(57)【要約】      （修正有）【課題】小型で高精度な振動型角速度センサを提供する。【解決手段】互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向において支持部に対して錘部が振動するように連結しているとともにｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向において前記支持部に対する前記錘部の振動に伴って撓む扁平な弾性部と、前記錘部を前記支持部に対してｚ軸方向に励振するｚ軸励振部と、ｙ軸励振部と、前記錘部のｘ軸方向の振動を検出するｘ軸検出部と、ｙ軸検出部と、が形成されている積層構造体と、前記錘部の励振方向をｙ軸とｚ軸方向との間で所定の時間間隔で交互に切り換える励振切換手段と、切り換えてから所定時間経過後に前記錘部のｘ軸方向の振動からｙ軸周りの角速度を導出し、ｙ軸方向の振動からｘ軸周りの角速度を導出し、前記錘部の励振方向をｚ軸方向からｙ軸方向に切り換えてから所定時間経過後に前記錘部の前記ｘ軸方向の振動からｚ軸周りの角速度を導出する角速度導出手段と、を備える。【選択図】図２
2010197062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と、
錘部と、
互いに直交するｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向において前記支持部に対して前記錘部が振動するように前記錘部を前記支持部に連結しているとともにｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向において前記支持部に対する前記錘部の振動に伴って撓む扁平な弾性部と、
前記錘部を前記支持部に対してｚ軸方向に励振するｚ軸励振部と、
前記錘部を前記支持部に対してｙ軸方向に励振するｙ軸励振部と、
前記支持部に対する前記錘部のｘ軸方向の振動を検出するｘ軸検出部と、
前記支持部に対する前記錘部のｙ軸方向の振動を検出するｙ軸検出部と、
が形成されている積層構造体と、
前記錘部の励振方向をｙ軸方向とｚ軸方向との間で所定の時間間隔で交互に切り換える励振切換手段と、
前記錘部の励振方向をｙ軸方向からｚ軸方向に切り換えてから所定時間経過後であって前記錘部をｚ軸方向に励振している第一期間中における前記錘部の前記ｘ軸方向の振動からｙ軸周りの角速度を導出し、前記第一期間中における前記錘部の前記ｙ軸方向の振動からｘ軸周りの角速度を導出し、前記錘部の励振方向をｚ軸方向からｙ軸方向に切り換えてから所定時間経過後であって前記錘部をｙ軸方向に励振している第二期間中における前記錘部の前記ｘ軸方向の振動からｚ軸周りの角速度を導出する角速度導出手段と、
を備える振動型角速度センサ。
【請求項２】
前記錘部のｘ軸方向の固有振動数と前記錘部のｙ軸方向の固有振動数と前記錘部のｚ軸方向の固有振動数とは互いに異なり、
前記錘部をｚ軸方向に励振する振動数は前記錘部のｚ軸方向の固有振動数に対応し、
前記錘部をｙ軸方向に励振する振動数は前記錘部のｙ軸方向の固有振動数に対応するとともに前記錘部をｚ軸方向に励振する振動数とは異なる、
請求項１に記載の振動型角速度センサ。
【請求項３】
前記所定の時間間隔は０．１秒以下であって、
前記錘部のｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向の時定数は０．０１１秒以下である、
請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動型角速度センサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される振動型角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動型角速度センサが知られている（例えば特許文献１、２、３参照）。３軸の角速度成分を検出するためには、直交する２軸の方向において参照振動が必要である。特許文献１に記載されている振動型角速度センサでは、直交する２軸の方向において同時進行する参照振動を実現するために質点を周回運動させている。質点を周回運動させるには双共振モードでの励振が行われる。特許文献２に記載されている振動型角速度センサでは、撓み（曲げ）振動モード、ねじり振動モード、縦振動モードのいずれか２つを組み合わせて時分割駆動することによって直交する２軸の方向において参照振動を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３５３４２５１号公報
【特許文献２】特開平６−３００５６８号公報
【特許文献３】特開２０００−２０６５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載されているようにＭＥＭＳとして構成される振動型角速度センサでは、振動要素の製造上の寸法誤差が固有振動数に与える影響が大きいため、双共振モードでの励振制御は困難である。また、特許文献１に記載されているように直交する２軸の方向において同時進行する参照振動を双共振モードで実現する場合には、メカニカルカップリングも問題となり、角速度の検出精度を高めることが困難である。また、特許文献２に記載されているような撓み（曲げ）振動モード、ねじり振動モード、縦振動モードのいずれか２つの振動モードを持つ振動構造をＭＥＭＳに形成することは困難である。このため、撓み（曲げ）振動モード、ねじり振動モード、縦振動モードのいずれか２つを組み合わせて時分割駆動する振動型角速度センサは、特許文献２に記載されているように機械部品の組み合わせ構造となり、小型化が困難である。
【０００５】
本発明はこれらの問題を解決するために創作されたものであって、小型で高精度な振動型角速度センサを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するための振動型角速度センサは、支持部と、錘部と、互いに直交するｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向において前記支持部に対して前記錘部が振動するように前記錘部を前記支持部に連結しているとともにｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向において前記支持部に対する前記錘部の振動に伴って撓む扁平な弾性部と、前記錘部を前記支持部に対してｚ軸方向に励振するｚ軸励振部と、前記錘部を前記支持部に対してｙ軸方向に励振するｙ軸励振部と、前記支持部に対する前記錘部のｘ軸方向の振動を検出するｘ軸検出部と、前記支持部に対する前記錘部のｙ軸方向の振動を検出するｙ軸検出部と、が形成されている積層構造体と、前記錘部の励振方向をｙ軸方向とｚ軸方向との間で所定の時間間隔で交互に切り換える励振切換手段と、前記錘部の励振方向をｙ軸方向からｚ軸方向に切り換えてから所定時間経過後であって前記錘部をｚ軸方向に励振している第一期間中における前記錘部の前記ｘ軸方向の振動からｙ軸周りの角速度を導出し、前記第一期間中における前記錘部の前記ｙ軸方向の振動からｘ軸周りの角速度を導出し、前記錘部の励振方向をｚ軸方向からｙ軸方向に切り換えてから所定時間経過後であって前記錘部をｙ軸方向に励振している第二期間中における前記錘部の前記ｘ軸方向の振動からｚ軸周りの角速度を導出する角速度導出手段と、を備える。
【０００７】
本発明によると、扁平な弾性部を介して支持部に錘部を連結することによって、互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の方向において支持部に対して錘部が振動可能な構造を実現している。したがって、ｚ軸およびｙ軸の方向において質点を励振し、ｘ軸およびｙ軸の方向において質点の振動を検出するための構造体を小型化が容易な積層構造体として実現できる。また本発明によると、励振方向をｙ軸方向とｚ軸方向との間で所定の時間間隔で交互に切り換えるため、ｙ軸方向の励振とｚ軸方向の励振とを同時進行させる場合に比べて精度の高い励振制御が容易である。また、ｙ軸方向の励振とｚ軸方向の励振とを同時進行させながらｘ軸、ｙ軸およびｚ軸周りの角速度を検出する場合には、励振の方向とコリオリ力を検出する方向とが重なるが、本発明によると、励振の方向とコリオリ力を検出する方向とが重ならないため、高い精度で角速度を検出することができる。さらに本発明によると、励振方向を切り換えてから所定時間経過後の期間における錘部の振動から角速度を導出するため、参照振動が安定している状態において高い精度で角速度を検出することができる。したがって、本発明によると小型で高精度な振動型角速度センサを実現することができる。
【０００８】
（２）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記錘部のｘ軸方向の固有振動数と前記錘部のｙ軸方向の固有振動数と前記錘部のｚ軸方向の固有振動数とは互いに異なり、前記錘部をｚ軸方向に励振する振動数は前記錘部のｚ軸方向の固有振動数に対応し、前記錘部をｙ軸方向に励振する振動数は前記錘部のｙ軸方向の固有振動数に対応するとともに前記錘部をｚ軸方向に励振する振動数とは異なってもよい。
【０００９】
本発明によると、メカニカルカップリングによる参照振動の漏れを低減できるため、高い精度で角速度を検出することができる。なお、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の固有振動数が異なる場合には、コリオリ力による振動エネルギーが小さくなるものの、コリオリ力による振動エネルギーよりも参照振動の漏れによる振動エネルギーが十分大きいため、参照振動の漏れを低減することによって、角速度の検出精度は高まる。
【００１０】
（３）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記所定の時間間隔は０．１秒以下であって、前記錘部のｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向の時定数は０．０１１秒以下であってもよい。
【００１１】
本発明によると、人の動きを検出するために必要な時間間隔で角速度を高い精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１Ａは本発明の実施形態にかかる上面図。図１Ｂは図１Ａに示すＢＢ線断面図。図１Ｃは図１Ａに示すＣＣ線断面図。
【図２】本発明の実施形態にかかるブロック図。
【図３】本発明の実施形態にかかるタイミングチャート。
【図４】図４Ａは本発明の他の実施形態にかかる上面図。図４Ｂは図４Ａに示すＢＢ線断面図。図４Ｃは図４Ａに示すＣＣ線断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．第一実施例
図１は本発明による振動型角速度センサの第一実施例を示している。説明の便宜のために図１に示すように直交するｘｙｚ軸を定める。振動型角速度センサ１は、ＭＥＭＳとして構成され、単結晶珪素、酸化珪素、白金、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの半導体デバイス材料からなる積層構造体である。振動型角速度センサ１は図示しないパッケージに収容される。振動型角速度センサ１は、支持部１０、錘部１５、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、駆動用圧電素子１３、検出用圧電素子１４などが形成されているダイ１ａと駆動用圧電素子１３および検出用圧電素子１４に接続される駆動検出回路（図２参照）とを備えている。駆動検出回路はダイ１ａに形成しても良いし、ダイ１ａとともに１つのパッケージに収容される別のダイに形成しても良いし、ダイ１ａのパッケージとは別のパッケージに収容される１つ以上のダイに形成しても良い。
【００１４】
ダイ１ａを構成する各層の界面は図１Ｂおよび図１Ｃにおいて破線によって示されている。基層１００は例えば厚さ６２５μｍの単結晶珪素からなる。基層１００は他の層に比べて突出して厚い層である。基層１００は支持部１０および錘部１５の大部分を構成している。梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、ばね層１０４と絶縁層１０６から構成されている。ばね層１０４と絶縁層１０６とは支持部１０および錘部１５の上層部をも構成しており、支持部１０、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよび錘部１５にわたって連続している。これにより支持部１０、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよび錘部１５が一体に連結されている。ばね層１０４は例えば厚さ１０μｍの単結晶珪素からなる。絶縁層１０６は例えば厚さ０．５μｍの酸化珪素からなる。基層１００とばね層１０４との間には製造時にエッチングストッパとして機能するストッパ層１０２が形成されている。ストッパ層１０２は例えば厚さ１μｍの酸化珪素からなる。駆動用圧電素子１３、検出用圧電素子１４および図示しない配線要素（導線、ボンディングパッド等）は圧電層１１０とこれを両側から挟み込んでいる電極層１０８、１１２とからなる。電極層１０８、１１２は例えば厚さ０．１μｍの白金からなる。圧電層１１０は例えば厚さ３μｍのＰＺＴからなる。
【００１５】
支持部１０は矩形枠の形態を有する。支持部１０は梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに比べて十分厚くパッケージに固定されるため実質的に剛体として振る舞う。支持部１０は内側に梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよび錘部１５が収まる空間を形成し実質的に剛体として振る舞う形態であればどのような形態であっても良い。
【００１６】
弾性部としての４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、いずれも一端が支持部１０に他端が錘部１５に結合している。すなわち４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは支持部１０の内側に錘部１５を支持している。４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、支持部１０の内側に十字形に配置され、ｘｙ平面と平行に整列している。梁部１２ａ、１２ｃの対は、ｙ軸方向に整列し、それぞれｙ軸方向に延びている。梁部１２ｂ、１２ｄの対は、ｘ軸方向に整列し、それぞれｘ軸方向に延びている。４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、錘部１５と支持部１０とを構成している複数の層のうち突出して厚い基層１００を含まないため、錘部１５と支持部１０に対して十分ｚ方向に薄い扁平な板形である。したがって４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、それぞれ一端が支持部１０に固定され他端が支持部１０に対して変位する弾性梁として振る舞う。扁平な梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄがｚ軸方向に撓むことによって錘部１５は支持部１０に対してｘ、ｙ、ｚ軸のそれぞれの方向に振動可能である。
【００１７】
錘部１５は４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと結合している中央部と、隣り合う梁部１２の間に中央部から突出する４つの周辺部とが結合した形態を有する。錘部１５は支持部１０を構成している複数の層のうち突出して厚い基層１００を含むため、支持部１０に対して３次元運動する剛体として振る舞う。中央部は梁部１２を構成している層を含む支持部１０と同一の積層構造を有し、周辺部は梁部１２を構成している層を含まない。ｚ軸方向において相対的に厚い錘部１５のｚ軸方向の端部に対して、ｚ軸方向において相対的に薄い梁部１２が結合しているため、錘部１５の重心は梁部１２を含む平面からｚ軸方向に離間している。したがって、錘部１５にｘ軸方向またはｙ軸方向の慣性力が作用すると、錘部１５の重心の運動はｙ軸またはｘ軸周りの回転を伴う運動となる。錘部１５の重心のｘ軸方向の振動には梁部１２ｂ、１２ｄの撓み振動が伴う。錘部１５の重心のｙ軸方向の振動には梁部１２ａ、１２ｃの撓み振動が伴う。錘部１５の重心のｚ軸方向の振動には梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの撓み振動が伴う。
【００１８】
梁部１２および錘部１５は、錘部１５の重心の固有振動数がｘ軸方向とｙ軸方向とｚ軸方向とで異なるように構成されている。これはｙ軸方向の参照振動がｙ軸方向およびｚ軸方向に漏れたり、ｚ軸方向の参照振動がｘ軸方向及びｙ軸方向に漏れる、所謂メカニカルカップリングを防止するためである。具体的には例えばｙ軸方向に延びる梁部１２ａ、１２ｃの対とｘ軸方向に延びる梁部１２ｂ、１２ｄとの対の間で幅や長さを変えたり、錘部１５の質量分布をｘ軸方向とｙ軸方向とで変えることによって、錘部１５の重心の固有振動数をｘ軸方向とｙ軸方向とｚ軸方向とで異ならせることができる。
【００１９】
梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのそれぞれの表面の支持部１０との境界近傍に励振部として駆動用圧電素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが設けられる。錘部１５のｙ軸方向の励振は、ｙ軸方向に整列している駆動用圧電素子１３ａ、１３ｃに極性が互いに逆の励振信号を印加することによって行われる。すなわち駆動用圧電素子１３ａ、１３ｃはｙ軸励振部として機能する。錘部１５のｚ軸方向の励振は、ｘ軸方向に整列している駆動用圧電素子１３ｂ、１３ｄに極性が一致した励振信号を印加することによって行われる。すなわち駆動用圧電素子１３ｂ、１３ｄはｚ軸励振部として機能する。
【００２０】
それぞれの梁部１２の表面の錘部１５との境界近傍に検出手段として検出用圧電素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが設けられる。支持部１０に対して錘部１５の重心がｘ軸方向に変位するとき、ｘ軸方向に整列している梁部１２ｂ、１２ｄの表面の支持部１０との境界近傍領域は一方が延びて他方が縮む。したがって、梁部１２ｂ、１２ｄの表面の支持部１０との境界近傍に設けられている検出用圧電素子１４ｂ、１４ｄの対は、支持部１０に対する錘部１５のｘ軸方向の振動を検出するｘ軸検出部として機能する。支持部１０に対して錘部１５の重心がｙ軸方向に変位するとき、ｙ軸方向に整列している梁部１２ａ、１２ｃの表面の支持部１０との境界近傍領域は一方が延びて他方が縮む。したがって、梁部１２ａ、１２ｃの表面の支持部１０との境界近傍に設けられている検出用圧電素子１４ａ、１４ｃの対は、支持部１０に対する錘部１５のｙ軸方向の振動を検出するｙ軸検出部として機能する。
【００２１】
ダイ１ａがｘ軸周りに回転するとｚ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｙ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｚ軸方向に振動している場合、ｘ軸周りの回転に伴うｙ軸と平行なコリオリ力も振動するため、ダイ１ａがｘ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｚ軸の参照振動と同じ振動数においてｙ軸と平行に振動する。すなわちｘ軸周りの角速度は錘部１５の重心のｙ軸方向の振動に基づいて導出される。
【００２２】
ダイ１ａがｙ軸周りに回転するとｚ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｘ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｚ軸方向に振動している場合、ｙ軸周りの回転に伴うｘ軸と平行なコリオリ力も振動するため、ダイ１ａがｙ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｚ軸の参照振動と同じ振動数においてｘ軸と平行に振動する。すなわちｙ軸周りの角速度は錘部１５の重心のｘ軸方向の振動に基づいて導出される。
【００２３】
ダイ１ａがｚ軸周りに回転するとｙ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｘ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｙ軸方向に振動している場合、ｚ軸周りの回転に伴うｘ軸と平行なコリオリ力も振動するため、ダイ１ａがｚ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｙ軸の参照振動と同じ振動数においてｘ軸と平行に振動する。すなわちｚ軸周りの角速度は錘部１５の重心のｘ軸方向の振動に基づいて導出される。
【００２４】
図２は振動型角速度センサ１の回路構成を示すブロック図である。
駆動信号生成回路２１は、駆動用圧電素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄに励振信号Ｄｙ１、Ｄｙ２、Ｄｚ１、Ｄｚ２を時分割して印加するための回路である。駆動信号生成回路２１から出力される励振信号Ｄｙ１、Ｄｙ２、Ｄｚ１、Ｄｚ２はローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２ａ，２２ｂ、２２ｃ、２２ｄによってそれぞれ高周波成分が除去され、駆動用圧電素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄに印加される。駆動用圧電素子１３ａ、１３ｃに印加される励振信号Ｄｙ１、Ｄｙ２は駆動用圧電素子１３ａ、１３ｃが設けられている梁部１２ａ、１２ｃが整列しているｙ軸方向に錘部１５の重心を振動させる信号である。励振信号Ｄｙ１、Ｄｙ２は、梁部１２ａ、１２ｃが整列しているｙ軸方向における錘部１５の重心の固有振動数と一致する振動数において同一の振幅で振動し、πだけ位相が相互にずれている。駆動用圧電素子１３ｂ、１３ｄに印加される励振信号Ｄｚ１、Ｄｚ２は錘部１５の重心をｚ軸方向に振動させる信号である。励振信号Ｄｚ１、Ｄｚ２は、梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが整列しているｘｙ平面に対して垂直なｚ軸方向における錘部１５の重心の固有振動数と一致する振動数において振動し、振幅も位相も互いに一致している。なお、錘部１５の重心の固有振動数と励振信号の振動数とが一致するときに錘部１５の重心の振幅は極大となるが、錘部１５の重心の固有振動数の近傍に励振信号の振動数が設定されていればよい。
【００２５】
ｙ軸方向に整列している検出用圧電素子１４ａ、１４ｃから出力される信号ｙ＋、ｙ−は減算器２３ａに入力される。上述したように、支持部１０に対して錘部１５の重心がｙ軸方向に変位するとき、ｙ軸方向に整列している梁部１２ａ、１２ｃの表面の支持部１０との境界近傍領域は一方が延びて他方が縮むため、梁部１２ａ、１２ｃの表面に設けられた検出用圧電素子１４ａ、１４ｃから出力される信号ｙ＋、ｙ−の極性は逆になる。したがって減算器２３ａによって信号ｙ＋、ｙ−の差分を取ることによって錘部１５の重心のｙ軸方向の振動を表す信号ｙが得られる。
【００２６】
ｘ軸方向に整列している検出用圧電素子１４ｂ、１４ｄから出力される信号ｘ＋、ｘ−は減算器２３ｂおよび加算器２３ｃに入力される。上述したように、支持部１０に対して錘部１５の重心がｘ軸方向に変位するとき、ｘ軸方向に整列している梁部１２ｂ、１２ｄの表面の支持部１０との境界近傍領域は一方が延びて他方が縮むため、梁部１２ｂ、１２ｄの表面に設けられた検出用圧電素子１４ｂ、１４ｄから出力される信号ｘ＋、ｘ−の極性は逆になる。したがって減算器２３ｂによって信号ｘ＋、ｘ−の差分を取ることによって錘部１５の重心のｘ軸方向の振動を表す信号ｘが得られる。支持部１０に対して錘部１５の重心がｚ軸方向に変位するとき、ｘ軸方向に整列している梁部１２ｂ、１２ｄの表面の支持部１０との境界近傍領域は一方が延びるとき他方も延び一方が縮むとき他方も縮むため、梁部１２ｂ、１２ｄの表面に設けられた検出用圧電素子１４ｂ、１４ｄから出力される信号ｘ＋、ｘ−の極性は一致する。したがって加算器２３ｃによって信号ｘ＋、ｘ−の和分を取ることによって錘部１５の重心のｚ軸方向の振動を表す信号ｚが得られる。
【００２７】
錘部１５の重心のｘ、ｙ、ｚ軸方向の振動を表す信号ｘ、ｙ、ｚはアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２４によって増幅されるとともにデジタル信号に変換される。信号ｘ、ｙ、ｚのサンプリングタイミングはＡＤＣタイミング生成回路２０から出力されるタイミング信号ｔｘ、ｔｙ、ｔｚによって制御される。ＡＤＣタイミング生成回路２０は駆動信号生成回路２１から出力される起動信号ｔに応じてタイミング信号ｔｘ、ｔｙ、ｔｚを生成する。
【００２８】
デジタル同期検波回路２５は、基準位相信号として錘部１５の重心のｘ軸方向の振動を表す信号ｘとｙ軸方向の振動を表す信号ｙとｚ軸方向の振動を表す信号ｚからｘ、ｙ、ｚ軸周りの角速度を同期検波により導出する回路である。デジタル同期検波回路２５は、錘部１５の重心のｙ軸方向の振動を表す信号ｙからｚ軸方向の参照振動に対するコリオリ力の成分すなわちｘ軸周りの角速度成分を抽出するための基準位相信号として、錘部１５の重心のｚ軸方向の振動を表す信号ｚを用いる。デジタル同期検波回路２５は、錘部１５の重心のｘ軸方向の振動を表す信号ｘからｚ軸方向の参照振動に対するコリオリ力の成分すなわちｙ軸周りの角速度成分を抽出するための基準位相信号として、錘部１５の重心のｚ軸方向の振動を表す信号ｚを用いる。すなわち、信号ｙ、ｚからｘ軸周りの角速度が導出され、信号ｘ、ｚからｙ軸周りの角速度が導出される。デジタル同期検波回路２５は、基準位相信号として錘部１５の重心のｘ軸方向の振動を表す信号ｘからｙ軸方向の参照振動に対するコリオリ力の成分すなわちｚ軸周りの角速度成分を抽出するための基準位相信号として、錘部１５の重心のｙ軸方向の振動を表す信号ｙを用いる。すなわち信号ｘ、ｙからｚ軸周りの角速度が導出される。
【００２９】
このように錘部１５の重心のｘ軸方向の振動を表す信号ｘから、基準位相信号として信号ｘ、ｚを用いてｙ、ｚ軸周りの角速度成分を抽出するため、駆動信号生成回路２１は、ｙ軸方向に錘部１５を振動させるための励振信号Ｄｙ１、Ｄｙ２と、ｚ軸方向に錘部１５を振動させるための励振信号Ｄｚ１、Ｄｚ２とを時分割して出力する。ｙ軸方向に錘部１５を振動させるための励振信号Ｄｙ１、Ｄｙ２を印加しているｙ軸励振期間においては、錘部１５の重心のｙ軸方向の参照振動を表す信号として信号ｙを扱い、ｙ軸方向の参照振動に対してｚ軸周りの角速度に伴って作用するコリオリ力を表す信号として信号ｘを扱う。ｚ軸方向に錘部１５を振動させるための励振信号Ｄｚ１、Ｄｚ２を印加しているｚ軸励振期間においては、錘部１５の重心のｚ軸方向の参照振動を表す信号として信号ｚを扱い、ｚ軸方向の参照振動に対してｙ軸周りの角速度にともなって発生するコリオリ力を表す信号として信号ｘを扱うとともに、ｚ軸方向の参照振動に対してｘ軸周りの角速度にともなって発生するコリオリ力を表す信号として信号ｙを扱う
【００３０】
ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６ａ、２６ｂ、２６ｃはデジタル同期検波回路２５によってそれぞれ導出されたｘ、ｙ、ｚ軸周りの角速度について、それぞれの１０回の単純移動平均を角速度Ｒｘ、Ｒｙ、Ｒｚとして出力する。すなわち、信号ｙ、ｚから同期検波によって導出されたｘ軸周りの角速度は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６ａによって高周波ノイズを除去された後にｘ軸周りの角速度Ｒｘとして出力される。信号ｘ、ｚから同期検波によって導出されたｙ軸周りの角速度は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６ｂによって高周波ノイズを除去された後にｙ軸周りの角速度Ｒｙとして出力される。信号ｘ、ｙから同期検波によって導出されたｚ軸周りの角速度は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６ｃによって高周波ノイズを除去された後にｚ軸周りの角速度Ｒｚとして出力される。
【００３１】
図３は駆動と検出のタイミングを示すタイミングチャートである。
ｙ軸励振期間では、励振信号Ｄｙ１、Ｄｙ２が駆動用圧電素子１３ａ、１３ｃに印加される。ｙ軸励振期間の始点から所定時間経過後に始まる第一期間ではＲｘ、Ｒｙを出力するために用いられる信号ｘ、ｙ、ｚがＡＤＣ２４によって取得される。そして第一期間に取得された信号ｘ、ｙ、ｚに基づいてｘ軸周りの角速度Ｒｘとｙ軸周りの角速度Ｒｙが出力される。ｚ軸励振期間では、励振信号Ｄｚ１、Ｄｚ２が駆動用圧電素子１３ｂ、１３ｄに印加される。ｚ軸励振期間の始点から所定時間経過後に始まる第二期間ではＲｚを出力するために用いられる信号ｘ、ｙがＡＤＣ２４によって取得される。そして第二期間に取得された信号ｘ、ｙに基づいてｚ軸周りの角速度Ｒｚが出力される。
【００３２】
励振信号Ｄｙ１、Ｄｙ２による参照振動と励振信号Ｄｚ１、Ｄｚ２による参照振動とがそれぞれ安定した時期にコリオリ力を検出することによって角速度の検出精度を高められるため、励振信号を切り換えてから所定時間経過後に、ｘ、ｙ、ｚ軸周りの角速度にともなって発生するコリオリ力を表す信号として信号ｘ、ｙを扱う。すなわち、角速度Ｒｘ、Ｒｙを導出するためにＡＤＣ２４によってｘ、ｙ、ｚを取得する第一期間はｙ軸励振期間の始点から所定時間経過に設定され、角速度Ｒｚを導出するためにＡＤＣ２４によってｘ、ｙを取得する第二期間はｚ軸励振期間の始点から所定時間経過に設定される。このような時分割駆動では、ｙ軸方向の励振とｚ軸方向の励振とを同時進行させる場合に比べて精度の高い励振制御が容易である。またｙ軸方向の励振とｚ軸方向の励振とを同時進行させながらｘ軸、ｙ軸およびｚ軸周りの角速度を検出する場合には、励振の方向とコリオリ力を検出する方向とが重なるが、このような時分割駆動では、励振の方向とコリオリ力を検出する方向とが重ならないため、高い精度で角速度を検出することができる。
【００３３】
ここで錘部１５の重心の振動の過渡特性について考察する。
人の動き（例えば手振れ）の検出には１０Ｈｚ程度の周波数特性が必要であることが知られている（特許文献３）。そこで、励振信号Ｄｙ１、Ｄｙ２による参照振動と励振信号Ｄｚ１、Ｄｚ２による参照振動とを時分割駆動によって実現するにあたり、ｘ、ｙ軸周りの角速度とｚ軸周りの角速度のサンプリング周期をそれぞれ０．０５秒とする。そして、振動が安定したとみなす減衰比を０．０１とすると、時定数τの適正範囲は次式（１）、（２）、（３）から約０．０１秒以下となる。なお、時定数τと固有振動数ωｎとＱ値とは次式（４）の関係を満たす。
【数１】
2010197062.tif 000003
【００３４】
すなわち、錘部１５の重心のｙ軸方向およびｚ軸方向の振動について固有振動数ωｎとＱ値の関係がそれぞれ式（５）を満たすように錘部１５および梁部１２を設計することにより、人の動きを検出するのに適した１０Ｈｚ以下の周波数成分の角速度をサンプリングすることが可能になる。
【数２】
2010197062.tif 000004
【００３５】
２．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、図４に示すように、本発明はｘｙ平面に平行な膜１８を弾性部として備える振動型角速度センサ２に適用することもできる。また、各図において示したｘｙｚ軸は説明の便宜の上で定めたものであって、各図において示したｘｙｚ軸との関係の中で上述した実施形態が本発明と対応付けられてはならない。具体的には例えば、図１、４に示したｘ軸方向およびｙ軸方向に錘部１５を励振し、ｘ軸方向の振動とｚ軸方向の振動とを検出し、ｘ軸方向の振動とｚ軸方向の振動とからｘ、ｙ、ｚ軸周りの角速度を導出しても良い。また、錘部を励振する励振部は、静電引力や電磁力を用いて実現しても良い。また錘部の振動を検出する検出部は、静電容量やピエゾ抵抗効果を用いて実現しても良い。
【符号の説明】
【００３６】
１：振動型角速度センサ、１ａ：ダイ、２：振動型角速度センサ、１０：支持部、１２ａ：梁部、１２ｂ：梁部、１２ｃ：梁部、１２ｄ：梁部、１３ａ：駆動用圧電素子、１３ｂ：駆動用圧電素子、１３ｃ：駆動用圧電素子、１３ｄ：駆動用圧電素子、１４ａ：検出用圧電素子、１４ｂ：検出用圧電素子、１４ｃ：検出用圧電素子、１４ｄ：検出用圧電素子、１５：錘部、２０：タイミング生成回路、２１：駆動信号生成回路、２２ａ：ＬＰＦ、２２ｂ：ＬＰＦ、２２ｃ：ＬＰＦ、２２ｄ：ＬＰＦ、２３ａ：減算器、２３ｂ：減算器、２３ｃ：加算器、２４：ＡＤＣ、２５：デジタル同期検波回路、１００：基層、１０２：ストッパ層、１０４：ばね層、１０６：絶縁層、１０８：電極層、１１０：圧電層、１１２：電極層
【図１】
2010197062.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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