專利名稱：物理量測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動(dòng)型陀螺儀等物理量測定裝置。
背景技術(shù)：
本申請人對振動(dòng)型陀螺儀的應(yīng)用進(jìn)行了各種研究，例如在汽車車體旋轉(zhuǎn)速度反饋式車輛控制方法中，將振動(dòng)型陀螺儀用于旋轉(zhuǎn)速度傳感器等。在這種系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向輪的方向是依據(jù)方向盤的旋轉(zhuǎn)角度來檢測。與此同時(shí)，車體實(shí)際旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度是利用振動(dòng)陀螺儀來檢測。比較轉(zhuǎn)向輪方向與實(shí)際車體的旋轉(zhuǎn)速度，計(jì)算差值，并依據(jù)該差值對車輪轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向角進(jìn)行校正后，便可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的車體控制。本發(fā)明申請人于日本專利特開平11-281372號公報(bào)中提出了一種主要使用平面內(nèi)延伸的振子、適合橫向配置的振動(dòng)型陀螺儀。

發(fā)明內(nèi)容
振動(dòng)型陀螺儀在制造時(shí)，需使用自激振蕩電路，激勵(lì)例如上晶體構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)片，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)振動(dòng)。此外，通過處理由振子上的檢測電極所發(fā)送的輸出電壓，獲得與旋轉(zhuǎn)角速度相對應(yīng)的電壓值。在以往，自激振蕩電路與檢測電路形成于分立IC上，制造工序繁多。因此，本發(fā)明者考慮通過在單片IC芯片上形成自激振蕩電路和檢測電路，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)—檢測電路的批量生產(chǎn)。
然而，對于生產(chǎn)出的眾多同一規(guī)格振動(dòng)型陀螺儀，在對每一個(gè)自激振蕩電路測量驅(qū)動(dòng)電流后發(fā)現(xiàn)，溫度的變化會造成驅(qū)動(dòng)電流值大幅變動(dòng)。例如于車體控制系統(tǒng)中，振動(dòng)型陀螺儀會暴露于大范圍的環(huán)境溫度、即高溫和低溫之下。此使用溫度范圍從-40℃到+85℃。因此，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流隨溫度變化而變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)靈敏度將發(fā)生改變，結(jié)果從檢測電極輸出的輸出電流也將改變。因此，在旋轉(zhuǎn)角速度的測定值中會發(fā)生溫度漂移現(xiàn)象。
對檢測電極輸出的輸出電流進(jìn)行處理，雖然可以得到與旋轉(zhuǎn)角速度相對應(yīng)的檢測電流，但是發(fā)現(xiàn)各振動(dòng)型陀螺儀的檢測電流測定值會出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)自激振蕩電路與檢測電路形成于分立IC上時(shí)，這些現(xiàn)象便看不到。
本發(fā)明的目的在于提供一種物理量測定裝置，在使用振子、激勵(lì)振子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)振動(dòng)的自激振蕩電路、以及將來自振子的檢測信號輸出用的檢測電路并依據(jù)檢測信號進(jìn)行物理量測定的裝置中，至少自激振蕩電路與檢測電路形成于單片IC時(shí)，抑制與物理量相對應(yīng)的檢測靈敏度的溫度及各振子的變動(dòng)。
本發(fā)明公開一種物理量測定裝置，是使用振子、激勵(lì)振子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)振動(dòng)的自激振蕩電路、以及將來自振子的檢測信號輸出用的檢測電路并依據(jù)檢測信號進(jìn)行物理量測定的裝置，其特征為，自激振蕩電路具備電流/電壓轉(zhuǎn)換器與低通濾波器，檢測電路具備將來自振子的輸出信號放大的電荷放大電路，至少電流/電壓轉(zhuǎn)換器與電荷放大電路形成于單片IC。


圖1是表示以往自激振蕩電路12的電路圖。
圖2是表示先前例中自激振蕩電路12及檢測電路13的電路圖。
圖3是電流/電壓轉(zhuǎn)換器3的一個(gè)構(gòu)造例的電路圖。
圖4是表示檢測電路構(gòu)造例的電路圖。
圖5是表示電荷放大電路構(gòu)造例的電路圖。
圖6是表示低通濾波器構(gòu)造例的電路圖。
圖7是表示本發(fā)明例所述自激振蕩電路12A的電路圖。
圖8是表示本發(fā)明例所述自激振蕩電路12A及檢測電路13的電路圖。
具體實(shí)施例方式
以下，適當(dāng)參照

本發(fā)明。
圖1是表示以往自激振蕩電路12的示意圖。振子1上安裝有激勵(lì)構(gòu)件2，激勵(lì)構(gòu)件2連接于自激振蕩電路12。自激振蕩電路12具備電流/電壓放大器(交流放大器)3、高通濾波器5、比較器6、全波整流器8、積分器10以及電阻器。
起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電路將噪聲輸入至自激振蕩電路12。此噪聲通過振子1的驅(qū)動(dòng)部接受選頻，接著如箭頭A所示，輸入至電流/電壓轉(zhuǎn)換器3，并于放大后轉(zhuǎn)換為電壓值。電流/電壓轉(zhuǎn)換器3輸出的輸出信號中，一部分輸入至全波整流器8，并轉(zhuǎn)換為振幅電平(大小)。5代表高通濾波器，9代表基準(zhǔn)電壓源。該振幅信號被輸入至積分器10。自激振蕩裝置12連接于未圖示之診斷電路，診斷電路之輸出通過DIAG端子輸出至外部。
于啟動(dòng)后的初始階段，振子1中大部分噪聲被去除，因此全波整流器8的輸出較小。所以，使積分器10的輸出電壓增大，繞振蕩回路一周的回路增益大于1。由于整流器8的輸出會隨時(shí)間而增大，因此使積分器10的輸出電壓減小，回路增益變成1。
圖2是表示本例中使用的自激振蕩電路12以及檢測電路13的方框圖。電流/電壓轉(zhuǎn)換器3包含并聯(lián)連接的電阻器3a及運(yùn)算放大器3b。關(guān)于檢測電路13將稍后說明。
圖3是表示典型的電流/電壓轉(zhuǎn)換器3構(gòu)造的方框圖。電阻器3a與運(yùn)算放大器3b并聯(lián)連接，運(yùn)算放大器3b的負(fù)極及正極端子為輸入端子。輸出電壓值為A×[(+端子處電壓)-(-端子處電壓)](A比1大得多)。由于+端子處電壓為0伏特，因此為了確定輸出電壓，-端子處的電壓也必須是0伏特。此處，假設(shè)輸入電流值為i，則由于-端子處的電壓為0伏特，因此輸出端子處的電壓為(-R×i)(R為電阻器3a的電阻值)。
這里，通過本發(fā)明者的研究發(fā)現(xiàn)，形成于硅晶片上的電阻器3a的電阻值R具有較差的溫度特性，例如具有1000ppm以上的溫度特性。結(jié)果會造成在接點(diǎn)4測量驅(qū)動(dòng)電流值時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流值的溫度變動(dòng)會增大。
圖4是一例檢測電路的方框圖。設(shè)置于振子1的檢測構(gòu)件15a、15b分別將輸出信號輸出，各輸出信號又分別由電荷放大器16A、16B放大，并由差動(dòng)放大器17將各輸出信號之差放大。接著，通過高通濾波器18、放大器19。另一方面，派生部分驅(qū)動(dòng)信號，將該派生信號輸入到相位檢波器30，對振子1的輸出信號進(jìn)行檢波。結(jié)果，在檢波后的輸出信號中，應(yīng)可除去或至少降低不需要的泄漏信號。該檢波后的輸出信號通過低通濾波器20、放大器21，從端子22將該輸出取出至外部。
電荷放大電路16A、16B的構(gòu)造例如圖5所示。本電路包含并聯(lián)連接的電容器16a及運(yùn)算放大器16b。運(yùn)算放大器16b的負(fù)極及正極端子為輸入端子。由于+端子處電壓為0伏特，因此為確定輸出電壓，一端子處的電壓也必須是0伏特。此處，假設(shè)輸入電流值為i，則由于一端子處的電壓為0伏特，因此輸出端子處的電壓為(-i/ωC)(C為電容器16a的電容)。
此處，不同晶片間，形成于晶片上的電容器的電容存在很大差異，例如20％左右。因此，不同晶片間，通過電荷放大電路將振子輸出信號放大后的電壓值也各不相同，從而產(chǎn)生參差不齊的現(xiàn)象。
因此，本發(fā)明中，在自激振蕩電路中設(shè)有低通濾波器。圖6是典型的低通濾波器25的構(gòu)造例。低通濾波器25包含電阻器25a與電容器25b，電容器25b接地。在這種低通濾波器中，輸入與輸出的關(guān)系如公式1所示。
式1式中，ω代表輸入信號的角頻率，ω0代表低通濾波器的固有角頻率。然后，根據(jù)公式2的近似式，可以推導(dǎo)出，公式1中的(輸出/輸入)與(1/R1·C1)大致成正比。
11+(ωω0)2≈ω0ω(···ω>>ω0)∝1R1·C1]]>式2式中，C1代表低通濾波器中電容器的電容，R1代表低通濾波器中電阻的電阻值。
于本發(fā)明中，例如圖7所示，于電流/電壓轉(zhuǎn)換器3的后級設(shè)有低通濾波器25，低通濾波器25的輸出將輸入至全波整流器8。這里，構(gòu)成電流/電壓轉(zhuǎn)換器3的電阻器的電阻值R在一個(gè)晶片內(nèi)相同。電流/電壓轉(zhuǎn)換器3的放大倍數(shù)如上所述，與電阻器的電阻值R成正比。此外，低通濾波器25的放大倍數(shù)如上所述，與(1/R1·C1)成正比。因此，測定電流值與R×(1/R1·C1)成正比。結(jié)果，由于電流/電壓轉(zhuǎn)換器的電阻器R所決定的溫度特性被低通濾波器所具備的電阻R1的溫度特性所抵消，因此自激振蕩電路中的測定電流值與(1/C1)成正比。
這里，自激振蕩電路12、12A是將測量的電流值(在接點(diǎn)4的后級測量的電流值)控制為固定值的電路。由于測定電流與(1/C1)成正比，因此通過調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)電流值與C1成正比，從而回路增益等于1。檢測靈敏度與驅(qū)動(dòng)電流值成正比。因此，檢測靈敏度與構(gòu)成低通濾波器的電容器電容C1成正比。這表示，檢測靈敏度的溫度特性與構(gòu)成低通濾波器的電容器的電容C1的溫度特性成正比。
并且，在檢測電路中，如上所述，電荷放大電路的檢測靈敏度與(1/C)成正比。
因此，包含自激振蕩電路與檢測電路兩者的整個(gè)檢測靈敏度，與驅(qū)動(dòng)電流值和電荷放大電路的檢測靈敏度的乘積成正比，所以與C×(1/C1)成正比。由于電荷放大電路中電容器的電容C的溫度特性與低通濾波器中電容器C1的溫度特性相類似，因此C×(1/C1)的溫度特性小。所以，包含自激振蕩電路及檢測電路的整個(gè)靈敏度較少受到電阻器電阻值R的溫度特性的影響，也較少受到各晶片間電容器電容C波動(dòng)的影響。
從所述溫度特性抵消的觀點(diǎn)考慮，在公式2中，低通濾波器的放大倍數(shù)并不需要與(1/R1·C1)完全成正比，但最好盡量與(1/R1·C1)成正比。
從這個(gè)觀點(diǎn)看，低通濾波器的放大倍數(shù)相對于(1/R1·C1)的比例系數(shù)優(yōu)選0.9倍或以上，0.95倍或以上更好。此外，低通濾波器的放大倍數(shù)相對于(1/R1·C1)的比例系數(shù)優(yōu)選1.1倍或以下，1.05倍或以下更好。
因此，ω最好比ω0大得多。此大小并沒有特別限定，不過ω優(yōu)選為ω0的5倍或以上，6倍或以上更好，最好在8倍或以上。
圖8是表示本發(fā)明中一個(gè)實(shí)施方式所述的自激振蕩電路12A及檢測電路13的電路圖。自激振蕩電路12A的動(dòng)作如上所述。設(shè)置于振子1的檢測構(gòu)件15a、15b分別將輸出信號輸出，各輸出信號分別由電荷放大器16A、16B放大，并由差動(dòng)放大器17將各輸出信號之差放大。接著，通過高通濾波器18、放大器19。另一方面，派生部分驅(qū)動(dòng)信號，將該派生信號輸入到相位檢波器30，對振子1的輸出信號進(jìn)行檢波。該檢波后的輸出信號通過低通濾波器20、放大器21，從端子22將該輸出取出至外部。
在本發(fā)明中，需要測定的物理量并無特別限定。當(dāng)激勵(lì)振子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)振動(dòng)，由于物理量對于驅(qū)動(dòng)振動(dòng)中振子的影響，造成振子振動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，能夠依據(jù)此振動(dòng)狀態(tài)的改變，通過檢測電路進(jìn)行檢測的物理量均可作為對象。施加于振子的加速度、角速度、角加速度特別適合作為這種物理量。此外，作為檢測裝置優(yōu)選慣性傳感器。
電流/電壓轉(zhuǎn)換器與低通濾波器形成于同一單片IC時(shí)，功效尤為顯著。將電荷放大電路也形成于同一單片IC時(shí)則更佳。
低通濾波器的構(gòu)造并無特別限制，可使用例如低成本的RC濾波器。驅(qū)動(dòng)信號的波形沒有限定，但優(yōu)選正弦波、余弦波或矩形波。
振子的構(gòu)造沒有特別限制。構(gòu)成振子的材質(zhì)的Q值優(yōu)選為3000或以上，10000或以上更好。構(gòu)成振子的材質(zhì)可例舉鎳鉻等恒彈性合金、以及強(qiáng)介電性單晶(壓電性單晶)。這種單晶可例舉水晶、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰—鉭酸鋰固溶體、硼酸鋰以及蘭克賽。
實(shí)施例(實(shí)施例1)以下，構(gòu)成參照圖5～圖8進(jìn)行說明的電路，并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。振子使用日本專利特開平11-281372號公報(bào)中公開的振子。此振子具備2根驅(qū)動(dòng)振動(dòng)片、以及與驅(qū)動(dòng)振動(dòng)片分別獨(dú)立振動(dòng)的2根檢測振動(dòng)片。從起動(dòng)電路產(chǎn)生頻率為100～500kHz的噪聲，并將其輸入自激振蕩電路12A，開始自激振蕩。驅(qū)動(dòng)振動(dòng)片的固有共振頻率為45kHz。低通濾波器的截止頻率為5kHz。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在-40℃～+85℃范圍內(nèi)，檢測靈敏度出現(xiàn)±2％的波動(dòng)。并且，在制作10個(gè)振動(dòng)型陀螺儀對檢測靈敏度的波動(dòng)進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn)，檢測靈敏度有±2％的波動(dòng)。
(比較例1)比較例1中制作的振動(dòng)型陀螺儀是從實(shí)施例1的自激振蕩電路中去除了低通濾波器。除此之外與實(shí)施例1相同。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在-40℃～+85℃范圍內(nèi)，檢測靈敏度出現(xiàn)±10％的波動(dòng)。并且，在制作10個(gè)振動(dòng)型陀螺儀對檢測靈敏度的波動(dòng)進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn)有±20％的波動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種物理量測定裝置，其特征在于，使用振子、激勵(lì)該振子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)振動(dòng)的自激振蕩電路、以及將來自所述振子的檢測信號輸出用的檢測電路，并依據(jù)所述檢測信號進(jìn)行物理量測定，其中所述自激振蕩電路具備電流/電壓轉(zhuǎn)換器與低通濾波器，所述檢測電路具備將來自所述振子的輸出信號放大的電荷放大電路，至少所述電流/電壓轉(zhuǎn)換器與所述電荷放大電路形成于單片IC。
2.如權(quán)利要求1所述的物理量測定裝置，其特征在于，所述自激振蕩電路具備全波整流器以及積分器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的物理量測定裝置，其特征在于，所述自激振蕩電路與所述檢測電路形成于所述單片IC。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的物理量測定裝置，其特征在于，是用于測定旋轉(zhuǎn)角速度的裝置。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的物理量測定裝置，其特征在于，所述低通濾波器具備電阻器與電容器。
6.如權(quán)利要求5所述的物理量測定裝置，其特征在于，所述低通濾波器的放大倍數(shù)相對于(1/R1·C1)的比例系數(shù)為0.9倍或以上，1.1倍或以下(C1是所述低通濾波器的所述電容器的電容量，R1是所述低通濾波器的所述電阻器的電阻值)。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的物理量測定裝置，其特征在于，ω是ω0的5倍或以上(ω是輸入信號的角頻率，ω0是所述低通濾波器的固有角頻率)。
8.如權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的物理量測定裝置，其特征在于，所述自激振蕩電路的測定電流值與(1/C1)大致成正比(C1為所述低通濾波器的所述電容器的電容量)。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種物理量測定裝置，使用振子(1)、激勵(lì)該振子(1)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)振動(dòng)的自激振蕩電路(12A)、以及將所述振子(1)的輸出信號輸出用的檢測電路，依據(jù)輸出信號進(jìn)行物理量測定，自激振蕩電路(12A)具備電流/電壓轉(zhuǎn)換器(3)與低通濾波器(25)。檢測電路具備將振子的輸出信號放大的電荷放大電路，至少電流/電壓轉(zhuǎn)換器與電荷放大電路形成于單片IC。
文檔編號G01C19/56GK1764823SQ200580000119
公開日2006年4月26日 申請日期2005年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月20日
發(fā)明者橫井昭二, 小林祥宏, 高橋正行 申請人:日本礙子株式會社, 精工愛普生株式會社, 日本精密電路株式會社