JP3931405B2 - 角速度センサ - Google Patents
角速度センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP3931405B2 JP3931405B2 JP33978997A JP33978997A JP3931405B2 JP 3931405 B2 JP3931405 B2 JP 3931405B2 JP 33978997 A JP33978997 A JP 33978997A JP 33978997 A JP33978997 A JP 33978997A JP 3931405 B2 JP3931405 B2 JP 3931405B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fixed
- angular velocity
- elastic support
- velocity sensor
- mass
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は角速度を検出する角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、安全性や快適性向上のために多くの電子システムが車載されている。たとえば、車両のスピンを防止するシャシ制御システムや車両の現在位置を知るためのナビゲーションシステムなどは急速に需要が伸長している。これらシステムでは角速度を計測する角速度センサが重要な役割を果たす。それに伴いそれぞれのシステムに適用する角速度センサの高精度化とともに小型化と低コスト化とが求められる。このような要求に対して半導体を用いて角速度センサを実現する技術が知られている。
【０００３】
図２２は従来の半導体を用いた角速度センサ（たとえば、J. Bernstein et al. "Micromachined Comb-Drive Tuning Fork Rate Gyroscope", Digest IEEE/ASME Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Workshop, Florida, 1993, 143-148 に開示されている）を示す概略図、図２３は図２２のＡ−Ａ断面図である。図に示すように、基板６上に絶縁膜５が設けられ、基板６に固定部１、支持部２を介して振動質量３ａ、３ｂが設けられ、振動質量３ａ、３ｂの側面から延びた櫛歯電極と基板６に固定された櫛歯電極とで駆動電極４が構成され、固定部１、支持部２、振動質量３ａ、３ｂは多結晶シリコン薄膜を選択的にエッチングして作製されている。また、振動質量３ａ、３ｂの直下に検出電極７ａ、７ｂが設けられ、検出部は検出電極７ａ、７ｂを有している。
【０００４】
この角速度センサにおいては、図２４に示すように、共通電位の端子ａに対して端子ｂおよびｄに逆位相の駆動電圧ＶbおよびＶdを印加すると、２つの振動質量３ａ、３ｂがそれぞれｘ方向の逆方向に駆動される。この状態で、角速度センサがｚ軸回りに回転して、ｚ軸方向に角速度Ωが入力すると、それぞれの振動質量３ａ、３ｂに対してｙ軸方向にコリオリ力が発生する。そして、振動質量３ａ、３ｂの質量をｍ、静電引力により駆動される振動質量３ａ、３ｂの速さをＶm(ｔ)とすると、コリオリ力Ｆｃ(ｔ)は次式で表される。なお、振動質量３ａ、３ｂはそれぞれ逆方向に駆動されるため、振動質量３ａ、３ｂに作用するコリオリ力Ｆｃ(ｔ)の符号は逆になる。
【０００５】
【数１】
Ｆｃ(ｔ)＝２・ｍ・Ｖm(ｔ)・Ω
このコリオリ力Ｆｃ(ｔ)による振動質量３ａ、３ｂのｙ方向の変位に応じて、振動質量３ａと検出電極４ａとの間の容量、振動質量３ｂと検出電極４ｂとの間の容量が変化するから、差動容量により角速度Ωを計測することができる。なお、（数１）式から明らかなように、コリオリ力Ｆｃ(ｔ)を大きくするには速さＶm(ｔ)を大きくすればよく、速さＶm(ｔ)を大きくするには真空中で共振周波数で振動質量３ａ、３ｂを駆動すればよい。
【０００６】
この角速度センサにおいては、極めて小型に製造することができるとともに、製造コストを安価にすることができる。
【０００７】
しかし、このような角速度センサにおいては、振動質量３ａ、３ｂを基板６の面と平行なｘ軸方向に駆動し、基板６の面と直角なｚ軸方向のコリオリ力を検出する構成となっているから、以下のような問題点がある。すなわち、支持部２のバネ定数は支持部２の断面形状つまり断面２次モーメントに依存する。そして、支持部２の断面を長方形として、支持部２の厚さをｔ、幅をｗとすると、基板６の主面に対して平行な方向の断面２次モーメントＩp、直角な方向の断面２次モーメントＩnは次式で表される。
【０００８】
【数２】
Ｉp＝ｗ・ｔ3／１２
【０００９】
【数３】
Ｉn＝ｗ3・ｔ／１２
そして、半導体製造技術においては幅ｗの加工精度はある程度確保することができるが、厚さｔを精度良く制御するのは困難であり、また断面２次モーメントＩpと断面２次モーメントＩnとの厚さｔに対する依存性は異なるから、検出軸（ｚ軸）方向および駆動軸（ｘ軸）方向の振動モード周波数を所定値に制御するのは困難である。また、構造パラメータへの依存性が異なるので、各々の振動モードの共振周波数の相対値の設定も不可能である。さらに、振動系を半導体で構成した場合、機械的調整は困難である。
【００１０】
図２５は従来の他の角速度センサ（特開平５−３１２５７６号公報）を示す概略図、図２６は図２５のＢ−Ｂ断面図である。図に示すように、シリコン基板２１上にパターニングされた酸化膜２０が形成され、シリコン基板２１に酸化膜２０を介してシリコン基板１９が接合され、シリコン基板１９に溝部１３が設けられ、溝部１３により構造体すなわち振動質量１５、第１支持部１４、第２支持部１０およびフレーム部１１が形成されている。そして、振動質量１５は第１支持部１４によって支持され、第１支持部１４の振動質量１５との接続部とは反対側の接続部はフレーム部１１に接続され、フレーム部１１は第２支持部１０によって支持され、フレーム部１１には静電引力で駆動を行なうための櫛歯電極８が構成され、振動質量１５のコリオリ力による変位を検出するために、第１支持部１４のフレーム部１１との接続部付近に２本平行に配置されたピエゾ抵抗９により抵抗ブリッジが構成され、または振動質量１５とフレーム部１１とに設けられた電極により検出電極１２が構成されている。なお、電気的配線の詳細は図面の簡略化のため省略した。
【００１１】
この角速度センサにおいては、櫛歯電極８に電圧を印加すると、第２支持部１０で支持されるフレーム部１１はｘ軸方向に静電引力により駆動される。この状態でシリコン基板２１の平面に垂直なｚ軸方向に角速度Ωで回転すると、（数１）式で表わされるコリオリ力がｙ軸方向に発生し、発生したコリオリ力による振動質量１５のｙ軸方向の変位はピエゾ抵抗９の抵抗差または検出電極１２の電気容量変化として検出することができる。
【００１２】
このような角速度センサにおいては、駆動軸（ｘ軸）および検出軸（ｙ軸）がともにシリコン基板２１の主面すなわち基板主面と平行な方向であるから、第１支持部１４、第２支持部１０の断面形状、特に構造体の厚さに対する駆動軸方向および検出軸方向の振動モード周波数の依存性は同等である。すなわち、製造バラツキにより厚さに設計値との偏差が生じた場合、駆動軸方向および検出軸方向のモード周波数の絶対値は変化するが、相対値は不変である。その結果、検出感度が製造バラツキに影響を受けにくいという効果が得られる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図２５、図２６に示した角速度センサにおいては、一般的に角速度Ωの入力で発生するコリオリ力は重力加速度等と比べ微小な力であるから、ｙ軸方向の変位の高精度の検出が要求されるので、ピエゾ抵抗９での検出は実際上は不可能である。また、検出電極１２による静電容量の検出はピエゾ抵抗９での検出に比べより高感度であるが、検出電極１２による静電容量の検出にはある程度のベース容量（角速度の入力がない場合の検出電極の静電容量）を必要とし、そのベース容量からの変化を検出するが、検出電極１２は振動質量１５とフレーム部１１との側面にのみ形成されており、シリコン基板１９の厚さは通常最大数十μｍ程度であるから、充分なベース容量を確保できない。その結果、角速度Ωの高精度の検出が不可能である。
【００１４】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、角速度を高精度に検出することができる角速度センサを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、支持基板と、上記支持基板に固定された固定部と、上記固定部に弾性支持部を介して設けられた質量と、上記質量を振動する駆動手段と、上記質量の上記駆動手段による駆動方向と直角でかつ上記質量の面と平行な方向の変位を検出する検出手段とを有する角速度センサであって、上記質量の上記駆動方向と平行な側面に凹部を設け、上記検出手段として固定部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第１の櫛歯電極と上記凹部内の上記質量部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第２の櫛歯電極とを有するものを用いる。
【００１６】
この場合、上記弾性支持部は、上記支持基板に固定された固定部に上記駆動方向と直角の方向を長さ方向とする第１の弾性支持部を介して接続部を設け、上記接続部に上記駆動方向を長さ方向とする第２の弾性支持部を介して上記質量を設ける。
【００１７】
この場合、上記固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の固定梁の一端を接続し、上記固定梁の他端を固定梁接続部に接続し、上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記固定梁接続部に接続する。
【００１８】
また、上記駆動手段として上記固定部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第３の櫛歯電極と上記接続部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第４の櫛歯電極とを有するものを用いる。
【００１９】
また、上記第１、第２の弾性支持部の厚さを幅よりも大きくする。
【００２０】
また、上記支持基板の主面と平行に設けられかつ厚さが均一な板状部材を上記支持基板の主面と直角な方向に加工して上記固定部、上記第１の弾性支持部、上記接続部、上記第２の弾性支持部、上記質量を形成する。
【００２１】
また、上記第２の弾性支持部を上記質量のその重心から最も離れた部分に接続する。
【００２３】
この場合、上記接続部の各側部に２本の上記第１の弾性支持部を接続し、上記固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の第１、第２の固定梁の一端を接続し、上記第１の固定梁の他端を第１の固定梁接続部に接続し、上記第２の固定梁の他端を第２の固定梁接続部に接続し、一方の上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記第１の固定梁接続部に接続し、他方の上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記第２の固定梁接続部に接続する。
【００２４】
また、上記接続部の各側部に２本の上記第１の弾性支持部を接続し、上記固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の第１、第２の固定梁の一端を接続し、上記第１、第２の固定梁の他端を共通固定梁接続部に接続し、２本の上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記共通固定梁接続部に接続する。
【００２５】
これらの場合、上記第１の固定梁の一端を第１の固定部に接続し、上記第２の固定梁の一端を第２の固定部に接続する。
【００２６】
また、上記第２の弾性支持部の幅を上記第１の弾性支持部の幅よりも大きくする。
【００２７】
また、上記板状部材として半導体基板を用い、上記板状部材を半導体加工技術を用いて加工する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係る角速度センサにおいては、質量の駆動方向と平行な側面に凹部を設け、凹部に第２の櫛歯電極を設けているから、質量のその面と直角な軸回りの慣性モーメントを抑制することができ、しかも第１、第２の櫛歯電極が質量の駆動に対して妨げとなることなく、剛性の許容範囲で第１、第２の櫛歯電極の長さを確保できるので、角速度を高精度に検出することができる。
【００３０】
また、支持基板に固定された固定部に駆動方向と直角の方向を長さ方向とする第１の弾性支持部を介して接続部を設け、接続部に駆動方向を長さ方向とする第２の弾性支持部を介して質量を設けたときには、駆動および検出を基板主面に平行な方向で行なうから、駆動方向および検出方向の振動モード周波数およびその相対値は基板主面内の構造体の平面構造に依存し、製造バラツキにより影響を受けにくく、安定した角速度の検出感度を得ることができる。
【００３１】
また、固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の固定梁の一端を接続し、固定梁の他端を固定梁接続部に接続し、第１の弾性支持部の接続部と接続された側とは反対側の端部を固定梁接続部に接続したときには、振動系を駆動したときに第１の弾性支持部に長さ方向の応力が生ずるのを抑制することができるから、駆動振動の非線形性を抑制することができ、また第１の弾性支持部の支持部の法線方向に対するねじり剛性が向上するから、振動系の法線方向のモード周波数の低下を回避することができるので、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３２】
また、第１、第２の弾性支持部の厚さを幅よりも大きくしたときには、高精度検出に影響を及ぼす質量の面と直角な方向の振動モード周波数を駆動、検出モード周波数より高周波領域に設定可能であるから、前記モードの影響を抑制し、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３３】
また、第２の弾性支持部を質量のその重心から最も離れた部分に接続したときには、質量の面と直角な方向の軸回りの回転に対する剛性が大きいから、回転モードの周波数を駆動、検出モード周波数に比べ充分高周波領域に設定することができるので、前記モードの影響を抑制し、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３５】
また、接続部の各側部に２本の第１の弾性支持部を接続し、固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の第１、第２の固定梁の一端を接続し、第１の固定梁の他端を第１の固定梁接続部に接続し、第２の固定梁の他端を第２の固定梁接続部に接続し、一方の第１の弾性支持部の接続部と接続された側とは反対側の端部を第１の固定梁接続部に接続し、他方の第１の弾性支持部の接続部と接続された側とは反対側の端部を第２の固定梁接続部に接続したときには、振動系を駆動したときに第１の弾性支持部に長さ方向の応力が生ずるのを抑制することができるから、駆動振動の非線形性を抑制することができ、また第１の弾性支持部の支持部の法線方向に対するねじり剛性が向上するから、振動系の法線方向のモード周波数の低下を回避することができるので、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３６】
また、接続部の各側部に２本の第１の弾性支持部を接続し、固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の第１、第２の固定梁の一端を接続し、第１、第２の固定梁の他端を共通固定梁接続部に接続し、２本の第１の弾性支持部の接続部と接続された側とは反対側の端部を共通固定梁接続部に接続したときには、振動系を駆動したときに第１の弾性支持部に長さ方向の応力が生ずるのを抑制することができるから、駆動振動の非線形性を抑制することができ、また第１の弾性支持部の支持部の法線方向に対するねじり剛性が向上するから、振動系の法線方向のモード周波数の低下を回避することができるので、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３７】
また、第１の固定梁の一端を第１の固定部に接続し、第２の固定梁の一端を第２の固定部に接続したときには、駆動電圧に対する振動系の共通電位と検出信号に対する振動系の共通電位とが別の固定部にて外部信号処理回路に接続されるから、検出信号に対する駆動電圧の影響を抑制することができるので、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３８】
また、第２の弾性支持部の幅を第１の弾性支持部の幅よりも大きくしたときには、高精度検出に影響を及ぼす質量の面と直角な方向の振動モード周波数を駆動、検出モード周波数より高周波領域に設定可能であるから、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３９】
また、板状部材として半導体基板を用い、板状部材を半導体加工技術を用いて加工したときには、固定部、第１の弾性支持部、接続部、第２の弾性支持部、質量を容易に形成することができるから、製造コストが安価である。
【００４１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る角速度センサを示す概略平面図、図２は図１の概略Ｃ−Ｃ断面図、図３は図１の概略Ｄ−Ｄ断面図、図４は図１のＥ部詳細図である。図に示すように、板状部材である半導体基板３７に半導体支持基板３４の主面すなわち基板主面と直角な方向の溝３８が形成され、固定部２２、４１、接続部であるトラス２４、質量３２、第１、第２の弾性支持部２５、２７からなる構造体が設けられ、トラス２４、質量３２には小孔３５が多数配設され、半導体支持基板３４に絶縁膜３３を介して固定部２２、４１が接合されている。また、質量３２の駆動方向と平行な側面に四角形状の凹部３９が形成され、凹部３９のｘ軸方向の内壁にｘ軸方向が長手方向である第２の櫛歯電極３０が複数配設されている。また、固定部４１は半導体支持基板３４に固定され、固定部４１に櫛歯電極３０と同様の形状の第１の櫛歯電極３１が配設され、櫛歯電極３０の側面と櫛歯電極３１の側面とが対向しており、質量３２のｙ軸方向の変位を静電容量変化として検出する検出手段は櫛歯電極３０、櫛歯電極３１を有している。なお、図１においては入出力用パッド４２を図示したが、入出力用パッド４２に接続される信号処理回路は説明を簡単にするため省略する。
【００４２】
また、質量３２の重心から最も離れた部分すなわち最遠点近傍付近には第２の弾性支持部２７が接続され、弾性支持部２７はｘ軸方向が長手方向となっており、弾性支持部２７の厚さｔと幅ｗとの関係はｔ＞ｗとなっており、弾性支持部２７の基板主面と平行な方向の剛性より直角な方向の剛性の方が高くなっている。また、弾性支持部２７の長さは質量３２と櫛歯電極３０との合計質量で構成される振動系のｙ軸方向の共振周波数が所定値となるように設定されている。また、弾性支持部２７の質量３２とは反対側にトラス２４が接続され、質量３２は２つのトラス２４に接続されており、質量３２はトラス２４に対して両持梁構造で支持されている。
【００４３】
また、トラス２４のｘ軸方向の側面にはｘ軸が長手方向となる第４の櫛歯電極２９が配設され、固定部２２に櫛歯電極２９と同様の形状の第３の櫛歯電極２８が配設され、櫛歯電極２８の側面と櫛歯電極２９の側面とが対向しており、トラス２４および質量３２をｘ軸方向に静電引力を用いて駆動する駆動手段は櫛歯電極２８、櫛歯電極２９を有している。なお、図１においては入出力用パッド２３を図示したが、入出力用パッド２３に接続される信号処理回路は説明を簡単にするため省略する。
【００４４】
また、トラス２４のｙ軸方向の側面には第１の弾性支持部２５が接続され、弾性支持部２５はｙ軸方向が長手方向となっており、弾性支持部２５の厚さｔと幅ｗとの関係がｔ＞ｗとなっており、弾性支持部２５の基板主面に平行な方向の剛性より垂直方向の剛性の方が高くなっている。また、弾性支持部２５の長さは質量３２、トラス２４、弾性支持部２７および櫛歯電極２９、３０、３１の合計質量で構成される振動系のｘ軸方向の共振周波数が所定値となるように設定されている。また、弾性支持部２５のトラス２４とは反対側は固定部２２に接続され、弾性支持部２５が接続された固定部２２の弾性支持部２５の接続点近傍にはスリット溝２６が設けられ、各トラス２４は４本の弾性支持部２５に接続されており、固定部２２に対して両持梁構造で支持されている。
【００４５】
つぎに、図５により図１〜図４に示した角速度センサの製造方法を説明する。まず、図５(ａ)に示すように、半導体支持基板３４に絶縁膜３３を介して構造体となる半導体基板３７を接合したのち、所定の厚さまで研磨する。つぎに、図５(ｂ)に示すように、半導体基板３７の表面に構造に対応じたマスクパターン４０を形成する。つぎに、図５(ｃ)に示すように、半導体加工技術を用いて半導体基板３７に溝３８を作製し、構造体を形成する。この場合、溝３８の深さは絶縁膜３３まで達するようにする。つぎに、図５(ｄ)に示すように、トラス２４、質量３２、弾性支持部２５、２７からなる可動部となる半導体基板３７直下の絶縁膜３３を除去する。この場合、トラス２４、質量３２には小孔３５が多数配設されているから、絶縁膜３３を容易に除去することができる。なお、以上の説明では信号処理回路の作製プロセスについては簡略化のため説明を省いた。
【００４６】
図１〜図４に示した角速度センサにおいては、櫛歯電極２８、２９に電圧を印加することによりトラス２４および質量３２をｘ軸方向に駆動する。この場合、印加電圧の周波数は質量３２、トラス２４、弾性支持部２５、櫛歯電極２９〜３１で構成される振動系のｘ軸方向の共振周波数とし、より大きい振幅で駆動する。この駆動状態で基板主面に直角なｚ軸方向の角速度Ωが印加すると、ｙ軸方向に（数１）式で示したコリオリ力が生じる。この場合、弾性支持部２７で設定した共振周波数が駆動周波数と同一であれば、質量３２はｙ軸方向に共振振動を開始し、より大きなｙ軸方向変位として櫛歯電極３０、３１を有する検出手段の静電容量変化として検出される。このｙ軸方向の振幅は入力された角速度Ωに比例するため、ｙ軸方向の振幅から角速度Ωを検出することができる。
【００４７】
図１〜図４に示した角速度センサにおいては、図２５、図２６に示した従来の角速度センサと同様に、駆動および検出を基板主面に平行なｘ軸方向、ｙ軸方向で行なうから、駆動軸であるｘ軸の方向および検出軸であるｙ軸の方向の振動モード周波数およびその相対値は基板主面内の構造体の平面構造に依存し、製造バラツキにより影響を受けにくく、安定した角速度Ωの検出感度を得ることができる。また、櫛歯電極３０をその長手方向がｘ軸方向になるように配置してあるから、櫛歯電極３０が質量３２の駆動に対して妨げとなることなく、剛性の許容範囲で櫛歯電極３０の長さを確保できる。たとえば、２０μｍ厚の半導体基板３７で幅６μｍ、長さ３２０μｍの櫛歯電極３０を形成し、櫛歯電極３０を３００μｍの範囲でギャップ２μｍで櫛歯電極３１に対向させたとすると、１０Ｖ程度までは電圧が印加可能であり、この櫛歯電極３０、３１の対を３８対配設することにより、約１ｐＦの検出容量が確保できる。したがって、角速度Ωを高精度に検出することができる。また、質量３２の側面の一部に凹部３９を形成し、凹部３９の内側に櫛歯電極３０を複数配設しているから、櫛歯電極３０による可動体のｚ軸回りの慣性モーメントを抑制することができるので、角速度Ωをより高精度に検出することができる。また、弾性支持部２５、２７の厚さｔと幅ｗとの関係がｔ＞ｗとなっており、弾性支持部２５、２７の基板主面と平行な方向の剛性より直角な方向の剛性の方が高くなっているから、トラス２４のｙ軸回りの回転剛性が向上し、高精度検出に影響を及ぼす基板主面と直角なｚ軸方向の振動モード周波数を駆動、検出モード周波数より高周波領域に設定可能であるので、基板主面と直角な方向の振動を生じさせることなく角速度Ωを測定することができるため、角速度Ωをより高精度に検出することができる。また、弾性支持部２７が質量３２の重心から最遠点近傍付近に接続されているから、ｚ軸回りの回転に対する剛性が大きく、駆動および検出に悪影響をもたらす回転モードの周波数を駆動、検出モード周波数に比べ充分高周波領域に設定することができるので、ｚ軸回りの回転振動を生じさせることなく角速度Ωを測定することができるため、角速度Ωをより高精度に検出することができる。また、トラス２４を４本の弾性支持部２５によって固定部２２に接続しているから、高精度検出に影響を及ぼす基板主面と直角な方向の振動モード周波数を駆動、検出モード周波数より高周波領域に設定可能であるので、基板主面と直角な方向の振動を生じさせることなく角速度Ωを測定することができるため、角速度Ωをより高精度に検出することができる。また、半導体加工技術を用いて半導体基板３７に溝３８を作製して構造体を形成しているから、構造体を容易に形成することができるので、製造コストが安価である。また、固定部２２の弾性支持部２５の接続点近傍にはスリット溝２６が設けられているから、固定部２２からの応力の伝達を緩和することができるので、実装ストレス等による応力の影響を抑制できるため、安定した振動モード周波数を実現できる。その結果、角速度センサ感度の安定化が可能である。また、固定部２２、４１が可動体の外周部に配置されているから、基板主面内で固定部２２、４１に電気的な接続が可能であり、配線構造の簡素化が可能である。また、質量３２の両側に駆動手段を配置しているから、構造の対称性を確保することができ、また駆動振幅検出を行なうことができる。また、質量３２の中央部の両側に２列の検出手段を配置しているから、構造の対称性を確保することができ、また振幅を２つの静電容量の差動で変位を検出することができる。また、トラス２４のｙ軸方向のサイズを基板主面と直角な方向の剛性を確保できる範囲で長く設定できるから、駆動手段の櫛歯電極２８、２９を多数配設できるので、より大きい静電駆動力を得ることができる。以上述べたように、検出容量を確保すると同時に、安定した構造体の振動モードを実現できるから、角速度センサの感度の高精度化と安定化とを同時に実現することができる。
【００４８】
図６は本発明に係る他の角速度センサの質量部を示す概略図である。図に示すように、質量３２には基板主面と直角な方向の剛性が確保できる範囲で貫通孔３６が設けられている。なお、図面の簡略のため駆動手段、検出手段の図示を省略した。
【００４９】
この角速度センサにおいては、質量３２に貫通孔３６が設けられているから、軽量化することができる。その結果、設計共振振動数に対して支持部の剛性を抑えることができ、駆動振幅増加、発生コリオリ力に対する変位増大により高感度化が可能である。
【００５０】
図７〜図９に本発明に係る他の角速度センサの振動モードの具体例を示す。図に示すように、質量３２は凹部３９と貫通孔３６とを有する。なお、図面の簡略のため駆動手段、検出手段の図示を省略した。そして、図７はｘ軸方向の駆動モード、図８はｙ軸方向の検出モードであり、周波数はいずれも３．５ｋＨｚ程度である。また、図９はｚ軸回りの回転モードであり、周波数は３０ｋＨｚ程度であり、充分高い周波数に設定されている。
【００５１】
図１０は図７〜図９に示した角速度センサの構造体と同一の構造体の基板主面と直角な方向の振動モード例を示す図である。この振動モード周波数はおよそ７．５ｋＨｚであり、駆動、検出モード周波数（３．５ｋＨｚ）の２倍以上である。そして、周波数比は構造体の更なる厚膜化によりさらに増加する。
【００５２】
図１１は本発明に係る他の角速度センサを示す概略図である。図に示すように、凹部３９のｘ軸方向の内壁およびその内壁と相対する質量３２のｘ軸方向の外周部側壁に、ｘ軸方向が長手方向である櫛歯電極３０が複数配設されている。また、質量３２のｘ軸方向の外周部側壁の櫛歯電極３０に隣接する部分に弾性支持部２７が接続され、弾性支持部２７同士の間隔は櫛歯電極３０を外周部に配設したことにより増加した質量３２の慣性モーメントに対してｚ軸回りの回転剛性が確保できるように配置されている。
【００５３】
この角速度センサにおいては、櫛歯電極３０を質量３２の外周部側壁にも配設したから、より大きい検出容量が得られるので、角速度Ωをより高精度に検出することができる。また、櫛歯電極３０が質量３２の外周部にも配設されているから、質量３２のｙ軸方向のサイズを剛性の確保できる範囲で図１〜図４に示した角速度センサに比べ長くすることができる。
【００５４】
図１２は本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。図に示すように、質量３２とトラス２４とを接続する弾性支持部２７の幅ｗ1とトラス２４と固定部２２を接続する弾性支持部２５の幅ｗ2との関係がｗ1＞ｗ2となるように設定してある。
【００５５】
この角速度センサの構造体の１次元近似モデルを図１３に示す。図において、ｋ1は質量３２をトラス２４にて両持梁構造で支持する計４本の弾性支持部２７の基板主面と直角なｚ軸方向のバネ定数を表す。前述のように弾性支持部２７の幅はｗ1である。また、ｍ1は質量３２と櫛歯電極３０との質量合計である。また、ｋ2はトラス２４を固定部２２にて両持梁構造で支持する計８本の弾性支持部２５の基板主面と直角なｚ軸方向のバネ定数を表す。前述のように弾性支持部２５の幅はｗ2である。また、ｍ2はトラス２４と櫛歯電極２９との質量合計である。そして、比γ＝ｗ1／ｗ2、比β＝ｍ1／ｍ2とすると、図１３に示す１次元２自由度振動系のｚ軸方向の１次振動モード周波数ω1の２乗は次式で表される。
【００５６】
【数４】
ω1 2＝１／２［２＋γ2（β＋１）−√｛４＋γ4（β＋１）2｝］
図１４は１次モード周波数ω1と比βとの関係を比γをパラメータとして示すグラフで、線ａ〜ｃはそれぞれ比γが０．５、１、２の場合を示す。図１４から明らかなように、γ＞１の方が１次振動モード周波数ω1が大きくなる。したがって、γ＞１とすることによりすなわち弾性支持部２７の幅ｗ1を弾性支持部２５の幅ｗ2よりも大きくすることにより、高精度検出に影響を及ぼす基板主面と直角な方向の振動モード周波数を駆動、検出モード周波数より高周波領域に設定可能であるから、基板主面と直角な方向の振動を生じさせることなく角速度Ωを測定することができるので、角速度Ωを高精度に検出することができる。なお、この効果は構造体の更なる厚膜化によりさらに増大する。
【００５７】
図１５は本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。図に示すように、トラス２４の各側部すなわち図１５紙面上下方向側の端部分に２本の第１の弾性支持部２５が接続され、第１、第２の固定部４６ａ、４６ｂが半導体支持基板３４に固定され、固定部４６ａに駆動軸であるｘ軸方向が長さ方向でありかつ検出軸であるｙ軸方向に並んだ２本の第１の固定梁４４ａの一端が接続され、固定部４６ｂにｘ軸方向が長さ方向でありかつｙ軸方向に並んだ２本の第２の固定梁４４ｂの一端が接続され、２本の固定梁４４ａの他端が第１の固定梁接続部４５ａに接続され、２本の固定梁４４ｂの他端が第２の固定梁接続部４５ｂに接続され、一方の弾性支持部２５のトラス２４と接続された側とは反対側の端部が固定梁接続部４５ａに接続され、他方の弾性支持部２５のトラス２４と接続された側とは反対側の端部が固定梁接続部４５ｂに接続され、固定梁接続部４５ａ、４５ｂ、固定梁４４ａ、４４ｂにより弾性支持部２５の片持梁構造の支持部が構成されている。
【００５８】
図１６は図１５に示した角速度センサの駆動検出時の等価回路を示す図である。図に示すように、駆動電圧が印加されるノード４７が信号処理回路２３に設けられ、櫛歯電極２８、２９で分布静電容量４８が構成され、トラス２４、弾性支持部２５、２７に電気抵抗４９が分布し、電気抵抗４９は固定部４６ａにて外部信号処理回路（図示せず）に接続され、電気抵抗４９に質量３２の抵抗５０が接続され、抵抗５０に櫛歯電極３０、３１で構成された静電容量５１が接続され、静電容量５１に入出力用パッド４２に設けられかつ静電容量５１の変化を検出するためのたノード５２が接続され、また電気抵抗４９は固定部４６ｂにて外部信号処理回路（図示せず）に接続されている。
【００５９】
この角速度センサにおいては、ノード４７に駆動電圧を印加すると、櫛歯電極２８、２９で構成される分布静電容量４８にて静電引力が発生し、振動系が駆動される。この場合、駆動電圧に対する振動系の共通電位は固定部４６ａにて外部信号処理回路に接続される。そして、角速度Ωの入力により発生する質量３２の変位は櫛歯電極３０、３１で構成された静電容量５１の変化として検出される。この場合、静電容量５１の変化は固定部４６ｂにて外部信号処理回路に接続される振動系の共通電位に対しノード５２において検出される。
【００６０】
このような角速度センサにおいては、弾性支持部２５のトラス２４と接続された側とは反対側の端部が固定梁接続部４５ａ、４５ｂ、固定梁４４ａ、４４ｂを介して固定部４６ａ、４６ｂに接続されているから、弾性支持部２５の支持部のｙ軸方向の剛性が小さいので、弾性支持部２５の固定梁接続部４５ａ、４５ｂ側端部が比較的自由にｙ軸方向に移動でき、振動系を駆動したときに弾性支持部２５に長さ方向の応力が生ずるのを抑制することができる。このため、櫛歯電極２８、２９で構成される分布静電容量４８にて発生する静電引力と質量３２のｘ軸方向の振幅とを比例させることができ、駆動振動の非線形性を抑制することができるから、より大きい振幅での質量３２の駆動が可能で、角速度Ωをより高精度に測定することができる。また、固定部４６ａ、４６ｂと固定梁接続部４５ａ、４５ｂとが２本の固定梁４４ａ、４４ｂによって接続されているから、弾性支持部２５の支持部の法線方向すなわち半導体支持基板３４と直角方向に対するねじり剛性が向上する。このため、振動系の法線方向のモード周波数の低下を回避することができるから、駆動モード、検出モードの周波数と法線方向モードの周波数との周波数弁別比を大きくすることができるので、角速度Ωをより高精度に測定することができる。また、駆動電圧に対する振動系の共通電位は固定部４６ａにて外部信号処理回路に接続され、また検出信号に対する振動系の共通電位は固定部４６ｂにて外部信号処理回路に接続されているから、検出信号に対する駆動電圧の影響を抑制することができるので、角速度Ωをより高精度に測定することができる。
【００６１】
図１７は分布静電容量４８にて発生する静電引力すなわち駆動力と質量３２の駆動方向の変位との関係を示すグラフであり、線ａは線形モデルを示し、線ｂは図１５に示した角速度センサの場合を示し、線ｃは第１の弾性支持部２５を直接固定部に接続した場合を示す。このグラフから明らかなように、図１５に示した角速度センサにおいては駆動振動の非線形性を確実に抑制することができる。
【００６２】
図１８〜図２０に図１５に示した角速度センサの固定梁４４ａ、４４ｂのｙ軸方向の剛性が弾性支持部２７のｙ軸方向の剛性の１０倍となるように、固定梁４４ａ、４４ｂの長さおよび幅を設定した場合の振動モードの具体例を示す。なお、図面の簡略のため駆動手段、検出手段の図示を省略した。そして、図１８はｘ軸方向の駆動モード（周波数ｆ＝３６９３Ｈｚ）、図１９はｙ軸方向の検出モード（周波数ｆ＝３６９１Ｈｚ）、図２０は法線方向モード（周波数ｆ＝５６６１Ｈｚ）であり、駆動モード、検出モードすなわち基本モードに対する法線方向モードの周波数弁別比は１．５３であり、この周波数弁別比は十分に大きい。
【００６３】
図２１は本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。図に示すように、トラス２４の各側部に２本の弾性支持部２５が接続され、固定部４６ａにｘ軸方向が長さ方向でありかつｙ軸方向に並んだ２本の第１の固定梁４４ａの一端が接続され、固定部４６ｂにｘ軸方向が長さ方向でありかつｙ軸方向に並んだ２本の第２の固定梁４４ｂの一端が接続され、２本の固定梁４４ａおよび２本の固定梁４４ｂの他端が共通固定梁接続部５３に接続され、２本の第１の弾性支持部２５のトラス２４と接続された側とは反対側の端部が共通固定梁接続部５３に接続され、共通固定梁接続部５３、固定梁４４ａ、４４ｂにより弾性支持部２５の両持梁構造の支持部が構成されている。
【００６４】
この角速度センサにおいても、弾性支持部２５のトラス２４と接続された側とは反対側の端部が共通固定梁接続部５３、固定梁４４ａ、４４ｂを介して固定部４６ａ、４６ｂに接続されているから、弾性支持部２５の支持部のｙ軸方向の剛性が小さいので、櫛歯電極２８、２９にて発生する静電引力と質量３２のｙ軸方向の振幅とを比例させることができ、駆動振動の非線形性を抑制することができるため、角速度Ωをより高精度に測定することができる。また、固定部４６ａ、４６ｂと共通固定梁接続部５３とが２本の固定梁４４ａおよび２本の固定梁４４ｂによって接続されているから、弾性支持部２５の支持部の法線方向に対するねじり剛性が向上するので、振動系の法線方向のモード周波数の低下を回避することができるため、駆動モード、検出モードの周波数と法線方向モードの周波数との周波数弁別比を大きくすることができ、角速度Ωをより高精度に測定することができる。また、駆動電圧に対する振動系の共通電位は固定部４６ａにて外部信号処理回路に接続され、また検出信号に対する振動系の共通電位は固定部４６ｂにて外部信号処理回路に接続されているから、検出信号に対する駆動電圧の影響を抑制することができるので、角速度Ωをより高精度に測定することができる。
【００６５】
そして、図２１に示した角速度センサにおいて、固定梁４４ａ、４４ｂのｙ軸方向の剛性が弾性支持部２７のｙ軸方向の剛性の１００倍となるように、固定梁４４ａ、４４ｂの長さおよび幅を設定した場合には、駆動振動の非線形性の抑制の程度は図１７の線ｂで表される非線形性の抑制の程度とほぼ同じであり、またｘ軸方向の駆動モードの周波数ｆ＝３７１８Ｈｚであり、ｙ軸方向の検出モードの周波数ｆ＝３７１９Ｈｚであり、法線方向モードの周波数ｆ＝６２２３Ｈｚであって、駆動モード、検出モードすなわち基本モードに対する法線方向モードの周波数弁別比は１．６７であり、この周波数弁別比は十分に大きい。
【００６６】
なお、上述実施の形態においては、質量３２の両側に駆動手段を配置したが、質量３２の片側にのみ駆動手段を配置してもよい。また、上述実施の形態においては、質量３２の中央部の両側に２列の検出手段を配置したが、質量３２の中央部に１列の検出手段を配置してもよい。また、上述実施の形態においては、固定部２２、４１に入出力用パッド２３、４２を配置したが、固定部２２、４１に信号処理回路を配置してもよい。また、上述実施の形態においては、固定部４６ａに２本の第１の固定梁４４ａの一端を接続し、固定部４６ｂに２本の第２の固定梁４４ｂの一端を接続したが、固定部に３本以上の第１、第２の固定梁の一端を接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る角速度センサを示す概略平面図である。
【図２】図１の概略Ｃ−Ｃの断面図である。
【図３】図１の概略Ｄ−Ｄの断面図である。
【図４】図１のＥ部詳細図である。
【図５】図１〜図４に示した角速度センサの製造方法の説明図である。
【図６】本発明に係る他の角速度センサの質量部を示す概略図である。
【図７】本発明に係る他の角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図８】本発明に係る他の角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図９】本発明に係る他の角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図１０】本発明に係る他の角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図１１】本発明に係る他の角速度センサを示す概略図である。
【図１２】本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。
【図１３】図１２に示した角速度センサの構造体の１次元近似モデルを示す図である。
【図１４】１次モード周波数ω1と比βとの関係を示すグラフである。
【図１５】本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。
【図１６】図１５に示した角速度センサの駆動検出時の等価回路を示す図である。
【図１７】駆動力と質量の駆動方向の変位との関係を示すグラフである。
【図１８】図１５に示した角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図１９】図１５に示した角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図２０】図１５に示した角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図２１】本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。
【図２２】従来の角速度センサを示す概略図である。
【図２３】図２２のＡ−Ａ断面図である。
【図２４】図２２、図２３に示した角速度センサの動作を説明するためのグラフである。
【図２５】従来の他の角速度センサを示す概略図である。
【図２６】図２５のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
２２…固定部
２４…トラス
２５…第１の弾性支持部
２７…第２の弾性支持部
２８…第３の櫛歯電極
２９…第４の櫛歯電極
３０…第２の櫛歯電極
３１…第１の櫛歯電極
３２…質量
３４…半導体支持基板
３７…半導体基板
３９…凹部
４１…固定部
４４ａ…第１の固定梁
４４ｂ…第２の固定梁
４５ａ…第１の固定梁接続部
４５ｂ…第２の固定梁接続部
４６ａ…第１の固定部
４６ｂ…第２の固定部
５３…共通固定梁接続部
【発明の属する技術分野】
本発明は角速度を検出する角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、安全性や快適性向上のために多くの電子システムが車載されている。たとえば、車両のスピンを防止するシャシ制御システムや車両の現在位置を知るためのナビゲーションシステムなどは急速に需要が伸長している。これらシステムでは角速度を計測する角速度センサが重要な役割を果たす。それに伴いそれぞれのシステムに適用する角速度センサの高精度化とともに小型化と低コスト化とが求められる。このような要求に対して半導体を用いて角速度センサを実現する技術が知られている。
【０００３】
図２２は従来の半導体を用いた角速度センサ（たとえば、J. Bernstein et al. "Micromachined Comb-Drive Tuning Fork Rate Gyroscope", Digest IEEE/ASME Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Workshop, Florida, 1993, 143-148 に開示されている）を示す概略図、図２３は図２２のＡ−Ａ断面図である。図に示すように、基板６上に絶縁膜５が設けられ、基板６に固定部１、支持部２を介して振動質量３ａ、３ｂが設けられ、振動質量３ａ、３ｂの側面から延びた櫛歯電極と基板６に固定された櫛歯電極とで駆動電極４が構成され、固定部１、支持部２、振動質量３ａ、３ｂは多結晶シリコン薄膜を選択的にエッチングして作製されている。また、振動質量３ａ、３ｂの直下に検出電極７ａ、７ｂが設けられ、検出部は検出電極７ａ、７ｂを有している。
【０００４】
この角速度センサにおいては、図２４に示すように、共通電位の端子ａに対して端子ｂおよびｄに逆位相の駆動電圧ＶbおよびＶdを印加すると、２つの振動質量３ａ、３ｂがそれぞれｘ方向の逆方向に駆動される。この状態で、角速度センサがｚ軸回りに回転して、ｚ軸方向に角速度Ωが入力すると、それぞれの振動質量３ａ、３ｂに対してｙ軸方向にコリオリ力が発生する。そして、振動質量３ａ、３ｂの質量をｍ、静電引力により駆動される振動質量３ａ、３ｂの速さをＶm(ｔ)とすると、コリオリ力Ｆｃ(ｔ)は次式で表される。なお、振動質量３ａ、３ｂはそれぞれ逆方向に駆動されるため、振動質量３ａ、３ｂに作用するコリオリ力Ｆｃ(ｔ)の符号は逆になる。
【０００５】
【数１】
Ｆｃ(ｔ)＝２・ｍ・Ｖm(ｔ)・Ω
このコリオリ力Ｆｃ(ｔ)による振動質量３ａ、３ｂのｙ方向の変位に応じて、振動質量３ａと検出電極４ａとの間の容量、振動質量３ｂと検出電極４ｂとの間の容量が変化するから、差動容量により角速度Ωを計測することができる。なお、（数１）式から明らかなように、コリオリ力Ｆｃ(ｔ)を大きくするには速さＶm(ｔ)を大きくすればよく、速さＶm(ｔ)を大きくするには真空中で共振周波数で振動質量３ａ、３ｂを駆動すればよい。
【０００６】
この角速度センサにおいては、極めて小型に製造することができるとともに、製造コストを安価にすることができる。
【０００７】
しかし、このような角速度センサにおいては、振動質量３ａ、３ｂを基板６の面と平行なｘ軸方向に駆動し、基板６の面と直角なｚ軸方向のコリオリ力を検出する構成となっているから、以下のような問題点がある。すなわち、支持部２のバネ定数は支持部２の断面形状つまり断面２次モーメントに依存する。そして、支持部２の断面を長方形として、支持部２の厚さをｔ、幅をｗとすると、基板６の主面に対して平行な方向の断面２次モーメントＩp、直角な方向の断面２次モーメントＩnは次式で表される。
【０００８】
【数２】
Ｉp＝ｗ・ｔ3／１２
【０００９】
【数３】
Ｉn＝ｗ3・ｔ／１２
そして、半導体製造技術においては幅ｗの加工精度はある程度確保することができるが、厚さｔを精度良く制御するのは困難であり、また断面２次モーメントＩpと断面２次モーメントＩnとの厚さｔに対する依存性は異なるから、検出軸（ｚ軸）方向および駆動軸（ｘ軸）方向の振動モード周波数を所定値に制御するのは困難である。また、構造パラメータへの依存性が異なるので、各々の振動モードの共振周波数の相対値の設定も不可能である。さらに、振動系を半導体で構成した場合、機械的調整は困難である。
【００１０】
図２５は従来の他の角速度センサ（特開平５−３１２５７６号公報）を示す概略図、図２６は図２５のＢ−Ｂ断面図である。図に示すように、シリコン基板２１上にパターニングされた酸化膜２０が形成され、シリコン基板２１に酸化膜２０を介してシリコン基板１９が接合され、シリコン基板１９に溝部１３が設けられ、溝部１３により構造体すなわち振動質量１５、第１支持部１４、第２支持部１０およびフレーム部１１が形成されている。そして、振動質量１５は第１支持部１４によって支持され、第１支持部１４の振動質量１５との接続部とは反対側の接続部はフレーム部１１に接続され、フレーム部１１は第２支持部１０によって支持され、フレーム部１１には静電引力で駆動を行なうための櫛歯電極８が構成され、振動質量１５のコリオリ力による変位を検出するために、第１支持部１４のフレーム部１１との接続部付近に２本平行に配置されたピエゾ抵抗９により抵抗ブリッジが構成され、または振動質量１５とフレーム部１１とに設けられた電極により検出電極１２が構成されている。なお、電気的配線の詳細は図面の簡略化のため省略した。
【００１１】
この角速度センサにおいては、櫛歯電極８に電圧を印加すると、第２支持部１０で支持されるフレーム部１１はｘ軸方向に静電引力により駆動される。この状態でシリコン基板２１の平面に垂直なｚ軸方向に角速度Ωで回転すると、（数１）式で表わされるコリオリ力がｙ軸方向に発生し、発生したコリオリ力による振動質量１５のｙ軸方向の変位はピエゾ抵抗９の抵抗差または検出電極１２の電気容量変化として検出することができる。
【００１２】
このような角速度センサにおいては、駆動軸（ｘ軸）および検出軸（ｙ軸）がともにシリコン基板２１の主面すなわち基板主面と平行な方向であるから、第１支持部１４、第２支持部１０の断面形状、特に構造体の厚さに対する駆動軸方向および検出軸方向の振動モード周波数の依存性は同等である。すなわち、製造バラツキにより厚さに設計値との偏差が生じた場合、駆動軸方向および検出軸方向のモード周波数の絶対値は変化するが、相対値は不変である。その結果、検出感度が製造バラツキに影響を受けにくいという効果が得られる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図２５、図２６に示した角速度センサにおいては、一般的に角速度Ωの入力で発生するコリオリ力は重力加速度等と比べ微小な力であるから、ｙ軸方向の変位の高精度の検出が要求されるので、ピエゾ抵抗９での検出は実際上は不可能である。また、検出電極１２による静電容量の検出はピエゾ抵抗９での検出に比べより高感度であるが、検出電極１２による静電容量の検出にはある程度のベース容量（角速度の入力がない場合の検出電極の静電容量）を必要とし、そのベース容量からの変化を検出するが、検出電極１２は振動質量１５とフレーム部１１との側面にのみ形成されており、シリコン基板１９の厚さは通常最大数十μｍ程度であるから、充分なベース容量を確保できない。その結果、角速度Ωの高精度の検出が不可能である。
【００１４】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、角速度を高精度に検出することができる角速度センサを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、支持基板と、上記支持基板に固定された固定部と、上記固定部に弾性支持部を介して設けられた質量と、上記質量を振動する駆動手段と、上記質量の上記駆動手段による駆動方向と直角でかつ上記質量の面と平行な方向の変位を検出する検出手段とを有する角速度センサであって、上記質量の上記駆動方向と平行な側面に凹部を設け、上記検出手段として固定部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第１の櫛歯電極と上記凹部内の上記質量部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第２の櫛歯電極とを有するものを用いる。
【００１６】
この場合、上記弾性支持部は、上記支持基板に固定された固定部に上記駆動方向と直角の方向を長さ方向とする第１の弾性支持部を介して接続部を設け、上記接続部に上記駆動方向を長さ方向とする第２の弾性支持部を介して上記質量を設ける。
【００１７】
この場合、上記固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の固定梁の一端を接続し、上記固定梁の他端を固定梁接続部に接続し、上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記固定梁接続部に接続する。
【００１８】
また、上記駆動手段として上記固定部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第３の櫛歯電極と上記接続部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第４の櫛歯電極とを有するものを用いる。
【００１９】
また、上記第１、第２の弾性支持部の厚さを幅よりも大きくする。
【００２０】
また、上記支持基板の主面と平行に設けられかつ厚さが均一な板状部材を上記支持基板の主面と直角な方向に加工して上記固定部、上記第１の弾性支持部、上記接続部、上記第２の弾性支持部、上記質量を形成する。
【００２１】
また、上記第２の弾性支持部を上記質量のその重心から最も離れた部分に接続する。
【００２３】
この場合、上記接続部の各側部に２本の上記第１の弾性支持部を接続し、上記固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の第１、第２の固定梁の一端を接続し、上記第１の固定梁の他端を第１の固定梁接続部に接続し、上記第２の固定梁の他端を第２の固定梁接続部に接続し、一方の上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記第１の固定梁接続部に接続し、他方の上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記第２の固定梁接続部に接続する。
【００２４】
また、上記接続部の各側部に２本の上記第１の弾性支持部を接続し、上記固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の第１、第２の固定梁の一端を接続し、上記第１、第２の固定梁の他端を共通固定梁接続部に接続し、２本の上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記共通固定梁接続部に接続する。
【００２５】
これらの場合、上記第１の固定梁の一端を第１の固定部に接続し、上記第２の固定梁の一端を第２の固定部に接続する。
【００２６】
また、上記第２の弾性支持部の幅を上記第１の弾性支持部の幅よりも大きくする。
【００２７】
また、上記板状部材として半導体基板を用い、上記板状部材を半導体加工技術を用いて加工する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係る角速度センサにおいては、質量の駆動方向と平行な側面に凹部を設け、凹部に第２の櫛歯電極を設けているから、質量のその面と直角な軸回りの慣性モーメントを抑制することができ、しかも第１、第２の櫛歯電極が質量の駆動に対して妨げとなることなく、剛性の許容範囲で第１、第２の櫛歯電極の長さを確保できるので、角速度を高精度に検出することができる。
【００３０】
また、支持基板に固定された固定部に駆動方向と直角の方向を長さ方向とする第１の弾性支持部を介して接続部を設け、接続部に駆動方向を長さ方向とする第２の弾性支持部を介して質量を設けたときには、駆動および検出を基板主面に平行な方向で行なうから、駆動方向および検出方向の振動モード周波数およびその相対値は基板主面内の構造体の平面構造に依存し、製造バラツキにより影響を受けにくく、安定した角速度の検出感度を得ることができる。
【００３１】
また、固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の固定梁の一端を接続し、固定梁の他端を固定梁接続部に接続し、第１の弾性支持部の接続部と接続された側とは反対側の端部を固定梁接続部に接続したときには、振動系を駆動したときに第１の弾性支持部に長さ方向の応力が生ずるのを抑制することができるから、駆動振動の非線形性を抑制することができ、また第１の弾性支持部の支持部の法線方向に対するねじり剛性が向上するから、振動系の法線方向のモード周波数の低下を回避することができるので、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３２】
また、第１、第２の弾性支持部の厚さを幅よりも大きくしたときには、高精度検出に影響を及ぼす質量の面と直角な方向の振動モード周波数を駆動、検出モード周波数より高周波領域に設定可能であるから、前記モードの影響を抑制し、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３３】
また、第２の弾性支持部を質量のその重心から最も離れた部分に接続したときには、質量の面と直角な方向の軸回りの回転に対する剛性が大きいから、回転モードの周波数を駆動、検出モード周波数に比べ充分高周波領域に設定することができるので、前記モードの影響を抑制し、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３５】
また、接続部の各側部に２本の第１の弾性支持部を接続し、固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の第１、第２の固定梁の一端を接続し、第１の固定梁の他端を第１の固定梁接続部に接続し、第２の固定梁の他端を第２の固定梁接続部に接続し、一方の第１の弾性支持部の接続部と接続された側とは反対側の端部を第１の固定梁接続部に接続し、他方の第１の弾性支持部の接続部と接続された側とは反対側の端部を第２の固定梁接続部に接続したときには、振動系を駆動したときに第１の弾性支持部に長さ方向の応力が生ずるのを抑制することができるから、駆動振動の非線形性を抑制することができ、また第１の弾性支持部の支持部の法線方向に対するねじり剛性が向上するから、振動系の法線方向のモード周波数の低下を回避することができるので、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３６】
また、接続部の各側部に２本の第１の弾性支持部を接続し、固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の第１、第２の固定梁の一端を接続し、第１、第２の固定梁の他端を共通固定梁接続部に接続し、２本の第１の弾性支持部の接続部と接続された側とは反対側の端部を共通固定梁接続部に接続したときには、振動系を駆動したときに第１の弾性支持部に長さ方向の応力が生ずるのを抑制することができるから、駆動振動の非線形性を抑制することができ、また第１の弾性支持部の支持部の法線方向に対するねじり剛性が向上するから、振動系の法線方向のモード周波数の低下を回避することができるので、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３７】
また、第１の固定梁の一端を第１の固定部に接続し、第２の固定梁の一端を第２の固定部に接続したときには、駆動電圧に対する振動系の共通電位と検出信号に対する振動系の共通電位とが別の固定部にて外部信号処理回路に接続されるから、検出信号に対する駆動電圧の影響を抑制することができるので、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３８】
また、第２の弾性支持部の幅を第１の弾性支持部の幅よりも大きくしたときには、高精度検出に影響を及ぼす質量の面と直角な方向の振動モード周波数を駆動、検出モード周波数より高周波領域に設定可能であるから、角速度をより高精度に検出することができる。
【００３９】
また、板状部材として半導体基板を用い、板状部材を半導体加工技術を用いて加工したときには、固定部、第１の弾性支持部、接続部、第２の弾性支持部、質量を容易に形成することができるから、製造コストが安価である。
【００４１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る角速度センサを示す概略平面図、図２は図１の概略Ｃ−Ｃ断面図、図３は図１の概略Ｄ−Ｄ断面図、図４は図１のＥ部詳細図である。図に示すように、板状部材である半導体基板３７に半導体支持基板３４の主面すなわち基板主面と直角な方向の溝３８が形成され、固定部２２、４１、接続部であるトラス２４、質量３２、第１、第２の弾性支持部２５、２７からなる構造体が設けられ、トラス２４、質量３２には小孔３５が多数配設され、半導体支持基板３４に絶縁膜３３を介して固定部２２、４１が接合されている。また、質量３２の駆動方向と平行な側面に四角形状の凹部３９が形成され、凹部３９のｘ軸方向の内壁にｘ軸方向が長手方向である第２の櫛歯電極３０が複数配設されている。また、固定部４１は半導体支持基板３４に固定され、固定部４１に櫛歯電極３０と同様の形状の第１の櫛歯電極３１が配設され、櫛歯電極３０の側面と櫛歯電極３１の側面とが対向しており、質量３２のｙ軸方向の変位を静電容量変化として検出する検出手段は櫛歯電極３０、櫛歯電極３１を有している。なお、図１においては入出力用パッド４２を図示したが、入出力用パッド４２に接続される信号処理回路は説明を簡単にするため省略する。
【００４２】
また、質量３２の重心から最も離れた部分すなわち最遠点近傍付近には第２の弾性支持部２７が接続され、弾性支持部２７はｘ軸方向が長手方向となっており、弾性支持部２７の厚さｔと幅ｗとの関係はｔ＞ｗとなっており、弾性支持部２７の基板主面と平行な方向の剛性より直角な方向の剛性の方が高くなっている。また、弾性支持部２７の長さは質量３２と櫛歯電極３０との合計質量で構成される振動系のｙ軸方向の共振周波数が所定値となるように設定されている。また、弾性支持部２７の質量３２とは反対側にトラス２４が接続され、質量３２は２つのトラス２４に接続されており、質量３２はトラス２４に対して両持梁構造で支持されている。
【００４３】
また、トラス２４のｘ軸方向の側面にはｘ軸が長手方向となる第４の櫛歯電極２９が配設され、固定部２２に櫛歯電極２９と同様の形状の第３の櫛歯電極２８が配設され、櫛歯電極２８の側面と櫛歯電極２９の側面とが対向しており、トラス２４および質量３２をｘ軸方向に静電引力を用いて駆動する駆動手段は櫛歯電極２８、櫛歯電極２９を有している。なお、図１においては入出力用パッド２３を図示したが、入出力用パッド２３に接続される信号処理回路は説明を簡単にするため省略する。
【００４４】
また、トラス２４のｙ軸方向の側面には第１の弾性支持部２５が接続され、弾性支持部２５はｙ軸方向が長手方向となっており、弾性支持部２５の厚さｔと幅ｗとの関係がｔ＞ｗとなっており、弾性支持部２５の基板主面に平行な方向の剛性より垂直方向の剛性の方が高くなっている。また、弾性支持部２５の長さは質量３２、トラス２４、弾性支持部２７および櫛歯電極２９、３０、３１の合計質量で構成される振動系のｘ軸方向の共振周波数が所定値となるように設定されている。また、弾性支持部２５のトラス２４とは反対側は固定部２２に接続され、弾性支持部２５が接続された固定部２２の弾性支持部２５の接続点近傍にはスリット溝２６が設けられ、各トラス２４は４本の弾性支持部２５に接続されており、固定部２２に対して両持梁構造で支持されている。
【００４５】
つぎに、図５により図１〜図４に示した角速度センサの製造方法を説明する。まず、図５(ａ)に示すように、半導体支持基板３４に絶縁膜３３を介して構造体となる半導体基板３７を接合したのち、所定の厚さまで研磨する。つぎに、図５(ｂ)に示すように、半導体基板３７の表面に構造に対応じたマスクパターン４０を形成する。つぎに、図５(ｃ)に示すように、半導体加工技術を用いて半導体基板３７に溝３８を作製し、構造体を形成する。この場合、溝３８の深さは絶縁膜３３まで達するようにする。つぎに、図５(ｄ)に示すように、トラス２４、質量３２、弾性支持部２５、２７からなる可動部となる半導体基板３７直下の絶縁膜３３を除去する。この場合、トラス２４、質量３２には小孔３５が多数配設されているから、絶縁膜３３を容易に除去することができる。なお、以上の説明では信号処理回路の作製プロセスについては簡略化のため説明を省いた。
【００４６】
図１〜図４に示した角速度センサにおいては、櫛歯電極２８、２９に電圧を印加することによりトラス２４および質量３２をｘ軸方向に駆動する。この場合、印加電圧の周波数は質量３２、トラス２４、弾性支持部２５、櫛歯電極２９〜３１で構成される振動系のｘ軸方向の共振周波数とし、より大きい振幅で駆動する。この駆動状態で基板主面に直角なｚ軸方向の角速度Ωが印加すると、ｙ軸方向に（数１）式で示したコリオリ力が生じる。この場合、弾性支持部２７で設定した共振周波数が駆動周波数と同一であれば、質量３２はｙ軸方向に共振振動を開始し、より大きなｙ軸方向変位として櫛歯電極３０、３１を有する検出手段の静電容量変化として検出される。このｙ軸方向の振幅は入力された角速度Ωに比例するため、ｙ軸方向の振幅から角速度Ωを検出することができる。
【００４７】
図１〜図４に示した角速度センサにおいては、図２５、図２６に示した従来の角速度センサと同様に、駆動および検出を基板主面に平行なｘ軸方向、ｙ軸方向で行なうから、駆動軸であるｘ軸の方向および検出軸であるｙ軸の方向の振動モード周波数およびその相対値は基板主面内の構造体の平面構造に依存し、製造バラツキにより影響を受けにくく、安定した角速度Ωの検出感度を得ることができる。また、櫛歯電極３０をその長手方向がｘ軸方向になるように配置してあるから、櫛歯電極３０が質量３２の駆動に対して妨げとなることなく、剛性の許容範囲で櫛歯電極３０の長さを確保できる。たとえば、２０μｍ厚の半導体基板３７で幅６μｍ、長さ３２０μｍの櫛歯電極３０を形成し、櫛歯電極３０を３００μｍの範囲でギャップ２μｍで櫛歯電極３１に対向させたとすると、１０Ｖ程度までは電圧が印加可能であり、この櫛歯電極３０、３１の対を３８対配設することにより、約１ｐＦの検出容量が確保できる。したがって、角速度Ωを高精度に検出することができる。また、質量３２の側面の一部に凹部３９を形成し、凹部３９の内側に櫛歯電極３０を複数配設しているから、櫛歯電極３０による可動体のｚ軸回りの慣性モーメントを抑制することができるので、角速度Ωをより高精度に検出することができる。また、弾性支持部２５、２７の厚さｔと幅ｗとの関係がｔ＞ｗとなっており、弾性支持部２５、２７の基板主面と平行な方向の剛性より直角な方向の剛性の方が高くなっているから、トラス２４のｙ軸回りの回転剛性が向上し、高精度検出に影響を及ぼす基板主面と直角なｚ軸方向の振動モード周波数を駆動、検出モード周波数より高周波領域に設定可能であるので、基板主面と直角な方向の振動を生じさせることなく角速度Ωを測定することができるため、角速度Ωをより高精度に検出することができる。また、弾性支持部２７が質量３２の重心から最遠点近傍付近に接続されているから、ｚ軸回りの回転に対する剛性が大きく、駆動および検出に悪影響をもたらす回転モードの周波数を駆動、検出モード周波数に比べ充分高周波領域に設定することができるので、ｚ軸回りの回転振動を生じさせることなく角速度Ωを測定することができるため、角速度Ωをより高精度に検出することができる。また、トラス２４を４本の弾性支持部２５によって固定部２２に接続しているから、高精度検出に影響を及ぼす基板主面と直角な方向の振動モード周波数を駆動、検出モード周波数より高周波領域に設定可能であるので、基板主面と直角な方向の振動を生じさせることなく角速度Ωを測定することができるため、角速度Ωをより高精度に検出することができる。また、半導体加工技術を用いて半導体基板３７に溝３８を作製して構造体を形成しているから、構造体を容易に形成することができるので、製造コストが安価である。また、固定部２２の弾性支持部２５の接続点近傍にはスリット溝２６が設けられているから、固定部２２からの応力の伝達を緩和することができるので、実装ストレス等による応力の影響を抑制できるため、安定した振動モード周波数を実現できる。その結果、角速度センサ感度の安定化が可能である。また、固定部２２、４１が可動体の外周部に配置されているから、基板主面内で固定部２２、４１に電気的な接続が可能であり、配線構造の簡素化が可能である。また、質量３２の両側に駆動手段を配置しているから、構造の対称性を確保することができ、また駆動振幅検出を行なうことができる。また、質量３２の中央部の両側に２列の検出手段を配置しているから、構造の対称性を確保することができ、また振幅を２つの静電容量の差動で変位を検出することができる。また、トラス２４のｙ軸方向のサイズを基板主面と直角な方向の剛性を確保できる範囲で長く設定できるから、駆動手段の櫛歯電極２８、２９を多数配設できるので、より大きい静電駆動力を得ることができる。以上述べたように、検出容量を確保すると同時に、安定した構造体の振動モードを実現できるから、角速度センサの感度の高精度化と安定化とを同時に実現することができる。
【００４８】
図６は本発明に係る他の角速度センサの質量部を示す概略図である。図に示すように、質量３２には基板主面と直角な方向の剛性が確保できる範囲で貫通孔３６が設けられている。なお、図面の簡略のため駆動手段、検出手段の図示を省略した。
【００４９】
この角速度センサにおいては、質量３２に貫通孔３６が設けられているから、軽量化することができる。その結果、設計共振振動数に対して支持部の剛性を抑えることができ、駆動振幅増加、発生コリオリ力に対する変位増大により高感度化が可能である。
【００５０】
図７〜図９に本発明に係る他の角速度センサの振動モードの具体例を示す。図に示すように、質量３２は凹部３９と貫通孔３６とを有する。なお、図面の簡略のため駆動手段、検出手段の図示を省略した。そして、図７はｘ軸方向の駆動モード、図８はｙ軸方向の検出モードであり、周波数はいずれも３．５ｋＨｚ程度である。また、図９はｚ軸回りの回転モードであり、周波数は３０ｋＨｚ程度であり、充分高い周波数に設定されている。
【００５１】
図１０は図７〜図９に示した角速度センサの構造体と同一の構造体の基板主面と直角な方向の振動モード例を示す図である。この振動モード周波数はおよそ７．５ｋＨｚであり、駆動、検出モード周波数（３．５ｋＨｚ）の２倍以上である。そして、周波数比は構造体の更なる厚膜化によりさらに増加する。
【００５２】
図１１は本発明に係る他の角速度センサを示す概略図である。図に示すように、凹部３９のｘ軸方向の内壁およびその内壁と相対する質量３２のｘ軸方向の外周部側壁に、ｘ軸方向が長手方向である櫛歯電極３０が複数配設されている。また、質量３２のｘ軸方向の外周部側壁の櫛歯電極３０に隣接する部分に弾性支持部２７が接続され、弾性支持部２７同士の間隔は櫛歯電極３０を外周部に配設したことにより増加した質量３２の慣性モーメントに対してｚ軸回りの回転剛性が確保できるように配置されている。
【００５３】
この角速度センサにおいては、櫛歯電極３０を質量３２の外周部側壁にも配設したから、より大きい検出容量が得られるので、角速度Ωをより高精度に検出することができる。また、櫛歯電極３０が質量３２の外周部にも配設されているから、質量３２のｙ軸方向のサイズを剛性の確保できる範囲で図１〜図４に示した角速度センサに比べ長くすることができる。
【００５４】
図１２は本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。図に示すように、質量３２とトラス２４とを接続する弾性支持部２７の幅ｗ1とトラス２４と固定部２２を接続する弾性支持部２５の幅ｗ2との関係がｗ1＞ｗ2となるように設定してある。
【００５５】
この角速度センサの構造体の１次元近似モデルを図１３に示す。図において、ｋ1は質量３２をトラス２４にて両持梁構造で支持する計４本の弾性支持部２７の基板主面と直角なｚ軸方向のバネ定数を表す。前述のように弾性支持部２７の幅はｗ1である。また、ｍ1は質量３２と櫛歯電極３０との質量合計である。また、ｋ2はトラス２４を固定部２２にて両持梁構造で支持する計８本の弾性支持部２５の基板主面と直角なｚ軸方向のバネ定数を表す。前述のように弾性支持部２５の幅はｗ2である。また、ｍ2はトラス２４と櫛歯電極２９との質量合計である。そして、比γ＝ｗ1／ｗ2、比β＝ｍ1／ｍ2とすると、図１３に示す１次元２自由度振動系のｚ軸方向の１次振動モード周波数ω1の２乗は次式で表される。
【００５６】
【数４】
ω1 2＝１／２［２＋γ2（β＋１）−√｛４＋γ4（β＋１）2｝］
図１４は１次モード周波数ω1と比βとの関係を比γをパラメータとして示すグラフで、線ａ〜ｃはそれぞれ比γが０．５、１、２の場合を示す。図１４から明らかなように、γ＞１の方が１次振動モード周波数ω1が大きくなる。したがって、γ＞１とすることによりすなわち弾性支持部２７の幅ｗ1を弾性支持部２５の幅ｗ2よりも大きくすることにより、高精度検出に影響を及ぼす基板主面と直角な方向の振動モード周波数を駆動、検出モード周波数より高周波領域に設定可能であるから、基板主面と直角な方向の振動を生じさせることなく角速度Ωを測定することができるので、角速度Ωを高精度に検出することができる。なお、この効果は構造体の更なる厚膜化によりさらに増大する。
【００５７】
図１５は本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。図に示すように、トラス２４の各側部すなわち図１５紙面上下方向側の端部分に２本の第１の弾性支持部２５が接続され、第１、第２の固定部４６ａ、４６ｂが半導体支持基板３４に固定され、固定部４６ａに駆動軸であるｘ軸方向が長さ方向でありかつ検出軸であるｙ軸方向に並んだ２本の第１の固定梁４４ａの一端が接続され、固定部４６ｂにｘ軸方向が長さ方向でありかつｙ軸方向に並んだ２本の第２の固定梁４４ｂの一端が接続され、２本の固定梁４４ａの他端が第１の固定梁接続部４５ａに接続され、２本の固定梁４４ｂの他端が第２の固定梁接続部４５ｂに接続され、一方の弾性支持部２５のトラス２４と接続された側とは反対側の端部が固定梁接続部４５ａに接続され、他方の弾性支持部２５のトラス２４と接続された側とは反対側の端部が固定梁接続部４５ｂに接続され、固定梁接続部４５ａ、４５ｂ、固定梁４４ａ、４４ｂにより弾性支持部２５の片持梁構造の支持部が構成されている。
【００５８】
図１６は図１５に示した角速度センサの駆動検出時の等価回路を示す図である。図に示すように、駆動電圧が印加されるノード４７が信号処理回路２３に設けられ、櫛歯電極２８、２９で分布静電容量４８が構成され、トラス２４、弾性支持部２５、２７に電気抵抗４９が分布し、電気抵抗４９は固定部４６ａにて外部信号処理回路（図示せず）に接続され、電気抵抗４９に質量３２の抵抗５０が接続され、抵抗５０に櫛歯電極３０、３１で構成された静電容量５１が接続され、静電容量５１に入出力用パッド４２に設けられかつ静電容量５１の変化を検出するためのたノード５２が接続され、また電気抵抗４９は固定部４６ｂにて外部信号処理回路（図示せず）に接続されている。
【００５９】
この角速度センサにおいては、ノード４７に駆動電圧を印加すると、櫛歯電極２８、２９で構成される分布静電容量４８にて静電引力が発生し、振動系が駆動される。この場合、駆動電圧に対する振動系の共通電位は固定部４６ａにて外部信号処理回路に接続される。そして、角速度Ωの入力により発生する質量３２の変位は櫛歯電極３０、３１で構成された静電容量５１の変化として検出される。この場合、静電容量５１の変化は固定部４６ｂにて外部信号処理回路に接続される振動系の共通電位に対しノード５２において検出される。
【００６０】
このような角速度センサにおいては、弾性支持部２５のトラス２４と接続された側とは反対側の端部が固定梁接続部４５ａ、４５ｂ、固定梁４４ａ、４４ｂを介して固定部４６ａ、４６ｂに接続されているから、弾性支持部２５の支持部のｙ軸方向の剛性が小さいので、弾性支持部２５の固定梁接続部４５ａ、４５ｂ側端部が比較的自由にｙ軸方向に移動でき、振動系を駆動したときに弾性支持部２５に長さ方向の応力が生ずるのを抑制することができる。このため、櫛歯電極２８、２９で構成される分布静電容量４８にて発生する静電引力と質量３２のｘ軸方向の振幅とを比例させることができ、駆動振動の非線形性を抑制することができるから、より大きい振幅での質量３２の駆動が可能で、角速度Ωをより高精度に測定することができる。また、固定部４６ａ、４６ｂと固定梁接続部４５ａ、４５ｂとが２本の固定梁４４ａ、４４ｂによって接続されているから、弾性支持部２５の支持部の法線方向すなわち半導体支持基板３４と直角方向に対するねじり剛性が向上する。このため、振動系の法線方向のモード周波数の低下を回避することができるから、駆動モード、検出モードの周波数と法線方向モードの周波数との周波数弁別比を大きくすることができるので、角速度Ωをより高精度に測定することができる。また、駆動電圧に対する振動系の共通電位は固定部４６ａにて外部信号処理回路に接続され、また検出信号に対する振動系の共通電位は固定部４６ｂにて外部信号処理回路に接続されているから、検出信号に対する駆動電圧の影響を抑制することができるので、角速度Ωをより高精度に測定することができる。
【００６１】
図１７は分布静電容量４８にて発生する静電引力すなわち駆動力と質量３２の駆動方向の変位との関係を示すグラフであり、線ａは線形モデルを示し、線ｂは図１５に示した角速度センサの場合を示し、線ｃは第１の弾性支持部２５を直接固定部に接続した場合を示す。このグラフから明らかなように、図１５に示した角速度センサにおいては駆動振動の非線形性を確実に抑制することができる。
【００６２】
図１８〜図２０に図１５に示した角速度センサの固定梁４４ａ、４４ｂのｙ軸方向の剛性が弾性支持部２７のｙ軸方向の剛性の１０倍となるように、固定梁４４ａ、４４ｂの長さおよび幅を設定した場合の振動モードの具体例を示す。なお、図面の簡略のため駆動手段、検出手段の図示を省略した。そして、図１８はｘ軸方向の駆動モード（周波数ｆ＝３６９３Ｈｚ）、図１９はｙ軸方向の検出モード（周波数ｆ＝３６９１Ｈｚ）、図２０は法線方向モード（周波数ｆ＝５６６１Ｈｚ）であり、駆動モード、検出モードすなわち基本モードに対する法線方向モードの周波数弁別比は１．５３であり、この周波数弁別比は十分に大きい。
【００６３】
図２１は本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。図に示すように、トラス２４の各側部に２本の弾性支持部２５が接続され、固定部４６ａにｘ軸方向が長さ方向でありかつｙ軸方向に並んだ２本の第１の固定梁４４ａの一端が接続され、固定部４６ｂにｘ軸方向が長さ方向でありかつｙ軸方向に並んだ２本の第２の固定梁４４ｂの一端が接続され、２本の固定梁４４ａおよび２本の固定梁４４ｂの他端が共通固定梁接続部５３に接続され、２本の第１の弾性支持部２５のトラス２４と接続された側とは反対側の端部が共通固定梁接続部５３に接続され、共通固定梁接続部５３、固定梁４４ａ、４４ｂにより弾性支持部２５の両持梁構造の支持部が構成されている。
【００６４】
この角速度センサにおいても、弾性支持部２５のトラス２４と接続された側とは反対側の端部が共通固定梁接続部５３、固定梁４４ａ、４４ｂを介して固定部４６ａ、４６ｂに接続されているから、弾性支持部２５の支持部のｙ軸方向の剛性が小さいので、櫛歯電極２８、２９にて発生する静電引力と質量３２のｙ軸方向の振幅とを比例させることができ、駆動振動の非線形性を抑制することができるため、角速度Ωをより高精度に測定することができる。また、固定部４６ａ、４６ｂと共通固定梁接続部５３とが２本の固定梁４４ａおよび２本の固定梁４４ｂによって接続されているから、弾性支持部２５の支持部の法線方向に対するねじり剛性が向上するので、振動系の法線方向のモード周波数の低下を回避することができるため、駆動モード、検出モードの周波数と法線方向モードの周波数との周波数弁別比を大きくすることができ、角速度Ωをより高精度に測定することができる。また、駆動電圧に対する振動系の共通電位は固定部４６ａにて外部信号処理回路に接続され、また検出信号に対する振動系の共通電位は固定部４６ｂにて外部信号処理回路に接続されているから、検出信号に対する駆動電圧の影響を抑制することができるので、角速度Ωをより高精度に測定することができる。
【００６５】
そして、図２１に示した角速度センサにおいて、固定梁４４ａ、４４ｂのｙ軸方向の剛性が弾性支持部２７のｙ軸方向の剛性の１００倍となるように、固定梁４４ａ、４４ｂの長さおよび幅を設定した場合には、駆動振動の非線形性の抑制の程度は図１７の線ｂで表される非線形性の抑制の程度とほぼ同じであり、またｘ軸方向の駆動モードの周波数ｆ＝３７１８Ｈｚであり、ｙ軸方向の検出モードの周波数ｆ＝３７１９Ｈｚであり、法線方向モードの周波数ｆ＝６２２３Ｈｚであって、駆動モード、検出モードすなわち基本モードに対する法線方向モードの周波数弁別比は１．６７であり、この周波数弁別比は十分に大きい。
【００６６】
なお、上述実施の形態においては、質量３２の両側に駆動手段を配置したが、質量３２の片側にのみ駆動手段を配置してもよい。また、上述実施の形態においては、質量３２の中央部の両側に２列の検出手段を配置したが、質量３２の中央部に１列の検出手段を配置してもよい。また、上述実施の形態においては、固定部２２、４１に入出力用パッド２３、４２を配置したが、固定部２２、４１に信号処理回路を配置してもよい。また、上述実施の形態においては、固定部４６ａに２本の第１の固定梁４４ａの一端を接続し、固定部４６ｂに２本の第２の固定梁４４ｂの一端を接続したが、固定部に３本以上の第１、第２の固定梁の一端を接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る角速度センサを示す概略平面図である。
【図２】図１の概略Ｃ−Ｃの断面図である。
【図３】図１の概略Ｄ−Ｄの断面図である。
【図４】図１のＥ部詳細図である。
【図５】図１〜図４に示した角速度センサの製造方法の説明図である。
【図６】本発明に係る他の角速度センサの質量部を示す概略図である。
【図７】本発明に係る他の角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図８】本発明に係る他の角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図９】本発明に係る他の角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図１０】本発明に係る他の角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図１１】本発明に係る他の角速度センサを示す概略図である。
【図１２】本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。
【図１３】図１２に示した角速度センサの構造体の１次元近似モデルを示す図である。
【図１４】１次モード周波数ω1と比βとの関係を示すグラフである。
【図１５】本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。
【図１６】図１５に示した角速度センサの駆動検出時の等価回路を示す図である。
【図１７】駆動力と質量の駆動方向の変位との関係を示すグラフである。
【図１８】図１５に示した角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図１９】図１５に示した角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図２０】図１５に示した角速度センサの振動モードの具体例を示す図である。
【図２１】本発明に係る他の角速度センサの一部を示す概略図である。
【図２２】従来の角速度センサを示す概略図である。
【図２３】図２２のＡ−Ａ断面図である。
【図２４】図２２、図２３に示した角速度センサの動作を説明するためのグラフである。
【図２５】従来の他の角速度センサを示す概略図である。
【図２６】図２５のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
２２…固定部
２４…トラス
２５…第１の弾性支持部
２７…第２の弾性支持部
２８…第３の櫛歯電極
２９…第４の櫛歯電極
３０…第２の櫛歯電極
３１…第１の櫛歯電極
３２…質量
３４…半導体支持基板
３７…半導体基板
３９…凹部
４１…固定部
４４ａ…第１の固定梁
４４ｂ…第２の固定梁
４５ａ…第１の固定梁接続部
４５ｂ…第２の固定梁接続部
４６ａ…第１の固定部
４６ｂ…第２の固定部
５３…共通固定梁接続部
Claims (12)
- 支持基板と、上記支持基板に固定された固定部と、上記固定部に弾性支持部を介して設けられた質量と、上記質量を振動する駆動手段と、上記質量の上記駆動手段による駆動方向と直角でかつ上記質量の面と平行な方向の変位を検出する検出手段とを有する角速度センサであって、上記質量の上記駆動方向と平行な側面に凹部を設け、上記検出手段として上記固定部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第１の櫛歯電極と上記凹部内の上記質量部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第２の櫛歯電極とを有するものを用いたことを特徴とする角速度センサ。
- 上記弾性支持部は、上記支持基板に固定された固定部に上記駆動方向と直角の方向を長さ方向とする第１の弾性支持部を介して接続部を設け、上記接続部に上記駆動方向を長さ方向とする第２の弾性支持部を介して上記質量を設けたことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
- 上記固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の固定梁の一端を接続し、上記固定梁の他端を固定梁接続部に接続し、上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記固定梁接続部に接続したことを特徴とする請求項２に記載の角速度センサ。
- 上記駆動手段として上記固定部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第３の櫛歯電極と上記接続部に上記駆動方向を長さ方向として設けられた複数の第４の櫛歯電極とを有するものを用いたことを特徴とする請求項２に記載の角速度センサ。
- 上記第１、第２の弾性支持部の厚さを幅よりも大きくしたことを特徴とする請求項２に記載の角速度センサ。
- 上記支持基板の主面と平行に設けられかつ厚さが均一な板状部材を上記支持基板の主面と直角な方向に加工して上記固定部、上記第１の弾性支持部、上記接続部、上記第２の弾性支持部、上記質量を形成したことを特徴とする請求項２に記載の角速度センサ。
- 上記第２の弾性支持部を上記質量のその重心から最も離れた部分に接続したことを特徴とする請求項２に記載の角速度センサ。
- 上記接続部の各側部に２本の上記第１の弾性支持部を接続し、上記固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の第１、第２の固定梁の一端を接続し、上記第１の固定梁の他端を第１の固定梁接続部に接続し、上記第２の固定梁の他端を第２の固定梁接続部に接続し、一方の上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記第１の固定梁接続部に接続し、他方の上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記第２の固定梁接続部に接続したことを特徴とする請求項２または７に記載の角速度センサ。
- 上記接続部の各側部に２本の上記第１の弾性支持部を接続し、上記固定部に駆動方向が長さ方向でありかつ駆動方向と直角の方向に並んだ複数の第１、第２の固定梁の一端を接続し、上記第１、第２の固定梁の他端を共通固定梁接続部に接続し、２本の上記第１の弾性支持部の上記接続部と接続された側とは反対側の端部を上記共通固定梁接続部に接続したことを特徴とする請求項２または７に記載の角速度センサ。
- 上記第１の固定梁の一端を第１の固定部に接続し、上記第２の固定梁の一端を第２の固定部に接続したことを特徴とする請求項８または９に記載の角速度センサ。
- 上記第２の弾性支持部の幅を上記第１の弾性支持部の幅よりも大きくしたことを特徴とする請求項２または７に記載の角速度センサ。
- 上記板状部材として半導体基板を用い、上記板状部材を半導体加工技術を用いて加工したことを特徴とする請求項６に記載の角速度センサ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33978997A JP3931405B2 (ja) | 1997-04-10 | 1997-12-10 | 角速度センサ |
| DE19816203A DE19816203C2 (de) | 1997-04-10 | 1998-04-09 | Winkelgeschwindigkeitssensor |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9187897 | 1997-04-10 | ||
| JP9-91878 | 1997-04-10 | ||
| JP33978997A JP3931405B2 (ja) | 1997-04-10 | 1997-12-10 | 角速度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10339640A JPH10339640A (ja) | 1998-12-22 |
| JP3931405B2 true JP3931405B2 (ja) | 2007-06-13 |
Family
ID=26433307
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33978997A Expired - Fee Related JP3931405B2 (ja) | 1997-04-10 | 1997-12-10 | 角速度センサ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3931405B2 (ja) |
| DE (1) | DE19816203C2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4362877B2 (ja) * | 1998-09-18 | 2009-11-11 | 株式会社デンソー | 角速度センサ |
| JP3525862B2 (ja) | 2000-05-22 | 2004-05-10 | トヨタ自動車株式会社 | センサ素子及びセンサ装置 |
| JP4576703B2 (ja) * | 2000-11-27 | 2010-11-10 | 株式会社デンソー | 角速度センサ |
| JP4362739B2 (ja) * | 2007-02-26 | 2009-11-11 | 株式会社デンソー | 振動型角速度センサ |
| WO2013076942A1 (ja) * | 2011-11-22 | 2013-05-30 | パナソニック株式会社 | 角速度センサとそれに用いられる検出素子 |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4041582A1 (de) * | 1990-12-22 | 1992-06-25 | Bosch Gmbh Robert | Drehratensensor |
| JP3263113B2 (ja) * | 1992-03-06 | 2002-03-04 | 株式会社東芝 | 慣性センサー |
| JP2888029B2 (ja) * | 1992-05-08 | 1999-05-10 | 株式会社村田製作所 | 角速度センサ |
| JPH06160421A (ja) * | 1992-11-18 | 1994-06-07 | Murata Mfg Co Ltd | 振動型加速度センサ |
| EP0664438B1 (en) * | 1994-01-25 | 1998-10-07 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Comb drive micromechanical tuning fork gyro |
| DE4414237A1 (de) * | 1994-04-23 | 1995-10-26 | Bosch Gmbh Robert | Mikromechanischer Schwinger eines Schwingungsgyrometers |
| JPH0854242A (ja) * | 1994-08-12 | 1996-02-27 | Murata Mfg Co Ltd | 振動ジャイロ |
| FR2726361B1 (fr) * | 1994-10-28 | 1997-01-17 | Sextant Avionique | Microgyrometre |
| JPH08159776A (ja) * | 1994-12-08 | 1996-06-21 | Nissan Motor Co Ltd | 角速度センサ |
| DE19519488B4 (de) * | 1995-05-27 | 2005-03-10 | Bosch Gmbh Robert | Drehratensensor mit zwei Beschleunigungssensoren |
| JP3409520B2 (ja) * | 1995-08-01 | 2003-05-26 | 日産自動車株式会社 | 角速度センサ |
| DE19530007C2 (de) * | 1995-08-16 | 1998-11-26 | Bosch Gmbh Robert | Drehratensensor |
-
1997
- 1997-12-10 JP JP33978997A patent/JP3931405B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1998
- 1998-04-09 DE DE19816203A patent/DE19816203C2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10339640A (ja) | 1998-12-22 |
| DE19816203C2 (de) | 2003-12-04 |
| DE19816203A1 (de) | 1998-10-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6128953A (en) | Dynamical quantity sensor | |
| JP5123455B2 (ja) | 微細組立式音叉ジャイロスコープおよび面外回転を検知するための関連する３軸慣性測定システム | |
| KR100327481B1 (ko) | 마이크로 자이로스코프 | |
| US5691471A (en) | Acceleration and angular velocity detector | |
| KR101166866B1 (ko) | 수평으로 배향된 구동 전극을 구비한 ｍｅｍｓ자이로스코프 | |
| US7168317B2 (en) | Planar 3-axis inertial measurement unit | |
| KR100374803B1 (ko) | 튜닝포크형자이로스코프 | |
| US6089088A (en) | Vibrating microgyrometer | |
| KR0139506B1 (ko) | 자체진단 기능을 구비한 대칭질량형 가속도계 및 그 제조방법 | |
| US20050217374A1 (en) | Planar 3-axis intertial measurement unit | |
| US7546768B2 (en) | Mounting structure of angular rate sensor | |
| US7197928B2 (en) | Solid-state gyroscopes and planar three-axis inertial measurement unit | |
| JPH10239347A (ja) | 運動センサ | |
| KR100374804B1 (ko) | 진동형자이로스코프 | |
| JPH0942973A (ja) | 角速度センサ | |
| JP2001194153A (ja) | 角速度センサ、加速度センサおよび製造方法 | |
| JP4362877B2 (ja) | 角速度センサ | |
| JPH08159776A (ja) | 角速度センサ | |
| JP3931405B2 (ja) | 角速度センサ | |
| JP4126826B2 (ja) | 角速度センサ | |
| JP3627618B2 (ja) | 角速度センサ | |
| JP3449130B2 (ja) | 力学量センサおよびそれを用いた集積回路 | |
| KR100464309B1 (ko) | 면적변화정전용량형마이크로가속도계및그제조방법 | |
| CN115077508A (zh) | 一种mems器件及其形成方法 | |
| US5533395A (en) | Thin film rotation sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050630 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060822 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060911 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20060911 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070220 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070305 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |