JP4375098B2 - Angular velocity sensor - Google Patents
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Description
本発明は、振動式の角速度センサに関する。 The present invention relates to a vibration type angular velocity sensor.
角速度の検出を軽量で簡便に行うことを可能にする技術として、振動式の角速度センサが知られている。図17は、特許文献1に開示される従来の振動式の角速度センサの全体構成図である。この従来の角速度センサ151は、センシング部100と周辺回路とを有している。センシング部100は、基板71を有しており、基板71の上に固定された固定部材72a〜72dに基端側が連結された弾性支持部材74a〜74dよって、振動子73が基板71の主面から距離をおいて支持されている。振動子73は、弾性支持部材74a〜74dに支持されることにより、基板71の主面に平行なX−Y座標面内において変位可能となっている。振動子73の側面には、櫛歯状の可動電極77a〜77d、78a〜78dが設けられている。
A vibration-type angular velocity sensor is known as a technology that makes it possible to easily and easily detect angular velocity. FIG. 17 is an overall configuration diagram of a conventional vibration type angular velocity sensor disclosed in
基板1の上には、固定電極79a〜79d、82a〜82dが、可動電極77a〜77d、78a〜78dの一方の面に対向するように立設されており、固定電極80a〜80d、83a〜83dが、可動電極77a〜77d、78a〜78dの他方の面に対向するように立設されている。固定部材72a〜72dと基板71との間、及び固定電極79a〜79d、80a〜80d、82a〜82d、83a〜83dと基板71との間は、互いに電気的に絶縁されている。
On the
スイッチング制御回路86は、スイッチSW1〜SW4をオンし、スイッチSW5〜SW8をオフすることにより、振動子73を強制振動させる励振モードと、スイッチSW1〜SW4をオフし、スイッチSW5〜SW8をオンすることにより、振動子73を自由振動させるとともに角速度を検出する角速度検出モードとの、2つの動作モードを交互に実現する。励振モードでは、励振信号発生回路85が生成する交流の励振信号が固定電極79a〜79d、80a〜80d、82a〜82d、83a〜83dに入力される。このとき、固定電極79a〜79d、80a〜80dと、固定電極82a〜82d、83a〜83dとには、互いに逆相の励振信号が入力される。その結果、可動電極77a〜77d、78a〜78dと固定電極79a〜79d、80a〜80d、82a〜82d、83a〜83dとの間に発生する静電力により、振動子73がX軸方向に振動する。
The
振動子73がX軸方向に振動しているときに、Z軸周りの角速度、即ち角速度のZ軸成分が作用すると、Y軸方向のコリオリ力が振動子73に作用する。それにより、振動子73には、Z軸周りの角速度の大きさに応じた振幅の振動がY軸方向に発生する。
When the
動作モードが励振モードから角速度検出モードへ切り替わると、固定電極79a〜79d、80a〜80d、82a〜82d、83a〜83dには、励振信号発生回路85からの励振信号は入力されなくなるので、振動子73は自由振動することとなる。角速度検出モードでは、固定電極79a〜79d、82a〜82dは、C−V(容量−電圧)変換器88へ接続され、固定電極80a〜80d、83a〜83dは、C−V変換器89へ接続される。演算回路90は、C−V変換器88及びC−V変換器89が出力する電圧信号を受けることにより、可動電極77a〜77d、78a〜78dと固定電極79a〜79d、80a〜80d、82a〜82d、83a〜83dとの間の静電容量の変化量として振動子73のY軸方向の変位量を捉え、それによりZ軸周りの角速度を検出する。
When the operation mode is switched from the excitation mode to the angular velocity detection mode, the excitation signals from the excitation
この従来技術は、励振モードと角速度検出モードとを一定周期毎に切り替えることにより、励振モードにより発生した電荷変化がノイズとして角速度の検出に影響を及ぼすことを抑制している。しかしながら上述の通り、角速度検出モードでは、振動子73のX軸方向の振動は自由振動である。このため、角速度検出モードでは、振動子73のX軸方向の振幅は時間の経過と共に減衰する。Y軸方向のコリオリ力は、X軸方向の振動の速度に比例するので、間接的にX軸方向の振動の振幅に比例する。従って、角速度検出モードにおいて、振動子73のX軸方向の振幅が減衰するのに伴い、Y軸方向のコリオリ力が減衰する。それにより、振動子73のY軸方向の変位が減衰するので、検出される角速度も減衰する。このように、特許文献1に記載の従来技術は、励振モードと角速度検出モードとを互いに異なる周期で実現するので、角速度の検出感度が低いという問題点を有していた。
This prior art suppresses the change in charge generated by the excitation mode from affecting the detection of the angular velocity as noise by switching between the excitation mode and the angular velocity detection mode at regular intervals. However, as described above, in the angular velocity detection mode, the vibration of the
これに対して、特許文献2は、同一周期内で励振モードと角速度検出モードとを微小時間毎に切り替える技術を開示している。図18は、特許文献2に開示される従来の振動式の角速度センサの全体構成図である。この従来の角速度センサ152は、センシング部に、振動子101、可動電極101a〜101d、モニタ(励振振動検出)用固定電極102a、102b、角速度検出用固定電極102c、102d、及び駆動用固定電極112a、112bを備えている。又、角速度センサ152は、周辺回路として、C−V(容量−電圧)変換回路部104、サンプルホールド回路部105a〜105d、差動増幅回路部106、107、同期検波回路部108、感度調整回路部109、励振信号発生回路部110、及びスイッチング制御回路部111を備えている。
On the other hand,
各種の固定電極102a〜102d、112a及び112bは、振動子101に設けられた可動電極101a〜101dに対向するように設けられている。これらのうち、励振用固定電極112a及び112bは、可動電極101a及び101bにそれぞれ対向し、静電引力を作用させることにより振動子101を振動方向Xへ励振するための固定電極である。モニタ用固定電極102a及び102bは、可動電極101a及び101bにそれぞれ対向し、互いの間の容量変化を通じて振動子101の振動方向Xの変位をモニタするための固定電極である。角速度検出用固定電極102c及び102dは、可動電極101c及び101dにそれぞれ対向し、互いの間の容量変化を通じて振動子101の検知方向Yの変位を検知する固定電極である。検知方向Yの最大の変位の大きさ、即ち検知方向Yの振幅を通じて角速度が検出される。
Various
C−V変換回路部104は、容量変化を電圧信号へ変換する回路部である。サンプルホールド回路部105a〜105dは、C−V変換回路部104が出力する電圧信号の最大値を保持する回路部である。差動増幅回路部106は、一対のサンプルホールド回路部105a及び105bが出力する電圧信号の差分X1を出力する回路部である。同様に、差動増幅回路部107は、一対のサンプルホールド回路部105c及び105dが出力する電圧信号の差分X2を出力する回路部である。感度調整回路部109は、出力信号の感度調整、即ち補正を行う回路部である。励振信号発生回路部110は、励振信号を発生する回路部である。又、スイッチング制御回路部111は、電圧信号DR1、DR2、PW1〜PW4、及びS1〜S5等を通じて、各部の制御を行うものである。
The CV
スイッチング制御回路部111は、図19のタイミングチャートに示すように、励振モード、モニタモード、及び角速度検出モードの3通りの動作モードを、同一周期内で実現する。3つの動作モードは、同時に行われるのではなく、時分割により択一的に実行される。
As shown in the timing chart of FIG. 19, the switching
励振モードは、振動子101に振動方向Xに静電引力を印加することにより振動を誘起する動作モードである。励振モードの区間では、スイッチSW1はオフし、スイッチSW2はオンする。励振信号発生回路部110は、スイッチSW1を介して励振用固定電極112a、112bに接続されている。振動子101が振動方向Xの図18上左向きに変位すべき状態にあるときには、スイッチング制御回路部111は、励振用固定電極112aに必要な電圧を印加すべく電圧信号DR1及びDR2を制御し、それにより励振用固定電極112aと可動電極101aとの間に静電引力を作用させる。逆に、振動子101が振動方向Xの図18上右向きに変位すべき状態にあるときには、スイッチング制御回路部111は、励振用固定電極112bに必要な電圧を印加すべく電圧信号DR1及びDR2を制御し、それにより励振用固定電極112bと可動電極101bとの間に静電引力を作用させる。
The excitation mode is an operation mode in which vibration is induced by applying an electrostatic attractive force to the
モニタモードは、モニタ用固定電極102a及び102bと、それぞれ対向する可動電極101a及び101bとの間の静電容量(それぞれCa及びCbと仮に記す)を通じて、振動子101の振動方向Xの変位を検出する動作モードである。モニタモードの区間では、スイッチSW1はオンし、スイッチSW2はオフする。
In the monitor mode, the displacement in the vibration direction X of the
振動子101の電位を基準電位(Va/2と仮に記す)として、スイッチング制御回路部111は、ある区間ではモニタ用固定電極102aの電位をVaとし、モニタ用固定電極102bの電位を0とし、次の区間ではモニタ用固定電極102aの電位を0とし、モニタ用固定電極102bの電位をVaとするように、電圧信号PW1及びPW2を制御する。それにより、C−V変換回路部104は、静電容量Caと静電容量Cbとの差分を電圧信号として出力する。この電圧信号の最高値及び最低値は、サンプルホールド回路部105a及び105bによってそれぞれ検出され、更に差動増幅回路部106によって最高値と最低値との差分が増幅される。従って、差動増幅回路部106は差分X1として、振動子101の振動方向Xの振幅に対応した信号を出力する。
Assuming that the potential of the
角速度検出モードは、モニタ用固定電極102c及び102dと、それぞれ対向する可動電極101c及び101dとの間の静電容量(それぞれCc及びCdと仮に記す)を通じて、振動子101の検知方向Yの変位を検出する動作モードである。角速度検出モードの区間ではモニタモードの区間と同様に、スイッチSW1はオンし、スイッチSW2はオフする。
In the angular velocity detection mode, the displacement in the detection direction Y of the
スイッチング制御回路部111は、ある区間では角速度検出用固定電極102cの電位をVaとし、角速度検出用固定電極102dの電位を0とし、次の区間では角速度検出用固定電極102cの電位を0とし、角速度検出用固定電極102dの電位をVaとするように、電圧信号PW3及びPW4を制御する。それにより、C−V変換回路部104は、静電容量Ccと静電容量Cdの差分を電圧信号として出力する。この電圧信号の最高値及び最低値は、サンプルホールド回路部105c及び105dによってそれぞれ検出され、更に差動増幅回路部107によって最高値と最低値との差分が増幅される。従って、差動増幅回路部107は差分X2として、振動子101の検知方向Yの振幅に対応した信号を出力する。検知方向Yの振幅は、振動方向X及び検知方向Yの双方に垂直なZ軸方向の角速度成分に依存する。従って、差動増幅回路部107は、角速度のZ軸方向成分に対応する信号を差分X2として出力する。
The switching
このように、特許文献2に開示される従来技術は、同一周期を微小に分割した区間毎に、励振モード、モニタモード、及び角速度検出モードの3通りの動作モードを交互に実現する。一般に、振動子101を励振するために励振用固定電極112a、112bに印加される電圧により、振動子101内に発生する電荷移動の量は、角速度の作用による振動子101の検知方向Yの変位に起因する電荷移動の量に比べて、数千倍乃至それ以上である。従って、励振による電荷移動が残留している期間に角速度の検出が実行されると、励振による電荷移動がノイズとして、角速度による電荷移動に混合することとなる。その結果、振動子101が検知方向Yにあたかも大きく変位したかのように検知されることとなる。特許文献2に開示される従来技術では、同一周期を細分化した区間毎に、3通りの動作モードが実行されることにより、励振モードの区間と角速度検出モードの区間とが近接しているために、角速度検出への励振によるノイズの影響が避けられないという問題点があった。
As described above, the prior art disclosed in
なお、特許文献2に開示される従来技術では、振動子101とC−V変換回路104との間に配置されたスイッチSW1が、一見有効に機能するかのように見える。しかしながら、振動子101とC−V変換回路104等の検出回路とを接続する信号線は、振動型の角速度センサにおいては、最も敏感な部位である。従って、かかる信号線には、外来ノイズの侵入は言うに及ばず、寄生容量の形成を招くような素子の挿入は現実的・実用的ではない。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、振動子の励振振動の減衰を抑制しつつ、励振のための駆動信号の角速度検出への影響を抑制し、それにより角速度の検出精度を高めることのできる角速度センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and while suppressing the attenuation of the excitation vibration of the vibrator, the influence on the angular velocity detection of the drive signal for excitation is suppressed, thereby improving the detection accuracy of the angular velocity. An object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that can be enhanced.
上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明のうち第1の態様に係るものは、角速度センサであって、基板上に浮遊した状態で弾性的に支持された振動子と、前記振動子に対向して前記基板上に固定され、互いに同一部分であることを許した駆動用固定電極、駆動検出用固定電極及び角速度検出用固定電極を含む固定電極と、前記駆動用固定電極に駆動信号を印加することにより前記駆動用固定電極と前記振動子との間に静電引力を発生させ、当該静電引力によって前記振動子を第1方向に励振する駆動回路と、前記振動子と前記駆動検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより前記振動子の前記第1方向に沿った振動の振幅を検出する駆動検出回路と、前記振動子と前記角速度検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより前記振動子の前記第1方向に垂直な第2方向に沿った振動の振幅を検出し、それにより前記第1方向及び前記第2方向の双方に垂直な第3方向の角速度成分を検出する角速度検出回路とを備え、前記駆動回路は、前記駆動検出回路が検出する前記振幅を一定にするように前記駆動信号の強さを調整し、前記振動子の共振周期をTとし前記振動子が平衡位置にある時期を起点0としたときに、前記駆動回路は0〜(1/4)×Tの期間内に設定された第1区間においてのみ前記駆動用固定電極に前記駆動信号を印加し、前記角速度検出回路は(1/2)×Tの時期を含む期間として設定された第2区間において前記静電容量を検出し、前記駆動検出回路は、(3/4)×Tの時期を含む期間として設定された第3区間において前記静電容量を検出し、前記第1乃至第3区間は、互いに重複しないように設定されているものである。 In order to solve the above problems and achieve the above object, the first aspect of the present invention is an angular velocity sensor, which is an oscillator that is elastically supported in a floating state on a substrate, and A fixed electrode including a driving fixed electrode, a driving detecting fixed electrode and an angular velocity detecting fixed electrode fixed on the substrate facing the vibrator and allowed to be the same part, and the driving fixed electrode A driving circuit that generates an electrostatic attraction between the fixed electrode for driving and the vibrator by applying a driving signal and excites the vibrator in a first direction by the electrostatic attraction; the vibrator; A drive detection circuit for detecting an amplitude of vibration along the first direction of the vibrator by detecting a capacitance between the drive detection fixed electrode and the vibrator and the angular velocity detection fixed electrode; Detect the capacitance between Thus, the amplitude of vibration along the second direction perpendicular to the first direction of the vibrator is detected, thereby detecting the angular velocity component in the third direction perpendicular to both the first direction and the second direction. An angular velocity detection circuit that adjusts the strength of the drive signal so that the amplitude detected by the drive detection circuit is constant, and the resonance period of the vibrator is T. The driving circuit applies the driving signal to the driving fixed electrode only in the first section set within a period of 0 to (1/4) × T, when the time when is at the equilibrium position is set to 0. The angular velocity detection circuit detects the capacitance in a second section set as a period including a period of (1/2) × T, and the drive detection circuit detects a period of (3/4) × T. In the third section set as a period including Detecting the capacity, the first, second and third section are those that are set so as not to overlap with each other.
本発明のうち第2の態様に係るものは、第1の態様に係る角速度センサであって、前記角速度検出回路は、前記起点を含む期間として設定された第4区間においても前記静電容量を検出し、前記角速度検出回路は、前記第2区間における検出結果と前記第4区間における検出結果との平均値を算出する平均化回路を含み、前記第1乃至第4区間は、互いに重複しないように設定されているものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the angular velocity sensor according to the first aspect, wherein the angular velocity detection circuit is configured to reduce the capacitance even in a fourth section set as a period including the starting point. The angular velocity detection circuit includes an averaging circuit that calculates an average value of the detection result in the second section and the detection result in the fourth section, and the first to fourth sections do not overlap each other. Is set to.
本発明のうち第3の態様に係るものは、第1の態様に係る角速度センサであって、前記駆動検出用固定電極と前記角速度検出用固定電極とは互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、前記角速度検出回路は、(3/4)×Tの時期を含む期間として設定された第5区間においても前記静電容量を検出し、前記角速度検出回路は、前記第5区間における検出結果を保持する保持回路と、前記第2区間における検出結果を前記保持回路が保持する検出結果により補正する補正回路とを含むものである。 A third aspect of the present invention is the angular velocity sensor according to the first aspect, wherein the fixed electrode for driving detection and the fixed electrode for angular velocity detection are electrically insulated from each other. The angular velocity detection circuit detects the capacitance even in a fifth section set as a period including a period of (3/4) × T, and the angular velocity detection circuit A holding circuit for holding the detection result in the section and a correction circuit for correcting the detection result in the second section by the detection result held by the holding circuit are included.
本発明のうち第4の態様に係るものは、第2の態様に係る角速度センサであって、前記駆動検出用固定電極と前記角速度検出用固定電極とは互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、前記角速度検出回路は、(3/4)×Tの時期を含む期間として設定された第5区間においても前記静電容量を検出し、前記角速度検出回路は、前記第5区間における検出結果を保持する保持回路と、前記第2区間における検出結果と前記第4区間における検出結果とを前記保持回路が保持する検出結果により補正する補正回路とを含むものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the angular velocity sensor according to the second aspect, wherein the fixed electrode for driving detection and the fixed electrode for angular velocity detection are electrically insulated from each other. The angular velocity detection circuit detects the capacitance even in a fifth section set as a period including a period of (3/4) × T, and the angular velocity detection circuit A holding circuit that holds the detection result in the section; and a correction circuit that corrects the detection result in the second section and the detection result in the fourth section based on the detection result held by the holding circuit.
本発明のうち第5の態様に係るものは、第1乃至第4の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記角速度検出回路は、前記角速度検出用固定電極を安定電位に断続自在に接続する第1放電回路を含み、前記第1放電回路は、前記第1区間と前記第2区間との間に設定された第6区間において前記角速度検出用固定電極を安定電位に接続するものである。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an angular velocity sensor according to any one of the first to fourth aspects, wherein the angular velocity detection circuit allows the angular velocity detection fixed electrode to be intermittently connected to a stable potential. A first discharge circuit that connects the angular velocity detection fixed electrode to a stable potential in a sixth section set between the first section and the second section. is there.
本発明のうち第6の態様に係るものは、第1乃至第5の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記駆動用固定電極と、前記駆動検出用固定電極及び前記角速度検出用固定電極とは、互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、前記駆動回路は、前記駆動用固定電極を安定電位に断続自在に接続する第2放電回路を含み、前記第2放電回路は、前記第1区間を除く期間内に設定された第7区間において前記駆動用固定電極を安定電位に接続するものである。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an angular velocity sensor according to any one of the first to fifth aspects, wherein the drive fixed electrode, the drive detection fixed electrode, and the angular velocity detection fixed. An electrode is a different part of the fixed electrode that is electrically insulated from each other, and the drive circuit includes a second discharge circuit that connects the drive fixed electrode to a stable potential in an intermittent manner, and the second discharge The circuit connects the fixed electrode for driving to a stable potential in a seventh section set within a period excluding the first section.
本発明のうち第7の態様に係るものは、第1乃至第6の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記駆動検出用固定電極と、前記駆動用固定電極及び前記角速度検出用固定電極とは、互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、前記駆動検出回路は、前記駆動検出用固定電極を安定電位に断続自在に接続する第3放電回路を含み、前記第3放電回路は、前記第3区間を除く期間内に設定された第8区間において前記駆動検出用固定電極を安定電位に接続するものである。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the angular velocity sensor according to any one of the first to sixth aspects, wherein the drive detection fixed electrode, the drive fixed electrode, and the angular velocity detection fixed. The electrode is a different part of the fixed electrode that is electrically insulated from each other, and the drive detection circuit includes a third discharge circuit that connects the drive detection fixed electrode to a stable potential in an intermittent manner. The three discharge circuit connects the drive detection fixed electrode to a stable potential in an eighth period set within a period excluding the third period.
本発明のうち第8の態様に係るものは、第1乃至第7の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記振動子が平衡位置にあるとき、前記上面を基準とした前記振動子の上端の高さと前記駆動用固定電極の上端の高さとが略一致するものである。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the angular velocity sensor according to any one of the first to seventh aspects, wherein the vibrator is based on the upper surface when the vibrator is in an equilibrium position. Is substantially equal to the height of the upper end of the fixed electrode for driving.
本発明のうち第9の態様に係るものは、第1乃至第8の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記駆動用固定電極と前記駆動検出用固定電極と前記角速度検出用固定電極とが、互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であるものである。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the angular velocity sensor according to any one of the first to eighth aspects, wherein the driving fixed electrode, the driving detection fixed electrode, and the angular velocity detection fixed electrode. Are different portions of the fixed electrode that are electrically insulated from each other.
本発明のうち第10の態様に係るものは、第1乃至第9の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記駆動回路と前記駆動検出回路と前記角速度検出回路とが、前記基板に集積回路として作り込まれているものである。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the angular velocity sensor according to any one of the first to ninth aspects, wherein the drive circuit, the drive detection circuit, and the angular velocity detection circuit are provided on the substrate. It is built as an integrated circuit.
本発明の角速度センサによれば、駆動回路が、振動子に対向する駆動用固定電極に駆動信号を印加することにより、駆動用固定電極と前記振動子との間に静電引力を発生させ、基板に浮遊した状態で弾性的に支持された振動子を、発生させた静電引力によって第1方向に励振する。駆動検出回路は、振動子と駆動検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより振動子の第1方向に沿った振動の振幅を検出し、検出された振幅を一定にするように駆動回路が駆動信号の強さを調整するので、振動子の励振振動が安定する。 According to the angular velocity sensor of the present invention, the drive circuit applies a drive signal to the drive fixed electrode facing the vibrator, thereby generating an electrostatic attractive force between the drive fixed electrode and the vibrator, The vibrator elastically supported while floating on the substrate is excited in the first direction by the generated electrostatic attraction. The drive detection circuit detects the amplitude of the vibration along the first direction of the vibrator by detecting the capacitance between the vibrator and the drive detection fixed electrode, and makes the detected amplitude constant. Further, since the drive circuit adjusts the strength of the drive signal, the excitation vibration of the vibrator is stabilized.
振動子に第3方向の角速度成分が作用すると、振動子はコリオリ力により第2方向に沿って振動する。その振動の振幅は角速度成分が大きいほど大きくなる。角速度検出回路は、振動子と角速度検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより振動子の第2方向に沿った振動の振幅を検出し、それにより第3方向の角速度成分を検出する。即ち、本発明の角速度センサは、角速度の第3方向成分を検出するセンサとして機能する。 When the angular velocity component in the third direction acts on the vibrator, the vibrator vibrates along the second direction by Coriolis force. The amplitude of the vibration increases as the angular velocity component increases. The angular velocity detection circuit detects the amplitude of vibration along the second direction of the vibrator by detecting the capacitance between the vibrator and the fixed electrode for angular velocity detection, thereby obtaining the angular velocity component in the third direction. To detect. That is, the angular velocity sensor of the present invention functions as a sensor that detects the third direction component of the angular velocity.
更に、振動子の共振周期をTとし、振動子が平衡位置にある時期を起点0としたときに、駆動回路、駆動検出回路、及び角速度検出回路は、次のように定められた区間において所定の動作をする。即ち、駆動回路は、0〜(1/4)×Tの期間内に設定された第1区間においてのみ駆動用固定電極に駆動信号を印加し、角速度検出回路は(1/2)×Tの時期を含む期間として設定された第2区間において静電容量を検出し、駆動検出回路は(3/4)×Tの時期を含む期間として設定された第3区間において静電容量を検出する。
Further, when the resonance period of the vibrator is T and the time when the vibrator is in the equilibrium position is set as the
(1/2)×Tの時期は、第2方向に沿った振動子の変位が最大となる時期であるため、第2方向に沿った振動の振幅の検出に最も適する。又、(3/4)×Tの時期は、第1方向に沿った振動子の変位が最大となる時期であるため、第1方向に沿った振動の振幅の検出に最も適する。このように、1共振周期の間に、最も適した時期を含む区間において、角速度検出回路及び駆動検出回路が所定の検出動作を行う。従って、角速度検出回路及び駆動検出回路は、それぞれ第2及び第3区間において、それぞれの検出の目的を達成することができる。 Since the time of (1/2) × T is the time when the displacement of the vibrator along the second direction is the maximum, it is most suitable for detecting the amplitude of vibration along the second direction. Further, the (3/4) × T time is the time when the displacement of the vibrator along the first direction is maximized, and is therefore most suitable for detecting the amplitude of vibration along the first direction. Thus, the angular velocity detection circuit and the drive detection circuit perform a predetermined detection operation in a section including the most suitable time during one resonance period. Therefore, the angular velocity detection circuit and the drive detection circuit can achieve their detection purposes in the second and third sections, respectively.
更に、駆動回路は1共振周期毎に、定められた第1区間において駆動信号を駆動用固定電極に印加するので、振動子が自由振動する期間が1共振周期より短い。このため、自由振動期間における振動の減衰による角速度検出感度の低下という従来技術における問題点が抑制乃至解消される。 Furthermore, since the drive circuit applies a drive signal to the drive fixed electrode in a predetermined first interval for each resonance period, the period during which the vibrator freely vibrates is shorter than one resonance period. For this reason, the problem in the prior art that the angular velocity detection sensitivity is reduced due to vibration attenuation during the free vibration period is suppressed or eliminated.
しかも、駆動回路が駆動信号を印加する期間は第1区間に限られており、それにより駆動回路、角速度検出回路及び駆動検出回路がそれぞれ有効な動作をする第1〜第3区間を、互いに重複しないように設定することが可能となっている。駆動回路が駆動信号を印加する期間が、1共振周期内で(1/4)T以下の長さの区間に限られており、且つ第1〜第3区間が互いに重複しないように設定されているので、励振のための駆動信号の角速度検出への影響が抑制される。その結果、角速度の検出精度が高められる。同様に、駆動検出回路による検出結果への駆動信号の影響が抑制されるので、駆動検出回路の検出精度が高められる。それにより、より安定した励振振動が得られるので、角速度の検出精度が更に高められる。 In addition, the period during which the drive circuit applies the drive signal is limited to the first interval, thereby overlapping the first to third intervals in which the drive circuit, the angular velocity detection circuit, and the drive detection circuit each operate effectively. It is possible to set so as not to. The period during which the drive circuit applies the drive signal is limited to a section having a length of (1/4) T or less within one resonance period, and the first to third sections are set so as not to overlap each other. Therefore, the influence of the drive signal for excitation on the angular velocity detection is suppressed. As a result, the angular velocity detection accuracy is improved. Similarly, since the influence of the drive signal on the detection result by the drive detection circuit is suppressed, the detection accuracy of the drive detection circuit is improved. As a result, more stable excitation vibration can be obtained, and the angular velocity detection accuracy can be further improved.
(第1の実施形態)
図1及び図2は、本発明の第1の実施形態による角速度センサの構成を示す図である。この角速度センサ201は、図1に示す振動子A1がZ軸方向に励振振動し、角速度のX軸方向成分によってもたらされる振動子A1のY軸方向の変位を通じて、角速度のX軸方向成分を検出するように構成されている。
(First embodiment)
1 and 2 are diagrams showing a configuration of an angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention. The
角速度センサ201は、センシング部200とその周辺回路301とを備えている。図1は、センシング部200の斜視図(図1(a))、部分平面図(図1(b))、及び断面図(図1(c))である。図1(c)は、図1(a)のX−X切断線に沿った断面図である。また、図2は周辺回路301の構成を示すブロック図である。なお、以下の第1〜第6の実施形態による各角速度センサ201〜206において、センシング部は、図1のセンシング部200と同一に構成される。
The
図1に示すように、センシング部200では、基板10の上に固定された固定部材A22〜A25に基端側が連結された弾性支持部材A2〜A5よって、振動子A1が基板10の上に弾性的に支持されている。振動子A1は、基板10の上方に浮遊した状態で、かつその上面および底面が基板10の主面に平行になるように支持されている。振動子A1は、弾性支持部材A2〜A5に支持されることにより、基板10の主面に垂直なZ軸方向にも、当該主面に平行なX−Y座標面内にも変位可能となっている。
As shown in FIG. 1, in the
振動子A1は略直方体をなしており、その内側にはZ軸方向に上面から底面まで貫通する貫通孔が設けられている。振動子A1の外周側面には、櫛歯状の駆動用可動電極A11、A13、及び櫛歯状の駆動検出用可動電極A10、A12が設けられている。又、振動子A1の内周側面には、櫛歯状の角速度検出用可動電極A14が設けられている。 The vibrator A1 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and a through-hole penetrating from the top surface to the bottom surface in the Z-axis direction is provided inside thereof. Comb-like drive movable electrodes A11 and A13 and comb-like drive detection movable electrodes A10 and A12 are provided on the outer peripheral side surface of the vibrator A1. In addition, a comb-like angular velocity detecting movable electrode A14 is provided on the inner peripheral side surface of the vibrator A1.
基板10の上には、駆動用可動電極A11及びA13にそれぞれ対向する櫛歯状の突起を有する駆動用固定電極A7及びA9が立設されている。又、基板10の上には、駆動検出用可動電極A10及びA12にそれぞれ対向する櫛歯状の突起を有する駆動検出用固定電極A6及びA8が立設されている。更に、基板10の上には、角速度検出用可動電極A14に対向する櫛歯状の突起を有する角速度検出用固定電極A15及びA16が立設されている。可動電極A10〜A14、及び固定電極A6〜A9、A15、A16の櫛歯の個数は、図1に例示するものに限られず、好ましくは、駆動力及び検出感度を高めるために遙かに大きく設定される。
On the
図1(c)に示すように、角速度センサ201では製造上の容易さの観点等から、基板10の上面を基準とした振動子A1の上端の高さと駆動用固定電極A7及びA9の上端の高さとが合わせ込まれている。即ち、振動子A1の上端の高さと駆動用固定電極A7及びA9の上端の高さとが略一致する。ここで、「略」とは、製造誤差及び重力の作用による振動子A1の平衡位置のずれを許容する趣旨である。従って、振動子A1が、図1(c)に示す静止状態にあるときの位置、即ち平衡位置よりZ軸正の方向に変位するほど、駆動用可動電極A11及びA13と駆動用固定電極A7及びA9との間の対向面積は減少する。一方、振動子A1が、平衡位置からZ軸負の方向に変位しても、それらの電極間の対向面積に変化はない。
As shown in FIG. 1C, in the
従って、駆動用固定電極A7及びA9に駆動信号が入力されたときに、振動子A1が平衡位置からZ軸正の方向に変位しておれば、対向面積を拡大する方向、即ちZ軸負の方向に振動子A1を引き込むような静電引力が生じる。又、駆動用固定電極A7及びA9に駆動信号が入力されたときに、振動子A1が平衡位置からZ軸負の方向に変位していても、駆動用可動電極A11及びA13の上端と下端とに作用する静電引力の差によって、Z軸負の方向に振動子A1を引き込むような静電引力が生じる。このように、駆動用固定電極A7及びA9に駆動信号が入力されたときには、振動子A1のZ軸方向の位置に依存して大きさは異なるものの、いずれの位置にあってもZ軸負方向の駆動力が振動子A1に付与される。以上の通り、角速度センサ201は、振動子A1がZ軸方向に励振振動(参照振動、或いは駆動振動とも称される)するように構成されている。
Accordingly, if the vibrator A1 is displaced from the equilibrium position in the positive Z-axis direction when the drive signal is input to the fixed driving electrodes A7 and A9, the opposing area is expanded, that is, the negative Z-axis is applied. An electrostatic attractive force that pulls the vibrator A1 in the direction is generated. Further, when drive signals are input to the drive fixed electrodes A7 and A9, even if the vibrator A1 is displaced from the equilibrium position in the negative Z-axis direction, the upper and lower ends of the drive movable electrodes A11 and A13 The electrostatic attraction that pulls the vibrator A1 in the negative direction of the Z-axis is generated due to the difference in electrostatic attraction acting on the. As described above, when a drive signal is input to the drive fixed electrodes A7 and A9, the magnitude varies depending on the position of the vibrator A1 in the Z-axis direction, but the Z-axis negative direction is present at any position. Is applied to the vibrator A1. As described above, the
センシング部200は、半導体微細加工プロセスを用いて一体的に製造可能であり、基板10及び基板10の上に設けられる振動子A1を含む各部材は、例えばシリコンを材料としている。各固定電極A6〜A9、A15、A16と基板10との間は、例えばシリコン酸化物を材料とする図略の絶縁膜によって、互いに電気的に絶縁されている。振動子A1は、弾性支持部材A2〜A5及び固定部材A22〜A25を通じて、基板10に接地されている。更に、各可動電極A10〜A14は、振動子A1の一部として、振動子A1の他の部分と同一材料で構成され、かつ一体的に連結している。
The
なお、振動子A1の電位、即ち基板10の電位は、周辺回路301の負側電源電位と一致していてもよいが、一致しなくても良い。一般に、振動子A1の電位は、周辺回路301の電源電位に対して一定の電位、即ち安定電位にあればよく、例えば図3を参照して後述する増幅回路の基準電位V0であってもよい。
Note that the potential of the vibrator A1, that is, the potential of the
図2に示すように、周辺回路301は、スイッチI〜Q、角速度検出用C−V(容量−電圧)変換回路B、復調回路C、補正回路D、温度センサG、ゲイン調整回路F、駆動信号発生回路E、スイッチ制御回路H、及び駆動検出用C−V(容量−電圧)変換回路Wを備えている。スイッチM及びN、ゲイン調整回路F、駆動信号発生回路E、並びにスイッチ制御回路Hは、駆動用固定電極A7及びA9へ駆動信号を印加する駆動回路2を構成する。スイッチK、L、O及びQ、駆動検出用C−V変換回路W、復調回路C、補正回路D、温度センサG、並びにスイッチ制御回路Hは、駆動検出用可動電極A10及びA12と駆動検出用固定電極A6及びA8との間の静電容量を通じて励振の強さを検出する駆動検出回路3を構成する。又、スイッチI、J、P及びQ、角速度検出用C−V変換回路B、復調回路C、補正回路D、温度センサG、並びにスイッチ制御回路Hは、角速度検出用可動電極A14と、角速度検出用固定電極A15及びA16との間の静電容量を通じて、角速度のX軸方向成分を検出する角速度検出回路4を構成する。
As shown in FIG. 2, the
スイッチ制御回路Hは、駆動検出用C−V変換回路Wの出力信号に基づいて、振動子A1のZ軸方向の励振振動の位相を把握する。スイッチ制御回路Hは、把握した位相に基づいて、振動子A1の励振振動に同期した形態でスイッチI〜Qのオン・オフ動作を制御する。 The switch control circuit H grasps the phase of the excitation vibration in the Z-axis direction of the vibrator A1 based on the output signal of the drive detection CV conversion circuit W. The switch control circuit H controls the on / off operations of the switches I to Q in a form synchronized with the excitation vibration of the vibrator A1 based on the grasped phase.
図3は、角速度検出用C−V変換回路B及び駆動検出用C−V変換回路Wの構成例を示す回路図である。図3(a)に示すように、角速度検出用C−V変換回路Bは、例えば縦続接続された全差動増幅器20と差動増幅器22とを有する。全差動増幅器20の負帰還ループには、互いに静電容量の等しい容量素子C1及びC2が介挿される。これにより、角速度検出用可動電極A14と角速度検出用固定電極A15との間の静電容量C15と、角速度検出用可動電極A14と角速度検出用固定電極A16との間の静電容量C16との差に比例した電圧が、全差動増幅器20が出力する電圧信号の差(V1―V2)として現れる。差動増幅器22は、全差動増幅器20が出力する電圧信号の差を増幅して、電圧信号V3として出力する。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of the CV conversion circuit B for angular velocity detection and the CV conversion circuit W for drive detection. As shown in FIG. 3A, the angular velocity detection CV conversion circuit B includes, for example, a fully-
振動子A1がY軸方向に変位すると、静電容量C15と静電容量C16との間に偏差が生じる。角速度検出用C−V変換回路Bは、この偏差に比例した電圧信号V3を出力する。即ち、角速度検出用C−V変換回路Bは、静電容量C15及びC16の間の偏差を通じて、振動子A1のY軸方向に沿った変位を検出する。なお、角速度検出用C−V変換回路Bの基準電位V0は、角速度検出用C−V変換回路Bの正側電源電位と負側電源電位との中間に設定された安定電位であればよい。 When the vibrator A1 is displaced in the Y-axis direction, a deviation occurs between the capacitance C15 and the capacitance C16. The angular velocity detection CV conversion circuit B outputs a voltage signal V3 proportional to the deviation. That is, the angular velocity detection CV conversion circuit B detects the displacement along the Y-axis direction of the vibrator A1 through the deviation between the capacitances C15 and C16. The reference potential V0 of the angular velocity detection CV conversion circuit B may be a stable potential set between the positive power supply potential and the negative power supply potential of the angular velocity detection CV conversion circuit B.
一方、図3(b)に示すように、駆動検出用可動電極A10と駆動検出用固定電極A6との間の静電容量C6と、駆動検出用可動電極A12と駆動検出用固定電極A8との間の静電容量C8とは、振動子A1のZ軸方向の変位に伴って、互いに同位相で変化する。従って、駆動検出用C−V変換回路Wは、例えば増幅器41及び42により、静電容量C6及びC8を、それぞれ電圧信号V4及びV5へ変換した後、加算器43によりこれらの電圧信号の和を増幅し、電圧信号V6として出力するように構成すると良い。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, the capacitance C6 between the drive detection movable electrode A10 and the drive detection fixed electrode A6, and the drive detection movable electrode A12 and the drive detection fixed electrode A8. The capacitance C8 between them changes in phase with each other as the vibrator A1 is displaced in the Z-axis direction. Accordingly, the drive detection CV conversion circuit W converts the capacitances C6 and C8 into voltage signals V4 and V5, respectively, by the
これにより、駆動検出用C−V変換回路Wは、静電容量C6及びC8の変化を通じて、振動子A1のZ軸方向に沿った変位を検出する。基準電位V0は、駆動検出用C−V変換回路Wの正側電源電位と負側電源電位との中間に設定された安定電位であればよい。なお、駆動検出用C−V変換回路Wは、増幅器41及び42のうち、一方のみを有することにより、静電容量C6とC8とのうち、一方のみを電圧変換するように構成しても良い。
As a result, the drive detection CV conversion circuit W detects the displacement of the vibrator A1 along the Z-axis direction through changes in the capacitances C6 and C8. The reference potential V0 may be a stable potential set between the positive power supply potential and the negative power supply potential of the drive detection CV conversion circuit W. Note that the drive detection CV conversion circuit W may include only one of the
周辺回路301は、センシング部200の基板10に集積回路として形成されても良く、基板10とは別の基板に集積回路として形成されても良い。後者の場合、それらの基板は中継部材を用いて機構的及び電気的に接続されるとよい。また、周辺回路301は、集積回路としてではなく、個別回路素子を回路基板の上に配置することにより構成してもよい。周辺回路301に含まれる他の回路の構成及び動作については、角速度センサ201の動作についての以下の説明の中で適宜説明する。なお、各固定電極A6〜A9、A15、及びA16の全体を、固定電極1と仮称する。
The
図4は、角速度センサ201の動作説明図であり、説明の便宜のために波形図及びタイミングチャートの双方を併記している。スイッチI〜Qのタイミングチャートに付される「0」は、スイッチオフを表し、「1」はスイッチオンを表す。角速度センサ201は、振動子A1の共振周期T毎に、同一の動作を反復する。従って、振動子A1が平衡位置にある時期を起点0として、0〜Tの期間内の動作について説明する。共振周期Tは、振動子A1の質量及び弾性支持部材A2〜A5のバネ定数によって定まる。
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the
図4において、区間P1は0〜(1/4)×Tの期間内に設定され、区間P2は(1/2)×Tの時期を含む期間として設定され、区間P3は(3/4)×Tの時期を含む期間として設定される。又、区間P1〜P3は、互いに重複しないように設定される。 In FIG. 4, a section P1 is set within a period of 0 to (1/4) × T, a section P2 is set as a period including a period of (1/2) × T, and a section P3 is set to (3/4). It is set as a period including the time of × T. The sections P1 to P3 are set so as not to overlap each other.
(区間P1の動作)
区間P1では、駆動回路2によって駆動信号が駆動用固定電極A7及びA9に印加される。従って、スイッチ制御回路Hは、スイッチMをオンすべく制御する。スイッチI〜Qのうち、スイッチM以外はすべてオフしている。駆動信号発生回路Eは駆動信号を生成する。駆動信号は、例えばパルス信号である。生成された駆動信号は、ゲイン調整回路Fにより、適切な高さの電圧にゲイン調整される。調整された駆動信号はスイッチMを通じて駆動用固定電極A7及びA9へ印加される。
(Operation of section P1)
In the section P1, the driving signal is applied to the driving fixed electrodes A7 and A9 by the driving
駆動信号が駆動用固定電極A7及びA9へ印加されると、駆動用固定電極A7及びA9と、駆動用可動電極A11及びA13との間に静電引力が発生する。その結果、振動子A1がZ軸負方向に引き寄せられる。この静電引力が共振周期T毎に作用することにより、振動子A1はZ軸方向に定常的に励振振動する。ゲイン調整回路Fは、駆動検出回路3が検出する励振振動の振幅が一定となるように、駆動信号のゲインを調整する。それにより、振動子A1の安定した励振振動が実現する。
When the driving signal is applied to the driving fixed electrodes A7 and A9, an electrostatic attractive force is generated between the driving fixed electrodes A7 and A9 and the driving movable electrodes A11 and A13. As a result, the vibrator A1 is attracted in the negative Z-axis direction. When this electrostatic attractive force acts for each resonance period T, the vibrator A1 is constantly vibrated in the Z-axis direction. The gain adjustment circuit F adjusts the gain of the drive signal so that the amplitude of the excitation vibration detected by the
ゲイン調整を幅広く行うことを可能にするために、角速度センサ201の動作初期、即ち駆動回路2が駆動用固定電極A7及びA9への駆動信号の印加を開始した直後においては、印加される駆動信号は、ゲイン調整回路Fが制御可能な電圧範囲の中央付近に設定するのが望ましい。例えば、ゲイン調整回路Fが制御可能な電圧範囲が0〜15Vであれば、動作初期における駆動信号は5〜10V程度の電圧に設定するのが望ましい。
In order to make it possible to perform a wide range of gain adjustment, in the initial stage of operation of the
(区間P2の動作)
区間P2では、角速度検出回路4が、振動子A1のY軸方向の変位を通じて角速度のX軸方向成分を検出する。従って、スイッチ制御回路Hは、スイッチI,J,P,及びQをオンすべく制御する。スイッチI〜Qのうち、スイッチI,J,P,及びQ以外はすべてオフしている。これにより、角速度検出用固定電極A15及びA16と角速度検出用C−V変換回路Bとが接続される。角速度検出用C−V変換回路Bは、上述したように角速度検出用固定電極A15及びA16と、角速度検出用可動電極A14との間の静電容量を通じて、振動子A1のY軸方向の変位を検出する。
(Operation of section P2)
In the section P2, the angular
振動子A1がZ軸方向に励振振動を行っているときに、角速度のX軸方向成分ωxが作用すると、Y軸方向にコリオリ力が作用する。Y軸方向のコリオリ力Fyは、角速度のX軸方向成分ωxと励振振動の速度Vzと振動子4の質量Mとの積に比例し、より詳細には、
Fy=−2M・ωx・Vz ・・・・(式1)
で表される。
When the vibrator A1 performs excitation vibration in the Z-axis direction, if the X-axis direction component ωx of the angular velocity acts, a Coriolis force acts in the Y-axis direction. The Coriolis force Fy in the Y-axis direction is proportional to the product of the X-axis direction component ωx of the angular velocity, the excitation vibration velocity Vz, and the mass M of the
Fy = -2M · ωx · Vz (Expression 1)
It is represented by
従って、角速度のX軸方向成分ωxは、振動子A1のY軸方向への振動を誘起する。角速度のX軸方向成分ωxがゼロであれば、振動子A1のY方向の変位はゼロである。このとき、角速度検出用C−V変換回路Bの出力信号V3は、基準電位V0に等しくなる。一方、角速度のX軸方向成分ωxが大きいほど、振動子A1のY方向の振幅は大きくなる。それに伴い、角速度検出用C−V変換回路Bの出力信号V3は、基準電位V0を中心として大きく変動する。 Accordingly, the X-axis direction component ωx of the angular velocity induces vibration of the vibrator A1 in the Y-axis direction. If the X-axis direction component ωx of the angular velocity is zero, the displacement of the vibrator A1 in the Y direction is zero. At this time, the output signal V3 of the CV conversion circuit B for angular velocity detection becomes equal to the reference potential V0. On the other hand, the larger the X-axis direction component ωx of the angular velocity, the larger the amplitude of the vibrator A1 in the Y direction. Along with this, the output signal V3 of the angular velocity detection CV conversion circuit B largely fluctuates around the reference potential V0.
コリオリ力Fyと振動子A1のY軸方向の変位との間では、位相が一致する。従って、図4において、コリオリ力の波形図は、そのまま振動子A1のY軸方向の変位の波形図に相当する。又、図4に示すように、コリオリ力と振動子A1のZ軸方向の励振振動の変位との間で位相は90°ずれるので、振動子A1のY軸方向の変位とZ軸方向の励振振動の変位との間で、位相は90°ずれる。従って、振動子A1がZ軸方向の平衡位置にあるときにY軸方向の変位は最大となり、Z軸方向の変位が最大であるときにY軸方向の変位はゼロとなる。なお、図4においてコリオリ力の波形図は、位相が180°異なる2つの波形を実線及び波線で同時に描いている。 The phase matches between the Coriolis force Fy and the displacement of the vibrator A1 in the Y-axis direction. Therefore, in FIG. 4, the waveform diagram of the Coriolis force corresponds to the waveform diagram of the displacement of the vibrator A1 in the Y-axis direction as it is. Further, as shown in FIG. 4, the phase is shifted by 90 ° between the Coriolis force and the displacement of the vibration vibration of the vibrator A1 in the Z-axis direction. The phase is 90 ° out of phase with the vibration displacement. Therefore, the displacement in the Y-axis direction becomes maximum when the vibrator A1 is at the equilibrium position in the Z-axis direction, and the displacement in the Y-axis direction becomes zero when the displacement in the Z-axis direction is maximum. In FIG. 4, the waveform diagram of the Coriolis force simultaneously draws two waveforms having a phase difference of 180 ° by a solid line and a wavy line.
図2に戻って、復調回路Cは、振動子A1のY方向の変位に伴って変化する角速度検出用C−V変換回路Bの出力信号V3の最高値又は最低値(即ち、最大値)を出力する。言い換えると、復調回路Cは、振動子A1のY方向の振幅に対応した信号、即ち角速度のX軸方向成分ωxに対応した信号を出力する。そのためには、復調回路Cは一種の検波回路として構成することができる。例えば、復調回路Cは、縦続接続されたサンプルホールド回路とローパスフィルタとを有するように構成することができる。 Returning to FIG. 2, the demodulation circuit C obtains the maximum value or the minimum value (that is, the maximum value) of the output signal V3 of the CV conversion circuit B for angular velocity detection B that changes with the displacement of the vibrator A1 in the Y direction. Output. In other words, the demodulation circuit C outputs a signal corresponding to the amplitude in the Y direction of the vibrator A1, that is, a signal corresponding to the X-axis direction component ωx of the angular velocity. For this purpose, the demodulation circuit C can be configured as a kind of detection circuit. For example, the demodulating circuit C can be configured to include a cascaded sample and hold circuit and a low-pass filter.
角速度検出用C−V変換回路Bが、例えばΔΣ型のAD変換回路のように出力信号V3をデジタル信号に変換するAD変換回路を有する場合には、復調回路Cは、入力信号を一時的に保持するレジスタ及び比較回路を有する最大値検出回路と、デジタルフィルタとを有するデジタル回路として構成することが可能である。ローパスフィルタ或いはデジタルフィルタの時定数は、例えば、振動子A1の1共振周期毎の振幅の変動に追随し得る大きさに設定される。 When the angular velocity detection CV conversion circuit B includes an AD conversion circuit that converts the output signal V3 into a digital signal, for example, a ΔΣ type AD conversion circuit, the demodulation circuit C temporarily receives the input signal. It is possible to configure as a digital circuit having a maximum value detection circuit having a register to hold and a comparison circuit, and a digital filter. The time constant of the low-pass filter or the digital filter is set to a size that can follow the fluctuation of the amplitude for each resonance period of the vibrator A1, for example.
復調回路Cの出力信号は、補正回路Dへ入力される。補正回路Dは、センシング部200及び/又は周辺回路301の温度特性を補償するための回路である。そのために、補正回路Dは、温度センサGが出力する温度データに基づいて、復調回路Cの出力信号に対して温度補正を加える。温度センサGは、例えばセンシング部200の温度、或いは周辺回路301の温度を感知するように配置される。補正回路Dは、例えば温度センサGが出力する温度データに基づいてゲイン調整を行う増幅回路を有するように構成することができる。
The output signal of the demodulation circuit C is input to the correction circuit D. The correction circuit D is a circuit for compensating for temperature characteristics of the
復調回路Cの出力信号がデジタル信号である場合には、補正回路Dは、レジスタ或いはEEPROM(電気的消去可能なROM)等の半導体メモリその他の記憶装置を有するように構成してもよい。記憶装置には、予め復調回路Cの出力信号の温度特性を補償するためのデータを、テーブルとして保持させておくとよい。この場合には、補正回路Dは、温度センサGが出力する温度データに対応するデータをテーブルから読み出し、読み出したデータに基づいて復調回路Cの出力信号に補正を加える回路を、更に有するように構成すると良い。 When the output signal of the demodulation circuit C is a digital signal, the correction circuit D may be configured to include a semiconductor memory such as a register or an EEPROM (electrically erasable ROM) or other storage device. The storage device may hold data for compensating the temperature characteristics of the output signal of the demodulation circuit C in advance as a table. In this case, the correction circuit D further includes a circuit that reads data corresponding to the temperature data output from the temperature sensor G from the table and corrects the output signal of the demodulation circuit C based on the read data. It is good to configure.
区間P2は、振動子A1のY軸方向の変位が最大となる(1/2)×Tの時期を含むように設定されている。このため、復調回路C及び補正回路Dは、1共振周期毎に、Y軸方向の振幅に対応する信号、即ち角速度のX軸方向成分ωxに対応する信号を出力することが可能となる。 The section P2 is set so as to include a time of (1/2) × T when the displacement of the vibrator A1 in the Y-axis direction is maximum. For this reason, the demodulation circuit C and the correction circuit D can output a signal corresponding to the amplitude in the Y-axis direction, that is, a signal corresponding to the X-axis direction component ωx of the angular velocity for each resonance period.
(区間P3の動作)
区間P3では、駆動検出回路3が、振動子A1のZ軸方向の変位を検出し、それにより励振振動の強さ、即ち励振振動の振幅を検出する。従って、スイッチ制御回路Hは、スイッチK,L,N,及びOをオンすべく制御する。スイッチI〜Qのうち、スイッチK,L,N,及びO以外はすべてオフしている。これにより、駆動検出用固定電極A6及びA8と駆動検出用C−V変換回路Wとが接続される。駆動検出用C−V変換回路Wは、上述したように駆動検出用固定電極A6及びA8と、駆動検出用可動電極A10及びA12との間の静電容量を通じて、振動子A1のZ軸方向の変位を検出する。
(Operation of section P3)
In the section P3, the
駆動検出用C−V変換回路Wの出力信号は、復調回路Cへ入力される。従って、復調回路Cは、振動子A1のZ方向の変位に伴って変化する駆動検出用C−V変換回路Wの出力信号V6の最高値又は最低値(即ち、最大値)を出力する。言い換えると、復調回路Cは、振動子A1のZ方向の振幅に対応した信号を出力する。区間P3は、振動子A1のZ軸方向の変位が最大となる(3/4)×Tの時期を含むように設定されている。このため、復調回路Cは、1共振周期T毎に、Z軸方向の振幅に対応する信号を出力することが可能となる。 The output signal of the drive detection CV conversion circuit W is input to the demodulation circuit C. Therefore, the demodulation circuit C outputs the highest value or the lowest value (that is, the maximum value) of the output signal V6 of the drive detection CV conversion circuit W that changes with the displacement of the vibrator A1 in the Z direction. In other words, the demodulation circuit C outputs a signal corresponding to the amplitude in the Z direction of the vibrator A1. The section P3 is set so as to include a time of (3/4) × T in which the displacement of the vibrator A1 in the Z-axis direction is maximum. For this reason, the demodulation circuit C can output a signal corresponding to the amplitude in the Z-axis direction for each resonance period T.
復調回路Cの出力信号は、ゲイン調整回路Fへ入力される。ゲイン調整回路Fは、復調回路Cの出力信号を基準値と比較し、復調回路Cの出力信号が基準値に一致するように、駆動信号の強さを調整する。これにより、振動子A1のZ軸方向の励振振動が、予め定められた一定の振幅をもって安定的に継続する。 The output signal of the demodulation circuit C is input to the gain adjustment circuit F. The gain adjustment circuit F compares the output signal of the demodulation circuit C with a reference value, and adjusts the strength of the drive signal so that the output signal of the demodulation circuit C matches the reference value. Thereby, the excitation vibration in the Z-axis direction of the vibrator A1 continues stably with a predetermined constant amplitude.
以上の通り、角速度センサ201によれば、駆動信号の印加、角速度の検出、及び励振振動の振幅の検出が、1共振周期T内で行われる。このため、自由振動の減衰を抑えつつ、角速度を感度良く検出することができる。また、駆動信号を印加する期間が、1共振周期T内で(1/4)T以下の長さの区間に限られており、しかも、区間P1〜P3が互いに重複しないように設定されているので、励振のための駆動信号の角速度検出への影響が抑制され、駆動検出回路3による検出結果への影響も抑制される。その結果、角速度の検出精度が向上する。
As described above, according to the
(第2の実施形態)
図5は、第2の実施形態による角速度センサの周辺回路の構成を示すブロック図である。この角速度センサ202の周辺回路302は、スイッチQと補正回路Dとの間に平均化回路Rが介挿されている点において、図2に示した周辺回路301とは異なっている。平均化回路Rの構成及び動作については、角速度センサ202の動作についての以下の説明の中で説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a peripheral circuit of the angular velocity sensor according to the second embodiment. The
図6は、角速度センサ202の動作説明図である。角速度センサ202の動作は、起点0(又はT)を含む期間として設定された区間P4においても、角速度検出回路4が角速度検出用可動電極A14と角速度検出用固定電極A15及びA16との間の静電容量を検出する点において、図4に示した角速度センサ201の動作とは異なっている。区間P4は、他の区間P1〜P3とは重複しないように設定される。
FIG. 6 is an explanatory diagram of the operation of the
区間P4では、区間P2と同様に、スイッチ制御回路Hは、スイッチI,J,P,及びQをオンすべく制御する。スイッチI〜Qのうち、スイッチI,J,P,及びQ以外はすべてオフしている。区間P4は、振動子A1のY軸方向の変位が最大となる起点0(又はT)の時期を含むように設定されている。このため、復調回路Cは、区間P2と同様に区間P4において、Y軸方向の振幅に対応する信号、即ち角速度のX軸方向成分ωxに対応する信号を出力することが可能となる。 In the section P4, as in the section P2, the switch control circuit H controls to turn on the switches I, J, P, and Q. Of the switches I to Q, all except the switches I, J, P, and Q are turned off. The section P4 is set so as to include the time of the starting point 0 (or T) at which the displacement of the vibrator A1 in the Y-axis direction is maximum. Therefore, the demodulation circuit C can output a signal corresponding to the amplitude in the Y-axis direction, that is, a signal corresponding to the X-axis direction component ωx of the angular velocity, in the section P4 as in the section P2.
平均化回路Rは、区間P2と区間P4の双方で得られた復調回路Cの出力信号の平均値を算出する。算出された平均値は補正回路Dへ入力される。このように、角速度センサ202は、1共振周期T内で振動子A1のY軸方向の変位が最大となる2つの時期の双方を捉えて、Y軸方向の振幅を検出することにより、角速度検出の高精度化を図っている。
The averaging circuit R calculates the average value of the output signals of the demodulation circuit C obtained in both the section P2 and the section P4. The calculated average value is input to the correction circuit D. As described above, the
区間P2が含む(1/2)×Tの時期と、区間P4が含む0(又はT)の時期との間で、振動子A1のY軸方向の変位は逆向きとなっている。従って、区間P2と区間P4との間で、復調回路Cが出力する信号の符号は互いに逆となる。このため、平均化は、区間P2と区間P4とにおける復調回路Cの出力信号の和ではなく、差を算出することにより行われる。 The displacement of the vibrator A1 in the Y-axis direction is opposite between the (1/2) × T period included in the section P2 and the 0 (or T) period included in the section P4. Therefore, the signs of the signals output from the demodulation circuit C are opposite to each other between the section P2 and the section P4. For this reason, the averaging is performed by calculating the difference, not the sum of the output signals of the demodulation circuit C in the sections P2 and P4.
平均化回路Rは、例えば、区間P2における復調回路Cの出力信号を保持するための容量素子と、区間P2と区間P4とにおける復調回路Cの出力信号の差分に比例した信号、例えば1/2倍の信号を出力する差動増幅器とを有するように構成することができる。復調回路Cの出力信号がデジタル信号である場合には、平均化回路Rは、区間P2と区間P4とにおける復調回路Cの出力信号をそれぞれ保持するレジスタと、それらの出力信号の差を演算する減算器と、減算器の出力を定数倍、例えば1/2倍するシフトレジスタとを有するように構成することができる。 The averaging circuit R is, for example, a capacitive element for holding the output signal of the demodulation circuit C in the section P2, and a signal proportional to the difference between the output signals of the demodulation circuit C in the sections P2 and P4, for example, 1/2 And a differential amplifier that outputs a doubled signal. When the output signal of the demodulating circuit C is a digital signal, the averaging circuit R calculates a register that holds the output signal of the demodulating circuit C in the sections P2 and P4, and a difference between the output signals. A subtractor and a shift register that multiplies the output of the subtractor by a constant, for example, ½, can be provided.
平均化回路Rが、平均値を算出する時期は、区間P4であってもよく、区間P2であってもよい。また、区間P2及び区間P4以外の時期であっても良い。 The time when the averaging circuit R calculates the average value may be the section P4 or the section P2. Moreover, the time other than the section P2 and the section P4 may be used.
(第3の実施形態)
図7は、第3の実施形態による角速度センサの周辺回路の構成を示すブロック図である。この角速度センサ203の周辺回路303は、スイッチI及びJが、状態「1」において角速度検出用固定電極A15及びA16を角速度検出用C−V変換回路Bへ接続し、状態「0」において、振動子A1と等電位である接地電位に接続するように構成されている点において、図5に示した周辺回路302とは異なっている。スイッチI及びJは、本発明の第1放電回路の具体例に該当する。スイッチI及びJは、状態「0」において、接地電位に限らず、振動子A1と等電位であれば、一般に安定電位に接続するものであってもよい。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a peripheral circuit of the angular velocity sensor according to the third embodiment. In the
図8は、角速度センサ203の動作説明図である。角速度センサ203の動作は、区間P1と区間P2との間に区間Psubが設定され、この区間PsubにおいてスイッチI及びJが状態「0」となることにより、角速度検出用固定電極A15及びA16と振動子A1との間で放電が行われる点において、図6に示した角速度センサ202の動作とは異なっている。
FIG. 8 is an explanatory diagram of the operation of the
区間Psubでは、スイッチ制御回路Hは、スイッチI及びJを含めて、スイッチI〜Qのすべてを状態「0」(スイッチI,J以外は、オフに相当)に設定する。従って、区間Psubでは、駆動信号の印加、角速度の検出、及び励振振動の振幅の検出の何れも行われず、角速度検出用固定電極A15及びA16と振動子A1との間の静電容量の放電が専ら行われる。 In the section Psub, the switch control circuit H sets all the switches I to Q including the switches I and J to the state “0” (except for the switches I and J, which corresponds to OFF). Therefore, in the section Psub, none of the application of the drive signal, the detection of the angular velocity, and the detection of the amplitude of the excitation vibration are performed, and the electrostatic discharge between the fixed electrodes A15 and A16 for detecting the angular velocity and the vibrator A1 occurs. Performed exclusively.
周辺回路303の角速度検出用C−V変換回路Bは、図7(b)に示すように、前段の全差動増幅器21の帰還容量C1及びC2をそれぞれ放電するためのスイッチ25及び26を有する。区間Psubでは、スイッチ制御回路Hは、スイッチ25及び26をオンすることにより、帰還容量C1及びC2をも放電させる。区間Psubでは、角速度検出用可動電極A15及びA16は、角速度検出用C−V変換回路Bから切り離されているので、帰還容量C1及びC2を放電させても、センシング部200には何ら影響を及ぼさない。また、スイッチPがオフしているので、後段の復調回路C等への影響も回避される。
As shown in FIG. 7B, the angular velocity detection CV conversion circuit B of the
このように角速度センサ203では、角速度を検出する区間P2の直前に、角速度検出用固定電極A15及びA16と振動子A1との間の静電容量の放電が行われることにより、当該静電容量に残留する電荷が解消される。それにより、角速度の検出の精度が高められる。角速度検出用固定電極A15及びA16と振動子A1との間の静電容量の放電は、区間Psubで行われれば足りる。但し、角速度センサ203は、放電のための機構をスイッチI及びJを用いて簡素に構成している。そのために、角速度センサ203では、区間Psubだけでなく、スイッチI,Jが「0」の状態にあるすべての期間、即ち区間P2及びP4以外の全ての期間において放電を行っている。
As described above, the
(第4の実施形態)
図9は、第4の実施形態による角速度センサの周辺回路の構成を示すブロック図である。この角速度センサ204の周辺回路304は、角速度検出回路4にスイッチV及びオフセットホールド回路Uを有する点において、図7に示した周辺回路303とは異なっている。オフセットホールド回路Uは、図9(b)に例示するように、周知のサンプルホールド回路32を有する。これにより、オフセットホールド回路Uは、スイッチVがオンしている期間における角速度検出用C−V変換回路Bの出力信号を保持する。
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a peripheral circuit of the angular velocity sensor according to the fourth embodiment. The
図10は、角速度センサ204の動作説明図である。角速度センサ204の動作は、(3/4)×Tの時期を含む期間として設定された区間P5においても、角速度検出回路4が角速度検出用可動電極A14と角速度検出用固定電極A15及びA16との間の静電容量を検出する点において、図8に示した角速度センサ203の動作とは異なっている。図10の例では、区間P5は区間P3と同一区間に設定されている。
FIG. 10 is an explanatory diagram of the operation of the
区間P5では、区間P2及びP4と同様に、スイッチ制御回路Hは、スイッチI及びJをオンする。但し、スイッチ制御回路Hは、区間P2及びP4とは異なり、スイッチP及びQをオフし、代わりにスイッチVをオンする。また、区間P5は区間P3と重複するため、スイッチ制御回路Hは、区間P5において区間P3と同様に、スイッチK、L、N及びOをオンする。 In the section P5, as in the sections P2 and P4, the switch control circuit H turns on the switches I and J. However, unlike the sections P2 and P4, the switch control circuit H turns off the switches P and Q and turns on the switch V instead. Further, since the section P5 overlaps with the section P3, the switch control circuit H turns on the switches K, L, N, and O in the section P5 similarly to the section P3.
区間P5では、スイッチVがオンすることにより、角速度検出用C−V変換回路Bの出力がオフセットホールド回路Uへ入力される。区間P5は、振動子A1のY軸方向の変位がゼロとなる(3/4)×Tの時期を含む期間として設定されているため、区間P5における角速度検出用C−V変換回路Bの出力信号の基準電位V0からのずれは、センシング部200又は角速度検出用C−V変換回路Bによって発生するオフセットを反映したものとなる。区間P5が終了し、スイッチVがオフした後は、サンプルホールド回路32は、スイッチVがオフする直前の角速度検出用C−V変換回路Bの出力信号を保持する。
In the section P5, the output of the angular velocity detection CV conversion circuit B is input to the offset hold circuit U when the switch V is turned on. Since the section P5 is set as a period including a time of (3/4) × T in which the displacement of the vibrator A1 in the Y-axis direction becomes zero, the output of the angular velocity detection CV conversion circuit B in the section P5 The deviation of the signal from the reference potential V0 reflects the offset generated by the
区間P5の次に到来する区間P4及びP2では、補正回路Dは、温度補償の他に、サンプルホールド回路32が保持するオフセットをも補償するように、復調回路Cの出力信号に補正を加える。即ち、補正回路Dは、オフセットホールド回路Uの出力信号が基準電位V0から異なっておれば、その差分だけ復調回路Cの出力信号をシフトする。例えば、補正回路Dの出力信号が、基準電位2.5Vを中心として、角速度に応じて正方向又は負方向に変化する場合に、オフセットホールド回路Uの出力が2.3Vである場合を想定する。このとき、補正回路Dは、復調回路Cの出力信号に対して、温度センサGからの温度データに基づく補正を加えた後、基準電位V0とオフセットホールド回路Uの出力信号との間の差分である0.2Vだけ補正後の出力信号を上昇させる。
In the sections P4 and P2 that come next to the section P5, the correction circuit D corrects the output signal of the demodulation circuit C so as to compensate not only the temperature compensation but also the offset held by the
このように、角速度センサ204は、センシング部200及び/又は角速度検出用C−V変換回路Bによって発生するオフセットを、角速度検出結果に対して補償するので、角速度検出の精度が高められる。サンプルホールド回路32が保持する値は、区間P2の終了時期又は区間P5の開始時期において、スイッチ制御回路Hの制御によりリセットされる。
As described above, the
(第5の実施形態)
図11は、第5の実施形態による角速度センサの周辺回路の構成を示すブロック図である。この角速度センサ205の周辺回路305は、スイッチMが、状態「1」において駆動用固定電極A7及びA9をゲイン調整回路Fへ接続し、状態「0」において、振動子A1と等電位である接地電位に接続するように構成されている点において、図7に示した周辺回路303とは異なっている。スイッチMは、本発明の第2放電回路の具体例に該当する。スイッチMは、状態「0」において、接地電位に限らず、振動子A1と等電位であれば、一般に安定電位に接続するものであってもよい。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a peripheral circuit of the angular velocity sensor according to the fifth embodiment. In the
図12は、角速度センサ205の動作説明図である。また、図13は、図11に示した周辺回路305に、図9と同様のオフセットホールド回路Uを設けた場合の動作説明図である。角速度センサ205の動作は、区間P1を除く期間内に設定された区間において、スイッチMが状態「0」となることにより、駆動用固定電極A7及びA9と振動子A1との間で放電が行われる点において、図8に示した角速度センサ203の動作、及び図10に示した角速度センサ204の動作とは異なっている。
FIG. 12 is an explanatory diagram of the operation of the
このように角速度センサ205では、駆動信号が印加される区間P1を除く期間内に設定された区間に、駆動用固定電極A7及びA9と振動子A1との間の静電容量の放電が行われることにより、当該静電容量に残留する電荷が解消される。それにより、角速度の検出の精度が高められる。駆動用固定電極A7及びA9と振動子A1との間の静電容量の放電は、区間P1を除く、適度な範囲の区間で行われれば足りる。但し、角速度センサ205は、放電のための機構をスイッチMを用いて簡素に構成している。そのために角速度センサ205では、スイッチMが「0」の状態にあるすべての期間、即ち区間P1以外の全ての期間において放電を行っている。
As described above, in the
(第6の実施形態)
図14は、第6の実施形態による角速度センサの周辺回路の構成を示すブロック図である。この角速度センサ206の周辺回路306は、スイッチK及びLが、状態「1」において駆動検出用固定電極A6及びA8を駆動検出用C−V変換回路Wへ接続し、状態「0」において、振動子A1と等電位である接地電位に接続するように構成されている点において、図11に示した周辺回路305とは異なっている。スイッチK及びLは、本発明の第3放電回路の具体例に該当する。スイッチK及びLは、状態「0」において、接地電位に限らず、振動子A1と等電位であれば、一般に安定電位に接続するものであってもよい。
(Sixth embodiment)
FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of a peripheral circuit of the angular velocity sensor according to the sixth embodiment. In the
図15は、角速度センサ206の動作説明図である。また、図16は、図14に示した周辺回路306に、図9と同様のオフセットホールド回路Uを設けた場合の動作説明図である。角速度センサ206の動作は、区間P3を除く期間内に設定された区間において、スイッチK及びLが状態「0」となることにより、駆動検出用固定電極A6及びA8と振動子A1との間で放電が行われる点において、図12及び図13に示した角速度センサ205の動作とは異なっている。
FIG. 15 is an explanatory diagram of the operation of the
周辺回路306の駆動検出用C−V変換回路Wは、図14(b)に示すように、前段の増幅器45及び46の帰還容量C3及びC4をそれぞれ放電するためのスイッチ27及び28を有する。スイッチK及びLによる放電が行われる区間では、スイッチ制御回路Hは、スイッチ27及び28をオンすることにより、帰還容量C3及びC4をも放電させる。この区間では、駆動用可動電極A6及びA8は、駆動検出用C−V変換回路Wから切り離されているので、帰還容量C3及びC4を放電させても、センシング部200には何ら影響を及ぼさない。また、スイッチOがオフしているので、後段の復調回路C等への影響も回避される。
As shown in FIG. 14B, the drive detection CV conversion circuit W of the
このように角速度センサ206では、励振振動の検出が行われる区間P3を除く期間内に設定された区間に、駆動用固定電極A6及びA8と振動子A1との間の静電容量の放電が行われることにより、当該静電容量に残留する電荷が解消される。それにより、角速度の検出の精度が高められる。駆動用固定電極A6及びA8と振動子A1との間の静電容量の放電は、区間P2を除く、適度な範囲の区間で行われれば足りる。但し、角速度センサ206は、放電のための機構をスイッチK及びLを用いて簡素に構成している。そのために角速度センサ206では、スイッチK及びLが「0」の状態にあるすべての期間、即ち区間P3以外の全ての期間において放電を行っている。
As described above, in the
(その他の実施形態)
(1) 上記の各実施形態では、センシング部200が、振動子A1を基板10の主面に垂直なZ軸方向に励振振動させるように構成された例を示した。しかしながら、本発明の角速度センサは、振動子A1の励振方向をZ軸方向に限るものではない。例えば、センシング部が基板10の主面に平行な方向に振動子A1を励振する角速度センサに対しても、本発明は適用可能である。
(Other embodiments)
(1) In each of the above-described embodiments, the example in which the
(2) 上記の各実施の形態では、固定電極1の中で、駆動用固定電極A7、A9、駆動検出用固定電極A6、A8、及び角速度検出用固定電極A15、A16が、互いに電気的に絶縁された別体のものとして構成された。しかしながら、固定電極A6〜A9、A15及びA16のうち、時分割により択一的に使用されるものについては、互いに固定電極1の中の同一部分として構成してもよい。例えば、第1の実施の形態による角速度センサ201においては、固定電極A6及びA8を、3種の固定電極の共通電極とすることが可能である。別の例として、第4の実施の形態による角速度センサ204においては、固定電極A6及びA8を駆動用固定電極と駆動検出用固定電極との共通電極とすることも、固定電極A15及びA16を駆動用固定電極と角速度検出用固定電極との共通電極とすることも可能である。
(2) In each of the above-described embodiments, among the fixed
1 固定電極 2 駆動回路 3 駆動検出回路 4 角速度検出回路
10 基板 201〜206 角速度センサ A1 振動子
A7、A9 駆動用固定電極 A6、A8 駆動検出用固定電極
A15、A16 角速度検出用固定電極 A11、A13 駆動用可動電極
A10、A12 駆動検出用可動電極 A14 角速度検出用固定電極
P1 区間(第1区間) P2 区間(第2区間)
P3 区間(第3区間) P4 区間(第4区間)
P5 区間(第5区間) Psub 区間(第6区間)
D 補正回路 I、J スイッチ(第1放電回路)
K、L スイッチ(第3放電回路) M スイッチ(第2放電回路)
R 平均化回路 T 共振周期 U オフセットホールド回路(保持回路)
X 第3方向 Y 第2方向 Z 第1方向 ωx 角速度成分
DESCRIPTION OF
P3 section (third section) P4 section (fourth section)
P5 section (fifth section) Psub section (sixth section)
D correction circuit I, J switch (first discharge circuit)
K, L switch (third discharge circuit) M switch (second discharge circuit)
R averaging circuit T resonance period U offset hold circuit (holding circuit)
X 3rd direction Y 2nd direction Z 1st direction ωx Angular velocity component
Claims (10)
前記振動子に対向して前記基板上に固定され、互いに同一部分であることを許した駆動用固定電極、駆動検出用固定電極及び角速度検出用固定電極を含む固定電極と、
前記駆動用固定電極に駆動信号を印加することにより前記駆動用固定電極と前記振動子との間に静電引力を発生させ、当該静電引力によって前記振動子を第1方向に励振する駆動回路と、
前記振動子と前記駆動検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより前記振動子の前記第1方向に沿った振動の振幅を検出する駆動検出回路と、
前記振動子と前記角速度検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより前記振動子の前記第1方向に垂直な第2方向に沿った振動の振幅を検出し、それにより前記第1方向及び前記第2方向の双方に垂直な第3方向の角速度成分を検出する角速度検出回路とを備え、
前記駆動回路は、前記駆動検出回路が検出する前記振幅を一定にするように前記駆動信号の強さを調整し、
前記振動子の共振周期をTとし前記振動子が平衡位置にある時期を起点0としたときに、前記駆動回路は0〜(1/4)×Tの期間内に設定された第1区間においてのみ前記駆動用固定電極に前記駆動信号を印加し、前記角速度検出回路は(1/2)×Tの時期を含む期間として設定された第2区間において前記静電容量を検出し、前記駆動検出回路は、(3/4)×Tの時期を含む期間として設定された第3区間において前記静電容量を検出し、
前記第1乃至第3区間は、互いに重複しないように設定されている角速度センサ。 A vibrator elastically supported in a floating state on a substrate;
A fixed electrode including a driving fixed electrode, a fixed electrode for driving detection, and a fixed electrode for angular velocity detection, which are fixed on the substrate facing the vibrator and allowed to be the same part;
A driving circuit that generates an electrostatic attraction between the fixed driving electrode and the vibrator by applying a driving signal to the fixed driving electrode, and that excites the vibrator in the first direction by the electrostatic attraction. When,
A drive detection circuit for detecting an amplitude of vibration along the first direction of the vibrator by detecting a capacitance between the vibrator and the fixed electrode for driving detection;
By detecting a capacitance between the vibrator and the angular velocity detecting fixed electrode, an amplitude of vibration along a second direction perpendicular to the first direction of the vibrator is detected, and thereby the first An angular velocity detection circuit for detecting an angular velocity component in a third direction perpendicular to both the first direction and the second direction;
The drive circuit adjusts the strength of the drive signal so as to make the amplitude detected by the drive detection circuit constant,
When the resonance period of the vibrator is T and the time when the vibrator is in an equilibrium position is 0, the drive circuit is in a first section set within a period of 0 to (1/4) × T. Only when the driving signal is applied to the driving fixed electrode, and the angular velocity detection circuit detects the capacitance in a second interval set as a period including a period of (1/2) × T, and detects the driving The circuit detects the capacitance in a third section set as a period including a period of (3/4) × T,
The angular velocity sensor in which the first to third sections are set so as not to overlap each other.
前記角速度検出回路は、前記第2区間における検出結果と前記第4区間における検出結果との平均値を算出する平均化回路を含み、
前記第1乃至第4区間は、互いに重複しないように設定されている請求項1記載の角速度センサ。 The angular velocity detection circuit detects the capacitance also in a fourth section set as a period including the starting point,
The angular velocity detection circuit includes an averaging circuit that calculates an average value of the detection result in the second section and the detection result in the fourth section,
The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the first to fourth sections are set so as not to overlap each other.
前記角速度検出回路は、(3/4)×Tの時期を含む期間として設定された第5区間においても前記静電容量を検出し、
前記角速度検出回路は、前記第5区間における検出結果を保持する保持回路と、前記第2区間における検出結果を前記保持回路が保持する検出結果により補正する補正回路とを含む請求項1記載の角速度センサ。 The drive detection fixed electrode and the angular velocity detection fixed electrode are different portions of the fixed electrode electrically insulated from each other;
The angular velocity detection circuit detects the capacitance also in a fifth section set as a period including a period of (3/4) × T,
2. The angular velocity according to claim 1, wherein the angular velocity detection circuit includes a holding circuit that holds a detection result in the fifth interval, and a correction circuit that corrects the detection result in the second interval based on the detection result held by the holding circuit. Sensor.
前記角速度検出回路は、(3/4)×Tの時期を含む期間として設定された第5区間においても前記静電容量を検出し、
前記角速度検出回路は、前記第5区間における検出結果を保持する保持回路と、前記第2区間における検出結果と前記第4区間における検出結果とを前記保持回路が保持する検出結果により補正する補正回路とを含む請求項2記載の角速度センサ。 The drive detection fixed electrode and the angular velocity detection fixed electrode are different portions of the fixed electrode electrically insulated from each other;
The angular velocity detection circuit detects the capacitance also in a fifth section set as a period including a period of (3/4) × T,
The angular velocity detection circuit includes a holding circuit that holds a detection result in the fifth interval, and a correction circuit that corrects the detection result in the second interval and the detection result in the fourth interval by a detection result held by the holding circuit. The angular velocity sensor according to claim 2, comprising:
前記第1放電回路は、前記第1区間と前記第2区間との間に設定された第6区間において前記角速度検出用固定電極を安定電位に接続する請求項1乃至4の何れか1項に記載の角速度センサ。 The angular velocity detection circuit includes a first discharge circuit that connects the angular velocity detection fixed electrode intermittently to a stable potential,
Wherein the first discharge circuit, to any one of claims 1 to 4 for connecting the fixed electrode angular velocity detecting a stable potential at the sixth sections set between the first section and the second section The angular velocity sensor described.
前記駆動回路は、前記駆動用固定電極を安定電位に断続自在に接続する第2放電回路を含み、
前記第2放電回路は、前記第1区間を除く期間内に設定された第7区間において前記駆動用固定電極を安定電位に接続する請求項1乃至5の何れか1項に記載の角速度センサ。 The fixed electrode for driving, the fixed electrode for driving detection and the fixed electrode for angular velocity detection are different portions of the fixed electrode electrically insulated from each other,
The drive circuit includes a second discharge circuit that connects the drive fixed electrode to a stable potential in an intermittent manner;
It said second discharge circuit, the angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 5 for connecting the driving fixed electrode in a seventh sections set within a period excluding the first period to the stable potential.
前記駆動検出回路は、前記駆動検出用固定電極を安定電位に断続自在に接続する第3放電回路を含み、
前記第3放電回路は、前記第3区間を除く期間内に設定された第8区間において前記駆動検出用固定電極を安定電位に接続する請求項1乃至6の何れか1項に記載の角速度センサ。 The drive detection fixed electrode, the drive fixed electrode and the angular velocity detection fixed electrode are different portions of the fixed electrode electrically insulated from each other,
The drive detection circuit includes a third discharge circuit that connects the drive detection fixed electrode intermittently to a stable potential;
Said third discharge circuit, an angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 6 for connecting the drive detection fixed electrode in the first 8 sections set in the period except for the third section to the stable potential .
前記振動子が平衡位置にあるとき、前記上面を基準とした前記振動子の上端の高さと前記駆動用固定電極の上端の高さとが略一致する請求項1乃至7の何れか1項に記載の角速度センサ。 The first direction is a normal direction of the upper surface of the substrate;
When said oscillator is in the equilibrium position, according to any one of claims 1 to 7 and the height of the upper end of the height and the driving fixed electrode of the upper end of the vibrator relative to the said upper surface substantially coincides Angular velocity sensor.
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