JP6465294B2 - 駆動回路、振動デバイス、電子機器及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、駆動回路、振動デバイス、電子機器及び移動体に関する。

特許文献１には、起動時のみ、振動子を発振させるための発振ループが備えているハイパスフィルターの出力ノードに、発振器の出力信号を供給することで、振動子の振動状態が安定化するまでの立ち上がり時間（起動時間）を短くできるようにした駆動回路が開示されている。

特開２００３−２１５１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の駆動回路では、抵抗を介してハイパスフィルターの出力ノードに供給される発振器の出力信号の一部が、ハイパスフィルターを構成する抵抗を介してアース（接地ノード）に流れてしまい、起動動作に寄与しない。そのため、起動時間の短縮効果が十分でない可能性があるという問題がある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、従来よりも起動時間を短くすることが可能な駆動回路を提供することができる。また、本発明のいくつかの態様によれば、当該駆動回路を用いた振動デバイス、電子機器及び移動体を提供することができる。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例に係る駆動回路は、振動子に接続されることで帰還発振回路を構成し、かつ、ハイパスフィルターを備えている帰還発振用回路と、周期信号を出力する第３ノードを備えている発振回路と、前記帰還発振回路が動作している状態で前記帰還発振用回路に前記周期信号を供給するか否かを制御し、かつ、前記帰還発振用回路に前記周期信号を供給する時に前記ハイパスフィルターの出力ノードである第１ノードと接地されている第２ノードとの間を非導通の状態にし、前記帰還発振用回路に前記周期信号を供給しない時に前記第１ノードと前記第２ノードとの間を導通の状態にするように制御する制御回路と、を含む。

本適用例に係る駆動回路によれば、帰還発振用回路に発振回路が出力する周期信号を供給する時に、ハイパスフィルターの出力ノードと接地されているノードとの間が非導通であるため、ハイパスフィルターの出力ノードからグラウンドに流れる電流を低減させることができるので、周期信号を効率的に利用し、振動子が振動を開始するまでの時間を短縮することができる。従って、本適用例に係る駆動回路によれば、振動子が安定して振動するまでの起動時間を従来よりも短くすることができる。

［適用例２］
上記適用例に係る駆動回路において、前記ハイパスフィルターは、コンデンサーと抵抗を含み、前記制御回路は、前記抵抗と前記第２ノードとの間にあって、前記第１ノードと前記第２ノードとの間を非導通の状態または前記抵抗を介して導通の状態にする第１スイッチ回路を含んでもよい。

本適用例に係る駆動回路において、前記制御回路は、前記第１ノードに前記周期信号を供給するか否かを制御してもよい。

本適用例に係る駆動回路によれば、第１スイッチ回路がハイパスフィルターの出力ノードと接地されているノードとの間を非導通の状態にすることにより、帰還発振用回路に周期信号を供給する時にハイパスフィルターの出力ノードからグラウンドに流れる電流を低減させることができる。また、第１スイッチ回路がハイパスフィルターの出力ノードと接地されているノードとの間を、ハイパスフィルターに含まれる抵抗を介して導通の状態にすることにより、帰還発振用回路に周期信号を供給しない時にハイパスフィルターを動作させて帰還発振回路による発振信号の精度を向上させることができる。

また、本適用例に係る駆動回路によれば、ハイパスフィルターに含まれる抵抗を、周期信号をハイパスフィルターの出力ノードに供給するための抵抗として兼用することができるので小型化に有利である。

［適用例３］
上記適用例に係る駆動回路において、前記ハイパスフィルターは、コンデンサーと第１抵抗を含み、前記制御回路は、前記第１ノードと前記第１抵抗との間にあって、前記第１ノードと前記第２ノードとの間を非導通の状態または前記第１抵抗を介して導通の状態にする第１スイッチ回路と、前記第３ノードと前記第１ノードとの間にある第２抵抗と、を含んでもよい。

本適用例に係る駆動回路において、前記制御回路は、前記第１ノードに前記周期信号を、前記第２抵抗を介して供給するか否かを制御してもよい。

本適用例に係る駆動回路によれば、第１スイッチ回路がハイパスフィルターの出力ノードと接地されているノードとの間を非導通の状態にすることにより、帰還発振用回路に第２抵抗を介して周期信号を供給する時にハイパスフィルターの出力ノードからグラウンドに流れる電流を低減させることができる。また、第１スイッチ回路がハイパスフィルターの出力ノードと接地されているノードとの間を、ハイパスフィルターに含まれる第１抵抗を介して導通の状態にすることにより、帰還発振用回路に周期信号を供給しない時にハイパスフィルターを動作させて帰還発振回路による発振信号の精度を向上させることができる。

［適用例４］
上記適用例に係る駆動回路において、前記制御回路は、前記第３ノードと前記第１ノードとの間にあって、前記帰還発振用回路に前記周期信号が供給される状態又は供給されない状態にする第２スイッチ回路を含んでもよい。

本適用例に係る駆動回路によれば、第２スイッチ回路により帰還発振用回路に周期信号を供給するか否かを制御することができる。

［適用例５］
上記適用例に係る駆動回路において、前記制御回路は、前記帰還発振回路の発振状態に基づいて、前記帰還発振用回路に前記周期信号を供給するか否かを制御し、かつ、前記第
１ノードと前記第２ノードとの間を非導通の状態または導通の状態にするように制御する発振監視回路を含んでもよい。

本適用例に係る駆動回路において、前記発振監視回路は、前記帰還発振回路の発振状態に基づいて、前記第１スイッチ回路及び前記第２スイッチ回路を制御してもよい。

［適用例６］
上記適用例に係る駆動回路において、前記制御回路は、前記帰還発振回路から供給される信号を整流する整流回路を含み、前記発振監視回路は、前記整流回路の出力信号に基づいて、前記帰還発振用回路に前記周期信号を供給するか否かを制御し、かつ、前記第１ノードと前記第２ノードとの間を非導通の状態または導通の状態にするように制御してもよい。

本適用例に係る駆動回路において、前記発振監視回路は、前記整流回路の出力信号に基づいて、前記第１スイッチ回路及び前記第２スイッチ回路を制御してもよい。

これらの適用例に係る駆動回路によれば、帰還発振回路の発振状態に基づいて、帰還発振用回路に周期信号を供給するか否かの制御と、ハイパスフィルターの出力ノードと接地されているノードとの間を非導通の状態または導通の状態にする制御をより的確に行うことができる。

［適用例７］
本適用例に係る振動デバイスは、上記のいずれかの駆動回路と、前記振動子と、を備えている。

本適用例に係る振動デバイスは、例えば、振動子の振動に基づいて物理量を検出する物理量検出装置であってもよいし、振動子の振動に基づいて周期信号（発振信号）を発生させる発振器であってもよい。

［適用例８］
本適用例に係る電子機器は、上記のいずれかの駆動回路を備えている。

［適用例９］
本適用例に係る移動体は、上記のいずれかの駆動回路を備えている。

これらの適用例によれば、従来よりも起動時間を短くすることが可能な駆動回路を用いるので、例えば、起動時間が短く、信頼性の高い振動デバイス、電子機器及び移動体を実現することも可能である。

本実施形態の物理量検出装置の構成例を示す図。 振動子の振動片の平面図。 振動子の動作について説明するための図。 振動子の動作について説明するための図。 検出回路の構成例を示す図。 デジタル演算回路の構成例を示す図。 駆動回路の構成例を示す図。 駆動回路の他の構成例を示す図。 駆動回路の他の構成例を示す図。 本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図。 本実施形態の電子機器の外観の一例を示す図。 本実施形態の移動体の一例を示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。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全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

以下では、振動子と当該振動子を発振させる駆動回路とを備えた本発明の振動デバイスとして、物理量検出装置を例に挙げて説明する。

１．物理量検出装置
以下では、物理量として角速度を検出する物理量検出装置（角速度検出装置）を例にとり説明する。

［物理量検出装置の構成］
図１は、本実施形態の物理量検出装置（角速度検出装置）の機能ブロック図である。本実施形態の物理量検出装置１は、振動子（センサー素子）１００と信号処理集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）２を含んで構成されている。

振動子１００は、駆動電極と検出電極が配置された振動片を有し、一般的に、振動片のインピーダンスをできるだけ小さくして発振効率を高めるために、振動片は気密性が確保されたパッケージに封止されている。本実施形態では、振動子１００は、Ｔ型の２つの駆動振動腕を有するいわゆるダブルＴ型の振動片を有する。

図２は、本実施形態の振動子１００の振動片の平面図である。振動子１００は、例えば、Ｚカットの水晶基板により形成された角速度センサー素子であるダブルＴ型の振動片を有する。水晶を材料とする振動片は、温度変化に対する共振周波数の変動が極めて小さいので、角速度の検出精度を高めることができるという利点がある。なお、図２におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は水晶の軸を示す。

図２に示すように、振動子１００の振動片は、２つの駆動用基部１０４ａ、１０４ｂからそれぞれ駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂが＋Ｙ軸方向及び−Ｙ軸方向に延出している。駆動振動腕１０１ａの側面及び上面にはそれぞれ駆動電極１１２及び１１３が形成されており、駆動振動腕１０１ｂの側面及び上面にはそれぞれ駆動電極１１３及び１１２が形成されている。駆動電極１１２、１１３は、それぞれ、図１に示した信号処理ＩＣ２のＤＳ端子，ＤＧ端子を介して駆動回路２０に接続される。

駆動用基部１０４ａ、１０４ｂは、それぞれ−Ｘ軸方向と＋Ｘ軸方向に延びる連結腕１０５ａ、１０５ｂを介して矩形状の検出用基部１０７に接続されている。

検出振動腕１０２は、検出用基部１０７から＋Ｙ軸方向及び−Ｙ軸方向に延出している。検出振動腕１０２の上面には検出電極１１４及び１１５が形成されており、検出振動腕１０２の側面には共通電極１１６が形成されている。検出電極１１４、１１５は、それぞれ、図１に示した信号処理ＩＣ２のＳ１端子，Ｓ２端子を介して検出回路３０に接続される。また、共通電極１１６は接地される。

駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの駆動電極１１２と駆動電極１１３との間に駆動信号として交流電圧が与えられると、図３に示すように、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂは逆圧電効果によって矢印Ｂのように、２本の駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの先端が互いに接
近と離間を繰り返す屈曲振動（励振振動）をする。

この状態で、振動子１００の振動片にＺ軸を回転軸とした角速度が加わると、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂは、矢印Ｂの屈曲振動の方向とＺ軸の両方に垂直な方向にコリオリの力を得る。その結果、図４に示すように、連結腕１０５ａ、１０５ｂは矢印Ｃで示すような振動をする。そして、検出振動腕１０２は、連結腕１０５ａ、１０５ｂの振動（矢印Ｃ）に連動して矢印Ｄのように屈曲振動をする。このコリオリ力に伴う検出振動腕１０２の屈曲振動と駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの屈曲振動（励振振動）とは位相が９０°ずれている。

ところで、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂが屈曲振動（励振振動）をするときの振動エネルギーの大きさ又は振動の振幅の大きさが２本の駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂで等しければ、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの振動エネルギーのバランスがとれており、振動子１００に角速度がかかっていない状態では検出振動腕１０２は屈曲振動しない。ところが、２つの駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの振動エネルギーのバランスがくずれると、振動子１００に角速度がかかっていない状態でも検出振動腕１０２に屈曲振動が発生する。この屈曲振動は漏れ振動と呼ばれ、コリオリ力に基づく振動と同様に矢印Ｄの屈曲振動であるが、駆動信号とは同位相である。

そして、圧電効果によってこれらの屈曲振動に基づいた交流電荷が、検出振動腕１０２の検出電極１１４、１１５に発生する。ここで、コリオリ力に基づいて発生する交流電荷は、コリオリ力の大きさ（言い換えれば、振動子１００に加わる角速度の大きさ）に応じて変化する。一方、漏れ振動に基づいて発生する交流電荷は、振動子１００に加わる角速度の大きさに関係せず一定である。

なお、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの先端には、駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂよりも幅の広い矩形状の錘部１０３が形成されている。駆動振動腕１０１ａ、１０１ｂの先端に錘部１０３を形成することにより、コリオリ力を大きくするとともに、所望の共振周波数を比較的短い振動腕で得ることができる。同様に、検出振動腕１０２の先端には、検出振動腕１０２よりも幅の広い錘部１０６が形成されている。検出振動腕１０２の先端に錘部１０６を形成することにより、検出電極１１４、１１５に発生する交流電荷を大きくすることができる。

以上のようにして、振動子１００は、Ｚ軸を検出軸としてコリオリ力に基づく交流電荷（角速度成分）と、励振振動の漏れ振動に基づく交流電荷（振動漏れ成分）とを検出電極１１４、１１５を介して出力する。

図１に戻り、本実施形態の信号処理ＩＣ２は、基準電圧回路１０、駆動回路２０、検出回路３０、デジタル演算回路４０、記憶部５０、シリアルインターフェース回路６０及び異常診断回路７０を含んで構成されている。なお、本実施形態の信号処理ＩＣ２は、これらの要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の要素を追加した構成としてもよい。

基準電圧回路１０は、信号処理ＩＣ２のＶＤＤ端子より供給される電源電圧から基準電圧（アナロググランド電圧）などの定電圧や定電流を生成し、駆動回路２０や検出回路３０に供給する。

駆動回路２０は、振動子１００を励振振動させるための駆動信号を生成し、ＤＳ端子を介して振動子１００の駆動電極１１２に供給する。また、駆動回路２０は、振動子１００の励振振動により駆動電極１１３に発生する発振電流がＤＧ端子を介して入力され、この発振電流の振幅が一定に保持されるように駆動信号の振幅レベルをフィードバック制御す
る。また、駆動回路２０は、駆動信号と位相が同じ検波信号ＳＤＥＴを生成し、検出回路３０に出力する。また、駆動回路２０は、検波信号ＳＤＥＴをマスタークロック信号ＭＣＬＫとしてデジタル演算回路４０に供給する。

また、駆動回路２０は、振動子１００の発振状態を監視して発振振幅が基準値よりも大きいか小さいかを示す監視信号ＳＷを生成し、また、駆動信号を監視して駆動信号の振幅が下限値よりも小さくなったか否かを示す監視信号ＶＣＴＬＭを生成し、監視信号ＳＷ及び監視信号ＶＣＴＬＭを異常診断回路７０に出力する。

異常診断回路７０は、監視信号ＳＷや監視信号ＶＣＴＬＭ、その他の不図示の監視信号に基づいて、信号処理ＩＣ２や振動子１００が正常な状態か異常な状態かを診断し、正常か異常かを示す診断信号ＤＩＡＧを生成して出力する。

検出回路３０は、Ｓ１端子とＳ２端子を介して、振動子１００の２つの検出電極１１４、１１５に発生する交流電荷（検出電流）がそれぞれ入力され、検波信号ＳＤＥＴを用いて、これらの交流電荷（検出電流）に含まれる角速度成分を検出し、角速度成分の大きさに応じた電圧レベルの信号（角速度信号）ＶＡＯを生成して出力する。

デジタル演算回路４０は、マスタークロック信号ＭＣＬＫによって動作し、検出回路３０が出力する角速度信号ＶＡＯの電圧レベルをデジタル値に変換した後、各種のデジタル演算処理を行って角速度を表すデジタルデータＶＤＯを生成して出力する。

記憶部５０は、不図示の不揮発性メモリーを有し、当該不揮発性メモリーには、駆動回路２０や検出回路３０に対する各種のトリミングデータ（調整データや補正データ）が記憶されている。不揮発性メモリーは、例えば、ＭＯＮＯＳ（Metal Oxide Nitride Oxide Silicon）型メモリーやＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）として構成することができる。さらに、記憶部５０は、不図示のレジスターを有し、信号処理ＩＣ２電源投入時（ＶＤＤ端子の電圧が０Ｖから所望の電圧まで立ち上がる時）に不揮発性メモリーに記憶されている各種のトリミングデータがレジスターに転送されて保持され、レジスターに保持された各種のトリミングデータが駆動回路２０や検出回路３０に供給されるように構成してもよい。

シリアルインターフェース回路６０は、信号処理ＩＣ２の外部装置（例えば、ＭＣＵ（Micro Control Unit）等）からの要求に応じて、デジタルデータＶＤＯ、異常診断回路７０が出力する診断信号ＤＩＡＧ、記憶部５０（不揮発性メモリーやレジスター）に記憶されているデータなどを外部装置に出力する処理や、外部装置から入力されたデータを記憶部５０（不揮発性メモリーやレジスター）に書き込む処理などを行う。シリアルインターフェース回路６０は、例えば、ＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）バスのインターフェース回路であり、外部装置から、信号処理ＩＣ２のＳＳ端子，ＳＣＬＫ端子，ＳＩ端子を介してそれぞれ選択信号、クロック信号、データ信号が入力され、信号処理ＩＣ２のＳＯ端子を介してデータ信号を外部装置に出力する。なお、シリアルインターフェース回路６０は、ＳＰＩバス以外の各種のバス（例えば、Ｉ^２Ｃ（Inter-Integrated Circuit）バス等）に対応するインターフェース回路であってもよい。

［検出回路の構成］
次に、検出回路３０について説明する。図５は、検出回路３０の構成例を示す図である。図５に示すように、本実施形態の検出回路３０は、チャージアンプ３１，３２、差動アンプ３３、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）３４、ＡＣアンプ３５、同期検波回路３６、可変ゲインアンプ３７、スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８、出力バッファー３９を含んで構成されている。なお、本実施形態の検出回路３０は、これらの要素の一部
を省略又は変更し、あるいは他の要素を追加した構成としてもよい。

チャージアンプ３１には、Ｓ１端子を介して振動子１００の振動片の検出電極１１４から角速度成分と振動漏れ成分を含む交流電荷（検出電流）が入力される。同様に、チャージアンプ３２には、Ｓ２端子を介して振動子１００の振動片の検出電極１１５から角速度成分と振動漏れ成分を含む交流電荷（検出電流）が入力される。

このチャージアンプ３１，３２は、それぞれ入力された交流電荷（検出電流）を交流電圧信号に変換する。チャージアンプ３１に入力される交流電荷（検出電流）とチャージアンプ３２に入力される交流電荷（検出電流）は互いに位相が１８０°異なり、チャージアンプ３１の出力信号とチャージアンプ３２の出力信号の位相は互いに逆位相である（１８０°ずれている）。

差動アンプ３３は、チャージアンプ３１の出力信号とチャージアンプ３２の出力信号を差動増幅する。差動アンプ３３により、同相成分はキャンセルされ、逆相成分は加算増幅される。

ハイパスフィルター３４は、差動アンプ３３の出力信号に含まれる直流成分を除去するする。

ＡＣアンプ３５は、ハイパスフィルター３４の出力信号を増幅した交流電圧信号を出力する。

同期検波回路３６は、駆動回路２０が出力する検波信号ＳＤＥＴを用いてＡＣアンプ３５の出力信号（被検波信号）に含まれる角速度成分を同期検波する。同期検波回路３６は、例えば、検波信号ＳＤＥＴがハイレベルの時はＡＣアンプ３５の出力信号をそのまま選択し、検波信号ＳＤＥＴがローレベルの時はＡＣアンプ３５の出力信号を基準電圧に対して反転した信号を選択する回路として構成することができる。

ＡＣアンプ３５の出力信号には角速度成分と振動漏れ成分が含まれているが、この角速度成分は検波信号ＳＤＥＴと同位相であるのに対して、振動漏れ成分は逆位相である。そのため、同期検波回路３６により角速度成分は同期検波されるが、振動漏れ成分は検波されないようになっている。

可変ゲインアンプ３７は、同期検波回路３６の出力信号を増幅又は減衰させて所望の電圧レベルの信号を出力し、可変ゲインアンプ３７の出力信号はスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８に入力される。

スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８は、可変ゲインアンプ３７の出力信号に含まれる高周波成分を除去するとともに仕様で決められる周波数範囲の信号を通過させるローパスフィルターとして機能する。このスイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８（ローパスフィルター）の周波数特性は、振動子１００の安定発振により得られるクロック信号（不図示）の周波数とキャパシター（不図示）の容量比によって決まるため、ＲＣローパスフィルターと比較して、周波数特性のばらつきが極めて小さいという利点がある。

スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）３８の出力信号は、出力バッファー３９でバッファリングされるとともに、必要に応じて所望の電圧レベルの信号に増幅又は減衰される。この出力バッファー３９の出力信号は角速度に応じた電圧レベルの信号であり、角速度信号としてデジタル演算回路４０に出力される。

［デジタル演算回路の構成］
次に、デジタル演算回路４０について説明する。図６は、デジタル演算回路４０の構成例を示す図である。図６に示すように、本実施形態のデジタル演算回路４０は、Ａ／Ｄ変換回路４１、デジタルフィルター４２、デジタル補正回路４３及び分周回路４４を含んで構成されている。なお、本実施形態のデジタル演算回路４０は、これらの要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の要素を追加した構成としてもよい。

分周回路４４は、マスタークロック信号ＭＣＬＫ（駆動回路２０が出力する検波信号ＳＤＥＴ）を分周したクロック信号を出力する。

Ａ／Ｄ変換回路４１は、分周回路４４が出力するクロック信号に同期して、検出回路３０が出力する角速度信号ＶＡＯをサンプリングし、サンプリングした電圧値をデジタルデータに変換して出力する。

デジタルフィルター４２は、マスタークロック信号ＭＣＬＫに同期して、Ａ／Ｄ変換回路４１が出力するデジタルデータのフィルタリング処理を行う。

デジタル補正回路４３は、デジタルフィルター４２が出力するデジタルデータに対して、オフセット補正、感度補正、出力レンジ調整、ビット制限等の各種の処理を行う。また、デジタル補正回路４３は、電源電圧変動や温度変動によるオフセットや感度の変動を補正する処理等を行ってもよい。そして、デジタル補正回路４３は、各種の処理を行って生成したデジタルデータＶＤＯを出力する。

［駆動回路の構成］
次に、駆動回路２０について説明する。図７は、駆動回路２０の構成例を示す図である。図７に示すように、本実施形態の駆動回路２０は、帰還発振用回路２１、発振回路２２、制御回路２３、積分器２４、コンパレーター２５及びＡＧＣ下限監視回路２６を含んで構成されている。なお、本実施形態の駆動回路２０は、これらの要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の要素を追加した構成としてもよい。

帰還発振用回路２１は、Ｉ／Ｖ変換回路（電流電圧変換回路）２１０、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）２１１及びコンパレーター２１２を含んで構成されており、振動子１００に接続されることで帰還発振回路を構成する。なお、本実施形態の帰還発振用回路２１は、これらの要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の要素を追加した構成としてもよい。

Ｉ／Ｖ変換回路２１０は、振動子１００の励振振動により発生し、ＤＧ端子を介して入力された発振電流を交流電圧信号に変換する。

ハイパスフィルター２１１は、コンデンサーＣ１と抵抗Ｒ１（第１抵抗の一例）を含み、Ｉ／Ｖ変換回路２１０の出力信号のオフセットを除去する。

コンパレーター２１２は、ハイパスフィルター２１１の出力信号の電圧を基準電圧と比較して２値化信号を生成し、この２値化信号がハイレベルの時はＮＭＯＳトランジスターを導通させてローレベルを出力し、２値化信号がローレベルの時はＮＭＯＳトランジスターを非導通にし、抵抗を介してプルアップされる積分器２４の出力電圧をハイレベルとして出力する。そして、コンパレーター２１２の出力信号は、駆動信号として、ＤＳ端子を介して振動子１００に供給される。この駆動信号の周波数（駆動周波数）を振動子１００の共振周波数と一致させることで、振動子１００を安定発振させることができる。

発振回路２２は、振動子１００の所望の共振周波数に近い周波数で自励発振し、周期信号である発振信号を出力する回路であり、例えば、リングオシレーターやＣＲ発振回路として構成される。

制御回路２３は、全波整流回路２３０、スイッチ２３１、スイッチ２３２、発振監視回路２３３及びインバーター回路２３４を含んで構成されている。なお、本実施形態の制御回路２３は、これらの要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の要素を追加した構成としてもよい。制御回路２３は、帰還発振回路が動作している状態で、帰還発振用回路２１に発振回路２２が出力する周期信号（発振信号）を供給するか否かを制御する。また、制御回路２３は、帰還発振用回路２１に発振回路２２が出力する周期信号（発振信号）を供給する時にハイパスフィルター２１１の出力ノード（コンデンサーＣ１と抵抗Ｒ１とが接続されているノード）Ｎ１（第１ノードの一例）と接地ノードＮ２（第２ノードの一例）との間を非導通の状態にし、帰還発振用回路２１に発振回路２２が出力する周期信号（発振信号）を供給しない時にハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１と接地ノードＮ２との間を導通の状態にするように制御する。

全波整流回路２３０（整流回路の一例）は、帰還発振回路から供給される信号であるＩ／Ｖ変換回路２１０の出力信号を整流（全波整流）し、帰還発振回路の発振振幅に応じた電圧レベルに直流化された信号を出力する。

発振監視回路２３３は、帰還発振回路の発振状態に基づいて、帰還発振用回路２１に発振回路２２が出力する周期信号（発振信号）を供給するか否かを制御し、かつ、ハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１と接地ノードＮ２との間を非導通の状態または導通の状態にするように制御する。具体的には、発振監視回路２３３は、全波整流回路２３０の出力信号の電圧を所定の閾値電圧と比較し、比較結果に応じて、帰還発振回路の発振振幅が基準値よりも大きいか小さいかを示す監視信号ＳＷを生成して出力する。本実施形態では、監視信号ＳＷは、帰還発振回路の発振振幅が基準値よりも大きい時にローレベル、基準値よりも小さい時にハイレベルとなるものとする。

インバーター回路２３４は、監視信号ＳＷの極性（ハイレベル／ローレベル）を反転して出力する。

スイッチ２３１（第１スイッチ回路の一例）は、ハイパスフィルター２１１の抵抗Ｒ１と接地ノードＮ２との間にあって、ハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１と接地ノードＮ２との間を非導通の状態または導通の状態にする。

スイッチ２３２（第２スイッチ回路の一例）は、発振回路２２の出力ノードＮ３（第３ノードの一例）とハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１との間にあって、帰還発振用回路２１（具体的には、ハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１）に発振回路２２が出力する周期信号（発振信号）が供給される状態又は供給されない状態にする。

本実施形態では、スイッチ２３１は監視信号ＳＷを制御信号としてオン／オフし、スイッチ２３２は監視信号ＳＷの反転信号であるインバーター回路２３４の出力信号を制御信号としてオン／オフするので、スイッチ２３１とスイッチ２３２は互いに排他的にオン／オフする。具体的には、監視信号ＳＷがローレベルの時は、スイッチ２３１がオンして、ハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１と接地ノードＮ２との間を導通の状態にするとともに、スイッチ２３２がオフして、ハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１に発振回路２２が出力する周期信号（発振信号）が供給されない状態にする。また、監視信号ＳＷがハイレベルの時は、スイッチ２３１がオフして、ハイパスフィルター２１１の出力
ノードＮ１と接地ノードＮ２との間を非導通の状態にするとともに、スイッチ２３２がオンして、ハイパスフィルター２１１の抵抗Ｒ１を介して出力ノードＮ１に発振回路２２が出力する周期信号（発振信号）が供給される状態にする。

積分器２４は、基準電圧回路１０から供給される所望の電圧ＶＲＤＲを基準に、全波整流回路２３０の出力電圧を積分して出力する。この積分器２４の出力電圧は、全波整流回路２３０の出力が高いほど（Ｉ／Ｖ変換回路２１０の出力信号の振幅が大きいほど）低くなる。従って、発振振幅が大きいほど、コンパレーター２１２の出力信号（駆動信号）のハイレベルの電圧が低くなり、発振振幅が小さいほど、コンパレーター２１２の出力信号（駆動信号）のハイレベルの電圧が高くなるので、発振振幅が一定に保持されるように自動利得制御（ＡＧＣ：Auto Gain Control）がかかる。

コンパレーター２５は、ハイパスフィルター２１１の出力信号の電圧を増幅して２値化信号（方形波電圧信号）を生成し、検波信号ＳＤＥＴとして出力する。

ＡＧＣ下限監視回路２６は、積分器２４の出力電圧（駆動信号のハイレベル電圧）を所定の下限電圧と比較し、駆動信号の振幅が下限値よりも小さくなったか否かを示す監視信号ＶＣＴＬＭを生成して出力する。本実施形態では、監視信号ＶＣＴＬＭは、駆動信号の振幅が下限値よりも大きい時にローレベル、下限値よりも小さい時にハイレベルとなるものとする。

図８及び図９に、駆動回路２０の他の構成例を示す。図８及び図９において、図７と同じ構成要素には同じ符号を付しており、その説明を省略する。図８に示す駆動回路２０及び図９に示す駆動回路２０では、ともに、制御回路２３が、発振回路２２の出力ノードＮ３とハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１との間にある抵抗Ｒ２（第２抵抗の一例）を含み、スイッチ２３２がオンの時、発振回路２２の出力信号が抵抗Ｒ２を介してハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１に供給される点が図７に示した駆動回路２０と相違する。さらに、図９に示す駆動回路２０では、スイッチ２３１が、ハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１と抵抗Ｒ１との間にあって、ハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１と接地ノードＮ２との間を非導通の状態または導通の状態にする点が図７に示した駆動回路２０と相違する。

［効果］
図７〜図９のように構成されたいずれの駆動回路２０でも、その起動開始時（信号処理ＩＣ２の電源投入時等）には、帰還発振回路の発振振幅（振動子１００の発振振幅）が基準値よりも小さいので監視信号ＳＷはハイレベルとなり、スイッチ２３２がオンしてハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１に発振回路２２の出力信号（発振信号）が供給される。ハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１に供給された発振信号は、コンパレーター２１２によって増幅されて駆動信号となり、ＤＳ端子を介して振動子１００に供給される。この時、スイッチ２３１はオフするので、ハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１と接地ノードＮ２との間は非導通であり、ハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１に供給された発振信号の一部が接地ノードＮ２に流れることがない。従って、本実施形態の物理量検出装置１（駆動回路２０）によれば、発振回路２２が出力する発振信号を効率的に利用し、振動子１００の所望の共振周波数での発振動作を開始するまでの時間を短縮することができるので、振動子１００が安定して発振するまでの起動時間を従来よりも短くすることができる。

なお、図７に示した駆動回路２０によれば、ハイパスフィルター２１１に含まれる抵抗Ｒ１を、発振回路２２が出力する発振信号をハイパスフィルター２１１の出力ノードに供給するための抵抗として兼用することができるので、小型化に有利である。

振動子１００が正常に発振動作を開始すると、発振振幅が徐々に大きくなっていき、発振振幅が基準値よりも大きくなると監視信号ＳＷはローレベルとなり、スイッチ２３２がオフしてハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１には発振回路２２の出力信号（発振信号）が供給されなくなる。この時、スイッチ２３１はオンするので、ハイパスフィルター２１１の出力ノードＮ１と接地ノードＮ２との間が導通し、ハイパスフィルター２１１はハイパスフィルターとして機能するようになる。従って、本実施形態の物理量検出装置１（駆動回路２０）によれば、振動子１００が正常に発振動作を開始した後は、振動子１００の所望の共振周波数とはわずかながら異なる周波数の発振信号が駆動信号に重畳されなくなるとともに、低周波の不要な信号がハイパスフィルター２１１で除去されるようになるので、振動子１００は安定して発振することが可能となる。

なお、不要な消費電力を削減するために、監視信号ＳＷがハイレベルからローレベルに切り替わった後は、発振回路２２の発振動作を停止させるようにするのが望ましい。

また、検波信号ＳＤＥＴは、ハイパスフィルター２１１の出力信号を２値化した信号であるので、起動開始時は発振回路２２の出力信号の反転信号となり、監視信号ＳＷがハイレベルからローレベルに切り替わった後は、帰還発振回路による発振信号を２値化した信号となる。そして、この検波信号ＳＤＥＴは、デジタル演算回路４０のマスタークロック信号となるので、デジタル演算回路４０は、起動開始直後（信号処理ＩＣ２の電源投入直後）から演算処理を開始し、デジタル演算回路４０が正常なデジタルデータＶＤＯの出力を開始するまでの時間を短縮することができる。従って、物理量検出装置１と外部装置とを含むシステム全体の起動時間を短縮することができる。さらに、起動開始直後から検波信号ＳＤＥＴをデジタル演算回路４０のマスタークロック信号ＭＣＬＫとして兼用するので、マスタークロック信号を発生させる専用の発振回路が不要であり、信号処理ＩＣ２の小型化や低コスト化に有利である。

２．電子機器
図１０は、本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図である。また、図１１は、本実施形態の電子機器の一例であるスマートフォンの外観の一例を示す図である。

本実施形態の電子機器３００は、物理量検出装置３１０、ＣＰＵ（Central Processing
Unit）３２０、操作部３３０、ＲＯＭ（Read Only Memory）３４０、ＲＡＭ（Random Access Memory）３５０、通信部３６０、表示部３７０を含んで構成されている。なお、本実施形態の電子機器は、図１７の構成要素（各部）の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

物理量検出装置３１０（振動デバイスの一例）は、物理量を検出し、検出した物理量に応じたレベルの信号（物理量信号）を出力する装置であり、例えば、加速度、角速度、速度、角加速度、力等の物理量の少なくとも一部を検出する慣性センサーであってもよいし、傾斜角を計測する傾斜計であってもよい。物理量検出装置３１０として、例えば、上述の本実施形態の物理量検出装置１を適用することができる。また、物理量検出装置３１０は、駆動回路３１２を含んで構成されており、駆動回路３１２として、例えば、上述の本実施形態の駆動回路２０を適用することができる。

ＣＰＵ３２０は、ＲＯＭ３４０等に記憶されているプログラムに従い、物理量検出装置３１０から入力される信号を用いて各種の計算処理や制御処理を行う。その他、ＣＰＵ３２０は、操作部３３０からの操作信号に応じた各種の処理、外部装置とデータ通信を行うために通信部３６０を制御する処理、表示部３７０に各種の情報を表示させるための表示
信号を送信する処理等を行う。

操作部３３０は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をＣＰＵ３２０に出力する。

ＲＯＭ３４０は、ＣＰＵ３２０が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。

ＲＡＭ３５０は、ＣＰＵ３２０の作業領域として用いられ、ＲＯＭ３４０から読み出されたプログラムやデータ、操作部３３０から入力されたデータ、ＣＰＵ３２０が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。

通信部３６０は、ＣＰＵ３２０と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。

表示部３７０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示装置であり、ＣＰＵ３２０から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部３７０には操作部３３０として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。

物理量検出装置３１０として、例えば上述した本実施形態の物理量検出装置１を適用し、あるいは、物理量検出装置３１０に含まれる駆動回路３１２として、例えば上述した本実施形態の駆動回路２０を適用することにより、起動時間が短く、信頼性の高い電子機器を実現することができる。

このような電子機器３００としては種々の電子機器が考えられ、例えば、パーソナルコンピューター（例えば、モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、タブレット型パーソナルコンピューター）、スマートフォンや携帯電話機などの移動体端末、ディジタルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えば、インクジェットプリンター）、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、移動体端末基地局用機器、テレビ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、リアルタイムクロック装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ゲーム用コントローラー、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、ＰＤＲ（歩行者位置方位計測）等が挙げられる。

３．移動体
図１２は、本実施形態の移動体の一例を示す図（上面図）である。図１２に示す移動体４００は、物理量検出装置４１０，４２０，４３０、コントローラー４４０，４５０，４６０、バッテリー４７０、ナビゲーション装置４８０を含んで構成されている。なお、本実施形態の移動体は、図１２の構成要素（各部）の一部を省略し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

物理量検出装置４１０，４２０，４３０、コントローラー４４０，４５０，４６０、ナビゲーション装置４８０は、バッテリー４７０から供給される電源電圧で動作する。

コントローラー４４０，４５０，４６０は、それぞれ、物理量検出装置４１０，４２０
，４３０が出力する物理量信号の一部又は全部を用いて、姿勢制御システム、横転防止システム、ブレーキシステム等の各種の制御を行う。

ナビゲーション装置４８０は、内蔵のＧＰＳ受信機（不図示）の出力情報に基づき、移動体４００の位置や時刻その他の各種の情報をディスプレイに表示する。また、ナビゲーション装置４８０は、物理量検出装置４９０を内蔵しており、ＧＰＳの電波が届かない時でも物理量検出装置４９０の出力信号に基づいて移動体４００の位置や向きの計算を行い、必要な情報の表示を継続する。

物理量検出装置４１０，４２０，４３０，４９０（振動デバイスの一例）は、検出した物理量に応じたレベルの信号（物理量信号）を出力する装置であり、それぞれ、例えば、角速度センサー、加速度センサー、速度センサー、傾斜計等である。

例えば、物理量検出装置４１０，４２０，４３０，４９０として、上述した本実施形態の物理量検出装置１を適用し、あるいは、物理量検出装置４１０，４２０，４３０，４９０に含まれる駆動回路（不図示）として、上述した本実施形態の駆動回路２０を適用することにより、起動時間が短く、信頼性の高い移動体を実現することができる。

このような移動体４００としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車（電気自動車も含む）、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。

本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、駆動回路２０において、監視信号ＳＷがハイレベルからローレベルに切り替わった後は、発振回路２２の出力を停止させる（例えば、ハイインピーダンスにする）ことで、スイッチ２３２が無い構成にしてもよい。

また、例えば、振動子１００の振動片は、ダブルＴ型でなくてもよく、例えば、音叉型やくし歯型であってもよいし、三角柱、四角柱、円柱状等の形状の音片型であってもよい。また、振動子１００の振動片の材料としては、水晶（ＳｉＯ₂）の代わりに、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）等の圧電単結晶やジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックスなどの圧電性材料を用いてもよいし、シリコン半導体を用いてもよい。また、例えば、シリコン半導体の表面の一部に、駆動電極に挟まれた酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電薄膜を配置した構造であってもよい。

また、例えば、振動子１００は、圧電型の振動子に限らず、動電型、静電容量型、渦電流型、光学型、ひずみゲージ型等の振動式の振動子であってもよい。あるいは、振動子１００の方式は、振動式に限らず、例えば、光学式、回転式、流体式であってもよい。また、振動子１００が検出する物理量は、角速度に限らず、角加速度、加速度、速度、力などであってもよい。

また、上述した実施形態では、振動デバイスの一例として、駆動回路により振動子を振動（発振）させて物理量を検出する物理量検出装置を例に挙げたが、振動デバイスは、例えば、駆動回路（発振回路）によって振動子を振動（発振）させて周期信号（発振信号）を発生させる発振器であってもよい。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例
えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１ 物理量検出装置、２ 信号処理集積回路（ＩＣ）、１０ 基準電圧回路、２０ 駆動回路、２１ 帰還発振用回路、２２ 発振回路、２３ 制御回路、２４ 積分器、２５ コンパレーター、２６ ＡＧＣ下限監視回路、３０ 検出回路、３１，３２ チャージアンプ、３３ 差動アンプ、３４ ハイパスフィルター、３５ ＡＣアンプ、３６ 同期検波回路、３７ 可変ゲインアンプ、３８ スイッチトキャパシタフィルター（ＳＣＦ）、３９ 出力バッファー、４０ デジタル演算回路、４１ Ａ／Ｄ変換回路、４２ デジタルフィルター、４３ デジタル補正回路、４４ 分周回路、５０ 記憶部、６０ シリアルインターフェース回路、７０ 異常診断回路、１００ 振動子、１０１ａ〜１０１ｂ 駆動振動腕、１０２ 検出振動腕、１０３ 錘部、１０４ａ〜１０４ｂ 駆動用基部、１０５ａ〜１０５ｂ 連結腕、１０６ 錘部、１０７ 検出用基部、１１２〜１１３ 駆動電極、１１４〜１１５ 検出電極、１１６ 共通電極、２１０ Ｉ／Ｖ変換回路（電流電圧変換回路）、２１１ ハイパスフィルター、２１２ コンパレーター、２３０ 全波整流回路、２３１ スイッチ、２３２ スイッチ、２３３ 発振監視回路、２３４ インバーター回路、３００ 電子機器、３１０ 物理量検出装置、３１２ 駆動回路、３２０ ＣＰＵ、３３０ 操作部、３４０ ＲＯＭ、３５０ ＲＡＭ、３６０ 通信部、３７０ 表示部、４００ 移動体、４１０，４２０，４３０ 物理量検出装置、４４０，４５０，４６０ コントローラー、４７０ バッテリー、４８０ ナビゲーション装置、４９０ 物理量検出装置

Claims (9)

1. 振動子に接続されることで帰還発振回路を構成し、かつ、ハイパスフィルターを備えている帰還発振用回路と、
   周期信号を出力する第３ノードを備えている発振回路と、
   前記帰還発振回路が動作している状態で前記帰還発振用回路に前記周期信号を供給するか否かを制御し、かつ、前記帰還発振用回路に前記周期信号を供給する時に前記ハイパスフィルターの出力ノードである第１ノードと接地されている第２ノードとの間を非導通の状態にし、前記帰還発振用回路に前記周期信号を供給しない時に前記第１ノードと前記第２ノードとの間を導通の状態にするように制御する制御回路と、を含む、駆動回路。
2. 前記ハイパスフィルターは、コンデンサーと抵抗を含み、
   前記制御回路は、
   前記抵抗と前記第２ノードとの間にあって、前記第１ノードと前記第２ノードとの間を非導通の状態または前記抵抗を介して導通の状態にする第１スイッチ回路を含む、請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記ハイパスフィルターは、コンデンサーと第１抵抗を含み、
   前記制御回路は、
   前記第１ノードと前記第１抵抗との間にあって、前記第１ノードと前記第２ノードとの間を非導通の状態または前記第１抵抗を介して導通の状態にする第１スイッチ回路と、
   前記第３ノードと前記第１ノードとの間にある第２抵抗と、を含む、請求項１に記載の駆動回路。
4. 前記制御回路は、
   前記第３ノードと前記第１ノードとの間にあって、前記帰還発振用回路に前記周期信号が供給される状態又は供給されない状態にする第２スイッチ回路を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の駆動回路。
5. 前記制御回路は、
   前記帰還発振回路の発振状態に基づいて、前記帰還発振用回路に前記周期信号を供給するか否かを制御し、かつ、前記第１ノードと前記第２ノードとの間を非導通の状態または導通の状態にするように制御する発振監視回路を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の駆動回路。
6. 前記制御回路は、
   前記帰還発振回路から供給される信号を整流する整流回路を含み、
   前記発振監視回路は、
   前記整流回路の出力信号に基づいて、前記帰還発振用回路に前記周期信号を供給するか否かを制御し、かつ、前記第１ノードと前記第２ノードとの間を非導通の状態または導通の状態にするように制御する、請求項５に記載の駆動回路。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の駆動回路と、
   前記振動子と、を備えている、振動デバイス。
8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の駆動回路を備えている、電子機器。
9. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の駆動回路を備えている、移動体。

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