特許 6805188 検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6805188

(24)【登録日】2020年12月7日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】検出器

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/5776 20120101AFI20201214BHJP

   G01R 33/02 20060101ALI20201214BHJP

   H03H 9/24 20060101ALI20201214BHJP

   H03H 11/04 20060101ALI20201214BHJP

【ＦＩ】

   G01C19/5776

   G01R33/02 Z

   H03H9/24 Z

   H03H11/04 J

【請求項の数】18

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2018-11924(P2018-11924)

(22)【出願日】2018年1月26日

(65)【公開番号】特開2019-128326(P2019-128326A)

(43)【公開日】2019年8月1日

【審査請求日】2019年8月15日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ＩｏＴ推進のための横断技術開発プロジェクト／超低消費電力データ収集システムの研究開発」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】畠山 庸平

(72)【発明者】

【氏名】板倉 哲朗

【審査官】 續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−０６５７６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２５８０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３２７９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１６１４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／００３９３２５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００６／１２９７１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−０４７９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 登録実用新案第３１５９０４５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／０３３６４３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−０９５５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１６０４４６１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ １９／５７７６

Ｇ０１Ｒ ３３／０２

Ｈ０３Ｈ ９／２４

Ｈ０３Ｈ １１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１方向に振動可能な第１機械振動子と、当該第１機械振動子に機械的に接続され、前記第１方向に対して垂直な第２方向に振動可能な第２機械振動子と、振動中の前記第１機械振動子を捕捉すると共に捕捉した前記第１機械振動子を解放する捕捉及び解放機構とを含む振動機構と、
前記第１機械振動子の振動中の前記第１方向における位置を検出し、当該検出した位置に対応する第１信号を出力する第１回路であって、前記第１信号は第１周波数を含む前記第１回路と、
前記第２機械振動子の振動中の前記第２方向における位置を検出し、当該検出した位置に対応する第２信号を出力する第２回路と、
前記第１信号を同期検波基準信号に用いて前記第２信号を同期検波し、検波信号を出力する同期検波回路と、
クロック信号に従って前記検波信号に対する移動平均処理を開始し、かつ、前記第１信号を用いて規定した期間においては前記開始した移動平均処理を続ける移動平均フィルタと、
前記振動機構を制御する第１制御部であって、前記クロック信号に同期して前記捕捉及び解放機構により前記第１機械振動子の前記第１方向における振動を開始させ、かつ、前記移動平均フィルタが前記移動平均処理を行っている期間においては前記捕捉及び解放機構は前記第１機械振動子を捕捉せずに前記開始された振動を続けさせる前記第１制御部と
を具備する検出器。

【請求項2】

前記第１信号を用いて規定した前記期間は、前記第１周波数に対応する周期のＭ倍（Ｍは正の整数）である請求項１に記載の検出器。

【請求項3】

前記移動平均フィルタは、前記クロック信号のクロックの立ち上がりから前記第１信号で規定される一定時間の経過後に前記移動平均処理を開始する請求項１または２に記載の検出器。

【請求項4】

前記第１信号で規定される前記一定時間は、前記第１周波数に対応する周期のＮ倍（Ｎは正の整数）である請求項３に記載の検出器。

【請求項5】

第１方向に振動可能な第１機械振動子と、当該第１機械振動子に機械的に接続され、前記第１方向に対して垂直な第２方向に振動可能な第２機械振動子とを含む振動機構と、
前記第１機械振動子の振動中の前記第１方向における位置を検出し、当該検出した位置に対応する第１信号を出力する第１回路であって、前記第１信号は第１周波数を含む前記第１回路と、
前記第２機械振動子の振動中の前記第２方向における位置を検出し、当該検出した位置に対応する第２信号を出力する第２回路と、
前記第１信号を同期検波基準信号に用いて前記第２信号を同期検波し、検波信号を出力する同期検波回路と、
前記第１周波数よりも高い第２周波数を有する第３信号を生成し、当該生成した第３信号を出力する第３回路と、
クロック信号に従って前記検波信号に対する移動平均処理を開始し、かつ、前記第３信号を用いて規定した期間においては前記開始した移動平均処理を続ける移動平均フィルタと、
前記振動機構を制御する第１制御部であって、前記クロック信号に同期して前記第１機械振動子の前記第１方向における振動を開始させる前記第１制御部と
を具備する検出器。

【請求項6】

前記第３信号の周波数は、前記第１周波数のＰ倍（Ｐは２以上の整数）である請求項５に記載の検出器。

【請求項7】

前記第３信号を用いて規定した前記期間は、前記第３信号の周期のＱ倍（Ｑ＝Ｐ× Ｍ、Ｍは正の整数）である請求項５または６に記載の検出器。

【請求項8】

前記移動平均フィルタは、前記クロック信号のクロックの立ち上がりから前記第３信号で規定される一定時間の経過後に前記移動平均処理を開始する請求項５ないし７のいずれかに記載の検出器。

【請求項9】

前記第３信号で規定される前記一定時間は、前記第３信号の周期のＲ倍（Ｒは正の整数）である請求項８に記載の検出器。

【請求項10】

前記第１信号を前記第１機械振動子に帰還し、前記第１機械振動子の振動の振幅の大きさを制御する振幅制御回路をさらに具備する請求項５ないし９のいずれかに記載の検出器。

【請求項11】

前記第１周波数は、前記第１機械振動子の共振周波数である請求項１ないし１０のいずれかに記載の検出器。

【請求項12】

前記クロック信号を発生する発生回路をさらに具備する請求項１ないし１１のいずれかに記載の検出器。

【請求項13】

前記移動平均フィルタの出力信号に基づいて物理量を算出する算出部をさらに具備する請求項１ないし１２のいずれかに記載の検出器。

【請求項14】

前記物理量は、角速度または磁力であることを特徴とする請求項１３に記載の検出器。

【請求項15】

前記第１回路、前記第２回路、前記同期検波回路および前記移動平均フィルタを制御する第２制御部をさらに具備する請求項１ないし１４のいずれかに記載の検出器。

【請求項16】

前記第２制御部が前記第１回路、前記第２回路、前記同期検波回路および前記移動平均フィルタの動作の少なくとも一つを停止し、前記第１制御部は前記第１機械振動子の前記第１方向における振動を停止する請求項１５に記載の検出器。

【請求項17】

前記第１機械振動子および前記第２機械振動子はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型の可変キャパシタの可変電極である請求項１ないし１６のいずれかに記載の検出器。

【請求項18】

前記第１機械振動子が前記第１方向に振動している期間において、前記振動機構に回転を生じさせる力が作用すると、前記第２機械振動子は前記第２方向に振動する請求項１ないし１７のいずれかに記載の検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

機械振動子を備えた検出器が知られている。この種の検出器は機械共振を利用して物理量（例えば、角速度）を検出する。正確な物理量を検出するためには、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）を用いて、同期検波後の直交バイアス成分を除去する必要がある。このＬＰＦには大きな容量素子が求められるが、大きな容量素子を用いずにＬＰＦを構成できるアナログ移動平均フィルタが提案されている。しかし、機械共振を利用するセンサでは、移動平均の開始時間のばらつき（サンプリングジッター）が検出精度の低下になるため、サンプリングジッターを抑制できる、機械振動子を備えた検出器が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４０３２６８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の目的は、検出精度の低下を抑制できる、機械振動子を備えた検出器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一実施形態に係る検出器は、振動機構、第１回路、第２回路、同期検波回路、移動平均フィルタおよび第１制御部を含む。前記振動機構は、第１方向に振動可能な第１機械振動子と、当該第１機械振動子に機械的に接続され、前記第１方向に対して垂直な第２方向に振動可能な第２機械振動子とを含む。前記第１回路は、前記第１機械振動子の振動中の前記第１方向における位置を検出し、当該検出した位置に対応する第１信号を出力する。前記第１信号は第１周波数を含む。前記第２回路は、前記第２機械振動子の振動中の前記第２方向における位置を検出し、当該検出した位置に対応する第２信号を出力する。前記同期検波回路は、前記第１信号を同期検波基準信号に用いて前記第２信号を同期検波し、検波信号を出力する。前記移動平均フィルタは、クロック信号に従って前記検波信号に対する移動平均処理を開始し、かつ、前記第１信号を用いて規定した期間においては前記開始した移動平均処理を続ける。前記第１制御部は前記振動機構を制御し、前記クロック信号に同期して前記第１機械振動子の前記第１方向における振動を開始させ、かつ、前記移動平均フィルタが前記移動平均処理を行っている期間においては前記開始された振動を続けさせる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、第１の実施形態に係る検出器を模式的に示す図である。

【図2】図２は、移動平均フィルタの特性を示す図である。

【図3】図３は、第１の実施形態に係る検出器の第１変換回路、第２変換回路、同期検波回路および移動平均フィルタの等価回路の一例を示す図である。

【図4】図４は、第１の実施形態に係る検出器の動作を説明するためのタイミングチャートである。

【図5】図５は、比較例の検出器の動作を説明するためのタイミングチャートである。

【図6】図６は、第２の実施形態に係る検出器を模式的に示す図である。

【図7】図７は、第２の実施形態に係る検出器の動作を説明するためのタイミングチャートである。

【図8】図８は、第２の実施形態に係る検出器の第１変換回路、第２変換回路、同期検波回路および移動平均フィルタの等価回路の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図面は、模式的または概念的なものであり、必ずしも現実のものと同一であるとは限らない。また、図面において、同一符号は同一または相当部分を付してあり、重複した説明は必要に応じて行う。

【0008】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る検出器１を模式的に示す図である。

【0009】

検出器１は回転が生じた時に発生する角速度を検出するジャイロセンサであり、機械振動機構１０、角速度検出部２０、サンプリングクロック発生回路３０、第１制御部４１および第２制御部４２を含む。

【0010】

機械振動機構１０は、第１方向Ｄ１に振動可能な第１機械振動子（ドライブ振動子）１１と、第１方向Ｄ１に対して垂直な第２方向Ｄ２に振動可能な第２機械振動子（センス振動子）１２とを含む。第２機械振動子１２は第１機械振動子１１に機械的に接続されている。

【0011】

第１機械振動子１１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型の可変キャパシタ（以下、ＭＥＭＳキャパシタという）を構成する要素の一つである可動電極である。可動電極はばね（機械要素）の一端に接続されており、当該ばねの伸縮によって可動電極は第１方向Ｄ１に振動する。ばねの他端はアンカーと呼ばれる支持部材を介して基板上に接続されている。可動電極は基板上に固定された固定電極と対向するように配置されている。上記のばね、支持部材、基板および固定電極は、可動電極と同様に、ＭＥＭＳキャパシタを構成する要素である。

【0012】

可動電極の第１方向Ｄ１の振動に伴い、可動電極と固定電極との距離が変化し、可動電極と固定電極との間の容量は変化する。すなわち、ＭＥＭＳキャパシタの容量は、第１機械振動子１１である可動電極の第１方向Ｄ１の位置（変位）に応じて変化する。機械振動機構１０は上記容量（第１方向Ｄ１の位置）に対応する信号Ｓ１１を出力するように構成されている。

【0013】

機械振動機構１０は、捕捉及び解放機構（Ｃ＆Ｒ機構）１３をさらに含む。捕捉及び解放機構１３は、振動中の第１機械振動子１１を捕捉するとともに、捕捉した第１機械振動子１１を解放して第１機械振動子１１の振動を開始するものである。

【0014】

第１機械振動子１１が第１方向Ｄ１に振動している期間において、第１機械振動子１１（機械振動機構１０）に回転を生じさせる力が働くと、第２方向Ｄ２に平行な向きを有する力（コリオリ力）が第１機械振動子１１に働く。上記コリオリ力によって、第１機械振動子１１に機械的に接続された第２機械振動子１２は第２方向Ｄ２に振動する。上記回転は一回転（３６０度）に満たない回転も含む。

【0015】

第２機械振動子１２は、第１機械振動子１１と同様に、ＭＥＭＳキャパシタを構成しており、第２機械振動子１２の第２方向Ｄ２の位置（変位）に応じて上記ＭＥＭＳキャパシタの容量は変化する。機械振動機構１０は上記容量（第２方向Ｄ２の位置）に対応する信号Ｓ１２を出力する。信号Ｓ１２には直交バイアス（Quadrature error）という外乱信号が重畳されている。この外乱信号は検出したい角速度に対応する信号（所望信号）と一致した周波数を有するが、所望信号とは位相が９０度ずれている。

【0016】

角速度検出部２０は、機械振動機構１０の出力信号Ｓ１１，Ｓ１２に基づいて、第１機械振動子１１に発生じた回転の角速度を取得するように構成されている。以下、角速度検出部２０についてさらに説明する。

【0017】

角速度検出部２０は、第１機械振動子１１の第１方向Ｄ１の位置を検出するための第１位置検出回路２１と、第２機械振動子１２の第２方向Ｄ２の位置を検出するための第２位置検出回路２２とを含む。

【0018】

第１位置検出回路２１には信号Ｓ１１（容量）が入力される。第１位置検出回路２１は信号Ｓ１１（容量）に基づき第１機械振動子１１の第１方向Ｄ１の位置を検出し、当該検出した位置に対応する信号（第１信号）Ｓ２１を出力する。信号Ｓ２１は第１機械振動子１１の共振周波数ｆ（第１周波数）を含む。第１機械振動子１１が第１方向Ｄ１に振動している間は、第１位置検出回路２１は信号Ｓ２１を出力する。

【0019】

同様に、第２位置検出回路２２は信号Ｓ１２（容量）に基づき第２機械振動子１２の第２方向Ｄ２の位置を検出し、当該検出した位置に対応する信号（第２信号）Ｓ２２を出力する。信号Ｓ２２は、共振周波数成分を角速度で変調した成分Ｉと、直交バイアスによる成分Ｑ（Quadrature error）とを含む。上記角速度は、第１機械振動子の回転の角速度である。

【0020】

角速度検出部２０は、同期検波回路２３をさらに含む。同期検波回路２３には信号Ｓ２１および信号Ｓ２２が入力される。同期検波回路２３は、信号Ｓ２１を同期検波基準信号に用いて信号Ｓ２２を同期検波し、検波信号Ｓ２３を出力する。より詳細には、同期検波基準信号（信号Ｓ２１）の位相と、共振周波数成分を角速度で変調した成分Ｉの位相とを合わせて、同期検波基準信号を用いて信号Ｓ２２の同期検波を行うと、角速度成分（所望信号）が復調されて低周波側の周波数にシフトし、直交バイアスによる成分Ｑ（外乱信号）は共振周波数ｆの２倍の周波数にシフトする。検波信号Ｓ２３は、所望信号に対応する信号（ベースバンド成分）および外乱信号に対応する信号（高周波成分）を含む。

【0021】

角速度検出部２０は、移動平均フィルタ２４および算出部２５をさらに含む。

【0022】

本実施形態では、移動平均フィルタ２４としてアナログ移動平均処理を行うアナログ移動平均フィルタを用いる。 移動平均フィルタ２４にはサンプリングクロック信号（基準クロック信号）Ｓ３０が入力される。サンプリングクロック信号Ｓ３０はサンプリングクロック発生回路３０によって発生される。移動平均フィルタ２４は、サンプリングクロック信号Ｓ３０に従って検波信号Ｓ２３に対するアナログ移動平均処理を開始し、そして、信号Ｓ２１を用いて規定した期間においては上記開始した移動平均処理を続ける。移動平均処理の実装には大きな容量素子は不要なので、移動平均フィルタ２４は容易に小型化できる。

【0023】

移動平均フィルタ２４は、図２に示すように、ローパスフィルタ特性を有するとともに、ｆ／ｍ（ｍは正の整数）倍の周波数でノッチ特性を有するので、低周波側の周波数にシフトした角速度成分（所望信号）は除去しないが、共振周波数ｆの２倍の周波数にシフトした成分Ｑ（外乱信号）は除去する。したがって、移動平均フィルタ２４の出力信号Ｓ２４は、低周波側の周波数にシフトした角速度成分（所望信号）は含むが、共振周波数ｆの２倍の周波数にシフトした成分Ｑ（外乱信号）は含まない。

【0024】

移動平均フィル２４による移動平均処理が完了した後、捕捉及び解放機構１３は第１機械振動子を捕獲し、第１機械振動子１１はその振動エネルギーを保存しながら停止する。このときの捕捉及び解放機構１３の制御は第１制御部４１によって行われる。

【0025】

算出部２５には信号Ｓ２４が入力され、算出部２５は信号Ｓ２４に基づいて第１機械振動子１１に回転を生じさせる力に対応する角速度を算出する。

【0026】

第１制御部４１は機械振動機構１０を制御する。より詳細には、第１制御部４１は、サンプリングクロック信号Ｓ３０に同期して第１機械振動子１１の第１方向Ｄ１の振動が開始するように、捕捉及び解放機構１３を制御する。第２制御部４２は角速度検出部２０を制御する。例えば、第２制御部４２は、角速度検出部２０を構成する要素２１〜２５の動作のオン／オフを制御する。

【0027】

なお、機械振動機構１０および角速度検出部２０はそれぞれ第１制御部４１および第２制御部４２で制御されているが、一つの制御部で制御されても構わない。

【0028】

以下、本実施形態の検出器１についてさらに詳細に説明する。

【0029】

第１位置検出回路２１は第１変換回路を含む。当該第１変換回路は信号Ｓ１１に対応する容量を電圧に変化する。第２位置検出回路２２は第２変換回路を含む。当該第２変換回路は信号Ｓ１２に対応する容量を電圧に変化する。

【0030】

同期検波回路２３は電流経路を切り替えるスイッチにより構成され、当該スイッチは信号Ｓ２１（同期検波基準信号）により制御される。信号Ｓ２１は電流信号であり、移動平均フィルタ２４に入力される。

【0031】

移動平均フィルタ２４は、アンプと容量による積分回路と、この容量をリセットするスイッチにより構成される。積分回路はスイッチが開放のときに積分動作（移動平均処理）を行う。より詳細には、移動平均フィルタ２４は、同期検波基準信号の周波数（共振周波数ｆ）に対応する周期のＭ倍（Ｍは正の整数）の期間（第１信号を用いて規定した期間）だけスイッチを開放にし、当該周期のＭ倍の期間において積分動作（移動平均処理）を行う。同期検波基準信号の周波数に対応する周期のＭ倍の期間は、例えば、同期検波基準信号のクロック数をカウンタを用いてカウントすることで取得する。

【0032】

図３は、上述した第１変換回路、第２変換回路、同期検波回路および移動平均フィルタ（積分回路およびアンプ）の等価回路の一例である。

【0033】

第１変換回路は、第１機械振動子１１の第１方向の位置（変位ｘ）により容量値が変化する容量Ｃ_ドライブと、これにバイアス電圧Ｖ_ｂを印加するための高インピーダンス素子Ｚ_０と、電圧レベルシフト用の容量Ｃと、電流−電圧変換回路とで構成される。

【0034】

容量Ｃ_ドライブにはバイアス電圧Ｖ_ｂが印加されているため、バイアス電圧Ｖ_ｂの値と容量Ｃの値との積に対応する電荷が保持される。また、容量Ｃにはインピーダンス素子Ｚ_０と電流−電圧変換回路の入力電圧間の電圧とが印加されている。Ｃ＞＞Ｃ_ドライブとすることで容量Ｃ_ドライブの容量値が変化しても容量Ｃに掛かる電圧は変わらない、つまり容量Ｃと容量Ｃ_ドライブとの接続点の電圧は変わらない。第１機械振動子１１の変位により容量Ｃ_ドライブが変化すると、Ｖ_ｂ・（ｄＣ_ドライブ／ｄｔ）が信号電流として容量Ｃを介して電流−電圧変換回路に入力され、電圧信号に変換され、同期検波基準信号として出力される。

【0035】

第２変換回路は、第２機械振動子１２の第２方向の位置（変位ｙ）により容量値が変化する容量Ｃ_センスと、当該容量Ｃ_センスにバイアス電圧Ｖ_ｂを印加するための高インピーダンス素子Ｚ_０と、電圧レベルシフト用の容量Ｃと、当該容量Ｃに所定の電圧を印加するための高インピーダンス素子Ｚ_１と、電圧-電流変換回路とで構成される。

【0036】

容量Ｃ_センスには高インピーダンス素子Ｚ_０を介してバイアス電圧Ｖ_ｂが印加されているため、容量Ｃ_センスにはバイアス電圧Ｖ_ｂの値と容量Ｃ_センスの値との積に対応する電荷が保持される。また、容量Ｃにはインピーダンス素子Ｚ_０およびＺ_１を介してバイアス電圧Ｖ_ｂが印加されている。Ｃ＞＞Ｃ_センスとすることで容量Ｃ_センスの容量値が変化しても容量Ｃに掛かる電圧は変わらない。

【0037】

第２機械振動子１２の変位により容量Ｃ_センスが変化しても当該容量Ｃ_センスが保持している電荷量は変わらないため、Ｃ_センスで微分すると、０＝ｄＱ／ｄＣ_センス＝（ｄＶ_ｂ／ｄＣ_センス）・Ｃ_センス＋Ｖ_ｂとなる。したがって、ΔＶ_ｂ＝−Ｖ_ｂ・（ｄＣ_センス／Ｃ_センス）となる。なお、ここではｄＣ_センス／Ｃ_センス＜＜１と仮定している。このように第２機械振動子の変位により容量Ｃ_センスが変化しても容量Ｃ_センスに保持されている電荷量が変わらないように容量Ｃセンスに掛かる電圧は変化する。当該電圧は信号電圧として容量Ｃを介して電圧-電流変換回路に入力され、電流信号（信号Ｓ２２）が出力される。

【0038】

図４は検出器１の動作を説明するためのタイミングチャートであり、サンプリングクロック信号、同期検波基準信号、および、移動平均フィルタが移動平均処理（積分）を行う期間を示している。

【0039】

サンプリングクロック信号は第１制御部４１に入力される。第１制御部４１は、サンプリングクロック信号に同期して、第１機械振動子１１が解放されるように、捕捉及び解放機構１３を制御する。図４の場合、サンプリングクロック信号のクロックの立ち上がりのタイミング（サンプリングトリガ）で、第１機械振動子１１は解放される。

【0040】

第１機械振動子１１は解放されると振動を開始する。第１機械振動子１１が振動している期間においては、第１位置検出回路２１の出力信号（Ｓ２１）は同期検波基準信号（共振周波数ｆ）である。図４において、斜線で示された期間（キャッチ）は、第１機械振動子１が捕獲されている期間である。当該期間においては、第１位置検出回路２１の出力信号（Ｓ２１）はゼロである。

【0041】

サンプリングクロック信号は移動平均フィルタ２４にも入力される。移動平均フィルタ２４は、サンプリングクロック信号のクロックの立ち上がりから移動平均処理（積分）を開始する。この移動平均処理（積分）は、同期検波基準信号を用いて規定した期間において続けられる。本実施形態では、上記期間は、同期検波基準信号の周波数に対応する周期の２倍である。上記期間は、一般には、共振周波数ｆに対応する周期（１／ｆ）のＭ倍（Ｍは正の整数）である。

【0042】

移動平均フィルタ２４が上記期間において移動平均処理を続けられるように、第１制御部４１は捕捉及び解放機構１３を制御する。すなわち、第１制御部４１の制御によって、上記期間の間、捕捉及び解放機構１３は第１機械振動子１１を捕獲する。

【0043】

このように第１機械振動子１１の解放のタイミングがサンプリングクロック信号に同期するように、第１制御部４１が捕捉及び解放機構１３を制御することにより、図４に示したように、移動平均フィルタ２４の積分の開始時間はサンプリングクロック信号に同期するため、サンプリングジッターの発生を抑制できる。サンプリングジッターの発生を抑制することにより、移動平均フィル２４の出力信号（信号Ｓ２４）のＳＮ比は大きくなり、検出精度の低下を抑制できる。

【0044】

ここで、期検波基準信号（第１機械振動子１１の共振周波数ｆ）は経年変化したり、共振周波数ｆは一般にはサンプリングクロック信号の周波数の整数倍でない。そのため、本実施形態とは異なり、第１機械振動子１１の解放のタイミングが同期検波基準信号に同期するように、第１制御部４１が捕捉及び解放機構１３を制御する場合（比較例の検出器）、図５に示すように、サンプリングクロック信号で規定されるサンプリングトリガと、同期検波基準信号で規定される移動平均処理の開始時間とが一致せず、サンプリングトリガから積分開始時間までの期間Ｊは移動平均処理ごとにばらつきが生じる。このような期間Ｊのばらつきはジッターを発生させるので、移動平均フィル２４の出力信号のＳＮ比は小さくなり、検出精度は低下する。

【0045】

移動平均フィルタ２４による移動平均処理が完了したら、第１制御部４１は機械振動機構１０を構成する要素１１〜１３の少なくとも一つの動作を停止し、第２制御部４１は角速度検出部２０を構成する要素２１〜２４の少なくとも一つの動作を停止することにより、検出器１の消費電力化を図ることができる。消費電力を十分に小さくするためには、機械振動機構１０を構成する要素１１〜１３の全ての動作を停止し、角速度検出部２０を構成する要素２１〜２４の全ての動作を停止する。また、算出部２５による角速度の算出が完了したときに、移動平均フィルタ２４の場合と同様の消費電力化を図っても構わない。

【0046】

動作が停止していた要素は、一定の期間の経過後に、角速度を取得するために再び動作を開始する（間欠動作）。このような間欠動作を行う際に、移動平均フィルタ２４の代わりに通常の連続時間低域通過型フィルタを用いた場合、第１機械振動子の共振周波数ｆの２倍にある不要成分を除去するためにフィルタの次数が増え、セトリング時間がかかってしまう。移動平均フィルタ２４は積分期間のみでフィルタリングをできるため、移動平均フィルタ２４を用いた検出器１は間欠動作に適している。

【0047】

なお、図４はサンプリングクロック信号のクロックの立ち上がりから積分（移動平均処理）を開始する例を示しているが、サンプリングクロック信号のクロックの立ち上がり後、同期検波基準信号（共振周波数ｆ）で規定される一定時間の経過後に積分（移動平均処理）を開始しても構わない。このように積分の開始をサンプリングクロック信号のクロックの立ち上がりから遅らせることにより、間欠動作により動作の停止していた要素（回路）が正確に動作を開始するまでの時間（整定時間）を確保でき、取得される角速度の誤差を小さくできる。これは検出精度の低下の抑制に繋がる。同期検波基準信号で規定される一定時間は例えば、同期検波基準信号の周波数に対応する周期のＮ倍（Ｎは正の整数）であり、当該周期の数は例えば同期検波基準信号のクロック数をカウントすることで取得する。

【0048】

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る検出器１を模式的に示す図である。

【0049】

本実施形態が第１の実施形態と異なる第１の点は、信号Ｓ２１の周波数（共振周波数ｆ）よりも高い周波数を有する信号（第３信号）Ｓ２７を生成する逓倍回路２７を備えており、そして、信号２７を用いて規定した期間において移動平均処理を行うことにある。

【0050】

本実施形態では、信号Ｓ２１は逓倍回路２７に入力され、逓倍回路２７は信号Ｓ２１の周波数を逓倍することにより信号Ｓ２７を生成する。以下、信号Ｓ２７を逓倍クロック信号という。

【0051】

図７は検出器１の動作を説明するためのタイミングチャートであり、サンプリングクロック信号、同期検波基準信号、および、逓倍クロック信号、移動平均フィルタが移動平均処理（積分）を行う期間を示している。図７では、同期検波基準信号を４逓倍したものが逓倍クロック信号である。言い換えれば、逓倍クロック信号の周期は、同期検波基準信号の周期の１／Ｐ倍（Ｐは２以上の整数）である。

【0052】

図７では、サンプリングクロック信号と同期検波基準信号とは同期していない。本実施形態では、サンプリングクロック信号のクロックの立ち上がり（サンプリングトリガ）後、逓倍クロック信号のクロックの立ち上がりから移動平均処理（積分）を開始し、そして、逓倍クロック信号を用いて規定した期間においては上記開始した移動平均処理を続ける。そのため、同期検波基準信号を用いて規定した期間において移動平均処理を続ける場合に比べて、逓倍数に対応する分だけジッターが圧縮されるため、ジッターに起因するＳＮ比の劣化を抑制できる。

【0053】

ここで、移動平均フィルタ２４が上記開始した移動平均処理（積分）を行う期間は、逓倍クロック信号を用いて規定されており、例えば、逓倍クロック信号の周期のＱ倍（Ｑ＝Ｐ_×Ｍ、Ｍは正の整数）である。

【0054】

なお、第１の実施形態と同様に、サンプリングクロック信号のクロックの立ち上がり後、逓倍クロック信号で規定される一定時間の経過後に積分（移動平均処理）を開始しても構わない。逓倍クロック信号で規定される一定時間は、逓倍クロック信号の周期のＲ倍（Ｒは正の整数）であり、当該周期の数は例えば逓倍クロック信号のクロック数をカウントすることで取得する。

【0055】

本実施形態が第１の実施形態と異なる第２の点は、振動捕捉及び解放機構１３を備えておらず、その代わりに、第１機械振動子１１の振動の振幅を一定の大きさに制御するための振幅調整回路２６を備えていることにある。振幅調整回路２６は例えば発振回路を用いて構成される。振幅調整回路２６には信号Ｓ２１が入力される。振幅調整回路２６は、入力された信号Ｓ２１に基づいて、第１機械振動子１１の振動の振幅を一定の大きさに制御するための信号Ｓ２６を生成する。

【0056】

第１の実施形態と同様に、第１位置検出回路２１は容量を電圧に変化する第１変換回路を含み、第２位置検出回路２２は容量を電圧に変化する第２変換回路を含み、同期検波回路２３は電流経路を切り替えるスイッチを含み、移動平均フィルタ２４は積分回路およびスイッチを含む。図８に図３に対応する等価回路の一例を示す。

【0057】

なお、本実施形態では、サンプリングクロック発生回路３０は角速度検出部２０内に設けられているが、第１の実施形態と同様に角速度検出部２０外に設けられていても構わない。逆に、第１の実施形態のサンプリングクロック発生回路３０は、本実施形態と同様に、角速度検出部２０内に設けられていても構わない。また、第１および第２の実施形態では物理量として角速度を検出する検出器を説明したが、同様にして物理量として磁力を検出する検出器を実施することも可能である。

【0058】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0059】

Ｄ１…第１方向、Ｄ２…第２方向、Ｓ２１…第１信号、Ｓ２２…第２信号、Ｓ２３…検波信号、Ｓ２４…信号、２７…第３信号、Ｓ３０…サンプリングクロック信号、１…検出器、１０…機械振動機構、１１…第１機械振動子、１２…第２機械振動子、１３…捕捉及び解放機構、２０…角速度検出部、２１…第１位置検出回路、２２…第２位置検出回路、２３…同期検波回路、２４…移動平均フィルタ、２５…算出部、２６…振幅調整回路、２７…逓倍回路、３０…サンプリングクロック発生回路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】