JP5316434B2

JP5316434B2 - 角速度センサ

Info

Publication number: JP5316434B2
Application number: JP2010014960A
Authority: JP
Inventors: 英之村上; 孝士川井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: JP2011153880A

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角速度センサに関するものである。

従来のこの種の角速度センサについて、以下、図面を参照しながら説明する。

図９は従来の角速度センサの回路図である。

図９において、１はシリコン材料からなるセンサ素子で、このセンサ素子１はセンサ素子１を振動させるための信号を入力する駆動電極２と、振動状態に応じた信号を出力するモニタ電極３と、角速度が印加されるとコリオリ力に応じた出力をするセンス電極４とで構成されている。

前記モニタ電極３より出力されるモニタ信号はドライブ回路５に入力される。このドライブ回路５は、入力されたモニタ信号からセンサ素子１の振動が一定振幅となるように調整した駆動信号を駆動電極２に出力する。前記センス電極４より出力されるセンス信号はセンス回路７に入力される。このセンス回路７は、センス電極４より出力されるセンス信号をドライブ回路５より出力されるセンサ素子の駆動周波数に同期した信号で同期検波回路８により検波し、角速度信号を出力するものである。９はＲＯＭからなるメモリである。１０は周囲の温度を計測する温度センサである。１１は出力調整回路で、この出力調整回路１１は前記センス回路７における同期検波後の出力信号をメモリ９に格納されたデータを基に温度センサ１０からの温度出力信号に応じて補正するものである。

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。

角速度センサにおけるセンサ素子１の駆動電極２に交流電圧が負荷されると、センサ素子１がＸ方向に駆動周波数で振動駆動する。そして、センサ素子１のＺ軸周りに角速度が負荷されると、コリオリ力により、センサ素子１がＹ軸方向に検知周波数で振動する。そして、この振動によりセンス電極４に容量変化が発生する。そして、この容量変化による出力信号をセンス回路７によりＣＶ変換して出力することにより、角速度を検出するものである。

ここで、従来の角速度センサの周囲の温度が変化することにより、図１０（ａ）に示すように、出力信号が直線的に変化する場合を考える。

従来の角速度センサにおいては、図１０（ｂ）に示す温度センサ１０からの出力信号に応じて、メモリ９に保管されている図１０（ｃ）に示すような補正データを基に、出力調整回路１１で補正することにより、図１０（ｄ）に示すような、温度によって信号が変化しない補正後の出力信号を出力するものであった。

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２００７−２５５８９０号公報

しかしながら、上記した従来の構成においては、図１０（ｂ）に示す温度センサ１０からの出力信号のＸ軸切片の変化により、図１０（ａ）に示す出力信号と図１０（ｃ）に示す補正データとの交点が変化するため、図１０（ｄ）に示す補正後の出力信号にオフセットが発生してしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、温度センサからの出力信号のＸ軸切片が変化しても、補正後の出力信号にオフセットが発生するということのない、出力特性の安定した角速度センサを提供することを目的とするものである。

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。

本発明の請求項１に記載の発明は、駆動電極と、センス電極と、モニタ電極とを有するセンサ素子と、このセンサ素子における駆動電極に電圧を印加するドライブ回路と、前記センサ素子におけるセンス電極から出力される信号を角速度出力信号に変換するセンス回路と、周囲の温度を検出するとともに温度に応じた出力信号を出力する温度センサと、前記センス回路から出力される角速度出力信号の温度変化による変動を温度センサからの出力信号を基に補正するＲＯＭを有する温度補正回路とを備え、前記温度補正回路に温度センサ出力のオフセット調整機能を設けるとともに、オフセット調整された温度情報を基にＲＯＭに保存した補正データにより角速度出力信号の温度変化による変動を補正するようにしたもので、この構成によれば、温度補正回路におけるＲＯＭに所定の基準温度でオフセット調整する補正データを格納するとともに、この補正データにより角速度出力信号の温度変化による変動を補正するようにしたため、補正後の出力信号にオフセットが発生しなくなるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、温度補正演算手段が温度情報ｔ、２値のＲＯＭから読み出した補正データａおよびｂを用いて、補正値ｙ＝（ａ×ｔ＋ｂ）×ｔを演算するようにしたもので、この構成によれば、温度補正演算手段が温度情報ｔ、２値のＲＯＭから読み出した補正データａおよびｂを用いて、補正値ｙ＝（ａ×ｔ＋ｂ）×ｔを演算するようにしたため、２次補正をするための乗算回数を２回でできるため、演算量を削減できるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、温度センサから発生する出力信号のノイズ信号を除去するローパスフィルタを設け、起動時にはこのローパスフィルタの応答性を高める構成を設けたもので、この構成によれば、通常時は温度センサから出力される温度情報データに生じたノイズ信号を精度良く除去し、電源起動時はそのローパスフィルタの応答性を高めることができるため、温度補正演算手段が正確な温度情報に基づき補正信号を生成できるという作用効果を有するものである。

本発明の角速度センサは、駆動電極と、センス電極と、モニタ電極とを有するセンサ素子と、このセンサ素子における駆動電極に電圧を印加するドライブ回路と、前記センサ素子におけるセンス電極から出力される信号を角速度出力信号に変換するセンス回路と、周囲の温度を検出するとともに温度に応じた出力信号を出力する温度センサと、前記センス回路から出力される角速度出力信号の温度変化による変動を温度センサからの出力信号を基に補正するＲＯＭを有する温度補正回路とを備え、前記温度補正回路に温度センサ出力のオフセット調整機能を設けるとともに、オフセット調整された温度情報を基にＲＯＭに保存した補正データにより角速度出力信号の温度変化による変動を補正するようにしたため、補正後の出力信号にオフセットが発生するということのない出力精度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。

本発明の一実施の形態における角速度センサの回路図（ａ）〜（ｃ）同角速度センサの動作状態を示す図（ａ）〜（ｄ）同角速度センサの動作状態を示す図同ＰＬＬ回路が動作する状態を示す図同ＰＬＬ回路が動作する状態を示す図本発明の一実施の形態における角速度センサの２次補正の補正信号を示す図同角速度センサにおける温度補正演算手段の動作状態を示すブロック図本発明の他の実施の形態におけるローパスフィルタの応答性を高める構成を示した図従来の角速度センサの回路図従来の角速度センサの動作において、温度による出力変化を補正する状態を示す図

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。

図１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。

図１において、３０はセンサ素子で、このセンサ素子３０は振動体３１と、この振動体３１を振動させるための圧電体を有する駆動電極３２と、振動状態に応じて電荷を発生する圧電体を有するモニタ電極３３と、前記センサ素子３０に角速度が印加されると電荷を発生する圧電体を有する一対のセンス電極とを設けている。また、前記センサ素子３０における一対のセンス電極は、第１のセンス電極３４と、この第１のセンス電極３４と逆極性の電荷を発生する第２のセンス電極３５とで構成されている。４１はドライブ回路で、このドライブ回路４１は入力切替手段４２と、ＤＡ変換手段４３、積分手段４４、比較手段４５、デジタルフィルタからなるフィルタ回路４６、ＡＧＣ回路４７および駆動回路４８とで構成されている。また、前記ドライブ回路４１における入力切替手段４２は、振動体３１におけるモニタ電極３３と接続され、そして、第２のタイミングΦ２で動作するアナログスイッチで構成されているものである。そしてまた、前記ドライブ回路４１におけるＤＡ切替手段４９は、第１の基準電圧５０および第２の基準電圧５１を有し、そしてこの第１の基準電圧５０と第２の基準電圧５１を第２のタイミングΦ２で所定の信号により切り替えている。さらに、前記ドライブ回路４１にはＤＡ出力手段５２を設けており、このＤＡ出力手段５２は前記ＤＡ切替手段４９の出力信号が入力されるコンデンサ５３と、このコンデンサ５３の両端に接続され、かつ前記第１のタイミングΦ１で動作してコンデンサ５３の電荷を放電するＳＷ５４，５５とで構成されている。そして、前記ＤＡ切替手段４９とＤＡ出力手段５２とでＤＡ変換手段４３を構成し、かつこのＤＡ変換手段４３は第１のタイミングΦ１で前記コンデンサ５３の電荷を放電し、さらに前記第２のタイミングΦ２で前記ＤＡ切替手段４９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。５６はＳＷで、このＳＷ５６には前記入力切替手段４２とＤＡ変換手段４３の出力が入力され、そして、このＳＷ５６は前記第２のタイミングΦ２で出力するものである。

４４は積分手段で、この積分手段４４には前記ＳＷ５６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の帰還に接続されるコンデンサ５８とにより構成されている。そして、第２のタイミングΦ２で動作し、前記積分手段４４への入力信号がコンデンサ５８により積分されるものである。４５は比較手段で、この比較手段４５には前記積分手段４４が出力する積分信号が入力され、そして、この比較手段４５はこの積分信号と所定の値とを比較する比較器５９と、この比較器５９が出力する１ビットデジタル信号が入力されるＤ型フリップフロップ６０とにより構成されている。また、前記Ｄ型フリップフロップ６０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ＤＡ変換手段４３のＤＡ切替手段４９に入力されて、第１の基準電圧５０と第２の基準電圧５１とを切り替えるものである。そして、前記入力切替手段４２、ＤＡ変換手段４３、積分手段４４および比較手段４５によりΣΔ変調器からなるＡＤ変換器６１を構成している。

また、前記ＡＤ変換器６１の出力するパルス密度変調記号はフィルタ回路４６に入力され、前記振動体３１の共振周波数の信号を抽出し、ノイズ成分を除去したマルチビット信号を出力する。そして、このマルチビット信号をＡＧＣ回路４７に設けた半波整流フィルタ回路（図示せず）に入力することにより、振幅情報信号に変換する。そしてＡＧＣ回路４７はこの振幅情報信号が大の場合には前記フィルタ回路４６の出力マルチビット信号を減衰させた信号を、一方、前記振幅情報信号が小の場合には前記フィルタ回路４６の出力マルチビット信号を増幅させた信号を駆動回路４８に入力し、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。

前記駆動回路４８は、２値を保持しているデジタル値出力手段６２と、ＡＧＣ回路４７からの出力信号と前記デジタル値出力手段６２の出力を加算し積分する加積分演算手段６３と、この加積分演算手段６３からの出力を比較定数値６４と比較する値比較手段６５と、この値比較手段６５の出力に応じて前記デジタル値出力手段６２の出力するデジタル値を切り替える値切替手段６６と、前記値比較手段６５の出力を所定のタイミングでラッチするフリップフロップ６７とにより構成されるデジタルΣΔ変調器６８を有している。前記デジタルΣΔ変調器６８により前記ＡＧＣ回路４７が出力するマルチビット信号は１ビットのパルス密度変調信号に変調されて出力され、かつこのパルス密度変調信号はアナログフィルタ６９に入力され、さらにセンサ素子３０を駆動するのに有害な周波数成分はフィルタリングされて、センサ素子３０に出力される。

７１はタイミング制御回路で、このタイミング制御回路７１は前記ドライブ回路４１におけるフィルタ回路４６が出力するマルチビット信号を入力し、第１のタイミングΦ１、第２のタイミングΦ２のタイミング信号を生成してドライブ回路４１に、また第３のタイミングΦ３、第４のタイミングΦ４、第５のタイミングΦ５、第６のタイミングΦ６のタイミング信号をセンス回路８１に出力するものである。

なお、上記タイミング制御回路７１の内部構成については後述する。

前記センス回路８１はΣΔ変調器からなるＡＤ変換器８２および演算手段８３により構成されている。８４は入力切替手段で、この入力切替手段８４は前記センサ素子３０における第１のセンス電極３４と接続され前記第４のタイミングΦ４で動作するアナログスイッチ８５（以下、ＳＷと記す）、第２のセンス電極３５と接続され前記第６のタイミングΦ６で動作するアナログスイッチ８６とで構成されている。この構成により、入力切替手段８４は、第１のセンス電極３４または第２のセンス電極３５からの入力信号を第４のタイミングΦ４または第６のタイミングΦ６で切り替えて出力することになる。８７はＤＡ切替手段で、このＤＡ切替手段８７は、第１の基準電圧８８および第２の基準電圧８９を有し、そしてこの第１の基準電圧８８と第２の基準電圧８９を所定の信号により切り替えるものである。９０はＤＡ出力手段で、このＤＡ出力手段９０は前記ＤＡ切替手段８７の出力信号が入力されるコンデンサ９１と、このコンデンサ９１の両端に接続され、かつ前記第３のタイミングΦ３と第５のタイミングΦ５で動作してコンデンサ９１の電荷を放電するＳＷ９２，９３により構成されている。そして、前記ＤＡ切替手段８７とＤＡ出力手段９０とでＤＡ変換手段９４を構成し、かつこのＤＡ変換手段９４は第３のタイミングΦ３と第５のタイミングΦ５で前記コンデンサ９１の電荷を放電し、さらに前記第４のタイミングΦ４と第６のタイミングΦ６で前記ＤＡ切替手段８７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。

９５はＳＷで、このＳＷ９５には前記入力切替手段８４とＤＡ変換手段９４の出力が入力され、前記第４のタイミングΦ４と第６のタイミングΦ６で出力するものである。９６は積分回路で、この積分回路９６には前記ＳＷ９５の出力が入力されるものであり、そして、この積分回路９６は演算増幅器９７と、この演算増幅器９７の帰還に並列に接続される一対のコンデンサ９８，９９と、このコンデンサ９８，９９に接続される一対のＳＷ１００，１０１とにより構成されている。また、ＳＷ１００は第３のタイミングΦ３と第４のタイミングΦ４で動作し、前記積分回路９６への入力信号がコンデンサ９８に積分されて積分値が保持されることになる。そしてまた、ＳＷ１０１は前記第５のタイミングΦ５と第６のタイミングΦ６で動作し、前記積分回路９６への入力信号がコンデンサ９９に積分されて積分値が保持されることになる。ＳＷ９５と積分回路９６により積分手段１０２を構成している。

１０３は比較手段で、この比較手段１０３には前記積分手段１０２が出力する積分信号が入力され、そして、この比較手段１０３はこの積分信号と所定の値とを比較する比較器１０４と、この比較器１０４が出力する１ビットデジタル信号が入力されるＤ型フリップフロップ１０５とで構成されている。また、前記Ｄ型フリップフロップ１０５は前記第４のタイミングΦ４と第６のタイミングΦ６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ＤＡ変換手段９４のＤＡ切替手段８７に入力されて基準電圧８８，８９を切り替えるものである。そして、前記入力切替手段８４、ＤＡ変換手段９４、積分手段１０２および比較手段１０３によりＡＤ変換器８２を構成している。

またこのＡＤ変換器８２は上記構成により、前記センサ素子３０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。

１０６はラッチ回路で、このラッチ回路１０６には前記ＡＤ変換器８２の比較手段１０３における比較器１０４より出力される１ビットデジタル信号が入力され、かつ前記１ビットデジタル信号をラッチする一対のＤ型フリップフロップ１０７，１０８により構成されている。また、Ｄ型フリップフロップ１０７は第４のタイミングΦ４で前記１ビットデジタル信号をラッチするものであり、Ｄ型フリップフロップ１０８は第６のタイミングΦ６で前記１ビットデジタル信号をラッチするものである。１０９は差分演算手段で、この差分演算手段１０９は前記ラッチ回路１０６における一対のＤ型フリップフロップ１０７，１０８がラッチして出力する一対の１ビットデジタル信号が入力され、そしてこの一対の１ビットデジタル信号の差を演算する１ビット差分演算を置換処理により実現するものである。つまり、差分演算手段１０９に入力される一対の１ビットデジタル信号が、“００”“０１”“１０”“１１”である時、それぞれ“０”“−１”“１”“０”と置き換えて出力する構成となっている。１１０はデジタルフィルタからなるフィルタ回路で、このフィルタ回路１１０には前記差分演算手段１０９より出力されるデジタル差分信号が入力され、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。１１１は補正演算手段で、この補正演算手段１１１には前記差分演算手段１０９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り、つまり、上記したように補正演算手段１１１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。そして、前記ラッチ回路１０６、差分演算手段１０９、フィルタ回路１１０および補正演算手段１１１により演算手段８３を構成している。また、この演算手段８３は、第４、第６のタイミングで一対の１ビットデジタル信号をラッチして、差分演算、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、タイミング制御回路７１は、ＰＬＬ回路１２１と、タイミング生成回路１２２，１２３と、振幅判定回路１２４とで構成されている。

前記ＰＬＬ回路１２１は、前記ドライブ回路４１におけるフィルタ回路４６が出力するマルチビット信号の周波数を逓倍し、位相ノイズを時間的に積分し低減して、タイミング生成回路１２２，１２３に信号を出力するものである。位相監視手段１２６には、フィルタ回路４６が出力するマルチビット信号を波形整形した矩形波信号と分周器１２６ａの出力信号が入力される。そして、分周器１２６ａによる第２のタイミング信号は後述する電圧制御発振器１２９による第１のタイミング信号を分周した同期信号であり、第２のタイミング信号のタイミングでの、ＡＤ変換器であるドライブ回路４１の出力値それ自体が、第２のタイミング信号の正弦波信号の中央値、つまりゼロ点との位相ズレ量に応じた値となる。位相監視手段１２６から出力される信号は位相補正回路１２６ｂを介してループフィルタからなるフィルタ回路１２７に入力され、そしてこのフィルタ回路１２７は交流成分の少ない直流信号に変換するもので、このフィルタ回路１２７の出力信号と定電圧値とがタイミング切替手段１２８に入力される。そしてまた、このタイミング切替手段１２８の一方は、前述したように、フィルタ回路１２７に接続されるとともに、他方は定電圧出力器と電気的に接続されている。

また、前記振幅判定回路１２４にはフィルタ回路４６から出力されるマルチビット信号が入力される。そして、この振幅判定回路１２４はフィルタ回路４６から出力されるマルチビット信号の振幅情報を監視しており、この振幅情報が目標振幅以上である場合には、タイミング切替手段１２８はフィルタ回路１２７の出力信号を選択するように、一方、フィルタ回路４６から出力されるマルチビット信号の振幅情報が目標振幅以下である場合には、タイミング切替手段１２８は定電圧値を選択するように切り替えている。

前記タイミング切替手段１２８の出力電圧は電圧制御発振器１２９に入力される。この電圧制御発振器１２９は入力電圧に応じた周波数信号を発振する可変周波数発振器であり、この電圧制御発振器１２９より出力される発振信号は、分周器１２６ａと、タイミング生成回路１２２，１２３に入力される。

前記タイミング生成回路１２２は前記ＰＬＬ回路１２１から出力される信号をもとに、第１のタイミングΦ１、第２のタイミングΦ２のタイミング信号を生成してドライブ回路４１に出力するものであり、またタイミング生成回路１２３はモニタ信号の２周期間を第３のタイミングΦ３、第４のタイミングΦ４、第５のタイミングΦ５、第６のタイミングΦ６に分割してこのタイミング信号を生成してセンス回路８１に出力するものである。

１３１は温度センサで、この温度センサ１３１は、周囲の温度を検知して、アナログからなる出力信号を出力している。１３２はＡＤ変換器で、このＡＤ変換器１３２は、前記温度センサ１３１から出力される出力信号をデジタル信号に変換している。１３３はデジタルローパスフィルタで、このデジタルローパスフィルタ１３３は前記ＡＤ変換器１３２からの出力信号からノイズ信号を除去している。１３４はＲＯＭで、このＲＯＭ１３４は所定の基準温度でオフセット調整する補正データを格納している。１３５は温度補正演算手段で、この温度補正演算手段１３５は前記デジタルローパスフィルタ１３３を介して出力された温度データを基に、ＲＯＭ１３４から温度に応じた補正データを選択して温度補正値を演算した後、センス回路８１の演算手段８３における補正演算手段１１１に出力させるものである。そして、前記温度センサ１３１、ＡＤ変換器１３２、デジタルローパスフィルタ１３３、ＲＯＭ１３４および温度補正演算手段１３５とにより温度補正回路１３６を構成している。

以上のようにして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。

前記センサ素子３０の駆動電極３２に駆動信号を加えると、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に発生した電荷はドライブ回路４１におけるＡＤ変換器６１に入力され、パルス密度変調信号へと変換される。そしてこのパルス密度変調信号はフィルタ回路４６に入力され、前記振動体３１の共振周波数を抽出し、ノイズ成分を除去したマルチビット信号を出力する。

この場合におけるＡＤ変換器６１の動作を以下に説明する。このＡＤ変換器６１はタイミング制御回路７１より出力されるモニタ信号に同期したタイミングである第１のタイミングΦ１、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ではセンサ素子３０におけるモニタ電極３３から出力される信号がΣΔ変調されて１ビットデジタル信号に変換される。

上記した２つのタイミングでの動作をひとつずつ説明する。まず第１のタイミングΦ１では、積分手段４４におけるコンデンサ５８に保持されている積分値を比較する前記比較手段４５の比較器５９に入力し、この比較器５９より出力される１ビットデジタル信号が、第１のタイミングΦ１の立ち上がり時にＤ型フリップフロップ６０にラッチされ、このラッチ信号が前記ＤＡ変換手段４３のＤＡ切替手段４９に入力される。また、ＤＡ出力手段５２におけるＳＷ５４とＳＷ５５がＯＮになって、コンデンサ５３に保持されている電荷が放電される。

次に第２のタイミングΦ２では、前記ＤＡ切替手段４９に入力されたラッチ信号に応じて第１の基準電圧５０および第２の基準電圧５１が切り替えられてコンデンサ５３に入力され、かつＤＡ変換手段４３より切り替えられた基準電圧に応じた電荷が出力される。また、入力切替手段４２がＯＮになり、前記センサ素子３０のモニタ電極３３より発生する電荷が入力される。さらに、積分手段４４におけるＳＷ５６がＯＮになり、前記入力切替手段４２とＤＡ変換手段４３から出力される電荷が積分手段４４に入力される。これにより第２のタイミングΦ２では、積分手段４４におけるコンデンサ５８に、図２（ａ）の斜線部で示される電荷量とＤＡ変換手段４３より出力される電荷量の総和が積分されて保持されることになる。

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での以上の動作によりセンサ素子３０のモニタ電極３３から出力される振幅値に相当する電荷量がΣΔ変調され、第１のタイミングΦ１の信号の立ち上がり時に１ビットデジタル信号として出力されることになる。

以上の動作により、センサ素子３０におけるモニタ電極３３から出力される電荷量がＡＤ変換器６１によりΣΔ変調されて１ビットデジタル信号として上記タイミングで出力されることになる。

そしてまた、前記ドライブ回路４１におけるフィルタ回路４６より出力される図２（ｂ）に示すマルチビット信号をＡＧＣ回路４７に設けた半波整流フィルタ回路（図示せず）に入力することにより、振幅情報信号に変換する。また、このＡＧＣ回路４７は振幅情報信号が大の場合には前記フィルタ回路４６の出力マルチビット信号を減衰させた信号を、一方、前記振幅情報信号が小の場合には前記フィルタ回路４６の出力するマルチビット信号を増幅させた信号を駆動回路４８に入力し、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。

前記デジタルΣΔ変調器６８の加積分演算手段６３には、前記ＡＧＣ回路４７から出力されるマルチビット信号と、所定の２値を保持してデジタル値出力手段６２のどちらかの値を出力する値切替手段６６より出力される定数値が入力され、加算して積分される。この加積分演算手段６３から出力される積分値は比較定数値６４と値比較手段６５により比較されて比較結果が出力される。そして、この比較結果がフリップフロップ６７により所定のタイミングでラッチされて出力される。このフリップフロップ６７の出力により値切替手段６６より出力される定数値が切り替えられることになる。この時、加積分演算手段６３の出力値が比較定数値６４より小さい場合には、デジタル値出力手段６２の２値のうちの大きい方の値が、逆の場合には小さい方の値が選択されて出力されるように動作する。この動作を繰り返すことによりフリップフロップ６７より、前記ＡＧＣ回路４７が出力するマルチビット信号が、１ビットのパルス密度変調信号に変調されて出力されることになる。ここで、デジタルΣΔ変調器６８に入力される信号が例えば、１０ｂｉｔ（＝±９ｂｉｔ）である場合、比較定数値６４を“０”、デジタル値出力手段６２の２値を“５１１”“−５１１”以上とすることが望ましい。

なお、ΣΔ変調ではオーバーサンプリングを行い、その量子化ノイズが高域にノイズシェーピングされるため、高周波成分のノイズ成分を含むが、センサ素子３０の応答がそのような高周波に応答できないため、パルス密度変調信号のサンプリング周波数でなく、オーバーサンプリングされた所定の周波数成分で振動することになる。また、センサ素子３０の高周波での応答ゲインが高くて、このような高周波成分のノイズが問題になる場合には、デジタルΣΔ変調器６８の出力信号のうち問題となる周波数成分を低減するように設定されたアナログフィルタ６９を追加することによって、さらに低ノイズで、高精度のドライブ回路４１を実現することが可能となるものである。

また、前記センサ素子３０が図１に図示している駆動方向に速度Ｖで屈曲振動している状態において、振動体３１の長手方向の中心軸周りにセンサ素子３０が角速度ωで回転すると、このセンサ素子３０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センサ素子３０が有する一対のセンス電極３４，３５に、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように電荷が発生する。そしてこのセンス電極３４，３５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。そしてまた、前記一対のセンス電極３４，３５に発生した出力信号は図３（ａ）および図３（ｂ）に示す通り、正極性信号と負極性信号の関係にある。

この場合におけるＡＤ変換器８２の動作を以下に説明する。このＡＤ変換器８２は第３のタイミングΦ３、第４のタイミングΦ４、第５のタイミングΦ５および第６のタイミングΦ６を繰り返すことによって動作するもので、第３のタイミングΦ３および第４のタイミングΦ４ではセンサ素子３０におけるセンス電極３４から出力される正極性信号がΣΔ変調されて１ビットデジタル信号に変換され、また第５のタイミングΦ５および第６のタイミングΦ６では負極性信号がΣΔ変調されて１ビットデジタル信号に変換される。

上記した４つのタイミングでの動作をひとつずつ説明する。まず第３のタイミングΦ３では、積分手段１０２におけるコンデンサ９８と接続されているＳＷ１００がＯＮになり、このコンデンサ９８に保持されている積分値が比較手段１０３における比較器１０４に入力され比較結果が１ビットデジタル信号として出力される。また、ＤＡ変換手段９４におけるＳＷ９２と９３がＯＮになりコンデンサ９１に保持されている電荷が放電される。

次に第４のタイミングΦ４では、前記比較手段１０３の比較器１０４より出力される１ビットデジタル信号が第４のタイミングΦ４の立ち上がり時にＤ型フリップフロップ１０５にラッチされ、このラッチ信号が前記ＤＡ変換手段９４のＤＡ切替手段８７に入力される。この入力されたラッチ信号に応じて基準電圧８８，８９が切り替えられてコンデンサ９１に入力され、ＤＡ変換手段９４より切り替えられた基準電圧に応じた電荷が出力される。それとともに、入力切替手段８４ではＳＷ８５がＯＮになり、前記センサ素子３０の第１のセンス電極３４より発生する電荷が出力される。さらに、積分手段１０２におけるＳＷ９５がＯＮになり、前記入力切替手段８４とＤＡ変換手段９４から出力される電荷が積分回路９６に入力される。これにより第４のタイミングΦ４では、積分回路９６におけるコンデンサ９８に、図３（ａ）の斜線部で示される電荷量とＤＡ変換手段９４より出力される電荷量の総和が積分されて保持されることになる。

上記した第３のタイミングΦ３および第４のタイミングΦ４での以上の動作によりセンサ素子３０の第１のセンス電極３４から出力される振幅値の半分に相当する電荷量がΣΔ変調されることになる。

また、第３のタイミングΦ３および第４のタイミングΦ４での動作と同様に、第５のタイミングΦ５および第６のタイミングΦ６では、センサ素子３０の第２のセンス電極３５から出力される振幅値の半分に相当する電荷量がΣΔ変調される。

以上の動作により、センサ素子３０における一対のセンス電極３４，３５から出力される電荷の振幅幅の半分に相当する電荷量が一つのＡＤ変換器８２によりΣΔ変調されて一対の１ビットデジタル信号として上記タイミングで出力されることになる。

そしてまた、センサ素子３０における一対のセンス電極３４，３５から出力される電荷は、角速度によるコリオリ力で発生する、モニタ電極３３に発生する信号より位相が９０度進んだセンス信号だけでなく、モニタ信号と同相の不要信号があるため、センサ素子３０における一対のセンス電極３４，３５からセンス信号と不要信号の合成信号が出力される場合について説明する。角速度によるコリオリ力で発生するセンス信号は、図３（ａ）（ｂ）で示され、そして上記で説明した通り、第４のタイミングΦ４と第６のタイミングΦ６で、積分回路９６により図３（ａ）（ｂ）の斜線部で示される電荷量、つまり、振幅値の半分に相当する電荷量が積分されることになる。さらに、センス電極３４，３５より発生する不要信号は図３（ｃ）（ｄ）で示され、そして前記センス信号と同様に第４のタイミングΦ４と第６のタイミングΦ６で、図３（ｃ）（ｄ）の斜線部で示される電荷量、つまり、不要信号の振幅の最大値から最小値までの区間の電荷量が積分されるもので、これは振幅の中央値を基準に積分するとキャンセルされて“０”の電荷量となるものである。つまり、第４のタイミングΦ４と第６のタイミングΦ６での積分手段１０２の動作により、不要信号がキャンセルされてセンス信号の振幅に応じた電荷量が積分される、いわゆる同期検波処理が一対の入力信号のそれぞれに対し実施されることになる。よって、上記不要信号のない場合の動作の説明と同様に、前記ＡＤ変換器８２からは同期検波処理された信号がΣΔ変調され、１ビットデジタル信号に変換されて出力されることになる。

以上の動作により、センサ素子３０における一対の出力信号を同期検波処理しながらΣΔ変調することが可能となるもので、このような同期検波された信号のデジタル値を、通常のＩＶ変換回路、位相器、同期検波回路などのアナログ回路を必要とすることなく、またこれらを用いた場合より非常に小さな回路規模で、つまり小型で、かつ低コストで得ることができるものである。

次に、演算手段８３について、その動作を説明する。まず、第４のタイミングΦ４で、前記ＡＤ変換器８２の比較手段１０３における比較器１０４より出力される１ビットデジタル信号が、ラッチ回路１０６のＤ型フリップフロップ１０７にラッチされる。また、第６のタイミングΦ６で、前記ＡＤ変換器８２の比較手段１０３における比較器１０４より出力される１ビットデジタル信号が、ラッチ回路１０６のＤ型フリップフロップ１０８にラッチされる。

この一対のＤ型フリップフロップ１０７，１０８にラッチされた一対の１ビットデジタル信号は、上記で説明した通り、センサ素子３０における一対のセンス電極３４，３５より出力された信号の振幅値の半分に相当する電荷量をそれぞれΣΔ変調によりデジタル値に変換したものである。次に、前記ラッチ回路１０６が出力する一対の１ビットデジタル信号が１ビット差分演算手段１０９に入力され、この一対の１ビットデジタル信号の差が演算されて１ビット差分信号が出力される。ここで、第３のタイミングΦ３での１ビット差分信号は、一つ前の同期における第４のタイミングΦ４、第６のタイミングΦ６でラッチされた１ビットデジタル信号の差であり、この１ビット差分信号は、図３（ａ）（ｂ）で示されるセンサ素子３０における一対のセンス電極３４，３５より出力される信号の振幅値を表す記号となる。以上の動作により、センサ素子３０における一対のセンス電極３４，３５から出力される正極性信号と負極性信号の関係にある一対の入力信号が同じ１つの積分手段１０２を用いて積分されるため、２つの積分回路で別々に積分を行う場合よりも個々の積分回路の特性による一対の入力信号の積分結果の相対誤差への影響が大きく低減されるものである。これと同様に、ＤＡ変換手段９４も一対の入力信号の信号処理に対し同じ１つのＤＡ変換手段を用いる構成となっている。また、比較手段１０３でも一対の積分結果を同じ基準電圧と比較器を用いて比較を行うことにより、比較器の特性や基準電圧の変化の比較結果の相対誤差への影響が大きく低減される。上記のように、一対の入力信号を同一の積分回路９６、ＤＡ変換手段９４、比較手段１０３を用いて信号処理するようにしているため、複数の各手段を用いて信号処理した場合と比べて各手段の相対誤差の影響が大きく低減されるものである。

さらに、一対の入力信号の差をとる１ビット差分演算は、比較手段１０３の出力信号が“１”“０”からなる１ビット信号である場合、差分演算手段１０９に入力される一対の比較信号が“００”“０１”“１０”“１１”の４種類に限られ、差をとった結果もそれぞれ“０”“−１”“１”“０”と予め決まっていることを利用して、非常に簡単な回路構成で入力信号に応じた減算処理を行った結果を得ることができる１ビットデジタル演算である。次に、１ビット差分演算手段１０９が出力する１ビット差分信号が補正演算手段１１１に入力され、この１ビット差分信号と所定の補正情報との補正演算が置換処理により行われる。この補正演算は、上記したように、１ビット差分信号が“０”“１”“−１”の３値に限られることを利用して、例えば所定の補正情報が“５”である場合に、補正演算手段に入力される１ビット差分信号“０”“１”“−１”を、それぞれ“０”“５”“−５”と置換処理することにより乗算を実現して信号の補正が可能となるものである。

そして、フィルタ回路４６が出力するマルチビット信号がタイミング制御回路７１における振幅判定回路１２４と、波形整形した矩形波信号として位相監視手段１２６とに入力される。この振幅判定回路１２４はフィルタ回路４６から出力されるマルチビット信号の振幅情報を監視しており、この振幅情報が目標振幅の５０％以上である場合には、タイミング切替手段１２８がループフィルタからなるフィルタ回路１２７の出力信号を選択するように切り替わる。このときＰＬＬ回路１２１は閉ループとなり、音叉駆動周波数のモニタ信号を入力信号として逓倍し、位相ノイズを時間的に積分し低減した信号を出力するため、センサ素子３０の固有駆動周波数に同期した信号がタイミング生成回路１２２，１２３に入力されることになる。

一方、フィルタ回路４６から出力されるマルチビット信号の振幅情報が目標振幅の５０％以下である場合には、タイミング切替手段１２８は定電圧値を選択するように切り替わり、電圧制御発振器１２９からは定電圧値に応じた固定周波数の信号が出力され、この信号がタイミング生成回路１２２，１２３に入力されることになる。

次に、本発明の一実施の形態におけるＰＬＬ回路の動作する状態を説明する。

前記ＡＤ変換器６１に正弦波のアナログ信号を入力すると、前記電圧制御発振器１２９の出力する第１のタイミング信号のタイミングでサンプリングして入力されたアナログ信号の大きさに応じたデジタル値に変換され、そして、このデジタル値が位相監視手段１２６に入力される。この時は、例えば、正弦波信号の中央値を“０”とした正負のデジタル信号に変換される。この位相監視手段１２６からは、第２のタイミング信号のタイミングで入力されたデジタル値を出力することになり、そして、これが位相補正回路１２６ｂに入力され、所定の値に補正された後、ＤＡ変換器１２５に入力され、そして、このＤＡ変換器１２５で入力されたデジタル値に応じたアナログ値に変換されて出力される。また、このアナログ信号は、ループフィルタからなるフィルタ回路１２７を通して電圧制御発振器１２９に入力され、そして、入力されたアナログ信号に応じた周波数の信号がこの電圧制御発振器１２９より出力され、これがＡＤ変換器６１のタイミング信号としてフィードバックされることになる。この時、第２のタイミング信号は第１のタイミング信号を分周した同期信号であり、第２のタイミング信号のタイミングでのＡＤ変換器６１の出力値それ自体が、第２のタイミング信号の正弦波信号の中央値、つまりゼロ点との位相ズレ量に応じた値となる。すなわち、通常のＰＬＬ回路における位相比較器（図示せず）から出力される値と同じ意味をもつことになる。そして、図４に示すように、位相監視手段１２６の出力するデジタル値が負の場合には電圧制御発振器１２９の出力する周波数が減少する方向のアナログ信号を、一方、位相監視手段１２６の出力するデジタル値が正の場合には電圧制御発振器１２９の出力する周波数が増加する方向のアナログ信号をＤＡ変換器１２５より出力する。そして、ＰＬＬ回路のループとしては、このＤＡ変換器１２５の出力するアナログ信号が一定となるように、つまり第２のタイミング信号のタイミングでのデジタル値が“０”となるようにループ制御がかかることになる。これにより、ＡＤ変換器６１のサンプリングタイミングが、入力されるアナログ信号の中央値を通るタイミングと同期することになるため、正確にアナログ信号の中央値つまりゼロ点と同期することが可能となるものである。

また、前記位相監視手段１２６では入力されるデジタル値が、所定の上限値及び下限値を超えるかどうかを監視している。上記第２のタイミング信号が入力されたタイミングにより出力する値を変化させる。具体的には、第２のタイミング信号が入力されてから、入力されたデジタル値が所定の上限値を下回った後に次に所定の下限値を下回り、さらに下限値を上回るまでの期間をフェーズ１とし、そして、フェーズ１の終わりから入力されたデジタル値が所定の上限値を超えるまでをフェーズ２とし、それ以降の次に、上限値を下回るまでをフェーズ３とすると、図５に示すように、フェーズ１で第２のタイミング信号が入力された場合には所定の下限値の信号を出力し、フェーズ２で第２のタイミング信号が入力された場合にはその第２のタイミング信号のタイミングで入力されたデジタル値を出力し、フェーズ３で第２のタイミング信号が入力された場合には所定の上限値の信号を出力することになる。そして、ＤＡ変換器１２５には、前記位相監視手段１２６の出力するデジタル値が入力され、かつこのＤＡ変換器１２５は、このデジタル値に応じた大きさのアナログ信号を出力し、そして、このアナログ信号はループフィルタからなるフィルタ回路１２７に入力され、かつこのフィルタ回路１２７でフィルタリングされた後に電圧制御発振器１２９に入力されることになる。このようにして、位相監視手段１２６の出力するデジタル値に応じたアナログ信号をフィルタリングした信号によって決まる周波数が電圧制御発振器１２９より出力されることになる。位相監視手段１２６が上記のようなフェーズの判定及び出力信号の上限及び下限を設定していることにより、一定範囲内のアナログ信号が電圧制御発振器１２９に入力されることになり、その結果、電圧制御発振器１２９が出力する信号の周波数が制限されることになる。これにより、ＰＬＬ回路全体の動作において、入力されるアナログ信号の周波数と分周器における分周値を乗じた周波数以外でロックする、いわゆる倍周波数ロック等の誤動作を防止して、ＰＬＬ回路を所定の周波数でロックさせることができることになる。

そしてまた、位相監視手段１２６の出力する信号が入力される位相補正回路１２６ｂでは、入力された位相比較値を所定の値分だけ増減させて出力することにより、ロックする位相をデジタル値の分解能の分だけ微調整することが可能となる。例えば、位相補正回路１２６ｂにおいて、正の値を加算して出力したとすると、電圧制御発振器１２９は加算しない場合と比べて加算した分だけ増加した周波数を出力することになり、その結果として位相を早めた点にロックすることになる。

さらに、ＡＤ変換器６１においては、ＡＤ変換もしくは演算等により所定のクロック数だけ遅延が生じて出力される場合、その遅延分だけずれた位相でロックすることになるが、位相監視手段１２６の出力する値を第２のタイミング信号のタイミングから遅延分のクロック数だけずれたタイミングでの値を出力する構成にすることにより、第２のタイミング信号が、入力されるアナログ信号の中央値を通るタイミングと同期することになり、これにより、正確にアナログ信号の中央値つまりゼロ点と同期させることが可能となるものである。

以上の条件でＰＬＬ回路１２１より出力される信号をもとに、タイミング生成回路１２２は、ドライブ回路４１における入力切替手段４２、ＤＡ切替手段４９、ＳＷ５４、ＳＷ５５、ＳＷ５６およびＤ型フリップフロップ６０の切替タイミングとなる図２（ｃ）に示すような第１のタイミングΦ１、第２のタイミングΦ２のタイミング信号を生成して出力する。また、タイミング生成回路１２３は、センス回路８１における入力切替手段８４、ＤＡ切替手段８７、ＳＷ９２、ＳＷ９３、ＳＷ９５、ＳＷ１００、ＳＷ１０１およびＤ型フリップフロップ１０５の切替タイミングとなる第３のタイミングΦ３、第４のタイミングΦ４、第５のタイミングΦ５、第６のタイミングΦ６のタイミング信号を生成して出力するものである。

ここで、角速度センサの周囲の温度が変動する場合を考える。

まず、角速度センサを温度槽（図示せず）に入れて、周囲温度を−５０℃から１５０℃まで変化させて、角速度を付加しない状態で、センス回路８１における演算手段８３から出力される出力信号がゼロ値になる温度を見極めて、基準温度とする。

次に、この基準温度を中心にして、温度を増減したときの出力信号の変化量を計測して、その変化量を補正する補正データをＲＯＭ１３４に格納する。

そして、角速度センサの動作状態においては、温度センサ１３１からの出力信号をＡＤ変換器１３２でデジタル出力信号に変換し、さらに、デジタルローパスフィルタ１３３によりノイズ信号を除去する。温度補正演算手段１３５は、まず、温度センサ１３１からの出力信号のオフセット調整をする。その後、オフセット調整をされた温度情報データを基に、その温度情報データに応じた補正データをＲＯＭ１３４から抽出し、演算処理した後、補正演算手段１１１に入力することにより、センス回路８１から出力される出力信号を補正するものである。

特に、図６に示すように、補正データがｙ＝（ａ×ｔ＋ｂ）×ｔの２次方程式上にのっている場合には、ＲＯＭ１３４に２つのデータａおよびｂを記憶しておき、図７に示す、温度補正演算手段１３５により、デジタルローパスフィルタ１３３からの出力信号である温度情報データを基に、２回の乗算および１回の加算により求めた補正値を求める。そして、この補正値を補正演算手段１１１により、フィルタ回路１１０からの出力信号に加算して、センス回路８１から出力される出力信号を補正するものである。

ここで、特に、ある所定の温度における角速度センサの電源（図示せず）起動時について考えてみると、温度補正回路１３６においては、温度センサ１３１の出力がＡＤ変換されてデジタル値化されてデジタルローパスフィルタ１３３に入力され、そのデジタルローパスフィルタ１３３の出力をもとに温度補正演算手段１３５により補正値が演算され、センス回路８１から出力される出力信号を補正するが、電源起動時においては、デジタルローパスフィルタ１３３の入力に出力が追従されるまでにデジタルローパスフィルタ１３３の応答性に応じた温度情報の変動が生じ、この温度情報をもとに温度補正値がセンス回路８１の出力信号に加算されるため、センス回路８１の出力信号がデジタルローパスフィルタ１３３の応答性に応じて変化することとなる。

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、電源起動時には、通常状態とは別個に設けた、通常時の１０倍のサンプリング周波数を有するクロック（図示せず）でデジタルローパスフィルタ１３３を動作させているため、デジタルローパスフィルタ１３３のカットオフ周波数が１０倍高くなり、その分応答性が高まる。その結果、通常時には温度センサ１３１から出力される温度情報データに生じたノイズ信号を精度良く除去し、温度補正演算手段１３５が正確な温度情報に基づき補正信号を生成できるとともに、電源起動時には、デジタルローパスフィルタ１３３の応答を高めるため正確な補正信号をその分は約出力でき正確な角速度０点情報を出力するまでの時間を短縮できるという作用効果を有するものである。

なお、デジタルローパスフィルタ１３３の起動時の応答性を高める別の方法を図８を用いて説明する。図８は１次ＩＩＲフィルタの構成図であり、１４０はレジスタからなる遅延器である。電源起動時においては、通常この遅延器１４０はリセットされて初期値になっており、デジタルローパスフィルタ１３３の入力に出力が追従されるまでにデジタルローパスフィルタ１３３の応答性に応じた遅延が生じることとなるため、電源起動時に一度だけ、最初の温度センサ１３１のＡＤ変化後の値を図８の点線で示したとおり、デジタルローパスフィルタ１３３の遅延器１４０に入力し、これを初期値とすることで、デジタルローパスフィルタ１３３の出力を早期に収束させることができ、同様の効果を得ることができるものである。

本発明に係る角速度センサは、温度センサからの出力信号のＸ軸切片が変化しても、補正後の出力信号にオフセットが発生するということのない、出力特性の安定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り、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適用することにより有用となるものである。

３０センサ素子
３２駆動電極
３３モニタ電極
３４，３５センス電極
４１ドライブ回路
８１センス回路
１３１温度センサ
１３３デジタルローパスフィルタ
１３４ＲＯＭ
１３６温度補正回路

Claims

駆動電極と、センス電極と、モニタ電極とを有するセンサ素子と、このセンサ素子における駆動電極に電圧を印加するドライブ回路と、前記センサ素子におけるセンス電極から出力される信号を角速度出力信号に変換するセンス回路と、周囲の温度を検出するとともに温度に応じた出力信号を出力する温度センサと、前記センス回路から出力される角速度出力信号の温度変化による変動を温度センサからの出力信号を基に補正するＲＯＭを有する温度補正回路とを備え、前記温度補正回路に温度センサ出力のオフセット調整機能を設けるとともに、オフセット調整された温度情報を基にＲＯＭに保存した補正データにより角速度出力信号の温度変化による変動を補正するように構成した角速度センサ。
温度補正回路がオフセット調整された温度情報ｔ、２値のＲＯＭから読み出した補正データａおよびｂを用いて、補正値ｙ＝（ａ×ｔ＋ｂ）×ｔを演算するように構成した請求項１記載の角速度センサ。
温度センサから発生する出力信号のノイズ信号を除去するローパスフィルタを設け、起動時にはこのローパスフィルタの応答性を高める構成を設けた請求項１記載の角速度センサ。