JP4967663B2 - 振動型ジャイロセンサ、制御回路及び電子機器 - Google Patents

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、その制御回路及び当該振動型ジャイロセンサを搭載した電子機器に関する。

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小型化されると振動系も軽量化されるが、コリオリ力は振動系の重さに比例するため、その分、検出感度も低下する。また、振動型ジャイロセンサの小型化により電源が低電圧化されるが、そうなると、振動子の振幅も小さくなるため、これによっても検出感度が低下する。検出感度の低下により、検出の出力信号のＳ／Ｎが劣化する。

そこで、このような問題を解決するため、検出用の２つの電極から出力される、同位相及び同振幅の駆動用の信号が加算回路で加算され、さらに反転回路で反転させた信号が、当該検出用の２つの電極に印加される、といった技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−２０５８６１号公報（段落[０００５]、[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。したがって、センサの検出感度をさらに向上させ、従来品以上のＳ／Ｎの改善が必要である。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、検出感度を向上させ、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる振動型ジャイロセンサ、その制御回路及び当該振動型ジャイロセンサを搭載した電子機器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有する第１の側と、前記第１の側に対向するように設けられ共通電極を有する第２の側とを有する圧電素子群を有し、前記駆動電極と前記共通電極との間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素子と、前記検出電極にバイアス電圧を与えるバイアス手段と、前記検出電極が発生する前記出力信号に基づき、前記振動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、前記発振回路から出力された前記駆動信号の位相を反転させた反転信号を、前記共通電極に出力する位相反転回路とを具備する。

本発明では、第１の側に設けられた検出電極にバイアス電圧が加えられ、その状態で、第１の側に設けられた駆動電極と、第２の側に設けられた共通電極との間に駆動信号を加えることができる。これにより、振動素子は、共通電極と検出電極との間でバイアス電圧に対応する駆動信号が加えられるように動作する。すなわち、検出電極も駆動電極として機能する。その結果、検出電極による検出感度をさらに向上させることができ、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

圧電素子群とは、複数の圧電素子で構成される要素である。駆動電極、検出電極のうちの１つの電極ごとに圧電素子が設けられる。振動素子は、それらの圧電素子うち、駆動電極が設けられた圧電素子が駆動することによって振動する。

本発明の一の形態によれば、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の検出電極とを有し、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する。すなわち、本発明に係る振動型ジャイロセンサは、加算回路により加算された加算信号を用いて発振回路により自励発振を起こす。

本発明の一の形態によれば、前記振動素子は、前記圧電素子群の前記共通電極としての導電膜を有する絶縁体を有する。すなわち、導電膜が形成された絶縁体が振動素子のベース振動体になる。例えば、導電膜が形成された絶縁体の当該導電膜上に、圧電素子群が搭載されるようにして振動素子が作製される。

本発明の他の観点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有する第１の側と、前記第１の側に対向するように設けられ共通電極を有する第２の側とを有する圧電素子を有し、前記駆動電極と前記共通電極との間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素子と、前記検出電極にバイアス電圧を与えるバイアス手段と、前記検出電極が発生する前記出力信号に基づき、前記振動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、前記発振回路から出力された前記駆動信号の位相を反転させた反転信号を、前記共通電極に出力する位相反転回路とを具備する。

本発明では、振動素子が有する圧電素子は、駆動電極と検出電極に共通の１つの圧電材が用いられる。

本発明の一の形態によれば、前記振動素子は、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。これにより、例えばＭＥＭＳ等の方法により、１枚の基板上で複数の振動素子を作製することができる。

本発明に係る制御回路は、駆動電極と検出電極とを有する第１の側と、前記第１の側に対向するように設けられ共通電極を有する第２の側とを有する圧電素子群を有し、前記駆動電極と前記共通電極との間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素子の、前記検出電極にバイアス電圧を与えるバイアス手段と、前記検出電極が発生する前記出力信号に基づき、前記振動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、前記発振回路から出力された前記駆動信号の位相を反転させた反転信号を、前記共通電極に出力する位相反転回路とを具備する。

本発明の他の観点に係る制御回路は、駆動電極と検出電極とを有する第１の側と、前記第１の側に対向するように設けられ共通電極を有する第２の側とを有する圧電素子を有し、前記駆動電極と前記共通電極との間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素子の、前記検出電極にバイアス電圧を与えるバイアス手段と、前記検出電極が発生する前記出力信号に基づき、前記振動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、前記発振回路から出力された前記駆動信号の位相を反転させた反転信号を、前記共通電極に出力する位相反転回路とを具備する。

本発明に係る電子機器は、駆動電極と検出電極とを有する第１の側と、前記第１の側に対向するように設けられ共通電極を有する第２の側とを有する圧電素子群を有し、前記駆動電極と前記共通電極との間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素子と、前記検出電極にバイアス電圧を与えるバイアス手段と、前記検出電極が発生する前記出力信号に基づき、前記振動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、前記発振回路から出力された前記駆動信号の位相を反転させた反転信号を、前記共通電極に出力する位相反転回路とを有する振動型ジャイロセンサと、前記振動型ジャイロセンサを搭載する機器本体とを具備する。

以上のように、本発明によれば、振動型ジャイロセンサの検出感度を向上させ、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る振動型ジャイロセンサを説明する前に、まず、振動型ジャイロセンサの原理について図面を参照しながら説明する。

図１（Ａ）は、振動ジャイロ素子の斜視図であり、図１（Ｂ）は、その振動ジャイロ素子の長手方向の軸に垂直な面における断面図である。

振動ジャイロ素子１は、表面が導電メッキされた四角柱状のベース振動体２と、圧電素子３ａと、圧電素子３ｂとを備えている。圧電素子３ａ及び３ｂは、ベース振動体２の第１の側面２ａに並ぶように形成されている。圧電素子３ａは、圧電体５４ａと、圧電体５４ａの表面に形成された電極５５ａとを有する。圧電素子３ｂも同様に、圧電体５４ｂと、圧電体５４ｂの表面に形成された電極５５ｂとを有する。導電メッキ４は、圧電素子３ａ及び３ｂの共通電極となる。

図２は、図１に示す振動ジャイロ素子１を含むジャイロセンサの回路ブロック図である。発振回路７の出力は、ベース振動体２の第１の側面２ａと対向する第２の側面２ｂ（図１（Ａ）参照）に駆動信号として入力される。この駆動信号は、ベース振動体２の共通電極（基準電極）４を通して、圧電素子３ａ及び３ｂの当該共通電極４と接している側面５６ａ及び５６ｂに加えられる。上記駆動信号は、圧電素子３ａ及び３ｂにおいて同相で同じ大きさの信号である。圧電素子３ａ及び３ｂの電極５５ａ及び５５ｂから出力される信号は、抵抗５ａ及び５ｂにそれぞれ入力されるとともに加算回路６に入力される。抵抗５ａ及び５ｂは圧電素子３ａ及び３ｂの出力信号にバイアス電圧Ｖrefを与えるための抵抗である。加算回路６の出力は、発振回路７に入力される。圧電素子３ａ及び３ｂの出力は、差動増幅回路９に入力される。

振動ジャイロ素子１と加算回路６と発振回路７とにより自励発振回路が構成される。この自励発振回路により振動ジャイロ素子１は発振し、ベース振動体２の第１の側面２ａ及び第２の側面２ｂに垂直な方向（Ｙ軸方向）に屈曲振動する。圧電素子３ａ及び３ｂが屈曲振動することで、振動ジャイロ素子１全体がそれに合わせて屈曲振動する。この状態で、振動ジャイロ素子１が、その長手方向の軸（Ｚ軸）（以下、長軸という。）を中心として回転すると、振動ジャイロ素子１にコリオリ力が発生し、屈曲振動の向きが変わる。これによって、圧電素子３ａ及び３ｂの間に出力差が生じ、差動増幅回路９から出力が得られる。上記したように、振動ジャイロ素子１を駆動するための駆動信号は、圧電素子３ａ及び３ｂにおいて同相で同じ大きさの信号である。このため、当該駆動信号は、差動増幅回路９で相殺され、差動増幅回路９からは、回転角速度の大きさに応じた信号が出力される。

このように、圧電素子３ａ及び３ｂは、ベース振動体２に屈曲振動を与えるための駆動片として用いられるとともに、回転角速度に対応した信号を得るための検出片としても用いられる。

図３は振動ジャイロ素子１のインピーダンス特性を示す図である。横軸は発振周波数で、縦軸は圧電素子３ａまたは圧電素子３ｂのインピーダンスＺと位相θを表している。周波数ｆsでインピーダンスが最小のＺｓとなり、かつ位相が０[deg]となる。この周波数ｆsが直列共振点である。また、周波数ｆpでインピーダンスが最大となり、かつ位相が０[deg]となる。この周波数ｆpが並列共振点である。図２に示したジャイロセンサは、振動ジャイロ素子１と加算回路６と発振回路７で形成される自励発振回路によって、直列共振点で発振させている。

図４は、図２に示したジャイロセンサの等価回路を示す図である。この図４を用いて図２のジャイロセンサの動作原理をもう少し詳細に説明する。発振器７ａの出力は、ベース振動体２の第２の側面２ｂに駆動信号として入力される。この駆動信号は、ベース振動体２の共通電極４を通して、圧電素子３ａと３ｂの当該共通電極４と接している側面に加えられる。圧電素子３ａ及び３ｂの電極５５ａ及び５５ｂから出力される信号は、抵抗５ａ及び５ｂに入力されるとともに差動増幅回路９ａに入力される。

振動ジャイロ素子１は、発振器７ａにより与えられる交流電圧信号Ｖｄで他励発振する。このとき、振動ジャイロ素子１の圧電素子３ａのインピーダンスＺｓａと圧電素子３ｂのインピーダンスＺｓｂは最小となる。また、抵抗５ａの両端の交流電圧信号Ｖｒａと、抵抗５ｂの両端の交流電圧信号Ｖｒｂは最大となる。

振動ジャイロ素子１の長軸を中心とした回転角速度ωoが加わらないときには、インピーダンスＺｓａとインピーダンスＺｓｂは同じ大きさＺｓとなり、ＶｒａとＶｒｂも同じ信号となる。したがって、差動増幅回路９ａの出力は０となる。このときの圧電素子３ａ及び３ｂの各両端の交流電圧信号の振幅をＡgとする。

振動ジャイロ素子１に、その長軸を中心とした回転角速度ωoが加えられると、差動増幅回路９ａの出力にコリオリ力に応じた検出信号が現れる。この検出信号の大きさＶoは、振動ジャイロ素子の質量をｍとすると、式（１）で表される。
Ｖo ∝ ｍ・Ａg・ωo ・・・（１）

抵抗５ａ及び５ｂの抵抗値Ｒｂは、駆動効率の観点からは小さい方が良い。交流電圧信号ＶｄがインピーダンスＺｓ（Ｚｓａ、Ｚｓｂ）と抵抗値Ｒｂで分割されるため、抵抗値Ｒｂが小さい方が振幅Ａgを大きく取れるためである。しかし、抵抗値Ｒｂは、検出効率の観点からは大きい方が良い。すなわち、角速度ωoによって生じたインピーダンスＺｓａとインピーダンスＺｓｂの差が抵抗５ａ及び５ｂの各両端の電圧の差となって現れるためである。

以上のことにより、最も検出信号が大きく取れる抵抗５ａ及び５ｂの値は、Ｒｂ＝Ｚｓのときとなる。これは、上記したように、圧電素子３ａ及び３ｂは駆動片と検出片を兼用しているためである。

抵抗５ａ及び５ｂの値をＲｂ＝Ｚｓに選んだ場合に、一定の角速度ωoに対しての検出信号を大きくするには、式（１）からも明らかなように、振動ジャイロ素子１の質量ｍを大きくするか、または、圧電素子３ａ及び３ｂの各両端の交流電圧信号の振幅Ａgを大きくすればよい。しかしながら、質量ｍを大きくすることは小型化を求められるジャイロセンサにおいては難しく、振幅Ａgを大きくすることを考えなければならない。振幅Ａgを大きくするためには、発振器７ａにより与えられる交流電圧信号Ｖｄの振幅を大きくすればよい。しかしながら、Ｖｄの最大振幅はジャイロセンサの電源電圧の大きさで決まり、低電力化が求められる中では、電源電圧を大きくすることは難しい。

そこで、図５に示すように、位相反転回路８が設けられたジャイロセンサが提案されている。発振回路７の出力がベース振動体２の共通電極４に入力され、さらに位相反転回路８に入力される。位相反転回路８の出力は、抵抗５ａ及び５ｂを通して、圧電素子３ａ及び３ｂのベース振動体２と接している側面と対向する面、すなわち電極５５ａ及び５５ｂにそれぞれ入力される。

図６は、図５に示したジャイロセンサの等価回路を示す図である。図６において、図４の回路ブロック図との違いは、発振器８ａの出力が抵抗５ａ及び５ｂに入力される点である。発振器８ａにより与えられる交流電圧信号−Ｖｄは、発振器７ａにより与えられる交流電圧信号Ｖｄと同じ大きさで逆相の信号である。

振動ジャイロ素子１は、発振器７ａ及び発振器８ａにより与えられる交流電圧信号Ｖｄ及び−Ｖｄで他励発振する。他励発振すると、振動ジャイロ素子１の圧電素子３ａのインピーダンスＺｓａと、圧電素子３ｂのインピーダンスＺｓｂは最小となる。振動ジャイロ素子１の長軸を中心とした回転角速度ωoが加わらないときには、インピーダンスＺｓａ及びインピーダンスＺｓｂは同じ大きさＺｓとなる。圧電素子３ａ及び３ｂの各両端の交流電圧信号の振幅は、交流電圧信号Ｖｄ及び−Ｖｄの差分２・ＶｄがインピーダンスＺｓと抵抗値Ｒｂで分割されることで決まり、２・Ａgとなる。また、抵抗５ａの両端交流電圧信号は２・Ｖｒａとなり、抵抗５ｂの両端交流電圧信号は２・Ｖｒｂとなるが、この２つも同じ信号となる。

振動ジャイロ素子１に、その長軸を中心とした回転角速度ωoが加えられると、インピーダンスＺｓａとインピーダンスＺｓｂの大きさに変化が生じる。その結果として、抵抗５ａの両端交流電圧信号２・Ｖｒａと抵抗５ｂの両端交流電圧信号２・Ｖｒｂにも差が生じ、差動増幅回路９ａの出力にコリオリ力に応じた検出信号が現れる。この検出信号の大きさは式（２）で表され、式（１）に示すように２倍となる。
２・Ｖo ∝ ２・ｍ・Ａg・ωo ・・・（２）

したがって、発振器を２つ持たせ、振動ジャイロ素子１を差動で駆動すれば、発振器７ａ、８ａの交流電圧信号の振幅を大きくせずに検出信号を２倍にすることができる。

図７（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の振動素子であり、図７（Ｂ）は、その断面図である。

振動素子は、ベース振動体２２と、ベース振動体２２に設けられた圧電素子群２３とを備えている。ベース振動体２２は、例えば導電メッキされた共通電極４を有する絶縁体あるいは圧電体である。メッキの方法としては、電気、化学、蒸着、スパッタリング等の方法がある。絶縁体としては、例えば石英、ガラス、水晶、セラミックス、あるいはその他の絶縁体が挙げられる。圧電体としては、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸リチウム、またはタンタル酸リチウム、あるいはその他の圧電体が挙げられる。圧電素子群２３の圧電材料としても、ベース振動体２２と同様の圧電材料が用いられればよい。あるいは、ベース振動体２２は、半導体であってもよいし、導電体であってもよい。導電体の場合、ニッケル、鉄、クロム、チタン、あるいはそれらの合金等が用いられる。その合金としては、例えばエリンバ、または鉄−ニッケル合金等が挙げられる。ベース振動体２２が導電体でなる場合、ベース振動体２２の全体が共通の基準電位を持つ共通電極（基準電極）となる。

圧電素子群２３は、第１の圧電素子２３ａ、第２の圧電素子２３ｂ及び第３の圧電素子２３ｂで構成される。第１の圧電素子２３ａは、振動素子２１を駆動するための圧電素子であり、第１の側に駆動電極６５ａが設けられている。圧電素子群２３において、第１の側とは、ベース振動体２２がある側とは反対側であり、以下、第２の圧電素子２３ｂ及び第３の圧電素子２４ｂについても、同様に、ベース振動体２２が配置される側と対向する側を第１の側という。

第２の圧電素子２３ｂ及び第３の圧電素子２３ｃは、第１の圧電素子２３ａを挟み込むように配置されている。第２の圧電素子２３ｂ及び第３の圧電素子２３ｃは、それぞれ角速度を検出する圧電素子であり、第１の側に検出電極６５ｃ及び６５ｃをそれぞれ有している。

圧電素子群２３の第１の側と対向する第２の側は共通電極４に接している。すなわち、第１の圧電素子２３ａ、第２の圧電素子２３ｂ及び第３の圧電素子２４ｂのそれぞれの第２の側（圧電素子群２３の底面６６ａ、６６ｂ及び６６ｃ）は、共通電極４に接している。

図８は、図７に示した振動素子２１を含む振動型ジャイロセンサの構成を示す回路ブロック図である。振動型ジャイロセンサ１００は、加算回路２６、発振回路２７、位相反転回路２８、差動増幅回路２９、バイアス手段としての抵抗２５（２５ａ及び２５ｂ）を備える。これら加算回路２６、発振回路２７、位相反転回路２８、差動増幅回路２９、抵抗２５により、振動型ジャイロセンサ１００の制御回路が構成される。

発振回路２７の出力信号は、第１の圧電素子２３ａの駆動電極６５ａに入力されるとともに位相反転回路２８に駆動信号として入力される。位相反転回路２８の出力信号は、共通電極４に入力される。位相反転回路２８の出力信号は、第１、第２及び第３の圧電素子２３ａ、２３ｂ及び２３ｃの、共通電極４に接している面６６ａ、６６ｂ及び６６ｃに加えられる。第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃの検出電極６５ｂ及び６５ｃからの出力は、抵抗２５ａ及び抵抗２５ｂにそれぞれ入力されるとともに加算回路２６にそれぞれ入力される。抵抗２５ａ及び抵抗２５ｂは、出力信号にバイアス電圧Ｖrefを与えるための抵抗である。さらに、第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃの出力は、差動増幅回路２９に入力される。また、加算回路２６の出力は、発振回路２７に入力される。

発振回路２７は、第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃのそれぞれの検出電極６５ｂ及び６５ｃから発生する検出信号を含む出力信号に基づき、振動素子２１を自励振動させるための信号を、駆動信号として第１の圧電素子２３ａの駆動電極６５ａに出力する。すなわち、振動素子２１、加算回路２６、発振回路２７、位相反転回路２８で構成される自励発振回路によって、振動素子２１は発振する。これにより、ベース振動体２２の第１の側面２２ａ及び第２の側面２２ｂに直行する方向に屈曲振動する。

この状態で振動素子２１が、その長軸（Ｚ軸）を中心として回転すると、振動素子２１にコリオリ力が発生し、屈曲振動の向きが変わる。これによって、第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃの間に出力差が生じ、差動増幅回路２９から出力が得られる。振動素子２１の自励発振による駆動時に、第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃに加えられる信号は、同相で同じ大きさの信号である。このため、第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃに加えられる信号は、差動増幅回路２９で相殺される。すなわち、差動増幅回路２９からは、回転角速度ωoの大きさに応じた信号が出力される。

本実施の形態に係る振動型ジャイロセンサ１００では、位相反転回路２８の出力が共通電極４を介して圧電素子群２３の第２の側（底面６６ａ、６６ｂ及び６６ｃ）に加えられる。第１の圧電素子２３ａは、ベース振動体２２に屈曲振動を与えるための駆動片として用いられる。第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃについては、抵抗２５ａ及び２５ｂによりバイアス電圧が与えられているので、位相反転回路２８の出力が共通電極４に加えられることで、検出片として用いられるだけでなく、駆動片としても用いられる。

図９は、図８に示した振動型ジャイロセンサ１００の等価回路を示す図である。発振器２７ａと発振器２８ａの出力が振動素子２１に加えられている。発振器２７ａにより与えられる交流電圧信号Ｖｄが第１の圧電素子２３ａの第１の側及び第２の側間に加わることで、ベース振動体２２は第１の側面２２ａ及び第２の側面２２ｂと直行する方向に屈曲振動する。第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃからの信号は、差動増幅器２９ａで差分が取られる。その差分の信号はＶｓ＝Ｖａ−Ｖｂである。

ここで、図１０は、図９において位相反転回路がない振動型ジャイロセンサを示すブロック図である。ベース振動体２２の第２の側面２２ｂは、基準電位Ｖrefに接続される。この例において、第１の圧電素子２３ａは、ベース振動体２２に屈曲振動を与えるための駆動片として用いられ、第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃは、回転角速度に対応した信号を得るための検出片として用いられる。

図１１は、図１０に示した振動型ジャイロセンサの等価回路を示す図である。ベース振動体２２の第２の側面２２ｂはグランドに接続されている。したがって、第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃの共通電極４に接している側（第２の側）はグランドとなる。発振器２７ａの出力は、第１の圧電素子２３ａの第１の側に設けられた駆動電極６５ａに入力される。抵抗２５ａと抵抗２５ｂは信号にバイアス電圧０[Ｖ]を与えるための抵抗である。

発振器２７ａにより与えられる交流電圧信号Ｖdが第１の圧電素子２３ａの第１の側と第２の側に加わることで、ベース振動体２２は第１の側面２２ａ及び第２の側面２２ｂと直行する方向に屈曲振動する。この振動が第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃに伝わり、電気信号に変換され出力される。このとき、第２の圧電素子２３ｂのインピーダンスＺｓｂ１と第３の圧電素子２３ｃのインピーダンスＺｓｃ１は最小となり、抵抗２５ａの両端の交流電圧信号Ｖａ１と抵抗２５ｂの両端の交流電圧信号Ｖｂ１は最大となる。すなわち、ベース振動体２２の屈曲振動の大きさは、交流電圧信号Ｖａ１とＶｂ１の大きさと比例している。
振動素子２１に、その長軸を中心とした回転角速度ωoが加わらないときには、インピーダンスＺｓａとインピーダンスＺｓｂは同じ大きさＺｓ１となり、交流電圧信号Ｖａ１と交流電圧信号Ｖｂ１も同じ信号となる。したがって、差動増幅器２９ａの出力は０となる。このときの抵抗２５ａと２５ｂの各両端の交流電圧信号の振幅をＡｖ１とする。

振動素子２１に、その長軸を中心とした回転角速度ωoが加えられると、ベース振動体２２はこれまでと異なる方向に屈曲振動し、インピーダンスＺｓｂ１とインピーダンスＺｓｃ１の大きさに変化が生じる。その結果、交流電圧信号Ｖａ１とＶｂ１にも差が生じ、差動増幅器２９ａの出力にコリオリ力に応じた検出信号が現れる。この検出信号の大きさＶｓ１は振動素子２１の質量をｍとすると、式（３）で表される。
Ｖｓ１ ∝ ｍ・Ａｖ１・ωo ・・・（３）

第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃは検出片としてのみ用いているので、抵抗２５ａ及び２５ｂの抵抗値Ｒｂは検出効率の観点からは大きい方が良い。

ここで、本発明者は、図１２に示す振動型ジャイロセンサの回路を作り、検出電極６５ｂ及び６５ｃ（図７（Ｂ）参照）からの検出信号の測定を行った。図１２に示す回路において、図１１に示す回路と異なる点は、図１０の第１の圧電素子２３ａの電極６５ａはグランドに接続され、発振器２８ａがベース振動体２２の第２の側面２２ｂの共通電極４に接続されている点である。発振器２８ａにより与えられる交流電圧信号−Ｖｄは、図１１に示す発振器２７ａにより与えられる交流電圧信号Ｖｄと同じ大きさで逆相の信号である。

発振器２８ａにより与えられる交流電圧信号−Ｖｄが、第１の圧電素子２３ａの両側に加わることと、直列接続されている第２の圧電素子２３ｂと抵抗２５ａの間に加わることと、さらに直列接続されている第３の圧電素子２３ｃと抵抗２５ｂの間にも加わる。これにより、ベース振動体２２は、第１の側面２２ａおよび第２の側面２２ｂと直行する方向に屈曲振動する。このとき、第２の圧電素子２３ｂのインピーダンスＺｓｂ２及び第３の圧電素子２３ｃのインピーダンスＺｓｂ２は最小となる。また、抵抗２５ａの両端の交流電圧信号Ｖａ２と抵抗２５ｂの両端の交流電圧信号Ｖｂ２は最大となる。

振動素子２１に、その長軸を中心とした回転角速度ωoが加わらないときには、インピーダンスＺｓｂ２とインピーダンスＺｓｃ２は同じ大きさＺｓ２となり、交流電圧信号Ｖａ２と交流電圧信号Ｖｂ２も同じ信号となる。したがって、差動増幅器２９ａの出力は０となる。このときの抵抗２５ａ及び２５ｂの交流電圧信号の振幅をＡｖ２とする。抵抗２５ａ及び２５ｂの抵抗値Ｒｂを下記式（４）のように設定し、交流電圧信号Ｖａ２及びＶｂ２を実測した結果が式（５）〜（７）である。交流電圧信号Ｖａ２及びＶｂ２は、図１０の回路における交流電圧信号Ｖａ１とＶｂ１と比べ、振幅が大きくかつ同相の信号となる。
Ｒｂ ≫ Ｚｓ２ ・・・（４）
Ｖａ２ ＝ １．８・Ｖａ１ ・・・（５）
Ｖｂ２ ＝ １．８・Ｖｂ１ ・・・（６）
Ｖａ２ ＝ Ｖｂ２ ・・・（７）
また、抵抗２５ａ及び２５ｂの各両端の交流電圧信号の振幅Ａｖ２は式（８）となる。
Ａｖ２ ＝ １．８・Ａｖ１・・・（８）

このように、図１０に示す交流電圧信号Ｖａ１及びＶｂ１に比べ、交流電圧信号Ｖａ２及びＶｂ２が１．８倍と大きくなっているのは、駆動片が第１の圧電素子２３ａだけでなく、第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃも駆動片として機能しているからである。すなわち、第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃは、駆動片と検出片とを兼用している。

一方、振動素子２１に、その長軸を中心とした回転角速度ωoが加えられると、コリオリ力の発生によりベース振動体２２はこれまでと異なる方向に屈曲振動し、インピーダンスＺｓａ２とインピーダンスＺｓｂ２の大きさに変化が生じる。その結果、交流電圧信号Ｖａ２と交流電圧信号Ｖｂ２にも差が生じ、差動増幅器２９ａの出力にコリオリ力に応じた検出信号が現れる。この検出信号の大きさＶｓ２は振動素子２１の質量をｍとすると、式（９）で表される。
Ｖｓ２ ∝ ｍ・Aｖ２・ωo ＝ １．８・ｍ・Ａｖ１・ωo ・・・（９）

ここで、図８、図９に示した実施形態に係る振動型ジャイロセンサ１００の説明に戻る。この振動型ジャイロセンサ１００の回路は、図１１に示した回路と図１２に示した回路を合成したような回路となっている。つまり、抵抗２５ａの交流電圧信号Ｖａと抵抗２５ｂの交流電圧信号Ｖｂは、図１１及び図１２に示した信号Ｖａ１及びＶｂ１、Ｖａ２及びＶｂ２が合成される。

振動素子２１に、その長軸を中心とした回転角速度ωoが加えられると、差動増幅器２９ａの出力にコリオリ力に応じた検出信号が現れる。この検出信号の大きさＶｓは振動素子２１の質量をｍとすると、式（１０）で表される。
Ｖｓ ＝ Ｖｓ１＋Ｖｓ２ ＝ ２．８・ｍ・Ａｖ１・ωo ・・・（１０）
すなわち、Ｖｓは、Ａｖ１の２．８倍になっており、単に位相反転回路が設けられる回路よりもさらに検出感度を向上させることができる。

図１３は、図９、図１１及び図１２の各回路における検出電極の電圧波形のタイムチャートを示す図である。具体的には、発振器２７ａにより与えられる交流電圧信号Ｖｄと、発振器２８ａにより与えられる交流電圧信号−Ｖｄと、振動素子２１の長軸を中心とした回転角速度ωoが加わらないときの、抵抗２５ａと抵抗２５ｂの各交流電圧信号Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖａ２，Ｖｂ２，Ｖａ，Ｖｂを表したものである。

以上のように、図８及び図９に示す本実施の形態に係る振動型ジャイロセンサ１００によれば、検出電極６５ｂ及び６５ｃにバイアス電圧が加えられ、その状態で、第１の圧電素子２３ａの第１の側に設けられた駆動電極６５ａと、第２の側に設けられた共通電極４との間に駆動信号を加えることができる。これにより、振動素子２１は、第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃにおいて、共通電極４と検出電極６５ｂ及び６５ｃとの間でバイアス電圧に対応する駆動信号が加えられるように動作する。すなわち、検出片である第２及び第３の圧電素子２３ｂ及び２３ｃも駆動片として機能する。その結果、電源電圧を大きくすることなく、検出電極６５ｂ及び６５ｃによる検出感度をさらに向上させることができ、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

図１４（Ａ）は、本発明の他の実施の形態に係る振動素子を示す斜視図である。この振動素子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アーム１３２とを備える。図１４（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。これ以降の説明では、図８、図９等に示した実施の形態に係る振動素子２１、振動型ジャイロセンサ１００の部材、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。

この振動素子３１は、典型的には、ＭＥＭＳにより作製することができる。例えば図１４（Ｂ）に示すように、シリコン基板１３３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が形成される。そして、フォトリソグラフィ技術により、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、圧電膜３３上に形成される。圧電膜３３、駆動電極３４ａ、第１の検出電極３４ｂ及び第２の検出電極３４ｃにより圧電素子が構成される。すなわち、この圧電素子の第１の側に、駆動電極３４ａ、第１の検出電極３４ｂ及び第２の検出電極３４ｃが設けられ、第１の側と対向する第２の側に共通電極３４ｄが設けられる。

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。これもフォトリソグラフィ技術により形成されればよい。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（図１５に示すブロックで構成される回路を含む制御回路）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１４（Ａ）に示すような形状の振動素子が切り出される。

図１５は、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）に示した振動素子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。この振動型ジャイロセンサ２００の構成及び動作は、上記図８に示した振動型ジャイロセンサ１００の構成及び動作と同じである。

振動型ジャイロセンサ２００は、加算回路３６、発振回路３７、位相反転回路３８、差動増幅回路３９、抵抗３５ａ及び３５ｂを備える。位相反転回路３８の出力は、共通電極３４ｄに入力され、発振回路３７の出力は、駆動電極３４ａに入力される。この振動型ジャイロセンサ２００でも、第１及び第２の検出電極３４ｂ及び３４ｃが、検出片としての機能だけでなく、駆動片としての機能も有する。これにより、電源電圧を大きくすることなく、単に位相反転回路が設けられる回路よりも、さらに検出感度を向上させることができ、高Ｓ／Ｎを実現することができる。

図１６（Ａ）は、本発明のさらに別の実施の形態に係る振動素子を示す模式図である。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。

振動素子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とを備えている。この振動素子４１も、例えばＭＥＭＳにより作製することができる。図１６（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の側に第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の側に対向する第２の側に共通電極１４４ａが設けられている。

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の側に共通電極１４４ｂが設けられている。また、圧電膜１４８ｂの第２の側に第２の駆動電極１４５ｂが設けられている。同様に、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の側に共通電極１４４ｃが設けられている。また、圧電膜１４８ｃの第２の側に第３の駆動電極１４５ｃが設けられている。

ベース体１４０には、図１４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１７は、図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）に示した振動素子４１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。発振回路４７の出力は、第１、第２及び第３の駆動電極１４５ａ、１４５ｂ及び１４５ｃに入力される。位相反転回路４８の出力は、共通電極１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃに入力される。第１及び第２の検出電極１４６ａ及び１４６ｂには、その出力信号にバイアス電圧Ｖref（共通電位）を与えるための抵抗４５ａが接続されている。

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。中央の振動アーム１４２に注目すれば、図８、図１４に示す形態と同様の構成であるので、電源電圧を大きくすることなく、第１及び第２の検出電極１４６ｂ及び１４６ｃによる検出感度を向上させることができ、高Ｓ／Ｎを実現することができる。

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１８は、上記振動型ジャイロセンサ１００、２００、または３００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１９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１００（２００、３００）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１００（２００、３００）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１００（２００、３００）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つの振動素子２１（３１、４１）（図８、図１４、図１７参照）が搭載されている。

図２０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１００（２００、３００）と、制御部５１０と、レンズ等を備える光学系５２０と、ＣＣＤ５３０、光学系５２０に対して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１００（２００、３００）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。

振動素子２１、３２、４１を構成する基板、配線、アーム部等の形状、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１００（２００、３００）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、振動ジャイロ素子の斜視図であり、（Ｂ）は、その振動ジャイロ素子の長手方向の軸に垂直な面における断面図である。 図１に示す振動ジャイロ素子を含むジャイロセンサの回路ブロック図である。 振動ジャイロ素子のインピーダンス特性を示す図である。 図２に示したジャイロセンサの等価回路を示す図である。 位相反転回路が設けられたジャイロセンサの構成を示す回路ブロック図である。 図５に示したジャイロセンサの等価回路を示す図である。 （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の振動素子であり、（Ｂ）は、その断面図である。 図７に示した振動素子を含む振動型ジャイロセンサの構成を示す回路ブロック図である。 図８に示した振動型ジャイロセンサの等価回路を示す図である。 図９において位相反転回路がない振動型ジャイロセンサを示すブロック図である。 図１０に示した振動型ジャイロセンサの等価回路を示す図である。 別の例の振動型ジャイロセンサの等価回路を示す図である。 図９、図１１及び図１２の各回路における検出電極の電圧波形のタイムチャートを示す図である。 （Ａ）は、本発明の他の実施の形態に係る振動素子を示す斜視図である。（Ｂ）は、振動アームの長軸に垂直な面の断面図である。 図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）に示した振動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。 （Ａ）は、本発明のさらに別の実施の形態に係る振動素子を示す模式図である。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。 図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）に示した振動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

２１、３１、４１…振動素子
２３…圧電素子群
２３ａ…第１の圧電素子
２３ｃ…第３の圧電素子
２５ａ、３５ａ、４５ａ…抵抗
２５ｂ、３５ｂ、４５ｂ…抵抗
２６、３６、４６…加算回路
２７、３７、４７…発振回路
２８、３８、４８…位相反転回路
２９、３９、４９…差動増幅回路
３３…圧電膜
３４ｄ…導電膜
３４ａ…駆動電極
３４ｂ…第１の検出電極
３４ｃ…第２の検出電極
３４ｄ、１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃ…共通電極
１００、２００、３００…振動型ジャイロセンサ
１３０、１４０…ベース体
１３２、１４１、１４２、１４３…振動アーム
１４５ａ…第１の駆動電極
１４５ｂ…第２の駆動電極
１４５ｃ…第３の駆動電極
１４６ａ…第１の検出電極
１４６ｂ…第２の検出電極
１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ…圧電膜
２６０…デジタルカメラ
２６１…機器本体

Claims (8)

1. 駆動電極と検出電極とを有する第１の側と、前記第１の側に対向するように設けられ共通電極を有する第２の側とを有する圧電素子群を有し、前記駆動電極と前記共通電極との間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素子と、
   前記検出電極にバイアス電圧を与えるバイアス手段と、
   前記検出電極が発生する前記出力信号に基づき、前記振動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、
   前記発振回路から出力された前記駆動信号の位相を反転させた反転信号を、前記共通電極に出力する位相反転回路と
   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の検出電極とを有し、
   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、
   前記振動素子は、
   前記圧電素子群の前記共通電極としての導電膜を有する絶縁体を有することを特徴とする振動型ジャイロセンサ。
4. 駆動電極と検出電極とを有する第１の側と、前記第１の側に対向するように設けられ共通電極を有する第２の側とを有する圧電素子を有し、前記駆動電極と前記共通電極との間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素子と、
   前記検出電極にバイアス電圧を与えるバイアス手段と、
   前記検出電極が発生する前記出力信号に基づき、前記振動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、
   前記発振回路から出力された前記駆動信号の位相を反転させた反転信号を、前記共通電極に出力する位相反転回路と
   を具備することを特徴とする振動型ジャイロセンサ。
5. 請求項４に記載の振動型ジャイロセンサであって、
   前記振動素子は、
   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。
6. 駆動電極と検出電極とを有する第１の側と、前記第１の側に対向するように設けられ共通電極を有する第２の側とを有する圧電素子群を有し、前記駆動電極と前記共通電極との間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素子の、前記検出電極にバイアス電圧を与えるバイアス手段と、
   前記検出電極が発生する前記出力信号に基づき、前記振動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、
   前記発振回路から出力された前記駆動信号の位相を反転させた反転信号を、前記共通電極に出力する位相反転回路と
   を具備することを特徴とする制御回路。
7. 駆動電極と検出電極とを有する第１の側と、前記第１の側に対向するように設けられ共通電極を有する第２の側とを有する圧電素子を有し、前記駆動電極と前記共通電極との間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素子の、前記検出電極にバイアス電圧を与えるバイアス手段と、
   前記検出電極が発生する前記出力信号に基づき、前記振動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、
   前記発振回路から出力された前記駆動信号の位相を反転させた反転信号を、前記共通電極に出力する位相反転回路と
   を具備することを特徴とする制御回路。
8. 駆動電極と検出電極とを有する第１の側と、前記第１の側に対向するように設けられ共通電極を有する第２の側とを有する圧電素子群を有し、前記駆動電極と前記共通電極との間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素子と、前記検出電極にバイアス電圧を与えるバイアス手段と、前記検出電極が発生する前記出力信号に基づき、前記振動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、前記発振回路から出力された前記駆動信号の位相を反転させた反転信号を、前記共通電極に出力する位相反転回路とを有する振動型ジャイロセンサと、
   前記振動型ジャイロセンサを搭載する機器本体と
   を具備することを特徴とする電子機器。

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