WO2009087710A1 - 慣性速度センサ信号処理回路およびそれを備える慣性速度センサ装置 - Google Patents

慣性速度センサ信号処理回路およびそれを備える慣性速度センサ装置 Download PDF

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inertial
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signal processing
clock
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Fumihito Inukai
Hitoshi Kobayashi
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Panasonic Corporation
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    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5607Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks
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Definitions

  • the present invention relates to an inertia speed sensor signal processing circuit used together with an inertia speed sensor for detecting an inertia speed, and an inertia speed sensor device including the same.
  • Inertial velocity sensors such as angular velocity sensors and acceleration sensors are used in a wide variety of fields such as camera shake detection of digital cameras, attitude control of moving bodies (aircraft, automobiles, robots, ships, etc.), missile and spacecraft guidance. .
  • the inertial force detection circuit that detects the inertial force based on the signal from the sensor element is being digitized.
  • An example of an inertial force detection circuit constituted by a digital circuit is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-188925 (Patent Document 1).
  • Patent Document 2 discloses an inertial velocity sensor device having a built-in test function for detecting that a failure has occurred.
  • a demodulator generates a signal used for fault detection from the vibration frequency of the drive circuit
  • an integrator integrates the demodulator output
  • the integrator output is monitored to detect a fault condition. ing.
  • an object of the present invention is to provide a circuit capable of detecting an abnormal state even when the inertial velocity sensor element is not operating normally.
  • an inertial speed sensor signal processing circuit is an inertial speed sensor signal processing circuit used together with an inertial speed sensor element, the first signal processing circuit operating with a first clock, and the first A second signal processing circuit that operates with a second clock that is not synchronized with the first clock;
  • the second signal processing circuit operates with the second clock that is not synchronized with the first clock, and therefore can operate even when the first clock is in an abnormal state.
  • the first clock is supplied from a first oscillation circuit that uses the inertial velocity sensor element as a frequency reference.
  • the second signal processing circuit can operate even when the inertial speed sensor element is not operating normally.
  • the inertial speed sensor signal processing circuit further includes a clock input terminal to which the second clock is supplied, and the second signal processing circuit receives the second clock supplied to the clock input terminal. receive.
  • the inertial speed sensor signal processing circuit further includes a second oscillation circuit that supplies the second clock, and the second signal processing circuit receives the second clock from the second oscillation circuit. receive.
  • an inertial velocity sensor device includes the inertial velocity sensor signal processing circuit and the inertial velocity sensor element.
  • the second signal processing circuit outputs an abnormality detection signal when detecting an abnormality of the inertial velocity sensor device.
  • the second signal processing circuit can detect an abnormality in the inertial speed sensor device even when the inertial speed sensor element is not operating normally.
  • the inertial velocity sensor device further includes an abnormality processing circuit controlled by the abnormality detection signal, and the abnormality processing circuit operates with the second clock.
  • the abnormality processing circuit is operable even when the inertial speed sensor element is not operating normally.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an inertial velocity sensor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the inertial velocity sensor element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an internal configuration example of the drive circuit illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an internal configuration example of the inertial force detection circuit illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an internal configuration example of the abnormality detection circuit illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an inertial velocity sensor device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an internal configuration example of the inertial force detection circuit illustrated in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a diagram showing a modification of the inertial force detection circuit shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an inertial velocity sensor device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 1 shows the configuration of an inertial velocity sensor device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the inertial speed sensor device includes an inertial speed sensor element 11, a drive circuit 12, an inertial force detection circuit 13, an abnormality detection circuit 14, and a CR oscillator 15.
  • the inertial velocity sensor element 11 vibrates according to the frequency and amplitude of the drive signal Sd from the drive circuit 12 and outputs a vibration signal So corresponding to the vibration, and an inertial force applied to itself (for example, Coriolis force).
  • the sensor signal Si corresponding to) is output.
  • the inertial velocity sensor element 11 includes a tuning fork main body 11F, a driving piezoelectric element 11A, a vibration detecting piezoelectric element 11B, and angular velocity detecting piezoelectric elements PDa and PDb.
  • the tuning fork main body 11F has a pair of tuning fork pieces each twisted at a right angle in the center, a connection part that connects one end of each tuning fork piece, and a support pin that is provided on the connection part so as to be a rotating shaft.
  • the driving piezoelectric element 11 ⁇ / b> A vibrates the driving tuning fork piece according to the frequency and amplitude of the drive signal Sd from the drive circuit 12. Thereby, the tuning fork piece for driving and the tuning fork piece for detection resonate with each other. Due to the tuning fork vibration, electric charges are generated in the vibration detecting piezoelectric element 11B (that is, the vibration signal So is generated). When the rotational angular velocity is generated, electric charges corresponding to the Coriolis force are generated in the angular velocity detecting piezoelectric elements PDa and PDb (that is, the sensor signal Si is generated).
  • FIG. 3 shows an example of the internal configuration of the drive circuit 12 shown in FIG.
  • the drive circuit 12 adjusts the frequency and amplitude of the drive signal Sd according to the vibration signal So from the inertial velocity sensor element 11.
  • the monitor amplifier 101 converts the vibration signal So from the inertial velocity sensor element 11 into a voltage
  • the automatic gain control amplifier (AGC) 102 ensures that the voltage supplied to the drive amplifier 103 becomes a constant value.
  • the self amplification gain is changed.
  • the drive amplifier 103 controls the amplitude of the drive signal Sd according to the output of the automatic gain control amplifier 102.
  • the maximum vibration amplitude and vibration frequency of the inertial velocity sensor element 11 are kept constant by adjusting the drive signal Sd according to the vibration signal So.
  • the comparator 104 converts the vibration signal So into a square wave signal and outputs it as the clock signal CLK1.
  • FIG. 4 shows an internal configuration of the inertial force detection circuit 13 shown in FIG.
  • the inertial force detection circuit 13 uses the clock signal CLK1 from the drive circuit 12 as an analog detection signal, and converts the inertial force component (the inertial force applied to the inertial velocity sensor element 11) from the sensor signal Si from the inertial velocity sensor element 11. Corresponding analog signal).
  • input amplifier 105 converts sensor signal Si from inertial velocity sensor element 11 into a voltage
  • synchronous detection circuit 106 uses an analog detection signal (clock signal CLK1 from drive circuit 12).
  • the inertial force component is extracted from the output of the input amplifier 105.
  • the low-pass filter 107 passes only the low frequency component of the analog signal extracted by the synchronous detection circuit 106 for noise removal and the like, and the output amplifier 108 amplifies the output of the low-pass filter 107, and the inertial force detection signal S13. Output as (analog value).
  • the abnormality detection circuit 14 determines whether the operation state of the drive circuit 12 is normal or abnormal based on the monitor signal M12 for monitoring the operation state of the drive circuit 12.
  • the abnormality detection circuit 14 counts a period (abnormal state period) in which the operation state of the drive circuit 12 is abnormal in synchronization with the clock signal CLK2 from the CR oscillator 15, and the abnormal state period thus counted is the abnormality detection period.
  • an abnormality detection signal Sa is output.
  • the drive circuit 12 and the inertial force detection circuit 13 each execute error processing.
  • the abnormality detection circuit 14 when the operation state of the drive circuit 12 is monitored based on the DC voltage inside the automatic gain control amplifier 102 of the drive circuit 12, the abnormality detection circuit 14 includes the comparators 141 and 142 and the NAND circuit 143 as shown in FIG. And a counter 144 that operates in synchronization with the clock signal CLK2 from the CR oscillator 15.
  • the reference voltages REF1 and REF2 are voltages that define a normal voltage range, and the reference voltage REF1 is higher than the reference voltage REF2.
  • the abnormality detection circuit 14 Is determined to be abnormal.
  • the abnormality detection circuit 14 uses the clock signal CLK2 (inertia speed sensor element 11 as the frequency reference) from the CR oscillator 15 instead of the signal (for example, clock signal CLK1) that uses the inertial speed sensor element 11 as the frequency reference. Clock signal). Therefore, even when the inertial velocity sensor element 11 is not operating normally, the abnormality detection circuit 14 can detect an abnormality in the drive circuit 12.
  • the abnormality detection circuit 14 may be configured to detect not only an abnormal state of the drive circuit 12 but also an abnormal state of another part of the inertia speed sensor device (for example, the inertia force detection circuit 13).
  • the drive amplifier 103 when receiving the abnormality detection signal Sa from the abnormality detection circuit 14, the drive amplifier 103 gradually decreases the amplitude level of the drive signal Sd. Thereby, a rapid change in the drive signal Sd can be suppressed, and the inertial velocity sensor element 11 can be prevented from being destroyed. Note that when the abnormality detection signal Sa is output from the abnormality detection circuit 14, the drive amplifier 103 may be configured to stop outputting the drive signal Sd.
  • the output amplifier 108 fixes the voltage value of the inertial force detection signal S13.
  • the output amplifier 108 gradually decreases the voltage value of the inertial force detection signal S13. Thereby, a rapid change of the inertial force detection signal S13 can be suppressed.
  • the output amplifier 108 may be configured to stop the output of the inertial force detection signal S13.
  • FIG. 6 shows the configuration of an inertial velocity sensor device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • This inertial velocity sensor device includes an inertial force detection circuit 23 instead of the inertial force detection circuit 13 shown in FIG. 1, and a PLL circuit that multiplies the clock signal CLK1 from the drive circuit 12 to generate the operation clock CLK3. 21 is further provided.
  • Other configurations are the same as those in FIG.
  • FIG. 7 shows an internal configuration of the inertial force detection circuit 23 shown in FIG.
  • the inertial force detection circuit 23 converts the sensor signal Si from the inertial velocity sensor element 11 into a digital sensor signal, and then uses a digital detection signal (detection signal generated based on the operation clock CLK3 from the PLL circuit 21).
  • An inertial force component (a digital signal corresponding to the inertial force applied to the inertial velocity sensor element 11) is extracted from the digital sensor signal.
  • analog / digital conversion circuit (A / D) 203, synchronous detection circuit 204, digital filter 205, and output adjustment circuit 206 operate in synchronization with operation clock CLK 3 from PLL circuit 21.
  • the input amplifier 201 converts the sensor signal Si from the inertial velocity sensor element 11 into a voltage, and the low-pass filter 202 passes only a low frequency component of the output of the input amplifier 201 for noise removal or the like.
  • the analog / digital conversion circuit 203 performs analog / digital conversion on the output of the low-pass filter 202 to obtain a digital sensor signal.
  • the synchronous detection circuit 204 generates a digital detection signal based on the operation clock CLK3, and uses the digital detection signal to generate an inertial force component (corresponding to the inertial force) from the digital sensor signal obtained by the analog / digital conversion circuit 203. Digital signal) to be extracted.
  • the digital filter 205 passes only low frequency components of the digital signal extracted by the synchronous detection circuit 204 and removes noise components.
  • the output adjustment circuit 206 outputs the output of the digital filter 205 as an inertial force detection signal S23 (digital value).
  • the output adjustment circuit 206 receives the abnormality detection signal Sa from the abnormality detection circuit 14, the output adjustment circuit 206 gradually decreases the digital value indicated in the inertial force detection signal S23. Thereby, a rapid change of the inertial force detection signal S23 can be suppressed.
  • the output adjustment circuit 206 may stop outputting the inertial force detection signal S23.
  • a digital detection signal is generated based on the clock signal from the oscillation circuit.
  • the vibration signal So from the inertial velocity sensor element 11 is generated.
  • a digital detection signal is generated using. Therefore, a digital detection signal synchronized with the sensor signal Si can be easily generated, and the occurrence of aliasing and distortion can be suppressed.
  • [Modification of inertial force detection circuit] 6 may include an inertial force detection circuit 23a as shown in FIG. 8 instead of the inertial force detection circuit 23.
  • the inertial force detection circuit 23a shown in FIG. 8 adds an inertial force component (in addition to the inertial velocity sensor element 11) from the sensor signal Si from the inertial velocity sensor element 11 using an analog detection signal (clock signal CLK1 from the drive circuit 12). (Analog signal corresponding to the obtained inertial force) is extracted, and then the inertial force component is converted into a digital signal.
  • the analog / digital conversion circuit (A / D) 203, the digital filter 205, and the output adjustment circuit 206 operate in synchronization with the operation clock CLK3 from the PLL circuit 21.
  • the synchronous detection circuit 204 extracts the inertial force component from the output of the low-pass filter 202 using the clock signal CLK 1 from the drive circuit 12 and outputs it to the analog / digital conversion circuit 203.
  • FIG. 9 shows the structure of an inertial velocity sensor device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • This inertial velocity sensor device further includes a temperature monitor circuit 31, an EEPROM 32, and a control circuit 33 in addition to the configuration shown in FIG.
  • the abnormality detection circuit 14 detects not only the abnormal state of the drive circuit 12 but also the abnormal state of the PLL circuit 21, the inertial force detection circuit 23, the temperature monitor circuit 31, and the EEPROM 32.
  • the drive circuit 12, the abnormality detection circuit 14, the PLL circuit 21, the inertial force detection circuit 23, the temperature monitor circuit 31, and the control circuit 33 are built in the same semiconductor integrated circuit (or the same package). It shall be.
  • the abnormality detection circuit 14 is a monitor signal for monitoring the operation state of the PLL circuit 21, the inertial force detection circuit 23, the temperature monitor circuit 31, and the EEPROM 32 in addition to the monitor signal M12 for monitoring the operation state of the drive circuit 12. M21, M23, M31, M32 are received. Based on the monitor signals M12, M21, M23, M31, and M32, the abnormality detection circuit 14 determines whether the operation states of the drive circuit 12, the PLL circuit 21, the inertial force detection circuit 23, the temperature monitor circuit 31, and the EEPROM 32 are normal. It is judged whether it is.
  • the abnormality detection circuit 14 includes a period during which the operation state of each of the drive circuit 12, the PLL circuit 21, the inertial force detection circuit 23, the temperature monitor circuit 31, and the EEPROM 32 is abnormal (abnormal state period) as a CR oscillator. 15 is counted in synchronization with the clock signal CLK 2 from 15.
  • the abnormality detection circuit 14 reaches at least one abnormality detection period (predetermined period) among the drive circuit 12, the PLL circuit 21, the inertial force detection circuit 23, the temperature monitoring circuit 31, and the EEPROM 32.
  • the abnormality detection signal Sa is output.
  • the abnormality detection circuit 14 may be configured to output the abnormality detection signal Sa based on the determination result of the operation state without counting the period in which the operation state is abnormal.
  • the temperature monitor circuit 31 measures the temperature of the semiconductor integrated circuit (or package) and outputs the measurement result as a temperature monitor signal S31.
  • the EEPROM 32 controls information for controlling the operation of the drive circuit 12 (for example, amplification factor and offset in the automatic gain control amplifier 102), and control information for controlling the operation of the inertial force detection circuit 23 (for example, output)
  • the amplification factor and offset in the adjustment circuit 206 are stored.
  • the control circuit 33 operates in synchronization with the clock signal CLK 2 from the CR oscillator 15, controls the temperature monitor signal S 31 from the temperature monitor circuit 31, the control information stored in the EEPROM 32, and the abnormality detection signal Sa from the abnormality detection circuit 14. On the basis of the control signals C12 and C23 for controlling the drive circuit 12 and the inertial force detection circuit 23.
  • the control circuit 33 reads the control information from the EEPROM 32, and controls the respective parameters (for example, amplification factor and offset) of the drive circuit 12 and the inertial force detection circuit 23 based on the control information, whereby the drive circuit 12 The inertial force detection circuit 23 is normally driven.
  • the control circuit 33 determines that the temperature of the semiconductor integrated circuit is in an abnormal state, and causes the drive circuit 12 and the inertial force detection circuit 23 to perform error processing. Is executed.
  • the control circuit 33 also causes the drive circuit 12 and the inertial force detection circuit 23 to execute error processing even when the abnormality detection signal Sa is received from the abnormality detection circuit 14.
  • the control circuit 33 is configured to execute the reset process when the temperature indicated in the temperature monitor signal S31 exceeds a predetermined temperature or when the abnormality detection signal Sa is output by the abnormality detection circuit 14. May be.
  • the control circuit 33 temporarily stops the drive circuit 12 and the inertial force detection circuit 23, and then rereads the control information from the EEPROM 32 to re-set the parameters of the drive circuit 12 and the inertial force detection circuit 23. Set. By controlling in this way, it becomes possible for the drive circuit 12 and the inertial force detection circuit 23 to resume normal operation.
  • the control circuit 33 does not use the signal based on the inertial speed sensor element 11 as a frequency reference (for example, the operation clock CLK3) but the clock signal CLK2 from the CR oscillator 15 (based on the inertial speed sensor element 11 as a frequency reference). Clock signal). Therefore, the control circuit 33 can control the drive circuit 12 and the inertial force detection circuit 23 even when the inertial velocity sensor element 11 is not operating normally.
  • a frequency reference for example, the operation clock CLK3
  • CLK2 from the CR oscillator 15
  • the drive circuit 12, the abnormality detection circuit 14, the PLL circuit 21, the inertial force detection circuit 23, the temperature monitor circuit 31, and the control circuit 33 are built in the same semiconductor integrated circuit (or the same package), whereby the substrate Wiring becomes unnecessary and interrupt control by the microcomputer becomes unnecessary. Furthermore, if the temperature monitor circuit 31 and the abnormality detection circuit are adjacent to each other, the detection accuracy of self-heating can be improved.
  • the inertia speed sensor element 11 also includes the same semiconductor integrated circuit (or the same Package). That is, the inertial velocity sensor element 11 and the signal processing circuit (the drive circuit 12, the abnormality detection circuit 14, the PLL circuit 21, the inertial force detection circuit 23, the temperature monitor circuit 31, and the control circuit 33) may be manufactured as separate modules. Alternatively, the inertial velocity sensor element 11 and the signal processing circuit may be manufactured as a SiP (System Package) in which the inertial velocity sensor element 11 and the signal processing circuit are mixedly mounted.
  • SiP System Package
  • the CR oscillator 15 may be provided outside the inertial velocity sensor device. That is, the inertial speed sensor device may be provided with a clock input terminal, and the clock signal CLK2 may be supplied to the abnormality detection circuit 14 and the control circuit 33 via the clock input terminal.
  • the inertial velocity sensor element 11 is not limited to the tuning fork type, but may be a regular triangular prism, a regular quadrangular prism, a ring shape, or other shapes. Further, the inertial velocity sensor element 11 may be constituted by a plurality of inertial velocity sensor elements.
  • the inertial velocity sensor device can detect an abnormality even when the inertial velocity sensor element is not operating normally, a mobile object (aircraft, automobile, robot, ship, etc.) It is useful as a device for detecting inertial force in mobile phones, cameras, video game devices and the like.

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Abstract

 慣性速度センサ素子(11)とともに用いる慣性速度センサ信号処理回路(12,13,14)は、第1のクロック(CLK1)で動作する第1の信号処理回路(12,13)と、第1のクロックと同期しない第2のクロック(CLK2)で動作する第2の信号処理回路(14)を備える。

Description

慣性速度センサ信号処理回路およびそれを備える慣性速度センサ装置
 この発明は、慣性速度を検出する慣性速度センサとともに用いられる慣性速度センサ信号処理回路、およびそれを備える慣性速度センサ装置に関する。
 角速度センサや加速度センサといった慣性速度センサは、デジタルカメラの手ぶれ検出、移動体(航空機,自動車,ロボット,船舶等)の姿勢制御、ミサイルや宇宙船の誘導等の多種多様な分野において使用されている。また、近年、回路の微細化技術の発展により、センサ素子からの信号に基づいて慣性力を検知する慣性力検出回路のデジタル化が進みつつある。デジタル回路によって構成された慣性力検出回路の例は、特開2002-188925号公報(特許文献1)に開示されている。特許文献1に記載の技術では、センサ素子からの慣性力に応じた信号がアナログ/デジタル回路によってデジタル信号に変換される一方で、発振回路によって振動周波数に対応する方形波信号が生成され、その方形波信号を用いてデジタル信号から慣性力成分が検波される。このように、慣性力検出回路をデジタル化することにより、アナログ信号特有のオフセット電圧変動に起因する影響を少なくすることができ、慣性力の検出精度を向上させることができる。
 このように慣性速度センサ装置は、検出精度の高さが求められる一方、故障を検知することも重要となる。特許第2728300号公報(特許文献2)には、故障が発生したことを検知する内蔵テスト機能を有する慣性速度センサ装置が開示されている。この慣性速度センサ装置では、復調器によってドライブ回路の振動周波数から故障検知に用いる信号を生成し、積分器によって復調器の出力を積分し、積分器の出力を監視することで故障状態を検知している。
特開2002-188925号公報 特許第2728300号公報
 しかしながら、特許文献2に記載の慣性速度センサ装置では、慣性速度センサ素子を周波数基準として故障検知のための動作クロック信号を生成しているので、慣性速度センサ素子が正常に動作していない場合には、故障検出を実行することができなくなる。
 そこで、この発明は、慣性速度センサ素子が正常に動作していない場合でも異常状態を検知することが可能な回路を提供することを目的とする。
 この発明の1つの局面に従うと、慣性速度センサ信号処理回路は、慣性速度センサ素子とともに用いる慣性速度センサ信号処理回路であって、第1のクロックで動作する第1の信号処理回路と、上記第1のクロックと同期しない第2のクロックで動作する第2の信号処理回路を備える。上記慣性速度センサ信号処理回路では、第2の信号処理回路は、上記第1のクロックと同期しない第2のクロックで動作するので、第1のクロックが異常状態であっても動作することができる。
 好ましくは、上記第1のクロックは、上記慣性速度センサ素子を周波数基準とする第1の発振回路から供給される。上記慣性速度センサ信号処理回路では、上記慣性速度センサ素子が正常に動作していない場合であっても、第2の信号処理回路は、動作可能である。
 好ましくは、上記慣性速度センサ信号処理回路は、上記第2のクロックが供給されるクロック入力端子をさらに備え、上記第2の信号処理回路は、上記クロック入力端子に供給された第2のクロックを受ける。または、上記慣性速度センサ信号処理回路は、上記第2のクロックを供給する第2の発振回路をさらに備え、上記第2の信号処理回路は、上記第2の発振回路からの第2のクロックを受ける。
 この発明のもう1つの局面に従うと、慣性速度センサ装置は、上記慣性速度センサ信号処理回路と、上記慣性速度センサ素子とを備える。
 好ましくは、上記慣性速度センサ装置において、上記第2の信号処理回路は、その慣性速度センサ装置の異常を検知すると、異常検知信号を出力する。上記慣性速度センサ装置では、慣性速度センサ素子が正常に動作していない場合であっても、第2の信号処理回路は、慣性速度センサ装置の異常を検知することができる。
 好ましくは、上記慣性速度センサ装置は、上記異常検知信号により制御される異常処理回路をさらに備え、上記異常処理回路は、上記第2のクロックで動作する。上記慣性速度センサ回路では、慣性速度センサ素子が正常に動作していない場合であっても、上記異常処理回路は、動作可能である。
 以上のように、慣性速度センサ素子が正常に動作していない場合であっても、慣性速度センサ装置の異常状態を検知することができる。
図1は、この発明の実施形態1による慣性速度センサ装置の構成を示す図である。 図2は、図1に示した慣性速度センサ素子の構成例を示す図である。 図3は、図1に示した駆動回路の内部構成例を示す図である。 図4は、図1に示した慣性力検出回路の内部構成例を示す図である。 図5は、図1に示した異常検知回路の内部構成例を示す図である。 図6は、この発明の実施形態2による慣性速度センサ装置の構成を示す図である。 図7は、図6に示した慣性力検出回路の内部構成例を示す図である。 図8は、図6に示した慣性力検出回路の変形例を示す図である。 図9は、この発明の実施形態3による慣性速度センサ装置の構成を示す図である。
符号の説明
 11  慣性速度センサ素子
 12  駆動回路
 13  慣性力検出回路
 14  異常検知回路
 15  CR発振器
 101  モニタアンプ
 102  自動利得制御増幅器(AGC)
 103  駆動アンプ
 104  コンパレータ
 105  入力アンプ
 106  同期検波回路
 107  ローパスフィルタ
 108  出力アンプ
 141,142  コンパレータ
 143  否定積回路
 144  カウンタ
 21  PLL回路
 22  慣性力検出回路
 201  入力アンプ
 202  ローパスフィルタ
 203  アナログ/デジタル変換回路
 204  同期検波回路
 205  デジタルフィルタ
 206  出力調整回路
 31  温度モニタ回路
 32  EEPROM
 33  制御回路
 以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付しその説明は繰り返さない。
 (実施形態1)
 図1は、この発明の実施形態1による慣性速度センサ装置の構成を示す。慣性速度センサ装置は、慣性速度センサ素子11と、駆動回路12と、慣性力検出回路13と、異常検知回路14と、CR発振器15とを備える。
  〔慣性速度センサ〕
 慣性速度センサ素子11は、駆動回路12からの駆動信号Sdの周波数および振幅に応じて振動しその振動に対応する振動信号Soを出力するとともに、自己に加えられた慣性力(例えば、コリオリの力)に対応するセンサ信号Siを出力する。例えば、図2のように、慣性速度センサ素子11は、音叉本体11Fと、駆動用圧電素子11Aと、振動検出用圧電素子11Bと、角速度検出用圧電素子PDa,PDbとを有する。音叉本体11Fは、それぞれが中央部で直角にねじられた一対の音叉片と、音叉片の各々の一端を連結する連結部と、回転軸となるように連結部に設けられた支持ピンとを有する。駆動用圧電素子11Aは、駆動回路12からの駆動信号Sdの周波数および振幅に応じて駆動用の音叉片を振動させる。これにより、駆動用の音叉片と検出用の音叉片とが互いに共振する。この音叉振動によって、振動検出用圧電素子11Bには、電荷が発生する(すなわち、振動信号Soが発生する)。また、回転角速度が発生すると、角速度検出用圧電素子PDa,PDbには、コリオリの力に応じた電荷が発生する(すなわち、センサ信号Siが発生する)。
  〔駆動回路〕
 図3は、図1に示した駆動回路12の内部構成例を示す。駆動回路12は、慣性速度センサ素子11からの振動信号Soに応じて駆動信号Sdの周波数および振幅を調整する。駆動回路12では、モニタアンプ101は、慣性速度センサ素子11からの振動信号Soを電圧に変換し、自動利得制御増幅器(AGC)102は、駆動アンプ103に供給される電圧が一定値になるように、自己の増幅利得を変化させる。駆動アンプ103は、自動利得制御増幅器102の出力に応じて駆動信号Sdの振幅を制御する。このように、振動信号Soに応じて駆動信号Sdが調整されることにより、慣性速度センサ素子11の最大振動振幅および振動周波数が一定に保たれる。また、コンパレータ104は、振動信号Soを方形波信号に変換し、クロック信号CLK1として出力する。
  〔慣性力検出回路〕
 図4は、図1に示した慣性力検出回路13の内部構成を示す。慣性力検出回路13は、駆動回路12からのクロック信号CLK1をアナログ検波信号として用いて、慣性速度センサ素子11からのセンサ信号Siから慣性力成分(慣性速度センサ素子11に加えられた慣性力に対応するアナログ信号)を抽出する。慣性力検出回路13では、入力アンプ105は、慣性速度センサ素子11からのセンサ信号Siを電圧に変換し、同期検波回路106は、アナログ検波信号(駆動回路12からのクロック信号CLK1)を用いて、入力アンプ105の出力から慣性力成分を抽出する。ローパスフィルタ107は、ノイズ除去等のために同期検波回路106によって抽出されたアナログ信号のうち低周波数成分のみを通過させ、出力アンプ108は、ローパスフィルタ107の出力を増幅し、慣性力検出信号S13(アナログ値)として出力する。
  〔異常検知回路〕
 図1に戻って、異常検知回路14は、駆動回路12の動作状態を監視するためのモニタ信号M12に基づいて、駆動回路12の動作状態が正常であるのか異常であるのかを判定する。また、異常検知回路14は、CR発振器15からのクロック信号CLK2に同期して駆動回路12の動作状態が異常である期間(異常状態期間)を計数し、その計数した異常状態期間が異常検知期間(予め定められた期間)に到達すると異常検知信号Saを出力する。駆動回路12,慣性力検出回路13は、それぞれ、異常検知回路14からの異常検知信号Saを受けると、エラー処理を実行する。
 例えば、駆動回路12の自動利得制御増幅器102内部の直流電圧に基づいて駆動回路12の動作状態を監視する場合、図5のように、異常検知回路14は、コンパレータ141,142,NAND回路143からなるウィンドウコンパレータと、CR発振器15からのクロック信号CLK2に同期して動作するカウンタ144とを含む。なお、基準電圧REF1,REF2は、正常電圧範囲を規定する電圧であり、基準電圧REF1は、基準電圧REF2よりも高い。この異常検知回路14は、モニタ信号M12の電圧値(自動利得制御増幅器102の内部の直流電圧の電圧値)が基準電圧REF1,REF2で定められる正常電圧範囲外である場合には、駆動回路12の動作状態が異常であると判定する。
 以上のように、異常検知回路14は、慣性速度センサ素子11を周波数基準とする信号(例えば、クロック信号CLK1)ではなく、CR発振器15からのクロック信号CLK2(慣性速度センサ素子11を周波数基準としないクロック信号)に同期して動作する。そのため、慣性速度センサ素子11が正常に動作していない状態であっても、異常検知回路14は、駆動回路12の異常を検知することができる。
 なお、異常検知回路14が、駆動回路12の異常状態だけでなく、慣性速度センサ装置の他の部分(例えば、慣性力検出回路13など)の異常状態も検知するように構成しても良い。
  〔エラー処理〕
 ここで、駆動回路12,慣性力検出回路13によるエラー処理について説明する。
 駆動回路12では、駆動アンプ103は、異常検知回路14からの異常検知信号Saを受けると、駆動信号Sdの振幅レベルを徐々に小さくする。これにより、駆動信号Sdの急激な変化を抑制することができ、慣性速度センサ素子11の破壊を防止することができる。なお、異常検知回路14から異常検知信号Saが出力された場合に、駆動アンプ103が駆動信号Sdの出力を停止するように構成しても良い。
 また、慣性力検出回路13では、出力アンプ108は、異常検知回路14からの異常検知信号Saを受けると、慣性力検出信号S13の電圧値を固定する。または、出力アンプ108は、異常検知回路14からの異常検知信号Saを受けると、慣性力検出信号S13の電圧値を徐々に小さくする。これにより、慣性力検出信号S13の急激な変化を抑制することができる。なお、異常検知回路14から異常検知信号Saが出力された場合に、出力アンプ108が慣性力検出信号S13の出力を停止するように構成しても良い。
 (実施形態2)
 図6は、この発明の実施形態2による慣性速度センサ装置の構成を示す。この慣性速度センサ装置は、図1に示した慣性力検出回路13に代えて、慣性力検出回路23を備えるとともに、駆動回路12からのクロック信号CLK1を逓倍して動作クロックCLK3を生成するPLL回路21をさらに備える。その他の構成は、図1と同様である。
  〔慣性力検出回路〕
 図7は、図6に示した慣性力検出回路23の内部構成を示す。慣性力検出回路23は、慣性速度センサ素子11からのセンサ信号Siをデジタルセンサ信号に変換した後、デジタル検波信号(PLL回路21からの動作クロックCLK3に基づいて生成される検波信号)を用いてデジタルセンサ信号から慣性力成分(慣性速度センサ素子11に加えられた慣性力に対応するデジタル信号)を抽出する。慣性力検出回路23では、アナログ/デジタル変換回路(A/D)203,同期検波回路204,デジタルフィルタ205,出力調整回路206は、PLL回路21からの動作クロックCLK3に同期して動作する。
 入力アンプ201は、慣性速度センサ素子11からのセンサ信号Siを電圧に変換し、ローパスフィルタ202は、ノイズ除去等のために入力アンプ201の出力のうち低周波成分のみを通過させる。アナログ/デジタル変換回路203は、ローパスフィルタ202の出力をアナログ/デジタル変換してデジタルセンサ信号を得る。同期検波回路204は、動作クロックCLK3に基づいてデジタル検波信号を生成し、そのデジタル検波信号を用いてアナログ/デジタル変換回路203によって得られたデジタルセンサ信号の中から慣性力成分(慣性力に対応するデジタル信号)を抽出する。デジタルフィルタ205は、同期検波回路204によって抽出されたデジタル信号のうち低周波数成分のみを通過させ、ノイズ成分を除去する。出力調整回路206は、デジタルフィルタ205の出力を慣性力検出信号S23(デジタル値)として出力する。また、出力調整回路206は、異常検知回路14からの異常検知信号Saを受けると、慣性力検出信号S23に示されたデジタル値を徐々に小さくする。これにより、慣性力検出信号S23の急激な変化を抑制することができる。なお、異常検知回路14から異常検知信号Saが出力された場合に、出力調整回路206が慣性力検出信号S23の出力を停止しても良い。
 特許文献1に記載の信号処理装置では、発振回路からのクロック信号に基づいてデジタル検波信号を生成しているが、この実施形態による慣性速度センサ装置では、慣性速度センサ素子11からの振動信号Soを利用してデジタル検波信号が生成される。そのため、センサ信号Siに同期したデジタル検波信号を容易に生成することができ、エイリアスや唸りの発生を抑制することができる。
  〔慣性力検出回路の変形例〕
 なお、図6に示された慣性速度センサ装置が、慣性力検出回路23に代えて、図8のような慣性力検出回路23aを備えていても構わない。図8に示した慣性力検出回路23aは、アナログ検波信号(駆動回路12からのクロック信号CLK1)を用いて慣性速度センサ素子11からのセンサ信号Siから慣性力成分(慣性速度センサ素子11に加えられた慣性力に対応するアナログ信号)を抽出した後、その慣性力成分をデジタル信号に変換する。慣性力検出回路23aでは、アナログ/デジタル変換回路(A/D)203,デジタルフィルタ205,出力調整回路206は、PLL回路21からの動作クロックCLK3に同期して動作する。同期検波回路204は、駆動回路12からのクロック信号CLK1を用いてローパスフィルタ202の出力から慣性力成分を抽出し、アナログ/デジタル変換回路203に出力する。
 (実施形態3)
 図9は、この発明の実施形態3による慣性速度センサ装置の構成を示す。この慣性速度センサ装置は、図6に示された構成に加えて、温度モニタ回路31,EEPROM32,制御回路33をさらに備える。また、異常検知回路14は、駆動回路12の異常状態だけでなく、PLL回路21,慣性力検出回路23,温度モニタ回路31,EEPROM32の異常状態も検知する。なお、ここでは、駆動回路12,異常検知回路14,PLL回路21,慣性力検出回路23,温度モニタ回路31,制御回路33は、同一の半導体集積回路(または、同一のパッケージ)に内蔵されているものとする。
  〔異常検知回路〕
 異常検知回路14は、駆動回路12の動作状態を監視するためのモニタ信号M12に加えて、PLL回路21,慣性力検出回路23,温度モニタ回路31,EEPROM32の動作状態を監視するためのモニタ信号M21,M23,M31,M32を受ける。異常検知回路14は、モニタ信号M12,M21,M23,M31,M32に基づいて、駆動回路12,PLL回路21,慣性力検出回路23,温度モニタ回路31,EEPROM32の動作状態が正常であるのか異常であるのかを判断する。また、異常検知回路14は、駆動回路12,PLL回路21,慣性力検出回路23,温度モニタ回路31,EEPROM32のそれぞれについて、その回路の動作状態が異常である期間(異常状態期間)をCR発振器15からのクロック信号CLK2に同期して計数する。そして、異常検知回路14は、駆動回路12,PLL回路21,慣性力検出回路23,温度モニタ回路31,EEPROM32のうち少なくとも1つの異常状態期間が異常検知期間(予め定められた期間)に到達すると、異常検知信号Saを出力する。なお、異常検知回路14が動作状態が異常である期間をカウントせずに動作状態の判断結果に基づいて異常検知信号Saを出力するように構成しても良い。
  〔温度モニタ回路〕
 温度モニタ回路31は、半導体集積回路(または、パッケージ)の温度を測定し、測定結果を温度モニタ信号S31として出力する。
  〔EEPROM〕
 EEPROM32は、駆動回路12の動作を制御するための制御情報(例えば、自動利得制御増幅器102における増幅率やオフセットなど)、および慣性力検出回路23の動作を制御するための制御情報(例えば、出力調整回路206における増幅率やオフセットなど)を格納する。
  〔制御回路〕
 制御回路33は、CR発振器15からのクロック信号CLK2に同期して動作し、温度モニタ回路31からの温度モニタ信号S31,EEPROM32に格納された制御情報,および異常検知回路14からの異常検知信号Saに基づいて、駆動回路12,慣性力検出回路23を制御するための制御信号C12,C23を出力する。
 例えば、制御回路33は、EEPROM32から制御情報を読み出し、その制御情報に基づいて駆動回路12,慣性力検出回路23のそれぞれのパラメータ(例えば、増幅率やオフセット)を制御することにより、駆動回路12,慣性力検出回路23を正常に駆動させる。また、制御回路33は、温度モニタ信号S31に示された温度が所定温度を超えると、半導体集積回路の温度が異常状態であると判断して、駆動回路12,慣性力検出回路23にエラー処理を実行させる。さらに、制御回路33は、異常検知回路14からの異常検知信号Saを受けた場合も、駆動回路12,慣性力検出回路23にエラー処理を実行させる。
 なお、温度モニタ信号S31に示された温度が所定温度を超えた場合、または、異常検知回路14によって異常検知信号Saが出力された場合に、制御回路33がリセット処理を実行するように構成しても良い。リセット処理では、制御回路33は、駆動回路12,慣性力検出回路23のそれぞれを一旦停止状態にした後、EEPROM32から制御情報を読み直して駆動回路12,慣性力検出回路23のそれぞれのパラメータを再設定する。このように制御することにより、駆動回路12,慣性力検出回路23に正常動作を再開させることが可能となる。
 以上のように、制御回路33は、慣性速度センサ素子11を周波数基準とする信号(例えば、動作クロックCLK3)ではなく、CR発振器15からのクロック信号CLK2(慣性速度センサ素子11を周波数基準としないクロック信号)に同期して動作する。そのため、慣性速度センサ素子11が正常に動作していない状態であっても、制御回路33は、駆動回路12,慣性力検出回路23を制御することができる。
 また、駆動回路12,異常検知回路14,PLL回路21,慣性力検出回路23,温度モニタ回路31,制御回路33が同一の半導体集積回路(または、同一のパッケージ)に内蔵されることにより、基板配線が不要になるとともに、マイコンによる割り込み制御が不要になる。さらに、温度モニタ回路31と異常検知回路とを隣接させれば、自己発熱の検知精度を向上させることができる。
 なお、駆動回路12,異常検知回路14,PLL回路21,慣性力検出回路23,温度モニタ回路31,制御回路33に加えて、慣性速度センサ素子11も、同一の半導体集積回路(または、同一のパッケージ)に内蔵されていても良い。すなわち、慣性速度センサ素子11と信号処理回路(駆動回路12,異常検知回路14,PLL回路21,慣性力検出回路23,温度モニタ回路31,制御回路33)とを別々のモジュールとして製造しても良いし、慣性速度センサ素子11と信号処理回路を同一のパッケージに封じたSiP(System in Package)や、慣性速度センサ素子11と信号処理回路が混載するモジュールとして製造しても良い。
 また、図9に示した慣性速度センサ装置において、慣性力検出回路23を図3,図8に示した慣性力検出回路に置換した場合も、同様の効果を奏する。
 (その他の実施形態)
 以上の各実施形態において、慣性速度センサ装置にCR発振器15が搭載されている例について説明したが、CR発振器15が慣性速度センサ装置の外部に設けられていても良い。すなわち、慣性速度センサ装置にクロック入力端子を設け、そのクロック入力端子を介してクロック信号CLK2を異常検知回路14や制御回路33に供給しても良い。
 なお、慣性速度センサ素子11は、音叉型に限らず、正三角柱,正四角柱,リング型やその他の形状であっても良い。また、複数の慣性速度センサ素子によって慣性速度センサ素子11が構成されていても良い。
 以上説明したように、この発明による慣性速度センサ装置は、慣性速度センサ素子が正常に動作していない場合であっても異常検知可能であるので、移動体(航空機,自動車,ロボット,船舶等),携帯電話,カメラ,テレビゲーム装置等において慣性力を検出する装置として有用である。

Claims (22)

  1.  慣性速度センサ素子とともに用いる慣性速度センサ信号処理回路であって、
     第1のクロックで動作する第1の信号処理回路と、
     前記第1のクロックと同期しない第2のクロックで動作する第2の信号処理回路を備える
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  2.  請求項1において、
     前記第1のクロックは、前記慣性速度センサ素子を周波数基準とする第1の発振回路から供給される
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  3.  請求項2において、
     前記第2のクロックが供給されるクロック入力端子をさらに備え、
     前記第2の信号処理回路は、前記クロック入力端子に供給された第2のクロックを受ける
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  4.  請求項2において、
     前記第2のクロックを供給する第2の発振回路をさらに備え、
     前記第2の信号処理回路は、前記第2の発振回路からの第2のクロックを受ける
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  5.  請求項1~4のいずれか1項に記載の慣性速度センサ信号処理回路と、
     前記慣性速度センサ素子とを備える
    ことを特徴とする慣性速度センサ装置。
  6.  請求項5において、
     前記第2の信号処理回路は、当該慣性速度センサ装置の異常を検知すると、異常検知信号を出力する
    ことを特徴とする慣性速度センサ装置。
  7.  請求項6において、
     前記異常検知信号により制御される異常処理回路をさらに備え、
     前記異常処理回路は、前記第2のクロックで動作する
    ことを特徴とする慣性速度センサ装置。
  8.  請求項1において、
     前記第1および第2の信号処理回路は、同一の半導体装置に内蔵される
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  9.  請求項5において、
     前記第1および第2の信号処理回路は、同一の半導体装置に内蔵される
    ことを特徴とする慣性速度センサ装置。
  10.  請求項1において、
     前記第1および第2の信号処理回路は、同一のパッケージに内蔵される
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  11.  請求項5において、
     前記第1および第2の信号処理回路,および前記慣性速度センサ素子は、同一のパッケージに内蔵される
    ことを特徴とする慣性速度センサ装置。
  12.  請求項1において、
     前記慣性速度センサ素子は、駆動信号に応じて振動しその振動に対応する振動信号を出力するとともに自己に加えられた慣性力に対応するセンサ信号を出力するものであり、
     前記第1の信号処理回路は、前記慣性速度センサ素子からの振動信号を周波数基準とする前記第1のクロックに同期して動作するセンサ回路であり、
     前記第2の信号処理回路は、前記振動信号を周波数基準としない前記第2のクロックに同期して動作するとともに前記センサ回路の動作状態が正常であるのか異常であるのかを判定して異常検知信号を出力する異常検知回路である
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  13.  請求項12において、
     前記異常検知回路は、前記第2のクロック信号に同期して前記センサ回路の動作状態が異常である期間を計数し、その計数期間が予め定められた異常検知期間に到達すると前記異常検知信号を出力する
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  14.  請求項12において、
     前記第2のクロック信号に同期して動作し、前記異常検知回路からの異常検知信号に応答して前記センサ回路を制御する制御回路をさらに備える
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  15.  請求項12~14のいずれか1項において、
     前記センサ回路は、前記振動信号に基づいて前記駆動信号を制御する駆動回路を含む
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  16.  請求項15において、
     前記センサ回路は、前記第1のクロックを用いて前記センサ信号から前記慣性力を検出する慣性力検出回路を含む
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  17.  請求項16において、
     前記慣性力検出回路は、前記第1のクロックを周波数基準とする動作クロックに同期して前記センサ信号をデジタルセンサ信号に変換するとともに、前記第1のクロックを周波数基準とするデジタル検波信号を用いて前記デジタルセンサ信号から前記慣性力に対応するデジタル信号を抽出する
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  18.  請求項16において、
     前記慣性力検出回路は、前記振動信号を周波数基準とするアナログ検波信号を用いて前記センサ信号から前記慣性力に対応するアナログ信号を抽出するとともに、前記第1のクロックを周波数基準とする動作クロックに同期して前記アナログ信号をデジタル信号に変換する
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  19.  請求項12において、
     前記第2のクロックを供給する発振回路をさらに備える
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  20.  請求項12において、
     前記センサ回路および前記異常検知回路は、同一の半導体集積回路または同一のパッケージに内蔵される
    ことを特徴とする慣性速度センサ信号処理回路。
  21.  請求項12に記載の慣性速度センサ信号処理回路と、
     前記慣性速度センサ素子とを備える
    ことを特徴とする慣性速度センサ装置。
  22.  請求項21において、
     前記慣性速度センサ素子,前記センサ回路,前記異常検知回路は、同一の半導体集積回路または同一のパッケージに内蔵される
    ことを特徴とする慣性速度センサ装置。
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