JPWO2008032415A1 - 角速度センサ - Google Patents
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Abstract
従来の角速度センサは２つの振動子がＸ軸方向の振動に対して非常に強く反応することに対して配慮が欠けていた。これに対し、２つの振動子を弾性連結梁で弾性的に連結し、前記２つの振動子を互いに差動振動させ、前記弾性連結梁に２つの振動子の同相振動を抑える粘性力発生手段を配置する。
Description
本発明は振動式の角速度センサに係り、特に振動子の振動方向の振動影響を低減する角速度センサに関する。
基板（シリコン基板）上に２つの振動子を配置し、２つの振動子を弾性的に連結梁で結ぶ構造を持つ角速度センサの従来例には特許文献１に記載された力学量検出装置などがある。
特開２００２−１８８９２３号
ところが、振動型の角速度センサは振動影響を如何に低減するかが課題になっている。
前記従来例ではＸ軸方向（振動子の振動方向）及びＹ軸方向（振動子の振動方向と直角で基板と平行な方向）の振動に関して２つの振動子に配置された平板電極の静電容量変化が同相信号として出力され、角速度に関しては差動信号として出力されることを利用して、２つの振動子の差を求めることで同相成分である振動影響を取り除こうとしていた。
しかし、上記従来技術は２つの振動子がＸ軸方向の振動に対して非常に強く反応することに対して配慮が欠けていた。
振動型の角速度センサでは角速度に対する感度を大きくする為にＸ軸方向に大きく振動子が振動するようにＸ軸方向の粘性（ダンピング）を小さくしてＱ（共振の良さを示す指数）を高くする。しかし、２つの振動子を弾性的に連結梁で結ぶ構造は差動振動と同相振動の２つの振動モードがあり、差動振動は角速度検出の感度に影響するので高いＱが望まれる振動であり、同相振動は角速度検出に誤差を与える振動で低いＱが望まれるが、Ｘ軸方向の粘性を小さくして差動振動のＱを高くすると同相振動のＱも同時に高くなってしまう。
また、２つの振動子を弾性連結梁で結ぶ構造の角速度センサでは差動振動の共振周波数よりも同相振動の共振周波数の方が低くなる。同相振動の共振周波数は２つの振動子と基板とを弾性的に支持する支持梁のバネ定数に依存し、この支持梁のバネ定数を小さくした方が基板からの応力影響を小さくすることができる利点がある。しかし、支持梁のバネ定数を小さくすると同相振動の共振周波数が低くなり、角速度センサ自身に印加されるＸ軸方向の振動に弱くなる。（２つの振動子の同相振動の共振周波数の振動が入力されると２つの振動子が同相振動で共振現象を起こし、角速度の検出に大きな誤差が生じる。）角速度センサ自身に加わる振動はゴム等の振動吸収材を使用して低減する方法が知られているが、振動吸収材の振動低減効果は振動の周波数が低周波になるほど下がる。
つまり、２つの振動子を弾性連結梁で結ぶ構造の角速度センサではＸ軸方向の粘性（ダンピング）を小さくして差動振動のＱを高くすることで同相振動のＱも高くなること、基板からの応力影響を低減するために支持梁のバネ定数を小さくすることで同相振動の共振周波数が下がることで振動影響が悪化してしまう課題があった。
本発明の目的は、２つの振動子の差動振動のＱが高く、基板からの応力影響が小さく、且つ、振動影響が小さい角速度センサを提供することにある。
前記従来例ではＸ軸方向（振動子の振動方向）及びＹ軸方向（振動子の振動方向と直角で基板と平行な方向）の振動に関して２つの振動子に配置された平板電極の静電容量変化が同相信号として出力され、角速度に関しては差動信号として出力されることを利用して、２つの振動子の差を求めることで同相成分である振動影響を取り除こうとしていた。
しかし、上記従来技術は２つの振動子がＸ軸方向の振動に対して非常に強く反応することに対して配慮が欠けていた。
振動型の角速度センサでは角速度に対する感度を大きくする為にＸ軸方向に大きく振動子が振動するようにＸ軸方向の粘性（ダンピング）を小さくしてＱ（共振の良さを示す指数）を高くする。しかし、２つの振動子を弾性的に連結梁で結ぶ構造は差動振動と同相振動の２つの振動モードがあり、差動振動は角速度検出の感度に影響するので高いＱが望まれる振動であり、同相振動は角速度検出に誤差を与える振動で低いＱが望まれるが、Ｘ軸方向の粘性を小さくして差動振動のＱを高くすると同相振動のＱも同時に高くなってしまう。
また、２つの振動子を弾性連結梁で結ぶ構造の角速度センサでは差動振動の共振周波数よりも同相振動の共振周波数の方が低くなる。同相振動の共振周波数は２つの振動子と基板とを弾性的に支持する支持梁のバネ定数に依存し、この支持梁のバネ定数を小さくした方が基板からの応力影響を小さくすることができる利点がある。しかし、支持梁のバネ定数を小さくすると同相振動の共振周波数が低くなり、角速度センサ自身に印加されるＸ軸方向の振動に弱くなる。（２つの振動子の同相振動の共振周波数の振動が入力されると２つの振動子が同相振動で共振現象を起こし、角速度の検出に大きな誤差が生じる。）角速度センサ自身に加わる振動はゴム等の振動吸収材を使用して低減する方法が知られているが、振動吸収材の振動低減効果は振動の周波数が低周波になるほど下がる。
つまり、２つの振動子を弾性連結梁で結ぶ構造の角速度センサではＸ軸方向の粘性（ダンピング）を小さくして差動振動のＱを高くすることで同相振動のＱも高くなること、基板からの応力影響を低減するために支持梁のバネ定数を小さくすることで同相振動の共振周波数が下がることで振動影響が悪化してしまう課題があった。
本発明の目的は、２つの振動子の差動振動のＱが高く、基板からの応力影響が小さく、且つ、振動影響が小さい角速度センサを提供することにある。
上記課題を解決するためには２つの振動子を弾性連結梁で弾性的に連結し、前記２つの振動子を互いに差動振動させ、前記弾性連結梁に２つの振動子の同相振動を抑える粘性力発生手段を配置することにより達成される。
本発明によれば、２つの振動子の差動振動のＱが高く、基板からの応力影響が小さく、且つ、振動影響が小さい角速度センサを提供できる。
本発明によれば、２つの振動子の差動振動のＱが高く、基板からの応力影響が小さく、且つ、振動影響が小さい角速度センサを提供できる。
第１図は、第１の実施例の角速度センサの検出素子１の平面図である。
第２図は、第１の実施例の角速度センサの検出素子１のＡ−Ａ′の断面図である。
第３図は、第１の実施例の角速度センサの検出素子１の機械モデルである。
第４図は、第１の実施例の角速度センサの検出素子１の周波数特性である。
第５図は、第１の実施例の角速度センサの駆動回路である。
第６図は、第２の実施例の角速度センサの検出素子１の平面図である。
第７図は、第３の実施例の角速度センサの検出素子１の平面図である。
第２図は、第１の実施例の角速度センサの検出素子１のＡ−Ａ′の断面図である。
第３図は、第１の実施例の角速度センサの検出素子１の機械モデルである。
第４図は、第１の実施例の角速度センサの検出素子１の周波数特性である。
第５図は、第１の実施例の角速度センサの駆動回路である。
第６図は、第２の実施例の角速度センサの検出素子１の平面図である。
第７図は、第３の実施例の角速度センサの検出素子１の平面図である。
１…検出素子、２…枠部、３…アンカー部、４…アンカー部、５…支持梁、６…櫛歯電極、７…支持梁、８…櫛歯電極、９…アンカー部、１０…アンカー部、１１…パッド、１２…フレーム、１３…パッド、１４…フレーム、１５…弾性支持梁、１６…アンカー部、１７…アンカー部、１８…櫛歯電極、１９…平行平板電極、２０…フレーム、２１…連結梁、２２…平行平板電極、２３…櫛歯電極、２４…内フレーム、２５…アンカー部、２６…弾性支持梁、２７…アンカー部、２８…外フレーム、２９…連結梁、３０…連結梁、３１…連結梁、３２…連結梁、３３…弾性支持梁、３４…アンカー部、３５…アンカー部、３６…パッド、３７…フレーム、３８…平行平板電極、３９…弾性連結梁、４０…弾性連結梁、４１…平行平板電極、４２…フレーム、４３…パッド、４４…アンカー部、４５…弾性支持梁、４６…アンカー部、４７…フレーム、４８…パッド、４９…フレーム、５０…パッド、５１…平行平板電極、５２…平行平板電極、５３…平行平板電極、５４…平行平板電極、５５…フレーム、５６…パッド。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
まず、本発明の第１の実施例である角速度センサを第１図，第２図，第３図，第４図，第５図により説明する。なお、第１図は第１の実施例の角速度センサの検出素子１の平面図，第２図は第１の実施例の角速度センサの検出素子１のＡ−Ａ′の断面図、第３図は第１の実施例の角速度センサの検出素子１の機械モデル、第４図は第１の実施例の角速度センサの検出素子１の周波数特性、第５図は第１の実施例の角速度センサの駆動回路である。
まず、本角速度センサの検出素子１の構成を第１図，第２図により説明する。
検出素子１はシリコン層１０５，絶縁膜１０６，シリコン基板１０７で構成されるＳＯＩ基板のシリコン層１０５に縦溝を設け、絶縁膜１０６の一部を取り除きシリコン層１０５に可動部と固定部を形成し、シリコン層１０５に凹部を持つガラス基板１０４をアノーディックボンディング等によって貼り付けることで構成される。なお、検出素子１は第１及び第２静電気力発生手段、第１及び第２振動子及び粘性力発生手段と外周部に配置されガラス基板１０４と接合される枠部２により構成される。以下、各々の構成について説明する。なお、振動子の振動方向をＸ軸、Ｘ軸と垂直でシリコン基板１０７と平行方向をＹ軸、シリコン基板１０７と垂直方向をＺ軸と表記する。
まず、第１静電気力発生手段はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置されたフレーム２０，シリコン基板１０７に固定されたフレーム１２，１４、フレーム２０とフレーム１２に各々設けられた櫛歯電極を噛み合わせることで構成される櫛歯電極６，１８、フレーム２０とフレーム１４に各々設けられた櫛歯電極を噛み合わせることで構成される櫛歯電極８，２３、フレーム１２から電気的接続を取り出すパッド１１，フレーム１４から電気的接続を取り出すパッド１３，シリコン基板１０７に固定されるアンカー部３，４、アンカー部３，４からフレーム２０を弾性的に支持する支持梁５，シリコン基板１０７に固定されるアンカー部９，１０、アンカー部９，１０からフレーム２０を弾性的に支持する支持梁７、フレーム２０と第１振動子の外フレーム２８を連結する連結梁２１により構成される。なお、支持梁５，７は大きなストロークが取れるように折り返し梁を採用した。また、連結梁２１はＸ軸方向に硬くＹ軸方向に柔らかくなるように直線梁を採用した。こうすることで、櫛歯電極６，８，１８，２３で発生する静電気力にアンバランスが生じて第１振動子を斜め方向に引っ張ることを防いだ。
次に、第２静電気力発生手段はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置されたフレーム８３，シリコン基板１０７に固定されたフレーム９３，１０３、フレーム８３とフレーム９３に各々設けられた櫛歯電極を噛み合わせることで構成される櫛歯電極８１，９６、フレーム８３とフレーム１０３に各々設けられた櫛歯電極を噛み合わせることで構成される櫛歯電極８６，９９、フレーム９３から電気的接続を取り出すパッド９２，フレーム１０３から電気的接続を取り出すパッド１０２，シリコン基板１０７に固定されるアンカー部９４，９５、アンカー部９４，９５からフレーム８３を弾性的に支持する支持梁９７，シリコン基板１０７に固定されるアンカー部１００，１０１、アンカー部１００，１０１からフレーム８３を弾性的に支持する支持梁９８，フレーム８３と第２振動子の外フレーム７１を連結する連結梁８４により構成される。なお、支持梁９７，９８は大きなストロークが取れるように折り返し梁を採用した。また、連結梁８４はＸ軸方向に硬くＹ軸方向に柔らかくなるように直線梁を採用した。こうすることで、櫛歯電極８１，８６，９６，９９で発生する静電気力にアンバランスが生じて第２振動子を斜め方向に引っ張ることを防いだ。
次に、第１振動子はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置された外フレーム２８，外フレーム２８を支持する弾性支持梁１５，２６，３３，４５、弾性支持梁１５をシリコン基板１０７に固定するアンカー部１６，１７、弾性支持梁２６をシリコン基板１０７に固定するアンカー部２５，２７、弾性支持梁３３をシリコン基板１０７に固定するアンカー部３４，３５、弾性支持梁４５をシリコン基板１０７に固定するアンカー部４４，４６、外フレーム２８の内側にシリコン基板１０７から浮いた状態で配置される内フレーム２４、外フレーム２８に対して内フレーム２４がＹ軸方向に変位できるように内フレーム２４を支持する連結梁２９，３０，３１，３２、シリコン基板１０７に固定されたフレーム３７，４２、フレーム３７と内フレーム２４に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１９，３８、フレーム４２と内フレーム２４に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極２２，４１、フレーム３７から電気的接続を取り出すパッド３６、フレーム４２から電気的接続を取り出すパッド４３により構成される。なお、弾性支持梁１５，２６，３３，４５はＸ軸方向に大きなストロークが取れるように折り返し梁を採用し、Ｙ軸方向に硬くなるように片側に２個づつ合計４個配置した。また、パッド４３は第２図に示すようにガラス基板１０４に空けられたスルーホールを介して電気配線がガラス基板１０４の外に引き出せるようにしている。この様にパッド４３の電気接続をガラス基板１０４を介して取り出すことで、外フレーム２８，内フレーム２４に配線の引き出し部としての切り欠きを設ける必要が無くなり、外フレーム２８及び内フレーム２４の剛性を高めることで不要な振動モードを低減できるようにした。なお、他のパッドについても同様な構造を採用した。
次に、第２振動子はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置された外フレーム７１，外フレーム７１を支持する弾性支持梁５９，６９，７６，９０、弾性支持梁５９をシリコン基板１０７に固定するアンカー部６０，６１、弾性支持梁６９をシリコン基板１０７に固定するアンカー部６８，７０、弾性支持梁７６をシリコン基板１０７に固定するアンカー部７７，７８、弾性支持梁９０をシリコン基板１０７に固定するアンカー部８９，９１、外フレーム７１の内側にシリコン基板１０７から浮いた状態で配置される内フレーム６７、外フレーム７１に対して内フレーム６７がＹ軸方向に変位できるように内フレーム６７を支持する連結梁７２，７３，７４，７５、シリコン基板１０７に固定されたフレーム８０，８７、フレーム８０と内フレーム６７に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極６２，８２、フレーム８７と内フレーム６７に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極６６，８５、フレーム８０から電気的接続を取り出すパッド７９，フレーム８７から電気的接続を取り出すパッド８８により構成される。
次に、粘性力発生手段はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置されたフレーム６４，フレーム６４と第１振動子の外フレーム２８を弾性的に連結する弾性連結梁３９，４０、フレーム６４と第２振動子の外フレーム７１を弾性的に連結する弾性連結梁６３，６５、シリコン基板１０７に固定されたフレーム４７，４９，５５，５７、フレーム６４とフレーム４７に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極５１，フレーム６４とフレーム４９に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極５２，フレーム６４とフレーム５５に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極５３、フレーム６４とフレーム５７に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極５４，フレーム４７から電気的接続を取り出すパッド４８，フレーム４９から電気的接続を取り出すパッド５０，フレーム５５から電気的接続を取り出すパッド５６，フレーム５７から電気的接続を取り出すパッド５８により構成される。ここで、弾性連結梁３９，４０，６３，６５とフレーム６４で構成されるバネ系は第１振動子と第２振動子を弾性的に連結する弾性連結梁を構成し、平行平板電極５１，５２，５３，５４は電極間の空気の移動で生じるスクイブフィルム効果でＸ軸方向の運動に対して強い粘性力を発生する。また、第２図に示すように平行平板電極５１，５２，５３，５４とガラス基板１０４とのギャップを狭くして空気の流れを制限することで平行平板電極５１，５２，５３，５４で生じる粘性力を大きくした。また、平行平板電極５１，５２，５３，５４の静電容量を検出することでフレーム６４（第１振動子と第２振動子を弾性的に連結する弾性連結梁の中心）のＸ方向の変位とＹ方向の変位を検出することができ、且つ、静電気力でＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位を制御することも可能である。つまり、フレーム６４に強い粘性力を働かせることで、第１及び第２振動子の高周波の同相振動を抑えて角速度センサの振動影響を低減し、フレーム６４のＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位を制御することで角速度センサの直流加速度の影響を低減した。
次に、第３図，第４図から粘性力発生手段の効果を説明する。検出素子１の機械モデルは第３図に示すように、第１振動子１０９，第２振動子１１３，粘性力発生手段１１２，第１振動子１０９と基板との間のバネ１０８，第１振動子１０９と粘性力発生手段１１２との間のバネ１１０，第２振動子１１３と粘性力発生手段１１２との間のバネ１１１，第２振動子１１３と基板との間のバネ１１４により表される。なお、第１振動子１０９の質量をＭ１、第２振動子１１３の質量をＭ２、粘性力発生手段１１２の粘性定数をＫｄ、バネ１０８のバネ定数をＫ１、バネ１１０のバネ定数をＫ２、バネ１１１のバネ定数をＫ３、バネ１１４のバネ定数をＫ４とした。本機械モデルは第４図に示すように差動振動と同相振動の２つの振動モードがあり、同相振動の共振周波数は差動振動の共振周波数よりも低くなる。また、角速度センサとして必要な振動モードは差動振動であり、同相振動は不要な振動で同相振動が生じることで角速度の検出に誤差が生じる。また、検出素子１をゴム等の振動吸収材で実装して検出素子１の振動を低減する場合、振動吸収材の効果は高周波の振動ほど高く低周波の振動に対しては効果が小さくなる。この為、同相振動の共振周波数を高くすることが望まれる。しかし、シリコン基板１０７の反り、熱膨張などによって生じる応力影響を小さくするには第１振動子１０９と基板の間のバネ１０８のバネ定数Ｋ１と第２振動子１１３と基板の間のバネ１１４のバネ定数Ｋ４を小さくする必要がある。しかし、バネ定数Ｋ１，Ｋ４を小さくすると同相モードの共振周波数が低くなってしまい振動吸収材の効果が小さくなる。そこで、同相モードの共振周波数を低くしても同相モードの共振が生じ無いように粘性力発生手段１１２で第１振動子１０９と第２振動子１１３の差動振動の節に粘性力（ダンピング）を発生させ、第４図に示すように同相モードの振動に対して共振現象が生じ無いようにした。こうすることで検出部１に外部振動が加えられても同相振動が大きくなることを押さえられ、且つ、バネ定数Ｋ１，Ｋ４を小さくできるのでシリコン基板１０７からの応力影響を低減できる。また、粘性力発生手段１１２を第１図で示したよう平行平板電極５１，５２，５３，５４で構成し、この平行平板電極５１，５２，５３，５４の静電容量の変化からＸ軸方向の変位を検出することで、共振特性の無い加速度センサを構成することが可能である。（加速度センサにおいては加速度センサ自身が共振特性を持つと非常に大きな誤差が生じる。）また、平行平板電極５１，５２，５３，５４の静電容量の変化からＸ軸方向及びＹ軸方向の変位を検出し、平行平板電極５１，５２，５３，５４の間に静電気力を働かせることが可能なので、Ｘ軸方向の変位とＹ軸方向の変位を常に０に保つように静電サーボを働かせることができる。これにより本角速度センサの検出部１に直流加速度が働き第１及び第２振動子が直流加速度によってＸ軸方向あるいはＹ軸方向に変位して角速度の検出特性に影響がでることを低減した。
次に、本角速度センサの検出部１の第２の特徴について説明する。本角速度センサの検出部１では第１静電気力発生手段と第１振動子をＸ軸方向に硬くＹ軸方向に柔らかくなるように直線梁で構成される連結梁２１で機械的に結合した。こうすることで第１静電気力発生手段の櫛歯電極６，８，１８，２３で発生する静電気力にアンバランスが生じても第２振動子を真直ぐ引っ張ることができるようにした。また、第２静電気力発生手段と第２振動子をＸ軸方向に硬くＹ軸方向に柔らかくなるように直線梁で構成される連結梁８４で機械的に結合し、第２静電気力発生手段の櫛歯電極８１，８６，９６，９９で発生する静電気力にアンバランスが生じても第２振動子を真直ぐ引っ張ることができるようにした。また、連結梁２１，８４と第１及び第２振動子の重心が一直線に成るようにすることで、第１及び第２振動子がＸ軸方向にのみ振動するようにした。こうすることで、第１及び第２振動子がＹ軸方向に振動することを抑えられ、第１及び第２振動子の振動により第１及び第２振動子の内フレーム２４，６７がＹ軸方向に振動することを防ぎ、角速度の検出精度を高められる。
次に、本角速度センサの駆動回路の構成を第５図により説明する。なお、第５図では検出部１の櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９、平行平板電極１９，２２，３８，４１，５１，５２，５３，５４，６２，６６，８２，８５を便宜上コンデンサの電気記号として表記した。本角速度センサの駆動回路は周波数ｆ１の発振波形を発生させる発振器１１５，発振器１１５の信号を反転する反転器１１６，反転器１１６の出力の直流成分を除去して平行平板電極５１，５３に電圧を印加するコンデンサ１１７，発振器１１５の出力の直流成分を除去して平行平板電極５２，５４に電圧を印加するコンデンサ１１８，周波数ｆ２の発振波形を発生させ平行平板電極２２，４１，６２，８２に電圧を印加する発振器１２８，発振器１２８の信号を反転して平行平板電極１９，３８，６６，８５に電圧を印加する反転器１２７，周波数ｆ３の発振波形を発生させる発振器１２６，発振器１２６の出力の高周波成分を除去して櫛歯電極６，８，１８，２３に電圧を印加するＬＰＦ（ローパスフィルタ）１２４，発振器１２６の出力の高周波成分を除去して櫛歯電極８１，８６，９６，９９に電圧を印加するＬＰＦ１２５，櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９及び平行平板電極１９，２２，３８，４１，６２，６６，８２，８５により構成されるコンデンサの共通端子の電位を一定に保つと共に櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９及び平行平板電極１９，２２，３８，４１，６２，６６，８２，８５に印加された電圧波形によって生じる電荷を電圧に変換するＣＶ変換器１２９，ＣＶ変換器１２９の出力と周波数ｆ１の信号で乗算をする乗算器１３０，ＣＶ変換器１２９の出力と周波数ｆ２の信号で乗算をする乗算器１３１，乗算器１３１の高周波成分を除去するＬＰＦ１３３，ＬＰＦ１３３の出力と周波数ｆ３の信号で乗算をする乗算器１３５，乗算器１３５の出力の高周波成分を除去して角速度に応じた信号を出力するＬＰＦ１３６，乗算器１３０の出力の高周波成分を除去するＬＰＦ１３２，ＬＰＦ１３２の出力を増幅して加速度に応じた信号を出力する増幅器１３４，増幅器１３４の出力の符号を逆転する逆転器１２３，増幅器１３４の出力にバイアス電圧ＶＢを加算する加算器１２２，逆転器１２３の出力にバイアス電圧ＶＢを加算する加算器１２１，加算器１２２の出力を平行平板電極５２，５４に印加する為の抵抗１１９，加算器１２１の出力を平行平板電極５１，５３に印加する為の抵抗１２０より構成される。
以下、本駆動回路の動作を説明する。
まず、第１及び第２振動子を励振させる動作について説明する。第１及び第２振動子の励振はＣＶ変換器１２９により櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９の共通端子の電位を一定にし、発振器１２６の高周波成分をＬＰＦ１２４，１２５で除去して櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９に電圧を印加して第１及び第２静電気力発生手段で静電気力を発生させて第１及び第２振動子を周波数ｆ３で両側から引っ張ることで実現する。この時、周波数ｆ３は第１及び第２振動子の差動振動の共振周波数に合わせ、第１及び第２振動子が大きく差動振動するようにしている。また、ＬＰＦ１２４，１２５で発振器１２６の高周波成分除去してＣＶ変換器１２９が飽和することを防いだ。これは櫛歯電極６，８，１８，２３と櫛歯電極８１，８６，９６，９９に同相の信号を印加すること、大きな静電気力を発生させる為に櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９の静電容量が大きいこと、大きな静電気力を発生させる為に櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９に大きな電圧を印加することから櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９を介してＣＶ変換器１２９に流れる電荷が大きく容易にＣＶ変換器１２９を飽和させてしまうので、これを防ぐ為にＬＰＦ１２４，１２５で櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９に印加する電圧の高周波成分を取り除き低周波成分のみ印加する様にすることと、ＣＶ変換器１２９の低周波のゲインを小さくすることとでＣＶ変換器１２９の飽和を防いだ。なお、ＬＰＦ１２４，１２５の特性は周波数ｆ３を透過させ、周波数ｆ１及び周波数ｆ２を遮断する特性であり、ＣＶ変換器１２９のゲイン特性は周波数ｆ３のゲインは十分小さく、周波数ｆ１及び周波数ｆ２のゲインは十分多くなる様にした。
次に、角速度の検出動作について説明する。角速度の検出は平行平板電極１９，３８，６６，８５の静電容量と平行平板電極２２，４１，６２，８２の静電容量との差分信号を検出して、この差分信号の周波数ｆ３（第１及び第２振動子の励振周波数）の成分を検出することで実現できる。本駆動回路では平行平板電極１９，３８，６６，８５の静電容量と平行平板電極２２，４１，６２，８２の静電容量との差分信号を検出する為に、平行平板電極１９，３８，６６，８５と平行平板電極２２，４１，６２，８２に周波数ｆ２の各々反転した信号を印加して平行平板電極１９，３８，６６，８５の静電容量と平行平板電極２２，４１，６２，８２の静電容量の差分に依存した電荷をＣＶ変換器１２９に流す。この時、周波数ｆ２は周波数ｆ３よりも十分高い周波数にしてＣＶ変換器１２９のゲインの高い周波数域を利用した。こうすることで、ＣＶ変換器１２９の出力に周波数ｆ２の周波数成分を持ち、平行平板電極１９，３８，６６，８５の静電容量と平行平板電極２２，４１，６２，８２の静電容量の差分に依存した電圧波形が現れる。この電圧波形を乗算器１３１で周波数ｆ２の信号と乗算してＬＰＦ１３３で高周波成分を除去することでＣＶ変換器１２９の出力電圧の周波数ｆ２の信号成分を抽出することで平行平板電極１９，３８，６６，８５の静電容量と平行平板電極２２，４１，６２，８２の静電容量の差分の信号を検出する。そして、この検出信号を乗算器１３５で周波数ｆ３の信号と乗算してＬＰＦ１３６で高周波成分を除去することで、この検出信号の周波数ｆ３の信号成分を抽出して角速度に応じた信号を得る。
次に、加速度の検出動作とフレーム６４のサーボ動作について説明する。加速度の検出は平行平板電極５１，５３の静電容量と平行平板電極５２，５４の静電容量との差分信号を検出するだけでも可能であるが、本駆動回路では平行平板電極５１，５３の静電容量と平行平板電極５２，５４の静電容量との差分信号がゼロに成るように平行平板電極５１，５３と平行平板電極５２，５４に静電気力を印加して、この静電気力から加速度を検出する手法を採用した。この為、本駆動回路では平行平板電極５２，５４の静電容量と平行平板電極５１，５３の静電容量との差分信号を検出するために平行平板電極５２，５４と平行平板電極５１，５３に周波数ｆ１で各々反転した信号を印加して、平行平板電極５１，５３の静電容量と平行平板電極５１，５３の静電容量の差分に依存した電荷をＣＶ変換器１２９に流す。この時、周波数ｆ１は周波数ｆ３よりも十分高い周波数にしてＣＶ変換器１２９のゲインの高い周波数域を利用した。こうすることで、ＣＶ変換器１２９の出力に周波数ｆ１の周波数成分を持ち、平行平板電極５１，５３の静電容量と平行平板電極５１，５３の静電容量の差分に依存した電圧波形が現れる。この電圧波形を乗算器１３０で周波数ｆ１の信号と乗算してＬＰＦ１３２で高周波成分を除去することでＣＶ変換器１２９の出力電圧の周波数ｆ１の信号成分を抽出して平行平板電極５１，５３の静電容量と平行平板電極５１，５３の静電容量の差分の信号を検出する。そして、この検出信号を増幅器１３４で増幅し、増幅器１３４の出力にバイアス電圧ＶＢを加算器１２２で加算して平行平板電極５２，５４に印加し、平行平板電極５１，５３には増幅器１３４の出力を極性反転した信号にバイアス電圧ＶＢを加算器１２１で加算した信号を印加する。こうすることで、平行平板電極５２，５４と平行平板電極５１，５３からフレーム６４に静電気力を働かせて、平行平板電極５２，５４の静電容量と平行平板電極５１，５３の静電容量との差分がゼロに成るようにする。つまり、フレーム６４を一定の位置に保つ。これにより検出素子１に働くＸ軸方向の加速度によって生じる慣性力と平行平板電極５２，５４と平行平板電極５１，５３からフレーム６４に働く静電気力が釣り合う。また、平行平板電極５２，５４と平行平板電極５１，５３からフレーム６４に働く静電気力は増幅器１３４の出力電圧に応じて変化するので増幅器１３４の出力から加速度に応じた出力を得ることができる。また、本駆動回路に示した様にフレーム６４を静電気力によるサーボで一定位置に保つことで加速度によってフレーム６４の位置が変位するのを防げるので第１及び第２振動子の振動の安定化を図ることができる。これにより、角速度の検出の加速度影響を低減することができる。
次に、本発明の第２の実施例である角速度センサを第６図により説明する。なお、第６図は第２の実施例の角速度センサの検出素子１の平面図である。なお、第２の実施例の角速度センサの検出部１は第２の実施励の角速度センサの検出部１の粘性力発生手段の構成を変更したものである。第２の実施例の角速度センサの検出部１の粘性力発生手段は第１振動子の外フレーム２８と第２振動子の外フレーム７１とを弾性的に結ぶ弾性連結梁１４４、シリコン基板１０７から浮いた状態で配置されたフレーム１４３，１４５、シリコン基板１０７に固定されたフレーム１３７，１３９，１４８，１５０、フレーム１３７とフレーム１４３に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１４１，フレーム１３９とフレーム１４３に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１４２，フレーム１４５とフレーム１４８に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１４６、フレーム１４５とフレーム１５０に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１４７，フレーム１３７から電気的接続を取り出すパッド１３８，フレーム１３９から電気的接続を取り出すパッド１４０，フレーム１４８から電気的接続を取り出すパッド１４９，フレーム１５０から電気的接続を取り出すパッド１５１により構成される。ここで、平行平板電極１４１，１４２，１４６，１４７は電極間の空気の移動で生じるスクイブフィルム効果でＸ軸方向の運動に対して強い粘性力を発生する。また、第１の実施例度と同様に平行平板電極１４１，１４２，１４６，１４７とガラス基板１０４とのギャップを狭くして空気の流れを制限することで平行平板電極１４１，１４２，１４６，１４７で生じる粘性力を大きくした。また、平行平板電極１４１，１４２，１４６，１４７の静電容量を検出することで第１振動子と第２振動子の中心のＸ軸方向とＹ軸方向の変位を検出することができ、且つ、静電気力でＸ軸方向とＹ軸方向の変位を制御することも可能である。つまり、強い粘性力を働かせることで、第１及び第２振動子の高周波の同相振動を抑えて角速度センサの振動影響を低減し、Ｘ軸方向とＹ軸方向の変位を制御することで角速度センサの直流加速度の影響を低減した。また、連結梁２１と第１静電気力発生手段の接続点、連結梁２１と第１振動子の接続点、弾性連結梁１４４と第１振動子の接続点、弾性連結梁１４４と第２振動子の接続点、連結梁８４と第２静電気力発生手段の接続点、連結梁８４と第２振動子の接続点、第１振動子の重心、第２振動子の重心が一直線に成るようにすることで、第１及び第２振動子がＸ軸方向にのみ振動するようにした。こうすることで、第１及び第２振動子がＹ軸方向に振動することを抑えられ、第１及び第２振動子の振動により第１及び第２振動子の内フレーム２４，６７がＹ軸方向に振動することを防ぎ、角速度の検出精度を高められる。
次に、本発明の第３の実施例である角速度センサを第７図により説明する。なお、第７図は第３の実施例の角速度センサの検出素子１の平面図である。なお、第３の実施例の角速度センサの検出部１は第１の実施励の角速度センサの検出部１の粘性力発生手段の構成を変更したものである。第３の実施例の角速度センサの検出部１の粘性力発生手段はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置されたフレーム１５３，１６０、第１振動子の外フレーム２８とフレーム１５３，１６０を弾性的に結ぶＴ字型の弾性連結梁１５６，第２振動子の外フレーム７１とフレーム１５３，１６０を弾性的に結ぶ丁字型の弾性連結梁１６５、シリコン基板１０７に固定されたフレーム１５７，１６６、シリコン基板１０７に固定されるアンカー部１５２，１６２、アンカー部１５２からフレーム１５３を弾性的に支持する支持梁１５４，アンカー部１６２からフレーム１６０を弾性的に支持する支持梁１６１，フレーム１５３とフレーム１５８に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１５５，フレーム１５３とフレーム１６６に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１６３，フレーム１６０とフレーム１５８に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１５９，フレーム１６０とフレーム１６６に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１６７，フレーム１５８から電気的接続を取り出すパッド１５７，フレーム１６６から電気的接続を取り出すパッド１６４により構成される。ここで、弾性連結梁１５６，１６５とフレーム１５３，１６０で構成されるバネ系は第１振動子と第２振動子を弾性的に連結する弾性連結梁を構成し、平行平板電極１５５，１５９，１６３，１６７は電極間の空気の移動で生じるスクイブフィルム効果でＸ軸方向の運動に対して強い粘性力を発生する。また、第１の実施例度と同様に平行平板電極１５５，１５９，１６３，１６７とガラス基板１０４とのギャップを狭くして空気の流れを制限することで平行平板電極１５５，１５９，１６３，１６７で生じる粘性力を大きくした。また、平行平板電極１５５，１５９，１６３，１６７の静電容量を検出することで第１振動子と第２振動子の中心のＸ軸方向の変位を検出することができ、且つ、静電気力でＸ軸方向の変位を制御することも可能である。つまり、強い粘性力を働かせることで、第１及び第２振動子の高周波の同相振動を抑えて角速度センサの振動影響を低減し、Ｘ軸方向の変位を制御することで角速度センサの直流加速度の影響を低減した。また、連結梁２１と第１静電気力発生手段の接続点、連結梁２１と第１振動子の接続点、弾性連結梁１５６と第１振動子の接続点、弾性連結梁１６５と第２振動子の接続点、連結梁８４と第２静電気力発生手段の接続点、連結梁８４と第２振動子の接続点、第１振動子の重心、第２振動子の重心が一直線に成るようにすることで、第１及び第２振動子がＸ軸方向にのみ振動するようにした。こうすることで、第１及び第２振動子がＹ軸方向に振動することを抑えられ、第１及び第２振動子の振動により第１及び第２振動子の内フレーム２４，６７がＹ軸方向に振動することを防ぎ、角速度の検出精度を高められる。
まず、本発明の第１の実施例である角速度センサを第１図，第２図，第３図，第４図，第５図により説明する。なお、第１図は第１の実施例の角速度センサの検出素子１の平面図，第２図は第１の実施例の角速度センサの検出素子１のＡ−Ａ′の断面図、第３図は第１の実施例の角速度センサの検出素子１の機械モデル、第４図は第１の実施例の角速度センサの検出素子１の周波数特性、第５図は第１の実施例の角速度センサの駆動回路である。
まず、本角速度センサの検出素子１の構成を第１図，第２図により説明する。
検出素子１はシリコン層１０５，絶縁膜１０６，シリコン基板１０７で構成されるＳＯＩ基板のシリコン層１０５に縦溝を設け、絶縁膜１０６の一部を取り除きシリコン層１０５に可動部と固定部を形成し、シリコン層１０５に凹部を持つガラス基板１０４をアノーディックボンディング等によって貼り付けることで構成される。なお、検出素子１は第１及び第２静電気力発生手段、第１及び第２振動子及び粘性力発生手段と外周部に配置されガラス基板１０４と接合される枠部２により構成される。以下、各々の構成について説明する。なお、振動子の振動方向をＸ軸、Ｘ軸と垂直でシリコン基板１０７と平行方向をＹ軸、シリコン基板１０７と垂直方向をＺ軸と表記する。
まず、第１静電気力発生手段はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置されたフレーム２０，シリコン基板１０７に固定されたフレーム１２，１４、フレーム２０とフレーム１２に各々設けられた櫛歯電極を噛み合わせることで構成される櫛歯電極６，１８、フレーム２０とフレーム１４に各々設けられた櫛歯電極を噛み合わせることで構成される櫛歯電極８，２３、フレーム１２から電気的接続を取り出すパッド１１，フレーム１４から電気的接続を取り出すパッド１３，シリコン基板１０７に固定されるアンカー部３，４、アンカー部３，４からフレーム２０を弾性的に支持する支持梁５，シリコン基板１０７に固定されるアンカー部９，１０、アンカー部９，１０からフレーム２０を弾性的に支持する支持梁７、フレーム２０と第１振動子の外フレーム２８を連結する連結梁２１により構成される。なお、支持梁５，７は大きなストロークが取れるように折り返し梁を採用した。また、連結梁２１はＸ軸方向に硬くＹ軸方向に柔らかくなるように直線梁を採用した。こうすることで、櫛歯電極６，８，１８，２３で発生する静電気力にアンバランスが生じて第１振動子を斜め方向に引っ張ることを防いだ。
次に、第２静電気力発生手段はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置されたフレーム８３，シリコン基板１０７に固定されたフレーム９３，１０３、フレーム８３とフレーム９３に各々設けられた櫛歯電極を噛み合わせることで構成される櫛歯電極８１，９６、フレーム８３とフレーム１０３に各々設けられた櫛歯電極を噛み合わせることで構成される櫛歯電極８６，９９、フレーム９３から電気的接続を取り出すパッド９２，フレーム１０３から電気的接続を取り出すパッド１０２，シリコン基板１０７に固定されるアンカー部９４，９５、アンカー部９４，９５からフレーム８３を弾性的に支持する支持梁９７，シリコン基板１０７に固定されるアンカー部１００，１０１、アンカー部１００，１０１からフレーム８３を弾性的に支持する支持梁９８，フレーム８３と第２振動子の外フレーム７１を連結する連結梁８４により構成される。なお、支持梁９７，９８は大きなストロークが取れるように折り返し梁を採用した。また、連結梁８４はＸ軸方向に硬くＹ軸方向に柔らかくなるように直線梁を採用した。こうすることで、櫛歯電極８１，８６，９６，９９で発生する静電気力にアンバランスが生じて第２振動子を斜め方向に引っ張ることを防いだ。
次に、第１振動子はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置された外フレーム２８，外フレーム２８を支持する弾性支持梁１５，２６，３３，４５、弾性支持梁１５をシリコン基板１０７に固定するアンカー部１６，１７、弾性支持梁２６をシリコン基板１０７に固定するアンカー部２５，２７、弾性支持梁３３をシリコン基板１０７に固定するアンカー部３４，３５、弾性支持梁４５をシリコン基板１０７に固定するアンカー部４４，４６、外フレーム２８の内側にシリコン基板１０７から浮いた状態で配置される内フレーム２４、外フレーム２８に対して内フレーム２４がＹ軸方向に変位できるように内フレーム２４を支持する連結梁２９，３０，３１，３２、シリコン基板１０７に固定されたフレーム３７，４２、フレーム３７と内フレーム２４に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１９，３８、フレーム４２と内フレーム２４に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極２２，４１、フレーム３７から電気的接続を取り出すパッド３６、フレーム４２から電気的接続を取り出すパッド４３により構成される。なお、弾性支持梁１５，２６，３３，４５はＸ軸方向に大きなストロークが取れるように折り返し梁を採用し、Ｙ軸方向に硬くなるように片側に２個づつ合計４個配置した。また、パッド４３は第２図に示すようにガラス基板１０４に空けられたスルーホールを介して電気配線がガラス基板１０４の外に引き出せるようにしている。この様にパッド４３の電気接続をガラス基板１０４を介して取り出すことで、外フレーム２８，内フレーム２４に配線の引き出し部としての切り欠きを設ける必要が無くなり、外フレーム２８及び内フレーム２４の剛性を高めることで不要な振動モードを低減できるようにした。なお、他のパッドについても同様な構造を採用した。
次に、第２振動子はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置された外フレーム７１，外フレーム７１を支持する弾性支持梁５９，６９，７６，９０、弾性支持梁５９をシリコン基板１０７に固定するアンカー部６０，６１、弾性支持梁６９をシリコン基板１０７に固定するアンカー部６８，７０、弾性支持梁７６をシリコン基板１０７に固定するアンカー部７７，７８、弾性支持梁９０をシリコン基板１０７に固定するアンカー部８９，９１、外フレーム７１の内側にシリコン基板１０７から浮いた状態で配置される内フレーム６７、外フレーム７１に対して内フレーム６７がＹ軸方向に変位できるように内フレーム６７を支持する連結梁７２，７３，７４，７５、シリコン基板１０７に固定されたフレーム８０，８７、フレーム８０と内フレーム６７に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極６２，８２、フレーム８７と内フレーム６７に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極６６，８５、フレーム８０から電気的接続を取り出すパッド７９，フレーム８７から電気的接続を取り出すパッド８８により構成される。
次に、粘性力発生手段はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置されたフレーム６４，フレーム６４と第１振動子の外フレーム２８を弾性的に連結する弾性連結梁３９，４０、フレーム６４と第２振動子の外フレーム７１を弾性的に連結する弾性連結梁６３，６５、シリコン基板１０７に固定されたフレーム４７，４９，５５，５７、フレーム６４とフレーム４７に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極５１，フレーム６４とフレーム４９に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極５２，フレーム６４とフレーム５５に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極５３、フレーム６４とフレーム５７に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極５４，フレーム４７から電気的接続を取り出すパッド４８，フレーム４９から電気的接続を取り出すパッド５０，フレーム５５から電気的接続を取り出すパッド５６，フレーム５７から電気的接続を取り出すパッド５８により構成される。ここで、弾性連結梁３９，４０，６３，６５とフレーム６４で構成されるバネ系は第１振動子と第２振動子を弾性的に連結する弾性連結梁を構成し、平行平板電極５１，５２，５３，５４は電極間の空気の移動で生じるスクイブフィルム効果でＸ軸方向の運動に対して強い粘性力を発生する。また、第２図に示すように平行平板電極５１，５２，５３，５４とガラス基板１０４とのギャップを狭くして空気の流れを制限することで平行平板電極５１，５２，５３，５４で生じる粘性力を大きくした。また、平行平板電極５１，５２，５３，５４の静電容量を検出することでフレーム６４（第１振動子と第２振動子を弾性的に連結する弾性連結梁の中心）のＸ方向の変位とＹ方向の変位を検出することができ、且つ、静電気力でＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位を制御することも可能である。つまり、フレーム６４に強い粘性力を働かせることで、第１及び第２振動子の高周波の同相振動を抑えて角速度センサの振動影響を低減し、フレーム６４のＸ軸方向の変位とＹ軸方向の変位を制御することで角速度センサの直流加速度の影響を低減した。
次に、第３図，第４図から粘性力発生手段の効果を説明する。検出素子１の機械モデルは第３図に示すように、第１振動子１０９，第２振動子１１３，粘性力発生手段１１２，第１振動子１０９と基板との間のバネ１０８，第１振動子１０９と粘性力発生手段１１２との間のバネ１１０，第２振動子１１３と粘性力発生手段１１２との間のバネ１１１，第２振動子１１３と基板との間のバネ１１４により表される。なお、第１振動子１０９の質量をＭ１、第２振動子１１３の質量をＭ２、粘性力発生手段１１２の粘性定数をＫｄ、バネ１０８のバネ定数をＫ１、バネ１１０のバネ定数をＫ２、バネ１１１のバネ定数をＫ３、バネ１１４のバネ定数をＫ４とした。本機械モデルは第４図に示すように差動振動と同相振動の２つの振動モードがあり、同相振動の共振周波数は差動振動の共振周波数よりも低くなる。また、角速度センサとして必要な振動モードは差動振動であり、同相振動は不要な振動で同相振動が生じることで角速度の検出に誤差が生じる。また、検出素子１をゴム等の振動吸収材で実装して検出素子１の振動を低減する場合、振動吸収材の効果は高周波の振動ほど高く低周波の振動に対しては効果が小さくなる。この為、同相振動の共振周波数を高くすることが望まれる。しかし、シリコン基板１０７の反り、熱膨張などによって生じる応力影響を小さくするには第１振動子１０９と基板の間のバネ１０８のバネ定数Ｋ１と第２振動子１１３と基板の間のバネ１１４のバネ定数Ｋ４を小さくする必要がある。しかし、バネ定数Ｋ１，Ｋ４を小さくすると同相モードの共振周波数が低くなってしまい振動吸収材の効果が小さくなる。そこで、同相モードの共振周波数を低くしても同相モードの共振が生じ無いように粘性力発生手段１１２で第１振動子１０９と第２振動子１１３の差動振動の節に粘性力（ダンピング）を発生させ、第４図に示すように同相モードの振動に対して共振現象が生じ無いようにした。こうすることで検出部１に外部振動が加えられても同相振動が大きくなることを押さえられ、且つ、バネ定数Ｋ１，Ｋ４を小さくできるのでシリコン基板１０７からの応力影響を低減できる。また、粘性力発生手段１１２を第１図で示したよう平行平板電極５１，５２，５３，５４で構成し、この平行平板電極５１，５２，５３，５４の静電容量の変化からＸ軸方向の変位を検出することで、共振特性の無い加速度センサを構成することが可能である。（加速度センサにおいては加速度センサ自身が共振特性を持つと非常に大きな誤差が生じる。）また、平行平板電極５１，５２，５３，５４の静電容量の変化からＸ軸方向及びＹ軸方向の変位を検出し、平行平板電極５１，５２，５３，５４の間に静電気力を働かせることが可能なので、Ｘ軸方向の変位とＹ軸方向の変位を常に０に保つように静電サーボを働かせることができる。これにより本角速度センサの検出部１に直流加速度が働き第１及び第２振動子が直流加速度によってＸ軸方向あるいはＹ軸方向に変位して角速度の検出特性に影響がでることを低減した。
次に、本角速度センサの検出部１の第２の特徴について説明する。本角速度センサの検出部１では第１静電気力発生手段と第１振動子をＸ軸方向に硬くＹ軸方向に柔らかくなるように直線梁で構成される連結梁２１で機械的に結合した。こうすることで第１静電気力発生手段の櫛歯電極６，８，１８，２３で発生する静電気力にアンバランスが生じても第２振動子を真直ぐ引っ張ることができるようにした。また、第２静電気力発生手段と第２振動子をＸ軸方向に硬くＹ軸方向に柔らかくなるように直線梁で構成される連結梁８４で機械的に結合し、第２静電気力発生手段の櫛歯電極８１，８６，９６，９９で発生する静電気力にアンバランスが生じても第２振動子を真直ぐ引っ張ることができるようにした。また、連結梁２１，８４と第１及び第２振動子の重心が一直線に成るようにすることで、第１及び第２振動子がＸ軸方向にのみ振動するようにした。こうすることで、第１及び第２振動子がＹ軸方向に振動することを抑えられ、第１及び第２振動子の振動により第１及び第２振動子の内フレーム２４，６７がＹ軸方向に振動することを防ぎ、角速度の検出精度を高められる。
次に、本角速度センサの駆動回路の構成を第５図により説明する。なお、第５図では検出部１の櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９、平行平板電極１９，２２，３８，４１，５１，５２，５３，５４，６２，６６，８２，８５を便宜上コンデンサの電気記号として表記した。本角速度センサの駆動回路は周波数ｆ１の発振波形を発生させる発振器１１５，発振器１１５の信号を反転する反転器１１６，反転器１１６の出力の直流成分を除去して平行平板電極５１，５３に電圧を印加するコンデンサ１１７，発振器１１５の出力の直流成分を除去して平行平板電極５２，５４に電圧を印加するコンデンサ１１８，周波数ｆ２の発振波形を発生させ平行平板電極２２，４１，６２，８２に電圧を印加する発振器１２８，発振器１２８の信号を反転して平行平板電極１９，３８，６６，８５に電圧を印加する反転器１２７，周波数ｆ３の発振波形を発生させる発振器１２６，発振器１２６の出力の高周波成分を除去して櫛歯電極６，８，１８，２３に電圧を印加するＬＰＦ（ローパスフィルタ）１２４，発振器１２６の出力の高周波成分を除去して櫛歯電極８１，８６，９６，９９に電圧を印加するＬＰＦ１２５，櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９及び平行平板電極１９，２２，３８，４１，６２，６６，８２，８５により構成されるコンデンサの共通端子の電位を一定に保つと共に櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９及び平行平板電極１９，２２，３８，４１，６２，６６，８２，８５に印加された電圧波形によって生じる電荷を電圧に変換するＣＶ変換器１２９，ＣＶ変換器１２９の出力と周波数ｆ１の信号で乗算をする乗算器１３０，ＣＶ変換器１２９の出力と周波数ｆ２の信号で乗算をする乗算器１３１，乗算器１３１の高周波成分を除去するＬＰＦ１３３，ＬＰＦ１３３の出力と周波数ｆ３の信号で乗算をする乗算器１３５，乗算器１３５の出力の高周波成分を除去して角速度に応じた信号を出力するＬＰＦ１３６，乗算器１３０の出力の高周波成分を除去するＬＰＦ１３２，ＬＰＦ１３２の出力を増幅して加速度に応じた信号を出力する増幅器１３４，増幅器１３４の出力の符号を逆転する逆転器１２３，増幅器１３４の出力にバイアス電圧ＶＢを加算する加算器１２２，逆転器１２３の出力にバイアス電圧ＶＢを加算する加算器１２１，加算器１２２の出力を平行平板電極５２，５４に印加する為の抵抗１１９，加算器１２１の出力を平行平板電極５１，５３に印加する為の抵抗１２０より構成される。
以下、本駆動回路の動作を説明する。
まず、第１及び第２振動子を励振させる動作について説明する。第１及び第２振動子の励振はＣＶ変換器１２９により櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９の共通端子の電位を一定にし、発振器１２６の高周波成分をＬＰＦ１２４，１２５で除去して櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９に電圧を印加して第１及び第２静電気力発生手段で静電気力を発生させて第１及び第２振動子を周波数ｆ３で両側から引っ張ることで実現する。この時、周波数ｆ３は第１及び第２振動子の差動振動の共振周波数に合わせ、第１及び第２振動子が大きく差動振動するようにしている。また、ＬＰＦ１２４，１２５で発振器１２６の高周波成分除去してＣＶ変換器１２９が飽和することを防いだ。これは櫛歯電極６，８，１８，２３と櫛歯電極８１，８６，９６，９９に同相の信号を印加すること、大きな静電気力を発生させる為に櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９の静電容量が大きいこと、大きな静電気力を発生させる為に櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９に大きな電圧を印加することから櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９を介してＣＶ変換器１２９に流れる電荷が大きく容易にＣＶ変換器１２９を飽和させてしまうので、これを防ぐ為にＬＰＦ１２４，１２５で櫛歯電極６，８，１８，２３，８１，８６，９６，９９に印加する電圧の高周波成分を取り除き低周波成分のみ印加する様にすることと、ＣＶ変換器１２９の低周波のゲインを小さくすることとでＣＶ変換器１２９の飽和を防いだ。なお、ＬＰＦ１２４，１２５の特性は周波数ｆ３を透過させ、周波数ｆ１及び周波数ｆ２を遮断する特性であり、ＣＶ変換器１２９のゲイン特性は周波数ｆ３のゲインは十分小さく、周波数ｆ１及び周波数ｆ２のゲインは十分多くなる様にした。
次に、角速度の検出動作について説明する。角速度の検出は平行平板電極１９，３８，６６，８５の静電容量と平行平板電極２２，４１，６２，８２の静電容量との差分信号を検出して、この差分信号の周波数ｆ３（第１及び第２振動子の励振周波数）の成分を検出することで実現できる。本駆動回路では平行平板電極１９，３８，６６，８５の静電容量と平行平板電極２２，４１，６２，８２の静電容量との差分信号を検出する為に、平行平板電極１９，３８，６６，８５と平行平板電極２２，４１，６２，８２に周波数ｆ２の各々反転した信号を印加して平行平板電極１９，３８，６６，８５の静電容量と平行平板電極２２，４１，６２，８２の静電容量の差分に依存した電荷をＣＶ変換器１２９に流す。この時、周波数ｆ２は周波数ｆ３よりも十分高い周波数にしてＣＶ変換器１２９のゲインの高い周波数域を利用した。こうすることで、ＣＶ変換器１２９の出力に周波数ｆ２の周波数成分を持ち、平行平板電極１９，３８，６６，８５の静電容量と平行平板電極２２，４１，６２，８２の静電容量の差分に依存した電圧波形が現れる。この電圧波形を乗算器１３１で周波数ｆ２の信号と乗算してＬＰＦ１３３で高周波成分を除去することでＣＶ変換器１２９の出力電圧の周波数ｆ２の信号成分を抽出することで平行平板電極１９，３８，６６，８５の静電容量と平行平板電極２２，４１，６２，８２の静電容量の差分の信号を検出する。そして、この検出信号を乗算器１３５で周波数ｆ３の信号と乗算してＬＰＦ１３６で高周波成分を除去することで、この検出信号の周波数ｆ３の信号成分を抽出して角速度に応じた信号を得る。
次に、加速度の検出動作とフレーム６４のサーボ動作について説明する。加速度の検出は平行平板電極５１，５３の静電容量と平行平板電極５２，５４の静電容量との差分信号を検出するだけでも可能であるが、本駆動回路では平行平板電極５１，５３の静電容量と平行平板電極５２，５４の静電容量との差分信号がゼロに成るように平行平板電極５１，５３と平行平板電極５２，５４に静電気力を印加して、この静電気力から加速度を検出する手法を採用した。この為、本駆動回路では平行平板電極５２，５４の静電容量と平行平板電極５１，５３の静電容量との差分信号を検出するために平行平板電極５２，５４と平行平板電極５１，５３に周波数ｆ１で各々反転した信号を印加して、平行平板電極５１，５３の静電容量と平行平板電極５１，５３の静電容量の差分に依存した電荷をＣＶ変換器１２９に流す。この時、周波数ｆ１は周波数ｆ３よりも十分高い周波数にしてＣＶ変換器１２９のゲインの高い周波数域を利用した。こうすることで、ＣＶ変換器１２９の出力に周波数ｆ１の周波数成分を持ち、平行平板電極５１，５３の静電容量と平行平板電極５１，５３の静電容量の差分に依存した電圧波形が現れる。この電圧波形を乗算器１３０で周波数ｆ１の信号と乗算してＬＰＦ１３２で高周波成分を除去することでＣＶ変換器１２９の出力電圧の周波数ｆ１の信号成分を抽出して平行平板電極５１，５３の静電容量と平行平板電極５１，５３の静電容量の差分の信号を検出する。そして、この検出信号を増幅器１３４で増幅し、増幅器１３４の出力にバイアス電圧ＶＢを加算器１２２で加算して平行平板電極５２，５４に印加し、平行平板電極５１，５３には増幅器１３４の出力を極性反転した信号にバイアス電圧ＶＢを加算器１２１で加算した信号を印加する。こうすることで、平行平板電極５２，５４と平行平板電極５１，５３からフレーム６４に静電気力を働かせて、平行平板電極５２，５４の静電容量と平行平板電極５１，５３の静電容量との差分がゼロに成るようにする。つまり、フレーム６４を一定の位置に保つ。これにより検出素子１に働くＸ軸方向の加速度によって生じる慣性力と平行平板電極５２，５４と平行平板電極５１，５３からフレーム６４に働く静電気力が釣り合う。また、平行平板電極５２，５４と平行平板電極５１，５３からフレーム６４に働く静電気力は増幅器１３４の出力電圧に応じて変化するので増幅器１３４の出力から加速度に応じた出力を得ることができる。また、本駆動回路に示した様にフレーム６４を静電気力によるサーボで一定位置に保つことで加速度によってフレーム６４の位置が変位するのを防げるので第１及び第２振動子の振動の安定化を図ることができる。これにより、角速度の検出の加速度影響を低減することができる。
次に、本発明の第２の実施例である角速度センサを第６図により説明する。なお、第６図は第２の実施例の角速度センサの検出素子１の平面図である。なお、第２の実施例の角速度センサの検出部１は第２の実施励の角速度センサの検出部１の粘性力発生手段の構成を変更したものである。第２の実施例の角速度センサの検出部１の粘性力発生手段は第１振動子の外フレーム２８と第２振動子の外フレーム７１とを弾性的に結ぶ弾性連結梁１４４、シリコン基板１０７から浮いた状態で配置されたフレーム１４３，１４５、シリコン基板１０７に固定されたフレーム１３７，１３９，１４８，１５０、フレーム１３７とフレーム１４３に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１４１，フレーム１３９とフレーム１４３に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１４２，フレーム１４５とフレーム１４８に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１４６、フレーム１４５とフレーム１５０に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１４７，フレーム１３７から電気的接続を取り出すパッド１３８，フレーム１３９から電気的接続を取り出すパッド１４０，フレーム１４８から電気的接続を取り出すパッド１４９，フレーム１５０から電気的接続を取り出すパッド１５１により構成される。ここで、平行平板電極１４１，１４２，１４６，１４７は電極間の空気の移動で生じるスクイブフィルム効果でＸ軸方向の運動に対して強い粘性力を発生する。また、第１の実施例度と同様に平行平板電極１４１，１４２，１４６，１４７とガラス基板１０４とのギャップを狭くして空気の流れを制限することで平行平板電極１４１，１４２，１４６，１４７で生じる粘性力を大きくした。また、平行平板電極１４１，１４２，１４６，１４７の静電容量を検出することで第１振動子と第２振動子の中心のＸ軸方向とＹ軸方向の変位を検出することができ、且つ、静電気力でＸ軸方向とＹ軸方向の変位を制御することも可能である。つまり、強い粘性力を働かせることで、第１及び第２振動子の高周波の同相振動を抑えて角速度センサの振動影響を低減し、Ｘ軸方向とＹ軸方向の変位を制御することで角速度センサの直流加速度の影響を低減した。また、連結梁２１と第１静電気力発生手段の接続点、連結梁２１と第１振動子の接続点、弾性連結梁１４４と第１振動子の接続点、弾性連結梁１４４と第２振動子の接続点、連結梁８４と第２静電気力発生手段の接続点、連結梁８４と第２振動子の接続点、第１振動子の重心、第２振動子の重心が一直線に成るようにすることで、第１及び第２振動子がＸ軸方向にのみ振動するようにした。こうすることで、第１及び第２振動子がＹ軸方向に振動することを抑えられ、第１及び第２振動子の振動により第１及び第２振動子の内フレーム２４，６７がＹ軸方向に振動することを防ぎ、角速度の検出精度を高められる。
次に、本発明の第３の実施例である角速度センサを第７図により説明する。なお、第７図は第３の実施例の角速度センサの検出素子１の平面図である。なお、第３の実施例の角速度センサの検出部１は第１の実施励の角速度センサの検出部１の粘性力発生手段の構成を変更したものである。第３の実施例の角速度センサの検出部１の粘性力発生手段はシリコン基板１０７から浮いた状態で配置されたフレーム１５３，１６０、第１振動子の外フレーム２８とフレーム１５３，１６０を弾性的に結ぶＴ字型の弾性連結梁１５６，第２振動子の外フレーム７１とフレーム１５３，１６０を弾性的に結ぶ丁字型の弾性連結梁１６５、シリコン基板１０７に固定されたフレーム１５７，１６６、シリコン基板１０７に固定されるアンカー部１５２，１６２、アンカー部１５２からフレーム１５３を弾性的に支持する支持梁１５４，アンカー部１６２からフレーム１６０を弾性的に支持する支持梁１６１，フレーム１５３とフレーム１５８に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１５５，フレーム１５３とフレーム１６６に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１６３，フレーム１６０とフレーム１５８に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１５９，フレーム１６０とフレーム１６６に各々設けられた平板電極を噛み合わせることで構成される平行平板電極１６７，フレーム１５８から電気的接続を取り出すパッド１５７，フレーム１６６から電気的接続を取り出すパッド１６４により構成される。ここで、弾性連結梁１５６，１６５とフレーム１５３，１６０で構成されるバネ系は第１振動子と第２振動子を弾性的に連結する弾性連結梁を構成し、平行平板電極１５５，１５９，１６３，１６７は電極間の空気の移動で生じるスクイブフィルム効果でＸ軸方向の運動に対して強い粘性力を発生する。また、第１の実施例度と同様に平行平板電極１５５，１５９，１６３，１６７とガラス基板１０４とのギャップを狭くして空気の流れを制限することで平行平板電極１５５，１５９，１６３，１６７で生じる粘性力を大きくした。また、平行平板電極１５５，１５９，１６３，１６７の静電容量を検出することで第１振動子と第２振動子の中心のＸ軸方向の変位を検出することができ、且つ、静電気力でＸ軸方向の変位を制御することも可能である。つまり、強い粘性力を働かせることで、第１及び第２振動子の高周波の同相振動を抑えて角速度センサの振動影響を低減し、Ｘ軸方向の変位を制御することで角速度センサの直流加速度の影響を低減した。また、連結梁２１と第１静電気力発生手段の接続点、連結梁２１と第１振動子の接続点、弾性連結梁１５６と第１振動子の接続点、弾性連結梁１６５と第２振動子の接続点、連結梁８４と第２静電気力発生手段の接続点、連結梁８４と第２振動子の接続点、第１振動子の重心、第２振動子の重心が一直線に成るようにすることで、第１及び第２振動子がＸ軸方向にのみ振動するようにした。こうすることで、第１及び第２振動子がＹ軸方向に振動することを抑えられ、第１及び第２振動子の振動により第１及び第２振動子の内フレーム２４，６７がＹ軸方向に振動することを防ぎ、角速度の検出精度を高められる。
Claims (8)
- 基板上に弾性的に支持された第１及び第２振動子と、
前記第１及び第２振動子を弾性的に連結する弾性連結梁と、
前記第１及び第２振動子を互いに差動振動させる手段とを有する角速度センサにおいて、
前記弾性連結梁に前記第１及び第２振動子の同相振動を抑える粘性力発生手段を配置することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項１に記載の角速度センサおいて、
前記粘性力発生手段が前記弾性連結梁に機械的に結合された平板と前記基板に機械的に結合された平板とを対向配置した構成を有することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項２に記載の角速度センサおいて、
前記弾性連結梁に機械的に結合された平板と前記基板に機械的に結合された平板との間の静電容量を検出する静電容量検出手段を有することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項３に記載の角速度センサおいて、
静電容量検出手段の出力が予め決められた値になるように前記第１及び第２振動子に静電気力を働かせる手段を有することを特徴とする角速度センサ。 - 請求項１から４に記載の角速度センサおいて、
前記第１及び第２振動子を前記基板と対向するように配置したカバーで挟み、前記第１及び第２振動子と前記カバーとの間のギャップに対して前記粘性力発生手段と前記カバーとの間のギャップを狭くしたことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項３から５に記載の角速度センサおいて、
前記弾性連結梁に機械的に結合された平板と前記基板に機械的に結合された平板との間の静電容量から前記第１及び第２振動子の振動方向の加速度に応じた信号を出力する手段を有することを特徴とする角速度センサ。 - 基板上に弾性的に支持された第１及び第２振動子と、
前記第１及び第２振動子を弾性的に連結する弾性連結梁と、
前記第１及び第２振動子に静電気力を働かせ、前記第１及び第２振動子を差動振動させる第１及び第２静電気力発生手段とを有する角速度センサにおいて、
前記第１振動子の振動方向への剛性が前記第１振動子の振動方向と垂直且つ基板と水平な方向への剛性に比べて大きくなるように前記第１振動子と前記第１静電気力発生手段を機械的に連結する第１連結梁と、
前記第２振動子の振動方向への剛性が前記第２振動子の振動方向と垂直且つ基板と水平な方向への剛性に比べて大きくなるように前記第２振動子と前記第２静電気力発生手段を機械的に連結する第２連結梁とを有し、
前記第１連結梁と前記第２連結梁と前記第１振動子の重心と前記第２振動子の重心とを直線上に配置したことを特徴とする角速度センサ。 - 請求項７に記載の角速度センサおいて、
前記弾性連結梁に前記第１及び第２振動子の同相振動を抑える粘性力発生手段を配置することを特徴とする角速度センサ。
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