JP2015203604A - 高性能化が図られた振動型ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】クワドラチャーエラーの発生を抑制できるとともに、スケールファクターの変動も抑制し、広い周波数応答帯域と高いＳ／Ｎ比が得られる高性能の振動型ジャイロの提供。【解決手段】抑制信号生成部６８は、位相検波回路６６からの第１の検波信号及び第２の検波信号の少なくとも一方に基づいて、ＡＣ補正用電極５０及び５２に印加すべきＡＣ抑制電圧に対応するＡＣ抑制信号を生成する。ＡＣ抑制信号は、ＡＣ抑制電圧によってＡＣ補正用電極５０及び５２により生じる静電力が、入力角速度等によって検出質量体１４に作用する力又はトルクを相殺するように生成される。ＡＣ抑制信号に含まれる制御振幅値が、振動型ジャイロ１に入力されている角速度として検出され、角速度信号として出力される。【選択図】図４

Description

本発明は、振動型ジャイロに関し、特には、ＭＥＭＳ技術によって製造され、高感度、高Ｓ／Ｎ比、高帯域、さらには高線形性を有する振動型ジャイロに関する。

１９９０年代から急速に発展したいわゆるマイクロマシニング技術によって、例えば、絶縁膜を有するシリコン基板やガラス基板上に接合されたバルクシリコンウェハを、湿式エッチングやドライエッチング等の化学的なエッチングにより処理し、メカニカルなセンサ構造体を形成して、一度のプロセスで大量のセンサ構造を製造する手法が確立されている。このような微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術によるセンサとしては、加速度センサ及び振動型ジャイロ等があり、例えば自動車、慣性ナビゲーション、デジタルカメラ、ゲーム機他、多くの分野において利用されている。

中でも振動型ジャイロは、一方向に振動する可動物体が回転運動を受けるときに発生するコリオリ加速度を利用している。振動する可動質量体が回転運動を伴うとき、該可動質量体は振動方向及び回転軸方向の双方に直交する方向に作用するコリオリ力を受け、この結果該可動質量体はコリオリ力の作用方向に変位する。該可動質量体は、この方向の変位を可能にするばねにより支持され、該可動質量体の変位量からコリオリ力及びそれを生じさせる角速度の値を検出することができる。可動質量体の変位は、例えば、一方が固定されかつ他方が可動質量体と共に変位可能な一対の平行平板構造又は櫛歯構造を備えた、平行平板型コンデンサ又は櫛歯型コンデンサを使用し、その容量変化から求めることができる。

振動型ジャイロの出力安定性を向上させるための１つの手段として、いわゆる不要出力（クワドラチャーエラー等）を低減又は排除する手段を設けることが挙げられる。以下に示す先行技術文献には、振動型ジャイロの出力安定性改善のために、不要出力を抑制する補正手段を備えた振動型ジャイロが開示されている。

特許文献１には、第１共振器（１）を有し、上記第１共振器（１）が第１および第２の線形発振器（３，４）からなる結合系として設計されており、上記第１発振器（３）が、第１バネ素子（５_１−５_４）によって上記コリオリの角速度計の角速度計フレームに取り付けられており、上記第２発振器（４）が、第２バネ素子（６_１，６_２）によって上記第１発振器（３）に取り付けられているコリオリの角速度計が開示されている。この角速度計は、上記双方の発振器（３，４）のアライメントを相互に変更することのできる静電場（１１_１’，１１_２’，１０_１−１０_４）を生成し、この静電場は、上記角速度計フレーム（７_３，７_４）に対する上記第１バネ素子（５_１−５_４）のアライメント角度、および／または、上記第１発振器（３）に対する上記第２バネ素子（６_１，６_２）のアライメント角度を変更する定荷重（Gleichkraft）を生成する装置と、コリオリの角速度計の直交バイアスを決定するための装置（４５，４７）と、上記決定された直交バイアスが最小になるように、上記静電場の強度を上記決定された直交バイアスに応じて制御する制御ループ（５５，５６，５７）とを有する、とされている。

また特許文献２には、左右の駆動質量体の駆動振動により検出質量体が直接駆動されない構造において、構造的アンバランスによる検出質量体の検出方向の回転変位を相殺する補正用電極を設けることにより、製造ばらつき等に起因する構造的非対称性により発生する漏れ出力（クワドラチャーエラー）を排除又は抑制することを企図した振動型ジャイロが記載されている。ここでは、駆動質量体の構造的・力学的非対称性に起因する回転変位振動を、検出質量体に隣接配置した補正用電極に適切な位相のＡＣ電圧を印加するか、駆動質量体に隣接配置した補正用電極にＤＣ電圧を印加することにより生じる静電力により、角速度入力がゼロのときのバイアス出力を低減でき、ジャイロとしての安定性を飛躍的に向上させることができる、とされている。

特表２００７−５１３３４４号公報 特開２０１３−２５３９５８号公報

特許文献１に記載の角速度計は、基板面に平行なＸ方向（Ｘ１方向）に変位可能となるように４本の折り曲げ梁（第１バネ素子）で第１共振器（第１振動体）を支持し、第１振動体の内側に、基板面に平行かつなＸ１方向に垂直なＹ方向（Ｘ２方向）に変位可能となるように２本の梁（第２バネ素子）で支持された第２共振器（第２振動体）を設けた構成である。ここで第１振動体がＸ方向に駆動変位振動されているときに、Ｚ軸回りの角速度が入力されると、コリオリ力に起因して第２振動体にＹ方向の変位振動が生じ、このＹ方向の振動変位を検出することでＺ軸回りの角速度を求めることができる。なお特許文献１では、その図３に示すように、第１及び第２の振動体を有する構造体が左右に配置され、第１振動体同士が連結バネで結合されており、逆相の駆動振動が行われる。ここで、角速度入力時に第２振動体の逆相変位を検出することにより、角速度に比例した誤差の少ない変位出力を得ることができると解される。

特許文献１に記載の角速度計では、第１振動体がＸ方向へ互いに逆位相で駆動されるとき、各構成要素の製造ばらつき等による構造的アンバランスにより、内部の第２振動体がコリオリ力の検出方向であるＹ方向に振動してしまう。この原因は、駆動方向（Ｘ方向）と検出方向（Ｙ方向）との直交性が保たれていないこととされており、故に引用文献１では、第２振動体の中央付近に、上記直交性を維持できるように（すなわち振動方向のアライメントを調整するために）励起電極による補正構造を採用している。具体的には、センサ信号処理回路を経て得られるバイアス出力電圧に応じた補正用のＤＣ電圧を励起電極に加えることで、静電力により上記アライメントが補正される。但し、引用文献１では、第１振動体の駆動振動によって、その振動体内部に懸架されている第２振動体も、第１振動体と同量だけＸ方向に励振されるため、製造ばらつきを伴う構造では、Ｙ方向変位を検出するための検出用固定電極とのギャップすなわち形成容量が変化してしまう。従って引用文献１の構造は、アライメント誤差がなく直交性が維持されているという理想的状況でも、不安定なバイアス発生要因を内包するものとなっており、補正誤差の要因となっている。

また特許文献２に記載の振動型ジャイロでは、補正用電極へのＡＣ電圧又はＤＣ電圧の印加によって生じる静電力を利用してバイアス出力を低減することができるが、クワドラチャーエラーの温度依存性を考慮した補正を行う場合はメモリに予め記憶したデータを使用しており、すなわち補正信号はオープンループ制御によって生成される。従ってクローズドループ制御に比べ、検出精度がやや劣る傾向がある。

また特許文献２に記載の技術は、角速度が入力されていないときに不要な信号を相殺してバイアス出力を低減するものであるが、大きな角速度が入力されている場合の不具合を考慮していない。つまり、角速度入力が大きい場合は検出質量体の変位（振幅）も大きくなり、スケールファクターの線形性が悪化する。ジャイロの感度を向上させるには高いＱ値の素子を用いて駆動系共振周波数と検出系共振周波数との周波数差（Δｆ）を低減し又はゼロにする（いわゆるモードマッチを行う）方法もあるが、この場合は周波数応答帯域が狭くなり、角速度入力に対する信号出力の大きさが増加し、フルスケールレンジが小さくなるという課題もある。

そこで本発明は、クワドラチャーエラーの発生を抑制できるとともに、スケールファクターの変動も抑制し、広い周波数応答帯域と高いＳ／Ｎ比が得られる高性能の振動型ジャイロを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、駆動振動する駆動質量体と、角速度により発生するコリオリ力よって変位するように構成された検出質量体と、を備えた振動型ジャイロであって、前記検出質量体の変位を表す検出信号から、第１の位相を有する第１の検波信号、及び前記第１の位相と位相が９０度異なる第２の位相を有する第２の検波信号を生成する位相検波回路と、前記第１の検波信号及び前記第２の検波信号の少なくとも一方に基づいて、ＡＣ抑制信号を生成する抑制信号生成部と、前記検出質量体に隣接配置され、前記ＡＣ抑制信号に応じて印加されたＡＣ抑制電圧によって静電力を生じさせるＡＣ補正用電極と、を有し、前記抑制信号生成部は、前記ＡＣ補正用電極により生じる静電力が前記検出質量体に作用する力又はトルクを相殺するように前記ＡＣ抑制信号を生成し、前記ＡＣ抑制信号に含まれる制御振幅値が、前記振動型ジャイロに入力されている角速度として検出される、振動型ジャイロを提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記抑制信号生成部は、前記第１の検波信号に基づいて前記ＡＣ抑制信号を生成するとともに、前記第２の検波信号に基づいてＤＣ抑制信号を生成し、前記振動型ジャイロは、前記駆動質量体に隣接配置され、前記ＤＣ抑制信号に応じて印加されたＤＣ抑制電圧によって静電力を生じさせるＤＣ補正用電極をさらに有し、前記抑制信号生成部は、前記ＤＣ補正用電極により生じる静電力が、角速度信号に対して９０度異なる位相を有する不要信号を相殺するように前記ＤＣ抑制信号を生成する、振動型ジャイロを提供する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記検出質量体の検出系共振周波数を調整するために、印加されたＤＣ電圧によって静電力を前記検出質量体に作用させるように構成された周波数調整用電極をさらに有する、振動型ジャイロを提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記検出質量体は、第２の支持梁により支持基板に固定され、角速度により発生するコリオリ力よって平面に直交する軸線回りに回転励振されるように構成され、前記駆動質量体は、前記平面内の一方向に駆動振動できるように、前記検出質量体の内側に第１の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備え、前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように、前記駆動振動の方向に弾性を有する連結ばねによって互いに連結され、前記検出質量体は、前記左右の駆動質量体の駆動振動によっては前記駆動振動の方向に励振されないように構成されている、振動型ジャイロを提供する。

本発明によれば、クローズドループ制御を使用し、角速度が入力されていても検出質量体が回転変位しないように、検出質量体に実際に作用している力又はトルクを打ち消すような静電力を生じさせるＡＣ補正用電極を使用する。従ってオープンループ制御を行う必要がなく、また検出質量体は実質変位しないので、スケールファクターの線形性が悪化することもなく、広い周波数帯域に亘ってスケールファクターを一定に維持し、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。

ＡＣ抑制制御に加え、クワドラチャーエラーの相殺を目的としたＤＣ抑制制御も行うことにより、より高性能の振動型ジャイロを提供することができる。

ＡＣ抑制制御に加え、共振周波数の調整（モードマッチ）も行うことにより、ジャイロの回路ノイズを低減でき、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。

駆動質量体と検出質量体とを、駆動振動と検出振動とが実質的に分離されるように構成することにより、より高性能の振動型ジャイロを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る振動型ジャイロを示す平面図である。 図１のジャイロのII−II線に沿う断面図である。 図１のジャイロのIII−III線に沿う断面図である。 図１のジャイロにおいて使用可能なフィードバック系回路を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る振動型ジャイロを示す平面図である。 図５のジャイロの左側の駆動質量体内部の補正用電極の詳細を示す平面図である。 図５のジャイロにおいて使用可能なフィードバック系回路を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る振動型ジャイロを示す平面図である。 図８のジャイロのIV−IV線に沿う断面図である。 図８のジャイロの、左側駆動質量体の内側構造の詳細を示す平面図である。 図８のジャイロのＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 図８のジャイロにおいて使用可能なフィードバック系回路を示すブロック図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動型ジャイロ１の基本構造を示す平面図であり、図２及び図３はそれぞれ、図１のII−II線及びIII−III線に沿った切断面を示す断面図である。

各図において、参照符号２はガラス等の絶縁材料からなる支持基板を示しており、振動型ジャイロ１の他の構造部材はシリコンの単結晶から作製される。図１に示す振動型ジャイロにおいて、支持基板２の上に、シリコンの単結晶からなる左右の駆動質量体４及び６（左側を４とする）の各々が、Ｙ方向に延びる少なくとも１つ（図示例では４つ）の駆動支持梁８及び１０に支持される。駆動支持梁８及び１０は、駆動質量体４及び６が基板２の面内方向かつ左右方向である駆動方向（Ｘ方向）に可動となるように、その剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成されている。また左右の駆動質量体４及び６は、弾性結合要素である中央連結ばね１２により互いに結合されている。

駆動質量体４及び６に接続されていない駆動支持梁８及び１０の他端は、駆動質量体４及び６を囲繞するように設けられた略リング形状の検出質量体１４に接続されている。検出質量体１４は、少なくとも１つ（図示例では４つ）の検出支持梁１６に支持され、各支持梁１６の他端は基板２に接合された周辺部アンカー１８に接続されている。なお図中において、黒く塗り潰した部分は基板２に固定されている部分を示し、他の部分（白抜き等）は基板に固定されていない又は可動部分を示す。

検出質量体１４を支持する検出支持梁１６は、基板２の面に垂直なＺ方向回りに回転振動が可能となるように、その回転方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成されている。なおこの場合、図示例の中央連結ばね１２は上下各３つの梁からなり、上下それぞれにおける３つの梁のうちの中央の梁が、基板２の中央部に固定された中央アンカー２０に接続されている。このように中央連結梁１２の中央部の梁を中央アンカー２０に固定することにより、Ｚ方向の共振モード周波数を向上させることができ、外力による不要なＺ方向変位を抑制できる。なお、断面図２及び断面図３に示すように、駆動質量体４及び６、駆動支持梁８及び１０、中央連結梁１２、検出質量体１４、並びに検出支持梁１６は、基板２と所定の間隔を有して対向配置されている。

図１に示すように、左側の駆動質量体４は、略矩形の枠状部材であり、その外側寄りの側（中央に遠い側）から中央側に向けて延びる櫛歯状の電極２２を有し、これに対向する左側駆動用櫛歯固定電極２４が基板２に固定配置されており、これにより左側の質量駆動体４を左右方向（Ｘ方向）に駆動振動させることができる。同様に、右側の駆動質量体６は、略矩形の枠状部材であり、その外側寄りの側（中央に遠い側）から中央側に向けて延びる櫛歯状の電極２６を有し、これに対向する右側駆動用櫛歯固定電極２８が基板２に固定配置されており、これにより右側の質量駆動体６を左右方向（Ｘ方向）に駆動振動させることができる。

左側の駆動質量体４は、その中央寄りの側から反中央側に向けて延びる櫛歯状の電極３０を有し、これに対向する左側駆動モニタ用櫛歯固定電極３２が基板２に固定配置されており、これにより左側の駆動質量体４の変位量を測定できる。また右側の駆動質量体４は、その中央寄りの側に設けられたフレーム３４の反中央側から中央側に向けて延びる櫛歯状の電極３６を有し、これに対向する右側駆動モニタ用櫛歯固定電極３８が基板２に固定配置されており、これにより右側の駆動質量体６の変位量を測定できる。

ここで、振動型ジャイロ１にＺ軸回りの角速度が入力された場合、検出質量体１４とともに左右の駆動質量体も回転振動するため、左右の駆動質量体に設けた櫛歯電極３０及び３６も回転変位し、駆動モニタ用櫛歯電極３２及び３８との位置関係が変化し、それに伴い対向する櫛歯間の容量も変化してモニタ出力に影響する。従って上述の左右駆動質量体のモニタ機構（すなわち櫛歯電極３０、３２、３６及び３８）は、検出質量体１４の中央に可能な限り近い位置に設けることが好ましい。

また図１からわかるように、左側の駆動質量体４におけるモニタ機構すなわち櫛歯電極３０及び３２と、右側の駆動質量体６におけるモニタ機構すなわち櫛歯電極３６及び３８とは、左右対称（Ｙ軸に関して対称）とはなっていない。これは、左右のモニタ機構をいわゆる差動式とするためであり、具体的に言えば、左右の駆動質量体が中央側に移動したときは左側のモニタ機構では対向する櫛歯間の距離が拡大し、逆に右側のモニタ機構では対向する櫛歯間の距離が縮小する。駆動用櫛歯固定電極２４及び２８に駆動ＡＣ電圧が印加されると、周囲に存在する浮遊容量によってカップリング電流としてモニタ用櫛歯電極に流れ、不要なモニタ出力として現れることがあるが、このような影響を上記差動式の構成によって排除又は抑制することができる。

また上述のように左右のモニタ電極を左右対称の構造としなかったことにより、左右の駆動質量体のモーメントに差異が生じるので、図１に示すように、左側の質量駆動体４にもフレーム３４と左右対称となるフレーム４０を設け、さらに左右の駆動質量体が左右対称構造となるように、電圧印加されないダミー櫛歯電極４２を設けることが好ましい。

図１に示すように、検出質量体１４は径方向外側に延びる櫛歯状の電極４４を有し、これに対向する検出モニタ用櫛歯固定電極４６及び４８が基板２に固定配置されている。詳細には、Ｘ−Ｙ平面の第１象限（図１の右上部）の領域に、該第１象限内の櫛歯電極４４に対向する検出モニタ用櫛歯固定電極４６が固定配置され、Ｘ−Ｙ平面の第２象限（図１の左上部）の領域に、該第２象限内の櫛歯電極４４に対向する検出モニタ用櫛歯固定電極４８が固定配置される。さらに、検出モニタ用櫛歯固定電極４６及び４８は、差動式モニタ機構を構成しており、具体的に言えば、検出質量体１４がＺ軸回りに時計方向に回転したときは、第１象限内では対向する櫛歯間の距離が拡大し、逆に第２象限内では対向する櫛歯間の距離が縮小する。これら２つの櫛歯間の容量変化の差を利用する差動構成により、検出質量体自体に発生している同相のノイズを相殺することができ、より高精度の測定を行うことができる。

またＸ−Ｙ平面の第３象限（図１の左下部）内及び第４象限（図１の右下部）内には、それぞれ、検出質量体１４の櫛歯電極４４に対向するＡＣ補正用櫛歯電極５０及び５２が基板２に固定配置される。該補正用櫛歯電極の形状自体は上述の検出モニタ用櫛歯固定電極と同等でよいが、その機能は、検出質量体１４の検出信号（検出モニタ用櫛歯固定電極４６及び４８の出力）に基づいて、検出質量体に１４に作用する力又はトルクを相殺する（つまり検出質量体１４が変位又は振動しないようにする）ことである。これについては後述する。

第１の実施形態に係る振動型ジャイロは、以下のようなマイクロマシニングプロセスを適用して作製することができる。

先ず、ガラス支持基板２とジャイロの可動部材との間に所定の間隙（図２、図３参照）が形成されるように、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置等を利用したドライエッチング処理をシリコン基板に施す。但し、ドライエッチングされてはいけない領域として、間隙を形成する部分以外については、半導体フォトリソグラフィ技術等を適用して、例えばレジストマスクを予め形成しておく。

次に、ガラス支持基板とシリコン基板とを陽極接合手法等により接合する。この段階で、シリコン基板側から研磨を行い、該シリコン基板を所定の厚さにするとともに、ボンディング用パッドとして必要とされる領域に、Ｃｒ＆Ａｕ等の導電性メタルの選択的スパッタリングを行い、電極パッド（図示せず）を形成する。

さらに、接合されたシリコン基板の表面側（研磨側）に、フォトレジスト等のマスク材料を利用して、図１の平面図で示されるレジストパターンを、フォトリソグラフィ技術を利用して作製する。この場合も、エッチングされてはいけない領域がレジストマスクにより保護される。

次に、ＲＩＥ装置等を利用したドライエッチングにより、シリコン基板の厚さ方向に貫通エッチングを行う。以上のようなマイクロマシニング技術を適用した製造プロセスにより、振動型ジャイロの基本構造を作製することができる。

このようにジャイロを構成する材料として必要なものはシリコン基板及びガラス基板のみであり、シリコン基板とほぼ同一の線膨張係数を有するガラス材料を使用することで、温度変化に対して構造的ひずみ（熱ひずみ）や応力（熱応力）が発生しにくくなり、構造的に安定かつ特性的にも優れた振動型ジャイロが提供可能となる。

次に、振動型ジャイロの動作について説明する。例えば、Ｘ軸方向に速度Ｖxで振動する質量Ｍの検出質量体にＺ軸回りの回転（回転角速度Ωz）が加わった場合に生じるＹ軸方向のコリオリ力Ｆyの絶対量は、
Ｆy＝２ΩzＭＶx
で表される。このため、コリオリ力Ｆyによる該検出質量体の変位を検出することで角速度を検出する振動型ジャイロでは、駆動質量体を速度Ｖxで励振させる必要がある。このための方式として、例えば静電力によるコームドライブ方式が利用される。

左側駆動質量体４と左側駆動用櫛歯電極２４との間、及び右側駆動質量体６と右側駆動用櫛歯電極２８との間に、ＤＣ電圧Ｖ_DCとＡＣ電圧Ｖ_ACとの和を印加すると、Ｖ_ACの電圧周期と等しい駆動力が発生する。一方、左右の駆動質量体４及び６は弾性の中央連結ばね１２により互いに連結されているので、互いにＸ方向に近づき又は離れる、いわゆる逆相振動の共振モードを有する。従って、Ｖ_ACの周波数をこの逆相振動モードの共振周波数と一致させて振動させることで、駆動質量体４及び６は、互いに接離する逆相振動を呈する。この振動の速度Ｖxは、左右の駆動モニタ用櫛歯電極３２及び３８により、静電容量変化として電気回路を通じて検出され、駆動振動振幅を一定にするためのＡＧＣ制御（Auto Gain Control）に利用される。

左右の駆動質量体４及び６が上記のようにＸ方向に逆相振動する場合、角速度Ωzが図１の紙面に垂直な方向（Ｚ方向）に作用すると、左右の駆動質量体には逆相のコリオリ力ＦyがＹ方向に生じる。このコリオリ力によって検出質量体１４にはＺ軸回りの回転トルクが作用し、検出質量体１４はＺ軸回りに回転変位振動する。この結果、検出質量体１４に設けた櫛歯電極４４と第１及び第２の検出モニタ用固定櫛歯電極４６及び４８との間の静電容量が差動で変化し、その差動容量変化を電気的に読み出すのであるが、本願発明では後述する位相検波回路等を用いてこの差動容量変化を打ち消す処理を行うことで、角速度Ωzを検出する。

図１に示す振動型ジャイロは、特許文献１に示したような構造のものとは異なり、左右の駆動質量体の駆動振動によって検出質量体が類似の振幅で振動（励振）するものではない。詳細には、特許文献１では、第１発振器（駆動質量体）の駆動振動により第２発振器（検出質量体）が駆動質量体と同程度に変位し、さらに検出質量体は固定電極と挟ギャップを形成して対向配置され、検出用の静電容量を形成している。このような構造では、ジャイロの製造プロセス、特にシリコンエッチングの誤差等により、上記狭ギャップにばらつきが生じ、左右検出質量体の共振周波数が異なることからも、駆動振動による容量変化によってクワドラチャーエラー（漏れ出力）が発生する。これに対し本実施形態では、駆動振動と検出振動とは実質的に分離されているため、角速度入力がないときの漏れ出力を大きく低減することができ、漏れ出力によるバイアス値やその変動を抑制することができる。

本発明の主たる特徴は、角速度が入力されているか否かに関わらず、検出質量体１４に作用する力又はトルクを相殺するための手段を有することであり、本実施形態では、該力又はトルクを相殺する逆トルクを検出質量体１４に与えるために、検出質量体１４に隣接させて設けた第１のＡＣ補正用櫛歯電極５０及び第２のＡＣ補正用櫛歯電極５２を利用する。

詳細には、ＡＣ補正用櫛歯電極５０及び５２に、ＡＣ抑制電圧を印加して検出質量体１４に作用する力又はトルクを相殺する静電力（静電引力）を発生させる一方で、該ＡＣ抑制電圧の制御振幅値を、ジャイロに入力されている角速度として検出することができる。なお図１に示すように、本実施形態では第３象限（左下）及び第４象限（右下）にそれぞれ補正用櫛歯電極を設けているが、該補正用櫛歯電極にＡＣ電圧を印加したときに、第３象限内では反時計回り、逆に第４象限内では時計回りのトルクが発生するように補正用櫛歯と検出質量体の櫛歯との位置関係が規定されており、これにより検出質量体の両方向の回転変位振動を効率よく抑制できるようになっている。

図４は、図１に示した振動型ジャイロ１、及び後述する振動型ジャイロ１０１に適用可能なフィードバック系回路を示すブロック図である。デジタル制御系に入る信号はＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）を通じて入力される。駆動系制御部（図示例では駆動系制御回路）６０（ＰＬＬ（Phase Locked Loop）＆ＡＧＣ）が駆動用櫛歯電極２４及び２８に関連付けられており、第１ＣＶ変換器６２がモニタ用櫛歯固定電極３２及び３８に関連付けられている。駆動系制御回路６０及び第１ＣＶ変換器６２により、駆動質量体４及び６が、規定された逆相周波数及び振幅で駆動制御される。

なお駆動系制御回路６０及び第１ＣＶ変換器６２の機能については、特許文献２に記載のものと同等でよいので、詳細な説明は省略するが、図中、「ＣＶ」は静電容量を電圧に変換する変換器、「ＡＤ」はアナログ／デジタル変換器、「ＤＡ」はデジタル／アナログ変換器、参照符号６３は乗算器を表す。また「ＰＩ」はＰＩ制御器を表すが、これは他の制御器（例えばＰＩＤ制御器等）でもよい。

一方、検出質量体１４の回転変位に伴う櫛歯電極４４と検出モニタ用櫛歯固定電極４６及び４８との間の容量変化は、第２ＣＶ変換器６４によって電圧に変換され、検出信号として位相検波部（図示例では位相検波回路（復調器））６６に送られる。位相検波回路６６は、検出質量体１４の変位を表す検出信号から、第１の位相を有する第１の検波信号と、第１の位相と位相が９０度異なる第２の位相を有する第２の検波信号とを生成し、これらの検波信号を抑制信号生成部６８に送る。

抑制信号生成部６８は、第１の検波信号及び第２の検波信号の少なくとも一方（図４の例では双方）に基づいて、ＡＣ補正用電極５０及び５２に印加すべきＡＣ抑制電圧に対応するＡＣ抑制信号を生成する。具体的には、第１の検波信号及び第２の検波信号が、それぞれＰＩ制御器（他の制御器（例えばＰＩＤ制御器等）でもよい）７０及び７２を経て、対応する位相の正弦波が乗算器７４及び７６によって乗算された後、加算器７８によって加算され、ＡＣ抑制信号として生成される。生成されたＡＣ抑制信号は、検出質量体１４に隣接配置されたＡＣ補正用電極５０及び５２に送られ、ＡＣ抑制信号に応じた差動のＡＣ抑制電圧がＡＣ補正用電極５０及び５２に印加される。つまり、生成されたＡＣ抑制信号は差動信号に変換され、その後ＡＣ補正用電極５０及び５２にそれぞれ差動で印加される。

ここで、ＡＣ抑制信号は、ＡＣ抑制電圧によってＡＣ補正用電極５０及び５２により生じる静電力が、入力角速度等によって検出質量体１４に作用する力又はトルクを相殺するように生成される。すなわち第１の実施形態では、角速度が入力されているか否かに関わらず、検出質量体１４が回転変位しないようにＡＣ抑制信号を生成する制御がなされ、ＡＣ抑制信号に含まれる制御振幅値が、振動型ジャイロ１に入力されている角速度として検出され、角速度信号（レート）として出力される。このようにして、角速度Ωに対応した出力が得られる。

このように本発明では、クローズドループ制御を使用し、検出質量体に実際に作用している力又はトルクを打ち消すような静電力を生じさせるＡＣ補正用電極が設けられる。また検出質量体は実質変位しないので、スケールファクターの線形性が悪化することもなく、広い周波数帯域に亘ってスケールファクターを一定に維持し、高いＳ／Ｎ比を実現することができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る振動型ジャイロ１０１の基本構造を示す平面図であり、図６は、ジャイロ１０１の左側の駆動質量体１０４内部の補正用電極の詳細を示す平面図である。第２の実施形態は左右の駆動質量体の内部構造を除けば第１の実施形態と同様である。故に第２の実施形態では、第１の実施形態と同等の構成要素についてはその参照符号に１００を付加した参照符号で表示し、詳細な説明は省略する。また第２の実施形態に係る振動型ジャイロ１０１も、第１の実施形態において説明したようなマイクロマシニングプロセスを適用して作製することができる。

第２の実施形態では、参照符号１５０及び１５２で示す櫛歯固定電極が機能的には、図１の実施形態のＡＣ補正用櫛歯電極５０及び５２に相当するが、第２の実施形態ではさらに、角速度信号に対して９０度異なる位相を有する不要信号（クワドラチャーエラー）を相殺するために、ＤＣ補正用櫛歯電極１５１ａ、１５１ｂ、１５５ａ及び１５５ｂを使用する。

具体的には、左側ＤＣ補正用櫛歯電極１５１ａ及び１５１ｂを左側の駆動質量体１０４に隣接させて（図示例では枠状の駆動質量体１０４の内周部近傍に）基板１０２に固定配置し、これらにそれぞれ対向する櫛歯電極１５３ａ及び１５３ｂを左側の駆動質量体１０４を構成する枠状部材の内周部に設けている。同様に、右側ＤＣ補正用櫛歯電極１５５ａ及び１５５ｂを右側の駆動質量体１０６に隣接させて（図示例では枠状の駆動質量体１０６の内周部近傍に）基板１０２に固定配置し、これらにそれぞれ対向する櫛歯電極１５７ａ及び１５７ｂを右側の駆動質量体１０６を構成する枠状部材の内周部に設けている。

通常、図６においてギャップｇ３及びｇ４で示すように、駆動用櫛歯固定電極１２４と駆動質量体に設けた櫛歯電極１２２との間のギャップは均等（ｇ３＝ｇ４）となるように設計される。駆動質量体１０４は、駆動支持梁１０８及び１１０に支持され、Ｘ方向にのみ可動となるように構成される。しかし、製造ばらつきによりｇ３とｇ４との間に有意差が生じると、ギャップの小さい側のＹ方向（図６では上下方向）についての静電力が大きくなり、Ｘ方向だけでなくＹ方向にも駆動力が生じてしまう。また、製造ばらつきにより駆動支持梁１０８及び１１０の剛性にばらつきが生じると、駆動質量体１０４がＹ方向にも微小に可動となることがある。このＹ方向に生じる駆動力や可動量の方向（符号）が左右の駆動質量体において逆であったり、同符号であっても大きさが異なったりすると、検出質量体１１４を回転させるトルクが生じる。

そこで、図６においてギャップｇ１及びｇ２で示すように、左側補正用櫛歯電極１５１ａ及び１５１ｂと、これらに対向する櫛歯電極１５３ａ及び１５３ｂとのギャップが不均等となる（図示例ではｇ１＜ｇ２）となるようにこれらの櫛歯電極が構成される。このようにすると、左側の補正用櫛歯電極１５１ａ及び駆動質量体１０４にそれぞれ電圧Ｖ₁及びＶmが印加されている場合、ＤＣ電圧差（Ｖ₁−Ｖm）によって左側の駆動質量体１０４には−Ｙ方向の力が作用する。一方、補正用櫛歯電極１５１ａより−Ｙ方向側に配置された左側の補正用櫛歯電極１５１ｂ及び駆動質量体１０４にそれぞれ電圧Ｖ₂及びＶmが印加されている場合、ＤＣ電圧差（Ｖ₂−Ｖm）によって左側の駆動質量体１０４には＋Ｙ方向の力が作用する。

ここで、クワドラチャー変位の方向に応じて両ＤＣ電圧差（すなわちＶ₁及びＶ₂）を調整することにより、クワドラチャー変位の原因となっている駆動用櫛歯電極１２４で発生するＹ方向静電力による回転トルクを打ち消す補正トルクを発生させることができる。また右側補正用櫛歯電極１５５ａ及び１５５ｂについても同様のことができ、故に４つの補正用電極において各補正用電極と駆動質量体とのＤＣ電圧差を調整することにより、効率的なクワドラチャーエラーの補償が可能となる。また補正トルクの位相に関しては、駆動質量体の駆動変位により、補正用櫛歯電極とこれらに対向する駆動質量体の櫛歯電極とのオーバーラップ面積が同相で増減するため、その面積に応じた静電力は駆動周波数にて発生する。従って第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、クワドラチャーエラーに対する補正トルクの位相調整が不必要となる利点がある。このことは、単に位相調整の工程が不要となるだけでなく、駆動系制御回路１６０が有する位相誤差や位相調整ミスによるクワドラチャーエラー補正誤差の発生をも防止できることを意味している。

なお駆動用櫛歯電極１２４及び１２６により発生するＹ方向の力は駆動質量体に回転トルクを与えるが、駆動用櫛歯電極１２４及び１２６の位置（すなわちＹ方向力の発生位置）と回転中心との距離が大きいとトルクも大きくなり、クワドラチャー回転変位も大きくなる。つまり、駆動用櫛歯電極１２４及び１２６は回転中心に近い方が好ましく、図５及び図６に示すように駆動質量体内部の中心寄りに設けられている。一方、補正用櫛歯固定電極１５１ａ、１５１ｂ、１５５ａ及び１５５ｂは、なるべく低いＤＣ電圧で高い補正トルクを生じさせる方が好ましいので、駆動質量体内部の回転中心からなるべく離れた位置に設けられている。

図７は、図５に示した振動型ジャイロ１０１に適用可能なフィードバック系回路を示すブロック図である。デジタル制御系に入る信号はＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）を通じて入力される。駆動系制御部（図示例では駆動系制御回路）１６０（ＰＬＬ（Phase Locked Loop）＆ＡＧＣ）が駆動用櫛歯電極１２４及び１２８に関連付けられており、第１ＣＶ変換器１６２がモニタ用櫛歯固定電極１３２及び１３８に関連付けられている。駆動系制御回路１６０及び第１ＣＶ変換器１６２により、駆動質量体１０４及び１０６が、規定された逆相周波数及び振幅で駆動制御される。

なお駆動系制御回路１６０及び第１ＣＶ変換器１６２の機能については、特許文献２に記載のものと同等でよいので、詳細な説明は省略するが、図中、「ＣＶ」は静電容量を電圧に変換する変換器、「ＡＤ」はアナログ／デジタル変換器、「ＤＡ」はデジタル／アナログ変換器、参照符号１６３は乗算器を表す。また「ＰＩ」はＰＩ制御器を表すが、これは他の制御器（例えばＰＩＤ制御器等）でもよい。

一方、検出質量体１１４の回転変位に伴う櫛歯電極１４４と検出モニタ用櫛歯固定電極１４６及び１４８との間の容量変化は、第２ＣＶ変換器１６４によって電圧に変換され、検出信号として位相検波部（図示例では位相検波回路（復調器））１６６に送られる。位相検波回路１６６は、検出質量体１１４の変位を表す検出信号から、第１の位相を有する第１の検波信号と、第１の位相と位相が９０度異なる第２の位相を有する第２の検波信号とを生成し、これらの検波信号を抑制信号生成部１６８に送る。

抑制信号生成部１６８は、第１の検波信号に基づいて、ＡＣ補正用電極１５０及び１５２に印加すべきＡＣ抑制電圧に対応するＡＣ抑制信号を生成する。具体的には、第１の検波信号が、ＰＩ制御器（他の制御器（例えばＰＩＤ制御器等）でもよい）１７０を経て、対応する位相の正弦波（sin(θ)）が乗算器１７４によって乗算された後、ＡＣ抑制信号として生成される。生成されたＡＣ抑制信号は、検出質量体１１４に隣接配置されたＡＣ補正用電極１５０及び１５２に送られ、ＡＣ抑制信号に応じた差動のＡＣ抑制電圧がＡＣ補正用電極１５０及び１５２に印加される。つまり、生成されたＡＣ抑制信号は差動信号に変換され、その後ＡＣ補正用電極１５０及び１５２にそれぞれ差動で印加される。

ここで、ＡＣ抑制信号は、ＡＣ抑制電圧によってＡＣ補正用電極１５０及び１５２により生じる静電力が、入力角速度等によって検出質量体１１４に作用する力又はトルクを相殺するように生成される。すなわち第２の実施形態でも、角速度が入力されているか否かに関わらず、検出質量体１１４が回転変位しないようにＡＣ抑制信号を生成する制御がなされ、ＡＣ抑制信号に含まれる制御振幅値が、振動型ジャイロ１０１に入力されている角速度として検出され、角速度信号（レート）として出力される。このようにして、角速度Ωに対応した出力が得られる。

一方、抑制信号生成部１６８は、第２の検波信号に基づいて、ＤＣ補正用電極１５１ａ、１５１ｂ、１５５ａ及び１５５ｂに印加すべきＤＣ抑制電圧に対応するＤＣ抑制信号も生成する。具体的には、第２の検波信号が、ＰＩ制御器（他の制御器（例えばＰＩＤ制御器等）でもよい）１７２を経て、ＤＣ抑制信号として生成される。生成されたＤＣ抑制信号は、左側駆動質量体１０４に隣接配置されたＤＣ補正用電極１５１ａ及び１５１ｂ、並びに右側駆動質量体１０６に隣接配置されたＤＣ補正用電極１５５ａ及び１５５ｂに送られ、ＤＣ抑制信号に応じた差動のＤＣ抑制電圧がこれらのＤＣ補正用電極に印加される。つまり、生成されたＤＣ抑制信号は差動信号に変換され、その後ＤＣ補正用電極１５１ａ及び１５１ｂ並びに１５５ａ及び１５５ｂにそれぞれ差動で印加される。ＤＣ抑制信号は、ＤＣ抑制電圧によってＤＣ補正用電極により生じる静電力が、角速度信号に対して９０度異なる位相を有する不要信号（クワドラチャーエラー）を相殺するように生成される。

第２の実施形態では、第１の実施形態と同様のＡＣ抑制制御に加え、クワドラチャーエラーの相殺を目的としたＤＣ抑制制御も行われるので、より高性能の振動型ジャイロを提供することができる。なお、図５に示したジャイロ１０１においてＡＣ抑制制御のみを行うことも可能であり、その場合は抑制信号生成部６８で生成されたＡＣ抑制信号がＡＣ補正用電極１５０及び１５２に送られる（図４）。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る振動型ジャイロ２０１の基本構造を示す平面図であり、図９は、図８のIV−IV線に沿った切断面を示す断面図である。各図において、参照符号２０２はガラス等の絶縁材料からなる支持基板を示しており、振動型ジャイロ１の他の構造部材はシリコンの単結晶から作製される。図８に示す振動型ジャイロにおいて、支持基板２０２の上に、シリコンの単結晶からなる左右の駆動質量体２０４及び２０６（左側を２０４とする）の各々が、Ｙ方向に延びる少なくとも１つ（図示例では４つ）の駆動支持梁２０８及び２１０に支持される。駆動支持梁２０８及び２１０は、駆動質量体２０４及び２０６が基板２０２の面内方向かつ左右方向である駆動方向（Ｘ方向）に可動となるように、その剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成されている。また左右の駆動質量体２０４及び２０６は、弾性結合要素である中央連結ばね２１２により互いに結合されている。

駆動質量体２０４及び２０６に接続されていない駆動支持梁２０８及び２１０の他端は、駆動質量体２０４及び２０６を囲繞するように設けられた略リング形状の検出質量体２１４に接続されている。検出質量体２１４は、少なくとも１つ（図示例では４つ）の検出支持梁２１６に支持され、各支持梁２１６の他端は基板２に接合された周辺部アンカー２１８に接続されている。なお図中において、黒く塗り潰した部分は基板２０２に固定されている部分を示し、他の部分（白抜き部分等）は基板に固定されていない又は可動部分を示す。

検出質量体２１４を支持する検出支持梁２１６は、基板２の面に垂直なＺ方向回りに回転振動が可能となるように、その回転方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成されている。なおこの場合、図示例の中央連結ばね２１２は上下各２つの梁からなる。なお、断面図９からもわかるように、駆動質量体２０４及び２０６、駆動支持梁２０８及び２１０、中央連結梁２１２、検出質量体２１４、並びに検出支持梁２１６は、基板２０２と所定の間隔を有して対向配置されている。

図８の破線枠内の詳細構造を表した図９に示すように、左側の駆動質量体２０４は、略矩形の枠状部材であり、その外側寄りの側（中央に遠い側）から中央側に向けて延びる櫛歯状の電極２２０を有し、これに対向する左側駆動用櫛歯固定電極２２２が基板２０２に固定配置されており、これにより左側の質量駆動体２０４を左右方向（Ｘ方向）に駆動振動させることができる。同様に、右側の駆動質量体２０６は、略矩形の枠状部材であり、その外側寄りの側（中央に遠い側）から中央側に向けて延びる櫛歯状の電極（図示せず）を有し、これに対向する右側駆動用櫛歯固定電極（図示せず）が基板２０２に固定配置されており、これにより右側の質量駆動体２０６を左右方向（Ｘ方向）に駆動振動させることができる。なお図８からわかるように、左右の駆動質量体２０４及び２０６は、中央線Ｂに対して互いに概ね対称となっている。

左側の駆動質量体２０４は、その中央寄りの側から反中央側に向けて延びる櫛歯状の電極２２４を有し、これに対向する左側駆動モニタ用櫛歯固定電極２２６が基板２０２に固定配置されており、これにより左側の駆動質量体２０４の変位量を測定できる。また右側の駆動質量体は、その中央寄りの側に設けられたフレーム２２８（図１参照）の反中央側から中央側に向けて延びる櫛歯状の電極（図示せず）を有し、これに対向する右側駆動モニタ用櫛歯固定電極（図示せず）が基板２０２に固定配置されており、これにより右側の駆動質量体２０６の変位量を測定できる。

図８に示すように、検出質量体２１４は径方向外側に延びる櫛歯状の電極２３０を有し、これに対向する検出モニタ用櫛歯固定電極２３２及び２３４が基板２０２に固定配置されている。詳細には、Ｘ−Ｙ平面の左側（−Ｘ方向側）の領域に、櫛歯電極２３０に対向する検出モニタ用櫛歯固定電極２３２が固定配置され、Ｘ−Ｙ平面の右側（＋Ｘ方向側）の領域に、櫛歯電極２３０に対向する検出モニタ用櫛歯固定電極２３４が固定配置される。さらに、検出モニタ用櫛歯固定電極２３２及び２３４は、差動式モニタ機構を構成しており、具体的に言えば、検出質量体２１４がＺ軸回りに時計方向に回転したときは、左側では対向する櫛歯間の距離が縮小し、逆に右側では対向する櫛歯間の距離が拡大する。これら２つの櫛歯間の容量変化の差を利用する差動構成により、検出質量体自体に発生している同相のノイズを相殺することができ、より高精度の測定を行うことができる。

また基板２０２の＋Ｙ方向側には、検出質量体２１４の櫛歯電極２３０に対向する周波数調整用櫛歯固定電極２３６が固定配置される。周波数調整用櫛歯固定電極２３６の形状は、上述の検出モニタ用櫛歯電極２３２及び２３４とは異なり、角速度入力がない状態において、対向する櫛歯２３０の各々と、これに隣接する両側の櫛歯２３６との間隔が等距離となる（すなわち、隣接する櫛歯２３６間の中央に櫛歯２３０が位置する）ように構成される。周波数調整用櫛歯固定電極２３６の機能は、検出系共振周波数を調整して駆動系共振周波数に一致させることであるが、これについては後述する。

第３の実施形態に係る振動型ジャイロ２０１も、第１の実施形態において説明したようなマイクロマシニングプロセスを適用して作製することができる。

図１０は左側駆動質量体２０４の内部構造の詳細を示し、図１１は図１０のＶ−Ｖ線に沿った断面図を示す。上側のＤＣ補正用櫛歯固定電極２４０ａは、左側駆動質量体２０４の内側であって、検出質量体の回転中心Ｃから最も離れた駆動質量体２０４の部位（ここでは枠状の駆動質量体２０４を構成する４辺のうち検出質量体の回転中心Ｃから最も離れた辺２０４ａの＋Ｙ方向寄りの部位）から回転中心側に向けて延びる櫛歯電極２４２ａと対向するように構成された固定櫛歯電極２４４ａと、枠状の駆動質量体２０４を構成する４辺のうちＸ方向に延びる、上側の辺２０４ｂから−Ｙ方向に延びる部材２０４ｃから、反中央側に向けて延びる櫛歯電極２４６ａと対向するように構成された固定櫛歯電極２４８ａとを有する。

同様に、下側のＤＣ補正用櫛歯固定電極２４０ｂは、左側駆動質量体２０４の内側であって、検出質量体の回転中心Ｃから最も離れた駆動質量体２０４の部位（ここでは枠状の駆動質量体４を構成する４辺のうち検出質量体の回転中心Ｃから最も離れた辺２０４ａの−Ｙ方向寄りの部位）から回転中心側に向けて延びる櫛歯電極２４２ｂと対向するように構成された固定櫛歯電極２４４ｂと、枠状の駆動質量体２０４を構成する４辺のうちＸ方向に延びる、下側の辺２０４ｄから＋Ｙ方向に延びる部材２０４ｅから、反中央側に向けて延びる櫛歯電極２４６ｂと対向するように構成された固定櫛歯電極２４８ｂとを有する。すなわち補正用櫛歯固定電極２４０ａ及び２４０ｂの各々は、左右の駆動質量体の駆動振動方向であるＸ方向について、互いに反対方向に延びる対の櫛歯構造を有する。右側の駆動質量体についても同様である。

このように、左側駆動質量体２０４の内部に設けた２つのＤＣ補正用櫛歯固定電極２４０ａ及び２４０ｂは、基板２０２に平行かつ駆動質量体の振動方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）に並列配置され、補正用櫛歯固定電極２４０ａ及び２４０ｂの各々が、駆動質量体２０４がＸ方向に変位した際に、駆動質量体２０４に設けた櫛歯電極とのオーバーラップ長Ｌが増加する部分と減少する部分の双方を具備している。さらに、上側の補正用櫛歯固定電極２４０ａの櫛歯電極２４４ａと駆動質量体の櫛歯電極２４２ａとの間のギャップは、これら電極間にＤＣ電位差を有する場合において、駆動質量体２０４に対して−Ｙ方向の静電力を発生させるように、一方のギャップが狭く設計されている。また上側の補正用櫛歯固定電極２４０ａの櫛歯電極２４８ａと駆動質量体の櫛歯電極２４６ａとの間のギャップは、これら電極間にＤＣ電位差を有する場合において、駆動質量体２０４に対して＋Ｙ方向の静電力を発生させるように、一方のギャップが狭く設計されている。

一方、下側の補正用櫛歯固定電極２４０ｂの櫛歯電極２４４ｂと駆動質量体の櫛歯電極２４２ｂとの間のギャップは、これら電極間にＤＣ電位差を有する場合において、駆動質量体２０４に対して＋Ｙ方向の静電力を発生させるように、一方のギャップが狭く設計されている。また、下側の補正用櫛歯固定電極２４０ｂの櫛歯電極２４８ｂと駆動質量体の櫛歯電極２４６ｂとの間のギャップは、これら電極間にＤＣ電位差を有する場合において、駆動質量体２０４に対して−Ｙ方向の静電力を発生させるように、一方のギャップが狭く設計されている。

また図１０に示すように、左側の駆動質量体２０４の補正量櫛歯固定電極２４０ａ及び２４０ｂは、駆動質量体２０４の内部の最も左側（反回転中心側）の領域に、かつＹ方向に（Ａ−Ａ線に沿って）整列配置されることが好ましい。この理由は、補正用トルクＴは静電力Ｆと回転中心Ｃまでの距離Ｌａとの積となる（Ｔ＝Ｆ×Ｌａ）ので、Ｌａをなるべく大きくすれば少ない対数の補正用電極でも大きなトルクが得られるからである。右側の駆動質量体についても同様である。

また図８に示すように、振動型ジャイロ２０１は、第１の実施形態におけるＡＣ補正用電極５０及び５２、並びに第２の実施形態におけるＡＣ補正用電極１５０及び１５２と同等の機能を有するＡＣ補正用櫛歯電極２７８及び２８０を有する。図８の例では、ＡＣ補正用電極２７８及び２８０は、検出質量体２１４の櫛歯電極２３０に対向する櫛歯を有するとともに、中央線Ｂに関して互いに左右対称となるように基板２０２に設けられる。

図１２は、図８に示した振動型ジャイロ２０１に適用可能なフィードバック系回路を示すブロック図である。デジタル制御系に入る信号はＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器）を通じて入力される。駆動系制御部（図示例では駆動系制御回路）２６０（ＰＬＬ（Phase Locked Loop）＆ＡＧＣ）が駆動用櫛歯電極２２２及び２５２に関連付けられており、第１ＣＶ変換器２６２がモニタ用櫛歯固定電極２２６及び２５６に関連付けられている。駆動系制御回路２６０及び第１ＣＶ変換器２６２により、駆動質量体２０４及び２０６が、規定された逆相周波数及び振幅で駆動制御される。

なお駆動系制御回路２６０及び第１ＣＶ変換器２６２の機能については、それぞれ第１の実施形態における駆動系制御回路６０及び第１ＣＶ変換器６２と同等でよいので、詳細な説明は省略するが、図中、「ＣＶ」は静電容量を電圧に変換する変換器、「ＡＤ」はアナログ／デジタル変換器、「ＤＡ」はデジタル／アナログ変換器、参照符号２６３は乗算器を表す。また「ＰＩ」はＰＩ制御器を表すが、これは他の制御器（例えばＰＩＤ制御器等）でもよい。

一方、検出質量体２１４の回転変位に伴う櫛歯電極２３０と検出モニタ用櫛歯固定電極２３２及び２３４との間の容量変化は、第２ＣＶ変換器２６４によって電圧に変換され、検出信号として位相検波部（図示例では位相検波回路（復調器））２６６に送られる。位相検波回路２６６は、検出質量体２１４の変位を表す検出信号から、第１の位相を有する第１の検波信号と、第１の位相と位相が９０度異なる第２の位相を有する第２の検波信号とを生成し、これらの検波信号を抑制信号生成部２６８に送る。

抑制信号生成部２６８は、第１の検波信号に基づいて、ＡＣ補正用電極２７８及び２８０に印加すべきＡＣ抑制電圧に対応するＡＣ抑制信号を生成する。具体的には、第１の検波信号が、ＰＩ制御器（他の制御器（例えばＰＩＤ制御器等）でもよい）２７０を経て、対応する位相の正弦波（sin(θ)）が乗算器２７４によって乗算された後、ＡＣ抑制信号として生成される。生成されたＡＣ抑制信号は、検出質量体２１４に隣接配置されたＡＣ補正用電極２７８及び２８０に送られ、ＡＣ抑制信号に応じた差動のＡＣ抑制電圧がＡＣ補正用電極２７８及び２８０に印加される。つまり、生成されたＡＣ抑制信号は差動信号に変換され、その後ＡＣ補正用電極２７８及び２８０にそれぞれ差動で印加される。

ここで、ＡＣ抑制信号は、ＡＣ抑制電圧によってＡＣ補正用電極２７８及び２８０により生じる静電力が、入力角速度等によって検出質量体２１４に作用する力又はトルクを相殺するように生成される。すなわち第３の実施形態でも、角速度が入力されているか否かに関わらず、検出質量体２１４が回転変位しないようにＡＣ抑制信号を生成する制御がなされ、ＡＣ抑制信号に含まれる制御振幅値が、振動型ジャイロ２０１に入力されている角速度として検出され、角速度信号（レート）として出力される。このようにして、角速度Ωに対応した出力が得られる。

一方、抑制信号生成部２６８は、第２の検波信号に基づいて、ＤＣ補正用電極２４０ａ、２４０ｂ、２７０ａ及び２７０ｂに印加すべきＤＣ抑制電圧に対応するＤＣ抑制信号も生成する。具体的には、第２の検波信号が、ＰＩ制御器（他の制御器（例えばＰＩＤ制御器等）でもよい）２７２を経て、ＤＣ抑制信号として生成される。生成されたＤＣ抑制信号は、左側駆動質量体２０４に隣接配置されたＤＣ補正用電極２４０ａ及び２４０ｂ、並びに右側駆動質量体２０６に隣接配置されたＤＣ補正用電極２７０ａ及び２７０ｂに送られ、ＤＣ抑制信号に応じた差動のＤＣ抑制電圧がこれらのＤＣ補正用電極に印加される。つまり、生成された単相のＤＣ抑制信号は差動信号に変換され、その後ＤＣ補正用電極２４０ａ及び２４０ｂ並びに２７０ａ及び２７０ｂにそれぞれ差動で印加される。ＤＣ抑制信号は、ＤＣ抑制電圧によってＤＣ補正用電極により生じる静電力が、角速度信号に対して９０度異なる位相を有する不要信号（クワドラチャーエラー）を相殺するように生成される。

クワドラチャーエラーの補正指針として利用する直交バイアス値は、角速度入力が交流的（ＡＣ的）である場合は、駆動系共振周波数と検出系共振周波数との周波数差（Δｆ）に依存して、ＡＣ角速度入力に応じた誤差を発生させる。このため、バイアス変動の抑制には、Δｆを調整してゼロにすることが多大な効果を奏する。そこで第３の実施形態ではさらに、駆動系共振周波数と検出系共振周波数との周波数差（Δｆ）を低減し又はゼロにする（いわゆるモードマッチを行う）手段を有する。具体的には、周波数調整用固定電極２３６に関連付けられた周波数調整部２８２を設け、周波数調整用固定電極２３６に、検出質量体２１４とは異なるＤＣ電圧を加えることにより、検出系の共振周波数を低い値に調整することができる。なお駆動系共振周波数は例えば、左右の駆動用櫛歯固定電極２２２及び２５２に駆動電圧を加え、第１ＣＶ変換器２６２の出力をモニタし、駆動電圧との位相関係が９０度遅れとなる駆動周波数を調べることで特定可能である。一方、検出系共振周波数は例えば、第２ＣＶ変換器２６４の出力をモニタし、駆動電圧との位相関係が９０度遅れとなる駆動周波数を調べることで特定可能である。このような周波数調整手段を用いてΔｆを最小化することにより、角速度入力Ωが交流（ＡＣ）的である場合においても、制御誤差が抑制される。

また、共振周波数の調整（モードマッチ）を行うことにより、検出質量体の応答振幅が大きくなり、角速度入力Ωに対して大きな信号を検出することが可能となる。その結果、相対的に第２ＣＶ変換器２６４及びその他の検出系回路の回路雑音の影響を低減でき、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。一方、モードマッチを行った場合には、検出質量体の応答振幅が大きくなる代わりに、角速度入力Ωに対する応答振幅の線形性の悪化や、角速度入力Ωが交流（ＡＣ）的である場合には応答速度の低下による周波数帯域の狭小化が起こるが、本発明ではＡＣ抑制制御及びＤＣ抑制制御によって検出質量体が実質変位しないような制御を行うことによって、線形性の悪化を抑え、広い周波数帯域を実現することができる。

第３の実施形態では、第１及び第２の実施形態と同様のＡＣ抑制制御と、第２の実施形態と同様のＤＣ抑制制御に加え、共振周波数の調整（モードマッチ）も行うことができる。モードマッチを行うことにより、ジャイロの回路ノイズを低減でき、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。なお、図８に示したジャイロ２０１においてＤＣ抑制制御を行わない形態も可能であり、そのような形態は、図１２における抑制信号生成部２６８が、第１の実施形態における抑制信号生成部６８と同等のものに置換することで実現可能である。

以上、本発明の好適な実施形態として、角速度により発生するコリオリ力よって回転励振されるように構成された検出質量体と、該検出質量体の内側に設けられ、互いに逆相で振動する一対の駆動質量体とを有する振動型ジャイロが説明されたが、本発明の適用対象はこのようなジャイロに限られず、角速度入力によって変位し得る検出質量体を有するものであればどのようなジャイロにも適用できる。また、駆動質量体と検出質量体が実質一体の構造体となっており、当該構造体が駆動質量体と検出質量体の双方の機能を具備するようなタイプの振動型ジャイロも本発明の適用対象に含まれる。

１、１０１、２０１ 振動型ジャイロ
２、１０２、２０２ 基板
４、６、１０４、１０６、２０４、２０６ 駆動質量体
１２、１１２、２１２ 中央連結ばね
１４、１１４、２１４ 検出質量体
２４、２８、１２４、１２８、２２２、２５２ 駆動用櫛歯固定電極
３２、３８、１３２、１３８、２２６、２５６ 駆動モニタ用櫛歯固定電極
４６、４８、１４６、１４８、２３２、２３４ 検出モニタ用櫛歯固定電極
５０、５２、１５０、１５２、２７８、２８０ ＡＣ補正用櫛歯電極
６０、１６０、２６０ 駆動系制御回路
６２、６４、１６２、１６４、２６２、２６４ ＣＶ変換器
６６、１６６、２６６ 位相検波回路
６８、１６８、２６８ 抑制信号生成部
１５１ａ、１５１ｂ、１５５ａ、１５５ｂ、２４０ａ、２４０ｂ、２７０ａ、２７０ｂ ＤＣ補正用櫛歯電極
２３６ 周波数調整用櫛歯固定電極
２８２ 周波数調整部

Claims (4)

1. 駆動振動する駆動質量体と、角速度により発生するコリオリ力よって変位するように構成された検出質量体と、を備えた振動型ジャイロであって、
   前記検出質量体の変位を表す検出信号から、第１の位相を有する第１の検波信号、及び前記第１の位相と位相が９０度異なる第２の位相を有する第２の検波信号を生成する位相検波回路と、
   前記第１の検波信号及び前記第２の検波信号の少なくとも一方に基づいて、ＡＣ抑制信号を生成する抑制信号生成部と、
   前記検出質量体に隣接配置され、前記ＡＣ抑制信号に応じて印加されたＡＣ抑制電圧によって静電力を生じさせるＡＣ補正用電極と、を有し、
   前記抑制信号生成部は、前記ＡＣ補正用電極により生じる静電力が前記検出質量体に作用する力又はトルクを相殺するように前記ＡＣ抑制信号を生成し、
   前記ＡＣ抑制信号に含まれる制御振幅値が、前記振動型ジャイロに入力されている角速度として検出される、振動型ジャイロ。
2. 前記抑制信号生成部は、前記第１の検波信号に基づいて前記ＡＣ抑制信号を生成するとともに、前記第２の検波信号に基づいてＤＣ抑制信号を生成し、
   前記振動型ジャイロは、前記駆動質量体に隣接配置され、前記ＤＣ抑制信号に応じて印加されたＤＣ抑制電圧によって静電力を生じさせるＤＣ補正用電極をさらに有し、
   前記抑制信号生成部は、前記ＤＣ補正用電極により生じる静電力が、角速度信号に対して９０度異なる位相を有する不要信号を相殺するように前記ＤＣ抑制信号を生成する、請求項１に記載の振動型ジャイロ。
3. 前記検出質量体の検出系共振周波数を調整するために、印加されたＤＣ電圧によって静電力を前記検出質量体に作用させるように構成された周波数調整用電極をさらに有する、請求項１又は２に記載の振動型ジャイロ。
4. 前記検出質量体は、第２の支持梁により支持基板に固定され、角速度により発生するコリオリ力よって平面に直交する軸線回りに回転励振されるように構成され、
   前記駆動質量体は、前記平面内の一方向に駆動振動できるように、前記検出質量体の内側に第１の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備え、
   前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように、前記駆動振動の方向に弾性を有する連結ばねによって互いに連結され、
   前記検出質量体は、前記左右の駆動質量体の駆動振動によっては前記駆動振動の方向に励振されないように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動型ジャイロ。

Images