(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コリオリ力に応じた電気信号と、コリオリ力に応じて変化しない基準信号とを検出することが可能な振動子と、
前記振動子を駆動する駆動回路と、
前記振動子から検出した前記電気信号に対して予め定められた処理を行ない角速度を検出する検出回路と
を備える角速度検出装置であって、
前記検出回路は、前記振動子から検出した前記電気信号と前記基準信号との差分演算を行ない、前記電気信号から前記振動子に生じている不正振動によるノイズを除去する駆動ノイズキャンセル回路を有し、
前記駆動ノイズキャンセル回路は、
前記電気信号の位相に対して前記基準信号の位相を調整する位相調整部と、
前記電気信号と前記基準信号との差分が小さくなるように、前記電気信号または前記基準信号のうち少なくとも一方の振幅を調整する振幅調整部とを有し、
前記位相調整部は、
前記電気信号の位相に対する前記基準信号の位相をモニタするための第１パッド電極と、
前記第１パッド電極でモニタした前記電気信号の位相に対する前記基準信号の位相の差に基づき、前記基準信号の位相を調整する位相遅延部と、
前記電気信号の立上がりを検出する第１ラッチ回路と、
前記基準信号の立上がりを検出する第２ラッチ回路と、
前記第１ラッチ回路の出力と、前記第２ラッチ回路の出力とのＸＯＲ演算を行なうＸＯＲ回路とを有し、
前記ＸＯＲ回路の出力に基づいて前記位相遅延部は位相を調整し、
前記振幅調整部は、
前記電気信号の振幅に対する前記基準信号の振幅をモニタするための第２パッド電極と、
前記第２パッド電極でモニタした前記電気信号と前記基準信号との差分に基づき、前記電気信号または前記基準信号のうち少なくとも一方の振幅を調整する振幅増幅部とを有する、角速度検出装置。
【請求項２】
前記位相遅延部は、前記基準信号の位相の調整量を記憶するレジスタを有し、前記ＸＯＲ回路の出力に基づいて前記調整量を前記レジスタに記憶する、請求項１に記載の角速度検出装置。
【請求項３】
前記振動子は、音叉型振動子であり、
半導体基板に形成される基部と、
前記基部から延設され第１の幅を有する第１幅広部と、
前記第１幅広部と並行して設けられ前記基部から延設される第２幅広部と、
前記第１幅広部から延設し前記第１の幅よりも小さな第２の幅を有する第１幅狭部と、
前記第２幅広部から延設し前記第２の幅を有する第２幅狭部と
を有し、前記第１幅広部及び前記第２幅広部を振動させるための駆動信号を印加する駆動電極を前記第１幅広部及び前記第２幅広部に形成し、
前記第１幅広部に形成された強誘電体層に生じるコリオリ力に応じた前記電気信号を検出する第１の検出電極を前記第１幅広部に形成し、前記第２幅広部に形成された強誘電体層に生じるコリオリ力に応じた前記電気信号を検出する第２の検出電極を前記第２幅広部に形成し、
コリオリ力に応じて変化しない前記基準信号を検出するモニタ電極を前記第１幅狭部および前記第２幅狭部のうち少なくとも一方に形成する、請求項１又は請求項２に記載の角速度検出装置。
【請求項４】
前記位相調整部は、
前記モニタ電極で検出した前記基準信号の位相を反転させた反転基準信号を生成する位相反転部と、
前記第１の検出電極で検出した前記電気信号に対する差分演算の相手を、前記基準信号または前記反転基準信号の一方に切替え、前記第２の検出電極で検出した前記電気信号に対する差分演算の相手を、前記基準信号または前記反転基準信号の他方に切替える切替部と
を有する、請求項３に記載の角速度検出装置。
【請求項５】
前記振動子は、片持ち梁型振動子であり、
半導体基板に形成される基部と、
前記基部から延設され第１の幅を有する幅広部と、
前記幅広部から延設され前記第１の幅よりも幅が小さな第２の幅を有する幅狭部と
を有し、前記幅広部を振動させるための駆動信号を印加する駆動電極を前記幅広部に形成し、
前記幅広部に形成された強誘電体層に生じるコリオリ力に応じた前記電気信号を検出する検出電極を前記幅広部に形成し、
コリオリ力に応じて変化しない前記基準信号を検出するモニタ電極を前記幅狭部に形成する、請求項１又は請求項２に記載の角速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度検出装置に関し、振動子を用いて角速度を検出する角速度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度検出装置は、ジャイロセンサとも呼ばれ、撮像手段の手振れ検出やカーナビゲーションの方向検出に利用されている。角速度検出装置は、近年さらに需要が様々な分野に拡大すると共に、小型化、高性能化などの要求がなされている。
【０００３】
このような小型化の要求のため、角速度検出装置は、角速度を検出する振動子と、振動子からの信号を処理する電子回路とを１つのパッケージとして形成される。特許文献１に開示してある角速度検出装置は、支持基板に、振動子と、振動子を制御する半導体部品と、振動子と半導体部品を電気的に接続する回路部品とを形成してある。さらに、特許文献１に開示してある角速度検出装置は、振動子、半導体部品および回路部品を形成した支持基板の一面を覆う蓋体を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１３３４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示してある角速度検出装置などに用いる振動子には、１つの半導体ウェハに複数個同時に形成し、個々切出して製造する場合がある。その場合、振動子は、製造プロセスのバラツキにより、半導体ウェハのどの位置から切出されたかによって、不正振動によるノイズ（以下、不正振動ノイズともいう）の位相や振幅が異なる。たとえば、不正振動ノイズは、半導体ウェハの中心部から切出した振動子の方が、外周から切出した振動子の方より振幅が小さくなる。また、たとえば、不正振動ノイズは、半導体ウェハの中心部を挟んで対称となる位置から切出した振動子で、位相が反転する。ここで、振動子に発生する不正振動ノイズは、振動子に角速度を加わらない状態でも検出されるノイズ信号である。
【０００６】
また、角速度検出装置において重要視される評価特性の１つにＳＮ比がある。このＳＮ比が予め定められた値未満となった場合、不良品として判定されるため、歩留まりを改善するためには、ＳＮ比が予め定められた値以上にしなければならない。角速度検出装置のＳＮ比を上げるためには、信号成分Ｓを上げるか、ノイズ成分Ｎを下げる必要がある。特に、ノイズ成分Ｎを下げる場合、振動子から検出した信号から取出したい信号（コリオリ信号）のみを増幅して取出せる信号検出回路が必要となる。
【０００７】
しかし、信号検出回路は、検出した信号に不正振動ノイズが含まれていると、回路前段において当該不正振動ノイズも一緒に増幅するため、取出したい信号（コリオリ信号）を十分に増幅することができない。そのため、角速度検出装置は、予め定められた値以上のＳＮ比を確保することができず歩留まりを改善することができないという問題があった。
【０００８】
それゆえに、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、振動子から検出した信号に含まれる不正振動ノイズの影響を抑え、予め定められた値以上のＳＮ比を確保して歩留まりを改善することができる角速度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る角速度検出装置は、コリオリ力に応じた電気信号と、コリオリ力に応じて変化しない基準信号とを検出することが可能な振動子と、振動子を駆動する駆動回路と、振動子から検出した電気信号に対して予め定められた処理を行ない角速度を検出する検出回路とを備える角速度検出装置であって、検出回路は、振動子から検出した電気信号と基準信号との差分演算を行ない、電気信号から振動子に生じている不正振動によるノイズを除去する駆動ノイズキャンセル回路を有し、駆動ノイズキャンセル回路は、電気信号の位相に対して基準信号の位相を調整する位相調整部と、電気信号と基準信号との差分が小さくなるように、電気信号または基準信号のうち少なくとも一方の振幅を調整する振幅調整部とを有し、位相調整部は、電気信号の位相に対する基準信号の位相をモニタするための第１パッド電極と、第１パッド電極でモニタした電気信号の位相に対する基準信号の位相の差に基づき、基準信号の位相を調整する位相遅延部と、電気信号の立上がりを検出する第１ラッチ回路と、基準信号の立上がりを検出する第２ラッチ回路と、第１ラッチ回路の出力と、第２ラッチ回路の出力とのＸＯＲ演算を行なうＸＯＲ回路とを有し、ＸＯＲ回路の出力に基づいて前記位相遅延部は位相を調整し、振幅調整部は、電気信号の振幅に対する基準信号の振幅をモニタするための第２パッド電極と、第２パッド電極でモニタした電気信号と基準信号との差分に基づき、電気信号または基準信号のうち少なくとも一方の振幅を調整する振幅増幅部と有する。
【００１０】
好ましくは、位相遅延部は、基準信号の位相の調整量を記憶するレジスタを有し、ＸＯＲ回路の出力に基づいて調整量を前記レジスタに記憶する。
【００１２】
好ましくは、振動子は、音叉型振動子であり、半導体基板に形成される基部と、基部から延設され第１の幅を有する第１幅広部と、第１幅広部と並行して設けられ基部から延設される第２幅広部と、第１幅広部から延設し第１の幅よりも小さな第２の幅を有する第１幅狭部と、第２幅広部から延設し第２の幅を有する第２幅狭部とを有し、第１幅広部および第２幅広部を振動させるための駆動信号を印加する駆動電極を第１幅広部および第２幅広部に形成し、第１幅広部に形成された強誘電体層に生じるコリオリ力に応じた電気信号を検出する第１の検出電極を第１幅広部に形成し、第２幅広部に形成された強誘電体層に生じるコリオリ力に応じた電気信号を検出する第２の検出電極を第２幅広部に形成し、コリオリ力に応じて変化しない基準信号を検出するモニタ電極を第１幅狭部および第２幅狭部のうち少なくとも一方に形成する。
【００１３】
好ましくは、位相調整部は、モニタ電極で検出した基準信号の位相を反転させた反転基準信号を生成する位相反転部と、第１の検出電極で検出した電気信号に対する差分演算の相手を、基準信号または反転基準信号の一方に切替え、第２の検出電極で検出した電気信号に対する差分演算の相手を、基準信号または反転基準信号の他方に切替える切替部とを有する。
【００１４】
好ましくは、振動子は、片持ち梁型振動子であり、半導体基板に形成される基部と、基部から延設され第１の幅を有する幅広部と、幅広部から延設され第１の幅よりも幅が小さな第２の幅を有する幅狭部とを有し、幅広部を振動させるための駆動信号を印加する駆動電極を幅広部に形成し、幅広部に形成された強誘電体層に生じるコリオリ力に応じた電気信号を検出する検出電極を幅広部に形成し、コリオリ力に応じて変化しない基準信号を検出するモニタ電極を幅狭部に形成する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る角速度検出装置は、振動子から検出した電気信号と基準信号との差分演算を行ない、電気信号から振動子に生じている不正振動によるノイズ（不正振動ノイズ）を除去するので、振動子から検出した電気信号に含まれる不正振動ノイズの影響を抑え、予め定められた値以上のＳＮ比を確保して歩留まりを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の振動子の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示す振動子の切断線に沿った断面図を示す。
【図３】図１に示す振動子の各駆動電極に供給する電圧を模式的に示した波形図である。
【図４】図１に示す振動子の各検出電極および各モニタ電極から得られる信号を模式的に示した波形図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の駆動回路および検出回路の構成を示すブロック図を示す。
【図６】本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の駆動ノイズキャンセル回路の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る角速度検出装置に用いるＰＬＬ回路の構成を示すブロック図である。
【図８】ラグ・リード型のループフィルタの構成を示す回路図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るＰＬＬ回路のループフィルタの構成を示すブロック図および出力特性を示すグラフである。
【図１０】ループフィルタを構成する回路を示す回路図である。
【図１１】スイッチトキャパシタフィルタで構成したループフィルタと、ラグ・リード型のループフィルタとの周波数に対するゲインおよび位相の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の振動子の構成を示す平面図である。図１にはＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向を示す記号が併記されている。なお、Ｘ方向は、振動子１００の幅方向に相当し、Ｙ方向は、振動子１００の長さ方向に相当する。また、Ｚ方向は、振動子１００の高さ方向に対応し、紙面の奥側から手前側に向かう方向である。
【００１９】
本発明の実施の形態に係る角速度検出装置は、振動子１００の他に、振動子１００を駆動する自励発振回路、および振動子１００からの検出出力に基づいて角速度信号を処理する信号処理回路などを備えるが、説明の便宜上これらの回路は図示していない。また、振動子１００は、音叉型振動子である。
【００２０】
振動子１００は、圧電体１４２が形成されたＴ字状の基部１１０を有する。基部１１０は振動子１００が作り込まれる図示しない半導体基板の一部で固定されている。基部１１０の頂部から第１振動腕１２０と第２振動腕１３０が並行して設けられる。圧電体１４２は、基部１１０だけではなく、第１振動腕１２０、および第２振動腕１３０の一主面を覆って設けられている。第１振動腕１２０と第２振動腕１３０の形状および大きさはほぼ同じである。２つの振動腕は中心線ＣＬ−ＣＬを境にして互いに線対称になるよう形成されている。
【００２１】
第１振動腕１２０は細長い短冊状の第１幅広部１４０と、これよりも幅の細い短冊状の第１幅狭部１５０を有し、これらはそれぞれの長手方向が連なるように連続して形成されている。第１幅広部１４０の一部であって、これと第１幅狭部１５０との境界部１４５の近傍には比較的広い面積の圧電体１４２が露呈している。なお、圧電体１４２は基部１１０、第１振動腕１２０、および第２振動腕１３０の一主面上に連続して設けられる。すなわち、第１振動腕１２０と第２振動腕１３０は圧電体１４２を共有する。
【００２２】
第２振動腕１３０は第１振動腕１２０とほぼ同形状を成す。すなわち、第２振動腕１３０は、細長いいわゆる短冊状の第２幅広部１６０と、これよりも幅の細い短冊状の第２幅狭部１７０とが互いの長手方向が連なるように連続して形成されている。第２幅広部１６０の一部であって、これと第２幅狭部１７０との境界部１６５の近傍には比較的広い面積の圧電体１４２が露呈している。
【００２３】
第１振動腕１２０の第１幅広部１４０には、電気信号を入力するための第１駆動電極１４４、第２駆動電極１４６、および電気信号を出力するための第１検出電極１４８が各別に形成される。第１幅狭部１５０にはモニタ電極１５２，１５４が第１幅広部１４０と第１幅狭部１５０の境界部１４５から第１幅狭部１５０の長手方向に沿って延びるように形成されている。なお、モニタ電極１５２，１５４は第１幅狭部１５０の長手方向のほぼ中央部まで設けたものを図示したが、中央部よりもさらに先端側まで延設してもよい。いずれにしてもモニタ電極１５２，１５４の長手方向の長さは、境界部１４５から第１幅狭部１５０の長手方向に沿って随時設定すればよい。また、モニタ電極１５２，１５４は、第１幅狭部１５０に設けるだけでなく、第１幅狭部１５０の一部から境界部１４５を越えて第１幅広部１４０の一部に延設させてもよい。
【００２４】
第２振動腕１３０の第２幅広部１６０には、電気信号を入力するための第３駆動電極１６４、第４駆動電極１６６、および電気信号を出力するための第２検出電極１６８が各別に形成される。これらの各電極は第１振動腕１２０の第１幅広部１４０に形成された各駆動電極、検出電極のものとほぼ同じ形状であり、かつ、それらの大きさもほぼ同じである。なお、第４駆動電極１６６は基部１１０側第２駆動電極１４６と共通に接続され共通駆動電極１５６を成している。
【００２５】
第２幅狭部１７０にはモニタ電極１７２，１７４が、第２幅広部１６０と第２幅狭部１７０の境界部１６５から第２幅狭部１７０の長手方向に沿って延びるように形成される。なお、モニタ電極１７２，１７４は第２幅狭部１７０の長手方向のほぼ中央部まで設けたものを図示したが、中央部よりもさらに先端側まで延設してもよく、長手方向の中央部までは設けずに境界部１６５から第２幅狭部１７０の長手方向にわずかに延びるように配設してもかまわない。いずれにしてもモニタ電極１７２，１７４の長手方向の長さは、境界部１６５から第２幅狭部１７０の長手方向に沿って随時設定すればよい。また、モニタ電極１７２およびモニタ電極１７４は、第２幅狭部１７０の一部から境界部１６５を越えて第２幅広部１６０の一部に延設させるようにしてもかまわない。
【００２６】
第１幅狭部１５０および第２幅狭部１７０に設けた各モニタ電極１５２，１５４，１７２，１７４には振動子１００の振動状態に応じた電気信号が取出され、該電気信号は図示しない自励発振回路にフィードバックされる。モニタ電極１５２，１５４，１７２，１７４は角速度検出装置の振動子、すなわち、第１振動腕１２０および第２振動腕１３０のＸ方向、すなわち幅方向の共振周波数をモニタリングするために用意されている。モニタ電極１７２から取出した電気信号は図示しないバンドパスフィルタを介して増幅され、第４駆動電極１６６に帰還され、モニタ電極１７４から取出した電気信号は図示しないバンドパスフィルタを介して増幅され、第３駆動電極１６４に帰還される。同様にモニタ電極１５２から取出した電気信号は図示しないバンドパスフィルタを介して増幅され、第２駆動電極１４６に帰還され、モニタ電極１５４から取出した電気信号は図示しないバンドパスフィルタを介して増幅され、第１駆動電極１４４に帰還される。バンドパスフィルタでは電気信号が最も大きくなる周波数成分が取出される。仮にモニタ電極１５２，１５４，１７２，１７４を用意しなければ、第１振動腕１２０および第２振動腕１３０を所期の共振周波数で振動させることが期待できなくなる。第１検出電極１４８および第２検出電極１６８は振動子１００のコリオリ力による振動変位を検出する。
【００２７】
図１に示した振動子１００は、幅ｘ１００、長さｙ１００の大きさで示されている。幅ｘ１００の大きさはたとえば６０μｍであり、長さｙ１００の大きさはたとえば５００μｍ〜６００μｍである。したがって、長さｙ１００は幅ｘ１００のほぼ１０倍の大きさである。また、第１幅広部１４０および第２幅広部１６０の幅Ｗ１の大きさは、共に等しくたとえば２４μｍであり、第１幅狭部１５０および第２幅狭部１７０の幅Ｗ２の大きさは共に等しくたとえば１０μｍにそれぞれ設定される。
【００２８】
第１駆動電極１４４および第３駆動電極１６４の幅は共に等しく幅ｘ１０２で示される。幅ｘ１０２の大きさは、たとえば２μｍである。第２駆動電極１４６および第４駆動電極１６６の幅は共に等しく幅ｘ１０４で示される。幅ｘ１０４の大きさは、幅ｘ１０２と等しいたとえば２μｍである。
【００２９】
第１幅広部１４０に設けられた第１検出電極１４８、および第２幅広部１６０に設けられた第２検出電極１６８の幅は共に等しく幅ｘ１０６で示される。幅ｘ１０６の大きさはたとえば１６μｍである。また第１駆動電極１４４と第１検出電極１４８との離間距離および、第３駆動電極１６４と第２検出電極１６８との離間距離ｘ１０８は共に等しくたとえば１μｍである。また第１検出電極１４８と第２駆動電極１４６との離間距離、および第２検出電極１６８と第４駆動電極１６６との離間距離ｘ１１０は共に等しくたとえば１μｍである。
【００３０】
図１に示したものは振動腕を２つ有する振動子１００、すなわち、音叉型振動子であった。しかし、本発明にかかる技術的思想は振動腕が１つのもの、すなわち、片持ち梁型振動子にも適用することもできる。したがって、本発明にかかる角速度検出装置を片持ち梁型振動子に適用する場合には第１振動腕１２０又は第２振動腕１３０のいずれか１つの構成要素を用意すれば足りる。
【００３１】
図２は、図１に示す振動子１００の切断線２Ａ−２Ａに沿った断面図を示す。図２に示す断面図は、第１幅広部１４０および第２幅広部１６０の断面図である。第１幅広部１４０および第２幅広部１６０には圧電体１４２が形成される。圧電体１４２の厚みはたとえば１．０μｍである。第１幅広部１４０における圧電体１４２の第１主面１４２ａには、紙面左側からみて第１駆動電極１４４、第１検出電極１４８、および第２駆動電極１４６がこの順序で所定の間隔を保って形成される。同様に、第２幅広部１６０における圧電体１４２の第１主面１４２ａには、紙面右側からみて第３駆動電極１６４、第２検出電極１６８、および第４駆動電極１６６がこの順序で所定の間隔を保って形成される。これらの各電極の厚みは共に等しい。なお、図示していないが、これらの各電極上にはシリコン酸化物、たとえば二酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）からなる堆積膜を形成してもよい。
【００３２】
圧電体１４２の第２主面１４２ｂには下部電極１９４、半導体基板１９６がこの順序で形成されている。下部電極１９４は、第１駆動電極１４４、第１検出電極１４８、および第２駆動電極１４６のそれぞれに対向して個別に形成されているが、圧電体１４２の第２主面１４２ｂに一体として形成してもよい。同様に、下部電極１９４は、第３駆動電極１６４、第２検出電極１６８、および第４駆動電極１６６のそれぞれに対向して個別に形成されているが、圧電体１４２の第２主面１４２ｂに一体として形成してもよい。
【００３３】
下部電極１９４、圧電体１４２、および第４駆動電極１６６（第３駆動電極１６４）までの厚みはたとえば約１．４μｍである。なお、圧電体１４２の第１主面１４２ａに設けられた第３駆動電極１６４、第４駆動電極１６６、および第２検出電極１６８は共に同じ厚みで形成される。また下部電極１９４の厚みは、第３駆動電極１６４、第４駆動電極１６６、および第２検出電極１６８のそれらと同じ厚みで形成される。なお、第１振動腕１２０に形成される各駆動電極、各検出電極の厚みも第２振動腕１３０側と同じ大きさである。
【００３４】
ここで、下部電極１９４には、たとえば白金（Ｐｔ）／チタン（Ｔｉ）の積層膜などを用いることが可能であり、上部電極である第１駆動電極１４４（第２駆動電極１４６、第１検出電極１４８、第３駆動電極１６４、第４駆動電極１６６、および第２検出電極１６８）には、たとえば酸化イリジウム（ＩｒＯ２）／イリジウム（Ｉｒ）の積層膜や金（Ａｕ）膜などを用いることが可能である。圧電体１４２は、強誘電体層であり、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜やランタンドープジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）膜などを用いることが可能である。なお、ＰＺＴ層やＰＬＺＴ層はゾルゲル法等により形成される。
【００３５】
図３は、図１に示す振動子１００の各駆動電極に供給する電圧を模式的に示した波形図である。図３（ａ）に示す供給電圧Ｖ１は、所定の振幅に設定され第１駆動電極１４４および第３駆動電極１６４に供給する交流電圧を示す。図３（ｂ）に示す供給電圧Ｖ２は、第２駆動電極１４６および第４駆動電極１６６、すなわち、共通駆動電極１５６に供給する交流電圧を示す。供給電圧Ｖ１とＶ２の振幅はほぼ等しく、かつ位相は互いに１８０度ずれた、いわゆる位相反転の関係にある。図３（ｃ）に示す供給電圧Ｖ３は、下部電極１９４に供給される直流電圧を示す。供給電圧Ｖ３は例えば０ボルトに設定される。
【００３６】
ここで、図２に示す圧電体１４２であって、第１駆動電極１４４と下部電極１９４とに挟まれる部分には、第１駆動電極１４４に供給される供給電圧Ｖ１と下部電極１９４に供給される供給電圧Ｖ３による電位差が生じる。すなわち、圧電体１４２であって第１駆動電極１４４と下部電極１９４とに挟まれる部分には電位が（Ｖ１−Ｖ３）である電圧Ｖｓ１が印加されることになる。電圧Ｖｓ１が印加される圧電体１４２の該部分は電圧Ｖｓ１により圧縮・伸長変形し、第１伸縮運動を行う。
【００３７】
一方、圧電体１４２であって、第２駆動電極１４６と下部電極１９４とに挟まれる部分には、第２駆動電極１４６に供給される供給電圧Ｖ２と下部電極１９４に供給される供給電圧Ｖ３による電位差が生じる。すなわち、圧電体１４２であって第２駆動電極１４６と下部電極１９４とに挟まれる部分には電位が（Ｖ２−Ｖ３）である電圧Ｖｓ２が印加されることになる。したがって電圧Ｖｓ２が印加される圧電体１４２の該部分は電圧Ｖｓ２により伸長・圧縮変形し、上記第１伸縮運動とは逆位相の第２伸縮運動を行う。
【００３８】
第１伸縮運動および第２伸縮運動により振動子１００の第１幅広部１４０（第２幅広部１６０）はＸ方向に互いに離間および互いに接近する方向、すなわち、横方向の横振動を行う。
【００３９】
第１幅広部１４０（第２幅広部１６０）が横振動することにより第１幅狭部１５０（第２幅狭部１７０）も該横振動と同周期で振動する。ここで、第１幅狭部１５０（第２幅狭部１７０）に設けられたモニタ電極１５２（モニタ電極１７２）により、第１幅狭部１５０（第２幅狭部１７０）が該横振動をすることにより発生する電気信号を取出し、図示しない自励発振回路を介して第２駆動電極１４６（第４駆動電極１６６）に供給する。
【００４０】
さらに、第１幅狭部１５０（第２幅狭部１７０）に設けられたモニタ電極１５４（モニタ電極１７４）により、第１幅狭部１５０（第２幅狭部１７０）が該横振動をすることにより発生する電気信号を取出し、図示しない自励発振回路を介して第１駆動電極１４４（第３駆動電極１６４）に供給する。
【００４１】
次に、図３に示す電圧を振動子１００の各駆動電極に供給した場合に、第１検出電極１４８、第２検出電極１６８、モニタ電極１５２，１５４およびモニタ電極１７２，１７４から得られる信号について説明する。図４は、図１に示す振動子１００の各検出電極および各モニタ電極から得られる信号を模式的に示した波形図である。モニタ電極１５２，１５４およびモニタ電極１７２，１７４は、図４（ａ）に示すように、振動子１００の振動状態に応じた電気信号を取出すことができる。モニタ電極１５２，１５４およびモニタ電極１７２，１７４から取出す電気信号は、振動子１００の基準信号ＦＢである。  第１検出電極１４８および第２検出電極１６８は、図４（ｂ）に示すように、振動子１００の不正振動に応じた不正振動ノイズと、振動子１００に角速度を加えたときに生じるコリオリ信号を取出すことができる。
【００４２】
本発明の実施の形態に係る角速度検出装置は、第１検出電極１４８および第２検出電極１６８から取出した電気信号と、図４（ａ）に示す基準信号ＦＢと、の差分演算を行ない、図４（ｂ）に示す不正振動ノイズを除去して、コリオリ信号を取出す駆動ノイズキャンセル回路１２を有している。
【００４３】
図５は、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の駆動回路および検出回路の構成を示すブロック図を示す。図５に示すブロック図には、検出回路１、駆動回路２、増幅回路３、タイミングコントローラ４およびアナログ−デジタル変換回路（ＡＤＣ）５を図示してある。
【００４４】
検出回路１は、振動子１００の第２検出電極１６８から取出した電気信号ＳＲ、振動子１００の第１検出電極１４８から取出した電気信号ＳＬ、および基準信号ＦＢの入力からコリオリ信号を取出し、取出したコリオリ信号を増幅回路３に出力する。さらに詳しく検出回路１を説明すると、検出回路１は、電流−電圧変換回路１１、駆動ノイズキャンセル回路１２、差分回路１３、ＰＬＬ（Phase  Locked  Loop）回路１４、および同期検波回路１５を有している。
【００４５】
電流−電圧変換回路１１は、電気信号ＳＲ，ＳＬおよび基準信号ＦＢの電流信号を電圧信号に変換する。駆動ノイズキャンセル回路１２は、後述するように電圧信号に変換した電気信号ＳＲ，ＳＬから、基準信号ＦＢに基づいて不正振動ノイズを除去する。
【００４６】
差分回路１３は、不正振動ノイズを除去した電気信号ＳＲと電気信号ＳＬとの差分を演算し、増幅する。同期検波回路１５は、ＰＬＬ回路１４で位相を制御した基準信号ＦＢに基づいて、電気信号ＳＲ，ＳＬからコリオリ信号のみを取出し、増幅回路３に出力する。
【００４７】
増幅回路３は、検出回路１から取出したコリオリ信号を、予め定めた増幅率で増幅する。タイミングコントローラ４は、図１に示したＹ方向およびＺ方向に振動子が振動するそれぞれ別の角速度検出装置からのコリオリ信号とタイミングを調整する。アナログ−デジタル変換回路５は、タイミングコントローラ４でタイミングを調整したコリオリ信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
【００４８】
駆動回路２は、基準信号ＦＢに基づいて、振動子１００を駆動する駆動信号Ｄ１，Ｄ２を生成し、振動子１００の各駆動電極に入力する。駆動回路２は、振幅検出回路２１、増幅回路２２、比較回路２３、減衰回路２４、２次ＬＰＦ（Low-pass  filter）回路２５、移相回路２６、ＶＧＡ（Variable  Gain  Amplifier）回路２７、ドライバ１回路２８、およびドライバ２回路２９を有している。
【００４９】
振幅検出回路２１は、基準信号ＦＢの振幅を検出する。増幅回路２２は、検出した基準信号ＦＢの振幅を増幅する。比較回路２３は、増幅回路２２で増幅した基準信号ＦＢの振幅が基準電圧以下か否かを比較する。
【００５０】
減衰回路２４は、基準信号ＦＢを減衰させる。２次ＬＰＦ回路２５は、減衰した基準信号ＦＢのうち、低周波数の成分を通過させる。移相回路２６は、２次ＬＰＦ回路２５を通過した基準信号ＦＢの位相を予め定められた位相分だけ移動する。ＶＧＡ回路２７は、比較回路２３の比較結果に基づいて増幅率を可変し、移相した基準信号ＦＢを増幅する。ドライバ１回路２８は、増幅した基準信号ＦＢから第１駆動電極１４４（第３駆動電極１６４）に供給する駆動信号Ｄ１を生成する。ドライバ２回路２９は、駆動信号Ｄ２から第２駆動電極１４６（第４駆動電極１６６）に供給する駆動信号Ｄ２を生成する。
【００５１】
さらに、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置は、不正振動ノイズを除去する駆動ノイズキャンセル回路１２を有していることを特徴としている。そのため、駆動ノイズキャンセル回路１２について、さらに詳しく説明する。図６は、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置の駆動ノイズキャンセル回路１２の構成を示すブロック図である。
【００５２】
図６に示す駆動ノイズキャンセル回路１２は、電流−電圧変換回路１１で電圧信号に変換した電気信号ＳＲ，ＳＬの位相に対して基準信号ＦＢの位相を調整する位相調整部６と、電気信号ＳＲ，ＳＬと基準信号ＦＢとの差分が小さくなるように、電気信号ＳＲ，ＳＬの振幅および基準信号ＦＢの振幅のうち少なくとも一方の振幅を調整する振幅調整部７とを有している。
【００５３】
位相調整部６は、電気信号ＳＲの位相に対する基準信号ＦＢの位相の差に基づき、基準信号ＦＢの位相を調整する。つまり、位相調整部６は、基準信号ＦＢの位相を電気信号ＳＲの位相に一致するように調整する。具体的には、位相調整部６は、電気信号ＳＲの位相に対する基準信号ＦＢの位相をモニタするためのパッド電極６２を有している。パッド電極６２には、電気信号ＳＲの立上がりを検出するラッチ回路６６の出力と、基準信号ＦＢの立上がりを検出するラッチ回路６６の出力とのＸＯＲ演算を行なう演算部６１の結果が出力される。そのため、パッド電極６２は、電気信号ＳＲの位相に対する基準信号ＦＢの位相が一致すればＨレベル信号が出力され、一致しなければＬレベル信号が出力される。
【００５４】
位相調整部６は、パッド電極６２でモニタした電気信号ＳＲの位相に対する基準信号ＦＢの位相の差に基づき、基準信号ＦＢの位相を調整する位相遅延部（Ｄｅｌａｙ）６３を有している。位相遅延部６３は、基準信号ＦＢの位相の調整量を記憶するレジスタ（Ｒｅｇ）部６４を有し、パッド電極６２でモニタした電気信号ＳＲの位相に対する基準信号ＦＢの位相の差に基づき、電気信号ＳＲの位相に一致する基準信号ＦＢの位相の調整量をレジスタ部６４に記憶する。
【００５５】
なお、位相調整部６は、パッド電極６２でモニタした電気信号ＳＲの位相に対する基準信号ＦＢの位相の差に基づき、基準信号ＦＢの位相の調整量を決め、レジスタ部６４に記憶する構成に限定されるものではなく、パッド電極６２の出力に基づいて、基準信号ＦＢの位相の調整量を自動的に決めるフィードバック回路有する構成であってもよい。
【００５６】
図３で示したように、電気信号ＳＲと電気信号ＳＬとは位相が１８０度反転しているので、電気信号ＳＲの位相に対して基準信号ＦＢの位相が一致すれば、基準信号ＦＢの位相を１８０度反転した反転基準信号の位相と電気信号ＳＬの位相とが一致することになる。この関係を利用して、位相調整部６は、基準信号ＦＢの位相を１８０度反転して反転基準信号を生成する反転部６５を有している。位相調整部６は、反転部６５した基準信号ＦＢに対しても位相遅延部６３でレジスタ部６４に記憶した調整量だけ位相を調整する。なお、位相調整部６は、図６に示すように、位相遅延部６３で位相を調整する前に反転部６５を設ける構成に限定されるのではなく、位相遅延部６３で位相を調整した後に反転部６５を設ける構成であってもよい。
【００５７】
さらに、位相調整部６は、電気信号ＳＲに対する差分演算の相手を、基準信号ＦＢまたは反転基準信号の一方に切替え、電気信号ＳＬに対する差分演算の相手を、基準信号ＦＢまたは反転基準信号の他方に切替える切替部６７を有している。切替部６７は、電気信号ＳＲの位相の一致する差分演算の相手を、基準信号ＦＢまたは反転基準信号に簡単に切替えることができる。図６に示す切替部６７では、電気信号ＳＲの差分演算の相手が基準信号ＦＢで、電気信号ＳＬの差分演算の相手が反転基準信号である。
【００５８】
なお、位相調整部６は、電気信号ＳＲの位相と、基準信号ＦＢまたは反転基準信号の位相とをモニタするためのパッド電極６８、電気信号ＳＬの位相と、基準信号ＦＢまたは反転基準信号の位相とをモニタするためのパッド電極６８を有している。
【００５９】
また、位相調整部６は、振動子１００が音叉型振動子の場合の構成であり、振動子１００が片持ち梁型振動子であれば、反転部６５および切替部６７は不要である。
【００６０】
次に、振幅調整部７は、電気信号ＳＲの振幅と基準信号ＦＢの振幅との差分に基づき、電気信号ＳＲおよび基準信号ＦＢのうち少なくとも一方の振幅を調整する。つまり、振幅調整部７は、電気信号ＳＲの振幅と基準信号ＦＢの振幅とが一致するように調整する。具体的には、振幅調整部７は、電気信号ＳＲと基準信号ＦＢとの差分をモニタするためのパッド電極７４を有している。パッド電極７４には、電気信号ＳＲと、基準信号ＦＢまたは反転基準信号との差分演算を行なう差分回路７３の結果が出力される。そのため、パッド電極７４は、電気信号ＳＲの振幅と基準信号ＦＢまたは反転基準信号の振幅とが一致すれば、差分回路７３の結果である差分値が小さくなり、一致しなければ差分値が大きくなる。
【００６１】
振幅調整部７は、パッド電極７４でモニタした電気信号ＳＲと基準信号ＦＢとの差分に基づき、電気信号ＳＲの振幅を調整するＶＧＡ回路７１と、基準信号ＦＢの振幅を調整するＶＧＡ回路７１とを有している。ＶＧＡ回路７１は、振幅の調整量を記憶するレジスタ部７２を有し、パッド電極７４でモニタした電気信号ＳＲと基準信号ＦＢとの差分に基づき、電気信号ＳＲの振幅と基準信号ＦＢまたは反転基準信号の振幅とが一致するように、電気信号ＳＲおよび基準信号ＦＢのうち少なくとも一方の振幅の調整量をレジスタ部７２に記憶する。
【００６２】
なお、振幅調整部７は、パッド電極７４でモニタした電気信号ＳＲと基準信号ＦＢとの差分に基づき、電気信号ＳＲおよび基準信号ＦＢのうち少なくとも一方の振幅の調整量を決め、レジスタ部７２に記憶する構成に限定されるものではなく、パッド電極７４の出力に基づいて、電気信号ＳＲおよび基準信号ＦＢのうち少なくとも一方の振幅の調整量を自動的に決めるフィードバック回路有する構成であってもよい。
【００６３】
以上のように、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置は、位相調整部６および振幅調整部７を有する駆動ノイズキャンセル回路１２を備えているので、振動子１００から検出した電気信号ＳＲ，ＳＬと基準信号ＦＢとの差分演算を行ない、電気信号ＳＲ，ＳＬから振動子１００に生じている不正振動ノイズを除去できる。そのため、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置は、振動子１００から検出した電気信号ＳＲ，ＳＬに含まれる不正振動ノイズの影響を抑え、予め定められた値以上のＳＮ比を確保して歩留まりを改善することができる。
【００６４】
次に、駆動回路２のＰＬＬ回路１４について、さらに詳しく説明する。図７は、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置に用いるＰＬＬ回路１４の構成を示すブロック図である。ＰＬＬ回路１４は、１つの発振器であり、出力信号の周波数および位相が、常に入力信号の周波数および位相に一致するように、入力信号と出力信号との位相差に基づいてフィードバック制御を行なう回路である。図７に示すＰＬＬ回路１４は、位相比較器４１、ループフィルタ４２、電圧制御発振器（ＶＣＯ）４３、および分周器４４を有している。
【００６５】
位相比較器４１は、入力信号と、分周器４４から出力される信号との位相差を検出する。ループフィルタ４２は、位相比較器４１から出力されるリプルを含んだ直流信号を平均化して、交流成分を少なく抑えた直流信号に変換するローパスフィルタである。電圧制御発振器４３は、入力する直流電流によって発振周波数を制御することができる、可変周波数発振器である。
【００６６】
ＰＬＬ回路１４を一般的な回路で構成した場合、ループフィルタ４２は、抵抗と容量とを組合わせたラグ・リード型となる。図８は、ラグ・リード型のループフィルタの構成を示す回路図である。図８に示すループフィルタは、抵抗Ｒ１と、該抵抗Ｒ１の一端に並列に接続した容量Ｃ１、Ｃ２と、抵抗Ｒ１と容量Ｃ１との間に接続した抵抗Ｒ２とを有している。しかし、ＰＬＬ回路１４に用いるループフィルタは、時定数を大きくする必要があるため、抵抗および容量の値を大きくする必要があり、半導体基板上に作り込むのが困難であった。具体的に、図８に示すループフィルタでは、抵抗Ｒ１が４０ｋΩ、抵抗Ｒ２が２ｋΩ、容量Ｃ１が１μＦ、容量Ｃ２が１００ｎＦ（＝０．１μＦ）となる。特に、図８に示すループフィルタでは、大きい値の容量が必要となるため、半導体基板上に作り込むと容量を設ける面積が大きくなり、回路自体が大型化してしまう問題があった。
【００６７】
そこで、本発明の実施の形態に係るＰＬＬ回路１４では、スイッチトキャパシタフィルタ（ＳＣＦ：Switched  Capacitor  Filter）を用いたループフィルタ４２を採用している。図９は、本発明の実施の形態に係るＰＬＬ回路１４のループフィルタ４２の構成を示すブロック図および出力特性を示すグラフである。また、図１０は、ループフィルタ４２を構成する回路を示す回路図である。
【００６８】
図９（ａ）に示すループフィルタ４２は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）回路４２ａ、スイッチトキャパシタフィルタ４２ｂ、−２６ｄＢゲイン回路４２ｃ、および加算器４２ｄを有している。
【００６９】
ローパスフィルタ回路４２ａは、図１０（ａ）に示すように、オペアンプＯ１、オペアンプＯ１の反転入力に接続した抵抗Ｒ３、オペアンプＯ１の反転入力と出力との間に並列に接続した抵抗Ｒ４、容量Ｃ３を有している。なお、抵抗Ｒ３は５００ｋΩ、抵抗Ｒ４が５ＭΩ、容量Ｃ３が３８ｐＦである。
【００７０】
スイッチトキャパシタフィルタ４２ｂは、図１０（ｂ）に示すように、容量Ｃ４、容量Ｃ４の入力側に接続されたスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２、容量Ｃ４の出力側に接続されたスイッチ素子Ｓ２，Ｓ４、スイッチ素子Ｓ４を反転入力に接続したオペアンプＯ２、オペアンプＯ２の反転入力と出力との間に並列に接続した容量Ｃ５を有している。なお、容量Ｃ４は１６０ｆＦ、容量Ｃ５は４０ｐＦである。
【００７１】
加算器４２ｄは、図１０（ｃ）に示すように、オペアンプＯ３、オペアンプＯ３の反転入力に接続した抵抗Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７、オペアンプＯ３の反転入力と出力との間に並列に接続した抵抗Ｒ８，容量Ｃ６を有している。なお、抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ７および抵抗Ｒ８は１００ｋΩ、抵抗Ｒ６は２ＭΩ、容量Ｃ６は２ｐＦである。加算器４２ｄは、抵抗Ｒ５を介してスイッチトキャパシタフィルタ４２ｂからの信号が入力１として抵抗Ｒ５から入力される。また、加算器４２ｄは、抵抗Ｒ６および抵抗Ｒ８が−２６ｄＢゲイン回路４２ｃを構成している。−２６ｄＢゲイン回路４２ｃは、抵抗Ｒ６に入力する信号を入力２とし、ローパスフィルタ回路４２ａの出力信号に対してゲインが−２６ｄＢ低下した信号を生成する。
【００７２】
ループフィルタ４２は、図９（ａ）および図１０に示すように構成することで、図９（ｂ）に示す折線Ａのような周波数に対してゲインが変化するように調整してある。具体的に、周波数が４ＭＨｚまではゲインがαｄＢと一定で、周波数が４ＭＨｚ〜８０ＭＨｚはゲインがαｄＢからβｄＢへ変化し、８０ＭＨｚ〜８４０ＭＨｚはゲインがβｄＢと一定である。
【００７３】
ループフィルタ４２は、図９（ｂ）に示すように周波数に対するゲインを調整することで、ラグ・リード型のループフィルタと同等の機能を実現することができ、ラグ・リード型のループフィルタと置き換えることが可能となる。図１１は、スイッチトキャパシタフィルタ４２ｂで構成したループフィルタ４２と、ラグ・リード型のループフィルタとの周波数に対するゲインおよび位相の変化を示すグラフである。
【００７４】
図１１（ａ）に示すグラフは、横軸を周波数［Ｈｚ］、縦軸をゲイン［ｄＢ］として、スイッチトキャパシタフィルタ４２ｂで構成したループフィルタ４２と、ラグ・リード型のループフィルタとの周波数に対するゲインの変化を示している。なお、折線Ｃがスイッチトキャパシタフィルタ４２ｂを採用したループフィルタ４２を示し、折線Ｄがラグ・リード型のループフィルタを示しており、両者はほぼ同じ変化である。
【００７５】
図１１（ｂ）に示すグラフは、横軸を周波数［Ｈｚ］、縦軸を位相［°］として、スイッチトキャパシタフィルタ４２ｂで構成したループフィルタ４２と、ラグ・リード型のループフィルタとの周波数に対する位相の変化を示している。なお、折線Ｅがスイッチトキャパシタフィルタ４２ｂを採用したループフィルタ４２を示し、折線Ｆがラグ・リード型のループフィルタを示しており、両者はほぼ同じ変化である。
【００７６】
スイッチトキャパシタフィルタ４２ｂで構成したループフィルタ４２は、図１１から分かるように、ラグ・リード型のループフィルタと同等の周波数に対するゲインおよび位相の変化を示している。なお、図１１に示すグラフは、ＳＰＩＣＥ（Simulation  Program  with  Integrated  Circuit  Emphasis）を用いて、スイッチトキャパシタフィルタ４２ｂで構成したループフィルタ４２およびラグ・リード型のループフィルタのシミュレーションした結果である。
【００７７】
ループフィルタ４２は、図１０に示すように、容量Ｃ３〜容量Ｃ６が最大でも４０ｐＦ以下と小さく、ラグ・リード型のループフィルタのように１μＦの容量が不要である。そのため、ループフィルタ４２は、ラグ・リード型のループフィルタのように容量を半導体基板上に形成することができずに外付けする必要はなく、半導体基板上に容量Ｃ３〜容量Ｃ６を形成することができる。つまり、ループフィルタ４２を含むＰＬＬ回路１４は、外付け部品を無くすことができる。
【００７８】
以上のように、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置は、駆動回路２のＰＬＬ回路１４に、スイッチトキャパシタフィルタ４２ｂで構成したループフィルタ４２を用いるので、容量などの外付け部品が不要となり、小型化が可能となる。さらに、本発明の実施の形態に係る角速度検出装置は、外付け部品が不要となることで、外付け部品を実装する工程を省略することができるため、製造コストを安価にすることができる。
【００７９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８０】
１  検出回路、２  駆動回路、３，２２  増幅回路、４  タイミングコントローラ、５  デジタル変換回路、６  位相調整部、７  振幅調整部、１１  電圧変換回路、１２  駆動ノイズキャンセル回路、１３，７３  差分回路、１４  ＰＬＬ回路、１５  同期検波回路、２１  振幅検出回路、２３  比較回路、２４  減衰回路、２５  ２次ＬＰＦ回路、２６  移相回路、２７，７１  ＶＧＡ回路、２８  ドライバ１回路、２９  ドライバ２回路、４１  位相比較器、４２  ループフィルタ、４２ａ  ローパスフィルタ回路、４２ｂ  スイッチトキャパシタフィルタ、４２ｃ  −２６ｄＢゲイン回路、４２ｄ  加算器、４３  電圧制御発振器、４４  分周器、６１  演算部、６２，６８，７４  パッド電極、６３  位相遅延部、６４，７２  レジスタ部、６５  反転部、６６  ラッチ回路、６７  切替部、１００  振動子、１１０  基部、１２０  第１振動腕、１３０  第２振動腕、１４０  第１幅広部、１４２  圧電体、１４２ａ  第１主面、１４２ｂ  第２主面、１４４  第１駆動電極、１４５，１６５  境界部、１４６  第２駆動電極、１４８  第１検出電極、１５２，１５４，１７２，１７４  モニタ電極、１５６  共通駆動電極、１６０  第２幅広部、１６４  第３駆動電極、１６６  第４駆動電極、１６８  第２検出電極、１９４  下部電極、１９６  半導体基板。
【図１】
0005964036.tif 000002
【図２】
0005964036.tif 000003
【図３】
0005964036.tif 000004
【図４】
0005964036.tif 000005
【図５】
0005964036.tif 000006
【図６】
0005964036.tif 000007
【図７】
0005964036.tif 000008
【図８】
0005964036.tif 000009
【図９】
0005964036.tif 000010
【図１０】
0005964036.tif 000011
【図１１】
0005964036.tif 000012