JP2012154803A - 角速度センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】経時的に検出精度が低下することを抑制することができる角速度センサ装置を提供する。
【解決手段】可動部を有する角速度センサ素子１００と、可動部の駆動振動を制御する駆動信号を角速度センサ素子１００に出力し、駆動振動を一定に維持する駆動回路２１０と、角速度センサ素子１００における容量変化を検出して検出信号を出力する検出回路２２０と、角速度センサ素子１００を収納するパッケージと、パッケージに収納され、パッケージ内の圧力を検出する圧力センサ３００と、圧力センサ３００で検出された圧力から可動部における検出振動の共振倍率を演算し、検出信号および演算した共振倍率を用いて、印加された角速度を示す角速度信号を生成して出力する補正演算回路２３４と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、駆動振動および角速度印加に伴う検出振動を行う可動部を備える角速度センサ素子と、この角速度センサ素子を封止するパッケージとを備える角速度センサ装置に関するものである。

従来より、駆動振動および角速度印加に伴う検出振動を行う可動部を備える角速度センサ素子と、この角速度センサ素子を封止するパッケージと、角速度センサ素子にて検出された検出信号を処理すると共に可動部の駆動振動を制御する回路基板と、を有する角速度センサ装置が知られている。

具体的には、角速度センサ素子は、第１の方向へ駆動振動が可能であって、当該第１の方向と直交する第２の方向へ検出振動が可能な振動子しての可動部と、当該可動部を静電駆動させる固定部と、可動部に対向して固定された角速度検出用の固定電極とを有して構成されている。

そして、上記角速度センサ素子は、検出時には、回路基板から固定部に所定の駆動信号が印加されて可動部が静電駆動等により第１の方向に沿って駆動振動され、この可動部の駆動振動中に角速度が印加されたとき、可動部はコリオリ力によって第２の方向に沿って検出振動を行う。このとき、検出振動によって可動部と固定電極との間の容量が変化する。つまり検出振動によって固定電極の電位が変化する。このため、回路基板は、固定電極の電位の変化から印加された角速度を示す角速度信号を生成して出力する。

また、このような角速度センサ素子は、周囲に存在する気体の粘性によるエアダンピング（気体の流動抵抗）によって角速度センサ素子の振動動作が妨げられないように、パッケージ内は真空もしくは減圧状態とされている。すなわち、角速度センサ素子は、エアダンピングの影響を受けにくい環境下でパッケージ内に収納されている。

しかしながら、このような角速度センサ装置では、パッケージは、例えば、セラミック層が複数積層された積層基板を用いて構成されており、各セラミック層の間から外気（大気）が浸入してパッケージ内の圧力が経時変化してしまう。この場合、経時的にエアダンピングの大きさが変化して振動動作の状態が変化してしまうという問題がある。

この問題を解決するため、可動部の駆動振動状態を検出し、駆動振動の共振倍率（大きさ）が所望の値となるように、固定部に印加する駆動信号をフィードバック制御することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。これによれば、駆動信号をフィードバック制御しているため、パッケージ内の圧力が経時的に変化しても駆動振動の共振倍率を一定に維持することができる。

特開２００６−９８１６８号公報

しかしながら、このような角速度センサ装置では、パッケージ内の圧力が経時変化した場合には、駆動振動の共振倍率のみならず検出振動の共振倍率も変動することになるが、駆動振動の共振倍率のみしか制御することができないため、経時変化に対して十分に対応することができず、経時的に検出精度が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、経時的に検出精度が低下することを抑制することができる角速度センサ装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため、駆動振動を一定に維持する場合には、回路基板で生成される角速度信号は、次式で示される関数から導き出されることに着目した。

上記数式１において、ｙは可動部の第２の方向における変位（検出変位）であり角速度センサ素子で検出された検出信号から求められる値、Ｑｓは検出振動の共振倍率、Ａは駆動振動の共振倍率を含む定数、δはω_Ｓ／ω_Ｄ、ω_Ｄは駆動振動の共振周波数、ω_Ｓは検出振動の共振周波数、βは次式の通りである。

上記数式１より角速度信号Ωは、検出振動の共振倍率Ｑｓに関する関数で示されることが確認される。このため、本発明者らは、次に、検出振動の共振倍率Ｑｓはパッケージ内の圧力に依存することに着目し、検出信号の共振倍率Ｑｓがパッケージ内の圧力に依存する関数として表されることを見出した。

図５は、パッケージ内に窒素を封入した場合の圧力と検出振動の共振倍率Ｑｓとの関係を示すシミュレーション結果であり、両対数グラフで示している。図５に示されるように、パッケージ内に窒素を封入した場合には、パッケージ内の圧力をＰとすると、Ｑｓ＝（２．１×１０^４）／Ｐで示される。なお、ここでは、パッケージ内に窒素を封入した場合を例に挙げて説明するが、パッケージ内に他の気体を封入した場合についても検出振動の共振倍率Ｑｓはパッケージ内の圧力に依存する所定の関数で示されることになり、例えば、パッケージ内にヘリウムを封入した場合には、Ｑｓ＝（１．４×１０^５）／Ｐで表される。

このため、本発明者らは、パッケージ内の圧力から検出振動の共振倍率Ｑｓを演算し、演算した検出振動の共振倍率Ｑｓと角速度センサ素子で検出された検出信号から角速度を示す角速度信号を生成することにより、パッケージ内の圧力が経時変化しても検出精度が低下することを抑制することができることを見出した。

したがって、請求項１に記載の発明では、駆動信号に応じて第１の方向（ｘ）へ駆動振動が可能であって第１の方向と直交する第２の方向（ｙ）へ検出振動が可能な可動部（３ａ、４ａ）を備え、可動部（３ａ、４ａ）が駆動振動している際に角速度が印加されたとき、可動部（３ａ、４ａ）が検出振動を行うことによって印加された角速度に応じた容量変化が生じる角速度センサ素子（１００）と、可動部（３ａ、４ａ）の駆動振動を制御する駆動信号を角速度センサ素子（１００）に出力し、駆動振動を一定に維持する駆動回路（２１０）と、角速度センサ素子（１００）における容量変化に基づいて検出信号を出力する検出回路（２２０）と、角速度センサ素子（１００）を収納するパッケージ（４００）と、パッケージ（４００）に収納され、パッケージ（４００）内の圧力を検出する圧力センサ（３００）と、圧力センサ（３００）で検出された圧力から可動部（３ａ、４ａ）における検出振動の共振倍率を演算し、検出信号および演算した共振倍率を用いて、印加された角速度を示す角速度信号を生成して出力する補正演算回路（２３４）と、を有することを特徴としている。

このような角速度センサ装置では、パッケージ（４００）内の圧力を検出し、検出した圧力から検出振動の共振倍率を演算すると共に、演算した共振倍率および検出回路（２２０）から出力された検出信号を用いて角速度を示す角速度信号を生成して出力している。すなわち、従来の角速度センサ装置では、定数とされていた検出振動の共振倍率を圧力に関する変数とし、当該共振倍率をパッケージ（４００）内の圧力に基づいて演算している。このため、パッケージ（４００）内の圧力が経時変化したとしても、検出精度が低下することを抑制することができる。

例えば、請求項２に記載の発明のように、パッケージ（４００）内が減圧されているものとすることができる。

また、請求項３に記載の発明のように、駆動回路（２１０）および検出回路（２２０）を回路基板（２００）に形成し、パッケージ（４００）に、回路基板（２００）、角速度センサ素子（１００）、圧力センサ（３００）を順に積層して配置することができる。

これによれば、回路基板（２００）、角速度センサ素子（１００）、圧力センサ（３００）を順に積層して配置しているため、それぞれをパッケージ（４００）に固定した場合と比較して、平面方向の大きさを小さくすることができる。

また、請求項４に記載の発明のように、請求項３に記載の発明において、回路基板（２００）をパッケージ（４００）に接着剤（７００）を介して接合することができる。すなわち、上記のように、パッケージ（４００）内の圧力を用いて角速度信号を生成するため、経時的にパッケージ（４００）内の圧力を変動させる気泡等を内部に有する接着剤を利用することができ、材料の自由度を向上させることができる。

そして、請求項５に記載の発明のように、パッケージ（４００）内の温度を検出する温度センサ（９００）と、圧力センサ（３００）で検出された圧力の温度補正を行う調整回路（２４３）と、を備え、補正演算回路（２３４）を検出信号に対して温度補正も行うものとすることができる。

これによれば、パッケージ（４００）内の温度が変化して角速度センサ素子（１００）や圧力センサ（３００）のオフセット値にズレが生じたとしても、調整回路（２４３）や補正演算回路（２３４）で温度補正を行うため、さらに検出精度が低下することを抑制することができる。

また、請求項６に記載の発明のように、パッケージ（４００）に不活性ガスを封入し、補正演算回路（２３４）に、圧力センサ（３００）で検出された圧力をＰ、可動部（３ａ、４ａ）における第２の方向（ｙ）への共振倍率をＱｓとしたとき、ＱｓＰ＝一定から共振倍率を演算させることができる。

そして、請求項７に記載の発明のように、パッケージ（４００）をセラミック層が複数積層されてなる多層基板を用いて構成することができる。すなわち、上記のように、パッケージ（４００）内の圧力を用いて角速度信号を生成するため、経時的にパッケージ（４００）内の圧力を変動させる多層基板を利用することができ、材料の自由度を向上させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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。

本発明の第１実施形態における角速度センサ装置の断面構成を示す図である。 図１に示す角速度センサ素子の平面図である。 図１に示す角速度センサ装置の回路構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態における角速度センサ装置の回路構成を示すブロック図である。 パッケージ内に窒素を封入した場合の圧力と検出振動の共振倍率Ｑｓとの関係を示すシミュレーション結果である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１は、本実施形態における角速度センサ装置の断面構成を示す図である。

図１に示されるように、本実施形態の角速度センサ装置は、角速度センサ素子１００と、回路基板２００と、圧力センサ３００と、これらを収納するパッケージ４００とを備えて構成されており、パッケージ４００に回路基板２００、角速度センサ素子１００、圧力センサ３００が順に積層されて構成されている。

まず、角速度センサ素子１００の構造について、図２を参照して説明する。図２は図１に示す角速度センサ素子１００の平面図であり、回路基板２００側から視た図である。ここで、図２において、紙面左右方向を第１の方向ｘ、紙面上下方向を第２の方向ｙ、紙面垂直方向を角速度Ωの回転軸ｚとする。

本実施形態における角速度センサ素子１００は、半導体基板を用い、これにマイクロマシニング技術を適用して作製される静電駆動・容量検出型のマイクロジャイロセンサとして形成された一般的なものである。

図２に示されるように、角速度センサ素子１００は、半導体からなる支持基板２上において、２つのセンシング部３、４を備えて構成されている。図２における紙面左側のセンシング部が左側センシング部３、紙面右側のセンシング部が右側センシング部４であり、これら各センシング部３、４が左右対称構造で構成されている。

以下、左右センシング部３、４の構造について説明するが、各センシング部３、４の構造は全く同じであるため、ここでは左側センシング部３の構造に関して説明し、右側センシング部４の構造に関しては省略する。

左側センシング部３は、駆動用の固定電極３０および可動電極３１、振動検出用の固定電極３２および可動電極３３、錘部３４、検出梁３５、駆動梁３６、角速度検出用の固定電極３７および可動電極３８を有し、これら各構成要素が枠部３９によって囲まれた構成となっている。そして、これら各構成要素が紙面左半分と右半分とで対称となる左右対称構造で構成されている。

これら各構成要素のうち、駆動用の固定電極３０、駆動振動検出用の固定電極３２、角速度検出用の固定電極３７および枠部３９は、支持基板２に対して固定された固定部に相当するものである。

また、駆動用の可動電極３１、駆動振動検出用の可動電極３３、錘部３４、検出梁３５、駆動梁３６および角速度検出用の可動電極３８は、支持基板２の基板面に平行な方向すなわち図２中の第１の方向ｘおよび第２の方向ｙに対して動くことができる可動部３ａに相当するものである。

駆動用の固定電極３０は、左側センシング部３の略中央位置において、上下２つずつ、合計４つ備えられている。各駆動用の固定電極３０は、支持基板２に対して固定されるように支持されており、枠部３９より内側において二股に別れた形状とされている。そして、二股に別れた各部に、基体部３０ａと櫛歯部３０ｂが備えられた構成となっている。

駆動用の固定電極３０において、基体部３０ａは、図２中の紙面上下方向すなわち第２の方向ｙを長手方向として左側センシング部３の中央部に向けて延設されており、櫛歯部３０ｂは、基体部３０ａの一側面において基体部３０ａの長手方向と垂直な方向すなわち第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

また、各駆動用の固定電極３０は、枠部３９に備えられた駆動用パッド３０ｃに電気的に接続されており、この駆動用パッド３０ｃを通じて、各駆動用の固定電極３０に駆動用電圧が印加されるようになっている。

駆動用の可動電極３１は、左側センシング部３の略中央位置において、駆動用の固定電極３０の各基体部３０ａと対向するように、上下４つずつ、合計８つ備えられている。この駆動用の可動電極３１は、支持基板２に対してフローティング状態とされ、錘部３４と一体化されている。各駆動用の可動電極３１は、基体部３１ａと櫛歯部３１ｂを備えた構成となっている。

駆動用の可動電極３１において、基体部３１ａは、図２中の第２の方向ｙを長手方向として錘部３４から左側センシング部３の上下に向けて延設されており、櫛歯部３１ｂは、基体部３１ａの一側面、具体的には固定電極３０における櫛歯部３０ｂと対向する面において基体部３１ａの長手方向と垂直な第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

このため、各駆動用の固定電極３０および各駆動用の可動電極３１において、各可動電極３１の櫛歯部３１ｂと各固定電極３０の櫛歯部３０ｂとが、所定間隔を空けて交互に配置された状態となっている。

駆動振動検出用の固定電極３２は、駆動用の固定電極３０および駆動用の可動電極３１よりも外側の位置において、上下２つずつ、合計４つ備えられている。各駆動振動検出用の固定電極３２は、支持基板２に対して固定されるように支持されている。そして、各駆動振動検出用の固定電極３２は、基体部３２ａと櫛歯部３２ｂを備えて構成されている。

駆動振動検出用の固定電極３２において、基体部３２ａは、図２中の第２の方向ｙを長手方向として左側センシング部３の中央部に向けて延設されており、櫛歯部３２ｂは、基体部３２ａの先端部の一側面において基体部３２ａの長手方向と垂直な第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

また、各駆動振動検出用の固定電極３２は、枠部３９に備えられた振動検出用パッド３２ｃに電気的に接続されており、この振動検出用パッド３２ｃを通じて、駆動振動検出用の固定電極３２の電位を測ることができるようになっている。

駆動振動検出用の可動電極３３は、錘部３４の両側に配置され、駆動振動検出用の固定電極３２の各基体部３２ａと対向するように、上下２つずつ、合計４つ備えられている。この駆動振動検出用の各可動電極３３は、支持基板２に対してフローティング状態とされ、錘部３４と一体化されている。そして、各駆動振動検出用の可動電極３３は、基体部３３ａと櫛歯部３３ｂを備えた構成となっている。

駆動振動検出用の可動電極３３において、基体部３３ａは、図２中の第２の方向ｙを長手方向として錘部３４から左側センシング部３の上下に向けて延設されており、櫛歯部３３ｂは、基体部３３ａの一側面、具体的には固定電極３２における櫛歯部３２ｂと対向する面において基体部３３ａの長手方向と垂直な第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

このため、各駆動振動検出用の固定電極３２および各駆動振動検出用の可動電極３３において、各可動電極３３の櫛歯部３３ｂと各固定電極３２の櫛歯部３２ｂとが、所定間隔を空けて交互に配置された状態となっている。

錘部３４は、駆動用の各固定電極３０の間に配置されている。この錘部３４は、図２中の第１の方向ｘを長手方向として延設されており、支持基板２に対してフローティング状態とされている。

検出梁３５は、左側センシング部３における略四隅に配置されている。この検出梁３５は、支持基板２に対する片持梁とされ、枠部３９側から延設された支持部３５ｂによって支持基板２に支持されている。

これにより、可動部３ａを構成する各要素、すなわち駆動用の可動電極３１、駆動振動検出用の可動電極３３、錘部３４、検出梁３５、駆動梁３６および角速度検出用の可動電極３８が支持基板２に対して支持されている。そして、検出梁３５によって、これら可動部３ａを構成する各要素は、図２中の第２の方向ｙに沿って移動できるようになっている。

この検出梁３５は、支持部３５ｂを介して角速度検出用のパッド３５ａと電気的に接続されている。この角速度検出用のパッド３５ａを通じて、駆動用の可動電極３１、駆動振動検出用の可動電極３３、および、角速度検出用の可動電極３８に対して所定電圧が印加できるようになっている。

駆動梁３６は、振動検出用の可動電極３３と角速度検出用の可動電極３８とを接続するもので、図２中の第２の方向ｙを長手方向とする複数本の梁部を備えて構成されている。そして、複数本の梁部によって紙面左右方向に振動検出用の可動電極３３を移動させられるようになっている。

このため、振動検出用の可動電極３３と一体化された錘部３４、さらにはこの錘部３４と一体化された駆動用の可動電極３１が、駆動梁３６によって、図２中の第１の方向ｘに移動できるようになっている。

角速度検出用の固定電極３７は、左側センシング部３における左右両側において、上下２つずつ、合計４つ備えられている。各角速度検出用の固定電極３７は、支持基板２に対して固定されるように支持されている。そして、各角速度検出用の固定電極３７は、基体部３７ａと櫛歯部３７ｂを備えて構成されている。

角速度検出用の固定電極３７において、基体部３７ａは、図２中の第２の方向ｙを長手方向として左側センシング部３の中央部に向けて延設されており、櫛歯部３７ｂは、基体部３７ａの一側面において基体部３７ａの長手方向と垂直な第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

また、各角速度検出用の固定電極３７は、枠部３９に備えられた角速度検出用パッド３７ｃに電気的に接続されており、この角速度検出用パッド３７ｃを通じて、角速度検出用の固定電極３７の電位が測れるようになっている。

角速度検出用の可動電極３８は、錘部３４の両側において、角速度検出用の各固定電極３７と対向するように１つずつ配置され、合計２つ備えられている。各角速度検出用の可動電極３８は、支持基板２に対してフローティング状態とされ、錘部３４や駆動梁３６等と一体化されている。各角速度検出用の可動電極３８は、基体部３８ａと櫛歯部３８ｂを備えた構成となっている。

角速度検出用の可動電極３８において、基体部３８ａは、図２中の第２の方向ｙを長手方向として枠部３９における上側位置から下側位置に至るように延設されており、櫛歯部３８ｂは、基体部３８ａの一側面、具体的には固定電極３７における櫛歯部３７ｂと対向する面において基体部３８ａの長手方向と垂直な第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

このため、各角速度検出用の固定電極３７および各角速度検出用の可動電極３８において、各可動電極３８の櫛歯部３８ｂと各固定電極３７の櫛歯部３７ｂとが、所定間隔を空けて交互に配置された状態となっている。

枠部３９は、左右センシング部３、４を囲むように構成されたもので、支持基板２に固定されている。この枠部３９は、パッド３９ａを介して一定電位に保持されるようになっている。このような構成により、本実施形態の角速度センサ素子１００が構成されている。

なお、右側センシング部４に関しては、左側センシング部３と全く同じ構成となっており、それぞれ、以下の対応関係となっている。左側センシング部３の駆動用の固定電極３０および駆動用の可動電極３１は、右側センシング部４の駆動用の固定電極４０および駆動用の可動電極４１に対応する。左側センシング部３の駆動振動検出用の固定電極３２および駆動振動検出用の可動電極３３は、右側センシング部４の駆動振動検出用の固定電極４２および駆動振動検出用の可動電極４３に対応する。左側センシング部３の錘部３４は、右側センシング部４の錘部４４に対応し、左側センシング部３の検出梁３５は、右側センシング部４の検出梁４５に対応する。左側センシング部３の駆動梁３６は、右側センシング部４の駆動梁４６に対応する。左側センシング部３の角速度検出用の固定電極３７および角速度検出用の可動電極３８は、右側センシング部４の角速度検出用の固定電極４７および角速度検出用の可動電極４８に対応する。そして、左側センシング部３の枠部３９は、右側センシング部４の枠部４９に対応する。

また、右側検出部４においては、駆動用の可動電極４１、駆動振動検出用の可動電極４３、錘部４４、検出梁４５、駆動梁４６および角速度検出用の可動電極４８は、支持基板２の基板面に平行な方向すなわち図２中の第１の方向ｘおよび第２の方向ｙに対して動くことができる可動部４ａに相当するものである。そして、右側センシング部４の各部を構成する基体部４０ａや櫛歯部４０ｂ等の詳細構成に関しても、図２中において、左側センシング部３に関して付した参照符号の３０番代のものを４０番代に変更したものとして示してある。以上が、本実施形態における角速度センサ素子１００の構成である。

そして、本実施形態では、図２に示されるように、角速度センサ素子１００における上記各パッド３０ｃ、４０ｃ、３２ｃ、４２ｃ、３５ａ、４５ａ、３７ｃ、４７ｃ、３９ａ、４９ａは、角速度センサ素子１００の周辺部に設けられており、図１に示されるように、金等のバンプ５００を介して回路基板２００と接続されている。すなわち、角速度センサ素子１００は、センシング部３、４が設けられている一面が回路基板２００と対向した状態で回路基板２００上に配置されている。

なお、角速度センサ素子１００は、上記各パッド３０ｃ、４０ｃ、３２ｃ、４２ｃ、３５ａ、４５ａ、３７ｃ、４７ｃ、３９ａ、４９ａが存在しない部分は回路基板２００に対してリリースされた部分となっている。すなわち、角速度センサ素子１００と回路基板２００との間は密閉されていない。

回路基板２００は、具体的には後述するが、駆動回路や検出回路等を有するものであり、角速度センサ素子１００へ駆動信号を印加したり、角速度センサ素子１００からの電気信号を処理して外部へ出力する等の機能を有するものである。

また、角速度センサ素子１００におけるセンシング部３、４が設けられている一面と反対側の一面には圧力センサ３００が接着剤６００等を介して接続されている。接着剤としては、シリコーン系、エポキシ系、ポリイミド系等の樹脂からなる接着剤等が用いられる。そして、この圧力センサ３００は、回路基板２００とボンディングワイヤ３１０を介して電気的に接続されている。

圧力センサ３００は、特に限定されるものではないが、例えば、薄肉のダイヤフラムを有し、ダイヤフラムに当該ダイヤフラムの歪みによって抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子がホイートストンブリッジ回路を構成するように形成された周知のものが用いられる。

そして、角速度センサ素子１００および圧力センサ３００を搭載した回路基板２００は、パッケージ４００を構成するケース４１０上に接着剤７００を介して接合固定されている。なお、接着剤７００としては、例えば、シリコーン系、エポキシ系、ポリイミド系等の樹脂からなる接着剤等が用いられる。

パッケージ４００は、開口部を有するケース４１０と蓋４２０とを有するものであり、内部もしくは表面等に配線４３０が形成されている。そして、回路基板２００と上記配線４３０とが、金やアルミニウム等よりなるボンディングワイヤ８００により結線されて電気的に接続されている。そして、回路基板２００からの出力信号はボンディングワイヤ８００を介して配線４３０から外部へ送られるようになっている。

ケース４１０は、例えば、アルミナ等のセラミック層が複数積層された積層基板を用いて構成されており、上記配線４３０は各層の間に形成されてスルーホール等により互いに導通されている。また、蓋４２０は、特に限定されるものではないが、金属や樹脂、セラミック等を用いて構成され、パッケージ４００とは、接着やロウ付け等により接合されている。そして、この蓋４２０によって、パッケージ４００の内部が封止されている。

また、本実施形態の角速度センサ装置では、パッケージ４００内には窒素が充填されており、パッケージ４００内の圧力が初期状態で１００Ｐａとされている。なお、本実施形態では、パッケージ４００に封入される気体として窒素を用いた例を説明するが、例えば、ヘリウムや空気等を用いることができる。

次に、本実施形態における角速度センサ装置の回路構成について説明する。図３は、本実施形態における角速度センサ装置の回路構成を示すブロック図である。

図３に示されるように、回路基板２００は、第１，第２ＣＶ変換回路２１１、２１２と、第１差動増幅回路２１３と、フィルタ回路２１４と、第１位相同期回路（ＰＬＬ）２１５と、ＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路２１６と、を含む駆動回路２１０と、第３、第４ＣＶ変換回路２２１、２２２と、第２差動増幅回路２２３と、フィルタ回路２２４と、を含む検出回路２２０と、を有し、さらに、第２位相同期回路２３１、同期検波回路２３２、ＡＤ変換回路２３３、補正演算回路２３４を備えている。また、第３差動増幅回路２４１とＡＤ変換回路２４２とも有している。

第１ＣＶ変換回路２１１は角速度センサ素子１００のうち振動検出用パッド３２ｃに接続され、第２ＣＶ変換回路２１２は角速度センサ素子１００のうち振動検出用パッド４２ｃに接続されている。そして、第１、第２ＣＶ変換回路２１１、２１２は共に、第１差動増幅回路２１３にも接続されている。また、第１差動増幅回路２１３は、フィルタ回路２１４、第１位相同期回路２１５を介してＡＧＣ回路２１６に接続されていると共にフィルタ回路２１４、第２位相同期回路２３１を介して同期検波回路２３２に接続されている。ＡＧＣ回路２１６は、駆動用パッド３０ｃ、４０ｃに接続されている。

第３ＣＶ変換回路２２１は角速度センサ素子１００のうち角速度検出用パッド３７ｃに接続され、第４ＣＶ変換回路２２２は角速度センサ素子１００のうち角速度検出用パッド４７ｃに接続されている。そして、第３、第４ＣＶ変換回路２２１、２２２は共に第２差動増幅回路２２３に接続されている。第２差動増幅回路２２３は、フィルタ回路２２４を介して同期検波回路２３２に接続されている。同期検波回路２３２はＡＤ変換回路２３３を介して補正演算回路２３４に接続されている。

第３差動増幅回路２４１は、圧力センサ３００と接続されている。具体的には、本実施形態の圧力センサ３００はホイートストンブリッジ回路を形成するピエゾ抵抗素子を有する構成とされているため、第３差動増幅回路２４１は、ホイートストンブリッジ回路における所定の二つの中点と接続されている。また、第３差動増幅回路２４１はＡＤ変換回路２４２を介して補正演算回路２３４と接続されている。

次に、本実施形態の補正演算回路２３４について説明する。

補正演算回路２３４は、圧力（パッケージ４００内の真空度）Ｐと、可動部３ａ、４ａにおける検出振動の共振倍率Ｑｓとの関係を示す関数が記憶されたＲＯＭ等の記憶部と、当該関数を用いて検出振動の共振倍率Ｑｓを演算すると共に、演算した検出振動の共振倍率Ｑｓと角速度センサ素子１００で検出された検出信号を用いて角速度を演算する演算部と、を有して構成されている。

記憶部は、例えば、パッケージ内４００に窒素が封入されている場合には、上記図５に示されるように、Ｑｓ＝（２．１×１０４）／Ｐとなるため、この関数を記憶している。

演算部は、圧力センサ３００で検出された圧力Ｐから共振倍率Ｑｓを演算すると共に検出回路２２０から出力された検出信号から角速度検出用の可動電極３８、４８における櫛歯部３８ｂ、４８ｂの移動距離ｙを演算し、これらの値を用いて角速度を示す角速度信号Ωを生成して出力する。具体的には、角速度信号Ωは、上記数式１で示されるため、共振倍率Ｑｓ、移動距離ｙを代入して角速度Ωを生成して出力する。

次に上記構成の角速度センサ装置の作動について図３を参照しつつ説明する。

本角速度センサ装置においては、駆動用の固定電極３０、４０が電気的に接続された駆動用パッド３０ｃ、４０ｃに対して、回路基板２００から所望の駆動信号を印加して可動部３ａ、４ａを駆動する。

具体的には、駆動信号を駆動用パッド３０ｃ、４０ｃに印加すると、駆動信号の交流成分の周期的な変動に伴って、駆動用の固定電極３０、４０と可動電極３１、４１との間に形成される容量による静電引力が発生する。これにより、駆動梁３６、４６が撓み、錘部３４、４４と共に駆動用の可動電極３１、４１等が図２中の第１の方向ｘに振動する。そして、駆動信号の交流成分の周期変化に伴って、可動部のうちの錘部３４、４４と共に駆動用の可動電極３１、４１等が第１の方向ｘに周期的に駆動振動する。ここで左右のセンシング部３、４において、駆動信号の交流成分を互いに逆相とすることにより、左右のセンシング部３、４では互いに逆方向へ可動部としての駆動用および駆動振動検出用の可動電極３１、３３、４１、４３が駆動振動する。

このとき、この周期的な振動に応じて振動検出用の固定電極３２、４２における櫛歯部３２ｂ、４２ｂと可動電極３３、４３における櫛歯部３３ｂ、４３ｂとのオーバラップ量が変動することから、これらによって形成される容量が変化する。

そして、固定電極３２、４２が接続された振動検出用のパッド３２ｃ、４２ｃの電位が変化するため、この電位変化から第１、第２ＣＶ変換回路２１１、２１２によって容量変化に対応した電圧レベルをもつモニタ信号Ｓ１１、Ｓ１２が生成される。これらモニタ信号Ｓ１１、Ｓ１２は、互いに逆相の信号であるため、差動増幅回路で一つのモニタ信号Ｓ１に変換される。

次に、このモニタ信号Ｓ１は、フィルタ回路２１４で不要なノイズ成分が除かれ、第１位相同期回路２１５で自発発信に必要な位相調整が行われた後、ＡＧＣ回路２１６に入力される。そして、ＡＧＣ回路２１６は、入力信号振幅が一定となるように増幅率を自動的に調整するため、各駆動用パッド３０ｃ、４０ｃには、常に適切な振幅をもつ駆動信号が加えられることになる。

以上のようにして、駆動検出用のパッド３２ｃ、４２ｃの電位変化から所望の駆動信号を生成して駆動用パッド３０ｃ、４０ｃに印加するため、駆動用の可動電極３１、４１等は同じ周波数の共振周波数の振動が持続される。

この状態において、図２中の回転軸ｚ回りに角速度Ωが入力されると、コリオリ力が発生し、検出梁３５、４５の撓みにより、可動部のうちの錘部３４、４４および角速度検出用の可動電極３８、４８等が第２の方向ｙに検出振動する。

ここで、角速度センサ素子１００が非共振型の場合、角速度センサ素子１００の構造的な第２の方向ｙの共振周波数が駆動信号により第１の方向ｘに駆動される際の振動周波数と十分に離れているので、コリオリ力により生じる第２の方向ｙの振動と駆動信号によって駆動される第１の方向ｘの駆動振動とは９０°の位相差を有している。このため、第１の方向ｘに駆動振動している状態で、第２の方向ｙの検出振動が生じると、駆動振動に伴う駆動検出用のパッド３２ｃ、４２ｃの電位変化と、コリオリ力による検出振動に伴う角速度検出用パッド３７ｃ、４７ｃの電位変化とは９０°の位相差が生じることになる。

また、コリオリ力による検出振動に伴って角速度検出用パッド３７ｃの電位が変化するため、第３ＣＶ変換回路２２１によって電位の変化から容量変化に対応した電圧レベルをもつ検出信号Ｓ２１が生成される。同様に、コリオリ力による検出振動に伴って角速度検出用パッド４７ｃの電位が変化するため、第４ＣＶ変換回路２２２によって電位の変化から容量変化に対応した電圧レベルをもつ検出信号Ｓ２２が生成される。

この場合、第３、第４ＣＶ変換回路２２１、２２２からそれぞれ出力される検出信号Ｓ２１、Ｓ２２はコリオリ力に依存する成分に関しては互いに逆相の信号であるので、次段の第２差動増幅回路２２３で一つの検出信号Ｓ２に増幅変換される。この検出信号Ｓ２はフィルタ回路２１４で不要なノイズ成分が除かれた後、同期検波回路２３２に入力される。

また、第１差動増幅回路２１３から出力されるモニタ信号Ｓ２は、フィルタ回路２１４で不要なノイズ成分が除かれた後、第２位相同期回路２３１に入力される。フィルタ回路２１４、２２４は、その位相回転量が同一となるように予め設計されている。第２位相同期回路２３１は、このフィルタ回路２２４の出力信号の位相を９０°ずらして検波参照信号Ｓ３として出力する。前述のように、非共振型の角速度センサ素子１００においては、モニタ信号Ｓ１と検出信号Ｓ２とは元々９０°の位相差をもって出力される。また、フィルタ回路２１４とフィルタ回路２２４の位相回転は同一となるように設計されている。したがって、第２位相同期回路２３１から出力される検波参照信号Ｓ３は、フィルタ回路２２４から出力される信号のコリオリ成分と同相（あるいは逆相）になり、この検波参照信号Ｓ３が同期検波回路２３２に入力される。

そして、同期検波回路２３２は、検波参照信号Ｓ３によって検出信号Ｓ２を同期検波する。この場合、上記の両信号Ｓ２、Ｓ３は同相（あるいは逆相）になっているので、同期検波回路２３２で同期検波された後の検出信号Ｓ４は半波整流された形となる。このため、検出信号Ｓ４は、図示しない平滑回路で平滑化され、第１ＡＤ変換回路２３３で検出信号Ｓ５に変換された後、補正演算回路２３４に入力される。

また、圧力センサ３００は、ダイヤフラムにブリッジ回路を構成するように形成されたピエゾ抵抗素子を有するものであり、ダイヤフラムに圧力が印加されるとピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。このため、所定の二つの中点電位の変化を第３差動増幅回路２４１によって差動増幅し、増幅された検出信号Ｓ６がＡＤ変換回路２４２に入力される。そして、検出信号Ｓ６は、ＡＤ変換回路２４２で検出信号Ｓ７に変換された後、補正演算回路２３４に入力される。

補正演算回路２３４は、検出信号Ｓ５および検出信号Ｓ７を用いて角速度信号を生成・出力する。具体的には、記憶部に記憶されている関数Ｑｓ＝（２．１×１０４）／Ｐを読み出し、検出信号Ｓ７をＰに代入して検出振動の共振倍率Ｑｓを演算する。また、検出された検出信号Ｓ５から角速度検出用の可動電極３８における櫛歯部３８ｂの移動距離ｙを演算する。そして、上記数式１に共振倍率Ｑｓ、移動距離ｙを代入して角速度信号Ωを生成して出力する。

以上説明したように、本実施形態の角速度センサ装置では、パッケージ４００内の圧力を検出し、検出した圧力から検出振動の共振倍率Ｑｓを演算すると共に、演算した検出振動の共振倍率Ｑｓおよび角速度センサ素子１００で検出された検出信号を用いて角速度を示す角速度信号Ωを生成して出力している。すなわち、従来の角速度センサ装置では、定数とされていた検出振動の共振倍率Ｑｓを圧力に関する変数とし、当該共振倍率Ｑｓをパッケージ４００内の圧力に基づいて演算している。このため、パッケージ４００内の圧力が経時変化したとしても検出精度が低下することを抑制することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の角速度センサ装置は、上記第１実施形態に対して温度センサを備えたものであり、その他に関しては上記第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。図４は、本実施形態における角速度センサ装置の回路構成を示すブロック図である。

図４に示されるように、本実施形態の角速度センサ装置は、温度センサ９００を有しており、さらに、回路基板２００に調整回路２４３およびＡＤ変換回路２５１が形成されている。

温度センサ９００は、パッケージ４００内の温度を検出するものであり、ＡＤ変換回路２５１と接続されている。そして、ＡＤ変換回路２５１は、調整回路２４３および補正演算回路２３４と接続されている。

調整回路２４３は、例えば、圧力センサ３００の温度特性に関するデータが記憶された記憶部と、検出された温度から温度特性を補正する演算部とを有するものであり、検出信号Ｓ７の補正を行うものである。圧力センサ３００は、ダイヤフラムに印加される圧力（歪み）のみならず、周囲の温度によっても抵抗値が変化したり、角速度センサ素子１００との熱膨張係数の違いによって発生する熱応力等によっても抵抗値が変化したりしてオフセット値が変動するためである。そして、この調整回路２４３は、補正演算回路２４３と接続されている。

また、補正演算回路２３４は、角速度センサ素子１００に対する温度特性に関するデータが記憶された記憶部をさらに有しており、演算部にて、検出振動Ｓ５を用いて角速度信号Ωを生成する前に、検出信号Ｓ５の温度補正を行うものとされている。上記圧力センサ３００と同様に、温度が変化すると熱応力によって櫛歯部３７ｂと櫛歯部３８ｂとの初期間隔、櫛歯部４７ｂと櫛歯部４８ｂとの初期間隔が変動してしまい、オフセット値が変動するためである。

上記角速度センサ装置では、温度センサ９００で検出された温度がＡＤ変換回路２５１でパッケージ４００内の温度を示す検出信号Ｓ８に変換された後、調整回路２４３および補正演算回路２３４に入力される。そして、調整回路２４３では、入力された検出信号Ｓ８に基づいて検出信号Ｓ７に温度補正を行って検出信号Ｓ９とした後、補正演算回路２３４に検出信号Ｓ９を入力する。また、補正演算回路２３４は、ＡＤ変換回路２５１で変換された検出信号Ｓ８が入力されると、検出信号Ｓ８に基づいて検出信号Ｓ５の温度補正を行った後、補正した検出信号Ｓ５を用いて検出振動の共振倍率Ｑｓを演算し、その後は上記第１実施形態と同様に、角速度検出信号Ωを生成して出力する。

このような角速度センサ装置では、パッケージ４００内の温度を検出し、角速度センサ素子１００で検出された検出信号Ｓ５および圧力センサ３００で検出された検出信号Ｓ７に対して温度補正を行うようにしている。このため、上記第１実施形態と比較して、さらに、検出精度が低下することを抑制することができる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、角速度信号Ωは移動距離ｙを含む関数として説明したが、角速度信号Ωは容量を含む関数として表されたものを用いてもよい。すなわち、補正演算回路２３４において、角速度センサ素子１００で検出された検出信号を移動距離ｙに変換することなく、そのまま利用することができるようにしてもよい。また、補正演算回路２３４は、角速度検出用パッド３７ｃ、４７ｃの電位変化（容量変化）と櫛歯部３８ｂ、４８ｂの移動距離ｙとの対応を示すデータを記憶した記憶部を有し、検出信号Ｓ６が入力された際に、記憶部から移動距離ｙを読み出すようにしてもよい。

また、上記第１実施形態では、圧力センサ３００としてピエゾ抵抗素子が形成されたものを例に挙げて説明したが、もちろんこれに限定されるものではない。例えば、圧力センサ３００として、容量型のものを用いることができる。

上記第１実施形態では、回路基板２００がパッケージ４００内に収納されている例について説明したが、回路基板２００はパッケージ４００の外に備えられていてもよい。さらに、駆動回路２１０、検出回路２２０、補正演算回路２３４が同一の回路基板２００に形成されている例について説明したが、これらはそれぞれ別々の回路基板に形成されていてもよい。そして、別々の回路基板に形成されている場合には、例えば、駆動回路２１０および検出回路２２０が形成された回路基板がパッケージ４００内に収納され、補正演算回路２３４が形成された回路基板がパッケージ４００外に備えられていてもよい。

１００ 角速度センサ素子
２００ 回路基板
２１０ 駆動回路
２２０ 検出回路
２３４ 補正演算回路
３００ 圧力センサ
４００ パッケージ

Claims (7)

1. 駆動信号に応じて第１の方向（ｘ）へ駆動振動が可能であって前記第１の方向と直交する第２の方向（ｙ）へ検出振動が可能な可動部（３ａ、４ａ）を備え、前記可動部（３ａ、４ａ）が前記駆動振動している際に角速度が印加されたとき、前記可動部（３ａ、４ａ）が前記検出振動を行うことによって印加された前記角速度に応じた容量変化が生じる角速度センサ素子（１００）と、
   前記可動部（３ａ、４ａ）の駆動振動を制御する前記駆動信号を前記角速度センサ素子（１００）に出力し、前記駆動振動を一定に維持する駆動回路（２１０）と、
   前記角速度センサ素子（１００）における前記容量変化に基づいて検出信号を出力する検出回路（２２０）と、
   前記角速度センサ素子（１００）を収納するパッケージ（４００）と、
   前記パッケージ（４００）に収納され、前記パッケージ（４００）内の圧力を検出する圧力センサ（３００）と、
   前記圧力センサ（３００）で検出された圧力から前記可動部（３ａ、４ａ）における前記検出振動の共振倍率を演算し、前記検出信号および演算した前記共振倍率を用いて、印加された前記角速度を示す角速度信号を生成して出力する補正演算回路（２３４）と、を有することを特徴とする角速度センサ装置。
2. 前記パッケージ（４００）内は、減圧されていることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ装置。
3. 前記駆動回路（２１０）および前記検出回路（２２０）は回路基板（２００）に形成されており、
   前記パッケージ（４００）には、前記回路基板（２００）、前記角速度センサ素子（１００）、前記圧力センサ（３００）が順に積層されて配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の角速度センサ装置。
4. 前記回路基板（２００）は、前記パッケージ（４００）に接着剤（７００）を介して接合されていることを特徴とする請求項３に記載の角速度センサ装置。
5. 前記パッケージ（４００）内の温度を検出する温度センサ（９００）と、
   前記圧力センサ（３００）で検出された圧力の温度補正を行う調整回路（２４３）と、を有し、
   前記補正演算回路（２３４）は、前記検出信号に対して温度補正を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の角速度センサ装置。
6. 前記パッケージ（４００）には、不活性ガスが封入されており、
   前記補正演算回路（２３４）は、前記圧力センサ（３００）で検出された圧力をＰ、前記可動部（３ａ、４ａ）における前記第２の方向（ｙ）への共振倍率をＱｓとしたとき、ＱｓＰ＝一定から前記共振倍率を演算することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の角速度センサ装置。
7. 前記パッケージ（４００）は、セラミック層が複数積層されてなる多層基板を用いて構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の角速度センサ装置。

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