JP7352739B2 - 振動型ジャイロ素子及びこれを備えた角速度センサ - Google Patents

Description

本開示は、振動型ジャイロ素子及びこれを備えた角速度センサに関する。

従来、角速度センサに用いられるジャイロ素子として振動型ジャイロ素子が知られている。例えば、環状の振動子の表面に複数の電極を設け、電極の表面と交差する方向に磁場を印加する構造の電磁式ジャイロ素子が良く知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

電磁式ジャイロ素子では、磁場が印加された状態で、一部の電極（以下、一次駆動電極（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）という）に振動子の共振周波数に相当する周波数の電流を流して、振動子を共振振動（以下、一次振動ともいう）させる。振動子にコリオリ力が加わり、角速度が発生した場合、別の電極（以下、二次検出電極（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｐｉｃｋｏｆｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）という）に発生する電圧を、角速度を算出するための信号として検出する。なお、一次振動を検出して、一次振動の振幅や周波数を安定させるための電極（以下、一次検出電極（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｐｉｃｋｏｆｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）という）や、二次検出電極で検出された信号に基づいて、二次振動を打ち消すように、振動子２０を駆動する電極（以下、二次駆動電極（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）という）が設けられることが多い。

一方、振動型ジャイロ素子を有する角速度センサでは、出力信号にバイアス成分が重畳することがある。バイアス成分は、ゼロ点出力、またはオフセット等とも呼ばれ、振動型ジャイロ素子に設けられた複数の電極間の角度ずれや、電磁式ジャイロ素子の場合は、印加される磁場の不均一等によって生じる。

このようなバイアス成分を除去するために、例えば、特許文献３には、一次駆動電極及び一次検出電極（以下、この組を一次側と呼ぶことがある）と二次駆動電極及び二次検出電極（以下、この組を二次側と呼ぶことがある）とを周期的に入れ替えるように駆動制御を行う構成が開示されている。この場合、入れ替え前後での出力信号の差分を取ることでバイアス成分をキャンセルしている。

特許第５４１０５１８号公報 特開２０１９－０３２３０２号公報 特開２００９－１１５５５９号公報

しかし、前述した角度ずれは、主にジャイロ素子作製時のマスクのアライメントずれやレジストパターンのゆがみ等によって生じており、複数の電極のぞれぞれで、角度ずれは一般に対称とはならない。

したがって、特許文献３に開示された方法を用いても、キャンセルできないバイアス成分が出力信号に残存し、角速度の検出値に誤差が生じてしまう。特に、高精度で角速度を求めることが要求される場合、このようなバイアス成分の残存が問題になっていた。

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、出力信号に含まれるバイアス成分を低減可能な振動型ジャイロ素子及びこれを備えた角速度センサを提供することにある。

上記目的を達成するため、本開示に係る振動型ジャイロ素子は、固定部と、振動子と、前記振動子を前記固定部に接続して、前記振動子を振動可能に支持する支持部と、前記振動子の面内に形成された電極と、を少なくとも備え、前記振動子がｃｏｓＮθ（Ｎは２以上の自然数）の振動モードを有するとき、前記振動子の外周方向に前記電極の軸が等角度間隔に並ぶ４Ｎ個の方位に前記電極がそれぞれ配置されており、複数の前記電極には、前記振動子にｃｏｓＮθモードの一次振動を励起させる一次駆動電極と、前記一次振動を検出する一次検出電極と、前記振動子の二次振動を検出する二次検出電極と、前記二次振動を打ち消すように前記振動子を駆動する二次駆動電極と、が含まれ、前記一次検出電極は、前記一次駆動電極と同じ方位に配置され、前記二次駆動電極は、前記二次検出電極と同じ方位に配置される。

本開示に係る角速度センサは、前記振動型ジャイロ素子と、前記一次駆動電極に所定の周波数の交流電力を印加する一次交流電源と、前記一次検出電極に発生する電圧信号を検出する一次検出部と、前記二次駆動電極に交流電力を印加する二次交流電源と、前記二次検出電極に発生する電圧信号を検出する二次検出部と、前記二次交流電源の出力信号に基づいて、角速度を算出する演算部と、を少なくとも備えている。

本開示の振動型ジャイロ素子によれば、出力信号に含まれるバイアス成分を低減できる。本開示の角速度センサによれば、振動型ジャイロ素子の出力信号に含まれるバイアス成分を低減でき、角速度の検出精度を高められる。

実施形態１に係る振動型ジャイロ素子の平面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線での断面図である。 図１の破線で囲まれた部分の拡大図である。 角速度センサの回路ブロックの概略構成図である。 一次振動を示す図である。 二次振動を示す図である。 一次側と二次側の入れ替え前の電極配列を示す平面図である。 一次側と二次側の入れ替え後の電極配列を示す平面図である。 動作時の二次検出電極の変位の時間変化を模式的に示す図である。 二次検出電極の実際の出力信号及びそれに含まれる各種信号の振動角依存性を模式的に示す図である。 比較のための電極配列を示す平面図である。 変形例１に係る電極配列を示す平面図である。 変形例２に係る電極配列を示す平面図である。 変形例３に係る電極配列を示す平面図である。 変形例４に係る電極配列を示す平面図である。 実施形態２に係る角速度センサの概略構成図である。 圧電式の振動型ジャイロ素子の平面図である。 図１５のＸＶＩ－ＸＶＩ線での断面図である。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態１）
［振動型ジャイロ素子の構成］
図１は、本実施形態１に係る振動型ジャイロ素子の平面図を、図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線での断面図を、図３は、図１の破線で囲まれた部分の拡大図をそれぞれ示す。

なお、説明の便宜上、図１，３において、磁場印加部６０の図示を省略している。また、図１～３は、振動型ジャイロ素子１００の構造を模式的に示したものであり、各部材間の実際の寸法関係を正しく表したものではないことに留意する必要がある。

なお、以降の説明において、振動子２０の半径方向を径方向と、振動子２０の外周方向を周方向と、径方向及び周方向とそれぞれ交差する方向を軸方向とそれぞれ呼ぶことがある。また、径方向において、振動子２０の中心側を内または内側と、外周側を外または外側と呼ぶことがある。軸方向において、上部ヨーク６１（図２参照）が設けられた側を上または上側と、下部ヨーク６３（図２参照）が設けられた側を下または下側と呼ぶことがある。なお、以降に示す各部材の上面を表面と、下面を裏面とそれぞれ呼ぶことがある。

また、１または複数の一次駆動電極を総称して、一次駆動電極ＰＤと呼び、１または複数の一次検出電極を総称して、一次検出電極ＰＰＯと呼ぶことがある。また、１または複数の二次駆動電極を総称して、二次駆動電極ＳＤと呼び、１または複数の二次検出電極を総称して、二次検出電極ＳＰＯと呼ぶことがある。

図１，２に示すように、振動型ジャイロ素子１００は、固定部１０と振動子２０と複数の支持部３０と複数の電極４０ａ～４０ｐと磁場印加部６０とを有している。

図１に示すように、固定部１０は、中央に開口１０ａを有し、開口１０ａの内側に振動子２０と複数の支持部３０と複数の電極４０ａ～４０ｐと磁場印加部６０とが配置されている。また、図２に示すように、固定部１０は、第１シリコン層５１とシリコン酸化層（絶縁層）５２と第２シリコン層５３とがこの順で積層された積層構造を有する部材である。また、第２シリコン層５３の表面にはシリコン酸化膜５４が形成されている。

振動子２０は、第２シリコン層５３を加工して得られる円環状の部材であり、ｃｏｓ２θの振動モードを有している。

支持部３０は、第２シリコン層５３を加工して得られる部材であり、振動子２０と一体的に形成される。また、支持部３０は、振動子２０を固定部１０に接続して、振動子２０を片持ち状に、別の見方をすれば、振動子２０を振動可能に支持している。

図３に示すように、複数の支持部３０のそれぞれは、第１脚部３１と第２脚部３２とを有している。第１脚部３１及び第２脚部３２は、それぞれ第１端部３０ａと第２端部３０ｂとを有している。第１端部３０ａは、第１間隔をあけて振動子２０の異なる位置にそれぞれ接続されている。第２端部３０ｂは、第１間隔よりも狭い第２間隔をあけて固定部１０の異なる位置にそれぞれ接続されている。

また、第１脚部３１は、第１端部３０ａから振動子２０の径方向外側に延びる第１部分３１ａと、第１部分３１ａの一端である第１変曲部３１ｂで変曲されて、振動子２０の外周と平行に延びる第２部分３１ｃと、を有している。また、第１脚部３１は、第２部分３１ｃの一端である第２変曲部３１ｄで変曲されて、振動子２０の半径方向外側に延びて第２端部３０ｂに達する第３部分３１ｅを有している。

同様に、第２脚部３２は、第１端部３０ａから振動子２０の径方向外側に延びる第１部分３２ａと、第１部分３２ａの一端である第１変曲部３２ｂで変曲されて、振動子２０の外周と平行に延びる第２部分３２ｃと、を有している。また、第２脚部３２は、第２部分３２ｃの一端である第２変曲部３２ｄで変曲されて、振動子２０の半径方向外側に延びて第２端部３０ｂに達する第３部分３２ｅを有している。

第１脚部３１の第２部分３１ｃと第２脚部３２の第２部分３２ｃは、互いに近づくように第２変曲部３１ｄ，３２ｄまでそれぞれ延びている。また、第１脚部３１の第３部分３１ｅと第２脚部３２の第３部分３２ｅは、所定の間隔をあけながら、並列して第２変曲部３１ｄ，３２ｄから第２端部３０ｂまでそれぞれ延びている。また、第１脚部３１と第２脚部３２とは、振動子２０の中心と互いの第３部分３１ｅ，３２ｅの間とを通る仮想線に関して対称に配置されている。

電極４０ａ～４０ｐのそれぞれは、振動子２０の面内にループ状に形成された導電部材である。また、電極４０ａ～４０ｐのそれぞれは、支持部３０及び固定部１０の表面にかけて延びるように形成されている。例えば、図３に示すように、電極４０ｄは、第１脚部３１の第２端部３０ｂから第１脚部３１と第１端部３０ａの間の振動子２０と第２脚部３２とを経由して、第２脚部３２の第２端部３０ｂまで延びている。また、電極４０ｄは、シリコン酸化膜５４の表面に形成されている。なお、以降の説明において、電極の配置方位や機能に特に着目しない場合、電極４０ａ～４０ｐを総称して、電極４０と呼ぶことがある。なお、異なる方位に配置された同じ機能の電極４０のうち、一部または全てが、固定部１０内に設けられた配線（図示せず）で接続される。なお、本願明細書における「方位」は、電極４０が配置される「領域」に対応し、当該領域が隣接している場合、これらは連続している。また、電極４０は、１つの方位をまたがって配置されてもよい。また、電極４０のサイズは、１つの方位（領域）のサイズよりも小さくてもよい。電極４０は、同じ方位内に複数配置されていてもよい。

また、図１，３に示すように、２つの電極４０が、支持部３０及び振動子２０の面内で、互いに間隔をあけて並列に延びるように形成されている。また、支持部３０及び振動子２０の面内で、２つの電極４０ｅ，４０ｍが、互いに間隔をあけて並列に延びるように形成されている。なお、本願明細書において、「並列」とは、２つの部材が互いに平行に配置されている場合だけでなく、２つの部材が互いに接触したり、交差したりしない程度に間隔をあけて配置されている場合も含まれる。

図３において、一方の支持部３０の表面に設けられ、ループ状に並列する２つの電極４０ｄ、４０ｌのうち、外側に配置された電極４０ｄが一次駆動電極ＰＤで、内側に配置された電極４０ｌが一次検出電極ＰＰＯである。また、他方の支持部３０の表面に設けられ、ループ状に並列する２つの電極４０ｅ，４０ｍのうち、外側に配置された電極４０ｅが二次駆動電極ＳＤで、内側に配置された電極４０ｍが二次検出電極ＳＰＯである。つまり、一次検出電極ＰＰＯは、一次駆動電極ＰＤと同じ方位に配置され、二次駆動電極ＳＤは、二次検出電極ＳＰＯと同じ方位に配置されている。

図１に示すように、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と、二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組とが、周方向に亘って交互に配置されている。また、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と、二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組は、同数ずつ設けられている。

一の一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と、これに最も近い一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組とは、互いに９０度離れた位置に配置されている。一の二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組と、これに最も近い二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組とは、互いに９０度離れた位置に配置されている。一の一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と、これに最も近い二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組とは、互いに４５度離れた位置に配置されている。

なお、複数の電極４０ａ～４０ｐのそれぞれには、両端部に電極パッド（図示せず）が設けられている。４つの一次検出電極ＰＰＯは、電極パッドを介して直列に接続されている。同様に、４つの二次検出電極ＳＰＯは、電極パッドを介して直列に接続されている。

図２に示すように、磁場印加部６０は、上部ヨーク６１と磁石６２と下部ヨーク６３とを有している。上部ヨーク６１及び下部ヨーク６３は、それぞれ鉄等の磁性体からなる有底筒状の部材である。上部ヨーク６１の筒状の部分と下部ヨーク６３の筒状の部分とが軸方向に間隔をあけて対向するように、上部ヨーク６１及び下部ヨーク６３が配置されている。また、上部ヨーク６１の筒状の部分と下部ヨーク６３の筒状の部分との間に振動子２０が配置されている。振動子２０は、上部ヨーク６１の筒状の部分と下部ヨーク６３の筒状の部分との間に、それぞれと軸方向に間隔をあけて配置されている。

磁石６２は、上部及び下部の一方がＮ極で、他方がＳ極となっている。磁石６２は、上部ヨーク６１または下部ヨーク６３、あるいはその両方に保持されて、振動子２０の内側に固定配置されている。

磁石６２の一方の磁極から流れる磁束が、上部ヨーク６１及び下部ヨーク６３の一方を通過して、振動子２０及びその表面に形成された電極４０ａ～４０ｐに達する。さらに、磁束は、振動子２０及び電極４０ａ～４０ｐを通過して、上部ヨーク６１及び下部ヨーク６３の他方を介して、磁石６２の他方の磁極に流れ込む。

このように、磁場印加部６０は、複数の電極４０ａ～４０ｐに対して、振動子２０の表面と交差する方向、この場合は軸方向に磁場を印加している。なお、磁場印加部６０は、図示しない支持基板に支持されることで、振動子２０との径方向及び軸方向の位置を保っている。

磁場印加部６０を除く振動型ジャイロ素子１００は、例えば、半導体微細加工技術を応用したマイクロマシニング技術を用いて、公知のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を加工して得られるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子である。

このＭＥＭＳ素子は、例えば、以下のように製造される。第１シリコン層５１とシリコン酸化層５２と第２シリコン層５３とを有するＳＯＩ基板を熱酸化して、第２シリコン層５３の表面にシリコン酸化膜５４を形成する。

次に、シリコン酸化膜５４の表面に、マスクパターン（図示せず）を用いて、複数の電極４０ａ～４０ｐを形成する。例えば、マスクパターンを通して、金属膜をシリコン酸化膜５４の表面に被着させることで、複数の電極４０ａ～４０ｐを形成する。

別のマスクパターン（図示せず）を用いて、シリコン酸化膜５４及び第２シリコン層５３をシリコン酸化層５２に至るまでエッチング、除去する。この工程を経て、支持部３０及び振動子２０の原形が形成される。

次に、電極４０ａ～４０ｐと支持部３０と振動子２０の表面をワックス等により保護した状態で、固定部１０の開口１０ａに相当するマスクパターン（図示せず）を用いて、支持部３０及び振動子２０の下方に位置する第１シリコン層５１をエッチング、除去する。さらに、同じマスクパターンを用いて、シリコン酸化層５２をエッチング除去し、前述のＭＥＭＳ素子を得る。

なお、第１シリコン層５１及びシリコン酸化層５２のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。ただし、いずれの場合も、エッチング層の下地となる層とのエッチング選択性が高いエッチャントを用いるのがよい。

［角速度センサの構成及び動作］
図４は、角速度センサの回路ブロックの概略構成図を示す。なお、説明の便宜上、図４において、振動型ジャイロ素子１００のうち、一次駆動電極ＰＤと一次検出電極ＰＰＯと二次駆動電極ＳＤと二次検出電極ＳＰＯのみを簡略化して図示している。

図４に示すように、角速度センサ１０００は、振動型ジャイロ素子１００と一次交流電源２００と一次検出部２１０と二次交流電源２２０と二次検出部２３０と演算部２４０と切替部２５０と複数のスイッチ２６０とを有している。

４つの一次駆動電極ＰＤに一次交流電源２００が接続される。直列接続された４つの一次検出電極ＰＰＯに一次検出部２１０が接続される。４つの二次駆動電極ＳＤに二次交流電源２２０が接続される。直列接続された４つの二次検出電極ＳＰＯに二次検出部２３０が接続される。また、二次交流電源２２０に演算部２４０が接続される。

以下、角速度センサ１０００の動作について説明する。

一次交流電源２００から交流電流Ｉｐが一次駆動電極ＰＤに供給されると、一次駆動電極ＰＤには磁場印加部６０から印加された磁場の方向と、交流電流Ｉｐが流れる方向とにそれぞれ交差する方向にローレンツ力が加わる。つまり、ローレンツ力は、振動子２０の表面と平行な方向に作用する。一次駆動電極ＰＤが設けられた振動子２０は、このローレンツ力を受けて変形する。また、交流電流Ｉｐの周波数に応じて、ローレンツ力の向きは周期的に反転するため、振動子２０は、同じ周波数で振動する。この場合、振動子２０は、その表面と平行な方向に振動する。

振動子２０の共振周波数に合わせるように交流電流Ｉｐの周波数を設定することで、振動子２０にはｃｏｓ２θモードの一次振動が励起される。

また、振動子２０にこのような一次振動を発生させるように、４つの一次駆動電極ＰＤのそれぞれに交流電流Ｉｐを流す必要がある。具体的には、９０度離れた位置にある２つの一次駆動電極ＰＤの間で、交流電流Ｉｐが流れる向きが互いに逆向き、つまり、上から見て時計回り方向と反時計回り方向となるように設定される。また、４つの一次駆動電極ＰＤと一次交流電源２００との接続関係は、前述の設定を満たせるようにすればよく、４つの一次駆動電極ＰＤが直列接続されていても、一次交流電源２００に対してそれぞれ並列に接続されていてもよい。

一次検出電極ＰＰＯは、一次振動を検出して、その振幅に対応した大きさの電圧信号を発生させ、この電圧信号は、一次検出部２１０にフィードバックされる。一次検出部２１０は、一次検出電極ＰＰＯで発生した電圧信号に基づいて、出力信号を一次交流電源２００に出力する。一次検出部２１０の出力信号に基づいて、振動子２０の振動周波数及び振幅が一定となるように、一次交流電源２００、具体的には、交流電流Ｉｐの振幅と周波数を制御する。

図５Ａは、振動子の一次振動状態を模式的に示したものであり、図５Ｂは、振動子の二次振動状態を模式的に示したものである。

図５Ａに示すように、円環状の振動子２０は、周期的に、互いに直交する主軸を有する楕円形となるように一次振動する。一方、振動子２０にコリオリ力が加わり、軸方向回りに角速度が発生した場合、前述した楕円の主軸の方向が変化する。図１に示す本実施形態の振動型ジャイロ素子１００の場合、図５Ｂに示すように、一次振動の場合に対して、楕円の主軸が４５度回転した位置に変化し、振動子２０が二次振動状態となる。

二次検出電極ＳＰＯにも、その表面と交差する方向に磁場が印加されている。また、振動子２０の振動に応じて、二次検出電極ＳＰＯも、その表面と平行な方向に振動する。これらのことにより、二次検出電極ＳＰＯには、磁場の強度と振動時の移動速度とに応じた正弦波状の交流電圧が発生する。また、振動子２０が一次振動状態の場合と二次振動状態の場合とで、二次検出電極ＳＰＯの移動速度が異なるため、それぞれの状態で発生する電圧もまた異なる。

二次検出部２３０は、二次検出電極ＳＰＯに発生した電圧を検出して、当該電圧の大きさに応じた信号を二次交流電源２２０に出力する。

二次交流電源２２０には、二次検出部２３０の出力信号が入力される。二次交流電源２２０は、この出力信号に基づいて、振動子２０に発生した二次振動を打ち消すように、二次駆動電極ＳＤに電流を供給して、振動子２０を駆動する。また、二次交流電源２２０は、出力電流に基づいた出力信号を演算部２４０に入力する。

演算部２４０は、二次交流電源２２０の出力信号に基づいて、振動子２０が一次振動状態であるか二次振動状態であるかを判定する。さらに、振動子２０が二次振動状態であると判定した場合、演算部２４０は、二次交流電源２２０の出力信号に基づいて、角速度を算出する。

さらに、角速度センサ１０００は、所定のタイミングで一次側と二次側とを入れ替えて、振動型ジャイロ素子１００からの出力信号を取得し、この出力信号に基づいて角速度を算出する。例えば、入れ替え前後での出力信号の差分に基づいて、角速度を算出する。この入れ替え動作は、図４に示すスイッチ２６０及び切替部２５０により、内部の結線を切り替えて行われる。なお、「所定のタイミング」として、振動型ジャイロ素子１００が静止状態であるときや等速運動状態であるとき等が選択される。

図６Ａは、一次側と二次側の入れ替え前の電極配列を示し、図６Ｂは、一次側と二次側の入れ替え後の電極配列を示す。

図６Ａに示す電極配列は、図１に示すのと同様である。よって、電極４０ｂ，４０ｄ，４０ｆ，４０ｈが一次駆動電極ＰＤとして機能し、電極４０ｊ，４０ｌ，４０ｎ，４０ｐが一次検出電極ＰＰＯとして機能する。また、電極４０ａ，４０ｃ，４０ｅ，４０ｇが二次駆動電極ＳＤとして機能し、電極４０ｉ，４０ｋ，４０ｍ，４０ｏが二次検出電極ＳＰＯとして機能する。

所定のタイミングで、切替部２５０から４つのスイッチ２６０に制御信号を送ることで、角速度センサ１０００の内部結線が切り替わる。その結果、電極４０ｂ，４０ｄ，４０ｆ，４０ｈが二次交流電源２２０に接続され、図６Ｂに示すように二次駆動電極ＳＤとして機能する。同様に、電極４０ｊ，４０ｌ，４０ｎ，４０ｐが二次検出部２３０に接続され、二次検出電極ＳＰＯとして機能する。電極４０ａ，４０ｃ，４０ｅ，４０ｇが一次交流電源２００に接続され、一次駆動電極ＰＤとして機能する。電極４０ｉ，４０ｋ，４０ｍ，４０ｏが一次検出部２１０に接続され、一次検出電極ＰＰＯとして機能する。

なお、振動型ジャイロ素子１００と一次交流電源２００と一次検出部２１０と二次交流電源２２０と二次検出部２３０と演算部２４０とがそれぞれ別の基板に実装されていてもよいし、同じ基板上に実装されていてもよい。振動型ジャイロ素子１００と一次交流電源２００と一次検出部２１０と二次交流電源２２０と二次検出部２３０と演算部２４０とが、それぞれ別のパッケージ（図示せず）に収容されていてもよい。また、振動型ジャイロ素子１００とそれ以外の構成要素とが別の基板に実装されるか、または別のパッケージに収容されていてもよい。その場合、一次交流電源２００や二次交流電源２２０は、さらに別の基板に実装されるか、または別のパッケージに収容されていてもよい。

［二次検出電極の出力信号に含まれる２倍波成分について］
図７は、動作時の二次検出電極の変位の時間変化を模式的に示し、図８は、二次検出電極の実際の出力信号及びそれに含まれる各種信号の振動角依存性を模式的に示す。

なお、図７の（ａ）図に示す二次検出電極ＳＰＯと図７の（ｂ）図に示す二次検出電極ＳＰＯとは、周方向に互いに９０度離れた位置にある。つまり、これら２つの二次検出電極ＳＰＯは、互いに直交した位置にある。また、図７の（ａ）図、（ｂ）図のそれぞれに示す白抜きの矢印は、二次検出電極ＳＰＯに発生する電圧の起電力の方向を示す。

なお、図８に示す振動角は、二次検出電極ＳＰＯに発生する交流電圧の周波数と時間との積に相当する。また、図８において、後述するＳＰＯ（Ｌ）とＳＰＯ（Ｒ）のそれぞれに関する実際の出力信号及びそれに含まれる各種信号を示している。

前述したように、交流電流Ｉｐが流れると、磁場と交流電流Ｉｐにより、一次駆動電極ＰＤにローレンツ力が作用する。振動子２０にもこのローレンツ力が加わり、振動子２０が周期的に変形して振動する。

また、図示しないが、振動子２０にｃｏｓ２θモードの一次振動を励起させるため、４つの一次駆動電極ＰＤに流れる交流電流Ｉｐの向きは、交互に反転している。つまり、時計回り方向に交流電流Ｉｐが流れる一次駆動電極ＰＤと反時計回り方向に交流電流Ｉｐが流れる一次駆動電極ＰＤが、交互に配置されている。

このため、一次駆動電極ＰＤに挟まれた二次検出電極ＳＰＯのうち、振動子２０の面内に形成された部分の両端には、径方向に関して逆向きの力がそれぞれ作用する。また、力が作用する向きが周期的に変転する。

また、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組に隣接する二次検出電極ＳＰＯは、電極ＰＤ，ＰＰＯに対して周方向に４５度離れた位置にある。

したがって、図７の（ａ）図、（ｂ）図にそれぞれ示すように、二次検出電極ＳＰＯの振動子２０の面内に形成された部分は、その周方向の中央部分を通り、径方向に延びる軸を仮想的な中心軸として、振動子２０の表面と平行な面内を対称に変形する。つまり、一方の端部が動作前の位置から径方向の内側に変位した場合は、他方の端部が径方向の外側に変位する。一方の端部が動作前の位置から径方向の外側に変位した場合は、他方の端部が径方向の内側に変位する。また、この変形が所定の周期で繰り返されることは言うまでもない。

なお、以降の説明において、二次検出電極ＳＰＯのうち、中心軸に対し、紙面の左側にある部分をＳＰＯ（Ｌ）と呼び、紙面の右側にある部分をＳＰＯ（Ｒ）と呼ぶことがある。

また、図７の（ａ）図に示す二次検出電極ＳＰＯは、（ｂ）図に示す二次検出電極ＳＰＯと時間に関して対称に変位する。つまり、（ａ）図に示す例では、動作前の時刻ｔ０から時刻ｔ１に時間が進むと、ＳＰＯ（Ｌ）は径方向外側に変位し、ＳＰＯ（Ｒ）は径方向内側に変位する。一方、（ｂ）図に示す例では、ＳＰＯ（Ｌ）は径方向内側に変位し、ＳＰＯ（Ｒ）は径方向外側に変位する。時刻ｔ２で、（ａ）図、（ｂ）図に示す両方とも、ＳＰＯは、時刻ｔ０の場合と同じ位置に戻る。時刻ｔ３に時間が進むと、（ａ）図に示す例では、ＳＰＯ（Ｌ）は径方向内側に変位し、ＳＰＯ（Ｒ）は径方向外側に変位する。一方、（ｂ）図に示す例では、ＳＰＯ（Ｌ）は径方向外側に変位し、ＳＰＯ（Ｒ）は径方向内側に変位する。さらに時刻ｔ４に時間が進むと、（ａ）図、（ｂ）図に示す両方とも、ＳＰＯは、時刻ｔ０の場合と同じ位置に戻る。

図７の（ａ）図、（ｂ）図に示す二次検出電極ＳＰＯ及びその直下の振動子２０は、それぞれ、以上に説明した変形を周期的に繰り返す。また、二次検出電極ＳＰＯの直下の振動子２０において、変形量がゼロとなる位置では、移動速度が最大かまたは最小となるため、二次検出電極ＳＰＯに発生する電圧の振幅も最大かまたは最小となる。また、変形量が最大かまたは最小となる位置では、移動速度がゼロとなるため、二次検出電極ＳＰＯに発生する電圧の振幅もゼロとなる。

また、前述したように、二次検出電極ＳＰＯが変形する場合、径方向外側と内側とで変形量にわずかな差が生じ、これに応じて、図８に示すように、二次検出電極ＳＰＯに発生する電圧は、基本的な正弦波（以下、基本波信号と呼ぶことがある）に対し、歪み成分が重畳する。この歪み成分は、二次検出電極ＳＰＯの実際の出力信号と基本波信号との差分（以下、差分信号）に相当する。

図８は、二次検出電極ＳＰＯの実際の出力信号及びそれに含まれる基本波信号と差分信号とを示している。また、図８に示すｔ０～ｔ４は、図７で説明した時刻ｔ０～ｔ４に対応している。

１つの二次検出電極ＳＰＯに着目してみると、ＳＰＯ（Ｌ）とＳＰＯ（Ｒ）とでは、基本波の向きが逆、つまり、一方が正の値を取るとき、他方は負の値を取ると考えられる。差分信号がゼロの理想的な出力信号の場合、ＳＰＯ（Ｌ）とＳＰＯ（Ｒ）を合わせた１つのＳＰＯの信号はゼロになる。しかし、前述した歪み成分の重畳により、基本波に対する差分信号の方向がＳＰＯ（Ｌ）とＳＰＯ（Ｒ）で同方向となり、基本波に対する正負が２倍の周波数で変化する。このことを考慮すると、１つの二次検出電極ＳＰＯには、基本波信号の周波数、言い換えると、交流電流Ｉｐの周波数に対し、２倍の周波数を有する信号が発生しているといえる。これを、以下、２倍波成分と呼ぶことがある。

２倍波成分は、二次検出電極ＳＰＯの出力信号に対する誤差成分となるため、角速度の検出値のバイアス成分となりえる。高精度で角速度を求めることが要求される場合に問題となる。

また、図８に示すように、この２倍波成分は、ＳＰＯ（Ｌ）とＳＰＯ（Ｒ）のそれぞれで発生する同位相の差分信号が重ね合わされたものであるから、その振幅も概ね２倍となる。よって、角速度の検出値に与える影響も大きくなる。

一方、図７に示すように、周方向に９０度離れた位置にある２つの二次検出電極ＳＰＯは、時間に関して対称に変位する。このため、それぞれの二次検出電極ＳＰＯの出力信号に含まれる２倍波成分は、逆位相となる。よって、２つの二次検出電極ＳＰＯの出力信号を加算すると、２倍波成分が打ち消しあってほぼゼロとなる。

本実施形態に示す振動型ジャイロ素子１００では、図１に示すように、４つの二次検出電極ＳＰＯが周方向に互いに９０度離れた位置に配置されている。また、４つの二次検出電極ＳＰＯのそれぞれで発生した電圧が加算されて出力信号となるため、最終的に、二次検出部２３０に入力される二次検出電極ＳＰＯの出力信号には、２倍波成分がほぼ含まれておらず、誤差成分が低減されている。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る振動型ジャイロ素子１００は、固定部１０と、振動子２０と、振動子２０を固定部１０に接続して、振動子２０を振動可能に支持する支持部３０と、振動子２０の面内にそれぞれループ状に形成された電極４０ａ～４０ｐと、を少なくとも備えている。

振動子２０がｃｏｓ２θの振動モードを有するとき、振動子２０の外周方向に等角度間隔、この場合は４５度間隔に並ぶ８つの方位に、電極４０ａ～４０ｐがそれぞれ配置されている。

１６個の電極４０ａ～４０ｐには、振動子２０にｃｏｓ２θモードの一次振動を励起させる一次駆動電極ＰＤと、一次振動を検出する一次検出電極ＰＰＯと、が含まれる。また、振動子２０に角速度が与えられたときに発生する二次振動を検出する二次検出電極ＳＰＯと、二次振動を打ち消すように振動子２０を駆動する二次駆動電極ＳＤと、が含まれる。

一次検出電極ＰＰＯは、一次駆動電極ＰＤと同じ方位に配置され、二次駆動電極ＳＤは、二次検出電極ＳＰＯと同じ方位に配置される。また、８つの方位に対して、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組とが交互に配置されている。

また、振動型ジャイロ素子１００は、１６個の電極４０ａ～４０ｐに対して、振動子２０の表面と交差する方向、この場合は軸方向に磁場を印加する磁場印加部６０をさらに備えている。

振動型ジャイロ素子１００をこのように構成することで、角速度センサ１０００で一次側と二次側との入れ替え動作を行った場合に、振動型ジャイロ素子１００の出力信号に含まれるバイアス成分を低減できる。このことについて、図面を用いてさらに説明する。

図９は、比較のための電極４０配列を示す。図９に示す振動型ジャイロ素子１１０は、例えば、特許文献１に開示されたのと同様の構成である。

図９に示す振動型ジャイロ素子１１０では、８つの支持部３０に対して電極４０ａ～４０ｈがそれぞれ配置されている。また、８つの方位に対して、周方向に沿って、一次駆動電極ＰＤと二次駆動電極ＳＤと一次検出電極ＰＰＯと二次検出電極ＳＰＯとが、時計回り方向にこの順で配置されている。また、各種類の電極ＰＤ，ＳＤ，ＰＰＯ，ＳＰＯとも２つずつ配置され、同じ種類の電極は、周方向に１８０度離れた位置に配置されている。

ところで、振動型ジャイロ素子１００，１１０では、動作中に各電極４０ａ～４０ｐに力が作用しており、これに応じた力学的な運動軸が仮想的に想定される。例えば、一次駆動電極ＰＤに関する当該軸をＰＤ軸とすると、各電極の配置関係に応じて、二次駆動電極ＳＤ、一次検出電極ＰＰＯ及び二次検出電極ＳＰＯのそれぞれに関する運動軸であるＳＤ軸、ＰＰＯ軸及びＳＰＯ軸とＰＤ軸とは、所定の角度関係が一義的に定められる。

一方、振動子２０も一次振動や二次振動に関し仮想的な運動軸を有している。理想的には、一次振動の運動軸とＰＤ軸とが重なり合っている。この場合は、二次振動の運動軸とＳＤ軸も重なり合う。

しかし、前述したように、通常、振動型ジャイロ素子１１０には、電極４０ａ～４０ｐ間の角度ずれや、印加される磁場の不均一等が生じる。これらに起因して、一次振動の運動軸とＰＤ軸との間に角度ずれが生じる。さらに、電極４０ａ～４０ｐ間の角度ずれは、ＰＤ軸とＳＤ軸との角度関係にもずれを生じさせる。同様に、ＰＰＯ軸及びＳＰＯ軸とＰＤ軸との角度関係にもそれぞれずれを生じさせる。前述のバイアス成分は、この角度ずれによって発生する。

本願発明者等は、ＰＤ軸とそれ以外の電極ＳＤ，ＰＰＯ，ＳＰＯの運動軸との角度ずれに起因したノイズ成分が、バイアス成分に重畳され、特許文献３に開示されるように、一次側と二次側を入れ替えて角速度センサ１０００を動作させて、出力信号の差分を取ってもキャンセルされないことを見出した。

そこで、本願発明者等は、各電極ＰＤ，ＳＤ，ＰＰＯ，ＳＰＯの配列関係に着目し、図１に示す位置に各電極ＰＤ，ＳＤ，ＰＰＯ，ＳＰＯを配置することで、ＰＤ軸と、それ以外の運動軸であるＳＤ軸、ＰＰＯ軸及びＳＰＯ軸との角度ずれを低減できることを見出した。このようにすることで、一次側と二次側の入れ替え動作によって、出力信号の差分を取ることでバイアス成分を概ねキャンセルすることができる。

また、支持部３０から振動子２０にかけて、２つの電極４０が、互いに間隔をあけて並列に延びるように形成されている。一の支持部３０に設けられた一方の電極４０は、一次駆動電極ＰＤで、他方の電極４０は一次検出電極ＰＰＯである。他の支持部３０に設けられた一方の電極４０は、二次駆動電極ＳＤで、他方の電極４０は二次検出電極ＳＰＯである。

８つの支持部３０に対して、電極４０ａ～４０ｐをそれぞれ前述のように配置することで、一次検出電極ＰＰＯと一次駆動電極ＰＤとを同じ方位に容易に配置できる。また、二次駆動電極ＳＤと二次検出電極ＳＰＯとを同じ方位に容易に配置できる。このことにより、ＰＤ軸と、それ以外の運動軸であるＳＤ軸、ＰＰＯ軸及びＳＰＯ軸との角度ずれを低減でき、ひいては、振動型ジャイロ素子１００の出力信号に含まれるバイアス成分を大きく低減できる。また、振動型ジャイロ素子１００が不必要に大型化するのを抑制できる。

また、このことに鑑みれば、電極４０ａ～４０ｐのそれぞれに力学的な運動軸が仮想的に想定されていると言える。したがって、電極４０ａ～４０ｐの配置方位は、それぞれに仮想的な運動軸（以下、電極４０の軸と呼ぶことがある）が振動子２０の外周方向に等角度間隔に配置された方位であるとも言える。

４つの二次検出電極ＳＰＯは、互いに直列接続されていることが好ましい。

このようにすることで、二次振動を検出するための電圧信号を大きく取れる。このことにより、二次検出部２３０の出力信号のＳ／Ｎ比を大きくでき、演算部２４０で算出される角速度の検出精度を高められる。

また、同様の理由から、４つの一次検出電極ＰＰＯは、直列接続されるのが好ましい。

４つの二次検出電極ＳＰＯは、周方向に互いに９０度離れた位置に配置されていることが好ましい。このようにすることで、二次検出電極ＳＰＯの出力信号に含まれる誤差成分である２倍波成分を低減できる。

また、電極４０が配置された支持部３０は、それぞれ前述の第１～第３部分３１ａ，３１ｃ，３１ｅを有する第１脚部３１と第１～第３部分３２ａ，３２ｃ，３２ｅを有する第２脚部３２とで構成されるのが好ましい。また、第１脚部３１と第２脚部３２とは、振動子２０の中心と互いの第３部分３１ｅ，３２ｅの間とを通る仮想線に関して対称に配置されているのが、より好ましい。

支持部３０をこのように構成することで、振動子２０を一次振動させた場合に、その振動に影響を大きく与えることなく、振動子２０を支持することができる。また、支持部３０が、周方向に等角度間隔で設けられるとともに、第１脚部３１と第２脚部３２とが前述の仮想線に関して対称に設けられることで、振動子２０を均等なバランスで固定部１０に接続できる。このことにより、振動子２０を安定して一次振動させることができる。

また、本実施形態の振動型ジャイロ素子１００によれば、二次検出電極ＳＰＯに発生する電圧に含まれるクロストーク電圧を低減することができる。このことについてさらに説明する。

一次駆動電極ＰＤと二次検出電極ＳＰＯが近接する場合、一次駆動電極ＰＤに流れる交流電流によって、二次検出電極ＳＰＯに相互誘導が生じ、クロストーク電圧が誘起される。このクロストーク電圧も、振動型ジャイロ素子１００に誤差成分として重畳される。

一方、本実施形態の振動型ジャイロ素子１００では、図１に示すように、二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組の両側に、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組がそれぞれ配置されている。

前述したように、振動子２０にｃｏｓ２θモードの一次振動を励起させるため、時計回り方向に交流電流Ｉｐが流れる一次駆動電極ＰＤと反時計回り方向に交流電流Ｉｐが流れる一次駆動電極ＰＤが、交互に配置されている。

この場合、２つの一次駆動電極ＰＤの間に配置された二次検出電極ＳＰＯには、大きさが同じでかつ起電力の方向が異なるクロストーク電圧がそれぞれ誘起され、結果として打ち消しあって、クロストーク電圧は、ほぼゼロとなる。このように、クロストーク電圧が低減されることで、角速度の検出精度を高められる。

また、図３に示すように、一次駆動電極ＰＤと二次検出電極ＳＰＯとが最も近接する部分、つまり、支持部３０の第１部分３１ａ，３２ａにおいて、一次駆動電極ＰＤと二次検出電極ＳＰＯとの間に、二次駆動電極ＳＤが配置される。このため、一次駆動電極ＰＤと二次検出電極ＳＰＯとの間の相互インダクタンスが減少し、クロストーク電圧の大きさを低減できる。

なお、後で述べる変形例２～４に示す構成においても、二次検出電極ＳＰＯに発生する電圧に含まれるクロストーク電圧を図９に示す構成に比べて低減することができ、ひいては、角速度の検出精度を高められる。

なお、一次駆動電極ＰＤの配置方位や個数によっては、振動子２０は、ｃｏｓＮθ（Ｎは２以上の自然数）の振動モードを取りうる。この場合、電極４０の軸の配置方位は、４Ｎ個となる。

つまり、本実施形態の振動型ジャイロ素子１００は、振動子２０がｃｏｓＮθの振動モードを有するとき、電極４０の軸が振動子２０の外周方向に等角度間隔に並ぶ４Ｎ個の方位に支持部３０及び電極４０がそれぞれ配置されている。

また、一の支持部３０は、他の支持部３０から（３６０／４Ｎ）度離れた位置に配置されている。つまり、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と、これに隣接する二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組とは、互いに（３６０／４Ｎ）度離れた位置に配置されている。

また、振動型ジャイロ素子１００に含まれる複数の二次検出電極ＳＰＯは、周方向に互いに（３６０／２Ｎ＋３６０×（Ｍ／Ｎ））度離れた位置に配置されていることが好ましい。ここで、Ｍは整数であり、かつ０≦Ｍ≦Ｎ－１の関係を満たす。このようにすることで、二次検出電極ＳＰＯの出力信号に含まれる誤差成分である２倍波成分を低減できる。

本実施形態の角速度センサ１０００は、振動型ジャイロ素子１００と、一次駆動電極ＰＤに所定の周波数の交流電流を流すための一次交流電源２００と、一次検出電極ＰＰＯに発生する電圧信号を検出する一次検出部２１０と、二次駆動電極ＳＤに交流電流を流すための二次交流電源２２０と、二次検出電極ＳＰＯに発生する電圧信号を検出する二次検出部２３０と、二次交流電源２２０の出力信号に基づいて、角速度を算出する演算部２４０と、を少なくとも備えている。

また、角速度センサ１０００は、所定のタイミングで、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と、二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組とを入れ替えて動作させる切替部２５０をさらに備えている。演算部２４０は、入れ替え動作の前後での二次交流電源２２０の出力信号に基づいて、角速度を算出する。

本実施形態の角速度センサ１０００によれば、振動型ジャイロ素子１００の出力信号に含まれるバイアス成分を低減でき、角速度の検出精度を高められる。

また、本実施形態によれば、一次検出電極ＰＰＯで発生した電圧を、一次検出部２１０で検出し、一次検出部２１０の出力信号を一次交流電源２００にフィードバックすることで、振動子２０で発生する一次振動を安定化することができる。

また、二次検出電極ＳＰＯで発生した電圧を、二次検出部２３０で検出し、二次検出部２３０の出力信号に基づいて、二次交流電源２２０の出力を制御し、振動子２０で発生する二次振動を打ち消すようにしている。このようにすることで、振動子２０の振動状態を安定化させることができる。また、このことにより、二次交流電源２２０の出力信号に含まれるノイズ成分が低減でき、角速度の検出精度を高めることができる。

なお、前述の説明では、角速度センサ１０００を動作させる場合、所定のタイミングで、一次駆動電極ＰＤを二次駆動電極ＳＤと入れ替えて動作させるとともに、一次検出電極ＰＰＯを二次検出電極ＳＰＯと入れ替えて動作させている。しかし、入れ替える電極４０の組み合わせは、これに限られない。角速度センサ１０００を動作させる場合、所定のタイミングで、一次駆動電極ＰＤを二次検出電極ＳＰＯと入れ替えて動作させるとともに、一次検出電極ＰＰＯを二次駆動電極ＳＤと入れ替えて動作させてもよい。

＜変形例１＞
図１０は、本変形例に係る電極配列を示す平面図を示す。なお、図１０及び以降に示す各図面において、実施形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１０に示す構成は、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組がそれぞれ３組ずつ設けられている点で、実施形態１に示す構成と異なる。

図１０に示す構成では、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組が、連続して周方向に交互に配置されている。

なお、電極４０ａ，４０ｈ，４０ｉ，４０ｐには、電極４０の種類、例えば、一次駆動電極ＰＤであるか二次検出電極ＳＰＯであるかが明示されていない。このように、種類が明示されていない電極４０は、振動子２０の質量バランスを均等にするために設けられた、いわばダミー電極であり、振動子２０の一次振動や二次振動の検出に寄与しない。以降に示す各図面においても、種類が明示されていない電極４０は、同様にダミー電極である。

本変形例に示す振動型ジャイロ素子１００は、実施形態１に示す構成が奏するのと同様の効果を奏する。つまり、角速度センサ１０００で一次側と二次側との入れ替え動作を行った場合に、振動型ジャイロ素子１００の出力信号に含まれるバイアス成分を低減できる。

また、本変形例の振動型ジャイロ素子１００を搭載した角速度センサ１０００によれば、実施形態１に示すのと同様に、角速度の検出精度を高められる。

＜変形例２＞
図１１は、本変形例に係る電極配列を示す平面図を示し、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組がそれぞれ２組ずつ設けられている点で、実施形態１に示す構成と異なる。

図１１に示す構成では、１組の一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯと１組の二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組とが、周方向に互いに（３６０／４Ｎ）度離れた位置に、この場合は、４５度離れた位置に配置されている。また、２組の一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯは、周方向に互いに（３６０／Ｎ）度離れた位置に、この場合は、１８０度離れた位置に配置されている。同様に、２組の二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯは、周方向に１８０度離れた位置に配置されている。

本変形例に示す振動型ジャイロ素子１００は、実施形態１に示す構成が奏するのと同様の効果を奏する。つまり、角速度センサ１０００で一次側と二次側との入れ替え動作を行った場合に、振動型ジャイロ素子１００の出力信号に含まれるバイアス成分を低減できる。

また、本変形例の振動型ジャイロ素子１００を搭載した角速度センサ１０００によれば、実施形態１に示すのと同様に、角速度の検出精度を高められる。

＜変形例３＞
図１２は、本変形例に係る電極配列を示す平面図を示し、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組がそれぞれ２組ずつ設けられている点で、実施形態１に示す構成と異なる。

図１２に示す構成では、１組の一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯと１組の二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組とが、周方向に互いに（３６０／４Ｎ）度離れた位置に、この場合は、４５度離れた位置に配置されている。また、２組の一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯは、周方向に互いに（３６０／２Ｎ＋３６０×（Ｍ／Ｎ））度離れた位置に配置されている。この場合は、Ｍ＝０及びＮ＝２であり、２組の一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯは、周方向に互いに９０度離れた位置に配置されている。同様に、２組の二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯは、周方向に９０度離れた位置に配置されている。

本変形例に示す振動型ジャイロ素子１００は、実施形態１に示す構成が奏するのと同様の効果を奏する。つまり、角速度センサ１０００で一次側と二次側との入れ替え動作を行った場合に、振動型ジャイロ素子１００の出力信号に含まれるバイアス成分を低減できる。

また、本変形例では、２つの二次検出電極ＳＰＯが、周方向に互いに９０度離れた位置、つまり、互いに直交した位置に配置されている。したがって、実施形態１で説明したように、二次検出電極ＳＰＯの出力信号に含まれる誤差成分である２倍波成分を低減できる。

また、本変形例の振動型ジャイロ素子１００を搭載した角速度センサ１０００によれば、実施形態１に示すのと同様に、角速度の検出精度を高められる。

＜変形例４＞
図１３は、本変形例に係る電極配列を示す平面図を示し、一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯの組と二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組がそれぞれ１組ずつ設けられている点で、実施形態１に示す構成と異なる。

図１３に示す構成では、１組の一次駆動電極ＰＤ及び一次検出電極ＰＰＯと１組の二次駆動電極ＳＤ及び二次検出電極ＳＰＯの組とが、周方向に互いに（３６０／４Ｎ）度離れた位置に、この場合は、４５度離れた位置に配置されている。

本変形例に示す振動型ジャイロ素子１００は、実施形態１に示す構成が奏するのと同様の効果を奏する。つまり、角速度センサ１０００で一次側と二次側との入れ替え動作を行った場合に、振動型ジャイロ素子１００の出力信号に含まれるバイアス成分を低減できる。

また、本変形例の振動型ジャイロ素子１００を搭載した角速度センサ１０００によれば、実施形態１に示すのと同様に、角速度の検出精度を高められる。

（実施形態２）
図１４は、本実施形態に係る角速度センサの概略構成図を示し、この角速度センサ２０００は、一対の角速度センサ１０００，１１００と演算部３００とで構成されている。

一対の角速度センサ１０００，１１００のそれぞれは、同じ構造及びサイズの振動型ジャイロ素子１００を有している。この振動型ジャイロ素子１００は、実施形態１に示すのと同じ構造である。また、電気信号を処理する部分の構成は、図４に示すのと同様であり、各部の構造や特性は、２つの角速度センサ１０００，１１００でそれぞれ同じである。また、２つの角速度センサ１０００，１１００、特に、それぞれに設けられた振動型ジャイロ素子１００は、互いに近い場所、例えば、同じ基板上に設けられている。あるいは、異なる基板上に設けられている場合でも、同じパッケージまたは同じケース内に配置されている。

一方、一対の角速度センサ１０００，１１００は、動作方式がそれぞれ異なっている。角速度センサ１０００は、所定の周期で一次側と二次側を入れ替えて動作する。つまり、実施形態１に示す角速度センサ１０００と同様に動作する。ただし、この角速度センサ１０００では、動作の入れ替え周期が一定となっている。

一方、角速度センサ１１００は、一次側と二次側を固定した状態で動作する。つまり、一次側と二次側の入れ替え動作を行わない。このため、角速度センサ１１００では、図４に示す切替部２５０とスイッチ２６０を省略してもよい。

演算部３００は、角速度センサ１０００の出力信号と角速度センサ１１００の出力信号がそれぞれ入力される。

演算部３００は、角速度センサ１０００の出力信号に基づいて、角速度センサ１１００の出力信号を補正し、補正された信号に基づいて、角速度を算出する。具体的には、角速度センサ１０００の出力信号からバイアス成分を抽出し、抽出されたバイアス成分を角速度センサ１１００の出力信号から差し引くようにしてもよい。なお、バイアス成分は、角速度センサ１０００における一次側と二次側の入れ替え動作時の出力信号をそれぞれ加算した値から得ることができる。あるいは、実施形態１に示すように、バイアス成分が予めキャンセルされた角速度センサ１０００の出力信号と角速度センサ１１００の出力信号とを比較して、角速度センサ１１００の出力信号に含まれるバイアス成分を算出し、これを減算する補正を行ってもよい。

実施形態１に示す角速度センサ１０００において、角速度センサ１０００が移動体に搭載される場合、一次側と二次側の入れ替えタイミングを適切に設定できない場合がある。また、角速度センサ１０００が搭載された機器の運転状態によっては、常に角速度センサ１０００から角速度を出力し続けねばならない場合もある。これらの場合、バイアス成分のキャンセルを適切に行うことができず、角速度の検出精度が低下するおそれがある。

一方、本実施形態によれば、一定の周期で一次側と二次側の入れ替え動作を行う角速度センサ１０００の出力信号を用いて、入れ替え動作を行わない角速度センサ１１００の出力信号を補正している。

このようにすることで、角速度センサ１１００の搭載状況や機器の運転状況によらず、角速度センサ１１００の出力信号に含まれるバイアス成分を把握でき、これを適切かつ確実に低減することができる。また、角速度の検出精度を高めることができる。

なお、図１４には、２つの角速度センサ１０００，１１００の外部に演算部３００を設ける例を示したが、演算部３００の機能を角速度センサ１０００の内部に設けられた演算部２４０に組み込むようにしてもよい。このようにすることで、角速度センサ２０００の構成が簡素化される。また、角速度センサ２０００のコストを低減できる。

なお、前述の説明では、角速度センサ１０００を動作させる場合、所定の周期で、一次駆動電極ＰＤを二次駆動電極ＳＤと入れ替えて動作させるとともに、一次検出電極ＰＰＯを二次検出電極ＳＰＯと入れ替えて動作させている。しかし、入れ替える電極４０の組み合わせは、これに限られない。角速度センサ１０００を動作させる場合、所定の周期で、一次駆動電極ＰＤを二次検出電極ＳＰＯと入れ替えて動作させるとともに、一次検出電極ＰＰＯを二次駆動電極ＳＤと入れ替えて動作させてもよい。

（その他の実施形態）
実施形態１，２及び各変形例に示した各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、実施形態２に示す角速度センサ１０００，１１００において、それぞれに搭載された振動型ジャイロ素子１００を、変形例１～４のいずれかに示す振動型ジャイロ素子１００としてもよい。ただし、その場合も、２つの振動型ジャイロ素子１００は、同じ構造及びサイズであるのが好ましい。

また、実施形態１，２及び各変形例では、電磁式の振動型ジャイロ素子１００を例に取って説明したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電式の振動型ジャイロ素子にも、本開示の構造を適用できる。

図１５は、圧電式の振動型ジャイロ素子の平面図を、図１６は、図１５のＸＶＩ－ＸＶＩ線での断面図をそれぞれ示す。

図１５に示す振動型ジャイロ素子１２０は、固定部１０や振動子２０や支持部３０の構成や配置関係は、実施形態１に示す振動型ジャイロ素子１００と同様である。一次駆動電極ＰＤと一次検出電極ＰＰＯと二次駆動電極ＳＤと二次検出電極ＳＰＯの配置関係も実施形態１と同様である。

一方、図１５，１６に示す振動型ジャイロ素子１２０は、磁場印加部６０が省略されている点、及び複数の電極７０ａ～７０ｐのそれぞれが、下部電極層８３と圧電体層８２と上部電極層８１とがこの順で積層された圧電構造体８０である点で、実施形態１に示す振動型ジャイロ素子１００と異なる。

図１５に示す振動型ジャイロ素子１２０は、以下に示すように動作する。まず、一次駆動電極ＰＤにおいて、上部電極層８１と下部電極層８３との間に交流電圧を印加すると、圧電体層８２が周期的に伸縮する。この伸縮に応じて、振動子２０が振動する。交流電圧の周波数を振動子２０の共振周波数に合わせることで、振動子２０にｃｏｓ２θモードの一次振動が励起されることは、実施形態１と同様である。また、一次検出部２１０の出力信号を一次交流電源２００にフィードバックして、一次振動を安定化させることも、実施形態１と同様である。

また、振動子２０の振動に応じて、二次検出電極ＳＰＯ及びこれに含まれる圧電体層８２が伸縮する。この伸縮に応じて、二次検出電極ＳＰＯに含まれる上部電極層８１と下部電極層８３との間に交流電圧が発生する。

振動子２０に角速度が発生し二次振動が生じたとき、二次検出電極ＳＰＯに発生した電圧信号が二次検出部２３０に入力され、二次検出部２３０の出力信号に基づいて、二次振動を打ち消すように二次交流電源２２０の出力が制御される。二次交流電源２２０の出力信号に基づいて、演算部２４０で角速度が算出されることも、実施形態１と同様である。

図１５に示す振動型ジャイロ素子１２０においても、実施形態１に示すのと同様に、二次検出電極ＳＰＯに発生する電圧に含まれるバイアス成分を低減できることは明らかである。また、この振動型ジャイロ素子１２０を搭載した角速度センサ１０００において、角速度の検出精度を高められることも実施形態１に示すのと同様である。

また、図１５に示す例も含めて考えると、本願明細書に示す一次交流電源２００は、一次駆動電極ＰＤに所定の周波数の交流電力を印加していると言える。また、二次交流電源２２０は、二次駆動電極ＳＤに交流電力を印加している。

なお、振動子２０は、一次振動が励起されるとともに、角速度が発生した場合に振動状態が変化するような形状であればよく、特に円環状に限定されない。例えば、正多角形の環状や円盤状の形状でもよい。また、半球状の形状でもよい。

また、支持部３０は、振動子２０の振動を妨げることなく、振動子２０を固定部１０に接続できればよく、その形状は、図１，３に示した形状に限定されない。

また、実施形態１，２及び各変形例において、一次駆動電極ＰＤと一次検出電極ＰＰＯとが、振動子２０及び支持部３０の表面で並列して配置される例を示した。しかし、特にこれに限定されず、例えば、振動子２０及び支持部３０の厚さ方向で互いに間隔をあけて並列して配置されていてもよい。具体的には、一次駆動電極ＰＤと一次検出電極ＰＰＯのうち、一方が振動子２０及び支持部３０の表面に設けられ、他方が振動子２０及び支持部３０の裏面に設けられてもよい。同様に、二次駆動電極ＳＤと二次検出電極ＳＰＯとが、振動子２０及び支持部３０の厚さ方向で互いに間隔をあけて並列して配置されていてもよい。つまり、二次駆動電極ＳＤと二次検出電極ＳＰＯのうち、一方が振動子２０及び支持部３０の表面に設けられ、他方が振動子２０及び支持部３０の裏面に設けられてもよい。これ以外にも、振動子２０及び支持部３０の内部にこれらの電極が配置されていてもよい。

本開示の振動型ジャイロ素子によれば、出力信号に含まれるバイアス成分を低減できるため、高精度の角速度センサに適用する上で有用である。

１０ 固定部
２０ 振動子
３０ 支持部
４０ａ～４０ｐ 電極
５１ 第１シリコン層
５２ シリコン酸化層
５３ 第２シリコン層
５４ シリコン酸化膜
６０ 磁場印加部
６１ 上部ヨーク
６２ 磁石
６３ 下部ヨーク
７０ａ～７０ｐ 電極
８０ 圧電構造体
８１ 上部電極層
８２ 圧電体層
８３ 下部電極層
１００，１１０，１２０ 振動型ジャイロ素子
２００ 一次交流電源
２１０ 一次検出部
２２０ 二次交流電源
２３０ 二次検出部
２４０ 演算部
２５０ 切替部
２６０ スイッチ
３００ 演算部
１０００ 角速度センサ
１１００ 角速度センサ
２０００ 角速度センサ

Claims (9)

1. 固定部と、
   振動子と、
   前記振動子を前記固定部に接続して、前記振動子を振動可能に支持する支持部と、
   前記振動子の面内に形成された電極と、を少なくとも備え、
   前記振動子がｃｏｓＮθ（Ｎは２以上の自然数）の振動モードを有するとき、
   前記振動子の外周方向に前記電極の軸が等角度間隔に並ぶ４Ｎ個の方位に前記電極がそれぞれ配置されており、
   複数の前記電極には、
   前記振動子にｃｏｓＮθモードの一次振動を励起させる一次駆動電極と、
   前記一次振動を検出する一次検出電極と、
   前記振動子の二次振動を検出する二次検出電極と、
   前記二次振動を打ち消すように前記振動子を駆動する二次駆動電極と、が含まれ、
   前記一次検出電極は、前記一次駆動電極と同じ方位に配置され、
   前記二次駆動電極は、前記二次検出電極と同じ方位に配置され、
   複数の前記電極には、前記一次駆動電極及び前記一次検出電極の組と、前記二次駆動電極及び前記二次検出電極の組とが、同数ずつ含まれる、振動型ジャイロ素子。
2. ２つの前記電極が、前記支持部から前記振動子にかけて、互いに間隔をあけて並列に延びるように形成されており、
   一の前記支持部に設けられた一方の前記電極は、前記一次駆動電極で、他方は前記一次検出電極であり、
   他の前記支持部に設けられた一方の前記電極は、前記二次駆動電極で、他方は前記二次検出電極である、請求項１に記載の振動型ジャイロ素子。
3. 前記振動子の外周方向に互いに（３６０／２Ｎ＋３６０×（Ｍ／Ｎ））度（Ｍは整数でかつ０≦Ｍ≦Ｎ－１）離れた位置に配置された前記二次検出電極の組が、１ないし複数組設けられている、請求項１または２に記載の振動型ジャイロ素子。
4. 複数の前記電極に対して、前記振動子の表面と交差する方向に磁場を印加する磁場印加部をさらに備えた、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動型ジャイロ素子。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の振動型ジャイロ素子と、
   前記一次駆動電極に所定の周波数の交流電力を印加する一次交流電源と、
   前記一次検出電極に発生する電圧信号を検出する一次検出部と、
   前記二次駆動電極に交流電力を印加する二次交流電源と、
   前記二次検出電極に発生する電圧信号を検出する二次検出部と、
   前記二次交流電源の出力信号に基づいて、角速度を算出する演算部と、を少なくとも備えた角速度センサ。
6. 前記一次検出部の出力信号を前記一次交流電源にフィードバックすることで、前記振動子で発生する前記一次振動を安定化させ、
   前記二次検出部の出力信号に基づいて、前記振動子で発生する前記二次振動を打ち消すように前記二次交流電源の出力を制御し、
   前記演算部は、前記二次交流電源の出力信号に基づいて、角速度を算出する、請求項５に記載の角速度センサ。
7. 所定のタイミングで、前記一次駆動電極を前記二次駆動電極または前記二次検出電極と入れ替えて動作させるとともに、前記一次検出電極を前記二次検出電極または前記二次駆動電極と入れ替えて動作させる切替部をさらに備え、
   前記演算部は、入れ替え動作の前後での前記二次交流電源の出力信号に基づいて、角速度を算出する、請求項５に記載の角速度センサ。
8. 一対の角速度センサを備え、
   一方の角速度センサは、請求項７に記載の角速度センサであり、所定の周期で、前記一次駆動電極を前記二次駆動電極または前記二次検出電極と入れ替えて動作させるとともに、前記一次検出電極を前記二次検出電極または前記二次駆動電極と入れ替えて動作させ、
   他方の角速度センサは、入れ替え動作を行わず、
   前記一方の角速度センサの出力信号に含まれるバイアス成分を用いて、前記他方の角速度センサの出力信号を補正し、角速度を算出する角速度センサ。
9. （削除）

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