(57)【要約】【課題】  高精度で角度検出を行うことが可能なジャイロセンサシステムを提供する。【解決手段】  実施形態に係るジャイロセンサシステムは、第１及び第２の方向に振動可能な可動体と、可動体を第１及び第２の方向に振動させるバネ機構と、バネ機構によって第１の方向に自由振動している可動体に働くコリオリ力に基づく可動体の第２の方向の振動の振幅を検出することができる検出部１２０と、検出部で検出された可動体の第２の方向の振動の振幅に基づいて、可動体の第１の方向の振動の第１の共振周波数と可動体の第２の方向の振動の第２の共振周波数とを一致させるように調整を行う調整部１３０と、調整部によって第１の共振周波数と第２の共振周波数とが一致するように調整された状態で検出された可動体の第２の方向の振動の振幅に基づいて、可動体の回転角度を取得する回転角度取得部１４０とを備える。【選択図】図１
2018163141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向及び第１の方向に対して垂直な第２の方向に振動可能な可動体と、
前記可動体を前記第１及び第２の方向に振動させるバネ機構と、
前記バネ機構によって前記第１の方向に自由振動している前記可動体に働くコリオリ力に基づく前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅を検出することができる検出部と、
前記検出部で検出された前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅に基づいて、前記可動体の前記第１の方向の振動の第１の共振周波数と前記可動体の前記第２の方向の振動の第２の共振周波数とを一致させるように調整を行う調整部と、
前記調整部によって前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数とが一致するように調整された状態で検出された前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅に基づいて、前記可動体の回転角度を取得する回転角度取得部と、
を備えるジャイロセンサユニットを少なくとも１つ備える
ことを特徴とするジャイロセンサシステム。
【請求項２】
前記調整部は、
前記検出部で検出された前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅に基づいて、前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数とを一致させるための調整信号を発生する調整信号発生回路と、
前記調整信号発生回路で発生した調整信号を受けて前記可動体の調整を行う調整機構と、
を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサシステム。
【請求項３】
前記調整信号発生回路は、前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅が最大となるように前記調整信号を発生する
ことを特徴とする請求項２に記載のジャイロセンサシステム。
【請求項４】
前記バネ機構による前記可動体の前記第１及び第２の方向の振動はバネ行列によって規定され、
前記調整信号発生回路は、前記バネ行列における非対角成分のうち前記可動体の前記第２の方向の運動を規定する成分がゼロとなるように前記調整信号を発生する
ことを特徴とする請求項２に記載のジャイロセンサシステム。
【請求項５】
前記調整信号発生回路は、前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅の時間的変化が最小となるように前記調整信号を発生する
ことを特徴とする請求項２に記載のジャイロセンサシステム。
【請求項６】
前記第１及び第２の方向に対して垂直で且つ前記可動体のパターンの中心を通る軸を中心として前記可動体を９０度回転させたときに、回転前の前記可動体のパターンと回転後の前記可動体のパターンとは一致しない
ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサシステム。
【請求項７】
前記ジャイロセンサユニットは、前記可動体を捕捉し且つ捕捉された前記可動体を解放して前記可動体を前記第１の方向に自由振動させる捕捉及び解放機構をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサシステム。
【請求項８】
複数の前記ジャイロセンサユニットを備え、
前記複数のジャイロセンサユニットのそれぞれは、前記可動体が前記第１の方向に自由振動している振動期間と前記可動体の振動が停止している振動停止期間とを交互に有し、
前記複数のジャイロセンサユニットの１つが前記振動停止期間にあるときに、前記複数のジャイロセンサユニットの他の１つが前記振動期間にある
ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサシステム。
【請求項９】
前記可動体の変位に応じてキャパシタンスが変化する可変キャパシタと、前記可変キャパシタに接続された抵抗と、を含むダンピング係数調整機構をさらに備え、
前記ダンピング係数調整機構は、前記可動体の変位によって前記可変キャパシタに蓄積された電荷の一部が前記抵抗を通過する際に生じるエネルギー損失に基づいて前記可動体のダンピング係数を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサシステム。
【請求項１０】
前記可動体に付随して設けられた第１のキャパシタと、電圧源と、前記第１のキャパシタと前記電圧源との間に接続された抵抗と、を含むダンピング係数調整機構をさらに備え、
前記ダンピング係数調整機構は、前記抵抗の抵抗値及び前記電圧源の電圧値の少なくとも一方に基づいて前記可動体のダンピング係数を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサシステム。
【請求項１１】
前記第１のキャパシタは、互いに対向する一対の櫛歯電極によって形成されている
ことを特徴とする請求項１０に記載のジャイロセンサシステム。
【請求項１２】
前記調整部は、前記可動体に付随して設けられ且つ前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数とを一致させるために用いられる平行平板型の第２のキャパシタをさらに備える
ことを特徴とする請求項１１に記載のジャイロセンサシステム。
【請求項１３】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタの少なくとも一方に接続され、前記可動体の変位量を検出する変位量検出部をさらに備える
ことを特徴とする請求項１２に記載のジャイロセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ジャイロセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロセンサを用いて角度検出を行おうとした場合、通常はジャイロセンサで検出された角速度を積分する。そのため、十分な角度検出精度が得られない場合がある。
【０００３】
ジャイロセンサを用いて直接的に角度検出を行うことも可能であるが、この場合には種々の制約があり、やはり高精度で角度検出を行うことは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２００５１２号公報
【特許文献２】特表２００９−５３０６０３号公報
【特許文献３】特許第５１６１４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高精度で角度検出を行うことが可能なジャイロセンサシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態に係るジャイロセンサシステムは、第１の方向及び第１の方向に対して垂直な第２の方向に振動可能な可動体と、前記可動体を前記第１及び第２の方向に振動させるバネ機構と、前記バネ機構によって前記第１の方向に自由振動している前記可動体に働くコリオリ力に基づく前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅を検出することができる検出部と、前記検出部で検出された前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅に基づいて、前記可動体の前記第１の方向の振動の第１の共振周波数と前記可動体の前記第２の方向の振動の第２の共振周波数とを一致させるように調整を行う調整部と、前記調整部によって前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数とが一致するように調整された状態で検出された前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅に基づいて、前記可動体の回転角度を取得する回転角度取得部と、を備えるジャイロセンサユニットを少なくとも１つ備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態に係るジャイロセンサシステムの基本的な構成を示したブロック図である。
【図２】実施形態に係るジャイロセンサシステムにおけるジャイロ素子の構成を模式的に示した平面図である。
【図３】実施形態に係るジャイロセンサシステムにおけるジャイロ素子の変更例の構成を模式的に示した平面図である。
【図４】実施形態に係り、α(Δｆ)の一例を示した図である。
【図５】実施形態に係り、調整用の振幅検出動作及び測定用の振幅検出動作の第１の具体例を示した図である。
【図６】実施形態に係り、調整用の振幅検出動作及び測定用の振幅検出動作の第２の具体例を示した図である。
【図７】実施形態に係り、調整用の振幅検出動作及び測定用の振幅検出動作の第３の具体例を示した図である。
【図８】実施形態に係り、調整用の振幅検出動作及び測定用の振幅検出動作の第４の具体例を示した図である。
【図９】実施形態の第１の変更例に係るジャイロセンサシステムの基本的な構成（概念）を示した図である。
【図１０】実施形態の第１の変更例に係るジャイロセンサシステムの基本的な動作を示した図である。
【図１１】実施形態に係るジャイロセンサシステムの第１の動作例を示した図である。
【図１２】実施形態に係るジャイロセンサシステムの第２の動作例を示した図である。
【図１３】実施形態に係るジャイロセンサシステムの第２の動作例の第２の方法に用いる構成を模式的に示した図である。
【図１４】実施形態に係るジャイロセンサシステムの第３の動作例を示した図である。
【図１５】実施形態の係るジャイロセンサシステムの第４の動作例を示した図である。
【図１６】実施形態の第２の変更例に係るジャイロセンサシステムの基本的な構成（概念）を示した図である。
【図１７】実施形態の第３の変更例に係るジャイロセンサシステムの基本的な構成（概念）を示した図である。
【図１８】実施形態に係り、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第１の構成例を模式的に示した図である。
【図１９】実施形態に係り、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第２の構成例を模式的に示した図である。
【図２０】実施形態に係り、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第３の構成例を模式的に示した図である。
【図２１】実施形態に係り、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第４の構成例を模式的に示した図である。
【図２２】実施形態に係り、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第５の構成例を模式的に示した図である。
【図２３】実施形態に係り、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第６の構成例を模式的に示した図である。
【図２４】実施形態に係り、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第７の構成例を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
【０００９】
図１は、実施形態に係るジャイロセンサシステムの基本的な構成を示したブロック図である。
【００１０】
図２は、実施形態に係るジャイロセンサシステム（ジャイロセンサユニット）におけるジャイロ素子の構成を模式的に示した平面図である。ジャイロ素子は、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）技術を用いて基板上に形成される。
【００１１】
図１に示すように、ジャイロセンサシステム２００（ジャイロセンサユニット１００）は、ジャイロ素子（ＭＥＭＳ素子）１１０と、振幅検出回路１２０と、調整信号発生回路１３０と、回転角度取得回路１４０とを備えている。
【００１２】
図２に示すように、ジャイロ素子（ＭＥＭＳ素子）１１０は、可動体１１１と、バネ機構１１２と、アンカー１１３と、捕捉及び解放（catch and release）機構１１４と、ドライブ及びモニタ機構１１５と、検出機構１１６と、調整機構１１７とを備えている。
【００１３】
可動体１１１は、可動部（可動マス）１１１ａ及び可動部（可動マス）１１１ｂを含んでおり、ｘ方向（第１の方向）及びｘ方向に対して垂直なｙ方向（第２の方向）に振動可能である。可動部１１１ａは、ドライブ用の可動部であり、主としてｘ方向（第１の方向）に振動可動である。可動部１１１ｂは、センス用の可動部であり、主としてｙ方向（第２の方向）に振動可動である。図２に示すように、可動体１１１は、ｘ方向のパターンとｙ方向のパターンとが異なっている。より厳密に言うと、ｘ方向及びｙ方向に対して垂直で且つ可動体１１１のパターンの中心を通る軸を中心として可動体１１１を９０度回転させたときに、回転前の可動体１１１のパターンと回転後の可動体１１１のパターンとは一致しない。
【００１４】
バネ機構１１２は、バネ部分１１２ａ及びバネ部分１１２ｂを含んでおり、可動体１１１をｘ及びｙ方向に振動させる。バネ部分１１２ａは、可動部１１１ａに接続されており、主として可動部１１１ａをｘ方向に振動させるために設けられている。バネ部分１１２ｂは、可動部１１１ａ及び可動部１１１ｂに接続されており、主として可動部１１１ｂをｙ方向に振動させるために設けられている。図２に示した例では、バネ機構１１２は、８つのバネ部分１１２ａ及び４つのバネ部分１１２ｂを含んでいる。バネ機構１１２によってｘ方向に自由振動している可動体１１１に回転運動が加わると、可動体１１１にはコリオリ力が働き、可動体１１１はｙ方向に振動する。
【００１５】
アンカー１１３は、バネ部分１１２ａを支持するために設けられており、下地領域に固定されている。図２に示した例では、８つのバネ部分１１２ａに対応して８つのアンカー１１３が設けられている。
【００１６】
捕捉及び解放機構１１４は、可動体１１１を捕捉し且つ捕捉された可動体１１１を解放して可動体１１１をｘ方向に自由振動させる機能を有している。捕捉及び解放機構１１４は、電極部分１１４ａ及びストッパー部分１１４ｂを含んでいる。電極部分１１４ａと可動体１１１との間に所定電圧を印加することで、電極部分１１４ａと可動体１１１との間に静電引力が働く。その結果、可動体１１１がストッパー部分１１４ｂにコンタクトした状態で静止し、可動体１１１が捕捉及び解放機構１１４に捕捉される。電極部分１１４ａと可動体１１１との間に印加されている電圧を下げて静電引力を減少させることで、可動体１１１が捕捉及び解放機構１１４から解放され、可動体１１１はｘ方向に自由振動を開始する。
【００１７】
ドライブ及びモニタ機構１１５は、電極部分１１５ａ及び電極部分１１５ｂを含み、可動体１１１に対するドライブ機能及びモニタ機能を有している。ドライブ機能は、ジャイロセンサシステムの電源をオンさせた直後の初期状態において可動体１１１を強制的にドライブする機能である。すなわち、電源オン直後の初期状態では、可動体１１１が捕捉及び解放機構１１４に捕捉されていない。このような初期状態において、電極部分１１５ａと電極部分１１５ｂとの間に所定電圧を印加することで、電極部分１１５ａと電極部分１１５ｂとの間に静電引力が働く。その結果、可動体１１１がドライブされ、可動体１１１を捕捉及び解放機構１１４に捕捉させることができる。モニタ機能は、ｘ方向に振動している可動体１１１のｘ方向の位置をモニタする機能である。電極部分１１５ａと電極部分１１５ｂとの間のキャパシタンスを検出することで、可動体１１１のｘ方向の位置をモニタすることができる。図２に示した例では、２つのドライブ及びモニタ機構１１５が設けられており、一方のドライブ及びモニタ機構１１５をドライブ用に用い、他方のドライブ及びモニタ機構１１５をモニタ用に用いることが可能である。
【００１８】
検出機構１１６及び振幅検出回路１２０（図１参照）を含む検出部では、バネ機構１１２によってｘ方向に自由振動している可動体１１１に働くコリオリ力に基づく可動体１１１のｙ方向の振動の振幅を検出する。以下、検出機構１１６及び振幅検出回路１２０について説明を加える。
【００１９】
検出機構１１６は、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅に基づく所定物理量を検出するものであり、電極部分１１６ａ及び電極部分１１６ｂを含んでいる。本実施形態では、所定物理量は、電極部分１１６ａと可動体１１１との間のキャパシタンスＣａ及び電極部分１１６ｂと可動体１１１との間のキャパシタンスＣｂに基づく物理量である。すでに述べたように、ｘ方向に自由振動している可動体１１１に回転運動が加わると、可動体１１１にはコリオリ力が働き、可動体１１１はｙ方向に振動する。その結果、上述したキャパシタンスＣａ及びＣｂが振動に応じて変化する。電極部分１１６ａ及び１１６ｂは下地領域に固定されているため、可動体１１１のｙ方向の振動によってキャパシタンスＣａ及びＣｂの一方が増加すると、キャパシタンスＣａ及びＣｂの他方は減少する。
【００２０】
検出機構１１６の電極部分１１６ａ及び１１６ｂには、図１に示した振幅検出回路１２０が接続されている。振幅検出回路１２０では、検出機構１１６で検出された所定物理量（キャパシタンスＣａ及びＣｂ）に基づいて、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅を検出する。すでに述べたように、キャパシタンスＣａ及びＣｂの一方が増加すると、キャパシタンスＣａ及びＣｂの他方は減少する。したがって、振幅検出回路１２０では、キャパシタンスＣａとキャパシタンスＣｂとの差分に基づいて、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅を検出することが可能である。
【００２１】
調整機構１１７及び調整信号発生回路１３０（図１参照）を含む調整部では、検出部（検出機構１１６及び振幅検出回路１２０）で検出された可動体１１１のｙ方向の振動の振幅に基づいて所定の調整を行う。具体的には、調整部では、後述するように、可動体１１１のｘ方向の振動の共振周波数（第１の共振周波数）と可動体１１１のｙ方向の振動の共振周波数（第２の共振周波数）とを一致させるように所定の調整を行う。以下、調整機構１１７及び調整信号発生回路１３０について説明を加える。
【００２２】
調整信号発生回路１３０では、検出部（検出機構１１６及び振幅検出回路１２０）で検出された可動体１１１のｙ方向の振動の振幅に基づいて、第１の共振周波数と第２の共振周波数とを一致させるための調整信号を発生する。具体的には、振幅検出回路１２０からの振幅情報が調整値取得回路１３１に入力される。調整値取得回路１３１では、振幅情報に基づいて調整値（補正値）が算出され、調整値が取得される。調整値取得回路１３１からの調整値情報は電圧発生回路１３２に入力し、第１の共振周波数と第２の共振周波数とを一致させるための電圧が発生する。
【００２３】
調整機構１１７では、調整信号発生回路１３０で発生した調整信号を受けて可動体１１１に対して所定の調整を行う。具体的には、電圧発生回路１３２で発生した電圧が調整信号として、調整機構１１７の電極部分１１７ａに印加される。電圧発生回路１３２で発生した電圧信号（調整信号）が調整機構１１７に印加されることで、可動体１１１の可動部１１１ｂの可動部１１１ａに対する向き（ｘｙ平面内における角度）が調整され、第１の共振周波数と第２の共振周波数とを一致させることができる。図２に示した例では、ジャイロ素子１１０に４つの調整機構１１７が含まれており、４つの調整機構１１７にはそれぞれ電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３及びＶ４が印加される。
【００２４】
回転角度取得回路（回転角度取得部）１４０では、調整部（調整機構１１７及び調整信号発生回路１３０）によって第１の共振周波数と第２の共振周波数とが一致するように調整された状態で検出された可動体１１１のｙ方向の振動の振幅に基づいて、可動体１１１の回転角度を取得する（算出する）。後述するように、第１の共振周波数と第２の共振周波数とが一致するように調整された状態で可動体１１１のｙ方向の振動の振幅を検出することで、可動体１１１の回転角度を直接的に取得することが可能である。
【００２５】
図３は、本実施形態に係るジャイロセンサシステム（ジャイロセンサユニット）におけるジャイロ素子の変更例の構成を模式的に示した平面図である。なお、本変更例のジャイロ素子の基本的な構成は、図２に示したジャイロ素子の構成と類似しているため、すでに説明した事項の説明は省略する。
【００２６】
図２に示したジャイロ素子（ＭＥＭＳ素子）１１０では、可動体（可動マス）１１１が、主としてｘ方向に振動可動な可動部１１１ａと、主としてｙ方向に振動可動な可動部１１１ｂとを含んでいた。本変更例のジャイロ素子（ＭＥＭＳ素子）１１０は、図３に示すように、ｘ方向の可動部とｙ方向の可動部とが一体となった可動体（可動マス）１１１を有している。そのため、バネ機構１１２も、バネ部分１１２ａのみによって構成されている。また、検出機構１１６（電極部分１１６ａ及び１１６ｂ）及び調整機構（電極部分１１７ａ）１１７の位置も図２の場合とは異なっている。
【００２７】
本変更例のジャイロ素子１１０の基本的な機能及び基本的な動作は、図２に示したジャイロ素子１１０と同様である。したがって、本変更例のジャイロ素子１１０を図１に示したジャイロセンサシステム２００（ジャイロセンサユニット１００）に適用することで、上述した実施形態と同様の動作を行うことが可能である。
【００２８】
次に、本実施形態に係るジャイロセンサシステムの原理について説明する。
【００２９】
回転角度を直接的に検出可能なジャイロセンサは、フーコー振り子の原理に基づくものである。バネ機構によって保持され、ｘ方向及びｙ方向に振動可能な可動体（マス）を想定する。ｘ方向の共振周波数及びｙ方向の共振周波数が互いに等しく、角共振周波数がωであるとする。
【００３０】
上述したような系において、可動体（マス）が角速度Ω(ｔ)で回転している場合の運動方程式は以下のように表される。
【００３１】
【数１】
2018163141.tif 000003
【００３２】
右辺は、コリオリ力の寄与を表している。
【００３３】
初期条件
【００３４】
【数２】
2018163141.tif 000004
【００３５】
を満たす解は、以下のようになる。
【００３６】
【数３】
2018163141.tif 000005
【００３７】
ただし、
【００３８】
【数４】
2018163141.tif 000006
【００３９】
である。Φは角速度Ωを積分したもの、すなわち角度である。
【００４０】
したがって、自由振動している可動体（マス）のｘｙ平面内における回転角を、以下の式
【００４１】
【数５】
2018163141.tif 000007
【００４２】
から求めれば、角度Φを直接的に求めることができる。
【００４３】
上述した手法は、回転角度を直接的に求めることができため、角速度を積分して回転角度を求める方法に比べて、精度を大幅に向上させることが可能である。しかしながら、上述した手法では、以下のような問題がある。
【００４４】
第１に、ｘ方向の共振周波数とｙ方向の共振周波数とを常に一致させる（マッチングさせる）ことが困難である。具体的には、製造ばらつきの影響を補償し、且つ温度が変化しても、共振周波数をマッチングさせておくことが困難である。第２に、上述したスキームは、可動体（マス）が自由振動している期間にのみ成立する。ダンピング効果等のエネルギー損失によって自由振動は必ず減衰するため、長時間にわたって継続的に測定することは困難である。
【００４５】
本実施形態では、以下のようにして、上述したような問題を解決している。
【００４６】
まず、本実施形態の前提として、ωの値が十分に大きく、ｒ<<１が成立するものとする。さらに、自由振動の時間ｔが小さく、角度Φが小さい場合には、
【００４７】
【数６】
2018163141.tif 000008
【００４８】
となる。したがって、ｘ方向に可動体（マス）を自由振動させ、ｙ方向の振幅をモニタすることにより角度Φを求めることができる。時間ｔが大きくなると、非線形効果が表れてくるために振幅がΦに比例しなくなってくるが、そのような状態になる前に捕捉してモニタを終了させれば問題はない。
【００４９】
本実施形態の可動体１１１の運動方程式は、以下のように表すことができる。
【００５０】
【数７】
2018163141.tif 000009
【００５１】
ｍx はｘ方向の可動体の質量であり、ｍy はｙ方向の可動体の質量である。なお、図３に示したように、ｘ方向の可動体とｙ方向の可動体とが一体となった構造である場合には、ｍx ＝ｍy である。また、ＫM は、以下のバネ行列
【００５２】
【数８】
2018163141.tif 000010
【００５３】
である。
【００５４】
バネ行列の非対角成分ｋxy及びｋyxは小さいことが望ましいが、製造ばらつきや温度依存の影響を受けるため、通常はゼロにはならない。以下の説明では、簡単のために、ダンピング係数（減衰係数）ｂx 及びｂy がゼロであるとする。Ｑ値が大きい場合には、この近似は妥当である。また、ｂx 及びｂy がゼロでない場合にも、以下の議論の本質に変わりはない。
【００５５】
図２において、Ｖ１＝Ｖ３、Ｖ２＝Ｖ４として、調整機構１１７に調整電圧Ｖ１及びＶ２を印加する。このように、調整機構１１７に調整電圧を印加することにより、静電引力によって実効的なバネ定数を変えることができる。静電引力による実効的なバネ定数の変化量は、
【００５６】
【数９】
2018163141.tif 000011
【００５７】
と表される。ここで、ｐ及びｑは、誘電率や電極間ギャップ等に依存する定数である[Yunfang Ni, Sensors 2014, 14, 20419-20438]。
【００５８】
/ＫM 、/ＫE 、及び、/Ｋを、以下の式
【００５９】
【数１０】
2018163141.tif 000012
【００６０】
で定義する。μはｘ方向（ドライブ方向）の角共振周波数であり、ωはｙ方向（センス方向）の角共振周波数である。この場合の運動方程式は、以下の式
【００６１】
【数１１】
2018163141.tif 000013
【００６２】
で表される。
【００６３】
上記の運動方程式の解を（Ω及びκ2 に関する）摂動により求めると、前述した初期条件を満たす解は、
【００６４】
【数１２】
2018163141.tif 000014
【００６５】
となる。ただし、
【００６６】
【数１３】
2018163141.tif 000015
【００６７】
である。
【００６８】
μ〜ω、κ〜０、の場合には、ｙは、
【００６９】
【数１４】
2018163141.tif 000016
【００７０】
となる。ここで、
【００７１】
【数１５】
2018163141.tif 000017
【００７２】
である。Δｆは、ｘ方向の共振周波数とｙ方向の共振周波数との差である。α(Δｆ)は、Δｆ＝０（μ＝ω）のときに最大値１となり、Δｆがゼロから離れると急速にゼロに近づく関数である。α(Δｆ)の具体的な形は、Ω(ｔ)によって決まる。
【００７３】
図４は、α(Δｆ)の一例を示した図である。具体的には、図４は、角速度入力が一定期間のみ与えられた場合の例である。
【００７４】
μ＝ω、κ2 ＝０、の場合には、ｙは、
【００７５】
【数１６】
2018163141.tif 000018
【００７６】
となる。これは、前述した式と同じ形であり、ｙ方向の振動の振幅から角度Φが求められることを意味している。Φを抽出するためには、ｙ方向の振動をモニタし、ローパスフィルタによって高周波成分（ωの寄与）を下げればよい。角度Φは、時間依存を有していてもよい。
【００７７】
以上のことから、ｙ方向の振動の振幅から角度Φを算出するためには、μ＝ω、κ2 ＝０、が成立する必要があることがわかる。これは、行列 /Ｋが、以下の形で表される必要であることを意味する。
【００７８】
【数１７】
2018163141.tif 000019
【００７９】
なお、(κ”)2 はゼロである必要はない。
【００８０】
本実施形態では、電圧Ｖ１及びＶ２を適切な電圧に調整し、行列 /ＫE を変化させることにより、上述したような行列 /Ｋが得られるようにしている。２つのパラメータ（Ｖ１、Ｖ２）があるため、上述したような行列 /Ｋを得ることは可能である。
【００８１】
上述したような方法を採用することにより、可動部の構造の対称性を極度に高める（可動部のｘ方向のパターンとｙ方向のパターンとの同一性を極度に高める）必要がない。したがって、通常のＭＥＭＳ製造プロセスを用いて、低コストでジャイロセンサ素子を製造することができる。また、温度等の動作環境が変化しても、電圧Ｖ１及びＶ２を適切に調整することで、常に行列 /Ｋを上述した形（/Ｋ＝/ＫJ ）に維持することができる。すなわち、行列 /Ｋをアダプティブに調整することが可能である。
【００８２】
次に、上述した条件（/Ｋ＝/ＫJ ）を得るための方法を説明する。すなわち、Ｖ１及びＶ２を決める方法について説明する。
【００８３】
まず、
【００８４】
【数１８】
2018163141.tif 000020
【００８５】
上式を考慮すると、
【００８６】
【数１９】
2018163141.tif 000021
【００８７】
上式において、振幅Ａm の傾き（ｄＡm(ｔ)／ｄｔ）が最小になるようにＶ１及びＶ２を決めれば、κ2 ＝０、が成立する。また、α(Δｆ)が最大のときに、Δｆ＝０（μ＝ω）となる。したがって、振幅Ａm が最大となるようにＶ１及びＶ２を決定すれば、Δｆ＝０（μ＝ω）という条件を得ることができる。
【００８８】
以上のことから、本実施形態のジャイロセンサでは、以下の２つの条件を満たすことが重要である。
【００８９】
第１の条件は、「μ＝ω」が成立することである。すなわち、可動体１１１のｘ方向の振動の角共振周波数μと可動体１１１のｙ方向の振動の角共振周波数ωとを一致させること（可動体１１１のｘ方向の振動の第１共振周波数と可動体１１１のｙ方向の振動の第２共振周波数とを一致させること）である。具体的には、検出部（検出機構１１６及び振幅検出回路１２０）で検出された可動体１１１のｙ方向の振動の振幅に基づいて、第１の共振周波数と第２の共振周波数とを一致させるように、調整部（調整機構１１７及び調整信号発生回路１３０）で調整を行う。また、このような条件を成立させるためには、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅Ａm が最大となるようにする。具体的には、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅Ａm が最大となるように、調整信号発生回路１３０によって調整信号（調整電圧Ｖ１及びＶ２）を発生する。
【００９０】
第２の条件は、「κ2 ＝０」が成立することである。すなわち、バネ機構１１２による可動体１１１のｘ及びｙ方向の振動を規定するバネ行列において、バネ行列における非対角成分のうち可動体１１１のｙ方向の運動を規定する成分κ2 がゼロとなるようにすることである。具体的には、バネ行列における非対角成分κ2 がゼロとなるように、調整信号発生回路１３０によって調整信号（調整電圧Ｖ１及びＶ２）を発生する。また、このような条件を成立させるためには、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅Ａm の時間的変化が最小となるように、調整信号発生回路１３０によって調整信号（調整電圧Ｖ１及びＶ２）を発生する。すなわち、振幅Ａm の傾き（ｄＡm(ｔ)／ｄｔ）が最小になるように調整信号を発生する。
【００９１】
第１の条件（μ＝ω）を満たすＶ１及びＶ２を求めることと、第２の条件（κ2 ＝０）を満たすＶ１及びＶ２を求めることとは、同時に行うようにしてもよいし、時間をずらして行うようにしてもよい。時間をずらす場合には、最初に決めた最適値を壊さないようにするために、以下の条件を満たすようにする。
【００９２】
κ2 ＝０を満たす条件を決めた後に、μ＝ωを満たす条件を決める場合には、μ＝ωを満たすＶ１及びＶ２を探索している最中は、（Ｖ12−Ｖ22）の値を一定値（最初に決めた値）に保つ。一方、μ＝ωを満たす条件を決めた後に、κ2 ＝０を満たす条件を決める場合には、κ2 ＝０を満たすＶ１及びＶ２を探索している最中は、（Ｖ12＋Ｖ22）の値を一定値（最初に決めた値）に保つ。
【００９３】
次に、検出部（検出機構１１６及び振幅検出回路１２０）で検出動作を行うタイミングについて説明する。
【００９４】
すでに述べたように、検出部（検出機構１１６及び振幅検出回路１２０）では、上述した第１及び第２の条件を満たす調整を行うための振幅検出と、実際の測定を行うため（回転角度を取得するため）の振幅検出とを行う。基本的には、これらの調整用の振幅検出動作及び測定用の振幅検出動作はいずれも、可動体１１１が捕捉及び解放機構１１４から解放されて可動体１１１が自由振動している解放期間の最中に行われる。以下、具体的に説明する。
【００９５】
図５は、調整用の振幅検出動作及び測定用の振幅検出動作の第１の具体例を示した図である。捕捉期間と解放期間とが一定周期で繰り返されており、時刻ｔ０からｔ２までが解放期間である。図６〜８に示した第２〜第４の具体例についても同様である。
【００９６】
第１の具体例では、解放期間（ｔ０からｔ２）において、調整期間（ｔ０からｔ１）と測定期間（ｔ１からｔ２）とが別々に設けられている。調整期間では、上述した第１の条件（μ＝ω）及び第２の条件（κ2 ＝０）を満たす調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を同時に探索する。測定期間では、調整期間中に決定された調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を維持した状態で調整動作を行う。なお、点Ｐは、ｙ方向の振幅Ａm の傾き（ｄＡm(ｔ)／ｄｔ）が最小になる点を示している。
【００９７】
図６は、調整用の振幅検出動作及び測定用の振幅検出動作の第２の具体例を示した図である。
【００９８】
第２の具体例でも、解放期間（ｔ０からｔ２）において、調整期間（ｔ０からｔ１）と測定期間（ｔ１からｔ２）とが別々に設けられている。ただし、本具体例では、調整期間が、第１の調整期間（ｔ０からｔ０ａ）と第２の調整期間（ｔ０ａからｔ１）とに分かれている。例えば、第１の調整期間で第１の条件（μ＝ω）を満たす調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を探索し、第２の調整期間で第２の条件（κ2 ＝０）を満たす調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を探索する。逆に、第１の調整期間で第２の条件（κ2 ＝０）を満たす調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を探索し、第２の調整期間で第１の条件（μ＝ω）を満たす調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を探索するようにしてもよい。測定期間では、調整期間中に決定された調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を維持した状態で調整動作を行う。
【００９９】
図７は、調整用の振幅検出動作及び測定用の振幅検出動作の第３の具体例を示した図である。
【０１００】
第３の具体例では、第１の調整期間（ｔ０からｔ１）、第２の調整期間（ｔ０からｔ２）及び測定期間（ｔ１からｔ２）が設けられている。例えば、第１の調整期間で第１の条件（μ＝ω）を満たす調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を探索し、第２の調整期間で第２の条件（κ2 ＝０）を満たす調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を探索する。逆に、第１の調整期間で第２の条件（κ2 ＝０）を満たす調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を探索し、第２の調整期間で第１の条件（μ＝ω）を満たす調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を探索するようにしてもよい。本具体例では、測定期間中にも第２の調整期間が設けられている。そのため、測定期間の最中にも調整動作が行われる。したがって、測定期間中に最適条件が変動するような場合には、本具体例の方法が効果的である。
【０１０１】
図８は、調整用の振幅検出動作及び測定用の振幅検出動作の第４の具体例を示した図である。
【０１０２】
第４の具体例では、調整期間（ｔ０からｔ２）及び測定期間（ｔ１からｔ２）が設けられている。調整期間では、第１の条件（μ＝ω）及び第２の条件（κ2 ＝０）を満たす調整電圧（Ｖ１及びＶ２）を同時に探索する。また、本具体例では、測定期間中にも調整期間が設けられているため、測定期間の最中にも調整動作が行われる。したがって、測定期間中に最適条件が変動するような場合には、本具体例の方法が効果的である。
【０１０３】
なお、上述した第１〜第４の具体例において、可動体１１１が捕捉及び解放機構１１４に捕捉された後に、可動体１１１のｙ方向の振動が強制的に減衰させられるようにしてもよい。図５〜図８に示した例では、時刻ｔ２後の捕捉期間において、ｙ方向の振動の振幅が強制的に減衰している。このような動作は、ｙ方向の振幅Ａm をゼロにするような電圧Ｖ１及びＶ２をフォースフィードバックによってチューニングすることで実現可能である。このように、ｙ方向の振動を強制的に減衰させることで、次の解放期間が開始するまでｙ方向のセンス振動が継続することを防止することができる。なお、この強制的な減衰は、後述するダンピング係数調整機構によって実現させてもよい。
【０１０４】
次に、本実施形態のジャイロセンサシステムの第１の変更例について説明する。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【０１０５】
図９は、本変更例に係るジャイロセンサシステムの基本的な構成（概念）を示した図である。本変更例では、ジャイロセンサシステム２００が、図１に示したジャイロセンサユニット１００と同様の構成を有する２つのジャイロセンサユニット１００ａ及び１００ｂを含んでいる。
【０１０６】
図１０は、本変更例に係るジャイロセンサシステムの基本的な動作を示した図である。
【０１０７】
図１０に示すように、第１のジャイロセンサユニット１００ａ及び第２のジャイロセンサユニット１００ｂそれぞれは、可動体１１１がｘ方向に自由振動している振動期間（解放期間）と可動体１１１の振動が停止している振動停止期間（捕捉期間）とを交互に有している。また、ジャイロセンサユニット１００ａ及び１００ｂの振動期間（解放期間）は順次且つ連続的に生じている。言い換えると、ジャイロセンサユニット１００ａの振動期間（解放期間）とジャイロセンサユニット１００ｂの振動期間（解放期間）とが互いに補完するように設定されている。
【０１０８】
また、本変更例では、第１のジャイロセンサユニット１００ａの振動期間（解放期間）と第２のジャイロセンサユニット１００ｂの振動期間（解放期間）とは、互いにオーバーラップしている。オーバーラップ期間において、第１のジャイロセンサユニット１００ａの角度情報と第２のジャイロセンサユニット１００ｂの角度情報をマッチングさせるようにしてもよい。また、オーバーラップ期間中に、すでに述べたような調整期間を設けるようにしてもよい。
【０１０９】
なお、図９及び図１０に示した例では、ジャイロセンサシステム２００が２つのジャイロセンサユニット１００ａ及び１００ｂを含んでいたが、ジャイロセンサシステム２００が３つ以上のジャイロセンサユニット１００を含んでいてもよい。
【０１１０】
また、図１に示した振幅検出回路１２０、調整信号発生回路１３０及び回転角度取得回路１４０を、ジャイロセンサシステム２００に含まれる複数のジャイロセンサユニット１００で共用するようにしてもよい。
【０１１１】
上述したように、本変更例では、複数のジャイロセンサユニット１００を設け、複数のジャイロセンサユニット１００それぞれは、可動体１１１がｘ方向に自由振動している振動期間（解放期間）と可動体１１１の振動が停止している振動停止期間（捕捉期間）とを交互に有しており、複数のジャイロセンサユニット１００の振動期間（解放期間）が順次且つ連続的に生じるようにしている。このように、振動期間（解放期間）が連続的に設定されているため、間断無く連続的な測定を行うことが可能である。これにより、回転角度の検出精度を向上させることができる。
【０１１２】
また、本変更例では、複数のジャイロセンサユニット１００を設けることで、１つのジャイロセンサユニット１００の振動期間を短くすることができる。仮に、ジャイロセンサシステム２００を１つのジャイロセンサユニット１００で構成したとすると、１つのジャイロセンサユニット１００の振動期間を長く設定する必要がある。角速度が一定の場合には、振動の振幅が単調に増加するため、振動期間を長く設定すると、振幅が大きくなり過ぎてしまう。本変更例では、１つのジャイロセンサユニット１００の振動期間を短くすることができるため、そのような問題を防止することができる。例えば、角速度が１０００ｄｅｇ／ｓｅｃであるとした場合、１ｍｓで１ｄｅｇ、１０ｍｓで１０ｄｅｇしか回転しない。したがって、回転範囲を「ｓｉｎΦ〜Φ」の線形近似が成立し得る範囲内に制限することができる。
【０１１３】
なお、本変更例において、複数のジャイロセンサユニット１００にそれぞれ含まれる可動体１１１の向きを互いに揃えることが好ましい。すなわち、複数のジャイロセンサユニット１００それぞれにおけるｘ方向（第１の方向）が互いに同一であり、複数のジャイロセンサユニット１００それぞれにおけるｙ方向（第２の方向）が互いに同一であることが好ましい。このような構成を採用することで、複数のジャイロセンサユニット１００でドライブ振動が同一方向になる。そのため、１つのジャイロセンサユニット１００に含まれる可動体１１１のドライブ振動によるノイズが、他のジャイロセンサユニット１００のセンス動作に悪影響を与えることを防止することができる。
【０１１４】
また、複数のジャイロセンサユニット１００は、同一のチップ内に設けてもよいし、別々のチップ内に設けてもよい。
【０１１５】
次に、本実施形態に係るジャイロセンサシステム２００の種々の動作例について説明する。
【０１１６】
図１１は、本実施形態に係るジャイロセンサシステム２００の第１の動作例を示した図である。なお、本動作例は、主として図９に示したジャイロセンサシステムに適用可能である。
【０１１７】
本動作例では、１つのジャイロセンサユニット１００の可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が増加して所定値よりも大きくなったときに、他の１つのジャイロセンサユニット１００の可動体１１１のｘ方向の振動が開始されるようにしている。図１１では、第１のジャイロセンサユニット１００ａの可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が所定値（Ａｍａｘ）よりも大きくなったときに、第２のジャイロセンサユニット１００ｂの可動体１１１のｘ方向の振動が開始される場合について示している。また、本動作例では、オーバーラップ期間が経過した後に、一方の可動体１１１を捕捉して振動を停止させている。本動作例のような制御方法を用いることで、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が過度に増大することを防止することができる。
【０１１８】
また、一方の可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が所定値（Ａｍａｘ）よりも大きくなる前に、予め決められた最大振動期間（最大解放期間）が経過した場合には、予め決められた最大振動期間（最大解放期間）が経過した後に、他方の可動体１１１のｘ方向の振動を開始させる。すなわち、本動作例では、実際に振動する振動期間（解放期間）をＴＲ、予め決められた最大振動期間（最大解放期間）をＴＲｍａｘ、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が所定値（Ａｍａｘ）に達するまでの期間をＴＡｍａｘとすると、ＴＲは、ＴＲｍａｘ及びＴＡｍａｘのいずれか小さい方になる。すなわち、
ＴＲ＝ｍｉｎ｛ＴＲｍａｘ，ＴＡｍａｘ｝
となる。
【０１１９】
図１２は、本実施形態に係るジャイロセンサシステム２００の第２の動作例を示した図である。なお、本動作例は、主として図１及び図９に示したジャイロセンサシステムに適用可能である。
【０１２０】
本動作例では、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が増加して所定値よりも大きくなったときに、回転角度を取得するための振幅の検出が行われる。図１２では、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が増加して所定値（Ａｍｉｎ）よりも大きくなったときに、回転角度を取得するための測定期間が開始される。回転角度が非常に小さい場合には、角度Φの値はほぼゼロであり、振幅Ａｍが極めて小さな値となる。振幅Ａｍが測定システムのノイズレベルに近づくと、測定精度が悪化する。本動作例では、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が所定値（Ａｍｉｎ）よりも大きくなったときに測定期間が開始されるので、測定精度の悪化を防止することができる。
【０１２１】
なお、本動作例では、以下に述べるように、可動体１１１の振動の振幅を強制的に増加させるようにしてもよい。
【０１２２】
第１の方法では、調整期間において、κ2 の値を調整し、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が所定値（Ａｍｉｎ）よりも大きくなるようにする。κ2 ＞０の場合には、
【０１２３】
【数２０】
2018163141.tif 000022
【０１２４】
が成立する。したがって、本方法が可能であることは明らかである。なお、κ2 ＝０となる電圧Ｖ１及びＶ２の条件は予め見つけておき、レジスタに記憶させておく。
【０１２５】
第２の方法では、図１３に示すように、回転機構１５０を設け、ジャイロ素子１１０を強制的に回転させる。このように、回転機構１５０によってジャイロ素子１１０を強制的に回転させることで、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が所定値（Ａｍｉｎ）よりも大きくなるようにする。
【０１２６】
図１４は、本実施形態に係るジャイロセンサシステム２００の第３の動作例を示した図である。なお、本動作例は、主として図９に示したジャイロセンサシステムに適用可能である。
【０１２７】
本動作例では、１つのジャイロセンサユニット１００の可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が減少して所定値よりも小さくなったときに、他の１つのジャイロセンサユニット１００の可動体１１１のｘ方向の振動が開始される。図１４では、第１のジャイロセンサユニット１００ａの可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が所定値（Ａｍｉｎ）よりも小さくなったときに、第２のジャイロセンサユニット１００ｂの可動体１１１のｘ方向の振動が開始される場合を示している。また、本動作例では、オーバーラップ期間が経過した後に、一方の可動体１１１を捕捉して振動を停止させている。本動作例のような制御方法を用いることで、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が極めて小さい状態で測定が行われることを防止することができ、測定精度の悪化を防止することができる。
【０１２８】
また、一方の可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が所定値（Ａｍｉｎ）よりも小さくなる前に、予め決められた最大振動期間（最大解放期間）が経過した場合には、予め決められた最大振動期間（最大解放期間）が経過した後に、他方の可動体１１１のｘ方向の振動を開始させる。すなわち、本動作例では、実際に振動する振動期間（解放期間）をＴＲ、予め決められた最大振動期間（最大解放期間）をＴＲｍａｘ 、可動体１１１のｙ方向の振動の振幅が所定値（Ａｍｉｎ）よりも小さくなるまでの期間をＴＡｍｉｎとすると、ＴＲは、ＴＲｍａｘ及びＴＡｍｉｎのいずれか小さい方になる。すなわち、
ＴＲ＝ｍｉｎ｛ＴＲｍａｘ，ＴＡｍｉｎ｝
となる。
【０１２９】
図１５は、本実施形態の係るジャイロセンサシステム２００の第４の動作例を示した図である。なお、本動作例は、主として図１及び図９に示したジャイロセンサシステムに適用可能である。
【０１３０】
本動作例では、ジャイロセンサユニット１００の可動体１１１に対して、ｙ方向の振動の振幅Ａｍが一定となるように制御される。具体的には、ｙ方向の振動の振幅が一定となるようにフィードバック制御される。このような制御方法を用いることにより、最適な振幅レベルでセンス動作を行うことができるため、高精度の測定を行うことが可能となる。なお、振幅Ａｍを一定値に保つ方法としては、κ2 の値を調整する方法、図１３に示したような回転機構１５０を用いる方法、等がある。前者の方法では、振幅Ａｍを一定値に保つためのκ2 の値から、角度Φの情報を逆算することが可能である。
【０１３１】
次に、本実施形態のジャイロセンサシステムの第２の変更例について説明する。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【０１３２】
図１６は、本変更例に係るジャイロセンサシステムの基本的な構成（概念）を示した図である。本変更例では、ジャイロセンサシステム２００が、ジャイロセンサユニット１００ａ、１００ｂ及び１００ｃを備えている。ジャイロセンサユニット１００ａ及び１００ｂはいずれも、図１に示したジャイロセンサユニット１００と同様の構成を有している。すなわち、ジャイロセンサユニット１００ａ及び１００ｂでは、可動体の回転角度が直接的に取得される。ジャイロセンサユニット１００ａ及び１００ｂの基本的な動作は、図９及び図１０に示した第１の変更例の動作と同様である。第２のジャイロセンサユニット１００ｃは、第２のジャイロセンサユニットに含まれる可動体の角速度を取得するものである。
【０１３３】
ジャイロセンサユニット１００ａ及び１００ｂで取得された角度Φを微分することで角速度Ωを算出することが可能であるが、第２のジャイロセンサユニット１００ｃによって角速度Ωを直接的に検出することで、演算量を低減することができる。また、角度Φ及び角速度Ωの両者を取得し、両者の整合をとることで、角度Φ及び角速度Ωの精度を向上させることも可能である。
【０１３４】
なお、複数の第２のジャイロセンサユニットを設けてもよいし、第２のジャイロセンサユニットとして３軸ジャイロセンサを用いてもよい。
【０１３５】
次に、本実施形態のジャイロセンサシステムの第３の変更例について説明する。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【０１３６】
図１７は、本変更例に係るジャイロセンサシステムの基本的な構成（概念）を示した図である。本変更例では、ジャイロセンサシステム２００が、３つのジャイロセンサユニット１００ｘ、１００ｙ及び１００ｚを備えている。ジャイロセンサユニット１００ｘはジャイロセンサユニット１００ａｘ及び１００ｂｘを含んでおり、ジャイロセンサユニット１００ｙはジャイロセンサユニット１００ａｙ及び１００ｂｙを含んでおり、ジャイロセンサユニット１００ｚはジャイロセンサユニット１００ａｚ及び１００ｂｚを含んでいる。ジャイロセンサユニット１００ａｘ、１００ｂｘ、１００ａｙ、１００ｂｙ、１００ａｚ及び１００ｂｚはいずれも、図１に示したジャイロセンサユニット１００と同様の構成を有しており、可動体の回転角度が直接的に取得される。ジャイロセンサユニット１００ｘ、１００ｙ及び１００ｚそれぞれの基本的な動作は、図９及び図１０に示した第１の変更例と同様である。
【０１３７】
本変更例に係るジャイロセンサシステムは、３軸ジャイロセンサとして用いられる。すなわち、ジャイロセンサユニット１００ｘはｘ軸を回転中心とする回転角度の検出を行い、ジャイロセンサユニット１００ｙはｙ軸を回転中心とする回転角度の検出を行い、ジャイロセンサユニット１００ｚはｚ軸を回転中心とする回転角度の検出を行う。言い換えると、３つのジャイロセンサユニット１００ｘ、１００ｙ及び１００ｚにおいて、上述した実施形態で規定した第１の方向は互いに垂直であり、上述した実施形態で規定した第２の方向は互いに垂直である。
【０１３８】
本変更例において、互いに連結された３軸ジャイロ構造（例えば、パンタグラフ型の３軸ジャイロ構造）を採用してもよい。この場合、ドライブ振動の周波数ｆｄと、３つのセンス振動の周波数ｆｓｘ、ｆｓｙ及びｆｓｚとが等しくなるようにしてもよい。すなわち、ｆｄ＝ｆｓｘ＝ｆｓｙ＝ｆｓｚ、となるように設定してもよい。
【０１３９】
なお、上述した実施形態において、ダンピング係数（減衰係数）ｂx 及びｂy がゼロでない場合には、ｘ方向及びｙ方向の振幅はそれぞれ、ｅｘｐ（−ｂxｔ／２）及びｅｘｐ（−ｂyｔ／２）に基づいて減衰する。角度情報及び角速度情報を取得する際に、このような減衰効果を補正してもよい。例えば、ｙ方向の振幅の測定値ｙobs に対して、
【０１４０】
【数２１】
2018163141.tif 000023
【０１４１】
という補正を行えば、減衰の影響が除去された値ｙc(ｔ)が得られる。
【０１４２】
また、上述した実施形態において、ダンピング係数（減衰係数）ｂx 及びｂy の非対称性が存在すると、角度ドリフトが発生することが知られている[Igor P. Prikhodko, et.al., “Foucault pendulum on a chip: Rate integrating silicon MEMS gyroscope”, Sensors and Actuators A 177 (2012) 67-78]。そこで、角度ドリフトを抑制するために、以下に示すように、ダンピング係数調整機構を設けるようにしてもよい。
【０１４３】
図１８は、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第１の構成例を模式的に示した図である。
【０１４４】
第１の構成例では、キャパシタンスＣ１を有する一方の可変キャパシタ１１８（電極対１１８ａ及び１１８ｂ）とキャパシタンスＣ２を有する他方の可変キャパシタ１１８（電極対１１８ａ及び１１８ｂ）とが、可変抵抗Ｒを介して接続できるようになっている。これらの２つの可変キャパシタ１１８には、スイッチＳＷ１を介して可変電圧Ｖを供給できるようになっている。スイッチＳＷ１及びＳＷ２をともにオンにして、２つの可変キャパシタ１１８に可変電圧Ｖを充電した後、スイッチＳＷ１のみをオフにすると、２つの可変キャパシタ１１８が可変抵抗Ｒを介して接続された状態になる。可動部（マス）１１１が変位すると、キャパシタンスＣ１及びＣ２が変化し、可変キャパシタ１１８に蓄積されている電荷が可変抵抗Ｒを通って移動する。その結果、可変抵抗Ｒで熱エネルギーが発生し、これがダンピングの役割を果たす。
【０１４５】
キャパシタンスＣ１及びＣ２は、可動部１１１の位置ｘを用いて、
【０１４６】
【数２２】
2018163141.tif 000024
【０１４７】
と表すことができる。
【０１４８】
スイッチＳＷ１をオフした後、Δｔの期間中に可動部１１１がΔｘ変位したとすると、移動した電荷量は
【０１４９】
【数２３】
2018163141.tif 000025
【０１５０】
となる。このとき、可変抵抗Ｒで消費されるエネルギーは、
【０１５１】
【数２４】
2018163141.tif 000026
【０１５２】
となる。したがって、可変抵抗Ｒによるダンピング力は、
【０１５３】
【数２５】
2018163141.tif 000027
【０１５４】
となる。これは、以下のダンピング係数
【０１５５】
【数２６】
2018163141.tif 000028
【０１５６】
を有するダンピング力が働いていることを意味する。このダンピング係数は、可変電圧Ｖ及び可変抵抗Ｒによって変更可能である。したがって、可変電圧Ｖ及び可変抵抗Ｒの値を調整することで、ダンピング係数の非対称性をなくすことが可能である。
【０１５７】
なお、ダンピング係数ｂとダンピングの時定数τとの間には、τ＝２ｍ／ｂの関係がある。ｍは可動部の質量である。したがって、ダンピング係数ｂを調整することは、ダンピングの時定数τを調整することと同じことである。
【０１５８】
図１９は、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第２の構成例を模式的に示した図である。
【０１５９】
第２の構成例では、ｘ方向及びｙ方向のいずれに対してもダンピング係数調整機構が採用されている。スイッチＳＷｘ２或いはＳＷｙ２の一方をオフにすると、可変抵抗によるダンピングの影響をなくすことができる。これにより、例えば、捕捉期間中にのみダンピング機構を機能させることで、不要振動の発生を抑制することができる。具体的には、測定が行われる解放期間中では、スイッチＳＷｘ１ａ、ＳＷｘ１ｂ、ＳＷｙ１ａ及びＳＷｙ１ｂをオン状態にし、スイッチＳＷｘ２及びＳＷｙ２はオフ状態にする。捕捉期間中では、スイッチＳＷｘ１ａ、ＳＷｘ１ｂ、ＳＷｙ１ａ及びＳＷｙ１ｂをオフ状態にし、スイッチＳＷｘ２及びＳＷｙ２はオン状態にする。解放期間直後の不要振動を抑制するために、解放期間後の一定期間では、捕捉期間中のスイッチ状態と同じスイッチ状態を継続させるようにしてもよい。
【０１６０】
図２０は、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第３の構成例を模式的に示した図である。
【０１６１】
第３の構成例では、可変抵抗Ｒが固定キャパシタンスを有するキャパシタＣに接続されている。すなわち、可変抵抗Ｒが、可動体１１１の変位に応じてキャパシタンスが変化する可変キャパシタ１１８と、固定キャパシタンスを有するキャパシタＣとの間に接続されている。可動体１１１が変位したときに、可変キャパシタ１１８に蓄積された電荷の一部が可変抵抗Ｒを通過する。このときのエネルギー損失により、可動体１１１のダンピング係数が調整される。
【０１６２】
なお、可変抵抗の代わりに固定抵抗を採用し、可変電圧Ｖのみによってダンピング係数を調整するようにしてもよい。この場合、可変キャパシタはスイッチを介して可変電圧源に接続されており、可変電圧源の電圧値を調整することによって可変キャパシタの蓄積電荷量を制御する。これによって、ダンピング係数を調整することが可能である。
【０１６３】
図２１は、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第４の構成例を模式的に示した図である。
【０１６４】
第４の構成例では、可動体１１１に付随して設けられた第１のキャパシタ１１９と、電圧源（可変電圧源）Ｖｃと、第１のキャパシタ１１９と電圧源Ｖｃとの間に接続された抵抗（可変抵抗）Ｒとを含むダンピング係数調整機構が設けられている。ダンピング係数調整機構により、抵抗Ｒの抵抗値及び電圧源Ｖｃの電圧値の少なくとも一方に基づいて可動体１１１のダンピング係数を調整することが可能である。第１のキャパシタ１１９は、互いに対向する一対の櫛歯電極１１９ａ及び１１９ｂによって構成されている。本構成例では、抵抗Ｒを含むノードに電圧源Ｖｃが接続されているため、リークの影響を受け難いという利点がある。また、スイッチＳＷを設けなくてもよい。以下、本構成例について説明を加える。
【０１６５】
可動体１１１の質量をｍ、バネ定数をｋ、第１のキャパシタ１１９のキャパシタンスをＣ1 、電圧源Ｖｃの電圧をＶ1 とすると、運動方程式は、
【０１６６】
【数２７】
2018163141.tif 000029
【０１６７】
となる。
【０１６８】
また、抵抗Ｒを含むノードでのオームの法則は、
【０１６９】
【数２８】
2018163141.tif 000030
【０１７０】
となる。
【０１７１】
上記の連立方程式は、抵抗Ｒに関する摂動の１次までで表すと、
【０１７２】
【数２９】
2018163141.tif 000031
【０１７３】
と等価になる。ただし、
【０１７４】
【数３０】
2018163141.tif 000032
【０１７５】
はダンピング係数である。
【０１７６】
以上のことから明らかなように、本構成例も、ダンピング係数の調整が可能である。ｘ方向及びｙ方向のダンピング時定数の逆数のミスマッチ量をΔ（１／τ）とすると、
【０１７７】
【数３１】
2018163141.tif 000033
【０１７８】
が成り立つように抵抗Ｒの値及び電圧Ｖ2 の値を調整すればよい。
【０１７９】
なお、第１のキャパシタ１１９として、櫛歯電極の代わりに平行平板電極を用いると、式Ａ１の右辺がｘ依存性を持つ。そのため、ダンピング係数に加えて、共振周波数も変化してしまう。したがって、共振周波数の変化を抑制したい場合には、櫛歯電極を採用することが好ましい。
【０１８０】
図２２は、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第５の構成例を模式的に示した図である。なお、基本的な事項は上述した第４の構成例と類似しているため、第４の構成例で述べた事項の説明は省略する。
【０１８１】
本構成例では、第１のキャパシタ１１９の一方と電圧源Ｖｃとの間に抵抗Ｒ１が接続され、第１のキャパシタ１１９の他方と電圧源Ｖｃとの間に抵抗Ｒ２が接続されている。本構成例では、式Ａ３に対応する式の右辺をゼロにすることができる。このことは、可動体１１１の釣り合い位置が電圧印加によってずれないことを意味する。
【０１８２】
図２３は、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第６の構成例を模式的に示した図である。なお、基本的な事項は上述した第４の構成例と類似しているため、第４の構成例で述べた事項の説明は省略する。
【０１８３】
本構成例では、リング状の可動体２１１が用いられており、リングの中心にアンカー２１３が設けられている。可動体２１１とアンカー２１３とは、バネ機構２１２によって接続されている。可動体２１１は、ｘ方向及びｙ方向に可動である。
【０１８４】
可動体２１１の周囲には、ホールド電極２１４、第１のキャパシタ２１５及び第２のキャパシタ２１６が設けられている。ホールド電極２１４は、可動体２１１を捕捉するための電極であり、捕捉及び解放機構を構成する。第１のキャパシタ２１５は、すでに説明した第１のキャパシタ１１９と同様の機能を有しており、ダンピング係数を調整するために用いられる。第１のキャパシタ２１５は、第１のキャパシタ１１９と同様に、櫛歯電極によって形成されている。第２のキャパシタ２１６は、第１の共振周波数と第２の共振周波数とを一致させるために用いられ、平行平板電極によって形成されている。
【０１８５】
ダンピング係数は、第１のキャパシタ（櫛歯型キャパシタ）２１５に接続された抵抗Ｒ（Ｒ１〜Ｒ８）及び電圧Ｖｃ（Ｖｃ１〜Ｖｃ８）によって調整することができる。共振周波数は、第２のキャパシタ（平行平板型キャパシタ）２１６に供給される電圧Ｖｐ（Ｖｐ１〜Ｖｐ８）によって調整することができる。
【０１８６】
このように、本構成例によれば、第１のキャパシタ（櫛歯型キャパシタ）２１５及び第２のキャパシタ（平行平板型キャパシタ）２１６を用いることにより、ダンピング係数の調整及び共振周波数の調整を共に実行することができる。
【０１８７】
図２４は、ダンピング係数調整機構を有するジャイロセンサシステムの第７の構成例を模式的に示した図である。なお、基本的な事項は上述した第４及び第６の構成例と類似しているため、第４及び第６の構成例で述べた事項の説明は省略する。
【０１８８】
本構成例では、第１のキャパシタ（櫛歯型キャパシタ）２１５及び第２のキャパシタ（平行平板型キャパシタ）２１６の少なくとも一方が可動体２１１の変位量を検出する変位量検出回路２２０に接続されている。変位量検出回路２２０は、ＣＶ変換回路及びＡＤ変換回路等によって構成されている。図２４に示した例では、第１のキャパシタ（櫛歯型キャパシタ）２１５の一部が変位量検出回路２２０に接続されている。
【０１８９】
以下、上述した実施形態の内容を付記する。
[付記１]
第１の方向及び第１の方向に対して垂直な第２の方向に振動可能な可動体と、
前記可動体を前記第１及び第２の方向に振動させるバネ機構と、
前記バネ機構によって前記第１の方向に自由振動している前記可動体に働くコリオリ力に基づく前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅を検出することができる検出部と、
前記検出部で検出された前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅に基づいて、前記可動体の前記第１の方向の振動の第１の共振周波数と前記可動体の前記第２の方向の振動の第２の共振周波数とを一致させるように調整を行う調整部と、
前記調整部によって前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数とが一致するように調整された状態で検出された前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅に基づいて、前記可動体の回転角度を取得する回転角度取得部と、
を備えるジャイロセンサユニットを少なくとも１つ備える
ことを特徴とするジャイロセンサシステム。
[付記２]
前記調整部は、
前記検出部で検出された前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅に基づいて、前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数とを一致させるための調整信号を発生する調整信号発生回路と、
前記調整信号発生回路で発生した調整信号を受けて前記可動体の調整を行う調整機構と、
を備える
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサシステム。
[付記３]
前記調整信号発生回路は、前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅が最大となるように前記調整信号を発生する
ことを特徴とする付記２に記載のジャイロセンサシステム。
[付記４]
前記バネ機構による前記可動体の前記第１及び第２の方向の振動はバネ行列によって規定され、
前記調整信号発生回路は、前記バネ行列における非対角成分のうち前記可動体の前記第２の方向の運動を規定する成分がゼロとなるように前記調整信号を発生する
ことを特徴とする付記２に記載のジャイロセンサシステム。
[付記５]
前記調整信号発生回路は、前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅の時間的変化が最小となるように前記調整信号を発生する
ことを特徴とする付記２に記載のジャイロセンサシステム。
[付記６]
前記第１及び第２の方向に対して垂直で且つ前記可動体のパターンの中心を通る軸を中心として前記可動体を９０度回転させたときに、回転前の前記可動体のパターンと回転後の前記可動体のパターンとは一致しない
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサシステム。
[付記７]
前記ジャイロセンサユニットは、前記可動体を捕捉し且つ捕捉された前記可動体を解放して前記可動体を前記第１の方向に自由振動させる捕捉及び解放機構をさらに備える
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサシステム。
[付記８]
前記検出部は、前記調整を行うための前記振幅の検出及び前記回転角度を取得するための前記振幅の検出を、前記可動体が前記捕捉及び解放機構から解放されて前記可動体が自由振動している期間の最中に行う
ことを特徴とする付記７に記載のジャイロセンサシステム。
[付記９]
前記可動体が前記捕捉及び解放機構に捕捉された後に前記可動体の前記第２の方向の振動が強制的に減衰させられる
ことを特徴とする付記７に記載のジャイロセンサシステム。
[付記１０]
複数の前記ジャイロセンサユニットを備え、
前記複数のジャイロセンサユニットのそれぞれは、前記可動体が前記第１の方向に自由振動している振動期間と前記可動体の振動が停止している振動停止期間とを交互に有し、
前記複数のジャイロセンサユニットの１つが前記振動停止期間にあるときに、前記複数のジャイロセンサユニットの他の１つが前記振動期間にある
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサシステム。
[付記１１]
前記複数のジャイロセンサユニットそれぞれの前記第１の方向は互いに同一であり、前記複数のジャイロセンサユニットそれぞれの前記第２の方向は互いに同一である
ことを特徴とする付記１０に記載のジャイロセンサシステム。
[付記１２]
１つの前記ジャイロセンサユニットの前記振動期間と他の１つの前記ジャイロセンサユニットの前記振動期間とは互いにオーバーラップしている
ことを特徴とする付記１０に記載のジャイロセンサシステム。
[付記１３]
１つの前記ジャイロセンサユニットの可動体の前記第２の方向の振動の振幅が増加して所定値よりも大きくなったときに、他の１つの前記ジャイロセンサユニットの可動体の前記第１の方向の振動が開始される
ことを特徴とする付記１０に記載のジャイロセンサシステム。
[付記１４]
１つの前記ジャイロセンサユニットの可動体の前記第２の方向の振動の振幅が減少して所定値よりも小さくなったときに、他の１つの前記ジャイロセンサユニットの可動体の前記第１の方向の振動が開始される
ことを特徴とする付記１０に記載のジャイロセンサシステム。
[付記１５]
前記可動体の前記第２の方向の振動の振幅が増加して所定値よりも大きくなったときに、前記回転角度を取得するための前記振幅の検出が行われる
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサシステム。
[付記１６]
前記可動体は、前記第２の方向の振動の振幅が一定となるように制御される
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサシステム。
[付記１７]
第２のジャイロセンサユニットに含まれる可動体の角速度を取得する第２のジャイロセンサユニットをさらに備える
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサシステム。
[付記１８]
３つの前記ジャイロセンサユニットを備え、
前記３つのジャイロセンサユニットの第１の方向は互いに垂直であり、前記３つのジャイロセンサユニットの第２の方向は互いに垂直である
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサシステム。
[付記１９]
前記可動体の変位に応じてキャパシタンスが変化する可変キャパシタと、前記可変キャパシタに接続された抵抗と、を含むダンピング係数調整機構をさらに備え、
前記ダンピング係数調整機構は、前記可動体の変位によって前記可変キャパシタに蓄積された電荷の一部が前記抵抗を通過する際に生じるエネルギー損失に基づいて前記可動体のダンピング係数を調整する
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサシステム。
[付記２０]
前記ダンピング係数調整機構は、可変電圧源と、前記可変キャパシタと前記可変電圧源との間に接続されたスイッチと、をさらに含み、
前記可変キャパシタの蓄積電荷量は、前記可変電圧源の電圧を調整することによって制御される
ことを特徴とする付記１９に記載のジャイロセンサシステム。
[付記２１]
前記可動体に付随して設けられた第１のキャパシタと、電圧源と、前記第１のキャパシタと前記電圧源との間に接続された抵抗と、を含むダンピング係数調整機構をさらに備え、
前記ダンピング係数調整機構は、前記抵抗の抵抗値及び前記電圧源の電圧値の少なくとも一方に基づいて前記可動体のダンピング係数を調整する
ことを特徴とする付記１に記載のジャイロセンサシステム。
[付記２２]
前記第１のキャパシタは、互いに対向する一対の櫛歯電極によって形成されている
ことを特徴とする付記２１に記載のジャイロセンサシステム。
[付記２３] 
前記調整部は、前記可動体に付随して設けられ且つ前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数とを一致させるために用いられる平行平板型の第２のキャパシタをさらに備える
ことを特徴とする付記２２に記載のジャイロセンサシステム。
[付記２４]
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタの少なくとも一方に接続され、前記可動体の変位量を検出する変位量検出部をさらに備える
ことを特徴とする付記２３に記載のジャイロセンサシステム。
【０１９０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１９１】
１００…ジャイロセンサユニット      １１０…ジャイロ素子
１１１…可動体      １１２…バネ機構      １１３…アンカー
１１４…捕捉及び解放機構      １１５…ドライブ及びモニタ機構
１１６…検出機構      １１７…調整機構      １１８…可変キャパシタ
１１９…第１のキャパシタ１１９
１２０…振幅検出回路      １３０…調整信号発生回路
１３１…調整値取得回路      １３２…電圧発生回路
１４０…回転速度取得回路      １５０…回転機構
２００…ジャイロセンサシステム
２１１…可動体      ２１２…バネ機構
２１３…アンカー      ２１４…ホールド電極
２１５…第１のキャパシタ      ２１６…第２のキャパシタ
２２０…変位量検出回路
【図１】
2018163141.tif 000034
【図２】
2018163141.tif 000035
【図３】
2018163141.tif 000036
【図４】
2018163141.tif 000037
【図５】
2018163141.tif 000038
【図６】
2018163141.tif 000039
【図７】
2018163141.tif 000040
【図８】
2018163141.tif 000041
【図９】
2018163141.tif 000042
【図１０】
2018163141.tif 000043
【図１１】
2018163141.tif 000044
【図１２】
2018163141.tif 000045
【図１３】
2018163141.tif 000046
【図１４】
2018163141.tif 000047
【図１５】
2018163141.tif 000048
【図１６】
2018163141.tif 000049
【図１７】
2018163141.tif 000050
【図１８】
2018163141.tif 000051
【図１９】
2018163141.tif 000052
【図２０】
2018163141.tif 000053
【図２１】
2018163141.tif 000054
【図２２】
2018163141.tif 000055
【図２３】
2018163141.tif 000056
【図２４】
2018163141.tif 000057