角速度センサ
【課題】時分割検出動作により３軸まわりの角速度を高い精度で検出する。
【解決手段】ＸＹ平面に広がる可撓性支持体の下面中央に振動子を接合し、上面に駆動用素子群と検出用素子群とを配したセンサ本体部３００を用意する。動作信号発生器１００により、振動子を前半周期にＺ軸励振する駆動信号ＤｒＺと後半周期にＸ軸励振する駆動信号ＤｒＸを発生し、マトリクス変換器２００を介して駆動用素子群に供給する。検出用素子群からの信号により、振動子の各軸方向の変位ＳΔｘ，ＳΔｙ，ＳΔｚを検出し、これをスイッチＳＷを介して振動安定期のみＡＭ検波器ＡＭＤおよび駆動信号に同期した同期検波器ＳＤに与える。Ｘ軸振動の振幅Ｆｘａ，位相ＦｘｐとＺ軸振動の振幅Ｆｚａ，位相Ｆｚｐを動作信号発生器１００へ帰還させ、フィードバック制御し、所定の同期検波器ＳＤから出力される信号を３軸の角速度ωｘ，ωｙ，ωｚとして出力する。
【解決手段】ＸＹ平面に広がる可撓性支持体の下面中央に振動子を接合し、上面に駆動用素子群と検出用素子群とを配したセンサ本体部３００を用意する。動作信号発生器１００により、振動子を前半周期にＺ軸励振する駆動信号ＤｒＺと後半周期にＸ軸励振する駆動信号ＤｒＸを発生し、マトリクス変換器２００を介して駆動用素子群に供給する。検出用素子群からの信号により、振動子の各軸方向の変位ＳΔｘ，ＳΔｙ，ＳΔｚを検出し、これをスイッチＳＷを介して振動安定期のみＡＭ検波器ＡＭＤおよび駆動信号に同期した同期検波器ＳＤに与える。Ｘ軸振動の振幅Ｆｘａ，位相ＦｘｐとＺ軸振動の振幅Ｆｚａ，位相Ｆｚｐを動作信号発生器１００へ帰還させ、フィードバック制御し、所定の同期検波器ＳＤから出力される信号を３軸の角速度ωｘ，ωｙ，ωｚとして出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサに関し、特に、独立した３軸まわりの角速度を検出することができる角速度センサに用いる信号処理回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業機器や民生用機器の分野では、内蔵用の小型角速度センサの需要が高まっている。角速度も、加速度や力と同様にベクトル量であるため、実用上は、三次元空間において独立した３軸まわりの角速度を検出可能な三次元角速度センサが望まれている。たとえば、下記の特許文献１には、三次元の加速度とともに、三次元の角速度を検出することが可能な静電容量型センサおよび圧電型センサが開示されている。
【０００３】
一般的な角速度センサの検出原理は、三次元直交座標系において、振動子を第１の座標軸方向に振動させた状態において、当該振動子に対して第２の座標軸方向に作用するコリオリ力を測定することにより、第３の座標軸まわりの角速度を求める、というものである。このような検出原理では、振動子の振動方向に直交する２つの座標軸まわりの角速度検出は可能であるが、振動子の振動方向を向いた座標軸まわりの角速度検出を行うことはできない。したがって、３軸まわりの角速度を検出するためには、振動子を２通りの座標軸に沿って振動させる必要がある。
【０００４】
前掲の特許文献１の＜§７．２＞には、３軸まわりの角速度検出を行うための時分割検出動作が開示されている。この検出動作では、まず、振動子を第１の座標軸方向に振動させた状態で、第２の座標軸まわりの角速度および第３の座標軸まわりの角速度を検出し、続いて、振動子を第２の座標軸方向に振動させた状態で、第１の座標軸まわりの角速度を検出することになる。同文献の＜§７．３＞には、そのような時分割検出動作を行うための検出回路も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ９４／０２３２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したとおり、時分割検出動作により３軸まわりの角速度検出を行う機能をもった角速度センサは、前掲の特許文献１に示すように公知のものである。しかしながら、このような機能をもった角速度センサに用いる従来の信号処理回路には、精度の高い検出値を得ることができないという問題がある。すなわち、時分割検出動作では、振動子を第１の軸方向に振動させながら行う検出動作と、振動子を第２の軸方向に振動させながら行う検出動作と、を交互に繰り返し行う必要があるが、振動子の振動方向を交互に変える運用をとると、振動子の運動が不安定になり、正確な測定を行うことができない。
【０００７】
そこで本発明は、時分割検出動作により３軸まわりの角速度を高い精度で検出可能な角速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
(1) 本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側駆動用素子とＸ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＸ軸に沿って振動し、Ｙ軸正側駆動用素子とＹ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＹ軸に沿って振動し、４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がＺ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有し、
検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側検出用素子とＸ軸負側検出用素子とは、振動子がＸ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｙ軸正側検出用素子とＹ軸負側検出用素子とは、振動子がＹ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｚ軸変位検出用素子は、振動子がＺ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有し、
検出回路は、
第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有し、
第１の半周期Ｔ１には、特定の駆動素子に振動子を第１の座標軸方向に振動させるための駆動信号を供給し、第２の半周期Ｔ２には、特定の駆動素子に振動子を第２の座標軸方向に振動させるための駆動信号を供給し、
第１の半周期Ｔ１において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第１の座標軸方向に関する安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第３の座標軸まわりの角速度を検出するとともに、検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第２の座標軸まわりの角速度を検出し、
第２の半周期Ｔ２において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第２の座標軸方向に関する安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第１の座標軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
【０００９】
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る角速度センサにおいて、
検出回路が、検出用素子群から得られる信号に基づいて振動子の位相および振幅を測定する機能と、この測定値に基づいて、振動子の位相および振幅に対するフィードバック制御を行う機能と、を有するようにしたものである。
【００１０】
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第１または第２の態様に係る角速度センサにおいて、
特定の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、振動子を当該振動方向へ振動させるための駆動信号の供給開始時から、振動子が安定した振動状態になると予想される時点までの期間αを、（１／ｆ０）×５０≦α≦（１／ｆ０）×１２５の範囲に設定するようにしたものである。
【００１１】
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る角速度センサにおいて、
第１の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ１とし、第２の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ２とした場合に、第１の半周期Ｔ１を、（１／ｆ１）×１００≦Ｔ１≦（１／ｆ１）×２５０の範囲に設定し、第２の半周期Ｔ２を、（１／ｆ２）×１００≦Ｔ２≦（１／ｆ２）×２５０の範囲に設定するようにしたものである。
【００１２】
(5) 本発明の第５の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側駆動用素子とＸ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＸ軸に沿って振動し、Ｙ軸正側駆動用素子とＹ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＹ軸に沿って振動し、４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がＺ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を果たし、
検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側検出用素子とＸ軸負側検出用素子とは、振動子がＸ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｙ軸正側検出用素子とＹ軸負側検出用素子とは、振動子がＹ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｚ軸変位検出用素子は、振動子がＺ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を果たし、
検出回路は、
第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有するようにし、更に、
第１の半周期Ｔ１には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されており、第２の半周期Ｔ２には、何ら交流信号が配されていない、第１の駆動信号を発生する第１の駆動信号発生部と、
第１の半周期Ｔ１には、何ら交流信号が配されておらず、第２の半周期Ｔ２には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されている、第２の駆動信号を発生する第２の駆動信号発生部と、
第１の半周期Ｔ１には、第１の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔ２には、第２の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号を発生する正側同期検波信号発生部と、
第１の半周期Ｔ１には、第１の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔ２には、第２の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号を発生する負側同期検波信号発生部と、
第１の半周期Ｔ１において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期を示す第１の検波イネーブル信号を発生する第１の検波イネーブル信号発生部と、
第２の半周期Ｔ２において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期を示す第２の検波イネーブル信号を発生する第２の検波イネーブル信号発生部と、
第１の半周期Ｔ１には、振動子を第１の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第１の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給し、第２の半周期Ｔ２には、振動子を第２の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第２の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第３の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第１の角速度検出部と、
第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第２の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第２の角速度検出部と、
第２の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第１の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第３の角速度検出部と、
第１の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する第１の振幅測定部と、
第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する第１の位相測定部と、
第２の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する第２の振幅測定部と、
第２の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する第２の位相測定部と、
第１の振幅測定部によって測定された振幅および第１の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第１の駆動信号発生部が発生する第１の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、第２の振幅測定部によって測定された振幅および第２の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第２の駆動信号発生部が発生する第２の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えるようにしたものである。
【００１３】
(6) 本発明の第６の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側駆動用素子とＸ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＸ軸に沿って振動し、４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がＺ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を果たし、
検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側検出用素子とＸ軸負側検出用素子とは、振動子がＸ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｙ軸正側検出用素子とＹ軸負側検出用素子とは、振動子がＹ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｚ軸変位検出用素子は、振動子がＺ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を果たし、
検出回路は、
第１の半周期Ｔｚと第２の半周期Ｔｘとによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有するようにし、更に、
第１の半周期Ｔｚには、所定の周波数ｆｚおよび振幅Ａｚをもった交流信号が配されており、第２の半周期Ｔｘには、何ら交流信号が配されていない、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺを発生するＺ軸駆動信号発生部と、
第１の半周期Ｔｚには、何ら交流信号が配されておらず、第２の半周期Ｔｘには、所定の周波数ｆｘおよび振幅Ａｘをもった交流信号が配されている、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸを発生するＸ軸駆動信号発生部と、
第１の半周期Ｔｚには、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの正側のピークに同期した位置にＺ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの正側のピークに同期した位置にＸ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号ＳｄＡを発生する正側同期検波信号発生部と、
第１の半周期Ｔｚには、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの負側のピークに同期した位置にＺ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの負側のピークに同期した位置にＸ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号ＳｄＢを発生する負側同期検波信号発生部と、
第１の半周期Ｔｚにおいて振動子がＺ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期βｚを示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺを発生するＺ軸検波イネーブル信号発生部と、
第２の半周期Ｔｘにおいて振動子がＸ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期βｘを示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸを発生するＸ軸検波イネーブル信号発生部と、
第１の半周期Ｔｚには、４組の駆動用素子のすべてにＺ軸駆動信号ＤｒＺを供給し、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸正側駆動用素子にＸ軸駆動信号ＤｒＸを供給しＸ軸負側駆動用素子にＸ軸駆動信号ＤｒＸの位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを示す電気信号を出力するＹ軸まわり角速度検出部と、
第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Ｙ軸正側検出用素子の検出信号とＹ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを示す電気信号を出力するＸ軸まわり角速度検出部と、
第２の安定振動期βｘの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Ｙ軸正側検出用素子の検出信号とＹ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを示す電気信号を出力するＺ軸まわり角速度検出部と、
第１の安定振動期βｚの期間、Ｚ軸変位検出用素子から得られる振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のＺ軸方向の振幅を測定するＺ軸振幅測定部と、
第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Ｚ軸変位検出用素子から得られる振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のＺ軸方向の位相を測定するＺ軸位相測定部と、
第２の安定振動期βｘの期間、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のＸ軸方向の振幅を測定するＸ軸振幅測定部と、
第２の安定振動期βｘの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のＸ軸方向の位相を測定するＸ軸位相測定部と、
Ｚ軸振幅測定部によって測定された振幅およびＺ軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、Ｚ軸駆動信号発生部が発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、Ｘ軸振幅測定部によって測定された振幅およびＸ軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、Ｘ軸駆動信号発生部が発生するＸ軸駆動信号ＤｒＸの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えるようにしたものである。
【００１４】
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係る角速度センサにおいて、
マトリクス変換器が、
「ＤｒＺ＋ＤｒＸ」なる和信号を生成してＸ軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ−ＤｒＸ」なる差信号を生成してＸ軸負側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ」をＹ軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ」をＹ軸負側駆動用素子に供給する回路と、
を有するようにしたものである。
【００１５】
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第５〜第７の態様に係る角速度センサにおいて、
角速度検出部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
正側積算器の積算値と負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路ＳＤを有し、差分器によって求められた差に相当する電気信号を角速度を示す信号として出力するようにしたものである。
【００１６】
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第８の態様に係る角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路ＳＤに与えるゲートスイッチＳＷを、更に有するようにしたものである。
【００１７】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第５〜第９の態様に係る角速度センサにおいて、
位相測定部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
正側積算器の積算値と負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路ＳＤを有し、差分器によって求められた差に相当する電気信号を位相の測定値を示す信号として出力するようにしたものである。
【００１８】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第１０の態様に係る角速度センサにおいて、
位相測定部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路ＳＤに与えるゲートスイッチＳＷを、更に有するようにしたものである。
【００１９】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第５〜第１１の態様に係る角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期でなくなったときに、直前の検出値を保持する機能を有し、次の安定振動期がくるまでの期間、保持していた検出値を継続して出力するようにしたものである。
【００２０】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述した第５〜第１２の態様に係る角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数がｆ０となるような制御を行うようにしたものである。
【００２１】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述した第５〜第１２の態様に係る角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数がｆ０の近傍の所定周波数（ｆ０は除く）となるような制御を行うようにしたものである。
【００２２】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述した第１３または第１４の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、９０°の位相差を生じるような周波数を、周波数ｆ０とみなして、駆動信号に対する周波数制御を行うようにしたものである。
【００２３】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述した第１〜第１５の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された圧電素子からなるようにしたものである。
【００２４】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第１〜第１５の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された変位電極と、この変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、によって構成される容量素子からなるようにしたものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る角速度センサによれば、振動子を、半周期ごとに、２つの座標軸方向に交互に振動させながら、振動安定期にのみコリオリ力に基づく変位成分を効率的に取り出すことができるため、時分割検出動作により３軸まわりの角速度を高い精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電素子を用いた角速度センサのセンサ本体部の構造を示す縦断面図であり、図２の構造体をＸＺ平面で切断した断面が示されている。
【図２】図１に示すセンサ本体部の構造を示す上面図である（ハッチングは、各電極の形状を明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図３】本発明に係る角速度センサの検出回路の構成を示す回路図である。
【図４】図３に示す検出回路における動作信号発生器１００から出力される各動作信号を示す波形図である。
【図５】図３に示す検出回路におけるマトリクス変換器２００の演算機能を示す図である。
【図６】図３に示す検出回路におけるマトリクス変換器２００の具体的な構成例を示す回路図である。
【図７】図３に示す検出回路による、角速度が作用していない状態での振動子の駆動動作を説明する信号波形図である。
【図８】図３に示す検出回路における同期検波回路ＳＤの構成例を示す回路図である。
【図９】図３に示す検出回路において、正しい位相制御が行われているときの各信号波形を示す波形図である。
【図１０】図３に示す検出回路において、位相が遅れているときの各信号波形を示す波形図である。
【図１１】図３に示す検出回路において、位相が進んでいるときの各信号波形を示す波形図である。
【図１２】図３に示す検出回路において、Ｙ軸まわりの角速度が作用していない状態での動作を説明する信号波形図である。
【図１３】図３に示す検出回路において、Ｙ軸まわりの角速度が作用している状態での動作を説明する信号波形図である。
【図１４】本発明に係る角速度センサの全般動作を説明する信号波形図である。
【図１５】一般的な機械的振動系の周波数特性を示すグラフである。
【図１６】本発明の別な実施形態に係る容量素子を用いたセンサ本体部の構造を示す縦断面図である。
【図１７】図１６に示すセンサ本体部の補助基板６０の下面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２８】
＜＜＜ §１．センサ本体部の基本構造 ＞＞＞
本発明に係る角速度センサは、センサ本体部と検出回路とによって構成される。ここでは、まず、センサ本体部の基本構造を説明する。センサ本体部は、振動子と、これを支持する可撓性支持体および固定部材と、振動子を振動させる駆動用素子群と、振動子の変位を検出する検出用素子群と、によって構成されている。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電素子を用いた角速度センサのセンサ本体部の構造を示す縦断面図である。図示のとおり、このセンサ本体部は、可撓性支持体１０、振動子２０、固定部材３０、圧電素子４０、そして各電極（先頭にＥがつく符号が付された要素）によって構成されている。ここでは、説明の便宜上、振動子２０の重心位置に原点Ｏをとり、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、図の紙面垂直奥方向にＹ軸をとったＸＹＺ三次元座標系を定義することにする。この角速度センサは、このＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸まわりの角速度ωｘ、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ、Ｚ軸まわりの角速度ωｚをそれぞれ独立して検出する機能を有する。
【００３０】
図２は、このセンサ本体部の構造を示す上面図である。なお、図２に示すＸ軸，Ｙ軸，原点Ｏは、このセンサ本体部の上面に位置するものではなく、実際には、図１に示す原点Ｏの位置に配置されている。ただ、後述する電極配置の説明では、ＸＹ平面上に投影したときの各電極の位置に言及するため、図２では、便宜上、ＸＹ平面の投影像を描いてある。また、図２では、各電極の形状を明瞭に示すため、電極部分にハッチングを施して示してある（この図２におけるハッチングは断面を示すものではない）。図１に示す縦断面図は、この図２に示すセンサ本体部を、ＸＺ平面で切断した断面を示している。
【００３１】
図示の可撓性支持体１０は、可撓性をもった正方形状の基板状部材であり、中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有している。図１に示すように、この可撓性支持体１０の下面中央には、円柱状の振動子２０が接合されている。また、この可撓性支持体１０の下面周囲には、固定部材３０が接合されており、その底面は、図示されていないセンサ筐体に固定される。振動子２０と固定部材３０との間には、振動子２０の周囲を取り囲むような環状溝部Ｇが形成されており、その上方に位置する可撓性支持体１０の部分は、薄い板状部材を構成し、外力の作用によって撓みを生じる。
【００３２】
可撓性支持体１０の上方には、駆動用素子群と検出用素子群とが配置されている。すなわち、図１に示すように、可撓性支持体１０の上面には、共通電極Ｅｃが形成され、更にその上面には、圧電素子４０が配置され、この圧電素子４０の上面には、合計１２組の個別電極が形成されている。圧電素子４０は、図２に示すとおり、円盤状の素子であり、たとえば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電セラミックスによって構成することができる。共通電極Ｅｃは、この円盤状の圧電素子の下面に形成された円盤状の電極であり、右側には、配線の用に供する突起部が形成されている。図２の上面図にハッチングを施して示されている共通電極Ｅｃは、この突起部の部分であり、実際には、共通電極Ｅｃは円盤状の圧電素子４０の下面全面に広がっている。
【００３３】
圧電素子４０の上面に形成された１２組の個別電極の形状および配置は、図２の上面図に示すとおりである。これら１２組の個別電極は、いずれも、図１に示す環状溝部Ｇの上方に配置されている。別言すれば、可撓性支持体１０のうち、外力の作用によって撓みが生じる部分に配置されている。
【００３４】
まず、駆動用素子群を構成する電極としては、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用電極Ｅｙ（＋）と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用電極Ｅｙ（−）と、の４組が設けられている。
【００３５】
一方、検出用素子群を構成する電極としては、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用電極Ｅｘ１と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用電極Ｅｘ２と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用電極Ｅｙ１と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用電極Ｅｙ２と、の４組が設けられており、更に、４枚の電極からなるＺ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４が設けられている。ここで、この４枚のＺ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４は、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置された電極である。
【００３６】
図２に示すとおり、ここに示す実施形態の場合、この合計１２組の個別電極からなる全体的な電極パターンは、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となっている。これは、後述する駆動信号や検出信号に対称性を確保するための配慮である。たとえば、Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）とＸ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）とが、ＹＺ平面に関して対称性を有していれば、両電極に同一振幅の駆動信号を供給することにより、振動子を原点Ｏを中心として振動させることができる。
【００３７】
なお、ここに示す例では、検出用素子群を構成する８枚の電極Ｅｘ１，Ｅｘ２，Ｅｙ１，Ｅｙ２，Ｅｚ１〜Ｅｚ４の外側に、駆動用素子群を構成する４枚の電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）を配置する構成を採っているが、逆に、駆動用素子群を構成する電極を内側、検出用素子群を構成する電極を外側に配置してもかまわない。
【００３８】
ここで、圧電素子４０の上面に形成された個々の個別電極と、当該個別電極の下方に位置する圧電素子４０の一部分と、その下方に位置する共通電極Ｅｃの一部分とによって、駆動用素子もしくは検出用素子が形成される。すなわち、ここに示す圧電型のセンサでは、上下一対の電極でサンドイッチされた圧電素子が、１つの駆動用素子もしくは検出用素子を構成することになる。
【００３９】
具体的には、Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＸ軸正側駆動用素子が構成され、Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＸ軸負側駆動用素子が構成され、Ｙ軸正側駆動用電極Ｅｙ（＋）とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＹ軸正側駆動用素子が構成され、Ｙ軸負側駆動用電極Ｅｙ（−）とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＹ軸負側駆動用素子が構成される。
【００４０】
同様に、Ｘ軸正側検出用電極Ｅｘ１とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＸ軸正側検出用素子が構成され、Ｘ軸負側検出用電極Ｅｘ２とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＸ軸負側検出用素子が構成され、Ｙ軸正側検出用電極Ｅｙ１とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＹ軸正側検出用素子が構成され、Ｙ軸負側検出用電極Ｅｙ２とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＹ軸負側検出用素子が構成され、Ｚ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＺ軸変位検出用素子が構成される。
【００４１】
ここで、たとえば、圧電素子４０が、上面に正、下面に負の電圧を印加するとＸＹ平面に沿って伸び、上面に負、下面に正の電圧を印加するとＸＹ平面に沿って縮むような特性をもった素子であるとすると（あるいは、これとは全く逆の特性をもった素子でもよい）、共通電極Ｅｃを接地基準電位として、Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）に所定の交流電圧を加え、Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）に逆位相の交流電圧を加えれば、可撓性支持体１０のＸ軸正側の部分と負側の部分とが周期的に伸縮し、かつ、両者の伸縮状態が常に逆になるため、振動子２０はＸ軸方向に振動することになる。
【００４２】
同様に、Ｙ軸正側駆動用電極Ｅｙ（＋）に所定の交流電圧を加え、Ｙ軸負側駆動用電極Ｅｙ（−）に逆位相の交流電圧を加えれば、可撓性支持体１０のＹ軸正側の部分と負側の部分とが周期的に伸縮し、かつ、両者の伸縮状態が常に逆になるため、振動子２０はＹ軸方向に振動することになる。また、４枚の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）に対して、同位相の交流電圧を加えると、各部が同一周期で伸縮するため、振動子２０はＺ軸方向に振動することになる。
【００４３】
このように、４枚の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）の一部もしくは全部に対して、様々な位相をもった交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に振動させることができる。もっとも、後述する具体的な検出動作では、このうち、Ｘ軸方向への振動動作と、Ｚ軸方向への振動動作のみを行い、Ｙ軸方向への振動動作は行っていない。
【００４４】
なお、圧電素子の特性は、製造工程において施す分極処理の極性に基づいて任意に設定することが可能である。したがって、図２に示す円盤状の圧電素子４０の個々の部分ごとに、それぞれ異なる分極処理を施せば、部分ごとに特性を反転させることが可能である。このように、部分ごとに特性が反転した圧電素子を用いた場合、駆動のために供給する交流信号の位相は、上例の場合と異なることになる。
【００４５】
たとえば、Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）が形成されている領域と、Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）が形成されている領域とについて、圧電素子４０に互いに逆極性の分極処理が施されていた場合、振動子２０をＸ軸方向に振動させるには、両電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−）に同位相の交流電圧を加える必要がある（同位相の交流電圧を加えても、特性が逆であるため、一方が伸びれば、他方が縮む関係になる）。また、この場合、振動子２０をＺ軸方向に振動させるには、両電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−）には逆位相の交流電圧を加える必要がある。
【００４６】
このように、各駆動用電極に供給する交流駆動信号の位相は、各駆動用電極の形成領域における圧電素子の分極特性に依存して決める必要があるが、ここでは、圧電素子４０の全領域が同一の分極特性を有する典型的な実施例を用いた場合についての説明を行うことにする。
【００４７】
一方、各検出用電極には、下方の可撓性支持体１０の一部分の伸縮状態に基づき、共通電極Ｅｃを接地基準電位として、正もしくは負の電圧が発生する。たとえば、振動子２０がＸ軸方向に変位すると、可撓性支持体１０のＸ軸正側の部分と負側の部分とにおける伸縮状態が逆になるので、Ｘ軸正側検出用電極Ｅｘ１とＸ軸負側検出用電極Ｅｘ２とには、互いに逆極性の電圧が発生する。このとき、発生電圧の極性は、振動子の変位方向に依存し、発生電圧の大きさは、振動子の変位量に依存する。したがって、Ｘ軸正側検出用電極Ｅｘ１の発生電圧とＸ軸負側検出用電極Ｅｘ２の発生電圧との差を示す検出値は、振動子２０のＸ軸方向に関する変位（符号は変位方向、絶対値は変位量）を示す値になる。
【００４８】
同様に、Ｙ軸正側検出用電極Ｅｙ１の発生電圧とＹ軸負側検出用電極Ｅｙ２の発生電圧との差を示す検出値は、振動子２０のＹ軸方向に関する変位（符号は変位方向、絶対値は変位量）を示す値になる。また、Ｚ軸方向に関する変位に関しては、４枚のＺ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４に同等の電圧が発生するので、これら４枚の電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４の発生電圧の総和を示す検出値は、振動子２０のＺ軸方向に関する変位（符号は変位方向、絶対値は変位量）を示す値になる。なお、振動子２０のＺ軸方向に関する変位は、Ｘ軸検出用電極Ｅｘ１，Ｅｘ２およびＹ軸検出用電極Ｅｙ１，Ｅｙ２の発生電圧の総和として検出することも可能である。
【００４９】
このように、各検出用電極Ｅｘ１，Ｅｘ２，Ｅｙ１，Ｅｙ２，Ｅｚ１〜Ｅｚ４の発生電圧に対する加算や減算を行うことにより、振動子の各座標軸方向への変位を検出することができ、また、作用したコリオリ力を変位として検出することもできる。
【００５０】
結局、ここに示すセンサ本体部を用いれば、次のような方法で、各座標軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚの検出が可能である。たとえば、振動子２０をＸ軸方向に振動させた状態で、振動子２０のＹ軸方向への変位（Ｙ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＺ軸まわりの角速度ωｚに対応し、振動子２０のＺ軸方向への変位（Ｚ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＹ軸まわりの角速度ωｙに対応することになる。
【００５１】
同様に、振動子２０をＹ軸方向に振動させた状態で、振動子２０のＸ軸方向への変位（Ｘ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＺ軸まわりの角速度ωｚに対応し、振動子２０のＺ軸方向への変位（Ｚ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＸ軸まわりの角速度ωｘに対応することになる。また、振動子２０をＺ軸方向に振動させた状態で、振動子２０のＸ軸方向への変位（Ｘ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＹ軸まわりの角速度ωｙに対応し、振動子２０のＹ軸方向への変位（Ｙ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＸ軸まわりの角速度ωｘに対応することになる。続く§２で述べる検出回路は、このような検出動作を行うための回路である。
【００５２】
＜＜＜ §２．検出回路の構成 ＞＞＞
図３は、本発明に係る角速度センサの検出回路の構成を示す回路図である。この検出回路は、§１で述べたセンサ本体部に対して所定の駆動信号を供給して振動子２０を所定の座標軸方向に振動させながら、振動子２０の所定の座標軸方向への変位を検出して、所定の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する機能を果たす。また、この検出回路は、振動子の振動状態をモニタしながら、基準の振動状態を維持するようフィードバック制御を行う機能も果たす。
【００５３】
なお、図３の中央に示されているセンサ本体部３００は、実際には、この検出回路の構成要素ではなく、§１で述べたセンサ本体部を示すものである。すなわち、図３のセンサ本体部３００のブロックの上辺近傍に示されているＥｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）は、それぞれ図２に示す４枚の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）に対応するものである。同様に、図３のセンサ本体部３００のブロックの下辺近傍に示されているＥｘ１，Ｅｘ２，Ｅｙ１，Ｅｙ２，Ｅｚ１〜Ｅｚ４は、それぞれ図２に示す８枚の検出用電極Ｅｘ１，Ｅｘ２，Ｅｙ１，Ｅｙ２，Ｅｚ１〜Ｅｚ４に対応するものである。そして、図３のセンサ本体部３００のブロックの左辺近傍に示されているＥｃは、図２に示す共通電極Ｅｃに対応するものであり、この共通電極Ｅｃは、図示のとおり接地されている。
【００５４】
以下、この検出回路の各構成要素を順に説明する。まず、動作信号発生器１００は、センサ本体部３００に供給する駆動信号およびその他の回路要素に供給する種々の信号を発生する機能を有する。この動作信号発生器１００は、図のブロック内に描かれているように、フィードバック制御部１１０と、各信号発生部１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，１７０とを備えている。
【００５５】
図４は、この動作信号発生器１００から出力される各動作信号を示す波形図である。本発明に係る検出回路は、第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有する。特に、ここに示す実施形態の場合、第１の半周期Ｔ１は振動子２０をＺ軸方向に振動させながら検出を行う期間であり、第２の半周期Ｔ２は振動子２０をＸ軸方向に振動させながら検出を行う期間であるため、以下、第１の半周期Ｔ１を半周期Ｔｚ、第２の半周期Ｔ１を半周期Ｔｘと呼ぶことにする。図４(1) には、時間軸上における半周期Ｔｚの期間と半周期Ｔｘの期間とが示されている。両半周期Ｔｚ，Ｔｘによって検出回路の１周期Ｔが構成され、検出回路は、このような周期Ｔをもった周期的動作を行うことになる。
【００５６】
ここに示す実施例の場合、Ｔ＝１２．５ｍｓに設定しており、８０Ｈｚの周波数で周期的動作が繰り返し実行される。また、各半周期が等しくなるような設定を行っているため、Ｔｚ＝Ｔｘ＝６．２５ｍｓになる。もちろん、半周期Ｔｚ，Ｔｘは、必ずしも等しく設定する必要はない。後述するように、実用上、周期Ｔの値は、振動子の共振周波数に応じて最適な値に設定するのが好ましい。たとえば、振動子のＺ軸方向の共振周波数とＸ軸方向の共振周波数とがほぼ等しいセンサの場合、当該共振周波数をｆ０として、周期Ｔを（１／ｆ０）×２００〜（１／ｆ０）×５００の範囲に設定すると、良好な検出が可能になる（詳細は§６で述べる）。
【００５７】
動作信号発生器１００内のＺ軸駆動信号発生部１５０は、振動子２０をＺ軸方向へ振動させるためのＺ軸駆動信号ＤｒＺを発生する機能を有する。このＺ軸駆動信号ＤｒＺは、図４(2) に示すとおり、第１の半周期Ｔｚには、所定の周波数ｆｚおよび振幅Ａｚをもった交流信号が配されており、第２の半周期Ｔｘには、何ら交流信号が配されていない信号である。一方、Ｘ軸駆動信号発生部１４０は、振動子２０をＸ軸方向へ振動させるためのＸ軸駆動信号ＤｒＸを発生する機能を有する。このＸ軸駆動信号ＤｒＸは、図４(3) に示すとおり、第１の半周期Ｔｚには、何ら交流信号が配されておらず、第２の半周期Ｔｘには、所定の周波数ｆｘおよび振幅Ａｘをもった交流信号が配されている信号である。
【００５８】
ここに示す実施例の場合、ｆｚ＝ｆｘ＝２０ｋＨｚ程度、Ａｚ＝Ａｘ＝１．０Ｖ程度になるように設定してある。なお、図４では、図示の便宜上、１半周期ＴｚもしくはＴｘの期間内に各駆動信号の５周期分のみが描かれているが、上述の数値設定の場合、実際には、１半周期ＴｚもしくはＴｘの期間内には各駆動信号の１２５周期分が入ることになる。これは、後述する正側同期検波信号ＳｄＡや負側同期検波信号ＳｄＢの場合も同様である。
【００５９】
Ｚ軸駆動信号ＤｒＺおよびＸ軸駆動信号ＤｒＸの周波数および振幅は、フィードバック制御部１１０による制御対象となり、後述するように、帰還信号と所定の基準値との偏差に基づいて随時調整される。なお、周波数ｆｚとｆｘとは、必ずしも等しくなるような設定を行う必要はなく、同様に、振幅ＡｚとＡｘとについても、必ずしも等しくなるような設定を行う必要はない。また、図示の例では、各駆動信号ＤｒＺ，ＤｒＸの振幅Ａｚ，Ａｘは、常に一定値を維持させているが、振幅Ａｚ，Ａｘは必ずしも一定値に保つ必要はなく、たとえば、各半周期の初頭の振幅をより大きくするような制御を行い、振動子の運動を早く安定させるような工夫をしてもよい。これら駆動信号ＤｒＸ，ＤｒＺは、マトリクス変換器２００を介して、センサ本体部３００の各駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）に与えられる。
【００６０】
マトリクス変換器２００は、上述したとおり、動作信号発生器１００内のＸ軸駆動信号発生部１４０およびＺ軸駆動信号発生部１５０から与えられるＸ軸駆動信号ＤｒＸおよびＺ軸駆動信号ＤｒＺを、センサ本体部３００の特定の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）に与える処理を実行する。その具体的な動作については後述する。
【００６１】
一方、正側同期検波信号発生部１６０は、各駆動信号ＤｒＸ，ＤｒＺの正側のピークに同期したパルスから構成される正側同期検波信号ＳｄＡを発生する機能を有し、負側同期検波信号発生部１７０は、各駆動信号ＤｒＸ，ＤｒＺの負側のピークに同期したパルスから構成される負側同期検波信号ＳｄＢを発生する機能を有する。
【００６２】
より具体的には、正側同期検波信号ＳｄＡは、図４(4) に示すとおり、第１の半周期Ｔｚには、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの正側のピークに同期した位置にＺ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの正側のピークに同期した位置にＸ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている信号である。また、負側同期検波信号ＳｄＢは、図４(5) に示すとおり、第１の半周期Ｔｚには、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの負側のピークに同期した位置にＺ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの負側のピークに同期した位置にＸ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている信号である。
【００６３】
各同期検波信号ＳｄＡ，ＳｄＢの時間軸上でのパルスの中心位置は、各駆動信号のピーク位置に一致している。パルスの幅は、各駆動信号の周期の１／２以下となるような値に設定すればよいが、ここに示す実施例の場合、各駆動信号の周期の１／４程度に設定してある。これら同期検波信号ＳｄＡ，ＳｄＢは、全同期検波器ＳＤに与えられる。
【００６４】
Ｚ軸検波イネーブル信号発生部１３０は、振動子２０のＺ軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間を示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺを発生する機能を有し、Ｘ軸検波イネーブル信号発生部１２０は、振動子２０のＸ軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間を示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸを発生する機能を有する。
【００６５】
すなわち、Ｚ軸検波イネーブル信号ＥｎＺは、図４(6) に示すとおり、第１の半周期Ｔｚにおいて振動子２０がＺ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期βｚを示す信号である。ここで、図示の期間αｚは、第１の半周期Ｔｚにおいて振動子２０のＺ軸方向への振動状態が不安定であると予想される第１の不安定振動期ということになる。一方、Ｘ軸検波イネーブル信号ＥｎＸは、図４(7) に示すとおり、第２の半周期Ｔｘにおいて振動子２０がＸ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期βｘを示す信号である。ここで、図示の期間αｘは、第２の半周期Ｔｘにおいて振動子２０のＸ軸方向への振動状態が不安定であると予想される第２の不安定振動期ということになる。
【００６６】
既に述べたとおり、ここに示す実施例では、第１の半周期Ｔｚでは、振動子２０はＺ軸に沿って駆動され、第２の半周期Ｔｘでは、振動子２０はＸ軸に沿って駆動される。しかしながら、振動子２０は、可撓性支持体１０という機械的な構造体によって支持された物体であるため、駆動方向をＺ軸からＸ軸へ、もしくは、Ｘ軸からＺ軸へと、半周期ごとに９０°切り替える操作を行ったとしても、実際の振動方向が直ちに切り替わるわけではないので、切替直後の実際の振動は不安定なものになる。振動状態が安定するまでに必要な時間は、個々のセンサ本体部の機械的構造に依存して定まるパラメータである。したがって、実際のセンサ本体部を用いた測定により（もしくは、コンピュータシミュレーションにより）、当該センサ本体部についての不安定振動期αｚ，αｘを求めることができる。
【００６７】
もちろん、各半周期Ｔｚ，Ｔｘは、これら不安定振動期αｚ，αｘよりも長い期間に設定しておく必要がある。ここに示す実施例の場合、αｚ＝αｘ＝２．５ｍｓであった。したがって、Ｔｚ＝Ｔｘ＝６．２５ｍｓに設定した場合、βｚ＝βｘ＝３．７５ｍｓということになる。これら検波イネーブル信号ＥｎＸ，ＥｎＺは、正確な検波が可能となる安定振動期βｚ，βｘの期間を示す信号であり、それぞれ特定のゲートスイッチＳＷへ与えられる。
【００６８】
以上、図３において、センサ本体部３００の上方に描かれている要素が、この検出回路における振動子２０を駆動する処理を行う回路である。この回路の働きにより、センサ本体部の振動子２０は、前半周期Ｔｚの期間中はＺ軸方向に振動し、後半周期Ｔｘの期間中はＸ軸方向に振動することになる。続いて、振動子２０が振動している状態において、振動子２０の変位を検出する処理を行う回路について説明する。この回路は、図３において、センサ本体部３００の下方に描かれている要素からなる。
【００６９】
まず、差分器４１１は、Ｘ軸正側検出用電極Ｅｘ１に生じた電圧とＸ軸負側検出用電極Ｅｘ２に生じた電圧との差を求める機能を果たす。この差を示す信号ＳΔｘは、前述したとおり、振動子２０のＸ軸方向に関する変位を示す検出値になるので、ここではＸ軸変位検出信号ＳΔｘと呼ぶ。同様に、差分器４１２は、Ｙ軸正側検出用電極Ｅｙ１に生じた電圧とＹ軸負側検出用電極Ｅｙ２に生じた電圧との差を求める機能を果たす。この差を示す信号ＳΔｙは、前述したとおり、振動子２０のＹ軸方向に関する変位を示す検出値になるので、ここではＹ軸変位検出信号ＳΔｙと呼ぶ。
【００７０】
また、加算器４１３は、４枚のＺ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４に生じた電圧の総和を求める機能を果たす。この総和を示す信号ＳΔｚは、前述したとおり、振動子２０のＺ軸方向に関する変位を示す検出値になるので、ここではＺ軸変位検出信号ＳΔｚと呼ぶ。
【００７１】
差分器４１１から出力されたＸ軸変位検出信号ＳΔｘは、ゲートスイッチ４２１を通してＡＭ検波器４３１および同期検波器４４１に与えられ、ゲートスイッチ４２２を通して同期検波器４４２に与えられる。同様に、差分器４１２から出力されたＹ軸変位検出信号ＳΔｙは、ゲートスイッチ４２３を通して同期検波器４４３に与えられ、ゲートスイッチ４２４を通して同期検波器４４４に与えられる。また、加算器４１３から出力されたＺ軸変位検出信号ＳΔｚは、ゲートスイッチ４２５を通して同期検波器４４５およびＡＭ検波器４３２に与えられる。
【００７２】
ここで、ゲートスイッチ４２１，４２４は、Ｘ軸検波イネーブル信号発生部１２０によって発生されたＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸによって示された安定振動期βｘの期間のみ（すなわち、Ｘ軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間のみ）、入力した検出値を通過させて出力する。一方、ゲートスイッチ４２２，４２３，４２５は、Ｚ軸検波イネーブル信号発生部１３０によって発生されたＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺによって示された安定振動期βｚの期間のみ（すなわち、Ｚ軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間のみ）、入力した検出値を通過させて出力する。したがって、各ＡＭ検波器４３１，４３２や、各同期検波器４４１〜４４５には、安定振動期の期間のみ、所定の検出値を示す信号が与えられることになり、当該期間のみ検波が行われる。
【００７３】
ＡＭ検波器４３１は、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘの振幅を求める機能を果たし、求めたＸ軸振幅測定値Ｆｘａはフィードバック制御部１１０へ帰還され、ＡＭ検波器４３２は、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの振幅を求める機能を果たし、求めたＺ軸振幅測定値Ｆｚａはフィードバック制御部１１０へ帰還される。一方、同期検波器４４１は、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘの位相を求める機能を果たし、求めたＸ軸位相測定値Ｆｘｐはフィードバック制御部１１０へ帰還され、同期検波器４４５は、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの位相を求める機能を果たし、求めたＺ軸位相測定値Ｆｚｐはフィードバック制御部１１０へ帰還される。
【００７４】
同期検波器４４２は、振動子２０がＺ軸方向に振動している前半周期Ｔｚの間に、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘに基づいて振動子２０に作用したＸ軸方向のコリオリ力を求める機能を果たし、求めた値をＹ軸まわりの角速度ωｙとして出力する。一方、同期検波器４４３は、振動子２０がＺ軸方向に振動している前半周期Ｔｚの間に、Ｙ軸変位検出信号ＳΔｙに基づいて振動子２０に作用したＹ軸方向のコリオリ力を求める機能を果たし、求めた値をＸ軸まわりの角速度ωｘとして出力する。また、同期検波器４４４は、振動子２０がＸ軸方向に振動している後半周期Ｔｘの間に、Ｙ軸変位検出信号ＳΔｙに基づいて振動子２０に作用したＹ軸方向のコリオリ力を求める機能を果たし、求めた値をＺ軸まわりの角速度ωｚとして出力する。
【００７５】
なお、フィードバック制御部１１０は、帰還したＸ軸振幅測定値ＦｘａおよびＸ軸位相測定値Ｆｘｐに基づいて、Ｘ軸駆動信号発生部１４０が発生するＸ軸駆動信号ＤｒＸの振幅および周波数が所定の基準振幅および基準周波数となるようなフィードバック制御を行うとともに、帰還したＺ軸振幅測定値ＦｚａおよびＺ軸位相測定値Ｆｚｐに基づいて、Ｚ軸駆動信号発生部１５０が発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの振幅および周波数が所定の基準振幅および基準周波数となるようなフィードバック制御を行う。このようなフィードバック制御により、振動子２０は、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に、それぞれ所定の基準振幅、所定の基準周波数で、振動するようになる。なお、同期検波信号ＳｄＡ，ＳｄＢは、各駆動信号ＤｒＸ，ＤｒＺに同期した信号であるから、同期検波信号発生部１６０，１７０が発生する同期検波信号ＳｄＡ，ＳｄＢの周波数も、フィードバック制御部１１０による周波数制御を受けることになる。
【００７６】
かくして、この図３に示す検出回路を用いれば、振動子２０を、前半周期ＴｚにおいてＺ軸方向に振動させ、後半周期ＴｘにおいてＸ軸方向に振動させる動作を繰り返し行いながら、前半周期Ｔｚには、同期検波器４４２からＹ軸まわりの角速度ωｙを示す電気信号を出力させるとともに、同期検波器４４３からＸ軸まわりの角速度ωｘを示す電気信号を出力させ、後半周期Ｔｘには、同期検波器４４４からＺ軸まわりの角速度ωｚを示す電気信号を出力させることができる。しかも、これらの出力信号が示す検出値は、各検波イネーブル信号ＥｎＺ，ＥｎＸによって示される安定振動期βｚ，βｘの期間に得られた値になるので、精度の高い正確な検出値になる。
【００７７】
＜＜＜ §３．振動子の運動 ＞＞＞
続いて、ここでは、図３に示す検出回路を用いて駆動される振動子２０の運動について詳述する。前述したとおり、動作信号発生器１００からマトリクス変換器２００には、図４(2) に示すようなＺ軸駆動信号ＤｒＺと、図４(3) に示すようなＸ軸駆動信号ＤｒＸとが供給される。
【００７８】
マトリクス変換器２００は、これら２通りの駆動信号ＤｒＺ，ＤｒＸを利用して、振動子２０を、第１の半周期Ｔｚの期間にはＺ軸方向に振動させ、第２の半周期Ｔｘの期間にはＸ軸方向に振動させる動作を行う。具体的には、第１の半周期Ｔｚには、４組の駆動用素子（４枚の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−））のすべてにＺ軸駆動信号ＤｒＺを供給し、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸正側駆動用素子（Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋））にＸ軸駆動信号ＤｒＸを供給し、Ｘ軸負側駆動用素子（Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−））にＸ軸駆動信号ＤｒＸの位相反転信号を供給する。
【００７９】
そのような駆動動作を行うため、マトリクス変換器２００は、図５に示すような演算により、Ｘ軸正側駆動信号Ｄｘ（＋），Ｘ軸負側駆動信号Ｄｘ（−），Ｙ軸正側駆動信号Ｄｙ（＋），Ｙ軸負側駆動信号Ｄｙ（−）を生成する機能を有している。ここで、Ｘ軸正側駆動信号Ｄｘ（＋）は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺとＸ軸駆動信号ＤｒＸとの和信号であり、Ｘ軸正側駆動用素子（Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋））に与えられる。また、Ｘ軸負側駆動信号Ｄｘ（−）は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺとＸ軸駆動信号ＤｒＸとの差信号であり、Ｘ軸負側駆動用素子（Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−））に与えられる。一方、Ｙ軸正側駆動信号Ｄｙ（＋）およびＹ軸負側駆動信号Ｄｙ（−）は、いずれもＺ軸駆動信号ＤｒＺそのものであり、それぞれＹ軸正側駆動用素子（Ｙ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋））およびＹ軸負側駆動用素子（Ｙ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−））に与えられる。
【００８０】
図６は、このマトリクス変換器２００の具体的な構成例を示す回路図である。図の左側の２つの端子に、動作信号発生器１００から与えられたＺ軸駆動信号ＤｒＺおよびＸ軸駆動信号ＤｒＸを入力すると、図の左側の４つの端子から、それぞれ各駆動信号Ｄｘ（＋），Ｄｘ（−），Ｄｙ（＋），Ｄｙ（−）が出力されることになる。この回路は、４つのＯＰアンプ２１０〜２４０と、抵抗Ｒ１〜Ｒ１０によって構成されている。
【００８１】
ここで、ＯＰアンプ２１０は、「ＤｒＺ＋ＤｒＸ」なる和信号Ｄｘ（＋）を生成してＸ軸正側駆動用素子（Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋））に供給する回路であり、ＯＰアンプ２２０および２４０は、「ＤｒＺ−ＤｒＸ」なる差信号Ｄｘ（−）を生成してＸ軸負側駆動用素子（Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−））に供給する回路である。また、ＯＰアンプ２３０は、「ＤｒＺ」をＹ軸正側駆動用素子（Ｙ軸正側駆動用電極Ｅｙ（＋））とＹ軸負側駆動用素子（Ｙ軸負側駆動用電極Ｅｙ（−））との双方に供給する回路である。
【００８２】
結局、図５の各式の右辺および図６の各右側端子に示されている駆動信号Ｄｘ（＋），Ｄｘ（−），Ｄｙ（＋），Ｄｙ（−）が、図２に示す駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）にそれぞれ与えられることになる。この場合、振動子２０がどのような運動をするかを、第１の半周期Ｔｚと第２の半周期Ｔｘとに分けて考えてみよう。
【００８３】
まず、第１の半周期Ｔｚの期間は、図４に示すとおり、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸは、実質的な信号としての有効成分を有していないので、有効成分を有する信号は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺのみということになる。したがって、図２に示す共通電極Ｅｃを接地した状態で、４枚の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）のそれぞれに、図４(2) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの交流信号が供給されることになるので、§１で説明したとおり、振動子２０は当該交流信号に同期してＺ軸方向に振動する。
【００８４】
一方、第２の半周期Ｔｘの期間は、図４に示すとおり、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺは、実質的な信号としての有効成分を有していないので、有効成分を有する信号は、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸのみということになる。したがって、図２に示す共通電極Ｅｃを接地した状態で、Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）に、図４(3) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの交流信号が供給され、Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）に、その反転信号が供給されることになるので、§１で説明したとおり、振動子２０は当該交流信号に同期してＸ軸方向に振動する。
【００８５】
かくして、マトリクス変換器２００は、振動子２０を、第１の半周期Ｔｚの期間にはＺ軸方向に振動させ、第２の半周期Ｔｘの期間にはＸ軸方向に振動させる動作を行うことになる。
【００８６】
図３に示す検出回路では、振動子２０の各座標軸方向の変位は、それぞれ変位検出信号ＳΔｘ，ＳΔｙ，ＳΔｚとして検出することができる。たとえば、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘは、差分器４１１から出力される信号であり、Ｘ軸正側検出用電極Ｅｘ１の発生電圧とＸ軸負側検出用電極Ｅｘ２の発生電圧との差に相当する信号である。振動子２０がＸ軸方向に関して変位していない場合（すなわち、振動子２０の重心がＹＺ平面上に位置する場合）、両電極Ｅｘ１，Ｅｘ２の電位は等しくなるため、ＳΔｘ＝０になる。振動子２０がＸ軸方向に関して変位すると、両電極Ｅｘ１，Ｅｘ２の下方に位置する圧電素子の伸縮状態が互いに逆になるため、両電極Ｅｘ１，Ｅｘ２には互いに逆極性の電圧が発生し、両者の差に相当する信号ＳΔｘが正もしくは負の値として出力される。よって、この検出信号ＳΔｘの絶対値は、振動子２０のＸ軸方向に関する変位量を示し、検出信号ＳΔｘの符号は、変位方向（Ｘ軸正方向か、負方向か）を示すことになる。
【００８７】
同様に、Ｙ軸変位検出信号ＳΔｙは、差分器４１２から出力される信号であり、Ｙ軸正側検出用電極Ｅｙ１の発生電圧とＹ軸負側検出用電極Ｅｙ２の発生電圧との差に相当する信号である。やはり、この検出信号ＳΔｙの絶対値は、振動子２０のＹ軸方向に関する変位量を示し、検出信号ＳΔｙの符号は、変位方向（Ｙ軸正方向か、負方向か）を示すことになる。また、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚは、加算器４１３から出力される信号であり、４枚のＺ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４の発生電圧の総和に相当する信号である。やはり、この検出信号ＳΔｚの絶対値は、振動子２０のＺ軸方向に関する変位量を示し、検出信号ＳΔｚの符号は、変位方向（Ｙ軸正方向か、負方向か）を示すことになる。
【００８８】
図７は、図３に示す検出回路による、角速度が作用していない状態での振動子の駆動動作を説明する信号波形図である。図７(1) に示すとおり、周期Ｔは、第１の半周期Ｔｚと第２の半周期Ｔｘによって構成される。そして、第１の半周期Ｔｚの期間は、図７(2) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの供給により、振動子２０はＺ軸方向に駆動され、第２の半周期Ｔｘの期間は、図７(3) に示すＸ軸駆動信号ＤｒＸの供給により、振動子２０はＸ軸方向に駆動される。
【００８９】
一方、図７(4) は、このような駆動動作が行われているときに、加算器４１３から出力されるＺ軸変位検出信号ＳΔｚの波形を示している。この検出信号ＳΔｚは、振動子２０のＺ軸に関する位置の変遷を示すものである。振動子２０の位置の変遷は、図７(2) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの供給によるものであるが、振動子２０およびこれを支持する可撓性支持体１０からなる機械的振動系に固有の特性により、振動子２０の実際の変位は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺに対して位相遅れを生じることになる。後述するように、振動子２０をＺ軸方向に関する共振周波数で振動させた場合、振動子２０の実際の変位は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺに対して９０°の位相遅れを生じる。図７(4) に示す検出信号ＳΔｚの位相が、図７(2) に示す駆動信号ＤｒＺに対して位相遅れを生じているのはこのためである。
【００９０】
また、図７(2) に示す駆動信号ＤｒＺの振幅Ａｚが一定であるのに対して、図７(4) に示す検出信号ＳΔｚの振幅が変動しているのは、質量をもった振動子２０に慣性が作用するためである。すなわち、第１の半周期Ｔｚの始期から駆動信号ＤｒＺ内の交流信号の供給が開始されても、Ｚ軸方向に関しては静止していた振動子２０が、Ｚ軸方向に振動し始めるには、ある程度の時間を要することになる。このため、図示の第１の不安定振動期αｚの期間は、振幅が徐々に増加してゆくことになる。図示の第１の安定振動期βｚは、振動子２０が一定の振幅で安定した振動動作を行うようになった後の期間である。
【００９１】
続いて、第１の半周期Ｔｚの終期において、駆動信号ＤｒＺ内の交流信号の供給が停止する。このため、第２の半周期Ｔｘの期間は、振動子２０をＺ軸方向に駆動するための信号は供給されない。しかしながら、運動中の振動子２０は、慣性の作用により、振幅を徐々に減少させながら、しばらくの間はＺ軸方向への振動状態を維持する。図７(4) に示す検出信号ＳΔｚの振幅が、半周期Ｔｘの初頭に残っているのはこのためである。
【００９２】
結局、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの振幅は、図７(4) に一点鎖線の包絡線で示すように、第１の半周期Ｔｚの初頭から徐々に増加しながら一定値に達し、第２の半周期Ｔｘの初頭から徐々に減少しながら消滅することになる。ここで、期間αｚは、第１の半周期Ｔｚでありながら、振動が不安定である第１の不安定振動期であり、期間βｚは、第１の半周期Ｔｚ内で、安定した振動が得られる第１の安定振動期である。前述したとおり、図４(6) に示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺは、この第１の安定振動期βｚを示す信号である。
【００９３】
同様に、図７(5) は、差分器４１１から出力されるＸ軸変位検出信号ＳΔｘの波形を示している。この検出信号ＳΔｘは、振動子２０のＸ軸に関する位置の変遷を示すものである。振動子２０の位置の変遷は、図７(3) に示すＸ軸駆動信号ＤｒＸの供給によるものであるが、振動子２０およびこれを支持する可撓性支持体１０からなる機械的振動系に固有の特性により、振動子２０の実際の変位は、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸに対して位相遅れを生じることになる。やはり、振動子２０をＸ軸方向に関する共振周波数で振動させた場合、振動子２０の実際の変位は、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸに対して９０°の位相遅れを生じる。
【００９４】
また、図７(5) に示す検出信号ＳΔｘの振幅が、一点鎖線の包絡線で示すように、第２の半周期Ｔｘの初頭から徐々に増加しながら一定値に達し、第１の半周期Ｔｚの初頭から徐々に減少しながら消滅するのは、振動子２０の慣性の作用によるものである。ここで、期間αｘは、第２の半周期Ｔｘでありながら、振動が不安定である第２の不安定振動期であり、期間βｘは、第２の半周期Ｔｘ内で、安定した振動が得られる第２の安定振動期である。前述したとおり、図４(7) に示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸは、この第２の安定振動期βｘを示す信号である。
【００９５】
最後に示されている図７(6) は、差分器４１２から出力されるＹ軸変位検出信号ＳΔｙの波形を示している。この検出信号ＳΔｙは、振動子２０のＹ軸に関する位置の変遷を示すものである。ここに示す実施例の場合、振動子２０をＹ軸方向に振動させる動作は行われないので、角速度が作用していない状態では、図示のとおり、Ｙ軸変位検出信号ＳΔｙは零の状態を維持したままになる。
【００９６】
前述したとおり、個々のセンサについての安定振動期βｚ，βｘは、実際のセンサ本体部を用いた測定や、コンピュータシミュレーションにより求めることができる。なお、図７では、図示の便宜上、１半周期ＴｚもしくはＴｘの期間内に各駆動信号や各検出信号の５周期分のみが描かれているが、実際には、１半周期ＴｚもしくはＴｘの期間内には各駆動信号や各検出信号のより多数の周期分（前掲の例の場合、１２５周期分）が入ることになる。
【００９７】
＜＜＜ §４．振幅および位相ならびにコリオリ力の検出 ＞＞＞
§２で述べたとおり、図３に示す検出回路において、センサ本体部３００の下方に描かれている要素（４００番台の符号が付された要素）は、振動子２０のＺ軸もしくはＸ軸方向に関する振動の振幅および位相と、振動子２０に作用するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向のコリオリ力とを検出する働きをする。以下、これらの各検出機能を個別に説明する。
【００９８】
まず、ゲートスイッチ４２１には、図４(7) に示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸが与えられており、第２の安定振動期βｘの期間のみ、与えられたＸ軸変位検出信号ＳΔｘを通過させる機能を果たす。同様に、ゲートスイッチ４２２には、図４(6) に示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺが与えられており、第１の安定振動期βｚの期間のみ、与えられたＸ軸変位検出信号ＳΔｘを通過させる機能を果たす。また、ゲートスイッチ４２３には、図４(6) に示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺが与えられており、第１の安定振動期βｚの期間のみ、与えられたＹ軸変位検出信号ＳΔｙを通過させる機能を果たす。更に、ゲートスイッチ４２４には、図４(7) に示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸが与えられており、第２の安定振動期βｘの期間のみ、与えられたＹ軸変位検出信号ＳΔｙを通過させる機能を果たす。そして、ゲートスイッチ４２５には、図４(6) に示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺが与えられており、第１の安定振動期βｚの期間のみ、与えられたＺ軸変位検出信号ＳΔｚを通過させる機能を果たす。
【００９９】
続いて、ＡＭ検波器４３１，４３２の機能を説明する。まず、ＡＭ検波器４３１は、ゲートスイッチ４２１を通じて、第２の安定振動期βｘの期間にのみ与えられたＸ軸変位検出信号ＳΔｘの振幅Ｆｘａを求める。具体的には、図７(5) に示す検出信号ＳΔｘの安定振動期βｘの振幅Ｆｘａが求められることになる。こうして得られた振幅Ｆｘａは、Ｘ軸振幅測定信号として、フィードバック制御部１１０へ帰還させられる。同様に、ＡＭ検波器４３２は、ゲートスイッチ４２５を通じて、第１の安定振動期βｚの期間にのみ与えられたＺ軸変位検出信号ＳΔｚの振幅Ｆｚａを求める。具体的には、図７(4) に示す検出信号ＳΔｚの安定振動期βｚの振幅Ｆｚａが求められることになる。こうして得られた振幅Ｆｚａは、Ｚ軸振幅測定信号として、フィードバック制御部１１０へ帰還させられる。
【０１００】
このように、ＡＭ検波器４３１，４３２は、検出信号ＳΔｘの振幅Ｆｘａ，検出信号ＳΔｚの振幅Ｆｚａを求める機能を果たす回路であるが、一般的な交流信号についての振幅を求める回路は、様々な分野で利用されている公知の回路であるため、ここでは、ＡＭ検波器４３１，４３２の内部構成についての詳細な説明は省略する。
【０１０１】
Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘの振幅Ｆｘａは、振動子２０のＸ軸方向に関する振動の振幅に対応するので、フィードバック制御部１１０は、この振幅Ｆｘａが所定の基準振幅となるように、Ｘ軸駆動信号発生部１４０が発生させるＸ軸駆動信号ＤｒＸの振幅を調整する制御を行う。また、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの振幅Ｆｚａは、振動子２０のＺ軸方向に関する振動の振幅に対応するので、フィードバック制御部１１０は、この振幅Ｆｚａが所定の基準振幅となるように、Ｚ軸駆動信号発生部１５０が発生させるＺ軸駆動信号ＤｒＺの振幅を調整する制御を行う。
【０１０２】
一方、同期検波器４４１〜４４５は、いずれも図８に示す回路によって構成されている。実際には、同期検波器４４１，４４５は、検出信号ＳΔｘ，ＳΔｚの位相Ｆｘｐ，Ｆｚｐを求める用途に利用され、同期検波器４４２，４４３，４４４は、検出信号ＳΔｘもしくはＳΔｙに基づいて、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に作用したコリオリ力を検出し、最終的に、それぞれ角速度ωｙ，ωｘ，ωｚを求める用途に利用される。このように、同期検波器４４１，４４５と、同期検波器４４２，４４３，４４４とは、互いに用途は異なるが、いずれも図８に示す同一の回路によって構成することができる。
【０１０３】
図８に示す回路は、図の左側の端子に与えられた入力信号Ｓinに基づいて、図の右側の端子から出力信号Ｓoutを出力する機能を有している。この回路は、図示のとおり、正側積算器Ｋ１、負側積算器Ｋ２、差分器Ｋ３によって構成されている。
【０１０４】
正側積算器Ｋ１は、正側同期検波信号ＳｄＡのパルスが与えられている間だけ信号を通過させるゲートスイッチＧａと、通過した信号を積算するための抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３，コンデンサＣ１〜Ｃ３，演算増幅器ＯＰ１によって構成され、与えられた入力信号Ｓinの信号値を、正側同期検波信号ＳｄＡのパルスが与えられている間だけ積算する機能を果たす。
【０１０５】
同様に、負側積算器Ｋ２は、負側同期検波信号ＳｄＢのパルスが与えられている間だけ信号を通過させるゲートスイッチＧｂと、通過した信号を積算するための抵抗Ｒ１４〜Ｒ１６，コンデンサＣ４〜Ｃ６，演算増幅器ＯＰ２によって構成され、与えられた入力信号Ｓinの信号値を、負側同期検波信号ＳｄＢのパルスが与えられている間だけ積算する機能を果たす。
【０１０６】
一方、差分器Ｋ３は、参照電圧Ｒefが与えられた差動増幅器ＤＩＦ，抵抗Ｒ１７，コンデンサＣ７によって構成され、正側積算器Ｋ１の積算値と負側積算器Ｋ２の積算値との差を出力する機能を果たす。
【０１０７】
ここでは、図３に示す同期検波器４４５として図８に示す回路を用い、入力信号Ｓinとして、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚを与えた場合に、この回路から得られる出力信号Ｓoutが、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの位相の測定値を示す信号になる理由を簡単に説明しよう。
【０１０８】
図９は、図３に示す検出回路において、正しい位相制御が行われているときの各信号波形を示す波形図である。図９(1) に示すとおり、この図における時間軸は、第１の半周期Ｔｚ内の安定振動期βｚの一部分を示している。この期間内は、センサ本体部に対して、図９(2) に示すようなＺ軸駆動信号ＤｒＺが与えられており、振動子２０は、Ｚ軸方向に振動している。このため、図９(3) に示すようなＺ軸変位検出信号ＳΔｚが得られている。前述したとおり、振動子２０がＺ軸方向に関する共振周波数で振動していれば、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの位相は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対して９０°遅れることになる。図９の各波形は、このときの状態を示している。
【０１０９】
一般に、このような振動系では、振動子を固有の共振周波数で振動させると、供給したエネルギーを最も効率的に利用した運動が可能になり、最も大きな振幅が得られることが知られている。また、このとき、駆動信号の位相に対して、実際の振動子の位相が９０°遅れることも知られている。図９に示す波形図は、このように、振動子が理想的な振動状態で振動しているときに得られる各信号波形を示している。
【０１１０】
ここで、図９(4) に示す正側同期検波信号ＳｄＡは、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの正側のピークに同期したパルス（正側のピーク位置に中心がくるパルス）をもつ検波信号であり、図９(5) に示す負側同期検波信号ＳｄＢは、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの負側のピークに同期したパルス（負側のピーク位置に中心がくるパルス）をもつ検波信号である。そして、図８に示す正側積算器Ｋ１は、ゲートスイッチＧａの機能により、正側同期検波信号ＳｄＡのパルス期間のみ、入力信号Ｓin、すなわち、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの信号値を積算する機能を果たし、負側積算器Ｋ２は、ゲートスイッチＧｂの機能により、負側同期検波信号ＳｄＢのパルス期間のみ、入力信号Ｓin、すなわち、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの信号値を積算する機能を果たす。
【０１１１】
図９(6) は、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの信号値の積算プロセスを示している。すなわち、このグラフにハッチングを施して示す積算領域ａ，ｂは、正側積算器Ｋ１によって信号値の積算が行われる領域に対応し、積算領域ｃ，ｄは、負側積算器Ｋ２によって信号値の積算が行われる領域に対応する。図９に示す例のように、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの位相が、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対して正確に９０°遅れている場合、積算領域ａの面積と積算領域ｂの面積とは等しくなり、積算領域ｃの面積と積算領域ｄの面積とは等しくなる。ただ、積算領域ａ，ｄは負の信号値、積算領域ｂ，ｃは正の信号値を示す領域であるから、結局、正側積算器Ｋ１による積算値は零になり、負側積算器Ｋ２による積算値も零になり、差分器Ｋ３から出力される出力信号Ｓoutは零になる。
【０１１２】
したがって、図９(7) に示すように、同期検波器４４５から出力されるＺ軸位相測定信号Ｆｚｐ（図８の出力信号Ｓout）は、零を示す信号になる。これは、現在、振動子２０が理想的な位相（すなわち、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対して正確に９０°遅れている位相）をもってＺ軸方向に振動していることを示す。別言すれば、理想的な位相に対する位相差は０ということになる。このようなＺ軸位相測定信号Ｆｚｐがフィードバック信号として帰還された場合、フィードバック制御部１１０は、Ｚ軸駆動信号発生部１５０に対して、発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの周波数ｆｚをそのまま維持させる制御を行う。
【０１１３】
次に、何らかの要因によって、振動子２０のＺ軸方向への振動位相が理想的な位相からずれた場合を考えてみよう。図１０は、位相が若干遅れた場合の各信号波形を示す波形図である。すなわち、図１０(2) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対する、図１０(3) に示すＺ軸変位検出信号ＳΔｚの位相差は９０°を越えており、理想的な振動状態から逸脱していることになる。この場合、図１０(6) を見るとわかるとおり、グラフにハッチングを施して示す積算領域ａ，ｂ，ｃ，ｄの面積に変化が生じる。具体的には、積算領域ａ，ｃの面積は、積算領域ｂ，ｄの面積よりも大きくなる。このため、各積算領域を符号を考慮して積算すれば、正側積算器Ｋ１による積算値（積算領域ａ，ｂ）は負になり、負側積算器Ｋ２による積算値（積算領域ｃ，ｄ）は正になる。結局、差分器Ｋ３から出力される出力信号Ｓoutは負になる。
【０１１４】
したがって、図１０(7) に示すように、同期検波器４４５から出力されるＺ軸位相測定信号Ｆｚｐ（図８の出力信号Ｓout）は、負の値を示す信号になる（図１０(7) の一点鎖線は、零の値を示す基準レベルであり、実線が信号Ｆｚｐの実際のレベルを示す）。これは、現在、振動子２０が理想的な位相から遅れて振動していることを示す。別言すれば、図１０(7) の一点鎖線レベルと実線レベルとの差が、理想的な位相に対する位相差ということになる。このようなＺ軸位相測定信号Ｆｚｐがフィードバック信号として帰還された場合、フィードバック制御部１１０は、Ｚ軸駆動信号発生部１５０に対して、発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの周波数ｆｚを低め、位相遅延を解消させる制御を行う（本願発明者が行った実験では、周波数ｆｚを低くすると、位相を進める制御が可能になることが確認できた）。
【０１１５】
逆に、図１１は、位相が若干進んだ場合の各信号波形を示す波形図である。すなわち、図１１(2) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対する、図１１(3) に示すＺ軸変位検出信号ＳΔｚの位相差は９０°を割っており、理想的な振動状態から逸脱していることになる。この場合、図１１(6) を見るとわかるとおり、グラフにハッチングを施して示す積算領域ａ，ｂ，ｃ，ｄの面積に変化が生じる。具体的には、積算領域ａ，ｃの面積は、積算領域ｂ，ｄの面積よりも小さくなる。このため、各積算領域を符号を考慮して積算すれば、正側積算器Ｋ１による積算値（積算領域ａ，ｂ）は正になり、負側積算器Ｋ２による積算値（積算領域ｃ，ｄ）は負になる。結局、差分器Ｋ３から出力される出力信号Ｓoutは正になる。
【０１１６】
したがって、図１１(7) に示すように、同期検波器４４５から出力されるＺ軸位相測定信号Ｆｚｐ（図８の出力信号Ｓout）は、正の値を示す信号になる（図１１(7) の一点鎖線は、零の値を示す基準レベルであり、実線が信号Ｆｚｐの実際のレベルを示す）。これは、現在、振動子２０が理想的な位相から進んで振動していることを示す。別言すれば、図１１(7) の一点鎖線レベルと実線レベルとの差が、理想的な位相に対する位相差ということになる。このようなＺ軸位相測定信号Ｆｚｐがフィードバック信号として帰還された場合、フィードバック制御部１１０は、Ｚ軸駆動信号発生部１５０に対して、発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの周波数ｆｚを高め、位相進みを解消させる制御を行う（本願発明者が行った実験では、周波数ｆｚを高くすると、位相を遅らせる制御が可能になることが確認できた）。
【０１１７】
以上、図３に示す同期検波器４４５によって、第１の安定振動期βｚの期間、Ｚ軸位相測定信号Ｆｚｐが得られる理由を説明したが、同様に、同期検波器４４１によって、第２の安定振動期βｘの期間、Ｘ軸位相測定信号Ｆｘｐが得られることになる。こうして、得られた各位相測定信号Ｆｚｐ，Ｆｘｐは、上述したとおり、フィードバック制御部１１０へと帰還され、フィードバック制御部１１０によって、これらの帰還信号の信号値が零になるように、Ｚ軸駆動信号発生部１５０が発生させるＺ軸駆動信号ＤｒＺおよびＸ軸駆動信号発生部１４０が発生させるＺ軸駆動信号ＤｒＸの周波数を調整する制御が行われる。
【０１１８】
続いて、図３に示す同期検波器４４２として図８に示す回路を用い、入力信号Ｓinとして、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘを与えた場合に、この回路から得られる出力信号Ｓoutが、振動子２０に作用したＸ軸方向のコリオリ力、すなわち、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを示す信号になる理由を簡単に説明しよう。
【０１１９】
図１２は、図３に示す検出回路において、Ｙ軸まわりの角速度が作用していない状態での動作を説明する信号波形図である。図１２(1) に示すとおり、この図における時間軸は、第１の半周期Ｔｚ内の安定振動期βｚの一部分を示している。この期間内は、センサ本体部に対して、図１２(2) に示すようなＺ軸駆動信号ＤｒＺが与えられており、振動子２０は、Ｚ軸方向に振動している。このため、図１２(3) に示すようなＺ軸変位検出信号ＳΔｚが得られている。前述したとおり、振動子２０が理想的な態様で振動していれば、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの位相は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対して９０°遅れることになる。図１２の各波形は、このときの状態を示している。
【０１２０】
このように、振動子２０がＺ軸方向に振動している状態において、Ｙ軸まわりの角速度が作用していなければ、Ｘ軸方向へのコリオリ力は作用しないので、振動子２０がＸ軸方向に関して変位することはない。したがって、図１２(6) に示すように、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘは、零レベルを示す信号になる。同期検波器４４２には、このような零レベルを示すＸ軸変位検出信号ＳΔｘが与えられるので、その出力信号、すなわち、Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙは、図１２(7) に示すように、零レベルを示す信号になる。
【０１２１】
一方、図１３は、図３に示す検出回路において、Ｙ軸まわりの角速度が作用している状態での動作を説明する信号波形図である。振動子２０がＺ軸方向に振動している状態において、Ｙ軸まわりの角速度が作用していると、Ｘ軸方向へのコリオリ力が作用し、振動子２０はＸ軸方向に関して変位する。もっとも、コリオリ力が作用する方向は、振動子２０の運動方向に依存するので、振動子２０がＺ軸正方向へ向かって運動しているときと、Ｚ軸負方向へ向かって運動しているときとでは、Ｙ軸まわりの角速度の向きや大きさが全く同じであっても、Ｘ軸方向へのコリオリ力の向きは逆転する。
【０１２２】
たとえば、図１３(3) のＺ軸変位検出信号ＳΔｚの信号値は、振動子２０のＺ軸に関する位置を示すものであるが、グラフ上の点Ｐ１は、Ｚ＝０の位置をＺ軸正方向に向かって通過した瞬間を示し、点Ｐ２は、Ｚ軸正方向の最大振幅地点に到達した瞬間を示し、点Ｐ３は、Ｚ＝０の位置をＺ軸負方向に向かって通過した瞬間を示し、点Ｐ４は、Ｚ軸負方向の最大振幅地点に到達した瞬間を示している。したがって、点Ｐ０〜Ｐ２へ移動する前半プロセスでは、振動子はＺ軸正方向の速度成分をもって運動しており（点Ｐ１を通過する瞬間に正の最大速度をとる）、点Ｐ２〜Ｐ４へ移動する後半プロセスでは、振動子はＺ軸負方向の速度成分をもって運動している（点Ｐ３を通過する瞬間に負の最大速度をとる）。
【０１２３】
ここで、振動子に作用するＸ軸方向のコリオリ力は、振動子のＺ軸方向の速度成分に比例したものになり、振動子のＸ軸方向への変位も、これに応じたものになるので、この場合、図１３(6) に示すようなＸ軸変位検出信号ＳΔｘが得られる。同期検波器４４２には、このようなＸ軸変位検出信号ＳΔｘが与えられるので、その出力信号、すなわち、Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙは、図１３(7) に示すように、所定のレベルを示す信号になる。すなわち、図１３(6) に示すように、正側積算器Ｋ１による積算値（積算領域ｅ）は正になり、負側積算器Ｋ２による積算値（積算領域ｆ）は負になるので、差分器Ｋ３から出力される両者の差に相当する出力信号Ｓoutは正の値になる。図１３(7) において、一点鎖線は零レベルを示しており、実線は、出力信号Ｓoutのレベル、すなわち、Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙを示している。
【０１２４】
以上、図３に示す同期検波器４４２によって、第１の安定振動期βｚの期間、Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙが得られる理由を説明したが、同様に、同期検波器４４３によって、第１の安定振動期βｚの期間、Ｘ軸まわりの角速度検出信号ωｘが得られ、同期検波器４４４によって、第２の安定振動期βｘの期間、Ｚ軸まわりの角速度検出信号ωｚが得られる。
【０１２５】
このように、図３に示す検出回路において、センサ本体部３００の下方に描かれている４００番台の符号が付された要素により、Ｘ軸振幅測定信号Ｆｘａ，Ｘ軸位相測定信号Ｆｘｐ，Ｚ軸振幅測定信号Ｆｚａ，Ｚ軸位相測定信号Ｆｚｐ，Ｘ軸まわりの角速度検出信号ωｘ，Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙ，Ｚ軸まわりの角速度検出信号ωｚが得られることになる。しかも、これらの各信号は、Ｘ軸検波イネーブル信号ＥｎＸによって示される安定振動期βｘもしくはＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺによって示される安定振動期βｚの期間のみについて、振動子の変位を検出して得られる信号であるので、振動子の振動が安定した期間についての正確な値になる。
【０１２６】
結局、図３に示す検出回路におけるゲートスイッチ４２１とＡＭ検波器４３１は、第２の安定振動期βｘの期間、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値ＳΔｘに基づいて、振動子のＸ軸方向の振幅Ｆｘａを測定するＸ軸振幅測定部を構成し、ゲートスイッチ４２５とＡＭ検波器４３２は、第１の安定振動期βｚの期間、Ｚ軸変位検出用素子から得られる振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値ＳΔｚに基づいて、振動子のＺ軸方向の振幅Ｆｚａを測定するＺ軸振幅測定部を構成することになる。
【０１２７】
また、ゲートスイッチ４２１と同期検波器４４１は、第２の安定振動期βｘの期間、正側同期検波信号ＳｄＡおよび負側同期検波信号ＳｄＢを利用することにより、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値ＳΔｘに基づいて、振動子のＸ軸方向の位相Ｆｘｐを測定するＸ軸位相測定部を構成し、ゲートスイッチ４２５と同期検波器４４５は、第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号ＳｄＡおよび負側同期検波信号ＳｄＢを利用することにより、Ｚ軸変位検出用素子から得られる振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値ＳΔｚに基づいて、振動子のＺ軸方向の位相Ｆｚｐを測定するＺ軸位相測定部を構成することになる。
【０１２８】
一方、ゲートスイッチ４２２と同期検波器４４２は、第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号ＳｄＡおよび負側同期検波信号ＳｄＢを利用することにより、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値ＳΔｘに基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを示す電気信号を出力するＹ軸まわり角速度検出部を構成し、ゲートスイッチ４２３と同期検波器４４３は、第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号ＳｄＡおよび負側同期検波信号ＳｄＢを利用することにより、Ｙ軸正側検出用素子の検出信号とＹ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値ＳΔｙに基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを示す電気信号を出力するＸ軸まわり角速度検出部を構成し、ゲートスイッチ４２４と同期検波器４４４は、第２の安定振動期βｘの期間、正側同期検波信号ＳｄＡおよび負側同期検波信号ＳｄＢを利用することにより、Ｙ軸正側検出用素子の検出信号とＹ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値ＳΔｙに基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを示す電気信号を出力するＺ軸まわり角速度検出部を構成することになる。
【０１２９】
そして、図３に示すフィードバック制御部１１０は、Ｚ軸振幅測定部によって測定された振幅ＦｚａおよびＺ軸位相測定部によって測定された位相Ｆｚｐに基づいて、Ｚ軸駆動信号発生部１５０が発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの周波数ｆｚおよび振幅Ａｚが所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、Ｘ軸振幅測定部によって測定された振幅ＦｘａおよびＸ軸位相測定部によって測定された位相Ｆｘｐに基づいて、Ｘ軸駆動信号発生部１４０が発生するＸ軸駆動信号ＤｒＸの周波数ｆｘおよび振幅Ａｘが所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御する機能を果たす。
【０１３０】
なお、このようなフィードバック制御の方法は、たとえば、抵抗、キャパシタンス、インダクタンスなどの回路要素を組み合わせた制御回路によるＰＩＤ制御法や、マイクロプロセッサを用いた制御法などが公知であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
【０１３１】
＜＜＜ §５．センサの全般動作 ＞＞＞
図１４は、本発明に係る角速度センサの全般動作を説明する信号波形図である。既に述べたとおり、図３に示す検出回路は、図１４(1) に示すように、両半周期Ｔｚ，Ｔｘによって構成される周期Ｔごとの繰り返し動作を行う機能を有しており、図１４(2) ，(3) に示すように、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺとＸ軸駆動信号ＤｒＸを用いて、振動子をＺ軸方向およびＸ軸方向に交互に振動させる。一方、検波動作は、図１４(4) ，(5) に示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺおよびＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸによって示される第１の安定振動期βｚおよび第２の安定振動期βｘの期間についてのみ行われる。
【０１３２】
したがって、図１４(6) に示すとおり、Ｚ軸振幅測定信号Ｆｚａ，Ｚ軸位相測定信号Ｆｚｐ，Ｘ軸振幅測定信号Ｆｘａ，Ｘ軸位相測定信号Ｆｘｐ，Ｘ軸まわりの角速度検出信号ωｘ，Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙ，Ｚ軸まわりの角速度検出信号ωｚは、それぞれ図にハッチングを施した期間のみ得られる。ここで、Ｚ軸振幅測定信号ＦｚａおよびＺ軸位相測定信号Ｆｚｐは、振動子をＺ軸方向に振動させるときの制御に利用されるため、図示のとおり、第１の安定振動期βｚの間に得られていれば十分であり、また、Ｘ軸振幅測定信号ＦｘａおよびＸ軸位相測定信号Ｆｘｐは、振動子をＸ軸方向に振動させるときの制御に利用されるため、図示のとおり、第２の安定振動期βｘの間に得られていれば十分である。
【０１３３】
これに対して、角速度検出信号ωｘ，ωｙ，ωｚは、この角速度センサの主たる出力信号であり、実用上は、常に何らかの信号出力が得られるようにするのが好ましい。そこで、角速度検出部として機能する同期検波器４４２，４４３，４４４には、安定振動期でなくなったときに、直前の検出値を保持する機能をもたせ、次の安定振動期がくるまでの期間、保持していた検出値を継続して出力させるのが好ましい。
【０１３４】
具体的には、図１４(6) に示すとおり、角速度検出信号ωｘ，ωｙの検出値は、図にハッチングを施して示す第１の安定振動期βｚの期間内しか得られないが、第１の安定振動期βｚの終期において、その時点の検出値を保持させておき、次の第１の安定振動期βｚがくるまでの間、保持させておいた検出値をそのまま継続して出力させるようにすればよい。同様に、角速度検出信号ωｚの検出値は、図にハッチングを施して示す第２の安定振動期βｘの期間内しか得られないが、第２の安定振動期βｘの終期において、その時点の検出値を保持させておき、次の第２の安定振動期βｘがくるまでの間、保持させておいた検出値をそのまま継続して出力させるようにすればよい。
【０１３５】
この場合、ハッチングを施した期間内は、リアルタイムで更新される正確な検出値が出力されるのに対して、それ以外の期間内は、保持されている過去の検出値が継続して出力されることになるため、検出値の精度は低下する。ただ、検出周期Ｔを、ある程度短い時間に設定しておけば、実用上、支障のない検出値を得ることができる。たとえば、上述の実施例の場合、Ｔ＝１２．５ｍｓなる設定を行っているので、保持した検出値を継続して出力するようにしても、一般的な用途に利用する上では何ら支障は生じない。
【０１３６】
既に述べたとおり、本発明に係る角速度センサにおいて、振動子を振動させる周波数は、振動方向に関して固有の共振周波数ｆ０に設定するのが好ましい。図１５は、一般的な機械的振動系の周波数特性を示すグラフである。グラフＡは、振動周波数ｆに対する振幅を示すグラフである。同じエネルギーを供給して振動子を励振させたとしても、図示のとおり、共振周波数ｆ０で振動させたときの振幅が最も大きくなる。したがって、フィードバック制御部１１０が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数がｆ０となるような制御を行うようにすれば、非常に効率的な検出動作が可能になる。
【０１３７】
振動子の共振周波数ｆ０は、振動軸ごとにそれぞれ固有の値になる。上述した実施例の場合、Ｚ軸方向に振動させる場合の共振周波数とＸ軸方向に振動させる場合の共振周波数とは、それぞれ別個の固有値になるので、第１の半周期Ｔｚと第２の半周期Ｔｘとでは、それぞれ振動子は別個の周波数で振動させることになる。もちろん、センサ本体部の構造を適当に設計することにより、Ｚ軸方向の共振周波数とＸ軸方向の共振周波数とを一致させることも可能である。
【０１３８】
一方、グラフＢは、駆動信号と実変位との位相差を示すグラフであり、位相差は、左側に示す角度軸によって示されている。図示のとおり、共振周波数ｆ０で振動させたとき、実変位の位相は、駆動信号の位相に対して９０°だけ遅延することになる。§４で述べたように、フィードバック制御部１１０が、位相差を９０°とするような周波数制御を行うのは、このためである。一般に、振動子の共振周波数は、製品ロットごとに異なり、また、温度などの利用環境によっても変化する。しかしながら、「共振周波数で振動させたとき、実変位の位相が、駆動信号の位相に対して９０°だけ遅延する」ことは普遍である。したがって、駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、９０°の位相差を生じるような周波数を、周波数ｆ０とみなして、駆動信号に対する周波数制御を行うようにすればよい。本発明では、「位相差を９０°に維持するフィードバック制御」を行っているため、どの製品ロットについても、どのような利用環境においても、常に理想的な振動状態を維持させる正しい制御が可能になる。
【０１３９】
グラフＣは、位相差を示す帰還信号、すなわち、§４に示す例における位相測定信号Ｆｘｐ，Ｆｚｐを示している。振動子の実際の振動周波数が共振周波数ｆ０からずれると、この帰還信号の値も基準値からずれることになる。フィードバック制御部１１０は、この帰還信号が示す位相差が９０°となるような制御を行う。なお、図示する近傍周波数領域Ｎを外れると、周波数に対する位相差の増減関係が反転するため、正しい制御を行うことができなくなるので、フィードバック制御部１１０は、近傍周波数領域Ｎを逸脱しないような制御を行う必要がある。
【０１４０】
なお、実際には、振動子を正確に共振周波数ｆ０で振動させると、系が非線形となり、効率的な制御を行うことができないことが知られている。したがって、実用上は、振動子の振動周波数を正確な共振周波数ｆ０に一致させるような制御を行う代わりに、若干、共振周波数ｆ０からずれた所定周波数に維持するような制御を行うのが好ましい。すなわち、フィードバック制御部１１０が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数がｆ０の近傍の所定周波数（但し、当該周波数ｆ０は除く別な周波数）となるような制御を行うようにすればよい。
【０１４１】
上述したとおり、駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、９０°の位相差を生じるような周波数で振動子が振動している場合、当該振動周波数は共振周波数ｆ０になる。したがって、若干、共振周波数ｆ０からずれた所定周波数に維持するような制御を行うには、位相差が９０°の近傍（９０°は除く）の所定値（たとえば、８５°や９５°）となるようなフィードバック制御を行えばよい。§４では、位相測定信号Ｆｘｐ，Ｆｚｐの信号値を零にするようなフィードバック制御を行う制御動作を述べたが、位相差が８５°や９５°となるようなフィードバック制御を行う場合、位相測定信号Ｆｘｐ，Ｆｚｐの信号値を零に近い正もしくは負の所定値に維持するようなフィードバック制御を行えばよい。
【０１４２】
＜＜＜ §６．最適な期間設定 ＞＞＞
これまで述べたとおり、本発明における測定周期Ｔは、振動子を第１の座標軸方向に振動させる第１の半周期Ｔ１と、第２の座標軸方向に振動させる第２の半周期Ｔ２とによって構成される。そして、図４(6) ，(7) に示すように、各半周期Ｔ１，Ｔ２を、振動子の振動状態が不安定であると予想される不安定振動期αと、振動子が安定した振動状態を維持すると予想される安定振動期βとに分け、それぞれ安定振動期βの期間内に角速度の検出を行うことになる。
【０１４３】
前述した実施例の場合、Ｔ＝１２．５ｍｓに設定し、８０Ｈｚの周波数で周期的動作が繰り返し実行される。そして、各半周期が等しくなるような設定を行い、Ｔ１＝Ｔ２＝６．２５ｍｓとしている。このような期間設定は、実用上、振動子の共振周波数に応じて最適な値に設定するのが好ましい。以下にその理由を説明する。
【０１４４】
本願発明に係る角速度センサに用いられる機械的な構造体は、中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、この可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、によって構成される。そこで、本願発明者は、このような機械的構造体の試作品を複数種類（各部の寸法、形状、材質などを変えたもの）実際に作成し、あるいは、コンピュータシミュレーションプログラム上で設計し、それぞれの試作品について、特定の座標軸方向に関する共振周波数と当該軸方向に振動させた場合の不安定振動期αとの関係を実測、あるいは、シミュレーションによって調べてみた。
【０１４５】
その結果、特定の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、不安定振動期の長さαは、（１／ｆ０）×５０〜（１／ｆ０）×１２５の範囲に分布することが判明した。なお、振動子の振動状態が安定したと判断する時点としては、振幅値が「定常振幅値」の９０％に到達した時点とした。ここで、「定常振幅値」とは、振動子を特定の振動方向に十分に長い期間（たとえば、数秒間）振動させ続け、振動子の振幅が一定となったときにおける当該振幅値をいう。「定常振幅値」に到達した時点で「振動が安定した」と判断する代わりに、その９０％に到達した時点で「振動が安定した」と判断するようにしたのは、９０％に到達した時点で得られた検出結果が、「定常振幅値」に到達した時点で得られた検出結果と、実用上、ほぼ同じになることが実験的に確認できたためである。
【０１４６】
このように、本願発明者が行った実験（実測およびシミュレーション）によれば、振動子の不安定振動期の長さαは、様々な機械的構造体によってバラツキがあるものの、振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合、概ね、α＝（１／ｆ０）×５０〜（１／ｆ０）×１２５の範囲に分布することになる。もちろん、「安定した測定を行う」という観点からは、不安定振動期の長さαは、いくら長く設定してもかまわない。実際、図４(6) ，(7) における期間αｚ，αｘは、数秒に設定しても、数分に設定しても、角速度の検出は可能である。
【０１４７】
しかしながら、期間αｚ，αｘを長く設定すればするほど、半周期Ｔｚ，Ｔｘも長くなるので、３つの座標軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚが得られる周期が長くなり、検出値の時間軸上での分解能が低下することになり好ましくない。たとえば、半周期Ｔｚ，Ｔｘを数秒程度に設定した場合、理論的には角速度センサとして機能することになるが、そのようなセンサは、デジタルカメラの撮影時の手ぶれ検出などには到底利用することができず、実用上、商業的な製品としての価値をもたない。このように、時間軸上での分解能を高めるには、半周期Ｔｚ，Ｔｘをできるだけ短く設定するのが好ましく、そのためには、不安定振動期の長さαをできるだけ短く設定するのが好ましい。
【０１４８】
結局、特定の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、振動子を当該振動方向へ振動させるための駆動信号の供給開始時から、振動子が安定した振動状態になると予想される時点までの期間αを、（１／ｆ０）×５０≦α≦（１／ｆ０）×１２５の範囲に設定すれば、どのような機械的構造体を採用するセンサについても、適切な検出動作を行うことが可能になる。したがって、本発明に係る角速度センサの検出回路を設計する上では、不安定振動期αの期間が上記範囲内となるような設計を行うのが好ましい。
【０１４９】
一方、安定振動期の長さβは、角速度の測定動作が行われる期間の長さを定めるパラメータになる。期間βを長く設定すればするほど、当該半周期において得られる検出値のサンプル数は増加することになるが、３つの座標軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚが得られる周期が長くなり、検出値の時間軸上での分解能は低下する。本願発明者が行った実験によると、期間α＝期間βに設定すると、最もバランスの良い適切な検出値を得ることができた。
【０１５０】
このように、期間α＝期間βに設定することにすれば、半周期＝α＋β＝２αに設定すればよいことになる。結局、第１の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ１とし、第２の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ２とした場合、不安定振動期の長さを、上述したとおり（１／ｆ０）×５０〜（１／ｆ０）×１２５の範囲に設定することにすれば、第１の半周期Ｔ１を、（１／ｆ１）×１００≦Ｔ１≦（１／ｆ１）×２５０の範囲に設定し、第２の半周期Ｔ２を、（１／ｆ２）×１００≦Ｔ２≦（１／ｆ２）×２５０の範囲に設定すればよいことになる。振動子のＺ軸方向の共振周波数ｆ１とＸ軸方向の共振周波数ｆ２とがほぼ等しいセンサの場合、当該共振周波数をｆ０として、周期Ｔを（１／ｆ０）×２００〜（１／ｆ０）×５００の範囲に設定すると、良好な検出が可能になる。
【０１５１】
＜＜＜ §７．その他の変形例 ＞＞＞
これまで、図１および図２に示す例のように、駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体１０の上面に固定された圧電素子からなるセンサに本発明を適用した例を述べたが、本発明は、このような圧電素子を用いた角速度センサに限定されるものではない。たとえば、駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された変位電極と、この変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、によって構成される容量素子からなる角速度センサについても、本発明は適用可能である。
【０１５２】
図１６は、このような容量素子を用いたセンサ本体部の構造を示す縦断面図である。この図１６に示すセンサ本体部において、可撓性支持体１０、振動子２０、固定部材３０の構成は、図１に示すセンサ本体部と全く同じである。ただ、圧電素子４０を設ける代わりに、容量素子が形成されている。すなわち、可撓性支持体１０の上方に、台座５０を介して補助基板６０が接合されており、可撓性支持体１０の上面に形成された共通電極Ｅｃと、補助基板６０の下面に形成された個々の個別電極とによって、個々の容量素子が形成されている。
【０１５３】
図１７は、この図１６に示すセンサ本体部の補助基板６０の下面図である。補助基板６０の下面に形成された１２枚の電極の形状および配置は、図２に示す圧電素子１０の上面に形成された１２枚の電極の形状および配置と同一であり、ここでは、同一の符号を付して示してある。互いに対向する電極対によって、合計１２組の容量素子群が形成される。これら１２組の容量素子群は、図２に示す１２組の圧電素子群とほぼ同じ機能を果たす。
【０１５４】
圧電素子は、上下の両電極間に電圧を印加することにより伸縮を生じる性質を有しているが、容量素子は、両電極間に電圧を印加することにより、クーロン力の作用を受け、電極間距離に変化が生じる性質を有している。したがって、各駆動用電極に交流駆動信号を与えれば、振動子を所定の座標軸方向に振動させることができる。また、圧電素子は、機械的に伸縮させる応力を受けると、上下の両電極間に電圧を発生させる性質を有しており、この性質を利用して、振動子の所定軸方向の変位を検出することができた。これに対して、上記容量素子は、可撓性支持体１０を撓ませる応力を受けると、電極間距離に変化が生じ、静電容量値が変化する性質を有しており、この性質を利用して、振動子の所定軸方向の変位を検出することができる。
【０１５５】
結局、図１６，図１７に示す容量式のセンサ本体部についても、図３に示す検出回路を適用して、これまで述べてきた方法と同じ検出動作を行うことが可能である。要するに、本発明は、中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、この可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、を備えたセンサ本体部について適用可能な技術ということができる。なお、可撓性支持体は、必ずしも平板状の基板である必要はなく、たとえば、複数の橋梁構造を備えた部材であってもかまわない。
【０１５６】
ここで、駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側駆動用素子とＸ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＸ軸に沿って振動し、Ｙ軸正側駆動用素子とＹ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＹ軸に沿って振動し、４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がＺ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有していれば、圧電素子や容量素子、その他の素子であってもかまわない。
【０１５７】
また、検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側検出用素子とＸ軸負側検出用素子とは、振動子がＸ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｙ軸正側検出用素子とＹ軸負側検出用素子とは、振動子がＹ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｚ軸変位検出用素子は、振動子がＺ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有していれば、圧電素子や容量素子、その他の素子であってもかまわない。
【０１５８】
本発明の特徴は、検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する特有の検出回路を利用する点にある。
【０１５９】
図３に示す検出回路は、第１の半周期Ｔｚに振動子をＺ軸方向に振動させながら、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを測定し、第２の半周期Ｔｘに振動子をＸ軸方向に振動させながら、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを測定する回路であるが、本発明に用いる検出回路は、必ずしもこのような実施例の回路である必要はない。振動子をＸ軸方向に振動させながら、Ｚ軸まわりの角速度ωｚとともにＹ軸まわりの角速度ωｙを測定することも可能であるし、振動子をＹ軸方向に振動させながら、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとともにＺ軸まわりの角速度ωｚを測定することも可能である。
【０１６０】
結局、本発明に用いる検出回路は、第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有しており、第１の駆動信号発生部、第２の駆動信号発生部、正側同期検波信号発生部、負側同期検波信号発生部、第１の検波イネーブル信号発生部、第２の検波イネーブル信号発生部、マトリクス変換器、第１の角速度検出部、第２の角速度検出部、第３の角速度検出部、第１の振幅測定部、第１の位相測定部、第２の振幅測定部、第２の位相測定部、フィードバック制御部を備えていればよい。
【０１６１】
ここで、第１の駆動信号発生部は、第１の半周期Ｔ１には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されており、第２の半周期Ｔ２には、何ら交流信号が配されていない、第１の駆動信号を発生する構成要素であり、第２の駆動信号発生部は、第１の半周期Ｔ１には、何ら交流信号が配されておらず、第２の半周期Ｔ２には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されている、第２の駆動信号を発生する構成要素である。
【０１６２】
また、正側同期検波信号発生部は、第１の半周期Ｔ１には、第１の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔ２には、第２の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号を発生する構成要素であり、負側同期検波信号発生部は、第１の半周期Ｔ１には、第１の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔ２には、第２の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号を発生する構成要素である。
【０１６３】
一方、第１の検波イネーブル信号発生部は、第１の半周期Ｔ１において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期を示す第１の検波イネーブル信号を発生する構成要素であり、第２の検波イネーブル信号発生部は、第２の半周期Ｔ２において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期を示す第２の検波イネーブル信号を発生する構成要素である。
【０１６４】
また、マトリクス変換器は、第１の半周期Ｔ１には、振動子を第１の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第１の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給し、第２の半周期Ｔ２には、振動子を第２の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第２の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給する構成要素である。
【０１６５】
そして、第１の角速度検出部は、第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第３の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する構成要素であり、第２の角速度検出部は、第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第２の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する構成要素であり、第３の角速度検出部は、第２の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第１の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する構成要素である。
【０１６６】
更に、第１の振幅測定部は、第１の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する構成要素であり、第１の位相測定部は、第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する構成要素である。
【０１６７】
一方、第２の振幅測定部は、第２の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する構成要素であり、第２の位相測定部は、第２の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する構成要素である
【０１６８】
そして、フィードバック制御部は、第１の振幅測定部によって測定された振幅および第１の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第１の駆動信号発生部が発生する第１の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、第２の振幅測定部によって測定された振幅および第２の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第２の駆動信号発生部が発生する第２の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御する構成要素である。
【符号の説明】
【０１６９】
１０：可撓性支持体
２０：振動子
３０：固定部材
４０：圧電素子
５０：台座
６０：補助基板
１００：動作信号発生器
１１０：フィードバック制御部
１２０：Ｘ軸検波イネーブル信号発生部
１３０：Ｚ軸検波イネーブル信号発生部
１４０：Ｘ軸駆動信号発生部
１５０：Ｚ軸駆動信号発生部
１６０：正側同期検波信号発生部
１７０：負側同期検波信号発生部
２００：マトリクス変換器
２１０〜２４０：ＯＰアンプ
３００：センサ本体部
４１１：差分器
４１２：差分器
４１３：加算器
４２１〜４２５：ゲートスイッチ（ＳＷ）
４３１，４３２：ＡＭ検波器（ＡＭＤ）
４４１〜４４５：同期検波器（ＳＤ）
Ａｘ：Ｘ軸駆動信号の振幅
Ａｚ：Ｚ軸駆動信号の振幅
ＡＭＤ：ＡＭ検波器
ａ〜ｆ：グラフの積算領域
Ｃ１〜Ｃ７：コンデンサ
ＤＩＦ：差動増幅器
ＤｒＸ：Ｘ軸駆動信号
ＤｒＺ：Ｚ軸駆動信号
Ｄｘ（＋）：Ｘ軸正側駆動信号
Ｄｘ（−）：Ｘ軸負側駆動信号
Ｄｙ（＋）：Ｙ軸正側駆動信号
Ｄｙ（−）：Ｙ軸負側駆動信号
Ｅｃ：共通電極
ＥｎＸ：Ｘ軸検波イネーブル信号
ＥｎＺ：Ｚ軸検波イネーブル信号
Ｅｘ（＋）：Ｘ軸正側駆動用電極
Ｅｘ（−）：Ｘ軸負側駆動用電極
Ｅｙ（＋）：Ｙ軸正側駆動用電極
Ｅｙ（−）：Ｙ軸負側駆動用電極
Ｅｘ１：Ｘ軸正側検出用電極
Ｅｘ２：Ｘ軸負側検出用電極
Ｅｙ１：Ｙ軸正側検出用電極
Ｅｙ２：Ｙ軸負側検出用電極
Ｅｚ１〜Ｅｚ４：Ｚ軸変位検出用電極
Ｆｘａ：Ｘ軸振幅測定信号
Ｆｘｐ：Ｘ軸位相測定信号
Ｆｚａ：Ｚ軸振幅測定信号
Ｆｚｐ：Ｚ軸位相測定信号
ｆ：周波数
ｆ０：共振周波数
ｆｘ：Ｘ軸駆動信号の周波数
ｆｚ：Ｚ軸駆動信号の周波数
Ｇ：環状溝部
Ｇａ，Ｇｂ：ゲートスイッチ
Ｋ１：正側積算器
Ｋ２：負側積算器
Ｋ３：差分器
Ｎ：近傍周波数領域
Ｏ：ＸＹＺ三次元座標系の原点
ＯＰ１，ＯＰ２：演算増幅器
Ｐ０〜Ｐ４：グラフ上の点
Ｒ１〜Ｒ１７：抵抗
Ｒｅｆ：参照電圧
ＳＤ：同期検波器
ＳｄＡ：正側同期検波信号
ＳｄＢ：負側同期検波信号
Ｓin：入力信号
Ｓout：出力信号
ＳＷ：ゲートスイッチ
ＳΔｘ：Ｘ軸変位検出信号
ＳΔｙ：Ｙ軸変位検出信号
ＳΔｚ：Ｚ軸変位検出信号
Ｔ：動作周期
Ｔｘ：第２の半周期
Ｔｚ：第１の半周期
Ｘ，Ｙ，Ｚ：三次元座標系の各座標軸
αｘ：第２の不安定振動期
αｚ：第１の不安定振動期
βｘ：第２の安定振動期
βｚ：第１の安定振動期
ωｘ，ωｙ，ωｚ：各座標軸まわりの角速度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサに関し、特に、独立した３軸まわりの角速度を検出することができる角速度センサに用いる信号処理回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業機器や民生用機器の分野では、内蔵用の小型角速度センサの需要が高まっている。角速度も、加速度や力と同様にベクトル量であるため、実用上は、三次元空間において独立した３軸まわりの角速度を検出可能な三次元角速度センサが望まれている。たとえば、下記の特許文献１には、三次元の加速度とともに、三次元の角速度を検出することが可能な静電容量型センサおよび圧電型センサが開示されている。
【０００３】
一般的な角速度センサの検出原理は、三次元直交座標系において、振動子を第１の座標軸方向に振動させた状態において、当該振動子に対して第２の座標軸方向に作用するコリオリ力を測定することにより、第３の座標軸まわりの角速度を求める、というものである。このような検出原理では、振動子の振動方向に直交する２つの座標軸まわりの角速度検出は可能であるが、振動子の振動方向を向いた座標軸まわりの角速度検出を行うことはできない。したがって、３軸まわりの角速度を検出するためには、振動子を２通りの座標軸に沿って振動させる必要がある。
【０００４】
前掲の特許文献１の＜§７．２＞には、３軸まわりの角速度検出を行うための時分割検出動作が開示されている。この検出動作では、まず、振動子を第１の座標軸方向に振動させた状態で、第２の座標軸まわりの角速度および第３の座標軸まわりの角速度を検出し、続いて、振動子を第２の座標軸方向に振動させた状態で、第１の座標軸まわりの角速度を検出することになる。同文献の＜§７．３＞には、そのような時分割検出動作を行うための検出回路も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ９４／０２３２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したとおり、時分割検出動作により３軸まわりの角速度検出を行う機能をもった角速度センサは、前掲の特許文献１に示すように公知のものである。しかしながら、このような機能をもった角速度センサに用いる従来の信号処理回路には、精度の高い検出値を得ることができないという問題がある。すなわち、時分割検出動作では、振動子を第１の軸方向に振動させながら行う検出動作と、振動子を第２の軸方向に振動させながら行う検出動作と、を交互に繰り返し行う必要があるが、振動子の振動方向を交互に変える運用をとると、振動子の運動が不安定になり、正確な測定を行うことができない。
【０００７】
そこで本発明は、時分割検出動作により３軸まわりの角速度を高い精度で検出可能な角速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
(1) 本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側駆動用素子とＸ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＸ軸に沿って振動し、Ｙ軸正側駆動用素子とＹ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＹ軸に沿って振動し、４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がＺ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有し、
検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側検出用素子とＸ軸負側検出用素子とは、振動子がＸ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｙ軸正側検出用素子とＹ軸負側検出用素子とは、振動子がＹ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｚ軸変位検出用素子は、振動子がＺ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有し、
検出回路は、
第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有し、
第１の半周期Ｔ１には、特定の駆動素子に振動子を第１の座標軸方向に振動させるための駆動信号を供給し、第２の半周期Ｔ２には、特定の駆動素子に振動子を第２の座標軸方向に振動させるための駆動信号を供給し、
第１の半周期Ｔ１において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第１の座標軸方向に関する安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第３の座標軸まわりの角速度を検出するとともに、検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第２の座標軸まわりの角速度を検出し、
第２の半周期Ｔ２において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第２の座標軸方向に関する安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第１の座標軸まわりの角速度を検出するようにしたものである。
【０００９】
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る角速度センサにおいて、
検出回路が、検出用素子群から得られる信号に基づいて振動子の位相および振幅を測定する機能と、この測定値に基づいて、振動子の位相および振幅に対するフィードバック制御を行う機能と、を有するようにしたものである。
【００１０】
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第１または第２の態様に係る角速度センサにおいて、
特定の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、振動子を当該振動方向へ振動させるための駆動信号の供給開始時から、振動子が安定した振動状態になると予想される時点までの期間αを、（１／ｆ０）×５０≦α≦（１／ｆ０）×１２５の範囲に設定するようにしたものである。
【００１１】
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る角速度センサにおいて、
第１の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ１とし、第２の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ２とした場合に、第１の半周期Ｔ１を、（１／ｆ１）×１００≦Ｔ１≦（１／ｆ１）×２５０の範囲に設定し、第２の半周期Ｔ２を、（１／ｆ２）×１００≦Ｔ２≦（１／ｆ２）×２５０の範囲に設定するようにしたものである。
【００１２】
(5) 本発明の第５の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側駆動用素子とＸ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＸ軸に沿って振動し、Ｙ軸正側駆動用素子とＹ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＹ軸に沿って振動し、４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がＺ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を果たし、
検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側検出用素子とＸ軸負側検出用素子とは、振動子がＸ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｙ軸正側検出用素子とＹ軸負側検出用素子とは、振動子がＹ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｚ軸変位検出用素子は、振動子がＺ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を果たし、
検出回路は、
第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有するようにし、更に、
第１の半周期Ｔ１には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されており、第２の半周期Ｔ２には、何ら交流信号が配されていない、第１の駆動信号を発生する第１の駆動信号発生部と、
第１の半周期Ｔ１には、何ら交流信号が配されておらず、第２の半周期Ｔ２には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されている、第２の駆動信号を発生する第２の駆動信号発生部と、
第１の半周期Ｔ１には、第１の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔ２には、第２の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号を発生する正側同期検波信号発生部と、
第１の半周期Ｔ１には、第１の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔ２には、第２の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号を発生する負側同期検波信号発生部と、
第１の半周期Ｔ１において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期を示す第１の検波イネーブル信号を発生する第１の検波イネーブル信号発生部と、
第２の半周期Ｔ２において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期を示す第２の検波イネーブル信号を発生する第２の検波イネーブル信号発生部と、
第１の半周期Ｔ１には、振動子を第１の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第１の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給し、第２の半周期Ｔ２には、振動子を第２の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第２の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第３の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第１の角速度検出部と、
第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第２の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第２の角速度検出部と、
第２の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第１の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第３の角速度検出部と、
第１の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する第１の振幅測定部と、
第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する第１の位相測定部と、
第２の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する第２の振幅測定部と、
第２の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する第２の位相測定部と、
第１の振幅測定部によって測定された振幅および第１の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第１の駆動信号発生部が発生する第１の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、第２の振幅測定部によって測定された振幅および第２の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第２の駆動信号発生部が発生する第２の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えるようにしたものである。
【００１３】
(6) 本発明の第６の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサにおいて、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側駆動用素子とＸ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＸ軸に沿って振動し、４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がＺ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を果たし、
検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側検出用素子とＸ軸負側検出用素子とは、振動子がＸ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｙ軸正側検出用素子とＹ軸負側検出用素子とは、振動子がＹ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｚ軸変位検出用素子は、振動子がＺ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を果たし、
検出回路は、
第１の半周期Ｔｚと第２の半周期Ｔｘとによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有するようにし、更に、
第１の半周期Ｔｚには、所定の周波数ｆｚおよび振幅Ａｚをもった交流信号が配されており、第２の半周期Ｔｘには、何ら交流信号が配されていない、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺを発生するＺ軸駆動信号発生部と、
第１の半周期Ｔｚには、何ら交流信号が配されておらず、第２の半周期Ｔｘには、所定の周波数ｆｘおよび振幅Ａｘをもった交流信号が配されている、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸを発生するＸ軸駆動信号発生部と、
第１の半周期Ｔｚには、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの正側のピークに同期した位置にＺ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの正側のピークに同期した位置にＸ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号ＳｄＡを発生する正側同期検波信号発生部と、
第１の半周期Ｔｚには、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの負側のピークに同期した位置にＺ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの負側のピークに同期した位置にＸ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号ＳｄＢを発生する負側同期検波信号発生部と、
第１の半周期Ｔｚにおいて振動子がＺ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期βｚを示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺを発生するＺ軸検波イネーブル信号発生部と、
第２の半周期Ｔｘにおいて振動子がＸ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期βｘを示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸを発生するＸ軸検波イネーブル信号発生部と、
第１の半周期Ｔｚには、４組の駆動用素子のすべてにＺ軸駆動信号ＤｒＺを供給し、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸正側駆動用素子にＸ軸駆動信号ＤｒＸを供給しＸ軸負側駆動用素子にＸ軸駆動信号ＤｒＸの位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを示す電気信号を出力するＹ軸まわり角速度検出部と、
第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Ｙ軸正側検出用素子の検出信号とＹ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを示す電気信号を出力するＸ軸まわり角速度検出部と、
第２の安定振動期βｘの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Ｙ軸正側検出用素子の検出信号とＹ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを示す電気信号を出力するＺ軸まわり角速度検出部と、
第１の安定振動期βｚの期間、Ｚ軸変位検出用素子から得られる振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のＺ軸方向の振幅を測定するＺ軸振幅測定部と、
第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Ｚ軸変位検出用素子から得られる振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のＺ軸方向の位相を測定するＺ軸位相測定部と、
第２の安定振動期βｘの期間、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のＸ軸方向の振幅を測定するＸ軸振幅測定部と、
第２の安定振動期βｘの期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子のＸ軸方向の位相を測定するＸ軸位相測定部と、
Ｚ軸振幅測定部によって測定された振幅およびＺ軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、Ｚ軸駆動信号発生部が発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、Ｘ軸振幅測定部によって測定された振幅およびＸ軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、Ｘ軸駆動信号発生部が発生するＸ軸駆動信号ＤｒＸの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えるようにしたものである。
【００１４】
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係る角速度センサにおいて、
マトリクス変換器が、
「ＤｒＺ＋ＤｒＸ」なる和信号を生成してＸ軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ−ＤｒＸ」なる差信号を生成してＸ軸負側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ」をＹ軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ」をＹ軸負側駆動用素子に供給する回路と、
を有するようにしたものである。
【００１５】
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第５〜第７の態様に係る角速度センサにおいて、
角速度検出部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
正側積算器の積算値と負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路ＳＤを有し、差分器によって求められた差に相当する電気信号を角速度を示す信号として出力するようにしたものである。
【００１６】
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第８の態様に係る角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路ＳＤに与えるゲートスイッチＳＷを、更に有するようにしたものである。
【００１７】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第５〜第９の態様に係る角速度センサにおいて、
位相測定部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
正側積算器の積算値と負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路ＳＤを有し、差分器によって求められた差に相当する電気信号を位相の測定値を示す信号として出力するようにしたものである。
【００１８】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第１０の態様に係る角速度センサにおいて、
位相測定部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路ＳＤに与えるゲートスイッチＳＷを、更に有するようにしたものである。
【００１９】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第５〜第１１の態様に係る角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期でなくなったときに、直前の検出値を保持する機能を有し、次の安定振動期がくるまでの期間、保持していた検出値を継続して出力するようにしたものである。
【００２０】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述した第５〜第１２の態様に係る角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数がｆ０となるような制御を行うようにしたものである。
【００２１】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述した第５〜第１２の態様に係る角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数がｆ０の近傍の所定周波数（ｆ０は除く）となるような制御を行うようにしたものである。
【００２２】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述した第１３または第１４の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、９０°の位相差を生じるような周波数を、周波数ｆ０とみなして、駆動信号に対する周波数制御を行うようにしたものである。
【００２３】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述した第１〜第１５の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された圧電素子からなるようにしたものである。
【００２４】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第１〜第１５の態様に係る角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された変位電極と、この変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、によって構成される容量素子からなるようにしたものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る角速度センサによれば、振動子を、半周期ごとに、２つの座標軸方向に交互に振動させながら、振動安定期にのみコリオリ力に基づく変位成分を効率的に取り出すことができるため、時分割検出動作により３軸まわりの角速度を高い精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電素子を用いた角速度センサのセンサ本体部の構造を示す縦断面図であり、図２の構造体をＸＺ平面で切断した断面が示されている。
【図２】図１に示すセンサ本体部の構造を示す上面図である（ハッチングは、各電極の形状を明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図３】本発明に係る角速度センサの検出回路の構成を示す回路図である。
【図４】図３に示す検出回路における動作信号発生器１００から出力される各動作信号を示す波形図である。
【図５】図３に示す検出回路におけるマトリクス変換器２００の演算機能を示す図である。
【図６】図３に示す検出回路におけるマトリクス変換器２００の具体的な構成例を示す回路図である。
【図７】図３に示す検出回路による、角速度が作用していない状態での振動子の駆動動作を説明する信号波形図である。
【図８】図３に示す検出回路における同期検波回路ＳＤの構成例を示す回路図である。
【図９】図３に示す検出回路において、正しい位相制御が行われているときの各信号波形を示す波形図である。
【図１０】図３に示す検出回路において、位相が遅れているときの各信号波形を示す波形図である。
【図１１】図３に示す検出回路において、位相が進んでいるときの各信号波形を示す波形図である。
【図１２】図３に示す検出回路において、Ｙ軸まわりの角速度が作用していない状態での動作を説明する信号波形図である。
【図１３】図３に示す検出回路において、Ｙ軸まわりの角速度が作用している状態での動作を説明する信号波形図である。
【図１４】本発明に係る角速度センサの全般動作を説明する信号波形図である。
【図１５】一般的な機械的振動系の周波数特性を示すグラフである。
【図１６】本発明の別な実施形態に係る容量素子を用いたセンサ本体部の構造を示す縦断面図である。
【図１７】図１６に示すセンサ本体部の補助基板６０の下面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２８】
＜＜＜ §１．センサ本体部の基本構造 ＞＞＞
本発明に係る角速度センサは、センサ本体部と検出回路とによって構成される。ここでは、まず、センサ本体部の基本構造を説明する。センサ本体部は、振動子と、これを支持する可撓性支持体および固定部材と、振動子を振動させる駆動用素子群と、振動子の変位を検出する検出用素子群と、によって構成されている。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電素子を用いた角速度センサのセンサ本体部の構造を示す縦断面図である。図示のとおり、このセンサ本体部は、可撓性支持体１０、振動子２０、固定部材３０、圧電素子４０、そして各電極（先頭にＥがつく符号が付された要素）によって構成されている。ここでは、説明の便宜上、振動子２０の重心位置に原点Ｏをとり、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、図の紙面垂直奥方向にＹ軸をとったＸＹＺ三次元座標系を定義することにする。この角速度センサは、このＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸まわりの角速度ωｘ、Ｙ軸まわりの角速度ωｙ、Ｚ軸まわりの角速度ωｚをそれぞれ独立して検出する機能を有する。
【００３０】
図２は、このセンサ本体部の構造を示す上面図である。なお、図２に示すＸ軸，Ｙ軸，原点Ｏは、このセンサ本体部の上面に位置するものではなく、実際には、図１に示す原点Ｏの位置に配置されている。ただ、後述する電極配置の説明では、ＸＹ平面上に投影したときの各電極の位置に言及するため、図２では、便宜上、ＸＹ平面の投影像を描いてある。また、図２では、各電極の形状を明瞭に示すため、電極部分にハッチングを施して示してある（この図２におけるハッチングは断面を示すものではない）。図１に示す縦断面図は、この図２に示すセンサ本体部を、ＸＺ平面で切断した断面を示している。
【００３１】
図示の可撓性支持体１０は、可撓性をもった正方形状の基板状部材であり、中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有している。図１に示すように、この可撓性支持体１０の下面中央には、円柱状の振動子２０が接合されている。また、この可撓性支持体１０の下面周囲には、固定部材３０が接合されており、その底面は、図示されていないセンサ筐体に固定される。振動子２０と固定部材３０との間には、振動子２０の周囲を取り囲むような環状溝部Ｇが形成されており、その上方に位置する可撓性支持体１０の部分は、薄い板状部材を構成し、外力の作用によって撓みを生じる。
【００３２】
可撓性支持体１０の上方には、駆動用素子群と検出用素子群とが配置されている。すなわち、図１に示すように、可撓性支持体１０の上面には、共通電極Ｅｃが形成され、更にその上面には、圧電素子４０が配置され、この圧電素子４０の上面には、合計１２組の個別電極が形成されている。圧電素子４０は、図２に示すとおり、円盤状の素子であり、たとえば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電セラミックスによって構成することができる。共通電極Ｅｃは、この円盤状の圧電素子の下面に形成された円盤状の電極であり、右側には、配線の用に供する突起部が形成されている。図２の上面図にハッチングを施して示されている共通電極Ｅｃは、この突起部の部分であり、実際には、共通電極Ｅｃは円盤状の圧電素子４０の下面全面に広がっている。
【００３３】
圧電素子４０の上面に形成された１２組の個別電極の形状および配置は、図２の上面図に示すとおりである。これら１２組の個別電極は、いずれも、図１に示す環状溝部Ｇの上方に配置されている。別言すれば、可撓性支持体１０のうち、外力の作用によって撓みが生じる部分に配置されている。
【００３４】
まず、駆動用素子群を構成する電極としては、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用電極Ｅｙ（＋）と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用電極Ｅｙ（−）と、の４組が設けられている。
【００３５】
一方、検出用素子群を構成する電極としては、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用電極Ｅｘ１と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用電極Ｅｘ２と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用電極Ｅｙ１と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用電極Ｅｙ２と、の４組が設けられており、更に、４枚の電極からなるＺ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４が設けられている。ここで、この４枚のＺ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４は、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置された電極である。
【００３６】
図２に示すとおり、ここに示す実施形態の場合、この合計１２組の個別電極からなる全体的な電極パターンは、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となっている。これは、後述する駆動信号や検出信号に対称性を確保するための配慮である。たとえば、Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）とＸ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）とが、ＹＺ平面に関して対称性を有していれば、両電極に同一振幅の駆動信号を供給することにより、振動子を原点Ｏを中心として振動させることができる。
【００３７】
なお、ここに示す例では、検出用素子群を構成する８枚の電極Ｅｘ１，Ｅｘ２，Ｅｙ１，Ｅｙ２，Ｅｚ１〜Ｅｚ４の外側に、駆動用素子群を構成する４枚の電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）を配置する構成を採っているが、逆に、駆動用素子群を構成する電極を内側、検出用素子群を構成する電極を外側に配置してもかまわない。
【００３８】
ここで、圧電素子４０の上面に形成された個々の個別電極と、当該個別電極の下方に位置する圧電素子４０の一部分と、その下方に位置する共通電極Ｅｃの一部分とによって、駆動用素子もしくは検出用素子が形成される。すなわち、ここに示す圧電型のセンサでは、上下一対の電極でサンドイッチされた圧電素子が、１つの駆動用素子もしくは検出用素子を構成することになる。
【００３９】
具体的には、Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＸ軸正側駆動用素子が構成され、Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＸ軸負側駆動用素子が構成され、Ｙ軸正側駆動用電極Ｅｙ（＋）とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＹ軸正側駆動用素子が構成され、Ｙ軸負側駆動用電極Ｅｙ（−）とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＹ軸負側駆動用素子が構成される。
【００４０】
同様に、Ｘ軸正側検出用電極Ｅｘ１とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＸ軸正側検出用素子が構成され、Ｘ軸負側検出用電極Ｅｘ２とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＸ軸負側検出用素子が構成され、Ｙ軸正側検出用電極Ｅｙ１とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＹ軸正側検出用素子が構成され、Ｙ軸負側検出用電極Ｅｙ２とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＹ軸負側検出用素子が構成され、Ｚ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４とその下方の圧電素子４０の一部分とその下方の共通電極Ｅｃの一部分とによりＺ軸変位検出用素子が構成される。
【００４１】
ここで、たとえば、圧電素子４０が、上面に正、下面に負の電圧を印加するとＸＹ平面に沿って伸び、上面に負、下面に正の電圧を印加するとＸＹ平面に沿って縮むような特性をもった素子であるとすると（あるいは、これとは全く逆の特性をもった素子でもよい）、共通電極Ｅｃを接地基準電位として、Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）に所定の交流電圧を加え、Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）に逆位相の交流電圧を加えれば、可撓性支持体１０のＸ軸正側の部分と負側の部分とが周期的に伸縮し、かつ、両者の伸縮状態が常に逆になるため、振動子２０はＸ軸方向に振動することになる。
【００４２】
同様に、Ｙ軸正側駆動用電極Ｅｙ（＋）に所定の交流電圧を加え、Ｙ軸負側駆動用電極Ｅｙ（−）に逆位相の交流電圧を加えれば、可撓性支持体１０のＹ軸正側の部分と負側の部分とが周期的に伸縮し、かつ、両者の伸縮状態が常に逆になるため、振動子２０はＹ軸方向に振動することになる。また、４枚の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）に対して、同位相の交流電圧を加えると、各部が同一周期で伸縮するため、振動子２０はＺ軸方向に振動することになる。
【００４３】
このように、４枚の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）の一部もしくは全部に対して、様々な位相をもった交流駆動信号を供給することにより、振動子をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に振動させることができる。もっとも、後述する具体的な検出動作では、このうち、Ｘ軸方向への振動動作と、Ｚ軸方向への振動動作のみを行い、Ｙ軸方向への振動動作は行っていない。
【００４４】
なお、圧電素子の特性は、製造工程において施す分極処理の極性に基づいて任意に設定することが可能である。したがって、図２に示す円盤状の圧電素子４０の個々の部分ごとに、それぞれ異なる分極処理を施せば、部分ごとに特性を反転させることが可能である。このように、部分ごとに特性が反転した圧電素子を用いた場合、駆動のために供給する交流信号の位相は、上例の場合と異なることになる。
【００４５】
たとえば、Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）が形成されている領域と、Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）が形成されている領域とについて、圧電素子４０に互いに逆極性の分極処理が施されていた場合、振動子２０をＸ軸方向に振動させるには、両電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−）に同位相の交流電圧を加える必要がある（同位相の交流電圧を加えても、特性が逆であるため、一方が伸びれば、他方が縮む関係になる）。また、この場合、振動子２０をＺ軸方向に振動させるには、両電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−）には逆位相の交流電圧を加える必要がある。
【００４６】
このように、各駆動用電極に供給する交流駆動信号の位相は、各駆動用電極の形成領域における圧電素子の分極特性に依存して決める必要があるが、ここでは、圧電素子４０の全領域が同一の分極特性を有する典型的な実施例を用いた場合についての説明を行うことにする。
【００４７】
一方、各検出用電極には、下方の可撓性支持体１０の一部分の伸縮状態に基づき、共通電極Ｅｃを接地基準電位として、正もしくは負の電圧が発生する。たとえば、振動子２０がＸ軸方向に変位すると、可撓性支持体１０のＸ軸正側の部分と負側の部分とにおける伸縮状態が逆になるので、Ｘ軸正側検出用電極Ｅｘ１とＸ軸負側検出用電極Ｅｘ２とには、互いに逆極性の電圧が発生する。このとき、発生電圧の極性は、振動子の変位方向に依存し、発生電圧の大きさは、振動子の変位量に依存する。したがって、Ｘ軸正側検出用電極Ｅｘ１の発生電圧とＸ軸負側検出用電極Ｅｘ２の発生電圧との差を示す検出値は、振動子２０のＸ軸方向に関する変位（符号は変位方向、絶対値は変位量）を示す値になる。
【００４８】
同様に、Ｙ軸正側検出用電極Ｅｙ１の発生電圧とＹ軸負側検出用電極Ｅｙ２の発生電圧との差を示す検出値は、振動子２０のＹ軸方向に関する変位（符号は変位方向、絶対値は変位量）を示す値になる。また、Ｚ軸方向に関する変位に関しては、４枚のＺ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４に同等の電圧が発生するので、これら４枚の電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４の発生電圧の総和を示す検出値は、振動子２０のＺ軸方向に関する変位（符号は変位方向、絶対値は変位量）を示す値になる。なお、振動子２０のＺ軸方向に関する変位は、Ｘ軸検出用電極Ｅｘ１，Ｅｘ２およびＹ軸検出用電極Ｅｙ１，Ｅｙ２の発生電圧の総和として検出することも可能である。
【００４９】
このように、各検出用電極Ｅｘ１，Ｅｘ２，Ｅｙ１，Ｅｙ２，Ｅｚ１〜Ｅｚ４の発生電圧に対する加算や減算を行うことにより、振動子の各座標軸方向への変位を検出することができ、また、作用したコリオリ力を変位として検出することもできる。
【００５０】
結局、ここに示すセンサ本体部を用いれば、次のような方法で、各座標軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚの検出が可能である。たとえば、振動子２０をＸ軸方向に振動させた状態で、振動子２０のＹ軸方向への変位（Ｙ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＺ軸まわりの角速度ωｚに対応し、振動子２０のＺ軸方向への変位（Ｚ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＹ軸まわりの角速度ωｙに対応することになる。
【００５１】
同様に、振動子２０をＹ軸方向に振動させた状態で、振動子２０のＸ軸方向への変位（Ｘ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＺ軸まわりの角速度ωｚに対応し、振動子２０のＺ軸方向への変位（Ｚ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＸ軸まわりの角速度ωｘに対応することになる。また、振動子２０をＺ軸方向に振動させた状態で、振動子２０のＸ軸方向への変位（Ｘ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＹ軸まわりの角速度ωｙに対応し、振動子２０のＹ軸方向への変位（Ｙ軸方向に作用するコリオリ力）を検出すれば、当該変位はＸ軸まわりの角速度ωｘに対応することになる。続く§２で述べる検出回路は、このような検出動作を行うための回路である。
【００５２】
＜＜＜ §２．検出回路の構成 ＞＞＞
図３は、本発明に係る角速度センサの検出回路の構成を示す回路図である。この検出回路は、§１で述べたセンサ本体部に対して所定の駆動信号を供給して振動子２０を所定の座標軸方向に振動させながら、振動子２０の所定の座標軸方向への変位を検出して、所定の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する機能を果たす。また、この検出回路は、振動子の振動状態をモニタしながら、基準の振動状態を維持するようフィードバック制御を行う機能も果たす。
【００５３】
なお、図３の中央に示されているセンサ本体部３００は、実際には、この検出回路の構成要素ではなく、§１で述べたセンサ本体部を示すものである。すなわち、図３のセンサ本体部３００のブロックの上辺近傍に示されているＥｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）は、それぞれ図２に示す４枚の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）に対応するものである。同様に、図３のセンサ本体部３００のブロックの下辺近傍に示されているＥｘ１，Ｅｘ２，Ｅｙ１，Ｅｙ２，Ｅｚ１〜Ｅｚ４は、それぞれ図２に示す８枚の検出用電極Ｅｘ１，Ｅｘ２，Ｅｙ１，Ｅｙ２，Ｅｚ１〜Ｅｚ４に対応するものである。そして、図３のセンサ本体部３００のブロックの左辺近傍に示されているＥｃは、図２に示す共通電極Ｅｃに対応するものであり、この共通電極Ｅｃは、図示のとおり接地されている。
【００５４】
以下、この検出回路の各構成要素を順に説明する。まず、動作信号発生器１００は、センサ本体部３００に供給する駆動信号およびその他の回路要素に供給する種々の信号を発生する機能を有する。この動作信号発生器１００は、図のブロック内に描かれているように、フィードバック制御部１１０と、各信号発生部１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，１７０とを備えている。
【００５５】
図４は、この動作信号発生器１００から出力される各動作信号を示す波形図である。本発明に係る検出回路は、第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有する。特に、ここに示す実施形態の場合、第１の半周期Ｔ１は振動子２０をＺ軸方向に振動させながら検出を行う期間であり、第２の半周期Ｔ２は振動子２０をＸ軸方向に振動させながら検出を行う期間であるため、以下、第１の半周期Ｔ１を半周期Ｔｚ、第２の半周期Ｔ１を半周期Ｔｘと呼ぶことにする。図４(1) には、時間軸上における半周期Ｔｚの期間と半周期Ｔｘの期間とが示されている。両半周期Ｔｚ，Ｔｘによって検出回路の１周期Ｔが構成され、検出回路は、このような周期Ｔをもった周期的動作を行うことになる。
【００５６】
ここに示す実施例の場合、Ｔ＝１２．５ｍｓに設定しており、８０Ｈｚの周波数で周期的動作が繰り返し実行される。また、各半周期が等しくなるような設定を行っているため、Ｔｚ＝Ｔｘ＝６．２５ｍｓになる。もちろん、半周期Ｔｚ，Ｔｘは、必ずしも等しく設定する必要はない。後述するように、実用上、周期Ｔの値は、振動子の共振周波数に応じて最適な値に設定するのが好ましい。たとえば、振動子のＺ軸方向の共振周波数とＸ軸方向の共振周波数とがほぼ等しいセンサの場合、当該共振周波数をｆ０として、周期Ｔを（１／ｆ０）×２００〜（１／ｆ０）×５００の範囲に設定すると、良好な検出が可能になる（詳細は§６で述べる）。
【００５７】
動作信号発生器１００内のＺ軸駆動信号発生部１５０は、振動子２０をＺ軸方向へ振動させるためのＺ軸駆動信号ＤｒＺを発生する機能を有する。このＺ軸駆動信号ＤｒＺは、図４(2) に示すとおり、第１の半周期Ｔｚには、所定の周波数ｆｚおよび振幅Ａｚをもった交流信号が配されており、第２の半周期Ｔｘには、何ら交流信号が配されていない信号である。一方、Ｘ軸駆動信号発生部１４０は、振動子２０をＸ軸方向へ振動させるためのＸ軸駆動信号ＤｒＸを発生する機能を有する。このＸ軸駆動信号ＤｒＸは、図４(3) に示すとおり、第１の半周期Ｔｚには、何ら交流信号が配されておらず、第２の半周期Ｔｘには、所定の周波数ｆｘおよび振幅Ａｘをもった交流信号が配されている信号である。
【００５８】
ここに示す実施例の場合、ｆｚ＝ｆｘ＝２０ｋＨｚ程度、Ａｚ＝Ａｘ＝１．０Ｖ程度になるように設定してある。なお、図４では、図示の便宜上、１半周期ＴｚもしくはＴｘの期間内に各駆動信号の５周期分のみが描かれているが、上述の数値設定の場合、実際には、１半周期ＴｚもしくはＴｘの期間内には各駆動信号の１２５周期分が入ることになる。これは、後述する正側同期検波信号ＳｄＡや負側同期検波信号ＳｄＢの場合も同様である。
【００５９】
Ｚ軸駆動信号ＤｒＺおよびＸ軸駆動信号ＤｒＸの周波数および振幅は、フィードバック制御部１１０による制御対象となり、後述するように、帰還信号と所定の基準値との偏差に基づいて随時調整される。なお、周波数ｆｚとｆｘとは、必ずしも等しくなるような設定を行う必要はなく、同様に、振幅ＡｚとＡｘとについても、必ずしも等しくなるような設定を行う必要はない。また、図示の例では、各駆動信号ＤｒＺ，ＤｒＸの振幅Ａｚ，Ａｘは、常に一定値を維持させているが、振幅Ａｚ，Ａｘは必ずしも一定値に保つ必要はなく、たとえば、各半周期の初頭の振幅をより大きくするような制御を行い、振動子の運動を早く安定させるような工夫をしてもよい。これら駆動信号ＤｒＸ，ＤｒＺは、マトリクス変換器２００を介して、センサ本体部３００の各駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）に与えられる。
【００６０】
マトリクス変換器２００は、上述したとおり、動作信号発生器１００内のＸ軸駆動信号発生部１４０およびＺ軸駆動信号発生部１５０から与えられるＸ軸駆動信号ＤｒＸおよびＺ軸駆動信号ＤｒＺを、センサ本体部３００の特定の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）に与える処理を実行する。その具体的な動作については後述する。
【００６１】
一方、正側同期検波信号発生部１６０は、各駆動信号ＤｒＸ，ＤｒＺの正側のピークに同期したパルスから構成される正側同期検波信号ＳｄＡを発生する機能を有し、負側同期検波信号発生部１７０は、各駆動信号ＤｒＸ，ＤｒＺの負側のピークに同期したパルスから構成される負側同期検波信号ＳｄＢを発生する機能を有する。
【００６２】
より具体的には、正側同期検波信号ＳｄＡは、図４(4) に示すとおり、第１の半周期Ｔｚには、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの正側のピークに同期した位置にＺ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの正側のピークに同期した位置にＸ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている信号である。また、負側同期検波信号ＳｄＢは、図４(5) に示すとおり、第１の半周期Ｔｚには、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの負側のピークに同期した位置にＺ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの負側のピークに同期した位置にＸ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている信号である。
【００６３】
各同期検波信号ＳｄＡ，ＳｄＢの時間軸上でのパルスの中心位置は、各駆動信号のピーク位置に一致している。パルスの幅は、各駆動信号の周期の１／２以下となるような値に設定すればよいが、ここに示す実施例の場合、各駆動信号の周期の１／４程度に設定してある。これら同期検波信号ＳｄＡ，ＳｄＢは、全同期検波器ＳＤに与えられる。
【００６４】
Ｚ軸検波イネーブル信号発生部１３０は、振動子２０のＺ軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間を示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺを発生する機能を有し、Ｘ軸検波イネーブル信号発生部１２０は、振動子２０のＸ軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間を示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸを発生する機能を有する。
【００６５】
すなわち、Ｚ軸検波イネーブル信号ＥｎＺは、図４(6) に示すとおり、第１の半周期Ｔｚにおいて振動子２０がＺ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期βｚを示す信号である。ここで、図示の期間αｚは、第１の半周期Ｔｚにおいて振動子２０のＺ軸方向への振動状態が不安定であると予想される第１の不安定振動期ということになる。一方、Ｘ軸検波イネーブル信号ＥｎＸは、図４(7) に示すとおり、第２の半周期Ｔｘにおいて振動子２０がＸ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期βｘを示す信号である。ここで、図示の期間αｘは、第２の半周期Ｔｘにおいて振動子２０のＸ軸方向への振動状態が不安定であると予想される第２の不安定振動期ということになる。
【００６６】
既に述べたとおり、ここに示す実施例では、第１の半周期Ｔｚでは、振動子２０はＺ軸に沿って駆動され、第２の半周期Ｔｘでは、振動子２０はＸ軸に沿って駆動される。しかしながら、振動子２０は、可撓性支持体１０という機械的な構造体によって支持された物体であるため、駆動方向をＺ軸からＸ軸へ、もしくは、Ｘ軸からＺ軸へと、半周期ごとに９０°切り替える操作を行ったとしても、実際の振動方向が直ちに切り替わるわけではないので、切替直後の実際の振動は不安定なものになる。振動状態が安定するまでに必要な時間は、個々のセンサ本体部の機械的構造に依存して定まるパラメータである。したがって、実際のセンサ本体部を用いた測定により（もしくは、コンピュータシミュレーションにより）、当該センサ本体部についての不安定振動期αｚ，αｘを求めることができる。
【００６７】
もちろん、各半周期Ｔｚ，Ｔｘは、これら不安定振動期αｚ，αｘよりも長い期間に設定しておく必要がある。ここに示す実施例の場合、αｚ＝αｘ＝２．５ｍｓであった。したがって、Ｔｚ＝Ｔｘ＝６．２５ｍｓに設定した場合、βｚ＝βｘ＝３．７５ｍｓということになる。これら検波イネーブル信号ＥｎＸ，ＥｎＺは、正確な検波が可能となる安定振動期βｚ，βｘの期間を示す信号であり、それぞれ特定のゲートスイッチＳＷへ与えられる。
【００６８】
以上、図３において、センサ本体部３００の上方に描かれている要素が、この検出回路における振動子２０を駆動する処理を行う回路である。この回路の働きにより、センサ本体部の振動子２０は、前半周期Ｔｚの期間中はＺ軸方向に振動し、後半周期Ｔｘの期間中はＸ軸方向に振動することになる。続いて、振動子２０が振動している状態において、振動子２０の変位を検出する処理を行う回路について説明する。この回路は、図３において、センサ本体部３００の下方に描かれている要素からなる。
【００６９】
まず、差分器４１１は、Ｘ軸正側検出用電極Ｅｘ１に生じた電圧とＸ軸負側検出用電極Ｅｘ２に生じた電圧との差を求める機能を果たす。この差を示す信号ＳΔｘは、前述したとおり、振動子２０のＸ軸方向に関する変位を示す検出値になるので、ここではＸ軸変位検出信号ＳΔｘと呼ぶ。同様に、差分器４１２は、Ｙ軸正側検出用電極Ｅｙ１に生じた電圧とＹ軸負側検出用電極Ｅｙ２に生じた電圧との差を求める機能を果たす。この差を示す信号ＳΔｙは、前述したとおり、振動子２０のＹ軸方向に関する変位を示す検出値になるので、ここではＹ軸変位検出信号ＳΔｙと呼ぶ。
【００７０】
また、加算器４１３は、４枚のＺ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４に生じた電圧の総和を求める機能を果たす。この総和を示す信号ＳΔｚは、前述したとおり、振動子２０のＺ軸方向に関する変位を示す検出値になるので、ここではＺ軸変位検出信号ＳΔｚと呼ぶ。
【００７１】
差分器４１１から出力されたＸ軸変位検出信号ＳΔｘは、ゲートスイッチ４２１を通してＡＭ検波器４３１および同期検波器４４１に与えられ、ゲートスイッチ４２２を通して同期検波器４４２に与えられる。同様に、差分器４１２から出力されたＹ軸変位検出信号ＳΔｙは、ゲートスイッチ４２３を通して同期検波器４４３に与えられ、ゲートスイッチ４２４を通して同期検波器４４４に与えられる。また、加算器４１３から出力されたＺ軸変位検出信号ＳΔｚは、ゲートスイッチ４２５を通して同期検波器４４５およびＡＭ検波器４３２に与えられる。
【００７２】
ここで、ゲートスイッチ４２１，４２４は、Ｘ軸検波イネーブル信号発生部１２０によって発生されたＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸによって示された安定振動期βｘの期間のみ（すなわち、Ｘ軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間のみ）、入力した検出値を通過させて出力する。一方、ゲートスイッチ４２２，４２３，４２５は、Ｚ軸検波イネーブル信号発生部１３０によって発生されたＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺによって示された安定振動期βｚの期間のみ（すなわち、Ｚ軸方向への振動が安定し、検波処理が可能になった期間のみ）、入力した検出値を通過させて出力する。したがって、各ＡＭ検波器４３１，４３２や、各同期検波器４４１〜４４５には、安定振動期の期間のみ、所定の検出値を示す信号が与えられることになり、当該期間のみ検波が行われる。
【００７３】
ＡＭ検波器４３１は、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘの振幅を求める機能を果たし、求めたＸ軸振幅測定値Ｆｘａはフィードバック制御部１１０へ帰還され、ＡＭ検波器４３２は、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの振幅を求める機能を果たし、求めたＺ軸振幅測定値Ｆｚａはフィードバック制御部１１０へ帰還される。一方、同期検波器４４１は、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘの位相を求める機能を果たし、求めたＸ軸位相測定値Ｆｘｐはフィードバック制御部１１０へ帰還され、同期検波器４４５は、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの位相を求める機能を果たし、求めたＺ軸位相測定値Ｆｚｐはフィードバック制御部１１０へ帰還される。
【００７４】
同期検波器４４２は、振動子２０がＺ軸方向に振動している前半周期Ｔｚの間に、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘに基づいて振動子２０に作用したＸ軸方向のコリオリ力を求める機能を果たし、求めた値をＹ軸まわりの角速度ωｙとして出力する。一方、同期検波器４４３は、振動子２０がＺ軸方向に振動している前半周期Ｔｚの間に、Ｙ軸変位検出信号ＳΔｙに基づいて振動子２０に作用したＹ軸方向のコリオリ力を求める機能を果たし、求めた値をＸ軸まわりの角速度ωｘとして出力する。また、同期検波器４４４は、振動子２０がＸ軸方向に振動している後半周期Ｔｘの間に、Ｙ軸変位検出信号ＳΔｙに基づいて振動子２０に作用したＹ軸方向のコリオリ力を求める機能を果たし、求めた値をＺ軸まわりの角速度ωｚとして出力する。
【００７５】
なお、フィードバック制御部１１０は、帰還したＸ軸振幅測定値ＦｘａおよびＸ軸位相測定値Ｆｘｐに基づいて、Ｘ軸駆動信号発生部１４０が発生するＸ軸駆動信号ＤｒＸの振幅および周波数が所定の基準振幅および基準周波数となるようなフィードバック制御を行うとともに、帰還したＺ軸振幅測定値ＦｚａおよびＺ軸位相測定値Ｆｚｐに基づいて、Ｚ軸駆動信号発生部１５０が発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの振幅および周波数が所定の基準振幅および基準周波数となるようなフィードバック制御を行う。このようなフィードバック制御により、振動子２０は、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に、それぞれ所定の基準振幅、所定の基準周波数で、振動するようになる。なお、同期検波信号ＳｄＡ，ＳｄＢは、各駆動信号ＤｒＸ，ＤｒＺに同期した信号であるから、同期検波信号発生部１６０，１７０が発生する同期検波信号ＳｄＡ，ＳｄＢの周波数も、フィードバック制御部１１０による周波数制御を受けることになる。
【００７６】
かくして、この図３に示す検出回路を用いれば、振動子２０を、前半周期ＴｚにおいてＺ軸方向に振動させ、後半周期ＴｘにおいてＸ軸方向に振動させる動作を繰り返し行いながら、前半周期Ｔｚには、同期検波器４４２からＹ軸まわりの角速度ωｙを示す電気信号を出力させるとともに、同期検波器４４３からＸ軸まわりの角速度ωｘを示す電気信号を出力させ、後半周期Ｔｘには、同期検波器４４４からＺ軸まわりの角速度ωｚを示す電気信号を出力させることができる。しかも、これらの出力信号が示す検出値は、各検波イネーブル信号ＥｎＺ，ＥｎＸによって示される安定振動期βｚ，βｘの期間に得られた値になるので、精度の高い正確な検出値になる。
【００７７】
＜＜＜ §３．振動子の運動 ＞＞＞
続いて、ここでは、図３に示す検出回路を用いて駆動される振動子２０の運動について詳述する。前述したとおり、動作信号発生器１００からマトリクス変換器２００には、図４(2) に示すようなＺ軸駆動信号ＤｒＺと、図４(3) に示すようなＸ軸駆動信号ＤｒＸとが供給される。
【００７８】
マトリクス変換器２００は、これら２通りの駆動信号ＤｒＺ，ＤｒＸを利用して、振動子２０を、第１の半周期Ｔｚの期間にはＺ軸方向に振動させ、第２の半周期Ｔｘの期間にはＸ軸方向に振動させる動作を行う。具体的には、第１の半周期Ｔｚには、４組の駆動用素子（４枚の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−））のすべてにＺ軸駆動信号ＤｒＺを供給し、第２の半周期Ｔｘには、Ｘ軸正側駆動用素子（Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋））にＸ軸駆動信号ＤｒＸを供給し、Ｘ軸負側駆動用素子（Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−））にＸ軸駆動信号ＤｒＸの位相反転信号を供給する。
【００７９】
そのような駆動動作を行うため、マトリクス変換器２００は、図５に示すような演算により、Ｘ軸正側駆動信号Ｄｘ（＋），Ｘ軸負側駆動信号Ｄｘ（−），Ｙ軸正側駆動信号Ｄｙ（＋），Ｙ軸負側駆動信号Ｄｙ（−）を生成する機能を有している。ここで、Ｘ軸正側駆動信号Ｄｘ（＋）は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺとＸ軸駆動信号ＤｒＸとの和信号であり、Ｘ軸正側駆動用素子（Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋））に与えられる。また、Ｘ軸負側駆動信号Ｄｘ（−）は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺとＸ軸駆動信号ＤｒＸとの差信号であり、Ｘ軸負側駆動用素子（Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−））に与えられる。一方、Ｙ軸正側駆動信号Ｄｙ（＋）およびＹ軸負側駆動信号Ｄｙ（−）は、いずれもＺ軸駆動信号ＤｒＺそのものであり、それぞれＹ軸正側駆動用素子（Ｙ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋））およびＹ軸負側駆動用素子（Ｙ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−））に与えられる。
【００８０】
図６は、このマトリクス変換器２００の具体的な構成例を示す回路図である。図の左側の２つの端子に、動作信号発生器１００から与えられたＺ軸駆動信号ＤｒＺおよびＸ軸駆動信号ＤｒＸを入力すると、図の左側の４つの端子から、それぞれ各駆動信号Ｄｘ（＋），Ｄｘ（−），Ｄｙ（＋），Ｄｙ（−）が出力されることになる。この回路は、４つのＯＰアンプ２１０〜２４０と、抵抗Ｒ１〜Ｒ１０によって構成されている。
【００８１】
ここで、ＯＰアンプ２１０は、「ＤｒＺ＋ＤｒＸ」なる和信号Ｄｘ（＋）を生成してＸ軸正側駆動用素子（Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋））に供給する回路であり、ＯＰアンプ２２０および２４０は、「ＤｒＺ−ＤｒＸ」なる差信号Ｄｘ（−）を生成してＸ軸負側駆動用素子（Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−））に供給する回路である。また、ＯＰアンプ２３０は、「ＤｒＺ」をＹ軸正側駆動用素子（Ｙ軸正側駆動用電極Ｅｙ（＋））とＹ軸負側駆動用素子（Ｙ軸負側駆動用電極Ｅｙ（−））との双方に供給する回路である。
【００８２】
結局、図５の各式の右辺および図６の各右側端子に示されている駆動信号Ｄｘ（＋），Ｄｘ（−），Ｄｙ（＋），Ｄｙ（−）が、図２に示す駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）にそれぞれ与えられることになる。この場合、振動子２０がどのような運動をするかを、第１の半周期Ｔｚと第２の半周期Ｔｘとに分けて考えてみよう。
【００８３】
まず、第１の半周期Ｔｚの期間は、図４に示すとおり、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸは、実質的な信号としての有効成分を有していないので、有効成分を有する信号は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺのみということになる。したがって、図２に示す共通電極Ｅｃを接地した状態で、４枚の駆動用電極Ｅｘ（＋），Ｅｘ（−），Ｅｙ（＋），Ｅｙ（−）のそれぞれに、図４(2) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの交流信号が供給されることになるので、§１で説明したとおり、振動子２０は当該交流信号に同期してＺ軸方向に振動する。
【００８４】
一方、第２の半周期Ｔｘの期間は、図４に示すとおり、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺは、実質的な信号としての有効成分を有していないので、有効成分を有する信号は、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸのみということになる。したがって、図２に示す共通電極Ｅｃを接地した状態で、Ｘ軸正側駆動用電極Ｅｘ（＋）に、図４(3) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの交流信号が供給され、Ｘ軸負側駆動用電極Ｅｘ（−）に、その反転信号が供給されることになるので、§１で説明したとおり、振動子２０は当該交流信号に同期してＸ軸方向に振動する。
【００８５】
かくして、マトリクス変換器２００は、振動子２０を、第１の半周期Ｔｚの期間にはＺ軸方向に振動させ、第２の半周期Ｔｘの期間にはＸ軸方向に振動させる動作を行うことになる。
【００８６】
図３に示す検出回路では、振動子２０の各座標軸方向の変位は、それぞれ変位検出信号ＳΔｘ，ＳΔｙ，ＳΔｚとして検出することができる。たとえば、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘは、差分器４１１から出力される信号であり、Ｘ軸正側検出用電極Ｅｘ１の発生電圧とＸ軸負側検出用電極Ｅｘ２の発生電圧との差に相当する信号である。振動子２０がＸ軸方向に関して変位していない場合（すなわち、振動子２０の重心がＹＺ平面上に位置する場合）、両電極Ｅｘ１，Ｅｘ２の電位は等しくなるため、ＳΔｘ＝０になる。振動子２０がＸ軸方向に関して変位すると、両電極Ｅｘ１，Ｅｘ２の下方に位置する圧電素子の伸縮状態が互いに逆になるため、両電極Ｅｘ１，Ｅｘ２には互いに逆極性の電圧が発生し、両者の差に相当する信号ＳΔｘが正もしくは負の値として出力される。よって、この検出信号ＳΔｘの絶対値は、振動子２０のＸ軸方向に関する変位量を示し、検出信号ＳΔｘの符号は、変位方向（Ｘ軸正方向か、負方向か）を示すことになる。
【００８７】
同様に、Ｙ軸変位検出信号ＳΔｙは、差分器４１２から出力される信号であり、Ｙ軸正側検出用電極Ｅｙ１の発生電圧とＹ軸負側検出用電極Ｅｙ２の発生電圧との差に相当する信号である。やはり、この検出信号ＳΔｙの絶対値は、振動子２０のＹ軸方向に関する変位量を示し、検出信号ＳΔｙの符号は、変位方向（Ｙ軸正方向か、負方向か）を示すことになる。また、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚは、加算器４１３から出力される信号であり、４枚のＺ軸変位検出用電極Ｅｚ１〜Ｅｚ４の発生電圧の総和に相当する信号である。やはり、この検出信号ＳΔｚの絶対値は、振動子２０のＺ軸方向に関する変位量を示し、検出信号ＳΔｚの符号は、変位方向（Ｙ軸正方向か、負方向か）を示すことになる。
【００８８】
図７は、図３に示す検出回路による、角速度が作用していない状態での振動子の駆動動作を説明する信号波形図である。図７(1) に示すとおり、周期Ｔは、第１の半周期Ｔｚと第２の半周期Ｔｘによって構成される。そして、第１の半周期Ｔｚの期間は、図７(2) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの供給により、振動子２０はＺ軸方向に駆動され、第２の半周期Ｔｘの期間は、図７(3) に示すＸ軸駆動信号ＤｒＸの供給により、振動子２０はＸ軸方向に駆動される。
【００８９】
一方、図７(4) は、このような駆動動作が行われているときに、加算器４１３から出力されるＺ軸変位検出信号ＳΔｚの波形を示している。この検出信号ＳΔｚは、振動子２０のＺ軸に関する位置の変遷を示すものである。振動子２０の位置の変遷は、図７(2) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの供給によるものであるが、振動子２０およびこれを支持する可撓性支持体１０からなる機械的振動系に固有の特性により、振動子２０の実際の変位は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺに対して位相遅れを生じることになる。後述するように、振動子２０をＺ軸方向に関する共振周波数で振動させた場合、振動子２０の実際の変位は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺに対して９０°の位相遅れを生じる。図７(4) に示す検出信号ＳΔｚの位相が、図７(2) に示す駆動信号ＤｒＺに対して位相遅れを生じているのはこのためである。
【００９０】
また、図７(2) に示す駆動信号ＤｒＺの振幅Ａｚが一定であるのに対して、図７(4) に示す検出信号ＳΔｚの振幅が変動しているのは、質量をもった振動子２０に慣性が作用するためである。すなわち、第１の半周期Ｔｚの始期から駆動信号ＤｒＺ内の交流信号の供給が開始されても、Ｚ軸方向に関しては静止していた振動子２０が、Ｚ軸方向に振動し始めるには、ある程度の時間を要することになる。このため、図示の第１の不安定振動期αｚの期間は、振幅が徐々に増加してゆくことになる。図示の第１の安定振動期βｚは、振動子２０が一定の振幅で安定した振動動作を行うようになった後の期間である。
【００９１】
続いて、第１の半周期Ｔｚの終期において、駆動信号ＤｒＺ内の交流信号の供給が停止する。このため、第２の半周期Ｔｘの期間は、振動子２０をＺ軸方向に駆動するための信号は供給されない。しかしながら、運動中の振動子２０は、慣性の作用により、振幅を徐々に減少させながら、しばらくの間はＺ軸方向への振動状態を維持する。図７(4) に示す検出信号ＳΔｚの振幅が、半周期Ｔｘの初頭に残っているのはこのためである。
【００９２】
結局、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの振幅は、図７(4) に一点鎖線の包絡線で示すように、第１の半周期Ｔｚの初頭から徐々に増加しながら一定値に達し、第２の半周期Ｔｘの初頭から徐々に減少しながら消滅することになる。ここで、期間αｚは、第１の半周期Ｔｚでありながら、振動が不安定である第１の不安定振動期であり、期間βｚは、第１の半周期Ｔｚ内で、安定した振動が得られる第１の安定振動期である。前述したとおり、図４(6) に示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺは、この第１の安定振動期βｚを示す信号である。
【００９３】
同様に、図７(5) は、差分器４１１から出力されるＸ軸変位検出信号ＳΔｘの波形を示している。この検出信号ＳΔｘは、振動子２０のＸ軸に関する位置の変遷を示すものである。振動子２０の位置の変遷は、図７(3) に示すＸ軸駆動信号ＤｒＸの供給によるものであるが、振動子２０およびこれを支持する可撓性支持体１０からなる機械的振動系に固有の特性により、振動子２０の実際の変位は、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸに対して位相遅れを生じることになる。やはり、振動子２０をＸ軸方向に関する共振周波数で振動させた場合、振動子２０の実際の変位は、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸに対して９０°の位相遅れを生じる。
【００９４】
また、図７(5) に示す検出信号ＳΔｘの振幅が、一点鎖線の包絡線で示すように、第２の半周期Ｔｘの初頭から徐々に増加しながら一定値に達し、第１の半周期Ｔｚの初頭から徐々に減少しながら消滅するのは、振動子２０の慣性の作用によるものである。ここで、期間αｘは、第２の半周期Ｔｘでありながら、振動が不安定である第２の不安定振動期であり、期間βｘは、第２の半周期Ｔｘ内で、安定した振動が得られる第２の安定振動期である。前述したとおり、図４(7) に示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸは、この第２の安定振動期βｘを示す信号である。
【００９５】
最後に示されている図７(6) は、差分器４１２から出力されるＹ軸変位検出信号ＳΔｙの波形を示している。この検出信号ＳΔｙは、振動子２０のＹ軸に関する位置の変遷を示すものである。ここに示す実施例の場合、振動子２０をＹ軸方向に振動させる動作は行われないので、角速度が作用していない状態では、図示のとおり、Ｙ軸変位検出信号ＳΔｙは零の状態を維持したままになる。
【００９６】
前述したとおり、個々のセンサについての安定振動期βｚ，βｘは、実際のセンサ本体部を用いた測定や、コンピュータシミュレーションにより求めることができる。なお、図７では、図示の便宜上、１半周期ＴｚもしくはＴｘの期間内に各駆動信号や各検出信号の５周期分のみが描かれているが、実際には、１半周期ＴｚもしくはＴｘの期間内には各駆動信号や各検出信号のより多数の周期分（前掲の例の場合、１２５周期分）が入ることになる。
【００９７】
＜＜＜ §４．振幅および位相ならびにコリオリ力の検出 ＞＞＞
§２で述べたとおり、図３に示す検出回路において、センサ本体部３００の下方に描かれている要素（４００番台の符号が付された要素）は、振動子２０のＺ軸もしくはＸ軸方向に関する振動の振幅および位相と、振動子２０に作用するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向のコリオリ力とを検出する働きをする。以下、これらの各検出機能を個別に説明する。
【００９８】
まず、ゲートスイッチ４２１には、図４(7) に示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸが与えられており、第２の安定振動期βｘの期間のみ、与えられたＸ軸変位検出信号ＳΔｘを通過させる機能を果たす。同様に、ゲートスイッチ４２２には、図４(6) に示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺが与えられており、第１の安定振動期βｚの期間のみ、与えられたＸ軸変位検出信号ＳΔｘを通過させる機能を果たす。また、ゲートスイッチ４２３には、図４(6) に示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺが与えられており、第１の安定振動期βｚの期間のみ、与えられたＹ軸変位検出信号ＳΔｙを通過させる機能を果たす。更に、ゲートスイッチ４２４には、図４(7) に示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸが与えられており、第２の安定振動期βｘの期間のみ、与えられたＹ軸変位検出信号ＳΔｙを通過させる機能を果たす。そして、ゲートスイッチ４２５には、図４(6) に示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺが与えられており、第１の安定振動期βｚの期間のみ、与えられたＺ軸変位検出信号ＳΔｚを通過させる機能を果たす。
【００９９】
続いて、ＡＭ検波器４３１，４３２の機能を説明する。まず、ＡＭ検波器４３１は、ゲートスイッチ４２１を通じて、第２の安定振動期βｘの期間にのみ与えられたＸ軸変位検出信号ＳΔｘの振幅Ｆｘａを求める。具体的には、図７(5) に示す検出信号ＳΔｘの安定振動期βｘの振幅Ｆｘａが求められることになる。こうして得られた振幅Ｆｘａは、Ｘ軸振幅測定信号として、フィードバック制御部１１０へ帰還させられる。同様に、ＡＭ検波器４３２は、ゲートスイッチ４２５を通じて、第１の安定振動期βｚの期間にのみ与えられたＺ軸変位検出信号ＳΔｚの振幅Ｆｚａを求める。具体的には、図７(4) に示す検出信号ＳΔｚの安定振動期βｚの振幅Ｆｚａが求められることになる。こうして得られた振幅Ｆｚａは、Ｚ軸振幅測定信号として、フィードバック制御部１１０へ帰還させられる。
【０１００】
このように、ＡＭ検波器４３１，４３２は、検出信号ＳΔｘの振幅Ｆｘａ，検出信号ＳΔｚの振幅Ｆｚａを求める機能を果たす回路であるが、一般的な交流信号についての振幅を求める回路は、様々な分野で利用されている公知の回路であるため、ここでは、ＡＭ検波器４３１，４３２の内部構成についての詳細な説明は省略する。
【０１０１】
Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘの振幅Ｆｘａは、振動子２０のＸ軸方向に関する振動の振幅に対応するので、フィードバック制御部１１０は、この振幅Ｆｘａが所定の基準振幅となるように、Ｘ軸駆動信号発生部１４０が発生させるＸ軸駆動信号ＤｒＸの振幅を調整する制御を行う。また、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの振幅Ｆｚａは、振動子２０のＺ軸方向に関する振動の振幅に対応するので、フィードバック制御部１１０は、この振幅Ｆｚａが所定の基準振幅となるように、Ｚ軸駆動信号発生部１５０が発生させるＺ軸駆動信号ＤｒＺの振幅を調整する制御を行う。
【０１０２】
一方、同期検波器４４１〜４４５は、いずれも図８に示す回路によって構成されている。実際には、同期検波器４４１，４４５は、検出信号ＳΔｘ，ＳΔｚの位相Ｆｘｐ，Ｆｚｐを求める用途に利用され、同期検波器４４２，４４３，４４４は、検出信号ＳΔｘもしくはＳΔｙに基づいて、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に作用したコリオリ力を検出し、最終的に、それぞれ角速度ωｙ，ωｘ，ωｚを求める用途に利用される。このように、同期検波器４４１，４４５と、同期検波器４４２，４４３，４４４とは、互いに用途は異なるが、いずれも図８に示す同一の回路によって構成することができる。
【０１０３】
図８に示す回路は、図の左側の端子に与えられた入力信号Ｓinに基づいて、図の右側の端子から出力信号Ｓoutを出力する機能を有している。この回路は、図示のとおり、正側積算器Ｋ１、負側積算器Ｋ２、差分器Ｋ３によって構成されている。
【０１０４】
正側積算器Ｋ１は、正側同期検波信号ＳｄＡのパルスが与えられている間だけ信号を通過させるゲートスイッチＧａと、通過した信号を積算するための抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３，コンデンサＣ１〜Ｃ３，演算増幅器ＯＰ１によって構成され、与えられた入力信号Ｓinの信号値を、正側同期検波信号ＳｄＡのパルスが与えられている間だけ積算する機能を果たす。
【０１０５】
同様に、負側積算器Ｋ２は、負側同期検波信号ＳｄＢのパルスが与えられている間だけ信号を通過させるゲートスイッチＧｂと、通過した信号を積算するための抵抗Ｒ１４〜Ｒ１６，コンデンサＣ４〜Ｃ６，演算増幅器ＯＰ２によって構成され、与えられた入力信号Ｓinの信号値を、負側同期検波信号ＳｄＢのパルスが与えられている間だけ積算する機能を果たす。
【０１０６】
一方、差分器Ｋ３は、参照電圧Ｒefが与えられた差動増幅器ＤＩＦ，抵抗Ｒ１７，コンデンサＣ７によって構成され、正側積算器Ｋ１の積算値と負側積算器Ｋ２の積算値との差を出力する機能を果たす。
【０１０７】
ここでは、図３に示す同期検波器４４５として図８に示す回路を用い、入力信号Ｓinとして、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚを与えた場合に、この回路から得られる出力信号Ｓoutが、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの位相の測定値を示す信号になる理由を簡単に説明しよう。
【０１０８】
図９は、図３に示す検出回路において、正しい位相制御が行われているときの各信号波形を示す波形図である。図９(1) に示すとおり、この図における時間軸は、第１の半周期Ｔｚ内の安定振動期βｚの一部分を示している。この期間内は、センサ本体部に対して、図９(2) に示すようなＺ軸駆動信号ＤｒＺが与えられており、振動子２０は、Ｚ軸方向に振動している。このため、図９(3) に示すようなＺ軸変位検出信号ＳΔｚが得られている。前述したとおり、振動子２０がＺ軸方向に関する共振周波数で振動していれば、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの位相は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対して９０°遅れることになる。図９の各波形は、このときの状態を示している。
【０１０９】
一般に、このような振動系では、振動子を固有の共振周波数で振動させると、供給したエネルギーを最も効率的に利用した運動が可能になり、最も大きな振幅が得られることが知られている。また、このとき、駆動信号の位相に対して、実際の振動子の位相が９０°遅れることも知られている。図９に示す波形図は、このように、振動子が理想的な振動状態で振動しているときに得られる各信号波形を示している。
【０１１０】
ここで、図９(4) に示す正側同期検波信号ＳｄＡは、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの正側のピークに同期したパルス（正側のピーク位置に中心がくるパルス）をもつ検波信号であり、図９(5) に示す負側同期検波信号ＳｄＢは、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの負側のピークに同期したパルス（負側のピーク位置に中心がくるパルス）をもつ検波信号である。そして、図８に示す正側積算器Ｋ１は、ゲートスイッチＧａの機能により、正側同期検波信号ＳｄＡのパルス期間のみ、入力信号Ｓin、すなわち、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの信号値を積算する機能を果たし、負側積算器Ｋ２は、ゲートスイッチＧｂの機能により、負側同期検波信号ＳｄＢのパルス期間のみ、入力信号Ｓin、すなわち、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの信号値を積算する機能を果たす。
【０１１１】
図９(6) は、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの信号値の積算プロセスを示している。すなわち、このグラフにハッチングを施して示す積算領域ａ，ｂは、正側積算器Ｋ１によって信号値の積算が行われる領域に対応し、積算領域ｃ，ｄは、負側積算器Ｋ２によって信号値の積算が行われる領域に対応する。図９に示す例のように、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの位相が、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対して正確に９０°遅れている場合、積算領域ａの面積と積算領域ｂの面積とは等しくなり、積算領域ｃの面積と積算領域ｄの面積とは等しくなる。ただ、積算領域ａ，ｄは負の信号値、積算領域ｂ，ｃは正の信号値を示す領域であるから、結局、正側積算器Ｋ１による積算値は零になり、負側積算器Ｋ２による積算値も零になり、差分器Ｋ３から出力される出力信号Ｓoutは零になる。
【０１１２】
したがって、図９(7) に示すように、同期検波器４４５から出力されるＺ軸位相測定信号Ｆｚｐ（図８の出力信号Ｓout）は、零を示す信号になる。これは、現在、振動子２０が理想的な位相（すなわち、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対して正確に９０°遅れている位相）をもってＺ軸方向に振動していることを示す。別言すれば、理想的な位相に対する位相差は０ということになる。このようなＺ軸位相測定信号Ｆｚｐがフィードバック信号として帰還された場合、フィードバック制御部１１０は、Ｚ軸駆動信号発生部１５０に対して、発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの周波数ｆｚをそのまま維持させる制御を行う。
【０１１３】
次に、何らかの要因によって、振動子２０のＺ軸方向への振動位相が理想的な位相からずれた場合を考えてみよう。図１０は、位相が若干遅れた場合の各信号波形を示す波形図である。すなわち、図１０(2) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対する、図１０(3) に示すＺ軸変位検出信号ＳΔｚの位相差は９０°を越えており、理想的な振動状態から逸脱していることになる。この場合、図１０(6) を見るとわかるとおり、グラフにハッチングを施して示す積算領域ａ，ｂ，ｃ，ｄの面積に変化が生じる。具体的には、積算領域ａ，ｃの面積は、積算領域ｂ，ｄの面積よりも大きくなる。このため、各積算領域を符号を考慮して積算すれば、正側積算器Ｋ１による積算値（積算領域ａ，ｂ）は負になり、負側積算器Ｋ２による積算値（積算領域ｃ，ｄ）は正になる。結局、差分器Ｋ３から出力される出力信号Ｓoutは負になる。
【０１１４】
したがって、図１０(7) に示すように、同期検波器４４５から出力されるＺ軸位相測定信号Ｆｚｐ（図８の出力信号Ｓout）は、負の値を示す信号になる（図１０(7) の一点鎖線は、零の値を示す基準レベルであり、実線が信号Ｆｚｐの実際のレベルを示す）。これは、現在、振動子２０が理想的な位相から遅れて振動していることを示す。別言すれば、図１０(7) の一点鎖線レベルと実線レベルとの差が、理想的な位相に対する位相差ということになる。このようなＺ軸位相測定信号Ｆｚｐがフィードバック信号として帰還された場合、フィードバック制御部１１０は、Ｚ軸駆動信号発生部１５０に対して、発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの周波数ｆｚを低め、位相遅延を解消させる制御を行う（本願発明者が行った実験では、周波数ｆｚを低くすると、位相を進める制御が可能になることが確認できた）。
【０１１５】
逆に、図１１は、位相が若干進んだ場合の各信号波形を示す波形図である。すなわち、図１１(2) に示すＺ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対する、図１１(3) に示すＺ軸変位検出信号ＳΔｚの位相差は９０°を割っており、理想的な振動状態から逸脱していることになる。この場合、図１１(6) を見るとわかるとおり、グラフにハッチングを施して示す積算領域ａ，ｂ，ｃ，ｄの面積に変化が生じる。具体的には、積算領域ａ，ｃの面積は、積算領域ｂ，ｄの面積よりも小さくなる。このため、各積算領域を符号を考慮して積算すれば、正側積算器Ｋ１による積算値（積算領域ａ，ｂ）は正になり、負側積算器Ｋ２による積算値（積算領域ｃ，ｄ）は負になる。結局、差分器Ｋ３から出力される出力信号Ｓoutは正になる。
【０１１６】
したがって、図１１(7) に示すように、同期検波器４４５から出力されるＺ軸位相測定信号Ｆｚｐ（図８の出力信号Ｓout）は、正の値を示す信号になる（図１１(7) の一点鎖線は、零の値を示す基準レベルであり、実線が信号Ｆｚｐの実際のレベルを示す）。これは、現在、振動子２０が理想的な位相から進んで振動していることを示す。別言すれば、図１１(7) の一点鎖線レベルと実線レベルとの差が、理想的な位相に対する位相差ということになる。このようなＺ軸位相測定信号Ｆｚｐがフィードバック信号として帰還された場合、フィードバック制御部１１０は、Ｚ軸駆動信号発生部１５０に対して、発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの周波数ｆｚを高め、位相進みを解消させる制御を行う（本願発明者が行った実験では、周波数ｆｚを高くすると、位相を遅らせる制御が可能になることが確認できた）。
【０１１７】
以上、図３に示す同期検波器４４５によって、第１の安定振動期βｚの期間、Ｚ軸位相測定信号Ｆｚｐが得られる理由を説明したが、同様に、同期検波器４４１によって、第２の安定振動期βｘの期間、Ｘ軸位相測定信号Ｆｘｐが得られることになる。こうして、得られた各位相測定信号Ｆｚｐ，Ｆｘｐは、上述したとおり、フィードバック制御部１１０へと帰還され、フィードバック制御部１１０によって、これらの帰還信号の信号値が零になるように、Ｚ軸駆動信号発生部１５０が発生させるＺ軸駆動信号ＤｒＺおよびＸ軸駆動信号発生部１４０が発生させるＺ軸駆動信号ＤｒＸの周波数を調整する制御が行われる。
【０１１８】
続いて、図３に示す同期検波器４４２として図８に示す回路を用い、入力信号Ｓinとして、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘを与えた場合に、この回路から得られる出力信号Ｓoutが、振動子２０に作用したＸ軸方向のコリオリ力、すなわち、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを示す信号になる理由を簡単に説明しよう。
【０１１９】
図１２は、図３に示す検出回路において、Ｙ軸まわりの角速度が作用していない状態での動作を説明する信号波形図である。図１２(1) に示すとおり、この図における時間軸は、第１の半周期Ｔｚ内の安定振動期βｚの一部分を示している。この期間内は、センサ本体部に対して、図１２(2) に示すようなＺ軸駆動信号ＤｒＺが与えられており、振動子２０は、Ｚ軸方向に振動している。このため、図１２(3) に示すようなＺ軸変位検出信号ＳΔｚが得られている。前述したとおり、振動子２０が理想的な態様で振動していれば、Ｚ軸変位検出信号ＳΔｚの位相は、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの位相に対して９０°遅れることになる。図１２の各波形は、このときの状態を示している。
【０１２０】
このように、振動子２０がＺ軸方向に振動している状態において、Ｙ軸まわりの角速度が作用していなければ、Ｘ軸方向へのコリオリ力は作用しないので、振動子２０がＸ軸方向に関して変位することはない。したがって、図１２(6) に示すように、Ｘ軸変位検出信号ＳΔｘは、零レベルを示す信号になる。同期検波器４４２には、このような零レベルを示すＸ軸変位検出信号ＳΔｘが与えられるので、その出力信号、すなわち、Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙは、図１２(7) に示すように、零レベルを示す信号になる。
【０１２１】
一方、図１３は、図３に示す検出回路において、Ｙ軸まわりの角速度が作用している状態での動作を説明する信号波形図である。振動子２０がＺ軸方向に振動している状態において、Ｙ軸まわりの角速度が作用していると、Ｘ軸方向へのコリオリ力が作用し、振動子２０はＸ軸方向に関して変位する。もっとも、コリオリ力が作用する方向は、振動子２０の運動方向に依存するので、振動子２０がＺ軸正方向へ向かって運動しているときと、Ｚ軸負方向へ向かって運動しているときとでは、Ｙ軸まわりの角速度の向きや大きさが全く同じであっても、Ｘ軸方向へのコリオリ力の向きは逆転する。
【０１２２】
たとえば、図１３(3) のＺ軸変位検出信号ＳΔｚの信号値は、振動子２０のＺ軸に関する位置を示すものであるが、グラフ上の点Ｐ１は、Ｚ＝０の位置をＺ軸正方向に向かって通過した瞬間を示し、点Ｐ２は、Ｚ軸正方向の最大振幅地点に到達した瞬間を示し、点Ｐ３は、Ｚ＝０の位置をＺ軸負方向に向かって通過した瞬間を示し、点Ｐ４は、Ｚ軸負方向の最大振幅地点に到達した瞬間を示している。したがって、点Ｐ０〜Ｐ２へ移動する前半プロセスでは、振動子はＺ軸正方向の速度成分をもって運動しており（点Ｐ１を通過する瞬間に正の最大速度をとる）、点Ｐ２〜Ｐ４へ移動する後半プロセスでは、振動子はＺ軸負方向の速度成分をもって運動している（点Ｐ３を通過する瞬間に負の最大速度をとる）。
【０１２３】
ここで、振動子に作用するＸ軸方向のコリオリ力は、振動子のＺ軸方向の速度成分に比例したものになり、振動子のＸ軸方向への変位も、これに応じたものになるので、この場合、図１３(6) に示すようなＸ軸変位検出信号ＳΔｘが得られる。同期検波器４４２には、このようなＸ軸変位検出信号ＳΔｘが与えられるので、その出力信号、すなわち、Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙは、図１３(7) に示すように、所定のレベルを示す信号になる。すなわち、図１３(6) に示すように、正側積算器Ｋ１による積算値（積算領域ｅ）は正になり、負側積算器Ｋ２による積算値（積算領域ｆ）は負になるので、差分器Ｋ３から出力される両者の差に相当する出力信号Ｓoutは正の値になる。図１３(7) において、一点鎖線は零レベルを示しており、実線は、出力信号Ｓoutのレベル、すなわち、Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙを示している。
【０１２４】
以上、図３に示す同期検波器４４２によって、第１の安定振動期βｚの期間、Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙが得られる理由を説明したが、同様に、同期検波器４４３によって、第１の安定振動期βｚの期間、Ｘ軸まわりの角速度検出信号ωｘが得られ、同期検波器４４４によって、第２の安定振動期βｘの期間、Ｚ軸まわりの角速度検出信号ωｚが得られる。
【０１２５】
このように、図３に示す検出回路において、センサ本体部３００の下方に描かれている４００番台の符号が付された要素により、Ｘ軸振幅測定信号Ｆｘａ，Ｘ軸位相測定信号Ｆｘｐ，Ｚ軸振幅測定信号Ｆｚａ，Ｚ軸位相測定信号Ｆｚｐ，Ｘ軸まわりの角速度検出信号ωｘ，Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙ，Ｚ軸まわりの角速度検出信号ωｚが得られることになる。しかも、これらの各信号は、Ｘ軸検波イネーブル信号ＥｎＸによって示される安定振動期βｘもしくはＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺによって示される安定振動期βｚの期間のみについて、振動子の変位を検出して得られる信号であるので、振動子の振動が安定した期間についての正確な値になる。
【０１２６】
結局、図３に示す検出回路におけるゲートスイッチ４２１とＡＭ検波器４３１は、第２の安定振動期βｘの期間、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値ＳΔｘに基づいて、振動子のＸ軸方向の振幅Ｆｘａを測定するＸ軸振幅測定部を構成し、ゲートスイッチ４２５とＡＭ検波器４３２は、第１の安定振動期βｚの期間、Ｚ軸変位検出用素子から得られる振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値ＳΔｚに基づいて、振動子のＺ軸方向の振幅Ｆｚａを測定するＺ軸振幅測定部を構成することになる。
【０１２７】
また、ゲートスイッチ４２１と同期検波器４４１は、第２の安定振動期βｘの期間、正側同期検波信号ＳｄＡおよび負側同期検波信号ＳｄＢを利用することにより、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値ＳΔｘに基づいて、振動子のＸ軸方向の位相Ｆｘｐを測定するＸ軸位相測定部を構成し、ゲートスイッチ４２５と同期検波器４４５は、第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号ＳｄＡおよび負側同期検波信号ＳｄＢを利用することにより、Ｚ軸変位検出用素子から得られる振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値ＳΔｚに基づいて、振動子のＺ軸方向の位相Ｆｚｐを測定するＺ軸位相測定部を構成することになる。
【０１２８】
一方、ゲートスイッチ４２２と同期検波器４４２は、第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号ＳｄＡおよび負側同期検波信号ＳｄＢを利用することにより、Ｘ軸正側検出用素子の検出信号とＸ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値ＳΔｘに基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを示す電気信号を出力するＹ軸まわり角速度検出部を構成し、ゲートスイッチ４２３と同期検波器４４３は、第１の安定振動期βｚの期間、正側同期検波信号ＳｄＡおよび負側同期検波信号ＳｄＢを利用することにより、Ｙ軸正側検出用素子の検出信号とＹ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値ＳΔｙに基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを示す電気信号を出力するＸ軸まわり角速度検出部を構成し、ゲートスイッチ４２４と同期検波器４４４は、第２の安定振動期βｘの期間、正側同期検波信号ＳｄＡおよび負側同期検波信号ＳｄＢを利用することにより、Ｙ軸正側検出用素子の検出信号とＹ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値ＳΔｙに基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを示す電気信号を出力するＺ軸まわり角速度検出部を構成することになる。
【０１２９】
そして、図３に示すフィードバック制御部１１０は、Ｚ軸振幅測定部によって測定された振幅ＦｚａおよびＺ軸位相測定部によって測定された位相Ｆｚｐに基づいて、Ｚ軸駆動信号発生部１５０が発生するＺ軸駆動信号ＤｒＺの周波数ｆｚおよび振幅Ａｚが所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、Ｘ軸振幅測定部によって測定された振幅ＦｘａおよびＸ軸位相測定部によって測定された位相Ｆｘｐに基づいて、Ｘ軸駆動信号発生部１４０が発生するＸ軸駆動信号ＤｒＸの周波数ｆｘおよび振幅Ａｘが所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御する機能を果たす。
【０１３０】
なお、このようなフィードバック制御の方法は、たとえば、抵抗、キャパシタンス、インダクタンスなどの回路要素を組み合わせた制御回路によるＰＩＤ制御法や、マイクロプロセッサを用いた制御法などが公知であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
【０１３１】
＜＜＜ §５．センサの全般動作 ＞＞＞
図１４は、本発明に係る角速度センサの全般動作を説明する信号波形図である。既に述べたとおり、図３に示す検出回路は、図１４(1) に示すように、両半周期Ｔｚ，Ｔｘによって構成される周期Ｔごとの繰り返し動作を行う機能を有しており、図１４(2) ，(3) に示すように、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺとＸ軸駆動信号ＤｒＸを用いて、振動子をＺ軸方向およびＸ軸方向に交互に振動させる。一方、検波動作は、図１４(4) ，(5) に示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺおよびＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸによって示される第１の安定振動期βｚおよび第２の安定振動期βｘの期間についてのみ行われる。
【０１３２】
したがって、図１４(6) に示すとおり、Ｚ軸振幅測定信号Ｆｚａ，Ｚ軸位相測定信号Ｆｚｐ，Ｘ軸振幅測定信号Ｆｘａ，Ｘ軸位相測定信号Ｆｘｐ，Ｘ軸まわりの角速度検出信号ωｘ，Ｙ軸まわりの角速度検出信号ωｙ，Ｚ軸まわりの角速度検出信号ωｚは、それぞれ図にハッチングを施した期間のみ得られる。ここで、Ｚ軸振幅測定信号ＦｚａおよびＺ軸位相測定信号Ｆｚｐは、振動子をＺ軸方向に振動させるときの制御に利用されるため、図示のとおり、第１の安定振動期βｚの間に得られていれば十分であり、また、Ｘ軸振幅測定信号ＦｘａおよびＸ軸位相測定信号Ｆｘｐは、振動子をＸ軸方向に振動させるときの制御に利用されるため、図示のとおり、第２の安定振動期βｘの間に得られていれば十分である。
【０１３３】
これに対して、角速度検出信号ωｘ，ωｙ，ωｚは、この角速度センサの主たる出力信号であり、実用上は、常に何らかの信号出力が得られるようにするのが好ましい。そこで、角速度検出部として機能する同期検波器４４２，４４３，４４４には、安定振動期でなくなったときに、直前の検出値を保持する機能をもたせ、次の安定振動期がくるまでの期間、保持していた検出値を継続して出力させるのが好ましい。
【０１３４】
具体的には、図１４(6) に示すとおり、角速度検出信号ωｘ，ωｙの検出値は、図にハッチングを施して示す第１の安定振動期βｚの期間内しか得られないが、第１の安定振動期βｚの終期において、その時点の検出値を保持させておき、次の第１の安定振動期βｚがくるまでの間、保持させておいた検出値をそのまま継続して出力させるようにすればよい。同様に、角速度検出信号ωｚの検出値は、図にハッチングを施して示す第２の安定振動期βｘの期間内しか得られないが、第２の安定振動期βｘの終期において、その時点の検出値を保持させておき、次の第２の安定振動期βｘがくるまでの間、保持させておいた検出値をそのまま継続して出力させるようにすればよい。
【０１３５】
この場合、ハッチングを施した期間内は、リアルタイムで更新される正確な検出値が出力されるのに対して、それ以外の期間内は、保持されている過去の検出値が継続して出力されることになるため、検出値の精度は低下する。ただ、検出周期Ｔを、ある程度短い時間に設定しておけば、実用上、支障のない検出値を得ることができる。たとえば、上述の実施例の場合、Ｔ＝１２．５ｍｓなる設定を行っているので、保持した検出値を継続して出力するようにしても、一般的な用途に利用する上では何ら支障は生じない。
【０１３６】
既に述べたとおり、本発明に係る角速度センサにおいて、振動子を振動させる周波数は、振動方向に関して固有の共振周波数ｆ０に設定するのが好ましい。図１５は、一般的な機械的振動系の周波数特性を示すグラフである。グラフＡは、振動周波数ｆに対する振幅を示すグラフである。同じエネルギーを供給して振動子を励振させたとしても、図示のとおり、共振周波数ｆ０で振動させたときの振幅が最も大きくなる。したがって、フィードバック制御部１１０が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数がｆ０となるような制御を行うようにすれば、非常に効率的な検出動作が可能になる。
【０１３７】
振動子の共振周波数ｆ０は、振動軸ごとにそれぞれ固有の値になる。上述した実施例の場合、Ｚ軸方向に振動させる場合の共振周波数とＸ軸方向に振動させる場合の共振周波数とは、それぞれ別個の固有値になるので、第１の半周期Ｔｚと第２の半周期Ｔｘとでは、それぞれ振動子は別個の周波数で振動させることになる。もちろん、センサ本体部の構造を適当に設計することにより、Ｚ軸方向の共振周波数とＸ軸方向の共振周波数とを一致させることも可能である。
【０１３８】
一方、グラフＢは、駆動信号と実変位との位相差を示すグラフであり、位相差は、左側に示す角度軸によって示されている。図示のとおり、共振周波数ｆ０で振動させたとき、実変位の位相は、駆動信号の位相に対して９０°だけ遅延することになる。§４で述べたように、フィードバック制御部１１０が、位相差を９０°とするような周波数制御を行うのは、このためである。一般に、振動子の共振周波数は、製品ロットごとに異なり、また、温度などの利用環境によっても変化する。しかしながら、「共振周波数で振動させたとき、実変位の位相が、駆動信号の位相に対して９０°だけ遅延する」ことは普遍である。したがって、駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、９０°の位相差を生じるような周波数を、周波数ｆ０とみなして、駆動信号に対する周波数制御を行うようにすればよい。本発明では、「位相差を９０°に維持するフィードバック制御」を行っているため、どの製品ロットについても、どのような利用環境においても、常に理想的な振動状態を維持させる正しい制御が可能になる。
【０１３９】
グラフＣは、位相差を示す帰還信号、すなわち、§４に示す例における位相測定信号Ｆｘｐ，Ｆｚｐを示している。振動子の実際の振動周波数が共振周波数ｆ０からずれると、この帰還信号の値も基準値からずれることになる。フィードバック制御部１１０は、この帰還信号が示す位相差が９０°となるような制御を行う。なお、図示する近傍周波数領域Ｎを外れると、周波数に対する位相差の増減関係が反転するため、正しい制御を行うことができなくなるので、フィードバック制御部１１０は、近傍周波数領域Ｎを逸脱しないような制御を行う必要がある。
【０１４０】
なお、実際には、振動子を正確に共振周波数ｆ０で振動させると、系が非線形となり、効率的な制御を行うことができないことが知られている。したがって、実用上は、振動子の振動周波数を正確な共振周波数ｆ０に一致させるような制御を行う代わりに、若干、共振周波数ｆ０からずれた所定周波数に維持するような制御を行うのが好ましい。すなわち、フィードバック制御部１１０が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数がｆ０の近傍の所定周波数（但し、当該周波数ｆ０は除く別な周波数）となるような制御を行うようにすればよい。
【０１４１】
上述したとおり、駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、９０°の位相差を生じるような周波数で振動子が振動している場合、当該振動周波数は共振周波数ｆ０になる。したがって、若干、共振周波数ｆ０からずれた所定周波数に維持するような制御を行うには、位相差が９０°の近傍（９０°は除く）の所定値（たとえば、８５°や９５°）となるようなフィードバック制御を行えばよい。§４では、位相測定信号Ｆｘｐ，Ｆｚｐの信号値を零にするようなフィードバック制御を行う制御動作を述べたが、位相差が８５°や９５°となるようなフィードバック制御を行う場合、位相測定信号Ｆｘｐ，Ｆｚｐの信号値を零に近い正もしくは負の所定値に維持するようなフィードバック制御を行えばよい。
【０１４２】
＜＜＜ §６．最適な期間設定 ＞＞＞
これまで述べたとおり、本発明における測定周期Ｔは、振動子を第１の座標軸方向に振動させる第１の半周期Ｔ１と、第２の座標軸方向に振動させる第２の半周期Ｔ２とによって構成される。そして、図４(6) ，(7) に示すように、各半周期Ｔ１，Ｔ２を、振動子の振動状態が不安定であると予想される不安定振動期αと、振動子が安定した振動状態を維持すると予想される安定振動期βとに分け、それぞれ安定振動期βの期間内に角速度の検出を行うことになる。
【０１４３】
前述した実施例の場合、Ｔ＝１２．５ｍｓに設定し、８０Ｈｚの周波数で周期的動作が繰り返し実行される。そして、各半周期が等しくなるような設定を行い、Ｔ１＝Ｔ２＝６．２５ｍｓとしている。このような期間設定は、実用上、振動子の共振周波数に応じて最適な値に設定するのが好ましい。以下にその理由を説明する。
【０１４４】
本願発明に係る角速度センサに用いられる機械的な構造体は、中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、この可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、によって構成される。そこで、本願発明者は、このような機械的構造体の試作品を複数種類（各部の寸法、形状、材質などを変えたもの）実際に作成し、あるいは、コンピュータシミュレーションプログラム上で設計し、それぞれの試作品について、特定の座標軸方向に関する共振周波数と当該軸方向に振動させた場合の不安定振動期αとの関係を実測、あるいは、シミュレーションによって調べてみた。
【０１４５】
その結果、特定の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、不安定振動期の長さαは、（１／ｆ０）×５０〜（１／ｆ０）×１２５の範囲に分布することが判明した。なお、振動子の振動状態が安定したと判断する時点としては、振幅値が「定常振幅値」の９０％に到達した時点とした。ここで、「定常振幅値」とは、振動子を特定の振動方向に十分に長い期間（たとえば、数秒間）振動させ続け、振動子の振幅が一定となったときにおける当該振幅値をいう。「定常振幅値」に到達した時点で「振動が安定した」と判断する代わりに、その９０％に到達した時点で「振動が安定した」と判断するようにしたのは、９０％に到達した時点で得られた検出結果が、「定常振幅値」に到達した時点で得られた検出結果と、実用上、ほぼ同じになることが実験的に確認できたためである。
【０１４６】
このように、本願発明者が行った実験（実測およびシミュレーション）によれば、振動子の不安定振動期の長さαは、様々な機械的構造体によってバラツキがあるものの、振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合、概ね、α＝（１／ｆ０）×５０〜（１／ｆ０）×１２５の範囲に分布することになる。もちろん、「安定した測定を行う」という観点からは、不安定振動期の長さαは、いくら長く設定してもかまわない。実際、図４(6) ，(7) における期間αｚ，αｘは、数秒に設定しても、数分に設定しても、角速度の検出は可能である。
【０１４７】
しかしながら、期間αｚ，αｘを長く設定すればするほど、半周期Ｔｚ，Ｔｘも長くなるので、３つの座標軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚが得られる周期が長くなり、検出値の時間軸上での分解能が低下することになり好ましくない。たとえば、半周期Ｔｚ，Ｔｘを数秒程度に設定した場合、理論的には角速度センサとして機能することになるが、そのようなセンサは、デジタルカメラの撮影時の手ぶれ検出などには到底利用することができず、実用上、商業的な製品としての価値をもたない。このように、時間軸上での分解能を高めるには、半周期Ｔｚ，Ｔｘをできるだけ短く設定するのが好ましく、そのためには、不安定振動期の長さαをできるだけ短く設定するのが好ましい。
【０１４８】
結局、特定の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、振動子を当該振動方向へ振動させるための駆動信号の供給開始時から、振動子が安定した振動状態になると予想される時点までの期間αを、（１／ｆ０）×５０≦α≦（１／ｆ０）×１２５の範囲に設定すれば、どのような機械的構造体を採用するセンサについても、適切な検出動作を行うことが可能になる。したがって、本発明に係る角速度センサの検出回路を設計する上では、不安定振動期αの期間が上記範囲内となるような設計を行うのが好ましい。
【０１４９】
一方、安定振動期の長さβは、角速度の測定動作が行われる期間の長さを定めるパラメータになる。期間βを長く設定すればするほど、当該半周期において得られる検出値のサンプル数は増加することになるが、３つの座標軸まわりの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚが得られる周期が長くなり、検出値の時間軸上での分解能は低下する。本願発明者が行った実験によると、期間α＝期間βに設定すると、最もバランスの良い適切な検出値を得ることができた。
【０１５０】
このように、期間α＝期間βに設定することにすれば、半周期＝α＋β＝２αに設定すればよいことになる。結局、第１の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ１とし、第２の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ２とした場合、不安定振動期の長さを、上述したとおり（１／ｆ０）×５０〜（１／ｆ０）×１２５の範囲に設定することにすれば、第１の半周期Ｔ１を、（１／ｆ１）×１００≦Ｔ１≦（１／ｆ１）×２５０の範囲に設定し、第２の半周期Ｔ２を、（１／ｆ２）×１００≦Ｔ２≦（１／ｆ２）×２５０の範囲に設定すればよいことになる。振動子のＺ軸方向の共振周波数ｆ１とＸ軸方向の共振周波数ｆ２とがほぼ等しいセンサの場合、当該共振周波数をｆ０として、周期Ｔを（１／ｆ０）×２００〜（１／ｆ０）×５００の範囲に設定すると、良好な検出が可能になる。
【０１５１】
＜＜＜ §７．その他の変形例 ＞＞＞
これまで、図１および図２に示す例のように、駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体１０の上面に固定された圧電素子からなるセンサに本発明を適用した例を述べたが、本発明は、このような圧電素子を用いた角速度センサに限定されるものではない。たとえば、駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された変位電極と、この変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、によって構成される容量素子からなる角速度センサについても、本発明は適用可能である。
【０１５２】
図１６は、このような容量素子を用いたセンサ本体部の構造を示す縦断面図である。この図１６に示すセンサ本体部において、可撓性支持体１０、振動子２０、固定部材３０の構成は、図１に示すセンサ本体部と全く同じである。ただ、圧電素子４０を設ける代わりに、容量素子が形成されている。すなわち、可撓性支持体１０の上方に、台座５０を介して補助基板６０が接合されており、可撓性支持体１０の上面に形成された共通電極Ｅｃと、補助基板６０の下面に形成された個々の個別電極とによって、個々の容量素子が形成されている。
【０１５３】
図１７は、この図１６に示すセンサ本体部の補助基板６０の下面図である。補助基板６０の下面に形成された１２枚の電極の形状および配置は、図２に示す圧電素子１０の上面に形成された１２枚の電極の形状および配置と同一であり、ここでは、同一の符号を付して示してある。互いに対向する電極対によって、合計１２組の容量素子群が形成される。これら１２組の容量素子群は、図２に示す１２組の圧電素子群とほぼ同じ機能を果たす。
【０１５４】
圧電素子は、上下の両電極間に電圧を印加することにより伸縮を生じる性質を有しているが、容量素子は、両電極間に電圧を印加することにより、クーロン力の作用を受け、電極間距離に変化が生じる性質を有している。したがって、各駆動用電極に交流駆動信号を与えれば、振動子を所定の座標軸方向に振動させることができる。また、圧電素子は、機械的に伸縮させる応力を受けると、上下の両電極間に電圧を発生させる性質を有しており、この性質を利用して、振動子の所定軸方向の変位を検出することができた。これに対して、上記容量素子は、可撓性支持体１０を撓ませる応力を受けると、電極間距離に変化が生じ、静電容量値が変化する性質を有しており、この性質を利用して、振動子の所定軸方向の変位を検出することができる。
【０１５５】
結局、図１６，図１７に示す容量式のセンサ本体部についても、図３に示す検出回路を適用して、これまで述べてきた方法と同じ検出動作を行うことが可能である。要するに、本発明は、中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、この可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、を備えたセンサ本体部について適用可能な技術ということができる。なお、可撓性支持体は、必ずしも平板状の基板である必要はなく、たとえば、複数の橋梁構造を備えた部材であってもかまわない。
【０１５６】
ここで、駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側駆動用素子とＸ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＸ軸に沿って振動し、Ｙ軸正側駆動用素子とＹ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると振動子がＹ軸に沿って振動し、４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると振動子がＺ軸に沿って振動するように、可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有していれば、圧電素子や容量素子、その他の素子であってもかまわない。
【０１５７】
また、検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、Ｘ軸正側検出用素子とＸ軸負側検出用素子とは、振動子がＸ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｙ軸正側検出用素子とＹ軸負側検出用素子とは、振動子がＹ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、Ｚ軸変位検出用素子は、振動子がＺ軸方向に変位したときに可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有していれば、圧電素子や容量素子、その他の素子であってもかまわない。
【０１５８】
本発明の特徴は、検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する特有の検出回路を利用する点にある。
【０１５９】
図３に示す検出回路は、第１の半周期Ｔｚに振動子をＺ軸方向に振動させながら、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとＹ軸まわりの角速度ωｙとを測定し、第２の半周期Ｔｘに振動子をＸ軸方向に振動させながら、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを測定する回路であるが、本発明に用いる検出回路は、必ずしもこのような実施例の回路である必要はない。振動子をＸ軸方向に振動させながら、Ｚ軸まわりの角速度ωｚとともにＹ軸まわりの角速度ωｙを測定することも可能であるし、振動子をＹ軸方向に振動させながら、Ｘ軸まわりの角速度ωｘとともにＺ軸まわりの角速度ωｚを測定することも可能である。
【０１６０】
結局、本発明に用いる検出回路は、第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有しており、第１の駆動信号発生部、第２の駆動信号発生部、正側同期検波信号発生部、負側同期検波信号発生部、第１の検波イネーブル信号発生部、第２の検波イネーブル信号発生部、マトリクス変換器、第１の角速度検出部、第２の角速度検出部、第３の角速度検出部、第１の振幅測定部、第１の位相測定部、第２の振幅測定部、第２の位相測定部、フィードバック制御部を備えていればよい。
【０１６１】
ここで、第１の駆動信号発生部は、第１の半周期Ｔ１には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されており、第２の半周期Ｔ２には、何ら交流信号が配されていない、第１の駆動信号を発生する構成要素であり、第２の駆動信号発生部は、第１の半周期Ｔ１には、何ら交流信号が配されておらず、第２の半周期Ｔ２には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されている、第２の駆動信号を発生する構成要素である。
【０１６２】
また、正側同期検波信号発生部は、第１の半周期Ｔ１には、第１の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔ２には、第２の駆動信号の正側のピークに同期した位置に第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号を発生する構成要素であり、負側同期検波信号発生部は、第１の半周期Ｔ１には、第１の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、第２の半周期Ｔ２には、第２の駆動信号の負側のピークに同期した位置に第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号を発生する構成要素である。
【０１６３】
一方、第１の検波イネーブル信号発生部は、第１の半周期Ｔ１において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期を示す第１の検波イネーブル信号を発生する構成要素であり、第２の検波イネーブル信号発生部は、第２の半周期Ｔ２において振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期を示す第２の検波イネーブル信号を発生する構成要素である。
【０１６４】
また、マトリクス変換器は、第１の半周期Ｔ１には、振動子を第１の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第１の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給し、第２の半周期Ｔ２には、振動子を第２の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に第２の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給する構成要素である。
【０１６５】
そして、第１の角速度検出部は、第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第３の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する構成要素であり、第２の角速度検出部は、第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第２の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する構成要素であり、第３の角速度検出部は、第２の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子のコリオリ力に起因した第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第１の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する構成要素である。
【０１６６】
更に、第１の振幅測定部は、第１の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する構成要素であり、第１の位相測定部は、第１の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する構成要素である。
【０１６７】
一方、第２の振幅測定部は、第２の安定振動期の期間、検出用素子群から得られる振動子の第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の振幅を測定する構成要素であり、第２の位相測定部は、第２の安定振動期の期間、正側同期検波信号および負側同期検波信号を利用することにより検出用素子群から得られる振動子の第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、振動子の位相を測定する構成要素である
【０１６８】
そして、フィードバック制御部は、第１の振幅測定部によって測定された振幅および第１の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第１の駆動信号発生部が発生する第１の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、第２の振幅測定部によって測定された振幅および第２の位相測定部によって測定された位相に基づいて、第２の駆動信号発生部が発生する第２の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御する構成要素である。
【符号の説明】
【０１６９】
１０：可撓性支持体
２０：振動子
３０：固定部材
４０：圧電素子
５０：台座
６０：補助基板
１００：動作信号発生器
１１０：フィードバック制御部
１２０：Ｘ軸検波イネーブル信号発生部
１３０：Ｚ軸検波イネーブル信号発生部
１４０：Ｘ軸駆動信号発生部
１５０：Ｚ軸駆動信号発生部
１６０：正側同期検波信号発生部
１７０：負側同期検波信号発生部
２００：マトリクス変換器
２１０〜２４０：ＯＰアンプ
３００：センサ本体部
４１１：差分器
４１２：差分器
４１３：加算器
４２１〜４２５：ゲートスイッチ（ＳＷ）
４３１，４３２：ＡＭ検波器（ＡＭＤ）
４４１〜４４５：同期検波器（ＳＤ）
Ａｘ：Ｘ軸駆動信号の振幅
Ａｚ：Ｚ軸駆動信号の振幅
ＡＭＤ：ＡＭ検波器
ａ〜ｆ：グラフの積算領域
Ｃ１〜Ｃ７：コンデンサ
ＤＩＦ：差動増幅器
ＤｒＸ：Ｘ軸駆動信号
ＤｒＺ：Ｚ軸駆動信号
Ｄｘ（＋）：Ｘ軸正側駆動信号
Ｄｘ（−）：Ｘ軸負側駆動信号
Ｄｙ（＋）：Ｙ軸正側駆動信号
Ｄｙ（−）：Ｙ軸負側駆動信号
Ｅｃ：共通電極
ＥｎＸ：Ｘ軸検波イネーブル信号
ＥｎＺ：Ｚ軸検波イネーブル信号
Ｅｘ（＋）：Ｘ軸正側駆動用電極
Ｅｘ（−）：Ｘ軸負側駆動用電極
Ｅｙ（＋）：Ｙ軸正側駆動用電極
Ｅｙ（−）：Ｙ軸負側駆動用電極
Ｅｘ１：Ｘ軸正側検出用電極
Ｅｘ２：Ｘ軸負側検出用電極
Ｅｙ１：Ｙ軸正側検出用電極
Ｅｙ２：Ｙ軸負側検出用電極
Ｅｚ１〜Ｅｚ４：Ｚ軸変位検出用電極
Ｆｘａ：Ｘ軸振幅測定信号
Ｆｘｐ：Ｘ軸位相測定信号
Ｆｚａ：Ｚ軸振幅測定信号
Ｆｚｐ：Ｚ軸位相測定信号
ｆ：周波数
ｆ０：共振周波数
ｆｘ：Ｘ軸駆動信号の周波数
ｆｚ：Ｚ軸駆動信号の周波数
Ｇ：環状溝部
Ｇａ，Ｇｂ：ゲートスイッチ
Ｋ１：正側積算器
Ｋ２：負側積算器
Ｋ３：差分器
Ｎ：近傍周波数領域
Ｏ：ＸＹＺ三次元座標系の原点
ＯＰ１，ＯＰ２：演算増幅器
Ｐ０〜Ｐ４：グラフ上の点
Ｒ１〜Ｒ１７：抵抗
Ｒｅｆ：参照電圧
ＳＤ：同期検波器
ＳｄＡ：正側同期検波信号
ＳｄＢ：負側同期検波信号
Ｓin：入力信号
Ｓout：出力信号
ＳＷ：ゲートスイッチ
ＳΔｘ：Ｘ軸変位検出信号
ＳΔｙ：Ｙ軸変位検出信号
ＳΔｚ：Ｚ軸変位検出信号
Ｔ：動作周期
Ｔｘ：第２の半周期
Ｔｚ：第１の半周期
Ｘ，Ｙ，Ｚ：三次元座標系の各座標軸
αｘ：第２の不安定振動期
αｚ：第１の不安定振動期
βｘ：第２の安定振動期
βｚ：第１の安定振動期
ωｘ，ωｙ，ωｚ：各座標軸まわりの角速度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
前記可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
前記可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
前記可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
前記可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
前記駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して前記振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで前記検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側駆動用素子と前記Ｘ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＸ軸に沿って振動し、前記Ｙ軸正側駆動用素子と前記Ｙ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＹ軸に沿って振動し、前記４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＺ軸に沿って振動するように、前記可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有し、
前記検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側検出用素子と前記Ｘ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＸ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｙ軸正側検出用素子と前記Ｙ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＹ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｚ軸変位検出用素子は、前記振動子がＺ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有し、
前記検出回路は、
第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有し、
前記第１の半周期Ｔ１には、特定の駆動素子に前記振動子を第１の座標軸方向に振動させるための駆動信号を供給し、前記第２の半周期Ｔ２には、特定の駆動素子に前記振動子を第２の座標軸方向に振動させるための駆動信号を供給し、
前記第１の半周期Ｔ１において前記振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第１の座標軸方向に関する安定振動期の期間、前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第３の座標軸まわりの角速度を検出するとともに、前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記第２の座標軸まわりの角速度を検出し、
前記第２の半周期Ｔ２において前記振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第２の座標軸方向に関する安定振動期の期間、前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記第１の座標軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
検出回路が、検出用素子群から得られる信号に基づいて振動子の位相および振幅を測定する機能と、この測定値に基づいて、振動子の位相および振幅に対するフィードバック制御を行う機能と、を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の角速度センサにおいて、
特定の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、振動子を当該振動方向へ振動させるための駆動信号の供給開始時から、振動子が安定した振動状態になると予想される時点までの期間αを、（１／ｆ０）×５０≦α≦（１／ｆ０）×１２５の範囲に設定したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の角速度センサにおいて、
第１の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ１とし、第２の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ２とした場合に、第１の半周期Ｔ１を、（１／ｆ１）×１００≦Ｔ１≦（１／ｆ１）×２５０の範囲に設定し、第２の半周期Ｔ２を、（１／ｆ２）×１００≦Ｔ２≦（１／ｆ２）×２５０の範囲に設定したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項５】
ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
前記可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
前記可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
前記可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
前記可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
前記検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、前記駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して前記振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで前記検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側駆動用素子と前記Ｘ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＸ軸に沿って振動し、前記Ｙ軸正側駆動用素子と前記Ｙ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＹ軸に沿って振動し、前記４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＺ軸に沿って振動するように、前記可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有し、
前記検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側検出用素子と前記Ｘ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＸ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｙ軸正側検出用素子と前記Ｙ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＹ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｚ軸変位検出用素子は、前記振動子がＺ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有し、
前記検出回路は、
第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有し、
前記第１の半周期Ｔ１には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されており、前記第２の半周期Ｔ２には、何ら交流信号が配されていない、第１の駆動信号を発生する第１の駆動信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔ１には、何ら交流信号が配されておらず、前記第２の半周期Ｔ２には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されている、第２の駆動信号を発生する第２の駆動信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔ１には、前記第１の駆動信号の正側のピークに同期した位置に前記第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第２の半周期Ｔ２には、前記第２の駆動信号の正側のピークに同期した位置に前記第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号を発生する正側同期検波信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔ１には、前記第１の駆動信号の負側のピークに同期した位置に前記第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第２の半周期Ｔ２には、前記第２の駆動信号の負側のピークに同期した位置に前記第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号を発生する負側同期検波信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔ１において前記振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期を示す第１の検波イネーブル信号を発生する第１の検波イネーブル信号発生部と、
前記第２の半周期Ｔ２において前記振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期を示す第２の検波イネーブル信号を発生する第２の検波イネーブル信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔ１には、前記振動子を第１の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に前記第１の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給し、前記第２の半周期Ｔ２には、前記振動子を第２の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に前記第２の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
前記第１の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第３の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第１の角速度検出部と、
前記第１の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記第２の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第２の角速度検出部と、
前記第２の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記第１の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第３の角速度検出部と、
前記第１の安定振動期の期間、前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の振幅を測定する第１の振幅測定部と、
前記第１の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の位相を測定する第１の位相測定部と、
前記第２の安定振動期の期間、前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の振幅を測定する第２の振幅測定部と、
前記第２の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の位相を測定する第２の位相測定部と、
前記第１の振幅測定部によって測定された振幅および前記第１の位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記第１の駆動信号発生部が発生する前記第１の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、前記第２の振幅測定部によって測定された振幅および前記第２の位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記第２の駆動信号発生部が発生する前記第２の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えることを特徴とする角速度センサ。
【請求項６】
ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
前記可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
前記可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
前記可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
前記可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
前記検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、前記駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して前記振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで前記検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側駆動用素子と前記Ｘ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＸ軸に沿って振動し、前記４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＺ軸に沿って振動するように、前記可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有し、
前記検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側検出用素子と前記Ｘ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＸ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｙ軸正側検出用素子と前記Ｙ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＹ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｚ軸変位検出用素子は、前記振動子がＺ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有し、
前記検出回路は、
第１の半周期Ｔｚと第２の半周期Ｔｘとによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有し、
前記第１の半周期Ｔｚには、所定の周波数ｆｚおよび振幅Ａｚをもった交流信号が配されており、前記第２の半周期Ｔｘには、何ら交流信号が配されていない、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺを発生するＺ軸駆動信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔｚには、何ら交流信号が配されておらず、前記第２の半周期Ｔｘには、所定の周波数ｆｘおよび振幅Ａｘをもった交流信号が配されている、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸを発生するＸ軸駆動信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔｚには、前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの正側のピークに同期した位置に前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第２の半周期Ｔｘには、前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの正側のピークに同期した位置に前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号ＳｄＡを発生する正側同期検波信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔｚには、前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの負側のピークに同期した位置に前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第２の半周期Ｔｘには、前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの負側のピークに同期した位置に前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号ＳｄＢを発生する負側同期検波信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔｚにおいて前記振動子がＺ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期βｚを示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺを発生するＺ軸検波イネーブル信号発生部と、
前記第２の半周期Ｔｘにおいて前記振動子がＸ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期βｘを示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸを発生するＸ軸検波イネーブル信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔｚには、前記４組の駆動用素子のすべてに前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺを供給し、前記第２の半周期Ｔｘには、前記Ｘ軸正側駆動用素子に前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸを供給し前記Ｘ軸負側駆動用素子に前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
前記第１の安定振動期βｚの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Ｘ軸正側検出用素子の検出信号と前記Ｘ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを示す電気信号を出力するＹ軸まわり角速度検出部と、
前記第１の安定振動期βｚの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Ｙ軸正側検出用素子の検出信号と前記Ｙ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを示す電気信号を出力するＸ軸まわり角速度検出部と、
前記第２の安定振動期βｘの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Ｙ軸正側検出用素子の検出信号と前記Ｙ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを示す電気信号を出力するＺ軸まわり角速度検出部と、
前記第１の安定振動期βｚの期間、前記Ｚ軸変位検出用素子から得られる前記振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のＺ軸方向の振幅を測定するＺ軸振幅測定部と、
前記第１の安定振動期βｚの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Ｚ軸変位検出用素子から得られる前記振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のＺ軸方向の位相を測定するＺ軸位相測定部と、
前記第２の安定振動期βｘの期間、前記Ｘ軸正側検出用素子の検出信号と前記Ｘ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる前記振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のＸ軸方向の振幅を測定するＸ軸振幅測定部と、
前記第２の安定振動期βｘの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Ｘ軸正側検出用素子の検出信号と前記Ｘ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる前記振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のＸ軸方向の位相を測定するＸ軸位相測定部と、
前記Ｚ軸振幅測定部によって測定された振幅および前記Ｚ軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記Ｚ軸駆動信号発生部が発生する前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、前記Ｘ軸振幅測定部によって測定された振幅および前記Ｘ軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記Ｘ軸駆動信号発生部が発生する前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えることを特徴とする角速度センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の角速度センサにおいて、
マトリクス変換器が、
「ＤｒＺ＋ＤｒＸ」なる和信号を生成してＸ軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ−ＤｒＸ」なる差信号を生成してＸ軸負側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ」をＹ軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ」をＹ軸負側駆動用素子に供給する回路と、
を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
角速度検出部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
前記正側積算器の積算値と前記負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路ＳＤを有し、前記差分器によって求められた差に相当する電気信号を角速度を示す信号として出力することを特徴とする角速度センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路ＳＤに与えるゲートスイッチＳＷを、更に有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項１０】
請求項５〜９のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
位相測定部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
前記正側積算器の積算値と前記負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路ＳＤを有し、前記差分器によって求められた差に相当する電気信号を位相の測定値を示す信号として出力することを特徴とする角速度センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の角速度センサにおいて、
位相測定部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路ＳＤに与えるゲートスイッチＳＷを、更に有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項１２】
請求項５〜１１のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期でなくなったときに、直前の検出値を保持する機能を有し、次の安定振動期がくるまでの期間、保持していた検出値を継続して出力することを特徴とする角速度センサ。
【請求項１３】
請求項５〜１２のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数が前記ｆ０となるような制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１４】
請求項５〜１２のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数が前記ｆ０の近傍の所定周波数（前記ｆ０は除く）となるような制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の角速度センサにおいて、
駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、９０°の位相差を生じるような周波数を、周波数ｆ０とみなして、駆動信号に対する周波数制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された圧電素子からなることを特徴とする角速度センサ。
【請求項１７】
請求項１〜１５のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された変位電極と、この変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、によって構成される容量素子からなることを特徴とする角速度センサ。
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
前記可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
前記可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
前記可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
前記可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
前記駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して前記振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで前記検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側駆動用素子と前記Ｘ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＸ軸に沿って振動し、前記Ｙ軸正側駆動用素子と前記Ｙ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＹ軸に沿って振動し、前記４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＺ軸に沿って振動するように、前記可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有し、
前記検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側検出用素子と前記Ｘ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＸ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｙ軸正側検出用素子と前記Ｙ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＹ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｚ軸変位検出用素子は、前記振動子がＺ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有し、
前記検出回路は、
第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有し、
前記第１の半周期Ｔ１には、特定の駆動素子に前記振動子を第１の座標軸方向に振動させるための駆動信号を供給し、前記第２の半周期Ｔ２には、特定の駆動素子に前記振動子を第２の座標軸方向に振動させるための駆動信号を供給し、
前記第１の半周期Ｔ１において前記振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第１の座標軸方向に関する安定振動期の期間、前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第３の座標軸まわりの角速度を検出するとともに、前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記第２の座標軸まわりの角速度を検出し、
前記第２の半周期Ｔ２において前記振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第２の座標軸方向に関する安定振動期の期間、前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記第１の座標軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
検出回路が、検出用素子群から得られる信号に基づいて振動子の位相および振幅を測定する機能と、この測定値に基づいて、振動子の位相および振幅に対するフィードバック制御を行う機能と、を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の角速度センサにおいて、
特定の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、振動子を当該振動方向へ振動させるための駆動信号の供給開始時から、振動子が安定した振動状態になると予想される時点までの期間αを、（１／ｆ０）×５０≦α≦（１／ｆ０）×１２５の範囲に設定したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の角速度センサにおいて、
第１の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ１とし、第２の座標軸方向についての振動子の共振周波数をｆ２とした場合に、第１の半周期Ｔ１を、（１／ｆ１）×１００≦Ｔ１≦（１／ｆ１）×２５０の範囲に設定し、第２の半周期Ｔ２を、（１／ｆ２）×１００≦Ｔ２≦（１／ｆ２）×２５０の範囲に設定したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項５】
ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
前記可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
前記可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
前記可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
前記可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
前記検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、前記駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して前記振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで前記検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側駆動用素子と前記Ｘ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＸ軸に沿って振動し、前記Ｙ軸正側駆動用素子と前記Ｙ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＹ軸に沿って振動し、前記４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＺ軸に沿って振動するように、前記可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有し、
前記検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側検出用素子と前記Ｘ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＸ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｙ軸正側検出用素子と前記Ｙ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＹ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｚ軸変位検出用素子は、前記振動子がＺ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有し、
前記検出回路は、
第１の半周期Ｔ１と第２の半周期Ｔ２とによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有し、
前記第１の半周期Ｔ１には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されており、前記第２の半周期Ｔ２には、何ら交流信号が配されていない、第１の駆動信号を発生する第１の駆動信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔ１には、何ら交流信号が配されておらず、前記第２の半周期Ｔ２には、所定の周波数および振幅をもった交流信号が配されている、第２の駆動信号を発生する第２の駆動信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔ１には、前記第１の駆動信号の正側のピークに同期した位置に前記第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第２の半周期Ｔ２には、前記第２の駆動信号の正側のピークに同期した位置に前記第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号を発生する正側同期検波信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔ１には、前記第１の駆動信号の負側のピークに同期した位置に前記第１の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第２の半周期Ｔ２には、前記第２の駆動信号の負側のピークに同期した位置に前記第２の駆動信号の周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号を発生する負側同期検波信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔ１において前記振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期を示す第１の検波イネーブル信号を発生する第１の検波イネーブル信号発生部と、
前記第２の半周期Ｔ２において前記振動子が安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期を示す第２の検波イネーブル信号を発生する第２の検波イネーブル信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔ１には、前記振動子を第１の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に前記第１の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給し、前記第２の半周期Ｔ２には、前記振動子を第２の座標軸方向に振動させるために必要な駆動用素子に前記第２の駆動信号もしくはその位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
前記第１の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、第３の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第１の角速度検出部と、
前記第１の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記第２の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第２の角速度検出部と、
前記第２の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子のコリオリ力に起因した前記第３の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記第１の座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する第３の角速度検出部と、
前記第１の安定振動期の期間、前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の振幅を測定する第１の振幅測定部と、
前記第１の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第１の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の位相を測定する第１の位相測定部と、
前記第２の安定振動期の期間、前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の振幅を測定する第２の振幅測定部と、
前記第２の安定振動期の期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより前記検出用素子群から得られる前記振動子の前記第２の座標軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子の位相を測定する第２の位相測定部と、
前記第１の振幅測定部によって測定された振幅および前記第１の位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記第１の駆動信号発生部が発生する前記第１の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、前記第２の振幅測定部によって測定された振幅および前記第２の位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記第２の駆動信号発生部が発生する前記第２の駆動信号の周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えることを特徴とする角速度センサ。
【請求項６】
ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
中心位置にＺ軸が通り、ＸＹ平面に平行な上面を有する可撓性支持体と、
前記可撓性支持体の下面中央に接合された振動子と、
前記可撓性支持体の周囲を固定する固定部材と、
前記可撓性支持体の上方に配置された駆動用素子群と、
前記可撓性支持体の上方に配置された検出用素子群と、
前記検出用素子群から得られる検出信号に基づく制御を行いながら、前記駆動用素子群に対して交流駆動信号を供給して前記振動子を所定の座標軸方向に振動させ、所定のタイミングで前記検出用素子群から得られる検出信号を用いて、各座標軸まわりの角速度を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記駆動用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側駆動用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側駆動用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側駆動用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側駆動用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側駆動用素子と前記Ｘ軸負側駆動用素子とに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＸ軸に沿って振動し、前記４組の駆動用素子のすべてに交流駆動信号を供給すると前記振動子がＺ軸に沿って振動するように、前記可撓性支持体の個々の配置位置にそれぞれ特定の撓みを生じさせる機能を有し、
前記検出用素子群は、ＸＹ平面上に投影したときに、Ｘ軸正の領域に配置されたＸ軸正側検出用素子と、Ｘ軸負の領域に配置されたＸ軸負側検出用素子と、Ｙ軸正の領域に配置されたＹ軸正側検出用素子と、Ｙ軸負の領域に配置されたＹ軸負側検出用素子と、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となるように配置されたＺ軸変位検出用素子と、によって構成され、前記Ｘ軸正側検出用素子と前記Ｘ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＸ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｙ軸正側検出用素子と前記Ｙ軸負側検出用素子とは、前記振動子がＹ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち互いに逆極性の検出信号を出力し、前記Ｚ軸変位検出用素子は、前記振動子がＺ軸方向に変位したときに前記可撓性支持体に生じる撓みに起因して、当該変位に応じた絶対値をもち変位方向に応じた極性の検出信号を出力する機能を有し、
前記検出回路は、
第１の半周期Ｔｚと第２の半周期Ｔｘとによって構成される周期Ｔについて、周期的動作を実行する機能を有し、
前記第１の半周期Ｔｚには、所定の周波数ｆｚおよび振幅Ａｚをもった交流信号が配されており、前記第２の半周期Ｔｘには、何ら交流信号が配されていない、Ｚ軸駆動信号ＤｒＺを発生するＺ軸駆動信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔｚには、何ら交流信号が配されておらず、前記第２の半周期Ｔｘには、所定の周波数ｆｘおよび振幅Ａｘをもった交流信号が配されている、Ｘ軸駆動信号ＤｒＸを発生するＸ軸駆動信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔｚには、前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの正側のピークに同期した位置に前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第２の半周期Ｔｘには、前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの正側のピークに同期した位置に前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、正側同期検波信号ＳｄＡを発生する正側同期検波信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔｚには、前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの負側のピークに同期した位置に前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配され、前記第２の半周期Ｔｘには、前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの負側のピークに同期した位置に前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの周期の１／２以下のパルス幅をもったパルスが周期的に配されている、負側同期検波信号ＳｄＢを発生する負側同期検波信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔｚにおいて前記振動子がＺ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第１の安定振動期βｚを示すＺ軸検波イネーブル信号ＥｎＺを発生するＺ軸検波イネーブル信号発生部と、
前記第２の半周期Ｔｘにおいて前記振動子がＸ軸に沿って安定した振動状態を維持すると予想される第２の安定振動期βｘを示すＸ軸検波イネーブル信号ＥｎＸを発生するＸ軸検波イネーブル信号発生部と、
前記第１の半周期Ｔｚには、前記４組の駆動用素子のすべてに前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺを供給し、前記第２の半周期Ｔｘには、前記Ｘ軸正側駆動用素子に前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸを供給し前記Ｘ軸負側駆動用素子に前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの位相反転信号を供給するマトリクス変換器と、
前記第１の安定振動期βｚの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Ｘ軸正側検出用素子の検出信号と前記Ｘ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを示す電気信号を出力するＹ軸まわり角速度検出部と、
前記第１の安定振動期βｚの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Ｙ軸正側検出用素子の検出信号と前記Ｙ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを示す電気信号を出力するＸ軸まわり角速度検出部と、
前記第２の安定振動期βｘの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Ｙ軸正側検出用素子の検出信号と前記Ｙ軸負側検出用素子の検出信号との差を示す検出値に基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを示す電気信号を出力するＺ軸まわり角速度検出部と、
前記第１の安定振動期βｚの期間、前記Ｚ軸変位検出用素子から得られる前記振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のＺ軸方向の振幅を測定するＺ軸振幅測定部と、
前記第１の安定振動期βｚの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Ｚ軸変位検出用素子から得られる前記振動子のＺ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のＺ軸方向の位相を測定するＺ軸位相測定部と、
前記第２の安定振動期βｘの期間、前記Ｘ軸正側検出用素子の検出信号と前記Ｘ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる前記振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のＸ軸方向の振幅を測定するＸ軸振幅測定部と、
前記第２の安定振動期βｘの期間、前記正側同期検波信号および前記負側同期検波信号を利用することにより、前記Ｘ軸正側検出用素子の検出信号と前記Ｘ軸負側検出用素子の検出信号との差として得られる前記振動子のＸ軸方向への変位を示す検出値に基づいて、前記振動子のＸ軸方向の位相を測定するＸ軸位相測定部と、
前記Ｚ軸振幅測定部によって測定された振幅および前記Ｚ軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記Ｚ軸駆動信号発生部が発生する前記Ｚ軸駆動信号ＤｒＺの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するとともに、前記Ｘ軸振幅測定部によって測定された振幅および前記Ｘ軸位相測定部によって測定された位相に基づいて、前記Ｘ軸駆動信号発生部が発生する前記Ｘ軸駆動信号ＤｒＸの周波数および振幅が所定の基準周波数および基準振幅となるようにフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を備えることを特徴とする角速度センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の角速度センサにおいて、
マトリクス変換器が、
「ＤｒＺ＋ＤｒＸ」なる和信号を生成してＸ軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ−ＤｒＸ」なる差信号を生成してＸ軸負側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ」をＹ軸正側駆動用素子に供給する回路と、
「ＤｒＺ」をＹ軸負側駆動用素子に供給する回路と、
を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
角速度検出部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
前記正側積算器の積算値と前記負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路ＳＤを有し、前記差分器によって求められた差に相当する電気信号を角速度を示す信号として出力することを特徴とする角速度センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路ＳＤに与えるゲートスイッチＳＷを、更に有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項１０】
請求項５〜９のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
位相測定部が、
与えられた信号の信号値を、正側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する正側積算器と、
与えられた信号の信号値を、負側同期検波信号のパルスが与えられている間だけ積算する負側積算器と、
前記正側積算器の積算値と前記負側積算器の積算値との差を出力する差分器と、
によって構成される同期検波回路ＳＤを有し、前記差分器によって求められた差に相当する電気信号を位相の測定値を示す信号として出力することを特徴とする角速度センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の角速度センサにおいて、
位相測定部が、安定振動期の期間だけ検出値を通過させ、これを同期検波回路ＳＤに与えるゲートスイッチＳＷを、更に有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項１２】
請求項５〜１１のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
角速度検出部が、安定振動期でなくなったときに、直前の検出値を保持する機能を有し、次の安定振動期がくるまでの期間、保持していた検出値を継続して出力することを特徴とする角速度センサ。
【請求項１３】
請求項５〜１２のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数が前記ｆ０となるような制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１４】
請求項５〜１２のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
フィードバック制御部が、半周期ごとのフィードバック制御を行う際に、当該半周期の振動方向についての振動子の共振周波数をｆ０とした場合に、駆動信号の周波数が前記ｆ０の近傍の所定周波数（前記ｆ０は除く）となるような制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の角速度センサにおいて、
駆動信号の位相と、位相測定部によって測定された振動子の位相とが、９０°の位相差を生じるような周波数を、周波数ｆ０とみなして、駆動信号に対する周波数制御を行うことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された圧電素子からなることを特徴とする角速度センサ。
【請求項１７】
請求項１〜１５のいずれかに記載の角速度センサにおいて、
駆動用素子群および検出用素子群を構成する個々の素子が、可撓性支持体の上面に固定された変位電極と、この変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、によって構成される容量素子からなることを特徴とする角速度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−３８９５５（Ｐ２０１１−３８９５５Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８８２１８（Ｐ２００９−１８８２１８）
【出願日】平成２１年８月１７日（２００９．８．１７）
【出願人】（３９００１３３４３）株式会社ワコー (34)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１７日（２００９．８．１７）
【出願人】（３９００１３３４３）株式会社ワコー (34)
【Ｆターム（参考）】
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