JP2011153880A - Angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特に、航空機、車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム等に用いられる角速度センサに関するものである。 The present invention particularly relates to an angular velocity sensor used for attitude control of a moving body such as an aircraft or a vehicle, a navigation system, or the like.
従来のこの種の角速度センサについて、以下、図面を参照しながら説明する。 A conventional angular velocity sensor of this type will be described below with reference to the drawings.
図9は従来の角速度センサの回路図である。 FIG. 9 is a circuit diagram of a conventional angular velocity sensor.
図9において、1はシリコン材料からなるセンサ素子で、このセンサ素子1はセンサ素子1を振動させるための信号を入力する駆動電極2と、振動状態に応じた信号を出力するモニタ電極3と、角速度が印加されるとコリオリ力に応じた出力をするセンス電極4とで構成されている。
In FIG. 9, 1 is a sensor element made of a silicon material. This
前記モニタ電極3より出力されるモニタ信号はドライブ回路5に入力される。このドライブ回路5は、入力されたモニタ信号からセンサ素子1の振動が一定振幅となるように調整した駆動信号を駆動電極2に出力する。前記センス電極4より出力されるセンス信号はセンス回路7に入力される。このセンス回路7は、センス電極4より出力されるセンス信号をドライブ回路5より出力されるセンサ素子の駆動周波数に同期した信号で同期検波回路8により検波し、角速度信号を出力するものである。9はROMからなるメモリである。10は周囲の温度を計測する温度センサである。11は出力調整回路で、この出力調整回路11は前記センス回路7における同期検波後の出力信号をメモリ9に格納されたデータを基に温度センサ10からの温度出力信号に応じて補正するものである。
A monitor signal output from the
以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。 Next, the operation of the conventional angular velocity sensor configured as described above will be described.
角速度センサにおけるセンサ素子1の駆動電極2に交流電圧が負荷されると、センサ素子1がX方向に駆動周波数で振動駆動する。そして、センサ素子1のZ軸周りに角速度が負荷されると、コリオリ力により、センサ素子1がY軸方向に検知周波数で振動する。そして、この振動によりセンス電極4に容量変化が発生する。そして、この容量変化による出力信号をセンス回路7によりCV変換して出力することにより、角速度を検出するものである。
When an AC voltage is applied to the
ここで、従来の角速度センサの周囲の温度が変化することにより、図10(a)に示すように、出力信号が直線的に変化する場合を考える。 Here, consider a case where the output signal changes linearly as shown in FIG. 10A due to a change in the temperature around the conventional angular velocity sensor.
従来の角速度センサにおいては、図10(b)に示す温度センサ10からの出力信号に応じて、メモリ9に保管されている図10(c)に示すような補正データを基に、出力調整回路11で補正することにより、図10(d)に示すような、温度によって信号が変化しない補正後の出力信号を出力するものであった。
In the conventional angular velocity sensor, the output adjustment circuit is based on the correction data as shown in FIG. 10C stored in the
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
As prior art document information relating to the invention of this application, for example,
しかしながら、上記した従来の構成においては、図10(b)に示す温度センサ10からの出力信号のX軸切片の変化により、図10(a)に示す出力信号と図10(c)に示す補正データとの交点が変化するため、図10(d)に示す補正後の出力信号にオフセットが発生してしまうという課題を有していた。
However, in the conventional configuration described above, the output signal shown in FIG. 10 (a) and the correction shown in FIG. 10 (c) are caused by the change in the X-axis intercept of the output signal from the
本発明は上記従来の課題を解決するもので、温度センサからの出力信号のX軸切片が変化しても、補正後の出力信号にオフセットが発生するということのない、出力特性の安定した角速度センサを提供することを目的とするものである。 The present invention solves the above-described conventional problems, and even if the X-axis intercept of the output signal from the temperature sensor changes, an offset does not occur in the corrected output signal, and the angular velocity has a stable output characteristic. The object is to provide a sensor.
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。 In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.
本発明の請求項1に記載の発明は、駆動電極と、センス電極と、モニタ電極とを有するセンサ素子と、このセンサ素子における駆動電極に電圧を印加するドライブ回路と、前記センサ素子におけるセンス電極から出力される信号を角速度出力信号に変換するセンス回路と、周囲の温度を検出するとともに温度に応じた出力信号を出力する温度センサと、前記センス回路から出力される角速度出力信号の温度変化による変動を温度センサからの出力信号を基に補正するROMを有する温度補正回路とを備え、前記温度補正回路に温度センサ出力のオフセット調整機能を設けるとともに、オフセット調整された温度情報を基にROMに保存した補正データにより角速度出力信号の温度変化による変動を補正するようにしたもので、この構成によれば、温度補正回路におけるROMに所定の基準温度でオフセット調整する補正データを格納するとともに、この補正データにより角速度出力信号の温度変化による変動を補正するようにしたため、補正後の出力信号にオフセットが発生しなくなるという作用効果を有するものである。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a sensor element having a drive electrode, a sense electrode, and a monitor electrode, a drive circuit for applying a voltage to the drive electrode in the sensor element, and the sense electrode in the sensor element A sense circuit that converts a signal output from the sensor into an angular velocity output signal, a temperature sensor that detects an ambient temperature and outputs an output signal corresponding to the temperature, and a change in temperature of the angular velocity output signal output from the sense circuit And a temperature correction circuit having a ROM that corrects fluctuations based on an output signal from the temperature sensor. The temperature correction circuit is provided with an offset adjustment function of the temperature sensor output, and the ROM is based on the offset-adjusted temperature information. The stored correction data is used to correct fluctuations due to temperature changes in the angular velocity output signal. The correction data for offset adjustment at the predetermined reference temperature is stored in the ROM in the temperature correction circuit, and the fluctuation due to the temperature change of the angular velocity output signal is corrected by this correction data, so that an offset is generated in the corrected output signal. It has the effect that it stops.
本発明の請求項2に記載の発明は、特に、温度補正演算手段が温度情報t、2値のROMから読み出した補正データaおよびbを用いて、補正値y=(a×t+b)×tを演算するようにしたもので、この構成によれば、温度補正演算手段が温度情報t、2値のROMから読み出した補正データaおよびbを用いて、補正値y=(a×t+b)×tを演算するようにしたため、2次補正をするための乗算回数を2回でできるため、演算量を削減できるという作用効果を有するものである。 According to the second aspect of the present invention, in particular, the correction value y = (a × t + b) × t using the temperature data t and the correction data a and b read from the binary ROM by the temperature correction calculation means. According to this configuration, the correction value y = (a × t + b) × using the temperature information t and the correction data a and b read from the binary ROM by the temperature correction calculation means. Since t is calculated, the number of multiplications for the secondary correction can be performed twice, so that the amount of calculation can be reduced.
本発明の請求項3に記載の発明は、特に、温度センサから発生する出力信号のノイズ信号を除去するローパスフィルタを設け、起動時にはこのローパスフィルタの応答性を高める構成を設けたもので、この構成によれば、通常時は温度センサから出力される温度情報データに生じたノイズ信号を精度良く除去し、電源起動時はそのローパスフィルタの応答性を高めることができるため、温度補正演算手段が正確な温度情報に基づき補正信号を生成できるという作用効果を有するものである。
The invention according to
本発明の角速度センサは、駆動電極と、センス電極と、モニタ電極とを有するセンサ素子と、このセンサ素子における駆動電極に電圧を印加するドライブ回路と、前記センサ素子におけるセンス電極から出力される信号を角速度出力信号に変換するセンス回路と、周囲の温度を検出するとともに温度に応じた出力信号を出力する温度センサと、前記センス回路から出力される角速度出力信号の温度変化による変動を温度センサからの出力信号を基に補正するROMを有する温度補正回路とを備え、前記温度補正回路に温度センサ出力のオフセット調整機能を設けるとともに、オフセット調整された温度情報を基にROMに保存した補正データにより角速度出力信号の温度変化による変動を補正するようにしたため、補正後の出力信号にオフセットが発生するということのない出力精度の向上した角速度センサを提供することができるという効果を有するものである。 An angular velocity sensor according to the present invention includes a sensor element having a drive electrode, a sense electrode, and a monitor electrode, a drive circuit for applying a voltage to the drive electrode in the sensor element, and a signal output from the sense electrode in the sensor element Is converted to an angular velocity output signal, a temperature sensor that detects an ambient temperature and outputs an output signal corresponding to the temperature, and changes in temperature of the angular velocity output signal output from the sense circuit from the temperature sensor. And a temperature correction circuit having a ROM for correcting based on the output signal of the temperature correction circuit, provided with an offset adjustment function of the temperature sensor output in the temperature correction circuit, and by correction data stored in the ROM based on the temperature information adjusted for offset Since fluctuations in the angular velocity output signal due to temperature changes are corrected, the offset value is offset in the corrected output signal. Those having an effect of being able to provide an angular velocity sensor having improved output accuracy without that bets may occur.
以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施の形態における角速度センサの回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
図1において、30はセンサ素子で、このセンサ素子30は振動体31と、この振動体31を振動させるための圧電体を有する駆動電極32と、振動状態に応じて電荷を発生する圧電体を有するモニタ電極33と、前記センサ素子30に角速度が印加されると電荷を発生する圧電体を有する一対のセンス電極とを設けている。また、前記センサ素子30における一対のセンス電極は、第1のセンス電極34と、この第1のセンス電極34と逆極性の電荷を発生する第2のセンス電極35とで構成されている。41はドライブ回路で、このドライブ回路41は入力切替手段42と、DA変換手段43、積分手段44、比較手段45、デジタルフィルタからなるフィルタ回路46、AGC回路47および駆動回路48とで構成されている。また、前記ドライブ回路41における入力切替手段42は、振動体31におけるモニタ電極33と接続され、そして、第2のタイミングΦ2で動作するアナログスイッチで構成されているものである。そしてまた、前記ドライブ回路41におけるDA切替手段49は、第1の基準電圧50および第2の基準電圧51を有し、そしてこの第1の基準電圧50と第2の基準電圧51を第2のタイミングΦ2で所定の信号により切り替えている。さらに、前記ドライブ回路41にはDA出力手段52を設けており、このDA出力手段52は前記DA切替手段49の出力信号が入力されるコンデンサ53と、このコンデンサ53の両端に接続され、かつ前記第1のタイミングΦ1で動作してコンデンサ53の電荷を放電するSW54,55とで構成されている。そして、前記DA切替手段49とDA出力手段52とでDA変換手段43を構成し、かつこのDA変換手段43は第1のタイミングΦ1で前記コンデンサ53の電荷を放電し、さらに前記第2のタイミングΦ2で前記DA切替手段49が出力する基準電圧に応じた電荷を入出力するものである。56はSWで、このSW56には前記入力切替手段42とDA変換手段43の出力が入力され、そして、このSW56は前記第2のタイミングΦ2で出力するものである。
In FIG. 1,
44は積分手段で、この積分手段44には前記SW56の出力が入力されるもので、演算増幅器57と、この演算増幅器57の帰還に接続されるコンデンサ58とにより構成されている。そして、第2のタイミングΦ2で動作し、前記積分手段44への入力信号がコンデンサ58により積分されるものである。45は比較手段で、この比較手段45には前記積分手段44が出力する積分信号が入力され、そして、この比較手段45はこの積分信号と所定の値とを比較する比較器59と、この比較器59が出力する1ビットデジタル信号が入力されるD型フリップフロップ60とにより構成されている。また、前記D型フリップフロップ60は前記第1のタイミングΦ1の開始時に前記1ビットデジタル信号をラッチしてラッチ信号を出力するものであり、このラッチ信号は、前記DA変換手段43のDA切替手段49に入力されて、第1の基準電圧50と第2の基準電圧51とを切り替えるものである。そして、前記入力切替手段42、DA変換手段43、積分手段44および比較手段45によりΣΔ変調器からなるAD変換器61を構成している。 Reference numeral 44 denotes an integrating means, to which the output of the SW 56 is input. The integrating means 44 comprises an operational amplifier 57 and a capacitor 58 connected to the feedback of the operational amplifier 57. Then, it operates at the second timing Φ2, and the input signal to the integrating means 44 is integrated by the capacitor 58. Reference numeral 45 denotes a comparison means. The comparison means 45 receives an integration signal output from the integration means 44. The comparison means 45 compares the integration signal with a predetermined value, and compares the comparison signal. And a D-type flip-flop 60 to which a 1-bit digital signal output from the device 59 is input. The D-type flip-flop 60 latches the 1-bit digital signal and outputs a latch signal at the start of the first timing Φ1, and this latch signal is the DA switching means of the DA conversion means 43. 49, the first reference voltage 50 and the second reference voltage 51 are switched. The input switching means 42, DA converting means 43, integrating means 44, and comparing means 45 constitute an AD converter 61 composed of a ΣΔ modulator.
また、前記AD変換器61の出力するパルス密度変調記号はフィルタ回路46に入力され、前記振動体31の共振周波数の信号を抽出し、ノイズ成分を除去したマルチビット信号を出力する。そして、このマルチビット信号をAGC回路47に設けた半波整流フィルタ回路(図示せず)に入力することにより、振幅情報信号に変換する。そしてAGC回路47はこの振幅情報信号が大の場合には前記フィルタ回路46の出力マルチビット信号を減衰させた信号を、一方、前記振幅情報信号が小の場合には前記フィルタ回路46の出力マルチビット信号を増幅させた信号を駆動回路48に入力し、前記振動体31の振動が一定振幅となるように調整するものである。
Further, the pulse density modulation symbol output from the AD converter 61 is input to the filter circuit 46, and a signal of the resonance frequency of the vibrating
前記駆動回路48は、2値を保持しているデジタル値出力手段62と、AGC回路47からの出力信号と前記デジタル値出力手段62の出力を加算し積分する加積分演算手段63と、この加積分演算手段63からの出力を比較定数値64と比較する値比較手段65と、この値比較手段65の出力に応じて前記デジタル値出力手段62の出力するデジタル値を切り替える値切替手段66と、前記値比較手段65の出力を所定のタイミングでラッチするフリップフロップ67とにより構成されるデジタルΣΔ変調器68を有している。前記デジタルΣΔ変調器68により前記AGC回路47が出力するマルチビット信号は1ビットのパルス密度変調信号に変調されて出力され、かつこのパルス密度変調信号はアナログフィルタ69に入力され、さらにセンサ素子30を駆動するのに有害な周波数成分はフィルタリングされて、センサ素子30に出力される。
The drive circuit 48 includes a digital value output means 62 that holds two values, an addition / integration calculation means 63 that adds and integrates the output signal from the
71はタイミング制御回路で、このタイミング制御回路71は前記ドライブ回路41におけるフィルタ回路46が出力するマルチビット信号を入力し、第1のタイミングΦ1、第2のタイミングΦ2のタイミング信号を生成してドライブ回路41に、また第3のタイミングΦ3、第4のタイミングΦ4、第5のタイミングΦ5、第6のタイミングΦ6のタイミング信号をセンス回路81に出力するものである。 Reference numeral 71 denotes a timing control circuit. The timing control circuit 71 inputs a multi-bit signal output from the filter circuit 46 in the drive circuit 41, generates a timing signal of the first timing Φ1 and the second timing Φ2, and drives it. The timing signal of the third timing Φ3, the fourth timing Φ4, the fifth timing Φ5, and the sixth timing Φ6 is output to the circuit 41, and to the sense circuit 81.
なお、上記タイミング制御回路71の内部構成については後述する。 The internal configuration of the timing control circuit 71 will be described later.
前記センス回路81はΣΔ変調器からなるAD変換器82および演算手段83により構成されている。84は入力切替手段で、この入力切替手段84は前記センサ素子30における第1のセンス電極34と接続され前記第4のタイミングΦ4で動作するアナログスイッチ85(以下、SWと記す)、第2のセンス電極35と接続され前記第6のタイミングΦ6で動作するアナログスイッチ86とで構成されている。この構成により、入力切替手段84は、第1のセンス電極34または第2のセンス電極35からの入力信号を第4のタイミングΦ4または第6のタイミングΦ6で切り替えて出力することになる。87はDA切替手段で、このDA切替手段87は、第1の基準電圧88および第2の基準電圧89を有し、そしてこの第1の基準電圧88と第2の基準電圧89を所定の信号により切り替えるものである。90はDA出力手段で、このDA出力手段90は前記DA切替手段87の出力信号が入力されるコンデンサ91と、このコンデンサ91の両端に接続され、かつ前記第3のタイミングΦ3と第5のタイミングΦ5で動作してコンデンサ91の電荷を放電するSW92,93により構成されている。そして、前記DA切替手段87とDA出力手段90とでDA変換手段94を構成し、かつこのDA変換手段94は第3のタイミングΦ3と第5のタイミングΦ5で前記コンデンサ91の電荷を放電し、さらに前記第4のタイミングΦ4と第6のタイミングΦ6で前記DA切替手段87が出力する基準電圧に応じた電荷を入出力するものである。
The sense circuit 81 includes an AD converter 82 composed of a ΣΔ modulator and an
95はSWで、このSW95には前記入力切替手段84とDA変換手段94の出力が入力され、前記第4のタイミングΦ4と第6のタイミングΦ6で出力するものである。96は積分回路で、この積分回路96には前記SW95の出力が入力されるものであり、そして、この積分回路96は演算増幅器97と、この演算増幅器97の帰還に並列に接続される一対のコンデンサ98,99と、このコンデンサ98,99に接続される一対のSW100,101とにより構成されている。また、SW100は第3のタイミングΦ3と第4のタイミングΦ4で動作し、前記積分回路96への入力信号がコンデンサ98に積分されて積分値が保持されることになる。そしてまた、SW101は前記第5のタイミングΦ5と第6のタイミングΦ6で動作し、前記積分回路96への入力信号がコンデンサ99に積分されて積分値が保持されることになる。SW95と積分回路96により積分手段102を構成している。
Reference numeral 95 denotes an SW. The outputs of the input switching means 84 and the DA conversion means 94 are input to the SW 95 and output at the fourth timing Φ4 and the sixth timing Φ6. Reference numeral 96 denotes an integrating circuit, to which the output of the SW 95 is input. The integrating circuit 96 is connected to an operational amplifier 97 and a pair of feedback connected to the operational amplifier 97 in parallel. The
103は比較手段で、この比較手段103には前記積分手段102が出力する積分信号が入力され、そして、この比較手段103はこの積分信号と所定の値とを比較する比較器104と、この比較器104が出力する1ビットデジタル信号が入力されるD型フリップフロップ105とで構成されている。また、前記D型フリップフロップ105は前記第4のタイミングΦ4と第6のタイミングΦ6の開始時に前記1ビットデジタル信号をラッチしてラッチ信号を出力するものであり、このラッチ信号は、前記DA変換手段94のDA切替手段87に入力されて基準電圧88,89を切り替えるものである。そして、前記入力切替手段84、DA変換手段94、積分手段102および比較手段103によりAD変換器82を構成している。
またこのAD変換器82は上記構成により、前記センサ素子30における第1のセンス電極34および第2のセンス電極35より出力される電荷をΣΔ変調し、1ビットデジタル信号に変換して出力するものである。
In addition, the AD converter 82 has the above-described configuration, and ΣΔ modulates the electric charges output from the
106はラッチ回路で、このラッチ回路106には前記AD変換器82の比較手段103における比較器104より出力される1ビットデジタル信号が入力され、かつ前記1ビットデジタル信号をラッチする一対のD型フリップフロップ107,108により構成されている。また、D型フリップフロップ107は第4のタイミングΦ4で前記1ビットデジタル信号をラッチするものであり、D型フリップフロップ108は第6のタイミングΦ6で前記1ビットデジタル信号をラッチするものである。109は差分演算手段で、この差分演算手段109は前記ラッチ回路106における一対のD型フリップフロップ107,108がラッチして出力する一対の1ビットデジタル信号が入力され、そしてこの一対の1ビットデジタル信号の差を演算する1ビット差分演算を置換処理により実現するものである。つまり、差分演算手段109に入力される一対の1ビットデジタル信号が、“00”“01”“10”“11”である時、それぞれ“0”“−1”“1”“0”と置き換えて出力する構成となっている。110はデジタルフィルタからなるフィルタ回路で、このフィルタ回路110には前記差分演算手段109より出力されるデジタル差分信号が入力され、ノイズ成分を除去するフィルタリング処理を行うものである。111は補正演算手段で、この補正演算手段111には前記差分演算手段109が出力する1ビット差分信号が入力され、この1ビット差分信号と所定の補正情報との補正演算を置換処理により実現するものであり、つまり、上記したように補正演算手段111に入力される1ビット差分信号が“0”“1”“−1”であり、例えば、補正情報が“5”である場合にはそれぞれ“0”“5”“−5”と置き換えて出力する構成となっている。そして、前記ラッチ回路106、差分演算手段109、フィルタ回路110および補正演算手段111により演算手段83を構成している。また、この演算手段83は、第4、第6のタイミングで一対の1ビットデジタル信号をラッチして、差分演算、補正演算、フィルタリング処理を行い、マルチビット信号を出力している。
A latch circuit 106 receives a 1-bit digital signal output from the comparator 104 in the comparing means 103 of the AD converter 82 and latches the 1-bit digital signal. The flip-flops 107 and 108 are used. The D-type flip-flop 107 latches the 1-bit digital signal at the fourth timing Φ4, and the D-type flip-flop 108 latches the 1-bit digital signal at the sixth timing Φ6. Reference numeral 109 denotes a difference calculation means. The difference calculation means 109 receives a pair of 1-bit digital signals latched and output by the pair of D-type flip-flops 107 and 108 in the latch circuit 106, and the pair of 1-bit digital signals. A 1-bit difference operation for calculating a signal difference is realized by a replacement process. That is, when the pair of 1-bit digital signals input to the difference calculation means 109 are “00”, “01”, “10”, and “11”, they are replaced with “0”, “−1”, “1”, and “0”, respectively. Output.
そして、タイミング制御回路71は、PLL回路121と、タイミング生成回路122,123と、振幅判定回路124とで構成されている。 The timing control circuit 71 includes a PLL circuit 121, timing generation circuits 122 and 123, and an amplitude determination circuit 124.
前記PLL回路121は、前記ドライブ回路41におけるフィルタ回路46が出力するマルチビット信号の周波数を逓倍し、位相ノイズを時間的に積分し低減して、タイミング生成回路122,123に信号を出力するものである。位相監視手段126には、フィルタ回路46が出力するマルチビット信号を波形整形した矩形波信号と分周器126aの出力信号が入力される。そして、分周器126aによる第2のタイミング信号は後述する電圧制御発振器129による第1のタイミング信号を分周した同期信号であり、第2のタイミング信号のタイミングでの、AD変換器であるドライブ回路41の出力値それ自体が、第2のタイミング信号の正弦波信号の中央値、つまりゼロ点との位相ズレ量に応じた値となる。位相監視手段126から出力される信号は位相補正回路126bを介してループフィルタからなるフィルタ回路127に入力され、そしてこのフィルタ回路127は交流成分の少ない直流信号に変換するもので、このフィルタ回路127の出力信号と定電圧値とがタイミング切替手段128に入力される。そしてまた、このタイミング切替手段128の一方は、前述したように、フィルタ回路127に接続されるとともに、他方は定電圧出力器と電気的に接続されている。 The PLL circuit 121 multiplies the frequency of the multi-bit signal output from the filter circuit 46 in the drive circuit 41, integrates and reduces the phase noise in time, and outputs a signal to the timing generation circuits 122 and 123. It is. The phase monitoring means 126 receives a rectangular wave signal obtained by shaping the multi-bit signal output from the filter circuit 46 and an output signal from the frequency divider 126a. The second timing signal by the frequency divider 126a is a synchronization signal obtained by dividing the first timing signal by the voltage controlled oscillator 129, which will be described later, and is a drive that is an AD converter at the timing of the second timing signal. The output value itself of the circuit 41 is a value corresponding to the median value of the sine wave signal of the second timing signal, that is, the phase shift amount from the zero point. The signal output from the phase monitoring means 126 is input to the filter circuit 127 formed of a loop filter via the phase correction circuit 126b, and this filter circuit 127 converts the signal into a DC signal with a small AC component. The output signal and the constant voltage value are input to the timing switching means 128. One of the timing switching means 128 is connected to the filter circuit 127 as described above, and the other is electrically connected to the constant voltage output device.
また、前記振幅判定回路124にはフィルタ回路46から出力されるマルチビット信号が入力される。そして、この振幅判定回路124はフィルタ回路46から出力されるマルチビット信号の振幅情報を監視しており、この振幅情報が目標振幅以上である場合には、タイミング切替手段128はフィルタ回路127の出力信号を選択するように、一方、フィルタ回路46から出力されるマルチビット信号の振幅情報が目標振幅以下である場合には、タイミング切替手段128は定電圧値を選択するように切り替えている。 The multi-bit signal output from the filter circuit 46 is input to the amplitude determination circuit 124. The amplitude determination circuit 124 monitors the amplitude information of the multi-bit signal output from the filter circuit 46. If the amplitude information is greater than or equal to the target amplitude, the timing switching means 128 outputs the output of the filter circuit 127. On the other hand, when the amplitude information of the multi-bit signal output from the filter circuit 46 is equal to or less than the target amplitude, the timing switching unit 128 switches so as to select a constant voltage value.
前記タイミング切替手段128の出力電圧は電圧制御発振器129に入力される。この電圧制御発振器129は入力電圧に応じた周波数信号を発振する可変周波数発振器であり、この電圧制御発振器129より出力される発振信号は、分周器126aと、タイミング生成回路122,123に入力される。 The output voltage of the timing switching means 128 is input to the voltage controlled oscillator 129. The voltage controlled oscillator 129 is a variable frequency oscillator that oscillates a frequency signal corresponding to an input voltage. The oscillation signal output from the voltage controlled oscillator 129 is input to the frequency divider 126 a and the timing generation circuits 122 and 123. The
前記タイミング生成回路122は前記PLL回路121から出力される信号をもとに、第1のタイミングΦ1、第2のタイミングΦ2のタイミング信号を生成してドライブ回路41に出力するものであり、またタイミング生成回路123はモニタ信号の2周期間を第3のタイミングΦ3、第4のタイミングΦ4、第5のタイミングΦ5、第6のタイミングΦ6に分割してこのタイミング信号を生成してセンス回路81に出力するものである。
The timing generation circuit 122 generates a timing signal having a first timing Φ1 and a second timing Φ2 based on a signal output from the PLL circuit 121, and outputs the timing signal to the drive circuit 41. The generation circuit 123 divides the two periods of the monitor signal into a
131は温度センサで、この温度センサ131は、周囲の温度を検知して、アナログからなる出力信号を出力している。132はAD変換器で、このAD変換器132は、前記温度センサ131から出力される出力信号をデジタル信号に変換している。133はデジタルローパスフィルタで、このデジタルローパスフィルタ133は前記AD変換器132からの出力信号からノイズ信号を除去している。134はROMで、このROM134は所定の基準温度でオフセット調整する補正データを格納している。135は温度補正演算手段で、この温度補正演算手段135は前記デジタルローパスフィルタ133を介して出力された温度データを基に、ROM134から温度に応じた補正データを選択して温度補正値を演算した後、センス回路81の演算手段83における補正演算手段111に出力させるものである。そして、前記温度センサ131、AD変換器132、デジタルローパスフィルタ133、ROM134および温度補正演算手段135とにより温度補正回路136を構成している。
Reference numeral 131 denotes a temperature sensor. The temperature sensor 131 detects an ambient temperature and outputs an analog output signal.
以上のようにして構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次にその動作を説明する。 Next, the operation of the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention configured as described above will be described.
前記センサ素子30の駆動電極32に駆動信号を加えると、振動体31が共振し、モニタ電極33に電荷が発生する。このモニタ電極33に発生した電荷はドライブ回路41におけるAD変換器61に入力され、パルス密度変調信号へと変換される。そしてこのパルス密度変調信号はフィルタ回路46に入力され、前記振動体31の共振周波数を抽出し、ノイズ成分を除去したマルチビット信号を出力する。
When a drive signal is applied to the
この場合におけるAD変換器61の動作を以下に説明する。このAD変換器61はタイミング制御回路71より出力されるモニタ信号に同期したタイミングである第1のタイミングΦ1、第2のタイミングΦ2を繰り返すことによって動作するもので、第1のタイミングΦ1ではセンサ素子30におけるモニタ電極33から出力される信号がΣΔ変調されて1ビットデジタル信号に変換される。
The operation of the AD converter 61 in this case will be described below. The AD converter 61 operates by repeating the first timing Φ1 and the second timing Φ2 that are synchronized with the monitor signal output from the timing control circuit 71. At the first timing Φ1, the sensor element is operated. The signal output from the
上記した2つのタイミングでの動作をひとつずつ説明する。まず第1のタイミングΦ1では、積分手段44におけるコンデンサ58に保持されている積分値を比較する前記比較手段45の比較器59に入力し、この比較器59より出力される1ビットデジタル信号が、第1のタイミングΦ1の立ち上がり時にD型フリップフロップ60にラッチされ、このラッチ信号が前記DA変換手段43のDA切替手段49に入力される。また、DA出力手段52におけるSW54とSW55がONになって、コンデンサ53に保持されている電荷が放電される。
The operation at the above two timings will be described one by one. First, at the first timing Φ1, the 1-bit digital signal output from the comparator 59 is input to the comparator 59 of the comparator 45 that compares the integrated value held in the capacitor 58 in the integrator 44. At the rising edge of the
次に第2のタイミングΦ2では、前記DA切替手段49に入力されたラッチ信号に応じて第1の基準電圧50および第2の基準電圧51が切り替えられてコンデンサ53に入力され、かつDA変換手段43より切り替えられた基準電圧に応じた電荷が出力される。また、入力切替手段42がONになり、前記センサ素子30のモニタ電極33より発生する電荷が入力される。さらに、積分手段44におけるSW56がONになり、前記入力切替手段42とDA変換手段43から出力される電荷が積分手段44に入力される。これにより第2のタイミングΦ2では、積分手段44におけるコンデンサ58に、図2(a)の斜線部で示される電荷量とDA変換手段43より出力される電荷量の総和が積分されて保持されることになる。
Next, at the second timing Φ2, the first reference voltage 50 and the second reference voltage 51 are switched and input to the
上記した第1のタイミングΦ1および第2のタイミングΦ2での以上の動作によりセンサ素子30のモニタ電極33から出力される振幅値に相当する電荷量がΣΔ変調され、第1のタイミングΦ1の信号の立ち上がり時に1ビットデジタル信号として出力されることになる。
Due to the above operation at the first timing Φ1 and the second timing Φ2, the charge amount corresponding to the amplitude value output from the
以上の動作により、センサ素子30におけるモニタ電極33から出力される電荷量がAD変換器61によりΣΔ変調されて1ビットデジタル信号として上記タイミングで出力されることになる。
With the above operation, the charge amount output from the
そしてまた、前記ドライブ回路41におけるフィルタ回路46より出力される図2(b)に示すマルチビット信号をAGC回路47に設けた半波整流フィルタ回路(図示せず)に入力することにより、振幅情報信号に変換する。また、このAGC回路47は振幅情報信号が大の場合には前記フィルタ回路46の出力マルチビット信号を減衰させた信号を、一方、前記振幅情報信号が小の場合には前記フィルタ回路46の出力するマルチビット信号を増幅させた信号を駆動回路48に入力し、前記振動体31の振動が一定振幅となるように調整するものである。
The multi-bit signal shown in FIG. 2B output from the filter circuit 46 in the drive circuit 41 is input to a half-wave rectifier filter circuit (not shown) provided in the
前記デジタルΣΔ変調器68の加積分演算手段63には、前記AGC回路47から出力されるマルチビット信号と、所定の2値を保持してデジタル値出力手段62のどちらかの値を出力する値切替手段66より出力される定数値が入力され、加算して積分される。この加積分演算手段63から出力される積分値は比較定数値64と値比較手段65により比較されて比較結果が出力される。そして、この比較結果がフリップフロップ67により所定のタイミングでラッチされて出力される。このフリップフロップ67の出力により値切替手段66より出力される定数値が切り替えられることになる。この時、加積分演算手段63の出力値が比較定数値64より小さい場合には、デジタル値出力手段62の2値のうちの大きい方の値が、逆の場合には小さい方の値が選択されて出力されるように動作する。この動作を繰り返すことによりフリップフロップ67より、前記AGC回路47が出力するマルチビット信号が、1ビットのパルス密度変調信号に変調されて出力されることになる。ここで、デジタルΣΔ変調器68に入力される信号が例えば、10bit(=±9bit)である場合、比較定数値64を“0”、デジタル値出力手段62の2値を“511”“−511”以上とすることが望ましい。
The addition / integration calculation means 63 of the
なお、ΣΔ変調ではオーバーサンプリングを行い、その量子化ノイズが高域にノイズシェーピングされるため、高周波成分のノイズ成分を含むが、センサ素子30の応答がそのような高周波に応答できないため、パルス密度変調信号のサンプリング周波数でなく、オーバーサンプリングされた所定の周波数成分で振動することになる。また、センサ素子30の高周波での応答ゲインが高くて、このような高周波成分のノイズが問題になる場合には、デジタルΣΔ変調器68の出力信号のうち問題となる周波数成分を低減するように設定されたアナログフィルタ69を追加することによって、さらに低ノイズで、高精度のドライブ回路41を実現することが可能となるものである。
Note that in ΣΔ modulation, oversampling is performed, and the quantization noise is noise-shaped in a high frequency range. Therefore, the noise component of a high frequency component is included, but the response of the
また、前記センサ素子30が図1に図示している駆動方向に速度Vで屈曲振動している状態において、振動体31の長手方向の中心軸周りにセンサ素子30が角速度ωで回転すると、このセンサ素子30にF=2mV×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により前記センサ素子30が有する一対のセンス電極34,35に、図3(a)および図3(b)に示すように電荷が発生する。そしてこのセンス電極34,35に発生する電荷はコリオリ力により発生するため、前記モニタ電極33に発生する信号より位相が90度進んでいる。そしてまた、前記一対のセンス電極34,35に発生した出力信号は図3(a)および図3(b)に示す通り、正極性信号と負極性信号の関係にある。
Further, when the
この場合におけるAD変換器82の動作を以下に説明する。このAD変換器82は第3のタイミングΦ3、第4のタイミングΦ4、第5のタイミングΦ5および第6のタイミングΦ6を繰り返すことによって動作するもので、第3のタイミングΦ3および第4のタイミングΦ4ではセンサ素子30におけるセンス電極34から出力される正極性信号がΣΔ変調されて1ビットデジタル信号に変換され、また第5のタイミングΦ5および第6のタイミングΦ6では負極性信号がΣΔ変調されて1ビットデジタル信号に変換される。
The operation of the AD converter 82 in this case will be described below. The AD converter 82 operates by repeating the third timing Φ3, the fourth timing Φ4, the fifth timing Φ5, and the sixth timing Φ6. At the third timing Φ3 and the fourth timing Φ4, The positive polarity signal output from the
上記した4つのタイミングでの動作をひとつずつ説明する。まず第3のタイミングΦ3では、積分手段102におけるコンデンサ98と接続されているSW100がONになり、このコンデンサ98に保持されている積分値が比較手段103における比較器104に入力され比較結果が1ビットデジタル信号として出力される。また、DA変換手段94におけるSW92と93がONになりコンデンサ91に保持されている電荷が放電される。
The operation at the above four timings will be described one by one. First, at the
次に第4のタイミングΦ4では、前記比較手段103の比較器104より出力される1ビットデジタル信号が第4のタイミングΦ4の立ち上がり時にD型フリップフロップ105にラッチされ、このラッチ信号が前記DA変換手段94のDA切替手段87に入力される。この入力されたラッチ信号に応じて基準電圧88,89が切り替えられてコンデンサ91に入力され、DA変換手段94より切り替えられた基準電圧に応じた電荷が出力される。それとともに、入力切替手段84ではSW85がONになり、前記センサ素子30の第1のセンス電極34より発生する電荷が出力される。さらに、積分手段102におけるSW95がONになり、前記入力切替手段84とDA変換手段94から出力される電荷が積分回路96に入力される。これにより第4のタイミングΦ4では、積分回路96におけるコンデンサ98に、図3(a)の斜線部で示される電荷量とDA変換手段94より出力される電荷量の総和が積分されて保持されることになる。
Next, at the fourth timing Φ4, the 1-bit digital signal output from the comparator 104 of the
上記した第3のタイミングΦ3および第4のタイミングΦ4での以上の動作によりセンサ素子30の第1のセンス電極34から出力される振幅値の半分に相当する電荷量がΣΔ変調されることになる。
As a result of the above operations at the third timing Φ3 and the fourth timing Φ4, the charge amount corresponding to half of the amplitude value output from the
また、第3のタイミングΦ3および第4のタイミングΦ4での動作と同様に、第5のタイミングΦ5および第6のタイミングΦ6では、センサ素子30の第2のセンス電極35から出力される振幅値の半分に相当する電荷量がΣΔ変調される。
Similarly to the operation at the third timing Φ3 and the fourth timing Φ4, at the fifth timing Φ5 and the sixth timing Φ6, the amplitude value output from the
以上の動作により、センサ素子30における一対のセンス電極34,35から出力される電荷の振幅幅の半分に相当する電荷量が一つのAD変換器82によりΣΔ変調されて一対の1ビットデジタル信号として上記タイミングで出力されることになる。
With the above operation, the amount of charge corresponding to half of the amplitude width of the charge output from the pair of
そしてまた、センサ素子30における一対のセンス電極34,35から出力される電荷は、角速度によるコリオリ力で発生する、モニタ電極33に発生する信号より位相が90度進んだセンス信号だけでなく、モニタ信号と同相の不要信号があるため、センサ素子30における一対のセンス電極34,35からセンス信号と不要信号の合成信号が出力される場合について説明する。角速度によるコリオリ力で発生するセンス信号は、図3(a)(b)で示され、そして上記で説明した通り、第4のタイミングΦ4と第6のタイミングΦ6で、積分回路96により図3(a)(b)の斜線部で示される電荷量、つまり、振幅値の半分に相当する電荷量が積分されることになる。さらに、センス電極34,35より発生する不要信号は図3(c)(d)で示され、そして前記センス信号と同様に第4のタイミングΦ4と第6のタイミングΦ6で、図3(c)(d)の斜線部で示される電荷量、つまり、不要信号の振幅の最大値から最小値までの区間の電荷量が積分されるもので、これは振幅の中央値を基準に積分するとキャンセルされて“0”の電荷量となるものである。つまり、第4のタイミングΦ4と第6のタイミングΦ6での積分手段102の動作により、不要信号がキャンセルされてセンス信号の振幅に応じた電荷量が積分される、いわゆる同期検波処理が一対の入力信号のそれぞれに対し実施されることになる。よって、上記不要信号のない場合の動作の説明と同様に、前記AD変換器82からは同期検波処理された信号がΣΔ変調され、1ビットデジタル信号に変換されて出力されることになる。
In addition, the charges output from the pair of
以上の動作により、センサ素子30における一対の出力信号を同期検波処理しながらΣΔ変調することが可能となるもので、このような同期検波された信号のデジタル値を、通常のIV変換回路、位相器、同期検波回路などのアナログ回路を必要とすることなく、またこれらを用いた場合より非常に小さな回路規模で、つまり小型で、かつ低コストで得ることができるものである。
With the above operation, the pair of output signals in the
次に、演算手段83について、その動作を説明する。まず、第4のタイミングΦ4で、前記AD変換器82の比較手段103における比較器104より出力される1ビットデジタル信号が、ラッチ回路106のD型フリップフロップ107にラッチされる。また、第6のタイミングΦ6で、前記AD変換器82の比較手段103における比較器104より出力される1ビットデジタル信号が、ラッチ回路106のD型フリップフロップ108にラッチされる。
Next, the operation of the calculation means 83 will be described. First, the 1-bit digital signal output from the comparator 104 in the
この一対のD型フリップフロップ107,108にラッチされた一対の1ビットデジタル信号は、上記で説明した通り、センサ素子30における一対のセンス電極34,35より出力された信号の振幅値の半分に相当する電荷量をそれぞれΣΔ変調によりデジタル値に変換したものである。次に、前記ラッチ回路106が出力する一対の1ビットデジタル信号が1ビット差分演算手段109に入力され、この一対の1ビットデジタル信号の差が演算されて1ビット差分信号が出力される。ここで、第3のタイミングΦ3での1ビット差分信号は、一つ前の同期における第4のタイミングΦ4、第6のタイミングΦ6でラッチされた1ビットデジタル信号の差であり、この1ビット差分信号は、図3(a)(b)で示されるセンサ素子30における一対のセンス電極34,35より出力される信号の振幅値を表す記号となる。以上の動作により、センサ素子30における一対のセンス電極34,35から出力される正極性信号と負極性信号の関係にある一対の入力信号が同じ1つの積分手段102を用いて積分されるため、2つの積分回路で別々に積分を行う場合よりも個々の積分回路の特性による一対の入力信号の積分結果の相対誤差への影響が大きく低減されるものである。これと同様に、DA変換手段94も一対の入力信号の信号処理に対し同じ1つのDA変換手段を用いる構成となっている。また、比較手段103でも一対の積分結果を同じ基準電圧と比較器を用いて比較を行うことにより、比較器の特性や基準電圧の変化の比較結果の相対誤差への影響が大きく低減される。上記のように、一対の入力信号を同一の積分回路96、DA変換手段94、比較手段103を用いて信号処理するようにしているため、複数の各手段を用いて信号処理した場合と比べて各手段の相対誤差の影響が大きく低減されるものである。
As described above, the pair of 1-bit digital signals latched by the pair of D-type flip-flops 107 and 108 is half the amplitude value of the signal output from the pair of
さらに、一対の入力信号の差をとる1ビット差分演算は、比較手段103の出力信号が“1”“0”からなる1ビット信号である場合、差分演算手段109に入力される一対の比較信号が“00”“01”“10”“11”の4種類に限られ、差をとった結果もそれぞれ“0”“−1”“1”“0”と予め決まっていることを利用して、非常に簡単な回路構成で入力信号に応じた減算処理を行った結果を得ることができる1ビットデジタル演算である。次に、1ビット差分演算手段109が出力する1ビット差分信号が補正演算手段111に入力され、この1ビット差分信号と所定の補正情報との補正演算が置換処理により行われる。この補正演算は、上記したように、1ビット差分信号が“0”“1”“−1”の3値に限られることを利用して、例えば所定の補正情報が“5”である場合に、補正演算手段に入力される1ビット差分信号“0”“1”“−1”を、それぞれ“0”“5”“−5”と置換処理することにより乗算を実現して信号の補正が可能となるものである。 Further, the 1-bit difference calculation that takes the difference between a pair of input signals is a pair of comparison signals input to the difference calculation means 109 when the output signal of the comparison means 103 is a 1-bit signal consisting of “1” and “0”. Is limited to the four types “00”, “01”, “10”, and “11”, and the result of taking the difference is also determined as “0”, “−1”, “1”, and “0”. This is a 1-bit digital operation that can obtain a result of performing a subtraction process according to an input signal with a very simple circuit configuration. Next, the 1-bit difference signal output from the 1-bit difference calculation unit 109 is input to the correction calculation unit 111, and the correction calculation between the 1-bit difference signal and predetermined correction information is performed by a replacement process. As described above, this correction calculation uses the fact that the 1-bit difference signal is limited to the three values “0”, “1”, and “−1”, for example, when the predetermined correction information is “5”. The 1-bit differential signal “0”, “1”, “−1” input to the correction calculation means is replaced with “0”, “5”, “−5”, respectively, so that multiplication is realized to correct the signal. It is possible.
そして、フィルタ回路46が出力するマルチビット信号がタイミング制御回路71における振幅判定回路124と、波形整形した矩形波信号として位相監視手段126とに入力される。この振幅判定回路124はフィルタ回路46から出力されるマルチビット信号の振幅情報を監視しており、この振幅情報が目標振幅の50%以上である場合には、タイミング切替手段128がループフィルタからなるフィルタ回路127の出力信号を選択するように切り替わる。このときPLL回路121は閉ループとなり、音叉駆動周波数のモニタ信号を入力信号として逓倍し、位相ノイズを時間的に積分し低減した信号を出力するため、センサ素子30の固有駆動周波数に同期した信号がタイミング生成回路122,123に入力されることになる。
The multibit signal output from the filter circuit 46 is input to the amplitude determination circuit 124 in the timing control circuit 71 and the phase monitoring means 126 as a waveform-shaped rectangular wave signal. The amplitude determination circuit 124 monitors the amplitude information of the multi-bit signal output from the filter circuit 46. When the amplitude information is 50% or more of the target amplitude, the timing switching means 128 is formed of a loop filter. It switches so that the output signal of the filter circuit 127 may be selected. At this time, the PLL circuit 121 becomes a closed loop, which multiplies the monitor signal of the tuning fork drive frequency as an input signal and outputs a signal obtained by integrating and reducing the phase noise in time, so that a signal synchronized with the inherent drive frequency of the
一方、フィルタ回路46から出力されるマルチビット信号の振幅情報が目標振幅の50%以下である場合には、タイミング切替手段128は定電圧値を選択するように切り替わり、電圧制御発振器129からは定電圧値に応じた固定周波数の信号が出力され、この信号がタイミング生成回路122,123に入力されることになる。 On the other hand, when the amplitude information of the multi-bit signal output from the filter circuit 46 is 50% or less of the target amplitude, the timing switching means 128 switches to select a constant voltage value, and the voltage controlled oscillator 129 outputs a constant voltage. A signal having a fixed frequency corresponding to the voltage value is output, and this signal is input to the timing generation circuits 122 and 123.
次に、本発明の一実施の形態におけるPLL回路の動作する状態を説明する。 Next, the operating state of the PLL circuit in one embodiment of the present invention will be described.
前記AD変換器61に正弦波のアナログ信号を入力すると、前記電圧制御発振器129の出力する第1のタイミング信号のタイミングでサンプリングして入力されたアナログ信号の大きさに応じたデジタル値に変換され、そして、このデジタル値が位相監視手段126に入力される。この時は、例えば、正弦波信号の中央値を“0”とした正負のデジタル信号に変換される。この位相監視手段126からは、第2のタイミング信号のタイミングで入力されたデジタル値を出力することになり、そして、これが位相補正回路126bに入力され、所定の値に補正された後、DA変換器125に入力され、そして、このDA変換器125で入力されたデジタル値に応じたアナログ値に変換されて出力される。また、このアナログ信号は、ループフィルタからなるフィルタ回路127を通して電圧制御発振器129に入力され、そして、入力されたアナログ信号に応じた周波数の信号がこの電圧制御発振器129より出力され、これがAD変換器61のタイミング信号としてフィードバックされることになる。この時、第2のタイミング信号は第1のタイミング信号を分周した同期信号であり、第2のタイミング信号のタイミングでのAD変換器61の出力値それ自体が、第2のタイミング信号の正弦波信号の中央値、つまりゼロ点との位相ズレ量に応じた値となる。すなわち、通常のPLL回路における位相比較器(図示せず)から出力される値と同じ意味をもつことになる。そして、図4に示すように、位相監視手段126の出力するデジタル値が負の場合には電圧制御発振器129の出力する周波数が減少する方向のアナログ信号を、一方、位相監視手段126の出力するデジタル値が正の場合には電圧制御発振器129の出力する周波数が増加する方向のアナログ信号をDA変換器125より出力する。そして、PLL回路のループとしては、このDA変換器125の出力するアナログ信号が一定となるように、つまり第2のタイミング信号のタイミングでのデジタル値が“0”となるようにループ制御がかかることになる。これにより、AD変換器61のサンプリングタイミングが、入力されるアナログ信号の中央値を通るタイミングと同期することになるため、正確にアナログ信号の中央値つまりゼロ点と同期することが可能となるものである。
When a sine wave analog signal is input to the AD converter 61, it is sampled at the timing of the first timing signal output from the voltage controlled oscillator 129 and converted into a digital value corresponding to the magnitude of the input analog signal. The digital value is input to the phase monitoring means 126. At this time, for example, it is converted into a positive / negative digital signal in which the median value of the sine wave signal is “0”. From this phase monitoring means 126, the digital value input at the timing of the second timing signal is output, and this is input to the phase correction circuit 126b, corrected to a predetermined value, and then converted to DA. Is converted into an analog value corresponding to the digital value input by the
また、前記位相監視手段126では入力されるデジタル値が、所定の上限値及び下限値を超えるかどうかを監視している。上記第2のタイミング信号が入力されたタイミングにより出力する値を変化させる。具体的には、第2のタイミング信号が入力されてから、入力されたデジタル値が所定の上限値を下回った後に次に所定の下限値を下回り、さらに下限値を上回るまでの期間をフェーズ1とし、そして、フェーズ1の終わりから入力されたデジタル値が所定の上限値を超えるまでをフェーズ2とし、それ以降の次に、上限値を下回るまでをフェーズ3とすると、図5に示すように、フェーズ1で第2のタイミング信号が入力された場合には所定の下限値の信号を出力し、フェーズ2で第2のタイミング信号が入力された場合にはその第2のタイミング信号のタイミングで入力されたデジタル値を出力し、フェーズ3で第2のタイミング信号が入力された場合には所定の上限値の信号を出力することになる。そして、DA変換器125には、前記位相監視手段126の出力するデジタル値が入力され、かつこのDA変換器125は、このデジタル値に応じた大きさのアナログ信号を出力し、そして、このアナログ信号はループフィルタからなるフィルタ回路127に入力され、かつこのフィルタ回路127でフィルタリングされた後に電圧制御発振器129に入力されることになる。このようにして、位相監視手段126の出力するデジタル値に応じたアナログ信号をフィルタリングした信号によって決まる周波数が電圧制御発振器129より出力されることになる。位相監視手段126が上記のようなフェーズの判定及び出力信号の上限及び下限を設定していることにより、一定範囲内のアナログ信号が電圧制御発振器129に入力されることになり、その結果、電圧制御発振器129が出力する信号の周波数が制限されることになる。これにより、PLL回路全体の動作において、入力されるアナログ信号の周波数と分周器における分周値を乗じた周波数以外でロックする、いわゆる倍周波数ロック等の誤動作を防止して、PLL回路を所定の周波数でロックさせることができることになる。
The phase monitoring means 126 monitors whether the input digital value exceeds a predetermined upper limit value and lower limit value. The value to be output is changed according to the timing at which the second timing signal is input. Specifically, the period from when the second timing signal is input until the input digital value falls below a predetermined upper limit value, then falls below a predetermined lower limit value, and further exceeds the lower limit value is
そしてまた、位相監視手段126の出力する信号が入力される位相補正回路126bでは、入力された位相比較値を所定の値分だけ増減させて出力することにより、ロックする位相をデジタル値の分解能の分だけ微調整することが可能となる。例えば、位相補正回路126bにおいて、正の値を加算して出力したとすると、電圧制御発振器129は加算しない場合と比べて加算した分だけ増加した周波数を出力することになり、その結果として位相を早めた点にロックすることになる。 Further, in the phase correction circuit 126b to which the signal output from the phase monitoring means 126 is input, the input phase comparison value is increased / decreased by a predetermined value to output the phase to be locked with the resolution of the digital value. It is possible to make fine adjustments by the minute. For example, if the phase correction circuit 126b adds and outputs a positive value, the voltage-controlled oscillator 129 outputs a frequency that is increased by the amount added compared to the case where no addition is performed, and as a result, the phase is changed. It will lock to an earlier point.
さらに、AD変換器61においては、AD変換もしくは演算等により所定のクロック数だけ遅延が生じて出力される場合、その遅延分だけずれた位相でロックすることになるが、位相監視手段126の出力する値を第2のタイミング信号のタイミングから遅延分のクロック数だけずれたタイミングでの値を出力する構成にすることにより、第2のタイミング信号が、入力されるアナログ信号の中央値を通るタイミングと同期することになり、これにより、正確にアナログ信号の中央値つまりゼロ点と同期させることが可能となるものである。 Further, in the AD converter 61, when a delay of a predetermined number of clocks is generated and output by AD conversion or calculation, the AD converter 61 is locked with a phase shifted by the delay. The timing at which the second timing signal passes through the median value of the input analog signal is obtained by outputting the value at a timing shifted by the number of clocks corresponding to the delay from the timing of the second timing signal. This makes it possible to accurately synchronize with the median value of the analog signal, that is, the zero point.
以上の条件でPLL回路121より出力される信号をもとに、タイミング生成回路122は、ドライブ回路41における入力切替手段42、DA切替手段49、SW54、SW55、SW56およびD型フリップフロップ60の切替タイミングとなる図2(c)に示すような第1のタイミングΦ1、第2のタイミングΦ2のタイミング信号を生成して出力する。また、タイミング生成回路123は、センス回路81における入力切替手段84、DA切替手段87、SW92、SW93、SW95、SW100、SW101およびD型フリップフロップ105の切替タイミングとなる第3のタイミングΦ3、第4のタイミングΦ4、第5のタイミングΦ5、第6のタイミングΦ6のタイミング信号を生成して出力するものである。
Based on the signal output from the PLL circuit 121 under the above conditions, the timing generation circuit 122 switches the input switching means 42, DA switching means 49, SW54, SW55, SW56 and D-type flip-flop 60 in the drive circuit 41. Timing signals of the first timing Φ1 and the second timing Φ2 as shown in FIG. 2C, which are timings, are generated and output. In addition, the timing generation circuit 123 includes a
ここで、角速度センサの周囲の温度が変動する場合を考える。 Here, consider the case where the temperature around the angular velocity sensor fluctuates.
まず、角速度センサを温度槽(図示せず)に入れて、周囲温度を−50℃から150℃まで変化させて、角速度を付加しない状態で、センス回路81における演算手段83から出力される出力信号がゼロ値になる温度を見極めて、基準温度とする。 First, an angular velocity sensor is placed in a temperature bath (not shown), the ambient temperature is changed from −50 ° C. to 150 ° C., and an output signal output from the calculation means 83 in the sense circuit 81 without adding the angular velocity. Determine the temperature at which becomes zero, and use it as the reference temperature.
次に、この基準温度を中心にして、温度を増減したときの出力信号の変化量を計測して、その変化量を補正する補正データをROM134に格納する。 Next, centering on this reference temperature, the amount of change in the output signal when the temperature is increased or decreased is measured, and correction data for correcting the amount of change is stored in the ROM 134.
そして、角速度センサの動作状態においては、温度センサ131からの出力信号をAD変換器132でデジタル出力信号に変換し、さらに、デジタルローパスフィルタ133によりノイズ信号を除去する。温度補正演算手段135は、まず、温度センサ131からの出力信号のオフセット調整をする。その後、オフセット調整をされた温度情報データを基に、その温度情報データに応じた補正データをROM134から抽出し、演算処理した後、補正演算手段111に入力することにより、センス回路81から出力される出力信号を補正するものである。
In the operating state of the angular velocity sensor, the output signal from the temperature sensor 131 is converted into a digital output signal by the
特に、図6に示すように、補正データがy=(a×t+b)×tの2次方程式上にのっている場合には、ROM134に2つのデータaおよびbを記憶しておき、図7に示す、温度補正演算手段135により、デジタルローパスフィルタ133からの出力信号である温度情報データを基に、2回の乗算および1回の加算により求めた補正値を求める。そして、この補正値を補正演算手段111により、フィルタ回路110からの出力信号に加算して、センス回路81から出力される出力信号を補正するものである。
In particular, as shown in FIG. 6, when the correction data is on a quadratic equation of y = (a × t + b) × t, two data a and b are stored in the ROM 134, 7 is used to obtain a correction value obtained by two multiplications and one addition based on temperature information data which is an output signal from the digital low-
ここで、特に、ある所定の温度における角速度センサの電源(図示せず)起動時について考えてみると、温度補正回路136においては、温度センサ131の出力がAD変換されてデジタル値化されてデジタルローパスフィルタ133に入力され、そのデジタルローパスフィルタ133の出力をもとに温度補正演算手段135により補正値が演算され、センス回路81から出力される出力信号を補正するが、電源起動時においては、デジタルローパスフィルタ133の入力に出力が追従されるまでにデジタルローパスフィルタ133の応答性に応じた温度情報の変動が生じ、この温度情報をもとに温度補正値がセンス回路81の出力信号に加算されるため、センス回路81の出力信号がデジタルローパスフィルタ133の応答性に応じて変化することとなる。
Here, in particular, when the power source (not shown) of the angular velocity sensor is started at a certain predetermined temperature, in the
本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、電源起動時には、通常状態とは別個に設けた、通常時の10倍のサンプリング周波数を有するクロック(図示せず)でデジタルローパスフィルタ133を動作させているため、デジタルローパスフィルタ133のカットオフ周波数が10倍高くなり、その分応答性が高まる。その結果、通常時には温度センサ131から出力される温度情報データに生じたノイズ信号を精度良く除去し、温度補正演算手段135が正確な温度情報に基づき補正信号を生成できるとともに、電源起動時には、デジタルローパスフィルタ133の応答を高めるため正確な補正信号をその分は約出力でき正確な角速度0点情報を出力するまでの時間を短縮できるという作用効果を有するものである。
In the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention, when the power is turned on, the digital low-
なお、デジタルローパスフィルタ133の起動時の応答性を高める別の方法を図8を用いて説明する。図8は1次IIRフィルタの構成図であり、140はレジスタからなる遅延器である。電源起動時においては、通常この遅延器140はリセットされて初期値になっており、デジタルローパスフィルタ133の入力に出力が追従されるまでにデジタルローパスフィルタ133の応答性に応じた遅延が生じることとなるため、電源起動時に一度だけ、最初の温度センサ131のAD変化後の値を図8の点線で示したとおり、デジタルローパスフィルタ133の遅延器140に入力し、これを初期値とすることで、デジタルローパスフィルタ133の出力を早期に収束させることができ、同様の効果を得ることができるものである。
Another method for improving the response at the time of starting the digital low-
本発明に係る角速度センサは、温度センサからの出力信号のX軸切片が変化しても、補正後の出力信号にオフセットが発生するということのない、出力特性の安定した角速度センサを提供することができるという効果を有するものであり、特に航空機、車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム等に適用することにより有用となるものである。 An angular velocity sensor according to the present invention provides an angular velocity sensor with stable output characteristics, in which an offset does not occur in a corrected output signal even if an X-axis intercept of an output signal from a temperature sensor changes. In particular, the present invention is useful when applied to attitude control of a moving body such as an aircraft or a vehicle, a navigation system, or the like.
30 センサ素子
32 駆動電極
33 モニタ電極
34,35 センス電極
41 ドライブ回路
81 センス回路
131 温度センサ
133 デジタルローパスフィルタ
134 ROM
136 温度補正回路
136 Temperature correction circuit
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