JP5088540B2 - 検出装置、検出方法及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、物体の回転角速度を検出するための検出装置及び検出方法、並びにこのような検出装置を搭載する電子機器に関する。

従来から、民生用の角速度センサとしては、いわゆるジャイロ検出装置が広く用いられている。ジャイロ検出装置は、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。

ジャイロ検出装置は、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。ジャイロ検出装置は、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、ジャイロ検出装置は、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、ジャイロ検出装置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、ジャイロ検出装置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、ジャイロ検出装置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、振動型ジャイロの検出感度をさらに向上させるとともに、ノイズを抑えることで、従来品以上のＳ／Ｎ改善を行う必要がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、振動型ジャイロの自励発振を安定にさせることでノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる検出装置、検出方法及びこのような検出装置を搭載する電子機器を提供することにある。

かかる課題を解決するため、本発明に係る検出装置は、駆動電極と前記駆動電極を挟むように所定の間隔をもって配置された一対の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、前記一対の検出電極からコリオリ力に応じた一対の検出信号を発生する片持ちタイプの振動型ジャイロと、前記一対の検出電極にバイアス電圧を印加するバイアス印加手段と、前記一対の検出信号を加算する加算手段と、前記加算手段により加算された検出信号の位相を４５°よりも大きく９０°よりも小さい範囲で遅延させる第１の位相遅延手段と、前記第１の位相遅延手段により遅延された前記検出信号を所定の電圧振幅となるように制御して前記駆動信号として出力する振幅制御手段とを具備する。

本発明者らの知見によれば、上記構成の振動型ジャイロでは、駆動電極と駆動電極一対の検出電極との間に寄生容量が発生している。この寄生容量の入出力間の位相差はほぼ０°であり、従ってこの寄生容量の成分が駆動電極と駆動電極一対の検出電極との間の本来の位相差である９０°に影響を与えている。そこで、本発明では、検出信号の位相を４５°よりも大きく９０°よりも小さい範囲で遅延させるように構成することで、上記の寄生容量の分だけ位相を補償している。これにより、振動型ジャイロの自励発振を安定にさせることでノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

前記一対の検出信号を差動増幅する差動増幅手段と、前記加算手段により加算された検出信号の位相を９０°遅延させる第２の位相遅延手段と、前記差動増幅手段により差動増幅された信号を前記第２の位相遅延手段により遅延された検出信号に基づき同期検波する同期検波手段とを更に具備するようにしてもよい。これにより、検出感度を向上させることができる。

前記第１の位相遅延手段は、前記加算手段により加算された検出信号の位相を７５°遅延させるようにすることがより好ましい。これは、本発明者らの上記知見に基づく実験により得られた最も好ましい値である。

前記振動型ジャイロの共振周波数よりも高い周波数で自励発振させることがより好ましい。これにより、振動型ジャイロの自励発振をより安定にさせることでノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

本発明の別の観点に係る検出装置は、駆動電極と前記駆動電極を挟むように所定の間隔をもって配置された一対の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、前記一対の検出電極からコリオリ力に応じた一対の検出信号を発生する片持ちタイプの振動型ジャイロと、前記一対の検出電極にバイアス電圧を印加するバイアス印加手段と、前記一対の検出信号を加算する加算手段と、前記加算手段により加算された検出信号の位相を第１の位相量だけ遅延させる第１の位相遅延手段と、前記第１の位相遅延手段により遅延された前記検出信号を所定の電圧振幅となるように制御して前記駆動信号として出力する振幅制御手段と、前記一対の検出信号を差動増幅する差動増幅手段と、前記加算手段により加算された検出信号の位相を前記第１の位相量とは異なる第２の位相量だけ遅延させる第２の位相遅延手段と、前記差動増幅手段により差動増幅された信号を前記第２の位相遅延手段により遅延された検出信号に基づき同期検波する同期検波手段とを具備する。

上記の本発明者らの知見により、自励発振のための位相遅延量と同期検波のための位相遅延量を別個の値に設定してものである。本発明によれば、上記の寄生容量の分だけ位相を補償することが可能となり、振動型ジャイロの自励発振を安定にさせることでノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

前記第１の位相量は、４５°よりも大きく９０°よりも小さい範囲であり、前記第２の位相量は、９０°であることがより好ましく、前記第１の位相量は、７５°であり、前記第２の位相量は、９０°であることが更に好ましい。これは、本発明者らの上記知見に基づく実験により得られた好ましい値である。

前記振動型ジャイロの共振周波数よりも高い周波数で自励発振させることが好ましい。これにより、振動型ジャイロの自励発振をより安定にさせることでノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

本発明の更に別の観点に係る検出方法は、駆動電極と前記駆動電極を挟むように所定の間隔をもって配置された一対の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、前記一対の検出電極からコリオリ力に応じた一対の検出信号を発生する片持ちタイプの振動型ジャイロを用いた角速度の検出方法であって、前記一対の検出電極にバイアス電圧を印加し、前記一対の検出信号を加算し、前記加算された検出信号の位相を４５°よりも大きく９０°よりも小さい範囲で遅延させ、前記遅延された前記検出信号を所定の電圧振幅となるように制御して前記駆動信号として出力するものである。

本発明では、検出信号の位相を４５°よりも大きく９０°よりも小さい範囲で遅延させるようにしたことで、上記の寄生容量の分だけ位相を補償し、振動型ジャイロの自励発振を安定にさせることでノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

前記一対の検出信号を差動増幅し、前記加算された検出信号の位相を９０°遅延させ、前記差動増幅された信号を前記第９０°位相が遅延された検出信号に基づき同期検波することが好ましい。これにより、検出感度を向上させることができる。

前記駆動信号として出力される前記検出信号の位相を７５°遅延させることがより好ましい。これは、本発明者らの上記知見に基づく実験により得られた最も好ましい値である。

前記振動型ジャイロの共振周波数よりも高い周波数で自励発振させることが好ましい。これにより、振動型ジャイロの自励発振をより安定にさせることでノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

本発明の更に他の観点に係る検出方法は、駆動電極と前記駆動電極を挟むように所定の間隔をもって配置された一対の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、前記一対の検出電極からコリオリ力に応じた一対の検出信号を発生する片持ちタイプの振動型ジャイロを用いた角速度の検出方法であって、前記一対の検出電極にバイアス電圧を印加し、前記一対の検出信号を加算し、前記加算された検出信号の位相を第１の位相量だけ遅延させ、前記第１の位相量だけ遅延された前記検出信号を所定の電圧振幅となるように制御して前記駆動信号として出力し、前記一対の検出信号を差動増幅し、前記加算手段により加算された検出信号の位相を前記第１の位相量とは異なる第２の位相量だけ遅延させ、前記差動増幅された信号を前記第２の位相量だけ遅延された検出信号に基づき同期検波するものである。

前記第１の位相量は、４５°よりも大きく９０°よりも小さい範囲であり、前記第２の位相量は、９０°であることが好ましい。これにより、上記の寄生容量の分だけ位相を補償し、振動型ジャイロの自励発振を安定にさせることでノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

前記第１の位相量は、７５°であり、前記第２の位相量は、９０°であることがより好ましい。これは、本発明者らの上記知見に基づく実験により得られた最も好ましい値である。

前記振動型ジャイロの共振周波数よりも高い周波数で自励発振させることが好ましい。これにより、振動型ジャイロの自励発振をより安定にさせることでノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

本発明の他の観点に係る電子機器は、駆動電極と前記駆動電極を挟むように所定の間隔をもって配置された一対の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、前記一対の検出電極からコリオリ力に応じた一対の検出信号を発生する片持ちタイプの振動型ジャイロと、前記一対の検出電極にバイアス電圧を印加するバイアス印加手段と、前記一対の検出信号を加算する加算手段と、前記加算手段により加算された検出信号の位相を４５°よりも大きく９０°よりも小さい範囲で遅延させる第１の位相遅延手段と、前記第１の位相遅延手段により遅延された前記検出信号を所定の電圧振幅となるように制御して前記駆動信号として出力する振幅制御手段と、前記一対の検出信号を差動増幅する差動増幅手段と、前記加算手段により加算された検出信号の位相を９０°遅延させる第２の位相遅延手段と、前記差動増幅手段により差動増幅された信号を前記第２の位相遅延手段により遅延された検出信号に基づき同期検波する同期検波手段とを有する検出装置と、前記同期検波手段の出力に基づき所定の制御を行う制御手段とを具備する。

本発明の更に他の観点に係る電子機器は、駆動電極と前記駆動電極を挟むように所定の間隔をもって配置された一対の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、前記一対の検出電極からコリオリ力に応じた一対の検出信号を発生する片持ちタイプの振動型ジャイロと、前記一対の検出電極にバイアス電圧を印加するバイアス印加手段と、前記一対の検出信号を加算する加算手段と、前記加算手段により加算された検出信号の位相を第１の位相量だけ遅延させる第１の位相遅延手段と、前記第１の位相遅延手段により遅延された前記検出信号を所定の電圧振幅となるように制御して前記駆動信号として出力する振幅制御手段と、前記一対の検出信号を差動増幅する差動増幅手段と、前記加算手段により加算された検出信号の位相を前記第１の位相量とは異なる第２の位相量だけ遅延させる第２の位相遅延手段と、前記差動増幅手段により差動増幅された信号を前記第２の位相遅延手段により遅延された検出信号に基づき同期検波する同期検波手段とを有する検出装置と、前記同期検波手段の出力に基づき所定の制御を行う制御手段とを具備する。

本発明では、振動型ジャイロの自励発振を安定にさせることでノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができるので、制御手段による制御をより精密に行うことができる。

ここで、電子機器の一例としては、手振れ補正機構付きのディジタルカメラであり、前記制御手段は、前記手振れ補正機構の補正量を制御するものである。これにより、より精密な手振れ補正を行うことが可能となる。

以上のように、本発明によれば、振動型ジャイロの自励発振を安定にさせることでノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化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に基づき説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るジャイロ検出装置の一例を示すブロック図である。

図１に示すように、ジャイロ検出装置１００は、振動型ジャイロ1、抵抗１１ａ、１２ｂ、バイアス印加手段としての直流電源１２、ボルテージ・ホロワァ２１ａ、２１ｂ、加算手段としての加算回路２２、第１の位相遅延手段としての移相回路２３ａ、第２の位相遅延手段としての移相回路２３ｂ、振幅制御手段としてのＧＣＡ(Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｍｐ)２４及び検波回路２５、差動増幅手段としての差動増幅回路３１並びに同期検波手段としての同期検波回路３２を備える。

このジャイロ検出装置１００では、振動型ジャイロ1、抵抗１１ａ、１２ｂ、直流電源１２、ボルテージ・ホロワァ２１ａ、２１ｂ、加算回路２２、移相回路２３ａ、２３ｂ、ＧＣＡ２４及び検波回路２５により自励発振回路１１０を構成している。

ジャイロ検出装置１００全体の説明の前にまず振動型ジャイロ1の一例とその動作原理について説明する。
図２は振動型ジャイロ１の一例を示す斜視図である。
図２に示すように、この振動型ジャイロ１は、ベース体２と、このベース体２から延びるように設けられた振動アーム３とを備える。図３はその振動アーム３の長軸（Ｚ軸）に垂直な面の断面図である。

この振動型ジャイロ1は、ＭＥＭＳ(Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ)より作製することができる。例えば図３に示すように、シリコン基板４上に共通電極６ｄとなる導電膜が形成され、導電膜上に圧電膜５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６ｃ、第1の検出電極６ａ及び第2の検出電極６ｂが、圧電膜５上に形成される。圧電膜５、導電膜６ｄ、駆動電極６ｃ、検出電極６ａ及び検出電極６ｂにより圧電素子が構成される。すなわち、この圧電膜５の第1の側に、駆動電極６、一対の第1の検出電極６ａ及び第2の検出電極６ｂが設けられ、第1の側と対向する第2の側に共通電極６ｄが設けられる。

ベース体２の上にも、リード線７、電極パッド８及びバンプ９ａ〜９ｄ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すればよい。バンプ９ａ及び９ｂは第1及び第2の検出電極６ａ及び６ｂにそれぞれ接続されている。また、バンプ９ｃは駆動電極６ｃに、バンプ９ｄは共通電極６ｄに接続されている。これらのバンプ９ａ〜９ｄを介して、IC等の検出回路に接続される。バンプ９ａ〜９ｄは、例えば金で形成されるが、これには限らない。

以上のように、駆動電極６ｃ、第1及び第2の検出電極６ａ及び６ｂ、リード線７等が形成されると、シリコンウェハから図２に示すような形状の振動型ジャイロ1が切り出される。

図４は図２に示した振動型ジャイロ１の動作原理を示す図である。
図４に示すように、振動型ジャイロ１の共通電極６ｄは、直流電源１２に接続される。駆動電極６ｃと共通電極６ｄの間には、交流電源１３が接続される。検出電極６ａ及び検出電極６ｂと共通電極６ｄの間には、抵抗１１ａ及び抵抗１１ｂが接続される。また、検出電極６ａ及び検出電極６ｂは、差動増幅回路３１に接続される。

駆動電極６ｃと共通電極６ｄ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６ａ及び６ｂは、抵抗１１ａ及び抵抗１１ｂを通して電圧値Ｖｒｅｆにバイアスされる。すなわち、圧電膜５の第1の側と対向する第2の側の間の直流電圧の差は０となる。さらに、圧電膜５の第1の側と対向する第2の側の間には、駆動電極６ｃと共通電極６ｄの間に接続された交流電源１３により駆動電圧信号ｖｄが入力される。直流電圧値Ｖｒｅｆを基準としたこの駆動電圧信号ｖｄは圧電膜５で機械変換され、振動アーム３本体がＹ軸方向に屈曲運動をする。

この屈曲運動は、圧電膜５で電気変換され、検出電極６ａ及び検出電極６ｂより交流電圧信号Ｖａ及び交流電圧信号Ｖｂとして出力される。振動アーム３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、検出電極６ａと検出電極６ｂの出力は同相で同じ大きさの信号である。このため、差動増幅回路３１で相殺される。次に、振動アーム３の長軸（Ｚ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、検出電極６ａと検出電極６ｂの出力に差が生じ、差動増幅回路３１を通すことで差分信号Ｖｏが得られる。これが検出信号である。

図５に示すように、振動アーム３の質量をｍ、振動アーム３の屈曲運動の振動速度をｖ、振動アーム３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。
Ｆｃ＝２×ｍ×ｖ×ωｏ …(１)
このコリオリ力Ｆｃは、差動増幅回路３１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)
ここで、図１に戻り、このジャイロ検出装置１００全体について説明する。
振動型ジャイロ１の共通電極６ｄは、直流電源１２に接続される。検出電極6a及び検出電極6bと共通電極6dの間には、抵抗１１ａ及び抵抗１１ｂが接続される。検出電極６ａの出力はボルテージ・ホロワァ２１ａに入力され、検出電極６ｂの出力はボルテージ・ホロワァ２１ｂに入力される。ボルテージ・ホロワァ２１ａの出力及びボルテージ・ホロワァ２１ｂの出力は、加算回路２２に入力されると共に差動増幅回路３１に入力される。

加算回路２２の出力は、移相回路２３ａと移相回路２３ｂに入力されると共に検波回路２５に入力される。移相回路２３ａの出力は、ＧＣＡ(Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｍｐ)２４に入力される。検波回路２５の出力は、ＧＣＡ２４に入力される。ＧＣＡ２４の出力は、振動型ジャイロ１の駆動電極６ｃに入力される。移相回路２３ｂの出力は同期検波回路３２に入力される。

次に、回路動作について説明する。
既に説明したとおり、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、振動型ジャイロ１の駆動電極６ｃに入力される。また、共通電極６ｄ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５の第１の側と対向する第２の側の間の直流電圧の差は０となる。この駆動信号は圧電膜５で機械変換され、振動アーム３がＹ軸方向に屈曲運動する。

この屈曲運動は、圧電膜５で電気変換され、検出電極６ａ及び検出電極６ｂ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及び抵抗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る。

この2つの検出信号は、振動型ジャイロ１と回路をインピーダンス的に切り離すためのボルテージ・ホロワァ２１ａ及びボルテージ・ホロワァ２１ｂを通した後で、加算回路２２に入力されると共に差動増幅回路３１に入力される。

加算回路２２は、振動アーム３の長軸(Ｚ軸)を中心とした回転角速度ωｏが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ている。すなわち、回転角速度ωｏが加わったときには、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３１からは、コリオリ力に応じた信号が得られる。

移相回路２３ａは、入力に対して出力位相を７５°遅らせるためのものである。加算回路２２の出力は駆動信号に対して７５°進んでいるが、移相回路２３ａの出力は駆動信号と同じ位相になる。この出力信号は、ＧＣＡ２４で所定の電圧振幅Ａｄになるように増幅され、駆動信号となる。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。

また、回転角速度ωｏが加わると、差動増幅回路３１からは、コリオリ力に応じた交流信号が得られる。この信号を移相回路２３ｂで９０°遅らさせた出力のタイミングで同期検波を掛けると、交流成分を取り除いたコリオリ力に応じた信号を同期検波回路３２の出力として得ることができる。

同期検波のタイミングとしては、検出電極６ａ及び検出電極６ｂの出力である交流信号に対し、９０°ずらした位相で掛けると感度を最大とすることができるためである。

振動型ジャイロ１の駆動電極と検出電極間の寄生容量を通して流れるリーク電圧により、振動型ジャイロ１の入出力特性の共振周波数ｆｏよりも低い周波数の特性カーブがより大きく影響を受ける。そこで、振動型ジャイロ1の入出力間の位相を９０°よりも小さくなるように移相回路２３ａで設定することで、リーク電圧の影響を受けない周波数で自励発振させることができる。すなわち、この自励発振の安定化によりノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

移相回路２３ａが遅延させる位相量としては、４５°よりも大きく９０°よりも小さい範囲が好ましい。この遅延位相量を４５°以下とすると自励発振ができない状態となるからである。

ここで、本実施形態において、移相回路２３ｂとは別個の移相回路２３ａを設け、この移相回路２３ａにより入力に対して出力位相を７５°遅らせるように構成した理由を更に詳細に説明する。

図６は図４に示した振動型ジャイロ１の理想的な入出力特性を示す図である。
振動型ジャイロ１の入力である駆動信号ｖｄの電圧振幅Ａｄを１．１Ｖｐ−ｐに固定し、検出電極６ａの出力Ｖａあるいは検出電極６ｂの出力Ｖｂを測定した。横軸は駆動信号ｖｄの発振周波数ｆで、縦軸は出力Ｖａあるいは出力Ｖｂの電圧振幅Ａ、及び出力Ｖａあるいは出力Ｖｂでの位相θを表している。振動型ジャイロ１は、入出力効率が一番良い電圧振幅が最大のＡｏとなる周波数ｆｏで使用している。この周波数ｆｏで電圧振幅は約０．７５Ｖｐ−ｐとなり、且つ位相が約９０°となっている。

仮に、振動型ジャイロ１の入出力特性が図６に示したものだとすると、ジャイロ検出装置については図７のように構成できる。すなわち、一つの移相回路２３の出力をＧＣＡ２４及び同期検波回路３２の入力とすることができる。

しかしながら、実際の振動型ジャイロ１の入出力特性は図８に示したようになる。
すなわち、図８に示すように、実際の振動型ジャイロ１の入出力特性上では、入出力効率が一番良い電圧振幅が最大のＡｏとなる周波数ｆｏでこの振動型ジャイロ1を使用すると仮定する。そうすると、この周波数ｆｏで電圧振幅は約０．７５Ｖｐ−ｐとなり、且つ位相は約７５°となっている。

この振動型ジャイロ1を図７に示した回路で動作させると自励発振回路１１０が正常に機能せず、異常な発振が観測された。この異常な発振とは、前記周波数ｆｏでの発振と３００Ｈｚ程度の周波数での発振の二重発振のことである。

次に、振動型ジャイロ1がこのようにばらつき、図８に示した特性となる理由を説明する。
図９は振動型ジャイロ1の入出力特性を説明するための回路図である。
振動型ジャイロ1の共通電極6dは、接地される。駆動電極６ｃと共通電極６ｄの間には、交流電源１３が接続される。検出電極６ａと検出電極６ｂは、入出力特性を観測するだけなので電気的に短絡される。また、検出電極６ａ及び検出電極６ｂと共通電極６ｄの間には、抵抗１１ａ及び抵抗１１ｂが接続される。

駆動電極６ｃと共通電極６ｄは、電圧値０にバイアスされる。また、第1及び第2の検出電極６ａ及び６ｂは、抵抗１１ａ及び抵抗１１ｂを通して電圧値０にバイアスされる。すなわち、圧電膜５の第１の側と対向する第２の側の間の直流電圧の差は０となる。さらに、圧電膜５の第1の側と対向する第2の側の間には、駆動電極６ｃと共通電極６ｄの間に接続された交流電源１３により駆動電圧信号ｖｄが入力される。直流電圧値０を基準としたこの駆動電圧信号ｖｄは圧電膜５で機械変換され、振動アーム３本体がＹ軸方向に屈曲運動をする。

この屈曲運動は、圧電膜５で電気変換され、検出電極６ａ及び検出電極６ｂより交流電圧信号として出力される。本発明者らは、この系の他に、振動型ジャイロ１の入出力特性を決める経路が存在することを見出した。これは、駆動電極６ｃと検出電極６ａ間の寄生容量１０ａ及び駆動電極６ｃと検出電極６ｂ間の寄生容量１０ｂによるものである。すなわち、駆動電極６ｃと共通電極６ｄの間に入力された駆動電圧信号ｖｄが寄生容量１０ａ及び寄生容量１０ｂを通り、検出電極６ａ及び検出電極６ｂより交流電圧信号として出力される経路である。上記２つの出力（屈曲運動によるもの及び寄生容量によるもの）を合算したものが交流電圧信号Ｖｇ（図９参照）となる。

図１０及び図１１は振動型ジャイロ１の入出力特性を決めるメカニズムを説明するための図である。
電圧振幅は、図８に示した振動型ジャイロ１の入出力特性を模式的に表した図であり、図９に示した振動型ジャイロ１の入力である駆動信号ｖｄの電圧振幅Ａｄを一定に固定し、検出電極６ａ及び検出電極６ｂの出力Ｖｇを測定したものである。横軸は駆動信号ｖｄの発振周波数ｆで、縦軸は出力Ｖｇの電圧振幅Ａ、及び出力Ｖｇでの電圧位相θを表している。

振動振幅は、上記電圧振幅に対応した振動アーム３の先端部の機械的振動の振幅を測定したものである。横軸は駆動信号ｖｄの発振周波数ｆで、縦軸は振動アーム３の先端部の振動振幅Ａｖ、及び先端部での振動位相θｖを表している。

駆動信号ｖｄは圧電膜５で機械変換され、振動アーム３本体がＹ軸方向に屈曲運動する。この屈曲運動による振動振幅Ａｖは、振動型ジャイロ１の形状で決まる共振周波数ｆｏで最大となり、駆動信号ｖｄに対して振動位相θｖが９０°進む。共振周波数ｆｏよりも低い周波数では、振動振幅Ａｖは小さくなり、振動位相θｖが１８０°進む。共振周波数ｆｏよりも高い周波数では、振動振幅Ａｖは小さくなり、振動位相θｖが０°となる。

このような屈曲運動が、圧電膜５で電気変換され出力されるが、合わせて寄生容量１０ａ及び寄生容量１０ｂを通して流れるリーク電圧も出力される。屈曲運動による出力をＶｇｖとし、リーク電圧による出力をＶｇｌとする。リーク電圧による出力Ｖｇｌは、周波数によらず一定の振幅で駆動信号ｖｄに対して位相回りが小さく０°近辺である。

次に、振動型ジャイロ1の入出力特性を、屈曲運動による出力Ｖｇｖとリーク電圧による出力Ｖｇｌの関係により説明する。
各周波数領域（ｉ），（ｉｉ），（ｉｉｉ），（ｉｖ），（ｖ）での出力Ｖｇｖと出力Ｖｇｌをベクトル表示し、合算した者が入出力特性となる。ベクトルは電圧振幅と電圧位相で表わす。
（１）周波数（ｉ）の領域では、振幅がＶｇｖ<Ｖｇｌで、位相がＶｇｖ＝１８０°近辺である。合算した出力Ｖｇは、振幅が小さく、位相は０°近辺となる。
（２）周波数（ｉｉ）の領域では、振幅がＶｇｖ≦Ｖｇｌで、位相がＶｇｖ＝１８０°近辺である。合算した出力Ｖｇは、振幅が最小で、位相は７５°近辺となる。
（３）周波数（ｉｉｉ）の領域では、振幅がＶｇｖ>Ｖｇｌで、位相がＶｇｖ＝９０〜１８０°出アル。合算した出力Ｖｇは、振幅が中間で、位相は約９０〜１８０°となる。
（４）周波数（ｉｖ）の領域では、振幅がＶｇｖ>Ｖｇｌで、位相がＶｇｖ＝９０°である。合算した出力Ｖｇは、振幅が最大で、位相は７５°近辺となる。
（５）周波数（ｖ）の領域では、振幅がＶｇｖ<Ｖｇｌで、位相がＶｇｖ＝０°近辺である。合算した出力Ｖｇは、振幅が中間で、位相は０°近辺となる。

周波数領域（ｉｉ）は、出力Ｖｇの振幅が最小となり、且つ位相が共振周波数ｆｏとほぼ同じであることから反共振点にみえるが、上記の説明によりリーク電圧により生じた点であることが分かる。リーク電圧がなければ、振動型ジャイロ1の入出力特性は、振動振幅及び振動位相と類似した特性カーブとなる。

この振動型ジャイロ1を図７に示した回路で自励発振させると、移相回路２３で９０°遅らせるため、振動型ジャイロ１の入出力特性上では、電圧位相θが９０°で動作することになる。このときの周波数ｆはｆｏｇとなり、真の共振周波数ｆｏよりも低い。また、電圧振幅ＡはＡｏｇで動作することになり、リーク電圧がない場合の振幅Ａｏに比べて小さい。

リーク電圧が存在すると振動型ジャイロ１の入出力特性の共振周波数ｆｏよりも低い周波数の特性カーブがより大きく影響を受けていることが分かる。この影響により、共振周波数Ｆｏよりも低い周波数で振動型ジャイロ１を動作させると自励発振回路が誤動作し、二重発振を引き起こすのである。

そこで、本実施形態に係るジャイロ検出装置１００では、移相回路２３ｂとは別個の移相回路２３ａを設け、この移相回路２３ａにより入力に対して出力位相を７５°遅らせるように構成したことで、リーク電圧の影響を受けない周波数で自励発振させることができる。すなわち、この自励発振の安定化によりノイズを抑え、高Ｓ／Ｎ化を実現することができる。

本発明は、上記の実施形態には限定されず、本発明の技術思想の範囲内で様々に変形して実施することも可能である。

例えば、上記の実施形態では、振動型ジャイロ１の振動アームが１本であってが、例えば振動アームが３本ある振動型ジャイロに対しても本発明を適用することができる。

図１２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１３は図１２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１３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。

回路構成としては、図１に示した共通電極６ｄに対応する共通電極１４４ａへ印加される信号を共通電極１４４ｂ、１４４ｃに印加し、図１に示した駆動電極６ｃに対応する第１の駆動電極１４５ａへ印加される信号を第１及び第２の駆動電極１４５ｂ、１４５ｃに印加するように構成すればよい。

このように構成された振動型ジャイロでは、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２及び図３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１４はジャイロ検出装置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、ジャイロ検出装置１００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。ジャイロ検出装置１００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。ジャイロ検出装置１００により少なくとも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つのジャイロ検出装置１００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、ジャイロ検出装置１００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。

２つのジャイロ検出装置１００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。

上記各実施の形態に係るジャイロ検出装置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。

本発明の一実施形態に係るジャイロ検出装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示した振動型ジャイロの一例を示す斜視図である。 図２のＡ断面図である。 図２に示した振動型ジャイロの動作原理を説明するための回路図である。 図４における力学的な視点から動作原理を示す概念図である。 図２に示した振動型ジャイロの理想的な入出力特性を示す図である。 比較例として示すジャイロ検出装置の構成を示す回路ブロック図である。 図２に示した振動型ジャイロの現実の入出力特性を示す図である。 図８に示した入出力特性となる要因を説明するための図である。 図８に示した入出力特性となる要因を更に詳細に説明するための図（その１）である。 図８に示した入出力特性となる要因を更に詳細に説明するための図（その２）である。 本発明の他の実施形態に係る振動型ジャイロの構成を示す平面図である。 図１２に示した振動型ジャイロの断面図である。 ジャイロ検出装置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

１ 振動型ジャイロ
１１ａ、１２ｂ 抵抗
１２ 直流電源
２１ａ、２１ｂ ボルテージ・ホロワァ
２２ 加算回路
２３ａ、２３ｂ 移相回路
２４ ＧＣＡ(Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｍｐ)
２５ 検波回路
３１ 差動増幅回路
３２ 同期検波回路
１００ ジャイロ検出装置

Claims (8)

1. 駆動電極と前記駆動電極を挟むように所定の間隔をもって配置された一対の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、前記一対の検出電極からコリオリ力に応じた一対の検出信号を発生する片持ちタイプの振動型ジャイロと、
   前記一対の検出電極にバイアス電圧を印加するバイアス印加手段と、
   前記一対の検出信号を加算する加算手段と、
   前記加算手段により加算された検出信号の位相を４５°よりも大きく９０°よりも小さい範囲内の第１の位相量で遅延させる第１の位相遅延手段と、
   前記第１の位相遅延手段により遅延された前記検出信号を所定の電圧振幅となるように制御して前記駆動信号として出力する振幅制御手段と
   を具備する検出装置。
2. 請求項１に記載の検出装置であって、
   前記一対の検出信号を差動増幅する差動増幅手段と、
   前記加算手段により加算された検出信号の位相を前記第１の位相量とは異なる第２の位相量で遅延させる第２の位相遅延手段と、
   前記差動増幅手段により差動増幅された信号を前記第２の位相遅延手段により遅延された検出信号に基づき同期検波する同期検波手段と
   を具備する検出装置。
3. 請求項１または２に記載の検出装置であって、
   前記振動型ジャイロの共振周波数よりも高い周波数で自励発振させる
   検出装置。
4. 駆動電極と前記駆動電極を挟むように所定の間隔をもって配置された一対の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、前記一対の検出電極からコリオリ力に応じた一対の検出信号を発生する片持ちタイプの振動型ジャイロを用いた角速度の検出方法であって、
   前記一対の検出電極にバイアス電圧を印加し、
   前記一対の検出信号を加算し、
   前記加算された検出信号の位相を４５°よりも大きく９０°よりも小さい範囲内の第１の位相量で遅延させ、
   前記第１の位相量で遅延された前記検出信号を所定の電圧振幅となるように制御して前記駆動信号として出力する
   検出方法。
5. 請求項４に記載の検出方法であって、
   さらに、
   前記一対の検出信号を差動増幅し、
   前記加算された検出信号の位相を前記第１の位相量とは異なる第２の位相量で遅延させ、
   前記差動増幅された信号を前記第２の位相量だけ遅延された検出信号に基づき同期検波する
   検出方法。
6. 請求項４または５に記載の検出方法であって、
   前記振動型ジャイロの共振周波数よりも高い周波数で自励発振させる
   検出方法。
7. 駆動電極と前記駆動電極を挟むように所定の間隔をもって配置された一対の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、前記一対の検出電極からコリオリ力に応じた一対の検出信号を発生する片持ちタイプの振動型ジャイロと、前記一対の検出電極にバイアス電圧を印加するバイアス印加手段と、前記一対の検出信号を加算する加算手段と、前記加算手段により加算された検出信号の位相を４５°よりも大きく９０°よりも小さい範囲内の第１の位相量で遅延させる第１の位相遅延手段と、前記第１の位相遅延手段により遅延された前記検出信号を所定の電圧振幅となるように制御して前記駆動信号として出力する振幅制御手段と、前記一対の検出信号を差動増幅する差動増幅手段と、前記加算手段により加算された検出信号の位相を前記第１の位相量とは異なる第２の位相量で遅延させる第２の位相遅延手段と、前記差動増幅手段により差動増幅された信号を前記第２の位相遅延手段により遅延された検出信号に基づき同期検波する同期検波手段とを有する検出装置と、
   前記同期検波手段の出力に基づき所定の制御を行う制御手段と
   を具備する電子機器。
8. 請求項７に記載の電子機器であって、
   当該電子機器が、手振れ補正機構付きのディジタルカメラであり、
   前記制御手段は、前記手振れ補正機構の補正量を制御する
   電子機器。