WO2015146566A1 - 振動子駆動回路 - Google Patents

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WO2015146566A1
WO2015146566A1 PCT/JP2015/056902 JP2015056902W WO2015146566A1 WO 2015146566 A1 WO2015146566 A1 WO 2015146566A1 JP 2015056902 W JP2015056902 W JP 2015056902W WO 2015146566 A1 WO2015146566 A1 WO 2015146566A1
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WO
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vibrator
vibrators
reference signal
frequency
phase
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/056902
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English (en)
French (fr)
Inventor
秀和 小野
辻　信昭
威 岡見
崇 溝田
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
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Priority to US15/263,545 priority Critical patent/US10175045B2/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5726—Signal processing

Definitions

  • the present invention relates to a vibrator driving circuit that vibrates a vibrator in a predetermined vibration direction in a vibration type angular velocity sensor.
  • the vibration type angular velocity sensor generates a Coriolis force according to an angular velocity acting from the outside by vibrating the vibrator at a predetermined frequency in a predetermined vibration direction, and the direction in which the vibrator is orthogonal to the vibration direction by the Coriolis force. It is a sensor that detects the amount of displacement and measures the angular velocity.
  • the vibrator is supported by a spring structure or the like, and the Coriolis force increases in proportion to the vibration speed of the vibrator. Therefore, in order to improve the sensitivity of the angular velocity sensor, it is necessary to increase the vibration amplitude of the vibrator with respect to the vibration direction and increase the vibration speed of the vibrator.
  • this type of angular velocity sensor generally detects the vibration amplitude of the vibrator and feeds it with positive feedback using a drive signal for driving the vibrator, thereby causing the vibrator to self-oscillate at a resonance frequency.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Document 1
  • Patent Document 2 a conventional angular velocity sensor in which a plurality of vibrators are mounted to measure a triaxial angular velocity is known (for example, Patent Document 2).
  • the resonance frequency of each vibrator varies, and thus a drive circuit for self-oscillating the vibrator is required for each vibrator.
  • the circuit scale of the drive circuit is large and the power consumption is large.
  • a synchronous detection signal synchronized with the resonance frequency of each vibrator can be individually generated when the vibration component of the Coriolis force is synchronously detected. Necessary.
  • Patent Document 2 is a drive circuit that oscillates a plurality of vibrators by matching the resonance frequencies of the vibrators by mechanically coupling a plurality of vibrators structurally. Is realized by one circuit.
  • JP 2009-31007 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-64002
  • the present invention uses at least a part of the circuit configuration for vibrating each vibrator by matching the resonance frequencies of a plurality of vibrators using a method different from the conventional technique.
  • An object of the present invention is to provide a vibrator driving circuit that can reduce the circuit scale and power consumption.
  • the present invention employs a vibrator driving circuit that vibrates a vibrator in a predetermined vibration direction, the vibration based on a reference signal having a predetermined frequency.
  • a drive unit that vibrates the vibrator in the vibration direction by driving a child, and detects a vibration waveform of the vibrator with respect to the vibration direction, and outputs in accordance with a phase difference between the reference signal and the vibration waveform
  • a phase detector that outputs a voltage; a movable electrode provided on the vibrator; and a fixed electrode provided opposite to the movable electrode, and a capacitor to which the output voltage is applied to the fixed electrode.
  • the phase detector adjusts the output voltage according to the phase difference, thereby changing the electrostatic force in the capacitor to control the phase difference to be 90 degrees. It is a configuration characterized by.
  • the vibrator driving circuit having the first configuration may further include a reference signal generation unit that generates the reference signal.
  • the vibrator is supported by a spring structure so as to be able to vibrate in the vibration direction, and the predetermined frequency is supported by the spring structure.
  • the frequency is preferably lower than the resonance frequency of the vibrator.
  • the present invention employs a vibrator driving circuit that drives a plurality of vibrators that vibrate in different vibration directions, and is provided in each of the plurality of vibrators. And driving each of the plurality of vibrators based on a reference signal having a predetermined frequency by moving a movable electrode displaced together with the fixed electrode facing the movable electrode.
  • a drive unit that vibrates each of the plurality of vibrators detects a vibration waveform of each vibrator, and fixes an output voltage corresponding to a phase difference between the reference signal and the vibration waveform to the capacitor.
  • Phase difference is the structure which is characterized in that is controlled to be 90 degrees. According to such a configuration, the resonance frequencies of the plurality of vibrators can be matched with the reference signal.
  • the vibrator driving circuit having the fourth configuration may further include a reference signal generation unit that generates the reference signal.
  • each of the plurality of vibrators is supported by a spring structure so as to vibrate in a predetermined vibration direction, and the predetermined frequency is It is preferable that the frequency be lower than the resonance frequency due to the spring structure of each of the plurality of vibrators.
  • the vibrator driving circuit having the fifth configuration further applies the predetermined driving signal to one vibrator different from the plurality of vibrators, thereby causing the one vibrator to self-activate.
  • a configuration may be employed in which a self-excited oscillation circuit that performs excitation oscillation is provided, and the reference signal generation unit matches the frequency of the reference signal with the frequency of the drive signal.
  • each of the plurality of vibrators and the one vibrator is supported by a spring structure so as to vibrate in a predetermined vibration direction. It is preferable that the resonance frequency due to the spring structure of the vibrator is lower than the resonance frequency due to the spring structure of each of the plurality of vibrators.
  • the present invention employs a vibrator driving circuit that drives a plurality of vibrators that vibrate in different vibration directions, and includes one vibrator included in the plurality of vibrators.
  • a drive signal for self-oscillation is generated and applied to the one vibrator, and the drive signal is applied to other vibrators other than the one vibrator, thereby each of the plurality of vibrators.
  • a self-excited oscillation circuit that drives the other vibrator, a movable electrode that is displaced together with the other vibrator, a fixed electrode facing the movable electrode, and a drive signal
  • a reference signal generation unit that generates a reference signal that matches the frequency of the drive signal based on the reference signal generator, and is provided in the other vibrator, detects a vibration waveform of the other vibrator, Phase difference A phase detector that applies a corresponding output voltage to the fixed electrode of the capacitor, and the phase detector adjusts the output voltage according to the phase difference to change the electrostatic force in the capacitor,
  • the phase difference is controlled to be 90 degrees. According to this configuration, the resonance frequencies of the plurality of vibrators can be matched with the resonance frequency of one vibrator.
  • the phase detector adjusts the output voltage according to the phase difference between the vibration waveform of the vibrator and the reference signal, changes the electrostatic force in the capacitor, and the phase difference becomes 90 degrees.
  • the resonance frequency of the vibrator can be matched with the frequency of the reference signal. Therefore, since the resonance frequency of the plurality of vibrators can be made to coincide with the frequency of the reference signal, at least a part of the circuit configuration for vibrating the plurality of vibrators can be shared, and the circuit scale Reduction of power consumption and power consumption can be realized.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an angular velocity sensor 1 according to the present embodiment.
  • the angular velocity sensor 1 is a sensor mounted on an information processing terminal such as a smartphone or a tablet terminal, for example.
  • the sensor unit 2 the angular velocity detection circuit 4, and a vibrator driving circuit (hereinafter simply referred to as a sensor drive circuit). 5) and a control circuit 6 are provided.
  • the sensor unit 2 is formed of a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) structure and includes a vibrator 3 that can be displaced in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the vibrator 3 is supported by a spring 7 so as to be able to vibrate, and is driven by a drive circuit 5 to vibrate in the X-axis direction.
  • the vibrator 3 is vibrating in the X-axis direction, if an angular velocity is applied, the vibrator 3 is subjected to a Coriolis force in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction according to the angular velocity, and the vibrator 3 is in the Y-direction. Displace in the axial direction.
  • the angular velocity sensor 1 measures the angular velocity by detecting the displacement of the vibrator 3 in the Y-axis direction.
  • the vibrator 3 includes a plurality of capacitors 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, and 12b for driving in the X-axis direction.
  • These capacitors 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, and 12b are all provided on the vibrator 3 and move in the X-axis direction together with the vibrator 3, and are fixed on the MEMS substrate and face the movable electrode. And fixed electrodes arranged in this manner. Note that both the movable electrode and the fixed electrode may be configured as comb-like electrodes.
  • the drive circuit 5 applies the drive signals Vd1 and Vd2 whose polarities are opposite to each other to the fixed electrodes of the pair of capacitors 10a and 10b, thereby generating electrostatic forces having different sizes in the capacitors 10a and 10b,
  • the vibrator 3 is vibrated in the X-axis direction. The detailed configuration and operation of the drive circuit 5 will be described later.
  • the sensor unit 2 includes a movable unit 8 that is displaced in the Y-axis direction in conjunction with the displacement of the transducer 3 in the Y-axis direction.
  • the movable unit 8 receives the displacement of the transducer 3 in the Y-axis direction.
  • Capacitors 9a and 9b for detection are provided. These capacitors 9a and 9b are also configured by a movable electrode provided in the movable portion 8 and displaced in the Y-axis direction together with the movable portion 8, and a fixed electrode fixed on the MEMS substrate and disposed so as to face the movable electrode. Is done.
  • the capacitances of the capacitors 9a and 9b change. That is, when the capacitance of one capacitor 9a (or 9b) increases, the capacitance of the other capacitor 9b (or 9a) decreases.
  • the angular velocity detection circuit 4 detects an angular velocity acting on the vibrator 3 by detecting a change in capacitance of the capacitors 9a and 9b.
  • FIG. 2 is a Bode diagram showing the frequency characteristics of the vibrator 3.
  • FIG. 2A shows the gain characteristics of the X direction displacement of the vibrator 3 with respect to the drive signals Vd1 and Vd2, and
  • FIG. 2B shows the phase characteristics.
  • the resonance frequency f0 of the vibrator 3 is expressed by the following equation 1 using the weight m of the vibrator 3 and the total spring constant K of the spring 7. Is done.
  • the drive circuit 5 applies the drive signals Vd1 and Vd2 to the vibrator 3 to vibrate the vibrator 3 in the X-axis direction, the resonance frequency determined by the weight m of the vibrator 3 and the spring constant K of the spring 7
  • the vibration amplitude in the X-axis direction of the vibrator 3 can be maximized as shown in FIG.
  • the vibrator 3 vibrates in a state where the phase is delayed by 90 ° with respect to the electrostatic force generated by the drive signals Vd1 and Vd2, as shown in FIG.
  • the drive circuit 5 applies drive signals Vd1 and Vd2 having a frequency lower than the resonance frequency f0 of the vibrator 3 to vibrate, the vibration amplitude in the X-axis direction of the vibrator 3 becomes smaller than the maximum amplitude.
  • the phase delay of the vibrator 3 approaches 0 °.
  • the frequencies of the drive signals Vd1 and Vd2 are sufficiently lower than the resonance frequency f0, the phase delay of the vibrator 3 is 0 °.
  • the drive circuit 5 applies drive signals Vd1 and Vd2 having a frequency higher than the resonance frequency f0 of the vibrator 3 to vibrate, the vibration amplitude in the X-axis direction of the vibrator 3 becomes smaller than the maximum amplitude.
  • the phase delay of the vibrator 3 approaches 180 °.
  • the frequencies of the drive signals Vd1 and Vd2 are sufficiently higher than the resonance frequency f0, the phase delay of the vibrator 3 is 180 °. Therefore, by detecting the phase delay of the vibrator 3, it can be determined whether or not the vibrator 3 vibrates at the resonance frequency f0.
  • the drive circuit 5 is configured in such a manner that when the vibrator 3 vibrates at the resonance frequency, the vibrator 3 vibrates at a phase delayed by 90 ° with respect to the electrostatic force acting on the vibrator 3.
  • the vibrator 3 is driven by shifting the resonance frequency of the vibrator 3 so that the phase delay of the child 3 is 90 °. This will be described in detail below.
  • the drive circuit 5 includes a reference signal generation unit 20, a drive unit 21, and a phase detection unit 22, as shown in FIG.
  • the reference signal generation unit 20 includes, for example, an oscillator 20a that generates a high-frequency signal, and generates high-frequency reference signals SG1 and SG2 by dividing the high-frequency signal generated by the oscillator 20a.
  • the reference signal SG2 is a signal having the same frequency as the reference signal SG1 and a phase delayed by 90 ° with respect to the reference signal SG1. Then, the reference signal generation unit 20 outputs the reference signal SG1 to the drive unit 21 and outputs the reference signal SG2 to the phase detection unit 22. Further, the reference signal generation unit 20 applies a constant voltage Va to the vibrator 3.
  • the drive unit 21 Based on the reference signal SG1, the drive unit 21 generates a pair of drive signals Vd1 and Vd2 that are sine wave signals that have the same frequency as the reference signal SG1 and whose polarities are inverted with each other. Applied to the fixed electrodes 10a and 10b.
  • the voltage Va of the vibrator 3 is held at, for example, the maximum voltage of the drive signals Vd1 and Vd2 or a voltage higher than the maximum voltage, and drive signals Vd1 and Vd2 whose polarities are inverted are applied to the capacitors 10a and 10b, respectively.
  • an electrostatic force F that vibrates the vibrator 3 in the X-axis direction is generated.
  • the phase detector 22 detects a vibration waveform in the X-axis direction of the vibrator 3 based on the capacitance change of the capacitors 11a and 11b, and an output voltage corresponding to the phase difference between the vibration waveform and the reference signal SG1.
  • the phase detector 22 includes a CV converter 25, a comparator 26, a phase comparator 27, and a voltage converter 28.
  • the CV converter 25 converts the charge signals SG3 and SG4 transferred from the capacitors 11a and 11b to voltages in accordance with the capacitance changes of the capacitors 11a and 11b, and the vibration waveform of the vibrator 3 in the X-axis direction is converted.
  • a pair of signals SG5 and SG6 whose polarities are inverted are output.
  • the comparator 26 compares the pair of signals SG5 and SG6, and outputs a pulse signal SG7 that inverts the polarity at the timing when the magnitude relationship between the signals SG5 and SG6 is switched.
  • the phase comparator 27 performs a phase comparison between the pulse signal SG7 and the reference signal SG2 output from the reference signal generation unit 20, and if there is a phase shift between the pulse signal SG7 and the reference signal SG2, the phase shift.
  • the pulse signals SG8 and SG9 having a pulse width corresponding to the above are output. That is, since the reference signal SG2 is a signal whose phase is delayed by 90 ° with respect to the reference signal SG1, the phase comparator 27 performs a phase comparison between the pulse signal SG7 and the reference signal SG2, whereby the drive signals Vd1, Vd2 It is detected whether or not the phase delay of the vibrator 3 driven by is 90 °.
  • pulse signals SG8 and SG9 having a pulse width corresponding to the phase shift amount from 90 ° are output from the phase comparator 27.
  • the pulse signal SG8 is a signal output as a pulse width corresponding to the positional deviation of the rising edge when the rising edge of the pulse signal SG7 is earlier than the rising edge of the reference signal SG2.
  • the pulse signal SG9 is a signal output as a pulse width corresponding to the positional deviation of the rising edge when the rising edge of the pulse signal SG7 is later than the rising edge of the reference signal SG2.
  • the voltage converter 28 integrates the pulse widths of the pulse signals SG8 and SG9 output from the phase comparator 27 and converts them into a voltage to generate an output voltage Vcnt.
  • the output voltage Vcnt is fixed to the capacitors 12a and 12b. Apply to electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing signal waveforms at various parts when the vibrator 3 vibrates at the resonance frequency by the drive circuit 5.
  • the drive signals Vd1 and Vd2 that match the resonance frequency f0 are applied to the capacitors 10a and 10b.
  • an electrostatic force F that periodically changes in accordance with the resonance frequency f0 acts on the vibrator 3 to vibrate the vibrator 3 in the X-axis direction.
  • the phase of the electrostatic force F matches the phase of the drive signals Vd1 and Vd2, and also matches the phase of the reference signal SG1.
  • the vibrator 3 When the vibrator 3 is driven at the resonance frequency f0 as described above, the vibrator 3 vibrates in the X-axis direction with a phase delayed by 90 ° with respect to the phase of the electrostatic force F, and thus is output from the CV converter 25.
  • a pair of signals SG5 and SG6 indicating the vibration waveform of the vibrator 3 is output as a signal whose phase is delayed by 90 ° with respect to the drive signals Vd1 and Vd2 and the reference signal SG1, as shown in FIG.
  • the pulse signal SG7 becomes a signal having the same phase as the reference signal SG2. Therefore, when the vibrator 3 vibrates at the resonance frequency, the phase comparator 27 does not detect a phase shift between the pulse signal SG7 and the reference signal SG2, and thus the pulse width W of the pulse signals SG8 and SG9 is zero.
  • FIG. 4 is a diagram showing signal waveforms at various parts when the vibrator 3 vibrates at a frequency lower than the resonance frequency by the drive circuit 5.
  • the frequency f of the reference signal SG1 is lower than the resonance frequency f0 of the vibrator 3
  • drive signals Vd1 and Vd2 that match the frequency f of the reference signal SG1 are applied to the capacitors 10a and 10b.
  • an electrostatic force F that periodically changes in accordance with the frequency f of the reference signal SG1 acts on the vibrator 3 to vibrate the vibrator 3 in the X-axis direction.
  • the phase of the electrostatic force F matches the phase of the drive signals Vd1 and Vd2, and also matches the phase of the reference signal SG1.
  • the phase delay of the vibrator 3 with respect to the electrostatic force F is not 90 °, but is a value of 0 ° or more and less than 90 °. It becomes. Therefore, the pair of signals SG5 and SG6 indicating the vibration waveform of the vibrator 3 output from the CV converter 25 has a phase of 0 ° or more with respect to the drive signals Vd1 and Vd2 and the reference signal SG1, as shown in FIG. It is output as a delayed signal within a range of less than 90 °.
  • the pulse signal SG7 is not a signal having the same phase as the reference signal SG2, and the rising and falling edge positions of the pulse signal SG7 are the reference signal. It occurs at a timing earlier than the rising edge and falling edge positions of SG2.
  • the phase comparator 27 outputs a pulse signal SG8 having a pulse width W corresponding to such a deviation amount of the edge position. At this time, the pulse signal SG9 is not output.
  • the phase comparator 27 outputs a pulse signal SG9 having a pulse width W corresponding to the edge position shift amount, and the pulse signal SG8 is not output.
  • FIG. 5 is a diagram showing a conversion example in which the voltage converter 28 converts the pulse width W of the pulse signals SG8 and SG9 into the output voltage Vcnt.
  • the voltage converter 28 matches the output voltage Vcnt with the voltage Va of the vibrator 3 in the initial state.
  • the output voltage Vcnt in the initial state is not necessarily required to coincide with the voltage Va of the vibrator 3, and may be in the range of 0 to Va.
  • the voltage converter 28 reduces the output voltage Vcnt according to the pulse width of the pulse signal SG8. Hold the output voltage Vcnt.
  • the voltage converter 28 decreases the output voltage Vcnt according to the pulse width.
  • the output voltage Vcnt is V1
  • the pulse signal SG8 is not output, so that the output voltage Vcnt maintains a constant state.
  • the voltage converter 28 detects the pulse width of the pulse signal SG9 as shown in FIG. Accordingly, the output voltage Vcnt is raised from the current voltage, and the raised output voltage Vcnt is held. Thereafter, each time the voltage converter 28 receives the pulse signal SG9 from the phase comparator 27, the voltage converter 28 increases the output voltage Vcnt according to the pulse width.
  • the output voltage Vcnt is V1
  • the pulse signal SG9 is not output, so that the output voltage Vcnt maintains a constant state.
  • the voltage converter 28 When the pulse widths of both the pulse signals SG8 and SG9 output from the phase comparator 27 become 0, the voltage converter 28 thereafter maintains a constant state without decreasing or increasing the output voltage Vcnt. To hold. Therefore, when the vibrator 3 does not vibrate at the resonance frequency, the output voltage Vcnt of the voltage converter 28 is appropriately adjusted with a voltage lower than the voltage Va of the vibrator 3, and the fixed and movable electrodes of the capacitors 12a and 12b. Is adjusted so that the potential difference between and becomes a predetermined voltage. When the vibrator 3 oscillates at the resonance frequency, the output voltage Vcnt of the voltage converter 28 maintains a constant state.
  • the capacitors 12a and 12b When a potential difference is generated between the movable electrode and the fixed electrode, the capacitors 12a and 12b give a pseudo negative spring constant ( ⁇ Ke) to the vibrator 3 thereby. That is, if the potential difference between the movable electrode and the fixed electrode is V, and the capacitance of the capacitors 12a and 12b is C, the energy W of each capacitor 12a and 12b is expressed by the following equation (2).
  • the electrostatic force Fe acting between the movable electrode and the fixed electrode of each capacitor 12a, 12b is expressed by the following equation (3) from the above equation (2). Note that x is the displacement of the movable electrode.
  • Equation 4 is an approximate expression assuming that the displacement x of the movable electrode is sufficiently smaller than the distance D between the movable electrode and the fixed electrode.
  • C0 in the formula 4 is an initial value of the electrostatic capacity when the movable electrode is at the initial position.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the potential difference V and the absolute value of the spring constant ( ⁇ Ke). As shown in FIG. 6, when the potential difference Va ⁇ Vcnt is 0, the absolute value of the spring constant ( ⁇ Ke) applied to the vibrator 3 by the capacitors 12a and 12b is 0.
  • the above formula (4) is a formula in the case where the capacitors 12a and 12b are constituted by parallel plates. However, any structure other than the parallel plates can be used as long as (d 2 C / dx 2 ) can be regarded as constant. Even so, it is feasible.
  • the resonance frequency of the vibrator 3 is shifted. That is, assuming that the resonance frequency of the vibrator 3 in a state where the negative spring constant ( ⁇ Ke) is applied to the vibrator 3 is f1, the resonance frequency f1 is expressed by the following equation (5).
  • FIG. 7 is a diagram showing a concept of shift of the resonance frequency of the vibrator 3.
  • the phase detection unit 22 applies an output voltage Vcnt corresponding to the phase difference between the vibration waveform of the vibrator 3 and the reference signal SG2 to the capacitors 12a and 12b, thereby generating a potential difference V between the fixed electrode and the movable electrode.
  • the resonance frequency of the vibrator 3 is shifted to a frequency f1 lower than the original resonance frequency f0 as shown in FIG. Therefore, if the reference signal generation unit 20 is configured to generate and output the reference signal SG1 having a frequency f1 lower than the original resonance frequency f0 of the transducer 3 in advance, the phase detection unit 22 is configured to output the reference signal SG1.
  • the resonance frequency of the vibrator 3 matches the frequency f1 of the reference signal SG1.
  • the pulse signal SG8 is being output, the output voltage Vcnt gradually decreases, so that the resonance frequency of the vibrator 3 decreases.
  • the resonance frequency of the vibrator 3 is lower than the frequency f1 of the reference signal SG1, the pulse signal SG9 is output, the output voltage Vcnt is raised, and the resonance frequency of the vibrator 3 is raised.
  • the resonance frequency of the vibrator 3 can be matched with the frequency f1 of the reference signal SG1.
  • the phase delay of the vibrator 3 becomes 90 °, and the pulse widths of the pulse signals SG8 and SG9 output from the phase comparator 27 become zero.
  • the phase detector 22 holds the output voltage Vcnt at that time, and the vibrator 3 stably vibrates in the X-axis direction at the resonance frequency f1.
  • the vibration amplitude of the vibrator 3 shows the maximum amplitude, and the vibration speed in the X-axis direction is also maximized. Therefore, the Coriolis force acting on the vibrator 3 is increased by the angular velocity, and the vibrator 3 is The amount of displacement displaced in the axial direction can be increased.
  • the angular velocity detection circuit 4 includes a displacement detector 31 that detects a vibration waveform in which the vibrator 3 is displaced in the Y-axis direction by Coriolis force and vibrates in the Y-axis direction of the vibrator 3 that is detected by the displacement detector 31.
  • a displacement detector 31 that detects a vibration waveform in which the vibrator 3 is displaced in the Y-axis direction by Coriolis force and vibrates in the Y-axis direction of the vibrator 3 that is detected by the displacement detector 31.
  • the synchronous detector 32 that detects the vibration waveform of the Coriolis force component from the vibration waveform
  • the AD converter 33 that AD converts the vibration waveform of the Coriolis force component detected by the synchronous detector 32
  • the AD converter 33 that AD converts the vibration waveform of the Coriolis force component detected by the synchronous detector 32
  • an output unit 34 for outputting a digital signal.
  • the displacement detector 31 performs CV conversion on the charge signals SGa and SGb transferred from the capacitors 9a and 9b as the vibrator 3 is displaced in the Y-axis direction, thereby vibrating the vibrator 3 in the Y-axis direction.
  • a signal SGc indicating a waveform is output.
  • This signal SGc includes not only a signal component of a vibration waveform due to Coriolis force but also a signal component of a vibration waveform due to a quadrature error.
  • the vibration waveform due to the Coriolis force and the vibration waveform due to the quadrature error are 90 ° out of phase.
  • the control circuit 6 In order to be able to extract only the signal component of the vibration waveform due to the Coriolis force using this phase shift, the control circuit 6 generates the vibration waveform due to the Coriolis force based on the clock signal CLK output from the reference signal generation unit 20. A synchronous detection signal SGx for extracting only the signal component is generated. This synchronous detection signal SGx is a signal synchronized with the reference signals SG1 and SG2. Then, the control circuit 6 outputs the synchronous detection signal SGx to the synchronous detection unit 32.
  • the synchronous detection unit 32 Based on the synchronous detection signal SGx output from the control circuit 6, the synchronous detection unit 32 detects and extracts only the signal component synchronized with the vibration waveform due to the Coriolis force from the signal SGc, thereby obtaining the vibration waveform of the Coriolis force component. A signal SGd is output. Thereby, since the signal component of the vibration waveform due to an unnecessary quadrature error is removed from the signal SGc indicating the vibration waveform in the Y-axis direction of the vibrator 3, the vibrator 3 is displaced in the Y-axis direction by the Coriolis force. The displacement amount can be accurately detected.
  • the drive circuit 5 vibrates the vibrator 3 at the resonance frequency f1
  • the displacement amount of the vibrator 3 displaced in the Y-axis direction due to the Coriolis force increases. Therefore, the angular velocity detection circuit 4 has the Coriolis force. It is possible to detect the amount of displacement in the Y-axis direction with high sensitivity.
  • the drive circuit 5 described above can align the resonance frequencies of the plurality of vibrators 3 to the same frequency, and the reference signal generation unit 20 and the drive unit. 21 can be used in common for the plurality of vibrators 3. This will be described in detail below.
  • FIG. 8 is a configuration example of the drive circuit 5 that drives the plurality of vibrators 3a, 3b, and 3c.
  • the sensor unit 2 includes a plurality of vibrators 3a, 3b, 3c that vibrate in, for example, three axial directions orthogonal to each other.
  • the vibrators 3a, 3b, 3c are shown in a simplified manner, but the specific structure is the same as that shown in FIG.
  • the drive circuit 5 drives the plurality of vibrators 3a, 3b, 3c in the respective vibration directions.
  • the drive circuit 5 includes a reference signal generation unit 20 and a drive unit 21 that are common to each of the plurality of transducers 3a, 3b, 3c, and for each of the plurality of transducers 3a, 3b, 3c.
  • Phase detectors 22a, 22b, and 22c provided individually are provided.
  • the resonance frequencies of the vibrators 3a, 3b, and 3c vary, and the resonance frequencies are fa, fb, and fc, respectively.
  • Each of the vibrators 3a, 3b, 3c has a spring 7 structure designed in advance so that the resonance frequencies fa, fb, fc thereof are higher than the frequency f1 of the reference signal SG1 generated in the reference signal generator 20. Supported.
  • the reference signal generation unit 20 generates a reference signal SG1 having a predetermined frequency f1 lower than the resonance frequencies fa, fb, and fc of the vibrators 3a, 3b, and 3c, and outputs the reference signal SG1 to the drive unit 21.
  • the reference signal generator 20 generates a reference signal SG2 having a phase delayed by 90 ° with respect to the reference signal SG1, and the reference signal SG2 is provided to each of the plurality of transducers 3a, 3b, 3c. Output to 22a, 22b, 22c.
  • the drive unit 21 generates drive signals Vd1 and Vd2 having a predetermined frequency f1 based on the reference signal SG1, and applies the drive signals Vd1 and Vd2 to each of the plurality of vibrators 3a, 3b, and 3c.
  • the plurality of vibrators 3a, 3b, 3c vibrate in vibration directions orthogonal to each other.
  • the frequency f1 of the drive signals Vd1, Vd2 is lower than the resonance frequencies fa, fb, fc of the vibrators 3a, 3b, 3c
  • the vibrators 3a, 3b, 3c have their resonance frequencies fa, fb, fc. Vibrates at a lower frequency.
  • phase detectors 22a, 22b, and 22c provided in the vibrators 3a, 3b, and 3c have the same configuration as the phase detector 22 shown in FIG.
  • the phase detector 22a When the vibrator 3a vibrates in a predetermined vibration direction by the drive signals Vd1 and Vd2, the phase detector 22a outputs the output voltage Vcnt so that the vibration waveform is in a state delayed by 90 ° with respect to the drive signals Vd1 and Vd2. Is applied to the capacitors 12a and 12b of the vibrator 3a.
  • the phase detector 22b when the vibrator 3b vibrates in a predetermined vibration direction by the drive signals Vd1 and Vd2, the phase detector 22b outputs an output voltage so that the vibration waveform is in a state delayed by 90 ° with respect to the drive signals Vd1 and Vd2. Vcnt is generated and applied to the capacitors 12a and 12b of the vibrator 3b. Furthermore, when the vibrator 3c vibrates in a predetermined vibration direction by the drive signals Vd1 and Vd2, the phase detector 22c outputs an output voltage so that the vibration waveform is in a state delayed by 90 ° with respect to the drive signals Vd1 and Vd2. Vcnt is generated and applied to the capacitors 12a and 12b of the vibrator 3c.
  • the resonance frequencies of the vibrators 3a, 3b, and 3c are shifted to coincide with the frequency f1 of the drive signals Vd1 and Vd2 as shown in FIG. 9, and the vibrators 3a, 3b, and 3c have the same resonance. It vibrates at the frequency f1. Further, the phases when the vibrators 3a, 3b, 3c vibrate are delayed by 90 ° with respect to the phases of the drive signals Vd1, Vd2, and the vibration waveforms of the vibrators 3a, 3b, 3c are synchronized with each other. As a result, the control circuit 6 can output the common synchronous detection signal SGx to each of the angular velocity detection circuits 4 provided individually for the plurality of transducers 3a, 3b, 3c. In addition to the drive unit 21, the control circuit 6 can be realized as a circuit common to the plurality of vibrators 3a, 3b, 3c.
  • the drive circuit 5 shown in FIG. 8 uses at least a part of the circuit configuration in common with each of the vibrators 3a, 3b, and 3c by matching the resonance frequencies of the plurality of vibrators 3a, 3b, and 3c. Therefore, the circuit scale can be reduced. By reducing the circuit scale in this way, the angular velocity sensor 1 can be reduced in size relatively easily, and the power consumption of the angular velocity sensor 1 can be reduced.
  • FIG. 10 is a configuration example of the drive circuit 5 different from FIG. 8 for driving the plurality of vibrators 3a, 3b, 3c.
  • the drive circuit 5 shown in FIG. 10 has a circuit configuration in which other resonance frequencies are adjusted to the lowest frequency among the resonance frequencies fa, fb, and fc of the vibrators 3a, 3b, and 3c.
  • Each vibrator 3a, 3b, 3c has a structure of a spring 7 designed in advance so that the resonance frequency fa of the vibrator 3a is lower than the resonance frequencies fb, fc of the other two vibrators 3b, 3c.
  • the drive circuit 5 generates a reference signal SG1 that synchronizes with the drive signals Vd3 and Vd4 that drive the vibrator 3a and the self-excited oscillation circuit 29 that vibrates the vibrator 3a by self-excited oscillation.
  • the drive circuit 5 operates the self-excited oscillation circuit 29 and feeds back the drive signals Vd3 and Vd4 to the vibrator 3a, thereby vibrating the vibrator 3a in the predetermined vibration direction at the resonance frequency fa.
  • the reference signal generation unit 20 generates a reference signal SG1 having the same frequency fa as the drive signal Vd3 based on the drive signal Vd3 output from the self-excited oscillation circuit 29, and outputs the reference signal SG1 to the drive unit 21.
  • the reference signal SG1 is a signal having the same phase as that of the drive signal Vd3.
  • the reference signal generation unit 20 generates a reference signal SG2 having a phase delayed by 90 ° with respect to the reference signal SG1, and detects the reference signal SG2 in each of the other two transducers 3b and 3c.
  • the drive unit 21 generates drive signals Vd1 and Vd2 that match the resonance frequency fa of the vibrator 3a based on the reference signal SG1, and applies the drive signals Vd1 and Vd2 to the other two vibrators 3b and 3c, respectively. To do. Thereby, each vibrator 3a, 3b, 3c vibrates in the vibration direction orthogonal to each other.
  • the vibrators 3b and 3c vibrate at frequencies lower than the resonance frequencies fb and fc.
  • the phase detectors 22b and 22c provided in the respective vibrators 3b and 3c are arranged such that when the vibrators 3b and 3c vibrate in a predetermined vibration direction by the drive signals Vd1 and Vd2, the vibration waveforms are generated with respect to the drive signals Vd1 and Vd2.
  • the output voltage Vcnt is generated so that the phase is delayed by 90 ° and applied to the capacitors 12a and 12b of the vibrators 3b and 3c.
  • the resonance frequencies of the vibrators 3b and 3c are shifted so as to coincide with the frequency fa of the drive signals Vd1 and Vd2, as shown in FIG.
  • the plurality of vibrators 3a, 3b, 3c all vibrate at the same resonance frequency fa.
  • the phases when the vibrators 3a, 3b, 3c vibrate are delayed by 90 ° with respect to the phases of the drive signals Vd3, Vd4, Vd1, Vd2, and the vibration waveforms of the vibrators 3a, 3b, 3c are Synchronize with each other.
  • the control circuit 6 can output a common synchronous detection signal SGx to each of the angular velocity detection circuits 4 provided individually for the plurality of vibrators 3a, 3b, 3c.
  • the drive circuit 5 shown in FIG. 10 can use at least a part of the circuit configuration in common with the vibrators 3b and 3c by matching the resonance frequencies of the vibrators 3a, 3b, and 3c.
  • the circuit scale can be reduced. By reducing the circuit scale in this way, the angular velocity sensor 1 can be reduced in size relatively easily, and the power consumption of the angular velocity sensor 1 can be reduced.
  • the reference signal generation unit 20 since the reference signal generation unit 20 generates the reference signal SG1 based on the drive signal Vd3, it is not necessary to provide the oscillator 20a as shown in FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing a configuration example in which the drive unit 21 is further omitted from the drive circuit 5 shown in FIG.
  • drive signals Vd3, Vd4 output from the self-excited oscillation circuit 29 of the vibrator 3a are applied to the plurality of vibrators 3a, 3b, 3c. For this reason, the vibrators 3a, 3b, 3c vibrate at the resonance frequency fa of the vibrator 3a, and the vibrators 3b, 3c vibrate at frequencies lower than the resonance frequencies fb, fc.
  • the phase detectors 22b and 22c provided in the vibrators 3b and 3c when the vibrators 3b and 3c vibrate in a predetermined vibration direction by the drive signals Vd3 and Vd4, the vibration waveforms thereof with respect to the drive signals Vd3 and Vd4.
  • the output voltage Vcnt is generated so that the phase is delayed by 90 ° and applied to the capacitors 12a and 12b of the vibrators 3b and 3c.
  • the resonance frequencies of the vibrators 3b and 3c are shifted so as to coincide with the frequencies fa of the drive signals Vd3 and Vd4 as in FIG.
  • the plurality of vibrators 3a, 3b, 3c all vibrate at the same resonance frequency fa. Therefore, the drive circuit 5 shown in FIG. 12 has an advantage that the configuration can be further simplified while exhibiting the same operational effects as described above.
  • the drive circuit 5 described in the present embodiment drives the vibrator 3 based on the reference signal SG1 having a predetermined frequency, thereby causing the vibrator 3 to vibrate in the vibration direction and the vibration direction.
  • a phase detector 22 that detects a vibration waveform of the vibrator 3 and outputs an output voltage Vcnt corresponding to a phase difference between the vibration waveform and the reference signal SG1, a movable electrode provided in the vibrator 3, and a movable electrode
  • the phase detector 22 includes capacitors 12a and 12b to which the output voltage Vcnt is applied to the fixed electrode.
  • the phase detector 22 includes the vibration waveform of the vibrator 3 and the reference signal SG1.
  • the electrostatic force in the capacitors 12a and 12b is changed so that the phase difference becomes 90 degrees.
  • the resonance frequency when the vibrator 3 vibrates in the vibration direction can be shifted to the frequency of the reference signal SG1, and the vibrator 3 can be vibrated at the shifted resonance frequency. it can.
  • the resonance frequencies of the plurality of vibrators 3a, 3b, 3c can be made to coincide with each other, so that it is not necessary to drive each vibrator individually.
  • the circuit scale can be reduced by sharing at least a part of the circuit configuration for driving each of the plurality of vibrators 3a, 3b, 3c.
  • the drive circuit 5 described above is not a circuit that can be used only when driving the plurality of vibrators 3a, 3b, and 3c. That is, the drive circuit 5 described above can be applied to drive one vibrator 3 and is useful in that the resonance frequency of the single vibrator 3 can be adjusted to a predetermined frequency by signal processing. Is something.

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Abstract

　複数の振動子の共振周波数を一致させることにより、各振動子を振動させるための少なくとも一部の回路構成を共通化できるようにする。そのため、本発明は、振動子３を所定の振動方向に振動させる振動子駆動回路５であって、所定周波数の基準信号ＳＧ１に基づいて振動子を駆動することにより、振動子３を振動方向に振動させる駆動部２１と、振動方向に対する振動子３の振動波形を検知し、基準信号ＳＧ１とその振動波形との位相差に応じた出力電圧Ｖｃｎｔを出力する位相検知部２２と、振動子３に設けられる可動電極と、その可動電極に対向して設けられる固定電極とにより構成され、固定電極に出力電圧Ｖｃｎｔが印加されるコンデンサ１２ａ，１２ｂとを備え、位相検知部２２は、位相差に応じて出力電圧Ｖｃｎｔを調整することにより、コンデンサ１２ａ，１２ｂにおける静電気力を変化させて位相差が９０度となるように制御する。

Description

振動子駆動回路
　本発明は、振動型角速度センサにおいて振動子を所定の振動方向へ振動させる振動子駆動回路に関する。
　振動型角速度センサは、振動子を所定の振動方向に所定周波数で振動させることにより、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センサである。振動子はバネ構造などによって支持されており、コリオリ力は振動子の振動速度に比例して大きくなる。そのため、角速度センサの感度を向上させるためには、振動方向に対する振動子の振動振幅を大きくし、振動子の振動速度を上げることが必要となる。そこで、この種の角速度センサは、振動子の振動振幅を検知し、振動子を駆動する駆動信号で正帰還をかけてフィードバックすることにより、振動子を共振周波数で自励発振させるのが一般的である（例えば特許文献１）。
　ところで、従来の角速度センサにおいて、３軸の角速度を計測するために複数の振動子を実装したものが知られている（例えば特許文献２）。一般に、角速度センサに複数の振動子を実装すると、各振動子の共振周波数がばらつくため、振動子を自励発振させる駆動回路が振動子ごとに必要となる。そのため、駆動回路の回路規模が大きくなり、消費電力も大きいという問題がある。また複数の振動子のそれぞれを異なる共振周波数で自励発振させると、コリオリ力の振動成分を同期検波する際には、各振動子の共振周波数に同期した同期検波信号を個別に生成することが必要となる。そのため、駆動回路だけでなく、コリオリ力の振動成分を同期検波するための制御回路においても回路規模が大きくなり、消費電力も大きいという問題がある。特許文献２の従来技術は、そのような問題を解決すべく、複数の振動子を構造上力学的に結合させることで各振動子の共振周波数を一致させ、複数の振動子を振動させる駆動回路を１つの回路で実現するものである。
特開２００９－３１００７号公報 特開平１１－６４００２号公報
　しかしながら、上記特許文献２の従来技術のように複数の振動子を力学的に結合させて共振周波数を一致させることは非常に難しいという問題がある。
　そこで本発明は、上記問題点を解決するため、従来技術とは異なる手法で複数の振動子の共振周波数を一致させることにより、各振動子を振動させるための少なくとも一部の回路構成を共通化できるようにして回路規模の縮小と消費電力の低減を実現す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、第１に、本発明が解決手段として採用したところは、振動子を所定の振動方向に振動させる振動子駆動回路であって、所定周波数の基準信号に基づいて前記振動子を駆動することにより、前記振動子を前記振動方向に振動させる駆動部と、前記振動方向に対する前記振動子の振動波形を検知し、前記基準信号と前記振動波形との位相差に応じた出力電圧を出力する位相検知部と、前記振動子に設けられる可動電極と、前記可動電極に対向して設けられる固定電極とにより構成され、前記固定電極に前記出力電圧が印加されるコンデンサと、を備え、前記位相検知部は、前記位相差に応じて前記出力電圧を調整することにより、前記コンデンサにおける静電気力を変化させて前記位相差が９０度となるように制御することを特徴とする構成である。
　第２に、上記第１の構成を有する振動子駆動回路は、更に前記基準信号を生成する基準信号生成部を備える構成としても良い。
　第３に、上記第１又は第２の構成を有する振動子駆動回路は、前記振動子が、バネ構造によって前記振動方向に振動可能に支持され、前記所定周波数が、前記バネ構造によって支持された前記振動子の共振周波数よりも低い周波数であることが好ましい。
　第４に、本発明が解決手段として採用したところは、それぞれ異なる振動方向に振動する複数の振動子を駆動する振動子駆動回路であって、前記複数の振動子のそれぞれに設けられ、振動子と共に変位する可動電極と、前記可動電極に対向する固定電極とにより構成されるコンデンサと、所定周波数の基準信号に基づいて前記複数の振動子のそれぞれを駆動することにより、前記複数の振動子のそれぞれを振動させる駆動部と、前記複数の振動子のそれぞれに設けられ、各振動子の振動波形を検知し、前記基準信号と前記振動波形との位相差に応じた出力電圧を前記コンデンサの固定電極に印加する位相検知部と、を備え、前記位相検知部は、前記位相差に応じて前記出力電圧を調整して前記コンデンサにおける静電気力を変化させ、前記位相差が９０度となるように制御することを特徴とする構成である。かかる構成によれば、複数の振動子の共振周波数を基準信号に一致させることができる。
　第５に、上記第４の構成を有する振動子駆動回路は、更に前記基準信号を生成する基準信号生成部を備える構成としても良い。
　第６に、上記第４又は第５の構成を有する振動子駆動回路においては、前記複数の振動子のそれぞれが、バネ構造によって所定の振動方向に振動可能に支持され、前記所定周波数が、前記複数の振動子のそれぞれのバネ構造による共振周波数よりも低い周波数であることが好ましい。
　第７に、上記第５の構成を有する振動子駆動回路は、更に、前記複数の振動子とは異なる一の振動子に対して所定の駆動信号を印加することにより前記一の振動子を自励発振させる自励発振回路を備え、前記基準信号生成部が、前記基準信号の周波数を前記駆動信号の周波数に一致させる構成を採用しても良い。
　第８に、上記第７の構成を有する振動子駆動回路においては、前記複数の振動子及び前記一の振動子のそれぞれが、バネ構造によって所定の振動方向に振動可能に支持され、前記一の振動子のバネ構造による共振周波数が、前記複数の振動子のそれぞれのバネ構造による共振周波数よりも低い周波数であることが好ましい。
　第９に、本発明が解決手段として採用したところは、それぞれ異なる振動方向に振動する複数の振動子を駆動する振動子駆動回路であって、前記複数の振動子に含まれる一の振動子を自励発振させるための駆動信号を生成して前記一の振動子に印加すると共に、前記駆動信号を前記一の振動子を除く他の振動子に印加することにより、前記複数の振動子のそれぞれを駆動する自励発振回路と、前記他の振動子に設けられ、前記他の振動子と共に変位する可動電極と、前記可動電極に対向する固定電極とにより構成されるコンデンサと、前記駆動信号に基づいて前記駆動信号の周波数に一致する基準信号を生成する基準信号生成部と、前記他の振動子に設けられ、前記他の振動子の振動波形を検知し、前記基準信号と前記振動波形との位相差に応じた出力電圧を前記コンデンサの固定電極に印加する位相検知部と、を備え、前記位相検知部は、前記位相差に応じて前記出力電圧を調整して前記コンデンサにおける静電気力を変化させ、前記位相差が９０度となるように制御することを特徴とする構成である。かかる構成によれば、複数の振動子の共振周波数を、一の振動子の共振周波数に一致させることができる。
　本発明によれば、位相検知部が、振動子の振動波形と基準信号との位相差に応じて出力電圧を調整し、コンデンサにおける静電気力を変化させ、その位相差が９０度となるように制御するため、振動子の共振周波数を基準信号の周波数に一致させることができる。それ故、複数の振動子の共振周波数を基準信号の周波数に一致させることもできるので、複数の振動子を振動させるための少なくとも一部の回路構成を共通化することが可能になり、回路規模の縮小と消費電力の低減を実現することが可能である。
角速度センサの一構成例を示す図である。 振動子の周波数特性を示すボード線図である。 振動子が共振周波数で振動する場合の信号波形を示す図である。 振動子が共振周波数よりも低周波数で振動する場合の信号波形を示す図である。 電圧変換器においてパルス幅を出力電圧に変換する変換例を示す図である。 電位差とバネ定数の絶対値との関係を示す図である。 振動子の共振周波数のシフト概念を示す図である。 複数の振動子を駆動する駆動回路の一構成例である。 複数の振動子の共振周波数が所定の周波数にシフトする例を示す図である。 複数の振動子を駆動する駆動回路の別の構成例を示す図である。 一の振動子の共振周波数に他の振動子の共振周波数がシフトして揃う例を示す図である。 複数の振動子を駆動する駆動回路の更に別の構成例を示す図である。
　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、本実施形態における角速度センサ１の一構成例を示す図である。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、図１に示すように、センサ部２と、角速度検出回路４と、振動子駆動回路（以下、単に「駆動回路」という）５と、制御回路６とを備える。
　センサ部２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造によって形成され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に変位可能な振動子３を備えている。この振動子３は、バネ７によって振動可能に支持されており、駆動回路５によって駆動され、Ｘ軸方向へ振動する。振動子３がＸ軸方向へ振動しているとき、角速度が働くと、振動子３にはその角速度に応じてＸ軸方向と直交するＹ軸方向へのコリオリ力が働き、振動子３がＹ軸方向へ変位する。角速度センサ１は、その振動子３のＹ軸方向の変位を検知することにより、角速度を計測する。
　振動子３は、Ｘ軸方向へ駆動するための複数のコンデンサ１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂを備えている。これらのコンデンサ１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、いずれも、振動子３に設けられ振動子３と共にＸ軸方向へ変位する可動電極と、ＭＥＭＳ基板上に固定され可動電極に対向するように配置された固定電極とによって構成される。尚、可動電極と固定電極とはいずれも櫛歯状電極として構成されるものであっても良い。駆動回路５は、一対のコンデンサ１０ａ，１０ｂの固定電極に対して互いに極性が反転する駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２を印加することにより、コンデンサ１０ａ，１０ｂのそれぞれに大きさの異なる静電気力を発生させ、振動子３をＸ軸方向へ振動させる。尚、駆動回路５の詳細な構成及び動作については後述する。
　センサ部２は、振動子３のＹ軸方向への変位と連動してＹ軸方向へ変位する可動部８を備えており、この可動部８には振動子３のＹ軸方向への変位を検知するためのコンデンサ９ａ，９ｂが設けられる。これらのコンデンサ９ａ，９ｂもまた、可動部８に設けられ可動部８と共にＹ軸方向へ変位する可動電極と、ＭＥＭＳ基板上に固定され可動電極に対向するように配置された固定電極とによって構成される。振動子３にＹ軸方向のコリオリ力が作用し、可動部８がＹ軸方向へ変位すると、コンデンサ９ａ，９ｂの静電容量が変化する。すなわち、一方のコンデンサ９ａ（又は９ｂ）の静電容量が増加すると、他方のコンデンサ９ｂ（又は９ａ）の静電容量が減少する。角速度検出回路４は、コンデンサ９ａ，９ｂの静電容量変化を検知することにより、振動子３に働く角速度を検出する。
　図２は、振動子３の周波数特性を示すボード線図である。図２（ａ）は、駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２に対する振動子３のＸ方向変位のゲイン特性を示しており、図２（ｂ）は、位相特性を示している。図２（ａ），（ｂ）において、振動子３の共振周波数ｆ０は、振動子３の重さｍと、バネ７のバネ定数の合計Ｋとを用いて、次の数１の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　すなわち、駆動回路５が駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２を振動子３へ印加して振動子３をＸ軸方向へ振動させるとき、振動子３の重さｍとバネ７のバネ定数Ｋとによって定まる共振周波数ｆ０に一致する周波数の駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２を印加して振動させると、図２（ａ）に示すように振動子３のＸ軸方向への振動振幅を最大振幅にすることができる。このとき、振動子３は、図２（ｂ）に示すように駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２によって発生する静電気力に対して位相が９０°遅れた状態で振動する。一方、駆動回路５が振動子３の共振周波数ｆ０よりも低い周波数の駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２を印加して振動させると、振動子３のＸ軸方向への振動振幅は最大振幅よりも小さくなり、振動子３の位相遅れが０°に近づいていく。そして駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の周波数が共振周波数ｆ０よりも十分に低いときには振動子３の位相遅れが０°となる。また、駆動回路５が振動子３の共振周波数ｆ０よりも高い周波数の駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２を印加して振動させると、振動子３のＸ軸方向への振動振幅は最大振幅よりも小さくなり、振動子３の位相遅れが１８０°に近づいていく。そして駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の周波数が共振周波数ｆ０よりも十分に高いときには振動子３の位相遅れが１８０°となる。したがって、振動子３の位相遅れを検知することにより、振動子３が共振周波数ｆ０で振動しているか否かを判別することができる。
　本実施形態の駆動回路５は、振動子３が共振周波数で振動しているときには、振動子３に作用する静電気力に対して振動子３が９０°遅れた位相で振動することに鑑み、振動子３の位相遅れが９０°となるように振動子３の共振周波数をシフトさせて振動子３を駆動する。以下、これについて詳しく説明する。
　駆動回路５は、図１に示すように、基準信号生成部２０と、駆動部２１と、位相検知部２２とを有する。基準信号生成部２０は、例えば高周波信号を発生する発振器２０ａを備えており、その発振器２０ａで生成される高周波信号を分周して所定周波数の基準信号ＳＧ１，ＳＧ２を生成する。基準信号ＳＧ２は、基準信号ＳＧ１と同一周波数であり、基準信号ＳＧ１に対して位相が９０°遅れた信号である。そして基準信号生成部２０は、基準信号ＳＧ１を駆動部２１へ出力し、基準信号ＳＧ２を位相検知部２２へ出力する。また基準信号生成部２０は、振動子３に対して一定の電圧Ｖａを印加する。駆動部２１は、基準信号ＳＧ１に基づき、基準信号ＳＧ１の周波数に一致する正弦波信号であって、互いに極性が反転する一対の駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２を生成し、それら駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２をコンデンサ１０ａ，１０ｂの固定電極に印加する。振動子３の電圧Ｖａは、例えば駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の最大電圧又は最大電圧よりも高い電圧に保持されており、コンデンサ１０ａ，１０ｂに対してそれぞれ極性が反転する駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２が印加されることにより、振動子３をＸ軸方向に振動させる静電気力Ｆが発生する。
　振動子３がＸ軸方向へ振動すると、コンデンサ１１ａ，１１ｂの静電容量が変化する。つまり、一方のコンデンサ１１ａ（又は１１ｂ）の静電容量が増加すると、他方のコンデンサ１１ｂ（又は１１ａ）の静電容量が減少する。位相検知部２２は、それらコンデンサ１１ａ，１１ｂの静電容量変化に基づいて振動子３のＸ軸方向への振動波形を検知し、その振動波形と基準信号ＳＧ１との位相差に応じた出力電圧Ｖｃｎｔを生成し、その出力電圧Ｖｃｎｔをコンデンサ１２ａ，１２ｂの固定電極に印加することにより、コンデンサ１２ａ，１２ｂにおける静電気力を変化させて振動子３の振動波形と基準信号ＳＧ１との位相差が９０度となるように制御する。
　この位相検知部２２は、ＣＶ変換器２５と、コンパレータ２６と、位相比較器２７と、電圧変換器２８とを備えている。ＣＶ変換器２５は、コンデンサ１１ａ，１１ｂの静電容量変化に伴って各コンデンサ１１ａ，１１ｂから転送される電荷信号ＳＧ３，ＳＧ４を電圧に変換し、振動子３のＸ軸方向への振動波形を示す信号であって、互いに極性が反転する一対の信号ＳＧ５，ＳＧ６を出力する。コンパレータ２６は、それら一対の信号ＳＧ５，ＳＧ６を比較し、信号ＳＧ５，ＳＧ６の大小関係が入れ替わるタイミングで極性を反転させるパルス信号ＳＧ７を出力する。位相比較器２７は、そのパルス信号ＳＧ７と、基準信号生成部２０から出力される基準信号ＳＧ２の位相比較を行い、パルス信号ＳＧ７と基準信号ＳＧ２との間に位相ずれがあれば、その位相ずれに応じたパルス幅のパルス信号ＳＧ８，ＳＧ９を出力する。すなわち、基準信号ＳＧ２は基準信号ＳＧ１に対して位相が９０°遅れた信号であるため、位相比較器２７が、パルス信号ＳＧ７と基準信号ＳＧ２との位相比較を行うことにより、駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２によって駆動される振動子３の位相遅れが９０°になっているか否かが検知されることになる。そして振動子３の位相遅れが９０°になっていないときには、９０°からの位相のずれ量に応じたパルス幅のパルス信号ＳＧ８，ＳＧ９が位相比較器２７から出力される。パルス信号ＳＧ８は、基準信号ＳＧ２の立ち上がりよりもパルス信号ＳＧ７の立ち上がりが早い場合にその立ち上がりエッジの位置ずれに応じたパルス幅として出力される信号である。これに対し、パルス信号ＳＧ９は、基準信号ＳＧ２の立ち上がりよりもパルス信号ＳＧ７の立ち上がりが遅い場合にその立ち上がりエッジの位置ずれに応じたパルス幅として出力される信号である。そして電圧変換器２８は、位相比較器２７から出力されるパルス信号ＳＧ８，ＳＧ９のパルス幅を積分して電圧に変換して出力電圧Ｖｃｎｔを生成し、その出力電圧Ｖｃｎｔをコンデンサ１２ａ，１２ｂの固定電極に印加する。
　図３は、駆動回路５によって振動子３が共振周波数で振動する場合の各部の信号波形を示す図である。図３に示すように基準信号ＳＧ１の周波数ｆが振動子３の共振周波数ｆ０に一致する場合、コンデンサ１０ａ，１０ｂには共振周波数ｆ０に一致する駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２が印加される。これにより、振動子３には共振周波数ｆ０に一致して周期的に変化する静電気力Ｆが作用し、振動子３をＸ軸方向へ振動させる。この静電気力Ｆの位相は駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の位相に一致すると共に、基準信号ＳＧ１の位相に一致する。そして上述のように振動子３が共振周波数ｆ０で駆動される場合、振動子３は静電気力Ｆの位相に対して９０°遅れた位相でＸ軸方向へ振動するため、ＣＶ変換器２５から出力される振動子３の振動波形を示す一対の信号ＳＧ５，ＳＧ６は、図３に示すように駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２及び基準信号ＳＧ１に対して位相が９０°遅れた信号となって出力される。このような信号ＳＧ５，ＳＧ６をコンパレータ２６でパルス信号ＳＧ７に変換すると、パルス信号ＳＧ７は、基準信号ＳＧ２と同位相の信号となる。したがって、振動子３が共振周波数で振動しているとき、位相比較器２７はパルス信号ＳＧ７と基準信号ＳＧ２との位相ずれを検知しないため、パルス信号ＳＧ８，ＳＧ９のパルス幅Ｗは０となる。
　次に図４は、駆動回路５によって振動子３が共振周波数よりも低い周波数で振動する場合の各部の信号波形を示す図である。図４に示すように基準信号ＳＧ１の周波数ｆが振動子３の共振周波数ｆ０よりも低い場合、コンデンサ１０ａ，１０ｂには基準信号ＳＧ１の周波数ｆに一致する駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２が印加される。これにより、振動子３には基準信号ＳＧ１の周波数ｆに一致して周期的に変化する静電気力Ｆが作用し、振動子３をＸ軸方向へ振動させる。この静電気力Ｆの位相は駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の位相に一致すると共に、基準信号ＳＧ１の位相に一致する。そして上述のように振動子３が共振周波数ｆ０よりも低い周波数ｆで駆動される場合、静電気力Ｆに対する振動子３の位相遅れは９０°とはならず、０°以上で９０°未満の値となる。そのため、ＣＶ変換器２５から出力される振動子３の振動波形を示す一対の信号ＳＧ５，ＳＧ６は、図４に示すように駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２及び基準信号ＳＧ１に対して位相が０°以上で９０°未満の範囲内で遅れた信号となって出力される。このような信号ＳＧ５，ＳＧ６をコンパレータ２６でパルス信号ＳＧ７に変換すると、パルス信号ＳＧ７は、基準信号ＳＧ２と同位相の信号とはならず、パルス信号ＳＧ７の立ち上がり及び立ち下がりのエッジ位置が基準信号ＳＧ２の立ち上がり及び立ち下がりのエッジ位置よりも早いタイミングで発生する。位相比較器２７は、そのようなエッジ位置のずれ量に応じたパルス幅Ｗのパルス信号ＳＧ８を出力する。このとき、パルス信号ＳＧ９は出力されない。
　一方、振動子３が共振周波数よりも高い周波数で振動し始めると、コンパレータ２６から出力されるパルス信号ＳＧ７と基準信号ＳＧ２とのエッジ位置の関係は上記とは逆になる。すなわち、パルス信号ＳＧ７の立ち上がり及び立ち下がりのエッジ位置が基準信号ＳＧ２の立ち上がり及び立ち下がりのエッジ位置よりも遅いタイミングで発生する。この場合、位相比較器２７は、そのようなエッジ位置のずれ量に応じたパルス幅Ｗのパルス信号ＳＧ９を出力するようになり、パルス信号ＳＧ８が出力されなくなる。
　図５は、電圧変換器２８においてパルス信号ＳＧ８，ＳＧ９のパルス幅Ｗを出力電圧Ｖｃｎｔに変換する変換例を示す図である。例えば図５（ａ）に示すように電圧変換器２８は、初期状態において出力電圧Ｖｃｎｔを振動子３の電圧Ｖａに一致させている。ただし、初期状態における出力電圧Ｖｃｎｔは、必ずしも振動子３の電圧Ｖａに一致させる必要はなく、０～Ｖａの範囲内であれば良い。図５（ａ）に示す初期状態において位相比較器２７からパルス信号ＳＧ８が出力されると、電圧変換器２８は、そのパルス信号ＳＧ８のパルス幅に応じて出力電圧Ｖｃｎｔを低下させ、その低下させた出力電圧Ｖｃｎｔを保持する。その後、電圧変換器２８は、位相比較器２７からパルス信号ＳＧ８を受信する都度、そのパルス幅に応じて出力電圧Ｖｃｎｔを低下させていく。そして出力電圧ＶｃｎｔがＶ１のときに、振動子３が共振周波数で振動するようになると、パル子信号ＳＧ８が出力されなくなるため、出力電圧Ｖｃｎｔは一定の状態を保持するようになる。
　また初期状態において出力電圧Ｖｃｎｔが電圧Ｖａよりも低く、位相比較器２７からパルス信号ＳＧ９が出力される場合、電圧変換器２８は、図５（ｂ）に示すようにそのパルス信号ＳＧ９のパルス幅に応じて出力電圧Ｖｃｎｔを現在の電圧から上昇させ、その上昇させた出力電圧Ｖｃｎｔを保持する。その後、電圧変換器２８は、位相比較器２７からパルス信号ＳＧ９を受信する都度、そのパルス幅に応じて出力電圧Ｖｃｎｔを上昇させていく。そして出力電圧ＶｃｎｔがＶ１のときに、振動子３が共振周波数で振動するようになると、パル子信号ＳＧ９が出力されなくなるため、出力電圧Ｖｃｎｔは一定の状態を保持するようになる。
　位相比較器２７から出力されるパルス信号ＳＧ８，ＳＧ９の双方のパルス幅が０になると、電圧変換器２８は、それ以後、出力電圧Ｖｃｎｔを低下させたり上昇させたりすることなく、一定の状態を保持するようになる。したがって、振動子３が共振周波数で振動していないときには、電圧変換器２８の出力電圧Ｖｃｎｔは、振動子３の電圧Ｖａよりも低い電圧で適宜調整され、コンデンサ１２ａ，１２ｂの固定電極と可動電極との電位差が所定電圧となるように調整される。そして振動子３が共振周波数で振動するようになると、電圧変換器２８の出力電圧Ｖｃｎｔは一定の状態を保持するようになる。
　コンデンサ１２ａ，１２ｂは、可動電極と固定電極との間に電位差が生じると、それにより振動子３に対して擬似的に負のバネ定数（－Ｋｅ）を付与する。すなわち、可動電極と固定電極の間の電位差をＶ、コンデンサ１２ａ，１２ｂの静電容量をＣとすると、各コンデンサ１２ａ，１２ｂのエネルギーＷは、次の数２の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また各コンデンサ１２ａ，１２ｂの可動電極と固定電極との間に作用する静電気力Ｆｅは、上記数２の式より、次の数３の式で表される。尚、ｘは可動電極の変位である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　バネ定数（－Ｋｅ）は、振動子３に働く力を変位ｘで微分することにより求められるため、上記数３の式より、次の数４の式が得られる。数４の式は、可動電極の変位ｘが可動電極と固定電極との間隔Ｄよりも十分に小さいと仮定した近似式である。尚、数４の式におけるＣ０は、可動電極が初期位置にあるときの静電容量の初期値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　上記数４の式より、位相検知部２２は、コンデンサ１２ａ，１２ｂの可動電極と固定電極との間に電位差Ｖ（＝Ｖａ－Ｖｃｎｔ）を生じさせることにより、振動子３に対して擬似的に負のバネ定数（－Ｋｅ）を付与できることが明らかである。図６は、その電位差Ｖとバネ定数（－Ｋｅ）の絶対値との関係を示す図である。図６に示すように電位差Ｖａ－Ｖｃｎｔが０のとき、コンデンサ１２ａ，１２ｂにより振動子３に付与されるバネ常数（－Ｋｅ）の絶対値は０である。これに対し、電位差Ｖａ－Ｖｃｎｔが増加すると、コンデンサ１２ａ，１２ｂにより振動子３に付与されるバネ常数（－Ｋｅ）の絶対値は、その電位差Ｖａ－Ｖｃｎｔの２次関数で増加する。つまり、各コンデンサ１２ａ，１２ｂの可動電極と固定電極との間の電位差Ｖ（＝Ｖａ－Ｖｃｎｔ）を調整することにより、振動子３に付与される負のバネ定数（－Ｋｅ）の値を適宜変更することが可能となる。尚、上記数４の式はコンデンサ１２ａ，１２ｂを平行平板で構成した場合の数式であるが、（ｄ2Ｃ／ｄｘ2）を一定とみなすことができる構造であれば、平行平板以外の構造であっても実現可能である。
　上記のようにして振動子３に負のバネ定数（－Ｋｅ）が付与されると、振動子３の共振周波数がシフトする。すなわち、振動子３に負のバネ定数（－Ｋｅ）が付与されている状態における振動子３の共振周波数をｆ１とすると、その共振周波数ｆ１は、次の数５の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図７は、振動子３の共振周波数のシフト概念を示す図である。位相検知部２２が、振動子３の振動波形と、基準信号ＳＧ２との位相差に応じた出力電圧Ｖｃｎｔをコンデンサ１２ａ，１２ｂに印加して固定電極と可動電極との間に電位差Ｖを生じさせることにより、振動子３の共振周波数は、図７に示すように元の共振周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１へとシフトする。したがって、基準信号生成部２０が予め振動子３の元の共振周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１の基準信号ＳＧ１を生成して出力するように構成されていれば、位相検知部２２が、振動子３の振動波形と基準信号ＳＧ１との位相差が９０°となるように出力電圧Ｖｃｎｔを低下させたり上昇させたりして調整することにより、振動子３の共振周波数を基準信号ＳＧ１の周波数ｆ１に一致させることができるようになる。すなわち、パルス信号ＳＧ８が出力されている状態では出力電圧Ｖｃｎｔが漸次低下していくことにより、振動子３の共振周波数が低下していく。そして振動子３の共振周波数が基準信号ＳＧ１の周波数ｆ１よりも低下すると、パルス信号ＳＧ９が出力されるようになり、出力電圧Ｖｃｎｔが上昇し、振動子３の共振周波数を上昇させる。このようなフィードバックにより、振動子３の共振周波数を基準信号ＳＧ１の周波数ｆ１に一致させることができる。そして振動子３の共振周波数が基準信号ＳＧ１の周波数ｆ１に一致すると、振動子３の位相遅れは９０°となり、位相比較器２７から出力されるパルス信号ＳＧ８，ＳＧ９のパルス幅が０になるため、位相検知部２２は、その時点の出力電圧Ｖｃｎｔを保持するようになり、振動子３が安定して共振周波数ｆ１でＸ軸方向に振動する。このとき、振動子３の振動振幅は最大振幅を示し、Ｘ軸方向への振動速度も最大となるので、角速度によって振動子３に作用するコリオリ力が大きくなり、振動子３がコリオリ力によってＹ軸方向へ変位する変位量を大きくすることができる。
　角速度検出回路４は、コリオリ力によって振動子３がＹ軸方向へ変位して振動する振動波形を検知する変位検知部３１と、変位検知部３１によって検知される振動子３のＹ軸方向への振動波形からコリオリ力成分の振動波形を検波する同期検波部３２と、同期検波部３２によって検波されたコリオリ力成分の振動波形をＡＤ変換するＡＤ変換部３３と、ＡＤ変換部３３によって生成されるデジタル信号を出力する出力部３４とを有する。変位検知部３１は、振動子３がＹ軸方向へ変位することに伴い、コンデンサ９ａ，９ｂから転送される電荷信号ＳＧａ，ＳＧｂをＣＶ変換することにより、振動子３のＹ軸方向への振動波形を示す信号ＳＧｃを出力する。この信号ＳＧｃには、コリオリ力による振動波形の信号成分だけでなく、クアドラチャーエラーによる振動波形の信号成分が含まれている。ここでコリオリ力による振動波形と、クアドラチャーエラーによる振動波形とは、位相が９０°ずれていることが公知である。この位相ずれを利用してコリオリ力による振動波形の信号成分だけを抽出できるようにするため、制御回路６は、基準信号生成部２０から出力されるクロック信号ＣＬＫに基づき、コリオリ力による振動波形の信号成分のみを抽出するための同期検波信号ＳＧｘを生成する。この同期検波信号ＳＧｘは、基準信号ＳＧ１，ＳＧ２に同期する信号である。そして制御回路６は、その同期検波信号ＳＧｘを同期検波部３２へ出力する。同期検波部３２は、制御回路６から出力される同期検波信号ＳＧｘに基づき、信号ＳＧｃからコリオリ力による振動波形に同期する信号成分のみを検波して抽出することにより、コリオリ力成分の振動波形を示す信号ＳＧｄを出力する。これにより、振動子３のＹ軸方向への振動波形を示す信号ＳＧｃから、不要なクアドラチャーエラーによる振動波形の信号成分が除去されるため、振動子３がコリオリ力によってＹ軸方向へ変位する変位量を正確に検知することができるようになる。また上述のように駆動回路５が振動子３を共振周波数ｆ１で振動させることにより、振動子３がコリオリ力によってＹ軸方向へ変位する変位量が大きくなるため、角速度検出回路４は、コリオリ力によるＹ軸方向への変位量を高感度で検知することが可能である。
　上述した駆動回路５は、角速度センサ１に複数の振動子３が実装される場合に、それら複数の振動子３の共振周波数を同一周波数に揃えることができると共に、基準信号生成部２０及び駆動部２１を複数の振動子３に共通して利用することができるものとなる。以下、これについて詳しく説明する。
　図８は、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃを駆動する駆動回路５の一構成例である。センサ部２は、例えば互いに直交する３軸方向に振動する複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃを備えている。尚、図８では各振動子３ａ，３ｂ，３ｃを簡略化して示しているが、具体的な構造は図１に示したものと同様である。駆動回路５は、それら複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃを、それぞれの振動方向へ駆動する。駆動回路５は、基準信号生成部２０と駆動部２１とを、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれに共通のものとして備えると共に、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれに対して個別に設けられる位相検知部２２ａ，２２ｂ，２２ｃを備える。この駆動回路５が動作していないとき、各振動子３ａ，３ｂ，３ｃの共振周波数にはばらつきがあり、それぞれ共振周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃとなっている。各振動子３ａ，３ｂ，３ｃは、それらの共振周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃが基準信号生成部２０において生成される基準信号ＳＧ１の周波数ｆ１よりも高くなるように予め設計されたバネ７の構造により支持される。
　基準信号生成部２０は、各振動子３ａ，３ｂ，３ｃの共振周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃよりも低い所定周波数ｆ１の基準信号ＳＧ１を生成し、その基準信号ＳＧ１を駆動部２１へ出力する。また基準信号生成部２０は、基準信号ＳＧ１に対して位相が９０°遅延した基準信号ＳＧ２を生成し、その基準信号ＳＧ２を複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれに設けられた位相検知部２２ａ，２２ｂ，２２ｃへ出力する。駆動部２１は、基準信号ＳＧ１に基づき、所定周波数ｆ１の駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２を生成し、それら駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２を複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれに印加する。これにより、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃは互いに直交する振動方向へ振動する。ただし、駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の周波数ｆ１が各振動子３ａ，３ｂ，３ｃの共振周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃよりも低いため、各振動子３ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれの共振周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃよりも低い周波数で振動する。
　各振動子３ａ，３ｂ，３ｃに設けられた位相検知部２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、図１に示した位相検知部２２と同様の構成を有している。位相検知部２２ａは、振動子３ａが駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２によって所定の振動方向に振動すると、その振動波形が駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２に対して位相が９０°遅れた状態となるように出力電圧Ｖｃｎｔを生成し、振動子３ａのコンデンサ１２ａ，１２ｂに印加する。また位相検知部２２ｂは、振動子３ｂが駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２によって所定の振動方向に振動すると、その振動波形が駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２に対して位相が９０°遅れた状態となるように出力電圧Ｖｃｎｔを生成し、振動子３ｂのコンデンサ１２ａ，１２ｂに印加する。さらに位相検知部２２ｃは、振動子３ｃが駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２によって所定の振動方向に振動すると、その振動波形が駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２に対して位相が９０°遅れた状態となるように出力電圧Ｖｃｎｔを生成し、振動子３ｃのコンデンサ１２ａ，１２ｂに印加する。これにより、各振動子３ａ，３ｂ，３ｃの共振周波数は、図９に示すように駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の周波数ｆ１に一致するようにシフトし、各振動子３ａ，３ｂ，３ｃが同一の共振周波数ｆ１で振動するようになる。さらに各振動子３ａ，３ｂ，３ｃが振動するときの位相は、駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の位相に対して９０°遅延した状態となり、各振動子３ａ，３ｂ，３ｃの振動波形が互いに同期する。これにより、制御回路６は、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃに対して個別に設けられる角速度検出回路４のそれぞれに共通の同期検波信号ＳＧｘを出力することができるため、基準信号生成部２０や駆動部２１だけでなく、制御回路６も複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃに共通した回路として実現することが可能である。
　図８に示す駆動回路５は、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃの共振周波数を一致させることにより、少なくとも一部の回路構成を各振動子３ａ，３ｂ，３ｃに共通化させて利用することができるので、回路規模を縮小化することができる。このようにして回路規模を縮小化することにより、角速度センサ１を比較的簡単に小型化できると共に、角速度センサ１の消費電力を低減することもできるようになる。
　次に図１０は、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃを駆動するための図８とは異なる駆動回路５の構成例である。図１０に示す駆動回路５は、各振動子３ａ，３ｂ，３ｃの共振周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃのうち、最も低い周波数に他の共振周波数を合わせ込むようにした回路構成である。各振動子３ａ，３ｂ，３ｃは、予め振動子３ａの共振周波数ｆａが他の２つの振動子３ｂ，３ｃの共振周波数ｆｂ，ｆｃよりも低い周波数となるように予め設計されたバネ７の構造により支持される。そして駆動回路５は、振動子３ａを自励発振により振動させる自励発振回路２９と、自励発振回路２９が振動子３ａを駆動する駆動信号Ｖｄ３，Ｖｄ４に同期する基準信号ＳＧ１を生成する基準信号生成部２０と、他の２つの振動子３ｂ，３ｃを駆動する駆動部２１と、他の２つの振動子３ｂ，３ｃのそれぞれに対して個別に設けられる位相検知部２２ｂ，２２ｃとを備える。
　駆動回路５は、自励発振回路２９を作動させ、振動子３ａに駆動信号Ｖｄ３，Ｖｄ４をフィードバックすることにより、振動子３ａを共振周波数ｆａで所定の振動方向へ振動させる。基準信号生成部２０は、自励発振回路２９から出力される駆動信号Ｖｄ３に基づき、その駆動信号Ｖｄ３と同じ周波数ｆａの基準信号ＳＧ１を生成し、その基準信号ＳＧ１を駆動部２１へ出力する。尚、基準信号ＳＧ１は、駆動信号Ｖｄ３と互いに位相が一致する信号である。また基準信号生成部２０は、その基準信号ＳＧ１に対して位相が９０°遅延した基準信号ＳＧ２を生成し、その基準信号ＳＧ２を他の２つの振動子３ｂ，３ｃのそれぞれに設けられた位相検知部２２ｂ，２２ｃへ出力する。駆動部２１は、基準信号ＳＧ１に基づき、振動子３ａの共振周波数ｆａに一致する駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２を生成し、それら駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２を他の２つの振動子３ｂ，３ｃのそれぞれに印加する。これにより、各振動子３ａ，３ｂ，３ｃは互いに直交する振動方向へ振動する。ただし、駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の周波数ｆａは各振動子３ｂ，３ｃの共振周波数ｆｂ，ｆｃよりも低いため、各振動子３ｂ，３ｃはそれぞれの共振周波数ｆｂ，ｆｃよりも低い周波数で振動する。
　各振動子３ｂ，３ｃに設けられた位相検知部２２ｂ，２２ｃは、各振動子３ｂ，３ｃが駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２によって所定の振動方向に振動すると、その振動波形が駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２に対して位相が９０°遅れた状態となるように出力電圧Ｖｃｎｔを生成し、各振動子３ｂ，３ｃのコンデンサ１２ａ，１２ｂに印加する。これにより、各振動子３ｂ，３ｃの共振周波数は、図１１に示すように駆動信号Ｖｄ１，Ｖｄ２の周波数ｆａに一致するようにシフトする。その結果、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃは、いずれも同一の共振周波数ｆａで振動するようになる。さらに各振動子３ａ，３ｂ，３ｃが振動するときの位相は、駆動信号Ｖｄ３，Ｖｄ４，Ｖｄ１，Ｖｄ２の位相に対して９０°遅延した状態となり、各振動子３ａ，３ｂ，３ｃの振動波形が互いに同期する。これにより、制御回路６は、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃに対して個別に設けられる角速度検出回路４のそれぞれに共通の同期検波信号ＳＧｘを出力することができるようになる。
　図１０に示す駆動回路５は、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃの共振周波数を一致させることにより、少なくとも一部の回路構成を振動子３ｂ，３ｃに共通化させて利用することができるので、回路規模を縮小化することができる。このようにして回路規模を縮小化することにより、角速度センサ１を比較的簡単に小型化できると共に、角速度センサ１の消費電力を低減することもできるようになる。尚、図１０に示す駆動回路５では、基準信号生成部２０が駆動信号Ｖｄ３に基づいて基準信号ＳＧ１を生成するため、図１に示したような発振器２０ａは特に設ける必要がない。
　図１２は、図１０に示した駆動回路５において更に駆動部２１を省略した構成例を示す図である。図１２に示す駆動回路５では、振動子３ａの自励発振回路２９から出力される駆動信号Ｖｄ３，Ｖｄ４が複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃに印加される。そのため、各振動子３ａ，３ｂ，３ｃは振動子３ａの共振周波数ｆａで振動するようになり、振動子３ｂ，３ｃはそれぞれの共振周波数ｆｂ，ｆｃよりも低い周波数で振動する。そして振動子３ｂ，３ｃに設けられた位相検知部２２ｂ，２２ｃは、各振動子３ｂ，３ｃが駆動信号Ｖｄ３，Ｖｄ４によって所定の振動方向に振動すると、その振動波形が駆動信号Ｖｄ３，Ｖｄ４に対して位相が９０°遅れた状態となるように出力電圧Ｖｃｎｔを生成し、各振動子３ｂ，３ｃのコンデンサ１２ａ，１２ｂに印加する。これにより、各振動子３ｂ，３ｃの共振周波数は、図１１と同様に駆動信号Ｖｄ３，Ｖｄ４の周波数ｆａに一致するようにシフトする。その結果、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃは、いずれも同一の共振周波数ｆａで振動するようになる。したがって、図１２に示す駆動回路５は、上記と同様の作用効果を発揮するものでありながら、構成をより簡略化できるという利点がある。
　以上のように本実施形態において説明した駆動回路５は、所定周波数の基準信号ＳＧ１に基づいて振動子３を駆動することにより、振動子３を振動方向に振動させる駆動部２１と、振動方向に対する振動子３の振動波形を検知し、その振動波形と基準信号ＳＧ１との位相差に応じた出力電圧Ｖｃｎｔを出力する位相検知部２２と、振動子３に設けられる可動電極と、その可動電極に対向して設けられる固定電極とにより構成され、固定電極に対して出力電圧Ｖｃｎｔが印加されるコンデンサ１２ａ，１２ｂとを備えており、位相検知部２２が、振動子３の振動波形と基準信号ＳＧ１との位相差に応じて出力電圧Ｖｃｎｔを調整することにより、コンデンサ１２ａ，１２ｂにおける静電気力を変化させ、その位相差が９０度となるように制御する構成である。このような構成によれば、振動子３が振動方向に振動するときの共振周波数を基準信号ＳＧ１の周波数にシフトさせることができると共に、振動子３をそのシフトさせた共振周波数で振動させることができる。このような駆動回路５を用いれば、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃの共振周波数を互いに一致させることができるため、各振動子を個別に駆動する必要がなくなる。その結果、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃのそれぞれを駆動するための少なくとも一部の回路構成を共通化して回路規模を縮小す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、本発明は上述した内容の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、上記実施形態においては、駆動回路５が複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃを駆動する場合に、少なくとも一部の回路構成を共通化できる点について説明した。しかし、上述した駆動回路５は、複数の振動子３ａ，３ｂ，３ｃを駆動する場合にのみ利用可能な回路ではない。すなわち、上述した駆動回路５は、１つの振動子３を駆動する場合にも適用可能であり、その１つの振動子３の共振周波数を信号処理によって所定周波数に合わせ込むことができるという点で有用なものである。
　１…角速度センサ、２…センサ部、３，３ａ，３ｂ，３ｃ…振動子、４…角速度検出回路、５…駆動回路（振動子駆動回路）、６…制御回路、７…バネ、８…可動部、２０…基準信号生成部、２１…駆動部、２２…位相検知部、２９…自励発振回路、９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ…コンデンサ、ＳＧ１，ＳＧ２…基準信号、Ｖｃｎｔ…出力電圧

Claims (9)

  1. 　振動子を所定の振動方向に振動させる振動子駆動回路であって、
    　所定周波数の基準信号に基づいて前記振動子を駆動することにより、前記振動子を前記振動方向に振動させる駆動部と、
    　前記振動方向に対する前記振動子の振動波形を検知し、前記基準信号と前記振動波形との位相差に応じた出力電圧を出力する位相検知部と、
    　前記振動子に設けられる可動電極と、前記可動電極に対向して設けられる固定電極とにより構成され、前記固定電極に前記出力電圧が印加されるコンデンサと、
    を備え、
    　前記位相検知部は、前記位相差に応じて前記出力電圧を調整することにより、前記コンデンサにおける静電気力を変化させて前記位相差が９０度となるように制御することを特徴とする振動子駆動回路。
  2. 　前記基準信号を生成する基準信号生成部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の振動子駆動回路。
  3. 　前記振動子は、バネ構造によって前記振動方向に振動可能に支持され、
    　前記所定周波数は、前記バネ構造によって支持された前記振動子の共振周波数よりも低い周波数であ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。
  4. 　それぞれ異なる振動方向に振動する複数の振動子を駆動する振動子駆動回路であって、
    　前記複数の振動子のそれぞれに設けられ、振動子と共に変位する可動電極と、前記可動電極に対向する固定電極とにより構成されるコンデンサと、
    　所定周波数の基準信号に基づいて前記複数の振動子のそれぞれを駆動することにより、前記複数の振動子のそれぞれを振動させる駆動部と、
    　前記複数の振動子のそれぞれに設けられ、各振動子の振動波形を検知し、前記基準信号と前記振動波形との位相差に応じた出力電圧を前記コンデンサの固定電極に印加する位相検知部と、
    を備え、
    　前記位相検知部は、前記位相差に応じて前記出力電圧を調整して前記コンデンサにおける静電気力を変化させ、前記位相差が９０度となるように制御することを特徴とする振動子駆動回路。
  5. 　前記基準信号を生成する基準信号生成部を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の振動子駆動回路。
  6. 　前記複数の振動子のそれぞれは、バネ構造によって所定の振動方向に振動可能に支持され、
    　前記所定周波数は、前記複数の振動子のそれぞれのバネ構造による共振周波数よりも低い周波数であることを特徴とする請求項４又は５に記載の振動子駆動回路。
  7. 　前記複数の振動子とは異なる一の振動子に対して所定の駆動信号を印加することにより前記一の振動子を自励発振させる自励発振回路を更に備え、
    　前記基準信号生成部は、前記基準信号の周波数を前記駆動信号の周波数に一致させることを特徴とする請求項５に記載の振動子駆動回路。
  8. 　前記複数の振動子及び前記一の振動子のそれぞれは、バネ構造によって所定の振動方向に振動可能に支持され、
    　前記一の振動子のバネ構造による共振周波数は、前記複数の振動子のそれぞれのバネ構造による共振周波数よりも低い周波数であることを特徴とする請求項７に記載の振動子駆動回路。
  9. 　それぞれ異なる振動方向に振動する複数の振動子を駆動する振動子駆動回路であって、
    　前記複数の振動子に含まれる一の振動子を自励発振させるための駆動信号を生成して前記一の振動子に印加すると共に、前記駆動信号を前記一の振動子を除く他の振動子に印加することにより、前記複数の振動子のそれぞれを駆動する自励発振回路と、
    　前記他の振動子に設けられ、前記他の振動子と共に変位する可動電極と、前記可動電極に対向する固定電極とにより構成されるコンデンサと、
    　前記駆動信号に基づいて前記駆動信号の周波数に一致する基準信号を生成する基準信号生成部と、
    　前記他の振動子に設けられ、前記他の振動子の振動波形を検知し、前記基準信号と前記振動波形との位相差に応じた出力電圧を前記コンデンサの固定電極に印加する位相検知部と、
    を備え、
    　前記位相検知部は、前記位相差に応じて前記出力電圧を調整して前記コンデンサにおける静電気力を変化させ、前記位相差が９０度となるように制御することを特徴とする振動子駆動回路。
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