JP2013164296A - 自励共振回路 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能であり、また、信頼性、耐ノイズ性が高い自励共振回路を提供する。
【解決手段】エレメント１０の振動子１１を駆動させるための駆動信号を発生させる回路としてＤＣＯ５３を用い、駆動信号と検出信号の位相差の検出に、位相差をデジタル時間情報として検出するＴＤＣ５２を用いる。駆動信号の周波数を調整することで位相差が変化することを利用し、制御回路５４は、ＴＤＣ５２が検出する位相差が、共振位相差となるように、駆動信号の周波数を調整する。これにより、ＡＤ変換回路を用いないで共振させることができるので、駆動回路５０の小型化、ひいては、自励共振回路の小型化が可能となる。また、ＤＣＯ５３やＴＤＣ５２はデジタル回路であることから、アナログ回路であるＡＤ変換回路よりも信頼性が高く、且つ、耐ノイズ性もよい。
【選択図】図５

Description

本発明は、自励共振回路に関し、特に、デジタル回路で自励共振させる回路に関する。

振動子を共振させつつ、その振動子の変位を検出することで物理量を検出するセンサーが種々知られている。たとえば、ジャイロ式のヨーレートセンサーなどがそれである。

非特許文献１には、ヨーレートセンサーとして、振動子の検出信号を駆動回路に入力し、この駆動回路の出力信号を振動子に入力することで、振動子を自励共振させる共振回路が開示されている。

非特許文献１における駆動回路は、振動子からの容量信号（検出信号）をアナログ電圧信号に変換するＣ／Ｖ変換回路と、Ｃ／Ｖ変換回路が出力するアナログ電圧信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータと、ＡＤコンバータが出力するデジタル電圧信号から同期信号を発生させる位相同期回路とを備える。そして、位相同期回路が生成した同期信号を振動子の駆動信号として入力して振動子を共振させている。

ISSCC 22010, Digest of Technical Papers, pp.6,11, Feb,2010

非特許文献１の技術はＡＤコンバータが必要である。ＡＤコンバータは、装置が比較的大きく、また、環境ノイズが重畳しやすく、信頼性も低い。ＡＤコンバータにこういった問題があることから、ＡＤコンバータを用いる非特許文献１の共振回路は、装置の小型化が困難であり、また、信頼性、耐ノイズ性も十分ではなかった。

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、小型化が可能であり、また、信頼性、耐ノイズ性が高い自励共振回路を提供することある。

その目的を達成するための請求項１記載の発明は、振動子を自励共振させる自励共振回路（６０）であって、デジタル値が入力され、入力されたデジタル値に応じた周波数の信号を、前記振動子を駆動させるための駆動信号として発生するデジタル制御発振回路（５３）と、前記デジタル制御発振回路に発生させる信号の周波数を制御する制御回路（５４）と、前記振動子の振動を検出した検出信号が入力されるとともに、前記デジタル制御発振回路から駆動信号が入力され、それら検出信号と駆動信号との位相差をデジタル時間情報として検出する時間デジタル値変換回路（５２）とを備え、前記制御回路は、前記時間デジタル値変換回路によってデジタル時間情報として検出された位相差が入力され、その検出された位相差が、前記振動子を共振させるために予め設定された共振位相差と一致するように、前記デジタル制御発振回路で発生させる信号の周波数を調整する周波数調整処理（Ｓ３、Ｓ４）を行なうことを特徴とする。

駆動信号の位相と検出信号の位相との位相差が、略９０度である共振位相差となると振動子は共振状態となることが知られている。本発明によれば、振動子を駆動させるための駆動信号を発生させる回路としてデジタル制御発振回路を用いており、また、駆動信号と検出信号の位相差の検出にも、位相差をデジタル時間情報として検出する時間デジタル値変換回路を用いている。従って、ＡＤ変換回路を用いないで振動子を共振させることができるので、自励共振回路の小型化が可能となる。また、デジタル制御発振回路や時間デジタル値変換回路はデジタル回路であることから、アナログ回路であるＡＤ変換回路よりも信頼性が高く、且つ、耐ノイズ性もよい。以上のことから、本発明によれば、小型で且つ信頼性、耐ノイズ性が高い自励共振回路となる。

本発明の実施例となる自励共振回路６０を含むジャイロセンサー装置１の構成を示すブロック図である。 エレメント１０の一例を示す図である。 エレメント１０が共振している状態における検出信号の信号成分を説明する図である。 同期検波部３１を具体的に示す図である。 駆動回路５０の詳細構成図である。 制御回路５４が行なう処理を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１のジャイロセンサー装置１は、エレメント１０、２つの初段回路２０、信号検出回路３０、ＥＰＲＯＭ４０、駆動回路５０を備えている。これらの構成のうち、エレメント１０、初段回路２０、信号検出回路３０、ＥＰＲＯＭ４０は、一般的なジャイロセンサー装置に用いられる構成と同じである。また、駆動回路５０およびこれに接続されている初段回路２０により自励共振回路６０が構成される。

エレメント１０は、詳細構成の一例は次に示すが、振動子１１（図２参照）が共振しつつ、その振動子１１が外力により変位することで静電容量が変化する。

図２に一例を示すエレメント１０はＭＥＭＳジャイロに用いられる周知の構成である。このエレメント１０は、振動子１１と、振動子１１を振動させる電界を発生させる電極１２と、振動子１１と電極１２との間の静電容量を検出する信号検出部１３を備えている。

説明を図１に戻す。初段回路２０はＣＶ変換回路（図示せず）とコンパレータとを備えている。まず、ＣＶ変換回路により、エレメント１０の信号検出部１３が検出する静電容量を電圧信号に変換する。この電圧信号は、エレメント１０の振動子１１の角速度を示す角速度信号に、エレメント１０の共振により生じる電圧変化の信号が重畳した信号である。コンパレータは、ＣＶ変換回路が出力する電圧信号と所定の閾値とを比較し、比較結果を示す信号を出力する。以下、初段回路２０が出力する電圧信号を検出信号とする。

信号検出回路３０は、初段回路２０から入力される検出信号から角速度信号を取り出す回路である。この信号検出回路３０は、同期検波部３１、ローパスフィルタ３２、増幅調整部３３を備えている。同期検波部３１には、駆動回路５０が発生する駆動信号が基準信号として入力される。同期検波部３１は、この基準信号を用いて同期検波を行なうことで、検出信号から駆動信号周期の成分を除去する。

図３に示すように、検出信号は、角速度信号と駆動信号成分と直流成分（ＤＣ成分）とに分けられる。共振状態においてエレメントに入力される外力に対して、エレメントの出力信号の位相が略９０度ずれることは一般的に知られている。この図３においても、駆動信号成分、すなわち、駆動信号により振動子１１が共振していることにより生じる出力信号成分は、基準信号として入力される駆動信号に対して位相が９０度ずれている。

そこで、図４に示すように、同期検波部３１は、検出信号と基準信号を乗算処理する。これにより、基準信号に対して略９０度の位相ずれがある駆動信号成分が検出信号から除去されることになる。

図３に説明を戻す。同期検波部３１で検波された信号は、さらにローパスフィルタ３２で高周波成分が除去され、増幅調整部３３で感度補正および信号増幅が行われて出力される。なお、感度補正係数はＥＰＲＯＭ４０に記憶されている。

次に、駆動回路５０の構成を説明する。図５に示すように、駆動回路５０は、リングオシレータ５１と、時間デジタル値変換回路（time to digital converter、以下、ＴＤＣという）５２と、デジタル制御発振回路（digitally controlled oscillator、以下、ＤＣＯという）５３と、制御回路５４とを備えている。

リングオシレータ５１はデジタル発振回路である。このリングオシレータ５１は、たとえば特開平７−１８３８００号公報に開示の構成を用いることができる。すなわち、リング状に連結された複数の反転回路を有しており、各反転回路により、パルス信号として入力された入力信号を順次反転して周回させる。また、各反転回路に対応した複数の出力端子からは、各反転回路での反転動作時間の定数倍を１周期とするパルス信号がそれぞれ出力される。複数の出力端子から出力されるパルス信号は、ＴＤＣ５２およびＤＣＯ５３に入力される。

ＴＤＣ５２には、初段回路２０から検出信号が入力されるとともに、ＤＣＯ５３から駆動信号がフィードバックされて入力される。なお、初段回路２０が出力する検出信号は、その初段回路２０のコンパレータによりパルス信号とされている。また、ＤＣＯ５３が出力する駆動信号もパルス信号である。ＴＤＣ５２は、駆動信号に対する検出信号の位相差（つまり、駆動信号に対する検出信号の位相遅れ）をデジタル時間情報として検出する。この位相差は、具体的には、駆動信号のパルス立ち上がり時間から検出信号のパルス立ち上がり時間までの時間差を計測することになる。この時間差の計測において、ＴＤＣ５２は、リングオシレータ５１が発生するパルス信号をクロックパルスとして用いる。

ＤＣＯ５３は、制御回路５４から入力される制御信号に基づく周期の駆動信号を出力する。この周期の決定において、ＤＣＯ５３は、リングオシレータ５１からのパルス信号をクロックパルスとして用いる。ＤＣＯ５３が出力する駆動信号は、エレメント１０に入力されるとともに、ＴＤＣ５１へも入力される。なお、ＤＣＯ５３とＴＤＣ５２とが、同一のリングオシレータ５１のクロックパルスを用いる点は、前記した特開平７−１８３８００号公報等に開示がある公知の技術であるので、詳細な説明は省略する。

制御回路５４は、ＴＤＣ５１が検出した位相差が、予め設定された共振位相差となるように、駆動信号の周期（換言すれば駆動信号の周波数）を制御する。この制御は、ＤＣＯ５３にデジタル信号である制御信号を出力することで行なう。なお、共振位相差とは、ある物体が共振状態となっているときの、外力の位相と物体の振動の位相との位相差である。この共振位相差は略９０度であることが知られている。ただし、種々の条件により、９０度からややずれることもあり、共振位相差の具体的数値としては、たとえば８７度とされることもある。

制御回路５４が駆動信号の周波数を制御するのは、振動子に入力される外力の位相（本実施形態では駆動信号の位相）に対する振動子の振動位相（本実施形態では検出信号の位相）のずれは、周波数に依存することが知られているからである。具体的には、共振周波数よりも低い周波数では、外力の位相に対する振動子の振動位相の位相遅れは、略９０度である共振位相差よりも小さい位相遅れとなる。一方、共振周波数よりも高い周波数では、外力の位相に対する振動子の振動位相の位相遅れは、共振位相差よりも大きい位相遅れとなる。よって、駆動信号の周波数を高くしたり低くしたりすることで、検出される位相差を調整できるのである。なお、共振位相差よりも小さい位相遅れの場合、両位相は同相であり、共振位相差よりも大きい位相遅れの場合、両位相は逆相であることになる。

駆動信号の周波数を高くしたり低くしたりすることで、検出される位相差を調整できることから、制御回路５４は、次の周波数調整処理を行なう。すなわち、検出される位相差が共振位相差よりも小さい場合には周波数を高くする。これにより、検出される位相差が大きくなり、検出される位相差が共振位相差に近づくことになる。一方、検出される位相差が共振位相差よりも大きい場合には周波数を低くする。これにより、検出される位相差が小さくなり、やはり、検出される位相差が共振位相差に近づくことになる。

また、制御回路５４は、上記周波数調整処理の前に、エレメント１０の振動子１１を概略共振状態とするための概略共振制御処理を行なう。

図６に示す制御回路５４の処理は、計測開始時など初期動作において実行する。そのため、検出信号には、角速度信号成分は含まれず、検出信号の位相を駆動信号成分由来の信号とみなすことができる。

まず、ステップＳ１、Ｓ２で前述の概略共振制御処理を行なう。ステップＳ１では、ＤＣＯ５３が出力する駆動信号をスイープさせる。スイープの範囲は、エレメント１０の共振周波数よりも十分低い周波数から、その共振周波数よりも十分に高い範囲までとする。ただし、概略共振状態であると判断したら、その時点で周波数のスイープは終了する。なお、リングオシレータ５１がゲート遅延回路を備えた構成の場合、リングオシレータ５１は温度特性を有する。そこで、ステップＳ１の実行においては、温度補正を行なって、駆動信号の周波数を、雰囲気温度によらず、スイープ範囲の下限から上限まで掃引できるようにする。

ステップＳ２では、エレメント１０の振動子１１を概略共振状態とする。具体的には、ＴＤＣ５２により検出した位相差が、概略共振状態であるとみなせる予め設定された概略共振範囲内である場合に、概略共振状態であるとする。概略共振範囲は、一例としては、共振位相差の９０％〜１１０％とする。なお、駆動信号の周波数をスイープしていき、概略共振状態となる場合、検出信号の波形は振幅が急に大きくなる。そこで、別途、検出信号をデジタル信号とするＡＤコンバータを備えている場合（たとえば、信号検出回路がＡＤコンバータを備えた構成である場合など）には、そのＡＤコンバータが出力する信号の振幅から概略共振状態を判断してもよい。概略共振状態と判断したらステップＳ３へ進む。

ステップＳ３、Ｓ４は、前述した周波数調整処理である。ステップＳ３では、駆動信号と検出信号の位相差を検出する。すなわち、ＴＤＣ５２から位相差を示す信号を取得する。ステップＳ４では、検出した位相差が共振位相差となるように、駆動信号の周波数を変更する。具体的には、検出した位相差が共振位相差よりも小さい場合、所定値だけ駆動信号の周波数を高くし、検出した位相差が共振位相差よりも大きい場合、所定値だけ駆動信号の周波数を低くする。駆動信号の周波数を変更した後は、ステップＳ３へ戻り、再度、位相差を検出する。なお、検出した位相差が共振位相差と同じになったと判断できた場合には、周波数は変更しない。周波数を変更しない場合、ステップＳ３へ戻って位相差の監視を継続してもよいし、あるいは、図６の処理を終了してもよい。

以上、説明した本実施形態によれば、エレメント１０の振動子１１を駆動させるための駆動信号を発生させる回路としてＤＣＯ５３を用いている。また、駆動信号と検出信号の位相差の検出にも、位相差をデジタル時間情報として検出するＴＤＣ５２を用いている。従って、ＡＤ変換回路を用いないで振動子を共振させることができるので、駆動回路５０の小型化、ひいては、自励共振回路６０の小型化が可能となる。また、ＤＣＯ５３やＴＤＣ５２はデジタル回路であることから、アナログ回路であるＡＤ変換回路よりも信頼性が高く、且つ、耐ノイズ性もよい。以上のことから、本実施形態の自励共振回路６０は、小型で且つ信頼性、耐ノイズ性が高い回路となる。

また、本実施形態では、ＴＤＣ５２とＤＣＯ５３とが、同じリングオシレータ５１が発生するクロックパルスを用いることから、ＴＤＣ５２が検出する位相差の時間分解能と、ＤＣＯ５３が発振する駆動信号の時間分解能とが同じとなる。よって、検出信号の周期と駆動信号の周期とが一致することになり、ＴＤＣ５２が検出した位相差を、周波数を制御するための位相差の値として直接利用することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

たとえば、前述の実施形態では、ＴＤＣ５２とＤＣＯ５３は、同一のリングオシレータ５１が発生するクロックパルスを用いていたが、それらＴＤＣ５２、ＤＣＯ５３に対してそれぞれ専用のクロックパルス発振回路を設けてもよい。

また、前述の実施形態では、ジャイロセンサーのエレメント１０を自励共振させていたが、本発明は、ジャイロセンサーに限定されるものではなく、その他の自励共振センサー、たとえば、共振式圧力センサーにも適用できる。また、適用対象はセンサーに限定されず、マイクロスキャナーにも本発明は適用できる。

１：ジャイロセンサー装置、 １０：エレメント、 １１：振動子、 １２：電極、 １３：信号検出部、 ２０：初段回路、 ３０：信号検出回路、 ４０：ＥＰＲＯＭ、 ５０：駆動回路、 ５１：リングオシレータ（デジタル発振回路）、 ５２：時間デジタル値変換回路（ＴＤＣ）、 ５３：デジタル制御発振回路（ＤＣＯ）、 ５４：制御回路、 ６０：自励共振回路

Claims (4)

1. 振動子を自励共振させる自励共振回路（６０）であって、
   デジタル値が入力され、入力されたデジタル値に応じた周波数の信号を、前記振動子を駆動させるための駆動信号として発生するデジタル制御発振回路（５３）と、
   前記デジタル制御発振回路に発生させる信号の周波数を制御する制御回路（５４）と、
   前記振動子の振動を検出した検出信号が入力されるとともに、前記デジタル制御発振回路から駆動信号が入力され、それら検出信号と駆動信号との位相差をデジタル時間情報として検出する時間デジタル値変換回路（５２）とを備え、
   前記制御回路は、前記時間デジタル値変換回路によってデジタル時間情報として検出された位相差が入力され、その検出された位相差が、前記振動子を共振させるために予め設定された共振位相差と一致するように、前記デジタル制御発振回路で発生させる信号の周波数を調整する周波数調整処理（Ｓ３、Ｓ４）を行なうことを特徴とする自励共振回路。
2. 請求項１において、
   クロックパルスを発生するデジタル発振回路（５１）を備え、
   前記時間デジタル値変換回路は、前記デジタル発振回路が発生するクロックパルスに基づいて位相差を計測し、
   前記デジタル制御発振回路は、前記デジタル発振回路が発生するクロックパルスに基づいて時間を計測することで、入力されるデジタル値に応じた周波数の駆動信号を発生させる
   ことを特徴とする自励共振回路。
3. 請求項２において、
   前記デジタル発振回路（５１）は、リングオシレータであることを特徴とする自励共振回路。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   前記制御回路は、
   前記駆動信号の周波数を掃引制御しつつ、前記時間デジタル値変換回路により検出される位相差を、概略共振状態を示す位相差の範囲として予め設定された概略共振範囲内とする概略共振制御処理（Ｓ１、Ｓ２）を行い、
   前記概略共振制御処理により、前記時間デジタル値変換回路により検出される位相差を概略共振範囲内とした後、前記周波数調整処理を行なうことを特徴とする自励共振回路。

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