TWI576566B - Inertial force sensor - Google Patents

Description

慣性力感測器 技術領域

本發明係有關於一種手機或智慧型手機等資訊通訊終端之輸入裝置、用於數位相機等之手振修正、導航系統、汽車控制系統等所使用之角速度感測器及加速度感測器等之慣性力感測器及其所使用之零點修正方法。

背景技術

第17圖係習知之慣性力感測器801之功能區圖。慣性力感測器801包含被賦予慣性力之檢測元件802、可檢測對應上述慣性力之慣性量之檢測電路803、與檢測電路803之輸出側連接之低通濾波器(LPF)804、可修正LPF804之輸出之修正電路805。修正電路805則包含可自外部寫入修正量而保持該修正量之修正量保持部806、與LPF804之輸出側及修正量保持部806之輸出側連接之修正部807。修正部807可基於修正量保持部806所保持之修正量而修正LPF804之輸出值。

一般要求慣性力感測器801在未輸入慣性力時輸出零等之預定基準值之訊號，輸入慣性力後則輸出對應該慣性力之訊號。因此，慣性力感測器801可測定檢測元件802之製造偏差所致之輸出偏差，以及檢測電路803之電性偏移等所導致之輸出偏移(初始偏移)，並在該修正值保持於修正量保持部806內之狀態下加以出貨。

又，慣性力感測器之製程中發生之輸出偏移以外，慣性力感測器之動作中即便發生周圍之溫度之急劇變化，輸出偏移之值亦將與初始值不同。即便發生上述之溫度變化亦欲修正輸出偏移，故在製程中，將用於修正假設之溫度變化所對應之輸出偏移之修正量逐次記憶於非依電性記憶體中，而設置查找表。參照該查找表，即可修正對應周圍溫度之變化之適當之輸出偏移。

出貨時，在製程中作成並搭載已寫入周圍溫度值與輸出偏移修正值之查找表，將增加慣性力感測器801之製造工時，並提高製造成本。

慣性力感測器801可應用於檢測攝影機之畫面振動之電路。此時，慣性力感測器801係檢測角速度作為慣性力而檢測畫面振動，並輸出對應其檢測結果之修正角度訊號。上述攝影機中，在啟動電源而藉慣性力感測器取得正式之角速度訊號之期間內，係呈不藉修正角度訊號進行修正之狀態而避免電源啟動時之畫面振動。

慣性力感測器801中，即便出貨時已寫入修正值後，舉例言之，因對檢測元件802施加應力或歷時變化及環境改變，即便在未輸入慣性力之狀態下，亦可能發生輸出偏移。為除去偏移，可插入高通濾波器。然而，高通濾波器之延遲時間將導致慣性力感測器之電源啟動及解除休眠等之修正開始時，欲使檢測訊號安定甚為耗時。

與慣性力感測器801類似之習知之慣性力感測器已揭露於專利文獻1~5中。

【先行技術文獻】 【專利文獻】

【專利文獻1】日本專利特開平5-207356號公報

【專利文獻2】日本專利特開2000-088578號公報

【專利文獻3】日本專利特開2001-147167號公報

【專利文獻4】日本專利特開2001-327002號公報

【專利文獻5】日本專利特表2002-501168號公報

發明概要

本發明之慣性力感測器之檢測部可輸出對應慣性力之被修正訊號。並修正被修正訊號而生成修正後訊號。在第1時點取得第1環境值。在第1時點之後之第2時點則取得第2環境值。接著算出第1環境值與第2環境值之差分值作為環境差分值。環境差分值之絕對值大於預定之判定閾值時，則輸出環境變化檢測訊號。且，在持續至第1時點之預定期間內使修正後訊號平均化而輸出第1平均化訊號。並在持續至第2時點之預定期間內使修正後訊號平均化而輸出第2平均化訊號。再算出第1平均化訊號與第2平均化訊號之差分值作為偏移差分值。輸出環境變化檢測訊號後，則保持偏移差分值。為修正被修正訊號而生成修正後訊號，並將所保持之偏移差分值加入被修正訊號而生成修正後訊號。藉上述方法，即便周圍溫度等環境發生急劇變化，亦可輕易減少輸出偏移。

圖式簡單說明

第1圖係第1實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第2圖係第1實施形態之慣性力感測器之檢測元件之上面圖。

第3圖係第2圖所示之檢測元件之線3-3之截面圖。

第4圖係第1實施形態之慣性力感測器之檢測電路與驅動電路之功能區圖。

第5圖係第1實施形態之慣性力感測器之環境變化檢測部之功能區圖。

第6圖係第1實施形態之慣性力感測器之偏移設定部之功能區圖。

第7圖係顯示第1實施形態之慣性力感測器之訊號者。

第8圖係第2實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第9圖係顯示第2實施形態之慣性力感測器之訊號者。

第10A圖係顯示第2實施形態之慣性力感測器之高通濾波器之頻率特性者。

第10B圖係顯示第2實施形態之慣性力感測器之修正量生成部之頻率特性者。

第11圖係顯示第2實施形態之慣性力感測器之輸出者。

第12圖係第3實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第13圖係第4實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第14圖係第5實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第15圖係第6實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第16圖係第6實施形態之慣性力感測器之高通濾波器之電路圖。

第17圖係習知之慣性力感測器之功能區圖。

用以實施發明之形態 (第1實施形態)

第1圖係第1實施形態之慣性力感測器8之功能區圖。慣性力感測器8則包含檢測元件9、用以驅動被賦予角速度等慣性力之檢測元件9之驅動電路13、用以檢測對應檢測元件9所被賦予之慣性力之慣性量之檢測電路10、可將檢測電路10所輸出之類比訊號轉換成數位訊號之類比數位(A/D)轉換器14、可供輸入業經A/D轉換器14之轉換之數位訊號之低通濾波器(LPF)11、用於修正LPF11之輸出之修正部12。慣性力感測器8進而包含可檢測周圍溫度之變化之環境變化檢測部5，以及可基於環境變化檢測部5所輸出之環境變化檢測訊號Sc而設定偏移修正值Sm之偏移設定部6。藉以上構造，慣性力感測器8即便在周圍環境發生急劇變化時，亦可輕易減少輸出偏移，因而可提昇輸出之精度。

第2圖係作為檢測元件9之音叉型之角速度感測元件101之上面圖。第3圖係第2圖所示之角速度感測元件101之線3-3之截面圖。角速度感測元件101包含音叉型之矽基板102、103、形成於矽基板102、103上之底電極108、109、110、111、112、113。角速度感測元件101進而包含分別形成於底電極108、109、110、111、112、113上之壓電薄膜114、115、116、117、118、119，以及分別形成於壓電薄膜114、115、116、117、118、119上之頂電極120、121、 122、123、124、125。頂電極120、122、123、125係驅動電極。頂電極121、124則係檢測電極。另，底電極全部連接成基準電位。矽基板102、103朝Y軸方向延伸而分別構成臂部106、107。臂部106、107則排列於X軸方向上。X軸、Y軸、Z軸互成直角。

角速度感測元件101可藉朝驅動電極120、122、123、125施加預定之驅動電壓，而朝第2圖所示之X軸方向振動。在朝X軸方向振動之狀態下，一旦朝角速度感測元件101施加Y軸周圍之角速度，則將因角速度所致生之柯氏力而使臂部106、107朝Z軸方向撓曲。隨之，將因壓電薄膜115、118之撓曲，而於檢測電極121、124產生電荷。其電荷量則與柯氏力成比例，故可檢測角速度。

角速度感測元件101之臂部106、107係朝X軸之相逆方向移動而振動。故而，朝Y軸周圍施加角速度時所產生之柯氏力將使臂部106、107分別朝Z軸之相逆方向撓曲。因此，對應柯氏力而產生於檢測電極121、124之電荷，或連接電路時所流動之電流彼此具有反極性。

電極126可輸出與臂部106、107之驅動振動同步之訊號。上述訊號具有與驅動振動相同之頻率。電極126所輸出之訊號將輸入驅動電路13，再輸入檢測電路67之同步檢波器65。

第4圖係分別作為檢測電路10與驅動電路13使用之檢測電路67與驅動電路51之功能區圖。輸入端子60、61分別與角速度感測元件101之檢測電極121、124電性連接。於角 速度感測元件101之檢測電極121、124將產生互為反極性之電流，該等電流則藉電流電壓轉換器62、63而轉換成電壓，並藉差動放大器64進行差動演算，而可實質進行合計。差動放大器64所輸出之訊號將輸入同步檢波器65，再藉時脈生成器50所輸出之時脈訊號進行同步檢波，再自檢波輸出端子66輸出作為檢波訊號。

驅動電路51可驅動第2及3圖所示之角速度感測元件101。監測輸入端子40與監測電極126電性連接。於電極126產生之電荷所致生之監測電流則與驅動振動同步。電流電壓轉換器41可將監測電流轉換成電壓而輸出監測訊號。作為轉換成電壓之監測電流之監測訊號則藉直流(DC)轉換器42轉換成DC訊號。自動增益控制(AGC)電路43則依對應DC轉換器42所輸出之DC訊號之位準之增益而放大監測訊號。帶通濾波器(BPF)44則可除去業經放大之監測訊號之多餘之頻率成分。輸出放大器45可放大BPF44之輸出。反相放大器46可使輸出放大器45之輸出反轉。輸出放大器45之輸出端與驅動輸出端子47連接，反相放大器46之輸出端則與驅動輸出端子48連接。驅動輸出端子47、48並與角速度感測元件101之驅動電極120、122、123、125中預定之電極連接。

驅動電路51之監測輸入端子40及驅動輸出端子47、48與角速度感測元件101連接而形成驅動迴路。其次，則藉自我振盪而朝角速度感測元件101施加驅動電壓。DC轉換器42所輸出之DC訊號之位準若增加，AGC電路43之增益將減 少，其位準若減少，則AGC電路43之增益將增加。藉以上控制，可使輸入AGC電路43之監測訊號之位準為大致一定，結果則可將驅動振動之振幅維持為一定。

移相器49可使已藉電流電壓轉換器41轉換成電壓之監測訊號之相位旋轉90度。時脈生成器50則利用移相器49之輸出而生成用於同步檢波之矩形波之時脈訊號。檢測電路67之同步檢波器65則使用時脈訊號而進行同步檢波。

慣性力感測器8在未輸入慣性力時將輸出零等預定基準值之訊號，已輸入慣性力後則輸出對應該慣性力之值之訊號。輸出偏移係未輸入慣性力時所輸出之訊號之值與預定基準值之差。慣性力感測器8在動作時即便發生周圍溫度之急劇變化等環境變化，亦可減少輸出偏移。

第1圖所示之A/D轉換器14可將同步檢波器65所輸出之類比訊號之檢波訊號轉換成數位訊號。LPF11可使轉換成數位訊號後之檢波訊號中在預定之截止頻率以下之頻率成分通過而加以輸出作為被修正訊號Sf，且不使高於截止頻率之頻率成分通過。即，LPF11係使檢測電路10所輸出之訊號中高於預定之截止頻率之頻率成分衰減，而將訊號之頻段限制在包含必要之角速度成分之頻段，並抑制多餘訊號之一部分。然而，LPF11可能無法將伴隨周圍環境之急劇變化而發生之慣性力感測器8之輸出偏移視為多餘訊號而加以抑制。

第1實施形態之慣性力感測器8包含環境變化檢測部5及偏移設定部6，即便發生周圍溫度等周圍環境之急劇變 化，亦可減少輸出偏移。以下，說明即便慣性力感測器8發生周圍環境之急劇變化，亦可減少輸出偏移之零點修正方法。慣性力感測器8可對應周圍環境發生之周圍溫度之變化而執行修正動作。檢測元件9、檢測電路10、，驅動電路13、A/D轉換器14及LPF11則構成可檢測檢測元件9所被賦予之角速度及加速度等慣性力，而輸出對應上述慣性力之被修正訊號Sf之檢測部8A。

第5圖係環境變化檢測部5之功能區圖。環境變化檢測部5包含環境值保持部21、環境值差分演算部22、環境值比較部23。環境值保持部21可匯入檢測元件9之周圍溫度值之環境值Ta並加以保持而輸出作為環境值Tm。環境值差分演算部22則可算出環境值保持部21所保持之環境值Tm與目前之環境值Ta之差分之絕對值之環境差分值Dt。環境值比較部23可比較所算出之環境差分值Dt與預定之判定閾值Tth。

環境值保持部21中所保持之環境值Ta之初始值Ti係慣性力感測器8之製程中之環境值Ta。製程中已調整慣性力感測器8而使在環境值Ta之初始值Ti下之輸出偏移為0。

實際使用慣性力感測器8時之周圍溫度下之環境與製程中之周圍溫度下之周圍環境大多不同。慣性力感測器8之製程中至出貨時，環境值保持部21均保持初始值Ti作為環境值Tm。環境值差分演算部22則按預定之各時間間隔Tr分別輸出實際之環境值Ta與環境值保持部21所保持之環境值Tm之差分之絕對值。

環境值比較部23則按預定之各時間間隔Tr分別比較環境差分值Dt與判定閾值Tth。具體而言，鎖存訊號將按預定之時間間隔Tr之間隔輸入環境值比較部23，並以上述鎖存訊號作為觸發訊號而檢測自環境差分值Dt減去判定閾值Tth所得之差分。所測得之差分若為正值，則環境值比較部23將判斷發生環境變化而輸出環境變化檢測訊號Sc。差分若在零以下，則環境值比較部23將判斷未發生環境變化而不輸出環境變化檢測訊號Sc。第1實施形態中，預定之時間間隔Tr為5msec以上。

如上所述，大於環境差分值Dt之判定閾值Tth之變化發生時，將產生環境變化檢測訊號Sc，大於環境差分值Dt之判定閾值Tth之變化未發生時，則不產生環境變化檢測訊號Sc。其次，基於環境變化檢測訊號Sc而可修正慣性力感測器8之輸出。另，可自環境變化檢測部5之外部及慣性力感測器8之外部設定判定閾值Tth，故可輕易變更之。

產生環境變化檢測訊號Sc之時點之環境值Ta將匯入環境值保持部21而保持作為環境值Tm。具體而言，環境值保持部21係以環境變化檢測訊號Sc作為鎖存訊號而匯入環境值Ta並加以保持作為環境值Tm。藉上述動作，即可以測得環境變化之時點之環境值Ta作為基準值，而比較該時點以後之環境值Ta之變化。

第6圖係偏移設定部6之功能區圖。偏移設定部6包含平均處理部31、平均化訊號保持部32、差分演算部33、修正量保持部34。平均處理部31可輸出修正部12(參照第1圖)在 現在時點之前之預定之期間Pa內所輸出之修正後訊號So經加算平均所得之平均化訊號Sa。平均化訊號保持部32則可保持而輸出平均處理部31所輸出之平均化訊號Sa作為平均化訊號Ss。差分演算部33可算出自平均化訊號保持部32所保持之平均化訊號Ss減去平均化訊號Sa所得之差分作為偏移差分值Do。修正量保持部34則可保持偏移差分值Do。

修正部12所輸出之修正後訊號So將因周圍環境之周圍溫度之變化而發生偏移。因此，為修正上述偏移並維持適當之零點，修正部12將加算偏移設定部6所輸出之偏移修正值Sm與LPF11所輸出之被修正訊號Sf。

平均處理部31可算出在某時點之前之預定之期間Pa內由修正部12輸出之修正後訊號So經平均化所得之平均化訊號Sa，而加以輸出作為該時點之平均化訊號Sa。平均處理部31並在預定之期間Pa內按預定之各時間間隔Tq分別加算修正部12所輸出之修正後訊號So之偏移值而進行累計。

第1實施形態中，平均處理部31係使用數位加法器而算出按預定之各時間間隔Tq僅加算32次偏移值所得之累計值。即，預定之期間Pa係預定之時間間隔Tq之32倍。其次，使累計值朝下位方向轉變4位元量，即可將累計值除以32而加以平均化以算出平均化訊號Sa。一般而言，平均處理部31按預定之各時間間隔Tq僅加算2ⁿ次修正後訊號So而算出累計值，並使算出之累計值朝下位方向轉變n位元，即可輕易獲致平均化訊號Sa。在此，數n乃自然數。預定之期間Pa係預定之時間間隔Tq之n倍。第1實施形態中，作為用於加 算修正後訊號So之間隔之預定之時間間隔Tq雖係匯入環境值之預定之時間間隔Tr之1/32，但短於預定之時間間隔Tr之1/32時間。即，第1實施形態之慣性力感測器8中，作為平均處理部31加算修正後訊號So僅n次之期間之預定之期間Pa雖與檢測環境值之預定之時間間隔Tr相同，但亦可短於預定之時間間隔Tr。

平均化訊號保持部32所保持之偏移修正值Sm之初始值係慣性力感測器8之製程中所設定之加法平均偏移值。該初始值已配合製程之環境值而調整成可使修正後訊號So之偏移為零。然後，則匯入而保持在環境變化檢測訊號產生之時點之前業經加法平均化之來自平均處理部31之平均化訊號Sa。

差分演算部33可算出與按預定之各時間間隔Tr而產生之鎖存訊號同步而業經加法平均化至目前為止之來自平均處理部31之平均化訊號Sa與平均化訊號保持部32所輸出之加法平均偏移值之差分值作為偏移差分值。上述偏移差分值則按預定之各時間間隔Tr而更新。

修正量保持部34可基於環境變化檢測訊號Sc而保持差分演算部33所輸出之偏移差分值。同時，修正量保持部34可朝修正部12輸出其所保持之偏移差分值作為偏移修正值Sm。修正部12則可輸出加算LPF11所輸出之被修正訊號Sf後所得之修正後訊號So。偏移差分值Do雖可按預定之各時間間隔Tr而更新，但若未產生環境變化檢測訊號Sc，修正量保持部34即不更新所保持之偏移差分值，故而不更新偏 移修正值Sm。即，產生環境變化檢測訊號Sc後，修正量保持部34乃保持差分演算部33所輸出之偏移差分值Do而更新偏移修正值Sm。進而，修正量保持部34在未產生環境變化檢測訊號Sc時，修正量保持部34則不更新所保持之偏移差分值，且不更新偏移修正值Sm。

第7圖係顯示慣性力感測器8之訊號，並顯示環境變化檢測訊號Sc、環境值Ta、Tm、偏移差分值Do及偏移修正值Sm者。第1實施形態中，環境值係溫度之值。

時點tp0時將產生環境變化檢測訊號Sc，環境值保持部21則保持環境值T1。且時點tp0時，修正量保持部34將保持時點tp0時之偏移差分值Do。平均化訊號保持部32則保持時點tp0時之平均化訊號Sa作為平均化訊號Ss。

在時點tp0之後且產生次一環境變化檢測訊號Sc之前，環境值保持部21將保持環境值T1，產生環境變化檢測訊號Sc後，環境值保持部21則保持環境值T2。環境值T1、T2與判定閾值Tth則滿足T2-T1>Tth之條件。

在時點tp0之後之時點tp1時產生環境變化檢測訊號Sc後，環境值保持部21所保持之環境值將從環境值T1改為環境值T2。到時點tp1之前，平均化訊號保持部32已保持前次產生環境變化檢測訊號Sc之時點tp0時之平均化訊號Sa作為平均化訊號Ss。平均化訊號保持部32將重新匯入時點tp1時產生環境變化檢測訊號Sc後平均處理部31所輸出之平均化訊號Sa，並加以保持作為平均化訊號Ss。同時，修正量保持部34將匯入而保持產生環境變化檢測訊號Sc之時點 tp1時差分演算部33所輸出之偏移差分值Do。修正部12則將所匯入而保持之偏移差分值Do加入LPF11所輸出之被修正訊號Sf，而使修正後訊號So維持適當之零點。

一旦適當維持零點，則其後之差分演算部33所算出之偏移差分值Do之絕對值將如第7圖所示而在時點tp1時減小。

另，在T2-T1>Tth之條件下，修正部12所加算之偏移差分值Do(偏移修正值Sm)為負值時，一般而言，在T1-T2>Tth條件下之修正部12所加算之偏移差分值Do則為正值。

時點tp1以後亦相同，在環境值Ta自環境值T2僅改變大於判定閾值Tth之絕對值而為環境值T3時，環境變化檢測部5之環境值比較部23將輸出環境變化檢測訊號Sc，環境值保持部則保持環境值T3。一旦輸出環境變化檢測訊號Sc，則此時之平均化訊號Sa將保持於平均化訊號保持部32作為平均化訊號Ss，修正量保持部34則保持此時之偏移差分值Do作為偏移修正值Sm。

上述之偏移調整係在檢測元件9未被賦予慣性力時進行者。

又，上述之零點修正方法不僅可應用於慣性力感測器8之X軸方向之偏移調整，並可應用於Y軸方向、Z軸方向之偏移調整。

如上所述，使用零點修正方法之慣性力感測器8即便在周圍環境發生急劇變化時，亦可輕易減少輸出偏移。

另，第1實施形態之慣性力感測器8中，溫度之值即環 境值。然而，不限於溫度，諸如就光線、聲音、加速度、壓力等之慣性力感測器8之周圍環境之變化進行零點修正時，亦可加以應用。進而，第1實施形態之慣性力感測器8雖係藉A/D轉換器14而進行數位訊號處理，但第1實施形態之慣性力感測器8亦可不設A/D轉換器14而採用類比處理以進行零點修正。

(第2實施形態)

第8圖係第2實施形態之慣性力感測器208之功能區圖。第8圖中，就與第1至4圖所示之第1實施形態之慣性力感測器8相同之部分附有相同之參照標號。第2實施形態之慣性力感測器208包含：被賦予角速度等慣性力之檢測元件9、可檢測對應檢測元件9所被賦予之慣性力之慣性量之檢測電路10、可將檢測電路10所輸出之類比訊號轉換成數位訊號之類比/數位(A/D)轉換器220、可供輸入業經A/D轉換器220之轉換之數位訊號之低通濾波器(LPF)211、可修正LPF211之輸出之修正電路212、可產生用於使A/D轉換器220以後之各電路進行動作之時脈訊號之時脈產生器221。

修正電路212包含與LPF211之輸出側連接之修正量生成部213a、與修正量生成部213a之輸出側連接之修正量保持部214、與LPF211之輸出側及修正量保持部214之輸出側連接之修正部215。

修正部215與第1至4圖所示之第1實施形態之慣性力感測器8之修正部12相同，可基於修正量保持部214所保持之修正量而修正LPF211之輸出值。藉以上構造，即便在出貨 時已寫入修正值後，於未輸入慣性力之狀態下，亦可減少輸出值所包含之輸出偏移。

又，慣性力感測器208不僅可減少對檢測元件9施加慣性力以外之應力所致之輸出偏移，亦可減少因環境變動、外殼、檢測元件9及檢測電路10等之歷時變化所致之輸出偏移。

檢測元件9及檢測電路10之歷時變化所伴生之輸出偏移之頻率低於所需之角速度成分之頻率，而為諸如0.001Hz以下或0Hz。舉例言之，用於安裝感測器之基板之翹曲所致生之外部應力所導致之輸出偏移之頻率遠低於所需之角速度成分之頻率，大致呈現為直流(DC)成分。

第17圖所示之習知之慣性力感測器801係藉出貨時所保持之修正值而修正LPF804之輸出，故出貨後使用慣性力感測器801之期間之檢測元件9及檢測電路之歷時變化所伴生之輸出偏移則無法修正。第2實施形態之慣性力感測器208則在出貨後亦可減少輸出偏移。

以下，詳細說明慣性力感測器208之動作。LPF211係可使檢測電路10之輸出中包含預定之截止頻率以上之頻率之成分衰減，而將頻段限制在包含必要之角速度成分之頻段，並抑制多餘訊號之一部分之濾波器。另，亦可不使用LPF211，而改用設成可使包含必要之角速度成分之頻段之訊號通過之帶通濾波器等。

修正量生成部213a則包含與LPF211之輸出側連接之高通濾波器(HPF)213b、與LPF211之輸出側及HPF213b之輸出 側連接之演算電路213c。演算電路213c可輸出LPF211之輸出值與HPF213b之輸出值之差分值。

在此，將LPF211之截止頻率fcl設成高於HPF213b之截止頻率fch。藉以上構造，即可擷取低於HPF213b之截止頻率fch之頻率成分作為輸出偏移。

舉例言之，所需之角速度成分之頻率在0.001Hz~20Hz之頻率範圍內時，則使LPF211之截止頻率為20Hz以上，HPF213b之截止頻率則為0.001Hz以下。藉此，即可檢測0.001Hz~20Hz之頻率範圍內之角速度成分，並除去0.001Hz以下之多餘偏移成分。

時脈產生器221係由時脈生成部222及時脈選擇部223所構成。時脈生成部222可生成頻率f0之時脈CLK0、頻率f1之時脈CLK1、高於頻率f1之頻率f2之時脈CLK2之3種頻率之時脈。時脈選擇部223則可依循自外部供入之時脈選擇訊號CSEL而選擇時脈CLK1及CLK2之任一時脈，並輸出所選出之時脈作為時脈CLK。

對HPF213b之時脈輸入端已供入時脈CLK，對HPF213b以外之電路即A/D轉換器220、LPF211、演算電路213c、修正量保持部214、修正部215則已供入時脈CLK0。時脈CLK0、CLK1、CLK2之頻率f0、f1、f2之任2種頻率之比值為2之乘冪，依不同頻率之時脈動作之電路間則進行取樣值之插值或刪減。

時脈CLK0之頻率f0必須依抽樣定理而設成角速度檢測訊號之頻段之至少2倍以上。第2實施形態中，係設成 f0=1kHz、f1=125Hz、f2=8kHz。

以下，說明慣性力感測器208之修正開始時之反應性之提昇即提高反應速度之方法。修正開始之反應若較為耗時，在將慣性力感測器208搭載於諸如相機後，於修正開始後將立即在監測畫面內發生監測影像之晃動。在此，所謂慣性力感測器208之修正開始時係指慣性力感測器208之電源開啟時、已接收來自外部之主機之指令訊號時，或慣性力感測器208為省電而設有休眠模式時之該休眠模式之解除時等。

慣性力感測器208中，修正開始之回應延遲之理由一如前述，係因必須將HPF213b之截止頻率fch設成極低，而使HPF213b收斂即在HPF213b之輸出值安定之前之收斂時間延長之故。第2實施形態之慣性力感測器208中，HPF213b之截止頻率fch僅於修正開始時切換成高於正常操作狀態之截止頻率fch之頻率，而已縮短HPF213b之收斂時間以提昇修正開始時之反應性。HPF213b之截止頻率之切換則詳細說明如下。

第8圖中，HPF213b係由預定次數之數位濾波器所構成。數位濾波器由諸如有限脈衝反應(以下稱為FIR)濾波器所構成時，數位濾波器之頻率特性將視次數、濾波器係數及供入數位濾波器之時脈之頻率而定。若使次數與濾波器係數為固定，則提高時脈之頻率，將提高截止頻率，若降低時脈之頻率，則將降低截止頻率。因此，第2實施形態中，係藉供入HPF213b之時脈CLK而切換截止頻率。

數位濾波器之截止頻率之切換方法亦可考量採用可使時脈之頻率固定而切換濾波器係數之方法。然而，為將截止頻率設定成接近DC，需要高次之數位濾波器，而將增大尺寸，耗電亦將增加。又，切換濾波器係數需要暫將數位濾波器重設，故濾波器係數之切換將較為耗時，且其切換期間內將中斷數位濾波器之輸出。而，若採用第2實施形態之慣性力感測器201之時脈之頻率之切換方法，則可立即連續切換截止頻率。

第9圖係顯示慣性力感測器208之時脈CLK1、時脈CLK2、時脈選擇訊號CSEL、時脈CLK之波形者。

開始修正之修正開始之時點ts時，時脈選擇訊號CSEL為高位準(H)，自修正開始之時點ts起僅經過至修正結束之預定時點t0為止之修正期間P0後，時脈選擇訊號CSEL則自高位準切換為低位準(L)。時脈選擇部223則在時脈選擇訊號CSEL為高位準之修正期間P0內選擇較高之頻率f2之時脈CLK2而加以輸出作為時脈CLK，並在時脈選擇訊號CSEL為低位準之正常操作期間P1內選擇較低之頻率f1之時脈CLK1而加以輸出作為時脈CLK。藉此，供入HPF213b之時脈輸入端之時脈CLK將在自修正開始之時點ts起經過修正期間P0後由時脈CLK2連續切換為時脈CLK1。修正期間T0可為預設之固定值，亦可自外部加以調整。如後所述，修正期間P0宜長於HPF213b之收斂時間。第2實施形態中，在時點ts之前，時脈選擇訊號CSEL為低位準，因此，時點ts之前之期間內，時脈選擇部223係選擇時脈CLK1而加以輸 出作為時脈CLK。

始自預定時點t0之正常操作期間P1內，時脈選擇部223係選擇時脈CLK1而加以輸出作為時脈CLK。正常操作期間P1內，修正部215則基於修正量保持部214所保持之修正量而減少輸出偏移以修正LPF211之輸出而輸出角速度成分。

第10A圖係顯示HPF213b之頻率特性者。第10B圖係顯示修正量生成部213a即演算電路213c之輸出之頻率特性者。第10A圖中，橫軸代表頻率，縱軸代表HPF213b之增益。第10B圖中，橫軸代表頻率，縱軸代表修正量生成部213a即演算電路213c之增益。第10A圖中，實線代表之特性231係LPF211之頻率特性，鏈線代表之特性233係修正期間P0內之HPF213b之頻率特性，虛線代表之特性232係正常操作期間P1內之HPF213b之頻率特性。第10B圖中，鏈線代表之特性235係修正期間P0內之修正量生成部213a之頻率特性，虛線代表之234係正常操作期間P1內之修正量生成部213a之頻率特性。

如第10A圖中箭號Y1所示，使供入HPF213b之時脈輸入端之時脈CLK之頻率在修正開始時由f1(=125Hz)提高為f2(=8kHz)，即可使HPF213b之特性由特性232改為特性233而提高截止頻率fch，並縮短HPF213b之收斂時間。修正期間P0結束後，則如箭號Y2所示，使供入HPF213b之時脈輸入端之時脈CLK之頻率降至f1=125Hz，則可如特性232般將截止頻率fch降至角速度檢測訊號230之頻段以下。

藉上述之動作，將如第10B圖所示，在正常操作期間P1 內，可自演算電路213c所輸出之修正訊號如特性234般在角速度檢測訊號230之頻段以下範圍內提取DC附近之低頻之輸出偏移。修正期間P0中，修正訊號雖包含角速度檢測訊號230之一部分，但該期間內未使用慣性力感測器208之輸出，故不成問題。另，修正部215亦可不自修正開始之時點ts起在預定時間內進行修正。如此，則可減少正常操作時之輸出偏移，並加速修正開始時之反應。

第11圖係顯示第2實施形態之慣性力感測器208之修正電路212之輸出者，並顯示修正輸出達到安定範圍為止之時間(HPF213b之收斂時間)。第11圖中，縱軸代表顯示為數位值之輸出電壓，橫軸代表時間。第11圖並顯示對檢測元件9(參照第2圖)施加Y軸周圍之角速度後之特性。第11圖中，虛線所示之電壓237係供入HPF213b之時脈輸入端之時脈CLK之頻率為f1=125Hz時之輸出電壓，鏈線所示之電壓238係時脈CLK之頻率為f2=8kHz時之輸出電壓。如第11圖所示，時脈CLK之頻率為f2=8kHz時之收斂時間t1可較時脈CLK之頻率為f1=125Hz時之收斂時間t2更大幅縮短。第2實施形態之慣性力感測器208中，收斂時間t1為0.3秒以下，收斂時間t2則為20秒程度。

不設修正量生成部213a，而於LPF211與修正部215之間串聯插入截止頻率在所需之角速度輸入之頻段之下限頻率以下之高通濾波器，則可除去截止頻率以下之輸出偏移成分。或，不設修正量生成部213a，而於LPF211與修正部215之間串聯設置可除去DC成分之電容器，亦可僅除去DC附近 之輸出偏移成分。然而，該等構造中，檢測訊號本身，即實際使用頻段之訊號本身將通過高通濾波器或電容器，故將發生檢測訊號之延遲。另，第2實施形態之慣性力感測器208可不在LPF211與修正部215之間設置高通濾波器及電容器等延遲量較大之電路，而除去多餘之偏移成分。

(第3實施形態)

第12圖係第3實施形態之慣性力感測器225之功能區圖。第12圖中，與第8圖所示之第2實施形態之慣性力感測器208相同之部分附有相同之參照標號。第12圖所示之第3實施形態之慣性力感測器225進而包含插入於第2實施形態之慣性力感測器208之LPF211與HPF213b之間之LPF216。LPF216係移動平均處理電路。

如前所述，環境變化等所致之輸出偏移之變動頻率乃大致接近DC之低頻。且，角速度檢測訊號亦包含極低頻成分(諸如0.01Hz)。因此，為檢測低頻之角速度訊號並減少輸出偏移，宜儘可能降低正常操作時之HPF213b之時脈CLK1之頻率f1。然而，時脈CLK1之頻率f1若為檢測訊號之頻段之最高頻率之2倍以下，則檢測訊號將產生折疊雜訊，故修正訊號將變形而無法正確進行修正部215之修正。因此，為抑制上述折疊雜訊之發生，須在檢測訊號輸入HPF213b之前實施進行頻段限制之前置處理。舉例言之，若將檢測訊號之頻段設在20Hz，而將HPF213b之時脈之頻率f1設為31.25Hz(8kHz/256)，則須將檢測訊號之頻段限制在15.625Hz以下。本實施形態中，使用了可實施上述頻段限 制之作為LPF216之移動平均處理電路。藉此，而可以小規模之電路面積進行頻段限制。移動平均之次數等則可視頻段限制之頻率而適當進行設定。

(第4實施形態)

第13圖係第4實施形態之慣性力感測器226之功能區圖。第13圖中，與第8圖所示之第2實施形態之慣性力感測器208相同之部分附有相同之參照標號。第13圖所示之第4實施形態之慣性力感測器226進而包含插入於第2實施形態之慣性力感測器208之演算電路213c與修正量保持部214之間之開關電路217。

如前所述，若降低修正量生成部213a之時脈之頻率f1，即須進行用以限制輸入HPF213b之檢測訊號之頻段之前置處理，而增加修正電路212之處理負擔。因此，第4實施形態之慣性力感測器226中，係按預定之周期切換開關電路217之開/關，而間歇地朝修正量保持部214匯入修正訊號。藉此，而間歇地進行修正部215就輸出偏移之修正，以在正常操作期間內等效地降低HPF213b之截止頻率fch。開關電路217亦可插入於修正量保持部214與修正部215之間。又，亦可使正常操作期間內供入HPF213b之時脈CLK1間歇地停止，而使HPF213b之動作周期性地停止。

(第5實施形態)

第14圖係第5實施形態之慣性力感測器227之功能區圖。第14圖中，與第8圖所示之第2實施形態之慣性力感測器208相同之部分附有相同之參照標號。第14圖所示之第5 實施形態之慣性力感測器227包含修正量生成部213d而取代第8圖所示之第2實施形態之慣性力感測器208之修正量生成部213a。

修正量生成部213d係由LPF213e所構成。LPF213e之輸入端則與LPF211之輸出側連接，LPF213e之輸出端則與修正量保持部214連接。對LPF213e則與第2實施形態之修正量生成部213a相同，將自修正開始之時點ts起在修正期間P0內供入頻率f2之較高頻率之時脈CLK2而提高LPF213e之截止頻率，並在LPF213e收斂後，切換為較低之頻率f1之時脈CLK1。藉此，而可減少輸出偏移，並縮短修正開始時間。又，以LPF213e構成修正量生成部213d，則可省略第8圖所示之演算電路213c，而可減少電路面積及消耗電流。且，第5實施形態之慣性力感測器227亦可進而包含第3實施形態之LPF216，或第4實施形態之開關電路217。

(第6實施形態)

第15圖係第6實施形態之慣性力感測器228之功能區圖。第15圖中，與第8圖所示之第2實施形態之慣性力感測器208相同之部分附有相同之參照標號。第15圖所示之第6實施形態之慣性力感測器228包含修正量生成部213f而取代第2實施形態之慣性力感測器208之修正量生成部213a，且不包含A/D轉換器220。

修正量生成部213f包含由電容器與電容器兩端所連接之開關所構成之離散型濾波器之HPF213g，而取代第2實施形態之HPF213b。

第16圖係HPF213g之電路圖。HPF213g包含輸入端子271、電容器272、273、281、運算放大器278、開關274、275、276、277、282、283、284、285、輸出端子279。電容器273與電容器273兩端所連接之開關274、275、276、277構成交換式電容Cs1，電容器281與電容器281兩端所連接之開關282、283、284、285則構成另一交換式電容Cs2。開關274、275(開關282、283)係依時脈φ1而進行開/關，開關276、277(開關284、285)則依時脈φ2而進行開/關。朝輸入端子271輸入之來自LPF211之角速度檢測訊號係藉HPF213g裁減低通成分再自輸出端子279輸出，並供入演算電路213c。電容器272、273、281係形成靜電容之電容元件。

時脈Φ1、Φ2係自時脈選擇部223輸出，具有與供入HPF213g之時脈輸入端之時脈CLK相同之頻率，並具有彼此相反之相位。HPF213g之截止頻率係依電容器272之電容、電容器273之電容及時脈CLK之頻率f而定。HPF213g之截止頻率並與時脈CLK之頻率f成比例而改變。藉此，即便使用採用交換式電容之第6實施形態之離散型濾波器，亦可切換時脈之頻率而切換截止頻率。藉此，而可縮短自修正開始之時點ts起至HPF213g收斂為止之時間。又，使用了採用交換式電容Cs1、Cs2之離散型濾波器之慣性力感測器228中，包含HPF213g在內，幾乎全部之電路均可以類比電路構成，故可減少電路面積及耗電。又，第6實施形態之慣性力感測器228亦可進而包含第12圖所示之第3實施形態之LPF216，或第13圖所示之第4實施形態之開關電路217。且， 亦可以交換式電容與運算放大器構成第14圖所示之第5實施形態之LPF213e。

如以上之說明，第2~6實施形態之慣性力感測器中，係以可依時脈而動作之數位濾波器或使用交換式電容之離散型濾波器(類比濾波器)構成修正量生成部，而使供入修正量生成部之時脈之頻率僅在修正期間P0內高於正常操作期間P1，而可減少輸出偏移，並在修正開始後立即安定以檢測慣性力。

產業上之可利用性

本發明之慣性力感測器即便在周圍環境發生急劇變化時，亦可輕易減少輸出偏移，而適用於手機或智慧型手機等資訊通訊終端之輸入裝置、用於數位相機等之手振修正、導航系統、汽車控制系統等所使用之角速度感測器及加速度感測器等。

5‧‧‧環境變化檢測部

6‧‧‧偏移設定部

8‧‧‧慣性力感測器

8A‧‧‧檢測部

9‧‧‧檢測元件

10‧‧‧檢測電路

11‧‧‧LPF

12‧‧‧修正部

13‧‧‧驅動電路

14‧‧‧A/D轉換器

21‧‧‧環境值保持部

22‧‧‧環境值差分演算部

23‧‧‧環境值比較部

31‧‧‧平均處理部

32‧‧‧平均化訊號保持部

33‧‧‧差分演算部

34‧‧‧修正量保持部

40‧‧‧監測輸入端子

41‧‧‧電流電壓轉換器

42‧‧‧DC轉換器

43‧‧‧AGC電路

44‧‧‧BPF

45‧‧‧輸出放大器

46‧‧‧反相放大器

47、48‧‧‧驅動輸出端子

49‧‧‧移相器

50‧‧‧時脈生成器

51‧‧‧驅動電路

60、61‧‧‧輸入端子

62、63‧‧‧電流電壓轉換器

64‧‧‧差動放大器

65‧‧‧同步檢波器

66‧‧‧檢波輸出端子

67‧‧‧檢測電路

101‧‧‧角速度感測元件

102、103‧‧‧矽基板

106、107‧‧‧臂部

108、109、110、111、112、113‧‧‧底電極

114、115、116、117、118、119‧‧‧壓電薄膜

120、121、122、123、124、125‧‧‧頂電極

120、122、123、125‧‧‧驅動電極

121、124‧‧‧檢測電極

126‧‧‧電極、監測電極

208‧‧‧慣性力感測器

211‧‧‧LPF(第1濾波器)

212‧‧‧修正電路

213a‧‧‧修正量生成部

213b‧‧‧HPF(第2濾波器)

213c‧‧‧演算電路

213d‧‧‧修正量生成部

213e‧‧‧LPF(第2濾波器)

213f‧‧‧修正量生成部

213g‧‧‧HPF(第2濾波器)

214‧‧‧修正量保持部

215‧‧‧修正部

216‧‧‧LPF

217‧‧‧開關電路

220‧‧‧A/D轉換器

221‧‧‧時脈產生器

222‧‧‧時脈生成部

223‧‧‧時脈選擇部

225~228‧‧‧慣性力感測器

230‧‧‧角速度檢測訊號

231~235‧‧‧特性

237~238‧‧‧電壓

271‧‧‧輸入端子

272、273、281‧‧‧電容器

274、275、276、277、282、283、284、285‧‧‧開關

278‧‧‧運算放大器

279‧‧‧輸出端子

801‧‧‧慣性力感測器

802‧‧‧檢測元件

803‧‧‧檢測電路

804‧‧‧低通濾波器(LPF)

805‧‧‧修正電路

806‧‧‧修正量保持部

807‧‧‧修正部

CLK‧‧‧時脈

CLK0‧‧‧時脈

CLK1‧‧‧時脈(第1時脈)

CLK2‧‧‧時脈(第2時脈)

Cs1~Cs2‧‧‧交換式電容

CSEL‧‧‧時脈選擇訊號

Do‧‧‧偏移差分值

Dt‧‧‧環境差分值

f‧‧‧頻率

f0、f1、f2‧‧‧頻率

fcl、fch‧‧‧截止頻率

P0‧‧‧修正期間

P1‧‧‧正常操作期間

Pa‧‧‧預定之期間

Sa‧‧‧平均化訊號

Sc‧‧‧環境變化檢測訊號

Sf‧‧‧被修正訊號

Sm‧‧‧偏移修正值

So‧‧‧修正後訊號

Ss‧‧‧平均化訊號

t0‧‧‧預定時點

t1、t2‧‧‧收斂時間

T0‧‧‧修正期間

T1~T3‧‧‧環境值

Ta‧‧‧環境值

Ti‧‧‧初始值

Tm‧‧‧環境值

tp0、tp1‧‧‧時點

Tq、Tr‧‧‧時間間隔

ts‧‧‧時點

Tth‧‧‧判定閾值

Y1、Y2‧‧‧箭號

Φ1、Φ2‧‧‧時脈

第1圖係第1實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第2圖係第1實施形態之慣性力感測器之檢測元件之上面圖。

第3圖係第2圖所示之檢測元件之線3-3之截面圖。

第4圖係第1實施形態之慣性力感測器之檢測電路與驅動電路之功能區圖。

第5圖係第1實施形態之慣性力感測器之環境變化檢測部之功能區圖。

第6圖係第1實施形態之慣性力感測器之偏移設定部之 功能區圖。

第7圖係顯示第1實施形態之慣性力感測器之訊號者。

第8圖係第2實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第9圖係顯示第2實施形態之慣性力感測器之訊號者。

第10A圖係顯示第2實施形態之慣性力感測器之高通濾波器之頻率特性者。

第10B圖係顯示第2實施形態之慣性力感測器之修正量生成部之頻率特性者。

第11圖係顯示第2實施形態之慣性力感測器之輸出者。

第12圖係第3實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第13圖係第4實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第14圖係第5實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第15圖係第6實施形態之慣性力感測器之功能區圖。

第16圖係第6實施形態之慣性力感測器之高通濾波器之電路圖。

第17圖係習知之慣性力感測器之功能區圖。

5‧‧‧環境變化檢測部

6‧‧‧偏移設定部

8‧‧‧慣性力感測器

8A‧‧‧檢測部

9‧‧‧檢測元件

10‧‧‧檢測電路

11‧‧‧LPF

12‧‧‧修正部

13‧‧‧驅動電路

14‧‧‧A/D轉換器

Sc‧‧‧環境變化檢測訊號

Sf‧‧‧被修正訊號

Sm‧‧‧偏移修正值

So‧‧‧修正後訊號

Ta‧‧‧環境值

Claims (8)

1. 一種慣性力感測器，包含有：檢測元件；檢測電路，檢測與前述檢測元件所被賦予之慣性力對應之慣性量；A/D轉換器，將前述檢測電路之輸出轉換為數位訊號；第1濾波器，與前述A/D轉換器之輸出側連接；修正電路，修正前述第1濾波器之輸出；時脈生成部，生成第1時脈與頻率高於前述第1時脈之第2時脈；及時脈選擇部，選擇前述第1時脈及前述第2時脈之任一而加以輸出；而，前述修正電路包括：修正量生成部，包含與前述第1濾波器之輸出側連接且具有時脈輸入端之第2濾波器；修正量保持部，與前述修正量生成部之輸出側連接；及修正部，與前述第1濾波器之輸出側及前述修正量保持部之輸出側連接，可基於前述修正量保持部所保持之修正量而修正前述第1濾波器之輸出值；前述時脈選擇部連接前述時脈輸入端，於修正開始之時點選擇前述第2時脈，且於自前述修正開始之時點僅經過預定時間後選擇前述第1時脈。
2. 如申請專利範圍第1項之慣性力感測器，其中前述第2濾波器係高通濾波器，前述修正量生成部進而包含：與前述第1濾波器之輸出側及前述第2濾波器之輸出側連接，且輸出前述第1濾波器之輸出值與前述高通濾波器之輸出值的差分值之演算電路。
3. 如申請專利範圍第1項之慣性力感測器，其中前述第2濾波器係低通濾波器。
4. 一種慣性力感測器，包含有：檢測元件；檢測電路，檢測與前述檢測元件所被賦予之慣性力對應之慣性量；第1濾波器，與前述檢測電路之輸出側連接；修正電路，修正前述第1濾波器之輸出；時脈生成部，生成第1時脈與頻率高於前述第1時脈之第2時脈；及時脈選擇部，選擇前述第1時脈及前述第2時脈之任一而加以輸出；而，前述修正電路包括：修正量生成部，包含與前述第1濾波器之輸出側連接且具有時脈輸入端之第2濾波器；修正量保持部，與前述修正量生成部之輸出側連接；及修正部，與前述第1濾波器之輸出側及前述修正量 保持部之輸出側連接，可基於前述修正量保持部所保持之修正量而修正前述第1濾波器之輸出值；前述時脈選擇部連接前述時脈輸入端，於修正開始之時點選擇前述第2時脈，且於自前述修正開始之時點僅經過預定時間後選擇前述第1時脈。
5. 如申請專利範圍第4項之慣性力感測器，其中前述第2濾波器係包含以下兩者之離散型濾波器：電容元件，與前述第1濾波器之輸出側連接；及開關，與前述電容元件連接，並可基於前述時脈選擇部所輸出之時脈而進行開/關。
6. 如申請專利範圍第1或4項之慣性力感測器，其中進而包含設於前述第1濾波器與前述第2濾波器之間之低通濾波器。
7. 如申請專利範圍第1或4項之慣性力感測器，其中進而包含設於前述修正量生成部與前述修正部之間而間歇地呈開狀態之開關電路。
8. 如申請專利範圍第1或4項之慣性力感測器，其中前述時脈選擇部間歇地停止前述第1時脈之輸出。