JP6143430B2 - バイアス補正機能を備えた振動型ジャイロ - Google Patents

Description

本発明は、振動型ジャイロに関し、特には、ＭＥＭＳ技術によって製造され、バイアス補正機能を備えた振動型ジャイロに関する。

１９９０年代から急速に発展したいわゆるマイクロマシニング技術によって、例えば、絶縁膜を有するシリコン基板やガラス基板上に接合されたバルクシリコンウェハを、湿式エッチングやドライエッチング等の化学的なエッチングにより処理し、メカニカルなセンサ構造体を形成して、一度のプロセスで大量のセンサ構造を製造する手法が確立されている。このような微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術によるセンサとしては、加速度センサ及び振動型ジャイロ等があり、例えば自動車、慣性ナビゲーション、デジタルカメラ、ゲーム機他、多くの分野において利用されている。

中でも振動型ジャイロは、一方向に振動する可動物体が回転運動を受けるときに発生するコリオリ加速度を利用している。振動する可動質量体が回転運動を伴うとき、該可動質量体は振動方向及び回転軸方向の双方に直交する方向に作用するコリオリ力を受け、この結果該可動質量体はコリオリ力の作用方向に変位する。該可動質量体は、この方向の変位を可能にするばねにより支持され、該可動質量体の変位量からコリオリ力及びそれを生じさせる角速度の値を検出することができる。可動質量体の変位は、例えば、一方が固定されかつ他方が可動質量体ともに変位可能な一対の平行平板構造又は櫛歯構造を備えた、平行平板型コンデンサ又は櫛歯型コンデンサを使用し、その容量変化から求めることができる。

振動型ジャイロの出力安定性を向上させるための１つの手段として、いわゆる漏れ出力（クワドラチャーエラー）を低減又は排除する手段を設けることが挙げられる。以下に示す先行技術文献には、バイアス安定性改善のために、クワドラチャーエラーを抑制する補正手段を備えた振動型ジャイロが開示されている。

特許文献１には、第１共振器（１）を有し、上記第１共振器（１）が第１および第２の線形発振器（３，４）からなる結合系として設計されており、上記第１発振器（３）が、第１バネ素子（５_１−５_４）によって上記コリオリの角速度計の角速度計フレームに取り付けられており、上記第２発振器（４）が、第２バネ素子（６_１，６_２）によって上記第１発振器（３）に取り付けられているコリオリの角速度計が開示されている。この角速度計は、上記双方の発振器（３，４）のアライメントを相互に変更することのできる静電場（１１_１’，１１_２’，１０_１−１０_４）を生成し、この静電場は、上記角速度計フレーム（７_３，７_４）に対する上記第１バネ素子（５_１−５_４）のアライメント角度、および／または、上記第１発振器（３）に対する上記第２バネ素子（６_１，６_２）のアライメント角度を変更する定荷重（Gleichkraft）を生成する装置と、コリオリの角速度計の直交バイアスを決定するための装置（４５，４７）と、上記決定された直交バイアスが最小になるように、上記静電場の強度を上記決定された直交バイアスに応じて制御する制御ループ（５５，５６，５７）とを有する、とされている。

特表２００７−５１３３４４号公報

特許文献１に記載の角速度計は、基板面に平行なＸ方向（Ｘ１方向）に変位可能となるように４本の折り曲げ梁（第１バネ素子）で第１共振器（第１振動体）を支持し、第１振動体の内側に、基板面に平行かつなＸ１方向に垂直なＹ方向（Ｘ２方向）に変位可能となるように２本の梁（第２バネ素子）で支持された第２共振器（第２振動体）を設けた構成である。ここで第１振動体がＸ方向に駆動変位振動されているときに、Ｚ軸回りの角速度が入力されると、コリオリ力に起因して第２振動体にＹ方向の変位振動が生じ、このＹ方向の振動変位を検出することでＺ軸回りの角速度を求めることができる。なお特許文献１では、その図３に示すように、第１及び第２の振動体を有する構造体が左右に配置され、第１振動体同士が連結バネで結合されており、逆相の駆動振動が行われる。ここで、角速度入力時に第２振動体の逆相変位を検出することにより、角速度に比例した誤差の少ない変位出力を得ることができると解される。

特許文献１に記載の角速度計では、第１振動体がＸ方向へ互いに逆位相で駆動されるとき、各構成要素の製造ばらつき等による構造的アンバランスにより、内部の第２振動体がコリオリ力の検出方向であるＹ方向に振動してしまう。この原因は、駆動方向（Ｘ方向）と検出方向（Ｙ方向）との直交性が保たれていないこととされており、故に引用文献１では、第２振動体の中央付近に、上記直交性を維持できるように（すなわち振動方向のアライメントを調整するために）励起電極による補正構造を採用している。具体的には、センサ信号処理回路を経て得られるバイアス出力電圧に応じた補正用のＤＣ電圧を励起電極に加えることで、静電力により上記アライメントが補正される。但し、引用文献１では、第１振動体の駆動振動によって、その振動体内部に懸架されている第２振動体も、第１振動体と同量だけＸ方向に励振されるため、製造ばらつきを伴う構造では、Ｙ方向変位を検出するための検出用固定電極とのギャップすなわち形成容量が変化してしまう。従って引用文献１の構造は、アライメント誤差がなく直交性が維持されているという理想的状況でも、不安定なバイアス発生要因を内包するものとなっており、補正誤差の要因となっている。

さらに特許文献１には、直交バイアスを補償する方法が記載されており、具体的には、直交性が保持されていない場合に発生する直交バイアス成分をリファレンスとして、励起電極に加えるＤＣ電圧を決定するクローズドループ方式が記載されている。しかしながら、入力角速度Ωが交流（ＡＣ）的である場合は、振動型ジャイロの原理として、直交性が保持されていても直交バイアスは発生するため、直交バイアス成分をリファレンスとしたクローズドループ方式では、適切な補償ができない可能性がある。

そこで本発明は、容量検出型の振動型ジャイロにおいて、検出質量体が駆動質量体と弾性的に分離されており、駆動質量体の駆動振動によって検出質量体が駆動変位相当の変位を伴わない構造を有し、かつ、角速度がゼロであるときに製造ばらつきに起因する構造的非対称性により発生する検出質量体の変位（クワドラチャーエラー）を相殺する構造を有し、さらにバイアス値の補正手段を有する振動型ジャイロを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、第２の支持梁により支持基板に固定され、角速度により発生するコリオリ力よって平面に直交する軸線回りに回転励振されるように構成された検出質量体と、前記平面内の一方向に駆動振動できるように、前記検出質量体の内側に第１の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備えた振動型ジャイロであって、前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように、前記駆動振動の方向に弾性を有する連結ばねによって互いに連結され、前記検出質量体は、前記左右の駆動質量体の駆動振動によっては前記駆動振動の方向に励振されないように構成され、角速度が入力されていないときに、前記左右の駆動質量体の駆動振動により前記検出質量体に作用する回転トルクを打ち消すために、前記駆動振動のモニタ出力の位相に基づいて印加されたＡＣ電圧によって静電力を生じさせる補正用電極を、前記検出質量体に隣接させて設けた、振動型ジャイロを提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記振動型ジャイロのクワドラチャーエラー又は直交バイアス値を抑制するためのＡＣ電圧振幅と位相値データを、前記振動型ジャイロの使用温度と関連付けて格納するメモリと、前記振動型ジャイロの温度を測定する温度センサと、を設け、前記温度センサの測定値と前記メモリに格納されたＡＣ電圧振幅と位相値データとに基づいて、前記補正用電極に印加するＡＣ制御電圧の振幅を調整するための補正信号を作成する補正信号調整部を設けた、振動型ジャイロを提供する。

第３の発明は、第２の支持梁により支持基板に固定され、角速度により発生するコリオリ力よって平面に直交する軸線回りに回転励振されるように構成された検出質量体と、前記平面内の一方向に駆動振動できるように、前記検出質量体の内側に第１の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備えた振動型ジャイロであって、前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように、前記駆動振動の方向に弾性を有する連結ばねによって互いに連結され、前記検出質量体は、前記左右の駆動質量体の駆動振動によっては前記駆動振動の方向に励振されないように構成され、角速度が入力されていないときに、前記左右の駆動質量体の駆動振動により前記検出質量体に作用する回転トルクを打ち消すために、印加されたＤＣ電圧によって静電力を前記駆動質量体に対して作用させるように構成された補正用電極を、前記駆動質量体に隣接させて設けた、振動型ジャイロを提供する。

第４の発明は、第３の発明において、前記補正用電極は、前記左右の駆動質量体の駆動振動の方向について互いに反対方向に延びる対の櫛歯を備え、前記左右の駆動質量体は、前記補正用電極の対の櫛歯にそれぞれ対向するように構成された櫛歯構造を有する、振動型ジャイロを提供する。

第５の発明は、第４の発明において、前記補正用電極は、前記左右の駆動質量体の各々の内側であって、前記検出質量体の回転中心から最も離れた前記左右の駆動質量体の各々の部位に近接して固定配置される、振動型ジャイロを提供する。

第６の発明は、第３〜第５のいずれか１つの発明において、前記振動型ジャイロのクワドラチャーエラー又は直交バイアス値を抑制するためのＤＣ電圧データを、前記振動型ジャイロの使用温度と関連付けて格納するメモリと、前記振動型ジャイロの温度を測定する温度センサと、を設け、前記温度センサの測定値と前記メモリに格納されたＤＣ電圧データとに基づいて、前記補正用電極に印加するＤＣ制御電圧の振幅を調整するための補正信号を作成する補正信号調整部を設けた、振動型ジャイロを提供する。

本発明によれば、左右の駆動質量体の駆動振動により検出質量体が直接駆動されない構造において、構造的アンバランスによる検出質量体の検出方向の回転変位を相殺する補正用電極を設けることにより、製造ばらつき等に起因する構造的非対称性により発生する漏れ出力（クワドラチャーエラー）を排除又は抑制することができる。より具体的には、駆動質量体の構造的・力学的非対称性に起因する回転変位振動を、検出質量体に隣接配置した補正用電極に適切な位相のＡＣ電圧を印加するか、駆動質量体に隣接配置した補正用電極にＤＣ電圧を印加することにより生じる静電力により、角速度入力がゼロのときのバイアス出力を低減でき、ジャイロとしての安定性を飛躍的に向上させることができる。

補正用電極を、駆動振動方向について互いに反対側に延びる櫛歯電極を有した構造とすることにより、対向する櫛歯間のオーバーラップ長の影響を受けずに的確な補正用静電力を生じさせることができる。さらに、補正用電極を駆動質量体の内側でかつ、検出質量体の回転中心から比較的離れた領域に配置することにより、少ない数の櫛歯であっても高い補正量静電力を得ることができる。

ジャイロの使用温度に応じた最適な補正信号を送るためのデータを予めメモリに記憶しておき、さらにジャイロの使用温度を測定する温度センサを用いて得られた測定温度とメモリ内のデータとに基づいて補正用電極に印加するＡＣ電圧又はＤＣ電圧の調整を行うことにより、使用温度に応じてクワドラチャーエラー又は直交バイアス値をより適切に抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る振動型ジャイロを示す平面図である。 図１のジャイロのII−II線に沿う断面図である。 図１のジャイロのIII−III線に沿う断面図である。 検出変位と、検出変位に直交する位相で検波された変位と、それらの比とを任意単位で縦軸に示し、入力角速度を横軸に示すグラフである。 図１に示したジャイロにおける、駆動変位により生じるクワドラチャーエラーの位相の周波数特性の測定結果と、検出用電極に静電力を直接印加したときの検出変位の位相の周波数特性の測定結果とを示すグラフである。 図５を補足的に説明する図であり、駆動速度位相に対する検出変位の位相遅れを示すグラフある。 図１のジャイロにおいて使用される、検出系回転振動を抑制するためのフィードバック系回路を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る振動型ジャイロを示す平面図である。 図８のジャイロの左側の駆動質量体内部の補正用電極の詳細を示す平面図である。 図８のジャイロにおいて使用される、検出系回転振動を抑制するためのフィードバック系回路を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る振動型ジャイロの、左側の駆動質量体内部の補正用電極の詳細を示す平面図である。 図１１のジャイロにおいて使用される、検出系回転振動を抑制するためのフィードバック系回路を示すブロック図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動型ジャイロ１の基本構造を示す平面図であり、図２及び図３はそれぞれ、図１のII−II線及びIII−III線に沿った切断面を示す断面図である。

各図において、参照符号２はガラス等の絶縁材料からなる支持基板を示しており、振動型ジャイロ１の他の構造部材はシリコンの単結晶から作製される。図１に示す振動型ジャイロにおいて、支持基板２の上に、シリコンの単結晶からなる左右の駆動質量体４及び６（左側を４とする）の各々が、Ｙ方向に延びる少なくとも１つ（図示例では４つ）の駆動支持梁８及び１０に支持される。駆動支持梁８及び１０は、駆動質量体４及び６が基板２の面内方向かつ左右方向である駆動方向（Ｘ方向）に可動となるように、その剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成されている。また左右の駆動質量体４及び６は、弾性結合要素である中央連結ばね１２により互いに結合されている。

駆動質量体４及び６に接続されていない駆動支持梁８及び１０の他端は、駆動質量体４及び６を囲繞するように設けられた略リング形状の検出質量体１４に接続されている。検出質量体１４は、少なくとも１つ（図示例では４つ）の検出支持梁１６に支持され、各支持梁１６の他端は基板２に接合された周辺部アンカー１８に接続されている。なお図中において、黒く塗り潰した部分は基板２に固定されている部分を示し、他の部分（白抜き等）は基板に固定されていない又は可動部分を示す。

検出質量体１４を支持する検出支持梁１６は、基板２の面に垂直なＺ方向回りに回転振動が可能となるように、その回転方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成されている。なおこの場合、図示例の中央連結ばね１２は上下各３つの梁からなり、上下それぞれにおける３つの梁のうちの中央の梁が、基板２の中央部に固定された中央アンカー２０に接続されている。このように中央連結梁１２の中央部の梁を中央アンカー２０に固定することにより、Ｚ方向の共振モード周波数を向上させることができ、外力による不要なＺ方向変位を抑制できる。なお、断面図２及び断面図３に示すように、駆動質量体４及び６、駆動支持梁８及び１０、中央連結梁１２、検出質量体１４、並びに検出支持梁１６は、基板２と所定の間隔を有して対向配置されている。

図１に示すように、左側の駆動質量体４は、略矩形の枠状部材であり、その外側寄りの側（中央に遠い側）から中央側に向けて延びる櫛歯状の電極２２を有し、これに対向する左側駆動用櫛歯固定電極２４が基板２に固定配置されており、これにより左側の質量駆動体４を左右方向（Ｘ方向）に駆動振動させることができる。同様に、右側の駆動質量体６は、略矩形の枠状部材であり、その外側寄りの側（中央に遠い側）から中央側に向けて延びる櫛歯状の電極２６を有し、これに対向する右側駆動用櫛歯固定電極２８が基板２に固定配置されており、これにより右側の質量駆動体６を左右方向（Ｘ方向）に駆動振動させることができる。

左側の駆動質量体４は、その中央寄りの側から反中央側に向けて延びる櫛歯状の電極３０を有し、これに対向する左側駆動モニタ用櫛歯固定電極３２が基板２に固定配置されており、これにより左側の駆動質量体４の変位量を測定できる。また右側の駆動質量体４は、その中央寄りの側に設けられたフレーム３４の反中央側から中央側に向けて延びる櫛歯状の電極３６を有し、これに対向する右側駆動モニタ用櫛歯固定電極３８が基板２に固定配置されており、これにより右側の駆動質量体６の変位量を測定できる。

ここで、振動型ジャイロ１にＺ軸回りの角速度が入力された場合、検出質量体１４とともに左右の駆動質量体も回転振動するため、左右の駆動質量体に設けた櫛歯電極３０及び３６も回転変位し、駆動モニタ用櫛歯電極３２及び３８との位置関係が変化し、それに伴い対向する櫛歯間の容量も変化してモニタ出力に影響する。従って上述の左右駆動質量体のモニタ機構（すなわち櫛歯電極３０、３２、３６及び３８）は、検出質量体１４の中央に可能な限り近い位置に設けることが好ましい。

また図１からわかるように、左側の駆動質量体４におけるモニタ機構すなわち櫛歯電極３０及び３２と、右側の駆動質量体６におけるモニタ機構すなわち櫛歯電極３６及び３８とは、左右対称（Ｙ軸に関して対称）とはなっていない。これは、左右のモニタ機構をいわゆる差動式とするためであり、具体的に言えば、左右の駆動質量体が中央側に移動したときは左側のモニタ機構では対向する櫛歯間の距離が拡大し、逆に右側のモニタ機構では対向する櫛歯間の距離が縮小する。駆動用櫛歯固定電極２４及び２８に駆動ＡＣ電圧が印加されると、周囲に存在する浮遊容量によってカップリング電流としてモニタ用櫛歯電極に流れ、不要なモニタ出力として現れることがあるが、このような影響を上記差動式の構成によって排除又は抑制することができる。

また上述のように左右のモニタ電極を左右対称の構造としなかったことにより、左右の駆動質量体のモーメントに差異が生じるので、図１に示すように、左側の質量駆動体４にもフレーム３４と左右対称となるフレーム４０を設け、さらに左右の駆動質量体が左右対称構造となるように、電圧印加されないダミー櫛歯電極４２を設けることが好ましい。

図１に示すように、検出質量体１４は径方向外側に延びる櫛歯状の電極４４を有し、これに対向する検出モニタ用櫛歯固定電極４６及び４８が基板２に固定配置されている。詳細には、Ｘ−Ｙ平面の第１象限（図１の右上部）の領域に、該第１象限内の櫛歯電極４４に対向する検出モニタ用櫛歯固定電極４６が固定配置され、Ｘ−Ｙ平面の第２象限（図１の左上部）の領域に、該第２象限内の櫛歯電極４４に対向する検出モニタ用櫛歯固定電極４８が固定配置される。さらに、検出モニタ用櫛歯固定電極４６及び４８は、差動式モニタ機構を構成しており、具体的に言えば、検出質量体１４がＺ軸回りに時計方向に回転したときは、第１象限内では対向する櫛歯間の距離が拡大し、逆に第２象限内では対向する櫛歯間の距離が縮小する。このような構成により、検出質量体の回転駆動に起因するノイズを相殺することができ、より高精度の測定を行うことができる。

またＸ−Ｙ平面の第３象限（図１の左下部）内及び第４象限（図１の右下部）内には、それぞれ、検出質量体１４の櫛歯電極４４に対向する第１の補正用櫛歯電極５０及び第２の補正用櫛歯電極５２が基板２に固定配置される。該補正用櫛歯電極の形状自体は上述の検出モニタ用櫛歯固定電極と同等でよいが、その機能はクワドラチャーエラー（クワドラチャー変位）の相殺である。これについては後述する。

本発明に係る振動型ジャイロは、以下のようなマイクロマシニングプロセスを適用して作製することができる。

先ず、ガラス支持基板２とジャイロの可動部材との間に所定の間隙（図２、図３参照）が形成されるように、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置等を利用したドライエッチング処理をシリコン基板に施す。但し、ドライエッチングされてはいけない領域として、間隙を形成する部分以外については、半導体フォトリソグラフィ技術等を適用して、例えばレジストマスクを予め形成しておく。

次に、ガラス支持基板とシリコン基板とを陽極接合手法等により接合する。この段階で、シリコン基板側から研磨を行い、該シリコン基板を所定の厚さにするとともに、ボンディング用パッドとして必要とされる領域に、Ｃｒ＆Ａｕ等の導電性メタルの選択的スパッタリングを行い、電極パッド（図示せず）を形成する。

さらに、接合されたシリコン基板の表面側（研磨側）に、フォトレジスト等のマスク材料を利用して、図１の平面図で示されるレジストパターンを、フォトリソグラフィ技術を利用して作製する。この場合も、エッチングされてはいけない領域がレジストマスクにより保護される。

次に、ＲＩＥ装置等を利用したドライエッチングにより、シリコン基板の厚さ方向に貫通エッチングを行う。以上のようなマイクロマシニング技術を適用した製造プロセスにより、振動型ジャイロの基本構造を作製することができる。

このようにジャイロを構成する材料として必要なものはシリコン基板及びガラス基板のみであり、シリコン基板とほぼ同一の線膨張係数を有するガラス材料を使用することで、温度変化に対して構造的ひずみ（熱ひずみ）や応力（熱応力）が発生しにくくなり、構造的に安定かつ特性的にも優れた振動型ジャイロが提供可能となる。

次に、振動型ジャイロの動作について説明する。例えば、Ｘ軸方向に速度Ｖxで振動する質量Ｍの検出質量体にＺ軸回りの回転（回転角速度Ωz）が加わった場合に生じるＹ軸方向のコリオリ力Ｆyの絶対量は、
Ｆy＝２ΩzＭＶx
で表される。このため、コリオリ力Ｆyによる該検出質量体の変位を検出することで角速度を検出する振動型ジャイロでは、駆動質量体を速度Ｖxで励振させる必要がある。このための方式として、例えば静電力によるコームドライブ方式が利用される。

左側駆動質量体４と左側駆動用櫛歯電極２４との間、及び右側駆動質量体６と右側駆動用櫛歯電極２８との間に、ＤＣ電圧Ｖ_DCとＡＣ電圧Ｖ_ACとの和を印加すると、Ｖ_ACの電圧周期と等しい駆動力が発生する。一方、左右の駆動質量体４及び６は弾性の中央連結ばね１２により互いに連結されているので、互いにＸ方向に近づき又は離れる、いわゆる逆相振動の共振モードを有する。従って、Ｖ_ACの周波数をこの逆相振動モードの共振周波数と一致させて振動させることで、駆動質量体４及び６は、互いに接離する逆相振動を呈する。この振動の速度Ｖxは、左右の駆動モニタ用櫛歯電極３２及び３８により、静電容量変化として電気回路を通じて検出され、駆動振動振幅を一定にするためのＡＧＣ制御（Auto Gain Control）に利用される。

左右の駆動質量体４及び６が上記のようにＸ方向に逆相振動する場合、角速度Ωzが図１の紙面に垂直な方向（Ｚ方向）に作用すると、左右の駆動質量体には逆相のコリオリ力ＦyがＹ方向に生じる。このコリオリ力によって検出質量体１４にはＺ軸回りの回転トルクが作用し、検出質量体１４はＺ軸回りに回転変位振動する。この結果、検出質量体１４に設けた櫛歯電極４４と第１及び第２の検出モニタ用固定櫛歯電極４６及び４８との間の静電容量が差動で変化し、その差動容量変化を電気的に読み出し、後述する位相検波回路で処理を行うことで、角速度Ωzを検出することができる。

図１に示す振動型ジャイロは、特許文献１に示したような構造のものとは異なり、左右の駆動質量体の駆動振動によって検出質量体が類似の振幅で振動（励振）するものではない。詳細には、特許文献１では、第１発振器（駆動質量体）の駆動振動により第２発振器（検出質量体）が駆動質量体と同程度に変位し、さらに検出質量体は固定電極と挟ギャップを形成して対向配置され、検出用の静電容量を形成している。このような構造では、ジャイロの製造プロセス、特にシリコンエッチングの誤差等により、上記狭ギャップにばらつきが生じ、左右検出質量体の共振周波数が異なることからも、駆動振動による容量変化によってクワドラチャーエラー（漏れ出力）が発生する。これに対し本実施形態では、駆動振動と検出振動とは実質的に分離されているため、角速度入力がないときの漏れ出力を大きく低減することができ、漏れ出力によるバイアス値やその変動を抑制することができる。

本実施形態では、従来技術に関して述べたような要因に基づくクワドラチャーエラーは大きく抑制されるが、それでも尚、各構成要素の製造ばらつき等により、左右の駆動質量体４及び６の振動方向や駆動力の発生方向が、Ｘ方向から僅かにずれる場合がある。Ｘ−Ｙ平面内でこのずれが生じると、検出質量体１４を回転振動させようとするトルクが生じ、結果として（角速度が与えられていないときに）クワドラチャーエラーが発生する。そこで本願発明では、この回転トルクを相殺する逆トルクを検出質量体１４に与えるために、検出質量体１４に隣接させて設けた第１の補正用櫛歯電極５０及び第２の補正用櫛歯電極５２を利用する。

詳細には、第１の補正用櫛歯電極５０及び第２の補正用櫛歯電極５２にＡＣ電圧を印加して静電力（静電引力）を発生させることにより、角速度入力がゼロのときに発生する検出質量体１４の漏れ回転変位を相殺することができる。なお図１に示すように、本実施形態では第３象限（左下）及び第４象限（右下）にそれぞれ補正用櫛歯電極を設けているが、該補正用櫛歯電極にＡＣ電圧を印加したときに、第３象限内では反時計回り、逆に第４象限内では時計回りのトルクが発生するように補正用櫛歯と検出質量体の櫛歯との位置関係が規定されており、これにより検出質量体の両方向の回転変位振動を効率よく抑制できるようになっている。

図４は、駆動系の逆相の振動周波数ｆｘと検出系の共振周波数ｆｒとの差Δｆが７５Ｈｚであり、検出方向振動のＱ値（共振特性の鋭さを示すクオリティファクター）が６０であるときの、検出変位Ｕｐと、Ｕｐに直交する位相で検波された変位Ｕｑ（直交バイアス成分）と、それらの比Ｕｑ／Ｕｐとを任意単位（a.u.）で縦軸に示し、入力角速度Ωを横軸に示すグラフであり、要するにＵｐ、Ｕｑ及びＵｑ／Ｕｐの周波数依存性をシミュレーションした例を示している。図４に示すように、角速度周波数がゼロ以外のときはＵｑ、Ｕｑ／Ｕｐはゼロとはならないことから、故に特許文献１に記載のＢ_Q値（直交バイアス成分）をリファレンスとして補正量を求める方式は補正誤差を生じることがわかる。このため、実使用時の直交バイアスをリファレンスとするクワドラチャー補正は不適切であり、角速度Ωがゼロであるときの直交バイアス成分を最小化することが適切である。

一方で、補正用電極５０及び５２に印加するＡＣ制御電圧に関して、発生しているクワドラチャーエラー（変位振動）を相殺するためには、発生しているトルクに対して、同じ振幅かつ逆相のトルクを与える必要がある。

図５は、図１に示した構造のＭＥＭＳジャイロにおける、駆動変位により生じるクワドラチャーエラー（検出方向の変位振動）の位相の周波数特性（駆動変位基準）の測定結果５４（四角のプロット点で図示）と、検出用電極に静電力を直接印加したときの検出変位の位相の周波数特性（駆動静電力基準）の測定結果５６（三角のプロット点で図示）とを示すグラフである。図５からわかるように、駆動変位に対する検出系の応答変位の位相遅れ（グラフ５４）と、検出振動の直接励起による検出系の応答変位の位相遅れ（グラフ５６）とはほぼ一致しており、すなわち駆動変位振動と同位相のトルクで検出系の励起振動（クワドラチャーエラー）が生じていることがわかる。

なお図５は、駆動系の逆相共振周波数ｆｘと検出系の共振周波数ｆｒとの差が数Ｈｚ以内（ｆｘ≒ｆｒ）であり、位相遅れΦが９０度に近い例を示しているが、発明者らは両周波数が比較的乖離している場合にも同様の結果が得られることを確認しており、発生しているトルクは、駆動振動変位の最大点で最大となる。従ってクワドラチャーエラーを適切に補正するためには、駆動変位のモニタ信号位相を用いて補正することが好ましい。

図６は、このことを補足的に説明する図であり、駆動速度位相（コリオリ力の位相）に対する検出変位の位相遅れΦ（つまり駆動速度位相をゼロとしたときの検出変位の位相）を示すグラフである。図６からわかるように、駆動振動周波数ｆｘと検出系共振周波数ｆｒとの大小関係によって、位相遅れΦが異なる。詳細には、ｆｘ＜ｆｒのときはΦ＝Φ1＜９０°であり、ｆｘ＞ｆｒのときはΦ＝Φ2＞９０°となる。なお駆動変位のモニタ信号の位相と駆動速度位相とは９０°のずれがあるため、ｆｘとｆｒとが異なる場合であっても、クワドラチャーエラーは、コリオリ力に依存した検出変位と９０°の位相差を有することになる。

図７は、図１に示した振動型ジャイロに適用可能な、検出系回転振動を抑制するためのフィードバック系回路を示すブロック図である。デジタル制御系に入る信号はＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器（図示省略）を通じて入力される。駆動系制御部（図示例では駆動系制御回路）６０（ＰＬＬ（Phase Locked Loop）＆ＡＧＣ）が駆動用櫛歯電極２４及び２８に関連付けられており、第１ＣＶ変換器６２がモニタ用櫛歯固定電極３２及び３８に関連付けられている。駆動系制御回路６０及び第１ＣＶ変換器６２により、駆動質量体４及び６が、規定された逆相周波数及び振幅で駆動制御される。検出質量体１４の回転変位に伴う櫛歯電極４４と検出モニタ用櫛歯固定電極４６及び４８との間の容量変化は、第２ＣＶ変換器６４によって電圧に変換され、位相検波部（図示例では位相検波回路）６６において検出系応答の駆動振動周波数での位相で位相検波（位相調整）される。この検波後の出力はローパスフィルタ（ＬＰＦ）６８によって帯域周波数制限がなされ、角速度信号（レート）として出力される。このようにして、角速度Ωに対応した出力が得られる。

モニタ用櫛歯固定電極３２及び３８から駆動系制御回路６０に送られた情報は、駆動変位信号として補正信号調整部７０に送られる。補正信号調整部７０は駆動振動のモニタ出力の位相に基づいて該駆動変位信号を調整し、調整された駆動変位信号（補正信号）により、補正用電極５０及び５２に印加されるＡＣ制御電圧が決定される。ジャイロの構造的な製造ばらつきや駆動力のアンバランス等の要因により、角速度Ωがゼロの場合であっても第２ＣＶ変換器６４に出力が生じ、レート出力としてバイアス値が出力されることがあり、これが上述のクワドラチャーエラーに相当するが、補正信号調整部７０からの補正信号によってＡＣ制御電圧の振幅が適切に調整され、クワドラチャーエラーが抑制される。なお駆動系制御回路６０、位相検波回路６６、ＬＰＦ６６、補正信号調整部（調整回路）７０及び後述するメモリ７２は、デジタル制御回路７４として構築することができる。

なおクワドラチャーエラー又は直交バイアス値には温度依存性があり、故に上述の補正信号調整部７０がジャイロの使用温度に応じた補正信号を出力することがより有効である。以下、そのための具体例について説明する。

先ず各設定温度において、角速度Ωがゼロの状態で駆動変位信号の位相を用いて補正用電極５０及び５２に印加すべきＡＣ制御電圧を決定する。このとき、第２ＣＶ変換器６４の出力（バイアス値）を最小化するための、該ＡＣ制御電圧の振幅を決定する。なお設定温度とは、例えば、ジャイロの使用温度範囲内の代表的な温度のいくつか（例えば−４５℃〜８５℃の範囲で５℃刻み）を意味する。このようにして決定されたＡＣ電圧振幅値データを、データマップやデータテーブル等の適切な形式でメモリ（記憶媒体）７２に格納しておく。なおデータの決定は実験又は計算から行うことができる。

一方、ジャイロ１には実際のジャイロの温度すなわち使用温度を測定する温度センサ７６を設けておく。そして温度センサ７６の出力（測定温度）と、該測定温度に対応するメモリ７２に格納されたデータとに基づいて、補正用電極に印加するＡＣ制御電圧の振幅調整に必要な補正信号を補正信号調整部７０が生成し、該補正信号に基づいて補正用電極５０及び５２に印加されるＡＣ制御電圧の振幅が調整される。

なお温度センサ７６としては、振動型ジャイロの温度を直接測定できるものが好ましく、例えば基板２に接着固定されるサーミスタ素子や熱電対が挙げられる。この場合、サーミスタ素子の抵抗値を電圧に変換するアンプや、該電圧又は熱電対の電圧をＡＤ変換するＡＤコンバータ（図示せず）を用いて、デジタル制御回路７４（メモリ７２）に温度情報が入力され、該温度情報はジャイロの使用温度範囲内でクワドラチャーエラーを補正するための情報として利用される。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る振動型ジャイロ１０１の基本構造を示す平面図であり、図９は、ジャイロ１０１の左側の駆動質量体１０４内部の補正用電極の詳細を示す平面図である。第２の実施形態は左右の駆動質量体の内部構造を除けば第１の実施形態と同様である。故に第２の実施形態では、第１の実施形態と同等の構成要素についてはその参照符号に１００を付加した参照符号で表示し、詳細な説明は省略する。

なお、参照符号１５０及び１５２で示す櫛歯電極は、図１の実施形態の補正用櫛歯電極５０及び５２に構造的には同等のものであるが、第２の実施形態では補正用電極として後述する櫛歯電極１５１ａ、１５１ｂ、１５５ａ及び１５５ｂを使用するので、櫛歯電極１５０及び１５２はなくともよい。但し、櫛歯電極１５０及び１５２はそれぞれ、検出モニタ用櫛歯固定電極１４６及び１４８と同等の機能を担うことができ、すなわち検出モニタ用櫛歯固定電極として利用することができる。その場合は、検出モニタ用櫛歯固定電極１４６及び１４８と合わせて検出モニタ初期容量を倍増できるので、感出感度を２倍にすることができる。

第２の実施形態におけるクワドラチャーエラーの発生原因は第１の実施形態と同様である。つまり、製造ばらつきにより、左右の駆動質量体の振動方向や駆動力発生方向がＸ方向から僅かにずれる場合が考えられ、Ｘ−Ｙ平面内でこのずれが生じると、角速度が入力されていないときでも検出質量体を回転振動させるトルクが発生し、これがクワドラチャーエラーとなる。

そこで第２の実施形態では、この発生トルクを相殺する逆トルクを検出質量体に与えるために、左側補正用櫛歯電極１５１ａ及び１５１ｂを左側の駆動質量体１０４に隣接させて（図示例では枠状の駆動質量体１０４の内周部近傍に）基板１０２に固定配置し、これらにそれぞれ対向する櫛歯電極１５３ａ及び１５３ｂを左側の駆動質量体１０４を構成する枠状部材の内周部に設けている。同様に、右側補正用櫛歯電極１５５ａ及び１５５ｂを右側の駆動質量体１０６に隣接させて（図示例では枠状の駆動質量体１０６の内周部近傍に）基板１０２に固定配置し、これらにそれぞれ対向する櫛歯電極１５７ａ及び１５７ｂを右側の駆動質量体１０６を構成する枠状部材の内周部に設けている。また第２の実施形態では、角速度入力がゼロのときに発生する検出質量体の漏れ回転変位を相殺するための静電力（静電引力）を、補正用電極にＤＣ電圧を印加することで生じさせている。以下、その詳細について説明する。

通常、図９においてギャップｇ３及びｇ４で示すように、駆動用櫛歯固定電極１２４と駆動質量体に設けた櫛歯電極１２２との間のギャップは均等（ｇ３＝ｇ４）となるように設計される。しかし、製造ばらつきによりｇ３とｇ４との間に有意差が生じると、ギャップの小さい側のＹ方向（図９では上下方向）についての静電力が大きくなり、Ｘ方向だけでなくＹ方向にも駆動力が生じてしまう。このＹ方向に生じる駆動力の方向（符号）が左右の駆動質量体において逆であったり、同符号であっても大きさが異なったりすると、検出質量体１１４を回転させるトルクが生じる。

そこで、図９においてギャップｇ１及びｇ２で示すように、左側補正用櫛歯電極１５１ａ及び１５１ｂと、これらに対向する櫛歯電極１５３ａ及び１５３ｂとのギャップが不均等となる（図示例ではｇ１＜ｇ２）となるようにこれらの櫛歯電極が構成される。このようにすると、左側の補正用櫛歯電極１５１ａ及び駆動質量体１０４にそれぞれ電圧Ｖ₁及びＶmが印加されている場合、ＤＣ電圧差（Ｖ₁−Ｖm）によって左側の駆動質量体１０４には−Ｙ方向の力が作用する。一方、補正用櫛歯電極１５１ａより−Ｙ方向側に配置された左側の補正用櫛歯電極１５１ｂ及び駆動質量体１０４にそれぞれ電圧Ｖ₂及びＶmが印加されている場合、ＤＣ電圧差（Ｖ₂−Ｖm）によって左側の駆動質量体１０４には＋Ｙ方向の力が作用する。

ここで、クワドラチャー変位の方向に応じて両ＤＣ電圧差（すなわちＶ₁及びＶ₂）を調整することにより、クワドラチャー変位の原因となっている駆動用櫛歯電極１２４で発生するＹ方向静電力による回転トルクを打ち消す補正トルクを発生させることができる。また右側補正用櫛歯電極１５５ａ及び１５５ｂについても同様のことができ、故に４つの補正用電極において各補正用電極と駆動質量体とのＤＣ電圧差を調整することにより、効率的なクワドラチャーエラーの補償が可能となる。また補正トルクの位相に関しては、駆動質量体の駆動変位により、補正用櫛歯電極とこれらに対向する駆動質量体の櫛歯電極とのオーバーラップ面積が同相で増減するため、その面積に応じた静電力は駆動周波数にて発生する。従って第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、補正トルクの位相調整が不必要となる利点がある。

なお駆動用櫛歯電極１２４及び１２６により発生するＹ方向の力は駆動質量体に回転トルクを与えるが、駆動用櫛歯電極１２４及び１２６の位置（すなわちＹ方向力の発生位置）と回転中心との距離が大きいとトルクも大きくなり、クワドラチャー回転変位も大きくなる。つまり、駆動用櫛歯電極１２４及び１２６は回転中心に近い方が好ましく、図８及び図９に示すように駆動質量体内部の中心寄りに設けられている。一方、補正用櫛歯固定電極１５１ａ、１５１ｂ、１５５ａ及び１５５ｂは、なるべく低いＤＣ電圧で高い補正トルクを生じさせる方が好ましいので、駆動質量体内部の回転中心からなるべく離れた位置に設けられている。

図１０は、図８に示した振動型ジャイロに適用可能な、検出系回転振動を抑制するためのフィードバック系回路を示すブロック図である。デジタル制御系に入る信号はＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器（図示省略）を通じて入力される。駆動系制御部（図示例では駆動系制御回路）１６０（ＰＬＬ（Phase Locked Loop）＆ＡＧＣ）が駆動用櫛歯電極１５１ａ、１５１ｂ、１５５ａ及び１５５ｂに関連付けられており、第１ＣＶ変換器１６２がモニタ用櫛歯固定電極１３２及び１３８に関連付けられている。駆動系制御回路１６０及び第１ＣＶ変換器１６２により、駆動質量体１０４及び１０６が、規定された逆相周波数及び振幅で駆動制御される。検出質量体１１４の回転変位に伴う櫛歯電極１４４と検出モニタ用櫛歯固定電極１４６及び１４８との間の容量変化は、第２ＣＶ変換器１６４によって電圧に変換され、位相検波部（図示例では位相検波回路）１６６において検出系応答の駆動振動周波数での位相で位相検波（位相調整）される。この検波後の出力はローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６８によって帯域周波数制限がなされ、角速度信号（レート）として出力される。このようにして、角速度Ωに対応した出力が得られる。

モニタ用櫛歯固定電極１３２及び１３８から駆動系制御回路１６０に送られた情報は、駆動変位信号として補正信号調整部１７０に送られる。補正信号調整部１７０は駆動振動のモニタ出力の位相に基づいて該駆動変位信号を調整する。調整された駆動変位信号（補正信号）により、補正用電極１５１ａ、１５１ｂ、１５５ａ及び１５５ｂに印加されるＤＣ制御電圧が決定される。ジャイロの構造的な製造ばらつきや駆動力のアンバランス等の要因により、角速度Ωがゼロの場合であっても第２ＣＶ変換器１６４に出力が生じ、レート出力としてバイアス値が出力されることがあり、これが上述のクワドラチャーエラーに相当するが、補正信号調整部１７０からの補正信号によってＤＣ制御電圧が適切に調整され、クワドラチャーエラーが抑制される。なお駆動系制御回路１６０、位相検波回路１６６、ＬＰＦ１６６、補正信号調整部（調整回路）１７０及び後述するメモリ１７２は、デジタル制御回路１７４として構築することができる。

なおクワドラチャーエラー又は直交バイアス値には温度依存性があり、故に上述の補正信号調整部１７０がジャイロの使用温度に応じた補正信号を出力することがより有効である。以下、そのための具体例について説明する。

先ず各設定温度において、角速度Ωがゼロの状態で補正用電極１５１ａ、１５１ｂ、１５５ａ及び１５５ｂに印加すべきＤＣ制御電圧を決定する。このとき、第２ＣＶ変換器１６４の出力（バイアス値）を最小化するための、該ＤＣ制御電圧を決定する。なお設定温度とは、例えば、ジャイロの使用温度範囲内の代表的な温度のいくつか（例えば１０℃〜３０℃の範囲で５℃刻み）を意味する。このようにして決定されたＤＣ電圧データをデータマップやデータテーブル等の適切な形式でメモリ（記憶媒体）１７２に格納しておく。なおデータの決定は実験又は計算から行うことができる。

一方、ジャイロ１０１には実際のジャイロの温度すなわち使用温度を測定する温度センサ１７６を設けておく。そして温度センサ１７６の出力（測定温度）と、該測定温度に対応するメモリ１７２に格納されたデータとに基づいて、補正用電極に印加するＤＣ制御電圧の調整に必要な補正信号を補正信号調整部１７０が作成し、該補正信号に基づいて補正用電極１５１ａ、１５１ｂ、１５５ａ及び１５５ｂに印加されるＤＣ制御電圧が調整される。

なお温度センサ１７６としては、振動型ジャイロの温度を直接測定できるものが好ましく、例えば基板１０２に接着固定されるサーミスタ素子や熱電対が挙げられる。この場合、サーミスタ素子の抵抗値を電圧に変換するアンプや、該電圧又は熱電対の電圧をＡＤ変換するＡＤコンバータ（図示せず）を用いて、デジタル制御回路１７４（メモリ１７２）に温度情報が入力され、該温度情報はジャイロの使用温度範囲内でクワドラチャーエラーを補正するための情報として利用される。

以上のように、本実施形態に係る振動型ジャイロは、駆動質量体の振動と検出質量体の振動とを分離できる構成であるとともに、さらに構造的アンバランスにより発生するクワドラチャーエラーを、入力角速度がゼロのときに、適切な位相のＡＣ制御電圧、又はＤＣ制御電圧を補正用電極に印加することによって相殺する調整手段を具備する。従って本発明によれば、クワドラチャーエラーを的確に抑制でき、実使用でのバイアス安定性に優れた振動型ジャイロが提供される。

さて上述した第２の実施形態では、左右の駆動質量体への駆動力として、駆動用櫛歯固定電極と駆動質量体に設けた櫛歯電極との間で発生するＸ方向の駆動力を利用しているが、製造ばらつき等による構造的なアンバランスとして、駆動質量体を支持する駆動支持梁の形状ばらつきや、櫛歯電極の形状ばらつきにより、左右の駆動質量体にはＹ方向の力が発生し、このＹ方向の力が検出質量体の回転変位振動を誘起するトルクを発生させる。その結果、左右の駆動質量体で発生するトルクが相殺されず、回転振動によってジャイロの漏れ出力（クワドラチャーエラー）が発生することがある。

ここで、図８及び図９に示した第２の実施形態では、補正用櫛歯固定電極１５１ａ及び１５１ｂを設け、補正用櫛歯固定電極１５１ａと左側の駆動質量体１０４との間のＤＣ電圧差（Ｖ₁−Ｖm）によって−Ｙ方向の力を生じさせ、さらに補正用櫛歯固定電極１５１ｂと左側の駆動質量体１０４との間のＤＣ電圧差（Ｖ₂−Ｖm）によって＋Ｙ方向の力を生じさせている。そしてこれらのＤＣ電圧差を調整することにより、Ｙ方向の静電力によってクワドラチャーエラー（回転変位）の原因となっている回転トルクを打ち消すトルクを発生させることができる。右側の駆動質量体１０６についても同様のことができる。

しかし図８及び図９の実施形態では、補正用電極として櫛歯電極を用いているため、Ｙ方向の静電力Ｆは、櫛歯固定電極１５１ａと駆動質量体の櫛歯電極１５３ａとのオーバーラップ長Ｌ（図９参照）に依存する。ここで駆動質量体１０４はＸ方向に変位するので、その変位量をＸとした場合、静電力ＦはＸにも依存する。具体的には、図９において、上側の固定電極１５１ａのＤＣ電位をＶ₁、下側の固定電極１５１ｂのＤＣ電位をＶ₂とし、可動電極（駆動質量体１０４）のＤＣ電位をＶmとした場合、発生する静電力Ｆは以下の式（１）で近似される。但し、εは真空の誘電率、Ｈは構造体の厚さ（紙面方向長さ）、Ｘは駆動変位、ｇは櫛歯間のギャップの狭い方（ｇ１）とする。

式（１）からわかるように、図９の実施形態では、静電力Ｆは櫛歯のオーバーラップ長さＬと駆動変位Ｘの双方の影響を受け、特に式（１）の右辺第一項（Ｌに係る部分）は検出系の共振周波数に大きく影響する。

そこで、図１１及び図１２に示す第３の実施形態では、左右の駆動質量体の内側に設けられる補正用固定電極が、上記オーバーラップ長Ｌの影響を排除し、所望の補正用静電力のみを各駆動質量体に作用させるように構成されている。第３の実施形態は左右の駆動質量体の内部構造を除けば第２の実施形態と同様である。故に第３の実施形態では、第２の実施形態と同等の構成要素についてはその参照符号に１００を付加した参照符号で表示し、詳細な説明は省略する。

図１１は、第３の実施形態に係る振動型ジャイロ２０１において、左側の駆動質量体２０４の詳細を示す図である。駆動質量体２０４は、第２の実施形態と同様に、Ｙ方向に並列配置された２つの補正用櫛歯固定電極２５１ａ及び２５１ｂを有するが、補正用櫛歯固定電極２５１ａ及び２５１ｂの各々が、駆動質量体２０４がＸ方向に変位した際に、駆動質量体に設けた櫛歯電極とのオーバーラップ長Ｌが増加する部分と減少する部分の双方を具備している。

具体的には、図１１において上側の補正用櫛歯固定電極２５１ａは、駆動質量体２０４の内側であって、検出質量体の回転中心から最も離れた駆動質量体２０４の部位（ここでは枠状の駆動質量体２０４を構成する４辺のうち検出質量体の回転中心Ｃから最も離れた辺２０４ａの＋Ｙ方向寄りの部位）から回転中心側に向けて延びる櫛歯電極２５３ａと対向するように構成された固定櫛歯電極２５４ａと、枠状の駆動質量体２０４を構成する４辺のうちＸ方向に延びる、上側の辺２０４ｂから−Ｙ方向に延びる部材２０４ｃから、反中央側に向けて延びる櫛歯電極２５６ａと対向するように構成された固定櫛歯電極２５８ａとを有する。

同様に、図１１において下側の補正用櫛歯固定電極２５１ｂは、駆動質量体２０４の内側であって、検出質量体の回転中心から最も離れた駆動質量体２０４の部位（ここでは枠状の駆動質量体２０４を構成する４辺のうち検出質量体の回転中心Ｃから最も離れた辺２０４ａの−方向寄りの部位）から回転中心側に向けて延びる櫛歯電極２５３ｂと対向するように構成された固定櫛歯電極２５４ｂと、枠状の駆動質量体２０４を構成する４辺のうちＸ方向に延びる、下側の辺２０４ｄから＋Ｙ方向に延びる部材２０４ｅから、反中央側に向けて延びる櫛歯電極２５６ｂと対向するように構成された固定櫛歯電極２５８ｂとを有する。すなわち補正用櫛歯固定電極２５１ａ及び２５１ｂの各々は、左右の駆動質量体の駆動振動方向であるＸ方向について、互いに反対方向に延びる対の櫛歯構造を有する。右側の駆動質量体についても同様である。

以下に示す式（２）は、補正用櫛歯固定電極２５１ａ及び２５１ｂにそれぞれＤＣ電圧Ｖ₊及びＶ_-を印加し、駆動質量体２０４のＤＣ電位をＶmとした場合に、Ｙ方向に発生する静電力Ｆを示す近似式である。他のパラメータは式（１）と同様である。

式（２）からわかるように、第３の実施形態では櫛歯電極のオーバーラップ長Ｌに依存する項が相殺されている。さらに、式（２）と上記式（１）の右辺第二項とを比較すると、第３の実施形態の方が同一のＸに対してより大きな静電力が得られることがわかる。

第３の実施形態において、左側の駆動質量体２０４に対してＤＣ電圧を印加すると、駆動変位Ｘと同等の静電力が、左側の駆動質量体２０４に対して−Ｙ方向に作用し、反時計回りのトルクＴ_CCWを発生させることができる。左側の駆動質量体２０４と図１１のＹ軸（Ｂ−Ｂ線）について対称に構成された右側の駆動質量体についても、同じＤＣ電圧を印加すると、時計回りのトルクＴ_CWを発生させることができる。すなわち、左右の駆動質量体に設けた補正用櫛歯固定電極に印加するＤＣ電圧を適宜調整することにより、（検出質量体の回転方向の）クワドラチャーエラーを相殺するための補正トルク量（Ｔ_CCW−Ｔ_CW）を得ることができる。なお補正用櫛歯固定電極における、互いに反対方向に延びる櫛歯の対数（図１１の例では上下の固定電極の各々において２対）に応じ、補正トルク量を増加することができる（対数がＮならトルクもＮ倍）。

また図１１に示すように、左側の駆動質量体２０４の補正量櫛歯固定電極２５１ａ及び２５１ｂは、駆動質量体２０４の内部の最も左側（反回転中心側）の領域に、かつＹ方向に（Ａ−Ａ線に沿って）整列配置される。この理由は、補正用トルクＴは静電力Ｆと回転中心Ｃまでの距離Ｌａとの積となる（Ｔ＝Ｆ×Ｌａ）ので、Ｌａをなるべく大きくすれば少ない対数の補正用電極でも大きなトルクが得られるからである。右側の駆動質量体についても同様である。

図１２は、図１１に示した振動型ジャイロに適用可能な、検出系回転振動を抑制するためのフィードバック系回路を示すブロック図である。デジタル制御系に入る信号はＡＤＣ（アナログ／デジタル変換器（図示省略）を通じて入力される。駆動系制御部（図示例では駆動系制御回路）２６０（ＰＬＬ（Phase Locked Loop）＆ＡＧＣ）が左側の駆動用櫛歯電極２２４及び右側の駆動用櫛歯電極２２８に関連付けられており、第１ＣＶ変換器２６２が左側のモニタ用櫛歯固定電極２３２及び右側のモニタ用櫛歯固定電極２３８に関連付けられている。駆動系制御回路２６０及び第１ＣＶ変換器２６２により、左右の駆動質量体が、規定された逆相周波数及び振幅で駆動制御される。検出質量体の回転変位に伴う櫛歯電極と検出モニタ用櫛歯固定電極２４６及び２４８との間の容量変化は、第２ＣＶ変換器２６４によって電圧に変換され、位相検波部（図示例では位相検波回路）２６６において検出系応答の駆動振動周波数での位相で位相検波（位相調整）される。この検波後の出力はローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６８によって帯域周波数制限がなされ、角速度信号（レート）として出力される。このようにして、角速度Ωに対応した出力が得られる。

モニタ用櫛歯固定電極２３２及び２３８から駆動系制御回路２６０に送られた情報は、駆動変位信号として補正信号調整部２７０に送られる。補正信号調整部２７０は駆動振動のモニタ出力の位相に基づいて該駆動変位信号を調整する。調整された駆動変位信号（補正信号）により、左側の補正用櫛歯電極２５１ａ、２５１ｂ及び左側の補正用櫛歯電極と対称に構成された右側の補正用電極２５５ａ、２５５ｂに印加されるＤＣ制御電圧が決定される。ジャイロの構造的な製造ばらつきや駆動力のアンバランス等の要因により、角速度Ωがゼロの場合であっても第２ＣＶ変換器２６４に出力が生じ、レート出力としてバイアス値が出力されることがあり、これが上述のクワドラチャーエラーに相当するが、補正信号調整部２７０からの補正信号によってＤＣ制御電圧が適切に調整され、クワドラチャーエラーが抑制される。なお駆動系制御回路２６０、位相検波回路２６６、ＬＰＦ２６６、補正信号調整部（調整回路）２７０及び後述するメモリ２７２は、デジタル制御回路２７４として構築することができる。

なおクワドラチャーエラー又は直交バイアス値には温度依存性があり、故に上述の補正信号調整部２７０がジャイロの使用温度に応じた補正信号を出力することがより有効である。以下、そのための具体例について説明する。

先ず各設定温度において、角速度Ωがゼロの状態で補正用電極２５１ａ、２５１ｂ、２５５ａ及び２５５ｂに印加すべきＤＣ制御電圧を決定する。このとき、第２ＣＶ変換器２６４の出力（バイアス値）を最小化するための、該ＤＣ制御電圧を決定する。なお設定温度とは、例えば、ジャイロの使用温度範囲内の代表的な温度のいくつか（例えば１０℃〜３０℃の範囲で５℃刻み）を意味する。このようにして決定されたＤＣ電圧データをデータマップやデータテーブル等の適切な形式でメモリ（記憶媒体）２７２に格納しておく。なおデータの決定は実験又は計算から行うことができる。

一方、ジャイロ２０１には実際のジャイロの温度すなわち使用温度を測定する温度センサ２７６を設けておく。そして温度センサ２７６の出力（測定温度）と、該測定温度に対応するメモリ２７２に格納されたデータとに基づいて、補正用電極に印加するＤＣ制御電圧の調整に必要な補正信号を補正信号調整部２７０が作成し、該補正信号に基づいて補正用電極２５１ａ、２５１ｂ、２５５ａ及び２５５ｂに印加されるＤＣ制御電圧が調整される。

なお温度センサ２７６としては、振動型ジャイロの温度を直接測定できるものが好ましく、例えば基板に接着固定されるサーミスタ素子や熱電対が挙げられる。この場合、サーミスタ素子の抵抗値を電圧に変換するアンプや、該電圧又は熱電対の電圧をＡＤ変換するＡＤコンバータ（図示せず）を用いて、デジタル制御回路２７４（メモリ２７２）に温度情報が入力され、該温度情報はジャイロの使用温度範囲内でクワドラチャーエラーを補正するための情報として利用される。

このように第３の実施形態は、構造的アンバランスにより発生するクワドラチャーエラーを、入力角速度がゼロのときに、ＤＣ制御電圧を補正用電極に印加することによって相殺する調整手段を具備するとともに、櫛歯電極のオーバーラップ長の変化による影響を相殺する構造を具備しているため、クワドラチャーエラーを極めて的確に抑制でき、実使用でのバイアス安定性に特に優れた振動型ジャイロが提供される。

２、１０２ 基板
４、６、１０４、１０６、２０４ 駆動質量体
１２、１１２、２１２ 中央連結ばね
１４、１１４ 検出質量体
２４、２８、１２４、１２８、２２４ 駆動用櫛歯固定電極
３２、３８、１３２、１３８、２３２ 駆動モニタ用櫛歯固定電極
４２、１４２、２４２ ダミー電極
４６、４８、１４６、１４８ 検出モニタ用櫛歯固定電極
５０、５２、１５１ａ、１５１ｂ、１５５ａ、１５５ｂ、２５１ａ、２５１ｂ 補正用櫛歯固定電極
６０、１６０、２６０ 駆動系制御回路
６２、６４、１６２、１６４、２６２、２６４ ＣＶ変換器
６６、１６６、２６６ 位相検波回路
６８、１６８、２６８ ローパスフィルタ
７０、１７０、２７０ 補正信号調整部
７２、１７２、２７２ メモリ
７４、１７４、２７４ デジタル制御回路
７６、１７６、２７６ 温度センサ

Claims (1)

1. 第２の支持梁により支持基板に固定され、角速度により発生するコリオリ力によって平面に直交する軸線回りに回転励振されるように構成された検出質量体と、
   前記平面内の一方向に駆動振動できるように、前記検出質量体の内側に第１の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備えた振動型ジャイロであって、
   前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように、前記駆動振動の方向に弾性を有する連結ばねによって互いに連結され、
   前記検出質量体は、前記左右の駆動質量体の駆動振動によっては前記駆動振動の方向に励振されないように構成され、
   角速度が入力されていないときに、前記左右の駆動質量体の駆動振動により前記検出質量体に作用する回転トルクを打ち消すために、印加されたＤＣ電圧によって静電力を前記駆動質量体に対して作用させるように構成された補正用電極を、前記駆動質量体に隣接させて設け、
   前記補正用電極は、該補正用電極の櫛歯と前記駆動質量体の櫛歯構造とのギャップが不均等となるように構成され、
   前記補正用電極は、前記左右の駆動質量体の駆動振動の方向について互いに反対方向に延びる対の櫛歯を備え、前記左右の駆動質量体は、前記補正用電極の対の櫛歯にそれぞれ対向するように構成された櫛歯構造を有し、
   前記補正用電極は、前記左右の駆動質量体の各々の内側であって、前記検出質量体の回転中心から最も離れた前記左右の駆動質量体の各々の部位に近接して固定配置される、振動型ジャイロ。

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