JP6545611B2 - Inertial detection device - Google Patents

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Description

本発明は、慣性検出技術に関する。   The present invention relates to inertial detection technology.

慣性センサ(以下、慣性検出装置と呼ぶ場合がある)は、物体の加速度や角速度等の物理量を検出するセンサである。慣性センサは、物質が及ぼす圧力や角速度の変動、傾斜角等の物体の状態を観測可能である。慣性センサは、例えば自動車等の乗り物の制御、無人飛行機や遠隔操作ロボットの姿勢制御や姿勢検知、音波や地震波等の観測、老朽インフラの保守情報の取得、スマートフォンへの具備等、各種の用途に使用されている。   An inertial sensor (hereinafter sometimes referred to as an inertial detection device) is a sensor that detects a physical quantity such as the acceleration or angular velocity of an object. The inertial sensor can observe the state of the object such as the pressure applied to the substance, the fluctuation of the angular velocity, and the tilt angle. Inertial sensors are used in various applications such as control of vehicles such as cars, attitude control and attitude detection of unmanned airplanes and remote control robots, observation of sound waves and seismic waves, acquisition of maintenance information of old infrastructure, provision of smart phones, etc. It is used.

慣性センサの検出原理として、容量検出型がある。容量検出型では、センサ要素の慣性体を構成する電極間の静電容量の変化に基づいて物理量が検出される。容量検出型の慣性センサは、MEMS構造の適用によりMEMSセンサとして小型及び低価格で実現できるため、用途が拡大している。そのセンサ要素は、シリコン等の物質が用いられ、検出回路との親和性が高いので、製造上の利点がある。   There is a capacitive detection type as a detection principle of the inertial sensor. In the capacitive detection type, a physical quantity is detected based on a change in capacitance between electrodes constituting an inertial body of a sensor element. Applications of the capacitive detection type inertial sensor are expanding because the MEMS structure can be realized as a MEMS sensor in a small size and at low cost. The sensor element has a manufacturing advantage because a substance such as silicon is used and the affinity with the detection circuit is high.

慣性センサにおいて検出精度を向上するための方式としては、センサ要素の慣性体をサーボ制御する方式がある。このサーボ制御は、慣性体が物理量の変化に伴って慣性座標系で変位する場合に、この変位を制御するために慣性体にサーボ力を与える制御である。言い換えると、このサーボ制御は、回路部から慣性体にサーボ電圧を印加してサーボ力を与えることにより、慣性体が好適な振動状態になるようにする制御である。   As a method for improving detection accuracy in an inertial sensor, there is a method in which an inertial body of a sensor element is servo-controlled. This servo control is control for applying a servo force to the inertial body in order to control this displacement when the inertial body is displaced in the inertial coordinate system with a change in physical quantity. In other words, this servo control is control for applying a servo voltage from the circuit unit to the inertial body to apply a servo force to bring the inertial body into a suitable vibration state.

容量検出型及びサーボ制御方式の慣性センサに関する先行技術例としては、特許第3804242号公報(特許文献1)が挙げられる。特許文献1には、物理量検出装置として、フィードバック電圧を出力する信号処理回路、搬送波信号発生手段、等を備える旨が記載されている。   Japanese Patent No. 3804242 (Patent Document 1) is given as a prior art example of a capacitive detection type and servo control type inertial sensor. Patent Document 1 describes that a physical quantity detection device includes a signal processing circuit that outputs a feedback voltage, a carrier wave signal generation unit, and the like.

特許第3804242号公報Patent No. 3804242

慣性センサを備えるシステムは、低消費電力等の実現のために動作電圧の低減が求められている。例えば、自動車向けの慣性センサの電源電圧の場合、12V、5V、3.3Vと下がってきている。静電気力を用いて力を発生させるシステムでは、発生できる静電気力は印加電圧の2乗に比例する。上記システムでは、慣性体を駆動するための動作電圧が小さい場合、例えば従来よりも動作電圧が低減される場合、その動作電圧に基づいて発生できるサーボ力が小さくなる。サーボ力が小さくなる場合、検出精度が下がる。そのため、上記システムでは、限られた動作電圧を用いて必要な力を効率よく発生させることが重要である。   A system including an inertial sensor is required to reduce the operating voltage in order to realize low power consumption and the like. For example, in the case of a power supply voltage of an inertial sensor for automobiles, it has been lowered to 12V, 5V and 3.3V. In systems where electrostatic force is used to generate force, the electrostatic force that can be generated is proportional to the square of the applied voltage. In the above system, when the operating voltage for driving the inertial body is small, for example, when the operating voltage is reduced as compared with the conventional case, the servo force that can be generated based on the operating voltage is reduced. If the servo force decreases, the detection accuracy decreases. Therefore, in the above system, it is important to efficiently generate the necessary force using a limited operating voltage.

検出精度は慣性体の変位の大きさに応じるが、その変位の大きさに応じてサーボ制御のサーボ電圧及びサーボ力が必要である。そのサーボ電圧はシステムの電源電圧を用いて生成されるが、電源電圧が低い場合、発生できるサーボ電圧が低く、サーボ力が小さくなる。その結果、信号雑音比(S/N)が小さくなり、ダイナミックレンジが狭くなり、検出精度が向上しにくい。低い電源電圧を用いて高いサーボ電圧を生成するためには、高電圧発生回路等を備える必要がある。しかし、高電圧発生回路は、素子サイズ及び消費電力が大きい。そのため、その慣性センサを備えるシステムは、回路面積及び消費電力が大きくなり、高コストになり、小型で低消費電力が要求される用途には適用しにくい。   The detection accuracy depends on the magnitude of displacement of the inertial body, but the servo voltage and servo force of servo control are required according to the magnitude of the displacement. The servo voltage is generated using the power supply voltage of the system, but when the power supply voltage is low, the servo voltage that can be generated is low and the servo force is small. As a result, the signal-to-noise ratio (S / N) decreases, the dynamic range narrows, and it is difficult to improve the detection accuracy. In order to generate a high servo voltage using a low power supply voltage, it is necessary to provide a high voltage generation circuit or the like. However, the high voltage generation circuit has a large element size and power consumption. Therefore, a system including the inertial sensor has a large circuit area and power consumption, is expensive, and is difficult to apply to an application requiring small size and low power consumption.

本発明の目的は、容量検出型及びサーボ制御方式の慣性センサに関して、低い電源電圧でもサーボ力を効率的に発生させることができ、検出精度の向上や劣化抑制を実現できる技術を提供することである。   An object of the present invention is to provide a technology capable of efficiently generating a servo force even with a low power supply voltage and realizing improvement in detection accuracy and suppression of deterioration with respect to an inertial sensor of a capacitance detection type and a servo control system. is there.

本発明のうち代表的な実施の形態は、慣性検出装置であって、以下に示す構成を有することを特徴とする。一実施の形態の慣性検出装置は、慣性体を含むセンサ要素と、前記慣性体に設けられている第1電極と、前記第1電極との対で容量を構成する第2電極と、を備え、前記第1電極に入力される第1信号における第1周波数の第1周波数ピークと重なりのある周波数ピークを有する第2信号を、前記第2電極に入力して、前記慣性体をサーボ制御する。   A representative embodiment of the present invention is an inertial detection device characterized by having the following configuration. An inertial detection device according to one embodiment includes a sensor element including an inertial body, a first electrode provided on the inertial body, and a second electrode having a pair of the first electrode and a second electrode. A second signal having a frequency peak overlapping the first frequency peak of the first frequency in the first signal input to the first electrode is input to the second electrode to servo-control the inertial body .

本発明のうち代表的な実施の形態によれば、容量検出型及びサーボ制御方式の慣性センサに関して、低い電源電圧でもサーボ力を効率的に発生させることができ、検出精度の向上や劣化抑制を実現できる。   According to a representative embodiment of the present invention, servo force can be efficiently generated even with a low power supply voltage for capacitive sensors and servo control inertial sensors, and detection accuracy is improved and deterioration is suppressed. realizable.

本発明の実施の形態1の慣性検出装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the inertial detection apparatus of Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1で、センサ要素のセンスマスに関する容量、電極の構成、及び回路の概要構成を示す図である。In Embodiment 1, it is a figure which shows the capacity | capacitance regarding the sense mass of a sensor element, the structure of an electrode, and schematic structure of a circuit. 実施の形態1で、センスマスの変位におけるサーボ力を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a servo force at displacement of a sense mass in the first embodiment. 実施の形態1で、搬送波、変調前後のサーボ制御信号、及びサーボ力を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a carrier wave, servo control signals before and after modulation, and servo force in the first embodiment. 実施の形態1と比較例とで、信号雑音比の改善について示す図である。It is a figure shown about improvement of a signal noise ratio by Embodiment 1 and a comparative example. 実施の形態1で、実装のモジュールの構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a mounting module in the first embodiment. 実施の形態1で、波形のスペクトルを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a spectrum of a waveform in the first embodiment. 実施の形態1と比較例とで、動作電圧に対するサーボ力を示す図である。It is a figure which shows the servo force with respect to an operating voltage by Embodiment 1 and a comparative example. 実施の形態1と比較例とで、電源電圧よりも高い電圧を用いる場合の、動作電圧に対するサーボ力を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a servo force with respect to an operating voltage in the case of using a voltage higher than the power supply voltage in the first embodiment and the comparative example. 実施の形態1と比較例とで、電源電圧よりも高い電圧を用いる場合の例、及び波形なまりが有る場合の、各信号及びサーボ力を示す図である。It is a figure which shows each signal and servo force in the example in the case of using a voltage higher than a power supply voltage, and in the case of waveform rounding in Embodiment 1 and a comparative example. 実施の形態1と比較例とで、電源電圧よりも高い電圧を用いる場合の例、及び波形なまりが無い場合の、各信号及びサーボ力を示す図である。It is a figure which shows each signal and servo force in the example in the case of using the voltage higher than a power supply voltage, and when there is no waveform rounding off by Embodiment 1 and a comparative example. 実施の形態1で、変調回路での位相遅延についての図である。FIG. 7 is a diagram of phase delay in the modulation circuit in the first embodiment. 実施の形態1で、波形なまりが有る場合についての図である。FIG. 7 is a diagram for the case where there is a waveform rounding in the first embodiment. 実施の形態1で、センサ要素及び回路部の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a sensor element and a circuit unit in the first embodiment. 実施の形態1で、回路部のアナログ回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an analog circuit of a circuit portion in Embodiment 1; 実施の形態1で、回路部のコリオリ検出側の変調回路の構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a modulation circuit on the Coriolis detection side of the circuit unit in the first embodiment. 実施の形態1で、回路部の駆動側の変調回路の構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a modulation circuit on a drive side of a circuit portion in the first embodiment. 実施の形態1で、回路部のコリオリ検出側のDACの構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a DAC on the Coriolis detection side of the circuit unit in the first embodiment. 実施の形態1で、センサ要素のMEMS実装構造例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an example of a MEMS mounting structure of a sensor element in the first embodiment. 本発明の実施の形態2の慣性検出装置における、センサ要素及び回路部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a sensor element and a circuit part in the inertia detection apparatus of Embodiment 2 of this invention. 実施の形態2で、波形のスペクトルを示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a spectrum of a waveform in a second embodiment. 実施の形態2で、センサ要素のMEMS実装構造例を示す図である。FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a MEMS mounting structure of a sensor element in a second embodiment. 本発明の実施の形態3の慣性検出装置における、センサ要素及び回路部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a sensor element and a circuit part in the inertia detection apparatus of Embodiment 3 of this invention. 実施の形態3で、センサ要素のMEMS実装構造例を示す図である。In Embodiment 3, it is a figure which shows the example of a MEMS mounting structure of a sensor element. 比較例の慣性センサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the inertial sensor of a comparative example. 比較例で、サーボ制御に関する波形及びサーボ力を示す図である。It is a figure which shows the waveform and servo force regarding servo control in a comparative example.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings. Note that, in all the drawings for describing the embodiment, the same reference numeral is attached to the same part in principle, and the repeated description thereof will be omitted.

[比較例]
前述の課題について補足する。図25〜図26を用いて、実施の形態1に対する比較例の慣性センサのサーボ制御等について説明する。比較例の慣性センサは、容量検出型及び一軸サーボ制御方式の角速度センサである。
[Comparative example]
We will supplement the aforementioned issues. Servo control and the like of the inertial sensor of the comparative example with respect to the first embodiment will be described with reference to FIGS. The inertial sensor of the comparative example is an angular velocity sensor of a capacitance detection type and a single axis servo control type.

図25は、比較例の慣性センサの機能ブロック構成を示す。この慣性センサは、ベース部に、センサ要素SE、及び回路部が設けられている。センサ要素SEは、慣性体として、フレームFR及びセンスマスSMを有する。フレームFR及びセンスマスSMには、サーボ制御及び検出のための容量が設けられている。容量は電極対により構成される。フレームFRは、第1軸方向(X方向とする)で変位(xとする)が可能である。センスマスSMは、フレームFRに対して第2軸方向(Y方向とする)で変位(yとする)が可能である。X方向とY方向は直交する。この慣性センサは、回路部でセンスマスSMの変位yを計測することにより、角速度を計測する。この慣性センサで使われるサーボ制御は、2つの制御から成る。第1の制御は、フレームFRの運動を一定振動状態に保持する制御である。第2の制御は、センスマスSMを初期位置に保持する制御である。   FIG. 25 shows a functional block configuration of an inertial sensor of a comparative example. The inertial sensor is provided with a sensor element SE and a circuit unit at a base portion. The sensor element SE has a frame FR and a sense mass SM as an inertial body. The frame FR and the sense mass SM are provided with capacities for servo control and detection. The capacitance is constituted by an electrode pair. The frame FR can be displaced (referred to as x) in the first axial direction (referred to as the X direction). The sense mass SM can be displaced (referred to as y) in the second axial direction (referred to as the Y direction) with respect to the frame FR. The X direction and the Y direction are orthogonal to each other. The inertial sensor measures the angular velocity by measuring the displacement y of the sense mass SM in the circuit unit. The servo control used in this inertial sensor consists of two controls. The first control is control for holding the motion of the frame FR in a constant vibration state. The second control is control for holding the sense mass SM in the initial position.

回路部は、フレームFRに対するサーボ制御及び検出を行う第1回路部と、センスマスSMに対するサーボ制御及び検出を行う第2回路部と、フレームFR及びセンスマスSMに搬送波C0を印加する搬送波発生回路250とを含む。第1回路部は、第1高電圧発生回路251を含む。第1高電圧発生回路251は、電源電圧V0の入力に基づいて、電源電圧V0からの昇圧により、第1電圧V1を生成し出力する。V1>V0である。電源電圧V0は、この慣性センサが搭載されるシステムから供給される。第2回路部は、第2高電圧発生回路252を含む。第2高電圧発生回路252は、電源電圧V0の入力に基づいて、昇圧により、第2電圧V2を生成し出力する。V2>V0である。   The circuit unit includes a first circuit unit that performs servo control and detection on the frame FR, a second circuit unit that performs servo control and detection on the sense mass SM, and a carrier wave generation circuit 250 that applies the carrier wave C0 to the frame FR and the sense mass SM. including. The first circuit unit includes a first high voltage generation circuit 251. The first high voltage generation circuit 251 generates and outputs a first voltage V1 by boosting from the power supply voltage V0 based on the input of the power supply voltage V0. V1> V0. The power supply voltage V0 is supplied from a system in which the inertial sensor is mounted. The second circuit unit includes a second high voltage generation circuit 252. The second high voltage generation circuit 252 generates and outputs the second voltage V2 by boosting based on the input of the power supply voltage V0. V2> V0.

この慣性センサでは、センサ要素SEの容量変化を検出するために、センサ要素SEに搬送波C0を印加する。搬送波C0は、容量電圧変換に用いられる。搬送波発生回路250は、電源電圧V0に基づいて、搬送波C0を発生し、フレームFR及びセンスマスSMに共通に印加する。   In this inertial sensor, a carrier C0 is applied to the sensor element SE in order to detect a change in capacitance of the sensor element SE. Carrier wave C0 is used for capacitive voltage conversion. Carrier wave generation circuit 250 generates carrier wave C0 based on power supply voltage V0, and applies the same to frame FR and sense mass SM.

フレームFRの運動制御では、第1回路部により、フレームFRの変位xを、検出容量である容量Csxから検出電圧Vsxとして検出する。第1回路部内のアナログ回路は、容量Csxの容量値から、容量電圧変換に基づいて、検出電圧Vsxを得る。制御回路は、その検出電圧Vsxに基づいて、フレームFRの振動状態を制御するための信号を生成し、DAC(デジタルアナログ変換器)へ出力する。DACは、その信号に基づいて、サーボ制御のためのアナログ電圧を生成し、サーボ制御信号のサーボ電圧Vfxとして、サーボ容量である容量Cfxに印加する。この際、DACは、第1電圧V1に基づいてサーボ電圧Vfxを生成する。   In the motion control of the frame FR, the displacement x of the frame FR is detected as a detection voltage Vsx from the capacitance Csx which is a detection capacitance by the first circuit unit. The analog circuit in the first circuit unit obtains the detection voltage Vsx based on capacitance-voltage conversion from the capacitance value of the capacitance Csx. The control circuit generates a signal for controlling the vibration state of the frame FR based on the detected voltage Vsx, and outputs the signal to a DAC (digital-to-analog converter). The DAC generates an analog voltage for servo control based on the signal and applies it as a servo voltage Vfx of a servo control signal to a capacity Cfx which is a servo capacity. At this time, the DAC generates a servo voltage Vfx based on the first voltage V1.

センスマスSMの運動制御では、第2回路部により、センスマスSMの変位yを、検出容量である容量Csyから検出電圧Vsyとして検出する。第2回路部内のアナログ回路は、容量Csyの容量値を、容量電圧変換により、検出電圧Vsyとして差動検出する。制御回路は、その検出電圧Vsyに基づいて、センスマスSMの状態を制御するための信号を生成し、DACへ出力する。DACは、制御回路からの信号に基づいて、サーボ制御のためのアナログ電圧を生成し、サーボ制御信号のサーボ電圧Vfyとして、サーボ容量である容量Cfyに印加する。この際、DACは、第2電圧V2に基づいてサーボ電圧Vfyを生成する。   In the motion control of the sense mass SM, the displacement y of the sense mass SM is detected as the detection voltage Vsy from the capacitance Csy which is the detection capacitance by the second circuit unit. The analog circuit in the second circuit unit differentially detects the capacitance value of the capacitor Csy as a detection voltage Vsy by capacitance-voltage conversion. The control circuit generates a signal for controlling the state of the sense mass SM based on the detected voltage Vsy, and outputs the signal to the DAC. The DAC generates an analog voltage for servo control based on a signal from the control circuit, and applies it as a servo voltage Vfy of a servo control signal to a capacity Cfy which is a servo capacity. At this time, the DAC generates the servo voltage Vfy based on the second voltage V2.

図26は、図25の比較例における各信号の波形及びサーボ力を示す。図26の(a)は、搬送波C0の電圧Vcomを示す。なお、この波形は、矩形波に基づいて、波形なまりにより、三角波に近付いた状態を示す。慣性センサで搬送波を印加する方式は公知技術である。図26の(b)は、センスマスSMに対するサーボ制御信号のサーボ電圧Vfyを示し、第2回路部内のDACの出力信号に相当する。サーボ電圧Vfyにおける正側の電圧Vfypと負側の電圧Vfynとで位相反転関係を持つ。図26の(c)は、センスマスSMに対するサーボ力Fsを示す。破線は実効サーボ力を示す。センスマスSMには、(a)の電圧Vcomと(b)のサーボ電圧Vfyとの両方が印加された結果、(c)のようなサーボ力Fsが発生している。   FIG. 26 shows waveforms and servo forces of respective signals in the comparative example of FIG. (A) of FIG. 26 shows the voltage Vcom of the carrier wave C0. In addition, this waveform shows the state which approached the triangular wave by waveform rounding based on a square wave. A method of applying a carrier wave by an inertial sensor is known in the art. FIG. 26B shows the servo voltage Vfy of the servo control signal for the sense mass SM, which corresponds to the output signal of the DAC in the second circuit unit. There is a phase inversion relationship between the positive voltage Vfyp and the negative voltage Vfyn in the servo voltage Vfy. (C) of FIG. 26 shows the servo force Fs on the sense mass SM. The dashed line shows the effective servo force. As a result of applying both the voltage Vcom of (a) and the servo voltage Vfy of (b) to the sense mass SM, a servo force Fs such as (c) is generated.

センスマスSMの変位yは、角速度の大きさをΩ、フレームFRの速度をv、センスマスSMの質量をmとすると、y=2mvΩと記述される。速度vを大きくすると、同じ大きさの角速度入力に対して出力を大きくすることができる。速度vを大きくするためには、フレームFRの変位xを大きくする必要がある。しかし、システムの電源電圧V0が低い場合、例えば従来よりも低減される場合、発生可能な力が小さくなる。そのため、速度xは小さくならざるを得ない。   The displacement y of the sense mass SM is described as y = 2 mvΩ, where the magnitude of the angular velocity is Ω, the velocity of the frame FR is v, and the mass of the sense mass SM is m. By increasing the velocity v, the output can be increased for an angular velocity input of the same size. In order to increase the velocity v, it is necessary to increase the displacement x of the frame FR. However, when the power supply voltage V0 of the system is low, for example, reduced compared to the prior art, the force that can be generated is reduced. Therefore, the speed x can not but be reduced.

そこで、比較例では、フレームFRに印加するサーボ電圧Vfxを生成するDACを含む第1回路部については、第1高電圧発生回路251を用いる。第1高電圧発生回路251では、低い電源電圧V0よりも高い電圧である第1電圧V1を生成し、第1電圧V1を用いてDACでサーボ電圧Vfxを生成する。これにより、フレームFRの変位xを大きくでき、それに伴ってセンスマスSMの変位yを大きくでき、これにより検出精度を向上することができる。   Therefore, in the comparative example, the first high voltage generation circuit 251 is used for the first circuit portion including the DAC that generates the servo voltage Vfx to be applied to the frame FR. The first high voltage generation circuit 251 generates a first voltage V1 which is higher than the low power supply voltage V0, and generates a servo voltage Vfx by using the first voltage V1. As a result, the displacement x of the frame FR can be increased, and accordingly, the displacement y of the sense mass SM can be increased, whereby the detection accuracy can be improved.

しかし、センスマスSMの変位yが大きくなる場合、変位yを抑制して静止状態に近付けるためのサーボ制御に必要な力もまた大きくなる。即ち、第2回路部のDACから容量Cfyに印加するサーボ電圧Vfyについても、高い電圧が必要となる。このために、比較例では、サーボ電圧Vfyを従来よりも増大するために、第2回路部で第2高電圧発生回路252を用いる必要がある。第2高電圧発生回路252では、低い電源電圧V0よりも高い電圧である第2電圧V2を生成し、第2電圧V2を用いてDACでサーボ電圧Vfyを生成する。   However, when the displacement y of the sense mass SM increases, the force required for servo control to suppress the displacement y and approach the stationary state also increases. That is, a high voltage is also required for the servo voltage Vfy to be applied from the DAC of the second circuit unit to the capacitance Cfy. For this reason, in the comparative example, it is necessary to use the second high voltage generation circuit 252 in the second circuit section in order to increase the servo voltage Vfy more than the conventional one. The second high voltage generation circuit 252 generates a second voltage V2 which is a voltage higher than the low power supply voltage V0, and generates a servo voltage Vfy by the DAC using the second voltage V2.

よって、比較例では、二系統の高電圧発生回路として、第1高電圧発生回路251及び第2高電圧発生回路252の具備が必要である。高電圧発生回路は、昇圧回路を含む。昇圧回路を構成するトランジスタ等の素子のサイズが大きい。そのため、各高電圧発生回路を実装するために、大きな回路面積を要する。これにより、比較例の慣性センサ及びそのシステムは、回路面積及び消費電力の増大を招く。   Therefore, in the comparative example, the provision of the first high voltage generation circuit 251 and the second high voltage generation circuit 252 is required as the two systems of high voltage generation circuits. The high voltage generation circuit includes a booster circuit. The size of an element such as a transistor that constitutes the booster circuit is large. Therefore, a large circuit area is required to mount each high voltage generation circuit. As a result, the inertial sensor of the comparative example and the system thereof increase the circuit area and the power consumption.

第2高電圧発生回路252を用いずに、低い電源電圧V0を用いてサーボ電圧Vfyを生成する構成とする場合、サーボ力不足となる。その結果、制御ループが完全な閉ループとならず、信号成分の漏れが起こる。そのため、信号雑音比(S/N)もしくはダイナミックレンジが劣化する要因となり、検出精度の低下につながる。   When the servo voltage Vfy is generated using the low power supply voltage V0 without using the second high voltage generation circuit 252, the servo force is insufficient. As a result, the control loop does not form a complete closed loop, and signal component leakage occurs. As a result, the signal-to-noise ratio (S / N) or the dynamic range is degraded, leading to a decrease in detection accuracy.

(実施の形態1)
図1〜図19を用いて、本発明の実施の形態1の慣性検出装置について説明する。実施の形態1の慣性検出装置は、容量検出型及び一軸サーボ制御方式の角速度センサである。
Embodiment 1
The inertial detection system according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The inertia detection device according to the first embodiment is an angular velocity sensor of a capacitance detection type and a single axis servo control type.

[(1−1)慣性センサ_機能ブロック]
図1は、実施の形態1の慣性検出装置の機能ブロック構成を示す。図1の実施の形態1の慣性検出装置は、図25の比較例の構成に対し特に異なる点として、変調回路13を有する点、第2回路部12には第2高電圧発生回路を有さない点がある。実施の形態1では、搬送波C0の利用の仕方が異なり、センサ要素2に印加されるサーボ制御信号のサーボ電圧Vfyの波形が異なる。
[(1-1) Inertial sensor_functional block]
FIG. 1 shows a functional block configuration of the inertial detection system of the first embodiment. The inertial detection device according to the first embodiment of FIG. 1 is different from the configuration of the comparative example of FIG. 25 in that it has modulation circuit 13 and second circuit unit 12 has a second high voltage generation circuit. There is no point. In the first embodiment, the method of using carrier wave C0 is different, and the waveform of servo voltage Vfy of the servo control signal applied to sensor element 2 is different.

実施の形態1の慣性検出装置は、構成要素として、大別すると、ベース部1、センサ要素2、及び回路部を有する。ベース部1には、センサ要素2、及び回路部が設けられている。センサ要素2は、慣性体として、フレーム3とセンスマス4とを有する。フレーム3は第1マスであり、センスマス4は第2マスである。フレーム3は、ベース部1に対してバネ等を介して接続されており、第1軸方向であるX方向で変位xが可能である。センスマス4は、フレーム3に対してバネ等を介して接続されており、フレーム3に対して第2軸方向であるY方向で変位yが可能である。   The inertial detection device according to the first embodiment roughly includes, as components, a base portion 1, a sensor element 2, and a circuit portion. The base unit 1 is provided with a sensor element 2 and a circuit unit. The sensor element 2 has a frame 3 and a sense mass 4 as an inertial body. Frame 3 is the first square, and sense square 4 is the second square. The frame 3 is connected to the base 1 via a spring or the like, and displacement x is possible in the X direction which is the first axial direction. The sense mass 4 is connected to the frame 3 via a spring or the like, and displacement y is possible in the Y direction which is the second axial direction with respect to the frame 3.

慣性体におけるX方向の変位x及びY方向の変位yを検出するために、フレーム3及びセンスマス4を有する。フレーム3及びセンスマス4には、それぞれ、容量としてサーボ容量及び検出容量が設けられている。それらの容量は電極対により構成される。電極対は回路部と接続されている。一軸サーボ制御方式として、センサ要素2のセンスマス4を対象として、Y方向の変位yに関するサーボ制御が行われる。角速度センサでは、振動する慣性体に加わるコリオリの力を用いて角速度を検出する。静電容量型では、慣性体の変位による電極間の容量の変化が検出される。フレーム3は、第1軸方向(X方向)の変位xに対応した駆動側であり、センスマス4は、第2軸方向(Y方向)の変位yに対応したコリオリ検出側である。   It has a frame 3 and a sense mass 4 in order to detect the displacement x in the X direction and the displacement y in the Y direction in the inertial body. The frame 3 and the sense mass 4 are respectively provided with servo capacitance and detection capacitance as capacitance. Their capacity is constituted by electrode pairs. The electrode pair is connected to the circuit unit. As a single-axis servo control method, servo control regarding displacement y in the Y direction is performed on the sense mass 4 of the sensor element 2. The angular velocity sensor detects the angular velocity using the Coriolis force applied to the vibrating inertial body. In the capacitive type, a change in capacitance between the electrodes due to the displacement of the inertial body is detected. The frame 3 is a drive side corresponding to the displacement x in the first axial direction (X direction), and the sense mass 4 is a Coriolis detection side corresponding to the displacement y in the second axial direction (Y direction).

実施の形態1の慣性検出装置では、フレーム3をX方向での一定振動状態に保持した状態で、センサ要素2に角速度が加わった場合、センスマス4が、フレーム3の振動と同一面内のY方向を、フレーム3に対し相対変位する。この慣性センサは、回路部で上記センスマス4の変位yを計測することにより角速度を計測する。この慣性センサで使われるサーボ制御は、2つの制御から成る。第1の制御は、フレーム3の運動を一定振動状態に保持する制御である。第1の制御では、変位xの制御目標として、所定の振動周波数及び振動振幅とする。第2の制御は、センスマス4を初期位置に保持する制御である。初期位置は、角速度がゼロの時の、フレーム3に対するセンスマス4の相対位置である。第2の制御では、変位yの制御目標として、初期位置での静止状態である。   In the inertial detection system according to the first embodiment, when an angular velocity is applied to the sensor element 2 in a state in which the frame 3 is maintained in a constant vibration state in the X direction, the sense mass 4 is Y in the same plane as the vibration of the frame 3. The direction is displaced relative to the frame 3. The inertial sensor measures the angular velocity by measuring the displacement y of the sense mass 4 in the circuit unit. The servo control used in this inertial sensor consists of two controls. The first control is control for holding the motion of the frame 3 in a constant vibration state. In the first control, as a control target of the displacement x, a predetermined vibration frequency and vibration amplitude are set. The second control is control for holding the sense mass 4 in the initial position. The initial position is the relative position of the sense mass 4 to the frame 3 when the angular velocity is zero. The second control is a stationary state at the initial position as a control target of the displacement y.

回路部は、搬送波発生回路10、第1回路部11、第2回路部12、変調回路13を含む。回路部には、この慣性センサを搭載するシステムの電源電圧V0が入力される。   The circuit unit includes a carrier wave generating circuit 10, a first circuit unit 11, a second circuit unit 12, and a modulation circuit 13. The power supply voltage V0 of the system on which the inertial sensor is mounted is input to the circuit unit.

搬送波発生回路10は、電源電圧V0に基づいて、搬送波C0を発生し、搬送波C0を、センサ要素2のフレーム3及びセンスマス4に共通に印加する。第1回路部11は、フレーム3に対するサーボ制御及び検出を行う。第2回路部12は、センスマスSMに対するサーボ制御及び検出を行う。搬送波発生回路10は、制御回路52からの搬送波制御信号Scに従って搬送波C0を発生する。   Carrier wave generation circuit 10 generates carrier wave C0 based on power supply voltage V0, and applies carrier wave C0 to frame 3 and sense mass 4 of sensor element 2 in common. The first circuit unit 11 performs servo control and detection on the frame 3. The second circuit unit 12 performs servo control and detection on the sense mass SM. Carrier wave generation circuit 10 generates carrier wave C 0 in accordance with carrier wave control signal Sc from control circuit 52.

第1回路部11は、アナログ回路41、制御回路51、DAC31、第1高電圧発生回路21を含む。第1高電圧発生回路21は、電源電圧V0を入力し、昇圧により、第1電圧V1を生成し出力する。V1>V0である。   The first circuit unit 11 includes an analog circuit 41, a control circuit 51, a DAC 31, and a first high voltage generation circuit 21. The first high voltage generation circuit 21 receives the power supply voltage V0, generates a first voltage V1 by boosting, and outputs the first voltage V1. V1> V0.

フレーム3及びセンスマス4には、サーボ制御及び検出のための容量が設けられている。フレーム3には、サーボ制御のためのサーボ容量である容量Cfx、及び検出のための検出容量である容量Csxを有する。これらの容量は第1回路部11と接続されている。容量Csxを構成する電極はアナログ回路41と接続されている。容量Cfxを構成する電極はDAC31と接続されている。   The frame 3 and the sense mass 4 are provided with capacities for servo control and detection. The frame 3 has a capacity Cfx, which is a servo capacity for servo control, and a capacity Csx, which is a detection capacity for detection. These capacitors are connected to the first circuit unit 11. An electrode constituting the capacitor Csx is connected to the analog circuit 41. An electrode forming the capacitor Cfx is connected to the DAC 31.

センスマス4には、サーボ制御のためのサーボ容量である容量Cfyとして、正側の容量Cfyp及び負側の容量Cfynを有し、検出のための検出容量である容量Csyとして、正側の容量Csyp及び負側の容量Csynを有する。これらの4個の容量は、第2回路部12と接続されている。容量Csy{Csyp,Csyn}を構成する電極は、アナログ回路42と接続されている。容量Cfy{Cfyp,Cfyn}を構成する電極は、変調回路13の変調器132と接続されている。   The sense mass 4 has a positive side capacitance Cfyp and a negative side capacitance Cfyn as a capacitance Cfy which is a servo capacitance for servo control, and a positive side capacitance Csyp as a capacitance Csy which is a detection capacitance for detection. And a negative side capacitance Csyn. These four capacitors are connected to the second circuit unit 12. The electrodes constituting the capacitance Csy {Csyp, Csyn} are connected to the analog circuit 42. The electrodes constituting the capacitors Cfy {Cfyp, Cfyn} are connected to the modulator 132 of the modulation circuit 13.

フレーム3の運動制御では、第1回路部11により、フレーム3の変位xを、検出容量である容量Csxから検出電圧Vsxとして検出する。アナログ回路41は、容量Csxの容量値から、容量電圧変換に基づいて、検出電圧Vsxとして検出する。検出電圧Vsxは、変位xを表している。   In the motion control of the frame 3, the displacement x of the frame 3 is detected by the first circuit unit 11 as a detection voltage Vsx from the capacitance Csx which is a detection capacitance. The analog circuit 41 detects the detection voltage Vsx from the capacitance value of the capacitance Csx based on capacitance voltage conversion. The detected voltage Vsx represents a displacement x.

制御回路51は、検出電圧Vsxに基づいて、フレーム3の振動状態を制御するためのデジタル信号を生成し、DAC31へ出力する。DAC31は、そのデジタル信号に基づいて、サーボ制御のためのアナログ電圧を生成し、サーボ制御信号のサーボ電圧Vfxとして出力する。この際、DAC31は、第1電圧V1に基づいて、サーボ電圧Vfxを生成する。サーボ電圧Vfxは、サーボ容量である容量Cfxの電極に印加される。   The control circuit 51 generates a digital signal for controlling the vibration state of the frame 3 based on the detection voltage Vsx, and outputs the digital signal to the DAC 31. The DAC 31 generates an analog voltage for servo control based on the digital signal, and outputs it as a servo voltage Vfx of the servo control signal. At this time, the DAC 31 generates the servo voltage Vfx based on the first voltage V1. The servo voltage Vfx is applied to an electrode of a capacity Cfx which is a servo capacity.

第2回路部12は、アナログ回路42、制御回路52、DAC32、ロジック回路53を有する。センスマス4の運動制御では、第2回路部12により、センスマス4の変位yを、検出容量である容量Csy{Csyp,Csyn}から検出する。アナログ回路42は、容量Csyの容量値を、容量電圧変換により、検出電圧Vsy{Vsyp,Vsyn}として差動検出する。検出電圧Vsyは、変位yを表している。   The second circuit unit 12 includes an analog circuit 42, a control circuit 52, a DAC 32, and a logic circuit 53. In the motion control of the sense mass 4, the displacement y of the sense mass 4 is detected by the second circuit unit 12 from the capacitances Csy {Csyp, Csyn} which are detection capacitances. The analog circuit 42 differentially detects the capacitance value of the capacitor Csy as a detection voltage Vsy {Vsyp, Vsyn} by capacitance-voltage conversion. The detection voltage Vsy represents a displacement y.

制御回路52は、検出電圧Vsyに基づいて、センスマス4の状態を制御するための信号SVを生成し、DAC32へ出力する。信号SVは、サーボ制御のためにDAC32を制御するための信号である。DAC32は、正側DAC及び負側DACを含む。DAC32は、制御回路52からの信号SVに基づいて、サーボ制御のためのアナログ電圧を生成する。この際、DAC32は、電源電圧V0に基づいて、そのアナログ電圧を生成し、出力信号DA{DAp,DAn}として、変調回路13へ出力する。出力信号DA{DAp,DAn}は、言い換えると、変調前のサーボ制御信号である。   The control circuit 52 generates a signal SV for controlling the state of the sense mass 4 based on the detection voltage Vsy, and outputs the signal SV to the DAC 32. The signal SV is a signal for controlling the DAC 32 for servo control. The DAC 32 includes a positive DAC and a negative DAC. The DAC 32 generates an analog voltage for servo control based on the signal SV from the control circuit 52. At this time, the DAC 32 generates the analog voltage based on the power supply voltage V0, and outputs the analog voltage to the modulation circuit 13 as the output signal DA {DAp, DAn}. The output signals DA {DAp, DAn} are, in other words, servo control signals before modulation.

変調回路13は、実施の形態1で特有のサーボ制御信号を生成する回路である。変調回路13は、反転器、遅延器131、変調器132を有する。変調回路13は、搬送波発生回路10からの搬送波C0を入力し、その搬送波C0の電圧Vcomの位相を反転器で反転して、遅延器131に入力する。遅延器132は、適切な変調のために、搬送波C0に適切な遅延を与える回路である。遅延器131は、制御回路52からの遅延制御信号Sdに基づいて、搬送波C0の反転信号を適切に遅延させて、搬送波遅延信号Vdとして出力する。適切な遅延については後述する。搬送波遅延信号Vdは変調器132に入力される。   The modulation circuit 13 is a circuit that generates a servo control signal unique to the first embodiment. The modulation circuit 13 includes an inverter, a delay unit 131, and a modulator 132. The modulation circuit 13 receives the carrier wave C0 from the carrier wave generation circuit 10, inverts the phase of the voltage Vcom of the carrier wave C0 with an inverter, and inputs the signal to the delay device 131. The delay 132 is a circuit that provides an appropriate delay to the carrier C0 for appropriate modulation. The delay unit 131 appropriately delays the inverted signal of the carrier wave C0 based on the delay control signal Sd from the control circuit 52, and outputs the delayed signal as the carrier wave delayed signal Vd. Appropriate delays will be discussed later. The carrier delay signal Vd is input to the modulator 132.

変調回路13は、DAC32からの出力信号DA{DAp,DAn}を入力し、出力信号DA{DAp,DAn}のアナログ電圧を、搬送波C0を用いて変調する。その際、変調器132は、出力信号DA{DAp,DAn}のアナログ電圧を、搬送波遅延信号Vdによって変調する。変調器132は、正側変調器及び負側変調器を含む。変調器132は、変調後のアナログ電圧の信号を、サーボ制御信号のサーボ電圧Vfy{Vfyp,Vfyn}として出力する。サーボ電圧Vfyは、センスマス4のサーボ容量である容量Cfyを構成する電極に印加される。正側の出力信号DApは、正側変調器により変調されて、正側のサーボ電圧Vfypとして出力され、正側の容量Cfypの電極に印加される。負側の出力信号DAnは、負側変調器により変調されて、負側のサーボ電圧Vfynとして出力され、負側の容量Cfynの電極に印加される。   The modulation circuit 13 receives the output signal DA {DAp, DAn} from the DAC 32, and modulates the analog voltage of the output signal DA {DAp, DAn} using the carrier C0. At this time, the modulator 132 modulates the analog voltage of the output signal DA {DAp, DAn} with the carrier delay signal Vd. Modulator 132 includes a positive modulator and a negative modulator. The modulator 132 outputs the signal of the analog voltage after modulation as the servo voltage Vfy {Vfyp, Vfyn} of the servo control signal. The servo voltage Vfy is applied to an electrode constituting a capacitance Cfy which is a servo capacitance of the sense mass 4. The positive side output signal DAp is modulated by the positive side modulator, output as the positive side servo voltage Vfyp, and applied to the electrode of the positive side capacitor Cfyp. The negative side output signal DAn is modulated by the negative side modulator, outputted as the negative side servo voltage Vfyn, and applied to the electrode of the negative side capacitance Cfyn.

制御回路52は、アナログ回路42での検出電圧Vsyに基づいた信号OP1を、ロジック回路53へ出力する。ロジック回路53は、所定のロジック処理を行う回路であり、信号OP1に基づいて、角速度の計算を含む処理を行い、その結果の角速度検出情報を含む出力信号OP2を、外部へ出力する。角速度出力は、センスマス4の制御で印加したサーボ力の大きさとして表現される。ロジック回路53は、言い換えると角速度出力部である。   The control circuit 52 outputs a signal OP1 based on the detection voltage Vsy in the analog circuit 42 to the logic circuit 53. The logic circuit 53 is a circuit that performs predetermined logic processing, performs processing including calculation of angular velocity based on the signal OP1, and outputs an output signal OP2 including angular velocity detection information as a result to the outside. The angular velocity output is expressed as the magnitude of the servo force applied by the control of the sense mass 4. The logic circuit 53 is, in other words, an angular velocity output unit.

変調回路13は、搬送波C0及びサーボ電圧Vfyをモニタするための機能を備えている。この機能を用いて、各信号の波形を確認可能であり、それにより各信号の波形を調整可能である。遅延器131は、制御回路52からの遅延制御信号Sdに従って遅延量が制御される。その遅延量は、制御回路52に対する設定によって可変である。制御回路52は、この遅延量の設定を含むユーザ設定を実現する機能を備えてもよい。   The modulation circuit 13 has a function of monitoring the carrier wave C0 and the servo voltage Vfy. Using this function, the waveform of each signal can be confirmed, whereby the waveform of each signal can be adjusted. The delay unit 131 has its delay amount controlled in accordance with the delay control signal Sd from the control circuit 52. The delay amount is variable depending on the setting for the control circuit 52. The control circuit 52 may have a function of realizing user setting including setting of the delay amount.

[(1−2)センサ要素の容量及び電極の構成、回路構成]
図2は、センサ要素2のセンスマス4の容量、電極の構成、及びセンスマス4の変位yの検出及びサーボ制御のための回路の概要構成を示す。センスマス4は、コリオリ検出側の電極であり、搬送波C0が印加される第1電極である。センスマス4には、4個の容量として、サーボ容量である容量Cfy{Cfyp,Cfyn}、及び検出容量である容量Csy{Csyp,Csyn}が設けられている。
[(1-2) Configuration of capacitance and electrode of sensor element, circuit configuration]
FIG. 2 shows the capacitance of the sense mass 4 of the sensor element 2, the configuration of the electrodes, and the schematic configuration of the circuit for detection of the displacement y of the sense mass 4 and servo control. The sense mass 4 is an electrode on the Coriolis detection side, and is a first electrode to which the carrier wave C0 is applied. In the sense mass 4, as the four capacitances, capacitances Cfy {Cfyp, Cfyn}, which are servo capacitances, and capacitances Csy {Csyp, Csyn}, which are detection capacitances, are provided.

容量Cfyは、正側の容量Cfypと負側の容量Cfynとで成る。正側の容量Cfypは、電極対により構成され、その片方の電極は、第1電極であるセンスマス4であり、その他方の電極は、第2電極である電極Dfypである。電極Dfypは、正側のサーボ電極である。同様に、負側の容量Cfynは、電極対として、第1電極であるセンスマス4と、第2電極である電極Dfynとで構成される。電極Dfynは、負側のサーボ電極である。正側の電極Dfypには正側の電圧Vfypが印加され、負側の電極Dfynには負側の電圧Vfynが印加される。   The capacitance Cfy is composed of a positive capacitance Cfyp and a negative capacitance Cfyn. The positive side capacitance Cfyp is constituted by an electrode pair, one of the electrodes is the sense mass 4 which is the first electrode, and the other electrode is the electrode Dfyp which is the second electrode. The electrode Dfyp is a positive servo electrode. Similarly, the negative side capacitance Cfyn is configured as an electrode pair by the sense mass 4 which is the first electrode and the electrode Dfyn which is the second electrode. The electrode Dfyn is a negative servo electrode. The positive voltage Vfyp is applied to the positive electrode Dfyp, and the negative voltage Vfyn is applied to the negative electrode Dfyn.

容量Csyは、正側の容量Csypと負側の容量Csynとで成る。正側の容量Csypは、電極対により構成され、その片方の電極は、第1電極であるセンスマス4であり、その他方の電極は、第3電極である電極Dsypである。電極Dsypは、正側の検出電極である。同様に、負側の容量Csynは、電極対として、第1電極であるセンスマス4と、第3電極である電極Dsynとで構成される。電極Dsynは、負側の検出電極である。正側の電極Dsypから正側の電圧Vsypが検出され、負側の電極Dsynから負側の電圧Vsynが検出される。   The capacitance Csy consists of a positive capacitance Csyp and a negative capacitance Csyn. The positive side capacitance Csyp is constituted by an electrode pair, one of which is the sense mass 4 which is the first electrode, and the other one of which is the electrode Dsyp which is the third electrode. The electrode Dsyp is a positive side detection electrode. Similarly, the negative side capacitance Csyn is configured as an electrode pair by the sense mass 4 which is the first electrode and the electrode Dsyn which is the third electrode. The electrode Dsyn is a negative side detection electrode. The positive voltage Vsyp is detected from the positive electrode Dsyp, and the negative voltage Vsyn is detected from the negative electrode Dsyn.

第1電極であるセンスマス4は、フレーム3を通じて、第1回路である搬送波発生回路10と接続されている。センスマス4には第1信号として搬送波C0が印加される。第2電極である電極Dfy{Dfyp,Dfyn}は、変調回路13と接続されている。第3電極である電極Dsy{Dsyp,Dsyn}は、アナログ回路42と接続されている。第3回路である検出回路として、アナログ回路42は、第3電極からの検出電圧Vsyを、第3信号である検出信号として検出する。制御回路52は、検出信号に基づいた信号OP1を出力する。第3信号は、センスマス4の振動及び変位yの状態に応じた周波数を持つ信号である。   The sense mass 4 which is the first electrode is connected to the carrier generation circuit 10 which is the first circuit through the frame 3. A carrier wave C0 is applied to the sense mass 4 as a first signal. Electrodes Dfy {Dfyp, Dfyn}, which are the second electrodes, are connected to the modulation circuit 13. A third electrode Dsy {Dsyp, Dsyn} is connected to the analog circuit 42. As a detection circuit which is a third circuit, the analog circuit 42 detects the detection voltage Vsy from the third electrode as a detection signal which is a third signal. The control circuit 52 outputs a signal OP1 based on the detection signal. The third signal is a signal having a frequency according to the vibration and displacement y of the sense mass 4.

第2回路であるサーボ制御回路として、制御回路52は、検出電圧Vsyの検出信号から、サーボ制御のための信号SVを生成し、DAC32へ出力する。DAC32は、その信号SVから、電源電圧V0に基づいて、サーボ制御のためのアナログ電圧を生成し、出力信号DAとして出力する。変調回路13は、その出力信号DAを、搬送波C0により変調し、変調後のサーボ制御信号のサーボ電圧Vfyとして出力する。そのサーボ電圧Vfyは、第2信号として、第2電極である電極Dfy{Dfyp,Dfyn}に印加される。   As a servo control circuit which is a second circuit, the control circuit 52 generates a signal SV for servo control from a detection signal of the detection voltage Vsy, and outputs the signal SV to the DAC 32. The DAC 32 generates an analog voltage for servo control from the signal SV based on the power supply voltage V0 and outputs it as an output signal DA. The modulation circuit 13 modulates the output signal DA with the carrier wave C0 and outputs it as the servo voltage Vfy of the modulated servo control signal. The servo voltage Vfy is applied as a second signal to the electrodes Dfy {Dfyp, Dfyn} which is the second electrode.

センスマス4のY方向の変位yに対して、上記サーボ制御により発生されるサーボ力Fsが加えられることにより、センスマス4が初期位置に維持される。第1電極への第1信号である搬送波0の電圧Vcomは、後述するが、第1周波数ピークを持つ信号である。それに対し、第2電極への第2信号であるサーボ電圧Vfyは、第1信号の第1周波数ピークと重なる周波数ピークを持つ信号である。   The servo force Fs generated by the above servo control is applied to the displacement y in the Y direction of the sense mass 4 to maintain the sense mass 4 at the initial position. The voltage Vcom of the carrier wave 0, which is a first signal to the first electrode, is a signal having a first frequency peak, which will be described later. On the other hand, the servo voltage Vfy which is a second signal to the second electrode is a signal having a frequency peak overlapping with the first frequency peak of the first signal.

[(1−3)変位、サーボ力]
図3は、図2のセンスマス4に慣性力が加わった場合における、Y方向の変位yの状態と、その時に働くサーボ力Fsについて示す。図3の(a)は、センスマス4の変位yとして正側(図3では上)へ変位した状態の時のサーボ力Fsを示す。このサーボ力は、センスマス4を変位yの初期位置(破線で示す)へ戻そうとする方向(図3では下)への力である。一点鎖線はセンスマス4の中心位置を示す。図3の(b)は、センスマス4の変位yとして負側(図3では下)へ変位した状態の時のサーボ力を示す。このサーボ力は、センスマス4を初期位置へ戻そうとする方向(図3では上)への力である。
[(1-3) Displacement, servo force]
FIG. 3 shows the state of displacement y in the Y direction and the servo force Fs acting at that time when an inertial force is applied to the sense mass 4 of FIG. FIG. 3A shows the servo force Fs in the state of being displaced to the positive side (up in FIG. 3) as the displacement y of the sense mass 4. This servo force is a force in the direction (lower in FIG. 3) in which it tries to return the sense mass 4 to the initial position of displacement y (indicated by a broken line). An alternate long and short dash line indicates the center position of the sense mass 4. FIG. 3B shows the servo force in the state of being displaced to the negative side (downward in FIG. 3) as the displacement y of the sense mass 4. This servo force is a force in a direction (upward in FIG. 3) to return the sense mass 4 to the initial position.

サーボ制御側において、正側の容量Cfypの両端電圧をVpとすると、Vp=(Vfyp−Vcom)であり、負側の容量Cfynの両端電圧をVnとすると、Vn=(Vfyn−Vcom)である。サーボ力Fsは(Vp−Vn)に比例する。即ち、Fs∝(Vp−Vn)で記述される。 On the servo control side, Vp = (Vfyp−Vcom) if the voltage across the positive side capacitor Cfyp is Vp, and Vn = (Vfyn−Vcom) if the voltage across the negative side capacitor Cfyn is Vn . The servo force Fs is proportional to (Vp 2 −Vn 2 ). That is described in Fsα (Vp 2 -Vn 2).

[(1−4)搬送波、サーボ制御信号、サーボ力]
図4は、実施の形態1で、サーボ制御に係わる各信号及びサーボ力について示す。図4の(a)は、搬送波C0の電圧Vcomを示す。なお、図4では、波形なまりが有る状態を示す。搬送波C0の発生時の波形は矩形波であるが、一般的に実際の波形は、回路伝播で波形がなまる影響により、図示するように三角波に近付く。搬送波C0の振動周波数Fcomは、フレーム3の周波数の2倍以上に設定されなければならない。通常の角速度センサでは、この振動周波数は、フレームの周波数よりも十分に大きな周波数に設定される。実施の形態1では、振動周波数Fcomは、フレーム3の周波数に対して8倍の周波数に設定されている。
[(1-4) Carrier wave, servo control signal, servo force]
FIG. 4 shows each signal and servo force related to servo control in the first embodiment. (A) of FIG. 4 shows the voltage Vcom of the carrier wave C0. Note that FIG. 4 shows a state where there is a waveform rounding. The waveform at the time of generation of the carrier wave C0 is a rectangular wave, but in general, the actual waveform approaches a triangular wave as illustrated because of the influence of the waveform becoming dull in circuit propagation. The oscillation frequency Fcom of the carrier C0 has to be set to at least twice the frequency of frame 3. In a conventional angular velocity sensor, this vibration frequency is set to a frequency sufficiently larger than the frequency of the frame. In the first embodiment, the vibration frequency Fcom is set to a frequency eight times the frequency of the frame 3.

搬送波C0の電圧Vcomにおいて、Lowの時の電位は接地電位Vgnd、Highの時の電位は電源電圧電位Vddである。電源電圧電位Vddは、電源電圧V0の最大電圧レベルに対応した電位である。電圧Vcomの振幅Vppは(Vdd−Vgnd)である。   In the voltage Vcom of the carrier wave C0, the potential at the low level is the ground potential Vgnd, and the potential at the high level is the power supply voltage potential Vdd. Power supply voltage potential Vdd is a potential corresponding to the maximum voltage level of power supply voltage V0. The amplitude Vpp of the voltage Vcom is (Vdd-Vgnd).

アナログ回路42内の容量電圧変換回路の出力の電圧値をCVout、容量変動をΔC、容量電圧変換回路のゲインを決める容量をCgとする。その場合、CVout=Vpp×ΔC/Cgと記述される。CVoutは、搬送波C0の振幅Vppに比例する。そのため、振幅Vppは、電源電圧V0の全て、即ち最大の振幅及び電圧レベルを用いることが望ましい。よって、実施の形態1では、電源電圧V0の最大電圧レベルを用いて、上記搬送波C0の振幅Vppが規定されている。搬送波発生回路10は、電源電圧V0の最大電圧レベルに対応した振幅Vppを持つ搬送波C0を発生する。なお、変形例としては、搬送波C0の振幅Vppとして、電源電圧V0の最大電圧レベル以外を用いることも可能である。   The voltage value of the output of the capacitance voltage conversion circuit in the analog circuit 42 is CVout, the capacitance fluctuation is ΔC, and the capacitance for determining the gain of the capacitance voltage conversion circuit is Cg. In that case, CVout = Vpp × ΔC / Cg is described. CVout is proportional to the amplitude Vpp of the carrier C0. Therefore, as for the amplitude Vpp, it is desirable to use all of the power supply voltage V0, that is, the maximum amplitude and voltage level. Therefore, in the first embodiment, the amplitude Vpp of the carrier wave C0 is defined using the maximum voltage level of the power supply voltage V0. Carrier wave generation circuit 10 generates carrier wave C0 having amplitude Vpp corresponding to the maximum voltage level of power supply voltage V0. As a modification, it is also possible to use other than the maximum voltage level of the power supply voltage V0 as the amplitude Vpp of the carrier wave C0.

図4の(b)は、変調前のサーボ制御信号である、DAC32の出力信号DA{DAp,DAn}の電圧波形を示す。この電圧波形は、検出電圧Vsxに基づいた、フレーム3の振動状態に応じた周波数を持つ信号である。この出力信号DAは、正側の出力信号DApと負側の出力信号DAnとで位相反転関係を持つ。なお、pは正側、nは負側を示す。   (B) of FIG. 4 shows a voltage waveform of an output signal DA {DAp, DAn} of the DAC 32, which is a servo control signal before modulation. This voltage waveform is a signal having a frequency corresponding to the vibration state of frame 3 based on the detection voltage Vsx. The output signal DA has a phase inversion relationship between the positive side output signal DAp and the negative side output signal DAn. Here, p represents the positive side and n represents the negative side.

出力信号DAは以下のような信号である。センスマス4の変位yが、容量Csyの電極Dsyを通じてアナログ回路42で検出される。アナログ回路42は、電圧Vsy{Vsyp,Vsyn}から、容量電圧変換により、変位yに対応する容量値を電圧値として検出する。制御回路52は、変位yがゼロになるように制御するために、アナログ回路42の検出信号に基づいて、適切にゲイン、遅延、及び位相を制御する。制御回路52は、その制御による信号SVをDAC32へ出力する。DAC32は、その信号SVからDA変換により生成したアナログ電圧を、出力信号DAとする。DAC32は、出力信号DAに関して、正側と負側で位相を逆転させることにより、適切な制御を行う。この出力信号DAの波形では、センサ要素2の物理量入力として正弦波を仮定している。実施の形態1の場合、エラー成分と角速度成分が共に、フレーム3の振動と同じ周波数で変調されている。そのため、この正弦波の振動数及び振幅は、フレーム3の振動状態を反映している。   The output signal DA is as follows. The displacement y of the sense mass 4 is detected in the analog circuit 42 through the electrode Dsy of the capacitance Csy. The analog circuit 42 detects a capacitance value corresponding to the displacement y as a voltage value by performing capacitance-voltage conversion from the voltage Vsy {Vsyp, Vsyn}. The control circuit 52 appropriately controls the gain, the delay, and the phase based on the detection signal of the analog circuit 42 in order to control the displacement y to be zero. The control circuit 52 outputs a signal SV under the control to the DAC 32. The DAC 32 uses an analog voltage generated by DA conversion from the signal SV as an output signal DA. The DAC 32 appropriately controls the output signal DA by inverting the phase on the positive side and the negative side. In the waveform of the output signal DA, a sine wave is assumed as a physical quantity input of the sensor element 2. In the case of the first embodiment, both the error component and the angular velocity component are modulated at the same frequency as the vibration of the frame 3. Therefore, the frequency and amplitude of this sine wave reflect the vibration state of frame 3.

図4の(c)は、変調後のサーボ制御信号のサーボ電圧Vfyの波形を示す。このサーボ電圧Vfy{Vfyp,Vfyn}は、変調回路13により出力信号DA{DAp,DAn}であるアナログ電圧を、搬送波遅延信号Vdによって変調した電圧である。サーボ電圧Vfyは、搬送波C0の変調を有する信号である。この変調では、電圧Vcomの値がHighの時(例えば時点t1)には、出力信号DAの直流成分の値(例えば約0.75)に対応した出力(例えば約0.5)となるようにする。また、この変調では、電圧Vcomの値がLowの時(例えば時点t2)には、出力信号DAの直流成分の値に対して正負で位相反転した出力{Vfyp,Vfyn}となるようにする。正側の電圧Vfypと負側の電圧Vfynは、それぞれの直流レベルが、出力信号の直流成分に対して対称形状であり、位相反転関係を持つ。このように、変調回路13により搬送波C0を用いてサーボ制御信号に変調をかける点が重要である。サーボ電圧Vfyの詳しい特性については後述する。   FIG. 4C shows the waveform of the servo voltage Vfy of the servo control signal after modulation. The servo voltages Vfy {Vfyp, Vfyn} are voltages obtained by modulating the analog voltage which is the output signals DA {DAp, DAn} by the modulation circuit 13 with the carrier delay signal Vd. The servo voltage Vfy is a signal having modulation of the carrier wave C0. In this modulation, when the value of the voltage Vcom is High (for example, time t1), an output (for example, about 0.5) corresponding to the value (for example, about 0.75) of the DC component of the output signal DA is obtained. Do. Further, in this modulation, when the value of the voltage Vcom is low (for example, time t2), the output {Vfyp, Vfyn} is obtained by inverting the phase of the DC component of the output signal DA in the positive and negative directions. The voltage Vfyp on the positive side and the voltage Vfyn on the negative side have respective DC levels symmetrical with respect to the DC component of the output signal, and have a phase inversion relationship. As described above, it is important that the modulation circuit 13 modulates the servo control signal using the carrier wave C0. Detailed characteristics of the servo voltage Vfy will be described later.

図4の(d)は、図4の(c)のサーボ電圧Vfyに基づいて発生するサーボ力Fsを実効サーボ力として示す。実施の形態1と比較例で、発生可能な最大サーボ電圧を共通とした場合に、発生できる最大サーボ力について、比較説明する。まず、図26の(c)のように、比較例では、搬送波C0の電圧Vcomの周波数(f1)がサーボ力Fsの中に残ってしまう。そのため、比較例では、発生できる実効サーボ力が比較的小さくなる。   (D) of FIG. 4 shows the servo force Fs generated based on the servo voltage Vfy of (c) of FIG. 4 as an effective servo force. The maximum servo force that can be generated when the maximum servo voltage that can be generated is common to the first embodiment and the comparative example will be described in comparison. First, as shown in FIG. 26C, in the comparative example, the frequency (f1) of the voltage Vcom of the carrier wave C0 remains in the servo force Fs. Therefore, in the comparative example, the effective servo force that can be generated is relatively small.

それに対し、図4の(d)のように、実施の形態1では、搬送波C0の電圧Vcomを用いて、DAC32の出力信号DAのアナログ電圧を変調する。そのため、電圧Vcomとの差分をとることにより、電圧Vcomの振動成分を除去できる。この結果、実施の形態1では、図4の(d)のサーボ力Fsにおいて、本来必要な正弦波成分しか残らず、結果として最大効率の実効サーボ力を発生することができる。このサーボ力Fsは、比較例のサーボ力Fsよりも大きくなる。   On the other hand, in the first embodiment, the voltage Vcom of the carrier wave C0 is used to modulate the analog voltage of the output signal DA of the DAC 32, as shown in (d) of FIG. Therefore, the vibration component of the voltage Vcom can be removed by taking the difference from the voltage Vcom. As a result, in the first embodiment, only the sine wave component which is originally required remains in the servo force Fs of (d) of FIG. 4, and as a result, the effective servo force of the maximum efficiency can be generated. The servo force Fs is larger than the servo force Fs of the comparative example.

実施の形態1のように最大サーボ力が発生できる場合、サーボ電圧の生成手段として、高圧電源や高電圧発生回路を使用しなくて済む。即ち、実施の形態1では、電源電圧V0として高い電圧が不要であり、比較的低い電圧が適用可能である。また、電源電圧V0として低い電圧から高い電圧を生成するための第2高電圧発生回路252が不要である。もしくは、高圧電源を用いる場合でも、従来と比較して低い電圧で同じ効果が得られる。即ち、実施の形態1では、高効率のサーボ制御が可能である。これにより、実施の形態1では、実装の回路面積を低減でき、低消費電力を実現できる。また、実施の形態1では、S/N及びダイナミックレンジを確保し、検出精度を犠牲にせずに、安価なシステムを実現できる。   When the maximum servo force can be generated as in the first embodiment, it is not necessary to use a high voltage power supply or a high voltage generation circuit as a servo voltage generation means. That is, in the first embodiment, a high voltage is unnecessary as the power supply voltage V0, and a relatively low voltage is applicable. Further, the second high voltage generation circuit 252 for generating a high voltage from a low voltage as the power supply voltage V0 is unnecessary. Alternatively, even in the case of using a high voltage power supply, the same effect can be obtained at a lower voltage than in the prior art. That is, in the first embodiment, highly efficient servo control is possible. Thus, in the first embodiment, the circuit area for mounting can be reduced, and low power consumption can be realized. Further, in the first embodiment, an S / N and a dynamic range can be secured, and an inexpensive system can be realized without sacrificing detection accuracy.

[(1−5)信号雑音比の改善]
図5を用いて、比較例に対する実施の形態1でのS/Nの改善について説明する。図5の(A)は実施の形態1でのS/N、図5の(B)は比較例でのS/Nを示す。それぞれ、(a)は入力物理量変位、(b)はサーボ制御変位、(c)は解像度、(d)は検出回路を示す。(a)のように、実施の形態1と比較例で共に、入力物理量変位を同じ100と仮定する。(b)のように、実施の形態1では、最大サーボ力が得られた結果、振幅を20まで抑制でき、比較例では、60までしか抑制できないと仮定する。この仮定で、比較例のサーボ制御変位を解像しきることができるように最大入力レンジを設定する。その場合、アナログ回路の階調が16ビットであるとすれば、(c)のように、解像度は60/216となる。この場合に、(d)のように、比較例では、(a)の入力物理量変位以上の信号の場合には、検出回路が飽和する。一方、実施の形態1では、それ以上の信号であっても検出回路は飽和せず、あと3倍まで入力物理量を増大可能である。
[(1-5) Improvement of signal noise ratio]
The improvement of the S / N in the first embodiment with respect to the comparative example will be described with reference to FIG. FIG. 5A shows the S / N in the first embodiment, and FIG. 5B shows the S / N in the comparative example. (A) shows the input physical quantity displacement, (b) shows the servo control displacement, (c) shows the resolution, and (d) shows the detection circuit. As in (a), it is assumed that the input physical quantity displacement is the same 100 in both Embodiment 1 and the comparative example. As in (b), in the first embodiment, as a result of obtaining the maximum servo force, it is assumed that the amplitude can be suppressed to 20 and in the comparative example, it can be suppressed to only 60. Under this assumption, the maximum input range is set so that the servo control displacement of the comparative example can be completely resolved. In that case, if the gradation of the analog circuit is 16 bits, as shown in (c), the resolution becomes 60/2 16. In this case, as shown in (d), in the comparative example, in the case of the signal of the displacement of the input physical quantity of (a) or more, the detection circuit is saturated. On the other hand, in the first embodiment, the detection circuit is not saturated even if the signal is more than that, and the input physical quantity can be increased up to three times as much.

このため、回路の熱雑音を10LSBと仮定した場合におけるS/Nは、実施の形態1では30、比較例では10となる。よって、実施の形態1の採用により、比較例に対してS/Nを3倍に向上できる。上記S/Nは、ほんの一例であり、センサ要素のMEMS構造に応じてサーボ力の大きさを設計できるため、S/Nを3倍以上に向上できる可能性もある。この際、実施の形態1の優れた点として、変調回路13が必要であるものの、サーボ制御に使う電圧を従来方式の電圧と変わらないようにできる点がある。   For this reason, the S / N when the thermal noise of the circuit is assumed to be 10 LSB is 30 in the first embodiment and 10 in the comparative example. Therefore, the adoption of the first embodiment can improve the S / N by three times over the comparative example. The above S / N is just an example, and since the magnitude of the servo force can be designed according to the MEMS structure of the sensor element, there is a possibility that the S / N can be improved by three times or more. Under the present circumstances, although the modulation circuit 13 is required as an excellent point of Embodiment 1, there exists a point which can make the voltage used for servo control not be the same as the voltage of a conventional system.

[(1−6)モジュール]
図6は、図1の実施の形態1の慣性検出装置における実装のモジュール100の構成として、チップ配置及び配線等を示す。このモジュール100は、MEMS角速度センサモジュールである。図6の(A)は、モジュール100の主面の構成、図6の(B)は、側面の構成を示す。主面は、X方向及びY方向を持つ平面に対応する。このモジュール100は、回路チップ101と、センサチップ102とを有する。回路チップ101の上に、センサチップ102が積層されている。回路チップ101は、図1のベース部1と対応し、回路部がLSI等で実装されている。センサチップ102には、図1のセンサ要素2がMEMSで実装されている。回路チップ101とセンサチップ102は、外周部の複数の箇所で、それぞれ、ボンディングパッド103に対して為されたワイヤボンド104によって電気的に接続されている。ワイヤボンド104で接続されるボンディングパッド103同士は、物理的距離が短くなるよう配置されている。これにより、ワイヤボンド104による寄生成分を最小限に留め、予期せぬ遅延による不良を防ぐ効果がある。
[(1-6) Module]
FIG. 6 shows chip arrangement, wiring, and the like as the configuration of the module 100 mounted in the inertial detection system of the first embodiment of FIG. This module 100 is a MEMS angular velocity sensor module. FIG. 6A shows the configuration of the main surface of the module 100, and FIG. 6B shows the configuration of the side surface. The main surface corresponds to a plane having an X direction and a Y direction. The module 100 includes a circuit chip 101 and a sensor chip 102. The sensor chip 102 is stacked on the circuit chip 101. The circuit chip 101 corresponds to the base unit 1 of FIG. 1, and the circuit unit is mounted by LSI or the like. The sensor element 2 of FIG. 1 is mounted on the sensor chip 102 by MEMS. The circuit chip 101 and the sensor chip 102 are electrically connected by wire bonds 104 to the bonding pad 103 at a plurality of locations on the outer peripheral portion. The bonding pads 103 connected by the wire bonds 104 are arranged such that the physical distance is short. This has the effect of minimizing the parasitic component due to the wire bond 104 and preventing failure due to an unexpected delay.

[(1−7)スペクトル]
図7は、図6のモジュール100の各信号のスペクトルについて示す。図6で、プローブp1で示す箇所のボンディングパッド103をプローブし、その波形が観測される。プローブp1で示す箇所は、搬送波C0の電圧Vcomを印加する部分に相当する。プローブp1の箇所が、オシロスコープ等によって時系列に観測される。すると、図4の(a)のような搬送波C0の電圧Vcomが確認される。プローブp2で示す箇所は、変調前のサーボ制御信号の出力信号DAを印加する部分に相当する。この箇所を観測すると、図4の(b)のような出力信号DAの正側の出力信号DApの波形が確認される。プローブp3で示す箇所は、変調後のサーボ制御信号のサーボ電圧Vfyを印加する部分に相当する。この箇所を観測すると、図4の(c)のようなサーボ電圧Vfyの正側の電圧Vfypの波形が確認される。
[(1-7) spectrum]
FIG. 7 shows the spectrum of each signal of the module 100 of FIG. In FIG. 6, the bonding pad 103 at a position indicated by the probe p1 is probed, and the waveform is observed. The portion indicated by the probe p1 corresponds to a portion to which the voltage Vcom of the carrier C0 is applied. The location of the probe p1 is observed in time series by an oscilloscope or the like. Then, the voltage Vcom of the carrier wave C0 as shown in FIG. 4A is confirmed. The portion indicated by the probe p2 corresponds to a portion to which the output signal DA of the servo control signal before modulation is applied. When this portion is observed, the waveform of the output signal DAp on the positive side of the output signal DA as shown in (b) of FIG. 4 is confirmed. The portion indicated by the probe p3 corresponds to a portion to which the servo voltage Vfy of the servo control signal after modulation is applied. When this portion is observed, the waveform of the voltage Vfyp on the positive side of the servo voltage Vfy as shown in (c) of FIG. 4 is confirmed.

これらの波形を周波数スペクトル解析すると、図7のようなスペクトルが得られる。図7で、横軸が周波数、縦軸がスペクトルであり、スペクトルSP1〜SP3を有する。点線で示すスペクトルSP1は、プローブp1に対応した図4の(a)の搬送波C0の電圧Vcomのスペクトルである。このスペクトルSP1は、第1周波数FS1の所に第1周波数ピークが確認される。この第1周波数ピークの第1周波数FS1は、図4の(a)の電圧Vcomの振動周波数Fcomに相当する。   If these waveforms are subjected to frequency spectrum analysis, a spectrum as shown in FIG. 7 is obtained. In FIG. 7, the horizontal axis is frequency, the vertical axis is spectrum, and has spectra SP1 to SP3. A spectrum SP1 indicated by a dotted line is a spectrum of the voltage Vcom of the carrier C0 of (a) of FIG. 4 corresponding to the probe p1. The spectrum SP1 has a first frequency peak identified at the first frequency FS1. The first frequency FS1 of the first frequency peak corresponds to the vibration frequency Fcom of the voltage Vcom of (a) of FIG.

細実線で示すスペクトルSP2は、プローブp2に対応した図4の(b)の正側の出力信号DApのスペクトルである。このスペクトルSP2は、第2周波数FS1の所に第2周波数ピークが確認される。第2周波数FS2は第1周波数FS1よりも低い。この第2周波数ピークの第2周波数FS2は、図4の(b)のフレーム3の振動周波数Ffに相当する。フレーム3の振動周波数Ffは、搬送波C0の振動周波数Fcomよりも低い(Ff<Fcom)。   A spectrum SP2 indicated by a thin solid line is a spectrum of the positive side output signal DAp of FIG. 4B corresponding to the probe p2. The spectrum SP2 has a second frequency peak identified at the second frequency FS1. The second frequency FS2 is lower than the first frequency FS1. The second frequency FS2 of the second frequency peak corresponds to the vibration frequency Ff of the frame 3 in (b) of FIG. The oscillation frequency Ff of frame 3 is lower than the oscillation frequency Fcom of the carrier C0 (Ff <Fcom).

太実線で示すスペクトルSP3は、プローブp3に対応した図4の(c)の変調後のサーボ制御信号のサーボ電圧Vfyの正側の電圧Vfypのスペクトルである。このスペクトルSP3は、第1周波数FS1及び第2周波数FS2の2つの周波数の所に、周波数ピーク701及び周波数ピーク702が確認される。これら2つの周波数は、フレーム3の振動周波数Ff及び搬送波C0の振動周波数Fcomに該当する。スペクトルSP3の第1周波数FS1の所の周波数ピーク701は、スペクトルSP1の第1周波数ピークとの重なりを有する。スペクトルSP3の第2周波数FS2の所の周波数ピーク702は、スペクトルSP2の第2周波数ピークとの重なりを有する。このように、スペクトルSP3は特徴的な成分として2つの周波数ピークを持つ。この理由は、変調回路13で、振動周波数Ffを持つ出力信号DAの波形を、振動周波数Fcomを持つ搬送波C0によって変調しているためである。   A spectrum SP3 indicated by a thick solid line is a spectrum of the voltage Vfyp on the positive side of the servo voltage Vfy of the servo control signal after the modulation of (c) of FIG. 4 corresponding to the probe p3. In the spectrum SP3, the frequency peak 701 and the frequency peak 702 are confirmed at two frequencies of the first frequency FS1 and the second frequency FS2. These two frequencies correspond to the oscillation frequency Ff of frame 3 and the oscillation frequency Fcom of the carrier C0. The frequency peak 701 at the first frequency FS1 of the spectrum SP3 has an overlap with the first frequency peak of the spectrum SP1. The frequency peak 702 at the second frequency FS2 of the spectrum SP3 has an overlap with the second frequency peak of the spectrum SP2. Thus, spectrum SP3 has two frequency peaks as a characteristic component. The reason is that the modulation circuit 13 modulates the waveform of the output signal DA having the oscillation frequency Ff with the carrier C0 having the oscillation frequency Fcom.

モジュール100では、変調回路13のモニタの機能を用いて、搬送波C0の電圧Vcom、及びサーボ電圧Vfy等を観測できる。これにより、図7のように、スペクトル解析結果として、特徴的な成分を持つことが確認できる。上記のように、実施の形態1でセンスマス4に印加されるサーボ電圧Vfyは、第1周波数ピーク及び第2周波数ピークに対応した2つの周波数ピークを持つ波形である。なお、これらのスペクトルは理想的な状態を示しており、実際のスペクトルには、ノイズ成分や矩形波に基づいた高調波成分が含まれる可能性があるが、上記特徴が観測される特性は失われない。   In the module 100, using the monitor function of the modulation circuit 13, the voltage Vcom of the carrier C0, the servo voltage Vfy, and the like can be observed. As a result, as shown in FIG. 7, it can be confirmed that a characteristic component is possessed as a spectrum analysis result. As described above, the servo voltage Vfy applied to the sense mass 4 in the first embodiment is a waveform having two frequency peaks corresponding to the first frequency peak and the second frequency peak. Note that these spectra show an ideal state, and there is a possibility that the actual spectrum may include noise components and harmonic components based on rectangular waves, but the characteristics for which the above features are observed are lost. I can not do it.

[(1−8)サーボ力−動作電圧_(1)]
図8は、実施の形態1の効果に関して、動作電圧に対するサーボ力を、比較例との定量比較で示す。図8中の実線は実施の形態1、破線は比較例を示す。図8の(A)は、一定の搬送波C0で、サーボ電圧Vfyを変化させた場合における、発生するサーボ力Fsの変化をプロットしたグラフを示す。一定の搬送波C0として、電圧Vcomの振幅を1に固定した場合である。サーボ電圧Vfyとして、正側の電圧Vfyp(電圧Vfynでも同じ)の大きさを0〜1の範囲で変化させた場合である。電圧Vcom及び電圧Vfypの大きさが1である場合は、電源電圧V0の最大電圧レベルを使用する場合に相当する。比較例のサーボ力Fsの最大値は約0.15[au]であり、実施の形態1のサーボ力Fsの最大値は約0.6[au]である。実施の形態1では、電圧Vfypに対してサーボ力Fsが線形で増加する特性を有する。実施の形態1では、比較例に比して最大で4倍大きいサーボ力Fsが得られる。実施の形態1は、これらの2つの利点を有する。
[(1-8) Servo Force-Operating Voltage_ (1)]
FIG. 8 shows the servo force with respect to the operating voltage in the quantitative comparison with the comparative example, regarding the effect of the first embodiment. The solid line in FIG. 8 indicates the first embodiment, and the broken line indicates the comparative example. FIG. 8A shows a graph in which changes in the generated servo force Fs are plotted when the servo voltage Vfy is changed with a constant carrier wave C0. This is the case where the amplitude of the voltage Vcom is fixed to 1 as the constant carrier C0. As the servo voltage Vfy, the magnitude of the positive-side voltage Vfyp (the same applies to the voltage Vfyn) is changed in the range of 0-1. The case where the magnitudes of the voltage Vcom and the voltage Vfyp are 1 corresponds to the case of using the maximum voltage level of the power supply voltage V0. The maximum value of the servo force Fs of the comparative example is about 0.15 [au], and the maximum value of the servo force Fs of the first embodiment is about 0.6 [au]. The first embodiment has a characteristic that the servo force Fs linearly increases with respect to the voltage Vfyp. In the first embodiment, a servo force Fs that is four times larger than that of the comparative example can be obtained. The first embodiment has these two advantages.

図8の(B)は、一定のサーボ電圧Vfyで、搬送波C0の電圧Vcomを変化させた場合における、サーボ力Fsの変化をプロットしたグラフを示す。一定のサーボ電圧Vfyとして、正側の電圧Vfypを1に固定した場合である。電圧Vcomの振幅を0〜1の範囲で変化させた場合である。容量検出時の信号の振幅の大きさは電圧Vcomに比例する。そのため、基本的には電圧Vcomの振幅として最大値である1を用いることが自然である。比較例では、電圧Vcomが小さいほど大きなサーボ力Fsが得られるため、大きなサーボ力Fsを得るためには、無理の無い範囲で電圧Vcomを小さくせざるを得ない。比較例では、サーボ力Fsと容量検出精度及びS/N等との間にトレードオフの関係がある。   (B) of FIG. 8 shows a graph in which the change of the servo force Fs is plotted when the voltage Vcom of the carrier wave C0 is changed at a constant servo voltage Vfy. This is the case where the positive voltage Vfyp is fixed to 1 as the constant servo voltage Vfy. This is the case where the amplitude of the voltage Vcom is changed in the range of 0-1. The amplitude of the signal at the time of capacitance detection is proportional to the voltage Vcom. Therefore, it is natural to use 1, which is the maximum value, basically as the amplitude of the voltage Vcom. In the comparative example, as the voltage Vcom is smaller, a larger servo force Fs can be obtained. Therefore, in order to obtain a large servo force Fs, the voltage Vcom must be reduced within a reasonable range. In the comparative example, there is a trade-off between the servo force Fs, the capacity detection accuracy, the S / N, and the like.

一方、実施の形態1では、サーボ力Fsが電圧Vcomに比例するため、搬送波C0の電圧Vcomを最大値である1に設定することができる。これは、最大のサーボ力Fsが得られると共に、最大の信号強度もしくは最大の容量検出精度及びS/N等が得られることを意味する。即ち、実施の形態1では、比較例のサーボ力Fsと容量検出精度等とのトレードオフを解消できる利点がある。   On the other hand, in the first embodiment, since the servo force Fs is proportional to the voltage Vcom, the voltage Vcom of the carrier C0 can be set to 1, which is the maximum value. This means that the maximum servo force Fs can be obtained, and the maximum signal strength or maximum capacity detection accuracy and S / N can be obtained. That is, in the first embodiment, there is an advantage that the tradeoff between the servo force Fs of the comparative example and the capacity detection accuracy or the like can be eliminated.

[(1−8)サーボ力−動作電圧_(2)]
図9は、電源電圧V0よりも高い電圧(Vhとする)をサーボ電圧Vfyに用いる場合における、動作電圧に対するサーボ力の関係について、実施の形態1と比較例との比較で示す。横軸は、搬送波C0の電圧Vcomの振幅を1に固定した場合で、正側の電圧Vfypを0〜4の範囲で変化させた場合を示す。図9を用いて、サーボ電圧Vfyとして電源電圧V0よりも高い電圧Vhを利用できる場合について説明する。
[(1-8) Servo Force-Operating Voltage_ (2)]
FIG. 9 shows the relationship between the servo power and the operating voltage in the case where a voltage (referred to as Vh) higher than the power supply voltage V0 is used as the servo voltage Vfy, as compared with the first embodiment and the comparative example. The horizontal axis shows the case where the amplitude of the voltage Vcom of the carrier wave C0 is fixed to 1 and the positive side voltage Vfyp is changed in the range of 0-4. A case where a voltage Vh higher than the power supply voltage V0 can be used as the servo voltage Vfy will be described with reference to FIG.

Vfyp=4とは、電源電圧V0の4倍の高圧電源に対応する電圧Vhを、サーボ電圧Vfyの発生に用いたことを意味する。実施の形態1と比較例で、発生できるサーボ力Fsがクロスオーバーするのは、Vfyp/Vcom=2、即ち、電源電圧V0の2倍の電圧Vhを用いる場合である。(Vfyp/Vcom)<2の領域を第1領域、これ以外の領域を第2領域とする。第1領域では、全域で実施の形態1の方が大きなサーボ力Fsが得られ、第2領域では、全域で比較例の方が大きなサーボ力Fsが得られる。   Vfyp = 4 means that the voltage Vh corresponding to the high voltage power supply four times the power supply voltage V0 is used to generate the servo voltage Vfy. The crossover of the servo force Fs that can be generated in the first embodiment and the comparative example is when Vfyp / Vcom = 2, that is, when the voltage Vh which is twice the power supply voltage V0 is used. An area of (Vfyp / Vcom) <2 is a first area, and an area other than this is a second area. In the first region, the larger servo force Fs can be obtained in the first embodiment than in the entire region, and in the second region, the larger servo force Fs can be obtained in the entire region.

サーボ力Fsをできるだけ大きくする場合において、第2領域の電圧Vhをサーボ電圧Vfyに用いる場合には、比較例を選択するべきである。しかし、サーボ力Fsが足りており、図8の(B)のサーボ電圧Vfyに対するサーボ力Fsの線形の特性を重要視する場合には、第1領域と第2領域のいずれでも実施の形態1を選択するべきである。これらの選択はシステム設計に依存する。   If the voltage Vh of the second region is used as the servo voltage Vfy when the servo force Fs is made as large as possible, a comparative example should be selected. However, when the servo force Fs is sufficient and the linear characteristic of the servo force Fs with respect to the servo voltage Vfy in FIG. 8B is regarded as important, Embodiment 1 can be applied to either the first region or the second region. Should be selected. These choices depend on the system design.

[(1−8)サーボ力−動作電圧_(3)]
図10は、図9の電圧Vhを利用できる場合として、(Vfyp/Vcom)=4の場合における、各信号の波形例を、(A)の実施の形態1と(B)の比較例との比較で示す。それぞれ、(a)は搬送波C0の電圧Vcom、(b)はサーボ電圧Vfy、(c)はサーボ力Fsを示す。図10では、波形なまりが有る場合を示す。実施の形態1では、比較例に対し、破線で示す実効サーボ力Fsが小さくなっている。これは、図9の(B)の比較例では電圧Vcomが小さいほど大きなサーボ力Fsが得られる特性から理解できる。サーボ電圧Vfyの大きさに対して電圧Vcomの大きさが無視できるようになると、比較例の方が大きなサーボ力Fsが得られる。
[(1-8) Servo Force-Operating Voltage_ (3)]
FIG. 10 is a waveform example of each signal in the case of (Vfyp / Vcom) = 4, where the voltage Vh of FIG. 9 can be used, as compared with the embodiment 1 of (A) and the comparison example of (B) Shown by comparison. (A) shows the voltage Vcom of the carrier wave C0, (b) shows the servo voltage Vfy, and (c) shows the servo force Fs. FIG. 10 shows the case where there is a waveform rounding. In the first embodiment, the effective servo force Fs indicated by the broken line is smaller than that of the comparative example. This can be understood from the characteristic that a larger servo force Fs is obtained as the voltage Vcom is smaller in the comparative example of FIG. 9B. When the magnitude of the voltage Vcom can be ignored with respect to the magnitude of the servo voltage Vfy, a larger servo force Fs can be obtained in the comparative example.

一方、実施の形態1では、電圧Vcomとサーボ電圧Vfyの直流成分が近いレベルにある場合には効果的であるが、これが離れてしまうと、発生できるサーボ力が小さくなってしまう。これが、図10で実効サーボ力Fsが小さくなってしまう理由である。上記のように、実施の形態1は、低い電源電圧V0を用いる場合で、電圧Vcomとサーボ電圧Vfyの直流成分が近いレベルにある場合に適用すると効果的である。   On the other hand, the first embodiment is effective when the DC components of the voltage Vcom and the servo voltage Vfy are close to each other, but if they are separated, the servo force that can be generated is reduced. This is the reason why the effective servo force Fs is reduced in FIG. As described above, Embodiment 1 is effectively applied when the low power supply voltage V0 is used and the direct current components of the voltage Vcom and the servo voltage Vfy are close to each other.

[(1−8)サーボ力−動作電圧_(4)]
図11は、図10と同様のグラフであるが、波形なまりが無い場合を示す。搬送波C0は、理想的な矩形波である。
[(1-8) Servo Force-Operating Voltage_ (4)]
FIG. 11 is a graph similar to FIG. 10 but showing the case where there is no waveform rounding. The carrier C0 is an ideal square wave.

[(1−9)搬送波の位相遅延]
図12は、前述の変調回路13の遅延器131における、搬送波C0の電圧Vcomの位相遅延について補足説明するための説明図である。前述の「適切な遅延」とは、サーボ電圧Vfyに関して、搬送波C0の電圧Vcomと位相を正確に揃えるための最適遅延量を指す。(a)は搬送波C0の電圧Vcomとして波形なまりが無い矩形波を示す。(b)は変調後のサーボ電圧Vfy{Vfyp,Vfyn}を示す。(c)は電圧Vcomの位相遅延量(単位は[radian])に対するサーボ力のグラフを示す。
[(1-9) Carrier phase delay]
FIG. 12 is an explanatory diagram for supplementarily describing the phase delay of the voltage Vcom of the carrier wave C0 in the delay unit 131 of the modulation circuit 13 described above. The above-mentioned "appropriate delay" refers to the optimum delay amount for exactly aligning the phase with the voltage Vcom of the carrier C0 with respect to the servo voltage Vfy. (A) shows a rectangular wave without waveform rounding as the voltage Vcom of the carrier wave C0. (B) shows the servo voltages Vfy {Vfyp, Vfyn} after modulation. (C) shows a graph of servo force with respect to the phase delay amount (unit: [radian]) of voltage Vcom.

この位相遅延量が適切であるかについては、予め設計及び製造段階で、サーボ電圧Vfy及び電圧Vcomが実際に観測されて、適切であるか確認され、適切になるように調整される。上記位相遅延量が適切である場合、即ち電圧Vcomとサーボ電圧Vfyで位相が揃っている場合、サーボ力Fsを高効率で発生させることができる。また、製造後でもこの位相遅延の確認及び調整を可能とするために、変調回路13は、前述のように電圧Vcom及びサーボ電圧Vfy等をモニタできる回路を含む機能を有する。遅延器131は、この位相遅延量の調整のための機能を有する。遅延器131の位相遅延量は、制御回路52からの遅延制御信号Sdに基づいて設定可能である。制御回路52では、位相遅延量の設定が可能である。   As to whether or not this phase delay amount is appropriate, servo voltage Vfy and voltage Vcom are actually observed in advance at the design and manufacturing stages, and it is confirmed that they are appropriate and adjusted so as to be appropriate. When the phase delay amount is appropriate, that is, when the voltage Vcom and the servo voltage Vfy are in phase, the servo force Fs can be generated with high efficiency. Further, in order to enable confirmation and adjustment of this phase delay even after manufacturing, the modulation circuit 13 has a function including a circuit capable of monitoring the voltage Vcom, the servo voltage Vfy, and the like as described above. The delay unit 131 has a function for adjusting this phase delay amount. The phase delay amount of the delay unit 131 can be set based on the delay control signal Sd from the control circuit 52. The control circuit 52 can set the phase delay amount.

また、変調回路13のインピーダンスとDAC32の駆動力は、サーボ電圧Vfyが適切に振幅するように設計されている。これらは、配線の寄生容量等に依存する。そのため、慣性センサの実装については、モジュール100のように適切に工夫されている。   Further, the impedance of the modulation circuit 13 and the driving force of the DAC 32 are designed such that the servo voltage Vfy appropriately swings. These depend on the parasitic capacitance of the wiring and the like. Therefore, the mounting of the inertial sensor is appropriately devised like the module 100.

図12で、電圧Vcomとサーボ電圧Vfyとで位相にズレがある場合の検出精度について説明する。遅延1201は、(a)の電圧Vcomと(b)のサーボ電圧Vfyとの位相ズレに対応する遅延を示す。位相1202は、2πであり、電圧Vcomの1周期を指す。(c)で、実線は実施の形態1のサーボ力を示す。位相遅延が0の場合は、最適遅延量であり、サーボ力Fsとして1[au]が得られる。位相遅延がπ(180度)の場合は、正側の電圧Vfypと負側の電圧Vfynが反転する。その場合に得られるサーボ力Fsは、遅延1201が0である場合のサーボ力Fsと同等である。よって、実施の形態1では、位相遅延は0が望ましく、π(180度)も許容される。   The detection accuracy in the case where there is a phase shift between the voltage Vcom and the servo voltage Vfy will be described with reference to FIG. A delay 1201 indicates a delay corresponding to a phase shift between the voltage Vcom of (a) and the servo voltage Vfy of (b). The phase 1202 is 2π and indicates one cycle of the voltage Vcom. The solid line in (c) indicates the servo force of the first embodiment. When the phase delay is 0, the optimum delay amount is obtained, and 1 [au] is obtained as the servo force Fs. When the phase delay is π (180 degrees), the positive voltage Vfyp and the negative voltage Vfyn are inverted. The servo force Fs obtained in that case is equal to the servo force Fs when the delay 1201 is zero. Therefore, in the first embodiment, the phase delay is desirably 0, and π (180 degrees) is also acceptable.

破線は比較例のサーボ力を示す。比較例では、最大でもサーボ力Fsは0.25しか得られない。実施の形態1で、比較例よりも大きなサーボ力Fsを得るための位相遅延の条件としては、以下となる。即ち、位相遅延量をDとすると、0≦D<(3π/8+nπ)、または、(5π/8+nπ)<D<(11π/8+nπ)、または、(11π/8+nπ)<D<(2π+nπ)、である。これは、搬送波C0が理想的な矩形波である場合で計算したものであるが、波形なまりが有る場合でも同様に成立する。   The broken line indicates the servo force of the comparative example. In the comparative example, only 0.25 servo force Fs can be obtained at the maximum. The conditions for phase delay for obtaining a servo force Fs larger than that of the comparative example in the first embodiment are as follows. That is, assuming that the phase delay amount is D, 0 ≦ D <(3π / 8 + nπ), or (5π / 8 + nπ) <D <(11π / 8 + nπ), or (11π / 8 + nπ) <D <(2π + nπ), It is. This is calculated in the case where the carrier wave C0 is an ideal rectangular wave, but the same holds true even when there is a waveform rounding.

[(1−10)波形なまり]
図13は、図10等のように波形なまりが有る場合でも実施の形態1の所定の効果が実現されることについて補足説明するための説明図である。図13は、搬送波C0の電圧Vcomのみについて、2次のローパスフィルタを通過させて、矩形波から三角波に近付けた例を示す。ローパスフィルタの遮断周波数Fcを、Fc=20とする。(a)は、遮断周波数Fcに対するサーボ力の関係、及び遮断周波数Fcに対する位相遅延の関係を示す。(b)は搬送波C0の電圧Vcomとして、Fc=20の波形なまりが有る場合を示す。(c)は、(b)に対応する場合のサーボ力Fsを示す。
[(1-10) waveform rounding]
FIG. 13 is an explanatory view for supplementarily explaining that the predetermined effect of the first embodiment is realized even when there is a waveform rounding as shown in FIG. 10 and the like. FIG. 13 shows an example in which only the voltage Vcom of the carrier wave C0 is passed through a second-order low-pass filter to make it approach a triangular wave from a rectangular wave. The cutoff frequency Fc of the low pass filter is set to Fc = 20. (A) shows the relationship of the servo force to the cutoff frequency Fc and the relationship of the phase delay to the cutoff frequency Fc. (B) shows the case where there is a waveform rounding of Fc = 20 as the voltage Vcom of the carrier wave C0. (C) shows the servo force Fs in the case corresponding to (b).

適切な遅延として、Fc=20の場合の位相遅延量D=0.72[rad]を適用する。その結果、図11のような矩形波の場合と比較して、図13のように最適な状態になっている。なお、電圧Vcomとサーボ電圧Vfyで同じように波形なまりが有る場合に対し、異なる波形なまりに設定された場合には、発生できるサーボ力が小さくなる。実施の形態1では、電圧Vcom、またはサーボ電圧Vfy、またはそれらの両方に、波形なまりが有る場合、上記例のように、変調回路13で、適切な位相遅延量を適用する。適切な遅延量とは、Bode線図を作成した場合に位相遅延としてプロットできる値のことである。これにより、実施の形態1では、前述のように低い電源電圧V0に対して高効率でサーボ力Fsを発生できる等の好ましい効果が得られる。   As an appropriate delay, the phase delay amount D = 0.72 [rad] in the case of Fc = 20 is applied. As a result, as compared with the case of the rectangular wave as shown in FIG. 11, the optimum state is as shown in FIG. When the voltage Vcom and the servo voltage Vfy have the same waveform rounding, if they are set to different waveform rounds, the generated servo force becomes smaller. In the first embodiment, when the voltage Vcom, the servo voltage Vfy, or both of them have a waveform rounding, an appropriate phase delay amount is applied in the modulation circuit 13 as in the above example. The appropriate amount of delay is a value that can be plotted as a phase delay when a Bode diagram is created. Thereby, in the first embodiment, as described above, a preferable effect can be obtained such that the servo force Fs can be generated with high efficiency with respect to the low power supply voltage V0.

[(1−11)回路部]
図14は、図6のモジュール100におけるセンサ要素2及び回路部の構成を示す。モジュール100は、角速度の検出のために、センサ要素2の慣性体における駆動側であるフレーム3の第1軸のX方向の変位x、及びコリオリ検出側であるセンスマス4の第2軸のY方向の変位yを検出する。それに対応して、センサ要素2は、駆動側及びコリオリ検出側の二系統の検出容量及びサーボ容量を有し、回路部は、二系統の検出回路及びサーボ制御回路を有する。
[(1-11) Circuit part]
FIG. 14 shows the configuration of the sensor element 2 and the circuit part in the module 100 of FIG. In order to detect the angular velocity, the module 100 detects the displacement x of the first axis of the frame 3 on the drive side of the inertial body of the sensor element 2 and the Y direction of the second axis of the sense mass 4 on the Coriolis detection side. Detect the displacement y of Correspondingly, the sensor element 2 has two detection capacitances and servo capacitances on the drive side and the Coriolis detection side, and the circuit unit has two detection potentials and a servo control circuit.

センサ要素2は、後述のMEMSで実装される部品であるが、図14では等価回路で表現している。センサ要素2は、駆動側であるフレーム3に設けられた検出容量である容量Csx{Csxp,Csxn}と、サーボ容量である容量Cfx{Cfxp,Cfxn}とを有する。容量Csxは、変位xを検出するための相補の容量であり、正側の容量Csxpと負側の容量Csxnとを有する。容量Cfxは、変位xのサーボ制御のための相補の容量であり、正側の容量Cfxpと負側の容量Cfxnとを有する。センサ要素2は、コリオリ検出側であるセンスマス4に設けられた検出容量である容量Csy{Csyp,Csyn}と、サーボ容量である容量Cfy{Cfyp,Cfyn}とを有する。容量Csyは、変位yを検出するための相補の容量であり、正側の容量Csypと負側の容量Csynとを有する。容量Cfyは、変位yのサーボ制御のための容量であり、正側の容量Cfypと負側の容量Cfynとを有する。   The sensor element 2 is a component mounted by MEMS described later, but is represented by an equivalent circuit in FIG. The sensor element 2 has a capacitance Csx {Csxp, Csxn} which is a detection capacitance provided in the frame 3 which is a driving side, and a capacitance Cfx {Cfxp, Cfxn} which is a servo capacitance. The capacitance Csx is a complementary capacitance for detecting the displacement x, and has a positive side capacitance Csxp and a negative side capacitance Csxn. The capacitance Cfx is a complementary capacitance for servo control of the displacement x, and has a positive side capacitance Cfxp and a negative side capacitance Cfxn. The sensor element 2 has a capacitance Csy {Csyp, Csyn} which is a detection capacitance provided in the sense mass 4 which is the Coriolis detection side, and a capacitance Cfy {Cfyp, Cfyn} which is a servo capacitance. The capacitance Csy is a complementary capacitance for detecting the displacement y, and has a positive side capacitance Csyp and a negative side capacitance Csyn. The capacitance Cfy is a capacitance for servo control of the displacement y, and has a positive capacitance Cfyp and a negative capacitance Cfyn.

これらの各容量は相補の関係であり、図2と同様に、電極対により構成される。例えば、駆動側の検出容量において、正側の容量Csxpは、正側の電極Dsxpとフレーム3とで構成され、負側の容量Csxnは、負側の電極Dsxnとフレーム3とで構成される。同様に、サーボ容量において、正側の容量Cfxpは、正側の電極Dfxpとフレーム3とで構成され、負側の容量Cfxnは、負側の電極Dfxnとフレーム3とで構成される。フレーム3は前述の第1電極に相当する。   Each of these capacitances has a complementary relationship, and is constituted by an electrode pair as in FIG. For example, in the detection capacitance on the drive side, the positive side capacitance Csxp is composed of the positive side electrode Dsxp and the frame 3, and the negative side capacitance Csxn is composed of the negative side electrode Dsxn and the frame 3. Similarly, in the servo capacitance, the positive side capacitance Cfxp is configured by the positive side electrode Dfxp and the frame 3, and the negative side capacitance Cfxn is configured by the negative side electrode Dfxn and the frame 3. The frame 3 corresponds to the aforementioned first electrode.

センサ要素2の駆動側及びコリオリ検出側の計8個の容量は、それぞれの容量の電極対における片方の電極が、ノード1401として示すように、互いに電気的に接続されている。言い換えると、第1電極であるフレーム3及びセンスマス4として、共通に接続されている。これらの容量に対して共通に搬送波C0の電圧Vcomが印加される。   A total of eight capacitances on the drive side and the Coriolis detection side of the sensor element 2 are electrically connected to each other as one electrode of the electrode pair of each capacitance is shown as a node 1401. In other words, the frame 3 and the sense mass 4 which are the first electrodes are commonly connected. The voltage Vcom of the carrier wave C0 is commonly applied to these capacities.

回路部は、二系統の検出回路、二系統のサーボ制御回路、搬送波発生回路10、制御回路52、ロジック回路53を含む。二系統の検出回路として、駆動側の検出容量から電圧を検出するアナログ回路42xと、コリオリ検出側の検出容量から電圧を検出するアナログ回路42yとを有する。二系統のサーボ制御回路として、駆動側のサーボ容量にサーボ電圧を印加するためのDAC32x及び変調回路13xと、コリオリ検出側のサーボ容量にサーボ電圧を印加するためのDAC32y及び変調回路13yとを有する。   The circuit unit includes two systems of detection circuits, two systems of servo control circuits, a carrier wave generation circuit 10, a control circuit 52, and a logic circuit 53. The two-system detection circuit includes an analog circuit 42x that detects a voltage from the detection capacitance on the drive side, and an analog circuit 42y that detects a voltage from the detection capacitance on the Coriolis detection side. It has DAC32x and modulation circuit 13x for applying servo voltage to the drive side servo capacity as a servo control circuit of two systems, DAC32y and modulation circuit 13y for applying servo voltage to the servo capacity on the Coriolis detection side. .

駆動側の検出容量{Csxp,Csxn}の検出電極{Dsxp,Dsxn}は、駆動側のアナログ回路42xと接続されている。コリオリ検出側の検出容量{Csyp,Csyn}の検出電極{Dsyp,Dsyn}は、コリオリ検出側のアナログ回路42yと接続されている。駆動側のサーボ容量{Cfxp,Cfxn}のサーボ電極{Dfxp,Dfxn}は、駆動側の変調回路13xと接続されている。コリオリ検出側のサーボ容量{Cfyp,Cfyn}のサーボ電極{Dfyp,Dfyn}は、コリオリ検出側の変調回路13yと接続されている。   The detection electrodes {Dsxp, Dsxn} of the drive side detection capacitances {Csxp, Csxn} are connected to the analog circuit 42x on the drive side. The detection electrodes {Dsyp, Dsyn} of the detection capacitances {Csyp, Csyn} on the Coriolis detection side are connected to the analog circuit 42y on the Coriolis detection side. The servo electrodes {Dfxp, Dfxn} of the drive side servo capacitances {Cfxp, Cfxn} are connected to the drive side modulation circuit 13x. The servo electrodes {Dfyp, Dfyn} of the servo capacitances {Cfyp, Cfyn} on the Coriolis detection side are connected to the modulation circuit 13y on the Coriolis detection side.

コリオリ検出側のサーボ容量{Cfyp,Cfyn}のサーボ電極{Dfyp,Dfyn}に対しては、変調回路13yからのサーボ電圧Vfy{Vfyp,Vfyn}が印加される。正側の電極Dfypに正側の電圧Vfypが印加され、負側の電極Dfynに負側の電圧Vfynが印加される。コリオリ検出側の検出容量{Csyp,Csyn}の検出電極{Dsyp,Dsyn}からは、検出信号の検出電圧Vsy{Vsyp,Vsyn}が、アナログ回路42y内の容量電圧変換回路で検出される。正側の電極Dsypから正側の電圧Vsyp(正側の変位信号を示す)が検出され、負側の電極Dsynから負側の電圧Vsyn(負側の変位信号を示す)が検出される。   The servo voltages Vfy {Vfyp, Vfyn} from the modulation circuit 13y are applied to the servo electrodes {Dfyp, Dfyn} of the servo capacitances {Cfyp, Cfyn} on the Coriolis detection side. The positive voltage Vfyp is applied to the positive electrode Dfyp, and the negative voltage Vfyn is applied to the negative electrode Dfyn. From the detection electrodes {Dsyp, Dsyn} of the detection capacitance {Csyp, Csyn} on the Coriolis detection side, the detection voltage Vsy {Vsyp, Vsyn} of the detection signal is detected by the capacitance voltage conversion circuit in the analog circuit 42y. A positive voltage Vsyp (indicating a positive displacement signal) is detected from the positive electrode Dsyp, and a negative voltage Vsyn (indicating a negative displacement signal) is detected from the negative electrode Dsyn.

アナログ回路42xは、駆動側の検出容量から、変位xを検出電圧Vsxとして検出し、それに対応するデジタル信号を、出力信号ADxとして出力する。アナログ回路42yは、コリオリ検出側の検出容量から、変位yを検出電圧Vsyとして検出し、それに対応するデジタル信号を、出力信号ADyとして出力する。   The analog circuit 42x detects the displacement x as a detection voltage Vsx from the detection capacitance on the drive side, and outputs a digital signal corresponding thereto as an output signal ADx. The analog circuit 42y detects the displacement y as a detection voltage Vsy from the detection capacitance on the Coriolis detection side, and outputs a digital signal corresponding thereto as an output signal ADy.

図15は、アナログ回路42x,42yの内部構成を示す。アナログ回路42x内には、容量電圧変換回路421x(「CVC」で示す)、増幅器422x、ADC(アナログデジタル変換器)423x、等を含む。容量電圧変換回路421は、正側及び負側の回路を含む。同様に、アナログ回路42y内には、容量電圧変換回路421y、増幅器422y、ADC423y、等を含む。   FIG. 15 shows the internal configuration of the analog circuits 42x and 42y. The analog circuit 42x includes a capacitance-voltage conversion circuit 421x (indicated by "CVC"), an amplifier 422x, an ADC (analog-digital converter) 423x, and the like. The capacitance voltage conversion circuit 421 includes circuits on the positive side and the negative side. Similarly, in the analog circuit 42y, a capacitance-voltage conversion circuit 421y, an amplifier 422y, an ADC 423y, and the like are included.

例えば、アナログ回路42yの容量電圧変換回路421yは、検出電圧Vsy{Vsyp,Vsyn}を入力し、容量電圧変換により容量値から電圧値に変換して、その結果のアナログ電圧信号CVy1{CVy1p,CVy1n}を出力する。例えば、正側の回路は、正側の変位信号である電圧Vsypを入力し、正側のアナログ電圧信号CVy1pを出力する。増幅器422yは、アナログ電圧信号CVy1を入力し差動増幅して、アナログ電圧信号CVy2として出力する。ADC423yは、アナログ電圧信号CVy2を入力し、正負の差動でAD変換を行い、その結果のデジタル信号を出力信号ADyとして出力する。アナログ回路42xも同様の構成である。   For example, the capacitance-voltage conversion circuit 421y of the analog circuit 42y receives the detection voltage Vsy {Vsyp, Vsyn}, converts the capacitance value into a voltage value by capacitance-voltage conversion, and outputs the analog voltage signal CVy1 {CVy1p, CVy1n as a result thereof. Output}. For example, the circuit on the positive side receives the voltage Vsyp, which is a displacement signal on the positive side, and outputs an analog voltage signal CVy1p on the positive side. The amplifier 422y receives the analog voltage signal CVy1, differentially amplifies it, and outputs it as an analog voltage signal CVy2. The ADC 423 y receives the analog voltage signal CVy 2, performs AD conversion with positive and negative differentials, and outputs the resultant digital signal as an output signal ADy. The analog circuit 42x has a similar configuration.

アナログ回路42x,42yの構成部品は一般的なものが適用可能であり、クロックに基づくサンプルホールド回路でもよいし、連続型回路でもよい。また、それぞれの回路のゲインは、システムを最適化するために設計されていればよく、特定のゲインや方式に限定されない。なお、変形例として、容量電圧変換回路の出力で十分なゲインが得られる場合には、増幅器を省略可能である。また、容量電圧変換回路は、出力が相補の正負の信号ではなく1つの信号である回路構成でもよいし、入力の検出電圧をそれぞれ差動増幅する回路構成でもよい。   General components of the analog circuits 42x and 42y are applicable, and may be sample-and-hold circuits based on clocks or continuous circuits. Also, the gain of each circuit may be designed to optimize the system, and is not limited to a specific gain or scheme. As a modification, when a sufficient gain can be obtained by the output of the capacitance-voltage conversion circuit, the amplifier can be omitted. Further, the capacitance voltage conversion circuit may have a circuit configuration in which the output is not a complementary positive / negative signal but a single signal, or may be a circuit configuration for differentially amplifying the detection voltage of the input.

図14で、制御回路52は、アナログ回路42x,42yの出力信号ADx,ADyを入力し、それらの出力信号に基づいて、サーボ制御のための信号SVx,SVyを生成し、DAC32x,32yへ出力する。制御回路52は、DAC32x,32yに対して適切な制御を行う。また、制御回路52は、搬送波発生回路10、変調回路13x,13yに対して適切な制御を行う。   In FIG. 14, the control circuit 52 receives output signals ADx and ADy of the analog circuits 42x and 42y, generates signals SVx and SVy for servo control based on those output signals, and outputs them to DACs 32x and 32y. Do. The control circuit 52 performs appropriate control on the DACs 32x and 32y. Further, the control circuit 52 performs appropriate control on the carrier wave generation circuit 10 and the modulation circuits 13x and 13y.

制御回路52は、DAC32xへ制御のためのデジタル信号である信号SVx{SVxp,SVxn}を出力する。信号SVxは、正側の信号SVxpと負側の信号SVxnとで成る。制御回路52は、DAC32yへ制御のためのデジタル信号である信号SVy{SVyp,SVyn}を出力する。信号SVyは、正側の信号SVypと負側の信号SVynとで成る。   Control circuit 52 outputs a signal SVx {SVxp, SVxn} which is a digital signal for control to DAC 32x. The signal SVx is composed of a positive side signal SVxp and a negative side signal SVxn. Control circuit 52 outputs signal SVy {SVyp, SVyn} which is a digital signal for control to DAC 32y. The signal SVy is composed of a positive side signal SVyp and a negative side signal SVyn.

また、制御回路52は、コリオリ検出側の変調回路13yへ、遅延制御信号Sdを出力する。遅延制御信号Sdは、サーボ電圧Vfyに適切な遅延を設定するための信号である。また、制御回路52は、駆動側の変調回路13xへ、変調制御信号CKmを出力する。変調制御信号CKmは、駆動側のサーボ制御の変調を適切に制御するための信号である。また、制御回路52は、搬送波発生回路10へ、搬送波制御信号Scを出力する。搬送波制御信号Scは、搬送波発生回路10での搬送波C0の発生を制御する信号である。   Further, the control circuit 52 outputs the delay control signal Sd to the modulation circuit 13y on the Coriolis detection side. The delay control signal Sd is a signal for setting an appropriate delay to the servo voltage Vfy. The control circuit 52 also outputs the modulation control signal CKm to the drive modulation circuit 13x. The modulation control signal CKm is a signal for appropriately controlling modulation of servo control on the drive side. Further, control circuit 52 outputs carrier control signal Sc to carrier generation circuit 10. Carrier wave control signal Sc is a signal for controlling the generation of carrier wave C0 in carrier wave generation circuit 10.

制御回路52は、同期検波による低周波雑音除去、PIDコントローラによるサーボ制御のための信号SVの生成、ゲイン回路による増幅、差分回路による直流オフセット除去、等の制御を行う。また、制御回路52は、遅延制御信号Sd、変調制御信号CKm、及び搬送波制御信号Scの生成、等の制御を行う。   The control circuit 52 performs control such as low frequency noise removal by synchronous detection, generation of a signal SV for servo control by a PID controller, amplification by a gain circuit, DC offset removal by a difference circuit, and the like. The control circuit 52 also controls the generation of the delay control signal Sd, the modulation control signal CKm, and the carrier control signal Sc, and the like.

制御回路52は、出力信号ADx,ADyに基づいた信号OP1を、ロジック回路53へ出力する。ロジック回路53は、信号OP1を用いて、角速度の計算を含むロジック処理を行い、角速度検出情報を含む出力信号OP2を、外部へ出力する。   The control circuit 52 outputs a signal OP1 based on the output signals ADx and ADy to the logic circuit 53. The logic circuit 53 performs logic processing including calculation of angular velocity using the signal OP1, and outputs an output signal OP2 including angular velocity detection information to the outside.

DAC32xは、信号SVxのDA変換により、駆動側のサーボ制御のためのアナログ電圧の出力信号DAx{DAxp,DAxn}を生成する。DAC32yは、信号SVyのDA変換により、コリオリ検出側のサーボ制御のためのアナログ電圧の出力信号DAy{DAyp,DAyn}を生成する。DAC32x,32yは、それぞれ、正側DAC及び負側DACを含む。例えば、DAC32yの正側DACは、正側の信号SVypを入力し、DA変換を行い、その結果の正側の出力信号DAypを出力する。コリオリ検出側のDAC32yは、図1のDAC32と同様の構成であり、アナログ電圧の出力信号DAy{DAyp,DAyn}は、前述の出力信号DA{DAp,DAn}に相当する。   The DAC 32x generates an output signal DAx {DAxp, DAxn} of an analog voltage for servo control on the drive side by DA conversion of the signal SVx. The DAC 32 y generates an output signal DAy {DAyp, DAyn} of an analog voltage for servo control on the Coriolis detection side by DA conversion of the signal SVy. The DACs 32x and 32y include positive and negative DACs, respectively. For example, the positive-side DAC of the DAC 32 y receives the positive-side signal SVyp, performs DA conversion, and outputs the resultant positive-side output signal DAyp. The DAC 32y on the Coriolis detection side has the same configuration as the DAC 32 of FIG. 1, and the output signal DAy {DAyp, DAyn} of the analog voltage corresponds to the above-mentioned output signal DA {DAp, DAn}.

搬送波発生回路10は、電源電圧V0に基づいて、及び制御回路52からの搬送波制御信号Scに従って、搬送波C0の電圧Vcomを発生し、センサ要素2の第1電極のノード1401、及びコリオリ検出側の変調回路13yへ出力する。   Carrier wave generation circuit 10 generates voltage Vcom of carrier wave C0 based on power supply voltage V0 and according to carrier wave control signal Sc from control circuit 52, and on node 1401 of the first electrode of sensor element 2 and on the Coriolis detection side. It outputs to the modulation circuit 13y.

コリオリ検出側の変調回路13yは、図1の変調回路13と同様の構成である。変調回路13yは、DAC32yからのアナログ電圧の出力信号DAy{DAyp,DAyn}を、搬送波C0の電圧Vcomを用いて、遅延制御信号Sdに従うタイミングで、適切に変調を行う。これにより、変調回路13yは、変調後の信号である、サーボ電圧Vfy{Vfyp,Vfyn}を出力する。サーボ電圧Vfyは、センサ要素2のコリオリ検出側のサーボ容量を構成する電極{Dfyp,Dfyn}に印加される。   The modulation circuit 13y on the Coriolis detection side has the same configuration as that of the modulation circuit 13 of FIG. The modulation circuit 13y appropriately modulates the output signal DAy {DAyp, DAyn} of the analog voltage from the DAC 32y at the timing according to the delay control signal Sd using the voltage Vcom of the carrier wave C0. Thus, the modulation circuit 13y outputs servo voltages Vfy {Vfyp, Vfyn} which are signals after modulation. The servo voltage Vfy is applied to electrodes {Dfyp, Dfyn} that constitute a servo capacitance on the Coriolis detection side of the sensor element 2.

駆動側の変調回路13xは、DAC32xからのアナログ電圧の出力信号DAx{DAxp,DAxn}を、変調制御信号CKmに従って変調し、変調後の信号であるサーボ電圧Vfx{Vfxp,Vfxn}を出力する。サーボ電圧Vfxは、センサ要素2の駆動側のサーボ容量を構成する電極{Dfxp,Dfxn}に印加される。   The modulation circuit 13x on the drive side modulates the output signal DAx {DAxp, DAxn} of the analog voltage from the DAC 32x in accordance with the modulation control signal CKm, and outputs servo voltage Vfx {Vfxp, Vfxn} which is a signal after modulation. The servo voltage Vfx is applied to the electrodes {Dfxp, Dfxn} which constitute the servo capacitance on the drive side of the sensor element 2.

なお、変形例として、用途に応じて計測軸を増やす場合には、モジュール100を複数に増やした形態や、センサ要素2を複数に増やして1つの回路部で共有する形態も可能である。共有する形態の場合、回路部は、適切な切替回路や切替信号を用いる。   In addition, as a modification, when increasing a measurement axis according to a use, the form which increased the module 100 to plurality, and the form which increases the sensor element 2 to plural and is shared by one circuit part are also possible. In the shared mode, the circuit unit uses an appropriate switching circuit or switching signal.

[(1−12)変調回路]
図16の(A)は、コリオリ検出側の変調回路13yの詳しい構成を示す。この変調回路13yは、図1の変調器132が、アナログスイッチ素子であるスイッチ135{SW:SW1,SW2,SW3,SW4}を用いて構成されている。各スイッチ135は、入力「SWin」と出力「SWout」と制御入力「CK」とを有する。スイッチ135の入力側には、DAC32yの出力信号DAy{DAyp,DAyn}の入力線が接続されている。スイッチ135の出力側には、サーボ電圧Vfy{Vfyp,Vfyn}の出力線が接続されている。第1スイッチSW1は、正側の入力線と負側の出力線との間に設けられている。第2スイッチSW2は、負側の入力線と正側の出力線との間に設けられている。第3スイッチSW3は、負側の入力線と負側の出力線との間に設けられている。第4スイッチSW4は、正側の入力線と正側の出力線との間に設けられている。
[(1-12) Modulation circuit]
FIG. 16A shows a detailed configuration of the modulation circuit 13y on the Coriolis detection side. In this modulation circuit 13y, the modulator 132 in FIG. 1 is configured using switches 135 {SW: SW1, SW2, SW3, SW3, SW4} which are analog switch elements. Each switch 135 has an input "SWin", an output "SWout" and a control input "CK". The input side of the output signal DAy {DAyp, DAyn} of the DAC 32 y is connected to the input side of the switch 135. At the output side of the switch 135, an output line of the servo voltage Vfy {Vfyp, Vfyn} is connected. The first switch SW1 is provided between the positive input line and the negative output line. The second switch SW2 is provided between the negative input line and the positive output line. The third switch SW3 is provided between the negative input line and the negative output line. The fourth switch SW4 is provided between the positive input line and the positive output line.

遅延器131には、図4の(a)のような搬送波C0の電圧Vcom、及び遅延制御信号Sdが入力される。遅延器131は、電圧Vcomに対し、遅延制御信号Sdに基づいたタイミングで適切な遅延を発生させ、その結果の搬送波遅延信号Vdを、各スイッチ135{SW1〜SW4}の制御入力「CK」へ与える。搬送波遅延信号Vdは、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2に対しては、反転器で位相が反転された信号が入力され、第3スイッチSW3及び第4スイッチSW4に対しては、反転無しの信号が入力される。   The delay device 131 receives the voltage Vcom of the carrier C0 as shown in FIG. 4A and the delay control signal Sd. Delay device 131 generates an appropriate delay with respect to voltage Vcom at a timing based on delay control signal Sd, and the resulting carrier wave delayed signal Vd is input to the control input "CK" of each switch 135 {SW1 to SW4}. give. The carrier wave delayed signal Vd is input to the first switch SW1 and the second switch SW2 as a signal whose phase is inverted by the inverter, and is not inverted for the third switch SW3 and the fourth switch SW4. A signal is input.

各スイッチ135は、制御入力「CK」の搬送波遅延信号Vdの値{High,Low}に応じて、入力「SWin」の値を出力「SWout」の値として出力する否かを切り替えるように動作する。搬送波遅延信号Vdの値がHighの場合、第3スイッチSW3及び第4スイッチSW4は出力、第1スイッチSW1及び第2スイッチSW2は値がLowにより否(非出力)となる。よって、変調回路13yの出力であるサーボ電圧Vfyとしては、負側の電圧Vfynとして、負側の信号DAynが出力され、正側の電圧Vfypとして、正側の信号DAypが出力される。搬送波遅延信号Vdの値がLowの場合、出力のサーボ電圧Vfyとしては、上記正負の値が逆になって出力される。   Each switch 135 operates to switch whether or not to output the value of the input “SWin” as the value of the output “SWout” according to the value {High, Low} of the carrier delay signal Vd of the control input “CK”. . When the value of the carrier wave delayed signal Vd is High, the third switch SW3 and the fourth switch SW4 are outputs, and the first switch SW1 and the second switch SW2 have a value of Low (No output). Therefore, as the servo voltage Vfy which is the output of the modulation circuit 13y, the signal DAyn on the negative side is output as the voltage Vfyn on the negative side, and the signal DAyp on the positive side is output as the voltage Vfyp on the positive side. When the value of the carrier wave delay signal Vd is Low, the positive and negative values are inverted and output as the output servo voltage Vfy.

実施の形態1では、前述のように、搬送波C0の電圧Vcomは、電源電圧V0の最大電圧レベルに対応した振幅Vpp{接地電位Vgnd〜電源電圧電位Vdd}を持つ。アナログ電圧である電圧Vcomが、このように電源電圧電位Vddと接地電位Vgndとの2値をとる場合、電圧Vcomは、変調回路13yでロジックと同じ扱いで処理することができる。そのため、変調回路13yのスイッチ135の制御が簡単になり、簡易及び小規模の回路で実現できる。   In the first embodiment, as described above, voltage Vcom of carrier wave C0 has amplitude Vpp {ground potential Vgnd to power supply voltage potential Vdd} corresponding to the maximum voltage level of power supply voltage V0. When the voltage Vcom, which is an analog voltage, thus takes on two values of the power supply voltage potential Vdd and the ground potential Vgnd, the voltage Vcom can be processed in the same manner as the logic in the modulation circuit 13y. Therefore, control of the switch 135 of the modulation circuit 13y is simplified, and can be realized by a simple and small-scale circuit.

図16の(B)は、スイッチ135の詳しい構成を示す。このスイッチ135の回路は、1個のPMOS素子1601と1個のNMOS素子1602が、それぞれのソース及びドレインが接続されるように配置されている。制御線(制御入力「CK」)は、NMOS素子1602のゲートに結線され、制御線の反転情報が、PMOS素子1601のゲートに結線される。このようなスイッチ135の構成により、接地電位Vgndから電源電圧電位Vddまでのアナログ電圧レベルを、電圧降下無く出力できる。なお、スイッチ135の出力「SWout」には、サーボ容量を駆動するために、図示しないオン抵抗が適切に設計されている。   FIG. 16B shows a detailed configuration of the switch 135. The circuit of the switch 135 is arranged such that one PMOS element 1601 and one NMOS element 1602 are connected to their respective sources and drains. The control line (control input “CK”) is connected to the gate of the NMOS element 1602, and the inversion information of the control line is connected to the gate of the PMOS element 1601. With such a configuration of switch 135, an analog voltage level from ground potential Vgnd to power supply voltage potential Vdd can be output without voltage drop. In the output "SWout" of the switch 135, an on resistance (not shown) is appropriately designed to drive the servo capacitance.

図17は、駆動側の変調回路13xの詳しい構成を示す。変調回路13xは、変調回路13yと異なる点として、遅延器131が無く、変調制御信号CKmがそのまま遅延無しでスイッチ135{SW1〜SW4}に対する制御入力「CK」として使用される。変調回路13xの入力である出力信号DAxのレベルは、上側の電位が、電位Vddhであり、電位Vddhは、変調回路13yの入力の上側の電位Vddよりも高い電位である(Vddh>Vdd)。スイッチ135は、この電位Vddhを持つ電圧信号の入力ができるように適切に設計されている。具体的には、スイッチ135に用いるMOSトランジスタにおいて、通常よりも酸化膜厚が厚く、高圧まで耐性のあるタイプが選択される。   FIG. 17 shows the detailed configuration of the drive side modulation circuit 13x. The modulation circuit 13x differs from the modulation circuit 13y in that there is no delay unit 131, and the modulation control signal CKm is used as a control input "CK" to the switches 135 {SW1 to SW4} without delay. The level of the output signal DAx which is the input of the modulation circuit 13x is such that the upper potential is the potential Vddh, and the potential Vddh is a potential higher than the upper potential Vdd of the input of the modulation circuit 13y (Vddh> Vdd). The switch 135 is appropriately designed to allow input of a voltage signal having this potential Vddh. Specifically, in the MOS transistor used for the switch 135, a type having a thicker oxide film than usual and resistant to high pressure is selected.

[(1−13)DAC]
図18の(A)は、コリオリ検出側のDAC32yの詳しい構成を示す。DAC32yは、デコーダ321、アナログ電圧選択回路322、駆動回路323を含む。制御回路52からの信号SVy{SVyp,SVyn}は、デコーダ321に入力される。デコーダ321は、信号SVyをデコードすることにより、その結果の信号である選択制御信号SEL{SELp,SELn}を生成し、アナログ電圧選択回路322へ出力する。選択制御信号SELは、アナログ電圧選択回路322内のスイッチ325から選択するための信号であり、正側の信号SELpと負側の信号SELnとを含む。なお、選択制御信号SELにおける記号[0:m]は、m+1個の線を省略して示す記号である。
[(1-13) DAC]
FIG. 18A shows a detailed configuration of the DAC 32y on the Coriolis detection side. The DAC 32 y includes a decoder 321, an analog voltage selection circuit 322, and a drive circuit 323. The signal SVy {SVyp, SVyn} from the control circuit 52 is input to the decoder 321. The decoder 321 decodes the signal SVy to generate a selection control signal SEL {SELp, SELn} which is the resultant signal, and outputs the selection control signal SEL {SELp, SELn} to the analog voltage selection circuit 322. The selection control signal SEL is a signal for selecting from the switch 325 in the analog voltage selection circuit 322, and includes a positive side signal SELp and a negative side signal SELn. The symbol [0: m] in the selection control signal SEL is a symbol in which m + 1 lines are omitted.

アナログ電圧選択回路322は、複数の抵抗324と、複数のスイッチ325とを含む。複数の抵抗324は、直列接続されたストリングを構成している。ストリングの基準電圧における、低側電位REFL及び高側電位REFHは、任意に設計可能であるが、実施の形態1では、接地電位Vgnd及び電源電圧電位Vddである。ストリングに対してタップ位置にスイッチ325が配置されている。スイッチ325として、番号[0]から番号[m]までで示すm+1個がある。スイッチ325は、入力「in」と正負の出力「outp」「outn」と制御入力「ck」とを有する。   The analog voltage selection circuit 322 includes a plurality of resistors 324 and a plurality of switches 325. The plurality of resistors 324 form a series connected string. The low side electric potential REFL and the high side electric potential REFH in the reference voltage of the string can be arbitrarily designed, but in the first embodiment, they are the ground electric potential Vgnd and the power supply voltage electric potential Vdd. A switch 325 is located at the tap position for the string. There are m + 1 pieces of switches 325 indicated by numbers [0] to [m]. The switch 325 has an input "in", positive and negative outputs "outp" and "outn", and a control input "ck".

スイッチ325は、制御入力「ck」の選択制御信号SELの値に応じて、入力値を出力するか否かを切り替える。選択制御信号SEL{SELp,SELn}における番号毎の値{Hign,Low}により、どのスイッチ325で出力するか否かを選択可能である。正側の信号SELpにより正側の出力「outp」を選択可能であり、負側の信号SELnにより負側の出力「outn」を選択可能である。正側の信号SELpの選択番号をkp、負側の信号SELnの選択番号をknとすると、選択番号kpと選択番号knとの間には、kp+kn=mという関係が成立している。即ち、アナログ電圧選択回路322では、選択制御信号SELの選択値を中心として、ストリングの基準電圧の範囲内で、正側の電圧値と負側の電圧値とが相補の関係となるように、選択された電圧信号が生成されて出力される。   The switch 325 switches whether to output the input value or not in accordance with the value of the selection control signal SEL of the control input “ck”. It is possible to select which switch 325 is used to output or not according to the value {Hign, Low} for each number in the selection control signal SEL {SELp, SELn}. The positive side signal SELp can select the positive side output “outp”, and the negative side signal SELn can select the negative side output “outn”. Assuming that the selection number of the positive side signal SELp is kp and the selection number of the negative side signal SELn is kn, a relationship of kp + kn = m is established between the selection number kp and the selection number kn. That is, in the analog voltage selection circuit 322, the positive voltage value and the negative voltage value are in a complementary relationship within the range of the reference voltage of the string with the selection value of the selection control signal SEL as the center, The selected voltage signal is generated and output.

スイッチ325の正側の出力「outp」は、駆動回路323の正側の回路に接続されており、スイッチ325の負側の出力「outn」は、駆動回路323の負側の回路に接続されている。駆動回路323は、アナログ電圧選択回路322で選択された電圧信号を、正負のそれぞれで増幅し、出力信号DAy{DAyp,DAyn}として出力する。   The positive side output "outp" of the switch 325 is connected to the positive side circuit of the drive circuit 323, and the negative side output "outn" of the switch 325 is connected to the negative side circuit of the drive circuit 323 There is. The drive circuit 323 amplifies the voltage signal selected by the analog voltage selection circuit 322 in the positive and negative directions, and outputs the amplified signal as an output signal DAy {DAyp, DAyn}.

上記のように、アナログ電圧選択回路322の出力として、所望の電圧を選択して出力可能である。アナログ電圧選択回路322は、選択制御信号SELによりタップ位置を変更して所望のアナログ電圧を選択して出力できる回路であることが重要である。なお、DAC32yの出力インピーダンスを調整するためには、図18以外でも様々な回路構成が適用可能である。   As described above, a desired voltage can be selected and output as the output of the analog voltage selection circuit 322. It is important that the analog voltage selection circuit 322 is a circuit that can select and output a desired analog voltage by changing the tap position according to the selection control signal SEL. In addition, in order to adjust the output impedance of the DAC 32y, various circuit configurations other than FIG. 18 are applicable.

図18の(B)は、スイッチ325の回路構成を示す。このスイッチ325の回路は、第1スイッチsw1と第2スイッチsw2を含む。スイッチ325の入力「in」の電圧に対し、制御入力「ck」の選択制御信号SEL{SELp,SELn}の選択番号{kp,kn}により、第1スイッチsw1及び第2スイッチsw2の出力か否かが選択される。この選択の結果が、正側の出力「outp」及び負側の出力「outn」となる。スイッチ325の入力「in」の電圧は、第1スイッチsw1の入力「in1」及び第2スイッチsw2の入力「in2」に入力される。正側の信号SELpは第1スイッチsw1の制御入力「ck1」に入力され、負側の信号SELnは第2スイッチsw2の制御入力「ck2」に入力される。第1スイッチsw1の出力が正側の出力「outp」、第2スイッチsw2の出力が負側の出力「outn」である。例えば、正側の信号SELpの選択番号kpにより選択されたスイッチ325の第1スイッチsw1がオンに切り替えられて、入力「in1」の電圧を正側の出力「outp」として出力する。   FIG. 18B shows a circuit configuration of the switch 325. The circuit of the switch 325 includes a first switch sw1 and a second switch sw2. With respect to the voltage of the input "in" of the switch 325, whether it is the output of the first switch sw1 and the second switch sw2 according to the selection number {kp, kn} of the selection control signal SEL {SELp, SELn} of the control input "ck" Is selected. The result of this selection is the positive side output "outp" and the negative side output "outn". The voltage of the input “in” of the switch 325 is input to the input “in1” of the first switch sw1 and the input “in2” of the second switch sw2. The positive side signal SELp is input to the control input "ck1" of the first switch sw1, and the negative side signal SELn is input to the control input "ck2" of the second switch sw2. The output of the first switch sw1 is a positive output "outp", and the output of the second switch sw2 is a negative output "outn". For example, the first switch sw1 of the switch 325 selected by the selection number kp of the positive side signal SELp is turned on, and the voltage of the input “in1” is output as the positive side output “outp”.

駆動側のDAC32xは、図示しないが、コリオリ検出側のDAC32yの構成に対して、以下の点が異なる。DAC32xは、アナログ電圧選択回路の基準電圧の高側電位として、DAC32yのアナログ電圧選択回路322の基準電圧の高側電位REFHである電源電圧電位Vddよりも高い電位Vddhを用いる。また、アナログ電圧選択回路内のスイッチや駆動回路は、その電位Vddhの基準電圧に対応した回路である。具体的には、その回路に用いるMOSトランジスタとして、通常よりも酸化膜厚が厚く、高圧まで耐性のあるタイプが選択される。   Although not illustrated, the drive side DAC 32x differs from the Coriolis detection side DAC 32y in the following points. The DAC 32x uses a potential Vddh higher than the power supply voltage potential Vdd, which is the high-side potential REFH of the reference voltage of the analog voltage selection circuit 322 of the DAC 32y, as the high-side potential of the reference voltage of the analog voltage selection circuit. The switches and drive circuits in the analog voltage selection circuit are circuits corresponding to the reference voltage of the potential Vddh. Specifically, as a MOS transistor used for the circuit, a type having a thicker oxide film than usual and resistant to high pressure is selected.

[(1−14)センサ要素_MEMS構造]
図19は、モジュール100のセンサ要素2のMEMS実装構造成例を示す。このセンサ要素2は、単一の慣性体であるマスを有する角速度センサ要素である。このセンサ要素2は、櫛歯形状の電極を用いて構成されている。このセンサ要素2は、フレーム3に対応する電極190において、図14に示した計8個の容量{Cfx{Cfxp,Cfxn},Cfy{Cfyp,Cfyn},Csx{Csxp,Csxn},Csy{Csyp,Csyn}}が、MEMSの電極対として設けられている。それらの電極対として、電極{{Dfxp1,Dfxp2,Dfxn1,Dfxn2},{Dfyp,Dfyn},{Dsxp1,Dsxp2,Dsxn1,Dsxn2},{Dsyp,Dsyn}}を示す。
[(1-14) sensor element_MEMS structure]
FIG. 19 shows an example of the MEMS mounting structure of the sensor element 2 of the module 100. This sensor element 2 is an angular velocity sensor element having a mass which is a single inertial body. The sensor element 2 is configured using a comb-shaped electrode. This sensor element 2 has a total of eight capacitances {Cfx {Cfxp, Cfxn}, Cfy {Cfyp, Cfyn}, Csx {Csxp, Csxn}, Csy {Csyp}, shown in FIG. , Csyn}} is provided as an electrode pair of MEMS. As the electrode pair, electrodes {{Dfxp1, Dfxp2, Dfxn1, Dfxn2}, {Dfyp, Dfyn}, {Dsxp1, Dsxp2, Dsxn1, Dsxn2}, {Dsyp, Dsyn}} are shown.

電極190は、概略矩形を有し、外周の四箇所でスプリング1901と接続されている。電極190の外周の一方辺に対して駆動側の電極{Dfxp1,Dsxp1,Dsxn1,Dfxn1}が配置されており、外周の他方辺に対して駆動側の電極{Dfxp2,Dsxp2,Dsxn2,Dfxn2}が配置されている。また、電極190の内周の四箇所でスプリング1902と接続されており、スプリング1902を介してコリオリ検出側の電極{Dfyp,Dfyn,Dsyp,Dsyn}が配置されている。例えば、前述の容量Cfxpの片方の電極Dfxpは、電極Dfxp1と電極Dfxp2との2つの電極部で構成され、それらの電極部が電極190を通じて離れた位置に配置され、電気的に接続されている。他の容量の電極についても同様である。   The electrode 190 has a substantially rectangular shape, and is connected to the spring 1901 at four points on the outer periphery. The electrodes {Dfxp1, Dsxp1, Dsxn1, Dfxn1} on the driving side are arranged on one side of the outer periphery of the electrode 190, and the electrodes {Dfxp2, Dsxp2, Dsxn2, Dfxn2} on the driving side are arranged on the other side of the outer periphery. It is arranged. In addition, the spring 1902 is connected to the spring 1902 at four points on the inner periphery of the electrode 190, and the Coriolis detection electrodes {Dfyp, Dfyn, Dsyp, Dsyn} are disposed via the spring 1902. For example, one electrode Dfxp of the above-mentioned capacitance Cfxp is formed of two electrode parts of the electrode Dfxp1 and the electrode Dfxp2, and the electrode parts are arranged at positions separated through the electrode 190 and are electrically connected . The same applies to electrodes of other capacities.

[(1−15)効果等]
以上説明したように、実施の形態1の容量検出型及びサーボ制御方式の慣性検出装置であるMEMS角速度センサによれば、低い電源電圧でもサーボ力を効率的に発生させることができ、検出精度の向上や劣化抑制を実現できる。実施の形態1の慣性検出装置は、搬送波C0を用いてDACの出力信号を変調し、その変調後のサーボ電圧を用いてセンサ要素2のサーボ制御を行う。これにより、低い電源電圧V0でも、サーボ力Fsを最大効率で発生させることができ、必要な最大サーボ電圧を低減できる。この結果、実施の形態1では、検出精度を向上または維持できる。実施の形態1では、比較例のような従来技術に対し、高電圧発生回路を削減できるので、回路面積及び消費電力を低減でき、小型で低コストの慣性センサ及びシステムを実現できる。
[(1-15) effects, etc.]
As described above, according to the MEMS angular velocity sensor which is the inertial detection device of the capacitance detection type and servo control system of the first embodiment, the servo force can be efficiently generated even at a low power supply voltage, and detection accuracy is It is possible to realize improvement and suppression of deterioration. The inertia detection device according to the first embodiment modulates the output signal of the DAC using the carrier wave C0, and performs servo control of the sensor element 2 using the servo voltage after the modulation. As a result, even with the low power supply voltage V0, the servo force Fs can be generated at the maximum efficiency, and the required maximum servo voltage can be reduced. As a result, in the first embodiment, the detection accuracy can be improved or maintained. In the first embodiment, the high voltage generation circuit can be reduced as compared with the prior art such as the comparative example, so that the circuit area and the power consumption can be reduced, and a small and low cost inertial sensor and system can be realized.

実施の形態1の慣性検出装置は、慣性センサを適用するシステムが、低い電源電圧で低消費電力を実現したいシステムである場合に、特に好適に適用できる。そのシステムは、低消費電力で高感度に物理量を検出でき、省スペースで慣性センサを搭載できる。適用可能なシステムとしては、背景技術で述べた各種の用途に適用可能である。実施の形態1の慣性検出装置は、加速度センサや、その他の静電容量型及びサーボ制御方式の全ての物理量センサに同様に適用可能である。   The inertial detection device according to the first embodiment can be particularly suitably applied when the system to which the inertial sensor is applied is a system that wants to realize low power consumption with a low power supply voltage. The system can detect physical quantities with low power consumption and high sensitivity, and can mount an inertial sensor in a space-saving manner. The applicable system is applicable to various applications described in the background art. The inertia detection device according to the first embodiment is similarly applicable to an acceleration sensor and all other physical quantity sensors of electrostatic capacitance type and servo control type.

(実施の形態2)
図20〜図22を用いて、実施の形態2の慣性検出装置について説明する。実施の形態2の基本的な構成は、実施の形態1と同様であり、以下、実施の形態2における実施の形態1とは異なる構成部分について説明する。実施の形態2の慣性検出装置は、容量検出型及び一軸サーボ制御方式の加速度センサである。
Second Embodiment
The inertia detection device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. The basic configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, and the components different from the first embodiment in the second embodiment will be described below. The inertia detection device according to the second embodiment is an acceleration sensor of a capacitance detection type and a single axis servo control type.

[(2−1)回路部]
図20は、実施の形態2の慣性検出装置の実装のモジュール200におけるセンサ要素2及び回路部の構成を示す。モジュール200の概要は、図6のモジュール100と同様である。センサ要素2は、一軸における加速度の検出のために、一系統の検出容量及びサーボ容量を有する。回路部は、それに対応して、一系統のアナログ回路42z、DAC32z及び変調回路13z等を有する。
[(2-1) Circuit part]
FIG. 20 shows the configuration of the sensor element 2 and the circuit section in the module 200 of the implementation of the inertial detection system of the second embodiment. The overview of the module 200 is similar to that of the module 100 of FIG. The sensor element 2 has one system of detection capacitance and servo capacitance for detection of acceleration in one axis. The circuit unit has one system of analog circuit 42z, DAC 32z, modulation circuit 13z, etc., correspondingly.

センサ要素2は、加速度センサ要素であり、1つの慣性体のマスを有する。センサ要素2は、所定の一軸の方向の変位を検出するための検出容量及びサーボ容量として計4個の容量を有する。検出容量として、相補である正側の容量Cspと負側の容量Csnとを有し、サーボ容量として、相補である正側の容量Cfpと負側の容量Cfnとを有する。検出容量の正側の容量Cspは、正側の電極Dspと第1電極とで構成され、負側の容量Csnは、負側の電極Dsnと第1電極とで構成される。サーボ容量の正側の容量Cfpは、正側の電極Dfpと第1電極とで構成され、負側の容量Cfnは、負側の電極Dfnと第1電極とで構成される。第1電極は、慣性体のマスを構成する電極である。ノード2001では、各容量を構成する第1電極が電気的に接続されており、搬送波C0の電圧Vcomが共通に印加される。   The sensor element 2 is an acceleration sensor element and has a mass of one inertial body. The sensor element 2 has a total of four capacities as a detection capacity and a servo capacity for detecting a displacement in the direction of a predetermined one axis. As detection capacitances, there are complementary positive side capacitance Csp and negative side capacitance Csn, and as servo capacitances, there are complementary positive side capacitance Cfp and negative side capacitance Cfn. The positive side capacitance Csp of the detection capacitance is composed of the positive side electrode Dsp and the first electrode, and the negative side capacitance Csn is composed of the negative side electrode Dsn and the first electrode. The positive side capacitance Cfp of the servo capacitance is composed of the positive side electrode Dfp and the first electrode, and the negative side capacitance Cfn is composed of the negative side electrode Dfn and the first electrode. The first electrode is an electrode that constitutes the mass of the inertial body. At the node 2001, the first electrodes constituting the respective capacitors are electrically connected, and the voltage Vcom of the carrier wave C0 is commonly applied.

回路部は、アナログ回路42z、DAC32z、変調回路13z、搬送波発生回路10、制御回路52、ロジック回路53を含む。アナログ回路42zは、センサ要素2の検出容量{Csp,Csn}の電極{Dsp,Dsn}と接続されており、それらの電極から検出電圧Vs{Vsp,Vsn}を検出する。アナログ回路42z内の構成は、図15の構成と同様であり、容量電圧変換回路、増幅器、ADC等を含む。アナログ回路42zは、検出電圧Vsから、容量電圧変換により、変位を表す電圧信号を得る。アナログ回路42zは、増幅後の電圧値から差動のAD変換によるデジタル信号を、出力信号ADとして出力する。   The circuit unit includes an analog circuit 42z, a DAC 32z, a modulation circuit 13z, a carrier wave generation circuit 10, a control circuit 52, and a logic circuit 53. The analog circuit 42z is connected to the electrodes {Dsp, Dsn} of the detection capacitances {Csp, Csn} of the sensor element 2, and detects the detection voltage Vs {Vsp, Vsn} from these electrodes. The configuration in the analog circuit 42z is the same as the configuration in FIG. 15, and includes a capacitance-voltage conversion circuit, an amplifier, an ADC, and the like. The analog circuit 42z obtains a voltage signal representing displacement from the detection voltage Vs by capacitance-voltage conversion. The analog circuit 42z outputs, as an output signal AD, a digital signal obtained by differential AD conversion from the amplified voltage value.

制御回路52は、アナログ回路42zからの出力信号ADに基づいて、実施の形態1と同様に、DAC32z等に対し、適切な制御を行う。制御回路52は、出力信号ADに基づいて、DAC32zに対する制御のための信号SV{SVp,SVn}を生成して出力する。また、制御回路52は、変調回路13zへ遅延制御信号Sdを出力し、搬送波発生回路10へ搬送波制御信号Scを出力する。   The control circuit 52 performs appropriate control on the DAC 32z, etc., as in the first embodiment, based on the output signal AD from the analog circuit 42z. Control circuit 52 generates and outputs signal SV {SVp, SVn} for controlling DAC 32z based on output signal AD. Further, the control circuit 52 outputs the delay control signal Sd to the modulation circuit 13z, and outputs the carrier control signal Sc to the carrier generation circuit 10.

搬送波発生回路10は、電源電圧V0に基づいて、及び制御回路52からの搬送波制御信号Scに従い、搬送波C0の電圧Vcomを発生し、センサ要素2の第1電極のノード2001及び変調回路13zへ出力する。   Carrier wave generation circuit 10 generates voltage Vcom of carrier wave C0 based on power supply voltage V0 and according to carrier wave control signal Sc from control circuit 52, and outputs it to node 2001 of the first electrode of sensor element 2 and modulation circuit 13z. Do.

DAC32zは、信号SVのDA変換により、アナログ電圧を生成し、出力信号DA{DAp,DAn}として出力する。変調回路13zは、実施の形態1の変調回路13yと同様の構成である。変調回路13zは、DAC32zからの出力信号DA{DAp,DAn}を、遅延制御信号Sdのタイミングに従って搬送波C0により変調し、変調後のサーボ電圧Vf{Vfp,Vfn}を出力する。サーボ電圧Vfは、サーボ容量の電極{Dfp,Dfn}に印加される。   The DAC 32 z generates an analog voltage by DA conversion of the signal SV, and outputs it as an output signal DA {DAp, DAn}. The modulation circuit 13z has a configuration similar to that of the modulation circuit 13y of the first embodiment. The modulation circuit 13z modulates the output signal DA {DAp, DAn} from the DAC 32z with the carrier wave C0 according to the timing of the delay control signal Sd, and outputs a servo voltage Vf {Vfp, Vfn} after modulation. The servo voltage Vf is applied to electrodes {Dfp, Dfn} of the servo capacitance.

制御回路52は、出力信号ADに基づいた信号OP1をロジック回路53へ出力する。ロジック回路53は、信号OP1に基づいて、加速度の計算を含む処理を行い、加速度検出情報を含む出力信号OP2を、外部へ出力する。ロジック回路53は、言い換えると、加速度検出部である。   The control circuit 52 outputs a signal OP1 based on the output signal AD to the logic circuit 53. The logic circuit 53 performs processing including calculation of acceleration based on the signal OP1, and outputs an output signal OP2 including acceleration detection information to the outside. The logic circuit 53 is, in other words, an acceleration detection unit.

[(2−2)スペクトル]
図21は、実施の形態2における波形のスペクトルを示す。実施の形態1と同様に、モジュール200の所定のパッドの箇所をプローブして波形が観測される。スペクトルSP1は、前述のプローブp1に対応する、搬送波C0の電圧V0の波形のスペクトルを示す。スペクトルSP2は、前述のプローブp2に対応する、変調後のサーボ電圧Vfpの波形のスペクトルを示す。
[(2-2) Spectrum]
FIG. 21 shows the spectrum of the waveform in the second embodiment. As in the first embodiment, the waveform is observed by probing a predetermined pad of the module 200. The spectrum SP1 shows the spectrum of the waveform of the voltage V0 of the carrier C0 corresponding to the above-mentioned probe p1. The spectrum SP2 shows the spectrum of the waveform of the servo voltage Vfp after modulation, which corresponds to the aforementioned probe p2.

スペクトルSP1は、第1周波数FS1に第1周波数ピークを有する。第1周波数FS1は、慣性体の振動周波数Fcomに対応する。スペクトルSP2は、同じく第1周波数FS1の所に、スペクトルSP1の第1周波数ピークと重なる周波数ピーク2101を有する。また、スペクトルSP2は、第1周波数FS1よりも小さい周波数である、入力加速度周波数Fsigの所に、周波数ピーク2101よりも小さい周波数ピーク2102を有する。   The spectrum SP1 has a first frequency peak at a first frequency FS1. The first frequency FS1 corresponds to the vibration frequency Fcom of the inertial body. The spectrum SP2 also has a frequency peak 2101 overlapping the first frequency peak of the spectrum SP1 at the first frequency FS1. The spectrum SP2 also has a frequency peak 2102 smaller than the frequency peak 2101 at the input acceleration frequency Fsig, which is a frequency smaller than the first frequency FS1.

入力加速度周波数Fsigは、非常に低周波かまたは直流レベルにある。当然、入力加速度が直流である場合には、Fsig=0となり、明確な周波数ピークは観測されない。また、入力加速度がゼロの場合には、スペクトルSP1の第1周波数ピークと重なる周波数ピーク2101が、スペクトルSP2には観測されない可能性もある。図示のように、スペクトルSP2にスペクトルSP1と重なる周波数ピーク2101が観測されるのは、加速度が印加されている場合のみであると言える。   The input acceleration frequency Fsig is either at very low frequency or at DC level. Of course, if the input acceleration is direct current, Fsig = 0, and no clear frequency peak is observed. Further, when the input acceleration is zero, there is a possibility that the frequency peak 2101 overlapping with the first frequency peak of the spectrum SP1 is not observed in the spectrum SP2. As illustrated, it can be said that the frequency peak 2101 overlapping with the spectrum SP1 is observed in the spectrum SP2 only when acceleration is applied.

[(2−3)センサ要素_MEMS構造]
図22は、実施の形態2におけるセンサ要素2のMEMS実装構造例を示す。このセンサ要素2は、所定の一軸の検出及びサーボ制御に対応して、1つの慣性体であるマスを構成する電極220を有する。そして、電極220において、図20の4個の容量{Cfp,Cfn,Csp,Csn}を構成する電極対{Dfp,Dfn,Dsp,Dsn}が、8個の電極部{Dfp1,Dfp2,Dfn1,Dfn2,Dsp1,Dsp2,Dsn1,Dsn2}として設けられている。
[(2-3) Sensor Element_MEMS Structure]
FIG. 22 shows an example of the MEMS mounting structure of the sensor element 2 in the second embodiment. This sensor element 2 has an electrode 220 which constitutes a mass which is one inertial body, corresponding to detection and servo control of a predetermined one axis. And in the electrode 220, the electrode pair {Dfp, Dfn, Dsp, Dsn} which comprises four capacity | capacitances {Cfp, Cfn, Csp, Csn} of FIG. 20 is eight electrode parts {Dfp1, Dfp2, Dfn1, It is provided as Dfn2, Dsp1, Dsp2, Dsn1, Dsn2}.

電極220は、概略矩形形状を有し、梁構造を持つ微小な可動部を有する。電極220の外周の四箇所は、スプリング2201と接続されている。電極220の外周の一方辺には、電極部{Dfp1,Dfn1,Dsp1,Dsn1}が配置されており、外周の他方辺には、電極部{Dfp2,Dfn2,Dsp2,Dsn2}が配置されている。例えば、容量Cfpを構成する電極Dfpは、電極部Dfp1と電極部Dfp2とで構成され、それらが電極220を通じて離れた位置に配置され、電気的に接続されている。他の容量についても同様である。   The electrode 220 has a substantially rectangular shape and has a minute movable part having a beam structure. Four places on the outer periphery of the electrode 220 are connected to the spring 2201. Electrode portions {Dfp1, Dfn1, Dsp1, Dsn1} are disposed on one side of the outer periphery of the electrode 220, and electrode portions {Dfp2, Dfn2, Dsp2, Dsn2} are disposed on the other side of the outer periphery . For example, the electrode Dfp constituting the capacitor Cfp is constituted of the electrode portion Dfp1 and the electrode portion Dfp2, and they are arranged at positions separated through the electrode 220 and electrically connected. The same is true for other capacities.

[(2−4)効果等]
実施の形態2の容量検出型及びサーボ制御方式の慣性検出装置であるMEMS加速度センサによれば、実施の形態1と同様に、低い電源電圧でもサーボ力を効率的に発生させることができ、検出精度の向上や劣化抑制を実現できる。
[(2-4) effects, etc.]
According to the MEMS acceleration sensor, which is an inertial detection device of a capacitance detection type and a servo control system according to the second embodiment, as in the first embodiment, the servo force can be efficiently generated even at a low power supply voltage. It is possible to realize improvement in accuracy and suppression of deterioration.

(実施の形態3)
図23〜図24を用いて、実施の形態3の慣性検出装置について説明する。実施の形態3の慣性検出装置は、実施の形態1の角速度センサの変形例である。
Third Embodiment
The inertia detection device according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. The inertia detection device of the third embodiment is a modification of the angular velocity sensor of the first embodiment.

[(3−1)回路部]
図23は、実施の形態3の慣性センサの実装のモジュール300におけるセンサ要素2及び回路部の構成を示す。実施の形態3では、センサ要素2は、2つの慣性体である2つのマスとして、第1慣性体5A及び第2慣性体5Bを有する。各慣性体は、実施の形態1と同様に、フレーム3及びセンスマス4で構成される。回路部は、これら2つの慣性体に対する検出及びサーボ制御を行うための二系統の回路として、回路231及び回路232を有する。1つの慣性体の単位での構成は、実施の形態1と同様である。
[(3-1) Circuit part]
FIG. 23 shows the configuration of the sensor element 2 and the circuit section in the module 300 of the inertial sensor implementation of the third embodiment. In the third embodiment, the sensor element 2 has a first inertial body 5A and a second inertial body 5B as two masses which are two inertial bodies. Each inertial body is comprised of a frame 3 and a sense mass 4 as in the first embodiment. The circuit unit includes a circuit 231 and a circuit 232 as two systems of circuits for detecting and servo-controlling these two inertial bodies. The configuration of one inertial body in units is the same as that of the first embodiment.

第1慣性体5A及び第2慣性体5Bは、図14の各容量及び電極対が、図25で、第1慣性体5A側の容量及び電極対と、第2慣性体5B側の容量及び電極対とに分かれて構成されている。例えば、第1慣性体5Aは、計8個の容量{CfxpA,CfxnA,CfypA,CfynA,CsxpA,CsxnA,CsypA,CsynA}及びそれらの容量を構成する電極対を有する。例えば、コリオリ検出側の正側のサーボ容量である容量Cfypは、第1慣性体5A側の容量CfypAと、第2慣性体5B側の容量CfypBとの組で構成される。回路部は、容量の組から差分で検出を行う。   In the first inertial body 5A and the second inertial body 5B, the respective capacitances and electrode pairs in FIG. 14 are the capacitances and electrode pairs on the first inertial body 5A side and the capacitances and electrodes on the second inertial body 5B side in FIG. It is divided into pairs. For example, the first inertial body 5A has a total of eight capacitances {CfxpA, CfxnA, CfypA, CfynA, CsxpA, CsxnA, CsypA, CsynA} and an electrode pair constituting those capacitances. For example, a capacity Cfyp, which is a positive side servo capacity on the Coriolis detection side, is configured by a set of a capacity CfypA on the first inertial body 5A side and a capacity CfypB on the second inertial body 5B side. The circuit unit detects the difference from the set of capacitances.

回路部は、回路231、回路232、ロジック回路53を有する。回路231及び回路232の内部構成は、実施の形態1の図14の回路部のロジック回路53を除く部分と同様である。回路231は、第1慣性体5Aの容量に対する検出及びサーボ制御を行う。回路231は、第1慣性体5Aの第2電極に対し、サーボ制御信号の電圧を印加し、第1慣性体5Aの第3電極から、電圧を検出する。回路232は、第2慣性体5Bの容量に対する検出及びサーボ制御を行う。回路232は、第2慣性体5Bの第2電極に対し、サーボ制御信号の電圧を印加し、第2慣性体5Bの第3電極から、電圧を検出する。   The circuit portion includes a circuit 231, a circuit 232, and a logic circuit 53. The internal configuration of the circuit 231 and the circuit 232 is the same as that of the circuit portion in FIG. 14 of the first embodiment except the logic circuit 53. The circuit 231 performs detection and servo control on the capacity of the first inertial body 5A. The circuit 231 applies a voltage of a servo control signal to the second electrode of the first inertial body 5A, and detects a voltage from the third electrode of the first inertial body 5A. The circuit 232 performs detection and servo control on the capacity of the second inertial body 5B. The circuit 232 applies a voltage of a servo control signal to the second electrode of the second inertial body 5B, and detects a voltage from the third electrode of the second inertial body 5B.

回路231は、搬送波発生回路10を含み、回路232は、搬送波発生回路10を含まない。回路231の搬送波発生回路10から、搬送波C0が、第1慣性体5Aのノード2301及び第2慣性体5Bのノード2302に共通に印加される。回路231内の制御回路は、第1慣性体5Aからの検出電圧を含む信号OP1Aを出力する。回路231内の制御回路は、第2慣性体5Bからの検出電圧を含む信号OP1Bを出力する。ロジック回路53は、回路231からの信号OP1A、及び回路232からの信号OP1Bを用いて、角速度の計算を含む処理を行い、角速度検出情報を含む出力信号OP2を、外部へ出力する。   Circuit 231 includes carrier generation circuit 10, and circuit 232 does not include carrier generation circuit 10. The carrier wave generation circuit 10 of the circuit 231 commonly applies the carrier wave C0 to the node 2301 of the first inertial body 5A and the node 2302 of the second inertial body 5B. The control circuit in the circuit 231 outputs a signal OP1A including the detected voltage from the first inertial body 5A. The control circuit in the circuit 231 outputs a signal OP1B including the detected voltage from the second inertial body 5B. The logic circuit 53 performs processing including calculation of angular velocity using the signal OP1A from the circuit 231 and the signal OP1B from the circuit 232, and outputs an output signal OP2 including angular velocity detection information to the outside.

[(3−2)センサ要素_MEMS構造]
図24は、実施の形態3のセンサ要素2のMEMS実装構造例を示す。このセンサ要素2は、図23の2つの慣性体である第1慣性体5A及び第2慣性体5Bに対応して、2つのフレームに対応する2つの電極241,242を有する。これらの電極241,242は、互いに逆方向に働く。回路部で、角速度検出に係わる信号は、これらの電極241,242の信号の差分をとることにより得られる。
[(3-2) Sensor Element_MEMS Structure]
FIG. 24 shows an example of the MEMS mounting structure of the sensor element 2 of the third embodiment. This sensor element 2 has two electrodes 241 and 242 corresponding to two frames, corresponding to the first inertial body 5A and the second inertial body 5B which are two inertial bodies in FIG. These electrodes 241 and 242 work in opposite directions to each other. In the circuit section, a signal relating to angular velocity detection is obtained by taking the difference between the signals of these electrodes 241 and 242.

電極241,242は、それぞれ、実施の形態1の図19の電極190と概略同様構造である。電極241,242は、第1電極であり、搬送波C0の電圧Vcomが印加される。電極241,242において、二軸のサーボ制御及び検出に係わる8個の容量{Cfx{Cfxp,Cfxn},Cfy{Cfyp,Cfyn},Csx{Csxp,Csxn},Csy{Csyp,Csyn}}は、それらの容量を構成する電極対が、図示する電極部として設けられている。即ち、電極部{{Dfxp1,Dfxp2,Dfxp3,Dfxp4,Dfxn1,Dfxn2,Dfxn3,Dfxn4},{DfypA,DfynA,DfypB,DfynB},{Dsxp1,Dsxp2,Dsxn3,Dsxn4,Dsxn1,Dsxn2,Dsxp3,Dsxp4},{DsypA,DsynA,DsypB,DsynB}}を有する。電極241には、外周の一方辺に、電極部{Dfxp1,Dsxp1,Dsxn1,Dfxn1}が配置され、他方辺に、電極部{Dfxp2,Dsxp2,Dsxn2,Dfxn2}が配置されている。電極241の内周には、電極部{DsypA,DfypA,DfynA,DsynA}が配置されている。電極242には、外周の一方辺に、電極部{Dfxn3,Dsxn3,Dsxp3,Dfxp3}が配置され、他方辺に、電極部{Dfxn4,Dsxn4,Dsxp4,Dfxp4}が配置されている。電極241の内周には、電極部{DsynB,DfynB,DfypB,DsypB}が配置されている。   The electrodes 241 and 242 have substantially the same structure as the electrode 190 in FIG. 19 of the first embodiment. The electrodes 241 and 242 are first electrodes, to which the voltage Vcom of the carrier C0 is applied. In the electrodes 241 and 242, eight capacitances {Cfx {Cfxp, Cfxn}, Cfy {Cfyp, Cfyn}, Csx {Csxp, Csxn}, Csy {Csyp, Csyn}} involved in servo control and detection of two axes are The electrode pair which comprises those capacity | capacitances is provided as an electrode part to show in figure. That is, the electrode parts {{Dfxp1, Dfxp2, Dfxp3, Dfxp4, Dfxn1, Dfxn2, Dfxn3, Dfxn4}, {DfypA, DfynA, DfypB, DfynB}, {Dsxp1, Dsxp2, Dsxn3, Dsxn4, Dxxx, xcxx, xcx , {DsypA, DsynA, DsypB, DsynB}}. In the electrode 241, electrode portions {Dfxp1, Dsxp1, Dsxn1, Dfxn1} are disposed on one side of the outer periphery, and electrode portions {Dfxp2, Dsxp2, Dsxn2, Dfxn2} are disposed on the other side. On the inner periphery of the electrode 241, electrode parts {DsypA, DfypA, DfynA, DsynA} are disposed. In the electrode 242, electrode parts {Dfxn3, Dsxn3, Dsxp3, Dfxp3} are arranged on one side of the outer periphery, and electrode parts {Dfxn4, Dsxn4, Dsxp4, Dfxp4} are arranged on the other side. On the inner periphery of the electrode 241, electrode parts {DsynB, DfynB, DfypB, DsypB} are disposed.

例えば、コリオリ検出側の検出容量である正側の容量Csypを構成する電極は、電極241側の電極部DsypAと、電極242側の電極部DsypBとの2つの電極部で構成される。それらの電極部は、電極241及び電極242を通じて離れた位置に配置され、電気的に接続されている。他の容量についても同様である。   For example, an electrode constituting a positive side capacitance Csyp, which is a detection capacitance on the Coriolis detection side, is constituted by two electrode portions of an electrode portion DsypA on the electrode 241 side and an electrode portion DsypB on the electrode 242 side. The electrode parts are disposed at different positions through the electrode 241 and the electrode 242 and are electrically connected. The same is true for other capacities.

[(3−3)効果等]
実施の形態3の容量検出型及びサーボ制御方式の慣性検出装置であるMEMS角速度センサによれば、実施の形態1と同様に、低い電源電圧でもサーボ力を効率的に発生させることができ、検出精度の向上や劣化抑制を実現できる。実施の形態3では、2つの慣性体を用いて差分で検出を行う構成により、実施の形態1に対して、信号を2倍、S/Nをルート2倍にする効果があり、高い検出精度を実現できる。
[(3-3) effects, etc.]
According to the MEMS angular velocity sensor which is an inertial detection device of the capacitance detection type and the servo control system of the third embodiment, as in the first embodiment, the servo force can be efficiently generated even at a low power supply voltage It is possible to realize improvement in accuracy and suppression of deterioration. In the third embodiment, the configuration of performing detection by difference using two inertial bodies has an effect of doubling the signal and doubling the S / N with respect to the first embodiment, and high detection accuracy Can be realized.

以上、本発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。   As mentioned above, although this invention was concretely demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously in the range which does not deviate from the summary.

1…ベース部、2…センサ要素、3…フレーム、4…センスマス、10…搬送波発生回路、11…第1回路部、12…第2回路部、13…変調回路、21…第1高電圧発生回路、31,32…DAC、41,42…アナログ回路、51,52…制御回路、53…ロジック回路、131…遅延器、132…変調器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... base part, 2 ... sensor element, 3 ... frame, 4 ... sense mass, 10 ... carrier generation circuit, 11 ... first circuit part, 12 ... second circuit part, 13 ... modulation circuit, 21 ... first high voltage generation Circuits 31, 32 ... DAC, 41, 42 ... Analog circuits, 51, 52 ... Control circuits, 53 ... Logic circuits, 131 ... Delays, 132 ... Modulators.

Claims (11)

慣性検出装置であって、
慣性体を含むセンサ要素と、
前記慣性体に設けられている第1電極と、
前記第1電極との対で容量を構成する第2電極と、
を備え、
前記第1電極に入力される第1信号における第1周波数の第1周波数ピークと重なりのある周波数ピークを有する第2信号を、前記第2電極に入力して、前記慣性体をサーボ制御
前記第1電極に前記第1信号を出力するための第1回路と、
前記第2電極に前記第2信号を出力するための第2回路と、
変調回路と、
を備え、
前記第2信号は、前記第1周波数による変調を有する信号であり、
前記第2回路は、前記第2信号を出力するためのアナログ電圧出力信号を生成し、
前記変調回路は、前記アナログ電圧出力信号を、前記第1信号を用いて変調することにより、前記第2信号を生成する、
慣性検出装置。
An inertial detection device,
A sensor element including an inertial body,
A first electrode provided on the inertial body;
A second electrode that constitutes a capacitance in pairs with the first electrode;
Equipped with
A second signal having a frequency peak which is overlapping with the first frequency peak of the first frequency of the first signal input to said first electrode, is input to the second electrode, the inertial body servos,
A first circuit for outputting the first signal to the first electrode;
A second circuit for outputting the second signal to the second electrode;
A modulation circuit,
Equipped with
The second signal is a signal having modulation by the first frequency,
The second circuit generates an analog voltage output signal for outputting the second signal,
The modulation circuit generates the second signal by modulating the analog voltage output signal using the first signal.
Inertial detection device.
請求項記載の慣性検出装置において、
前記第1回路は、前記第1信号として、矩形波に基づいた搬送波を発生する、
慣性検出装置。
In the inertial detection device according to claim 1 ,
The first circuit generates a carrier wave based on a rectangular wave as the first signal,
Inertial detection device.
請求項記載の慣性検出装置において、
前記第1電極との対で容量を構成する第3電極から、前記容量の容量値を電圧値として検出するための第3回路を備え、
前記第2回路は、前記第3回路で検出した電圧値に基づいて、前記第2信号を出力するためのアナログ電圧出力信号を生成する、
慣性検出装置。
In the inertial detection device according to claim 1 ,
And a third circuit configured to detect a capacitance value of the capacitor as a voltage value from a third electrode that constitutes a capacitor in a pair with the first electrode.
The second circuit generates an analog voltage output signal for outputting the second signal based on the voltage value detected by the third circuit.
Inertial detection device.
請求項記載の慣性検出装置において、
前記第1回路は、電源電圧に基づいて、前記第1信号を発生し、
前記第2回路は、前記電源電圧に基づいて、前記アナログ電圧出力信号を生成する、
慣性検出装置。
In the inertial detection device according to claim 1 ,
The first circuit generates the first signal based on a power supply voltage.
The second circuit generates the analog voltage output signal based on the power supply voltage.
Inertial detection device.
請求項記載の慣性検出装置において、
前記変調回路は、前記アナログ電圧出力信号を変調する変調器を含み、
前記変調器は、複数のスイッチで構成される、
慣性検出装置。
In the inertial detection device according to claim 1 ,
The modulation circuit includes a modulator that modulates the analog voltage output signal,
The modulator comprises a plurality of switches,
Inertial detection device.
請求項記載の慣性検出装置において、
前記変調回路は、前記第1信号を遅延させる遅延器を含み、前記遅延器で遅延させた前記第1信号を用いて前記変調を行う、
慣性検出装置。
In the inertial detection device according to claim 1 ,
The modulation circuit includes a delay that delays the first signal, and performs the modulation using the first signal delayed by the delay.
Inertial detection device.
請求項1記載の慣性検出装置において、
前記第1電極に前記第1信号を出力するための前記第1回路と、
前記第2電極に前記第2信号を出力するための前記第2回路と、
前記第1電極との対で容量を構成する第3電極から、前記容量の容量値を電圧値として検出するための第3回路と、
を備え、
前記慣性体は、第1方向の変位が可能な第1マスと、第2方向の変位が可能な第2マスと、を有し、
前記第1回路は、前記第1マス及び前記第2マスを構成する前記第1電極に前記第1信号を共通に出力し、
前記第2回路は、前記第2マスのサーボ容量を構成する前記第2電極に前記第2信号を出力し、
前記第3回路は、前記第2マスの検出容量を構成する前記第3電極から前記電圧値を検出し、前記電圧値に基づいて前記慣性体に加えられた角速度を検出する、
慣性検出装置。
In the inertial detection device according to claim 1,
Said first circuit for outputting the first signal to the first electrode,
It said second circuit for outputting said second signal to said second electrode,
A third circuit for detecting a capacitance value of the capacitor as a voltage value from a third electrode which constitutes a capacitor in a pair with the first electrode;
Equipped with
The inertial body has a first mass capable of displacement in a first direction and a second mass capable of displacement in a second direction,
The first circuit outputs the first signal in common to the first electrodes constituting the first mass and the second mass,
The second circuit outputs the second signal to the second electrode constituting the servo capacitance of the second mass,
The third circuit detects the voltage value from the third electrode constituting the detection capacitance of the second mass, and detects an angular velocity applied to the inertial body based on the voltage value.
Inertial detection device.
請求項1記載の慣性検出装置において、
前記第1電極に前記第1信号を出力するための前記第1回路と、
前記第2電極に前記第2信号を出力するための前記第2回路と、
前記第1電極との対で容量を構成する第3電極から、前記容量の容量値を電圧値として検出するための第3回路と、
を備え、
前記慣性体は、所定方向の変位が可能なマスを有し、
前記第1回路は、前記マスを構成する前記第1電極に前記第1信号を共通に出力し、
前記第2回路は、前記マスのサーボ容量を構成する前記第2電極に前記第2信号を出力し、
前記第3回路は、前記マスの検出容量を構成する前記第3電極から前記電圧値を検出し、前記電圧値に基づいて前記慣性体に加えられた加速度を検出する、
慣性検出装置。
In the inertial detection device according to claim 1,
Said first circuit for outputting the first signal to the first electrode,
It said second circuit for outputting said second signal to said second electrode,
A third circuit for detecting a capacitance value of the capacitor as a voltage value from a third electrode which constitutes a capacitor in a pair with the first electrode;
Equipped with
The inertial body has a mass that can be displaced in a predetermined direction,
The first circuit outputs the first signal in common to the first electrodes constituting the mass,
The second circuit outputs the second signal to the second electrode constituting the servo capacitance of the mass,
The third circuit detects the voltage value from the third electrode constituting the detection capacitance of the mass, and detects an acceleration applied to the inertial body based on the voltage value.
Inertial detection device.
慣性検出装置であって、
センサ要素に入力される搬送波における第1周波数の第1周波数ピークと重なりのある周波数ピークを有するサーボ制御信号によって前記センサ要素をサーボ制御
前記センサ要素の第1電極に前記搬送波を出力するための第1回路と、
前記センサ要素の第2電極に前記サーボ制御信号を出力するための第2回路と、
変調回路と、
を備え、
前記サーボ制御信号は、前記第1周波数による変調を有する信号であり、
前記第2回路は、前記サーボ制御信号を出力するためのアナログ電圧出力信号を生成し、
前記変調回路は、前記アナログ電圧出力信号を、前記搬送波を用いて変調することにより、前記サーボ制御信号を生成する、
慣性検出装置。
An inertial detection device,
Servos said sensor element by a servo control signal having a frequency peak which is overlapping with the first frequency peak of the first frequency in a carrier wave input into the sensor element,
A first circuit for outputting the carrier wave to a first electrode of the sensor element;
A second circuit for outputting the servo control signal to a second electrode of the sensor element;
A modulation circuit,
Equipped with
The servo control signal is a signal having modulation by the first frequency,
The second circuit generates an analog voltage output signal for outputting the servo control signal,
The modulation circuit generates the servo control signal by modulating the analog voltage output signal using the carrier wave.
Inertial detection device.
請求項記載の慣性検出装置において、
前記センサ要素の慣性体を駆動する前記サーボ制御信号は、前記第1周波数よりも低い第2周波数に周波数ピークを有する、
慣性検出装置。
In the inertial detection device according to claim 9 ,
The servo control signal driving an inertial body of the sensor element has a frequency peak at a second frequency lower than the first frequency.
Inertial detection device.
請求項記載の慣性検出装置において、
前記センサ要素の慣性体からの検出信号に基づいてデジタルアナログ変換器で生成されたアナログ電圧出力信号は、前記第1周波数よりも低い第2周波数に第2周波数ピークを有し、
前記慣性体を駆動する前記サーボ制御信号は、前記搬送波を用いて前記アナログ電圧出力信号を変調した後の信号であって、前記第2周波数ピークと重なりのある周波数ピークを有する、
慣性検出装置。
In the inertial detection device according to claim 9 ,
The analog voltage output signal generated by the digital-to-analog converter based on the detection signal from the inertial body of the sensor element has a second frequency peak at a second frequency lower than the first frequency,
The servo control signal for driving the inertial body is a signal obtained by modulating the analog voltage output signal using the carrier wave, and has a frequency peak overlapping with the second frequency peak.
Inertial detection device.
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