JP5245245B2 - 慣性力センサ - Google Patents
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Description
本発明は、特に、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、各種電子機器に用いられる慣性力センサに関するものである。
従来の慣性力センサは音叉状のセンス素子を振動させ、これに加わる慣性力をコリオリ力を利用して検出するため、センス素子の振幅を一定にするべくセンス素子を振動させる駆動回路内にＡＧＣ回路を設けている。
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平９−２８１１３８号公報
しかしながら、ＡＧＣ回路は多くのアナログ素子により形成されているため、各素子の温度特性が累積されて大きなものとなってしまい、温度変化に伴うセンス素子の振幅を一定化することが困難なものとなり、結果として慣性力センサの検出精度に影響を及ぼしていた。
そこで、本発明はこのような問題を解決し、慣性力センサの検出精度を高めることを目的とする。
この目的を達成するために本発明は、慣性力センサを構成するセンス回路を、出力信号を１ビットデジタル信号に変換するシグマ・デルタ変調器と、前記モニタ電極から出力されたモニタ信号を予め決められた基準振幅情報と比較して補正情報を生成する補正情報生成回路と、前記補正情報生成回路から出力される補正情報から得られた倍率に従って、前記１ビットデジタル信号をマルチビット信号に変換して前記出力信号の出力レベルの調整を行う信号処理回路とで構成するようにしたもので、この構成によれば、１ビットデジタル信号が０／１の１ビット信号であるため、補正情報の倍率が決定すれば「１」の信号をその倍率に置換すればマルチビット信号に変換できることとなり、これにより、一般的に行われる積算処理などが不要となることから処理回路が簡易なものと出来るという作用効果を有するものである。
以上のように本発明の慣性力センサは、駆動電極と、センス電極と、モニタ電極を有するセンス素子と、このセンス素子を所定の駆動周波数で駆動させるドライブ回路と、前記センス電極から出力される出力信号を電気的に処理するセンス回路とを備え、前記センス回路は前記出力信号を１ビットデジタル信号に変換するシグマ・デルタ変調器と、前記モニタ電極から出力されたモニタ信号を予め決められた基準振幅情報と比較して補正情報を生成する補正情報生成回路と、前記補正情報生成回路から出力される補正情報から得られた倍率に従って、前記１ビットデジタル信号をマルチビット信号に変換して前記出力信号の出力レベルの調整を行う信号処理回路とで構成するようにしたもので、この構成によれば、１ビットデジタル信号が０／１の１ビット信号であるため、補正情報の倍率が決定すれば「１」の信号をその倍率に置換すればマルチビット信号に変換できることとなり、これにより、一般的に行われる積算処理などが不要となることから処理回路が簡易なものとなる慣性力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。
以下、本発明の一実施の形態における慣性力センサについて、図面を参照しながら説明する。
図１は慣性力センサの一例である角速度センサを示したものであり、その構成は大まかにセンス素子１と、このセンス素子１を振動させる駆動回路２と、センス素子１から出力されるセンス信号３を電気的に処理するセンス回路４で構成されている。
センス素子１は図２に示されるように、音叉状のシリコン基板５上に、駆動電極６、センス電極７、モニタ電極８が形成されており、駆動電極６に対して駆動回路２から所定周波数の駆動信号９を印加することで、センス素子１の駆動アーム１０を図中における左右方向に振動させ、この状態でセンス素子１に角速度が加わることでコリオリ力が生じ駆動アーム１０が図中における前後方向に撓み、この撓みによりセンス電極７からセンス信号３が出力されるのである。なお、特に図示はしていないが、駆動電極６、センス電極７、モニタ電極８はＰＺＴ薄膜を上下電極で挟み込んだ構造となっている。なお、モニタ電極８はセンス素子１の振動状態を検知するもので、音叉の振動に応じた信号をモニタ信号１１として出力するものである。
そして、この角速度センサにおいてはセンス信号３を１ビットデジタル信号に変換するシグマ・デルタ変調器（以下、ΣΔと称す）１２と、モニタ信号１１のピーク・トゥー・ピークを検出してその振幅情報を予め設定された基準振幅情報と比較して補正情報を生成する補正情報生成回路１３と、ΣΔ１２から出力された１ビットデジタル信号を補正情報と演算処理する信号処理回路１４と、この信号処理回路１４により形成されたマルチビット信号をフィルタリングするデジタルフィルタ１５と、このフィルタリングされたマルチビット信号を記憶し外部との通信を行う通信回路１６とで構成し、特にセンス素子１の振幅を一定化させるために従来設けられていたＡＧＣ回路を設けていない構造としている。
なお、ΣΔ１２はセンス電極７から出力されたアナログ信号をオーバーサンプリングし、シグマ・デルタ変換することで１ビットデジタル信号に変換するものである。
そして、信号処理回路１４はセンス信号３をΣΔ１２で形成した１ビットデジタル信号に補正情報生成回路１３で得る倍率に従って、例えば補正情報の倍率が「５」で１ビットデジタル信号が「・・・００１１０１０・・・」であれば、その信号を「・・・００５５０５０・・・」といったマルチビット信号に変換するのである。なお、ここで１ビットデジタル信号が０／１の１ビット信号であるため補正情報の倍率が決定すれば「１」の信号をその倍率に置換すればマルチビット信号に変換できるため、一般的に行われる積算処理などが不要となることから処理回路が簡易なものと出来るのである。
そして、このように角速度センサを構成することにより、駆動回路２における温度特性の大きいＡＧＣ回路が除去され、それに伴い導入された先に述べた出力レベル処理がデジタル処理により行われるため、温度変化に伴う信号変動が抑制されるため、ドライブ回路２を簡略化できるとともに角速度センサの検出精度を高めることができるのである。
なお、ΣΔ１２は１ビットデジタルに変換するものであるから、先に述べたΣΔ１２を用いず、Ａ／Ｄ変換器によりマルチビットデジタル信号に変換することも出来るのであるが、ΣΔ１２はその回路構成として内部に積分器機能を有したものであるため回路規模の小型化が出来るのである。
なお、上述した一実施の形態では、センス回路４で実施される処理として、センス信号３に対する振幅変動に伴う出力レベル制御を行うことを説明したが、センス回路４で実行される処理はこれに限定されるものでなく、別途センサ素子１の形状ばらつきや駆動電極６やセンス電極７などの電極間の不要結合に起因する不要信号の除去を行う部分であり、この不要信号の除去については特開平９−２８１１３８号公報に開示されるような様々な処理が行われる部分である。
また、上述した一実施の形態では、慣性力センサとして角速度センサを例に挙げて説明したが、センス素子１を振動させコリオリ力を利用するものであれば、加速度センサなどにも適応できるものである。
本発明に係る慣性力センサは、慣性力センサの検出精度を高めることができ、各種電子機器に用いる慣性力センサとして有用となるものである。
１ センス素子
２ ドライブ回路
４ センス回路
６ 駆動電極
７ センス電極
８ モニタ電極
１２ シグマ・デルタ変調器
１４ 信号処理回路
２ ドライブ回路
４ センス回路
６ 駆動電極
７ センス電極
８ モニタ電極
１２ シグマ・デルタ変調器
１４ 信号処理回路
Claims (1)
- 駆動電極と、センス電極と、モニタ電極を有するセンス素子と、このセンス素子を所定の駆動周波数で駆動させるドライブ回路と、前記センス電極から出力される出力信号を電気的に処理するセンス回路とを備え、前記センス回路は前記出力信号を１ビットデジタル信号に変換するシグマ・デルタ変調器と、前記モニタ電極から出力されたモニタ信号を予め決められた基準振幅情報と比較して補正情報を生成する補正情報生成回路と、前記補正情報生成回路から出力される補正情報から得られた倍率に従って、前記１ビットデジタル信号をマルチビット信号に変換して前記出力信号の出力レベルの調整を行う信号処理回路とを有することを特徴とする慣性力センサ。
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006315221A JP5245245B2 (ja) | 2006-11-22 | 2006-11-22 | 慣性力センサ |
Publications (2)
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2006315221A Active JP5245245B2 (ja) | 2006-11-22 | 2006-11-22 | 慣性力センサ |
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