JP2000081335A

JP2000081335A - ヨーレートセンサ

Info

Publication number: JP2000081335A
Application number: JP10252871A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Ito; 弘明伊藤; Eiji Kawasaki; 栄嗣川崎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2000-03-21

Abstract

(57)【要約】【課題】より低コスト化を図ることができるヨーレート
センサを提供する。【解決手段】振動子３は基板の上において基板表面にて
形成されるＸ−Ｙ座標面に変位可能に支持され、可動電
極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄを有する。基板の上において
固定電極９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄ，１２ａ〜１２
ｄ，１３ａ〜１３ｄが、振動子３の可動電極と対向して
いる。励振信号発生回路１５は励振信号(I),(II)を送出
して振動子３の可動電極と固定電極との間に静電気力を
発生させて振動子３を励振させる。スイッチング制御回
路１６は振動子３の励振動作を停止して振動子３を自由
振動させ、演算装置２０は振動子３が自由振動を行って
いるときにおいて、振動子３の振動方向に直交する振動
子３の変位を、可動電極と固定電極との間の静電容量か
ら検出してヨーレートを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はヨーレートセンサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的な静電駆動容量検出式ヨーレート
センサの構成例を図１１に示す。この静電駆動容量検出
式ヨーレートセンサは可動部励振用電極２０１，２０２
とヨーレート検出用電極２０３を備えている。励振用電
極２０１，２０２には、可動部２０４を静電気力により
励振させるための電気信号（駆動信号）を常に印加し、
可動部２０４をＸ方向に振動させる。具体的には、逆相
の正弦波を励振用電極２０１と２０２に印加する。この
際、低電圧で大きな振幅を得るために可動部２０４のＸ
方向の共振周波数で駆動するのが一般的である。

【０００３】そして、Ｙ軸回りのヨーレートが加わった
とき、可動部２０４はＺ軸方向に駆動周波数で振動し始
める。この振動は可動部２０４とヨーレート検出用電極
２０３との容量値の変化として検出する。ヨーレート検
出用電極２０３には、容量値を電圧に変換するＣ−Ｖ変
換器２０５が接続されており、ヨーレートが作用してい
る時、Ｃ−Ｖ変換出力には、ヨーレートに比例した振幅
の正弦波が駆動周波数で現れている。この信号から、同
期検波回路２０６においてヨーレート信号を得るために
駆動周波数で同期検波をする。同期検波のリファレンス
信号には可動部励振用電極２０１，２０２に印加した駆
動信号が用いられるのが一般的である。

【０００４】しかし、これら別個の電極２０１，２０
２，２０３を用いる構成では、センササイズの増大や工
程数の増加により、低コスト化の妨げとなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明の目
的は、より低コスト化を図ることができるヨーレートセ
ンサを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のヨーレ
ートセンサは、励振信号生成手段による振動子の励振動
作を停止して振動子を自由振動させる励振中断手段と、
励振中断手段により振動子が自由振動を行っているとき
において、振動子の振動方向に直交する振動子の変位
を、可動電極と固定電極との間の静電容量から検出して
ヨーレートを算出するヨーレート算出手段と、を備えた
ことを特徴としている。

【０００７】この構成を採用することにより、励振信号
生成手段は、振動子の可動電極と固定電極との間に静電
気力を発生させて振動子を励振させるための信号を生成
する。励振中断手段は、励振信号生成手段による振動子
の励振動作を停止して振動子を自由振動させる。そし
て、ヨーレート算出手段は、励振中断手段により振動子
が自由振動を行っているときにおいて、振動子の振動方
向に直交する振動子の変位を、可動電極と固定電極との
間の静電容量から検出してヨーレートを算出する。

【０００８】よって、励振用・ヨーレート検出用の電極
を共通化し、１つの電極に２つの用途をもたせること
で、より低コスト化を図ることができる。つまり、従来
のセンサのように別個の電極の構成とした場合には、セ
ンササイズの増大や工程数の増加により低コスト化の妨
げとなったが、本発明によれば、低コストなセンサとす
ることができる。

【０００９】ここで、請求項２に記載の発明は、励振中
断手段として、固定電極または可動電極への励振信号ラ
インに設けられたスイッチと、ヨーレートを算出する際
にスイッチを制御して励振信号ラインを遮断するスイッ
チング制御手段と、を備えたものとする。すると、スイ
ッチング制御手段は、ヨーレートを算出する際に、固定
電極または可動電極への励振信号ラインに設けられたス
イッチを制御して励振信号ラインを遮断する。

【００１０】よって、ヨーレートによる容量変化検出時
に励振信号が寄生容量によりカップリングされてヨーレ
ート検出信号に回り込むことが回避される。つまり、図
１１の従来のセンサにおいては、駆動信号（励振信号）
を常に印加し続けているために駆動信号が寄生容量のカ
ップリングにより検出電極２０３に回り込み、最終的に
ヨーレートのオフセットとして現れる問題があったが、
本発明によれば、これを回避することができる。

【００１１】また、請求項３に記載のように、請求項２
での前記スイッチング制御手段として、振動子の振動状
態を検出する振動状態検出手段にて、振動子の振動状態
をモニタしつつスイッチを制御するようにすると、より
確実に振動子の振動状態を把握して正確なる測定を行う
ことが可能となる。

【００１２】また、請求項４に記載のように、請求項３
での振動状態検出手段として、振動子の梁に形成した歪
みゲージを用いると、より確実に振動子の振動状態をモ
ニタすることができる。

【００１３】また、請求項５に記載のように、請求項２
でのスイッチング制御手段として、励振信号の波の数の
計数動作に基づいてスイッチを制御するようにすると、
振動状態検出手段を不要にでき、構造の簡素化を図るこ
とができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した実施
の形態を図面に従って説明する。図１には、本実施形態
における静電容量式ヨーレートセンサの平面図および周
辺の電気的構成を示す。図２には、図１のＡ−Ａ線での
断面図を示す。

【００１５】図１に示すように、本センサはセンサエレ
メント１００を具備している。センサエレメント１００
として、本例では、図２に示すように、シリコン基板１
の上に絶縁膜（２ａ，２ｃ，１１等）を介してシリコン
層（９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄ等）を形成したＳＯＩ
基板を用いている。

【００１６】シリコン基板１の上にはアンカー部２ａ，
２ｂ，２ｃ，２ｄ（図１参照）により振動子３が基板１
の表面から所定の間隔をおいて支持されている。この振
動子３が可動電極として機能する。振動子３に関し、よ
り詳しくは、振動子３は、梁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと
本体部（重り）５を備えている。梁４ａ，４ｂ，４ｃ，
４ｄはＬ字状をなし、本体部５は長方形状をなしてい
る。角形の本体部５の角部からは梁４ａ，４ｂ，４ｃ，
４ｄが延びるとともに梁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの他端
がアンカー部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに固定されてい
る。振動子３は、ＳＯＩ基板のシリコン層より成り、ア
ンカー部２ａ〜２ｄはＳＯＩ基板の絶縁膜より成る。図
１において、角形の本体部５の左端面には棒状の可動電
極７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが突設され、櫛歯状を成して
いる。また、角形の本体部５の右端面には棒状の可動電
極８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄが突設され、櫛歯状を成して
いる。

【００１７】この振動子３は、基板１の表面にて形成さ
れる２軸直交座標面に変位可能に支持されている。つま
り、図１のＸ−Ｙ座標面において自在に変位できる。よ
り詳しくは、本例では、梁４ａ〜４ｄの形状としてＬ字
型にすることによってＸ，Ｙの２方向の自由度をもつ構
造としている。

【００１８】一方、図１，２に示すように、基板１の上
には、棒状の固定電極９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが、可動
電極７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの一方の面に対向するよう
に配置されている。また、基板１の上には、棒状の固定
電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが、可動電極７
ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの他方の面に対向するように配置
されている。同様に、図１に示すように、基板１の上に
は、棒状の固定電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ
が、可動電極８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの一方の面に対向
するように配置されている。また、基板１の上には、棒
状の固定電極１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが、可動
電極８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの他方の面に対向するよう
に配置されている。

【００１９】各固定電極９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄ，
１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄはＳＯＩ基板のシリコ
ン層より成り、絶縁膜１１（図２参照）にて基板１側に
固定されている。

【００２０】本例では、Ｘ方向は振動子３を静電気力に
よって振動させる振動子励振方向であり、Ｙ方向は振動
している振動子３にＺ軸回りの角速度が加わったときに
コリオリ力が作用する方向であり、Ｙ方向がそれを容量
値の変化として検出するコリオリ力（ヨーレート）検出
方向である。

【００２１】次に、制御系について図１を用いて説明す
る。固定電極９ａ〜９ｄは配線Ｌ１にて電気的に接続さ
れ、固定電極１０ａ〜１０ｄは配線Ｌ２にて電気的に接
続されている。また、固定電極１２ａ〜１２ｄは配線Ｌ
３にて電気的に接続され、固定電極１３ａ〜１３ｄは配
線Ｌ４にて電気的に接続されている。

【００２２】制御系の回路として、励振信号発生回路１
５を備えている。この励振信号発生回路１５は信号線Ｌ
５を通して前記配線Ｌ２（固定電極１０ａ〜１０ｄ）と
接続できるとともに、信号線Ｌ５，Ｌ６を通して前記配
線Ｌ１（固定電極９ａ〜９ｄ）と接続できるようになっ
ている。信号線Ｌ５の途中にはスイッチＳＷ１が、ま
た、信号線Ｌ６の途中にはスイッチＳＷ２が配置されて
いる。

【００２３】同様に、励振信号発生回路１５は信号線Ｌ
７を通して前記配線Ｌ４（固定電極１３ａ〜１３ｄ）と
接続できるとともに、信号線Ｌ７，Ｌ８を通して前記配
線Ｌ３（固定電極１２ａ〜１２ｄ）と接続できるように
なっている。信号線Ｌ７の途中にはスイッチＳＷ４が、
また、信号線Ｌ８の途中にはスイッチＳＷ３が配置され
ている。

【００２４】そして、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を閉じた
状態で、励振信号発生回路１５から励振信号（I)が固定
電極９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄに送られる。また、ス
イッチＳＷ３，ＳＷ４を閉じた状態で、励振信号発生回
路１５から励振信号（II) が固定電極１２ａ〜１２ｄ，
１３ａ〜１３ｄに送られる。この励振信号（I)，（II)
により、振動子３の可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄと
固定電極９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄ，１２ａ〜１２
ｄ，１３ａ〜１３ｄとの間に静電気力が発生して振動子
３を励振させることができるようになっている。

【００２５】ここで、２つの可動電極励振信号（I)，
（II) には、図３に示すようにオフセットがついた正弦
波を用い、２つの励振信号（I)，（II) は逆相となって
いる。可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄの電位は接地
（ＧＮＤ）とする。そして、この励振信号（I)，（II)
を印加することにより、固定・可動電極間には、励振信
号と同じ周波数の静電気力が発生し、可動電極７ａ〜７
ｄ，８ａ〜８ｄは励振信号と同じ周波数で振動する。ま
た、この励振信号の周波数を振動子３の励振方向（Ｘ方
向の）共振周波数と一致させることで、低電圧でも（小
さい静電気力でも）大きな振動振幅を得ることが可能に
なる。

【００２６】励振信号の他の例としては、図８のように
オフセットがついていない正弦波信号とし、固定電極９
ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄに印加する信号に対し固定電
極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄに印加する信号は位
相差９０°の正弦波を用いてもよい。オフセットがつい
ていない信号の時に作用する静電気力は、この励振信号
の２倍の周波数で発生することから、このような信号を
印加することで可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄは励振
信号の２倍の周波数で振動する。この時、振動子３の共
振を利用する場合には、振動子３のＸ方向の共振周波数
の半分の周波数で駆動することで大きい振動振幅を低電
圧で（低静電気力で）実現することができる。

【００２７】図１の説明に戻り、配線Ｌ１（固定電極９
ａ〜９ｄ）は信号線Ｌ９を通して容量−電圧変換器１８
に接続され、配線Ｌ３（固定電極１２ａ〜１２ｄ）は信
号線Ｌ１０，Ｌ９を通して容量−電圧変換器１８に接続
されている。信号線Ｌ９の途中にはスイッチＳＷ５が、
また、信号線Ｌ１０の途中にはスイッチＳＷ６が配置さ
れている。

【００２８】同様に、配線Ｌ２（固定電極１０ａ〜１０
ｄ）は信号線Ｌ１１を通して容量−電圧変換器１９に接
続され、配線Ｌ４（固定電極１３ａ〜１３ｄ）は信号線
Ｌ１２，Ｌ１１を通して容量−電圧変換器１９に接続さ
れている。信号線Ｌ１１の途中にはスイッチＳＷ７が、
また、信号線Ｌ１２の途中にはスイッチＳＷ８が配置さ
れている。

【００２９】そして、スイッチＳＷ５，ＳＷ６を閉じた
状態で、固定電極９ａ〜９ｄ，１２ａ〜１２ｄと可動電
極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄとの間の容量に応じた信号が
容量−電圧変換器１８に送られるとともに、スイッチＳ
Ｗ７，ＳＷ８を閉じた状態で、固定電極１０ａ〜１０
ｄ，１３ａ〜１３ｄと可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄ
との間の容量に応じた信号が容量−電圧変換器１９に送
られる。

【００３０】容量−電圧変換器１８，１９は、固定電極
と可動電極との間の容量を電圧に変換して出力するもの
である。容量−電圧変換器１８，１９の出力端子は演算
装置２０に接続されている。演算装置２０は変換器１
８，１９の出力値に基づいてヨーレートを算出する。

【００３１】演算装置２０の具体的構成例としては、図
４に示すように、差動増幅器を用いる。つまり、容量−
電圧変換器１８，１９の出力をそれぞれオペアンプ３０
に入力し、その差をとり、所定量だけ増幅して出力す
る。

【００３２】スイッチＳＷ１〜ＳＷ８の具体的構成例と
しては、図５に示すように、ＦＥＴ（Ｆield Ｅffect
Ｔransistor ）を用いる、あるいは、図６に示すよう
に、ＣＭＯＳトランジスタを用いる。

【００３３】図１のスイッチング制御回路１６は、振動
子３の梁４ｄに形成した歪みゲージ１４からの信号を入
力して振動子３の振動状態をモニタし、このモニタ結果
に基づいてスイッチＳＷ１〜ＳＷ８を開閉制御する。歪
みゲージ１４の出力を用いてスイッチの制御を行うため
の構成例としては、振動子３の振動モニタ信号の振幅を
整流回路で検出し、コンパレータで基準の信号と比較し
て、その出力をスイッチング制御信号とする。このスイ
ッチング制御信号は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４に対して
はそのまま信号（I)として送られ、スイッチＳＷ５〜Ｓ
Ｗ８に対してはインバータ１７にて反転して信号（II)
として送られる。スイッチング制御信号によりスイッチ
ＳＷ１〜ＳＷ４とスイッチＳＷ５〜ＳＷ８のいずれか一
方がオンされる。

【００３４】次に、ヨーレートセンサの作用について説
明する。センサとしての動作は、図７に示すように、固
定電極の使用目的の違いから可動部励振モードとヨーレ
ート検出モードの２つからなる。これら２つのモードを
繰り返してヨーレートの検出を可能にしている。

【００３５】可動部励振モードでは、スイッチング制御
信号はＨレベルとなり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がオ
ン、スイッチＳＷ５〜ＳＷ８はオフ状態になる。それに
より、図１の固定電極９ａ〜９ｄと１０ａ〜１０ｄが同
電位となり、また、固定電極１２ａ〜１２ｄと１３ａ〜
１３ｄも同電位となる。

【００３６】同時に、振動子３を静電気力により励振さ
せるための励振信号（I)が励振信号発生回路１５から固
定電極９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄに印加され、また、
励振信号（II) が固定電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１
３ｄに印加される。この励振信号によって、固定電極と
可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄの間には静電気力が作
用し、可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄは固定電極に引
き寄せられてＸ方向に変位する。固定電極９ａ〜９ｄ，
１０ａ〜１０ｄに加える信号と固定電極１２ａ〜１２
ｄ，１３ａ〜１３ｄに加える信号を交互に静電気力が作
用させるようにすることで可動電極はＸ方向に振動す
る。

【００３７】ヨーレート検出モードについて説明する。
ヨーレートのセンシングはヨーレート検出モード時に行
われる。本例では、Ｚ軸回りに作用したヨーレート（角
速度）を、Ｙ軸方向に発生するコリオリ力を検知するこ
とにより行う。具体的には、可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ
〜８ｄと固定電極をコンデンサの対向電極板として、コ
リオリ力によって発生した振動子３のＹ軸方向の変位
を、同コンデンサの容量値の変化として検出する。

【００３８】そして、図１のスイッチング制御回路１６
は、可動部励振モード時に歪みゲージ１４からの信号を
モニタしており、振動子３のＸ方向の振動振幅が所定の
レベルＬmax に達したときに（図７のｔ２のタイミン
グ）、可動部励振モードからヨーレート検出モードへ切
り換える。このヨーレート検出モードへの切り換えにて
モード切換信号がＬレベルになる。

【００３９】ここで、ヨーレート検出モードに移るタイ
ミングは、Ｘ方向の励振振幅とヨーレートが作用したと
きに発生するコリオリ力とは比例関係にあるため、検出
したい最小のヨーレートが作用した時に発生するコリオ
リ力による振動子３の変位、つまりは、検出したい最小
のヨーレートが作用した時の可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ
〜８ｄと固定電極との容量値の変化がＣ−Ｖ変換器１
８，１９で検出可能である時の励振振幅とする。つま
り、振動子３の励振振幅を検出できるように梁４ｄに歪
みゲージ１４を形成しておき、その出力を検出して望む
べき励振振幅に達したときにモードを切り換える。

【００４０】他の切り換えのための構成例としては、セ
ンサを使用する環境での可動部励振モードの時間と励振
振幅との関係を予め測定しておき、望むべき励振振幅に
達するときの励振信号の波の数でモード切り換えを行っ
てもよい。一般に励振時間と励振振幅との関係は構造体
の形状、センサの置かれた環境の真空度等によって異な
る。低真空度の場合、ヨーレートを検出できるような振
動振幅を得るためには高真空度の場合より、時間が長く
なる。より詳しくは、図１に代わる図９のように歪みゲ
ージを用いずにスイッチング制御回路１６に励振信号を
取り込み、図１０に示すように、励振信号の波の数の計
数動作に基づいてスイッチを制御する。

【００４１】図１０においては、励振信号のピークをカ
ウンタで計数していきカウント値ｎ＝４にて可動部励振
モードからヨーレート検出モードに切り換え（ｔ１０の
タイミング）、ヨーレート検出モードにおいて所定時間
が経過したｔ１１のタイミングにて可動部励振モードに
復帰する場合を示している。

【００４２】センサの作用説明に戻り、図７に示すごと
く、ヨーレート検出モードにおいては、可動電極７ａ〜
７ｄ，８ａ〜８ｄに静電気力は作用していないが、振動
子３は励振モードで振動させた惰性により自由振動で振
動している。可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄが振動し
ている限り、ヨーレートが作用したときのコリオリ力は
発生するが、Ｘ方向の振動振幅が変化するとヨーレート
検出感度が変化してしまいセンサとして悪影響を及ぼ
す。可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄの振動振幅とヨー
レートの検出感度との関係は比例関係にあり、つまり、
Ｘ方向の振動振幅が１／２になった場合、センサの感度
も１／２に低下する。よって、検出モードの時間は、こ
の自由振動の振幅がセンサ感度に影響を与えない程度の
変化内にある期間とする。具体的には、センサに要求さ
れる感度の分解能から逆算して、許される振動振幅の変
化幅Ｌmin を設定し、この振幅レベルＬmin になると励
振モードに復帰する。振動子３の自由振動振幅の減衰率
は、構造体の形状、センサの置かれた環境の真空度によ
って異なるが、構造体を共振特性の良いもの、真空度を
高真空にすることで、つまりは振動のＱ値の高いセンサ
とすることで、この減衰を小さくすることができる。

【００４３】また、ヨーレート検出モードでは、図１の
スイッチング制御信号（I)はＬレベルになり、スイッチ
ング制御信号（II) はＨレベルとなり、スイッチＳＷ１
〜ＳＷ４は全てオフ、スイッチＳＷ５〜ＳＷ８がオン状
態となる。それにより、固定電極９ａ〜９ｄと１２ａ〜
１２ｄが同電位となり、また、固定電極１０ａ〜１０ｄ
と１３ａ〜１３ｄも同電位となる。同時に、固定電極９
ａ〜９ｄ，１２ａ〜１２ｄはＣ−Ｖ変換器１８に、ま
た、固定電極１０ａ〜１０ｄ，１３ａ〜１３ｄはＣ−Ｖ
変換器１９に接続される。つまり、ヨーレート検出モー
ドにおいて、固定電極９ａ〜９ｄ，１２ａ〜１２ｄ，１
０ａ〜１０ｄ，１３ａ〜１３ｄは可動電極との容量値を
検出する電極として使用される。

【００４４】Ｘ方向に振動している可動電極７ａ〜７
ｄ，８ａ〜８ｄにＺ軸回りヨーレートが作用すると、コ
リオリ力がＹ軸方向に発生し、可動電極７ａ〜７ｄ，８
ａ〜８ｄはＹ方向にＸ方向の振動と同じ周波数で振動し
始める。このヨーレートによって生じたＹ方向の振動
を、可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄと固定電極９ａ〜
９ｄ，１２ａ〜１２ｄとの容量値、および可動電極７ａ
〜７ｄ，８ａ〜８ｄと固定電極１０ａ〜１０ｄ，１３ａ
〜１３ｄとの容量値の変化として検出する。

【００４５】この可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄと固
定電極９ａ〜９ｄ，１２ａ〜１２ｄとの容量値と、可動
電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄと固定電極１０ａ〜１０
ｄ，１３ａ〜１３ｄとの容量値の関係は、振動子３のＹ
軸方向の変位によって一方の容量値が増加したとき、他
方の容量値は減少するようになっていることから、それ
ぞれの容量値を電圧に変換したＣ−Ｖ変換器１８，１９
の出力には逆相の正弦波として現れる。ヨーレートが逆
回りの時には、それぞれ位相が反転した出力となる。演
算装置２０でこの２つのＣ−Ｖ変換出力の差をとること
で高感度に容量の変化を検出できるようになり、つまり
は高感度にヨーレートを検出することが可能になる。

【００４６】演算装置２０はＣ−Ｖ変換器１８，１９の
演算結果（出力）をＸ軸方向の振動の周波数をもつ信号
で同期検波することで、センサに作用したヨーレートを
検出する。

【００４７】また、このヨーレート検出モードにおいて
は、可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄを励振させる駆動
信号は印加されていないので、Ｙ軸方向の容量値の変化
を検出するＣ−Ｖ変換出力には、駆動信号が寄生容量に
よってカップリングされる駆動信号の回り込みは現れな
い。つまり、ヨーレート検出には不要な信号成分を除去
して容量の検出を行うことができるので、励振と検出を
同時に行っている従来の方法に比べてＳ／Ｎ比が向上す
る。演算装置２０でこの２つのＣ−Ｖ変換出力の差をと
ることで高感度に容量の変化を検出できるようになる。

【００４８】このように、センサ駆動回路の回路構成と
して、固定電極の使用目的を切り換えるスイッチＳＷ１
〜ＳＷ８を設け、振動子３の両側に配置した固定電極９
ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄ，１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜
１３ｄを、図７のｔ１〜ｔ２の期間においては可動部励
振用に使用し、その後のｔ２〜ｔ３の期間においてはヨ
ーレートを検出するための容量検出電極として使用す
る。これにより、固定電極数を減らすことが可能にな
り、工程数の減少、低コスト化が可能になる。

【００４９】つまり、振動子３の両側に配置された固定
電極９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０ｄ，１２ａ〜１２ｄ，１
３ａ〜１３ｄを時分割して使用することでヨーレートセ
ンサに必要な電極数を減らし、励振、検出の電極を共通
化することでセンサの小型化、コストの低減を図ること
ができる。

【００５０】このように本実施の形態は、下記の特徴を
有する。（イ）図１に示すように、励振信号生成手段としての励
振信号発生回路１５により、振動子３の可動電極７ａ〜
７ｄ，８ａ〜８ｄと固定電極９ａ〜９ｄ，１０ａ〜１０
ｄ，１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄとの間に静電気力
を発生させて振動子３を励振させるための信号を生成
し、励振中断手段を構成するスイッチＳＷ１〜ＳＷ８お
よびスイッチング制御回路１６により、励振信号発生回
路１５による振動子３の励振動作を停止して振動子３を
自由振動させ、ヨーレート算出手段としての演算装置２
０により、振動子３が自由振動を行っているときにおい
て、振動子３の振動方向に直交する振動子３の変位を、
可動電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄと固定電極９ａ〜９
ｄ，１０ａ〜１０ｄ，１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ
との間の静電容量から検出してヨーレートを算出するよ
うにした。

【００５１】よって、図１１に示した従来センサのよう
に別個の電極２０１，２０２，２０３を用いるとセンサ
サイズの増大や工程数の増加により低コスト化の妨げと
なっていたが、本実施形態においては、励振用・ヨーレ
ート検出用の電極７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｄ，９ａ〜９
ｄ，１０ａ〜１０ｄ，１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ
を共通化し、１つの電極に２つの用途をもたせること
で、より低コスト化を図ることができる。（ロ）スイッチング制御回路１６は、ヨーレートを算出
する際に、固定電極または可動電極への励振信号ライン
（信号線）Ｌ５〜Ｌ８に設けられたスイッチＳＷ４〜Ｓ
Ｗ８を制御して励振信号ラインＬ５〜Ｌ８を遮断するの
で、ヨーレートによる容量変化検出時に励振信号が寄生
容量によりカップリングされてヨーレート検出信号に回
り込むことが起こらない。つまり、従来のセンサにおい
ては、駆動信号を常に印加し続けているために駆動信号
が寄生容量のカップリングにより検出電極に回り込み最
終的にヨーレートのオフセットとして現れる問題があっ
たが、本実施形態によれば、これを回避することができ
る。（ハ）スイッチング制御回路１６は、振動子３の振動状
態を検出する振動状態検出手段１４にて、振動子３の振
動状態をモニタしつつスイッチＳＷ１〜ＳＷ８を制御す
るので、より確実に振動子３の振動状態を把握して正確
なる測定を行うことが可能となる。（ニ）振動状態検出手段１４として、振動子３の梁４ｄ
に形成した歪みゲージ１４を用いたので、より確実に振
動子３の振動状態をモニタすることができる。（ホ）図９，１０に示すように、スイッチング制御回路
１６が、励振信号の波の数の計数動作に基づいてスイッ
チＳＷ１〜ＳＷ８を制御するようにすると、図１の振動
状態検出手段１４を不要にでき、構造の簡素化を図るこ
とができる。

【００５２】これまで説明してきたものの他にも、次の
ように実施してもよい。可動電極に対し両側に固定電極
を配置したが（例えば、図１の可動電極７ａに対し固定
電極９ａと１０ａを配置）、一方のみに固定電極を配置
した構成としてもよい。

【００５３】また、可動電極を接地（ＧＮＤ）するとと
もに固定電極に励振信号を印加する例を示したが、固定
電極を接地するとともに可動電極に励振信号を印加する
等の態様にて実施してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態におけるヨーレートセンサの全体構
成図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】励振信号の波形図。

【図４】演算装置の構成例を示す図。

【図５】スイッチの構成例を示す図。

【図６】スイッチの構成例を示す図。

【図７】信号の波形図。

【図８】別例の励振信号の波形図。

【図９】別例のヨーレートセンサの全体構成図。

【図１０】別例の信号の波形図。

【図１１】従来のヨーレートセンサの全体構成図。

【符号の説明】

１…シリコン基板、３…振動子、４ａ〜４ｄ…梁、７ａ
〜７ｄ…可動電極、８ａ〜８ｄ…可動電極、９ａ〜９ｄ
…固定電極、１０ａ〜１０ｄ…固定電極、１２ａ〜１２
ｄ…固定電極、１３ａ〜１３ｄ…固定電極、１４…歪み
ゲージ、１５…励振信号発生回路、１６…スイッチング
制御回路、２０…演算装置、Ｌ１〜Ｌ１２…配線、ＳＷ
１〜ＳＷ８…スイッチ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の上に、当該基板の表面にて形成さ
れる２軸直交座標面に変位可能に支持され、可動電極を
有する振動子と、前記基板の上において前記振動子の可動電極と対向する
固定電極と、前記振動子の可動電極と固定電極との間に静電気力を発
生させて前記振動子を励振させるための信号を生成する
励振信号生成手段と、前記励振信号生成手段による振動子の励振動作を停止し
て振動子を自由振動させる励振中断手段と、前記励振中断手段により振動子が自由振動を行っている
ときにおいて、振動子の振動方向に直交する前記振動子
の変位を、可動電極と固定電極との間の静電容量から検
出してヨーレートを算出するヨーレート算出手段と、を
備えたことを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項２】前記励振中断手段は、固定電極または可動電極への励振信号ラインに設けられ
たスイッチと、ヨーレートを算出する際にスイッチを制御して励振信号
ラインを遮断するスイッチング制御手段と、を備えてな
る請求項１に記載のヨーレートセンサ。
【請求項３】前記スイッチング制御手段は、振動子の
振動状態を検出する振動状態検出手段にて、振動子の振
動状態をモニタしつつスイッチを制御するものである請
求項２に記載のヨーレートセンサ。
【請求項４】振動状態検出手段は、振動子の梁に形成
した歪みゲージである請求項３に記載のヨーレートセン
サ。
【請求項５】前記スイッチング制御手段は、励振信号
の波の数の計数動作に基づいてスイッチを制御するもの
である請求項２に記載のヨーレートセンサ。