JP3992006B2 - 振動型マイクロジャイロセンサ - Google Patents

Description

本発明は、２つの振動子を備えた振動型マイクロジャイロセンサに関する。

一般に、振動型マイクロジャイロセンサを振動させる場合は、その振動子の共振周波数で振動させる。この理由は、共振周波数で振動させることにより、振幅がその振動子のＱ値倍されて、より大きな振幅が得られ、その分だけ振動速度が向上し、マイクロジャイロセンサの角速度感度が向上するからである。また、一般的なリニア振動型のマイクロジャイロセンサは、加速度感度を低減させるために２つの振動子を互いに逆相で振動させて、出力信号の差分を取り、角速度成分をキャンセルしている。この場合、２つの振動子は同じ周波数で振動させる必要がある。

図２は、従来の２振動子型マイクロジャイロセンサの例を示す構成図である。振動子１−１、１−２はそれぞれ、図２中のｘ軸方向に容易に振動できるように駆動梁２−１、２−２で支持されている。振動子１−１、１−２には、それぞれ、振動子１−１、１−２の振動をモニタリングするモニタ電極３−１、３−２及び駆動電極（４−１１、４−１２）、（４−２１、４−２２）と櫛歯状に対向する可動電極１−１ａ、１−２ａが形成されている。

振動子１−１の駆動電極４−１１と振動子１−２の駆動電極４−２２には自励発振回路１０から共振周波数と同じ駆動信号が印加され、また、振動子１−１の駆動電極４−１２と振動子１−２の駆動電極４−２１には自励発振回路１０及びインバータ１１から逆相の駆動信号が印加される。これにより、振動子１−１、１−２がｘ方向に振動すると電極間の対向面積Ｓが変化し、Ｃ∝ε・Ｓ／ｄにより電極間容量Ｃが変化する（εは誘電率、ｄは電極間距離）。そして、この振動子１−１、１−２の振動をそれぞれモニタ電極３−１、３−２によりモニタリングしてオペアンプ１２により合算し、これを自励発振回路１０及びインバータ１１にフィードバックし、振動子１−１、１−２を同じ周波数（及び逆相）で振動させる。

また、他の従来例として、加速度感度をキャンセルするため、互いに逆相で振動する２つの振動子を持つマイクロジャイロセンサにおいて、その２つの振動子の共振周波数を同一に合わせるために機械的にリンクさせているものがある（例えば下記の特許文献１参照）。
特表２００３−５１０５７３号公報（図１）

しかし、図２に示す従来例では機械的リンクが無いため、製造上での出来上がり寸法のバラツキ（振動子の質量や梁の寸法など）により、振動子１−１、１−２の共振周波数が異なる場合がある。その場合は、２つの振動子１−１、１−２の各モニタ信号からの信号を合算した信号を用いると、２つの共振周波数の中間の共振周波数で自励発振させることになる。しかし、振動子のＱ値が高く、２つの共振周波数の差が大きくなってくると、その周波数での振幅が小さくなり、自励発振ができなくなるという問題がある。

また、特許文献１では、リンク機構が構造的に複雑でありチップ面積を取るため、チップ面積的に不利となりコストアップにつながる。リンク機構を持たない２振動子型のマイクロジャイロセンサであっても２つの振動子の共振周波数を同一に作りこむことができれば同一周波数で共振するが、実際には振動子を支持する梁幅の寸法のバラツキなどにより共振周波数に差を生じる。

本発明は上記従来例の問題点に鑑み、２つの振動子の共振周波数が大きく異なっていても自励発振を確立することができる振動型マイクロジャイロセンサを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、寸法のバラツキにより共振周波数が必ずしも一致せず、かつ機械的リンクが無い２つの振動子のいずれか一方のみの振動子のモニタ信号を基準として自励発振させ、その周波数で、もう一方の振動子も振動させるようにしたものである。
上記構成により、一方の振動子を振動させると、加速度感度は振動振幅に依存しないため、２つの振動振幅が異なっていても加速度感度のキャンセルには問題なく、２つの振動子の共振周波数が大きく異なっていても自励発振を確立することができる。また、リンク機構を持たないので、安価に構成することができる。
「２つの振動子の共振周波数を同一に作りこむことができれば同一周波数で共振するが、実際には振動子を支持する梁幅の寸法のバラツキなどにより共振周波数に差を生じる。」

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係る２振動子型マイクロジャイロセンサの一実施の形態を示す構成図である。
図１に示す構成部材である振動子１−１、１−２、可動電極１−１ａ、１−２ａ、駆動梁２−１、２−２、モニタ電極３−１、３−２及び駆動電極（４−１１、４−１２）、（４−２１、４−２２）は図２と同じであるのでその詳細な説明は省略する。

本発明では、振動子１−１のモニタ電極３−１（３−１１、３−１２）のみの信号を検出して自励発振回路１０にフィードバックし、振動子１−１の駆動電極４−１１と振動子１−２の駆動電極４−２２には自励発振回路１０から駆動信号を印加する。また、振動子１−１の駆動電極４−１２と振動子１−２の駆動電極４−２１には、その出力信号の位相を９０°ずらした駆動信号を自励発振回路１０の後段のインバータ１１で作り出し、電圧信号として供給することにより、振動子１−２は自らの共振周波数で振動する。２つの振動子１−１、１−２はそれぞれ逆相で振動するため、このセンサに加速度が印加された場合でも、変位は同じ方向にかかるが、コリオリ力は互いに逆に作用するため、モニタ電極３−１（３−１１、３−１２）の出力の差分をオペアンプ１２により取ることによって加速度成分だけをキャンセルすることができる。

従来の方法（図２）では、２つの振動子１−１、１−２の共振周波数が異なる場合は、それらの中間の周波数で振動することになるが、一般的に角速度の感度を高めるため、すなわち、大きく振幅を得るために高いＱ値になるように設計すると、振動子１−１、１−２の出来栄えにより互いの共振周波数に差が生じた場合、中間の周波数での振幅が小さくなる。このためモニタ電極３−１、３−２の容量変化が小さくなり、十分な信号振幅が得られず、自励発振回路１０が作動しなくなることがある。

そこで、自励発振を確実に行うようにするために、２つの振動子のいずれか一方のみの振動子のモニタ信号を使い、それで自励発振をかけて振動させる。この場合は、モニタ信号を使う側の振動子１−１はそれ自身の共振周波数で振動できるため大きく振動し、十分なモニタ信号出力も得られる。また、その駆動信号と同じ周波数の駆動信号で、もう一方の振動子１−２も振動させると、加速度感度は振動振幅に依存しないため、２つの振動振幅が異なっていても加速度感度のキャンセルには問題ない。

次に、片側モニタの有効性について更に説明する。自励発振回路１０は、駆動信号と振動子１−１、１−２の振動の位相が９０°の時点の周波数で駆動信号を作り、振動子１−１、１−２を振動させる。そのためには振動子１−１、１−２の振動をモニタリングするモニタ信号の位相が必ず９０°になる点が必要になる。

図３は一般的な振動子の振動特性を表し、振動子の振幅と、振動子を駆動する駆動信号との位相を表している。このグラフで振動子が共振する周波数、すなわちａ[Hz]で振動子を振動させ、なるべく大きな振幅を得ることを目的とするのが自励発振回路１０である。この共振周波数ａ[Hz]のときは位相は９０°になっているので、その周波数を自励発振回路１０が見つけて共振周波数ａ[Hz]の駆動信号を作り出すことによってそれらを実現している。

振動子の振動状態は、振動子に付けたモニタ電極などによって信号を得るが、振動子型のマイクロジャイロセンサの場合、２つの振動子のモニタ信号を合成して自励発振に用いる振動のモニタ信号を作っている。その２つの振動子の共振周波数が全く同じ場合にはモニタ信号で得られる周波数特性は図３に示すグラフと同じになるが、２つの振動子の特性のバラツキにより共振周波数が異なる場合、すなわち図４に示すような共振周波数ｂ[Hz]、ｃ[Hz]になった場合はその合成された特性がモニタ信号に現れてくる。同様に位相も図５に示すような特性となって現れる。この図５に示されるように２つの振動子の共振周波数ｂ[Hz]、ｃ[Hz]が離れていくと、位相が９０°になるポイントが複数存在する特性となる。こうなると自励発振回路１０がどの周波数で共振するかが分からなくなり、動作しなくなる。そうなることを回避するために、常に一方の振動子１−１のみからのモニタ信号を用いてその共振周波数で２つの振動子１−１、１−２を駆動することで、自励できない状況を回避する。この場合、モニタ信号を取っていない側の振動子１−２はそれ自身の共振周波数で振動するわけではないので、振幅が減少することが考えられるが、本来の、２つの振動子にすることによる効果である加速度感度のキャンセル効果は変わらない。

本発明に係る振動型（２振動子型）マイクロジャイロセンサの一実施の形態を示す構成図である。 従来の振動型（２振動子型）マイクロジャイロセンサの例を示す構成図である。 一般的な振動子の振動特性を示すグラフである。 ２つの振動子の共振周波数が異なる場合の合成された振幅−周波数特性を示すグラフである。 ２つの振動子の共振周波数が異なる場合の合成された位相−周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１−１、１−２ 振動子
１−１ａ、１−２ａ 可動電極
２−１、２−２ 駆動梁
３−１、３−２、３−１１、３−１２ モニタ電極
４−１１、４−１２、４−２１、４−２２ 駆動電極
１０ 自励発振回路
１１ インバータ
１２ オペアンプ

Claims (1)

1. 平行に配置され、寸法のバラツキにより共振周波数が必ずしも一致せず、かつ機械的リンクが無い２つの振動子と、
   前記２つの振動子を同一周波数で逆相の駆動信号により振動させる駆動手段と、
   振動に伴う前記２つの振動子の振動方向と垂直方向への変位を検出する検出手段と、
   前記２つの振動子のいずれか一方のみの振動をモニタリングするモニタ手段と、
   前記モニタ手段によりモニタリングされた振動信号により前記一方の振動子の共振周波数を決定し、該共振周波数により前記２つの振動子を同一共振周波数で駆動させるべく前記駆動手段を制御する制御手段とを、
   備えた振動型マイクロジャイロセンサ。

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