JP4930253B2 - 駆動装置、物理量測定装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動子に駆動振動を励振する駆動装置、これを用いた物理量測定装置、例えば振動型ジャイロスコープ、及び電子機器に関する。

いわゆるジャイロスコープには、物体に働く力の検出方法によって回転側や振動型等がある。中でも、振動型ジャイロスコープは、構成部品等の観点から小型化や低コスト化に有利とされている。このような振動型ジャイロスコープのうち、物体に働く角速度を検出する振動型ジャイロセンサには、信頼性や小型化に有利な水晶や圧電素子を励振する圧電振動型ジャイロセンサがある。圧電振動型ジャイロセンサは、振動している物体に角速度が加わると、その振動と直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。

振動型ジャイロセンサが適用される用途は広く、例えばビデオカメラやデジタルカメラの手振れ検出や、カーナビゲーションシステムのＧＰＳ（Global Positioning System）の位置検出、航空機やロボットの姿勢検出等に用いられる。

こうした用途において、振動型ジャイロセンサは、電池によって駆動される。従って、振動型ジャイロセンサの消費電力をできるだけ減らし、電池の寿命を長くする必要がある。この場合、角速度の検出等を行わない期間は振動型ジャイロセンサへの電源供給を停止させ、振動型ジャイロセンサを使用する期間のみ電池から電源供給を行わせることが好ましい。そのため、振動型ジャイロセンサを起動してから短時間で正常な動作を行わせる必要が生じる。

このような振動型ジャイロセンサの起動時間の短縮化を図る技術は、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。特許文献１には、発振ループ内にＣＲ発振回路又はリングオシレータを付加した構成により、起動直後であっても、増幅器により発振振幅を増大させるようにした技術が開示されている。また特許文献２には、水晶振動子と直列に抵抗を付加した構成により、振動子からの信号が安定化するまでの時間を短くした技術が開示されている。
特開２００４−２８６５０３号公報 特開２００３−２４０５５６号公報

ところで、振動型ジャイロセンサの駆動装置には、振動子に働く角速度を安定して検出するために、振動子を共振周波数で一定に振動（発振）させる必要がある。また、短時間で振動子が発振し正常な動作を開始させる必要がある。更には、低コストで、電池の寿命を長くするために、小型で低消費電力な回路で構成させることが好ましい。

一方、例えば振動子をＱ値の高い水晶によって形成し、該振動子をパッケージ内に真空封止すると、振動子の駆動Ｑ値が非常に高くなる。そのため、振動子に駆動振動を励振する際に、振動子からの信号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。

しかしながら、引用文献１の技術では、水晶振動子の駆動周波数に近い周波数で発振させようとすると、ＣＲ発振回路のコンデンサや抵抗器の素子面積が大きくなる。そのため、振動型ジャイロスコープ（振動型ジャイロセンサ）の大型化及びコスト高を招くという問題がある。また、引用文献１の技術では、起動時には一旦別の周波数で起動させているため、Ｑ値の高い水晶振動子の駆動周波数に引き込みにくい。そのため、製造ばらつき等の影響を受けると、より一層安定発振までの時間が長くなるという問題がある。更に、引用文献１の技術では、発振が起動した後は、矩形波で振動子が駆動される。そのため、発振の定常状態であってもエネルギーの損失が生じ、振動子を正弦波で駆動する場合に比べて消費電力が大きくなる。

また引用文献２の技術では、抵抗器を挿入する必要がある。一般に、集積回路装置内に抵抗器を作り込む場合、抵抗器の製造ばらつきが大きく、所望のエネルギーを振動子に与えることが困難になるという問題がある。更に引用文献２の技術では、抵抗器により、振動子に与えられるエネルギーが分割されるため、ゲインがロスするという問題がある。

本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回路規模を増大させることなく発振起動時間を短縮できる駆動装置、これを用いた物理量測定装置及び電子機器を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、
振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて前記振動子から出力される検出信号を同期検波した出力信号を用いて物理量を測定するのに際して、前記振動子と発振ループを形成し、該振動子に駆動振動を励振するための駆動装置であって、
前記発振ループ内の発振振幅を制御して前記振動子に駆動振動を励振するゲインコントロールアンプと、
前記発振ループ内の信号に基づいて前記同期検波の参照信号を生成するコンパレータとを含み、
前記コンパレータの出力を用いて、前記振動子と前記コンパレータとにより形成される発振ループ内のゲインを１より大きくした後に、前記振動子と前記ゲインコントロールアンプとにより形成される発振ループ内の発振振幅を制御して前記振動子に駆動振動を励振する駆動装置に関係する。

本発明においては、振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて前記振動子から出力される検出信号を同期検波した出力信号を用いて物理量を測定するのに際して、駆動装置が、振動子と発振ループを形成し、該振動子に駆動振動を励振するために用いられる。そして、本発明によれば、発振起動時には、同期検波用の参照信号を生成するコンパレータを用いて発振ループ内の信号を増幅し、発振定常状態になると発振ループを切り替えるようにしている。そして、その後は、ゲインコントロールアンプにより発振ループ内の発振振幅が制御される。これにより、同期検波処理と発振起動の高速化とを実現させることができる。

また本発明に係る駆動装置では、
前記振動子からの信号を検出する発振検出器を含み、
前記発振検出器の検出結果に基づいて、前記振動子と前記コンパレータとにより形成される発振ループから、前記振動子と前記ゲインコントロールアンプとにより形成される発振ループに切り替えることができる。

また本発明に係る駆動装置では、
前記発振検出器が、
また本発明に係る駆動装置では、
前記振動子と前記コンパレータとにより発振ループが形成されているときには、前記コンパレータの出力を用いて前記振動子に駆動振動を励振させ、
前記振動子と前記ゲインコントロールアンプとにより発振ループが形成されているときには、前記コンパレータの出力を、前記出力信号を生成するための同期検波用のクロックとして用いることができる。

上記のいずれかの発明によれば、一般的に発振ループの発振制御を行うために用いられる振動子からの信号検出結果を流用してスイッチ素子の切り替え制御を行うことができるので、回路規模を増大させることなく、同期検波処理と発振起動の高速化とを実現させることができる。

また本発明に係る駆動装置では、
前記ゲインコントロールアンプの出力の極性と前記コンパレータの出力の極性とが同一であってもよい。

本発明によれば、極性を反転させる回路を付加する必要が無くなり、回路規模の増大を抑えることができるようになる。

また本発明は、
振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて前記振動子から出力される検出信号に対応した物理量を測定するための物理量測定装置であって、
振動子と、
前記振動子に駆動振動を励振する上記のいずれか記載の駆動装置と、
前記検出信号に基づいて前記物理量に対応した出力信号を検出する検出装置とを含み、
前記検出装置が、
前記コンパレータの出力に基づいて前記検波信号を同期検波する同期検波器を含む物理量測定装置に関係する。

本発明によれば、一般的に発振ループの発振制御を行うために用いられる振動子からの信号検出結果を流用してスイッチ素子の切り替え制御を行うことができるので、回路規模を増大させることなく、同期検波処理と発振起動の高速化とを実現し、小型化及び低消費電力化を図る物理量測定装置を提供することができる。

また本発明に係る物理量測定装置では、
前記検出装置が、
前記コンパレータの出力と前記検波信号との位相を調整するための移相器を含むことができる。

本発明によれば、微少な検出信号の検出処理中の位相変化に応じて位相調整を行うことができるので、その結果として、高精度な位相調整と回路規模増大の防止とを両立させることができる。

また本発明は、
上記記載の物理量測定装置を含む電子機器に関係する。

本発明によれば、物理量の測定結果を用いて所与の処理を行う電子機器の小型化及び低消費電力化に寄与できるようになる。

また本発明に係る駆動装置では、
前記振動子は容量結合型の振動子であり、
前記ゲインコントロールアンプは、矩形波の駆動信号を前記振動子に与えることによって前記駆動振動を励振する。

矩形波による駆動方式は駆動信号のばらつきが少ないという利点がある。また、電圧振幅の制御が容易であるため、回路構成を簡素化でき、回路規模を縮小できるという利点がある。

また、容量結合型の振動子（内部等価回路において、信号経路に直流阻止コンデンサが介在するタイプの振動子）を用いると、発振ループの直流電位として任意の電位を使用でき、回路構成上の自由度が向上するという利点がある。なお、容量結合型の振動子（容量性の振動子）の例としては、圧電素子があげられる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成のすべてが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 駆動装置
図１に、本実施形態における駆動装置としての発振駆動回路の構成例のブロック図を示す。本実施形態における駆動装置としての発振駆動回路は、振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて振動子から出力される検出信号を同期検波した出力信号を用いて物理量を測定するのに用いられる。

発振駆動回路１０には、第１及び第２の接続端子ＴＭ１、ＴＭ２（電極、パッド）が設けられ、発振駆動回路１０の外部において、第１及び第２の接続端子の間に振動子１２が挿入されている。振動子１２には、励振手段１４が取り付けられており、励振手段１４が発振駆動回路１０に対して接続されており、発振ループを構成している。まず、発振駆動回路１０内の駆動器の利得（ゲイン）が大きい状態（ゲインが１より大きい状態）で発振スタートする。この時点では、駆動器への入力は雑音のみである。この雑音は、目的とする駆動振動の固有共振周波数を含む幅広い周波数の波動を含む。この雑音を、振動子１２に入力する。

振動子１２は、例えば後述するような圧電性単結晶からなる。振動子１２の周波数フィルタ作用によって、目的とする固有共振周波数の波動を多く含む信号が出力され、この信号が駆動器に入力される。発振ループ内でこうした操作が繰り返されることによって、目的とする固有共振周波数の信号の割合が高くなり、駆動器への入力信号の振幅が大きくなる。

発振定常状態においては、振動子１２からの出力電流を電流電圧変換器３０により電圧値に変換し、この電圧値に基づいてＡＧＣ（Auto Gain Control）回路４０によって発振ループ内の発振振幅を制御する。これによって、発振ループを信号が一周する間の利得（ループゲイン）が１となり、この状態で振動子１２が安定発振する。

振動子の安定発振は、物理量の測定に必要不可欠である。なぜなら、振動子において発振している駆動信号の振幅が一定でないと、振動子から出力されるべき出力信号の値も一定とならず、正確な測定を行うことができないからである。

また、振動子及び発振駆動回路を含むシステムの低消費電力化には、振動子の発振起動の高速化が必要不可欠である。なぜなら、迅速に安定発振を得ることで、必要なときにのみ発振を起動させることができるようになり、無駄に電力を消費する動作期間を短くできるからである。

そこで、本実施形態では、発振駆動回路１０において、発振起動時には駆動器としてコンパレータ５０を用い、発振定常状態には駆動器としてゲインコントロールアンプ（Gain Control Amplifier:以下、ＧＣＡ）２０を用いている。

そのため、本実施形態では、発振駆動回路１０は、ＧＣＡ２０と並列にコンパレータ５０が設けられている。また、発振駆動回路１０は、ＧＣＡ２０の出力と第２の接続端子ＴＭ２との間に挿入される第１のスイッチ素子ＳＷ１を含み、第１のスイッチ素子ＳＷ１は、スイッチ制御信号ＳＷＣＴＬによりオンオフ制御される。更に発振駆動回路１０は、コンパレータ５０の出力と第２の接続端子ＴＭ２との間に挿入される第２のスイッチ素子ＳＷ２を含み、第２のスイッチ素子ＳＷ２は、スイッチ制御信号ＳＷＣＴＬ＃によりオンオフ制御される。スイッチ制御信号ＳＷＣＴＬ＃は、スイッチ制御信号ＳＷＣＴＬの反転信号である。

更に発振駆動回路１０は、コンパレータ５０の出力を、同期検波の参照信号としての同期検波用クロックとして出力するための第３のスイッチ素子ＳＷ３を含む。第３のスイッチ素子ＳＷ３は、スイッチ制御信号ＳＷＣＴＬ１によりオンオフ制御される。スイッチ制御信号ＳＷＣＴＬ１は、スイッチ制御信号ＳＷＣＴＬ＃の反転信号である。

ＡＧＣ回路４０は、全波整流器４２と、発振検出器４４と、積分器４６とを含む。全波整流器４２は、電流電圧変換器３０によって変換された電圧値を直流信号としての電圧値に変換する。発振検出器４４は、全波整流器４２によって変換された電圧値に基づいて、振動子１２を含む発振ループが発振状態か否かを検出し、その検出結果に対応したスイッチ制御信号ＳＷＣＴＬを生成する。例えば発振検出器４４は、全波整流器４２によって変換された電圧値と所与の基準電圧値とを比較し、その比較結果に基づいてスイッチ制御信号ＳＷＣＴＬを生成する。また、積分器４６は、全波整流器４２によって変換された電圧値の積分結果に基づいて、ＧＣＡ２０による発振ループ内の発振制御を行うための制御信号ＶＣＴＬを生成する。例えば、積分器４６は、全波整流器４２によって変換された電圧値を積分して直流成分のレベルを求め、該レベルと所与の基準信号レベルとを比較し、その比較結果に基づいて制御信号ＶＣＴＬを生成する。例えばＧＣＡ２０の出力段（最終段）の回路（出力回路）の高電位側電源電圧は、制御信号ＶＣＴＬに基づいて制御されるようになっている。

このように、本実施形態では、第１及び第２のスイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２を制御することで、振動子１２とＧＣＡ２０とを含む発振ループ、振動子１２とコンパレータ５０とを含む発振ループの切り替えが行われる。

そして、ＡＧＣ回路４０は、第１及び第２のスイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２のスイッチ制御と、ＧＣＡ２０の発振振幅制御とを行う。

図２に、スイッチ制御信号ＳＷＣＴＬ、ＳＷＣＴＬ＃のタイミング波形図を示す。

電源投入直後等の発振起動過程においては、ＡＧＣ回路４０の発振検出器４４では振動子１２からの電流信号を変換した電圧値が所与の基準電圧値より低いことが検出され、発振検出器４４は、Ｌレベルのスイッチ制御信号ＳＷＣＴＬを生成する。これにより、第１のスイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ３がオフ状態、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオン状態に設定される。この際、コンパレータ５０の動作特性として、コンパレータ５０の入力信号のレベルが所与の閾値を超えると、非常に大きなゲインで該入力信号を増幅し、発振ループ内のゲインを１より大きくすることができる。この結果、発振起動過程では、振動子１２及びコンパレータ５０を含む発振ループにおいて、発振ループ内のゲインが１より大きく、且つ発振ループ内の位相が３６０×ｎ（ｎは整数）となるように振動子１２に駆動振動を励振する。

その後、発振検出器４４において、振動子１２からの電流信号を変換した電圧値が所与の基準電圧値より高いことが検出されると、発振検出器４４は、Ｈレベルのスイッチ制御信号ＳＷＣＴＬを生成する。これにより、第１のスイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ３がオン状態、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオフ状態に設定される。この際、ＡＧＣ回路４０からの制御信号ＶＣＴＬに基づき、ＧＣＡ２０により発振ループ内の発振振幅が制御され、発振ループ内のゲインが１となるように制御される。この結果、発振起動過程が終了して発振定常状態に移る。この発振定常状態では、振動子１２及びＧＣＡ２０を含む発振ループにおいて、発振ループ内のゲインが１であり、且つ発振ループ内の位相が３６０×ｎとなるように振動子１２に駆動振動を励振する。

即ち、本実施形態では、発振検出器４４の検出結果に基づいて、振動子１２とコンパレータ５０とにより形成される発振ループから、振動子１２とＧＣＡ２０とにより形成される発振ループに切り替えることができる。より具体的には、発振検出器４４において、振動子１２に流れる電流を変換した直流電圧が所与の閾値電圧に達したことを条件に上記の切り替え制御を行う。こうすることで、一般的に発振ループの発振制御を行うために用いられる振動子１２からの信号検出結果を流用してスイッチ素子の切り替え制御を行うことができるので、回路規模をそれほど増大させることなく、高速な発振起動を実現させることができるようになる。

ところで、本実施形態では、発振定常状態において、コンパレータ５０の出力が、第３のスイッチ素子ＳＷ３を介して同期検波用のクロックとして出力される。こうすることで、振動子１２に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて振動子１２から出力される検出信号を同期検波した出力信号を用いて物理量を測定するのに際して、回路規模を増大させることなく、同期検波処理と発振起動の高速化とを実現させることができる。

なお、コンパレータ５０のゲインをできる限り大きくすることが好ましい。こうすることで、発振起動過程において形成される発振ループ内のループゲインを大きくでき、発振起動時間を短縮できるようになる。また、発振定常状態において出力される同期検波用クロックのクロック精度を向上できるようになる。

また、ＧＣＡ２０を構成するオペアンプの極性（反転、非反転）と、コンパレータ５０を構成するオペアンプの極性とを同一にすることが好ましい。こうすることで、第１及び第２のスイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２により発振ループを切り替えたとしても、極性を反転させる回路を付加する必要が無くなり、回路規模の増大を抑えることができる。

図３に、図１の発振駆動回路１０の詳細な構成例の回路図を示す。

図３において、図１と同一部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。

電流電圧変換器３０は、オペアンプＯＰ１、帰還キャパシタＣ１及び帰還抵抗Ｒ１を含む。オペアンプＯＰ１の非反転入力端子（＋）には、所与の基準電圧ＶＲ０が供給され、反転入力端子（−）には第１の接続端子ＴＭ１が電気的に接続される。

全波整流器４２は、オペアンプＯＰ２、ＯＰ３、抵抗Ｒ２、Ｒ３を含む。オペアンプＯＰ２、抵抗Ｒ２、Ｒ３は、反転回路として機能する。またオペアンプＯＰ３は、電流電圧変換器３０の出力電圧と基準電圧ＶＲ０とを比較するコンパレータとして機能する。全波整流器４２は、オペアンプＯＰ２の出力側に設けられるスイッチ素子と、全波整流器４２の入力と出力とをバイパスするスイッチ素子とを含む。両スイッチ素子は、オペアンプＯＰ３の出力信号に基づいて排他的にオンオフ制御される。

発振検出器４４は、ローパスフィルタ（Low Pass Filter：以下、ＬＰＦ）と、オペア
ンプＯＰ４を含む。ＬＰＦは、抵抗Ｒ４、キャパシタＣ２を含む。抵抗Ｒ４は、ＬＰＦの入力と出力との間に直列に挿入される。キャパシタＣ２の一端は、ＬＰＦの出力ノードに電気的に接続される。キャパシタＣ２の他端には、基準電圧ＶＲ１が供給される。このＬＰＦのカットオフ周波数は１／（２π×Ｃ２×Ｒ４）である。オペアンプＯＰ４の反転入力端子に、ＬＰＦの出力ノードが接続される。オペアンプＯＰ４の出力と非反転入力端子との間に、抵抗Ｒ５が帰還抵抗として挿入される。オペアンプＯＰ４の非反転入力端子には、抵抗Ｒ６を介して基準電圧ＶＲ１が供給される。オペアンプＯＰ４の出力信号が、スイッチ制御信号ＳＷＣＴＬとして出力される。

積分器４６は、オペアンプＯＰ５、抵抗Ｒ７、Ｒ８、キャパシタＣ３を含む。キャパシタＣ３は、オペアンプＯＰ５の帰還キャパシタとして接続される。抵抗Ｒ８は、オペアンプＯＰ５の帰還抵抗として挿入される。抵抗Ｒ７は、オペアンプＯＰ５の反転入力端子と全波整流器４２の出力ノードとの間に挿入される。積分器４６では、抵抗Ｒ７、Ｒ８により入力電圧オフセットや入力電流オフセットの影響を低減し、ゲイン調整が行われる。オペアンプＯＰ５の非反転入力端子には、基準電圧ＶＲ２が供給されている。積分器４６のキャパシタＣ３、抵抗Ｒ８によりＬＰＦの機能を備え、カットオフ周波数は１／（２π×Ｃ３×Ｒ８）である。オペアンプＯＰ５の出力信号が、制御信号ＶＣＴＬとしてＧＣＡ２０に供給される。

ここで、発振起動過程において振動子１２に流れる電流をＩｄ、発振定常状態において振動子１２に流れる電流をＩｄ´とする。電流電圧変換器３０によって平滑化されることを考慮すると、基準電圧ＶＲ２は、次式のように表すことができる。

ＶＲ２＝（Ｉｄ×Ｒ１×２／π）＋ＶＲ０ ・・・（１）
ここで、Ｒ１は、電流電圧変換器３０の帰還抵抗の抵抗値を意味する。同様に、基準電圧ＶＲ１は、次式のように表すことができる。

ＶＲ１＝（Ｉｄ´×Ｒ１×２／π）＋ＶＲ０ ・・・（２）
Ｉｄ´＜Ｉｄであるため、ＶＲ２＞ＶＲ１である。また、基準電圧ＶＲ０との関係で、以下の関係を有することが好ましい。

ＶＲ０＜ＶＲ１＜ＶＲ２ ・・・（３）
２． 振動型ジャイロセンサ
図４に、本実施形態における発振駆動回路１０が適用された振動型ジャイロセンサの構成例のブロック図を示す。

図４において、図１と同一部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。

振動型ジャイロセンサ（広義には物理量測定装置）１００は、発振回路２００と検出回路（広義には検出装置）３００とを含む。発振回路２００は、振動子１２と発振駆動回路１０とを含む。発振駆動回路１０は、振動子１２の駆動振動部１２ａを励振するためのものである。

発振起動時には、発振駆動回路１０に対してコンパレータ５０の出力を雑音として入力する。この雑音は、振動子１２の駆動振動部１２ａを通過して周波数選択を受け、次いで駆動振動部１２ａを通過した信号の一部を取り出し、全波整流器４２に入力し、振幅に変換する。この振幅の信号を発振検出器４４に入力し、スイッチ制御信号ＳＷＣＴＬを生成する。発振起動時には、振動子１２ａを通過して周波数選択を受けた信号の振幅が小さく、発振検出器４４は、Ｌレベルのスイッチ制御信号ＳＷＣＴＬを出力する。

発振起動直後には、振動子１２ａを通過して周波数選択を受けた信号の振幅が大きくなり、発振検出器４４は、スイッチ制御信号ＳＷＣＴＬがＨレベルとなる。これにより、振動子１２ａを通過して周波数選択を受けた信号は、ＧＣＡ２０により振幅制御されるように発振ループが切り替えられる。その後、駆動振動部１２ａにおいて雑音の大部分がカットされて全波整流器４２からの出力が比較的小さい場合には、ＧＣＡ２０における利得を大きくし、発振ループを一周する間のループゲインが１になるようにする。時間が経過すると、全波整流器４２からの出力が大きくなるので、ＧＣＡ２０における利得を小さくし、ループゲインが１になるようにする。

そして、駆動信号の発振状態が安定化すると、振動子１２の駆動検出部１２ｂ、１２ｃからの信号の検出を開始する。即ち、振動子の駆動検出部１２ｂ、１２ｃからの検出信号（交流）を交流増幅回路３１０の交流増幅器３１２Ａ、３１２Ｂを用いて増幅し、各増幅器３１２Ａ、３１２Ｂからの出力を加算器３１４によって加算する。

加算器３１４の出力は移相器３２０に通し、移相信号を得る。移相信号の移相は、発振駆動回路１０のコンパレータ５０の出力である同期検波用クロックの移相に対して、所定角度、例えば９０度ずれている。この移相信号と発振駆動回路１０からの同期検波用クロックとを同期検波器３３０に入力し、振動子１２からの出力信号を検波する。この結果、検波後の出力信号においては、不要な漏れ信号は消去されており、あるいは少なくとも低減されているはずである。このように検出回路３００において同期検波用クロックと検出信号との位相調整を行うことで、微少信号の検出処理中の位相変化に応じて位相調整を行うことができるので、その結果として、高精度な位相調整と回路規模増大の防止とを両立させることができる。

この検波後の出力信号をローパスフィルタ３４０に入力し、平滑化し、次いで０点調整器３５０に入力する。この０点調整器３５０の出力を、測定すべき物理量（例えば角速度）に対応した出力信号として外部に取り出す。

図４の振動型ジャイロセンサ１００は、電子機器として例えばビデオカメラやデジタルカメラや、カーナビゲーションシステム、航空機やロボットに搭載されることが好ましい。

なお本発明は、本実施形態における振動子１２に限定されるものではない。振動子１２を構成する材質としては、エリンバー等の恒弾性合金、強誘電性単結晶（圧電性単結晶）を例示できる。こうした単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ホウ酸リチウム、ランガサイトを例示できる。また、振動子１２は、パッケージ内に気密封止されることが好ましい。パッケージ内の雰囲気は、乾燥窒素又は真空とするのが、好ましい。

また本発明において測定されるべき物理量は、本実施形態のような角速度に限定されるものではない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出海路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される角速度の他に、加速度、角加速度が特に好ましい。また、検出装置としては慣性センサが好ましい。

（第２の実施形態）
本実施形態では、駆動装置における矩形波駆動と正弦波駆動、ならびに容量結合型の振動子について説明する。

図１の駆動装置では、矩形波駆動および正弦波駆動のいずれも採用することができる。また、振動子として、容量性結合型の振動子を採用することができる。

図５（Ａ）は、矩形波駆動を実行する駆動装置の要部を示す。図示されるように、振動子１２は、矩形波の駆動信号（ＰＬ）によって駆動される。発振ループの利得制御は、駆動信号（ＰＬ）のハイレベル電圧またはローレベル電圧を調整することによって、簡単に行うことができる。

矩形波による駆動方式は駆動信号（ＰＬ）のばらつきが少ないという利点がある。また、駆動信号の電圧振幅の制御が容易であるため、回路構成を簡素化でき、回路規模を縮小できるという利点がある。

矩形波による駆動方式は、例えば、振動子（物理量トランスデューサ）を所定周波数の矩形波（３次、５次等の高調波成分が含まれる）で駆動した場合でも、振動子（物理量トランスデューサ）自体がもつ周波数フィルタ作用によって、不要な高調波が低減され、目的とする周波数（共振周波数）の駆動信号が得られることを利用している。

図５（Ｂ）は、正弦波駆動を実行する駆動装置の要部を示す。図示されるように、振動子１２は、正弦波の駆動信号（ＰＱ）によって駆動される。ゲインコントロールアンプ（ＧＣＡ）２０は、可変抵抗１００の抵抗値を可変に制御することによって、発振ループのゲインを調整する。このようなアナログ波形の駆動方式も使用することができる。

また、図５（Ａ），図５（Ｂ）では、振動子１４として、容量結合型の振動子を用いている（但し、これに限定されるものではなく、可変抵抗型等の、種々の振動子を用いることができる）。

容量結合型の振動子（容量性の振動子）は、内部等価回路において、信号経路に直流阻止コンデンサ（図５（Ａ），図５（Ｂ）におけるＣ１，Ｃ２）が介在するタイプの振動子である。容量結合型の振動子（容量性の振動子）の例としては、圧電素子があげられる。

容量結合型の振動子を用いると、発振ループの直流電位として任意の電位を使用できる。よって、ＤＣ電位を気にすることなく回路を構成することができ、回路構成上の自由度が向上するという利点がある。

本発明によれば、回路規模を増大させることなく発振起動時間を短縮できる駆動装置、これを用いた物理量測定装置及び電子機器を提供することができる。

本実施形態における発振駆動回路の構成例の回路ブロック図。 図１のスイッチ制御信号の一例のタイミング図。 図１の発振駆動回路の詳細な回路例を示す図。 本実施形態における振動型ジャイロセンサの構成例のブロック図。 図５（Ａ），図５（Ｂ）は、矩形波駆動と正弦波駆動、ならびに容量結合型の振動子について説明するための回路図。

符号の説明

１０ 発振駆動回路、 １２ 振動子、 １２ａ 駆動振動部、
１２ｂ、１２ｃ 駆動検出部、 １４ 励振手段、 ２０ ＧＣＡ、
３０ 電流電圧変換回路、 ４０ ＡＧＣ回路、 ４２ 全波整流器、
４４ 発振検出器、 ４６ 積分器、 ５０ コンパレータ、
１００ 振動型ジャイロセンサ、 ２００ 発振回路、 ３００ 検出回路、
３１０ 交流増幅回路、 ３１２Ａ、３１２Ｂ 交流増幅器、 ３１４ 加算器、
３２０ 移相器、 ３３０ 同期検波器、 ３４０ ＬＰＦ、 ３５０ ０点調整器、
ＳＷ１〜ＳＷ３ 第１〜第３のスイッチ素子、
ＳＷＣＴＬ、ＳＷＣＴＬ＃、ＳＷＣＴＬ１ スイッチ制御信号、 ＶＣＴＬ 制御信号

Claims (7)

1. 振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて前記振動子から出力される検出信号を同期検波した出力信号を用いて物理量を測定するのに際して、前記振動子と発振ループを形成し、該振動子に駆動振動を励振するための駆動装置であって、
   前記振動子の第１の接続端子からの出力電流を電圧値に変換する電流電圧変換器と、
   前記電流電圧変換器からの出力信号が入力され、前記発振ループ内の発振振幅を制御して前記振動子に駆動振動を励振するゲインコントロールアンプと、
   前記電流電圧変換器からの出力信号に基づいて、前記同期検波の参照信号を生成するコンパレータと、
   前記ゲインコントロールアンプの出力と前記振動子の第２の接続端子との間に設けられる第１のスイッチ素子と、
   前記コンパレータの出力と前記振動子の前記第２の接続端子との間に設けられる第２のスイッチ素子と、
   前記ゲインコントールアンプの発振振幅制御を行うと共に、前記第１、第２のスイッチ素子のスイッチ制御を行うＡＧＣ（Auto Gain Control）回路とを含み、
   発振起動過程では、
   前記ＡＧＣ回路のスイッチ制御により前記第１のスイッチ素子がオフになり前記第２のスイッチ素子がオンになることで、前記コンパレータの出力を用いて、前記振動子と前記コンパレータとにより形成される発振ループ内のゲインを１より大きくし、
   前記発振起動過程の後の発振定常状態では、
   前記ＡＧＣ回路のスイッチ制御により前記第１のスイッチ素子がオンになり前記第２のスイッチ素子がオフになることで、前記振動子と前記ゲインコントロールアンプとにより形成される発振ループ内の発振振幅を制御して前記振動子に駆動振動を励振すると共に、
   前記ＡＧＣ回路は、
   前記電流電圧変換器によって変換された電圧値を直流信号としての電圧値に変換するための全波整流器と、
   前記全波整流器によって変換された電圧値に基づいて、前記振動子を含む発振ループが発振状態か否かを検出し、前記第１、第２のスイッチ素子のスイッチ制御信号を生成する発振検出器と、
   前記全波整流器によって変換された電圧値の積分結果に基づいて、前記ゲインコントロールアンプによる発振ループ内の発振制御を行うための制御信号を生成する積分器とを含み、
   前記発振検出器が、前記全波整流器からの電圧値が所与の閾値電圧に達したことを条件に、前記第１のスイッチ素子をオフからオンに切り替え、前記第２のスイッチ素子をオンからオフに切り替えることで、前記振動子と前記コンパレータとにより形成される発振ループから、前記振動子と前記ゲインコントロールアンプとにより形成される発振ループに切り替えることを特徴とする駆動装置。
2. 請求項１において、
   前記コンパレータの出力を、同期検波用のクロックとして出力するための第３のスイッチ素子を含み、
   前記振動子と前記コンパレータとにより発振ループが形成されているときには、前記第２のスイッチ素子がオンになり前記第３のスイッチ素子がオフになることで、前記コンパレータの出力を用いて前記振動子に駆動振動を励振させ、
   前記振動子と前記ゲインコントロールアンプとにより発振ループが形成されているときには、前記第２のスイッチ素子がオフになり前記第３のスイッチ素子がオンになることで、前記コンパレータの出力を、前記出力信号を生成するための同期検波用のクロックとして用いることを特徴とする駆動装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記ゲインコントロールアンプの出力の極性と前記コンパレータの出力の極性とが同一であることを特徴とする駆動装置。
4. 振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて前記振動子から出力される検出信号に対応した物理量を測定するための物理量測定装置であって、
   振動子と、
   前記振動子に駆動振動を励振する請求項１乃至３のいずれか記載の駆動装置と、
   前記検出信号に基づいて前記物理量に対応した出力信号を検出する検出装置とを含み、
   前記検出装置が、
   前記コンパレータの出力に基づいて前記検波信号を同期検波する同期検波器を含むことを特徴とする物理量測定装置。
5. 請求項４において、
   前記検出装置が、
   前記コンパレータの出力と前記検波信号との位相を調整するための移相器を含むことを特徴とする物理量測定装置。
6. 請求項４又は５記載の物理量測定装置を含むことを特徴とする電子機器。
7. 請求項１において、
   前記振動子は容量結合型の振動子であり、
   前記ゲインコントロールアンプは、矩形波の駆動信号を前記振動子に与えることによって前記駆動振動を励振することを特徴とする駆動装置。

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