JP2003028644A - 角速度センサ装置 - Google Patents
角速度センサ装置Info
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 振動型の角速度センサ装置において、外部加
速度の印加によって角速度の検出精度が低下するのを防
止する。 【解決手段】 角速度検出用のセンサ素子100は、S
OI基板10の表面側に、x軸方向およびx軸方向と直
交するy軸方向に変位可能な振動体31を形成し、この
振動体31がx軸方向へ振動している状態で、z軸回り
に角速度が加わったときに振動体31に生じるy軸方向
への変位に基づいて角速度を検出するようにしたもので
あり、センサ素子100は、接着剤300を介してパッ
ケージ部材200に実装されて構造体S1が形成されて
おり、構造体S1のy軸方向への共振周波数が、振動体
31のx軸方向への共振周波数と振動体31のy軸方向
への共振周波数との差の1/21/2倍以下である。
速度の印加によって角速度の検出精度が低下するのを防
止する。 【解決手段】 角速度検出用のセンサ素子100は、S
OI基板10の表面側に、x軸方向およびx軸方向と直
交するy軸方向に変位可能な振動体31を形成し、この
振動体31がx軸方向へ振動している状態で、z軸回り
に角速度が加わったときに振動体31に生じるy軸方向
への変位に基づいて角速度を検出するようにしたもので
あり、センサ素子100は、接着剤300を介してパッ
ケージ部材200に実装されて構造体S1が形成されて
おり、構造体S1のy軸方向への共振周波数が、振動体
31のx軸方向への共振周波数と振動体31のy軸方向
への共振周波数との差の1/21/2倍以下である。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、振動型の角速度セ
ンサ装置に関する。
ンサ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、この種の角速度センサ装置は、
振動体を備えた角速度検出用のセンサ素子を有する。こ
のセンサ素子は、基板と、この基板に対して相直交する
第1の軸方向、第2の軸方向に変位可能なように支持梁
を介して支持された上記振動体と、この振動体を第1の
方向へ振動させる振動発生手段と、角速度印加時に振動
体に生じる第2の軸方向への変位に基づいて角速度を検
出するための角速度検出手段とを備える。
振動体を備えた角速度検出用のセンサ素子を有する。こ
のセンサ素子は、基板と、この基板に対して相直交する
第1の軸方向、第2の軸方向に変位可能なように支持梁
を介して支持された上記振動体と、この振動体を第1の
方向へ振動させる振動発生手段と、角速度印加時に振動
体に生じる第2の軸方向への変位に基づいて角速度を検
出するための角速度検出手段とを備える。
【0003】そして、振動発生手段により振動体を基板
に対して平行な第1の軸方向に振動させている状態で、
センサ全体が基板と垂直な回転軸(第3の軸)を中心と
して回転すると、この回転力に応じたコリオリ力によっ
て、振動体は第1の軸方向と直交する第2の軸方向に振
動する。そして、角速度検出手段を介して振動体の振動
時の変位量を検出することにより、センサ全体に加わっ
た角速度を検出することができる。
に対して平行な第1の軸方向に振動させている状態で、
センサ全体が基板と垂直な回転軸(第3の軸)を中心と
して回転すると、この回転力に応じたコリオリ力によっ
て、振動体は第1の軸方向と直交する第2の軸方向に振
動する。そして、角速度検出手段を介して振動体の振動
時の変位量を検出することにより、センサ全体に加わっ
た角速度を検出することができる。
【0004】このようなセンサ素子としては、例えば、
特開2000−28365号公報や特開平5−3125
76号公報に記載のものがある。
特開2000−28365号公報や特開平5−3125
76号公報に記載のものがある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の角速度センサ装置では、第2の軸方向に外部から加
速度が加わったときにおいても、この加速度によって振
動体が第2の軸方向に変位する。このとき、角速度検出
手段は、このような加速度による振動体の変位量も角速
度によるものとして検出する。即ち、センサ全体が基板
に垂直な第3の軸を中心として回転しないときであって
も、第2の軸方向に加速度が加わったときには、角速度
検出手段は、振動体の変位量を検出してしまう。
来の角速度センサ装置では、第2の軸方向に外部から加
速度が加わったときにおいても、この加速度によって振
動体が第2の軸方向に変位する。このとき、角速度検出
手段は、このような加速度による振動体の変位量も角速
度によるものとして検出する。即ち、センサ全体が基板
に垂直な第3の軸を中心として回転しないときであって
も、第2の軸方向に加速度が加わったときには、角速度
検出手段は、振動体の変位量を検出してしまう。
【0006】このように、第2の軸方向に加速度が加わ
ったときには、この加速度による振動体の変位量がノイ
ズとして加わってしまうため、角速度の検出精度が低下
するという問題がある。
ったときには、この加速度による振動体の変位量がノイ
ズとして加わってしまうため、角速度の検出精度が低下
するという問題がある。
【0007】また、従来の角速度センサ装置は、一般
に、センサ素子は素子単体ではなく、パッケージ部材に
実装されて使用される。このような実装構造において、
従来は、センサ素子を防振ゴムを介してパッケージ部材
に搭載することで、外部加速度による振動体の共振を抑
えセンサの破損等を防止する構造も知られているが、加
速度による角速度の検出精度の低下に関しては適切な方
法は提案されていない。
に、センサ素子は素子単体ではなく、パッケージ部材に
実装されて使用される。このような実装構造において、
従来は、センサ素子を防振ゴムを介してパッケージ部材
に搭載することで、外部加速度による振動体の共振を抑
えセンサの破損等を防止する構造も知られているが、加
速度による角速度の検出精度の低下に関しては適切な方
法は提案されていない。
【0008】そこで、外部からの加速度印加による角速
度の検出精度の低下の問題は、センサ素子がパッケージ
部材に対して実装されて一体化された構造体について、
すなわち、装置全体について考慮し、解決していく必要
がある。
度の検出精度の低下の問題は、センサ素子がパッケージ
部材に対して実装されて一体化された構造体について、
すなわち、装置全体について考慮し、解決していく必要
がある。
【0009】本発明は上記問題に鑑み、振動型の角速度
センサ装置において、外部加速度の印加によって角速度
の検出精度が低下するのを防止することを目的とする。
センサ装置において、外部加速度の印加によって角速度
の検出精度が低下するのを防止することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明では、角速度検出用のセンサ
素子(100)を有し、センサ素子が、基板(10)
と、この基板に対して、第1の軸(x)方向に弾性変形
可能な第1の支持梁(33)および第1の軸方向と直交
する第2の軸(y)方向に弾性変形可能な第2の支持梁
(34)を介して支持された振動体(31)と、この振
動体を第1の軸方向へ振動させる振動発生手段(35、
40)と、振動体が第1の軸方向へ振動している状態
で、第3の軸(z)回りに角速度が加わったときに振動
体に生じる第2の軸方向への変位に基づいて角速度を検
出するための角速度検出手段(36、50)とを備える
ものである角速度センサ装置において、センサ素子を、
パッケージ部材(200)に対して実装することによ
り、これらセンサ素子およびパッケージ部材が一体化さ
れた構造体(S1)が形成されており、構造体の第2の
軸方向への共振周波数が、振動体の第1の軸方向への共
振周波数と振動体の第2の軸方向への共振周波数との差
の1/21/2倍以下であることを特徴とする。
め、請求項1に記載の発明では、角速度検出用のセンサ
素子(100)を有し、センサ素子が、基板(10)
と、この基板に対して、第1の軸(x)方向に弾性変形
可能な第1の支持梁(33)および第1の軸方向と直交
する第2の軸(y)方向に弾性変形可能な第2の支持梁
(34)を介して支持された振動体(31)と、この振
動体を第1の軸方向へ振動させる振動発生手段(35、
40)と、振動体が第1の軸方向へ振動している状態
で、第3の軸(z)回りに角速度が加わったときに振動
体に生じる第2の軸方向への変位に基づいて角速度を検
出するための角速度検出手段(36、50)とを備える
ものである角速度センサ装置において、センサ素子を、
パッケージ部材(200)に対して実装することによ
り、これらセンサ素子およびパッケージ部材が一体化さ
れた構造体(S1)が形成されており、構造体の第2の
軸方向への共振周波数が、振動体の第1の軸方向への共
振周波数と振動体の第2の軸方向への共振周波数との差
の1/21/2倍以下であることを特徴とする。
【0011】検出における角速度出力においては、外部
加速度の周波数が、振動体の第1の軸方向への共振周波
数(fd)と振動体の第2の軸方向への共振周波数(f
s)との差(Δf、以下、本欄にて振動体の共振周波数
差Δfという)と同じである場合、当該外部加速度によ
る振動体の変位量が大きくなる。
加速度の周波数が、振動体の第1の軸方向への共振周波
数(fd)と振動体の第2の軸方向への共振周波数(f
s)との差(Δf、以下、本欄にて振動体の共振周波数
差Δfという)と同じである場合、当該外部加速度によ
る振動体の変位量が大きくなる。
【0012】そこで、本発明では、この点に着目して、
構造体の第2の軸方向への共振周波数(fa)を、振動
体の共振周波数差Δfの1/21/2以下としている。そ
れによれば、その周波数が振動体の共振周波数差Δfと
同一であるような外部加速度が、装置全体すなわち構造
体に加わっても、構造体の第2の方向への振動振幅を減
衰させることができるため、外部加速度による振動出力
を低減できる。
構造体の第2の軸方向への共振周波数(fa)を、振動
体の共振周波数差Δfの1/21/2以下としている。そ
れによれば、その周波数が振動体の共振周波数差Δfと
同一であるような外部加速度が、装置全体すなわち構造
体に加わっても、構造体の第2の方向への振動振幅を減
衰させることができるため、外部加速度による振動出力
を低減できる。
【0013】従って、本発明によれば、振動型の角速度
センサ装置において、外部加速度の印加によって角速度
の検出精度が低下するのを防止することができる。
センサ装置において、外部加速度の印加によって角速度
の検出精度が低下するのを防止することができる。
【0014】さらに、請求項2に記載の発明では、構造
体(S1)の第2の軸(y)方向への共振周波数が、セ
ンサ素子(100)における角速度応答性のカットオフ
周波数以上であることを特徴とする。
体(S1)の第2の軸(y)方向への共振周波数が、セ
ンサ素子(100)における角速度応答性のカットオフ
周波数以上であることを特徴とする。
【0015】一般に、この種の角速度センサ装置では、
緩やかな回転すなわち或る周波数よりも小さい角速度
は、振動体が共振せずに追随して変位することが必要と
される。そこで、当該或る周波数すなわちカットオフ周
波数より小さい角速度では、振動体が共振しないように
センサ素子は、構成される。
緩やかな回転すなわち或る周波数よりも小さい角速度
は、振動体が共振せずに追随して変位することが必要と
される。そこで、当該或る周波数すなわちカットオフ周
波数より小さい角速度では、振動体が共振しないように
センサ素子は、構成される。
【0016】そのため、センサ素子をパッケージ部材に
実装してなる構造体においても、第2の軸(y)方向へ
の共振周波数がセンサ素子における角速度応答性のカッ
トオフ周波数以上であることが好ましく、それにより、
角速度の応答性をより向上させることができる。
実装してなる構造体においても、第2の軸(y)方向へ
の共振周波数がセンサ素子における角速度応答性のカッ
トオフ周波数以上であることが好ましく、それにより、
角速度の応答性をより向上させることができる。
【0017】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る角
速度センサ装置の概略断面図である。本装置は、角速度
検出用のセンサ素子(センサチップ)100を有し、こ
のセンサ素子100をセラミック等よりなるパッケージ
部材200に対して、シリコーン系樹脂等の樹脂材料等
よりなる接着剤300を介して実装することにより、セ
ンサ素子100およびパッケージ部材200が一体化さ
れた構造体S1として構成されている。
について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る角
速度センサ装置の概略断面図である。本装置は、角速度
検出用のセンサ素子(センサチップ)100を有し、こ
のセンサ素子100をセラミック等よりなるパッケージ
部材200に対して、シリコーン系樹脂等の樹脂材料等
よりなる接着剤300を介して実装することにより、セ
ンサ素子100およびパッケージ部材200が一体化さ
れた構造体S1として構成されている。
【0019】次に、センサ素子100について説明す
る。図2は、センサ素子100を示す平面図であり、図
3は、図2中のA−A断面図である。センサ素子100
は、半導体基板等に周知のマイクロマシン加工を施すこ
とにより形成される。
る。図2は、センサ素子100を示す平面図であり、図
3は、図2中のA−A断面図である。センサ素子100
は、半導体基板等に周知のマイクロマシン加工を施すこ
とにより形成される。
【0020】本例のセンサ素子100を構成する基板
は、図3に示す様に、第1の半導体基板としての第1シ
リコン基板11上に絶縁層としての酸化膜13を介して
第2の半導体基板としての第2シリコン基板12を貼り
合わせてなる矩形状のSOI(シリコン−オン−インシ
ュレータ)基板10である。
は、図3に示す様に、第1の半導体基板としての第1シ
リコン基板11上に絶縁層としての酸化膜13を介して
第2の半導体基板としての第2シリコン基板12を貼り
合わせてなる矩形状のSOI(シリコン−オン−インシ
ュレータ)基板10である。
【0021】SOI基板10において、第2シリコン基
板12には、エッチング加工等を施すことにより溝が形
成され、当該溝によって当該基板12を、周辺部側に位
置する枠状の基部20と、この基部20の内周側に位置
して可動する錘部30とに区画している。
板12には、エッチング加工等を施すことにより溝が形
成され、当該溝によって当該基板12を、周辺部側に位
置する枠状の基部20と、この基部20の内周側に位置
して可動する錘部30とに区画している。
【0022】ここで、錘部30に対応した部分において
は、第1シリコン基板11及び酸化膜13は除去されて
おり、開口部(本例では矩形状)14が形成されてい
る。そして、基部20は、この開口部14の縁部にて酸
化膜13を介して第1シリコン基板11に支持されてい
る。そして、センサ素子100は、SOI基板10にお
ける第1シリコン基板11側にて、接着剤300により
パッケージ部材200に固定されている。
は、第1シリコン基板11及び酸化膜13は除去されて
おり、開口部(本例では矩形状)14が形成されてい
る。そして、基部20は、この開口部14の縁部にて酸
化膜13を介して第1シリコン基板11に支持されてい
る。そして、センサ素子100は、SOI基板10にお
ける第1シリコン基板11側にて、接着剤300により
パッケージ部材200に固定されている。
【0023】錘部30は、第2シリコン基板12の中央
部に位置する略長方形状の振動体(第1の可動部)31
と、振動体31における第1の軸x方向(以下、x軸方
向という)の両外側に設けられた柱状の柱状部(第2の
可動部)32とよりなる。そして、錘部30において
は、柱状部32は略コの字形状をなす駆動梁33を介し
て基部20に連結され、振動体31は、検出梁34を介
して柱状部32に連結されている。
部に位置する略長方形状の振動体(第1の可動部)31
と、振動体31における第1の軸x方向(以下、x軸方
向という)の両外側に設けられた柱状の柱状部(第2の
可動部)32とよりなる。そして、錘部30において
は、柱状部32は略コの字形状をなす駆動梁33を介し
て基部20に連結され、振動体31は、検出梁34を介
して柱状部32に連結されている。
【0024】ここで、駆動梁33は、実質的にx軸方向
にのみ弾性変形可能なものであり、この駆動梁33によ
って振動体31を含む錘部30全体がx軸方向へ振動可
能となっている。一方、検出梁34は、実質的に第2の
軸y方向(以下、y軸方向という)にのみ弾性変形可能
なものであり、この検出梁34によって錘部30のうち
振動体31がy軸方向へ振動可能となっている。
にのみ弾性変形可能なものであり、この駆動梁33によ
って振動体31を含む錘部30全体がx軸方向へ振動可
能となっている。一方、検出梁34は、実質的に第2の
軸y方向(以下、y軸方向という)にのみ弾性変形可能
なものであり、この検出梁34によって錘部30のうち
振動体31がy軸方向へ振動可能となっている。
【0025】つまり、振動体31は、基板10との間に
柱状部32を介在させつつ、x軸方向に弾性変形可能な
駆動梁(第1の支持梁)33およびy軸方向に弾性変形
可能な検出梁(第2の支持梁)34を介して基板10に
支持された構成となっている。
柱状部32を介在させつつ、x軸方向に弾性変形可能な
駆動梁(第1の支持梁)33およびy軸方向に弾性変形
可能な検出梁(第2の支持梁)34を介して基板10に
支持された構成となっている。
【0026】また、第2シリコン基板12のうち、柱状
部32におけるx軸方向の両外側には、開口部14の縁
部に支持された櫛歯状の駆動電極40(図2の例では1
個ずつ)が形成されている。そして、駆動電極40は、
柱状部32から突出する櫛歯部(駆動用櫛歯部)35に
対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されて
いる。
部32におけるx軸方向の両外側には、開口部14の縁
部に支持された櫛歯状の駆動電極40(図2の例では1
個ずつ)が形成されている。そして、駆動電極40は、
柱状部32から突出する櫛歯部(駆動用櫛歯部)35に
対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されて
いる。
【0027】ここで、駆動電極40には、図示しない外
部回路とワイヤボンディング等により電気的に接続する
ためのパッド(駆動電極用パッド)41がアルミ等によ
り形成されている。これら、駆動電極40および駆動用
櫛歯部35により、振動体31を含む錘部30全体をx
軸方向へ駆動振動させるために錘部30に駆動信号を印
加するための振動発生手段が構成されている。
部回路とワイヤボンディング等により電気的に接続する
ためのパッド(駆動電極用パッド)41がアルミ等によ
り形成されている。これら、駆動電極40および駆動用
櫛歯部35により、振動体31を含む錘部30全体をx
軸方向へ駆動振動させるために錘部30に駆動信号を印
加するための振動発生手段が構成されている。
【0028】また、第2シリコン基板12のうち、振動
体31におけるy軸方向の両外側には、開口部14の縁
部に支持された櫛歯状の検出電極50(図2の例では1
個ずつ)が形成されている。そして、検出電極50は、
振動体31から突出する櫛歯部(検出用櫛歯部)36に
対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されて
いる。
体31におけるy軸方向の両外側には、開口部14の縁
部に支持された櫛歯状の検出電極50(図2の例では1
個ずつ)が形成されている。そして、検出電極50は、
振動体31から突出する櫛歯部(検出用櫛歯部)36に
対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されて
いる。
【0029】ここで、検出電極50には、図示しない上
記外部回路とワイヤボンディング等により電気的に接続
されるためのパッド(検出電極用パッド)51がアルミ
等により形成されている。
記外部回路とワイヤボンディング等により電気的に接続
されるためのパッド(検出電極用パッド)51がアルミ
等により形成されている。
【0030】これら検出電極50および検出用櫛歯部3
6により、振動体31(錘部30)の駆動振動のもとx
軸方向及びy軸方向と直交するz軸回りに角速度Ωが印
加されたときに発生する振動体31のy軸方向への変位
(検出振動)に基づいて角速度Ωを検出するための角速
度検出手段が構成されている。
6により、振動体31(錘部30)の駆動振動のもとx
軸方向及びy軸方向と直交するz軸回りに角速度Ωが印
加されたときに発生する振動体31のy軸方向への変位
(検出振動)に基づいて角速度Ωを検出するための角速
度検出手段が構成されている。
【0031】また、第2シリコン基板12のうち、柱状
部32におけるx軸方向の両外側には、開口部14の縁
部に支持された櫛歯状のモニタ電極60(図2の例では
2個ずつ)が形成されている。このモニタ電極60は、
振動体31を含む錘部30のx軸方向への駆動振動をモ
ニタし、モニタ信号を検出するためのものである。
部32におけるx軸方向の両外側には、開口部14の縁
部に支持された櫛歯状のモニタ電極60(図2の例では
2個ずつ)が形成されている。このモニタ電極60は、
振動体31を含む錘部30のx軸方向への駆動振動をモ
ニタし、モニタ信号を検出するためのものである。
【0032】そして、モニタ電極60は、柱状部32か
ら突出する櫛歯部(モニタ用櫛歯部)37に対し、互い
の櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。ここ
で、モニタ電極60には、上記外部回路とワイヤボンデ
ィング等により電気的に接続されるためのパッド(モニ
タ電極用パッド)61がアルミ等により形成されてい
る。
ら突出する櫛歯部(モニタ用櫛歯部)37に対し、互い
の櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。ここ
で、モニタ電極60には、上記外部回路とワイヤボンデ
ィング等により電気的に接続されるためのパッド(モニ
タ電極用パッド)61がアルミ等により形成されてい
る。
【0033】なお、上記した基部20、錘部30、駆動
電極40、検出電極50およびモニタ電極60といった
第2シリコン基板12に形成された各部は、上記溝によ
り互いに電気的に絶縁されている。
電極40、検出電極50およびモニタ電極60といった
第2シリコン基板12に形成された各部は、上記溝によ
り互いに電気的に絶縁されている。
【0034】かかる角速度センサ装置においては、上記
図示しない外部回路から駆動電極用パッド41を介して
駆動電極40に駆動信号(正弦波電圧等)を印加して、
上記櫛歯部35と駆動電極40との間に静電気力を発生
させる。それにより、駆動梁33の弾性力によって振動
体31を含む錘部30全体がx軸方向へ駆動振動する。
図示しない外部回路から駆動電極用パッド41を介して
駆動電極40に駆動信号(正弦波電圧等)を印加して、
上記櫛歯部35と駆動電極40との間に静電気力を発生
させる。それにより、駆動梁33の弾性力によって振動
体31を含む錘部30全体がx軸方向へ駆動振動する。
【0035】このとき、モニタ電極60とモニタ用櫛歯
部37との櫛歯間の容量変化を調べることにより、錘部
30の駆動振動の周波数や振幅等をモニタする。そし
て、モニタされた容量変化がモニタ信号として、モニタ
電極用パッド61から上記外部回路へフィードバックさ
れることにより、駆動信号が調整され、正常な駆動振動
が可能となっている。
部37との櫛歯間の容量変化を調べることにより、錘部
30の駆動振動の周波数や振幅等をモニタする。そし
て、モニタされた容量変化がモニタ信号として、モニタ
電極用パッド61から上記外部回路へフィードバックさ
れることにより、駆動信号が調整され、正常な駆動振動
が可能となっている。
【0036】この錘部30の駆動振動のもと、z軸回り
に角速度Ωが印加されると、錘部30にはy軸方向にコ
リオリ力が印加され、錘部30のうち振動体31が、検
出梁34の弾性力によってy軸方向へ検出振動する。す
ると、この検出振動によって、検出電極50と検出用櫛
歯部36との櫛歯間の容量が変化するため、この容量変
化を検出することにより、角速度Ωの大きさを求めるこ
とができる。
に角速度Ωが印加されると、錘部30にはy軸方向にコ
リオリ力が印加され、錘部30のうち振動体31が、検
出梁34の弾性力によってy軸方向へ検出振動する。す
ると、この検出振動によって、検出電極50と検出用櫛
歯部36との櫛歯間の容量が変化するため、この容量変
化を検出することにより、角速度Ωの大きさを求めるこ
とができる。
【0037】具体的には、図2において、振動体31が
y軸方向に沿って一方向へ変位したとき、図2における
上下の角速度検出手段36、50において、検出振動検
出電極50と検出用櫛歯部36との間の容量変化は互い
に逆になるようになっている。そのため、上下の角速度
検出手段36、50におけるそれぞれの容量変化を電圧
に変換し、両電圧値を差動・増幅して出力することで、
角速度が求められる。
y軸方向に沿って一方向へ変位したとき、図2における
上下の角速度検出手段36、50において、検出振動検
出電極50と検出用櫛歯部36との間の容量変化は互い
に逆になるようになっている。そのため、上下の角速度
検出手段36、50におけるそれぞれの容量変化を電圧
に変換し、両電圧値を差動・増幅して出力することで、
角速度が求められる。
【0038】ところで、本実施形態では、振動体31の
x軸方向への共振周波数(以下、駆動側共振周波数とい
う)をfd、振動体31のy軸方向への共振周波数(以
下、検出側共振周波数という)をfsとすると、検出側
共振周波数fsは角速度の周波数特性を確保するために
駆動側共振周波数fdより高く設定されている。また、
角速度検出信号は駆動側共振周波数fdに同期した同期
検波回路を用いて信号処理され、当該信号中の周波数f
dと同じ周波数成分を取り出すようにしている。
x軸方向への共振周波数(以下、駆動側共振周波数とい
う)をfd、振動体31のy軸方向への共振周波数(以
下、検出側共振周波数という)をfsとすると、検出側
共振周波数fsは角速度の周波数特性を確保するために
駆動側共振周波数fdより高く設定されている。また、
角速度検出信号は駆動側共振周波数fdに同期した同期
検波回路を用いて信号処理され、当該信号中の周波数f
dと同じ周波数成分を取り出すようにしている。
【0039】ここで、振動体31の質量をmとし、振動
体31が駆動側共振周波数fdにて振動速度vで振動し
ているときに、回転周波数がf0の角速度Ωが印加され
たとする。そのときの角速度振動の出力(角速度出力)
Vsは、次の数式1、数式2にて表されるように、コリ
オリ力Fcに比例する。
体31が駆動側共振周波数fdにて振動速度vで振動し
ているときに、回転周波数がf0の角速度Ωが印加され
たとする。そのときの角速度振動の出力(角速度出力)
Vsは、次の数式1、数式2にて表されるように、コリ
オリ力Fcに比例する。
【0040】
【数1】
角速度出力Vs∝コリオリ力Fc=2mvΩ
【0041】
【数2】
振動速度v=V0・sin(2π・fd・t)
角速度Ω=Ω0・sin(2π・f0・t)
ここで、V0、Ω0はそれぞれ振幅である。そして、数
式1に、数式2を代入して展開すると、角速度出力Vs
は次の数式3に表されるようになる。
式1に、数式2を代入して展開すると、角速度出力Vs
は次の数式3に表されるようになる。
【0042】
【数3】Vs∝2mV0Ω0・sin(2π・fd・t)
・sin(2π・f0・t)=2mV0Ω0{sin2π(f
d+f0)t+sin2π(fd−f0)t} この数式3からわかるように、振動体31が周波数fd
にて振動速度vで振動しているときに、周波数がf0の
角速度Ωが印加されると、周波数が(fd+f0)と
(fd−f0)のコリオリ力が合成されて加わることに
なる。
・sin(2π・f0・t)=2mV0Ω0{sin2π(f
d+f0)t+sin2π(fd−f0)t} この数式3からわかるように、振動体31が周波数fd
にて振動速度vで振動しているときに、周波数がf0の
角速度Ωが印加されると、周波数が(fd+f0)と
(fd−f0)のコリオリ力が合成されて加わることに
なる。
【0043】図4に、周波数が(fd+f0)のコリオ
リ力と(fd−f0)のコリオリ力とが合成されてy軸
方向へ振動する振動体31の変位の様子を、時間を横
軸、当該変位を縦軸にとって模式的に示す。なお、一般
に、角速度Ωの周波数f0が、駆動側共振周波数fdと
検出側共振周波数fsとの差Δf(以下、振動体の共振
周波数差Δfという)に等しい場合に角速度出力は最大
となるようにしている。
リ力と(fd−f0)のコリオリ力とが合成されてy軸
方向へ振動する振動体31の変位の様子を、時間を横
軸、当該変位を縦軸にとって模式的に示す。なお、一般
に、角速度Ωの周波数f0が、駆動側共振周波数fdと
検出側共振周波数fsとの差Δf(以下、振動体の共振
周波数差Δfという)に等しい場合に角速度出力は最大
となるようにしている。
【0044】このように、角速度出力Vsは表される
が、ここで、振動体31が周波数fdにて振動速度vで
振動しているときに、周波数がf0’の加速度がy軸方
向から印加された場合も、上記数式1〜3に準じて出力
がなされる。つまり、振動体S1に周波数f0’の加速
度が加わると、振動体S1はy軸方向へ振動を発生し、
それによって、加速度による出力は、周波数が(fd+
f0’)と(fd−f0’)のコリオリ力が合成されて
加わった形になる。
が、ここで、振動体31が周波数fdにて振動速度vで
振動しているときに、周波数がf0’の加速度がy軸方
向から印加された場合も、上記数式1〜3に準じて出力
がなされる。つまり、振動体S1に周波数f0’の加速
度が加わると、振動体S1はy軸方向へ振動を発生し、
それによって、加速度による出力は、周波数が(fd+
f0’)と(fd−f0’)のコリオリ力が合成されて
加わった形になる。
【0045】このとき、f0’=fs−fdの場合、す
なわち、加速度の周波数f0’が上記した振動体の共振
周波数差Δfに等しい場合には、検出側共振周波数fs
のコリオリ力が加わってしまうため、加速度による大き
な振動出力が発生し、角速度出力に対するノイズが大き
くなってしまう。
なわち、加速度の周波数f0’が上記した振動体の共振
周波数差Δfに等しい場合には、検出側共振周波数fs
のコリオリ力が加わってしまうため、加速度による大き
な振動出力が発生し、角速度出力に対するノイズが大き
くなってしまう。
【0046】そのため、加速度の周波数f0’=Δfの
場合において、振動体31の検出振動が大きくならない
ように、構造体S1のy軸方向への共振周波数fa(以
下、構造体周波数faという)を設定する必要がある。
場合において、振動体31の検出振動が大きくならない
ように、構造体S1のy軸方向への共振周波数fa(以
下、構造体周波数faという)を設定する必要がある。
【0047】そこで、本実施形態では、上記した加速度
の印加による角速度の検出精度低下を防止するために、
図1に示す構造体S1において、構造体共振周波数fa
を、振動体の共振周波数差Δfの1/21/2倍以下(2
の平方根の逆数倍以下)としている。
の印加による角速度の検出精度低下を防止するために、
図1に示す構造体S1において、構造体共振周波数fa
を、振動体の共振周波数差Δfの1/21/2倍以下(2
の平方根の逆数倍以下)としている。
【0048】このようにした理由を、図5を参照して説
明する。図5は、質量体の振動における振動の周波数と
変位との一般的な関係を示す特性図である。図5に示す
ように、DC(直流電圧、つまり周波数が0)のときか
ら、振動の周波数を大きくしていくと、質量体の共振周
波数fkにて振動の変位は最大となり、そこから減衰し
ていく。
明する。図5は、質量体の振動における振動の周波数と
変位との一般的な関係を示す特性図である。図5に示す
ように、DC(直流電圧、つまり周波数が0)のときか
ら、振動の周波数を大きくしていくと、質量体の共振周
波数fkにて振動の変位は最大となり、そこから減衰し
ていく。
【0049】そして、質量体の振動の周波数が質量体の
共振周波数fkの21/2倍にまで大きくなると、一般
に、周波数が0のときの変位(DCでの変位)と等しい
値まで減衰する。また、さらに振動の周波数を大きくし
ていくと、振動の変位はDCでの変位よりも段々小さく
なっていく。
共振周波数fkの21/2倍にまで大きくなると、一般
に、周波数が0のときの変位(DCでの変位)と等しい
値まで減衰する。また、さらに振動の周波数を大きくし
ていくと、振動の変位はDCでの変位よりも段々小さく
なっていく。
【0050】これらのことから、質量体において、その
振動の変位がDCでの変位以下となるようにすれば、振
動の変位(振動振幅)を減衰させることができる。この
ことを、本実施形態に当てはめてみると、加速度の周波
数f0’=Δfの場合に、周波数Δfが、構造体共振周
波数faの21/2倍以上であれば、加速度による振動振
幅を減衰できる。
振動の変位がDCでの変位以下となるようにすれば、振
動の変位(振動振幅)を減衰させることができる。この
ことを、本実施形態に当てはめてみると、加速度の周波
数f0’=Δfの場合に、周波数Δfが、構造体共振周
波数faの21/2倍以上であれば、加速度による振動振
幅を減衰できる。
【0051】よって、構造体共振周波数faを、振動体
31の共振周波数差Δfの1/21/ 2倍以下とすること
によって、周波数Δfの加速度がy軸方向に沿って装置
全体すなわち構造体S1に加わっても、構造体S1のy
軸方向への振動振幅を減衰させることができる。その結
果、加速度による振動体31のy軸方向への振動(検出
振動)も減衰するため、外部加速度による振動出力を低
減することができる。
31の共振周波数差Δfの1/21/ 2倍以下とすること
によって、周波数Δfの加速度がy軸方向に沿って装置
全体すなわち構造体S1に加わっても、構造体S1のy
軸方向への振動振幅を減衰させることができる。その結
果、加速度による振動体31のy軸方向への振動(検出
振動)も減衰するため、外部加速度による振動出力を低
減することができる。
【0052】なお、周波数Δf(=fs−fd)の加速
度による振動を減衰可能としているため、それよりも高
い周波数(例えば、fd、fs、fd+fs等)の加速
度による振動振幅は、より減衰しやすくなることは、上
記図5から明らかである。
度による振動を減衰可能としているため、それよりも高
い周波数(例えば、fd、fs、fd+fs等)の加速
度による振動振幅は、より減衰しやすくなることは、上
記図5から明らかである。
【0053】また、本実施形態における構造体共振周波
数(構造体S1のy軸方向への共振周波数)faは、セ
ンサ素子100の質量をMとし、バネ定数をkとする
と、次の数式4にて表されるようになる。
数(構造体S1のy軸方向への共振周波数)faは、セ
ンサ素子100の質量をMとし、バネ定数をkとする
と、次の数式4にて表されるようになる。
【0054】
【数4】fa=1/{2π・(k/M)1/2}
ここで、バネ定数kは、接着剤300のヤング率に比例
する。
する。
【0055】そのため、構造体共振周波数faを、振動
体31の共振周波数差Δfの1/2 1/2倍以下と小さく
することは、例えば、センサ素子100を重くしたり、
接着剤300を低ヤング率化したり、接着剤300の厚
さをあつくして接着剤300のバネ定数を小さくしたり
する等により、実現することが可能である。
体31の共振周波数差Δfの1/2 1/2倍以下と小さく
することは、例えば、センサ素子100を重くしたり、
接着剤300を低ヤング率化したり、接着剤300の厚
さをあつくして接着剤300のバネ定数を小さくしたり
する等により、実現することが可能である。
【0056】さらに、本実施形態では、構造体共振周波
数faを、センサ素子100における角速度応答性のカ
ットオフ周波数以上としている。
数faを、センサ素子100における角速度応答性のカ
ットオフ周波数以上としている。
【0057】一般に、この種の振動型の角速度センサ装
置では、緩やかな回転すなわち或る周波数よりも小さい
角速度は、振動体が共振せずに追随して変位することが
必要とされる。
置では、緩やかな回転すなわち或る周波数よりも小さい
角速度は、振動体が共振せずに追随して変位することが
必要とされる。
【0058】そこで、当該或る周波数すなわちカットオ
フ周波数より小さい角速度では、振動体が共振しないよ
うにセンサ素子は、構成される。例えば、本実施形態で
は、約100Hz未満の角速度では、振動体31が共振
しないように、駆動梁33や検出梁34の形状や太さ等
を調整している。
フ周波数より小さい角速度では、振動体が共振しないよ
うにセンサ素子は、構成される。例えば、本実施形態で
は、約100Hz未満の角速度では、振動体31が共振
しないように、駆動梁33や検出梁34の形状や太さ等
を調整している。
【0059】そのため、本実施形態では、センサ素子1
00をパッケージ部材200に実装してなる構造体S1
においても、構造体共振周波数faを上記カットオフ周
波数以上として、構造体S1もカットオフ周波数より小
さい角速度に対して共振せずに追従できるようにしてい
る。それにより、角速度の応答性をより向上させること
ができる。
00をパッケージ部材200に実装してなる構造体S1
においても、構造体共振周波数faを上記カットオフ周
波数以上として、構造体S1もカットオフ周波数より小
さい角速度に対して共振せずに追従できるようにしてい
る。それにより、角速度の応答性をより向上させること
ができる。
【0060】ここで、本実施形態では、一例として、駆
動側共振周波数fd=4000Hz、検出側共振周波数
fs=4400Hz、振動体31の共振周波数差Δf=
400Hzである場合、Δf/21/2=282Hz、ま
た、カットオフ周波数fc=100Hzであることか
ら、構造体共振周波数faは100〜282Hzにする
ことができる。また、これを実現するには、接着剤30
0の厚さが170μmの場合、接着剤300のヤング率
は2000Pa〜4900Paとする。
動側共振周波数fd=4000Hz、検出側共振周波数
fs=4400Hz、振動体31の共振周波数差Δf=
400Hzである場合、Δf/21/2=282Hz、ま
た、カットオフ周波数fc=100Hzであることか
ら、構造体共振周波数faは100〜282Hzにする
ことができる。また、これを実現するには、接着剤30
0の厚さが170μmの場合、接着剤300のヤング率
は2000Pa〜4900Paとする。
【0061】次に、図6〜図8の概略断面図を参照し
て、本実施形態の変形例としての構造体S1を幾つか示
しておく。図6に示す第1の変形例では、接着剤300
でセンサ素子100の下部の一部を接着している。この
ようにすることで、上記図1に示す様にセンサ素子10
0の下部全域を接着する場合に比べて、接着剤300の
バネ定数を小さくすることができる。
て、本実施形態の変形例としての構造体S1を幾つか示
しておく。図6に示す第1の変形例では、接着剤300
でセンサ素子100の下部の一部を接着している。この
ようにすることで、上記図1に示す様にセンサ素子10
0の下部全域を接着する場合に比べて、接着剤300の
バネ定数を小さくすることができる。
【0062】また、図7に示す第2の変形例のように、
センサ素子100とパッケージ部材200との間に回路
チップ400を介在させて、センサ素子100と回路チ
ップ400を積層し、センサ素子−回路チップ間および
回路チップ−パッケージ部材間を接着剤300で接着し
ても良い。
センサ素子100とパッケージ部材200との間に回路
チップ400を介在させて、センサ素子100と回路チ
ップ400を積層し、センサ素子−回路チップ間および
回路チップ−パッケージ部材間を接着剤300で接着し
ても良い。
【0063】また、図8に示す第3の変形例は、上記第
2の変形例を更に変形したものであり、回路チップ−パ
ッケージ部材間において、接着剤300で回路チップ4
00の下部の一部を接着している。それにより、上記第
1の変形例と同様の効果が期待できる。
2の変形例を更に変形したものであり、回路チップ−パ
ッケージ部材間において、接着剤300で回路チップ4
00の下部の一部を接着している。それにより、上記第
1の変形例と同様の効果が期待できる。
【0064】(他の実施形態)なお、上記図2に示すセ
ンサ素子100において、互いの櫛歯の間隔を変える等
により、振動発生手段35、40を角速度検出手段とし
て用い、角速度検出手段36、50を振動発生手段とし
て用い、それにより、振動体31において駆動振動をy
軸方向へ行わせ、検出振動をx軸方向へ行わせるように
しても良い。
ンサ素子100において、互いの櫛歯の間隔を変える等
により、振動発生手段35、40を角速度検出手段とし
て用い、角速度検出手段36、50を振動発生手段とし
て用い、それにより、振動体31において駆動振動をy
軸方向へ行わせ、検出振動をx軸方向へ行わせるように
しても良い。
【0065】この場合、振動や周波数および各梁33、
34における駆動と検出との関係が、上記実施形態とは
逆になるが、この逆になった関係において、本発明を適
用し、同様の効果が得られることは、明らかである。
34における駆動と検出との関係が、上記実施形態とは
逆になるが、この逆になった関係において、本発明を適
用し、同様の効果が得られることは、明らかである。
【図1】本発明の実施形態に係る角速度センサ装置の概
略断面図である。
略断面図である。
【図2】図1におけるセンサ素子を示す平面図である。
【図3】図2中のA−A断面図である。
【図4】角速度印加時における振動体の振動状態を示す
図である。
図である。
【図5】質量体の振動における振動の周波数と変位との
一般的な関係を示す特性図である。
一般的な関係を示す特性図である。
【図6】上記実施形態の第1の変形例を示す概略断面図
である。
である。
【図7】上記実施形態の第2の変形例を示す概略断面図
である。
である。
【図8】上記実施形態の第3の変形例を示す概略断面図
である。
である。
10…基板(SOI基板)、31…振動体、33…駆動
梁、34…検出梁、35…駆動用櫛歯部、36…検出用
櫛歯部、40…駆動電極、50…検出電極、100…セ
ンサ素子、200…パッケージ部材、S1…構造体。
梁、34…検出梁、35…駆動用櫛歯部、36…検出用
櫛歯部、40…駆動電極、50…検出電極、100…セ
ンサ素子、200…パッケージ部材、S1…構造体。
Claims (2)
- 【請求項1】 角速度検出用のセンサ素子(100)を
有し、 前記センサ素子が、基板(10)と、 この基板に対して、第1の軸(x)方向に弾性変形可能
な第1の支持梁(33)および前記第1の軸方向と直交
する第2の軸(y)方向に弾性変形可能な第2の支持梁
(34)を介して支持された振動体(31)と、 この振動体を前記第1の軸方向へ振動させる振動発生手
段(35、40)と、 前記振動体が前記第1の軸方向へ振動している状態で、
第3の軸(z)回りに角速度が加わったときに前記振動
体に生じる前記第2の軸方向への変位に基づいて前記角
速度を検出するための角速度検出手段(36、50)と
を備えるものである角速度センサ装置において、 前記センサ素子を、パッケージ部材(200)に対して
実装することにより、これらセンサ素子およびパッケー
ジ部材が一体化された構造体(S1)が形成されてお
り、 前記構造体の前記第2の軸方向への共振周波数が、前記
振動体の前記第1の軸方向への共振周波数と前記振動体
の前記第2の軸方向への共振周波数との差の1/21/2
倍以下であることを特徴とする角速度センサ。 - 【請求項2】 前記構造体(S1)の前記第2の軸
(y)方向への共振周波数が、前記センサ素子(10
0)における角速度応答性のカットオフ周波数以上であ
ることを特徴とする請求項1に記載の角速度センサ。
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