KR101323166B1 - 검출 회로, 물리량 검출 장치, 각속도 검출 장치, 집적 회로 장치 및 전자 기기 - Google Patents

검출 회로, 물리량 검출 장치, 각속도 검출 장치, 집적 회로 장치 및 전자 기기 Download PDF

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Abstract

(과제) 종래보다도 저(低)노이즈화가 가능한 검출 회로, 물리량 검출 장치, 각속도 검출 장치, 집적 회로 장치 및 전자 기기를 제공하는 것이다.
(해결 수단) 동기(同期) 검파 회로(326)(동기 검파부)는, 진동자(100)의 검출 신호(32, 34)를 포함하는 신호(앰프(324)의 출력 신호)에 대하여 동기 검파를 행한다. 스위치드 캐패시터 필터(SCF) 회로(330)는, 동기 검파 회로(326)에 의해 동기 검파된 신호(가변 게인 앰프(328)의 출력 신호)를 필터 처리한다. 출력 버퍼(332)는, SCF 회로(330)에 의해 필터 처리된 신호를 버퍼링하여 외부에 출력한다. SCF 회로(330) 게인은 1보다도 크다.

Description

검출 회로, 물리량 검출 장치, 각속도 검출 장치, 집적 회로 장치 및 전자 기기{DETECTION CIRCUIT, PHYSICAL QUANTITY DETECTION APPARATUS, ANGULAR VELOCITY DETECTION APPARATUS, INTEGRATED CIRCUIT DEVICE, AND ELECTRONIC INSTRUMENT}
본 발명은, 검출 회로, 물리량 검출 장치, 각속도 검출 장치, 집적 회로 장치 및 전자 기기에 관한 것이다.
디지털 카메라, 내비게이션 장치, 휴대 전화 등, 여러 가지 전자 기기에 자이로 센서가 탑재되어 있으며, 자이로 센서가 검출한 각속도의 크기에 기초하여, 손떨림 보정, 데드레코닝(dead reckoning), 모션 센싱 등의 처리가 행해진다.
최근, 자이로 센서의 소형화와 높은 검출 정밀도가 요구되게 되어, 이들 요구를 충족하는 자이로 센서로서, 예를 들면, 수정 진동자의 공진 현상을 이용한 진동 자이로 센서가 널리 사용되고 있다. 이러한 진동 자이로 센서에서는, 소형화에 수반하여 진동자로부터 출력되는 검출 신호가 보다 미소하게 되기 때문에, 높은 검출 정밀도를 실현하기 위해서는, 자이로 센서에 대하여 구동이나 검출을 행하는 신호 처리 회로의 저(低)노이즈화가 매우 중요해진다.
신호 처리 회로의 검출 처리에서는, 진동자로부터 출력되는 미소한 검출 신호를 증폭하여 동기(同期) 검파한 후, 로우패스 필터를 통과하여 고조파 성분이나 고역의 노이즈가 제거되고, 이 검출 신호가 출력 버퍼를 통하여 외부로 출력된다. 이 출력 버퍼는, 검출 감도의 사양에 맞추어 검출 신호의 레벨을 조정하는 기능도 겸용한다. 또한, 로우패스 필터로서는, 용량비와 샘플링 주파수(클록 주파수)에 의해 주파수 특성이 결정되는 스위치드 캐패시터 필터(SCF: Swiched Capacitor Fillter)가 이용된다. 스위치드 캐패시터 필터는, RC 필터보다도 특성 불균일이 작은 이점을 갖는다(특허문헌 1, 2).
일본공개특허공보 2008-14932호 일본공개특허공보 2008-64663호
그런데, 저노이즈화의 요구에 대하여, 이제까지는, 로우패스 필터에서 발생하는 노이즈는 로우패스 필터의 전단(前段)에서 발생하는 노이즈에 비하여 무시할 수 있을 만큼 작고, 그 때문에, 로우패스 필터의 전단에서 발생하는 노이즈를 작게 하는 것에 중점이 두어져 있었다. 그러나, 로우패스 필터의 전단에서 발생하는 노이즈가 작아지면, 로우패스 필터에서 발생하는 노이즈가 상대적으로 커져, 출력 신호의 S/N비를 열화시키는 원인이 될 수 있다. 그런데, 회로 면적을 큰 폭으로 늘리지 않고 로우패스 필터에서 발생하는 노이즈를 낮추는 것은 어려우며, 더 한층의 저노이즈화의 요구를 충족하려고 하면 소형화의 요구를 충족할 수 없게 되는 우려가 있다. 로우패스 필터의 전단까지의 게인을 높게 함으로써, 출력 버퍼의 게인을 낮게 하여 로우패스 필터에서 발생하는 노이즈의 증폭률을 낮게 하는 것도 생각할 수 있지만, 설계의 제약에 따라서는, 로우패스 필터의 전단까지의 게인을 높게 할 수 없는 경우도 있다.
본 발명은, 이상과 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 본 발명의 몇 가지의 실시 형태에 의하면, 종래보다도 저노이즈화가 가능한 검출 회로, 물리량 검출 장치, 각속도 검출 장치, 집적 회로 장치 및 전자 기기를 제공할 수 있다.
(1) 본 발명은, 검출하는 물리량에 따른 교류 신호에 대하여 동기 검파를 행하는 동기 검파부와, 상기 동기 검파부에 의해 동기 검파된 신호를 필터 처리하는 스위치드 캐패시터 필터와, 상기 스위치드 캐패시터 필터에 의해 필터 처리된 신호를 버퍼링하여 출력하는 출력 버퍼를 포함하며, 상기 스위치드 캐패시터 필터의 게인이 1보다도 큰 검출 회로이다.
본 발명의 의하면, 스위치드 캐패시터 필터를 필터로서 기능시킴과 함께, 그 게인을 1보다도 높게 하여 증폭 회로로서도 기능시킴으로써, 출력 버퍼의 게인을 상대적으로 작게 할 수 있다. 이에 따라, 스위치드 캐패시터 필터에서 발생하는 노이즈의 출력 버퍼에 의한 증폭률이 내려가, 종래보다도 저노이즈화를 달성할 수 있다.
(2) 이 검출 회로에 있어서, 상기 스위치드 캐패시터 필터의 게인을 K1, 상기 출력 퍼터의 게인을 K2로 한 경우, K1/K2＞0.5를 충족하도록 해도 좋다.
(3) 이 검출 회로에 있어서, 상기 스위치드 캐패시터 필터의 게인 K1이 상기 출력 버퍼의 게인 K2보다도 크도록 해도 좋다.
(4) 본 발명은, 상기의 어느 검출 회로와, 검출하는 물리량에 따른 신호를 상기 검출 회로에 출력하는 진동자를 포함하는 물리량 검출 장치이다.
본 발명에 의하면, 종래보다도 저노이즈화가 가능한 물리량 검출 장치를 제공할 수 있다.
(5) 본 발명은, 상기의 어느 검출 회로를 포함하는 각속도 검출 장치이다.
본 발명에 의하면, 종래보다도 저노이즈화가 가능한 각속도 검출 장치를 제공할 수 있다.
(6) 본 발명은, 상기의 어느 검출 회로를 포함하는 집적 회로 장치이다.
(7) 본 발명은, 상기의 어느 검출 회로를 포함하는 전자 기기이다.
도 1은 본 실시 형태의 각속도 검출 장치(물리량 검출 장치의 일 예)의 기능 블록도이다.
도 2는 진동자의 진동편의 평면도이다.
도 3은 진동자의 동작에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 진동자의 동작에 대해서 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 시리얼 인터페이스 회로의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 6은 구동 회로의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 7은 검출 회로의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 8은 SCF 회로의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 9는 SCF 게인과 출력 버퍼 게인과의 비와 노이즈 레벨의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 전자 기기의 기능 블록도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해서 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시 형태는, 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하는 것은 아니다. 또한 이하에서 설명되는 구성의 전부가 본 발명의 필수 구성 요건이라고는 한정하지 않는다.
1. 물리량 검출 장치
이하에서는, 물리량으로서 각속도를 검출하는 물리량 검출 장치(각속도 검출 장치)를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은, 각속도, 각가속도, 가속도, 힘 등의 여러 가지 물리량 중 어느 것을 검출할 수 있는 장치에 적용 가능하다.
도 1은, 본 실시 형태의 각속도 검출 장치(물리량 검출 장치의 일 예)의 기능 블록도이다. 본 실시 형태의 각속도 검출 장치(1)는, 진동자(센서 소자)(100)와 신호 처리 IC(집적 회로 장치)(2)를 포함하여 구성되어 있다.
진동자(100)는, 구동 전극과 검출 전극이 배치된 진동편이 도시하지 않은 패키지로 봉지되어 구성되어 있다. 일반적으로, 진동편의 임피던스를 가능한 한 작게 하여 발진 효율을 높이기 위해 패키지 내의 기밀성이 확보되어 있다.
본 실시 형태의 진동자(100)는, Z커트의 수정 기판에 의해 형성된 진동편을 갖는다. 수정을 재료로 하는 진동편은, 온도 변화에 대한 공진 주파수의 변동이 매우 작기 때문에, 각속도의 검출 정밀도를 높일 수 있다는 이점이 있다. 단, 진동자(100)의 진동편의 재료로서는, 수정(SiO2)뿐만 아니라, 예를 들면, 탄탈산 리튬(LiTaO3), 니오브산 리튬(LiNbO3) 등의 압전 단결정이나 지르콘산 티탄산 납(PZT) 등의 압전 세라믹스 등의 압전성 재료를 이용해도 좋고, 실리콘 반도체를 이용해도 좋다. 예를 들면, 실리콘 반도체의 표면의 일부에, 구동 전극에 끼워진 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN) 등의 압전 박막을 배치한 구조라도 좋다.
본 실시 형태에서는, 진동자(100)는, T형의 2개의 구동 진동 아암을 갖는 소위 더블 T형의 진동편에 의해 구성된다. 단, 진동자(100)의 구동편은, 더블 T형으로 한정되지 않고, 예를 들면, 소리 굽쇠형이나 빗살형이라도 좋고, 삼각주, 사각주, 원주 형상 등의 형상의 음편형이라도 좋다.
도 2는, 본 실시 형태의 진동자(100)의 진동편의 평면도이다. 도 2에 있어서의 X축, Y축, Z축은 수정의 축을 나타낸다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 진동자(100)의 진동편은, 2개의 구동용 기부(基部; 104a, 104b)로부터 각각 구동 진동 아암(101a, 101b)이 +Y축 방향 및 -Y축 방향으로 연출(延出)되어 있다. 여기에서, 구동 진동 아암(101a, 101b)의 연출 방향은, Y축으로부터의 어긋남이 ±5° 이내이면 좋다. 구동 진동 아암(101a)의 측면 및 상면에는 각각 구동 전극(112 및 113)이 형성되어 있고, 구동 진동 아암(101b)의 측면 및 상면에는 각각 구동 전극(113 및 112)이 형성되어 있다. 구동 전극(112, 113)은, 각각, 도 1에 나타낸 신호 처리 IC(2)의 외부 출력 단자(81), 외부 입력 단자(82)를 통하여 구동 회로(20)에 접속된다.
구동용 기부(104a, 104b)는, 각각 -X축 방향과 +X축 방향으로 연장되는 연결 아암(105a, 105b)을 통하여 직사각 형상의 검출용 기부(107)에 접속되어 있다. 여기에서, 연결 아암(105a, 105b)의 연출 방향은, X축으로부터의 어긋남이 ±5° 이내이면 좋다.
검출 진동 아암(102)은, 검출용 기부(107)로부터 +Y축 방향 및 -Y축 방향으로 연출되어 있다. 여기에서, 검출 진동 아암(102)의 연출 방향은, Y축으로부터의 어긋남이 5° 이내이면 좋다. 검출 진동 아암(102)의 상면에는 검출 전극(114 및 115)이 형성되어 있으며, 검출 진동 아암(102)의 측면에는 공통 전극(116)이 형성되어 있다. 검출 전극(114, 115)은, 각각, 도 1에 나타낸 신호 처리 IC(2)의 외부 입력 단자(83, 84)를 통하여 검출 회로(30)에 접속된다. 또한, 공통 전극(116)은 접지된다.
구동 진동 아암(101a, 101b)의 구동 전극 112와 구동 전극 113과의 사이에 구동 신호로서 교류 전압이 부여되면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 구동 진동 아암(101a, 101b)은 역(逆)압전 효과에 의해 화살표 B와 같이, 2개의 구동 진동 아암(101a, 101b)의 선단(先端)이 서로 접근과 이간을 반복하는 굴곡 진동(여진 진동)을 한다.
이 상태에서, 진동자(100)의 진동편에 Z축을 회전축으로 한 각속도가 가해지면, 구동 진동 아암(101a, 101b)은, 화살표 B의 굴곡 진동의 방향과 Z축의 양쪽에 수직인 방향으로 코리올리의 힘을 얻는다. 그 결과, 도 4에 나타내는 바와 같이, 연결 아암(105a, 105b)은 화살표 C에서 나타내는 바와 같은 진동을 한다. 그리고, 검출 진동 아암(102)은, 연결 아암(105a, 105b)의 진동(화살표 C)에 연동하여 화살표 D와 같이 굴곡 진동을 한다. 이 코리올리력에 수반하는 검출 진동 아암(102)의 굴곡 진동과 구동 진동 아암(101a, 101b)의 굴곡 진동(여진(勵振) 진동)과는 위상이 90° 어긋나 있다.
그런데, 구동 진동 아암(101a, 101b)이 굴곡 진동(여진 진동)을 할 때의 진동 에너지의 크기 또는 진동의 진폭의 크기가 2개의 구동 진동 아암(101a, 101b)에서 동등하면, 구동 진동 아암(101a, 101b)의 진동 에너지의 밸런스가 잡혀 있어, 진동자(100)에 각속도가 가해지지 않은 상태에서는 검출 진동 아암(102)은 굴곡 진동하지 않는다. 그런데, 2개의 구동 진동 아암(101a, 101b)의 진동 에너지의 밸런스가 무너지면, 진동자(100)에 각속도가 가해지지 않은 상태라도 검출 진동 아암(102)에 굴곡 진동이 발생한다. 이 굴곡 진동은 누설 진동이라고 불리며, 코리올리력에 기초하는 진동과 동일하게 화살표 D의 굴곡 진동이지만, 구동 신호와는 동(同) 위상이다.
그리고, 압전 효과에 의해 이들 굴곡 진동에 기초한 교류 전하가, 검출 진동 아암(102)의 검출 전극(114, 115)에 발생한다. 여기에서, 코리올리력에 기초하여 발생하는 교류 전하는, 코리올리력의 크기(환언하면, 진동자(100)에 가해지는 각속도의 크기)에 따라서 변화한다. 한편, 누설 진동에 기초하여 발생하는 교류 전하는, 진동자(100)에 가해지는 각속도의 크기에 관계없이 일정하다.
또한, 구동 진동 아암(101a, 101b)의 선단에는, 구동 진동 아암(101a, 101b)보다도 폭이 넓은 직사각 형상의 추부(錘部; 103)가 형성되어 있다. 구동 진동 아암(101a, 101b)의 선단에 추부(103)를 형성함으로써, 코리올리력을 크게 함과 함께, 소망하는 공진 주파수를 비교적 짧은 진동 아암으로 얻을 수 있다. 마찬가지로, 검출 진동 아암(102)의 선단에는, 검출 진동 아암(102)보다도 폭이 넓은 추부(106)가 형성되어 있다. 검출 진동 아암(102)의 선단에 추부(106)를 형성함으로써, 검출 전극(114, 115)에 발생하는 교류 전하를 크게 할 수 있다.
이상과 같이 하여, 진동자(100)는, Z축을 검출축으로 하고 코리올리력에 기초하는 교류 전하(각속도 성분)와, 여진 진동의 누설 진동에 기초하는 교류 전하(진동 누설 성분)를 검출 전극(114, 115)을 통하여 출력한다.
도 1로 되돌아와, 본 실시 형태의 신호 처리 IC(2)는, 전원 회로(6), 기준 전압 회로(10), 구동 회로(20), 검출 회로(30), 시리얼 인터페이스 회로(40), 불휘발성 메모리(50), 조정 회로(60), 레벨 판정 회로(70)를 포함하여 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태의 신호 처리 IC(2)는, 이들 일부의 구성(요소)을 생략하거나, 새로운 구성(요소)을 추가한 구성으로 해도 좋다.
전원 회로(6)는, 외부 입력 단자(86, 87)로부터 각각 전원 전압(VDD)(예를 들면 3V)과 그라운드 전압(VSS)(0V)이 공급되어, 신호 처리 IC(2)의 내부의 전원 전압을 생성한다.
기준 전압 회로(10)는, 전원 회로(6)를 통하여 공급되는 전원 전압으로부터 기준 전압(12)(예를 들면 1/2 VDD)을 생성한다.
구동 회로(20)는, 진동자(100)를 여진 진동시키기 위한 구동 신호(22)를 생성하여, 외부 출력 단자(81)를 통하여 진동자(100)의 구동 전극(112)에 공급한다. 또한, 구동 회로(20)는, 진동자(100)의 여진 진동에 의해 구동 전극(113)에 발생하는 발진 전류(24)가 외부 입력 단자(82)를 통하여 입력되고, 이 발진 전류(24)의 진폭이 일정하게 보유지지(保持)되도록 구동 신호(22)의 진폭 레벨을 피트백 제어한다. 또한, 구동 회로(20)는, 검출 회로(30)에 포함되는 동기 검파 회로의 참조 신호(26)와 스위치드 캐패시터 필터(SCF) 회로의 클록 신호(28)를 생성한다.
검출 회로(30)는, 외부 입력 단자(83, 84)를 통하여, 진동자(100)의 검출 전극(114, 115)에 발생하는 교류 전하(검출 전류)(32, 34)가 각각 입력되고, 이들 교류 전하(검출 전류)에 포함되는 각속도 성분만을 검출하여, 각속도의 크기에 따른 압전 레벨의 신호(각속도 신호)(36)를 생성하여, 외부 출력 단자(88)를 통하여 외부에 출력한다. 이 각속도 신호(36)는, 예를 들면, 외부 출력 단자(88)에 접속된 도시하지 않은 마이크로 컴퓨터에 있어서 A/D 변환되어, 각속도 데이터로서 여러 가지 처리에 이용된다. 또한, 본 실시 형태의 신호 처리 IC(2)에 A/D 변환기를 내장하여, 각속도를 나타내는 디지털 데이터를, 예를 들면 시리얼 인터페이스 회로(40)를 통하여 외부에 출력하도록 해도 좋다.
이와 같이, 구동 회로(20)와 검출 회로(30)는, 진동자(100)에 대한 신호 처리를 행하는 신호 처리 회로(4)로서 기능한다.
조정 회로(60)는, 레벨 판정 회로(70)에서 출력하는 레벨 판정 신호(72)에 따라서 조정 데이터(52)와 조정 데이터(42) 중 어느 것을 선택하여, 신호 처리 회로(4)(구동 회로(20), 검출 회로(30))에 대한 아날로그 조정 전압(62)(오프셋 보상 전압이나 온도 보상 전압 등)을 생성한다. 조정 회로(60)는, 예를 들면, D/A 변환기 등이다.
불휘발성 메모리(50)는, 신호 처리 회로(4)(구동 회로(20), 검출 회로(30))에 대한 각종의 조정 데이터(52)를 보유지지하고, 예를 들면, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)로서 구성할 수 있다.
시리얼 인터페이스 회로(40)는, 외부 입력 단자(89)와 외부 입출력 단자(90)를 통하여, 클록 신호(46)와 시리얼 데이터 신호(48)에 의한 2선 논리로 불휘발성 메모리(50)에 대한 조정 데이터(52)의 기입이나 독출의 처리, 내부 레지스터(도시하지 않음)에 대한 조정 데이터(42)나 모드 설정 데이터(44)의 기입이나 독출의 처리를 행한다.
도 5는, 시리얼 인터페이스 회로(40)의 구성예를 나타내는 도면이다. 시리얼 인터페이스 회로(40)는, 데이터 기입시에는, 외부 입력 단자(89)로부터 입력되는 클록 신호(46)에 동기하고, 외부 입출력 단자(90)로부터 입력되는 시리얼 데이터 신호(48)를 시프트 레지스터(400)에 취입하여 패러렐 데이터로 변환하고, 리드/라이트 제어 회로(410)의 제어하에, 불휘발성 메모리(50) 또는 내부 레지스터군(420)에 포함되는 어느 레지스터(조정 레지스터(422)나 모드 설정 레지스터(424 등))에 기입한다. 한편, 데이터 독출시에는, 리드/라이트 제어 회로(410)의 제어하에, 불휘발성 메모리(50)에 기억되어 있는 데이터 또는 내부 레지스터군(420)에 포함되는 어느 레지스터에 기억되어 있는 데이터를 시프트 레지스터(400)에 패러렐 로드하고, 외부 입력 단자(89)로부터 입력되는 클록 신호(46)에 동기하여 시프트 레지스터(400)의 데이터를 시프트시켜 외부 입출력 단자(90)로부터 시리얼 데이터 신호(48)를 출력한다.
불휘발성 메모리(50)에 데이터를 기입하려면, 메모리 소자에 보유지지되어 있는 데이터를 반전시키는 데에 충분한 에너지를 공급할 필요가 있다. 그 때문에, 도 1에 나타내는 바와 같이, 불휘발성 메모리(50)에는, 데이터 기입시에는 외부 입력 단자(85)를 통하여 높은 전원 전압(VPP)(예를 들면 15V 이상)이 공급된다.
본 실시 형태에서는, 불휘발성 메모리(50)로의 데이터 기입은, 각속도 검출 장치(1)의 조립, 검사, 평가, 해석 등의 경우로 한정되어 행해지고, 시장에서 사용될 때에는 불휘발성 메모리(50)로의 데이터 기입은 금지된다. 그 때문에, 각속도 검출 장치(1)를 시장에서 사용할 때에는 외부 입력 단자(85)를 오픈으로 설정한다. 이에 따라, 외부 입력 단자(85)의 전압(VPP)은, 풀업 저항(92)을 통하여 VDD에 거의 동등해져, 오(誤) 기입을 방지할 수 있다.
조정 데이터(52)는, 예를 들면, 각속도 검출 장치(1)의 조립 후의 최종 검사시 등에 불휘발성 메모리(50)에 기입된다. 구체적으로는, 시리얼 인터페이스 회로(40)의 내부 레지스터군에 포함되는 조정 레지스터(422)에 조정값을 기입하고, 조정 레지스터(422)에 기입된 조정값(조정 데이터(42))을 이용하여, 신호 처리 회로(4)(구동 회로(20), 검출 회로(30))의 동작을 확인한다. 이 조정값을 변경하면서, 신호 처리 회로(4)(구동 회로(20), 검출 회로(30))가 소망하는 동작을 하는 최적인 조정값을 결정하고, 그 최적인 조정값을 조정 데이터(52)로서 1회만 불휘발성 메모리(50)에 기입한다. 이렇게 함으로써, 검사 시간을 단축할 수 있음과 함께, 데이터 기입시에 고전원 전압의 인가에 의한 신뢰성의 저하를 최소한으로 억제할 수 있다.
이러한 조정 방법을 실현하기 위해서는, 조정 회로(60)가 불휘발성 메모리(50)와 조정 레지스터(422) 중 어느 조정 데이터를 이용할지를 선택할 수 있도록 할 필요가 있다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 레벨 판정 회로(70)가 VPP의 전압 레벨을 판정하고, VPP가 VDD보다 높은 소정의 전압값 V1(예를 들면 8V) 이상 또는 VDD보다 낮은 소정의 전압값 V2(예를 들면 1/2 VDD) 이하의 전압값이거나, VPP가 V2보다도 높고 V1보다도 낮은 전압값인 것을 나타내는 레벨 판정 신호(72)를 생성한다. 그리고, 조정 회로(60)는, 레벨 판정 신호(72)에 따라서, VPP≥V1 또는 VPP≤V2일 때에는 내부 레지스터의 조정 데이터(42)를 선택하고, V2＜VPP＜V1일 때에는 불휘발성 메모리(50)의 조정 데이터(52)를 선택한다.
전술한 바와 같이, 각속도 검출 장치(1)를 시장에서 사용할 때에는, 외부 입력 단자(85)가 오픈으로 설정되기 때문에, 풀업 저항(92)에 의해 VPP는 VDD와 거의 동등해지며, 조정 회로(60)에 의해 반드시 조정 데이터(52)가 선택된다. 한편, 각속도 검출 장치(1)의 조립, 검사, 평가, 해석시 등에는, 외부 입력 단자(85)에 V1 이상의 전압 또는 V2 이하의 전압(예를 들면 OV)을 인가함으로써, 조정 회로(60)에 조정 데이터(42)를 선택시킬 수도 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 모드 설정 레지스터(424)의 설정값을 고쳐씀으로써, 시장에서 사용되는 통상의 동작 모드(모드 1)나 각속도 검출 장치(1)의 조립, 검사, 평가, 해석 등에 사용되는 동작 모드(모드 2) 중 어느 것을 선택할 수 있도록 되어 있다. 예를 들면 5비트의 모드 설정 레지스터(424)의 설정값이 「00000」이면 모드 1, 「00001」∼「11111」 중 어느 것이라면 모드 2가 된다. 또한, 모드 2는, 「00001」∼「11111」의 각각의 설정값에 의해 세분화되며, 신호 처리 회로(4)(구동 회로(20), 검출 회로(30))에 대하여, 설정값에 따라서 모니터하는 노드를 선택하거나, 접속 관계를 변경하거나 할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 시장에서는 신뢰성을 확보하기 위해 모드 1만 가능하며 모드 2로의 고쳐씀이 금지되고, 각속도 검출 장치(1)의 조립, 검사, 평가, 해석 등의 경우만 모드 1 또는 모드 2로 설정 가능하게 한다. 이것을 실현하기 위해, VPP≥V1 또는 VPP≤V2의 경우만 모드 설정 레지스터(424)의 설정값의 고쳐씀을 유효하게 하고, 이 이외의 경우는 무효하게 한다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 모드 설정 레지스터(424)의 비(非)동기 리셋 단자에 레벨 판정 신호(72)를 공급한다. 이에 따라, VPP≥V1 또는 VPP≤V2일 때에는 모드 설정 레지스터(424)의 설정값은 「00000」으로 리셋되어 모드 1이 됨과 함께 고쳐씀이 무효하게 되고, V2＜VPP＜V1일 때에는 모드 설정 레지스터(424)의 설정값의 고쳐씀이 유효하게 된다.
본 실시 형태에서는, 특히, VPP≥V1일 경우뿐만 아니라 VPP≤V2일 경우에도, 조정 회로(60)에 의해 조정 데이터(42)가 선택됨과 함께, 모드 설정 레지스터(424)의 설정값의 고쳐씀을 유효하게 함으로써, 높은 전압을 발생하는 전원 장치가 없는 바와 같은 환경에서도 각속도 검출 장치(1)의 평가나 해석이 가능해진다는 이점이 있다.
다음으로, 구동 회로(20)에 대해서 설명한다. 도 6은, 구동 회로(20)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 구동 회로(20)는, I/V 변환 회로(전류 전압 변환 회로)(200), 하이패스 필터(HPF)(210), 콤퍼레이터(comparator)(212), RC 필터(220), 앰프(230), 전파(全波) 정류 회로(240), 감산기(250), 적분기(252), 풀업 저항(254), 콤퍼레이터(260), 버퍼 회로(270)를 포함하여 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태의 구동 회로(20)는, 이들 일부의 구성(요소)을 생략하거나, 새로운 구성(요소)을 추가한 구성으로 해도 좋다.
진동자(100)의 진동편에 흐른 구동 전류는, I/V 변환 회로(200)에 의해 교류 전압 신호로 변환된다. 본 실시 형태의 I/V 변환 회로(200)는, 오피 앰프(202)의 반전 입력 단자(-입력 단자)와 출력 단자의 사이에 저항(204)이 접속되고, 오피 앰프(202)의 비반전 입력 단자(+입력 단자)가 아날로그 그라운드에 접속된 구성이다. 이 I/V 변환 회로(200)의 출력 전압 VIV는, 진동자(100)의 발진 전류를 i, 저항(204)의 저항값을 R로 하면, 다음식 (1)로 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00001
I/V 변환 회로(200)의 출력 신호는, 하이패스 필터(210)에서 오프셋이 캔슬되어 콤퍼레이터(212)에 입력된다. 콤퍼레이터(212)는, 입력 신호의 전압을 증폭하여 2치화 신호(방형파 전압 신호)를 출력한다. 단, 본 실시 형태에서는, 콤퍼레이터(212)는, 로우레벨만 출력 가능한 오픈 드레인 출력의 콤퍼레이터이고, 하이레벨은 풀업 저항(254)을 통하여 적분기(252)의 출력 전압에 풀업된다. 그리고, 콤퍼레이터(212)가 출력하는 2치화 신호는, 구동 신호(22)로서, 외부 출력 단자(81)를 통하여 진동자(100)의 진동편의 구동 전극(112)에 공급된다. 이 구동 신호(22)의 주파수(구동 주파수 fd)를 진동자(100)의 공진 주파수와 일치시킴으로써, 진동자(100)를 안정 발진시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 진동자(100)의 발진 전류가 일정하게 되도록, 즉, I/V 변환 회로(200)의 출력 전압의 레벨이 일정하게 되도록 구동 신호(22)의 진폭이 조정된다. 이렇게 함으로써, 진동자(100)를 매우 안정적으로 발진시킬 수 있어, 각속도의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
그런데, I/V 변환 회로(200)에 포함되는 저항(204)의 저항값 R은, 제조 불균일때문에, IC마다 설계값에 대하여 ±20％ 정도 편차가 발생하기 때문에, 진동자(100)의 발진 전류로부터 I/V 변환 회로(200)의 출력 전압으로의 변환율이 IC마다 불균일하게 된다. 따라서, I/V 변환 회로(200)의 출력 전압이 일정한 설계값이 되도록 구동 신호(22)의 진폭을 조정하면, 진동자(100)의 발진 전류가 IC마다 상이하게 된다. 그 결과, 설계값에 대한 발진 전류의 어긋남이 큰 IC일수록 각속도의 검출 정밀도나 검출 감도를 열화시키는 요인이 될 수 있다.
또한, 저항(204)의 저항값의 온도 특성이 플랫이 아니기 때문에, 진동자(100)의 발진 전류가 일정하더라도, I/V 변환 회로(200)의 출력 전압은, 저항(204)의 영향을 받아 변동해 버린다. 그 결과, 진동자(100)의 발진 전류가 온도에 따라서 변동하게 되어, 각속도의 검출 정밀도나 검출 감도를 열화시키는 요인이 될 수 있다. 마찬가지로, 후술하는 검출 회로(30)에 포함되는 차지 앰프(300, 310)의 구성 요소인 콘덴서(304, 314)의 용량값의 제조 불균일이나 온도 변동도 각속도의 검출 정밀도나 검출 감도를 열화시키는 요인이 될 수 있다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 저항(204)의 저항값이나 콘덴서(304, 314)의 용량값의 불균일이나 온도 변동분을 캔슬하고, 각속도의 검출 정밀도나 검출 감도의 열화를 억제하는 목적으로 RC 필터(220)를 설치하여, I/V 변환 회로(200)의 출력 신호를 RC 필터(220)를 통과시킨다. RC 필터(220)를 설치함으로써, 각속도의 검출 정밀도나 검출 감도의 열화를 억제할 수 있는 이유에 대해서는, 검출 회로(30)의 설명에 있어서 후술한다.
RC 필터(220)는, 저항(222)과 콘덴서(224)를 포함하여, 1차의 로우패스 필터로서 기능한다. 즉, 저항(222)의 저항값을 R1, 콘덴서(224)의 용량값을 C1로 하면, RC 필터(220)의 전달 함수는, 다음식 (2)로 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00002
식 (2)로부터, RC 필터(220)의 전압 이득의 주파수 특성은 다음식 (3)으로 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00003
본 실시 형태에서는, 진동자(100)의 발진각 주파수ωd(＝2πfd)에 대하여 (ωd·C1·R1)2》1이 되도록 R1과 C1을 선택한다. 이 경우, RC 필터(220)의 출력 전압 VRC는, 식 (1)과 식 (3)으로부터, 다음식 (4)와 같이 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00004
또한, 식 (2)로부터, RC 필터(220)의 위상의 주파수 특성은 다음식 (5)로 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00005
따라서, 식 (5)로부터, I/V 변환 회로(200)의 출력 신호(각주파수: ωd)는, RC 필터(220)를 통과함으로써, θ＝arctan(ωd·C1·R1)만큼 위상이 지연된다. 즉, RC 필터(220)는, 위상 시프트 회로로서도 기능한다. 예를 들면, ωd＝2π×50㎑(fd＝50㎑), C1·R1＝1/(2π×5㎑)로하면, θ≒84°가 된다.
단, 식 (4)로부터, I/V 변환 회로(200)의 출력 신호(각주파수: ωd)는, RC 필터(220)를 통과함으로써, 진폭이 약 1/(ωd·C1·R1)배로 감쇠한다. 예를 들면, ωd＝2π×50㎑(fd＝50㎑), C1·R1＝1/(2π×5㎑)로 하면, RC 필터(220)의 출력 신호의 진폭은, I/V 변환 회로(200)의 출력 신호의 진폭의 약 1/10이 된다. 그래서, 본 실시 형태에서는, RC 필터(220)의 후단의 회로에서의 신호 처리를 용이하게 하기 위해, RC 필터(220)의 출력 신호를 증폭하는 전압 보정용의 앰프(230)(예를 들면, 입력 신호를 ωd·C1·R1배로 증폭하는 앰프)가 부가되어 있다. 단, RC 필터(220)의 후단의 회로가, RC 필터(220)의 출력 신호에 대하여 직접적으로 신호 처리가 가능하면, 앰프(230)를 부가하기 않아도 좋다.
앰프(230)의 출력 신호는, 전파 정류 회로(240)에 입력된다. 전파 정류 회로(240)는, 반전 앰프(241), 콤퍼레이터(242), 2개의 스위치(243, 244), 인버터 회로(반전 논리 회로)(245)를 포함하여 구성되어 있다. 스위치(243)에는 앰프(230)의 출력 신호가 입력되고, 그 온/오프는 콤퍼레이터(242)의 출력 신호로 제어된다. 콤퍼레이터(242)의 출력 신호의 주파수는, 구동 주파수 fd와 동등하다. 또한, 스위치(244)에는 반전 앰프(241)의 출력 신호(앰프(230)의 출력 신호의 반전 신호)가 입력되고, 그 온/오프는 인버터 회로(245)의 출력 신호(콤퍼레이터(242)의 출력 신호의 반전 논리 신호)로 제어된다. 즉, 스위치 243과 스위치 244의 온/오프는 배타적으로 행해져, 앰프(230)의 출력 신호가 전파 정류된다.
전파 정류 회로(240)의 출력 신호는, 감산기(250)에 입력되어 기준 전압(12)과의 전압 감산 처리가 이루어진 후, 적분기(252)로 적분된다. 이 적분기(252)의 출력 전압은, I/V 변환 회로(200)의 출력 신호의 진폭이 클수록 낮아진다. 그리고, 구동 신호(22)의 하이레벨은 풀업 저항(254)을 통하여 적분기(252)의 출력 전압에 풀업되어 있기 때문에, 구동 신호(22)의 진폭 VDR은, RC 필터(220)의 출력 전압 VRC와 반비례의 관계가 되며, 식 (4)로부터, 적당한 계수 A를 이용하여 다음식 (6)으로 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00006
이러한 구성에 의해, 진동자(100)의 발진 전류(24)의 진폭이 일정하게 보유지지되도록 구동 신호(22)의 진폭 레벨이 피드백 제어된다.
본 실시 형태의 구동 회로(20)에는, 추가로, 하이패스 필터(210)의 출력 신호를 증폭하여 2치화 신호(방형파(方形波) 전압 신호)를 출력하는 콤퍼레이터(260)가 설치되어 있으며, 이 2치화 신호는, 검출 회로(30)에 포함되는 동기 검파 회로의 참조 신호(26)로서 이용된다. 이 참조 신호(26)의 주파수는 구동 주파수 fd와 동등하다. 또한, 콤퍼레이터(212)의 출력 신호는, 하이레벨이 변동하기 때문에, 이 하이레벨이 동기 검파 회로에 있어서의 논리 문턱값을 초과하지 않는 바와 같은 경우가 있으면 문제가 발생하기 때문에 참조 신호로서 이용하지 않고, 콤퍼레이터(260)를 개별적으로 설치하고 있다.
또한, 콤퍼레이터(260)의 출력 신호는, 버퍼 회로(270)에 입력되며, 버퍼 회로(270)의 출력 신호를 검출 회로에 포함되는 SCF 회로에 클록 신호(28)(주파수: fd)로서 공급된다.
다음으로, 검출 회로(30)에 대해서 설명한다. 도 7은, 검출 회로(30)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 검출 회로(30)는, 차지 앰프(300, 310), 차동 앰프(320), 하이패스 필터(HPF)(322), 앰프(324), 동기 검파 회로(326), 가변 게인 앰프(328), 스위치드 캐패시터 필터(SCF)(330), 출력 버퍼(332)를 포함하여 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태의 검출 회로(30)는, 이들 일부의 구성(요소)을 생략하거나, 새로운 구성(요소)을 추가한 구성으로 해도 좋다.
차지 앰프(300)에는, 외부 입력 단자(83)를 통하여 진동자(100)의 진동편의 검출 전극(114)으로부터 각속도 성분과 진동 누설 성분을 포함하는 교류 전하(검출 전류)(32)가 입력된다. 마찬가지로, 차지 앰프(310)에는, 외부 입력 단자(84)를 통하여 진동자(100)의 진동편의 검출 전극(115)으로부터 각속도 성분과 진동 누설 성분을 포함하는 교류 전하(검출 전류)(34)가 입력된다.
본 실시 형태의 차지 앰프(300)는, 오피 앰프(302)의 반전 입력 단자(-입력 단자)와 출력 단자의 사이에 콘덴서(304)가 접속되고, 오피 앰프(302)의 비반전 입력 단자(+입력 단자)가 아날로그 그라운드에 접속된 구성이다. 마찬가지로, 본 실시 형태의 차지 앰프(310)는, 오피 앰프(312)의 반전 입력 단자(-입력 단자)와 출력 단자의 사이에 콘덴서(314)가 접속되고, 오피 앰프(312)의 비반전 입력 단자(+입력 단자)가 아날로그 그라운드에 접속된 구성이다. 콘덴서(304와 341)의 용량값은 동일한 값으로 설정된다. 이 차지 앰프(300 및 310)는, 각각 입력된 교류 전하(검출 전류)(32, 34)를 교류 전압 신호로 변환한다. 차지 앰프(300)에 입력된 교류 전하(검출 전류)(32)와 차지 앰프(310)에 입력되는 교류 전하(검출 전류)(34)는 서로 위상이 180° 상이하고, 차지 앰프(300)의 출력 신호와 차지 앰프(310)의 출력 신호의 위상은 서로 역위상이다(180°어긋나 있다).
이 차지 앰프(300)의 출력 전압 VCA1은, 검출 전류(32)를 i1, 검출 전류(32)의 각주파수를 ω1, 콘덴서(304)의 용량값을 C로 하면, 다음식 (7)로 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00007
차지 앰프(310)의 출력 전압 VCA2는, 검출 전류(34)가 -i1, 검출 전류(34)의 주파수가 ω1, 콘덴서(314)의 용량값이 C이기 때문에, 다음식 (8)로 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00008
여기에서, i1은, 구동 신호(22)의 진폭 VDR에 비례하기 때문에, 식 (6), 식 (7), 식 (8)로부터, VCA1과 VCA2는, 적당한 계수 B를 이용하여 각각 식 (9)와 식 (10)으로 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00009
Figure 112012014853019-pat00010
차동 앰프(320)는, 차지 앰프(300)의 출력 신호와 차지 앰프(310)의 출력 신호를 차동 증폭한다. 차동 앰프(320)에 의해, 동상(同相) 성분은 캔슬되며, 역상(逆相) 성분은 가산 증폭된다. 이 차동 앰프(320)의 출력 전압 VDF는, 차동 앰프(320)의 게인을 1로 하면, 식 (9)와 식 (10)으로부터, 다음식 (11)로 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00011
식 (11)로부터, 차동 앰프(320)의 출력 신호에 있어서, 전술한 I/V 변환 회로(200)의 저항(204)의 저항값 R의 제조 불균일이나 온도 변동분은, RC 필터(220)의 저항(222)의 저항값 R1의 제조 불균일이나 온도 변동분에 의해 없어지게 된다. 마찬가지로, 차지 앰프(300)의 콘덴서(304)나 차지 앰프(310)의 콘덴서(314)의 용량값 C의 제조 불균일이나 온도 변동분은, RC 필터(220)의 콘덴서(224)의 용량값 C1의 제조 불균일이나 온도 변동분에 의해 없어지게 된다. 이에 따라, 각속도의 검출 정밀도나 검출 감도의 열화를 억제할 수 있다.
하이패스 필터(322)는, 차동 앰프(320)의 출력 신호에 포함되는 직류 성분을 캔슬한다.
앰프(324)는, 하이패스 필터(322)의 출력 신호를 증폭한 교류 전압 신호를 출력한다.
동기 검파 회로(326)는, 구동 회로(20)에 포함되는 콤퍼레이터(260)가 출력하는 2치화 신호를 참조 신호(26)로 하여, 앰프(324)의 출력 신호에 포함되는 각속도 성분을 동기 검파한다. 동기 검파 회로(326)는, 예를 들면, 참조 신호(26)가 하이레벨시에는 앰프(324)의 출력 신호를 그대로 선택하고, 참조 신호(26)가 로우레벨시에는 앰프(324)의 출력 신호를 기준 전압(12)에 대하여 반전한 신호를 선택하는 회로로서 구성할 수 있다.
앰프(324)의 출력 신호에는 각속도 성분과 진동 누설 성분이 포함되어 있지만, 이 각속도 성분은 참조 신호(26)와 동위상인 것에 대하여, 진동 누설 성분은 역위상이다. 그 때문에, 동기 검파 회로(326)에 의해 각속도 성분은 동기 검파되지만, 진동 누설 성분은 검파되지 않게 되어 있다.
가변 게인 앰프(328)는, 동기 검파 회로(326)의 출력 신호를 증폭 또는 감쇠시켜 소망하는 전압 레벨의 신호를 출력하고, 가변 게인 앰프(328)의 출력 신호는 스위치드 캐패시터 필터(SCF) 회로(330)에 입력된다.
SCF 회로(330)는, 가변 게인 앰프(328)의 출력 신호에 포함되는 고조파 성분을 제거함과 함께 사양에서 정해지는 주파수 범위의 신호를 통과시키는 로우패스 필터로서 기능한다.
도 8은, SCF 회로(330)의 구성예를 나타내는 도면이다. 이 SCF 회로(330)는, 12개의 스위치(341, 342, 344, 345, 348, 349, 351, 352, 355, 356, 358, 359), 6개의 캐패시터(콘덴서)(343, 347, 350, 354, 357, 360), 2개의 오피 앰프(346, 353), 1개의 인버터 회로(반전 논리 회로)(361)를 포함하여 구성되어 있다.
스위치(341)의 제1 단자는, SCF 회로(330)의 입력 단자에 접속되어 있어, 가변 게인 앰프(328)의 출력 신호가 공급된다. 스위치(341)의 제2 단자, 스위치(342)의 제1 단자 및 캐패시터(343)의 제1 단자가 공통 접속되어 있으며, 스위치(342)의 제2 단자는 아날로그 그라운드에 접속되어 있다.
캐패시터(343)의 제2 단자, 스위치(344)의 제1 단자, 스위치(345)의 제2 단자, 캐패시터(357)의 제1 단자 및 캐패시터(360)의 제1 단자가 공통 접속되어 있으며, 스위치(344)의 제2 단자는 아날로그 그라운드에 접속되어 있다.
스위치(345)의 제1 단자, 오피 앰프(346)의 반전 입력 단자(-입력 단자) 및 캐패시터(347)의 제1 단자가 공통 접속되어 있으며, 오피 앰프(346)의 비반전 입력 단자(+입력 단자)는 아날로그 그라운드에 접속되어 있다.
캐패시터(357)의 제2 단자, 스위치(355)의 제1 단자 및 스위치(356)의 제1 단자가 공통 접속되어 있으며, 스위치(356)의 제2 단자는 아날로그 그라운드에 접속되어 있다.
캐패시터(360)의 제2 단자, 스위치(358)의 제1 단자 및 스위치(359)의 제1 단자가 공통 접속되어 있으며, 스위치(359)의 제2 단자는 아날로그 그라운드에 접속되어 있다.
오피 앰프(346)의 출력 단자, 캐패시터(347)의 제2 단자, 스위치(358)의 제2 단자 및 스위치(348)의 제1 단자가 공통 접속되어 있다. 스위치(348)의 제2 단자, 스위치(349)의 제1 단자 및 캐패시터(350)의 제1 단자가 공통 접속되어 있으며, 스위치(349)의 제2 단자는 아날로그 그라운드에 접속되어 있다.
캐패시터(350)의 제2 단자, 스위치(351)의 제1 단자 및 스위치(352)의 제2 단자가 공통 접속되어 있으며, 스위치(351)의 제2 단자는 아날로그 그라운드에 접속되어 있다.
스위치(352)의 제1 단자, 오피 앰프(353)의 반전 입력 단자(-입력 단자) 및 캐패시터(354)의 제1 단자가 공통 접속되어 있으며, 오피 앰프(353)의 비반전 입력 단자(+입력 단자)는 아날로그 그라운드에 접속되어 있다.
오피 앰프(353)의 출력 단자, 캐패시터(354)의 제2 단자 및 스위치(355)의 제2 단자가 SCF 회로(330)의 출력 단자에 공통 접속되어 있다.
버퍼 회로(270)가 출력하는 클록 신호(28)(주파수: fd)는, 인버터 회로(361)에 입력되어 그 논리가 반전된다. 클록 신호(28)와 인버터 회로(361)의 출력 신호는, SCF 회로(330)를 동작시키는 2상 클록 신호Φ1과 Φ2로서 기능한다. 클록 신호 Φ1은, 스위치(341, 344, 348, 351, 356, 359)의 온/오프를 제어하고, 클록 신호 Φ2는, 스위치(342, 345, 349, 352, 355, 358)의 온/오프를 제어한다.
이러한 구성에 있어서, 스위치 341, 스위치 342 및 캐패시터(343)에 의해 SCF 회로(330)의 입력부가 구성되고, 그 외의 요소로 구성되는 피드백 회로에 의해 주파수 특성이 결정된다.
클록 신호(Φ1, Φ2)의 주기를 T(＝1/fd), 캐패시터(343, 347, 350, 354, 357, 360)의 용량값을 각각 C1, C2, C3, C4, C5, C6으로 하면, SCF 회로(330)의 전달 함수(이산 시간에서의 전달 함수)와 등가인 연속 시간에서의 전달 함수는, 다음식 (12)로 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00012
즉, 식 (12)로부터, SCF 회로(330)는, 2차 로우패스 필터로서 기능하고, 게인(K), 컷오프각 주파수(ωc), 퀄리티팩터(Q)는, 각각 식(13), 식(14), 식(15)로 나타난다.
Figure 112012014853019-pat00013
Figure 112012014853019-pat00014
Figure 112012014853019-pat00015
식 (13)으로부터, SCF 회로(330)의 게인은, 캐패시터 343과 캐패시터 357의 용량비로 결정된다. 또한, 식 (14)로부터, SCF 회로(330)의 컷오프 주파수 fc(＝ωc/2π)는, 클록 신호(28)의 주파수 fd(＝1/T) 및, 캐패시터(350, 357)의 각 용량값의 곱과 캐패시터(347, 354)의 각 용량값의 곱의 비에 의해 결정된다. 또한, 식 (15)로부터, SCF 회로(330)의 퀄리티팩터는, 캐패시터(347, 350, 357)의 각 용량값의 곱과 캐패시터(354)의 용량값과 캐패시터(360)의 용량값의 2승의 곱의 비에 의해 결정된다. 즉, SCF 회로(330)(로우패스 필터)의 게인 및 주파수 특성은, 진동자(100)의 안정 발진에 의해 얻어지는 클록 신호(28)의 주파수나 캐패시터의 용량비에 의해 결정되기 때문에, RC 로우패스 필터와 비교하여, 주파수 특성의 불균일이 매우 작다는 이점이 있다.
또한, C1＝CG, C3＝C5＝Cr, C2＝C4＝Cf, C6＝CQ가 되도록, 용량값(C1∼C6)을 선택하면, 식 (13), 식 (14), 식 (15)는, 각각, 식 (16), 식 (17), 식(18)과 같이 간략화할 수 있다.
Figure 112012014853019-pat00016
Figure 112012014853019-pat00017
Figure 112012014853019-pat00018
SCF 회로(330)의 출력 신호는, 출력 버퍼(332)에서 버퍼링됨과 함께, 필요에 따라서 소망하는 전압 레벨의 신호로 증폭 또는 감쇠된다. 이 출력 버퍼(326)의 출력 신호는 각속도에 따른 전압 레벨의 신호이고, 각속도 신호(36)로서, 신호 처리 IC(2)의 외부 출력 단자(88)를 통하여 외부에 출력된다.
이와 같은 구성의 검출 회로(30)에 있어서, SCF 회로(330)의 입력에 있어서의 노이즈 전압을 VN1, SCF 회로(330)에서 발생하는 노이즈 전압을 VN2, SCF 회로(330)의 게인을 K1, 출력 버퍼(332)의 게인을 K2로 하면, 출력 버퍼(332)의 출력 신호(각속도 신호(36))에 포함되는 노이즈 전압 VN은, 대략 다음식 (19)로 계산된다.
Figure 112012014853019-pat00019
그런데, 검출 회로(30)의 출력 신호(각속도 신호(36))의 신호 레벨은, 사양상의 검출 감도에 의해 결정된다. 즉, 검출 회로(30)의 전체 게인은 검출 감도로 결정되지만, 종래의 설계에서는, SCF 회로(330)는 로우패스 필터로서 기능시키는 것이 목적이기 때문에 그 게인 K1을 1배로 고정하고, 검출 회로(30)의 전체 게인이 소망하는 값이 되도록 최종단의 출력 버퍼(332)의 게인 K2를 조정하고 있었다. 이러한 설계의 경우, K1＝1이기 때문에, 식 (19)는 다음식 (20)과 같이 변형된다.
Figure 112012014853019-pat00020
식 (20)으로부터, 노이즈 전압 VN1과 VN2가 거의 일정하다고 생각하면, 출력 버퍼(332)의 게인 K2가 높을수록, 각속도 신호(36)에 포함되는 노이즈 전압 VN이 높아진다. 그런데, 검출 회로(30)의 전체 게인이 높은 설계의 경우, SCF 회로(330)로부터 전단의 회로의 게인을 높게 하면, 설계에 따라서는 SCF 회로(330)의 입력 레인지를 확보할 수 없어 신호가 클립되기 때문에, 최종단의 출력 버퍼(332)의 게인 K2을 높게 할 필요가 발생하는 경우도 있다. 그 때문에, 이러한 종례의 설계 수법에서는, 더 한층의 저노이즈화의 요구에 따르는 것이 어렵다.
SCF 회로(330)로부터 전단의 회로의 게인을 높게 하는 것은 어렵다고 하면, 검출 회로(30)의 전체 게인을 소망하는 값으로 하기 위해서는, SCF 회로(330)와 출력 버퍼(332)에서 일정한 게인 G를 확보하지 않으면 안 된다. 즉, K1·K2＝G이기 때문에 식 (20)은 다음식 (21)과 같이 변형된다.
Figure 112012014853019-pat00021
식 (21)에 있어서, (G·VN1)2의 항은 일정값이기 때문에, 노이즈 전압 VN을 낮추기 위해서는, (G/K1·VN1)2의 항을 작게 할 필요가 있다. 요컨대, G를 일정값으로 하면, 노이즈 전압 VN을 낮추기 위해서는 K1을 크게 하거나 VN2를 작게 할 필요가 있다.
SCF 회로(330)에서 발생하는 노이즈로서는, 각 스위치와 캐패시터에서 발생하는 노이즈나 오피앰프에서 발생하는 노이즈 등을 생각할 수 있지만, 회로 면적의 큰 폭의 증가를 수반하지 않고 이들 노이즈를 큰 폭으로 낮추는 것은 어렵다. 즉, VN2를 작게 하는 것은 한계가 있다.
그래서, 본 실시 형태에서는, SCF 회로(330)가 액티브 필터이기 때문에 게인 K1을 1배보다도 크게 할 수 있는 점에 착목하여, 각속도 신호(36)에 포함되는 노이즈 전압 VN을 저하시킨다. SCF 회로(330)의 게인은, 식 (13)에서 부여되기 때문에, 캐패시터(343)의 용량값 C1을 캐패시터(357)의 용량값 C5보다도 크게 함으로써, K1을 1배보다도 크게 할 수 있다. 종래의 설계에서는, C1＝C5였기 때문에, C1을 종래보다도 크게 하면 좋다. C1을 종래보다도 크게 함으로써, 스위치(341)가 온되어 캐패시터(343)에 차지되는 전하가 많아지기 때문에, 그 후단의 피드백 회로로의 입력 신호의 레벨이 높아져, 결과적으로 게인 K1을 높게 할 수 있다. 그리고, 게인 K1을 높게 해도 피드백 회로의 입력 신호의 레벨이 높아질 뿐이기 때문에, 피드백 회로 내에 있는 스위치, 캐패시터, 앰프에서 발생하는 노이즈는 증폭되지 않는다. 그 때문에, 게인 K1을 높게 해도 전압 VN2는 거의 변하지 않는다.
따라서, 식 (21)로부터, 게인 K1을 종래보다도 높게 함(K1＞1로 함)으로써, VN2를 종래보다도 낮게 할 수 있으며, 더 한층의 저노이즈화를 달성할 수 있다.
도 9는, SCF 회로(330)의 게인 K1과 출력 버퍼(332)의 게인 K2와의 비(K1/K2)와 각속도 신호(36)에 포함되는 노이즈의 레벨과의 상관을 나타내는 도면이다. 도 9에 있어서, 횡축은 K1/K2이고, 종축은 노이즈 레벨(단위는, dps/√㎐)이다. 도 9로부터, K1/K2＞0.5(K1의 K2에 대한 비가 0.5보다도 큼)이면 저노이즈화의 효과가 얻어지고, 또한 높은 효과를 얻기 위해서는 K1/K2＞1(K1이 K2보다도 큼)인 것이 바람직하다. 더욱 적합하게는, SCF 회로(330)의 게인 K1을 1보다도 크게 하는(K1＞1로 하는) 것이 바람직하다. 또한 도 9에서는, K1/K2가 0.2∼4의 범위에서 노이즈 레벨을 플롯하고 있지만, 본원 발명자는, K1/K2를 20까지 증가시킨 형태에 있어서도 저노이즈화의 효과가 얻어진 것을 확인하고 있다.
이와 같이, 본 실시 형태의 검출 회로(30)에 의하면, SCF 회로(330)를 본래의 목적의 로우패스 필터로서 기능시킴과 함께, 그 게인을 1보다도 크게 하여 증폭 회로로서도 기능시킴으로써, 출력 버퍼(332)의 게인을 상대적으로 작게 할 수 있다. 이에 따라, 스위치드 캐패시터 필터(330)에서 발생하는 노이즈의 출력 버퍼(332)에 의한 증폭률이 내려가, 종래보다도 저노이즈화를 달성할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서의 검출 회로(30)는, 본 발명에 있어서의 「검출 회로」에 상당한다. 또한, 동기 검파 회로(326)는, 본 발명에 있어서의 「동기 검파부」에 상당한다. 또한, 스위치드 캐패시터 필터(330)는, 본 발명에 있어서의 「스위치드 캐패시터 필터」에 상당한다. 또한, 출력 버퍼(332)는, 본 발명에 있어서의 「출력 버퍼」에 상당한다.
2. 전자 기기
도 10은, 본 실시 형태의 전자 기기의 구성예를 나타내는 기능 블록도이다. 본 실시 형태의 전자 기기(500)는, 신호 생성부(600), CPU(700), 조작부(710), 표시부(720), ROM(Read Only Memory)(730), RAM(Random Access Memory)(740), 통신부(750)를 포함하여 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태의 전자 기기는, 도 10의 구성 요소(각 부)의 일부를 생략하거나, 다른 구성 요소를 부가한 구성으로 해도 좋다.
신호 생성부(600)는, 검출 회로(610)를 포함하고, CPU(700)의 제어에 따라서 소여(所與)의 신호를 생성하여 CPU(700)에 출력한다. 검출 회로(610)는, 발진 구동되는 진동자(도시하지 않음)의 출력 신호에 기초하여 소정의 물리량의 크기에 따른 신호를 생성하는 처리를 행한다.
CPU(700)는, ROM(730)에 기억되어 있는 프로그램에 따라, 각종의 계산 처리나 제어 처리를 행한다. 구체적으로는, CPU(700)는, 신호 생성부(600)를 제어하거나, 신호 생성부(600)가 생성한 신호 등을 수취하여 각종의 계산 처리를 한다. 또한, CPU(700)는, 조작부(710)로부터의 조작 신호에 따른 각종의 처리, 표시부(720)에 각종의 정보를 표시시키기 위한 표시 신호를 송신하는 처리, 외부와 데이터 통신을 행하기 위해 통신부(750)를 제어하는 처리 등을 행한다.
조작부(710)는, 조작키나 버튼 스위치 등에 의해 구성되는 입력 장치이고, 유저에 의한 조작에 따른 조작 신호를 CPU(700)에 출력한다.
표시부(720)는, LCD(Liquid Crystal Display) 등에 의해 구성되는 표시 장치이고, CPU(700)로부터 입력되는 표시 신호에 기초하여 각종의 정보를 표시한다.
ROM(730)은, CPU(700)가 각종의 계산 처리나 제어 처리를 행하기 위한 프로그램이나, 소정의 기능을 실현하기 위한 각종 프로그램이나 데이터 등을 기억하고 있다.
RAM(740)은, CPU(700)의 작업 영역으로서 이용되고, ROM(730)으로부터 읽혀진 프로그램이나 데이터, 조작부(710)로부터 입력된 데이터, CPU(700)가 각종의 프로그램에 따라 실행한 연산 결과 등을 일시적으로 기억한다.
통신부(750)는, CPU(700)와 외부 장치와의 사이의 데이터 통신을 성립시키기 위한 각종 제어를 행한다.
검출 회로(610)로서 본 실시 형태의 검출 회로(도 1의 검출 회로(30))를 전자 기기(500)에 조립함으로써, 보다 고정밀도인 처리를 실현할 수 있다.
또한, 전자 기기(500)로서는 여러 가지의 전자 기기를 생각할 수 있으며, 예를 들면, 디지털 스틸 카메라, 비디오 카메라, 내비게이션 장치, 차체 자세 검출 장치, 포인팅 디바이스, 게임 컨트롤러, 휴대 전화, 헤드 마운트 디스플레이(HMD) 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명은 본 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지의 범위 내에서 여러 가지의 변형 실시가 가능하다.
예를 들면, 진동자(센서 소자)의 구동 진동의 여진 수단이나 검출 진동의 검출 수단은, 본 실시 형태에서 설명한 압전 효과에 의한 것뿐만 아니라, 정전기력(쿨롱력)을 이용한 정전형이나, 자력(磁力)을 이용한 로렌츠형 등이라도 좋다.
또한, 예를 들면, 구동 신호(22)의 하이레벨이 동기 검파 회로(326)에 있어서의 논리 문턱값을 초과하지 않는 경우는, 구동 신호(22)를 버퍼링하여 얻어지는 신호를 SCF 회로(330)의 클록 신호(28)로 해도 좋다.
본 발명은, 실시 형태에서 설명한 구성과 실질적으로 동일한 구성(예를 들면, 기능, 방법 및 결과가 동일한 구성, 혹은 목적 및 효과가 동일한 구성)을 포함한다. 또한, 본 발명은, 실시 형태에서 설명한 구성의 본질적이지 않은 부분을 치환한 구성을 포함한다. 또한, 본 발명은, 실시 형태에서 설명한 구성과 동일한 작용 효과를 가져오는 구성 또는 동일한 목적을 달성할 수 있는 구성을 포함한다. 또한, 본 발명은, 실시 형태에서 설명한 구성에 공지 기술을 부가한 구성을 포함한다.
1 : 각속도 검출 장치
2 : 신호 처리 IC(집적 회로 장치)
4 : 신호 처리 회로
6 : 전원 회로
10 : 기준 전압 회로
20 : 구동 회로
22 : 구동 신호
24 : 발진 전류
26 : 참조 신호
27 : 전환 제어 신호
28 : 클록 신호
30 : 검출 회로
32, 34 : 교류 전하(검출 전류)
36 : 각속도 신호
40 : 시리얼 인터페이스 회로
42 : 조정 데이터
44 : 모드 설정 데이터
46 : 클록 신호
48 : 시리얼 데이터 신호
50 : 불휘발성 메모리
52 : 조정 데이터
60 : 조정 회로
62 : 아날로그 조정 전압
70 : 레벨 판정 회로
72 : 레벨 판정 신호
81 : 외부 출력 단자
82, 83, 84, 85, 86, 87 : 외부 입력 단자
88 : 외부 출력 단자
89 : 외부 입력 단자
90 : 외부 입출력 단자
92 : 풀업 저항
100 : 진동자
101a∼101b : 구동 진동 아암
102 : 검출 진동 아암
103 : 추부
104a∼104b : 구동용 기부
105a∼105b : 연결 아암
106 : 추부
107 : 검출용 기부
112∼113 : 구동 전극
114∼115 : 검출 전극
116 : 공통 전극
200 : I/V 변환 회로(전류 전압 변환 회로)
202 : 오피 앰프
204 : 저항
210 : 하이패스 필터(HPF)
212 : 콤퍼레이터
220 : RC 필터
222 : 저항
224 : 콘덴서
230 : 앰프
240 : 전파 정류 회로
242 : 반전 앰프
242 : 콤퍼레이터
243, 244 : 스위치
245 : 인버터 회로(반전 논리 회로)
250 : 감산기
252 : 적분기
254 : 풀업 저항
260 : 콤퍼레이터
270 : 버퍼 회로
300 : 차지 앰프
302 : 오피 앰프
304 : 콘덴서
310 : 차지 앰프
312 : 오피 앰프
314 : 콘덴서
320 : 차동 앰프
322 : 하이패스 필터(HPF)
324 : 앰프
326 : 동기 검파 회로
328 : 가변 게인 앰프
330 : 스위치드 캐패시터 필터(SCF)
332 : 출력 버퍼
341, 342, 344, 345, 348, 349, 351, 352, 355, 356, 358, 359 : 스위치
343, 347, 350, 354, 357, 360 : 캐패시터(콘덴서)
346, 353 : 오피 앰프
361 : 인버터 회로(반전 논리 회로)
500 : 전자 기기
600 : 신호 생성부
610 : 검출 회로
700 : CPU
710 : 조작부
720 : 표시부
730 : ROM
740 : RAM
750 : 통신부

Claims (8)

  1. 검출하는 물리량에 따른 교류 신호에 대하여 동기(同期) 검파를 행하는 동기 검파부와,
    상기 동기 검파부에 의해 동기 검파된 신호를 필터 처리하는 스위치드 캐패시터 필터와,
    상기 스위치드 캐패시터 필터에 의해 필터 처리된 신호를 버퍼링하여 출력하는 출력 버퍼를 포함하며,
    상기 스위치드 캐패시터 필터의 게인이 1보다도 큰 검출 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치드 캐패시터 필터의 게인을 K1, 상기 출력 버퍼의 게인을 K2로 한 경우, K1/K2＞0.5를 충족하는 검출 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위치드 캐패시터 필터의 게인 K1이 상기 출력 버퍼의 게인 K2보다도 큰 검출 회로.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스위치드 캐패시터 필터의 게인 K1이 상기 출력 버퍼의 게인 K2보다도 큰 검출 회로.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 검출 회로와,
    검출하는 물리량에 따른 신호를 상기 검출 회로에 출력하는 진동자를 포함하는 물리량 검출 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 검출 회로를 포함하는 각속도 검출 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 검출 회로를 포함하는 집적 회로 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 검출 회로를 포함하는 전자 기기.
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