JP2012095103A - 信号レベル変換回路、物理量検出装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】第２の入力信号に重畳されたノイズを増幅せずに第１の入力信号の信号レベルを変換することができる信号レベル変換回路並びにこれを用いた物理量検出装置及び電子機器を提供すること。
【解決手段】信号レベル変換回路１は、第１の差動増幅回路１０と第２の差動増幅回路２０とを含む。第１の差動増幅回路１０は、第１の入力信号と第２の入力信号の電位差をＧ１倍して出力する。第２の差動増幅回路２０は、第１の差動増幅回路１０の出力信号と第２の入力信号との電位差をＧ２倍して出力する。この２つのゲインＧ１とＧ２は、Ｇ１×Ｇ２＜０かつ０＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＜２の関係を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号レベル変換回路、物理量検出装置及び電子機器に関する。

カーナビゲーション装置やＰＮＤ（Personal Navigation Device）のように、ジャイロセンサーや加速度センサーなどの種々のセンサーを搭載し、センサーの検出信号に基づいて所定の制御を行う様々な電子機器やシステムが広く利用されている。

これらの電子機器やシステムでは、センサー信号のレベルを後段のセット側で要求されるレベルに合わせるために基準電圧信号を用いて増幅する場合がある。例えば、特許文献１には、増幅器を２段接続し、オフセット調整とスパン調整を独立して行える信号増幅回路が提案されている。また、特許文献２には、増幅器を２段接続し、高精度なアナログ信号増幅が可能なゲイン切り替え回路が提案されている。

特開平７−４６０５５号公報 特開平７−３８３５４号公報

しかしながら、基準電圧信号を用いて増幅する場合、センサー信号に、基準電圧自体が持っているノイズが重畳され、低ノイズ化しにくいという問題があった。

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、第２の入力信号に重畳されたノイズを増幅せずに第１の入力信号の信号レベルを変換することができる信号レベル変換回路並びにこれを用いた物理量検出装置及び電子機器を提供することができる。

（１）本発明は、第１の入力信号と第２の入力信号の電位差をＧ１倍して出力する第１の差動増幅回路と、前記第１の差動増幅回路の出力信号と前記第２の入力信号との電位差をＧ２倍して出力する第２の差動増幅回路とを含み、Ｇ１×Ｇ２＜０かつ０＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＜２である、信号レベル変換回路である。

本発明によれば、第１の信号はＧ１×Ｇ２倍され、第２の信号は｛−（Ｇ１＋１）×Ｇ２｝倍されて信号レベル変換回路の出力信号に重畳される。そして、０＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＜２なので、後段の回路で本発明の信号レベル変換回路の出力信号と第２の入力信号との差分をとることで、第２の入力信号に重畳されたノイズに起因するノイズ成分を｛−（Ｇ１＋１）×Ｇ２−１｝倍に減衰させることができる。

（２）この信号レベル変換回路において、Ｇ１＜０かつＧ２＞０であるようにしてもよい。

Ｇ１＜０なので第１の差動増幅回路により第１の信号と第２の信号との差分が反転増幅され、Ｇ２＞０なので第２の差動増幅回路により第１の差動増幅回路の出力信号と第２の信号との差分が非反転増幅される。このようにしても、０＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＜２を満たすＧ１、Ｇ２を選択することができる。

（３）この信号レベル変換回路において、Ｇ１＞０かつＧ２＜０であるであるようにしてもよい。

Ｇ１＞０なので第１の差動増幅回路により第１の信号と第２の信号との差分が非反転増幅され、Ｇ２＜０なので第２の差動増幅回路により第１の差動増幅回路の出力信号と第２の信号との差分が反転増幅される。このようにしても、０＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＜２を満たすＧ１、Ｇ２を選択することができる。

（４）この信号レベル変換回路において、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１であるようにしてもよい。

このようにすれば、第２の入力信号に重畳されたノイズを増幅せずに第１の入力信号の信号レベルを変換することができる。従って、後段の回路で本発明の信号レベル変換回路の出力信号と第２の入力信号との差分をとることで、第２の入力信号に重畳されたノイズに起因するノイズ成分をキャンセルすることができる。

（５）この信号レベル変換回路において、前記第２の入力信号は、前記第１の入力信号の基準電圧に対応する基準電圧信号であるようにしてもよい。

（６）この信号レベル変換回路は、前記第２の差動増幅回路の出力信号と前記第２の入力信号との電位差を増幅又は減衰して出力する第３の差動増幅回路をさらに含むようにしてもよい。

この信号レベル変換回路では、第１の信号はＧ１×Ｇ２倍され、第２の信号は｛−（Ｇ１＋１）×Ｇ２｝倍されて、第２の差動増幅回路の出力信号に重畳される。そして、第３の差動増幅回路により、第２の差動増幅回路の出力信号と第２の入力信号との差分をとることで、第２の入力信号に重畳されたノイズに起因するノイズ成分を｛−（Ｇ１＋１）×Ｇ２−１｝倍に減衰させることができる。特に、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１を満たすようにＧ１とＧ２を選択すれば、第２の入力信号に重畳されたノイズに起因するノイズ成分をキャンセルすることができる。

（７）本発明は、上記のいずれかの信号レベル変換回路と、物理量を検出するセンサー素子と、前記センサー素子が発生させる信号に基づいて前記物理量に応じた信号レベルの物理量信号を生成する物理量信号生成部とを含み、前記物理量信号と基準電圧信号がそれぞれ前記第１の入力信号と前記第２の入力信号として前記信号レベル変換回路に供給される、物理量検出装置である。

（８）本発明は、上記のいずれかの信号レベル変換回路を含む、電子機器である。

第１実施形態の信号レベル変換回路を示す図。 第２実施形態の信号レベル変換回路を示す図。 第３実施形態の信号レベル変換回路を示す図。 第４実施形態の信号レベル変換回路を示す図。 物理量検出装置の一例である角速度検出装置の構成例を示す図。 ジャイロセンサー素子の振動片の平面図。 ジャイロセンサー素子の動作について説明するための図。 ジャイロセンサー素子の動作について説明するための図。 電子機器の機能ブロック図。

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。

１．信号レベル変換回路
１−１．第１実施形態
図１は、第１実施形態の信号レベル変換回路を示す図である。図１に示すように、第１実施形態の信号レベル変換回路１は、第１の差動増幅回路１０と第２の差動増幅回路２０とを含んで構成されている。

第１の差動増幅回路１０は、抵抗値がＲ_１の抵抗１１、抵抗値がＲ_１の抵抗１２、抵抗値がＲ_２の抵抗１３、抵抗値がＲ_２の抵抗１４、差動増幅器１５を含んで構成されている。

抵抗１１は、一端が信号レベル変換回路１の入力端子Ｉ_１に接続され、他端が抵抗１４の一端及び差動増幅器１５の反転入力端子（−入力端子）と共通接続されている。また、抵抗１４の他端と差動増幅器１５の出力端子が接続されている。

抵抗１２は、一端が信号レベル変換回路１の入力端子Ｉ_２に接続され、他端が抵抗１３の一端及び差動増幅器１５の非反転入力端子（＋入力端子）と共通接続されている。また、抵抗１３の他端はグランド電位に接地されている。

入力端子Ｉ_１に入力される信号（第１の入力信号）の電圧をＶ_１、入力端子Ｉ_２に入力される信号（第２の入力信号）の電圧をＶ_２とすると、第１の差動増幅回路１０の出力信号の電圧（差動増幅器１５の出力電圧）Ｖ_３は次式（１）で与えられる。

ここで、Ｇ１＝−Ｒ_２／Ｒ_１は、第１の差動増幅回路１０のゲインであり、Ｇ１＜０である。すなわち、第１の差動増幅回路１０は、第１の入力信号と第２の入力信号の電位差Ｖ_１−Ｖ_２をＧ１（＜０）倍に反転増幅して出力する差動増幅回路である。

第２の差動増幅回路２０は、抵抗値がＲ_３の抵抗２１、抵抗値がＲ_３の抵抗２２、抵抗値がＲ_４の抵抗２３、抵抗値がＲ_４の抵抗２４、差動増幅器２５を含んで構成されている。

抵抗２１は、一端が信号レベル変換回路１の入力端子Ｉ_２に接続され、他端が抵抗２４の一端及び差動増幅器２５の反転入力端子（−入力端子）と共通接続されている。また、抵抗２４の他端と差動増幅器２５の出力端子が接続されている。

抵抗２２は、一端が差動増幅器１５の出力端子に接続され、他端が抵抗２３の一端及び差動増幅器２５の非反転入力端子（＋入力端子）と共通接続されている。また、抵抗２３の他端はグランド電位に接地されている。

第２の差動増幅回路２０の出力信号の電圧（差動増幅器２５の出力電圧）Ｖ_４は次式（２）で与えられる。

ここで、Ｇ２＝Ｒ_４／Ｒ_３は、第２の差動増幅回路２０のゲインであり、Ｇ２＞０である。すなわち、第２の差動増幅回路２０は、第１の差動増幅回路１０の出力信号と第２の入力信号の電位差Ｖ_３−Ｖ_２をＧ２（＞０）倍に非反転増幅して出力する差動増幅回路である。

信号レベル変換回路１の出力端子Ｏには差動増幅器２５の出力端子が接続されており、第２の差動増幅回路２０の出力信号（差動増幅器２５の出力信号）が信号レベル変換回路１の出力信号になる。すなわち、信号レベル変換回路１の出力信号の電圧はＶ_４である。

式（１）を式（２）に代入すると、次式（３）が得られる。

ここで、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１とすると、式（３）は次式（４）のように変形できる。

ここで、Ｇ２＞０なので｜Ｇ１×Ｇ２｜＝｜１＋Ｇ２｜＞１であり、Ｖ_１は増幅され、Ｖ_２は増幅されずに（１倍で）加算されることになる。一例として、Ｇ１＝−１．５、Ｇ２＝２とすると、Ｖ_４＝−３Ｖ_１＋Ｖ_２となる。すなわち、Ｖ_１は−３倍に増幅され、Ｖ_２は増幅されずに（１倍で）加算される。他の一例として、Ｇ１＝−１．１２５、Ｇ２＝８とすると、Ｖ_４＝−９Ｖ_１＋Ｖ_２となる。すなわち、Ｖ_１は−９倍に増幅され、Ｖ_２は増幅されずに（１倍で）加算される。

例えば、Ｖ_１を所与の物理量を検出するセンサーの出力電圧（センサー信号（物理量信号）の電圧）Ｖ_ｏ、Ｖ_２をセンサー信号に対する基準電圧Ｖ_ｒｅｆとすると、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１のとき、Ｖ_４＝Ｇ１×Ｇ２×Ｖ_ｏ＋Ｖ_ｒｅｆとなる。従って、Ｖ_４とＶ_ｒｅｆの差動演算を行うことで、Ｖ_ｒｅｆに重畳されたノイズを完全にキャンセルすることができる。

このように、第１実施形態の信号レベル変換回路は、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１のとき、第１の信号を増幅するとともに第２の入力信号を増幅せずに（１倍で）加算した出力信号を生成する。そして、第１実施形態の信号レベル変換回路１の出力信号の電圧から第２の入力信号の電圧と等しい電圧を減算することで、第２の入力信号に重畳されたノイズに対応するノイズ成分を完全にキャンセルすることができる。ただし、０＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＜２であれば、第１実施形態の信号レベル変換回路１の出力信号の電圧から第２の入力信号の電圧と等しい電圧を減算することで、第２の入力信号に重畳されたノイズに起因するノイズ成分は｛−（Ｇ１＋１）×Ｇ２−１｝倍に減衰される（∵−１＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２−１＜１）。

１−２．第２実施形態
図２は、第２実施形態の信号レベル変換回路を示す図である。図２に示すように、第２実施形態の信号レベル変換回路１は、第１の差動増幅回路３０と第２の差動増幅回路４０とを含んで構成されている。

第１の差動増幅回路３０は、抵抗値がＲ_１の抵抗３１、抵抗値がＲ_１の抵抗３２、抵抗値がＲ_２の抵抗３３、抵抗値がＲ_２の抵抗３４、差動増幅器３５を含んで構成されている。

抵抗３１は、一端が信号レベル変換回路１の入力端子Ｉ_２に接続され、他端が抵抗３４の一端及び差動増幅器３５の反転入力端子（−入力端子）と共通接続されている。また、抵抗３４の他端と差動増幅器３５の出力端子が接続されている。

抵抗３２は、一端が信号レベル変換回路１の入力端子Ｉ_１に接続され、他端が抵抗３３の一端及び差動増幅器３５の非反転入力端子（＋入力端子）と共通接続されている。また、抵抗３３の他端はグランド電位に接地されている。

入力端子Ｉ_１に入力される信号（第１の入力信号）の電圧をＶ_１、入力端子Ｉ_２に入力される信号（第２の入力信号）の電圧をＶ_２とすると、第１の差動増幅回路３０の出力信号の電圧（差動増幅器３５の出力電圧）Ｖ_３は次式（５）で与えられる。

ここで、Ｇ１＝Ｒ_２／Ｒ_１は、第１の差動増幅回路３０のゲインであり、Ｇ１＞０である。すなわち、第１の差動増幅回路３０は、第１の入力信号と第２の入力信号の電位差Ｖ_１−Ｖ_２をＧ１（＞０）倍に非反転増幅して出力する差動増幅回路である。

第２の差動増幅回路４０は、抵抗値がＲ_３の抵抗４１、抵抗値がＲ_３の抵抗４２、抵抗値がＲ_４の抵抗４３、抵抗値がＲ_４の抵抗４４、差動増幅器４５を含んで構成されている。

抵抗４１は、一端が差動増幅器３５の出力端子に接続され、他端が抵抗４４の一端及び差動増幅器４５の反転入力端子（−入力端子）と共通接続されている。また、抵抗４４の他端と差動増幅器４５の出力端子が接続されている。

抵抗４２は、一端が信号レベル変換回路１の入力端子Ｉ_２に接続され、他端が抵抗４３の一端及び差動増幅器４５の非反転入力端子（＋入力端子）と共通接続されている。また、抵抗４３の他端はグランド電位に接地されている。

第２の差動増幅回路４０の出力信号の電圧（差動増幅器４５の出力電圧）Ｖ_４は次式（６）で与えられる。

ここで、Ｇ２＝−Ｒ_４／Ｒ_３は、第２の差動増幅回路４０のゲインであり、Ｇ２＜０である。すなわち、第２の差動増幅回路４０は、第１の差動増幅回路３０の出力信号と第２の入力信号の電位差Ｖ_３−Ｖ_２をＧ２（＜０）倍に反転増幅して出力する差動増幅回路である。

信号レベル変換回路１の出力端子Ｏには差動増幅器４５の出力端子が接続されており、第２の差動増幅回路４０の出力信号（差動増幅器４５の出力信号）が信号レベル変換回路１の出力信号になる。すなわち、信号レベル変換回路１の出力信号の電圧はＶ_４である。

式（５）を式（６）に代入すると、次式（７）が得られる。

ここで、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１とすると、式（７）は次式（８）のように変形できる。

ここで、Ｇ１＞０なので｜Ｇ１×Ｇ２｜＝｜Ｇ１／（Ｇ１＋１）｜＜１であり、Ｖ_１は減衰され、Ｖ_２は増幅されずに（１倍で）加算されることになる。一例として、Ｇ１＝３、Ｇ２＝−０．２５とすると、Ｖ_４＝−０．７５Ｖ_１＋Ｖ_２となる。すなわち、Ｖ_１は−０．７５倍に減衰され、Ｖ_２は増幅されずに（１倍で）加算される。他の一例として、Ｇ１＝１．５、Ｇ２＝−０．４とすると、Ｖ_４＝−０．６Ｖ_１＋Ｖ_２となる。すなわち、Ｖ_１は−０．６倍に減衰され、Ｖ_２は増幅されずに（１倍で）加算される。

例えば、Ｖ_１を所与の物理量を検出するセンサーの出力電圧（センサー信号（物理量信号）の電圧）Ｖ_ｏ、Ｖ_２をセンサー信号に対する基準電圧Ｖ_ｒｅｆとすると、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１のとき、Ｖ_４＝Ｇ１×Ｇ２×Ｖ_ｏ＋Ｖ_ｒｅｆとなる。従って、Ｖ_４とＶ_ｒｅｆの差動演算を行うことで、Ｖ_ｒｅｆに重畳されたノイズを完全にキャンセルすることができる。

このように、第２実施形態の信号レベル変換回路は、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１のとき、第１の信号を減衰するとともに第２の入力信号を増幅せずに（１倍で）加算した出力信号を生成する。そして、第２実施形態の信号レベル変換回路１の出力信号の電圧から第２の入力信号の電圧と等しい電圧を減算することで、第２の入力信号に重畳されたノイズに対応するノイズ成分を完全にキャンセルすることができる。ただし、０＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＜２であれば、第２実施形態の信号レベル変換回路１の出力信号の電圧から第２の入力信号の電圧と等しい電圧を減算することで、第２の入力信号に重畳されたノイズに起因するノイズ成分は｛−（Ｇ１＋１）×Ｇ２−１｝倍に減衰される（∵−１＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２−１＜１）。

１−３．第３実施形態
図３は、第３実施形態の信号レベル変換回路を示す図である。図３に示すように、第３実施形態の信号レベル変換回路１は、第１の差動増幅回路１０、第２の差動増幅回路２０、第３の差動回路５０とを含んで構成されている。

第１の差動増幅回路１０及び第２の差動増幅回路２０は、図１と同じ構成であるため同じ符号を付しており、その説明を省略する。

第３の差動増幅回路５０は、抵抗値がＲ_５の抵抗５１、抵抗値がＲ_５の抵抗５２、抵抗値がＲ_６の抵抗５３、抵抗値がＲ_６の抵抗５４、差動増幅器５５を含んで構成されている。

抵抗５１は、一端が信号レベル変換回路１の入力端子Ｉ_２に接続され、他端が抵抗５４の一端及び差動増幅器５５の反転入力端子（−入力端子）と共通接続されている。また、抵抗５４の他端と差動増幅器５５の出力端子が接続されている。

抵抗５２は、一端が差動増幅器２５の出力端子に接続され、他端が抵抗５３の一端及び差動増幅器５５の非反転入力端子（＋入力端子）と共通接続されている。また、抵抗５３の他端はグランド電位に接地されている。

第３の差動増幅回路５０の出力信号の電圧（差動増幅器５５の出力電圧）Ｖ_５は次式（９）で与えられる。

ここで、Ｇ３＝Ｒ_６／Ｒ_５は、第３の差動増幅回路５０のゲインであり、Ｇ３＞０である。すなわち、第３の差動増幅回路５０は、第２の差動増幅回路２０の出力信号と第２の入力信号の電位差Ｖ_４−Ｖ_２をＧ３（＞０）倍に非反転増幅して出力する差動増幅回路である。

信号レベル変換回路１の出力端子Ｏには差動増幅器５５の出力端子が接続されており、第３の差動増幅回路５０の出力信号（差動増幅器５５の出力信号）が信号レベル変換回路１の出力信号になる。すなわち、信号レベル変換回路１の出力信号の電圧はＶ_５である。

式（３）を式（９）に代入すると、次式（１０）が得られる。

ここで、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１とすると、式（１０）は次式（１１）のようになる。

つまり、信号レベル変換回路１の出力信号において、第２の入力信号に重畳されたノイズに対応するノイズ成分を完全にキャンセルすることができる。そして、第３の差動増幅回路５０のゲインＧ３を調整することで、トータルゲインＧ１×Ｇ２×Ｇ３を所望の値に設定することができる。

例えば、Ｖ_１を所与の物理量を検出するセンサーの出力電圧（センサー信号（物理量信号）の電圧）Ｖ_ｏ、Ｖ_２をセンサー信号に対する基準電圧Ｖ_ｒｅｆとすると、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１のとき、Ｖ_５＝Ｇ１×Ｇ２×Ｇ３×Ｖ_ｏとなり、Ｖ_ｒｅｆに重畳されたノイズを完全にキャンセルすることができる。

このように、第３実施形態の信号レベル変換回路は、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１のとき、第１の信号をＧ１×Ｇ２×Ｇ３倍に増幅又は減衰するとともに第２の入力信号に重畳されたノイズに対応するノイズ成分を完全にキャンセルすることができる。ただし、０＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＜２であれば、第２の入力信号に重畳されたノイズに起因するノイズ成分は｛−（Ｇ１＋１）×Ｇ２−１｝倍に減衰される（∵−１＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２−１＜１）。

１−４．第４実施形態
図４は、第４実施形態の信号レベル変換回路を示す図である。図４に示すように、第４実施形態の信号レベル変換回路１は、第１の差動増幅回路３０、第２の差動増幅回路４０、第３の差動回路５０とを含んで構成されている。

第１の差動増幅回路３０及び第２の差動増幅回路４０は、図２と同じ構成であるため同じ符号を付しており、その説明を省略する。また、第３の差動増幅回路５０は、図３と同じ構成であるため同じ符号を付しており、その説明を省略する。

この信号レベル変換回路１の出力信号の電圧Ｖ_５は式（１０）で表され、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１とすると式（１１）のようになる。

従って、第４実施形態の信号レベル変換回路も、第３実施形態と同様に、−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１のとき、第１の信号をＧ１×Ｇ２×Ｇ３倍に増幅又は減衰するとともに第２の入力信号に重畳されたノイズに対応するノイズ成分を完全にキャンセルすることができる。ただし、０＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＜２であれば、第２の入力信号に重畳されたノイズに起因するノイズ成分は｛−（Ｇ１＋１）×Ｇ２−１｝倍に減衰される（∵−１＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２−１＜１）。

２．物理量検出装置
本実施形態の物理量検出装置は、所与の物理量を検出するセンサー素子を含み、センサー素子が発生させる信号に基づいて物理量に応じた信号レベルの物理量信号を生成する。本実施形態の物理量検出装置は、例えば、角速度、角加速度、加速度、力、温度、磁気等の種々の物理量のいずれかを検出するものに適用することができる。

図５は、本実施形態の物理量検出装置の一例である角速度検出装置の構成例を示す図である。

本実施形態の角速度検出装置２は、ジャイロセンサー素子１００と角速度検出用ＩＣ６０を含んで構成されている。

ジャイロセンサー素子１００（センサー素子の一例）は、駆動電極と検出電極が配置された振動片が不図示のパッケージに封止されて構成されている。一般的に、振動片のインピーダンスをできるだけ小さくして発振効率を高めるためにパッケージ内の気密性が確保されている。

ジャイロセンサー素子１００の振動片は、例えば、水晶（ＳｉＯ_２）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）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構成してもよいし、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。
また、ジャイロセンサー素子の駆動振動の励振手段や検出振動の検出手段は、圧電効果によるものだけでなく、クーロン力を用いた静電型であっても良い。

本実施形態では、ジャイロセンサー素子１００は、Ｔ型の２つの駆動振動腕を有するいわゆるダブルＴ型の振動片により構成される。ただし、ジャイロセンサー素子１００の振動片は、例えば、音叉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、シリコン半導体基板をくし歯状に加工したものであってもよい。

図６は、本実施形態のジャイロセンサー素子１００の振動片の平面図である。

本実施形態のジャイロセンサー素子１００は、Ｚカットの水晶基板により形成されたダブルＴ型の振動片を有する。水晶を材料とする振動片は、温度変化に対する共振周波数の変動が極めて小さいので、角速度の検出精度を高めることができるという利点がある。なお、図６におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は水晶の軸を示す。

図６に示すように、ジャイロセンサー素子１００の振動片は、２つの駆動用基部１０４ａ、１０４ｂからそれぞれ駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂが＋Ｙ軸方向及び−Ｙ軸方向に延出している。駆動振動腕１０１ａの側面及び上面にはそれぞれ駆動電極１１２及び１１３が形成されており、駆動振動腕１０１ｂの側面及び上面にはそれぞれ駆動電極１１３及び１１２が形成されている。駆動電極１１２、１１３は、それぞれ、図５に示した角速度検出用ＩＣ６０の外部出力端子６１、外部入力端子６２を介して駆動回路２００に接続される。

駆動用基部１０４ａ、１０４ｂは、それぞれ−Ｘ軸方向と＋Ｘ軸方向に延びる連結腕１０５ａ、１０５ｂを介して矩形状の検出用基部１０７に接続されている。

検出振動腕１０２は、検出用基部１０７から＋Ｙ軸方向及び−Ｙ軸方向に延出している。検出振動腕１０２の上面には検出電極１１４及び１１５が形成されており、検出振動腕１０２の側面には共通電極１１６が形成されている。検出電極１１４、１１５は、それぞれ、図５に示した角速度検出用ＩＣ６０の外部入力端子６３、６４を介して検出回路３００に接続される。また、共通電極１１６は接地される。

駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの駆動電極１１２と駆動電極１１３との間に駆動信号として交流電圧が与えられると、図７に示すように、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂは逆圧電効果によって矢印Ｂのように、２本の駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの先端が互いに接近と離間を繰り返す屈曲振動（励振振動）をする。

この状態で、ジャイロセンサー素子１００の振動片にＺ軸を回転軸とした角速度が加わると、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂは、矢印Ｂの屈曲振動の方向とＺ軸の両方に垂直な方向にコリオリの力を得る。その結果、図８に示すように、連結腕１０５ａ、１０５ｂは矢印Ｃで示すような振動をする。そして、検出振動腕１０２は、連結腕１０５ａ、１０５ｂの振動（矢印Ｃ）に連動して矢印Ｄの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１０２の屈曲振動と駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの屈曲振動（励振振動）とは位相が９０°ずれている。

ところで、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂが屈曲振動（励振振動）をするときの振動エネルギーの大きさ又は振動の振幅の大きさが２本の駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂで等しければ、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの振動エネルギーのバランスがとれており、ジャイロセンサー素子１００に角速度がかかっていない状態では検出振動腕１０２は屈曲振動しない。ところが、２つの駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの振動エネルギーのバランスがくずれると、ジャイロセンサー素子１００に角速度がかかっていない状態でも検出振動腕１０２に屈曲振動が発生する。この屈曲振動は漏れ振動と呼ばれ、コリオリ力に基づく振動と同様に矢印Ｄの屈曲振動であるが、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いた交流電荷が、検出振動腕１０２の検出電極１１４、１１５に発生する。ここで、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、ジャイロセンサー素子１００に加わる角速度の大きさ）に応じて変化する。一方、漏れ振動に基づいて発生する交流電荷は、ジャイロセンサー素子１００に加わる角速度の大きさに関係せず一定である。

なお、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの先端には、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂよりも幅の広い矩形状の錘部１０３が形成されている。駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの先端に錘部１０３を形成することにより、コリオリ力を大きくするとともに、所望の共振周波数を比較的短い振動腕で得ることができる。同様に、検出振動腕１０２の先端には、検出振動腕１０２よりも幅の広い錘部１０６が形成されている。検出振動腕１０２の先端に錘部１０６を形成することにより、検出電極１１４、１１５に発生する交流電荷を大きくすることができる。

以上のようにして、ジャイロセンサー素子１００は、Ｚ軸を検出軸としてコリオリ力に基づく交流電荷（角速度成分）と、励振振動の漏れ振動に基づく交流電荷（振動漏れ成分）とを検出電極１１４、１１５を介して出力する。

図５に戻り、角速度検出用ＩＣ６０は、駆動回路２００、検出回路３００、基準電源回路４００、メモリー４１０を含んで構成されている。

基準電源回路４００は、電源入力端子６５を介して供給される電源電圧から基準電圧Ｖ_ｒｅｆを生成する。

駆動回路２００は、Ｉ／Ｖ変換回路（電流電圧変換回路）２１０、コンパレーター２２０、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）回路２３０及び起動回路２４０を含んで構成されている。

ジャイロセンサー素子１００の振動片に流れた駆動電流は、Ｉ／Ｖ変換回路２１０によって基準電圧Ｖ_ｒｅｆを基準とした交流電圧信号に変換される。

Ｉ／Ｖ変換回路２１０から出力された交流電圧信号は、コンパレーター２２０及びＡＧＣ回路２３０に入力される。コンパレーター２２０は、入力された交流電圧信号の電圧を基準電圧Ｖ_ｒｅｆと比較して２値化信号（方形波電圧信号）を出力する。

ＡＧＣ回路２３０は、Ｉ／Ｖ変換回路２１０が出力する交流電圧信号の振幅に応じて、コンパレーター２２０が出力する２値化信号の振幅を変化させ、駆動電流が一定に保持されるように制御する。

コンパレーター２２０が出力する２値化信号は、外部出力端子６１を介してジャイロセンサー素子１００の振動片の駆動電極１１２に供給される。

このように、駆動回路２００を介する発振ループにより、ジャイロセンサー素子１００は図７に示すような所定の駆動振動を継続して励振している。また、駆動電流を一定に保つことにより、ジャイロセンサー素子１００の駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂは一定の振動速度を得ることができる。そのため、コリオリ力を発生させる元となる振動速度は一定となり、感度をより安定にすることができる。

なお、起動回路２０は、電源の投入時などにジャイロセンサー素子１００に屈曲振動を開始させるための発振源を含み、Ｉ／Ｖ変換回路２１０が出力する交流電圧信号の振幅が所定の閾値を超えると発振ループから切り離される。

検出回路３００は、チャージアンプ３１０，３１２、差動アンプ３１４、ハイパスフィルター３１６、アンプ３１８、同期検波器３２０、アンプ３２２、ローパスフィルター３２４、アンプ３２６、信号レベル変換回路３２８、アンプ３３０を含んで構成されている。

チャージアンプ３１０には、外部入力端子６３を介してジャイロセンサー素子１００の振動片の検出電極１１４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３１２には、外部入力端子６４を介してジャイロセンサー素子１００の振動片の検出電極１１５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３１０及び３１２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３１０の出力信号とチャージアンプ３１２の出力信号の位相は互いに逆位相である（１８０°ずれている）。

差動アンプ３１４は、チャージアンプ３１０の出力信号とチャージアンプ３１２の出力信号を差動増幅する。差動アンプ３１４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。

ハイパスフィルター３１６は、差動アンプ３１４の出力信号に含まれる直流成分をキャンセルする。

アンプ３１８は、ハイパスフィルター３１６の出力信号を増幅し、基準電圧Ｖ_ｒｅｆを基準とする交流電圧信号を出力する。

同期検波器３２０は、アンプ３１８の出力信号をコンパレーター２２０が出力する２値化信号で同期検波する。同期検波器３２０は、例えば、２値化信号の電圧レベルが基準電圧Ｖ_ｒｅｆよりも高い時はアンプ３１８の出力信号をそのまま選択し、２値化信号の電圧レベルが基準電圧Ｖ_ｒｅｆよりも低い時はアンプ３１８の出力信号を基準電圧Ｖ_ｒｅｆ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。

アンプ３１８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、この角速度成分はコンパレーター２２０が出力する２値化信号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、同期検波器３２０により角速度成分は同期検波されるが、振動漏れ成分は検波されないようになっている。

アンプ３２２は同期検波器３２０の出力信号を増幅又は減衰させて所望の電圧レベルの信号を出力し、ローパスフィルター３２４はアンプ３２２の出力信号に含まれる高周波成分を除去するとともに仕様で決められる周波数範囲の信号を抽出する。

ローパスフィルター３２４の出力信号は、アンプ３２６で所望の電圧レベルの信号に増幅又は減衰される。このアンプ３２６の出力信号は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆを基準として角速度に応じた電圧レベルの信号、すなわち角速度信号（物理量信号の一例）である。

信号レベル変換回路３２８は、例えば、図１〜図４に示した本実施形態の信号レベル変換回路であり、入力端子Ｉ_１にアンプ３２６の出力信号（角速度信号）が入力され、入力端子Ｉ_２に基準電圧Ｖ_ｒｅｆが入力され、出力端子Ｏから差動増幅した信号を出力する。信号レベル変換回路３２８のゲインは、メモリー４１０にあらかじめ設定されたゲイン調整データに応じて決定される。この信号レベル変換回路３２８の出力信号が、外部出力端子６６を介して外部に出力される。

基準電圧Ｖ_ｒｅｆはアンプ３３０（ボルテージフォロア）に入力され、外部出力端子６７を介して外部に出力される。

このように、本実施形態の信号レベル変換回路を組み込むことにより、低ノイズの物理量信号を出力する物理量検出装置を実現することができる。

３．電子機器
図９は、本実施形態の電子機器の構成例を示す機能ブロック図である。本実施形態の電子機器５００は、信号生成部６００、ＣＰＵ７００、操作部７１０、表示部７２０、ＲＯＭ（Read Only Memory）７３０、ＲＡＭ（Random Access Memory）７４０、通信部７５０を含んで構成されている。なお、本実施形態の電子機器は、図９の構成要素（各部）の一部を省略したり、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

信号生成部６００は、信号レベル変換回路６１０を含み、ＣＰＵ７００の制御に応じて所与の信号を生成してＣＰＵ７００に出力する。

ＣＰＵ７００は、ＲＯＭ７３０に記憶されているプログラムに従って、各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、ＣＰＵ７００は、信号生成部６００を制御したり、信号生成部６００が生成した信号などを受け取って各種の計算処理をする。また、ＣＰＵ７００は、操作部７１０からの操作信号に応じた各種の処理、表示部７２０に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理、外部とデータ通信を行うために通信部７５０を制御する処理等を行う。

操作部７１０は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をＣＰＵ７００に出力する。

表示部７２０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示装置であり、ＣＰＵ７００から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。

ＲＯＭ７３０は、ＣＰＵ７００が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムや、所定の機能を実現するための各種プログラムやデータ等を記憶している。

ＲＡＭ７４０は、ＣＰＵ７００の作業領域として用いられ、ＲＯＭ７３０から読み出されたプログラムやデータ、操作部７１０から入力されたデータ、ＣＰＵ７００が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。

通信部７５０は、ＣＰＵ７００と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。

信号レベル変換回路６１０として本実施形態の信号レベル変換回路を電子機器５００に組み込むことにより、より高精度な処理を実現することができる。特に、第３実施形態や第４実施形態の信号レベル変換回路を組み込むことで、物理量検出装置の後段で差動演算を行う必要が無くなり、システム全体でのコストを低減することができる場合もある。

なお、電子機器６００としては種々の電子機器が考えられ、例えば、車両の横滑り防止装置や横転検出装置、携帯電話機、ナビゲーション装置、マウス等のポインティングデバイス、デジタルカメラ、ゲームコントローラー等が挙げられる。

なお、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。

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。

１ 信号レベル変換回路、２ 角速度検出装置、１０ 第１の差動増幅回路、１１，１２，１３，１４ 抵抗、１５ 差動増幅器、２０ 第２の差動増幅回路、２１，２２，２３，２４ 抵抗、２５ 差動増幅器、３０ 第１の差動増幅回路、３１，３２，３３，３４ 抵抗、３５ 差動増幅器、４０ 第２の差動増幅回路、４１，４２，４３，４４ 抵抗、４５ 差動増幅器、５０ 第３の差動増幅回路、５１，５２，５３，５４ 抵抗、５５ 差動増幅器、６０ 角速度検出用ＩＣ、６１，６６，６７ 外部出力端子、６２，６３，６４，６５ 外部入力端子、１００ ジャイロセンサー素子、１０１ａ，１０１ｂ 駆動振動腕、１０２ 検出振動腕、１０３ 錘部、１０４ａ，１０４ｂ 駆動用基部、１０５ａ，１０５ｂ 連結腕、１０６ 錘部、１０７ 検出用基部、１１２，１１３ 駆動電極、１１４，１１５ 検出電極、１１６ 共通電極、２００ 駆動回路、２１０ Ｉ／Ｖ変換回路（電流電圧変換回路）、２２０ コンパレーター、２３０ ＡＧＣ回路、２４０ 起動回路、３００ 検出回路、３１０，３１２ チャージアンプ、３１４ 差動アンプ、３１６ ハイパスフィルター、３１８ アンプ、３２０ 同期検波器、３２２ アンプ、３２４ ローパスフィルター、３２６ アンプ、３２８ 信号レベル変換回路、３３０ アンプ、４００ 基準電源回路、４１０ メモリー、５００ 電子機器、６００ 信号生成部、６１０ 信号レベル変換回路、７００ ＣＰＵ、７１０ 操作部、７２０ 表示部、７３０ ＲＯＭ、７４０ ＲＡＭ、７５０ 通信部

なお、起動回路２４０は、電源の投入時などにジャイロセンサー素子１００に屈曲振動を開始させるための発振源を含み、Ｉ／Ｖ変換回路２１０が出力する交流電圧信号の振幅が所定の閾値を超えると発振ループから切り離される。

なお、電子機器５００としては種々の電子機器が考えられ、例えば、車両の横滑り防止装置や横転検出装置、携帯電話機、ナビゲーション装置、マウス等のポインティングデバイス、デジタルカメラ、ゲームコントローラー等が挙げられる。

Claims (8)

1. 第１の入力信号と第２の入力信号の電位差をＧ１倍して出力する第１の差動増幅回路と、
   前記第１の差動増幅回路の出力信号と前記第２の入力信号との電位差をＧ２倍して出力する第２の差動増幅回路とを含み、
   Ｇ１×Ｇ２＜０かつ０＜−（Ｇ１＋１）×Ｇ２＜２である、信号レベル変換回路。
2. 請求項１において、
   Ｇ１＜０かつＧ２＞０である、信号レベル変換回路。
3. 請求項１において、
   Ｇ１＞０かつＧ２＜０である、信号レベル変換回路。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   −（Ｇ１＋１）×Ｇ２＝１である、信号レベル変換回路。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記第２の入力信号は、前記第１の入力信号の基準電圧に対応する基準電圧信号である、信号レベル変換回路。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
   前記第２の差動増幅回路の出力信号と前記第２の入力信号との電位差を増幅又は減衰して出力する第３の差動増幅回路をさらに含む、信号レベル変換回路。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の信号レベル変換回路と、
   物理量を検出するセンサー素子と、
   前記センサー素子が発生させる信号に基づいて前記物理量に応じた信号レベルの物理量信号を生成する物理量信号生成部とを含み、
   前記物理量信号と基準電圧信号がそれぞれ前記第１の入力信号と前記第２の入力信号として前記信号レベル変換回路に供給される、物理量検出装置。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載の信号レベル変換回路を含む、電子機器。

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