JP5040117B2 - 発振回路、物理量トランスデューサ及び振動ジャイロセンサ - Google Patents
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Description
ここで、上述のように電極920に正弦波の電圧を印加するため、速度vは次式で表すことができる。なお次式において、音叉振動の振幅をa、音叉振動の周期をω0とする。
従って、(1)式に(2)式を代入すれば、コリオリ力Fcは、次式のようになる。
(3)式に示されるように、コリオリ力Fcは、質量mに比例し、角速度Ωに比例し、速度vに比例することがわかる。
ところで、ジャイロセンサが組み込まれる電子機器の用途を考慮すると、低消費電力化の要求を満足させることが必要となる。そのため、発振回路を適宜停止させたりする必要があり、その一方で発振の起動時間はできるだけ短いことが望ましい。
発振ループ内の発振振幅を制御するためのゲインコントロールアンプと、
前記発振振幅に応じて前記ゲインコントロールアンプのゲインを調整するための制御電圧を出力するゲイン制御回路とを含み、
前記ゲイン制御回路は、
前記発振振幅を監視して前記発振ループ内の発振が定常状態か起動過程かを判別し、
前記発振ループ内の発振が起動過程と判別されたとき、前記発振振幅にかかわらず所与の定電圧を前記制御電圧として出力し、
前記発振ループ内の発振が定常状態と判別されたとき、前記発振振幅に応じたゲインを決定するための制御電圧を出力する発振回路に関係する。
前記定電圧が、前記発振の起動過程において前記発振ループ内のゲインを上げるような電圧であってもよい。
前記ゲイン制御回路が、
前記発振ループ内の信号を直流信号に変換するための整流回路と、
前記直流信号と所与の第1の基準信号との差分に応じて前記制御電圧を生成する差動アンプとを含むことができる。
前記ゲイン制御回路が、
前記発振ループ内の信号又は前記直流信号と所与の第2の基準信号とを比較することによって、前記発振ループ内の発振が定常状態か起動過程かを判別することができる。
前記発振ループ内の負性抵抗値をRN、前記発振ループ内の負荷共振抵抗値をRL、前記ゲインコントロールアンプのゲインをk、前記定常状態における前記ゲインコントロールアンプのゲインをk0とした場合に、
前記ゲイン制御回路は、
前記ゲインコントロールアンプの入力電圧が基準電源電圧のとき、k/k0が|RN/RL|以上となるような定電圧を前記制御電圧として出力することができる。
前記発振ループ内の負性抵抗値をRN、前記発振ループ内の負荷共振抵抗値をRL、|RN/RL|の最大値をM、前記定常発振状態における前記制御電圧をVc0とした場合に、
前記定電圧が、Vc0×(2−M)であってもよい。
|RN/RL|の最大値Mが、5以上であってもよい。
共振子と、
前記共振子からの電流を電圧に変換し、該電圧を前記ゲインコントロールアンプの入力電圧として出力する電流電圧変換器とを含むことができる。
前記共振子が、
水晶振動子であってもよい。
上記のいずれか記載の発振回路を含む物理量トランスデューサに関係する。
上記記載の発振回路と、
前記共振子とカップリングさせた状態で、外的作用によって変化する物理量を出力する物理量出力回路とを含む物理量トランスデューサに関係する。
上記記載の発振回路と、
前記共振子とカップリングさせた状態で、回転によって変化する電荷量を出力する物理量出力回路とを含む振動ジャイロセンサに関係する。
図1に、本実施形態の発振回路の原理的な構成を示す。
図2に戻って、ゲイン制御回路30の差動アンプ36は、直流信号である電圧V3と予め決められた所与の第1の基準電圧(基準信号)Vref1との差分に応じて制御電圧Vc1を生成する。より具体的には、電圧V3と第1の基準電圧Vref1との差が大きいほど、高い電位の電圧Vc1を生成する。
そこで、まず本実施形態の比較例との対比において、本実施形態における定電圧Vcsについて説明する。
また、位相条件は、図7の位相変化部950により変化する位相θに対して、次式が成立しなければならない。
そこで、図6に示す発振回路100のmは、次のように求められる。
k=g(Vc) ・・・(8)
ここで、比PV2、PVc、Pkを次のように定義する。
PVc=Vc/Vc0 ・・・(10)
Pk=k/k0 ・・・(11)
発振振幅を一定に制御するためには、次の関係式が成り立つ必要がある。
従って、発振振幅を一定に制御する場合、ゲインコントロールアンプ20について、制御電圧Vcに対するゲインkの変化を示すVc−k特性は、いわゆる1/x特性を示す。しかしながら、ゲインコントロールアンプ20のVc−k特性は、通常、線形性を有する。よって(8)式は1次関数である。
Pk=−PVc+2 ・・・(14)
図8に、比較例におけるVc−k特性の一例を示す。
従って、発振回路10において、発振の起動過程において、(15)式で求められる定電圧Vcsで発振ループ内のゲインを上げるようにし、発振の定常状態では、通常の発振制御を行うことで、簡素な構成で、発振ループ内の振幅制御を高精度で実現しながら、発振の起動時間を短縮できるようになる。
次に、本実施形態の発振回路の適用例として、物理量トランスデューサについて説明する。
次に、本実施形態における物理量トランスデューサの一例として、振動ジャイロセンサについて説明する。
30、110 ゲイン制御回路、 32 発振起動過程判別回路、
34 全波整流回路、 35 LPF、 36 差動アンプ、 38 切替回路、
40、210 共振子、 50 電流電圧変換器、 60 位相調整回路、
96 演算増幅器、 200 物理量トランスデューサ、
220、320 発振駆動回路、 230 物理量出力回路、
300 振動ジャイロセンサ、 310 振動子、 330 位相シフタ、
340 コンパレータ、 350 差動アンプ、 360 同期検波器、
370 LPF、 380 出力アンプ、 AGND 基準電源電圧、
Vc 制御電圧、 Vcs 定電圧、 Vref1 第1の基準電圧、
Vref2 第2の基準電圧、 V2 出力電圧、 det1、det2 検出信号、
drv 駆動信号、 fb フィードバック信号、 sync 同期信号、
syncin 同期検波入力信号、 syncout 同期検波出力信号
Claims (7)
- 発振ループ内の発振振幅を制御するためのゲインコントロールアンプと、
前記発振振幅に応じて前記ゲインコントロールアンプのゲインを調整するための制御電圧を出力するゲイン制御回路とを含み、
前記ゲイン制御回路は、
前記発振ループ内の信号の振幅を検出する振幅検出回路と、
前記振幅検出回路からの前記振幅の検出結果に基づいて、前記振幅が大きいほど電圧が大きくなる出力電圧を出力する電圧出力回路と、
前記振幅検出回路からの前記振幅の検出結果に基づいて、前記発振ループ内の発振が定常状態か起動過程かを判別する発振起動過程判別回路と、
前記発振起動過程判別回路により前記発振ループ内の発振が前記定常状態と判別された場合には、前記電圧出力回路からの前記出力電圧を、前記発振振幅に応じたゲインを決定するための前記制御電圧として出力し、前記発振起動過程判別回路により前記発振ループ内の発振が前記起動過程と判別された場合には、前記発振振幅にかかわらず所与の定電圧を前記制御電圧として出力する切替回路と、
を有し、
前記所与の定電圧は、
前記発振ループ内の負性抵抗値をRNとし、前記発振ループ内の負荷共振抵抗値をRLとし、|RN/RL|の最大値をMとし、前記定常発振状態における前記制御電圧をVc0とした場合に、Vc0×(2−M)であり、
前記ゲインコントロールアンプは、
前記ゲインをkとし、前記定常発振状態における前記ゲインをk 0 とし、前記制御電圧をVcとした場合に、k/k 0 =−Vc/Vc 0 +2となる前記ゲインkを有し、
前記発振ループ内の発振が前記起動過程と判別されたときには、前記所与の定電圧に基づいて、k/k 0 =−{Vc 0 ×(2−M)}/Vc 0 +2=M≧5となる前記ゲインkにより前記発振振幅を制御することを特徴とする発振回路。 - 請求項1において、
前記振幅検出回路は、
前記発振ループ内の信号を直流信号に変換し、
前記発振起動過程判別回路は、
前記発振ループ内の信号又は前記直流信号と所与の第2の基準信号とを比較することによって、前記発振ループ内の発振が前記定常状態か前記起動過程かを判別することを特徴とする発振回路。 - 請求項1又は2において、
共振子と、
前記共振子からの電流を電圧に変換し、該電圧を前記ゲインコントロールアンプの入力電圧として出力する電流電圧変換器とを含むことを特徴とする発振回路。 - 請求項3において、
前記共振子が、
水晶振動子であることを特徴とする発振回路。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の発振回路を含むことを特徴とする物理量トランスデューサ。
- 請求項3に記載の発振回路と、
前記共振子とカップリングさせた状態で、外的作用によって変化する物理量を出力する物理量出力回路とを含むことを特徴とする物理量トランスデューサ。 - 請求項3に記載の発振回路と、
前記共振子とカップリングさせた状態で、回転によって変化する電荷量を出力する物理量出力回路とを含むことを特徴とする振動ジャイロセンサ。
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