(57)【要約】【課題】  電磁式のジャイロセンサにおいて、外乱要因の影響を低減する。【解決手段】  リング状の振動子である可動リング１２にバイアス電路１３および検知電路１４を設け、前記可動リング１２の軸線（Ｚ）方向に配置される永久磁石によって前記軸線方向にバイアス磁界を与えつつ、前記バイアス電路１３に交番電流を与えることで、フレミングの左手の法則によって発生したローレンツ力によって、前記可動リング１２を予め定める共振周波数で同心円状に膨縮させる。この状態で可動リング１２の軸回りの角速度が加わると、該可動リング１２が変形し、それによる検知電路を形成するピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値変化から、コリオリカを検出し、前記コリオリカと前記共振周波数とに基づいて前記角速度を算出する。したがって、リング型の構造物を同心円状にバイアス振動させるので、外乱要因の影響を最も受けにくくすることができる。【選択図】      図１
2006064539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング状の振動子と、
前記振動子に設けられるバイアス電路と、
前記リング状の振動子が形成される面を直交方向に通過する磁束を発生する磁束発生手段と、
前記磁束発生手段に一定方向の磁界を発生させ、かつ前記バイアス電路に交番電流を与えることで、または前記バイアス電路に一定方向の電流を与え、かつ前記磁束発生手段に交番磁界を発生させることで、前記振動子を予め定める共振周波数で同心円状に膨縮させる振動印加手段と、
前記振動子上に区間分割して形成され、ピエゾ抵抗を有する検知電路と、
前記振動子に与えられたその軸回りの角速度に対する該振動子の変形による前記検知電路の各区間の抵抗値変化から、コリオリカを検出し、前記コリオリカと前記共振周波数とに基づいて前記角速度を算出する角速度算出手段とを含むことを特徴とするジャイロセンサ。
【請求項２】
前記振動子は、前記検知電路が形成された伸縮自在の４本の支持ビームによって、枠状のフレーム内に懸架されることを特徴とする請求項１記載のジャイロセンサ。
【請求項３】
前記ピエゾ抵抗は、リング状の振動子の中心に対して、点対称となる位置に形成されることを特徴とする請求項２記載のジャイロセンサ。
【請求項４】
前記検知電路は、２経路に分割されて、それぞれにピエゾ抵抗を有することを特徴とする請求項２または３記載のジャイロセンサ。
【請求項５】
前記振動子は、径方向に変化する部分が無い大略リング状に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のジャイロセンサ。
【請求項６】
前記振動子のリングを、その厚み方向に複数形成し、および／または同心円状に複数形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のジャイロセンサ。
【請求項７】
前記振動子に、リング駆動検知用のピエゾ抵抗をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のジャイロセンサ。
【請求項８】
前記振動子には、前記バイアス電路および検知電路とは電気的に絶縁され、該振動子の面方向に広がる第１の支持電極を有し、
前記振動子を内部に封止する封止部材において、前記第１の支持電極に対応する部分には第２の支持電極を有し、
前記第１の支持電極と第２の支持電極との間に電圧を印加することで、静電力によって前記振動子を面方向の規定位置に保持する保持手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のジャイロセンサ。
【請求項９】
振動子をリング状に形成し、
前記振動子を予め定める共振周波数で同心円状、すなわち径方向に膨縮させ、
前記振動子の軸回りの角速度に対する該振動子の変形からコリオリカを検出し、
前記コリオリカと前記共振周波数とに基づいて前記角速度を算出することを特徴とする角速度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度を検出することができる電磁式のジャイロセンサおよびそれによる角速度検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ジャイロセンサの測定原理は、慣性とプリセッション、コリオリ力、サニャック効果の３つに集約される。その内、本発明は、コリオリ力を検出することで角速度を求めるセンサであり、さらにそのコリオリ力を検出するジャイロセンサの中において、振動式ジャイロと呼ばれるセンサである。
【０００３】
前記振動式ジャイロの原理は、「速度を持ったものに角速度が印加されると、速度と角速度とが互いに直交する方向にコリオリ力が生じる」というものである。振動式ジャイロセンサの構造は様々で、音さ型、ビーム型、シリンダ型、４点支持型等があるが、共通しているのは、構造物を振動させて、コリオリ力を検出していることである。如何に構造物を安定に振動させ、高感度でコリオリ力を検出するかが課題であるが、特に考慮しなければならない点は、耐環境性である。ジャイロセンサは、角速度、つまり動きを検出するセンサであるので、航空機やロケット等、移動体に搭載される。したがって、前記移動体に生じる角速度を正確に検出するためには、検出したい角速度以外の外乱振動（雑音）の影響に対して高い耐久性が要求される。
【０００４】
そのため、振動させる構造物が外乱振動に強い構造であり、振動方法も雑音に強い振動印加手段を備えることが高性能なジャイロセンサの条件である。この外乱振動に強い構造としては、リング型の構造物が、特許文献１において既に提案されている。また、外乱雑音に強い振動印加手段を有したジャイロセンサは、既に“（株）  シリコン  センシング  システムズ  ジャパン（略：ＳＳＳＪ）”社が開発している。
【０００５】
前記ＳＳＳＪ社のジャイロセンサは、耐衝撃性、耐振動性および広い使用温度範囲での性能安定を実現したセンサであると考えられる。特徴は、振動形態を、棒を上下左右に振るのではなく、リング状の振動子をスポークで中吊りにして、リングを楕円状に歪ませるというものである。そのような楕円歪の振動形態は外乱要因では起こりにくく、また振動が対称であり、さらに振動の支点が中吊りで外部の衝撃・振動はリングに伝わりにくく、これによって外部衝撃・振動によるノイズが極少である。
【０００６】
検出原理としては、前記ＳＳＳＪ社のジャイロセンサ動作原理（http://www.spp.co.jp/sssj/sirikon.html（検索日2004.8.5））に示されているが、図２２でも示すように、以下のとおりである。角速度検出体（リング振動子）を固有振動数に加振（縦長楕円と横長楕円とで交互に変化）する（振動モード１）。この状態で角速度が加わると、振動モード１に対し、コリオリのカが働き、新たに振動（振動モード２）が発生する。前記振動モード１の不動点（ノード）が、振動モード２になると移動するので、それをモニターすることによって、角速度を得るというものである。
【特許文献１】特開平１０−１６０４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
コリオリ力を検出する場合、振動する構造物（リング）から振動（任意に振動させた振動成分を含む）の影響なく、コリオリ力によって変位した成分のみを検出するのが最も効率的である。しかしながら、上述の楕円振動の場合は、外乱要因の影響を受けにくいものの、さらに改善の余地が残されている。
【０００８】
本発明の目的は、外乱要因の影響を一層抑えることができる電磁式のジャイロセンサおよび角速度検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のジャイロセンサは、リング状の振動子と、前記振動子に設けられるバイアス電路と、前記リング状の振動子が形成される面を直交方向に通過する磁束を発生する磁束発生手段と、前記磁束発生手段に一定方向の磁界を発生させ、かつ前記バイアス電路に交番電流を与えることで、または前記バイアス電路に一定方向の電流を与え、かつ前記磁束発生手段に交番磁界を発生させることで、前記振動子を予め定める共振周波数で同心円状に膨縮させる振動印加手段と、前記振動子上に区間分割して形成され、ピエゾ抵抗を有する検知電路と、前記振動子に与えられたその軸回りの角速度に対する該振動子の変形による前記検知電路の各区間の抵抗値変化から、コリオリカを検出し、前記コリオリカと前記共振周波数とに基づいて前記角速度を算出する角速度算出手段とを含むことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、本発明で注目すべきは、電磁式のジャイロセンサにおいて、振動子をリング状に形成し、そのリングを予め定める共振周波数で同心円状、すなわち径方向に膨縮させることである。具体的には、振動子には、リング状の内周面や外周面、あるいは端面にバイアス電路およびピエゾ抵抗を有する検知電路を設けておき、振動印加手段が、磁束発生手段に一定方向の磁界を発生させ、かつ前記バイアス電路に交番電流を与えることで、または前記バイアス電路に一定方向の電流を与え、かつ前記磁束発生手段に交番磁界を発生させることで、フレミングの左手の法則によって発生したローレンツ力によって、前記リング状の振動子を予め定める共振周波数で同心円状、すなわち径方向に膨縮させる。
【００１１】
この状態で前記角速度が加わると、前記コリオリカによって振動子が楕円に変形し、その変形方向は角速度の方向に対応し、変形具合は角速度の大きさに略比例する。その変形方向および変形具合を前記振動子上に区間分割して形成され、ピエゾ抵抗を有する検知電路で検知し、各区間の抵抗値変化から、角速度算出手段は、コリオリカを検出し、そのコリオリカと前記共振周波数とに基づいて前記角速度を算出する。
【００１２】
したがって、リング型の構造物を外乱要因の影響を最も受けにくい同心円状にバイアス振動させることで、楕円歪みのバイアス振動に比べて、更に外乱要因の影響を受けにくくすることができる。
【００１３】
なお、特に前記磁束発生手段に交番磁界を発生させ、前記バイアス電路に一定方向の電流を与えることで振動させる場合、前記バイアス電路の所定範囲間に一定電圧を印加するので、このような場合に前記のバイアス電路と検知電路とは、共用されてもよい。
【００１４】
また、本発明のジャイロセンサでは、前記振動子は、前記検知電路が形成された伸縮自在の４本の支持ビームによって、枠状のフレーム内に懸架されることを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、ピエゾ抵抗を有する検知電路を４つの区間に分割して、４本の支持ビームによって振動子上から引き出すことができ、ホイートストーンブリッジなどによるピエゾ抵抗値の検知に適した懸架構造を実現することができる。
【００１６】
さらにまた、本発明のジャイロセンサでは、前記ピエゾ抵抗は、リング状の振動子の中心に対して、点対称となる位置に形成されることを特徴とする。
【００１７】
上記の構成によれば、前記検知電路を前記ホイートストーンブリッジに形成した場合のアンバランスを取り除くことができ、抵抗値変化を電圧値変化に変換した場合に、そのアンバランスによるオフセット電圧の発生を抑えることができる。
【００１８】
また、本発明のジャイロセンサでは、前記検知電路は、２経路に分割されて、それぞれにピエゾ抵抗を有することを特徴とする。
【００１９】
上記の構成によれば、前記検知電路が４つの区間に分割されている場合、該検知電路に与える検知バイアスが同じ電圧であっても、１８０°で２経路に分割し、それぞれにバイアス電圧を与えることで、９０°と２７０°とでの取り出し位置における検知電圧を、分割していない場合に比べて２倍にすることができる。
【００２０】
さらにまた、本発明のジャイロセンサでは、前記振動子は、径方向に変化する部分が無い大略リング状に形成されることを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、限られたリング径で、ローレンツ力が作用する部分を増加するにあたって、振動子を、正弦波状や三角波状に波打った形状などの大略リング状に形成する。しかしながら、その際、リングの径方向に延びる部分が無いように形成する。
【００２２】
したがって、リングを拡縮させる前記ローレンツ力が不所望に周方向に作用する部分がなく、振動子の周長を長くすることができる。
【００２３】
また、本発明のジャイロセンサは、前記振動子のリングを、その厚み方向に複数形成し、および／または同心円状に複数形成することを特徴とする。
【００２４】
上記の構成によれば、同じ角速度の入力に対して、検知出力を増加することができる。
【００２５】
さらにまた、本発明のジャイロセンサは、前記振動子に、リング駆動検知用のピエゾ抵抗をさらに備えることを特徴とする。
【００２６】
上記の構成によれば、その検知結果を振動印加手段へフィードバックすることで、バイアス振動を一定にすることができる。
【００２７】
また、本発明のジャイロセンサは、前記振動子には、前記バイアス電路および検知電路とは電気的に絶縁され、該振動子の面方向に広がる第１の支持電極を有し、前記振動子を内部に封止する封止部材において、前記第１の支持電極に対応する部分には第２の支持電極を有し、前記第１の支持電極と第２の支持電極との間に電圧を印加することで、静電力によって前記振動子を面方向の規定位置に保持する保持手段をさらに備えることを特徴とする。
【００２８】
上記の構成によれば、振動子が支持されるフレームを上下からキャップ状のフレームなどの封止部材で挟み込むことで振動子を気密に封止するにあたって、前記振動子には、前記バイアス電路および検知電路とは電気的に絶縁され、該振動子の面方向に広がる第１の支持電極を設けておき、前記上下の封止部材の少なくとも一方に、前記第１の支持電極に対応する部分に第２の支持電極を設けておき、保持手段からそれらの間に電圧を印加することで、両者の間に発生する静電力によって前記振動子を面方向の規定位置に保持する。
【００２９】
したがって、前記振動子を封止部材内の面方向の規定位置、すなわち中心に安定して保持することができ、前記振動子を前記フレームに懸架する各支持ビームの状態を常に一定（均等）にして、角速度を高精度に測定することができる（測定にあたっての振動子の位置ずれ等によるオフセットを無くすことができる）。
【００３０】
さらにまた、本発明の角速度検出方法は、振動子をリング状に形成し、前記振動子を予め定める共振周波数で同心円状、すなわち径方向に膨縮させ、前記振動子の軸回りの角速度に対する該振動子の変形からコリオリカを検出し、前記コリオリカと前記共振周波数とに基づいて前記角速度を算出することを特徴とする。
【００３１】
上記の構成によれば、振動子をリング状に形成し、その変形からコリオリカを検出し、前記コリオリカと振動子の共振周波数とに基づいて角速度を求めるにあたって、前記リング状の振動子を予め定める共振周波数で同心円状、すなわち径方向に膨縮させる。
【００３２】
したがって、リング型の構造物を外乱要因の影響を最も受けにくい同心円状にバイアス振動させることで、楕円歪みのバイアス振動に比べて、更に外乱要因の影響を受けにくくすることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明のジャイロセンサおよび角速度検出方法は、以上のように、電磁式のジャイロセンサにおいて、振動子をリング状に形成し、そのリングを予め定める共振周波数で同心円状、すなわち径方向に膨縮させ、この状態で角速度が加わることで、コリオリカによって振動子が楕円に変形し、その変形方向は角速度の方向に対応し、変形具合は角速度の大きさに略比例するので、その変形方向および変形具合を前記振動子上に区間分割して形成した検知電路で検知して各区間の抵抗値変化からコリオリカを検出し、そのコリオリカと前記共振周波数とに基づいて前記角速度を算出する。
【００３４】
それゆえ、リング型の構造物を外乱要因の影響を最も受けにくい同心円状にバイアス振動させることで、楕円歪みのバイアス振動に比べて、更に外乱要因の影響を受けにくくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係るジャイロセンサ１における主基板２の平面図であり、図２は図１の切断面線II−IIから見た断面図である。このジャイロセンサ１は、図１の紙面に垂直方向のＺ軸回りの角速度を検出する電磁式のジャイロセンサであり、大略的に、シリコン基板などが後述するような形状に彫り出され、さらにパターン形成されて成る前記主基板２の上下に、シリコンから成るキャップ状のフレーム３，４が陽極接合などで接合されて構成されている。前記各フレーム３，４には、たとえばガラスなどのシリコン以外の素材を用いることも可能である。
【００３６】
前記主基板２は、大略的に、枠状のフレーム１１内に、振動子である可動リング１２が、薄肉の４本の支持ビームＢ１〜Ｂ４（総称するときは、以下参照符号Ｂで示す）によって懸架されて構成されている。前記可動リング１２は、リングの中心に対しほぼ放射状（径方向）に伸縮可能な構造または材質を有した質量体である。前記支持ビームＢは、上述のようにフレーム１１や可動リング１２に比べて薄肉であり、撓みまたは圧縮・伸長変形することによって伸縮自在であり、後述するような可動リング１２の膨縮（径方向の伸縮）を可能に、かつ該可動リング１２を前記フレーム３，４；１１で形成された内部空間の一定高さで水平に、さらにフレーム１１の中心に保持する。
【００３７】
前記可動リング１２上には、同心円状に、バイアス電路１３と、ピエゾ抵抗を有する検知電路１４とが設けられている。前記バイアス電路１３は、その両端が支持ビームＢ１からフレーム１１上に引き出され、電極パターンＰ０１，Ｐ０２にそれぞれ接続されている。これに対して、前記検知電路１４は、４つの区間に分割され、可動リング１２の９０°毎に設けられる４本の支持ビームＢ１〜Ｂ４を介してフレーム１１上に引き出され、電極パターンＰ１〜Ｐ５に接続されている。前記各電極パターンＰ０１，Ｐ０２；Ｐ１〜Ｐ５は、たとえばフレーム３に形成したスルーホールを介して該フレーム３の上面に形成された電極パッドに接続され、あるいはフレーム１１の側面に形成された電極パッドに接続されることで、外部回路との接続が可能になっている。
【００３８】
前記検知電路１４におけるピエゾ抵抗成分には、電流を流すことで、流れる電流とピエゾ抵抗成分とに略比例した電圧が発生する。前記ピエゾ抵抗成分は、電路自体が有する、俗に配線の寄生成分として一般に認識されている寄生抵抗も含むが、そのような寄生的に付与される抵抗ではなく、任意に不純物をイオン注入して作成するような抵抗を含むこともある。
【００３９】
なお、図１および図２では、バイアス電路１３および検知電路１４は可動リング１２の上面に形成されているけれども、下面に形成されてもよく、あるいは内周面や外周面に形成されてもよい。また、引き出しが容易なように、引き出し箇所の少ないバイアス電路１３が内周側に形成され、引き出し箇所の多い検知電路１４が外周側に形成されているけれども、周長を長くして後述するローレンツ力を大きくするために、バイアス電路１３が外周側に形成され、検知電路１４が内周側に形成されてもよい。
【００４０】
一方、前記フレーム３，４には、前記可動リング１２と同径または大径の永久磁石１５，１６がそれぞれ嵌め込まれている。これらの永久磁石１５，１６は、円板状で、厚み方向に着磁しており、図２ではフレーム３側の永久磁石１５がＮ極側となり、フレーム４側の永久磁石１６がＳ極側となって、図２の上から下へ磁束が発生している。これらの永久磁石１５，１６は、Ｘ，Ｙ平面に形成される可動リング１２に対して垂直方向に磁束を通過させればよく、したがって上記の円板状ではなく、リング状に形成されていてもよい。
【００４１】
図３〜図５は、上述のように構成されるジャイロセンサ１の動作原理を説明するための図である。図３はジャイロセンサ１の縦断面を模式的に示す図であり、図４は可動リング１２の振動原理を説明するための図であり、図５はコリオリ力の検出原理を説明するための図である。なお、以降水平方向とは、前記可動リング１２が広がる図１の紙面に平行な方向であり、Ｘ軸方向とＹ軸方向とから成る２次元の平面を指す。それに対して、Ｚ軸方向は、水平方向（前記図１の紙面に平行な方向）に対して垂直な方向であるとする。
【００４２】
先ず、可動リング１２の振動は、「フレミングの左手の法則」によって発生するローレンツ力を用いて発生させる。具体的には、図３のように磁界が可動リング１２に対し垂直方向であり、たとえば上から下に発生している状態で、図示しない振動印加手段によって、始端の電極パターンＰ１および終端の電極パターンＰ５間に、予め定める振動バイアスＶＢ、たとえば５Ｖが印加され、図４（ａ）で示すようにバイアス電路１３に或る一定方向に電流を流すと、該可動リング１２に力が発生する。印加電圧を反転させ、図４（ｂ）で示すように可動リング１２に流す電流の方向を反転させることによって、該可動リング１２に加わる力の方向を反転することができる。このようにして、該可動リング１２を水平方向に振動（膨縮）させることができる。
【００４３】
可動リング１２の振動は、図示しない振動印加手段によって、前記バイアス電路１３の電極パターンＰ０１，Ｐ０２間に一定電圧を印加し、永久磁石１５，１６に代えて電磁石を用い、さらに前記振動印加手段がこの電磁石に交番磁界を発生させることでも実現することができる。
【００４４】
このように振動させた可動式リング１２に、図５（ａ）で示すように該可動リング１２の原点を中心に左回転の角速度が加わると、該可動リング１２にコリオリ力が発生し、図５（ｂ）において参照符号１２で示すように該可動リング１２の形状に歪が生じる。右回転の角速度が加わると、図５（ｂ）において参照符号１２ａで示すように逆方向の歪が生じる。歪みの大きさは、角速度に略比例する。コリオリ力の発生原理については、従来の技術で述べた参考文献にて明記してあるので、ここでは説明を省略する。
【００４５】
次に、本構成におけるコリオリ力の検出原理について説明する。可動リング１２に歪が生じると、可動リング１２に分布している抵抗にアンバランスが生じる。本発明では、この歪を利用して可動リング１２上に設けられた検知電路１４のピエゾ抵抗の電圧変化を検出することで、コリオリ力を求める。その具体的な検出方法を以下に説明する。
【００４６】
図６は前記可動リング１２上の検知電路１４を模式的に示す図であり、図７はその等価回路図である。前記検知電路１４は、５つの電極パターンＰ１〜Ｐ５によって、前述のように４つの区間に分割されており、各区間には、抵抗Ｒ１〜Ｒ４がそれぞれ形成される。これらの抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、前述のように、電路自体が有する寄生成分で形成してもよく、または不純物をイオン注入して形成してもよい。そして、本発明では、可動リング１２の中心に対して点対称となる位置に形成される抵抗Ｒ１とＲ３およびＲ２とＲ４は、それぞれ等しい抵抗値に形成される。そして、前記検知電路１４は、図７で示すようなブリッジ回路に構成されている。
【００４７】
支持ビームＢ１に形成される始端の電極パターンＰ１および終端の電極パターンＰ５間には、予め定める一定で直流の検知バイアスＶ０が与えられる。そして、電極パターンＰ２，Ｐ４が検出端子となり、その検出電圧Ｖ２，Ｖ４から、前記コリオリ力の方向および大きさを検知することができる。すなわち、上述のように中心に対して点対称位置に配置される抵抗Ｒ１とＲ３およびＲ２とＲ４は、それぞれ等しい抵抗値に形成され、前記コリオリ力による歪みも対称位置では相互に等しく現れるので、前記歪みによって、抵抗Ｒ１，Ｒ３の抵抗値が大きくなると抵抗Ｒ２，Ｒ４の抵抗値が小さくなり、抵抗Ｒ１，Ｒ３の抵抗値が小さくなると抵抗Ｒ２，Ｒ４の抵抗値が大きくなる。
【００４８】
したがって、中点の電極パターンＰ３の検出電圧Ｖｃｏｍは、歪みの有無に拘わらずＶ０／２で一定であるけれども、たとえば電極パターンＰ１に５Ｖを印加し、電極パターンＰ５をＧＮＤに接続している状態で、抵抗Ｒ１，Ｒ３の抵抗値が大きくなり、かつ抵抗Ｒ２，Ｒ４の抵抗値が小さくなると検出電圧Ｖ２，Ｖ４は共に下降し、抵抗Ｒ１，Ｒ３の抵抗値が小さくなり、かつ抵抗Ｒ２，Ｒ４の抵抗値が大きくなると検出電圧Ｖ２，Ｖ４は共に上昇する。こうして、前記コリオリ力の方向および大きさを検知することができる。また、中心に対して点対称位置に配置される抵抗Ｒ１とＲ３およびＲ２とＲ４をそれぞれ等しい抵抗値に形成することで、抵抗をブリッジ構造にした時の、抵抗のアンバランスを取り除くことができる。前記アンバランスは、抵抗変化を上述のように電圧に変換して検出した場合、オフセット電圧として出力に現れてきてしまうものであり、ゼロであるのが望ましい。また、抵抗値を高くすることで、抵抗変化によって発生する検出電圧Ｖ２，Ｖ４の変化を大きくすることができる。
【００４９】
前記検出電圧Ｖ２，Ｖ４は、図示しない角速度算出手段に与えられて、該検出電圧Ｖ２，Ｖ４と既知の共振周波数とから、角速度が算出される。コリオリ力から角速度を求める方法については、従来の技術で述べた参考文献にて明記してあるので、ここでは説明を省略する。前記検知電路１４での歪みに対する検出電圧Ｖ２，Ｖ４の変化は、非線形であってもよく、前記角速度算出手段での演算をその非線形に近似させることによって、前記角速度を正確に求めることができる。
【００５０】
以上のように、本発明のジャイロセンサ１は、電磁式駆動を用いてリングを振動させる点で、従来のジャイロセンサと同様に、外乱要因の影響を受けにくいという特徴を有する。さらに前記のジャイロセンサは、楕円振動にコリオリカが加わったことによる不動点の移動を検知することによって前記コリオリ力を検出するジャイロセンサであるのに対して、本発明のジャイロセンサ１は、可動リング１２に設けられたピエゾ抵抗による電圧変化によってコリオリ力を検出する。振動子である可動リング１２をリング状に形成し、そのリングを同心円状にバイアス振動、すなわち径方向に膨縮させ、加わった角速度によるコリオリカによる前記可動リング１２の変形をピエゾ抵抗を有する検知電路１４で検知するので、更に外乱要因の影響を受けにくくすることができる。
【００５１】
また、前記のピエゾ抵抗を、図７で示すようなホイートストンブリッジのようなブリッジの構成を採用し、コリオリ力で可動リング１２が変形することによって発生する差動成分のみを検出することで、振動による同相的な抵抗変化を除去し、角速度によって生じる抵抗変化を分離し、効率的な角速度検出を実現することができる。
【００５２】
さらにまた、上記のジャイロセンサ１では、前記可動リング１２は、前記検知電路１４が形成された伸縮自在の４本の支持ビームＢ１〜Ｂ４によって、枠状のフレーム１１内に懸架されるので、ピエゾ抵抗を有する検知電路１４を４つの区間に分割して、前記４本の支持ビームＢ１〜Ｂ４によって可動リング１２上から引き出すことができ、前記ホイートストーンブリッジなどによるピエゾ抵抗値の検知に適した懸架構造を実現することができる。
【００５３】
なお、上記のジャイロセンサ１では、バイアス電路１３と検知電路１４とは、個別に設けられているけれども、共用されてもよい。しかしながら、振動させるためには、常に電流の流れる方向を交互に反転させる必要があり、ここで可動リング１２上に配置されたそれぞれの抵抗Ｒ１〜Ｒ４にばらつきがあると、検出電圧Ｖ２，Ｖ４にオフセットが生じ、バイアス電圧ＶＢの印加方向が交互に反転するたびに、前記オフセット電圧の極性も交互に反転してしまい、後段に接続される前記角速度算出手段である信号処理回路の処理が複雑になる。したがって、上述のようにバイアス電路１３と検知電路１４とを分離することで、検出電路１４には常に一方向の電圧バイアスＶＢを印加し、振動駆動用の電流の方向が反転しても、コリオリ力の検出にあたって、オフセット電圧が変動することを防止することが望ましい。
【００５４】
一方、上述の構成では、永久磁石１５，１６によって一定方向にバイアス磁界を発生し、バイアス電路１３には交流の振動バイアスＶＢを印加しているけれども、前述のように永久磁石１５，１６に代えて電磁石を用い、前記振動印加手段がこの電磁石に交番磁界を発生させ、バイアス電路１３には直流のバイアス電圧を印加する場合、上述のようなオフセット電圧の変動の影響を考慮することなく、バイアス電路１３と検知電路１４とを、共用することができる。
【００５５】
また、支持ビームＢ１〜Ｂ４も、４本に限らず、前記信号処理回路の構成に対応して設けられればよく、本数および配置場所は任意である。
【００５６】
［実施の形態２］
図８は、本発明の実施の第２の形態に係るジャイロセンサにおける検知電路１４ａ，１４ｂを模式的に示す図であり、図９はその等価回路図である。この検知電路１４ａ，１４ｂは、前述の検知電路１４に類似しており、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この検知電路１４ａ，１４ｂは、前記の検知電路１４が１８０°で２経路に分割されて、それぞれにピエゾ抵抗を有することである。そして、その分割点は、１８０°位置の支持ビームＢ３を介してフレーム１１上に引き出され、電極パターンＰ３１，Ｐ３２にそれぞれ接続され、電極パターンＰ１，Ｐ３１間および電極パターンＰ５，Ｐ３２間のそれぞれに、前記検知バイアスＶ０が与えられることである。
【００５７】
したがって、検知電路１４ａ，１４ｂに与える検知バイアスＶ０が検知電路１４と同じ電圧であっても、１８０°で２経路に分割し、それぞれにバイアス電圧Ｖ０を与えることで、９０°と２７０°とでの取り出し位置における検出電圧Ｖ２，Ｖ４を、分割していない場合に比べて２倍にすることができる。
【００５８】
［実施の形態３］
図１０は、本発明の実施の第３の形態に係るジャイロセンサにおける支持ビームＢｂ〜Ｂｈの構造を示す一部分を拡大して示す平面図である。図１０（ａ）に拡大して示す上述の支持ビームＢは、薄肉化による撓みや反りによって前記可動リング１２の膨縮を許容していたけれども、図１０（ｂ）〜図１０（ｈ）に拡大して示す本発明の他の形態に係る支持ビームＢｂ〜Ｂｈは、その長手方向の圧縮・伸長によって前記可動リング１２の膨縮を許容する。
【００５９】
具体的には、図１０（ｂ）で示す支持ビームＢｂは可動リング１２への取付け部分が狭小に形成されることで、前記取付け部分における可動リング１２の膨縮方向への剛性を低減しており、前記膨縮振動によって該支持ビームＢｂに加わる応力を低減し、可動リング１２の振動を妨げないように形成されている。
【００６０】
これに対して、図１０（ｃ）で示す支持ビームＢｃは三角波（ジグザグ）状に屈曲形成されることで、図１０（ｄ）で示す支持ビームＢｄは正弦波状に屈曲形成されることで、図１０（ｅ）で示す支持ビームＢｅはクランク状に折り曲げ形成されることで、可動リング１２の振動を妨げないように形成されている。
【００６１】
また、図１０（ｆ）で示す支持ビームＢｆは梯子状に形成されることで、図１０（ｇ）で示す支持ビームＢｇはチェーン状に形成されることで、図１０（ｈ）で示す支持ビームＢｈはパンタグラフ状に形成されることで、それぞれ圧縮方向への変位を吸収する空間（支持ビームＢｆは方形の空間、支持ビームＢｇは環状の空間、支持ビームＢｈは菱形の空間）を有することで、可動リング１２の振動を妨げないように形成されている。
【００６２】
［実施の形態４］
図１１は、本発明の実施の第４の形態に係るジャイロセンサにおける可動リング１２ｂ〜１２ｈの構造を示す平面図である。図１１（ａ）に示す上述の可動リング１２は、円環状に形成されているのに対して、図１１（ｂ）〜図１１（ｈ）に示す本発明の他の形態に係る可動リング１２ｂ〜１２ｈは、径方向に変化する部分が無い大略リング状に形成されている。
【００６３】
具体的には、図１１（ｂ）で示す可動リング１２ｂは三角波（ジグザグ）状に屈曲形成され、図１１（ｃ）で示す可動リング１２ｃは前記三角波が間引き形成され、図１１（ｄ）で示す可動リング１２ｄは台形波状に屈曲形成され、図１１（ｅ）で示す可動リング１２ｅは前記正弦波が半波で形成され、図１１（ｆ）で示す可動リング１２ｆは前記台形波が間引き形成され、図１１（ｇ）および図１１（ｈ）で示す可動リング１２ｇ，１２ｈはチェーン状に形成されている。
【００６４】
この図１１では、可動リング１２ｂ〜１２ｈの形状のみを示してあるが、それを支持するための任意の数の支持ビームが接続されて、フレーム１１内に支持されている。また、図１１において、可動リング１２ｅは可動リング１２ｃの角（カド）のＲを丸めたものであるが、他の可動リング１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈについても、この可動リング１２ｅと同様に、Ｒを丸めた形状としてもよい。
【００６５】
このように構成することで、所定の方向に電流を流した時に、可動リング１２ｂ〜１２ｈの任意の点においてフレミングの左手の法則によって発生するローレンツ力が、全てリングに対して外向きあるいは内向きとなる。すなわち、径方向に延びて、前記ローレンツ力が不所望に周方向に作用する部分が無いように形成されている。これによって、限られたリング径で、ローレンツ力が作用する部分を増加することができる。
【００６６】
［実施の形態５］
図１２は、本発明の実施の第５の形態に係るジャイロセンサ２０の断面図である。このジャイロセンサ２０は、前述の図２で示すジャイロセンサ１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、このジャイロセンサ２０では、複数（図１２では３枚）の主基板２１〜２３が、その厚み方向に積層されていることである。各主基板２１〜２３は、前述の主基板２と同様に形成されるけれども、前記の電極パターンＰ０１，Ｐ０２；Ｐ１〜Ｐ５の外部の電極パッドへの引き回しによっては、スルーホールの数や位置など、フレーム３，４などの形状が異なることもある。各主基板２１〜２３フレームの間には、電路１３，１４や、電極パターンＰ０１，Ｐ０２；Ｐ１〜Ｐ５の接触を防ぐために、シリコン等の材質から成るスペーサ２４，２５が挿入され、相互に予め定める間隔が保持されている。
【００６７】
また、図１３も、本発明の実施の第５の形態に係るジャイロセンサにおける可動リング３０を模式的に示す図である。注目すべきは、この可動リング３０は、同心円状に複数（図１３では３つ）のリング３１〜３３から成ることである。最外周のリング３１は、前述の支持ビームＢによってフレーム１１に支持され、残余のリング３２，３３も、その支持ビームＢを延長して成る図示しない支持ビームによって順次支持される。図１４に、その前記可動リング３０上の検知電路３４，３５，３６の具体的構成を模式的に示す。
【００６８】
このように主基板２１〜２３を厚み方向に複数形成し、または可動リング３０を同心円状に複数形成することで、コリオリ力を検出するピエゾ抵抗の面積を増加できるので、同じ角速度の入力に対して、検知出力を増加（感度を向上）することができる。また、図１２のジャイロセンサ２０は、相互に等しい可動リング１２で構成した場合、上述のように検知出力の増加を図ることができるけれども、相互に異なる可動リングで構成した場合、同じ角速度が加わった場合の歪量を変化することができ、各可動リング間でダイナミックレンジを異なるようにすることができる。一方、図１３のジャイロセンサは、各リング３１〜３３の径が相互に異なるので、同じ材質で一体で成形しても、同じ角速度が加わった場合の歪量を変化することができる（径が小さい方が歪量も小さい）。したがって、ピエゾ抵抗の単位面積当りの抵抗値が同じであっても、リング径の大きさで可動リング毎の角速度に対する感度を調整することができ、歪み量の大きい可動リングで微小な角速度を高精度に検知し、歪み量の小さい可動リングで過大な角速度に対応してダイナミックレンジを拡大することができる。
【００６９】
なお、同心円状に複数形成された可動リングを、さらに厚み方向に複数段積層するようにしてもよい。
【００７０】
［実施の形態６］
図１５は、本発明の実施の第６の形態に係るジャイロセンサにおける可動リング４２の検知電路４４ａ〜４４ｄを模式的に示す図であり、図１６はその等価回路図である。この可動リング４２は、６０°毎の６本の支持ビームＢ４１〜Ｂ４６によって前記フレーム１１に支持される。注目すべきは、前述の図８および図９で示す検知電路１４ａ，１４ｂでは、可動リング１２の全周に該検知電路１４ａ，１４ｂによる２つの検知系が設けられているのに対して、この可動リング４２では、検知電路４４ａ〜４４ｄによる４つの検知系が設けられていることである。
【００７１】
具体的には、可動リング４２は、６本の支持ビームＢ４１〜Ｂ４６で分割される６つの区間それぞれに形成されるピエゾ抵抗Ｒ４１〜Ｒ４６を、２区間×２と１区間×２とに纏め、２区間のピエゾ抵抗Ｒ４１，Ｒ４２から成る検知電路４４ａと、相互に点対称位置に配置されるピエゾ抵抗Ｒ４４，Ｒ４５から成る検知電路４４ｂとは、図１６（ａ）で示すように前記の検知バイアスＶ０が与えられて前記コリオリ力の検知に用いられ、１区間のピエゾ抵抗Ｒ４３から成る検知電路４４ｃと、相互に点対称位置に配置されるピエゾ抵抗Ｒ４６から成る検知電路４４ｄとは、図１６（ｂ）で示すように別途の検知バイアスまたは電流（図１６（ｂ）では検知バイアスＶ０ａ）が与えられて振動特性の検知に用いられる。
【００７２】
コリオリ力を検出する系については、前述の図８および図９等で説明しているので詳細は省略する。今回新たに設けられた検知電路４４ｃ，４４ｄでは、ピエゾ抵抗Ｒ４３，Ｒ４６にそれぞれ前記バイアス電圧または電流を印加し、振動によってピエゾ抵抗値の変化を検出する。このようにリング駆動検知用のピエゾ抵抗Ｒ４３，Ｒ４６をさらに備え、検出した振動情報を前記振動印加手段にフィードバックすることによって、バイアス振動を一定にすることができる。前記バイアス電圧または電流の印加手段は、コリオリ力の検出のための検知電路４４ａ，４４ｂにバイアス電圧Ｖ０を印加する手段と共用されてもよい。
ることを特徴とする。
【００７３】
［実施の形態７］
図１７は、本発明の実施の第７の形態に係るジャイロセンサ５１の縦断面図であり、図１８はそのジャイロセンサ５１における主基板５２の平面図である。これらの図１７および図１８は、それぞれ前述の図２および図１に対応しており、ジャイロセンサ１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。また、図１７の切断面を、図１８にXVII−XVIIで示す。注目すべきは、このジャイロセンサ５１では、主基板５２において、可動リング１２の内側に、さらに支持ビームＢ５１〜Ｂ５４によって懸架される支持部材５０が設けられており、その支持部材５０には、面方向に広がって形成される第１の支持電極Ｋ１１〜Ｋ１４（総称するときは、以下参照符号Ｋ１で示す）が形成されており、これに対向して、フレーム５３，５４には、図１９で示すように第２の支持電極Ｋ２１〜Ｋ２４（総称するときは、以下参照符号Ｋ２で示す）が形成されていることである。
【００７４】
前記各第１の支持電極Ｋ１１〜Ｋ１４は、図示しない絶縁層などを介して前記のバイアス電路１３および検知電路１４とは電気的に絶縁され、支持ビームＢ５１〜Ｂ５４、可動リング１２および支持ビームＢ１〜Ｂ４を介してフレーム１１上に引き出され、個別に対応する電極パターンＰ５１〜Ｐ５４にそれぞれ接続されている。この第１の支持電極Ｋ１は、スルーホール５５を介して支持部材５０の裏面にも延長され、該裏面にも同様に第１の支持電極Ｋ１が形成されている。
【００７５】
前記フレーム５３，５４においても、前記支持部材５０に対向して、支持ビームＢ６１〜Ｂ６４によって懸架される支持部材６０が設けられており、その支持部材６０には前記第２の支持電極Ｋ２１〜Ｋ２４が形成されている。前記各第２の支持電極Ｋ２１〜Ｋ２４は、支持ビームＢ６１〜Ｂ６４を介して引き出され、個別に対応する電極パターンＰ６１〜Ｐ６４にそれぞれ接続されている。
【００７６】
そして、前記第１の支持電極Ｋ１と第２の支持電極Ｋ２との間には、図示しない保持手段によって、電圧が印加される。これによって、前記可動リング１２が支持されるフレーム１１を上下からキャップ５３，５４で挟み込むことで前記可動リング１２を気密に封止するにあたって、支持電極Ｋ１，Ｋ２間に発生する静電力によって、前記可動リング１２を面（水平）方向の規定位置、すなわち中心にバランス良く安定して保持することができ、前記可動リング１２を前記フレーム１１に懸架する支持ビームＢの状態を常に一定にして、角速度を高精度に測定することができる（測定にあたっての可動リング１２の位置ずれ等によるオフセットを無くすことができる）。
【００７７】
以下に、上述の支持電極Ｋ１，Ｋ２を用いて静電力を利用し、どのように可動リング１２を規定位置に保持するか説明する。たとえば、第１の支持電極Ｋ１に”０Ｖ”電圧を印加する。それに対し、上部フレーム５３の第２の支持電極Ｋ２には”＋５Ｖ”、下部フレーム５４の第２の支持電極Ｋ２には”−５Ｖ”を印加する。これによって、上部フレーム５３の第２の支持電極Ｋ２と第１の支持電極Ｋ１との間、および下部フレーム５４の第２の支持電極Ｋ２と第１の支持電極Ｋ１との間には、それぞれ“５Ｖ”の電位差が発生することになり、同量の静電引力がそれぞれの電極間に発生することになる。これによって、支持リング５０には、上方側と下方側とで同じ引力が発生し、上部フレーム５３の第２の支持電極Ｋ２と下部フレーム５４の第２の支持電極Ｋ２との中間に、第１の支持電極Ｋ１、したがって可動リング１２を保持することが可能になる。各第２の支持電極Ｋ２に印加する電圧をそれぞれ調整することによって、可動リング１２を規定位置に保持することが可能となる。
【００７８】
４分割された前記各第１の支持電極Ｋ１１〜Ｋ１４およびそれに対向する第２の支持電極Ｋ２１〜Ｋ２４の組を用いることで面方向、すなわちＸ，Ｙの両方向に個別にバランスをとることが可能であるが、それらの総ての組が上述のような可動リング１２の保持用に使用されるのではなく、一部が前述の第６の実施の形態のように、フィードバック用の保持位置検知のために使用されてもよい。また、前記第１の支持電極Ｋ１１〜Ｋ１４および第２の支持電極Ｋ２１〜Ｋ２４の各組が前記保持手段によって個別に制御されるのではなく、纏めて制御される場合には、１枚の電極で形成されていてもよい。
【００７９】
［実施の形態８］
図２０および図２１は、本発明の実施の第８の形態に係るジャイロセンサにおける主基板６２，７２の概略的な平面図である。これらの主基板６２，７２は、前述の主基板２に類似しており、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。上述の主基板２では、可動リング１２の懸架構造として、支持ビームＢ１〜Ｂ４を用いた４点支持の構造であったけれども、また図１５で示す可動リング３０では支持ビームＢ４１〜Ｂ４６を用いた６点支持の構造であったけれども、本発明はそれらに限定されるものではなく、図２０の主基板６２に示すような１点支持、図２１の主基板７２のような２点支持も実現可能である。
【００８０】
主基板６２では、可動リング１２は支持ビームＢ０によって懸架され、また前記検知電路１４は前記のようにピエゾ抵抗で作成されるけれども、引き出し用の電路６３〜６５は、低抵抗のメタル配線などで作成される。主基板７２では、可動リング１２は支持ビームＢ０１，Ｂ０２によって懸架される。なお、これらの図２０および図２１では、バイアス電路１３は省略している。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の第１の形態に係るジャイロセンサにおける主基板の平面図である。
【図２】図１の切断面線II−IIから見た断面図である。
【図３】本発明のジャイロセンサの動作原理を説明するためのジャイロセンサの縦断面を模式的に示す図である。
【図４】可動リングの振動原理を説明するための図である。
【図５】コリオリ力の検出原理を説明するための図である。
【図６】可動リング上の検知電路を模式的に示す図である。
【図７】図６で示す検知電路の等価回路図である。
【図８】本発明の実施の第２の形態に係るジャイロセンサにおける検知電路を模式的に示す図である。
【図９】図８で示す検知電路の等価回路図である。
【図１０】本発明の実施の第３の形態に係るジャイロセンサにおける支持ビームの構造を示す一部分を拡大して示す平面図である。
【図１１】本発明の実施の第４の形態に係るジャイロセンサにおける可動リングの構造を示す平面図である。
【図１２】本発明の実施の第５の形態に係るジャイロセンサの断面図である。
【図１３】本発明の実施の第５の形態に係るジャイロセンサにおける可動リングを模式的に示す図である。
【図１４】図１３で示す可動リング上の検知電路の具体的構成を模式的に示す図である。
【図１５】本発明の実施の第６の形態に係るジャイロセンサにおける可動リングの検知電路を模式的に示す図である。
【図１６】図１５で示す検知電路の等価回路図である。
【図１７】本発明の実施の第７の形態に係るジャイロセンサの縦断面図である。
【図１８】図１７で示すジャイロセンサにおける主基板の平面図である。
【図１９】図１７で示すジャイロセンサにおけるフレームの平面図である。
【図２０】本発明の実施の第８の形態に係るジャイロセンサにおける主基板の概略的な平面図である。
【図２１】本発明の実施の第８の形態に係るジャイロセンサにおける主基板の概略的な平面図である。
【図２２】従来のジャイロセンサにおける角速度の検出原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８２】
１，２０，５１    ジャイロセンサ
２；２１〜２３；５２；６２，７２    主基板
３，４；５３，５４  フレーム
１１    フレーム
１２；１２ｂ〜１２ｈ；３０；４２    可動リング
１３    バイアス電路
１４；１４ａ，１４ｂ；３４〜３６；４４ａ〜４４ｄ    検知電路
１５，１６    永久磁石
２４，２５    スペーサ
３１〜３３    リング
５０，６０    支持部材
５５    スルーホール
６３〜６５    引き出し用の電路
Ｂ０；Ｂ０１，Ｂ０２；Ｂ１〜Ｂ４；Ｂ４１〜Ｂ４６    支持ビーム
Ｂ５１〜Ｂ５４；Ｂ６１〜Ｂ６４    支持ビーム
Ｂｂ〜Ｂｈ    支持ビーム
Ｋ１１〜Ｋ１４    第１の支持電極
Ｋ２１〜Ｋ２４    第２の支持電極
Ｐ０１，Ｐ０２    電極パターン
Ｐ１〜Ｐ５；Ｐ３１，Ｐ３２；Ｐ５１〜Ｐ５４；Ｐ６１〜Ｐ６４    電極パターン
Ｒ１〜Ｒ４    抵抗
Ｒ４１〜Ｒ４６ピエゾ抵抗
【図１】
2006064539.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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