(57)【要約】【課題】  できるだけ小さい回路規模で、振動子の破壊を防止すると共に発振起動時間を短縮できる駆動装置、これを用いた物理量測定装置及び電子機器を提供する。【解決手段】  発振駆動回路１０は、発振ループ内の発振信号の電流値を電圧値に変換する電流電圧変換器３０と、電流電圧変換器３０の出力信号と所与の基準信号との比較結果に対応した信号を出力するコンパレータ５０とを含む。コンパレータ５０が、電流制限機能を有する。発振駆動回路１０は、コンパレータ５０の出力に基づいて、振動子１２に駆動振動を励振する。【選択図】  図１
2008089577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子から出力される検出信号を同期検波して得られる出力信号を用いて物理量を測定するのに際して、前記振動子に接続されて発振ループを形成し、前記振動子に矩形波の駆動信号を与えることによって駆動振動を励振する駆動装置であって、
前記発振ループ内の発振信号の電流値を電圧値に変換する電流電圧変換器と、
前記電流電圧変換器の出力信号と所与の基準信号との比較結果に対応した信号を出力する第１のコンパレータとを含み、
前記第１のコンパレータは、前記振動子と共に前記発振ループを構成し、かつ、前記コンパレータは出力電流の電流量を制限する電流制限機能を有し、
前記第１のコンパレータから出力される前記矩形波の駆動信号に基づいて前記駆動振動が励振されることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記電流電圧変換器の出力信号と所与の基準信号との比較結果に対応した信号を出力する第２のコンパレータとを含み、
前記第２のコンパレータの出力を、前記検出信号から前記出力信号を生成するための同期検波用のクロックとして用いることを特徴とする駆動装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記第１のコンパレータの出力を、前記検出信号から前記出力信号を生成するための同期検波用のクロックとして用いることを特徴とする駆動装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記第１のコンパレータが、高電位側電源及び低電位側電源に接続される場合に、
前記電流制限機能が、
前記高電位側電源及び前記低電位側電源の少なくとも１つへの電流経路の電流を制限する機能であることを特徴とする駆動装置。
【請求項５】
振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて前記振動子から出力される検出信号に対応した物理量を測定するための物理量測定装置であって、
振動子と、
前記振動子に駆動振動を励振する請求項１乃至４のいずれか記載の駆動装置と、
前記検出信号に基づいて前記物理量に対応した出力信号を検出する検出装置とを含み、
前記検出装置が、
前記第１又は第２のコンパレータの出力に基づいて前記検出信号を同期検波する同期検波器を含むことを特徴とする物理量測定装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記検出装置が、
前記第１又は第２のコンパレータの出力と前記検出信号との位相を調整するための移相器を含むことを特徴とする物理量測定装置。
【請求項７】
請求項５記載の物理量測定装置を含むことを特徴とする電子機器。
【請求項８】
請求項１において、
前記駆動装置からみた前記振動子側の正のインピーダンスと、前記振動子からみた前記駆動装置側の負のインピーダンスが一致するように、前記振動子の等価回路の回路パラメータおよび前記駆動装置の回路パラメータを設定することを特徴とする駆動装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記発振ループが発振起動状態では、前記振動子のフィルタ作用による周波数選択によって特定周波数成分のみが選択的に増幅され、前記特定周波数成分が時間経過と共に増大し、前記振動子に流れる電流が前記コンパレータの出力電流の電流制限値に達すると、電流が一定化されて前記振動子に供給されるエネルギが一定化され、これによって、前記発振ループは前記発振起動状態から発振定常状態に移行する、
ことを特徴とする駆動装置。
【請求項１０】
請求項１において、
前記振動子は容量結合型の振動子であることを特徴とする駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子に駆動振動を励振する駆動装置、これを用いた物理量測定装置、例えば振動型ジャイロスコープ、及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるジャイロスコープには、物体に働く力の検出方法によって回転型や振動型等がある。中でも、振動型ジャイロスコープは、構成部品等の観点から小型化や低コスト化に有利とされている。このような振動型ジャイロスコープのうち、物体に働く角速度を検出する振動型ジャイロセンサには、信頼性や小型化に有利な水晶や圧電素子を励振する圧電振動型ジャイロセンサがある。圧電振動型ジャイロセンサは、振動している物体に角速度が加わると、その振動と直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。
【０００３】
振動型ジャイロセンサが適用される用途は広く、例えばビデオカメラやデジタルカメラの手振れ検出や、カーナビゲーションシステムのＧＰＳ（Global Positioning System）
の位置検出、航空機やロボットの姿勢検出等に用いられる。
【０００４】
こうした用途において、振動型ジャイロセンサは、電池によって駆動される。従って、振動型ジャイロセンサの消費電力をできるだけ減らし、電池の寿命を長くする必要がある。この場合、角速度の検出等を行わない期間は振動型ジャイロセンサへの電源供給を停止させ、振動型ジャイロセンサを使用する期間のみ電池から電源供給を行わせることが好ましい。そのため、振動型ジャイロセンサを起動してから短時間で正常な動作を行わせる必要が生じる。
【０００５】
このような振動型ジャイロセンサの起動時間の短縮化を図る技術は、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。特許文献１には、発振ループ内にＣＲ発振回路又はリングオシレータを付加した構成により、起動直後であっても、増幅器により発振振幅を増大させるようにした技術が開示されている。また特許文献２には、水晶振動子と直列に抵抗を付加した構成により、振動子からの信号が安定化するまでの時間を短くした技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２８６５０３号公報
【特許文献２】特開２００３−２４０５５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、振動型ジャイロセンサの駆動装置には、振動子に働く角速度を安定して検出するために、振動子を共振周波数で一定に振動（発振）させる必要がある。また、短時間で振動子が発振し正常な動作を開始させる必要がある。更には、低コストで、電池の寿命を長くするために、小型で低消費電力な回路で構成させることが好ましい。
【０００７】
一方、例えば振動子をＱ値の高い水晶によって形成し、該振動子をパッケージ内に真空封止すると、振動子の駆動Ｑ値が非常に高くなる。そのため、振動子に駆動振動を励振する際に、振動子からの信号が安定するまでの時間（起動時間）が長くなるという問題がある。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術では、水晶振動子の駆動周波数に近い周波数で発振させようとすると、ＣＲ発振回路のコンデンサや抵抗器の素子面積が大きくなる。そのため、振動型ジャイロスコープ（振動型ジャイロセンサ）の大型化及びコスト高を招くという問題がある。また、特許文献１の技術では、起動時には一旦別の周波数で起動させているため、Ｑ値の高い水晶振動子の駆動周波数に引き込みにくい。そのため、製造ばらつき等の影響を受けると、より一層安定発振までの時間が長くなるという問題がある。
【０００９】
更にまた、特許文献１の技術では、発振条件を満足させ、且つ振動子の破壊を防止するため、発振ループ内の発振振幅等を制御するゲイン調整回路等が必要となり、回路規模の増大と消費電力の増加とを招く。
【００１０】
また特許文献２の技術では、抵抗器を挿入する必要がある。一般に、集積回路装置内に抵抗器を作り込む場合、抵抗器の製造ばらつきが大きく、所望のエネルギを振動子に与えることが困難になるという問題がある。更に特許文献２の技術では、抵抗器により、振動子に与えられるエネルギが分割されるため、ゲインがロスするという問題がある。更にまた、特許文献２の技術では、発振条件を満足させ、且つ振動子の破壊を防止するため、発振ループ内の発振振幅等を制御するゲイン調整回路等が必要となり、回路規模の増大と消費電力の増加とを招く。
【００１１】
本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、できるだけ小さい回路規模で、振動子の破壊を防止すると共に発振起動時間を短縮できる駆動装置、これを用いた物理量測定装置及び電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）上記課題を解決するために本発明は、
振動子から出力される検出信号を同期検波して得られる出力信号を用いて物理量を測定するのに際して、前記振動子に接続されて発振ループを形成し、前記振動子に矩形波の駆動信号を与えることによって駆動振動を励振する駆動装置であって、
前記発振ループ内の発振信号の電流値を電圧値に変換する電流電圧変換器と、
前記電流電圧変換器の出力信号と所与の基準信号との比較結果に対応した信号を出力する第１のコンパレータとを含み、
前記第１のコンパレータは、前記振動子と共に前記発振ループを構成し、かつ、前記コンパレータは出力電流の電流量を制限する電流制限機能を有し、
前記第１のコンパレータから出力される前記矩形波の駆動信号に基づいて前記駆動振動が励振される駆動装置に関係する。
【００１３】
本発明においては、振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて前記振動子から出力される検出信号に対応した出力信号を用いて物理量を測定するのに際して、駆動装置が、振動子と発振ループを形成し、該振動子に駆動振動を励振するために用いられる。そして、本発明によれば、発振定常状態のみならず発振起動時においても、所与の基準信号と発振信号との比較結果に対応した信号を出力する第１のコンパレータを用いて発振ループ内の信号を増幅するため、簡素な構成で発振起動の高速化を実現させることができる。また、第１のコンパレータが、電流制限機能を有しているため、発振振幅を制御することなく振動子に過剰な電流が流れることを防止し、最小の回路規模で振動子の破壊を防止し、かつ発振起動時間を短縮する駆動装置を提供できる。
【００１４】
（２）また本発明に係る駆動装置では、
前記電流電圧変換器の出力信号と所与の基準信号との比較結果に対応した信号を出力する第２のコンパレータとを含み、
前記第２のコンパレータの出力を、前記検出信号から前記出力信号を生成するための同期検波用のクロックとして用いることができる。
【００１５】
（３）また本発明に係る駆動装置では、
前記第１のコンパレータの出力を、前記検出信号から前記出力信号を生成するための同期検波用のクロックとして用いることができる。
【００１６】
上記のいずれかの発明によれば、第１又は第２のコンパレータの出力を、検出信号から出力信号を生成するための同期検波処理用のクロックとして供給するようにしたので、同期検波処理と発振起動の高速化とを実現させることができる。
【００１７】
（４）また本発明に係る駆動装置では、
前記第１のコンパレータが、高電位側電源及び低電位側電源に接続される場合に、
前記電流制限機能が、
前記高電位側電源及び前記低電位側電源の少なくとも１つへの電流経路の電流を制限する機能であってもよい。
【００１８】
本発明によれば、第１のコンパレータの電流制限機能を容易に実現できるようになる。
【００１９】
（５）また本発明は、
振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて前記振動子から出力される検出信号に対応した物理量を測定するための物理量測定装置であって、
振動子と、
前記振動子に駆動振動を励振する上記のいずれか記載の駆動装置と、
前記検出信号に基づいて前記物理量に対応した出力信号を検出する検出装置とを含み、
前記検出装置が、
前記第１又は第２のコンパレータの出力に基づいて前記検出信号を同期検波する同期検波器を含む物理量測定装置に関係する。
【００２０】
本発明によれば、一般的に発振ループの発振制御を行うために用いられる振動子からの信号検出結果を流用してスイッチ素子の切り替え制御を行うことができるので、回路規模を増大させることなく、同期検波処理と発振起動の高速化とを実現し、小型化及び低消費電力化を図る物理量測定装置を提供することができる。
【００２１】
（６）また本発明に係る物理量測定装置では、
前記検出装置が、
前記第１又は第２のコンパレータの出力と前記検出信号との位相を調整するための移相器を含むことができる。
【００２２】
本発明によれば、微少な検出信号の検出処理中の位相変化に応じて位相調整を行うことができるので、その結果として、高精度な位相調整と回路規模増大の防止とを両立させることができる。
【００２３】
（７）また本発明は、上記記載の物理量測定装置を含む電子機器に関係する。
【００２４】
本発明によれば、物理量の測定結果を用いて所与の処理を行う電子機器の小型化及び低消費電力化に寄与できるようになる。
【００２５】
（８）また、本発明の駆動装置の他の態様では、前記駆動装置からみた前記振動子側の正のインピーダンスと、前記振動子からみた前記駆動装置側の負のインピーダンスが一致するように、前記振動子の等価回路の回路パラメータおよび前記駆動装置の回路パラメータを設定する。
【００２６】
これによって、ゲインコントロールアンプを使用しなくても、発振起動状態から発振定常状態への移行が可能となる。
【００２７】
（９）また、本発明の駆動装置の他の態様では、前記発振ループが発振起動状態では、前記振動子のフィルタ作用による周波数選択によって特定周波数成分のみが選択的に増幅され、前記特定周波数成分が時間経過と共に増大し、前記振動子に流れる電流が前記コンパレータの出力電流の電流制限値に達すると、電流が一定化されて前記振動子に供給されるエネルギが一定化され、これによって、前記発振ループは前記発振起動状態から発振定常状態に移行する。
【００２８】
これによって、無理なく、発振起動状態から発振定常状態への移行が可能となる。
【００２９】
（１０）また、本発明の駆動装置の他の態様では、前記振動子は容量結合型の振動子である。
【００３０】
容量結合型の振動子を用いると、発振ループの直流電位として任意の電位を使用できる。よって、直流電位を気にすることなく回路を構成することができ、回路構成上の自由度が向上するという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の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すべてが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００３２】
（第１の実施形態）
本実施形態では、駆動装置としての発振駆動回路の構成と動作について説明する。本実施形態の発振駆動回路は、例えば、以下のように動作する。
【００３３】
（１）振動子を含む発振ループを、ゲインコントロールアンプの代わりにコンパレータを用いて矩形波により駆動する。ゲインコントロールアンプが不要であるため、回路構成を格段に簡素化することができる。
【００３４】
ここで、矩形波による振動子の駆動方式は、振動子自体がもつ周波数フィルタ作用によって、最終的には、共振周波数の交流成分のみが選択されることを利用した駆動方式である。
【００３５】
（２）発振起動時（例えば電源オン時）ならびに定常発振状態のいずれの場合も、上述のコンパレータによって発振ループが駆動される。
【００３６】
発振起動時には、例えば、電源電圧（ほぼ電源電圧とみなせる電圧を含む）間でフルスイングする矩形波で発振ループを駆動できる。すなわち、発振ループの利得を１より十分に大きな利得とすることができる。よって、発振起動過程から発振定常状態への移行を早めることができる。
【００３７】
（３）また、コンパレータは、出力電流を制限するための電流制限機能を有する。コンパレータの出力電流を制限することにより、振動子に供給される電流量が一定となる。このことは、振動子に供給されるエネルギが一定となることを意味する。
【００３８】
したがって、発振起動開始後、時間経過と共に、共振周波数に関して、振動子に流れる電流が増大していくと、やがて、信号電流の上限値に達して、振動子に供給されるエネルギが一定化される。この作用によって、発振ループのゲインは安定化され、安定した発振状態（発振定常状態）に自動的に移行する。
【００３９】
また、振動子に流れる電流を制限することによって、過大な駆動電流によって振動子が破壊されることがなくなる。よって、駆動装置の信頼性が向上する。
【００４０】
以下、具体的に説明する。
【００４１】
１．  駆動装置
（発振駆動回路の構成と動作）
図１に、本実施形態における駆動装置としての発振駆動回路の構成例のブロック図を示す。本実施形態における駆動装置としての発振駆動回路は、振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて振動子から出力される検出信号を同期検波した出力信号を用いて物理量を測定するのに用いられる。
【００４２】
発振駆動回路１０には、第１及び第２の接続端子ＴＭ１、ＴＭ２（電極、パッド）が設けられ、発振駆動回路１０の外部において、第１及び第２の接続端子の間に振動子１２が挿入されている。振動子１２には、励振手段１４が取り付けられており、励振手段１４が発振駆動回路１０に対して接続されており、発振ループを構成している。まず、発振駆動回路１０内の駆動器の利得（ゲイン）が大きい状態（ゲインが１より大きい状態）で発振スタートする。この時点では、駆動器への入力は雑音のみである。この雑音は、目的とする駆動振動の固有共振周波数を含む幅広い周波数の波動を含む。この雑音を、振動子１２に入力する。
【００４３】
振動子１２は、例えば後述するような圧電性単結晶からなる。振動子１２の周波数フィルタ作用によって、目的とする固有共振周波数の波動を多く含む信号が出力され、この信号が駆動器に入力される。発振ループ内でこうした操作が繰り返されることによって、目的とする固有共振周波数の信号の割合が高くなり、駆動器への入力信号の振幅が大きくなる。
【００４４】
発振定常状態においては、振動子１２からの出力電流を電流電圧変換器３０により電圧値に変換し、コンパレータ（第１のコンパレータ）５０により電流電圧変換器３０の出力信号と所与の基準信号としてのアナログ電源電圧（基準電圧ＡＧＮＤ：接地電位および接地電位以外の電位を含むことができる）とを比較する。コンパレータ５０の出力により、振動子１２に駆動振動を励振する。即ち、コンパレータ５０は、電流電圧変換器３０の出力信号と基準信号としてのアナログ電源電圧ＡＧＮＤとの比較結果に対応した信号を出力する。そして、振動子１２は、この信号により駆動振動を励振する。このとき、発振ループを信号が一周する間の利得（ループゲイン）が１となり、この状態で振動子１２が安定発振する。
【００４５】
振動子の安定発振は、物理量の測定に必要不可欠である。なぜなら、振動子において発振している駆動信号の振幅が一定でないと、振動子から出力されるべき出力信号の値も一定とならず、正確な測定を行うことができないからである。
【００４６】
また、振動子及び発振駆動回路を含むシステムの低消費電力化には、振動子の発振起動の高速化が必要不可欠である。なぜなら、迅速に安定発振を得ることで、必要なときにのみ発振を起動させることができるようになり、無駄に電力を消費する動作期間を短くできるからである。
【００４７】
このように本実施形態では、発振駆動回路１０において、発振起動時には駆動器としてコンパレータ５０が用いられ、いわゆるゲインが動的に調整されるゲインコントロールアンプ（Gain Control Amplifier:以下、ＧＣＡ）やＧＣＡのゲインを調整するＡＧＣ回路
を不要とする構成を有している。この結果、本実施形態では、回路規模を削減し、低消費電力化を実現する。
【００４８】
また、本実施形態では、発振駆動回路１０が、同期検波の参照信号としての同期検波用クロックとして出力することができるようになっている。そのため、発振駆動回路１０は、同期検波用クロックを出力するためのコンパレータ５２を、コンパレータ５０とは別個に含むことができる。コンパレータ（第２のコンパレータ）５２は、電流電圧変換器３０の出力信号と所与の基準信号としてのアナログ電源電圧（基準電圧ＡＧＮＤ）とを比較し、その比較結果信号を同期検波用クロックとして出力する。コンパレータ５２は、コンパレータ５０の電流制限機能を有しない。
【００４９】
本実施形態では、電源投入直後等の発振起動過程においては、コンパレータ５０の動作特性として、コンパレータ５０の入力信号のレベルが所与の閾値を超えると、非常に大きなゲインで該入力信号を増幅し、発振ループ内のゲインを１より大きくすることができる。この結果、発振起動過程では、振動子１２及びコンパレータ５０を含む発振ループにおいて、発振ループ内のゲインが１より大きく、且つ発振ループ内の位相が３６０×ｎ（ｎは整数）となるように振動子１２に駆動振動を励振する。この結果、いわゆるＡＧＣ回路を設けることなく、発振起動時間を短縮できる。その一方、コンパレータ５０は、電流制限機能を有する。コンパレータ５０が、高電位側電源及び低電位側電源に接続される場合に、コンパレータ５０の電流制限機能とは、高電位側電源及び低電位側電源の少なくとも１つへの電流経路の電流を制限する機能ということができる。この結果、振動子１２への電流を制限でき、いわゆるＡＧＣ回路を設けることなく、振動子１２を破壊する事態を回避できる。
【００５０】
従って、発振定常状態では、発振起動課程と同じ発振ループ内で発振が継続される。このとき、コンパレータ５０の電流制限機能により、振動子１２に対して過剰な電流が供給されることを防ぐ。
【００５１】
なお、図１では、コンパレータ５２の出力を同期検波用クロックとして供給しているが、コンパレータ５２を省略した構成によりコンパレータ５０の出力を同期検波用クロックとして出力するようにしてもよい。いずれの場合でも、振動子１２に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に基づいて振動子１２から出力される検出信号を同期検波した出力信号を用いて物理量を測定するのに際して、回路規模を増大させることなく、同期検波処理と発振起動の高速化とを実現させることができる。
【００５２】
なお、コンパレータ５０のゲインをできる限り大きくすることが好ましい。こうすることで、発振起動過程において形成される発振ループ内のループゲインを大きくでき、発振起動時間を短縮できるようになる。また、コンパレータ５２のゲインを大きくすれば、発振定常状態において出力される同期検波用クロックのクロック精度を向上できるようになる。
【００５３】
（コンパレータの電流制限機能）
次に、コンパレータ５０の電流制限機能を実現する構成について説明する。コンパレータ５０には、高電位側電源として電源電圧ＶＤＤが供給され、低電位側電源としてアナログ電源電圧ＡＧＮＤが供給される。このとき、コンパレータ５０の電流制限機能は、高電位側電源及び低電位側電源の少なくとも１つへの電流経路の電流を制限する機能である。
【００５４】
図２に、図１のコンパレータ５０の構成例の回路図を示す。
【００５５】
図２では、電流源で発生した電流Ｉ２が、２つのカレントミラー回路によってＰ型差動増幅器の動作電流として供給されると共に、Ｐ型の出力駆動トランジスタのドレイン電流Ｉ２´として供給される。Ｐ型差動増幅器のＰ型差動トランジスタ対の一方のゲートには、入力信号ＩＮとして電流電圧変換器３０の出力ノードの電圧が供給される。Ｐ型差動増幅器のＰ型差動トランジスタ対の他方のゲートには、基準電圧ＶＲ０が供給される。Ｐ型差動増幅器の出力電圧は、Ｎ型の出力駆動トランジスタのゲート電圧として供給される。
【００５６】
このような構成により、図１のコンパレータ５０では、電流Ｉ２´により出力電圧ＯＵＴの高電位側の電流駆動能力が制限される。例えばＰ型の出力駆動トランジスタ及びＮ型の出力駆動トランジスタのゲートに同じ信号が供給される構成と比較すると、図２では高電位側の電流駆動能力が制限されることがわかる。
【００５７】
なお、コンパレータ５０の構成は、図２に示す構成に限定されるものではない。
【００５８】
図３に、図１のコンパレータ５０の他の構成例の回路図を示す。
【００５９】
図３では、電流源で発生した電流Ｉ３が、２つのカレントミラー回路によってＮ型差動増幅器の動作電流として供給されると共に、Ｎ型の出力駆動トランジスタのドレイン電流Ｉ３´として供給される。Ｎ型差動増幅器のＮ型差動トランジスタ対の一方のゲートには、入力信号ＩＮとして電流電圧変換器３０の出力ノードの電圧が供給される。Ｎ型差動増幅器のＮ型差動トランジスタ対の他方のゲートには、基準電圧ＶＲ０が供給される。Ｎ型差動増幅器の出力電圧は、Ｐ型の出力駆動トランジスタのゲート電圧として供給される。
【００６０】
Ｐ型の出力駆動トランジスタとＮ型の出力駆動トランジスタとが、電源電圧ＶＤＤと基準電圧ＡＧＮＤとの間に直列に接続され、その接続ノード（Ｎ型の出力駆動トランジスタのドレイン）の電圧が出力電圧として出力される。
【００６１】
このような構成により、図３のコンパレータ５０では、電流Ｉ３´により出力電圧ＯＵＴの高電位側の電流駆動能力が制限される。例えばＰ型の出力駆動トランジスタ及びＮ型の出力駆動トランジスタのゲートに同じ信号が供給される構成と比較すると、図３では高電位側の電流駆動能力が制限されることがわかる。
【００６２】
図２及び図３では、高電位側電源及び低電位側電源のいずれか一方への電流経路の電流を制限していたが、高電位側電源及び低電位側電源の両方への電流経路の電流を制限するようにしてもよい。
【００６３】
図４に、図１のコンパレータ５０の更に別の構成例の回路図を示す。
【００６４】
図４において、コンパレータ５０は、オペアンプＯＰ１０と、アナログ制御ロジック部１２０と、出力回路部１２２とを含むことができる。オペアンプＯＰ１０は、コンパレータとして機能し、電流電圧変換器３０の出力信号を入力信号とし、基準電圧ＶＲ０とを比較した比較結果信号ＣＲＥＳを出力する。アナログ制御ロジック部１２０は、オペアンプＯＰ１０によって生成された比較結果信号ＣＲＥＳに基づいて、出力回路部１２２を制御する制御信号Ｓ、ＸＳ、ＸＨ、Ｈを生成する。出力回路部１２２は、アナログ制御ロジック部１２０からの制御信号Ｓ、ＸＳ、ＸＨ、Ｈに基づいて、高電位側電源からの電流又は低電位側電源への電流を制限しながら、出力信号を生成する。
【００６５】
図５（Ａ）に、図４のアナログ制御ロジック部１２０の構成例の回路図を示す。図５（Ｂ）に、図５（Ａ）のアナログ制御ロジック部１２０の動作例のタイミング図を示す。
【００６６】
アナログ制御ロジック部１２０は、比較結果信号ＣＲＥＳに基づいて、互いの変化タイミングが同一とならないように制御信号Ｓ、Ｈを生成する。制御信号ＸＳは、制御信号Ｓの反転信号である。制御信号ＸＨは、制御信号Ｈの反転信号である。図５（Ａ）では、比較結果信号ＣＲＥＳとその反転信号が、それぞれ２入力１出力ＮＯＲ回路の一方の入力信号となる。第１のＮＯＲ回路の他方の入力信号は、第２のＮＯＲ回路の出力信号を遅延させた信号であり、第２のＮＯＲ回路の他方の入力信号は、第１のＮＯＲ回路の出力信号を遅延させた信号である。このように構成することで、制御信号Ｓの立ち下がりに起因して制御信号Ｈが立ち上がるようにすると共に、制御信号Ｈの立ち下がりに起因して制御信号Ｓが立ち上がるようにしている。
【００６７】
この結果、制御信号Ｓ、Ｈは、それぞれＨレベルとなる期間が非重複となるように生成される。同様に制御信号ＸＳ、ＸＨは、それぞれＬレベルとなる期間が非重複となるように生成される。
【００６８】
図６に、図４の出力回路部１２２の構成例を示す。
【００６９】
出力回路部１２２は、第１及び第２のトランスファゲートと、一端に電源電圧ＶＤＤが供給され他端に第１のトランスファゲートが接続される第１の電流源と、一端に第２のトランスファゲートが接続され他端にアナログ電源電圧ＡＧＮＤが供給される第２の電流源とを含む。第１の電流源は、電流Ｉ４を発生する。第２の電流源は、電流Ｉ５を発生する。第１及び第２のトランスファゲートは直列に接続され、その接続ノードの電圧がコンパレータ５０の出力電圧ＯＵＴとして出力される。
【００７０】
第１の電流源に接続されるトランスファゲートを構成するＰ型トランジスタのゲートに制御信号ＸＳ、Ｎ型トランジスタのゲートに制御信号Ｓが供給される。第２の電流源に接続されるトランスファゲートを構成するＰ型トランジスタのゲートに制御信号ＸＨ、Ｎ型トランジスタのゲートに制御信号Ｈが供給される。
【００７１】
このような構成により、第１及び第２のトランスファゲートが同時にオンとならないように制御される。そして、第１のトランスファゲートがオンのときには第２のトランスファゲートがオフとなり、出力電圧ＯＵＴは、第１の電流源の電流Ｉ４で電流制限された状態で変化する。同様に、第２のトランスファゲートがオンのときには第１のトランスファゲートがオフとなり、出力電圧ＯＵＴは、第２の電流源の電流Ｉ５で電流制限された状態で変化する。
【００７２】
（発振機動過程から発振定常状態への移行についての補足的な考察）
コンパレータを用いて発振ループを駆動する方式について、より具体的に考察する。
【００７３】
例えば、水晶振動子には、振動モードに応じて複数の共振周波数が存在する。そのうちの、一つの共振周波数に関して、振動子は、図８の等価回路図で示すことができる。Ｌ１は極めて大きな値であり、Ｃ１は極めて小さな値である。Ｒ１は振動子の内部摩擦、機械振動損失、環境条件で決まる。
【００７４】
一般に水晶振動子の発振周波数は、誘導性を示す周波数領域に設定される。例えば、振動ジャイロの場合、機械的共振周波数ｆｓ付近で発振させる。
【００７５】
図９（Ａ）は、振動子１２と発振駆動回路１０とが接続されて形成される、閉じたループを示している。図８で示したとおり、振動子１２は、抵抗（Ｒｅ）とイダクタンス（Ｌｅ）の直列接続（結合容量は無視する）とみなすことができる。よって、図９（Ａ）の回路は、図９（Ｂ）の回路と等価である。
【００７６】
図９（Ｂ）における抵抗（−ＲＬ）は、負性抵抗と呼ばれ、実際には、発振駆動回路１０を構成する能動素子によって実現される。負性抵抗は、発振ループの回路方程式から得られる概念であり、見かけ上、負の抵抗値をもつ。
【００７７】
発振ループが定常発振状態にあるとき、ループゲインは１に保たれ、発振ループ内のエネルギの総和に変動が生じない。
【００７８】
したがって、振動子１２の抵抗（＋Ｒｅ）で消費されるエネルギと、発振駆動回路１０の負性抵抗（−ＲＬ）で獲得されるエネルギが等しければ、発振ループのエネルギの総和に変化が生じず、発振が安定的に継続されることになる。
【００７９】
ちなみに、回路方程式は以下の（１−５)式のようになる。
【００８０】
【数１】
2008089577.tif 000003
【００８１】
ここで、初期条件として、ｑ(０)=０、およびｉ(０)=０と仮定してｉの過渡応答を求めると、（１−６）式が得られる。
【００８２】
【数２】
2008089577.tif 000004
【００８３】
ただし、（１−６）式においては、下記（１−７）式が成立し、かつ、−１＜ξ＜１と仮定している。
【００８４】
【数３】
2008089577.tif 000005
【００８５】
したがって、発振状態について、以下の事項が明らかとなる。
（１）ＲＬ＜Ｒｅ（ξ＞０）のときは、ｉ（ｔ）は減衰振動する。
（２）ＲＬ＝Ｒｅ（ξ＝０）のときは、ｉ（ｔ）=ｉ０ｃｏｓωｎｔとなり、ｉ（ｔ）は一定振動する。
（３）ＲＬ＞Ｒｅ（ξ＜０）のときは、i(ｔ)は増大振動する。
【００８６】
以上より、次の発振条件が導かれる。すなわち、下記（２）式が成立する周波数において、ＲＬ＝Ｒｅであれば、回路は発振する。
【００８７】
【数４】
2008089577.tif 000006
【００８８】
また、発振の起動時において、ＲＬ＞Ｒｅの条件が必要である。起動に要する時間は、ξに依存する。すなわち、Ｑ値と負性抵抗ＲＬに依存することがわかる。
【００８９】
以上の考察から、ゲインコントロールアンプ（ＧＣＡ）の代わりにコンパレータを用いて振動子を駆動した場合でも、発振駆動回路１０からみた振動子１２側のインピーダンスＲｅと、振動子１２からみた発振駆動回路側の負のインピーダンスＲＬの各値が一致していれば、発振は自動的に安定し、発振定常状態が実現されることになる。
【００９０】
次に、現実の発振駆動回路１０において、負のインピーダンスＲＬが実現されることを証明する。
【００９１】
図１０において、振動子１２からみた発振駆動回路１０側のインピーダンスをＺとする。
図１０では、説明の便宜上、振動子１２を正弦波で駆動する場合を想定している。本実施形態では、振動子１２を矩形波で駆動するが、以下の説明は、矩形波駆動の場合にも適用することができる。
【００９２】
図１０において、Ｉ／Ｖアンプ３０の出力端の電圧をｖ１とする。図１０の発振駆動回路では、以下の（１−８）〜（１−１１）の各式が成立する。
【００９３】
【数５】
2008089577.tif 000007
【００９４】
ここで、（１−１１）式に着目する。振動子１２からみた発振駆動回路１０側のインピーダンスＺは、負性抵抗（符号がマイナスの部分）と、誘導性リアクタンス（ｊωＣＲ）の直列接続で表されることがわかる。すなわち、負性抵抗が現実に実現されていることがわかる。
【００９５】
したがって、発振駆動回路１０からみた振動子１２側のインピーダンス（Ｒｅ）と、振動子１２からみた発振駆動回路側の負のインピーダンス（ＲＬ）が一致するように、振動子の等価回路の各値および発振駆動回路の回路パラメータの各値をあらかじめ調整しておくことによって、現実の発振時において、Ｒｅ＝ＲＬを実現することができる。
【００９６】
すなわち、例えば、図８に示される振動子１２の等価回路における、インピーダンス値、インダクタンス値、容量値の少なくとも一つを最適化する。同様に、図９（Ａ），図９（Ｂ）に示される駆動装置（発振駆動回路）１０の等価回路におけるインピーダンス値および容量値の少なくとも一つを最適化する。これによって、現実の発振時において、Ｒｅ＝ＲＬを実現する。
【００９７】
そして、発振駆動回路１０からみた振動子１２側のインピーダンス（Ｒｅ）と、振動子１２からみた発振駆動回路側の負のインピーダンス（ＲＬ）が時間的に不変とすると、安定的な発振を維持するためには、振動子に加えるエネルギが常に一定であればよい。すなわち、振動子に供給される電流が一定であればよい。
【００９８】
上述のとおり、コンパレータの出力電流は制限されている。よって、振動子に流れる電流は一定である。よって、図１の発振ループでは、ゲインコントロールアンプを使用しなくても、安定な定常発振状態が自動的に実現されることになる。
【００９９】
発振起動時から発振定常状態への移行までの状態遷移は以下のようになる。
（１）電源投入直後
電源を投入した時には回路ループ内には特定の周波数が無い状態である。しかし、電気回路中にはノイズが全く無い状態というのは存在しないため、一般的なノイズが、全周波数帯域わたって存在している。
（２）振動子による周波数選択
振動子のフィルタ作用による周波数選択が行われる。振動子は、特定周波数成分（共振周波数成分）だけを通過させる。すなわち、電気回路の内部のノイズの中から特定周波数（振動子の等価回路のインダクタンスと容量で決まる周波数である：一般には共振周波数である）だけが選択的に増幅される。
（３）共振周波数成分の増大
振動子を通過した周波数がノイズの割合に比べて大きくなっていく。
【０１００】
また、このとき、コンパレータは、例えば、電源電圧間でフルスイングする出力で振動子を駆動する。ループゲインが１より十分に大きい条件で発振ループが駆動されるため、急速に振動子に流れる電流が増大していく。
（４）電流リミッタの発動
共振周波数に関して、振動子に流れる電流は急速に増大すると、やがて、コンパレータの電流制限値に達して、電流が一定化される。振動子に流れる電流（すなわち、振動子に供給されるエネルギ）が一定となる。
【０１０１】
上述のとおり、発振駆動回路１０からみた振動子１２側のインピーダンス（Ｒｅ）と、振動子１２からみた発振駆動回路側の負のインピーダンス（ＲＬ）は一致している。振動子に供給されるエネルギも一定である。よって、発振条件（ループゲインが１以上、位相が３６０度×ｎ）が満足されることによって、安定した発振状態（発振定常状態）が実現する。
【０１０２】
このように、本発明の実施形態では、ゲインコントロールアンプの代わりにコンパレータを用いて振動子を駆動した場合でも、発振定常状態が自動的に実現される。ゲインコントロールアンプを使用しないため、回路構成は大幅に簡素化される。
【０１０３】
また、発振起動時において、矩形波によって、ループゲインを１より十分に大きくして振動子を駆動するため、高速な立ち上り特性を、無理なく実現することができる。
【０１０４】
また、コンパレータの出力電流量を制限することによって、発振定常状態を実現することができ、また、過大な駆動電流による振動子の破壊も防止される。
【０１０５】
（発振駆動回路の電源電圧について）
図１の発振駆動回路１０は、ＶＤＤ（高電位電源電圧）とＡＧＮＤ（低電位電源電圧）との間で動作する。ＡＧＮＤは例えば接地電位である。但し、接地電位の代わりに他の基準電位を用いることもあり得る。具体的には、振動子１２の種類に応じて、使用できる電源電位が異なる。
【０１０６】
振動子１２が容量結合型のトランスデジューサ（内部等価回路において、信号経路に直流阻止コンデンサが介在する構成）である場合には、直流がカットされていることから、発振ループの直流レベル（バイアス点）は回路動作に関係なく、発振ループの駆動信号の電圧振幅を調整できればよいことになる。よって、例えば、低電位電源として、基本的には任意の電位を使用することができる。
【０１０７】
振動子１２が可変抵抗型トランスデューサである場合、発振ループのバイアス電圧を所望レベルに設定する必要があることから、このために所望レベルの基準電圧を使用するのが一般的である。
【０１０８】
また、電源方式としては、片電源方式（正電源のみを用いる方式）と、両電源方式（正および負の双方の電源を用いる方式）とがある。後者の方式は、特に精度を重視する場合に使用される。
【０１０９】
本発明では、上述の電源の形態のいずれも採用が可能である。図１（以降の図でも同じ）では、振動子１２は、図８に示す等価回路から明らかなように、容量結合型トランスデューサである。また、上述の説明では、片電源方式を採用し、発振駆動回路１０は、ＶＤＤ（例えば５Ｖ）とＧＮＤ（接地電位）間で動作するものとして説明している。
【０１１０】
（振動子の種類）
上述のとおり、本実施形態では、振動子１２として、容量結合型の振動子を用いている（但し、これに限定されるものではなく、可変抵抗型等の、種々の振動子を用いることができる）。
【０１１１】
容量結合型の振動子（容量性の振動子）は、図８に記載されるとおり、内部等価回路において、信号経路に直流阻止コンデンサが介在するタイプの振動子である。容量結合型の振動子（容量性の振動子）の例としては、圧電素子があげられる。
【０１１２】
容量結合型の振動子を用いると、発振ループの直流電位として任意の電位を使用できる。よって、直流電位を気にすることなく回路を構成することができ、回路構成上の自由度が向上するという利点がある。
【０１１３】
２．  振動型ジャイロセンサ
図７に、本実施形態における発振駆動回路１０が適用された振動型ジャイロセンサの構成例のブロック図を示す。
【０１１４】
図７において、図１と同一部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。
【０１１５】
振動型ジャイロセンサ（広義には物理量測定装置）１００は、発振回路２００と検出回路（広義には検出装置）３００とを含む。発振回路２００は、振動子１２と発振駆動回路１０とを含む。発振駆動回路１０は、振動子１２の駆動振動部１２ａを励振するためのものである。
【０１１６】
発振起動時には、発振駆動回路１０に対してコンパレータ５０の出力を雑音として入力する。この雑音は、振動子１２の駆動振動部１２ａを通過して周波数選択を受ける。
【０１１７】
発振起動直後には、振動子１２ａを通過して周波数選択を受けた信号の振幅が大きくなる。しかしながら、コンパレータ５０の電流制限機能により、振動子１２ａに過剰な電流が供給されず、発振ループを一周する間のループゲインが１以上になるようにする。
【０１１８】
そして、駆動信号の発振状態が安定化すると、振動子１２の駆動検出部１２ｂ、１２ｃからの信号の検出を開始する。即ち、振動子の駆動検出部１２ｂ、１２ｃからの検出信号（交流）を交流増幅回路３１０の交流増幅器３１２Ａ、３１２Ｂを用いて増幅し、各増幅器３１２Ａ、３１２Ｂからの出力を加算器３１４によって加算する。
【０１１９】
加算器３１４の出力は移相器３２０に通し、移相信号を得る。移相信号の位相は、発振駆動回路１０のコンパレータ５２又はコンパレータ５０の出力である同期検波用クロックの位相に対して、所定角度、例えば９０度ずれている。この移相信号と発振駆動回路１０からの同期検波用クロックとを同期検波器３３０に入力し、振動子１２からの出力信号を検波する。この結果、検波後の出力信号においては、不要な漏れ信号は消去されており、あるいは少なくとも低減されているはずである。このように検出回路３００において同期検波用クロックと検出信号との位相調整を行うことで、微少信号の検出処理中の位相変化に応じて位相調整を行うことができるので、その結果として、高精度な位相調整と回路規模増大の防止とを両立させることができる。
【０１２０】
この検波後の出力信号をローパスフィルタ３４０に入力し、平滑化し、次いで０点調整器３５０に入力する。この０点調整器３５０の出力を、測定すべき物理量（例えば角速度）に対応した出力信号として外部に取り出す。
【０１２１】
図７の振動型ジャイロセンサ１００は、電子機器として例えばビデオカメラやデジタルカメラや、カーナビゲーションシステム、航空機やロボットに搭載されることが好ましい。
【０１２２】
なお本発明は、本実施形態における振動子１２に限定されるものではない。振動子１２を構成する材質としては、エリンバー等の恒弾性合金、強誘電性単結晶（圧電性単結晶）を例示できる。こうした単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ホウ酸リチウム、ランガサイトを例示できる。また、振動子１２は、パッケージ内に気密封止されることが好ましい。パッケージ内の雰囲気は、乾燥窒素又は真空とするのが、好ましい。
【０１２３】
また本発明において測定されるべき物理量は、本実施形態のような角速度に限定されるものではない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される角速度の他に、加速度、角加速度が特に好ましい。また、検出装置としては慣性センサが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本実施形態における発振駆動回路の構成例の回路ブロック図。
【図２】図１のコンパレータの構成例の回路図。
【図３】図１コンパレータの他の構成例の回路図。
【図４】図１のコンパレータの更に別の構成例の回路図。
【図５】図５（Ａ）は図４のアナログ制御ロジック部の構成例の回路図。図５（Ｂ）は図５（Ａ）のアナログ制御ロジック部の動作例のタイミング図。
【図６】図４の出力回路部の構成例を示す図。
【図７】本実施形態における振動型ジャイロセンサの構成例のブロック図。
【図８】振動子の等価回路図
【図９】図９（Ａ），図９（Ｂ）は、振動子と発振駆動回路により構成される閉ループの等価回路図
【図１０】振動子からみた発振駆動回路側のインピーダンスについて説明するための図
【符号の説明】
【０１２５】
１０  発振駆動回路、  １２  振動子、  １２ａ  駆動振動部、
１２ｂ、１２ｃ  駆動検出部、  １４  励振手段、  ３０  電流電圧変換器、
５０、５２  コンパレータ、  １００  振動型ジャイロセンサ、  ２００  発振回路、
３００  検出回路、  ３１０  交流増幅回路、  ３１２Ａ、３１２Ｂ  交流増幅器、
３１４  加算器、  ３２０  移相器、  ３３０  同期検波器、  ３４０  ＬＰＦ、
３５０  ０点調整器
【図１】
2008089577.tif 000008
【図２】
2008089577.tif 000009
【図３】
2008089577.tif 000010
【図４】
2008089577.tif 000011
【図５】
2008089577.tif 000012
【図６】
2008089577.tif 000013
【図７】
2008089577.tif 000014
【図８】
2008089577.tif 000015
【図９】
2008089577.tif 000016
【図１０】
2008089577.tif 000017