JP2007003225A - 電磁駆動型角速度センサおよびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁駆動型角速度センサにおいて、駆動信号が生成する磁場に起因して回転検出用電極に誘導されるノイズを低減する。
【解決手段】
十字型の重り１０２上に、一対の駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂを、この重りの中心点１０を通過するＹ軸に対して線対称な位置に配置する。そして、駆動用電極２０１ａと２０１ｂに同位相の駆動信号を供給することで、この駆動信号が両駆動用電極間に生成する磁場の影響を互いキャンセルさせる。これにより、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂに誘導される電磁誘導ノイズ（駆動信号が生成する磁場によって誘導されるノイズ）を抑えることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転に伴う角速度を電磁的に検出する角速度センサにおいて、検出信号に含まれるノイズを低減することができる技術に関する。

電磁型ジャイロと呼ばれている電磁駆動型角速度センサが知られている。この角速度センサは、例えばＺ軸方向に静磁場が加えられたＸＹＺ軸直交空間において、Ｘ−Ｙ平面内に平板状の重りを周囲から弾性的に支持し、さらにこの重りの表面に駆動用電極および回転検出用電極を形成した基本構造を有している。

この構造において、駆動用電極に駆動信号（ＡＣ電流）を流すと、駆動用電極に駆動信号の周波数に応じた周期的なローレンツ力が働き、重りがＸ−Ｙ平面内の例えばＸ軸方向に振動する。ここで、Ｚ軸回りの回転が起こると、振動する重りにコリオリの力が働き、Ｙ軸方向の振動成分が発生する。

これらの振動が発生した際、回転検出用電極は、磁束を横切った振動をするので、そこには誘導起電力が発生する。この回転検出用電極に誘導される誘導起電力（誘導電流）は、上述したＺ軸回りの回転に伴う振動モードの変化の影響を受ける。コリオリの力は、Ｚ軸回りの回転の角速度に比例するので、この回転検出用電極に誘導される誘導起電力からＺ軸回りの角速度情報を得ることができる。このような電磁駆動型角速度センサとしては、例えば特許文献１に記載されているものが公知である。

特開平１１−２６４７３９号公報（請求項１等）

しかしながら、上述した原理によって動作する電磁駆動型角速度センサにおいては、回転検出用電極に発生するノイズが問題となる。このノイズは、センサ出力のオフセットとなるので、角速度の検出精度を高める上では、極力小さく押さえ込むことが望まれる。

本発明者らの解析によれば、このノイズは、駆動信号が生成する周期的な磁場により、回転検出用電極に誘導起電力が生じることにより発生する。

すなわち、理想的には、磁石から加えられる静磁場のみが回転検出用電極に加わり、その静磁場と、重りの振動との相互作用によって、回転検出用電極に誘導起電力が生じることが望ましいのであるが、現実には回転検出用電極に、駆動用電極に流す駆動信号が生成する磁場の影響が及び、それがノイズとして検出される。このノイズは、駆動信号に起因して誘導されるノイズであるので、電磁誘導ノイズと称することとする。

本発明は、上述した要因によって生じるノイズ成分を抑えることができる技術を提供することを目的とする。

本発明の電磁駆動型角速度センサは、枠状の支持体と、この支持体の内側に配置され、駆動部および検出部が形成された所定の質量を有する重りと、この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、前記重りに磁場を加える磁石とを有し、前記駆動部に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記検出部に生じる誘導起電力を検出する角速度センサであって、前記駆動部は、複数の駆動用電極を備え、前記複数の駆動用電極は、前記重りの中心を通過する第１の軸線に対して線対称な位置に配置され、前記複数の駆動用電極に同位相の交流電圧が加えられることを特徴とする。

本発明によれば、複数の駆動用電極に同位相で同じ電流値の駆動信号（駆動用のＡＣ電流）を流すことで、この各駆動信号が生成する磁場の影響が、検出部において打ち消されて抑圧される。これにより、駆動信号が生成する磁場に起因して検出部に誘導される誘導起電力を抑え、検出部に現れるノイズを抑えることができる。

以下、このノイズ低減の原理について説明する。本発明において、駆動用電極は、複数あり、この複数の駆動用電極は、重りの中心を通過する軸線（第１の軸線）に対して互いに線対称な位置に配置されている。この電極配置の対称性のために、対となる駆動用電極の一方に流す駆動信号と他方に流す駆動信号とを同じ値（同じＡＣ電流）とし、その位相関係を同位相とした場合、両駆動用電極に挟まれた領域において、両駆動用電極に流れる駆動信号が作る磁場の影響が打ち消し合う。したがって、この領域に検出部を配置することで、駆動信号が生成する磁場に起因する電磁誘導ノイズの検出レベルを大きく抑えることができる。

本発明において、複数の駆動用電極は、重りの中心において上記軸線（第１の軸線）に直交する直交軸線（第２の軸線）に対して線対称な形状である構成とすることは好ましい。この態様によれば、複数の駆動用電極は、第１の軸線（例えば、Ｘ−Ｙ座標におけるＹ軸）に対して線対称な位置関係に配置され、同時に一つの駆動用電極自体は、第２の軸線（例えば、Ｘ−Ｙ座標におけるＸ軸）に対して線対称な形状となる。

こうすることで、上述した電磁誘導ノイズの生成を抑える作用に加えて、駆動用電極の土台となる重り（振動体）のバランスを確保することができる。特に、この態様によれば、後述する回転検出用電極やモニタ電極の配置も対称性を有したものとできるので、センサ素子全体としてのバランスを確保することができる。

本発明において、検出部は、回転検出用電極を備え、この回転検出用電極は、上記軸線（第１の軸線）に対して線対称な形状を有していることは好ましい。この態様によれば、駆動用電極に流れる駆動信号に起因し、回転検出用電極に発生する電磁誘導ノイズは、第１の軸線で分けられる各領域で同一の大きさであって、互いに打ち消すように作用するため、回転検出用電極から出力されるノイズを効果的に抑制することができる。また、後述するように、回転検出用電極に、回転に依存した振動は検出するが、基本振動は検出しない選択的な検出特性を持たせることができる。

本発明は、電磁駆動型角速度センサの駆動方法として把握することもできる。すなわち、本発明は、枠状の支持体と、この支持体の内側に配置され、駆動部および検出部が形成された所定の質量を有する重りと、この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、前記重りに磁場を加える磁石とを有し、前記駆動部に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記検出部に生じる誘導起電力を検出する角速度センサの駆動方法であって、前記駆動部は、一対の駆動用電極を備え、前記一対の駆動用電極は、前記重りの中心を通過する軸線に対して線対称な位置に配置され、前記一対の駆動用電極に、同位相な交流電圧を加えることで、前記重りを振動させることを特徴とする電磁駆動型角速度センサの駆動方法として把握することもできる。

本発明によれば、電磁駆動型角速度センサにおいて、複数の駆動用電極を、重り（振動体）の中心を通過する軸線に対して線対称な位置に配置し、各駆動用電極に同位相の駆動信号を流すことで、所定の領域における各駆動信号が生成する磁場の影響を互いにキャンセルさせることができる。これにより、回転検出用電極に誘導されるノイズ成分（電磁誘導ノイズ）を抑えることができる。

（１）第１の実施形態
１．実施形態の構成
図１は、本発明を利用した電磁駆動型角速度センサのセンサ素子の概要を示す上面図である。図１には、矩形形状の枠構造体１０１、振動体として機能する略十字型（略Ｘ型）の重り１０２、枠構造体１０１に重り１０２を弾性的に支持する支持部材１０３を備えたセンサ素子１００が示されている。また、図１には、重り（振動体）１０２の中心位置１０を原点とするＸ−Ｙ直交座標が記載されている。なお、この例において、中心位置１０は、重り１０２の幾何学的な中心であると共に重心でもある。

枠構造体１０１、重り１０２および支持部材１０３は、シリコンウエハを利用して一体形成されたもので、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)加工技術を利用して作製される。８個の支持部材１０３は、図示されるように複雑に屈曲しており、それ自体が弾性部材（バネ）としても機能する。重り１０２の四隅のそれぞれは、２本の支持部材１０３を介して枠構造体１０１に支持されている。この構造によれば、重り１０２は支持部材１０３を介して枠構造体１０１に弾性的に支持される。そのため、重り１０２は、枠構造体１０１に対して相対的に振動することができる。

略十字型の重り１０２上には、駆動用電極、回転検出用電極およびモニタ電極（駆動検出電極）が形成されている。各電極は、重り１０２の中心位置１０を原点として定義した直交するＸ軸およびＹ軸に対して、後述する対称性を有した状態で配置されている。各電極は、シリコンＩＣプロセスにおいて利用されるシリコンウエハ上への金属薄膜の形成技術を利用して形成されている。

また、図示省略するが、重り１０２上に形成された各種電極から支持部材１０３上に電極材料がそのまま延在し、それが引き出し配線となり、さらにその引き出し配線は、枠構造体１０１まで延在し、引き出し電極に至っている。この枠構造体１０１上に形成された引き出し電極に後述する周辺回路が接続される。

図２は、重り１０２上における各電極の配置状態を示す概念図である。図２には、Ｘ軸に対して線対称な形状を有する曲げ角９０度の「くの字」および「逆くの字」型の駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂが、互いにＹ軸に対して線対称な位置に配置された状態が示されている。

また、Ｙ軸に対して線対称な形状を有するＶ字および逆Ｖ字型の回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂが示されている。ここで、一対の回転検出用電極２０２ａと２０２ｂとが、Ｘ軸に対して互いに線対称な位置関係に配置され、さらに一対の回転検出用電極２０３ａと２０３ｂとが、Ｘ軸に対して互いに線対称な位置関係に配置されている。

また、Ｘ軸に対して線対称な形状を有する曲げ角９０度の「くの字」および「逆くの字」型のモニタ電極２０４ａと２０４ｂとが、Ｙ軸に対して互いに線対称な位置関係で配置されている。

また、一対の駆動用電極２０１ａと２０１ｂとに挟まれる領域に、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂ、さらにはモニタ電極２０４ａおよび２０４ｂが配置されている。

また、駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂと、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂとの配置関係は、互いに９０度ずれた位置関係となっている。また、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂと、モニタ電極２０４ａおよび２０４ｂとの位置関係も互いに９０度ずれた位置関係となっている。

この駆動用電極の形状および配置状態、さらに回転検出用電極の形状および配置状態において、駆動用電極２０１ａと２０１ｂとに、同位相で、電流と周波数が同一の駆動信号が供給される。こうすることで、駆動信号が生成する磁場によって回転検出用電極に誘導される誘導電流を打ち消すことができ、電磁誘導ノイズを抑えることができる。以下、この電磁誘導ノイズを低減できる原理について説明する。

図５は、本実施形態における電極配置を概念的に示した概念図である。図５においては、説明を簡単にするために、一対の駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂ、一対の回転検出用電極２０２ａおよび２０２ｂが示されている。

ここで、ある瞬間における駆動信号の流れようとする向き（電流が流れようとする向き）が、矢印５０１および５０２によって示される向きであるとする。この際、駆動用電極２０１ａに流れる駆動信号が作る磁場は、符号５０５ａで示す向きとなる。そして駆動用電極２０１ａに流れる駆動信号が、第１象限における回転検出用電極２０２ａの部分に作る磁場の向きは、記号５０５ｂに示すように、紙面手前から向こうの方向となる。

第１象限におけるこの駆動用電極２０１ａに流れる駆動信号が作る磁場は、第１象限における回転検出用電極２０２ａに誘導電流を誘導する。この誘導電流は、相互誘導の原理により、駆動用電極２０１ａに流れる駆動電流の向き５０１と逆向きの矢印５０３の向きとなる。

他方において、駆動用電極２０１ｂに流れる駆動信号が作る磁場は、符号５０６ａで示す向きとなる。そして第２象限において、駆動用電極２０１ｂに流れる駆動信号が回転検出用電極２０２ａの部分に作る磁場の向きは、記号５０６ｂに示すように、紙面向こうから手前の方向となる。

第２象限におけるこの駆動用電極２０１ｂに流れる駆動信号が作る磁場は、第２象限における回転検出用電極２０２ａに誘導電流を誘導する。この誘導電流は、相互誘導の原理により、駆動用電極２０１ｂに流れる駆動電流の向き５０２と逆向きの矢印５０４の向きとなる。

駆動用電極２０１ａと２０１ｂとに流れる駆動信号の電流値は同じであるから、矢印５０３の方向に流れる誘導電流と、矢印５０４の方向に流れる誘導電流とは、キャンセルされる。また、その周波数も同じであるから、このキャンセル状態は、どの瞬間においても成立する。こうして、回転検出用電極２０２ａにおいて、駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂに流れる駆動信号に起因する電磁誘導ノイズが抑えられる。

また、第１象限と第２象限に形成される磁場は、Ｙ軸でもって逆対称（磁場の向きが互いに逆の状態）に生成され、各磁場が互いに打ち消し合う様に作用するため、回転検出用電極への影響は低く抑えられる。このように、駆動用電極２０１ｂが第１象限に作る磁場の影響、および駆動用電極２０１ａが第２象限に作る磁場の影響にあっても、各磁場が逆対称となって、両者の影響はキャンセルされるので、ほぼ考慮する必要はない。

また、回転検出用電極２０２ｂについても同様な理由により、電磁誘導ノイズの発生が抑えられる。こうして、駆動信号が作る磁場の影響がキャンセルされ、回転検出用電極に電磁誘導ノイズが発生することが抑制される。

なお、上述の議論から明らかなように、電磁誘導ノイズの発生を抑える効果は、回転検出用電極２０２ａと２０２ｂの何れか一方のみが配置されている場合であっても得ることができる。すなわち、Ｙ軸に対称な形状の回転検出用電極であれば、その数や配置に影響なく、同様の効果を得ることができる。

次に、回転検出用電極とモニタ電極の選択的な検出特性について説明する。図２に示すように、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂは、Ｙ軸に対して線対称な形状を有している。これに対して、モニタ電極２０４ａと２０４ｂは、Ｘ軸に対して線対称な形状を有している。

この電極形状においては、後述する磁石による静磁場Ｂが記号２０５によって示される紙面手前から向こう側の向きに加えられた状態において、重り１０２がＸ軸方向に運動しても、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂには、誘導起電力は生じない。つまり、記号２０５の向きに静磁場が印可された状態において、重り１０２がＸ軸方向に振動しても、それを回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂによって検出することはできない。以下、この理由について説明する。

ここでは、重り１０２のＸ軸方向への振動をある瞬間において見た場合を考える。この瞬間において、重り１０２は、Ｘ軸の＋方向に向かって移動している途中であるとする。この場合、第１象限の領域における回転検出用電極２０２ａおよび２０３ａには、電磁誘導の原理により、誘導電圧Ｖａが生じる。Ｖａの方向は、フレミングの右手の法則から図２の矢印２０６の向きとなる。

また、同じ瞬間において、第２象限の領域における回転検出用電極２０２ａおよび２０３ａには、電磁誘導の原理により、誘導電圧Ｖｂが生じる。Ｖｂの方向は、フレミングの右手の法則から図２の矢印２０７の向きとなる。

回転検出用電極２０２ａおよび２０３ａの形状は、Ｙ軸に対し対称性を備えているので、ＶａとＶｂとは打ち消し合い、その値は検出されない。つまり、回転検出用電極２０２ａおよび２０３ａには、Ｘ軸振動に起因する誘導起電力は発生しない。このことは、同じくＹ軸に対する対称性を備えている回転検出用電極２０２ｂおよび２０３ｂにおいても同じである。

以上の理由により、Ｚ軸回転がない場合の重り１０２の振動（Ｘ軸方向への振動）は、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂに誘導起電力を生じさせない。また同様な原理により、Ｘ軸に対して線対称な形状を有するモニタ電極２０４ａおよび２０４ｂには、重り１０２がＹ軸方向に振動した場合に、その振動による誘導起電力が発生しない。

Ｙ軸方向の振動は、Ｚ軸回転に伴うコリオリ力に起因するものである。したがって、モニタ電極は、Ｚ軸回転に起因する振動に対しては不感であり、その出力にＺ軸回転に関する情報は含まれない。このような理由により、回転検出用電極とモニタ電極とは、振動の方向に対して選択的な感度を有している。

このように、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂは、Ｚ軸回転（Ｘ−Ｙ平面に垂直な軸回りの回転）に伴うコリオリの力に起因する振動のみを電磁誘導により選択的に検出する。また、モニタ電極２０４ａおよび２０４ｂは、Ｚ軸回転に関係なく、駆動信号に起因する重りのＸ軸方向の振動（基本振動）のみを、電磁誘導により選択的に検出する。

これにより、Ｚ軸回りの回転時における角速度の正確な検出と、回転に依存しないモニタ電極を利用した安定した振動状態の制御とを行うことができる。すなわち、回転検出用電極がＺ軸回転を選択的に検出するようにすることで、Ｚ軸回転の角速度の検出感度および検出精度を高めることができる。また、モニタ電極にＺ軸回転の影響が現れないようにすることで、Ｚ軸回転の状態に関係なく、振動状態を安定化させるためのフォードバック制御を適切に行うことができる。

また、図２に示す電極配置においては、各電極の配置関係の対称性が保たれている。これにより、重り１０２の重量分布バランスが確保され、共振周波数以外の成分を含まない振動を行わせることができる。そして、安定な振動状態を確保し易くし、角速度の検出精度を高めることができる。また、回転検出用電極を２対（２本ずつ）配置することで、上記の対称性を確保するのと同時に、検出感度を高めることができる。

図３は、発明を利用した電磁駆動型角速度センサの概要を示す断面図である。なお、図３の矢印３０４の方向から見たセンサ素子１００の状態が図１に示されている。

この電磁駆動型角速度センサ３００は、磁性体（鉄）により構成されたヨーク３０１、静磁場Ｂを生成するための磁石３０２、シリコンウエハを加工することで形成されたセンサ素子１００（図１参照）、およびこのセンサ素子１００を保持するための非磁性材料（ガラス）から構成されるセンサ素子保持部材３０３を備えている。

ヨーク３０１には、上下に一対の突出部３０１ａおよび３０１ｂが形成され、この突出部３０１ａと３０１ｂとの間に集中的に磁場Ｂが形成されるようになっている。また、突出部３０１ａおよび３０１ｂは、重り１０２の十字型（Ｘ字型）形状に合わせて突出した断面形状を有し、重り１０２が存在する部分において選択的に静磁場Ｂが加わるようになっている。

この構造においては、磁石３０２において生成された磁束が、ヨーク３０１内を通り、突出部３０１ａと３０１ｂとの間に静磁場Ｂを形成する。この静磁場Ｂは、平面形状のセンサ素子１００の重り１０２に対して、その面に垂直な向きから加えられる。なお、センサ素子１００と後述する周辺回路との間の配線は、図３では省略されている。

図４は、発明を利用した電磁駆動型角速度センサシステムの概要を示すブロック図である。図４には、駆動系４００ａおよび検出系４００ｂから構成される電磁駆動型角速度センサシステム（電磁駆動型角速度センサユニット）４００が示されている。電磁駆動型角速度センサシステム４００は、センサ素子１００の周辺回路として、ゲインコントローラ４０１、フィルタ４０２、アンプ４０３、アンプ４０４、検波器４０５およびフィルタ４０６を備えている。

この構成においては、ゲインコントローラ４０１から出力される駆動信号（ＡＣ駆動電流）がセンサ素子１００（図１参照）の駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂ（図２参照）に供給される。駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂに供給される駆動信号は、同位相、同電流、同周波数とする。この際、静磁場（図３の磁場Ｂ）の影響により、駆動用電極に周期的なローレンツ力が働く。このローレンツ力は、駆動信号の周期に応じた振動駆動力となり、その向きは、フレミングの左手則に従って図１および図２中におけるＸ軸方向となる。駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂは重り１０２上に形成されているので、この振動駆動力により、重り１０２がＸ軸方向に振動することになる。

そして、この振動によりモニタ電極２０４ａおよび２０４ｂに電磁誘導による誘導起電力（誘導電流）が発生し、それが駆動検出信号としてアンプ４０３に入力される。アンプ４０３において、この駆動検出信号は増幅され、フィルタ４０２と検波器４０５とに送られる。

フィルタ４０２はローパスフィルタであり、不要な高周波成分を減衰させ、そのフィルタリングした信号がゲインコントローラ４０１に送られる。ゲインコントローラ４０１は、この信号に基づいて、センサ素子１００の重り１０２（図２参照）の振動が所定の共振状態になるように、駆動信号の振幅を調整し、それをセンサ素子１００に出力する。

このフィードバック制御により、センサ素子１００における重り１０２（図２参照）の振動が所定の共振状態で安定する。

他方において、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂには、重り１０２がＹ軸方向に運動した際に、誘導起電力が生じ、それが回転検出信号としてアンプ４０４に出力される。

検波器４０５は、アンプ４０３から出力される駆動検出信号を利用して回転検出信号を検波し、Ｚ軸回転の角速度情報を含んだ検波信号を生成する。フィルタ４０６は、ローパスフィルタであり、検波信号に含まれる高周波成分を除去し、Ｚ軸回転の角速度に対応したＤＣ出力信号を出力する。

２．実施形態の動作
動作に当たっては、まず図２の紙面に向かう方向（記号２０５で示す向き）に静磁場Ｂが加わった状態において、駆動系４００ａ（図４参照）の作用により、重り１０２（図２参照）を安定な共振振動状態とする。この状態において、Ｚ軸回転が発生すると、その回転の角速度に応じた出力信号（図４参照）を得ることができる。

以下、具体的な動作状態を例に挙げ、出力信号が得られる仕組みについて説明する。まず、Ｚ軸回転がない場合の動作を説明する。この場合、Ｘ軸方向に振動する重り１０２（図１参照）には、コリオリの力は加わらない。またこの状態においては、重り１０２が静磁場中においてＸ軸方向に振動するので、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂには、誘導起電力は発生しない。一方、モニタ電極２０４ａおよび２０４ｂには、誘導起電力が発生する。

この場合、回転検出信号は、ゼロであり、検波器４０５からの検波信号もゼロとなる。当然、検出系４００ｂから出力信号は出力されない。

次に、センサ素子１００がＺ軸（Ｘ−Ｙ平面に垂直な軸）回りに回転する場合を考える。この場合、Ｘ軸方向おいて振動する重り１０２には、コリオリの力が働き、Ｙ軸方向への振動成分が生じる。すなわち、コリオリの力は、振動する方向に直交する方向に働くから、Ｘ軸方向に振動する重り１０２は、コリオリの力によってＹ軸方向へも振動する。

Ｙ軸方向への振動は、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂに誘導起電力を誘導し、それが回転検出信号となる。この誘導起電力は、Ｙ軸方向への振動によるものであり、駆動信号の周波数と同じ周波数のＡＣ信号電圧となる。また、上記コリオリの力は、Ｚ軸回転の角速度に比例するから、上記回転検出信号は、そのＺ軸回転の角速度に対応したものとなる。

なおこの時、前述した理由によりモニタ電極２０４ａおよび２０４ｂには、このＹ軸方向への振動に伴う誘導起電力は発生しない。つまり、モニタ電極には、Ｚ軸回転に起因する信号電圧は発生しない。このため、回転に依存しないモニタ電極を利用した安定した振動状態の制御を行うことができ、さらに検波器４０５における検波作用を正確に行うことができる。

回転検出用電極に誘導された回転検出信号は、図４に示す構成において、センサ素子１００からアンプ４０４へと出力される。検波器４０５は、アンプ４０４によって増幅された回転検出信号に対して、駆動検出信号を利用した検波を行う。この際、回転検出信号と同じ周波数を有する駆動検出信号を利用して検波を行うことで、回転検出信号に含まれるＡＣ成分が除去され、Ｚ軸回転の角速度に対応したＤＣ検波出力が得られる。

本実施形態においては、駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂの配置構造の工夫、およびそこに流す駆動信号の位相関係の設定により、駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂとの間の領域において、駆動信号によって生成される磁場の影響がキャンセルされる。したがって、回転検出信号に、駆動信号によって発生する磁場に起因する信号成分（電磁誘導ノイズ）が含まれてしまうことが抑えられる。これにより、検波出力にオフセット信号（ノイズ信号）が現れる不都合が抑制される。

３．実証試験の結果
図２に示す駆動用電極の配置と、その駆動用電極に供給する駆動信号の位相関係の設定の効果を検証した結果を説明する。下記表１は、本発明を利用した場合に観察されるノイズの値と本発明を利用しなかった場合（比較例）に観察されるノイズの値を示す表である。

比較例１は、駆動用電極２０１ａのみに駆動信号（１２．５ｍＡ、１００ｋＨ）を流し、駆動用電極２０１ｂを使用しなかった場合のデータである。本発明利用というのは、駆動用電極２０１ａと２０１ｂの両方に同位相の駆動信号（６．２５ｍＡ、１００ｋＨ）を流した場合のデータである。比較例２は、駆動用電極２０１ａと２０１ｂとに互いに逆位相となる駆動信号（６．２５ｍＡ、１００ｋＨ）を流した場合のデータである。

表１に示されるように、駆動用電極２０１ａのみを利用した場合（比較例１の場合）、回転検出用電極２０３ａおよび２０３ｂには、本発明を利用した場合に比較して、２０倍程度のノイズが発生する。これは、比較例１の場合、駆動用電極に流れる駆動信号によって生成される磁場の影響を打ち消す作用が得られないので、その影響がノイズとして現れることを示している。

また、対称配置された対となる駆動用電極を利用した場合であっても、比較例２に示すように、両電極に互いに逆位相となる駆動信号を流した場合は、比較例１と同様に回転検出用電極にノイズが観察される。これは、駆動信号が逆位相では、駆動信号が生成する磁場の影響を打ち消す効果がないためにノイズが低減されないことを示している。

なお、本発明を利用した場合に観察される僅かなノイズは、（１）駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂの僅かな抵抗値の違いにより、駆動信号の電流値に差が生じ、磁場の影響の完全な打ち消しができないこと、（２）周辺回路系で発生するノイズが存在すること、等に起因するものと考えられる。

このように、一対の駆動用電極２０１ａおよび２０１ｂを、重り１０２の中心位置１０を通過する軸線（Ｙ軸）に対して線対称な位置に配置し、さらに駆動用電極２０１ａと２０１ｂに同位相、同一周波数、および同一電流値の駆動信号を流すことで、この駆動信号が両駆動用電極間に生成する磁場の影響を互いキャンセルさせることができる。そして、回転検出用電極２０２ａ、２０２ｂ、２０３ａおよび２０３ｂに誘導される電磁誘導ノイズ（駆動信号が生成する磁場によって誘導されるノイズ）を抑えることができる。

（第２の実施形態）
図２に示す電極の形状において、駆動用電極２０１ａを、Ｕ字型電極を右に９０度回転させた形状、駆動用電極２０１ｂを、Ｕ字型電極を左に９０度回転させた形状とすることもできる。また、回転検出用電極２０２ａおよび２０３ａを「Ｕ字型」、回転検出用電極２０２ｂおよび２０３ｂを「逆Ｕ字型」とすることもできる。もちろん、駆動用電極と回転検出用電極の両方を同様な形状に変更することもできる。

一対の駆動用電極が、重り１０２の中心１０を通過する軸線に対して互いに線対称な位置に配置される条件を満たすのであれば、駆動用電極の形状および配置構造は上記の例に限定されず、多用な形状や配置状態を採用することができる。

また、回転検出用電極は、重り１０２の中心１０を通過する上記軸線に対して対称な形状を有していることが重要であり、この要件を満足するのであれば、その数は、１つであってもよい。

前記第１の実施形態および第２の実施形態から把握される技術的思想であって、請求項に記載以外の技術的思想を以下に列挙する。

本発明において、駆動用電極および回転検出用電極は、それぞれ少なくとも一対が配置されており、これら一対の駆動用電極と一対の回転検出用電極とは、互いに９０度ずれた位置関係にあり、さらにこの一対の駆動用電極は、（１）前記第１の軸線に対して線対称な位置に配置され、（２）それぞれが前記第２の軸線に対して線対称な形状を有し、一対の回転検出用電極は、（３）第２の軸線に対して線対称な位置に配置され、（４）それぞれが第１の軸線に対して線対称な形状を有していることは好ましい。

この構成としては、Ｘ−Ｙ直交座標において、（１）Ｙ軸（第１の軸線）に対して線対称な位置関係にあり、且つＸ軸（第２の軸線）に対して線対称な形状を有する「くの字」および「逆くの字」型の駆動用電極と、（２）Ｘ軸（第２の軸線）に対して線対称な位置関係にあり、Ｙ軸（第１の軸線）に対して線対称な形状を有するＶ字および逆Ｖ字型の回転検出用電極を配置した例を挙げることができる。

この構成によれば、一対の駆動用電極に流れる駆動信号が生成する磁場に起因して、一対の回転検出用電極に流れる誘導電流が巧妙にキャンセルされてゼロになる。これにより、駆動電流が作る磁場に起因して回転検出用電極に電磁誘導される誘導起電力（誘導電流）を抑えることができる。すなわち、電磁誘導ノイズを抑えることができる。

上記の構成に加えて、重りの振動状態を出力するモニタ電極を更に有し、このモニタ電極は、前記第２の軸線に対して線対称な形状を有していることは好ましい。この態様によれば、基本振動（角速度を検出するためのＸ軸方向の振動成分）は検出するが、回転に依存した振動（コリオリ力の影響を受けた振動成分）は検出しない選択的な検出特性を得ることができる。

本発明を利用した電磁駆動型角速度センサの好ましい動作形態においては、モニタ電極から検出される駆動検出信号を利用して、フィードバック技術により駆動信号の制御を行い、それにより重りの振動が安定した発振状態になるように制御が行われる。この発振状態が安定に行われることが、角速度の検出精度を確保する上で重要となる。したがって、モニタ電極に回転の影響が現れないようにすることは、回転の状態に関係なく、振動状態を安定化させる上で重要となる。また、回転検出用電極が基本振動を検出しないようにすることは、回転時の角速度の検出感度および精度を高める上で重要となる。

更にこの態様によれば、各電極の配置が対称的なものとなるので、重りの形状バランスおよび重量バランスを確保することができる。このことは、重りが振動体として機能する上で有用となる。

本発明は、回転に伴う角速度を電磁的に検出する角速度センサに利用することができる。

発明を利用した電磁駆動型角速度センサのセンサ素子の概要を示す上面図である。 発明を利用したセンサ素子における電極の配置状態を示す概念図である。 発明を利用した電磁駆動型角速度センサの概要を示す断面図である。 発明を利用した電磁駆動型角速度センサシステムの概要を示すブロック図である。 実施形態における電極配置を示す概念図である。

符号の説明

１０…おもりの中心位置、１００…センサ素子、１０１…枠構造体、１０２…重り（振動体）、１０３…支持部材、２０１ａ…駆動用電極、２０１ｂ…駆動用電極、２０２ａ…回転検出用電極、２０２ｂ…回転検出用電極、２０３ａ…回転検出用電極、２０３ｂ…回転検出用電極、２０４ａ…モニタ電極、２０４ｂ…モニタ電極、２０５…磁場の向き、２０６…誘導電圧の方向、２０７…誘導電圧の方向、３００…電磁駆動型角速度センサ、３０１…ヨーク、３０１ａ…突出部、３０１ｂ…突出部、３０２…磁石、３０３…センサ素子保持部材、４００…電磁駆動型角速度センサシステム、４００ａ…駆動系、４００ｂ…検出系、４０１…ゲインコントローラ、４０２…フィルタ、４０３…アンプ、４０４…アンプ、４０５…検波器、４０６…フィルタ、５０１…ある瞬間において駆動用電極２０１ａに流れる駆動電流の向き、５０２…ある瞬間において駆動用電極２０１ｂに流れる駆動電流の向き、５０３…符号５０１の向きに流れる駆動電流によって回転検出用電極２０２ａに誘導される誘導電流の向き、５０４…符号５０２の向きに流れる駆動電流によって回転検出用電極２０２ａに誘導される誘導電流の向き、５０５ａ…駆動用電極２０１ａに流れる駆動信号が作る磁場の向き、５０５ｂ…駆動用電極２０１ａに流れる駆動信号が作る磁場の向き、５０６ａ…駆動用電極２０２ａに流れる駆動信号が作る磁場の向き、５０６ｂ…駆動用電極２０２ａに流れる駆動信号が作る磁場の向き。

Claims (4)

1. 枠状の支持体と、
   この支持体の内側に配置され、駆動部および検出部が形成された所定の質量を有する重りと、
   この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、
   前記重りに磁場を加える磁石とを有し、
   前記駆動部に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、
   この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記検出部に生じる誘導起電力を検出する角速度センサであって、
   前記駆動部は、複数の駆動用電極を備え、
   前記複数の駆動用電極は、前記重りの中心を通過する第１の軸線に対して線対称な位置に配置され、
   前記複数の駆動用電極に同位相の交流電圧が加えられることを特徴とする電磁駆動型角速度センサ。
2. 前記複数の駆動用電極は、前記中心において前記第１の軸線に直交する第２の軸線に対して線対称な形状であることを特徴とする請求項１に記載の電磁駆動型角速度センサ。
3. 前記検出部は、回転検出用電極を備え、
   前記回転検出用電極は、前記第１の軸線に対して線対称な形状を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁駆動型角速度センサ。
4. 枠状の支持体と、
   この支持体の内側に配置され、駆動部および検出部が形成された所定の質量を有する重りと、
   この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、
   前記重りに磁場を加える磁石とを有し、
   前記駆動部に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、
   この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記検出部に生じる誘導起電力を検出する角速度センサの駆動方法であって、
   前記駆動部は、一対の駆動用電極を備え、
   前記一対の駆動用電極は、前記重りの中心を通過する軸線に対して互いに線対称な位置に配置され、
   前記一対の駆動用電極に、同位相な交流電圧を加えることで、前記重りを振動させることを特徴とする電磁駆動型角速度センサの駆動方法。

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