(57)【要約】位相同期ループ回路によって駆動される電気機械式振動システムの共振振動の急速開始を保証するための回路および方法。開ループ始動信号が、共振周波数よりも高い始動周波数において、対象物の駆動を開始する。この始動信号は、システムが共振周波数に到達するまで、駆動周波数を低減した後、除去される。
2004521335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動する機械体を駆動する位相同期ループ回路であって、該回路は、
入力信号に応答して機械体に駆動信号を提供する増幅器と、
機械体の運動に比例する第１の信号と第２の信号とを受け取る位相検出器であって、第１および第２の信号の位相を比較し、第１および第２の信号の位相差に比例する平均電圧を有する出力電圧を提供するように構築かつ配設された位相検出器と、
位相検知器から出力信号を受け取り、位相検知器によって受け取られる第１の信号であり、かつ増幅器の入力である出力信号を生成する電圧制御発振器と、
システムに電力が加えられた時に電圧制御発振器に始動信号を提供し、電圧制御発振器の出力の周波数が、機械体の共振周波数よりも高い電圧制御発振器の初期周波数で開始されるようにする信号供給源であって、電圧制御発振器の出力周波数を、それが機械体の共振周波数に一致するまで低減するように構築かつ配設されている信号供給源と、
を備える位相同期ループ回路。
【請求項２】
請求項１に記載の回路であって、機械体の運動が共振周波数に達すると、始動信号が、動作不能となる、回路。
【請求項３】
請求項１に記載の回路であって、増幅器が、自動ゲイン制御を備える、回路。
【請求項４】
請求項１に記載の回路であって、機械体の振動がその機械体の共振周波数に達すると、信号供給源が、始動信号を除去する、回路。
【請求項５】
請求項１に記載の回路であって、機械体が、微細加工シリコン音叉である、回路。
【請求項６】
請求項５に記載の回路であって、音叉が、増幅器によって静電駆動される、回路。
【請求項７】
共振周波数で、振動する機械体を駆動するための回路であって、該回路は、
電圧制御発振器と、
電圧制御発振器によって決定される周波数で機械体を駆動する信号を提供するドライバ回路と、
機械体の振動が始まる以前に電力が回路に与えられたときに電圧制御発振器に始動駆動信号を提供する駆動信号供給源であって、始動駆動信号が、機械体の予期される共振周波数の範囲より上に予め設定されている始動周波数において電圧制御発振器からの出力を提供し、始動駆動信号が、電圧制御発振器の出力周波数を低減するために時間と共に変化する、駆動信号供給源と、
電圧制御発振器の出力と機械体の振動運動を示すフィードバック信号との位相差を比較し、電圧制御発振器の入力に、その位相差に比例する平均電圧を有する誤差信号を提供する位相検知器と、
機械体の振動運動の周波数が、その機械体の共振周波数に到達するときに電圧制御発振器の入力から始動駆動信号を除去するスイッチと、
を備える回路。
【請求項８】
請求項７に記載の回路であって、機械体が、音叉である、回路。
【請求項９】
請求項８に記載の回路であって、音叉が、静電駆動式微細加工シリコン音叉である、回路。
【請求項１０】
請求項７に記載の回路であって、スイッチが、一状態において駆動信号供給源を基準電圧源に接続し、機械体の振動周波数が機械体の共振周波数に達するとき、電圧制御発振器の入力から駆動信号を除去するために、基準電圧源を切断する、回路。
【請求項１１】
機械体用の閉ループ共振駆動回路を始動する方法であって、該方法は、
機械体の共振周波数の予期される周波数範囲より十分に高い周波数において、最初に機械体を駆動するために、開ループ始動信号を回路に提供するステップと、
機械体の共振周波数に達するまで、駆動周波数をより低い周波数に掃引するために始動信号を変化させるステップと、
機械体が共振周波数で振動を続ける間、始動信号を除去するステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、開ループ始動信号を変化させるステップが、機械体が駆動される周波数を徐々に低減するために、信号を減少させるステップを含む、方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法であって、始動信号を除去するステップが、開ループ始動信号を停止させるためにスイッチを始動するステップを含む、方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の方法であって、機械体が、静電駆動式微細加工シリコン音叉である、方法。
【請求項１５】
正のフィードバック経路を有する増幅器を備える位相同期ループ回路によって駆動される共振機械システムの振動を急速始動する方法であって、該方法は、
位相同期ループ回路出力周波数が、機械システムの共振周波数より高い最高周波数で始まり、機械システムの共振周波数より低い最低周波数に向かって下方に動くように、減退する開ループ始動電圧を、位相同期ループ回路の電圧制御発振器入力に印加するステップと、
電圧制御発振器の周波数が、機械システムの共振周波数に達するときに、位相同期ループ回路を、機械要素の共振周波数においてロックさせるステップと、
始動電圧を除去するステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、始動信号を除去した後に、機械システムの振動が、共振周波数で継続する、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、共振システムが、音叉を備える、方法。
【請求項１８】
正のフィードバック経路を有する増幅器を備える位相同期ループ回路によって駆動される共振機械システムの振動を急速始動する方法であって、該方法は、
位相同期ループ回路出力周波数が、機械システムの共振周波数より高い最高周波数で始まり、機械システムの共振周波数より低い最低周波数に向かって下方に動くように、減退する開ループ始動電圧を、位相同期ループ回路の電圧制御発振器入力に印加するステップと、
電圧制御発振器の周波数が、機械要素の共振周波数に達するときに、位相同期ループ回路を、機械要素の共振周波数においてロックさせるステップと、
位相同期ループ回路がロックされたことを示すロック信号を生成するステップと、
ロック信号に応答して、始動電圧を除去するステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、位相同期ループの共振周波数に到達した後に、回路が、共振周波数で機械システムを駆動し続ける、方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法であって、共振システムが、音叉を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振回路の性能改善の問題に関し、より具体的には、位相同期ループ回路内の増幅器によって駆動される共振音叉の始動に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動式静電駆動音叉を使用する圧電振動ジャイロは、様々な角速度測定応用例に使用されている。このような応用例において、音叉は、位相同期ループを含む閉ループ駆動回路内で加振することができる。
【０００３】
位相同期ループ共振駆動回路は、音叉の振動を示すセンサ信号と、音叉の振動を駆動する駆動信号を提供する増幅器に加えられる駆動信号との間の位相差を測定する。このような回路の始動時において、最初に電力を加えたとき、音叉がまだ振動していないために位相比較器への出力フィードバック信号を生成しないため、問題を生じる可能性がある。その時点で、電圧制御発振器ＶＣＯの出力周波数は、最初にゼロ入力信号を受け取っているために、音叉の周波数と相関がない。このようなシステムは、システム内にある増幅された白色雑音が、システムを介して正方向にフィードバックされ始めたとき、最終的に始動する。
【０００４】
音叉センサが共振周波数ｆ0を有し、共振システムの効率がＱである場合に、始動時間は、Ｑをｆ0で除算することによって求めることができる。静電ドライブおよびピックオフ付きの真空音叉センサの場合、典型的な例としてＱが１００，０００、ｆ0が２０，０００のとき、５秒間の始動時間を必要とする。この始動時間は、音叉が最初にスイッチが入れられた時に、共振周波数において過励振すれば、低減することができるはずであるが、特定の回路における音叉の共振周波数を予測することは、これらの音叉が、同様の音叉の間で±２０％の範囲で変化する共振周波数を有するのが普通であるために、困難であることがわかっている。また、有効であるためには、駆動周波数が、センサ共振周波数のＱサイクルで除した±ｆ0内になくてはならない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（概要）
振動型機械体を駆動するための位相同期ループ回路は、本発明の好ましい実施形態に従って構築される場合には、入力信号に応答して機械体に駆動信号を提供するための増幅器と、機械体の運動に比例する第１の信号と第２の信号とを受け取るための位相検出器であって、第１および第２の信号の位相を比較し、第１および第２の信号の位相差に比例する平均電圧を有する出力電圧を提供するように構築かつ配設された位相検出器と、位相検知器から出力信号を受け取り、位相検知器によって受け取られる第１の信号であり、かつ増幅器の入力である出力信号を生成する電圧制御発振器と、システムに電力が加えられた時に電圧制御発振器に始動信号を提供し、電圧制御発振器の出力の周波数が、機械体の共振周波数よりも高い電圧制御発振器の初期周波数で開始されるようにする信号供給源であって、電圧制御発振器の出力周波数を、それが機械体の共振周波数に一致するまで低減するように構築かつ配設されている信号供給源とを使用する。
【０００６】
また本発明の装置および方法は、電圧制御発振器と、電圧制御発振器によって決定される周波数で機械体を駆動するための信号を提供するためのドライバ回路と、機械体の振動が始まる以前に電力が回路に与えられたときに電圧制御発振器に始動駆動信号を提供するための駆動信号供給源であって、始動駆動信号が、機械体の予期される共振周波数の範囲より上に予め設定されている始動周波数において電圧制御発振器からの出力を提供し、始動駆動信号が、電圧制御発振器の出力周波数を低減するために時間と共に変化する駆動信号供給源と、電圧制御発振器の出力と機械体の振動運動を示すフィードバック信号との位相差を比較し、電圧制御発振器の入力に、その位相差に比例する平均電圧を有する誤差信号を提供するための位相検知器と、機械体の振動運動の周波数が、その機械体の共振周波数に到達するときに電圧制御発振器の入力から始動駆動信号を除去するためのスイッチと使用する。
【０００７】
機械体用の閉ループ共振駆動回路を始動する方法は、機械体の共振周波数の予期される周波数範囲より十分に高い周波数において、最初に機械体を駆動するために、開ループ始動信号を回路に提供するステップと、機械体の共振周波数に達するまで、駆動周波数をより低い周波数に掃引するために始動信号を変化させるステップと、機械体が共振周波数で振動を続ける間、始動信号を除去するステップとを含む。
【０００８】
正のフィードバック経路を有する増幅器を備える位相同期ループ回路によって駆動される共振機械システムの振動を急速始動する方法も、位相同期ループ回路出力周波数が、機械システムの共振周波数より高い最高周波数で始まり、機械システムの共振周波数より低い最低周波数に向かって下方に動くように、減退する開ループ始動電圧を、位相同期ループ回路のＶＣＯ（電圧制御発振器）入力に印加するステップと、ＶＣＯの周波数が、機械システムの共振周波数に達するときに、位相同期ループ回路を、機械システムの共振周波数においてロックさせるステップと、始動電圧を除去するステップとを含むことができる。
【０００９】
正のフィードバック経路を有する増幅器を備える位相同期ループ回路によって駆動される共振機械システムの振動を急速始動する方法も、位相同期ループ回路出力周波数が、機械システムの共振周波数より高い最高周波数で始まり、機械システムの共振周波数より低い最低周波数に向かって下方に動くように、減退する開ループ始動電圧を、位相同期ループ回路の電圧制御発振器入力に印加するステップと、電圧制御発振器の周波数が、機械システムの共振周波数に達するときに、位相同期ループ回路を、機械要素の共振周波数においてロックさせるステップと、位相同期ループ回路がロックされたことを示すロック信号を生成するステップと、ロック信号に応答して、始動電圧を除去するステップとを含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、従来技術型の位相同期ループ回路１０のブロック図を示し、この回路において、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１２は、外部電源Ｖinから受け取る基準信号１３に対して位相ロックされる。位相検知器１４は、基準信号１３と、電圧制御発振器１２の出力信号であるフィードバック信号１６との位相差を連続的に監視する。フィードバック信号１６は、電圧制御発振器１２によって直接与えるか、または電圧制御発振器１２から局部発振器（図示せず）によって駆動されるミキサからの中間周波数（ＩＦ）信号として、導くことができる。位相検出器１４は、出力誤差電圧１８を生成し、これが、位相同期ループの前方経路における低域フィルタ（ｌｏｗ  ｐａｓｓ  ｆｉｌｔｅｒ）２０およびループ増幅器ゲイン・ステージ２２によってさらに処理される。出力電圧２３は、位相同期ループ１０の出力信号１６の周波数および位相を制御するために、ＶＣＯ１２の入力にフィードバックされる。位相同期ループ１０は、電圧制御発振器１２の出力誤差信号１６が所定のキャプチャ・レンジ内であるときには、ロック状態に維持される。
【００１１】
図２は、機械体の共振周波数で高Ｑ共振機械体２６を駆動するための、本発明による一実施形態による位相同期ループ回路２４のブロック図である。一実施形態においては、共振機械体は、静電駆動式シリコン微細加工音叉２６であり、これは速度および加速度検知の多数の応用例に使用することができる。
【００１２】
共振機械体２６は、時間変化駆動信号２８を受け取り、これによって駆動されるように構築、配設されている。このような駆動信号２８は、図２においては、増幅器またはドライバ回路３０によって提供される。ここで音叉２６は、静電駆動され、ドライバ回路３０は、一実施形態では、自動ゲイン制御増幅器であり、これが電圧制御発振器３４の出力信号３２の周波数において、固定振幅で駆動信号２８を提供する。
【００１３】
位相同期ループ２４の前方ループは、位相検出器３６を含み、この位相検出器３６が、機械体の振動運動を示す、機械体２６からのフィードバック信号３８を受け取る。位相検知器３６は、フィードバック信号３８を、電圧制御発振器３４の出力信号３２と比較し、一実施形態においては低域フィルタであるフィルタ４２に結合される出力信号４０を提供する。低域フィルタ４２は、増幅ステージ４６に出力電圧４４を出力し、このステージが出力電圧４８を生成する。フィードバックループは、出力電圧４８をＶＣＯ３４の入力に接続することによって閉じられる。
【００１４】
図２の回路が最初に電力を受けた時点で、音叉２６は振動をしていないために、音叉２６から位相検出器３８に提供されるフィードバック信号はない。ＶＣＯ３４が、増幅器４６から出力電圧４８を与えられることなく始動しているために、その出力は、ＶＣＯ３４の電子構成要素値によって決まる最低周波数で行われる。したがって、位相検出器３６は、最初に入力信号３２を有するが、信号３８は、ゼロレベル付近にある。増幅器４６からの白色雑音のみが、ループに最初に存在する。結果的に、この雑音が、出力信号２８を提供するのに十分な信号を生成し、この信号が音叉２６の駆動を開始する信号を与え始める。
【００１５】
雑音信号２８が増大すると、音叉２６の振動振幅も増大し、位相検出器入力３８は、位相同期ループが音叉２６の共振周波数でのロックを達成できるようになる十分なレベルに達する。音叉２６は、非常に高いＱ値、または狭い振動／信号帯域を有するので、信号２８も白色雑音および共振周波数から外れた信号を含んでいたという事実にもかかわらず、信号３８は、主として音叉２６の共振周波数である。
【００１６】
図２の共振駆動回路２４の作動をより迅速に開始するために、始動信号５０は、駆動信号供給源５２から提供される。一実施形態において、始動信号５０は、高電圧であり、この高電圧は、最初に電圧制御発振器３４を、音叉２６の共振周波数の予期される変動の範囲より高い周波数で駆動する。一実施形態において、始動信号５０は、振幅を低減されて、電圧制御発振器の出力の周波数を下方に掃引する。電圧制御発振器の周波数が、音叉２６の共振周波数に達すると、位相同期ループ２４がロックし、駆動信号供給源５０が、始動信号５２を除去し、これによって、位相同期ループが音叉２６の共振周波数で作動し続ける。
【００１７】
図３は、共振駆動回路５４の一実施形態を示す。位相同期ループ集積回路５６は、ドライバ回路６０と位相同期ループ回路５６の基準入力６２とに結合されたＶＣＯ出力信号５８と接続されている。ドライバ回路６０は、駆動信号６６で音叉６４を駆動する。音叉６４が振動すると、音叉６４の振動運動を示すフィードバック信号６８が、位相同期ループ回路５６の入力端子７０に結合される。位相検出器出力端子７２における信号は、レジスタ７６、キャパシタ７８およびレジスタ８０からなる１次フィルタ７４に、接続される。フィルタ７４の出力は、出力端子８２から回路５６上の電圧制御発振器の入力８４に結合されている。レジスタ８８、キャパシタ９０およびスイッチ９２からなるドライバ回路８６は、正電圧源９４に接続されている。
【００１８】
一実施形態において、レジスタ８８の抵抗は、レジスタ７６の抵抗よりもはるかに大きく、キャパシタ９０のキャパシタンスは、キャパシタ７８のキャパシタンスよりもはるかに大きい。スイッチ９２は、電力が回路に与えられるときには閉じている。電圧制御発振器への入力８４は、高く開始し、レジスタ７６およびキャパシタ９０の時定数に一致する速度で下方に掃引する。電圧制御発振器の出力５８は、電圧制御発振器の最高周波数付近から開始されて、その最低周波数に向かって下方に掃引される。周波数の掃引の間に、ドライバ回路６０は、低下する周波数での最大駆動信号６６を提供している。周波数掃引は、位相同期ループ電圧制御発振器出力５８が、音叉共振周波数に達するまで継続する。この周波数において、位相同期ループはロックし、位相同期ループ回路５６によって生成されるロック信号９６が提供されることによって、スイッチ９２の接点が開放され、駆動信号が除去されると共に、位相検出器出力７２が電圧制御発振器周波数を音叉の共振周波数に合わせて制御することが可能になる。増幅器およびドライバ６０は、音叉振動が所望の振幅に到達するまで、最高レベルで音叉６４を駆動し続ける。
【００１９】
結論
静電駆動式音叉などの共振物体用の駆動回路の迅速始動に関する状況に対処するために、システム、デバイス、構造および方法を記述した。この応用には、本発明の任意の適合形態または変更形態が含まれることを意図するものである。また上記は、説明のためのものであり、限定するものではないことを理解されたい。上記の実施形態およびその他の実施形態を組み合わせることは、上記の記述を読めば当業者には明らかであろう。本発明の範囲には、上記の構造および製造方法が使用される他の任意の応用も含まれる。したがって、本発明の範囲は、添付の請求の範囲が権利を有する均等物の全範囲と共に、その特許請求の範囲を参照することによってのみ決定すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来技術型の位相同期ループ回路のブロック図である。
【図２】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態の、より詳細な部分概略図である。
【図１】
2004521335.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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2004521335.tif 000007
2004521335.tif 000008
2004521335.tif 000009
2004521335.tif 000010
2004521335.tif 000011
2004521335.tif 000012
2004521335.tif 000013
2004521335.tif 000014
2004521335.tif 000015
2004521335.tif 000016
2004521335.tif 000017
2004521335.tif 000018
2004521335.tif 000019
2004521335.tif 000020
2004521335.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004521335.tif 000022
【国際調査報告】
2004521335.tif 000023
2004521335.tif 000024