JP2006162495A - 力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 梁や可動部の形状のばらつきによる影響を低減させることによってセンサ感度を向上させること。
【解決手段】 所定の目的姿勢となるようにフィードバック制御方式を用いて錘体の姿勢制御を行う。詳しくは、錘体の姿勢状態を検出用静電容量素子を用いて検出し、検出された錘体の姿勢状態と目標値（命令値）との比較を行う。目標値との比較結果に基づいて駆動用の制御信号を生成し、この駆動用の制御信号を駆動用静電容量素子に印加する。すると駆動用静電容量素子の電極間に静電力が作用し、錘体の姿勢が変化する。このような独立したフィードバック制御を各軸方向において行う。そして、各制御系における錘体の姿勢制御を行う際に生成された駆動用の制御信号を検出し、検出された駆動用の制御信号に基づいて、錘体に作用する力学量の検出を行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は、可撓性を有する梁に支持された可動部を備え、この可動部の姿勢変化に基づいて、作用する力学量を検出する力学量センサに関する。

加速度センサや角速度センサなどの力学量センサは、ビデオカメラの手ぶれ補正装置や車載用のエアバッグ装置、ロボットの姿勢制御装置などの分野で用いられている。
従来、このような力学量センサにおいて、下記の特許文献に開示されているような、物体に働く力や加速度など様々な力学量を多軸同時に検出するものが提案されている。

特開平１１−１０１６９７号公報

特許文献１には、可撓部を介して筐体に支持された可動基板を備え、この可動基板が加速度などの影響を受けて生じた傾き、即ち姿勢の変化をｘ軸およびｙ軸の２軸同時に検出する加速度センサが提案されている。
詳しくは、錘として作用する作用体が固定された可動基板と、この可動基板と平行に配置された固定基板とに、それぞれの対向面に対になる電極をｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれに対して設ける。
固定基板と可動基板とに設けられた電極間距離の変化を静電容量の変化に基づいて検出する。電極間の距離の変化に基づいて、可動基板の姿勢の変化を検出する。そして、可動基板の姿勢変化から、作用体に働く加速度の向き、大きさを算出する。このようにして、作用体に働く加速度を検出する。

また、特許文献１には、ｘ軸またはｙ軸周りに働く角速度を２軸同時に検出する角速度センサも提案されている。
可動基板を一定の周期でｚ軸方向に振動させた状態で、ｘ軸またはｙ軸周りに角速度が働くと、可動基板の中心にコリオリ力が発生する。このコリオリ力は、可動基板の振動方向（ｚ軸方向）に対して直交する向きに発生する。可動基板にコリオリ力が発生すると、可動基板にはねじれが加わり姿勢が変化する。即ち、可動基板の振動の運動方向と直交する面に対して可動基板が傾く。この可動基板の姿勢の変化を検出することによって、作用する角速度の向きや大きさを検出するようになっている。

ところで、静電容量検出型の力学量センサにおいては、特許文献１に記載されているように、固定基板と可動基板とに設けられた検出用電極間の静電容量の変化に基づいて、力学量の検出を行う。なお、電極間の静電容量は、電極間の距離だけでなく、電極の面積によっても変化するものである。
そのため、電極の面積や電極間の距離のばらつき、また、可動基板における可撓部形状のばらつきなどが生じてしまうと、適切に可動基板の姿勢を検出することができずに、センサの精度が低下してしまうおそれがある。
従来は、このような電極等のばらつきによる影響を補正するために、センサの出力信号を処理する回路に複雑な補正機能を搭載していた。
そこで、本発明は、複雑な補正処理を施すことなく、梁や可動部の形状のばらつきによる影響を低減させることによってセンサ感度を向上させることができる力学量センサを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、可撓性を有する梁に支持され、作用する力学量に応じて姿勢が変化する可動部と、直交する２軸の方向成分ごとに前記可動部の姿勢を検出する姿勢検出手段と、前記姿勢検出手段の検出結果に基づいて、所定の目標姿勢となるように前記可動部の姿勢を変化させる駆動信号を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段により生成された前記駆動信号に基づいて、前記２軸の方向成分ごとに前記可動部の姿勢を変化させる姿勢変化手段と、前記信号生成手段により生成された前記駆動信号に基づいて、前記可動部に作用する力学量を検出する力学量検出手段と、を備えることにより前記目的を達成する。
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記信号生成手段により生成された前記駆動信号に基づく一方の軸方向における前記可動部の姿勢制御が、もう一方の軸方向における前記可動部の姿勢制御に与える干渉値を算出する干渉値算出手段を備え、前記姿勢変化手段は、前記信号生成手段により生成された前記駆動信号に、前記干渉値算出手段により算出された他軸からの干渉値を反映した値に基づいて、前記可動部の姿勢を変化させる。
請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２記載の発明において、前記可動部に設けられた可動電極と、前記可動電極と対向する位置に、隙間を介して配置された固定電極と、を備え、前記姿勢検出手段は、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量に基づいて、前記可動部の姿勢を検出し、前記姿勢変化手段は、前記可動電極と前記固定電極との間に静電力を作用させることにより前記可動部の姿勢を変化させる。
請求項４記載の発明では、請求項３記載の発明において、前記可動電極と前記固定電極との間に駆動用交流信号を印加して前記可動部を振動させる振動手段を備え、前記姿勢検出手段は、前記可動電極と前記固定電極との間に参照用交流信号を印加し、この参照用交流信号の振幅に基づいて前記可動部の姿勢を検出し、前記姿勢変化手段は、前記振動手段における前記駆動用交流信号を変化させることにより前記可動部の姿勢を変化させ、前記力学量検出手段は、前記可動部に作用する少なくとも角速度を含む力学量を検出する。
請求項５記載の発明では、請求項４記載の発明において、前記振動手段における前記駆動用交流信号の周波数と、前記姿勢検出手段における前記参照用交流信号の周波数とは、異なる周波数帯域に存在し、前記姿勢検出手段は、前記参照用交流信号を前記駆動用交流信号から分離するフィルタを有する。

本発明によれば、所定の目標姿勢となるように可動部の姿勢制御を行い、この可動部の姿勢制御を行う際の駆動信号に基づいて可動部に作用する力学量を検出することにより、梁や可動部の形状などのばらつきが力学量の検出に及ぼす影響を低減することができ、安定したセンサの出力を得ることができる。これによりセンサ感度を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１〜図７を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、力学量センサの一例として静電容量検出型角速度センサ（以下、角速度センサとする）を用いて説明する。
本実施の形態に係る角速度センサは、半導体基板を加工して形成された半導体センサである。
また、本実施の形態に係る角速度センサは、ｘ軸方向およびｙ軸方向の２軸同時に測定をすることができる多軸型の力学量センサである。
なお、本実施の形態においては、角速度センサを構成する基板の積層方向と同一方向を上下方向、即ちｚ軸（方向）と定義する。そして、このｚ軸と直交し、かつ互いの軸と直交する軸をｘ軸（方向）およびｙ軸（方向）と定義する。つまり、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸はそれぞれ互いに直交する３軸となる。

図１（ａ）は、本実施の形態に係る角速度センサの概略構成を示すｘ軸方向の断面図であり、（ｂ）は、ｙ軸方向の断面図である。
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る角速度センサは、可動部構造体１、上部硝子基板２および下部硝子基板３を備えている。詳しくは、可動部構造体１を上部硝子基板２および下部硝子基板３によって上下方向から挟み込んだ３層構造となっている。
図２は、可動部構造体１の構成を示した平面図である。なお、図１（ａ）の断面図は、図２に示す線分Ａ−Ａ’の位置における角速度センサの断面を示した図である。同様に、図１（ｂ）の断面図は、図２に示す線分Ｂ−Ｂ’の位置における角速度センサの断面を示した図である。
可動部構造体１の本体部は、シリコン基板から形成されている。そして、このシリコン基板をエッチングすることによって、フレーム１１、梁１２および錘体１３が形成されている。なお、錘体１３は、可動部として機能する。

フレーム１１は、錘体１３を囲むように可動部構造体１の周縁部に設けられた固定部であり、可動部構造体１の枠組みを構成する。
梁１２は、錘体１３の中心から放射方向に（フレーム１１の方向に）十字方向に延びる４つの帯状の薄部材であり、可撓性を有している。
錘体１３は、４つの梁１２によってフレーム１１に固定された質量体である。錘体１３は、梁１２の作用により、外部より加わる力により振動させたり、捩れる動きが可能となっている。

図１の説明にもどり、梁１２および錘体１３の上面（上部硝子基板２との対向面）と上部硝子基板２との間には、錘体１３を可動にするための空間である可動隙間１４が形成されている。上部硝子基板２は、この可動隙間１４を封止するように接合されている。
梁１２の下面（下部硝子基板３との対向面）および錘体１３の底面即ち下面（下部硝子基板３との対向面）と下部硝子基板３との間、さらに錘体１３の周部においても、錘体１３を可動にするための空間である可動隙間１５が形成されている。下部硝子基板３は、この可動隙間１５を封止するように接合されている。なお、可動隙間１４、１５は真空状態とすることで、錘体１３が動作する際の空気抵抗を低減することが可能である。

なお、可動部構造体１の本体部（フレーム１１、梁１２、錘体１３）を形成する際には、シリコン基板をプラズマによる深いトレンチエッチングを施すＤ−ＲＩＥ（ディープ−リアクティブ・イオン・エッチング）技術を利用して行う。
また、本実施の形態に係る角速度センサでは、可動部構造体１の本体部をシリコン基板を用いて形成しているが、可動部構造体１の形成部材はこれに限られるものではない。例えば、シリコン基板の中間層に酸化膜を埋め込んだＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を用いて形成してもよい。
この場合、中間の酸化膜層が梁１２や錘体１３を加工する際のエッチング処理において、エッチング遮断層（ストップ層）として機能するため、厚み方向に対する加工精度を向上させることができる。

上部硝子基板２および下部硝子基板３は、可動部構造体１を封止するように接合された硝子基板である。上部硝子基板２および下部硝子基板３は、それぞれ、可動部構造体１のフレーム１１において陽極接合によって接合されている。
陽極接合とは、硝子基板（上部硝子基板２、下部硝子基板３）側に陰極電圧を与え、硝子−シリコン間の静電引力を利用して接合する接合方法である。
なお、硝子基板と可動部構造体１との接合方法は、陽極接合に限定されるものではない。例えば、接合面に金属を積層させて接合する共晶接合等を用いるようにしてもよい。

本実施の形態に係る角速度センサには、錘体１３の姿勢状態を検出するための姿勢検出手段を備えている。
錘体１３の姿勢状態の検出は、上部硝子基板２と可動部構造体１とに設けられた電極間の静電容量を検出することによって行う。固定基板（上部硝子基板２）と可動基板（可動部構造体１）との対向面にそれぞれ設けられた固定電極および可動電極によって静電容量素子（コンデンサ）を構成し、このコンデンサの静電容量を検出することにより錘体１３の姿勢状態を検出する。
なお、錘体１３の姿勢状態を検出するための固定電極および可動電極を検出用電極とする。

本実施の形態に係る角速度センサでは、錘体１３の姿勢状態をｘ軸方向およびｙ軸方向の傾き状態を検出することによって行う。即ち、錘体１３の姿勢状態は、２軸方向の傾き成分をそれぞれ検出することによって行う。
図２に示すように、錘体１３の中心軸を基準として、ｘ軸方向成分をＸ１およびＸ２における部位の錘体１３の姿勢状態（傾き状態）から検出する。同様に、ｙ軸方向成分をＹ１およびＹ２における部位の錘体１３の姿勢状態（傾き状態）から検出する。
詳しくは、図２に示すように、錘体１３の上部硝子基板２と対向する面上に４つの検出用可動電極５１〜５４を設ける。
また、図１に示すように、上部硝子基板２の錘体１３と対向する面上に、検出用固定電極４１〜４４を設ける。検出用固定電極４１〜４４は、それぞれ検出用可動電極５１〜５４と対置する位置に設けられている。

そして、検出用固定電極４１と検出用可動電極５１によって検出用静電容量素子Ｃｘ１を構成する。同様に、検出用固定電極４２と検出用可動電極５２によって検出用静電容量素子Ｃｙ１を構成し、検出用固定電極４３と検出用可動電極５３によって検出用静電容量素子Ｃｘ２を構成し、検出用固定電極４４と検出用可動電極５４によって検出用静電容量素子Ｃｙ２を構成する。
検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２の静電容量に基づいて錘体１３の姿勢状態のｘ軸方向成分を検出し、検出用静電容量素子Ｃｙ１、Ｃｙ２の静電容量に基づいて錘体１３の姿勢状態のｙ軸方向成分を検出する。

なお、本実施の形態では、検出用固定電極４１〜４４および検出用可動電極５１〜５４は、互いに同形状、同面積の電極によって形成されているが、錘体１３に不純物を高濃度に拡散して導電性を向上させ、錘体１３自体を電極とすることでも同様の検出用容量素子を形成することが可能である。この場合は、錘体１３に電極を形成する工程を省略することができる。
詳しくは、図２に示すようにそれぞれの電極の形状は、直角二等辺三角形であり、それぞれの電極の直角をなす二辺の頂点が、錘体１３の中心方向に向くように、中心を取り囲んで９０°ごとに配置されている。
同一平面上の対向する電極同士、即ち中央を挟んで反対側に位置する電極同士が対となり、錘体１３の姿勢状態の各軸方向成分を検出する。

錘体１３の姿勢状態のｘ軸方向成分を検出するための検出用固定電極４１、４３および検出用可動電極５１、５３は、直角二等辺三角形の直角を二等分する二等分線（中心線）がｘ軸と重なる位置に配置されている。
同様に、錘体１３の姿勢状態のｙ軸方向成分を検出するための検出用固定電極４２、４４および検出用可動電極５２、５４も、直角二等辺三角形の直角を二等分する二等分線（中心線）がｙ軸と重なる位置に配置されている。

図示されていないが、検出用固定電極４１〜４４および検出用可動電極５１〜５４は、外部に設けられた制御回路（制御装置）と引出用の配線（引出配線）によって接続されている。そして、これらの引出配線を介して、各種信号が電極に印加されるように構成されている。
なお、電極間の静電容量は、静電容量／電圧変換（Ｃ／Ｖ変換）回路を用いて電気的に検出することができる。

Ｃ／Ｖ変換回路として、例えば、十分周波数の高いキャリア信号（参照信号）を静電容量素子に印加し、その出力信号の振幅の変化量を静電容量として検出する方法がある。
静電容量素子に印加されたキャリア信号の出力は、その振幅が静電容量に比例する。そのため、入力キャリア信号と出力キャリア信号の振幅を比較することによって、静電容量を検出することができるようになっている。
本実施の形態に係る角速度センサでは、前述した検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２の電極にキャリア信号として、周波数帯域が数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚである交流信号が印加されている。
また、本実施の形態に係る角速度センサにおいては、検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２の素子ごとに静電容量を検出するためのＣ／Ｖ変換回路が設けられている。

本実施の形態に係る角速度センサは、錘体１３を上下方向（ｚ軸方向）に振動させ、振動運動をしている錘体１３にコリオリ力を生じさせることによって、錘体１３の周りに加わる角速度を検出する方式を用いている。
そこで、本実施の形態に係る角速度センサは、錘体１３を上下振動させる駆動手段を備えている。
また、本実施の形態に係る角速度センサにおいては、この駆動手段は、錘体１３の姿勢状態を変化させるための姿勢変化手段も担っている。錘体１３の姿勢変化手段とは、錘体１３が所定の姿勢を保持するように強制的に外力を加えて制御する機能を示す。
この錘体１３の所定の姿勢とは、例えば、一定の振幅・周期で単振動をしているような運動状態にある場合を含む。
即ち、本実施形態に係る角速度センサでは、この姿勢変化手段によって、錘体１３の所定の位置における一定の振幅・周期での振動状態（姿勢状態）を保持させるようにしている。

錘体１３の姿勢状態の変化、即ち錘体１３の運動状態の制御は、下部硝子基板３と可動部構造体１とに設けられた電極間に駆動用の制御信号を印加することによって行う。この駆動用の制御信号は、例えば、錘体１３の共振周波数（数ｋＨｚ程度）の交流信号であったり、交流信号に直流信号を重畳させた信号であったりする。なお、駆動用の制御信号は振幅などを調整することによって、錘体１３が傾きを補整した状態で所定の振動運動をするように調整されている。
電極間に駆動用の制御信号が印加されると、電極間に静電力（静電気力）が作用する。この静電力の作用によって錘体１３の姿勢状態を制御する。静電力とは、電荷によって生じる吸引力や反発力を示す。電極間に印加する駆動用の制御信号を変化させることによって、電極間に作用させる静電力を調整できる。

本実施の形態に係る角速度センサでは、固定基板（下部硝子基板３）と可動基板（可動部構造体１）との対向面にそれぞれ設けられた固定電極および可動電極によって静電容量素子（コンデンサ）を構成し、このコンデンサに静電力を作用させる駆動信号を印加する。
固定基板（下部硝子基板３）と可動基板（可動部構造体１）との対向面にそれぞれ設けられた固定電極および可動電極によって静電容量素子（コンデンサ）を構成する。そしてこの一方の電極の位置が可動であるコンデンサに駆動用の制御信号を印加することによって錘体１３の姿勢状態を強制的に保持させる制御を行う。
なお、錘体１３の姿勢状態を変化させるための固定電極および可動電極を駆動用電極とする。

本実施の形態に係る角速度センサでは、錘体１３の姿勢をｘ軸方向およびｙ軸方向の２方向から制御する。
図２に示すように、Ｘ１およびＸ２における部位の錘体１３の姿勢を制御することによってｘ軸方向の姿勢制御を行う。同様に、Ｙ１およびＹ２における部位の錘体１３の姿勢を制御することによってｙ軸方向の姿勢制御を行う。
詳しくは、錘体１３の下部硝子基板３と対向する面上に４つの駆動用可動電極６１〜６４を設ける。
また、下部硝子基板３の錘体１３と対向する面上に、駆動用固定電極７１〜７４を設ける。駆動用固定電極７１〜７４は、それぞれ駆動用可動電極６１〜６４と対置する位置に設けられている。

そして、駆動用可動電極６１と駆動用固定電極７１によって駆動用静電容量素子Ｃｘ３を構成する。同様に、駆動用可動電極６２と駆動用固定電極７２によって駆動用静電容量素子Ｃｙ３を構成し、駆動用可動電極６３と駆動用固定電極７３によって駆動用静電容量素子Ｃｘ４を構成し、駆動用可動電極６４と駆動用固定電極７４によって駆動用静電容量素子Ｃｙ４を構成する。
駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４にそれぞれ駆動用の制御信号を印加することによって静電力を作用させ、錘体１３のｘ軸方向における姿勢状態を制御する。
同様に、駆動用静電容量素子Ｃｙ３、Ｃｙ４にそれぞれ駆動用の制御信号を印加することによって静電力を作用させ、錘体１３のｙ軸方向における姿勢状態を制御する。

なお、駆動用可動電極６１〜６４および駆動用固定電極７１〜７４は、互いに同形状、同面積の電極によって形成されている。
詳しくは、電極の形状は、前述した検出用固定電極４１〜４４および検出用可動電極５１〜５４と同様に、直角二等辺三角形であり、それぞれの電極の直角をなす二辺の頂点が、錘体１３の中心方向に向くように、即ち中心を取り囲んで９０°ごとに配置されている。
同一平面上の対向する電極同士、即ち中央を挟んで反対側に位置する電極同士が対となり、錘体１３の各軸方向における姿勢を制御する。

錘体１３のｘ軸方向における姿勢を制御するための駆動用可動電極６１、６３および駆動用固定電極７１、７３は、直角二等辺三角形の直角を二等分する二等分線（中心線）がｘ軸と重なる位置に配置されている。
同様に、錘体１３のｙ軸方向における姿勢を制御するための駆動用可動電極６２、６４および駆動用固定電極７２、７４は、直角二等辺三角形の直角を二等分する二等分線（中心線）がｙ軸と重なる位置に配置されている。
図示されていないが、駆動用可動電極６１〜６４および駆動用固定電極７１〜７４は、外部に設けられた制御回路（制御装置）と引出用の配線（引出配線）によって接続されている。そして、これらの引出配線を介して、各種信号が電極に印加されるように構成されている。

次に、このように構成される本実施の形態に係る角速度センサの動作について説明する。
図３は、本実施の形態に係る角速度センサにおける錘体１３の姿勢制御系を示したブロック線図である。
本実施の形態に係る角速度センサでは、図２に示すＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２のそれぞれの部位（以下、各軸方向制御系という）ごとに錘体１３の姿勢制御を行う。そして、その錘体１３の姿勢制御の過程において扱われる制御信号を検出し、この制御信号に基づいて錘体１３に作用する力学量である角速度を検出している。
各部位における錘体１３の姿勢制御は、フィードバック制御方式を用いて行う。このフィードバック制御方式とは、制御結果を検出し、これを帰還して適切な訂正信号を送り、制御された結果を最初の命令（目標値）通りにする自動制御方式である。
本実施の形態に係る角速度センサでは、検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２における電極間の設計上の距離（理論値）、即ち梁１２や錘体１３などの加工精度に依存するばらつき（誤差量）を含まない値を制御の目標値（基準値）として設定する。この目標値は、図３に示すように、各軸方向制御系ごとに与えられている。

なお、目標値は設計上の理論値に限定されるものではなく、任意の値に設定することができる。例えば、錘体１３に対して角速度が加えられていない状態、即ち初期状態における錘体１３の姿勢状態を目標値として設定してもよい。
この場合には、錘体１３の初期状態の姿勢を検出するためのセルフチェック機能を予め搭載しておく。なお、このセルフチェックは、検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２を流用して行うようにしてもよい。これにより、セルフチェック機能専用の検出器が不要となる。
また、セルフチェックは、製品（センサ）の出荷時など製品が完成体となった段階で行い、検出した錘体１３の初期状態の姿勢の情報を制御回路に備えられている記憶素子に格納しておくようにする。
このように、初期状態の姿勢を目標値として設定した場合には、錘体１３に力学量（角速度）が加えられていない状態において適切に力学量の出力がゼロとなる。即ち、力学量は検出されない。

本実施の形態に係る角速度センサでは、錘体１３の姿勢状態を各軸方向制御系において制御することによって、錘体１３全体の姿勢状態を制御している。
図３に示すように、各軸方向制御系においては、同様の制御方式を用いている。そこで、ここでは、制御動作の説明としてｘ軸方向の姿勢制御を行うｘ軸方向制御系について説明し、ｙ軸方向制御系については詳細説明を省略する。
角速度センサは、錘体１３の姿勢状態、即ち錘体１３の変位状態の検出を上述した検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２の静電容量を検出することによって行う。
そして、Ｃ／Ｖ変換回路を用いて電気的に検出された静電容量に基づいて錘体１３の姿勢状態の検出結果と目標値との比較を行う。
この検出結果と目標値との比較は、目標値と検出結果との差分をとることによって行う。

次に、錘体１３の姿勢状態の検出結果と目標値との比較結果に基づいて、駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４に印加する駆動用の制御信号を生成する。
この駆動用の制御信号には、錘体１３に角速度が加えられている場合、この角速度の作用による錘体１３の傾きを補正する静電力を作用させる信号、即ち作用する外力を相殺する静電力を作用させる信号が含まれるような信号となる。
駆動用の制御信号の生成（導出）は、所定の制御信号算出プログラムを起動することによって行うことができる。
そして、駆動用の制御信号が生成されると、この駆動用の制御信号は駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４に印加される。

図４は、駆動用の制御信号の生成回路の一例を示した図である。
図４に示すように、駆動用の制御信号は、ＰＩＤ補償回路を用いて生成される。ＰＩＤ補償回路とは、比例回路、積分回路、微分回路を備えた複合回路であり、各回路で演算された出力（結果）に基づいて駆動用の制御信号が生成される。
比例回路ではＰ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ：比例）動作を行い、積分回路ではＩ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ：積分）動作を行い、微分回路ではＤ（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ：微分）動作を行う。

駆動用の制御信号が駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４に印加されると、これらの静電容量素子を構成する駆動用可動電極６１と駆動用固定電極７１との間、駆動用可動電極６２と駆動用固定電極７２との間にそれぞれ静電力が作用する。
これらの電極間に静電力が作用することによって、錘体１３の姿勢が制御される。
このようにして錘体１３の姿勢を目標値通りになるように自動制御するフィードバックループが形成されている。
そして、各軸方向の力学量（角速度）の検出は、図３に示すように、駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４に印加される駆動用の制御信号を検出し、この検出された駆動用の制御信号に基づいて行う。
各軸方向の力学量（角速度）の検出は、駆動用の制御信号に含まれる錘体１３の傾きを補正する静電力を作用させる信号、即ち錘体１３に作用する外力を相殺する静電力を作用させる信号を抽出し、この抽出された信号に基づいて行う。

従って、本実施の形態に係る角速度センサにおいては、梁１２や錘体１３、各電極などの加工精度に依存する初期状態におけるばらつきの影響を抑制でき、適切に錘体１３に作用する力学量（角速度）を検出することができる。
このように、本実施の形態に係る角速度センサでは、錘体１３の姿勢状態をフィードバック制御を用いて定値制御することにより、梁１２や錘体１３、各電極などの形状のばらつきによる影響を低減できる。これにより、制御系を安定させることが容易になり、安定した制御信号が得られるとともに、センサの感度を向上させることができる。

上述した角速度センサでは、駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４に駆動用の制御信号を印加することによって、錘体１３のｘ軸方向の姿勢制御を行っている。同様に、駆動用静電容量素子Ｃｙ３、Ｃｙ４に駆動用の制御信号を印加することによって、錘体１３のｙ軸方向の姿勢制御を行っている。
しかしながら、錘体１３の重心の位置が中心からずれていると、駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４に駆動用の制御信号を印加することにより、ｘ軸方向だけでなくｙ軸方向にも静電力が作用してしまうおそれがある。同様に、駆動用静電容量素子Ｃｙ３、Ｃｙ４に駆動用の信号を印加することにより、ｙ軸方向だけでなくｘ軸方向にも静電力が作用してしまうおそれがある。
結果として、ｘ軸（自軸）の制御がｙ軸（他軸）の制御に影響を与えてしまうおそれがある。同様にｙ軸（自軸）の制御がｘ軸（他軸）の制御に影響を与えてしまうおそれがある。

このように、お互いの軸方向の制御において干渉が生じてしまうと、図５に示すように、駆動用の制御信号に基づいて検出される力学量の出力に影響を与えてしまうおそれがある。
例えば、錘体１３のｘ軸方向にのみ角速度が作用している場合には、ｘ軸方向のセンサからのみ力学量（角速度）が検出され、ｙ軸方向のセンサからは力学量（角速度）が検出されない状態が理想的である。
しかし、錘体１３の重心の位置が中心からずれていると、錘体１３のｘ軸（自軸）方向にのみ角速度が作用している場合であっても、図５に示すように、ｙ軸（他軸）方向のセンサからも力学量（角速度）が出力されてしまう。
このような他軸への干渉が存在すると、力学量の出力に誤差が生じるだけでなく、各軸方向において独立してフィードバック制御を行う場合に動作が不安定になる可能性がある。

そこで、本実施の形態では、変形例として他軸への干渉（他軸感度）を解消するため、互干渉の値を算出するための干渉値算出手段を設け、干渉値を考慮した錘体１３の姿勢制御および力学量の検出を可能とする角速度センサを提案する。
図６は、本実施の形態に係る角速度センサの変形例における錘体１３の姿勢制御系を示したブロック線図である。
本実施の形態に係る角速度センサの変形例では、図３に示す角速度センサと同様に各軸方向制御系ごとに錘体１３の姿勢制御を行う。
なお、目標値の設定およびメインのフィードバック制御については、図３に示す角速度センサと同様の方式を用いる。

図６に示すように、各軸方向制御系においては、同様の制御方式を用いている。
角速度センサは、錘体１３の姿勢状態、即ち錘体１３の変位状態の検出を上述した検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２の静電容量を検出することによって行う。
そして、Ｃ／Ｖ変換回路を用いて電気的に検出された静電容量に基づいて錘体１３の姿勢状態の検出結果と目標値との比較を行う。
この検出結果と目標値との比較は、目標値と検出結果との差分をとることによって行う。

次に、錘体１３の姿勢状態の検出結果と目標値との比較結果に基づいて、駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４、Ｃｙ３、Ｃｙ４に印加する駆動用の制御信号を生成する。
この駆動用の制御信号には、錘体１３に角速度が加えられている場合、この角速度の作用による錘体１３の傾きを補正する静電力を作用させる信号、即ち作用する外力を相殺する静電力を作用させる信号が含まれるような信号となる。
変形例における角速度センサでは、駆動用の制御信号が生成されると、各制御系（Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２）で生成された駆動用の信号を軸成分ごとに検出し、この検出された制御信号に基づいて他軸に対する干渉値を算出（生成）する。
即ち、図６に示すように、ｘ軸方向の制御系における駆動用の制御信号を検出して、ｙ軸に対する干渉値を生成する。同様に、ｙ軸方向の制御系における駆動用の制御信号を検出して、ｘ軸に対する干渉値を生成する。

干渉値とは、当該駆動用の制御信号をそのまま駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４に印加した際に作用する静電力が、他軸であるｙ軸方向における力学量の検出に与える影響量を示す値である。
なお、他軸に対する干渉値は、予めセルフチェック機能を用いて行いて、錘体１３に外力が作用していない状態における錘体１３の重心（軸）のずれを検出し、この重心のずれに基づいて行う。
この錘体１３の重心のずれの検出は、製品（センサ）の出荷時など製品が完成体となった段階で行い、検出した錘体１３の初期状態の姿勢の情報を制御回路に備えられている記憶素子に格納しておくようにする。

次に、生成された干渉値をそれぞれ他軸の駆動用の制御信号に反映させる。即ち、ｘ軸方向の制御系で生成された干渉値をｙ軸方向の制御系における駆動用の制御信号に反映させる。同様に、ｙ軸方向の制御系で生成された干渉値をｘ軸方向の制御系における駆動用の制御信号に反映させる。
詳しくは、干渉値と反映させる制御系における駆動用の制御信号との差分をとる。
そして、干渉値が反映された駆動用の制御信号をそれぞれの駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４、Ｃｙ３、Ｃｙ４に印加する。
このように、本実施の形態に係る角速度センサの変形例では、他軸の制御に対して影響を与える要因を干渉値として生成し、駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４、Ｃｙ３、Ｃｙ４に印加する前の段階において、この干渉値を駆動用の制御信号に反映させる。
これにより、錘体１３の重心がずれているような場合などにおいて制御系で生じる他軸への干渉を適切に抑制することができる。
従って、他軸への干渉の低減化を図ることにより、角速度センサの検出感度のばらつきを低減することができ、センサの検出感度を向上させることができる。

上述した本実施の形態に係る角速度センサおよび変形例の角速度センサでは、各制御系において、それぞれ検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２および駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４、Ｃｙ３、Ｃｙ４が設けられている。しかし、これらの検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２と駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４、Ｃｙ３、Ｃｙ４を共通化し制御を行うようにしてもよい。即ち、検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２を駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４、Ｃｙ３、Ｃｙ４に流用して制御を行うようにしてもよい。
つまり、検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２を構成する検出用可動電極５１〜５４を駆動用可動電極６１〜６４と兼用し、検出用固定電極４１〜４４を駆動用固定電極７１〜７４と兼用して制御を行うようにしてもよい。

上述したように本実施の形態に係る角速度センサでは、検出用静電容量素子Ｃｘ１、Ｃｘ２、Ｃｙ１、Ｃｙ２の電極には、キャリア信号（参照信号）として周波数帯域が数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚである交流信号が印加されている。
そして、この参照信号の振幅の変位を検出し、この検出結果に基づいて錘体１３の姿勢状態（変位）を検出している。
一方、駆動用静電容量素子Ｃｘ３、Ｃｘ４、Ｃｙ３、Ｃｙ４の電極には、錘体１３を振動させるための周波数帯域が数ｋＨｚである駆動信号が印加されている。

従って、駆動用と検出用の静電容量素子を共通化した場合には、この共通化した静電容量素子に２種類の周波数帯域の異なる交流信号が印加される。
そこで、駆動用と検出用の静電容量素子を共通化して用いる場合には、錘体１３の姿勢状態を検出するための参照信号を適切に抽出するために、図７に示すように、制御回路内にフィルタ８を設ける。
詳しくは、図７に示すように、駆動用と検出用を共通化した静電容量素子Ｃに周波数帯域の異なる駆動信号および参照信号を印加する。
そして、静電容量素子Ｃを通過した後の信号を増幅回路を用いて増幅する。この段階では、駆動用と検出用の２種類の周波数帯域の交流信号が存在する。
次に、駆動用の数ｋＨｚ（低周波数）帯域の交流信号をカット（遮断）するためのフィルタ８に信号を印加する。

フィルタ８を通過した出力信号を検出信号として抽出し、この抽出された出力信号を錘体１３の姿勢状態を検出するための検出信号とする。この検出信号に所定の変換処理を施すことによって錘体１３の姿勢状態を検出する。
フィルタ８を通過した信号には、駆動用の制御信号の周波数成分は含まれていないため、適切に錘体１３の姿勢状態を検出することができる。
なお、フィルタ８は、駆動信号（駆動用の制御信号）の周波数帯域の信号が遮断されるフィルタであればよい。例えば、参照信号の周波数帯域の信号を十分に通過させることが可能なハイパスフィルタや、参照信号の周波数帯域の信号を狙って通過させるバンドパスフィルタによって構成されることが好ましい。
このように、フィルタ８を設けて検出用と駆動用の静電容量素子を共通化（兼用化）することにより、センサの小型化を図ることができる。

なお、上述した本実施の形態では、力学量センサの一例として角速度センサを用いて説明した。しかし、力学量センサは角速度センサに限定されるものではなく、上述した制御方法を加速度センサに応用することも可能である。
上述した角速度センサでは、駆動用静電容量素子に交流信号を印加して錘体１３をｚ方向に振動させ、角速度が作用した際にコリオリ力を生じさせることによって角速度を検出している。

一方、加速度センサでは、錘体１３に対してｘあるいはｙ軸方向に加速度が作用した場合に、その反対方向に慣性力が作用し、錘体１３の姿勢が変化する。従って、角速度の場合と同様に加速度の検出も可能である。
しかし、加速度と角速度が同時に作用する場合には、検出する際にこれらの力学量の分離が必要となる。
上述したように、角速度は錘体１３が振動している状態でしか作用しない。つまり角速度は、錘体１３の振動周波数に同期した交流信号として検出される。
一方、加速度は錘体１３が静止した状態でも作用する。そこで、検出信号を周波数分離し、交流成分から角速度を、直流成分（あるいは錘体１３の振動周波数以外の周波数成分）から加速度を抽出することによって、角速度と加速度を同時に検出することが可能となる。

なお、加速度センサとしてのみ機能させる場合には、錘体１３を振動させず、検出用静電容量素子によって錘体１３の姿勢状態（傾き）を検出し、この錘体１３を目標値の状態に変位させる制御を行う。即ち、錘体１３が静止バランスを保つように姿勢制御を行えばよいことになる。
錘体１３の傾きが検出された際には、駆動用検出素子に錘体１３を目標値の状態に変位させる静電力を作用させる直流の駆動用の制御信号を生成し、駆動用静電容量素子に印加する。
そして、生成された駆動用の制御信号を各軸方向の制御系ごとに検出し、検出された信号に基づいて錘体１３に作用する加速度を検出する。

このように、駆動用静電容量素子に交流ではなく直流の駆動用の制御信号を印加することによって、加速度センサとして応用することができる。
なお、加速度センサにおいても、上述した角速度センサと同様に他軸の干渉を抑制する構成を用いてもよい。
また、加速度センサにおいても駆動用静電容量素子と検出用静電容量素子の共通化（兼用化）を図ることによってセンサの小型化を容易にすることができる。
加速度センサにおいて駆動用静電容量素子と検出用静電容量素子を共通化する場合には、参照信号の検出に影響する他の交流信号が印加されないため、参照信号を抽出するためのフィルタ８が不要となる。

（ａ）は本実施の形態に係る角速度センサの概略構成を示すｘ軸方向の断面図であり、（ｂ）はｙ軸方向の断面図である。 可動部構造体の構成を示した平面図である。 本実施の形態に係る角速度センサにおける錘体の姿勢制御系を示したブロック線図である。 駆動用の制御信号の生成回路の一例を示した図である。 他軸への干渉の様子を示したグラフである。 本実施の形態に係る角速度センサの変形例における錘体の姿勢制御系を示したブロック線図である。 検出用と駆動用の静電容量素子を共通化した場合における、フィルタを設けた制御回路の一例を示した図である。

符号の説明

１ 可動部構造体
１１ フレーム
１２ 梁
１３ 錘体
１４、１５ 可動隙間
２ 上部硝子基板
３ 下部硝子基板
８ フィルタ
４１〜４４ 検出用固定電極
５１〜５４ 検出用可動電極
６１〜６４ 駆動用可動電極
７１〜７４ 駆動用固定電極

Claims (5)

1. 可撓性を有する梁に支持され、作用する力学量に応じて姿勢が変化する可動部と、
   直交する２軸の方向成分ごとに前記可動部の姿勢を検出する姿勢検出手段と、
   前記姿勢検出手段の検出結果に基づいて、所定の目標姿勢となるように前記可動部の姿勢を変化させる駆動信号を生成する信号生成手段と、
   前記信号生成手段により生成された前記駆動信号に基づいて、前記２軸の方向成分ごとに前記可動部の姿勢を変化させる姿勢変化手段と、
   前記信号生成手段により生成された前記駆動信号に基づいて、前記可動部に作用する力学量を検出する力学量検出手段と、
   を備えたことを特徴とする力学量センサ。
2. 前記信号生成手段により生成された前記駆動信号に基づく一方の軸方向における前記可動部の姿勢制御が、もう一方の軸方向における前記可動部の姿勢制御に与える干渉値を算出する干渉値算出手段を備え、
   前記姿勢変化手段は、前記信号生成手段により生成された前記駆動信号に、前記干渉値算出手段により算出された他軸からの干渉値を反映した値に基づいて、前記可動部の姿勢を変化させることを特徴とする請求項１記載の力学量センサ。
3. 前記可動部に設けられた可動電極と、
   前記可動電極と対向する位置に、隙間を介して配置された固定電極と、
   を備え、
   前記姿勢検出手段は、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量に基づいて、前記可動部の姿勢を検出し、
   前記姿勢変化手段は、前記可動電極と前記固定電極との間に静電力を作用させることにより前記可動部の姿勢を変化させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の力学量センサ。
4. 前記可動電極と前記固定電極との間に駆動用交流信号を印加して前記可動部を振動させる振動手段を備え、
   前記姿勢検出手段は、前記可動電極と前記固定電極との間に参照用交流信号を印加し、この参照用交流信号の振幅に基づいて前記可動部の姿勢を検出し、
   前記姿勢変化手段は、前記振動手段における前記駆動用交流信号を変化させることにより前記可動部の姿勢を変化させ、
   前記力学量検出手段は、前記可動部に作用する少なくとも角速度を含む力学量を検出することを特徴とする請求項３記載の力学量センサ。
5. 前記振動手段における前記駆動用交流信号の周波数と、前記姿勢検出手段における前記参照用交流信号の周波数とは、異なる周波数帯域に存在し、
   前記姿勢検出手段は、前記参照用交流信号を前記駆動用交流信号から分離するフィルタを有することを特徴とする請求項４記載の力学量センサ。

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