JP2018136255A - 物理量センサー、電子機器及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電流を低減させてセンシングすることが可能な物理量センサーを提供すること。【解決手段】第１発振回路を含む振動型センサーと、前記第１発振回路よりも発振周波数が高い第２発振回路と、前記振動型センサーの出力信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器を含み、クロック信号に基づいて前記デジタル信号に対してデジタル処理を行うデジタル処理部と、前記デジタル処理部に前記クロック信号を出力するクロック出力部と、を備え、前記第２発振回路が停止し、前記クロック出力部が前記第１発振回路の出力信号に基づいて前記クロック信号を出力する第１モードと、前記クロック出力部が前記第２発振回路の出力信号に基づいて前記クロック信号を出力する第２モードと、を有する、物理量センサー。【選択図】図１

Description

本発明は、物理量センサー、電子機器及び移動体に関する。

現在、様々なシステムや電子機器において、加速度を検出する加速度センサーや角速度を検出するジャイロセンサー等、種々の物理量を検出可能な各種の物理量センサーが広く利用されている。特に、物理量の検出信号（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換し、デジタル処理により検出データを生成する物理量センサーは、ノイズ耐性の高いデジタル信号を出力することができるため、高い信頼性が要求されるシステムや電子機器に利用される。一般に、デジタル処理には大きな消費電力が必要となるため、低消費電力化が課題となる場合がある。これに対して、例えば、特許文献１には、ＤＳＰに入力するクロック信号をＤＳＰの状態によってＯＮ／ＯＦＦ制御することで、消費電流の削減を行う技術が開示されている。また、特許文献２には、発振器のクロック周波数を切り替えることが可能であり、センサー停止モードでは発振周波数を小さくして消費電流の削減を行う検知装置が開示されている。

特開平５−２９７９７５号公報 特開２０１１−８７０６４号公報

しかしながら、物理量センサーに特許文献１，２に記載の技術を適用した場合、センサーの停止状態において、クロックをオフするか低周波数化することで消費電流を抑えることはできるものの、消費電流を低減させてセンシングすることができないという問題がある。

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、消費電流を低減させてセンシングすることが可能な物理量センサーを提供することができる。また、本発明のいくつかの態様によれば、当該物理量センサーを用いた電子機器及び移動体を提供することができる。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例に係る物理量センサーは、第１発振回路を含む振動型センサーと、前記第１発振回路よりも発振周波数が高い第２発振回路と、前記振動型センサーの出力信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器を含み、クロック信号に基づいて前記デジタル信号に対してデジタル処理を行うデジタル処理部と、前記デジタル処理部に前記クロック信号を出力するクロック出力部と、を備え、前記第２発振回路が停止し、前記クロック出力部が前記第１発振回路の出力信号に基づいて前記クロック信号を出力する第１モードと、前記クロック出力部が前記第２発振回路の出力信号に基づいて前記クロック信号を出力する第２モードと、を有する。

振動型センサーは、例えば、振動型角速度センサー、振動型圧力センサー、振動型傾斜センサー等であってもよい。

本適用例に係る物理量センサーでは、デジタル処理部に出力されるクロック信号は、第１モードにおいて第１発振回路の出力信号に基づく信号であり、第２モードにおいて第１発振回路よりも発振周波数が高い第２発振回路の出力信号に基づく信号である。そして、第１モードにおいて、第２発振回路が停止し、第２モードよりも低い周波数のクロック信号に基づいてデジタル処理部の処理がなされるので、デジタル処理部は、振動型センサーの出力信号に対してより低消費電流で単位時間あたりの処理を行うことができる。従って、本適用例に係る物理量センサーによれば、第１モードにおいて第２モードよりも消費電流を低減させてセンシングすることができる。

また、第２モードにおいて、第１モードよりも高い周波数のクロック信号がデジタル処理部に出力されるので、デジタル処理部は、第１モードよりも高いレートで処理を行うことができる。従って、本適用例に係る物理量センサーによれば、第２モードにおいて第１モードよりも高分解能にセンシングすることができる。

［適用例２］
上記適用例に係る物理量センサーは、外部から入力される信号に基づいて、前記第１モードと前記第２モードとを切り替えてもよい。

本適用例に係る物理量センサーによれば、動作中に、低消費電流でのセンシングと高分解能なセンシングとを外部装置によって自在に切り替えることができる。

［適用例３］
上記適用例に係る物理量センサーは、前記クロック信号にグリッチが発生しないように前記第１モードと前記第２モードとを切り替えてもよい。

本適用例に係る物理量センサーによれば、第１モードと第２モードとが切り替わる際に、クロック信号に発生するグリッチによるデジタル処理部の誤動作を防止することができる。

［適用例４］
上記適用例に係る物理量センサーにおいて、前記デジタル処理は、フィルター処理を含み、前記デジタル処理部は、前記第１モードと前記第２モードとが切り替わった後に、前記フィルター処理を初期化してもよい。

フィルター処理を初期化は、例えば、フィルター処理の対象となるデータの初期化であってもよいし、フィルター係数の初期化であってもよい。

本適用例に係る物理量センサーによれば、第１モードと前記第２モードとが切り替わった後に、例えば、フィルター処理の対象となるデータを初期化することによりフィルター処理の過渡応答時間を短くすることができ、また、フィルター係数を初期化することによりフィルター特性を最適化することができる。

［適用例５］
上記適用例に係る物理量センサーにおいて、前記デジタル処理部は、前記第１モードと前記第２モードとで、カットオフ周波数が一定になるように前記フィルター処理を初期化してもよい。

本適用例に係る物理量センサーによれば、第１モードと第２モードとでフィルター特性を一定に保つことができる。

［適用例６］
上記適用例に係る物理量センサーは、前記第１発振回路の前記出力信号を逓倍する逓倍回路をさらに備え、前記第１発振回路の前記出力信号は、前記第２発振回路の前記出力信号よりも周波数偏差が小さく、前記クロック出力部が前記逓倍回路の出力信号に基づいて前記クロック信号を出力する第３モードをさらに有してもよい。

本適用例に係る物理量センサーでは、第３モードにおいて、第１モードよりも高い周波数であり、かつ、第２モードよりも周波数偏差が小さいクロック信号がデジタル処理部に出力されるので、デジタル処理部は、第１モードより高いレートで、かつ、第２モードよりも高精度に処理を行うことができる。従って、本適用例に係る物理量センサーによれば、第３モードにおいて第１モードよりも高分解能に、かつ、第２モードよりも高精度にセンシングすることができる。

［適用例７］
本適用例に係る電子機器は、上記のいずれかの物理量センサーを備えている。

［適用例８］
本適用例に係る移動体は、上記のいずれかの物理量センサーを備えている。

これらの適用例によれば、消費電流を低減させてセンシングすることが可能な物理量センサーを備えているので、例えば、信頼性の高い電子機器及び移動体を実現することも可能である。

第１実施形態の物理量センサーの機能ブロック図。 物理量検出素子の振動片の平面図。 物理量検出素子の動作について説明するための図。 物理量検出素子の動作について説明するための図。 駆動回路の構成例を示す図。 検出回路の構成例を示す図。 動作モードと、発振回路及び逓倍回路のＯＮ／ＯＦＦ並びにクロック信号ＣＬＫとの対応関係を示す図。 ＤＳＰのフィルター処理において用いられるフィルターの構成例を示す図。 クロック信号ＣＫ１とクロック信号ＣＫ２の周波数温度特性の一例を示す図。 ノーマルモードから低パワーモードに切り替わるときの各クロック信号の波形及びデジタル処理部の動作の一例を示す図。 低パワーモードからノーマルモードに切り替わるときの各クロック信号の波形及びデジタル処理部の動作の一例を示す図。 ノーマルモードから高精度モードに切り替わるときの各クロック信号の波形及びデジタル処理部の動作の一例を示す図。 第２実施形態の物理量センサーの機能ブロック図。 姿勢演算の構成例を示す図。 第２実施形態の物理量センサーを用いた姿勢演算装置の構成例を示す図。 本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図。 電子機器の一例であるデジタルカメラを模式的に示す斜視図。 本実施形態の移動体の一例を示す図。

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。

以下では、物理量として角速度を検出する物理量センサー（角速度センサー）を例にとり説明する。

１．物理量センサー
１−１．第１実施形態
図１は、第１実施形態の物理量センサーの機能ブロック図である。第１実施形態の物理量センサー１は、物理量に関わるアナログ信号を出力する物理量検出素子（センサー素子）２と信号処理回路３とを含んで構成されている。

物理量検出素子２は、駆動電極と検出電極が配置された振動片を有し、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、振動片は気密性が確保されたパッケージに封止されている。本実施形態では、物理量検出素子２は、Ｔ型の２つの駆動振動腕を有するいわゆるダブルＴ型の振動片を有する。

図２は、物理量検出素子２の振動片の平面図である。物理量検出素子２は、例えば、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２におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は水晶の軸を示す。

図２に示すように、物理量検出素子２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１に示す信号処理回路３のＤＳ端子，ＤＧ端子を介して駆動回路２０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１に示した信号処理回路３のＳ１端子，Ｓ２端子を介して検出回路３０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３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、物理量検出素子２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４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、物理量検出素子２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、物理量検出素子２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、物理量検出素子２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、物理量検出素子２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、物理量検出素子２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。この物理量検出素子２は、角速度を検出する角速度センサーとして機能する。

図１に戻り、本実施形態における信号処理回路３は、基準電圧回路１０、駆動回路２０、検出回路３０、デジタル処理部４０、クロック出力部５０、発振回路５２、逓倍回路５４、記憶部６０及びインターフェース回路７０を含んで構成されており、例えば、１チップの集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）であってもよい。なお、本実施形態における信号処理回路３は、これらの要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の要素を追加した構成としてもよい。

基準電圧回路１０は、信号処理回路３のＶＤＤ端子より供給される電源電圧から基準電圧ＶＲ１，ＶＲ２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。

駆動回路２０は、物理量検出素子２を駆動する（励振振動させる）ための駆動信号ＤＲＶを生成し、ＤＳ端子を介して物理量検出素子２の駆動電極１１２に供給する。すなわち、駆動回路２０（「第１発振回路」の一例）は、物理量検出素子２を励振振動させる発振回路として機能する。また、駆動回路２０は、物理量検出素子２の励振振動により駆動電極１１３に発生する発振電流がＤＧ端子を介して入力され、この発振電流の振幅が一定に保持されるように駆動信号ＤＲＶ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、駆動信号ＤＲＶと位相が同じ検波信号ＳＤＥＴを生成し、検出回路３０に出力する。

図５は、駆動回路２０の構成例を示す図である。図５に示すように、駆動回路２０は、Ｉ／Ｖ変換回路２１、ローパスフィルター２２、ハイパスフィルター２３、コンパレーター２４、全波整流回路２５、積分器２６、コンパレーター２７及びコンパレーター２８を含んで構成されている。なお、本実施形態における駆動回路２０は、これらの要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の要素を追加した構成としてもよい。

Ｉ／Ｖ変換回路２１、ローパスフィルター２２、ハイパスフィルター２３、コンパレーター２４、全波整流回路２５、コンパレーター２７及びコンパレーター２８は、基準電圧回路１０から供給される基準電圧ＶＲ１を基準に動作する。基準電圧ＶＲ１は、アナロググランド電圧であり、例えば、ＶＤＤ端子から供給される電源電圧の１／２の電圧である。また、積分器２６は、基準電圧回路１０から供給される基準電圧ＶＲ２を基準に動作する。

Ｉ／Ｖ変換回路２１は、物理量検出素子２の励振振動により発生し、ＤＧ端子を介して入力された発振電流を交流電圧信号に変換する。

ローパスフィルター２２は、Ｉ／Ｖ変換回路２１の出力信号の高周波成分を除去し、ハイパスフィルター２３は、ローパスフィルター２２の出力信号の低周波成分（オフセットなど）を除去する。ローパスフィルター２２とハイパスフィルター２３によってバンドパスフィルターが構成され、物理量検出素子２の励振振動により生じる信号を通過させる。

コンパレーター２４は、ハイパスフィルター２３の出力信号の電圧を基準電圧ＶＲ１と比較して２値化信号を生成する。この２値化信号は、ハイレベルの電圧が積分器２６の出力電圧であり、ローレベルの電圧がグラウンド電圧（０Ｖ）である。そして、コンパレーター２４の出力信号は、駆動信号ＤＲＶとして、ＤＳ端子を介して物理量検出素子２に供給される。駆動信号ＤＲＶの周波数（駆動周波数）を物理量検出素子２の共振周波数と一致させることで、物理量検出素子２を安定発振させることができる。

全波整流回路２５は、Ｉ／Ｖ変換回路２１の出力信号を整流（全波整流）して直流化された信号を出力する。

積分器２６は、基準電圧ＶＲ２を基準に、全波整流回路２５の出力電圧を積分して出力する。この積分器２６の出力電圧は、全波整流回路２５の出力電圧が高いほど（Ｉ／Ｖ変換回路２１の出力信号の振幅が大きいほど）低くなる。従って、発振振幅が大きいほど、コンパレーター２４の出力信号（駆動信号ＤＲＶ）のハイレベルの電圧が低くなり、発振振幅が小さいほど、コンパレーター２４の出力信号（駆動信号ＤＲＶ）のハイレベルの電圧が高くなるので、発振振幅が一定に保持されるように自動利得制御（ＡＧＣ：Auto Gain Control）がかかる。

コンパレーター２７は、ハイパスフィルター２３の出力信号の電圧を増幅して２値化信号（方形波電圧信号）を生成し、検波信号ＳＤＥＴとして出力する。この検波信号ＳＤＥＴは、ハイレベルの電圧が電源電圧であり、ローレベルの電圧がグラウンド電圧（０Ｖ）である。

コンパレーター２８は、ハイパスフィルター２３の出力信号の電圧を増幅して２値化信号（方形波電圧信号）を生成し、クロック信号ＣＫ２として出力する。このクロック信号ＣＫ２は、ハイレベルの電圧が電源電圧であり、ローレベルの電圧がグラウンド電圧（０
Ｖ）である。

図１に戻り、検出回路３０は、物理量検出素子２の検出電極１１４，１１５からそれぞれＳ１，Ｓ２端子を介して入力される交流電荷に含まれる角速度成分を検出し、角速度の大きさに応じた電圧レベルのアナログ信号を出力する。

図６は、検出回路３０の構成例を示す図である。図６に示すように、検出回路３０は、ＱＶアンプ３１、差動アンプ３２、可変ゲインアンプ（ＰＧＡ：Programmable Gain Amplifier）３３及び同期検波回路３４を含んで構成されている。なお、本実施形態における検出回路３０は、これらの要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の要素を追加した構成としてもよい。

ＱＶアンプ３１は、Ｓ１端子を介して、物理量検出素子２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（検出電流）が入力され、当該交流電荷に応じた電圧の信号を発生させる。また、ＱＶアンプ３１は、Ｓ２端子を介して、物理量検出素子２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（検出電流）が入力され、当該交流電荷に応じた電圧の信号を発生させる。検出電極１１４からＱＶアンプ３１に入力される交流電荷と検出電極１１４からＱＶアンプ３１に入力される交流電荷は互いに逆位相（位相差が１８０°）であり、ＱＶアンプ３１から出力される２つの信号も互いに逆位相である。

差動アンプ３２は、ＱＶアンプ３１から出力される２つの信号を差動増幅してシングルエンドの信号を出力する。

可変ゲインアンプ３３は、差動アンプ３２から出力される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する。

同期検波回路３４は、駆動回路２０が出力する検波信号ＳＤＥＴを用いて、可変ゲインアンプ３３から出力される信号（被検波信号）に含まれる角速度成分を同期検波する。同期検波回路３４は、例えば、検波信号ＳＤＥＴがハイレベルの時は可変ゲインアンプ３３から出力される信号をそのまま出力し、検波信号ＳＤＥＴがローレベルの時は可変ゲインアンプ３３から出力される信号を基準電圧ＶＲ１に対して反転した信号を出力する回路として構成することができる。

以上に説明したように、駆動回路２０により物理量検出素子２が励振振動された状態で、検出回路３０が物理量検出素子２の出力信号に基づいて角速度を検出するので、図１に示す物理量検出素子２、駆動回路２０及び検出回路３０を含む構成は、角速度を検出する振動型センサー４として機能する。

記憶部６０は、レジスター６１及び不揮発性メモリー６２を有している。レジスター６１には、インターフェース回路７０を介した外部装置との通信において使用されるアドレスやデータの情報が設定される。また、レジスター６１には、ＤＳＰ４４から出力される角速度データや角度データが記憶される。

不揮発性メモリー６２には、駆動回路２０や検出回路３０に対する各種のトリミングデータ（調整データや補正データ）やインターフェース回路７０を介した外部との通信を成立させるための各種の情報が記憶されている。不揮発性メモリー６２は、例えば、ＭＯＮＯＳ（Metal Oxide Nitride Oxide Silicon）型メモリーやＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）として構成することができる。

また、不揮発性メモリー６２には、物理量センサー１（信号処理回路３）の動作モードを選択するためのモード選択データが記憶されている。本実施形態では、モード選択データによって、物理量センサー１（信号処理回路３）の動作モードとして、ノーマルモード、低パワーモード及び高精度モードのいずれか１つを選択可能である。

信号処理回路３の電源投入時（ＶＤＤ端子の電圧が０Ｖから所望の電圧まで立ち上がる時）に、不揮発性メモリー６２に記憶されている各種のトリミングデータやモード選択データがレジスター６１に転送されて保持される。そして、レジスター６１に保持された各種のトリミングデータが駆動回路２０や検出回路３０に供給され、レジスター６１に保持されたモード選択データに基づくモード選択信号ＭＤＳＥＬ（ノーマルモード、低パワーモード及び高精度モードのいずれか１つを選択するための信号）がデジタル処理部４０（ＤＳＰ４４）、クロック出力部５０、発振回路５２及び逓倍回路５４に供給される。

インターフェース回路７０は、ＸＣＳ端子、ＳＣＬＫ端子、ＭＯＳI端子及びＭＩＳＯ端子と電気的に接続されており、これらの端子を介して外部装置と通信するための回路である。インターフェース回路７０を介した通信では、外部装置がマスターとして機能し、物理量センサー１（信号処理回路３）がスレーブとして機能する。そして、外部装置は、インターフェース回路７０を介して、レジスター６１の所定のアドレスにデータを書き込むことや、レジスター６１の所定のアドレスからデータを読み出すことや、各種のコマンドを送信して信号処理回路３の動作を制御することができる。

インターフェース回路７０は、ＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）インターフェース回路とＩ^２Ｃ（Inter-Integrated Circuit）インターフェース回路のいずれか一方として機能してもよい。例えば、インターフェース回路７０は、ＸＣＳ端子がローレベルのときは、ＳＰＩインターフェース回路として機能し、ＳＣＬＫ端子を介してクロック信号が入力され、ＭＯＳI端子を介してデータ信号が入力され、ＭＩＳＯ端子を介してデータ信号が出力される。また、インターフェース回路７０は、ＸＣＳ端子がハイレベルのときは、Ｉ^２Ｃインターフェース回路として機能し、ＳＣＬＫ端子を介してクロック信号が入力され、ＭＯＳI端子を介してデータ信号が入出力される。

インターフェース回路７０を介した外部装置との間の通信は、レジスター６１に記憶される各種の情報に基づいて行われる。そして、外部装置は、インターフェース回路７０を介して、レジスター６１の所定のアドレスから角速度データを読み出すことができる。このように、物理量センサー１（信号処理回路３）は、外部装置からの要求に応じて、角速度データを出力可能に構成されている。

また、外部装置は、インターフェース回路７０を介して、レジスター６１の所定のアドレスにモード選択データを設定（書き込み）可能であってもよい。すなわち、物理量センサー１（信号処理回路３）は、外部装置からの要求に応じて、動作モードを切り替え可能に構成されていてもよい。

発振回路５２（「第２発振回路」の一例）は、クロック信号ＣＫ１を出力する発振回路であり、その発振周波数（クロック信号ＣＫ１の周波数）は駆動回路２０の発振周波数（クロック信号ＣＫ２の周波数）よりも高い。発振回路５２は、例えば、ＣＲ発振器やリングオシレーターを含んで構成されてもよい。また、発振回路５２は、ＣＲ発振器等の出力信号を分周してクロック信号ＣＫ１を出力する分周回路を含んで構成されてもよい。

逓倍回路５４は、駆動回路２０が出力するクロック信号ＣＫ２を逓倍したクロック信号ＣＫ３を出力する。また、逓倍回路５４は、クロック信号ＣＫ３の周波数が安定した状態であるか否かを示すＬＯＣＫ信号を出力する。逓倍回路５４は、例えば、ＰＬＬ（Phase
Locked Loop）回路やＤＬＬ（Digital Locked Loop）回路であってもよい。

本実施形態では、モード選択信号ＭＤＳＥＬに基づいて、発振回路５２及び逓倍回路５４の動作のＯＮ／ＯＦＦが制御される。具体的には、図７に示すように、モード選択信号ＭＤＳＥＬがノーマルモードの選択を示す場合、発振回路５２はＯＮ（動作）、逓倍回路５４はＯＦＦ（停止）となる。また、モード選択信号ＭＤＳＥＬが低パワーモードの選択を示す場合、発振回路５２及び逓倍回路５４はともにＯＦＦ（停止）となる。また、モード選択信号ＭＤＳＥＬが高精度モードの選択を示す場合、発振回路５２はＯＦＦ（停止）、逓倍回路５４はＯＮ（動作）となる。なお、駆動回路２０は、ノーマルモード、低パワーモード、高精度モードのいずれの場合も、オン（動作）となる。

クロック出力部５０は、デジタル処理部４０にクロック信号ＣＬＫを出力する。具体的には、クロック出力部５０は、モード選択信号ＭＤＳＥＬに基づいて、発振回路５２が出力するクロック信号ＣＫ１、駆動回路２０が出力するクロック信号ＣＫ２及び逓倍回路５４が出力するクロック信号ＣＫ３のいずれか１つを選択し、クロック信号ＣＬＫとして出力する。本実施形態では、図７に示すように、クロック出力部５０は、モード選択信号ＭＤＳＥＬがノーマルモードの選択を示す場合、クロック信号ＣＫ１を選択し、クロック信号ＣＬＫとして出力する。また、クロック出力部５０は、モード選択信号ＭＤＳＥＬが低パワーモードの選択を示す場合、クロック信号ＣＫ２を選択し、クロック信号ＣＬＫとして出力する。また、クロック出力部５０は、モード選択信号ＭＤＳＥＬが高精度モードの選択を示す場合、クロック信号ＣＫ３を選択し、クロック信号ＣＬＫとして出力する。

このように、本実施形態では、ノーマルモード（「第２モード」の一例）では、発振回路５２が動作し、クロック出力部５０が発振回路５２の出力信号（クロック信号ＣＫ１）に基づいてクロック信号ＣＬＫを出力する。また、低パワーモード（「第１モード」の一例）では、発振回路５２及び逓倍回路５４が停止し、クロック出力部５０が駆動回路２０の出力信号（クロック信号ＣＫ２）に基づいてクロック信号ＣＬＫを出力する。また、高精度モード（「第３モード」の一例）では、発振回路５２が停止するとともに逓倍回路５４が動作し、クロック出力部５０が逓倍回路５４の出力信号（クロック信号ＣＫ３）に基づいてクロック信号ＣＬＫを出力する。

物理量センサー１（信号処理回路３）は、インターフェース回路７０を介して、外部から入力される信号（レジスター６１に書き込まれるモード選択データ）に基づいて、ノーマルモードと低パワーモードと高精度モードとを切り替えてもよい。そして、レジスター６１に保持されるモード選択データが変更されると、クロック出力部５０は、クロック信号ＣＬＫにグリッチが発生しないように、クロック信号ＣＫ１、クロック信号ＣＫ２、クロック信号ＣＫ３の選択を切り替える。すなわち、本実施形態では、物理量センサー１（信号処理回路３）は、クロック信号ＣＬＫにグリッチが発生しないようにノーマルモードと低パワーモードと高精度モードとを切り替える。これにより、クロック信号ＣＬＫのグリッチに起因するデジタル処理部４０の誤動作を防止することができる。

また、ノーマルモード又は低パワーモードから高精度モードに切り替わる際、クロック出力部５０は、逓倍回路５４が出力するＬＯＣＫ信号がアクティブ（クロック信号ＣＫ３の周波数が安定した状態）になった後に、クロック信号ＣＫ１又はクロック信号ＣＫ２からクロック信号ＣＫ３に切り替えてクロック信号ＣＬＫを出力する。これにより、不安定なクロック信号ＣＬＫに起因するデジタル処理部４０の誤動作を防止することができる。

デジタル処理部４０は、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器４２（「アナログ／デジタル変換器」の一例）及びＤＳＰ（Digital Signal Processor）４４を含んで構成されている。

Ａ／Ｄ変換器４２は、クロック出力部５０が出力するクロック信号ＣＬＫに同期して動作し、振動型センサー４（検出回路３０）の出力信号をデジタル信号（角速度データ）に変換して出力する。このＡ／Ｄ変換器４２から出力されるデジタル信号（角速度データ）は、所定のレートで順次更新される。Ａ／Ｄ変換器４２は、例えば、デルタシグマ型や逐次比較型のＡ／Ｄ変換回路であってもよい。

ＤＳＰ４４は、クロック出力部５０が出力するクロック信号ＣＬＫに同期して動作し、Ａ／Ｄ変換器４２から出力されるデジタル信号（角速度データ）に対して、フィルター処理を含むデジタル処理を行う。ＤＳＰ４４は、例えば、図８に示すような１次のＩＩＲ（Infinite impulse response）フィルターによってフィルター処理を行う。図８において、ＸはＩＩＲフィルターへの入力データであり、ＹはＩＩＲフィルターからの出力データである。フィルター係数ａ_１，ｂ_０，ｂ_１は、例えば、記憶部６０（不揮発性メモリー６２）に記憶される。

また、ＤＳＰ４４は、角速度データのゼロ点のオフセットや角速度データの温度による変動を補正するデジタル処理を行ってもよい。これらのデジタル処理が行われた角速度データの値は、物理量検出素子２が検出した角速度を表し、所定のレートで順次更新される。さらに、ＤＳＰ４４は、順次更新される角速度データを時間積分（加算）して角度データを計算するデジタル処理を行ってもよい。

ノーマルモードでは、クロック信号ＣＬＫとして、駆動回路２０よりも発振周波数が高い発振回路５２が出力するクロック信号ＣＫ１が選択され、デジタル処理部４０（Ａ／Ｄ変換器４２及びＤＳＰ４４）が高速に処理を行うことになるため、物理量センサー１（信号処理回路３）の消費電力が大きい。一方、低パワーモードでは、クロック信号ＣＬＫとして、駆動回路２０が出力するクロック信号ＣＫ２が選択され、デジタル処理部４０が低速に処理を行うことになり、さらに発振回路５２と逓倍回路５４が停止するので、物理量センサー１（信号処理回路３）の消費電力が非常に小さい。

ここで、ノーマルモードと低パワーモードとでは、クロック信号ＣＬＫの周波数が異なるため、ＤＳＰ４４のフィルター処理におけるサンプリング周波数も異なる。そこで、本実施形態では、デジタル処理部４０は、ノーマルモードと低パワーモードとが切り替わった後に、ＤＳＰ４４のフィルター処理を初期化する。例えば、ＤＳＰ４４が図８に示した１次のＩＩＲフィルターによってフィルター処理を行う場合、フィルター処理の過渡応答時間を短くするために、デジタル処理部４０は、ノーマルモード又は低パワーモードに切り替わった後に、遅延回路Ｚ^−１によって保持されるデータを入力データＸに初期化する。また、デジタル処理部４０は、ノーマルモード又は低パワーモードに切り替わった後に、フィルター係数ａ_１，ｂ_０，ｂ_１を所望の値に初期化する。例えば、ノーマルモードと低パワーモードとで角速度の検出帯域を不変とするために、デジタル処理部４０は、ノーマルモードと低パワーモードとでカットオフ周波数が一定になるようにフィルター処理を初期化してもよい。具体的には、ＤＳＰ４４は、図８に示した１次のＩＩＲフィルターによってフィルター処理を行う場合、ノーマルモードではサンプリング周波数が１０ｋＨｚであり、低パワーモードではサンプリング周波数が１ｋＨｚであれば、例えば、フィルター係数ａ_１，ｂ_０，ｂ_１が、ノーマルモードではａ_１＝−０．９３９０６，ｂ_０＝ｂ_１＝０．０３０４７になり、低パワーモードではａ_１＝−０．５０９５３，ｂ_０＝ｂ_１＝０．０２４５２４になるようにフィルター処理を初期化することにより、カットオフ周波数を１００Ｈｚで一定にすることができる。なお、ノーマルモードと高精度モードとでクロック信号ＣＬＫの周波数が異なる場合も、デジタル処理部４０は、ノーマルモードと高精度モードとでカットオフ周波数が一定になるようにＤＳＰ４４のフィルター処理を初期化してもよい。

図１０は、ノーマルモードから低パワーモードに切り替わるときの各クロック信号の波形及びデジタル処理部４０の動作の一例を示す図である。また、図１１は、低パワーモードからノーマルモードに切り替わるときの各クロック信号の波形及びデジタル処理部４０の動作の一例を示す図である。図１０及び図１１のいずれにおいても、クロック信号ＣＬＫにグリッチが発生しないように動作モードが切り替わり、動作モードが切り替わった直後にＤＳＰ４４のフィルター処理が初期化されている。また、低パワーモードでは、クロック信号ＣＫ１及びクロック信号ＣＫ３が一定電圧（ローレベル）に固定されている。

本実施形態では、発振回路５２はＣＲ発振器等やリングオシレーター等の小面積で実現される発振回路であり、発振回路５２が出力するクロック信号ＣＫ１の周波数温度特性は半導体素子の温度特性の影響を受ける。これに対して、物理量検出素子２は、例えば、温度安定性の高い水晶振動片を有するため、駆動回路２０が出力するクロック信号ＣＫ２は、クロック信号ＣＫ１と比較して周波数温度特性が極めて良い。図９は、クロック信号ＣＫ１とクロック信号ＣＫ２の周波数温度特性の一例を示す図であり、実線がクロック信号ＣＫ１の周波数温度特性を示し、破線がクロック信号ＣＫ２の周波数温度特性を示す。図９の例では、−３５℃〜＋８５℃（使用温度範囲）において、クロック信号ＣＫ１の周波数偏差が±０．２％程度の範囲であるのに対して、クロック信号ＣＫ２の周波数偏差は±０．０１％以下の範囲である。

そこで、本実施形態では、高精度モードでは、クロック信号ＣＬＫとして、クロック信号ＣＫ２が逓倍された周波数偏差が小さいクロック信号ＣＫ３が選択され、デジタル処理部４０は、ノーマルモードよりも高精度にデジタル処理を行うことが可能になっている。例えば、デジタル処理部４０（ＤＳＰ４４）が角速度データを時間積分（加算）して角度データを計算する場合、動作モードを高精度モードに設定することにより、積分誤差を低減することができるので、より高精度な角度データが得られる。また、ノーマルモードと高精度モードでデジタル処理のレートが変わらないように、クロック信号ＣＫ１の周波数とクロック信号ＣＫ３の周波数が同じになるように構成してもよい。例えば、発振回路５２が非常に高い周波数で発振するＣＲ発振器等の出力信号を分周回路で整数分周してクロック信号ＣＫ３と同じ周波数のクロック信号ＣＫ１を出力するようにしてもよい。この高精度モードでは、非常に高い周波数で発振する発振回路５２が停止するため、物理量センサー１の消費電力が低減される。

図１２は、ノーマルモードから高精度モードに切り替わるときの各クロック信号の波形及びデジタル処理部４０の動作の一例を示す図である。図１２において、逓倍回路５４が動作を開始してＬＯＣＫ信号がアクティブ（ハイレベル）になった後に、クロック信号ＣＬＫとしてクロック信号ＣＫ３が出力されている。また、高精度モードでは、クロック信号ＣＫ１が一定電圧（ローレベル）に固定されている。なお、図１２の例では、クロック信号ＣＫ１の周波数とクロック信号ＣＫ３の周波数が同じであり、ノーマルモードと高精度モードでフィルター係数が変更されないものとして、フィルター処理の初期化は行われていないが、高精度モードに切り替わった直後にフィルター処理の初期化が行われてもよい。

以上に説明したように、第１実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）では、クロック出力部５０からデジタル処理部４０に出力されるクロック信号ＣＬＫは、ノーマルモードにおいて発振回路５２が出力するクロック信号ＣＫ１であり、低パワーモードにおいて発振回路５２よりも発振周波数が低い駆動回路２０が出力するクロック信号ＣＫ２である。従って、低パワーモードにおいて、デジタル処理部４０は、振動型センサー４の出力信号に対してノーマルモードよりも低消費電流で単位時間あたりの処理を行うことができる。従って、第１実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）によれば、低パワー
モードにおいてノーマルモードよりも消費電流を低減させてセンシングすることができる。

また、第１実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）では、ノーマルモードにおいて、クロック出力部５０から低パワーモードよりも高い周波数のクロック信号ＣＬＫがデジタル処理部４０に出力されるので、デジタル処理部４０は、振動型センサー４の出力信号に対して低パワーモードよりも高いレートで処理を行うことができる。従って、第１実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）によれば、ノーマルモードにおいて低パワーモードよりも高分解能にセンシングすることができる。

さらに、第１実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）では、高精度モードにおいて、クロック出力部５０から、低パワーモードよりも高い周波数であり、かつ、ノーマルモードよりも周波数偏差が小さいクロック信号ＣＫ３がデジタル処理部４０に出力されるので、デジタル処理部４０は、振動型センサー４の出力信号に対して低パワーモードより高いレートで、かつ、ノーマルモードよりも高精度に処理を行うことができる。従って、第１実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）によれば、高精度モードにおいて低パワーモードよりも高分解能に、かつ、ノーマルモードよりも高精度にセンシングすることができる。

また、第１実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）では、外部からの信号に基づいて、ノーマルモード、低パワーモード及び高精度モードのいずれかの動作モードを選択可能である。すなわち、第１実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）によれば、動作中に、低消費電流でのセンシング、高分解能なセンシング及び高精度なセンシングを外部装置によって自在に切り替えることができる。

また、第１実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）では、動作モードが切り替わる際に、クロック信号ＣＬＫにグリッチが発生しないので、デジタル処理部４０の誤動作を防止することができる。

また、第１実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）では、動作モードが切り替わった直後に、デジタル処理部４０によるフィルター処理の対象となるデータが初期化されるのでフィルター処理の過渡応答時間を短くすることができ、また、フィルター係数が初期化されるのでフィルター特性を最適化することができる。例えば、低パワーモードとノーマルモード及び高精度モードとでフィルター係数を変えることにより、動作モードによらず、デジタル処理部４０によるフィルター処理のカットオフ周波数を一定に保つことができる。これにより、動作モードによらず、センシングの検出帯域を一定に保つことができる。また、低パワーモードでは、低周波の角速度信号のみをセンシングできれば良い場合には、低パワーモードにおけるフィルター処理のカットオフ周波数をノーマルモード及び高精度モードにおけるカットオフ周波数よりも低くすることにより、低パワーモードにおけるセンシングのＳ／Ｎを向上させることができる。

１−２．第２実施形態
以下、第２実施形態の物理量センサー１について、主に第１実施形態と異なる内容について説明し、第１実施形態と重複する説明を省略する。図１３は、第２実施形態の物理量センサーの機能ブロック図である。図１３において、第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付している。第２実施形態の物理量センサー１では、信号処理回路３は、第１実施形態と同様に構成に加えて、さらにインターフェース回路８０を含んで構成されている。

インターフェース回路８０は、ＭＳＣＫ端子及びＭＳＤＡ端子と電気的に接続されており、これらの端子を介して複数の外部装置と通信するための回路である。インターフェー
ス回路８０を介した通信では、物理量センサー１（信号処理回路３）がマスターとして機能し、複数の外部装置がスレーブとして機能する。そして、物理量センサー１（信号処理回路３）は、インターフェース回路８０を介して、複数の外部装置がそれぞれが有する記憶部（レジスター）の所定のアドレスにデータを書き込むことや、複数の外部装置がそれぞれ有する記憶部（レジスター）の所定のアドレスからデータを読み出すことができる。インターフェース回路８０は、例えば、Ｉ^２Ｃインターフェース回路として機能し、ＭＳＣＫ端子を介してクロック信号が出力され、ＭＳＤＡ端子を介してデータ信号が入出力される。

レジスター６１には、インターフェース回路８０を介した複数の外部装置との通信において使用されるアドレスやデータの情報が設定される。

本実施形態では、デジタル処理部４０は、Ａ／Ｄ変換器４２及びＤＳＰ４４に加えて姿勢演算部４６を含んで構成されている。

姿勢演算部４６は、クロック出力部５０が出力するクロック信号ＣＬＫに同期して動作し、３軸の角速度データに基づいて姿勢演算を実行する。具体的には、姿勢演算部４６は、ＤＳＰ４４から第１軸の角速度ω_１を表す第１角速度データを所定の周期Δｔで順次取得する。また、姿勢演算部４６は、インターフェース回路８０を介して複数の外部装置から周期Δｔで順次取得されて記憶部６０（レジスター６１）に記憶される、第２軸の角速度ω_２を表す第２角速度データ及び第３軸の角速度ω_３を表す第３角速度データを順次取得する。第１軸、第２軸及び第３軸は、例えば、互いに直交する軸である。そして、姿勢演算部４６は、周期Δｔで順次取得した第１角速度データ（角速度ω_１）、第２角速度データ（角速度ω_２）及び第３角速度データ（角速度ω_３）を用いて姿勢演算を行う。

本実施形態では、姿勢演算部４６は、記憶部６０（不揮発性メモリー６２）に記憶されている、第１軸、第２軸及び第３軸とあらかじめ定義されているｘ軸、ｙ軸及びｚ軸との対応関係の情報を用いて、例えば、第１角速度データ（角速度ω_１）をｘ軸の角速度データ（ｘ軸回りの角速度ω_ｘ）と認識し、第２角速度データ（角速度ω_２）をｙ軸の角速度データ（ｙ軸回りの角速度ω_ｙ）と認識し、第３角速度データ（角速度ω_３）をｚ軸の角速度データ（ｚ軸回りの角速度ω_ｚ）と認識する。そして、姿勢演算部４６は、ｘ軸回りの角速度ω_ｘ（＝ω_１）、ｙ軸回りの角速度ω_ｙ（＝ω_２）及びｚ軸回りの角速度ω_ｚ（＝ω_３）に基づき、クォータニオンを用いて姿勢演算を行うことができる。例えば、姿勢演算部４６は、３軸分の角速度ω_ｘ，ω_ｙ，ω_ｚを取得する毎に、式（１）に従ってクォータニオンｑを更新し、更新したクォータニオンｑを式（２）に従って正規化することにより、姿勢演算を行う。

図１４は、クォータニオンを用いて姿勢演算を行う姿勢演算部４６の構成例を示す図である。図１４に示すように、姿勢演算部４６は、変換部２１１、行列演算部２１２、乗算器２１３、加算器２１４及び正規化部２１５を含んで構成されている。

変換部２１１は、記憶部６０（不揮発性メモリー６２）に記憶されている、第１軸、第２軸及び第３軸とｘ軸、ｙ軸及びｚ軸との対応関係の情報に基づいて、３軸の角速度データ（角速度ω_１，ω_２，ω_３）をｘ軸回りの角速度ω_ｘ、ｙ軸回りの角速度ω_ｙ及びｚ軸回りの角速度ω_ｚに変換して出力する。

行列演算部２１２は、クロック信号ＣＬＫに同期して、ｘ軸回りの角速度ω_ｘ、ｙ軸回りの角速度及びｚ軸回りの角速度ω_ｚ（いずれも単位はＬＳＢ）と最新のクォータニオンｑ（各要素ｑ_ｗ，ｑ_ｘ，ｑ_ｙ，ｑ_ｚの単位はラジアン）とを用いて、式（１）の右辺第１項中の行列積の部分を計算して出力する。

乗算器２１３は、行列演算部２１２の出力値と係数値ＣＯＥＦとの積を計算して出力する。この乗算器２１３の出力値は、式（１）の右辺第１項の計算値に相当する。係数値ＣＯＥＦは、記憶部６０（不揮発性メモリー６２）に記憶されており、式（３）で計算される定数値である。

式（３）において、ＧＳは、検出回路３０（ＧＳは物理量検出素子２の検出感度（単位：°／ｓ／ＬＳＢ））である。また、ＦＲＥＱは、クロック信号ＣＬＫの周波数（単位はＨｚ）である。

加算器２１４は、乗算器２１３の出力値と最新のクォータニオンｑとの和を計算して出力する。この加算器２１４の出力値は、式（１）の計算値に相当する。

正規化部２１５は、クロック信号ＣＬＫに同期して、加算器２１４の出力値を、その大きさが１になるように正規化して出力する。この正規化部２１５の出力値は、式（２）の計算値に相当し、最新のクォータニオンｑとなる。そして、姿勢演算部４６による姿勢演算の結果（クォータニオンｑ）は、記憶部６０（レジスター６１）に記憶され、外部装置からの要求に応じて、インターフェース回路７０を介して出力される。

図１５は、第２実施形態の物理量センサー１を用いた姿勢演算装置６の構成例を示す図である。図１５に示す姿勢演算装置６は、３個の物理量センサー１（１−１，１−２，１−３）を備えている。各物理量センサー１−ｋ（ｋ＝１〜３）は、物理量検出素子２−ｋ及び信号処理回路３−ｋを備えている。

物理量センサー１−１が備えている信号処理回路３−１のＭＳＣＫ端子と、物理量センサー１−２が備えている信号処理回路３−２のＳＣＬＫ端子と、物理量センサー１−３が備えている信号処理回路３−３のＳＣＬＫ端子とが電気的に接続されている。また、物理量センサー１−１が備えている信号処理回路３−１のＭＳＤＡ端子と、物理量センサー１−２が備えている信号処理回路３−２のＭＯＳＩ端子と、物理量センサー１−３が備えている信号処理回路３−３のＭＯＳＩ端子とが電気的に接続されている。そして、物理量センサー１−１（信号処理回路３−１の姿勢演算部４６（図１３参照））が姿勢演算を行う。

物理量センサー１−１（信号処理回路３−１）は、インターフェース回路８０（図１３参照）を介して、物理量センサー１−２，１−３とそれぞれ通信する。物理量センサー１−２，１−３は、インターフェース回路７０（図１３参照）を介して、物理量センサー１−１と通信する。信号処理回路３−２，３−３において、ＸＣＳ端子が電源にプルアップされており、信号処理回路３−２，３−３のインターフェース回路７０は、Ｉ^２Ｃインターフェース回路として機能する。マスターである物理量センサー１−１（信号処理回路３−１）は、スレーブである物理量センサー１−２，１−３（信号処理回路３−２，３−３）に対して、データの書き込みやデータの読み出しを行う。従って、物理量センサー１−１（信号処理回路３−１）は、物理量センサー１−２（信号処理回路３−２）から第２角速度データ（角速度ω_２）を読み出して取得し、物理量センサー１−３（信号処理回路３−３）から第３角速度データ（角速度ω_３）を読み出して取得することができる。

そして、物理量センサー１−１（信号処理回路３−１）は、自身で検出した第１角速度データ（角速度ω_１）、物理量センサー１−２（信号処理回路３−２）から第２角速度データ（角速度ω_２）及び物理量センサー１−３（信号処理回路３−３）から第３角速度データ（角速度ω_３）に基づいて、姿勢演算を行う。

また、物理量センサー１−１（信号処理回路３−１）は、インターフェース回路７０（図１３参照）を介して、ホストである制御装置５と通信する。信号処理回路３−１のインターフェース回路７０は、ＳＰＩインターフェース回路として機能し、マスターである制御装置５は、スレーブである物理量センサー１−１（信号処理回路３−１）に対して、データの書き込みやデータの読み出しを行い、あるいは、コマンドを送信する。従って、制御装置５は、姿勢演算装置６から姿勢演算の結果（クォータニオンｑ）を読み出して取得することができる。

このように構成された姿勢演算装置６は、例えば、パッケージ化された状態で、姿勢演算の対象物に取り付けられる。そして、物理量センサー１−１（信号処理回路３−１）の姿勢演算部４６は、クロック信号ＣＬＫの１周期をΔｔとして、式（１）及び式（２）に従ってクォータニオンｑを計算する。そして、式（１）及び式（２）より、クォータニオンｑの演算精度は、Δｔの精度、すなわち、クロック出力部５０が出力するクロック信号ＣＬＫの周波数精度によって決まる。前述の通り、例えば、クロック信号ＣＫ１の周波数偏差が±０．２％程度の範囲であるのに対して、クロック信号ＣＫ２の周波数偏差は±０．０１％以下の範囲である。従って、物理量センサー１−１（信号処理回路３−１）は、姿勢演算部４６による演算精度を高めるために、クロック信号ＣＬＫとして、クロック信号ＣＫ２が逓倍された周波数偏差が小さいクロック信号ＣＫ３が選択される高精度モードに設定されることが望ましい。一方、物理量センサー１−２（信号処理回路３−２）は、第２角速度データ（角速度ω_２）を出力すればよく、姿勢演算部４６が動作しなくてよい（Δｔに基づく計算を行う必要がない）ため、ノーマルモードに設定されてもよい。同様に、物理量センサー１−３（信号処理回路３−３）は、第３角速度データ（角速度ω_３）を出力すればよく、姿勢演算部４６が動作しなくてよい（Δｔに基づく計算を行う必要がない）ため、ノーマルモードに設定されてもよい。姿勢演算装置６において、物理量センサー１−１，１−２，１−３（信号処理回路３−１，３−２，３−３）の各動作モードをこのように設定することにより、消費電力の増加を抑制しながら高精度に姿勢演算を行うことができる。

２．電子機器
図１６は、本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図である。図１６に示すように、本実施形態の電子機器３００は、物理量センサー３１０、制御装置（ＭＣＵ）３２０、操作部３３０、ＲＯＭ（Read Only Memory）３４０、ＲＡＭ（Random Access
Memory）３５０、通信部３６０、表示部３７０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１６の構成要素（各部）の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

物理量センサー３１０は、物理量を検出して検出結果を制御装置（ＭＣＵ）３２０に出力する。物理量センサー３１０として、例えば、上述した本実施形態の物理量センサー１を適用することができる。

制御装置（ＭＣＵ）３２０は、ＲＯＭ３４０等に記憶されているプログラムに従い、物理量センサー３１０に通信信号を発信し、物理量センサー３１０の出力信号を用いて各種の計算処理や制御処理を行う。その他、制御装置（ＭＣＵ）３２０は、操作部３３０からの操作信号に応じた各種の処理、外部装置とデータ通信を行うために通信部３６０を制御する処理、表示部３７０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等を行う。

操作部３３０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制御装置（ＭＣＵ）３２０に出力する。

ＲＯＭ３４０は、制御装置（ＭＣＵ）３２０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データ等を記憶している。

ＲＡＭ３５０は、制御装置（ＭＣＵ）３２０の作業領域として用いられ、ＲＯＭ３４０から読み出されたプログラムやデータ、操作部３３０から入力されたデータ、制御装置（ＭＣＵ）３２０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３６０は、制御装置（ＭＣＵ）３２０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。

表示部３７０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示装置であり、ＣＰＵ３２０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。表示部３７０には操作部３３０として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。

物理量センサー３１０として、例えば上述した本実施形態の物理量センサー１を適用することにより、例えば、信頼性の高い電子機器を実現することができる。

このような電子機器３００としては種々の電子機器が考えられ、例えば、パーソナルコンピューター（例えば、モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、タブレット型パーソナルコンピューター）、スマートフォンや携帯電話機などの移動体端末、デジタルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えば、インクジェットプリンター）、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、移動体端末基地局用機器、テレビ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、リアルタイムクロック装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ゲーム用コントローラー、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、ＰＤＲ（歩行者位置方位計測）等が挙げられる。

図１７は、本実施形態の電子機器３００の一例であるデジタルカメラ１３００を模式的に示す斜視図である。なお、図１７には、外部機器との接続についても簡易的に示している。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、デジタルカメラ１３００は、被写体の光像をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などの撮像素子により光電変換して撮像信号（画像信号）を生成する。

デジタルカメラ１３００におけるケース（ボディー）１３０２の背面には、表示部１３１０が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部１３１０は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース１３０２の正面側（図中裏面側）には、光学レンズ（撮像光学系）やＣＣＤなどを含む受光ユニット１３０４が設けられている。撮影者が表示部１３１０に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン１３０６を押下すると、その時点におけるＣＣＤの撮像信号が、メモリー１３０８に転送・格納される。また、このデジタルカメラ１３００においては、ケース１３０２の側面に、ビデオ信号出力端子１３１２と、データ通信用の入出力端子１３１４とが設けられている。そして、ビデオ信号出力端子１３１２には、テレビモニター１４３０が、データ通信用の入出力端子１３１４には、パーソナルコンピューター１４４０が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー１３０８に格納された撮像信号が、テレビモニター１４３０や、パーソナルコンピューター１４４０に出力される構成になっている。デジタルカメラ１３００は、物理量センサー３１０を有し、物理量センサー３１０の出力信号を用いて、例えば手振れ補正等の処理を行う。

３．移動体
図１８は、本実施形態の移動体の一例を示す図（上面図）である。図１８に示す移動体４００は、物理量センサー４１０、コントローラー４４０，４５０，４６０、バッテリー４７０、ナビゲーション装置４８０を含んで構成されている。なお、本実施形態の移動体は、図１８の構成要素（各部）の一部を省略し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

物理量センサー４１０、コントローラー４４０，４５０，４６０、ナビゲーション装置４８０は、バッテリー４７０から供給される電源電圧で動作する。

物理量センサー４１０は、物理量を検出して検出結果をコントローラー４４０，４５０，４６０に出力する。

コントローラー４４０，４５０，４６０は、それぞれ、物理量センサー４１０の出力信号を用いて、姿勢制御システム、横転防止システム、ブレーキシステム等の各種の制御を行う制御装置である。

ナビゲーション装置４８０は、内蔵のＧＰＳ受信機（不図示）の出力情報に基づき、移動体４００の位置や時刻その他の各種の情報をディスプレイに表示する。また、ナビゲーション装置４８０は、ＧＰＳの電波が届かない時でも物理量センサー４１０の出力信号に基づいて移動体４００の位置や向きを特定し、必要な情報の表示を継続する。

例えば、物理量センサー４１０として、上述した各実施形態の物理量センサー１を適用することにより、例えば、信頼性の高い移動体を実現することができる。

このような移動体４００としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車（電気自動車も含む）、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。

４．変形例
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、上記各実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）は、ノーマルモード、低パワーモード及び高精度モードの３つの動作モードを有しているが、これ以外の動作モードを有していてもよい。あるいは、上記各実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）は、動作モードとして高精度モードを有していなくてもよい。

また、例えば、上記各実施形態の物理量センサー１（信号処理回路３）では、Ａ／Ｄ変換器４２とＤＳＰ４４とは、共通のクロック信号ＣＬＫによって動作しているが、互いに異なるクロック信号によって動作してもよい。例えば、ＤＳＰ４４は、クロック出力部５０が出力するクロック信号ＣＬＫによって動作し、Ａ／Ｄ変換器４２は、クロック信号ＣＬＫの分周クロック信号によって動作してもよい。

また、例えば、上述した実施形態では、角速度を検出する物理量検出素子を含む物理量センサー（角速度センサー）並びに当該物理量センサー（角速度センサー）を備えた電子機器及び移動体を例に挙げて説明したが、本発明は、種々の物理量を検出する物理量検出素子を含む物理量センサー並びに当該物理量センサーを備えた電子機器及び移動体にも適用することができる。物理量検出素子が検出する物理量は、角速度に限らず、角加速度、加速度、地磁気、傾斜などであってもよい。従って、振動型センサーは、振動型角速度センサーに限らず、例えば、振動型圧力センサー、振動型傾斜センサー等であってもよい。また、物理量検出素子の振動片は、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、物理量検出素子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。また、物理量検出素子は、圧電型の素子に限らず、動電型、静電容量型、渦電流型、光学型、ひずみゲージ型等の振動式の素子であってもよい。あるいは、物理量検出素子の方式は、振動式に限らず、例えば、光学式、回転式、流体式であってもよい。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

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。

１，１−１，１−２，１−３…物理量センサー、２，２−１，２−２，２−３…物理量検出素子、３，３−１，３−２，３−３…信号処理回路、４…振動型センサー、５…制御装置、６…姿勢演算装置、１０…基準電圧回路、２０…駆動回路、２１…Ｉ／Ｖ変換回路、２２…ローパスフィルター、２３…ハイパスフィルター、２４…コンパレーター、２５…
全波整流回路、２６…積分器、２７…コンパレーター、２８…コンパレーター、３０…検出回路、３１…ＱＶアンプ、３２…差動アンプ、３３…可変ゲインアンプ、３４…同期検波回路、４０…デジタル処理部、４２…Ａ／Ｄ変換回路、４４…ＤＳＰ、４６…姿勢演算部、５０…クロック出力部、５２…発振回路、５４…逓倍回路、６０…記憶部、６１…レジスター、６２…不揮発性メモリー、７０…インターフェース回路、８０…インターフェース回路、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、２１１…変換部、２１２…行列演算部、２１３…乗算器、２１４…加算器、２１５…正規化部、３００…電子機器、３１０…物理量センサー、３２０…制御装置（ＭＣＵ）、３３０…操作部、３４０…ＲＯＭ、３５０…ＲＡＭ、３６０…通信部、３７０…表示部、４００…移動体、４１０…物理量センサー、４４０，４５０，４６０…コントローラー、４７０…バッテリー、４８０…ナビゲーション装置、１３００…デジタルカメラ、１３０２…ケース、１３０４…受光ユニット、１３０６…シャッターボタン、１３０８…メモリー、１３１０…表示部、１３１２…ビデオ信号出力端子、１３１４…入出力端子、１４３０…テレビモニター、１４４０…パーソナルコンピューター

Claims (8)

1. 第１発振回路を含む振動型センサーと、
   前記第１発振回路よりも発振周波数が高い第２発振回路と、
   前記振動型センサーの出力信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器を含み、クロック信号に基づいて前記デジタル信号に対してデジタル処理を行うデジタル処理部と、
   前記デジタル処理部に前記クロック信号を出力するクロック出力部と、を備え、
   前記第２発振回路が停止し、前記クロック出力部が前記第１発振回路の出力信号に基づいて前記クロック信号を出力する第１モードと、
   前記クロック出力部が前記第２発振回路の出力信号に基づいて前記クロック信号を出力する第２モードと、
   を有する、物理量センサー。
2. 外部から入力される信号に基づいて、前記第１モードと前記第２モードとを切り替える、請求項１に記載の物理量センサー。
3. 前記クロック信号にグリッチが発生しないように前記第１モードと前記第２モードとを切り替える、請求項２に記載の物理量センサー。
4. 前記デジタル処理は、フィルター処理を含み、
   前記デジタル処理部は、
   前記第１モードと前記第２モードとが切り替わった後に、前記フィルター処理を初期化する、請求項２又は３に記載の物理量センサー。
5. 前記デジタル処理部は、
   前記第１モードと前記第２モードとで、カットオフ周波数が一定になるように前記フィルター処理を初期化する、請求項４に記載の物理量センサー。
6. 前記第１発振回路の前記出力信号を逓倍する逓倍回路をさらに備え、
   前記第１発振回路の前記出力信号は、前記第２発振回路の前記出力信号よりも周波数偏差が小さく、
   前記クロック出力部が前記逓倍回路の出力信号に基づいて前記クロック信号を出力する第３モードをさらに有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の物理量センサー。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えている、電子機器。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えている、移動体。

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