JP5494202B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

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。

従来、例えば、特許文献１に示されるように、基板と、支持梁を介して基板に連結された可動部（振動子）と、該振動子に設けられた櫛歯状可動電極と、基板に設けられた櫛歯状固定電極と、を有する角速度センサが提案されている。振動子は、支持梁によって検出方向（検出軸方向）に変位可能となっており、櫛歯状固定電極は、検出軸方向に所定の間隔を置いて配置された複数の固定側電極部を有し、櫛歯状可動電極は、固定電極と噛合するように、各固定側電極部間に配置された複数の可動側電極部を有している。特許文献１に示される角速度センサでは、検出軸方向に沿うコリオリ力によって、振動子が検出軸方向に変位した際に、固定側電極部と可動側電極部とによって形成されたコンデンサの静電容量の変動を検出することで、角速度を検出している。

また、特許文献２に示されるように、基板と、該基板表面に対して平行で、基板表面にて互いに直交する第１方向（振動軸方向）及び第２方向（検出軸方向）に変位可能となるように、梁部とフレームとを介して基板に連結された振動子と、検出軸方向に振動子が振動することを抑制するサーボ電極部及びサーボ制御回路と、を有する角速度検出素子（角速度センサ）が提案されている。この角速度センサでは、振動子の検出軸方向への振動を抑制するためのサーボ電圧を算出し、このサーボ電圧に基づいて、角速度を検出している。

特許第３６０６１６４号公報 特許第３５１２００４号公報

ところで、上記した特許文献１及び特許文献２に記載の角速度センサは、周知のマイクロマシン技術を用いて、ＳＯＩ基板などを加工することで形成される。このような加工においては、多少なりとも加工誤差が生じる。加工誤差が生じると、振動軸方向の振動が検出軸方向へ漏れることとなる。また、大気圧又は大気圧に近い圧力中で、上記した振動子が振動する場合、気体分子の粘性のために、振動軸方向の振動が検出軸方向に漏れることとなる。この結果、振動子は、コリオリ力と、加工精度誤差に起因する漏れ成分（以下、加工漏れ成分と示す）と、気体分子の粘性に起因する漏れ成分（以下、粘性漏れ成分と示す）と、によって検出軸方向に振動することとなる。

上記した特許文献１に記載の構成は、加工漏れ成分と粘性漏れ成分の影響を抑制する構成とはなっていないので、上記した各漏れ成分によって、角速度の検出精度が低下する虞がある。

これに対して、特許文献２に記載の構成は、サーボ電極部及びサーボ制御回路によって、振動子の検出軸方向への振動を抑制する構成となっているので、上記した各漏れ成分の影響が低減されている。

しかしながら、上記したように、振動子は、コリオリ力と、加工漏れ成分と、粘性漏れ成分と、によって検出軸方向に振動するので、漏れ成分が大きくなると、サーボ電極部及びサーボ制御回路に加わる負荷（以下、サーボ負荷と示す）が増大する、という問題があった。

加工漏れ成分は、加工精度誤差によって決定される値なので、共振周波数や、構造の寸法などを調整することで、その値を小さくすることは困難である。しかしながら、粘性漏れ成分は、共振周波数に依存する性質を有している。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、大気圧又は大気圧に近い圧力中で振動型の角速度センサを作動させる場合に、粘性漏れ成分が小さくなる共振周波数によって振動子を振動することで、サーボ負荷が低減された角速度センサを提供することを目的とする。

なお、上記した粘性漏れ成分を除去するために、角速度センサを真空パッケージすることで、角速度センサを真空雰囲気中で作動させることも考えられる。しかしながら、このような真空パッケージを実現するためには、構造が複雑化する、製造時の手間が増える等の問題がある。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板と、振動子と、互いに直交する振動軸と検出軸との２軸方向に変位可能となるように、振動子を基板に連結する梁部と、振動子を、振動軸方向に振動させる駆動部と、振動子の振動、及び振動軸方向と検出軸方向とに直交する被検出軸方向の周りの角速度によって、振動子に発生したコリオリ力による、振動子の検出軸方向への変位を静電容量の変化として検出する検出部と、静電容量の変化に基づいて決定されるサーボ電圧によって生じた静電気力よって、振動子の検出軸方向への変位を抑制する抑制部と、を備え、サーボ電圧を角速度を決定する物理量として検出する角速度センサである。

そして、請求項１に記載の発明は、気体分子の粘性で検出軸方向に漏れる粘性漏れ成分に比例するβｓｉｎθが１％以下となるように、検出軸方向の共振周波数ｆ_ｓと、振動軸方向の共振周波数ｆ_ｄとの比（ｆ_ｓ／ｆ_ｄ）によって表される離調度αと、振動子の質量ｍ、梁部における検出軸方向のバネ定数ｋ_ｓ、及び振動子における検出軸方向の減衰定数ｃ_ｓによって、（ｍｋ_ｓ）^０．５／ｃ_ｓと表される、検出軸方向のＱ値Ｑ_ｓとが、Ｑ_ｓが３以下の場合に、次に示す数式２

によって示される関係を満たし、Ｑ_ｓが３以上の場合に、次に示す数式４

によって示される関係を満たしていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、Ｑ _ｓ が３以下の場合に、次に示す数式１

によって示される関係を満たし、Ｑ _ｓ が３以上の場合に、次に示す数式３

によって示される関係を満たしており、離調度αが１．２であり、Ｑ値Ｑ _ｓ が５であることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、Ｑ _ｓ が３以下の場合に、上記数式１によって示される関係を満たし、Ｑ _ｓ が３以上の場合に、上記数式３によって示される関係を満たしており、離調度αが１．２５であり、Ｑ値Ｑ _ｓ が３であることを特徴とする。

振動子が振動軸方向に振動している状態で、振動子に、被検出軸周りの角速度が印加された場合、振動子は、コリオリ力と、加工漏れ成分と、粘性漏れ成分と、によって検出軸方向に振動する。上記した粘性漏れ成分は、次式によって表されるβｓｉｎθに比例する性質を有している。

このように、βｓｉｎθは、共振周波数ｆ_ｄ、ｆ_ｓ（離調度α）と、検出軸方向のＱ値Ｑ_ｓとによって決定される。これら変数の内、Ｑ_ｓの値は、角速度センサの構造によってほぼ決定される。したがって、本発明では、離調度αを制御することで、βｓｉｎθが１％以下となる条件を解析した。

請求項１〜３に記載の発明は、上記した解析結果に基づいて成されたものであり、上記した数式１〜４に示される関係が満たされた場合に、βｓｉｎθが１％以下となっている。これにより、粘性漏れ成分が小さくなり、抑制部の負荷が小さくなっている。また、ノイズの元となる、粘性漏れ成分が小さくなるので、角速度の検出精度が向上される。

請求項４に記載のように、振動子は、対を成し、対を成す振動子それぞれは、枠状の駆動フレームと、該駆動フレームによって囲まれた、枠状の検出フレームと、を有する構成を採用することができる。

請求項５に記載のように、梁部は、基板と駆動フレームとを連結する駆動梁と、駆動フレームと検出フレームとを連結する検出梁と、一方の振動子の駆動フレームと、他方の振動子の駆動フレームとを連結する連結梁と、を有しており、第１駆動電極が、駆動フレームの外環部に設けられ、第２駆動電極が、駆動フレームの外側の基板上に設けられ、第１検出電極及び第１抑制電極が、検出フレームの内環部に設けられ、第２検出電極及び第２抑制電極が、検出フレームの内環部によって囲まれた前記基板上に設けられた構成を採用することができる。このように、第２検出電極と第２抑制電極とが検出フレームに設けられ、検出フレームが、検出梁を介して駆動フレームと連結されている。これによれば、基部に印加された外力の一部が、検出フレームに伝達されることが抑制される。これにより、検出電極及び抑制電極の静電容量が、外力によって変動することが抑制される。

また、請求項６に記載のように、駆動フレームの振動状態を監視する監視部を有し、該監視部は、対を成す振動子それぞれの駆動フレームに設けられた第１モニター電極と、検出軸方向で、第１モニター電極と対向する第２モニター電極と、を有する構成を採用することができる。これによれば、例えば、温度変化による振動振幅の変動を監視することができる。

第１実施形態に係る角速度センサの概略構成を示す断面図である。 第１実施形態に係るセンサチップの概略構成を示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 離調度を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る角速度センサの概略構成を示す平面図である。図２は、第１実施形態に係るセンサチップの概略構成を示す平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、離調度を示すグラフである。

なお、以下においては、半導体基板１１の一面１１ａに沿う一方向をＸ方向と示し、一面１１ａに沿い、且つ、Ｘ方向に対して垂直な方向をＹ方向と示し、Ｘ方向及びＹ方向に垂直な方向をＺ方向と示す。Ｘ方向が、特許請求の範囲に記載の振動軸方向に相当し、Ｙ方向が、特許請求の範囲に記載の検出軸方向に相当し、Ｚ方向が、特許請求の範囲に記載の被検出軸方向に相当する。

また、図２に示すように、センサチップ１０をＹ方向において２等分する、Ｘ方向に沿う第１仮想直線ｓを一点鎖線で示し、センサチップ１０をＸ方向において２等分する、Ｙ方向に沿う第２仮想直線ｔを二点鎖線で示す。

角速度センサ１００は、図１に示すように、センサチップ１０と、回路チップ５０と、バンプ７０と、パッケージ９０と、を有する。センサチップ１０と回路チップ５０とが、バンプ７０を介して機械的及び電気的に接続され、回路チップ５０とパッケージ９０とが、接着剤９１を介して機械的に接続されている。そして、回路チップ５０とパッケージ９０とが、配線９２を介して電気的に接続され、センサチップ１０と回路チップ５０とが、パッケージ９０によって構成される内部空間に収納されている。なお、センサチップ１０は、大気圧又は大気圧に近い圧力中に配置されている。

センサチップ１０は、図２及び図３に示すように、半導体基板１１と、該半導体基板１１の一面１１ａ側に形成されたセンサ部２０と、該センサ部２０と電気的に接続されたセンサパッド４０と、を有する。半導体基板１１は、第１半導体層１２と、絶縁層１３と、第２半導体層１４とが順次積層されてなるＳＯＩ基板であり、センサ部２０は、周知の露光技術を用いて、一面１１ａ側、すなわち、第２半導体層１４側に形成されている。そして、センサパッド４０は、第２半導体層１４の所定部位に形成されている。

センサ部２０は、主として、第２半導体層１４によって構成され、絶縁層１３を介して第１半導体層１２に固定された部位と、絶縁層１３を介さずに、第１半導体層１２に浮遊した部位と、によって構成されている。第１半導体層１２に固定された部位は、第１半導体層１２に対して変位不可能であるが、第１半導体層１２から浮遊した部位は、第１半導体層１２に対してＸ方向及びＹ方向に変位（振動）可能となっている。

センサ部２０は、角速度を検出するものであり、図２及び図３に示すように、要部として、対をなす検出部２１ａ，２１ｂを有する。検出部２１ａは、センサ部２０における第２仮想直線ｔによって分断された紙面左側の部位に相当し、検出部２１ｂは、センサ部２０における第２仮想直線ｔによって分断された紙面右側の部位に相当する。

以下、検出部２１ａを詳説するが、検出部２１ａと検出部２１ｂとは同等の構造を有しているため、検出部２１ｂについては、検出部２１ａと検出部２１ｂとの対応関係を説明するにとどめることとする。

検出部２１ａは、角速度を検出する主な部位として、アンカー２２ａと、該アンカー２２ａと第１駆動梁２３ａを介して連結された駆動フレーム２４ａと、該駆動フレーム２４ａと検出梁２５ａを介して連結された検出フレーム２６ａと、該検出フレーム２６ａに設けられた第１検出電極２７ａと、該第１検出電極２７ａと対向する第２検出電極２８ａと、検出フレーム２６ａに設けられた第１サーボ電極２９ａと、該第１サーボ電極２９ａと対向する第２サーボ電極３０ａと、を有する。

また、検出部２１ａは、駆動フレーム２４ａを駆動する主な部位として、駆動フレーム２４ａに設けられた第１駆動電極３１ａと、該第１駆動電極３１ａと対向する第２駆動電極３２ａと、該第２駆動電極３２ａが設けられた第２駆動梁３３ａと、を有する。

更に、検出部２１ａは、駆動フレーム２４ａの駆動状態（振動状態）を監視する部位として、駆動フレーム２４ａに設けられた第１モニター電極３４ａと、該第１モニター電極３４ａと対向する第２モニター電極３５ａと、該第２モニター電極３５ａが設けられたモニター梁３６ａと、を有する。

上記した、検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３６ａは、半導体基板１１の第２半導体層１４と絶縁層１３とをパターンエッチングすることで形成される。そして、これら構成要素２２ａ〜３６ａのうち、アンカー２２ａ，第２検出電極２８ａ、第２サーボ電極３０ａ、第２駆動電極３２ａ、第２駆動梁３３ａ、第２モニター電極３５ａ、及びモニター梁３６ａは、絶縁層１３を介して第１半導体層１２に固定されている。したがって、上記した検出部２１ａの構成要素２２ａ，２８ａ，３０ａ，３２ａ，３３ａ，３５ａ，３６ａは、第１半導体層１２に対して変位不可能となっている。

これに対して、検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３６ａのうち、第１駆動梁２３ａ、駆動フレーム２４ａ、検出梁２５ａ、検出フレーム２６ａ、第１検出電極２７ａ、第１サーボ電極２９ａ、第１駆動電極３１ａ、及び第１モニター電極３４ａは、第２半導体層１４の下部に位置する絶縁層１３が犠牲相エッチングによって除去されて、第１半導体層１２に対して浮遊状態となっている。したがって、上記した検出部２１ａの構成要素２３ａ〜２７ａ，２９ａ，３１ａ，３４ａは、第１半導体層１２に対してＸ方向及びＹ方向に変位（振動）可能となっている。

次に、検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３６ａの代表的な部位を説明する。アンカー２２ａは、第１駆動梁２３ａを介して、駆動フレーム２４ａを支持する機能を果たす。図２に示すように、紙面の中央に配置されたアンカー２２ａに、第１センサパッド４１が設けられており、該第１センサパッド４１に、ＤＣ電圧が入力されるようになっている。このＤＣ電圧は、第１駆動梁２３ａを介して駆動フレーム２４ａに入力されるとともに、第１駆動梁２３ａ、駆動フレーム２４ａ、及び検出梁２５ａを介して検出フレーム２６ａに入力される。これにより、駆動フレーム２４ａ及び検出フレーム２６ａが、ＤＣ電圧と等電位となっている。

駆動フレーム２４ａは、後述する駆動力によって、Ｘ方向へ振動するものである。駆動フレーム２４ａは枠形状を成し、その外環部に、第１駆動電極３１ａと第１モニター電極３４ａとが設けられ、第１駆動梁２３ａが連結されている。上記したように、駆動フレーム２４ａはＤＣ電圧と等電位となっているので、駆動フレーム２４ａに設けられた電極３０ａ，３４ａの電位も、ＤＣ電圧と等電位となっている。また、駆動フレーム２４ａの内環部には、検出梁２５ａが連結されており、該検出梁２５ａを介して、駆動フレーム２４ａと検出フレーム２６ａとが連結されている。これにより、駆動フレーム２４ａのＸ方向の振動に伴って、検出フレーム２６ａもＸ方向に振動可能となっている。

検出フレーム２６ａは、駆動フレーム２４ａによって囲まれた領域内に配置され、検出梁２５ａを介して駆動フレーム２４ａと連結されている。これによって、検出フレーム２６ａは、駆動フレーム２４ａのＸ方向への振動にともなって、Ｘ方向へ振動する。検出フレーム２６ａは枠形状をなし、その外環部に検出梁２５ａが連結され、その内環部に第１検出電極２７ａと第１サーボ電極２９ａとが設けられている。上記したように、検出フレーム２６ａはＤＣ電圧と等電位となっているので、検出フレーム２６ａに設けられた第１検出電極２７ａと第１サーボ電極２９ａそれぞれの電位も、ＤＣ電圧と等電位となっている。

第２検出電極２８ａは、検出フレーム２６ａの内環部によって構成された領域内に配置され、Ｙ方向において、第１検出電極２７ａと対向している。第２検出電極２８ａには第２センサパッド４２が設けられており、該第２センサパッド４２から、第１検出電極２７ａと第２検出電極２８ａとによって構成される第１コンデンサＣ_１の静電容量変化が出力されるようになっている。

第２サーボ電極３０ａは、検出フレーム２６ａの内環部によって構成された領域内に配置され、Ｙ方向において、第１サーボ電極２９ａと対向している。第２サーボ電極３０ａには第３センサパッド４３が設けられており、該第３センサパッド４３に、上記した第２センサパッド４２の出力信号に基づいて決定されたサーボ電圧が入力されるようになっている。上記したように、第１サーボ電極２９ａはＤＣ電圧と等電位になっているので、第１サーボ電極２９ａと第２サーボ電極３０ａとによって構成される第２コンデンサＣ_２に、ＤＣ電圧とサーボ電圧とによって決定される電圧に比例する静電気力（サーボ力）が生じる。このサーボ力は、検出フレーム２６ａが、Ｙ方向へ変位（振動）することを抑制するように、Ｙ方向へ印加される。本実施形態では、上記したサーボ電圧を、角速度を決定する物理量として検出している。

第１駆動電極３１ａと第２駆動電極３２ａは、駆動フレーム２４ａを振動するものである。第２駆動電極３２ａが設けられた第２駆動梁３３ａには、第４センサパッド４４が設けられており、この第４センサパッド４４に、極性が一定周期で変動する駆動電圧が入力されるようになっている。上記したように、第１駆動電極３１ａはＤＣ電圧と等電位になっているので、第１駆動電極３１ａと第２駆動電極３２ａとによって構成される第３コンデンサＣ_３に、ＤＣ電圧と駆動電圧とによって決定される電圧に比例する静電気力（駆動力）が生じる。この駆動力におけるＸ方向に沿う力によって、第１駆動電極３１ａが設けられた駆動フレーム２４ａがＸ方向に変位する。駆動電圧は一定周期で極性が変動するので、第１駆動電極３１ａに作用する駆動力の作用方向もＸ方向にて一定周期で変動する。これにより、第１駆動電極３１ａが設けられた駆動フレーム２４ａがＸ方向にて一定周期で振動する。

第１モニター電極３４ａと第２モニター電極３５ａは、駆動フレーム２４ａの駆動状態（振動状態）を監視するものである。第２モニター電極３５ａが設けられたモニター梁３６ａには、第５センサパッド４５が設けられており、該第５センサパッド４５から、第１モニター電極３４ａと第２モニター電極３５ａとによって構成される第４コンデンサＣ_４の静電容量変化が出力されるようになっている。上記したように、第１モニター電極３４ａはＤＣ電圧と等電位となっているので、第２モニター電極３５ａには、ＤＣ電圧に依存する電圧が生じることが期待される。本実施形態では、第２モニター電極３５ａの出力信号を監視することで、駆動フレーム２４ａの振動状態を監視している。

次に、検出部２１ｂと検出部２１ａとの対応関係を説明する。検出部２１ｂの構成要素２２ｂ〜３６ｂと、検出部２１ａの構成要素２２ａ〜３６ａとは、以下の対応関係となっている。アンカー２２ｂはアンカー２２ａに、第１駆動梁２３ｂは第１駆動梁２３ａに、駆動フレーム２４ｂは駆動フレーム２４ａに、検出梁２５ｂは検出梁２５ａに、検出フレーム２６ｂは検出フレーム２６ａに、第１検出電極２７ｂは第１検出電極２７ａに、第２検出電極２８ｂは第２検出電極２８ａに、第１サーボ電極２９ｂは第１サーボ電極２９ａに、第２サーボ電極３０ｂは第２サーボ電極３０ａに対応する。また、第１駆動電極３１ｂは第１駆動電極３１ａに、第２駆動電極３２ｂは第２駆動電極３２ａに、第２駆動梁３３ｂは第２駆動梁３３ａに対応する。更に、第１モニター電極３４ｂは第１モニター電極３４ａに、第２モニター電極３５ｂは第２モニター電極３５ａに、モニター梁３６ｂはモニター梁３６ａに対応する。

なお、図２に示すように、紙面の中央に配置された第２駆動梁３３ａと第２駆動梁３３ｂとは一体となっている。また、紙面の中央に配置されたアンカー２２ｂに、第１センサパッド４１が設けられている。そして、第２検出電極２８ｂに第２センサパッド４２が設けられ、第１サーボ電極２９ｂに第３センサパッド４３が設けられ、第２駆動梁３３ｂに第４センサパッド４４が設けられ、モニター梁３６ｂに第５センサパッド４５が設けられている。

次に、センサパッド４０を説明する。センサパッド４０は、センサチップ１０と回路チップ５０とを機械的及び電気的に接続するためのセンサパッド４１〜４６を有する。第１センサパッド４１は、アンカー２２ａ，２２ｂそれぞれに設けられ、第２センサパッド４２は、第２検出電極２８ａ，２８ｂそれぞれに設けられ、第３センサパッド４３は、第２サーボ電極３０ａ，３０ｂそれぞれに設けられている。そして、第４センサパッド４４は、第２駆動梁３３ａ，３３ｂそれぞれに設けられ、第５センサパッド４５は、モニター梁３６ａ，３６ｂそれぞれに設けられている。また、第６センサパッド４６は、パターンエッチング加工されていない第２半導体層１４に設けられている。

上記したように、第１センサパッド４１にはＤＣ電圧が入力され、第２センサパッド４２から第１コンデンサＣ_１の静電容量が出力され、第３センサパッド４３にサーボ電圧が入力される。そして、第４センサパッド４４に駆動電圧が入力され、第５センサパッド４５から第４コンデンサＣ_４の静電容量が出力される。なお、第６センサパッド４６には、一定電圧が入力されるようになっており、該一定電圧によってセンサチップ１０の電位が一定に保たれている。

次に、検出部２１ａと検出部２１ｂの駆動について説明する。図２及び図３に示すように、駆動フレーム２４ａが第１駆動梁２３ａを介してアンカー２２ａと連結され、駆動フレーム２４ｂが第１駆動梁２３ｂを介してアンカー２２ｂと連結され、駆動フレーム２４ａと駆動フレーム２４ｂとが連結梁１５を介して互いに連結されている。これにより、駆動フレーム２４ａと駆動フレーム２４ｂとが、駆動電極３１，３２それぞれに生じる駆動力によって、Ｘ方向に練成振動可能となっている。

駆動フレーム２４ａと駆動フレーム２４ｂとを、Ｘ方向にて逆位相で練成振動させるために、紙面の中央に配置された第２駆動梁３３ａ，３３ｂそれぞれに共通して設けられた第４センサパッド４４と、紙面の左右に配置された第２駆動梁３３ａ，３３ｂそれぞれに独立して設けられた第４センサパッド４４とに、極性が反転した駆動電圧が印加される。これにより、駆動フレーム２４ａに作用する駆動力と、駆動フレーム２４ｂに作用する駆動力の作用方向とがＸ方向にて逆向きとなり、駆動フレーム２４ａと駆動フレーム２４ｂとが、Ｘ方向にて逆位相で練成振動する。

上記したように、検出フレーム２６ａは、検出梁２５ａを介して駆動フレーム２４ａと連結され、検出フレーム２６ｂは、検出梁２５ｂを介して駆動フレーム２４ｂと連結されている。したがって、駆動フレーム２４ａと駆動フレーム２４ｂとがＸ方向へ逆位相で振動すると、その振動に伴って、検出フレーム２６ａと検出フレーム２６ｂも、Ｘ方向にて逆位相で振動する。

検出フレーム２６ａと検出フレーム２６ｂとがＸ方向にて逆位相で振動している状態で、角速度センサ１００に、Ｚ方向の角速度が印加されると、検出フレーム２６ａ，２６ｂそれぞれに、コリオリ力がＹ方向に生じる。検出フレーム２６ａ，２６ｂそれぞれが、コリオリ力によってＹ方向に変位すると、それに伴って、検出フレーム２６ａに設けられた第１検出電極２７ａと、検出フレーム２６ｂに設けられた第１検出電極２７ｂもＹ方向に変位する。これにより、第１検出電極２７ａと第２検出電極２８ａの電極間隔、及び、第１検出電極２７ｂと第２検出電極２８ｂの電極間隔それぞれが変位し、第１コンデンサＣ_１の静電容量が変化する。この静電容量変化が、第２検出電極２８ａ，２８ｂそれぞれに設けられた第２センサパッド４２、バンプ７０、及び回路チップ５０の回路パッド５４を介して、回路チップ５０に入力される。

上記した静電容量変化が、回路チップ５０に入力されると、回路チップ５０は、静電容量変化に基づいて、検出フレーム２６ａ，２６ｂそれぞれがＹ方向に変位（振動）することを抑制するサーボ電圧を算出する。算出されたサーボ電圧は、回路パッド５４、バンプ７０、及び第３センサパッド４３を介して第２サーボ電極３０ａ，３０ｂそれぞれに入力される。これにより、第１サーボ電極２９ａと第２サーボ電極３０ａとによって構成される第２コンデンサＣ_２に、検出フレーム２６ａのＹ方向への変位を抑制するサーボ力が発生する。この結果、検出フレーム２６ａ，２６ｂそれぞれのＹ方向への変位が抑制される。

ところで、コリオリ力の作用方向は、振動方向に依存する性質を有している。上記したように、検出フレーム２６ａと検出フレーム２６ｂはＸ方向にて逆位相で練成振動しているので、検出フレーム２６ａに印加されるコリオリ力と、検出フレーム２６ｂに印加されるコリオリ力の作用方向とは逆向きになる。これにより、第１検出電極２７ａと第２検出電極２８ａとによって構成される第３コンデンサＣ_３の静電容量の増減と、第１検出電極２７ｂと第２検出電極２８ｂとによって構成される第３コンデンサＣ_３の静電容量の増減とが、逆向きとなる。すなわち、一方の第３コンデンサＣ_３の静電容量が増大した場合、他方の第３コンデンサＣ_３の静電容量が減少する。上記した２つの第３コンデンサＣ_３の静電容量の差分を算出することで、角速度に依存する静電容量が検出される。上記した差分は、回路チップ５０にて行われる。

回路チップ５０は、半導体基板５１と、該半導体基板５１の一面５１ａに構成された、センサチップ１０の出力信号を処理する回路部５２と、該回路部５２と電気的に接続されたパッド５３と、を有する。パッド５３は、センサパッド４０と対応する回路パッド５４と、配線９２と電気的に接続される外部パッド５５と、を有する。本実施形態に係る回路部５２は、上記した機能のほかに、センサチップ１０に制御信号を入力する機能も果たす。制御信号は、上記したＤＣ電圧、駆動電圧、サーボ電圧、及び一定電圧である。

パッケージ９０は、図１に示すように、箱状の収納部９３と、該収納部９３の開口部９３ａを閉塞する蓋部９４と、を有する。収納部９３の底部内面には接着剤９１が設けられており、該接着剤９１を介して収納部９３と回路チップ５０とが機械的に接続されている。収納部９３は、側部内面に設けられた内部端子９５と、側部内部に設けられた内部配線９６と、底部外面に設けられた外部端子９７と、を有する。上記した内部端子９５と、回路チップ５０の外部パッド５５とが配線９２を介して電気的に接続されており、回路チップ５０の電気信号が、外部パッド５５、配線９２、内部端子９５、内部配線９６、及び外部端子９７を介して、外部素子に出力可能となっている。なお、収納部９３と蓋部９４とは、機械的及び電気的に接続されている。

次に、本実施形態に係る角速度センサ１００の特徴点を説明する。上記したように、駆動力によって、検出フレーム２６ａ，２６ｂそれぞれは、Ｘ方向に振動する。この駆動振動モードでは、検出フレーム２６ａ，２６ｂそれぞれが、Ｘ方向の共振周波数（以下、駆動共振周波数と示す）ｆ_ｄによって共振振動する。そして、この振動状態で、検出フレーム２６ａ，２６ｂそれぞれに、Ｚ方向周りの角速度が印加されると、検出フレーム２６ａ，２６ｂそれぞれは、Ｙ方向に振動することとなる。本実施形態では、検出フレーム２６ａ，２６ｂそれぞれのＹ方向の共振周波数（以下、検出共振周波数と示す）ｆ_ｓが、駆動共振周波数ｆ_ｄと異なっている。具体的には、駆動共振周波数ｆ_ｄが、１０ｋＨｚに設定され、検出共振周波数ｆ_ｓが、１２ｋＨｚに設定されている。したがって、検出共振周波数を駆動共振周波数で割った値である離調度αは、１．２となっている。なお、Ｙ方向のＱ値（以下、Ｑ_ｓと示す）は、検出フレーム２６ａ，２６ｂの質量をｍ、検出梁２５ａ，２５ｂにおけるＹ方向のバネ定数をｋ_ｓ、検出フレーム２６ａ，２６ｂにおけるＹ方向の減衰定数をｃ_ｓとすると、これらによって、（ｍｋ_ｓ）^０．５／ｃ_ｓと表されるが、本実施形態では、その値が、５に設定されている。

上記したように、センサチップ１０は、大気圧又は大気圧に近い圧力中に配置される。そのため、検出フレーム２６ａ，２６ｂがＸ方向に振動する際、気体分子の粘性のために、Ｘ方向の振動成分が、Ｙ方向の振動成分に漏れることとなる。この粘性に起因する漏れ成分（以下、粘性漏れ成分と示す）は、上記した数式５に比例する性質を有する。この粘性漏れ成分が大きくなると、第２サーボ電極３０ａ，３０ｂに印加されるサーボ電圧が大きくなり、これによって、サーボ電極２９，３０及び回路部５２に掛かるサーボ負荷が大きくなる。また、粘性漏れ成分はノイズの元となるので、漏れ成分が大きくなると、角速度の検出精度が低下する、という不具合が生じる。

上記した数式５に示されるように、粘性漏れ成分は、共振周波数ｆ_ｄ、ｆ_ｓと、検出軸方向のＱ値Ｑ_ｓとによって決定されるβｓｉｎθに比例する。これら変数の内、Ｑ_ｓの値は、センサ部２０の構造によってほぼ決定される。したがって、本実施形態では、検出共振周波数ｆ_ｓを駆動共振周波数ｆ_ｄによって割った値である離調度αを制御することで、βｓｉｎθが１％以下となる条件を解析した。その解析結果を、図４に示す。図４に示すグラフは、βｓｉｎθ＝１％となる離調度αとＱ値Ｑ_ｓとを複数算出して、その算出された複数の値をプロットした後、最小二乗法を用いて算出したものである。このグラフにより、βｓｉｎθ≦１となる条件が、図４においてハッチングで示す領域に示される。この領域は、Ｑ値Ｑ_ｓが３以下の場合に、次に示す数式６及び数式７によって示される関係を満たす。

また、上記した領域は、Ｑ_ｓが３以上の場合に、次に示す数式８及び数式９によって示される関係を満たす。

上記したように、本実施形態では、離調度αが１．２となっており、Ｙ方向のＱ値Ｑ_ｓが５となっている。この値は、図４にハッチで示す領域内に位置することがわかる。すなわち、数式８に示される関係を満たしていることがわかる。このように、本実施形態に係る角速度センサ１００は、βｓｉｎθ≦１という条件が満たされている。これにより、粘性漏れ成分が小さくなり、抑制部の負荷が小さくなっている。また、ノイズの元となる、粘性漏れ成分が小さくなるので、角速度の検出精度が向上される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、Ｑ値Ｑ_ｓが５であり、離調度αが１．２である場合を示した。しかしながら、Ｑ値Ｑ_ｓと離調度αの組み合わせとしては、数式６〜９を満たすならば、上記例に限定されない。例えば、離調度αが１．２５、Ｑ値Ｑ_ｓが３の組み合わせでも良く、離調度αが１．１５、Ｑ値Ｑ_ｓが１０の組み合わせでも良い。

本実施形態では、サーボ電圧に基づいて、コリオリ力を算出しており、その算出される値は、上記したβやθに依存しない性質を有している。これに対して、本実施形態で示される検出電極２７，２８によって構成される第１コンデンサＣ_１の静電容量変化そのものに基づいてコリオリ力を算出する場合、上記した静電容量変化は、βやθに依存するので、本実施形態で示したように、共振周波数ｆ_ｄ，ｆ_ｓを、βｓｉｎθが１以下となるように制御した場合、コリオリ力の検出感度が著しく低下してしまう。このため、上記した共振周波数ｆ_ｄ，ｆ_ｓとＹ方向のＱ値Ｑ_ｓとの関係は、本実施形態で示したように、サーボ電圧に基づいて、コリオリ力を検出する構成に好ましい。

なお、本実施形態で示したβｓｉｎθは、下記に示す数式を解くことで得られる。

ここで、数式１０は、検出フレーム２６ａ，２６ｂのＸ方向の運動方程式を示しており、数式１１は、検出フレーム２６ａ，２６ｂのＹ方向の運動方程式を示している。ｘは、検出フレーム２６ａ，２６ｂのＸ方向の変位を示し、ｙは、検出フレーム２６ａ，２６ｂのＹ方向の変位を示している。また、ｃ_ｄは、Ｘ方向の減衰係数を示し、ｋ_ｄは、Ｘ方向のバネ定数を示している。そして、Ｆ_ｄ（ｔ）は、上記した駆動力に相当し、Ｆ_ｓ（ｔ）は、上記したコリオリ力に相当する。

上記した数式１０と数式１１とから、検出フレーム２６ａ，２６ｂのＹ方向の変位（振動）を表すｙは、下式に示す比例関係を満たす。

数式１２の右辺の第一項が、コリオリ力に比例し、第二項が、粘性漏れ成分に比例する。このように、βｓｉｎθは、数式１０，１１を解くことで得られる。

なお、本実施形態で示した、駆動フレーム２４ａ，２４ｂが、特許請求の範囲に記載の振動子に相当し、サーボ電極２９ａ〜３０ｂが、特許請求の範囲に記載の抑制部に含まれる。また、駆動電極３１ａ〜３２ｂと、第２駆動梁３３ａ，３３ｂとが、特許請求の範囲に記載の駆動部に含まれ、モニター電極３４ａ〜３５ｂと、モニター梁３６ａ，３６ｂとが、特許請求の範囲に記載の監視部に含まれる。

１０・・・センサチップ
２０・・・センサ部
２１ａ，２１ｂ・・・検出部
２４ａ，２４ｂ・・・駆動フレーム
２６ａ，２６ｂ・・・検出フレーム
２７ａ，２７ｂ・・・第１検出電極
２８ａ，２８ｂ・・・第２検出電極
２９ａ，２９ｂ・・・第１サーボ電極
３０ａ，３０ｂ・・・第２サーボ電極
３１ａ，３１ｂ・・・第１駆動電極
３２ａ，３２ｂ・・・第２駆動電極
５０・・・回路チップ
９０・・・パッケージ
１００・・・角速度センサ

Claims (6)

1. 基板と、
   振動子と、
   互いに直交する振動軸と検出軸との２軸方向に変位可能となるように、前記振動子を前記基板に連結する梁部と、
   前記振動子を、前記振動軸方向に振動させる駆動部と、
   前記振動子の振動、及び前記振動軸方向と前記検出軸方向とに直交する被検出軸方向の周りの角速度によって、前記振動子に発生したコリオリ力による、前記振動子の前記検出軸方向への変位を静電容量の変化として検出する検出部と、
   前記静電容量の変化に基づいて決定されるサーボ電圧によって生じた静電気力よって、前記振動子の前記検出軸方向への変位を抑制する抑制部と、を備え、
   前記サーボ電圧を前記角速度を決定する物理量として検出する角速度センサであって、
   気体分子の粘性で前記検出軸方向に漏れる粘性漏れ成分に比例するβｓｉｎθが１％以下となるように、
   前記検出軸方向の共振周波数ｆ_ｓと、前記振動軸方向の共振周波数ｆ_ｄとの比（ｆ_ｓ／ｆ_ｄ）によって表される離調度αと、
   前記振動子の質量ｍ、前記梁部における前記検出軸方向のバネ定数ｋ_ｓ、及び前記振動子における前記検出軸方向の減衰定数ｃ_ｓによって、（ｍｋ_ｓ）^０．５／ｃ_ｓと表される、前記検出軸方向のＱ値Ｑ_ｓとが、Ｑ_ｓが３以下の場合に、次に示す数式２
   

   

   によって示される関係を満たし、
   Ｑ_ｓが３以上の場合に、次に示す数式４
   

   

   によって示される関係を満たしていることを特徴とする角速度センサ。
2. 基板と、
   振動子と、
   互いに直交する振動軸と検出軸との２軸方向に変位可能となるように、前記振動子を前記基板に連結する梁部と、
   前記振動子を、前記振動軸方向に振動させる駆動部と、
   前記振動子の振動、及び前記振動軸方向と前記検出軸方向とに直交する被検出軸方向の周りの角速度によって、前記振動子に発生したコリオリ力による、前記振動子の前記検出軸方向への変位を静電容量の変化として検出する検出部と、
   前記静電容量の変化に基づいて決定されるサーボ電圧によって生じた静電気力よって、前記振動子の前記検出軸方向への変位を抑制する抑制部と、を備え、
   前記サーボ電圧を前記角速度を決定する物理量として検出する角速度センサであって、
   気体分子の粘性で前記検出軸方向に漏れる粘性漏れ成分に比例するβｓｉｎθが１％以下となるように、
   前記検出軸方向の共振周波数ｆ _ｓ と、前記振動軸方向の共振周波数ｆ _ｄ との比（ｆ _ｓ ／ｆ _ｄ ）によって表される離調度αと、
   前記振動子の質量ｍ、前記梁部における前記検出軸方向のバネ定数ｋ _ｓ 、及び前記振動子における前記検出軸方向の減衰定数ｃ _ｓ によって、（ｍｋ _ｓ ） ^０．５ ／ｃ _ｓ と表される、前記検出軸方向のＱ値Ｑ _ｓ とが、Ｑ _ｓ が３以下の場合に、次に示す数式１
   

   

   によって示される関係を満たし、
   Ｑ _ｓ が３以上の場合に、次に示す数式３
   

   

   によって示される関係を満たしており、
   前記離調度αが１．２であり、前記Ｑ値Ｑ _ｓ が５であることを特徴とする角速度センサ。
3. 基板と、
   振動子と、
   互いに直交する振動軸と検出軸との２軸方向に変位可能となるように、前記振動子を前記基板に連結する梁部と、
   前記振動子を、前記振動軸方向に振動させる駆動部と、
   前記振動子の振動、及び前記振動軸方向と前記検出軸方向とに直交する被検出軸方向の周りの角速度によって、前記振動子に発生したコリオリ力による、前記振動子の前記検出軸方向への変位を静電容量の変化として検出する検出部と、
   前記静電容量の変化に基づいて決定されるサーボ電圧によって生じた静電気力よって、前記振動子の前記検出軸方向への変位を抑制する抑制部と、を備え、
   前記サーボ電圧を前記角速度を決定する物理量として検出する角速度センサであって、
   気体分子の粘性で前記検出軸方向に漏れる粘性漏れ成分に比例するβｓｉｎθが１％以下となるように、
   前記検出軸方向の共振周波数ｆ _ｓ と、前記振動軸方向の共振周波数ｆ _ｄ との比（ｆ _ｓ ／ｆ _ｄ ）によって表される離調度αと、
   前記振動子の質量ｍ、前記梁部における前記検出軸方向のバネ定数ｋ _ｓ 、及び前記振動子における前記検出軸方向の減衰定数ｃ _ｓ によって、（ｍｋ _ｓ ） ^０．５ ／ｃ _ｓ と表される、前記検出軸方向のＱ値Ｑ _ｓ とが、Ｑ _ｓ が３以下の場合に、次に示す数式１
   

   

   によって示される関係を満たし、
   Ｑ _ｓ が３以上の場合に、次に示す数式３
   

   

   によって示される関係を満たしており、
   前記離調度αが１．２５であり、前記Ｑ値Ｑ _ｓ が３であることを特徴とする角速度センサ。
4. 前記振動子は、対を成しており、
   対を成す前記振動子それぞれは、枠状の駆動フレームと、該駆動フレームによって囲まれた、枠状の検出フレームと、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の角速度センサ。
5. 前記梁部は、前記基板と前記駆動フレームとを連結する駆動梁と、前記駆動フレームと前記検出フレームとを連結する検出梁と、一方の前記振動子の駆動フレームと、他方の前記振動子の駆動フレームとを連結する連結梁と、を有しており、
   第１駆動電極が、前記駆動フレームの外環部に設けられ、第２駆動電極が、前記駆動フレームの外側の前記基板上に設けられ、第１検出電極及び第１抑制電極が、前記検出フレームの内環部に設けられ、第２検出電極及び第２抑制電極が、前記検出フレームの内環部によって囲まれた前記基板上に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
6. 前記駆動フレームの振動状態を監視する監視部を有し、
   該監視部は、対を成す前記振動子それぞれの駆動フレームに設けられた第１モニター電極と、前記検出軸方向において、前記第１モニター電極と対向する第２モニター電極と、を有することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の角速度センサ。

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