(57)【要約】【課題】有効な検出範囲をできるだけ確保しながら出力電圧範囲を所望の範囲に制限することが可能な角速度検出回路、集積回路装置及び角速度検出装置を提供すること。【解決手段】角速度検出回路（検出回路３０）は、角速度検出素子４の出力信号に含まれる角速度成分を検波する検波部（同期検波回路３４０）と、検波部（同期検波回路３４０）の出力信号に基づいて角速度信号を生成する角速度信号生成部と、を含む。角速度信号生成部は、角速度検出素子４の検出感度に応じて角速度信号の電圧範囲を調整する感度調整部（可変ゲインアンプ３６０）と、感度調整部（可変ゲインアンプ３６０）の後段に設けられ、角速度信号の電圧を所望の範囲に制限する電圧制限部（電圧制限回路３７０）と、を含む。【選択図】図２
2013019834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
角速度検出素子の出力信号に基づいて角速度の大きさに応じた角速度信号を生成する角速度検出回路であって、
前記角速度検出素子の出力信号に含まれる角速度成分を検波する検波部と、
前記検波部の出力信号に基づいて前記角速度信号を生成する角速度信号生成部と、を含み、
前記角速度信号生成部は、
前記角速度検出素子の検出感度に応じて前記角速度信号の電圧範囲を調整する感度調整部と、
前記感度調整部の後段に設けられ、前記角速度信号の電圧を所望の範囲に制限する電圧制限部と、を含む、角速度検出回路。
【請求項２】
請求項１において、
前記電圧制限部は、反転増幅器である、角速度検出回路。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記角速度信号生成部は、
前記電圧制限部の後段に設けられたフィルター部をさらに含む、角速度検出回路。
【請求項４】
請求項１又は２において、
前記角速度信号生成部は、
前記検波部の後段かつ前記電圧制限部の前段に設けられたフィルター部をさらに含む、角速度検出回路。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記感度調整部の基準電位と前記電圧制限部の基準電位が同じである、角速度検出回路。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記電圧制限部のゲインの絶対値が１である、角速度検出回路。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の角速度検出回路を含む、集積回路装置。
【請求項８】
請求項７に記載の集積回路装置と、
角速度検出素子と、を含む、角速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度検出回路、集積回路装置及び角速度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、デジタルカメラ、ナビゲーション装置、携帯電話など、様々な電子機器にジャイロセンサーが搭載されている。近年、ジャイロセンサーの小型化と高い検出精度が要求されるようになり、これらの要求を満たすジャイロセンサーとして、例えば、水晶振動子の共振現象を利用した振動ジャイロセンサーが広く使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９２６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、角速度データを用いるアプリケーションの種類によっては、±数百ｄｐｓ（deg/sec）の広い検出範囲を有するジャイロセンサーが要求される場合がある。一方、ジャイロセンサーの後段の装置での入力電圧の許容範囲の制約等の様々な事情から、ジャイロセンサーの出力電圧を所望の範囲に制限したい場合がある。ところが、基準電圧（アナロググランド電圧）や感度など各パラメーターのばらつきや電源電圧の変動を加味すると、ジャイロセンサーの出力電圧を所望の範囲に制限するためには、検出範囲を狭くして多くのマージンを確保しなければならず、有効な検出範囲を広く確保することが難しかった。
【０００５】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、有効な検出範囲をできるだけ確保しながら出力電圧範囲を所望の範囲に制限することが可能な角速度検出回路、集積回路装置及び角速度検出装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明は、角速度検出素子の出力信号に基づいて角速度の大きさに応じた角速度信号を生成する角速度検出回路であって、前記角速度検出素子の出力信号に含まれる角速度成分を検波する検波部と、前記検波部の出力信号に基づいて前記角速度信号を生成する角速度信号生成部と、を含み、前記角速度信号生成部は、前記角速度検出素子の検出感度に応じて前記角速度信号の電圧範囲を調整する感度調整部と、前記感度調整部の後段に設けられ、前記角速度信号の電圧を所望の範囲に制限する電圧制限部と、を含む。
【０００７】
本発明の角速度検出回路によれば、電圧制限部を設けることで、基準電圧や感度など各パラメーターのばらつきや電源電圧の変動を考慮した過大なマージンを確保しなくてもよいので、有効な検出範囲を不要に狭くする必要がない。
【０００８】
また、本発明の検出回路によれば、電圧制限部を感度調整部の後段に設けているので、角速度検出素子の特性に応じて感度調整を行った後、感度調整がされた信号に対して出力電圧を所望の範囲に制限することができる。角速度検出素子の特性ばらつきによらず、所望の検出範囲内でできるだけ広い検出範囲を確保することができる。
【０００９】
（２）この角速度検出回路において、前記電圧制限部は、反転増幅器であるようにしてもよい。
【００１０】
反転増幅器の基準電位をＶｒｅｆ、反転増幅器のゲインをＧ（Ｇ＜０）、グランド電位をＶｇｎｄとすると、反転増幅器の出力電圧Ｖｏの下限はＶｇｎｄに制限され、上限は−Ｇ×（Ｖｒｅｆ−Ｖｇｎｄ）＋Ｖｒｅｆに制限される。従って、電圧制限部を反転増幅器で実現することで、反転増幅器の入力電圧が規定の範囲を超えても出力電圧範囲を制限することができる。
【００１１】
（３）この角速度検出回路において、前記角速度信号生成部は、前記電圧制限部の後段に設けられたフィルター部をさらに含むようにしてもよい。
【００１２】
（４）この角速度検出回路において、前記角速度信号生成部は、前記検波部の後段かつ前記電圧制限部の前段に設けられたフィルター部をさらに含むようにしてもよい。
【００１３】
（５）この角速度検出回路において、前記感度調整部の基準電位と前記電圧制限部の基準電位が同じであるようにしてもよい。
【００１４】
（６）この角速度検出回路において、前記電圧制限部のゲインの絶対値が１であるようにしてもよい。
【００１５】
例えば、電圧制限部が反転増幅器であれば、当該反転増幅器のゲインが−１であるようにしてもよい。反転増幅器の基準電位をＶｒｅｆ、反転増幅器のゲインを−１、グランド電位をＶｇｎｄとすると、反転増幅器の出力電圧Ｖｏの下限はＶｇｎｄに制限され、上限は２×Ｖｒｅｆ−Ｖｇｎｄに制限される。すなわち、反転増幅器の出力電圧の上限と下限を基準電位に対して対称にすることができる。
【００１６】
（７）本発明は、上記のいずれかの角速度検出回路を含む、集積回路装置である。
【００１７】
（８）本発明は、上記の集積回路装置と、角速度検出素子と、を含む、角速度検出装置である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の角速度検出装置の機能ブロック図。
【図２】第１実施形態の検出回路の構成例を示す図。
【図３】可変ゲインアンプの構成例を示す図。
【図４】電圧制限回路の構成例を示す図。
【図５】第１実施形態において電源電圧が規定値の場合の波形例を示す図。
【図６】第１実施形態において電源電圧が規定値を超えた場合の波形例を示す図。
【図７】第２実施形態の検出回路の構成例を示す図。
【図８】第２実施形態において電源電圧が規定値の場合の波形例を示す図。
【図９】第２実施形態において電源電圧が規定値を超えた場合の波形例を示す図。
【図１０】第２実施形態において電源電圧が規定値の場合の他の波形例を示す図。
【図１１】第２実施形態において電源電圧が規定値を超えた場合の他の波形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２０】
１．角速度検出装置
図１は、本実施形態の角速度検出装置の機能ブロック図である。本実施形態の角速度検出装置１は、角速度検出素子４と角速度検出用ＩＣ（集積回路装置）２を含んで構成されている。
【００２１】
本実施形態の角速度検出素子４は、２本のＴ型の駆動振動腕とともにその間に１本の検出振動腕を有するいわゆるダブルＴ型の水晶振動片に２つの駆動電極と２つの検出電極が形成され、不図示のパッケージに封止されている。ただし、角速度検出素子４の振動片は、ダブルＴ型でなくてもよく、例えば、音叉型やくし歯型であってもよいし、三角柱、四角柱、円柱状等の形状の音片型であってもよい。また、角速度検出素子４の振動片の材料としては、水晶（ＳｉＯ２）の代わりに、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等の圧電単結晶やジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックスなどの圧電性材料を用いてもよいし、シリコン半導体を用いてもよい。また、例えば、シリコン半導体の表面の一部に、駆動電極に挟まれた酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電薄膜を配置した構造であってもよい。
【００２２】
角速度検出素子４の２本の駆動振動腕は、駆動信号として交流電圧信号が与えられると、逆圧電効果によって、互いの先端が接近と離間を繰り返す屈曲振動（励振振動）をする。この２本の駆動振動腕の屈曲振動の振幅が等しければ、２本の駆動振動腕は検出振動腕に対して常に線対称な関係で屈曲振動をするので、検出振動腕は振動を起こさない。
【００２３】
この状態で、角速度検出素子４の励振振動面に垂直な軸を回転軸とする角速度が加わると、２本の駆動振動腕は、屈曲振動の方向と回転軸の両方に垂直な方向にコリオリの力を得る。その結果、２本の駆動振動腕の屈曲振動の対称性が崩れ、検出振動腕は、バランスを保つように屈曲振動をする。このコリオリ力に伴う検出振動腕の屈曲振動と駆動振動腕の屈曲振動（励振振動）とは位相が９０°ずれている。
【００２４】
ただし、実際には、コリオリ力が加わっていなくても２本の駆動振動腕の屈曲振動の振幅がわずかに異なるため、検出振動腕はバランスを保つようにわずかに屈曲振動をする。この屈曲振動は漏れ振動と呼ばれ、駆動信号とは同位相である。そして、圧電効果によってこれらの屈曲振動に基づく逆位相（位相が１８０°異なる）の交流電荷が２つの検出電極に発生する。コリオリ力に基づいて発生する交流電荷は、コリオリ力の大きさ（言い換えれば、角速度検出素子４に加わる角速度の大きさ）に応じて変化するのに対して、漏れ振動に基づいて発生する交流電荷は、角速度検出素子４に加わる角速度の大きさに関係せず一定である。
【００２５】
角速度検出素子４の２つの駆動電極は、それぞれ角速度検出用ＩＣ２のＤＳ端子とＤＧ端子に接続されている。また、角速度検出素子４の２つの検出電極は、それぞれ角速度検出用ＩＣ２のＳ１端子とＳ２端子に接続されている。
【００２６】
本実施形態の角速度検出用ＩＣ２は、電源回路１０、駆動回路２０、検出回路（角速度検出回路）３０、基準回路４０、不揮発メモリー５０、シリアルインターフェース回路６０を含んで構成されている。なお、本実施形態の角速度検出用ＩＣ２は、これらの一部の構成（要素）を省略したり、他の構成（要素）を追加した構成としてもよい。
【００２７】
電源回路１０は、ＶＤＤ端子，ＶＳＳ端子からそれぞれ電源電圧ＶＤＤ（例えば３Ｖ）とグランド電圧ＧＮＤ（０Ｖ）が供給され、角速度検出用ＩＣ２の内部の電源電圧を生成する。
【００２８】
基準回路４０は、電源回路１０が生成する電源電圧から基準電位Ｖｒｅｆ（アナロググランド電圧）などの定電圧や定電流を生成し、駆動回路２０や検出回路３０に供給する。
【００２９】
駆動回路２０は、角速度検出素子４を励振振動させるための駆動信号を生成し、ＤＳ端子を介して角速度検出素子４の一方の駆動電極に供給する。また、駆動回路２０は、角速度検出素子４の励振振動により他方の駆動電極に発生する駆動電流（水晶電流）がＤＧ端子を介して入力され、この駆動電流の振幅が一定に保持されるように駆動信号の振幅レベルをフィードバック制御する。また、駆動回路２０は、検出回路３０に含まれる同期検波回路の参照信号やスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）のクロック信号を生成する。
【００３０】
検出回路３０は、Ｓ１端子とＳ２端子を介して、角速度検出素子４の２つの検出電極の各々に発生する交流電荷（検出電流）がそれぞれ入力され、これらの交流電荷（検出電流）に含まれる角速度成分のみを検出し、角速度の大きさに応じた電圧レベルの信号（角速度信号）を生成し、ＶＯ端子を介して外部に出力する。この角速度信号は、例えば、ＶＯ端子に接続された不図示のマイクロコンピューターにおいてＡ／Ｄ変換され、角速度データとして種々の処理に用いられる。なお、本実施形態の角速度検出用ＩＣ２にＡ／Ｄ変換器を内蔵し、角速度を表すデジタルデータを、例えばシリアルインターフェース回路６０を介して外部に出力するようにしてもよい。
【００３１】
不揮発メモリー５０は、駆動回路２０や検出回路３０に対する各種の調整データを保持し、例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）として構成することができる。
【００３２】
シリアルインターフェース回路６０は、ＣＬＫ端子とＤＡＴＡ端子を介して、それぞれクロック信号とシリアルデータ信号による２線論理で不揮発メモリー５０に対する調整データの書き込みや読み出しの処理などを行う。なお、不揮発メモリー５０にデータを書き込む際は、メモリー素子に保持されているデータを反転させるのに十分なエネルギーを供給するため、ＶＰＰ端子を介して高電源電圧（例えば１５Ｖ以上）が供給される。
【００３３】
２．角速度検出回路
２−１．第１実施形態
図２は、第１実施形態の検出回路（角速度検出回路）３０の構成例を示す図である。図２に示すように、第１実施形態の検出回路３０は、チャージアンプ（ＱＶアンプ）３００，３０２、差動アンプ３１０、ハイパスフィルター３２０、ＡＣアンプ３３０、同期検波回路３４０、オフセット調整ＤＡＣ３４２、ローパスフィルター３５０、可変ゲインアンプ（ＰＧＡ：Programmable Gain Amp.）３６０、電圧制限回路３７０、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０を含んで構成されている。なお、本実施形態の検出回路３０は、これらの一部の構成（要素）を省略したり、他の構成（要素）を追加した構成としてもよい。
【００３４】
チャージアンプ３００には、Ｓ１端子を介して角速度検出素子４の一方の検出電極（第１の検出電極）から角速度成分と振動漏れ成分を含む交流電荷が入力される。同様に、チャージアンプ３０２には、Ｓ２端子を介して角速度検出素子４の他方の検出電極（第２の検出電極）から角速度成分と振動漏れ成分を含む交流電荷が入力される。このチャージアンプ３００及び３０２は、それぞれ入力された交流電荷を交流電圧信号に変換する。チャージアンプ３００の出力信号とチャージアンプ３０２の出力信号の位相は互いに逆位相である（１８０°ずれている）。
【００３５】
差動アンプ３１０は、チャージアンプ３００の出力信号とチャージアンプ３０２の出力信号を差動増幅する。差動アンプ３１０により、同相成分はキャンセルされ、逆相成分は加算増幅される。
【００３６】
ハイパスフィルター３２０は、差動アンプ３１０の出力信号に含まれる直流成分をキャンセルし、ＡＣアンプ３３０は、ハイパスフィルター３２０の出力信号をＡＣ増幅する。
【００３７】
同期検波回路３４０は、ＡＣアンプ３３０の出力信号に含まれる角速度成分を、駆動回路２０が生成する参照信号ＳＤＥＴで同期検波する。同期検波回路３４０は、例えば、参照信号ＳＤＥＴの電圧レベルがアナロググランド電圧よりも高い時はＡＣアンプ３３０の出力信号をそのまま選択し、参照信号ＳＤＥＴの電圧レベルがアナロググランド電圧よりも低い時はＡＣアンプ３３０の出力信号をアナロググランド電圧に対して反転した信号を選択するスイッチ回路として構成することができる。
【００３８】
ＡＣアンプ３３０の出力信号には角速度成分と振動漏れ成分が含まれているが、この角速度成分は参照信号ＳＤＥＴと同位相であるのに対して、振動漏れ成分は逆位相である。そのため、同期検波回路３４０により角速度成分は検波されるが、振動漏れ成分は検波されないようになっている。
【００３９】
また、同期検波回路３４０では、オフセット調整ＤＡＣ３４２の出力電圧に応じたオフセット調整（０点調整）が行われる。オフセット調整ＤＡＣ３４２は、不揮発メモリー５０に記憶されたオフセット調整データが入力され、オフセット調整データに応じた電圧を出力する。検査工程において、角速度検出素子４の特性に応じたオフセット調整データを求めて不揮発メモリー５０に記憶させておくことで、角速度検出素子４の特性ばらつきを吸収し、０点電圧が一定電圧（例えばアナロググランド電圧）になるようにオフセット調整を行うことができる。
【００４０】
ローパスフィルター３５０は、同期検波回路３４０の出力信号に含まれる高周波成分（参照信号ＳＤＥＴ及びその高調波成分など）を低減させるとともに仕様で決められる周波数範囲の信号を抽出して出力する。また、ローパスフィルター３５０は、後段のスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０に対するプリフィルターとしても機能する。
【００４１】
可変ゲインアンプ３６０は、不揮発メモリー５０に記憶されたゲイン調整データが入力され、ローパスフィルター３５０の出力信号をゲイン調整データに応じて増幅又は減衰させて出力する。検査工程において、角速度検出素子４の特性に応じたゲイン調整データを求めて不揮発メモリー５０に記憶させておくことで、角速度検出素子４の特性ばらつきを吸収し、角速度の検出範囲が一定になるように感度調整を行うことができる。
【００４２】
電圧制限回路３７０は、ＶＯ端子を介して外部に出力される角速度信号の電圧レベルが所望の範囲を超えないように制限する。
【００４３】
スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０（フィルターの一例）は、駆動回路２０が生成するクロック信号ＳＣＦＣＬＫに基づいて電圧制限回路３７０の出力信号をローパス処理する。本実施形態では、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力信号が角速度信号としてＶＯ端子から出力される。
【００４４】
なお、本実施形態では、同期検波回路３４０が検波部に相当する。また、ローパスフィルター３５０、可変ゲインアンプ（ＰＧＡ：Programmable Gain Amp.）３６０、電圧制限回路３７０及びスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０を含む回路部分が、角速度信号生成部に相当する。また、可変ゲインアンプ（ＰＧＡ）３６０と電圧制限回路３７０は、それぞれ、感度調整部と電圧制限部に相当する。
【００４５】
図３は、可変ゲインアンプ（ＰＧＡ）３６０の構成例を示す図である。図３に示すように、可変ゲインアンプ（ＰＧＡ）３６０は、例えば、演算増幅器（オペアンプ）３６２の出力端子と基準電位Ｖｒｅｆの間に２つの可変抵抗３６４，３６６を直列に接続し、可変抵抗３６４，３６６の接続点と、演算増幅器（オペアンプ）３６２の非反転入力端子（＋入力端子）とを接続し、演算増幅器（オペアンプ）３６２の反転入力端子（−入力端子）に入力信号（ローパスフィルター３５０の出力信号）を供給することで実現することができる。そして、演算増幅器（オペアンプ）３６２の出力信号が電圧制限回路３７０に入力される。
【００４６】
可変抵抗３６４，３６６は、例えば、演算増幅器（オペアンプ）３６２の出力端子と基準電位Ｖｒｅｆの間に複数の抵抗を直列に接続し、抵抗間の各接続点と演算増幅器（オペアンプ）３６２の非反転入力端子（＋入力端子）との間にそれぞれスイッチを接続し、ゲイン調整データに応じて各スイッチの開閉を制御することで実現することができる。
【００４７】
図４は、電圧制限回路３７０の構成例を示す図である。図４に示すように、電圧制限回路３７０は、例えば、演算増幅器（オペアンプ）３７２の反転入力端子（−入力端子）と演算増幅器（オペアンプ）３７２の出力端子の間に抵抗３７６を接続し、演算増幅器（オペアンプ）３７２の非反転入力端子（＋入力端子）を基準電位Ｖｒｅｆに接続し、抵抗３７４を介して演算増幅器（オペアンプ）３７２の反転入力端子（−入力端子）に入力信号（可変ゲインアンプ３６０の出力信号）を供給することで、反転増幅器（反転増幅型のＤＣアンプ）として実現することができる。そして、演算増幅器（オペアンプ）３７２の出力信号がスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０に入力される。
【００４８】
図４の抵抗３７４の抵抗値をＲ１、抵抗３７６の抵抗値をＲ２、可変ゲインアンプ３６０の出力電圧をＶＰＧＡＯとすると、電圧制限回路３７０（反転増幅器）の出力電圧ＶＤＣＯは、次式（１）で表される。
【００４９】
【数１】
2013019834.tif 000003
【００５０】
ＶＰＧＡＯ≧ＧＮＤ（０Ｖ）なので、式（１）より、ＶＰＧＡＯ＝ＧＮＤ（０Ｖ）の時にＶＤＣＯが最大となり、ＶＤＣＯの最大値は次式（２）で与えられる。
【００５１】
【数２】
2013019834.tif 000004
【００５２】
一方、ＶＰＧＡＯ≦ＶＤＤなので、ＶＰＧＡＯ＝ＶＤＤの時にＶＤＣＯが最小となり、ＶＤＣＯの最小値は次式（３）で与えられる。
【００５３】
【数３】
2013019834.tif 000005
【００５４】
ただし、ＶＤＣＯはＧＮＤ（０Ｖ）よりも低くはなり得ないので、ＶＤＤ≧（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２×Ｖｒｅｆの時は、ＶＤＣＯの最小値はＧＮＤ（０Ｖ）である。
【００５５】
以上より、ＶＤＣＯは、ＧＮＤ（０Ｖ）〜（Ｒ２／Ｒ１＋１）×Ｖｒｅｆの範囲に制限される。なお、電圧制限回路３７０のゲインの絶対値を１（反転増幅器のゲイン（−Ｒ２／Ｒ１）を−１）とすると、ＶＤＣＯの範囲はＧＮＤ（０Ｖ）〜２Ｖｒｅｆとなり、上限と下限を基準電位Ｖｒｅｆに対して対称にすることができる。
【００５６】
スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０のゲインをＧＳＣＦ（＞０）とすると、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力電圧ＶＳＣＦＯは、次式（４）で表される。
【００５７】
【数４】
2013019834.tif 000006
【００５８】
ＶＤＣＯはＧＮＤ（０Ｖ）〜（Ｒ２／Ｒ１＋１）×Ｖｒｅｆの範囲であるから、式（４）より、ＶＤＣＯ＝（Ｒ２／Ｒ１＋１）×Ｖｒｅｆの時にＶＳＣＦＯが最大となり、ＶＳＣＦＯの最大値は次式（５）で与えられる。
【００５９】
【数５】
2013019834.tif 000007
【００６０】
一方、ＶＤＣＯ＝ＧＮＤ（０Ｖ）の時にＶＳＣＦＯが最小となり、ＶＳＣＦＯの最小値は次式（６）で与えられる。
【００６１】
【数６】
2013019834.tif 000008
【００６２】
ただし、ＶＳＣＦＯはＧＮＤ（０Ｖ）よりも低くはなり得ないので、ＧＳＣＦ＞１の時は、ＶＳＣＦＯの最小値はＧＮＤ（０Ｖ）である。
【００６３】
スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力信号が角速度信号になるので、検出回路３０の出力電圧（角速度信号の電圧）は、ＧＮＤ（０Ｖ）〜（Ｒ２／Ｒ１×ＧＳＣＦ＋１）×Ｖｒｅｆの範囲に制限される。なお、電圧制限回路３７０のゲインの絶対値を１（反転増幅器のゲイン（−Ｒ２／Ｒ１）を−１）、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０のゲインＧＳＣＦを１とすると、検出回路３０の出力電圧（角速度信号の電圧）の範囲はＧＮＤ（０Ｖ）〜２Ｖｒｅｆとなり、上限と下限を基準電位Ｖｒｅｆに対して対称にすることができる。
【００６４】
次に、具体的な波形の例を示して、角速度検出回路３０の出力電圧が電源電圧に関係なく所望の範囲に制限されることを説明する。
【００６５】
図５及び図６は、角速度を正弦関数に従って所定範囲でゆっくりと（数Ｈｚ〜数十Ｈｚで）変化させながら角速度検出素子４に印加した場合の、可変ゲインアンプ３６０、電圧制限回路３７０、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力信号波形の一例を示す図である。図５及び図６の例では、ともに、電圧制限回路３７０（反転増幅器）のゲイン＝−１、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０のゲイン＝１、Ｖｒｅｆ＝Ｖ１／２に設定されている。
【００６６】
図５の例では、ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１と一致しており、角速度検出素子４の検出信号を受けて、可変ゲインアンプ３６０の出力（ＰＧＡＯ）の信号波形は、振幅がＶ１／２の正弦波になっている。電圧制限回路３７０の出力（ＤＣＯ）の信号波形は、Ｖｒｅｆを基準として可変ゲインアンプ３６０の出力信号を反転した正弦波（可変ゲインアンプ３６０の出力信号と逆相で振幅がＶ１／２の正弦波）となる。その結果、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力、すなわち、ＶＯ端子の信号波形（角速度信号の波形）は、電圧制限回路３７０の出力信号と同相で振幅がＶ１／２の正弦波となる。このように、ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１と一致する場合、角速度信号の電圧は必ずＧＮＤ（０Ｖ）〜Ｖ１の範囲に制限される。
【００６７】
これに対して、図６の例では、角速度検出素子４に図５の例と同じ角速度が加わっているが、ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１を超えているため、可変ゲインアンプ３６０の出力（ＰＧＡＯ）の信号波形は、振幅がＶＤＤ−Ｖ１／２の正弦波がＧＮＤ（０Ｖ）でクリップした波形になっている。電圧制限回路３７０の出力（ＤＣＯ）の信号波形は、可変ゲインアンプ３６０の出力電圧がＧＮＤ（０Ｖ）〜Ｖ１の範囲はＶｒｅｆを基準として可変ゲインアンプ３６０の出力信号を反転した波形になり、可変ゲインアンプ３６０の出力電圧がＶ１〜ＶＤＤの範囲はＧＮＤ（０Ｖ）にクリップされる。すなわち、電圧制限回路３７０の出力（ＤＣＯ）の信号波形は、必ずＧＮＤ（０Ｖ）〜Ｖ１の範囲に制限される。従って、ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１を超えた場合も、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力、すなわち、ＶＯ端子の信号波形（角速度信号の波形）も、必ずＧＮＤ（０Ｖ）〜Ｖ１の範囲に制限される。
【００６８】
すなわち、図５及び図６の例から明らかなように、角速度検出回路３０の出力電圧は、電源電圧に関係なく、必ず所望の範囲に制限される。
【００６９】
以上に説明したように、本実施形態の角速度検出回路によれば、電圧制限回路３７０として反転増幅器を設けることで、基準電圧や感度など各パラメーターのばらつきや電源電圧の変動を考慮した過大なマージンを確保しなくてもよいので、有効な検出範囲を不要に狭くする必要がない。
【００７０】
また、本実施形態の角速度検出回路によれば、電圧制限回路３７０を可変ゲインアンプ（ＰＧＡ）３６０の後段に設けているので、角速度検出素子４の特性に応じて感度調整を行った後、感度調整がされた信号に対して出力電圧を所望の範囲に制限することができる。従って、角速度検出素子４の特性ばらつきによらず、できるだけ広い検出範囲を確保することができる。
【００７１】
また、本実施形態によれば、電圧制限回路３７０を反転増幅器で実現することで、入力電圧を上限電圧及び下限電圧と比較することで出力電圧範囲を制限するリミッター回路で実現する場合と比較して、回路面積や消費電力をより小さくすることができる。
【００７２】
また、本実施形態によれば、テストモードで電圧制限回路３７０（反転増幅器）の入力を角速度検出用ＩＣ２の外部端子に接続し、当該外部端子から所望の入力信号を入力してＶＯ端子の出力電圧範囲を容易に検査することができる。
【００７３】
また、例えば、角速度の検出感度（検出分解能）を高めたい場合、検出回路３０のトータルゲインを大きくする必要があり、可変ゲインアンプ（ＰＧＡ）３６０のゲインを大きくする方法が考えられる。しかし、可変ゲインアンプ（ＰＧＡ）３６０の２つの可変抵抗３６４，３６６は、一般的には、多数の抵抗と多数のスイッチで実現されるため、可変ゲインアンプ（ＰＧＡ）３６０のゲインを大きくするためには各抵抗の抵抗値を大きくする必要がある。そのため、この方法では回路面積が大幅に増加してしまう。これに対して、本実施形態では、電圧制限回路３７０として反転増幅器を設けており、この反転増幅器のゲインをＮ倍（抵抗３７６と抵抗３７４の抵抗比（Ｒ２／Ｒ１）をＮ倍）にすることで、検出回路３０のトータルゲインを大きくすることができる。これにより、可変ゲインアンプ（ＰＧＡ）３６０のゲインを大きくする場合と比較して、回路面積の増加を小さく抑えながら、角速度の検出感度（検出分解能）を高めることができる。
【００７４】
２−２．第２実施形態
図７は、第２実施形態の検出回路（角速度検出回路）３０の構成例を示す図である。図２に示すように、第２実施形態の検出回路３０は、第１実施形態と同様に、チャージアンプ（ＱＶアンプ）３００，３０２、差動アンプ３１０、ハイパスフィルター３２０、ＡＣアンプ３３０、同期検波回路３４０、オフセット調整ＤＡＣ３４２、ローパスフィルター３５０、可変ゲインアンプ（ＰＧＡ：Programmable Gain Amp.）３６０、電圧制限回路３７０、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０を含んで構成されている。なお、本実施形態の検出回路３０は、これらの一部の構成（要素）を省略したり、他の構成（要素）を追加した構成としてもよい。
【００７５】
第２実施形態の検出回路３０では、可変ゲインアンプ３６０の出力にスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０が接続され、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力に電圧制限回路３７０が接続され、電圧制限回路３７０の出力信号が角速度信号となり、ＶＯ端子を介して外部に出力される。すなわち、第２実施形態の検出回路３０は、電圧制限回路３７０とスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の接続順が第１実施形態と異なり、その他の構成は第１実施形態と同じである。
【００７６】
第２実施形態の検出回路３０では、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０のゲインをＧＳＣＦ（＞０）とすると、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力電圧ＶＳＣＦＯは、次式（７）で表される。
【００７７】
【数７】
2013019834.tif 000009
【００７８】
電圧制限回路３７０（反転増幅器）の出力電圧ＶＤＣＯは、次式（８）で表される。
【００７９】
【数８】
2013019834.tif 000010
【００８０】
式（７）に式（８）を代入すると、次式（９）が得られる。
【００８１】
【数９】
2013019834.tif 000011
【００８２】
ＶＰＧＡＯ≧ＧＮＤ（０Ｖ）なので、式（９）より、ＶＰＧＡＯ＝ＧＮＤ（０Ｖ）の時にＶＤＣＯが最大となり、ＶＤＣＯの最大値は次式（１０）で与えられる。
【００８３】
【数１０】
2013019834.tif 000012
【００８４】
一方、ＶＰＧＡＯ≦ＶＤＤなので、ＶＰＧＡＯ＝ＶＤＤの時にＶＤＣＯが最小となり、ＶＤＣＯの最小値は次式（１１）で与えられる。
【００８５】
【数１１】
2013019834.tif 000013
【００８６】
ただし、ＶＤＣＯはＧＮＤ電位（０Ｖ）よりも低くはなり得ないので、ＶＤＤ≧（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２×ＧＳＤＦ×Ｖｒｅｆの時は、ＶＤＣＯの最小値はＧＮＤ電位（０Ｖ）である。
【００８７】
本実施形態では、電圧制限回路３７０（反転増幅器）の出力信号が角速度信号になるので、検出回路３０の出力電圧（角速度信号の電圧）は、ＧＮＤ（０Ｖ）〜（Ｒ２／Ｒ１×ＧＳＣＦ＋１）×Ｖｒｅｆの範囲に制限される。なお、電圧制限回路３７０のゲインの絶対値を１（反転増幅器のゲイン（−Ｒ２／Ｒ１）を−１）、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０のゲインＧＳＣＦを１とすると、検出回路３０の出力電圧（角速度信号の電圧）の範囲はＧＮＤ（０Ｖ）〜２Ｖｒｅｆとなり、上限と下限を基準電位Ｖｒｅｆに対して対称にすることができる。
【００８８】
次に、具体的な波形の例を示して、角速度検出回路３０の出力電圧が電源電圧に関係なく所望の範囲に制限されることを説明する。
【００８９】
図８及び図９は、角速度を正弦関数に従って所定範囲でゆっくりと（数Ｈｚ〜数十Ｈｚで）変化させながら角速度検出素子４に印加した場合の、可変ゲインアンプ３６０、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０、電圧制限回路３７０の出力信号波形の一例を示す図である。図８及び図９の例では、ともに、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０のゲイン＝１、電圧制限回路３７０（反転増幅器）のゲイン＝−１、Ｖｒｅｆ＝Ｖ１／２に設定されている。
【００９０】
図８の例では、ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１と一致しており、角速度検出素子４の検出信号を受けて、可変ゲインアンプ３６０の出力（ＰＧＡＯ）の信号波形は、振幅がＶ１／２の正弦波になっている。スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力（ＳＣＦＯ）の信号波形は、可変ゲインアンプ３６０の出力信号と同相で振幅がＶ１／２の正弦波となる。その結果、電圧制限回路３７０の出力（ＤＣＯ）、すなわち、ＶＯ端子の信号波形（角速度信号の波形）は、Ｖｒｅｆを基準としてスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力信号を反転した正弦波（スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力信号と逆相で振幅がＶ１／２の正弦波）となる。このように、ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１と一致する場合、角速度信号の電圧は必ずＧＮＤ（０Ｖ）〜Ｖ１の範囲に制限される。
【００９１】
これに対して、図９の例では、角速度検出素子４に図８の例と同じ角速度が加わっているが、ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１を超えているため、可変ゲインアンプ３６０の出力（ＰＧＡＯ）の信号波形は、振幅がＶＤＤ−Ｖ１／２の正弦波がＧＮＤ（０Ｖ）でクリップした波形になっている。同様に、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力（ＳＣＦＯ）の信号波形も、振幅がＶＤＤ−Ｖ１／２の正弦波がＧＮＤ（０Ｖ）でクリップした波形になっている。電圧制限回路３７０の出力（ＤＣＯ）、すなわち、ＶＯ端子の信号波形（角速度信号の波形）は、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力電圧がＧＮＤ（０Ｖ）〜Ｖ１の範囲はＶｒｅｆを基準としてスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力信号を反転した波形になり、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力電圧がＶ１〜ＶＤＤの範囲はＧＮＤ（０Ｖ）にクリップされる。従って、ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１を超えた場合も、電圧制限回路３７０の出力（ＤＣＯ）、すなわち、ＶＯ端子の信号波形（角速度信号の波形）は、必ずＧＮＤ（０Ｖ）〜Ｖ１の範囲に制限される。
【００９２】
図１０及び図１１は、角速度を正弦関数に従って所定範囲でゆっくりと（数Ｈｚ〜数十Ｈｚで）変化させながら角速度検出素子４に印加した場合の、可変ゲインアンプ３６０、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０、電圧制限回路３７０の出力信号波形の他の一例を示す図である。図１０及び図１１の例では、ともに、電圧制限回路３７０（反転増幅器）のゲイン＝−１、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０のゲイン＝２、Ｖｒｅｆ＝Ｖ１／２に設定されている。
【００９３】
図１０の例では、ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１と一致しており、角速度検出素子４の検出信号を受けて、可変ゲインアンプ３６０の出力（ＰＧＡＯ）の信号波形は、振幅がＶ１／４の正弦波になっている。スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力（ＳＣＦＯ）の信号波形は、可変ゲインアンプ３６０の出力信号と同相で振幅がＶ１／２の正弦波となる。その結果、電圧制限回路３７０の出力（ＤＣＯ）、すなわち、ＶＯ端子の信号波形（角速度信号の波形）は、Ｖｒｅｆを基準としてスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力信号を反転した正弦波（スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力信号と逆相で振幅がＶ１／２の正弦波）となる。このように、ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１と一致する場合、角速度信号の電圧は必ずＧＮＤ（０Ｖ）〜Ｖ１の範囲に制限される。
【００９４】
これに対して、図１１の例では、角速度検出素子４に図１０の例と同じ角速度が加わっているが、電源電圧ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１を超えているため、可変ゲインアンプ３６０の出力（ＰＧＡＯ）の信号波形は、振幅がＶ１／４よりも大きい正弦波になっている。そのため、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力（ＳＣＦＯ）の信号波形は、正弦波がＶＤＤとＧＮＤでクリップした波形になっている。電圧制限回路３７０の出力（ＤＣＯ）、すなわち、ＶＯ端子の信号波形（角速度信号の波形）は、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力電圧がＧＮＤ（０Ｖ）〜Ｖ１の範囲はＶｒｅｆを基準としてスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力信号を反転した波形になり、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０の出力電圧がＶ１〜ＶＤＤの範囲はＧＮＤ（０Ｖ）にクリップされる。従って、ＶＤＤが規定の電圧値Ｖ１を超えた場合も、電圧制限回路３７０の出力（ＤＣＯ）、すなわち、ＶＯ端子の信号波形（角速度信号の波形）は、必ずＧＮＤ（０Ｖ）〜Ｖ１の範囲に制限される。
【００９５】
すなわち、図８及び図９の例、あるいは、図１０及び図１１の例から明らかなように、角速度検出回路３０の出力電圧は、電源電圧やスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８０のゲインに関係なく、必ず所望の範囲に制限される。
【００９６】
第２実施形態の角速度検出回路も、第１実施形態の角速度検出回路と同様の効果を奏する。
【００９７】
本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、以下のような変形例が考えられる。
【００９８】
例えば、角速度検出素子４は、圧電効果を利用して角速度を検出するものだけでなく、それ以外にも、例えば、静電容量の変化を利用して角速度を検出するもの（シリコンＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等）であってもよく、角速度検出素子４の動作原理に合わせて角速度検出用ＩＣの構成を適宜変更してもよい。
【００９９】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１００】
１  角速度検出装置、２  角速度検出用ＩＣ、４  角速度検出素子、１０  電源回路、２０  駆動回路、３０  検出回路、４０  基準回路、５０  不揮発メモリー、６０  シリアルインターフェース回路、３００，３０２  チャージアンプ、３１０  差動アンプ、３２０  ハイパスフィルター、３３０  ＡＣアンプ、３４０  同期検波回路、３４２  オフセット調整ＤＡＣ、３５０  ローパスフィルター、３６０  可変ゲインアンプ（ＰＧＡ）、３６２  演算増幅器（オペアンプ）、３６４，３６６  可変抵抗、３７０  電圧制限回路、３７２  演算増幅器（オペアンプ）、３７４，３７６  抵抗、３８０  スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）
【図１】
2013019834.tif 000014
【図２】
2013019834.tif 000015
【図３】
2013019834.tif 000016
【図４】
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【図５】
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【図６】
2013019834.tif 000019
【図７】
2013019834.tif 000020
【図８】
2013019834.tif 000021
【図９】
2013019834.tif 000022
【図１０】
2013019834.tif 000023
【図１１】
2013019834.tif 000024