(57)【要約】【課題】  電磁駆動型角速度センサにおいて、静電誘導により、駆動電極の電位変動の影響が回転検出用電極に及ぶことで発生する静電誘導ノイズを低減する。【解決手段】    駆動電極１０１の両端に互いに逆位相の駆動信号を供給し、また回転検出用電極１０２の両端からの誘導起電力の検出を差動アンプ１０４によって差動検出する。さらに振動体である重り１００をＮまたはＰ型のシリコンで構成し、それをアース電位に接続する。これにより、駆動電極１０１の電位変動に起因して、静電誘導効果によって回転検出電極１０２に現れるノイズを抑制する。【選択図】  図２
2007010452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠状の支持体と、
この支持体の内側に配置され、駆動用電極および回転検出用電極が形成された所定の質量を有する重りと、
この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、
前記重りに磁場を加える磁石とを有し、
前記駆動用電極に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、
この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記回転検出用電極に生じる誘導起電力を検出する電磁駆動型角速度センサであって、
前記駆動用電極の一端および他端には、互いに逆位相の駆動信号が加えられることを特徴とする電磁駆動型角速度センサ。
【請求項２】
枠状の支持体と、
この支持体の内側に配置され、駆動用電極および回転検出用電極が形成された所定の質量を有する重りと、
この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、
前記重りに磁場を加える磁石とを有し、
前記駆動用電極に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、
この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記回転検出用電極に生じる誘導起電力を検出する電磁駆動型角速度センサであって、
前記回転検出用電極の両側から得られる出力に対して差動検出が行われることを特徴とする電磁駆動型角速度センサ。
【請求項３】
枠状の支持体と、
この支持体の内側に配置され、駆動用電極および回転検出用電極が形成された所定の質量を有する重りと、
この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、
前記重りに磁場を加える磁石とを有し、
前記駆動用電極に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、
この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記回転検出用電極に生じる誘導起電力を検出する電磁駆動型角速度センサであって、
前記重りはＮまたはＰ型のシリコンであり、グランド電位に接続されていることを特徴とする電磁駆動型角速度センサ。
【請求項４】
枠状の支持体と、
この支持体の内側に配置され、駆動用電極および回転検出用電極が形成された所定の質量を有する重りと、
この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、
前記重りに磁場を加える磁石とを有し、
前記駆動用電極に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、
この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記回転検出用電極に生じる誘導起電力を検出する電磁駆動型角速度センサの駆動回路であって、
前記駆動用電極の一端および他端に互いに逆位相の駆動信号を加える駆動部を備えることを特徴とする電磁駆動型角速度センサの駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転に伴う角速度を電磁的に検出する角速度センサにおいて、検出信号に含まれるノイズを低減することができる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁型ジャイロと呼ばれている電磁駆動型角速度センサが知られている。この角速度センサは、例えばＺ軸方向に静磁場が加えられたＸＹＺ軸直交空間において、Ｘ−Ｙ平面内に平板状の重りを周囲から弾性的に支持し、さらにこの重りの表面に駆動用電極および回転検出用電極を形成した基本構造を有している。
【０００３】
この構造において、駆動用電極に駆動信号（ＡＣ電流）を流すと、駆動用電極に駆動信号の周波数に応じた周期的なローレンツ力が働き、重りがＸ−Ｙ平面内の例えばＸ軸方向に振動する。ここで、Ｚ軸回りの回転が起こると、振動する重りにコリオリの力が働き、Ｙ軸方向の振動成分が発生する。
【０００４】
これらの振動が発生した際、回転検出用電極は、磁束を横切った振動をするので、そこには誘導起電力が発生する。この回転検出用電極に誘導される誘導起電力（誘導電圧）は、上述したＺ軸回りの回転の変化に影響を受ける。コリオリの力は、Ｚ軸回りの回転の角速度に比例するので、この回転検出用電極に誘導される誘導起電力からＺ軸回りの角速度情報を得ることができる。このような電磁駆動型角速度センサとしては、例えば特許文献１に記載されているものが公知である。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６４７３９号公報（請求項１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した原理によって動作する電磁駆動型角速度センサにおいては、回転検出用電極に発生するノイズが問題となる。このノイズは、センサ出力のオフセットとなるので、角速度の検出精度を高める上では、極力小さく押さえ込むことが望まれる。
【０００７】
本発明者らの解析によれば、このノイズには、駆動用電極から回転検出用電極に静電誘導される成分が含まれている。すなわち、理想的には、静磁場と、重りの振動との相互作用によって、回転検出用電極に誘導起電力が生じることが望ましいのであるが、現実には、駆動用電極に発生する電位の変動の影響が、静電誘導により回転検出用電極に及び、それがノイズ（以下、静電誘導ノイズ）として観察されてしまう。特に電磁駆動型角速度センサでは、シリコンを材料とした重りに形成された駆動用電極の両端に電流を流して駆動力を発生させる方式であるため、駆動用電極の両端方向に電圧を印加する必要があり、駆動用電極の電位の変動がシリコンの面方向に生じるため、シリコンに影響を与えやすく、よって、静電誘導ノイズを発生しやすい。
【０００８】
以下、上記静電誘導ノイズの発生原理について説明する。図８は、一般的な電磁駆動型角速度センサの基本的な構造を示す概念図である。図８（Ａ）は、上面図であり、図８（Ｂ）は側面図である。図８に示す電磁駆動型角速度センサは、振動する重りとして機能するシリコン基材７００、その表面に形成された絶縁膜７０５（例えば酸化珪素膜）、絶縁膜７０５上に形成された駆動用電極７０１および回転検出用電極７０２を備えている。
【０００９】
この構成においては、駆動用電極７０１の一端はグランド電位に接続され、他端には駆動信号源７０３からＡＣ駆動信号が供給される。また回転検出用電極７０２の一端はグランド電位に、他端はアンプ７０４に接続され、誘起する電圧信号がこのアンプ７０４によって増幅され、図示しない周辺回路の検出回路系に出力される。なお、シリコン基材７００はどの電位にも接続されておらず、電気的には浮いた状態となっている。
【００１０】
図８には、ある瞬間において、駆動用電極に＋電位が生じた状態が示されている。図示するように、ある瞬間において、駆動用電極７０１の電位が＋になると、静電誘導の原理により、絶縁膜７０５を挟んだシリコン基材７００側の表面に−電荷が誘起される。この−電荷の誘起は、回転検出用電極７０２に面したシリコン基材７００の表面への＋電荷の誘起を促す。これは、半導体であるシリコン基材７００は、全体として、電気的に中性でなければならず、それ故に、電気的に浮いた状態であれば、部分的に−電荷が誘起されると、他の部分にそれを打ち消す＋電荷が誘起されるからである。
【００１１】
この回転検出用電極７０２に面したシリコン基材７００の表面に誘起された＋電荷は、静電誘導の原理により回転検出用電極７０２に−電荷を誘起する。この回転検出用電極７０２に誘起される−電荷は、電極７０２に接続されるアンプ７０４とグランドのインピーダンスを考慮すると、グランドからの電荷の移動によるものとなる。この−電荷の移動により電極７０２には電流を生じ、その結果、電極７０２はグランドに対して所定レベルの電圧を発生することになる。駆動用電極７０１の電位は周期的に変化するから、上記の原理によって生じる回転検出用電極７０２の電圧変動もまた周期的なものとなる。こうして、駆動用電極７０１の電位の変動に影響されて、シリコン基材７００を介した静電誘導によって、回転検出用電極７０２に電圧が発生する。これが、静電誘導ノイズとなる。
【００１２】
本発明は、上述した要因によって生じるノイズ成分を抑えることができる技術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】
【００１３】
本発明は、枠状の支持体と、この支持体の内側に配置され、駆動用電極および回転検出用電極が形成された所定の質量を有する重りと、この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、前記重りに磁場を加える磁石とを有し、前記駆動用電極に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記回転検出用電極に生じる誘導起電力を検出する電磁駆動型角速度センサであって、前記駆動用電極の一端および他端には、互いに逆位相の駆動信号が加えられることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、枠状の支持体と、この支持体の内側に配置され、駆動用電極および回転検出用電極が形成された所定の質量を有する重りと、この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、前記重りに磁場を加える磁石とを有し、前記駆動用電極に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記回転検出用電極に生じる誘導起電力を検出する電磁駆動型角速度センサであって、前記回転検出用電極の両側から得られる出力に対して差動検出が行われることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、枠状の支持体と、この支持体の内側に配置され、駆動用電極および回転検出用電極が形成された所定の質量を有する重りと、この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、前記重りに磁場を加える磁石とを有し、前記駆動用電極に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記回転検出用電極に生じる誘導起電力を検出する電磁駆動型角速度センサであって、前記重りはＮまたはＰ型のシリコンであり、グランド電位に接続されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、以下の３つの要因により、静電誘導ノイズが抑えられる。第１に、本発明の電磁駆動型角速度センサにおいて、駆動用電極の一端および他端には、互いに逆位相の駆動信号が加えられる。この構成によれば、ある瞬間において、グランド電位に対して、駆動用電極の一端が＋電位である場合に、他端は−電位となる。このため、駆動用電極の平均電位を見た場合、この駆動用電極の平均電位がグランド電位に対して＋または−電位とならず、前述した静電誘導の発生を抑えることができる。
【００１７】
この原理について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の作用を説明するための概念図である。図１には、振動する重りであるシリコン基材１００、駆動用電極１０１、回転検出用電極１０２、駆動信号源１０３ａおよび１０３ｂ、および差動アンプ１０４が示されている。なお、シリコン基材１００の表面には、酸化珪素膜が形成されており、その上に駆動用電極１０１と回転検出用電極１０２が形成されている。
【００１８】
ここで、駆動信号源１０３ａおよび１０３ｂは、互いに同じ周波数および同じ電圧値であり、逆位相（位相が１８０度異なる）のＡＣ信号を生成する。
【００１９】
図１には、駆動用電極１０１の両端に逆位相の駆動信号を加えた場合におけるある瞬間が概念的に示されている。この場合、駆動用電極１０１の一端側がグランド電位に対して＋電位となると、他端側はグランド電位に対して−電位となる。このため、駆動用電極１０１には電流が生じるものの、その平均電位としては、＋電位と−電位とがキャンセルされ、全体として見た場合、駆動用電極１０１がグランド電位に対して＋あるいは−の電位になることはない。
【００２０】
したがって、重りであるシリコン基材１００を介した静電誘導効果による回転検出電極１０２への電荷の誘起は抑制され、回転検出用電極１０２に現れる静電誘導ノイズを抑えることができる。
【００２１】
第２に本発明の電磁駆動型角速度センサにおいては、回転検出用電極の両端から得られる出力に対して差動検出が行われる。この構成によれば、回転検出用電極に誘起される電荷は、差動アンプ１０４の＋入力端子および−入力端子を経由し、回転検出用電極の両端側から供給される。この電荷の移動により回転検出用電極に電流が生じるものの、発生する電圧は同レベルであって逆極性となり、互いにキャンセルするように働く。よって、静電誘導ノイズの発生を抑えることができる。
【００２２】
以下、この原理について、図２を用いて説明を加える。図２は、本発明の作用を説明するための概念図である。ここで、図２（Ａ）は、上面図であり、図２（Ｂ）は、側面図である。また、図２（Ｂ）には、振動する重りとなるシリコン基材１００がＮ型半導体であり、さらにそれが接地された状態が示されている。
【００２３】
図２（Ａ）には、ある瞬間において、何らかの理由により、駆動用電極１０１がグランド電位に対して＋電位となり、その影響により静電誘導効果により、回転検出用電極１０２がグランド電位に対して−電位に至る状況が示されている。
【００２４】
この場合、回転検出用電極１０２の両端に差動アンプ１０４の＋入力端子および−入力端子を経由して−電荷が供給されており、−電荷の移動により発生する電圧は＋入力端子を経由するものと、−入力端子を経由するもので互いにキャンセルされる。これにより、回転検出用電極１０２に発生する静電誘導ノイズの影響を排除することができる。
【００２５】
第３に、本発明の電磁駆動型角速度センサにおいては、重りはＮまたはＰ型のシリコンであり、グランド電位に接続されている。この構成によれば、駆動用電極１０１の電位によって、重りであるシリコン基材１００側に発生する電荷はグランドとの間で静電誘導が行われる。図２（Ｂ）に示すように、シリコン基材１００側に−電荷が誘起される場合には、この−電荷はグランドとの間で電荷の移動を生じる。したがって、回転検出用電極１０２側のシリコン基材１００の表面付近１０６には、その−電荷に対応する＋電荷は誘起されない。これにより、回転検出用電極１０２に静電誘導ノイズが現れることを抑えることができる。
【００２６】
特にこの構成においては、重りを構成するシリコン基材１００をＮまたはＰの導電型とすることで、その導電率を下げ、上述した重りとグランド間の電荷の移動を効果的に行えるようにすることができる。
【００２７】
以上述べたように、本発明の電磁駆動型角速度センサにおいては、回転検出用電極に現れる静電誘導ノイズを抑えるための工夫を組み合わせることで、静電誘導ノイズを低減することができる。後述の実証例からも明らかなように、これら静電誘導ノイズを抑えるための工夫は、それぞれその効果が確認されている。
【００２８】
本発明は、電磁駆動型角速度センサの駆動回路として把握することもできる。すなわち、本発明の電磁駆動型角速度センサの駆動回路は、枠状の支持体と、この支持体の内側に配置され、駆動用電極および回転検出用電極が形成された所定の質量を有する重りと、この重りを前記支持体に弾性的に支持する支持部材と、前記重りに磁場を加える磁石とを有し、前記駆動用電極に電流を流すことによって生じるローレンツ力により前記重りを振動させ、この振動に直交する方向に働くコリオリ力の作用によって前記回転検出用電極に生じる誘導起電力を検出する電磁駆動型角速度センサの駆動回路であって、前記駆動用電極の一端および他端に互いに逆位相の駆動信号を加える駆動部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、電磁駆動型角速度センサにおいて、駆動用電極の一端および他端には互いに逆位相の駆動信号が加えられるため、駆動用電極の平均電位は、グランド電位に対して＋あるいは−の電位になることはない。よってシリコンを介在した静電誘導ノイズの発生を抑制できる。また回転検出用電極の両端から得られる出力に対して差動検出を行うことで、駆動用電極の電位変動による静電誘導ノイズが発生したとしても、そのノイズは互いにキャンセルされ、ノイズの影響を排除することができる。さらに重りとしてＮまたはＰ型のシリコンを採用し、それをグランド電位に接続することで、駆動用電極の電位変動によるシリコン内における電荷の移動を抑制し、シリコンを介在した静電誘導ノイズの発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（１）第１の実施形態
１．実施形態の構成
図３は、本発明を利用した電磁駆動型角速度センサのセンサ素子の概要を示す上面図である。図３には、矩形形状の枠構造体３０１、振動体として機能する略十字型（略Ｘ型）の重り３０２、枠構造体３０１に重り３０２を弾性的に支持する支持部材３０３を備えたセンサ素子３００が示されている。
【００３１】
枠構造体３０１、重り３０２および支持部材３０１は、抵抗率が０．０５Ω・ｃｍのＮ型シリコン単結晶ウエハを利用し、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)加工技術を利用して一体成形されている。ここで使用するシリコンウエハとしては、Ｎ型、Ｐ型を問わず、抵抗率が０．０１〜０．１Ω・ｃｍ程度の低抵抗のものが望ましい。また、８個の支持部材３０３は、図示されるように複雑に屈曲しており、それ自体が弾性部材（バネ）としても機能する。重り３０２の四隅のそれぞれは、２本の支持部材３０３を介して枠構造体３０１に支持されている。この構造によれば、重り３０２は支持部材３０３を介して枠構造体３０１に弾性的に支持される。そのため、重り３０２は、枠構造体３０１に対して相対的に振動することができる。
【００３２】
略十字型の重り３０２上には、図示しない酸化珪素膜が形成され、その上に駆動用電極、回転検出用電極およびモニタ電極（駆動検出電極）が形成されている。各電極は、シリコンＩＣプロセスにおいて利用されるシリコンウエハ上への金属薄膜の形成技術を利用して形成されている。各電極の配置状態については後述する。
【００３３】
また、図示省略するが、重り３０２上に形成された各種電極から支持部材３０３上に電極材料がそのまま延在し、それが引き出し配線となり、さらにその引き出し配線は、枠構造体３０１まで延在し、引き出し電極に至っている。この枠構造体３０１上に形成された引き出し電極に後述する周辺回路が接続される。
【００３４】
また、枠構造体３０１は、符号３０４で示されるように、後述する電磁駆動型角速度センサユニットのグランド電位に電気的に接続されている。この構造において、重り３０２は、支持体３０３と枠構造体３０１を介して、センサユニットのグランド電位（アース電位）に電気的に接続されることになる。
【００３５】
図４は、発明を利用した電磁駆動型角速度センサの概要を示す断面図である。なお、図４の矢印４０４の方向から見たセンサ素子３００の状態が図３に示されている。
【００３６】
この電磁駆動型角速度センサ４００は、磁性体（鉄）により構成されたヨーク４０１、磁場Ｂを生成するための磁石４０２、Ｎ型単結晶シリコンウエハを加工することで形成されたセンサ素子３００（図３参照）、およびこのセンサ素子３００を保持するための非磁性材料（ガラス）から構成されるセンサ素子保持部材４０３を備えている。
【００３７】
ヨーク４０１には、上下に一対の突出部４０１ａおよび４０１ｂが形成され、この突出部４０１ａと４０１ｂとの間に集中的に磁場Ｂが形成されるようになっている。また、突出部４０１ａおよび４０１ｂは、重り３０２（図３参照）の十字型（Ｘ字型）形状に合わせて突出した断面形状を有し、重り３０２が存在する部分において選択的に磁場Ｂが加わるようになっている。
【００３８】
この構造においては、磁石４０２において生成された磁束が、ヨーク４０１内を通り、突出部４０１ａと４０１ｂとの間に静磁場Ｂを形成する。この静磁場Ｂは、平面形状のセンサ素子３００の重り３０２（図３参照）に対して、その面に垂直な向きから加えられる。なお、センサ素子３００と後述する周辺回路との間の配線は、図４では省略されている。
【００３９】
図５は、図３の重り３０２上における各電極の配置状態を示した概念図である。図５に示すように、重り３０２上には、「逆くの字」形状の駆動用電極５０１、「Ｖ字」形状の回転検出用電極５０２ａ、「逆Ｖ字」形状の回転検出用電極５０２ｂ、および「くの字」形状のモニタ電極５０３が配置されている。
【００４０】
駆動用電極５０１は、その端部の一方が駆動信号源５０４ａに接続され、他方が駆動信号源５０４ｂに接続されている。回転検出用電極５０２ａは、その端部の一方が差動アンプ５０５ａの＋入力端子に接続され、他方が差動アンプ５０５ａの−入力端子に接続されている。回転検出用電極５０２ｂは、その端部の一方が差動アンプ５０５ｂの＋入力端子に接続され、他方が差動アンプ５０５ｂの−入力端子に接続されている。モニタ電極５０３は、その端部の一方が差動アンプ５０６の＋入力端子に接続され、他方が差動アンプ５０６の−入力端子に接続されている。
【００４１】
ここで、駆動信号源５０４ａと５０４ｂとは、差動駆動源として機能する。すなわち、駆動信号源５０４ａと５０４ｂは、全く同じ機能を備え、その出力信号の位相のみが１８０度異なるように設定されている。すなわち、駆動信号源５０４ａと５０４ｂとは、位相が１８０度異なるだけで、同じ電圧および電流値のＡＣ信号を出力する。
【００４２】
図５に示す構成によれば、駆動用電極５０１には、差動駆動により駆動用信号が供給される。また、回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂからは、その両端に発生する電圧が差動検出される。また、モニタ電極５０３においても、その両端に発生する電圧が差動検出される。
【００４３】
図６は、発明を利用した電磁駆動型角速度センサシステムの概要を示すブロック図である。図６には、駆動系６００ａおよび検出系６００ｂから構成される電磁駆動型角速度センサシステム（電磁駆動型角速度センサユニット）６００が示されている。電磁駆動型角速度センサシステム６００は、センサ素子３００の周辺回路として、ゲインコントローラ６０１、フィルタ６０２、アンプ６０３、アンプ６０４、検波器６０５およびフィルタ６０６を備えている。
【００４４】
ゲインコントローラ６０１には、図５に示す駆動信号源５０４ａおよび５０４ｂが含まれている。またアンプ６０３には、図５に示す差動アンプ５０６が含まれ、アンプ６０４には、図５に示す差動アンプ５０５ａおよび５０５ｂが含まれている。
【００４５】
ここで、センサ素子３００の枠構造体３０１（図３参照）は、図６に示すシステムを格納する図示しない金属製の筐体へ接続され、重り３０２のグランド電位への接続が確保されている。この筐体は、システムの電気的なグランド（アース）として機能する。また、図６に示す各ユニットの電気回路のアース電位部分もこの図示しない筐体に接続されている。
【００４６】
この構成においては、ゲインコントローラ６０１から出力される差動駆動信号（ＡＣ電流）がセンサ素子３００の駆動用電極５０１（図５参照）に供給される。この際、静磁場（図４の磁場Ｂ）の影響により、駆動用電極５０１に周期的なローレンツ力が働く。このローレンツ力は、駆動信号の周期に応じた振動駆動力となり、その向きは、フレミングの左手則に従って図３〜５中に記載されたＸ軸の方向となる。駆動用電極５０１は重り３０２上に形成されているので、この振動駆動力により、重り３０２がＸ軸方向に振動する。
【００４７】
そして、この振動によりモニタ電極５０３に電磁誘導による誘導起電力（誘導電圧）が発生し、それが駆動検出信号として差動アンプ５０６（図５参照）により差動検出される。この検出信号は、アンプ６０３から、フィルタ６０２と検波器６０５とに送られる。
【００４８】
フィルタ６０２はローパスフィルタであり、不要な高周波成分を減衰させ、そこでフィルタリングされた信号がゲインコントローラ６０１に送られる。ゲインコントローラ６０１は、この信号に基づいて、センサ素子３００の重り３０２（図３参照）の振動が所定の共振状態になるように、駆動信号源５０４ａおよび５０４ｂの出力を制御する。
【００４９】
このフィードバック制御により、センサ素子３００における重り３０２の振動が所定の共振状態で安定する。
【００５０】
他方において、図５に示す回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂには、重り３０２がＹ軸方向に振動した際に、誘導起電力が生じ、それが回転検出信号としてアンプ６０４内の差動アンプ５０５ａおよび５０５ｂによって検出される。
【００５１】
検波器６０５（図６参照）は、アンプ６０３から出力される駆動検出信号を利用して、アンプ６０４から出力される回転検出信号を検波し、Ｚ軸回転の角速度情報を含んだ検波信号を生成する。フィルタ６０６は、ローパスフィルタであり、検波信号に含まれる高周波成分を除去し、Ｚ軸（図３または図５のＸ−Ｙ平面に垂直な軸）回転の角速度に対応したＤＣ出力信号を出力する。
【００５２】
２．実施形態の動作
動作に当たっては、まず図４に示すように静磁場Ｂが加わった状態において、駆動系６００ａ（図６参照）の作用により、重り３０２（図３参照）をＸ軸方向に振動させ、それを安定な共振振動状態とする。この状態において、Ｚ軸（図３または図５のＸ−Ｙ平面に垂直な軸）回転が発生すると、その回転の角速度に応じた回転検出信号が、アンプ６０４（図６参照）によって検出され、それが検波器６０５において検波され、フィルタ６０６から角速度に応じたＤＣ出力信号が得られる。
【００５３】
以下、具体的な例を挙げ、出力信号が得られる仕組みについて説明する。まず、Ｚ軸回転がない場合の動作を説明する。この場合、Ｘ軸方向に振動する重り３０２には、コリオリの力は加わらない。また、この状態においては、Ｘ軸方向への振動であるので、回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂのそれぞれにおいて、誘導電圧が打ち消され、その両端には、誘導起電力は発生しない。一方、モニタ電極５０３の両端には、誘導起電力が発生し、それが駆動検出信号として差動アンプ５０６によって検出される。
【００５４】
この場合、回転検出信号は、ゼロであり、図６の検波器６０５からの検波信号もゼロとなる。当然、検出系６００ｂから出力信号は出力されない。
【００５５】
次に、センサ素子３００がＺ軸回りに回転する場合を考える。この場合、Ｘ軸方向おいて振動する重り３０２には、コリオリの力が働き、Ｙ軸方向への振動成分が生じる。
【００５６】
Ｙ軸方向への振動は、回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂに誘導起電力を生成し、それが回転検出信号となる。この誘導起電力は、Ｙ軸方向への振動に伴うものであり、駆動信号の周波数と同じ周波数のＡＣ信号電圧となる。また、上記コリオリの力は、Ｚ軸回転の角速度に比例するから、上記回転検出信号は、そのＺ軸回転の角速度に対応したものとなる。
【００５７】
回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂに誘導された誘導起電力は、回転検出信号としてアンプ６０４（図６参照）内の差動アンプ５０５ａおよび５０５ｂによって差動検出される。この検出信号は、図６のアンプ６０４から検波器６０５に出力される。検波器６０５は、アンプ６０３から出力される駆動検出信号を利用した検波を行う。この際、回転検出信号と同じ周波数を有する駆動検出信号を利用して検波を行うことで、回転検出信号に含まれるＡＣ成分が除去され、Ｚ軸回転の角速度に対応したＤＣ検波出力が得られる。
【００５８】
本実施形態においては、駆動信号を差動信号とし、さらに回転検出信号の検出を差動検出とし、さらに駆動用電極５０１と、回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂとの土台となる単結晶シリコンにより構成される重り３０２を、低抵抗のＮ型とし、さらに重り３０２をグランド電位に電気的に接続している。これにより、回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂに誘導される静電誘導ノイズを抑え、検波出力にオフセット信号（ノイズ信号）が現れる不都合が抑制される。
【００５９】
３．実証試験の結果
上述した実施形態の電磁駆動型角速度センサにおけるノイズ抑制効果を調べた結果を説明する。図７は、図３〜図６に示す構成において、重り３０２を接地した場合と接地しない場合における回転検出用電極５０２ａに現れたノイズ成分の検出結果を示すグラフである。
【００６０】
図７に示されるように、重り３０２を接地することで、回転検出用電極に現れるノイズ成分を大きく低減することができる。なお、図７には、図１および図２に示したモデルに基づいた解析モデルによるシミュレーション結果（解析値）と実測データとが示されている。図７から、解析値と実測データの一致が高い精度で得られていることが分かる。また、このことより、図１および図２に示すモデルの妥当性を確認することができる。
【００６１】
【表１】
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【００６２】
表１は、差動駆動、重りの接地および差動検出の各対策を実施した場合における回転検出用電極に現れたノイズレベルを測定した結果である。表に示すように、個々の対策の効果は大きく、対策を複数組み合わせて実施した場合には、駆動用電極の磁場による電磁誘導ノイズが顕在化してくるため、実測データからは組み合わせによる静電誘導ノイズ低減効果は把握しづらくなっている。この電磁誘導ノイズを排除するために、実際に重りの振動は生じないものの、駆動用電極５０１に同位相で信号を供給し、電位変化のみを生じさせ、回転検出用電極５０２ａ、５０２ｂに生じるノイズのデータを比較値として測定している。
【００６３】
表１において、方式の欄における片側というのは、駆動用電極５０１の一端に駆動信号源を接続し、他端は接地した場合（つまりアンバランス駆動した場合）である。差動というのは、図５に示すように駆動用電極５０１を差動駆動した場合である。同位相というのは、図５に示す構成において、駆動信号源５０４ａと５０４ｂとを同位相で動作させ、同位相の駆動信号を駆動用電極５０１の両端に加えた場合である。
【００６４】
また、電極の欄のＸ＋は、図５に示すモニタ電極５０３を指し、Ｙ−は、回転検出用電極５０２ｂを指し、Ｙ＋は、回転検出用電極５０２ａを指す。なお、駆動信号の周波数は１００ｋＨである。
【００６５】
表１の実験ＮＯ．１およびＮＯ．２の組と、実験ＮＯ．３およびＮＯ．４の組とを比較することで、差動駆動の効果を確認することができる。すなわち、駆動信号の駆動方式を片側駆動から差動駆動にすることで、回転検出用電極（Ｙ＋とＹ−）およびモニタ電極（Ｘ＋）に現れるノイズを抑えられることが分かる。特に実験ＮＯ．１とＮＯ．３とを比較すると、重りを接地しなかった場合におけるノイズ低減効果は極めて大きいことが分かる。
【００６６】
また、実験ＮＯ．１とＮＯ．２との比較により、重り（振動体）の接地の有無による効果の違いを確認することができる。また、実験ＮＯ．７とＮＯ．８との比較によっても、重り（振動体）の接地の有無による効果の違いを確認することができる。また、実験ＮＯ．７とＮＯ．８の組と、実験ＮＯ．９とＮＯ．１０の組との比較により、差動検出の効果を確認することができる。
【００６７】
なお、実験ＮＯ．３とＮＯ．４の組と、実験ＮＯ．５とＮＯ．６の組との比較からは、差動検出の効果、および重りの接地の効果はさほど明確ではない。これは、駆動信号によって発生する変動する磁場の影響によって、回転検出用電極やモニタ電極に電磁誘導ノイズが生成され、その影響によって、差動検出の効果、および重りの接地の効果がマスクされてしまうからである。
【００６８】
一方、実験ＮＯ．７〜ＮＯ．１０においては、駆動電極の両端に同位相の駆動信号を供給することで、駆動電極に電流を流さず、電位変化のみを与え、駆動用電極が作る磁場による電磁誘導ノイズが生成されないようにしている。この場合、上述した影響が抑えられるので、差動検出の効果、および重りの接地効果を明確に確認することができる。
【００６９】
この実験結果に示されるように、静電誘導ノイズに対する個々の対策の効果は非常に大きいことが分かる。実験ＮＯ．３〜ＮＯ．６では実際に対策が採用されうる条件にて実験を行っている。この実験結果においては、差動駆動の効果により、電磁誘導ノイズ成分が顕在化し、他の対策の効果が判別しにくくなっている。しかし、上記実験結果の比較から明らかなように、個々の対策はそれぞれ効果的であり、これら対策を複数組み合わせた場合には、さらに静電誘導ノイズに対する効果が向上する。
【００７０】
以上述べたように、駆動電極の差動駆動、回転検出用電極からの信号の差動検出、および重り（振動体）の接地を行うことで、検出されるノイズ成分を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、回転に伴う角速度を電磁的に検出する角速度センサに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】発明の作用を説明するための概念図である。
【図２】発明の作用を説明するための概念図である。
【図３】発明を利用した電磁駆動型角速度センサのセンサ素子の概要を示す上面図である。
【図４】発明を利用した電磁駆動型角速度センサの概要を示す断面図である。
【図５】重り（振動体）上における電極の配置状態を示す概念図である
【図６】発明を利用した電磁駆動型角速度センサシステムの概要を示すブロック図である。
【図７】重りの接地効果を検証したデータを示すグラフである。
【図８】一般的な電磁駆動型角速度センサの基本的な構造を示す概念図である。
【符号の説明】
【００７３】
１００…振動する重りであるシリコン基材、１０１…駆動用電極、１０２…回転検出用電極、１０３ａ…駆動信号源、１０３ｂ…駆動信号源、１０４…差動アンプ、１０５…絶縁膜、１０６…接地効果によって電荷の誘起が抑制される領域、３００…センサ素子、３０１…枠構造体、３０２…重り（振動体）、３０３…支持部材、４００…電磁駆動型角速度センサ、４０１…ヨーク、４０１ａ…ヨークの突出部、４０１ｂ…ヨークの突出部、４０２…磁石、４０３…センサ素子保持部材、４０４…図３の平面図を見る視線方向、５０１…駆動用電極、５０２ａ…回転検出用電極、５０２ｂ…回転検出用電極、５０３…モニタ電極、５０４ａ…駆動信号源、５０４ｂ…駆動信号源、５０５ａ…差動アンプ、５０５ｂ…差動アンプ、５０６…差動アンプ、６００…電磁駆動型角速度センサシステム、６００ａ…駆動系、６００ｂ…検出系、６０１…ゲインコントローラ、６０２…フィルタ、６０３…アンプ、６０４…アンプ、６０５…検波器、６０６…フィルタ、７００…シリコン基材、７０１…駆動電極、７０２…回転検出用電極、７０３…駆動信号源、７０４…アンプ、７０５…絶縁膜。
【図１】
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【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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