JP2001304868A - センサ装置及びセンサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動子の振動を用いたセンサ素子の異常を簡
単に検出する。 【解決手段】 電極部５１−１〜４は、電極部５２−１
〜４と協働して、振動子２０をＸ軸方向に一定振幅で振
動させる。電極部５３−１〜４は、振動子２０のＹ軸方
向の振動を検出することにより、Ｚ軸回りに作用する角
速度を検出する。各電極部５２−１〜４，５３−１〜４
には異なる周波数の高周波信号がそれぞれ印加されてい
て、出力回路７０にて各電極部５２−１〜４，５３−１
〜４からの信号を復調することにより、振動子２０のＸ
軸及びＹ軸方向の振動を検出する。前記復調したＸ軸方
向の振動を表す信号のレベルに基づいてセンサ素子の異
常を判定する。電極部５１−１〜４に電気的に並列接続
された固定容量のダミー電極部５４−１，２を基板１０
上に設けて、センサ素子の異常検出に利用される電極部
５１−１〜４の見かけ上の静電容量を大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に変位可能
に支持された振動子を備え、加速度、角速度、圧力など
に関係した外力を検出するセンサ装置及びセンサ素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、基板上に変位可能に支持され
た振動子を備え、加速度、角速度、圧力などに関係した
外力を検出するセンサ装置及びセンサ素子はよく知られ
ている。そして、この種の装置における異常の診断にお
いては、例えば特開平９−２３６４３６号公報に示され
ているように、振動子を強制的に振動させるとともに同
振動をモニタすることにより、振動子と基板との間のゴ
ミの侵入などにより振動子の振動が阻害されているかを
否かを判定するようにしたものは知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来装置において
は、センサ素子上の配線における断線、ショートなどの
異常検出も可能ではあるが、同検出のために振動子を強
制的に振動させる必要があり、診断装置の構成が複雑に
なるという問題がある。

【０００４】

【発明の概略】本発明は、上記問題に対処するためにな
されたもので、その目的は、センサ素子上の配線におけ
る断線及びショート、電極指の接触及び破損などの異常
を簡単な構成で検出できるようにすることにある。

【０００５】前記目的を達成するために、本発明の構成
上の特徴は、基板上に変位可能に支持された振動子と、
前記基板に固定された第１固定電極指と、前記第１固定
電極指に対向するとともに前記振動子と一体的に変位す
る可動電極指とからなり、前記振動子の前記基板に対す
る変位に応じて変化する静電容量を検出する検出電極部
と、前記検出電極部に高周波信号を入力する高周波信号
入力手段と、前記検出電極部から出力される高周波信号
を復調して前記振動子の変位を検出する復調手段とを備
えたセンサ装置において、前記復調手段により復調され
た信号のレベルに基づいてセンサ装置の異常を判定する
異常判定手段を設けたことにある。

【０００６】前記のように構成したセンサ装置において
は、復調手段は振動子の変位に応じて静電容量の変化す
る検出電極部から出力された高周波信号を復調すること
によって振動子の変位を検出するので、基板上の配線が
断線又はショートしたり、検出電極部の各電極指が接触
又は破損したりすれば、前記復調された信号に前記異常
に伴う変化が現われる。本発明は前記復調された信号の
変化に着目したもので、異常判定手段が復調手段により
復調された信号のレベルに基づいてセンサ装置の異常を
判定するので、基板上の配線の断線及びショート、検出
電極部における各電極指の接触及び破損などのセンサ装
置の異常を簡単な構成で検出できるようになる。

【０００７】また、本発明の他の構成上の特徴は、互い
に対向するとともに前記基板に固定された第２及び第３
固定電極指からなり、前記検出電極部に電気的に並列接
続されたダミー電極部を設けたことにある。

【０００８】これによれば、ダミー電極部の静電容量
は、振動子の変位とは無関係に一定に保たれ、この固定
の静電容量が検出電極部の振動子の変位に応じた可変静
電容量に加算されるので、検出電極部の見かけ上の静電
容量が大きくなる。

【０００９】このようなセンサ装置においては、振動子
の変位の検出ダイミナミックレンジを大きくするために
は検出電極部の静電容量を大きくすることが好ましい。
その反面、この検出電極部の静電容量を大きくすること
は、可動電極指が固定電極指に対して変位する際に両電
極指間の気体によるダンピングが大きくなることを意味
するので、検出電極部の静電容量をあまり大きくするこ
とはできない。したがって、この場合には、前記のよう
な基板上の配線の断線及びショート、検出電極部におけ
る各電極指の接触及び破損などのセンサ装置の異常が発
生しても、検出電極部の静電容量が小さいために、同静
電容量の変化から前記センサ装置の異常を判定し難いと
いう問題がある。

【００１０】これに対して、本発明の他の構成上の特徴
のように、ダミー電極を設けて検出電極部の見かけ上の
静電容量を大きくすれば、前記のような異常に伴う検出
電極部の静電容量の変化が大きくなり、異常判定手段は
同異常を復調手段からの出力信号のレベルに基づいて判
定し易くなる。また、この場合、ダミー電極部は基板に
固定された一対の電極指によって構成されており、振動
子の変位とは無関係であるので、同一対の電極指間の気
体によるダンピングが大きくなることもない。その結
果、前記本発明の他の構成上の特徴によれば、振動子の
変位に悪影響を与えることなく、基板上の配線の断線及
びショート、検出電極部における各電極指の接触及び破
損などのセンサ装置の異常を的確かつ簡単に判定できる
ようになる。

【００１１】さらに、本発明の他の構成上の特徴は、上
記振動子及び検出電極部を備えたセンサ素子において、
上記と同様なダミー電極部を設けたことにある。これに
よれば、上記のような高周波信号入力手段、復調手段及
び異常判定手段を同センサ素子に接続することにより、
上記と同様に、基板上の配線の断線及びショート、検出
電極部における各電極指の接触及び破損などのセンサ装
置の異常を的確かつ簡単に判定できるようになる。

【００１２】また、本発明の他の構成上の特徴は、上記
センサ素子の特徴を、同センサ素子に基板に固定された
固定電極指及び振動子と一体的に変位する可動電極指と
からなって振動子を振動させる駆動電極部を加えたセン
サ素子にも適用するようにしたことにある。これによれ
ば、駆動電極部を備えて角速度などを検出するセンサ素
子においても、上記効果が期待される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
を用いて説明すると、図１は同実施形態に係り角速度を
検出するための半導体で構成したセンサ素子の平面図で
あり、図２は同素子の各部の断面図である。なお、図１
及び図２においては、基板１０上面との間に隙間のある
部材と隙間のない部材、すなわち基板１０に固定された
部材と基板１０に対して変位可能な部材とで模様を異な
らせて示している。

【００１４】このセンサ素子は、シリコンで方形状に形
成された基板１０上に、振動子２０、一対のメインフレ
ーム３０−１，３０−２及び一対のサブフレーム３０−
３，３０−４をその上面から所定距離だけ隔てた水平面
内に延設させている。これらの振動子２０及び各フレー
ム３０−１〜３０−４は、基板１０上に振動可能に支持
された振動部を構成する。

【００１５】振動子２０は、Ｘ軸方向に振動している状
態で、Ｘ，Ｙ両軸に直交するＺ軸回りの角速度によって
同角速度の大きさに比例した振幅でＹ軸方向に振動する
もので、中央部に設けられて適当な質量を有するととも
にＸ軸及びＹ軸を各辺の延設方向とする方形状のマス部
２１と、同マス部２１の各対角位置からＸ軸方向に延設
された４つのアーム部２２−１〜２２−４とからなるほ
ぼＨ型に形成されている。マス部２１、アーム部２２−
１〜２２−４などの幅広の部分には、製造上の便宜のた
めに複数の方形状の貫通孔（図示しない）が設けられて
いる。

【００１６】メインフレーム３０−１，３０−２は、振
動子２０をＸ軸方向に振動させるもので、振動子２０の
アーム部２２−１〜２２−４のＹ軸方向外側位置にてＸ
軸方向にそれぞれ延設された幅広の長尺部３１−１，３
１−２と、両長尺部３１−１，３１−２の両端にてそれ
らの両側にそれぞれＹ軸方向に短く延設された幅広の終
端部３２−１〜３２−４とからなるほぼＩ型にそれぞれ
形成されている。サブフレーム３０−３，３０−４も、
幅広に構成されていて、長尺部３１−１，３１−２の各
外側にてＸ軸方向にそれぞれ延設されている。これらの
メインフレーム３０−１，３０−２及びサブフレーム３
０−３，３０−４においても、前記振動子２０の場合と
同様な貫通孔（図示しない）が設けられている。

【００１７】メインフレーム３０−１，３０−２は、梁
３３−１〜３３−４により振動子２０に連結されてい
る。梁３３−１〜３３−４も、基板１０上面から所定距
離だけ隔てた水平面内にてＸ軸方向に延設されており、
各一端は振動子２０のアーム部２２−１〜２２−４の根
元付近にそれぞれ接続され、各他端はメインフレーム３
０−１，３０−２の各終端部３２−１〜３２−４にそれ
ぞれ接続されている。また、梁３３−１〜３３−４は、
振動子２０のアーム部２２−１〜２２−４、メインフレ
ーム３０−１，３０−２の長尺部３１−１，３１−２及
び終端部３２−１〜３２−４の幅より細く構成されてい
る。これにより、メインフレーム３０−１，３０−２か
ら振動子２０へＹ軸方向の振動が伝達され難くかつＸ軸
方向の振動が効率よく伝達されるようになるとともに、
振動子２０がメインフレーム３０−１，３０−２に対し
Ｘ軸方向に比べてＹ軸方向に振動し易くなっている。す
なわち、梁３３−１〜３３−４は、振動子２０を、基板
１０、メインフレーム３０−１，３０−２及びサブフレ
ーム３０−３，３０−４に対してＹ軸方向に振動可能に
支持する機能を有する。

【００１８】メインフレーム３０−１は、アンカ４１−
１，４１−２、梁４２−１，４２−２、サブフレーム３
０−３及び梁４３−１，４３−２を介し、基板１０に対
して振動可能に支持されている。アンカ４１−１，４１
−２は、図２(Ａ)に示すように、メインフレーム３０−
１の長尺部３１−１の各外側位置にて、基板１０の上面
に固着されている。アンカ４１−１，４１−２には梁４
２−１，４２−２の各一端がそれぞれ接続されるととも
に、同梁４２−１，４２−２はアンカ４１−１，４１−
２からそれぞれＹ軸方向外側に延設されている。梁４２
−１，４２−２の各先端はサブフレーム３０−３の内側
端にそれぞれ接続されており、サブフレーム３０−３に
は、同フレーム３０−３のＹ軸方向内側に延設された梁
４３−１，４３−２の各一端がそれぞれ接続されてい
る。梁４３−１，４３−２の各他端はメインフレーム３
０−１の長尺部３１−１の外側端にそれぞれ接続されて
いる。梁４２−１，４２−２，４３−１，４３−２は、
振動子２０、メインフレーム３０−１，３０−２及びサ
ブフレーム３０−３，３０−４と同様に、基板１０から
所定距離だけ上方に浮いて設けられており、梁３３−
１，３３−２と同様に狭い幅に構成されている。

【００１９】メインフレーム３０−２は、アンカ４１−
３，４１−４、梁４２−３，４２−４、サブフレーム３
０−４及び梁４３−３，４３−４を介し、基板１０に対
して振動可能に支持されている。これらのアンカ４１−
３，４１−４、梁４２−３，４２−４、サブフレーム３
０−４及び梁４３−３，４３−４は、アンカ４１−１，
４１−２、梁４２−１，４２−２、サブフレーム３０−
３及び梁４３−１，４３−２とマス部２１の中心を通る
Ｙ軸方向の中心線に対して対称かつそれぞれ同様に構成
されている。これらの構成により、メインフレーム３０
−１，３０−２は、基板１０に対しＸ軸方向に振動し易
くかつＹ軸方向に振動し難く支持されている。すなわ
ち、梁４２−１〜４２−４，４３−１〜４３−４は、メ
インフレーム３０−１，３０−２、サブフレーム３０−
３，３０−４及び振動子２０を基板１０に対してＸ軸方
向に振動可能に支持する機能を有する。

【００２０】また、基板１０上には、メインフレーム３
０−１，３０−２を基板１０に対してＸ軸方向に駆動す
るための駆動電極部５１−１〜５１−４と、前記メイン
フレーム３０−１，３０−２の基板１０に対するＸ軸方
向の駆動をモニタするための駆動モニタ電極部５２−１
〜５２−４と、振動子２０の基板１０に対するＹ軸方向
の振動を検出するための角速度検出電極部５３−１〜５
３−４とが設けられている。

【００２１】駆動電極部５１−１〜５１−４は、メイン
フレーム３０−１，３０−２の終端部３２−１〜３２−
４の各Ｘ軸方向外側位置にて同終端部３２−１〜３２−
４に向けてＸ軸方向に延設した複数の電極指を有する櫛
歯状電極５１ａ１〜５１ａ４をそれぞれ備えている。各
櫛歯状電極５１ａ１〜５１ａ４は、図２(Ｂ)に示すよう
に、それぞれ一体的に形成されて基板１０の上面に固着
されている。櫛歯状電極５１ａ１，５１ａ３は、外部回
路に接続するために基板１０上に固着した共通のパッド
部５１ｂ１に接続されている。櫛歯状電極５１ａ２，５
１ａ４は、外部回路に接続するために基板１０上に固着
した共通のパッド部５１ｂ２に接続されている。各パッ
ド部５１ｂ１，５１ｂ２上面には、導電金属（例えばア
ルミニウム）で形成された電極パッド５１ｃ１，５１ｃ
２がそれぞれ設けられている。

【００２２】終端部３２−１〜３２−４には、Ｘ軸方向
外側に向けて延設した複数の電極指からなる櫛歯状電極
３２ａ１〜３２ａ４が櫛歯状電極５１ａ１〜５１ａ４に
対向してそれぞれ設けられている。櫛歯状電極３２ａ１
〜３２ａ４は、終端部３２−１〜３２−４と一体的に形
成されて基板１０の上面から所定距離だけ浮かして設け
られており、同電極３２ａ１〜３２ａ４の各電極指は櫛
歯状電極５１ａ１〜５１ａ４の各隣合う電極指の幅方向
中心位置に侵入して同隣合う電極指に対向している。

【００２３】駆動モニタ電極部５２−１〜５２−４は、
メインフレーム３０−１，３０−２の終端部３２−１〜
３２−４の各Ｘ軸方向内側位置にて同終端部３２−１〜
３２−４に向けてＸ軸方向に延設した複数の電極指を有
する櫛歯状電極５２ａ１〜５２ａ４をそれぞれ備えてい
る。各櫛歯状電極５２ａ１〜５２ａ４は、図２(Ｂ)及び
図２(Ｃ)に示すように、基板１０の上面に固着されてい
る。櫛歯状電極５２ａ１，５２ａ３は、外部回路に接続
するために基板１０上に固着した共通のパッド部５２ｂ
１に接続されている。櫛歯状電極５２ａ２，５２ａ４
は、外部回路に接続するために基板１０上に固着した共
通のパッド部５２ｂ２に接続されている。各パッド部５
２ｂ１，５２ｂ２上面には、導電金属（例えばアルミニ
ウム）で形成された電極パッド５２ｃ１，５２ｃ２がそ
れぞれ設けられている。

【００２４】終端部３２−１〜３２−４には、Ｘ軸方向
内側に向けて延設した複数の電極指からなる櫛歯状電極
３２ｂ１〜３２ｂ４が櫛歯状電極５２ａ１〜５２ａ４に
対向してそれぞれ設けられている。櫛歯状電極３２ｂ１
〜３２ｂ４は、終端部３２−１〜３２−４と一体的に形
成されて基板１０の上面から所定距離だけ浮かして設け
られており、同電極３２ｂ１〜３２ｂ４の各電極指は櫛
歯状電極５２ａ１〜５２ａ４の各隣合う電極指の幅方向
中心位置に侵入して同隣合う電極指に対向している。

【００２５】角速度検出電極部５３−１〜５３−４は、
マス部２１の各外側位置にてＸ軸方向内外両側に延設さ
れた複数の電極指を有する櫛歯状電極５３ａ１〜５３ａ
４をそれぞれ備えている。各櫛歯状電極５３ａ１〜５３
ａ４は、図２(Ｄ)に示すように、同電極５３ａ１〜５３
ａ４に接続されたパッド部５３ｂ１〜５３ｂ４と共にそ
れぞれ一体的に形成されて基板１０の上面に固着されて
おり、パッド部５３ｂ１〜５３ｂ４の上面には、導電金
属（例えばアルミニウム）で形成された電極パッド５３
ｃ１〜５３ｃ４がそれぞれ設けられている。

【００２６】振動子２０のマス部２１には、Ｘ軸方向外
側に向けて延設した複数の電極指からなる櫛歯状電極２
１ａ１〜２１ａ４が櫛歯状電極５３ａ１〜５３ａ４の各
一方に対向してそれぞれ設けられている。振動子２０の
アーム部２２−１〜２２−４の中間部にも、Ｘ軸方向内
側に向けて延設した複数の電極指からなる櫛歯状電極２
２ａ１〜２２ａ４が櫛歯状電極５３ａ１〜５３ａ４の各
他方に対向してそれぞれ設けられている。櫛歯状電極２
１ａ１〜２１ａ４，２２ａ１〜２２ａ４は、マス部２１
及びアーム部２２−１〜２２−４と一体的に形成されて
基板１０の上面から所定距離だけ浮かして設けられてお
り、同電極２１ａ１〜２１ａ４，２２ａ１〜２２ａ４の
各電極指は櫛歯状電極５３ａ１〜５３ａ４の各隣合う電
極指間に侵入して同隣合う電極指に対向している。この
場合、櫛歯状電極２１ａ１〜２１ａ４，２２ａ１〜２２
ａ４の各電極指は櫛歯状電極５３ａ１〜５３ａ４の隣合
う各電極指の幅方向中心位置から一方にずれて設けられ
ている。

【００２７】また、基板１０上には、振動子２０に梁３
３−３，３３−４、メインフレーム３０−２、梁４３−
３，４３−４、サブフレーム３０−４、梁４２−３及び
アンカ４１−３を介して電気的に接続されたパッド部２
０ａが設けられている。パッド部２０ａは、アンカ４１
−３と一体的に形成されて基板１０の上面に固着されて
おり、パッド部２０ａの上面には、導電金属（例えばア
ルミニウム）で形成された電極パッド２０ｂが設けられ
ている。

【００２８】さらに、基板１０上には、駆動モニタ電極
部５２−１，５２−３と電気的に並列接続されたダミー
電極部５４−１が設けられているとともに、駆動モニタ
電極部５２−２，５２−４と電気的に並列接続されたダ
ミー電極部５４−２が設けられている。ダミー電極部５
４−１は、駆動モニタ電極部５２−３のＹ方向外側位置
にてＸ軸方向外側に延設された複数の電極指を有する櫛
歯状電極５４ａ１を備えているとともに、同櫛歯状電極
５４ａ１に対向するようにＸ軸方向に延設された複数の
電極指を有する櫛歯状電極５４ａ２を備えている。各櫛
歯状電極５４ａ１，５４ａ２は、図２(Ｅ)に示すよう
に、基板１０の上面に固着されている。ダミー電極部５
４−２は、駆動モニタ電極部５２−４のＹ方向外側位置
にてＸ軸方向外側に延設された複数の電極指を有する櫛
歯状電極５４ｂ１を備えているとともに、同櫛歯状電極
５４ｂ１に対向するようにＸ軸方向に延設された複数の
電極指を有する櫛歯状電極５４ｂ２を備えている。各櫛
歯状電極５４ｂ１，５４ｂ２も、基板１０の上面に固着
されている。櫛歯状電極５４ａ１，５４ｂ１はパッド部
２０ｂに接続されており、櫛歯状電極５４ａ２，５４ｂ
２はパッド部５２ｂ１，５２ｂ２にそれぞれ接続されて
いる。

【００２９】次に、上記構成のセンサ素子の製造方法
を、図２を参照しながら簡単に説明しておく。まず、単
結晶シリコン層Ａの上面上にシリコン酸化膜Ｂを介して
単結晶シリコン層Ｃを設けたＳＯＩ(Silicon−On−Insu
lator)基板を用意し、単結晶シリコン層Ｃにリン、ボロ
ン等の不純物をドーピングして同層Ｃを低抵抗化する。
以下、この層を低抵抗層Ｃという。次に、図１の模様を
付けた部分及び各種電極指部分をレジスト膜にてマスク
して、単結晶シリコン層Ｃを反応性イオンエッチング等
でエッチングして、シリコン酸化膜Ｂ上に、アンカ４１
−１〜４１−４、各種櫛歯状電極５１ａ１〜５１ａ４，
５２ａ１〜５２ａ４，５３ａ１〜５３ａ４，５４ａ１，
５４ａ２，５４ｂ１，５４ｂ２及び各種パッド部２０
ａ，５１ｂ１，５１ｂ２，５２ｂ１，５２ｂ２，５３ｂ
１〜５３ｂ４など（上記に基板１０と固着されていると
して説明した部分）を形成する。

【００３０】次に、前記形成した部分以外の部分に残存
する酸化シリコン膜Ｂをフッ酸水溶液などでエッチング
して除去し、振動子２０、梁３３−１〜３３−４、メイ
ンフレーム３０−１，３０−２、サブフレーム３０−
３，３０−４、梁４２−１〜４２−４，４３−１〜４３
−２及び櫛歯状電極３２ａ１〜３２ａ４，３２ｂ１〜３
２ｂ４，２１ａ１〜２１ａ４，２２ａ１〜２２ａ４（上
記に基板１０から所定距離だけ浮いているとして説明し
た部分）を形成する。

【００３１】そして、各種パッド部２０ａ，５１ｂ１，
５１ｂ２，５２ｂ１，５２ｂ２，５３ｂ１〜５３ｂ４上
に、アルミニウム等を蒸着して電極パッド２０ｂ，５１
ｃ１，５１ｃ２，５２ｃ１，５２ｃ２，５３ｃ１〜５３
ｃ４を形成する。したがって、基板１０上に形成された
上述した各部分は基板１０とは絶縁された低抵抗層Ｃで
構成されるとともに、振動子２０、梁３３−１〜３３−
４、メインフレーム３０−１，３０−２、サブフレーム
３０−３，３０−４、梁４２−１〜４２−４，４３−１
〜４３−４及び櫛歯状電極３２ａ１〜３２ａ４，３２ｂ
１〜３２ｂ４，２１ａ１〜２１ａ４，２２ａ１〜２２ａ
４が、基板１０から所定距離だけ浮いて位置するととも
にアンカ４１−１〜４１−４により基板１０に振動可能
に支持された構造となる。

【００３２】上記のように構成したセンサ素子を用いて
角速度を検出するための電気回路を接続したセンサ装置
について説明すると、図３は同センサ装置をブロック図
により示している。

【００３３】駆動電極部５１−１，５１−３に共通の電
極パッド５１ｃ１には、駆動回路６１の出力が直接接続
されている。駆動回路６１の出力は、入力信号を逆相に
反転する反転回路６２を介して駆動電極部５１−２，５
１−４に共通の電極パッド５１ｃ２に接続されている。
駆動回路６１は、振動子２０の共振周波数にほぼ等しい
周波数の駆動信号を発生する駆動信号用発振器、同駆動
信号のレベルを後述する出力回路６７からの駆動モニタ
信号により制御するレベル制御回路などからなり、振動
子２０をその共振周波数にほぼ等しい周波数かつ一定振
幅でＸ軸方向に振動させるための駆動信号を発生する。

【００３４】駆動モニタ電極部５２−１，５２−３及び
ダミー電極部５４−１に共通の電極パッド５２ｃ１に
は、駆動モニタ用発振器６３の出力が直接接続されてい
る。駆動モニタ用発振器６３の出力は、入力信号を逆相
に反転する反転回路６４を介して駆動モニタ電極部５２
−２，５２−４及びダミー電極部５４−２に共通の電極
パッド５２ｃ２に接続されている。駆動モニタ用発振器
６３は、振動子２０のＸ軸方向の振動を検出すためのも
ので、振動子２０の共振周波数よりも極めて高い周波数
を有する駆動モニタ用高周波信号を発生する。

【００３５】角速度検出電極部５３−１の電極パッド５
３ｃ１及び角速度検出電極部５３−２の電極パッド５３
ｃ２には、角速度検出用発振器６５の出力が直接接続さ
れている。角速度検出用発振器６５の出力は、入力信号
を逆相に反転する反転回路６６を介して角速度検出電極
部５３−３の電極パッド５３ｃ３及び角速度検出電極部
５３−４の電極パッド５３ｃ４にそれぞれ接続されてい
る。角速度検出用発振器６５は、振動子２０のＹ軸方向
の振動を検出するためのもので、振動子２０の共振周波
数よりも極めて高くかつ前記駆動モニタ用高周波信号と
は異なる周波数を有する角速度検出用高周波信号を発生
する。

【００３６】電極パッド２０ｂには、出力回路７０が接
続されている。出力回路７０は、図４に示すように、チ
ャージアンプ７１を介して電極パッド２０ｂに接続され
た復調回路７２を備えている。復調回路７２は、駆動モ
ニタ用発振器６３からの駆動モニタ用高周波信号及び角
速度検出用発振器６５からの角速度検出用高周波信号も
入力し、両高周波信号を用いて電極パッド２０からの信
号を復調して振動子２０のＸ軸方向の振動を表す駆動モ
ニタ信号及び振動子２０のＹ軸方向の振動を表す角速度
検出信号をそれぞれ出力する。

【００３７】また、出力回路７０は、復調回路７２から
の駆動モニタ信号を入力する異常判定回路７３を備えて
いる。異常判定回路７３は、コンパレータにより構成さ
れており、駆動モニタ信号のレベル（瞬時値）が所定値
以上になると異常検出信号を出力するものである。

【００３８】なお、図４におけるセンサ素子に関して
は、駆動電極部５１−１〜５１−４を除く各種電極部５
２−１〜５２−２，５３−１〜５３−４，５４−１，５
４−２を等価コンデンサで表している。可変容量コンデ
ンサＣ１は駆動モニタ電極部５２−１，５２−３に対応
して両電極部５２−１，５２−３の合成静電容量を表
し、可変容量コンデンサＣ２は駆動モニタ電極部５２−
２，５２−４に対応して両電極部５２−２，５２−４の
合成静電容量を表している。固定容量コンデンサＣ３，
Ｃ４は、ダミー電極部５４−１，５４−２にそれぞれ対
応して両電極部５４−１，５４−２の各静電容量をそれ
ぞれ表している。可変容量コンデンサＣ５は角速度検出
電極部５３−１，５３−２に対応して両電極部５３−
１，５３−２の合成静電容量を表し、可変容量コンデン
サＣ６は角速度検出電極部５３−３，５３−４に対応し
て両電極部５３−３，５３−４の合成静電容量を表して
いる。また、電極パッド５３ｃ１，５３ｃ２及び電極パ
ッド５３ｃ３，５３ｃ４に関しても共通に示している。

【００３９】次に、上記のように構成した実施形態の動
作を説明する。まず、この実施形態に係るセンサ素子が
正常である場合について説明する。駆動回路６１から電
極パッド５１ｃ１に振動子２０の共振周波数にほぼ等し
い駆動信号が供給されるとともに、同信号を反転回路６
２で反転した信号が電極パッド５１ｃ２に供給される
と、駆動電極部５１−１，５１−３と駆動電極部５１−
２，５１−４との間には前記駆動信号に応じた電圧が印
加される。これにより、振動子２０は、駆動電極部５１
−１〜５１−４の静電引力により、その共振周波数にほ
ぼ等しい周波数でＸ軸方向に振動し始める。

【００４０】この振動子２０のＸ軸方向の振動により、
駆動モニタ電極部５２−１〜５２−４の容量が変化す
る。具体的には、振動子２０が基板１０に対して図１，
３にて右方向（又は左方向）に変位すれば、駆動モニタ
電極部５２−１，５２−３の容量が増加（又は減少）す
るとともに、駆動モニタ電極部５２−２，５２−４の容
量が減少（又は増加）する。このことは、図４における
コンデンサＣ１，Ｃ２の各容量が互いに反対方向に変化
することを意味する。一方、駆動モニタ電極部５２−
１，５２−３と駆動モニタ電極部５２−２，５２−４の
両端には、図５(Ａ)(Ｂ)に示すような互いに逆相の高周
波信号が駆動モニタ用発振器６３及び反転回路６４を介
して印加されている。したがって、電極パッド２０ｂか
らは、前記高周波信号を振動子２０のＸ軸方向の振動に
応じて振幅変調した図５(Ｃ)に示すような信号が出力さ
れる。

【００４１】この振幅変調された信号は、チャージアン
プ７１を介して復調回路７２に供給される。復調回路７
２は、駆動モニタ用発振器６３からの駆動モニタ用高周
波信号を用いて前記振幅変調された信号を復調して、図
５(Ｄ)に示すような駆動モニタ信号として出力するの
で、同駆動モニタ信号は振動子２０のＸ軸方向の振動を
表すものとなる。そして、この駆動モニタ信号は駆動回
路６１に供給され、駆動回路６１はこの駆動モニタ信号
に基づいて振動子２０のＹ軸方向の振動の振幅が一定に
なるように駆動信号の振幅を制御するので、振動子２０
のＸ軸方向の振動の振幅は一定に保たれる。

【００４２】この状態で、センサ素子にＺ軸回りの角速
度が作用すると、振動子２０はＹ軸方向に前記角速度の
大きさに比例した振幅で振動し始める。これにより、角
速度検出電極部５３−１〜５３−４の容量が前記振動に
応じて変化する。具体的には、振動子２０が図１，３に
て上方向（又は下方向）に変位すれば、角速度検出電極
部５３−３，５３−４の容量が増加（又は減少）すると
ともに、角速度検出電極部５３−１，５３−２の容量が
減少（又は増加）する。このことは、図４におけるコン
デンサＣ５，Ｃ６の各容量が互いに反対方向に変化する
ことを意味する。この場合も、角速度検出電極部５３−
１，５３−２と角速度検出電極部５３−３，５３−４の
両端には、互いに逆相の高周波信号が角速度検出用発振
器６５及び反転回路６６を介して印加されている。した
がって、電極パッド２０ｂからは、前記高周波信号を振
動子２０のＹ軸方向の振動（角速度に比例した振幅の振
動）に応じて振幅変調した信号が出力される。

【００４３】この振幅変調した信号は、チャージアンプ
７１を介して復調回路７２に供給される。復調回路７２
は、角速度検出用発振器６５からの角速度検出用高周波
信号を用いて前記振幅変調された信号を復調して、角速
度検出信号として出力する。そして、この角速度検出信
号は振動子２０のＹ軸方向の振動すなわちセンサ素子の
Ｚ軸周りの角速度に比例した振幅を有する振動を表して
いるので、前記角速度が検出される。

【００４４】次に、基板１０上の一部に異常が発生した
場合、特に駆動モニタ電極部５２−１〜５２−４の櫛歯
状電極３２ｂ１〜３２ｂ４，５２ａ１〜５２ａ４が接触
又は破損したり、前記櫛歯状電極３２ｂ１〜３２ｂ４，
５２ａ１〜５２ａ４に接続された配線が断線又はショー
トしたりするようなセンサ素子に異常が発生した場合に
ついて説明する。

【００４５】この場合、駆動電極部５１−１〜５１−
４、駆動モニタ電極部５２−１〜５２−４などの電圧印
加状態、容量などのバランスがくずれたりして、電極パ
ッド２０ｂから出力される信号に異常が現われる。すな
わち、電極パッド２０ｂから出力されるＸ軸方向の振動
を表す信号の振幅が、図５(Ｅ)に示すようにセンサ素子
の正常時に比べて大きくなる。そして、前述の復調回路
７２によって復調された駆動モニタ信号の振幅も、図５
(Ｆ)に示すように直流レベルが変化するので、異常判定
回路７３は、駆動モニタ信号のレベル（瞬時値）が所定
レベル以上すなわちセンサ素子が異常であると判定して
異常検出信号を出力する。

【００４６】上記作動説明からも理解できるように、上
記実施形態によれば、駆動モニタ信号のレベル（瞬時
値）に基づいてセンサ素子の異常を判定する異常判定回
路７３を設けるだけで、センサ素子の異常を判定できる
ようにしたので、同センサ素子の異常を簡単な構成で検
出できるようになる。

【００４７】また、上記実施形態においては、基板１０
上に固定した櫛歯状電極５４ａ１，５４ａ２からなって
駆動モニタ電極部５２−１，５２−３に電気的に並列接
続したダミー電極部５４−１を設けるとともに、同基板
１０上に固定した櫛歯状電極５４ｂ１，５４ｂ２からな
って駆動モニタ電極部５２−２，５２−４に電気的に並
列接続したダミー電極部５４−２を設けるようにした。
したがって、ダミー電極部５４−１，５４−２の静電容
量は、振動子２０の変位とは無関係に一定に保たれ、こ
の固定の静電容量が駆動モニタ電極部５２−１〜５２−
４の振動子２０の変位に応じた可変静電容量に加算され
るので、同駆動モニタ電極部５２−１〜５２−４の見か
け上の静電容量が大きくなる。図４のコンデンサＣ１〜
Ｃ４の接続状態がこの点をよりよく表している。

【００４８】このように、駆動モニタ電極部５２−１〜
５２−４の見かけ上の静電容量（センサ素子の異常検出
に利用される駆動モニタ電極部５２−１〜５２−４及び
ダミー電極部５４−１，５４−２の静電容量の和）が大
きくなるので、センサ素子の異常が的確に判定されるよ
うになる。また、ダミー電極部５４−１，５４−２は基
板１０に固定されていて、同電極部５４−１，５４−２
の静電容量を大きくしても、振動子２０の基板１０に対
する変位に影響を与えない。その結果、駆動モニタ電極
部５２−１〜５２−４を小型にして静電容量を小さく抑
えることができて、同電極部５２−１〜５２−４の各電
極指３２ｂ１〜３２ｂ４，５２ａ１〜５２間の気体によ
るダンピングを小さく抑えることができるので、振動子
２０の変位に対する悪影響も最小限に抑えることができ
る。特に、駆動電極部５１−１〜５１−４による振動子
２０の基板１０に対するＸ軸方向の振動振幅は大きいの
で、前記振動子２０の変位に対する影響を抑えることは
極めて効果的である。

【００４９】なお、上記実施形態においては、駆動モニ
タ電極部５２−１〜５２−４により検出される振動子２
０の基板１０に対する変位を表す駆動モニタ信号のみに
基づいてセンサ素子の異常を検出するようにしたが、角
速度検出電極部５３−１〜５３−４に関係したセンサ素
子の異常をより的確に検出するために、角速度検出電極
部５３−１〜５３−４により検出される振動子２０の基
板１０に対するＹ軸方向の振動（変位）を表す角速度検
出信号に対しても本発明は適用されるものである。この
場合、出力回路７０内に復調回路７２からの角速度検出
信号を入力する異常判定回路７３と同様な異常判定回路
を設けるようにして、同異常判定回路が前記角速度検出
信号のレベル（瞬時値）が所定レベル以上であるとき、
センサ素子の異常を判定するようにすればよい。また、
この場合も、角速度検出電極部５３−１〜５３−４の見
かけ上の静電容量を大きくするために、同電極部５３−
１〜５３−４と電気的に並列接続されるとともに、基板
１０に固定された一対の櫛歯状電極かるなるダミー電極
部を設けるようにするとよい。

【００５０】また、この振動子２０の基板１０に対する
変位を表す信号に基づくセンサ素子の異常検出は、基板
１０に固定された固定電極指と、同固定電極指に対向す
るとともに振動子２０と一体的に変位する可動電極指と
からなり、振動子２０の基板１０に対する変位に応じて
静電容量を変化させるものであれば、前記駆動モニタ電
極部５２−１〜５２−４及び角速度検出電極部５３−１
〜５３−４以外の電極部により検出された振動子２０の
基板１０に対する変位を表す検出信号にも適用されるも
のである。例えば、振動子２０のＸ軸方向又はＹ軸方向
の振動を補正するために、振動子２０又はメインフレー
ム３０−１，３０−２の基板１０に対する変位を検出す
るために設けた電極部からの検出信号にも適用できる。
そして、この場合にも、振動子２０の変位を検出するた
めの電極部に、基板１０上にて前記と同様なダミー電極
部を電気的に並列接続するとよい。

【００５１】また、上記実施形態においては、振動子２
０のＹ軸方向の振動を抑えるようにしなかったが、同振
動子２０のＹ軸方向の振動を表す検出信号（角速度を表
す検出信号）をフィードバックして、同振動子２０のＹ
軸方向の振動を抑えるようにしてもよい。そして、この
場合には、角速度検出電極部５３−１〜５３−４によっ
て検出される振動子２０のＹ軸方向の振動の振幅は小さ
くなるが、前記本発明によるセンサ素子の異常検出は、
この場合にも、角速度検出電極部５３−１〜５３−４及
びその他の振動子２０の基板１０に対する変位を検出す
る電極部に対して適用できる。

【００５２】さらに、上記実施形態においては、本発明
を角速度を検出するセンサ素子及びセンサ装置に適用し
たが、本発明は、基板１０に固定された固定電極指と、
同固定電極指に対向するとともに振動子２０と一体的に
変位する可動電極指とからなり、振動子２０の基板１０
に対する変位に応じて静電容量を変化させる電極部を有
するセンサ素子であれば、いかなる物理量を検出するセ
ンサ素子にも適用できるものである。例えば、振動子２
０の基板１０に対する変位により、加速度を検出した
り、圧力を検出したりするセンサ素子にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係るセンサ素子の平面
図である。

【図２】 (Ａ)〜(Ｅ)は図１の各部の断面図である。

【図３】 前記実施形態に係るセンサ素子に電気回路を
接続して構成したセンサ装置のブロック図である。

【図４】 図３の出力回路を詳細に示すセンサ装置のブ
ロック図である。

【図５】 (Ａ)〜(Ｆ)は図３及び図４の各部の波形信号
を示す波形図である。

【符号の説明】

１０…基板、２０…振動子、３０−１，３０−２…メイ
ンフレーム、３０−３，３０−４…サブフレーム、３３
−１〜３３−４，４２−１〜４２−４，４３−１〜４３
−４…梁、４１−１〜４１−４，４４−１〜４４−４…
アンカ、５１−１〜５１−４…駆動電極部、５２−１〜
５２−４…駆動モニタ電極部、５３−１〜５３−４…角
速度検出電極部、５４−１，５４−２…ダミー電極部、
６１…駆動回路、６３…駆動モニタ用発振器、６５…角
速度検出用発振器、７０…出力回路、７１…チャージア
ンプ、７２…復調回路、７３…異常判定回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 千田 英美 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 千田 和身 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 岡山 倫久 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 根木 敬子 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 2F105 BB20 CC04 CD03 CD05 CD11 CD13 4M112 AA02 BA07 CA24 CA26 CA31 EA02 GA03

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に変位可能に支持された振動子と、 前記基板に固定された第１固定電極指と、前記第１固定
   電極指に対向するとともに前記振動子と一体的に変位す
   る可動電極指とからなり、前記振動子の前記基板に対す
   る変位に応じて変化する静電容量を検出する検出電極部
   と、 前記検出電極部に高周波信号を入力する高周波信号入力
   手段と、 前記検出電極部から出力される高周波信号を復調して前
   記振動子の変位を検出する復調手段とを備えたセンサ装
   置において、 前記復調手段により復調された信号のレベルに基づいて
   異常を判定する異常判定手段を設けたことを特徴とする
   センサ装置。
2. 【請求項２】前記請求項１に記載したセンサ装置におい
   て、 互いに対向するとともに前記基板に固定された第２及び
   第３固定電極指からなり、前記検出電極部に電気的に並
   列接続されたダミー電極部を設けたことを特徴とするセ
   ンサ装置。
3. 【請求項３】基板上に変位可能に支持された振動子と、 前記基板に固定された第１固定電極指と、前記第１固定
   電極指に対向するとともに前記振動子と一体的に変位す
   る可動電極指とからなり、前記振動子の前記基板に対す
   る変位に応じて変化する静電容量を検出する検出電極部
   とを備えたセンサ素子において、 互いに対向するとともに前記基板に固定された第２及び
   第３固定電極指からなり、前記検出電極部に電気的に並
   列接続されたダミー電極部を設けたことを特徴とするセ
   ンサ素子。
4. 【請求項４】基板上に変位可能に支持された振動子と、 前記基板に固定された第１固定電極指と、前記第１固定
   電極指に対向するとともに前記振動子と一体的に変位す
   る第１可動電極指とからなり、前記振動子を振動させる
   駆動電極部と、 前記基板に固定された第２固定電極指と、前記第２固定
   電極指に対向するとともに前記振動子と一体的に変位す
   る第２可動電極指とからなり、前記振動子の振動を検出
   するための検出電極部とを備えたセンサ素子において、 互いに対向するとともに前記基板に固定された第３及び
   第４固定電極指からなり、前記検出電極部に電気的に並
   列接続されたダミー電極部を設けたことを特徴とするセ
   ンサ素子。