JPWO2017164052A1

JPWO2017164052A1 - 複合センサ

Info

Publication number: JPWO2017164052A1
Application number: JP2018507273A
Authority: JP
Inventors: 和磨塚本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2019-02-07
Also published as: US20190257655A1; WO2017164052A1

Abstract

複合センサは、印加された角速度に応じてセンス信号を出力する角速度検出素子と、センス信号に基づいて角速度を示す角速度信号を出力するセンス回路と、印加された加速度に応じた信号を出力する加速度検出素子と、加速度検出素子から出力された信号に基づいて加速度を示す加速度信号を出力する加速度検出回路と、加速度信号が入力されるバンドパスフィルターと、バンドパスフィルターから出力された信号の振幅に応じて角速度信号が無効か否かを判定する振幅判定回路と、角速度信号と加速度信号とを含むセンサ出力信号を出力するタイミング制御回路とを備える。

Description

本発明は、角速度および加速度を検出する複合センサに関する。

図９は従来の角速度センサ５００の回路ブロック図である。

音叉形状の水晶製の角速度検出素子１の４つの側面に金からなる駆動電極２が設けられている。角速度検出素子１の表面および裏面には金からなるモニタ電極３がそれぞれ設けられている。角速度検出素子１の内側の側面には金からなるＧＮＤ電極４が設けられており、外側の側面には金からなるセンス電極５、６が設けられている。ドライブ回路７は、角速度検出素子１のモニタ電極３の電荷を入力するとともに、角速度検出素子１における駆動電極２に駆動信号を入力する。センス回路８は角速度検出素子１におけるセンス電極５にコリオリ力によって発生する電荷およびセンス電極６にコリオリ力によって発生する電荷を入力し、角速度信号を出力する。

加算器９は、センス回路８からの角速度信号に補正データを加算する。角速度検出素子１の近傍に温度センサ１０が設けられている。Ａ／Ｄ変換器１１は温度センサ１０のアナログ出力信号をデジタル出力信号に変換する。ＥＥＰＲＯＭからなる記憶部１２はセンス回路８から出力される出力信号の誤差を補正するデータを保管している。

角速度センサ５００について、次にその動作を説明する。

角速度検出素子１の駆動電極２に交流電圧を加えると角速度検出素子１が共振し、角速度検出素子１のモニタ電極３に電荷が発生する。モニタ電極３に発生した電荷はドライブ回路７を介して駆動電極２に入力され、角速度検出素子１の振動を一定振幅になるように調整する。

角速度検出素子１が振動方向に速度ｖで屈曲振動している状態において、角速度検出素子１の長手方向の中心軸周りに角速度検出素子１が角速度ωで回転すると、この角速度検出素子１にＦ＝２ｍＶ×ωで表されるコリオリ力Ｆが発生する。コリオリ力Ｆによって、センス電極５、６に電荷が発生する。センス回路８を介してこの電荷に応じて出力信号を角速度の信号として外部に出力する。

角速度センサ５００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。

特開２００８−１７０２９４号公報

図１は実施の形態における複合センサの回路ブロック図である。図２Ａは実施の形態における複合センサの角速度センサ部の回路図である。図２Ｂは実施の形態における角速度センサ部の動作を示す図である。図３は実施の形態における複合センサの加速度センサ部の加速度検出素子の上面図である。図４は実施の形態における加速度検出素子の上面図である。図５Ａは実施の形態における加速度センサ部における加速度を検出するブリッジ回路を示す図である。図５Ｂは実施の形態における加速度センサ部における加速度を検出するブリッジ回路を示す図である。図６は実施の形態における加速度センサ部の回路ブロック図である。図７Ａは実施の形態における複合センサから出力されるセンサ出力信号を示す図である。図７Ｂは実施の形態における複合センサから出力されるセンサ出力信号を示す図である。図７Ｃは実施の形態における複合センサから出力されるセンサ出力信号を示す図である。図７Ｄは実施の形態における複合センサから出力される他のセンサ出力信号を示す図である。図８Ａは実施の形態における他の検出用複合センサの回路ブロック図である。図８Ｂは実施の形態におけるさらに他の検出用複合センサの回路ブロック図である。図９は従来の角速度センサの回路ブロック図である。

図１は実施の形態における複合センサ１０００のブロック図である。複合センサ１０００は、角速度を検出する角速度センサ部２１と、加速度を検出する加速度センサ部２２とを備える。

図２Ａは角速度センサ部２１の回路図である。図２Ｂは角速度センサ部２１の動作中の各部の信号を示す。角速度検出素子３０は、振動体３１と、振動体３１に設けられた駆動電極３２と、振動体３１に設けられたモニタ電極３３と、振動体３１に設けられたセンス電極３４、３５とを有する。駆動電極３２は、振動体３１を振動させるための圧電体を有する。モニタ電極３３は振動体３１の振動に応じて電荷を発生する圧電体を有する。センス電極３４、３５は、角速度検出素子３０の振動体３１に角速度が印加されると互いに逆極性の電荷を発生する圧電体を有する。電荷増幅器３６は、モニタ電極３３が出力する電荷を所定の倍率で電圧である信号に変換して出力する。バンドパスフィルター３７は電荷増幅器３６が出力する信号のノイズ成分を除去してモニタ信号を出力する。ＡＧＣ回路３８は半波整流平滑回路を有しており、バンドパスフィルター３７の出力するモニタ信号を半波整流して平滑して直流（ＤＣ）信号を生成し、このＤＣ信号に基づいてバンドパスフィルター３７の出力するモニタ信号を増幅あるいは減衰させて出力する。駆動回路３９はＡＧＣ回路３８の出力するモニタ信号Ｓ３７に基づいて角速度検出素子３０の駆動電極３２に駆動信号Ｓ３９を出力する。電荷増幅器３６、バンドパスフィルター３７、ＡＧＣ回路３８および駆動回路３９はドライブ回路４０を構成している。

ＰＬＬ回路４１はドライブ回路４０のバンドパスフィルター３７が出力するモニタ信号を逓倍し、位相ノイズを時間的に積分することで低減して逓倍モニタ信号として出力する。タイミング生成回路４２はＰＬＬ回路４１から出力された逓倍モニタ信号に基づいてタイミング信号φ１、φ２、φ３、φ４を生成して出力する。タイミング信号φ１、φ２、φ３、φ４はモニタ信号の周期の２倍の周期で能動レベルであるハイレベルと非能動レベルであるローレベルとを交互に繰り返す。モニタ信号の周期の２倍の周期でこの順で連続して繰り返す期間Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４においてタイミング信号φ１、φ２、φ３、φ４はこの順で排他的にそれぞれハイレベルとなる。具体的には、タイミング信号φ１は期間Ｐ１でハイレベルとなり、期間Ｐ２〜Ｐ４でローレベルとなる。タイミング信号φ２は期間Ｐ２でハイレベルとなり、期間Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４でローレベルとなる。タイミング信号φ３は期間Ｐ３でハイレベルとなり、期間Ｐ１、Ｐ２、Ｐ４でローレベルとなる。タイミング信号φ４は期間Ｐ４でハイレベルとなり、期間Ｐ１〜Ｐ３でローレベルとなる。すなわち、期間Ｐ１ではタイミング信号φ１がハイレベルとなり、タイミング信号φ２、φ３、φ４がローレベルとなる。期間Ｐ２ではタイミング信号φ２がハイレベルとなり、タイミング信号φ１、φ３、φ４がローレベルとなる。期間Ｐ３ではタイミング信号φ３がハイレベルとなり、タイミング信号φ１、φ２、φ４がローレベルとなる。期間Ｐ４ではタイミング信号φ４がハイレベルとなり、タイミング信号φ１、φ２、φ３がローレベルとなる。

角速度センサ部２１はタイミング信号φ１〜φ４のいずれか１つで動作するアナログスイッチ（ＳＷ）を備える。タイミング信号で動作するアナログスイッチは、タイミング信号がハイレベル（能動レベル）の時にオンとなり、そのタイミング信号がローレベル（非能動レベル）である時にオフとなるように動作する。

ＰＬＬ回路４１とタイミング生成回路４２とはタイミング制御回路４３を構成している。入力切替部４４はアナログスイッチ（ＳＷ）４５、４６で構成されている。アナログＳＷ４５は角速度検出素子３０のセンス電極３４と接続されて、タイミング信号φ２がハイレベルの時にオンとなりタイミング信号φ２がローレベルの時にオフとなるようにタイミング信号φ２で動作する。アナログＳＷ４６は、センス電極３５と接続されて、タイミング信号φ４がハイレベルの時にオンとなりタイミング信号φ２がローレベルの時にオフとなるようにタイミング信号φ４で動作する、この構成により、入力切替部４４は、センス電極３４、３５から入力された信号をタイミング信号φ２、φ４で切り替えて出力する。ＤＡ切替部４７は基準電圧Ｖ４９、Ｖ５０を所定の信号により切り替えて出力する。具体的には、ＤＡ切替部４７はタイミング信号φ２がハイレベルの時に基準電圧Ｖ４９を出力し、タイミング信号φ４がハイレベルの時に基準電圧Ｖ５０を出力し、タイミング信号φ２、φ４が共にローレベルの時には基準電圧Ｖ４９、Ｖ５０のいずれも出力しない。ＤＡ出力部５１は、ＤＡ切替部４７の出力する電圧が入力されるコンデンサ５２と、コンデンサ５２の両端に接続されたアナログＳＷ５３、５４とを有する。アナログＳＷ５３は、タイミング信号φ１がハイレベルの時にオンとなってコンデンサ５２の電荷を放電し、タイミング信号φ１がローレベルの時にオフとなるようにタイミング信号φ１で動作する。アナログＳＷ５４は、タイミング信号φ３がハイレベルの時にオンとなってコンデンサ５２の電荷を放電し、タイミング信号φ３がローレベルの時にオフとなるようにタイミング信号φ３で動作する。ＤＡ切替部４７とＤＡ出力部５１とはＤＡ変換部４８を構成する。ＤＡ変換部４８はタイミング信号φ１、φ３のうちの１つがハイレベルの時にコンデンサ５２の電荷を放電し、タイミング信号φ２、φ４のうちの１つがハイレベルの時にＤＡ切替部４７が出力する基準電圧に応じた電荷を入出力する。角速度センサ部２１のタイミング信号のいずれか１つで動作するアナログスイッチは、タイミング信号がハイレベル（能動レベル）の時にオンとなり、そのタイミング信号がローレベル（非能動レベル）である時にオフとなるように動作する。

アナログＳＷ５５は入力切替部４４とＤＡ変換部４８の出力を、タイミング信号φ２、φ４のうちの一方がハイレベルであるときに出力する。アナログＳＷ５５は入力切替部４４とＤＡ変換部４８の出力を、タイミング信号φ２、φ４が共にローレベルであるときには出力しない。積分回路５６にはアナログＳＷ５５の出力が入力される。積分回路５６は、演算増幅器５７と、演算増幅器５７の帰還すなわち反転入力端と出力端との間に並列に接続される一対のコンデンサ５８、５９と、コンデンサ５８、５９に直列にそれぞれ接続される一対のアナログＳＷ６０、６１とにより構成されている。アナログＳＷ６０はタイミング信号φ１、φ２で動作する、すなわちタイミング信号φ１、φ２の一方がハイレベルであるときにオンとなり、タイミング信号φ１、φ２が共にローレベルであるときにオフとなり、積分回路５６に入力された信号が積分されて、コンデンサ５８に積分されて得られた積分値が保持される。アナログＳＷ６１はタイミング信号φ３、φ４で動作する、すなわちタイミング信号φ３、φ４の一方がハイレベルであるときにオンとなり、タイミング信号φ３、φ４がともにローレベルであるときにオフとなり、積分回路５６に入力される信号が積分されてコンデンサ５９に積分されて得られた積分値が保持される。アナログＳＷ５５と積分回路５６とで積分部６２を構成する。積分部６２は、タイミング信号φ１、φ２がハイレベルのときにアナログＳＷ５５の出力をコンデンサ５８に積分してその積分値を出力するとともに、タイミング信号φ３、φ４がハイレベルのときにアナログＳＷ５５の出力をコンデンサ５９に積分してその積分値を出力する。

比較部６３は、積分部６２が出力する積分値と所定の値とを比較して１ビットデジタル信号を出力する比較器６４と、比較器６４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６５とで構成されている。また、Ｄ型フリップフロップ６５はタイミング信号φ２、φ４のうちの一方がハイレベルである期間Ｐ２、Ｐ４の開始時に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。このラッチ信号は、ＤＡ変換部４８のＤＡ切替部４７に入力されて基準電圧Ｖ４９、Ｖ５０を切り替える。入力切替部４４、ＤＡ変換部４８、積分部６２および比較部６３によりΣΔ変調器６６を構成している。

ΣΔ変調器６６は上記構成により、角速度検出素子３０における一対のセンス電極３４、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。

ラッチ回路６７は、ΣΔ変調器６６の比較部６３における比較器６４より出力される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６８、６９により構成されている。Ｄ型フリップフロップ６８はタイミング信号φ２がローレベルからハイレベルに立ち上がる期間Ｐ２の開始時に１ビットデジタル信号をラッチする。Ｄ型フリップフロップ６９はタイミング信号φ４がローレベルからハイレベルに立ち上がる期間Ｐ４の開始時に１ビットデジタル信号をラッチする。１ビット差分演算部７０はＤ型フリップフロップ６８、６９がラッチして出力する一対の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。つまり、１ビット差分演算部７０に入力される一対の１ビットデジタル信号よりなる２ビット信号の値が「００」「０１」「１０」「１１」を１「０」「−１」「１」「０」の値の１ビット差分信号Ｓ７０にそれぞれ置き換えて出力する。実施の形態では、Ｄ型フリップフロップ６８がこの２ビット信号の上位ビットを構成し、Ｄ型フリップフロップ６９がこの２ビット信号の下位ビットを構成する。補正演算部７１には１ビット差分演算部７０が出力する１ビット差分信号Ｓ７０に対する所定の補正データを用いた補正演算を置換処理により実現する。つまり、上記したように補正演算部７１に入力される１ビット差分信号Ｓ７０の値が「０」「１」「−１」であり、例えば、補正データの値が「５」である場合には、１ビット差分信号Ｓ７０の値「０」「１」「−１」が入力されると補正演算部７１は１ビット差分信号Ｓ７０の値「０」「１」「−１」を「０」「５」「−５」の値を有するマルチビット信号であるデジタル差分信号にそれぞれ置き換えて出力する。デジタルフィルタ７２には補正演算部７１より出力されるデジタル差分信号Ｓ７１が入力され、デジタル差分信号Ｓ７１のノイズ成分を除去するフィルタリング処理を行う。ラッチ回路６７、１ビット差分演算部７０、補正演算部７１およびデジタルフィルタ７２により演算部７３を構成している。演算部７３は、タイミング信号φ２、φ４がハイレベルである期間Ｐ２、Ｐ４の開始時に一対の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、マルチビット信号であるデジタル差分信号Ｓ７１を出力する。タイミング制御回路４３とΣΔ変調器６６および演算部７３はセンス回路７４を構成している。

次に、複合センサ１０００の加速度センサ部２２について説明する。図３と図４は加速度センサ部２２の加速度検出素子８０の上面図である。

加速度検出素子８０は、内部に中空領域８１が形成された枠部８２と、枠部８２に接続された一端をそれぞれ有して中空領域８１に延びる梁部８３、８４、８５、８６とを備える。図３と図４において、梁部８３、８４はＸ軸の方向に延び、梁部８５、８６がＹ軸の方向に延びるように互いに直角のＸ軸とＹ軸とＺ軸とを定義する。加速度検出素子８０は、梁部８３、８４、８５、８６の他端にそれぞれ接続された錘部８７、８８、８９、９０と、Ｘ軸の方向の加速度を検出する加速度検出部９１、９２と、Ｙ軸の方向の加速度を検出する加速度検出部９３、９４とをさらに備える。加速度検出部９１、９２、９３、９４は梁部８３、８４、８５、８６上にそれぞれ設けられている。錘部８７と錘部８８とが対向し、錘部８９と錘部９０とが対向している。加速度検出部９１〜９４は歪抵抗方式や静電容量方式などを用いることができる。歪抵抗方式としてピエゾ抵抗を用いることにより、加速度検出素子８０の感度を向上させることができる。また、歪抵抗方式として酸化膜歪み抵抗体を用いた薄膜抵抗方式を用いることにより、加速度検出素子８０の温度特性を向上させることができる。

図４は加速度検出部９１〜９４として機能する歪抵抗方式における歪抵抗Ｒ１〜Ｒ８の配置を示している。具体的には、歪抵抗Ｒ２、Ｒ４は加速度検出部９１を構成する。歪抵抗Ｒ１、Ｒ３は加速度検出部９２を構成する。歪抵抗Ｒ５、Ｒ７は加速度検出部９３を構成する。歪抵抗Ｒ６、Ｒ８は加速度検出部９４を構成する。

図５ＡはＸ軸の方向の加速度を検出するブリッジ回路１０１の回路図である。歪抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は互いに対向する一対の接続点Ｖｄｄ、ＧＮＤと、互いに対向する他の一対の接続点Ｖｘ１、Ｖｘ２接続点とでブリッジ接続されてブリッジ回路１０１を構成する。接続点Ｖｄｄ、ＧＮＤの間に電圧を印加し、接続点Ｖｘ１、Ｖｘ２の間の電圧を検出することにより、Ｘ軸の方向の加速度を検出することができる。ブリッジ回路１０１は加速度検出部９１、９２からの出力信号を処理してＸ軸の方向の加速度を出力する。

図５ＢはＹ軸の方向の加速度を検出するブリッジ回路１０２の回路図である。歪抵抗Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８互いには対向する一対の接続点Ｖｄｄ、ＧＮＤと、互いに対向する他の一対の接続点Ｖｙ１、Ｖｙ２とでブリッジ接続されブリッジ回路１０２を構成する。一対の接続点Ｖｄｄ、ＧＮＤの間に電圧を印加し、一対の接続点Ｖｙ１、Ｖｙ２の間の電圧を検出することにより、Ｙ軸の方向の加速度を検出することができる。ブリッジ回路１０２は加速度検出部９３、９４からの出力信号を処理してＹ軸方向の加速度を出力する。

図６は加速度センサ部２２の回路ブロック図である。

温度センサ１０４は加速度検出素子８０の周囲の温度を検出して、この温度に対応する温度情報を出力する。

ΔΣ型ＡＤ変換器１０７はブリッジ回路１０１からのアナログ信号である出力信号をデジタル信号に変換して出力する。ΔΣ型ＡＤ変換器１０８はブリッジ回路１０２からのアナログ信号である出力信号をデジタル信号に変換して出力する。加速度検出回路１０９はΔΣ型ＡＤ変換器１０７からのＸ軸の方向の加速度を示す加速度信号およびΔΣ型ＡＤ変換器１０８からのＹ軸の方向の加速度を示す加速度信号を、温度センサ１０４からの温度情報を基に補正して出力する。

バンドパスフィルター（ＢＰＦ）１１６は、実質的に、加速度検出回路１０９から出力された加速度信号の特定の周波数の成分のみを通過させて出力する。振幅判定回路１１７はバンドパスフィルター１１６から出力された信号の振幅を求め、求めた振幅が所定の閾値以上である場合に自己診断出力信号を出力し、振幅が所定の閾値より小さい場合には自己診断出力信号を出力しない。

バンドパスフィルター１１６と振幅判定回路１１７とは、安定性判定回路１１８を構成している。

実施の形態における複合センサ１０００の角速度センサ部２１について、次にその動作を説明する。

角速度検出素子３０の駆動電極３２に交流電圧を加えると、振動体３１が共振し駆動方向Ｄｄの共振周波数ｆｄで駆動方向Ｄｄに屈曲して振動し、モニタ電極３３に電荷である信号Ｓ３３が発生する。モニタ電極３３に発生した信号Ｓ３３（電荷）はドライブ回路４０における電荷増幅器３６に入力され、正弦波形の出力電圧に変換される。電荷増幅器３６からの出力電圧はバンドパスフィルター３７に入力される、バンドパスフィルター３７はこの出力電圧の振動体３１の共振周波数の成分のみを抽出し、ノイズ成分を除去して図２Ｂに示すような正弦波形を有するモニタ信号Ｓ３７を出力する。モニタ信号Ｓ３７はＡＧＣ回路３８の半波整流平滑回路に入力されて直流（ＤＣ）信号に変換される。ＡＧＣ回路３８はこのＤＣ信号が大きくなるとバンドパスフィルター３７の出力するモニタ信号Ｓ３７を減衰させる信号を駆動回路３９に入力し、一方、ＤＣ信号が小さくなるとモニタ信号Ｓ３７を増幅させる信号を駆動回路３９に入力する。この動作により、振動体３１が一定の振幅で振動するように調整される。センス回路７４におけるタイミング制御回路４３にモニタ信号Ｓ３７が入力され、ＰＬＬ回路４１で逓倍されて出力される。ＰＬＬ回路４１で出力された信号をもとにタイミング生成回路４２は図２Ｂに示すタイミング信号φ１、φ２、φ３、φ４を生成する。タイミング信号φ１、φ２、φ３、φ４はΣΔ変調器６６および演算部７３に、アナログＳＷの切替とラッチ回路のラッチとのタイミングを決める信号として入力される。

タイミング信号φ１、φ２、φ３、φ４は以下の方法でも生成することができる。すなわち、正弦波形を有するモニタ信号Ｓ３７と移相器で９０度だけ位相シフトさせた移相信号を生成する。モニタ信号Ｓ３７とこの移相信号を所定の基準電圧と比較するコンパレータに入力し、コンパレータの出力をロジック回路に入力することでもタイミング信号φ１、φ２、φ３、φ４を生成できる。この場合、正弦波形を有するモニタ信号Ｓ３７のランダムノイズおよび温度変化や電源変動による電圧ノイズが位相ノイズとして表れる。この位相ノイズは、入力信号や積分切替部を切り替えるタイミングノイズとして信号処理の精度に悪影響を与える場合がある。図２Ａに示すＰＬＬ回路４１によりモニタ信号Ｓ３７を時間的に積分して位相ノイズを低減することで、タイミング信号φ１、φ２、φ３、φ４を生成することにより、切替タイミングノイズを低減し信号処理の精度を高めることができる。角速度検出素子３０が図２Ａに示す駆動方向Ｄｄ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角速度検出素子３０（振動体３１）が角速度ωで回転すると、角速度検出素子３０にＦ＝２ｍＶ×ωで表されるコリオリ力Ｆが検出方向Ｄｔに発生する。コリオリ力Ｆに起因して検出方向Ｄｔに振動体３１が屈曲振動することにより角速度検出素子３０のセンス電極３４、３５に電荷が発生し、これらの電荷により図２Ｂに示すセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５がそれぞれ発生する。センス電極３４、３５に発生する電荷に基づくセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５はコリオリ力Ｆにより発生するので、モニタ電極３３から得られるモニタ信号Ｓ３７より位相が９０度ずれて進んでいる。センス電極３４、３５に発生したセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５は図２Ｂに示すように、互いに逆の位相を有する正極性信号と負極性信号である。

センス電極３４、３５に図２Ｂに示すセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５が発生している場合のΣΔ変調器６６の動作を以下に説明する。ΣΔ変調器６６はタイミング信号φ１〜φ４により決められてこの順で連続する期間Ｐ１〜Ｐ４を繰り返すことによって動作する。タイミング信号φ１、φ２がハイレベルである期間Ｐ１、Ｐ２では角速度検出素子３０のセンス電極３４から出力される正極性信号であるセンス信号Ｓ３４がΣΔ変調されて１ビットデジタル信号に変換される。また、タイミング信号φ３、φ４がハイレベルである期間Ｐ３、Ｐ４ではセンス電極３５から出力される負極性信号であるセンス信号Ｓ３５がΣΔ変調されて１ビットデジタル信号に変換される。

４つのタイミング信号φ１〜φ４で決まる期間Ｐ１〜Ｐ４での動作をひとつずつ説明する。

まずタイミング信号φ１がハイレベルである期間Ｐ１では、積分部６２におけるコンデンサ５８と接続されているアナログＳＷ６０がＯＮになり、コンデンサ５８に保持されている積分値が比較部６３における比較器６４に入力され、比較器６４での比較結果が１ビットデジタル信号として出力される。また、ＤＡ変換部４８におけるアナログＳＷ５３、５４がＯＮになりコンデンサ５２に保持されている電荷が放電される。

次にタイミング信号φ２がハイレベルである期間Ｐ２では、比較部６３の比較器６４より出力される１ビットデジタル信号がタイミング信号φ２の立ち上がる時にＤ型フリップフロップ６５にラッチされてラッチ信号として出力される。このラッチ信号がＤＡ変換部４８のＤＡ切替部４７に入力される。入力されたラッチ信号に応じて基準電圧Ｖ４９、Ｖ５０が切り替えられてコンデンサ５２に入力され、ＤＡ変換部４８より入力された基準電圧に応じた電荷が出力される。それとともに、入力切替部４４ではアナログＳＷ４５がＯＮになり、角速度検出素子３０のセンス電極３４より発生する電荷によるセンス信号Ｓ３４が出力される。さらに、積分部６２におけるアナログＳＷ５５がＯＮになり、入力切替部４４とＤＡ変換部４８から出力される電荷が積分回路５６に入力される。これにより期間Ｐ２では、積分回路５６におけるコンデンサ５８に、図２Ｂセンス信号Ｓ３４の斜線部で示す電荷量Ｑ１３４とＤＡ変換部４８より出力される電荷量との総和が積分されて保持される。

タイミング信号φ１、φ２がハイレベルである期間Ｐ１、Ｐ２での以上の動作により角速度検出素子３０のセンス電極３４から出力されるセンス信号Ｓ３４の振幅の半分に相当する電荷量Ｑ１３４がΣΔ変調され、特にタイミング信号φ１、φ２の信号の立ち上がり時すなわち期間Ｐ１、Ｐ２の開始時に１ビットデジタル信号として出力される。

期間Ｐ１、Ｐ２での上記動作と同様に、タイミング信号φ３、φ４がハイレベルである期間Ｐ３、Ｐ４では、角速度検出素子３０のセンス電極３５から出力されるセンス信号Ｓ３５の振幅の半分に相当する電荷量Ｑ１３５がΣΔ変調され、特にタイミング信号φ３、φ４の立ち上がり時すなわち期間Ｐ３、Ｐ４の開始時に１ビットデジタル信号に変換されて出力される。以上の動作により、角速度検出素子３０のセンス電極３４、３５から出力されるセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５の振幅の半分に相当する電荷量Ｑ１３４、Ｑ１３５が一つのΣΔ変調器６６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。

角速度検出素子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ωによるコリオリ力Ｆにより発生するセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５だけでなく、図２Ｂに示すモニタ信号Ｓ３７と同相の不要信号Ｕ３４、Ｕ３５をそれぞれさらに含む。角速度検出素子３０における一対のセンス電極３４、３５からセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５と不要信号Ｕ３４、Ｕ３５が加算された合成信号が出力される場合の角速度センサ部２１の動作について説明する。角速度ωによるコリオリ力Ｆで発生するセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５の振幅の半分に相当する電荷量Ｑ１３４は、上記で説明した通り、タイミング信号φ２、φ４がハイレベルである期間Ｐ２、Ｐ４で、積分回路５６により積分される。センス電極３４、３５より発生する不要信号Ｕ３４、Ｕ３５の振幅の最大値から最小値までの電荷量Ｑ２３４、Ｑ２３５は、センス信号Ｓ３４、Ｓ３５と同様に期間Ｐ２、Ｐ４で、積分される。したがって、電荷量Ｑ２３４、Ｑ２３５は積分されるとキャンセルされて０となる。つまり、期間Ｐ２、Ｐ４での積分部６２の動作により、不要信号Ｕ３４、Ｕ３５がキャンセルされてセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５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センス電極３４、３５から入力される信号のそれぞれに対し実施される。よって、上記不要信号Ｕ３４、Ｕ３５を含まない場合の動作と同様に、ΣΔ変調器６６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。

以上の動作により、角速度センサ部２１では角速度検出素子３０から出力される一対の信号を同期検波しながらΣΔ変調することが可能となり、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無しで、かつこれらのアナログ回路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。

次に、演算部７３について、その動作を説明する。まず、タイミング信号φ２の立ち上がりすなわち期間Ｐ２の開始時に、ΣΔ変調器６６の比較部６３における比較器６４より出力される１ビットデジタル信号がラッチ回路６７のＤ型フリップフロップ６８にラッチされて１ビットデジタル信号Ｓ６８として出力される。また、タイミング信号φ４の立ち上がりすなわち期間Ｐ４の開始時に、ΣΔ変調器６６の比較部６３における比較器６４より出力される１ビットデジタル信号がラッチ回路６７のＤ型フリップフロップ６９にラッチされて１ビットデジタル信号Ｓ６９として出力される。

Ｄ型フリップフロップ６８、６９にそれぞれラッチされた１ビットデジタル信号Ｓ６８、Ｓ６９は、上記で説明した通り、角速度検出素子３０における一対のセンス電極３４、３５より出力された信号から不要信号Ｕ３４、Ｕ３５を除いたセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５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、ラッチ回路６７が出力する１ビットデジタル信号Ｓ６８、Ｓ６９が１ビット差分演算部７０に入力され、１ビットデジタル信号Ｓ６８、Ｓ６９の差が演算されて１ビット差分信号Ｓ７０が出力される。ここで、期間Ｐ１での１ビット差分信号Ｓ７０は、一つ前の周期における期間Ｐ２、Ｐ４でラッチされた１ビットデジタル信号Ｓ６８、Ｓ６９の差であり、１ビット差分信号Ｓ７０は、角速度検出素子３０における一対のセンス電極３４、３５より出力される信号から不要信号Ｕ３４、Ｕ３５を除いた図２Ｂに示すセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５の振幅値を示す。以上の動作により、角速度検出素子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である一対のセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５が１つの積分部６２で積分されるので、２つの積分部で別々に積分を行う場合よりも個々の積分部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。これと同様に、ＤＡ変換部４８も一対の入力信号の信号処理に対し同じ１つのＤＡ変換部が用いられる。また、比較部６３でも一対の積分結果を１つの基準電圧と１つの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動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部、ＤＡ変換部、比較部を用いて信号処理するようにしているため、複数の各部を用いて信号処理した場合と比べて各部の相対誤差の影響が大きく低減される。

電源電圧変化や温度変化の影響による各部における基準電圧の変動等の影響も、一対の入力信号に対して同様に加わるため、演算部７３の１ビット差分演算部７０により一対の入力信号の信号処理結果の差を演算することにより、各部における基準電圧の変動等の影響をキャンセルでき、これにより、高精度に一対の入力信号の差をＡＤ変換できる。またそれと同時に、角速度検出素子３０における一対のセンス電極３４、３５より出力されてΣΔ型ＡＤ変換器に入力される一対の入力信号が含んでいる同相ノイズ成分やオフセット成分の影響もキャンセルできる。また、一対の入力信号の差をとる１ビット差分演算とは、比較部の出力信号が値「１」「０」を取る１ビット信号である場合、１ビット差分演算部７０に入力される一対の比較信号の値が「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。これを利用して、センス回路７４は非常に簡単な回路構成で加減算を行う演算器を用いることなく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を実現できる。このように減算処理を行った一対の入力信号を１つの差分信号として得た後にΣΔ型ＡＤ変換で通常必要となるデジタルフィルタによるローパスフィルタリングやデシメーション等の信号処理を行う。

次に、１ビット差分演算部７０が出力する１ビット差分信号Ｓ７０が補正演算部７１に入力され、１ビット差分信号Ｓ７０に対して所定の補正データを用いて行う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Ｓ７０の値が「０」「１」「−１」の３値に限られることを利用して、所定の補正データの値Ｒに対して、１ビット差分信号Ｓ７０の値「０」」「１」「−１」を「０」「Ｒ」「−１×Ｒ」にそれぞれ置換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。例えば、補正データの値が「５」である場合に、補正演算部７１に入力される１ビット差分信号Ｓ７０の値「０」「１」「−１」を値「０」「５」「−５」にそれぞれ置換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。

これにより、角速度検出素子３０の製造バラツキなどに起因する角速度に対する感度のバラツキや、温度変動による角速度検出素子３０の感度変動を、適切な補正データを設定することにより補正することが可能となる。さらに、デジタルフィルタによりマルチビット信号に変換した後にマルチビット信号は乗算器により乗算され、角速度信号Ｓ２１として出力される。

次に加速度センサ部２２について、次にその動作を説明する。

まず、Ｘ軸の方向の加速度を検出する場合の加速度センサ部２２の動作ついて説明する。

加速度検出素子８０にＸ軸の正方向に加速度が加わると、錘部８８はＺ軸の負方向である下方向に移動し、一方、錘部８７はＺ軸の正方向である上方向に移動する。これにより、梁部８４の上面には引張応力が加わり加速度検出部９２の歪抵抗Ｒ１、Ｒ３の抵抗値は増加する。また、梁部８３の上面には圧縮応力が加わり、加速度検出部９１の歪抵抗Ｒ２、Ｒ４の抵抗値は減少する。したがって、図５Ａに示すブリッジ回路１０１からはＸ軸の方向に加わる加速度に応じた加速度信号Ｓ２２ｘが出力される。

次に、Ｙ軸の方向の加速度を検出する場合の加速度センサ部２２の動作について説明する。

加速度検出素子８０にＹ軸の正方向に加速度が加わると、錘部８９は下方向に移動し、一方、錘部９０は上方向に移動する。これにより、梁部８５の上面には引張応力が加わり加速度検出部９３の歪抵抗Ｒ５、Ｒ７の抵抗値は増加する。また、梁部８６の上面には圧縮応力が加わり、加速度検出部９４の歪抵抗Ｒ６、Ｒ８の抵抗値は減少する。したがって、図５Ｂに示すブリッジ回路１０２からはＹ軸の方向に加わる加速度に応じた加速度信号Ｓ２２ｙが出力される。

実際にはＸ軸およびＹ軸の２軸の方向の加速度が加速度センサに同時に加わっている。そして、ブリッジ回路１０１から出力されるＸ軸の方向の加速度に対応する出力信号はΔΣ型ＡＤ変換器１０７によりデジタル信号に変換され、同様に、ブリッジ回路１０２からの出力されるＹ軸の方向の加速度に対応する出力信号は、ΔΣ型ＡＤ変換器１０８によりデジタル信号に変換される。加速度検出回路１０９は、ΔΣ型ＡＤ変換器１０７からの出力されるデジタル信号であるＸ軸の方向の加速度に対応するセンサ出力信号と、ΔΣ型ＡＤ変換器１０８から出力されるＹ軸の方向の加速度に対応するセンサ出力信号は、温度センサ１０４から出力される温度情報を基に補正してＸ軸の加速度信号Ｓ２２ｘとＹ軸の加速度信号Ｓ２２ｙとして出力される。

タイミング制御回路４３は、角速度センサ部２１から出力される角速度信号Ｓ２１と、加速度センサ部２２から出力される加速度信号Ｓ２２ｘ、Ｓ２２ｙと、安定性判定回路１１８から出力される自己診断信号Ｓ１１８とを基にデジタル信号であるセンサ出力信号Ｓ４３を出力する。

実施の形態における複合センサ１０００に、外部から振動が印加された場合の動作を説明する。

まず、Ｘ軸の方向の振動を含む機械的外力が複合センサ１０００に印加された場合の動作について説明する。

印加された機械的外力のうちのＸ軸の方向の外力に応じて加速度センサ部２２は加速度信号Ｓ２２ｘを出力する。加速度信号Ｓ２２ｘはタイミング制御回路４３を介して出力される。加速度信号Ｓ２２ｘはバンドパスフィルター１１６にも入力される。バンドパスフィルター１１６は加速度信号Ｓ２２ｘの所定の通過周波数の成分のみを実質的に通過して信号Ｓ１１６として出力し、通過周波数の成分以外の成分を実質的に通過させずに出力しない。

角速度センサ部２１の角速度検出素子３０の振動体３１は、駆動電極３２に印加された交流電圧である駆動信号Ｓ３９により振動体３１の駆動方向Ｄｄの共振周波数ｆｄで駆動方向Ｄｄに振動する。駆動方向Ｄｄに振動している状態で角速度が角速度検出素子３０に印加されると、この角速度に起因するコリオリ力Ｆにより振動体３１は駆動方向Ｄｄの振動と同期して検出方向Ｄｔに撓むように振動する。したがって、駆動信号Ｓ３９の周波数である駆動周波数は、振動体３１の駆動方向Ｄｄの共振周波数ｆｄと、コリオリ力Ｆによる振動体３１の検出方向Ｄｔの振動の周波数と同じである。振動体３１の駆動方向Ｄｄにおける機械的振動の共振周波数である駆動周波数は、振動体３１の検出方向Ｄｔの機械的振動の共振周波数である検出周波数と同じとは限らず異なる場合がある。複合センサ１０００に駆動周波数と検出周波数との差である離調周波数の振動が印加されると、角速度検出素子３０の振動体３１の検出方向Ｄｔの振動が影響を受ける。これにより、角速度センサ部２１から出力される角速度信号Ｓ２１が角速度を正確に示さず、誤った角速度信号Ｓ２１が出力される場合がある。例えば、複合センサ１０００に角速度が与えられておらずに離調周波数を有する振動が加わった時には、あたかも角速度が与えられたかのように角速度検出素子３０の振動体３１が検出方向Ｄｔに振動してセンス電極３４、３５からセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５が発生する場合がある。

例えば、図９に示す従来の角速度センサ５００では、外部から角速度が与えられておらず例えば駆動周波数と検出周波数との差に相当する離調周波数の振動が角速度検出素子１に加わった際に、角速度検出素子１が共振する。そのため、あたかも角速度が与えられたかのごとく角速度検出素子１のセンス電極５、６から出力信号が発生することとなり、不要な信号がセンス回路から発生する。

バンドパスフィルター１１６が通過させる上記の通過周波数は離調周波数に設定されている。実施の形態では駆動周波数は約３９．８ＫＨｚであり、検出周波数は３８．８ＫＨｚである。したがって離調周波数は約１ＫＨｚである。振幅判定回路１１７はバンドパスフィルター１１６からの出力された信号Ｓ１１６の振幅が所定の閾値以上である場合に、角速度信号Ｓ２１が誤っていることを示す自己診断信号Ｓ１１８をタイミング制御回路４３に出力し、信号Ｓ１１６の振幅が上記の閾値より小さい場合に自己診断信号Ｓ１１８をタイミング制御回路４３に出力しない。自己診断信号Ｓ１１８により、タイミング制御回路４３は、角速度センサ部２１からの上記の誤った角速度信号Ｓ２１を出力しない。実施の形態では、上記の閾値は１．０ｍ／ｓ^２の加速度に相当する加速度信号Ｓ２２ｘの値である。

図７Ａから図７Ｃはタイミング制御回路４３が出力するセンサ出力信号Ｓ４３を示す。これらの図に示すように、センサ出力信号Ｓ４３は、角速度信号Ｓ２１を示す複数のビットよりなるビットＢ２１と、加速度信号Ｓ２２ｘを示す複数のビットよりなるビットＢ２２ｘと、加速度信号Ｓ２２ｙを示す複数のビットよりなるビットＢ２２ｙと、自己診断信号Ｓ１１８に基づくフラグＢ１１８とを含むマルチビットデジタル信号である。フラグＢ１１８の値は、自己診断信号Ｓ１１８が出力されているときに能動値「１」となり、自己診断信号Ｓ１１８が出力されていないときに非能動値「０」となる。

離調周波数と異なる周波数の振動が外部から印加されている場合には、バンドパスフィルター１１６はこの振動に起因する加速度信号Ｓ２２ｘを通過させない。そのため、振幅判定回路１１７には自己診断信号Ｓ１１８を出力せず、タイミング制御回路４３は図７Ａに示す非能動値「０」を有するフラグＢ１１８を含むセンサ出力信号Ｓ４３を出力する。すなわち、角速度信号Ｓ２１と加速度信号Ｓ２２ｘ、Ｓ２２ｙの全てが正しい値としてタイミング制御回路４３から出力される。

タイミング制御回路４３が図７Ａに示すセンサ出力信号Ｓ４３を出力しているときに離調周波数と略同一の周波数の振動が外部から印加されると、バンドパスフィルター１１６は加速度信号Ｓ２２ｘを通過させて信号Ｓ１１６として出力する。信号Ｓ１１６の振幅が所定の閾値以上であるときに、振幅判定回路１１７は自己診断信号Ｓ１１８を出力する。自己診断信号Ｓ１１８に応じて、タイミング制御回路４３はフラグＢ１１８の値を能動値「１」に更新し、センサ出力信号Ｓ４３は図７Ｂに示すようになる。図７Ｂに示すセンサ出力信号Ｓ４３では、少なくとも角速度信号Ｓ２１は誤りである。自己診断信号Ｓ１１８が出力されると、タイミング制御回路４３は図７Ｂに示すセンサ出力信号Ｓ４３は出力せず、自己診断信号Ｓ１１８が出力された直前の図７Ａに示す角速度信号Ｓ２１によるビットＢ２１を維持して図７Ｃに示すセンサ出力信号Ｓ４３を出力する。図７Ｃに示すセンサ出力信号Ｓ４３では、フラグＢ１１８の値が能動値「１」であり、角速度信号Ｓ２１を示すビットＢ２１の値がフラグＢ１１８の値が能動値「１」となる直前の値であることを示す。

次に、Ｙ軸の方向の振動を含む機械的外力が複合センサ１０００に印加された場合の動作について説明する。

印加された機械的外力のうちのＹ軸の方向の外力に応じて加速度センサ部２２は加速度信号Ｓ２２ｙを出力する。加速度信号Ｓ２２ｘはタイミング制御回路４３を介して出力される。バンドパスフィルター１１６は加速度信号Ｓ２２ｙの上記所定の通過周波数の成分を通過して信号Ｓ１１６として出力し、通過周波数の成分以外の成分を通過させずに出力しない。振幅判定回路１１７はバンドパスフィルター１１６から出力された信号Ｓ１１６の振幅が所定の閾値以上である場合に、角速度信号Ｓ２１が誤っていることを示す自己診断信号Ｓ１１８をタイミング制御回路４３に出力し、信号Ｓ１１６の振幅が上記の閾値より小さい場合に自己診断信号Ｓ１１８をタイミング制御回路４３に出力しない。自己診断信号Ｓ１１８により、タイミング制御回路４３は、角速度センサ部２１からの上記の誤った角速度信号Ｓ２１を出力しない。

このように、実施の形態における複合センサ１０００では、振幅判定回路１１７は加速度信号Ｓ２２ｘ、Ｓ２２ｙの少なくとも一方のバンドパスフィルター１１６の通過周波数の成分の振幅が所定の閾値以上である場合に、角速度信号Ｓ２１が誤っていることを示す自己診断信号Ｓ１１８をタイミング制御回路４３に出力し、加速度信号Ｓ２２ｘ、Ｓ２２ｙの双方のバンドパスフィルター１１６の通過周波数の成分の振幅が上記の閾値より小さい場合に自己診断信号Ｓ１１８をタイミング制御回路４３に出力しない。

また、実施の形態における複合センサ１０００では、振幅判定回路１１７は加速度信号Ｓ２２ｘ、Ｓ２２ｙのバンドパスフィルター１１６の通過周波数の成分の振幅の２乗の和が所定の閾値以上である場合に、角速度信号Ｓ２１が誤っていることを示す自己診断信号Ｓ１１８をタイミング制御回路４３に出力し、振幅の上記２乗の和が上記の閾値より小さい場合に自己診断信号Ｓ１１８をタイミング制御回路４３に出力しなくてもよい。

このように、複合センサ１０００に、角速度が与えられておらずに離調周波数を有する振動が加わった時に、あたかも角速度が与えられたかのようにセンス電極３４、３５からセンス信号Ｓ３４、Ｓ３５が発生することに起因して誤った角速度信号Ｓ２１を出力することを、加速度センサ部２２の出力を基に防ぐことができる。

図１に示すように、タイミング制御回路４３は車両やゲーム機等の機能機器１００１に接続される。機能機器１００１はセンサ出力信号Ｓ４３を受けてセンサ出力信号Ｓ４３が示す角速度や加速度に基づき動作する。図７Ａから図７Ｃに示すセンサ出力信号Ｓ４３は自己診断信号Ｓ１１８によるフラグＢ１１８を含むので、センサ出力信号Ｓ４３のビットＢ２１が正確かどうかを瞬時に判断することができる。

図７Ｄは実施の形態における複合センサ１０００から出力されるセンサ出力信号Ｓ４３を示す。図７Ｄにおいて図７Ａから図７Ｃに示すセンサ出力信号Ｓ４３と同じ部分には同じ参照番号を付す。図７Ｄに示すセンサ出力信号Ｓ４３は、自己診断信号Ｓ１１８に応じて変わるフラグＢ１１８を含んでいない。角速度信号Ｓ２１が誤っていることを外部に通知する必要がない場合には、センサ出力信号Ｓ４３はフラグＢ１１８を含んでいなくてもよい。

角速度検出素子３０の振動体３１は離調周波数を有する振動のみならず、検出周波数を有する振動や駆動周波数を有する振動によっても角速度と関係なく振動する。したがって、バンドパスフィルター１１６の通過周波数は駆動周波数に設定されていてもよく、検出周波数であってもよい。これにより、誤った角速度信号Ｓ２１が出力されることを防止することができる。

図８Ａは実施の形態における他の複合センサ１０００ａのブロック図である。図８Ａにおいて、図１に示す複合センサ１０００と同じ部分には同じ参照番号を付す。図８Ａに示す複合センサ１０００ａは、バンドパスフィルター１１６および振幅判定回路１１７と並列に設けられたバンドパスフィルター１１９ａと振幅判定回路１２０ａをさらに備える。バンドパスフィルター１１９ａと振幅判定回路１２０ａとで安定性判定回路１２１ａを構成する。バンドパスフィルター１１９ａはバンドパスフィルター１１６と同様に、加速度信号Ｓ２２ｘ（Ｓ２２ｙ）の所定の通過周波数を有する成分のみを通過させて信号Ｓ１１９ａとして出力し、この通過周波数を有する成分以外の成分を通過させずに出力しない。振幅判定回路１２０ａは振幅判定回路１１７と同様に、信号Ｓ１１９ａの振幅が所定の閾値以上である場合に自己診断信号Ｓ１１８を出力し、信号Ｓ１１９ａの振幅が所定の閾値より小さい場合に自己診断信号Ｓ１１８を出力しない。バンドパスフィルター１１９ａの通過周波数は駆動周波数に設定される。これにより、離調周波数を有する振動または駆動周波数を有する振動を受けても、タイミング制御回路４３は誤った角速度信号Ｓ２１を出力することを防止できる。バンドパスフィルター１１９ａの通過周波数は検出周波数に設定されていてもよい。もしくはバンドパスフィルター１１６の通過周波数は駆動周波数に設定されて、バンドパスフィルター１１９ａの通過周波数は検出周波数に設定されていてもよく、同様の効果を有する。

図８Ｂは実施の形態における他の複合センサ１０００ｂのブロック図である。図８Ｂにおいて、図１と図８Ａに示す複合センサ１０００、１０００ａと同じ部分には同じ参照番号を付す。図８Ｂに示す複合センサ１０００ｂは、バンドパスフィルター１１６、１１９ａおよび振幅判定回路１１７、１２０ａと並列に設けられたバンドパスフィルター１１９ｂと振幅判定回路１２０ｂをさらに備える。バンドパスフィルター１１９ｂと振幅判定回路１２０ｂとで安定性判定回路１２１ｂを構成する。バンドパスフィルター１１９ｂはバンドパスフィルター１１６、１１９ａと同様に、加速度信号Ｓ２２ｘ（Ｓ２２ｙ）の所定の通過周波数を有する成分のみを通過させて信号Ｓ１１９ｂとして出力し、この通過周波数を有する成分以外の成分を通過させずに出力しない。振幅判定回路１２０ｂは振幅判定回路１１７、１２０ａと同様に、信号Ｓ１１９ｂの振幅が所定の閾値以上である場合に自己診断信号Ｓ１１８を出力し、信号Ｓ１１９ｂの振幅が所定の閾値より小さい場合に自己診断信号Ｓ１１８を出力しない。バンドパスフィルター１１９ｂの通過周波数は検出周波数に設定される。これにより、離調周波数を有する振動と駆動周波数を有する振動と検出周波数を有する振動を受けても、タイミング制御回路４３は誤った角速度信号Ｓ２１を出力することを防止できる。

上述のように、角速度検出素子３０は、振動体３１と、駆動信号Ｓ３９を受けて振動体３１を振動させる駆動電極３２と、振動体３１が振動している状態で振動体３１に印加された角速度に応じてセンス信号Ｓ３４（Ｓ３５）を出力するセンス電極３４（３５）と、振動体３１の振動に応じたモニタ信号Ｓ３７を出力するモニタ電極３３とを有する。ドライブ回路４０は、モニタ信号Ｓ３７に基づき角速度検出素子３０の駆動電極３２に駆動信号Ｓ３９を入力する。センス回路７４は、センス信号Ｓ３４（Ｓ３５）に基づいて、角速度を示す角速度信号Ｓ２１を出力する。加速度検出回路１０９は、加速度検出素子８０から出力された信号に基づいて、加速度を示す加速度信号Ｓ２２ｘを出力する。バンドパスフィルター１１６には加速度信号Ｓ２２ｘが入力される。振幅判定回路１１７は、バンドパスフィルター１１６から出力された信号Ｓ１１６の振幅に応じて角速度信号Ｓ２１が無効か否かを判定する。タイミング制御回路４３は、角速度信号Ｓ２１（ビットＢ２１）と加速度信号Ｓ２２ｘ（ビットＢ２２ｘ）とを含むセンサ出力信号Ｓ４３を出力する。

振幅判定回路１１７は、信号Ｓ１１６の振幅が所定の閾値以上であるときに角速度信号Ｓ２１が無効であると判定するように構成されていてもよい。この場合、振幅判定回路１１７は、信号Ｓ１１６の振幅が所定の閾値より小さいときに角速度信号Ｓ２１が無効でないと判定するように構成されている。

駆動電極３２は駆動信号Ｓ３９を受けて駆動周波数で振動体３１を振動させる。振動体３１は駆動周波数と異なる検出周波数の共振周波数を有していてもよい。この場合、バンドパスフィルター１１６は加速度信号Ｓ２２ｘの所定の通過周波数を有する成分のみを実質的に通過させて信号Ｓ１１６として出力してもよい。バンドパスフィルター１１６の所定の通過周波数は、駆動周波数と検出周波数との差である離調周波数であってもよい。

バンドパスフィルター１１９ａには加速度信号Ｓ２２ｘが入力される。振幅判定回路１２０ａは、バンドパスフィルター１１９ａから出力された信号Ｓ１１９ａの振幅に応じて角速度信号Ｓ２１が無効か否かを判定する。この場合、バンドパスフィルター１１９ａは加速度信号Ｓ２２ｘの所定の通過周波数と異なる通過周波数を有する成分のみを実質的に通過させて信号Ｓ１１９ａとして出力する。

振幅判定回路１１７が角速度信号Ｓ２１は無効であると判定すると、タイミング制御回路４３は角速度信号Ｓ２１が無効であると判定した直前の角速度信号Ｓ２１の値を維持してもよい。この場合、センサ出力信号Ｓ４３は角速度センサ信号の維持された値を含んでいてもよい。

センサ出力信号Ｓ４３は、角速度信号Ｓ２１が無効か否かを示す自己診断信号Ｓ１１８（フラグＢ１１８）をさらに含んでいてもよい。

タイミング制御回路４３は角速度信号Ｓ２１が無効か否かを示す自己診断信号Ｓ１１８（フラグＢ１１８）を出力してもよい。

２１角速度センサ部
３２駆動電極
３３モニタ電極
３４，３５センス電極
３０角速度検出素子
１０９加速度検出回路
８０加速度検出素子
４０ドライブ回路
７４センス回路
４３タイミング制御回路
１１６，１１９ａ，１１９ｂバンドパスフィルター
１１７，１２０ａ，１２０ｂ振幅判定回路
１１８，１２１ａ，１２１ｂ安定性判定回路
１０００，１０００ａ，１０００ｂ複合センサ

ラッチ回路６７は、ΣΔ変調器６６の比較部６３における比較器６４より出力される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６８、６９により構成されている。Ｄ型フリップフロップ６８はタイミング信号φ２がローレベルからハイレベルに立ち上がる期間Ｐ２の開始時に１ビットデジタル信号をラッチする。Ｄ型フリップフロップ６９はタイミング信号φ４がローレベルからハイレベルに立ち上がる期間Ｐ４の開始時に１ビットデジタル信号をラッチする。１ビット差分演算部７０はＤ型フリップフロップ６８、６９がラッチして出力する一対の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。つまり、１ビット差分演算部７０に入力される一対の１ビットデジタル信号よりなる２ビット信号の値が「００」「０１」「１０」「１１」を「０」「−１」「１」「０」の値の１ビット差分信号Ｓ７０にそれぞれ置き換えて出力する。実施の形態では、Ｄ型フリップフロップ６８がこの２ビット信号の上位ビットを構成し、Ｄ型フリップフロップ６９がこの２ビット信号の下位ビットを構成する。補正演算部７１には１ビット差分演算部７０が出力する１ビット差分信号Ｓ７０に対する所定の補正データを用いた補正演算を置換処理により実現する。つまり、上記したように補正演算部７１に入力される１ビット差分信号Ｓ７０の値が「０」「１」「−１」であり、例えば、補正データの値が「５」である場合には、１ビット差分信号Ｓ７０の値「０」「１」「−１」が入力されると補正演算部７１は１ビット差分信号Ｓ７０の値「０」「１」「−１」を「０」「５」「−５」の値を有するマルチビット信号であるデジタル差分信号にそれぞれ置き換えて出力する。デジタルフィルタ７２には補正演算部７１より出力されるデジタル差分信号Ｓ７１が入力され、デジタル差分信号Ｓ７１のノイズ成分を除去するフィルタリング処理を行う。ラッチ回路６７、１ビット差分演算部７０、補正演算部７１およびデジタルフィルタ７２により演算部７３を構成している。演算部７３は、タイミング信号φ２、φ４がハイレベルである期間Ｐ２、Ｐ４の開始時に一対の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、マルチビット信号であるデジタル差分信号Ｓ７１を出力する。タイミング制御回路４３とΣΔ変調器６６および演算部７３はセンス回路７４を構成している。

印加された機械的外力のうちのＹ軸の方向の外力に応じて加速度センサ部２２は加速度信号Ｓ２２ｙを出力する。加速度信号Ｓ２２ｙはタイミング制御回路４３を介して出力される。バンドパスフィルター１１６は加速度信号Ｓ２２ｙの上記所定の通過周波数の成分を通過して信号Ｓ１１６として出力し、通過周波数の成分以外の成分を通過させずに出力しない。振幅判定回路１１７はバンドパスフィルター１１６から出力された信号Ｓ１１６の振幅が所定の閾値以上である場合に、角速度信号Ｓ２１が誤っていることを示す自己診断信号Ｓ１１８をタイミング制御回路４３に出力し、信号Ｓ１１６の振幅が上記の閾値より小さい場合に自己診断信号Ｓ１１８をタイミング制御回路４３に出力しない。自己診断信号Ｓ１１８により、タイミング制御回路４３は、角速度センサ部２１からの上記の誤った角速度信号Ｓ２１を出力しない。

Claims

振動体と、
駆動信号を受けて前記振動体を振動させる駆動電極と、
前記振動体が振動している状態で前記振動体に印加された角速度に応じてセンス信号を出力するセンス電極と、
前記振動体の振動に応じたモニタ信号を出力するモニタ電極と、
を有する角速度検出素子と、
前記モニタ信号に基づき前記角速度検出素子の前記駆動電極に前記駆動信号を入力するドライブ回路と、
前記センス信号に基づいて、前記角速度を示す角速度信号を出力するセンス回路と、
印加された加速度に応じた信号を出力する加速度検出素子と、
前記加速度検出素子から出力された前記信号に基づいて、前記加速度を示す加速度信号を出力する加速度検出回路と、
前記加速度信号が入力される第１のバンドパスフィルターと、
前記第１のバンドパスフィルターから出力された第１の信号の振幅に応じて前記角速度信号が無効か否かを判定する第１の振幅判定回路と、
前記角速度信号と前記加速度信号とを含むセンサ出力信号を出力するタイミング制御回路と、
を備えた複合センサ。
前記第１の振幅判定回路は、
前記第１の信号の前記振幅が所定の閾値以上であるときに前記角速度信号が無効であると判定し、
前記第１の信号の前記振幅が前記所定の閾値より小さいときに前記角速度信号が無効でないと判定する、
ように構成されている、請求項１に記載の複合センサ。
前記駆動電極は前記駆動信号を受けて駆動周波数で前記振動体を振動させ、
前記振動体は前記駆動周波数と異なる検出周波数の共振周波数を有し、
前記第１のバンドパスフィルターは前記加速度信号の第１の所定の通過周波数を有する成分のみを実質的に通過させて前記第１の信号として出力し、
前記第１のバンドパスフィルターの前記第１の所定の通過周波数は、前記駆動周波数と前記検出周波数との差である離調周波数である、請求項１または２に記載の複合センサ。
前記加速度信号が入力される第２のバンドパスフィルターと、
前記第２のバンドパスフィルターから出力された第２の信号の振幅に応じて前記角速度信号が無効か否かを判定する第２の振幅判定回路と、
をさらに備え、
前記第２のバンドパスフィルターは前記加速度信号の前記第１の所定の通過周波数と異なる第２の通過周波数を有する成分のみを実質的に通過させて前記第２の信号として出力する、請求項３に記載の複合センサ。
前記駆動電極は前記駆動信号を受けて駆動周波数で前記振動体を振動させ、
前記振動体は前記駆動周波数と異なる検出周波数の共振周波数を有し、
前記第１のバンドパスフィルターは前記加速度信号の第１の所定の通過周波数を有する成分のみを実質的に通過させて前記第１の信号として出力し、
前記第１のバンドパスフィルターの前記第１の所定の通過周波数は、前記検出周波数または前記駆動周波数である、請求項１または２に記載の複合センサ。
前記加速度信号が入力される第２のバンドパスフィルターと、
前記第２のバンドパスフィルターから出力された第２の信号の振幅に応じて前記角速度信号が無効か否かを判定する第２の振幅判定回路と、
をさらに備え、
前記第２のバンドパスフィルターは前記加速度信号の前記第１の所定の通過周波数と異なる第２の通過周波数を有する成分のみを実質的に通過させて前記第２の信号として出力する、請求項５に記載の複合センサ。
前記第１の振幅判定回路が前記角速度信号は無効であると判定すると、前記タイミング制御回路は前記角速度信号が無効であると判定した直前の前記角速度信号の値を維持し、
前記センサ出力信号は前記角速度信号の前記維持された値を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の複合センサ。
前記センサ出力信号は、前記角速度信号が無効か否かを示す自己診断信号をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の複合センサ。