WO2015080110A1 - 角速度センサ - Google Patents

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WO2015080110A1
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vibrator
vibration
displacement
angular velocity
capacitance
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PCT/JP2014/081143
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Inventor
辻　信昭
秀和 小野
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5726—Signal processing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5776—Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719

Definitions

  • the present invention relates to a vibration type angular velocity sensor, and more particularly to an angular velocity sensor that detects an angular velocity based on a displacement of a vibrator by a Coriolis force.
  • a vibration-type angular velocity sensor formed by a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) structure or the like has a configuration in which comb-like movable electrodes provided on a vibrator are arranged in a gap between comb-like fixed electrodes provided on a plate side.
  • a voltage having a predetermined frequency By applying a voltage having a predetermined frequency to the fixed electrode side, an electrostatic force is generated between the movable electrode and the fixed electrode, and the vibrator is driven to vibrate in a predetermined vibration direction.
  • the vibration type angular velocity sensor is a sensor that detects an angular velocity based on the displacement amount of the vibrator that is displaced in a direction orthogonal to the vibration direction.
  • the vibrator In this type of angular velocity sensor, the vibrator is supported by a spring structure or the like. However, when the vibrator is vibrated in the vibration direction due to the distortion of the spring structure, the vibrator vibrates not only in the vibration direction but also in a direction orthogonal to the vibration direction. That is, even when the Coriolis force is not applied to the vibrator, the vibrator is oscillating in the detection direction in which the displacement amount due to the Coriolis force is detected. Such a vibration component is called a quadrature error (Quadrature Error), and causes a decrease in angular velocity detection accuracy.
  • Quadrature error Quadrature Error
  • each comb-shaped movable electrode provided in a vibrator is sandwiched between a pair of comb-shaped fixed electrodes. It has been proposed to generate an electrostatic force that does not displace the vibrator in a direction orthogonal to the vibration direction by applying different voltages to each of the fixed electrodes (for example, Non-Patent Document 1).
  • each of the comb-like movable electrodes provided on the vibrator is sandwiched between a pair of fixed electrodes as in the prior art, and a different voltage is applied to each of the pair of fixed electrodes so that the vibrator has a predetermined vibration direction. If it is attempted to vibrate only, there is a problem that the drive circuit for driving the vibrator becomes complicated. In addition, the number of signal lines for driving the vibrator increases, and the number of comb-shaped fixed electrodes provided on the substrate side also increases. Therefore, the area required for the MEMS structure and the circuit structure is increased, and the angular velocity sensor is installed. There is also a problem that it is difficult to reduce the size.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an angular velocity sensor that can suppress a decrease in angular velocity detection accuracy due to a quadrature error without increasing the size of a MEMS structure or a circuit structure.
  • the purpose is to provide.
  • an angular velocity sensor includes a vibrator capable of vibrating in a predetermined vibration direction, vibration displacement detecting means for detecting vibration displacement of the vibrator in the vibration direction, and a virtual ground point.
  • a measuring means for measuring an angular velocity by detecting a displacement amount in which the vibrator is displaced in a detection direction orthogonal to the vibration direction in a state where the vibrator is vibrating in a vibration direction with reference to a virtual ground point; and vibration Signal providing means for applying a signal based on the vibration displacement in the vibration direction of the vibrator detected by the displacement detection means to the virtual ground point.
  • the signal applying unit includes a coupling capacitor that couples a potential based on the vibration displacement of the vibrator to a virtual ground point.
  • the configuration further includes capacitance adjusting means for adjusting the capacitance of the coupling capacitor.
  • the angular velocity sensor having the above-described configuration further includes drive signal generation means for generating a drive signal for driving the vibrator in the vibration direction based on the vibration displacement of the vibrator detected by the vibration displacement detection means. Is preferred.
  • the drive signal generation unit converts the phase of the vibration displacement of the vibrator detected by the vibration displacement detection unit, and adjusts the gain to be applied to the signal obtained by converting the phase. It is preferable that the driving signal is generated by the above.
  • the angular velocity sensor having the above-described configuration further includes a first capacitor that changes the capacitance as the vibrator vibrates in the vibration direction, and the vibration displacement detection means includes the capacitance of the first capacitor. It is preferable that the vibration displacement of the vibrator in the vibration direction is detected based on the change.
  • the angular velocity sensor having the above-described configuration further includes a second capacitor that changes the capacitance as the vibrator is displaced in the detection direction, and the measuring unit is configured to change the capacitance of the second capacitor. Based on this, it is preferable to detect the amount of displacement of the vibrator in the detection direction.
  • the measurement unit vibrates by accumulating the charge transferred from the second capacitor as the capacitance of the second capacitor changes through the virtual ground point.
  • the amount of displacement by which the child is displaced in the detection direction is detected, and the signal providing means injects or virtually contacts the virtual ground point with charges based on the vibration displacement in the vibration direction of the vibrator detected by the vibration displacement detection means.
  • the structure absorbs from a point.
  • a quadrature error can be canceled because a signal having a phase opposite to that of the quadrature error is applied to the virtual ground point when the angular velocity is measured. Therefore, it is possible to provide an angular velocity sensor with excellent angular velocity detection accuracy without increasing the size of the MEMS structure or circuit structure.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an angular velocity sensor 1 according to the present embodiment.
  • the angular velocity sensor 1 is a sensor that is mounted on a relatively small information processing device such as a smartphone or a tablet terminal and detects an angular velocity acting on the information processing device.
  • the angular velocity sensor 1 has a configuration in which a MEMS unit 2 and an ASIC (Application (Specific Integrated Circuit) unit 3 are formed and packaged on a single substrate such as a silicon substrate.
  • the MEMS unit 2 and the ASIC unit 3 are connected by various signal lines.
  • the MEMS unit 2 includes a vibrator 4 that is supported on a substrate by a spring structure and can be displaced in each of the X direction and the Y direction orthogonal to each other.
  • the MEMS unit 2 includes a plurality of comb-shaped movable electrodes that move in conjunction with the vibrator 4 and a plurality of comb-shaped fixed electrodes that are fixed on the substrate side so as to face each other.
  • a plurality of capacitors C1, C2, C3, C4, C5, and C6 constituted by electrodes and fixed electrodes are provided.
  • Each of the plurality of capacitors C1 to C6 is a variable capacitor that changes the capacitance according to the displacement of the vibrator 4.
  • the capacitors C1 and C2 are capacitors for driving the vibrator 4 to vibrate in the X direction (vibration direction).
  • Capacitors C3 and C4 are capacitors (first capacitors) for detecting displacement of the vibrator 4 in the X direction.
  • the capacitors C5 and C6 are capacitors (second capacitors) for detecting displacement of the vibrator 4 in the Y direction (detection direction).
  • the voltage of the vibrator 4 is held at a constant voltage Vdc by the ASIC unit 3. Further, drive signals Vdp and Vdn, which are signals having a voltage different from the voltage Vdc of the vibrator 4 and whose polarities are periodically switched, are applied to the fixed electrodes of the capacitors C1 and C2.
  • the drive signals Vdp and Vdn are sine wave signals having a frequency that matches the resonance frequency of the vibrator 4.
  • Capacitors C3 and C4 When the vibrator 4 vibrates in the X direction, the capacitances of the capacitors C3 and C4 change according to the position of the vibrator 4 in the X direction. That is, when the capacitance of one of the two capacitors C3 and C4 increases, the capacitance of the other decreases. Capacitors C3 and C4 output a charge signal accompanying the change in capacitance to ASIC unit 3.
  • the ASIC unit 3 detects the amount of displacement of the drive circuit 5 that vibrates the vibrator 4 in the X direction and the amount of displacement of the vibrator 4 in the Y direction while the vibrator 4 vibrates in the X direction. And a signal applying circuit 7 for applying a signal based on the vibration displacement of the vibrator 4 in the X direction to the measuring circuit 6.
  • the drive circuit 5 includes a CV conversion circuit 11, a phase conversion circuit 13, and a gain adjustment circuit 14.
  • the drive circuit 5 detects the displacement of the vibrator 4 in the X direction, converts the phase of the displacement detection signal, and gives a gain.
  • drive signals Vdp and Vdn are generated and applied to the fixed electrodes of the capacitors C1 and C2.
  • FIG. 2 is a diagram showing signals in each part of the drive circuit 5 and vibration displacement in the X direction of the vibrator 4. For example, as shown in FIG.
  • the drive circuit 5 generates drive signals Vdp and Vdn that fluctuate sinusoidally with reference to a predetermined reference voltage Vref, and two capacitors C1 for vibrating the vibrator 4 , C2 are applied with the drive signals Vdp and Vdn.
  • the reference voltage Vref is a voltage different from the voltage Vdc applied to the vibrator 4.
  • the CV conversion circuit 11 is a vibration displacement detection circuit that detects the vibration displacement of the vibrator 4 in the X direction, and detects the vibration displacement of the vibrator 4 by converting the capacitance change of the capacitors C3 and C4 into a voltage.
  • the CV conversion circuit 11 includes a fully differential operational amplifier 12, and capacitors Cf 1 and Cf 1 having the same capacitance are connected to each of two feedback paths of the fully differential operational amplifier 12. In this configuration, 12 input terminals are virtually grounded to a predetermined reference voltage Vref.
  • the fixed electrode of the capacitor C4 is connected to the inverting input terminal of the fully differential operational amplifier 12, and the fixed electrode of the capacitor C3 is connected to the non-inverting input terminal.
  • the CV conversion circuit 11 accumulates the charges transferred from the capacitors C3 and C4 in the two capacitors Cf1 and Cf1 and converts them into a voltage based on the reference voltage Vref, whereby the vibrator 4 Displacement detection signals Vxp and Vxn obtained by detecting the vibration displacement in the X direction as differential signals are output.
  • the displacement detection signals Vxp and Vxn output from the CV conversion circuit 11 in this manner are sine wave signals whose polarities are inverted with each other in synchronization with the vibration displacement of the vibrator 4 as shown in FIG.
  • the vibration displacement in the X direction of the vibrator 4 is 90 ° out of phase with respect to the drive signals Vdp and Vdn, so the displacement detection signals Vxp and Vxn are 90 ° out of phase with respect to the drive signals Vdp and Vdn.
  • the signal waveform is shifted.
  • the phase conversion circuit 13 and the gain adjustment circuit 14 generate drive signals Vdp and Vdn for driving the vibrator 4 in the X direction based on the vibration displacement of the vibrator 4 detected by the CV conversion circuit 11.
  • 4 is a drive signal generation circuit applied to 4.
  • the phase conversion circuit 13 converts the phases of the displacement detection signals Vxp and Vxn output from the CV conversion circuit 11 to generate phase conversion signals Vcp and Vcn having the same phase as the drive signals Vdp and Vdn.
  • the phase conversion circuit 13 delays the displacement detection signals Vxp and Vxn, for example, to generate phase conversion signals Vcp and Vcn having the same phase as the drive signals Vdp and Vdn as shown in FIG.
  • the gain adjustment circuit 14 adjusts the gain so that the vibration amplitude in the X direction of the vibrator 4 becomes a predetermined target value, and applies the gain to the phase conversion signals Vcp and Vcn output from the phase conversion circuit 13. As a result, drive signals Vdp and Vdn as shown in FIG. 2A are generated.
  • the measurement circuit 6 includes a CV conversion circuit 21, an amplification circuit 23, and an AD converter 24, and outputs a digital signal Sout based on a signal obtained by detecting the displacement of the vibrator 4 in the Y direction as a sensor output.
  • the CV conversion circuit 21 is a detection circuit that detects the displacement of the vibrator 4 in the Y direction, and detects the amount of displacement of the vibrator 4 in the Y direction by converting the capacitance change of the capacitors C5 and C6 into a voltage. .
  • the CV conversion circuit 21 includes a fully differential operational amplifier 22, and capacitors Cf 2 and Cf 2 having the same capacitance are connected to two feedback paths of the fully differential operational amplifier 22, respectively. The two input terminals 22 are virtually grounded to a predetermined reference voltage Vref.
  • the fixed electrode of the capacitor C5 is connected to the inverting input terminal of the fully differential operational amplifier 22, and the fixed electrode of the capacitor C6 is connected to the non-inverting input terminal. Therefore, when the vibrator 4 is displaced in the Y direction and the capacitance of the capacitor C5 increases, the charge corresponding to the increased capacitance is transferred to the capacitor Cf2 connected to the inverting input terminal of the fully differential operational amplifier 22. Is done. At this time, since the capacitance of the capacitor C6 decreases, the charge corresponding to the decrease in capacitance is transferred to the capacitor Cf2 connected to the non-inverting input terminal of the fully differential operational amplifier 22.
  • the CV conversion circuit 21 stores the charges transferred from the capacitors C5 and C6 in the two capacitors Cf2 and Cf2, respectively, and converts them into a voltage based on the reference voltage Vref.
  • Displacement detection signals Vsp and Vsn obtained by detecting the vibration displacement in the Y direction as differential signals are output.
  • the displacement detection signals Vsp and Vsn output from the CV conversion circuit 21 in this way are amplified by the amplifier circuit 23 to become amplified signals Vgp and Vgn.
  • the amplified signals Vgp and Vgn are sampled at a predetermined timing in the AD converter 24, and the difference between the amplified signals Vgp and Vgn is converted into a digital signal Sout.
  • This digital signal Sout becomes an output signal of the angular velocity sensor 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing vibration displacement in the Y direction of the vibrator 4 and displacement detection signals Vsp and Vsn detected by the CV conversion circuit 21.
  • the vibrator 4 not only vibrates in the X direction but also vibrates in the Y direction when driven in the X direction by the drive signals Vdp and Vdn due to the distortion of the spring structure.
  • Such a vibration component in the Y direction is detected by the CV conversion circuit 21 as a quadrature error.
  • FIG. 3A shows the displacement of the vibrator 4 in the Y direction due to a quadrature error.
  • the vibration waveform QE in the Y direction of the vibrator 4 due to the quadrature error is the same phase as the vibration waveform in the X direction of the vibrator 4 shown in FIG.
  • the Coriolis force in the Y direction generated when the angular velocity is applied exhibits a maximum value at the timing at which the velocity in the X direction of the vibrator 4 is maximized. That is, in FIG. 2B, since the velocity in the X direction of the vibrator 4 becomes maximum at the timing when the vibration waveform indicating the displacement of the vibrator 4 in the X direction crosses zero, the Coriolis force is at the zero cross timing. Maximum. Therefore, the displacement in the Y direction due to the Coriolis force of the vibrator 4 becomes the maximum displacement at the timing when the vibration waveform in the X direction of the vibrator 4 crosses zero as shown in FIG. As a result, the vibration waveform CF in the Y direction of the vibrator 4 due to the Coriolis force is not the same phase as the vibration waveform QE due to the quadrature error shown in FIG. It becomes.
  • the vibrator 4 when a Coriolis force corresponding to the angular velocity is applied to the vibrator 4 in the state of vibrating in the X direction, the vibrator 4 has the vibration waveform QE due to the quadrature error of FIG. 3A and FIG.
  • the vibration waveform obtained by synthesizing the vibration waveform CF due to the Coriolis force is displaced in the Y direction.
  • the vibration displacement in the Y direction of the vibrator 4 is detected as it is in the CV conversion circuit 21, the displacement detection signals Vsp and Vsn output from the CV conversion circuit 21 are quadrature error as shown in FIG.
  • the signal applying circuit 7 applies the displacement detection signals Vxp and Vxn that coincide with the phase of the cladding error to the virtual ground points N1 and N2 in the CV conversion circuit 21 of the measurement circuit 6 to thereby detect the quadrature. Cancel vibration component due to error.
  • the signal applying circuit 7 will be described in detail.
  • the signal applying circuit 7 includes a signal applying unit 31 including capacitors Ca and Cb, and a capacitance adjusting circuit 32 that adjusts the capacitances of the capacitors Ca and Cb.
  • Capacitors Ca and Cb respectively receive displacement detection signals Vxp and Vxn based on vibration displacement in the X direction of the vibrator 4 detected by the CV conversion circuit 11 of the drive circuit 5, and virtual ground points N 1 and N 2 of the measurement circuit 6.
  • the coupling capacitor is coupled and applied to each of the above. That is, the signal applying unit 31 injects the displacement of the potentials of the displacement detection signals Vxp and Vxn as charges into the virtual ground points N1 and N2 via the capacitors Ca and Cb.
  • These capacitors Ca and Cb are configured as capacitors with variable capacitance.
  • the capacitor Ca includes a plurality of capacitors having different capacitances connected in parallel between the non-inverting output terminal of the fully-differential operational amplifier 12 provided in the CV conversion circuit 11 and the virtual ground point N1. And a plurality of switches connected in series to each of the plurality of capacitors, and the capacitance can be adjusted by selectively turning on the plurality of switches.
  • the capacitor Cb is also configured to have a variable capacitance in the same manner as described above.
  • capacitors Ca and Cb are held at the reference voltage Vref because one of the electrodes is connected to the virtual ground points N1 and N2 of the measurement circuit 6. Further, the potential of the other electrode varies according to the displacement detection signals Vxp and Vxn output from the CV conversion circuit 11. Therefore, charges corresponding to the displacement detection signals Vxp and Vxn are accumulated in both electrodes of the capacitors Ca and Cb, and charges corresponding to the displacement detection signals Vxp and Vxn from the virtual ground points N1 and N2 of the measurement circuit 6. Are injected into the capacitors Ca and Cb. Therefore, the charges transferred from the capacitors C5 and C6 to the measuring circuit 6 due to vibration displacement due to the quadrature error can be absorbed by the capacitors Ca and Cb.
  • the CV conversion circuit 21 of the measuring circuit 6 is provided.
  • the capacitors Cf2 and Cf2 can store only charges based on the vibration displacement caused by the Coriolis force. Accordingly, the CV conversion circuit 21 of the measurement circuit 6 can output the displacement detection signals Vsp and Vsn in which only the vibration component due to the Coriolis force is detected by canceling the vibration component in the Y direction due to the quadrature error. .
  • the capacitance adjustment circuit 32 is configured to adjust the capacitances of the capacitors Ca and Cb in advance so that their charge amounts are equal to each other.
  • the capacitance adjustment circuit 32 operates when no angular velocity is applied to the angular velocity sensor 1, and the signal component based on the amount of displacement in the Y direction of the vibrator 4 detected by the measurement circuit 6 is minimized. Thus, the capacitances of the capacitors Ca and Cb are adjusted.
  • the capacitance adjustment circuit 32 adjusts the capacitance of each of the capacitors Ca and Cb so that the signal component when the vibration displacement in the Y direction due to only the quadrature error is detected by the measurement circuit 6 is minimized.
  • is there. 1 illustrates the case where the capacitance adjustment circuit 32 receives the digital signal Sout, which is the output of the AD converter 24, and adjusts the digital signal Sout so that it is minimized.
  • the displacement detection signals Vsp and Vsn output from the CV conversion circuit 21 may be input and adjusted so that the difference between the displacement detection signals Vsp and Vsn is minimized.
  • FIG. 4 is a diagram showing changes in the displacement detection signals Vsp and Vsn when the capacitances of the capacitors Ca and Cb are adjusted by the capacitance adjustment circuit 32.
  • FIG. 4 For example, when the Coriolis force is not generated before the capacitance adjustment of the capacitors Ca and Cb, the displacement detection signals Vsp and Vsn output from the CV conversion circuit 21 are signals as shown in FIG. That is, the displacement detection signals Vsp and Vsn are signals in which vibration displacement in the Y direction due to a quadrature error is detected.
  • the capacitance adjustment circuit 32 adjusts the capacitances of the capacitors Ca and Cb so that the difference between the displacement detection signals Vsp and Vsn shown in FIG.
  • the capacitors Cf2 and Cf2 of the CV conversion circuit 21 are used. Since no charge is accumulated due to the vibration displacement due to the quadrature error, the displacement detection signals Vsp and Vsn output from the CV conversion circuit 21 are almost flat as shown in FIG. 4B, which matches the reference voltage Vref. Signal. That is, the state shown in FIG. 4B is a state where the cluster error can be completely canceled.
  • the capacitance adjustment circuit 32 ends the adjustment of the capacitance when the displacement detection signals Vsp and Vsn output from the CV conversion circuit 21 are in a state as shown in FIG. Thereafter, the capacitors Ca and Cb hold the capacitance adjusted by the capacitance adjustment circuit 32. Therefore, when the angular velocity acts on the angular velocity sensor 1, only the electric charge corresponding to the vibration displacement of the vibrator 4 due to the Coriolis force is accumulated in the capacitors Cf2 and Cf2 of the CV conversion circuit 21, and therefore the CV conversion circuit 21
  • the displacement detection signals Vsp and Vsn output from are signals obtained by detecting the vibration displacement in the Y direction due to only the Coriolis force, as shown in FIG.
  • the measurement circuit 6 amplifies the displacement detection signals Vsp and Vsn shown in FIG. 4C and converts them into a digital signal Sout, whereby the signal component due to the quadrature error is canceled satisfactorily, and the angular velocity Only the signal component corresponding to the size of can be output.
  • the capacitance adjustment by the capacitance adjustment circuit 32 is at least 1 when the vibration amplitude in the X direction of the vibrator 4 is stable at a predetermined target value and the angular velocity is not acting.
  • the angular velocity sensor 1 may be adjusted in advance before shipment.
  • the angular velocity sensor 1 of the present embodiment causes the vibrator 4 to constantly vibrate in the X direction, thereby causing the vibrator 4 to generate a Coriolis force corresponding to the angular velocity in the Y direction orthogonal to the X direction.
  • the displacement detection signals Vxp and Vxn which are detected by the vibrator 4 in the X direction, are used as the capacitor Ca. , Cb to be applied to the virtual ground points N1, N2 of the measurement circuit 6.
  • displacement detection signals Vxp and Vxn having the same phase as the quadrature error are applied to the virtual ground points N1 and N2 of the measurement circuit 6 via the capacitors Ca and Cb.
  • charges of the opposite phase to the cladding error are injected into the virtual ground points N1 and N2 of the measuring circuit 6 by the capacitors Ca and Cb, and the charges of the quadrature error output from the capacitors C5 and C6.
  • the charges of the opposite phase of the quadrature error output from the capacitors Ca and Cb cancel each other.
  • the measurement circuit 6 can cancel the signal based on the vibration component in the Y direction due to the quadrature error of the vibrator 4 and can detect only the amount of displacement in the Y direction due to the Coriolis force. Detection accuracy is improved. Further, according to such a configuration, each of the comb-like movable electrodes provided on the vibrator 4 in the MEMS unit 2 is sandwiched between the pair of fixed electrodes, and different voltages are applied to the pair of fixed electrodes. Since it is not a configuration, the configuration of the drive circuit 5 for driving the vibrator 4 becomes extremely simple as compared with the prior art, and the signal line connecting the MEMS unit 2 and the ASIC unit 3 for driving the vibrator 4. No increase in the number.
  • the angular velocity sensor 1 of the present embodiment is realized as a sensor suitable for mounting on a small information processing device such as a smartphone or a tablet terminal.
  • the angular velocity sensor 1 has the capacitors Ca, Ca so that the signal component based on the displacement amount in the Y direction of the vibrator 4 detected by the measurement circuit 6 is minimized when the angular velocity is not acting. Since the capacitance adjustment circuit 32 for adjusting the capacitance of Cb is provided, it is possible to adjust the quadrature error to a state in which the quadrature error can be completely canceled before the measurement of the angular velocity is started. is there.
  • the angular velocity sensor 1 is not limited to a small information processing device such as a smartphone or a tablet terminal, and is a sensor that can be favorably used for in-vehicle use and other applications.

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Abstract

　クアドラチャーエラーによる角速度の検出精度の低下を抑制する。角速度センサ１は、所定の振動方向（Ｘ方向）に振動可能な振動子４と、振動方向における振動子４の振動変位を検知するＣＶ変換回路１１と、ＣＶ変換回路１１によって検知される振動子４の振動変位に基づき、振動子４を振動方向へ駆動するための駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを生成して振動子４に印加するゲイン調整回路１４と、仮想接地点Ｎ１，Ｎ２を有し、振動子４が振動方向へ振動している状態で振動子が振動方向と直交する検出方向（Ｙ方向）へ変位する変位量を、仮想接地点Ｎ１，Ｎ２を基準にして検出することにより角速度を測定する測定回路６、ＣＶ変換回路１１によって検知される振動子４の振動方向への振動変位に基づく信号を仮想接地点Ｎ１，Ｎ２に印加する信号付与回路７と、を備える構成である。

Description

角速度センサ
　本発明は、振動型角速度センサに関し、特にコリオリ力による振動子の変位に基づいて角速度を検出する角速度センサに関する。
　ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造などによって形成される振動型角速度センサは、振動子に設けられる櫛歯状可動電極を、板側に設けた櫛歯状固定電極の隙間に配置した構成を有し、固定電極側に所定周波数の電圧を印加することにより可動電極と固定電極との間に静電気力を生じさせて振動子を所定の振動方向に振動駆動する。そして振動子が振動方向に振動している状態で外部から角速度が作用すると、振動子の振動方向と直交する方向にコリオリ力が作用し、振動子はそのコリオリ力によって振動方向と直交する方向に変位する。振動型角速度センサは、そのような振動方向と直交する方向に変位する振動子の変位量に基づいて角速度を検出するセンサである。
　この種の角速度センサでは、振動子がバネ構造などによって支持される。しかし、そのバネ構造の歪などにより、振動子を振動方向に振動させると、振動子は振動方向だけではなく、その振動方向と直交する方向にも振動する。つまり、振動子にコリオリ力が作用していないときにも、振動子はコリオリ力による変位量が検出される検出方向に振動していることになる。このような振動成分は、クアドラチャーエラー（Quadrature Error）とよばれ、角速度の検出精度を低下させる要因となる。
　従来、クラドラチャーエラーによる検出精度の低下を抑制するためのひとつの手法として、例えば振動子に設けられる櫛歯状可動電極の一つひとつを一対の櫛歯状固定電極で挟み込んだ構成とし、それら一対の固定電極のそれぞれに対して異なる電圧を印加することにより、振動子を振動方向と直交する方向へ変位させないような静電気力を発生させることが提案されている（例えば非特許文献１）。
VILLE KAAJAKARI著、「Practical MEMS」、(米国)、Small Gear Publishing、2009年、p.354－359
　しかしながら、従来のように振動子に設けられる櫛歯状可動電極の一つひとつを一対の固定電極で挟み込み、それら一対の固定電極のそれぞれに対して異なる電圧を印加することによって振動子を所定の振動方向のみに振動させようとすると、振動子を駆動するための駆動回路が複雑化するという問題がある。また振動子を駆動するための信号線の本数が増加すると共に、基板側に設ける櫛歯状固定電極の数も増加するため、ＭＥＭＳ構造や回路構造などに必要な面積が大型化し、角速度センサを小型化することが難しくなるという問題もある。
　そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、ＭＥＭＳ構造や回路構造を大型化することなく、クアドラチャーエラーによる角速度の検出精度の低下を抑制できるようにした角速度センサを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る角速度センサは、所定の振動方向に振動可能な振動子と、振動方向における振動子の振動変位を検知する振動変位検知手段と、仮想接地点を有し、振動子が振動方向へ振動している状態で振動子が振動方向と直交する検出方向へ変位する変位量を、仮想接地点を基準にして検出することにより角速度を測定する測定手段と、振動変位検知手段によって検知される振動子の振動方向への振動変位に基づく信号を仮想接地点に印加する信号付与手段と、を備えることを特徴とする構成である。
　また上記構成を有する角速度センサにおいては、信号付与手段が、振動子の振動変位に基づく電位を仮想接地点にカップリングするカップリングコンデンサを備える構成とすることが好ましい。
　また上記構成を有する角速度センサにおいては、信号付与手段が、当該角速度センサに角速度が作用していない状態のとき、測定手段において検出される振動子の変位量に基づく信号成分が最小となるようにカップリングコンデンサの静電容量を調整する静電容量調整手段を更に備える構成とすることがより好ましい。
　また上記構成を有する角速度センサにおいては、振動変位検知手段によって検知される振動子の振動変位に基づいて振動子を振動方向へ駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成手段を更に備える構成とすることが好ましい。
　また上記構成を有する角速度センサにおいては、駆動信号生成手段が、振動変位検知手段によって検知される振動子の振動変位の位相を変換し、その位相を変換した信号に対して付与するゲインを調整するによって駆動信号を生成する構成とすることが好ましい。
　また上記構成を有する角速度センサは、振動子が振動方向へ振動することに伴って静電容量を変化させる第１のコンデンサを更に備え、振動変位検知手段は、第１のコンデンサの静電容量の変化に基づいて振動方向における振動子の振動変位を検知する構成とすることが好ましい。
　また上記構成を有する角速度センサは、振動子が検出方向へ変位することに伴って静電容量を変化させる第２のコンデンサを更に備え、測定手段は、第２のコンデンサの静電容量の変化に基づいて振動子が検出方向へ変位する変位量を検出する構成とすることが好ましい。
　さらに上記構成を有する角速度センサにおいては、測定手段が、第２のコンデンサの静電容量が変化することによって第２のコンデンサから転送される電荷を、仮想接地点を介して蓄積することにより、振動子が検出方向へ変位する変位量を検出し、信号付与手段は、振動変位検知手段によって検知される振動子の振動方向への振動変位に基づく電荷を、仮想接地点に対して注入又は仮想接地点から吸収する構成とすることがより好ましい。
　本発明によれば、クアドラチャーエラーと逆位相の信号が角速度を測定する際の仮想接地点に印加されるため、クアドラチャーエラーをキャンセルすることが可能である。それ故、ＭＥＭＳ構造や回路構造を大型化することなく、角速度の検出精度が優れた角速度センサを提供することができる。
角速度センサの一構成例を示す図である。 駆動回路の各部における信号と振動子のＸ方向の振動変位を示す図である。 振動子のＹ方向の振動変位と変位検知信号とを示す図である。 静電容量調整回路の静電容量調整による変位検知信号の変化を示す図である。
　以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。
　図１は、本実施形態における角速度センサ１の一構成例を示す図である。この角速度センサ１は、例えばスマートフォンやタブレット端末などの比較的小型の情報処理機器に実装され、その情報処理機器に作用する角速度を検出するセンサである。図１に示すように、角速度センサ１は、ＭＥＭＳ部２と、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）部３とが例えばシリコン基板などの１つの基板上に形成されてパッケージングされた構成を有しており、ＭＥＭＳ部２とＡＳＩＣ部３とが各種の信号線で接続されている。
　ＭＥＭＳ部２は、バネ構造によって基板上に支持され、互いに直交するＸ方向及びＹ方向のそれぞれに変位可能な振動子４を有している。またＭＥＭＳ部２は、振動子４と連動して可動する複数の櫛歯状可動電極と、基板側に固定された複数の櫛歯状固定電極とを互いに対向させて配置しており、それら可動電極及び固定電極によって構成される複数のコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６を備えている。これら複数のコンデンサＣ１～Ｃ６のそれぞれは、振動子４の変位によって静電容量を変化させる可変容量コンデンサである。このうち、コンデンサＣ１，Ｃ２は、振動子４をＸ方向（振動方向）へ振動駆動させるためのコンデンサである。またコンデンサＣ３，Ｃ４は、振動子４のＸ方向への変位を検知するためのコンデンサ（第１のコンデンサ）である。さらに、コンデンサＣ５，Ｃ６は、振動子４のＹ方向（検出方向）への変位を検知するためのコンデンサ（第２のコンデンサ）である。
　振動子４の電圧は、ＡＳＩＣ部３によって一定の電圧Ｖｄｃに保持される。またコンデンサＣ１，Ｃ２の固定電極には、振動子４の電圧Ｖｄｃとは異なる電圧の信号であって、互いに極性が周期的に入れ替わる駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎが印加される。例えば、駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎは、振動子４の共振周波数に一致する周波数の正弦波信号である。そのような駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎが各コンデンサＣ１，Ｃ２の固定電極側に印加されると、各コンデンサＣ１，Ｃ２で発生する静電気力の大小関係が周期的に変化し、振動子４は、その静電気力の変化によってＸ方向に共振周波数で振動するようになる。振動子４がＸ方向に振動すると、振動子４のＸ方向の位置に応じてコンデンサＣ３，Ｃ４の静電容量が変化する。すなわち、２つのコンデンサＣ３，Ｃ４のうち、一方の静電容量が増加すると、他方の静電容量が減少する。コンデンサＣ３，Ｃ４は、その静電容量変化に伴う電荷信号をＡＳＩＣ部３へ出力する。
　また振動子４がＸ方向に振動しているとき、角速度センサ１に角速度が作用すると、振動子４には角速度に応じたコリオリ力がＸ方向と直交するＹ方向に働く。そのため、振動子４は、角速度に応じてＹ方向に変位するようになる。振動子４がＹ方向に変位すると、振動子４のＹ方向の変位量に応じてコンデンサＣ５，Ｃ６の静電容量が変化する。すなわち、２つのコンデンサＣ５，Ｃ６のうち、一方の静電容量が増加すると、他方の静電容量が減少する。コンデンサＣ５，Ｃ６は、その静電容量変化に伴う電荷信号をＡＳＩＣ部３へ出力する。
　一方、ＡＳＩＣ部３は、振動子４をＸ方向に振動させる駆動回路５と、振動子４がＸ向へ振動している状態で振動子４がＹ方向へ変位する変位量を検出して角速度を測定する測定回路６と、振動子４のＸ方向への振動変位に基づく信号を測定回路６に印加する信号付与回路７とを備えている。
　駆動回路５は、ＣＶ変換回路１１と、位相変換回路１３と、ゲイン調整回路１４とを備え、振動子４のＸ方向の変位を検知し、その変位検知信号の位相を変換してゲインを付与することにより、駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを生成してコンデンサＣ１，Ｃ２の固定電極に印加する。図２は、駆動回路５の各部における信号と振動子４のＸ方向の振動変位を示す図である。駆動回路５は、例えば図２（ａ）に示すように所定の基準電圧Ｖｒｅｆを基準にして正弦波状に変動する駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを生成し、振動子４を振動させるための２つのコンデンサＣ１，Ｃ２の固定電極に対してそれら駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを印加する。尚、基準電圧Ｖｒｅｆは、振動子４に印加される電圧Ｖｄｃとは異なる電圧である。図２（ａ）のような駆動信号Ｖｄｐ，ＶｄｎがコンデンサＣ１，Ｃ２に印加されると、振動子４は、図２（ｂ）に示すようにＸ方向に変位する。すなわち、振動子４が駆動信号Ｖｄｐ，ＶｄｎによってＸ方向に振動すると、その振動波形は、駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎに対して位相が９０°ずれた正弦波状の波形となる。
　ＣＶ変換回路１１は、振動子４のＸ方向の振動変位を検知する振動変位検知回路であり、コンデンサＣ３，Ｃ４の静電容量変化を電圧に変換することにより振動子４の振動変位を検知する。このＣＶ変換回路１１は、全差動オペアンプ１２を有し、その全差動オペアンプ１２の２つの帰還パスのそれぞれに静電容量が同一のコンデンサＣｆ１，Ｃｆ１が接続されており、全差動オペアンプ１２の２つの入力端子が所定の基準電圧Ｖｒｅｆに仮想接地された構成である。そして全差動オペアンプ１２の反転入力端子にはコンデンサＣ４の固定電極が接続され、非反転入力端子にはコンデンサＣ３の固定電極が接続される。したがって、振動子４がＸ方向に振動してコンデンサＣ４の静電容量が増加すると、その静電容量増加分に相当する電荷が全差動オペアンプ１２の反転入力端子に接続されたコンデンサＣｆ１に転送される。このとき、コンデンサＣ３の静電容量は減少するため、その静電容量減少分に相当する電荷が全差動オペアンプ１２の非反転入力端子に接続されたコンデンサＣｆ１に転送される。したがって、ＣＶ変換回路１１は、それら各コンデンサＣ３，Ｃ４から転送される電荷を２つのコンデンサＣｆ１，Ｃｆ１のそれぞれに蓄積して基準電圧Ｖｒｅｆを基準とする電圧に変換することにより、振動子４のＸ方向の振動変位を差動信号として検知した変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎを出力する。このようにしてＣＶ変換回路１１から出力される変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎは、図２（ｃ）に示すように振動子４の振動変位と同期し、互いに極性が反転する正弦波信号となる。また上述のように振動子４のＸ方向の振動変位が駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎに対して位相が９０°ずれるため、変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎは、駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎに対して位相が９０°ずれた信号波形となる。
　位相変換回路１３及びゲイン調整回路１４は、ＣＶ変換回路１１によって検知される振動子４の振動変位に基づき、振動子４をＸ方向へ駆動するための駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを生成して振動子４に印加する駆動信号生成回路である。位相変換回路１３は、ＣＶ変換回路１１から出力される変位検知信号Ｖｘｐ、Ｖｘｎの位相を変換して駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎと同位相の位相変換信号Ｖｃｐ，Ｖｃｎを生成する。この位相変換回路１３は、例えば変位検知信号Ｖｘｐ、Ｖｘｎを遅延させることにより、図２（ｄ）に示すように駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎと同位相の位相変換信号Ｖｃｐ，Ｖｃｎを生成する。そしてゲイン調整回路１４は、振動子４のＸ方向の振動振幅が所定の目標値となるようにゲインを調整し、そのゲインを位相変換回路１３から出力される位相変換信号Ｖｃｐ，Ｖｃｎに付与することにより、図２（ａ）に示すような駆動信号Ｖｄｐ，Ｖｄｎを生成する。
　測定回路６は、ＣＶ変換回路２１と、増幅回路２３と、ＡＤコンバータ２４とを備え、振動子４のＹ方向の変位を検知した信号に基づくデジタル信号Ｓｏｕｔをセンサ出力として出力する。ＣＶ変換回路２１は、振動子４のＹ方向の変位を検知する検知回路であり、コンデンサＣ５，Ｃ６の静電容量変化を電圧に変換することにより振動子４のＹ方向の変位量を検知する。このＣＶ変換回路２１は、全差動オペアンプ２２を有し、その全差動オペアンプ２２の２つの帰還パスのそれぞれに静電容量が同一のコンデンサＣｆ２，Ｃｆ２が接続されており、全差動オペアンプ２２の２つの入力端子が所定の基準電圧Ｖｒｅｆに仮想接地された構成である。そして全差動オペアンプ２２の反転入力端子にはコンデンサＣ５の固定電極が接続され、非反転入力端子にはコンデンサＣ６の固定電極が接続される。したがって、振動子４がＹ方向に変位してコンデンサＣ５の静電容量が増加すると、その静電容量増加分に相当する電荷が全差動オペアンプ２２の反転入力端子に接続されたコンデンサＣｆ２に転送される。このとき、コンデンサＣ６の静電容量は減少するため、その静電容量減少分に相当する電荷が全差動オペアンプ２２の非反転入力端子に接続されたコンデンサＣｆ２に転送される。したがって、ＣＶ変換回路２１は、それら各コンデンサＣ５，Ｃ６から転送される電荷を２つのコンデンサＣｆ２，Ｃｆ２のそれぞれに蓄積して基準電圧Ｖｒｅｆを基準とする電圧に変換することにより、振動子４のＹ方向の振動変位を差動信号として検知した変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎを出力する。このようにしてＣＶ変換回路２１から出力される変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎは、増幅回路２３において増幅され、増幅信号Ｖｇｐ，Ｖｇｎとなる。そして増幅信号Ｖｇｐ，Ｖｇｎは、ＡＤコンバータ２４において所定のタイミングでサンプリングされ、増幅信号Ｖｇｐ，Ｖｇｎの差分がデジタル信号Ｓｏｕｔに変換される。このデジタル信号Ｓｏｕｔが、角速度センサ１の出力信号となる。
　上記のような測定回路６によって検知される振動子４のＹ方向の変位には、コリオリ力による変位だけでなく、クアドラチャーエラーによる変位が含まれる。図３は、振動子４のＹ方向の振動変位とＣＶ変換回路２１によって検知される変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎを示す図である。振動子４は、バネ構造の歪みなどにより、駆動信号Ｖｄｐ，ＶｄｎによってＸ方向に駆動されると、Ｘ方向に振動するだけでなく、Ｙ方向へも振動する。そのようなＹ方向への振動成分はクアドラチャーエラーとしてＣＶ変換回路２１によって検知される。図３（ａ）は、クアドラチャーエラーによる振動子４のＹ方向への変位を示している。クアドラチャーエラーによる振動子４のＹ方向への振動波形ＱＥは、図２（ｂ）に示した振動子４のＸ方向への振動波形と同位相の波形となる。
　一方、角速度が作用した場合に発生するＹ方向のコリオリ力は、振動子４のＸ方向の速度が最大となるタイミングで最大値を示す。すなわち、図２（ｂ）において振動子４のＸ方向への変位を示す振動波形が零クロスするタイミングで振動子４のＸ方向への速度が最大となるため、コリオリ力はその零クロスタイミングで最大となる。そのため、振動子４のコリオリ力によるＹ方向への変位は、図３（ｂ）に示すように振動子４のＸ方向の振動波形が零クロスするタイミングで最大変位となる。その結果、コリオリ力による振動子４のＹ方向への振動波形ＣＦは、図３（ａ）に示したクアドラチャーエラーによる振動波形ＱＥとは同位相とはならず、位相が９０°ずれた波形となる。
　したがって、Ｘ方向に振動している状態で角速度に応じたコリオリ力が振動子４に作用すると、振動子４は、図３（ａ）のクアドラチャーエラーによる振動波形ＱＥと、図３（ｂ）のコリオリ力による振動波形ＣＦとを合成した振動波形でＹ方向に変位するようになる。この場合、ＣＶ変換回路２１において振動子４のＹ方向の振動変位をそのまま検知すると、ＣＶ変換回路２１から出力される変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎは、図３（ｃ）に示すようにクアドラチャーエラーによる振動波形ＱＥと、コリオリ力による振動波形ＣＦとを合成した信号波形となり、角速度の大きさに対応するコリオリ力による変位だけを検知することができない。そこで信号付与回路７は、測定回路６のＣＶ変換回路２１が振動子４のＹ方向の振動変位を検知するとき、クアドラチャーエラーによるＹ方向の振動成分をキャンセルしてコリオリ力による振動成分だけを検知できるようにするため、駆動回路５のＣＶ変換回路１１によって検知される振動子４のＸ方向への振動変位に基づく変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎを、測定回路６のＣＶ変換回路２１における仮想接地点Ｎ１，Ｎ２に印加するように構成される。すなわち、図２（ｃ）及び図３（ａ）を参照すると、駆動回路５のＣＶ変換回路１１で検知される変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎと、クアドラチャーエラーによる振動波形ＱＥとは、互いに位相が一致している。そのため、信号付与回路７は、クラドラチャーエラーの位相と一致している変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎを、測定回路６のＣＶ変換回路２１における仮想接地点Ｎ１，Ｎ２に印加することにより、クアドラチャーエラーによる振動成分をキャンセルする。以下、このような信号付与回路７について詳しく説明する。
　信号付与回路７は、コンデンサＣａ，Ｃｂから成る信号付与部３１と、コンデンサＣａ，Ｃｂの静電容量を調整する静電容量調整回路３２とを備える。コンデンサＣａ，Ｃｂは、駆動回路５のＣＶ変換回路１１によって検知される振動子４のＸ方向への振動変位に基づく変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎのそれぞれを、測定回路６の仮想接地点Ｎ１，Ｎ２のそれぞれにカップリングして印加するカップリングコンデンサである。つまり、信号付与部３１は、コンデンサＣａ，Ｃｂを介して変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎの電位の変位を電荷として仮想接地点Ｎ１，Ｎ２に注入する。これらのコンデンサＣａ，Ｃｂは、静電容量可変のコンデンサとして構成される。例えば、コンデンサＣａは、ＣＶ変換回路１１に設けられた全差動オペアンプ１２の非反転出力端子と、仮想接地点Ｎ１との間に並列に接続される静電容量の異なる複数のコンデンサと、それら複数のコンデンサのそれぞれに対して直列に接続される複数のスイッチとを備え、複数のスイッチを選択的にオンさせることにより静電容量を調整可能にした構成である。またコンデンサＣｂについても、上記と同様にして静電容量可変に構成される。
　これらコンデンサＣａ，Ｃｂは、一方の電極が測定回路６の仮想接地点Ｎ１，Ｎ２に接続されるため基準電圧Ｖｒｅｆに保持される。また他方の電極はＣＶ変換回路１１から出力される変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎに応じて電位が変動する。そのため、コンデンサＣａ，Ｃｂの両電極には変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎに応じた電荷が蓄積されることになり、測定回路６の仮想接地点Ｎ１，Ｎ２から変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎに応じた電荷が各コンデンサＣａ，Ｃｂに注入される。そのため、クアドラチャーエラーによる振動変位によってコンデンサＣ５，Ｃ６から測定回路６に対して転送される電荷をコンデンサＣａ，Ｃｂに吸収させることができ、その結果、測定回路６のＣＶ変換回路２１に設けられたコンデンサＣｆ２，Ｃｆ２には、コリオリ力による振動変位に基づく電荷だけを蓄積させることができる。これにより、測定回路６のＣＶ変換回路２１は、クアドラチャーエラーによるＹ方向の振動成分をキャンセルしてコリオリ力による振動成分だけを検知した変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎを出力することができるようになる。
　ここで、クアドラチャーエラーによる振動成分を完全にキャンセルするためには、クアドラチャーエラーの振動変位によってコンデンサＣ５，Ｃ６から測定回路６に対して転送される電荷量と、各コンデンサＣａ，Ｃｂに蓄積される電荷量とを、一致させることが必要となる。そのため、静電容量調整回路３２は、それらの電荷量が互いに等しくなるように、予め各コンデンサＣａ，Ｃｂの静電容量を調整しておくように構成される。この静電容量調整回路３２は、角速度センサ１に角速度が作用していない状態のときに動作し、測定回路６において検出される振動子４のＹ方向の変位量に基づく信号成分が最小となるようにコンデンサＣａ，Ｃｂの静電容量を調整する。すなわち、角速度センサ１に角速度が作用していない状態のとき、振動子４にはコリオリ力が働かないため、振動子４のＹ方向の変位は、クアドラチャーエラーのみによる振動変位となる。静電容量調整回路３２は、そのクアドラチャーエラーのみによるＹ方向の振動変位が測定回路６によって検知されたときの信号成分が最小となるように各コンデンサＣａ，Ｃｂの静電容量を調整するのである。尚、図１では、静電容量調整回路３２は、ＡＤコンバータ２４の出力であるデジタル信号Ｓｏｕｔを入力し、そのデジタル信号Ｓｏｕｔが最小となるように調整する場合を例示しているが、これに限られるものではなく、例えばＣＶ変換回路２１から出力される変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎを入力し、それら変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎの差分が最小となるように調整するものであっても構わない。
　図４は、静電容量調整回路３２によって各コンデンサＣａ，Ｃｂの静電容量が調整されることに伴う変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎの変化を示す図である。例えば、コンデンサＣａ，Ｃｂの静電容量調整前においてコリオリ力が生じていないとき、ＣＶ変換回路２１から出力される変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎは、図４（ａ）に示すような信号となる。すなわち、変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎは、クアドラチャーエラーによるＹ方向の振動変位を検知した信号となる。静電容量調整回路３２は、図４（ａ）に示す変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎの差分が最小となるように各コンデンサＣａ，Ｃｂの静電容量を調整していく。そして各コンデンサＣａ，Ｃｂに蓄積される電荷量が、クアドラチャーエラーの振動変位によってコンデンサＣ５，Ｃ６から測定回路６に対して転送される電荷量に等しくなると、ＣＶ変換回路２１のコンデンサＣｆ２，Ｃｆ２にはクアドラチャーエラーの振動変位による電荷が蓄積されなくなるため、ＣＶ変換回路２１から出力される変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎは、図４（ｂ）に示すように基準電圧Ｖｒｅｆに一致するほぼフラットな信号となる。つまり、図４（ｂ）に示す状態がクラドラチャーエラーを完全にキャンセルできる状態となる。静電容量調整回路３２は、ＣＶ変換回路２１から出力される変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎが図４（ｂ）に示すような状態になると、静電容量の調整を終了する。これ以降、各コンデンサＣａ，Ｃｂは、静電容量調整回路３２によって調整された静電容量を保持する。したがって、角速度センサ１に角速度が作用したときには、コリオリ力による振動子４の振動変位分に相当する電荷だけがＣＶ変換回路２１のコンデンサＣｆ２，Ｃｆ２に蓄積されるようになるため、ＣＶ変換回路２１から出力される変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎは、図４（ｃ）に示すようにコリオリ力のみによるＹ方向の振動変位を検知した信号となる。そして測定回路６は、図４（ｃ）に示す変位検知信号Ｖｓｐ，Ｖｓｎを増幅してデジタル信号Ｓｏｕｔに変換することにより、クアドラチャーエラーによる信号成分が良好にキャンセルされた信号であって、角速度の大きさに応じた信号成分のみを出力することができるようになる。尚、静電容量調整回路３２による静電容量の調整は、振動子４のＸ方向の振動振幅が所定の目標値で安定しており、しかも角速度が作用していない状態のときに、少なくとも１回行うようにすれば良いため、例えば角速度センサ１の出荷前に予め調整を行っておくようにしても良い。
　このように本実施形態の角速度センサ１は、振動子４を定常的にＸ方向へ振動させることにより、振動子４に対して角速度に応じたコリオリ力をＸ方向と直交するＹ方向に生じさせ、振動子４がコリオリ力によってＹ方向に変位する変位量を検知することによって角速度を測定する構成において、振動子４のＸ方向への振動変位を検知した変位検知信号Ｖｘｐ，Ｖｘｎを、コンデンサＣａ，Ｃｂを介して測定回路６の仮想接地点Ｎ１，Ｎ２に印加する構成を備えている。このような構成によれば、クアドラチャーエラーと同位相の変位検知信号Ｖｘｐ，ＶｘｎがコンデンサＣａ，Ｃｂを介して測定回路６の仮想接地点Ｎ１，Ｎ２に印加される。これにより、測定回路６の仮想接地点Ｎ１，Ｎ２には、コンデンサＣａ，Ｃｂによってクラドラチャーエラーと逆位相の電荷が注入されることとなり、コンデンサＣ５，Ｃ６から出力されるクアドラチャーエラーの電荷と、コンデンサＣａ，Ｃｂから出力されるクアドラチャーエラーの逆位相の電荷とが互いに打ち消し合う。このようにして、測定回路６は、振動子４のクアドラチャーエラーによるＹ方向の振動成分に基づく信号をキャンセルしてコリオリ力によるＹ方向の変位量だけを良好に検知することができ、角速度の検出精度が向上する。また、このような構成によれば、ＭＥＭＳ部２において振動子４に設けられる櫛歯状の可動電極の一つひとつを一対の固定電極で挟み込み、一対の固定電極のそれぞれに対して異なる電圧を印加する構成でないため、従来技術と対比すると、振動子４を駆動するための駆動回路５の構成が極めて簡単になり、しかも振動子４を駆動するためにＭＥＭＳ部２とＡＳＩＣ部３とを繋ぐ信号線の本数も増加しない。そのため、ＭＥＭＳ部２やＡＳＩＣ部３の面積を小さくすることができ、角速度センサを小型化することも可能である。それ故、本実施形態の角速度センサ１は、スマートフォンやタブレット端末などのような小型の情報処理機器への実装に適したセンサとして実現される。
　さらに本実施形態の角速度センサ１は、角速度が作用していない状態のとき、測定回路６において検出される振動子４のＹ方向の変位量に基づく信号成分が最小となるように各コンデンサＣａ，Ｃｂの静電容量を調整する静電容量調整回路３２を備えているため、角速度の測定を開始する前に予めクアドラチャーエラーを完全にキャンセルすることができる状態に調整しておくことが可能である。
　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述したものに限定されるものではなく、種々の変形例が適用可能である。例えば、角速度センサ１は、スマートフォンやタブレット端末などのような小型の情報処理機器に限られず、車載用やその他の用途にも良好に用いることができるセンサである。
　１…角速度センサ、４…振動子、５…駆動回路、６…測定回路（測定手段）、７…信号付与回路（信号付与手段）、１１…ＣＶ変換回路（振動変位検知手段）、１３…位相変換回路（駆動信号生成手段）、１４…ゲイン調整回路（駆動信号生成手段）、３２…静電容量調整回路（静電容量調整手段）、Ｃａ，Ｃｂ…コンデンサ（カップリングコンデンサ）、Ｎ１，Ｎ２…仮想接地点、Ｃ３，Ｃ４…コンデンサ（第１のコンデンサ）、Ｃ５，Ｃ６…コンデンサ（第２のコンデンサ）

Claims (8)

  1. 　所定の振動方向に振動可能な振動子と、
    　前記振動方向における前記振動子の振動変位を検知する振動変位検知手段と、
    　仮想接地点を有し、前記振動子が前記振動方向へ振動している状態で前記振動子が前記振動方向と直交する検出方向へ変位する変位量を、前記仮想接地点を基準にして検出することにより角速度を測定する測定手段と、
    　前記振動変位検知手段によって検知される前記振動子の前記振動方向への振動変位に基づく信号を前記仮想接地点に印加する信号付与手段と、
    を備えることを特徴とする角速度センサ。
  2. 　前記信号付与手段は、前記振動子の振動変位に基づく電位を前記仮想接地点にカップリングするカップリングコンデンサを備えることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
  3. 　前記信号付与手段は、当該角速度センサに角速度が作用していない状態のとき、前記測定手段において検出される前記振動子の変位量に基づく信号成分が最小となるように前記カップリングコンデンサの静電容量を調整する静電容量調整手段を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の角速度センサ。
  4. 　前記振動変位検知手段によって検知される前記振動子の振動変位に基づいて前記振動子を前記振動方向へ駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の角速度センサ。
  5. 　前記駆動信号生成手段は、前記振動変位検知手段によって検知される前記振動子の振動変位の位相を変換し、その位相を変換した信号に対して付与するゲインを調整するによって前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
  6. 　前記振動子が前記振動方向へ振動することに伴って静電容量を変化させる第１のコンデンサを更に備え、
    　前記振動変位検知手段は、前記第１のコンデンサの静電容量の変化に基づいて前記振動方向における前記振動子の振動変位を検知することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の角速度センサ。
  7. 　前記振動子が前記検出方向へ変位することに伴って静電容量を変化させる第２のコンデンサを更に備え、
    　前記測定手段は、前記第２のコンデンサの静電容量の変化に基づいて前記振動子が前記検出方向へ変位する変位量を検出することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の角速度センサ。
  8. 　前記測定手段は、前記第２のコンデンサの静電容量が変化することによって前記第２のコンデンサから転送される電荷を、前記仮想接地点を介して蓄積することにより、前記振動子が前記検出方向へ変位する変位量を検出し、
    　前記信号付与手段は、前記振動変位検知手段によって検知される前記振動子の前記振動方向への振動変位に基づく電荷を、前記仮想接地点に対して注入又は前記仮想接地点から吸収することを特徴とする請求項７に記載の角速度センサ。
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