JP2013104707A - Angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に、手振れ補正機能付きカメラ、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等に利用でき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 that can be used for posture control and navigation of a moving body such as a camera with a camera shake correction function, an aircraft, an automobile, a robot, a ship, and a vehicle.
従来、この種の角速度センサは、図5に示されるような構成をしていた。 Conventionally, this type of angular velocity sensor has a configuration as shown in FIG.
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5は従来の角速度センサの回路ブロック図である。 FIG. 5 is a circuit block diagram of a conventional angular velocity sensor.
図5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、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を設けるとともに、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EEPROM6aを設けており、このEEPROM6aに保存したデータにより、駆動信号を補正している。
In FIG. 5,
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の駆動検出用電極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、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
ここで、図6に示すように、デジタル処理技術の進歩に伴い、相手側のコンピュータをマスタコンピュータ12として設定するとともに、このマスタコンピュータ12により制御されるスレブ側として、第1の角速度センサ13、第2の角速度センサ14、加速度センサ15および回転数センサ16を制御する場合を考える。このような場合には、マスタコンピュータ12にチップセレクト端子17を設けるとともに、第1の角速度センサ13、第2の角速度センサ14、加速度センサ15および回転数センサ16の全てにチップセレクト端子18を設ける。
Here, as shown in FIG. 6, as the digital processing technology advances, the counterpart computer is set as the
また、マスタコンピュータ12に出力端子19を設けるとともに、この出力端子19に対応する入力端子20を、第1の角速度センサ13、第2の角速度センサ14、加速度センサ15および回転数センサ16の全てに設ける。また、第1の角速度センサ13、第2の角速度センサ14、加速度センサ15および回転数センサ16の全てに出力端子21を設けるとともに、この出力端子21に対応する入力端子22をマスタコンピュータ12に設ける。ここで、例えば、第1の角速度センサ13を動作させる場合を考えると、マスタコンピュータ12におけるチップセレクト端子17から、第1の角速度センサ13におけるチップセレクト端子18に信号を出力する。そして、マスタコンピュータ12における出力端子19から第1の角速度センサ13における入力端子20に8bit信号からなるコマンド信号を発信し、そのコマンド信号に対応する8bitのデータを第1の角速度センサ13における出力端子21からマスタコンピュータ12における入力端子22に出力する。そして、上記のコマンド信号としては、第1の角速度センサ13からの角速度情報の出力、第1の角速度センサ13における駆動回路6のEEPROM6aへのデータの書き込み、EEPROM6aからのデータの読み出しが挙げられる。
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、上記従来の構成においては、角速度センサ13の有するクロック周波数とマスタコンピュータ12の持つクロック周波数とが異なる場合に、マスタコンピュータ12におけるチップセレクト端子17から角速度センサ13におけるチップセレクト端子18に信号を出力することにより、角速度センサ13から角速度の情報を出力端子21からマスタコンピュータ12における入力端子22に出力するようにしているため、角速度センサ13とマスタコンピュータ12とのクロック周波数の位相のずれにより、位相のずれ分だけ、出力信号が変動してしまうという課題を有していた。
However, in the above conventional configuration, when the clock frequency of the
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、角速度センサの有するクロック周波数とマスタコンピュータの持つクロック周波数とが異なる場合においても、正確な出力信号を出力することが可能な角速度センサを提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides an angular velocity sensor capable of outputting an accurate output signal even when the clock frequency of the angular velocity sensor and the clock frequency of the master computer are different. It is for the purpose.
上記目的を達成するために本発明は、振動子と、この振動子を振動させる駆動回路と、前記振動子に角速度が付加された際にコリオリ力により発生する電荷をアナログ信号の出力信号として検出する検出回路と、この検出回路からのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器と、このA/D変換器の動作タイミングを制御する発振器と、この発振器から出力される矩形波を分周器を介してデータ更新信号に変換するINT出力制御回路と、前記A/D変換器により変換されたデジタル信号を記憶する記憶手段と、外部に設けたマスタコンピュータとチップセレクト端子、クロック端子、入力端子および出力端子を介して電気的に接続された通信制御回路とを備え、前記INT出力制御回路から出力されるデータ更新信号に同期させて、角速度信号からなる応答信号を通信制御回路における出力端子からマスタコンピュータにおける入力端子に入力するようにしたもので、この構成によれば、角速度センサの有するクロック周波数とマスタコンピュータの有するクロック周波数とが異なる場合においても、INT出力制御回路から出力されるデータ更新信号に同期させて、角速度信号からなる応答信号を通信制御回路における出力端子からマスタコンピュータにおける入力端子に入力するようにしているため、マスタコンピュータにおけるクロック周波数の影響を受けることなく、角速度信号を出力できることとなり、角速度センサとマスタコンピュータとのクロック信号の位相のずれによる出力変動がなくなるという作用効果を有するものである。 To achieve the above object, the present invention detects a vibrator, a drive circuit that vibrates the vibrator, and an electric charge generated by Coriolis force when an angular velocity is applied to the vibrator as an output signal of an analog signal. Detection circuit, an A / D converter that converts an analog signal from the detection circuit into a digital signal, an oscillator that controls the operation timing of the A / D converter, and a rectangular wave output from the oscillator. An INT output control circuit for converting to a data update signal via a peripheral, storage means for storing the digital signal converted by the A / D converter, an external master computer, a chip select terminal, a clock terminal, A communication control circuit electrically connected via an input terminal and an output terminal, and synchronized with a data update signal output from the INT output control circuit The response signal comprising the angular velocity signal is input from the output terminal of the communication control circuit to the input terminal of the master computer. According to this configuration, the clock frequency of the angular velocity sensor and the clock frequency of the master computer are Even in a different case, a response signal composed of an angular velocity signal is input from the output terminal of the communication control circuit to the input terminal of the master computer in synchronization with the data update signal output from the INT output control circuit. The angular velocity signal can be output without being influenced by the clock frequency in the computer, and there is an effect that the output fluctuation due to the phase shift of the clock signal between the angular velocity sensor and the master computer is eliminated.
本発明の角速度センサは、振動子と、この振動子を振動させる駆動回路と、前記振動子に角速度が付加された際にコリオリ力により発生する電荷をアナログ信号の出力信号として検出する検出回路と、この検出回路からのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器と、このA/D変換器の動作タイミングを制御する発振器と、この発振器から出力される矩形波を分周器を介してデータ更新信号に変換するINT出力制御回路と、前記A/D変換器により変換されたデジタル信号を記憶する記憶手段と、外部に設けたマスタコンピュータとチップセレクト端子、クロック端子、入力端子および出力端子を介して電気的に接続された通信制御回路とを備え、前記INT出力制御回路から出力されるデータ更新信号に同期させて、角速度信号からなる応答信号を通信制御回路における出力端子からマスタコンピュータにおける入力端子に入力するようにしたもので、この構成によれば、角速度センサの有するクロック周波数とマスタコンピュータの有するクロック周波数とが異なる場合においても、INT出力制御回路から出力されるデータ更新信号に同期させて、角速度信号からなる応答信号を通信制御回路における出力端子からマスタコンピュータにおける入力端子に入力するようにしているため、マスタコンピュータにおけるクロック周波数の影響を受けることなく、角速度信号を出力できることとなり、角速度センサとマスタコンピュータとのクロック信号の位相のずれにより出力変動が発生するということのない特性の向上した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。 An angular velocity sensor according to the present invention includes a vibrator, a drive circuit that vibrates the vibrator, a detection circuit that detects an electric charge generated by Coriolis force when an angular velocity is added to the vibrator as an output signal of an analog signal, and An A / D converter that converts an analog signal from the detection circuit into a digital signal, an oscillator that controls the operation timing of the A / D converter, and a rectangular wave output from the oscillator via a frequency divider An INT output control circuit for converting into a data update signal, a storage means for storing the digital signal converted by the A / D converter, an external master computer, a chip select terminal, a clock terminal, an input terminal and an output A communication control circuit electrically connected via a terminal, and an angular velocity synchronized with a data update signal output from the INT output control circuit. The response signal consisting of a signal is input from the output terminal of the communication control circuit to the input terminal of the master computer. According to this configuration, the clock frequency of the angular velocity sensor and the clock frequency of the master computer are different. However, in response to the data update signal output from the INT output control circuit, the response signal including the angular velocity signal is input from the output terminal of the communication control circuit to the input terminal of the master computer. It is possible to provide an angular velocity sensor with improved characteristics that can output an angular velocity signal without being affected by the clock frequency and does not cause output fluctuation due to a phase shift of the clock signal between the angular velocity sensor and the master computer. it can It is those having the effect of say.
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検出回路を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a detection circuit of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
図1において、31は振動子で、この振動子31は一対の駆動部32と、この一対の駆動部32のそれぞれの先端に配設された一対の検知部33とにより構成されている。また前記振動子31の駆動部32の一方には駆動用電極34を設けるとともに、前記駆動部32の他方には駆動検出用電極35を設けている。そしてまた前記振動子31における一対の検知部33には角速度検出用電極36を設けている。37はモニタ回路で、このモニタ回路37は前記振動子31の駆動検出用電極35の電荷を入力する電流アンプ38と、この電流アンプ38の出力信号を入力するバンドパスフィルタ39と、このバンドパスフィルタ39の出力信号を入力する整流器40と、この整流器40の出力信号を入力する平滑回路41とにより構成されている。42はAGC回路で、このAGC回路42は前記モニタ回路37における平滑回路41の出力信号を入力し、かつ前記モニタ回路37におけるバンドパスフィルタ39の出力信号を増幅あるいは減衰させるものである。43は制御回路で、この制御回路43は前記AGC回路42の出力信号を入力するとともに、前記振動子31の駆動用電極34に駆動信号を入力するものである。そして、前記モニタ回路37、AGC回路42および制御回路43とで、駆動回路44を構成している。
In FIG. 1,
45は電流アンプで、この電流アンプ45は前記振動子31における一対の角速度検出用電極36にコリオリ力により発生する電荷を電圧に変換するものである。46は検出回路で、この検出回路46は、前記電流アンプ45の出力信号を入力する差動アンプ47と、この差動アンプ47の出力信号を入力する同期検波器48と、この同期検波器48の出力信号を入力する平滑回路49と、この平滑回路49の出力信号を入力するとともに、増幅して角速度信号を出力する直流アンプ50とにより構成されている。60はA/D変換器で、このA/D変換器60は検出回路46における直流アンプ50から出力されるアナログからなる出力信号をデジタル信号に変換する。62はレジスタで、このレジスタ62は角速度情報としての出力信号、駆動回路44の補正データ等がデータとして保存されている。
63は3線式シリアル通信におけるスレブに相当する通信制御回路で、この通信制御回路63はレジスタ62とデータのやり取りを行うとともに、チップセレクト端子64、入力端子65、出力端子66およびクロック端子67を設けている。68は外部に設けられたマスタコンピュータで、このマスタコンピュータ68は3線式シリアル通信方式における通信をコントロールしており、角速度センサにおけるチップセレクト端子64と接続されたチップセレクト端子69、角速度センサにおける入力端子65と接続された出力端子70および角速度センサにおける出力端子66と接続された入力端子71、角速度センサにおけるクロック端子67と接続されたクロック端子72およびINT端子73を設けている。また、前記マスタコンピュータ68には、タイミング回路68aを設けている。74は発振器で、この発振器74は矩形波形を出力している。75は分周器で、この分周器75は前記発振器74からの出力信号を13.3KHzからなる矩形波に変換して出力している。76はINT出力制御回路で、このINT出力制御回路76は前記分周器75からの出力される矩形波をデータ更新信号に変換して出力している。そして、このデータ更新信号はマスタコンピュータ68におけるINT端子73を介してタイミング回路68aに入力される。そして、このタイミング回路68aから出力される出力信号がマスタコンピュータ68におけるチップセレクト端子69を介して角速度センサの通信制御回路63におけるチップセレクト端子64にローの信号として入力される。
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.
振動子31の駆動用電極34に交流電圧を加えると、前記振動子31が共振し、前記振動子31の駆動検出用電極35に電荷が発生する。この駆動検出用電極35に発生した電荷を駆動回路44における電流アンプ38に入力し、正弦波形の出力電圧に変換する。そしてこの電流アンプ38の出力電圧をモニタ回路37におけるバンドパスフィルタ39に入力し、前記振動子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、前記モニタ回路37におけるバンドパスフィルタ39の出力信号を整流器40に入力することにより、負電圧成分を正電圧に変換した後、平滑回路41に入力することにより、直流電圧信号に変換する。そしてAGC回路42は前記平滑回路41の直流電圧信号が大の場合には前記モニタ回路37におけるバンドパスフィルタ39の出力信号を減衰させるような信号を、一方、前記平滑回路41の直流電圧信号が小の場合には前記モニタ回路37におけるバンドパスフィルタ39の出力信号を増幅させるような信号を制御回路43に入力し、前記振動子31の振動が一定振幅となるように調整するものである。また前記振動子31の駆動部32が駆動方向に速度Vで屈曲振動している状態において、前記振動子31の長手方向の中心軸周りに振動子31が角速度ωで回転すると、この振動子31の検知部33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検知部33における一対の角速度検出用電極36に、図2(b)および図2(c)に示すように電荷が発生する。そしてこの角速度検出用電極36に発生する電荷はコリオリ力により発生するため、前記駆動検出用電極35に発生する信号より位相が90度進んでいる。そしてまた、前記一対の角速度検出用電極36に発生した出力信号を重ね合わせることにより図2(d)に示すような電荷の信号を得る。さらに電流アンプ45により、図2(e)に示すような出力電圧に変換する。このとき、前記電流アンプ45はコンデンサ(図示せず)を設けており、前記角速度検出用電極36の出力をさらに90度進めるものである。そしてこの電流アンプ45の出力信号を2つの出力信号に分岐するとともに、分岐した出力信号の一方を検出回路46における差動アンプ47により前記振動子31の共振周波数成分のみを抽出し、ノイズ成分を除去するとともに、この差動アンプ47の出力を同期検波器48に入力し、前記モニタ回路37におけるバンドパスフィルタ39の振動の周期で位相検波させるとともに、前記差動アンプ47の電力電圧の負電圧成分を正電圧に変換し、図2(f)に示すような出力信号を得る。そしてこの同期検波器48の出力電圧を平滑回路49および直流アンプ50により平滑化するとともに、増幅し、図2(g)に示すような出力信号を得る。そして、前記検出回路46における直流アンプ50の出力信号をアナログからなる角速度情報としてA/D変換器60に入力する。A/D変換器60は、前記直流アンプ50から出力されるアナログからなる出力情報をデジタルからなる出力信号に変換するものである。
When an AC voltage is applied to the drive electrode 34 of the
ここで、通常の動作状態として、マスタコンピュータ68からの指令により、デジタル信号からなる角速度情報を角速度センサが出力する場合を考える。10ビットからなる角速度情報として、角速度センサの静止状態すなわち0[度/秒]を(1000000000)とし、測定範囲の最大角速度511[度/秒]を(1111111111)とし、測定範囲の最小角速度−511[度/秒]を(0000000000)と定義する。 Here, as a normal operation state, a case where the angular velocity sensor outputs angular velocity information composed of a digital signal according to a command from the master computer 68 is considered. As angular velocity information consisting of 10 bits, the stationary state of the angular velocity sensor, that is, 0 [degree / second] is (1000000000), the maximum angular velocity 511 [degree / second] of the measurement range is (1111111111), and the minimum angular velocity of the measurement range is −511. Define [degrees / second] as (0000000000).
そして、発振器74からの出力信号を分周器75により矩形波信号に変換して、さらに、図3に示すように、INT出力制御回路76から78μsecのデータ更新信号を出力する。このデータ更新信号をマスタコンピュータ68におけるINT端子73に入力する。マスタコンピュータ68におけるタイミング回路68aを介してチップセレクト端子69から角速度センサにおける通信制御回路63におけるチップセレクト端子64に図4(a)に示すように、ローの信号を入力することにより、マスタコンピュータ68のコマンドを受ける対象として、本発明の一実施の形態における角速度センサを選択する。
Then, the output signal from the oscillator 74 is converted into a rectangular wave signal by the
その後、マスタコンピュータ68におけるクロック端子72から通信制御回路63におけるクロック端子67に図4(c)のクロック信号が入力され、このクロック信号の立ち上がり時に図4(b)に示す例えば、角速度情報を要求する1番目のコマンド77がマスタコンピュータ68における出力端子70から通信制御回路63における入力端子65に入力される。そうすると、図4(c)のクロック信号の立下りに合わせて図4(d)に示すように、角速度信号からなる応答信号77を通信制御回路63における出力端子66からマスタコンピュータ68における入力端子71に入力する。
Thereafter, the clock signal shown in FIG. 4C is input from the
すなわち、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、角速度センサの有する更新時間78μsecとマスタコンピュータの有する更新時間125μsecとが異なる場合においても、INT出力制御回路76から出力されるデータ更新信号に同期させて、角速度信号からなる応答信号を通信制御回路63における出力端子66からマスタコンピュータ68における入力端子71に入力するようにしているため、マスタコンピュータ68におけるクロック周波数約8KHzの影響を受けることなく、角速度信号を出力できることとなり、角速度センサとマスタコンピュータとのクロック信号の位相のずれによる出力変動がなくなるという作用効果を有するものである。
That is, in the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention, even when the update time 78 μsec possessed by the angular velocity sensor and the update time 125 μsec possessed by the master computer are different, the data update signal output from the INT
この角速度信号からなる応答信号78は、4線式、SPI通信、16ビットの角速度データで構成されている。 The response signal 78 made up of this angular velocity signal is composed of 4-wire, SPI communication, and 16-bit angular velocity data.
この1番目のコマンド77である角速度情報の上位バイトを要求するコマンドに対し、図5(a)に示すような上位バイトの信号を含む角速度信号からなる応答信号78を通信制御回路63からマスタコンピュータ68に出力する。次に、2番目のコマンド79である角速度情報の下位バイトを要求するコマンドに対し、図5(b)に示すような、下位バイトの信号を含む角速度信号からなる応答信号80を通信制御回路63からマスタコンピュータ68に出力する。そして、マスタコンピュータ68にて、上位バイトの角速度信号からなる応答信号78と下位バイトの角速度信号からなる応答信号80を結合することにより、10ビットからなる角速度情報を受信するものである。
In response to the command requesting the upper byte of the angular velocity information as the first command 77, a response signal 78 comprising an angular velocity signal including the upper byte signal as shown in FIG. 5A is sent from the
本発明にかかる角速度センサは、角速度センサの有するクロック周波数とマスタコンピュータの持つクロック周波数とが異なる場合においても、正確な出力信号を出力することが可能な角速度センサを提供できるという効果を有し、手ブレ補正機能付きカメラ、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等に利用できる角速度センサ等として有用である。 The angular velocity sensor according to the present invention has an effect of providing an angular velocity sensor capable of outputting an accurate output signal even when the clock frequency of the angular velocity sensor and the clock frequency of the master computer are different. It is useful as an angular velocity sensor that can be used for posture control and navigation of a moving body such as a camera with a camera shake correction function, an aircraft, an automobile, a robot, a ship, and a vehicle.
31 振動子
44 駆動回路
46 検出回路
60 A/D変換器
62 レジスタ
63 通信制御回路
64 チップセレクト端子
65 入力端子
66 出力端子
67 クロック端子
68 マスタコンピュータ
75 分周器
76 INT出力制御回路
31
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JP2015094672A (en) * | 2013-11-12 | 2015-05-18 | セイコーエプソン株式会社 | Sensor device, sensor unit and electronic apparatus |
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