JP2001330442A - センサ素子及びセンサ装置 - Google Patents
センサ素子及びセンサ装置Info
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Abstract
を良好にする。 【解決手段】 基板10上に浮かせた設けた振動子20
を、駆動電極部51−1〜51−4によりX軸方向に振
動させる。Z軸回りの角速度に伴うコリオリ力による振
動子20のY軸方向の振動を、検出電極部53−1〜5
3−4により検出する。駆動電極部51−1〜51−4
の固定電極51a1〜51a4に接続された配線部51
b1〜51b4、検出電極部53−1〜53−4に接続
された配線部53b1〜53b4などの長さ、幅及び厚
さをそれぞれ同一にすることにより、同一機能を有する
各配線部51b1〜51b4、53b1〜53b4など
の電気特性を同一にする。
Description
設けた振動子の変位により、角速度、加速度、圧力など
の物理量を検出するためのセンサ素子及び同素子を含む
センサ装置に関する。
た振動子と、振動子と連結されて基板上にて同振動子と
一体的に変位する可動電極及び可動電極に対向するよう
に基板上に固定された固定電極からなる複数の電極部
と、基板上に設けられて各可動電極及び固定電極にそれ
ぞれ接続されて電気信号を通過させる複数の配線とを備
え、角速度などの物理量を検出するためのセンサ素子及
び同センサ素子を含むセンサ装置はよく知られている。
また、この種のセンサ素子においては、例えば特開平1
0−300475号公報に示されているように、前記配
線の寄生容量の影響を打ち消すために、基板上に補償用
配線を別途設けて、配線の電気的なバランスをとるよう
にすることも行われている。
ンサ素子及びセンサ装置においては、各配線の電気特性
については考慮されておらず、各配線の長さ、幅及び厚
さなどのバラツキにより各配線の抵抗、容量などが異な
り、複数の電極部を駆動用に利用した場合には各電極部
による駆動力にバラツキが生じ、また複数の電極部を検
出用に利用した場合には各電極部による検出値にバラツ
キが生じ、ひいてはセンサ素子の検出精度が悪化すると
いう問題がある。また、前記補償用配線を用いたものに
あっては、補償用配線を信号の通過とは無関係に別途設
ける必要があると同時に、同補償用配線のためにセンサ
素子の設計の自由度が低下する。
振動子を基板に支持するための梁に対する製造上の問題
が考慮されておらず、同梁に製造中にノッチングが発生
すると、振動子の振動が均一かつ安定でなくなり、ひい
てはセンサ素子による検出精度が悪化する。また、基板
及び振動子の上面すなわち振動子の設けられている基板
の表面及び振動子の基板と反対側の表面にごみ、ほこり
なとが落ちると、振動子の振動が均一かつ安定でなくな
り、ひいてはセンサ素子による検出精度が悪化する。
されたもので、その目的は、検出精度の良好なセンサ素
子及びセンサ装置を提供することにある。
上の特徴は、基板上に変位可能に支持された振動子と、
前記振動子に連結されて基板上にて同振動子と一体的に
変位する可動電極及び前記可動電極に対向するように基
板上に固定された固定電極からなる複数の電極部と、基
板上に設けられて前記各可動電極及び固定電極にそれぞ
れ接続されて電気信号を通過させる複数の配線とを備え
たセンサ素子において、前記複数の配線のうちで同一種
類の電気信号を通過させる複数の配線をそれぞれ同一の
電気特性に設定したことにある。この場合、前記複数の
配線のうちで同一種類の電気信号を通過させる複数の配
線の長さ、幅及び厚さをそれぞれ等しくすることによ
り、同複数の配線を同一の電気特性に設定するとよい。
類の電気信号を通過させる複数の配線はそれぞれ同一の
電気特性に設定されているので、複数の電極部を駆動用
に利用した場合には各電極部に対する駆動電圧が同じに
なって駆動力のバラツキを抑え、また複数の電極部を検
出用に利用した場合には各電極部による検出電圧のバラ
ツキを抑えるので、センサ素子の検出精度が良好にな
る。さらに、前記従来技術のような補償用配線を用いる
必要もないので、センサ素子の設計の自由度が増す。
複数の配線のうちで両側近傍に他の部材がそれぞれ存在
する複数の配線と同各他の部材までの各距離をそれぞれ
等しく設定したことにある。
成する際に、同配線の両側が対称に形成される。例え
ば、配線の両側にエッチングによるノッチングが発生し
たとしても、複数の配線の各両側のノッチングがそれぞ
れ対称に形成される。したがって、前記複数の配線の電
気特性のバラツキも小さく抑え易くなり、複数の配線を
同一の電気特性にし易くなる。また、前記複数の配線と
同各配線の両側に配置された各部材までの各距離とを所
定距離以上にすることにより、ノッチングの発生が抑制
されるので、前記バラツキはより小さくなる。
上に変位可能に支持された振動子と、前記振動子に連結
されて基板上にて同振動子と一体的に変位する可動電極
及び前記可動電極に対向するように基板上に固定された
固定電極からなる複数の電極部と、基板上に設けられて
前記各可動電極及び固定電極にそれぞれ接続されて電気
信号を通過させる複数の配線とを備えたセンサ素子にお
いて、前記固定電極に接続された配線の少なくとも一部
を基板との間に間隙を設けるように構成したことにあ
る。
れた配線の一部における基板との間の寄生容量が小さく
抑えられるので、固定電極に接続された配線全体の寄生
容量が小さく抑えられ、電極部を駆動用に利用した場合
には寄生容量による振動子の駆動精度の悪化を防止でき
るとともに、電極部を検出用に利用した場合には寄生容
量による検出精度の悪化を防止できる。
上に浮かせて設けた振動子を複数の梁により基板に対し
て変位可能に支持したセンサ素子において、前記梁と同
梁の両側にそれぞれ配置された各部材までの各距離をそ
れぞれ等しく設定するようにしたことにある。
する際に、同梁の両側が対称に形成される。例えば、梁
の両側にエッチングによるノッチングが発生したとして
も、同梁の両側のノッチングが対称に形成される。これ
により、梁の幅方向両側への変位が安定し、振動子の前
記変位が安定する。その結果、このセンサ素子による検
出精度を良好にできる。また、前記梁と同梁の両側に配
置された各部材までの各距離を所定距離以上にすること
により、ノッチングの発生が抑制されるので、前記検出
精度はより良好になる。
用基板の表面上に変位可能に支持された振動子を有する
センサ素子を、他の電気部品を装着した電気部品用基板
に組み付けたセンサ装置において、同センサ装置の使用
時に、前記振動子の設けられた前記素子用基板の表面が
重力方向を向くように、センサ素子を電気部品用基板に
組み付けたことにある。
基板の表面及び振動子の素子用基板と反対側の表面にご
み、ほこりなどが落ちることがなくなる。したがって、
振動子の変位が安定し、ひいてはセンサ素子による検出
精度が良好になる。
るとよい。これによれば、空気中のごみ、ほこりなどの
ケース内への侵入が防止され、振動子の設けられた素子
用基板の表面にごみ、ほこりなどがより落ちることがな
くなる。したがって、センサ素子による検出精度がより
良好になる。
態 以下、本発明に係るセンサ素子としての角速度検出素子
の第1実施形態を図面を用いて説明すると、図1は、同
実施形態に係る半導体で構成した角速度検出素子の平面
図である。図2は、図1の角速度検出素子のA1−A1
〜A4−A4線にそれぞれ沿って見た端面図である。図
3は、図1の角速度検出素子のB1−B1〜B4−B4
線にそれぞれ沿って見た端面図である。図4は、図1の
角速度検出素子のC1−C1〜C4−C4線にそれぞれ
沿って見た端面図である。なお、図1〜図4において
は、基板10上面との間に隙間のある部材と隙間のない
部材とで模様を異ならせて示している。
に直交したX,Y軸各方向の中心線に対してそれぞれ対
称に形成されており、シリコンで方形状に形成された基
板10上に、振動子20、一対のメインフレーム30−
1,30−2及び一対のサブフレーム30−3,30−
4をその上面から所定距離だけ隔てた水平面内に延設さ
せている。
態で、X,Y両軸に直交するZ軸回りの角速度によって
同角速度の大きさに比例した振幅でY軸方向に振動する
もので、中央部に設けられて適当な質量を有するととも
にX軸及びY軸を各辺の延設方向とする方形状のマス部
21と、同マス部21の各対角位置からX軸方向に延設
された4つのアーム部22−1〜22−4とからなるほ
ぼH型に形成されている。図1には示してないが、マス
部21、アーム部22−1〜22−4などの幅広の部分
には、図6(a)に示すような複数の方形状の貫通孔21
aが設けられている。
動子20をX軸方向に振動させるもので、振動子20の
アーム部22−1〜22−4のY軸方向外側位置にてX
軸方向にそれぞれ延設された幅広の長尺部31−1,3
1−2と、両長尺部31−1,31−2の各両端にてそ
れらの両側にそれぞれY軸方向に短く延設された幅広の
終端部32−1〜32−4とからなるほぼI型にそれぞ
れ形成されている。サブフレーム30−3,30−4
も、幅広に構成されていて、長尺部31−1,31−2
の各外側にてX軸方向にそれぞれ延設されている。これ
らのメインフレーム30−1,30−2及びサブフレー
ム30−3,30−4においても、前記振動子20にお
ける貫通孔21aと同様な貫通孔が設けられている。
33−1〜33−4により振動子20に連結されてい
る。梁33−1〜33−4も、基板10上面から所定距
離だけ隔てた水平面内にてX軸方向に延設されており、
各一端は振動子20のアーム部22−1〜22−4の根
元付近にそれぞれ接続され、各他端はメインフレーム3
0−1,30−2の各終端部32−1〜32−4にそれ
ぞれ接続されている。また、梁33−1〜33−4は、
振動子20のアーム部22−1〜22−4、メインフレ
ーム30−1,30−2の長尺部31−1,31−2及
び終端部32−1〜32−4の幅より細く構成されてい
る。これにより、メインフレーム30−1,30−2か
ら振動子20へY軸方向の振動が伝達され難くかつX軸
方向の振動が効率よく伝達されるようになるとともに、
振動子20がメインフレーム30−1,30−2に対し
X軸方向に比べてY軸方向に振動し易くなっている。す
なわち、梁33−1〜33−4は、振動子20を、基板
10、メインフレーム30−1,30−2及びサブフレ
ーム30−3,30−4に対してY軸方向に振動可能に
支持する機能を有する。
〜41d、梁42a〜42d、サブフレーム30−3及
び梁43a〜43dを介し、基板10に対して振動可能
に支持されている。アンカ41a〜41dは、メインフ
レーム30−1の長尺部31−1の各外側位置にて、基
板10の上面に固着されている。アンカ41a〜41d
には梁42a〜42dの各一端がそれぞれ接続されると
ともに、同梁42a〜42dはアンカ41a〜41dか
らそれぞれY軸方向外側に延設されている。梁42a〜
42dの各先端はサブフレーム30−3の内側端にそれ
ぞれ接続されており、サブフレーム30−3には、同フ
レーム30−3のY軸方向内側に延設された梁43a〜
43dの各一端がそれぞれ接続されている。梁43a〜
43dの各他端はメインフレーム30−1の長尺部31
−1の外側端にそれぞれ接続されている。梁42a〜4
2d,43a〜43dは、振動子20、メインフレーム
30−1,30−2及びサブフレーム30−3,30−
4と同様に、基板10から所定距離だけ上方に浮いて設
けられており、梁33−1〜33−4と同様に狭い幅に
構成されている。
〜44d、梁45a〜45d、サブフレーム30−4及
び梁46a〜46dを介し、基板10に対して振動可能
に支持されている。これらのアンカ44a〜44d、梁
45a〜45d、サブフレーム30−4及び梁46a〜
46dは、前記アンカ41a〜41d、梁42a〜42
d、サブフレーム30−3及び梁43a〜43dとY軸
方向の中心線に対して対称かつそれぞれ同様に構成され
ている。これらの構成により、メインフレーム30−
1,30−2は、基板10に対しX軸方向に振動し易く
かつY軸方向に振動し難く支持されている。すなわち、
梁42a〜42d,43a〜43d,45a〜45d,
46a〜46dは、メインフレーム30−1,30−
2、サブフレーム30−3,30−4及び振動子20を
基板10に対してX軸方向に振動可能に支持する機能を
有する。
0−1,30−2を基板10に対してX軸方向に駆動す
るための駆動電極部51−1〜51−4と、前記メイン
フレーム30−1,30−2の基板10に対するX軸方
向の駆動をモニタするための駆動モニタ電極部52−1
〜52−4と、振動子20の基板10に対するY軸方向
の振動を検出するための検出電極部53−1〜53−4
と、駆動によるメインフレーム30−1,30−2の斜
め振動(Y軸方向の振動成分)の影響を打ち消すための
補正電極部54−1〜54−4と、振動子20の共振周
波数を調整するための調整電極部55−1〜55−4
と、振動子20のY軸方向の振動を打ち消すためのサー
ボ電極部56−1〜56−4とが設けられている。
フレーム30−1,30−2の終端部32−1〜32−
4の各X軸方向外側位置にて同終端部32−1〜32−
4に向けてX軸方向に延設した複数の電極指を有する櫛
歯状の固定電極51a1〜51a4をそれぞれ備えてい
る。各固定電極51a1〜51a4は、X軸方向外側に
延設した配線部51b1〜51b4を介してパッド部5
1c1〜51c4に接続されている。これらの固定電極
51a1〜51a4、配線部51b1〜51b4及びパ
ッド部51c1〜51c4は、基板10の上面に固着さ
れている。パッド部51c1〜51c4の上面には、導
電金属(例えばアルミニウム)で形成された電極パッド
51d1〜51d4がそれぞれ設けられている。
外側に向けて延設した複数の電極指からなる櫛歯状の可
動電極32a1〜32a4が、固定電極51a1〜51
a4に対向してそれぞれ設けられている。可動電極32
a1〜32a4は、終端部32−1〜32−4と一体的
に形成されて基板10の上面から所定距離だけ浮かせて
設けられており、同電極32a1〜32a4の各電極指
は固定電極51a1〜51a4の各隣合う電極指の幅方
向中心位置に侵入して同隣合う電極指に対向している。
メインフレーム30−1,30−2の終端部32−1〜
32−4の各X軸方向内側位置にて同終端部32−1〜
32−4に向けてX軸方向に延設した複数の電極指を有
する櫛歯状の固定電極52a1〜52a4をそれぞれ備
えている。各固定電極52a1〜52a4は、X軸方向
外側に延設した配線部52b1〜52b4を介してパッ
ド部52c1〜52c4に接続されている。固定電極5
2a1〜52a4、配線部52b1〜52b4及びパッ
ド部52c1〜52c4は、共に基板10の上面に固着
されている。パッド部52c1〜52c4の上面には、
導電金属(例えばアルミニウム)で形成された電極パッ
ド52d1〜52d4がそれぞれ設けられている。
内側に向けて延設した複数の電極指からなる櫛歯状の可
動電極32b1〜32b4が固定電極52a1〜52a
4に対向してそれぞれ設けられている。可動電極32b
1〜32b4は、終端部32−1〜32−4と一体的に
形成されて基板10の上面から所定距離だけ浮かせて設
けられており、同電極32b1〜32b4の各電極指は
固定電極52a1〜52a4の各隣合う電極指の幅方向
中心位置に侵入して同隣合う電極指に対向している。
21のX軸方向各外側位置にてX軸方向内外両側に延設
された複数の電極指を有する櫛歯状の固定電極53a1
〜53a4をそれぞれ備えている。各固定電極53a1
〜53a4は、X軸方向外側に延設した配線部53b1
〜53b4を介してパッド部53c1〜53c4に接続
されている。これらの固定電極53a1〜53a4、配
線部53b1〜53b4及びパッド部53c1〜53c
4は、共に基板10の上面に固着されている。パッド部
53c1〜53c4の上面には、導電金属(例えばアル
ミニウム)で形成された電極パッド53d1〜53d4
がそれぞれ設けられている。
側に向けて延設した複数の電極指からなる櫛歯状の可動
電極21a1〜21a4が固定電極53a1〜53a4
の各一方に対向してそれぞれ設けられている。振動子2
0のアーム部22−1〜22−4の中間部にも、X軸方
向内側に向けて延設した複数の電極指からなる櫛歯状の
可動電極22a1〜22a4が固定電極53a1〜53
a4の各他方に対向してそれぞれ設けられている。各可
動電極21a1〜21a4,22a1〜22a4は、マ
ス部21及びアーム部22−1〜22−4と一体的に形
成されて基板10の上面から所定距離だけ浮かせて設け
られており、同電極21a1〜21a4,22a1〜2
2a4の各電極指は固定電極53a1〜53a4の各隣
合う電極指間に侵入して同隣合う電極指に対向してい
る。この場合、可動電極21a1〜21a4,22a1
〜22a4の各電極指は、固定電極53a1〜53a4
の隣合う各電極指の幅方向中心位置から一方にずれてい
るとともに、前記ずれ方向は、検出電極部53−1,5
3−2と検出電極部53−3,53−4とでは逆方向に
なっている。
フレーム30−1,30−2の各終端部32−1〜32
−4のY軸方向内側部分にてX軸方向内外両側にそれぞ
れ設けられて、X軸方向に延設した複数の電極指を有す
る櫛歯状の固定電極54a1〜54a4をそれぞれ備え
ている。各固定電極54a1〜54a4は、それぞれ検
出電極部53−1〜53−4と共通の配線部53b1〜
53b4に接続されている。
端部32−1〜32−4のY軸方向内側部分には、X軸
方向内外両側に向けて延設した複数の電極指からなる櫛
歯状の可動電極32c1〜32c4が固定電極54a1
〜54a4に対向してそれぞれ設けられている。可動電
極32c1〜32c4は、メインフレーム30−1,3
0−2と一体的に形成されて基板10の上面から所定距
離だけ浮かせて設けられており、同電極32c1〜32
c4の各電極指は固定電極54a1〜54a4の各隣合
う電極指間に侵入して同隣合う電極指に対向している。
の各電極指は固定電極54a1〜54a4の隣合う各電
極指の幅方向中心位置から一方にずれて設けられている
とともに、前記ずれ方向は、補正電極部54−1,54
−2と補正電極部54−3,54−4とでは逆方向にな
っている。また、可動電極32c1〜32c4の各電極
指のずれ方向は、上述した検出電極部53−1〜53−
4における各固定電極54a1〜54a4の各電極指に
対する可動電極21a1〜21a4,22a1〜22a
4の各電極指のずれ方向とは逆になっている。したがっ
て、この場合には、メインフレーム30−1,30−2
のY軸方向の変位による補正電極部54−1〜54−4
の容量(キャパシタンス)変化は、振動子20の前記と
同じY軸方向の変位による検出電極部53−1〜53−
4の容量変化と逆に変化する。すなわち、メインフレー
ム30−1,30−2と振動子20のY軸同一方向の変
位に対して、補正電極部54−1〜54−4の容量が増
加(又は減少)するときには、検出電極部53−1〜5
3−4の容量は減少(又は増加)する。なお、メインフ
レーム30−1,30−2のY軸方向の不要な振動によ
ってもたらされる補正電極部54−1〜54−4の容量
変化が、振動子20のY軸方向の不要な振動によっても
たらされる検出電極部53−1〜53−4の容量変化に
対して反対かつ同じ大きさになるように、補正電極部5
4−1〜54−4及び検出電極部53−1〜53−4を
構成しておく必要がある。
20のマス部21のX軸方向各外側であって基板10の
Y軸方向中央部にそれぞれ設けられて、X軸方向に延設
した各一対の固定電極指55a1〜55a4をそれぞれ
備えている。固定電極指55a1,55a3は、X軸方
向に延設された共通の配線部55b1を介して、共通の
パッド部56c1に接続されている。固定電極指55a
2,55a4は、X軸方向に延設された共通の配線部5
5b2を介して、共通のパッド部56c2に接続されて
いる。これらの固定電極指55a1〜55a4、配線部
55b1,55b2及びパッド部55c1,55c2
は、基板10の上面に固着されている。パッド部55c
1,55c2上面には、導電金属(例えばアルミニウ
ム)で形成された電極パッド55d1,55d2がそれ
ぞれ設けられている。
は、振動子20と一体に形成されるとともに、X軸方向
に延設された各一対の可動電極指23a1〜23a4が
Y軸方向に対向して設けられている。可動電極指23a
1〜23a4は、振動子20のマス部21のX軸方向両
側から同X軸方向に突出したT字部23−1〜23−4
の各Y軸方向内側端に一体的にそれぞれ形成されてい
る。T字部23−1〜23−4及び電極指23a1〜2
3a4は、振動子20と一体的に形成されて基板10の
上面から所定距離だけ浮かせて設けられている。
出電極部53−1〜53−4のY軸方向内側にそれぞれ
設けられて、X軸方向に延設した各一対の固定電極指5
6a1〜56a4をそれぞれ備えている。各一対の固定
電極指56a1〜56a4は、X軸方向に延設された配
線部56b1〜56b4を介して、パッド部56c1〜
56c4に接続されている。これらの固定電極指56a
1〜56a4、配線部56b1〜56b4及びパッド部
56c1〜56c4は、共に基板10の上面に固着され
ている。パッド部56c1〜56c4の上面には、導電
金属(例えばアルミニウム)で形成された電極パッド5
6d1〜56d4がそれぞれ設けられている。
6a4には、T字部23−1〜23−4の各Y軸方向外
側端に一体的にそれぞれ形成された各一対の可動電極指
23b1〜23b4がY軸方向に対向して設けられてい
る。可動電極指23b1〜23b4も、振動子20と一
体的に形成されて基板10の上面から所定距離だけ浮か
せて設けられている。
梁33−3,33−4、メインフレーム30−2、梁4
6a〜46d、サブフレーム30−4、梁45a、アン
カ44a及びL字状の配線部20aを介して接続された
パッド部20bが設けられている。配線部20a及びパ
ッド部20bは、共に基板10の上面に固着されてい
る。パッド部20bの上面には、導電金属(例えばアル
ミニウム)で形成された電極パッド20cが設けられて
いる。
法を説明する。まず、単結晶シリコン層の上面上にシリ
コン酸化膜(例えば、膜厚4.5μm)を介して単結晶
シリコン層(例えば、膜厚40μm)を設けたSOI(S
ilicon−On−Insulator)基板を用意し、単結晶シリコン
層にリン、ボロン等の不純物をドーピングして同層を低
抵抗化する。以下、図2〜4に示すように、最下層の単
結晶シリコン層を基板10とし、中間のシリコン酸化膜
を絶縁層Aとし、最上層の低抵抗化された単結晶シリコ
ンを低抵抗層(導電体)Bとする。
付けた部分をレジスト膜にてマスクして、低抵抗層Aを
反応性イオンエッチング等でエッチングして、絶縁層B
上に、アンカ41a〜41d,44a〜44d、各種固
定電極51a1〜51a4、52a1〜52a4、53
a1〜53a4、54a1〜54a4、55a1〜55
a4、56a1〜56a4、配線部20a,51b1〜
51b4、52b1〜52b4、53b1〜53b4、
55b1,55b2、56b1〜56b4及び各種パッ
ド部20b、51c1〜51c4、52c1〜52c
4、53c1〜53c4,55c1,55c2、56c
1〜56c4(上記に基板10と固着されているとして
説明した部分)を形成する。
する絶縁層Aをフッ酸水溶液などでエッチングして除去
し、振動子20、梁33−1〜33−4、メインフレー
ム30−1,30−2、サブフレーム30−3,30−
4、梁42a〜42d,43a〜43d,45a〜45
d,46a〜46d、及び可動電極32a1〜32a
4,32b1〜32b4,21a1〜21a4,22a
1〜22a4,32c1〜32c4,23a1〜23a
4,23b1〜23b4(上記に基板10から所定距離
だけ浮いているとして説明した部分)を形成する。そし
て、各種パッド部20b,51c1〜51c4,52c
1〜52c4,53c1〜53c4,55c1,55c
2,56c1〜56c4上に、アルミニウム等を蒸着し
て電極パッド20c、51d1〜51d4,52d1〜
52d4,53d1〜53d4,55d1,55d2,
56d1〜56d4を形成する。
した各部分(図1にて模様を付した部分)は基板10と
は絶縁された低抵抗層(導電体)Bで構成されるととも
に、振動子20、梁33−1〜33−4、メインフレー
ム30−1,30−2、サブフレーム30−3,30−
4、梁42a〜42d,43a〜43d,45a〜45
d,46a〜46d、及び可動電極32a1〜32a
4,32b1〜32b4,21a1〜21a4,22a
1〜22a4,32c1〜32c4,23a1〜23a
4,23b1〜23b4が、基板10から所定距離だけ
浮いて位置するとともにアンカ41a〜41d,44a
〜44dにより基板10に振動可能に支持された構造と
なる。
部51−1〜51−4、52−1〜52−4、53−1
〜53−4、54−1〜54−4、55−1〜55−
4、56−1〜56−4において、各固定電極及び各可
動電極はもちろんのこと、各配線部も素子中心に対して
4方向に対称に設けるようにすると良好な検出精度が得
られる。特に、同一種類の電極部における各配線部の長
さ、幅及び厚みをそれぞれ同じにすることにより、各配
線部の容量、抵抗値などの電気特性を一致させる。例え
ば、図2に示すように、配線部51b1〜51b4の各
長さ、幅及び厚みをそれぞれ等しくするとともに、配線
部52b1〜52b4の各長さ、幅及び厚みをそれぞれ
等しくする。この電気特性が一致しないと、検出精度及
び検出感度が悪化するとともに各素子毎のバラツキも大
きくなる。本実施形態の素子において、半導体の現在の
製造レベルからすれば、同一種類の電極部における各配
線部の長さ及び厚みのバラツキはほぼ「0」とみなす程
度に加工することができるとともに、幅のバラツキに関
しては±5%程度に加工することができ、充分な特性が
得られる。
0.02Ωcm程度に設定することにより、好ましい特性
が得られた。もちろん、低抵抗層Bの抵抗率0.01Ω
cm以下にすることが好ましいが、製造上の難しさから前
記程度の値でも充分な検出感度が得られることが分かっ
た。これに対して、低抵抗層Bの抵抗率が3〜5Ωcm程
度に高くなると、各種電極部51−1〜51−4、52
−1〜52−4、53−1〜53−4、54−1〜54
−4、55−1〜55−4、56−1〜56−4におい
て、各固定電極と各可動電極とにより構成されるコンデ
ンサの各容量に対して、各固定電極と各パッド部とを接
続する各配線部及び各可動電極とパッド部20bとを接
続する各種フレーム、梁などによる配線による抵抗が大
きくなり、感度が良好でなくなる。
〜42d,43a〜43d,44a〜44d,45a〜
45dに関しては、図3,4に示すように、左右の配線
間距離を等しくするとともに、同配線間距離を30μm
以上にする。例えば、梁33−1とその軸線方向に対し
て両側に位置するメインフレーム30−1の長尺部31
−1及び振動子20のアーム部22−1との間の各水平
距離L1,L2をそれぞれ等しくするとともに、各水平
距離L1,L2をそれぞれ30μm以上とする。他の梁
33−2〜33−4に関しても同様である。また、梁4
2a,43a,42b,43bの各間の各水平距離L3
〜L5をそれぞれ等しくするとともに、各水平距離L3
〜L5をそれぞれ30μm以上とする。他の梁43c,
42c,43d,42d、他の梁45a,46a,45
b,46b及び他の梁46c,45c,46d,45d
に関しても同様である。
しくすることにより、梁自体を軸線方向に対して対称に
形成でき、素子特性に与える影響をなくすことができ
る。これに対して、一つの梁に対して両側の梁などの部
材までの距離が等しくなければ、梁自体を軸線方向に対
して対称に形成することは難しく、素子特性に大きな影
響を与えることになる。また、前記各配線距離L1〜L
5を30μm以上に設定することにより、図5(A)に示
すように、低抵抗層B,B間に隙間(配線間距離)L6
を設ける場合、梁の製造過程におけるエッチング加工に
よるノッチングNの発生を防止できる。図5(B)のグラ
フは、隙間(配線間距離)L6とノッチングNの深さと
の関係を示すもので、これからも理解できるように、隙
間(配線間距離)L6を30μmにすることによりノッ
チングNの発生を防止できる。すなわち、各配線距離L
1〜L5を30μm以上に設定することにより、ノッチ
ングNの発生を防止できて各部のバラツキを小さくでき
るので、素子の検出精度を良好にできる。なお、これら
のことは前記梁ばかりではなく、寸法精度を要求される
箇所にも適用されるべきものである。
子を用いて角速度を検出するための電気回路装置につい
て説明すると、図7は同電気回路装置をブロック図によ
り示している。
極部54−1,54−2に共通の電極パッド53d1,
53d2には高周波発振器61が接続されており、同発
振器61は、振動子20の共振周波数よりも極めて高い
周波数f1の検出用信号E1sin(2πf1t)を同パッド5
3d1,53d2に供給する。この高周波発振器61に
は位相反転回路61aが接続されており、同回路61a
は前記検出用信号E1sin(2πf1t)の位相を反転した検
出用信号E1sin(2πf1t+π)を検出電極部53−3,
53−4及び補正電極部54−3,54−4に共通の電
極パッド53d3,53d4に供給する。
極パッド52d1,52d3には高周波発振器62が接
続されており、同発振器62は、振動子20の共振周波
数よりも極めて高くかつ前記周波数f1とは異なる周波
数f2のモニタ用信号E2sin(2πf2t)を同パッド52
d1,52d3に供給する。高周波発振器62には位相
反転回路62aが接続されており、同回路62aはモニ
タ用信号E2sin(2πf2t)の位相を反転したモニタ用信
号E2sin(2πf2t+π)を駆動モニタ電極部52−2,
52−4の電極パッド52d2,52d4に供給する。
これにより、振動子20のX,Y軸方向の各振動をE0xs
in(2πf0t),E0ysin(2πf0t)で表すと、電極パッ
ド20cから出力されて振動子20のX,Y両軸方向の
各振動をそれぞれ表す信号は、E2・E0x・sin(2πf0t)・
sin(2πf2t),E1・E0y・sin(2πf0t)・sin(2πf1
t)となる。なお、周波数f0は、振動子20の共振周波
数近傍の周波数である。
ッド51d1〜51d4には、駆動回路70が接続され
ている。駆動回路70は、電極パッド20cから増幅器
63を介して入力した信号に基づいて駆動信号を形成し
て各電極パッド51d1〜51d4に供給する。
れた復調回路71、移相回路72及び利得制御回路73
を備えているとともに、復調回路71に接続されて利得
制御回路73の利得を制御する整流回路74を備えてい
る。
力された信号を周波数f2で同期検波して(周波数f2の
信号の振幅エンベロープを取り出して)、振動子20の
X軸方向の振動成分を表す信号E0xsin(2πf0t)を出
力する。移相回路72は、振動子20の振動を表す検出
信号が振動子20を駆動するための信号に対してπ/2
(=1/8πf0秒に相当)だけ遅れることを補正する
ために、入力信号の位相をπ/2だけ進めて出力する。
整流回路74は、前記復調回路71からの信号を全波整
流して(振動子20のX軸方向の振動成分の振幅エンベ
ロープを取り出して)、振動子20のX軸方向の振動成
分の振幅を表す信号E0xを出力する。ただし、整流回路
74の出力信号中に含まれるリップルは利得制御回路7
3で除去される。利得制御回路73は、移相回路72及
び整流回路74に入力される信号の振幅(振動子20の
X軸方向の振動成分の振幅)が一定となるように、移相
回路72からの出力信号の振幅を制御して出力する、す
なわち整流回路74からの信号が大きくなるにしたがっ
て利得制御回路73の出力信号の振幅が小さくなるよう
に制御して出力する。
の出力に接続された加算器75−1,75−3も備えて
いるとともに、利得制御回路73に位相反転回路73a
を介して接続された加算器75−2,75−4も備えて
いる。位相反転回路73aは、利得制御回路73からの
信号を位相反転して出力する。加算器75−1,75−
2には可変調整される直流電圧ETを出力する可変電圧源
回路76aが接続されるとともに、加算器75−3,7
5−4には固定された直流電圧EBを出力する定電圧源回
路76bが接続されている。
の信号E0x'sin(2πf0t)と可変電圧源回路76aから
の直流電圧信号ETとを加算して、加算電圧ET+E0x'sin
(2πf0t)を駆動電極部51−1の電極パッド51d
1に供給する。加算器75−2は、位相反転回路73a
からの信号E0x'sin(2πf0t+π)と可変電圧源回路7
6aからの直流電圧信号ETとを加算して、加算電圧ET+
E0x'sin(2πf0t+π)を駆動電極部51−2の電極パ
ッド51d2に供給する。加算器75−3は、利得制御
回路73からの信号E0x'sin(2πf0t)と定電圧源回路
76bからの直流電圧信号EBとを加算して、加算電圧EB
+E0x'sin(2πf0t)を駆動電極部51−3の電極パッ
ド51d3に供給する。加算器75−4は、位相反転回
路73aからの信号E0x'sin(2πf0t+π)と定電圧源
回路76bからの直流電圧信号EBとを加算して、加算電
圧EB+E0x'sin(2πf0t+π)を駆動電極部51−4の
電極パッド51d4に供給する。
通の電極パット55d1には直流可変電圧源65aが接
続されているとともに、調整電極部55−2,55−4
のための共通の電極パット55d2には直流可変電圧源
65bが接続されている。なお、これらの直流可変電圧
源65a,65bは、複数の電圧源で構成してもよい
が、単一の電圧源を共通に用いてもよい。
ット56d1〜56d4には、サーボ制御回路80が接
続されている。サーボ制御回路80は、振動子20のY
軸方向の振動を抑制するためのもので、復調回路81、
サーボアンプ82及び位相反転回路83からなる。復調
回路81は、電極パッド20cから出力されている信号
を周波数f1で同期検波して(周波数f1の信号の振幅
エンベロープを取り出して)、振動子20のY軸方向の
振動を表す信号E0ysin(2πf0t)を取り出し、同信号
E0ysin(2πf0t)を交流サーボ制御信号として出力す
る。サーボアンプ82は、前記交流サーボ制御信号を所
定のゲインで増幅して、振動子20のY軸方向の振動
(Z軸回りの角速度による振動子20のY軸方向の振
動)を打ち消すために、同ゲイン制御された交流サーボ
制御信号をサーボ電極部56−3,56−4の電極パッ
ト56d3,56d4に供給する。位相反転回路83
は、前記ゲインの制御された交流サーボ制御信号の位相
を反転して、同位相反転した逆相の制御信号をサーボ電
極部56−1,56−2の電極パット56d1,56d
2に供給する。
91及び増幅器92からなる出力回路90が接続されて
いる。検波回路91は、サーボアンプ82から交流サー
ボ制御信号E0ysin(2πf0t)を入力するとともに、移
相回路72から駆動による振動子20のX軸方向の振動
を表す信号E0xsin(2πf0t)を入力し、交流サーボ制
御信号E0ysin(2πf0t)を前記X軸方向の振動を表す
信号E0xsin(2πf0t)で同期検波して振動子20のY
軸方向の振動の振幅E0y、すなわちZ軸回りの角速度に
よる振動子20のY軸方向の振動の大きさを表す直流信
号を出力する。ここで、移相回路72の出力信号を利用
するのは、同信号が振動子20のZ軸回りの角速度によ
りもたらされるコリオリ力の位相と同期したものであ
り、交流サーボ制御信号すなわち振動子20のZ軸回り
の角速度に同期したものであるからである。増幅器92
は、検波回路91に接続されており、前記信号E0yを入
力して出力端子OUTから振動子20のY軸方向の振動
の大きさを表す直流信号を出力する。
は、図7に示すように角速度検出素子を電気回路装置に
接続して角速度検出装置を構成した後、同装置の出荷前
にZ軸回りの角速度を「0」にした状態で出力端子OU
Tから振動子20のY軸方向の振動の大きさを表す信号
を取り出す。この場合、角速度は「0」であるから、前
記出力信号は「0」であるはずであるが、「0」でなけ
れば可変電圧源回路76aを調整することにより直流電
圧信号ETを変更して、同出力信号が「0」になるように
する。
部51−1,51−2には駆動電圧信号ET+E0x'sin(2
πf0t),ET+E0x'sin(2πf0t+π)=ET−E0x'sin
(2πf0t)がそれぞれ印加されるとともに、駆動電極
部51−3,51−4には駆動電圧信号EB+E0x'sin(2
πf0t),EB+E0x'sin(2πf0t+π)=EB−E0x'sin
(2πf0t)がそれぞれ印加されている。角速度検出素
子が精度よく構成されている場合には、可変電圧源回路
76aからの直流電圧信号ETと定電圧源回路76bから
の直流電圧信号EBとを等しく設定すれば、メインフレー
ム30−1,30−2には静電引力による均等な力がX
軸方向に作用し、同メインフレーム30−1,30−2
は振動周波数f0でX軸方向に同期するとともに同一振
幅でそれぞれ振動するはずである。そして、この振動
は、梁33−1〜33−4を介して振動子20にも伝達
され、同振動子20はX軸方向にしか振動しないはずで
ある。したがって、出力端子OUTから取り出された振
動子20のY軸方向の振動の大きさを表す信号は「0」
になるはずである。
反転回路62a及び駆動モニタ電極部52−1〜52−
4の作用により、X軸方向の振動成分を表す信号E2・E0x
・sin(2πf0t)・sin(2πf2t)が電極パッド20c及
び増幅器63を介して駆動回路70に供給される。そし
て、駆動回路70を構成する復調回路71、整流回路7
4、移相回路72及び利得制御回路73は、移相回路7
2及び利得制御回路73の入力信号E0xsin(2πf
0t)、すなわち電極パッド20cからのX軸方向の前記
振動成分が時間的に常に一定になるように作用するの
で、振動子20はX軸方向に常に一定振幅で振動する。
き、特にメインフレーム30−1,30−2、梁33−
1〜33−4及び駆動電極部51−1〜51−4などの
加工上のばらつきにより、メインフレーム30−1,3
0−2がX軸方向に均等に駆動されない場合には、前記
両直流電圧信号ET,EBが等しくても、振動子20にY軸
方向の振動が発生する。ここで、メインフレーム30−
1,30−2への各駆動力F1,F2に着目すると、駆動
力F1は、前記駆動電圧信号ET+E0x'sin(2πf0t),E
T−E0x'sin(2πf0t)によるもので、Kを比例定数と
すると下記数1で表される。
+E0x'sin(2πf0t),EB−E0x'sin(2πf0t)による
もので、下記数2で表される。
に、可変電圧源回路76aから出力される直流電圧信号
ETの大きさを変更することにより、メインフレーム30
−1,30−2に対する両駆動力の大きさを調整するこ
とができる。したがって、振動子20及びメインフレー
ム30−1,30−2のY軸方向の振動成分を除去でき
る。
圧を調整することにより、振動子20のY軸方向の共振
周波数を調整する。すなわち、直流可変電圧源65a,
65bの電圧を変化させると、調整電極部55−1〜5
5−4による静電引力の大きさが変化し、Y軸方向の力
に対する振動子20の変位量すなわち検出用の梁33−
1〜33−4のばね定数が変更される。したがって、振
動子20のY軸方向の共振周波数が適宜調整される。
使ってZ軸回りの角速度を検出する動作について説明す
る。まず、この角速度検出装置を角速度を検出しようと
する物体に固定して、前述のように電気回路装置を作動
させる。この状態で、Z軸回りに角速度が作用すると、
振動子20はコリオリ力によって前記角速度に比例した
振幅でY軸方向に振動し始める。
により検出電極部53−1〜53−4の静電容量が前記
振動に応じて変化する。そして、この静電容量の変化
は、高周波発振器61及び位相反転回路61aから出力
された検出用信号E1sin(2πf 1t),E1sin(2πf1t
+π)=−E1sin(2πf1tπ)の振幅を変調した信号、
すなわちE1・E0y・sin(2πf0t)・sin(2πf1t)となっ
て電極パッド20cに現れ、増幅器63を介してサーボ
制御回路80に出力される。
動によってメインフレーム30−1,30−2及び振動
子20が基板10に対してX軸から傾いた斜め方向に振
動していても、この斜め方向の振動による影響は補正電
極部53−1〜53−4によって除去される。すなわ
ち、高周波発振器61からの検出用の高周波信号は、検
出電極部53−1,53−2の固定電極53a1,53
a2に供給されるとともに補正電極部54−1,54−
2の固定電極54a1,54a2にも供給され、また位
相反転回路61aからの前記高周波信号の位相を反転し
た信号は、検出電極部53−3,53−4の固定電極5
3a3,53a4に供給されるとともに補正電極部54
−3,54−4の固定電極54a3,54a4にも供給
されている。
0−1,30−2と振動子20のY軸同一方向の変位に
対して、補正電極部54−1〜54−4の容量は検出電
極部53−1〜53−4の容量と逆に変化するように構
成されているので、振動子20及びメインフレーム30
−1,30−2が同時にX軸から傾いた斜め方向に振動
すると、振動子20のY軸方向の振動成分によってもた
らされる検出電極部53−1〜53−4の容量変化か
ら、メインフレーム30−1,30−2のY軸方向の振
動成分によってもたらされる補正電極部54−1〜54
−4の容量変化分が除去される。したがって、増幅器6
3からサーボ制御回路81には、メインフレーム30−
1,30−2及び振動子20の斜め方向の振動による影
響を除去した、振動子20のY軸方向の振動で高周波信
号E1・sin(2πf1t)を振幅変調した信号E1・E0y・sin(2
πf0t)・sin(2πf1t)が出力される。
前記信号E1・E0y・sin(2πf0t)・sin(2πf1t)を復調
して振動子20のY軸方向の振動を表す信号E0y・sin(2
πf 0t)を取り出す。サーボアンプ82及び反転回路8
3は、前記信号E0y・sin(2πf0t)に基づき、サーボ電
極部56−1〜56−4に交流サーボ制御信号すなわち
振動子20のY軸方向の振動を抑制するための制御信号
を供給するので、サーボ電極部56−1〜56−4は振
動子20のY軸方向の振動すなわちZ軸回りの角速度に
よる振動子20のY軸方向の振動を抑制する。理想的に
は、振動子20のY軸方向の振動の振幅を「0」に制御
する。
制御信号は出力回路90の検波回路91にも供給されて
いる。この交流サーボ制御信号は、振動子20のY軸方
向の振動を表す信号E0y・sin(2πf0t)に比例した信号
であり、検波回路91は振動子の共振周波数f0で前記
信号E0y・sin(2πf0t)を検波するので、検波回路91
からはY軸方向の振動の大きさ(振幅)を表す直流信号E
0yが出力される。そして、この直流信号E0yが増幅器9
2を介して出力される。したがって、実際には、振動子
20はY軸方向に振動していないにもかかわらず、Z軸
回りの角速度の大きさを表す信号が取り出されることに
なる。これにより、Z軸回りの角速度による振動子20
のY軸方向の振動が基板10を介して振動子20に再入
力することがなくなり、この再入力に伴うノイズの発生
が抑えられ、角速度の検出精度を向上させることができ
る。
本発明に係る角速度検出素子の第2実施形態について説
明すると、図8は同実施形態に係る角速度検出素子を平
面図により示している。この第2実施形態に係る角速度
検出素子は、各種パッド部から配線パターンを延設する
とともに、同配線パターンを工夫したことを特徴として
いる。ただし、この角速度検出素子においては、図面の
簡単化のために、各種電極部のうちの駆動電極部51−
1〜51−4及び検出電極部53−1〜53−4のみを
示し、駆動モニタ電極部52−1〜52−4、補正電極
部54−1〜54−4、調整電極部55−1〜55−4
及びサーボ電極部56−1〜56−4に関しては省略し
て示している。
1b1,51b2の各外側端には、アンカ51e1,5
1e2が設けられ、同アンカ51e1,51e2の各図
示下方にはアンカ51f1,51f2が設けられ、同ア
ンカ51f1,51f2のX軸方向内側にはアンカ51
g1,51g2が設けられ、同アンカ51g1,51g
2の各図示下方にはアンカ51h1,51h2が設けら
れている。これらのアンカ51e1〜51h1,51e
2〜51h2は、図9にてアンカ51e1,51f1を
代表させて示すように、基板10上に絶縁層Aを介して
低抵抗層(導電体)Bを固着するように構成されてい
る。各アンカ51e1〜51h1間は、配線パターン5
1i1〜51k1によりそれぞれ接続されているととも
に、各アンカ51e2〜51h2間は、配線パターン5
1i2〜51k2によりそれぞれ接続されている。各配
線パターン51i1〜51k1,51i2〜51k2
は、図9にて配線パターン51i1を代表させて示すよ
うに、基板10から浮かせた設けた低抵抗層(導電体)
Bにより構成されている。アンカ51h1,51h2上
には、電極パッド51m1,51m2がそれぞれ設けら
れている。
51a3,51a4の図示下端には、アンカ51e3,
51e4が設けられ、同アンカ51e3,51e4のX
軸方向各内側にはアンカ51f3,51f4が設けら
れ、同アンカ51f3,51f4の各図示下方にはアン
カ51g3,51g4が設けられている。これらのアン
カ51e3〜5g3,51e4〜51g4も、基板10
上に絶縁層Aを介して低抵抗層(導電体)Bを固着する
ように構成されている。各アンカ51e3〜51g3間
は、配線パターン51h3,51i3によりそれぞれ接
続されているとともに、各アンカ51e4〜51g4間
は、配線パターン51h4,51i4によりそれぞれ接
続されている,各配線パターン51h3,51i3,5
1h4,51i4も、基板10から浮かせた設けた低抵
抗層Bにより構成されている。アンカ51g3,51g
4上には、電極パッド51j3,51j4がそれぞれ設
けられている。
3b1〜53b4の各外側端には、アンカ53e1〜5
3e4が設けられ、同アンカ53e1〜53e4の各図
示下方にはアンカ53f1〜53f4が設けられ、同ア
ンカ53f1〜53f4のX軸方向内側にはアンカ53
g1〜53g4が設けられ、同アンカ53g1〜53g
4の各図示下方にはアンカ53h1〜53h4が設けら
れている。これらのアンカ53e1〜53h1,53e
2〜53h2,53e3〜53h3,53e4〜53h
4も、基板10上に絶縁層Aを介して低抵抗層(導電
体)Bを固着するように構成されている。各アンカ53
e1〜53h1,53e2〜53h2,53e3〜53
h3,53e4〜53h4間は、配線パターン53i1
〜53k1,53i2〜53k2,53i3〜53k
3,53i4〜53k4によりそれぞれ接続されてい
る。各配線パターン53i1〜53k1,53i2〜5
3k2,53i3〜53k3,53i4〜53k4も、
基板10から浮かせた設けた低抵抗層(導電体)Bによ
り構成されている。アンカ53h1〜53h4上には、
電極パッド53m1〜53m4がそれぞれ設けられてい
る。
間も、基板10から所定距離だけ浮かせて設けた配線パ
ターン20dにより電気的に接続されている。さらに、
基板10上には、絶縁層Aを介して低抵抗層(導電体)
Bを基板10に固着した接地用のアンカ20dも設けら
れている。同アンカ20d上には電極パッド20eが設
けられている。
部52−1〜52−4、補正電極部54−1〜54−
4、調整電極部55−1〜55−4及びサーボ電極部5
6−1〜56−4を基板10上に設けた場合にも、上記
と同様な配線パターンが形成される。また、この第2実
施形態に係る角速度検出素子においても、上記第1実施
形態と同様な製造方法によって形成されるとともに、同
第1実施形態と同様な電気回路装置(図7)の接続によ
り、基板10に垂直なY軸回りの角速度を検出できる。
から浮かせて設けたので、同配線パターンの静電容量を
低減できる。すなわち、配線パターンと基板10との静
電容量Cは下記数3のように表される。
との対向面の面積であり、dは同対向面から基板10の
表面までの距離であり、εは同対向面と基板10との間
に充填された物質の誘電率である。ここで、絶縁層Bを
構成する酸化シリコンSiO 2の比誘電率(酸化シリコ
ンSiO2の真空の誘電率に対する比)は、「3.8」
である。また、空気の比誘電率は、約1.0である。
配線パターンを基板10から浮かせることにより、空気
中においても、同配線パターンと基板10との静電容量
(寄生容量)Cを小さくすることができる。また、角速
度検出素子の上面をケースにより覆って同ケース内に振
動子20を収容するとともに、同ケース内を真空にする
ことにより、さらに前記静電容量(寄生容量)Cを小さ
くできる。
定電極に対する配線パターンの寄生容量による影響を少
なくできる。すなわち、この第2実施形態においては、
駆動電極部51−1〜51−4による振動子20の駆動
精度を良好にできるとともに、検出電極部53−1〜5
3−4による振動子20の振動の検出精度を良好にでき
る。また、駆動モニタ電極部52−1〜52−4、補正
電極部54−1〜54−4、調整電極部55−1〜55
−4及びサーボ電極部56−1〜56−4を基板10上
に設けた場合にも、上記と同様な配線パターンによる効
果が期待できる。
法の好適な例について説明しておく。
検出素子の各部材の寸法変動をΔWとするとともに、角
速度検出素子の精度の要求される部分すなわち距離の短
い部分の寸法を次のように定義する。マス部21の正方
形状の貫通孔21aの周囲の枠の幅を図6(a)に示すよ
うにWmとするとともに、梁33−1〜33−4,42a
〜42d,43a〜43d,45a〜45d,46a〜
46dの幅をWkとする。また、図6(b)に示すように、
駆動電極部51−1〜51−4の可動及び固定電極の各
電極指の幅を共にWdとするとともに、各電極指間の距離
をDdとする。駆動モニタ電極部52−1〜52−4の可
動及び固定電極の各電極指の幅を共にWcとするととも
に、各電極指間の距離をDcとする。検出電極部53−1
〜53−4の可動及び固定電極の各電極指の幅を共にWs
とするとともに、各電極指間の距離をDsとする。サーボ
電極部56−1〜56−4の可動及び固定電極の各電極
指の幅を共にWaとするとともに、各電極指間の距離をDa
とする。
場合には、コリオリ力(角速度により振動子20に作用
するY軸方向の力)2・M・V・Ωとサーボ力ε・S・{(Vdc+V
o)2−(Vdc−Vo)2}/2・Da2は等しいので、下記数4が
成立する。
量であり、Vはマス部21の駆動振動速度であり、Ωは
角速度(ヨーレート)であり、εは誘電率であり、Sは
サーボ電極部56−1〜56−4の電極面積であり、Vd
cはサーボ電極部56−1〜56−4の直流バイアスで
あり、Voは出力電圧である。そして、前記数4を変形す
ると下記数5のようになる。
dを駆動共振周波数とすると、駆動振動速度Vは、駆動振
幅Adと駆動共振周波数ωdとの積Ad・ωdに等しいので、
下記数6が成立する。
前記数6は下記数7のように表される。
−ΔW/Dm)・ωd・(1+ΔW/Wk)・Ω/ε・S・Vdc
右辺は下記数8にほぼ等しくなる。
+1/Wk)}/ε・S・Vdc
部分が「0」になるようにすれば、寸法変動ΔWがある
程度大きくなっても、同寸法変動ΔWの影響を受けるこ
となく、出力電圧Voは前記数5,6のように定義され
る。したがって、幅Wm,Wk及び距離Da,Dmを下記数9が
成立するように(例えば、Wm=Wk=4μm、Da=8μ
m、Dm=4μm)設定することにより、角速度検出素子
の製造工程における誤差(バラツキ)の影響を受けるこ
となく、同検出素子の安定した感度が得られ、すなわち
同検出素子の検出精度が良好になる。また、このように
設計することにより、角速度検出素子の歩留まりも良好
となる。
て、サーボ制御を行わない場合、すなわちサーボ電極部
56−1〜56−4がないオープンループの場合には、
前記と同種の演算により、幅Wm,Wk及び距離Ds,Dmを下
記数10が成立するように設定することにより、角速度
検出素子の製造工程における誤差(バラツキ)の影響を
受けないようにすることができる。
速度センサ素子)10Aを装着した角速度検出装置(角
速度センサ装置)について説明すると、図10は同装置
を断面図により示している。
ト基板100に組み付けられたケース130内に収容さ
れている。プリント基板100の上面には、各種電気回
路部品110が組み付けられており、同基板100の下
面側に複数のピン120を介してケース130が組みつ
けられている。ケース130内は真空状態に保たれてお
り、角速度検出素子10Aの振動子20が空気などの気
体による抵抗なく変位できるようになっている。また、
上記第2実施形態の場合においては、真空の比誘電率の
低さを利用して、各種配線パターンの容量が小さくなる
ようになっている。なお、この角速度検出素子の装着例
の場合、図示下方を重力方向とするとともに図10は角
速度検出装置の使用時の状態を示しており、本明細書中
の下方、下面などの用語は重力方向を指し、上方、上面
などの用語は重力と反対側の方向を指している。
ト131及びカバー132からなる。取り付けプレート
131の下面には、平板状の固定板133が固着され、
同固定板133の下面に角速度検出素子10A及び回路
素子10Bがそれらの基板10側を上方にして固定され
ている。回路素子10Bは、角速度検出素子10Aと同
様に半導体で構成され、図7に示すような駆動回路7
0、サーボ制御回路80、出力回路90などの各種電気
回路を基板上に配置させている。これらの角速度検出素
子10A及び回路素子10Bにおいては、基板10上に
設けた各種機能部品は下方(重力方向)を向くように配
置される。特に、角速度検出素子10Aにおいては、基
板10の表面(振動子20と対向する面)が下方を向く
ようになっているとともに、振動子20は基板10の下
方に位置するようになっている。
は、複数のリード線134により電気的に接続されてい
る。また、固定板133の下面にも配線パターンが形成
されており、同配線パターンは複数のリード線135を
介して回路素子10Bに電気的に接続されている。複数
のピン120は、固定板133とプリント基板120と
を電気的に接続する機能も有しており、複数のリード線
136を介して固定板133上の前記配線パターンと電
気的に接続されている。
40によりパッケージ150の内底面に支持されてい
る。支持部材140は、パッケージ150からの振動が
伝達され難いように、ゴム、樹脂などの弾性を有する部
材によって構成されている。
両に搭載する場合、角速度検出素子10Aの振動子20
の共振周波数を4〜7KHzに設定するとよい。すなわ
ち、前記パッケージ150は車体に組み付けられるもの
であり、車体の共振周波数は2KHz程度以下である。
また、角速度検出素子10Aを前記のようにプリント基
板100に組み付ける場合、通常プリント基板100の
共振周波数は10KHz以上となる。言いかえれば、角
速度検出素子10Aをプリント基板100に強固に組み
付ける場合、プリント基板100全体の共振周波数を1
0KHz以上に簡単に設定できる。したがって、振動子
20の共振周波数を4〜7KHz程度に設定すれば、車
体及びプリント基板100の各共振周波数の影響を受け
ることなく、振動子20の振動を利用して、車両に発生
する角速度すなわちヨーレートを精度よく検出できるよ
うになる。
にあっては、振動子20を設けた側の表面にごみ、ほこ
りなどが落ちると、振動子20の変位の妨げになって角
速度を精度よく検出できなくなる。しかし、この場合、
前記のように角速度検出素子10Aをケース130内に
収容するようにしたので、角速度検出素子10Aの周囲
にごみ、ほこりなどの侵入が防止される。また、この角
速度センサ装置の使用時には、振動子20の設けられた
基板10の表面が重力方向を向くように角速度検出素子
10Aをプリント基板100に固定するようにしたの
で、振動子20の設けられた基板10の表面及び振動子
20の表面にごみ、ほこりなどが落ちることがなくな
る。このような理由により、振動子20の変位が安定
し、ひいてはこの角速度センサ装置による検出精度が良
好になる。また、ケース130の内面に粘着性物質を塗
布しておけば、例えば粘着テープをケース130の内面
に貼っておけば、ケース130内のごみ、振動子20の
周囲のごみ、ほこりなどをより良好に排除できる。
基板100の上面に各種電気回路部品110を組み付け
るとともに、同基板100の下面に角速度検出素子10
Aを収容するケース130を組み付けるようにしたの
で、角速度検出装置(角速度センサ装置)を構成するパ
ッケージ150全体をコンパクトに構成できる。
出装置に適用した例について説明したが、本発明は、振
動子20の変位に基づいて同振動子20に作用する加速
度に伴う力、圧力などの物理量を検出する加速度検出素
子、圧力検出素子及び同検出装置にも適用できるもので
ある。なお、これらの場合も、振動子20の変位を検出
電極部53−1〜53−4により検出するものである
が、振動子20を振動させる必要はないので、駆動電極
部51−1〜51−4及び駆動モニタ電極部52−1〜
52−4は不要となる。また、前記加速度検出素子にお
いても、上記角速度検出素子10Aと同様な各部の寸法
変動ΔWの影響を受けないようにするために、幅Wm,Wk
及び距離Ds,Dmを適宜設定するとよい。具体的には、サ
ーボ制御する場合には下記数11が成立するようにする
とともに、サーボ制御しない場合には下記数12が成立
するようにすればよい。
の平面図である。
A3線及びA4−A4線に沿って見た端面図である。
B3線及びB4−B4線に沿って見た端面図である。
C3線及びC4−C4線に沿って見た端面図である。
の半導体素子の一部を示す端面図であり、(b)は部材間
隔とノッチングの発生状況を説明するためのグラフであ
る。
(b)は図1の各種電極部の拡大平面図である。
いて角速度を検出するための電気回路装置のブロック図
である。
の平面図である。
出素子を装着した角速度検出装置の断面図である。
ンフレーム、30−3,30−4…サブフレーム、33
−1〜33−4、42a〜42d,43a〜43d,4
5a〜45d,46a〜46d…梁、41a〜41d,
44a〜44d…アンカ、51−1〜51−4…駆動電
極部、51b1〜51b4…配線部、52−1〜52−
4…駆動モニタ電極部、52b1〜52b4…配線部、
53−1〜53−4…検出電極部、53b1〜53b4
…配線部、54−1〜54−4…補正電極部、55−1
〜55−4…調整電極部、55b1,55b2…配線
部、56−1〜56−4…サーボ電極部、56b1〜5
6b4…配線部、51e1〜51e4,51f1〜51
f4,51g1〜51g4,51h1,51h2…アン
カ、51i1〜51i4,51j1〜51j4,51k
1,51k2…配線パターン、53e1〜53e4,5
3f1〜53f4,53g1〜53g4,53h1〜5
3h4…アンカ、53i1〜53i4,53j〜53j
4,53k1〜5k4,20d…配線パターン。
Claims (7)
- 【請求項1】基板上に変位可能に支持された振動子と、
前記振動子に連結されて基板上にて同振動子と一体的に
変位する可動電極及び前記可動電極に対向するように基
板上に固定された固定電極からなる複数の電極部と、基
板上に設けられて前記各可動電極及び固定電極にそれぞ
れ接続されて電気信号を通過させる複数の配線とを備え
たセンサ素子において、 前記複数の配線のうちで同一種類の電気信号を通過させ
る複数の配線をそれぞれ同一の電気特性に設定したこと
を特徴とするセンサ素子。 - 【請求項2】前記請求項1に記載したセンサ素子におい
て、前記複数の配線のうちで同一種類の電気信号を通過
させる複数の配線の長さ、幅及び厚さをそれぞれ等しく
することにより、同複数の配線を同一の電気特性に設定
するようにしたセンサ素子。 - 【請求項3】前記請求項1に記載したセンサ素子におい
て、前記複数の配線のうちで両側近傍に他の部材がそれ
ぞれ存在する複数の配線と同各他の部材までの各距離を
それぞれ等しく設定したセンサ素子。 - 【請求項4】基板上に変位可能に支持された振動子と、
前記振動子に連結されて基板上にて同振動子と一体的に
変位する可動電極及び前記可動電極に対向するように基
板上に固定された固定電極からなる複数の電極部と、基
板上に設けられて前記各可動電極及び固定電極にそれぞ
れ接続されて電気信号を通過させる複数の配線とを備え
たセンサ素子において、 前記固定電極に接続された配線の少なくとも一部を基板
との間に間隙を設けるように構成したことを特徴とする
センサ素子。 - 【請求項5】基板上に浮かせて設けた振動子を複数の梁
により基板に対して変位可能に支持したセンサ素子にお
いて、 前記梁と同梁の両側にそれぞれ配置された各部材までの
各距離をそれぞれ等しく設定するようにしたことを特徴
とするセンサ素子。 - 【請求項6】素子用基板の表面上に変位可能に支持され
た振動子を有するセンサ素子を、他の電気部品を装着し
た電気部品用基板に組み付けたセンサ装置において、 同センサ装置の使用時に、前記振動子の設けられた前記
素子用基板の表面が重力方向を向くように、センサ素子
を電気部品用基板に組み付けたことを特徴とするセンサ
装置。 - 【請求項7】前記請求項6に記載したセンサ装置におい
て、 前記センサ素子をケース内に収容したセンサ装置。
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