JP2008224594A - 振動型ジャイロセンサ、制御回路、電子機器及び振動型ジャイロセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い振動型ジャイロセンサ、制御回路、電子機器及び振動型ジャイロセンサの製造方法を提供すること。
【解決手段】振動型ジャイロセンサ２００は、振動ジャイロ素子３１と、この振動ジャイロ素子３１を駆動する制御回路２５０とを備える。ＧＣＡ２４は、加算回路２２の出力の電圧振幅を検波回路２５で検出し、加算回路２２の出力が一定の電圧振幅になるようにフィード・バックを掛けることで増幅度をコントロールしている。振動型ジャイロセンサ２００の製造段階または出荷前の段階で、ボルテージ・ホロワァ２８を介して、ＧＣＡ２４から出力される駆動信号が監視されればよい。これにより、信頼性の高い振動型ジャイロセンサを実現できる。ボルテージ・ホロワァ２８を介して監視されることにより、圧電膜３３の静電破壊や電荷抜けによる分極崩れが起こることを防止することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、物体の回転角速度を検出する振動型ジャイロセンサ、その制御回路、当該振動型ジャイロセンサを搭載した電子機器及び振動型ジャイロセンサの製造方法に関する。

従来から、民生用の角速度センサとしては、いわゆる振動型ジャイロセンサが広く用いられている。振動型ジャイロセンサは、片持ち梁の振動子を所定の共振周波数で振動させておき、角速度の影響によって生じるコリオリ力を圧電素子などで検出することによって角速度を検出するセンサである。

振動型ジャイロセンサは、単純な機構、短い起動時間、安価で製造可能といった利点を有している。振動型ジャイロセンサは、例えば、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステムなどの電子機器に搭載され、それぞれ手振れ検知、動作検知、方向検知などをする際のセンサとして活用されている。

近年では、振動型ジャイロセンサは、搭載される電子機器の小型化、高性能化に伴い、小型化、高性能化が要求されている。例えば、電子機器の多機能化のため、他の用途で用いる各種センサと組み合わせて、振動型ジャイロセンサを一基板上に搭載させ、小型化を図るといった要請がある。この小型化を実現するため、Ｓｉ基板を用い、半導体で用いられる薄膜プロセスとフォトリソグラフィ技術を用いて構造体を形成するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と呼ばれる技術を用いることが一般的となってきている。

ところで、振動型ジャイロセンサが用いられる環境の変化により、特に、温度変化によって振動型ジャイロセンサの特性が変化するという問題があった。

具体的には、振動型ジャイロセンサは、振動子の共振周波数の値に設定された一定の駆動信号により駆動される。駆動信号が一定の場合、振動型ジャイロセンサの回路構成上、検出感度は一定となるはずである。ところが、温度変化によって、検出感度はその温度変化に比例するように変化する傾向がある。

そこで、このような問題を解決するため、振動子の検出電極から出力される検出信号が一定になるような回路が設けられた振動型ジャイロセンサが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１では、振動子（１２）の２つの検出電極（１６ａ）及び（１６ｂ）から出力される電流信号がＩ−Ｖ変換回路（２４）及び（２６）で電圧信号に変換され、この電圧信号が加算回路（２８）で加算される。加算回路（２８）から出力される信号は、発振回路（３４）及びモニター回路（４０）により一定となるように制御される。つまり、加算回路（２８）の出力信号電圧が常に一定となるように、ＡＧＣ（Automatic Gain Controller）回路（３８）から出力される駆動信号の電圧が制御される。その結果、温度変化による振動子（１２）の特性が変化しても検出感度が一定となる。

特開平９−２９２２３１号公報（段落[００２３]、[００１６]、図１）

しかしながら、最近では、振動型ジャイロセンサのさらなる小型化、低電圧化が求められている。振動型ジャイロセンサが小型化されると、振動子も小型、軽量化される。コリオリ力は振動系の重さに比例するので、振動子が軽量化されると、その分検出感度も低下する。したがって、検出感度を向上させ、信頼性の高い振動型ジャイロセンサが提供される必要がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、信頼性の高い振動型ジャイロセンサ等の技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る振動型ジャイロセンサは、駆動電極と検出電極とを含む圧電素子を有し、前記駆動電極に加えられる駆動信号により振動し、前記検出電極からコリオリ力に応じた検出信号を含む出力信号を発生させることが可能な振動ジャイロ素子と、前記出力信号に基き、前記振動ジャイロ素子を振動させるための信号を、前記駆動信号として前記駆動電極に出力する発振回路と、前記出力信号が一定になるような駆動信号を出力するように、前記発振回路を制御する制御器と、前記発振回路から出力される前記駆動信号が入力されるインピーダンス変換回路とを具備する。

例えば振動型ジャイロセンサの製造段階または出荷前の段階で、インピーダンス変換回路を介して、発振回路から出力される駆動信号が監視されればよい。駆動信号が監視されることで、振動ジャイロ素子の最適な先鋭度（Qm）値を観測することができる。その結果、設計者は、観測されたQmに基き、信頼性の高い振動型ジャイロセンサを将来的に設計することができる。

振動ジャイロ素子は、圧電材を有する振動ジャイロ素子である。したがって、駆動信号を監視するための電極端子が発振回路の出力端子に直接接続される場合、圧電材の静電破壊や電荷抜けによる分極崩れが起こることが懸念される。しかし、本発明では、インピーダンス変換回路を介してプローブ等が発振回路の出力端子に接続されればよいので、上記の懸念が解消される。

また、もちろん本発明では、発振回路は出力信号が一定になるような駆動信号を出力するので、振動ジャイロ素子の温度特性に影響されなない、高い検出感度を実現することができる。

本発明において、例えば、前記検出電極は、第１の信号を発生する第１の検出電極と、前記第１の信号との差分により前記検出信号を得るための第２の信号を発生する第２の検出電極とで構成され、当該振動型ジャイロセンサは、前記第１の検出電極から得られる第１の信号と、前記第２の検出電極から得られる第２の信号とを加算する加算回路をさらに具備し、前記発振回路は、前記加算回路で加算された信号に基き、前記駆動信号を前記駆動電極に出力する。

本発明において、前記振動ジャイロ素子は、前記圧電素子を搭載した振動アームと、前記駆動電極及び前記検出電極を外部接続するためのリード電極群を有し、前記振動アームを支持するベース体とを有する。

特に、前記圧電素子は、前記駆動電極及び前記検出電極が形成された第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有する圧電膜と、前記第２の面に形成された共通電極とを有し、前記振動アームは、前記圧電膜との間に前記共通電極が設けられるように、前記圧電素子が搭載された半導体でなるアームベースを有する。つまり、本発明では、ＭＥＭＳ等の方法により、１枚の半導体基板上で複数の振動ジャイロ素子を製造することができ、小型化された振動ジャイロ素子を製造することができる。

あるいは、例えば、本発明の他の観点に係る振動型ジャイロセンサは、第１の駆動電極と検出電極とを含む第１の圧電素子を有する第１の振動アームと、第２の駆動電極を含む第２の圧電素子を有する第２の振動アームと、第３の駆動電極を含む第３の圧電素子を有する第３の振動アームとを有し、前記第１、第２及び第３の駆動電極に加えられる駆動信号により振動し、前記検出電極からコリオリ力に応じた検出信号を含む出力信号を発生させることが可能な振動ジャイロ素子と、前記出力信号に基き、前記振動ジャイロ素子を振動させるための信号を、前記駆動信号として前記第１、第２及び第３の駆動電極に出力する発振回路と、前記出力信号が一定になるような駆動信号を出力するように、前記発振回路を制御する制御器と、前記発振回路から出力される前記駆動信号が入力されるインピーダンス変換回路とを具備する。

本発明に係る制御回路は、駆動電極と検出電極とを含む圧電素子を有し、前記駆動電極に加えられる駆動信号により振動し、前記検出電極からコリオリ力に応じた検出信号を含む出力信号を発生させることが可能な振動ジャイロ素子を備える振動型ジャイロセンサの制御回路であって、前記出力信号に基き、前記振動ジャイロ素子を振動させるための信号を、前記駆動信号として前記駆動電極に出力する発振回路と、前記出力信号が一定になるような駆動信号を出力するように、前記発振回路を制御する制御器と、前記発振回路から出力される前記駆動信号が入力されるインピーダンス変換回路とを具備する。

本発明に係る電子機器は、筐体と、圧電材と、前記圧電材を駆動する駆動電極と、前記圧電材にコリオリ力が発生したときに該コリオリ力に応じた検出信号を含む出力信号を出力する検出電極とを有する振動ジャイロ素子と、前記出力信号に基き、前記振動ジャイロ素子を振動させるための信号を、前記駆動信号として前記駆動電極に出力する発振回路と、前記出力信号が一定になるような駆動信号を出力するように、前記発振回路を制御する制御器と、前記発振回路から出力される前記駆動信号が入力されるインピーダンス変換回路とを含み、前記筐体内に設けられた振動型ジャイロセンサとを具備する。

本発明に係る振動型ジャイロセンサの製造方法は、駆動電極と検出電極とを含む圧電素子を有し、前記駆動電極に加えられる駆動信号により振動し、前記検出電極からコリオリ力に応じた検出信号を含む出力信号を発生させることが可能な振動ジャイロ素子を備える振動型ジャイロセンサの製造方法であって、前記出力信号に基き、前記振動ジャイロ素子を振動させるための信号を、前記駆動信号として前記駆動電極に出力する発振回路と、前記出力信号が一定になるような駆動信号を出力するように、前記発振回路を制御する制御器と、前記発振回路から出力される前記駆動信号が入力されるインピーダンス変換回路とを有する制御回路と、前記振動ジャイロ素子とを電気的に接続し、前記制御装置の前記発振回路から前記駆動信号を出力させることで、前記振動ジャイロ素子を駆動し、前記制御装置の前記インピーダンス変換回路から出力される前記駆動信号を監視する。

本発明では、駆動信号が監視されることで、振動ジャイロ素子の最適なQm値を観測することができ、設計者は、観測されたQmに基き、信頼性の高い振動型ジャイロセンサを将来的に設計することができる。

以上のように、本発明によれば、検出感度が高く、信頼性の高い振動型ジャイロセンサを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る振動型ジャイロセンサを示す斜視図である。

この振動ジャイロ素子３１は、ベース体１３０と、このベース体１３０から延びるように設けられた振動可能な振動アーム１３２とを備える。図１（Ｂ）は、その振動アーム１３２の長軸（Ｚ軸）に垂直な面の断面図である。

この振動ジャイロ素子３１は、半導体、例えばシリコンでなるアームベース１３３と、このアームベース１３３上に設けられた圧電素子１３９とを有する。振動ジャイロ素子３１は、典型的には、ＭＥＭＳ技術により製造される。例えば図１（Ｂ）に示すように、例えばシリコン基板（ベースアーム１３３でなる部分）上に共通電極となる導電膜３４ｄが形成され、導電膜３４ｄ上に圧電膜３３が形成されている。圧電膜３３の上面である第１の面３３ａには、所定の細長い形状の駆動電極３４ａ、第１の検出電極３４ｂ及び第２の検出電極３４ｃが形成されている。圧電膜３３の第１の面３３ａに対向する下面である第２の面３３ｂに上記共通電極３４ｄが形成される。

ベース体１３０の上にも、リード線１３６、電極パッド１３８及びバンプ１３４ａ〜１３４ｄ等を有するリード電極が形成される。バンプ１３４ａは駆動電極３４ａに、バンプ１３４ｂ及び１３４ｃは第１及び第２の検出電極３４ｂ及び３４ｃにそれぞれ接続されている。また、バンプ１３４ｄは共通電極３４ｄに接続されている。これらのバンプ１３４ａ〜１３４ｄを介して、ＩＣ等の制御回路（後述の図４に示す制御回路５０）に外部接続される。バンプ１３４ａ〜１３４ｄは、例えば金で形成されるが、これに限られない。

以上のように、駆動電極３４ａ、第１及び第２の検出電極３４ｂ及び３４ｃ、リード線１３６等が形成されると、シリコンウェハから図１（Ａ）に示すような形状の振動ジャイロ素子３１が切り出される。

図２は、図１（Ａ）に示した振動ジャイロ素子３１を含む振動型ジャイロセンサの動作原理を示す図である。

振動ジャイロ素子３１の共通電極３４ｄは、直流電源１２に接続される。駆動電極３４ａと共通電極３４ｄとの間には、交流電源１３が接続される。第１の検出電極３４ｂ及び第２の検出電極３４ｃと、共通電極３４ｄとの間には、抵抗１１ａ及び抵抗１１ｂがそれぞれ接続される。第１の検出電極３４ｂ及び第２の検出電極３４ｃは、差動増幅回路２６に接続される。

駆動電極３４ａと共通電極３４ｄは、直流電源１２により電圧値Vrefにバイアスされる。また、第１及び第２の検出電極３４ｂ及び３４ｃは、抵抗１１ａ及１１ｂを通して電圧値Vrefにバイアスされる。すなわち、圧電膜３３の第１の面と第２の面との間の直流電圧の差は０とされる。さらに、圧電膜３３の第１の面と第２の面との間には、駆動電極３４ａ及び共通電極３４ｄを介して交流電源１３により駆動電圧信号vdが入力される。駆動電圧信号vdは、直流電圧値Vrefを基準としており、圧電膜３３の機械的な運動に変換され、これにより振動アーム１３２がＹ軸方向に屈曲運動をする。

この屈曲運動は、圧電膜３３で電気変換される。すなわち、第１及び第２の検出電極３４ｂ及び３４ｃによって、交流電圧信号Va及び交流電圧信号Vbがそれぞれ出力される。

振動アーム１３２の長軸（Ｚ軸）を中心とした回転角速度ωoが加わらないときは、第１及び第２の検出電極３４ｂ及び３４ｃの出力は同相で同じ大きさの信号である。このため、検出信号は、差動増幅回路２６で相殺される。

振動アーム１３２の長軸を中心とした回転角速度ωoが加わったときは、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力によって屈曲運動の向きが変わる。これによって、第１及び第２の検出電極３４ｂ及び３４ｃの出力信号に差が生じ、出力信号が差動増幅回路２６を通ることで差分信号Voが得られる。これが検出信号である。

振動アーム１３２の質量をm、振動アーム１３２の屈曲運動の振動速度をv、振動アーム１３２の長軸を中心とした回転角速度をωoとすると、コリオリ力Fcは式(1)で表される（図２参照）。

Fc = 2 × m × v × ωo … (1)

このコリオリ力Fcは、差動増幅回路２６で得られる差分信号Voと比例関係にあり、比例定数をk1とすると、式(2)で表すことができる。

Vo = k1 × 2 × m × v × ωo … (2)

検出感度を高めるためには、式(2)より質量mと速度vを大きくすればよいことが分かる。しかし、質量mを大きくすることは、振動ジャイロ素子３１の小型化と逆行するために難しい。そこで、速度vを大きくすることに着目することになる。この速度vは、振動振幅をAv、振動周波数をfv、比例定数をk2とすると、式(3)で表すことができる。

v = k2 × Av × fv … (3)

振動周波数fvは、振動アーム１３２の形状で決まるが、振動ジャイロ素子３１が搭載される電子機器の制約などを受け、任意に決めることができない。振動振幅Avは、駆動信号vdの電圧振幅をAd、振動アーム１３２の先鋭度をQm、比例定数をk3とすると、式(4)で表すことができる。

Av = k3 × Ad × Qm … (4)

上記式(2)〜(4)より、式(5)が導き出される。

Vo = k × Ad × Qm × ωo … (5)
K = k1 × k2 × k3 × 2 × m × fv

したがって、質量mと振動周波数fvを大きくすることなく検出感度を高めるためには、駆動信号の電圧振幅Adと振動アームの先鋭度Qmを大きくすればよいことが分かる。駆動信号vdの電圧振幅Adを大きくするためには、駆動回路の出力ダイナミックレンジを拡大する必要がある。しかし、出力ダイナミックレンジを広くすることは、振動型ジャイロセンサの低電圧化と逆行する。また、振動アーム１３２の先鋭度Qmは振動ジャイロ素子３１の圧電膜３３の特性で決まる要素が支配的である。

図３は、図２に示した振動ジャイロ素子３１の入出力特性を示す図である。振動ジャイロ素子３1の入力である駆動信号vdの電圧振幅Adが1.1Vp-pに固定され、第１の検出電極３４ｂの出力Vaあるいは第２の検出電極３４ｃの出力Vbが測定された。横軸は駆動信号vdの発振周波数fで、縦軸は出力Vaまたは出力Vbの電圧振幅Aと、出力Vaまたは出力Vbでの位相θとを表している。

振動ジャイロ素子３１は、入出力効率が一番高い、電圧振幅Aが最大のAoとなる周波数foで動作する。この周波数foで電圧振幅Aは約0.75Vp-pとなり、かつ位相θが約90degとなっている。振動アーム１３２の先鋭度Qmと最大の電圧振幅Ao（検出信号（出力信号）の最大電圧）は相関があり、先鋭度Qmが大きくなると電圧振幅Aoも大きくなる。したがって、先鋭度Qmをコントロールするためには、電圧振幅Aoを監視すればよい。

次に、本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロセンサ（図７参照）を説明する前に、上記電圧振幅Aoを監視することが可能な回路を含む振動型ジャイロセンサについて説明する。

図４は、その振動型ジャイロセンサの構成を示すブロック図である。

振動型ジャイロセンサ１００は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示した振動ジャイロ素子３１と、この振動ジャイロ素子３１を駆動する制御回路５０とを備える。

振動ジャイロ素子３１の第１の検出電極３４ｂの出力はボルテージ・ホロワァ２０に入力され、第２の検出電極３４ｃの出力はボルテージ・ホロワァ２１に入力される。ボルテージ・ホロワァ２０の出力及びボルテージ・ホロワァ２１の出力は、加算回路２２及び差動増幅回路２６に入力される。ボルテージ・ホロワァ２０及び２１は、振動ジャイロ素子３１と、制御回路５０とをインピーダンス的に切り離す機能を有するインピーダンス変換回路である。

加算回路２２の出力は、移相回路２３に入力される。移相回路２３は、入力に対して出力の位相を90deg遅らせるためのものである。移相回路２３の出力は、ＧＣＡ（Gain Control Amp）２４に入力される。ＧＣＡ２４は、駆動信号の電圧振幅を検波回路２５で検出し、フィード・バックを掛けることで増幅度をコントロールする。ＧＣＡ２４の出力は、検波回路２５に入力されるとともに振動ジャイロ素子３１の駆動電極３４ａに入力される。検波回路２５の出力は、ＧＣＡ２４に入力される。加算回路２２は、振動アーム１３２の長軸（Ｚ軸）を中心とした回転角速度ωoが振動アーム１３２に加わったときの検出信号の変化をキャンセルするために用いられる。

振動ジャイロ素子３１、抵抗１１ａ及び１１ｂ、直流電源１２、ボルテージ・ホロワァ２１ａ及び２１ｂ、加算回路２２、移相回路２３、ＧＣＡ２４及び検波回路２５により自励発振回路が構成される。

次に、この制御回路５０の動作について説明する。ＧＣＡ２４の出力である駆動信号は、直流電圧値Vrefでバイアスされた交流の電圧信号であり、振動ジャイロ素子３１の駆動電極３４ａに入力される。また、共通電極３４ｄは直流電源１２により電圧値Vrefにバイアスされる。したがって、圧電膜３３の第１の面及び第２の面の間の直流電圧の差は０となる。この駆動信号は圧電膜３３で機械変換され、振動アーム１３２がＹ軸方向に屈曲運動する。

この屈曲運動は、圧電膜３３で電気変換され、第１及び第２の検出電極３４ｂ及び３４ｃより検出信号として出力される。この２つの検出信号は、抵抗１１ａ及び１１ｂを通して電圧値Vrefにバイアスされた交流の電圧信号であり、図３に示した周波数foの信号である。すなわち、駆動信号の振幅が例えばAd=1.1Vp-pであるとすると、検出信号の振幅はAo=0.75Vp-pとなり、位相は駆動信号に対してθo=90deg進んだ信号である。

この２つの検出信号は、ボルテージ・ホロワァ２０及び２１に通された後で、加算回路２２に入力されるとともに差動増幅回路２６に入力される。回転角速度ωoが振動アーム１３２に加わったときには、Ｘ軸方向に発生するコリオリ力によって屈曲運動の向きが変わる。これによって、２つの検出信号に出力差が生じるが、出力差は差動で発生するため、加算後の出力は変化しない。一方、差動増幅回路２６からは、コリオリ力に応じた信号が得られる。

加算回路２２の出力は駆動信号に対して90deg進んでいるが、移相回路２３の出力は駆動信号と同じ位相になる。この出力信号は、ＧＣＡ２４で一定の電圧振幅Ad=1.1Vp-pになるように増幅され、駆動信号となる。

ここで、加算回路２２の出力の電圧振幅Asが監視されることで、振動アーム１３２の先鋭度Qmを監視することができる。式(4)より、振動アーム１３２の振動振幅Avは、駆動信号の電圧振幅Adと振動アーム１３２先鋭度Qmの掛算に比例することが分かる。また、加算回路２２の出力の電圧振幅Asは、振動振幅Avを圧電変換して得られた信号である。したがって、電圧振幅Asと振動振幅Avは比例関係にあり、比例定数をk4とすると、式(6)で表すことができる。

As = k4 × Av … (6)

式(4)と式(6)より、式(7)が導き出される。

As = k3 × k4 × Ad × Qm … (7)

駆動信号の電圧振幅Adが一定とされているので、加算回路２２の出力の電圧振幅Asが大きいほど、先鋭度Qmも大きくなり、検出感度Svが高くなることが分かる。この電圧振幅Asが監視されることにより、その監視結果がその後の振動ジャイロ素子３１の設計に生かされ、振動ジャイロ素子３１の特性が改善され、検出感度が高められる。

図５は、図４に示した振動型ジャイロセンサ１００の特性を示すグラフである。駆動信号の電圧振幅Adが1.1Vp-pに固定され、加算回路２２の出力の電圧振幅Asが測定された。横軸は振動型ジャイロセンサ１００の周囲の温度Taである。温度が高くなると電圧振幅Asが大きくなることから、先鋭度Qmが温度で変化していることが分かる。

図６は、図４に示した振動型ジャイロセンサ１００の感度特性を示すグラフである。このグラフは、振動アーム１３２の長軸を中心とした回転角速度が振動アーム１３２に加えられたときの検出感度を表している。横軸は周囲の温度Taである。検出感度Svは、差動増幅回路２６の出力である差分信号Voが同期検波され、直流増幅されることによって得られる。温度が高くなると検出感度Svが大きくなるが、先鋭度Qmとリンクして変化していることが分かる。

図７は、本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロセンサの構成を示すブロック図である。この振動型ジャイロセンサ２００において、図４に示した振動型ジャイロセンサ１００と同様の構成または機能については、その説明を省略または簡略化する。

振動型ジャイロセンサ２００は、図１（Ａ）等に示した振動ジャイロ素子３１と、この振動ジャイロ素子３１を駆動する制御回路２５０とを備える。

振動型ジャイロセンサ２００の加算回路２２の出力は、移相回路２３に入力され、かつ、検波回路２５に入力される。移相回路２３及び検波回路２５の出力は、ＧＣＡ２４に入力される。ＧＣＡ２４の出力は、振動ジャイロ素子３１の駆動電極３４ａに入力され、かつ、ボルテージ・ホロワァ２８に入力される。ボルテージ・ホロワァ２８はインピーダンス変換回路の機能を果たすので、後述するように、ＧＣＡ２４の出力信号である駆動信号が監視されるときに、圧電膜３３に悪影響を与えることを防止できる。

ＧＣＡ２４は、加算回路２２の出力の電圧振幅を検波回路２５で検出し、加算回路２２の出力が一定の電圧振幅になるようにフィード・バックを掛けることで増幅度をコントロールしている。すなわち、ＧＣＡ２４及び検波回路２５により制御器が構成される。

振動ジャイロ素子３１、抵抗１１ａ及び１１ｂ、直流電源１２、ボルテージ・ホロワァ２１ａ及び２１ｂ、加算回路２２、移相回路２３、ＧＣＡ２４、検波回路２５により自励発振回路が構成される。また、加算回路２２、移相回路２３及びＧＣＡ２４により発振回路が構成される。

ここで、ボルテージ・ホロワァ２８の出力である電圧振幅が監視されることで、振動アーム１３２の先鋭度Qmを監視することができる。式(7)より、加算回路２２の出力の電圧振幅Asが一定とされているので、駆動信号の電圧振幅Adが小さいほど、先鋭度Qmが大きくなり、検出感度が高くなることが分かる。

例えば振動型ジャイロセンサ２００の製造段階または出荷前の段階で、ボルテージ・ホロワァ２８を介して、ＧＣＡ２４から出力される駆動信号が監視されればよい。駆動信号が監視されることで、振動ジャイロ素子３１の最適な先鋭度（Qm）値を観測することができる。先鋭度Qmは振動ジャイロ素子３１の圧電膜３３の特性で決まる要素が支配的であり、振動ジャイロ素子３１の改善の指標となる。

例えば、加算回路２２の出力の電圧振幅Asが一定とされたときの駆動信号の電圧振幅Adをより小さく、あるいは、電圧振幅Adの温度依存性をより小さくできるように圧電膜３３の特性を改善されればよい。これにより、制御回路２５０の出力ダイナミックレンジを拡大したのと同じ効果が期待できる。すなわち、電圧振幅Adを小さくできる分だけ、制御回路２５０の出力ダイナミックレンジに余裕ができる。この分だけ、加算回路２２の出力の電圧振幅Asを大きくすることで、検出感度を向上させ、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

また、振動ジャイロ素子３１は、圧電膜３３を有する振動ジャイロ素子である。典型的には、圧電膜の厚さは、0.1〜5μmと非常に薄い。したがって、駆動信号を監視するための図示しない電極端子（検査用のプローブ等）が、ＧＣＡ２４の出力端子に直接接続される場合、圧電膜３３の静電破壊や電荷抜けによる分極崩れが起こることが懸念される。しかし、本実施形態に係る振動型ジャイロセンサ２００では、ボルテージ・ホロワァ２８を介して上記プローブ等がＧＣＡ２４の出力端子に接続されればよいので、上記の懸念が解消される。

図８は、図７に示した振動型ジャイロセンサ２００の特性を示すグラフである。加算回路２２の出力の電圧振幅Asが0.75Vp-pに固定され、駆動信号の電圧振幅Adが測定された。横軸は周囲の温度Taである。温度が高くなると電圧振幅Adが小さくなることから、先鋭度Qmが温度で変化していることが分かる。

図９は、図７に示した振動型ジャイロセンサ２００の感度特性を示すグラフである。図６と同様、このグラフは、振動アーム１３２の長軸を中心とした回転角速度が振動アーム１３２に加えられたときの検出感度を表している。このグラフから分かるように、温度依存性がない検出感度Svとなっている。先鋭度Qmは温度依存性を持っているが、それを相殺するように駆動信号の電圧振幅Adが変化するので、検出感度Svの温度依存性をなくすことができる。

図１０（Ａ）は、本発明の他の実施の形態に係る振動ジャイロ素子を示す図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。これ以降の説明では、図１に示した実施の形態に係る振動ジャイロ素子３１、図７に示した振動型ジャイロセンサ２００の部材や機能等について同様のものは説明を簡略または省略し、異なる点を中心に説明する。

振動ジャイロ素子４１は、ベース体１４０と、ベース体１４０から延びるように設けられた３本の振動アーム１４１、１４２及び１４３（第１の振動アーム１４１、第２の振動アーム１４２及び第３の振動アーム１４３）とを備えている。この振動ジャイロ素子４１も、例えばＭＥＭＳにより製造される。図１０（Ｂ）に示すように、３本の振動アーム１４１、１４２及び１４３は、シリコンでなるベースアーム１４７ａ〜１４７ｃをそれぞれ有する。

中央の第１の振動アーム１４１のベースアーム１４７ａ上には、圧電膜１４８ａが設けられ、圧電膜１４８ａの第１の面（上面）に第１の駆動電極１４５ａ、第１の検出電極１４６ａ及び第２の検出電極１４６ｂが設けられている。また、圧電膜１４８ａの第１の面に対向する第２の面（下面）に共通電極１４４ａが設けられている。

第２の振動アーム１４２のベースアーム１４７ｂ上には、圧電膜１４８ｂが設けられ、圧電膜１４８ｂの第１の面に共通電極１４４ｂが設けられている。また、圧電膜１４８ｂの第２の面に第２の駆動電極１４５ｂが設けられている。同様に、第３の振動アーム１４３のベースアーム１４７ｃ上には、圧電膜１４８ｃが設けられ、圧電膜１４８ｃの第１の面に共通電極１４４ｃが設けられている。また、圧電膜１４８ｃの第２の面に第３の駆動電極１４５ｃが設けられている。

第１の駆動電極１４５ａ、圧電膜１４８ａ及び共通電極１４４ａにより第１の圧電素子が構成される。第２の駆動電極１４５ｂ、圧電膜１４８ｂ及び共通電極１４４ｂにより第２の圧電素子が構成される。第３の駆動電極１４５ｃ、圧電膜１４８ｃ及び共通電極１４４ｃにより第３の圧電素子が構成される。

圧電膜１４８ｂの分極の方向と、圧電膜１４８ｃの分極の方向は、同じに設定されている。また、圧電膜１４８ａの分極の方向は、それら圧電膜１４８ｂ及び１４８ｃの分極の方向とは逆向きに設定されている。

ベース体１４０には、図１に示す形態と同様に、図示しないリード電極が設けられている。

図１１は、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示した振動ジャイロ素子３１を含む振動型ジャイロセンサの構成を示すブロック図である。

振動型ジャイロセンサ３００のＧＣＡ２４の出力は、第１の駆動電極１４５ａ、第２の駆動電極１４５ｂ及び第３の駆動電極１４５ｃに入力される。共通電極１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃは、直流電源１２によりVrefの電圧値にバイアスされる。

ＧＣＡ２４から出力される駆動信号は、上記実施形態に係る振動型ジャイロセンサ２００と同様に、ボルテージ・ホロワァ２８に入力される。ボルテージ・ホロワァ２８から出力される駆動信号Adが監視される。

このように構成された振動型ジャイロセンサ３００では、左右の振動アーム１４２及び１４３が同相、同振幅で振動し、中央の振動アーム１４１は、左右の振動アーム１４２及び１４３に対して逆相、２倍の振幅で振動するように駆動される。

以上のように、本実施の形態に係る振動型ジャイロセンサ３００も、上記振動型ジャイロセンサ２００と同様の効果を奏する。

なお、第２及び第３の駆動電極１４５ｂ及び１４５ｃには、駆動信号が入力されなくてもよい。この場合、左右の振動アーム１４２及び１４３は、中央の振動アーム１４１の振動による反動で振動する。

図１２は、本発明のさらに別の実施の形態に係る振動ジャイロ素子を示す断面図である。この振動ジャイロ素子５１の平面で見た図は、図１０（Ａ）に示す振動ジャイロ素子４１と同様である。振動ジャイロ素子５１と振動ジャイロ素子４１の異なる点は、振動ジャイロ素子５１では、圧電膜２４８ａ、２４８ｂ及び２４８ｃの分極方向が全て同じである点である。

駆動電極２４５ａは、圧電膜２４８ａの第１の面（上面）に設けられ、共通電極２４４ａは、圧電膜２４８ａの第２の面（下面）に設けられている。圧電膜２４８ａの第１の面には、第１及び第２の検出電極２４６ａ及び２４６ｃが設けられている。駆動電極２４５ｂは、圧電膜２４８ｂの第１の面に設けられ、共通電極２４４ｂは、圧電膜２４８ｂの第２の面に設けられている。駆動電極２４５ｃは、圧電膜２４８ｃの第１の面に設けられ、共通電極２４４ｃは、圧電膜２４８ｃの第２の面に設けられている。

図１３は、この振動ジャイロ素子５１を含む振動型ジャイロセンサの構成を示すブロック図である。

振動型ジャイロセンサ４００は、ＧＣＡ２４から出力される駆動信号の位相を反転させる位相反転回路２７を備えている。また、ＧＣＡ２４から出力される駆動信号Adは、ボルテージ・ホロワァ２８に入力される。

また、ＧＣＡ２４から出力される駆動信号Adは、第１の駆動電極２４５ａに入力される。位相反転回路２７により反転した駆動信号は、第２及び第３の駆動電極２４５ｂ及び２４５ｃに入力される。このような構成により、圧電膜２４８ａ、２４８ｂ及び２４８ｃの分極方向が全て同じであっても、第１の振動アーム２４１の振動と、第２及び第３の振動アーム２４２及び２４３の振動とは逆位相となる。すなわち、各振動アーム２４１〜２４３は、上記振動型ジャイロセンサ３００の振動アーム１４１〜１４３とそれぞれ同じ位相で振動する。

本実施の形態に係る振動型ジャイロセンサ４００においても、上記振動型ジャイロセンサ２００、３００と同様の効果が得られる。

図１４は、上記振動型ジャイロセンサ２００、３００、または４００を搭載した電子機器の例として、デジタルカメラを示す概略斜視図である。図１５は、そのデジタルカメラの構成を示すブロック図である。

デジタルカメラ２６０は、振動型ジャイロセンサ２００（３００、４００）を搭載する機器本体２６１を備えている。機器本体２６１は、例えば、金属製、樹脂製などのフレームまたは筐体である。振動型ジャイロセンサ２００（３００、４００）は、例えば数ｍｍ角の大きさでパッケージングされて構成されている。１つの振動型ジャイロセンサ２００（３００、４００）には、少なくとも２軸の回りの回転角速度を検出するために、少なくとも２つの振動ジャイロ素子３１（４１、５１）（図１、図１０、図１２参照）が搭載されている。

図１５に示すように、デジタルカメラ２６０は、振動型ジャイロセンサ２００（３００、４００）と、制御部５１０と、レンズ等を備える光学系５２０と、ＣＣＤ５３０、光学系５２０に手振れ補正を実行する手振れ補正機構５４０とを有する。

振動型ジャイロセンサ２００（３００、４００）によって、２軸のコリオリ力が検出される。制御部５１０は、この検出されたコリオリ力に基づき手振れ補正機構５４０を使って光学系５２０で手振れの補正を行う。

本発明に係る実施の形態は、以上説明した実施の形態に限定されず、他の種々の実施形態が考えられる。

振動ジャイロ素子３１、４１、５１を構成する基板、配線、振動アーム、ベース体等の形状、大きさ、材質等は適宜変更可能である。

上記各実施の形態に係る振動型ジャイロセンサ２００（３００、４００）を搭載する電子機器としては、上記したデジタルカメラに限られない。例えば、電子機器としては、ラップトップ型のコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子辞書、オーディオ／ビジュアル機器、プロジェクタ、携帯電話、ゲーム機器、カーナビゲーション機器、ロボット機器、その他の電化製品等が挙げられる。

（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係る振動型ジャイロセンサを示す斜視図である。（Ｂ）は、（Ａ）に示した振動型ジャイロセンサの振動アームのＺ軸に垂直な面内の断面図である。 図１（Ａ）に示した振動ジャイロ素子を含む振動型ジャイロセンサの動作原理を示す図である。 図２に示した振動ジャイロ素子の入出力特性を示す図である。 その振動ジャイロ素子を含む振動型ジャイロセンサの構成を示すブロック図である。 図４に示した振動型ジャイロセンサの特性を示すグラフである。 図４に示した振動型ジャイロセンサの感度特性を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る振動型ジャイロセンサの構成を示すブロック図である。 図７に示した振動型ジャイロセンサの特性を示すグラフである。 図７に示した振動型ジャイロセンサの感度特性を示すグラフである。 （Ａ）は、本発明の他の実施の形態に係る振動ジャイロ素子を示す図である。（Ｂ）は、図１０（Ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。 図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示した振動ジャイロ素子を含む振動型ジャイロセンサの構成を示すブロック図である。 本発明のさらに別の実施の形態に係る振動ジャイロ素子を示す断面図である。 図１２に示した振動ジャイロ素子を含む振動型ジャイロセンサの構成を示すブロック図である。 上記振動型ジャイロセンサを搭載した電子機器の例として、デジタルカメラを示す概略斜視図である。 そのデジタルカメラの構成を示すブロック図である。

符号の説明

３１、４１、５１…振動ジャイロ素子
２２…加算回路
２８…ボルテージ・ホロワァ
３３、１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ、２４８ａ、２４８ｂ、２４８ｃ、…圧電膜
３４ｄ、１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃ、２４４ａ、２４４ｂ、２４４ｃ、…共通電極
３４ａ、１４５ａ、１４５ｂ、１４５ｃ、２４５ａ、２４５ｂ、２４５ｃ…駆動電極
３４ｂ、３４ｃ１４６ａ、１４６ｂ、２４６ａ、２４６ｂ…検出電極
５０、２５０…制御回路
１３０、１４０…ベース体
１４１．１４２…振動アーム
１４１、１４２、１４３、２４１、２４２、２４３…振動アーム
２００、３００、４００…振動型ジャイロセンサ
２６０…デジタルカメラ
２６１…機器本体（筐体）

Claims (8)

1. 駆動電極と検出電極とを含む圧電素子を有し、前記駆動電極に加えられる駆動信号により振動し、前記検出電極からコリオリ力に応じた検出信号を含む出力信号を発生させることが可能な振動ジャイロ素子と、
   前記出力信号に基き、前記振動ジャイロ素子を振動させるための信号を、前記駆動信号として前記駆動電極に出力する発振回路と、
   前記出力信号が一定になるような駆動信号を出力するように、前記発振回路を制御する制御器と、
   前記発振回路から出力される前記駆動信号が入力されるインピーダンス変換回路と
   を具備することを特徴とする振動型ジャイロセンサ。
2. 請求項１に記載の振動型ジャイロセンサであって、
   前記検出電極は、
   第１の信号を発生する第１の検出電極と、
   前記第１の信号との差分により前記検出信号を得るための第２の信号を発生する第２の検出電極とで構成され、
   当該振動型ジャイロセンサは、
   前記第１の検出電極から得られる第１の信号と、前記第２の検出電極から得られる第２の信号とを加算する加算回路をさらに具備し、
   前記発振回路は、前記加算回路で加算された信号に基き、前記駆動信号を前記駆動電極に出力することを特徴とする振動型ジャイロセンサ。
3. 請求項１に記載の振動型ジャイロセンサであって、
   前記振動ジャイロ素子は、
   前記圧電素子を搭載した振動アームと、
   前記駆動電極及び前記検出電極を外部接続するためのリード電極群を有し、前記振動アームを支持するベース体と
   を有することを特徴とする振動型ジャイロセンサ。
4. 請求項３に記載の振動型ジャイロセンサであって、
   前記圧電素子は、
   前記駆動電極及び前記検出電極が形成された第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有する圧電膜と、
   前記第２の面に形成された共通電極とを有し、
   前記振動アームは、前記圧電膜との間に前記共通電極が設けられるように、前記圧電素子が搭載された半導体でなるアームベースを有することを特徴とする振動型ジャイロセンサ。
5. 第１の駆動電極と検出電極とを含む第１の圧電素子を有する第１の振動アームと、第２の駆動電極を含む第２の圧電素子を有する第２の振動アームと、第３の駆動電極を含む第３の圧電素子を有する第３の振動アームとを有し、前記第１、第２及び第３の駆動電極に加えられる駆動信号により振動し、前記検出電極からコリオリ力に応じた検出信号を含む出力信号を発生させることが可能な振動ジャイロ素子と、
   前記出力信号に基き、前記振動ジャイロ素子を振動させるための信号を、前記駆動信号として前記第１、第２及び第３の駆動電極に出力する発振回路と、
   前記出力信号が一定になるような駆動信号を出力するように、前記発振回路を制御する制御器と、
   前記発振回路から出力される前記駆動信号が入力されるインピーダンス変換回路と
   を具備することを特徴とする振動型ジャイロセンサ。
6. 駆動電極と検出電極とを含む圧電素子を有し、前記駆動電極に加えられる駆動信号により振動し、前記検出電極からコリオリ力に応じた検出信号を含む出力信号を発生させることが可能な振動ジャイロ素子を備える振動型ジャイロセンサの制御回路であって、
   前記出力信号に基き、前記振動ジャイロ素子を振動させるための信号を、前記駆動信号として前記駆動電極に出力する発振回路と、
   前記出力信号が一定になるような駆動信号を出力するように、前記発振回路を制御する制御器と、
   前記発振回路から出力される前記駆動信号が入力されるインピーダンス変換回路と
   を具備することを特徴とする制御回路。
7. 筐体と、
   圧電材と、前記圧電材を駆動する駆動電極と、前記圧電材にコリオリ力が発生したときに該コリオリ力に応じた検出信号を含む出力信号を出力する検出電極とを有する振動ジャイロ素子と、前記出力信号に基き、前記振動ジャイロ素子を振動させるための信号を、前記駆動信号として前記駆動電極に出力する発振回路と、前記出力信号が一定になるような駆動信号を出力するように、前記発振回路を制御する制御器と、前記発振回路から出力される前記駆動信号が入力されるインピーダンス変換回路とを含み、前記筐体内に設けられた振動型ジャイロセンサと
   を具備することを特徴とする電子機器。
8. 駆動電極と検出電極とを含む圧電素子を有し、前記駆動電極に加えられる駆動信号により振動し、前記検出電極からコリオリ力に応じた検出信号を含む出力信号を発生させることが可能な振動ジャイロ素子を備える振動型ジャイロセンサの製造方法であって、
   前記出力信号に基き、前記振動ジャイロ素子を振動させるための信号を、前記駆動信号として前記駆動電極に出力する発振回路と、前記出力信号が一定になるような駆動信号を出力するように、前記発振回路を制御する制御器と、前記発振回路から出力される前記駆動信号が入力されるインピーダンス変換回路とを有する制御回路と、前記振動ジャイロ素子とを電気的に接続し、
   前記制御回路の前記発振回路から前記駆動信号を出力させることで、前記振動ジャイロ素子を駆動し、
   前記制御回路の前記インピーダンス変換回路から出力される前記駆動信号を監視する
   ことを特徴とする振動型ジャイロセンサの製造方法。

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