JP2003083750A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 調整用電極を別途必要とすることなく、検知
共振周波数の調整が可能な静電容量検出回路を提供す
る。 【解決手段】 可動電極１ａ〜１ｄを有し、平面基板表
面において、２軸直交座標方向に変位可能に支持されて
なる振動子１と、振動子の可動電極１ａ〜１ｄと対向す
る固定電極２ａ〜２ｄを有してなる固定部２とを備え、
振動子１を２軸直交座標方向の一方に振動させると共
に、可動電極１ａ〜１ｄ及び固定電極２ａ〜２ｄによっ
て、振動子１に対する振動方向及び検知方向に静電容量
を形成し、該静電容量変化を検出することで角速度検出
を行う角速度センサにおいて、可動電極１ａ〜１ｄと固
定電極２ａ〜２ｄとの間に印加するキャリア信号ＰＷ
３、ＰＷ４の電圧値を可変にする第１、第２電圧調整回
路部１２ａ、１２ｂを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コリオリ力に基づ
いて角速度の検出を行う角速度センサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、角速度センサは、振動子の振動
方向に対して垂直な方向を角速度軸とし、振動方向及び
角速度軸の双方に垂直な軸方向に働くコリオリ力を検出
することで、角速度の検出を行う。

【０００３】近年、車載用の角速度センサには小型・低
コスト化が望まれており、半導体（主にＳｉ）基板上に
振動子と検出素子とを形成する方法が研究されている。
このような半導体式の角速度センサでは、Ｓｉ基板面上
に、振動軸と検出軸を配置し、その変位を、基板に固定
された固定電極と振動子に設けた可動電極と間の静電容
量の変化として検出している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】角速度センサにおいて
は、センサ感度向上のため、振動方向の共振周波数と検
知方向の共振周波数とを近づけ、共振ピークを利用する
という方法が提案されている。しかしながら、この方法
では素子加工精度によって各共振周波数のバラツキが発
生し、その結果、大きな感度バラツキが発生するため、
共振周波数を調整することが必要になる。

【０００５】これに対し、従来の静電力駆動方式では、
可動電極に調整用電極を設け、この電極と固定電極間の
電位を変更することで、見かけ上のばね定数を変更して
共振周波数を調整しているが、可動電極が形成される素
子部に調整用電極を別途設けなければならないことか
ら、素子構成の複雑化を招くと共に、配線等の加工が困
難になり、低コスト化の妨げとなるという問題がある。

【０００６】本発明は上記点に鑑みて、調整用電極を別
途必要とすることなく、検知共振周波数の調整が可能な
静電容量検出回路を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、可動電極（１ａ〜１
ｄ）を有し、平面基板表面において、２軸直交座標方向
に変位可能に支持されてなる振動子（１）と、振動子の
可動電極と対向する固定電極（２ａ〜２ｄ）を有してな
る固定部（２）とを備え、振動子を２軸直交座標方向の
一方に振動させると共に、該振動させる方向を振動方
向、平面基板表面において振動方向に垂直をなす方向を
検知方向とすると、可動電極及び固定電極によって、振
動子に対する振動方向及び検知方向に静電容量を形成
し、該静電容量変化を検出することで角速度検出を行う
角速度センサにおいて、可動電極と固定電極との間に印
加するキャリア信号電圧（ＰＷ３、ＰＷ４）を可変にす
る電圧調整回路部（１２ａ、１２ｂ）を備えていること
を特徴としている。具体的には、キャリア信号電圧と
は、検知方向の静電容量を形成する固定電極に印加する
ものである。

【０００８】このように、電圧調整回路部によってキャ
リア信号電圧を調整することにより、振動子の振動方向
の振動の共振周波数と検知方向の振動の共振周波数との
関係を変化させることができる。これにより、調整用電
極を別途必要とすることなく、検知共振周波数の調整が
可能な静電容量検出回路を提供するができ、振動子の検
知方向の振動の検知感度を向上させることができる。

【０００９】例えば、請求項３に示すように、電圧調整
回路部により、検知方向の静電容量を形成する可動電極
に印加する電気信号よりも、キャリア信号電圧を大きく
することにより、上記効果を得ることができる。

【００１０】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００１１】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に、本発明
の一実施形態が適用された角速度センサの概略構成を示
す。以下、図１に基づいて角速度センサの構成について
の説明を行う。

【００１２】角速度センサには、振動子１と固定部２と
が備えられた素子部３、Ｃ−Ｖ変換回路部４、サンプル
ホールド回路部５、第１、第２差動増幅回路部６、７、
同期検波回路部８、感度調整回路部９、励振信号発生回
路部１０、及びスイッチング制御回路１１が備えられて
いる。そして、励振信号発生回路部１０によって振動子
を振動させると共に、スイッチング制御回路１１で発生
させる各種駆動信号に基づいて各構成要素を制御するこ
とで、角速度の検出が行われるようになっている。

【００１３】素子部３には、振動子１と固定部２とが備
えられており、振動子１には可動電極１ａ〜１ｄが設け
られ、固定部２には可動電極１ａ〜１ｄに対して所望の
間隔を空けて配置された固定電極２ａ〜２ｄが設けられ
ている。この素子部３を構成する振動子１及び固定部２
は半導体基板によって形成されており、振動子１が固定
部２に対して２軸直交座標方向に変位できるように支持
されている。そして、振動子１及び固定部２に備えられ
た可動電極１ａ〜１ｄ及び固定電極２ａ〜２ｄの間に容
量が設定されるようになっている。具体的には、振動子
１に対して紙面左右方向を振動方向とすると、紙面上で
振動方向と垂直を成す方向が検知方向に相当し、これら
振動方向及び検知方向において静電容量が変化するよう
に可動電極１ａ〜１ｄ及び固定電極２ａ〜２ｄが備えら
れた構成となっている。このように構成される素子部３
のうち、固定部２に備えられた各固定電極２ａ〜２ｄに
対してスイッチング制御回路１１からの電圧信号ＰＷ１
〜ＰＷ４が加えられるようになっている。この電圧信号
ＰＷ１〜ＰＷ４は、０［Ｖ］、Ｖａ［Ｖ］のいずれかが
設定される。本明細書においては、これら電圧信号ＰＷ
１〜ＰＷ４のうち、検知方向において静電容量を変化さ
せるための電圧信号ＰＷ３、ＰＷ４がキャリア信号に相
当するものとする。Ｃ−Ｖ変換回路部４は、振動子１の
電圧に基づいて可動電極１ａ〜１ｄと固定電極２ａ〜２
ｄによる差動容量の変化を電圧に変換するものである。
このＣ−Ｖ変換回路部４の基本構成及び基本作動につい
て、図２に示す作動状態図を参照して説明する。

【００１４】図２（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｃ−Ｖ
変換回路部４は、オペアンプ４ａ、コンデンサ４ｂ、ス
イッチ４ｃとを有した構成となっている。オペアンプ４
ａの反転入力端子は振動子１に接続されており、反転入
力端子と出力端子との間には、コンデンサ４ｂ及びスイ
ッチ４ｃが並列に接続されている。スイッチ４ｃはスイ
ッチ制御回路部１１からの信号Ｓ１によって駆動される
ようになっており、オペアンプ４ａの非反転入力端子に
は定電圧源などにより、固定電極２ａ〜２ｄに印加され
る電圧Ｖａ［Ｖ］の半分の電圧Ｖａ／２［Ｖ］が入力さ
れるようになっている。

【００１５】このＣ−Ｖ変換回路部４の作動、つまり容
量変化から電圧信号への変換は以下のようにして行われ
る。上述した固定部２に備えられた固定電極２ａ〜２ｄ
と振動子１に備えられた可動電極１ａ〜１ｄは、初期状
態において、振動子１に対して振動方向両側に形成され
る容量同士が等容量となり、振動子１に対しての検知方
向両側に形成される容量同士が等容量となるように設定
される。そして、振動子１に対して振動方向両側に形成
された容量によるＣ−Ｖ変換と、振動子１に対して検知
方向両側に形成された容量によるＣ−Ｖ変換は同様に、
以下のようなスイッチトキャパシタ方式によって行われ
る。

【００１６】まず、図２（ａ）に示すように、スイッチ
ング制御回路部１１からの各種信号に基づいて、一方の
固定電極２ａ、２ｃに対して電圧Ｖａを印加すると共
に、他方の固定電極２ｂ、２ｄに対して電圧０を印加
し、かつ、スイッチ４ｃを閉じた状態とする。これによ
り、振動子１（可動電極１ａ〜１ｄ）と各固定電極２ａ
〜２ｄとの間の容量をそれぞれＣａ、Ｃｂとすると、Ｃ
ａ、Ｃｂにはそれぞれ、Ｃａ×Ｖａ／２、−Ｃｂ×Ｖａ
／２の電荷が蓄えられ、オペアンプ４ａの出力は、Ｖａ
／２となる。以下、この状態を状態１という。

【００１７】続いて、スイッチング制御回路部１１から
の各種信号に基づいて、各固定電極２ａ〜２ｄへの印加
電圧を状態１の時と反転させ、かつ、スイッチ４ｃを開
いた状態とする。これにより、Ｃａ、Ｃｂの電荷が、そ
れぞれ−Ｃａ×Ｖａ／２、Ｃｂ×Ｖａ／２となる。この
ため、電荷の変化は、（Ｃａ−Ｃｂ）×Ｖａとなる。こ
のとき、スイッチ４ｃが開放されているので、この電荷
の変化分が、コンデンサ４ｂを介してオペアンプ４ａの
出力につながり、オペアンプ４ａから（Ｃａ−Ｃｂ）×
Ｖａ／Ｃｆ＋Ｖａ／２の電位が出力される。以下、この
状態を状態２という。

【００１８】従って、状態１におけるオペアンプ４ａの
出力と、状態２におけるオペアンプ４ａの出力との差分
をとることで、（Ｃａ−Ｃｂ）×Ｖａ／Ｃｆという容量
差に比例する電圧出力を得ることができる。そして、こ
れらの動作を振動方向、検知方向の双方に対して交互に
繰り返し行うことで、振動方向における振動子１の変位
のモニタリング、及び検知方向における振動子１の変位
によるコリオリ力検出を行っている。

【００１９】サンプルホールド回路部５は、第１〜第４
サンプルホールド回路５ａ〜５ｄという４つのサンプル
ホールド回路によって構成されている。これら各サンプ
ルホールド回路４ａ〜４ｄは、スイッチング制御回路部
１１の制御信号Ｓ２〜Ｓ５に基づいて駆動され、所定の
タイミングでオペアンプ４ａの出力電圧を記憶する。具
体的には、第１のサンプルホールド回路５ａは振動方向
において上記状態１とした場合のオペアンプ４ａの出力
電圧を記憶し、第２のサンプルホールド回路５ｂは振動
方向において上記状態２とした場合のオペアンプ４ａの
出力電圧を記憶し、第３のサンプルホールド回路５ｃは
検知方向において上記状態１とした場合のオペアンプ４
ａの出力電圧を記憶し、第４のサンプルホールド回路５
ｄは検知方向において上記状態２とした場合のオペアン
プ４ａの出力電圧を記憶する。

【００２０】第１の差動増幅回路部６は、第１のサンプ
ルホールド回路５ａと第２のサンプルホールド回路５ｂ
の電位差を所定の増幅率で増幅する。また、第２の差動
増幅回路部７は、第３のサンプルホールド回路５ｃと第
４のサンプルホールド回路５ｄの電位差を所定の増幅率
で増幅する。

【００２１】同期検波回路８は、第１の差動増幅回路部
６の出力と第２の差動増幅回路部７の出力との同期を取
るものであり、この同期検波回路８によって振動方向に
おける振動子１の変位のモニタリングタイミングと、検
知方向における振動子１の変位によるコリオリ力検出タ
イミングとの同期が図れるようになっている。

【００２２】感度調整回路９は、例えば、反転増幅回路
等で構成された直流増幅器で構成され、振動方向におけ
る振動子１の変位、及び検知方向における振動子１の変
位を示す出力信号を感度に合わせて調整するものであ
る。

【００２３】励振信号発生回路１０は、振動子１に対し
て振動方向に振動させる力（励振信号）を加えるもの
で、第１の差動増幅回路６の出力から振動子１の振幅情
報を得て、この振幅情報に基づいて振動子１に加える力
を調整するというフィードバック制御を行っている。

【００２４】さらに、本実施形態の角速度センサでは、
第１、第２電圧調整回路部１２ａ、１２ｂが備えられて
いる。これら第１、第２電圧調整回路部１２ａ、１２ｂ
は、スイッチング制御回路部１１と検知方向における静
電容量の変位を検出するための各固定電極２ｃ、２ｄと
の間に備えられている。これら第１、第２電圧調整回路
部１２ａ、１２ｂにより、スイッチング制御回路部１１
が固定電極２ｃ、２ｄに対してキャリア信号ＰＷ３、Ｐ
Ｗ４となるＶａ［Ｖ］の電圧を印加する際に、この電圧
を調整できるようになっている。

【００２５】次に、このように構成された角速度センサ
による角速度の検出方法について説明する。まず、励振
信号発生回路１０の励振信号に基づき、振動子１を振動
方向に励振させる。このとき、振動方向における振動子
１の振動が共振周波数ｆａとなるようされ、より大きな
振動振幅が発生するようにされる。これにより、角速度
が生じた時には、大きなコリオリ力が得られる。この状
態で振動方向における振動子１の変位のモニタリング、
及び検知方向における振動子１の変位によるコリオリ力
検出を行う。

【００２６】次に、振動方向における振動子１の変位の
モニタリングを行う。この場合には、スイッチング制御
回路部１１からの電圧信号ＰＷ１、ＰＷ２により、固定
電極２ａに向けて電圧Ｖａを印加し、固定電極２ｂに向
けて電圧０を印加する。これにより、振動方向において
上記状態１となる。そして、スイッチング制御回路部１
１からの信号Ｓ２により、このときのＣ−Ｖ変換回路部
４におけるオペアンプ４ａの出力電位を第１のサンプル
ホールド回路５ａに記憶させる。

【００２７】続いて、スイッチング制御回路部１１から
の電圧信号ＰＷ１、ＰＷ２により、固定電極２ａと固定
電極２ｂとの電圧を入れ替え、固定電極２ａに電圧０、
固定電極２ｂに電圧Ｖａを印加する。これにより、振動
方向において上記状態２となる。そして、スイッチング
制御回路部１１からの信号Ｓ３により、このときのＣ−
Ｖ変換回路部４におけるオペアンプ４ａの出力電位を第
２のサンプルホールド回路５ｂに記憶させる。

【００２８】次に、検知方向における振動子１の変位に
よるコリオリ力検出を行う。この場合には、スイッチン
グ制御回路部１１からのキャリア信号ＰＷ３、ＰＷ４に
より、固定電極２ｃに向けて電圧Ｖａを印加し、固定電
極２ｄに向けて電圧０を印加する。ただし、固定電極２
ｃには、スイッチング制御回路部１１と固定電極２ｃと
の間に備えた第１電圧調整回路部１２ａにより、電圧Ｖ
ａを調整した電圧を印加する。具体的には、第１調整回
路部１２ａによって電圧Ｖａよりも大きな電圧を固定電
極に印加する。これにより、検知方向において上記状態
１となる。そして、スイッチング制御回路部１１からの
信号Ｓ４により、このときのＣ−Ｖ変換回路部４におけ
るオペアンプ４ａの出力電位を第３のサンプルホールド
回路５ｃに記憶させる。

【００２９】続いて、スイッチング制御回路部１１から
のキャリア信号ＰＷ３、ＰＷ４により、固定電極２ｃと
固定電極２ｄとの電圧を入れ替え、固定電極２ｃに電圧
０、固定電極２ｄに電圧Ｖａを印加する。ただし、固定
電極２ｄには、スイッチング制御回路部１１と固定電極
２ｄとの間に備えた第２電圧調整回路部１２ｂにより、
電圧Ｖａを調整した電圧を印加する。具体的には、第２
調整回路部１２ｂによって電圧Ｖａよりも大きな電圧を
固定電極２ｄに印加する。これにより、検知方向におい
て上記状態２となる。そして、スイッチング制御回路部
１１からの信号Ｓ５により、このときのＣ−Ｖ変換回路
部４におけるオペアンプ４ａの出力電位を第４のサンプ
ルホールド回路５ｄに記憶させる。

【００３０】このようにして、振動方向及び検知方向に
おける状態１、２のオペアンプ４ａの出力が各サンプル
ホールド回路５ａ〜５ｄに記憶されると、第１、第２の
差動増幅回路６、７により、第１のサンプルホールド回
路５ａと第２のサンプルホールド回路５ｂの電位差が所
定の増幅率で増幅されると共に、第３のサンプルホール
ド回路５ｃと第４のサンプルホールド回路５ｄの電位差
が所定の増幅率で増幅される。この後、同期検波回路部
８で各差動増幅回路部６、７の出力の同期が取られたの
ち、感度調整回路９によって適宜感度調整がなされ、角
速度センサの出力信号として出力される。

【００３１】以上のような角速度の検出においては、第
１、第２の電圧調整回路１２ａ、１２ｂにより、固定電
極２ｃ、２ｄに印加する電圧を調整しているため、振動
子１の振動方向の振動の共振周波数と検知方向の振動の
共振周波数との関係が変化する。図３に、固定電極２
ｃ、２ｄへの印加電圧と、振動子１の振動方向の振動の
共振周波数及び検知方向の振動の共振周波数との関係を
示す。

【００３２】この図中、周波数ｆｄで共振ピークとなる
のが振動子１の振動方向の振動の共振周波数である。ま
た、周波数ｆｓで共振ピークとなるのが、固定電極２
ａ、２ｂに電圧Ｖａを印加した場合における振動子１の
検知方向の振動の共振周波数であり、周波数ｆｓ′で共
振ピークとなるのが、固定電極２ａ、２ｂに電圧Ｖａよ
り大きな電圧を印加した場合における振動子１の検知方
向の振動の共振周波数である。

【００３３】この図に示されるように、固定電極２ｃ、
２ｄに印加する電圧を大きくすると、それに応じて振動
子１の検知方向の振動の共振周波数が小さくなり、振動
子１の振動方向の振動の共振ピークに近づいていること
が分かる。具体的に、固定電極２ｃ、２ｄへの印加電圧
と共振ピークの変位との関係を表すと、図４のように示
される。このようになるのは、可動電極１ｃ、１ｄと固
定電極２ｃ、２ｄとの間に働く静電引力の大きさが両固
定電極２ｃ、２ｄの間の電位差の二乗に比例することか
ら、固定電極２ｃ、２ｄへの印加電圧を大きくした分、
コリオリ力が働いた際に発生する静電引力が大きくな
り、振動子１の振幅が大きくなって、見かけ上のばね定
数が低減されたことになるためである。

【００３４】このため、固定電極２ｃ、２ｄに電圧Ｖａ
を印加した場合における振動子１の検知方向の振動の検
知感度を１とすると、固定電極２ｃ、２ｄに電圧Ｖａよ
り大きな電圧を印加した場合における振動子１の検知方
向の振動の検知感度がβ（ただし、β＞１）となり、検
知感度をβ倍に大きくすることができる。

【００３５】このように、角速度センサを本実施形態に
示す構成とし、検知方向における振動の検知に用いる固
定電極２ｃ、２ｄへの印加電圧を調整することで、素子
部３に調整用電極を別途設けることなく振動子１の検知
方向の振動の共振ピークを調整することができ、センサ
感度の向上を図ることができる。

【００３６】なお、振動子１の検知方向の振動の共振ピ
ークをより振動子１の振動方向の振動の共振ピークに近
づかせることにより、より感度の調整を図ることも可能
であると言えるが、近づかせすぎると大きく共振し過ぎ
て振動子１が止まらなくなり、応答性の悪化につながる
と共に、わずかな共振周波数のズレ（例えば、温度によ
って固定電極２ａ〜２ｄと可動電極１ａ〜１ｄとの間の
粘性抵抗が変化することによって発生するズレや、振動
子１を支持する梁構造のヤング率の相違によって発生す
るズレ）によって大きな感度バラツキが発生してしま
う。この場合、素子部３の加工精度を非常に高精度とす
るか、共振周波数の調整手段を設けることで対処可能で
あるが、その分、低コスト化の妨げになるため、あまり
近づかせすぎないようにした方が好ましい。

【００３７】（他の実施形態）上記実施形態では、検知
方向の振動子１の振動の共振周波数が、振動方向の振動
子１の振動の共振周波数よりも大きくなるような場合に
ついて説明したが、それらの関係が逆になるような場合
であっても良い。このような場合においても固定電極へ
の印加電圧を調整することにより、上記実施形態と同様
の効果を得ることができる。

【００３８】また、上記実施形態では、検知方向の振動
子１の振動の共振ピークが、振動方向の振動子１の振動
の共振ピークに近づくように固定電極２ｃ、２ｄへの印
加電圧を調整しているが、必ずしも近づける方に調整し
なくても良い。例えば、上述したように、検知方向の振
動子１の振動の共振ピークが、振動方向の振動子１の振
動の共振ピークに近すぎる場合には、大きな感度バラツ
キが発生する等の問題が生じるため、この場合には共振
ピークが遠ざかる方に調整する方がよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態における角速度センサの
概略構成を示す図である。

【図２】角速度センサの検知原理を説明した図である。

【図３】固定電極への印加電圧と、振動子１の振動方向
の振動の共振周波数と検知方向の振動の共振周波数との
関係を示した図である。

【図４】固定電極への印加電圧と共振ピークの変位との
関係を示した図である。

【符号の説明】

１…振動子、１ａ〜１ｄ…可動電極、２…固定部、２ａ
〜２ｄ…固定電極、３…素子部、４…Ｃ−Ｖ変換回路
部、５…サンプルホールド回路部、６、７…第１、第２
の差動増幅回路部、８…同期検波回路部、９…感度調整
回路部、１０…励振信号発生回路部、１１…スイッチン
グ制御回路部、１２ａ、１２ｂ…第１、第２電圧調整回
路部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早川 順二 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 2F105 BB02 CD03 CD11

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可動電極（１ａ〜１ｄ）を有し、平面基
   板表面において、２軸直交座標方向に変位可能に支持さ
   れてなる振動子（１）と、 前記振動子の可動電極と対向する固定電極（２ａ〜２
   ｄ）を有してなる固定部（２）とを備え、 前記振動子を前記２軸直交座標方向の一方に振動させる
   と共に、該振動させる方向を振動方向、前記平面基板表
   面において前記振動方向に垂直をなす方向を検知方向と
   すると、前記可動電極及び前記固定電極によって、前記
   振動子に対する振動方向及び前記検知方向に静電容量を
   形成し、該静電容量変化を検出することで角速度検出を
   行う角速度センサにおいて、 前記可動電極と前記固定電極との間に印加するキャリア
   信号電圧（ＰＷ３、ＰＷ４）を可変にする電圧調整回路
   部（１２ａ、１２ｂ）を備えていることを特徴とする角
   速度センサ。
2. 【請求項２】 前記キャリア信号電圧は、前記検知方向
   の静電容量を形成する前記固定電極に印加するものであ
   ることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記電圧調整回路部により、前記検知方
   向の静電容量を形成する前記可動電極に印加する電気信
   号よりも、前記キャリア信号電圧を大きくするようにな
   っていることを特徴とする請求項１又は２に記載の角速
   度センサ。