(57)【要約】【課題】  振動子の励振振動の減衰を抑制しつつ、励振のための駆動信号の角速度検出への影響を抑制し、それにより角速度の検出精度を高める。【解決手段】  角速度センサのセンシング部では、振動子が基板上に浮遊した状態で弾性的に支持され、これに対向するように固定電極が基板上に立設されている。振動子の共振周期をＴとし、振動子が平衡位置にある時期を起点０としたときに、駆動回路は、０〜（１／４）×Ｔの期間内に設定された区間Ｐ１においてのみ固定電極に駆動信号を印加することにより振動子を励振する。角速度検出回路は、（１／２）×Ｔの時期を含む区間Ｐ２において振動子と固定電極との間の静電容量を検出することにより角速度を検出する。駆動検出回路は、（３／４）×Ｔの時期を含む区間Ｐ３において、振動子と固定電極との間の静電容量を検出することにより励振振動の振幅を検出する。【選択図】      図４
2005308650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に浮遊した状態で弾性的に支持された振動子と、
前記振動子に対向して前記基板上に固定され、互いに同一部分であることを許した駆動用固定電極、駆動検出用固定電極及び角速度検出用固定電極を含む固定電極と、
前記駆動用固定電極に駆動信号を印加することにより前記駆動用固定電極と前記振動子との間に静電引力を発生させ、当該静電引力によって前記振動子を第１方向に励振する駆動回路と、
前記振動子と前記駆動検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより前記振動子の前記第１方向に沿った振動の振幅を検出する駆動検出回路と、
前記振動子と前記角速度検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより前記振動子の前記第１方向に垂直な第２方向に沿った振動の振幅を検出し、それにより前記第１方向及び前記第２方向の双方に垂直な第３方向の角速度成分を検出する角速度検出回路とを備え、
前記駆動回路は、前記駆動検出回路が検出する前記振幅を一定にするように前記駆動信号の強さを調整し、
前記振動子の共振周期をＴとし前記振動子が平衡位置にある時期を起点０としたときに、前記駆動回路は０〜（１／４）×Ｔの期間内に設定された第１区間においてのみ前記駆動用固定電極に前記駆動信号を印加し、前記角速度検出回路は（１／２）×Ｔの時期を含む期間として設定された第２区間において前記静電容量を検出し、前記駆動検出回路は、（３／４）×Ｔの時期を含む期間として設定された第３区間において前記静電容量を検出し、
前記第１乃至第３区間は、互いに重複しないように設定されている角速度センサ。
【請求項２】
前記角速度検出回路は、前記起点を含む期間として設定された第４区間においても前記静電容量を検出し、
前記角速度検出回路は、前記第３区間における検出結果と前記第４区間における検出結果との平均値を算出する平均化回路を含み、
前記第１乃至第４区間は、互いに重複しないように設定されている請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記駆動検出用固定電極と前記角速度検出用固定電極とは互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、
前記角速度検出回路は、（３／４）×Ｔの時期を含む期間として設定された第５区間においても前記静電容量を検出し、
前記角速度検出回路は、前記第５区間における検出結果を保持する保持回路と、前記第２区間における検出結果を前記保持回路が保持する検出結果により補正する補正回路とを含む請求項１記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記駆動検出用固定電極と前記角速度検出用固定電極とは互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、
前記角速度検出回路は、（３／４）×Ｔの時期を含む期間として設定された第５区間においても前記静電容量を検出し、
前記角速度検出回路は、前記第５区間における検出結果を保持する保持回路と、前記第２区間における検出結果と前記第４区間における検出結果とを前記保持回路が保持する検出結果により補正する補正回路とを含む請求項２記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記角速度検出回路は、前記角速度検出用固定電極を安定電位に断続自在に接続する第１放電回路を含み、
前記第１放電回路は、前記第１区間と前記第２区間との間に設定された第６区間において前記角速度検出用固定電極を安定電位に接続する請求項１乃至４の何れかに記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記駆動用固定電極と、前記駆動検出用固定電極及び前記角速度検出用固定電極とは、互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、
前記駆動回路は、前記駆動用固定電極を安定電位に断続自在に接続する第２放電回路を含み、
前記第２放電回路は、前記第１区間を除く期間内に設定された第７区間において前記駆動用固定電極を安定電位に接続する請求項１乃至５の何れかに記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記駆動検出用固定電極と、前記駆動用固定電極及び前記角速度検出用固定電極とは、互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、
前記駆動検出回路は、前記駆動検出用固定電極を安定電位に断続自在に接続する第３放電回路を含み、
前記第３放電回路は、前記第３区間を除く期間内に設定された第８区間において前記駆動検出用固定電極を安定電位に接続する請求項１乃至６の何れかに記載の角速度センサ。
【請求項８】
前記第１方向が前記基板の上面の法線方向であり、
前記振動子が平衡位置にあるとき、前記上面を基準とした前記振動子の上端の高さと前記駆動用固定電極の上端の高さとが略一致する請求項１乃至７の何れかに記載の角速度センサ。
【請求項９】
前記駆動用固定電極と前記駆動検出用固定電極と前記角速度検出用固定電極とが、互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分である請求項１乃至８の何れかに記載の角速度センサ。
【請求項１０】
前記駆動回路と前記駆動検出回路と前記角速度検出回路とが、前記基板に集積回路として作り込まれている請求項１乃至９の何れかに記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動式の角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度の検出を軽量で簡便に行うことを可能にする技術として、振動式の角速度センサが知られている。図１７は、特許文献１に開示される従来の振動式の角速度センサの全体構成図である。この従来の角速度センサ１５１は、センシング部１００と周辺回路とを有している。センシング部１００は、基板７１を有しており、基板７１の上に固定された固定部材７２ａ〜７２ｄに基端側が連結された弾性支持部材７４ａ〜７４ｄよって、振動子７３が基板７１の主面から距離をおいて支持されている。振動子７３は、弾性支持部材７４ａ〜７４ｄに支持されることにより、基板７１の主面に平行なＸ−Ｙ座標面内において変位可能となっている。振動子７３の側面には、櫛歯状の可動電極７７ａ〜７７ｄ、７８ａ〜７８ｄが設けられている。
【０００３】
基板１の上には、固定電極７９ａ〜７９ｄ、８２ａ〜８２ｄが、可動電極７７ａ〜７７ｄ、７８ａ〜７８ｄの一方の面に対向するように立設されており、固定電極８０ａ〜８０ｄ、８３ａ〜８３ｄが、可動電極７７ａ〜７７ｄ、７８ａ〜７８ｄの他方の面に対向するように立設されている。固定部材７２ａ〜７２ｄと基板７１との間、及び固定電極７９ａ〜７９ｄ、８０ａ〜８０ｄ、８２ａ〜８２ｄ、８３ａ〜８３ｄと基板７１との間は、互いに電気的に絶縁されている。
【０００４】
スイッチング制御回路８６は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオンし、スイッチＳＷ５〜ＳＷ８をオフすることにより、振動子７３を強制振動させる励振モードと、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオフし、スイッチＳＷ５〜ＳＷ８をオンすることにより、振動子７３を自由振動させるとともに角速度を検出する角速度検出モードとの、２つの動作モードを交互に実現する。励振モードでは、励振信号発生回路８５が生成する交流の励振信号が固定電極７９ａ〜７９ｄ、８０ａ〜８０ｄ、８２ａ〜８２ｄ、８３ａ〜８３ｄに入力される。このとき、固定電極７９ａ〜７９ｄ、８０ａ〜８０ｄと、固定電極８２ａ〜８２ｄ、８３ａ〜８３ｄとには、互いに逆相の励振信号が入力される。その結果、可動電極７７ａ〜７７ｄ、７８ａ〜７８ｄと固定電極７９ａ〜７９ｄ、８０ａ〜８０ｄ、８２ａ〜８２ｄ、８３ａ〜８３ｄとの間に発生する静電力により、振動子７３がＸ軸方向に振動する。
【０００５】
振動子７３がＸ軸方向に振動しているときに、Ｚ軸周りの角速度、即ち角速度のＺ軸成分が作用すると、Ｙ軸方向のコリオリ力が振動子７３に作用する。それにより、振動子７３には、Ｚ軸周りの角速度の大きさに応じた振幅の振動がＹ軸方向に発生する。
【０００６】
動作モードが励振モードから角速度検出モードへ切り替わると、固定電極７９ａ〜７９ｄ、８０ａ〜８０ｄ、８２ａ〜８２ｄ、８３ａ〜８３ｄには、励振信号発生回路８５からの励振信号は入力されなくなるので、振動子７３は自由振動することとなる。角速度検出モードでは、固定電極７９ａ〜７９ｄ、８２ａ〜８２ｄは、Ｃ−Ｖ（容量−電圧）変換器８８へ接続され、固定電極８０ａ〜８０ｄ、８３ａ〜８３ｄは、Ｃ−Ｖ変換器８９へ接続される。演算回路９０は、Ｃ−Ｖ変換器８８及びＣ−Ｖ変換器８９が出力する電圧信号を受けることにより、可動電極７７ａ〜７７ｄ、７８ａ〜７８ｄと固定電極７９ａ〜７９ｄ、８０ａ〜８０ｄ、８２ａ〜８２ｄ、８３ａ〜８３ｄとの間の静電容量の変化量として振動子７３のＹ軸方向の変位量を捉え、それによりＺ軸周りの角速度を検出する。
【０００７】
この従来技術は、励振モードと角速度検出モードとを一定周期毎に切り替えることにより、励振モードにより発生した電荷変化がノイズとして角速度の検出に影響を及ぼすことを抑制している。しかしながら上述の通り、角速度検出モードでは、振動子７３のＸ軸方向の振動は自由振動である。このため、角速度検出モードでは、振動子７３のＸ軸方向の振幅は時間の経過と共に減衰する。Ｙ軸方向のコリオリ力は、Ｘ軸方向の振動の速度に比例するので、間接的にＸ軸方向の振動の振幅に比例する。従って、角速度検出モードにおいて、振動子７３のＸ軸方向の振幅が減衰するのに伴い、Ｙ軸方向のコリオリ力が減衰する。それにより、振動子７３のＹ軸方向の変位が減衰するので、検出される角速度も減衰する。このように、特許文献１に記載の従来技術は、励振モードと角速度検出モードとを互いに異なる周期で実現するので、角速度の検出感度が低いという問題点を有していた。
【０００８】
これに対して、特許文献２は、同一周期内で励振モードと角速度検出モードとを微小時間毎に切り替える技術を開示している。図１８は、特許文献２に開示される従来の振動式の角速度センサの全体構成図である。この従来の角速度センサ１５２は、センシング部に、振動子１０１、可動電極１０１ａ〜１０１ｄ、モニタ（励振振動検出）用固定電極１０２ａ、１０２ｂ、角速度検出用固定電極１０２ｃ、１０２ｄ、及び駆動用固定電極１１２ａ、１１２ｂを備えている。又、角速度センサ１５２は、周辺回路として、Ｃ−Ｖ（容量−電圧）変換回路部１０４、サンプルホールド回路部１０５ａ〜１０５ｄ、差動増幅回路部１０６、１０７、同期検波回路部１０８、感度調整回路部１０９、励振信号発生回路部１１０、及びスイッチング制御回路部１１１を備えている。
【０００９】
各種の固定電極１０２ａ〜１０２ｄ、１１２ａ及び１１２ｂは、振動子１０１に設けられた可動電極１０１ａ〜１０１ｄに対向するように設けられている。これらのうち、励振用固定電極１１２ａ及び１１２ｂは、可動電極１０１ａ及び１０１ｂにそれぞれ対向し、静電引力を作用させることにより振動子１０１を振動方向Ｘへ励振するための固定電極である。モニタ用固定電極１０２ａ及び１０２ｂは、可動電極１０１ａ及び１０１ｂにそれぞれ対向し、互いの間の容量変化を通じて振動子１０１の振動方向Ｘの変位をモニタするための固定電極である。角速度検出用固定電極１０２ｃ及び１０２ｄは、可動電極１０１ｃ及び１０１ｄにそれぞれ対向し、互いの間の容量変化を通じて振動子１０１の検知方向Ｙの変位を検知する固定電極である。検知方向Ｙの最大の変位の大きさ、即ち検知方向Ｙの振幅を通じて角速度が検出される。
【００１０】
Ｃ−Ｖ変換回路部１０４は、容量変化を電圧信号へ変換する回路部である。サンプルホールド回路部１０５ａ〜１０５ｄは、Ｃ−Ｖ変換回路部１０４が出力する電圧信号の最大値を保持する回路部である。差動増幅回路部１０６は、一対のサンプルホールド回路部１０５ａ及び１０５ｂが出力する電圧信号の差分Ｘ１を出力する回路部である。同様に、差動増幅回路部１０７は、一対のサンプルホールド回路部１０５ｃ及び１０５ｄが出力する電圧信号の差分Ｘ２を出力する回路部である。感度調整回路部１０９は、出力信号の感度調整、即ち補正を行う回路部である。励振信号発生回路部１１０は、励振信号を発生する回路部である。又、スイッチング制御回路部１１１は、電圧信号ＤＲ１、ＤＲ２、ＰＷ１〜ＰＷ４、及びＳ１〜Ｓ５等を通じて、各部の制御を行うものである。
【００１１】
スイッチング制御回路部１１１は、図１９のタイミングチャートに示すように、励振モード、モニタモード、及び角速度検出モードの３通りの動作モードを、同一周期内で実現する。３つの動作モードは、同時に行われるのではなく、時分割により択一的に実行される。
【００１２】
励振モードは、振動子１０１に振動方向Ｘに静電引力を印加することにより振動を誘起する動作モードである。励振モードの区間では、スイッチＳＷ１はオフし、スイッチＳＷ２はオンする。励振信号発生回路部１１０は、スイッチＳＷ１を介して励振用固定電極１１２ａ、１１２ｂに接続されている。振動子１０１が振動方向Ｘの図１８上左向きに変位すべき状態にあるときには、スイッチング制御回路部１１１は、励振用固定電極１１２ａに必要な電圧を印加すべく電圧信号ＤＲ１及びＤＲ２を制御し、それにより励振用固定電極１１２ａと可動電極１０１ａとの間に静電引力を作用させる。逆に、振動子１０１が振動方向Ｘの図１８上右向きに変位すべき状態にあるときには、スイッチング制御回路部１１１は、励振用固定電極１２ｂに必要な電圧を印加すべく電圧信号ＤＲ１及びＤＲ２を制御し、それにより励振用固定電極１２ｂと可動電極１０１ｂとの間に静電引力を作用させる。
【００１３】
モニタモードは、モニタ用固定電極１０２ａ及び１０２ｂと、それぞれ対向する可動電極１０１ａ及び１０１ｂとの間の静電容量（それぞれＣａ及びＣｂと仮に記す）を通じて、振動子１０１の振動方向Ｘの変位を検出する動作モードである。モニタモードの区間では、スイッチＳＷ１はオンし、スイッチＳＷ２はオフする。
【００１４】
振動子１０１の電位を基準電位（Ｖａ／２と仮に記す）として、スイッチング制御回路部１１１は、ある区間ではモニタ用固定電極１０２ａの電位をＶａとし、モニタ用固定電極１０２ｂの電位を０とし、次の区間ではモニタ用固定電極１０２ａの電位を０とし、モニタ用固定電極１０２ｂの電位をＶａとするように、電圧信号ＰＷ１及びＰＷ２を制御する。それにより、Ｃ−Ｖ変換回路部１０４は、静電容量Ｃａと静電容量Ｃｂとの差分を電圧信号として出力する。この電圧信号の最高値及び最低値は、サンプルホールド回路部１０５ａ及び１０５ｂによってそれぞれ検出され、更に差動増幅回路部１０６によって最高値と最低値との差分が増幅される。従って、差動増幅回路部１０６は差分Ｘ１として、振動子１０１の振動方向Ｘの振幅に対応した信号を出力する。
【００１５】
角速度検出モードは、モニタ用固定電極１０２ｃ及び１０２ｄと、それぞれ対向する可動電極１０１ｃ及び１０１ｄとの間の静電容量（それぞれＣｃ及びＣｄと仮に記す）を通じて、振動子１０１の検知方向Ｙの変位を検出する動作モードである。角速度検出モードの区間ではモニタモードの区間と同様に、スイッチＳＷ１はオンし、スイッチＳＷ２はオフする。
【００１６】
スイッチング制御回路部１１１は、ある区間では角速度検出用固定電極１０２ｃの電位をＶａとし、角速度検出用固定電極１０２ｄの電位を０とし、次の区間では角速度検出用固定電極１０２ｃの電位を０とし、角速度検出用固定電極１０２ｄの電位をＶａとするように、電圧信号ＰＷ３及びＰＷ４を制御する。それにより、Ｃ−Ｖ変換回路部１０４は、静電容量Ｃｃと静電容量Ｃｄの差分を電圧信号として出力する。この電圧信号の最高値及び最低値は、サンプルホールド回路部１０５ｃ及び１０５ｄによってそれぞれ検出され、更に差動増幅回路部１０７によって最高値と最低値との差分が増幅される。従って、差動増幅回路部１０７は差分Ｘ２として、振動子１０１の検知方向Ｙの振幅に対応した信号を出力する。検知方向Ｙの振幅は、振動方向Ｘ及び検知方向Ｙの双方に垂直なＺ軸方向の角速度成分に依存する。従って、差動増幅回路部１０７は、角速度のＺ軸方向成分に対応する信号を差分Ｘ２として出力する。
【００１７】
このように、特許文献２に開示される従来技術は、同一周期を微小に分割した区間毎に、励振モード、モニタモード、及び角速度検出モードの３通りの動作モードを交互に実現する。一般に、振動子１０１を励振するために励振用固定電極１１２ａ、１１２ｂに印加される電圧により、振動子１０１内に発生する電荷移動の量は、角速度の作用による振動子１０１の検知方向Ｙの変位に起因する電荷移動の量に比べて、数千倍乃至それ以上である。従って、励振による電荷移動が残留している期間に角速度の検出が実行されると、励振による電荷移動がノイズとして、角速度による電荷移動に混合することとなる。その結果、振動子１０１が検知方向Ｙにあたかも大きく変位したかのように検知されることとなる。特許文献２に開示される従来技術では、同一周期を細分化した区間毎に、３通りの動作モードが実行されることにより、励振モードの区間と角速度検出モードの区間とが近接しているために、角速度検出への励振によるノイズの影響が避けられないという問題点があった。
【００１８】
なお、特許文献２に開示される従来技術では、振動子１０１とＣ−Ｖ変換回路１０４との間に配置されたスイッチＳＷ１が、一見有効に機能するかのように見える。しかしながら、振動子１０１とＣ−Ｖ変換回路１０４等の検出回路とを接続する信号線は、振動型の角速度センサにおいては、最も敏感な部位である。従って、かかる信号線には、外来ノイズの侵入は言うに及ばず、寄生容量の形成を招くような素子の挿入は現実的・実用的ではない。
【特許文献１】特開２０００−８１３３５号公報
【特許文献２】特開２００３−８３７４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、振動子の励振振動の減衰を抑制しつつ、励振のための駆動信号の角速度検出への影響を抑制し、それにより角速度の検出精度を高めることのできる角速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明のうち第１の態様に係るものは、角速度センサであって、基板上に浮遊した状態で弾性的に支持された振動子と、前記振動子に対向して前記基板上に固定され、互いに同一部分であることを許した駆動用固定電極、駆動検出用固定電極及び角速度検出用固定電極を含む固定電極と、前記駆動用固定電極に駆動信号を印加することにより前記駆動用固定電極と前記振動子との間に静電引力を発生させ、当該静電引力によって前記振動子を第１方向に励振する駆動回路と、前記振動子と前記駆動検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより前記振動子の前記第１方向に沿った振動の振幅を検出する駆動検出回路と、前記振動子と前記角速度検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより前記振動子の前記第１方向に垂直な第２方向に沿った振動の振幅を検出し、それにより前記第１方向及び前記第２方向の双方に垂直な第３方向の角速度成分を検出する角速度検出回路とを備え、前記駆動回路は、前記駆動検出回路が検出する前記振幅を一定にするように前記駆動信号の強さを調整し、前記振動子の共振周期をＴとし前記振動子が平衡位置にある時期を起点０としたときに、前記駆動回路は０〜（１／４）×Ｔの期間内に設定された第１区間においてのみ前記駆動用固定電極に前記駆動信号を印加し、前記角速度検出回路は（１／２）×Ｔの時期を含む期間として設定された第２区間において前記静電容量を検出し、前記駆動検出回路は、（３／４）×Ｔの時期を含む期間として設定された第３区間において前記静電容量を検出し、前記第１乃至第３区間は、互いに重複しないように設定されているものである。
【００２１】
本発明のうち第２の態様に係るものは、第１の態様に係る角速度センサであって、前記角速度検出回路は、前記起点を含む期間として設定された第４区間においても前記静電容量を検出し、前記角速度検出回路は、前記第３区間における検出結果と前記第４区間における検出結果との平均値を算出する平均化回路を含み、前記第１乃至第４区間は、互いに重複しないように設定されているものである。
【００２２】
本発明のうち第３の態様に係るものは、第１の態様に係る角速度センサであって、前記駆動検出用固定電極と前記角速度検出用固定電極とは互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、前記角速度検出回路は、（３／４）×Ｔの時期を含む期間として設定された第５区間においても前記静電容量を検出し、前記角速度検出回路は、前記第５区間における検出結果を保持する保持回路と、前記第２区間における検出結果を前記保持回路が保持する検出結果により補正する補正回路とを含むものである。
【００２３】
本発明のうち第４の態様に係るものは、第２の態様に係る角速度センサであって、前記駆動検出用固定電極と前記角速度検出用固定電極とは互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、前記角速度検出回路は、（３／４）×Ｔの時期を含む期間として設定された第５区間においても前記静電容量を検出し、前記角速度検出回路は、前記第５区間における検出結果を保持する保持回路と、前記第２区間における検出結果と前記第４区間における検出結果とを前記保持回路が保持する検出結果により補正する補正回路とを含むものである。
【００２４】
本発明のうち第５の態様に係るものは、第１乃至第４の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記角速度検出回路は、前記角速度検出用固定電極を安定電位に断続自在に接続する第１放電回路を含み、前記第１放電回路は、前記第１区間と前記第２区間との間に設定された第６区間において前記角速度検出用固定電極を安定電位に接続するものである。
【００２５】
本発明のうち第６の態様に係るものは、第１乃至第５の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記駆動用固定電極と、前記駆動検出用固定電極及び前記角速度検出用固定電極とは、互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、前記駆動回路は、前記駆動用固定電極を安定電位に断続自在に接続する第２放電回路を含み、前記第２放電回路は、前記第１区間を除く期間内に設定された第７区間において前記駆動用固定電極を安定電位に接続するものである。
【００２６】
本発明のうち第７の態様に係るものは、第１乃至第６の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記駆動検出用固定電極と、前記駆動用固定電極及び前記角速度検出用固定電極とは、互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であり、前記駆動検出回路は、前記駆動検出用固定電極を安定電位に断続自在に接続する第３放電回路を含み、前記第３放電回路は、前記第３区間を除く期間内に設定された第８区間において前記駆動検出用固定電極を安定電位に接続するものである。
【００２７】
本発明のうち第８の態様に係るものは、第１乃至第７の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記振動子が平衡位置にあるとき、前記上面を基準とした前記振動子の上端の高さと前記駆動用固定電極の上端の高さとが略一致するものである。
【００２８】
本発明のうち第９の態様に係るものは、第１乃至第８の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記駆動用固定電極と前記駆動検出用固定電極と前記角速度検出用固定電極とが、互いに電気的に絶縁された前記固定電極の異なる部分であるものである。
【００２９】
本発明のうち第１０の態様に係るものは、第１乃至第９の何れかの態様に係る角速度センサであって、前記駆動回路と前記駆動検出回路と前記角速度検出回路とが、前記基板に集積回路として作り込まれているものである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の角速度センサによれば、駆動回路が、振動子に対向する駆動用固定電極に駆動信号を印加することにより、駆動用固定電極と前記振動子との間に静電引力を発生させ、基板に浮遊した状態で弾性的に支持された振動子を、発生させた静電引力によって第１方向に励振する。駆動検出回路は、振動子と駆動検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより振動子の第１方向に沿った振動の振幅を検出し、検出された振幅を一定にするように駆動回路が駆動信号の強さを調整するので、振動子の励振振動が安定する。
【００３１】
振動子に第３方向の角速度成分が作用すると、振動子はコリオリ力により第２方向に沿って振動する。その振動の振幅は角速度成分が大きいほど大きくなる。角速度検出回路は、振動子と角速度検出用固定電極との間の静電容量を検出することにより振動子の第２方向に沿った振動の振幅を検出し、それにより第３方向の角速度成分を検出する。即ち、本発明の角速度センサは、角速度の第３方向成分を検出するセンサとして機能する。
【００３２】
更に、振動子の共振周期をＴとし、振動子が平衡位置にある時期を起点０としたときに、駆動回路、駆動検出回路、及び角速度検出回路は、次のように定められた区間において所定の動作をする。即ち、駆動回路は、０〜（１／４）×Ｔの期間内に設定された第１区間においてのみ駆動用固定電極に駆動信号を印加し、角速度検出回路は（１／２）×Ｔの時期を含む期間として設定された第２区間において静電容量を検出し、駆動検出回路は（３／４）×Ｔの時期を含む期間として設定された第３区間において静電容量を検出する。
【００３３】
（１／２）×Ｔの時期は、第２方向に沿った振動子の変位が最大となる時期であるため、第２方向に沿った振動の振幅の検出に最も適する。又、（３／４）×Ｔの時期は、第１方向に沿った振動子の変位が最大となる時期であるため、第１方向に沿った振動の振幅の検出に最も適する。このように、１共振周期の間に、最も適した時期を含む区間において、角速度検出回路及び駆動検出回路が所定の検出動作を行う。従って、角速度検出回路及び駆動検出回路は、それぞれ第２及び第３区間において、それぞれの検出の目的を達成することができる。
【００３４】
更に、駆動回路は１共振周期毎に、定められた第１区間において駆動信号を駆動用固定電極に印加するので、振動子が自由振動する期間が１共振周期より短い。このため、自由振動期間における振動の減衰による角速度検出感度の低下という従来技術における問題点が抑制乃至解消される。
【００３５】
しかも、駆動回路が駆動信号を印加する期間は第１区間に限られており、それにより駆動回路、角速度検出回路及び駆動検出回路がそれぞれ有効な動作をする第１〜第３区間を、互いに重複しないように設定することが可能となっている。駆動回路が駆動信号を印加する期間が、１共振周期内で（１／４）Ｔ以下の長さの区間に限られており、且つ第１〜第３区間が互いに重複しないように設定されているので、励振のための駆動信号の角速度検出への影響が抑制される。その結果、角速度の検出精度が高められる。同様に、駆動検出回路による検出結果への駆動信号の影響が抑制されるので、駆動検出回路の検出精度が高められる。それにより、より安定した励振振動が得られるので、角速度の検出精度が更に高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
（第１の実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態による角速度センサの構成を示す図である。この角速度センサ２０１は、図１に示す振動子Ａ１がＺ軸方向に励振振動し、角速度のＸ軸方向成分によってもたらされる振動子Ａ１のＹ軸方向の変位を通じて、角速度のＸ軸方向成分を検出するように構成されている。
【００３７】
角速度センサ２０１は、センシング部２００とその周辺回路３０１とを備えている。図１は、センシング部２００の斜視図（図１（ａ））、部分平面図（図１（ｂ））、及び断面図（図１（ｃ））である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ切断線に沿った断面図である。また、図２は周辺回路３０１の構成を示すブロック図である。なお、以下の第１〜第６の実施形態による各角速度センサ２０１〜２０６において、センシング部は、図１のセンシング部２００と同一に構成される。
【００３８】
図１に示すように、センシング部２００では、基板１０の上に固定された固定部材Ａ２２〜Ａ２５に基端側が連結された弾性支持部材Ａ２〜Ａ５よって、振動子Ａ１が基板１０の上に弾性的に支持されている。振動子Ａ１は、基板１０の上方に浮遊した状態で、かつその上面および底面が基板１０の主面に平行になるように支持されている。振動子Ａ１は、弾性支持部材Ａ２〜Ａ５に支持されることにより、基板１０の主面に垂直なＺ軸方向にも、当該主面に平行なＸ−Ｙ座標面内にも変位可能となっている。
【００３９】
振動子Ａ１は略直方体をなしており、その内側にはＺ軸方向に上面から底面まで貫通する貫通孔が設けられている。振動子Ａ１の外周側面には、櫛歯状の駆動用可動電極Ａ１１、Ａ１３、及び櫛歯状の駆動検出用可動電極Ａ１０、Ａ１２が設けられている。又、振動子Ａ１の内周側面には、櫛歯状の角速度検出用可動電極Ａ１４が設けられている。
【００４０】
基板１０の上には、駆動用可動電極Ａ１１及びＡ１３にそれぞれ対向する櫛歯状の突起を有する駆動用固定電極Ａ７及びＡ９が立設されている。又、基板１０の上には、駆動検出用可動電極Ａ１０及びＡ１２にそれぞれ対向する櫛歯状の突起を有する駆動検出用固定電極Ａ６及びＡ８が立設されている。更に、基板１０の上には、角速度検出用可動電極Ａ１４に対向する櫛歯状の突起を有する角速度検出用固定電極Ａ１５及びＡ１６が立設されている。可動電極Ａ１０〜Ａ１４、及び固定電極Ａ６〜Ａ９、Ａ１５、Ａ１６の櫛歯の個数は、図１に例示するものに限られず、好ましくは、駆動力及び検出感度を高めるために遙かに大きく設定される。
【００４１】
図１（ｃ）に示すように、角速度センサ２０１では製造上の容易さの観点等から、基板１０の上面を基準とした振動子Ａ１の上端の高さと駆動用固定電極Ａ７及びＡ９の上端の高さとが合わせ込まれている。即ち、振動子Ａ１の上端の高さと駆動用固定電極Ａ７及びＡ９の上端の高さとが略一致する。ここで、「略」とは、製造誤差及び重力の作用による振動子Ａ１の平衡位置のずれを許容する趣旨である。従って、振動子Ａ１が、図１（ｃ）に示す静止状態にあるときの位置、即ち平衡位置よりＺ軸正の方向に変位するほど、駆動用可動電極Ａ１１及びＡ１３と駆動用固定電極Ａ７及びＡ９との間の対向面積は減少する。一方、振動子Ａ１が、平衡位置からＺ軸負の方向に変位しても、それらの電極間の対向面積に変化はない。
【００４２】
従って、駆動用固定電極Ａ７及びＡ９に駆動信号が入力されたときに、振動子Ａ１が平衡位置からＺ軸正の方向に変位しておれば、対向面積を拡大する方向、即ちＺ軸負の方向に振動子Ａ１を引き込むような静電引力が生じる。又、駆動用固定電極Ａ７及びＡ９に駆動信号が入力されたときに、振動子Ａ１が平衡位置からＺ軸負の方向に変位していても、駆動用可動電極Ａ１１及びＡ１３の上端と下端とに作用する静電引力の差によって、Ｚ軸負の方向に振動子Ａ１を引き込むような静電引力が生じる。このように、駆動用固定電極Ａ７及びＡ９に駆動信号が入力されたときには、振動子Ａ１のＺ軸方向の位置に依存して大きさは異なるものの、いずれの位置にあってもＺ軸負方向の駆動力が振動子Ａ１に付与される。以上の通り、角速度センサ２０１は、振動子Ａ１がＺ軸方向に励振振動（参照振動、或いは駆動振動とも称される）するように構成されている。
【００４３】
センシング部２００は、半導体微細加工プロセスを用いて一体的に製造可能であり、基板１０及び基板１０の上に設けられる振動子Ａ１を含む各部材は、例えばシリコンを材料としている。各固定電極Ａ６〜Ａ９、Ａ１５、Ａ１６と基板１０との間は、例えばシリコン酸化物を材料とする図略の絶縁膜によって、互いに電気的に絶縁されている。振動子Ａ１は、弾性支持部材Ａ２〜Ａ５及び固定部材Ａ２２〜Ａ２５を通じて、基板１０に接地されている。更に、各可動電極Ａ１０〜Ａ１４は、振動子Ａ１の一部として、振動子Ａ１の他の部分と同一材料で構成され、かつ一体的に連結している。
【００４４】
なお、振動子Ａ１の電位、即ち基板１０の電位は、周辺回路３０１の負側電源電位と一致していてもよいが、一致しなくても良い。一般に、振動子Ａ１の電位は、周辺回路３０１の電源電位に対して一定の電位、即ち安定電位にあればよく、例えば図３を参照して後述する増幅回路の基準電位Ｖ０であってもよい。
【００４５】
図２に示すように、周辺回路３０１は、スイッチＩ〜Ｑ、角速度検出用Ｃ−Ｖ（容量−電圧）変換回路Ｂ、復調回路Ｃ、補正回路Ｄ、温度センサＧ、ゲイン調整回路Ｆ、駆動信号発生回路Ｅ、スイッチ制御回路Ｈ、及び駆動検出用Ｃ−Ｖ（容量−電圧）変換回路Ｗを備えている。スイッチＭ及びＮ、ゲイン調整回路Ｆ、駆動信号発生回路Ｅ、並びにスイッチ制御回路Ｈは、駆動用固定電極Ａ７及びＡ９へ駆動信号を印加する駆動回路２を構成する。スイッチＫ、Ｌ、Ｏ及びＱ、駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗ、復調回路Ｃ、補正回路Ｄ、温度センサＧ、並びにスイッチ制御回路Ｈは、駆動検出用可動電極Ａ１０及びＡ１２と駆動検出用固定電極Ａ６及びＡ８との間の静電容量を通じて励振の強さを検出する駆動検出回路３を構成する。又、スイッチＩ、Ｊ、Ｐ及びＱ、角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂ、復調回路Ｃ、補正回路Ｄ、温度センサＧ、並びにスイッチ制御回路Ｈは、角速度検出用可動電極Ａ１４と、角速度検出用固定電極Ａ１５及びＡ１６との間の静電容量を通じて、角速度のＸ軸方向成分を検出する角速度検出回路４を構成する。
【００４６】
スイッチ制御回路Ｈは、駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗの出力信号に基づいて、振動子Ａ１のＺ軸方向の励振振動の位相を把握する。スイッチ制御回路Ｈは、把握した位相に基づいて、振動子Ａ１の励振振動に同期した形態でスイッチＩ〜Ｑのオン・オフ動作を制御する。
【００４７】
図３は、角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂ及び駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗの構成例を示す回路図である。図３（ａ）に示すように、角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂは、例えば縦続接続された全差動増幅器２０と差動増幅器２２とを有する。全差動増幅器２０の負帰還ループには、互いに静電容量の等しい容量素子Ｃ１及びＣ２が介挿される。これにより、角速度検出用可動電極Ａ１４と角速度検出用固定電極Ａ１５との間の静電容量Ｃ１５と、角速度検出用可動電極Ａ１４と角速度検出用固定電極Ａ１６との間の静電容量Ｃ１６との差に比例した電圧が、全差動増幅器２０が出力する電圧信号の差（Ｖ１―Ｖ２）として現れる。差動増幅器２２は、全差動増幅器２０が出力する電圧信号の差を増幅して、電圧信号Ｖ３として出力する。
【００４８】
振動子Ａ１がＹ軸方向に変位すると、静電容量Ｃ１５と静電容量Ｃ１６との間に偏差が生じる。角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂは、この偏差に比例した電圧信号Ｖ３を出力する。即ち、角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂは、静電容量Ｃ１５及びＣ１６の間の偏差を通じて、振動子Ａ１のＹ軸方向に沿った変位を検出する。なお、角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂの基準電位Ｖ０は、角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂの正側電源電位と負側電源電位との中間に設定された安定電位であればよい。
【００４９】
一方、図３（ｂ）に示すように、駆動検出用可動電極Ａ１０と駆動検出用固定電極Ａ６との間の静電容量Ｃ６と、駆動検出用可動電極Ａ１２と駆動検出用固定電極Ａ８との間の静電容量Ｃ８とは、振動子Ａ１のＺ軸方向の変位に伴って、互いに同位相で変化する。従って、駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗは、例えば増幅器４１及び４２により、静電容量Ｃ６及びＣ８を、それぞれ電圧信号Ｖ４及びＶ５へ変換した後、加算器４３によりこれらの電圧信号の和を増幅し、電圧信号Ｖ６として出力するように構成すると良い。
【００５０】
これにより、駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗは、静電容量Ｃ６及びＣ８の変化を通じて、振動子Ａ１のＺ軸方向に沿った変位を検出する。基準電位Ｖ０は、駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗの正側電源電位と負側電源電位との中間に設定された安定電位であればよい。なお、駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗは、増幅器４１及び４２のうち、一方のみを有することにより、静電容量Ｃ６とＣ８とのうち、一方のみを電圧変換するように構成しても良い。
【００５１】
周辺回路３０１は、センシング部２００の基板１０に集積回路として形成されても良く、基板１０とは別の基板に集積回路として形成されても良い。後者の場合、それらの基板は中継部材を用いて機構的及び電気的に接続されるとよい。また、周辺回路３０１は、集積回路としてではなく、個別回路素子を回路基板の上に配置することにより構成してもよい。周辺回路３０１に含まれる他の回路の構成及び動作については、角速度センサ２０１の動作についての以下の説明の中で適宜説明する。なお、各固定電極Ａ６〜Ａ９、Ａ１５、及びＡ１６の全体を、固定電極１と仮称する。
【００５２】
図４は、角速度センサ２０１の動作説明図であり、説明の便宜のために波形図及びタイミングチャートの双方を併記している。スイッチＩ〜Ｑのタイミングチャートに付される「０」は、スイッチオフを表し、「１」はスイッチオンを表す。角速度センサ２０１は、振動子Ａ１の共振周期Ｔ毎に、同一の動作を反復する。従って、振動子Ａ１が平衡位置にある時期を起点０として、０〜Ｔの期間内の動作について説明する。共振周期Ｔは、振動子Ａ１の質量及び弾性支持部材Ａ２〜Ａ５のバネ定数によって定まる。
【００５３】
図４において、区間Ｐ１は０〜（１／４）×Ｔの期間内に設定され、区間Ｐ２は（１／２）×Ｔの時期を含む期間として設定され、区間Ｐ３は（３／４）×Ｔの時期を含む期間として設定される。又、区間Ｐ１〜Ｐ３は、互いに重複しないように設定される。
【００５４】
（区間Ｐ１の動作）
区間Ｐ１では、駆動回路２によって駆動信号が駆動用固定電極Ａ７及びＡ９に印加される。従って、スイッチ制御回路Ｈは、スイッチＭをオンすべく制御する。スイッチＩ〜Ｑのうち、スイッチＭ以外はすべてオフしている。駆動信号発生回路Ｅは駆動信号を生成する。駆動信号は、例えばパルス信号である。生成された駆動信号は、ゲイン調整回路Ｆにより、適切な高さの電圧にゲイン調整される。調整された駆動信号はスイッチＭを通じて駆動用固定電極Ａ７及びＡ９へ印加される。
【００５５】
駆動信号が駆動用固定電極Ａ７及びＡ９へ印加されると、駆動用固定電極Ａ７及びＡ９と、駆動用可動電極Ａ１１及びＡ１３との間に静電引力が発生する。その結果、振動子Ａ１がＺ軸負方向に引き寄せられる。この静電引力が共振周期Ｔ毎に作用することにより、振動子Ａ１はＺ軸方向に定常的に励振振動する。ゲイン調整回路Ｆは、駆動検出回路３が検出する励振振動の振幅が一定となるように、駆動信号のゲインを調整する。それにより、振動子Ａ１の安定した励振振動が実現する。
【００５６】
ゲイン調整を幅広く行うことを可能にするために、角速度センサ２０１の動作初期、即ち駆動回路２が駆動用固定電極Ａ７及びＡ９への駆動信号の印加を開始した直後においては、印加される駆動信号は、ゲイン調整回路Ｆが制御可能な電圧範囲の中央付近に設定するのが望ましい。例えば、ゲイン調整回路Ｆが制御可能な電圧範囲が０〜１５Ｖであれば、動作初期における駆動信号は５〜１０Ｖ程度の電圧に設定するのが望ましい。
【００５７】
（区間Ｐ２の動作）
区間Ｐ２では、角速度検出回路４が、振動子Ａ１のＹ軸方向の変位を通じて角速度のＸ軸方向成分を検出する。従って、スイッチ制御回路Ｈは、スイッチＩ，Ｊ，Ｐ，及びＱをオンすべく制御する。スイッチＩ〜Ｑのうち、スイッチＩ，Ｊ，Ｐ，及びＱ以外はすべてオフしている。これにより、角速度検出用固定電極Ａ１５及びＡ１６と角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂとが接続される。角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂは、上述したように角速度検出用固定電極Ａ１５及びＡ１６と、角速度検出用可動電極Ａ１４との間の静電容量を通じて、振動子Ａ１のＹ軸方向の変位を検出する。
【００５８】
振動子Ａ１がＺ軸方向に励振振動を行っているときに、角速度のＸ軸方向成分ωｘが作用すると、Ｙ軸方向にコリオリ力が作用する。Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆｙは、角速度のＸ軸方向成分ωｘと励振振動の速度Ｖｚと振動子４の質量Ｍとの積に比例し、より詳細には、
Ｆｙ＝−２Ｍ・ωｘ・Ｖｚ  ・・・・（式１）
で表される。
【００５９】
従って、角速度のＸ軸方向成分ωｘは、振動子Ａ１のＹ軸方向への振動を誘起する。角速度のＸ軸方向成分ωｘがゼロであれば、振動子Ａ１のＹ方向の変位はゼロである。このとき、角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂの出力信号Ｖ３は、基準電位Ｖ０に等しくなる。一方、角速度のＸ軸方向成分ωｘが大きいほど、振動子Ａ１のＹ方向の振幅は大きくなる。それに伴い、角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂの出力信号Ｖ３は、基準電位Ｖ０を中心として大きく変動する。
【００６０】
コリオリ力Ｆｙと振動子Ａ１のＹ軸方向の変位との間では、位相が一致する。従って、図４において、コリオリ力の波形図は、そのまま振動子Ａ１のＹ軸方向の変位の波形図に相当する。又、図４に示すように、コリオリ力と振動子Ａ１のＺ軸方向の励振振動の変位との間で位相は９０°ずれるので、振動子Ａ１のＹ軸方向の変位とＺ軸方向の励振振動の変位との間で、位相は９０°ずれる。従って、振動子Ａ１がＺ軸方向の平衡位置にあるときにＹ軸方向の変位は最大となり、Ｚ軸方向の変位が最大であるときにＹ軸方向の変位はゼロとなる。なお、図４においてコリオリ力の波形図は、位相が１８０°異なる２つの波形を実線及び波線で同時に描いている。
【００６１】
図２に戻って、復調回路Ｃは、振動子Ａ１のＹ方向の変位に伴って変化する角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂの出力信号Ｖ３の最高値又は最低値（即ち、最大値）を出力する。言い換えると、復調回路Ｃは、振動子Ａ１のＹ方向の振幅に対応した信号、即ち角速度のＸ軸方向成分ωｘに対応した信号を出力する。そのためには、復調回路Ｃは一種の検波回路として構成することができる。例えば、復調回路Ｃは、縦続接続されたサンプルホールド回路とローパスフィルタとを有するように構成することができる。
【００６２】
角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂが、例えばΔΣ型のＡＤ変換回路のように出力信号Ｖ３をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路を有する場合には、復調回路Ｃは、入力信号を一時的に保持するレジスタ及び比較回路を有する最大値検出回路と、デジタルフィルタとを有するデジタル回路として構成することが可能である。ローパスフィルタ或いはデジタルフィルタの時定数は、例えば、振動子Ａ１の１共振周期毎の振幅の変動に追随し得る大きさに設定される。
【００６３】
復調回路Ｃの出力信号は、補正回路Ｄへ入力される。補正回路Ｄは、センシング部２００及び／又は周辺回路３０１の温度特性を補償するための回路である。そのために、補正回路Ｄは、温度センサＧが出力する温度データに基づいて、復調回路Ｃの出力信号に対して温度補正を加える。温度センサＧは、例えばセンシング部２００の温度、或いは周辺回路３０１の温度を感知するように配置される。補正回路Ｄは、例えば温度センサＧが出力する温度データに基づいてゲイン調整を行う増幅回路を有するように構成することができる。
【００６４】
復調回路Ｃの出力信号がデジタル信号である場合には、補正回路Ｄは、レジスタ或いはＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能なＲＯＭ）等の半導体メモリその他の記憶装置を有するように構成してもよい。記憶装置には、予め復調回路Ｃの出力信号の温度特性を補償するためのデータを、テーブルとして保持させておくとよい。この場合には、補正回路Ｄは、温度センサＧが出力する温度データに対応するデータをテーブルから読み出し、読み出したデータに基づいて復調回路Ｃの出力信号に補正を加える回路を、更に有するように構成すると良い。
【００６５】
区間Ｐ２は、振動子Ａ１のＹ軸方向の変位が最大となる（１／２）×Ｔの時期を含むように設定されている。このため、復調回路Ｃ及び補正回路Ｄは、１共振周期毎に、Ｙ軸方向の振幅に対応する信号、即ち角速度のＸ軸方向成分ωｘに対応する信号を出力することが可能となる。
【００６６】
（区間Ｐ３の動作）
区間Ｐ３では、駆動検出回路３が、振動子Ａ１のＺ軸方向の変位を検出し、それにより励振振動の強さ、即ち励振振動の振幅を検出する。従って、スイッチ制御回路Ｈは、スイッチＫ，Ｌ，Ｎ，及びＯをオンすべく制御する。スイッチＩ〜Ｑのうち、スイッチＫ，Ｌ，Ｎ，及びＯ以外はすべてオフしている。これにより、駆動検出用固定電極Ａ６及びＡ８と駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗとが接続される。駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗは、上述したように駆動検出用固定電極Ａ６及びＡ８と、駆動検出用可動電極Ａ１０及びＡ１２との間の静電容量を通じて、振動子Ａ１のＺ軸方向の変位を検出する。
【００６７】
駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗの出力信号は、復調回路Ｃへ入力される。従って、復調回路Ｃは、振動子Ａ１のＺ方向の変位に伴って変化する駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗの出力信号Ｖ６の最高値又は最低値（即ち、最大値）を出力する。言い換えると、復調回路Ｃは、振動子Ａ１のＺ方向の振幅に対応した信号を出力する。区間Ｐ３は、振動子Ａ１のＺ軸方向の変位が最大となる（３／４）×Ｔの時期を含むように設定されている。このため、復調回路Ｃは、１共振周期Ｔ毎に、Ｚ軸方向の振幅に対応する信号を出力することが可能となる。
【００６８】
復調回路Ｃの出力信号は、ゲイン調整回路Ｆへ入力される。ゲイン調整回路Ｆは、復調回路Ｃの出力信号を基準値と比較し、復調回路Ｃの出力信号が基準値に一致するように、駆動信号の強さを調整する。これにより、振動子Ａ１のＺ軸方向の励振振動が、予め定められた一定の振幅をもって安定的に継続する。
【００６９】
以上の通り、角速度センサ２０１によれば、駆動信号の印加、角速度の検出、及び励振振動の振幅の検出が、１共振周期Ｔ内で行われる。このため、自由振動の減衰を抑えつつ、角速度を感度良く検出することができる。また、駆動信号を印加する期間が、１共振周期Ｔ内で（１／４）Ｔ以下の長さの区間に限られており、しかも、区間Ｐ１〜Ｐ３が互いに重複しないように設定されているので、励振のための駆動信号の角速度検出への影響が抑制され、駆動検出回路３による検出結果への影響も抑制される。その結果、角速度の検出精度が向上する。
【００７０】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態による角速度センサの周辺回路の構成を示すブロック図である。この角速度センサ２０２の周辺回路３０２は、スイッチＱと補正回路Ｄとの間に平均化回路Ｒが介挿されている点において、図２に示した周辺回路３０１とは異なっている。平均化回路Ｒの構成及び動作については、角速度センサ２０２の動作についての以下の説明の中で説明する。
【００７１】
図６は、角速度センサ２０２の動作説明図である。角速度センサ２０２の動作は、起点０（又はＴ）を含む期間として設定された区間Ｐ４においても、角速度検出回路４が角速度検出用可動電極Ａ１４と角速度検出用固定電極Ａ１５及びＡ１６との間の静電容量を検出する点において、図４に示した角速度センサ２０１の動作とは異なっている。区間Ｐ４は、他の区間Ｐ１〜Ｐ３とは重複しないように設定される。
【００７２】
区間Ｐ４では、区間Ｐ２と同様に、スイッチ制御回路Ｈは、スイッチＩ，Ｊ，Ｐ，及びＱをオンすべく制御する。スイッチＩ〜Ｑのうち、スイッチＩ，Ｊ，Ｐ，及びＱ以外はすべてオフしている。区間Ｐ４は、振動子Ａ１のＹ軸方向の変位が最大となる起点０（又はＴ）の時期を含むように設定されている。このため、復調回路Ｃは、区間Ｐ２と同様に区間Ｐ４において、Ｙ軸方向の振幅に対応する信号、即ち角速度のＸ軸方向成分ωｘに対応する信号を出力することが可能となる。
【００７３】
平均化回路Ｒは、区間Ｐ２と区間Ｐ４の双方で得られた復調回路Ｃの出力信号の平均値を算出する。算出された平均値は補正回路Ｄへ入力される。このように、角速度センサ２０２は、１共振周期Ｔ内で振動子Ａ１のＹ軸方向の変位が最大となる２つの時期の双方を捉えて、Ｙ軸方向の振幅を検出することにより、角速度検出の高精度化を図っている。
【００７４】
区間Ｐ２が含む（１／２）×Ｔの時期と、区間Ｐ４が含む０（又はＴ）の時期との間で、振動子Ａ１のＹ軸方向の変位は逆向きとなっている。従って、区間Ｐ２と区間Ｐ４との間で、復調回路Ｃが出力する信号の符号は互いに逆となる。このため、平均化は、区間Ｐ２と区間Ｐ４とにおける復調回路Ｃの出力信号の和ではなく、差を算出することにより行われる。
【００７５】
平均化回路Ｒは、例えば、区間Ｐ２における復調回路Ｃの出力信号を保持するための容量素子と、区間Ｐ２と区間Ｐ４とにおける復調回路Ｃの出力信号の差分に比例した信号、例えば１／２倍の信号を出力する差動増幅器とを有するように構成することができる。復調回路Ｃの出力信号がデジタル信号である場合には、平均化回路Ｒは、区間Ｐ２と区間Ｐ４とにおける復調回路Ｃの出力信号をそれぞれ保持するレジスタと、それらの出力信号の差を演算する減算器と、減算器の出力を定数倍、例えば１／２倍するシフトレジスタとを有するように構成することができる。
【００７６】
平均化回路Ｒが、平均値を算出する時期は、区間Ｐ４であってもよく、区間Ｐ２であってもよい。また、区間Ｐ２及び区間Ｐ４以外の時期であっても良い。
【００７７】
（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態による角速度センサの周辺回路の構成を示すブロック図である。この角速度センサ２０３の周辺回路３０３は、スイッチＩ及びＪが、状態「１」において角速度検出用固定電極Ａ１５及びＡ１６を角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂへ接続し、状態「０」において、振動子Ａ１と等電位である接地電位に接続するように構成されている点において、図５に示した周辺回路３０２とは異なっている。スイッチＩ及びＪは、本発明の第１放電回路の具体例に該当する。スイッチＩ及びＪは、状態「０」において、接地電位に限らず、振動子Ａ１と等電位であれば、一般に安定電位に接続するものであってもよい。
【００７８】
図８は、角速度センサ２０３の動作説明図である。角速度センサ２０３の動作は、区間Ｐ１と区間Ｐ２との間に区間Ｐｓｕｂが設定され、この区間ＰｓｕｂにおいてスイッチＩ及びＪが状態「０」となることにより、角速度検出用固定電極Ａ１５及びＡ１６と振動子Ａ１との間で放電が行われる点において、図６に示した角速度センサ２０２の動作とは異なっている。
【００７９】
区間Ｐｓｕｂでは、スイッチ制御回路Ｈは、スイッチＩ及びＪを含めて、スイッチＩ〜Ｑのすべてを状態「０」（スイッチＩ，Ｊ以外は、オフに相当）に設定する。従って、区間Ｐｓｕｂでは、駆動信号の印加、角速度の検出、及び励振振動の振幅の検出の何れも行われず、角速度検出用固定電極Ａ１５及びＡ１６と振動子Ａ１との間の静電容量の放電が専ら行われる。
【００８０】
周辺回路３０３の角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂは、図７（ｂ）に示すように、前段の全差動増幅器２１の帰還容量Ｃ１及びＣ２をそれぞれ放電するためのスイッチ２５及び２６を有する。区間Ｐｓｕｂでは、スイッチ制御回路Ｈは、スイッチ２５及び２６をオンすることにより、帰還容量Ｃ１及びＣ２をも放電させる。区間Ｐｓｕｂでは、角速度検出用可動電極Ａ１５及びＡ１６は、角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂから切り離されているので、帰還容量Ｃ１及びＣ２を放電させても、センシング部２００には何ら影響を及ぼさない。また、スイッチＰがオフしているので、後段の復調回路Ｃ等への影響も回避される。
【００８１】
このように角速度センサ２０３では、角速度を検出する区間Ｐ２の直前に、角速度検出用固定電極Ａ１５及びＡ１６と振動子Ａ１との間の静電容量の放電が行われることにより、当該静電容量に残留する電荷が解消される。それにより、角速度の検出の精度が高められる。角速度検出用固定電極Ａ１５及びＡ１６と振動子Ａ１との間の静電容量の放電は、区間Ｐｓｕｂで行われれば足りる。但し、角速度センサ２０３は、放電のための機構をスイッチＩ及びＪを用いて簡素に構成している。そのために、角速度センサ２０３では、区間Ｐｓｕｂだけでなく、スイッチＩ，Ｊが「０」の状態にあるすべての期間、即ち区間Ｐ２及びＰ４以外の全ての期間において放電を行っている。
【００８２】
（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態による角速度センサの周辺回路の構成を示すブロック図である。この角速度センサ２０４の周辺回路３０４は、角速度検出回路４にスイッチＶ及びオフセットホールド回路Ｕを有する点において、図７に示した周辺回路３０３とは異なっている。オフセットホールド回路Ｕは、図９（ｂ）に例示するように、周知のサンプルホールド回路３２を有する。これにより、オフセットホールド回路Ｕは、スイッチＶがオンしている期間における角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂの出力信号を保持する。
【００８３】
図１０は、角速度センサ２０４の動作説明図である。角速度センサ２０４の動作は、（３／４）×Ｔの時期を含む期間として設定された区間Ｐ５においても、角速度検出回路４が角速度検出用可動電極Ａ１４と角速度検出用固定電極Ａ１５及びＡ１６との間の静電容量を検出する点において、図８に示した角速度センサ２０３の動作とは異なっている。図１０の例では、区間Ｐ５は区間Ｐ３と同一区間に設定されている。
【００８４】
区間Ｐ５では、区間Ｐ２及びＰ４と同様に、スイッチ制御回路Ｈは、スイッチＩ及びＪをオンする。但し、スイッチ制御回路Ｈは、区間Ｐ２及びＰ４とは異なり、スイッチＰ及びＱをオフし、代わりにスイッチＶをオンする。また、区間Ｐ５は区間Ｐ３と重複するため、スイッチ制御回路Ｈは、区間Ｐ５において区間Ｐ３と同様に、スイッチＫ、Ｌ、Ｎ及びＯをオンする。
【００８５】
区間Ｐ５では、スイッチＶがオンすることにより、角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂの出力がオフセットホールド回路Ｕへ入力される。区間Ｐ５は、振動子Ａ１のＹ軸方向の変位がゼロとなる（３／４）×Ｔの時期を含む期間として設定されているため、区間Ｐ５における角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂの出力信号の基準電位Ｖ０からのずれは、センシング部２００又は角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂによって発生するオフセットを反映したものとなる。区間Ｐ５が終了し、スイッチＶがオフした後は、サンプルホールド回路３２は、スイッチＶがオフする直前の角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂの出力信号を保持する。
【００８６】
区間Ｐ５の次に到来する区間Ｐ４及びＰ２では、補正回路Ｄは、温度補償の他に、サンプルホールド回路３２が保持するオフセットをも補償するように、復調回路Ｃの出力信号に補正を加える。即ち、補正回路Ｄは、オフセットホールド回路Ｕの出力信号が基準電位Ｖ０から異なっておれば、その差分だけ復調回路Ｃの出力信号をシフトする。例えば、補正回路Ｄの出力信号が、基準電位２．５Ｖを中心として、角速度に応じて正方向又は負方向に変化する場合に、オフセットホールド回路Ｕの出力が２．３Ｖである場合を想定する。このとき、補正回路Ｄは、復調回路Ｃの出力信号に対して、温度センサＧからの温度データに基づく補正を加えた後、基準電位Ｖ０とオフセットホールド回路Ｕの出力信号との間の差分である０．２Ｖだけ補正後の出力信号を上昇させる。
【００８７】
このように、角速度センサ２０４は、センシング部２００及び／又は角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｂによって発生するオフセットを、角速度検出結果に対して補償するので、角速度検出の精度が高められる。サンプルホールド回路３２が保持する値は、区間Ｐ２の終了時期又は区間Ｐ５の開始時期において、スイッチ制御回路Ｈの制御によりリセットされる。
【００８８】
（第５の実施形態）
図１１は、第５の実施形態による角速度センサの周辺回路の構成を示すブロック図である。この角速度センサ２０５の周辺回路３０５は、スイッチＭが、状態「１」において駆動用固定電極Ａ７及びＡ９をゲイン調整回路Ｆへ接続し、状態「０」において、振動子Ａ１と等電位である接地電位に接続するように構成されている点において、図７に示した周辺回路３０３とは異なっている。スイッチＭは、本発明の第２放電回路の具体例に該当する。スイッチＭは、状態「０」において、接地電位に限らず、振動子Ａ１と等電位であれば、一般に安定電位に接続するものであってもよい。
【００８９】
図１２は、角速度センサ２０５の動作説明図である。また、図１３は、図１１に示した周辺回路３０５に、図９と同様のオフセットホールド回路Ｕを設けた場合の動作説明図である。角速度センサ２０５の動作は、区間Ｐ１を除く期間内に設定された区間において、スイッチＭが状態「０」となることにより、駆動用固定電極Ａ７及びＡ９と振動子Ａ１との間で放電が行われる点において、図８に示した角速度センサ２０３の動作、及び図１０に示した角速度センサ２０４の動作とは異なっている。
【００９０】
このように角速度センサ２０５では、駆動信号が印加される区間Ｐ１を除く期間内に設定された区間に、駆動用固定電極Ａ７及びＡ９と振動子Ａ１との間の静電容量の放電が行われることにより、当該静電容量に残留する電荷が解消される。それにより、角速度の検出の精度が高められる。駆動用固定電極Ａ７及びＡ９と振動子Ａ１との間の静電容量の放電は、区間Ｐ１を除く、適度な範囲の区間で行われれば足りる。但し、角速度センサ２０５は、放電のための機構をスイッチＭを用いて簡素に構成している。そのために角速度センサ２０５では、スイッチＭが「０」の状態にあるすべての期間、即ち区間Ｐ１以外の全ての期間において放電を行っている。
【００９１】
（第６の実施形態）
図１４は、第６の実施形態による角速度センサの周辺回路の構成を示すブロック図である。この角速度センサ２０６の周辺回路３０６は、スイッチＫ及びＬが、状態「１」において駆動検出用固定電極Ａ６及びＡ８を駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗへ接続し、状態「０」において、振動子Ａ１と等電位である接地電位に接続するように構成されている点において、図１１に示した周辺回路３０５とは異なっている。スイッチＫ及びＬは、本発明の第３放電回路の具体例に該当する。スイッチＫ及びＬは、状態「０」において、接地電位に限らず、振動子Ａ１と等電位であれば、一般に安定電位に接続するものであってもよい。
【００９２】
図１５は、角速度センサ２０６の動作説明図である。また、図１６は、図１４に示した周辺回路３０６に、図９と同様のオフセットホールド回路Ｕを設けた場合の動作説明図である。角速度センサ２０６の動作は、区間Ｐ３を除く期間内に設定された区間において、スイッチＫ及びＬが状態「０」となることにより、駆動検出用固定電極Ａ６及びＡ８と振動子Ａ１との間で放電が行われる点において、図１２及び図１３に示した角速度センサ２０５の動作とは異なっている。
【００９３】
周辺回路３０６の駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗは、図１４（ｂ）に示すように、前段の増幅器４５及び４６の帰還容量Ｃ３及びＣ４をそれぞれ放電するためのスイッチ２７及び２８を有する。スイッチＫ及びＬによる放電が行われる区間では、スイッチ制御回路Ｈは、スイッチ２７及び２８をオンすることにより、帰還容量Ｃ３及びＣ４をも放電させる。この区間では、駆動用可動電極Ａ６及びＡ８は、駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路Ｗから切り離されているので、帰還容量Ｃ３及びＣ４を放電させても、センシング部２００には何ら影響を及ぼさない。また、スイッチＯがオフしているので、後段の復調回路Ｃ等への影響も回避される。
【００９４】
このように角速度センサ２０６では、励振振動の検出が行われる区間Ｐ３を除く期間内に設定された区間に、駆動用固定電極Ａ６及びＡ８と振動子Ａ１との間の静電容量の放電が行われることにより、当該静電容量に残留する電荷が解消される。それにより、角速度の検出の精度が高められる。駆動用固定電極Ａ６及びＡ８と振動子Ａ１との間の静電容量の放電は、区間Ｐ２を除く、適度な範囲の区間で行われれば足りる。但し、角速度センサ２０６は、放電のための機構をスイッチＫ及びＬを用いて簡素に構成している。そのために角速度センサ２０６では、スイッチＫ及びＬが「０」の状態にあるすべての期間、即ち区間Ｐ３以外の全ての期間において放電を行っている。
【００９５】
（その他の実施形態）
（１）  上記の各実施形態では、センシング部２００が、振動子Ａ１を基板１０の主面に垂直なＺ軸方向に励振振動させるように構成された例を示した。しかしながら、本発明の角速度センサは、振動子Ａ１の励振方向をＺ軸方向に限るものではない。例えば、センシング部が基板１０の主面に平行な方向に振動子Ａ１を励振する角速度センサに対しても、本発明は適用可能である。
【００９６】
（２）  上記の各実施の形態では、固定電極１の中で、駆動用固定電極Ａ７、Ａ９、駆動検出用固定電極Ａ６、Ａ８、及び角速度検出用固定電極Ａ１５、Ａ１６が、互いに電気的に絶縁された別体のものとして構成された。しかしながら、固定電極Ａ６〜Ａ９、Ａ１５及びＡ１６のうち、時分割により択一的に使用されるものについては、互いに固定電極１の中の同一部分として構成してもよい。例えば、第１の実施の形態による角速度センサ２０１においては、固定電極Ａ６及びＡ８を、３種の固定電極の共通電極とすることが可能である。別の例として、第４の実施の形態による角速度センサ２０４においては、固定電極Ａ６及びＡ８を駆動用固定電極と駆動検出用固定電極との共通電極とすることも、固定電極Ａ１５及びＡ１６を駆動用固定電極と角速度検出用固定電極との共通電極とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の第１の実施形態による角速度センサのセンシング部の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による角速度センサの周辺回路部のブロック図である。
【図３】図２の角速度検出用Ｃ−Ｖ変換回路及び駆動検出用Ｃ−Ｖ変換回路の回路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による角速度センサの動作説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による角速度センサの周辺回路のブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による角速度センサの動作説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態による角速度センサの周辺回路のブロック図である。
【図８】本発明の第３の実施形態による角速度センサの動作説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態による角速度センサの周辺回路のブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態による角速度センサの動作説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態による角速度センサの周辺回路のブロック図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態による角速度センサの動作説明図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態による別の角速度センサの動作説明図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態による角速度センサの周辺回路のブロック図である。
【図１５】本発明の第６の実施形態による角速度センサの動作説明図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態による別の角速度センサの動作説明図である。
【図１７】従来技術による角速度センサの全体構成図である。
【図１８】別の従来技術による角速度センサの全体構成図である。
【図１９】図１８の角速度センサの動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００９８】
１  固定電極      ２  駆動回路      ３  駆動検出回路      ４  角速度検出回路
１０  基板        ２０１〜２０６  角速度センサ            Ａ１  振動子
Ａ７、Ａ９  駆動用固定電極                  Ａ６、Ａ８  駆動検出用固定電極
Ａ１５、Ａ１６  角速度検出用固定電極        Ａ１１、Ａ１３  駆動用可動電極
Ａ１０、Ａ１２  駆動検出用可動電極          Ａ１４  角速度検出用固定電極
Ｐ１  区間（第１区間）                      Ｐ２  区間（第２区間）
Ｐ３  区間（第３区間）                      Ｐ４  区間（第４区間）
Ｐ５  区間（第５区間）                      Ｐｓｕｂ  区間（第６区間）
Ｄ  補正回路                                Ｉ、Ｊ  スイッチ（第１放電回路）
Ｋ、Ｌ  スイッチ（第３放電回路）            Ｍ  スイッチ（第２放電回路）
Ｒ  平均化回路      Ｔ  共振周期        Ｕ  オフセットホールド回路（保持回路）
Ｘ  第３方向        Ｙ  第２方向        Ｚ  第１方向        ωｘ  角速度成分
【図１】
2005308650.tif 000003
【図２】
2005308650.tif 000004
【図３】
2005308650.tif 000005
【図４】
2005308650.tif 000006
【図５】
2005308650.tif 000007
【図６】
2005308650.tif 000008
【図７】
2005308650.tif 000009
【図８】
2005308650.tif 000010
【図９】
2005308650.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2005308650.tif 000013
【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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