JP2016200512A - ジャイロセンサの角速度の取得方法及び取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可動体に強制振動を継続的に与えることなく的確な検出動作を行うことが可能なジャイロセンサの角速度の取得方法を提供する。【解決手段】 実施形態に係るジャイロセンサの角速度の取得方法は、第１の方向に振動している可動体に働くコリオリ力に基づく第２の方向の振動の振幅に依存する所定物理量を検出することと（Ｓ１３）、検出された所定物理量に基づいて可動体の角速度を算出することと（Ｓ１５）、を備え、所定物理量は、コリオリ力に基づく第２の方向の振動が非定常状態であるときに検出される。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、ジャイロセンサの角速度の取得方法及び取得装置に関する。

ＭＥＭＳ（micro electro-mechanical systems）技術を用いて形成されたジャイロセンサでは、振動している可動体に働くコリオリ力に基づく振動の振幅から角速度が取得される。

しかしながら、従来のジャイロセンサでは、可動体に強制振動を継続的に与えている。そのため、消費電力が大きくなるといった問題がある。

米国特許第６９２８８７２号明細書

可動体に強制振動を継続的に与えることなく的確な検出動作を行うことが可能なジャイロセンサの角速度の取得方法及び取得装置を提供する。

実施形態に係るジャイロセンサの角速度の取得方法は、第１の方向に振動している可動体に働くコリオリ力に基づく第２の方向の振動の振幅に依存する所定物理量を検出することと、前記検出された所定物理量に基づいて前記可動体の角速度を算出することと、を備え、前記所定物理量は、前記コリオリ力に基づく第２の方向の振動が非定常状態であるときに検出される。

実施形態に係るジャイロセンサの構成を模式的に示した平面図である。 実施形態の変更例に係るジャイロセンサの構成を模式的に示した平面図である。 実施形態に係り、コリオリ力による可動体の振動を示した図である。 実施形態に係るジャイロセンサ及びジャイロセンサの角速度の取得装置の構成を示した図である。 実施形態に係るジャイロセンサの角速度の取得方法を示したフローチャートである。 実施形態に係るジャイロセンサの初期状態を示した図である。 実施形態に係るジャイロセンサの振動開始後の状態を示した図である。 実施形態に係るジャイロセンサの振動開始後の状態を示した図である。 実施形態に係るジャイロセンサのコリオリ力に基づくｘ方向の振動状態を示した図である。 実施形態の変更例に係るジャイロセンサの構成を模式的に示した平面図である。 実施形態の変更例に係るジャイロセンサの初期状態を示した図である。 実施形態の変更例に係るジャイロセンサの振動開始後の状態を示した図である。 実施形態の変更例に係るジャイロセンサの振動開始後の状態を示した図である。 実施形態に係る検出回路の構成を示した電気回路図である。 実施形態に係るジャイロセンサのコリオリ力に基づくｘ方向の振動状態を示した図である。 実施形態に係り、可動体のｘ方向の共振角周波数とｙ方向の共振角周波数とが異なる場合の、非定常状態における可動体のｘ方向の振動波形及びｘ方向の減衰係数を示した図である。 図８Ａのパラメータを示した図である。 実施形態に係り、可動体のｘ方向の共振角周波数とｙ方向の共振角周波数とが等しい場合（或いは、ほぼ等しい場合）の、非定常状態における可動体のｘ方向の振動波形及びｘ方向の減衰係数を示した図である。 図９Ａのパラメータを示した図である。 実施形態に係り、ダンピングファクターが非常に小さい場合の、可動体のｘ方向の振動波形及びｘ方向の減衰係数を示した図である。 実施形態に係り、検出動作を１ｍｓｅｃ以内に終了させるための条件、及び、うなりの振幅が大きいときに検出を行うための条件について示した図である。 実施形態に係り、振動の減衰が十分に遅いための条件について示した図である。 実施形態に係り、定常状態の振幅よりもうなりの振幅を大きくするための条件について示した図である。 実施形態に係り、振動を停止させるタイミングについて示した図である。 図１４Ａの比較例について示した図である。 実施形態に係るジャイロセンサを半導体基板上に形成したときの構成例を模式的に示した平面図である。 実施形態に係るジャイロセンサを半導体基板上に形成したときの構成例を模式的に示した断面図である。 実施形態に係るジャイロセンサを半導体基板上に形成したときの他の構成例を模式的に示した断面図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１Ａは、実施形態に係るジャイロセンサの構成を模式的に示した平面図である。ジャイロセンサは、ＭＥＭＳ技術を用いて形成されている。

図１Ａに示したジャイロセンサ１０は、可動体（可動部）１１として、ｙ方向可動部１１ｙ及びｘ方向可動部１１ｘを備えている。ｙ方向可動部１１ｙは可動体１１のｙ方向マス（mass）を構成し、ｘ方向可動部１１ｘは可動体１１のｘ方向マス（mass）を構成する。ｘ方向可動部１１ｘは、３つの部分１１ｘａ、１１ｘｂ及び１１ｘｃで構成された可動電極部１１ｘｍを含んでいる。

ｙ方向可動部１１ｙとアンカー部（固定部）１２との間には、バネ部１３が設けられている。ｙ方向可動部１１ｙとｘ方向可動部１１ｘとの間には、バネ部１４が設けられている。

ｘ方向可動部１１ｘのパターンの内側には、固定電極部１５が設けられている。本実施形態では、固定電極部１５は４つの部分１５ａ、１５ｂ、１５ｃ及び１５ｄで構成されている。

ｙ方向可動部１１ｙには突起部１６が設けられており、突起部１６の延長線上にはストッパー１７が設けられている。また、突起部１６の近傍には駆動電極１８が設けられている。ストッパー１７の電位は、スティクションを防ぐために、可動体１１の電位と同電位或いはフローティングとなっている。なお、本実施形態ではストッパー１７を設けているが、図１Ｂに示すように、ストッパー１７を設けなくてもよい。

可動体１１が回転運動をしている最中に可動体１１がｙ方向（第１の方向）に振動すると、コリオリ力によって可動体１１がｘ方向（第２の方向）に振動する。一般的に、角速度はコリオリ力に基づくｘ方向の振動の振幅に比例する。したがって、ｘ方向の振動の振幅から可動体１１の回転運動の角速度を算出することができる。

具体的には、コリオリ力によって可動体１１のｘ方向可動部１１ｘがｘ方向に振動すると、固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間の距離が振動に応じて変化する。固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間の距離が変化すると、固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間のキャパシタンスが変化する。このキャパシタンスの変化を検出することで、固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間の距離を求めることができ、可動体１１のｘ方向の振動の振幅を求めることができる。

図２は、コリオリ力による可動体１１のｘ方向の振動を示した図である。横軸は時間であり、縦軸はｘ方向の振幅比（定常状態の振幅に対する振幅比）である。

図２に示すように、非定常状態の振動が生じた後、定常状態の振動に移行する。本実施形態では、コリオリ力に基づくｘ方向の振動が非定常状態であるときに、ｘ方向の振動の振幅を検出する。通常は、後述するように、コリオリ力に基づくｘ方向の振動の振幅に依存する所定物理量を検出する。例えば、所定物理量は、固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間のキャパシタンスに基づく物理量である。そして、検出された所定物理量に基づいて可動体１１の角速度が算出される。

従来は、ｘ方向の振動が定常状態であるときに、ｘ方向の振動の振幅を検出するようにしていた。しかしながら、振動が定常状態に達するまでには一定時間が必要である。また、ジャイロセンサの検出動作は短い周期で行う必要がある。したがって、可動体に強制振動を継続的に与えた状態で検出動作を行う必要がある。すなわち、強制振動を停止させることなく検出動作を行う必要がある。このように、従来の方法では、可動体に強制振動を継続的に与えているため、消費電力が大きくなってしまう。

本実施形態では、コリオリ力に基づく振動が非定常状態であるときに、振動の振幅を検出する。そのため、短時間の振動で振動の振幅を検出することができ、振動を継続させる必要がない。したがって、本実施形態では、可動体に強制振動を継続的に与えることなく的確な検出動作を行うことが可能である。その結果、消費電力を大幅に低減することが可能である。

図３は、本実施形態に係るジャイロセンサ及びジャイロセンサの角速度の取得装置の構成を示した図である。なお、図３では、バネ部１３及びバネ部１４を簡略化して描いている。

図３において、駆動電圧供給回路３１は、駆動電極１８に駆動電圧を供給するものである。駆動電極１８に駆動電圧を供給することで、可動体１１をｙ方向に強制振動させることができる。また、駆動電圧供給回路３１から駆動電極１８に所定の定電圧を与えることで、突起部１６をストッパー１７に固定させることができる。

検出部３２は、ｙ方向に振動している可動体１１に働くコリオリ力に基づくｘ方向の振動の振幅に依存する所定物理量を検出するものである。本実施形態では、所定物理量は、固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間のキャパシタンスに基づく物理量である。具体的には、検出部３２では、固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間の電位差を検出している。電位差の検出の詳細については後述する。

角速度算出部３３では、検出部３２で検出された所定物理量（キャパシタンスに基づく物理量）に基づいて可動体１１の角速度を算出する。

図４は、本実施形態に係るジャイロセンサの角速度の取得方法を示したフローチャートである。なお、以下では、可動体１１に強制振動を与えない場合について説明する。

まず、ジャイロセンサ１０を初期状態に設定する（Ｓ１１）。図５Ａは、ジャイロセンサ１０の初期状態を示した図である。図５Ａに示すように、突起部１６がストッパー１７に接触した状態で可動体１１が静止している。具体的には、駆動電極１８と可動体１１との間に適当な電位差（例えば、２０Ｖ）を与えることで、突起部１６がストッパー１７に接触するようにしている。このときの可動体１１のｙ方向の変位量は、例えば２０μｍ程度である。ストッパー１７は、所定物理量を検出した後に可動体１１のｙ方向の振動を停止させる振動停止部として機能する。したがって、ストッパー１７により、可動体１１は前回の振動が停止したときの状態を維持している。

次に、ジャイロセンサ１０のｙ方向の振動を開始する（Ｓ１２）。具体的には、駆動電極１８と可動体１１との間の電位差をゼロにしてストッパー１７から可動体１１をリリースすることで、可動体１１のｙ方向の振動が開始される。すなわち、可動体１１のｙ方向の振動は、バネ１３の力に逆らって可動体１１をｙ方向に強制的に変位させた状態から開始される。その結果、図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、可動体１１はｙ方向に振動する。振動のＱ値が大きい場合には、可動体１１に強制振動を与えなくても、ある程度の長い期間にわたって振動を継続させることができる。可動体１１に強制振動を与えない場合には、強制振動のための回路動作が不要となるため、消費電力を大幅に削減することが可能である。

可動体１１がｙ方向に振動している最中に可動体１１が回転運動をしていると、コリオリ力によって可動体１１がｘ方向に振動する。すでに述べたように、可動体１１がｘ方向に振動すると、図５Ｄに示すように、固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間の距離が変化し、固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間のキャパシタンスが変化する。このキャパシタンスの変化を検出部３２で検出し、可動体１１のｘ方向の振動の振幅を求める。すなわち、検出部３２では、コリオリ力に基づくｘ方向の振動の振幅に依存する所定物理量（キャパシタンスに基づく物理量）を検出する（Ｓ１３）。

検出部３２で所定物理量を検出した後、可動体１１のｙ方向の振動を停止させる（Ｓ１４）。具体的には、可動体１１のｘ方向の振動の振幅のピークを検出した後であって、可動体１１のｘ方向の振動が定常状態に達する前に、可動体１１のｙ方向の振動を停止させる。

可動体１１のｙ方向の振動は、振動停止部として機能するストッパー１７によって可動体１１を捕捉することで停止する。具体的には、駆動電極１８と可動体１１との間に適当な電位差を与え、可動体１１のｙ方向の振動の振幅がピークに達したときに可動体１１の突起部１６を捕捉することで、振動を停止させる。このように、ｙ方向の振動の振幅がピークに達したときに振動を停止させることで、次の振動の開始時に可動体１１を引き上げるためのエネルギーが不要になるため、消費電力を低減させることができる。

可動体１１の角速度は、角速度算出部３３により、検出された所定物理量に基づいて算出される（Ｓ１５）。具体的には、可動体１１の角速度は、可動体１１のｘ方向の振動の振幅がピークであるときに検出された所定物理量に基づいて算出される。

すでに述べたように、所定物理量は、固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間のキャパシタンスに基づく物理量であり、検出部３２では、固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間の電圧差（電位差）を検出している。後述するように、固定電極部１５と可動電極部１１ｘｍとの間の電圧差を検出する際には、差動電圧の検出を行っている。例えば、固定電極部１５ａと可動電極部１１ｘａとの間の電位差Ｖａと、固定電極部１５ｂと可動電極部１１ｘｂとの間の電位差Ｖｂを検出し、差動電圧としてＶａとＶｂとの電位差を求める。可動体１１のｘ方向の振動の振幅がピークに達したときに、差動電圧もピークに達する。したがって、ピークに達したときの差動電圧から可動体１１の角速度を算出することができる。

一般的に、角速度はコリオリ力に基づくｘ方向の振動の振幅から算出することが可能である。また、上述したことからわかるように、差動電圧がわかればｘ方向の振動の振幅を求めることができる。したがって、検出された差動電圧に基づいて可動体１１の角速度を算出することができる。

なお、可動体１１がｙ方向の振動を開始した後の特定のタイミングで検出された所定物理量（例えば、上述した差動電圧）に基づいて、角速度を算出してもよい。後述するように、コリオリ力に基づく可動体１１のｘ方向の振動の状態は、予め予想しておくことが可能である。したがって、可動体１１のｘ方向の振動がピークに達する時間を予め予想しておき、予想された特定のタイミングで検出された所定物理量に基づいて、角速度を算出するようにしてもよい。

以上のように、本実施形態では、コリオリ力に基づくｘ方向の振動の振幅に依存する所定物理量を、ｘ方向の振動が非定常状態であるときに検出している。そのため、短時間の振動で検出を行うことができ、振動を継続させる必要がない。したがって、本実施形態では、可動体に強制振動を継続的に与えることなく的確な検出動作を行うことができ、消費電力を低減することが可能である。

従来は、定常状態で検出を行っていたため、継続的に強制振動を行う必要があり、消費電力が大きかった。例えば、振動の周波数が１０ｋＨｚで、出力データレート（ＯＤＲ）が１００Ｈｚであるとする。この場合、振動の周期は１００μｓｅｃで、出力周期は１０ｍｓｅｃである。本実施形態において、例えば、振動を開始してから１０周期分の振動で検出動作を終了させる、すなわち振動を開始してから１ｍｓｅｃ後に検出動作を終了させ、その後は振動を停止させるものとする。この場合、出力周期１０ｍｓｅｃのうち、９ｍｓｅｃの期間は振動が停止していることになり、消費電力を従来の１／１０にすることができる。

また、本実施形態では、振動が定常状態になる前に検出動作を行うため、スタートアップ時間を短縮することもできる。

また、本実施形態では、可動体のｘ方向の振動の振幅がピークであるときに検出された所定物理量に基づいて角速度を算出することにより、角速度の算出精度を高めることができる。

また、本実施形態では、可動体のｙ方向の振動を停止させる振動停止部としてストッパーを設けているため、検出動作が終了した後に可動体の振動を的確に停止させることができる。この場合、ｙ方向の振動の振幅がピークに達したときに可動体を捕捉することで、次の検出動作のときにｙ方向のピーク位置から振動を開始させることができ、効率的な検出動作を行うことができる。

なお、上述した実施形態において、可動体１１に強制振動を与えるようにしてもよい。この場合には、可動体１１に一定期間のｙ方向の強制振動を与えた後に、強制振動を停止させるようにしてもよい。強制振動を与える場合には、クローズドループ（closed-loop）制御を行うようにしてもよいし、オープンループ（open-loop）制御を行うようにしてもよい。強制振動させるための駆動力としては、静電力、圧電力、電磁力等を用いることが可能である。

図６Ａは、本実施形態の変更例に係るジャイロセンサの構成を模式的に示した平面図である。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。本変更例のジャイロセンサも、ＭＥＭＳ技術を用いて形成されている。

図６Ａに示したジャイロセンサ５０は、ｙ方向可動部及びｘ方向可動部が一体化された可動体（可動部）５１を備えている。可動体５１は、細い部分５１ｍａ及び太い部分５１ｍｂで構成された可動電極部５１ｍを含んでいる。可動体５１とアンカー部（固定部）５２との間には、バネ部５３が設けられている。可動体５１のパターンの内側には、固定電極部５４が設けられている。本実施形態では、固定電極部５４は２つの部分５４ａ及び５４ｂで構成されている。可動体５１には櫛歯部５５が設けられており、櫛歯部５５の近傍には駆動電極５６が設けられている。

図６Ｂ、図６Ｃ及び図６Ｄは、ジャイロセンサ５０のｙ方向の振動について示した図である。図６Ｂでは、櫛歯部５５と駆動電極５６との間に電位差を与えておくことで、ジャイロセンサ５０は初期状態に設定されている。電位差をゼロにすることで、図６Ｃ及び図６Ｄに示すように、振動が開始される。

本変更例でも、上述した実施形態と同様に、可動体５１がｙ方向に振動している最中に可動体５１が回転運動をしていると、コリオリ力によって可動体５１がｘ方向に振動する。その結果、固定電極部５４と可動電極部５１ｍとの間の距離が変化し、固定電極部５４と可動電極部５１ｍとの間のキャパシタンスが変化する。このキャパシタンスの変化に基づいて、可動体５１のｘ方向の振動の振幅（ｘ方向の振動の振幅に依存する所定物理量）を求めることができる。

具体的には、固定電極部５４ａと可動電極部５１ｍとの間の電位差Ｖａ、及び固定電極部５４ｂと可動電極部５１ｍとの間の電位差Ｖｂを検出し、差動電圧としてＶａとＶｂとの電位差を求める。この差動電圧から可動体５１の角速度を算出することができる。なお、可動電極部５１ｍの太い部分５１ｍｂが固定電極部５４ａと固定電極部５４ｂとの間に位置しているときには、電極間の距離が小さくなるため、検出感度を高めることが可能である。

図７Ａは、検出回路（図３の検出部３２に対応）の構成を示した電気回路図である。なお、本検出回路は、上述した実施形態及び変更例のいずれにも適用可能である。

図７Ａに示した検出回路は、スイッチ７１ａ及び７１ｂと、キャパシタ７２ａ及び７２ｂと、可変キャパシタ７３ａ及び７３ｂと、ダイオード接続を有するトランジスタ７４ａ及び７４ｂと、差動電圧検出回路７５とを備えている。キャパシタ７２ａ及び７２ｂのキャパシタンスをいずれもＣ０とし、可変キャパシタ７３ａのキャパシタンスをＣ１、可変キャパシタ７３ｂのキャパシタンスをＣ２とする。

可変キャパシタ７３ａ及び７３ｂが上述した可変キャパシタに対応する。例えば、図６Ａに示した変更例では、固定電極部５４ａと可動電極部５１ｍとで構成される可変キャパシタが可変キャパシタ７３ａに対応し、固定電極部５４ｂと可動電極部５１ｍとで構成される可変キャパシタが可変キャパシタ７３ｂに対応する。

まず、スイッチ７１ａ及び７１ｂをオン状態に設定し、電圧Ｖｐをキャパシタに印加する。これにより、キャパシタに
Ｑ＝Ｖｐ（Ｃ０＋Ｃ１）＝Ｖｐ（Ｃ０＋Ｃ２）
の電荷Ｑが充電される。キャパシタへの充電が終了した後、スイッチ７１ａ及び７１ｂをオフ状態に設定する。

ジャイロセンサの振動が開始され、ジャイロセンサの回転運動によってコリオリ力が生じると、図７Ｂに示すように、可動電極部５１ｍがｘ方向に振動する。そして、図６Ｄに示すように、可動電極部５１ｍの太い部分５１ｍｂが固定電極部５４ａと固定電極部５４ｂとの間に位置しているときには、可変キャパシタ７３ａのキャパシタンスはＣ１からＣ１’に増加し、可変キャパシタ７３ｂのキャパシタンスはＣ２からＣ２’に増加する。その結果、キャパシタ７２ａ及び可変キャパシタ７３ａに印加される電圧はＶＰ１となり、キャパシタ７２ｂ及び可変キャパシタ７３ｂに印加される電圧はＶＰ２となる。したがって、
Ｑ＝Ｖｐ１（Ｃ０＋Ｃ１’）＝Ｖｐ２（Ｃ０＋Ｃ２’）
という関係が成立する。電圧Ｖｐ１と電圧Ｖｐ２との差動電圧を差動電圧検出回路７５で検出し、その差動電圧に基づいて角速度を求めることができる。

なお、上述した実施形態及び変更例において、コリオリ力に基づくｘ方向の振幅のセンターがシフトしてオフセットが生じる場合がある。そこで、正方向の振幅のピークＡｐと負方向の振幅のピークＡｎとの差（Ａｐ−Ａｎ）を検出する回路を設けるようにしてもよい。この場合には、ピーク差（Ａｐ−Ａｎ）から角速度を求めることができる。

検出回路には、ＬＮＡ及びミキサー等を含む無線レシーバＩＣの包絡線検出回路と同様の構成を採用することができる。また、コリオリ力に基づく振動波形をＡＤ変化して検出を行うようにしてもよい。

次に、本実施形態における振動の解析結果について説明する。なお、以下の解析結果は、ジャイロセンサの可動体に強制振動を与えない場合の解析結果である。

可動体のｙ方向の運動方程式は、以下のように表される。

ただし、ω_y はｙ方向の共振角周波数、ｍ_y はｙ方向の可動体のマス、ｂ_y はｙ方向の振動の減衰係数、ｋ_y はｙ方向のバネ定数である。

初期条件

を満たす解は、以下のようになる。

可動体のｘ方向の運動方程式は、以下のように表される。

ただし、ω_x はｘ方向の共振角周波数、ｍ_x はｘ方向の可動体のマス、ｂ_x はｘ方向の振動の減衰係数、ｋ_x はｘ方向のバネ定数である。また、

は、コリオリ力である。

初期条件

を満たし、且つ「γ_y ＝０」の場合の解は、以下のようになる。

図８Ａは、可動体のｘ方向の共振角周波数ω_x とｙ方向の共振角周波数ω_y とが異なる場合の、非定常状態における可動体のｘ方向の振動波形ｘ（ｔ）及びｘ方向の減衰係数を示した図である。図８Ｂは、図８Ａのパラメータを示した図である。

図９Ａは、可動体のｘ方向の共振角周波数ω_x とｙ方向の共振角周波数ω_y とが等しい場合（或いは、ほぼ等しい場合）の、非定常状態における可動体のｘ方向の振動波形ｘ（ｔ）及びｘ方向の減衰係数を示した図である。図９Ｂは、図９Ａのパラメータを示した図である。

図１０は、ダンピングファクター（damping factor）が非常に小さい場合の、可動体のｘ方向の振動波形ｘ（ｔ）及びｘ方向の減衰係数を示した図である。図１０（ａ）は非定常状態について示した図であり、図１０（ｂ）は定常状態について示した図である。非定常状態においても、うなりの振幅のピークは短い時間ではほとんど変化していない。また、非定常状態の振幅のピークは、定常状態の振幅のピークのほぼ２倍になっている。

以上のことから、以下のようにして検出動作を行うことが好ましい。

図８Ａの場合には、可動体のｘ方向の振動は、非定常状態において過渡的なうなり（beat）を有している。このように、非定常状態においてうなりが生じているので、うなりの振幅のピークを検出する。また、振動開始後の特定のタイミングで検出を行うようにしてもよい。この場合には、振動がピークに達する時間を予め予想しておき、予想された特定のタイミングで検出を行うようにしてもよい。

図９Ａの場合には、うなりが生じないので、振動開始後の特定のタイミングで検出を行う。この場合には、上述した振幅Ａの式からわかるように、振幅自体が大きくなるので、検出感度を向上させることが可能である。

「γ_y ＝０」でない場合のｘ方向の運動方程式は、以下のように表される。

β₁ 及びβ₂ を以下のように定義する。

この場合の運動方程式は、以下のように表される。

ただし、

である。

上式は、「β₂ →０」の極限において、以下のように表される。

また、β₁ 及びβ₂ が小さい場合には、以下のように表される。

右辺の第１項がうなりの成分を表す。右辺の第２項は、ω₁ とω₂ とがほぼ等しい場合にゼロになる。

図１１は、検出動作を１ｍｓｅｃ以内に終了させるための条件、及び、うなりの振幅が大きいときに検出を行うための条件について示した図である。

検出動作を１ｍｓｅｃ以内に終了させるためには、うなりの周期が２ｍｓｅｃ以下であればよい。具体的には、「ｔ₁ ＝２π／（Δω／２）≦２ｍｓｅｃ」であればよい。ただし、「Δω＝２πΔｆ」であり、Δｆは可動体のｘ方向の共振周波数とｙ方向の共振周波数との差である。この条件は、「１ｋＨｚ≦Δｆ」と書き直すことができる。なお、うなりの複数周期について検出を行い、精度を向上させるようにしてもよい。

うなりの振幅が大きいときに検出を行うためには、うなりのピークの近傍に周波数ｆの振動の１周期（Ｔ＝１／ｆ）が収まればよい。ただし、「ｆ＝（ｆ_x ＋ｆ_y ）／２」であり、ｆ_x はｘ方向の共振周波数、ｆ_y はｙ方向の共振周波数である。Ｔがｔ₁ の１０％以下であるとすると（Ｔ≦０．１×ｔ₁ ）、「５ｋＨｚ≦ｆ」という条件が得られる。

うなりの振幅が大きいときに検出を行うためには、振動の減衰が十分に遅い必要がある。図１２は、振動の減衰が十分に遅いための条件について示した図である。うなりの１周期ｔ₁ における減衰量が、減衰のない場合の１０％以下であるとすると、「０．２／ｔ₁ ≧γ_x 」という条件が得られる。「ｔ₁ ＝２ｍｓｅｃ」とすると、「１００Ｈｚ≧γ_x 」という条件が得られる。「ｆ＝５ｋＨｚ」、「Δｆ＝１ｋＨｚ」と仮定して、この条件をＱ値で表すと、「Ｑ＝ω_x ／γ_x ≧３４５」となる。

図１３は、定常状態の振幅よりもうなりの振幅を大きくするための条件について示した図である。定常状態の振幅よりもうなりの振幅を大きくするためには、

という関係が成立すればよい。

次に、振動を停止させるタイミングについて説明する。

すでに説明したように、本実施形態では、検出動作が終了した後に振動を停止させることで、消費電力を削減するようにしている。振動を停止させるタイミングの目安は、うなりが消えるタイミングである。上述したように、うなりの振幅は「ｅｘｐ（−γ_x ｔ／２）」にしたがって減衰する。

ここで、うなりの振幅が１／１０に減衰するまでに振動を停止させるものとすると、「ｅｘｐ（−γ_x ｔ／２）≧０．１」であり、振動を停止させるタイミングは「ｔ≦２ｌｏｇ１０／γ_x ＝４．６／γ_x」となる。Ｑ値（Ｑ_x ＝ω_x ／γ_x ）を用いて書き直すと、振動を停止させるタイミングは、「ｔ≦４．６Ｑ_x ／ω_x 」となる。

図１４Ａは、振動を停止させるタイミングについて示した図である。出力データレート（ＯＤＲ）の逆数（Ｔｓ１＝１／ＯＤＲ）の周期で検出動作を行っている。例えば、「ＯＤＲ＝１００Ｈｚ」の場合には、「Ｔｓ１＝１０ｍｓｅｃ」である。また、Ｔｓ１の期間のうちＴｓ２の期間だけ振動を継続させている。すなわち、可動体のｙ方向の振動の継続期間Ｔｓ２は、ジャイロセンサの出力データレート（ＯＤＲ）の逆数に対応する周期Ｔｓ１よりも短い。本実施形態では、振動の開始位置が「ｙ＝ｙ０」（例えば、図５Ａに示した初期状態の位置）であるとすると、振動の停止位置も「ｙ＝ｙ０」であることがエネルギー的に見て効率的である。そのためには、「ω₂ ×Ｔｓ２＝ｎπ」（ｎは自然数）を満たせばよい。したがって、「Ｔｓ２＝ｎπ／ω₂ 」を満たせばよい。実際には、「Ｔｓ２＝ｎπ／ω₂ 」を厳密に満たさなくても、「ｙ＝ｙ０」の近傍に可動体が位置しているときに可動体を停止させればよい。この場合、Ｔｓ２は、

を満たせばよい。

図１４Ｂは、図１４Ａの比較例（従来技術）について示した図である。図１４Ｂに示した比較例では、可動体を停止させることなく可動体に継続的に振動を与えているため、消費電力が大きくなる。

図１５Ａは、本実施形態に係るジャイロセンサを半導体基板上に形成したときの構成例を模式的に示した平面図である。図１５Ｂは、図１５ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、半導体基板１１１、絶縁領域１１２、トランジスタ１１３及び配線１１４を含む下地領域１１０上に、ＭＥＭＳ技術を用いて形成されたジャイロセンサ１２０が設けられている。ジャイロセンサ１２０は、キャップ膜（保護膜）１３０によって覆われている。ジャイロセンサ１２０は、ｘ方向可動部１１ｘ、ｙ方向可動部１１ｙ、バネ部１４及び固定電極部１５等を含んでいる。キャップ膜１３０は、３層の絶縁層によって形成されており、その内側にキャビティを形成している。振動の減衰係数を小さくするために、キャップ膜１３０の内側のキャビティは真空状態であることが好ましい。

なお、図１５Ａ及び図１５Ｂの例では、ジャイロセンサ１２０がトランジスタ１１３及び配線１１４を含む集積回路と同一チップに設けられているが、ジャイロセンサ１２０が集積回路と別のチップに設けられていてもよい。

図１６は、本実施形態に係るジャイロセンサを半導体基板上に形成したときの他の構成例を模式的に示した断面図である。

本構成例でも、図１５Ａ及び図１５Ｂの構成例と同様に、下地領域１１０上にＭＥＭＳ技術を用いて形成されたジャイロセンサが設けられている。可動体（可動部）１４１の両端にはバネ部１４２が設けられ、可動体１４１の上方には上部電極１４３が、可動体１４１の下方には下部電極１４４が設けられている。

可動体１４１がｘ軸の周りに回転運動しているときに、可動体１４１に対してｙ軸方向に振動を与えると、ｚ軸方向にコリオリ力が働く。コリオリ力による振動の振幅は、可動体１４１と上部電極１４３との間のキャパシタンスＣａと、可動体１４１と下部電極１４４との間のキャパシタンスＣｂとの差動キャパシタンス（Ｃａ−Ｃｂ）に基づいて求めることができる。

また、可動体１４１がｙ軸の周りに回転運動している場合には、ｘ軸方向を駆動方向（振動付与方向）にすれば、ｚ軸方向にコリオリ力が働く。したがって、この場合にも、コリオリ力による振動の振幅は、上述した差動キャパシタンス（Ｃａ−Ｃｂ）に基づいて求めることができる。

なお、上述した実施形態で述べた方法は、３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向の角速度を検出するジャイロセンサにも適用可能である。

以下、上述した実施形態の内容を付記する。

［付記１］
第１の方向に振動している可動体に働くコリオリ力に基づく第２の方向の振動の振幅に依存する所定物理量を検出することと、
前記検出された所定物理量に基づいて前記可動体の角速度を算出することと、
を備え、
前記所定物理量は、前記コリオリ力に基づく第２の方向の振動が非定常状態であるときに検出される
ことを特徴とするジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記２］
前記所定物理量は、固定電極部と前記可動体に含まれる可動電極部との間のキャパシタンスに基づく物理量である
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記３］
前記所定物理量を検出した後に前記可動体の第１の方向の振動を停止させることを、さらに備える
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記４］
前記可動体の第１の方向の振動は、前記コリオリ力に基づく第２の方向の振動が定常状態に達する前に停止させられる
ことを特徴とする付記３に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記５］
前記可動体の第１の方向の振動は、前記可動体を捕捉することで停止させられる
ことを特徴とする付記３に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記６］
前記可動体の第１の方向の振動は、前記第１の方向の振動の振幅がピークに達したときに前記可動体を捕捉することで停止させられる
ことを特徴とする付記３に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記７］
前記可動体の第１の方向の振動は、ストッパーによって前記可動体を捕捉することで停止させられる
ことを特徴とする付記３に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記８］
前記可動体が第１の方向の振動を開始した後に、前記可動体には第１の方向の強制振動は与えられない
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記９］
前記可動体に一定期間の第１の方向の強制振動を与えた後に、前記可動体への強制振動を停止させる
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記１０］
前記可動体の第１の方向の共振周波数と前記可動体の第２の方向の共振周波数とは異なる
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記１１］
前記角速度は、前記可動体の第２の方向の振動の振幅がピークであるときに検出された前記所定物理量に基づいて算出される
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記１２］
前記角速度は、前記可動体が第１の方向の振動を開始した後の特定のタイミングで検出された前記所定物理量に基づいて算出される
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記１３］
前記可動体の第１の方向の振動は、前記可動体を第１の方向に強制的に変位させた状態から開始される
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記１４］
前記可動体の第２の方向の振動は、前記非定常状態において過渡的なうなりを有する
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記１５］
前記可動体の第１の方向の振動の継続期間は、前記ジャイロセンサの出力データレートの逆数に対応する周期よりも短い
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記１６］
前記可動体の第１の方向の共振周波数と前記可動体の第２の方向の共振周波数との差は、１ｋＨｚ以上である
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記１７］
前記可動体の第１の方向の共振周波数をｆ_y とし、前記可動体の第２の方向の共振周波数をｆ_x として、（ｆ_x ＋ｆ_y ）／２は５ｋＨｚ以上である
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記１８］
前記可動体の第２の方向の振動の減衰係数をｂ_x とし、前記可動体の第２の方向のマスをｍ_x とし、γ_x ＝ｂ_x ／ｍ_x として、γ_x は１００Ｈｚ以下である
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記１９］
前記可動体の第２の方向の振動のＱ値は３４５以上である
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。

［付記２０］
第１の方向に振動している可動体に働くコリオリ力に基づく第２の方向の振動の振幅に依存する所定物理量を検出する検出部と、
前記検出部で検出された所定物理量に基づいて前記可動体の角速度を算出する角速度算出部と、
を備え、
前記所定物理量は、前記コリオリ力に基づく第２の方向の振動が非定常状態であるときに検出される
ことを特徴とするジャイロセンサの角速度の取得装置。

［付記２１］
前記所定物理量は、固定電極部と前記可動体に含まれる可動電極部との間のキャパシタンスに基づく物理量である
ことを特徴とする付記２０に記載のジャイロセンサの角速度の取得装置。

［付記２２］
前記所定物理量を検出した後に前記可動体の第１の方向の振動を停止させる振動停止部を、さらに備える
ことを特徴とする付記２０に記載のジャイロセンサの角速度の取得装置。

［付記２３］
前記振動停止部は、前記コリオリ力に基づく第２の方向の振動が定常状態に達する前に前記可動体の第１の方向の振動を停止させる
ことを特徴とする付記２２に記載のジャイロセンサの角速度の取得装置。

［付記２４］
前記振動停止部は、前記可動体を捕捉することで前記可動体の第１の方向の振動を停止させる
ことを特徴とする付記２２に記載のジャイロセンサの角速度の取得装置。

［付記２５］
前記可動体の第１の方向の共振周波数と前記可動体の第２の方向の共振周波数とは異なる
ことを特徴とする付記２０に記載のジャイロセンサの角速度の取得装置。

［付記２６］
前記角速度算出部は、前記可動体の第２の方向の振動の振幅がピークであるときに検出された前記所定物理量に基づいて角速度を算出する
ことを特徴とする付記２０に記載のジャイロセンサの角速度の取得装置。

［付記２７］
前記角速度算出部は、前記可動体が第１の方向の振動を開始した後の特定のタイミングで検出された前記所定物理量に基づいて角速度を算出する
ことを特徴とする付記２０に記載のジャイロセンサの角速度の取得装置。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…ジャイロセンサ １１…可動体 １１ｘ…ｘ方向可動部
１１ｘｍ…可動電極部 １１ｙ…ｙ方向可動部
１２…アンカー部 １３、１４…バネ部 １５…固定電極部
１６…突起部 １７…ストッパー １８…駆動電極
３１…駆動電圧供給回路 ３２…検出部 ３３…角速度算出部
５０…ジャイロセンサ ５１…可動体 ５１ｍ…可動電極部
５２…アンカー部 ５３…バネ部 ５４…固定電極部
５５…櫛歯部 ５６…駆動電極
７１ａ、７１ｂ…スイッチ ７２ａ、７２ｂ…キャパシタ
７３ａ、７３ｂ…可変キャパシタ ７４ａ、７４ｂ…トランジスタ
７５…差動電圧検出回路
１１０…下地領域 １１１…半導体基板 １１２…絶縁領域
１１３…トランジスタ １１４…配線
１２０…ジャイロセンサ １２１…可動体
１２２…固定電極部 １２３…バネ部
１３０…キャップ膜
１４１…可動体 １４２…バネ部
１４３…上部電極 １４４…下部電極

Claims (9)

1. 第１の方向に振動している可動体に働くコリオリ力に基づく第２の方向の振動の振幅に依存する所定物理量を検出することと、
   前記検出された所定物理量に基づいて前記可動体の角速度を算出することと、
   を備え、
   前記所定物理量は、前記コリオリ力に基づく第２の方向の振動が非定常状態であるときに検出される
   ことを特徴とするジャイロセンサの角速度の取得方法。
2. 前記所定物理量は、固定電極部と前記可動体に含まれる可動電極部との間のキャパシタンスに基づく物理量である
   ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。
3. 前記所定物理量を検出した後に前記可動体の第１の方向の振動を停止させることを、さらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。
4. 前記可動体の第１の方向の振動は、前記可動体を捕捉することで停止させられる
   ことを特徴とする請求項３に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。
5. 前記可動体の第１の方向の共振周波数と前記可動体の第２の方向の共振周波数とは異なる
   ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。
6. 前記可動体の第１の方向の振動は、前記可動体を第１の方向に強制的に変位させた状態から開始される
   ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。
7. 前記可動体の第２の方向の振動は、前記非定常状態において過渡的なうなりを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。
8. 前記可動体の第１の方向の振動の継続期間は、前記ジャイロセンサの出力データレートの逆数に対応する周期よりも短い
   ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサの角速度の取得方法。
9. 第１の方向に振動している可動体に働くコリオリ力に基づく第２の方向の振動の振幅に依存する所定物理量を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された所定物理量に基づいて前記可動体の角速度を算出する角速度算出部と、
   を備え、
   前記所定物理量は、前記コリオリ力に基づく第２の方向の振動が非定常状態であるときに検出される
   ことを特徴とするジャイロセンサの角速度の取得装置。

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