according to the present invention has an effect of providing an angular velocity sensor that can be miniaturized by miniaturization of a semiconductor process, and is used for attitude control of a moving body such as an aircraft or a vehicle, a navigation system, or the like. It is useful as an angular velocity sensor.

本発明の実施の形態1におけるΣΔ型AD変換器を用いた角速度センサの回路図Circuit diagram of an angular velocity sensor using a ΣΔ AD converter according to Embodiment 1 of the present invention (a)〜(f)同角速度センサの動作状態を示す波形図(A)-(f) Waveform diagram which shows the operating state of the same angular velocity sensor 本発明の実施の形態2における角速度センサの回路図Circuit diagram of angular velocity sensor according to Embodiment 2 of the present invention 従来の角速度センサを示すブロック図Block diagram showing a conventional angular velocity sensor

30 センサ素子
32 駆動電極
33 モニタ電極
34,35 センス電極
40 ドライブ回路
44 入力切替手段
47 DA切替手段
48 DA変換手段
62 積分手段
63 比較手段
66 ΣΔ型AD変換器
70 差分演算手段
71 補正演算手段
75 ΣΔ型DA変換器
81 温度センサ
82 スイッチ
83 SPIバス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 Sensor element 32 Drive electrode 33 Monitor electrode 34, 35 Sense electrode 40 Drive circuit 44 Input switching means 47 DA switching means 48 DA conversion means 62 Integration means 63 Comparison means 66 Sigma-delta type AD converter 70 Difference calculation means 71 Correction calculation means 75 ΣΔ DA converter 81 Temperature sensor 82 Switch 83 SPI bus

Claims (5)

駆動電極とセンス電極とモニタ電極を有するセンサ素子と、このセンサ素子を所定の駆動周波数で駆動させるドライブ回路と、前記センス電極から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換器と、このAD変換器からの出力信号を補正する補正演算手段とを備えるとともに、さらに前記補正演算手段の後段にDA変換器を設けた角速度センサ。 A sensor element having a drive electrode, a sense electrode, and a monitor electrode; a drive circuit for driving the sensor element at a predetermined drive frequency; an AD converter for converting an analog signal output from the sense electrode into a digital signal; An angular velocity sensor provided with correction calculation means for correcting an output signal from the AD converter, and further provided with a DA converter at a subsequent stage of the correction calculation means. AD変換器を、少なくとも2つの入力信号を切り替える入力切替手段と、少なくとも2つのレベルの電荷量を出力するDA変換手段と、前記入力切替手段とDA変換手段とから出力される電荷を積分しその少なくとも2つの積分値を保持する積分手段と、この積分手段から出力される少なくとも2つの積分値を所定の値と比較する比較手段と、この比較手段の少なくとも2つの出力に応じて前記DA変換手段の出力を切り替えるDA切替手段と、前記比較手段から出力される少なくとも2つの比較信号の差を演算する差分演算手段とからなるΣΔ型AD変換器で構成した請求項1記載の角速度センサ。 The AD converter integrates the charges output from the input switching means for switching at least two input signals, the DA conversion means for outputting charge amounts of at least two levels, the input switching means and the DA conversion means, Integrating means for holding at least two integral values, comparing means for comparing at least two integral values output from the integrating means with a predetermined value, and the DA converting means in accordance with at least two outputs of the comparing means 2. An angular velocity sensor according to claim 1, comprising a ΣΔ type AD converter comprising a DA switching means for switching the output and a difference calculation means for calculating a difference between at least two comparison signals output from the comparison means. DA変換器をΣΔ型DA変換器で構成した請求項1または2記載の角速度センサ。 3. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the DA converter is a ΣΔ DA converter. 補正演算手段の後段にDA変換器と並列にSPIバスを設け、このSPIバスによりデジタル信号からなる出力信号を外部に出力するように構成した請求項1記載の角速度センサ。 2. An angular velocity sensor according to claim 1, wherein an SPI bus is provided in parallel with the DA converter after the correction calculation means, and an output signal composed of a digital signal is output to the outside by the SPI bus. 温度センサを設けるとともに、補正演算手段とDA変換器との間にスイッチを設け、前記温度センサからの出力信号をスイッチに入力し、SPIバスからの指令により、DA変換器から温度情報を出力するように構成した請求項4記載の角速度センサ。 In addition to providing a temperature sensor, a switch is provided between the correction calculation means and the DA converter, an output signal from the temperature sensor is input to the switch, and temperature information is output from the DA converter in response to a command from the SPI bus. The angular velocity sensor according to claim 4 configured as described above.
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