JP2012159429A - 音叉振動型角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】差動共振を抑えることが可能な音叉振動型角速度センサの提供。
【解決手段】 Ｘ軸方向へ互いに逆相に励起振動され、所定軸周りの角速度が生じた際にＸ軸方向と直交するＹ軸方向へ互いに逆相に変位振動される２つの錘を設け、該２つの錘のＹ軸方向での変位量の差に基づいて所定軸周りの角速度を検出する音叉振動型角速度センサ１，２であって、Ｙ軸方向における２つの錘の変位の同相分に基づいて、２つの錘をＹ軸方向の同相方向にフィードバック駆動する第１フィードバック系と、Ｙ軸方向における２つの錘の変位の逆相分に基づいて、２つの錘をＹ軸方向の逆相方向にフィードバック駆動する第２フィードバック系とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つの錘を備える音叉振動型角速度センサに関する。

振動型角速度センサの検出原理は広く知られている。振動子（錘）に一定振幅の駆動信号（Ｘ軸方向）を与えた状態で、これに垂直な軸（Ｚ軸）に回転、つまり角速度が働くと、振動（Ｘ軸）と角速度回転軸（Ｚ軸）に直角な方向（Ｙ軸）にコリオリ力が発生し、検出振動を励起する。この検出振動の振幅により角速度を検出する。コリオリ力は一般的にごく微小な力であるため、真空封止などにより共振振動子に高い共振Ｑ値（Quality Factor）を持たせ、これを利用して、検出すべき振動周波数帯における振幅、つまり感度を上げて検出分解能を向上するのが一般的である。

しかし、急激且つ過大な衝撃Ｇ（ここでは加速度をＧと表現する）や車両振動Ｇなどの外乱Ｇが角速度センサに加わると、センサ出力に誤差が生じることがある（尚、Ｇは、２つの錘に同じ向き、つまり同相に作用する）。特に振動子の駆動振動周波数と同じ周波数の振動Ｇが錘振動子の検出方向（Ｙ軸）に加わると、角速度で発生するコリオリ力による振動と区別できずに、角速度検出出力に誤差を生じてしまう。また、センサ振動子の共振周波数やセンサ装置の構造共振点付近の外乱振動が印加されると、共振Ｑ値により振動振幅が増大し、大きな出力誤差となりやすい。

この衝撃又は振動Ｇの影響を軽減するために、従来から特許文献１にあるような音叉振動型角速度センサが一般的に用いられている。音叉振動型角速度センサは２つの錘が逆向き（対称）に振動し、コリオリ力は逆相に作用する。一方、Ｇは２つの錘に同じ向き（同相）に働くため、２つの信号の差を取ることによりＧ成分はキャンセルされ、コリオリ力とＧを区別することができる。しかし、実際は、センサ素子の加工ばらつきにより、２つの錘の質量、ばね定数、ダンピング定数、検出電極や検出回路の変位−電圧変換ゲインにミスマッチが存在するため、同相に錘が変位した場合（加速度変位が生じた場合）にも差動成分は完全にキャンセルできず、差動成分への漏れが生じる。よって、音叉型をとっても、完全には誤出力を抑えることができないことがある。

特許文献２では、音叉構成の２つの錘の検出方向（Ｙ軸）の同相変位成分を検出し、この時間微分値に基づく力を、別に設定した同相フィードバック電極から振動子に静電気力を印加フィードバックし、錘の同相方向の振動ダンピングを大きくする技術が提案されている。

特許第３５１２００４号公報 特開２００９−４７６４９号公報

しかしながら、音叉振動型角速度センサの２つの錘の間には、上述の如く、錘質量、ばね定数、ダンピング定数、更にフィードバック電極特性等においてメカニカル又は電気的なミスマッチがある。上記の特許文献２に開示されるような同相単独のフィードバックでは、これらの錘間のミスマッチの影響を十分に抑えることができない。例えば、同相の静電気フィードバックを印加しても、フィードバック電極のミスマッチによって静電気力が２つの錘に均等に印加されない、或いは、２つの錘質量差により加速度が均等に発生しないため、差動変位が発生し、これが角速度分として検出され出力誤差となることがある。特に大きな衝撃Ｇが印加された場合は、同相フィードバック力もこれに対応した大きなものとなるため、発生する差動成分も大きくなる。車載センサでは、悪路走行中に石跳ねがあったときにセンサに発生する衝撃Ｇは、ピーク時に数１０Ｇ〜１００Ｇに達することがある。一方、角速度センサとして検出すべきコリオリ力の分解能はこれよりも桁違いに小さいため（例えば０．１ｍＧオーダ）、このようなミスマッチによる差動成分は敏感に検出される。

更に、このような大きな衝撃Ｇや共振周波数の振動Ｇが一定時間印加されると、ミスマッチにより差動モードの共振が励起され、特にＨｉｇｈ Ｑ振動子では（真空封止の振動子の共振Ｑ値は一般的に数百以上）、これが大振幅共振振動に至ることがある。差動モード共振が発生すると、検出出力に共振周波数と同期検波周波数との差のビートを発生したり、更に大振幅になると検出容量や検出回路が非線形な特性となり、或いは、回路出力が飽和することがある。このような大振幅非線形特性は、後段におけるキャリブレーションやトリミング等による調整は一般的に困難である。また、Ｈｉｇｈ
Ｑ振動子では、一旦発生した共振振動は長時間続くため、発生した誤出力を後段のＬＰＦ（ローパスフィルタ）で十分に除去できないことがある。同相フィードバックは錘の同相変位分しか制御しないため、差動共振を抑えることができない。

このように複数の錘を持つ音叉振動型角速度センサに同相単独のフィードバックを行っても、振動子のメカニカルミスマッチや電気的ミスマッチにより差動共振を励起するという新たな問題を発生してしまう。

また、音叉振動型角速度センサに回転方向の衝撃や振動が加わると、差動モードの共振が発生することがある。同相フィードバックには回転、つまり差動方向の共振を抑える効果はない。

上記の特許文献２が提案する同相微分値のフィードバック制御は、衝撃又は振動Ｇの印加に対して同相の共振を抑える効果はあるが、印加Ｇの低周波成分に対して錘の変位を抑える効果はない。従って、Ｇ印加時にはＧに略比例した錘変位が発生し、検出電極の容量値そのものが変化する。このため同じコリオリ力が加わったときの容量変化分も変化が生じ、これが誤差成分となる、或いは検出感度が変化し検出誤差を生じてしまう。Ｇが更に大きくなると、錘変位、検出容量変化、さらに検出回路の特性が非線形な領域となる、或いは回路出力が飽和し、更に大きな出力誤差を発生することがある。

そこで、本発明は、上述の課題を少なくとも部分的に解決するため、差動共振を抑えることが可能な音叉振動型角速度センサの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、Ｘ軸方向へ互いに逆相に励起振動され、所定軸周りの角速度が生じた際にＸ軸方向と直交するＹ軸方向へ互いに逆相に変位振動される２つの錘を設け、該２つの錘のＹ軸方向での変位量の差に基づいて前記所定軸周りの角速度を検出する音叉振動型角速度センサであって、
Ｙ軸方向における前記２つの錘の変位の同相分に基づいて、前記２つの錘をＹ軸方向の同相方向にフィードバック駆動する第１フィードバック系と、
Ｙ軸方向における前記２つの錘の変位の逆相分に基づいて、前記２つの錘をＹ軸方向の逆相方向にフィードバック駆動する第２フィードバック系とを備えることを特徴とする、音叉振動型角速度センサが提供される。

また、本発明の他の一局面によれば、Ｘ軸方向へ互いに逆相に励起振動され、所定軸周りの角速度が生じた際にＸ軸方向と直交するＹ軸方向へ互いに逆相に変位振動される第１及び第２錘を設け、該第１及び第２錘のＹ軸方向での変位量の差に基づいて前記所定軸周りの角速度を検出する音叉振動型角速度センサであって、
Ｙ軸方向における前記第１錘の変位に基づいて、前記第１錘をＹ軸方向にフィードバック駆動する第１フィードバック系と、
Ｙ軸方向における前記第２錘の変位に基づいて、前記第２錘をＹ軸方向にフィードバック駆動する第２フィードバック系とを備えることを特徴とする、音叉振動型角速度センサが提供される。

本発明によれば、差動共振を抑えることが可能な音叉振動型角速度センサが得られる。

本発明の一実施例（実施例１）による音叉振動型角速度センサ１の要部構成を示す図である。 本発明の他の一実施例（実施例２）による音叉振動型角速度センサ２の要部構成を示す図である。 上述の実施例１に対して角速度検出出力の対Ｇ感度補正を適用したときの演算フローを示す図である。 上述の実施例１に対して角速度検出出力の対Ｇ感度補正、Ｇ検出出力の対角速度感度補正を適用すると共に、角速度検出出力及びＧ検出出力に対して変位補正を適用したときの演算フローの一例を示す図である。 上述の実施例１による音叉振動型角速度センサ１をベースとした構成における信号処理フローの一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明の一実施例（実施例１）による音叉振動型角速度センサ１の要部構成を示す図である。

音叉振動型角速度センサ１は、例えば車両に搭載されるものであってよい。この場合、音叉振動型角速度センサ１は、搭載される車両に生ずる車体前後方向又は車幅方向の加速度に応じた信号を出力する加速度センサと、車両の重心軸回りに生ずる角速度に応じた信号を出力するヨーレートセンサとを一体的に構成してもよい。この場合、音叉振動型角速度センサ１は、車両の重心位置付近（フロアトンネル等）に設けられ、当該搭載位置に発生するヨーレート及び加速度を検出する。検出されたヨーレート及び加速度は、例えば、横滑り等を防止して車両の挙動を安定化させる車両走行制御に利用されてよい。

音叉振動型角速度センサ１は、センサ本体部１０と、励振駆動回路２０と、検出信号処理部３０とを含む。尚、励振駆動回路２０と検出信号処理部３０とは、同一のICチップ（基板）により具現化されてもよい。

センサ本体部１０は、２つの錘１２，１４（第１錘１２、第２錘１４ともいう）を備える。２つの錘１２，１４は、励振駆動回路２０によりＸ軸方向に逆相に振動するように駆動される。２つの錘１２，１４は、Ｙ軸方向に振動可能に構成される。２つの錘１２，１４は、リンクばね（図示せず）によって結合される。尚、このようなセンサ本体部１０の構造は、上述のような左右の錘（振動子）がリンクばねによって結合される音叉構造である限り、任意であってよい。例えば、センサ本体部１０の詳細は、例えば特開２００６−２４２７３０公報や特許文献２に記載されるような構造に基づいて構成されてもよい。また、センサ本体部１０は、典型的には、SOI（Silicon on Insulator）ウェーハを用いたマイクロマシーン技術によって製造される。この場合、センサ本体部１０の各要素は、にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成される。センサ本体部１０は、真空封止などにより高い共振Ｑ値を有してもよい。

励振駆動回路２０は、錘１２，１４をＸ軸方向に逆相に一定振幅で振動するように励振駆動する。尚、錘１２，１４に一定振幅の駆動振動（Ｘ軸方向）を与えた状態で角速度が働くと、駆動振動と角速度回転軸（Ｚ軸）に垂直な方向（Ｙ軸方向）にコリオリ力が働き、検出方向（Ｙ軸方向）に検出振動が励起される。この検出振動の振幅に基づいて角速度が検出される。

検出信号処理部３０は、第１錘１２の検出方向（Ｙ軸方向）の変位を検出する第１変位検出部３２１と、第１ループゲイン／フィルタ３４１と、第１駆動出力部３６１と、加算器３８１とを含む。第１変位検出部３２１、第１ループゲイン／フィルタ３４１、第１駆動出力部３６１及び加算器３８１は、後述の第２変位検出部３２２と協動して、第１フィードバック系（フィードバック制御回路）を構成する。

第１フィードバック系は、２つの錘１２，１４のＹ軸方向の変位の同相分に対してフィードバックを行うように構成される。

具体的には、第１変位検出部３２１は、センサ本体部１０の検出電極（図示せず）を介して第１錘１２のＹ軸方向の変位を検出し、当該変位を表す変位信号Ｖｙ１が加算器３８１に入力される。加算器３８１では、変位信号Ｖｙ１に、後述の第２変位検出部３２２からの変位信号Ｖｙ２が加算される。加算された信号（同相分）は、第１ループゲイン／フィルタ３４１に入力され、第１（同相）フィードバック出力Ｖｏ１が生成される。第１フィードバック出力Ｖｏ１は、加速度（Ｇ）の算出用に取り出されると共に、第１駆動出力部３６１を介してセンサ本体部１０の錘１２，１４のそれぞれのフィードバック電極（図示せず）に印加される。このようにして、２つの錘１２，１４に対する同相フィードバックが実現される。

尚、同相フィードバックに用いる検出電極とフィードバック電極は、同一の電極を使用して、タイミングをずらす（時分割使用する）ことにより、検出電極とフィードバック電極を兼用してもよい。かかる場合には、電極及び配線数を削減することができる。また、フィードバックは、出力をアナログ電圧で行うアナログフィードバックであってよいし、デジタル２値（Ｈ／Ｌ値、例えば５Ｖ／０Ｖ）で印加するデジタルフォースフィードバック（Digital Force Feedback）であってよいし、又は、デジタル多値ビット値でフィードバックするものであってもよい。

また、同相フィードバック用のフィードバック量を決定する第１ループゲイン／フィルタ３４１としては、微分値Ｄに基づいてフィードバックを決定するものであってよいし、更に微分Ｄ，比例Ｐを組み合わせたもの（ＰＤ制御）であってよいし、微分Ｄ、比例Ｐ及び積分Ｉを組み合わせたもの（ＰＩＤ制御）であってよいし、バンドパスフィルタを組み合わせたものであってよいし、また、その他の制御方式（Ｈ∞制御、適応制御等）を組み合わせたものであってよく、制御方式は任意であってよい。

検出信号処理部３０は、第２錘１４の検出方向（Ｙ軸方向）の変位を検出する第２変位検出部３２２と、第２ループゲイン／フィルタ３４２と、第２駆動出力部３６２と、加算器３８２とを含む。第２変位検出部３２２、第２ループゲイン／フィルタ３４２、第２駆動出力部３６２及び加算器３８２は、第１変位検出部３２１と協動して、第２フィードバック系（フィードバック制御回路）を構成する。即ち、検出信号処理部３０は、上述の第１フィードバック系と第２フィードバック系との２つの系のフィードバック制御回路（複合フィードバック回路）を有する。

第２フィードバック系は、２つの錘１２，１４のＹ軸方向の変位の差動分に対してフィードバックを行うように構成される。

具体的には、第２変位検出部３２２は、センサ本体部１０の検出電極（図示せず）を介して第２錘１４のＹ軸方向の変位を検出し、当該変位を表す変位信号Ｖｙ２が加算器３８２に入力される。加算器３８２では、変位信号Ｖｙ２の反転信号に、上述の第１変位検出部３２１からの変位信号Ｖｙ１が加算される。加算された信号（差動分）は、第２ループゲイン／フィルタ３４２に入力され、第２（差動）フィードバック出力Ｖｏ２が生成される。第２フィードバック出力Ｖｏ２は、コリオリ力（角速度）の算出用に取り出されると共に、第２駆動出力部３６２を介してセンサ本体部１０の錘１２，１４のそれぞれのフィードバック電極（図示せず）に印加される。尚、第２フィードバック出力Ｖｏ２は、２つの錘１２，１４に対して正負逆（逆相）で印加される。このようにして、２つの錘１２，１４に対する差動フィードバックが実現される。

同様に、差動フィードバックに用いる検出電極とフィードバック電極は、同一の電極を使用して、タイミングをずらす（時分割使用する）ことにより、検出電極とフィードバック電極を兼用してもよい。かかる場合には、電極及び配線数を削減することができる。また、フィードバックは、出力をアナログ電圧で行うアナログフィードバックであってよいし、デジタル２値（Ｈ／Ｌ値、例えば５Ｖ／０Ｖ）で印加するデジタルフォースフィードバックであってよいし、又は、デジタル多値ビット値でフィードバックするものであってもよい。

また、差動フィードバック用のフィードバック量を決定する第２ループゲイン／フィルタ３４２としては、微分値Ｄに基づいてフィードバックを決定するものであってよいし、更に微分Ｄ，比例Ｐを組み合わせたもの（ＰＤ制御）であってよいし、微分Ｄ、比例Ｐ及び積分Ｉを組み合わせたもの（ＰＩＤ制御）であってよいし、バンドパスフィルタを組み合わせたものであってよいし、また、その他の制御方式（Ｈ∞制御、適応制御等）を組み合わせたものであってよく、制御方式は任意であってよい。尚、第１ループゲイン／フィルタ３４１と第２ループゲイン／フィルタ３４２は、それぞれ異なるループゲイン／フィルタ特性を有してもよい。

動作時、２つの錘１２，１４は、同一方向（Ｘ軸方向）に互いに逆向きに振動するように励振駆動されている。回転（角速度）が加わると、コリオリ力は振動に同期して、２つの錘１２，１４にＹ軸方向逆向きに発生し、差動成分となって検出される。一方、Ｙ軸方向の加速度（Ｇ）が印加された場合の慣性力は、２つの錘１２，１４にＹ軸方向同じ向きに作用するため、同相分となって検出される。本実施例では、これらの差動成分及び同相成分の双方に対してフォースフィードバックを行って、２つの錘１２，１４の変位が共に中立位置になるように制御する。

角速度は、この差動フィードバック量（Ｖｏ２）に対して励起信号に同期した同期検波を行い、更に一定の周波数フィルタにより必要な信号周波数成分のみ取り出すことで得られる。尚、コリオリ力Ｆｃは、質量ｍ、速度ｖ、角速度Ωとすると、ｖとΩの外積として、Ｆｃ＝２ｍｖ×Ω（×は外積を表す）で得られる。つまりコリオリ力として検出する差動信号は、角速度Ωに錘１２，１４の速度ｖを乗じた（変調がかかった）信号となっている。従って、角速度Ωは、この差動信号に速度ｖによる同期検波（一般的には乗算処理）を行った後の低周波成分として得られる。また、加速度は、同相フィードバック量（Ｖｏ１）に対して同様のフィルタリング処理を行って不要な雑音成分を除去し、必要な信号周波数成分のみ取り出すことで得られる。

このように、本実施例１においては、２つの錘１２，１４は、上述の如く、振動（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）の２つのフィードバック系からなり、変位同相分のフィードバックと、変位差動分のフィードバックの双方の変位を抑えるように制御される。制御回路（検出信号処理部３０）は、慣性力及びコリオリ力による２つの錘変位を検出電極により検出し、これらの変位（同相分及び差動分）を抑える向きにフィードバック電極に電圧、つまり静電気力を印加し、フォースフィードバックを行う。尚、フォースフィードバックは、検出振動子の共振周波数（例えば数十ｋＨｚ）を越える帯域まで安定に追従制御可能な態様で実現されてもよい。このような高性能なフォースフィードバックによれば、衝撃や車両振動が加わった場合においても、錘変位や共振を抑え、錘１２，１４を設定位置に安定制御することができる。これは同相の衝撃Ｇや振動Ｇだけでなく、回転方向の衝撃や振動が加わった場合も同様である。

また、上述の如く、フィードバック量を決定する第１ループゲイン／フィルタ３４１と第２ループゲイン／フィルタ３４２としては、微分値Ｄに基づく制御に加えて、ＰＤ制御又はＰＩＤ制御とすることができる。例えば、信号成分に対する伝達関数（ＳＦＴ：Signal Transfer Function）に、微分Ｄ、比例Ｐ及び積分Ｉの特性を持たせられる、つまりＰＩＤ制御を実現することができる。これにより、錘１２，１４の共振だけでなく、低周波の成分を含めて、錘１２，１４の変位を略中立位置に制御し、検出電極の容量値変化を抑え、コリオリ力が加わったときの容量変化分を一定にして、角速度計測精度を向上できる。

ここで、上述の［発明が解決しようとする課題］の欄で記載したように、音叉振動型角速度センサの２つの錘に対して同相フィードバックを単独で施すと、錘間の同相フィードバックのミスマッチなどによって差動共振を励起することがあるという課題がある。これに対して、本実施例によれば、新たに追加した差動フィードバックを含む複合フィードバック系によって、同相及び差動の双方の共振モードを抑えることができる。外乱である衝撃や車両振動が加わっても、フォースフィードバックできる力の範囲内であれば、素子共振を抑え、リニアリティを損なうことなく制御可能となる。この効果により、Ｈｉｇｈ
Ｑ素子を使用した場合でも、錘１２，１４や検出回路（検出信号処理部３０）は常に線形特性の領域に維持され、衝撃Ｇや振動Ｇに対してロバストな音叉振動型角速度センサ１を実現することができる。結果として、音叉振動型角速度センサ１の外付け防振ゴム等、衝撃吸収材の緩和或いは削減による小型・低コスト化を実現することができる。

尚、検出電極とフィードバックは、上述の如く、時分割使用により兼用することができる。つまり、同一電極を使用して変位検出とフォースフィードバックを、時間タイミングをずらして行うことができる。この電極兼用により配線数を減らすことができる。従って、特許文献２に開示されるのと同様のセンサチップ、電極に新たなフィードバック用の電極を追加設定する必要はなく、検出電極とフィードバック電極（同相フィードバック用でも、差動フィードバック用でもどちらでもよい）を兼用することができる。例えば、特許文献２に開示される構成における検出電極を同相フィードバック電極として兼用し、ダンピング電極を差動フィードバック電極として使えば、電極数や配線数を増やすことなく実現することができる。

図２は、本発明の一実施例（実施例２）による音叉振動型角速度センサ２の要部構成を示す図である。図２において、上述の実施例１と同様であったよい構成については、同一の参照符号が付されている。

本実施例２では、２つの錘１２，１４は、それぞれ単一のフィードバック出力によって制御される。つまり、２つの錘１２，１４は、２つのシングルエンドフィードバック系により制御される。

検出信号処理部３０’は、第１錘１２の検出方向（Ｙ軸方向）の変位を検出する第１変位検出部３２１と、第１ループゲイン／フィルタ３４１と、第１駆動出力部３６１とを含む。第１変位検出部３２１、第１ループゲイン／フィルタ３４１及び第１駆動出力部３６１は、第１フィードバック系（フィードバック制御回路）を構成する。

第１フィードバック系は、第１錘１２のＹ軸方向の変位に対してフィードバックを行うように構成される。具体的には、第１変位検出部３２１は、センサ本体部１０の検出電極（図示せず）を介して第１錘１２のＹ軸方向の変位を検出し、当該変位を表す変位信号Ｖｙ１が第１ループゲイン／フィルタ３４１に入力され、第１フィードバック出力Ｖｏ１が生成される。第１フィードバック出力Ｖｏ１は、加速度及び角速度算出用に取り出されると共に、第１駆動出力部３６１を介してセンサ本体部１０の第１錘１２のフィードバック電極（図示せず）に印加される。このようにして、第１錘１２に対するフィードバックが実現される。

検出信号処理部３０’は、第２錘１４の検出方向（Ｙ軸方向）の変位を検出する第２変位検出部３２２と、第２ループゲイン／フィルタ３４２と、第２駆動出力部３６２とを含む。第２変位検出部３２２、第２ループゲイン／フィルタ３４２及び第２駆動出力部３６２は、第２フィードバック系（フィードバック制御回路）を構成する。即ち、検出信号処理部３０は、上述の第１フィードバック系と第２フィードバック系との２つの系のフィードバック制御回路（複合フィードバック回路）を有する。

第２フィードバック系は、第２錘１４のＹ軸方向の変位に対してフィードバックを行うように構成される。具体的には、第２変位検出部３２２は、センサ本体部１０の検出電極（図示せず）を介して第２錘１４のＹ軸方向の変位を検出し、当該変位を表す変位信号Ｖｙ２が第２ループゲイン／フィルタ３４２に入力され、第２フィードバック出力Ｖｏ２が生成される。第２フィードバック出力Ｖｏ２は、加速度及び角速度算出用に取り出されると共に、第２駆動出力部３６２を介してセンサ本体部１０の第２錘１４のフィードバック電極（図示せず）に印加される。このようにして、第２錘１４に対する差動フィードバックが実現される。

尚、コリオリ力である差動成分は（Ｖｏ１−Ｖｏ２）の演算結果として求められ、Ｇである同相成分は（Ｖｏ１＋Ｖｏ２）の演算結果として求められる。

本実施例２によれば、擬似的に同相フィードバックと差動フィードバックを実現することができる。即ち、本実施例２によっても、上述の実施例１とフィードバック出力形態は異なるが、２つの錘１２，１４に２つのフィードバックを行って、２つの錘１２，１４の同相・差動の２つの共振モードを抑えることができる。尚、本実施例２において、図２に符号３９０にて示すように、第１ループゲイン／フィルタ３４１及び第２ループゲイン／フィルタ３４２には、それぞれ、変位信号Ｖｙ２及び変位信号Ｖｙ１のそれぞれの反転成分が所定係数を乗じて入力されてもよい。

また、実施例２では、２つのフィードバック回路系は、同じ回路特性のものを使用することができる。従って、上述の実施例１のように回路構成の異なる２系列の制御回路を設計する必要はなく、同一内部回路・レイアウトを単に２つ並べればよい。このため、回路・チップレイアウト設計時間を低減することができる。

次に、上述の実施例１及び実施例２に適用可能な感度補正等の方法について説明する。

図３は、上述の実施例１に対して角速度検出出力の対Ｇ感度補正を適用したときの演算フロー（調整演算部）の一例を示す図である。

図３に示す例では、第２フィードバック出力Ｖｏ２に、第１フィードバック出力Ｖｏ１に補正係数（ａ２１）を乗じたものを加算し、この後に励起信号によって同期検波して、補正係数（ａ２０）を乗じ、更に必要なフィルタリング処理を行って、角速度検出出力が導出される。補正係数（ａ２０）は、角速度検出自身の感度補正係数である。尚、加速度（Ｇ）についても同様に、別の補正係数を乗じて加算をし、Ｇ検出出力が導出されてもよい（図４参照）。

補正係数（ａ２０，ａ２１）の設定方法として、第１フィードバック出力Ｖｏ１と第２フィードバック出力Ｖｏ２の、角速度に対する感度（対角速度感度）と加速度（Ｇ）に対する感度（対Ｇ感度）をそれぞれ計測しておく。コリオリ力検出出力は、第１フィードバック出力Ｖｏ１に、この調整感度係数を乗算して、第２フィードバック出力Ｖｏ２に加算（減算）することで、角速度検出の対Ｇ感度（Ｇに対する変動分）がゼロになるように補正調整（キャリブレーション）する。これは、Ｇ検出調整方法についても同様である（図４参照）。調整は、例えば製品出荷前に、先ず加振試験を行って上記感度を測定し、特性補正係数を製品に記憶させる。補正係数の書き込みは、例えば書き換え可能なＲＯＭ（ＰＲＯＭ（Programmable ROM）（図５のＰＲＯＭ５００参照）で、例えばＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、ツェナーザップ、ヒューズROM等を含む）などが使用されてもよい。また、素子トリミングでもよい。

尚、図３に示す例において、調整加算と同期検波の順序を入れ替えて、第１及び第２フィードバック出力Ｖｏ１，Ｖｏ２に対してそれぞれ励起信号によって同期検波した後に、補正係数を乗じて重み付け加算してもよい。更に、温度特性調整、電源電圧依存性調整を組み合わせてもよい（図５参照）。また、調整演算部への入力は、フィードバック出力だけに限定されず、第１及び第２ループゲイン／フィルタ３４１，３４２の内部又はその前後の、フィードバック出力と同等の信号成分を持っている途中信号に対して同等の調整処理を行ってもよい。これらのいずれの場合も、フィルタリング後に得られる信号成分は同じである。

図３に示す例によれば、錘１２，１４、検出電極等の検出系だけでなく、フィードバック電極を含めて、２つの錘１２，１４間のミスマッチが調整され、上述の［発明が解決しようとする課題］の欄で記載した問題点を抜本的に改善することができる。また、上述の実施例１，２の複合フィードバック制御により検出リニアリティが格段に向上しているため、調整演算は加減算と乗算により、比較的容易に安定で高精度なミスマッチ調整が可能となる。

また、Ａ／Ｄ変換器により信号をデジタル化すれば、特性調整演算をデジタル化することができる（図５参照）。デジタルフィードバック技術を採用した場合も、フィードバック出力はデジタル値であるため、同様に信号処理をデジタル演算化することができる。これにより、回路を小チップ面積化、演算を高精度化することができる。また、温度特性調整、電源電圧依存性調整についても、温度センサ（ＰＮダイオード、温度特性の異なる抵抗を使った抵抗分圧回路等）、基準電圧回路、そしてＡ／Ｄ変換器により温度・電源電圧をデジタル値として、後段のフィルタ、同期検波を含む検出信号処理を含めて回路のほとんどの部分をデジタル信号処理化することができる。

図４は、上述の実施例１に対して角速度検出出力の対Ｇ感度補正、Ｇ検出出力の対角速度感度補正を適用すると共に、角速度検出出力及びＧ検出出力に対して変位補正を適用したときの演算フロー（調整演算部）の一例を示す図である。

ここで、補正係数ａ２１は、角速度検出出力の対Ｇ感度補正係数であり、補正係数ａ２０は、角速度検出自身の感度補正係数であり、図３と同様である。また、補正係数ａ１１は、Ｇ検出出力の対角速度感度補正係数であり、補正係数ａ１０は、Ｇ検出自身の感度補正係数である。更に、図４に示す例では、変位補正部４００，４０２が設けられ、変位信号Ｖｙ１，Ｖｙ２による感度及びオフセット調整を行っている。具体的には、補正係数ａ２２は、角速度検出出力に対する感度補正係数であり、補正係数ａ２３は、角速度検出出力に対するオフセット補正係数であり、補正係数ａ１２は、Ｇ検出出力に対する感度補正係数であり、補正係数ａ１３は、Ｇ検出出力に対するオフセット補正係数である。これらの補正係数は、他の補正量（オフセット、感度、これらの温度特性）と共に、出荷時特性調整時にＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ等）（図５のＰＲＯＭ５００参照）に書き込まれる。

尚、図４に示す例においても、図３に示した例に関連して上述したように、デジタル演算化が可能である。即ち、変位補正部４００，４０２（オフセット調整や感度調整）においてデジタル信号処理が実行されてもよい。

図５は、上述の実施例１による音叉振動型角速度センサをベースとした構成における信号処理フローの一例を示す。図５において、図１に示した構成については、同一の参照符号が付されている。

図５に示す例では、Ａ／Ｄ変換器３３２，３３１、３３３の後段がデジタル回路により構成される。具体的には、各錘１２，１４の変位検出を行い、同相分及び差動分を求めた後に、Ａ／Ｄ変換器３３２，３３１によりＡ／Ｄ変換を行ってこれらをデジタル値に変換し、以降の第１及び第２ループゲイン／フィルタ３４１，３４２の信号処理はデジタル演算で実現している。これにより、フォースフィードバック出力を離散値（デジタル値）とする、いわゆるデジタルフォースフィードバックが実現される。尚、ここでは各錘１２，１４の同相分及び差動分を求める演算（加減算）をアナログ回路で行った後にＡ／Ｄ変換しているが、この順序を入れ替えて、各錘１２，１４の変位検出出力をそれぞれＡ／Ｄ変換した後に、デジタル演算で加減算して同相分及び差動分を求めてもよい。

また、図５に示す例では、温度及び電源電圧等の補正調整演算を行う特性調整部４１１，４１２が設けられる。また、ＰＲＯＭ５００には、上述の各種補正係数が格納される。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、同相分及び差動分の２つのフィードバックを実行しているが、その他のフィードバックを含めた３つ以上のフィードバックを行ってもよい。

１，２ 音叉振動型角速度センサ
１０ センサ本体部
１２，１３ 錘
２０ 励振駆動回路
３０、３０’ 検出信号処理部
３２１ 第１変位検出部
３２２ 第２変位検出部
３３１，３３２，３３３ Ａ／Ｄ変換器
３４１ 第１ループゲイン／フィルタ
３４２ 第２ループゲイン／フィルタ
３６１ 第１駆動出力部
３６２ 第２駆動出力部
３８１，３８２ 加算器
４００，４０２ 変位補正部
４１１，４１２ 特性調整部
５００ ＰＲＯＭ

Claims (3)

1. Ｘ軸方向へ互いに逆相に励起振動され、所定軸周りの角速度が生じた際にＸ軸方向と直交するＹ軸方向へ互いに逆相に変位振動される２つの錘を設け、該２つの錘のＹ軸方向での変位量の差に基づいて前記所定軸周りの角速度を検出する音叉振動型角速度センサであって、
   Ｙ軸方向における前記２つの錘の変位の同相分に基づいて、前記２つの錘をＹ軸方向の同相方向にフィードバック駆動する第１フィードバック系と、
   Ｙ軸方向における前記２つの錘の変位の逆相分に基づいて、前記２つの錘をＹ軸方向の逆相方向にフィードバック駆動する第２フィードバック系とを備えることを特徴とする、音叉振動型角速度センサ。
2. Ｘ軸方向へ互いに逆相に励起振動され、所定軸周りの角速度が生じた際にＸ軸方向と直交するＹ軸方向へ互いに逆相に変位振動される第１及び第２錘を設け、該第１及び第２錘のＹ軸方向での変位量の差に基づいて前記所定軸周りの角速度を検出する音叉振動型角速度センサであって、
   Ｙ軸方向における前記第１錘の変位に基づいて、前記第１錘をＹ軸方向にフィードバック駆動する第１フィードバック系と、
   Ｙ軸方向における前記第２錘の変位に基づいて、前記第２錘をＹ軸方向にフィードバック駆動する第２フィードバック系とを備えることを特徴とする、音叉振動型角速度センサ。
3. 前記第２フィードバック系の出力に、所定の補正係数を乗じた前記第１フィードバック系の出力を加算した信号に基づいて、角速度を算出する、請求項１又は２に記載の音叉振動型角速度センサ。

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