JP2013134064A - 振動型角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】誤作動を発生させることなくセンサの高感度化を図ることが可能な振動型角速度センサを提供する。
【解決手段】複数の錘部３１〜３６を直線状の駆動梁４２で連結し、駆動梁４２の撓みによって複数の錘部３１〜３６を振動させると共に、駆動梁４２の節（不動点）において支持部材４３を介して固定部２０に固定される振動子を有した構造とする。そして、駆動梁４２よりも支持部材４３のバネ性、具体的には支持部材４３に備えられる回転梁４３ａのバネ性を小さくする。これにより、誤って不要モード周波数ｆｒを駆動共振周波数ｆｄと検知してしまうことを抑制でき、誤作動を抑制することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動型角速度センサに関するものである。

従来、特許文献１において、振動型の角速度センサが提案されている。この角速度センサは、検出錘が内部に備えられた駆動錘（以下、内側駆動錘という）が２つ並べられていると共に、それら２つの駆動錘を挟み込むように両外側にさらに駆動錘（以下、外側駆動錘という）が配置され、これら４つの駆動錘を駆動梁にて連結し、駆動梁をＹ字状の支持部材にて固定部に固定した構造とされている。

特開２００４−１６３３７６号公報

上記のような構造の角速度センサにおいて、高感度化を行うには、各錘を連結する梁を細くすることで共振周波数を低くすることが考えられる。しかしながら、共振周波数を低くすると、次のような問題が発生することが確認された。図８および図９を参照して、この問題について説明する。

図８および図９は、振動中の角速度センサの様子を示した模式図であり、図８は、外側駆動錘および内側駆動錘が通常駆動されているときの様子（以下、この状態のときの形状を駆動モード形状という）、図９は、外側駆動錘および内側駆動錘が期待しない不要振動モードで振動させられるときの様子（以下、この状態のときの形状を不要振動モード形状という）を表している。

振動型角速度センサは、外側駆動錘Ｊ１、Ｊ２や内側駆動錘Ｊ３、Ｊ４を可動部として、外側駆動錘Ｊ１、Ｊ２に対向して配置された固定電極Ｊ５と外側駆動錘Ｊ１、Ｊ２や内側駆動錘Ｊ３、Ｊ４との間にＡＣ電圧（交流電圧）を印加することにより、これらそれぞれに備えられた櫛歯電極Ｊ１ａ、Ｊ２ａ、Ｊ３ａ、Ｊ４ａ、Ｊ５ａの間に静電引力を発生させることで駆動される。通常駆動時には、ＡＣ電圧の周波数が駆動共振周波数ｆｄとされ、図８に示したように、隣り合う外側駆動錘Ｊ１、Ｊ２と内側駆動錘Ｊ３、Ｊ４とが互いに逆方向の駆動力が印加されることで、紙面上下方向に逆方向に振動させられる。このため、２つの内側駆動錘Ｊ３、Ｊ４は紙面上下方向において、逆位相で振動させられることになり、駆動モード形状となる。しかしながら、ＡＣ電圧の周波数が所定の周波数ｆｒになると、図９に示したように、隣り合う内側駆動錘Ｊ３、Ｊ４が紙面上下方向において同位相で振動させられ、不要振動モード形状となる（以下、この周波数を不要モード周波数という）。

従来の角速度センサのパターン形状であれば、図１０（ａ）に示すように、駆動共振周波数ｆｄが１５．２ｋＨｚとなり、不要モード周波数ｆｒとの差Δｆｒが１．５ｋＨｚと駆動共振周波数の１割分程度の大きな値となるため、回路処理において駆動共振周波数ｆｄと不要モード周波数ｆｒを判別できる。ところが、高感度化を狙って駆動梁Ｊ６を細くすると、図１０（ｂ）に示すように、駆動共振周波数ｆｄが不要モード周波数ｆｒに近づいていく。このような現象が起きると、回路処理において駆動共振周波数ｆｄを検知する際、誤って不要振動モードが発生する不要モード周波数ｆｒを検知してしまい、誤作動を引き起こすという問題が発生する。

具体的には、振動型角速度センサを駆動する際には、ＡＣ電圧の周波数を駆動共振周波数ｆｄを検知するために、ＡＣ電圧の周波数を変化させながら外側駆動錘Ｊ１、Ｊ２の変位をモニタしている。例えば、外側駆動錘Ｊ１、Ｊ２と対向配置されるようにモニタ用の電極を設け、これらの間に形成される容量の変化に基づいて外側駆動錘Ｊ１、Ｊ２の変位を検出している。このとき、回路処理により、容量変化が大きいときを駆動共振周波数ｆｄとして検知しているが、不要モード周波数ｆｒのときにも容量変化が大きくなる。このため、不要モード周波数ｆｒが駆動共振周波数ｆｄと近すぎると、不要モード周波数ｆｒのときを誤って駆動共振周波数ｆｄと検知してしまい、不要振動モード形状で駆動してしまうという誤作動を引き起こすのである。

本発明は上記点に鑑みて、誤作動を発生させることなくセンサの高感度化を図ることが可能な振動型角速度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、複数の錘部（３１〜３６）を直線状の駆動梁（４２）で連結し、駆動梁（４２）の撓みによって複数の錘部（３１〜３６）を振動させると共に、駆動梁（４２）の不動点において支持部材（４３）を介して基板（１０）に固定される振動子を有した構造の振動型角速度センサにおいて、駆動梁（４２）よりも支持部材（４３）のバネ性が小さくされていることを特徴としている。

このように、駆動梁（４２）よりも支持部材（４３）のバネ性を小さくすることで、誤って不要モード周波数ｆｒを駆動共振周波数ｆｄと検知してしまうことを抑制でき、誤作動を抑制することが可能となる。したがって、誤作動を発生させることなくセンサの高感度化を図ることが可能な振動型角速度センサとすることができる。

具体的には、請求項２に記載したように、基板（１０）の一面側に形成され、該基板（１０）に固定された検出用固定電極（２４ｂ、２５ｂ）を有する検出用固定部（２４、２５）と、検出用固定電極（２４ｂ、２５ｂ）と対向配置された検出用可動電極（３５ｂ、３６ｂ）を有すると共に該検出用可動電極（３５ｂ、３６ｂ）が備えられた質量部（３５ａ、３６ａ）を有する検出錘（３５、３６）と、検出錘（３５、３６）の周囲を囲むと共に検出梁（４１）を介して検出錘（３５、３６）を連結する一対の内側駆動錘（３３、３４）と、一対の内側駆動錘（３３、３４）を挟んだ両側に配置された一対の外側駆動錘（３１、３２）と、内側駆動錘（３３、３４）と外側駆動錘（３１、３２）とを、互いに逆方向に振動させる静電引力を発生させる駆動用固定部（２２、２３）とを有し、外側駆動錘（３１、３２）および検出錘（３５、３６）が連結された内側駆動錘（３３、３４）にて複数の錘部を構成し、駆動梁（４２）にて、内側駆動錘（３３、３４）と外側駆動錘（３１、３２）とを連結すると共に、支持部材（４３）にて、駆動梁（４２）の不動点において外側駆動錘（３１、３２）および検出錘（３５、３６）が連結された内側駆動錘（３３、３４）を基板（１０）に支持しており、駆動用固定部（２２、２３）が発生させる静電引力に基づいて駆動梁（４２）を撓ませて外側駆動錘（３１、３２）と内側駆動錘（３３、３４）とを振動させるセンサ駆動を行い、該センサ駆動中に角速度が印加されると検出梁（４１）が撓むことによって検出錘（３５、３６）が内側駆動錘（３３、３４）の振動方向と垂直方向に移動させられ、検出用固定電極（２４ｂ、２５ｂ）と検出用可動電極（３５ｂ、３６ｂ）の容量が変化することに基づいて角速度を検出する振動型角速度センサに適用可能である。

この場合において、支持部材（４３）を、センサ駆動中に波打って撓む回転梁（４３ａ）と、回転梁（４３ａ）の両側を基板（１０）に支持する支持梁（４３ｂ）と、回転梁（４３ａ）と駆動梁（４２）とを、駆動梁（４２）の不動点において連結する連結部（４３ｃ）とを有した構成とし、駆動梁（４２）よりも回転梁（４３ａ）の方のバネ性が小さくされるようにすることで、請求項１に記載の効果を得ることができる。

請求項３に記載の発明では、外側駆動錘（３１、３２）と内側駆動錘（３３、３４）の振動方向において、駆動梁（４２）の幅ｈ１と回転梁（４３ａ）の幅ｈ２との比となる梁幅比をＲとし、１／Ｒが２以上に設定されていることを特徴としている。

このように、１／Ｒが２以上であれば駆動共振周波数ｆｄと不要モード周波数ｆｒとの周波数差Δｆｒが１０％以上となる。このため、より誤作動を防止できる振動型角速度センサとすることが可能となる。

請求項４に記載の発明では、１／Ｒが３以上に設定されていることを特徴としている。このように、１／Ｒが３以上であれば駆動共振周波数ｆｄと不要モード周波数ｆｒとの周波数差Δｆｒが２０％以上となる。このため、更に誤作動を防止できる振動型角速度センサとすることが可能となる。

請求項５に記載の発明では、駆動用固定部（２２、２３）と内側駆動錘（３３、３４）および外側駆動錘（３１、３２）との間に交流電圧が印加されることでセンサ駆動が行われ、交流電圧の周波数が駆動共振周波数ｆｄに設定され、該駆動共振周波数ｆｄが数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとされていることを特徴としている。また、請求項６に記載の発明では、駆動共振周波数ｆｄが５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚとされていることを特徴としている。

このように、駆動共振周波数ｆｄを数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚに設定すること、特に５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚに設定することにより、振動型角速度センサの高感度化を図ることが可能となる。

例えば、請求項７に記載したように、一方の外側駆動錘（３１）と一方の内側駆動錘（３３）と他方の内側駆動錘（３４）および他方の外側駆動錘（３２）が順番に並べられた状態で駆動梁（４２）によって連結され、一方の外側駆動梁（３１）と一方の内側駆動錘（３３）との間と、一方の内側駆動錘（３３）と他方の内側駆動錘（３４）との間と、他方の内側駆動錘（３４）と他方の外側駆動錘（３２）との間、それぞれにおいて、基板（１０）と駆動梁（４２）とを支持部材（４３）によって接続した構造とすることができる。

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。

本発明の第１実施形態にかかる振動型角速度センサの平面模式図である。 振動型角速度センサの基本動作時の様子を示した模式図である。 振動型角速度センサに角速度が印加された時の様子を示した模式図である。 振動型角速度センサに対して紙面左方向から衝撃が加えられたときの様子を示した模式図である。 振動型角速度センサの簡略モデル図である。 梁幅比Ｒを１／２で固定した場合の駆動共振周波数ｆｄと周波数比ｆｒ／ｆｄとの関係の実際の解析例を示すグラフである。 １／Ｒを変化させたときの周波数比ｆｒ／ｆｄの関係の実際の解析例を示すグラフである。 駆動モード形状での角速度センサの様子を示した模式図である。 不要振動モード形状での角速度センサの様子を示した模式図である。 角速度センサのパターン形状に応じた周波数特性を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態で説明する振動型角速度センサ（ジャイロセンサ）は、物理量として角速度を検出するためのセンサであり、例えば車両の上下方向に平行な中心線周りの回転角速度の検出に用いられるが、勿論、振動型角速度センサを車両用以外に適用することもできる。

図１は、本実施形態にかかる振動型角速度センサの平面模式図である。以下、この図を参照して、本実施形態にかかる振動型角速度センサについて説明する。

振動型角速度センサは、図１の紙面法線方向が車両の上下方向と一致するようにして車両に搭載される。振動型角速度センサは、板状の基板１０の一面側に形成されている。基板１０は、支持基板１１と半導体層１２とで図示しない犠牲層となる埋込酸化膜を挟み込んだ構造とされたＳＯＩ（Silicon on insulator）基板にて構成されている。このようなセンサ構造は、半導体層１２側をセンサ構造体のパターンにエッチングしたのち埋込酸化膜を部分的に除去し、センサ構造体の一部をリリースしてフローティング状態にすることで構成される。

なお、半導体層１２の表面に平行な面上の一方向であって紙面左右方向をｘ軸方向、このｘ軸方向に直角となる紙面上下方向をｙ軸方向、半導体層１２の一面に垂直な方向をｚ軸方向として、以下の説明を行う。

半導体層１２は、固定部２０と可動部３０および梁部４０とにパターニングされている。固定部２０は、少なくともその裏面の一部に埋込酸化膜が残されており、支持基板１１からリリースされることなく、埋込酸化膜を介して支持基板１１に固定された状態とされている。可動部３０および梁部４０は、振動型角速度センサにおける振動子を構成するものである。可動部３０は、その裏面側の埋込酸化膜が除去されており、支持基板１１からリリースされてフローティング状態とされている。梁部４０は、可動部３０を支持すると共に角速度検出を行うために可動部３０をｘ軸方向およびｙ軸方向において変位させるものである。これら固定部２０と可動部３０および梁部４０の具体的な構造を説明する。

固定部２０は、可動部３０を支持するための支持用固定部２１、駆動用電圧が印加される駆動用固定部２２、２３、および、角速度検出に用いられる検出用固定部２４、２５とを有した構成とされている。

支持用固定部２１は、例えば、固定部２０のうちの他の部分（駆動用固定部２２、２３および検出用固定部２４、２５）や可動部３０などのセンサ構造体の周囲を囲むように配置され、その内壁において梁部４０を介して可動部３０を支持している。ここでは、支持用固定部２１がセンサ構造体の周囲全域を囲む構造を例に挙げているが、その一部のみに形成された構造であっても構わない。

駆動用固定部２２、２３は、後述するように外側駆動錘３１と内側駆動錘３３との間に配置された駆動用固定部２２と、外側駆動錘３２と内側駆動錘３４との間に配置された駆動用固定部２３とによって構成されている。これら駆動用固定部２２、２３は、基部２２ａ、２３ａと櫛歯状の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂを備えた構成とされている。

基部２２ａ、２３ａは、ｙ軸方向に延設されている。この基部２２ａ、２３ａに対して複数の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂが接続されており、基部２２ａ、２３ａに備えられた図示しないボンディングパッドに接続されるボンディングワイヤを通じて、外部からＡＣ電圧（駆動用電圧）が印加できる構成とされている。この基部２２ａ、２３ａに対して所望のＡＣ電圧を印加することで、各駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂにも所望のＡＣ電圧が印加できるようになっている。

駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂは、後述するように外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４に備えられた櫛歯状の駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂの各櫛歯と対向配置された櫛歯状の電極である。具体的には、駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂは、ｘ軸方向に延設された複数の支持部２２ｃ、２３ｃと、各支持部２２ｃ、２３ｃからｙ軸方向に延設された複数の櫛歯状電極２２ｄ、２３ｄにより構成されており、このような構造体が基部２２ａ、２３ａの紙面左右両側においてｙ軸方向に複数個並べられた構成とされている。

検出用固定部２４、２５は、後述するように内側駆動錘３３、３４に備えられた検出錘３５、３６内に配置されている。検出用固定部２４、２５は、基部２４ａ、２５ａと検出用固定電極２４ｂ、２５ｂとを有した構成とされている。

基部２４ａ、２５ａには、図示しないボンディングパッドが備えられており、このボンディングバッドに接続されるボンディングワイヤを通じて、外部への信号取り出しを行うことが可能となっている。検出用固定電極２４ｂ、２５ｂは、基部２４ａ、２５ａからｙ軸方向に延設された複数の櫛歯状の電極であり、検出錘３５、３６に備えられた櫛歯状の検出用可動電極３５ｂ、３６ｂの各櫛歯と対向配置されている。

可動部３０は、角速度印加に応じて変位する部分であり、外側駆動錘３１、３２と内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６とを有した構成とされている。可動部３０は、外側駆動錘３１、検出錘３５を内蔵する内側駆動錘３３、検出錘３６を内蔵する内側駆動錘３４および外側駆動錘３２が順にｘ軸方向に並べられたレイアウトとされている。

外側駆動錘３１、３２は、質量部３１ａ、３２ａと駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂとを有した構成とされている。

質量部３１ａ、３２ａは、ｙ軸方向に延設されている。質量部３１ａは、駆動用固定部２２の基部２２ａと対向配置され、質量部３２ａは、駆動用固定部２３の基部２３ａに対向配置されている。この質量部３１ａ、３２ａを錘として、外側駆動錘３１、３２がｙ軸方向に移動可能とされている。

駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂは、駆動用固定部２２、２３に備えられた櫛歯状の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂの各櫛歯と対向配置された櫛歯状の電極である。具体的には、駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂは、ｘ軸方向に延設された複数の支持部３１ｃ、３２ｃと、各支持部３１ｃ、３２ｃからｙ軸方向に延設された複数の櫛歯状電極３１ｄ、３２ｄにより構成されており、このような構造体が質量部３１ａ、３２ａのうち駆動用固定部２２、２３側においてｙ軸方向に複数個並べられた構成とされている。

内側駆動錘３３、３４は、質量部３３ａ、３４ａと駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂとを有した構成とされている。

質量部３３ａ、３４ａは、四角形状の枠体形状とされており、この質量部３３ａ、３４ａを錘として、内側駆動錘３３、３４がｙ軸方向に移動可能とされている。四角形状で構成された各質量部３３ａ、３４ａの相対する二辺がそれぞれｘ軸方向とｙ軸方向に平行とされ、ｙ軸方向とされた辺のうちの一辺が駆動用固定部２２、２３の基部２２ａ、２３ａと対向配置されている。具体的には、質量部３３ａ、３４ａのｙ軸方向とされた辺のうちの一辺が駆動用固定部２２、２３の基部２２ａ、２３ａと対向配置され、その基部２２ａ、２３ａと対向配置された一辺に、駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂが備えられている。

駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂは、駆動用固定部２２、２３に備えられた櫛歯状の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂの各櫛歯と対向配置された櫛歯状の電極である。具体的には、駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂは、ｘ軸方向に延設された複数の支持部３３ｃ、３４ｃと、各支持部３３ｃ、３４ｃからｙ軸方向に延設された複数の櫛歯状電極３３ｄ、３４ｄにより構成されており、このような構造体が質量部３３ａ、３４ａのうち駆動用固定部２２、２３側においてｙ軸方向に複数個並べられた構成とされている。

検出錘３５、３６は、質量部３５ａ、３６ａと検出用可動電極３５ｂ、３６ｂとを有した構成とされている。

質量部３５ａ、３６ａは、四角形状の枠体形状とされており、後述する梁部４０のうちの検出梁４１を介して内側駆動錘３３、３４の内壁面に支持されている。検出錘３５、３６は内側駆動錘３３、３４と共にｙ軸方向に移動させられるが、質量部３５ａ、３６ａを錘として、検出錘３５、３６がｘ軸方向に移動可能な構成とされている。検出用可動電極３５ｂ、３６ｂは、質量部３５ａ、３６ａの内壁面からｙ軸方向に延設された複数の櫛歯状の電極であり、検出用固定部２４、２５に備えられた櫛歯状の検出用固定電極２４ｂ、２５ｂの各櫛歯と対向配置されている。

梁部４０は、検出梁４１と、駆動梁４２および支持部材４３を有した構成とされている。

検出梁４１は、内側駆動錘３３、３４の質量部３３ａ、３４ａの内壁面のうちｘ軸方向と平行とされた辺と検出錘３５、３６の質量部３５ａ、３６ａの外壁面のうちｘ軸方向と平行とされた辺とを接続する梁である。検出梁４１は、ｘ軸方向において変位可能とされていることから、この検出梁４１の変位に基づいて検出錘３５、３６が内側駆動錘３３、３４に対してｘ軸方向に移動可能となっている。

駆動梁４２は、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４を連結すると共に、これら外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４のｙ軸方向への移動を可能とするものである。一方の外側駆動錘３１、一方の内側駆動錘３３、他方の内側駆動錘３４および他方の外側駆動錘３２が順番に並べられた状態で駆動梁４２によって連結されている。

具体的には、駆動梁４２は、ｙ軸方向の幅が所定寸法とされた直線状梁であり、紙面上下方向において、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４を挟んだ両側に一本ずつ配置されており、それぞれ、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４に接続されている。駆動梁４２と外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４とは直接接続されていても良いが、例えば本実施形態では駆動梁４２と内側駆動錘３３、３４とを連結部４２ａを介して接続している。

支持部材４３は、外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６を支持するものである。具体的には、支持部材４３は、支持用固定部２１の内壁面と駆動梁４２との間に備えられており、駆動梁４２を介して上記各錘３１〜３６を支持用固定部２１に支持する。

支持部材４３は、回転梁４３ａと支持梁４３ｂおよび連結部４３ｃとを有した構成とされ、回転梁４３ａは、ｙ軸方向の幅が所定寸法とされた直線状梁であり、その両側に支持梁４３ｂが接続されていると共に、支持梁４３ｂと反対側の中央位置に連結部４３ｃが接続されている。この回転梁４３ａは、センサ駆動時に連結部４３ｃを中心としてＳ字状に波打って撓む。支持梁４３ｂは、回転梁４３ａの両側を支持用固定部２１に接続するものであり、本実施形態では直線状部材とされている。この支持梁４３ｂは、衝撃などが加わった時に各錘３１〜３６がｘ軸方向に移動することを許容する役割も果たしている。連結部４３ｃは、支持部材４３を駆動梁４２に接続する役割を果たしている。

以上のような構造により、外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６がそれぞれ２つずつ備えられた一対の角速度検出構造が備えられた振動型角速度センサが構成されている。そして、このように構成された振動型角速度センサにおいて、駆動梁４２の幅（ｙ軸方向の厚み）と回転梁４３ａの幅（ｙ軸方向の厚み）とに基づいて上述した不要振動モード形状となることを抑制している。このような効果が得られることについては、後で詳細に説明する。

続いて、このように構成された振動型角速度センサの作動について説明する。図２〜図４は、本実施形態にかかる振動型角速度センサの作動中の様子を示した模式図である。これらの図を参照して説明する。

図２は、振動型角速度センサの基本動作時の様子を示した模式図である。駆動用固定部２２、２３に対してＡＣ電圧を印加することにより、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４との間に電位差を発生させると、その電位差に基づいてｙ軸方向に静電気力が発生する。この静電気力に基づいて、各駆動錘３１〜３４をｙ軸方向に振動させる。このとき、ＡＣ電圧の周波数を変えながら各駆動錘３１〜３４のｙ軸方向の振動をモニタし、ＡＣ電圧の周波数が駆動共振周波数ｆｄとなるように調整している。例えば、外側駆動錘３１、３２と対向配置されるようにモニタ用の電極を設け、これらの間に形成される容量の変化に基づいて外側駆動錘３１、３２の変位を検出している。このとき、回路処理により、容量変化が大きいときを駆動共振周波数ｆｄとして検知している。駆動共振周波数ｆｄは、駆動梁４２の幅などの振動子の構造によって決まるが、駆動共振周波数ｆｄを数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚに設定すること、特に５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚに設定することにより、振動型角速度センサの高感度化を図ることが可能となる。

このとき、駆動用固定部２２に備えられた駆動用固定電極２２ｂと外側駆動錘３１に備えられた駆動用可動電極３１ｂおよび内側駆動錘３３に備えられた駆動用可動電極３３ｂの配置により、図２に示すように、外側駆動錘３１と内側駆動錘３３とがｙ軸方向において互いに逆方向に振動させられるようにしている。また、駆動用固定部２３に備えられた駆動用固定電極２３ｂと外側駆動錘３２に備えられた駆動用可動電極３２ｂおよび内側駆動錘３４に備えられた駆動用可動電極３４ｂの配置により、図２に示すように、外側駆動錘３２と内側駆動錘３４とがｙ軸方向において互いに逆方向に振動させられるようにしている。さらに、２つの内側駆動錘３３、３４がｙ軸方向において逆位相で振動させられるようにしている。これにより、振動型角速度センサは、駆動モード形状にて駆動されることになる。

なお、このときには、駆動梁４２がＳ字状に波打つことで各錘部３１〜３４のｙ軸方向への移動が許容されるが、回転梁４３ａと駆動梁４２とを接続している連結部４３ｃの部分については振幅の節（不動点）となり、殆ど変位しない構造にしてある。

図３は、振動型角速度センサに角速度が印加された時の様子を示した模式図である。上記した図２のような基本動作を行っている際に振動型角速度センサにｚ軸回りの角速度が印加されると、コリオリ力により、図３に示すように検出錘３５、３６がｘ軸方向へ変位する。この変位により、検出錘３５の検出用可動電極３５ｂと検出用固定部２４の検出用固定電極２４ｂとによって構成されるキャパシタの容量値や、検出錘３６の検出用可動電極３６ｂと検出用固定部２５の検出用固定電極２５ｂとによって構成されるキャパシタの容量値が変化する。このため、検出用固定部２４、２５のボンディングパッドからの信号取り出しに基づいてキャパシタの容量値の変化を読み取ることにより、角速度を検出することができる。例えば、本実施形態のような構成の場合、２つの角速度検出構造それぞれから取り出した信号を差動増幅してキャパシタの容量値の変化を読み取ることが可能であるため、より正確に角速度を検出することが可能となる。

図４は、振動型角速度センサに対して紙面左方向から衝撃が加えられたときの様子を示した模式図である。この図に示されるように、紙面左方向から衝撃が加えられると、支持梁４３ｂや検出梁４１が変形し、各駆動錘３１〜３４が紙面右方向に変位すると共に、それに同調して検出錘３５、３６も紙面右方向に変位する。このため、加工バラツキ等で各錘部３１〜３６や梁部４０が理想状態から多少ずれていても、同調した動きが実現される。したがって、２つの検出錘３５、３６の変位による検出容量値の変化の差が生じ難くなるという効果が生まれ、耐衝撃性の向上を図ることが可能な振動型角速度センサとすることが可能となる。

ここで、本実施形態の振動型角速度センサでは、上記したように、駆動梁４２の幅（ｙ軸方向の厚み）と回転梁４３ａの幅（ｙ軸方向の厚み）とに基づいて不要振動モード形状となることを抑制している。このような効果が得られる理由について説明する。

本発明者らは、振動型角速度センサについて様々な検討を行ったところ、駆動共振周波数ｆｄと不要モード周波数ｆｒとの差Δｆｒは、駆動梁４２の幅と支持部材４３における回転梁４３ａの幅との比（以下、梁幅比という）Ｒに依存することを解明した。以下に、そのメカニズムについて説明する。

図２に示した基本動作時と図９に示した不要振動モード時に着眼して、振動型角速度センサの振動モデルを簡略化すると、図５のような簡略モデル図で表すことができる。すなわち、可動部３０を質量Ｍの錘５０と見立てて、その錘５０を駆動梁４２と回転梁４３ａとによって支持した簡易モデルで表現できる。

ここで、α（α_d1、α_d2）を係数、Ｅをヤング率、Ｉ（Ｉ₁、Ｉ₂）を断面２次モーメント、Ｌ（Ｌ₁、Ｌ₂）を梁長さとすると、基本動作時と不要振動モード時それぞれ場合の駆動梁４２と回転梁４３ａのバネ定数ｋ（ｋ_d1、ｋ_d2、ｋ_r1、ｋ_r2）は、次の図表のようにまとめることができる。

そして、基本動作時と不要振動モード時それぞれ場合の周波数、つまり駆動共振周波数ｆｄと不要モード周波数ｆｒは、次式で表すことができる。

（数１） （２πｆ_d）²＝（ｋ_d1＋ｋ_d2）／Ｍ
（数２） （２πｆ_r）²＝（ｋ_r1＋ｋ_r2）／Ｍ
ここで、駆動梁４２の幅をｈ１、回転梁４３ａの幅をｈ２とし、これらの比ｈ２／ｈ１が梁幅比Ｒであるとすると、駆動共振周波数ｆｄと不要モード周波数ｆｒとの関係は、次式で表すことができる。

この数式から、駆動共振周波数ｆｄと不要モード周波数ｆｒとの周波数比ｆｒ／ｆｄは、駆動梁４２と回転梁４３ａの梁幅比Ｒの関数として表されることが判る。このように、周波数比ｆｒ／ｆｄが駆動梁４２と回転梁４３ａの梁幅比Ｒの関数として表されることから、梁幅比Ｒを変化させることによって周波数比ｆｒ／ｆｄを変化させるというメカニズムになる。

このような知見に基づいて、梁幅比Ｒや周波数比ｆｒ／ｆｄ等について実際に解析を行ったところ、以下のような結果が得られた。これについて、図６および図７を参照して説明する。

図６は、梁幅比Ｒを１／２で固定した場合の駆動共振周波数ｆｄと周波数比ｆｒ／ｆｄとの関係の実際の解析例を示すグラフ、図７は、１／Ｒを変化させたときの周波数比ｆｒ／ｆｄの関係の実際の解析例を示すグラフである。

図６に示されるように、駆動梁４２や回転梁４３ａを変化させることで駆動共振周波数ｆｄを変化させたとしても、１／Ｒが一定、つまり梁幅比Ｒが一定であれば、周波数比ｆｒ／ｆｄはほぼ一定になっていることが確認された。ここでは、１／Ｒを１／２としているが、ｆｒ／ｆｄが１．１２程度となることから、駆動共振周波数ｆｄと不要モード周波数ｆｒとの周波数差Δｆｒは、駆動共振周波数ｆｄの１２％程度となる。周波数差Δｆｒが１０％以上あれば、誤って不要モード周波数ｆｒを駆動共振周波数ｆｄと検知してしまうことはなく、誤作動を引き起こすこともないことから、少なくともＲ＝１／２の条件であれば、十分に誤作動を防止できることが判る。

一方、図７に示されるように、１／Ｒを変えると、周波数比ｆｒ／ｆｄが変化することが確認された。具体的には、１／Ｒが大きくなる程、周波数比ｆｒ／ｆｄが大きくなった。これは、１／Ｒが大きくなる程、駆動共振周波数ｆｄと不要モード周波数ｆｒとの周波数差Δｆｒが大きくなることを意味している。このため、１／Ｒが１以上となるようにし、駆動梁４２の方が回転梁４３ａよりもバネ性が大きくなるようにすることで周波数差Δｆｒを大きくしていくことが可能となる。特に、周波数差Δｆｒが１０％以上あれば、誤って不要モード周波数ｆｒを駆動共振周波数ｆｄと検知してしまうことはなく、誤作動を引き起こすこともない。そして、図７から、１／Ｒが２以上であれば周波数差Δｆｒが１０％以上となり誤作動を防止でき、１／Ｒが３以上になると周波数差Δｆｒが２０％以上となり更に確実に誤作動を防止できることが判る。

なお、１／Ｒが大きくなる程、周波数差Δｆｒは大きくなるが、１／Ｒがある程度大きくなると、周波数差Δｆｒがあまり大きくならなくなり、飽和傾向になることが判る。このため、１／Ｒが３程度であれば、ほぼ最大の周波数差Δｆｒを得ることができる。

以上説明したように、複数の錘部３１〜３６を直線状の駆動梁４２で連結し、駆動梁４２の撓みによって複数の錘部３１〜３６を振動させると共に、駆動梁４２の節（不動点）において支持部材４３を介して固定部２０に固定される振動子を有した構造としている。そして、このような構造において、駆動梁４２よりも支持部材４３のバネ性、具体的には支持部材４３に備えられる回転梁４３ａのバネ性を小さくすることで、誤って不要モード周波数ｆｒを駆動共振周波数ｆｄと検知してしまうことを抑制でき、誤作動を抑制することが可能となる。特に、１／Ｒが２以上であれば周波数差Δｆｒが１０％以上となるため、より誤作動を防止でき、１／Ｒが３以上になると周波数差Δｆｒが２０％以上となるため、更に確実に誤作動を防止できることが可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、基板１０としてＳＯＩ基板を用いる場合について説明したが、これは基板１０の一例を示したものであり、ＳＯＩ基板以外のものを用いても良い。

上記実施形態では、振動型角速度センサの構造の一例を示したが、適宜設計変更可能である。すなわち、複数の錘部３１〜３６を直線状の駆動梁４２で連結し、駆動梁４２の撓みによって複数の錘部３１〜３６を振動させると共に、駆動梁４２の節（不動点）において支持部材４３を介して固定部２０に固定される振動子を有した構造であれば、各錘部３１〜３６の構造や固定部２０の各部の構造についてはどのようなものであっても良い。

１０ 基板
２０ 固定部
２１ 支持用固定部
２２、２３ 駆動用固定部
２２ｂ、２３ｂ 駆動用固定電極
２４、２５ 検出用固定部
２４ｂ、２５ｂ 検出用固定電極
３０ 可動部
３１、３２ 外側駆動錘
３１ａ、３２ａ 質量部
３１ｂ、３２ｂ 駆動用可動電極
３３、３４ 内側駆動錘
３３ａ、３４ａ 質量部
３３ｂ、３４ｂ 駆動用可動電極
３５、３６ 検出錘
３５ａ、３６ａ 質量部
３５ｂ、３６ｂ 検出用可動電極
４０ 梁部
４１ 検出梁
４２ 駆動梁
４３ 支持部材
４３ａ 回転梁
４３ｂ 支持梁

Claims (7)

1. 複数の錘部（３１〜３６）を直線状の駆動梁（４２）で連結し、前記駆動梁（４２）の撓みによって前記複数の錘部（３１〜３６）を振動させると共に、前記駆動梁（４２）の不動点において支持部材（４３）を介して基板（１０）に固定される振動子を有した構造の振動型角速度センサにおいて、
   前記駆動梁（４２）よりも前記支持部材（４３）のバネ性が小さくされていることを特徴とする振動型角速度センサ。
2. 前記基板（１０）の一面側に形成され、該基板（１０）に固定された検出用固定電極（２４ｂ、２５ｂ）を有する検出用固定部（２４、２５）と、
   前記検出用固定電極（２４ｂ、２５ｂ）と対向配置された検出用可動電極（３５ｂ、３６ｂ）を有すると共に該検出用可動電極（３５ｂ、３６ｂ）が備えられた質量部（３５ａ、３６ａ）を有する検出錘（３５、３６）と、
   前記検出錘（３５、３６）の周囲を囲むと共に検出梁（４１）を介して前記検出錘（３５、３６）を連結する一対の内側駆動錘（３３、３４）と、
   前記一対の内側駆動錘（３３、３４）を挟んだ両側に配置された一対の外側駆動錘（３１、３２）と、
   前記内側駆動錘（３３、３４）と前記外側駆動錘（３１、３２）とを、互いに逆方向に振動させる静電引力を発生させる駆動用固定部（２２、２３）とを有し、
   前記外側駆動錘（３１、３２）および前記検出錘（３５、３６）が連結された前記内側駆動錘（３３、３４）にて前記複数の錘部を構成し、
   前記駆動梁（４２）にて、前記内側駆動錘（３３、３４）と前記外側駆動錘（３１、３２）とを連結すると共に、
   前記支持部材（４３）にて、前記駆動梁（４２）の不動点において前記外側駆動錘（３１、３２）および前記検出錘（３５、３６）が連結された前記内側駆動錘（３３、３４）を前記基板（１０）に支持しており、
   前記駆動用固定部（２２、２３）が発生させる静電引力に基づいて前記駆動梁（４２）を撓ませて前記外側駆動錘（３１、３２）と前記内側駆動錘（３３、３４）とを振動させるセンサ駆動を行い、該センサ駆動中に角速度が印加されると前記検出梁（４１）が撓むことによって前記検出錘（３５、３６）が前記内側駆動錘（３３、３４）の振動方向と垂直方向に移動させられ、前記検出用固定電極（２４ｂ、２５ｂ）と前記検出用可動電極（３５ｂ、３６ｂ）の容量が変化することに基づいて前記角速度を検出するように構成され、
   前記支持部材（４３）は、前記センサ駆動中に波打って撓む回転梁（４３ａ）と、前記回転梁（４３ａ）の両側を前記基板（１０）に支持する支持梁（４３ｂ）と、前記回転梁（４３ａ）と前記駆動梁（４２）とを、前記駆動梁（４２）の不動点において連結する連結部（４３ｃ）とを有した構成とされ、
   前記駆動梁（４２）よりも前記回転梁（４３ａ）の方のバネ性が小さくされていることを特徴とする請求項１に記載の振動型角速度センサ。
3. 前記外側駆動錘（３１、３２）と前記内側駆動錘（３３、３４）の振動方向において、前記駆動梁（４２）の幅ｈ１と前記回転梁（４３ａ）の幅ｈ２との比となる梁幅比をＲとし、１／Ｒが２以上に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の振動型角速度センサ。
4. 前記１／Ｒが３以上に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の振動型角速度センサ。
5. 前記駆動用固定部（２２、２３）と前記内側駆動錘（３３、３４）および前記外側駆動錘（３１、３２）との間に交流電圧が印加されることで前記センサ駆動が行われ、前記交流電圧の周波数が駆動共振周波数ｆｄに設定され、該駆動共振周波数ｆｄが数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚとされていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の振動型角速度センサ。
6. 前記駆動共振周波数ｆｄが５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚとされていることを特徴とする請求項５に記載の振動型角速度センサ。
7. 一方の外側駆動錘（３１）と一方の内側駆動錘（３３）と他方の内側駆動錘（３４）および他方の外側駆動錘（３２）が順番に並べられた状態で前記駆動梁（４２）によって連結させており、
   前記支持部材（４３）は、前記一方の外側駆動梁（３１）と前記一方の内側駆動錘（３３）との間と、前記一方の内側駆動錘（３３）と前記他方の内側駆動錘（３４）との間と、前記他方の内側駆動錘（３４）と前記他方の外側駆動錘（３２）との間、それぞれにおいて、前記基板（１０）と前記駆動梁（４２）とを接続していることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１つに記載の振動型角速度センサ。

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