JP2007108072A

JP2007108072A - 力学量検出素子及び力学量検出装置

Info

Publication number: JP2007108072A
Application number: JP2005300568A
Authority: JP
Inventors: Hidemi Senda; 英美千田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2007-04-26
Also published as: CN1948907A; US20070126415A1; DE102006048591A1

Abstract

【課題】本発明は、振動子の変位の検出精度を向上させる、力学量検出素子と力学量検出素子を備える力学量検出装置の提供を目的とする。
【解決手段】基板１０に対して基板１０表面と平行なＸ軸方向に変位可能に支持されたメインフレーム３０−１，３０−２と、メインフレーム３０−１，３０−２に対して基板１０表面と平行かつＸ軸方向に直角なＹ軸方向に変位可能に支持された振動子２０と、メインフレーム３０−１，３０−２に設けられメインフレーム３０−１，３０−２をＸ軸方向に駆動するための駆動電極部とを備える力学量検出素子において、メインフレーム３０−１，３０−２の端をＹ軸方向に延設した終端部３２−１〜３２−４を備え、終端部３２−１〜３２−４のＸ軸方向の両側に駆動電極部５１−１〜５１−８を配置したことを特徴とする力学量検出素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に浮かせて設けた振動子の変位により、角速度などの力学量を検出するための力学量検出素子及び同素子を備える力学量検出装置に関する。

従来から、基板に対しＸ軸方向に変位可能に支持されたメインフレームを備え、メインフレームに対しＹ軸方向に変位可能に支持された振動子のＹ軸方向の振動の大きさを検出することにより、Ｚ軸回りの角速度を検出するセンサ装置が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

図６は、特許文献１で開示されたセンサ装置に内蔵される、半導体で構成した角速度検出素子の概略平面図である。この角速度検出素子では、メインフレーム３０−１，３０−２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がメインフレーム３０−１，３０−２の終端部３２−１〜３２−４の各Ｘ軸方向外側位置にＸ軸方向に対向して配置されている。そして、「図６の左側の駆動電極部５１−１，５１−３」と「図６の右側の駆動電極部５１−２，５１−４」に、交流成分が互いに逆相の電圧を入力することによって、メインフレーム３０−１，３０−２を基板１０に対しＸ軸方向に振動させている。この状態で、Ｚ軸回りに角速度が作用すると、振動子２０はコリオリ力によってその角速度に比例した振幅でＹ軸方向に振動し始める。

図７は、特許文献２で開示されたセンサ装置に内蔵される、半導体で構成した角速度検出素子の概略平面図である。この角速度検出素子では、駆動電極部５１−１，５１−２がメインフレーム３０−１，３０−２のＸ軸方向外側端部の突出部３６ａ，３６ｂの各Ｘ軸方向外側位置に配置され、駆動電極部５１−３，５１−４がメインフレーム３０−３，３０−４のＸ軸方向外側端部の突出部３６ｃ，３６ｄの各Ｘ軸方向内側位置に配置されている。そして、「図７の左側の駆動電極部５１−１，５１−２」と「図７の右側の駆動電極部５１−３，５１−４」に、交流成分が互いに逆相の電圧を入力することによって、メインフレーム３０−１〜３０−４を基板１０に対してＸ軸方向に振動させている。この状態で、Ｚ軸回りに角速度が作用すると、振動子２０−１，２０−２はコリオリ力によってその角速度に比例した振幅でＹ軸方向に振動し始める。
特許３５２５８６２号特許３５１２００４号

しかしながら、上述の従来技術のように配置された駆動電極部にバイアス電圧を含む電圧を入力すると、その入力電圧の２乗に比例する駆動力のバイアス成分がメインフレームに常に作用するため、メインフレームが変形などをすることにより振動が安定せず、振動子の変位を精度良く検出することが困難であった。

例えば、特許文献１に開示される従来技術では、メインフレーム３０−１，３０−２のそれぞれの両端には互いに力の向きが反対のバイアス成分が常に作用しているため、メインフレーム３０−１，３０−２が変形しやすい。一方、特許文献２に開示される従来技術では、バイアス成分によって突出部３６ａ〜３６ｄに対し左方向にシフトした位置を中心に振動することになるので、振動が不安定になりやすい。

そこで、本発明は、振動子の変位の検出精度を向上させる、力学量検出素子と力学量検出素子を備える力学量検出装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一局面によれば、
基板に対してその基板表面と平行な第１の方向に変位可能に支持されたフレームと、
前記フレームに対して前記基板表面と平行かつ前記第１の方向に直角な第２の方向に変位可能に支持された振動子と、
前記フレームに設けられ前記フレームを前記第１の方向に駆動するための駆動電極部とを備える力学量検出素子において、
前記フレームの端を前記第２の方向に延設した終端部を備え、
前記終端部の前記第１の方向の両側に前記駆動電極部を配置したことを特徴とする力学量検出素子が提供される。

本局面によると、前記駆動電極部のそれぞれに互いに逆相のバイアス電圧を含む電圧を入力すると、一方の駆動電極部への入力電圧による駆動力のバイアス成分と他方の駆動電極部への入力電圧による駆動力のバイアス成分が力の向きが反対になることにより相殺されるので、フレームの変形などが抑制され振動を安定させることができる。その結果、振動子の変位の検出精度の向上が図れる。

なお、前記フレームの前記基板に対する前記第１の方向の駆動をモニタするための駆動モニタ部を前記終端部の前記第１の方向の片側に配置すれば、前記フレームの振動の安定化に影響を与えることなく、前記フレームの前記基板に対する前記第１の方向の駆動のモニタが可能となる。

さらに、上記課題を解決するためには、上記局面における力学量検出素子の駆動電極部のそれぞれに互いに逆相のバイアス電圧を含む電圧を入力すればよいので、上記局面における力学量検出素子を備える力学量検出装置であって、前記駆動電極部のそれぞれに互いに逆相の駆動信号を入力することにより前記フレームを前記基板に対して前記第１の方向に振動させた状態で、前記振動子の前記第２の方向の変位を検出することを特徴とする力学量検出装置が好適である。

本発明によれば、振動子の変位の検出精度を向上させることができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、第１の実施例形態における半導体で構成した角速度検出素子の概略平面図である。図３は、第２の実施例形態における半導体で構成した角速度検出素子の概略平面図である。同素子を製造するには、まず、単結晶シリコン層の上面上にシリコン酸化膜（例えば、膜厚４．５μｍ）を介して単結晶シリコン層（例えば、膜厚４０μｍ）を設けたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意し、単結晶シリコン層にリン、ボロン等の不純物をドーピングして単結晶シリコン層の上表面部を低抵抗化すなわち導電帯層とする。そして、最下層の単結晶シリコン層を基板１０とし、反応性エッチングなどにより中間層であるシリコン酸化膜（絶縁層）及び最上層である導電帯層を除去するとともに、フッ酸水溶液などを用いたエッチングにより最上層である導電帯層を残してシリコン酸化膜（絶縁層）のみを除去することにより、同基板１０上に各種機能部品を形成する。

図１，３において、前者の絶縁層（中間層）及び導電帯層（最上層）の両方を除去した部分を白色のままで示し、後者の絶縁層（中間層）のみを除去した部分を点模様で示す。この点模様の部分を、以下の説明では、基板１０から浮いた部分として説明する。また、絶縁層（中間層）及び導電帯層（最上層）の両方を基板１０上に残した部分を網模様で示し、以下、この網模様の部分を基板１０に固着した部分として説明する。

なお、図１は、特許文献１に開示された力学量検出素子に本発明を適用した場合の実施形態であり、図３は特許文献２に開示された力学量検出素子に本発明を適用した場合の実施形態である。そこで、以下の説明において、特許文献１及び２に開示の構成と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

［第１の実施形態］
図１において、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。

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３１−１，３１−２と、両長尺部３１−１，３１−２の各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。

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３０−１，３０−２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軸方向に変位し易くなっている。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軸方向に変位可能に支持する機能を有する。

メインフレーム３０−１は、アンカ４１ａ〜４１ｄ、梁４２ａ〜４２ｄ、サブフレーム３０−３及び梁４３ａ〜４３ｄを介し、基板１０に対して変位可能に支持されている。アンカ４１ａ〜４１ｄは、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４１ａ〜４１ｄには梁４２ａ〜４２ｄの各一端がそれぞれ接続されるとともに、同梁４２ａ〜４２ｄはアンカ４１ａ〜４１ｄからそれぞれＹ軸方向外側に延設されている。梁４２ａ〜４２ｄ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４３ａ〜４３ｄの各一端がそれぞれ接続されている。梁４３ａ〜４３ｄの各他端はメインフレーム３０−１の長尺部３１−１の外側端にそれぞれ接続されている。梁４２ａ〜４２ｄ，４３ａ〜４３ｄ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３３−１〜３３−４と同様に狭い幅に構成されている。

メインフレーム３０−２は、アンカ４４ａ〜４４ｄ、梁４５ａ〜４５ｄ、サブフレーム３０−４及び梁４６ａ〜４６ｄを介し、基板１０に対して変位可能に支持されている。これらのアンカ４４ａ〜４４ｄ、梁４５ａ〜４５ｄ、サブフレーム３０−４及び梁４６ａ〜４６ｄは、前記アンカ４１ａ〜４１ｄ、梁４２ａ〜４２ｄ、サブフレーム３０−３及び梁４３ａ〜４３ｄと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軸方向に変位し易くかつＹ軸方向に変位し難く支持されている。すなわち、梁４２ａ〜４２ｄ，４３ａ〜４３ｄ，４５ａ〜４５ｄ，４６ａ〜４６ｄ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軸方向に変位可能に支持する機能を有する。

また、基板１０上には、メインフレーム３０−１，３０−２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５１−１〜５１−８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検出電極部５３−１〜５３−４と、駆動によるメインフレーム３０−１，３０−２の斜め振動（Ｙ軸方向の振動成分）の影響を打ち消すための補正電極部５４−１〜５４−４と、振動子２０の共振周波数を調整するための調整電極部５５−１〜５５−４と、振動子２０のＹ軸方向の振動を打ち消すための調整電極部５５−１〜５５−４とが設けられている。

駆動電極部５１−１〜５１−８は、メインフレーム３０−１，３０−２の終端部３２−１〜３２−４の各Ｘ軸方向両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の固定電極５１ａ１〜５１ａ８をそれぞれ備えている。各固定電極５１ａ１〜５１ａ８は、Ｘ軸方向外側に延設した配線部５１ｂ１〜５１ｂ８を介してパッド部５１ｃ１〜５１ｃ８に接続されている。これらの固定電極５１ａ１〜５１ａ８、配線部５１ｂ１〜５１ｂ８及びパッド部５１ｃ１〜５１ｃ８は、基板１０の上面に固着されている。パッド部５１ｃ１〜５１ｃ８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５１ｄ１〜５１ｄ８がそれぞれ設けられている。

終端部３２−１〜３２−４には、Ｘ軸方向両側に向けて延設した複数の電極指からなる櫛歯状の可動電極３２ａ１〜３２ａ８が、固定電極５１ａ１〜５１ａ８に対向してそれぞれ設けられている。可動電極３２ａ１〜３２ａ８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せて設けられており、同電極３２ａ１〜３２ａ８の各電極指は固定電極５１ａ１〜５１ａ８の各隣り合う電極指の幅方向中心位置に侵入して同隣り合う電極指に対向している。

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の固定電極５２ａ１〜５２ａ４をそれぞれ備えている。各固定電極５２ａ１〜５２ａ４は、Ｘ軸方向外側に延設した配線部５２ｂ１〜５２ｂ４を介してパッド部５２ｃ１〜５２ｃ４に接続されている。固定電極５２ａ１〜５２ａ４、配線部５２ｂ１〜５２ｂ４及びパッド部５２ｃ１〜５２ｃ４は、共に基板１０の上面に固着されている。パッド部５２ｃ１〜５２ｃ４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５２ｄ１〜５２ｄ４がそれぞれ設けられている。

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の可動電極３２ｂ１〜３２ｂ４が固定電極５２ａ１〜５２ａ４に対向してそれぞれ設けられている。可動電極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せて設けられており、同電極３２ｂ１〜３２ｂ４の各電極指は固定電極５２ａ１〜５２ａ４の各隣り合う電極指の幅方向中心位置に侵入して同隣り合う電極指に対向している。

次に、上記のように構成した角速度検出素子を用いて角速度を検出するための電気回路装置について説明する。図２は、同電気回路装置のブロック図である。

駆動電極部５１−１〜５１−８の各電極パッド５１ｄ１〜５１ｄ８には、駆動回路７０が接続されている。駆動回路７０は、電極パッド２０ｃから増幅器６３を介して入力した信号に基づいて駆動信号を形成して各電極パッド５１ｄ１〜５１ｄ８に供給する。

ここで、説明を簡単にするため、利得制御回路７３が出力する信号をＶＤsin（ωｔ）、可変電圧源回路７６aが出力する直流電圧信号（バイアス電圧信号）と定電圧源回路７６ｂが出力する直流電圧信号（バイアス電圧信号）をいずれもＶＢと定義する。

加算器７５−１は、利得制御回路７３からの信号ＶＤsin（ωｔ）と可変電圧源回路７６ａからの直流電圧信号ＶＢとを加算して、加算電圧［ＶＢ＋ＶＤsin（ωｔ）］を駆動電極部５１−１の電極パッド５１ｄ１と駆動電極部５１−６の電極パッド５１ｄ６に供給する。加算器７５−２は、位相反転回路７３ａからの信号−ＶＤsin（ωｔ）と可変電圧源回路７６ａからの直流電圧信号ＶＢとを加算して、加算電圧［ＶＢ−ＶＤsin（ωｔ）］を駆動電極部５１−２の電極パッド５１ｄ２と駆動電極部５１−５の電極パッド５１ｄ５に供給する。加算器７５−３は、利得制御回路７３からの信号ＶＤsin（ωｔ）と定電圧源回路７６ｂからの直流電圧信号ＶＢとを加算して、加算電圧［ＶＢ＋ＶＤsin（ωｔ）］を駆動電極部５１−３の電極パッド５１ｄ３と駆動電極部５１−８の電極パッド５１ｄ８に供給する。加算器７５−４は、位相反転回路７３ａからの信号−ＶＤsin（ωｔ）と定電圧源回路７６ｂからの直流電圧信号ＶＢとを加算して、加算電圧［ＶＢ−ＶＤsin（ωｔ）］を駆動電極部５１−４の電極パッド５１ｄ４と駆動電極部５１−７の電極パッド５１ｄ７に供給する。

ところで、櫛歯状の固定電極と櫛歯状の可動電極の間に電圧Ｖを印加すると、周知の通り、Ｘ軸方向に数１に示される駆動力（吸引力）Ｆが発生する。

［数１］
Ｆ＝（εＮｈＶ^２）／２ｇ
ここで、εは誘電率、ｇは櫛歯状電極間のギャップ、εは誘電率、Ｎはギャップの数、ｈは櫛歯状電極の高さ（図面奥行き方向）である。すなわち、駆動力は印加電圧の２乗に比例する。

加算器７５−１,７５−３によって加算電圧［ＶＢ＋ＶＤsin（ωｔ）］が供給される駆動電極部５１−１,５１−３,５１−６,５１−８による駆動力をＦ１、加算器７５−２,７５−４によって加算電圧［ＶＢ−ＶＤsin（ωｔ）］が供給される駆動電極部５１−２,５１−４,５１−５,５１−７による駆動力をＦ２とするならば、Ｆ１及びＦ２は、数２，３のように表すことができる。

［数２］
Ｆ１＝α［ＶＢ＋ＶＤsin（ωｔ）］^２
＝α［ＶＢ^２＋２ＶＢ＊ＶＤsin（ωｔ）＋ＶＤ^２sin^２（ωｔ）］
［数３］
Ｆ２＝α［ＶＢ−ＶＤsin（ωｔ）］^２
＝α［ＶＢ^２−２ＶＢ＊ＶＤsin（ωｔ）＋ＶＤ^２sin^２（ωｔ）］
なお、比例定数をαとした。したがって、Ｆ１のバイアス成分ＦＢ１、Ｆ１の駆動成分ＦＤ１、Ｆ２のバイアス成分ＦＢ２、Ｆ２の駆動成分ＦＤ２は、それぞれ、数４〜７のよういに表すことができる。

［数４］
ＦＢ１＝α［ＶＢ^２＋ＶＤ^２sin^２（ωｔ）］
［数５］
ＦＤ１＝α［２ＶＢ＊ＶＤsin（ωｔ）］
［数６］
ＦＢ２＝α［ＶＢ^２＋ＶＤ^２sin^２（ωｔ）］＝ＦＢ１
［数７］
ＦＤ２＝−α［２ＶＢ＊ＶＤsin（ωｔ）］＝−ＦＤ１
終端部３２−１に対し図上左側の駆動電極部５１−１による駆動力Ｆ１のバイアス成分ＦＢ１と終端部３２−１に対し図上右側の駆動電極部５１−５による駆動力Ｆ２のバイアス成分ＦＢ２とは互いに力の向きが反対で力の大きさが同じなので、終端部３２−１内で相殺される。また、駆動電極部５１−１による駆動力Ｆ１の駆動成分ＦＤ１がＸ軸方向左向きに発生し、駆動電極部５１−５による駆動力Ｆ２の駆動成分ＦＤ２（＝−ＦＤ１）がＸ軸方向右向きに発生しているので、終端部３２−１にはＸ軸方向左向きにＦＤ１−（−ＦＤ１）＝２＊ＦＤ１が発生することになる。終端部３２−２に対し図上左側の駆動電極部５１−６による駆動力Ｆ１と終端部３２−２に対し図上右側の駆動電極部５１−２による駆動力Ｆ２との関係、終端部３２−３に対し図上左側の駆動電極部５１−３による駆動力Ｆ１と終端部３２−３に対し図上右側の駆動電極部５１−７による駆動力Ｆ２との関係、終端部３２−４に対し図上左側の駆動電極部５１−８による駆動力Ｆ１と終端部３２−４に対し図上右側の駆動電極部５１−４による駆動力Ｆ２との関係においても、同様に考えることができる。

したがって、バイアス成分は各終端部３２−１〜３２−４内で相殺され、各終端部３２−１〜３２−４にはＸ軸方向左向きに２ＦＤ＊１で表せる駆動成分が作用してメインフレーム３０−１,３０−２を振動させることになるので、メインフレーム３０−１,３０−２に変形は生じずに振動は安定する。したがって、振動子２０の変位を精度良く検出することができるようになる。

［第２の実施形態］
図３において、振動子２０−１は、そのＹ軸方向両端にてＸ軸方向外側にそれぞれ一体的に延設された長尺かつ幅広のアーム部２１ａ，２１ｂを有している。アーム部２１ａ，２１ｂは、そのＸ軸方向両端にて、各一対の長尺かつ幅狭の検出用梁３１ａ，３１ｂを介してメインフレーム３０−１，３０−２のＸ軸方向両端にそれぞれ接続されていて、検出用梁３１ａ，３１ｂは、振動子２０−１をメインフレーム３０−１，３０−２に対してＸ軸方向に変位し難くかつＹ軸方向に変位し易く支持している。検出用梁３１ａ，３１ｂは、アーム部２１ａ，２１ｂ及びメインフレーム３０−１，３０−２と一体的に基板１０から浮かせて形成され、Ｘ軸方向に延設されている。

振動子２０−２も前記アーム部２１ａ，２１ｂと同様なアーム部２１ｃ，２１ｄを有し、同アーム部２１ｃ，２１ｄは前記検出用梁３１ａ，３１ｂと同様な検出用梁３１ｃ，３１ｄを介してメインフレーム３０−３，３０−４のＸ軸方向両端にそれぞれ接続されている。そして、これらの検出用梁３１ｃ，３１ｄも、振動子２０−２をメインフレーム３０−３，３０−４に対してＸ軸方向に変位し難くかつＹ軸方向に変位し易く支持している。

メインフレーム３０−１のＹ軸方向外側には、長尺かつ幅広のサブフレーム３２−１，３２−２が基板１０から浮かせてＸ軸方向に延設されている。サブフレーム３２−１は、複数の長尺かつ幅狭の駆動用梁３３ａを介してメインフレーム３０−１に接続され、複数の長尺かつ幅狭の駆動用梁３４ａを介して基板１０に固着された複数のアンカ３５ａにそれぞれ接続されている。駆動用梁３３ａ，３４ａは、メインフレーム３０−１及びサブフレーム３２−１と一体的に基板１０から浮かせて形成されてＹ軸方向に延設されており、メインフレーム３０−１を基板１０に対してＸ軸方向に変位し易くかつＹ軸方向に変位し難く支持している。

各メインフレーム３０−２，３０−３，３０−４のＹ軸方向外側にも、前記メインフレーム３０−１の場合と同様に、サブフレーム３２−２，３２−３，３２−４がそれぞれ設けられている。そして、各メインフレーム３０−２，３０−３，３０−４も、各複数の駆動用梁３３ｂ〜３３ｄ、サブフレーム３２−２，３２−３，３２−４、各複数の駆動用梁３４ｂ〜３４ｄ及び各複数のアンカ３５ｂ〜３５ｄを介してそれぞれ基板１０にＸ軸方向に変位し易くかつＹ軸方向に変位し難く支持されている。

また、メインフレーム３０−１とメインフレーム３０−３は、各複数の長尺かつ幅狭のリンク梁４１ａ，４１ｃ及び長尺かつ幅広のリンク４２ａを介して連結されている。リンク梁４１ａ，４１ｃは、メインフレーム３０−１，３０−３と一体的に基板１０から浮かせて形成され、各一端にてメインフレーム３０−１，３０−３にそれぞれ接続されるとともにＹ軸方向に延設されて、各他端にてリンク４２ａにそれぞれ接続されている。リンク４２ａも、メインフレーム３０−１，３０−３と一体的に基板１０から浮かせて形成され、Ｘ軸方向に延設されている。

メインフレーム３０−２とメインフレーム３０−４も、前記メインフレーム３０−１，３０−３の場合と同様に、各複数の長尺かつ幅狭のリンク梁４１ｂ，４１ｄ及び長尺かつ幅広のリンク４２ｂを介して連結されている。

リンク４２ａ，４２ｂは、各一端にて、各複数の長尺かつ幅狭のサブリンク梁４３ａ，４３ｂ及び長尺かつ幅広のサブリンク４４ａを介して連結されている。サブリンク梁４３ａ，４３ｂは、リンク４２ａ，４２ｂと一体的に基板１０から浮かせて形成され、各一端にてリンク４２ａ，４２ｂにそれぞれ接続されるとともにＸ軸方向に延設されて、各他端にてサブリンク４４ａにそれぞれ接続されている。サブリンク４４ａも、リンク４２ａ，４２ｂと一体的に基板１０から浮かせて形成され、Ｙ軸方向に延設されている。また、これらのリンク４２ａ，４２ｂは、各他端にて、前記一端の場合と同様な各複数の長尺かつ幅狭のサブリンク梁４３ｃ，４３ｄ及び長尺かつ幅広のサブリンク４４ｂを介して連結されている。

また、基板１０上には、メインフレーム３０−１〜３０−４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３０−１〜３０−４の基板１０に対するＸ軸方向の振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２０−１，２０−２の基板１０に対するＹ軸方向の振動を検出するための検出電極部５３−１〜５３−４と、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の共振周波数を調整するための調整電極部５４−１〜５４−４と、振動子２０−１，２０−２のＹ軸方向の振動を抑制するためのサーボ電極部５５−１〜５５−４が、設けられている。

駆動電極部５１−１，５１−２，５１−５，５１−６は、メインフレーム３０−１，３０−２のＸ軸方向外側端部にて一体的にＹ軸方向外側に基板１０から浮かせて延設した突出部３６ａ，３６ｂのＸ軸方向両側にそれぞれ設けられている。これらの駆動電極部５１−１，５１−２，５１−５，５１−６は、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の可動電極指５１ａ１，５１ａ２，５１ａ５，５１ａ６と、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の固定電極指５１ｂ１，５１ｂ２，５１ｂ５，５１ｂ６とによりそれぞれ構成されている。

各可動電極指５１ａ１，５１ａ２，５１ａ５，５１ａ６は、基板１０から浮かせて突出部３６ａ，３６ｂからＸ軸方向両側に一体的に延設形成され、各固定電極指５１ｂ１，５１ｂ２，５１ｂ５，５１ｂ６間のＹ軸方向各中央位置に侵入して各隣り合う固定電極指５１ｂ１，５１ｂ２，５１ｂ５，５１ｂ６に対向している。各固定電極５１ｂ１，５１ｂ２，５１ｂ５，５１ｂ６は、基板１０上に一体的に固着した配線部５１ｃ１，５１ｃ２，５１ｃ５，５１ｃ６を介して同基板１０上に一体的に固着したパッド部５１ｄ１，５１ｄ２，５１ｄ５，５１ｄ６に接続されている。パッド部５１ｄ１，５１ｄ２，５１ｄ５，５１ｄ６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５１ｅ１，５１ｅ２，５１ｅ５，５１ｅ６がそれぞれ設けられている。

駆動電極部５１−３，５１−４，５１−７，５１−８は、メインフレーム３０−３，３０−４のＸ軸方向外側端部にて一体的にＹ軸方向外側に基板１０から浮かせて延設した突出部３６ｃ，３６ｄのＸ軸方向両側にそれぞれ設けられている。これらの駆動電極部５１−３，５１−４，５１−７，５１−８は、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の可動電極指５１ａ３，５１ａ４，５１ａ７，５１ａ８と、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４，５１ｂ７，５１ｂ８とによりそれぞれ構成されている。

各可動電極指５１ａ３，５１ａ４，５１ａ７，５１ａ８は、基板１０から浮かせて突出部３６ｃ，３６ｄからＸ軸方向両側に一体的に延設形成され、各固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４，５１ｂ７，５１ｂ８間のＹ軸方向各中央位置に侵入して各隣り合う固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４，５１ｂ７，５１ｂ８に対向している。各固定電極指５１ｂ３，５１ｂ４，５１ｂ７，５１ｂ８は、基板１０上に一体的に固着した配線部５１ｃ３，５１ｃ４，５１ｃ７，５１ｃ８を介して同基板１０上に一体的に固着したパッド部５１ｄ３，５１ｄ４，５１ｄ７，５１ｄ８に接続されている。パッド部５１ｄ３，５１ｄ４，５１ｄ７，５１ｄ８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５１ｅ３，５１ｅ４，５１ｅ７，５１ｅ８がそれぞれ設けられている。

駆動モニタ電極部５２−１〜５２−４は、突出部３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄのＸ軸方向外側若しくは内側にそれぞれ設けられている（図３は、Ｘ軸方向外側に設けた場合を示している）。これらの駆動モニタ電極部５２−１〜５２−４は、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の可動電極指５２ａ１，５２ａ２，５２ａ３，５２ａ４と、Ｘ軸方向に延設された櫛歯状の固定電極指５２ｂ１，５２ｂ２，５２ｂ３，５２ｂ４とによりそれぞれ構成されている。

各可動電極指５２ａ１，５２ａ２，５２ａ３，５２ａ４は、基板１０から浮かせて突出部３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄからＸ軸方向外側に一体的に延設形成され、各固定電極指５２ｂ１，５２ｂ２，５２ｂ３，５２ｂ４間のＹ軸方向各中央位置に侵入して各隣り合う固定電極指５２ｂ１，５２ｂ２，５２ｂ３，５２ｂ４に対向している各固定電極指５２ｂ１，５２ｂ２，５２ｂ３，５２ｂ４は、基板１０上に一体的に固着した配線部５２ｃ１，５２ｃ２，５２ｃ３，５２ｃ４を介して同基板１０上に一体的に固着したパッド部５２ｄ１，５２ｄ２，５２ｄ３，５２ｄ４に接続されている。パッド部５２ｄ１，５２ｄ２，５２ｄ３，５２ｄ４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５２ｅ１，５２ｅ２，５２ｅ３，５２ｅ４がそれぞれ設けられている。

次に、上記のように構成した角速度検出素子を用いて角速度を検出するための電気回路装置について説明する。図４は、同電気回路装置のブロック図である。

駆動電極部５１−１〜５１−８の各電極パッド５１ｅ１〜５１ｅ８には、駆動回路７０が接続されている。駆動回路７０は、電極パッド２３ｃからチャージアンプ６３を介して入力した信号に基づいて駆動信号を形成して各電極パッド５１ｅ１〜５１ｅ８に供給する。

ここで、説明を簡単にするため、利得制御回路７３が出力する信号をＶＤsin（ωｔ）、可変電圧源回路７７が出力する直流電圧信号（バイアス電圧信号）をいずれもＶＢと定義する。

加算器７５−１は、利得制御回路７３からの信号ＶＤsin（ωｔ）と可変電圧源回路７７からの直流電圧信号ＶＢとを加算して、加算電圧［ＶＢ＋ＶＤsin（ωｔ）］を駆動電極部５１−１，５１−２，５１−７，５１−８の電極パッド５１ｅ１，５１ｅ２，５１ｅ７，５１ｅ８に供給する。加算器７５−２は、位相反転回路７６からの信号−ＶＤsin（ωｔ）と可変電圧源回路７７からの直流電圧信号ＶＢとを加算して、加算電圧［ＶＢ−ＶＤsin（ωｔ）］を駆動電極部５１−３，５１−４，５１−５，５１−６の電極パッド５１ｅ３，５１ｅ４，５１ｅ５，５１ｅ６に供給する。

加算器７５−１によって加算電圧［ＶＢ＋ＶＤsin（ωｔ）］が供給される駆動電極部５１−１，５１−２，５１−７，５１−８による駆動力をＦ１、加算器７５−２によって加算電圧［ＶＢ−ＶＤsin（ωｔ）］が供給される駆動電極部５１−３，５１−４，５１−５，５１−６による駆動力をＦ２とするならば、上述の第１の実施形態と同様に、数１〜７のような関係式が成立する。

突出部３６ａに対し図上左側の駆動電極部５１−１による駆動力Ｆ１のバイアス成分ＦＢ１と突出部３６ａに対し図上右側の駆動電極部５１−５による駆動力Ｆ２のバイアス成分ＦＢ２とは互いに力の向きが反対で力の大きさが同じなので、突出部３６ａ内で相殺される。また、駆動電極部５１−１による駆動力Ｆ１の駆動成分ＦＤ１がＸ軸方向左向きに発生し、駆動電極部５１−５による駆動力Ｆ２の駆動成分ＦＤ２（＝−ＦＤ１）がＸ軸方向右向きに発生しているので、突出部３６ａにはＸ軸方向左向きにＦＤ１−（−ＦＤ１）＝２＊ＦＤ１が発生することになる。突出部３６ｂに対し図上左側の駆動電極部５１−２による駆動力Ｆ１と突出部３６ｂに対し図上右側の駆動電極部５１−６による駆動力Ｆ２との関係、突出部３６ｃに対し図上左側の駆動電極部５１−３による駆動力Ｆ１と突出部３６ｃに対し図上右側の駆動電極部５１−７による駆動力Ｆ２との関係、突出部３６ｄに対し図上左側の駆動電極部５１−４による駆動力Ｆ１と突出部３６ｄに対し図上右側の駆動電極部５１−８による駆動力Ｆ２との関係においても、同様に考えることができる。

したがって、バイアス成分は各突出部３６ａ〜３６ｄ内で相殺され、各突出部３６ａ〜３６ｄにはＸ軸方向左向きに２ＦＤ＊１で表せる駆動成分が作用してメインフレーム３０−１〜３０−４を振動させることになるので、各突出部３６ａ〜３６ｄの位置が振動中心となり振動は安定する。したがって、振動子２０−１，２０−２の変位を精度良く検出することができるようになる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、第２の実施形態において駆動力Ｆを大きくするために駆動電極部を追加する場合には、図５に示されるように、駆動電極部５１−９〜５１−１６は、メインフレーム３０−１〜３０−４のＸ軸方向内側端部にて一体的にＹ軸方向外側に基板１０から浮かせて延設した突出部３６ｅ〜３６ｈのＸ軸方向両側にそれぞれ設ければよい。また、駆動モニタ電極部５２−５〜５２−８は、突出部３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄのＸ軸方向外側若しくは内側にそれぞれ設ければよい（図５は、Ｘ軸方向外側に設けた場合を示している）。駆動力Ｆを大きくするにはバイアス電圧ＶＢを上げてもよいが隣接配線間のリークの問題が生じやすくなるので、駆動電極部を増加できるスペースが基板１０上にある場合には有効な手法である。

第１の実施例形態における半導体で構成した角速度検出素子の概略平面図である。第１の実施例形態における角速度検出素子を用いて角速度を検出するための電気回路装置のブロック図である。第２の実施例形態における半導体で構成した角速度検出素子の概略平面図である。第２の実施例形態における角速度検出素子を用いて角速度を検出するための電気回路装置のブロック図である。第２の実施形態において駆動力Ｆを増すために駆動電極部を追加する場合の角速度検出素子の概略平面図である。特許文献１で開示されたセンサ装置に内蔵される、半導体で構成した角速度検出素子の概略平面図である。特許文献２で開示されたセンサ装置に内蔵される、半導体で構成した角速度検出素子の概略平面図である。

符号の説明

１０基板
２０，２０−１，２０−２振動子
３０−１〜３０−４メインフレーム
３２−１〜３２−４終端部
３６ａ〜３６ｈ突出部
５１−１〜５１−１６駆動電極部
５２−１〜５２−８駆動モニタ電極部

Claims

基板に対してその基板表面と平行な第１の方向に変位可能に支持されたフレームと、
前記フレームに対して前記基板表面と平行かつ前記第１の方向に直角な第２の方向に変位可能に支持された振動子と、
前記フレームに設けられ前記フレームを前記第１の方向に駆動するための駆動電極部とを備える力学量検出素子において、
前記フレームの端を前記第２の方向に延設した終端部を備え、
前記終端部の前記第１の方向の両側に前記駆動電極部を配置したことを特徴とする力学量検出素子。
前記フレームの前記基板に対する前記第１の方向の駆動をモニタするための駆動モニタ部を前記終端部の前記第１の方向の片側に配置する、請求項１記載の力学量検出素子。
請求項１または２記載の力学量検出素子を備える力学量検出装置であって、
前記駆動電極部のそれぞれに互いに逆相の駆動信号を入力することにより前記フレームを前記基板に対して前記第１の方向に振動させた状態で、前記振動子の前記第２の方向の変位を検出することを特徴とする力学量検出装置。