JP3409476B2 - 振動ジャイロの駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、小形、軽量、かつ、構
造や製造法が簡単で、しかも十分高精度な振動ジャイロ
の駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動ジャイロの例としては、ケー
・マエナカ、ティー・シオザワにより「シリコン レイ
ト センサ ユーズィング アニソトロピック エッチ
ングテクノロジィ」（K.Maenaka and T.Shiozawa, “Si
licon rate sensor using anisotropic etching techno
logy”）と題してダイジエスト オブ テクニカルペイ
パズ、トランスジューサズ ９３（Dig. of Tech. Pape
rs,Transducers 93)、１９９３、６４２−６４５頁に記
載された、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すようなも
のがある。図８（ａ）は斜視図、図８（ｂ）は断面図、
図８（ｃ）は使用する際の概略回路図である。図８中、
１は支持部で、この部分は図８（ａ）、図８（ｂ）中
で、ガラス台座２と一緒に、下方の圧電素子３により
（ｂ）のｘ軸方向に振動させられている振動梁６を支持
している。振動梁６の振動方向を含む（紙面に直交す
る）面をその面内に在って振動方向に直交する（紙面に
直角な）軸すなわち（ｂ）のｚ軸方向の周りに回転させ
ようとすると、それに応じてコリオリの力が振動梁６の
上記振動方向と直角な方向すなわち（ｂ）のｙ軸方向に
生ずる。このコリオリの力による振動梁６の運動を検出
電極５を介して検出する。また、４は振動監視用電極
で、振動梁６の振動振幅を監視する。支持部１、検出電
極５、振動梁６は何れも、（１１０）シリコン基板から
異方性エッチング技術により形成された構造体である。
図８（ｃ）中に示されている７は圧電素子３を駆動する
駆動電源、８はバッファ、９は増幅器、１０は復調器で
ある。振動梁６の、圧電素子によるｘ軸方向（駆動方
向）の変位と、コリオリの力によるｙ軸方向（振動面回
転の検出方向）の変位は、図８（ｃ）に示すように、振
動梁６を接地し、振動監視用電極４および検出電極５と
の間の電気容量変化により測定している。角速度Ωが入
力した場合に発生するコリオリの力Ｆｃ（ｔ）の大きさ
は下記（１）式のように表される。

【０００３】 Ｆｃ（ｔ）≒２・ｍ・Ｖm（ｔ）・Ω （１） ここで、ｍは振動梁６の質量、Ｖm（ｔ）は圧電素子７
により駆動される振動梁６の速さである。最大のコリオ
リの力は駆動振動が共振状態（駆動振幅およびＶm
（ｔ）が最大）の場合に得られるが、共振状態は図８
（ｃ）に示すＲｅｆ．信号が最大となるように駆動電源
７の駆動周波数を調整することにより実現可能である。
また、（１）式からコリオリの力Ｆｃ（ｔ）による振動
梁６の検出方向の振動は駆動周波数と同一の周波数でか
つ駆動方向の振動振幅に比例した検出方向の振動振幅を
有する。従って、図８（ｃ）のように振動監視用電極４
からのＲｅｆ．信号を用いて検出電極５からの信号を復
調器１０で復調することにより、駆動振幅で補正した振
動梁６のコリオリの力による変位が測定でき、外乱加速
度入力等による駆動振幅の変動を補正することができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の振
動ジャイロには、振動質量である振動梁６の駆動振動状
態を監視するための振動監視用電極が必要で、構造およ
び製造時の処理工程が複雑になり、小形、原価低減化が
困難であるなどの問題点があった。

【０００５】本発明は上記従来の振動ジャイロの駆動方
法の問題点を解消した、構造が簡単で、製造処理工程も
簡単容易、しかも十分高精度な振動ジャイロが得られる
ような振動ジャイロの駆動方法を提供することを課題と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明においては、特許請求の範囲に記載するように
構成している。すなわち、請求項１に記載の発明におい
ては、一定方向に振動している振動体の振動方向を含む
平面を、この平面上に存在し振動方向に直交する軸の周
りに回転させるとき、前記振動体に作用するコリオリの
力を検出して前記回転の角速度を計測するようにした振
動ジャイロの駆動方法において、前記振動体と対向して
前記振動体の各々反対側に配置された電極対を有し、前
記電極対に交互に特定の周波数で駆動電圧を印加し、前
記振動体に対して交互に逆方向の静電引力を作用させて
前記振動体を駆動励振し、更に、この電極対を振動体の
励振状態監視にも兼用して前記振動体の励振状態が常に
一定となるように制御するように構成している。

【０００７】具体的には、前記振動体を静電引力により
駆動振動させるために、前記振動体と前記電極対との間
に交互に特定の周波数で駆動電圧を印加し、かつ、前記
電極対の何れにも電圧を印加しない第１時間帯を設け、
この第１時間帯に前記振動体の駆動振動振幅を読み出す
ための電圧を、前記電極対に同時に印加または前記振動
体に印加し、読み出した前記電極対と振動体間の電気容
量変化によって前記振動体の励振振動振幅を読み出すよ
うにしたものである。

【０００８】また、請求項２に記載の発明は、前記振動
体を静電引力により駆動励振するために、前記振動体
と、それぞれ其の反対側に配置した対をなす電極対との
間に、交互に特定の第１周波数で駆動電圧を印加し、か
つ、前記電極対の何れにも電圧を印加しない第１時間帯
を設け、この第１時間帯に前記振動体と電極対それぞれ
との間の電気容量を読み出すためのキャリア電圧を前記
振動体に印加し、読み出した前記振動体と電極対それぞ
れとの間の電気容量によって、前記振動体の振動状態を
監視するようにしたものである。また、請求項３に記載
の発明は、前記振動体とそれぞれ其の反対側に配置した
電極対との間に、交互に印加する駆動電圧の第１周波数
を、前記振動体の共振周波数と一致させるように構成し
たものである。

【０００９】

【作用】振動体に対向してそれぞれ反対の側に配置され
振動体に対して交互に逆方向の静電引力を作用させる対
をなす２電極を振動体の駆動励振に用い、更に、これら
の電極を振動体の振動状態監視にも兼用して振動体の振
動状態が常に一定となるように制御させることにしたの
で、従来の技術による場合よりも構造が簡単で量産容易
になり、小形で安価に形成できることになった。

【００１０】

【実施例】

第１実施例：第１実施例を、図３（ａ）（平面図）、図
３（ｂ）（断面図）、および図１（ａ）（駆動および検
出回路のブロック図）、図１（ｂ）、図１（ｃ）（電圧
印加のタイムチャート）によって説明する。本実施例で
は、振動系は酸化膜２０を形成されたシリコン基板１ａ
上に構成されている。振動系は振動質量１３および支持
体３０より構成されている。振動質量および支持体は結
晶シリコン（又はポリシリコン）または鍍金法により堆
積した金属により構成されている。支持体３０は固定部
１４によってシリコン基板に固定されている。また、固
定部１４において振動質量および支持体への電気的接続
部が構成されている（電気配線は図面の簡略化のため図
示せず）。振動質量の側面には静電引力で振動質量を
（図中左右方向に）駆動するための櫛歯電極１８が形成
されている。振動質量の直下（図（ｂ））には振動質量
のｙ軸方向の変位を静電容量の変化として検出するため
の電極１６が形成されている。

【００１１】本実施例における振動ジャイロの駆動およ
び検出回路のブロック図を示す図１（ａ）中、点線で囲
った部分が振動質量に対応し、これは共通電位ＶＬに接
続されている。Ｃd1、Ｃd2は振動質量に対向する駆動電
極と振動質量間の電気容量であり、参照容量Ｃr2を介し
て駆動用電源２１に接続され、駆動用電圧が印加されて
いる。電気容量のインピーダンスは下記（２）式 Ｚc＝１／ｊωＣ （２） のように表されるので、Ｃr2を、両駆動電極と振動質量
との間の電気容量Ｃd1、Ｃd2より十分大きくすれば駆動
電圧のＣr2における損失はほとんど無視できる。実際
上、Ｃd1、Ｃd2の値は〜ｐＦ程度なので、同一基板上に
おいてもＣr2の実現は容易である。Ｃd1、Ｃd2と参照容
量Ｃr2との接続点の電位Ｖd1、Ｖd2はバッファ２５を介
して復調器２４に入力され駆動用電源２１の出力を用い
て復調される。復調後の信号は増幅器で所定の値に増幅
され駆動用電源２１の出力振幅を制御するフィードバッ
ク信号となる。

【００１２】駆動用電圧は図１（ｂ）、図１（ｃ）のタ
イムチャートで示すように印加する。駆動用電圧は駆動
力発生のための電圧ｖdと、振動質量変位検出用の読み
出し電圧ｖcで構成されている。ｖdとｖcは交互に別の
期間に印加される。図中ではｖdとｖc印加の間に０Ｖ印
加の時間間隔を設けてあるが、この時間間隔は無くても
本質的な機能は同等である。駆動用電圧は互いに逆方向
の駆動力を発生する駆動電極と振動質量の間の電気容量
Ｃd1とＣd2に、それぞれ逆位相に、読み出し電圧ｖcは
両駆動電極にｖdが印加されていない時間間隔τ内に、
両駆動電極に同時に印加される。読みだし電圧ｖcは図
１（ｂ）のようにＶＬに対し単極性パルスであっても、
又は図１（ｃ）のようにＶＬに対して両極性パルスであ
っても良い。

【００１３】振動質量１３の電位Ｖm（＝ＶＬ）に対し
て、駆動用電圧を駆動電極端Ｖd1、Ｖd2に交互に印加す
ることにより支持体３０に支持された振動質量１３（図
３（ａ），（ｂ））をｘ軸方向（左右）に振動駆動す
る。振動質量のｘ軸方向の共振周波数ｆxrは振動質量の
質量と支持体のｘ軸方向のバネ定数で決まる。従って、
駆動用電源２１（図１（ａ））の印加周波数を電気的に
調整することにより容易に共振状態を実現できる。

【００１４】Ｃs1、Ｃs2は振動質量に対向する検出電極
と振動質量間の電気容量であり、参照容量Ｃr1を介して
検出用電源２２（図１（ａ））に接続され、振動質量の
変位読みだし電圧Ｃが印加されている。図中では読みだ
し電圧Ｃは駆動用電圧のｖcと同期した同じ信号である
が、異なる信号であっても本質的に問題はない。Cs1、
Ｃs2と参照容量Ｃr1との接続点の電位Ｖs1、Ｖs2はバッ
ファ２５を介して復調器２４に入力され検出用電源２２
の出力を用いて復調される。復調後の信号は増幅器で所
定の値に増幅され出力される。

【００１５】精度の良いコリオリの力の測定には、振動
質量を一定周波数、一定振幅で駆動することが必要であ
る。振動周波数は駆動周波数と一致するので、ＯＳＣ１
の周波数を一定に保持すれば良い。参照容量Ｃr2を介し
た駆動電圧Ｄ、Ｄ￣の印加時に、各駆動電極端Ｖd1、Ｖ
d2の電位をバッファ２５を介して読み出し、その差動を
復調器２４で駆動電源ＯＳＣ１の駆動周波数に同期して
検出すれば、振動質量の振動振幅に関する情報が得られ
る。また、本実施例の場合、振動質量の変位検出電圧Ｃ
を用いて復調を行っても良い。従って得られた振幅情報
が所定値になるように駆動電源ＯＳＣ１にネガティブフ
ィードバックをかけ、駆動用電圧のｖdの振幅を調整す
ることにより、振動質量の一定振幅駆動が可能となる。
また、本実施例のように櫛歯電極に電圧を印加して静電
引力で振動質量を駆動し、かつ振動振幅読みだし電圧ｖ
cを、共通電位ＶＬに接続された振動質量に対する駆動
電極に同時に印加する場合、両駆動電極においてｖcに
より発生する静電引力は互いに打ち消し合うので振動状
態に影響を与えない。

【００１６】コリオリ力が振動質量に作動することによ
る、検出電極対と振動質量間の電気容量変化の検出は、
各検出電極端Ｖs1、Ｖs2に、Ｃs1、Ｃs2とほぼ等しい参
照電気容量Ｃr1を直列に接続し、参照電気容量Ｃr1を介
して検出用電源２２を用いて検出電圧Ｃを印加し、各検
出電極端Ｖs1、Ｖs2の電位をバッファ２５を介して読み
出し、その差動を復調器２４で検出電源ＯＳＣ３の駆動
周波数に同期して検出する。コリオリの力とＯＳＣ３は
同じ周波数を有するので、ｙ軸方向の変位量に対応した
ＤＣ信号が得られる。

【００１７】第１実施例では下記の各効果が得られる。
振動質量１３の駆動振動状態を監視するための振動監視
用電極を駆動用電極と兼用したので、構造及び作成プロ
セスが簡単になりになり小型、低コスト化が可能であ
る。櫛歯電極に電圧を印加して静電引力で振動質量を駆
動し、かつ振動振幅読みだし電圧ｖｃを接地された振動
質量に対する駆動電極に同時に印加する場合、両駆動電
極に於てｖｃにより発生する静電引力は互いに打ち消し
合うので振動状態に影響を与えることなく、ｖｃの振幅
を充分大きくすることにより振動質量の振動振幅を精度
良く検出することが出来る。振動質量１３の駆動振幅を
測定しこれが一定となるような制御手段を備えたため、
発生コリオリ力に影響を与える外乱加速度等のによる駆
動振幅変動の影響を除去する事が出来る。半導体作成プ
ロセスを用いて角速度センサを実現したので、小型化、
軽量化及び低コスト化が可能で均一な特性を有するセン
サの大量生産に対応できる。静電引力駆動、静電容量検
出を用いることにより、振動質量及び各支持体を同一電
位にする事ができ、電気的配線が容易である。振動質量
を直接駆動しているので、振動質量の振動振幅のより高
精度な制御が可能である。振動振幅の監視用電極を用い
ることなく、振動振幅の一定制御が可能である。検出
部、検出部の駆動回路及び信号処理回路を同一基板上に
形成すれば、微小な発生信号を処理回路に入力する間に
混入する外来ノイズの影響を大幅に減少できる。また、
参照電気容量Ｃr1対、Ｃr2対の電気容量のペア性を向上
することができ、駆動力及び出力信号のオフセットを低
減することが出来る。駆動用櫛歯電極１８を振動質量１
３の側面に形成したため、駆動電極の対向面積を有効に
確保でき、振動質量の振動駆動が効率よく行える。

【００１８】第２実施例：第２実施例を、図３（ａ）
（平面図）、図３（ｂ）（断面図）、および図２（ａ）
（駆動および検出回路のブロック図）、図２（ｂ）、図
２（ｃ）（電圧印加のタイムチャート）によって説明す
る。本実施例では、第１時間帯に振動体と駆動用の２電
極との間の電気容量を読み出すためのキャリア電圧を
（駆動用２電極に同時に印加する代わりに）振動体に印
加する点が第１実施例と異なる。本実施例における振動
ジャイロの駆動及び検出回路のブロック図を図２（ａ）
に示す。図中、点線で囲った部分が振動質量に対応し、
これを検出用電源２２（ＯＳＣ３）に接続している。Ｃ
d1、Ｃd2は振動質量に対向する駆動電極と振動質量間の
電気容量であり、参照容量Ｃr2を介して駆動用電源２１
に接続され、駆動用電圧が印加されている。電気容量の
インピーダンスは下記（２）式 Ｚｃ＝１／ｊωＣ （２） のように表されるので、Ｃr2を両駆動電極と振動質量の
間の電気容量Ｃd1、Ｃd2より十分大きくすれば駆動電圧
のＣr2における損失は殆ど無視できる。実際上、Ｃd1、
Ｃd2の値は〜ｐＦ程度なので、同一基板上においてもＣ
r2の実現は容易である。Ｃd1、Ｃd2と参照容量Ｃr2との
接続点の電位Ｖd1、Ｖd2はバッファ２５を介して復調器
２４に入力され駆動用電源２１の出力を用いて復調され
る。復調後の信号は増幅器で所定の値に増幅され駆動用
電源の出力振幅を制御するフィードバック信号となる。

【００１９】駆動用電圧は図２（ｂ）または図２（ｃ）
のタイムチャートで示すように印加する。駆動用電圧は
駆動力発生のための電圧ｖdで構成されている。駆動用
電圧は互いに逆方向の駆動力を発生する両駆動電極と振
動体間の電気容量Ｃd1、Ｃd2に逆位相に、かつ両駆動電
極にｖdが印加されていない時間間隔τが存在するよう
に印加される。電気容量の読みだし電圧ｖcは、図２
（ｂ）のようにＶＬに対し単極パルスであっても、また
は図２（ｃ）のようにＶＬに対し両極性パルスであって
も良い。図中では読みだし電圧ｖcは時間間隔τ間にパ
ルス幅τで印加されているが、パルス幅はτ以下であっ
ても本質的な機能は同等である。

【００２０】振動質量１３の電位Ｖmに対して、駆動用
電圧を駆動用電極端Ｖd1、Ｖd2に交互に印加することに
より支持体３０に支持された振動質量１３をｘ軸方向に
振動駆動する。振動質量のｘ軸方向の共振周波数ｆｘｒ
は、振動質量の質量と支持体のｘ軸方向のバネ定数で決
まる。したがって、駆動用電源２１の印加周波数を電気
的に調整することにより容易に共振状態を実現できる。

【００２１】Ｃs1、Ｃs2は振動質量に対向する検出電極
と振動質量間の電気容量で、参照容量Ｃr1を介して共通
電位ＶＬに接続されている。Ｃs1、Ｃs2と参照容量Ｃr1
との接続点の電位Ｖs1、Ｖs2はバッファ２５を介して復
調器２４に入力され、検出用電源２２（ＯＳＣ３）の出
力を用いて復調される。復調後の信号は増幅器によって
所定の値に増幅され出力される。

【００２２】精度よくコリオリの力を測定するには、振
動質量を一定周波数、一定振幅で駆動することが必要で
ある。振動周波数は駆動周波数と一致するので、ＯＳＣ
１の周波数を一定に保持すればよい。検出用電源２２
（ＯＳＣ３）による電気容量の読み出し用電圧ｖc印加
時に、各駆動電極端Ｖd1、Ｖd2の電位をバッファ２５を
介して読みだし、その差動を復調器２４で検出用電源Ｏ
ＳＣ３の周波数に同期して検出すれば振動質量の振動振
幅に関する情報が得られる。従って得られた振幅情報が
所定値になるように駆動電源ＯＳＣ１にネガティブフィ
ードバックをかけ、駆動用電圧ｖdの振幅を調整するこ
とにより、振動質量の一定振幅駆動が可能となる。ま
た、本実施例のように櫛歯電極に電圧を印加して静電引
力で振動質量を駆動し、かつ振動振幅読み出し電圧ｖc
を両駆動電極の電位がＶＬである時間帯に振動質量（振
動体）に印加する場合、両駆動電極においてｖcにより
発生する静電引力は互いに打ち消し合うので振動状態に
影響を与えない。

【００２３】コリオリの力による検出電極対の電気容量
変化の検出は、両検出電極端Ｖs1、Ｖs2に、Ｃs1、Ｃs2
とほぼ等しい参照電気容量Ｃr1を直列に接続してこれを
接地し、振動質量１３に検出用電源２２を用いて検出電
圧Ｃを印加し、両検出電極端Ｖs1、Ｖs2の電位をバッフ
ァ２５を介して取りだし、その差動を復調器２４で検出
電源ＯＳＣ３の駆動周波数に同期して検出する。電気容
量の変化は振動質量の変位に相当するのでｙ軸方向の変
位量に対応したＤＣ信号が得られる。

【００２４】この第２実施例の効果は第１実施例の場合
と下記の点で異なる。読みだし電圧ｖcは両駆動電極に
ｖdが印加されていない時間間隔τ内に検出用電源２２
により（第１実施例で両駆動電極に同時に読みだし電圧
を印加したのと異なって）振動質量１３に印加される。
従って振動質量と両駆動電極の間で、読みだし電圧ｖc
により発生する静電引力は互いに打ち消しあうので振動
状態に影響を与えることなく、ｖcの振幅を十分大きく
することにより振動質量の振動振幅を精度よく検出する
ことが出来る。

【００２５】第３実施例：第３実施例を図４、図５、及
び図１を用いて説明する。この実施例では、コリオリの
力による変位を第１時間帯に電気容量の変化として測定
する場合に、コリオリ力検出用に振動体駆動用の電極対
とは別に設けた専用の電極対を用いて検出し、第１実施
例の場合と同様に検出電極対に同時に電圧を印加してい
る。

【００２６】本実施例振動ジャイロの構造を図４（平面
図）および図５（断面図）に示す。１３（網かけの色が
薄い個所）はポリシリコンで形成された振動質量で、同
じくポリシリコンで形成された第１支持部１２（細い梁
状部）に支持されている。第１支持部１２はトラス構造
で補強した接続部１７（網かけの色が薄いほぼ正方形の
枠状部）に接続されており、ｘ軸方向（図の上下方向）
には変位可能でｙ軸方向（左右）に対して十分な剛性を
有している。２８は高濃度拡散層（網かけの色が濃い部
分）で、紙面に対して垂直方向に網かけの色が薄い部分
の背後に位置している。振動質量１３の側方には櫛歯電
極１８が形成されていて、静電引力により振動質量をｘ
軸（上下）方向に駆動振動させる。接続部１７の外部側
方には櫛歯状の電極が形成されており、固定部１４に接
続された櫛歯状対向電極との間の静電容量で振動質量１
３のｙ軸（左右）方向の変位を検出するための検出電極
１６ａの対を構成している。この検出電極１６ａは各櫛
歯電極間の距離が均等に一様ではなく、その配置は図６
に示すように各対向櫛歯電極対が電気的に干渉しないよ
うにｄ１＜＜ｄ２となっている。各固定部において、各
支持部および櫛歯状電極は図５（ｂ）または図５（ｃ）
に示すように高濃度拡散層２８またはポリシリコン配線
２７を介して金属配線２６に電気的に接続されている。
２８は振動質量１３及び第１、第２支持部の電位を安定
化するための高濃度拡散層で形成した電極であり、固定
部１４と同様に金属配線２６に電気的に接続されてい
る。金属配線２６は信号入出力用パッドまたは同一基板
上に形成された駆動用または信号処理用の周辺回路に接
続されている（図面の簡略化のため金属配線、パッド及
び周辺処理回路は記載を省略した）。各部材は図４に実
線で示したように電気的に接続されている。各部材の電
位はＶm、Ｖd1、Ｖd2、Ｖs1、Ｖs2、Ｖsのように示し
た。通常、振動質量１３および第１、第２支持部の電位
Ｖmを安定化するための高濃度拡散層で形成した電極２
８の電位ＶsはＶmと同一にする。

【００２７】本実施例における振動ジャイロの駆動およ
びコリオリ力検出回路のブロック図を図１に示す。図
中、点線で囲った部分が振動質量に対応し、これを共通
電位ＶＬに接続している。Ｃd1、Ｃd2は振動質量に対向
する駆動電極と振動質量間の電気容量であり、参照容量
Ｃr2を介して駆動用電源２１に接続され、駆動用電圧が
印加されている。電気容量のインピーダンスは下記
（２）式 Ｚｃ＝１／ｊωＣ （２） のように表されるので、Ｃr2を両駆動電極と振動質量と
の間の電気容量Ｃd1、Ｃd2より十分大きくすれば駆動電
圧のＣr2における損失は殆ど無視できる。実際上、Ｃd
1、Ｃd2の値は〜ｐＦ程度なので、同一基板上において
もＣr2の実現は容易である。Ｃd1、Ｃd2と参照容量Ｃr2
との接続点の電位Ｖd1、Ｖd2はバッファ２５を介して復
調器２４に入力され駆動用電源２１の出力を用いて復調
される。復調後の信号は増幅器で所定の値に増幅され駆
動用電源の出力振幅を制御するフィードバック信号とな
る。

【００２８】Ｖd1、Ｖd2に対する浮遊容量の影響が無視
できない場合は図７のような構成にすればよい。２９は
ガード電極で例えば図５（ｃ）に示すように固定部１４
からの電気的接続をポリシリコン膜２７を介して行い、
その直下に高濃度拡散層を形成することにより実現可能
である。

【００２９】駆動用電圧は図１（ｂ）、図１（ｃ）のタ
イムチャートで示すように印加する。駆動用電圧は駆動
力発生のための電圧ｖdと、振動質量の変位検出用の読
みだし電圧ｖcで構成されている。ｖdとｖcは交互に印
加される。図中ではｖdとｖc印加の間に０Ｖ印加の時間
間隔を設けたが、この時間間隔は無くても本質的な機能
は同等である。駆動用電圧は互いに逆方向の駆動力を発
生する駆動電極と振動質量の間の電気容量Ｃd1とＣd2
に、それぞれ逆位相に、読みだし電圧ｖcは、両駆動電
極にｖdが印加されていない時間間隔τ内に、両駆動電
極に同時に印加される。読みだし電圧ｖcは図１（ｂ）
のようにＶＬに対して単極性パルスであっても、または
図１（ｃ）のようにＶＬに対して両極性パルスであって
も良い。

【００３０】振動質量１３の電位Ｖmに対して、駆動用
電圧を駆動電極端Ｖd1、Ｖd2に交互に印加することによ
り第１支持部１２に支持された振動質量１３をｘ軸（上
下）方向に振動駆動する。振動質量のｘ軸方向の共振周
波数ｆｘｒは、第２支持部１５がｘ軸方向に十分な剛性
を有するので、振動質量の質量と第１支持部のｘ軸方向
のバネ定数で決まる。従って、駆動用電源２１の印加周
波数を電気的に調整することにより容易に共振状態を実
現できる。

【００３１】Ｃs1、Ｃs2は振動質量に対向する検出電極
と振動質量間の電気容量であり、参照容量Ｃr1を介して
検出用電源２２（ＯＳＣ３）に接続され、振動質量の変
位読みだし電圧Ｃが印加されている。図中では読みだし
電圧Ｃは駆動用電圧ｖcと同期した同じ信号であるが、
異なる信号であっても本質的に問題はない。Ｃs1、Ｃs2
と参照容量Ｃr1との接続点の電位Ｖs1、Ｖs2はバッファ
２５を介して復調器２４に入力され、検出用電源２２の
出力を用いて復調される。復調後の信号は増幅器で所定
の値に増幅され出力される。

【００３２】Ｖs1、Ｖs2に対する浮遊容量の影響が無視
できない場合は、図７のような構成にすればよい。図
中、２９はガード電極で例えば図５（ｃ）に示すように
固定部１４からの電気的接続をポリシリコン膜２７を介
して行い、その直下に高濃度拡散層を形成することによ
り実現可能である。

【００３３】この第３実施例では、第１実施例で得られ
た効果に加えて下記の効果が得られる。固定部１４から
の電気的接続を図５（ｃ）のようにポリシリコン膜２７
を介して行い、かつポリシリコン膜２７直下の基板部に
高濃度拡散層２９を形成し、これをガード電位とするこ
とにより、信号取り出し配線と基板との容量結合を減少
することができて、信号取り出し配線引き回しによる外
来ノイズの混入を減少することが出来る。

【００３４】第４実施例：第４実施例を図４、図５、図
２により説明する。本実施例では振動質量の変位読み出
しに際しては、振動体に電圧を印加している。本実施例
でも、振動質量の駆動用電極対とは別に、コリオリ力検
出用電極対が設けられている。本実施例における振動ジ
ャイロの駆動および検出回路のブロック図を図２に示
す。図中、点線で囲った部分が振動質量に対応し、これ
を検出用電源２２（ＯＳＣ３）に接続している。Ｃd1、
Ｃd2は振動質量に対向する駆動電極と振動質量間の電気
容量であり、参照容量Ｃr2を介して駆動用電源２１（Ｏ
ＳＣ１）に接続され、駆動用電圧が印加されている。電
気容量のインピーダンスは下記（２）式 Ｚｃ＝１／ｊωＣ （２） のように表されるので、Ｃr2を両駆動電極と振動質量と
の間の電気容量Ｃd1、Ｃd2より十分大きくすれば駆動電
圧のＣr2における損失は殆ど無視できる。実際上、Ｃd
1、Ｃd2の値は〜ｐＦ程度なので、同一基板上において
もＣr2の実現は容易である。Ｃd1、Ｃd2と参照容量Ｃr2
との接続点の電位Ｖd1、Ｖd2はバッファ２５を介して復
調器２４に入力され駆動用電源２１の出力を用いて復調
される。復調後の信号は増幅器で所定の値に増幅され駆
動用電源の出力振幅を制御するフィードバック信号とな
る。

【００３５】Ｖd1、Ｖd2に対する浮遊容量の影響が無視
できない場合は、図７のような構成にすれば良い。２９
はガード電極で例えば図５（ｃ）に示すように固定部１
４からの電気的接続をポリシリコン膜２７を介して行
い、その直下に高濃度拡散層を形成することにより実現
可能である。

【００３６】駆動用電圧は図２（ｂ）、図２（ｃ）のタ
イムチャートで示すように印加する。駆動用電圧は駆動
力発生のための電圧ｖdで構成されている。駆動用電圧
は互いに逆方向の駆動力を発生する駆動電極と、振動質
量の間の電気容量Ｃd1、Ｃd2に逆位相に、かつ、両駆動
電極に電圧ｖdが印加されていない時間間隔τが存在す
るように印加される。読みだし電圧ｖcは、時間間隔τ
内に検出用電源２２より振動質量１３に印加される。読
みだし電圧ｖcは図２（ｂ）に示すようにＶＬに対して
単極性パルスであっても、または図２（ｃ）に示すよう
にＶＬに対して両極性パルスであっても良い。図中では
読みだし電圧ｖcは時間間隔τ間にパルス幅τで印加さ
れているが、パルス幅はτ以下であっても本質的な機能
は同等である。

【００３７】振動質量１３の電位Ｖmに対して、駆動用
電圧を駆動電極端Ｖd1、Ｖd2に交互に印加することによ
り第１支持部１２に支持された振動質量１３をｘ軸方向
に振動駆動する。振動質量のｘ軸方向の共振周波数ｆｘ
ｒは、第２支持部がｘ軸方向に十分な剛性を有するの
で、振動質量の質量と第１支持部のｘ軸方向のバネ定数
で決まる。従って、駆動用電源２１の印加周波数を電気
的に調整することにより容易に共振状態を実現できる。

【００３８】Ｃs1、Ｃs2は振動質量に対向する検出電極
と振動質量間の電気容量であり、参照容量Ｃr1を介して
共通電位ＶＬに接続されている。Ｃs1、Ｃs2と参照容量
Ｃr1との接続点の電位Ｖs1、Ｖs2はバッファ２５を介し
て復調器２４に入力され検出用電源２２（ＯＳＣ３）の
出力を用いて復調される。復調後の信号は増幅器で所定
の値に増幅され出力される。

【００３９】Ｖs1、Ｖs2にに対する浮遊容量の影響が無
視できない場合は図７のような構成にすれば良い。２９
はガード電極で例えば図５（ｃ）に示すように固定部１
４からの電気的接続をポリシリコン膜２７を介して行
い、その直下に高濃度拡散層を形成することにより実現
可能である。

【００４０】この第４実施例の効果は第３実施例の場合
と下記の点で異なる。櫛歯電極に電圧を印加して静電引
力により振動質量を駆動し、かつコリオリ力検出、読み
だし電圧ｖcは両駆動電極にｖdが印加されていない時間
間隔τ内に検出用電源２２より振動質量１３に印加され
る。従って、振動質量１３の両駆動電極に於いてｖcに
より発生する静電引力は互いに打ち消し合うので振動状
態に影響を与えることなく、ｖcの振幅を十分大きくす
ることにより振動質量の振動振幅を精度良く検出するこ
とができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、シ
リコン基板を異方性エッチング技術により加工し、更に
その他のＬＳＩ技術も適用して振動体や各電極などを形
成し、振動体を駆動励振するための電極対と振動体の振
動状態監視用電極対（更にはコリオリ力検出用電極対）
とを同一電極対で兼用し、コリオリ力検出用に特設した
専用電極対を使用する場合にも、十分大きい電圧を印加
できるようにしたので、小形、軽量かつ量産容易で、し
かも十分精度の高い振動ジャイロが得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１および第３実施例を説明するため
の模式的回路図である。

【図２】本発明の第２および第４実施例を説明するため
の模式的回路図である。

【図３】本発明の第１および第２実施例の構造を説明す
るための図である。

【図４】本発明の第３および第４実施例の構造を説明す
るための平面図である。

【図５】本発明の第３および第４実施例の構造を説明す
るための断面図である。

【図６】本発明の第３および第４実施例の検出電極部を
説明するための図である。

【図７】本発明の第３および第４実施例において浮遊容
量の影響を防止する手段を説明するための図である。

【図８】従来の振動ジャイロの例を説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１、１ａ…シリコン基板 ２…ガラス台座 ３…圧電素子 ４…振動監視用電
極 ５…検出電極 ６…振動梁 ７…駆動電源 ８…バッファ ９…増幅器 １０…復調器 １１…高濃度拡散層 １２…第１支持部 １３…振動質量 １４…固定部 １５…第２支持部 １６、１６ａ…検
出電極 １７…接続部 １８…櫛歯電極 １９…パッシベーション膜 ２０…酸化膜 ２１…駆動用電源ＯＳＣ１ ２２…検出用電源
ＯＳＣ３ ２３…増幅器 ２４…復調器 ２５…バッファ ２６…金属配線 ２７…ポリシリコン配線 ２８…高濃度拡散
層で形成した電極 ２９…ガード電位用高濃度拡散層 ３０…支持体

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一定方向に振動している振動体の振動方向
   を含む平面を、この平面上に存在し振動方向に直交する
   軸の周りに回転させるとき、振動体に作用するコリオリ
   の力を検出して前記回転の角速度を計測するようにした
   振動ジャイロの駆動方法において、 前記振動体と対向して前記振動体の各々反対側に配置さ
   れた電極対を有し、前記振動体を静電引力により駆動振
   動させるために、前記振動体と前記電極対との間に交互
   に特定の周波数で駆動電圧を印加し、かつ、前記電極対
   の何れにも電圧を印加しない第１時間帯を設け、この第
   １時間帯に前記振動体の駆動振動振幅を読み出すための
   電圧を、前記電極対に同時に印加または前記振動体に印
   加し、読み出した前記電極対と振動体間の電気容量変化
   によって前記振動体の励振振動振幅を読み出すように
   し、前記の電極対を振動体の励振状態監視にも兼用して
   前記振動体の励振状態が常に一定となるように制御する
   ことを特徴とする振動ジャイロの駆動方法。
2. 【請求項２】一定方向に振動している振動体の振動方向
   を含む平面を、この平面上に存在し振動方向に直交する
   軸の周りに回転させるとき、振動体に作用するコリオリ
   の力を検出して前記回転の角速度を計測するようにした
   振動ジャイロの駆動方法において、 前記振動体と対向して前記振動体の各々反対側に配置さ
   れた電極対を有し 、前記振動体を静電引力により駆動励
   振するために、前記振動体と、それぞれ其の反対側に配
   置した対をなす電極対との間に、交互に特定の第１周波
   数で駆動電圧を印加し、かつ、前記電極対の何れにも電
   圧を印加しない第１時間帯を設け、この第１時間帯に前
   記振動体と前記電極対それぞれとの間の電気容量を読み
   出すためのキャリア電圧を前記振動体に印加し、読み出
   した前記振動体と前記電極対それぞれとの間の電気容量
   によって、前記振動体の振動状態を監視することによ
   り、前記の電極対を振動体の励振状態監視にも兼用して
   前記振動体の励振状態が常に一定となるように制御する
   ことを特徴とする振動ジャイロの駆動方法。
3. 【請求項３】前記振動体とそれぞれ其の反対側に配置し
   た電極対との間に、交互に印加する駆動電圧の第１周波
   数は、前記振動体の共振周波数と一致していることを特
   徴とする請求項２記載の振動ジャイロの駆動方法。