专利名称：检测电路、物理量检测装置、角速度检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测电路、物理量检测装置、角速度检测装置、集成电路装置以及电子设备。
背景技术：
在数字相机、导航装置、移动电话等各种电子设备搭载有陀螺仪转感器，根据陀螺仪传感器检测出的角速度的大�。卸抖Ｕ�、航位推算、互动感应等处理。近些年来，要求实现陀螺仪传感器的小型化和较高的检测精度，作为满足这些要 求的陀螺仪传感器，例如广泛使用应用了石英振子的谐振现象的振动陀螺仪传感器。使用这种振动陀螺仪传感器的情况下，由于伴随小型化从振子输出的检测信号变得更微小，因此，为了实现较高的检测精度，对陀螺仪传感器进行驱动和检测的信号处理电路的低噪声化变得极为重要。在信号处理电路的检测处理中，当放大从振子输出的微小的检测信号进行同步检波之后，通过低通滤波器去除高次谐波分量和高频带的噪声，将该检测信号经由输出缓冲器输出到外部。该输出缓冲器还兼备按照检测灵敏度的规格调整检测信号的电平的功能。另外，作为低通滤波器可使用根据电容比和采样频率(时钟频率)确定频率特性的开关电容滤波器(SCF :Switched Capacitor Filter)。开关电容滤波器具有特性偏差比RC滤波器小的优点(专利文献I、2)。专利文献I :日本特开2008-14932号公报专利文献2 日本特开2008-64663号公报然而，针对低噪声化的要求，迄今为止在低通滤波器产生的噪声与在低通滤波器的前级产生的噪声相比很小甚至可以忽略，因而将重点放在减小在低通滤波器的前级产生的噪声。然而，当在低通滤波器的前级产生的噪声变小时，在低通滤波器产生的噪声相对变大，从而成为使输出信号的S/N比变差的原因。然而，很难在不大幅增加电路面积的情况下降低在低通滤波器产生的噪声，当想要满足更低噪声的要求时，可能无法满足小型化的要求。虽然可以考虑通过提高低通滤波器的前级之前的増益，降低输出缓冲器的増益，从而降低在低通滤波器产生的噪声的放大率，然而基于设计的制约，有时无法提高低通滤波器的前级之前的増益。
发明内容
本发明正是鉴于上述问题点而完成的，根据本发明的若干方面，能够提供ー种可实现比以往低的噪声的检测电路、物理量检测装置、角速度检测装置、集成电路装置以及电子设备。(I)本发明提供ー种检测电路，该检测电路具有同步检波部，其对与要检测的物理量对应的交流信号进行同步检波；开关电容滤波器，其对由上述同步检波部进行同步检波后的信号进行滤波处理；以及输出缓冲器，其对由上述开关电容滤波器进行滤波处理后的信号进行缓冲并输出，上述开关电容滤波器的増益大于I。根据本发明，使开关电容滤波器作为滤波器发挥作用，并且使其増益大于I而还作为放大电路发挥作用，从而能相对减小输出缓冲器的増益。由此，在开关电容滤波器产生的噪声的基于输出缓冲器的放大率降低，能够达成比以往低的噪声。(2)在该检测电路中可以是，在设上述开关电容滤波器的增益为K1，上述输出缓冲器的增益为K2时，满足K1A2 > 0. 5。(3)在该检测电路中可以是，上述开关电容滤波器的増益K1大于上述输出缓冲器的增益K2。(4)本发明提供ー种物理量检测装置，该物理量检测装置具有上述任意ー个方面所述的检测电路；以及振子，其将与要检测的物理量对应的信号输出给上述检测电路。根据本发明，能够提供ー种可实现比以往低的噪声的物理量检测装置。
(5)本发明提供ー种具有上述任意ー个方面所述的检测电路的角速度检测装置。根据本发明，能够提供ー种可实现比以往低的噪声的角速度检测装置。(6)本发明提供ー种具有上述任意ー个方面所述的检测电路的集成电路装置。(7)本发明提供ー种具有上述任意ー个方面所述的检测电路的电子设备。
图I是本实施方式的角速度检测装置(物理量检测装置的一例)的功能框图。图2是振动子的振动片的俯视图。 图3是用于说明振子的动作的图。图4是用于说明振子的动作的图。图5是表示串行接ロ电路的构成例的图。图6是表示驱动电路的构成例的图。图7是表示检测电路的构成例的图。图8是表示SCF电路的构成例的图。图9是表示SCF増益与输出缓冲器增益之比和噪声电平的关系的图。图10是电子设备的功能框图。符号说明I角速度检测装置；2信号处理IC(集成电路装置)；4信号处理电路；6电源电路；10基准电压电路；20驱动电路；22驱动信号；24振荡电流；26參照信号；27切换控制信号；28时钟信号；30检测电路；32、34交流电荷(检测电流)；36角速度信号；40串行接ロ电路；42调整数据；44模式设定数据；46时钟信号；48串行数据信号；50非易失性存储器；52调整数据；60调整电路；62模拟调整电压；70电平判定电路；72电平判定信号；81外部输出端子；82、83、84、85、86、87外部输入端子；88外部输出端子；89外部输入端子；90外部输入输出端子；92上拉电阻器；100振子；101a IOlb驱动振动臂；102检测振动臂；103施重部；104a 104b驱动用基部；105a 105b连接臂；106施重部；107检测用基部；112 113驱动电极；114 115检测电极；116公共电极；200I/V转换电路(电流电压转换电路)；202运算放大器；204电阻器；210高通滤波器(HPF) ；212比较器；220RC滤波器；222电阻器；224电容器；230放大器；240全波整流电路；242反转放大器；242比较器；243、244开关；245反相器电路(反转逻辑电路);250減法器；252积分器；254上拉电阻器；260比较器；270缓冲器电路；300充电放大器；302运算放大器；304电容器；310充电放大器；312运算放大器；314电容器；320差动放大器；322高通滤波器(HPF) ；324放大器；326同步检波电路；328可变增益放大器；330开关电容滤波器(SCF) ；332输出缓冲器；341、342、344、345、348、349、351、352、355、356、358、359 开关;343、347、350、354、357、360 电容器;346、353 运算放大器；361反相器电路(反转逻辑电路)；500电子设备；600信号生成部；610检测电路；700CPU ；710 操作部；720 显示部；730R0M、740RAM ；750 通信部。
具体实施例方式下面使用附图详细说明本发明的优选实施方式。并且，以下说明的实施方式并非用于不当限定权利要求书中所述的本发明的内容。而且，以下说明的全部构成并非都是本发明的必要构成要件。I.物理量检测装置 以下举例说明检测角速度作为物理量的物理量检测装置(角速度检测装置)。本发明可应用于能够检测角速度、角加速度、加速度、力等各种物理量的任意ー种物理量的装置。图I是本实施方式的角速度检测装置(物理量检测装置的一例)的功能框图。本实施方式的角速度检测装置I构成为具有振子(传感器元件)100和信号处理IC(集成电路装置)2。振子100构成为将配置有驱动电极和检测电极的振动片密封于未图示的封装中。通常为了尽量减小振动片的阻抗以提升振荡效率而确保了封装内的气密性。本实施方式的振子100具有由Z切割的石英基板形成的振动片。以石英为材料的振动片的谐振频率相对于温度变化的变动极�。虼司哂心芄惶岣呓撬俣鹊募觳饩日庋挠诺恪Ｆ渲校魑褡�100的振动片的材料，不仅可以使用石英(SiO2),例如还可以使用钽酸锂(LiTaO3),铌酸锂(LiNbO3)等压电单晶或锆钛酸铅(PZT)等压电陶瓷等的压电性材料，还可以使用硅半导体。例如也可以采取在硅半导体的部分表面上配置夹入于驱动电极的氧化锌(ZnO)、氮化铝(AIN)等压电薄膜的结构。在本实施方式中，振子100由具有T型的2个驱动振动臂的所谓双T型振动片构成。其中，振子100的振动片不限于双T型，例如也可以是音叉型或梳齿型，还可以是三棱柱、四棱柱、圆柱状等形状的音带型。图2是本实施方式的振子100的振动片的俯视图。图2中的X轴、Y轴、Z轴表示
石英轴。如图2所示，振子100的振动片的驱动振动臂IOlaUOlb分别从2个驱动用基部104a、104b向+Y轴方向和-Y轴方向延伸。其中，驱动振动臂101a、IOlb的延伸方向在与Y轴的偏差为±5°以内即可。在驱动振动臂IOla的侧表面和上表面分别形成有驱动电极112和113，在驱动振动臂IOlb的侧表面和上表面分别形成有驱动电极113和112。驱动电极112、113分别经由图I所示的信号处理IC2的外部输出端子81、外部输入端子82与驱动电路20连接。驱动用基部104a、104b分别经由在-X轴方向和+X轴方向延伸的连接臂105a、105b与矩形状的检测用基部107连接。其中，连接臂105a、105b的延伸方向在与X轴的偏差为±5°以内即可。检测振动臂102从检测用基部107向+Y轴方向和-Y轴方向延伸。其中，检测振动臂102的延伸方向在与Y轴的偏差为±5°以内即可。在检测振动臂102的上表面形成有检测电极114和115，在检测振动臂102的侧表面形成有公共电极116。检测电极114、115分别经由图I所示的信号处理IC2的外部输入端子83、84而与检测电路30连接。另外，公共电极116接地。在驱动振动臂IOlaUOlb的驱动电极112与驱动电极113之间作为驱动信号被施加了交流电压时，如图3所示，驱动振动臂IOlaUOlb由于逆压电效应而如箭头B所示，进行2根驱动振动臂IOlaUOlb的前端彼此反复接近和离开的弯曲振动(激励振动)。
在该状态下，对振子100的振动片施加以Z轴为旋转轴的角速度时，驱动振动臂101a、IOlb在垂直于箭头B的弯曲振动的方向和Z轴双方的方向上得到科里奥利力。，結果，如图4所示，连接臂105a、105b进行如箭头C所示的振动。而且，检测振动臂102与连接臂105a、105b的振动(箭头C)联动地如箭头D所示进行弯曲振动。伴随该科里奥利力的检测振动臂102的弯曲振动与驱动振动臂IOlaUOlb的弯曲振动(激励振动)的相位相差90。。然而，如果在2根驱动振动臂IOlaUOlb中，驱动振动臂101a、IOlb进行弯曲振动(激励振动)时的振动能大小或振动的振幅大小相等，则取得了驱动振动臂101a、IOlb的振动能的平衡，在没有对振子100施加角速度的状态下检测振动臂102不进行弯曲振动。然而，如果2个驱动振动臂101a、IOlb的振动能的平衡被破坏，则即使在没有对振子100施加角速度的状态下也会在检测振动臂102产生弯曲振动。该弯曲振动被称作泄漏振动，与基于科里奥利力的振动同样为箭头D的弯曲振动，而与驱动信号的相位相同。而且，由于压电效应使得基于这些弯曲振动的交流电荷产生于检测振动臂102的检测电极114、115。其中，基于科里奥利力而产生的交流电荷是按照科里奥利力的大小(换言之是施加给振子100的角速度大小)而变化的。另ー方面，基于泄漏振动而产生的交流电荷保持恒定而与施加给振子100的角速度大小无关。并且，在驱动振动臂IOlaUOlb的前端形成有宽度大于驱动振动臂IOlaUOlb的矩形状的施重部103。通过在驱动振动臂IOlaUOlb的前端形成施重部103，既能増大科里奥利力，又能以较短的振动臂得到期望的谐振频率。同样地，在检测振动臂102的前端形成有宽度大于检测振动臂102的施重部106。通过在检测振动臂102的前端形成施重部106，能增大产生于检测电极114、115的交流电荷。如上，振子100以Z轴为检测轴经由检测电极114、115输出基于科里奥利力的交流电荷(角速度分量)和基于激励振动的泄漏振动的交流电荷(振动泄漏分量)。返回图1，本实施方式的信号处理IC2构成为具有电源电路6、基准电压电路10、驱动电路20、检测电路30、串行接ロ电路40、非易失性存储器50、调整电路60以及电平判定电路70。并且,本实施方式的信号处理IC2也可以构成为省略其中一部分结构(要素)，或者追加新的结构(要素)。由外部输入端子86、87分别向电源电路6提供电源电压VDD (例如3V)和接地电压VSS(OV)，电源电路6生成信号处理IC2内部的电源电压。
基准电压电路10根据经由电源电路6提供的电源电压生成基准电压12 (例如1/2VDD)。驱动电路20生成用于使振子100进行激励振动的驱动信号22，经由外部输出端子81提供给振子100的驱动电极112。另外，驱动电路20经由外部输入端子82被输入由于振子100的激励振动而产生于驱动电极113的振荡电流24，以将该振荡电流24的振幅保持恒定的方式对驱动信号22的振幅电平进行反馈控制。另外，驱动电路20生成检测电路30中包含的同步检波电路的參照信号26和开关电容滤波器(SCF)电路的时钟信号28。检测电路30经由外部输入端子83、84分别被输入产生于振子100的检测电极114、115的交流电荷(检测电流)32、34，仅检测这些交流电荷(检测电流)中包含的角速度分量，生成与角速度的大小对应的电压电平的信号(角速度信号)36，经由外部输出端子88输出到外部。该角速度信号36例如在与外部输出端子88连接的未图示的微型计算机中被进行A/D转换，作为角速度数据而用于各种处理。并且，还可以在本实施方式的信号处理IC2中内置A/D转换器，例如经由串行接ロ电路40将表示角速度的数字数据输出到外部。如上，驱动电路20和检测电路30作为进行针对振子100的信号处理的信号处理电路4发挥作用。调整电路60按照由电平判定电路70输出的电平判定信号72选择调整数据52或调整数据42，生成针对信号处理电路4 (驱动电路20、检测电路30)的模拟调整电压62 (偏置补偿电压或温度补偿电压等)。调整电路60例如是D/A转换器等。非易失性存储器50保持针对信号处理电路4(驱动电路20、检测电路30)的各种调整数据 52,例如能够构成为 EEPROM(ElectricalIy-Erasable Programmable Read-OnlyMemory 电可擦可编程只读存储器)。串行接ロ电路40经由外部输入端子89和外部输入输出端子90，以基于时钟信号46和串行数据信号48的双线逻辑进行相对于非易失性存储器50的调整数据52的写入和读取处理、相对于内部寄存器(未图示)的调整数据42和模式设定数据44的写入和读取处理。图5是表示串行接ロ电路40的构成例的图。串行接ロ电路40在写入数据时与从外部输入端子89输入的时钟信号46同步地将从外部输入输出端子90输入的串行数据信号48取入移位寄存器400而转换成并行数据，在读写控制电路410的控制下，将其写入到非易失性存储器50或内部寄存器组420中包含的任意一个寄存器(调整寄存器422或模式设定寄存器424等)。另ー方面，当读取数据时，在读写控制电路410的控制下，将存储于非易失性存储器50的数据或存储于内部寄存器组420中包含的任意一个寄存器的数据并行加载至移位寄存器400，与从外部输入端子89输入的时钟信号46同步地使移位寄存器400的数据移位，从外部输入输出端子90输出串行数据信号48。为了向非易失性存储器50写入数据，需要提供足以使保持于存储器元件的数据反转的能量。因此，如图I所示，在写入数据时经由外部输入端子85向非易失性存储器50提供较高的电源电压VPP (例如15V以上)。在本实施方式中，仅限于在角速度检测装置I的组装、检查、评测、解析等情况下向非易失性存储器50写入数据，在市场上使用时禁止向非易失性存储器50写入数据。因此，在市场上使用角速度检测装置I时，将外部输入端子85设定为开启。由此，外部输入端、子85的电压VPP经由上拉电阻器92而与VDD大致相等，能防止错误写入。调整数据52例如是在角速度检测装置I组装后的最終检查时等被写入到非易失性存储器50的。具体而言，向串行接ロ电路40的内部寄存器组中包含的调整寄存器422写入调整值，使用被写入到调整寄存器422的调整值(调整数据42)确认信号处理电路4(驱动电路20、检测电路30)的动作。在变更该调整值的同时，确定信号处理电路4(驱动电路20、检测电路30)进行期望动作的最佳调整值，将该最佳调整值作为调整数据52 —次性写入非易失性存储器50。这样既能缩短检查时间，又能将写入数据时施加高电源电压引起的可靠性降低抑制在最小限度。为了实现这种调整方法，需要调整电路60能够选择是使用非易失性存储器50的调整数据还是使用调整寄存器422的调整数据。因此，在本实施方式中，电平判定电路70判定VPP的电压电平，生成表示VPP是高于VDD的预定的电压值Vl (例如8V)以上的电压值或低于VDD的预定的电压值V2(例如1/2VDD)以下的电压值，还是高于V2且低于Vl的电压值的电平判定信号72。而且，调整电路60按照电平判定信号72在VPP > Vl或VPP ^ V2时选择内部寄存器的调整数据42，在V2 < VPP < Vl时选择非易失性存储器50的调整数据52。 如上所述，当在市场上使用角速度检测装置I时，外部输入端子85被设定为开启，因此，VPP由于上拉电阻器92而与VDD大致相等，调整电路60必定选择调整数据52。另ー方面，在角速度检测装置I的组装、检查、评测、解析时等，通过对外部输入端子85施加Vl以上的电压或V2以下的电压(例如0V)，能够使调整电路60选择调整数据42。另外，在本实施方式中，通过改写模式设定寄存器424的设定值，能够选择在市场上使用的通常的动作模式(模式I)或在角速度检测装置I的组装、检查、评测、解析等中使用的动作模式(模式2)。例如，如果5比特的模式设定寄存器424的设定值为“00000”则为模式1，如果为“00001” “11111”中的任意ー个则为模式2。另外，在模式2中，通过“00001” “11111”的各个设定值而被细化，能够对于信号处理电路4 (驱动电路20、检测电路30)选择按照设定值进行监视的节点或变更连接关系。在本实施方式中，为了在市场上确�？煽啃裕瞿苁迪帜Ｊ絀而禁止改写成模式2，仅在进行角速度检测装置I的组装、检查、评测、解析等情况下可设定为模式I或模式2。为了实现这种情況，仅在VPP > Vl或VPP ^ V2的情况下使模式设定寄存器424的设定值的改写为有效，此外的情况下为无效。因此，在本实施方式中，向模式设定寄存器424的非同步复位端子提供电平判定信号72。由此，在VPP ^ Vl或VPP ^ V2时模式设定寄存器424的设定值被复位为“00000”而成为模式1，并且改写变为无效，在V2 < VPP < Vl时模式设定寄存器424的设定值的改写变为有效。在本实施方式中，不仅在VPP彡Vl的情况下，尤其在VPP彡V2的情况下，由调整电路60选择调整数据42，并且使模式设定寄存器424的设定值的改写变为有效，从而具有如下的优点即使在不存在产生高电压的电源装置的环境下，也能够进行角速度检测装置I的评测和解析。接着说明驱动电路20。图6是表示驱动电路20的构成例的图。如图6所示，本实施方式的驱动电路20构成为具有I/V转换电路(电流电压转换电路)200、高通滤波器(HPF) 210、比较器212、RC滤波器220、放大器230、全波整流电路240、减法器250、积分器252、上拉电阻器254、比较器260以及缓冲器电路270。并且，本实施方式的驱动电路20还可以构成为省略其中一部分构成(要素)，或追加新的构成(要素)。流过振子100的振动片的驱动电流被I/V转换电路200转换为交流电压信号。本实施方式的I/V转换电路200构成为在运算放大器202的反转输入端子(_输入端子)与输出端子之间连接有电阻器204，运算放大器202的非反转输入端子(+输入端子)与模拟接地连接。在设振子100的振荡电流为i，电阻器204的电阻值为R时，该I/V转换电路200的输出电压Viv可由下式(I)表现。Viv = -R i... (I)I/V转换电路200的输出信号被高通滤波器210消除偏移后输入到比较器212。比较器212放大输入信号的电压,输出ニ值化信号(矩形波电压信号)。其中，在本实施方式中，比较器212是仅能输出低电平的开漏输出的比较器，高电平经由上拉电阻器254被上 拉至积分器252的输出电压。而且，比较器212输出的ニ值化信号作为驱动信号22经由外部输出端子81被提供给振子100的振动片的驱动电极112。通过使该驱动信号22的频率(驱动频率fd)与振子100的谐振频率一致，能够使振子100稳定振荡。进而，在本实施方式中，以使振子100的振荡电流恒定的方式，即使I/V转换电路200的输出电压的电平恒定的方式对驱动信号22的振幅进行调整。这样能使振子100极为稳定地振荡，能提高角速度的检测精度。然而，I/V转换电路200中包含的电阻器204的电阻值R由于制造差异而按照每个IC相对于设计值产生±20%左右的偏差，因此，由振子100的振荡电流向I/V转换电路200的输出电压的转换率按照每个IC而产生偏差。因此，在以使I/V转换电路200的输出电压为恒定的设计值的方式调整驱动信号22的振幅吋，振子100的振荡电流将按照每个IC而不同。结果，可能成为IC的振荡电流与设计值的偏差越大则其角速度的检测精度和检测灵敏度越差的主要原因。另外，由于电阻器204的电阻值的温度特性并不平坦，因此，即使振子100的振荡电流恒定，I/V转换电路200的输出电压也会受到电阻器204的影响而产生变动。结果，振子100的振荡电流随着温度而产生变动，可能成为使角速度的检测精度和检测灵敏度变差的主要原因。同样地，作为后述的检测电流30中包含的充电放大器300、310的构成要素的电容器304、314的电容值的制造差异和温度变动，也可能成为使角速度的检测精度和检测灵敏度变差的主要原因。因此，在本实施方式中，以消除电阻器204的电阻值和电容器304、314的电容值的偏差和温度变动量，抑制角速度的检测精度和检测灵敏度变差为目的，设置RC滤波器220，使I/V转换电路200的输出信号通过RC滤波器220。关于设置RC滤波器220能够抑制角速度的检测精度和检测灵敏度变差的原因，将在检测电路30的说明中进行叙述。RC滤波器220具有电阻器222和电容器224，作为一次低通滤波器发挥作用。即，在设电阻器222的电阻值为R1,电容器224的电容值为C1时，可由下式⑵表现RC滤波器220的传递函数。
权利要求
1.ー种检测电路，其中，该检测电路具有 同步检波部，其对与要检测的物理量对应的交流信号进行同步检波； 开关电容滤波器，其对由上述同步检波部进行同步检波后的信号进行滤波处理；以及 输出缓冲器，其对由上述开关电容滤波器进行滤波处理后的信号进行缓冲并输出， 上述开关电容滤波器的增益大于I。
2.根据权利要求I所述的检测电路，其中，在设上述开关电容滤波器的增益为K1，上述输出缓冲器的增益为K2时，满足K1A2 > O. 5。
3.根据权利要求I或2所述的检测电路，其中，上述开关电容滤波器的増益K1大于上述输出缓冲器的増益K2。
4.ー种物理量检测装置，其中，该物理量检测装置具有 权利要求I 3中的任意一项所述的检测电路；以及 振子，其将与要检测的物理量对应的信号输出给上述检测电路。
5.ー种角速度检测装置，其中，该角速度检测装置具有权利要求I 3中的任意ー项所述的检测电路。
6.ー种集成电路装置，其中，该集成电路装置具有权利要求I 3中的任意一项所述的检测电路。
7.ー种电子设备，其中，该电子设备具有权利要求I 3中的任意一项所述的检测电路。
全文摘要
本发明提供一种检测电路、物理量检测装置、角速度检测装置、集成电路装置以及电子设备，能够实现比以往低的噪声。同步检波电路(326)(同步检波部)对包含振子(100)的检测信号(32、34)的信号(放大器324的输出信号)进行同步检波。开关电容滤波器(SCF)电路(330)对由同步检波电路(326)进行同步检波后的信号(可变增益放大器328的输出信号)进行滤波处理。输出缓冲器(332)对由SCF电路(330)进行滤波处理后的信号进行缓冲并输出到外部。SCF电路(330)的增益大于1。
文档编号G01C19/5776GK102650521SQ20121004392
公开日2012年8月29日 申请日期2012年2月24日 优先权日2011年2月25日
发明者押尾政宏, 柳泽良直, 菊池尊行, 西田稔洋, 高桥正行 申请人:精工恩琵希株式会社, 精工爱普生株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
