JP2005241659A - 角速度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発振回路から出力される駆動信号の周波数を、角速度センサの固有振動数に一致させることにより、可動部を共振状態で振動させ、角速度の検出感度を向上させる。
【解決手段】 可動部２８の振動方向への変位を変位検出部３５，３５で検出し、この信号を加算回路４３によって加算信号ＶAとして乗算回路４４に出力する。入力された加算信号ＶAに基づいて、乗算回路４４、周波数制御回路４５によって発振回路４１から出力される駆動信号ＶDの周波数ｆを設定する。これにより、駆動信号ＶDと加算信号ＶA（変位信号）との位相差を９０°に設定する。これにより、駆動信号ＶDの周波数ｆをフィードバック制御でき、可動部２８を共振状態で振動させることができ、角速度の検出感度を向上できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば回転体の角速度を検出するのに用いて好適な角速度計測装置に関する。

一般に、角速度計測装置に用いられる角速度検出素子は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向において、可動部をある軸方向に、例えばＸ軸に対して一定の振動を与えた状態で、外部からＺ軸周りの角速度を加えると、可動部にコリオリ力が作用して該可動部はＸ軸に直交したＹ軸方向に変位する。そして、このコリオリ力による可動部のＹ軸方向の変位を圧電抵抗、静電容量等の変化として検出することにより、角速度の大きさを検出するものである。

ここで、従来技術による角速度計測装置を、図１６と図１７に基づいて説明するに、角速度計測装置の本体をなす角速度検出素子について、特許文献１を例に挙げて示す。

特開平６−１２３６３２号公報

１は従来技術による角速度検出素子、２は該角速度検出素子１の本体をなす矩形状に形成された基板をそれぞれ示し、該基板２は例えば高抵抗なシリコン材料によって形成されている。

３，３は後述する可動部７を左，右両側で挟むように基板２に設けられた一対の振動用の固定部、４，４は可動部７を前，後両側（紙面上，下両側）で挟むように基板２上に設けられた一対の検出用の固定部をそれぞれ示し、該各固定部３には後述の固定側振動用電極５が一体形成され、該各固定部４には固定側検出用電極６が一体形成されている。

５，５は左，右に位置した一対の固定側振動用電極を示し、該各固定側振動用電極５は前記固定部３，３に対向した状態で配設され、４枚の電極板５Ａ，５Ａ，…を突出することにより、くし状に形成されている。

６，６は上，下に位置した一対の固定側検出用電極を示し、該各固定側検出用電極６は前記固定部４，４に対向した状態で配設され、４枚の電極板６Ａ，６Ａ，…を突出することにより、くし状に形成されている。

７は基板２上にＰ，Ｂ，Ｓｂ等がドーピングされた低抵抗なポリシリコンまたは単結晶シリコン等によって矩形状に形成された可動部を示し、該可動部７は、基板２の四隅に位置して該基板２上に設けられた４個の支持部８と、該各支持部８から中央部に向け、Ｘ軸と平行になる部分とＹ軸と平行になる部分を有するようにＬ字状に折曲して形成された４本の支持梁９とによって、前記基板２の表面から離間した状態で支持されている。

また、該可動部７は、Ｌ字状に形成された各支持梁９によって支持されているから、該各支持梁９のＹ軸に平行な部分を撓ませることにより可動部７はＸ軸方向に変位し、Ｘ軸に平行な部分を撓ませることにより可動部７はＹ軸方向に変位させることができ、該可動部７はＸ軸方向とＹ軸方向に変位可能となる。さらに、該可動部７の左，右両側面には前記固定側振動用電極５と噛合する後述の可動側振動用電極１０が一体形成され、上，下両側面には前記固定側検出用電極６と噛合する可動側検出用電極１１が一体形成されている。

１０，１０は一対の可動側振動用電極で、該各可動側振動用電極１０は、前記各固定側振動用電極５の各電極板５Ａと隙間をもって交互に対面するように、前記可動部７のＸ軸方向となる左，右両側面にくし状に配設された４枚の電極板１０Ａとからなる。

１１，１１は一対の可動側検出用電極で、該各可動側検出用電極１１は、前記各固定側検出用電極６の各電極板６Ａと隙間をもって交互に対面するように、前記可動部７のＹ軸方向となる上，下両側面にくし状に配設された４枚の電極板１１Ａとからなる。

１２，１２は振動発生部を示し、該各振動発生部１２は固定側振動用電極５と可動側振動用電極１０とから構成され、該固定側振動用電極５の各電極板５Ａと可動側振動用電極１０の各電極板１０Ａとの間にはそれぞれ等しい隙間が形成されている。

ここで、左，右に位置した固定側振動用電極５と可動側振動用電極１０との間に逆位相となる周波数ｆの駆動信号を図示しない発振回路から印加すると、左，右に位置した各電極板５Ａ，１０Ａ間には静電引力が交互に発生し、各振動発生部１２で接近，離間を交互に繰り返す。これによって、可動部７はＸ軸をなす矢示ａ方向に振動する。

１３，１３は角速度検出部を示し、該各角速度検出部１３は固定側検出用電極６と可動側検出用電極１１とからなり、該固定側検出用電極６の各電極板６Ａと可動側検出用電極１１の各電極板１１Ａとの間にはそれぞれ等しい隙間が形成されている。また、該検出用電極６，１１は検出用の平行平板コンデンサとして構成され、当該各角速度検出部１３は各電極板６Ａ，１１Ａ間の有効面積の変化を静電容量の変化として検出する。

このように構成される角速度検出素子１においては、各振動発生部１２に逆位相となる周波数ｆの駆動信号を印加すると、各電極板５Ａ，１０Ａ間には静電引力が左，右の振動発生部１２，１２に対して交互に作用し、可動部７はＸ軸となる矢示ａ方向に接近，離間を繰返して振動する。

このように、可動部７が振動した状態で、角速度検出素子１にＺ軸周りの角速度Ωが加わると、Ｙ軸方向にコリオリ力（慣性力）が発生し、可動部７はＹ軸方向に下記の数２に示すようなコリオリ力Ｆで変位する。

ここで、各振動発生部１２によって可動部７をＸ軸方向に変位させる変位ｘとその速度Ｖは、次の数１のようになる。

さらに、可動部７をＸ軸方向に変位ｘ，速度Ｖで振動した状態で、Ｚ軸周りに角速度Ωが加わると、数２のような、Ｙ軸方向にコリオリ力Ｆが発生する。

そして、可動部７は数２のコリオリ力ＦによってＹ軸方向に振動し、この可動部７の変位を、各角速度検出部１３では可動側検出用電極１１と固定側検出用電極６との間の静電容量の変化として検出し、Ｚ軸周りの角速度Ωを検出することができる。

なお、各振動発生部１２は、各電極板５Ａからなる固定側振動用電極５と、各電極板１０Ａからなる可動側振動用電極１０とから構成したから、振動用電極５，１０間の対面する有効面積を大きく確保することができる。これにより、各振動発生部１２に駆動信号を印加したときには、各電極板５Ａ，１０Ａ間に発生する静電引力を大きくして可動部７を矢示ａ方向に大きく振動させる。

一方、各角速度検出部１３は、各電極板６Ａからなる固定側検出用電極６と、各電極板１１Ａからなる可動側検出用電極１１とから構成したから、検出用電極６，１１間の対面する有効面積を大きくできる。これにより、各角速度検出部１３によってＹ軸方向への可動部７の変位を、各電極板６Ａ，１１Ａ間の有効面積の変化による静電容量の変化として検出することができる。

さらに、角速度検出素子１では、数１，２から分かるように、コリオリ力Ｆは可動部７の速度Ｖに比例し、この速度Ｖは可動部７の振幅に比例する。このように、該可動部７の振動を大きくすれば当該角速度検出素子１の検出感度が高められることが分かる。このため、従来技術による角速度検出装置では、発振回路から出力される駆動信号の周波数ｆを、角速度検出素子１の固有振動数に合わせ、可動部７を共振状態で振動させるようにしている。

ところが、従来技術による角速度検出素子１は、前述した如く複雑な形状となっているため、製造される個々の角速度検出素子１の固有振動数は、製造誤差等により同じ値に設定することはできない。このため、角速度検出素子１と発振回路とを接続するときに、該発振回路から出力される駆動信号の周波数を、角速度検出素子１の固有振動数に調整する作業が個々に必要であった。

さらに、従来技術による角速度計測装置では、角速度検出素子１の固有振動数と発振手段から出力される周波数とを一致させたとしても、経時劣化等によって角速度検出素子１の固有振動数が変化した場合には、当該角速度計測装置による検出感度が著しく低下するという問題がある。

本発明は、上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明は可動部の固有振動数と発振手段から出力される駆動信号の周波数とをフィードバック制御によって合わせることにより、可動部を常に共振状態で振動させることのできる角速度計測装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明による角速度計測装置は、図１の機能ブロック図に示すように、固定部に対して可動部を一方向の振動を与えている状態で、外部から角速度が加えられたときに可動部の振動方向と直交方向の変位を静電容量の変化として検出する角速度検出素子１０１と、該角速度検出素子１０１の可動部に一方向の振動を与えるために、制御信号に対応した周波数を有する駆動信号を出力する発振手段１０２と、該発振手段１０２によって前記角速度検出素子１０１の可動部に一方向の振動を与えている状態で、該角速度検出素子１０１に生じる静電容量の変化に基づいて前記可動部の変位を演算する変位演算手段１０３と、前記角速度検出素子１０１に角速度が作用したときに、該角速度検出素子１０１に生じる静電容量の変化に基づいて前記可動部に加わる角速度の大きさを演算する角速度演算手段１０４と、前記変位演算手段１０３から出力される変位信号と前記発振手段１０２から出力される駆動信号との位相差を算出するために該変位信号と駆動信号とを乗算する乗算手段１０５と、該乗算手段１０５から出力される乗算信号が入力されることにより、前記発振手段１０２から出力される駆動信号と前記変位演算手段１０３から出力される変位信号との位相が９０度ずれるように、駆動信号の周波数を制御するための制御信号を出力する周波数制御手段１０６とから構成している。

請求項２の発明では、発振手段１０２を、周波数制御手段１０６から出力される制御信号を受けて、角速度検出素子１０１に出力される駆動信号の周波数を変化させる電圧制御発振回路により構成し、周波数制御手段１０６を、乗算手段１０５から出力される乗算信号を積分する積分回路と、該積分回路から出力される積分信号が零か否かを判定し、積分信号が零となるときには駆動信号と変位信号との位相が９０度ずれるように予め設定された基準電圧を制御信号として設定し、積分信号が零以外のときには積分信号と前記基準電圧との加減算を行ってこの値を制御信号として設定する制御信号設定回路とから構成している。

請求項３の発明では、変位演算手段１０３を、左，右方向の一方の固定部と可動部との間に生じる静電容量と、他方の固定部と可動部との間に生じる静電容量とを加算することにより、前記各変位検出部から出力される変位信号のみを出力する加算回路により構成し、角速度検出素子１０１を、左，右方向の一方の固定部と可動部との間に生じる静電容量と、他方の固定部と可動部との間に生じる静電容量とを減算することにより、前記各角速度検出部から出力される角速度信号のみを出力する減算回路により構成している。

請求項１の発明によれば、角速度検出素子１０１の可動部は、発振手段１０２から出力される駆動信号によって一方向に振動する。このとき、角速度検出素子１０１に角速度が作用すると、可動部はコリオリ力によって直交方向に変位する。そして、角速度演算手段１０４では、角速度検出素子１０１から出力される可動部の直交方向の変位による静電容量の変化を角速度信号として演算する。

一方、変位演算手段１０３では、角速度検出素子１０１に生じる可動部の一方向への振動による変位を静電容量の変化から検出する。また、乗算手段１０５では、変位演算手段１０３から出力される変位信号と発振手段１０２から出力される駆動信号とを乗算することによって、各信号の位相差を乗算信号として算出する。さらに、周波数制御手段１０６では、乗算手段１０５から出力される乗算信号を受けて、駆動信号に対し変位信号の位相が９０度ずれるように、発振手段１０２から出力される駆動信号の周波数を制御する。

これにより、周波数制御手段１０６によって、駆動信号と変位信号との位相差が９０°となるようにフィードバック制御を行うことができ、変位演算手段から出力される変位信号と発振手段から出力される駆動信号の位相差を９０度に自動的に設定することができる。このため、発振手段１０２から出力される駆動信号の周波数を、角速度検出素子１０１の固有振動数に対応させることができ、該角速度検出素子１０１の可動部を共振状態で振動させることができる。

この結果、角速度検出素子では、可動部の振動を大きくでき、角速度検出素子に加わる角速度の検出感度を高めることができる。また、角速度検出素子が経時劣化によって固有振動数が変化した場合でも、その振動数に発振手段から出力される駆動信号の周波数を合わせることができ、当該角速度計測装置の信頼性を高めることができる。しかも、角速度検出素子と周辺機器とを接続する組立作業時においても、発振手段の周波数調整作業を省略でき、作業効率を高めることができる。

請求項２の発明によれば、積分回路では乗算手段１０５から出力される乗算信号を直流に変換し、制御信号設定回路によって設定される制御信号は、積分信号が零であるときには、電圧制御発振回路に入力される制御信号を駆動信号と変位信号が９０度ずれるように予め設定された基準電圧に設定し、積分信号が零以外であるときには、制御信号を積分信号と基準電圧との加減算によって設定する。これにより、発振手段１０２から出力される駆動信号の周波数を、該駆動信号と変位信号との位相が９０度ずれるように設定できるから、発振手段１０２から出力される駆動信号の周波数と角速度検出素子１０１の固有振動数とをフィードバック制御によって一致させることができ、該角速度検出素子１０１の可動部を常に共振状態で振動させることができる。

請求項３の発明によれば、変位演算手段を加算回路により構成し、角速度演算手段を減算回路により構成し、しかも変位検出部と角速度検出部は、可動部に対してそれぞれ対をなして形成したから、角速度演算手段では変位検出部の各角速度信号のみを演算し、変位演算手段では変位検出部の各変位信号のみを演算することにより、角速度信号と変位信号とを別個に検出することができる。

以下、本発明による実施の形態を、図２ないし図１５の添付図面に従って詳細に説明する。なお、実施の形態では前述した従来技術と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

２１は本発明の実施の形態による角速度計測装置、該角速度計測装置２１は、後述する角速度検出素子２２と、該角速度検出素子２２を制御するための後述する発振回路４１〜周波数制御回路４５とから構成されている。

まず、図３ないし図６により、実施の形態に用いる角速度検出素子について説明する。

２２は角速度検出素子、２３は該角速度検出素子２２の本体をなす矩形状な基板を示し、該基板２３は高抵抗なシリコン材料によって形成されている。

２４，２４は後述する可動部２８を左，右両側で挟むように基板２３上に設けられた一対の振動用の固定部、２５，２５は可動部２８を前，後両側（紙面上，下両側）で挟むように基板２３上に設けられた一対の検出用の固定部をそれぞれ示し、該各検出用の固定部２５にはＸ軸方向の延びる基部２５Ａが形成されている。また、該各固定部２４には、後述の固定側くし状電極２６が一体形成され、該各固定部２５の基部２５Ａには、固定側アンテナ状電極２７が一体形成されている。

２６，２６は固定側くし状電極を示し、該固定側くし状電極２６は基板２３の左，右に位置した振動用の固定部２４，２４に設けられた複数枚の電極板２６Ａとからなっている。

２７，２７，…は固定側アンテナ状電極群を構成する多数個の固定側アンテナ状電極を示し、該各固定側アンテナ状電極２７は前記基部２５Ａの長手方向に所定間隔毎に形成され、該各固定側アンテナ状電極２７はＹ軸方向に延びる支柱２７Ａと、該支柱２７Ａの左，右両側に列設された複数枚の電極板２７Ｂとからなる。なお、基部２５Ａの左側端部に設けられた固定側アンテナ状電極２７においては、支柱２７Ａの右片側にのみ各電極板２７Ｂが形成されている。

２８は可動部で、該可動部２８は基板２３上に低抵抗なポリシリコンまたは単結晶シリコン等によって略Ｈ型に形成され、該可動部２８は、基板２３の四隅に位置して該基板２３上に固着された４個の支持部２９と、該各支持部２９から略コ字状に折曲して形成された４本の支持梁３０によって支持されている。また、該可動部２８は、各支持梁３０によって一方向となるＸ軸，直交方向となるＹ軸方向に変位可能に支持され、前記基板２３の表面から離間した状態で支持されている。

また、前記可動部２８は、Ｙ軸方向に伸長しその先端側に前記各支持梁３０が固着された２本の棒状体２８Ａ，２８Ａと、Ｘ軸方向に伸長し、該各棒状体２８Ａの中間部で連結する連結部２８Ｂとから構成されている。また、該可動部２８の各棒状体２８Ａの外側には前記固定側くし状電極２６と噛合する後述の可動側くし状電極３１，３１が一体形成され、連結部２８Ｂの両側には前記固定側アンテナ状電極２７に噛合する複数個の可動側アンテナ状電極３２が一体形成されている。

３１，３１は可動側くし状電極を示し、該各可動側くし状電極３１は前記可動部２８の棒状体２８Ａ，２８ＡからＸ軸方向外側に向け、前記固定側くし状電極２６の各電極板２６Ａと対向するように形成された複数の電極板３１Ａとからなる。

３２，３２，…は可動側アンテナ状電極群を構成する多数個の可動側アンテナ状電極を示し、該各可動側アンテナ状電極３２は、前記固定側アンテナ状電極２７と対向するように、前記可動部２８の連結部２８Ｂの両側に位置し、所定間隔毎にＹ軸方向に向けて延びる支柱３２Ａと、該支柱３２Ａの左，右両側に列設された複数枚の電極板３２Ｂとからなる。なお、連結部２８Ｂの右側端部に設けられた可動側アンテナ状電極３２においては、支柱３２Ａの左片側にのみ各電極板３２Ｂが形成されている。

３３，３３は振動発生部を示し、該各振動発生部３３は固定側くし状電極２６と可動側くし状電極３１とから構成され、図３に示すように、該固定側くし状電極２６の各電極板２６Ａと可動側くし状電極３１の各電極板３１Ａとの間にはそれぞれ等しい隙間が形成されている。ここで、固定側くし状電極２６と可動側くし状電極３１との間に逆位相となる周波数ｆの駆動信号ＶDを後述する発振回路４１から印加すると、各電極板２６Ａ，３１Ａ間には静電引力が交互に発生し、可動部２８を矢示ａ方向に振動させる。

３４，３４は角速度検出部を示し、該各角速度検出部３４は、可動部２８の各棒状体２８Ａと連結部２８Ｂとの間の空隙領域に形成され、固定側アンテナ状電極群を構成する複数個の固定側アンテナ状電極２７と可動側アンテナ状電極群を構成する複数個の可動側アンテナ状電極３２とから構成されている。

また、該各角速度検出部３４は、初期時においては図４に示す状態にあり、固定側アンテナ状電極２７を構成する電極板２７Ｂと可動側アンテナ状電極３２を構成する電極板３２Ｂとを交互に対面させるとき、隣合う電極板２７Ｂ，３２Ｂの初期時の有効面積はＳ0となり、初期時の離間寸法は、隙間の狭い離間寸法ｄ0と隙間の広い離間寸法ｄ0′とが交互に位置した状態にある。この場合、連結部２８Ｂを挟んで上，下両側で、離間寸法ｄ0，ｄ0′の離間関係は線対称になっている。

このため、初期時において、隙間の狭い離間寸法ｄ0による平行平板コンデンサの静電容量Ｃ0と、同じく初期時において隙間の広い離間寸法ｄ0′による平行平板コンデンサの静電容量Ｃ0′との関係は、下記数３のようになる。

このため、角速度検出部３４が作動していない初期時には、隙間の狭い離間寸法ｄ0側のみが平行平板コンデンサとして構成されている。この結果、角速度検出素子２２に外力が作動したときには、可動部２８のＹ軸方向の変位を、隙間の狭い方の離間寸法ｄ0による静電容量の変化として検出する。

３５，３５は変位検出部を示し、該各変位検出部３５は、前記各角速度検出部３４のうち、基部２５Ａの左側端部に位置した固定側アンテナ状電極２７と、連結部２８Ｂの左側端部に位置した可動側アンテナ状電極３２とから構成され、後述するような検出動作によって、可動部２８のａ方向への変位を検出すると共に、該変位検出部３５は可動部２８のＦ方向への変位を検出する角速度検出部３４も兼ねている。

ここで、図４ないし図６に基づいて、前述した各角速度検出部３４と各変位検出部３５の検出動作について説明する。

まず、各振動発生部３３に駆動信号ＶDが印加されていない初期時には、図４に示すように、各角速度検出部３４の隣合う電極板２７Ｂ，３２Ｂとの有効面積はＳ0となり、隣合う電極板２７Ｂ，３２Ｂの離間寸法は、隙間の狭い離間寸法ｄ0と隙間の広い離間寸法ｄ0′が交互に配置されている。

この状態で、図５に示すように各振動発生部３３に駆動信号ＶDを印加すると、可動部２８はＸ軸方向となる矢示ａ方向に振動する。このとき、各角速度検出部３４の隣合う電極板２７Ｂ，３２Ｂの離間寸法ｄ0，ｄ0′は変化せず、有効面積Ｓ0のみが変化することになる。

ここで、角速度検出部３４のうち、１個の固定側アンテナ状電極２７に注目すると、支柱２７Ａの左，右に位置した各電極板２７Ｂでは、該各電極板２７Ｂが対面する可動側アンテナ状電極３２側の各電極板３２Ｂの有効面積Ｓ0は、支柱３２Ａの右側では変化面積ΔＳ0だけ小さくなり、左側では変化面積ΔＳ0だけ大きくなっている。

このため、支柱２７Ａの左，右における静電容量Ｃは、一方では変化容量（−ΔＣ1）となり、他方では変化容量（＋ΔＣ1）となって、１個の固定側アンテナ状電極２７においてそれぞれ相殺されることになる。この結果、各固定部２５と可動部２８との間で検出される各角速度検出部３４による角速度信号は、可動部２８のａ方向の振動による変位は検出していない。

一方、各変位検出部３５についてみると、該各変位検出部３５は、左側に位置した固定側アンテナ状電極２７と可動側アンテナ状電極３２によって形成されているから、図５のように矢示ａ方向に可動部２８が変位した場合には、連結部２８Ｂに対して上，下に位置した変位検出部３５から出力される変位信号は、どちらも有効面積Ｓ0が変化面積ΔＳ0だけ減少した変化容量（−ΔＣ2）として検出される。これにより、各変位検出部３５から出力される変位信号を後述する加算回路４３で加算することにより、（２×−ΔＣ2）の変位信号を検出することができる。

さらに、角速度検出素子２２に外力が作用した作動時には、図６に示すように、可動部２８がＦ方向に変位すると、各角速度検出部３４の隣合う電極板２７Ｂ，３２Ｂの有効面積Ｓ0は変化せず、隙間の狭い離間寸法ｄ0のみを用いて、検出動作を行う。

ここで、連結部２８Ｂに対して上，下に位置した角速度検出部３４についてみると、まず上側の角速度検出部３４では、電極板２７Ｂ，３２Ｂ間の離間寸法ｄ0が変化寸法Δｄ0だけ大きくなり、変化容量（−ΔＣ3）の変位信号を出力する。一方、下側の角速度検出部３４では、電極板２７Ｂ，３２Ｂ間の離間寸法ｄ0が変化寸法Δｄ0だけ小さくなり、変化容量（＋ΔＣ3）の角速度信号を出力する。このため、各角速度検出部３４から出力される角速度信号を後述する減算回路４２で差算することにより、（２×−ΔＣ3）の変位信号を検出することができる。なお、各変位検出部３５においては、角速度検出部３４と同様に動作する。

かくして、角速度検出素子２２においては、前述した如く、可動部２８の矢示ａ方向の振動は、各変位検出部３５によって検出し、矢示Ｆ方向の変位は、各角速度検出部３４によって検出することができる。さらに、角速度検出素子２２から出力される信号は、上側の固定部２５と可動部２８との間の静電容量の変化を上側の検出信号Ｖinとして検出し、下側の固定部２５と可動部２８との間の静電容量の変化を下側の検出信号Ｖinとなる。

さらに、前述した変位検出部３５による検出動作について、図７ないし図９を参照しつつ、より具体的に説明する。

図７は変位検出部３５を拡大したもので、便宜上、固定側アンテナ状電極２７の電極板２７Ｂと可動側アンテナ状電極３２の電極板３２Ｂとが重なる長さをＬ0、また長さＬ0方向の変化長さをΔＬ0、変位振幅をΔＬとし、電極板２７Ｂと電極板３２Ｂとの隙間の狭い離間寸法をｄ0、また離間寸法ｄ0の変化寸法をΔｄ0、変位振幅をΔｄとする。さらに、可動側アンテナ状電極３２の電極板３２Ｂの高さ寸法をＷ、可動部２８に印加される駆動信号ＶDの角速度をωとし、可動部２８雰囲気の誘電率をεとする。

ここで、変位長さΔＬ0と変位振幅ΔＬとの関係、変化寸法Δｄ0と変位振幅Δｄとの関係は、数４となる。

また、前述した有効面積Ｓ0と長さＬ0との関係、変化面積ΔＳ0と変化長さΔＬ0との関係は、数５となる。

さらに、連結部２８Ｂに対して上側に位置した変位検出部３５から出力される静電容量Ｃuを算出すると数６となる。

また、連結部２８Ｂに対して下側に位置した変位検出部３５から出力される静電容量Ｃdを算出すると数７のようになる。

そして、前記数６，７の分母は、可動部２８の矢示Ｆ方向への振動による離間寸法ｄ0の変化を示し、分子は、可動部２８の矢示ａ方向への振動による長さＬ0の変化に伴う有効面積Ｓ0の変化を示している。また、前記数６，７により、静電容量Ｃu，Ｃdを加算すると可動部２８が矢示ａ方向に振動するときの静電容量が求まり、静電容量Ｃu，Ｃdを減算すると可動部２８が矢示Ｆ方向に振動するときの静電容量が求まる。

また、実施の形態では、後述する周辺回路により、可動部２８は矢示ａ方向に大きく共振状態で振動するようにしているから、可動部２８は駆動信号ＶDに対して９０度位相のずれた矢示Ｆ方向の振動を行っている。

ここで、静電容量Ｃu，Ｃdを加算した加算容量ＣAは数８のようになる。

また、前記離間寸法ｄ0は、コリオリ力の作用による変位振幅Δｄは十分小さく設定され、ｄ0≫Δｄとなるから、Δｄを無視することができる。よって、前記数８は数９となる。

また、静電容量Ｃu，Ｃdを減算した減算容量ＣSは数１０となる。

ここで、前記離間寸法ｄ0は、コリオリ力の作用による変位振幅Δｄは十分小さく設定され、ｄ0≫Δｄとなるから、Δｄを無視することができる。よって、前記数１０は数１１なる。

例えば、Ｚ軸周りに角速度Ωが作用していないときには、Ｆ方向の変化寸法Δｄ0は０であるから、静電容量Ｃu，Ｃdを加算した加算容量ＣAは、前記数９に示すように、静電容量２Ｃ0を中心とした振幅が（２εＷΔＬ／ｄ0）の振動を行う（図８の（ａ）参照）。

一方、静電容量Ｃu，Ｃdを減算した減算容量ＣSは、前記数１１に示すように、その値は０となる（図８の（ｂ）参照）。

また、Ｚ軸周りに角速度Ωが作用したときには、可動部２８はＦ方向に変化寸法Δｄ0となる振動を行う。そこで、加算容量ＣAは、前記数９に示すように、この変位振幅Δｄが含まれていないから、角速度Ωが作用していないときと同じ波形（図９の（ａ）参照）を得る。

一方、減算容量ＣSは、前記数１１に示すように、この変位振幅Δｄが含まれているから、０を中心とした振幅が（２εＷＬ0Δｄ／ｄ0２）の振動を行う（図９の（ｂ）参照）。

このように、数９の加算容量ＣAと数１１の減算容量ＣSの波形を図示すると、図９に示すようになり、減算容量ＣSの波形は加算容量ＣAの波形に対して９０°ずれたものとなる。また、減算容量ＣSを、加算容量ＣAに対して９０°シフトした検波参照信号（図９の（ｃ）参照）で検波、積分することにより、図９の（ｄ）に示すように、角速度に比例したコリオリ成分のみを検出することができる。このコリオリ成分は回路によって増幅され出力される。

このように、実施の形態に用いられる角速度検出素子２２では、上，下に位置した変位検出部３５により、可動部２８のａ方向の変位と、Ｆ方向の変位を別個に検出することができる。

次に、図２に基づき周辺回路について説明する。

４１は発振手段をなす発振回路を示し、該発振回路４１は後述する制御信号ＶCを受けて出力する駆動信号ＶDの周波数ｆを変化させる電圧制御発振回路（所謂、ＶＣＯ）によって構成されている。そして、該発振回路４１は、前記角速度検出素子２２の各振動発生部３３に駆動信号ＶDを出力する。

４２は角速度演算手段をなす減算回路で、該減算回路４２は角速度検出素子２２から出力される各検出信号Ｖinを減算することにより、前述した如く、検出信号Ｖin中に含まれる角速度検出部３４の角速度信号のみを減算信号ＶSとして出力する。なお、この減算信号ＶSは各角速度検出部３４から出力される角速度信号を２倍にした値となっている。

４３は振動演算手段をなす加算回路で、該加算回路４３は角速度検出素子２２から出力される各検出信号Ｖinを加算することにより、前述した如く、検出信号Ｖin中に含まれる変位検出部３５の変位信号のみを加算信号ＶAとして出力する。なお、この加算信号ＶAは各変位検出部３５から出力される変位信号を２倍にした値となっている。

４４は乗算手段をなす乗算回路で、該乗算回路４４は加算回路４３から出力される加算信号ＶAと発振回路４１から出力される駆動信号ＶDとを乗算した乗算信号ＶMを出力するもので、該乗算信号ＶMは、加算信号ＶAと駆動信号ＶDとの位相差を表している。

なお、角速度検出素子２２の出力側には、ＦＥＴ等の半導体素子からなるＣ−Ｖ変換回路（図示せず）が接続されている。

４５は周波数制御手段としての周波数制御回路で、該周波数制御回路４５は、乗算回路４４から出力される乗算信号ＶMを積分する積分回路４６と、該積分回路４６から出力される積分信号ＶIを受けて、制御信号ＶCを設定する制御信号設定回路４７とからなる。

ここで、前記制御信号設定回路４７は、積分信号ＶIが零か否かを判定し、積分信号ＶIが零となるときには、可動部２８が共振するように予め設定された基準電圧Ｖ0を制御信号ＶCとして設定し、積分信号ＶIが零以外のときには積分信号ＶIと基準電圧Ｖ0との加減算を行ってこの値を制御信号ＶCとして設定するものである（図１０中のステップ９〜１２参照）。

４８は前記基準電圧Ｖ0を発生する基準電源であり、該基準電源４８は基準電圧Ｖ0を出力する。ここで、この基準電圧Ｖ0は、予め計算によって設定されるもので、この基準電圧Ｖ0を制御信号ＶCとして発振回路４１に入力した場合には該発振回路４１からは周波数ｆの駆動信号ＶDを発生する。この駆動信号ＶDで可動部２８を振動させることにより、該可動部２８は、計算上において駆動信号ＶDから９０度ずれた振動、即ち共振を行うようになっている。

ここで、駆動信号ＶDと加算信号ＶAとを数１２のように仮定する。

また、乗算回路４４から出力される乗算信号ＶMは数１３のようになる。

ここで、可動部２８を共振させるためには、従来技術で述べたように、駆動信号ＶDに対して変位信号（加算信号ＶA）の位相が９０度ずれているから、φ＝−９０°となり、数１３は数１４のように書換えられる。

さらに、位相がφ（−９０度）からρだけずれているときには、数１５のようになる。

このように、角速度検出素子２２の可動部２８が共振状態にあるとき、即ち駆動信号ＶDと変位信号（加算信号ＶA）とのずれが−９０度のときには、数１４からも分かるように、乗算信号ＶMには直流分の変化はない。しかし、共振状態からずれたときには、数１５に示すように、乗算信号ＶMには定数ＶDCの直流分が減算または加算されることになる。

本発明に係る実施の形態では、この点に着目し、発振回路４１から出力される駆動信号ＶDの周波数ｆを、駆動信号ＶDと変位信号（加算信号ＶA）との位相差を９０度に合わせるように駆動信号ＶDの周波数ｆを調整し、可動部２８を共振状態で振動させるようにしたものである。

実施の形態による角速度計測装置は、上述の如き構成を有するもので、角速度検出素子２２の基本的作動等については従来技術によるものと格別差異はない。

次に、角速度計測装置２１の動作を、図１０の動作フローチャート、図１１ないし図１３に示す特性線に基づいて説明する。

まず、ステップ１では、発振回路４１から出力される駆動信号ＶDの周波数ｆを設定するための、制御信号ＶCを基準電圧Ｖ0に設定する。

ステップ２では、発振回路４１から周波数ｆの駆動信号ＶDを角速度検出素子２２の各振動発生部３３に出力し、ステップ３では、周波数ｆで可動部２８を矢示ａ方向に振動させる。

このように可動部２８を矢示ａ方向に振動させた状態で、角速度検出素子２２にＺ軸周りの角速度Ωが作用すると、可動部２８はコリオリ力を受けて矢示Ｆ方向に変位する。

次に、ステップ４では、角速度検出素子２２の可動部２８に対して上，下に位置した角速度検出部３４（変位検出部３５）から出力される検出信号Ｖinを読込み、ステップ５では、読込んだ各検出信号Ｖinを減算回路４２に入力することにより、該減算回路４２からは可動部２８のＦ方向への変位のみを示す減算信号ＶS（角速度信号）を出力する。

ここで、減算信号ＶSは、可動部２８のコリオリ力によるＦ方向の変位のみを検出しているもので、角速度検出素子２２に加わる角速度Ωの大きさを示したものである。

さらに、ステップ６では、読込んだ各検出信号Ｖinを加算回路４３に入力することにより、該加算回路４３からは可動部２８のａ方向への振動のみを示す加算信号ＶA（変位信号）を出力する。

ステップ７では、乗算回路４４によって加算信号ＶAと駆動信号ＶDを乗算して乗算信号ＶMを算出し、ステップ８では、積分回路４６によってこの乗算信号ＶMを積分し、積分信号ＶIを得る。

さらに、ステップ９では、積分信号ＶIが零か否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定した場合には、加算信号ＶAと駆動信号ＶDとの位相差が−９０度であり、可動部２８が共振状態で振動しているから、ステップ２に戻り、制御信号ＶCを基準電圧Ｖ0に設定した処理を行う。

一方、ステップ９で「ＮＯ」と判定した場合には、加算信号ＶAと駆動信号ＶDとの位相差が−９０度よりもずれ、可動部２８は共振状態からずれた振動を行っているから、ステップ１０に移る。

ステップ１０では、積分信号ＶIが零より大きいか否かを判定し、「ＮＯ」と判定した場合には、位相差が−９０度よりも進んでいるから、ステップ１１のように、制御信号ＶCを（Ｖ0＋ＶI）として設定し、ステップ２に戻り、制御信号ＶCを（Ｖ0＋ＶI）に設定した処理を行う（図１２参照）。

また、ステップ１０で「ＹＥＳ」と判定した場合には、位相差が−９０度よりも遅れているから、ステップ１２のように、制御信号ＶCを（Ｖ0−ＶI）として設定し、ステップ２に戻り、制御信号ＶCを（Ｖ0−ＶI）に設定した処理を行う（図１３参照）。

このように、本実施の形態による角速度計測装置２１では、発振回路４１から出力される駆動信号ＶDと加算回路４３から出力される加算信号ＶA（変位信号）を乗算回路４４で乗算することにより、駆動信号ＶDと加算信号ＶAとの位相差に対応した乗算信号ＶMを求める。そして、周波数制御回路４５では、この乗算信号ＶMを積分回路４６で積分し、積分した積分信号ＶIを制御信号設定回路４７で零か否かを判定する。

これにより、駆動信号ＶDと加算信号ＶAとの位相差が−９０度になっているか否かを判定し、角速度検出素子２２の可動部２８が共振状態で振動しているか否かを判定する。ここで、可動部２８が共振状態で振動していない場合には、制御信号設定回路４７によって共振状態で振動するような制御信号ＶCを設定する。前記発振回路４１では、この制御信号ＶCを受けて、駆動信号ＶDの周波数ｆを調整し、該周波数ｆを角速度検出素子２２の固有振動数に自動的に合わせるようにしている。

この結果、角速度検出素子２２では、可動部２８を共振状態で振動させることができ、該可動部２８のａ方向の振動を大きくでき、当該角速度計測装置２１の検出感度を高めることができる。

しかも、経時劣化等により角速度検出素子２２の固有振動数が変化した場合であっても、駆動信号ＶDの周波数ｆをフィードバック制御することにより、常に可動部２８を共振状態で振動させることができ、当該角速度計測装置２１の信頼性を高めることができる。

さらに、実施の形態では、発振回路４１の周波数調整を自動的に行うことができるから、従来の角速度計測装置では、角速度検出素子と周辺回路とを接続する組立時に必要であった発振回路の周波数調整作業を廃止することができ、組立作業の作業効率を高めることができる。

また、実施の形態による角速度計測装置２１では、周辺回路に温度変化や経時劣化が発生しても、駆動信号ＶDの周波数および振幅、周波数あるいは振幅のみをフィードバック制御することにより、周辺回路の感度を一定にすることができ、当該角速度計測装置２１の信頼性を高めることができる。

かくして、実施の形態では、発振回路４１から角速度検出素子２２の振動発生部３３，３３に出力される駆動信号ＶDの周波数ｆを、前述した如くにフィードバック制御することにより、駆動信号ＶDの周波数ｆを角速度検出素子２２の固有振動数に設定することができる。この結果、角速度検出素子２２の可動部２８を常に共振状態で矢示ａ方向に大きく振動させることができ、該角速度検出素子２２の検出感度を高めることができる。

なお、前記実施の形態では、角速度検出部３４に変位検出部３５を含むように形成したが、本発明はこれに限らず、角速度検出部３４と変位検出部３５とを別個に形成しても、一体形成してもよい。例えば、図１４の第１の変形例に示すように、角速度検出部３４′（変位検出部３５′）は、支柱３２Ａ′（２７Ａ′）の片側にのみ複数枚の電極板３２Ｂ′（２７Ｂ′）を設けた楔状電極をそれぞれ形成するようにすればよい。

また、図１５に示す第２の変形例のように、固定部２５の基部２５Ａを角速度検出部３４′と変位検出部３５′とに分かれるように基部２５Ａ1と基部２５Ａ2とに分離し、それぞれ別個の周辺回路で信号処理を行うようにしてもよい。この場合、周辺回路の特性が揃うように調整しておけばよい。

さらに、発振回路４１から出力される駆動信号ＶDは正弦波として示したが、矩形波を駆動信号ＶDとして発生するものでもよく、要は発振回路４１を電圧制御発振回路によって構成すればよい。

本発明の構成を示す機能ブロック図である。 本発明に係る実施の形態による角速度計測装置を示す回路構成図である。 角速度検出素子の構造を示す平面図である。 角速度検出素子の角速度検出部と変位検出部を拡大して示す平面図である。 可動部が矢示ａ方向に振動したときの状態を示す平面図である。 可動部が矢示Ｆ方向に振動したときの状態を示す平面図である。 変位検出部を拡大して示す斜視図である。 可動部が矢示ａ方向にのみ振動しているときに、変位検出部によって検出される加算容量と減算容量を示す特性線図である。 可動部が矢示ａ方向と矢示Ｆ方向に振動しているときに、変位検出部によって検出される加算容量、減算容量、検波参照信号、コリオリ成分を示す特性線図である。 角速度計測装置の動作を示す流れ図である。 可動部が共振状態にあるときの、発振回路、加算回路、減算回路、乗算回路、積分回路、制御信号設定回路から出力される波形を示す特性線図である。 可動部が共振状態からずれているときの、発振回路、加算回路、減算回路、乗算回路、積分回路、制御信号設定回路から出力される波形を示す特性線図である。 可動部が共振状態からずれているときの、発振回路、加算回路、減算回路、乗算回路、積分回路、制御信号設定回路から出力される波形を示す特性線図である。 第１の変形例による角速度検出素子を示す図４と同様位置からみた平面図である。 第２の変形例による角速度検出素子を示す図４と同様位置からみた平面図である。 従来技術による角速度検出素子の構造を示す斜視図である。 従来技術による角速度検出素子を示す図１６の平面図である。

符号の説明

２１ 角速度計測装置
２２ 角速度検出素子
２３ 基板
２４ 振動用の固定部
２５ 検出用の固定部
２６ 固定側くし状電極
２６Ａ，２７Ｂ，３１Ａ，３２Ｂ，２７Ｂ′，３２Ｂ′ 電極板
２７，２７′ 固定側アンテナ状電極
２７Ａ，３２Ａ，２７Ａ′，３２Ａ′ 支柱
２８ 可動部
３１ 可動側くし状電極
３２，３２′ 可動側アンテナ状電極
３３ 振動発生部
３４，３４′ 角速度検出部
３５，３５′ 変位検出部
４１ 発振回路（発振手段）
４２ 減算回路（角速度演算手段）
４３ 加算回路（変位演算手段）
４４ 乗算回路（乗算手段）
４５ 周波数制御回路（周波数制御手段）
４６ 積分回路
４７ 制御信号設定回路
４８ 基準電源

Claims (3)

1. 固定部に対して可動部を一方向の振動を与えている状態で、外部から角速度が加えられたときに可動部の振動方向と直交方向の変位を静電容量の変化として検出する角速度検出素子と、
   該角速度検出素子の可動部に一方向の振動を与えるために、制御信号に対応した周波数を有する駆動信号を出力する発振手段と、
   該発振手段によって前記角速度検出素子の可動部に一方向の振動を与えている状態で、該角速度検出素子に生じる静電容量の変化に基づいて前記可動部の変位を演算する変位演算手段と、
   前記角速度検出素子に角速度が作用したときに、該角速度検出素子に生じる静電容量の変化に基づいて前記可動部に加わる角速度の大きさを演算する角速度演算手段と、
   前記変位演算手段から出力される変位信号と前記発振手段から出力される駆動信号との位相差を算出するために、該変位信号と駆動信号とを乗算する乗算手段と、
   該乗算手段から出力される乗算信号が入力されることにより、前記発振手段から出力される駆動信号と前記変位演算手段から出力される変位信号との位相が９０度ずれるように、駆動信号の周波数を制御するための制御信号を出力する周波数制御手段とから構成してなる角速度計測装置。
2. 前記発振手段は、前記周波数制御手段から出力される制御信号を受けて、前記角速度検出素子に出力される駆動信号の周波数を変化させる電圧制御発振回路により構成し、
   前記周波数制御手段は、前記乗算手段から出力される乗算信号を積分する積分回路と、該積分回路から出力される積分信号が零か否かを判定し、積分信号が零となるときには駆動信号と変位信号との位相が９０度ずれるように予め設定された基準電圧を制御信号として設定し、積分信号が零以外のときには積分信号と前記基準電圧との加減算を行ってこの値を制御信号として設定する制御信号設定回路とから構成してなる請求項１に記載の角速度計測装置。
3. 前記変位演算手段は、左，右方向の一方の固定部と可動部との間に生じる静電容量と、他方の固定部と可動部との間に生じる静電容量とを加算することにより、前記各変位検出部から出力される変位信号のみを出力する加算回路により構成し、
   前記角速度演算手段は、左，右方向の一方の固定部と可動部との間に生じる静電容量と、他方の固定部と可動部との間に生じる静電容量とを減算することにより、前記各角速度検出部から出力される角速度信号のみを出力する減算回路により構成してなる請求項１または２に記載の角速度計測装置。

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