(57)【要約】  本発明は、自動利得制御回路の動作が不安定になることなく、電源を投入してから慣性力（角速度）を検出することができるまでの起動時間を短縮することが可能な振動型慣性力センサを提供する。  本発明に係る振動型慣性力センサは、振動子１と、発振回路部２と、検出回路部３とを備え、発振回路部２は、振動子１を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、振動子１の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換するＣＶ変換回路（信号変換回路）２１と、ＣＶ変換回路（信号変換回路）２１で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して駆動信号を生成し、駆動信号を振動子１に供給する自動利得制御回路２４とを有し、ＣＶ変換回路（信号変換回路）２１は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段を有する。
2011102063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性力を検出する振動子と、
該振動子に駆動信号を供給する発振回路部と、
前記振動子の慣性力を検出する検出回路部と
を備え、
前記発振回路部は、前記振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、
前記振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、
該信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して前記駆動信号を生成し、該駆動信号を前記振動子に供給する自動利得制御回路とを有し、
前記信号変換回路は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段を有することを特徴とする振動型慣性力センサ。
【請求項２】
前記信号変換回路は、フィードバック容量を有するオペアンプ回路で構成され、前記増幅手段は、電源を投入してから前記所定の期間、前記フィードバック容量の大きさを切り替えることでモニタ信号を増幅することを特徴とする請求項１に記載の振動型慣性力センサ。
【請求項３】
前記所定の期間は、前記自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して負の特性を有する場合、電源を投入してから、前記コントロール信号の変化に対して前記利得が変化する範囲において、前記コントロール信号に基づく前記利得が前記増幅回路の増幅率の最大利得以下になる期間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型慣性力センサ。
【請求項４】
前記所定の期間は、前記自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して正の特性を有する場合、電源を投入してから、前記コントロール信号の変化に対して前記利得が変化する範囲において、前記コントロール信号に基づく前記利得が前記増幅回路の増幅率の最大利得以上になる期間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型慣性力センサ。
【請求項５】
前記増幅手段は、前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に基づいて、前記フィードバック容量の大きさを切り替えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の振動型慣性力センサ。
【請求項６】
前記フィードバック容量は、第１フィードバック容量と、第２フィードバック容量とを備え、
前記第１フィードバック容量は、前記オペアンプ回路に常時接続されている容量で、
前記第２フィードバック容量は、前記コントロール信号に基づいて、前記オペアンプ回路に接続される少なくとも一つの容量であることを特徴とする請求項５に記載の振動型慣性力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性力を検出する慣性力センサに関し、特に、振動子を用いて慣性力を検出する振動型慣性力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動型慣性力センサは、例えば、慣性力に基づく角速度を検出する角速度センサとして使用される。振動型慣性力センサは、角速度を検出するための振動子、振動子に駆動信号を供給する発振回路部、及び振動子の角速度を検出する検出回路部を備えている。振動子には、静電駆動・容量検出型、圧電駆動・圧電検出型等がある。振動子は、角速度により振動する振動体、振動体を駆動する駆動手段、振動体の振幅の大きさ（振動子の振動状態）に応じたモニタ信号を発振回路部にフィードバックするモニタ手段、振動体のコリオリ力による振動変位に基づく検出信号を出力する検出手段を備えている。【０００３】
発振回路部は、振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として構成され、振動体の振幅の大きさに応じたモニタ信号から駆動信号を生成し、駆動信号を振動子に供給して振動体の振動を制御する。検出回路部は、振動子の検出手段から入力した検出信号に基づいて、角速度検出信号を生成し、出力する。なお、角速度検出信号は、振動子の角速度の大きさに応じた直流電圧である。【０００４】
振動型慣性力センサは、電源を投入してから振動体の振幅が所定の大きさになるまでの期間、角速度を検出することができない。振動型慣性力センサは、電源を投入してから角速度を検出することができるまでの起動時間を短縮することが望まれており、例えば、特許文献１に起動時間を短縮できる振動型慣性力センサが開示されている。特許文献１に開示されている振動型慣性力センサは、自動利得制御回路（ＡＧＣ回路）を構成する可変利得増幅回路（ＶＧＡ回路）の内部又はＶＧＡ回路の後段に電圧増幅器を備えている。さらに、電圧増幅器は、モニタ信号の電圧レベルにより増幅率（利得）を切替えるスイッチ手段を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２８１３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の振動型慣性力センサでは、電源を投入してから、振動体の振幅が所定の大きさになるまでＶＧＡ回路によりモニタ信号を増幅して、振動子の角速度を検出することが可能な状態にしている。そのため、ＶＧＡ回路の増幅率を大きくすることで振動型慣性力センサの起動時間を短縮することが可能である。【０００７】
振動型慣性力センサの起動時間を短縮するためには、ＶＧＡ回路の増幅率を大きくすること（広範囲な利得可変範囲を有すること）が要求され、複雑な回路設計が必要となる。複雑な回路設計により、ＶＧＡ回路の増幅率を大きくすることができたとしても、利得可変範囲の全てにおいて、ＶＧＡ回路によりモニタ信号を増幅し、自動利得制御回路の動作を安定させることは困難であった。そのため、従来の振動型慣性力センサでは、ＶＧＡ回路の増幅率をＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲でしか起動時間を短縮することができないという問題があった。【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、自動利得制御回路の動作が不安定になることなく、電源を投入してから慣性力（角速度）を検出することができるまでの起動時間を短縮することが可能な振動型慣性力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために第１発明に係る振動型慣性力センサは、慣性力を検出する振動子と、該振動子に駆動信号を供給する発振回路部と、前記振動子の慣性力を検出する検出回路部とを備え、前記発振回路部は、前記振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、前記振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、該信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して前記駆動信号を生成し、該駆動信号を前記振動子に供給する自動利得制御回路とを有し、前記信号変換回路は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段を有する。【００１０】
第１発明では、振動子と、発振回路部と、検出回路部とを備える振動型慣性力センサ、発振回路部は、振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して駆動信号を生成し、駆動信号を振動子に供給する自動利得制御回路とを有している。信号変換回路は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段を有するので、大きく増幅したモニタ信号を駆動信号として振動子に供給して振動子の振動状態を大きく変化させ、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。また、信号変換回路の増幅手段を利用して振動型慣性力センサの起動時間を短縮するので、自動利得制御回路は、可変利得増幅回路の利得可変範囲（ＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲）で使用することができ、動作の安定した精度の良い自動利得制御回路を実現できる。【００１１】
また、第２発明に係る振動型慣性力センサは、第１発明において、前記信号変換回路は、フィードバック容量を有するオペアンプ回路で構成され、前記増幅手段は、電源を投入してから前記所定の期間、前記フィードバック容量の大きさを切り替えることでモニタ信号を増幅する。【００１２】
第２発明では、信号変換回路は、フィードバック容量を有するオペアンプ回路で構成され、増幅手段は、電源を投入してから所定の期間、フィードバック容量の大きさを切り替えることでモニタ信号を増幅するので、大きく増幅したモニタ信号を駆動信号として振動子に供給して振動子の振動状態を大きく変化させ、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。【００１３】
また、第３発明に係る振動型慣性力センサは、第１又は第２発明において、前記所定の期間は、前記自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して負の特性を有する場合、電源を投入してから、前記コントロール信号の変化に対して前記利得が変化する範囲において、前記コントロール信号に基づく前記利得が前記増幅回路の増幅率の最大利得以下になる期間である。【００１４】
第３発明では、自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して負の特性を有する場合、電源を投入してから、コントロール信号の変化に対して利得が変化する範囲において、コントロール信号に基づく利得が増幅回路の増幅率の最大利得以下になる期間を所定の期間とすることで、自動利得制御回路の利得が小さくなることを防止して、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。【００１５】
また、第４発明に係る振動型慣性力センサは、第１又は第２発明において、前記所定の期間は、前記自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して正の特性を有する場合、電源を投入してから、前記コントロール信号の変化に対して前記利得が変化する範囲において、前記コントロール信号に基づく前記利得が前記増幅回路の増幅率の最大利得以上になる期間である。【００１６】
第４発明では、自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して正の特性を有する場合、電源を投入してから、コントロール信号の変化に対して利得が変化する範囲において、コントロール信号に基づく利得が増幅回路の増幅率の最大利得以上になる期間を所定の期間とすることで、自動利得制御回路の利得が小さくなることを防止して、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。【００１７】
また、第５発明に係る振動型慣性力センサは、第２乃至第４発明のいずれか一つにおいて、前記増幅手段は、前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に基づいて、前記フィードバック容量の大きさを切り替える。【００１８】
第５発明では、増幅手段は、自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に基づいて、フィードバック容量の大きさを切り替えるので、コントロール信号の大きさで切り替えのタイミングを任意に設定し、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することが可能となる。また、自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率がコントロール信号に対して負の特性を有する場合、コントロール信号に基づく利得が増幅回路の増幅率の最大利得以下になる期間に切り替えのタイミングを設定することで自動利得制御回路の利得が小さくなることを防止することができ、増幅回路の増幅率がコントロール信号に対して正の特性を有する場合、コントロール信号に基づく利得が増幅回路の増幅率の最大利得以上になる期間に切り替えのタイミングを設定することで自動利得制御回路の利得が小さくなることを防止することができる。【００１９】
また、第６発明に係る振動型慣性力センサは、第５発明において、前記フィードバック容量は、第１フィードバック容量と、第２フィードバック容量とを備え、前記第１フィードバック容量は、前記オペアンプ回路に常時接続されている容量で、前記第２フィードバック容量は、前記コントロール信号に基づいて、前記オペアンプ回路に接続される少なくとも一つの容量である。【００２０】
第６発明では、第１フィードバック容量は、オペアンプ回路に常時接続されている容量で、第２フィードバック容量は、コントロール信号に基づいて、オペアンプ回路に接続される少なくとも一つの容量であるので、コントロール信号に基づいて接続される第２フィードバック容量との接続が不能になっても致命的な故障に至ることがないフェイルセーフな構成を有する信号変換回路を実現することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る振動型慣性力センサは、振動子と、発振回路部と、検出回路部とを備える振動型慣性力センサで、発振回路部は、振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき増幅率（利得）を制御して駆動信号を生成し、駆動信号を振動子に供給する自動利得制御回路とを有している。信号変換回路は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段を有するので、大きく増幅したモニタ信号を駆動信号として振動子に供給して振動子の振動状態を大きく変化させ、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。また、信号変換回路の増幅手段を利用して振動型慣性力センサの起動時間を短縮するので、自動利得制御回路は、可変利得増幅回路の利得可変範囲（ＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲）で使用することができ、動作の安定した精度の良い自動利得制御回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＡＧＣ回路の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路の構成を示す回路図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路の切り替えスイッチ及び増幅率、ＡＧＣＯ信号のタイミングチャートを示す例示図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路の別の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサについて、図面を用いて具体的に説明する。以下の実施の形態は、特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではなく、実施の形態の中で説明されている特徴的事項の組み合わせの全てが解決手段の必須事項であるとは限らないことは言うまでもない。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサの構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサは、慣性力に基づく角速度を検出する角速度センサとして使用されるものとして以下説明する。図１に示す振動型慣性力センサは、角速度（慣性力）を検出する振動子１、振動子１に駆動信号を供給する発振回路部２、振動子１の角速度を検出する検出回路部３を備えている。
【００２５】
振動子１は、静電駆動・容量検出型であって、振動体１１、振動体１１を駆動する駆動手段１２、振動体１１の振幅の大きさ（振動子１の振動状態）に応じたモニタ信号を発振回路部２にフィードバックするモニタ手段１３、振動体１１のコリオリ力による振動変位を検知することで振動子１の角速度の大きさに基づく検出信号を出力する検出手段１４を有している。振動体１１は、シリコン材料、ガラス材料等からなる振動基板により構成されている。
【００２６】
発振回路部２は、振動子１を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、ＣＶ変換回路（信号変換回路）２１、信号増幅回路２２、フィルタ回路２３及びＡＧＣ回路（自動利得制御回路）２４を有している。
【００２７】
発振回路部２は、振動子１の駆動手段１２及びモニタ手段１３と接続され、モニタ手段１３からモニタ信号がＣＶ変換回路２１にフィードバックされる。モニタ手段１３からフィードバックされたモニタ信号は、振動体１１の振幅の大きさに応じた静電容量に基づくモニタ信号である。そのため、ＣＶ変換回路２１は、振動体１１の振幅の大きさに応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する。信号増幅回路２２は、ＣＶ変換回路２１で変換したモニタ信号を、所定の増幅率（利得）で増幅し、フィルタ回路２３は、信号増幅回路２２で増幅したモニタ信号から所定の信号を取り除く。ＡＧＣ回路２４は、フィルタ回路２３から入力したモニタ信号に基づきモニタ信号の振幅が一定になるように増幅率（利得）を制御して、制御した増幅率で増幅したモニタ信号を振動子１の駆動信号として駆動手段１２に供給する。
【００２８】
検出回路部３は、検出回路３１、信号処理回路３２及び信号調整回路３３を備えている。
【００２９】
検出回路３１は、振動子１の検出手段１４から入力した検出信号を、振動体１１のコリオリ力による振動変位に対応した電圧に基づく検出信号に変換し、出力する。信号処理回路３２は、検出回路３１から入力した検出信号から、角速度の大きさに応じた角速度信号を取り出す等の信号処理を行う。信号調整回路３３は、信号処理回路３２で信号処理された検出信号に対して位相の調整等を行い、角速度検出信号として出力する。
【００３０】
上述したように発振回路部２は、ＡＧＣ回路２４でモニタ信号の振幅が一定になるように増幅し、増幅したモニタ信号を振動子１の駆動信号として駆動手段１２に供給する。図２は、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＡＧＣ回路２４の構成を示すブロック図である。図２に示すように、ＡＧＣ回路２４は、整流回路２４１、比較・平滑化回路２４２、ＶＧＡ回路（可変利得増幅回路）２４３を有している。
【００３１】
整流回路２４１は、フィルタ回路２３から入力したモニタ信号を整流して直流電圧であるＲＥＣＴ電圧（モニタ信号の電圧）に変換し、出力する。比較・平滑化回路２４２は、整流回路２４１が出力したＲＥＣＴ電圧と、振動子１の基準振幅に対応する基準電圧（ＶＣＴＲＬ電圧）とを比較し、比較した結果に基づきＶＧＡ回路２４３の増幅率を制御するコントロール信号（ＡＧＣＯ信号）を出力する。なお、比較・平滑化回路２４２は、必要に応じてＡＧＣＯ信号を平滑化して出力する。ここで、ＲＥＣＴ電圧は、振動子１のモニタ手段１３がモニタ信号を出力した時点の振動子１の振幅に対応している。そのため、振動子１の振幅における制御誤差ΔＶは、（式１）で表すことができる。
【００３２】
ΔＶ＝ＲＥＣＴ−ＶＣＴＲＬ  ・・・（式１）
【００３３】
なお、（式１）において、ＲＥＣＴはモニタ信号の電圧（ＲＥＣＴ電圧）を、ＶＣＴＲＬは基準電圧（ＶＣＴＲＬ電圧）を、それぞれ示している。また、この例では、ＶＣＴＲＬ＞ＲＥＣＴの関係を満たすので、ΔＶは負の値となる。
【００３４】
制御誤差ΔＶは、ＡＧＣＯ信号と（式２）に示す関係を有している。
【００３５】
ＡＧＣＯ＝ΔＶ×Ｇｃｔｒｌ＋ＶＤＤ／２  ・・・（式２）
【００３６】
なお、（式２）において、ＡＧＣＯはコントロール信号（ＡＧＣＯ信号）を、Ｇｃｔｒｌ（＞０）はコントロール信号の増幅率を、ＶＤＤはＡＧＣ回路２４の駆動電圧を、それぞれ示している。
【００３７】
比較・平滑化回路２４２から出力したＡＧＣＯ信号に基づき、ＶＧＡ回路２４３でモニタ信号を増幅する。ＶＧＡ回路２４３で増幅したモニタ信号は、駆動信号として駆動手段１２に供給される。当該駆動信号に基づいて駆動手段１２が振動子１を駆動することで、振動体１１の振幅が一定となる。
【００３８】
振動型慣性力センサは、電源を投入してから、振動体１１の振幅が所定の大きさになるまでＶＧＡ回路２４３によりモニタ信号を増幅して、振動子１の角速度を検出することが可能な状態にしている。そのため、ＶＧＡ回路２４３の増幅率を大きくすることで振動型慣性力センサの起動時間を短縮することができる。しかし、ＶＧＡ回路２４３の増幅率は有限である。そこで、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサでは、ＶＧＡ回路２４３を含むＡＧＣ回路２４の前段にあるＣＶ変換回路２１にモニタ信号を増幅する増幅手段を設け、ＶＧＡ回路２４３の増幅率を補うことで、起動時間を短縮している。
【００３９】
図３は、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路２１の構成を示す回路図である。図３に示すように、ＣＶ変換回路２１は、フィードバック容量Ｃ１と、フィードバック容量Ｃ１に並列接続したフィードバック抵抗Ｒ１とが接続されたオペアンプ２１１で構成されている。オペアンプ２１１は、負極の入力端子にモニタ手段１３が出力したモニタ信号（入力信号）が、正極の入力端子に基準電圧ＶＲＥＦがそれぞれ入力され、出力端子から変換したモニタ信号（出力信号）を出力する。さらに、ＣＶ変換回路２１は、モニタ信号を増幅する増幅手段２１ａとして、容量値がフィードバック容量Ｃ１より小さいフィードバック容量Ｃ２と、フィードバック容量Ｃ１とフィードバック容量Ｃ２とを切り替える切り替えスイッチ２１２とを有している。
【００４０】
例えば、フィードバック容量Ｃ１の容量値を２．０ｐＦ程度、フィードバック抵抗Ｒ１の抵抗値を２８０ＭΩ程度にそれぞれ設定したＣＶ変換回路２１は、カットオフ周波数が約２８０Ｈｚとなり、カットオフ周波数に対して駆動周波数（約１５ｋＨｚ）が十分高くなる。ＣＶ変換回路２１の駆動周波数がカットオフ周波数に対して十分高い場合、ＣＶ変換回路２１の増幅率は、フィードバック容量の容量値に反比例する。従って、切り替えスイッチ２１２を用いて、容量値がフィードバック容量Ｃ１より小さいフィードバック容量Ｃ２に切り替えることで、ＣＶ変換回路２１の増幅率は増加することになる。例えば、フィードバック容量Ｃ２の容量値を、フィードバック容量Ｃ１の容量値の４分の１である０．５ｐＦ程度に設定した場合、ＣＶ変換回路２１の増幅率は約４倍に増加する。
【００４１】
本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサの電源を投入する時点で、切り替えスイッチ２１２を用いてフィードバック容量Ｃ２に切り替えておくことで、ＣＶ変換回路２１で変換されたモニタ信号は増幅されて（例えば、約４倍）、信号増幅回路２２及びフィルタ回路２３を経てＡＧＣ回路２４に出力される。
【００４２】
ＣＶ変換回路２１で変換されたモニタ信号が増幅されると、整流回路２４１が出力するＲＥＣＴ電圧（モニタ信号の電圧）も大きくなる。比較・平滑化回路２４２から出力するＡＧＣＯ信号は、（式１）及び（式２）から求めることができるため、整流回路２４１が出力したＲＥＣＴ電圧に従い電圧レベルが大きくなる。ＣＶ変換回路２１でモニタ信号が増幅されることにより、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルは、ＡＧＣ回路２４においてＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲に存在する。なお、ＶＧＡ回路２４３の増幅率がコントロール信号に対して負の特性を有する場合について示したが、回路設計によってはＶＧＡ回路２４３の増幅率がコントロール信号に対して正の特性を有する場合も考えられる。この場合、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルは、ＡＧＣ回路２４においてＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以上になるレベル範囲に存在する。
【００４３】
ＶＧＡ回路２４３は、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲に存在する電圧レベルのＡＧＣＯ信号が入力されると、ＶＧＡ回路２４３に入力したモニタ信号を、ＶＧＡ回路２４３のＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲の略最大の増幅率で増幅し、駆動信号として駆動手段１２に供給する。そのため、ＶＧＡ回路２４３は、ＣＶ変換回路２１で増幅されたモニタ信号を、ＶＧＡ回路２４３のＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲の略最大の増幅率で増幅するので、ＣＶ変換回路２１でモニタ信号を増幅しない場合に比べて駆動信号が大きく設定され、電源を投入してから、振動体１１の振幅が所定の大きさになるまでの時間が短くなり、起動時間を短縮することができる。また、ＣＶ変換回路２１は、フィードバック容量Ｃ１、Ｃ２を切り替えてモニタ信号を増幅するので、抵抗を切り替えてモニタ信号を増幅する場合に比べて、回路構成を省スペース化することができる。
【００４４】
図４は、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路２１のフィードバック容量Ｃ１、Ｃ２の切り替え及び増幅手段２１ａの増幅率、ＡＧＣＯ信号のタイミングチャートを示す例示図である。図４に示すように、電源投入時、ＣＶ変換回路２１は、切り替えスイッチ２１２を用いてフィードバック容量Ｃ２と接続され、増幅手段２１ａの増幅率がフィードバック容量Ｃ１と接続した場合の約４倍となる。図４は、ＶＧＡ回路２４３の増幅率がコントロール信号に対して負の特性を有するため、電源投入時、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルは、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲に存在する。
【００４５】
電源を投入してから、ＣＶ変換回路２１及びＶＧＡ回路２４３で増幅されたモニタ信号は駆動信号として振動子１の駆動手段１２に供給され、供給された駆動信号に基づいて駆動手段１２が振動子１を駆動し、モニタ手段１３から振動子１の振動状態に応じたモニタ信号がＣＶ変換回路２１及びＶＧＡ回路２４３にフィードバックされる。モニタ信号のフィードバックを繰り返すことで、振動子１の駆動が定常状態に近づき、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲外に至ることになる。ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲外に至った時点で、ＣＶ変換回路２１は、切り替えスイッチ２１２を用いてフィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続を切り替える。これにより、ＡＧＣ回路２４の利得が小さくなることを防止できる。すなわち、ＶＧＡ回路２４３の増幅率が小さくならない範囲で、起動時におけるＡＧＣＯ信号を大きく設定することができ、発振回路部２全体としての利得を増加させることができる。
【００４６】
ＣＶ変換回路２１は、フィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続が切り替わると、増幅手段２１ａの増幅率がフィードバック容量Ｃ２と接続した場合の約１／４倍となる。フィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１に接続を切り替えることで、ＣＶ変換回路２１及びＶＧＡ回路２４３にフィードバックされるモニタ信号は大きく変化し、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲内にとどまる。
【００４７】
フィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１への接続の切り替え後、モニタ信号のフィードバックを繰り返すことで、振動子１の駆動が定常状態に近づき、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲から定常駆動範囲に至ることになる。ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが定常駆動範囲に至った時点で、振動型慣性力センサは振動子１の角速度を検出することが可能となり起動が完了する。なお、図４における起動時間とは、電源を投入してから起動が完了するまでをいう。
【００４８】
以上のように、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサは、振動子１と、発振回路部２と、検出回路部３とを備え、発振回路部２は、振動子１を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能している。発振回路部２は、振動子１の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換するＣＶ変換回路２１と、ＣＶ変換回路２１で変換したモニタ信号の振幅が一定になるように増幅率（利得）を制御して駆動信号を生成し、駆動信号を振動子１に供給するＡＧＣ回路２４とを有している。ＣＶ変換回路２１は、電源を投入してから所定の期間、所定の増幅率でモニタ信号を増幅する増幅手段２１ａを有するので、大きく増幅したモニタ信号を駆動信号として振動子１の駆動手段１２に供給して振動子１の振動状態を大きく変化させ、電源を投入してから振動子１の角速度を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。また、ＣＶ変換回路２１の増幅手段２１ａを利用して振動型慣性力センサの起動時間を短縮するので、ＡＧＣ回路２４は、ＶＧＡ回路２４３の利得可変範囲で使用することができ、動作の安定した精度の良いＡＧＣ回路を実現できる。
【００４９】
また、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサでは、電源を投入してから、ＡＧＣＯ信号が変化してもＶＧＡ回路２４３の増幅率（ＡＧＣ回路２４の利得）が変化しない、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲にＡＧＣＯ信号の電圧レベルが存在する期間において、ＣＶ変換回路２１は、フィードバック容量Ｃ２と接続して、増幅手段２１ａの増幅率を大きくしている。本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサは、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲外に至った時点で、切り替えスイッチ２１２を用いてフィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続を切り替えることで、ＶＧＡ回路２４３の増幅率が小さくなることを防止して、電源を投入してから角速度を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。
【００５０】
さらに、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサでは、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲外に至った時点で、ＣＶ変換回路２１は、切り替えスイッチ２１２を用いてフィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続を切り替える。つまり、ＣＶ変換回路２１は、ＡＧＣＯ信号に基づいて、フィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続を切り替える。ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲外に至った時点で、ＣＶ変換回路２１は、フィードバック容量Ｃ２からフィードバック容量Ｃ１へと接続を切り替えることで、ＶＧＡ回路２４３の増幅率が小さくならない範囲で、起動時におけるＡＧＣＯ信号を大きく設定することができ、発振回路部２全体としての利得も増加するため、電源を投入してから振動子１の角速度を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。なお、図４では、ＶＧＡ回路２４３の増幅率がコントロール信号に対して負の特性を有するため、電源投入時、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルが、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以下になるレベル範囲に存在する例を用いて説明したが、ＶＧＡ回路２４３の増幅率がコントロール信号に対して正の特性を有する場合は、電源投入時、ＡＧＣＯ信号の電圧レベルは、ＡＧＣＯ信号に基づく利得がＶＧＡ回路２４３の増幅率の最大利得以上になるレベル範囲に存在する。
【００５１】
また、図５は、本発明の実施の形態に係る振動型慣性力センサのＣＶ変換回路２１の別の構成を示す回路図である。図５に示すＣＶ変換回路２１は、オペアンプ２１１に常時接続されたフィードバック容量Ｃ１と、フィードバック容量Ｃ１に並列接続したフィードバック容量Ｃ２と、モニタ信号を増幅する増幅手段２１ａとして、フィードバック容量Ｃ２と、オペアンプ２１１との接続、非接続を切り替えてフィードバック容量の大きさを切り替える切り替えスイッチ２１２とを有している。そのため、図５に示すＣＶ変換回路２１では、切り替えスイッチ２１２が故障し、フィードバック容量Ｃ２とオペアンプ２１１との接続が不能になっても、フィードバック容量Ｃ１とオペアンプ２１１とが常時接続された構成であるため、致命的な故障に至ることがない、フェイルセーフな構成を有するＣＶ変換回路２１を実現することができる。なお、フィードバック容量Ｃ２は、フィードバック容量Ｃ１に一つの容量を並列接続した構成に限定されるものではなく、フィードバック容量Ｃ１に複数の容量を並列接続した構成でも良い。
【符号の説明】
【００５２】
１  振動子
２  発振回路部
３  検出回路部
１１  振動体
１２  駆動手段
１３  モニタ手段
１４  検出手段
２１  ＣＶ変換回路（信号変換回路）
２１ａ  増幅手段
２２  信号増幅回路
２３  フィルタ回路
２４  ＡＧＣ回路（自動利得制御回路）
３１  検出回路
３２  信号処理回路
３３  信号調整回路
２１１  オペアンプ
２１２  切り替えスイッチ
２４１  整流回路
２４２  比較・平滑化回路
２４３  ＶＧＡ回路（可変利得増幅回路）
【図１】
2011102063.tif 000003
【図２】
2011102063.tif 000004
【図３】
2011102063.tif 000005
【図４】
2011102063.tif 000006
【図５】
2011102063.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月13日(2013.2.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記目的を達成するために第１発明に係る振動型慣性力センサは、慣性力を検出する振動子と、該振動子に駆動信号を供給する発振回路部と、前記振動子の慣性力を検出する検出回路部とを備え、前記発振回路部は、前記振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、前記振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、該信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して前記駆動信号を生成し、該駆動信号を前記振動子に供給する自動利得制御回路とを有し、前記信号変換回路は、第１フィードバック容量を有するオペアンプ回路と、前記第１フィードバック容量又は前記第１フィードバック容量とは容量値の異なる第２フィードバック容量と、前記オペアンプ回路との接続を切り替える切り替えスイッチを備える増幅回路とで構成され、該増幅回路は、電源を投入してから所定の期間、該所定の期間が経過した後より高い増幅率でモニタ信号を増幅するように前記切り替えスイッチにより前記第１フィードバック容量及び前記第２フィードバック容量の一方のみを前記オペアンプ回路に接続し、前記所定の期間が経過した後、前記切り替えスイッチにより前記第１フィードバック容量及び前記第２フィードバック容量の他方のみ又は両方を前記オペアンプ回路に接続することを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
第１発明では、振動子と、発振回路部と、検出回路部とを備える振動型慣性力センサであり、発振回路部は、振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、該信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して駆動信号を生成し、該駆動信号を振動子に供給する自動利得制御回路とを有している。信号変換回路は、第１フィードバック容量を有するオペアンプ回路と、第１フィードバック容量又は該第１フィードバック容量とは容量値の異なる第２フィードバック容量と、オペアンプ回路との接続を切り替える切り替えスイッチを備える増幅回路とで構成され、該増幅回路は、電源を投入してから所定の期間、該所定の期間が経過した後より高い増幅率でモニタ信号を増幅するように切り替えスイッチにより第１フィードバック容量及び第２フィードバック容量の一方のみをオペアンプ回路に接続し、所定の期間が経過した後、切り替えスイッチにより第１フィードバック容量及び第２フィードバック容量の他方のみ又は両方をオペアンプ回路に接続する。これにより、大きく増幅したモニタ信号を駆動信号として振動子に供給して振動子の振動状態を大きく変化させ、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。また、信号変換回路の増幅回路を利用して振動型慣性力センサの起動時間を短縮するので、自動利得制御回路は、可変利得増幅回路の利得可変範囲（ＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲）で使用することができ、動作の安定した精度の良い自動利得制御回路を実現できる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また、第２発明に係る振動型慣性力センサは、第１発明において、前記所定の期間は、前記自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して負の特性を有する場合、電源を投入してから、前記増幅回路の増幅率が最大利得以下になるまでの期間であることを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
第２発明では、自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して負の特性を有する場合、電源を投入してから、増幅回路の増幅率が最大利得以下になるまでの期間を所定の期間とすることで、自動利得制御回路の利得が小さくなることを防止して、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
また、第３発明に係る振動型慣性力センサは、第１又は２発明において、前記増幅回路は、前記所定の期間が経過した後より高い増幅率でモニタ信号を増幅するように前記切り替えスイッチにより前記第１フィードバック容量及び前記第２フィードバック容量のうち、容量値の小さいフィードバック容量を前記オペアンプ回路に接続し、前記所定の期間が経過した後、前記切り替えスイッチにより前記第１フィードバック容量及び前記第２フィードバック容量のうち、容量値の大きいフィードバック容量を前記オペアンプ回路に接続することを特徴とする。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
第３発明では、増幅回路は、所定の期間が経過した後より高い増幅率でモニタ信号を増幅するように切り替えスイッチにより第１フィードバック容量及び第２フィードバック容量のうち、容量値の小さいフィードバック容量をオペアンプ回路に接続する。所定の期間が経過した後、切り替えスイッチにより第１フィードバック容量及び第２フィードバック容量のうち、容量値の大きいフィードバック容量をオペアンプ回路に接続する。これにより、抵抗を切り替えてモニタ信号を増幅する場合に比べて、回路構成を省スペース化することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、第４発明に係る振動型慣性力センサは、第１又は２発明において、前記増幅回路は、前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に基づいて、前記第２フィードバック容量と前記オペアンプ回路との接続を切り替えることを特徴とする。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
第４発明では、増幅回路は、自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に基づいて、第２フィードバック容量とオペアンプ回路との接続を切り替えるので、コントロール信号の大きさで第２フィードバック容量とオペアンプ回路との接続を切り替えるタイミングを任意に設定し、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することが可能となる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また、第５発明に係る振動型慣性力センサは、第４発明において、前記第１フィードバック容量は、前記オペアンプ回路に常時接続されていることを特徴とする。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
第５発明では、第１フィードバック容量は、オペアンプ回路に常時接続されている容量で、第２フィードバック容量は、コントロール信号に基づいて、オペアンプ回路に接続される少なくとも一つの容量であるので、コントロール信号に基づいて接続される第２フィードバック容量との接続が不能になっても致命的な故障に至ることがないフェイルセーフな構成を有する信号変換回路を実現することができる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本発明に係る振動型慣性力センサは、振動子と、発振回路部と、検出回路部とを備える振動型慣性力センサで、発振回路部は、振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、該信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して駆動信号を生成し、該駆動信号を振動子に供給する自動利得制御回路とを有している。信号変換回路は、第１フィードバック容量を有するオペアンプ回路と、第１フィードバック容量又は該第１フィードバック容量とは容量値の異なる第２フィードバック容量と、オペアンプ回路との接続を切り替える切り替えスイッチを備える増幅回路とで構成され、該増幅回路は、電源を投入してから所定の期間、該所定の期間が経過した後より高い増幅率でモニタ信号を増幅するように切り替えスイッチにより第１フィードバック容量及び第２フィードバック容量の一方のみをオペアンプ回路に接続する。所定の期間が経過した後、切り替えスイッチにより第１フィードバック容量及び第２フィードバック容量の他方のみ又は両方をオペアンプ回路に接続する。これにより、大きく増幅したモニタ信号を駆動信号として振動子に供給して振動子の振動状態を大きく変化させ、電源を投入してから慣性力を検出することができるまでの起動時間を短縮することができる。また、信号変換回路の増幅回路を利用して振動型慣性力センサの起動時間を短縮するので、自動利得制御回路は、可変利得増幅回路の利得可変範囲（ＶＧＡ回路が本来有する利得可変範囲）で使用することができ、動作の安定した精度の良い自動利得制御回路を実現できる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性力を検出する振動子と、
該振動子に駆動信号を供給する発振回路部と、
前記振動子の慣性力を検出する検出回路部と
を備え、
前記発振回路部は、
前記振動子を共振素子とした閉ループの自励発振回路として機能し、
前記振動子の振動状態に応じた静電容量に基づくモニタ信号を、静電容量の変化量に対応した電圧に基づくモニタ信号に変換する信号変換回路と、
該信号変換回路で変換したモニタ信号に基づき利得を制御して前記駆動信号を生成し、該駆動信号を前記振動子に供給する自動利得制御回路と
を有し、
前記信号変換回路は、
第１フィードバック容量を有するオペアンプ回路と、
前記第１フィードバック容量又は前記第１フィードバック容量とは容量値の異なる第２フィードバック容量と、前記オペアンプ回路との接続を切り替える切り替えスイッチを備える増幅回路と
で構成され、
該増幅回路は、電源を投入してから所定の期間、該所定の期間が経過した後より高い増幅率でモニタ信号を増幅するように前記切り替えスイッチにより前記第１フィードバック容量及び前記第２フィードバック容量の一方のみを前記オペアンプ回路に接続し、前記所定の期間が経過した後、前記切り替えスイッチにより前記第１フィードバック容量及び前記第２フィードバック容量の他方のみ又は両方を前記オペアンプ回路に接続することを特徴とする振動型慣性力センサ。
【請求項２】
前記所定の期間は、前記自動利得制御回路が有する増幅回路の増幅率が前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に対して負の特性を有する場合、電源を投入してから、前記増幅回路の増幅率が最大利得以下になるまでの期間であることを特徴とする請求項１に記載の振動型慣性力センサ。
【請求項３】
前記増幅回路は、前記所定の期間が経過した後より高い増幅率でモニタ信号を増幅するように前記切り替えスイッチにより前記第１フィードバック容量及び前記第２フィードバック容量のうち、容量値の小さいフィードバック容量を前記オペアンプ回路に接続し、前記所定の期間が経過した後、前記切り替えスイッチにより前記第１フィードバック容量及び前記第２フィードバック容量のうち、容量値の大きいフィードバック容量を前記オペアンプ回路に接続することを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型慣性力センサ。
【請求項４】
前記増幅回路は、前記自動利得制御回路の利得を制御するコントロール信号に基づいて、前記第２フィードバック容量と前記オペアンプ回路との接続を切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型慣性力センサ。
【請求項５】
前記第１フィードバック容量は、前記オペアンプ回路に常時接続されていることを特徴とする請求項４に記載の振動型慣性力センサ。
【国際調査報告】
2011102063.tif 000008
2011102063.tif 000009
2011102063.tif 000010
2011102063.tif 000011
2011102063.tif 000012
2011102063.tif 000013