(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの質量素子と、駆動アクチュエータと、複数の検知電極と、ジャイロスコープ制御回路とを備える微小電気機械ジャイロスコープであって、
前記駆動アクチュエータは、駆動信号振幅および駆動信号周波数を有する駆動信号により制御され、
前記少なくとも２つの質量素子は、前記駆動アクチュエータによって駆動されることにより主軸に沿って駆動振動周波数ωＤで振動運動し、
前記複数の検知電極は、前記少なくとも２つの質量素子の前記主軸に直交する副軸に沿って前記振動運動から検知信号を生成し、
前記駆動アクチュエータは、前記少なくとも２つの質量素子間の前記副軸の方向における距離が、各駆動振動周期において２つの最大値および２つの最小値を示すよう、前記少なくとも２つの質量素子を前記主軸に沿って線形に逆位相で駆動し、前記少なくとも２つの質量素子は、２つのレバーにより、互いに物理的に接続されており、
前記検知信号は、コリオリの効果に起因する前記周波数ωＤを持つ第１の成分と、駆動振動運動により誘起される周波数２ωＤを持つ第２の成分とを有し、
前記ジャイロスコープ制御回路は、検知信号振幅を前記周波数２ωＤで検出する振幅検出部を備える
微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項２】
少なくとも２つの質量素子と、駆動アクチュエータと、複数の検知電極と、ジャイロスコープ制御回路とを備える微小電気機械ジャイロスコープであって、
前記駆動アクチュエータは、駆動信号振幅および駆動信号周波数を有する駆動信号により制御され、
前記少なくとも２つの質量素子は、前記駆動アクチュエータによって駆動されることにより主軸の回りを駆動振動周波数ωＤで振動運動し、
前記複数の検知電極は、前記少なくとも２つの質量素子の前記主軸に直交する副軸の回りの前記振動運動から検知信号を生成し、
前記駆動アクチュエータは、前記複数の検知電極の一つと前記少なくとも２つの質量素子の一つの、前記主軸の方向における重複領域が、各駆動振動周期において２つの最小値および２つの最大値を示すよう、前記少なくとも２つの質量素子を前記主軸の回りに回転させて駆動し、
前記検知信号は、コリオリの効果に起因する前記周波数ωＤを持つ第１の成分と、駆動振動運動により誘起される周波数２ωＤを持つ第２の成分とを有し、
前記ジャイロスコープ制御回路は、検知信号振幅を前記周波数２ωＤで検出する振幅検出部を備える
微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項３】
前記ジャイロスコープ制御回路は、さらに、前記検知信号振幅を前記周波数ωＤで検出する振幅検出部を備える
請求項１または２に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項４】
前記ジャイロスコープ制御回路は、さらに、前記周波数２ωＤで検出された前記検知信号振幅に基づいて、前記駆動信号振幅を調節する振幅制御部を備える
請求項１または２に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項５】
前記振幅制御部は、検出された前記検知信号振幅を参照検知信号振幅と比較する
請求項４に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項６】
前記ジャイロスコープ制御回路は、
前記検知信号を前記周波数２ωＤで復調するための位相ロックループと、
前記位相ロックループで設定された周波数を半分の周波数に分割する分周器とを備え、
前記ジャイロスコープ制御回路は、前記駆動信号周波数を前記半分の周波数に設定する信号発生器に、前記半分の周波数を供給する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項７】
前記ジャイロスコープは、
検出された前記検知信号振幅、調節された前記駆動信号振幅、または、前記位相ロックループで設定された周波数が、セルフテストの許容範囲外になった場合、セルフテストが不合格であることを示す信号を出力するセルフテスト監視部を備える
ことを特徴とする請求項６に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項８】
少なくとも２つの質量素子と、ジャイロスコープ制御回路と、複数の検知電極と、駆動信号振幅および駆動信号周波数を有する駆動信号により制御される駆動アクチュエータとを備える微小電気機械ジャイロスコープの操作方法であって、
前記少なくとも２つの質量素子は、主軸に沿って駆動振動周波数ωＤで振動運動するように前記駆動アクチュエータによって駆動され、
前記複数の検知電極は、前記少なくとも２つの質量素子の前記主軸に直交する副軸に沿って前記振動運動から検知信号を生成し、
前記駆動アクチュエータは、前記少なくとも２つの質量素子間の前記副軸の方向における距離が、各駆動振動周期において２つの最大値および２つの最小値を示すよう、前記少なくとも２つの質量素子を前記主軸に沿って線形に逆位相で駆動し、前記少なくとも２つの質量素子は、２つのレバーにより、互いに物理的に接続されており、
前記検知信号は、コリオリの効果に起因する前記周波数ωＤを持つ第１の成分と、駆動振動運動により誘起される周波数２ωＤを持つ第２の成分とを有し、
前記ジャイロスコープ制御回路において、検知信号振幅が周波数２ωＤで検出される
方法。
【請求項９】
少なくとも２つの質量素子と、複数の検知電極と、ジャイロスコープ制御回路と、駆動信号振幅および駆動信号周波数を有する駆動信号により制御される駆動アクチュエータとを備える微小電気機械ジャイロスコープの操作方法であって、
前記少なくとも２つの質量素子は、前記駆動アクチュエータによって駆動されることにより主軸の回りを駆動振動周波数ωＤで振動運動し、
前記複数の検知電極は、前記少なくとも２つの質量素子の前記主軸に直交する副軸の回りの前記振動運動から検知信号を生成し、
前記駆動アクチュエータは、前記複数の検知電極の一つと前記少なくとも２つの質量素子の一つの、前記主軸の方向における重複領域が各駆動振動周期において２つの最小値および２つの最大値を示すよう、前記少なくとも２つの質量素子を前記主軸の回りに回転させて駆動し、
前記検知信号は、コリオリの効果に起因前記する周波数ωＤを持つ第１の成分と、駆動振動運動により誘起される周波数２ωＤを持つ第２の成分とを獲得し、
前記ジャイロスコープ制御回路において、検知信号振幅が前記周波数２ωＤで検出される
方法。
【請求項１０】
第２検知信号振幅が前記周波数ωＤで検出される
請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記周波数２ωＤで検出した前記検知信号振幅に基づいて、前記駆動信号振幅が調節される
請求項８〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記検知信号振幅が参照検知信号振幅と比較される
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
位相ロックループにおいて、前記検知信号が前記周波数２ωＤで復調され、
分周器において、前記位相ロックループで設定された周波数が半分の周波数に分割され、
前記駆動信号周波数を前記半分の周波数に設定する信号発生器に、前記半分の周波数が供給される
請求項８〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
検出された前記検知信号振幅がセルフテスト監視部に供給され、
調節された前記駆動信号振幅が前記セルフテスト監視部に供給され、
前記位相ロックループで設定された周波数が前記セルフテスト監視部に供給され、
検出された前記検知信号振幅、調節された前記駆動信号振幅、または、前記位相ロックループで設定された前記周波数が、セルフテストの許容範囲外になった場合、セルフテストが不合格であることを示す信号が、前記セルフテスト監視部より出力される
請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型微小電気機械（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）ジャイロスコープおよびその動作の連続監視に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳジャイロスコープは、コリオリの効果を利用して角速度を計測する。振動型ＭＥＭＳジャイロスコープにおいて、質量素子は作動駆動力により駆動されて振動運動する。この振動を本開示において「駆動振動」と呼ぶが、当該振動は、線形振動、回転振動のいずれでもよい。図１は、駆動されて主軸ａ１沿いに線形振動する質量を示す図であり、図２は、駆動されて主軸ａ２沿いに回転振動する質量を示す図である。両図において、黒い実線矢印が駆動振動を示す。作動駆動力は、例えば、静電アクチュエータ、磁気アクチュエータ、または、圧電アクチュエータで生成することができる。
【０００３】
微小電気機械ジャイロスコープは、少なくとも２自由度で質量素子が動くことを可能にするばね構造により１以上の質量素子が接続される参照フレームを備えていてもよい。参照フレームは、典型的には質量素子を囲むように配置される。参照フレームおよび質量素子は、典型的には相互に関連して電気計測を行うためのものである。質量素子は、参照フレームが規定する面内または参照フレームが規定する面外で振動することができる。
【０００４】
駆動振動中の質量素子を含むジャイロスコープが、主軸と平行でない副軸の回りを角回転速度Ωで角回転するとき、質量素子はコリオリの力に影響を受ける。コリオリの力は、角回転速度ベクトルおよび質量素子速度ベクトルの大きさと方向とによって定められる。駆動振動中の質量素子は、振動コリオリの力を受ける。この力により質量素子は、主軸に直交する副軸に沿ってまたは当該副軸の回りを振動する。副軸沿いのまたは副軸回りの振動を、本開示において「検知振動」と呼ぶ。
【０００５】
図１および図２において、白い矢印が角回転速度Ωを示し、灰色の矢印が検知振動を示す。検知振動は、図１では軸ａ３沿いの線形振動であり、図２では軸ａ３回りの回転振動である。つまり、副軸は、図１と図２の両図においてａ３である。検知振動は、固定の参照フレームに関連して、容量検知、圧電検知、または、ピエゾ抵抗検知によって検出されてもよい。この検出から生じる電気信号を、本開示において「検知信号」と呼ぶ。
【０００６】
本開示において、「検知振動振幅」とは、ジャイロスコープの質量素子が検知振動する際に、質量素子が静止位置からずれる最大限の範囲を意味する用語である。また、「駆動振動振幅」とは、ジャイロスコープの質量素子が駆動振動する際に、質量素子が静止位置からずれる最大限の範囲を意味する用語である。図１および図２から明らかなように、検知振動振幅および駆動振動振幅はどちらも、線形距離、角度のいずれでもよい。
【０００７】
これに対応して、本開示における「検知振動周波数」と「駆動振動周波数」とは、質量素子が検知振動するときの周波数および駆動振動するときの周波数をそれぞれ意味する用語である。記号ωＤは、本開示における駆動振動周波数を表す。検知振動周波数が駆動振動周波数に等しいまたは非常に近い値になるように、フレームと、質量素子と、ばねとを設計してもよい。
【０００８】
ひとつの駆動アクチュエータで複数の質量素子を駆動することができる。駆動運動は、すべての質量素子に同時に伝達される。複数の質量素子の容量監視を同時に行うことで、様々な差分容量の計測が容易になる。差分容量の計測は、単方向計測よりもノイズが少ない。なぜならば、差分容量の計測では、（角速度から生じる）検知振動を（他の振動または加速から生じる）追加容量信号からより明確に分離することができるからである。明確に分離するための一手段としては、複数の質量素子を逆位相で駆動することである（例えば、ひとつの質量がａ１軸沿いの正の方向に動くとき別の質量を負の方向に駆動し、ひとつの質量がａ１軸沿いの負の方向に動くとき別の質量を正の方向に駆動する）。これら質量素子の検知振動も逆位相になる（一方の質量がａ３軸沿いの正の方向に動くとき他方の質量は負の方向に動き、一方の質量がａ３軸沿いの負の方向に動くとき他方の質量は正の方向に動く）。（角速度から生じる）差分モード検知振動を、両方の質量がａ３軸沿いの同じ方向に動く（他の振動または加速から生じる）共通モード運動から、明確に区別することができる。
【０００９】
複数の質量素子から得られる更なる利点は、複数の質量素子がジャイロスコープの中心に対して対称に配置され、適切な位相において振動するよう設定されている場合、ジャイロスコープの中心回りの（駆動運動から生じる）振動内部角運動量を回避できることである。
【００１０】
図３は、中心に位置する駆動アクチュエータ３３が、隣接する２つの質量素子３１および３２を駆動し線形駆動振動させるＭＥＭＳジャイロスコープを示す図である。図４は、中心に位置する駆動アクチュエータ４３が、隣接する２つの質量素子４１および４２を駆動し回転駆動振動させるＭＥＭＳジャイロスコープを示す図である。どちらのジャイロスコープにおいても、２つの質量素子は逆位相で振動するよう駆動されることが典型的であるため、質量素子３１が左に動くときは質量素子３２が右に動き、質量素子４１が時計回りに回転するときは質量素子４２が反時計回りに回転する。
【００１１】
駆動アクチュエータは、例えば、隣接する櫛形電極に振動駆動電圧を与えることで、当該櫛形電極の間に振動静電力が生成される容量櫛形駆動であってもよい。この振動電圧を、本開示では駆動信号と呼ぶ。駆動信号は、駆動信号振幅と駆動信号周波数とを有する。アクチュエータによって駆動信号周波数が質量素子に直接伝達されるため、駆動振動周波数ωＤは駆動信号周波数に追随する。これに対応して、駆動信号振幅により駆動振動振幅が定まる。つまり、駆動振動周波数の値は、駆動信号周波数を調節することにより変更することができ、駆動振動振幅の値は、駆動信号振幅を調節することにより変更することができる。通常、駆動信号周波数を、駆動運動中の質量素子の共振周波数に等しいまたは非常に近い値に設定することで、共振ゲインにより振動振幅を最大限にする。
【００１２】
駆動振動は上記の方法で駆動信号により設定されるが、検知振動はより複雑な運動である。振動を構成する一要素は、駆動振動振幅とコリオリの力の強さとによって定まる。検知振動は、本開示の［発明を実施するための形態］で記載されるように、他の要素も有してもよい。ジャイロスコープの設計における一目的は、駆動振動振幅を可能な限り一定に維持することである。意図しない駆動振動振幅の変化や、検出されない駆動振動振幅の変化により、ジャイロスコープの感度が変化し、計測結果に誤りが生じる。
【００１３】
駆動振動振幅が長期間厳密に一定にならない原因は多数存在する。熱膨張は駆動振動の仕組みに変化をもたらすこともあるため、温度は重要な要素のひとつである。温度変化は、動いている質量素子に対して周囲ガスが加える動圧にも影響を与える。よって、温度変化に合わせて駆動振動振幅を維持するために、駆動信号電圧を増減しなければならないこともある。
【００１４】
温度変化に合わせてジャイロスコープの感度を一定に維持するには、温度入力に基づいて駆動振動振幅を意図的に変更してもよい。この温度補正の範囲は、温度較正手順においてあらかじめ定めておかなければならない。駆動振動振幅の調節は、計測結果を温度補正要素でスケールする数値的な温度補正の補完として行うことも、代替として行うことも、可能である。
【００１５】
駆動振動の仕組みは、動作中に予期せず発生する様々な欠陥によっても変化することがある。ジャイロスコープの作動部分またはそれらを接合させる接着剤において製造不良または機械的摩耗が発生すると、ジャイロスコープの動作に対して、徐々にまたは突然に影響を与えることがある。よって、振動型微小電気機械ジャイロスコープは、駆動振動振幅を監視するための計測の仕組みを備えていることが一般的である。そのような仕組みは、上記の温度較正手順にも必要である。
【００１６】
自装置の駆動振動振幅および周波数を連続的に計測することにより、駆動信号を自動的に調節して予期せぬ振幅変化を補償するまたは温度補正を行う振動型微小電気機械ジャイロスコープをプログラムすることができる。駆動振動振幅の乱れが激しく補償を行うことができない場合、ジャイロスコープは、自装置の動作不良を外部回路に報告することもできる。
【００１７】
米国特許第８８２０１３６号明細書（特許文献１）は、セルフテスト機能を有する微小電気機械ジャイロスコープを開示している。質量素子は、駆動軸Ｘに沿って線形振動するよう駆動される。質量素子は、直交する検知軸Ｙの方向に動くことも可能である。セルフテスト機能は、質量素子および固定フレームに設けられる専用のセルフテスト電極を用いて実行される。振動駆動信号は、駆動振動よりも低いセルフテスト周波数を有する振動セルフテスト信号に変換される。このセルフテスト信号は、Ｙ方向に質量素子に対して働く振動力を生み出す。そして、質量素子のＹ方向の運動から計測される信号を、駆動振動周波数で連続的に復調し、コリオリの効果の影響を計測する。また、セルフテスト周波数でも復調し、ジャイロスコープが正しく動作しているかを監視する。この従来技術の解決手段では、セルフテスト励振機器およびセルフテスト励振アクチュエータを別に設ける必要があるという問題がある。よって、このセルフテスト機能を有するジャイロスコープでは、セルフテスト機能を有しないジャイロスコープよりも、大きなチップ面積を必要とし、大きな電流を消費する。また、励振機器およびアクチュエータを追加することで、煩雑さも増し、計測エラーの原因にもなり得る。
【００１８】
米国特許出願公開第２０１５／０２１１８５３号明細書（特許文献２）も、セルフテスト機能を有する微小電気機械ジャイロスコープを開示している。本文献では、線形駆動アクチュエータが、検知質量において回転振動を発生させる。セルフテスト機能は、駆動振動を連続的に監視するための検知電極を別に備えることで実行される。この解決手段では、駆動振動を監視するために電極と回路とを追加する必要があるという問題がある。さらに、駆動信号と駆動監視信号との間にクロストークが発生するリスクがあり、これにより、計測エラーが起きるリスクが高まる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第８８２０１３６号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１５／０２１１８５３号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１２／１２０１９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本開示は、従来技術の上記課題を解決するまたは少なくとも軽減するための微小電気機械ジャイロスコープおよび関連する方法を提供することを目的とする。本開示の目的は、独立請求項に記載される内容により特徴付けられる仕組みおよび方法によって達成される。本開示のより好ましい実施の形態は、従属請求項に開示される。本開示は、角回転速度計測および駆動振動振幅の監視の両方に検知信号を利用するという発想に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために、本開示の一態様に係る微小電気機械ジャイロスコープは、少なくとも１つの質量素子と、駆動アクチュエータと、複数の検知電極と、ジャイロスコープ制御回路とを備える微小電気機械ジャイロスコープであって、前記駆動アクチュエータは、駆動信号振幅および駆動信号周波数を有する駆動信号により制御され、前記少なくとも１つの質量素子は、前記駆動アクチュエータによって駆動されることにより駆動振動周波数ωＤで振動運動し、前記複数の検知電極は、前記少なくとも１つの質量素子の前記振動運動から検知信号を生成し、前記ジャイロスコープ制御回路は、検知信号振幅を周波数２ωＤで検出する振幅検出部を備える。
【００２２】
また、本開示の一態様に係る微小電気機械ジャイロスコープの操作方法は、少なくとも１つの質量素子と、ジャイロスコープ制御回路と、駆動信号振幅および駆動信号周波数を有する駆動信号により制御される駆動アクチュエータとを備える微小電気機械ジャイロスコープの操作方法であって、前記少なくとも１つの質量素子は、駆動振動周波数ωＤで振動運動するように前記駆動アクチュエータによって駆動され、前記少なくとも１つの質量素子の前記振動運動から検知信号が生成され、前記ジャイロスコープ制御回路において、検知信号振幅が周波数２ωＤで検出される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、質量が駆動により線形振動するＭＥＭＳジャイロスコープの基本動作原理を示す図である。
【図２】図２は、質量が駆動により回転振動するＭＥＭＳジャイロスコープの基本動作原理を示す図である。
【図３】図３は、２つの質量素子が駆動により線形振動するＭＥＭＳジャイロスコープを示す図である。
【図４】図４は、２つの質量素子が駆動により回転振動するＭＥＭＳジャイロスコープを示す図である。
【図５】図５は、本開示に記載される計測および監視機能を実行するためのジャイロスコープ制御回路を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、第１の例示的ジャイロスコープを示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、第１の例示的ジャイロスコープを示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、第１の例示的ジャイロスコープを示す図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、第１の例示的ジャイロスコープを示す図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、第１の例示的ジャイロスコープを示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、第２の例示的ジャイロスコープを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、第２の例示的ジャイロスコープを示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、第２の例示的ジャイロスコープを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
従来技術から既知であるように、検知信号を駆動振動周波数ωＤで復調することにより、振動ジャイロスコープにおいて角回転速度を検出することができる。本開示で提示する発想は、同じ検知信号を駆動振動周波数の倍の周波数、すなわち２ωＤで復調することにより、駆動振動振幅を監視してもよいというものである。すでに述べたように、駆動振動周波数ωＤは共振周波数であるため、倍の周波数を本開示では第２高調波周波数と名付ける。
【００２５】
第２高調波周波数で周期的な検知信号成分は、以下に示す例示的なジャイロスコープ構造で生成される。基本的な発想は、検知した電気量が、各駆動振動期間において純粋に駆動依存した２つの最大値を示すようにジャイロスコープを構成することである。すなわち、コリオリの効果から完全に独立した検知信号成分であって、第２高調波周波数で振動するためコリオリ誘起検知信号成分から容易に区別可能な検知信号成分を連続的に生成するように、ジャイロスコープが構成される。コリオリの効果に誘起される検知信号成分は、上述のとおり、通常は駆動振動（共振）周波数ωＤで振動する。
【００２６】
よって、本開示の装置では、検知信号は少なくとも２つの成分を有する。第１の成分はコリオリの効果に起因する成分であり、その周波数は共振周波数ωＤである。第２の成分は、駆動振動運動により誘起される成分であり、下記［例示的ジャイロスコープ］の箇所で記載される構造上の特性に起因する成分である。その周波数は第２高調波周波数２ωＤである。第１の成分の振幅をコリオリ振幅と名付け、第２の成分の振幅を第２高調波振幅と名付ける。「検知信号振幅」は、コリオリ振幅および第２高調波振幅の両方を含む、検知信号から定まるいずれの振幅も意味する用語として使用する。
【００２７】
本開示では、少なくとも１つの質量素子と、ジャイロスコープ制御回路と、駆動信号振幅および駆動信号周波数を有する駆動信号により制御される駆動アクチュエータとを備える微小電気機械ジャイロスコープの操作方法を記載する。この方法において、前記少なくとも１つの質量素子は、前記駆動アクチュエータによって駆動されることにより駆動振動周波数ωＤで振動運動する。前記少なくとも１つの質量素子の前記振動運動から検知信号を生成し、前記ジャイロスコープ制御回路において、検知信号振幅を周波数２ωＤで検出する。
【００２８】
本開示の仕組みおよび方法から得られる効果は、コリオリの力の影響を検知するためにすでに備えられている検知装置（検知電極および検知回路）のみを用いて、駆動振動振幅を監視および調節できることである。駆動振動監視専用の計測電極と、これらから得る駆動振動計測値を読むための電気回路とを追加することは不要である。セルフテスト検知振動を誘起するための駆動アクチュエータを別に設けることも不要である。
【００２９】
これにより、従来技術から既知の解決手段よりも電流消費が低く、かつ、より面積が小さく、よりシンプルな回路のＭＥＭＳジャイロスコープで、連続的な駆動振動振幅の調節やセルフテストを行うことができる。計測エラーを引き起こし得る原因の数が低減される。また、別の駆動振動計測回路を採用した従来技術の解決手段では、駆動信号と駆動振動計測信号との間にクロストークが発生することが多い。本開示の仕組みおよび方法では、駆動振動を駆動信号周波数とは異なる周波数で監視するため、クロストークが除去される。
【００３０】
図５は、本開示に係るジャイロスコープ制御回路の一例を示す図である。ジャイロスコープ制御回路は、駆動振動振幅を連続的に監視し、必要に応じて当該振幅を調節する。ＭＥＭＳジャイロスコープ５０１の検知振動は、複数のセンサ５０４で計測してもよい。これらのセンサは、容量センサ、圧電センサのいずれでもよい。センサ信号は、アナログ−デジタルコンバータ５０５により増幅させ、デジタル信号に変換させることができる。次に、増幅された信号を、２つの復調器５１２、５１３により駆動振動周波数ωＤで復調することができ、２つの復調器５１１、５２２により第２高調波周波数２ωＤで復調することができる。それぞれの復調器ペア５１２＋５１３および５１１＋５２２は、他の実施の形態においては、上記の周波数で動作する復調器ひとつのみに置き換えることができる。ジャイロスコープ５０１が直交補償を必要としない場合、復調器５１３を備えなくてもよい。
【００３１】
復調器５１１、ループフィルタ５１８、および、電圧制御発振器（ＶＣＯ）５１９は、位相ロックループを形成する。ＶＣＯ５１９は、クロック発振器から最初のクロック信号（ＩＣＬＫ）を受け取ることができ、復調器５１１に供給される第１周期クロック信号（ＣＬＫ＿２Ｆ）を生成する。復調器５１１は、ＣＬＫ＿２Ｆの位相を入力検知信号の位相と比較する位相検出器を備える。第１クロック信号ＣＬＫ＿２Ｆは、その位相が検知信号の位相と一致するまで、ループフィルタ５１８を介して調節される。そして、ＣＬＫ＿２Ｆの半分の周波数で第２クロック信号ＣＬＫ＿Ｆを生成する分周器５２０に、ＶＣＯから第１クロック信号ＣＬＫ＿２Ｆを供給することができる。
【００３２】
２つのクロック信号ＣＬＫ＿Ｆは、復調器５１２および５１３に供給される。復調器５１２は、検知信号をＣＬＫ＿Ｆにより定められる周波数で復調し、フィルタシステム５１５、較正部５１６、およびシリアル周辺インターフェース（ＳＰＩ）５１７に検知信号を供給する。ここで、較正部５１６では、レートオフセットおよび温度依存感度の補正を適用してもよい。復調器５１２とフィルタシステム５１５とで、振幅検出部５２４を構成する。この検出部は、コリオリ振幅を検出する。第１クロック信号ＣＬＫ＿２Ｆが分周器５２０により二等分されたため、復調器５１２は、復調器５１１の半分の周波数で動作する。または、振幅検出部５２４は、ＣＬＫ＿Ｆの周波数で動作するバンドパスフィルタ、および、対応する検知信号振幅を検出するためのピーク検出器、あるいは検知信号からコリオリ振幅を抽出するための他の手段を備えてもよい。
【００３３】
ジャイロスコープ制御回路は、直交補償を行ってもよい。直交信号はコリオリの力により誘起される信号に直交するため、復調器５１３に供給されるクロック信号ＣＬＫ＿Ｆは、この場合、復調器５１２に供給されるクロック信号に対して９０ｏ位相シフトされる。復調器５１３は、検知信号をＣＬＫ＿Ｆにより定められる周波数で復調し、計測信号を直交補償制御部５１４に供給する。直交補償制御部５１４は、補償電極５０６に信号を送る。ジャイロスコープ５０１が直交補償を必要としない場合、この直交補償制御の経路を省略してもよい。
【００３４】
第２高調波振幅は、振幅検出部５２３において検出される。図５に示す実施の形態では、振幅検出部５２３は、検知信号を、位相ロックループ５１１−５１８−５１９で設定されたＣＬＫ＿２Ｆの周波数で復調する復調器５２２を備える。図５では、振幅検出部５２３は、高次高調波からリップルを除去するためのローパスフィルタ５１０も備える。または、振幅検出部５２３は、ＣＬＫ＿２Ｆの周波数で動作するバンドパスフィルタ、および、対応する検知信号振幅を検出するためのピーク検出器、あるいは検知信号から第２高調波振幅を抽出するための他の手段を備えてもよい。
【００３５】
検出された第２高調波振幅を、振幅制御部５０９に供給することができる。振幅制御部５０９は、計測された第２高調波振幅を参照値と比較する振幅比較回路を備える。これら２つの差分は、調節された駆動信号振幅が算出される比例積分方式（ＰＩコントローラ）で典型的に実現される制御回路に供給される。
【００３６】
参照値は、装置を作動させる前に選択された値、装置を作動させた後に得られた以前の計測結果、または、最初の固定値と以前得られた計測結果との組み合わせでもよい。参照値は、典型的には、製造プロセスに含まれる較正手順において選択され、不揮発性メモリに格納される。
【００３７】
振幅比較に基づき、振幅制御部５０９は、駆動信号発生器５０８に対して、駆動信号振幅を調節値に設定するよう指示する。振幅制御部５０９は、（ＣＬＫ＿Ｆで実行される）正弦波励振の振幅の制御、または、好ましくは駆動電圧の平均（ＤＣ）値の制御を行うことができる。次に、デジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）５０３を介して、駆動信号を駆動アクチュエータ５０２に供給することができ、これにより駆動振動振幅は、調節された新しい値になる。計測された駆動振動振幅がこの範囲外になった場合のみ調節を行うことで、駆動振動振幅の値を所定の範囲内に維持してもよい。
【００３８】
検出された第２高調波振幅および調節された駆動信号振幅のどちらも、デジタル耐性チェック回路を備えるセルフテスト監視部５２１に供給することができる。ループフィルタ５１８からの周波数ＬＯＯＰＦも、セルフテスト監視部５２１に供給することができる。セルフテスト監視部は、第２高調波振幅、調節された駆動信号振幅、および、駆動振動周波数を連続的に読み取る。これらの値のいずれかが、あらかじめ設定されたセルフテストの許容範囲外になった場合、監視部は不合格となったセルフテストを外部回路に報告することで、この特定のジャイロスコープの構成要素の使用を継続しないようにする。
【００３９】
図５を用いて、本開示の装置および方法の効果をより詳細に説明する。まず、セルフテスト専用の励振回路または励振アクチュエータを追加する必要がない。ジャイロスコープは、通常の駆動振動を引き起こすためにすでに備えているアクチュエータ部のみ、および検知振動を計測するためにすでに備えているセンサのみを用いて、連続セルフテスト機能を実行することができる。
【００４０】
よって、本開示の装置および方法は、より小さなデバイス面積とよりシンプルな回路を用いつつ、駆動振動振幅を検出するための計測電極を別に備えたセルフテストの仕組みと同じ目的を達成できる。駆動振動振幅を検出するための別のセンサは、この信号のための前置増幅器とＡＤコンバータとの追加を必要とする。これの代わりに、本開示の装置および方法は、検知振動振幅と駆動振動振幅との両方に関する情報をひとつの検知信号から取り出す。検知振動振幅は、駆動共振周波数ωＤで復調することで取り出され、駆動振動振幅は、第２高調波周波数２ωＤで取り出される。異なる周波数で振動するこれらの重複検知信号成分は、容易にかつ確実に、互いに区別することができる。
【００４１】
増幅ゲインの変化や検知信号の一部が完全に遮断されるワイヤボンディングの失敗など、他の欠陥を検出するためにも、本開示の装置および方法を用いることができる。これらの潜在的なプロセス欠陥は、検出される検知信号振幅を減少させる可能性がある。
【００４２】
［例示的ジャイロスコープ］
本開示の装置および方法は、多種のＭＥＭＳジャイロスコープ構造で実現することができる。以下の２つの実施の形態では、線形振動する質量素子を有する第１のジャイロスコープ構造、および、回転振動する質量素子を有する第２のジャイロスコープ構造を詳細に説明する。これらの実施の形態は、第２高調波周波数で振動する検知信号成分の起源を説明することを目的とする。これらの例示的ジャイロスコープは容量検出を利用するが、他の実施の形態では圧電検出も可能である。
【００４３】
各実施の形態において、微小電気機械ジャイロスコープは、少なくとも１つの質量素子と、駆動アクチュエータと、複数の検知電極と、ジャイロスコープ制御回路とを備える。前記駆動アクチュエータは、駆動信号振幅および駆動信号周波数を有する駆動信号により制御される。前記少なくとも１つの質量素子は、前記駆動アクチュエータによって駆動されることにより駆動振動周波数ωＤで振動運動する。前記複数の検知電極は、前記少なくとも１つの質量素子の前記振動運動から検知信号を生成し、前記ジャイロスコープ制御回路は、検知信号振幅を周波数２ωＤで検出する振幅検出部を備える。
【００４４】
（実施の形態１）
図６Ａ〜図６Ｅは、第１の例示的ジャイロスコープ構造の動作原理を示す図である。このジャイロスコープは、図３に示すような種類のジャイロスコープであり、２つの質量素子が駆動により線形振動する。駆動振動周波数ωＤは、この種類のジャイロスコープでは例えば８ｋＨｚであってもよい。その場合、第２高調波周波数は１６ｋＨｚとなる。
【００４５】
図１に示すように、このジャイロスコープが角回転するとき、駆動振動に直交する線形移動がコリオリの力により発生する。図１に示す軸は、図６Ａ〜図６Ｅにも示される。
【００４６】
図６Ａは、固定フィンガー電極６４４とともに固定中心電極６４１を囲む検知フィンガー電極６１４を有する検知質量素子６１１を示す。本開示において「検知電極」は、検知フィンガー電極および固定フィンガー電極の両方を包含する用語である。質量素子６１１は、フレーム（図示せず）に取り付けられたばね（図示せず）から吊るされている。固定中心電極６４１および固定フィンガー電極６４４は、フレームに固定されている。質量素子６１１は、ａ１軸およびａ３軸の両方向に沿って、フレームに関連して移動可能である。ジャイロスコープ制御回路は、すべての固定フィンガー電極６４４とすべての検知フィンガー電極６１４との間の差分容量を計測する。計測精度を向上させるために、多数のフィンガー電極を使用する。
【００４７】
駆動振動によって、質量素子６１１がａ１軸方向に沿って前後に動く。この線形移動は、計測される差分容量に影響を与えない。なぜならば、質量素子６１１が左に動くとき、固定中心部の左側における検知フィンガー電極６１４と固定フィンガー電極６４４との重複領域が減少するが、右側では対応する重複領域が全く同じ量だけ増加するからである。よって、検知された容量に対する、ａ１軸に沿った駆動振動の正味の影響はゼロである。コリオリの力は、駆動振動周波数におけるａ３軸沿いの周期的振動を誘起する。これにより、差分容量における計測可能な変化が生じる。
【００４８】
図６Ｂは、本開示の装置および方法の実現方法の一例を示す図である。ジャイロスコープは、中央駆動アクチュエータ６１３によって駆動されることで、ａ１軸沿いに線形振動する２つの質量素子６１１および６１２を備える。駆動アクチュエータ６１３はフレームに取り付けられ、容量的に駆動運動を引き起こす。駆動運動を引き起こすフィンガー電極は、駆動アクチュエータ６１３の各側に１つ設けられるフィンガーにより概略的に図示される。質量素子６１１および６１２に設けられる検知フィンガー電極は、理解しやすいように省略している。
【００４９】
２つの質量素子６１１および６１２は、駆動アクチュエータ６１３の左右に位置する２つのレバー６２２および６２３により、互いに物理的に接続されている。すでに述べたように、駆動アクチュエータ６１３は、２つの質量素子６１１および６１２を逆位相で作動させることで、質量素子６１２が右に動くとき質量素子６１１は左に動き、質量素子６１２が左に動くとき質量素子６１１は右に動く。図６Ｂでは、理解しやすいように、横方向の運動の範囲は大きく誇張して描かれている。
【００５０】
図６Ｃは、２つの質量素子６１１および６１２と駆動アクチュエータ６１３とを有するジャイロスコープにおけるレバー６２２および６２３の実際の位置を示す図である。図６Ｃに示すように、レバー６２２および６２３は、ジャイロスコープの両側に、フレーム６５１に平行に延在し、質量素子６１１の上側の隅および質量素子６１２の下側の隅に取り付けられる。レバー６２２および６２３は、全体が硬くなくてもよい。レバー６２２および６２３は、検知信号における第２高調波成分を生成する目的に加え、他の目的も果たすことができる。質量素子６１１および６１２が互いに接続されるとき、それらのａ３軸沿いの共通モード共振周波数が、差分モード共振周波数よりも大きくなる。これにより、本願の［背景技術］の箇所で説明したように、検知振動を他の容量信号から分離しやすくなる。この場合、質量素子６１１および６１２が反対方向に動く差分モードが抑制されないように、レバー６２２および６２３は高い可撓性を有する必要がある。レバー６２２および６２３が有する他の機能のさらなる詳細については、従来技術文献：国際公開第２０１２／１２０１９０号（特許文献３）を参照のこと。
【００５１】
レバー６２２および６２３は、図６Ｂに示す動作原理により本開示の装置および方法を実現するに十分な硬さを有する。この図は、駆動振動周期におけるシ−ケンスＩ−ＩＩ−ＩＩＩを示す。完全な振動周期は、ＩＩ−Ｉ−ＩＩ−ＩＩＩ−ＩＩのサイクルに相当する。位置Ｉにおいて第１質量素子６１１が左に駆動され、第２質量素子６１２が右に駆動されるとき、レバー６２２および６２３は角度αで左に傾く。そしてレバー６２２および６２３は、位置ＩＩＩにおいて、同じ傾斜角αで右に傾く。
【００５２】
したがって、位置ＩＩにおいて質量素子６１１および６１２の間の距離がｄならば、位置Ｉおよび位置ＩＩＩにおいてこれらの間の距離はｄ・ｃｏｓ  αとなる。すなわち、レバー６２２および６２３は、位置Ｉおよび位置ＩＩＩにおいてａ３軸方向に２つの質量素子を互いにわずかに近付けるように引っ張る。この引っ張り動作により、図６Ｂの下部に示すように、駆動振動周期ＩＩ−Ｉ−ＩＩ−ＩＩＩ−ＩＩにおいて、質量素子上の各点が、わずかに湾曲した線に沿って動く。ａ１軸に沿った通常の駆動振動である主線形振動に加え、２つの質量素子６１１および６１２は、ａ３軸に沿った副線形振動も示す。角度αが小さいため副線形振動の振幅は小さいが、計測可能な検知信号成分を発生させるには十分な振幅である。
【００５３】
質量素子６１１および６１２は中央位置ＩＩを二度通るため、１つの完全な駆動振動周期において質量素子６１１および６１２の副線形振動が２つの距離最大値および２つの距離最小値を示す意義は大きい。したがって、駆動振動周波数はωＤであることから、副線形振動の周波数は第２高調波周波数２ωＤとなる。よって、本開示の装置および方法により、副線形振動から生じる検知信号は、コリオリの効果から生じる信号から容易に分離可能である。
【００５４】
図６Ｄは、この例示的ジャイロスコープ構造の幾何学的配置をより詳細に示す図である。この図は、固定中心電極６４１の一部と、固定中心電極６４１の各側に１つずつ設けられる固定フィンガー電極６４４とを示す。明確性を保つために、質量素子６１１および６１２を検知フィンガー電極６１４および６２４のペア２組によって簡単に表し、固定フィンガー電極６４４のペアを１組のみ示す。
【００５５】
図６Ｂに示すように、レバー６２２および６２３は、質量素子６１１を質量素子６１２に接続する。これら質量素子は、図６Ｄにおいて中央位置ＩＩにあり、この中央位置ＩＩでは、レバー６２２および６２３が検知フィンガー電極６１４および６２４に対して直交する。図に示すように、この位置において、各レバーの長さはＬであり、フィンガー電極６１４および６４４の間の距離はｄ０である。固定フィンガー電極６４４に対する検知フィンガー電極６１４のａ１軸上の最初の位置は、点線Ｐで示される。
【００５６】
図６Ｅは、質量素子が駆動運動することによりレバーが角度αだけ右に傾いたときの、位置ＩＩＩにおける同ジャイロスコープの幾何学的配置を示す図である。図６Ｅに示されるすべての構成要素は図６Ｄに示す構成要素に相当するが、簡潔に表すため参照番号は省略している。位置ＩＩＩにおける、固定フィンガー電極６４４に対する検知フィンガー電極６１４のａ１軸上の位置は、点線Ｐ’で示される。検知フィンガー電極６２４が距離ｈを左へ動く間に、対向する２つの検知フィンガー電極６１４が右へ同じ距離ｈを動いたことが分かる。位置ＩＩＩにおいて、質量素子６１１は右端に、質量素子６１２は左端に動いたため、距離ｈは駆動振動振幅と解釈することができる。
【００５７】
上記の理由により、検知フィンガー電極６１４および６２４は、ａ１軸に沿って距離ｈを動く間に、ａ３軸沿いにそれぞれの固定フィンガー電極６４４からさらに遠ざかる。同様のずれが両側で起こることを踏まえると、図６Ｄおよび図６Ｅの幾何学的配置から以下の式が直接的に得られる。
【００５８】
【数１】
0006451779.tif 000002
および
【数２】
0006451779.tif 000003
【数３】
0006451779.tif 000004
【００５９】
ΔＣを、質量素子が位置ＩＩ（図６Ｄ）から位置ＩＩＩ（図６Ｅ）に動いたときの、一対の固定フィンガー電極６４４と一対の検知フィンガー電極６１４との間の容量の変化量とする。ΔＣは、以下のように、ｈの関数として記載することができる。
【００６０】
【数４】
0006451779.tif 000005
【００６１】
ここで、Ｃ０は位置ＩＩにおける容量、Ｃ１は位置ＩＩＩにおける容量、εは誘電率、Ａは検知フィンガー電極と固定フィンガー電極との重複面積である。上記で説明したように、面積は駆動振動運動において一定である。
【００６２】
ずれ量ｈは非常に小さい。よって関数ΔＣ（ｈ）は、ｈ＝０付近においてテイラー級数により近似することができ、これにより以下の結果が得られる。
【００６３】
【数５】
0006451779.tif 000006
【００６４】
この計算は、フィンガー電極のどの対に対しても同一である。よって、質量素子から計測される容量検知信号は、駆動振動振幅ｈの二乗に比例する振幅を有する周期成分を示す。この振幅は、第２高調波振幅である。比例係数の厳密値は、フィンガー電極の対の数およびその寸法と、距離Ｌおよびｄ０とに依存する。これは当業者によって定めることができる。
【００６５】
ここで重要なことは、検知信号の第２高調波振幅を用いて、駆動振動振幅ｈを連続的に監視できることである。さらに、第２高調波振幅の値は駆動振動振幅の二乗に比例するため、第２高調波振幅は駆動振動振幅の変化に対する高精度な指標である。
【００６６】
第２高調波振幅が一旦定まると、対応する（計測された）駆動振動振幅を算出することができる。駆動振動振幅の参照値がｈｒｅｆであり、時間ｔで計測した駆動振動振幅がｈｍｅａｓであるとすると、駆動信号振幅の調節値ＳＡＤＪ（ｔ）は、例えば、ＰＩコントローラにより次の周知の式を用いて算出することができる。
【００６７】
【数６】
0006451779.tif 000007
【００６８】
ここで、ＫｐおよびＫｉは、非負係数である。
【００６９】
調節値は、他の方法によっても算出することができる。計測された第２高調波振幅（または対応する駆動振動振幅）が参照値付近の所定の範囲外にならない限り調節を行わないように、条件付きの調節にしてもよい。
【００７０】
（実施の形態２）
図７Ａ〜図７Ｂは、第２の例示的ジャイロスコープ構造の動作原理を示す図である。この種類のジャイロスコープは、図４に示すように、２つの質量素子が駆動により回転振動する。このジャイロスコープが角回転をするとき、後述するように、コリオリの力が基板面外の回転を引き起こす。
【００７１】
図７Ａに示すように質量素子７１１の上下に配置された板状の検知電極７４１および７４２を用いた差分容量計測により、基板面外の回転を検出することができる。電極の表面積および質量素子の表面積は、図７Ａでは全く等しいように描かれているが、電極の面積が検知質量の面積より小さい場合でも大きい場合でも、本開示の装置および方法を実現することができる。
【００７２】
質量素子７１１が駆動運動しているとき、質量素子７１１は軸ａ２の回りを前後に回転する。図７Ｂは、ａ１-ａ３面に映した上側の検知電極７４１および質量素子７１１の位置を示す。図７Ｂの時点では、質量素子は反時計回りに回転している。図示するために、回転は大きく誇張して描かれている。上側の検知電極７４１および下側の検知電極７４２は、それぞれの最初の位置から動いていない。各検知電極（７４１、７４２）と質量素子７１１との重複領域は、質量素子が回転して中央位置から遠ざかると小さくなることが図７Ｂから明らかである。
【００７３】
検知電極７４１と質量素子７１１との間の容量は、それらの重複領域に正比例し、検知電極７４２と質量素子７１１との間の容量は、それらの重複領域に正比例する。図７Ｂにおいて上側の検知電極７４１の下に見える質量素子７１１の灰色の領域は、容量に寄与しない。すなわち、重複領域は、質量素子７１１が軸ａ２の回りを前後に回転するのに合わせて周期的に変化する。
【００７４】
質量素子７１１は、駆動振動周波数ωＤで振動する。しかしながら、重複により、駆動周期振動の各周期において２つの最小値および２つの最大値が示されるので、重複領域振動の周波数は第２高調波周波数２ωＤとなる。一方の最小値は、質量素子７１１が反時計回りの端まで回転したところを表す図７Ｂに示される。他方の最小値は、質量素子７１１が時計回りの端まで回転するときに発生する（図示せず）。つまり、検知電極７４１および７４２は、各周期において２回、質量素子７１１と完全に重複する。重複領域にいくらかの変化がある限り、質量素子の面積が検知電極の面積と全く同じでない場合でも、同様の周期的効果を容易に生み出すことができる。
【００７５】
当然ながら、検知される容量は、コリオリの効果による質量素子７１１のａ３軸回りの周期的ずれによっても定まる。上記同様、容量におけるこの振動変化は、駆動振動周波数ωＤとして表れる。コリオリの効果により引き起こされる振動および重複領域振動は、それぞれ異なる周波数を示すため、検知信号において容易に区別可能である。
【００７６】
本実施の形態において、重複領域振動信号成分の振幅は、駆動振動の振幅に比例する。以下にこれを示す。
【００７７】
図７Ｂで規定するように、検知電極７４１および質量素子７１１の高さはどちらも２Ｈであり、幅は２Ｗである。図７Ｃは、図７Ｂの左上隅の幾何学的配置をより詳細に示す図である。この幾何学的配置における重要な点は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥで示す。質量素子の回転角度はθであり、質量素子７１１が図７Ｂにおいて反時計回りの端まで回転していることから、θは駆動振動振幅と解釈できる。
【００７８】
質量素子７１１の回転時に質量素子７１１の中心点Ｅは動かないため、線ＡＢは、２辺の長さが
【数７】
0006451779.tif 000008
であり、頂角がθである二等辺三角形ＡＢＥの底辺となる。よって線ＡＢの長さＬＡＢは、以下のとおりである。
【００７９】
【数８】
0006451779.tif 000009
【００８０】
正弦法則を三角形ＡＢＣに適用すると、以下のようになる。
【００８１】
【数９】
0006451779.tif 000010
【００８２】
ここで、ＬＡＣは点Ａから点Ｃまでの距離であり、ＬＢＣは点Ｂから点Ｃまでの距離である。φ＝９０°−θであることから、ｓｉｎ（１８０°−φ）＝ｃｏｓθとなる。さらに、δ＝（１８０°−（９０°＋θ）−γ）＝９０°−θ−γであるので、ｓｉｎδ＝ｃｏｓ（θ＋γ）となる。
【００８３】
よって、（６）により以下となる。
【００８４】
【数１０】
0006451779.tif 000011
【００８５】
Ｅは検知質量の中心点であるので、角度β＝ｔａｎ−１（Ｗ／Ｈ）となる。βと二等辺三角形の底角との合計が、γと直角との合計に等しくなることが、Ａ点付近の角度から分かる。すなわち、以下のとおりである。
【００８６】
【数１１】
0006451779.tif 000012
【００８７】
実際には、駆動振動による質量素子７１１の回転は非常に小さいため、角度θは角度βよりはるかに小さい。近い値を得るために、γ≒βおよび式（５）、（７）および（８）を以下の式のように組み合わせることができる。
【００８８】
【数１２】
0006451779.tif 000013
【００８９】
これは以下のように書くことができる。
【００９０】
【数１３】
0006451779.tif 000014
【００９１】
図７Ｃにおける灰色の三角形の面積を、ＡＡＤＣとする。これをθの関数として以下のように書くことができる。
【００９２】
【数１４】
0006451779.tif 000015
【００９３】
角度θは小さいため、θ＝０の点付近においてテイラー級数により関数ＡＡＢＣ（θ）を近似することができる。これにより、次の比例関係が得られる。
【００９４】
ＡＡＢＣ（θ）〜θ                                      （１２）
【００９５】
図７Ｂにおける検知電極／質量素子構造の右下隅にも、同様の分析がそのまま適用される。また、同じ電極／質量素子構造の右上隅および左下隅にも対しても、これら２つの隅において角度βがｔａｎ−１（Ｈ／Ｗ）の値であるという一点の変更を除いて、同様に適用可能である。
【００９６】
これにより、質量素子７１１がａ２軸回りに反時計回りの端まで角度θで回転するときの重複領域の変化の合計は、この角度に正比例する。計測される容量は重複領域に正比例するため、以下のようになる。
【００９７】
【数１５】
0006451779.tif 000016
【００９８】
よって、質量素子から計測される容量検知信号は、駆動振動振幅θに比例する振幅を有する周期成分を示す。この振幅は、第２高調波振幅である。
【００９９】
比例係数の厳密値は、寸法ＷおよびＨに依存する。さらに、第２高調波信号成分は、任意の数の代替形状で生成することができる。検知電極および質量素子の面積は、等しくなくてもよく、対称でなくてもよい。電極および質量素子は、同じ中心点を有していなくてもよい。いずれの場合においても、比例係数は当業者により定めることができる。
【０１００】
重要なことは、検知信号の第２高調波振幅を用いて、駆動振動振幅θを連続的に監視できることである。第２高調波振幅が一旦定まると、上記の第１の例示的ジャイロスコープと同様に、対応する（計測された）駆動振動振幅を算出することができ、駆動信号振幅を調節することができる。
【０１０１】
上記に詳細に説明した本発明の実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明の新規な教示および効果から実質的に逸脱することなく例示として挙げた実施の形態において様々な変更が可能であることは、当業者であれば容易に理解するところである。したがって、かかる変更はすべて本発明の範囲内に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１０２】
３１、３２、７１１  質量素子
３３  駆動アクチュエータ
５０１  微小電気機械ジャイロスコープ
５０２  分周器
５０９  振幅制御部
５２１  セルフテスト監視部
５２３、５２４  振幅検出部
７４１、７４２  検知電極
【図１】
0006451779.tif 000017
【図２】
0006451779.tif 000018
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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