JP7614666B2

JP7614666B2 - 磁場センサおよび磁場検出方法

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Publication number: JP7614666B2
Application number: JP2023543609A
Authority: JP
Inventors: 貴城塚本; 秀治田中
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2021-08-27
Filing date: 2021-08-27
Publication date: 2025-01-16
Anticipated expiration: 2041-08-27
Also published as: WO2023026470A1; JPWO2023026470A1

Description

本発明は、磁場センサおよび磁場検出方法に関し、例えば、単一（１個）のモードマッチ（直交する２軸の共振周波数が一致）した２次元振動子を有するジャイロ装置を用いた磁場センサおよび磁場検出方法に関する。

従来から、磁場の大きさや方向を検出するための磁場センサ（磁気センサ等とも称される）が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、ホールセンサ等の半導体素子を使用した磁場センサが開示されている。

特表２０１６－５１０１１６号公報

特許文献１に記載されているような、ホールセンサ等の半導体素子を用いた磁場センサは温度依存性を有するため、温度の変化に対して頑強ではない。このため、温度の変化によって磁場の測定精度が悪化してしまう虞がある。したがって、温度の変化に対して頑強な磁場センサが望まれている。

本発明の目的の一つは、これらの問題を解決するための新規かつ有用な磁場センサおよび磁場検出方法を提供することにある。

本発明の一の態様は、
第１回転振動モードに対応する駆動信号および第２回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動され、さらに、第１回転振動モードに対応する第１電流信号および第２回転振動モードに対応する第２電流信号が入力される単一の２次元振動子と、
２次元振動子から出力される信号から、第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第１検出部と、
２次元振動子から出力される信号から、第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第２検出部と、
第１検出部によって検出された位相に基づいて、第１回転振動モードに対応する第１共振周波数を出力する第１発振回路と、
第２検出部によって検出された位相に基づいて、第２回転振動モードに対応する第２共振周波数を出力する第２発振回路と、
第１共振周波数と第２共振周波数との差分に基づいて、磁場を検出する磁場検出部と
を備える
磁場センサである。

また、本発明の他の態様は、
２次元振動子に対して、第１回転振動モードに対応する駆動信号および第２回転振動モードに対応する駆動信号、および、第１回転振動モードに対応する第１電流信号および第２回転振動モードに対応する第２電流信号が入力され、
第１検出部が、２次元振動子から出力される信号から、第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２検出部が、２次元振動子から出力される信号から、第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第１発振回路が、第１検出部によって検出された位相に基づいて、第１回転振動モードに対応する第１共振周波数を出力し、
第２発振回路が、第２検出部によって検出された位相に基づいて、第２回転振動モードに対応する第２共振周波数を出力し、
磁場検出部が、第１共振周波数と第２共振周波数との差分に基づいて、磁場を検出する
磁場検出方法である。

本発明によれば、温度の変化に頑強な磁場センサおよび磁場検出方法を提供できる。なお、本明細書により例示された効果により、本発明の内容が限定して解釈されるものではない。

本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。本発明の前提となる技術についての説明がなされる際に参照される図である。一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。一実施形態の概要についての説明がなされる際に参照される図である。一実施形態に係る２次元振動子の構成例を説明するための図である。一実施形態に係る磁場センサの構成例を示すブロック図である。一実施形態により得られる効果の一例を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
＜本発明の前提となる技術について＞
＜一実施形態＞
＜変形例＞
以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。

＜本発明の前提となる技術について＞
本特許出願の発明者は、先に、ジャイロ装置およびジャイロ装置の制御方法を提案している。提案内容は、特許文献である特開２０２０－１６９８１９号公報として公開されている。本特許出願は、当該特許文献に記載された内容を適用することができる。本発明は、概略的には、上記特許文献に記載されたジャイロ装置を改良した磁場センサ、すなわち、FM(Frequency Modulation)ジャイロスコープの原理を応用した磁場センサである。そこで、本発明の理解を容易とするために、本発明の前提となる上記特許文献に記載された内容について簡単に説明する。なお、本発明は、上記特許文献に記載の内容を必ずしも全て含む必要は無く、その一部が用いられる態様であってもよい。

まず始めに、一般的なジャイロ装置（ジャイロスコープ）について説明する。なお、以下の説明では、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）を使用した小型の振動型ジャイロ装置を例にして説明する。ジャイロ装置は、回転の角速度（以下、回転角速度と適宜、称する）を検出する。回転角速度Ω_zを検出する方法として、複数の方法が知られている。第１の方法として、AM（Amplitude Modulation）モードと称される方法が知られている。AMモードでは、ドライブ軸（例えばX軸）方向に振動を与えたときに、コリオリ力によって変化するセンス軸（例えばY軸）方向の振幅（変位）を計測することで角速度を得る。センス軸方向の振幅が回転角速度Ω_zに比例することから、当該振幅を検出することにより回転角速度Ω_zを検出することができる。AMモードでは、ドライブ軸方向に与えられる振動がセンス軸方向を直接励振してしまう点を考慮して、ドライブ軸、センス軸方向における共振周波数が異なるように設定される（モードミスマッチ）。しかしながら、AMモードでは、共振周波数から離れた周波数で計測を行うため，感度が低下する等の問題がある。また、AMモードでは、感度と測定帯域に原理的にトレードオフがあり、高感度と広帯域を両立させることは不可能である。

第２の方法は、フォースリバランスと呼ばれる方法であり、AMモードのセンス軸方向の振幅が常に０になるようにフィードバック制御をかけ、そのフィードバック信号の大きさから回転角速度を得る方法である。この場合は、ドライブ軸とセンス軸の共振周波数を合わせた（モードマッチさせた）振動子を用いることができる。しかしながら、スケールファクタ（回転角速度に対する出力の大きさ）が、温度等により変動してしまう等の問題がある。

以上のような第１、第２の方法の問題に鑑み、後述する実施形態では、FMモードによるジャイロ装置の駆動を採用している。FMモードの特徴としては、他の方法に比べ、感度（スケールファクタ）が正確で安定する、原理的に温度特性に優れている、ダイナミックレンジに制限がない等の利点を有している点が挙げられる。

ここでFMモードの基本的な原理について説明する。なお、FMモードの原理そのものは公知であるのでここでは概略的な説明に留める。FMモードのジャイロは、直交（独立）する２軸方向に振動する振動子（共振子、共振器とも称される）で構成される。FMモードでは、各軸における共振周波数を一致させた振動子（モードマッチ）を用いる。この状態において、振動子に対して回転角速度が与えられた時、下記の数式１で表される関係が成り立つことが知られている。なお、数式１におけるλは共振周波数、ωは回転を与えていない場合の共振周波数（モードマッチしてあるので、２軸ともに同じ共振周波数）、Ω_zは振動子に与えられる回転角速度を表している。

なお、以下で言及する振動は直線振動（例えばX方向、Y方向）に限らず、モードマッチした直交振動モードであれば、どのような振動でも利用できる。例えば、リング型の共振器の場合は、図１、２に示すように、直交する２つの振動は必ずしも単純な直線振動にはならないが、それぞれの振動モードにおける変位の状態をモード座標（一般化座標）で表すと、直線振動と全く同じように扱うことができる。以下では、これらのモード座標（一般化座標）も含めて、一つのモードを"X軸（もしくはX方向）"、これと直交するモードを"Y軸（もしくはY方向）"と呼ぶ（なお、図１、２におけるモード１、２は数学的、もしくは振動学的に直交している状態を示している）。

数式１から下記の数式２が導出される。

すなわち、数式２により示されるように、回転が与えられない時にはX軸、Y軸方向の共振周波数が一致していた、すなわちモードマッチしていたものが、回転を与えることにより共振周波数λがω＋Ω_zとω－Ω_zとに分かれる。この２つの共振周波数をλ₁、λ₂とすると、共振周波数λ_1、λ₂の差（ずれ）が回転角速度Ω_zに比例することから、２つの共振周波数をλ₁、λ₂を検出すれば、下記の数式３により回転角速度Ω_zを得ることができる。

ここで、λ₁（＝ω＋Ω_z）に対応する運動は時計回り（CW）に対応しており、λ₂（＝ω－Ω_z）に対応する運動は反時計回り（CCW）に対応している。すなわち、モードマッチしている振動子に回転が与えられた場合には、固有振動モードは直線（X方向もしくはY方向単独の振動）ではなく、回転振動（X方向とY方向の振動の位相が±90度(°)ずれている２次元振動）になる。なお、実際の振動子の回転は、これらCWモードおよびCCWモードの重ねあわせとなる。

「各モードの成分の検出方法について」
以上、FMモードについて説明した。例えば、上述したFMモードで２次元にモードマッチした１個の振動子（以下、２次元振動子と適宜、称する）を励振させる制御が行われる。したがって、回転角速度Ω_zを得るためには、２次元振動子の回転振動（出力）に含まれるCWモード（第１回転振動モード）の成分とCCWモード（第２回転振動モード）の成分を独立して検出する必要がある。そこで、次に、２次元振動子の出力からCWモードの成分とCCWモードの成分を分離して検出する方法について説明する。

図３は、一般的な同期検波方式を説明するための図である。入力信号(Signal)SIにある所定の振幅（Amplitude）および位相(Phase)を有する信号が入力される。入力信号SIが分岐され、乗算器（ミキサ）１、３のそれぞれに入力される。同期検波方式では、位相を90度ずらした２つの信号を参照信号として使用し、この参照信号を別々の乗算器１、３で乗算した後、フィルタ処理を行うことで復調出力を得る。例えば、参照信号としてcos波およびsin波が使用され、入力信号SIにcos波を乗算する処理が乗算器１により行われ、入力信号SIにsin波を乗算する処理が乗算器３により行われる。

乗算器１から出力される信号がLPF(Low Pass Filter)２に入力されフィルタ処理がなされる。LPF２によるフィルタ処理により、LPF２からは、参照信号（本例ではcos波）と同じ周波数であり、且つ、同じ位相を持つ成分のみが出力される。

一方、乗算器３から出力される信号がLPF４に入力され、フィルタ処理がなされる。LPF４によるフィルタ処理により、LPF４からは、乗算器３における参照信号(本例ではsin波)と同じ周波数であり、且つ、同じ位相を持つ成分のみが出力される。

LPF２、４からの出力により入力信号SIが復調され、復調出力に基づいて入力信号SIの振幅ｒと位相θとが検出される。

この同期検波方式を発展、応用してCWモードの成分とCCWモードの成分とを検出する処理が行われる。なお、以下の説明では、２次元振動子内に生じているCWモードとCCWモードとが組み合わさった信号から、CWモードの成分のみを検出する例について説明するが、同様の処理によりCCWモードの成分を検出することができる。

図４は、入力信号SIからCWモードの成分を検出する方法を説明するための図である。入力信号SIとして、２次元振動子から出力される信号が入力される。２次元振動子を使用した場合には、図示するように、X、Y方向の成分を含むベクトル的な表記で入力信号SIを示すことができる。

入力信号SIが分岐され、乗算器１、３のそれぞれに入力される。参照信号として信号CW-I(In phase)、CW-Q(Quadrature Phase)が使用され、入力信号SIに信号CW-Iを乗算する処理が乗算器１により行われ、入力信号SIに信号CCW-Iを乗算する処理が乗算器３により行われる。信号CW-I、信号CW-Qは、図４にシンボル的に示されているように、振幅、周波数、回転方向は同じで位相が90度ずれている信号である。

入力信号SIに対して信号CW-Iが乗算器１により乗算され、その出力がLPF２に供給される。入力信号SIに対して信号CW-Qが乗算器３により乗算され、その出力がLPF４に供給される。LPF２、４のそれぞれによるフィルタ処理の結果、入力信号SIが復調され、復調出力に基づいて入力信号SIに含まれるCWモードの成分の振幅ｒおよび位相θを検出することができる。

図５は、上述した乗算器１、３の詳細な構成例を説明するための図である。乗算器１は、例えば、乗算器１ａと、乗算器１ｂと、加算器１ｃとを備えている。乗算器３は、例えば、乗算器３ａと、乗算器３ｂと、加算器３ｃとを備えている。

上述したように、２次元振動子の場合は入力信号SIとしてX軸、Y軸方向の信号（振幅）（以下、信号SIX、SIYと適宜、称する）が乗算器１に入力される。乗算器１ａは、信号SIXに対して信号CW-IのX軸方向の成分を乗算し、乗算器１ｂは、信号SIYに対して信号CW-IのY軸方向の成分を乗算する。加算器１ｃは、乗算器１ａ、１ｂの出力を加算してLPF２に出力する。

乗算器３ａは、信号SIXに対して信号CW-QのX軸方向の成分を乗算し、乗算器３ｂは、信号SIYに対して信号CW-QのY軸方向の成分を乗算する。加算器３ｃは、乗算器３ａ、３ｂの出力を加算してLPF４に出力する。

上述した方法により、２次元振動子の出力に含まれるCWモードの成分を検出できる点について、図６乃至図９を参照して更に詳細に説明する。図６に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例である。なお、本例では、CW-IのX軸方向の信号をsin波とし、Y軸方向の信号をcos波としている。入力信号SIが信号CW-Iの成分のみと仮定した場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ａとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ａとなる。各乗算器の出力を加算器１ｃで加算した信号の波形は、波形WA３ａとなる。この信号波形をLPF２に通すと、LPF２によるフィルタ処理は平均を得る処理と等価の処理であることから、得られる信号の波形は波形WA３ａと同様の波形WA４ａ（直流成分）となる。すなわち、入力信号SIに信号CW-Iの成分が含まれる場合は、信号CW-Iを使用した検波によりその成分を検出することができる。

図７に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと位相が90度異なる信号CW-Qの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ｂとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ｂとなる。これらの波形の出力を加算器１ｃで加算した信号は図示する通り０となり、したがって、LPF２の出力も図示する通り０となる。

図８に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと回転方向が異なる反時計回りの信号CCW-Iの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ｃとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ｃとなる。各乗算器の出力を加算器１ｃで加算した信号の波形は、０を中心として対称となる波形WA３ｃとなる。この波形WA３ａの信号をLPF２に通すとその出力は図示する通り０となる。

図９に示される例は、参照信号として信号CW-Iを使用して検波する例であるが、入力信号SIが信号CW-Iと回転方向が異なる反時計回りの信号であり、信号CCW-Iと位相が90度異なる信号CCW-Qの成分のみと仮定した例である。この場合には、乗算器１ａの出力波形は波形WA１ｄとなり、乗算器１ｂの出力波形は波形WA２ｄとなる。各乗算器の出力を加算器１ｃで加算した信号の波形は、０を中心として対称となる波形WA３ｄとなる。この波形WA３ｄの信号をLPF２に通すとその出力は図示の通り０となる。

すなわち、２次元振動子内に生じている任意の２次元振動（CW-I,CW-Q,CCW-I,CCW-Qの線型結合で表される）を、信号CW-Iを参照信号として同期検波ですると、２次元振動子の出力信号に含まれる信号CW-Iの成分のみが得られる。このことは参照信号として他の信号を使用した場合の検出される成分についても当てはまる。以上をまとめると下記の表１が得られる。

表１に示すように、２次元振動子の出力に信号CW-Qの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CW-Qとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が０となる。２次元振動子の出力に信号CCW-Iの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CCW-Iとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が０となる。２次元振動子の出力に信号CCW-Qの成分が含まれている場合には、参照信号を信号CCW-Qとして検波できる一方、他の信号の成分については出力が０となる。つまり、例えば２個の検出器を設け、各検出器における参照信号を信号CW-Iおよび信号CW-Qの組合せ、信号CCW-Iおよび信号CCW-Qの組合せにそれぞれ設定すれば、２次元振動子の出力からCWモードの成分およびCCWモードの成分を独立して検出できることになる。

以上の説明を踏まえて、角速度を検出可能なジャイロ装置（ジャイロ装置１０）について説明する。図１０は、ジャイロ装置１０の構成例を示す図である。ジャイロ装置１０は、例えば、単一の２次元振動子１５と、駆動信号生成部２０と、第１検出部３０ａと、第１発振回路の一例としての第１PLL(Phase Locked Loop)回路４０ａと、第１AGC(Automatic Gain Control)部５０ａと、第２検出部３０ｂと、第２発振回路の一例としての第２PLL回路４０ｂと、第２AGC部５０ｂと、２次元振動子１５の入力側に設けられた増幅器６１ａ、６１ｂと、２次元振動子１５の出力側に設けられた増幅器６２ａ、６２ｂとを備えている。

なお、図示は省略しているが、ジャイロ装置１０は、DA(Digital to Analog)変換器およびAD(Analog to Digital)変換器を備え、デジタル信号処理により各処理を行うようにしても良い。この場合、DA変換器は、例えば、増幅器６１ａ、６１ｂの前段に設けられ、駆動信号生成部２０から出力されるデジタル形式の駆動信号をアナログ形式に変換するように構成される。また、AD変換器は、例えば、増幅器６２ａ、６２ｂの後段に設けられ、２次元振動子１５から出力されるアナログ形式の信号をデジタル形式に変換するように構成される。

２次元振動子１５は、例えば、リング形状を成しCWモードおよびCCWモードのそれぞれに対応した駆動信号により励振可能な振動部材である。なお、２次元振動子１５の形状はリング形状に限定されるものではなく、正四角板、円柱、正四角柱、４個のマスを使用した４重マス型等、任意の形状とすることが可能である。

駆動信号生成部２０は、CWモードに対応する駆動信号（第１駆動信号）およびCCWモードに対応する駆動信号（第２駆動信号）を多重化した駆動信号を２次元振動子１５に供給する。駆動信号生成部２０から供給される駆動信号により２次元振動子１５が励振させられる。本例では、CWモードに対応するX軸方向の駆動信号としてcos波（以下、cos_cw信号と表記する）、Y軸方向の駆動信号として-sin波（以下、-sin_cw信号と表記する）を用いている。なお、駆動信号は、Y方向信号がX方向信号に比べて90度位相が進んでいれば、必ずしもcos波、-sin波である必要はない。また、CCWモードに対応するX軸方向の駆動信号として-cos波（以下、-cos_CCW信号と表記する）、Y軸方向の駆動信号として-sin波（以下、-sin_CCW信号と表記する）を用いている。なお、駆動信号は、Y方向信号がX方向信号に比べて90度位相が遅れていれば、必ずしも-cos波、-sin波である必要はない。駆動信号生成部２０は、例えば、第１PLL回路４０ａからフィードバックされる信号に基づいてCWモードに対応する駆動信号を生成し、第２PLL回路４０ｂからフィードバックされる信号に基づいてCCWモードに対応する駆動信号を生成する。駆動信号生成部２０は、例えば、乗算器２０１と、乗算器２０２と、乗算器２０３と、乗算器２０４と、加算器２０５と、加算器２０６とを備えている。

第１検出部３０ａは、２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分の振幅r_cwおよび位相θ_cwを検出する。なお、第１検出部３０ａの詳細については後述する。

第１PLL回路４０ａは、位相比較器４１ａと、PID(Proportional Integral Differential)制御部４２ａと、VCO(Voltage Controlled Oscillator)やNCO（Numerical Controlled Oscillator）等の発振周波数を変化することができる発振器４３ａとを備えている。図示が煩雑となることを防止するために詳細な図示を省略しているが、第１PLL回路４０ａの出力（全ての出力でもよいし一部の出力でもよい）が駆動信号生成部２０、第１検出部３０ａのそれぞれにフィードバックされるように構成されている。

第１AGC部５０ａは、振幅比較器５１ａと、PID制御部５２ａとを備えている。第１AGC部５０ａの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされるように構成されている。

第２検出部３０ｂは、２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分の振幅r_CCWおよび位相θ_CCWを検出する。なお、第２検出部３０ｂの詳細については後述する。

第２PLL回路４０ｂは、位相比較器４１ｂと、PID制御部４２ｂと、VCOやNCO等の発振周波数を変化することができる発振器４３ｂとを備えている。図示が煩雑となることを防止するために詳細な図示を省略しているが、第２PLL回路４０ｂの出力（全ての出力でもよいし一部の出力でもよい）が駆動信号生成部２０、第２検出部３０ｂのそれぞれにフィードバックされるように構成されている。

第２AGC部５０ｂは、振幅比較器５１ｂと、PID制御部５２ｂとを備えている。第２AGC部５０ｂの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされるように構成されている。

図１１は、第１検出部３０ａの構成例を説明するための図である。第１検出部３０ａは、２次元振動子１５から出力される信号が分岐されて入力される検出器３１ａ、３２ａと、検出器３１ａの出力にフィルタ処理を行うLPF３３ａと、検出器３２ａの出力にフィルタ処理を行うLPF３４ａと、LPF３３ａおよびLPF３４ａからの出力に基づいて２次元振動子１５の出力信号に含まれるCW成分の振幅ｒ_cwおよび位相θ_cwを検出する振幅位相検出部３５ａとを備えている。

検出器３１ａは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３１０ａと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３１１ａと、乗算器３１０ａ、３１１ａのそれぞれの出力を加算する加算器３１２ａとを備えている。検出器３２ａは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３２０ａと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３２１ａと、乗算器３２０ａ、３２１ａのそれぞれの出力を加算する加算器３２２ａとを備えている。

なお、本例では、X軸方向のCW-I成分をsin信号とし、Y軸方向のCW-I成分をcos信号とし、X軸方向のCW-Q成分をcos信号とし、Y軸方向のCW-Q成分を-sin信号としている。

図１２は、第２検出部３０ｂの構成例を説明するための図である。第２検出部３０ｂは、２次元振動子１５からの信号が分岐されて入力される検出器３１ｂ、３２ｂと、検出器３１ｂの出力にフィルタ処理を行うLPF３３ｂと、検出器３２ｂの出力にフィルタ処理を行うLPF３４ｂと、LPF３３ｂおよびLPF３４ｂからの出力に基づいて２次元振動子１５の出力信号に含まれるCCW成分の振幅ｒ_CCWおよび位相θ_CCWを検出する振幅位相検出部３５ｂとを備えている。

検出器３１ｂは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３１０ｂと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３１１ｂと、乗算器３１０ｂ、３１１ｂのそれぞれからの出力を加算する加算器３１２ｂとを備えている。検出器３２ｂは、２次元振動子１５からの出力のうちX軸方向の成分が入力される乗算器３２０ｂと、２次元振動子１５からの出力のうちY軸方向の成分が入力される乗算器３２１ｂと、乗算器３２０ｂ、３２１ｂのそれぞれの出力を加算する加算器３２２ｂとを備えている。

なお、本例では、X軸方向のCCW-I成分を-sin信号とし、Y軸方向のCCW-I成分をcos信号とし、X軸方向のCCW-Q成分を-cos信号とし、Y軸方向のCCW-Q成分を-sin信号としている。

次に、ジャイロ装置１０の動作例について図１０～図１２を参照しながら説明する。駆動信号生成部２０は、２次元振動子１５に対する駆動信号を生成する。cos_cw信号および-sin_cw信号のそれぞれに対して、PID制御部５２ａからフィードバックされた信号が乗算器２０１、２０２で乗算された後、乗算器２０１からの出力信号が加算器２０５に供給され、乗算器２０２からの出力信号が加算器２０６に供給される。-cos_CCW信号および-sin_CCW信号のそれぞれに対して、PID制御部５２ｂからフィードバックされた信号が乗算器２０３、２０４で乗算された後、乗算器２０３からの出力信号が加算器２０５に供給され、乗算器２０４からの出力信号が加算器２０６に供給される。加算器２０５は、乗算器２０１からの出力信号と乗算器２０３からの出力信号とを加算して出力する。加算器２０５からの出力信号が増幅器６１ａにより適宜な増幅率でもって増幅された後、２次元振動子１５に入力X_dとして入力される。一方、加算器２０６は、乗算器２０２からの出力信号と乗算器２０４からの出力信号とを加算して出力する。加算器２０６からの出力信号が増幅器６１ｂにより適宜な増幅率でもって増幅された後、２次元振動子１５に入力Y_dとして入力される。

入力X_d、Y_dによって２次元振動子１５が励振され、２次元振動子１５からの出力X_s、Y_sが得られる。２次元振動子１５からの出力X_s、Y_sが増幅器６２ａ、６２ｂによって適宜な増幅率でもって増幅された後、出力X_sが分岐されて第１、第２検出部３０ａ、３０ｂのそれぞれに入力され、出力Y_sが分岐されて第１、第２検出部３０ａ、３０ｂのそれぞれに入力される。

第１検出部３０ａは、２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分を検出する。具体的には、第１検出部３０ａにおける検出器３１ａが信号CW-Iを使用して検波し、その結果にLPF３３ａによるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCW-I成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ａに供給する。また、第１検出部３０ａにおける検出器３２ａが信号CW-Qを使用して検波し、その結果にLPF３４ａによるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCW-Q成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ａに供給する。振幅位相検出部３５ａは、LPF３３ａおよびLPF３４ａからの出力に基づいて２次元振動子１５の出力信号に含まれるCW成分の振幅ｒ_cwおよび位相θ_cwを検出する。すなわち、既述したように、信号CW-I、信号CW-Qのそれぞれを参照信号として同期検波することで、２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分のみを検出することができる。

第１検出部３０ａにより検出された位相θ_cwが第１PLL回路４０ａに供給される。第１PLL回路４０ａにおける位相比較器４１ａは、位相θ_cwと設定位相θ_cw,set（以下の説明ではθ_cw,set =90°として話を進める）とを比較し、比較結果に基づいてPID制御部４２ａが位相θ_cwを90°すなわち共振周波数ｆ_cwとなる制御を実行する。PID制御部４２ａからの出力で発振器４３ａを制御し、これにより発振器４３ａからは共振周波数ｆ_cwの信号sin_cwおよび信号cos_cwが出力される。これらの信号が入力側にフィードバックされ、CWモードに対応する駆動信号の共振周波数が共振周波数ｆ_cwで維持される制御がなされる。また、信号sin_cwおよび信号cos_cwが第１検出部３０ａにフィードバックされ、これに基づいて参照信号としての信号CW-I、信号CW-Qが生成される。本例では、フィードバックされる信号と参照信号との間に、sin=sin_cw、cos=cos_cw、-sin=-1*sin_cwの関係が成り立っている。

第１検出部３０ａにより得られた振幅ｒ_cwが第１AGC部５０ａに供給される。第１AGC部５０ａにおける振幅比較器５１ａは、振幅ｒ_cwと所定の第１設定値R_set,cwとを比較し、比較結果に基づいてPID制御部５２ａが、振幅ｒ_cwが所定の第１設定値R_set,cwとなる制御を実行する。PID制御部５２ａからの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされ、CWモードに対応する駆動信号の振幅が第１設定値R_set,cwで維持されるようにゲインをコントロールする制御がなされる。

２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分を検出する系についても同様の処理が実行される。具体的には、第２検出部３０ｂにおける検出器３１ｂが信号CCW-Iを使用して検波し、その結果にLPF３３ｂよるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCCW-I成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ｂに供給する。また、第２検出部３０ｂにおける検出器３２ｂが信号CCW-Qを使用して検波し、その結果にLPF３４ｂによるフィルタ処理を行うことで２次元振動子１５の出力に含まれるCCW-Q成分を検出し、検出結果を振幅位相検出部３５ｂに供給する。振幅位相検出部３５ｂは、LPF３３ｂおよびLPF３４ｂからの出力に基づいて２次元振動子１５の出力信号に含まれるCCW成分の振幅ｒ_CCWおよび位相θ_CCWを検出する。すなわち、上述したように、信号CCW-I、信号CCW-Qのそれぞれを参照信号として同期検波することで、２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分のみを検出することができる。

第２検出部３０ｂにより得られた位相θ_CCWが第２PLL回路４０ｂに供給される。第２PLL回路４０ｂにおける位相比較器４１ｂは、位相θ_CCWと90°とを比較し、比較結果に基づいてPID制御部４２ｂが位相θ_CCWを０すなわち共振周波数ｆ_cwとなる制御を実行する。PID制御部４２ｂからの出力で発振器４３ｂを制御し、これにより発振器４３ｂからは位相が一致した換言すれば共振周波数ｆ_CCWの信号sin_CCWおよび信号cos_CCWが出力される。共振周波数ｆ_CCWが入力側にフィードバックされ、CCWモードに対応する駆動信号の共振周波数が共振周波数ｆ_CCWとなるように維持する制御がなされる。また、信号sin_CCWおよび信号cos_CCWが第２検出部３０ｂにフィードバックされ、これに基づいて参照信号としての信号CCW-I、信号CCW-Qが生成される。本例では、フィードバックされる信号と参照信号との間に、-sin=sin_ccw、cos=cos_ccw、-cos=-1*cos_ccw、の関係が成り立っている。

第２検出部３０ｂにより得られた振幅ｒ_CCWが第２AGC部５０ｂに供給される。第２AGC部５０ｂにおける振幅比較器５１ｂは、振幅ｒ_CCWと第２設定値R_set,CCWとを比較し、比較結果に基づいてPID制御部５２ｂが、振幅ｒ_CCWが第２設定値R_set,CCWとなる制御を実行する。PID制御部５２ｂからの出力が駆動信号生成部２０にフィードバックされ、CCWモードに対応する駆動信号の振幅が第２設定値R_set,CCWで維持されるようにゲインをコントロールする制御がなされる。

図１３は、ジャイロ装置１０における信号の流れを模式的に示した図である。図１３における太線が信号の流れを示している。２次元振動子１５の出力に含まれるCCW成分は第１検出部３０ａによりカットされ、CW成分のみが一方の系（図１３における上側の系）をループすることになる。２次元振動子１５の出力に含まれるCW成分は第２検出部３０ｂによりカットされ、CCW成分のみが他方の系（図１３における下側の系）をループすることになる。

次に、角速度検出部（角速度検出部７０）の構成例について説明する。なお、本例では、角速度検出部７０は、ジャイロ装置１０に組み込まれているものとして説明するが、他の装置に組み込まれていてもよい。

図１４は、角速度検出部７０の構成例を示す図である。角速度検出部７０は、例えば、減算器７１と、乗算器７２とを備えている。角速度検出部７０は、第１PLL回路４０ａから出力される共振周波数ｆ_cwおよび第２PLL回路４０ｂから出力される共振周波数ｆ_CCWを得、両共振周波数を減算器７１で減算し、その結果を乗算器７２で定数倍（角度ゲインが1である理想的な振動子の場合は１／２倍）する。すなわち、角速度検出部７０は、上述した数式３と同様の演算を行うことで回転角速度Ω_zを検出する。この回転角速度Ω_zを積分することでジャイロ装置１０は、回転した角度を検出することができる。

以上、説明したジャイロ装置１０によれば、単一の２次元振動子により構成しているので、装置を小型化することが可能となるとともに、複数の振動子を使用した場合のように振動子の特性や使用環境を一致させる必要がなくなる。さらに、２次元振動子の出力からCW、CCWモードに対応する成分を独立して検出することができ、それらの検出結果から回転角速度を検出し、最終的には回転した角度を検出することができる。

＜一実施形態＞
［概要］
本実施形態は、上述したジャイロ装置１０を改良することで温度依存性をキャンセルした磁場センサ（磁場センサ１０００）を実現する。始めに、図１５から図１８を参照しつつ、係る磁場センサの原理を概略的に説明する。

図１５は、上述したCWモードにおける２次元振動子１５の円運動を示し、図１６は、上述したCCWモードにおける２次元振動子１５の円運動を模式的に示した図である。図１５および図１６（図１７、図１８についても同様）では、２次元振動子１５を円形で示すマスと、当該マスを支持する４つのバネ（X方向およびY方向のそれぞれにおける一対のバネ）により模式的に示している。

２次元振動子１５は、x軸、y軸におけるバネ定数等が等価、換言すれば、縮退していることから、通常（磁場がかかっていないとき）は、各回転振動モードにおいて同じ周波数f₀で振動する。CWモードにおける回転運動の周波数をf_cwとし、CCWモードにおける回転運動の周波数をf_ccwとすると、f_cw＝f₀およびf_cｃw＝f₀が成り立つ。なお、f₀は、マスの質量とバネ定数により規定される周波数である。また、縮退とは、多数のモードで同じエネルギー（つまりは共振周波数）をもっていることであり、本例では、２次元振動子１５の共振周波数が、静止座標系において各回転振動モードで同じであることを意味する。

ここで、図１７に示すように、CWモードでの振動時に磁場（B_z）がある場合を考える。２次元振動子１５に対して、振動に同期して電流iを流す。磁場B_zがあることから、電流iを流すとローレンツ力F（F=I×BL)が発生する。振動と同期させることで、換言すれば、回転の接線方向に電流iを流すことにより、図１７に示すように、常に内向きのローレンツ力Fが発生する。なお、X方向に流れる電流とY方向に流れる電流の大きさの比や流す電流の量を変化させることにより、回転の接線方向に電流が等価的に流れるようにすることができる。

内向きのローレンツ力Fが発生することにより、バネの復元力が等価的に強められる。これにより共振周波数が高くなる。これを式で示すと下記の式（４）になる。

また、図１８に示すように、CCWモードでの振動時に磁場（B_z）がある場合を考える。２次元振動子１５に対して、振動に同期して電流iを流す。CCWモードで流す電流iの向きはCWモードで流す電流iの向きとは反対側になる。磁場B_zがあることから、電流iを流すとローレンツ力Fが発生する。振動と同期させることで、換言すれば、回転の接線方向に電流iを流すことにより、図１８に示すように、常に外向きのローレンツ力Fが発生する。なお、X方向に流れる電流とY方向に流れる電流の大きさの比や流す電流の量を変化させることにより、回転の接線方向に電流が等価的に流れるようにすることができる。

外向きのローレンツ力Fが発生することにより、バネの復元力が等価的に弱められる。これにより共振周波数が低くなる。これを式で示すと下記の式（５）になる。なお、ローレンツ力の向きは、CWモートとCCWモードにおいて反対に作用すれば、上記と逆の方向（つまり、CWモードで外向きのローレンツ力、CCWモードで内向きのローレンツ力）であってもよい。

以上の変化を式で表すと下記の式（６）になる。

式（６）に示すように、磁場があることで縮退が解け、各振動モードにおける振動の周波数が式（４）、式（５）に示したものになる。ここで、f₀は、２次元振動子１５のヤング率が温度によって変化する、すなわち、温度依存性を有する。しかしながら、周波数差(f_cw-f_ccw)はf₀がキャンセルされるため温度の影響を受けない。また、２次元振動子１５に流す電流はコントロール可能である。以上から、例えば、周波数差を測定した後に電流iの影響を演算により除去することにより磁場を測定することができる。上述したように周波数差は温度変化の影響を受けないことから、磁場を高精度に測定することが可能となる。

ところで、ジャイロ装置１０を磁場センサとして用いる場合には、磁場センサは角速度も検出する。磁場がない場合には、下記の式（７）に示すように、角速度で変調された周波数の項kΩが表れる(CWモードの場合)。

磁場がある場合は上述した式（４）で表すことができるから、式（４）と式（７）とにより下記の式（８）が導出される。

同様のことはf_CCWについてもあてはまる。以上から、ジャイロ装置１０を磁場センサとして用いた場合の周波数差Δf(f_cw-f_ccw)は、下記の式（９）で表される。

式（９）におけるΔfの式では、角速度依存の項２kΩと磁場および電流に依存する２Δf(I,B)の項（演算を行うことにより最終的には磁場そのものに対応する項）が表れる。図１９は、それぞれの項に対応する波形のスペクトルを模式的に示した図である。図１９の横軸は信号周波数を示し、縦軸は信号の大きさを示す。また、角速度依存の項２kΩに対応する波形が波形WA５であり、磁場および電流に依存する２Δf(I,B)の項に対応する波形が波形WA６である。

図１９に示すように、両波形は、一般に周波数領域で重なりあうため、このままでは、角速度と磁場とを分離することができず、両者を検出することができない。そこで、コントロール可能な電流iの大きさを、所定の周波数で変調する。所定の周波数（変調信号の周波数）は、検出されると想定される角速度の周波数（例えば、１００Hz）よりも高い周波数である。例えば、電流iを所定の周波数W_Bで変調する(i=i₀sin(W_B,t))。なお、第１周波数および第２周波数は同じでもよいし、異なっていてもよい。

これにより、図２０に模式的に示すように、磁場による周波数変動成分（本例における波形WA６）が高周波側に周波数シフトされる。これを式で表すと下記の式（１０）になる。

周波数W_Bで同期検波することにより磁場による周波数変動成分を検出することができる。電流iの大きさはわかっていることから、電流iで除算等することにより磁場の成分のみを検出することができる。

［２次元振動子の一例］
次に、本実施形態に適用可能な２次元振動子１５Ａについて説明する。２次元振動子１５Ａは、例えば、２次元振動子１５に電流を流すための構成を追加したものである。図２１は、２次元振動子１５Ａの構成例を示している。

２次元振動子１５Ａは、中央付近にマス１５１を有している。マス１５１の形状は矩形状に限定されることはなく、円形状等の他の形状であってもよい。また、マス１５１は原理的には１個でもよいが、複数個あってもよい。例えば、４個のマス１５１を用いることでQ値を上げることができる。

２次元振動子１５Ａは、２次元振動子１５と同様に縮退振動子であることから、X方向およびY方向のそれぞれにおいてそれぞれ対称且つ等価な構成を有している。係る構成には、概略的には、ドライブ電極、マス１５１と接続されドライブ電極で駆動されるシャトル、および、シャトルの変位を検出するセンス電極が含まれる。

例えば、X+側（図２１における右側）には、ドライブ電極１５１Ａが設けられる。ドライブ電極１５１Ａがシャトル１５１Ｂに接続されている。ドライブ電極１５１Ａの櫛歯電極に電圧が印加されることでシャトル１５１Ｂが変位し、これにより、シャトル１５１Ｂと接続されるマス１５１も変位する。シャトル１５１Ｂの変位は、センス電極１５１Ｃが有する櫛歯電極に発生する静電容量の変化を検出することにより、検出可能である。また、シャトル１５１Ｂには、電流を流すためのポート１５１Ｄ、１５１Ｅが設けられている。例えば、ポート１５１Ｄからポート１５１Ｅに向かって電流を流す制御が行われる。

X-側（図２１における左側）には、ドライブ電極１５２Ａが設けられる。ドライブ電極１５２Ａがシャトル１５２Ｂに接続されている。ドライブ電極１５２Ａの櫛歯電極に電圧が印加されることでシャトル１５２Ｂが変位し、これにより、シャトル１５２Ｂと接続されるマス１５１も変位する。シャトル１５２Ｂの変位は、センス電極１５２Ｃが有する櫛歯電極に発生する静電容量の変化を検出することにより、検出可能である。また、シャトル１５２Ｂには、電流を流すためのポート１５２Ｄ、１５２Ｅが設けられている。例えば、ポート１５２Ｄからポート１５２Ｅに向かって電流を流す制御が行われる。

例えば、Y+側（図２１における上側）には、ドライブ電極１５３Ａが設けられる。ドライブ電極１５３Ａがシャトル１５３Ｂに接続されている。ドライブ電極１５３Ａの櫛歯電極に電圧が印加されることでシャトル１５３Ｂが変位し、これにより、シャトル１５３Ｂと接続されるマス１５１も変位する。シャトル１５３Ｂの変位は、センス電極１５３Ｃが有する櫛歯電極に発生する静電容量の変化を検出することにより、検出可能である。また、シャトル１５３Ｂには、電流を流すためのポート１５３Ｄ、１５３Ｅが設けられている。例えば、ポート１５３Ｄからポート１５３Ｅに向かって電流を流す制御が行われる。

例えば、Y-側（図２１における下側）には、ドライブ電極１５４Ａが設けられる。ドライブ電極１５４Ａがシャトル１５４Ｂに接続されている。ドライブ電極１５４Ａの櫛歯電極に電圧を印加されることでシャトル１５４Ｂが変位し、これにより、シャトル１５４Ｂと接続されるマス１５１も変位する。シャトル１５４Ｂの変位は、センス電極１５４Ｃが有する櫛歯電極に発生する静電容量の変化を検出することにより、検出可能である。また、シャトル１５４Ｂには、電流を流すためのポート１５４Ｄ、１５４Ｅが設けられている。例えば、ポート１５４Ｄからポート１５４Ｅに向かって電流を流す制御が行われる。

［磁場センサの構成例］
図２２は、本実施形態に係る磁場センサ（磁場センサ１０００）の構成例を示すブロック図である。磁場センサ１０００は、例えば、上述したジャイロ装置１０が有する構成の全てを備えている。なお、ジャイロ装置１０が有する構成と同一または同質の構成については同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜、省略する。また、図２２では、本発明と関連性が強い構成のみを図示し、他の構成に関する図示を適宜、省略している。

磁場センサ１０００は、２次元振動子１５Ａ、駆動信号生成部２０、第１検出部３０ａ、第２検出部３０ｂ、第１PLL回路４０ａ、および、第２PLL回路４０ｂを含む。また、磁場センサ１０００は、さらに、第１電流信号生成部８０ａ、第２電流信号生成部８０ｂ、信号源８２、ミックス部８５、加算器８６、磁場検出部９１、および、角速度検出部としてのLPF９２を含む。

第１電流信号生成部８０ａは、CWモードに対応する第１電流信号を生成する。第１電流信号生成部８０ａは、第１電流信号変換部８１ａ、第１ゲイン変調部８２ａ、および、乗算器８３ａを有している。第１電流信号変換部８１ａは、第１PLL回路４０ａの発振器４３ａから出力される信号（例えば、共振周波数f_cwのsin_cw、cos_cw）を用いて、当該信号を電流に変換する。第１ゲイン変調部８２ａは、信号源８２が発生する所定の周波数信号（例えば、１００Hz以上の正弦波信号）から、振幅変調用の信号を生成する。この信号が、乗算器８３ａで電流信号に乗算されることで変調が与えられ、第１電流信号が生成される。なお、電流信号変換８１ａと乗算器８３ａとは構成的な順序が逆であっても良い。

第２電流信号生成部８０ｂは、CCWモードに対応する第２電流信号を生成する。第２電流信号生成部８０ｂは、第２電流信号変換部８１ｂ、第２ゲイン変調部８２ｂ、乗算器８３ｂ、および、反転回路８４を有している。第２電流信号変換部８１ｂは、第２PLL回路４０ｂの発振器４３ｂから出力される信号（例えば、共振周波数f_cwのsin_ccw、cos_ccw）を用いて、当該信号を電流に変換する。反転回路８４は、第２電流信号変換部８１ｂから出力される電流信号を反転する。これにより、第２電流信号生成部８０ｂで生成される第２電流信号の向きが第１電流信号の向きと反対になる。第２ゲイン変調部８２ｂは、信号源８２が発生する所定の周波数信号（例えば、１００Hz以上の正弦波信号）から、振幅変調用の信号を生成する。この信号が、乗算器８３ｂで電流信号に乗算されることで変調が与えられ、第２電流信号が生成される。なお、電流信号変換８１ｂと乗算器８３ｂ、および、反転回路８４は、構成的な順序が入れ替わっても良い。

ミックス部８５は、第１電流信号生成部８０ａで生成された第１電流信号と、第２電流信号生成部８０ｂで生成された第２電流信号とをミックス（多重化）する。ミックス部８５でミックスされた第１電流信号および第２電流信号が２次元振動子１５Ａに入力される。

加算器８６は、PID４２ａから出力される共振周波数ｆ_cw（第１共振周波数の一例）と、PID４２ｂから出力される共振周波数ｆ_cｃw（第２共振周波数の一例）との差分を演算する。これにより、共振周波数ｆ_cwと共振周波数ｆ_cｃwとの差分であるΔfが得られる。Δfが磁場検出部９１および第２LPF９２のそれぞれに入力される。

磁場検出部９１は、共振周波数ｆ_cwおよび共振周波数ｆ_cｃwに基づいて、磁場を検出する。磁場検出部９１は、乗算器９１ａおよび第１LPF９１ｂを有している。乗算器９１ａは、Δfに対して信号源８２からの変調信号を乗算する。第１LPF９１ｂは、乗算器９１ａの出力に対して低域（カットオフ周波数以下）の信号のみを通過させるフィルタ処理を行う。第１LPF９１ｂの後段で、磁場を検出するための適宜な演算（例えば、電流成分を取り除く演算等）が行われることで磁場が検出される。

第２LPF９２は、加算器８６の出力に対して低域（カットオフ周波数以下）の信号のみを通過させるフィルタ処理を行う。これにより、角速度に対応する成分の信号のみが抽出される。第２LPF９２を通過した信号に対して適宜な演算（例えば、上述したジャイロ装置１０における角速度検出部７０で行われる演算と同様の演算）が行われることにより、角速度が検出される。

［磁場センサの動作例］
次に、磁場センサ１０００の動作例について説明する。駆動信号生成部２０によって生成された駆動信号により２次元振動子１５Ａが励振される。このとき、ミックス部８５でミックスされたx方向およびy方向のそれぞれの電流信号（第１電流信号(Ix)および第２電流信号(Iy)）が２次元振動子１５Ａに入力される。

第１検出部３０ａが上述した処理を行うことにより位相θ_ｃｗを検出する。位相θ_ｃｗが、第１PLL回路４０ａに供給される。PID制御部４２ａは、位相比較器４１ａでの比較結果に基づいて、位相θ_ｃｗが共振周波数f_ｃｗとなる制御を実行する。PID制御部４２ａから出力される共振周波数f_ｃｗは、加算器８６に供給される。発振器４３ａから出力される信号は、駆動信号生成部２０にフィードバックされ、駆動信号の生成に用いられる。また、発振器４３ａから出力される信号は、第１電流信号変換部８１ａにより電流信号に変換される。変換された電流信号は、信号源８２が発生した信号により第１ゲイン変調部８２ａと乗算器８３ａにより振幅変調され、第１電流信号が生成される。CCWループでも同様の処理が行われることにより第２電流信号が生成される。第１電流信号および第２電流信号がミックス部８５でミックスされた後に、２次元振動子１５Ａに入力される。

第２PLL回路４０ｂのPID制御部４２ｂから出力される共振周波数f_ｃｗは、加算器８６に供給される。加算器８６で行われる演算により、共振周波数f_ｃｗと共振周波数f_ｃcｗとの差分であるΔfが得られる。

乗算器９１ａにより信号源８２が発生する信号がΔfに対して乗算されることで、磁場成分の信号が低周波側にシフトする（角速度成分の信号は高周波側にシフトする。）。そして、第１LPF９１ｂによって低周波側にシフトした磁場成分の信号が検出され、検出された磁場成分の信号を用いて磁場が検出される。

また、Δfに対して第２LPF９２によって低周波側の角速度成分の信号が検出され、検出された角速度成分の信号を用いて角速度が検出される。

［本実施形態により得られる効果］
以上、本実施形態によれば、角速度だけでなく、磁場を検出することができるセンサを提供することができる。例えば、加速度や角速度の検出結果を磁場センサのセンシング結果によって補正することができる。磁場センサを別デバイスとして追加する必要がないので、センサのコストを低減でき、さらに、センサの小型化を実現することができる。

図２３Ａ～図２３Ｃは、本実施形態により得られる効果の一例（シミュレーション結果）を示す。図２３Ａは、磁場（横軸）とCWおよびCCWの各モードの周波数（縦軸）との関係を示す図である。図中、ラインLNAがCWモードに対応し、ラインLNBがCCWモードに対応している。図２３Ａに示すように、磁場が加わると各モードの周波数が変化する（大きさは、同じで、増減方向は逆である。）

図２３Ｂは、図２３Ａの結果を周波数差でみた場合のグラフである。図２３Ｂに示すように、周波数差は磁場に略正比例していることがわかる。

図２３Ｃは、図２３Ｂの結果をログスケールで表示したグラフである。図２３Ｃに示すように、広範囲（本例では、６桁の範囲）で線形を示していることがわかる。１nT（ナノテスラ）で１μHz程度の変化である。FMジャイロの場合には、1°/hrの変化が0.77μHzに相当する。FMジャイロでは，1°/h程度の安定性が得られている。すなわち、nT以下の安定度で磁場を十分に検出可能であることを示している。本実施形態によれば、地磁気よりも小さく、さらに、ダイナミックレンジが広い磁場センサを実現できる。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく各種の変形が可能である。

信号源８２で発生する信号としては、単一周波数の正弦波のみでなく、他の方法、例えば広帯域の信号を用いたスペクトラム拡散技術が適用されてもよい。すなわち、ゲインを所定の拡散符号で拡散し後段で逆拡散することで、磁場成分の信号と角速度成分の信号とを分離するようにしてもよい。

本発明は、２次元にモードマッチする振動子であれば、形状、励振方法（静電、電磁、圧電など）等は特定の方法等に限定されることはない。

２次元振動子１５の出力を処理する回路は、ASIC（Application Specific integrated Circuit）等の集積回路で構成することも可能である。

本発明の作用効果を奏する範囲で、磁場センサが他の回路素子等を備える構成でもよい。また、磁場センサにおける一部の処理が、他の装置やクラウドサーバー等によって行われるようにしてもよい。また、本発明が、角速度を検出しない磁場のみを検出するセンサとして構成されてもよい。

本発明の磁場センサは、他の装置（例えば、ゲーム機器、撮像装置、スマートフォン、携帯電話、パーソナルコンピュータ等の各種の電子機器や、自動車、電車、飛行機、ヘリコプター、小型飛行体、宇宙用機器等の移動体、ロボット等）に組み込まれて使用されてもよい。

上述した実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。また、本発明は、装置、方法、複数の装置からなるシステム（クラウドシステム等）により実現することができ、複数の実施形態および変形例で説明した事項は、技術的な矛盾が生じない限り相互に組み合わせることができる。

１０・・・ジャイロ装置
１５、１５Ａ・・・２次元振動子
３０ａ・・・第１検出部
３０ｂ・・・第２検出部
４０ａ・・・第１PLL回路
４０ｂ・・・第２PLL回路
４２ａ、４２ｂ・・・PID制御部
８０ａ・・・第１電流信号生成部
８１ａ・・・第１電流信号変換部
８２ａ・・・第１ゲイン変調部
８３ａ・・・乗算器
８０ｂ・・・第２電流信号生成部
８１ｂ・・・第２電流信号変換部
８２ｂ・・・第２ゲイン変調部
８３ｂ・・・乗算器
９１・・・磁場検出部
９１ａ・・・乗算器
９１ｂ・・・第１LPF
９２・・・第２LPF
１０００・・・磁場センサ
CW・・・第１回転振動モード
CCW・・・第２回転振動モード

Claims

第１回転振動モードに対応する駆動信号および第２回転振動モードに対応する駆動信号によって駆動され、さらに、前記第１回転振動モードに対応する第１電流信号および前記第２回転振動モードに対応する第２電流信号が入力される単一の２次元振動子と、
前記２次元振動子から出力される信号から、前記第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第１検出部と、
前記２次元振動子から出力される信号から、前記第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出する第２検出部と、
前記第１検出部によって検出された位相に基づいて、前記第１回転振動モードに対応する第１共振周波数を出力する第１発振回路と、
前記第２検出部によって検出された位相に基づいて、前記第２回転振動モードに対応する第２共振周波数を出力する第２発振回路と、
前記第１共振周波数と前記第２共振周波数との差分に基づいて、磁場を検出する磁場検出部とを備える
磁場センサ。
前記第１共振周波数および前記第２共振周波数に基づいて回転の角速度を検出する角速度検出部を備える
請求項１に記載の磁場センサ。
前記第１発振回路からフィードバックされる信号に基づいて、前記第１回転振動モードに対応する第１駆動信号を生成し、さらに、前記第２発振回路からフィードバックされる信号に基づいて、前記第２回転振動モードに対応する第２駆動信号を生成する駆動信号生成部を備える
請求項２に記載の磁場センサ。
前記第１電流信号を生成する第１電流信号生成部と、
前記第２電流信号を生成する第２電流信号生成部と
を備え、
前記第１電流信号生成部は、前記第１発振回路からフィードバックされる信号を電流信号に変換し、当該電流信号に対して変調を与えることで前記第１電流信号を生成し、
前記第２電流信号生成部は、前記第２発振回路からフィードバックされる信号を電流信号に変換し、当該電流信号に対して変調を与えることで前記第２電流信号を生成する
請求項３に記載の磁場センサ。
変調信号の周波数は、前記角速度検出部で検出されると想定される角速度の周波数よりも大きい値に設定される
請求項４に記載の磁場センサ。
前記角速度検出部は、前記第１共振周波数と前記第２共振周波数との差分に基づいて、前記角速度を検出する
請求項２から４までの何れかに記載の磁場センサ。
前記第１電流信号の向きは、前記第２電流信号の向きとは反対側である
請求項１から６までの何れかに記載の磁場センサ。
２次元振動子に対して、第１回転振動モードに対応する駆動信号および第２回転振動モードに対応する駆動信号、および、前記第１回転振動モードに対応する第１電流信号および前記第２回転振動モードに対応する第２電流信号が入力され、
第１検出部が、前記２次元振動子から出力される信号から、前記第１回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第２検出部が、前記２次元振動子から出力される信号から、前記第２回転振動モードに対応した成分の振幅および位相を検出し、
第１発振回路が、前記第１検出部によって検出された位相に基づいて、前記第１回転振動モードに対応する第１共振周波数を出力し、
第２発振回路が、前記第２検出部によって検出された位相に基づいて、前記第２回転振動モードに対応する第２共振周波数を出力し、
磁場検出部が、前記第１共振周波数と前記第２共振周波数との差分に基づいて、磁場を検出する
磁場検出方法。