JP2012230052A - 振動子駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】振動開始時の駆動振幅レベルが微弱な振動子を短時間で確実に起動する。
【解決手段】駆動切替回路７は、振幅検出回路５により検出された駆動振動の振幅が、振動子１と定常駆動信号生成回路４とで閉ループを形成した場合に持続的な振動を励振可能な振幅範囲内に設定されたしきい値未満の場合には、初期駆動信号生成回路６から出力される初期駆動信号を選択する。初期駆動信号生成回路６は、上記閉ループを形成した場合に持続的な振動が励振される駆動周波数を、振動子１の駆動開始時から含むようにまたは駆動開始後に含むように初期駆動信号を生成する。検出振幅がしきい値以上になった場合、駆動切替回路７は、定常駆動信号生成４から出力される定常駆動信号を選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジャイロセンサのセンサ回路に用いられる振動子駆動回路に関する。

カーナビゲーションシステム、車両安定化制御（ＶＳＣ）システム、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話機などの電子機器には、ＧＰＳ自律航法、挙動安定化制御、手振れ補正制御などで必要となる角速度を検出するジャイロセンサが組み込まれている。駆動用センサエレメントに振動子を使った振動型ジャイロセンサは、振動子駆動回路により振動子を共振周波数で一定振幅に振動させて用いられる（例えば特許文献１参照）。この振動子駆動回路は、ジャイロセンサから出力される振動子の駆動振動の状態に応じたモニタ信号に基づいてループゲインを自動調整する振幅制御回路を備えている。振動子が振動している状態でジャイロセンサに角速度が加わると、コリオリ力によって検出用センサエレメントが振動する。

特許第２６６６５０５号公報

近年、ジャイロセンサの軽量小型化を図るとともに高い感度特性を得るために、高いＱ値（機械的品質係数）を持つ振動子が用いられつつある。高いＱ値を持つ振動子は、低いＱ値を持つ振動子に対し材質、真空封止等において構成を異にする。Ｑ値が高い振動子の場合、振動開始時におけるモニタ信号のレベルが非常に微弱であり、振動子を確実に振動させるためには振動子駆動回路に高いＳＮＲ性能が必要となる。また、振動子の共振周波数にはばらつきがあるため、モニタ信号のレベルが一層小さくなる場合がある。このため、通常のＳＮＲ性能を持つオペアンプでは振動子駆動回路を構成できない。さらに、高いＱ値を持つ振動子では、駆動開始から駆動振動が安定するまでの時間（起動時間）が長くなるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、振動開始時の駆動振幅レベルが微弱な振動子を短時間で確実に起動する振動子駆動回路を提供することにある。

請求項１に記載した振動子駆動回路は、振動子に与える駆動信号を生成する２種類の駆動信号生成手段を備えている。定常駆動信号生成手段は、振動子の駆動振動の状態に応じて出力されるモニタ信号に基づいて振動子を持続的に振動させる定常駆動信号を生成する。初期駆動信号生成手段は、振動子と定常駆動信号生成手段とで閉ループを形成した場合に持続的な振動が励振される駆動周波数を振動子の駆動開始時から含む初期駆動信号または駆動開始後に含むようになる初期駆動信号を生成する。

振動子駆動回路は、振動子と定常駆動信号生成手段とで閉ループを形成した場合に持続的な振動を励振可能な振幅の範囲内にしきい値を設定している。振幅検出手段は、モニタ信号に基づいて振動子の駆動振動の振幅を検出する。駆動切替手段は、振幅検出手段により検出された駆動振動の振幅がしきい値未満の場合には初期駆動信号を選択して振動子を駆動し、しきい値以上となった場合には定常駆動信号を選択して振動子を駆動する。

本手段によれば、振動子の起動に際し、持続的な振動が励振される駆動周波数を含む初期駆動信号を用いることができるので、共振周波数のばらつきにかかわらず振動開始時の駆動振幅レベルが微弱な振動子（例えば高いＱ値を持つ振動子）を短時間で確実に起動することができる。また、持続的な振動が励振された後は初期駆動信号に替えて定常駆動信号を用いるので、一定の振動振幅による安定した振動状態を維持できる。

請求項２に記載した手段によれば、初期駆動信号生成手段は、所定の駆動開始周波数から始めて所定の差分周波数を単調に加算または単調に減算して初期駆動信号を順次更新する。これにより、起動時の駆動周波数を差分周波数の間隔で順次変更することができるので、共振周波数が大きくばらつく場合でも励振に適した駆動周波数により起動することができる。

請求項３に記載した手段によれば、初期駆動信号生成手段は、振動子の共振周波数のばらつきの範囲内において最も低い共振周波数を駆動開始周波数に設定して差分周波数を単調に加算することにより初期駆動信号を順次更新する。また、これとは逆に振動子の共振周波数のばらつきの範囲内において最も高い共振周波数を駆動開始周波数に設定して差分周波数を単調に減算することにより初期駆動信号を順次更新する。これにより、共振周波数のばらつきにかかわらず、起動時の駆動周波数を振動子の共振周波数に近付けることができ、振動子を短時間で確実に起動することができる。

請求項４に記載した手段によれば、初期駆動信号生成手段は、駆動開始時に、ホワイトノイズ発生手段で生成されるホワイトノイズからなる初期駆動信号を選択する。ＦＦＴ演算手段は、振動子が当該初期駆動信号により駆動されている時に、モニタ信号に対しＦＦＴの演算を実行する。周波数選択手段は、このＦＦＴの演算結果に基づいてモニタ信号に含まれる周波数成分のうち最大振幅を持つ周波数を選択し、駆動信号発生手段は、選択された周波数を持つ初期駆動信号を生成する。

切替手段は、ＦＦＴの演算結果に基づいてモニタ信号に所定の判定レベルを超える周波数成分が現れたことを条件として、駆動信号発生手段から出力される初期駆動信号を選択する。本手段によれば、幅広い周波数成分を含む初期駆動信号を振動子に与えて励振させ、実際に駆動振動が増大する周波数を選択して引き続き初期駆動信号を与えるので、初期駆動信号を演算により順次更新するものに比べ短い時間で振動子を駆動できる。

請求項５に記載した手段によれば、初期駆動信号生成手段は、相異なる駆動周波数を持つ初期駆動信号によりそれぞれ振動子が駆動されたときに振幅検出手段により検出された駆動振動の振幅に基づいて、駆動する振動子の共振周波数により近い駆動周波数を順次決定する。これにより、初期駆動信号の駆動周波数の変更回数を減らすことができ、振動子を一層確実に起動できるとともにその起動時間を一層短縮できる。

請求項６に記載した手段によれば、初期駆動信号生成手段は、前回の駆動周波数をｆ０、今回の駆動周波数をｆ１、当該駆動周波数ｆ０、ｆ１を持つ初期駆動信号により振動子が駆動されたときの検出振幅をＭ０、Ｍ１、制御係数をＫ（＞０）とすれば、
Δｆ＝Ｋ・（ｆ１−ｆ０）／（Ｍ１−Ｍ０）
ｆ２＝ｆ１＋Δｆ
により、次回の駆動周波数ｆ２を決定する。

振動子は、共振周波数から遠いほど周波数に対する振幅の傾き（＝（Ｍ１−Ｍ０）／（ｆ１−ｆ０））が小さくなり、共振周波数の直近を除いて共振周波数に近いほど周波数に対する振幅の傾きが大きくなる周波数−振幅特性を有している。従って、本手段によれば、共振周波数から遠い周波数では差分周波数Δｆが大きくなり、共振周波数に近づくにつれて差分周波数Δｆが小さくなる。これにより、差分周波数Δｆの値を固定した場合に比べて起動時間が短くなる。

請求項７に記載した手段によれば、初期駆動信号生成手段は、決定した駆動周波数ｆ１を持つ初期駆動信号とｆ１＋Δｆ（Δｆは制御定数）の駆動周波数ｆ２を持つ初期駆動信号を順次出力し、当該駆動周波数ｆ１、ｆ２を持つ初期駆動信号により振動子が駆動されたときの検出振幅をＭ１、Ｍ２、制御係数をＫ（＞０）とすれば、
ｆ１＝ｆ１＋Ｋ・（Ｍ２−Ｍ１）
により、次回の駆動周波数ｆ１を決定する。本手段によれば、上述した振動子の周波数−振幅特性に基づいて共振周波数に近づくように駆動周波数ｆ１が決定される。また、除算を含まない比較的簡単な計算で駆動周波数を更新できるので、回路規模が低減され、処理負荷が軽減される。

請求項８に記載した手段によれば、初期駆動信号生成手段は、不揮発性記憶手段を備え、振幅検出手段により検出された駆動振動の振幅がしきい値以上になったときの駆動周波数を不揮発性記憶手段に記憶し、振動子の駆動開始時に不揮発性記憶手段に記憶されている周波数を駆動開始周波数に設定する。これにより、実際に持続的な振動が励振された実績のある周波数から駆動周波数の更新を開始するので、起動時間を一層短縮することができる。

請求項９に記載した手段によれば、初期駆動信号生成手段は、ホワイトノイズからなる初期駆動信号を生成するホワイトノイズ発生手段により構成されている。ホワイトノイズは幅広い周波数成分を含むので、駆動周波数を変更することなく振動子を励振させることができる。また、初期駆動信号生成手段の構成を簡単化できる。

請求項１０に記載した手段によれば、定常駆動信号生成手段は、モニタ信号の振幅を検出する振幅検出回路と振幅制御回路とからなるＡＧＣ回路を備え、振幅検出手段は、ＡＧＣ回路に含まれる振幅検出回路と共用の回路とされている。これにより、回路規模の増加を最小限に抑えることが可能になる。

本発明の第１の実施形態を示すセンサ回路のブロック構成図 振動子の周波数と振幅との関係を示す図 本発明の第２の実施形態を示す初期駆動信号生成回路のブロック構成図 本発明の第３の実施形態を示す図３相当図 ホワイトノイズ発生回路の構成図 本発明の第４の実施形態を示す図３相当図 駆動周波数の演算処理を示すフローチャート 図２相当図 本発明の第５の実施形態を示す図７相当図 本発明の第６の実施形態を示す図３相当図 本発明の第７の実施形態を示す図３相当図 本発明の第８の実施形態を示す図１相当図 ＡＧＣ回路のブロック構成図

各実施形態において実質的に同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１および図２を参照しながら説明する。
図１は、カーナビゲーションシステム、車両安定化制御（ＶＳＣ）システムなどに適用されて角速度を検出するセンサ回路のブロック構成を示している。静電駆動・容量検出型のマイクロジャイロセンサは、単結晶シリコン等で形成された基板上に、基板面に平行な第１方向に駆動振動し、第１方向と直交する第２方向に検出振動するように配置された振動子１を備えている。図示しないが、振動子１の周囲には振動子１に対向して、振動子１を第１方向に駆動振動させるための駆動電極、振動子１の駆動振動の状態をモニタするためのモニタ電極、振動子１の第２方向の振動を検出するための一対の検出電極が形成されている。

振動子駆動回路２は、定常駆動状態において駆動電極に振動子１の固有の共振周波数に対応した定常駆動信号を与えることにより、振動子１と駆動電極との間に静電力を作用させて振動子１を第１方向に駆動振動させる。振動子１が駆動振動している状態でマイクロジャイロセンサに基板面に垂直な軸を中心とする角速度が加わると、振動子１はコリオリ力によって第２方向に検出振動する。検出回路３は、この検出振動による振動子１と検出電極との間の静電容量の変化に基づいて角速度を検出する。以下、具体的な構成を説明する。

振動子駆動回路２は、定常駆動信号生成回路４、振幅検出回路５、初期駆動信号生成回路６および駆動切替回路７から構成されている。定常駆動信号生成回路４（定常駆動信号生成手段）は、振動子１の駆動振動の状態に応じてモニタ電極から出力されるモニタ信号に基づいて、振動子１を持続的に振動させる定常駆動信号を生成する。増幅回路８はモニタ信号を増幅する。ＡＧＣ（Automatic Gain Control）回路９は、マイクロジャイロセンサの感度を一定に保持するため、増幅されたモニタ信号の振幅すなわち振動子１の振動速度が一定となるように閉ループゲインを自動調整する。その結果、定常駆動状態の振動子１は、共振周波数で第１方向に振動を継続する。

上述したように、Ｑ値が高い振動子１は、振動開始時における駆動振動の大きさ（モニタ信号のレベル）が非常に微弱となる。さらに、振動子１の共振周波数にはばらつきがあるため、駆動周波数と共振周波数とのずれに応じてモニタ信号のレベルは一層小さくなる。そこで、初期駆動信号生成回路６（初期駆動信号生成手段）は、振動子１と定常駆動信号生成回路４とで閉ループを形成した場合に持続的な振動が励振される駆動周波数を含む初期駆動信号を生成する。この場合、駆動開始時から上記持続振動を励振可能な駆動周波数を含む初期駆動信号を生成する場合と、駆動開始後に駆動周波数を更新することにより上記持続振動を励振可能な駆動周波数を含む初期駆動信号を生成する場合とがある。

振幅検出回路５（振幅検出手段）は、増幅されたモニタ信号に基づいて振動子１の駆動振動の振幅を検出する。駆動切替回路７（駆動切替手段）には、振幅検出回路５により検出された駆動振動の振幅（検出振幅）が、振動子１と定常駆動信号生成回路４とで閉ループを形成した場合に持続的な振動を励振可能な振幅範囲内のしきい値Ｍthが設定されている。駆動切替回路７は、検出振幅がしきい値Ｍth未満の場合には、初期駆動信号生成回路６が出力する初期駆動信号を選択して振動子１の駆動電極に出力し、検出振幅がしきい値Ｍth以上となった場合には、定常駆動信号生成回路４が出力する定常駆動信号を選択して振動子１の駆動電極に出力する。

検出回路３は、２値化回路１０、増幅回路１１、同期検波回路１２およびフィルタ回路１３から構成されている。２値化回路１０は、増幅回路８により増幅されたモニタ信号をコンパレータで２値化して９０°位相シフトすることにより、同期検波のための基準信号を発生する。増幅回路１１は、検出電極から出力される互いに逆相の検出信号を差動増幅する。同期検波回路１２は、基準信号を用いて検出信号を同期検波する。これにより、検出信号は基準信号に同期して全波整流される。フィルタ回路１３は、例えばＣＲフィルタからなるローパスフィルタであって、同期検波回路１２で生じる高周波ノイズを平滑化することにより角速度に応じた所望の角速度信号を出力する。

次に、本実施形態の作用および効果を説明する。
図２は、振動子１の周波数と振幅との関係を示している。振動の振幅は、振動子１が共振周波数で振動したときに最大となり、共振周波数からずれるに従って低下する。周波数の変化割合に対する振幅の変化割合すなわち傾きは、共振周波数よりも低い周波数領域で正の値となり、共振周波数よりも高い周波数領域で負の値となる。傾きは、共振周波数の近傍を除き、振動周波数と共振周波数との差が大きくなるほど小さくなる。図中に示すしきい値Ｍthは、上述したように振動子１と定常駆動信号生成回路４とで閉ループを形成した場合に持続的な振動を励振可能な振幅である。

定常駆動信号生成回路４だけを備えた従来の振動子駆動回路では、駆動開始時の駆動周波数が１つの周波数に固定されていた。このため、振動子１の共振周波数のばらつき等により、駆動周波数が図２に示すｆａからｆｂの周波数範囲から外れていると、振動子１を起動できず或いは起動に長時間を要していた。

これに対し、本実施形態の振動子駆動回路２は、例えばイグニッションスイッチがオンされた駆動開始時に、駆動切替回路７を初期駆動信号生成回路６側に切り替える。初期駆動信号生成回路６が出力する初期駆動信号は、駆動開始時にまたは駆動を開始した後の駆動周波数の更新処理により、しきい値Ｍth以上の駆動振動の振幅が得られる駆動周波数（図２に示すｆａからｆｂの範囲内にある駆動周波数）を持つようになる。

その結果、製造ばらつき等の原因により共振周波数にばらつきがある振動子１を確実に且つ短時間で起動できるようになる。特に、高いＱ値を持つ振動子１では振動開始時の駆動振動の振幅レベルが微弱となるが、本実施形態では従来よりも高い振幅レベルが得られるので、振動子駆動回路２を一般的なＳＮＲ性能を持つオペアンプを用いて構成することができる。また、持続的な振動が励振された後は、駆動切替回路７は定常駆動信号生成回路４側に切り替えるので、一定の振動振幅による安定した振動状態を維持できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、初期駆動信号生成回路６の具体的な構成を示す図３を参照しながら説明する。駆動周波数保持回路２１は、出力する駆動周波数の値を保持するメモリまたはレジスタから構成されている。矩形波信号発生回路２２（駆動信号発生手段）は、駆動周波数保持回路２１に保持されている駆動周波数を所定周期で読み出して、その駆動周波数を持つ矩形波からなる初期駆動信号を生成する。加算回路２３は、上記所定周期で、駆動周波数保持回路２１に保持されている駆動周波数に予め定めた差分周波数Δｆを加算する。加算演算により更新された駆動周波数は駆動周波数保持回路２１に保持される。

駆動開始時に駆動周波数保持回路２１に保持される駆動開始周波数は、振動子１の共振周波数のばらつきの範囲内において最も低い共振周波数または最も高い共振周波数に設定される。前者の場合、加算回路２３は、駆動開始周波数から始めて所定の差分周波数Δｆ（＞０）を単調に加算することにより初期駆動信号を順次更新する。後者の場合、加算回路２３は、駆動開始周波数から始めて所定の差分周波数Δｆ（＞０）を単調に減算する（換言すれば差分周波数Δｆ（＜０）を単調に加算する）ことにより初期駆動信号を順次更新する。

初期駆動信号生成回路６は、検出振幅がしきい値Ｍth以上になると動作を停止する。また、起動性能を高めた本実施形態では通常生じ得ないが、初期駆動信号の更新により駆動周波数が最も高い共振周波数まで加算された場合または最も低い共振周波数まで減算された場合にも動作を停止する。この後者の場合には、駆動周波数保持回路２１に更に低い駆動開始周波数または更に高い駆動開始周波数を再設定し、駆動周波数の更新処理を繰り返せばよい。

差分周波数Δｆの絶対値はΔｆｗ＝｜ｆｂ−ｆａ｜（図２参照）以下に設定する必要がある。Δｆｗよりも大きく設定すると、更新の際に振動子１に持続的な振動を励振可能な駆動周波数範囲を飛び越えてしまう虞がある。一方、差分周波数Δｆが小さ過ぎると、振動子１に持続的な振動が励振されるまでの時間、すなわち駆動開始から駆動振動が安定するまでの時間（起動時間）が長くなる。従って、これらの条件を勘案した上で差分周波数Δｆを決定する。

本実施形態によれば、共振周波数の製造ばらつきが大きい場合でも、励振に適した初期駆動周波数により振動子１を確実に起動することができる。また、上述したように差分周波数Δｆの大きさを適切に決定することにより起動時間を極力短縮できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について図４および図５を参照しながら説明する。図４は、初期駆動信号生成回路６の具体的な構成を示している。ホワイトノイズ発生回路２４（ホワイトノイズ発生手段）は、図５に示すようにＤフリップフロップからなるシフトレジスタの出力データと途中段階のデータとのＥｘＯＲを入力に戻すことによりホワイトノイズ（Ｍ系列信号）を生成する。

ＦＦＴ演算回路２５（ＦＦＴ演算手段）は、マイクロコンピュータ、専用のハードウェア等により構成され、増幅回路８（図１参照）から出力されたモニタ信号に対しＦＦＴの演算を実行する。周波数選択回路２６（周波数選択手段）は、ＦＦＴの演算結果に基づいてモニタ信号に含まれる周波数成分のうち最大振幅を持つ周波数を選択する。矩形波信号発生回路２２は、選択された周波数を持つ初期駆動信号を生成する。

切替回路２７（切替手段）は、駆動開始時にはホワイトノイズ発生回路２４から出力される初期駆動信号を選択し、ＦＦＴの演算結果に基づいてモニタ信号に所定の判定レベルを超える周波数成分が現れたときに、矩形波信号発生回路２２から出力される初期駆動信号を選択する。なお、判定レベルは、しきい値Ｍthよりも小さい値に設定されている。

この構成によれば、初期駆動信号生成回路６は、駆動開始時に、振動子１の共振周波数のばらつき範囲を含む幅広い周波数成分を持つ初期駆動信号を振動子１に与える。振動子１の駆動振動は、この初期駆動信号により次第に増大する。本実施形態では、判定レベルを超える周波数成分が現れると、その周波数つまりＦＦＴ演算結果において最大振幅を持つ周波数を持つ振幅の大きい矩形波信号を初期駆動信号として振動子１に与える。その結果、駆動振動の増大が加速されるので、駆動開始から定常駆動信号に切り替えるまでの時間、ひいては安定した定常駆動状態に至るまでの時間を短縮することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について図６ないし図８を参照しながら説明する。図６は、初期駆動信号生成回路６の具体的な構成を示している。記憶回路２８は、メモリまたはレジスタから構成されており、所定の周期ごとに、更新された駆動周波数ｆと当該駆動周波数ｆを持つ初期駆動信号で振動子１を駆動したときの検出振幅Ｍとを対応付けて記憶する。

共振周波数予測回路２９は、マイクロコンピュータ、専用のハードウェア等により構成されており、記憶回路２８に記憶された直近２組の駆動周波数ｆと振幅Ｍに基づいて、振動子１の共振周波数により近い駆動周波数を順次演算する。演算された駆動周波数は駆動周波数保持回路２１に保持される。矩形波信号発生回路２２は、駆動周波数保持回路２１に保持された駆動周波数を読み出して、その駆動周波数を持つ矩形波からなる初期駆動信号を生成する。所定周期だけ出力した後は、上述したように駆動周波数ｆと検出振幅Ｍとが記憶回路２８に記憶される。

図７は、初期駆動信号生成回路６による駆動周波数の演算処理を示すフローチャートである。初期駆動信号生成回路６は、演算処理の開始直後のステップＳ１で、共振周波数予測回路２９内で用いるｆ１に駆動開始周波数を設定し、Δｆに差分初期値を設定する。ここでの駆動開始周波数ｆ１は、第２の実施形態で説明したように、振動子１の共振周波数のばらつきの範囲内において最も低い共振周波数または最も高い共振周波数である。

ステップＳ２において、駆動開始周波数ｆ１は駆動周波数保持回路２１に保持され、矩形波信号発生回路２２は、駆動周波数ｆ１を持つ矩形波からなる初期駆動信号を一定時間（所定周期）だけ出力する。その後、初期駆動信号生成回路６は、ステップＳ３で振幅検出回路５から検出振幅Ｍ１を入力し、駆動周波数ｆ１と検出振幅Ｍ１を記憶回路２８に記憶する。続くステップＳ４で検出振幅Ｍ１がしきい値Ｍthより大きいか否かを判断する。検出振幅Ｍ１がしきい値Ｍthより大きい場合（Ｓ４：ＹＥＳ）には、駆動切替回路７により初期駆動信号から定常駆動信号に切り替えられるので演算処理を終了する。

一方、検出振幅Ｍ１がしきい値Ｍth以下である場合（Ｓ４：ＮＯ）には、共振周波数予測回路２９は、ステップＳ５で駆動周波数ｆ１（この時点では駆動開始周波数）に差分周波数Δｆ（この時点では差分初期値）を加算して駆動周波数ｆ２を求める。初期駆動信号生成回路６は、続くステップＳ６、Ｓ７、Ｓ８で駆動周波数ｆ２について上記ステップＳ２、Ｓ３、Ｓ４と同様の処理を実行する。すなわち、検出振幅Ｍ２を入力し、駆動周波数ｆ２と検出振幅Ｍ２を記憶回路２８に記憶する。

検出振幅Ｍ２がしきい値Ｍth以下である場合（Ｓ８：ＮＯ）には、共振周波数予測回路２９は、ステップＳ９で（１）式により差分周波数Δｆを演算する。ここで、Ｋ（＞０）は制御係数である。また、ｆ１は前回の駆動周波数、ｆ２は今回の駆動周波数に相当する。駆動周波数ｆ１、ｆ２と検出振幅Ｍ１、Ｍ２を演算に使用した後、次回の演算に備えて今回値ｆ２、Ｍ２を前回値ｆ１、Ｍ１にする。
Δｆ＝Ｋ・（ｆ２−ｆ１）／（Ｍ２−Ｍ１） …（１）

続いて再びステップＳ５に移行し、（２）式により次に用いる駆動周波数ｆ２を演算する。
ｆ２＝ｆ１＋Δｆ …（２）
このようにしてステップＳ５からＳ９の処理を繰り返し、検出振幅Ｍ２がしきい値Ｍthより大きくなると（Ｓ８：ＹＥＳ）演算処理を終了する。

図８は、振動子１の周波数と振幅との関係を示している。既述したように、周波数の変化割合に対する振幅の変化割合すなわち傾きは、共振周波数の近傍を除き振動周波数と共振周波数との差が大きくなるほど小さくなる。（１）式に示す差分周波数Δｆは（Ｋ／傾き）に等しいので、傾きが小さいほど差分周波数Δｆが大きくなり、共振周波数に向かって加速的に次の駆動周波数ｆ２が設定される。なお、傾きが小さくなる共振周波数の近傍でも差分周波数Δｆが大きくなるが、駆動周波数が共振周波数の近傍に至る前に検出振幅Ｍ２がしきい値Ｍth以上になるので、初期駆動信号生成回路６は共振周波数の近傍では動作を停止している。

差分周波数Δｆは、図２に示すΔｆｗを用いて（３）式が成立するように決定される。この関係を満たさないと、次回の駆動周波数ｆ２が持続的な振動を励振可能な駆動周波数範囲を飛び越えてしまう虞がある。この調整は、制御係数Ｋの設定により行えばよい。
ｆ１＋Δｆ≦共振周波数＋Δｆｗ／２ …（３）

以上説明したように、本実施形態の初期駆動信号生成回路６は、相異なる駆動周波数ｆ１、ｆ２を持つ初期駆動信号によりそれぞれ振動子１を駆動したときの検出振幅Ｍ１、Ｍ２に基づいて、振動子１の共振周波数により近い駆動周波数を順次決定する。これにより、初期駆動信号の駆動周波数の変更回数を減らすことができ、振動子１を確実に起動できるとともにその起動時間を短縮できる。さらに、（１）式に示すように駆動周波数が共振周波数から離れるほど差分周波数Δｆが大きくなるので、起動時間が一層短くなる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態について図９を参照しながら説明する。本実施形態の初期駆動信号生成回路６も第４の実施形態と同様に図６に示す構成を備えている。第４の実施形態とは、共振周波数予測回路２９の演算方法が一部異なる。図９に示すフローチャートでは図７に示す処理と同一の処理に同一のステップ番号を付している。

本実施形態において差分周波数Δｆ（＞０）は制御定数である。初期駆動信号生成回路６は、演算処理の開始直後のステップＳ１０でｆ１に駆動開始周波数を設定する。その後ステップＳ２〜Ｓ８を実行して、駆動周波数ｆ１、ｆ２（＝ｆ１＋Δｆ）を持つ初期駆動信号によりそれぞれ振動子１を駆動したときの検出振幅Ｍ１、Ｍ２を得る。共振周波数予測回路２９は、ステップＳ１１で（４）式により駆動周波数ｆ１を演算する。ここで、Ｋ（＞０）は制御係数である。
ｆ１＝ｆ１＋Ｋ・（Ｍ２−Ｍ１） …（４）

初期駆動信号生成回路６は、駆動周波数ｆ１を演算すると、再びステップＳ２、Ｓ３において駆動周波数ｆ１に対応した検出振幅Ｍ１を取得し、これら駆動周波数ｆ１と検出振幅Ｍ１とを対応付けて記憶回路２８に記憶する。検出振幅Ｍ１がしきい値Ｍth以下である場合（Ｓ４：ＮＯ）には、さらにステップＳ５に移行し、上述した（２）式により駆動周波数ｆ２を演算する。（２）式で用いるΔｆは制御定数である。続くステップＳ６、Ｓ７で駆動周波数ｆ２に対応した検出振幅Ｍ２を取得し、これら駆動周波数ｆ２と検出振幅Ｍ２とを対応付けて記憶回路２８に記憶する。検出振幅Ｍ２がしきい値Ｍth以下である場合（Ｓ８：ＮＯ）には、再びステップＳ１１に移行して（４）式により駆動周波数ｆ１を演算する。

本実施形態の初期駆動信号生成回路６も、相異なる駆動周波数ｆ１、ｆ２を持つ初期駆動信号によりそれぞれ振動子１を駆動したときの検出振幅Ｍ１、Ｍ２に基づいて、振動子１の共振周波数により近い駆動周波数を順次決定する。これにより、共振周波数に近づくように駆動周波数ｆ１が決定される。また、第４の実施形態と異なり、除算を含まない比較的簡単な計算で駆動周波数ｆ１を求めるので、回路規模を低減でき、処理負荷が軽減される。

（第６の実施形態）
図１０に示す第６の実施形態の初期駆動信号生成回路６は、図６に示す第４の実施形態および第５の実施形態の初期駆動信号生成回路６に対し不揮発性記憶回路３０（不揮発性記憶手段）を付加した構成となっている。初期駆動信号生成回路６は、図７または図９におけるステップＳ４またはステップＳ８でＹＥＳと判断すると、そのときの駆動周波数ｆ１またはｆ２を不揮発性記憶回路３０に記憶する。

一方、初期駆動信号生成回路６は、振動子１の駆動開始時であるステップＳ１またはステップＳ１０において、不揮発性記憶回路３０に記憶されている周波数を読み出して駆動開始周波数としてｆ１に設定する。本実施形態によれば、実際に持続的な振動が励振された実績のある周波数から駆動周波数の演算を開始するので、起動時間を一層短縮することができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態について図１１を参照しながら説明する。本実施形態の初期駆動信号生成回路６は、ホワイトノイズ（Ｍ系列信号）を生成するホワイトノイズ発生回路２４（図５参照）から構成されている。ホワイトノイズは、振動子１の共振周波数のばらつき範囲を含む幅広い周波数成分を有している。このため、駆動開始時にホワイトノイズを初期駆動信号として振動子１を与えると、振動子１の共振周波数に対応する周波数成分が次第に増大する。検出振幅がしきい値Ｍth以上になると、駆動切替回路７は初期駆動信号に替えて定常駆動信号を選択して振動子１を駆動するので、初期駆動信号生成回路６は動作を停止する。本実施形態によれば、駆動周波数を変更することなく振動子１を励振させることができるとともに、初期駆動信号生成回路６の構成を簡単化できる。

（第８の実施形態）
上述した各実施形態に適用可能な第８の実施形態について図１２および図１３を参照しながら説明する。図１２はセンサ回路のブロック構成を示し、図１３はＡＧＣ回路のブロック構成を示している。振動子駆動回路３１は、図１に示す振幅検出回路５をＡＧＣ回路９に含まれる振幅検出回路３２と共用する回路構成を備えている。

ＡＧＣ回路９は、振幅検出回路３２と振幅制御回路３３とから構成されている。このうち振幅検出回路３２は、増幅回路８で増幅されたモニタ信号を整流し平滑する整流回路３４と平滑回路３５を備えており、駆動振幅の大きさに応じた検出振幅を出力する。この検出振幅は、駆動切替回路７における初期駆動信号から定常駆動信号への切り替え判定および定常駆動信号の生成に利用される。従って、ＡＧＣ回路９のうち振幅検出回路３２は、駆動切替回路７の切り替え前後にかかわらず常に動作させる必要がある。

一方、振幅制御回路３３は、位相シフタ３６、比較回路３７および駆動電圧調整回路３８を備えている。振動子１の駆動電極に駆動信号を印加して振動させると、その駆動信号とモニタ電極から出力されるモニタ信号とは約９０°の位相差が生じる。そこで、位相シフタ３６は、モニタ信号と駆動信号の位相が一致するように増幅回路８の出力信号の位相を約９０°シフトさせる。

比較回路３７は、検出振幅と目標振幅とを比較して両振幅の差を出力する。駆動電圧調整回路３８は、位相シフタ３６から出力される位相シフト後のモニタ信号に同期した駆動信号を生成する。その際、振動子１の駆動振動の振幅の大きさが目標振幅に等しくなるように、比較回路３７から出力される振幅差に基づいて、駆動信号を生成する際のゲイン調整を行う。その結果、振動子１は、駆動振動の振幅の大きさが一定となるように励振される。本実施形態によれば、振幅検出回路５（図１参照）とＡＧＣ回路９に含まれる振幅検出回路３２とを共用の回路にできるので、回路規模の増加を最小限に抑えることが可能になる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。
本発明は、振動方式にかかわらず振動型ジャイロセンサ一般に適用できる。
駆動信号発生手段は、矩形波信号発生回路２２に限らず正弦波信号発生回路などで構成してもよい。

第２、第３の実施形態についても、第６の実施形態と同様に不揮発性記憶回路３０を備え、検出振幅がしきい値Ｍth以上になったときの駆動周波数を不揮発性記憶回路３０に記憶し、振動子１の駆動開始時に不揮発性記憶回路３０に記憶されている周波数を駆動開始周波数に設定するように構成してもよい。第３の実施形態では、最初の起動時にはホワイトノイズ発生回路２４を使用し、２回目以降の起動時には不揮発性記憶回路３０に記憶されている周波数を駆動開始周波数として起動してもよい。

ホワイトノイズ発生手段は、図５に示す回路に限らず、振動子１の共振周波数の成分を含むホワイトノイズまたは疑似ホワイトノイズを生成するものであればよい。

図面中、１は振動子、２、３１は振動子駆動回路、４は定常駆動信号生成回路（定常駆動信号生成手段）、５は振幅検出回路（振幅検出手段）、６は初期駆動信号発生回路（初期駆動信号生成手段）、７は駆動切替回路（駆動切替手段）、９はＡＧＣ回路、２２は矩形波信号発生回路（駆動信号発生手段）、２４はホワイトノイズ発生回路（ホワイトノイズ発生手段）、２５はＦＦＴ演算回路（ＦＦＴ演算手段）、２６は周波数選択回路（周波数選択手段）、２７は切替回路（切替手段）、３０は不揮発性記憶回路（不揮発性記憶手段）、３２は振幅検出回路、３３は振幅制御回路である。

Claims (10)

1. 振動子の駆動振動の状態に応じて出力されるモニタ信号に基づいて前記振動子を持続的に振動させる定常駆動信号を生成する定常駆動信号生成手段と、
   前記モニタ信号に基づいて前記振動子の駆動振動の振幅を検出する振幅検出手段と、
   前記振動子と前記定常駆動信号生成手段とで閉ループを形成した場合に持続的な振動が励振される駆動周波数を前記振動子の駆動開始時から含むまたは駆動開始後に含むように初期駆動信号を生成する初期駆動信号生成手段と、
   前記振幅検出手段により検出された駆動振動の振幅が、前記閉ループを形成した場合に持続的な振動を励振可能な振幅範囲内に設定されたしきい値未満の場合には前記初期駆動信号を選択して前記振動子を駆動し、前記しきい値以上となった場合には前記定常駆動信号を選択して前記振動子を駆動する駆動切替手段とを備えていることを特徴とする振動子駆動回路。
2. 前記初期駆動信号生成手段は、所定の駆動開始周波数から始めて所定の差分周波数を単調に加算または単調に減算することにより前記初期駆動信号を順次更新することを特徴とする請求項１記載の振動子駆動回路。
3. 前記初期駆動信号生成手段は、前記振動子の共振周波数のばらつきの範囲内において最も低い共振周波数を前記駆動開始周波数に設定して前記差分周波数を単調に加算することにより前記初期駆動信号を順次更新し、または前記振動子の共振周波数のばらつきの範囲内において最も高い共振周波数を前記駆動開始周波数に設定して前記差分周波数を単調に減算することにより前記初期駆動信号を順次更新することを特徴とする請求項２記載の振動子駆動回路。
4. 前記初期駆動信号生成手段は、
   ホワイトノイズからなる初期駆動信号を生成するホワイトノイズ発生手段と、
   前記モニタ信号に対しＦＦＴの演算を実行するＦＦＴ演算手段と、
   前記ＦＦＴの演算結果に基づいて前記モニタ信号に含まれる周波数成分のうち最大振幅を持つ周波数を選択する周波数選択手段と、
   前記選択された周波数を持つ初期駆動信号を生成する駆動信号発生手段と、
   駆動開始時には前記ホワイトノイズ発生手段から出力される初期駆動信号を選択し、前記ＦＦＴの演算結果に基づいて前記モニタ信号に所定の判定レベルを超える周波数成分が現れたことを条件として前記駆動信号発生手段から出力される初期駆動信号を選択する切替手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載の振動子駆動回路。
5. 前記初期駆動信号生成手段は、相異なる駆動周波数を持つ初期駆動信号によりそれぞれ前記振動子が駆動されたときに前記振幅検出手段により検出された駆動振動の振幅に基づいて、駆動する振動子の共振周波数により近い駆動周波数を順次決定することを特徴とする請求項１記載の振動子駆動回路。
6. 前記初期駆動信号生成手段は、前回の駆動周波数をｆ０、今回の駆動周波数をｆ１、当該駆動周波数ｆ０、ｆ１を持つ初期駆動信号により前記振動子が駆動されたときの検出振幅をＭ０、Ｍ１、制御係数をＫ（＞０）とすれば、
   Δｆ＝Ｋ・（ｆ１−ｆ０）／（Ｍ１−Ｍ０）
   ｆ２＝ｆ１＋Δｆ
   により、次回の駆動周波数ｆ２を決定することを特徴とする請求項５記載の振動子駆動回路。
7. 前記初期駆動信号生成手段は、決定した駆動周波数ｆ１を持つ初期駆動信号とｆ１＋Δｆ（Δｆは制御定数）の駆動周波数ｆ２を持つ初期駆動信号を順次出力し、当該駆動周波数ｆ１、ｆ２を持つ初期駆動信号により前記振動子が駆動されたときの検出振幅をＭ１、Ｍ２、制御係数をＫ（＞０）とすれば、
   ｆ１＝ｆ１＋Ｋ・（Ｍ２−Ｍ１）
   により、次回の駆動周波数ｆ１を決定することを特徴とする請求項５記載の振動子駆動回路。
8. 前記初期駆動信号生成手段は、不揮発性記憶手段を備え、前記振幅検出手段により検出された駆動振動の振幅が前記しきい値以上になったときの駆動周波数を前記不揮発性記憶手段に記憶し、前記振動子の駆動開始時に前記不揮発性記憶手段に記憶されている周波数を駆動開始周波数に設定することを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の振動子駆動回路。
9. 前記初期駆動信号生成手段は、ホワイトノイズからなる初期駆動信号を生成するホワイトノイズ発生手段により構成されていることを特徴とする請求項１記載の振動子駆動回路。
10. 前記定常駆動信号生成手段は、前記モニタ信号の振幅を検出する振幅検出回路と振幅制御回路とからなるＡＧＣ回路を備え、
    前記振幅検出手段は、前記ＡＧＣ回路に含まれる振幅検出回路と共用の回路とされていることを特徴とする請求項１ないし９の何れかに記載の振動子駆動回路。

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