专利名称：角速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及航空器、车辆等移动体的姿势控制或导航系统等中采用的角速度传感
O
背景技术：
图11是专利文献1所公开的现有技术中的角速度传感器5001的电路框图。图12 是角速度传感器5001的驱动电路6及故障检测电路7的框图。由H字型的压电体构成的水晶制振荡器1由一对驱动部2、和配设于一对驱动部2 的相反侧的一对检测部3构成。检测部3中设有感知电极。在一个驱动部2中设置驱动用电极4，在另一驱动部2中设置驱动检测用电极5。 驱动电路6与振荡器1中的驱动用电极4及驱动检测用电极5电连接，按照使振荡器1以恒定的振幅振动的方式进行控制。故障检测电路7由窗比较器8以及监控窗比较器8的输出信号的BIT逻辑电路9构成。检测电路10对从振荡器1中的检测部3输出的电荷进行放大后变换为电压，并作为输出信号而从输入输出端子11输出到外部。接下来，说明现有技术中的角速度传感器5001的动作。若对振荡器1的驱动用电极4施加交流电压，则振荡器1谐振，在振荡器1的驱动检测用电极5中产生与振荡器1的振动振幅相对应的电荷。由驱动电路6对该电荷进行放大、调整之后，输入到驱动用电极4，由此可以使振荡器1以恒定的振幅振动。若对振动中的振荡器1施加角速度ω，则在设置于一对检测部3中的感知电极上会产生电荷。而且，该感知电极上产生的电荷被检测电路10变换为输出电压，并作为角速度的信号而从输入输出端子11被输入到计算机等外部设备中，由此可以检测出角速度。通过长时间的使用，有时感知电极的外围电路图案有时会发生断线。这种情况下， 现有技术中的角速度传感器5001会输出与角速度不对应的信号。图13与图14分别是专利文献2所公开的现有技术中的其他角速度传感器5002 的侧视图、剖视图。图15是角速度传感器5002的电路框图。由压电单晶体构成的振荡器101由振动体102、与振动体102并设的振动体103、 以及连接振动体102与振动体103的连接部104构成。在振动体102中设有4个驱动电极 105。在振动体103中设有2个检测电极106。驱动检测电路107由电源108、偏置调制电路109、驱动电路110、同步检波电路111以及差动放大电路112构成。接下来，说明现有技术中的角速度传感器5002的动作。若从驱动电路110向振动体102的驱动电极105施加交流电压，则振荡器101谐振并进行振动，其振动经由连接部104而被传递到振动体103。若对振动中的振荡器101附加角速度，则从设于振动体103中的检测电路106输出与角速度相对应的输出信号。经由相位调整电路，向同步检波电路111提供该输出信号。同步检波电路111以驱动电路110 输出的驱动信号作为基准信号，对该输出信号进行同步检波，并经由平滑电路提供给差动放大电路112。偏置调整电路109接受电源108的电压，输出偏置电压。差动放大电路112对偏置电压与平滑电路输出的电压之差进行放大，然后输出输出191和输出192。然后，利用输出191与输出192的电位差来检测角速度。图16表示施加给驱动电极105的驱动信号和从检测电极106输出的检测信号的波形。若产生由振荡器101的质量平衡的不协调引起的机械漏泄、以及由驱动电极105或检测电极106的位置偏离引起的机电耦合漏泄，则即使在振荡器101未被施加角速度的情况下，也会从检测电极106产生无用的信号。具体是，检测信号包含从驱动电极105到检测电极106之间的静电电容引起的静电漏泄LlOl和上述的机械漏泄及机电耦合漏泄的合计漏泄L102。图17A与图17B分别是振荡器101的剖视图与侧视图。在现有技术中的角速度传感器5002中，为了使机械漏泄及机电耦合漏泄降低，削去振荡器101的振动体103的下部。 由此，使振荡器101的质量平衡发生变化，除去从角速度传感器5002产生的无用的信号。若伴随着角速度传感器5002的小型化而使得振荡器101小型化，则在削去振动体 103的下部之际，有时会损坏振荡器101，该情况下无法除去从角速度传感器5002产生的无用的信号。现有技术文献专利文献专利文献1 日本特开2002-174521号公报专利文献2 日本特开平10-73437号公报
发明内容
一种角速度传感器，包括振动体；第一及第二感知电极，根据施加在振动体上的角速度，产生电荷；第一及第二 DA变换部，至少输出2个电平量的电荷；第一及第二积分电路，对第一及第二感知电极中产生的电荷与从第一及第二 DA变换部输出的电荷分别进行积分；比较部，其对来自第一及第二积分电路的输出信号进行比较；第一及第二 DA切换部， 基于比较部的比较结果，对来自第一及第二 DA变换部的输出信号的电平分别进行切换；第一断线检测开关，其被连接在第一感知电极与第一积分电路之间；第一电压源，其经由第一断线检测开关，向第一感知电极与第一积分电路之间注入电荷；第二断线检测开关，其被连接在第二感知电极与第二积分电路之间；和第二电压源，其经由第二断线检测开关，向第二感知电极与第二积分电路之间注入电荷。该角速度传感器即使周围的环境发生变化也会稳定地工作，具有高的可靠性。
图1是本发明实施方式1的角速度传感器的电路图。图2表示实施方式1的角速度传感器的定时信号的波形。图3表示实施方式1的角速度传感器的信号。图4是本发明实施方式2的角速度传感器的电路图。图5表示实施方式2的角速度传感器的信号。图6表示实施方式2的角速度传感器的信号。图7表示实施方式2的角速度传感器的消除信号。
图8A表示实施方式2的角速度传感器的其他消除信号。图8B表示实施方式2的角速度传感器的另一消除信号。图9表示实施方式2的角速度传感器的又一消除信号。图10表示实施方式2的角速度传感器的再一消除信号。图11是现有技术中的角速度传感器的电路框图。图12是图11所示的角速度传感器的驱动电路及故障检测电路的框图。图13是其他现有技术中的角速度传感器的侧视图。图14是图13所示的角速度传感器的剖视图。图15是图13所示的角速度传感器的电路框图。图16表示图13所示的角速度传感器中的无用的信号。图17A是图13所示的角速度传感器的剖视图。图17B是图13所示的角速度传感器的侧视图。
具体实施例方式(实施方式1)图1是本发明实施方式1的角速度传感器1001的电路图。传感器元件30具备振动体31、具有用于使振动体31振动的压电体的驱动电极 32、具有根据振动体31的振动而产生电荷的压电体的监控电极33、以及具有对传感器元件 30施加角速度时产生电荷的压电体的感知电极34、35。感知电极34、35产生极性相反的电荷。在电荷放大器36中，以规定的倍率放大监控电极33输出的电荷并变换为电压。带通滤波器(BPF)37除去电荷放大器36输出的电压的噪声成分之后，输出监控信号。自动增益控制(AGC)电路38具有半波整流平滑电路，对带通滤波器37输出的电压进行半波整流并使之平滑之后，生成直流(DC)电压。AGC电路38基于该DC电压，使带通滤波器37输出电压放大或衰减后输出。驱动电路39基于AGC电路38输出的电压，向传感器元件30的驱动电极32输出驱动信号。由电荷放大器36、带通滤波器37、AGC电路38以及驱动电路39构成驱动电路40。PLL电路41使驱动电路40的带通滤波器37输出的电压倍频，在时间上对该电压的相位噪声进行积分来降低该噪声后进行输出。定时生成电路42使从PLL电路41输出的电压倍频，生成定时信号ΦΙ、Φ 2后输出。PLL电路41和定时生成电路42构成定时控制电路43。图2表示定时信号ΦΙ、Φ 2的波形。定时信号ΦΙ、Φ 2是相位相反的信号，具有高电平和低电平这两个值。在期间Ρ2内，定时信号Φ 2为高电平，且定时信号Φ1为低电平。在期间Pl内，定时信号Φ2为低电平，且定时信号Φ1为高电平。定时信号Φ1、Φ2 规定期间PI、Ρ2交替地连续。DA切换部47利用规定的信号对基准电压V49、V50进行切换并选择性地输出。DA 输出部51由电容器52、被连接在电容器52的端部52A与接地端之间的开关53、以及被连接在电容器52的端部52B与接地端之间的开关M构成。向电容器52的端部52A输入DA 切换部47输出的电压。开关5354在期间P2内接通，对电容器52的电荷进行放电。DA切换部47和DA输出部51构成DA变换部48。DA变换部48在期间Pl内对电容器52的电荷进行放电，并且对与DA切换部47输出的基准电压相对应的电荷进行输入输出。开关55在期间Pl内从感知电极；34输出作为电流的输出信号。向积分电路56输入开关55所输出的信号。积分电路56由运算放大器57以及被连接在运算放大器57的输出端与反相输入端之间的电容器58构成。DA切换部59利用规定的信号对基准电压V60、V61进行切换并选择性地输出。DA 输出部62由电容器63、被连接在电容器63的端部63A与接地端之间的开关64A、以及被连接在电容器63的端部6 与接地端之间的开关64B构成。向电容器63的端部63A输入DA 切换部59输出的电压。开关64A、64B在期间P2内导通，对电容器63的电荷进行放电。由 DA切换部59与DA输出部62构成DA变换部66。DA变换部66在期间P2内对电容器63的电荷进行放电，并且对与DA切换部59输出的基准电压相对应的电荷进行输入输出。开关 65在期间Pl内从感知电极35输出作为电流的输出信号。向积分电路67输入开关65所输出的信号。积分电路67由运算放大器68以及被连接在运算放大器68的输出端与反相输入端之间的电容器69构成。比较部70由比较器71和D型触发器72构成。比较器71对积分电路56输出的信号与积分电路67输出的信号进行比较，向D型触发器72输出由1比特构成的1比特数字信号。D型触发器72在期间Pl的开始时，对上述的1比特数字信号进行锁存，然后输出锁存信号。锁存信号被输入到DA变换部48的DA切换部47，从而切换基准电压V49、V50, 并且锁存信号被输入到DA变换部66的DA切换部59，从而切换基准电压V60、V61。通过DA 变换部48、66、积分电路56、67以及比较部70来构成Σ Δ调制器73。Σ Δ调制器73对从传感器元件30的感知电极34、35输出的电荷进行Σ Δ调制，变换为1比特数字信号后输出。向修正运算部74中输入触发器72输出的1比特数字信号，通过置换处理来实现基于规定修正值的1比特数字信号的修正运算。在修正值为“5”的情况下，若输入值为“0”、 “1”、“-1”的1比特数字信号，则修正运算部74将其分别置换为值“0”、“5”、“-5”的多比特数字信号后进行输出。向数字滤波器75中输入由修正运算部74输出的数字信号，进行除去噪声成分的滤波处理。由修正运算部74及数字滤波器75构成运算部76。运算部76根据定时信号Φ1对1比特数字信号进行锁存，并进行修正运算、滤波处理，输出多比特数字信号。由定时控制电路43、Σ Δ调制器73以及运算部76构成感知电路。电压源77经由断线检测开关78，向感知电极34与积分电路56之间注入与值“2”相当的电荷。电压源79 经由断线检测开关80，向感知电极36与积分电路67之间注入与值“_2”相当的电荷。艮口， 从电压源77、79注入的电荷互为相反极性，且绝对值大致相等。接着，说明实施方式1的角速度传感器1001的动作。图3表示角速度传感器1001 的信号的波形。若向传感器元件30的驱动电极32施加交流电压，则振动体31以谐振频率振动， 在监控电极33上产生电荷。监控电极33上产生的电荷被输入到驱动电路40的电荷放大器 36中，被变换为正弦波形的输出电压。带通滤波器37仅提取电荷放大器36的输出电压中的振动体31的谐振频率的分量，除去噪声成分后输出具有图3所示的正弦波形的信号S37。 具有半波整流平滑电路的AGC电路38将信号S37变换为直流(DC)信号。AGC电路38在该 DC信号大的情况下，将使带通滤波器37的输出信号衰减的信号输入到驱动电路39中，在DC信号小的情况下，将使带通滤波器37的输出信号增大的信号输入到驱动电路39中。由此，振动体31被驱动电路39控制为以恒定振幅振动。在定时控制电路43中，PLL电路41 产生使信号S37倍频之后的信号，定时生成电路42以该信号为基准生成图2与图3所示的定时信号Φ1、Φ2。定时信号Φ 1、Φ 2被输入到Σ Δ调制器73及修正运算部74中，以确定开关的切换定时以及锁存电路的锁存定时。在具有质量m的传感器元件30沿着图1所示的驱动方向D31以相当于速度值V 的电荷进行弯曲振动的状态下，若传感器元件30绕着振动体31的长边方向的中心轴以角速度ω旋转，则在传感器元件30中产生以下所示的科里奥利力(Coriolis force)F0F = 2XmXVX ω因科里奥利力F，会在感知电极34、35中分别产生图3所示的电流、即信号S34、 S35。信号S34、S35是根据科里奥利力F而产生的，因此具有相位相对于监控电极33中产生的信号S37偏移了 90度的正弦波形。如图3所示，信号S34、S35具有相位相反的正弦波形，是正极性信号与负极性信号的关系。以下说明该情况下的Σ Δ调制器73的动作。定时信号Φ 1、Φ2规定连续地交替重复的期间Ρ1、Ρ2。Σ Δ调制器73根据定时信号ΦΙ、Φ2，对从感知电极34、35输出的信号S34、S35进行Σ Δ调制后，变换为1比特数字信号。以下，说明期间Ρ1、Ρ2内的Σ Δ调制器73的动作。在以下的说明中，以传感器元件30的中心轴为中心，对传感器元件30赋予规定的角速度，使该传感器元件30旋转，由此从感知电极34、35分别产生与值“8”相当的最大电流的信号S34、S35。在期间Pl内，开关55导通，由积分电路56中的电容器58保持基于感知电极34中产生的相当于值“8”的电荷的电压。电容器58所保持的基于电荷的电压被输入到比较部 70的比较器71的反相输入端子71A。同样，由积分电路67的电容器69保持基于感知电极 35中产生的相当于值“_8”的电荷的电压。电容器69所保持的电压被输入到比较器71的非反相输入端子71B。由此，作为比较结果，从比较器71向触发器72输入1比特数字信号 “1”，在期间P2的开始时，由触发器72进行锁存。在期间P2内，DA输出部51的开关53、54 接通，由电容器52保持的电荷被放电。同样地，在期间P2内，DA输出部62中的开关64A、 64B接通，由电容器63保持的电荷被放电。在触发器72中被锁存的数字信号“ 1”在接下来的期间Pl内被输入到DA变换部48的DA切换部47，被切换为产生相当于值“_10”的电荷的基准电压V50。同样地，在触发器72中被锁存的数字信号“1”在期间Pl内被输入到DA 变换部66的DA切换部59，被切换为产生相当于值“10”的电荷的基准电压V60。由此，在 DA输出部51的电容器52中蓄积与来自基准电压V50的相当于值“_10”的电荷对应的电荷并被输入到积分电路56，并且在DA输出部62的电容器63中蓄积与来自基准电压V60的相当于值“10”的电荷对应的电荷并被输入到积分电路67。与此同时，在期间Pl内，开关55 接通，向积分电路56输出与传感器元件30的感知电极34产生的相当于值“8”的电荷对应的电荷。进而，开关65接通，从感知电极35向积分电路67输入与相当于值“8”的电荷对应的电荷。由此，在期间P2内，在积分电路56的电容器58中，对图3所示的信号S34的电荷量Q34与DA变换部48输出的电荷量的总和进行积分，并保持由相当于值“6”的电荷构成的输出信号。同样地，在期间P2内，在积分电路67的电容器69中，对信号S35的电荷量Q35与DA变换部66输出的电荷量的总和进行积分，保持由相当于值“_6”的电荷构成的输出信号。比较器71将对积分电路56、67的输出信号进行比较之后的结果作为1比特数字信号而输出到触发器72。在每次重复期间PI、P2内的上述动作时，积分电路56所保持的电压仅降低与值“2”相当的电荷的量，而积分电路67所保持的电压仅增加与值“2”相当的电荷的量。其结果，在积分电路56、67所保持的电压成为与值“0”相当的电荷之前，比较部 70输出“1”的1比特数字信号。然后，若积分电路56所保持的电压成为与值“_2”相当的电荷、并且积分电路67所保持的电压成为与值“2”相当的电荷，则比较器71输出“-1”的 1比特数字信号。由此，触发器72将值“_1”的输出信号输出到DA切换部47、59，从DA变换部48的基准电压V49输出相当于值“10”的电荷的电压，并由电容器52保持所对应的电荷，并且，从DA变换部66的基准电压V61输出相当于值“ 10”的电荷的电压，并由电容器63 保持所对应的电荷。由此，在积分电路56中保持相当于值“16”的电荷的电压，同时在积分电路67中保持相当于值“_16”的电荷的电压。以后，积分电路56、67的输出电压以相当于值“2”的电荷的量平均变化，比较器71输出9次值为“1”的1比特数字信号之后，输出1 次值为“_1”的1比特数字信号。通过对1比特数字信号进行多比特化，从而可以输出值为 “0.8”的输出信号，并作为角速度的信号来检测。图3表示分别在感知电极34、35中产生的与监控信号同相的无用信号U34、U35。 无用信号U34的相位比感知电极34中产生的输出信号S34还要滞后90度。无用信号U35 的相位比感知电极35中产生的输出信号S35还要滞后90度。因此，在期间Pl内，若利用积分电路56、67分别对无用信号U34、U35进行积分，则成为值“0”，可消除无用信号U34、 U35。对检测实施方式1中的角速度传感器1001的感知电极34、35的外围电路的断线的动作进行说明。在此，对传感器元件30不施加角速度。如图3所示，若断线检测开关78在期间P2内接通，则从电压源77向感知电极34 输入相当于值“2”的电荷Q77。同样，若断线检测开关80在期间P2内接通，则从电压源79 向感知电极35输入相当于值“_2”的电荷Q79。在接下来的期间Pl内，在积分电路56的电容器58内保持相当于值“2”的电荷，并且在积分电路67的电容器69中保持相当于值“_2” 的电荷。结果，比较器71作为比较结果而输出相当于值“4”的1比特数字信号，触发器72 对该1比特数字信号进行锁存。在感知电极34的外围电路图案出现了断线的情况下，无法从电压源77向感知电极34输入图3所示的电荷Q77。因此，将积分电路67的电容器69所蓄积的电荷作为比较结果，从比较器71输出相当于值“2”的1比特数字信号，并由触发器72进行锁存。在感知电极35的外围电路图案出现了断线的情况下，无法从电压源79向感知电极34输入图3所示的电荷Q79。因此，将积分电路56的电容器58所蓄积的电荷作为比较结果，从比较器71 输出相当于值“2”的1比特数字信号，并由触发器72进行锁存。在感知电极34、35双方的外围电路图案均出现了断线的情况下，图3所示的电荷Q77、79都不会从电压源77、79输入到感知电极34、35。因此，作为比较结果，从比较器71输出相当于值“0”的1比特数字信号，并由触发器72进行锁存。这样，在将断线检测开关78、80接通的状态下，通过监视由从触发器72输出的数字信号组成的输出值，从而能够检测感知电极34、35的外围电路图案的断线。
这样，在感知电极34、35的至少一方的外围电路图案出现了断线的情况下，感知电极34或感知电极35中蓄积的电荷会减少。由此，因为从比较部70输出的输出信号的值变�。钥梢约觳飧兄缂�34、35的外围电路图案的断线。其结果，在感知电极34、35的外围电路图案出现了断线的情况下，不会继续输出不与角速度对应的输出信号，可以获得提高了可靠性的角速度传感器1001。再有，从电压源77、79注入的电荷的极性相反且绝对值大致相等。由此，在感知电极34、35的任一方的外围电路图案断线的情况下，从比较部70输出的输出信号的值变为约一半，可以可靠地确定断线。因施加在传感器元件30上的角速度引起的科里奥利力，在感知电极34中产生的电荷与从电压源77注入的电荷之和的绝对值小于从DA变换部48注入的电荷的绝对值。再有，因施加在传感器元件30上的角速度引起的科里奥利力，在感知电极35中产生的电荷与从电压源79注入的电荷之和的绝对值小于从DA变换部66注入的电荷的绝对值。由此，因为通过从感知电极34、35、电压源77、79输出的电荷的总和不会使由DA变换部48、66输出电荷饱和，所以可以使Σ Δ调制器73可靠地工作。这样，感知电极34、35设于振动体31，根据施加在振动体31上的角速度而产生电荷。驱动电路40使振动体31以规定的驱动频率振动。DA变换部48输出至少2个电平的量的电荷、基准电压V49、V50。DA变换部66输出至少2个电平的量的电荷、基准电压V60、 V61。积分电路56对感知电极34中产生的电荷和从DA变换部48输出的电荷进行积分。积分电路67对感知电极35中产生的电荷和从DA变换部66输出的电荷进行积分。比较部70 对来自积分电路56的输出信号和来自积分电路67的输出信号进行比较。DA切换部47基于比较部70的比较结果，切换来自DA变换部48的输出信号的电平。DA切换部59基于比较部70的比较结果，切换来自DA变换部48的输出信号的电平。断线检测开关78被连接在感知电极34与积分电路56之间。电压源77经由断线检测开关78，向感知电极34与积分电路56之间注入电荷。断线检测开关80被连接在感知电极35与积分电路67之间。电压源79经由断线检测开关80，向感知电极35与积分电路67之间注入电荷。(实施方式2)图4是本发明实施方式2的角速度传感器1002的电路图。传感器元件130设有振动体131、具有用于使振动体131振动的压电体的驱动电极132、具有根据振动体131的振动状态而产生电荷的压电体的监控电极133、具有向传感器元件130施加角速度时产生电荷的压电体的感知电极134、135。感知电极134、135产生极性相反的电荷。在电荷放大器136中以规定的倍率对监控电极133输出的电荷进行放大后变换为电压。带通滤波器(BPF) 137除去电荷放大器136输出的电压的噪声成分后，输出监控信号。自动增益控制(AGC)电路138具有半波整流平滑电路，其对带通滤波器137输出的电压进行半波整流并进行平滑，生成直流(DC)信号。AGC电路138基于该DC信号，使带通滤波器137输出的电压放大或衰减之后输出。驱动电路139基于AGC电路138输出的电压，向传感器元件130的驱动电极132输出驱动信号。由电荷放大器136、带通滤波器137、 AGC电路138以及驱动电路139构成驱动电路140。PLL电路141使驱动电路140的带通滤波器137输出的电压倍频，在时间上对该电压的相位噪声进行积分而使之减少之后进行输出。定时生成电路142使从PLL电路141输出的电压倍频，生成并输出定时信号Φ 101、Φ 2102。由PLL电路141和定时生成电路142 构成定时控制电路143。图5表示定时信号Φ 101、Φ 102的波形。定时信号Φ 101、Φ 102为相位相反的信号，具有高电平和低电平这2个值。在期间Ρ102内，定时信号Φ2为高电平，且定时信号 Φ 101为低电平。在期间PlOl内，定时信号Φ 102为低电平，且定时信号Φ 101为高电平。 定时信号Φ 101、(]5 102规定期间？101、？102交替地连续。DA切换部147利用规定的信号对基准电压V149、V150进行切换并选择性地输出。 DA输出部151由电容器152、被连接在电容器152的端部152A与接地端之间的开关153、以及被连接在电容器152的端部152B与接地端之间的开关IM构成。向电容器152的端部 152A输入DA切换部147输出的电压。开关153、154在期间P102内接通，对电容器152的电荷进行放电。DA切换部147和DA输出部151构成DA变换部148。DA变换部148在期间 PlOl内对电容器52的电荷进行放电，并且对与DA切换部147输出的基准电压相对应的电荷进行输入输出。开关巧5在期间PlOl内，从感知电极134输出作为电流的输出信号。向积分电路156输入开关155所输出的信号，积分电路156由运算放大器157以及被连接在运算放大器157的输出端与反相输入端之间的电容器158构成。DA切换部159利用规定的信号对基准电压V160、V161进行切换并选择性地输出。 DA输出部162由电容器163、被连接到电容器163的端部163A的开关164A、以及被连接到电容器163的端部16 的开关164B构成。向电容器163的端部163A输入DA切换部159 输出的电压。开关164A、164B在期间102内导通，对电容器163的电荷进行放电。由DA切换部159和DA输出部162构成DA变换部166。DA变换部166在期间P102内对电容器163 的电荷进行放电，并且对与DA切换部159输出的基准电压相对应的电荷进行输入输出。开关165在期间PlOl内从感知电极135输出作为电流的输出信号。向积分电路167输入所述第二开关165所输出的信号，积分电路167由运算放大器168以及被连接在运算放大器 168的输出端与非反相输入端之间的电容器169构成。比较部170由比较器171和D型触发器172构成。比较器171对积分电路156输出的信号和积分电路167输出的信号进行比较，向D型触发器172输出由1比特构成的1比特数字信号。D型触发器172在期间PlOl的开始时，对上述的1比特数字信号进行锁存，然后输出锁存信号。锁存信号被输入到DA变换部148的DA切换部147而对基准电压V149、 V150进行切换，并且被输入到DA变换部166的DA切换部159，对基准电压V160、V161进行切换。由DA变换部148、166、积分电路156、167以及比较部170来构成作为Σ Δ调制器的处理电路173。处理电路173对由传感器元件130的感知电极134、135输出的电荷进行 Σ Δ调制并进行检波，变换为1比特数字信号后输出。向修正运算部174输入触发器172输出的1比特信号，通过置换处理来实现基于规定修正值的1比特数字信号的修正运算。在修正值为“5”的情况下，若输入值为“0”、“1”、 “_1”的1比特差分信号，则修正运算部64分别置换为值“0”、“5”、“-5”的多比特数字信号后输出。向数字滤波器175输入由所述修正运算部174输出的数字信号，进行除去噪声成分的滤波处理。由修正运算部174及数字滤波器175构成运算部176。运算部176根据定时信号S101，对1比特数字信号进行锁存，进行修正运算、滤波处理后，输出多比特数字信号。由定时控制电路143、处理电路173以及运算部176构成感知电路。
消除信号输出电路177向感知电极134与积分电路156之间注入消除信号C134， 并且向感知电极135与积分电路167之间注入消除信号C135。感知电极134因传感器元件 130的质量不平衡而产生无用信号U134。感知电极135因传感器元件130的质量不平衡而产生无用信号U135。消除信号C134与无用信号U134极性相反，且由同一电荷量的方波构成。消除信号C135与无用信号U135极性相反且由同一电荷量的方波构成。接下来，说明实施方式2的角速度传感器1002的动作。若向传感器元件130的驱动电极132施加交流电压，则振动体131以谐振频率振动，在监控电极133上产生电荷。监控电极133上产生的电荷被输入到驱动电路140的电荷放大器136中，被变换为正弦波形的输出电压。带通滤波器137仅提取电荷放大器136 的输出电压中的振动体131的谐振频率的分量，除去噪声成分后输出具有图5所示的正弦波形的信号S137。具有半波整流平滑电路的AGC电路138将信号S137变换为直流(DC)信号。AGC电路138在该DC信号大的情况下，将使带通滤波器137的输出信号衰减的信号输入到驱动电路139中，在DC信号小的情况下，将使带通滤波器137的输出信号增大的信号输入到驱动电路139中。由此，振动体131被驱动电路139控制为以恒定振幅振动。在定时控制电路143中，PLL电路141产生使信号S137倍频之后的信号，定时生成电路142以该信号为基准生成图5所示的定时信号S101、S102。定时信号Φ 101、Φ 102被输入到处理电路173及修正运算部174中，以确定开关的切换定时以及锁存电路的锁存定时。在具有质量m的传感器元件130沿着图4所示的驱动方向D131以相当于速度值V 的电荷弯曲振动的状态下，若传感器元件130绕着振动体131的长边方向的中心轴以角速度ω旋转，则在传感器元件130中产生以下所示的科里奥利力F。F = 2XmXVX ω因科里奥利力F，在感知电极134、135中产生图5所示的电流、即信号S134、S135。 信号S34、S35是根据科里奥利力F而产生的，因此具有相位相对于监控电极133中产生的信号S137偏移了 90度的正弦波形。如图5所示，信号S134、S135是正极性信号与负极性信号的关系。以下说明该情况下的作为Σ Δ调制器的处理电路173的动作。定时信号Φ 101、 Φ 102规定连续地交替重复的期间Ρ101、Ρ102。处理电路173根据定时信号S101、S102，对从感知电极134、135输出的正极性信号或负极性信号进行Σ Δ调制，然后变换为1比特数
字信号。以下，说明期间Ρ101、Ρ102内的处理电路173的动作。在以下的说明中，以传感器元件130的中心轴为中心，对传感器元件130赋予规定的角速度来使该传感器元件130旋转，由此从感知电极134、135分别产生与值“8”相当的最大电流的信号S134、S135。首先，在期间PlOl内，由积分电路156的电容器158保持基于从感知电极134产生的相当于值“8”的电荷的电压。电容器158所保持的电压被输入到比较器171的反相输入端子171Α。同样地，由积分电路167的电容器169保持从感知电极135产生的电荷。电容器169所保持的基于相当于值“_8”的电荷的电压被输入到比较器171的非反相输入端子171Β。由此，作为比较结果，从比较器171向触发器172输入1比特数字信号“1”，在期间Ρ102的开始时，由触发器172进行锁存。在期间Ρ102内，开关153、IM接通，由电容器 152保持的电荷被放电。同样地，在期间Ρ102内，开关164Α、164Β接通，由电容器163保持的电荷被放电。在触发器172中被锁存的数字信号“1”在接下来的期间PlOl内被输入到 DA切换部147，被切换为产生相当于值“-10”的电荷的基准电压V150。同样地，在触发器 172中被锁存的数字信号“1”在期间PlOl内被输入到DA切换部159，被切换为产生相当于值“10”的电荷的基准电压V160。由此，在DA输出部151的电容器152中蓄积与来自基准电压V150的相当于值“_10”的电荷对应的电荷，并将其输入到积分电路156，并且在DA输出部162的电容器163中蓄积与来自基准电压V160的相当于值“ 10”的电荷对应的电荷， 并将其输入到积分电路167。与此同时，在期间PlOl内，开关155接通，向积分电路156输出与感知电极134产生的相当于值“8”的电荷对应的电荷。进而，在期间PlOl内，开关165 接通，从感知电极135向积分电路167输入与相当于值“8”的电荷对应的电荷。由此，在期间P102内，在积分电路156的电容器158中，对图5所示的信号S134 的电荷量Q134与DA变换部148输出的电荷量的总和进行积分，并保持由相当于值“6”的电荷构成的输出信号。同样地，在积分电路167的电容器169中，对图5所示的信号S135 的电荷Q135与由DA变换部166输出的电荷量的总和进行积分，保持由相当于值“_6”的电荷构成的输出信号。比较器171将对积分电路156、167的输出信号进行比较之后的结果作为1比特数字信号而输出到触发器172。在每次重复期间PI、P2内的上述动作时，积分电路156所保持的电压仅每次降低与值“2”相当的电荷的量，而积分电路167所保持的电压每次仅增加与值“2”相当的电荷的量。其结果，在由积分电路156、167保持的电压成为与值“0”相当的电荷之前，比较部170输出1比特数字信号“1”。然后，若积分电路156所保持的电压成为与值“_2”相当的电荷、并且积分电路167所保持的电压成为与值“2”相当的电荷，则比较器171输出“-1”的1比特数字信号。由此，触发器172将值“-1”的输出信号输出到DA切换部147、159，从DA变换部148的基准电压V149输出相当于值“10”的电荷的电压，并由电容器152保持所对应的电荷，并且从DA变换部166的基准电压V161输出相当于值“10”的电荷的电压，并由电容器163保持所对应的电荷。由此，在积分电路156中保持相当于值“16”的电荷的电压，并且在积分电路167中保持相当于值“_16”的电荷的电压。以后，积分电路156、积分电路167的输出电压以相当于值“2”的电荷的量平均变化，比较器171输出9次值为“1”的1比特数字信号，并输出1次值为“-1”的1比特数字信号。 通过对1比特数字信号进行多比特化，从而可以输出值为“0.8”的输出信号，并作为角速度的信号来检测。图5表示分别在感知电极134、135中产生的与监控信号同相的无用信号U134、 U135。无用信号U134的相位比感知电极134中产生的输出信号S134还要滞后90度。无用信号U135的相位比感知电极135产生的输出信号S135还要滞后90度。因此，若利用积分电路156、167分别对无用信号U134、U135进行积分，则成为值“0”，无用信号U134、U135 几乎被消除。实际上，根据由积分电路156、167的电容器158、169的电容以及电路图案的电阻值确定的时间常数的不同，会导致相位特性发生变动。图6表示定时信号P101、具有因相位特性的变动而偏移的相位的信号S137以及无用信号U134 (U135)。期间PlOl的积分区间会从理想的区间TlOl变更为区间T102。在该状态下，无用信号U134(U135)的负侧的面积大于正侧的面积，即使对无用信号U134(U135)进行积分，也不能全部消除。再有，若伴随着角速度传感器1002的小型化，振动体131也变得小型化，则无法研磨振动体131来修正质量平衡，仅通过积分难以可靠地除去无用信号U134、U135。在实施方式2的角速度传感器1002中，消除信号输出电路177将消除信号C134 注入到感知电极134与处理电路173之间，将消除新信号C135注入到感知电极135与处理电路173之间。消除信号C134、C135是分别具有与无用信号U134、U135相同的振幅、且相位相反的方波。如图7所示，无用信号U134、U135的方波的宽度T134、T135被确定为具有频率f的无用信号U134、U135的正弦波所形成的面积AlOl和消除信号C134、C135的方波所形成的面积BlOl在半个周期(=l/(2Xf))内相等。如图7所示，将消除信号C134、 C135的宽度T134、T135设定为无用信号U134、U135的半个周期(l/QXf))的(2/π )倍、 即约64%。即使因为根据积分电路156、167的电容器158、169的电容以及电路图案的电阻值确定的时间常数的不同而使得相位特性发生变动，在相反相位的方波、即消除信号C134、 C135中，也会是大致相等的电荷变动，因此通过积分电路156、167在期间PlOl内的积分，能够可靠地除去无用信号U134、U135。消除信号C134、C135的方波的振幅是可以根据距离未赋予角速度的状态下产生的输出信号的零点的偏移量来规定的。消除信号输出电路177由输出与传感器元件130的驱动频率同步的方波、即消除信号C134、C135的DA变换电路构成，消除感知电极134、135中产生的无用信号U134、U135。 因此，可以降低该DA变换器的动作频率，以消耗电流小的DA变换器就可以降低无用信号 U134、U135。再有，通过调整消除信号输出电路177输出的方波、即消除信号C134、C135的时间轴方向，从而可以高精度地调整从DA变换器输出的电荷量的总和。还有，方波信号的宽度是无用信号U134、U135的一半周期的约64%，通过调整方波信号的振幅，从而可以调整消除信号输出电路177输出的电荷量的总和。如图7所示，在实施方式2的角速度传感器1002中，从消除信号输出电路177向感知电极134与处理电路173之间以及感知电极135与处理电路173之间输入消除信号 C134、C135。图8A表示从消除信号输出电路177向感知电极134与处理电路173之间输出的其他消除信号C1134。该情况下，消除信号输出电路177不会向感知电极135与处理电路173之间输入消除信号。消除信号C1134具有图7所示的消除信号C134的2倍振幅。 由此，在比较部170中对积分电路156、167输出的信号进行比较之际，可以消除无用信号 U134、U135的相位偏离的影响。再有，因为仅向感知电极134与处理电路173之间注入消除信号C1134，而不向感知电极135与处理电路173之间注入消除信号，所以可以缩小电路规模。消除信号输出电路177由输出与传感器元件130(振动体131)的驱动频率同步的方波、即消除信号C1134的DA变换电路构成，消除感知电极134、135中产生的无用信号U134、 U135。因此，可以降低该DA变换器的动作频率，以消耗电流小的DA变换器就可以降低无用信号 U134、U135。图8B表示从消除信号输出电路177向感知电极135与处理电路173之间输入的其他消除信号C1135。该情况下，消除信号输出电路177不向感知电极135与处理电路173 之间输入消除信号。消除信号C1135具有图7所示的消除信号C135的2倍振幅。由此，在比较部170中对积分电路156、167输出的信号进行比较之际，可以消除无用信号U134、U135的相位偏离的影响。再有，因为仅向感知电极135与处理电路173之间注入消除信号C1135， 而不向感知电极134与处理电路173之间注入消除信号，所以可以缩小电路规模。消除信号输出电路177由输出与传感器元件130(振动体131)的驱动频率同步的方波、即消除信号C1135的DA变换电路构成，消除感知电极134、135中产生的无用信号U134、U135。因此， 可以降低该DA变换器的动作频率，以消耗电流小的DA变换器就可以降低无用信号U134、 U1350图9表示从消除信号输出电路177向感知电极134与处理电路173之间注入的另一消除信号C2134、以及向感知电极135与处理电路173之间注入的另一消除信号C2135。 消除信号C2134、C2135是具有与无用信号U134、U135相同的振幅以及相同的相位的正弦波形。由此，在积分电路156、167中，可以利用消除信号C2134、C2135分别高精度地消除无用信号 U134、U135。图10表示从消除信号输出电路177向感知电极134与处理电路173之间注入的又一消除信号C3134。消除信号C3134相当于感知电极134中产生的无用信号U134与感知电极135中产生的无用信号U135之差，具有正弦波形，该正弦波形具有传感器元件130的驱动频率。在该情况下，从消除信号输出电路177不向感知电极135与处理电路173之间注入消除信号。由此，在比较部170中对积分电路156、167输出的信号进行比较之际，可以高精度地消除无用信号U134、U135的相位偏离的影响。再有，因为仅向感知电极135与处理电路173之间注入消除信号C3134，而不向感知电极135与处理电路173之间注入消除信号，所以可以缩小电路规模。图10表示从消除信号输出电路177向感知电极135与处理电路173之间注入的又一消除信号C3135。消除信号C3135相当于感知电极134中产生的无用信号U134与感知电极135中产生的无用信号U135之差，具有正弦波形，该正弦波形具有传感器元件130的驱动频率。在该情况下，从消除信号输出电路177不向感知电极134与处理电路173之间注入消除信号。由此，在比较部170中对积分电路156、167输出的信号进行比较之际，可以高精度地消除无用信号U134、U135的相位偏离的影响。再有，因为仅向感知电极135与处理电路173之间注入消除信号C3135，而不向感知电极134与处理电路173之间注入消除信号，所以可以缩小电路规模。这样，感知电极134被设置在振动体131中，根据施加在振动体131上的角速度来产生电荷，且产生无用信号U134。感知电极135被设置在振动体131中，根据角速度来产生电荷，且产生无用信号U135。驱动电路140使振动体131以规定的驱动频率振动。处理电路173对从感知电极134、135输出的信号进行检波。消除信号输出电路177按照以下方式工作向感知电极Π4与处理电路173之间注入极性与无用信号U134相反且具有相等电荷量的消除信号C134，向感知电极135与处理电路173之间注入极性与无用信号U135相反且具有相等电荷量的消除信号C135。处理电路173具有DA变换部148、166、积分电路156、167、比较部170以及DA切换部147、157。DA变换部148输出至少2个电平量的电荷、基准电压V149、V150。DA变换部166输出至少2个电平量的电荷、基准电压V160、V161。积分电路156对感知电极134中产生的电荷与从DA变换部148输出的电荷进行积分。积分电路167对感知电极135中产生的电荷与从DA变换部166输出的电荷进行积分。比较部170对来自第一积分电路156的输出信号和来自积分电路167的输出信号进行比较。DA切换部147基于比较部170的比较结果，对来自DA变换部148的输出信号的电平进行切换。DA切换部159基于比较部170 的比较结果，对来自DA变换部166的输出信号的电平进行切换。
(工业上的可利用性) 本发明涉及的角速度传感器具有以下技术效果可以提供一种在感知电极的外围电路图案产生断线的情况下，不会继续输出不与角速度对应的输出信号且提高了可靠性的角速度传感器，尤其是作为采用了用于航空器、车辆等移动体的姿势控制或导航系统等中的数字电路的角速度传感器是非常有用的。本发明涉及的角速度传感器具有以下技术效果可以提供一种伴随着角速度传感器的小型化，即使振荡器变得小型，也能可靠地除去因振荡器的质量的非平衡而产生的无用信号的角速度传感器，尤其是作为用于航空器、车辆等移动体的姿势控制或导航系统等中的角速度传感器是非常有用的。符号说明31 振动体34感知电极(第一感知电极)35感知电极(第二感知电极)40 驱动电路43 定时控制电路47 DA切换部(第一 DA切换部)48 DA变换部(第一 DA变换部)56积分电路(第一积分电路)59 DA切换部(第二 DA切换部)66 DA变换部(第二 DA变换部)67积分电路(第二积分电路)70 比较部78断线检测开关(第一断线检测开关)80断线检测开关(第二断线检测开关)131振动体134感知电极(第一感知电极)135感知电极(第二感知电极)
147 DA切换部(第一 DA切换部)148 DA变换部(第一 DA变换部)156积分电路(第一积分电路)159 DA切换部(第二 DA切换部)166 DA变换部(第二 DA变换部)167积分电路(第二积分电路)170比较部173处理电路177消除信号输出电路
权利要求
1.一种角速度传感器，其包括 振动体；第一感知电极，其被设置在所述振动体中，根据施加在所述振动体上的角速度来产生电荷；第二感知电极，其被设置在所述振动体中，根据所述角速度来产生电荷； 驱动电路，其使所述振动体以规定的驱动频率振动； 第一 DA变换部，其输出至少2个电平量的电荷； 第二 DA变换部，其输出至少2个电平量的电荷；第一积分电路，其对所述第一感知电极中产生的所述电荷与从所述第一 DA变换部输出的电荷进行积分；第二积分电路，其对所述第二感知电极中产生的所述电荷与从所述第二 DA变换部输出的电荷进行积分；比较部，其对来自所述第一积分电路的输出信号与来自所述第二积分电路的输出信号进行比较；第一 DA切换部，其基于所述比较部的比较结果，对来自所述第一 DA变换部的输出信号的电平进行切换；第二 DA切换部，其基于所述比较部的比较结果，对来自所述第二 DA变换部的输出信号的电平进行切换；第一断线检测开关，其被连接在所述第一感知电极与所述第一积分电路之间； 第一电压源，其经由所述第一断线检测开关，向所述第一感知电极与所述第一积分电路之间注入电荷；第二断线检测开关，其被连接在所述第二感知电极与所述第二积分电路之间；以及第二电压源，其经由所述第二断线检测开关，向所述第二感知电极与所述第二积分电路之间注入电荷。
2.根据权利要求1所述的角速度传感器，其中，由所述第一电压源注入的所述与从所述第二电压源注入的所述电荷极性相反且绝对值大致相等。
3.根据权利要求1所述的角速度传感器，其中，所述第一感知电极中产生的所述电荷与从所述第一电压源注入的所述电荷之和的绝对值比从所述第一 DA变换部注入的所述电荷的绝对值小，所述第二感知电极中产生的所述电荷与从所述第二电压源注入的所述电荷之和的绝对值比从所述第二 DA变换部注入的所述电荷的绝对值小。
4.一种角速度传感器，其包括 振动体；第一感知电极，其被设置在所述振动体中，根据施加在所述振动体上的角速度来产生电荷，且产生第一无用信号；第二感知电极，其被设置在所述振动体中，根据所述角速度来产生电荷且产生第二无用信号；驱动电路，其使所述振动体以规定的驱动频率振动；处理电路，其对从所述第一感知电极及所述第二感知电极输出的信号进行检波；以及消除信号输出电路，其按照以下方式工作，即向所述第一感知电极与所述处理电路之间注入极性与所述第一无用信号相反且电荷量相等的第一消除信号，向所述第二感知电极与所述处理电路之间注入极性与所述第二无用信号相反且电荷量相等的第二消除信号。
5.根据权利要求4所述的角速度传感器，其中，所述消除信号输出电路由输出具有所述振动体的驱动频率的正弦波信号的DA变换电路构成。
6.根据权利要求4所述的角速度传感器，其中，所述消除信号输出电路由输出具有所述振动体的驱动频率的方波信号的DA变换电路构成。
7.根据权利要求6所述的角速度传感器，其中，所述消除信号输出电路通过调整所述方波信号的时间轴方向来调整所输出的电荷量的总和。
8.根据权利要求6所述的角速度传感器，其中，所述方波信号的宽度为所述第一与第二无用信号的一半周期的约64%，通过调整所述方波信号的振幅来调整所输出的电荷量的总和。
9.根据权利要求4所述的角速度传感器，其中， 所述处理电路具有第一 DA变换部，其输出至少2个电平量的电荷； 第二 DA变换部，其输出至少2个电平量的电荷；第一积分电路，其对所述第一感知电极中产生的所述电荷与从所述第一 DA变换部输出的所述电荷进行积分；第二积分电路，其对所述第二感知电极中产生的所述电荷与从所述第二 DA变换部输出的所述电荷进行积分；比较部，其对来自所述第一积分电路的输出信号与来自所述第二积分电路的输出信号进行比较；第一 DA切换部，其基于所述比较部的比较结果，对来自所述第一 DA变换部的输出信号的电平进行切换；以及第二 DA切换部，其基于所述比较部的比较结果，对来自所述第二 DA变换部的输出信号的电平进行切换。
10.一种角速度传感器，其包括 振动体；第一感知电极，其被设置在所述振动体中，根据施加在所述振动体上的角速度来产生电荷，且产生第一无用信号；第二感知电极，其被设置在所述振动体中，根据所述角速度来产生电荷，且产生第二无用信号；驱动电路，其使所述振动体以规定的驱动频率振动；处理电路，其对从所述第一感知电极及所述第二感知电极输出的信号进行检波；以及消除信号输出电路，其向所述第一感知电极与所述处理电路之间注入消除信号，该消除信号的极性与所述第一无用信号和所述第二无用信号之差的极性相反且为相同的电荷量。
11.根据权利要求10所述的角速度传感器，其中，所述消除信号输出电路由输出具有所述振动体的驱动频率的正弦波信号的DA变换电路构成。
12.根据权利要求10所述的角速度传感器，其中，所述消除信号输出电路由输出具有所述振动体的驱动频率的方波信号的DA变换电路构成。
13.根据权利要求12所述的角速度传感器，其中，所述消除信号输出电路通过调整所述方波信号的时间轴方向来调整所输出的电荷量的总和。
14.根据权利要求10所述的角速度传感器，其中， 所述处理电路具有第一 DA变换部，其输出至少2个电平量的电荷； 第二 DA变换部，其输出至少2个电平量的电荷；第一积分电路，其对所述第一感知电极中产生的所述电荷与从所述第一 DA变换部输出的所述电荷进行积分；第二积分电路，其对所述第二感知电极中产生的所述电荷与从所述第二 DA变换部输出的所述电荷进行积分；比较部，其对来自所述第一积分电路的输出信号与来自所述第二积分电路的输出信号进行比较；第一 DA切换部，其基于所述比较部的比较结果，对来自所述第一 DA变换部的输出信号的电平进行切换；以及第二 DA切换部，其基于所述比较部的比较结果，对来自所述第二 DA变换部的输出信号的电平进行切换。
全文摘要
本发明提供一种角速度传感器，包括振动体；第一及第二感知电极，根据施加在振动体上的角速度而产生电荷；第一及第二DA变换部，至少输出2个电平量的电荷；第一及第二积分电路，对第一及第二感知电极中产生的电荷与从第一及第二DA变换部输出的电荷分别进行积分；比较部，其对来自第一及第二积分电路的输出信号进行比较；第一及第二DA切换部，基于比较部的比较结果，对来自第一及第二DA变换部的输出信号的电平分别进行切换；第一断线检测开关，其被连接在第一感知电极与第一积分电路之间；第一电压源，其经由第一断线检测开关，向第一感知电极与第一积分电路之间注入电荷；第二断线检测开关，其被连接在第二感知电极与第二积分电路之间；和第二电压源，其经由第二断线检测开关，向第二感知电极与第二积分电路之间注入电荷。该角速度传感器即使周围的环境发生变化也会稳定地工作，具有高的可靠性。
文档编号G01C19/56GK102472623SQ20108003301
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月20日 优先权日2009年7月22日
发明者小川壮彦, 川井孝士, 村上英之, 锅谷公志 申请人:松下电器产业株式会社
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