(57)【要約】【課題】  センサ素子の温度特性を相殺する温度特性を有し、周囲の温度変化に関わらず一定の出力を得る増幅回路を提供する。【解決手段】  温度特性を有するセンサ素子２からの検出信号Ｖ１を入力する演算増幅器５と、この演算増幅器５の入力端に接続される入力抵抗と、演算増幅器５の出力端と入力端との間に接続される帰還抵抗とを有し、入力抵抗及び帰還抵抗は、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗とを所定の比率で組み合わせる構成とした。これにより、センサ素子の温度特性を相殺し、温度変化に対して一定の出力を得る増幅回路を実現出来る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度特性を有するセンサ素子からの信号を入力する演算増幅器と、
この演算増幅器の入力端に接続される入力抵抗と、
前記演算増幅器の出力端と前記入力端との間に接続される帰還抵抗と、
を有する増幅回路において、
前記入力抵抗及び前記帰還抵抗は、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗とを所定の比率の組み合わせにより形成されることを特徴とする増幅回路。
【請求項２】
温度特性を有するセンサ素子からの信号を入力する演算増幅器と、
この演算増幅器の入力端に接続される入力抵抗と、
前記演算増幅器の出力端と前記入力端との間に接続される帰還抵抗と、
を有する増幅回路において、
前記入力抵抗は、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗とを所定の比率の組み合わせにより形成され、
前記帰還抵抗は、ｐ型ポリシリコン抵抗で形成されることを特徴とする増幅回路。
【請求項３】
温度特性を有するセンサ素子からの信号を入力する演算増幅器と、
この演算増幅器の入力端に接続される入力抵抗または前記演算増幅器の出力端と前記入力端との間に接続される帰還抵抗を有する増幅回路において、
前記入力抵抗または前記帰還抵抗は、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗とを所定の比率の組み合わせにより形成されることを特徴とする増幅回路。
【請求項４】
前記ｎ型ポリシリコン抵抗と前記ｐ型ポリシリコン抵抗との比率を所定の状況に応じて切り替える切替手段を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の増幅回路。
【請求項５】
請求項１から４に記載の増幅回路を用いて、センサ素子に外部から印加された物理量を検出することを特徴とする物理量センサ。
【請求項６】
前記物理量センサは、前記センサ素子を圧電振動体で構成した振動型ジャイロセンサであることを特徴とする請求項５に記載の物理量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ素子が温度特性を持っている場合でも、温度変化に関わらず出力信号が一定となる増幅回路と、この増幅回路を用いて角速度等の物理量を検出する物理量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から振動子を用いて物理量としての角速度を検出する振動ジャイロセンサは、カーナビゲーション・システムやロボットの姿勢制御、カメラの手振れ補正等を行うために不可欠なセンサであり、近年これらの製品の需要が拡大するに従って、振動ジャイロセンサの需要も急激に増加している。特に、カーナビゲーション・システム等は、車載用機器であるために、要求される動作温度範囲は極めて広く、一般的には−４０℃〜＋８５℃程度が求められている。
【０００３】
このため、動作温度範囲が広く、温度に対して安定した高精度のジャイロセンサが要求されており、これらの要求に対応するため、センサの持つ温度特性を相殺する演算増幅器を備えた振動ジャイロが開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
以下、従来の技術である特許文献１を図面に基づいて説明する。図１２は、従来の振動ジャイロのブロック図であり、振動ジャイロ６０は、正三角柱状の振動体６１と、駆動回路および検出回路が内部に形成された集積回路６２によって構成される。振動体６１の側面には、それぞれ圧電素子６１ａ、６１ｂ、６１ｃが形成され、圧電素子６１ａ、６１ｂは、振動体６１を屈曲振動させるための駆動用として用いられ、同時に、回転角速度に応じた信号を検出するための検出用としても用いられる。そして、圧電素子６１ｃは、帰還用として用いられる。
【０００５】
集積回路６２は、駆動系を構成するための回路として反転増幅器６３及び位相回路６４が形成されて発振回路を構成し、振動体６１の圧電素子６１ａ及び６１ｂと圧電素子６１ｃとの間に接続される。さらに、集積回路６２には、検出系を構成するための回路として差動回路６５、同期検波回路６６、平滑回路６７および直流増幅回路６８が直列に接続されて形成される。差動回路６５の出力信号は、反転増幅器６３からの信号に基づいて同期検波回路６６によって同期検波される。そして、同期検波回路６６の出力信号は平滑回路６７で平滑された後、直流増幅回路６８で増幅されて出力される。
【０００６】
ここで、振動体６１は、反転増幅器６３および位相回路６４で構成される発振回路からの駆動信号によって圧電素子６１ｃの形成面に直交する方向に屈曲振動する。この状態で、振動体６１が軸を中心として回転すると、コリオリの力により振動体６１の振動方向が変わる。それにより、圧電素子６１ａ、６１ｂ間に出力信号の差が生じ、この出力信号の差が差動回路６５から出力される。そして、差動回路６５の出力を検波して平滑し、さらに直流増幅回路６８で増幅することによって振動ジャイロ６０に加わった回転角速度に対応した信号を得ることができる。
【０００７】
図１３は、振動ジャイロ６０に用いられる差動回路６５の回路図である。差動回路６５は、第１の拡散抵抗Ｒａ，Ｒｂと、第２の拡散抵抗Ｒｃ，Ｒｄと、演算増幅器６９とから構成される。ここで、第１の拡散抵抗Ｒａ、Ｒｂは、約１５００〜２５００ｐｐｍ／℃の正の小さな温度係数を有し、第２の拡散抵抗Ｒｃ、Ｒｄは、約４０００〜５０００ｐｐｍ／℃の正の大きな温度係数を有する。
そして、演算増幅器６９の反転入力端および非反転入力端に第１の拡散抵抗Ｒａ，Ｒｂが入力抵抗として接続され、演算増幅器６９の出力端と反転入力端との間には、第２の拡散抵抗Ｒｃが帰還抵抗として接続され、さらに、演算増幅器６９の非反転入力端は、別の第２の拡散抵抗Ｒｄを介して接地される。
【０００８】
ここで、振動体６１の角速度検出感度は負の温度係数を有するが、この振動体６１からの検出信号を増幅する差動回路６５は、前述した如く、正の小さな温度係数を有する第１の拡散抵抗Ｒａ、Ｒｂと、正の大きな温度係数を有する第２の拡散抵抗Ｒｃ、Ｒｄによって構成されるので、そのゲイン温度特性は正の温度係数を有し、その結果、振動ジャイロ６０の出力は、ほぼフラットな感度温度特性を得ることが出来る。また、入力抵抗と帰還抵抗は、集積回路の拡散抵抗として内蔵できるので、サーミスターなどの外付け部品が不要となる。
【０００９】
また、温度が変化しても検出出力をほぼ一定に維持することが出来る増幅回路、及びそれを用いた自動車エンジン等の回転数を検出する位置検出装置が開示されている（例えば特許文献２参照）。この従来の増幅回路は、オペアンプのゲイン決定用入力抵抗とゲイン決定用帰還抵抗に拡散抵抗等を用いて、増幅回路の温度特性が、磁気抵抗素子等のセンサの温度特性とは反対の温度特性を備えることにより、磁気抵抗素子等のセンサの温度特性の影響を抑制し、その増幅回路を用いて周囲温度の影響を受け難い磁気回転検出装置を提供している。
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１４２１６０号公報（第３頁、第２図）
【特許文献２】特開平１１−２８７６６８号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１の従来の振動ジャイロに於いて、入力抵抗と帰還抵抗に用いられる拡散抵抗は、相対精度が比較的優れた抵抗素子として集積回路内に形成できるが、拡散抵抗とシリコン基板との間に形成されるＰＮ接合に発生する空乏層の影響によって電圧依存性があり、拡散抵抗に印加される電圧によって抵抗値が変化する特性がある。例えば、集積回路のシリコン基板がｎ型で拡散抵抗がｐ型で、その電位が５Ｖである場合、拡散抵抗の電位が０Ｖ近傍のとき、最も空乏層が大きくなって抵抗値が増加する。また、拡散抵抗の電位が５Ｖ近傍では、空乏層が小さくなるので抵抗値は減少する。
【００１２】
このため、振動子等のセンサからの信号の大きさに依存して入力抵抗や帰還抵抗の抵抗値が変化するので、増幅器の利得が変動し、また、出力波形が歪むという問題があり、高精度な物理量センサを実現することは出来ない。
【００１３】
また、特許文献２の従来の増幅回路に於いても、特許文献１と同様な問題があると共に、発明の詳細な説明の中で、ゲイン決定用抵抗をポリシリコンにて構成してもよいとの記載がある。しかし、単にポリシリコン抵抗を入力抵抗と帰還抵抗に用いただけでは、センサ素子の温度特性に合致した温度特性のコントロールができないので、広い温度範囲に適応した高精度なセンサを実現することは困難である。
【００１４】
また、センサ素子の温度特性に合わせてポリシリコン抵抗の温度特性の傾きを変えるには、ポリシリコン内にイオン注入する不純物濃度を変えることによってある程度可能である。しかし、この場合は、集積回路の製造工程で新規プロセスの追加が必要となり、このためＩＣマスクを新規に追加しなければならず、また、集積回路の製造工程が複雑化し、コストアップの要因となり得策ではない。
【００１５】
本発明の目的は上記課題を解決し、センサ素子等の温度特性を相殺する温度特性を有し、周囲の温度変化に関わらず一定の出力を得る増幅回路を実現すると共に、この増幅回路を用いた高精度で信頼性に優れた物理量センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の増幅回路及びそれを用いた物理量センサは、下記記載の構成を採用する。
【００１７】
本発明の増幅回路は、温度特性を有するセンサ素子からの信号を入力する演算増幅器と、この演算増幅器の入力端に接続される入力抵抗と、前記演算増幅器の出力端と前記入力端との間に接続される帰還抵抗と、を有する増幅回路において、前記入力抵抗及び前記帰還抵抗は、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗とを所定の比率の組み合わせにより形成されることを特徴とする。
【００１８】
これにより、入力抵抗及び帰還抵抗をｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗によって所定の比率で組み合わせることで、センサ素子等の温度特性を相殺する温度特性を有し、周囲の温度変化に関わらず一定の出力を得る増幅回路を実現することが出来る。
【００１９】
また、温度特性を有するセンサ素子からの信号を入力する演算増幅器と、この演算増幅器の入力端に接続される入力抵抗と、前記演算増幅器の出力端と前記入力端との間に接続される帰還抵抗と、を有する増幅回路において、前記入力抵抗は、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗とを所定の比率の組み合わせにより形成され、前記帰還抵抗は、ｐ型ポリシリコン抵抗で形成されることを特徴とする。
【００２０】
これにより、帰還抵抗がマイナスの温度係数を有するｐ型ポリシリコン抵抗によって形成されるので、増幅回路はマイナスの温度係数を有し、この結果、プラスの温度係数を有するセンサ素子等の温度特性を相殺出来、周囲の温度変化に関わらず一定の出力を得る増幅回路を実現することが出来る。また、ｐ型ポリシリコン抵抗は、単位面積あたりの抵抗値がｎ型ポリシリコン抵抗よりも大きいので、帰還抵抗をｐ型ポリシリコン抵抗にすることでＩＣの面積を小さくできる。
【００２１】
また、温度特性を有するセンサ素子からの信号を入力する演算増幅器と、この演算増幅器の入力端に接続される入力抵抗、または、前記演算増幅器の出力端と前記入力端との間に接続される帰還抵抗を有する増幅回路において、前記入力抵抗、または前記帰還抵抗は、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗とを所定の比率の組み合わせにより形成されることを特徴とする。
【００２２】
これにより、入力抵抗、または、帰還抵抗をｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗によって所定の比率で組み合わせることで、センサ素子からの信号を周囲の温度変化に関わらず忠実に増幅する増幅回路を実現することが出来る。
【００２３】
また、前記ｎ型ポリシリコン抵抗と前記ｐ型ポリシリコン抵抗との比率を所定の状況に応じて切り替える切替手段を設けたことを特徴とする。
【００２４】
これにより、センサ素子が製造ばらつき等によって、温度特性が微妙に変化したとしても、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗との比率を切替手段によって切り替えることにより、増幅回路の温度特性を微妙にコントロールすることが可能となる。その結果、センサ素子の製造ばらつき等にも容易に適応出来、柔軟性に優れた増幅回路を実現することが出来る。
【００２５】
本発明の物理量センサは、上記記載の増幅回路を用いて、センサ素子に外部から印加された物理量を検出することを特徴とする。
【００２６】
これにより、本発明の増幅回路を用いることによって、広い動作温度範囲と広いダイナミックレンジを備えた高精度で信頼性に優れた物理量センサを提供することが出来る。
【００２７】
また、前記物理量センサは、前記センサ素子を圧電振動体で構成した振動型ジャイロセンサであることを特徴とする。
【００２８】
これにより、本発明の増幅回路を用いることによって、動作温度範囲が広く高精度で信頼性に優れた、車載用のナビゲーション・システム等に好適な振動型ジャイロセンサを提供することが出来る。
【発明の効果】
【００２９】
上記の如く本発明によれば、センサ素子等の温度特性を相殺する温度特性を有し、周囲の温度変化に関わらず一定の出力を得る増幅回路を実現することが出来ると共に、高精度で信頼性に優れた物理量センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下図面により本発明の実施の形態を詳述する。図１は本発明の第１の実施形態を示す増幅回路の回路図である。図２は本発明の増幅回路のポリシリコン抵抗の構造を示すＩＣの断面図である。図３（ａ）は本発明の増幅回路に使用されるポリシリコン抵抗の温度特性を示すグラフである。図３（ｂ）は本発明の増幅回路の利得温度特性とセンサの感度特性を示すグラフである。図４は本発明の第２の実施形態を示す増幅回路の回路図である。図５（ａ）は本発明の第３の実施形態を示す増幅回路の回路図である。図５（ｂ）は本発明の第４の実施形態を示す増幅回路の回路図である。
【００３１】
図６は本発明の第５の実施形態を示す振動型ジャイロセンサのブロック図である。図７は水晶振動子の電極構造を示す断面図である。図８は本発明の第６の実施形態を示す振動型ジャイロセンサの発振回路のブロック図である。図９（ａ）は本発明の振動型ジャイロセンサの発振回路の温度特性を示すグラフである。図９（ｂ）は本発明の振動型ジャイロセンサの発振回路の利得可変増幅回路の温度特性を示すグラフである。
【００３２】
図１０は本発明の振動型ジャイロセンサの発振回路の利得可変増幅回路の動作範囲を示すグラフである。図１１（ａ）は本発明の第７の実施形態を示すＩ／Ｖ変換回路の回路図である。図１１（ｂ）は本発明の第８の実施形態を示すＩ／Ｖ変換回路の回路図である。
【００３３】
（第１の実施形態）
まず、本発明の増幅回路を物理量センサに適応した第１の実施形態を図１に基づいて説明する。図１に於いて、１は本発明の増幅回路としての反転増幅回路である。２は角速度や加速度等の物理量を検出するセンサ素子であり、検出回路６にセンサ信号Ｓを入力し、検出回路６は検出信号Ｖ１を出力する。Ｒｎ１はｎ型ポリシリコン抵抗であり、その一端は検出回路６からの検出信号Ｖ１に接続される。Ｒｐ１はｐ型ポリシリコン抵抗であり、その一端はｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１の他端に接続され、これにより、ｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１は組み合わされて直列に接続される。
【００３４】
Ｒｎ２はｎ型ポリシリコン抵抗であり、その一端は検出回路６からの検出信号Ｖ１に接続される。Ｒｎ３はｎ型ポリシリコン抵抗であり、その一端はｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ２の他端に接続され、これにより、ｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ２とｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ３は組み合わされて直列に接続される。尚、ｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ２とｎ型ポリ
シリコン抵抗Ｒｎ３は同じｎ型ポリシリコン抵抗であるので、一つのｎ型ポリシリコン抵抗として形成しても良い。
【００３５】
３は切替手段としての切替回路であり、二つのＭＯＳ型トランジスタＳＷ１、ＳＷ２とインバータ４によって構成される。ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１のドレイン端子Ｄ１はｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１の他端に接続され、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２のドレイン端子Ｄ２はｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ３の他端に接続される。
【００３６】
インバータ４の入力端子とＭＯＳ型トランジスタＳＷ１のゲート端子Ｇ１は、反転増幅回路１の外部からの信号である切替信号Ｖ２を入力し、インバータ４の出力端子は、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２のゲート端子Ｇ２に接続される。５は演算増幅器であり、そのマイナス入力端子は、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１のソース端子Ｓ１とＭＯＳ型トランジスタＳＷ２のソース端子Ｓ２に接続され、プラス入力端子は、ＧＮＤに接地される。また、マイナス入力端子と出力端子はｐ型ポリシリコン抵抗によって成る帰還抵抗Ｒｐｆによって接続され、出力端子からは出力信号Ｖ３が出力される。
【００３７】
次に、反転増幅回路１の動作を説明する。ここで、外部からの信号である切替信号Ｖ２が論理“１”であると、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１のゲート端子Ｇ１には論理“１”の電位が印加され、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２のゲート端子Ｇ２にはインバータ４によって反転された論理“０”の電位が印加されるので、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１はＯＮ、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２はＯＦＦとなる。
【００３８】
この状態でセンサ素子２が物理量を検出して検出回路６から検出信号Ｖ１が出力されると、ＯＮであるＭＯＳ型トランジスタＳＷ１に接続されているｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１に検出電流Ｉ１が流れ、ＯＦＦであるＭＯＳ型トランジスタＳＷ２に接続されているｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ２とｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ３は遮断されて電流は流れない。
【００３９】
これにより、演算増幅器５は入力抵抗をＲｎ１＋Ｒｐ１とし、帰還抵抗をＲｐｆとして動作し、検出信号Ｖ１を増幅して出力信号Ｖ３を出力し、その利得Ｇは、図１で示す式１となる。また、外部からの信号である切替信号Ｖ２が論理“０”であると、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１のゲート端子Ｇ１には論理“０”の電位が印加され、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２のゲート端子Ｇ２にはインバータ４によって反転された論理“１”の電位が印加されるので、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１はＯＦＦ、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２はＯＮとなる。
【００４０】
この状態で、センサ素子２が物理量を検出し検出回路６から検出信号Ｖ１が出力されると、ＯＮであるＭＯＳ型トランジスタＳＷ２に接続されているｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ２とｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ３に検出電流Ｉ２が流れ、ＯＦＦであるＭＯＳ型トランジスタＳＷ１に接続されているｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１は遮断されて電流は流れない。これにより、演算増幅器５は、入力抵抗をＲｎ２＋Ｒｎ３とし、帰還抵抗をＲｐｆとして動作し、検出信号Ｖ１を増幅して出力信号Ｖ３を出力し、その利得Ｇは、図１で示す式２となる。
【００４１】
このように、切替回路３は切替信号Ｖ２の論理によって、演算増幅器５の入力抵抗をＲｎ１＋Ｒｐ１、または、Ｒｎ２＋Ｒｎ３に切り替えることが出来る。ここで、ｎ型ポリシリコン抵抗はプラスの温度係数を有し、ｐ型ポリシリコン抵抗はマイナスの温度係数を有するので、切替回路３によってｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗の抵抗値比率の組み合わせを切り替えることにより、式１、または式２の分母の温度係数が変化し、これによって反転増幅回路１の利得温度特性を容易に切り替えて選択することが出来る。
【００４２】
次に、図２に基づいて、反転増幅回路１の入力抵抗であるｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１の構造の一例を説明する。図２に於いて、１０は集積回路のｎ型のシリコン基板であり、その上面はフィールド酸化膜１１が形成されている。１２はフィールド酸化膜１１の表面に形成されたｎ型ポリシリコンであり、価電子が４のシリコンに対して価電子が５のひ素が不純物として注入され形成される。１３はフィールド酸化膜１１の表面に形成されたｐ型ポリシリコンであり、価電子が４のシリコンに対して価電子が３のボロンが不純物として注入され形成される。
【００４３】
１４は層間絶縁膜であり、ｎ型ポリシリコン１２とｐ型ポリシリコン１３の周囲、及び上面に形成されて、ｎ型ポリシリコン１２とｐ型ポリシリコン１３等を電気的に絶縁する。１５ａ〜１５ｃはアルミ配線であり、ｎ型ポリシリコン１２、及びｐ型ポリシリコン１３を電気的に接続する機能を有し、アルミ配線１５ａはｎ型ポリシリコン１２を検出回路６からの検出信号Ｖ１（図１参照）と電気的に接続し、アルミ配線１５ｂは、ｎ型ポリシリコン１２とｐ型ポリシリコン１３とを電気的に接続し、アルミ配線１５ｃは、ｐ型ポリシリコン１３とＭＯＳ型トランジスタＳＷ１のドレイン端子Ｄ１（図１参照）とを電気的に接続する。
【００４４】
以上の構造によって、ｎ型ポリシリコン１２がｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１として形成され、ｐ型ポリシリコン１３がｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１として形成され、二つの抵抗が直列に組み合わされて入力抵抗として機能する。ここで、ｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１やｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１は、シリコン基板１０上にＭＯＳ型トランジスタ等を形成するプロセスと同一のプロセスで形成することが出来るので、例えば、Ｃ-ＭＯＳ構造の集積回路に於いて、ポリシリコン抵抗は、抵抗素子を形成するために新規なプロセスの追加が不要であり、極めて都合の良い抵抗素子と言える。
【００４５】
また、ポリシリコン抵抗は、拡散抵抗のような空乏層の影響による電圧依存性が無いので、印加電圧によって抵抗値の変動がなく、安定した抵抗素子を実現出来る。尚、図１のｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ２、Ｒｎ３とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐｆも、シリコン基板１０に同様な構造で形成されるので説明は省略する。
【００４６】
次に図３（ａ）、図３（ｂ）に基づいて、センサ素子２と検出回路６を含めたセンサの感度特性を反転増幅回路１の温度特性によって相殺する動作の一例を説明する。図３（ａ）は、２０℃を基準とした―４０℃〜＋８０℃の温度範囲に於いて、反転増幅回路１で用いられるｎ型ポリシリコン抵抗（例えばＲｎ１）とｐ型ポリシリコン抵抗（例えばＲｐ１）の温度特性の実測値を示している。
【００４７】
ここで、Ｘ１はｎ型ポリシリコン抵抗の温度特性であり、その温度特性はプラスの温度係数を有し、その値は不純物濃度に依存するが一例として約＋５００ｐｐｍ／℃である。また、Ｘ２はｐ型ポリシリコン抵抗の温度特性であり、その温度特性はマイナスの温度係数を有し、その値は不純物濃度に依存するが一例として約―３００ｐｐｍ／℃である。
【００４８】
すなわち、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗の温度係数は相反しているので、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗とを所定の比率で組み合わせることにより、任意の温度係数を備えた抵抗素子を形成することが出来、このｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗を所定の比率で組み合わせて演算増幅器５の入力抵抗、または帰還抵抗に用いて、任意の利得温度特性を有する増幅回路とすることが、本発明の大きな特徴である。
【００４９】
次に図３（ｂ）のＸ３〜Ｘ８は、２０℃を基準とした―４０℃〜＋８０℃の温度範囲に
於いて、帰還抵抗にｐ型ポリシリコン抵抗を用い、入力抵抗にｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗を用いて、その抵抗値比率の組み合わせを変化させた場合の反転増幅回路１（図１参照）の利得温度特性の変化を、図３(ａ)の実測値データを参照して式１に基づいてシミュレーションしたものである。
【００５０】
ここで、Ｘ３は入力抵抗が１００％のｐ型ポリシリコン抵抗である場合の温度特性である。この場合は、入力抵抗と帰還抵抗が共にｐ型ポリシリコン抵抗であるので、入力抵抗と帰還抵抗の温度係数が等しいために利得温度特性はフラットになる。
【００５１】
Ｘ４は入力抵抗としてｐ型ポリシリコン抵抗が８０％、ｎ型ポリシリコン抵抗が２０％である場合の温度特性であり、入力抵抗のｎ型ポリシリコン抵抗のプラスの温度係数の影響が現れる。すなわち、入力抵抗としてマイナスの温度係数の値が減少するので、式１の分子である帰還抵抗としてのｐ型ポリシリコン抵抗のマイナスの温度係数の影響が現れ、反転増幅回路１の利得温度特性は、図示するように僅かにマイナスの温度係数となる。
【００５２】
Ｘ５は入力抵抗としてｐ型ポリシリコン抵抗が６０％、ｎ型ポリシリコン抵抗が４０％である場合の温度特性であり、入力抵抗のｎ型ポリシリコン抵抗のプラスの温度係数の影響が強まる。すなわち、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗の温度係数を比較すると、前述した如くｎ型ポリシリコン抵抗の温度係数の方が大きいので、入力抵抗として合成した温度係数は僅かにプラスの傾向に転じ、その結果、式１の分子がマイナスの温度係数であるのに対して分母が僅かにプラスの温度係数となるので、反転増幅回路１の利得温度特性は、相乗効果が現れてマイナスの温度係数が大きくなる。
【００５３】
Ｘ６は入力抵抗としてｐ型ポリシリコン抵抗が４０％、ｎ型ポリシリコン抵抗が６０％である場合の温度特性であり、入力抵抗はｎ型ポリシリコン抵抗の影響が大きくなる。すなわち、入力抵抗としての温度係数はプラスが強まるので、ｐ型ポリシリコン抵抗である帰還抵抗のマイナスの温度係数との相乗効果によって反転増幅回路１の利得温度特性は、マイナスの温度係数が更に大きくなる。
【００５４】
Ｘ７は入力抵抗としてｐ型ポリシリコン抵抗が２０％、ｎ型ポリシリコン抵抗が８０％である場合の温度特性であり、入力抵抗はｎ型ポリシリコン抵抗の温度特性が大きく支配することになる。すなわち、入力抵抗としての温度係数は更にプラスになるので、ｐ型ポリシリコン抵抗である帰還抵抗のマイナスの温度係数との相乗効果によって反転増幅回路１の利得温度特性は、マイナスの温度係数が一段と大きくなる。
【００５５】
Ｘ８は入力抵抗が１００％のｎ型ポリシリコン抵抗である場合の温度特性であり、入力抵抗はｎ型ポリシリコン抵抗だけのプラスの温度係数となるので、ｐ型ポリシリコン抵抗である帰還抵抗のマイナスの温度係数との相乗効果によって反転増幅回路１の利得温度特性は、最も大きなマイナスの温度係数となる。以上のように、本発明の増幅回路としての反転増幅回路１を用いるならば、入力抵抗としてｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗とを所定の比率で組み合わせ、それを切り替えることによって、様々な利得温度特性を有する増幅回路が実現出来る。
【００５６】
次に図３（ｂ）のＸ９は、２０℃を基準としたセンサ素子２と検出回路６を含めた物理量センサの感度特性の一例であり、―４０℃〜＋８０℃の温度範囲で±約３％、すなわち幅で約プラス６％の温度係数を有している。そして、このセンサの感度特性Ｘ９を相殺して反転増幅回路１の出力信号Ｖ３が温度変化に対して一定の出力とするには、反転増幅回路１の利得温度係数が、センサの感度特性と極性が反対で絶対値が等しければ良いことが理解出来る。
【００５７】
ここで、図３（ｂ）に於いて、反転増幅回路１の温度特性Ｘ３〜Ｘ８を調べると、温度特性Ｘ６が―４０℃〜＋８０℃の温度範囲で約マイナス６％の温度係数を有していることが分かるので、センサの感度特性Ｘ９を相殺する反転増幅回路１の利得温度特性はＸ６が最適であると判断出来る。
【００５８】
すなわち、図１で示した反転増幅回路１は、Ｘ６の温度特性を有するように、ｐ型ポリシリコン抵抗が４０％でｎ型ポリシリコン抵抗が６０％である比率の入力抵抗を切替回路３によって選択することにより、センサ素子２と検出回路６を含めた物理量センサの感度特性Ｘ９を相殺し、温度変化に対して出力信号Ｖ３が一定の出力となる増幅回路を実現することが出来る。
【００５９】
尚、図１で示した反転増幅回路１の切替回路３は、ＭＯＳ型トランジスタが２個であり、２種類の入力抵抗の何れかを切り替えて選択しているが、切替回路３は、この構成に限定されるものではなく、切替スイッチとして機能するＭＯＳ型トランジスタを多数配置して良い。
【００６０】
そして、多数配置されたＭＯＳ型トランジスタにｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗とを所定の比率で組み合わせて配置することにより、図３（ｂ）の利得温度特性Ｘ３〜Ｘ８で示すように、センサの感度特性に合致した微妙な温度特性の選択が可能となり、センサ素子２の温度特性のばらつき等に適応出来る、柔軟性に優れた増幅回路を実現することが出来る。
【００６１】
また、この実施形態では、帰還抵抗にマイナスの温度係数を有するｐ型ポリシリコン抵抗を用いたために、反転増幅回路１の利得温度特性は右下がりのマイナスの温度係数となるが、帰還抵抗にｎ型ポリシリコン抵抗を用いるならば、式１又は式２の分子がプラスの温度係数となるので、反転増幅回路１の利得温度特性は右上がりのプラスの温度係数を持つことが出来る。
【００６２】
これによって、マイナスの温度係数を有するセンサの感度特性を相殺する増幅回路を実現することが出来るので、本発明の増幅回路は、センサの感度特性がプラスの温度係数であってもマイナスの温度係数であって、その両方の温度特性を相殺する増幅回路を提供することが出来る。
【００６３】
また、この実施形態では、入力抵抗をｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗との組み合わせとしたが、これに限定されず、入力抵抗をｎ型ポリシリコン抵抗、またはｐ型ポリシリコン抵抗に固定し、帰還抵抗をｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗で組み合わせても、同様な温度特性を有する増幅回路を実現出来る。また更には、入力抵抗と帰還抵抗の両方をｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗で組み合わせて、それぞれに切替回路を設けることにより、更に微妙な利得温度特性が選択出来るようにしても良い。
【００６４】
また、本発明の増幅回路に用いられるｎ型ポリシリコン抵抗、及びｐ型ポリシリコン抵抗は、前述した如く、拡散抵抗のような空乏層の影響による電圧依存性が無いので、検出信号Ｖ１の大小に関わらず、常に一定の抵抗値を有している。このため、検出信号Ｖ１の大きさによって利得が変動したり、また、出力信号Ｖ３が歪んだりすることがなく、センサ素子２からの検出信号Ｖ１を忠実に増幅することが出来る。
【００６５】
例えば、センサ素子２がジャイロセンサや加速度センサ等の場合は、検出信号Ｖ１の大きさは、極めて小さな信号から非常に大きな信号まで様々な信号レベルが検出されることを想定しなければならないが、本発明の増幅回路は、上記の理由によって広いダイナミッ
クレンジを確保することが出来るので、様々な信号レベルを有する検出信号Ｖ１を忠実に増幅することが出来、高性能な増幅回路を実現出来る。
【００６６】
また、本発明の増幅回路に用いるポリシリコン抵抗は、前述した如く、シリコン基板上にＭＯＳ型トランジスタ等を形成するプロセスと同一のプロセスで形成することが出来るので、増幅回路のワンチップＩＣ化が容易であり、コストが安く信頼性の高い増幅回路を提供することが出来る。
【００６７】
（第２の実施形態）
次に本発明の増幅回路の第２の実施形態を図４に基づいて説明する。図４の増幅回路は、温度特性を切り替えるための切り替え手段を備えた非反転増幅回路であることが特徴である。尚、図１に示した第１の実施形態の増幅回路と同一要素には同一番号を付し重複する説明は一部省略する。図４に於いて、２０は本発明の増幅回路としての非反転増幅回路であり、この非反転増幅回路２０の演算増幅器５のプラス入力端子は検出信号Ｖ１を入力し、また、演算増幅器５のマイナス入力端子と出力端子はｎ型ポリシリコン抵抗の帰還抵抗Ｒｎｆによって接続され、出力端子からは出力信号Ｖ３が出力される。
【００６８】
ｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１は、その一端が演算増幅器５のマイナス入力端子に接続され、他端はｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１の一端に接続され、ｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１の他端は切替回路３のＭＯＳ型トランジスタＳＷ１のドレイン端子Ｄ１に接続される。ｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ２は、その一端が演算増幅器５のマイナス入力端子に接続され、他端はｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ３の一端に接続され、ｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ３の他端は切替回路３のＭＯＳ型トランジスタＳＷ２のドレイン端子Ｄ２に接続される。
【００６９】
切替回路３のインバータ４の入力端子とＭＯＳ型トランジスタＳＷ１のゲート端子Ｇ１は、非反転増幅回路２０の外部からの信号である切替信号Ｖ２を入力し、インバータ４の出力端子は、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２のゲート端子Ｇ２に接続される。また、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１とＭＯＳ型トランジスタＳＷ２のそれぞれのソース端子Ｓ１、Ｓ２はＧＮＤに接地される。
【００７０】
次に、非反転増幅回路２０の動作を説明する。ここで、切替信号Ｖ２が論理“１”であると、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１のゲート端子Ｇ１には論理“１”の電位が印加され、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２のゲート端子Ｇ２にはインバータ４によって反転された論理“０”の電位が印加されるので、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１はＯＮ、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２はＯＦＦとなる。
【００７１】
この結果、ＯＮであるＭＯＳ型トランジスタＳＷ１に接続されているｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１を介して演算増幅器５のマイナス入力端子はＧＮＤに接地され、演算増幅器５は、入力抵抗をＲｎ１＋Ｒｐ１とし、帰還抵抗をＲｎｆとして非反転増幅動作を行い、検出信号Ｖ１を増幅して出力信号Ｖ３を出力し、その利得Ｇは、図４で示す式３となる。
【００７２】
また、切替信号Ｖ２が論理“０”であると、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１のゲート端子Ｇ１には論理“０”の電位が印加され、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２のゲート端子Ｇ２にはインバータ４によって反転された論理“１”の電位が印加されるので、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１はＯＦＦ、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２はＯＮとなる。
【００７３】
この結果、ＯＮであるＭＯＳ型トランジスタＳＷ２に接続されているｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ２とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ３を介して演算増幅器５のマイナス入力端子はＧＮＤに接地され、演算増幅器５は、入力抵抗をＲｐ２＋Ｒｐ３とし、帰還抵抗をＲｎｆと
して非反転増幅動作を行い、検出信号Ｖ１を増幅して出力信号Ｖ３を出力し、その利得Ｇは、図４で示す式４となる。
【００７４】
このように、非反転増幅回路２０の切替回路３は、切替信号Ｖ２の論理によって演算増幅器５の入力抵抗をＲｎ１＋Ｒｐ１、または、Ｒｐ２＋Ｒｐ３に切り替えることが出来る。ここで、前述した如く、ｎ型ポリシリコン抵抗はプラスの温度係数を有し、ｐ型ポリシリコン抵抗はマイナスの温度係数を有するので、切替回路３によってｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗の抵抗値比率の組み合わせを切り替えることにより、式３、または式４の分母の温度係数が変化し、これによって非反転増幅回路２０の利得温度特性を容易に切り替えて選択することが出来、前述した第１の実施形態の反転増幅回路１と同様な効果を備えた非反転増幅回路を実現することが出来る。
【００７５】
尚、図４で示した非反転増幅回路２０の切替回路３は、ＭＯＳ型トランジスタが２個であり、２種類の入力抵抗の何れかを切り替えて選択しているが、切替回路３は、この構成に限定されるものではなく、切替スイッチとして機能するＭＯＳ型トランジスタを多数配置して良い。
【００７６】
そして、多数配置されたＭＯＳ型トランジスタにｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗とを所定の比率で組み合わせて配置することにより、図３（ｂ）で示すように、センサの感度特性に合致した微妙な温度特性の選択が可能となり、センサ素子２の温度特性のばらつき等に適応出来る、柔軟性に優れた非反転増幅回路を実現することが出来る。
【００７７】
また、図４で示した実施形態は、帰還抵抗にプラスの温度係数を持ったｎ型ポリシリコン抵抗を配置しているので、非反転増幅回路２０の利得温度特性は、前述の反転増幅器１とは反対のプラスの温度係数を有する。このため、非反転増幅回路２０はマイナスの温度係数を有するセンサの感度特性を相殺する増幅回路として好適である。また、非反転増幅回路２０の帰還抵抗にマイナスの温度係数を持ったｐ型ポリシリコン抵抗を配置するならば、非反転増幅回路２０の利得温度特性は、反転増幅回路１と同様にマイナスの温度係数を有することが出来る。
【００７８】
（第３の実施形態）
次に本発明の増幅回路の第３の実施形態を図５（ａ）に基づいて説明する。図５（ａ）の増幅回路は、利得温度特性が固定された反転増幅回路であることが特徴である。尚、図１に示した第１の実施形態の増幅回路と同一要素には同一番号を付し重複する説明は一部省略する。図５（ａ）に於いて、２１は本発明の増幅回路としての反転増幅回路であり、検出回路６からの検出信号Ｖ１を入力する。
【００７９】
反転増幅回路２１のｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１の一端は検出信号Ｖ１に接続され、ｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１の他端はｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１の一端に接続され、その他端は演算増幅器５のマイナス入力端子に接続される。また、演算増幅器５のマイナス入力端子と出力端子はｐ型ポリシリコン抵抗の帰還抵抗Ｒｐｆによって接続され、出力端子からは出力信号Ｖ３が出力され、プラス入力端子はＧＮＤに接地される。
【００８０】
次に、反転増幅回路２１の動作を説明する。ここで、検出回路６から検出信号Ｖ１が出力されると、ｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１に検出電流Ｉ１が流れ、演算増幅器５は、入力抵抗をＲｎ１＋Ｒｐ１とし、帰還抵抗をＲｐｆとして反転増幅動作を行い、検出信号Ｖ１を増幅して出力信号Ｖ３を出力し、その利得Ｇは、図５（ａ）で示す式５となる。
【００８１】
ここで、入力抵抗としてｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１を
組み合わせて用いているので、センサ素子２と検出回路６を含めたセンサの感度特性に基づいて両者の抵抗値を所定の比率に決定して形成するならば、センサの感度特性を相殺する増幅回路を実現することが出来る。
【００８２】
このように、反転増幅回路２１は、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗の抵抗値比率を切り替える切替回路を備えていないので、複数の温度特性を切り替えることは出来ないが、センサの感度特性に合わせてｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１の抵抗値比率を予め設計段階で決定してＩＣ内部に組み込むことにより、回路構成が簡単で、且つ、センサの感度特性を相殺して周囲の温度変化に関わらず一定の出力を得る増幅回路として有効である。
【００８３】
尚、図５（ａ）の第３の実施形態は、帰還抵抗にマイナスの温度係数を持ったｐ型ポリシリコン抵抗を配置しているので、反転増幅回路２１の利得温度特性は、前述した第１の実施形態の反転増幅回路１と同様にマイナスの温度係数を有し、このため、反転増幅回路２１はプラスの温度係数を有するセンサの感度特性を相殺する増幅器として好適である。
【００８４】
（第４の実施形態）
次に本発明の増幅回路の第４の実施形態を図５（ｂ）に基づいて説明する。図５（ｂ）の増幅回路は、温度特性のばらつきが少ないセンサ素子を用いる場合や、高精度が要求されないセンサに適した非反転増幅回路であることが特徴である。尚、図１に示した第１の実施形態の増幅回路と同一要素には同一番号を付し重複する説明は一部省略する。図５（ｂ）に於いて、２２は本発明の増幅回路としての非反転増幅回路であり、検出回路６からの検出信号Ｖ１を入力する。
【００８５】
非反転増幅回路２２の演算増幅器５のプラス入力端子は、検出信号Ｖ１を入力し、また、演算増幅器５のマイナス入力端子と出力端子はｎ型ポリシリコン抵抗の帰還抵抗Ｒｎｆによって接続され、出力端子からは出力信号Ｖ３が出力される。ｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１は、その一端が演算増幅器５のマイナス入力端子に接続され、他端はＧＮＤに接地されている。
【００８６】
次に、非反転増幅回路２２の動作を説明する。演算増幅器５は、入力抵抗をＲｐ１とし、帰還抵抗をＲｎｆとして、プラス入力端子より入力された検出信号Ｖ１を非反転増幅して出力信号Ｖ３を出力し、その利得Ｇは、図５（ｂ）で示す式６となる。ここで、入力抵抗をマイナスの温度係数を有するｐ型ポリシリコン抵抗を用い、帰還抵抗をプラスの温度係数を有するｎ型ポリシリコン抵抗を用いているので、非反転増幅回路２２の利得温度特性は式６からプラスの温度係数となり、この結果、センサ素子２と検出回路６を含めた温度係数がマイナスであるセンサの感度特性を相殺する増幅器として好適である。
【００８７】
また、センサがプラスの温度係数を有するものであれば、入力抵抗にｎ型ポリシリコン抵抗を用い、帰還抵抗にｐ型ポリシリコン抵抗を用いればよい。このように、非反転増幅回路２２は、入力抵抗と帰還抵抗にｎ型ポリシリコン抵抗、または、ｐ型ポリシリコン抵抗の何れかを用いることによって簡単にセンサの感度特性を相殺出来るので、温度特性のばらつきが少ないセンサ素子を用いる場合や、高精度が要求されない場合に於いて、回路構成が非常に簡単な増幅回路として有効である。
【００８８】
（第５の実施形態）
次に図６に基づいて、本発明の増幅回路である反転増幅回路を用いた物理量センサのひとつである角速度を検出する振動型ジャイロセンサの実施形態を説明する。尚、前述した第１の実施形態の反転増幅回路１と同一要素には同一番号を付し重複する説明は一部省略する。３０は本発明の振動型ジャイロセンサであり、発振回路３１と圧電振動体としての
水晶振動子３２と検出回路５０によって構成される。
【００８９】
ここでまず、水晶振動子３２を駆動する発振回路３１の構成を説明する。図６に於いて、水晶振動子３２は対となる駆動電極３３、３４と検出電極３５、３６を備えており、詳細な電極構造は後述する。３７は電流電圧変換回路（以下、Ｉ／Ｖ変換回路と略す）であり、水晶振動子３２の一方の駆動電極３４から流れ出る出力電流Ｉｏｕｔを入力して交流信号Ｖ１１を出力する。
【００９０】
３８はローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと略す）であり、交流信号Ｖ１１を入力してフィルタ出力信号Ｖ１２を出力する。３９は自動利得制御回路（以下、ＡＧＣ回路と略す）であり、図示しないが整流回路、基準信号源、比較回路等によって構成され、交流信号Ｖ１１を入力して制御電圧Ｖ１３を出力する。４０は利得可変増幅回路であり、ＬＰＦ３８からのフィルタ出力信号Ｖ１２を入力し、制御電圧Ｖ１３に基づいて増幅信号Ｖ１４を出力する。
【００９１】
４１は利得固定増幅回路であり、増幅信号Ｖ１４を入力して駆動電圧Ｖｏｕｔを出力し、水晶振動子３２の駆動電極３３に印加する。４２はオールパスフィルタ回路によって成る位相回路であり、Ｉ／Ｖ変換回路３７からの交流信号Ｖ１１を入力して位相調整を行い、検波制御信号Ｖ１５を出力する。
【００９２】
次に、同じく図６に基づいて水晶振動子３２をセンサとして角速度を検出する検出回路５０の構成を説明する。図６に於いて、５１と５２は二つのＩ／Ｖ変換回路であり、それぞれ水晶振動子３２の検出電極３５、３６に接続され、センサ電流Ｉ３、Ｉ４を入力して検出電圧Ｖ２０、Ｖ２１を出力する。５３は差動増幅回路であり、Ｉ／Ｖ変換回路５１、５２からの検出電圧Ｖ２０、Ｖ２１を入力して差動出力Ｖ２２を出力する。
【００９３】
５４は同期検波回路であり、差動出力Ｖ２２を入力して、発振回路３１からの検波制御信号Ｖ１５に基づいて同期検波を行い、検波出力Ｖ２３を出力する。５５はＬＰＦであり、検波出力Ｖ２３を入力して角速度検出信号Ｖ２４を出力する。
【００９４】
１は前述した第１の実施形態の反転増幅回路である。この反転増幅回路１は内部に前述した切替手段としての切替回路３を有し、図１の検出信号Ｖ１に相当するＬＰＦ５５からの角速度検出信号Ｖ２４を入力し、出力信号Ｖ３を出力する。５６は外部インターフェース回路（以下、外部Ｉ／Ｆと略す）であり、外部からの制御信号Ｖ２５を入力して、メモリ入力信号Ｖ２６を出力する。５７は不揮発性メモリ等によって成る記憶回路であり、メモリ入力信号Ｖ２６を入力して記憶し、切替信号Ｖ２を出力して反転増幅回路１の切替回路３に入力する。
【００９５】
次に、水晶振動子３２の電極構造の一例を図７の断面図に基づいて説明する。図７に於いて、水晶振動子３２は共振周波数が数十ＫＨｚの振動子であり、二つの駆動用枝３２ａ、３２ｂと一つの検出用枝３２ｃの３本の枝を有する三脚音叉振動子である。駆動用枝３２ａ、３２ｂには対となる駆動電極３３、３４が形成されており、駆動電極３３は、駆動用枝３２ａの対向する２面に形成される駆動電極３３ａ、３３ｂと、駆動用枝３２ｂの対抗する２面に形成される駆動電極３３ｃ、３３ｄによって成る。
【００９６】
又、駆動電極３４は、駆動用枝３２ａの対向する他の２面に形成される駆動電極３４ａ、３４ｂと、駆動用枝３２ｂの対抗する他の２面に形成される駆動電極３４ｃ、３４ｄによって成る。駆動電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄはそれぞれ電気的に接続されて駆動電極３３として外部と接続され、駆動電極３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄもそれぞれ電気的に接続されて駆動電極３４として外部と接続される。
【００９７】
検出用枝３２ｃには、対となる検出電極３５、３６が形成されており、検出電極３５は、検出用枝３２ｃの対向する面の一部に形成される検出電極３５ａ、３５ｂによって成り、検出電極３６も、検出用枝３２ｃの対向する面の一部に形成される検出電極３６ａ、３６ｂによって成る。検出電極３５ａ、３５ｂはそれぞれ電気的に接続されて検出電極３５として外部と接続され、また検出電極３６ａ、３６ｂもそれぞれ電気的に接続されて検出電極３６として外部と接続される。尚、水晶振動子３２の構造は、図７で示すような三脚音叉振動子には限定されず、例えば、二脚の音叉型振動子でも良い。
【００９８】
次に、図６、及び図７に基づいて振動型ジャイロセンサ３０の発振回路３１の動作について説明する。水晶振動子３２は、駆動電極３３に印加される交流の駆動電圧Ｖｏｕｔによって励振し、駆動電極３４からは交流の出力電流Ｉｏｕｔが流れ出る。Ｉ／Ｖ変換回路３７は、水晶振動子３２からの数十ＫＨｚの出力電流Ｉｏｕｔを交流電圧に変換し、交流信号Ｖ１１として出力する。
【００９９】
ＬＰＦ３８は交流信号Ｖ１１の位相調整をして発振の位相条件を成立させると共に、高周波成分を除去する。ＡＧＣ回路３９は、内部で交流信号Ｖ１１の全波整流、または半波整流を行い、内部の基準電圧と比較して、交流信号Ｖ１１の変動に応じた制御電圧Ｖ１３を出力する。
【０１００】
利得可変増幅回路４０は、制御電圧Ｖ１３に基づいて利得を１〜５倍程度まで可変し、水晶振動子３２からの交流信号Ｖ１１に基づいたフィルタ出力信号Ｖ１２を可変増幅して、交流信号Ｖ１１が変動しないように動作する。利得固定増幅回路４１は非反転の交流増幅回路であり、増幅信号Ｖ１４を交流増幅して駆動電圧Ｖｏｕｔを水晶振動子３２に供給する。
【０１０１】
以上の動作により、水晶振動子３２は利得固定増幅回路４１の出力である駆動電圧Ｖｏｕｔによって駆動され、共振周波数に等しい周波数で自励発振が継続される。そして、水晶振動子３２が発振を継続すると、図７で示す駆動用枝３２ａ、３２ｂは矢印Ｘ方向に振動し、また、検出用枝３２ｃも駆動用枝３２ａ、３２ｂに同期して矢印Ｘ方向に振動する。
【０１０２】
ここで、水晶振動子３２のクリスタルインピーダンス（以下、ＣＩ値と略す）は、製造ばらつき等によって個々の水晶振動子でばらついているが、発振回路３１はＡＧＣ回路３９と利得可変増幅回路４０の動作によってＣＩ値のばらつきを吸収し、安定した発振を維持することが出来る。すなわち、発振回路３１にＣＩ値の大きな水晶振動子３２が組み込まれたとすると、水晶振動子３２に流れる出力電流Ｉｏｕｔは減少するので、Ｉ／Ｖ変換回路３７の出力である交流信号Ｖ１１は小さくなる。
【０１０３】
このとき、ＡＧＣ回路３９は、交流信号Ｖ１１を内部の基準電圧と比較して交流信号Ｖ１１が低下したことを知り、制御電圧Ｖ１３のレベルを上昇させる。この結果、利得可変増幅回路４０は利得を大きくするので、その出力である増幅信号Ｖ１４が大きくなって駆動電圧Ｖｏｕｔも大きくなり、水晶振動子３２に流れる出力電流Ｉｏｕｔの減少を防ぎ、出力電流Ｉｏｕｔが一定となるように動作する。
【０１０４】
また、同様に発振回路３１にＣＩ値の小さな水晶振動子３２が組み込まれたとすると、水晶振動子３２に流れる出力電流Ｉｏｕｔは増加するので、Ｉ／Ｖ変換回路３７の出力である交流信号Ｖ１１は大きくなる。このとき、ＡＧＣ回路３９は、交流信号Ｖ１１を内部の基準電圧と比較して交流信号Ｖ１１が上昇したことを知り、制御電圧Ｖ１３のレベルを降下させる。
【０１０５】
この結果、利得可変増幅回路４０は利得を小さくするので、その出力である増幅信号Ｖ１４が小さくなって駆動電圧Ｖｏｕｔも小さくなり、水晶振動子３２に流れる出力電流Ｉｏｕｔの増加を防ぎ、出力電流Ｉｏｕｔが一定となるように動作する。以上の動作により、水晶振動子３２を駆動する出力電流Ｉｏｕｔは、ＣＩ値の変化に対してほぼ一定となるので、水晶振動子３２の振動速度も、ほぼ一定を保つことが出来、安定した発振を維持することが出来る。
【０１０６】
次に、角速度を検出する水晶振動子３２の検出感度特性について説明する。ここで、前述した如く、水晶振動子３２は発振回路３１によって発振が継続されているが、このとき、水晶振動子３２が角速度ωで回転されたとすると、水晶振動子３２には図７で示すＸ方向の振動に対して直角なＺ方向に角速度ωに比例したコリオリの力Ｆが働く。このコリオリの力Ｆは、よく知られているが図７の式７で表され、ｍは駆動用枝３２ａ、３２ｂ、または検出用枝３２ｃの等価質量であり、Ｖは共振周波数ｆ０（Ｈｚ）で振動する振動速度である。
【０１０７】
ここで、式７によって振動速度Ｖが一定であれば、コリオリの力Ｆは角速度ωに比例することが理解できるが、水晶振動子３２のＣＩ値は温度に対してプラスの温度係数を有し、温度が上昇するとＣＩ値は増加し、温度が低下するとＣＩ値は減少するので、水晶振動子３２を駆動する出力電流Ｉｏｕｔの値は、温度変化によって変動する。
【０１０８】
このとき、発振回路３１のＡＧＣ回路３９と利得可変増幅回路４０は、このＣＩ値の温度特性に起因する出力電流Ｉｏｕｔの変動をある程度抑制するが、その動作には限界があるので、出力電流Ｉｏｕｔは多少の温度特性を有し、その結果、振動速度Ｖはマイナスの温度係数を持ち、水晶振動子３２のコリオリの力Ｆの検出感度特性は多少であるがマイナスの温度係数を有することになる。
【０１０９】
また、水晶振動子３２からのセンサ電流Ｉ３、Ｉ４を変換するＩ／Ｖ変換回路５１、５２は、プラスの温度係数を有するものが多い。これは、帰還抵抗がプラスの温度係数を有するものが通常であり、その数が多いためである。ここで、水晶振動子３２の検出感度特性とＩ／Ｖ変換回路５１、５２の温度特性を比較すると、Ｉ／Ｖ変換回路５１、５２のプラスの温度係数のほうが、水晶振動子３２のマイナスの検出感度特性より大きい。
【０１１０】
しがたって、水晶振動子３２と検出回路５０のトータルの温度特性はプラスの温度係数を有することになり、温度によって、角速度検出に誤差が生じる。この水晶振動子３２と検出回路５０のトータルの温度特性を本発明の増幅回路で相殺し、角速度検出の誤差を少なくすることが、振動型ジャイロセンサ３０の特徴である。
【０１１１】
次に、図６及び図７に基づいて振動型ジャイロセンサ３０の検出回路５０の動作について説明する。ここで、水晶振動子３２がある角速度で回転されたとすると、コリオリの力Ｆによる応力によって水晶振動子３２は、図７で示すＺ方向に共振周波数に等しい周波数で振動が励起され、この振動によって検出用枝３２ｃに形成された検出電極３５、３６に圧電歪効果による電荷が発生する。
【０１１２】
この発生した電荷により、検出電極３５、３６に微小な逆相の電流であるセンサ電流Ｉ３、Ｉ４が流れる。検出回路５０のＩ／Ｖ変換回路５１、５２は、このセンサ電流Ｉ３、Ｉ４をそれぞれ電流電圧変換して検出電圧Ｖ２０、Ｖ２１を出力し、差動増幅回路５３は、検出電圧Ｖ２０、Ｖ２１の差分を増幅して差動出力Ｖ２２を出力する。
【０１１３】
同期検波回路５４は、差動出力Ｖ２２を入力して発振回路３１から出力される検波制御信
号Ｖ１５のタイミングに合わせて効率良く同期検波を行い、直流に変換された検波出力Ｖ２３を出力する。ＬＰＦ５５は、検波出力Ｖ２３の交流成分をカットし、コリオリの力Ｆに応じた直流電圧である角速度検出信号Ｖ２４を出力する。ここで、角速度検出信号Ｖ２４は、前述した如く、主にＩ／Ｖ変換回路５１、５２の温度特性の影響によってプラスの温度係数を有し、例えば、図３（ｂ）で示したＸ９のような温度特性となる。
【０１１４】
記憶回路５７は角速度検出信号Ｖ２４の温度特性を相殺するｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗の組み合わせ情報を外部Ｉ／Ｆ５６を介して予め記憶し、切替信号Ｖ２を反転増幅回路１の切替回路３に出力する。切替回路３は、切替信号Ｖ２を入力して組み合わせ情報に基づいて複数のｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗の組み合わせの中から一つを選択し、反転増幅回路１の温度特性を決定する。
【０１１５】
反転増幅回路１は、第１の実施形態で前述した如く、切替回路３によって選択されたｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗を入力抵抗として動作し、角速度検出信号Ｖ２４を反転増幅して出力信号Ｖ３を出力する。以上の動作により反転増幅回路１は、切替回路３によって角速度検出信号Ｖ２４の温度特性を相殺する利得温度特性を選択することにより、水晶振動子３２と検出回路５０のトータルとしての温度特性を相殺出来る。
【０１１６】
したがって、温度変化に対する角速度検出の誤差が抑制され、温度条件が厳しい車載用ナビゲーション・システム等に好適な、動作温度範囲が広く高精度で信頼性に優れた振動型ジャイロセンサを提供することが出来る。
【０１１７】
尚、水晶振動子３２と検出回路５０のトータルとしての温度特性を相殺する増幅回路は、反転増幅回路１に限定されるものではなく、例えば、第２の実施形態で示した非反転増幅回路２０でも良い。また、センサ素子として用いる水晶振動子３２の種類が固定されていて、温度特性が限定される場合や、水晶振動子３２の温度特性のばらつきが少ない場合などでは、切替回路を備えていない第３、４の実施形態で示した反転増幅回路２１や非反転増幅回路２２を用いても良い。
【０１１８】
（第６の実施形態）
次に第６の実施形態として図８に基づき、本発明の増幅回路を用いた物理量センサとしての振動型ジャイロセンサで用いられる発振回路の構成を説明する。尚、図８の発振回路は、第５の実施形態である図６で示した振動型ジャイロセンサ３０の発振回路３１と基本構成は等しいので、同一要素には同一番号を付し重複する説明は省略する。図８に於いて、４５は本発明の増幅回路を用いた発振回路である。２０は図４で示した本発明の増幅回路としての非反転増幅回路であり、図６で示した発振回路３１の利得固定増幅回路４１に代えて配置した増幅回路である。
【０１１９】
この非反転増幅回路２０は、利得可変増幅回路４０からの増幅信号Ｖ１４を入力して駆動電圧Ｖｏｕｔを出力し、水晶振動子３２の駆動電極３３に供給する。外部Ｉ／Ｆ５６は外部からの制御信号Ｖ２５を入力して、メモリ入力信号Ｖ２６を出力する。記憶回路５７はメモリ入力信号Ｖ２６を入力して記憶し、切替信号Ｖ２を出力して非反転増幅回路２０の切替回路３に入力する。
【０１２０】
次に発振回路４５の動作を説明する。水晶振動子３２のＣＩ値は、前述した如く、温度に対してプラスの温度係数を有する。ここで、発振回路４５のＡＧＣ回路３９は、この水晶振動子３２の温度特性に起因する交流信号Ｖ１１の変動を検出し、制御電圧Ｖ１３を出力して利得可変増幅回路４０を制御し、Ｉ／Ｖ変換回路３７の交流信号Ｖ１１が一定となるように動作するが、その動作には限界がある。
【０１２１】
よって、交流信号Ｖ１１は温度に対してある程度変動し、マイナスの温度係数を持つ。この結果、水晶振動子３２に流れる出力電流Ｉｏｕｔも温度に対してある程度変動してマイナスの温度係数を持つので、水晶振動子３２の検出感度特性は、前述した如く、多少であるがマイナスの温度係数を持つことになる。
【０１２２】
このとき、本発明の非反転増幅回路２０が、利得可変増幅回路４０の動作を助けて利得可変増幅回路４０の動作に余裕を持たせると共に、水晶振動子３２の温度特性に起因する交流信号Ｖ１１の変動を抑制し、温度変化の影響を受けない安定した発振回路を実現することが、この実施形態の特徴である。
【０１２３】
ここで、発振回路４５の記憶回路５７は外部Ｉ／Ｆ５６を介して増幅信号Ｖ１４の温度特性を相殺する切り替え情報を予め記憶し、この情報に基づいて切替信号Ｖ２を非反転増幅回路２０の切替回路３に出力する。非反転増幅回路２０は、切替回路３によって選択されたｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗を入力抵抗として動作し、増幅信号Ｖ１４を非反転増幅して駆動電圧Ｖｏｕｔを出力し、水晶振動子３２を駆動して温度に対して安定な発振を継続する。
【０１２４】
次に図９（ａ）のグラフに基づいて、発振回路４５に於ける非反転増幅回路２０の具体的な動作を説明する。図９（ａ）に於いて、Ｘ軸は温度であり、Ｙ軸は２０℃を基準とした利得の変化率である。Ｘ１０は水晶振動子３２を含めた発振回路４５のループゲインの温度特性を示す。ここで、水晶振動子３２のＣＩ値は温度上昇によって増加するので、ループゲインの温度特性Ｘ１０は、図示するように温度の上昇によって低下する。
【０１２５】
すなわち、発振回路４５のループゲインが低下するということは、発振強度が弱まることである。この結果、温度上昇に伴って水晶振動子３２の振動速度Ｖが小さくなり、コリオリの力Ｆを検出する検出感度は低下する。
【０１２６】
次に、Ｘ１１とＸ１２は、発振回路４５に配置された本発明の非反転増幅回路２０の利得温度特性の一例である。ここで、Ｘ１１は非反転増幅回路２０の切替回路３のＭＯＳ型トランジスタＳＷ１がＯＮで、入力抵抗がｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１が選択されたときの温度特性である。Ｘ１２は非反転増幅回路２０の切替回路３のＭＯＳ型トランジスタＳＷ２がＯＮで、ｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ２とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ３が選択されたときの温度特性である。
【０１２７】
すなわち、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ１がＯＮのときは、プラスの温度係数を有する帰還抵抗のｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎｆに対して同じｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１が入力抵抗として所定の比率で選択されているので、温度特性Ｘ１１の温度係数はプラスであるがその傾きは小さい。また、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２がＯＮのときは、プラスの温度係数を有する帰還抵抗のｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎｆに対して、マイナスの温度係数を有するｐ型ポリシリコン抵抗だけが入力抵抗として選択されているので、相乗効果によって温度特性Ｘ１２の温度係数は大きなプラスとなり、温度特性Ｘ１１より傾きが大きい。
【０１２８】
ここで、図９（ａ）で明らかなように、発振回路４５のループゲインの温度特性Ｘ１０はマイナスの温度係数を有するのに対して、利得がプラスの温度係数を有する非反転増幅回路２０を発振回路４５のループ内に配置するならば、ループゲインの温度特性を相殺して温度に対して一定のループゲインを持つ発振回路を得ることが出来る。
【０１２９】
また更に、図９（ａ）から、ループゲインの温度特性Ｘ１０に対して非反転増幅回路２０の温度特性は、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２がＯＮした場合の温度特性Ｘ１２の温度係数絶対値がループゲインの温度特性Ｘ１０の温度係数絶対値にほぼ等しい。したがって、
温度特性Ｘ１２が選択されたほうが、発振回路４５のループゲインを温度に対して安定させることが理解出来る。ここで、Ｘ１７は非反転増幅回路２０が温度特性Ｘ１２に選択されたときの発振回路４５のループゲインを示しており、その温度特性は非反転増幅回路２０に相殺されて、ほぼフラットである。
【０１３０】
次に図９（ｂ）は、発振回路４５に非反転増幅回路２０を配置した場合と配置しない場合の利得可変増幅回路４０の利得の変化率の一例を示している。図９（ｂ）に於いて、Ｘ軸は温度であり、Ｙ軸は２０℃を基準とした利得の変化率である。ここで、Ｘ１３は、発振回路４５に非反転増幅回路２０を配置しない場合の温度に対する利得可変増幅回路４０の利得温度特性である。
【０１３１】
Ｘ１４は、発振回路４５に非反転増幅回路２０を配置してＭＯＳ型トランジスタＳＷ１をＯＮした場合の温度に対する利得可変増幅回路４０の利得温度特性である。Ｘ１５は、発振回路４５に非反転増幅回路２０を配置してＭＯＳ型トランジスタＳＷ２をＯＮした場合の温度に対する利得可変増幅回路４０の利得温度特性である。
【０１３２】
図９（ｂ）から明らかなように、非反転増幅回路２０を配置しない場合の利得可変増幅回路４０の利得は、温度変化に対して水晶振動子３２のＣＩ値の変動を補おうとして大きく変動する。しかし、発振回路４５に非反転増幅回路２０を配置すると、非反転増幅回路２０の利得温度特性はプラスの温度係数を有するので、利得可変増幅回路４０の動作を助けて利得可変増幅回路４０の利得の変動はかなり抑制される。
【０１３３】
特に、ＭＯＳ型トランジスタＳＷ２をＯＮした場合の温度特性Ｘ１５は、温度変化に対してフラットに近いものであり、非反転増幅回路２０の利得温度特性が大きく寄与して利得可変増幅回路４０の動作を助け、水晶振動子３２の温度特性を相殺していることが理解出来る。
【０１３４】
次に、図１０に基づいて、発振回路４５の利得可変増幅回路４０の動作範囲の観点から非反転増幅回路２０の効果を説明する。図１０に於いて、Ｘ軸は利得可変増幅回路４０の利得を制御する制御電圧Ｖ１３であり、Ｙ軸は利得可変増幅回路４０の利得である。ここで、Ｘ１６は、利得可変増幅回路４０の利得が制御電圧Ｖ１３によって推移する利得特性の一例を示している。
【０１３５】
すなわち、利得可変増幅回路４０は、制御電圧Ｖ１３が０Ｖ近傍のとき、利得は約１倍であり、制御電圧Ｖ１３が最大のＶｍａｘのとき、利得は約５倍であって、この約１倍から約５倍までの利得の範囲が利得可変増幅回路４０の最大利得動作範囲である。
【０１３６】
ここで、利得可変増幅回路４０の本来の主な働きは、前述した如く、水晶振動子３２のＣＩ値の製造ばらつきを吸収するものであり、例えば、ＣＩ値が大きい水晶振動子３２に対しては制御電圧Ｖ１３がＶｍａｘに近づくことによって利得を大きくして発振回路４５のループゲインの低下を抑制する。また、ＣＩ値が小さい水晶振動子３２に対しては制御電圧Ｖ１３が０Ｖに近づくことによって利得を小さくして発振回路４５のループゲインの上昇を抑制し、安定した発振を維持する。
【０１３７】
しかし、水晶振動子３２のＣＩ値が温度によって変動すると、利得可変増幅回路４０は温度によるＣＩ値の変動を吸収するように動作するので、ＣＩ値の製造ばらつきの吸収が出来なくなる。例えば、利得特性Ｘ１６上の利得ＧａとＧｂ間は、発振回路４５に非反転増幅回路２０を配置しない従来の場合の温度変化（−４０〜＋８０℃）に対する利得可変増幅回路４０の動作範囲の一例である。
【０１３８】
この場合の利得は、温度変化によって２倍弱から４倍強まで変動し、その動作範囲は利得可変増幅回路４０の最大利得動作範囲に近づいており、この状態で水晶振動子３２のＣＩ値が製造ばらつきで変動すると、利得可変増幅回路４０ではＣＩ値のばらつきを吸収することは、ほとんど出来ない。
【０１３９】
すなわち、発振回路４５が水晶振動子３２のＣＩ値の製造ばらつきを吸収出来なければ、発振が不安定になり、発振停止の可能性もあるので、限られたＣＩ値の水晶振動子だけしか使用出来ず、ＣＩ値が大きいものや小さいものは破棄しなければならないので、水晶振動子のコストアップとなって大きな問題である。
【０１４０】
次に利得特性Ｘ１６上の利得ＧｃとＧｄ間は、発振回路４５に非反転増幅回路２０を配置してＭＯＳ型トランジスタＳＷ１をＯＮした場合の温度変化（−４０〜＋８０℃）に対する利得可変増幅回路４０の動作範囲の一例である。この場合の利得は、約２．５倍から約３．５倍までの変動に抑制されている。また、利得特性Ｘ１６上の利得ＧｅとＧｆ間は、発振回路４５に非反転増幅回路２０を配置してＭＯＳ型トランジスタＳＷ２をＯＮした場合の温度変化（−４０〜＋８０℃）に対する利得可変増幅回路４０の動作範囲の一例であり、利得は約３倍付近で僅かに変動するだけである。
【０１４１】
このように、発振回路４５に非反転増幅回路２０を配置し、水晶振動子３２の温度特性に応じて切替回路３によって非反転増幅回路２０の温度特性を適切に選択するならば、温度変化による利得可変増幅回路４０の動作範囲を狭められる。したがって、利得可変増幅回路４０は、最大利得動作範囲の大部分を使って水晶振動子３２のＣＩ値の製造ばらつきを吸収することが出来、利得可変増幅回路４０の本来の働きを取り戻すことが出来る。
【０１４２】
よって、本発明の増幅回路である非反転増幅回路２０を発振回路４５に配置することにより、水晶振動子３２のＣＩ値の製造ばらつきに幅広く対応した発振回路を実現することが出来るので、ＣＩ値がばらついた水晶振動子の破棄を防ぐことが出来る。また、利得可変増幅回路４０は最大利得動作範囲に対して余裕のある動作が出来るので、ＡＧＣ回路３９のロック時間が短くなり、安定した発振動作を維持することが出来る。
【０１４３】
また、発振回路４５のループゲインの低下を非反転増幅回路２０で抑えることが出来るので、利得可変増幅回路４０は高利得回路にする必要が無く、動作が安定し消費電力も減らすことが可能となる。
【０１４４】
尚、発振回路４５に配置する増幅回路は非反転増幅回路２０に限定されず、例えば、ＣＩ値の温度特性のばらつきが小さい水晶振動子を用いることが出来るならば、切替回路の無い第４の実施形態で示した非反転増幅回路２２を用いても良い。この場合は、切替回路に切替信号Ｖ２を出力する記憶回路５７や外部Ｉ/Ｆ５６が不要であることはもちろんである。
【０１４５】
（第７の実施形態）
次に、図１１（ａ）に基づいて、本発明の増幅回路の応用であるＩ／Ｖ変換回路の実施形態を説明する。図１１（ａ）のＩ／Ｖ変換回路は、帰還抵抗に流れる電流を電圧変換する増幅回路であることが特徴である。尚、第１の実施形態の図１で示した増幅回路と同一要素には同一番号を付し重複する説明は一部省略する。図１１（ａ）に於いて、２３は本発明の増幅回路としてのＩ／Ｖ変換回路である。
【０１４６】
２は角速度や加速度等を検出するセンサ素子であり、センサ電流Ｉｓを出力する。Ｉ／Ｖ変換回路２３の演算増幅器５のマイナス入力端子は、センサ素子２からのセンサ電流Ｉｓを入力し、プラス入力端子はＧＮＤに接地されている。また、演算増幅器５のマイナス入力端子と出力端子はｎ型ポリシリコン抵抗の帰還抵抗Ｒｎｆとｐ型ポリシリコン抵抗の帰還抵抗Ｒｐｆとによって接続され、出力端子からは出力信号Ｖ３が出力される。
【０１４７】
次にＩ／Ｖ変換回路２３の動作を説明する。センサ素子２からセンサ電流ＩｓがＩ／Ｖ変換回路２３に流れると、演算増幅器５のマイナス入力端子は高インピーダンスであるのでほとんど電流は流れず、センサ電流Ｉｓは帰還抵抗ＲｎｆとＲｐｆに流れる。これにより、出力信号Ｖ３は図１１（ａ）に示す式８の電圧が出力され、電流／電圧変換が実行される。尚、センサ電流Ｉｓは演算増幅器５のマイナス入力端子に加えられるので、出力信号Ｖ３はセンサ電流Ｉｓに対して反転した電圧となる。
【０１４８】
ここで、帰還抵抗としてのｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎｆとｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐｆは、図３（ａ）に示したように、相反する温度係数を有しているので、ｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎｆとｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐｆの温度係数に応じて抵抗値の比率を組み合わせるならば、温度特性がフラットな帰還抵抗を形成出来る。
【０１４９】
これにより、Ｉ／Ｖ変換回路２３は、周囲温度が大きく変動したとしてもセンサ素子２のセンサ電流Ｉｓを温度に関わらず忠実に電圧変換することが出来るので、広い温度範囲で高精度に変換出来るセンサ素子用のＩ／Ｖ変換回路として好適である。また、センサ素子２の温度特性を相殺するように、ｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎｆとｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐｆの抵抗値の比率を組み合わせて温度特性を待たせるならば、Ｉ／Ｖ変換回路２３は、センサ素子２の温度特性を相殺する変換回路として利用することが出来る。
【０１５０】
尚、Ｉ／Ｖ変換回路２３は、等価入力インピーダンスが低く、また、帰還抵抗を大きくすれば出力信号Ｖ３を大きく出来るので、Ｓ／Ｎ比に優れた変換回路である。
【０１５１】
（第８の実施形態）
次に図１１（ｂ）のＩ／Ｖ変換回路を説明する。このＩ／Ｖ変換回路は入力抵抗に流れる電流を電圧変換する増幅回路であることが特徴である。尚、第１の実施形態の図１で示した増幅回路と同一要素には同一番号を付し重複する説明は一部省略する。図１１（ｂ）に於いて、２４は本発明の増幅回路としてのＩ／Ｖ変換回路である。
【０１５２】
２は角速度や加速度等を検出するセンサ素子であり、センサ電流Ｉｓを出力する。Ｉ／Ｖ変換回路２４の演算増幅器５のプラス入力端子は、センサ素子２からのセンサ電流Ｉｓを入力し、マイナス入力端子と出力端子は結合され、出力端子からは出力信号Ｖ３が出力される。また、演算増幅器５のプラス入力端子は入力抵抗としてのｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１を介してＧＮＤに接地されている。
【０１５３】
次にＩ／Ｖ変換回路２４の動作を説明する。センサ素子２からセンサ電流ＩｓがＩ／Ｖ変換回路２４に流れると、演算増幅器５のプラス入力端子は高インピーダンスであるのでほとんど電流は流れず、センサ電流Ｉｓは入力抵抗Ｒｎ１とＲｐ１に流れる。これにより、演算増幅器５のプラス入力端子とマイナス入力端子は同電位となるように動作するので、出力信号Ｖ３は図１１（ｂ）に示す式９の電圧が出力され、電流／電圧変換が実行される。
【０１５４】
ここで、入力抵抗としてのｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１は、図３（ａ）に示したように、相反する温度係数を有しているので、ｎ型ポリシリコン抵抗Ｒｎ１とｐ型ポリシリコン抵抗Ｒｐ１の温度係数に応じて抵抗値の比率を組み合わせるならば、温度特性がフラットな入力抵抗を形成出来る。これにより、Ｉ／Ｖ変換回路２４は、Ｉ／Ｖ変換回路２３と同様に周囲温度が大きく変動したとしてもセンサ素子２のセンサ電流Ｉｓを温度に関わらず忠実に電圧変換することが出来るので、広い温度範囲で高精度に変換出来るセンサ素子用のＩ／Ｖ変換回路として好適である。
【０１５５】
尚、Ｉ／Ｖ変換回路２４は、入力抵抗を大きくするとＳ／Ｎ比が悪化し、また、浮遊容量の影響を受けやすくなるので、センサ電流Ｉｓが比較的大きい用途に適している。また、Ｉ／Ｖ変換回路２３、２４に用いるポリシリコン抵抗は、前述した如く、シリコン基板上にＭＯＳ型トランジスタ等を形成するプロセスと同一のプロセスで形成することが出来るので、Ｉ／Ｖ変換回路を他の回路と共にワンチップＩＣ化することが容易であり、コストが安く信頼性の高いＩ／Ｖ変換回路を提供することが出来る。
【０１５６】
また、Ｉ／Ｖ変換回路２３、２４は、入力抵抗や帰還抵抗に切替手段としての切替回路を配置し、ｎ型ポリシリコン抵抗とｐ型ポリシリコン抵抗の抵抗値比率の組み合わせを切り替えることにより、センサ素子２の微妙な温度特性を高精度に相殺する柔軟性のある変換回路を実現することが出来る。また、Ｉ／Ｖ変換回路２３、２４を前述した第５の実施形態の振動型ジャイロセンサ３０のＩ／Ｖ変換回路３７、５１、５２等に適応するならば、温度に対して更に安定した高性能の振動型ジャイロセンサを実現することが出来る。
【０１５７】
尚、本発明の実施形態で示した切替回路３のＭＯＳ型トランジスタＳＷ１、ＳＷ２は、電気的なスイッチであればどのような形態でも良く、例えば、バイポーラトランジスタや機械式スイッチ、またはプリント基板のパターンカット等でも良い。また、振動型ジャイロセンサ３０の発振回路４５や検出回路５０に用いた記憶回路５７は、不揮発性メモリに限定されず、論理を記憶するものであれば、どのようなものを用いても良い。
【０１５８】
また、振動型ジャイロセンサ３０の発振回路４５の非反転増幅回路２０や検出回路５０の反転増幅回路１は、説明の都合上、別々に配置して説明したが、この構成に限定されず、発振回路４５の非反転増幅回路２０と検出回路５０の反転増幅回路１の両方を配置するならば、更に温度に対して安定な振動型ジャイロセンサを実現出来る。
【０１５９】
また、本発明の増幅回路は、発振回路４５に於いては、利得固定増幅回路として配置したが、この構成にも限定されず、例えば、Ｉ／Ｖ変換回路３７の後段に配置しても良い。また同様に、本発明の増幅回路は、検出回路５０に於いては、ＬＰＦ５５の後段に配置したが、この構成にも限定されず、例えば、差動増幅回路５３を本発明の増幅回路として構成しても良く、また、差動増幅回路５３の後段に本発明の増幅回路を配置しても良い。
【０１６０】
また、本発明の増幅回路は、物理量センサとして水晶振動子による振動型ジャイロセンサを想定して実施形態を示したが、これに限定されるものではなく、本発明の増幅回路は、セラミック圧電素子ジャイロセンサや他の方式のジャイロセンサにも適応することが出来る。
【０１６１】
また、ジャイロセンサだけでなく、どのような物理量のセンサに対しても適応することが出来、例えば、前述した如く、本発明の増幅回路は、広いダイナミックレンジを備えているので、加速度センサのように検出信号の信号レベル範囲が非常に広いセンサに対して好適な増幅回路である。尚、本発明の実施形態で示した各回路図やブロック図等は限定されるものではなく、機能を満たすものであれば任意に変更して良い。
【図面の簡単な説明】
【０１６２】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す増幅回路の回路図である。
【図２】本発明の増幅回路のポリシリコン抵抗の構造を示すＩＣの断面図である。
【図３（ａ）】本発明の増幅回路に使用されるポリシリコン抵抗の温度特性を示すグラフである。
【図３（ｂ）】本発明の増幅回路の利得温度特性とセンサの感度特性を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す増幅回路の回路図である。
【図５（ａ）】本発明の第３の実施形態を示す増幅回路の回路図である。
【図５（ｂ）】本発明の第４の実施形態を示す増幅回路の回路図である。
【図６】本発明の第５の実施形態を示す振動型ジャイロセンサのブロック図である。
【図７】水晶振動子の電極構造を示す断面図である。
【図８】本発明の第６の実施形態を示す振動型ジャイロセンサの発振回路のブロック図である。
【図９（ａ）】本発明の振動型ジャイロセンサの発振回路の温度特性を示すグラフである。
【図９（ｂ）】本発明の振動型ジャイロセンサの発振回路の利得可変増幅回路の温度特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の振動型ジャイロセンサの発振回路の利得可変増幅回路の動作範囲を示すグラフである。
【図１１（ａ）】本発明の第７の実施形態を示すＩ／Ｖ変換回路の回路図である。
【図１１（ｂ）】本発明の第８の実施形態を示すＩ／Ｖ変換回路の回路図である。
【図１２】従来の振動ジャイロのブロック図である。
【図１３】従来の振動ジャイロに用いられる差動回路の回路図である。
【符号の説明】
【０１６３】
１、２１  反転増幅回路
２  センサ素子
３  切替回路
４  インバータ
５、６９  演算増幅器
６、５０  検出回路
１０  シリコン基板
１１  フィールド酸化膜
１２  ｎ型ポリシリコン
１３  ｐ型ポリシリコン
１４  層間絶縁膜
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ  アルミ配線
２０、２２  非反転増幅回路
２３、２４、３７、５１、５２  Ｉ／Ｖ変換回路
３０  振動型ジャイロセンサ
３１、４５  発振回路
３２  水晶振動子
３２ａ、３２ｂ  駆動用枝
３２ｃ  検出用枝
３３、３４  駆動電極
３５、３６  検出電極
３８、５５  ＬＰＦ
３９  ＡＧＣ回路
４０  利得可変増幅回路
４１  利得固定増幅回路
４２、６４  位相回路
５３  差動増幅回路
５４、６６  同期検波回路
５６  外部Ｉ／Ｆ
５７  記憶回路
６０  振動ジャイロ
６１  振動体
６１ａ〜６１ｃ  圧電素子
６２  集積回路
６３  反転増幅器
６５  差動回路
６７  平滑回路
６８  直流増幅回路
Ｒｎ１、Ｒｎ２、Ｒｎ３、Ｒｎｆ  ｎ型ポリシリコン抵抗
Ｒｐ１、Ｒｐ２、Ｒｐ３、Ｒｐｆ  ｐ型ポリシリコン抵抗
ＳＷ１、ＳＷ２  ＭＯＳ型トランジスタ
Ｉｏｕｔ  出力電流
Ｉ１、Ｉ２  検出電流
Ｉ３、Ｉ４、Ｉｓ  センサ電流
Ｖ１  検出信号
Ｖ２  切替信号
Ｖ３  出力信号
Ｖ１１  交流信号
Ｖ１２  フィルタ出力信号
Ｖ１３  制御電圧
Ｖ１４  増幅信号
Ｖ１５  検波制御信号
Ｖ２０、Ｖ２１  検出電圧
Ｖ２２  差動出力
Ｖ２３  検波出力
Ｖ２４  角速度検出信号
Ｖ２５  制御信号
Ｖ２６  メモリ入力信号
Ｖｏｕｔ  駆動電圧
Ｓ  センサ信号
Ｘ１  ｎ型ポリシリコン抵抗の温度特性
Ｘ２  ｐ型ポリシリコン抵抗の温度特性
Ｘ３〜Ｘ８  反転増幅回路の利得温度特性
Ｘ９  センサの感度特性
Ｘ１０、Ｘ１７  発振回路のループゲインの温度特性
Ｘ１１、Ｘ１２  非反転増幅回路の利得温度特性
Ｘ１３〜Ｘ１５  利得可変増幅回路の利得温度特性
Ｘ１６  利得可変増幅回路の利得特性
【図１】
2007081530.tif 000003
【図２】
2007081530.tif 000004
【図３（ａ）】
2007081530.tif 000005
【図３（ｂ）】
2007081530.tif 000006
【図４】
2007081530.tif 000007
【図５（ａ）】
2007081530.tif 000008
【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図１０】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１２】
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【図１３】
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