JP5625916B2 - 発振回路、発振回路の製造方法、この発振回路を用いた慣性センサ及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、発振回路、発振回路の製造方法、この発振回路を用いた慣性センサ及び電子機器に関する。

図２５は特許文献１に記載されている従来の発振回路１３０の回路ブロック図である。発振回路１３０は、振動子１３１と、振動子１３１から出力されたモニタ信号が入力されるフィルタ１３２と、フィルタ１３２から出力された濾波信号を増幅して振動子１３１に駆動信号を与える駆動部１３３とを備える。モニタ信号は、振動子１３１の振動モードの高次振動周波数や駆動振動モード以外の振動モードに起因して発生する不要周波数信号を含む。フィルタ１３２はこの不要周波数信号を抑圧する。

振動子１３１は、水晶等の加工精度の良い圧電材料を用いて形成しており、加工ばらつきに起因する駆動振動周波数のばらつきは一般的に小さい。しかし、小型化のために振動子１３１を微小に形成する場合には、振動子１３１の加工ばらつきの駆動振動周波数に対する影響が大きくなる。駆動振動モード以外に複数の振動モードで振動子１３１を振動させる場合には、振動子１３１の加工ばらつき自体が大きくなるので、駆動振動周波数のばらつきが大きくなる。

また、シリコン材料を用いて振動子１３１を形成した場合には、水晶に比べて周波数温度特性が劣るので、振動子１３１の周囲温度に依存して駆動振動周波数が変化する。

また、経年劣化によって振動子１３１の駆動振動周波数が変化する場合もある。

従来の発振回路１３０では、振動子１３１の加工ばらつきに起因する駆動振動周波数のばらつきや、温度変化等に起因する駆動振動周波数の変化、経年劣化に起因する駆動振動周波数の経時変化に対してフィルタ１３２の通過特性を最適化することができない。

図２６は特許文献２に記載されている従来の慣性センサ６２０の回路ブロック図である。慣性センサ６２０は、振動子６２１と、振動子６２１から出力されたモニタ信号を増幅して振動子６２１に駆動信号を与える駆動部６２２と、振動子６２１から出力されるセンス信号を検出して出力端子６２５に出力する検出回路６２３と、モニタ信号に基づいて異常検知信号を診断端子６２６に出力する異常検知部６２４とを備える。振動子６２１は外部から与えられた動きによる慣性量に応じてセンス信号を出力する。検出回路６２３はそのセンス信号を出力端子６２５に出力する。異常検知部６２４は、モニタ信号の振幅値を出力する検波部６２４Ａと、この振幅値が上限閾値ＶＲ５０１以上であるか、又は下限閾値ＶＲ５０２以下である場合に異常検知信号を診断端子６２６から出力するウィンドウコンパレータ６２４Ｂとを備える。すなわち、異常検知部６２４は、上限閾値ＶＲ５０１から下限閾値ＶＲ５０２までの所定の範囲の外にモニタ信号の振幅値がある場合に振動子６２１すなわち慣性センサ６２０が異常状態であると判断して、異常検知信号を診断端子６２６へ出力する。

慣性センサ６２０に大きな外部衝撃が加わった場合には、一時的にモニタ信号の振幅値が上限閾値ＶＲ５０１を超えて、異常検知部６２４は異常検知信号を出力する。また、回路の断線等により振動子６２１の発振が停止した場合には、モニタ信号の振幅値が下限閾値ＶＲ５０２より小さくなり、同様に、異常検知部６２４は異常検知信号を出力する。これにより、慣性センサ６２０を使用する電子機器は、診断端子６２６から異常検知信号が出力されている間は、出力端子６２５から出力されるセンス信号に基づいて得られる慣性量が信頼性の低い値であると判断することができる。

異常検知部６２４はモニタ信号の振幅値に基づいて異常状態を判断するので、振動子６２１が異常発振をしている場合には異常検知信号を出力することができない場合がある。例えば、振動子６２１が駆動振動周波数の高次の高調波周波数や他の固有振動周波数で発振する異常発振の場合には、モニタ信号の振幅値が一定の状態で振動子６２１が発振を継続することがある。この場合には、モニタ信号の振幅値が上記の所定の範囲内であれば異常検知部６２４は異常検知信号を出力しない。しかし、このような異常発振の状態では、慣性センサ６２０は外部から与えられた動きに応じて適正なセンス信号を出力することが出来ず、出力端子６２５から出力されるセンス信号により得られた慣性量の信頼性は低くなる。

特開２０００−８８５８１号公報 特許第２５０４２３３号公報

発振回路は、振動子と、振動子から出力されたモニタ信号を濾波して濾波信号を出力するフィルタと、フィルタから出力された濾波信号を増幅して駆動信号を生成する駆動部と、モニタ信号に基づいてフィルタの通過特性を調整するように動作する制御部とを備える。振動子は、駆動信号により駆動されて振動し、振動に応じてモニタ信号を出力する。

この発振回路は振動子を安定に発振させることができる。

図１は本発明の実施の形態１における発振回路の回路ブロック図である。 図２は実施の形態１における角速度センサの回路ブロック図である。 図３Ａは実施の形態１における発振回路の振動子の斜視図である。 図３Ｂは図３Ａに示す振動子の斜視図である。 図４Ａは実施の形態１における発振回路の他の振動子の斜視図である。 図４Ｂは図４Ａに示す振動子の斜視図である。 図５Ａは実施の形態１における発振回路の周波数測定部の回路ブロック図である。 図５Ｂは実施の形態１における発振回路に用いられるチップの概略図である。 図６は実施の形態１における発振回路のバンドパスフィルタの回路図である。 図７は実施の形態１における発振回路の他のバンドパスフィルタの回路図である。 図８Ａは実施の形態１におけるバンドパスフィルタの周波数特性を示す。 図８Ｂは実施の形態１におけるバンドパスフィルタの周波数特性を示す。 図８Ｃは実施の形態１におけるバンドパスフィルタの周波数特性を示す。 図９は実施の形態１におけるバンドパスフィルタの周波数特性を示す。 図１０は本発明の実施の形態２における発振回路の回路ブロック図である。 図１１Ａは実施の形態２における発振回路のフィルタの位相特性を示す。 図１１Ｂは実施の形態２におけるフィルタの位相特性を示す。 図１１Ｃは実施の形態２におけるフィルタの位相特性を示す。 図１２は本発明の実施の形態３における発振回路の回路ブロック図である。 図１３は本発明の実施の形態４における慣性センサの回路ブロック図である。 図１４Ａは実施の形態４における慣性センサの振動子の斜視図である。 図１４Ｂは図１４Ａに示す振動子の斜視図である。 図１５は実施の形態４における振動子の周波数特性を示す。 図１６Ａは実施の形態４における他の振動子の斜視図である。 図１６Ｂは図１６Ａに示す振動子の斜視図である。 図１７Ａは実施の形態４における慣性センサの周波数測定部の回路ブロック図である。 図１７Ｂは実施の形態４における他の慣性センサの回路ブロック図である。 図１８は実施の形態４における振動子の周波数特性を示す。 図１９は実施の形態４における慣性センサを用いた電子機器のブロック図である。 図２０は本発明の実施の形態５における慣性センサの回路ブロック図である。 図２１は実施の形態５における慣性センサの検出回路の回路ブロック図である。 図２２Ａは実施の形態５における検出回路の信号の波形を示す。 図２２Ｂは実施の形態５における検出回路の信号の波形を示す。 図２３は本発明の実施の形態６における慣性センサの回路ブロック図である。 図２４は実施の形態６における慣性センサの回路ブロック図である。 図２５は従来の発振回路の回路ブロック図である。 図２６は従来の慣性センサの回路ブロック図である。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における発振回路１０の回路ブロック図である。発振回路１０は、振動子１１と、振動子１１から出力されたモニタ信号Ｓ１が入力されるフィルタ１２と、振動子１１に駆動信号Ｓ２を供給する駆動部１３と、モニタ信号Ｓ１に基づいてフィルタ１２の通過特性を調整する制御部１４を備える。振動子１１は、駆動部１３から供給された駆動信号Ｓ２により駆動されて、駆動振動周波数で振動する。振動子１１はその振動に応じてモニタ信号Ｓ１を出力する。モニタ信号Ｓ１は駆動振動周波数と同じ周波数を有する。フィルタ１２は入力端１２Ａから入力されたモニタ信号Ｓ１を濾波して濾波信号を出力端１２Ｂから出力する。フィルタ１２の通過特性は制御端１２Ｃから入力された制御信号により調整される。駆動部１３は濾波信号を増幅して駆動信号Ｓ２を生成する。制御部１４は、モニタ信号Ｓ１に基づいて振動子１１の駆動振動周波数を測定する周波数測定部１４Ａと、周波数測定部１４Ａが測定した駆動振動周波数に基づいてフィルタ１２の通過特性を調整する調整部１４Ｂを備える。

図２は発振回路１０を用いた角速度センサである慣性センサ２０の回路ブロック図である。慣性センサ２０は、図１に示す発振回路１０と、振動子１１から出力されるセンス信号Ｓ３を検出する検出回路２１とを備える。慣性センサ２０では、振動子１１は外部から与えられた慣性量である角速度に応じてセンス信号Ｓ３を出力する。振動子１１は駆動信号Ｓ２により駆動されて、駆動振動周波数を生じさせる駆動振動モードで振動する。振動子１１はその駆動振動モードとは異なるセンス振動モードを有している。振動子１１は、外部から与えられた慣性量である角速度により励振されてセンス振動モードで振動することにより、上述のセンス信号Ｓ３を出力する。検出回路２１は、モニタ信号Ｓ１を用いてセンス信号Ｓ３を同期検波して、センス信号Ｓ３に応じた信号を出力する。これにより、慣性センサ２０は振動子１１に与えられた角速度を検出することができる。

図３Ａと図３Ｂは振動子１１として用いられる音叉型振動子３０の斜視図である。音叉型振動子３０を振動子１１として用いた慣性センサ２０の動作を以下説明する。図３Ａは駆動信号Ｓ２での駆動に起因する音叉型振動子３０の駆動振動３１を示し、図３Ｂは角速度３３に起因する音叉型振動子３０のセンス振動３２を示す。駆動部１３が音叉型振動子３０に駆動信号Ｓ２を印加することにより、音叉型振動子３０は駆動振動モードで振動し、駆動振動モードの固有振動周波数である駆動振動周波数で軸３０Ｃを中心とする放射方向に駆動振動３１が発生する。駆動振動３１が起こっている状態で、図３Ｂに示すように軸３０Ｃを中心とする角速度３３が入力されると、コリオリ力により駆動振動３１の方向と角速度３３の軸３０Ｃとに直角の方向にセンス振動３２が発生する。音叉型振動子３０はセンス振動３２に基づいてセンス信号を出力する。そのセンス信号は、駆動振動３１と同じ周波数を有し、角速度３３に応じた振幅を有する。検出回路２１は、モニタ信号Ｓ１を用いてセンス信号Ｓ３を同期検波することにより、角速度３３を検出することができる。

音叉型振動子３０は水晶で形成されているが、小型化のためにシリコン材料を微細加工して形成してもよい。シリコン材料を微小に形成すると加工精度の劣化に起因して音叉型振動子３０の形状にばらつきが生じる。その結果、水晶と比べてシリコン材料よりなる音叉型振動子３０の駆動振動モードでの駆動振動周波数がより大きくばらつく。この場合、発振回路１０が特定の駆動振動周波数に固定的に最適化されていると、駆動部１３はシリコン材料を微細に加工して形成された音叉型振動子３０を最適に駆動することができない。

図４Ａと図４Ｂは、振動子１１として用いられる多軸検出振動子４０の斜視図である。振動子４０は、４つの錘４１と、支持体４３と、４つの錘４１を支持体４３にそれぞれ連結する４つのアーム４２とを備える。アーム４２は可撓性を有する。振動子４０を図２に示す慣性センサ２０の振動子１１として用いた場合の動作を以下説明する。多軸検出振動子４０は、Ｘ軸の方向に駆動振動を与えることにより、共にＸ軸に直角でかつ互いに直角のＹ軸の回りの角速度４７及びＺ軸の回りの角速度４５を検出することができる。

図４ＡはＺ軸の回りの角速度４５を検出する場合の多軸検出振動子４０の動作を示す。発振回路１０では、駆動部１３が多軸検出振動子４０に駆動信号Ｓ２を印加することにより、多軸検出振動子４０はＸ軸の方向の駆動振動モードで錘４１がＸ軸の方向に振動し、この駆動振動モードの固有振動周波数で駆動振動４４が発生する。駆動振動４４が発生している状態でＺ軸の回りの角速度４５が入力されると、振動子４０ではコリオリの力によりＹ軸の方向にセンス振動４６が発生して錘４１はＹ軸の方向に振動する。センス振動４６に基づいて振動子４０はセンス信号Ｓ３を出力する。センス信号Ｓ３は駆動振動４４と同じ周波数を有し、角速度４５に応じた振幅を有する。検出回路２１は、モニタ信号Ｓ１を用いてセンス信号Ｓ３を同期検波することにより、角速度４５を検出することができる。

図４ＢはＹ軸の回りの角速度４７を検出する場合の多軸検出振動子４０の動作を示す。駆動振動４４が発生している状態でＹ軸の回りの角速度４７が入力されると、コリオリの力により振動子４０ではＺ軸の方向にセンス振動４８が発生して錘４１がＺ軸の方向に振動する。振動子４０はセンス振動４８に基づいてセンス信号を出力する。そのセンス信号は駆動振動４４と同じ周波数を有し、角速度４７に応じた振幅を有する。検出回路２１は、モニタ信号Ｓ１を用いてセンス信号Ｓ３を同期検波することにより、角速度４７を検出することができる。

多軸検出振動子４０は、角速度４５、４７を高精度で検出するために４つの錘４１と４つのアーム４２と支持体４３とを備えた複雑な形状を有する。したがって、図３に示す音叉型振動子３０に比べて振動子４０を高精度に加工することはより困難なので、その駆動振動周波数がより大きくばらつく。発振回路１０が特定の駆動振動周波数に固定的に最適化されていると、複雑な形状を有する多軸検出振動子４０を最適に駆動することができない。

なお、音叉型振動子３０及び多軸検出振動子４０において、駆動信号Ｓ２から駆動振動３１、４４への変換、センス振動３２、４６、４８からセンス信号Ｓ３への変換は、圧電方式や、静電容量方式、電磁駆動方式のいずれで行われてもよい。

振動子１１として駆動振動周波数のばらつきの大きい振動子を用いた場合、発振回路１０では振動子１１を最適に駆動することができず、振動子１１の発振の安定性が劣化する。すなわち、振動子１１が発振するためのゲイン余裕や位相余裕が小さくなり、温度変化や電源電圧変動等に起因する駆動振動周波数の変動に対する耐性が劣化し、これらの外部環境の変化によって発振が停止する場合がある。

実施の形態１における発振回路１０においては、周波数測定部１４Ａが振動子１１から出力されたモニタ信号Ｓ１の周波数を検出することで駆動振動周波数を検出し、検出された周波数に基づいて制御部１４がフィルタ１２の通過特性を調整する。これにより、加工ばらつきの大きい振動子１１を用いた場合であっても、駆動部１３は振動子１１を常に最適に駆動することができる。

前述の通り、センス信号Ｓ３は駆動振動周波数と同じ周波数を有するので、駆動振動周波数が予め定めた値からばらつく、或いは予め定めた値から変動しても、検出回路２１は振動子１１に与えられた角速度を検出することができる。したがって、発振回路１０では駆動振動周波数自体を予め定めた値に高精度に調整しなくても、駆動振動周波数に合わせてフィルタ１２の通過特性を調整することにより振動子１１を安定に発振させ、発振安定性を確保した慣性センサ２０を構成することができる。

図２５に示す従来の発振回路１３０においては、フィルタ１３２の周波数特性は予め定められて固定されているので、振動子１３１の加工ばらつきに起因する駆動振動周波数のばらつきや、温度変化等に起因する駆動振動周波数の変化、経年劣化に起因する駆動振動周波数の経時変化に対して、フィルタ１３２の通過特性を最適化することができない。

図５Ａはモニタ信号Ｓ１の周波数を検出する周波数測定部１４Ａの一例である周波数測定部５０の回路ブロック図である。モニタ信号Ｓ１は駆動振動周波数を有する正弦波である。周波数測定部５０は、モニタ信号Ｓ１の正弦波を方形波に整形する波形整形部５１と、この方形波を微分してモニタパルス信号に変換する微分部５２と、基準信号を出力する基準発振器５３と、モニタパルス信号と基準信号が入力されてパルス信号を出力するＡＮＤゲート部５４と、ＡＮＤゲート部５４から出力されたパルス信号の数を計測する計数部５５とを備える。基準信号は、所定のデューティー比でハイレベルとローレベルとが遷移する信号である。ＡＮＤゲート部５４はモニタパルス信号と基準信号との論理積を出力する。すなわちＡＮＤゲート部５４は基準信号がハイレベルの期間であるゲート期間にのみモニタパルス信号を出力し、基準信号がローレベルの期間にはモニタパルス信号を出力しない。ゲート期間でのモニタパルス信号の数をカウントすることにより、周波数測定部５０に入力されるモニタ信号Ｓ１の周波数を検出することができる。

なお、周波数測定部５０は、周波数測定部１４Ａの一例であり、具体的構成はこれに限るものではない。周波数測定部１４Ａは、例えば、モニタ信号Ｓ１の周波数と基準信号の周波数との差分に応じた電圧を出力してもよい。また、周波数測定部１４Ａは、モニタ信号Ｓ１をアナログ／デジタル変換して得られたデジタル信号を生成し、そのデジタル信号に高速フーリエ変換処理を施して周波数を分析してもよい。

なお、基準発振器５３として、発振回路１０よりも大きいＱ値を有する発振器を用いることにより、モニタ信号Ｓ１の周波数の高い検出精度を確保することができる。発振回路１０よりもＱ値の大きい発振器としては、例えば、基準発振器５３として水晶振動子やセラミック振動子を用いた発振器を用いることができる。

図５Ｂは発振回路１０に用いられるチップ５６の概略図である。振動子１１が微細に加工されたシリコン材料で形成されている場合は、コンデンサと抵抗からなるＣＲ発振器や、シリコン材料を加工してなるシリコン発振器、リング状に接続された複数のＮＯＴゲートや複数のＮＯＲゲートからなるリングオシレータなどの小型で安価な発振器を基準発振器５３として用いることができる。この場合には、基準発振器５３をフィルタ５２や駆動部５３と同一のチップ５６内に形成することが可能となる。

なお、基準発振器５３として発振回路１０よりも製造ばらつきが小さい発振器を用いることにより、製造ばらつきに起因するゲート期間のばらつきを小さくすることができ、周波数の測定ばらつきを抑制することが可能となる。発振回路１０よりも製造ばらつきが小さい発振器としては、例えば、基準発振器５３として水晶振動子やセラミック振動子を用いた発振器を用いることができる。振動子１１が微細に加工されたシリコン材料で形成されている場合は、コンデンサと抵抗からなるＣＲ発振器や、シリコン材料を加工してなるシリコン発振器、リング状に接続された複数のＮＯＴゲートや複数のＮＯＲゲートからなるリングオシレータなどの小型で安価な発振器を基準発振器５３として用いることができるとともに、基準発振器５３をフィルタ１２や駆動部１３と同一のチップ内に形成することが可能となる。

なお、基準発振器５３として、発振回路１０よりも周波数温度係数が小さい発振器を用いることにより、周囲温度の変化に起因するゲート期間の変化を小さくすることができ、周波数の高い測定精度を確保することができる。発振回路１０よりも周波数温度係数が小さい発振器としては、例えば、基準発振器５３として水晶振動子やセラミック振動子を用いた発振器を用いることができる。振動子１１が微細に加工されたシリコン材料で形成されている場合は、コンデンサと抵抗からなるＣＲ発振器や、シリコン材料を加工してなるシリコン発振器、リング状に接続された複数のＮＯＴゲートや複数のＮＯＲゲートからなるリングオシレータなどの小型で安価な発振器を基準発振器５３として用いることができるとともに、基準発振器５３をフィルタ１２や駆動部１３と同一のチップ内に形成することが可能となる。

図６はフィルタ１２の一例であるバンドパスフィルタ６０の回路図である。バンドパスフィルタ６０は、モニタ信号Ｓ１が供給される入力端１２Ａである入力端子６１と、オペアンプ６２と、オペアンプ６２の反転入力端に接続されたスイッチトキャパシタ６５と、入力端子６１とスイッチトキャパシタ６５とを結合させる容量素子６７と、出力端１２Ｂである出力端子６３と、オペアンプ６２の出力端と反転入力端との間に接続された容量素子６４と、容量素子６４と並列に接続されたスイッチトキャパシタ６６とを備える。オペアンプ６２の非反転入力端はグランドに接続されている。

スイッチトキャパシタ６５はスイッチ６５Ａと、スイッチ６５Ａとグランドとの間に接続された容量素子６５Ｂと、スイッチ６５Ａを切替えるクロック信号ＣＫ６５を発生する可変クロック発生器６５Ｃとを備える。スイッチ６５Ａは、容量素子６７に接続された枝端２６５Ａと、オペアンプ６２の反転入力端に接続された枝端３６５Ａと、容量素子６５Ｂに接続された共通端４６５Ａとを備える。スイッチ６５Ａでは、クロック信号ＣＫ６５の周期で、共通端４６５Ａを枝端２６５Ａ、３６５Ａに選択的に交互に導通させ、枝端２６５Ａ、３６５Ａ間に接続された抵抗素子として機能する。制御端１２Ｃから入力された制御信号によりクロック信号ＣＫ６５の周波数を調整することで、抵抗素子として機能するスイッチトキャパシタ６５の抵抗値を調整することができる。

スイッチトキャパシタ６６はスイッチ６６Ａと、スイッチ６６Ａとグランドとの間に接続された容量素子６６Ｂと、スイッチ６６Ａを切替えるクロック信号ＣＫ６６を発生する可変クロック発生器６６Ｃとを備える。スイッチ６６Ａは、容量素子６６Ｂに接続された共通端４６６Ａと、オペアンプ６２の出力端に接続された枝端３６６Ａと、オペアンプ６２の反転入力端に接続された枝端２６６Ａとを備える。スイッチ６６Ａでは、クロック信号ＣＫ６６の周期で、共通端４６６Ａを枝端２６６Ａ、３６６Ａに選択的に交互に導通させ、枝端２６６Ａ、３６６Ａ間に接続された抵抗素子として機能する。制御端１２Ｃから入力された制御信号によりクロック信号ＣＫ６６の周波数を調整することで、抵抗素子として機能するスイッチトキャパシタ６６の抵抗値を調整することができる。

クロック信号ＣＫ６５、ＣＫ６６の周波数の比を一定としたまま、それらの周波数を制御することにより、バンドパスフィルタ６０の通過帯域の中心周波数を制御することができ、簡易な構成でフィルタ１２を構成することができる。

図７はフィルタ１２の他の例であるバンドパスフィルタ７０の回路図である。バンドパスフィルタ７０は、モニタ信号Ｓ１が供給される入力端１２Ａである入力端子７１と、オペアンプ７２と、オペアンプ７２の反転入力端に接続された可変抵抗７５と、入力端子７１と可変抵抗７５とを結合させる容量素子７７と、出力端１２Ｂである出力端子７３と、オペアンプ７２の出力端と反転入力端との間に接続された容量素子７４と、容量素子７４と並列に接続された可変抵抗７６とを備える。オペアンプ７２の非反転入力端はグランドに接続されている。

可変抵抗７５は、直列接続された抵抗素子７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃ、７５Ｄと、これらの抵抗素子をそれぞれバイパスできるように接続されたスイッチ７５Ｅ、７５Ｆ、７５Ｇ、７５Ｈとを備えている。また、可変抵抗７６は、直列接続された抵抗素子７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃ、７６Ｄと、これらの抵抗素子をそれぞれバイパスできるように接続されたスイッチ７６Ｅ、７６Ｆ、７６Ｇ、７６Ｈとを備えている。

可変抵抗７５の各スイッチを制御することにより、可変抵抗７５の抵抗値を調整することができる。例えば、スイッチ７５Ｅ、７５Ｆ、７５Ｇ、７５Ｈを全て開放することにより、抵抗素子７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃ、７５Ｄの加算値が可変抵抗７５の抵抗値となる。また、スイッチ７５Ｅのみ短絡し、スイッチ７５Ｆ、７５Ｇ、７５Ｈを開放することにより、抵抗素子７５Ｂ、７５Ｃ、７５Ｄの加算値が可変抵抗７５の抵抗値となる。すなわち、４つのスイッチ７５Ｅ、７５Ｆ、７５Ｇ、７５Ｈを制御することにより、可変抵抗７５の抵抗値を１６（＝２^４）段階の値に調整することができる。同様に、スイッチ７６Ｅ、７６Ｆ、７６Ｇ、７６Ｈを制御することにより、可変抵抗７６の抵抗値を１６段階の値に調整することができる。なお、一般に、可変抵抗７５、７６がそれぞれ、直列に接続されたＮ個の抵抗素子と、それらの抵抗素子をそれぞれバイパスできるように接続されたＮ個のスイッチよりなる場合には、可変抵抗７５、７６の抵抗値を２^Ｎ段階の値に調整することができる。

可変抵抗７５、７６の抵抗値の比を一定としたまま、それらの抵抗値を制御することにより、バンドパスフィルタ７０の通過帯域の中心周波数を制御することができる。これにより、バンドパスフィルタ７０はクロック信号を発生することなく、スイッチの制御のみで通過帯域の中心周波数を段階的に制御することができる。

フィルタ１２はバンドパスフィルタである必要はない。振動子１１の駆動振動周波数よりも低い不要周波数がない場合には、フィルタ１２はローパスフィルタであってもよい。また、振動子１１の駆動振動周波数よりも高い不要周波数がない場合には、フィルタ１２はハイパスフィルタであってもよい。

以上のように、発振回路１０の制御部１４では、周波数測定部１４Ａによりモニタ信号Ｓ１の周波数を測定し、モニタ信号Ｓ１の周波数に基づいて調整部１４Ｂがフィルタ１２の周波数特性を調整することができる。

図８Ａから図８Ｃはフィルタ１２の周波数特性を示す。図８Ａに示すように、振動子１１の駆動振動周波数Ｆｄがバンドパスフィルタであるフィルタ１２の通過帯域８０の中心周波数付近に位置している場合は、フィルタ１２は駆動振動周波数Ｆｄに対して最大のゲインＧを有して周波数特性が最適化されており、振動子１１は安定に発振する。

図８Ｂに示すように、加工ばらつき等に起因して振動子１１の駆動振動周波数が図８Ａに示す周波数Ｆｄから差αだけ低い周波数（Ｆｄ−α）となった場合、周波数（Ｆｄ−α）がフィルタ１２の通過帯域８１の下側帯域端に位置しているので、フィルタ１２に入力されるモニタ信号Ｓ１が減衰する。フィルタ１２は駆動振動周波数（Ｆｄ−α）に対してゲインＧより小さいゲイン（Ｇ−β）を有する。その結果、発振回路１０のゲイン余裕が減少し、振動子１１の発振安定性が劣化又は発振が停止する。

制御部１４の周波数測定部１４Ａはモニタ信号Ｓ１の周波数を測定してその周波数と同じ駆動振動周波数（Ｆｄ−α）を測定し、調整部１４Ｂは、図８Ｃに示すように、フィルタ１２の通過帯域の中心周波数が周波数（Ｆｄ−α）となるようにフィルタ１２の制御端１２Ｃに制御信号を供給する。これにより、フィルタ１２は駆動振動周波数（Ｆｄ−α）に対して大きいゲインＧを有することができ、発振回路１０の発振安定性を確保することができる。なお、フィルタの通過帯域の中心周波数をモニタ信号Ｓ１の周波数に正確に一致させる必要はなく、モニタ信号Ｓ１の減衰量が十分小さくなる程度にバンドパスフィルタの周波数特性を調整することにより、振動子１１の発振安定性を確保することができる。

図９はフィルタ１２の周波数特性を示す。図２に示す角速度センサである慣性センサ２０では、振動子１１は駆動部１３により励振されて周波数Ｆｄの駆動振動を行うとともに、振動子１１は外部から与えられた角速度に応じて、コリオリの力により駆動振動の方向と角速度の中心の軸とに直角の方向に周波数Ｆｓでセンス振動を行う。図９においては、周波数Ｆｓは周波数Ｆｄよりも高い。振動子１１の構成によっては、周波数Ｆｓが周波数Ｆｄより低い場合もある。センス振動は角速度を検出するために必要な振動ではあるが、発振回路１０により振動子１１を安定に発振させるためには不要な振動である。モニタ信号Ｓ１はこのセンス振動による周波数Ｆｓの成分を含むので、フィルタ１２でこのセンス振動の周波数Ｆｓの成分を抑圧する必要がある。

制御部１４の周波数測定部１４Ａは、このセンス振動により発生するセンス信号Ｓ３の周波数Ｆｓも検出してもよい。周波数測定部１４Ａが測定したモニタ信号Ｓ１の周波数Ｆｄよりもセンス振動の周波数Ｆｓが高い場合は、バンドパスフィルタであるフィルタ１２の通過帯域の中心周波数を周波数Ｆｄよりも低くなるように調整する。また、センス振動による周波数Ｆｓがモニタ信号Ｓ１の周波数Ｆｄよりも低い場合は、フィルタ１２の通過帯域の中心周波数を周波数Ｆｄよりも高くなるように調整する。これらの動作により、モニタ信号Ｓ１のうちのセンス振動による周波数Ｆｓの成分に対する減衰量を大きくすることができる。

なお、実施の形態１においては、加工ばらつきに起因する振動子１１の駆動振動周波数のばらつきを発振回路１０で調整する。発振回路１０は、振動子１１の周囲温度の変化に起因する駆動振動周波数の変動や、経年劣化に起因する駆動振動周波数の経時変化に対しても安定に発振する。すなわち、どのような原因で振動子１１の駆動振動周波数が変化しても、発振回路１０では、モニタ信号Ｓ１の周波数を検出し、検出された周波数に基づいてフィルタ１２の周波数特性を最適化することができる。

なお、振動子１１の周囲温度の変化に起因する駆動振動周波数の変動に対しては、必ずしも周波数測定部１４Ａを用いる必要はない。すわなち、温度センサを振動子１１の付近に設置し、この温度センサが出力する温度を用いて、予め用意した変換テーブルにより、或いは振動子１１の周波数温度特性を用いた演算により、振動子１１の駆動振動周波数に換算することができる。この換算した周波数の値に基づいて、調整部１４Ｂはフィルタ１２を調整することで、フィルタ１２の周波数特性を最適化することができる。

（実施の形態２）
図１０は実施の形態２における発振回路１００のブロック図である。図１０において、図１に示す発振回路１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１０に示す発振回路１００は、図１に示す発振回路１０のフィルタ１２と制御部１４の代わりにフィルタ１０１と制御部１０２を備える。すなわち、発振回路１００は、振動子１１と、振動子１１から出力されたモニタ信号Ｓ１が入力されるフィルタ１０１と、振動子１１に駆動信号Ｓ２を供給する駆動部１３と、モニタ信号Ｓ１に基づいてフィルタ１０１の通過特性を調整する制御部１０２を備える。振動子１１は、駆動部１３から供給された駆動信号Ｓ２により駆動されて、駆動振動周波数で振動する。振動子１１はその振動に応じてモニタ信号Ｓ１を出力する。モニタ信号Ｓ１は駆動振動周波数と同じ周波数を有する。フィルタ１０１は入力端１０１Ａから入力されたモニタ信号Ｓ１を濾波して濾波信号を出力端１０１Ｂから出力する。フィルタ１０１の通過特性は制御端１０１Ｃから入力された制御信号により調整される。駆動部１３は濾波信号を増幅して駆動信号Ｓ２を生成する。制御部１０２は、フィルタ１０１に入力されるモニタ信号Ｓ１とフィルタ１０１から出力される濾波信号の位相差を検出する位相差測定部１０２Ａと、この位相差が予め定めた一定値になるようにフィルタ１０１の位相特性を調整する調整部１０２Ｂとを備える。

振動子１１として、図３Ａと図３Ｂに示す音叉型振動子３０や、図４Ａと図４Ｂに示す多軸検出振動子４０などが用いられ、前述のように、加工ばらつきに起因する駆動振動周波数のばらつきや、温度変化、経年劣化に起因する駆動振動周波数の変動が発生する。その結果、フィルタ１０１を通過する際のモニタ信号Ｓ１の位相回転量がばらつく、或いは変動することとなり、発振回路１００の位相余裕が減少してしまう。すなわち、発振安定性が劣化し、発振が停止してしまう可能性がある。

フィルタ１０１に入力されるモニタ信号Ｓ１とフィルタ１０１から出力される濾波信号との位相差が予め定めた一定値と等しくなるように、制御部１０２の調整部１０２Ｂがフィルタ１０１の位相特性を調整する。これにより、駆動振動周波数のばらつき、或いは変動にかかわらず、フィルタ１０１での位相回転量を一定値に保つことができる。

位相差測定部１０２Ａはフリップフロップ等を用いて構成することができ、Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ（ＰＬＬ）回路における位相比較器でよく用いられている。

図１１Ａから図１１Ｃはフィルタ１０１の位相特性を示す。

図１１Ａに示すフィルタ１０１の位相特性１１０では、振動子１１の駆動振動周波数Ｆｄがフィルタ１０１を通過する際の位相回転量が予め定めた値Ｐである。このとき、振動子１１が安定して発振し、発振回路１００は安定して発振している。

図１１Ｂに示すように、加工ばらつき等に起因して振動子１１の駆動振動周波数が図１１Ａに示す周波数Ｆｄから差αだけ低い周波数（Ｆｄ−α）となった場合、フィルタ１０１の特性１１０により位相回転量は差βだけ増加し、位相回転量（Ｐ＋β）となる。その結果、発振回路１００の位相余裕が減少し、発振安定性が劣化又は発振が停止する。

制御部１０２の位相差測定部１０２Ａは、モニタ信号Ｓ１と濾波信号との位相差を測定し、調整部１０２Ｂは、測定された位相回転量が予め定めた値Ｐとなるようにフィルタ１０１の位相特性を調整する。すなわち、図１１Ｃに示すように、調整部１０２Ｂはフィルタ１０１の位相特性１１０を位相特性１１１となるように調整することにより、駆動振動周波数（Ｆｄ−α）での位相回転量を予め定めた値Ｐとする。これにより、発振回路１００の発振安定性を確保することができる。

（実施の形態３）
図１２は実施の形態３における発振回路１２０のブロック図である。図１２において、図１に示す発振回路１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。発振回路１２０は、振動子１１と、振動子１１から出力されたモニタ信号Ｓ１が入力されるフィルタ１２と、振動子１１に駆動信号Ｓ２を供給する駆動部１３と、モニタ信号Ｓ１を出力するモニタ端子１２１と、フィルタ１２の通過特性を調整するための制御信号が入力される調整端子１２２とを備える。振動子１１はその振動に応じてモニタ信号Ｓ１を出力する。モニタ信号Ｓ１は駆動振動周波数と同じ周波数を有する。フィルタ１２は入力端１２Ａから入力されたモニタ信号Ｓ１を濾波して濾波信号を出力端１２Ｂから出力する。フィルタ１２の通過特性は調整端子１２２から制御端１２Ｃに入力された制御信号により調整される。駆動部１３は濾波信号を増幅して駆動信号Ｓ２を生成する。

制御装置１２３は、モニタ端子１２１から出力されたモニタ信号Ｓ１の特性を測定する測定部１２３Ａと、測定した特性に基づいて調整端子１２２に制御信号を入力する調整部１２３Ｂとを備えている。なお、調整部１２３Ｂが出力する制御信号によりフィルタ１２の振幅の周波数特性を制御してもよく、位相の周波数特性を制御してもよく、あるいは振幅と位相の双方の周波数特性を制御してもよい。

発振回路１２０を作製し、モニタ端子１２１と調整端子１２２に制御装置１２３を接続することにより、振動子１１の加工ばらつき等に起因する駆動振動周波数のばらつきに合わせて、フィルタ１２の通過特性を最適に調整し、その特性をフィルタ１２に記憶させる。その後、モニタ端子１２１と調整端子１２２からはずす。これにより、振動子１１の加工ばらつき等に起因する駆動振動周波数のばらつきがあった場合でも、フィルタ１２は最適な通過特性を有する小型の発振回路１２０を製造することができる。また、製造後においても、モニタ端子１２１と調整端子１２２に制御装置１２３を接続してフィルタ１２の通過特性を最適に調整して、その後に制御装置１２３をはずしてもよい、これによち、経時変化や環境の変化があっても安定に発振する発振回路１２０が得られる。

測定部１２３Ａは、例えば、図５Ａに示す周波数測定部５０の構成でモニタ信号Ｓ１の周波数を測定することができる。また、フィルタ１２は、例えば、図６のバンドパスフィルタ６０や、図７のバンドパスフィルタ７０の構成で周波数特性を調整することができる。調整部１２３Ｂは、これらの周波数特性を調整するための制御信号を調整端子１２２に与えることにより、フィルタ１２の通過特性を最適化することができる。

実施の形態１〜３における発振回路は角速度センサに用いられているが、実施の形態１〜３における発振回路及び発振回路の製造方法は、発振回路を用いて他の物理量を測定する加速度センサ、ガスセンサなどの他のセンサや、発振回路を用いて電気信号を機械的動作に変換する映像投射器に用いられるＭＥＭＳミラーの駆動装置等のアクチュエータにも同様の構成で適用することができる。また、それらの発振回路は振動子を安定に発振させることができ、デジタルカメラ、カーナビゲーション等の各種電子機器に用いられるセンサやアクチュエータ等に有用である。

（実施の形態４）
図１３は実施の形態４における慣性センサ５１０の回路ブロック図である。慣性センサ５１０は、駆動信号Ｓ６０２で駆動されて振動する振動子５１１と、振動子５１１から出力されたモニタ信号Ｓ６０１を増幅して駆動信号Ｓ６０２を作製して振動子５１１に供給する駆動部５１２と、振動子５１１から出力されるセンス信号Ｓ６０３を検出する検出回路５１３と、モニタ信号Ｓ６０１に基づいて異常検知信号を出力する異常検知部５１４とを備える。振動子５１１は振動している状態で、外部から与えられた動きに応じてセンス信号Ｓ６０３を出力する。異常検知部５１４は、モニタ信号Ｓ６０１の周波数を測定する周波数測定部５１４Ａと、測定した周波数が上限閾値Ｆ５０１以上であるか、又は上限閾値Ｆ５０１より小さい下限閾値Ｆ５０２以下である場合に異常検知信号を出力するウィンドウコンパレータ５１４Ｂとを備える。

慣性センサ５１０は、例えば、角速度センサとして用いることができ、この場合には、振動子５１１は、外部から与えられた角速度に応じたセンス信号Ｓ６０３を出力する。振動子５１１は、駆動信号Ｓ６０２により駆動されて駆動振動周波数で振動する駆動振動モードと、外部から与えられた慣性量である角速度で励振されて振動するセンス振動モードとで動作する。

図１４Ａと図１４Ｂは振動子５１１として用いられる音叉型振動子５２０の斜視図である。音叉型振動子５２０を振動子５１１として用いた角速度センサである慣性センサ５１０の動作を以下説明する。図１４Ａは駆動信号Ｓ６０２での駆動に起因する音叉型振動子５２０の駆動振動５２１を示し、図１４Ｂは角速度５２３に起因する音叉型振動子５２０のセンス振動５２２を示す。駆動部５１２が音叉型振動子５２０に駆動信号Ｓ６０２を印加することにより、音叉型振動子５２０は駆動振動モードで振動し、駆動振動モードの固有振動周波数である駆動振動周波数で軸５２０Ｃを中心とする放射方向に駆動振動５２１が発生する。駆動振動５２１が起こっている状態で、図１４Ｂに示すように軸５２０Ｃを中心とする角速度５２３が入力されると、コリオリ力により駆動振動５２１の方向と角速度５２３の軸５２０Ｃとに直角の方向にセンス振動５２２が発生する。音叉型振動子５２０はセンス振動５２２に基づいてセンス信号を出力する。そのセンス信号は、駆動振動５２１と同じ周波数を有し、角速度５２３に応じた振幅を有する。検出回路５１３は、モニタ信号Ｓ６０１を用いてセンス信号Ｓ６０３を同期検波することにより、角速度５２３を検出することができる。

図１５は振動子５１１のアドミタンス特性を示し、図１５を参照して駆動振動５２１、センス振動５２２の関係を説明する。図１５において横軸は周波数を示し、縦軸はアドミタンスを示す。特性５３１は駆動振動５２１のアドミタンスを表し、そのアドミタンスが最大となる中心周波数は周波数Ｆｄである。また、特性５３０はセンス振動５２２のアドミタンスを表し、そのアドミタンスが最大となる中心周波数は周波数Ｆｓである。

音叉型振動子５２０に角速度５２３が加わると、音叉型振動子５２０は角速度５２３に比例した振幅を有してセンス振動周波数Ｆｓを有するセンス信号Ｓ６０３が発生する。検出回路５１３は、特性５３０を有するセンス信号Ｓ６０３を、駆動振動周波数Ｆｄを有するモニタ信号Ｓ６０１を用いて同期検波することにより、特性５３０に基づく値Ｓ５０１を検出することができる。

外部衝撃等の何らかの原因により、音叉型振動子５２０が３倍発振等の高次発振をした場合や、他の固有振動周波数で発振した場合などには、検出回路５１３は角速度５２３を正常に検出することができない。例えば、周波数Ｆｄの３倍の周波数（３×Ｆｄ）で発振した場合には、振動子５１１の駆動振動５２１のアドミタンスは特性５３２を有する。この場合、モニタ信号Ｓ６０１の周波数も周波数（３×Ｆｄ）である。したがって、同じ大きさの角速度５２３が振動子５１１に加わった場合でも、検出回路５１３はモニタ信号Ｓ６０１を用いてセンス信号Ｓ６０３を同期検波するので値Ｓ５０１と異なる値Ｓ５０２を検出する。

このように、異常発振状態においては、角速度５２３を正常に検出することができないが、モニタ信号Ｓ６０１は一定の振幅値を有するので、図２６に示す従来の慣性センサ６２０はその振幅値に基づいて異常が起こっているか否かを判断するので異常検知信号を出力しない。従って、このセンサを用いている電子機器は、検出回路５１３が出力する誤った角速度の値を正常な値と判断してしまう。

図１６Ａと図１６Ｂは、振動子５１１として用いられる多軸検出振動子５４０の斜視図である。振動子５４０は、４つの錘５４１と、支持体５４３と、４つの錘５４１を支持体５４３にそれぞれ連結する４つのアーム５４２とを備える。アーム５４２は可撓性を有する。振動子５４０を図１３に示す慣性センサ５１０の振動子１１として用いた場合の動作を以下説明する。多軸検出振動子５４０は、Ｘ軸の方向に駆動振動を与えることにより、共にＸ軸に直角でかつ互いに直角のＹ軸の回りの角速度５４７及びＺ軸の回りの角速度５４５を検出することができる。

図１６ＡはＺ軸の回りの角速度５４５を検出する場合の多軸検出振動子５４０の動作を示す。慣性センサ５１０では、駆動部５１２が多軸検出振動子５４０に駆動信号Ｓ６０２を印加することにより、多軸検出振動子５４０はＸ軸の方向の駆動振動モードで錘５４１がＸ軸の方向に振動し、この駆動振動モードの固有振動周波数で駆動振動５４４が発生する。駆動振動５４４が発生している状態でＺ軸の回りの角速度５４５が入力されると、振動子５４０ではコリオリの力によりＹ軸の方向にセンス振動５４６が発生して錘５４１はＹ軸の方向に振動する。センス振動５４６に基づいて振動子５４０はセンス信号Ｓ６０３を出力する。センス信号Ｓ６０３は駆動振動５４４と同じ周波数を有し、角速度５４５に比例した振幅を有する。検出回路５１３は、モニタ信号Ｓ６０１を用いてセンス信号Ｓ６０３を同期検波することにより、角速度５４５を検出することができる。

図１６ＢはＹ軸の回りの角速度５４７を検出する場合の多軸検出振動子５４０の動作を示す。駆動振動５４４が発生している状態でＹ軸の回りの角速度５４７が入力されると、コリオリの力により振動子５４０ではＺ軸の方向にセンス振動５４８が発生して錘５４１がＺ軸の方向に振動する。振動子５４０はセンス振動５４８に基づいてセンス信号Ｓ６０３を出力する。センス信号Ｓ６０３は駆動振動５４４と同じ周波数を有し、角速度５４７に比例した振幅を有する。検出回路５１３は、モニタ信号Ｓ６０１を用いてセンス信号Ｓ６０３を同期検波することにより、角速度５４７を検出することができる。

多軸検出振動子５４０は、４つの錘５４１をＸ軸の方向、Ｙ軸の方向、Ｚ軸の方向に可動するために複雑な構造を有する。したがって、振動子５４０は駆動振動モード及びセンス振動モード以外にも複数の不要な固有振動モードを有し、外部衝撃等の何らかの原因により、これらの不要な固有振動モードのいずれかで異常発振する場合がある。

実施の形態４における慣性センサ５１０は、振動子５１１が異常発振した場合に、異常状態と判断し、異常検知信号を出力することができる。

図１７Ａはモニタ信号Ｓ６０１の周波数を検出する周波数測定部５１４Ａの一例である周波数測定部５５０の回路ブロック図である。モニタ信号Ｓ６０１は駆動振動周波数を有する正弦波である。周波数測定部５５０は、モニタ信号Ｓ６０１の正弦波を方形波に整形する波形整形部５５１と、この方形波を微分してモニタパルス信号に変換する微分部５５２と、基準信号を出力する基準発振器５５３と、モニタパルス信号と基準信号が入力されてパルス信号を出力するＡＮＤゲート部５５４と、ＡＮＤゲート部５５４から出力されたパルス信号の数を計測する計数部５５５とを備える。基準信号は、所定のデューティー比でハイレベルとローレベルとが遷移する信号である。ＡＮＤゲート部５５４はモニタパルス信号と基準信号との論理和を出力する。すなわちＡＮＤゲート部５５４は基準信号がハイレベルの期間であるゲート期間にのみモニタパルス信号を出力し、基準信号がローレベルの期間にはモニタパルス信号を出力しない。ゲート期間でのモニタパルス信号の数をカウントすることにより、周波数測定部５５０に入力されるモニタ信号Ｓ６０１の周波数を検出することができる。

なお、周波数測定部５５０は、周波数測定部５１４Ａの一例であり、具体的構成はこれに限るものではない。周波数測定部５１４Ａは、例えば、モニタ信号Ｓ６０１の周波数と基準信号の周波数との差分に応じた電圧を出力してもよい。また、周波数測定部５１４Ａは、モニタ信号Ｓ６０１をアナログ／デジタル変換して得られたデジタル信号を生成し、そのデジタル信号に高速フーリエ変換処理を施して周波数を分析してもよい。

なお、周波数測定部５１４Ａの入力信号であるモニタ信号Ｓ６０１に複数の周波数の成分が含まれている場合には、周波数測定部５１４Ａはそれぞれの周波数をカウントすることができない。例えば、振動子５１１が駆動振動モードの成分と異常な振動モードの成分をともに有する場合、振動子５１１から出力されるモニタ信号Ｓ６０１には、予め定めた駆動振動周波数の成分と、異常な振動モードに起因する異常な周波数の成分が含まれる。この場合、周波数測定部５１４Ａは、より大きい振幅を有する成分の周波数を主に測定する場合が多い。また、慣性センサ５１０が周波数測定部５１４Ａの前段に配置された分周器を備えている場合には、大きい振幅を有する成分の周波数が分周器で分周され出力される。

図１７Ｂは実施の形態４における他の慣性センサ１５１０の回路ブロック図である。図１７Ｂにおいて、図１３に示す慣性センサ５１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１７Ｂに示す慣性センサ１５１０はモニタ信号Ｓ６０１が入力されるフィルタ１５１０Ａをさらに備える。フィルタ１５１０Ａはモニタ信号Ｓ６０１を濾波して出力する。フィルタ１５１０Ａは予め定めた駆動振動周波数Ｆｄの成分のみを抑圧し、駆動振動周波数Ｆｄの成分以外の成分を通過させるバンドエリミネーションフィルタである。これにより、モニタ信号Ｓ６０１に複数の周波数の成分が含まれる場合には、周波数測定部５１４Ａは、予め定めた駆動振動周波数の成分の影響を受けずに、異常な周波数を測定することができる。もしくは上述の分周器は予め定めた駆動振動周波数の成分の影響を受けずに、モニタ信号Ｓ６０１を分周することができる。また、異常な振動の周波数帯域が予め分かっている場合には、フィルタ１５１０Ａはその帯域を通過させ、その帯域以外の帯域を抑圧するバンドパスフィルタであってもよい。

ウィンドウコンパレータ５１４Ｂは、周波数測定部５１４Ａが出力した周波数の値を上限閾値Ｆ５０１及び下限閾値Ｆ５０２と比較することにより、モニタ信号Ｓ６０１の周波数が正常か異常かを判断する。

異常検知部５１４の動作について、図１８を用いて具体的に説明する。図１８は振動子５１１のアドミタンス特性を示す。予め定めた駆動振動周波数は周波数Ｆｄであり、ウィンドウコンパレータ５１４Ｂに設定した上限閾値Ｆ５０１は周波数Ｆｄの近傍でかつ周波数Ｆｄより高く設定されており、下限閾値Ｆ５０２は周波数Ｆｄの近傍でかつ周波数Ｆｄより低く設定されている。図１５に示すアドミタンス特性と同様に、特性５３２は、外部衝撃等の何らかの原因により振動子５１１が周波数Ｆｄの３倍の異常周波数（３×Ｆｄ）で異常発振している場合の特性である。この場合、モニタ信号Ｓ６０１の周波数は周波数（３×Ｆｄ）である。周波数測定部５１４Ａは、モニタ信号Ｓ６０１の周波数を測定して、周波数（３×Ｆｄ）を出力する。ウィンドウコンパレータ５１４Ｂはこの周波数を上限閾値Ｆ５０１及び下限閾値Ｆ５０２と比較する。周波数（３×Ｆｄ）は上限閾値Ｆ５０１以上であるので、ウィンドウコンパレータ５１４Ｂは異常検知信号を診断端子５１６に出力する。

診断端子５１６に出力する異常検知信号はアナログ信号であってもよく、デジタル信号であってもよい。デジタル信号はハイレベルの信号とローレベルの信号とのいずれかを予め異常状態を示す信号と定める。あるいはデジタル信号は予め定めた異常検知コード等の数値であってもよい。

以上に述べたように、振動子５１１は駆動信号Ｓ６０２で駆動されて振動しているときに、外部から与えられた慣性量に応じてセンス信号Ｓ６０３を出力し、かつ振動に応じてモニタ信号Ｓ６０１を出力。駆動部５１２は、モニタ信号Ｓ６０１を増幅して駆動信号Ｓ６０２を生成する。検出回路５１３は、振動子５１１が予め定めた駆動振動周波数で振動しているときに、センス信号Ｓ６０３に基づき慣性量を正しく検出する。異常検知部５１４は、モニタ信号Ｓ６０１が予め定めた駆動振動周波数と異なる周波数の成分を含む場合に異常検知信号を出力する。また、異常検知部５１４は、予め定めた駆動振動周波数と異なる周波数の成分をモニタ信号Ｓ６０１が含むとともに、その周波数の成分が予め定めた値以上の振幅値を有する場合に、異常検知信号を出力してもよい。

図１９は実施の形態４における電子機器１００１のブロック図である。電子機器１００１は、慣性センサ５１０と、慣性センサ５１０で検知した角速度等の慣性量に基づいて動作する機能部１００１Ａと、慣性センサ５１０から出力された異常検知信号に基づいて機能部１００１Ａを制御する制御回路１００１Ｂとを備える。機能部１００１Ａは例えば車両の姿勢を制御するアクチュエータである。慣性センサ５１０で慣性量である角速度を検知することで車両のロールオーバを検知して、アクチュエータである機能部１００１Ａは車両の姿勢を制御する。記のように、異常検知部５１４は、振動子５１１が予め定めた駆動振動周波数と異なる周波数で振動している場合に診断端子５１６から異常検知信号を出力することができる。制御回路１００１Ｂは、診断端子５１６から異常検知信号が出力されている間は、出力端子５１５から出力された慣性量を用いないか、或いは限定的にしか用いないように機能部１００１Ａを制御することができ、慣性センサ５１０と制御回路１００１Ｂは機能部１００１Ａを高い信頼性で制御することができる。

なお、音叉型振動子５２０及び多軸検出振動子５４０において、駆動信号Ｓ６０２から駆動振動５２１、５４４への変換、センス振動５２２、５４６、５４８からセンス信号Ｓ６０３への変換は、圧電方式や、静電容量方式、電磁駆動方式のいずれで行われてもよい。

また、駆動部５１２から振動子５１１に出力される駆動信号Ｓ６０２を差動方式とすることにより、慣性センサ５１０のコモンモードノイズに対する耐性を向上させることができる。同様に、振動子５１１から検出回路５１３に出力されるセンス信号Ｓ６０３を差動方式とすることにより、コモンモードノイズ耐性を向上させることができる。

（実施の形態５）
図２０は本発明の実施の形態５における慣性センサ５７０の回路ブロック図である。図２０において、図１３に示す実施の形態４における慣性センサ５１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。慣性センサ５７０は図１３に示す慣性センサ５１０の異常検知部５１４の代わりに、異常検知部５７１を備える。異常検知部５７１は、振動子５１１から出力されるセンス信号Ｓ６０３に基づいて、駆動振動周波数が正常であるか異常であるかを判断し、異常検知信号を診断端子５７２に出力する。

振動子５１１から出力されるセンス信号Ｓ６０３には、外部から与えられた角速度等の慣性量に起因する振動の成分である慣性量成分のみでなく、振動子５１１の駆動振動モードとセンス振動モードの結合に起因して生じる振動の成分であるＭＣ成分も含まれている。このＭＣ成分は、駆動振動周波数と同じ周波数と位相を有するので、このＭＣ成分を検出することにより駆動振動周波数が正常であるか異常であるかを判断することができる。これにより、慣性量を測定する上で重要なセンス信号Ｓ６０３から直接的に駆動振動周波数の異常を検知することができる。また、図２に示す慣性センサ２０のように、駆動部５１２の前又は後ろにフィルタが設けられている場合、異常な周波数の成分がこのフィルタが抑圧する周波数帯に存在する場合には、モニタ信号Ｓ６０１に基づいて異常を検知することができない。しかし、この場合であっても、センス信号Ｓ６０３に基づいて駆動振動周波数を計測することにより、異常を検知することができる。

慣性センサ５７０では、検出回路５１３はセンス信号Ｓ６０３に含まれるＭＣ成分を消失させ、慣性量に起因する成分のみを抽出して慣性量を検出する。以下、検出回路５１３の動作を説明する。なお、以下においては、実施の形態４に示す慣性センサ５１０と同様に、慣性センサ５７０は振動子５１１に印加された角速度を検出する角速度センサである。

図２１は検出回路５１３の一例である検出回路５８０の回路ブロック図である。検出回路５８０は、センス信号Ｓ６０３が供給される入力端子５８１と、入力されたセンス信号Ｓ６０３の位相を−９０°だけシフトして出力する位相シフタ５８４と、モニタ信号Ｓ６０１が入力される入力端子５８２と、位相シフタ５８４から出力された信号をモニタ信号Ｓ６０１に同期させて検波する同期検波部５８５と、同期検波部５８５で検波された信号を平滑化して出力端子５８３へ出力するローパスフィルタ５８６とを備える。

図２２Ａと図２２Ｂは、図２１に示す慣性センサ５７０のポイントＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ、ＰＥにおける信号の波形を示す。

図２２Ａは、センス信号Ｓ６０３に基づくポイントＰＡ〜ＰＥにおける信号の、慣性量である角速度に応じた慣性量成分の波形を示す。

図２２Ａは、ポイントＰＡにおけるモニタ信号Ｓ６０１を示し、ポイントＰＢにおけるセンス信号Ｓ６０３の慣性量成分Ｓ６０３Ａをさらに示す。センス信号Ｓ６０３の慣性量成分Ｓ６０３Ａはモニタ信号Ｓ６０１と同じ周波数を有し、モニタ信号Ｓ６０１に対して９０°進んでいる位相を有する。センス信号Ｓ６０３の慣性量成分Ｓ６０３Ａの振幅は振動子５１１に外部から与えられた慣性量である角速度の大きさによって決まる。

図２２Ａは、ポイントＰＣにおける位相シフタ５８４の出力する信号Ｓ６０４の慣性量成分Ｓ６０４Ａをさらに示す。位相シフタ５８４で位相を−９０°だけシフトさせた結果、慣性量成分Ｓ６０４Ａはモニタ信号Ｓ６０１と同じ位相を有する。

図２２Ａは、図２１に示すポイントＰＤにおける同期検波部５８５の出力する信号Ｓ６０５の慣性量成分６０５Ａを示す。同期検波部５８５においてモニタ信号Ｓ６０１を用いて位相シフタ５８４の出力する信号Ｓ６０４の慣性量成分Ｓ６０４Ａを同期検波することにより、信号Ｓ６０５の慣性量成分Ｓ６０５Ａが得られる。慣性量成分Ｓ６０５Ａをローパスフィルタ５８６で平滑化することにより、ポイントＰＥにおける信号Ｓ６０６の慣性量成分Ｓ６０６Ａが得られる。慣性量成分Ｓ６０６Ａは慣性量である角速度に応じた直流信号として出力端子５８３から出力される。

図２２Ｂは、センス信号Ｓ６０３に基づくポイントＰＡ〜ＰＥにおける信号のＭＣ成分の波形を示す。

図２２Ｂは、ポイントＰＡでの信号はモニタ信号Ｓ６０１を示し、ポイントＰＢにおけるセンス信号Ｓ６０３のＭＣ成分Ｓ６０３Ｂをさらに示す。センス信号Ｓ６０３のＭＣ成分Ｓ６０３Ｂはモニタ信号Ｓ６０１と同じ周波数を有し、かつ同じ位相を有する。

図２２Ｂは、ポイントＰＣにおける位相シフタ５８４の出力する信号Ｓ６０４のＭＣ成分Ｓ６０４Ｂを示す。位相シフタ５８４で位相を−９０°だけシフトさせた結果、ＭＣ成分Ｓ６０４Ｂはモニタ信号Ｓ６０１より９０°だけ遅れた位相を有する。

図２２Ｂは、ポイントＰＤにおける同期検波部５８５の出力する信号Ｓ６０５のＭＣ成分Ｓ６０５Ｂを示す。同期検波部５８５においてモニタ信号Ｓ６０１を用いて位相シフタ５８４の出力信号Ｓ６０４のＭＣ成分Ｓ６０４Ｂを同期検波することにより、信号Ｓ６０５のＭＣ成分Ｓ６０５Ｂが得られる。ＭＣ成分Ｓ６０５Ｂをローパスフィルタ５８６で平滑化することにより、ポイントＰＥにおける信号Ｓ６０６のＭＣ成分Ｓ６０６Ｂが得られる。ＭＣ成分Ｓ６０６Ｂはゼロである。

このように、検出回路５１３はセンス信号Ｓ６０３に含まれるＭＣ成分を消失させ、慣性量である角速度に応じた直流信号である慣性量成分Ｓ６０６Ａのみを出力端子５８３から出力する。

異常検知部５７１は、センス信号Ｓ６０３の慣性量成分Ｓ６０３Ａにより振動子５１１の駆動振動周波数が正常であるか否かを検知することができる。しかし、この場合は、振動子５１１に外部から予め定めた大きさの慣性量である角速度を与え、検出回路５１３から出力される慣性量が適切な値であるか否かを測定する必要がある。

振動子５１１に外部から角速度等の慣性量を与えなくても、予め定めた大きさのＭＣ成分Ｓ６０３Ｂがセンス信号Ｓ６０３に含まれている。実施の形態５における慣性センサ５７０では、異常検知部５７１の周波数測定部５７１ＡはＭＣ成分Ｓ６０３Ｂの周波数を測定することにより、ウィンドウコンパレータ５７１Ｂは振動子５１１の駆動振動周波数が正常であるか否かを判断することができる。

図２０に示すように、異常検知部５７１は振動子５１１から出力されるセンス信号Ｓ６０３の周波数を周波数測定部５７１Ａで測定する。ウィンドウコンパレータ５７１Ｂは、測定された周波数が上限閾値Ｆ５０３以上であるか、又は下限閾値Ｆ５０４以下である場合に異常検出信号を出力する。周波数測定部５７１Ａとしては、例えば、図１７Ａに示す周波数測定部５５０を用いることができる。

異常検知部５７１は、モニタ信号Ｓ６０１と同じ位相を有するＭＣ成分Ｓ６０３Ｂをセンス信号Ｓ６０３から抽出し、ＭＣ成分Ｓ６０３Ｂの周波数を測定することにより、信頼性の高い異常検知が可能となる。また、検出回路５１３が出力する慣性量が０のとき、すなわち振動子５１１に角速度等の慣性量を加えていない状態で、異常検知部５７１が異常を検知する。これにより、ＭＣ成分Ｓ６０３Ｂを特に抽出しなくても、センス信号Ｓ６０３に含まれる慣性量成分Ｓ６０３Ａの影響を受けずに、異常検知部５７１はＭＣ成分Ｓ６０３Ｂのみに基づいて駆動振動周波数の異常検知を行うことができる。

このように、振動子５１１は駆動信号Ｓ６０２で駆動されて振動しているときに、外部から与えられた慣性量に応じてセンス信号Ｓ６０３を出力し、かつ振動に応じてモニタ信号Ｓ６０１を出力する。駆動部５１２は、モニタ信号Ｓ６０１を増幅して駆動信号Ｓ６０２を生成する。検出回路５１３は、振動子５１１が予め定めた駆動振動周波数で振動しているときに、センス信号Ｓ６０３に基づき慣性量を正しく検出する。異常検知部５７１は、モニタ信号Ｓ６０１と同じ位相を有してかつ予め定めた駆動振動周波数と異なる周波数を有する成分をセンス信号Ｓ６０３が含む場合に、異常検知信号を出力する。また、異常検知部５７１は、モニタ信号Ｓ６０１と同じ位相を有してかつ予め定めた駆動振動周波数と異なる周波数を有する成分をセンス信号Ｓ６０３が含むとともに、その周波数の成分の振幅値が予め定めた振幅値以上である場合に、異常検知信号を出力してもよい。

（実施の形態６）
図２３は本発明の実施の形態６における慣性センサ６００の回路ブロック図である。図２３において、図１３に示す実施の形態４における慣性センサ５１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。慣性センサ６００は、図１３に示す慣性センサ５１０の異常検知部５１４の代わりに異常検知部６０１を備える。

異常検知部６０１は、モニタ信号Ｓ６０１が入力されるフィルタ６０１Ａと、フィルタ６０１Ａから出力された信号の振幅値を検出する検波部６０１Ｂと、その振幅値が上限閾値Ｌ５０１以上の場合に異常検知信号を出力するコンパレータ６０１Ｃとを備える。異常検知部６０１は、モニタ信号Ｓ６０１が入力されるフィルタ６０２Ａと、フィルタ６０２Ａから出力された信号の振幅値を検出する検波部６０２Ｂと、この振幅値が上限閾値Ｌ５０２以上の場合に異常検知信号を出力するコンパレータ６０２Ｃと、コンパレータ６０１Ｃ、６０２Ｃの少なくとも一方が異常検知信号を出力している場合に異常検知信号を出力するＯＲゲート部６０３とを備える。フィルタ６０１Ａは、予め定めた駆動振動周波数を含まない予め定めた周波数帯域の信号のみを通過させ、その予め定めた周波数帯域以外の周波数帯域の信号を通過させないバンドパスフィルタである。フィルタ６０１Ａは、予め定めた駆動振動周波数を含まない予め定めた周波数帯域の信号のみを通過させ、その予め定めた周波数帯域以外の周波数帯域の信号を通過させないバンドパスフィルタである。フィルタ６０２Ａが通過させる予め定めた周波数帯域は、フィルタ６０１Ａが通過させる予め定めた周波数帯域とは異なる。

振動子５１１が異常発振する可能性が高い周波数が予め分かっている場合には、バンドパスフィルタ６０１Ａ、６０２Ａの通過させる周波数帯域をそれらの周波数を含むように設定することにより、異常検知部６０１は高精度に異常検知を行うことができる。

モニタ信号Ｓ６０１の振幅値が下限閾値Ｌ５０１、Ｌ５０２の双方より小さい場合には診断端子５１６から異常検知信号は出力されない。したがって、バンドパスフィルタ６０１Ａ、６０２Ａが通過させる周波数帯域に何らかの信号が含まれる場合であっても、その信号のレベルが慣性量の検出に影響を与えない程度に小さい場合には、診断端子５１６から異常検知信号を出力されないように下限閾値Ｌ５０１、Ｌ５０２を設定できる。

なお、フィルタ６０１Ａは、駆動振動周波数より高い周波数を通過させるハイパスフィルタであり、フィルタ６０２Ａは駆動振動周波数より小さい周波数を通過させるローパスフィルタであってもよい。

図２４は実施の形態６における他の慣性センサ６１０の回路ブロック図である。図２４において、図１３に示す実施の形態４における慣性センサ５１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図２４に示す慣性センサ６１０は、実施の形態４における慣性センサ５０１の異常検知部５１４の代わりに異常検知部６１２を備え、フィルタ６１１をさらに備える。

フィルタ６１１は、予め定めた駆動振動周波数を含む通過帯域を有するバンドパスフィルタであり、振動子５１１から出力されるモニタ信号Ｓ６０１を通過帯域で濾波して、濾波信号Ｓ６０７を駆動部５１２に出力する。駆動部５１２は濾波信号Ｓ６０７を増幅して駆動信号Ｓ６０８を生成する。振動子５１１は駆動信号Ｓ６０８で駆動される。これにより、モニタ信号Ｓ６０１に駆動振動周波数以外の周波数の成分が含まれる場合であっても、安定して振動子５１１を発振させることができる。

異常検知部６１２は、フィルタ６１１に入力されるモニタ信号Ｓ６０１と出力される濾波信号Ｓ６０７の振幅値の差が予め定めた範囲外である場合に異常検知信号を出力する。具体的には、バンドエリミネーションフィルタ（ＢＥＦ）６１２Ａはモニタ信号Ｓ６０１のうちの、駆動振動周波数を含む予め定めた周波数帯域の成分を抑圧した濾波信号Ｓ６１２Ａを出力する。検波部６１２Ｂは、バンドエリミネーションフィルタ６１２Ａの出力する濾波信号Ｓ６１２Ａの振幅値を出力する。検波部６１２Ｃは、フィルタ６１１の出力する濾波信号Ｓ６０７の振幅値を出力する。差分出力器６１２Ｄは、検波部６１２Ｂの出力する振幅値から検波部６１２Ｃの出力する振幅値を引いた値を出力する。ウィンドウコンパレータ６１２Ｅは、差分出力器６１２Ｄの出力する値が上限閾値Ｌ５０３以上であるか、又は上限閾値Ｌ５０３より小さい下限閾値Ｌ５０４以下である場合に異常検知信号を出力する。

実施の形態４から実施の形態６における慣性センサは角速度センサであるが、他の慣性量を測定する加速度センサ、ガスセンサなどの他のセンサや、発振回路を用いて電気信号を機械的動作に変換する映像投射器に用いられるＭＥＭＳミラーの駆動装置等のアクチュエータにも同様の構成で適用することができる。また、これらの慣性センサは高い信頼性を有する異常検知機能を備えるので、特に車両姿勢制御やロールオーバ検知等の車載用途の慣性センサとして有用である。

本発明における発振回路は振動子を安定に発振させることができ、デジタルカメラ、カーナビゲーション等の各種電子機器に用いられるセンサやアクチュエータ等に有用である。

１１ 振動子
１２ フィルタ
１３ 駆動部
１４ 制御部
２０ 慣性センサ
２１ 検出回路
１０２ 制御部
１２３ 制御装置
１３０ 発振回路
１３１ 振動子
１３２ フィルタ
１３３ 駆動部
５１０ 慣性センサ
５１１ 振動子
５１２ 駆動部
５１３ 検出回路
５１４ 異常検知部
５５０ 周波数測定部
５７０ 慣性センサ
５７１ 異常検知部
５８０ 検出回路
６００ 慣性センサ
６０１ 異常検知部
６１０ 慣性センサ
６１２ 異常検知部
６２４ 異常検知部

Claims (8)

1. 駆動信号により駆動されて振動し、振動に応じてモニタ信号を出力する振動子と、
   前記モニタ信号を濾波して濾波信号を出力するフィルタと、
   前記濾波信号を増幅して前記駆動信号を生成する駆動部と、
   前記モニタ信号に基づいて前記フィルタの通過特性を調整するように動作する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、基準信号を生成する基準発振器を含む周波数測定部を有し、
   前記周波数測定部は前記基準信号に基づいて前記モニタ信号の周波数を測定するとともに、
   前記モニタ信号の前記周波数に基づいて前記フィルタの通過帯域の中心周波数を調整し、
   前記振動子は外部から与えられた慣性量に応じたセンス振動を行い、
   前記センス振動の周波数が前記モニタ信号の前記周波数よりも高い場合は、前記フィルタの前記通過帯域の前記中心周波数を前記モニタ信号の前記周波数よりも低くなるように調整し、
   前記センス振動の前記周波数が前記モニタ信号の前記周波数よりも低い場合は、前記フィルタの前記通過帯域の前記中心周波数を前記モニタ信号の前記周波数よりも高くなるように調整する、ように動作する、
   発振回路。
2. 前記制御部は、前記モニタ信号と前記濾波信号との位相差が予め定めた位相差と等しくなるように前記フィルタの位相特性を調整するように動作する、請求項１に記載の発振回路。
3. 前記制御部は、基準信号を生成する基準発振器を含む周波数測定部を有し、
   前記基準発振器のＱ値は前記発振回路のＱ値よりも大きく、
   前記周波数測定部は前記基準信号に基づいて前記モニタ信号の前記周波数を測定する、請求項１に記載の発振回路。
4. 前記制御部は、基準信号を生成する基準発振器を含む周波数測定部を有し、
   前記基準発振器の製造ばらつきは前記発振回路の製造ばらつきよりも小さく、
   前記周波数測定部は前記基準信号に基づいて前記モニタ信号の前記周波数を測定する、請求項１に記載の発振回路。
5. 前記制御部は、基準信号を生成する基準発振器を含む周波数測定部を有し、
   前記基準発振器の周波数温度係数は前記発振回路の周波数温度係数よりも小さく、
   前記周波数測定部は前記基準信号に基づいて前記モニタ信号の前記周波数を測定する、請求項１に記載の発振回路。
6. 前記基準発振器は前記フィルタと前記駆動部と同一のチップ内に形成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の発振回路。
7. 請求項１に記載の発振回路と、
   前記振動子から出力される信号を検出する検出回路と、
   を備え、
   前記振動子は外部から与えられた慣性量に応じたセンス振動を行い、前記センス振動に応じてセンス信号を出力し、前記検出回路は前記振動子から出力される前記センス信号を検出する、慣性センサ。
8. 駆動信号により駆動されて振動し、振動に応じてモニタ信号を出力する振動子と、
   前記モニタ信号を濾波して濾波信号を出力するフィルタと、
   前記濾波信号を増幅して前記駆動信号を生成する駆動部と、
   を備えた発振回路を作製するステップと、
   前記モニタ信号に基づいて前記フィルタの通過特性を調整するステップと、
   前記振動子に外部から与えられた慣性量に応じたセンス振動を行わせるステップと、
   を含み、
   前記モニタ信号に基づいて前記フィルタの前記通過特性を調整するステップは、
   前記センス振動の周波数が前記モニタ信号の周波数よりも高い場合に、前記フィルタの通過帯域の中心周波数を前記モニタ信号の前記周波数よりも小さくなるように調整するステップと、
   前記センス振動の前記周波数が前記モニタ信号の前記周波数よりも低い場合に、前記フィルタの前記通過帯域の前記中心周波数を前記モニタ信号の前記周波数よりも高くなるように調整するステップと、
   を含む、発振回路の製造方法。

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