JP5245247B2 - Inertial force sensor - Google Patents
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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。 The present invention particularly relates to an inertial force sensor used in various electronic devices such as attitude control and navigation of a moving body such as an aircraft, an automobile, a robot, a ship, and a vehicle.
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。 Since the conventional inertial force sensor vibrates a tuning fork-like sensing element and detects the inertial force applied thereto using the Coriolis force, an AGC is installed in the drive circuit that vibrates the sensing element to keep the amplitude of the sensing element constant. A circuit is provided.
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。
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。 However, since the AGC circuit is formed of many analog elements, the temperature characteristics of each element are accumulated and become large, and it becomes difficult to make the amplitude of the sense element constant according to the temperature change. As a result, the detection accuracy of the inertial force sensor is affected.
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。 Therefore, the present invention aims to solve such problems and increase the detection accuracy of the inertial force sensor.
この目的を達成するために本発明は、前記モニタ信号が入力されるI/V変換器と、前記I/V変換器からの出力信号を矩形波信号に変換するコンパレータとを有し、前記矩形波信号に基づいて前記出力信号を1ビットデジタル信号にシグマ・デルタ変換して振幅情報を形成し、前記振幅情報を予め決められた基準振幅情報と比較し、この比較情報を基に補正情報を生成し、前記補正情報から得る倍率にしたがって前記矩形波信号を演算処理してマルチビット信号に変換したため、コンパレータで形成された矩形波信号を離散信号に変換し、この離散信号を補正情報から得る倍率にしたがって、マルチビット信号に変換することとなり、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を簡易なものとすることが出来るという作用効果を有するものである。 In order to achieve this object, the present invention includes an I / V converter to which the monitor signal is input, and a comparator that converts an output signal from the I / V converter into a rectangular wave signal. Based on the wave signal, the output signal is converted to a 1-bit digital signal by sigma-delta conversion to form amplitude information, the amplitude information is compared with predetermined reference amplitude information, and correction information is obtained based on the comparison information. Since the rectangular wave signal is generated and converted into a multi-bit signal according to the magnification obtained from the correction information, the rectangular wave signal formed by the comparator is converted into a discrete signal, and the discrete signal is obtained from the correction information. In accordance with the magnification, the signal is converted into a multi-bit signal, which eliminates the need for a generally performed integration process and the like, thereby simplifying the processing circuit. And it has a effect that that.
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、前記モニタ電極より出力されたモニタ信号を検知し前記駆動電極に対する駆動信号を形成する駆動回路と、前記センス電極から出力されたセンス信号を電気的に処理するセンス回路とを備え、前記駆動回路は、前記モニタ信号が入力されるI/V変換器と、前記I/V変換器からの出力信号を矩形波信号に変換するコンパレータとを有し、前記矩形波信号に基づいて前記出力信号を1ビットデジタル信号にシグマ・デルタ変換して振幅情報を形成し、前記振幅情報を予め決められた基準振幅情報と比較し、この比較情報を基に補正情報を生成し、前記補正情報から得る倍率にしたがって前記矩形波信号を演算処理してマルチビット信号に変換し、このマルチビット信号を所定の出力形式の信号に変換し、前記駆動電極に出力するとともに、前記演算処理は、モニタ信号より形成される矩形波信号と比較情報とを演算させたもので、この構成によれば、コンパレータで形成された矩形波信号を離散信号に変換し、この離散信号を補正情報から得る倍率にしたがって、マルチビット信号に変換することとなり、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を簡易なものとすることが可能な慣性力センサを提供することが出来るという効果を有するものである。 The inertial force sensor of the present invention includes a drive electrode, a sense electrode, a sense element having a monitor electrode, a drive circuit for detecting a monitor signal output from the monitor electrode and forming a drive signal for the drive electrode, A sense circuit that electrically processes a sense signal output from the sense electrode, and the drive circuit receives an I / V converter to which the monitor signal is input and an output signal from the I / V converter. A comparator for converting into a rectangular wave signal, and based on the rectangular wave signal, the output signal is converted into a 1-bit digital signal by sigma-delta conversion to form amplitude information, and the amplitude information is set to a predetermined reference amplitude. compared with information, and generates the correction information based on the comparison information, into a multi-bit signal by processing the square-wave signal in accordance with the magnification obtained from the correction information, the The multi-bit signal is converted into a signal of a predetermined output format and output to the drive electrode, and the calculation process is performed by calculating a rectangular wave signal formed from the monitor signal and comparison information. For example, the rectangular wave signal formed by the comparator is converted into a discrete signal, and the discrete signal is converted into a multi-bit signal according to the magnification obtained from the correction information. Since it becomes unnecessary, an inertial force sensor capable of simplifying the processing circuit can be provided.
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。 Hereinafter, an inertial force sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
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。
FIG. 1 shows an angular velocity sensor which is an example of an inertial force sensor, and its configuration is roughly composed of a sense element 1, a
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。
As shown in FIG. 2, the sense element 1 has a
また、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。
The
そして、この角速度センサの駆動回路2は図1に示されるように、モニタ信号11が入力されるI/V変換器12と、このI/V変換器12からの出力信号を1ビットデジタル信号に変換するシグマ・デルタ変調器(以下、ΣΔと記す)13と、この1ビットデジタル信号をマルチビット信号に変換するデジタルフィルタ14と、このマルチビット信号が持つ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15と、I/V変換器12からの出力信号を矩形波に変換するコンパレータ16と、この矩形波信号を所定の周期で離散値に変換し補正情報と演算処理する信号処理回路17と、この信号処理回路17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18と、このフィルタリングされたマルチビット信号を1ビットデジタル信号に変換し駆動電極6に出力するΣΔ19とで構成している。
As shown in FIG. 1, the angular velocity
なお、ΣΔ13は図3に示す如くI/V変換器12から出力されたアナログ信号をコンパレータ16から出力される矩形波信号で、例えば矩形波信号がHigh(図中‘H’で表記)である期間をその都度積分し、この積分信号を入力信号としてシグマ・デルタ変換することでモニタ信号3の振幅情報を1ビットデジタル信号に変換するものである。
Note that ΣΔ13 is a rectangular wave signal output from the
そして、信号処理回路17はコンパレータ16で形成された矩形波信号を離散信号に変換し、この離散信号を補正情報から得る倍率にしたがって、例えば補正情報の倍率が「5」で離散信号が「・・・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、ここで離散信号が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。
Then, the
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がデジタル信号処理により行われるようになり、温度変化に伴う信号変動が抑制されるため、それによりセンス素子1の振幅を一定化することができ、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。
By configuring the angular velocity sensor in this way, the
なお、ΣΔ13は1ビットデジタル信号に変換するものであるから、先に述べたΣΔ13を用いず、積分器によって得られた値を逐次比較型などの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、ΣΔ13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。 Since ΣΔ13 is converted into a 1-bit digital signal, the value obtained by the integrator is converted into a multi-bit digital signal by an A / D converter such as a successive approximation type without using the ΣΔ13 described above. However, since ΣΔ13 has an integrator function as its circuit configuration, the circuit scale can be reduced.
また、ΣΔ19はマルチビット信号を演算処理により1ビットデジタル信号に変換するものであるから、ΣΔ19を用いずD/A変換器によりアナログ信号化し駆動電極6に出力できるが、ΣΔ19で1ビットデジタル信号に変換することで、この1ビットデジタル信号で直接センス素子1を振動できるようになり、回路規模の小型化が出来るのである。
Further, since ΣΔ19 converts a multi-bit signal into a 1-bit digital signal by arithmetic processing, it can be converted into an analog signal by a D / A converter without using ΣΔ19 and output to the
なお、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。 In the above-described embodiment, the angular velocity sensor is described as an example of the inertial force sensor. However, any sensor that vibrates the sense element 1 and uses the Coriolis force can be applied to an acceleration sensor or the like. is there.
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。 The inertial force sensor according to the present invention can increase the detection accuracy of the inertial force sensor, and is useful as an inertial force sensor used in various electronic devices.
1 センス素子
2 駆動回路
4 センス回路
6 駆動電極
7 センス電極
8 モニタ電極
1
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