JP2012098033A - Angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
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デジタル回路を用いた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 using a digital circuit 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は、図11および図12に示されるような構成を有していた。 A conventional angular velocity sensor of this type has a configuration as shown in FIGS.
以下、従来の角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a conventional angular velocity sensor will be described with reference to the drawings.
図11は従来の角速度センサの回路を示すブロック図、図12は同角速度センサにおける駆動回路およびその故障検出回路を示すブロック図である。 FIG. 11 is a block diagram showing a circuit of a conventional angular velocity sensor, and FIG. 12 is a block diagram showing a drive circuit and its failure detection circuit in the angular velocity sensor.
図11、図12において、1はH型の音叉からなる水晶製の振動子で、この振動子1は一対の駆動部2と、この一対の駆動部2の反対側に配設された一対の検知部3とにより構成されており、そして、この検知部3に角速度検出用電極(図示せず)を設けている。また、前記振動子1の駆動部2の一方には駆動用電極4を設け、かつ駆動部2の他方には駆動検出用電極5を設けている。6は駆動回路で、この駆動回路6は前記振動子1における駆動用電極4および駆動検出用電極5と電気的に接続されており、振動子1を一定の振幅になるように制御している。また、駆動回路6には2つのEEPROM6aを設けており、そして図13に示すような、このEEPROM6aに保存した8ビットからなる2つの補正データを互いに比較することにより、補正データの改竄を防止した状態で、駆動信号を補正している。7は故障診断回路で、この故障診断回路7は、ウインドウコンパレータ8と、このウインドウコンパレータ8の出力信号をモニターするビット論理9とにより構成されている。10は検出回路で、この検出回路10は振動子1における検知部3から出力される電荷を増幅して電圧に変換し、出力信号として入出力端子11から外部に出力されるものである。
In FIGS. 11 and 12,
以上のように構成された従来の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 conventional angular velocity sensor configured as described above will be described.
振動子1の駆動用電極4に交流電圧を加えると前記振動子1が共振し、前記振動子1における駆動検出用電極5に、振動子1の振動振幅に応じた電荷が発生する。そして、この電荷を駆動回路6により増幅、調整した後、駆動用電極4に入力することにより、振動子1が一定の振幅で振動するように制御している。また、振動子1のバラツキにより、振幅が所定の値と外れている場合には、駆動回路6におけるEEPROM6aのデータを書き換えることにより、振幅を微調整している。
When an AC voltage is applied to the drive electrode 4 of the
そしてまた、前記振動子1に角速度ωが加わると、一対の検知部3に設けた角速度検出用電極(図示せず)に電荷が発生する。そしてこの角速度検出用電極(図示せず)に発生する電荷を検出回路10により、出力電圧に変換して、前記入出力端子11より角速度の信号として、相手側のコンピュータ(図示せず)等に入力し、角速度を検出するものである。
When the angular velocity ω is applied to the
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。
As prior art document information relating to the invention of this application, for example,
しかしながら、上記した従来の構成においては、EEPROM6aに保存した8ビットからなる2つの補正データは、図13に示すように2の補数表現によるものであるため、他の符号付数値表現では、容易に出力信号を出力することができないという課題を有していた。 However, in the above-described conventional configuration, the two 8-bit correction data stored in the EEPROM 6a are based on the two's complement expression as shown in FIG. There has been a problem that an output signal cannot be output.
本発明は上記従来の課題を解決するもので、2の補数表現だけでなく、他の符号付数値表現でも容易に出力信号を出力す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 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that easily outputs an output signal not only with two's complement expression but also with other signed numerical expressions.
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、駆動電極と第1のセンス電極と第2のセンス電極とモニタ電極とを有する振動子と、この振動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符号付数値表現変換回路を設けたもので、この構成によれば、補正演算手段の後段に符号付数値表現変換回路を設けたため、符号付数値表現変換回路により、2の補数表現からオフセットバイナリー表現の出力信号に変換することができるから、容易に、他の符号付数値表現での出力信号を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 a first aspect of the present invention, there is provided a vibrator having a drive electrode, a first sense electrode, a second sense electrode, and a monitor electrode, and a drive circuit for driving the vibrator at a predetermined drive frequency. An analog-to-digital converter that converts an analog signal output from the sense electrode into a digital signal; and a correction calculation unit that corrects the output signal from the AD converter; According to this configuration, since the signed numerical expression conversion circuit is provided in the subsequent stage of the correction calculation means, the signed numerical expression conversion circuit outputs an offset binary expression from the two's complement expression. Since it can be converted into a signal, it has an operational effect that an output signal in another signed numerical expression can be easily output.
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つのレベルの電荷量を出力する第1のDA変換手段および第2のDA変換手段と、前記第1のセンス電極と第1のDA変換手段とから出力される電荷を積分しその積分値を保持する第1の積分回路と、前記第2のセンス電極と第2のDA変換手段とから出力される電荷を積分しその積分値を保持する第2の積分回路と、前記第1の積分回路と第2の積分回路からの出力信号を比較する比較回路と、この比較回路からの出力信号を基に、前記第1のDA変換手段および第2のDA変換手段からの出力信号のレベルを切り替えるようにしたもので、この構成によれば、AD変換器から1ビットデジタル信号を符号付数値表現変換回路に入力することができることとなり、これにより、符号付数値表現変換回路から容易に、2の補数表現もしくはオフセットバイナリー表現のデジタル信号を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 second aspect of the present invention, in particular, the AD converter includes a first DA conversion unit and a second DA conversion unit that output charge amounts of at least two levels, and the first sense electrode. Integrating the charges output from the first DA converter and the first integrating circuit for holding the integrated value, and integrating the charges output from the second sense electrode and the second DA converter. On the basis of the second integration circuit that holds the integration value, the comparison circuit that compares the output signals from the first integration circuit and the second integration circuit, and the output signal from the comparison circuit, The level of the output signal from the first DA conversion means and the second DA conversion means is switched. According to this configuration, a 1-bit digital signal is input from the AD converter to the signed numerical expression conversion circuit. This would be possible More, and has a effect that easily from the signed number representations conversion circuit can output a digital signal of two's complement representation or offset binary representation.
本発明の請求項3に記載の発明は、特に、振動子電極およびアナログ信号配線パターンを上面に設けた基板と、この基板の上面に設けられるとともに基板における振動子電極と電気的に接続される駆動電極、第1のセンス電極および第2のセンス電極を有する振動子と、前記基板における凹部に設けられるとともに振動子を振動駆動しかつ振動子からの出力信号を処理するICとを備え、前記基板の上面にスイッチバンプ接合部を設けるとともに、アナログ信号配線パターンおよびデジタル信号配線パターンの信号線の引き回しを異ならせることにより、スイッチバンプ接合部に加わる電圧が変化し、符号付数値表現変換回路に加わる制御信号が変化するようにしたもので、この構成によれば、基板の上面にスイッチバンプ接合部を設けるとともに、アナログ信号配線パターンおよびデジタル信号配線パターンの信号線の引き回しを異ならせることにより、スイッチバンプ接合部に加わる電圧が変化し、符号付数値表現変換回路に加わる制御信号が変化するようにしたため、1つのICで異なる符号付数値表現での出力信号を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。
The invention according to
以上のように本発明の角速度センサは、駆動電極と第1のセンス電極と第2のセンス電極とモニタ電極とを有する振動子と、この振動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符号付数値表現変換回路を設けたもので、この構成によれば、補正演算手段の後段に符号付数値表現変換回路を設けたため、符号付数値表現変換回路により、2の補数表現からオフセットバイナリー表現の出力信号に変換することができるから、容易に、他の符号付数値表現での出力信号を出力す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するものである。 As described above, the angular velocity sensor of the present invention includes a vibrator having a drive electrode, a first sense electrode, a second sense electrode, and a monitor electrode, a drive circuit that drives the vibrator at a predetermined drive frequency, An AD converter that converts an analog signal output from the sense electrode into a digital signal; and a correction calculation unit that corrects the output signal from the AD converter; According to this configuration, since the signed numerical expression conversion circuit is provided at the subsequent stage of the correction calculation means, the signed numerical expression conversion circuit outputs the output signal from the two's complement expression to the offset binary expression. Therefore, it is possible to easily provide an angular velocity sensor that outputs an output signal in another signed numerical expression. Than is.
以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施の形態における角速度センサの分解斜視図、図2は同角速度センサから上蓋の一部を取り外した状態を示す斜視図、図3は同角速度センサの側断面図、図4は同角速度センサにおける基板の上面図、図5は同角速度センサにおける基板の下面図、図6は同角速度センサにおける振動子の上面図、図7は同角速度センサにおけるICの下方からの斜視図、図8は本発明の一実施の形態における角速度センサの回路図である。 1 is an exploded perspective view of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing a state in which a part of an upper cover is removed from the angular velocity sensor, and FIG. 3 is a side sectional view of the angular velocity sensor. 4 is a top view of the substrate in the angular velocity sensor, FIG. 5 is a bottom view of the substrate in the angular velocity sensor, FIG. 6 is a top view of the vibrator in the angular velocity sensor, and FIG. 7 is a perspective view from below of the IC in the angular velocity sensor. FIG. 8 is a circuit diagram of the angular velocity sensor in one embodiment of the present invention.
図1〜図8において、11はセラミックを積層して焼成することにより構成された基板で、この基板11は上面に凹部12を設けるとともに、この凹部12の内底面に、図4に示すように、複数の振動子接続用のアナログバンプ接合部13、外部とのアナログ信号出力用のアナログバンプ接合部14およびデジタルバンプ接合部15を放射線状に設けている。また、前記基板11の上面には、振動子電極16を設けている。そしてまた、前記基板11には、前記凹部12における内底面と同一面から上面にかけてアナログ層17を設けており、そして、このアナログ層17には、前記振動子接続用のアナログバンプ接合部13と電気的に接続される振動子アナログ信号配線パターン18を設けているものである。さらに、前記基板11には、前記凹部12における内底面と同一面から下面にかけてデジタル層19を設けており、そして、このデジタル層19には、前記アナログ信号出力用のアナログバンプ接合部14と電気的に接続される出力用アナログ信号配線パターン20を設けるとともに、デジタルバンプ接合部15と電気的に接続されるデジタル信号配線パターン21を設けているものである。また、図4に示すように、凹部12における内底面では、デジタルバンプ接合部15を設けた側と異なる側に振動子接続用のアナログバンプ接合部13およびアナログ信号出力用のアナログバンプ接合部14を設けているものである。そしてまた、図3に示すように、基板11におけるアナログ層17に設けた振動子アナログ信号配線パターン18とデジタル層19に設けたデジタル信号配線パターン21とは互いに交差しないように構成されているものである。さらに、図4に示すように、アナログバンプ接合部14には、GND電位アナログバンプ接合部14aを設けている。また、デジタルバンプ接合部15には、電源デジタルバンプ接合部15aとスイッチバンプ接合部15bとを設けている。そして、前記GND電位アナログバンプ接合部14aとスイッチバンプ接合部15bとをアナログ信号配線パターン18により電気的に接続している。22は音叉形状のシリコン基板(図示せず)の上面にPZTからなる圧電薄膜(図示せず)を設けたX軸振動子で、このX軸振動子22は前記基板11の上面に設けられるとともに、図6に示すように、上面に駆動電極32、第1のセンス電極34および第2のセンス電極35を設けている。25はY軸振動子で、このY軸振動子25は前記基板11の上面に設けられるとともに、前記X軸振動子22と同様、上面に駆動電極32、第1のセンス電極34および第2のセンス電極35を設けている。また、前記基板11の上面に設けた振動子電極16は、前記X軸振動子22とY軸振動子25における駆動電極32、第1のセンス電極34および第2のセンス電極35とワイヤー線26により電気的に接続されているものである。
1 to 8,
27はICで、このIC27は前記基板11の凹部12に設けられるとともに、X軸振動子22およびY軸振動子25を振動駆動し、かつX軸振動子22およびY軸振動子25からの出力信号を処理する振動子アナログ信号処理回路部28を設けている。また、前記IC27にはデジタル信号処理回路部29を設けており、そして、このデジタル信号処理回路部29により、前記振動子アナログ信号処理回路部28から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換している。そしてまた、前記IC27の下面には、方形形状に整列するようにバンプ電極30を設けており、かつこのバンプ電極30は、基板11における振動子接続用のアナログバンプ接合部13、アナログ信号出力用のアナログバンプ接合部14およびデジタルバンプ接合部15と電気的に接続しているものである。すなわち、IC27におけるバンプ電極30から振動子接続用のアナログバンプ接合部13、振動子アナログ信号配線パターン18、振動子電極16およびワイヤー線26を介して前記X軸振動子22およびY軸振動子25における駆動電極32に駆動電圧を供給している。また、前記IC27は、前記X軸振動子22およびY軸振動子25における第1のセンス電極34および第2のセンス電極35からの出力信号を、ワイヤー線26、振動子電極16、振動子アナログ信号配線パターン18を介して入力するとともに、振動子アナログ信号処理回路部28およびデジタル信号処理回路部29により信号処理をしてデジタル信号配線パターン21より外部に出力しているものである。そして、前記IC27におけるデジタル信号処理回路部29には、図8に示すように、電荷増幅器36を設けており、この電荷増幅器36には前記X軸振動子22およびY軸振動子25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、そしてこの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、前記振動子22、25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。
An
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、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。47は第1のDA切替手段で、この第1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は前記第1の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、第2のタイミングΦ2で動作してコンデンサ52の電荷を放電するスイッチ53、54とにより構成されている。そして、前記第1のDA切替手段47と第1のDA出力手段51とで第1のDA変換手段48を構成し、かつこの第1のDA変換手段48は第1のタイミングΦ1で前記コンデンサ52の電荷を放電するとともに、第1の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。55は第1のスイッチで、この第1のスイッチ55は前記第1のタイミングΦ1で第1のセンス電極34から、電流からなる出力信号を出力するものである。56は第1の積分回路で、この第1の積分回路56には前記第1のスイッチ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コンデンサ58とにより構成されている。
The PLL circuit 41 multiplies the monitor signal output from the
59は第2のDA切替手段で、この第2のDA切替手段59は、第1の基準電圧60および第2の基準電圧61を有し、そしてこの第1の基準電圧60と第2の基準電圧61を所定の信号により切り替えるものである。62は第2のDA出力手段で、この第2のDA出力手段62は前記第2のDA切替手段59の出力信号が入力されるコンデンサ63と、このコンデンサ63の両端に接続され、第2のタイミングΦ2で動作してコンデンサ63の電荷を放電するスイッチ64a、64bとにより構成されている。そして、前記第2のDA切替手段59と第2のDA出力手段62とで第2のDA変換手段66を構成し、かつこの第2のDA変換手段66は第2のタイミングΦ2で前記コンデンサ63の電荷を放電するとともに、第2のDA切替手段59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。65は第2のスイッチで、この第2のスイッチ65は前記第1のタイミングΦ1で、第2のセンス電極35から出力信号を出力するものである。67は第2の積分回路で、この第2の積分回路67には前記第2のスイッチ65の出力が入力されるもので、演算増幅器68と、この演算増幅器68の帰還に並列に接続されるコンデンサ69とにより構成されている。70は比較回路で、この比較回路70には前記第1の積分回路56が出力する積分信号と第2の積分回路67が出力する積分信号とを比較する比較器71と、D型フリップフロップ72とにより構成されており、前記D型フリップフロップ72に、比較器71が出力する1ビットからなるデジタル信号を入力している。また、前記D型フリップフロップ72は前記第1のタイミングΦ1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、前記第1のDA変換手段48の第1のDA切替手段47に入力されて第1の基準電圧49または第2の基準電圧50を切り替えるとともに、前記第2のDA変換手段66の第2のDA切替手段59に入力されて第1の基準電圧60または第2の基準電圧61を切り替えるものである。そして、前記第1のDA変換手段48、第2のDA変換手段66、第1の積分回路56、第2の積分回路67および比較回路70によりΣΔ変調器からなるAD変換器73を構成している。そして、このAD変換器73は上記構成により、前記振動子22、25における第1のセンス電極34および第2のセンス電極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。
59 is a second DA switching means, and this second DA switching means 59 has a
74は補正演算手段で、この補正演算手段74にはフリップフロップ72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74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。75はデジタルフィルタで、このデジタルフィルタ75には前記補正演算手段74より出力されるデジタル信号が入力され、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。76は符号付数値表現変換回路で、この符号付数値表現変換回路76には前記デジタルフィルタ75から2の補数表現のデジタル信号が入力される。前記符号付数値表現変換回路76は外部からLOW電圧レベルの制御信号が入力された場合には、2の補数表現のデジタル信号をそのまま出力する。
一方、外部からHighの電圧レベルの制御信号が入力された場合には、符号付数値表現変換回路76により、フルスケールの半分に相当する値を加算して、オフセット・バイナリ方式のデジタル信号を外部に出力するものである。例えば、デジタルフィルタ75から出力される2の補数表現の出力信号が、2の16乗からなる信号の場合には、2の15乗の信号を加算するものである。そして、補正演算手段74、デジタルフィルタ75および符号付数値表現変換回路76により演算手段77を構成している。また、この演算手段77は、第1のタイミングΦ1で1ビットデジタル信号をラッチして、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している。そしてまた、前記タイミング制御回路43、AD変換器73および演算手段77によりセンス回路を構成している。78は上蓋で、この上蓋78は前記基板11の上面を覆うことによりX軸振動子22およびY軸振動子25を保護しているものである。
On the other hand, when a control signal having a high voltage level is input from the outside, a value corresponding to half of the full scale is added by the signed numerical
以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次にその製造方法を説明する。 Next, a manufacturing method of the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention configured as described above will be described.
まず、2の補数表現のデジタル出力信号を出力する角速度センサの製造方法について、説明する。 First, a method for manufacturing an angular velocity sensor that outputs a digital output signal expressed in two's complement will be described.
基板11の上面に設けた凹部12に、エポキシ系の熱硬化性樹脂を塗布した後、凹部12にIC27を搭載し、さらに高温雰囲気中で熱硬化性樹脂を硬化させることにより、基板11にIC27を固着し、そしてこのIC27におけるバンプ電極30を基板11における振動子接続用のアナログバンプ接合部13、アナログ信号出力用のアナログバンプ接合部14、GND電位アナログバンプ接合部14a、デジタルバンプ接合部15、電源デジタルバンプ接合部15aおよびスイッチバンプ接合部15bに電気的に接続する。
An epoxy thermosetting resin is applied to the
次に、基板11におけるX軸振動子22およびY軸振動子25を載置する位置に、エポキシ系の熱硬化性樹脂を塗布する。
Next, an epoxy-based thermosetting resin is applied to a position on the
次に、基板11の上面にX軸振動子22、Y軸振動子25を載置した後、基板11を約150℃の高温槽(図示せず)に約90分投入して、基板11の上面にX軸振動子22、Y軸振動子25を固着する。
Next, after placing the
次に、X軸振動子22およびY軸振動子25と基板11における振動子電極16とを、ワイヤー線26のワイヤーボンディングにより電気的に接続する。
Next, the
最後に、基板11の上面に上蓋78を取り付ける。
Finally, an
同様に、オフセットバイナリー表現のデジタル出力信号を出力する角速度センサの製造方法について、説明する。 Similarly, a method for manufacturing an angular velocity sensor that outputs a digital output signal in an offset binary representation will be described.
その場合には、図9に示すように、GND電位を構成するアナログ信号配線パターン18をGND電位アナログバンプ接合部14aと接続する基板11を準備した後、IC27におけるバンプ電極30を基板11における振動子接続用のアナログバンプ接合部13、アナログ信号出力用のアナログバンプ接合部14、GND電位アナログバンプ接合部14a、デジタルバンプ接合部15、電源デジタルバンプ接合部15aおよびスイッチバンプ接合部15bに電気的に接続するものである。
In this case, as shown in FIG. 9, after preparing the
以上のように構成された本発明の一実施の形態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 one embodiment of the present invention configured as described above will be described.
前記X軸振動子22またはY軸振動子25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10(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、そして前記振動体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、タイミング制御回路43に、図10(a)に示される正弦波信号が入力され、そしてこの正弦波信号を前記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10(b)で示される第1のタイミングΦ1および第2のタイミングΦ2を形成する。そして、このタイミング信号が前記ΣΔ変調器からなるAD変換器73および補正演算手段74に、スイッチ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。
When an AC voltage is applied to the
また、前記振動子22、25が図8に図示している駆動方向に速度値に相当する電荷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角速度ωで回転すると、この振動子22、25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振動子22、25が有する第1のセンス電極34および第2のセンス電極35に、図10(c)および図10(d)に示すように電荷が発生する。そしてこの第1のセンス電極34および第2のセンス電極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。前記第1のセンス電極34および第2のセンス電極35に発生した出力信号は図10(c)および図10(d)に示す通り、正極性信号と負極性信号の関係にある。
Further, the
この場合におけるΣΔ変調器からなるAD変換器73の動作を以下に説明する。このAD変換器73は第1のタイミングΦ1および第2のタイミングΦ2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では振動子22、25における第1のセンス電極34および第2のセンス電極35から出力される正極性信号または負極性信号が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
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での動作をひとつずつ説明する。 The operations at the first timing Φ1 and the second timing Φ2 will be described one by one.
ここでは、振動子22、25の中心軸を中心に所定の角速度が振動子22、25に付与されて、振動子22、25が回転し、第1のセンス電極34および第2のセンス電極35に8値に相当する電荷の出力電圧が発生する場合を考える。
Here, a predetermined angular velocity is applied to the
まず、第1のタイミングΦ1では、振動子22、25における第1のセンス電極34から発生する8値に相当する電荷からなる出力信号が第1の積分回路56におけるコンデンサ58に保持されるとともに、このコンデンサ58に保持されている出力信号が比較回路70における比較器71の反転端子71aに入力される。同様に、振動子22、25における第2のセンス電極35から発生する出力信号が第2の積分回路67におけるコンデンサ69に保持されるとともに、このコンデンサ69に保持されている−8値に相当する電荷からなる出力信号が比較回路70における比較器71の非反転端子71bに入力される。そうすると、比較器71から比較結果として、1ビットデジタル信号“1”がフリップフロップ72に入力され、第2のタイミングΦ2時に、フリップフロップ72にラッチされる。そして、第2のタイミングΦ2で、第1のDA出力手段51におけるスイッチ53およびスイッチ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とともに、第2のDA出力手段62におけるスイッチ64aおよびスイッチ64bがONになり、コンデンサ63に保持されている電荷が放電される。そして、フリップフロップ72からのラッチ信号“1”が、次の、第1のタイミングΦ1時に第1のDA変換手段48における第1のDA切替手段47に入力され、−10値に相当する電荷を発生する第2の基準電圧50に切り替えられる。同様に、第2のDA変換手段66における第2のDA切替手段59に入力され、10値に相当する電荷を発生する第1の基準電圧60に切り替えられる。そうすると、第1のDA出力手段51におけるコンデンサ52に、第2の基準電圧50の−10値に相当する電荷に対応する電荷が蓄えられ、第1の積分回路56に入力されるとともに、第2のDA出力手段62におけるコンデンサ63に第1の基準電圧60の10値に相当する電荷に対応する電荷が蓄えられ、第2の積分回路67に入力される。それとともに、第1のスイッチ55がONになり、前記振動子22、25の第1のセンス電極34より発生する8値に相当する電荷に対応する電荷が第1の積分回路56に出力される。さらに、第2のスイッチ65がONになり、第2のセンス電極35から8値に相当する電荷に対応する電荷が第2の積分回路67に入力される。
First, at the first timing Φ1, an output signal composed of charges corresponding to eight values generated from the
これにより第2のタイミングΦ2では、第1の積分回路56におけるコンデンサ58に、図10(c)の斜線部で示される電荷量と第1の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6値に相当する電荷からなる出力信号が第1の積分回路56に保持されることになる。同様に、第2の積分回路67におけるコンデンサ69に、図10(d)の斜線部で示される電荷量と第2のDA変換手段66より出力される電荷量の総和が積分されて−6値に相当する電荷からなる出力信号が第2の積分回路67に保持されることになる。そして、比較器71により比較して、フリップフロップ72に1ビットデジタル信号として出力されることになる。そして、このような前述のサイクルを繰り返すことにより、第1の積分回路56に保持される電圧は順次2値に相当する電荷ずつ低下し、一方、第2の積分回路67に保持される電圧は順次、2値に相当する電荷ずつ増加する。その結果、第1の積分回路56および第2の積分回路67に保持される電圧が0値に相当する電荷になるまでは、“1”の出力信号が出力される。その後、第1の積分回路56に保持される電圧が−2値に相当する電荷になるとともに、第2の積分回路67に保持される電圧が2値に相当する電荷になると、比較器71からは、“−1”出力信号が出力される。そうすると、フリップフロップ72からは、“−1”の出力信号が第1のDA切替手段47および第2のDA切替手段59に入力され、第1のDA変換手段48における第1の基準電圧49から、10値に相当する電荷の電圧が出力され、対応した電荷がコンデンサ52に保持されるとともに、第2のDA変換手段66における第2の基準電圧61からは、−10値に相当する電荷の電圧が出力され、対応する電荷がコンデンサ63に保持される。そうすると、第1の積分回路56に16値に相当する電荷の電圧が保持されるとともに、第2の積分回路67に−16値に相当する電荷の電圧が保持される。以後、第1の積分回路56および第2の積分回路67の出力電圧が順次2値に相当する電荷ずつ変化して、“1”の出力信号が9回出力された後、“−1”の出力信号が1回出力され、マルチビット化すると、“0.8”の出力信号が出力されて、角速度の信号として検出されるものである。
Thus, at the second timing Φ2, the sum of the charge amount indicated by the hatched portion in FIG. 10C and the charge amount output from the first DA conversion means 48 is stored in the
このとき、図4に示すように、スイッチバンプ接合部15bがアナログ信号配線パターン18を介してGND電位アナログバンプ接合部14aと電気的に接続されている場合には、IC27における符号付数値表現変換回路76にGND電位に相当するLOW電圧レベルの制御信号が入力される。そうすると、演算手段からは、(表1)に示すような、2の補数表現のデジタル信号が出力される。
At this time, as shown in FIG. 4, when the switch
一方、図9に示すように、スイッチバンプ接合部15bがデジタル信号配線パターン21を介して電源デジタルバンプ接合部15aと電気的に接続されている場合には、IC27における符号付数値表現変換回路76に3V電位に相当するHigh電圧レベルの制御信号が入力される。そうすると、演算手段からは、(表1)に示すような、オフセットバイナリー表現のデジタル信号が出力される。
On the other hand, as shown in FIG. 9, when the switch
本発明にかかる角速度センサは、2の補数表現だけでなく、他の符号付数値表現でも容易に出力信号を出力することができるという効果を有し、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デジタル回路を用いた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 that an output signal can be easily output not only by a two's complement expression but also by other signed numerical expressions, and in particular, the attitude of a moving body such as an aircraft or a vehicle. It is useful as an angular velocity sensor using a digital circuit used in control, navigation systems, and the like.
11 基板
18 アナログ信号配線パターン
21 デジタル信号配線パターン
22、25 振動子
32 駆動電極
33 モニタ電極
34 第1のセンス電極
35 第2のセンス電極
40 ドライブ回路
48 第1のDA変換手段
56 第1の積分回路
66 第2のDA変換手段
67 第2の積分回路
70 比較回路
73 AD変換器
74 補正演算手段
76 符号付数値表現変換回路
DESCRIPTION OF
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010243186A JP2012098033A (en) | 2010-10-29 | 2010-10-29 | Angular velocity sensor |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015102403A (en) * | 2013-11-25 | 2015-06-04 | セイコーエプソン株式会社 | Package, electronic component mounted package, physical quantity sensor, electronic apparatus, and moving body |
JP2016085179A (en) * | 2014-10-28 | 2016-05-19 | セイコーエプソン株式会社 | Physical quantity detection vibration element, physical quantity sensor, electronic equipment and mobile body |
-
2010
- 2010-10-29 JP JP2010243186A patent/JP2012098033A/en active Pending
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