JP4667940B2 - 慣性センサ装置 - Google Patents

Description

この発明は、静電力（静電引力）で駆動される可動体（可動部）を有する慣性センサ装置に関し、特にマイクロマシン技術により製作される慣性センサ装置に好適である。

従来、この種の慣性センサ装置として、一方向だけの加速度検出を行うマイクロセンサ（例えば特許文献１参照）や，多方向の加速度検出を行う静電浮上型ジャイロ装置（例えば特許文献２〜４参照）が知られており、これらは、何れも、導電性の可動部と、これとの対向面に電極が形成されている電気絶縁性の固定部と、その固定部に対する可動部の相対変位を検出して加速度算出等の測定値算出を行うセンサ回路とを備えている。
そのうちマイクロセンサでは（特許文献１）、固定部である平行な絶縁基板の対向面に形成された固定電極の中間に、可動部としての可動電極がカンチレバーで弾性支持されており、その固定電極が、静電サーボ型センサの場合、制御電極となっていて、その制御電極には可動部の相対変位の変動を解消する静電引力を生じる制御電圧が印加される。

また、静電浮上型ジャイロ装置では（特許文献２〜４）、可動部であるジャイロロータが、円板状（特許文献２）や，環状（特許文献３〜４）に形成されており、固定部であるジャイロケースの真空空間内に遊装されている。そのケースは、電気絶縁性の部材からなり、ロータ対向面をなすケース内面には多数の制御電極が形成されている。さらに、それらで構成されるジャイロ機構部には、センサ回路としての電子回路が付設されており、これによって、ケースに対するロータの相対変位が検出され、その変動を解消する静電引力を生じる制御電圧が制御電極に印加されるとともに、相対変位の検出結果に基づいて加速度算出等の測定値算出が行われる。静電浮上型ジャイロ装置の場合、そのような姿勢制御用制御電極の他、ロータを回転駆動するための電極や，相対変位を検出するための検出電極も、ケース内面に設けられている。相対変位の検出手法についても、変位検出用信号を制御電極から検出電極へ流すものと（特許文献２〜３）、変位検出用信号を逆に検出電極から制御電極へ流すものとがある（特許文献４）。

これらのうち本発明の説明に役立つ具体例として、環状ロータ型の静電浮上型ジャイロ装置であってセンス回路がデジタルプロセッサを主体に構成され変位検出用信号を制御電極から検出電極へ流すというものを図示した。図１は、（ａ）がジャイロ機構部の縦断端面図、（ｂ）がジャイロ機構部における電極配置を示す斜視図、（ｃ）がセンサ回路等のブロック図である。また、図２は、（ａ）がセンサ動作時の制御電圧波形例、（ｂ）がセンサ停止時の印加電圧波形例である。なお、電極配置の図示に際し、姿勢制御用の制御電極と変位検出用の検出電極は明記したが、回転駆動用の電極は、本発明の説明に不要なので、煩雑化回避のため、省略した。

環状ロータ型のジャイロ機構部１０は（図１（ａ），（ｂ）参照）、環状に形成されたロータ１１を静電浮上可能かつ回転可能な状態でケース１２に内蔵したものである。ケース１２は、ガラス等の絶縁物からなる上側底部材と下側底部材とスペーサとを組み合わせて構成され、内部に環状の真空空間が形成されている。ロータ１１は、シリコン等の導電体からなり、１本のスピン軸周りに安定して回転するよう、環状に形成されている。ケース１２からロータ１１に静電引力を作用させる等のために、ケース１２の内側表面には、金属膜パターン等からなる多数の電極１３，１４が形成されている。それらの電極１３，１４は、それぞれの役割に応じて、ロータ１１との対峙距離やピッチなど所定の関係を満たすよう配置されている。

センサ回路２０に接続されるケース１２の電極１３，１４について詳述すると、ロータ１１を中間に挟んで対向配置された複数対に分けられる。特に静電支持用の制御電極１３については、それぞれの対において更に隣接配置された対に分けられる。例えば、図示の場合、上側底部材において隣り合う制御電極３ａ，３ｂが隣接対をなし、下側底部材において隣り合う制御電極３ｃ，３ｄも隣接対をなし、隣接電極３ａ，３ｂと隣接電極３ｃ，３ｄとが対向対をなしている。他の制御電極１３についても同様である。なお、本明細書では、制御電極の隣接状態を意識して個々の電極を区別するときには３ａ，３ｂ等の符号を付し、個々の電極を意識せずに制御電極すべてについて述べる場合には１３の符号を付す。

それらの制御電極１３の具体的な役割を説明するため、空間で直交する３軸をそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸とし、図１（ａ）で、紙面の左右方向にＸ軸を置き、紙面を貫く向きにＹ軸を置き、紙面の上下方向にＺ軸を置き、Ｘ軸周りの回転をφとし、Ｙ軸周りの回転をθとする。そうすると、ケース１２のうちスペーサに形成されＸ軸方向に並べられた制御電極１３は、制御電圧を印加されてそれに応じたＸ方向の静電引力を出すとともに、ロータ１１のＸ方向変位に応じてロータ１１との静電容量を変えるものとなっている。ケース１２のうちスペーサに形成されＹ軸方向に並べられた制御電極１３はＹ方向に関して同様の機能を発揮し、ケース１２のうち上側底部材や下側底部材に形成されＹ軸方向に並べられた制御電極１３は±Ｚ±φ方向に関して同様の機能を発揮し、ケース１２のうち上側底部材や下側底部材に形成されＸ軸方向に並べられた制御電極１３は±Ｚ±θ方向に関して同様の機能を発揮するものとなっている。更に細分化すると、例えば、隣接電極３ａ，３ｂは＋Ｚ＋φ方向に係り、隣接電極３ｃ，３ｄは−Ｚ−φ方向に係るものである。

センサ回路２０は（図１（ｃ）参照）、このようなジャイロケース１２の制御電極１３及び検出電極１４に接続されてジャイロ機構部１０と共に静電浮上型ジャイロを構成するものであり、変位検出用信号に周波数弁別可能な複数信号を用い、それらを各制御電圧に重畳して制御電極１３に印加し、検出アンプ２１にて検出電極１４から検出するようになっている。演算部２２は、デジタルシグナルプロセッサやマイクロプロセッサからなるデジタルプロセッサ２４を用いてデジタル化されており、検出アンプ２１の出力を入力する側にはＡ／Ｄ変換回路２３（アナログ−デジタル変換回路）が付設され、制御電圧を規定する制御量の出力側にはＤ／Ａ変換回路２５（デジタル−アナログ変換回路）が付設されている。そして、変位検出用信号の検出値からケース１２に対するロータ１１の相対変位を算出し、更にその相対変位から加速度Ａを算出するようになっている。加速度Ａは慣性センサ装置で求められる測定値の典型例であり、測定値は速度や位置の場合もある。

また、演算部２２は、相対変位の検出結果に基づいてその変動を解消するための制御量を算出するようにもなっており、その制御量がＤ／Ａ変換回路２５を介して出力アンプ２６に送出されると、それに対応した制御電圧が出力アンプ２６から制御電極１３に印加され、これによってケース１２の制御電極１３形成部位とロータ１１対向部位との間に静電引力が生じて、両者の１１，１２の相対変位が一定に維持される。そのような制御電圧の生成やジャイロ出力用の加速度Ａの算出は（特許文献２図７，特許文献３図９，特許文献４図９等を参照）、ジャイロの場合は５方向Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ，φについて行われるが、先ず、変位検出用検出信号から各方向の変位を算出し（例えば特許文献２図７のΔＸ，ΔＹ，ΔＺ，Δθ，Δφ）、それにＰＩＤ演算等を施して必要な浮上力を算出してから（例えば特許文献２図７のｆＸ，ｆＹ，ｆＺ，ｆθ，ｆφ）、行われる。

それらの算出した浮上力を制御電極１３の配置や容量に応じて各電極に分配する等のことで姿勢制御用の制御電圧を生成し（例えば特許文献２図７の±Ｖ１Ａ〜±Ｖ４Ａ）、それらの浮上力をロータ１１の質量に応じて外力加速度に変換する等のことでジャイロ出力用の加速度等を算出するようになっている（例えば特許文献２図７のαＸ，αＹ，αＺ，ｄθ／ｄｔ，ｄφ／ｄｔ）。
このような制御電圧の有効成分はロータ１１を運動させるため概ね数十ｋＨｚ以下であるのに対し、ロータ１１の運動に影響を与えずに相対変位を測定するための変位検出用信号は、それより十分に周波数が高く、例えばＭＨｚのオーダーの信号であり、変位検出信号発生回路２７で例えば５つの周波数成分を持たされ、出力アンプ２６の入力側で制御電圧に重畳されるようになっている。

さらに、演算部２２は、各制御電圧を生成する際に、対向対をなす制御電極および隣接対をなす制御電極に印加されるものについては、正負の異なる相補的な電圧を生成するようになっている。具体例として、環状ロータ型の６対の制御電極１３のうち隣接電極３ａ，３ｂと隣接電極３ｃ，３ｄとの対向対について（図１（ｃ）参照）、波形例を参照しながら制御電圧の印加状況を詳述する（図２（ａ）参照）。ロータ１１がＺ軸中心の回転は別として中立位置に静止しているときに制御電極１３に印加される一定のオフセット電圧をＶofとし、姿勢制御のために算出され変化する±Ｚ±θ方向の制御電圧成分をＶｘとすると、印加電圧Ｖ３ａの主成分は−Ｖof−Ｖｘにされ、印加電圧Ｖ３ｂの主成分は＋Ｖof＋Ｖｘにされ、印加電圧Ｖ３ｃの主成分は−Ｖof＋Ｖｘにされ、印加電圧Ｖ３ｄの主成分は＋Ｖof−Ｖｘにされる。

それらの印加電圧は、高周波の変位検出用信号が重畳されたことの影響を受けるが、この高周波で同相の重畳成分を無視すると、隣接電極３ａ，３ｂの印加電圧Ｖ３ａ，Ｖ３ｂは、正負反転の波形を持った相補的なものとなり、隣接電極３ｃ，３ｄの印加電圧Ｖ３ｃ，Ｖ３ｄも、正負反転の波形を持った相補的なものとなる。
もっとも、そのような制御電圧が印加されるのはセンサ回路２０に動作電力が供給されてセンサ回路２０が正常に動作している場合であり、センサ回路２０への給電が停止されてセンサ回路２０が動作していないときには制御電極１３の印加電圧Ｖ３ａ等は０Ｖになる（図２（ｂ）参照）。

特開平５−１７２８４６号公報 特開平０８−３２０２３１号公報 特開２００１−２３５３２９号公報 特開２００４−１９１２９６号公報

［特許文献５］ 特願２００４−３６３７０４号
これに開示された発明は、上述した静電浮上型ジャイロ装置（特許文献２〜４）の改良であり、変位検出用信号を各制御電圧に重畳する際に重畳先が時分割されるとともに、制御電圧出力が変位検出用信号の印加中の電極から外されるようになっている。また、相対変位の検出結果から直ちに加速度算出等の測定値算出を行うのでなく、相対変位を打ち消すための制御電圧に基づいて加速度算出等の測定値算出を行うようになっている。そのため、加速度等の算出は精度を優先して動作速度を落とし、制御量等の算出は動作速度を優先して精度を落とすことにより、センサ回路が小形で安価なものとなる。

要するに、このような未公開の慣性センサ装置や上述した従来の慣性センサ装置では、各軸に対応した電極に時分割で又は重畳して制御電圧とセンス電圧（変位検出用信号の電圧）が印加される。センス電圧の極性は、座標の向きに対応して逆となる。位置検出用電極（検出電極）にはロータの位置（相対変位）に対応した振幅の電荷が現われる。これを電圧信号に変換して制御電圧が計算され、その制御電圧は、時分割方式ではセンス電圧の印加されない期間にのみ印加され、重畳方式ではセンス電圧と一緒に印加される。電極に印加される電圧から、あるいは検出したロータの位置（相対変位）から、ロータにかかる力が計算され、結果として慣性センサ装置として動作させることができる。ロータを回転させれば、ジャイロ装置として動作させることができる。

［発明が解決しようとする問題点］
しかしながら、このような従来の慣性センサ装置や未公開の慣性センサ装置は、何れも、制御電圧として正負の異なる相補的な電圧を生成してそれらを制御電極のうち隣り合っている電極に印加するようになっており、これに起因する測定精度阻害要因をはらんでいると推測されるに至った。すなわち、長期に及ぶ実験と観測の結果、絶縁体からなるケース等の固定部の内部に存在しているイオンの分布状態がゆっくりではあるが変化して、やがて測定精度に無視できない影響を与えるようになることが判ってきた。

図３は、そのような問題点を説明するための機構部縦断面一部拡大模式図であり、（ａ）がセンサ動作開始直後のイオン分布、（ｂ）がセンサ動作継続後のイオン分布を示している。イオンは、イオントラップをイメージした丸い白抜き領域の中に「＋」や「−」で図示したが、電界を掛ける前は、ケース１２の内部にほぼ均等な状態で分布している。ケース１２は絶縁体なので制御電極１３に制御電圧を印加しても少なくとも暫くはその均等な分布状態が維持され（図３（ａ）参照）、その状態では、制御電極１３とロータ１１との間に、設計時に期待した通りの静電引力が働く。ところが、数時間から十数時間以上の長い時間継続して慣性センサ装置を動作させると、絶縁体内部のイオンが絶縁体内部を移動して、具体的には（図３（ｂ）参照）、負の制御電圧（−Ｖof−Ｖｘ）の印加されている電極３ａ側に「＋」イオンが偏在し、正の制御電圧（＋Ｖof＋Ｖｘ）の印加されている電極３ｂ側に「−」イオンが偏在し、これらの偏在イオンによる電界によってロータ１１に対する電界が変化する。

これによってロータ１１に対する電界が一部打ち消されることから（図３（ｂ）の点線部分を参照）、静電引力の一部が失われるので、ケース１２とロータ１１との間に設計通りの静電引力が生じず、静電引力の不足は姿勢制御の能力低下ばかりか加速度測定の不安定化を招来するため、結果として慣性センサ装置としての測定精度が悪化することとなる。また、長時間の動作によって絶縁体内のイオンが偏在した後に、センス回路への給電を断って動作を停止させると、絶縁体内部のイオンが長時間かけて今度は分散するため、次回の動作時の不安定要因が復活する。
そこで、絶縁体（固定部）内部のイオンの移動を抑制することにより測定精度の不安定要因を取り除いて測定精度の向上を図ることが技術的な課題となる。

本発明の慣性センサ装置は（解決手段１）、このような課題を解決するために創案されたものであり、導電性の可動部と、これとの対向面に複数の制御電極が形成されている電気絶縁性の固定部と、前記固定部に対する前記可動部の相対変位を検出して、その変動を解消する静電引力を生じる制御電圧を前記制御電極に印加するとともに、前記相対変位の検出結果または前記制御電圧に基づいて加速度算出等の測定値算出を行うセンサ回路とを備え、前記制御電圧として正負の異なる相補的な電圧を生成してそれらを前記制御電極のうち隣り合っている電極に印加する慣性センサ装置において、前記センサ回路への給電停止時も受電可能なところに設けられ正負の異なる相補的な一定のバイアス電圧を生成するバイアス回路と、前記センサ回路への給電停止時には前記制御電圧に代えて前記バイアス電圧を前記制御電極のうち隣り合っている電極に印加させる切替回路とを具備したことを特徴とする。

また、本発明の慣性センサ装置は（解決手段２）、上記解決手段１の慣性センサ装置であって、前記バイアス電圧が前記制御電圧の平均電圧であることを特徴とする。

さらに、本発明の慣性センサ装置は（解決手段３）、導電性の可動部と、これとの対向面に複数の制御電極が形成されている電気絶縁性の固定部と、前記固定部に対する前記可動部の相対変位を検出して、その変動を解消する静電引力を生じる制御電圧を前記制御電極に印加するとともに、前記相対変位の検出結果または前記制御電圧に基づいて加速度算出等の測定値算出を行うセンサ回路とを備え、前記制御電圧として正負の異なる相補的な電圧を生成してそれらを前記制御電極のうち隣り合っている電極に印加する慣性センサ装置において、前記固定部のうち前記可動部との対向面以外の部位に形成された複数のバイアス電極と、前記センサ回路への給電停止時も受電可能なところに設けられ正負の異なる相補的な一定のバイアス電圧を生成して前記バイアス電極に印加するバイアス回路とを具備したことを特徴とする。

また、本発明の慣性センサ装置は（解決手段４）、上記解決手段３の慣性センサ装置であって、前記バイアス回路が電池から受電してその電圧を前記バイアス電圧とするものであることを特徴とする。

このような本発明の慣性センサ装置にあっては（解決手段１）、センサ回路への給電が断たれてセンサ回路が動作を停止した後は、バイアス回路で生成された正負の異なる相補的な一定のバイアス電圧が、切替回路を介して、正負の異なる相補的な制御電圧に代わって、制御電極のうち隣り合っている電極に印加される。
これにより、電気絶縁性の固定部の内部のイオンがセンサ回路の動作時も非動作時も制御電極の近傍に偏在し続けることから、イオンの移動が抑制されるので、イオンの分布状態が安定して、測定精度の不安定要因が無くなる。

なお、バイアス電圧が静的なので、バイアス回路や切替回路で消費する電力は、僅少であり、小形の専用電池，充電式のバックアップ電源，あるいは後述する実施例のような電池の継続使用などで供給可能である。
したがって、この発明によれば、電気絶縁性の固定部の内部のイオンを制御電極近傍へ積極的に偏在させることにより、長時間に亘って測定精度の良い慣性センサ装置を実現することができる。

また、本発明の慣性センサ装置にあっては（解決手段２）、バイアス電圧を制御電圧の平均電圧にしたことにより、電気絶縁性の固定部の内部のイオンの偏在状態がセンサ回路の動作時も非動作時もほぼ同じになるので、制御性も測定精度も最も安定する。

さらに、本発明の慣性センサ装置にあっては（解決手段３）、バイアス回路で生成された正負の異なる相補的な一定のバイアス電圧が、センサ回路への給電の有無に拘わらず常に、バイアス電極に印加される。バイアス電極は固定部のうち可動部との対向面以外の部位に形成されているので、それに引き寄せられてイオンは可動部対向面から離れる。
これにより、電気絶縁性の固定部の内部のイオンがセンサ回路の動作時も非動作時も制御電極の遠隔部に偏在し続けることから、イオンの移動が抑制されるので、イオンの分布状態が安定して、測定精度の不安定要因が無くなる。

なお、この場合も、バイアス電圧が静的なので、バイアス回路や切替回路で消費する電力は、僅少であり、小形の専用電池，充電式のバックアップ電源，あるいは後述する実施例のような電池の継続使用などで供給可能である。
したがって、この発明によれば、電気絶縁性の固定部の内部のイオンを制御電極の遠くへ積極的に偏在させることにより、長時間に亘って測定精度の良い慣性センサ装置を実現することができる。

また、本発明の慣性センサ装置にあっては（解決手段４）、電池から受電した電圧をそのままバイアス電圧にすることで、バイアス回路が配線主体の最も簡素なものとなる。ここで、配線主体の回路には、配線だけの回路の他、それにコネクタ等の準配線部材を組み合わせたものや、サージアブソーバ等の付帯部材を組み合わせたものも、該当する。

このような本発明の慣性センサ装置について、これを実施するための具体的な形態を、以下の実施例１〜３により説明する。
図４に示した実施例１は、上述した解決手段１〜２（出願当初の請求項１〜２）を具現化したものであり、図５の実施例２は、その変形例である。また、図６に示した実施例３は、上述した解決手段３〜４（出願当初の請求項３〜４）を具現化したものである。
なお、それらの図示に際し従来と同様の構成要素には同一の符号を付して示したので、重複する再度の説明は割愛し、以下、従来との相違点を中心に説明する。また、以下の実施例の説明でも、従来例の説明と同様、ジャイロロータ回転駆動用の電極や制御手段に関する説明は割愛する。

本発明の慣性センサ装置の実施例１について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図４（ａ）は、慣性センサ装置の典型例である静電浮上型ジャイロ装置について、センサ回路２０等のブロック図である。

図４（ａ）の静電浮上型ジャイロ装置が既述した図１の従来例と相違するのは、バイアス手段３０が追加された点である。ジャイロ機構部１０及びセンサ回路２０は同じ状態で引き継がれている。
バイアス手段３０は、センサ回路２０の出力アンプ２６からジャイロ機構部１０の制御電極１３に至る制御電圧伝送ラインに介挿接続された切替回路３１と、バイアス電圧として既述のオフセット電圧±Ｖofと同じ一定電圧を発生して切替回路３１へ送出するバイアス回路３２と、例えば外部の操作部材から与えられる作動指令Ｂに応じてセンサ回路２０への給電を遂行／停止する開閉器３３とを具えている。

この静電浮上型ジャイロ装置は、正負の電源電圧±Ｖccを発生する電池３４からの給電を受けて稼動する電池駆動タイプのものであり、電池３４からセンサ回路２０への給電は開閉器３３を介して断続制御可能になっているが、電池３４からバイアス回路３２への給電は常時行われるようになっている。
バイアス回路３２は、抵抗分圧回路でも良いが、消費電力を少なくするため、例えば、スイッチトキャパシタ回路を含む降圧回路などの降圧回路が採用されている。

切替回路３１は、例えばＭＯＳ−ＦＥＴからなる低消費電力のアナログスイッチで構成され、制御電圧の各ライン毎に設けられる。そして、作動指令Ｂに応じて切り替わり、作動指令Ｂが電池３４からセンサ回路２０への給電遂行を指示しているときには、出力アンプ２６からの制御電圧を選択して制御電極１３へ出力し、作動指令Ｂが電池３４からセンサ回路２０への給電停止を指示しているときには、バイアス回路３２からのバイアス電圧（＋Ｖof又は−Ｖof）を選択して制御電極１３へ出力するようになっている。

この実施例１の静電浮上型ジャイロ装置（慣性センサ装置）について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図４（ｂ）は、センサ停止時の印加電圧波形例であり、従来例の図２（ｂ）と対比されるものである。

作動指令Ｂが給電遂行を指示しているときには、電池３４から開閉器３３を介してセンサ回路２０に動作電力が供給されるとともに、切替回路３１によってバイアス回路３２が制御電極１３から切り離され出力アンプ２６から出力された制御電圧が従来と同様に制御電極１３に印加される（図２（ａ）参照）。そのと共に変位検出用信号も変位検出信号発生回路２７から制御電極１３に印加され、更に変位検出用信号は検出電極１４を経て検出アンプ２１にて検出されるので、ケース１２に対するロータ１１の相対変位が演算部２２によって算出される。また、演算部２２によって、相対変位から加速度Ａが算出されるとともに、相対変位からそれを打ち消すための制御量が算出され、この制御量がＤ／Ａ変換回路２５及び出力アンプ２６を経て制御電圧となり、この制御電圧が制御電極１３に印加される。こうして、従来同様、適切に、静電浮上力を利用した姿勢制御と加速度検出が行われる。

これに対し、作動指令Ｂが給電停止を指示しているときには、従来（図２（ｂ）参照）と異なり、電池３４からセンサ回路２０への給電が開閉器３３によって停止されるとともに、切替回路３１によってセンサ回路２０が制御電極１３から切り離されてその代わりにバイアス回路３２から出力されたバイアス電圧が制御電極１３に印加される（図４（ｂ）参照）。センサ回路２０動作時に負の制御電圧が印加されていた制御電極１３例えば電極３ａ，３ｃ等への印加電圧Ｖ３ａ，Ｖ３ｃ等は、その平均電圧に対応したバイアス電圧−Ｖofになり、センサ回路２０動作時に正の制御電圧が印加されていた制御電極１３例えば電極３ｂ，３ｄ等への印加電圧Ｖ３ｂ，Ｖ３ｄ等は、その平均電圧に対応したバイアス電圧＋Ｖofになる。そのため、センサ回路２０の非動作時にも、動作時に準じた電圧が、各制御電極１３に継続して印加される。

そうすると、何時もケース１２内のイオンが制御電極１３の近傍に偏在し続け（図３（ｂ）参照）、その状態が安定維持されるので、センサ回路２０の動作／非動作に拘わらず何時でも、制御電極１３に印加される制御電圧と、ロータ１１とケース１２との間に生じる静電引力とが、長時間に亘って安定な一定の関係になる。
したがって、この実施例によれば、センサ回路２０非動作時とセンサ回路２０動作時における制御電極の印加電圧がほぼ同じとなるため、絶縁体からなるケース１２内部のイオンはほぼ定位置にとどまることとなり、結果として絶縁体内部のイオンの動きが原因の慣性センサの加速度Ａ測定値の変動を防止することが可能となる。

図５にセンサ回路等のブロック図を示した本発明の静電浮上型ジャイロ装置（慣性センサ装置）が上述した実施例１のものと相違するのは、演算部２２に時分割手段２８（ＴＤＭ）が追加された点と、二入力の切替回路３１が時分割の機能も分担するため三入力の切替回路３５に拡張された点である。

時分割手段２８は、変位検出用信号を各制御電圧に重畳する際に重畳先を時分割するとともに、変位検出用信号の印加中の電極から制御電圧出力を外すために（特許文献５参照）、時分割信号Ｃや他のタイミング信号を生成してデジタルプロセッサ２４や切替回路３５へ送出するようになっている。ここではデジタルプロセッサ２４と別の回路で示したが、デジタルプロセッサ２４のプログラムで具体化しても良い。何れにしても、Ｄ／Ａ変換回路２５から出力された制御電圧（±Ｖof±Ｖｘ）と、変位検出信号発生回路２７から出力された変位検出用信号とを、直に重畳させることなく択一的に選択させるような時分割信号Ｃを生成し、これを切替回路３５に送出するようになっている。時分割信号Ｃの周波数は、制御電圧の数十ｋＨｚより高く、変位検出用信号のＭＨｚオーダより低く、中間の例えば数百ｋＨｚになっている。変位検出用信号と制御電圧は、電圧振幅に関する相互の制約が無くなって、信号レベルが例えば電源電圧±Ｖccの近くまで高められている。

切替回路３５は、切替回路３１同様、やはり低消費電力のアナログスイッチからなり、制御電圧の各ライン毎に設けられていて、作動指令Ｂに応じて切り替わり、作動指令Ｂが電池３４からセンサ回路２０への給電停止を指示しているときには、バイアス回路３２からのバイアス電圧（＋Ｖof又は−Ｖof）を選択して制御電極１３へ出力するようになっている。一方、作動指令Ｂが電池３４からセンサ回路２０への給電遂行を指示しているときには、切替回路３１の拡張機能を発揮すべく、更に時分割信号Ｃに応じて切り替わり、変位検出信号発生回路２７からの変位検出用信号と出力アンプ２６からの制御電圧とを交互に選択して制御電極１３へ出力するようになっている。変位検出用信号の選択出力は、複数の制御電極１３で重複することがないよう、時差式で行われる。

この場合、センサ回路２０に給電が行われてセンサ回路２０が動作しているときには、各軸±Ｘ，±Ｙ，±Ｚ，±Ｚ±θ，±Ｚ±φに対応した制御電極１３に時分割で交互に制御電圧とセンス電圧（変位検出用信号）が印加される。センス電圧の極性は、座標の向き（各軸の±）に対応して逆となる。例えば、制御電極１３のうち隣接電極３ａ，３ｂには同相のセンス電圧が印加され、隣接電極３ｃ，３ｄにも同相のセンス電圧が印加されるが、対向電極３ａ，３ｃや対向電極３ｂ，３ｄについてはセンス電圧が逆相になる。そして、検出電極１４にはロータ１１の位置（ケース１２に対するロータ１１の相対変位）に対応した振幅の電荷が現われる。

これが、検出アンプ２１で検出されて、演算部２２に入力され、時分割手段２８のタイミング信号に応じて各軸毎に分配されるので、この場合も、変位算出等が適切に行われ、静電浮上型ジャイロ装置として適切に動作する（特許文献５参照）。
また、センサ回路２０への給電が断たれてセンサ回路２０が動作を停止しているときには、上述した実施例１のときと同様にして、センサ回路２０動作時における制御電極の印加電圧の平均に等しいバイアス電圧が各制御電極１３に印加されることから、この場合も、制御電圧と静電引力とが長時間に亘って安定な一定関係になるので、絶縁体からなるケース１２内部のイオンはほぼ定位置にとどまることとなり、結果として絶縁体内部のイオンの動きが原因の慣性センサの加速度Ａ測定値の変動を防止することが可能となる。

なお、変位検出用信号と制御電圧との時分割だけでなく、図示は割愛したが測定値算出に係る拡張も本発明と併用することができる。すなわち（特許文献５参照）、相対変位の検出結果からデジタルプロセッサ２４にて直ちに加速度Ａ等の測定値を算出するのでなく、相対変位を打ち消すための制御電圧に基づいて測定値算出を行うようにしても良い。具体的には、制御量算出を行うため高速動作の要求されるデジタルプロセッサ２４から加速度算出のプログラムをアンインストールして、そのプログラムを低速で安価な別のプロセッサに移植するとともに、Ｄ／Ａ変換回路２５の出力や出力アンプ２６の出力からローパスフィルタで制御電圧の有効成分を抽出し、この抽出成分に基づいて加速度Ａの算出を行うのである。このようにしても、制御電極１３に印加される制御電圧からロータ１１にかかる力を計算で求めることができ、適正な加速度Ａが算出される。これにより、センサ回路２０を小形で安価なものにすることができる。

本発明の慣性センサ装置の実施例３としての静電浮上型ジャイロ装置について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図６は、（ａ）がジャイロ機構部の縦断端面図、（ｂ）がジャイロ機構部の平面図、（ｃ）がセンサ回路等のブロック図である。

この静電浮上型ジャイロ装置が上述した実施例１，２のものと相違するのは、ジャイロ機構部１０に複数のバイアス電極４２が追加された点と、バイアス手段３０を改造したバイアス手段４０がバイアス電圧を制御電極１３でなくバイアス電極４２に印加するようになっている点である。

バイアス電極４２は、イオン移動制御専用の電極であり、ケース１２におけるロータ１１対向面上の制御電極１３や検出電極１４とは別の部位に設けられる。具体的には、ジャイロ機構部１０のケース１２（固定部）のうち、ロータ１１（可動部）と対向する内面でなく、ロータ１１から離隔しているケース１２外面に、形成されている（図示の例では半円状に２個形成されている）。例えば、ロータ径１ｍｍの場合、ロータ１１と制御電極１３との離隔距離は１０数μｍ程度なのに対し、ロータ１１とバイアス電極４２との離隔距離は約５００μｍ程度であり、ロータ１１との距離は両種電極で桁違いに異なる。

バイアス手段４０は、電池３４の出力端子とバイアス電極４２とを繋ぐ配線だけで具現化されたバイアス回路からなる。電池３４には開閉器３３より手前で接続されていて、センサ回路２０への給電停止時も受電しうるものとなっている。また、電池３４の出力する正の電源電圧＋Ｖccを対角位置のバイアス電極４２に印加し（図６（ａ）の＋付き２４を参照）、電池３４の出力する負の電源電圧−Ｖccを他の対角位置のバイアス電極４２に印加することで（図６（ａ）の−付き２４を参照）、正負の異なる相補的な一定のバイアス電圧±Ｖccを隣り合うバイアス電極４２に印加するものとなっている。

この場合、センサ回路２０への給電状態に係わらず常に、バイアス手段４０を介して相補的なバイアス電圧±Ｖccがバイアス電極４２に印加される。バイアス電極４２はケース１２の外面上に形成されているので、それに引き寄せられてケース１２内部のイオンは制御電極１３から離れ、バイアス電極４２の近傍に偏在する。
そうすると、何時もケース１２内のイオンがバイアス電極４２の近傍すなわち制御電極１３の遠隔部に偏在し続け、その状態が安定維持されるので、センサ回路２０の動作／非動作に拘わらず何時でも、制御電極１３に印加される制御電圧と、ロータ１１とケース１２との間に生じる静電引力とが、長時間に亘って安定な一定の関係になる。

なお、バイアス電極４２へのバイアス電圧印加がセンサ回路２０の動作時に継続されていても、ロータ１１との距離がバイアス電極４２は制御電極１３より桁違いに大きいので、制御電極１３とロータ１１との間の静電引力が不所望に損なわれることは無い。
したがって、この実施例によれば、絶縁体からなるケース１２内部のイオンはセンサ回路２０の動作状態に拘わらずほぼ定位置にとどまることとなり、結果として絶縁体内部のイオンの動きが原因の慣性センサの加速度Ａ測定値の変動を防止することが可能となる。また、バイアス手段４０が消費する電力は、絶縁部からのリーク電流によるものだけなので、極めて少ない。

［その他］
上記実施例では、慣性センサ装置として静電浮上型ジャイロ装置を挙げたが、本発明の適用は、それに限定される訳でない。例えば、既述したカンチレバー支持方式のマイクロセンサのようなものでも、静電サーボ型センサであって、隣り合う制御電極に正負の異なる相補的な制御電圧を印加するようになっている場合は、本発明の適用が可能である。

従来の慣性センサ装置について、（ａ）が機構部の縦断端面図、（ｂ）が機構部における電極配置を示す斜視図、（ｃ）がセンサ回路等のブロック図である。 （ａ）がセンサ動作時の制御電圧波形例、（ｂ）がセンサ停止時の印加電圧波形例である。 課題説明用の機構部縦断面一部拡大模式図であり、（ａ）がセンサ動作開始直後のイオン分布、（ｂ）がセンサ動作継続後のイオン分布を示している。 本発明の慣性センサ装置の実施例１について、（ａ）がセンサ回路等のブロック図、（ｂ）がセンサ停止時の印加電圧波形例である。 本発明の慣性センサ装置の実施例２について、センサ回路等のブロック図である。 本発明の慣性センサ装置の実施例３について、（ａ）が機構部の縦断端面図、（ｂ）が機構部の平面図、（ｃ）がセンサ回路等のブロック図である。

符号の説明

１０…ジャイロ機構部、１１…ロータ（可動部）、１２…ケース（固定部）、
１３…制御電極、３ａ，３ｂ、３ｃ，３ｄ…隣接電極、１４…検出電極、
２０…センサ回路、２１…検出アンプ、２２…演算部、
２３…Ａ／Ｄ変換回路、２４…デジタルプロセッサ、２５…Ｄ／Ａ変換回路、
２６…出力アンプ、２７…変位検出信号発生回路、２８…時分割手段、
３０…バイアス手段、３１…切替回路、３２…バイアス回路、３３…開閉器、
４０…バイアス手段、４１…ジャイロ機構部、４２…バイアス電極、
Ａ…加速度（測定値）、Ｂ…作動指令、Ｃ…時分割信号、Ｖｃｃ…電源電圧、
Ｖｏｆ…オフセット電圧、Ｖ３ａ，Ｖ３ｂ，Ｖ３ｃ，Ｖ３ｄ…印加電圧

Claims (5)

1. 導電性の可動部と、これとの対向面に複数の制御電極が形成されている電気絶縁性の固定部と、前記固定部に対する前記可動部の相対変位を検出して、その変動を解消する静電引力を生じる制御電圧を前記制御電極に印加するとともに、前記相対変位の検出結果または前記制御電圧に基づいて加速度算出等の測定値算出を行うセンサ回路とを備え、前記制御電圧として正負の異なる相補的な電圧を生成してそれらを前記制御電極のうち隣り合っている電極に同時に印加する慣性センサ装置において、前記センサ回路への給電停止時も受電可能なところに設けられ正負の異なる相補的な一定のバイアス電圧を生成するバイアス回路と、前記センサ回路への給電停止時には前記制御電圧に代えて前記バイアス電圧を前記制御電極のうち隣り合っている電極に同時に印加させる切替回路とを具備したことを特徴とする慣性センサ装置。
2. 前記バイアス電圧が前記制御電圧の平均電圧であることを特徴とする請求項１記載の慣性センサ装置。
3. 導電性の可動部と、これに静電引力を作用させうる対向面を有するとともに静電引力を無視できるほど前記可動部から離隔している非対向面も有しており前記対向面に複数の制御電極が形成されている電気絶縁性の固定部と、前記固定部に対する前記可動部の相対変位を検出して、その変動を解消する静電引力を生じる制御電圧を前記制御電極に印加するとともに、前記相対変位の検出結果または前記制御電圧に基づいて加速度算出等の測定値算出を行うセンサ回路とを備え、前記制御電圧として正負の異なる相補的な電圧を生成してそれらを前記制御電極のうち隣り合っている電極に印加する慣性センサ装置において、前記固定部のうち前記非対向面に形成された複数のバイアス電極と、前記センサ回路への給電停止時も受電可能なところに設けられ正負の異なる相補的な一定のバイアス電圧を生成して前記バイアス電極に印加するバイアス回路とを具備したことを特徴とする慣性センサ装置。
4. 前記バイアス回路が電池から受電してその電圧を前記バイアス電圧とするものであることを特徴とする請求項３記載の慣性センサ装置。
5. 前記可動部をロータとし前記固定部をケースとする静電浮上型ジャイロ装置であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載された慣性センサ装置。

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