JP2015099107A

JP2015099107A - 振動子駆動回路

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Publication number: JP2015099107A
Application number: JP2013239464A
Authority: JP
Inventors: 崇溝田; Takashi Mizota; 辻　信昭; Nobuaki Tsuji; 信昭辻; 秀和小野; Hidekazu Ono
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: JP6206113B2

Abstract

【課題】温度変化の影響を受けることなく、振動子の振動振幅を安定させる。【解決手段】振動子５を振動させる駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを出力する振動子駆動回路３であって、振動子５の振動振幅を検知して所定の目標値と比較し、振動振幅と目標値との差分に応じて基準電圧Ｖｒｅｐを基準とする制御信号Ｖｃｏｎｔを出力する振幅検知回路１３と、制御信号Ｖｃｏｎｔに基づいてオン抵抗を変化させる第１のトランジスタを有し、当該第１のトランジスタのオン抵抗に応じて駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎに付与するゲインを調整するゲイン調整回路１２と、第１のトランジスタと同一特性の第２のトランジスタを有し、第２のトランジスタのオン抵抗が所定値となるように第２のトランジスタを駆動し、第２のトランジスタの駆動電圧を基準電圧Ｖｒｅｐとして振幅検知回路１３に出力する基準電圧生成回路１４とを備える構成である。【選択図】図１

Description

本発明は、振動型角速度センサなどにおいて振動子を所定の駆動軸方向に振動させる振動子駆動回路に関する。

従来、振動子を所定の駆動軸方向に振動させておくことにより、外部から作用する角速度に応じたコリオリ力を振動子に生じさせ、そのコリオリ力によって振動子が振動方向とは直交する方向に変位する変位量を検出して角速度の大きさを計測する振動型角速度センサが公知である（例えば特許文献１，２）。この種の角速度センサは、振動子を介して閉ループを構成する駆動回路を備えており、振動子の駆動軸方向の振動振幅を検出して駆動信号のゲインを調整することにより、振動子を一定の振動振幅で振動させるように構成されている。

特開２００８−２０９１８２号公報特開２０１２−２３００５２号公報

しかし、従来の駆動回路は、角速度センサの温度環境が変化すると、それに伴って駆動信号に付与されるゲインが変化するため、振動子の駆動軸方向の振動振幅を一定の状態に安定させることができないという問題がある。特に、角速度センサでは振動子の駆動軸方向の振動振幅が測定感度に影響を与えるため、温度変化によって駆動信号に付与されるゲインが変化すると、正確に角速度を測定することができなくなるという問題がある。

そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、温度変化の影響を受けることなく、振動子の駆動軸方向の振動振幅を安定させることができる振動子駆動回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、振動子を所定の駆動軸方向に振動させる駆動信号を出力する振動子駆動回路であって、振動子の振動振幅を検知して所定の目標値と比較し、振動振幅と目標値との差分に応じて所定の基準電圧を基準とする制御信号を出力する振幅検知回路と、制御信号に基づいてオン抵抗を変化させる第１のトランジスタを有し、当該第１のトランジスタのオン抵抗に応じて駆動信号に付与するゲインを調整するゲイン調整回路と、第１のトランジスタと同一特性の第２のトランジスタを有し、第２のトランジスタのオン抵抗が所定値となるように第２のトランジスタを駆動し、第２のトランジスタの駆動電圧を基準電圧として振幅検知回路に出力する基準電圧生成回路と、を備えることを特徴とする構成である。かかる構成によれば、温度変化が生じると、第２のトランジスタを駆動する駆動電圧が変動するので、温度変化に応じて基準電圧を変動させることができ、温度変化による第１のトランジスタのオン抵抗の変動分をキャンセルすることができるようになる。

また本発明は、上記構成において更に以下の構成を有するものである。すなわち、ゲイン調整回路は、駆動信号に付与するゲインを所定のゲイン調整範囲内で調整し、基準電圧生成回路は、ゲインがゲイン調整範囲内の中間値となるときの第１のトランジスタのオン抵抗と第２のトランジスタのオン抵抗とが等価となるように第２のトランジスタを駆動して第２のトランジスタの駆動電圧を基準電圧とすることを特徴とする構成である。

また本発明は、上記構成において更に以下の構成を有するものである。すなわち、振幅検知回路は、振動子の駆動軸方向の振動振幅に応じた電荷を蓄積するサンプリング部と、サンプリング部に蓄積された電荷を転送していくことによって振動振幅と目標値との差分に応じて所定の基準電圧を基準とする差分信号を生成する電荷転送部と、電荷転送部において生成される差分信号を増幅して出力する増幅部と、を備えることを特徴とする構成である。

また本発明は、上記構成に加え、振動子の駆動軸方向の振動変位を検出して振動波形を出力する振動変位検出回路と、振動変位検出回路から出力される振動波形の位相を９０度シフトさせる位相変換回路と、を更に備え、ゲイン調整回路は、位相変換回路から出力される振動波形に対して第１のトランジスタのオン抵抗に応じたゲインを付与して駆動信号を生成することを特徴とする構成である。

更に本発明は、上記構成において更に以下の構成を有するものである。すなわち、振幅検知回路は、振動変位検出回路から出力される振動波形に基づいて振動子の駆動軸方向の振動振幅を検知することを特徴とする構成である。

本発明によれば、温度変化の影響を受けることなく、振動子の駆動軸方向の振動振幅を安定させることができる振動子駆動回路を実現することができる。

角速度センサの概略構成を示すブロック図である。振動子駆動回路における各部の信号波形を示す図である。ゲイン調整回路の一構成例を示す回路図である。振幅検知回路の一構成例を示す回路図である。振幅検知回路の各スイッチのオンオフ状態を示すタイミングチャートである。基準電圧生成回路の一構成例を示す回路図である。第１のトランジスタのオン抵抗の特性曲線を示す図である。振動子駆動回路の動作を説明するための信号波形図である。

以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態である振動子駆動回路３を備えた角速度センサ１の概略構成を示すブロック図である。この角速度センサ１は、例えばスマートフォンやタブレット端末などの情報処理端末に実装されるセンサであり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造によって形成される振動子５を有するセンサ部２と、センサ部２に設けられる振動子５を所定の駆動軸方向（Ｘ軸方向）へ振動させる振動子駆動回路３と、センサ部２から出力される信号に基づいて角速度を検出して出力する角速度検出回路４とを備える。

センサ部２に設けられる振動子５は、バネ構造などによりシリコン基板などの基板上でＸ軸方向及びＸ軸方向と直交するＹ軸方向に変位可能なように支持されており、振動子駆動回路３から出力される所定周波数の駆動信号Ｖｄｐ，ＶｄｎによってＸ軸方向に振動する。駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎの周波数は、振動子５の共振周波数に一致するように予め設定されている。振動子５がＸ軸方向に振動している状態で外部からの角速度が作用すると、振動子５に対して振動方向（Ｘ軸方向）に直交するＹ軸方向のコリオリ力が働き、振動子５はそのコリオリ力によってＹ軸方向へ変位するようになる。角速度センサ１は、そのようなコリオリ力による振動子５のＹ軸方向への変位を検知することよって角速度を検出するように構成される。

また振動子５は、センサ部２の基板上に形成される複数の固定電極のそれぞれと対向する複数の可動電極を備えており、それら固定電極と可動電極とによって複数のコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６を形成している。コンデンサＣ１，Ｃ２は、振動子５をＸ軸方向へ振動駆動させるためのコンデンサであり、コンデンサＣ３，Ｃ４は、振動子５のＸ軸方向への振動振幅を検知するためのコンデンサである。またコンデンサＣ５，Ｃ６は、振動子５がコリオリ力によってＹ軸方向へ変位したときの変位量を検知するためのコンデンサである。

振動子駆動回路３は、コンデンサＣ１，Ｃ２のそれぞれに対して駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを印加することにより、振動子５をＸ軸方向に駆動して振動させる。駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎは、図２（ａ）に示すように所定の基準電圧Ｖｒｅｆを中心に振動する正弦波信号であり、互いに極性が反転する信号として生成される。一方、振動子５の電位は、図２（ａ）に示すように基準電圧Ｖｒｅｆとは異なる所定電位Ｖａで一定に保持される。所定電位Ｖａは、振動子５の外部（図示省略）から供給され、振動子５に印加される。そのため、コンデンサＣ１，Ｃ２に駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎが印加されることにより、各コンデンサＣ１，Ｃ２の静電気力に差が生じ、その静電気力の差によって振動子５がＸ軸方向に振動する。そして振動子５がＸ軸方向に振動すると、コンデンサＣ３，Ｃ４の静電容量が変化するため、振動子駆動回路３は、それらコンデンサＣ３，Ｃ４の静電容量変化に応じてセンサ部２から出力される電荷信号Ｓｉｐ，Ｓｉｎに基づいて振動子５の振動振幅を検知し、その振動振幅に基づいて駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎのゲインを調整するように構成される。

角速度検出回路４は、振動子５がコリオリ力によってＹ軸方向に変位して起こるコンデンサＣ５，Ｃ６の静電容量変化に基づいて角速度を検出する。この角速度検出回路４は、ＣＶ変換回路１６と、信号処理部１７とを備えている。ＣＶ変換回路１６は、コンデンサＣ５，Ｃ６の静電容量変化を電圧に変換する回路であり、コンデンサＣ５，Ｃ６の静電容量変化に応じてセンサ部２から出力される電荷信号Ｓ１，Ｓ２を入力し、コリオリ力による振動子５のＹ軸方向の変位量に相当する電圧Ｖ１，Ｖ２を出力する。つまり、ＣＶ変換回路１６は、コリオリ力による振動子５のＹ軸方向への変位を検出するコリオリ力変位検出回路である。信号処理部１７は、ＣＶ変換回路１６から出力される電圧Ｖ１，Ｖ２から例えばクアドラチャーエラーなどの不要な信号成分を除去する回路であり、入力する電圧Ｖ１，Ｖ２に対して所定の信号処理を行うことにより、コリオリ力に応じた角速度信号Ｓｏｕｔを生成して出力する。

次に振動子駆動回路３について詳しく説明する。振動子駆動回路３は、ＣＶ変換回路１０と、位相変換回路１１と、ゲイン調整回路１２と、振幅検知回路１３と、基準電圧生成回路１４と、初期駆動信号発生回路１５とを備えており、振動子５を介する閉ループを構成して振動子５のＸ軸方向の振動振幅が一定の状態に安定するように制御する。

ＣＶ変換回路１０は、コンデンサＣ３，Ｃ４の静電容量変化を電圧に変換する回路であり、コンデンサＣ３，Ｃ４の静電容量変化に応じてセンサ部２から出力される電荷信号Ｓｉｐ，Ｓｉｎを入力して振動子５のＸ軸方向の振動変位に相当する信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎを出力する。つまり、ＣＶ変換回路１０は、振動子５のＸ軸方向の振動変位を検出する振動変位検出回路である。振動子５が駆動信号Ｖｄｐ，ＶｄｎによってＸ軸方向に駆動されると、その振動波形は駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎとは位相が９０°ずれた波形となる。そのため、ＣＶ変換回路１０から出力される信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎは、図２（ｂ）に示すように駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎに対して位相が９０°遅延した正弦波信号となる。また信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎの振幅は、振動子５のＸ軸方向の振動振幅に応じて変化する。

位相変換回路１１は、ＣＶ変換回路１０から出力される信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎの位相を変換することにより、駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎの位相に一致させる回路である。したがって、位相変換回路１１から出力される信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎは、図２（ｃ）に示すように駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎと同位相の正弦波信号となる。そして位相変換回路１１によって位相調整された信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎは、ゲイン調整回路１２に入力する。

振幅検知回路１３は、ＣＶ変換回路１０から出力される信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎに基づき、振動子５のＸ軸方向の振動振幅を検知する回路である。この振幅検知回路１３は、例えば図２（ｂ）に示す信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎが最大振幅となるタイミングで信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎの電位差をサンプリングすることにより振動子５のＸ軸方向の振動振幅を検知する。そして振幅検知回路１３は、振動子５のＸ軸方向の振動振幅を所定の目標値と比較し、振動振幅と目標値との差分に基づいて所定の基準電圧Ｖｒｅｐを基準とする制御信号Ｖｃｏｎｔを生成し、その制御信号Ｖｃｏｎｔをゲイン調整回路１２に出力する。尚、本実施形態では、振幅検知回路１３がＣＶ変換回路１０から出力される信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎに基づいて振動子５の振動振幅を検知する場合を例示するが、これに限られるものではなく、例えば位相変換回路１１から出力される信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎに基づいて振動振幅を検知するものであっても構わない。

ゲイン調整回路１２は、位相変換回路１１から出力される信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎを増幅してコンデンサＣ１，Ｃ２に印加する駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを生成する回路である。このゲイン調整回路１２は、振幅検知回路１３から出力される制御信号Ｖｃｏｎｔに基づいて信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎを増幅する際のゲインを調整し、振動子５のＸ軸方向の振動振幅を目標値にするための駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを生成する。したがって、ＣＶ変換回路１０、位相変換回路１１、ゲイン調整回路１２及び振幅検知回路１３により振動子５を発振させるための正帰還が構成される。

基準電圧生成回路１４は、振幅検知回路１３において生成される制御信号Ｖｃｏｎｔの基準となる基準電圧Ｖｒｅｐを生成する回路であり、その基準電圧Ｖｒｅｐを振幅検知回路１３へ出力する。

また初期駆動信号発生回路１５は、振動子５が振動していない停止状態から振動子５を振動させるときの初期駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２をゲイン調整回路１２へ出力する回路である。例えば初期駆動信号発生回路１５は、角速度センサ１の起動時に動作し、振動子５が停止状態から所定の振動振幅で振動するまで初期駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２をゲイン調整回路１２へ出力する。このとき、位相変換回路１１、振幅検知回路１３及び基準電圧生成回路１４は動作しない状態となる。そして振動子５が初期駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２によって所定の振動振幅で振動し始めると、初期駆動信号発生回路１５は、初期駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の出力を停止し、位相変換回路１１、振幅検知回路１３及び基準電圧生成回路１４のそれぞれが動作し始める。このように振動子駆動回路３は、起動時において初期駆動信号発生回路１５から出力される初期駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２によって振動子５を初期振動させた後、正帰還ループを形成して振動子５の振動振幅を目標値に制御するための動作を開始する。

図３は、ゲイン調整回路１２の一構成例を示す回路図である。ゲイン調整回路１２は、図３に示すように、全差動オペアンプ２０と、８つのＮＭＯＳトランジスタ（以下、単に「トランジスタ」という。）２１〜２８と、６つの抵抗Ｒ１，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ３とを備えて構成される。全差動オペアンプ２０の２つの帰還パスにはそれぞれ抵抗Ｒ１が接続される。位相変換回路１１から出力される信号Ｖｓｐは、抵抗Ｒ２と２つのトランジスタ２１，２２とを介して全差動オペアンプ２０の反転入力端子に入力されると共に、抵抗Ｒ３と２つのトランジスタ２５，２７とから構成される第１のゲイン調整部２９ａを介して全差動オペアンプ２０の非反転入力端子に入力される。また信号Ｖｓｎは、抵抗Ｒ２と２つのトランジスタ２３，２４を介して全差動オペアンプ２０の非反転入力端子に入力されると共に、抵抗Ｒ３と２つのトランジスタ２６，２８とから構成される第２のゲイン調整部２９ｂを介して全差動オペアンプ２０の反転入力端子に入力される。

８つのトランジスタ２１〜２８は、同一の基板上に同一の製造プロセスで形成された同一サイズのトランジスタであり、特性の等しいトランジスタである。このうちトランジスタ２１〜２６のゲート端子には所定の電源電圧Ｖｄｄが接続されている。この電源電圧Ｖｄｄにより、各トランジスタ２１〜２６が完全にオンした状態となり、オン抵抗がほぼ０となる。これに対し、ゲイン調整部２９ａ，２９ｂに設けられる２つのトランジスタ２７，２８のゲート端子には、振幅検知回路１３から出力される制御信号Ｖｃｏｎｔが入力される。この制御信号Ｖｃｏｎｔにより、各トランジスタ２７，２８のオン抵抗が変化し、ゲイン調整回路１２に入力される信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎに付与されるゲインが調整されるようになる。つまり、ゲイン調整部２９ａ，２９ｂに設けられる２つのトランジスタ２７，２８は、ゲインを調整するために制御信号Ｖｃｏｎｔに応じてオン抵抗を変化させるトランジスタ（第１のトランジスタ）である。例えば、制御信号Ｖｃｏｎｔが小さく、トランジスタ２７，２８がオフしているときには、ゲイン調整部２９ａ，２９ｂの２つのパスが無効になるため、ゲイン調整回路１２において信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎに付与されるゲインＧは、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の比で決まり、Ｇ＝Ｒ１／Ｒ２となる。また制御信号Ｖｃｏｎｔが大きく、トランジスタ２７，２８が完全にオンしているときには、ゲイン調整部２９ａ，２９ｂの２つのパスが有効に動作し、且つ、各トランジスタ２７，２８のオン抵抗がほぼ０であるため、ゲイン調整回路１２において信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎに付与されるゲインＧは、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３とで決まり、Ｇ＝（Ｒ１／Ｒ２）−（Ｒ１／Ｒ３）となる。さらに、制御信号Ｖｃｏｎｔが各トランジスタ２７，２８を完全オフ状態と完全オン状態との中間状態で動作させる値であるとき、各トランジスタ２７，２８のオン抵抗は、制御信号Ｖｃｏｎｔに応じて変化する。このときもゲイン調整部２９ａ，２９ｂの２つのパスは有効に動作するため、ゲイン調整回路１２において信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎに付与されるゲインＧは、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ３と、各トランジスタ２７，２８のオン抵抗Ｒｏｎとで決まり、Ｇ＝｛（Ｒ１／Ｒ２）−（Ｒ１／（Ｒ３＋Ｒｏｎ））｝となる。

ここで抵抗Ｒ１＝９００Ｒ、抵抗Ｒ２＝９Ｒ、抵抗Ｒ３＝１０Ｒとした場合、ゲイン調整回路１２において付与されるゲインＧの最大値Ｇｍａｘは、Ｇｍａｘ＝９００Ｒ／９Ｒ＝１００となり、信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎを１００倍に増幅した駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを出力することができる。またゲインＧの最小値Ｇｍｉｎは、Ｇｍｉｎ＝（９００Ｒ／９Ｒ）−（９００Ｒ／１０Ｒ）＝１０となり、信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎを１０倍に増幅した駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを出力することができる。そしてトランジスタ２７，２８のオン抵抗Ｒｏｎが制御信号Ｖｃｏｎｔに応じて変化することにより、ゲイン調整回路１２において付与されるゲインＧは、最小値Ｇｍｉｎと最大値Ｇｍａｘの範囲内で調整されるため、１０倍〜１００倍の範囲内で調整されるようになる。尚、オン抵抗Ｒｏｎが、Ｒｏｎ＝Ｒ３（＝１０Ｒ）となる場合、ゲインＧは、Ｇ＝５５となり、最小値Ｇｍｉｎ（＝１０）と最大値Ｇｍａｘ（＝１００）の中間値となる。

図４は、振幅検知回路１３の一構成例を示す回路図である。この振幅検知回路１３は、振動子５の振動振幅に応じた電荷を蓄積するサンプリング部３１と、サンプリング部３１に蓄積された電荷を転送していくことによって、振動子５の振動振幅と、その振動振幅の目標値とを比較し、それらの差分に基づいて所定の基準電圧Ｖｒｅｐを基準とする差分信号を生成する電荷転送部３２と、その差分信号を増幅して出力する増幅部３３とを備えている。サンプリング部３１は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２とコンデンサＣ１１とを備えて構成され、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を択一的にオン状態へと切り替えることにより、ＣＶ変換回路１０から出力される信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎの電位差に応じた電荷をコンデンサＣ１１に蓄積する。電荷転送部３２は、スイッチＳＷ３，ＳＷ４とコンデンサＣ１２，Ｃ１３とを備えて構成され、スイッチＳＷ３，Ｗ４を順にオン状態へと切り替えることにより、コンデンサＣ１１に蓄積された電荷を各コンデンサＣ１２，Ｃ１３へと順に転送し、その転送過程において振動子５の振動振幅を目標値と比較し、振動子５の振動振幅と目標値との差分信号を生成する。増幅部３３は、オペアンプ３４と抵抗Ｒａ，Ｒｂとを備えて構成され、抵抗Ｒａ，Ｒｂによって定められる増幅率で差分信号を増幅し、振動子５の振動振幅に応じた制御信号Ｖｃｏｎｔを出力する。

図５は、各スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４のオンオフ状態を示すタイミングチャートである。図５に示すように、信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎが、Ｖｉｐ＞Ｖｉｎであり、且つ、最大振幅を示すタイミングで、スイッチＳＷ１がオンオフ動作し、信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎの電位差を入力信号Ｖｘとし、その入力信号Ｖｘに応じた電荷（振動子５のＸ軸方向の振動振幅に応じた電荷）をコンデンサＣ１１に蓄積する。このとき、スイッチＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４はオフである。その後、スイッチＳＷ３をオンにすると、コンデンサＣ１１に蓄積された電荷がコンデンサＣ１２へ転送される。このとき、２つのコンデンサＣ１１，Ｃ１２は直列に接続された状態となり、コンデンサＣ１１の一端には基準電圧生成回路１４で生成される基準電圧Ｖｒｅｐが印加され、コンデンサＣ１２の一端には振動子５の振動振幅の目標値に相当する目標電圧Ｖｄａｃが印加される。コンデンサＣ１１からコンデンサＣ１２への電荷転送が完了すると、スイッチＳＷ３がオフとなり、次にスイッチＳＷ４がオンになってコンデンサＣ１２に蓄積された電荷が更にコンデンサＣ１３へ転送される。このとき、２つのコンデンサＣ１２，Ｃ１３は直列に接続された状態となり、各コンデンサＣ１２，Ｃ１３の両端が接地された状態となる。そして２つのコンデンサＣ１２，Ｃ１３の間の共通電位Ｖｙがオペアンプ３４の非反転入力端子に入力される。オペアンプ３４は、その電位Ｖｙを増幅して制御信号Ｖｃｏｎｔを出力する。続いて、信号Ｖｉｐ,Ｖｉｎが、Ｖｉｎ＞Ｖｉｐとなり、且つ、最大振幅を示すタイミングで、スイッチＳＷ２がオンオフ動作し、信号Ｖｉｎ，Ｖｉｐの電位差を入力信号Ｖｘとし、その入力信号Ｖｘに応じた電荷をコンデンサＣ１１に蓄積する。これ以降は、上記と同様に、コンデンサＣ１１に蓄積された電荷をコンデンサＣ１２、Ｃ１３へと順次転送し、オペアンプ３４から振動子５の振動振幅に応じた制御信号Ｖｃｏｎｔを出力する。

上記電荷転送が行われる過程において、電荷転送前でのオペアンプ３４に入力されている電位をＶｙ'とすると、電荷転送後にオペアンプ３４に入力される電位Ｖｙは、次の数１の式で表される。

ここで、スイッチＳＷ１がはじめにオンになる前の初期状態のとき、コンデンサＣ１２，Ｃ１３に電荷が蓄積されておらず、オペアンプ３４に入力している電位Ｖｙ'が０であるとすると、最初にコンデンサＣ１２に蓄積された電荷がコンデンサＣ１３へ転送されたときにオペアンプ３４に入力する電位Ｖｙは、上記数１における右辺の第１項で表され、振動子５の現在の振動振幅（入力信号Ｖｘ）と、その振動振幅の目標値である目標電圧Ｖｄａｃとの差分を、基準電圧Ｖｒｅｐを基準として表した差分信号となる。そして電荷転送が繰り返し行われている過程においては、振動子５の現在の振動振幅と、その振動振幅の目標値である目標電圧Ｖｄａｃとの差分信号に対し、上記数１に示す右辺第２項が加算された電位Ｖｙがオペアンプ３４に入力される。このような電位Ｖｙは、振動子５の振動振幅が目標値に収束してくると、次第に基準電圧Ｖｒｅｐに一致するようになる。つまり、入力信号Ｖｘが目標電圧Ｖｄａｃに近づいていくと、オペアンプ３４に入力される電位Ｖｙは基準電圧Ｖｒｅｐに近づいていき、最終的に入力信号Ｖｘが目標電圧Ｖｄａｃに一致すると、電位Ｖｙは基準電圧Ｖｒｅｐに一致する。これに対し、入力信号Ｖｘが目標電圧Ｖｄａｃに一致しないとき、オペアンプ３４に入力される電位Ｖｙは、基準電圧Ｖｒｅｐを基準に、入力信号Ｖｘと目標電圧Ｖｄａｃとの差分を表した差分信号となる。このような電位Ｖｙが、オペアンプ３４によって増幅され、制御信号Ｖｃｏｎｔが出力される。オペアンプ３４から出力される制御信号Ｖｃｏｎｔは、次の数２の式で表される。

ここで、入力信号Ｖｘが目標電圧Ｖｄａｃに等しいときには、上述のように電位Ｖｙ＝Ｖｒｅｐであるため、制御信号Ｖｃｏｎｔは、Ｖｃｏｎｔ＝Ｖｒｅｐとなる。また入力信号Ｖｘが目標電圧Ｖｄａｃに一致しないときには、オペアンプ３４に入力される電位Ｖｙが入力信号Ｖｘと目標電圧Ｖｄａｃとの差分信号となるため、制御信号Ｖｃｏｎｔは、その差分信号を抵抗Ｒａ，Ｒｂによる増幅率で増幅した信号として出力される。

したがって、振幅検知回路１３は、振動子５の振動振幅が目標値に一致しているときには制御信号Ｖｃｏｎｔとして基準電圧Ｖｒｅｐを出力し、振動子５の振動振幅が目標値に一致していないときには制御信号Ｖｃｏｎｔとして振動子５の振動振幅と目標値との差分に応じた信号を出力する。例えば、振動子５の振動振幅が目標値よりも小さいときには、制御信号Ｖｃｏｎｔが基準電圧Ｖｒｅｐよりも小さくなり、振動子５の振動振幅が目標値よりも大きいときには、制御信号Ｖｃｏｎｔが基準電圧Ｖｒｅｐよりも大きくなる。

次に図６は、基準電圧生成回路１４の一構成例を示す回路図である。この基準電圧生成回路１４は、オペアンプ４１と、ゲイン調整回路１２のゲイン調整部２９ａ，２９ｂとほぼ等価なレプリカ回路４２とを備えて構成される。レプリカ回路４２には、ゲイン調整部２９ａ，２９ｂのそれぞれに設けられているトランジスタ２５，２７及び２６，２８と特性が等しい２つのトランジスタ４３，４４が設けられている。レプリカ回路４２は、それら２つのトランジスタ４３，４４と抵抗Ｒ４とを直列に接続した構成である。すなわち、トランジスタ４３は、ドレイン端子が所定電圧Ｖｇに接続され、ソース端子がトランジスタ４４のドレイン端子に接続されると共に、ゲート端子がオペアンプ４１の出力に接続されている。このトランジスタ４３は、ゲイン調整回路１２においてゲインＧを調整するためにオン抵抗を変化させる第１のトランジスタ２７，２８と同一特性の第２のトランジスタである。一方、トランジスタ４４は、ソース端子が抵抗Ｒ４の一端に接続されており、ゲート端子には所定の電源電圧Ｖｄｄが接続されている。そして抵抗Ｒ４の他端は、接地されている。ここで、抵抗Ｒ４は、ゲイン調整回路１２のゲイン調整部２９ａ，２９ｂに設けられている抵抗Ｒ３と抵抗値が等しいものである。また抵抗Ｒ４は、抵抗Ｒ３と同一の材料で構成され、電気的特性が抵抗Ｒ３と揃っていることがより好ましい。一方、オペアンプ４１は、反転入力端子に２つのトランジスタ４３，４４の間のノードＮ１が接続されており、非反転入力端子に所定電圧Ｖｇの１／２の電圧Ｖｇ／２が入力される。

上記構成では、トランジスタ４４が常に完全にオンした状態となるため、トランジスタ４４のオン抵抗がほぼ０となる。そしてオペアンプ４１は、仮想短絡によってノードＮ１の電位がＶｇ／２となるようにトランジスタ４３を駆動するため、トランジスタ４３のオン抵抗が常に抵抗Ｒ４の抵抗値と等しくなるような電圧を出力する。これにより、トランジスタ４３は、オン抵抗が抵抗Ｒ４の抵抗値と常に等しくなるように動作する。このような動作は、環境温度が変化した場合であっても同様である。すなわち、温度変化が生じてトランジスタ４３のオン抵抗が変動しようとすると、オペアンプ４１はそれに応じて出力電圧を変動させることにより、温度変化後においてもトランジスタ４３のオン抵抗が抵抗Ｒ４の抵抗値と等しくなるように制御する。そして基準電圧生成回路１４は、オペアンプ４１から出力される駆動電圧を、基準電圧Ｖｒｅｐとして振幅検知回路１３へ出力する。したがって、基準電圧生成回路１４から出力される基準電圧Ｖｒｅｐは、温度変化に応じて変動する電圧であって、トランジスタ４３のオン抵抗を常に抵抗Ｒ４の抵抗値と等しい状態に保持することができる電圧として出力される。例えば、上述したように抵抗Ｒ３が１０Ｒであれば、抵抗Ｒ４も１０Ｒであるため、基準電圧Ｖｒｅｐは、トランジスタ４３のオン抵抗を常に１０Ｒに保持するための電圧となる。

振幅検知回路１３は、その基準電圧Ｖｒｅｐを基準にして、振動子５の振動振幅と目標値との差分に応じた制御信号Ｖｃｏｎｔをゲイン調整回路１２へ出力する。そしてゲイン調整回路１２は、振幅検知回路１３から出力される制御信号Ｖｃｏｎｔに基づいてゲイン調整部２９ａ，２９ｂに設けられたトランジスタ２７，２８を駆動することにより、信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎに付与するゲインを調整する。それらのトランジスタ２７，２８は、基準電圧生成回路１４のレプリカ回路４２に設けられたトランジスタ４３と特性が同じであるため、温度変化によってオン抵抗が変化するときにはレプリカ回路４２のトランジスタ４３と同様に変化する。

図７は、ゲイン調整回路１２のゲイン調整部２９ａ，２９ｂに設けられたトランジスタ２７，２８のオン抵抗の特性曲線ＴＣを示す図である。振動子５のＸ軸方向の振動振幅が目標値に一致しているとき、制御信号Ｖｃｏｎｔは基準電圧Ｖｒｅｐとなるため、トランジスタ２７，２８のオン抵抗Ｒｏｎは、抵抗Ｒ３の抵抗値と等しくなる。このとき、例えば上述したようにゲイン調整回路１２が抵抗Ｒ１＝９００Ｒ、抵抗Ｒ２＝９Ｒ、抵抗Ｒ３＝１０Ｒとして構成されていれば、信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎに付与されるゲインＧは、Ｇ＝５５となり、ゲイン調整範囲の中間値を保持する。また振動子５のＸ軸方向の振動振幅が目標値よりも小さいとき、制御信号Ｖｃｏｎｔは基準電圧Ｖｒｅｐよりも小さくなるため、トランジスタ２７，２８のオン抵抗Ｒｏｎは、抵抗Ｒ３の抵抗値よりも大きくなる。そのため、信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎに付与されるゲインＧは、ゲイン調整範囲の中間値よりも大きくなり、駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎの振幅を大きくして振動子５のＸ軸方向の振動振幅を増大させることができるようになる。さらに振動子５のＸ軸方向の振動振幅が目標値よりも大きい場合、制御信号Ｖｃｏｎｔは基準電圧Ｖｒｅｐよりも大きくなるため、トランジスタ２７，２８のオン抵抗Ｒｏｎは、抵抗Ｒ３の抵抗値よりも小さくなる。そのため、信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎに付与されるゲインＧは、ゲイン調整範囲の中間値よりも小さくなり、駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎの振幅を低減して振動子５のＸ軸方向の振動振幅を減少させることができるようになる。

そして角速度センサ１の温度環境が変化した場合、図７に示す特性曲線ＴＣはその変化に応じて左右方向へシフトする。このとき、基準電圧生成回路１４は、特性曲線ＴＣのシフト量に応じて基準電圧Ｖｒｅｐを変動させる。そのため、温度変化が生じた場合であっても、振動子５のＸ軸方向の振動振幅が目標値に一致しているときには、トランジスタ２７，２８のゲート端子に印加される制御信号Ｖｃｏｎｔがその温度変化に応じて変動するので、トランジスタ２７，２８のオン抵抗Ｒｏｎを常に抵抗Ｒ３の抵抗値と等しい状態で保持することができる。また振動子５のＸ軸方向の振動振幅が目標値に一致していない状態で温度変化が生じた場合も同様であり、制御信号Ｖｃｏｎｔがその温度変化に応じて変動することにより、温度変化によってオン抵抗Ｒｏｎが変化してしまうことを防止できるので、ゲイン調整回路１２において付与されるゲインＧを安定させることができる。

図８は、振動子駆動回路３における動作を説明するための信号波形図である。タイミングＴ１で振動子５の振動を開始すると、初期駆動信号発生回路１５で生成される初期駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２に基づいてゲイン調整回路１２が駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを振動子５に印加する。これにより、振動子５は次第にＸ軸方向へ振動し始めるため、ＣＶ変換回路１０は、その振動変位に応じた信号Ｖｉｐ，Ｖｉｎを出力する。そしてタイミングＴ２で振動子５の振動振幅が所定値以上になると、初期駆動信号発生回路１５が初期駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の出力を停止し、位相変換回路１１、振幅検知回路１３及び基準電圧生成回路１４による振幅制御動作に切り替わる。このとき、振動子５の振動振幅は目標値よりも著しく小さいため、振幅検知回路１３から出力される制御信号Ｖｃｏｎｔはほぼ最小値となり、トランジスタ２７，２８はオフの状態のままである。そのため、ゲイン調整回路１２は、位相変換回路１１から入力する信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎに対してゲインの最大値Ｇｍａｘを付与した駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを生成して出力する。そしてタイミングＴ３になると、振動子５の振動振幅が大きくなるのに従って、振幅検知回路１３から出力される制御信号Ｖｃｏｎｔが上昇し始め、次第に基準電圧Ｖｒｅｐへと近づいていく。そしてタイミングＴ４になると、制御信号Ｖｃｏｎｔが基準電圧Ｖｒｅｐと一致する。このとき、既に振動子５の振動振幅が目標値よりも大きくなっているため、振幅検知回路１３は、ゲイン調整回路１２において付与されるゲインＧを下げるべく、制御信号Ｖｃｏｎｔを基準電圧Ｖｒｅｐよりも更に上昇させる。これにより、振動子５の振動振幅は次第に小さくなり、目標値へと近づいていく。そしてタイミングＴ５で振動子５の振動振幅が目標値に一致し、制御信号Ｖｃｏｎｔが基準電圧Ｖｒｅｐに一致した状態で安定する。このとき、ゲイン調整回路１２において付与されるゲインＧは、例えばゲイン調整範囲の中間値に保持される。

その後、例えば温度変化が生じて基準電圧Ｖｒｅｐが図中破線Ｌ１に示すように変化したとしても、振幅検知回路１３から出力される制御信号Ｖｃｏｎｔは、その基準電圧Ｖｒｅｐに追従して変化する。そのため、ゲイン調整回路１２において付与されるゲインＧを一定の状態に保持することができ、振動子５の振動振幅を一定の状態に安定させておくことができる。これにより、角速度センサ１における測定感度が温度変化によって変動してしまうことを良好に防止することができるようになる。

以上のように本実施形態の振動子駆動回路３は、駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎに付与するゲインＧを調整するためのゲイン調整回路１２と、振動子５のＸ軸方向の振動振幅を検知する振幅検知回路１３と、基準電圧Ｖｒｅｐを生成する基準電圧生成回路１４とを備えている。振幅検知回路１３は、振動子５のＸ軸方向の振動振幅を検知して所定の目標値（Ｖｄａｃ）と比較し、振動子５のＸ軸方向の振動振幅と目標値との差分に応じて基準電圧Ｖｒｅｐを基準とする制御信号Ｖｃｏｎｔを出力する。ゲイン調整回路１２は、その制御信号Ｖｃｏｎｔに基づいてオン抵抗を変化させる第１のトランジスタ２７，２８を有し、そのトランジスタ２７，２８のオン抵抗に応じて駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎに付与するゲインＧを調整する。そして基準電圧生成回路１４は、第１のトランジスタ２７，２８と同一特性の第２のトランジスタ４３を有し、第２のトランジスタ４３のオン抵抗が所定値となるように第２のトランジスタ４３を駆動し、その第２のトランジスタ４３の駆動電圧を基準電圧Ｖｒｅｐとして振幅検知回路１３に出力する構成である。このような振動子駆動回路３によれば、ゲインＧを調整するための第１のトランジスタ２７，２８のオン抵抗が温度に応じて変化する場合であっても、制御信号Ｖｃｏｎｔの基準となる基準電圧Ｖｒｅｐがその温度変化によるオン抵抗の変化を抑制するように変動するため、温度変化の影響を受けることなく、振動子５の振動振幅を安定させることができるという利点ある。

また本実施形態における基準電圧生成回路１４は、第２のトランジスタ４３のオン抵抗が、ゲイン調整回路１２におけるゲイン調整範囲内の中間値となるときの第１のトランジスタ２７，２８のオン抵抗と等価となるように第２のトランジスタ４３を駆動し、その駆動電圧を基準電圧Ｖｒｅｐとして振幅検知回路１３に出力する。そのため、ゲイン調整回路１２は、ゲイン調整範囲の中心を安定点としてゲイン調整を行うことができる構成となっている。

また本実施形態における振幅検知回路１３は、上述のように、振動子５のＸ軸方向の振動振幅に応じた電荷を蓄積し、その蓄積電荷を順次転送していくことにより、その電荷転送過程で振動子５の振動振幅と目標値とを比較してそれらの差分に応じた差分信号を生成し、更にその差分信号を増幅して出力する構成である。一方、振動子５のＸ軸方向の振動振幅に応じた電荷を蓄積した後、積分アンプを用いて振動振幅を目標値と比較する構成を採用することも考えられる。しかし、積分アンプを用いた積分方式では、積分動作を伴うためＸ軸方向の振動振幅が目標値よりも高くなるとき、又は、低くなるときの出力電圧の応答速度が遅いため、例えば図８に示した制御信号Ｖｃｏｎｔが基準電圧Ｖｒｅｐを越えてオーバーシュートするときの上昇幅が大きくなり、振動子５のＸ軸方向の振動振幅が安定するまでに時間がかかるという問題がある。これに対し、本実施形態の振幅検知回路１３のように、振動子５のＸ軸方向の振動振幅に応じた電荷を順次転送していく過程において振動子５のＸ軸方向の振動振幅と目標値とを比較し、それらの差分に応じた差分信号を増幅して出力する構成の場合には、振動振幅の変化に伴う出力電圧の応答速度を速くすることができるため、図８に示す制御信号Ｖｃｏｎｔが基準電圧Ｖｒｅｐを越えてオーバーシュートするときの上昇幅を積分方式よりも小さくすることが可能であり、振動子５のＸ軸方向の振動振幅を短時間で目標値に安定させることができるという利点がある。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述したものに限定されるものではなく、種々の変形例が適用可能である。

例えば上記実施形態では、全差動オペアンプ２０を用いてゲイン調整回路１２を構成する場合について説明したが、これに限られるものではない。ただし、全差動オペアンプ２０を用いれば回路構成が簡単になるため、例えばスマートフォンやタブレット端末などのような比較的小型の情報処理端末に実装される場合には、上述したように全差動オペアンプ２０を用いてゲイン調整回路１２を構成することが好ましい。

１…角速度センサ、３…振動子駆動回路、５…振動子、１０…ＣＶ変換回路（振動変位検出回路）、１１…位相変換回路、１２…ゲイン調整回路、１３…振幅検知回路、１４…基準電圧生成回路、２７，２８…第１のトランジスタ、３１…サンプリング部、３２…電荷転送部、３３…増幅部、４３…第２のトランジスタ、Ｖｄｐ，Ｖｄｎ…駆動信号、Ｖｒｅｐ…基準電圧、Ｖｃｏｎｔ…制御信号

Claims

振動子を所定の駆動軸方向に振動させる駆動信号を出力する振動子駆動回路であって、
前記振動子の振動振幅を検知して所定の目標値と比較し、前記振動振幅と前記目標値との差分に応じて所定の基準電圧を基準とする制御信号を出力する振幅検知回路と、
前記制御信号に基づいてオン抵抗を変化させる第１のトランジスタを有し、当該第１のトランジスタのオン抵抗に応じて前記駆動信号に付与するゲインを調整するゲイン調整回路と、
前記第１のトランジスタと同一特性の第２のトランジスタを有し、前記第２のトランジスタのオン抵抗が所定値となるように前記第２のトランジスタを駆動し、前記第２のトランジスタの駆動電圧を前記基準電圧として前記振幅検知回路に出力する基準電圧生成回路と、
を備えることを特徴とする振動子駆動回路。
前記ゲイン調整回路は、前記ゲインを所定のゲイン調整範囲内で調整し、
前記基準電圧生成回路は、前記ゲインが前記ゲイン調整範囲内の中間値となるときの前記第１のトランジスタのオン抵抗と前記第２のトランジスタのオン抵抗とが等価となるように前記第２のトランジスタを駆動して前記第２のトランジスタの駆動電圧を前記基準電圧とすることを特徴とする請求項１に記載の振動子駆動回路。
前記振幅検知回路は、
前記振動子の振動振幅に応じた電荷を蓄積するサンプリング部と、
前記サンプリング部に蓄積された電荷を転送していくことによって前記振動振幅と前記目標値との差分に応じて所定の基準電圧を基準とする差分信号を生成する電荷転送部と、
前記電荷転送部において生成される差分信号を増幅して出力する増幅部と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動子駆動回路。
前記振動子の振動変位を検出して振動波形を出力する振動変位検出回路と、
前記振動変位検出回路から出力される振動波形の位相を９０度シフトさせる位相変換回路と、
を更に備え、
前記ゲイン調整回路は、前記位相変換回路から出力される振動波形に対して前記第１のトランジスタのオン抵抗に応じたゲインを付与して前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の振動子駆動回路。
前記振幅検知回路は、前記振動変位検出回路から出力される振動波形に基づいて前記振動子の振動振幅を検知することを特徴とする請求項４に記載の振動子駆動回路。