JP3702412B2 - 角速度検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動体をｘ方向に振動駆動し、振動方向ｘと直交するｙ軸を中心とする回転方向の角速度Ωにより現われる振動体の、振動方向ｘおよび該軸ｙに直交する方向ｚの振動成分を検出するためのセンサを有する角速度センサに、該センサが発生する電気信号を角速度Ωを表わす角速度信号に変換する電気回路装置を付加した角速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の角速度センサの１つが、「COMB DRIVE MICROMECHANICAL TUNING FORK GYRO」との名称で、米国特許第５，３４９，８５５号明細書に開示されており、もう１つが、「角速度センサ」との名称で、特開平７−４３１６６号公報に開示されている。いずれも半導体加工プロセスを用いてシリコンを微細加工して得るマイクロジャイロである。
【０００３】
この種の角速度センサの振動板は、ｘ，ｙ平面に平行な平板の両側端（ｙ平行辺）に各１組、計２組の櫛歯を有し、かつ、両終端（ｘ平行辺）のそれぞれよりｙ方向に延びる支脚を有し、これらの支脚で支えられて宙吊りとなっており、ｘ方向およびｚ方向に振動しうる。振動板の第１および第２組の櫛歯と互に噛み合う形で第１組および第２組の固定櫛歯が、振動板の櫛歯とは非接触で微小ギャップを置いて、振動板の両側端の外側にある。振動板と第１組および第２組の固定櫛歯との間に、周波数ｆの交流高電圧を印加することにより、静電吸引力により振動板が第１組および第２組の固定櫛歯に交互に引かれて、ｘ方向に周波数ｆで振動する。
【０００４】
振動板がｘ方向に振動しているとき、ｙ軸を中心とする回転の角速度Ωが振動板に加わると、コリオリ力が振動板に作用し、振動板が、ｘ方向の振動にｚ方向の振動が加わった楕円運動をする。すなわち振動板にｚ方向の振動が現われる。ｚ方向に微小ギャップを置いて振動板と対向する電極の、振動板／電極間の静電容量が、該ｚ方向の振動により変動する。この変動の振幅は振動板のｚ方向の振幅に略逆比例する。この静電容量を電気信号レベル（アナログ電圧）すなわち容量検出信号に変換することにより、振幅が振動板のｚ方向の振幅に逆比例する電圧が得られ、この振幅が角速度Ωの値に対応するので、容量検出信号を振動板の励振信号に同期して位相検波することにより、角速度Ωの値に対応するレベルの直流電圧が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
振動板の質量をｍ、振動の振幅をａ、周期をω、角速度をΩとすると、振動速度ｖの最大値はａωであるから、コリオリ力Ｆｃの最大値Ｆｃmaxは、
Ｆｃmax＝２ｍΩａω
となる。コリオリ力Ｆｃの大きさは、ａおよびωに比例するが、マイクロジャイロの場合ωの可変範囲は、マイクロジャイロの構造上限定されるため、振幅ａを大きくすることにより、大きなコリオリ力Ｆｃを発生させる。そこで従来より、コリオリ力Ｆｃを最も効率良く発生するために、振動板を、共振周波数（固有振動数）で振動駆動するように、駆動電気回路を設計している。しかしながら、振動板の製作誤差により、共振周波数がばらつき、角速度センサ毎にレ−ザトリミングまたは駆動電気回路を調整（チュ−ニング）する必要があるが、小型であるほど製作誤差又はばらつき（個体差）が大きいため、チュ−ニングが難かしい。また、ｘ方向，ｙ方向ともに共振周波数で振動するので振動が不安定になり易く共振周波数には経時変化があり、電源オンからの時間経過あるいは長期的な使用開始からの使用経過による共振周波数の変化には対処できない。
【０００６】
前記特開平７−４３１６６号公報には、角速度センサの振動板支持脚端に空隙を設けてそこに電極を付加して、この電極に印加する電圧レベルにより空隙値を調整して、設計周波数での励振で振動板の振幅が最大となるように振動板の共振周波数を調整するが、この調整幅は狭く、センサ個々の寸法のばらつきおよびそれに加えての角速度センサの経時的な振動特性の変化を十分に吸収することができない。振動板の実際の共振周波数は不明であるので、実際の共振周波数に合せて駆動電気回路の励振駆動信号の周波数を調整することはできない。
【０００７】
本発明は、角速度検出感度及び精度を高くすることを第１の目的とし、振動板の角速度検出方向ｚの共振周波数を検出しうる角速度検出装置を提供することを第２の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の角速度検出装置は、基台(1)，該基台に、ｘ方向およびｚ方向に振動可能に支持された振動体(5)，該振動体にｘ方向に振動する力を及ぼすための第１加振手段(7a〜7d,8a〜8d/52,61,62)，前記振動体をｚ方向に駆動するための第２加振手段(9c,9/51,61,62)、および、振動体のｚ方向の振動に対応して振動する第１電気信号(31,32の入力)を発生するための振動変換手段(9a,9b,9/53,54)、を含む角速度センサ(20)；
指示された周波数(Df)の同期信号を発生する同期信号発生手段(36,37)；
第１加振手段に、前記同期信号に同期して第１駆動電圧を与える第１励振手段(38〜41)；
第２加振手段に、振動体をｚ方向に駆動するための第２駆動電圧を与える第２励振手段(42〜45)；
第１電気信号の、前記同期信号と実質上同一周波数のレベル変化の振幅を表わす第２電気信号(GLf)を発生する振幅検出手段(31〜34)；および、
第２励振手段を介して第２加振手段に第２駆動電圧を与えて振動体をｚ方向に駆動し、振動変換手段が発生する第１電気信号の周波数(RF)を検索する手段(31〜34,35)；を備える。なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の符号を、参考までに付記した。
【０００９】
これによれば、周波数検索手段(31〜34,35)により振動体(5)のｚ方向の共振周波数(RF)が検出される。この共振周波数(RF)の発生を同期信号発生手段(36,37)に指示すると、振動体(5)が該共振周波数(RF)でｘ方向に振動する。このとき角速度Ωが加わると、振動体(5)が該共振周波数(RF)でｘ方向およびｚ方向に振動する。すなわち楕円運動をする。このｚ方向の振動に対応するレベル変化が第１電気信号(31,32の入力)に現われ、振幅検出手段(31〜34)が発生する第２電気信号(GLf)が、該ｚ方向の振動の振幅すなわち角速度Ωに対応するレベルとなる。このｚ方向の振動は、振動体(5)のｚ方向の共振周波数であるので、従来の、振動体の励振周波数がｚ方向の共振周波数から外れている場合よりも、角速度Ω値に対する振幅が大きい。すなわち角速度検出感度が高く、第２電気信号(GLf)の角速度分解能すなわち角速度検出精度が高い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の後述の第１実施例(図1,図4)では、角速度センサ(20)の振動変換手段は、振動体に空隙を置いてｚ方向で対向する、振動体との間に静電容量を形成する電極であって第１電気信号(31a,31bの入力)のレベルは振動体(5)／電極(9a,9b)間の静電容量に対応し、第２加振手段も振動体に空隙を置いてｚ方向で対向する電極(9c)であって、振幅検出手段(31〜34)は電極(9a,9b)に、第２励振手段(42〜45)は電極(9c)に接続されている。すなわち、振動板(5)に対向する電極が、振動板(5)のｚ方向変位を検出するための第１組電極(9a,9b)と、振動板(5)をｚ方向に駆動するための第２組電極(9c)に分かれている。
【００１１】
本発明の後述の第２実施例(図7)では、第２加振手段と振動変換手段とは、同一の電極(9)である。すなわち電極(9)が第２加振手段および振動変換手段に兼用されている。これに伴って、電極(9)を振幅検出手段(31〜34)と第２励振手段(42〜45)の一方に選択的に接続する切換手段(46)が加わっている。周波数検索手段(31〜34,35)は、第２励振手段(42〜45)を介して電極(9)に第２駆動電圧(45の出力電圧)を与える間のみ、切換手段(46)を介して電極(9)を第２励振手段(42〜45)に接続する。
【００１２】
本発明の後述の第３実施例(図8〜10)では、角速度センサ(20)は電磁駆動のものであり、第１加振手段は、振動体と一体のｙ方向に延びる導電体(52)およびこれにｚ方向の磁界を与える永久磁石(61,62)であり、第１励振手段(38〜41)は導電体(52)に交流電圧を印加する。磁界により導電体(52)にはフレミングの左手の法則に従がうｘ方向の交流（方向が反転する）推力が加わり、振動板(5)がｘ方向に振動する。第２加振手段は、振動体と一体であってｚ軸廻りに周回する導電体(51)と前記永久磁石(61,62)の組合せである。第２励振手段(42〜45)が導電体(51)に第２駆動電圧を印加すると、導電体(51)が振動板(5)の表面側をＮ極（又はＳ極）裏面側をＳ極（又はＮ極）とする磁束を発生して、永久磁石(61,62)に対して反発又は吸引されて導電体(51)が一体の振動板(5)がｚ方向に移動する。第２駆動電圧の印加が止まると、反発力又は吸引力が消えるので、振動板(5)が原位置に復帰するように移動を始めて、ｚ方向に自由振動する。振動板(5)は、それをｘ方向およびｚ方向に振動可に支持する支持梁(4a,4b)に連続しており、この支持梁に、振動変換手段として歪センサ(53,54)が固着されている。この歪センサ(53,54)が、振動板(5)のｚ方向の変位量に対応するレベルの第１電気信号(図8の32の入力)を発生する。
【００１３】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００１４】
【実施例】
−第１実施例−
図１に、本発明の第１実施例のマイクロジャイロ（角速度センサ）２０の内部構造を、蓋板８を削除して示し、図２に該ジャイロ２０の、図１のII−II線で破断した断面を、図３にIII−III線で破断した断面を示す。
【００１５】
図１を参照すると、絶縁体のシリコン基板１には、導電性とするための不純物を含むポリシリコンの、振動板アンカ２ａ〜２ｄおよび駆動電極アンカ３ａ〜３ｄが接合している。振動板アンカ２ａおよび２ｂに、ｙ方向に延び同一直線上に位置する振動板支持梁４ａおよび４ｂが連続しており、同様に、振動板アンカ２ｃおよび２ｄにｙ方向に延び同一直線上に位置する振動板支持梁４ｃおよび４ｄが連続し、これらの支持梁４ａ〜４ｄにｘ方向に延び、基板１の表面に実質上平行な振動板５が連続している。振動板５に対向する基板１の表面上に、静電容量検出用の電極９ａ，９ｂおよび振動板５を高さ方向（ｚ）に励振駆動するためのｚ駆動電極９ｃがある。
【００１６】
振動板５のｘ方向の中央位置から左右（ｙ方向）に電極幹６ａおよび６ｂが延び、電極幹６ａから前後（ｘ方向）に、櫛歯状にｙ方向に等ピッチで分布する複数個の移動側電極すなわちｘ移動電極７ａおよび７ｃが突出し、同様に、電極幹６ｂから電極７ｂおよび７ｄが突出している。
【００１７】
駆動電極アンカ３ａ〜３ｄのそれぞれには、電極幹６ａ，６ｂの櫛歯状のｘ移動電極７ａ〜７ｄのそれぞれの歯間スロットに進入した、櫛歯状の固定側電極すなわちｘ駆動電極８ａ〜８ｄがある。これらのｘ駆動電極８ａ〜８ｄと、ｘ移動電極７ａ〜７ｄとの間には微小ギャップがある。
【００１８】
上述の、支持梁４ａ〜４ｄ，振動板５，電極幹６ａ，６ｂ，ｘ移動電極７ａ〜７ｄおよびｘ駆動電極８ａ〜８ｄは、基板１の表面から離れている。すなわち基板１の表面に、ギャップを置いて対向している。これらは、振動板アンカ２ａ〜２ｄおよび駆動電極アンカ３ａ〜３ｄを、マイクロ加工技術の蒸着によりシリコン基板１の表面上に形成するときに、振動板アンカ２ａ〜２ｄあるいは駆動電極アンカ３ａ〜３ｄに、一体連続で形成される。この形成過程の概要を次に説明する。
【００１９】
まず、すでに静電容量検出用の電極９ａ，９ｂおよびｚ駆動電極９ｃがパタ−ニングされている基板１の表面に、支持梁４ａ〜４ｄ，振動板５，電極幹６ａ，６ｂ，移動側電極７ａ〜７ｄおよび固定側電極８ａ〜８ｄの直下のギャップを形成するための第１犠牲層が形成される。その後、アンカ２ａ〜２ｄおよびアンカ３ａ〜３ｄの下面に相当する位置の第１犠牲層がエッチングにより除去される。そして、構造層が基板１の表面にデポジット（堆積）され、次に、導電性とするための不純物を含むシリコン蒸気の蒸着を基板表面全体に行った後に、構造層のアンカ２ａ〜２ｄおよびアンカ３ａ〜３ｄならびに支持梁４ａ〜４ｄ，振動板５，電極幹６ａ，６ｂ，移動側電極７ａ〜７ｄおよび固定側電極８ａ〜８ｄに相当する位置を除いてエッチングにより除去される。第１犠牲層が溶剤で除去されて、図１〜図３に示す基板１内の各エレメントが現れる。
【００２０】
アンカ２ａ〜２ｄ，３ａ〜３ｄおよび電極９ａ〜９ｃのそれぞれは、基板上に電極と同時にパタ−ニングされた配線により同一基板上の電気回路あるいはリ−ド電極のそれぞれに接続されている。
【００２１】
図１を参照する。例えば、マイクロジャイロ２０の外部から、上述のリ−ド電極を介して、アンカ３ａ，３ｂ（ｘ駆動電極８ａ，８ｂ）とアンカ２ａ〜２ｄ（振動板５）との間に高電圧を印加すると、静電気力により振動板５の電極幹６ａ，６ｂがアンカ３ａ，３ｂに近づく方向に移動する。アンカ３ｃ，３ｄ（ｘ駆動電極８ｃ，８ｄ）とアンカ２ａ〜２ｄ（振動板５）との間に高電圧を印加すると、静電気力により振動板５の電極幹６ａ，６ｂがアンカ３ｃ，３ｄに近づく方向に移動する。これら２態様の電圧印加を交互に繰返すことにより、振動板２ｃがｘ方向に往復振動する。この振動中に、振動板５にｙ軸廻りの角速度Ωが加わると、コリオリ力により、振動板５はｙ軸を中心としｘ−ｚ平面に平行な楕円振動、すなわち、ｘ方向の往復振動にｚ方向の往復振動が加わったものとなる。
【００２２】
角速度Ωが加わっていないときのｘ方向の往復振動によっては、振動板５／電極９ａ，９ｂ間の静電容量は実質上変化しないが、角速度Ωが加わってｚ方向の振動成分が発生すると、これにより振動板５／電極９ａ，９ｂ間の静電容量が振動し、この振動のレベルが角速度Ωに対応する。したがって振動板５／電極９ａ，９ｂ間の静電容量の振動レベルを計測することにより角速度Ωを算出することができる。
【００２３】
上述の楕円振動が振動板５の共振周波数に合致するものであると、角速度Ωの変化に対する楕円振動（のｚ方向振動成分）の振動レベルの変化が高い。すなわち角速度Ωの分解能が高い。
【００２４】
図４に、上述のジャイロ２０に接続した電気回路の概要を示す。アンカ３ａ，３ｂ（ｘ駆動電極８ａ，８ｂ）には、高圧スイッチング回路４０ａの出力端が接続され、アンカ３ｃ，３ｄ（ｘ駆動電極８ｃ，８ｄ）には、高圧スイッチング回路４０ｂの出力端が接続されている。静電容量検出用の電極９ａおよび９ｂにはそれぞれ、振動板５／電極９ａ間の静電容量および振動板５／電極９ｂ間の静電容量を検出し静電容量値を電圧レベルで表わす容量検出信号を発生するＣ／Ｖ変換器３１ａおよび３１ｂが接続されている。ｚ駆動電極９ｃには、高圧スイッチング回路４５の出力端が接続されている。
【００２５】
Ｄ／Ａコンバ−タ３６が、マイクロコンピュ−タ（以下ＣＰＵと称す）３５が与える周波数指示デ−タＤｆを、それが指示する周波数を表わすレベルのアナログ信号に変換して、電圧制御発振器（以下Ｖｃｏと称す）３７に与え、Ｖｃｏ３７が、該アナログ信号のレベルに対応した周波数すなわちデ−タＤｆが指定する周波数Ｄｆの、振幅が一定の正弦波を発生してパルス整形回路３８に与える。該回路３８は、該正弦波の正半波の間高レベルＨ、負半波の間低レベルＬのデュ−ティが５０％の矩形波パルスをアンドゲ−ト３９および４２に与える。
【００２６】
角速度Ωを検出しそれを表わすデ−タを出力する角速度検出モ−ドでは、ＣＰＵ３５が、信号Ｃを低レベルＬとしてアンドゲ−ト３９をオンに、アンドゲ−ト４２をオフにする。
【００２７】
角速度検出モ−ドでは、パルス整形回路３８が与える矩形波パルスをスイッチング回路４０ｂおよびインバ−タ４１に与え、インバ−タ４１が、該矩形波パルスを反転した（すなわち位相を１８０度ずらした）矩形波パルスをスイッチング回路４０ａに与える。スイッチング回路４０ａは、与えられる矩形波パルスが低レベルＬから高レベルＨに立上ると、この立上りよりわずかな遅延の後に、図示しない高圧電源の高圧電位Ｖｈをアンカ３ａ，３ｂ（ｘ駆動電極８ａ，８ｂ）に印加（出力）する。矩形波パルスが高レベルＨから低レベルＬに切換わると即座に、高圧電位Ｖｈを遮断して基準電位（高圧電源回路のア−ス）Ｅをアンカ３ａ，３ｂに印加する。スイッチング回路４０ｂも４０ａと同様に動作するが、両回路に与えられる矩形波パルスに１８０度のずれがあるので、アンカ３ａ，３ｂと３ｃ，３ｄには、交互に高圧電位Ｖｈが印加され、これにより振動板５がｘ方向に振動する。振動の周波数はＤｆである。
【００２８】
振動板５がこのように振動しているとき、振動板５に角速度Ωが加わると、振動板５が周波数がＤｆの楕円振動を生じ、そのｚ方向振動成分により、振動板５／電極９ａ，９ｂ間の静電容量が振動する。この振動によりＣ／Ｖ変換器３１ａ，３１ｂの静電容量検出信号（アナログ電圧）が同期して振動する。これらの検出信号の和を表わすレベルの電圧を加算器３２が発生して同期検波器３３に与える。同期検波器３３には、Ｖｃｏが発生する正弦波が同期信号として与えられる。
【００２９】
同期検波器３３は、加算器３２が与える、周波数がＤｆで、振幅が角速度Ωに対応する交流信号の振幅を表わすアナログ信号を発生するものであり、このアナログ信号が、角速度Ωの値に対応するレベルの角速度信号である。同期検波器３３の内部において、図示しない移相器が、Ｖｃｏが与える正弦波に、それに対するＣ／Ｖ変換器３１ａ，３１ｂの容量検出信号の位相遅れ（略９０度）分の位相遅れを与える。図示しないミキサが、この位相遅れが与えられた同期信号に基づいて、Ｃ／Ｖ変換器３１ａ，３１ｂの容量検出信号（加算器３２の出力）を同期検波して、容量検出信号の振幅に対応するレベルのアナログ電圧（直流電圧）を発生する。このアナログ電圧をリセット（クリア）機能を有するロ−パスフィルタが平滑化する。ロ−パスフィルタを通ったアナログ電圧が、角速度信号である。
【００３０】
同期検波器３３が出力する角速度信号は、増幅器３４で角速度Ωを表わすレベルに校正され、ＣＰＵ３５のＡ／Ｄ変換ポ−トに印加される。ＣＰＵ３５は、校正済の角速度信号ＧＬｆをデジタル変換して読込み、角速度Ωを表わすデ−タＤΩを出力する。
【００３１】
振動板５の共振周波数を検出する共振周波数検出モ−ドでは、ＣＰＵ３５が、信号Ｃを高レベルＨとしてアンドゲ−ト３９をオフに、アンドゲ−ト４２をオンにする。
【００３２】
共振周波数検出モ−ドでは、アンドゲ−ト３９がオフであるので、スイッチング回路４０ａおよび４０ｂには駆動パルスが与えられず、それらの回路４０ａおよび４０ｂの出力は共通電位Ｅに留まり、振動板５はｘ方向に振動駆動されない。しかし、Ｖｃｏは、ＣＰＵ３５が指示する周波数Ｄｆの正弦波を発生してパルス整形回路３８および同期検波器３３に与えるので、アンドゲ−ト３９，４２には、角速度検出モ−ドのときと同様に駆動パルスが与えられる。また、Ｃ／Ｖ変換器３１ａ，３１ｂ，加算器３２，同期検波器３３および増幅器３４は、角速度検出モ−ドのときと同様に動作し、振動板５がｚ方向に振動すると、振幅に対応する信号（前述の角速度検出信号ＧＬｆ）がＣＰＵ３５に与えられる。
【００３３】
ＣＰＵ３５がリセット信号Ｂ（パルス）を出力すると、この信号により同期検波器３３内のロ−パスフィルタがリセットされこれにより該フィルタ内の平滑コンデンサのチャ−ジが放電する。同時に、フリップフロップ４３がリセットされてそのＱバ−（オ−バライン付Ｑ）出力が低レベルＬから高レベルＨに転ずる。ＣＰＵ３５の出力Ｃが高レベルＨであるので、パルス成形回路３８が発生したパルス（高レベルＨ）がアンドゲ−ト４２を通過してモノマルチバイブレ−タ４４に至るが、このパルスによりフリップフロップ４３がセットされて、そのＱバ−出力がＨからＬに転じて、アンドゲ−ト４２がオフになる。これにより、ＣＰＵ３５がリセットパルスＢを出力してから、パルス整形回路３８の出力がＨのときに、１パルスだけがモノマルチバイブレ−タ４４に加わる。モノマルチバイブレ−タ４４は、該パルスでトリガ−されて設定幅だけＨの１パルスをスイッチング回路４５に出力する。
【００３４】
スイッチング回路４５は、モノマルチバイブレ−タ４４が与えるパルス区間（Ｈ区間）の間、高電位Ｖｈをｚ駆動電極９ｃに出力し、該パルス区間を過ぎると（Ｌに戻ると）、共通電位Ｅをｚ駆動電極９ｃに与える。これにより、ｚ駆動電極９ｃが１回だけ振動板５を吸引する。振動板５はこれにより電極９ｃに強く吸引されて、高さ方向ｚの、それに近づく方向に移動し、前記パルス区間が経過すると吸引力が消えるので解放されて戻り移動し、元位置を通過して更に電極９ｃから離れる方向に移動する。そして今度は元位置に戻る方向に反転移動し、また元位置を通過して電極９ｃに近づく方向に移動する。このように移動しているとき、振動板５には外力は加わらないので、振動板５はその共振周波数（固有振動数）で減衰振動する。
【００３５】
同期検波器３３には、Ｖｃｏから周波数Ｄｆの同期信号が与えられているので、仮に、振動板５の前記減衰振動の周波数（共振周波数）が周波数Ｄｆに合致していると、角速度検出信号ＧＬｆのレベルは高くなる。不一致で両者間の位相ずれが大きいときには、同期検波器３３において、容量検出信号（加算器３２の出力）が同期信号（Ｖｃｏ３７の出力）からずれているので、同期検波器３３のミキサの出力が交流となり、ロ−パスフィルタがこれを遮断するので、同期検波器３３の出力ＧＬｆ（直流）のレベルは極く低い。又は実質上零である。
【００３６】
前記減衰振動の周波数に対して同期信号の周波数Ｄｆが接近して行くにつれて、同期検波器３３の出力ＧＬｆ（直流）のレベルが高くなる。したがって、Ｄ／Ａコンバ−タ３６に与える周波数指示デ−タＤｆを、前記減衰振動の周波数を含むある周波数範囲の下限値を指定するものから、順次にｄＦ分高いものに更新し、更新のたびに１パルスのリセット信号Ｂを同期検波器３３およびフリップフロップ４３に与えて振動板５を一度だけ駆動して自由振動させ、この自由振動の数サイクル後程度のタイミングで角速度検出信号ＧＬｆをデジタルデ−タに変換して読込むことにより、振動板５の共振周波数を判定することができる。すなわち、角速度検出信号ＧＬｆがピ−ク値となったときの周波数指示デ−タＤｆが表わす周波数Ｄｆが、振動板５の共振周波数、もしくは共振周波数に非常に近い値である。
【００３７】
より正確に共振周波数を決定したい場合には、ピ−ク値となったときの周波数指示デ−タＤｆが表わす周波数Ｄｆを中心にした狭い、第２の周波数範囲を設定して、その下限値から、ｄＦより小さい値分周波数指示デ−タＤｆ高いものに更新しながら、上述のピ−ク値検出のための操作を行なえばよい。
【００３８】
ＣＰＵ３５は、アンドゲ−ト３９，４２に、モ−ド指示信号Ｃ（Ｌ：角速度検出モ−ド／Ｈ：共振周波数検出モ−ド）を与え、かつ、角速度検出モ−ドを指定しているとき（Ｃ＝Ｌ）には、所定周期で増幅器３４の角速度信号ＧＬｆをＡ／Ｄ変換して読込み、このデジタルデ−タを、ホストＣＰＵ（図示せず）へのデ−タ出力ポ−ト（パラレル出力ラッチ）にセットする。ホストＣＰＵはいつでもこのデ−タ（パラレル出力）を読取ることができる。ホストＣＰＵは、角速度デ−タの必要／不要を示す信号Ａ（Ａ＝Ｌ：角速度デ−タ必要／Ａ＝Ｈ：角速度デ−タ不要）をＣＰＵ３５に与え、ＣＰＵ３５は、Ａ＝Ｌのときには、モ−ド指定信号ＣをＬ：角速度検出モ−ドとして、所定周期で角速度デ−タＤΩを出力ラッチに更新ラッチする。Ａ＝Ｈのときには、モ−ド指定信号ＣをＨ：共振周波数検出モ−ドにして、振動板５の共振周波数（ＲＦ）を検出し、信号ＡがＨからＬ（角速度検出モ−ド）に切換わると、検出している共振周波数（ＲＦ）を表わすデ−タＤｆをＤ／Ａコンバ−タ３６に与える。
【００３９】
図５に、ＣＰＵ３５の動作の概要を示す。電源が投入されるとＣＰＵ３５は、その入，出力ポ−トを待機時の信号レベルに設定し、内部タイマ，カウンタ，レジスタ（ＲＡＭの一領域に割宛て）等を初期化する（ステップ１）。なお、以下においてカッコ内には、ステップという語を省略してステップＮｏ．数字のみを記す。
【００４０】
ＣＰＵ３５は次に、ホストＣＰＵからの信号Ａのレベルをチェックして、それがＨであると「共振周波数Ｆｒ検出」（３）を実行し、Ｌであるときには「角速度Ω算出」（４）を実行する。
【００４１】
図６に、「共振周波数Ｆｒ検出」（３）の内容を示す。これに進むとＣＰＵ３５は、アンドゲ−ト３９，４２への出力信号ＣをＨレベルにする（３１）。次に、励振パルス周波数の切換回数をカウントするためのレジスタＲＣをクリアし（３２）、ピ−ク値格納用のレジスタＲＧＬｆのデ−タをクリアし（３３）、励振周波数レジスタＲＦに、設定最低値Ｆminを書込みレジスタＲＦのデ−タＤｆをＤ／Ａコンバ−タ３６に出力する（３４）。そして、リセットパルスＢを１パルス出力する（３５）。Ｖｃｏが周波数がＤｆ（レジスタＲＦのデ−タが示す値）の、一定振幅の正弦波を発生し、その正半波区間がＨで負半波区間がＬの矩形パルスをパルス整形回路３８が発生し、この一連のパルスがアンドゲ−ト４２，３９に加わるが、信号ＣがＨであるのでアンドゲ−ト３９はオフであり、スイッチング回路４０ａ，４０ｂはスイッチング動作をせず、それらの出力は共通電位Ｅに留まり、振動板５はｘ方向に励振されない。
【００４２】
ステップ３５でリセットパルスＢが出力されると、フリップフロップ４３がそれによってリセットされてそのＱバ−出力がＬからＨに転じ、そこでアンドゲ−ト４２がオンとなり、そのときあるいはその直後に、パルス整形回路３８の出力がＨになるとそれがアンドゲ−ト４２を通してフリップフロップ４３のセット入力端Ｓおよびモノマルチバイブレ−タ４４のトリガ入力端に加わり、フリップフロップ４３がセット状態となってそのＱバ−出力がＨからＬに転じ、これによりアンドゲ−ト４２がオフとなる。モノマルチバイブレ−タ４４は、それに設定された時限の間Ｈのパルス（１パルス）を発生し、そのＨ区間のみスイッチング回路４５がｚ駆動用の電極９ｃに高電圧Ｖｈを印加する。
【００４３】
高電圧Ｖｈが電極９ｃに加わったことにより振動板５が電極９ｃに強く引かれてそれに近付く。そして電圧Ｖｈが消えると電極９ｃの吸引力が無くなるので、振動板５は電極９ｃから離れる方向に移動する。その後自由振動により振動板５がその固有振動数（共振周波数）で減衰振動する。振動板５のこの自由振動はｚ方向であるので、その振動に対応したレベル変動が加算器３２の出力電圧すなわち容量検出信号に現われる。周波数Ｄｆの正弦波をＶｃｏが発生しており、該正弦波が同期検波器３３に与えられているので、同期検波器３３は、周波数Ｄｆで容量検出信号を検波する。自由振動の周波数が周波数Ｄｆと合致していると、同期検波器３３の出力信号すなわち角速度信号ＧＬｆ（直流電圧）のレベルは最高となり、周波数がずれているとずれが大きいほど角速度信号ＧＬｆのレベルは低い。
【００４４】
前述のようにリセットパルスＢを出力するとＣＰＵ３５は、それから所定の遅れ時間の後に、角速度信号ＧＬｆをデジタル変換して読込む（３６）。該遅れ時間は、同期検波器３３内のロ−パスフィルタをリセットパルスＢでリセット（平滑コンデンサの電圧の放電）してから、前述の振動板５のｚ方向の自由振動による容量検出信号のレベル振動を同期検波することによりロ−パスフィルタの平滑コンデンサが自由振動対応のレベルに実質上安定するに要する時間であり、これは細かくは自由振動の周波数によって違いがあるが、前記遅れ時間は、励振周波数Ｄｆの走査範囲Ｆmin〜Ｆmin＋ＰＮ・ｄＦの中心値の周波数に合せた値に定めている。
【００４５】
次にＣＰＵ３５は、今回読込んだ角速度信号ＧＬｆのレベルがレジスタＲＧＬｆのデ−タが示す値（前回読込値）以上であるかをチェックする（３７）。その通りであると、レジスタＲＧＬｆに今回読込んだデ−タＧＬｆを書込み（３８）、励振周波数レジスタＲＦのデ−タ更新回数を１インクレメントして（３９）、更新回数が設定値ＰＮに達した（上限値Ｆmin＋ＰＮ・ｄＦの励振周波数Ｄｆを出力した）かをチェックして（４０）、そうでない(まだ上限値Ｆmin＋ＰＮ・ｄＦより低い)と、励振周波数レジスタＲＦのデ−タＤｆを、最小単位ｄＦ分高い値に更新してそれをＤ／Ａコンバ−タ３６に出力する（４１）。
【００４６】
そして、またリセットパルスＢを発生して（３５）、それから所定の遅延時間の後に、角速度信号ＧＬｆをデジタル変換して読込む（３６）。励振周波数ＤｆのｄＦ分の上昇により、励振周波数Ｄｆが前回よりも振動板５のｚ方向の共振周波数に近づいているのであれば、位相検波器３３の出力信号ＧＬｆのレベルが前回よりも高くなる。ＣＰＵ３５は上述と同様にして、今回読込んだデ−タＧＬｆがレジスタＲＧＬｆのデ−タが示す値以上であるかをチェックする（３７）。その通りであると、レジスタＲＧＬｆに今回読込んだデ−タＧＬｆを書込み（３８）、励振周波数Ｄｆを更にｄＦ分高い値に更新する（３９〜４１）。このように、同期検波器３３の出力信号レベルＧＬｆが増加傾向であると、励振周波数Ｄｆを順次ｄＦづつ高くする。
【００４７】
励振周波数Ｄｆが振動板５のｚ方向共振周波数に最も近い値になって、次に更に励振周波数ＤｆをｄＦ分小さくすると、同期検波器３３の出力信号レベルＧＬｆが前回の読込値（レジスタＲＧＬｆの値：振動板５の共振周波数に最も近い値）よりも低下する。
【００４８】
するとＣＰＵ３５は、そこでメインル−チン（図５のステップ２）に戻る。戻ったときにホストＣＰＵからの信号ＡがＬ（角速度検出モ−ド）に切換わっていると、ＣＰＵ３５は、レジスタＲＦのデ−タ（共振周波数）をＤ／Ａコンバ−タ３６に与えて信号ＣをＬ（角速度検出のための振動板５のｘ方向励振）に切換えるので、角速度検出は、振動板５を共振周波数で駆動した状態で行なわれることになる。すなわち、信号ＡがＬ（角速度検出モ−ド）のときにＣＰＵ３５はレジスタＲＦのデ−タ（前述の共振周波数Ｆｒの検出（３）で、共振周波数デ−タとなっている）をＡ／Ｄコンバ−タ３６に出力し、モ−ド指示信号Ｃを低レベルＬとする。これによりアンドゲ−ト３９がオン、４２がオフとなり、振動板５が、共振周波数でｘ方向に励振される。
【００４９】
ＣＰＵ３５はその後、所定時間間隔で角速度検出信号ＧＬｆをＡ／Ｄ変換して読込み、読込んだデ−タを出力レジスタに書込んで、角速度デ−タ出力ポ−ト（パラレル出力ポ−ト）の出力ラッチにセット（更新ラッチ）する。すなわち、この出力更新を行なうごとにＣＰＵ３５はメインル−チン（図６のステップ２）に戻るが、戻ったときにホストＣＰＵからの信号ＡがやはりＬ（角速度検出モ−ド指定）であると、時間時間の経過を待って、角速度検出信号ＧＬｆをＡ／Ｄ変換して読込み、出力ラッチを更新するので、信号ＡがＬである間は、ＣＰＵ３５は、角速度信号ＧＬｆと出力ラッチの更新を所定時間間隔で繰返し実行する。したがって、角速度出力ポ−トには常時、最新に検出した角速度Ωを表わすデ−タＤΩがセットされており、ホストＣＰＵは任意の時点に、最新の角速度デ−タＤΩを読取ることができる。
【００５０】
ところで、前述の「共振周波数Ｆｒの検出」（３）のステップ３７でピ−ク値（共振周波数）を検出してメインル−チンに戻ったときにホスＣＰＵからの信号ＡがやはりＨ（共振周波数検出モ−ド指定）であると、また、上述の「共振周波数Ｆｒ検出」（３）を実行する。したがって、信号Ａが連続してＨである間は、ＣＰＵ３５は、「共振周波数Ｆｒ検出」（３）を繰返し実行し、信号ＡがＬに転ずるのを待つ、ということになる。これが電源投入直後の状態であると、該繰返しの実行は、電源投入後のジャイロ２０のウォ−ムアップ（これは自己発熱のみならず、その外部の電気回路，電気装置の放熱によっても生ずる）による振動板５の共振周波数の変化に対応して、励振周波数Ｄｆを、振動板５の最新の共振周波数に合致するものに追従させる、ということになる。
【００５１】
なお、ＣＰＵ３５は、共振周波数検出のために、励振周波数（同期検波器３３に与える同期信号）を、設定範囲の下限値Ｆminから、順次にｄＦ分高い値に変更するが、逆にしてもよい。すなわち、設定範囲の上限値Ｆmin＋ＰＮ・ｄＦから、順次にｄＦ分低い値に変更してもよい。
【００５２】
更には、設定範囲Ｆmin〜Ｆmin＋ＰＮ・ｄＦが広い場合には、ｄＦを比較的に大きい値とし、ピ−ク値となる周波数を検出すると、それを中心とする狭い範囲を設定して、この範囲内で順次に小さい変更量ｄＦｍ分高い値又は低い値に変更して、より細かく共振周波数を決定するのが好ましい。
【００５３】
−第２実施例−
図７に第２実施例の構成を示す。この第２実施例で用いられるジャイロ２０は、図１および図４に示す第１実施例の電極９ａ，９ｂおよび９ｃを、一体連続にして一枚の電極９としたものである。第２実施例のジャイロ２０のその他の構成は、第１実施例のジャイロ２０と同じである。
【００５４】
第２実施例では、電極９が一枚であり、これを静電容量検出用と振動板５のｚ駆動用に共用するために、切換回路４６が追加され、この切換回路４６で、電極９をスイッチング回路４５とＣ／Ｖコンバ−タ３１に選択的に接続するようにしている。第２実施例のＣＰＵ３５の制御動作は、前述の第１実施例のものと同じである。第２実施例では、「共振周波数Ｆｒ検出」（３）において、モノマルチバイブレ−タ４４が１パルス（高レベルＨ）を出力している間、切換回路４６が該パルスに応答して電極９にスイッチング回路４５の出力端を接続し、これにより該パルスに応答してスイッチング回路４５が出力する高電圧Ｖｈが電極９に加わり、振動板５が電極９に強く吸引される。この高電圧Ｖｈが消えるとき、すなわちモノマルチバイブレ−タ４４の出力がＬに戻るときに切換回路４６が、電極９−Ｃ／Ｖ変換器間の接続に戻り、振動板５の自由振動によるレベル変動がＣ／Ｖ変換器３１の出力信号すなわち容量検出信号に現われる。
【００５５】
−第３実施例−
図８に第３実施例の構成を示す。この第３実施例のジャイロ２０の全体の縦断面を図１０に示し、その主要部の外観を図９に示す。このジャイロ２０は、振動板５に、ｙ方向に延びる導体線５２と、振動板表面に沿って矩形渦巻き状に分布する導体コイル５１を形成し、振動板５よりやや広い平面を有する２個の、シ−ト状の永久磁石６１，６２を、振動板５を挟むように配設したものである。
【００５６】
振動板５は、シリコン基板１のエッチングにより支持梁４ａ〜４ｄと共に形成されたものであり、支持梁４ａ〜４ｄがシリコン基板１に一体連続で、振動板５は支持梁４ａ〜４ｄに一体連続である。振動板５の表面を絶縁体で被覆してから、金蒸着により導体線５２と導体コイル５１を形成した後、更に絶縁体を被覆し、そして支持梁４ａと４ｂの、振動板５のｚ方向変位により最も変形する部位に、歪に応じて抵抗値が変化する歪抵抗材を蒸着して歪センサ５３，５４としている。 永久磁石６１および６２は、図１０に示すようにｚ方向に磁化しており、それぞれ上蓋および下板に固着されており、磁石６１のＮ極と磁石６２のＳ極とが対向しており、それらの間に導体コイル５１（振動板５）が位置する。導体コイル５１に、磁石６１に対向する側がＳ極となりしたがって磁石６２に対向する側がＮ極となる方向の電流を通電すると、導体コイル５１が両磁石６１，６２に吸引されるが、導体コイル５１は磁石６２よりも磁石６１に近いので、磁石６１で吸引されて導体コイル５１（振動板５）が磁石６１に近付く方向に移動する。この移動の後に通電を遮断すると、振動板５が該移動の方向と逆方向に戻り移動しそしてｚ方向で正，逆方向に自由振動（減衰振動）する。この振動の振幅に対応して歪センサ５３，５４の抵抗値が変化する。
【００５７】
図８を参照すると、歪センサ５３，５４には、分圧抵抗を介して定電圧が加わっており、歪センサ５３，５４の抵抗値に比例する電圧が加算器３２に印加される。歪センサ５３および５４の抵抗値の変化は、共に振動板５の振動に同期しかつ同方向であるので、加算器３２が振動板５の振動に同期したアナログ電圧（振動電圧）を発生する。上述の、導体コイル５１に振動板５をｚ方向に駆動するための電流を流すための電圧を、スイッチング回路４５が導体コイル５１に印加する。
【００５８】
角速度検出のための振動板５のｘ方向励振は、スイッチング回路４０ａおよび４０ｂで導体線５２に交流電圧を印加することにより実現する。該交流電圧の印加により、導体線５２に交流電流が流れる。導体線５２に、図８に示す矢印ｙの方向に電流が流れているときには、磁石６１，６２間の磁界と該電流との間に、フレミングの左手の法則として知られている電磁力が発生し、導体線５２（振動板５）に、矢印ｘの方向の推力が作用し、振動板５が矢印ｘの方向に移動する。電流の流れる方向が反転すると推力の方向が反転し振動板５が矢印ｘとは逆方向に移動する。したがって、導体線５２に交流電圧を印加している間、振動板５が、該交流電圧の周波数と等しい周波数でｘ方向に振動する。
【００５９】
図８に示す加算器３２〜スイッチング回路４５までの電気回路の構成および各電気要素の動作は第１実施例（図４）と同様であるので、ここでの説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例のジャイロ２０の内部を示す斜視図である。
【図２】 図１に示すジャイロ２０の、II−II線断面図である。
【図３】 図１に示すジャイロ２０の、III−III線断面図である。
【図４】 図１に示すジャイロ２０に接続した電気回路の構成を示すブロック図である。
【図５】 図４に示すＣＰＵ３５の角速度検出処理の概要を示すフロ−チャ−トである。
【図６】 図５に示す「共振周波数Ｆｒ検出」（３）の内容を示すフロ−チャ−トである。
【図７】 本発明の第２実施例のジャイロ２０の要素ならびにそれに接続された電気回路の構成を示し、ジャイロ２０の要素は斜視図で、電気回路はブロック図で示す。
【図８】 本発明の第３実施例のジャイロ２０の要素の一部ならびにそれに接続された電気回路の構成を示し、ジャイロ２０の要素は斜視図で、電気回路はブロック図で示す。
【図９】 図８に示すジャイロ２０の主要要素の斜視図である。
【図１０】 図８に示すジャイロ２０の、図９に示すＸ−Ｘ線縦断面図である。
【符号の説明】
１：絶縁体のシリコン基板
２ａ〜２ｄ，３ａ〜３ｄ：アンカ（導電体のポリシリコン）
４ａ〜４ｄ：支持梁 ５：振動板
６ａ，６ｂ：電極幹 ７ａ〜７ｄ：ｘ移動電極
８ａ〜８ｄ：ｘ駆動電極 ９ａ，９ｂ：容量検出用の電極
９ｃ：ｚ駆動電極
９：容量検出用およびｚ駆動用に共用の電極
１０：リ−ド電極 ２０：マイクロジャイロ
３１，３１ａ，３１ｂ：Ｃ／Ｖ変換器
３２：加算器（図４）／増幅器（図７）
３３：同期検波器 ３４：増幅器
３５：マイクロコンピュ−タ ３６：Ｄ／Ａコンバ−タ
３７：電圧制御発振器 ３８：パルス整形回路
３９，４２：アンドゲ−ト
４０ａ，４０ｂ，４５：スイッチング回路 ４１：インバ−タ
４３：フリップフロップ ４４：モノマルチバイブレ−タ
４６：切換回路 ５１：導体コイル
５２：導体線 ５３，５４：歪センサ
６１，６２：永久磁石
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動体をｘ方向に振動駆動し、振動方向ｘと直交するｙ軸を中心とする回転方向の角速度Ωにより現われる振動体の、振動方向ｘおよび該軸ｙに直交する方向ｚの振動成分を検出するためのセンサを有する角速度センサに、該センサが発生する電気信号を角速度Ωを表わす角速度信号に変換する電気回路装置を付加した角速度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の角速度センサの１つが、「COMB DRIVE MICROMECHANICAL TUNING FORK GYRO」との名称で、米国特許第５，３４９，８５５号明細書に開示されており、もう１つが、「角速度センサ」との名称で、特開平７−４３１６６号公報に開示されている。いずれも半導体加工プロセスを用いてシリコンを微細加工して得るマイクロジャイロである。
【０００３】
この種の角速度センサの振動板は、ｘ，ｙ平面に平行な平板の両側端（ｙ平行辺）に各１組、計２組の櫛歯を有し、かつ、両終端（ｘ平行辺）のそれぞれよりｙ方向に延びる支脚を有し、これらの支脚で支えられて宙吊りとなっており、ｘ方向およびｚ方向に振動しうる。振動板の第１および第２組の櫛歯と互に噛み合う形で第１組および第２組の固定櫛歯が、振動板の櫛歯とは非接触で微小ギャップを置いて、振動板の両側端の外側にある。振動板と第１組および第２組の固定櫛歯との間に、周波数ｆの交流高電圧を印加することにより、静電吸引力により振動板が第１組および第２組の固定櫛歯に交互に引かれて、ｘ方向に周波数ｆで振動する。
【０００４】
振動板がｘ方向に振動しているとき、ｙ軸を中心とする回転の角速度Ωが振動板に加わると、コリオリ力が振動板に作用し、振動板が、ｘ方向の振動にｚ方向の振動が加わった楕円運動をする。すなわち振動板にｚ方向の振動が現われる。ｚ方向に微小ギャップを置いて振動板と対向する電極の、振動板／電極間の静電容量が、該ｚ方向の振動により変動する。この変動の振幅は振動板のｚ方向の振幅に略逆比例する。この静電容量を電気信号レベル（アナログ電圧）すなわち容量検出信号に変換することにより、振幅が振動板のｚ方向の振幅に逆比例する電圧が得られ、この振幅が角速度Ωの値に対応するので、容量検出信号を振動板の励振信号に同期して位相検波することにより、角速度Ωの値に対応するレベルの直流電圧が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
振動板の質量をｍ、振動の振幅をａ、周期をω、角速度をΩとすると、振動速度ｖの最大値はａωであるから、コリオリ力Ｆｃの最大値Ｆｃmaxは、
Ｆｃmax＝２ｍΩａω
となる。コリオリ力Ｆｃの大きさは、ａおよびωに比例するが、マイクロジャイロの場合ωの可変範囲は、マイクロジャイロの構造上限定されるため、振幅ａを大きくすることにより、大きなコリオリ力Ｆｃを発生させる。そこで従来より、コリオリ力Ｆｃを最も効率良く発生するために、振動板を、共振周波数（固有振動数）で振動駆動するように、駆動電気回路を設計している。しかしながら、振動板の製作誤差により、共振周波数がばらつき、角速度センサ毎にレ−ザトリミングまたは駆動電気回路を調整（チュ−ニング）する必要があるが、小型であるほど製作誤差又はばらつき（個体差）が大きいため、チュ−ニングが難かしい。また、ｘ方向，ｙ方向ともに共振周波数で振動するので振動が不安定になり易く共振周波数には経時変化があり、電源オンからの時間経過あるいは長期的な使用開始からの使用経過による共振周波数の変化には対処できない。
【０００６】
前記特開平７−４３１６６号公報には、角速度センサの振動板支持脚端に空隙を設けてそこに電極を付加して、この電極に印加する電圧レベルにより空隙値を調整して、設計周波数での励振で振動板の振幅が最大となるように振動板の共振周波数を調整するが、この調整幅は狭く、センサ個々の寸法のばらつきおよびそれに加えての角速度センサの経時的な振動特性の変化を十分に吸収することができない。振動板の実際の共振周波数は不明であるので、実際の共振周波数に合せて駆動電気回路の励振駆動信号の周波数を調整することはできない。
【０００７】
本発明は、角速度検出感度及び精度を高くすることを第１の目的とし、振動板の角速度検出方向ｚの共振周波数を検出しうる角速度検出装置を提供することを第２の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の角速度検出装置は、基台(1)，該基台に、ｘ方向およびｚ方向に振動可能に支持された振動体(5)，該振動体にｘ方向に振動する力を及ぼすための第１加振手段(7a〜7d,8a〜8d/52,61,62)，前記振動体をｚ方向に駆動するための第２加振手段(9c,9/51,61,62)、および、振動体のｚ方向の振動に対応して振動する第１電気信号(31,32の入力)を発生するための振動変換手段(9a,9b,9/53,54)、を含む角速度センサ(20)；
指示された周波数(Df)の同期信号を発生する同期信号発生手段(36,37)；
第１加振手段に、前記同期信号に同期して第１駆動電圧を与える第１励振手段(38〜41)；
第２加振手段に、振動体をｚ方向に駆動するための第２駆動電圧を与える第２励振手段(42〜45)；
第１電気信号の、前記同期信号と実質上同一周波数のレベル変化の振幅を表わす第２電気信号(GLf)を発生する振幅検出手段(31〜34)；および、
第２励振手段を介して第２加振手段に第２駆動電圧を与えて振動体をｚ方向に駆動し、振動変換手段が発生する第１電気信号の周波数(RF)を検索する手段(31〜34,35)；を備える。なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の符号を、参考までに付記した。
【０００９】
これによれば、周波数検索手段(31〜34,35)により振動体(5)のｚ方向の共振周波数(RF)が検出される。この共振周波数(RF)の発生を同期信号発生手段(36,37)に指示すると、振動体(5)が該共振周波数(RF)でｘ方向に振動する。このとき角速度Ωが加わると、振動体(5)が該共振周波数(RF)でｘ方向およびｚ方向に振動する。すなわち楕円運動をする。このｚ方向の振動に対応するレベル変化が第１電気信号(31,32の入力)に現われ、振幅検出手段(31〜34)が発生する第２電気信号(GLf)が、該ｚ方向の振動の振幅すなわち角速度Ωに対応するレベルとなる。このｚ方向の振動は、振動体(5)のｚ方向の共振周波数であるので、従来の、振動体の励振周波数がｚ方向の共振周波数から外れている場合よりも、角速度Ω値に対する振幅が大きい。すなわち角速度検出感度が高く、第２電気信号(GLf)の角速度分解能すなわち角速度検出精度が高い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の後述の第１実施例(図1,図4)では、角速度センサ(20)の振動変換手段は、振動体に空隙を置いてｚ方向で対向する、振動体との間に静電容量を形成する電極であって第１電気信号(31a,31bの入力)のレベルは振動体(5)／電極(9a,9b)間の静電容量に対応し、第２加振手段も振動体に空隙を置いてｚ方向で対向する電極(9c)であって、振幅検出手段(31〜34)は電極(9a,9b)に、第２励振手段(42〜45)は電極(9c)に接続されている。すなわち、振動板(5)に対向する電極が、振動板(5)のｚ方向変位を検出するための第１組電極(9a,9b)と、振動板(5)をｚ方向に駆動するための第２組電極(9c)に分かれている。
【００１１】
本発明の後述の第２実施例(図7)では、第２加振手段と振動変換手段とは、同一の電極(9)である。すなわち電極(9)が第２加振手段および振動変換手段に兼用されている。これに伴って、電極(9)を振幅検出手段(31〜34)と第２励振手段(42〜45)の一方に選択的に接続する切換手段(46)が加わっている。周波数検索手段(31〜34,35)は、第２励振手段(42〜45)を介して電極(9)に第２駆動電圧(45の出力電圧)を与える間のみ、切換手段(46)を介して電極(9)を第２励振手段(42〜45)に接続する。
【００１２】
本発明の後述の第３実施例(図8〜10)では、角速度センサ(20)は電磁駆動のものであり、第１加振手段は、振動体と一体のｙ方向に延びる導電体(52)およびこれにｚ方向の磁界を与える永久磁石(61,62)であり、第１励振手段(38〜41)は導電体(52)に交流電圧を印加する。磁界により導電体(52)にはフレミングの左手の法則に従がうｘ方向の交流（方向が反転する）推力が加わり、振動板(5)がｘ方向に振動する。第２加振手段は、振動体と一体であってｚ軸廻りに周回する導電体(51)と前記永久磁石(61,62)の組合せである。第２励振手段(42〜45)が導電体(51)に第２駆動電圧を印加すると、導電体(51)が振動板(5)の表面側をＮ極（又はＳ極）裏面側をＳ極（又はＮ極）とする磁束を発生して、永久磁石(61,62)に対して反発又は吸引されて導電体(51)が一体の振動板(5)がｚ方向に移動する。第２駆動電圧の印加が止まると、反発力又は吸引力が消えるので、振動板(5)が原位置に復帰するように移動を始めて、ｚ方向に自由振動する。振動板(5)は、それをｘ方向およびｚ方向に振動可に支持する支持梁(4a,4b)に連続しており、この支持梁に、振動変換手段として歪センサ(53,54)が固着されている。この歪センサ(53,54)が、振動板(5)のｚ方向の変位量に対応するレベルの第１電気信号(図8の32の入力)を発生する。
【００１３】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００１４】
【実施例】
−第１実施例−
図１に、本発明の第１実施例のマイクロジャイロ（角速度センサ）２０の内部構造を、蓋板８を削除して示し、図２に該ジャイロ２０の、図１のII−II線で破断した断面を、図３にIII−III線で破断した断面を示す。
【００１５】
図１を参照すると、絶縁体のシリコン基板１には、導電性とするための不純物を含むポリシリコンの、振動板アンカ２ａ〜２ｄおよび駆動電極アンカ３ａ〜３ｄが接合している。振動板アンカ２ａおよび２ｂに、ｙ方向に延び同一直線上に位置する振動板支持梁４ａおよび４ｂが連続しており、同様に、振動板アンカ２ｃおよび２ｄにｙ方向に延び同一直線上に位置する振動板支持梁４ｃおよび４ｄが連続し、これらの支持梁４ａ〜４ｄにｘ方向に延び、基板１の表面に実質上平行な振動板５が連続している。振動板５に対向する基板１の表面上に、静電容量検出用の電極９ａ，９ｂおよび振動板５を高さ方向（ｚ）に励振駆動するためのｚ駆動電極９ｃがある。
【００１６】
振動板５のｘ方向の中央位置から左右（ｙ方向）に電極幹６ａおよび６ｂが延び、電極幹６ａから前後（ｘ方向）に、櫛歯状にｙ方向に等ピッチで分布する複数個の移動側電極すなわちｘ移動電極７ａおよび７ｃが突出し、同様に、電極幹６ｂから電極７ｂおよび７ｄが突出している。
【００１７】
駆動電極アンカ３ａ〜３ｄのそれぞれには、電極幹６ａ，６ｂの櫛歯状のｘ移動電極７ａ〜７ｄのそれぞれの歯間スロットに進入した、櫛歯状の固定側電極すなわちｘ駆動電極８ａ〜８ｄがある。これらのｘ駆動電極８ａ〜８ｄと、ｘ移動電極７ａ〜７ｄとの間には微小ギャップがある。
【００１８】
上述の、支持梁４ａ〜４ｄ，振動板５，電極幹６ａ，６ｂ，ｘ移動電極７ａ〜７ｄおよびｘ駆動電極８ａ〜８ｄは、基板１の表面から離れている。すなわち基板１の表面に、ギャップを置いて対向している。これらは、振動板アンカ２ａ〜２ｄおよび駆動電極アンカ３ａ〜３ｄを、マイクロ加工技術の蒸着によりシリコン基板１の表面上に形成するときに、振動板アンカ２ａ〜２ｄあるいは駆動電極アンカ３ａ〜３ｄに、一体連続で形成される。この形成過程の概要を次に説明する。
【００１９】
まず、すでに静電容量検出用の電極９ａ，９ｂおよびｚ駆動電極９ｃがパタ−ニングされている基板１の表面に、支持梁４ａ〜４ｄ，振動板５，電極幹６ａ，６ｂ，移動側電極７ａ〜７ｄおよび固定側電極８ａ〜８ｄの直下のギャップを形成するための第１犠牲層が形成される。その後、アンカ２ａ〜２ｄおよびアンカ３ａ〜３ｄの下面に相当する位置の第１犠牲層がエッチングにより除去される。そして、構造層が基板１の表面にデポジット（堆積）され、次に、導電性とするための不純物を含むシリコン蒸気の蒸着を基板表面全体に行った後に、構造層のアンカ２ａ〜２ｄおよびアンカ３ａ〜３ｄならびに支持梁４ａ〜４ｄ，振動板５，電極幹６ａ，６ｂ，移動側電極７ａ〜７ｄおよび固定側電極８ａ〜８ｄに相当する位置を除いてエッチングにより除去される。第１犠牲層が溶剤で除去されて、図１〜図３に示す基板１内の各エレメントが現れる。
【００２０】
アンカ２ａ〜２ｄ，３ａ〜３ｄおよび電極９ａ〜９ｃのそれぞれは、基板上に電極と同時にパタ−ニングされた配線により同一基板上の電気回路あるいはリ−ド電極のそれぞれに接続されている。
【００２１】
図１を参照する。例えば、マイクロジャイロ２０の外部から、上述のリ−ド電極を介して、アンカ３ａ，３ｂ（ｘ駆動電極８ａ，８ｂ）とアンカ２ａ〜２ｄ（振動板５）との間に高電圧を印加すると、静電気力により振動板５の電極幹６ａ，６ｂがアンカ３ａ，３ｂに近づく方向に移動する。アンカ３ｃ，３ｄ（ｘ駆動電極８ｃ，８ｄ）とアンカ２ａ〜２ｄ（振動板５）との間に高電圧を印加すると、静電気力により振動板５の電極幹６ａ，６ｂがアンカ３ｃ，３ｄに近づく方向に移動する。これら２態様の電圧印加を交互に繰返すことにより、振動板２ｃがｘ方向に往復振動する。この振動中に、振動板５にｙ軸廻りの角速度Ωが加わると、コリオリ力により、振動板５はｙ軸を中心としｘ−ｚ平面に平行な楕円振動、すなわち、ｘ方向の往復振動にｚ方向の往復振動が加わったものとなる。
【００２２】
角速度Ωが加わっていないときのｘ方向の往復振動によっては、振動板５／電極９ａ，９ｂ間の静電容量は実質上変化しないが、角速度Ωが加わってｚ方向の振動成分が発生すると、これにより振動板５／電極９ａ，９ｂ間の静電容量が振動し、この振動のレベルが角速度Ωに対応する。したがって振動板５／電極９ａ，９ｂ間の静電容量の振動レベルを計測することにより角速度Ωを算出することができる。
【００２３】
上述の楕円振動が振動板５の共振周波数に合致するものであると、角速度Ωの変化に対する楕円振動（のｚ方向振動成分）の振動レベルの変化が高い。すなわち角速度Ωの分解能が高い。
【００２４】
図４に、上述のジャイロ２０に接続した電気回路の概要を示す。アンカ３ａ，３ｂ（ｘ駆動電極８ａ，８ｂ）には、高圧スイッチング回路４０ａの出力端が接続され、アンカ３ｃ，３ｄ（ｘ駆動電極８ｃ，８ｄ）には、高圧スイッチング回路４０ｂの出力端が接続されている。静電容量検出用の電極９ａおよび９ｂにはそれぞれ、振動板５／電極９ａ間の静電容量および振動板５／電極９ｂ間の静電容量を検出し静電容量値を電圧レベルで表わす容量検出信号を発生するＣ／Ｖ変換器３１ａおよび３１ｂが接続されている。ｚ駆動電極９ｃには、高圧スイッチング回路４５の出力端が接続されている。
【００２５】
Ｄ／Ａコンバ−タ３６が、マイクロコンピュ−タ（以下ＣＰＵと称す）３５が与える周波数指示デ−タＤｆを、それが指示する周波数を表わすレベルのアナログ信号に変換して、電圧制御発振器（以下Ｖｃｏと称す）３７に与え、Ｖｃｏ３７が、該アナログ信号のレベルに対応した周波数すなわちデ−タＤｆが指定する周波数Ｄｆの、振幅が一定の正弦波を発生してパルス整形回路３８に与える。該回路３８は、該正弦波の正半波の間高レベルＨ、負半波の間低レベルＬのデュ−ティが５０％の矩形波パルスをアンドゲ−ト３９および４２に与える。
【００２６】
角速度Ωを検出しそれを表わすデ−タを出力する角速度検出モ−ドでは、ＣＰＵ３５が、信号Ｃを低レベルＬとしてアンドゲ−ト３９をオンに、アンドゲ−ト４２をオフにする。
【００２７】
角速度検出モ−ドでは、パルス整形回路３８が与える矩形波パルスをスイッチング回路４０ｂおよびインバ−タ４１に与え、インバ−タ４１が、該矩形波パルスを反転した（すなわち位相を１８０度ずらした）矩形波パルスをスイッチング回路４０ａに与える。スイッチング回路４０ａは、与えられる矩形波パルスが低レベルＬから高レベルＨに立上ると、この立上りよりわずかな遅延の後に、図示しない高圧電源の高圧電位Ｖｈをアンカ３ａ，３ｂ（ｘ駆動電極８ａ，８ｂ）に印加（出力）する。矩形波パルスが高レベルＨから低レベルＬに切換わると即座に、高圧電位Ｖｈを遮断して基準電位（高圧電源回路のア−ス）Ｅをアンカ３ａ，３ｂに印加する。スイッチング回路４０ｂも４０ａと同様に動作するが、両回路に与えられる矩形波パルスに１８０度のずれがあるので、アンカ３ａ，３ｂと３ｃ，３ｄには、交互に高圧電位Ｖｈが印加され、これにより振動板５がｘ方向に振動する。振動の周波数はＤｆである。
【００２８】
振動板５がこのように振動しているとき、振動板５に角速度Ωが加わると、振動板５が周波数がＤｆの楕円振動を生じ、そのｚ方向振動成分により、振動板５／電極９ａ，９ｂ間の静電容量が振動する。この振動によりＣ／Ｖ変換器３１ａ，３１ｂの静電容量検出信号（アナログ電圧）が同期して振動する。これらの検出信号の和を表わすレベルの電圧を加算器３２が発生して同期検波器３３に与える。同期検波器３３には、Ｖｃｏが発生する正弦波が同期信号として与えられる。
【００２９】
同期検波器３３は、加算器３２が与える、周波数がＤｆで、振幅が角速度Ωに対応する交流信号の振幅を表わすアナログ信号を発生するものであり、このアナログ信号が、角速度Ωの値に対応するレベルの角速度信号である。同期検波器３３の内部において、図示しない移相器が、Ｖｃｏが与える正弦波に、それに対するＣ／Ｖ変換器３１ａ，３１ｂの容量検出信号の位相遅れ（略９０度）分の位相遅れを与える。図示しないミキサが、この位相遅れが与えられた同期信号に基づいて、Ｃ／Ｖ変換器３１ａ，３１ｂの容量検出信号（加算器３２の出力）を同期検波して、容量検出信号の振幅に対応するレベルのアナログ電圧（直流電圧）を発生する。このアナログ電圧をリセット（クリア）機能を有するロ−パスフィルタが平滑化する。ロ−パスフィルタを通ったアナログ電圧が、角速度信号である。
【００３０】
同期検波器３３が出力する角速度信号は、増幅器３４で角速度Ωを表わすレベルに校正され、ＣＰＵ３５のＡ／Ｄ変換ポ−トに印加される。ＣＰＵ３５は、校正済の角速度信号ＧＬｆをデジタル変換して読込み、角速度Ωを表わすデ−タＤΩを出力する。
【００３１】
振動板５の共振周波数を検出する共振周波数検出モ−ドでは、ＣＰＵ３５が、信号Ｃを高レベルＨとしてアンドゲ−ト３９をオフに、アンドゲ−ト４２をオンにする。
【００３２】
共振周波数検出モ−ドでは、アンドゲ−ト３９がオフであるので、スイッチング回路４０ａおよび４０ｂには駆動パルスが与えられず、それらの回路４０ａおよび４０ｂの出力は共通電位Ｅに留まり、振動板５はｘ方向に振動駆動されない。しかし、Ｖｃｏは、ＣＰＵ３５が指示する周波数Ｄｆの正弦波を発生してパルス整形回路３８および同期検波器３３に与えるので、アンドゲ−ト３９，４２には、角速度検出モ−ドのときと同様に駆動パルスが与えられる。また、Ｃ／Ｖ変換器３１ａ，３１ｂ，加算器３２，同期検波器３３および増幅器３４は、角速度検出モ−ドのときと同様に動作し、振動板５がｚ方向に振動すると、振幅に対応する信号（前述の角速度検出信号ＧＬｆ）がＣＰＵ３５に与えられる。
【００３３】
ＣＰＵ３５がリセット信号Ｂ（パルス）を出力すると、この信号により同期検波器３３内のロ−パスフィルタがリセットされこれにより該フィルタ内の平滑コンデンサのチャ−ジが放電する。同時に、フリップフロップ４３がリセットされてそのＱバ−（オ−バライン付Ｑ）出力が低レベルＬから高レベルＨに転ずる。ＣＰＵ３５の出力Ｃが高レベルＨであるので、パルス成形回路３８が発生したパルス（高レベルＨ）がアンドゲ−ト４２を通過してモノマルチバイブレ−タ４４に至るが、このパルスによりフリップフロップ４３がセットされて、そのＱバ−出力がＨからＬに転じて、アンドゲ−ト４２がオフになる。これにより、ＣＰＵ３５がリセットパルスＢを出力してから、パルス整形回路３８の出力がＨのときに、１パルスだけがモノマルチバイブレ−タ４４に加わる。モノマルチバイブレ−タ４４は、該パルスでトリガ−されて設定幅だけＨの１パルスをスイッチング回路４５に出力する。
【００３４】
スイッチング回路４５は、モノマルチバイブレ−タ４４が与えるパルス区間（Ｈ区間）の間、高電位Ｖｈをｚ駆動電極９ｃに出力し、該パルス区間を過ぎると（Ｌに戻ると）、共通電位Ｅをｚ駆動電極９ｃに与える。これにより、ｚ駆動電極９ｃが１回だけ振動板５を吸引する。振動板５はこれにより電極９ｃに強く吸引されて、高さ方向ｚの、それに近づく方向に移動し、前記パルス区間が経過すると吸引力が消えるので解放されて戻り移動し、元位置を通過して更に電極９ｃから離れる方向に移動する。そして今度は元位置に戻る方向に反転移動し、また元位置を通過して電極９ｃに近づく方向に移動する。このように移動しているとき、振動板５には外力は加わらないので、振動板５はその共振周波数（固有振動数）で減衰振動する。
【００３５】
同期検波器３３には、Ｖｃｏから周波数Ｄｆの同期信号が与えられているので、仮に、振動板５の前記減衰振動の周波数（共振周波数）が周波数Ｄｆに合致していると、角速度検出信号ＧＬｆのレベルは高くなる。不一致で両者間の位相ずれが大きいときには、同期検波器３３において、容量検出信号（加算器３２の出力）が同期信号（Ｖｃｏ３７の出力）からずれているので、同期検波器３３のミキサの出力が交流となり、ロ−パスフィルタがこれを遮断するので、同期検波器３３の出力ＧＬｆ（直流）のレベルは極く低い。又は実質上零である。
【００３６】
前記減衰振動の周波数に対して同期信号の周波数Ｄｆが接近して行くにつれて、同期検波器３３の出力ＧＬｆ（直流）のレベルが高くなる。したがって、Ｄ／Ａコンバ−タ３６に与える周波数指示デ−タＤｆを、前記減衰振動の周波数を含むある周波数範囲の下限値を指定するものから、順次にｄＦ分高いものに更新し、更新のたびに１パルスのリセット信号Ｂを同期検波器３３およびフリップフロップ４３に与えて振動板５を一度だけ駆動して自由振動させ、この自由振動の数サイクル後程度のタイミングで角速度検出信号ＧＬｆをデジタルデ−タに変換して読込むことにより、振動板５の共振周波数を判定することができる。すなわち、角速度検出信号ＧＬｆがピ−ク値となったときの周波数指示デ−タＤｆが表わす周波数Ｄｆが、振動板５の共振周波数、もしくは共振周波数に非常に近い値である。
【００３７】
より正確に共振周波数を決定したい場合には、ピ−ク値となったときの周波数指示デ−タＤｆが表わす周波数Ｄｆを中心にした狭い、第２の周波数範囲を設定して、その下限値から、ｄＦより小さい値分周波数指示デ−タＤｆ高いものに更新しながら、上述のピ−ク値検出のための操作を行なえばよい。
【００３８】
ＣＰＵ３５は、アンドゲ−ト３９，４２に、モ−ド指示信号Ｃ（Ｌ：角速度検出モ−ド／Ｈ：共振周波数検出モ−ド）を与え、かつ、角速度検出モ−ドを指定しているとき（Ｃ＝Ｌ）には、所定周期で増幅器３４の角速度信号ＧＬｆをＡ／Ｄ変換して読込み、このデジタルデ−タを、ホストＣＰＵ（図示せず）へのデ−タ出力ポ−ト（パラレル出力ラッチ）にセットする。ホストＣＰＵはいつでもこのデ−タ（パラレル出力）を読取ることができる。ホストＣＰＵは、角速度デ−タの必要／不要を示す信号Ａ（Ａ＝Ｌ：角速度デ−タ必要／Ａ＝Ｈ：角速度デ−タ不要）をＣＰＵ３５に与え、ＣＰＵ３５は、Ａ＝Ｌのときには、モ−ド指定信号ＣをＬ：角速度検出モ−ドとして、所定周期で角速度デ−タＤΩを出力ラッチに更新ラッチする。Ａ＝Ｈのときには、モ−ド指定信号ＣをＨ：共振周波数検出モ−ドにして、振動板５の共振周波数（ＲＦ）を検出し、信号ＡがＨからＬ（角速度検出モ−ド）に切換わると、検出している共振周波数（ＲＦ）を表わすデ−タＤｆをＤ／Ａコンバ−タ３６に与える。
【００３９】
図５に、ＣＰＵ３５の動作の概要を示す。電源が投入されるとＣＰＵ３５は、その入，出力ポ−トを待機時の信号レベルに設定し、内部タイマ，カウンタ，レジスタ（ＲＡＭの一領域に割宛て）等を初期化する（ステップ１）。なお、以下においてカッコ内には、ステップという語を省略してステップＮｏ．数字のみを記す。
【００４０】
ＣＰＵ３５は次に、ホストＣＰＵからの信号Ａのレベルをチェックして、それがＨであると「共振周波数Ｆｒ検出」（３）を実行し、Ｌであるときには「角速度Ω算出」（４）を実行する。
【００４１】
図６に、「共振周波数Ｆｒ検出」（３）の内容を示す。これに進むとＣＰＵ３５は、アンドゲ−ト３９，４２への出力信号ＣをＨレベルにする（３１）。次に、励振パルス周波数の切換回数をカウントするためのレジスタＲＣをクリアし（３２）、ピ−ク値格納用のレジスタＲＧＬｆのデ−タをクリアし（３３）、励振周波数レジスタＲＦに、設定最低値Ｆminを書込みレジスタＲＦのデ−タＤｆをＤ／Ａコンバ−タ３６に出力する（３４）。そして、リセットパルスＢを１パルス出力する（３５）。Ｖｃｏが周波数がＤｆ（レジスタＲＦのデ−タが示す値）の、一定振幅の正弦波を発生し、その正半波区間がＨで負半波区間がＬの矩形パルスをパルス整形回路３８が発生し、この一連のパルスがアンドゲ−ト４２，３９に加わるが、信号ＣがＨであるのでアンドゲ−ト３９はオフであり、スイッチング回路４０ａ，４０ｂはスイッチング動作をせず、それらの出力は共通電位Ｅに留まり、振動板５はｘ方向に励振されない。
【００４２】
ステップ３５でリセットパルスＢが出力されると、フリップフロップ４３がそれによってリセットされてそのＱバ−出力がＬからＨに転じ、そこでアンドゲ−ト４２がオンとなり、そのときあるいはその直後に、パルス整形回路３８の出力がＨになるとそれがアンドゲ−ト４２を通してフリップフロップ４３のセット入力端Ｓおよびモノマルチバイブレ−タ４４のトリガ入力端に加わり、フリップフロップ４３がセット状態となってそのＱバ−出力がＨからＬに転じ、これによりアンドゲ−ト４２がオフとなる。モノマルチバイブレ−タ４４は、それに設定された時限の間Ｈのパルス（１パルス）を発生し、そのＨ区間のみスイッチング回路４５がｚ駆動用の電極９ｃに高電圧Ｖｈを印加する。
【００４３】
高電圧Ｖｈが電極９ｃに加わったことにより振動板５が電極９ｃに強く引かれてそれに近付く。そして電圧Ｖｈが消えると電極９ｃの吸引力が無くなるので、振動板５は電極９ｃから離れる方向に移動する。その後自由振動により振動板５がその固有振動数（共振周波数）で減衰振動する。振動板５のこの自由振動はｚ方向であるので、その振動に対応したレベル変動が加算器３２の出力電圧すなわち容量検出信号に現われる。周波数Ｄｆの正弦波をＶｃｏが発生しており、該正弦波が同期検波器３３に与えられているので、同期検波器３３は、周波数Ｄｆで容量検出信号を検波する。自由振動の周波数が周波数Ｄｆと合致していると、同期検波器３３の出力信号すなわち角速度信号ＧＬｆ（直流電圧）のレベルは最高となり、周波数がずれているとずれが大きいほど角速度信号ＧＬｆのレベルは低い。
【００４４】
前述のようにリセットパルスＢを出力するとＣＰＵ３５は、それから所定の遅れ時間の後に、角速度信号ＧＬｆをデジタル変換して読込む（３６）。該遅れ時間は、同期検波器３３内のロ−パスフィルタをリセットパルスＢでリセット（平滑コンデンサの電圧の放電）してから、前述の振動板５のｚ方向の自由振動による容量検出信号のレベル振動を同期検波することによりロ−パスフィルタの平滑コンデンサが自由振動対応のレベルに実質上安定するに要する時間であり、これは細かくは自由振動の周波数によって違いがあるが、前記遅れ時間は、励振周波数Ｄｆの走査範囲Ｆmin〜Ｆmin＋ＰＮ・ｄＦの中心値の周波数に合せた値に定めている。
【００４５】
次にＣＰＵ３５は、今回読込んだ角速度信号ＧＬｆのレベルがレジスタＲＧＬｆのデ−タが示す値（前回読込値）以上であるかをチェックする（３７）。その通りであると、レジスタＲＧＬｆに今回読込んだデ−タＧＬｆを書込み（３８）、励振周波数レジスタＲＦのデ−タ更新回数を１インクレメントして（３９）、更新回数が設定値ＰＮに達した（上限値Ｆmin＋ＰＮ・ｄＦの励振周波数Ｄｆを出力した）かをチェックして（４０）、そうでない(まだ上限値Ｆmin＋ＰＮ・ｄＦより低い)と、励振周波数レジスタＲＦのデ−タＤｆを、最小単位ｄＦ分高い値に更新してそれをＤ／Ａコンバ−タ３６に出力する（４１）。
【００４６】
そして、またリセットパルスＢを発生して（３５）、それから所定の遅延時間の後に、角速度信号ＧＬｆをデジタル変換して読込む（３６）。励振周波数ＤｆのｄＦ分の上昇により、励振周波数Ｄｆが前回よりも振動板５のｚ方向の共振周波数に近づいているのであれば、位相検波器３３の出力信号ＧＬｆのレベルが前回よりも高くなる。ＣＰＵ３５は上述と同様にして、今回読込んだデ−タＧＬｆがレジスタＲＧＬｆのデ−タが示す値以上であるかをチェックする（３７）。その通りであると、レジスタＲＧＬｆに今回読込んだデ−タＧＬｆを書込み（３８）、励振周波数Ｄｆを更にｄＦ分高い値に更新する（３９〜４１）。このように、同期検波器３３の出力信号レベルＧＬｆが増加傾向であると、励振周波数Ｄｆを順次ｄＦづつ高くする。
【００４７】
励振周波数Ｄｆが振動板５のｚ方向共振周波数に最も近い値になって、次に更に励振周波数ＤｆをｄＦ分小さくすると、同期検波器３３の出力信号レベルＧＬｆが前回の読込値（レジスタＲＧＬｆの値：振動板５の共振周波数に最も近い値）よりも低下する。
【００４８】
するとＣＰＵ３５は、そこでメインル−チン（図５のステップ２）に戻る。戻ったときにホストＣＰＵからの信号ＡがＬ（角速度検出モ−ド）に切換わっていると、ＣＰＵ３５は、レジスタＲＦのデ−タ（共振周波数）をＤ／Ａコンバ−タ３６に与えて信号ＣをＬ（角速度検出のための振動板５のｘ方向励振）に切換えるので、角速度検出は、振動板５を共振周波数で駆動した状態で行なわれることになる。すなわち、信号ＡがＬ（角速度検出モ−ド）のときにＣＰＵ３５はレジスタＲＦのデ−タ（前述の共振周波数Ｆｒの検出（３）で、共振周波数デ−タとなっている）をＡ／Ｄコンバ−タ３６に出力し、モ−ド指示信号Ｃを低レベルＬとする。これによりアンドゲ−ト３９がオン、４２がオフとなり、振動板５が、共振周波数でｘ方向に励振される。
【００４９】
ＣＰＵ３５はその後、所定時間間隔で角速度検出信号ＧＬｆをＡ／Ｄ変換して読込み、読込んだデ−タを出力レジスタに書込んで、角速度デ−タ出力ポ−ト（パラレル出力ポ−ト）の出力ラッチにセット（更新ラッチ）する。すなわち、この出力更新を行なうごとにＣＰＵ３５はメインル−チン（図６のステップ２）に戻るが、戻ったときにホストＣＰＵからの信号ＡがやはりＬ（角速度検出モ−ド指定）であると、時間時間の経過を待って、角速度検出信号ＧＬｆをＡ／Ｄ変換して読込み、出力ラッチを更新するので、信号ＡがＬである間は、ＣＰＵ３５は、角速度信号ＧＬｆと出力ラッチの更新を所定時間間隔で繰返し実行する。したがって、角速度出力ポ−トには常時、最新に検出した角速度Ωを表わすデ−タＤΩがセットされており、ホストＣＰＵは任意の時点に、最新の角速度デ−タＤΩを読取ることができる。
【００５０】
ところで、前述の「共振周波数Ｆｒの検出」（３）のステップ３７でピ−ク値（共振周波数）を検出してメインル−チンに戻ったときにホスＣＰＵからの信号ＡがやはりＨ（共振周波数検出モ−ド指定）であると、また、上述の「共振周波数Ｆｒ検出」（３）を実行する。したがって、信号Ａが連続してＨである間は、ＣＰＵ３５は、「共振周波数Ｆｒ検出」（３）を繰返し実行し、信号ＡがＬに転ずるのを待つ、ということになる。これが電源投入直後の状態であると、該繰返しの実行は、電源投入後のジャイロ２０のウォ−ムアップ（これは自己発熱のみならず、その外部の電気回路，電気装置の放熱によっても生ずる）による振動板５の共振周波数の変化に対応して、励振周波数Ｄｆを、振動板５の最新の共振周波数に合致するものに追従させる、ということになる。
【００５１】
なお、ＣＰＵ３５は、共振周波数検出のために、励振周波数（同期検波器３３に与える同期信号）を、設定範囲の下限値Ｆminから、順次にｄＦ分高い値に変更するが、逆にしてもよい。すなわち、設定範囲の上限値Ｆmin＋ＰＮ・ｄＦから、順次にｄＦ分低い値に変更してもよい。
【００５２】
更には、設定範囲Ｆmin〜Ｆmin＋ＰＮ・ｄＦが広い場合には、ｄＦを比較的に大きい値とし、ピ−ク値となる周波数を検出すると、それを中心とする狭い範囲を設定して、この範囲内で順次に小さい変更量ｄＦｍ分高い値又は低い値に変更して、より細かく共振周波数を決定するのが好ましい。
【００５３】
−第２実施例−
図７に第２実施例の構成を示す。この第２実施例で用いられるジャイロ２０は、図１および図４に示す第１実施例の電極９ａ，９ｂおよび９ｃを、一体連続にして一枚の電極９としたものである。第２実施例のジャイロ２０のその他の構成は、第１実施例のジャイロ２０と同じである。
【００５４】
第２実施例では、電極９が一枚であり、これを静電容量検出用と振動板５のｚ駆動用に共用するために、切換回路４６が追加され、この切換回路４６で、電極９をスイッチング回路４５とＣ／Ｖコンバ−タ３１に選択的に接続するようにしている。第２実施例のＣＰＵ３５の制御動作は、前述の第１実施例のものと同じである。第２実施例では、「共振周波数Ｆｒ検出」（３）において、モノマルチバイブレ−タ４４が１パルス（高レベルＨ）を出力している間、切換回路４６が該パルスに応答して電極９にスイッチング回路４５の出力端を接続し、これにより該パルスに応答してスイッチング回路４５が出力する高電圧Ｖｈが電極９に加わり、振動板５が電極９に強く吸引される。この高電圧Ｖｈが消えるとき、すなわちモノマルチバイブレ−タ４４の出力がＬに戻るときに切換回路４６が、電極９−Ｃ／Ｖ変換器間の接続に戻り、振動板５の自由振動によるレベル変動がＣ／Ｖ変換器３１の出力信号すなわち容量検出信号に現われる。
【００５５】
−第３実施例−
図８に第３実施例の構成を示す。この第３実施例のジャイロ２０の全体の縦断面を図１０に示し、その主要部の外観を図９に示す。このジャイロ２０は、振動板５に、ｙ方向に延びる導体線５２と、振動板表面に沿って矩形渦巻き状に分布する導体コイル５１を形成し、振動板５よりやや広い平面を有する２個の、シ−ト状の永久磁石６１，６２を、振動板５を挟むように配設したものである。
【００５６】
振動板５は、シリコン基板１のエッチングにより支持梁４ａ〜４ｄと共に形成されたものであり、支持梁４ａ〜４ｄがシリコン基板１に一体連続で、振動板５は支持梁４ａ〜４ｄに一体連続である。振動板５の表面を絶縁体で被覆してから、金蒸着により導体線５２と導体コイル５１を形成した後、更に絶縁体を被覆し、そして支持梁４ａと４ｂの、振動板５のｚ方向変位により最も変形する部位に、歪に応じて抵抗値が変化する歪抵抗材を蒸着して歪センサ５３，５４としている。 永久磁石６１および６２は、図１０に示すようにｚ方向に磁化しており、それぞれ上蓋および下板に固着されており、磁石６１のＮ極と磁石６２のＳ極とが対向しており、それらの間に導体コイル５１（振動板５）が位置する。導体コイル５１に、磁石６１に対向する側がＳ極となりしたがって磁石６２に対向する側がＮ極となる方向の電流を通電すると、導体コイル５１が両磁石６１，６２に吸引されるが、導体コイル５１は磁石６２よりも磁石６１に近いので、磁石６１で吸引されて導体コイル５１（振動板５）が磁石６１に近付く方向に移動する。この移動の後に通電を遮断すると、振動板５が該移動の方向と逆方向に戻り移動しそしてｚ方向で正，逆方向に自由振動（減衰振動）する。この振動の振幅に対応して歪センサ５３，５４の抵抗値が変化する。
【００５７】
図８を参照すると、歪センサ５３，５４には、分圧抵抗を介して定電圧が加わっており、歪センサ５３，５４の抵抗値に比例する電圧が加算器３２に印加される。歪センサ５３および５４の抵抗値の変化は、共に振動板５の振動に同期しかつ同方向であるので、加算器３２が振動板５の振動に同期したアナログ電圧（振動電圧）を発生する。上述の、導体コイル５１に振動板５をｚ方向に駆動するための電流を流すための電圧を、スイッチング回路４５が導体コイル５１に印加する。
【００５８】
角速度検出のための振動板５のｘ方向励振は、スイッチング回路４０ａおよび４０ｂで導体線５２に交流電圧を印加することにより実現する。該交流電圧の印加により、導体線５２に交流電流が流れる。導体線５２に、図８に示す矢印ｙの方向に電流が流れているときには、磁石６１，６２間の磁界と該電流との間に、フレミングの左手の法則として知られている電磁力が発生し、導体線５２（振動板５）に、矢印ｘの方向の推力が作用し、振動板５が矢印ｘの方向に移動する。電流の流れる方向が反転すると推力の方向が反転し振動板５が矢印ｘとは逆方向に移動する。したがって、導体線５２に交流電圧を印加している間、振動板５が、該交流電圧の周波数と等しい周波数でｘ方向に振動する。
【００５９】
図８に示す加算器３２〜スイッチング回路４５までの電気回路の構成および各電気要素の動作は第１実施例（図４）と同様であるので、ここでの説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例のジャイロ２０の内部を示す斜視図である。
【図２】 図１に示すジャイロ２０の、II−II線断面図である。
【図３】 図１に示すジャイロ２０の、III−III線断面図である。
【図４】 図１に示すジャイロ２０に接続した電気回路の構成を示すブロック図である。
【図５】 図４に示すＣＰＵ３５の角速度検出処理の概要を示すフロ−チャ−トである。
【図６】 図５に示す「共振周波数Ｆｒ検出」（３）の内容を示すフロ−チャ−トである。
【図７】 本発明の第２実施例のジャイロ２０の要素ならびにそれに接続された電気回路の構成を示し、ジャイロ２０の要素は斜視図で、電気回路はブロック図で示す。
【図８】 本発明の第３実施例のジャイロ２０の要素の一部ならびにそれに接続された電気回路の構成を示し、ジャイロ２０の要素は斜視図で、電気回路はブロック図で示す。
【図９】 図８に示すジャイロ２０の主要要素の斜視図である。
【図１０】 図８に示すジャイロ２０の、図９に示すＸ−Ｘ線縦断面図である。
【符号の説明】
１：絶縁体のシリコン基板
２ａ〜２ｄ，３ａ〜３ｄ：アンカ（導電体のポリシリコン）
４ａ〜４ｄ：支持梁 ５：振動板
６ａ，６ｂ：電極幹 ７ａ〜７ｄ：ｘ移動電極
８ａ〜８ｄ：ｘ駆動電極 ９ａ，９ｂ：容量検出用の電極
９ｃ：ｚ駆動電極
９：容量検出用およびｚ駆動用に共用の電極
１０：リ−ド電極 ２０：マイクロジャイロ
３１，３１ａ，３１ｂ：Ｃ／Ｖ変換器
３２：加算器（図４）／増幅器（図７）
３３：同期検波器 ３４：増幅器
３５：マイクロコンピュ−タ ３６：Ｄ／Ａコンバ−タ
３７：電圧制御発振器 ３８：パルス整形回路
３９，４２：アンドゲ−ト
４０ａ，４０ｂ，４５：スイッチング回路 ４１：インバ−タ
４３：フリップフロップ ４４：モノマルチバイブレ−タ
４６：切換回路 ５１：導体コイル
５２：導体線 ５３，５４：歪センサ
６１，６２：永久磁石
Claims (11)
- 基台，該基台に、ｘ方向およびｚ方向に振動可能に支持された振動体，該振動体にｘ方向に振動する力を及ぼすための第１加振手段，前記振動体をｚ方向に駆動するための第２加振手段、および、振動体のｚ方向の振動に対応して振動する第１電気信号を発生するための振動変換手段、を含む角速度センサ；
指示された周波数の同期信号を発生する同期信号発生手段；
第１加振手段に、前記同期信号に同期して第１駆動電圧を与える第１励振手段； 第２加振手段に、振動体をｚ方向に駆動するための第２駆動電圧を与える第２励振手段；
第１電気信号の、前記同期信号と実質上同一周波数のレベル変化の振幅を表わす第２電気信号を発生する振幅検出手段；および、
第２励振手段を介して第２加振手段に第２駆動電圧を与えて振動体をｚ方向に駆動し、振動変換手段が発生する第１電気信号の周波数を検索する手段；
を備える角速度検出装置。 - 角速度センサの振動変換手段は、振動体に空隙を置いてｚ方向で対向する、振動体との間に静電容量を形成する電極を含み、第１電気信号のレベルは振動体／電極間の静電容量に対応する、請求項１記載の角速度検出装置。
- 前記電極は、それぞれが振動体に対向する第１組電極および第２組電極を含み、振幅検出手段は第１組電極に接続され；第２励振手段は第２組電極に第２駆動電圧を印加する；請求項２記載の角速度検出装置。
- 装置は更に、振動体との間に静電容量を形成する電極を、振幅検出手段と第２励振手段の一方に選択的に接続する切換手段；を含み、前記周波数検索手段は、第２励振手段を介して前記電極に第２駆動電圧を与える間のみ、前記切換手段を介して前記電極を第２励振手段に接続する；請求項２記載の角速度検出装置。
- 第１加振手段は、櫛型静電駆動の櫛型電極である請求項１，請求項２，請求項３又は請求項４記載の角速度検出装置。
- 第１加振手段は、電磁駆動手段である、請求項１記載の角速度検出装置。
- 電磁駆動手段は、振動体と一体のｙ方向に延びる導電体、および、この導電体にｚ方向の磁界を与える磁界印加手段、を含み；第１励振手段は、前記導電体と磁界印加手段の一方に交流である第１駆動電圧を与える；請求項６記載の角速度検出装置。
- 第２加振手段は、振動体と一体であってｚ軸廻りに周回する導電体、および、この導電体にｚ方向の磁界を与える磁界印加手段、を含む；請求項１，請求項６又は請求項７記載の角速度検出装置。
- 振動変換手段は、振動板に連続してそれをｘ方向およびｚ方向に振動可に支持する支持梁と一体の歪センサを含む；請求項１，請求項６，請求項７又は請求項８記載の角速度検出装置。
- 前記周波数検索手段は、第２電気信号のレベルを読み、これを同期信号発生手段に与える指示周波数を変更して行ない、第２電気信号のレベルが実質上ピ−クとなる周波数を検索する、請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７，請求項８又は請求項９記載の角速度検出装置。
- 前記周波数検索手段は、同期信号発生手段に与える周波数指示値を漸増又は漸減し、周波数指示値を変更する度に、第２励振手段を介して前記電極に１パルスの第２駆動電圧を与えて振動体をｚ方向に駆動し、振動体のｚ方向の振動によって現われた第２電気信号のレベルを読む、請求項１，請求項２，請求項３，請求項４，請求項５，請求項６，請求項７，請求項８，請求項９又は請求項１０記載の角速度検出装置。
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