JP3796991B2 - 角速度センサ - Google Patents
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- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板に設けられた可動部を基板の水平面内で振動させて基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、可動部に対して基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサ（ジャイロセンサ、ヨーレートセンサ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、容量検出型角速度センサは、車両やゲーム機器などに利用され、搭載スペースやコストダウンのために小型化が進められている。しかし、小型化によって容量検出部も小さくなり、必然的に角速度の作用による容量変化に基づく信号も微少になってくる。このような微少信号からノイズを除去して必要な信号のみを精度良く取り出すための処理回路を設計するのは容易ではない。
【０００３】
この種の角速度センサとして、特開平８−２２０１２５号公報には、フレーム内に互いに逆相に振動する２つの振動質量体（振動子）と角速度センサの測定信号を処理する評価ユニットとを備え、振動質量体の逆相の振動に基づき、評価ユニットによって信号の差形成を行い、振動体によって生ぜしめられる外乱をフィルタリング除去するものがある。この場合は、実質２倍の容量変化に基づく信号を出力することができ、また比較的簡単にノイズを除去することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の角速度センサは、単に矩形の振動子を２つ並べただけのもので、サイズが大きくなりがちであり、小型化という面からは不十分（不利）である。
このような従来の角速度センサにおいて、Ｓ／Ｎ比（シグナル／ノイズ比）を向上するために容量変化に基づく信号を更に大きなものにしようとすると、振動子を更に追加することが考えられる。
【０００５】
しかし、従来の構造において振動子を単に追加すれば装置全体のサイズが大きくなってしまうといった問題が生じる。また、単純な追加だけでは好適にノイズを除去しきれなくなる場合が生じる。
本発明は上記問題に鑑みて、小型化に適した新規な角速度センサを提供することを目的とする。また、本発明は、小型化に適した構成を有するとともに、Ｓ／Ｎ比（シグナル／ノイズ比）が向上できるような角速度センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、基板に設けられた可動部を該基板の水平面内で駆動振動させて該基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、該可動部に対して基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサについて、可動部の駆動振動方向及び配置構成等を工夫することにより、なされたものである。
【０００７】
即ち、請求項１記載の発明においては、可動部を、基板（４）の水平面内の所定点（Ｋ）を中心に点対称に配置され互いに該所定点を中心とした円周方向に同相で駆動振動するた第１の可動部（１０、１２）と第２の可動部（１１、１３）とから構成し、該基板の水平面内において該所定点からみて該各可動部の外側に該各可動部の変位を検出する検出部（３０〜３３）を設け、更に、該検出部からの信号を演算処理して前記コリオリ力による信号を取り出す回路手段（１０１）を具備したことを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、２つの可動部を基板の水平面内の所定点を中心に点対称に配置し、且つ所定点を中心とした円周方向に駆動振動するという新規な構成により、センサ全体を円形状にでき、小型化に適したものとできる。
また、点対称配置された２つの可動部を、所定点を中心とした円周方向に同相で駆動振動させ、所定点からみて各可動部の外側においてコリオリ力を検出するようにしているから、２つの可動部にかかる外力（外部加速度等）とコリオリ力のうち、一方を該２つの可動部の間で同一方向とし、他方を逆方向とできるから、回路手段の演算処理によって簡単に外力をキャンセルしたコリオリ力による信号を取り出すことができる。
【０００９】
また、請求項２記載の発明においては、４以上の偶数個の可動部（１０〜１３）を、基板（４）の水平面内の所定点（Ｋ）を中心に点対称に配置し、これら可動部のうち所定点を挟んで対向する２つの可動部が、所定点を中心とした円周方向に同相で駆動振動するようになっており、更に、各可動部の変位を検出する検出部（３０〜３３）からの信号を演算処理して各可動部に対し該基板の水平面内に作用する外力をキャンセルしコリオリ力による信号を取り出す回路手段（１０１）を備えたことを特徴としている。
【００１０】
本発明においても、所定点を中心とした円周方向に駆動振動する４以上の偶数個の可動部（１０〜１３）を点対称配置することで、センサ全体を円形状にでき、小型化に適したものとできる。
また、所定点を挟んで対向する２つの可動部が、所定点を中心とした円周方向に同相で駆動振動（以下、対向可動部の同相駆動という）するから、請求項１の発明と同様に、回路手段の演算処理によってこれら２つの可動部の間で上記外力を簡単にキャンセルでき、更に、可動部の数だけ即ち実質４倍以上のコリオリ力の信号を取り出すことができるため、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００１１】
また、請求項３記載の発明においては、基板（４）の水平面内の所定点（Ｋ）を中心に点対称に配置する可動部（１０〜１３）の数を４の倍数とし、これら可動部において上記の対向可動部の同相駆動を行うとともに、この駆動振動において４の倍数個の可動部のうち半数のもの（１０、１２）と残りの半数のもの（１１、１３）とが互いに逆相となっていることを特徴としている。
【００１２】
本発明においても、センサ全体を円形状にでき、小型化に適したものとできる。また、点対称配置された４の倍数個の可動部において、請求項２の発明と同様、対向可動部の同相駆動を行っているから、回路手段（１０１）の演算処理によって上記外力を簡単にキャンセルでき、更に、実質的に４の倍数分大きくされたコリオリ力の信号を取り出すことができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００１３】
また、少なくとも外力をキャンセルしコリオリ力による信号のみを取り出すためには、偶数個の可動部であればよいが、可動部は所定点を中心とした円周方向に駆動振動するため、遠心力が生じる。この遠心力は、可動部の数によっては出力信号にオフセットとして残るが、演算処理によって除去可能である。
ここで、本発明では、駆動振動において４の倍数個の可動部のうち半数のものと残りの半数のものとが互いに逆相（半々逆相駆動）となるようしているため、加算もしくは減算によって各可動部の変位に基づく信号の総和をとることにより、外力をキャンセルしつつ遠心力もキャンセルできるから、回路構成を簡単にできる。
【００１４】
また、請求項４記載の発明のように、４の倍数個の可動部（１０〜１３）において隣接する全ての可動部同士を、所定点（Ｋ）を中心とした円周方向に逆相で駆動振動させるようにすれば、請求項３に記載の角速度センサにおける対向可動部の同相駆動及び半々逆相駆動を適切に行うことができ、請求項３の発明と同様の作用効果を発揮することができる。
【００１５】
また、請求項５記載の発明のように、請求項２〜請求項４の角速度センサにおける検出部（３０〜３３）を、基板（４）の水平面内において所定点（Ｋ）からみて各可動部（１０〜１３）の外側に設けることにより、各可動部の駆動振動の位相とコリオリ力との関係を適切なものとできる。
また、その検出部としては、請求項６記載の発明のように、可動部（１０〜１３）と対向するように基板（４）に固定された固定電極（３０ｂ〜３３ｂ）を備えたものとでき、それによって、該基板の水平面方向への該可動部の変位に基づく該固定電極と該可動部との間の容量変化を回路手段（１０１）にて演算処理することができる。
【００１６】
また、請求項７及び請求項８記載の発明は、可動部（１０〜１３）の適切な具体構成を提供するものである。
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態では、車両に搭載される姿勢制御用として適用され、基板に設けられた可動部を該基板の水平面内で振動させて該基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、該可動部に対して該基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサについて、説明する。
【００１８】
図１は本実施形態に係る角速度センサの平面構成を示し、図２は図１中のＡ−Ａ断面を示し、図３は図１の部分拡大図であり可動部構成の詳細を示す説明図である。本角速度センサ１００は、共に結晶方位が（１００）である単結晶シリコンからなる第１の半導体層１と第２の半導体層２との間に酸化膜からなる絶縁層３を有する矩形状のＳＯＩ基板（本発明でいう基板）４に、半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成されたものである。そして、車両へは、図１の紙面垂直方向における紙面表側を上、紙面裏側を下として搭載される。
【００１９】
ＳＯＩ基板４における第１の半導体層１及び絶縁層３は、センサの主要部が形成される領域において、第２の半導体層２が露出するように矩形状に除去され、その除去部分は、第１の半導体層１の開口部（図１中、破線図示）１ａを構成している。この開口部１ａの領域における第２の半導体層２は、開口部１ａの外周部にて絶縁層３を介して第１の半導体層１に支持され、開口部１ａに臨んだ状態となっている。
【００２０】
本角速度センサ１００においては、この開口部１ａの領域における第２の半導体層２を溝で区画することにより、可動部としての４個の振動子１０、１１、１２、１３、４個の検出電極３０、３１、３２、３３、及び駆動電極３５、３６等からなるセンサ主要部が分離形成されている。なお、各半導体層１、２を構成する単結晶シリコンには、その抵抗率を下げるために不純物が予め拡散されている。
【００２１】
４個の振動子（可動部）１０〜１３は、基板４の水平面において、該水平面の所定点Ｋを中心に点対称に配置されている。各振動子１０〜１３は、各々１つずつの検出錘（図３中、クロスハッチングで図示）２０、２１、２２、２３と、この検出錘２０〜２３の外周に位置する懸架振動部（本発明でいう振動部、図３中、片側斜線ハッチングで図示）２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａと、検出錘２０〜２３を懸架振動部２０ａ〜２３ａに懸架する検出梁２０ｂ、２１ｂ、２２ｂ、２３ｂとからなる。
【００２２】
検出梁（本発明でいう第２の弾性部材）２０ｂ〜２３ｂは、懸架振動部２０ａ〜２３ａに対して検出錘２０〜２３が基板４の水平面内且つ上記所定点Ｋの径方向（駆動振動の方向と直交する方向）に振動できるように、弾性を発揮する。このことは、例えば、アスペクト比を上げる等によって、振動方向には柔らかく、その他の方向には固くすることによって実現できる。
【００２３】
ここで、図４は、振動子１０〜１３の支持固定構成を説明するための説明図であり、支持固定部分のみ示してある。各振動子１０〜１３は、次のようにして、開口部１ａの外周部に位置する４個の振動子用支持部４０に支持される。なお、これら振動子用支持部４０は、絶縁層３を介して第１の半導体層１に支持された第２の半導体層２からなり、図１の例では、各振動子１０〜１３の間に位置している。
【００２４】
図４に示す様に、各振動子１０〜１３は、懸架振動部２０ａ〜２３ａから延びる梁状の振動梁４１によって、上記所定点Ｋを略中心とする環状の連成梁４２に懸架され、連成梁４２は、各振動子１０〜１３の間に位置する梁状の支持梁４３によって上記振動子用支持部４０に懸架されている。
従って、各振動子１０〜１３は、連結された各梁４１〜４３を介して、振動子用支持部４０に懸架されることにより、絶縁層３を介して第１の半導体層１に支持されており、各振動子１０〜１３及び各梁４１〜４３は、第１の半導体層１の開口部１ａにて臨んだ状態となっている。
【００２５】
ここで、各振動子１０〜１３と環状の連成梁４２とを連結する振動梁（本発明でいう第１の弾性部材）４１は、各振動子１０〜１３を基板４の水平面内で所定点Ｋ回りの円周方向（駆動振動の方向）に振動させるように、弾性を発揮する。このことは、例えば、アスペクト比を上げたり、梯子形状（ラーメン構造）とする等によって、振動方向には柔らかく、その他の方向には固くすることによって実現できる。
【００２６】
また、４個の検出電極（本発明でいう検出部）３０〜３３は、各々、基板４の水平面内において各振動子１０〜１３の外側（つまり上記所定点Ｋより離れる側）に位置し、検出錘２０〜２３と対向して配置されている。
各検出電極３０〜３３は、第１の半導体層１上に絶縁層３を介して固定された支持部５０から検出錘２０〜２３へ延びる梁部３０ａ〜３３ａと、この梁部３０ａ〜３３ａの先端に設けられ検出錘２０〜２３と対向する電極部（本発明でいう固定電極）３０ｂ〜３３ｂとからなる。各検出電極３０〜３３は支持部５０に片持ち状に支持され、第１の半導体層１の開口部１ａに臨んだ状態となっている。
【００２７】
また、各検出電極３０〜３３を支持する支持部５０には、各々、各検出電極３０、３１、３２、３３に対応して信号を取り出すためのパッド電極３０ｃ、３１ｃ、３２ｃ、３３ｃが形成されている。
また、振動子１０〜１３と各支持梁４１との間に位置する駆動電極３５、３６は、第１の半導体層１上に絶縁層３を介して片持ち状に支持固定され支持部３５ａ、３６ａを有する。この支持部３５ａ、３６ａにおいて、振動子１０〜１３の懸架振動部２０ａ〜２３ａと対向する面には、櫛歯状の電極部３５ｂ、３６ｂが設けられている。これら支持部及び電極部から構成される駆動電極３５、３６は、第１の半導体層１の開口部１ａに臨んだ状態となっている。
【００２８】
また、振動子１０〜１３の懸架振動部２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａの各々において、駆動電極３５、３６の電極部３５ｂ、３６ｂと対向する面に、駆動電極３５、３６の電極部３５ｂ、３６ｂと互いにかみ合うように櫛歯状の櫛形電極（本発明でいう対向電極）２０ｃ、２１ｃ、２２ｃ、２３ｃが備えられている（図１及び図３参照）。
【００２９】
次に、角速度センサ１００の作動を行うために角速度センサに備えられた回路部（回路手段）１０１について、図５に示すブロック図を参照して述べる。回路部１０１は、各振動子１０〜１３を駆動させるとともに、基板４の水平面方向への各振動子１０〜１３の変位に基づく信号を演算処理するもので、各駆動電極３５、３６の支持部３５ａ、３６ａ及び上記４個の振動子用支持部４０のうちの１つに結線された駆動回路１０２と、上記パッド電極３０ｃ〜３３ｃ及び上記４個の振動子用支持部４０のうちの１つに結線された検出・処理回路１０３とを備えている。
【００３０】
駆動回路１０２は、駆動電極３５と駆動電極３６に駆動信号を印加し、各振動子１０〜１３を駆動振動させるものである。検出・処理回路１０３は、振動子１０〜１３の検出錘２０〜２３と検出電極３０〜３５との間の静電容量変化を電圧値に変換するスイッチドキャパシタ等の容量−電圧変換回路（図５中、Ｃ／Ｖで図示）１０４と、該容量−電圧変換回路１０４から送られてきた電圧値を演算処理し角速度検出信号Ｓ１として出力する処理回路１０５とを備えている。
【００３１】
かかる構成を有する角速度センサ１００は、図６及び図７に示す製造方法により製造される。図６及び図７は、上記図２に示すＡ−Ａ断面に基づく製造工程を示すものである。なお、図６（ａ）〜図７（ｃ）は図７（ｄ）に示す完成図（上記図２と同様）に対応した途中部分を示す。
まず、共に結晶方位が（１００）である単結晶シリコンからなる第１の半導体層１と第２の半導体層２との間にシリコン酸化膜（例えば厚さ１μｍ）からなる絶縁層３を有するＳＯＩ基板４を用意し（図６（ａ）参照）、第２の半導体層２の全面に表面抵抗値を下げ、次工程にて形成されるアルミニウムからなる上記パッド電極３０ｃ〜３３ｃとの接触抵抗を下げるために、例えばリンを高濃度に拡散（Ｎ+ 拡散）する。
【００３２】
続いて、図６（ｂ）に示す様に、基板４の表面（第２の半導体層２）にアルミニウムを例えば１μｍ蒸着し、ホト、エッチングを行い、信号取り出し用の上記パッド電極３０ｃ〜３３ｃを形成する。
続いて、図６（ｃ）に示す様に、基板４の裏面（第１の半導体層１）を切削研磨（バックポリッシュ）することにより所定の厚さ（例えば３００μｍ）とし、且つ鏡面仕上げする。
【００３３】
続いて、図６（ｄ）に示す様に、基板４の裏面（第１の半導体層１）にプラズマＳｉＮ膜２００を堆積（例えば０．５μｍ）し、ホトパターンを形成し、プラズマＳｉＮ膜２００をエッチングすることにより所定の領域を開口する。
続いて、図７（ａ）に示す様に、第２の半導体層２の表面に上記振動子１０〜１３、各電極３０〜３６、各梁４１〜４３等を画定するパターンをレジストで形成し、ドライエッチングにより垂直に絶縁層３までトレンチ形状を形成する。
【００３４】
続いて、図７（ｂ）に示す様に、第１の半導体層１を、プラズマＳｉＮ膜２００に形成したパターンをマスクとして、例えばＫＯＨ水溶液で深くエッチングする。このとき、絶縁層３までエッチングを進めると、エッチング液の圧力により絶縁層３が破れて基板４を破損するため、絶縁層３が破れないように、例えば第１の半導体層１のシリコンを１０μｍ残してエッチングを終了できるようエッチング時間を管理する。
【００３５】
続いて、図７（ｃ）に示す様に、プラズマドライエッチングにより、図７（ｂ）の工程で残したＳｉをエッチング除去する。このとき、基板４の裏面のプラズマＳｉＮ膜２００は同時に除去される。
最後に、図７（ｄ）に示す様に、絶縁層３をドライエッチングによって除去して、上記振動子１０〜１３、各電極３０〜３６、各梁４１〜４３を形成し、上記回路部１０１との配線等を行うことにより、上記図２に示す角速度センサ１００が出来上がる。
【００３６】
次に、上記角速度センサ１００の作動について、図８に示す図１の平面構成に対応したモデルを参照して、説明する。ここで、図８中、所定点Ｋを中心とした円周方向においては、時計回り方向を＋方向、反時計回り方向を−方向とし、所定点Ｋを中心とした円周の径方向においては、所定点Ｋから離れる方向を＋方向、所定点Ｋへ近づく方向を−方向とする。
【００３７】
角速度センサ１００において、駆動回路１０２によって、例えば、駆動電極３５と駆動電極３６に、インバータ１０１ａを介して、それぞれ互いに逆相に矩形波もしくは正弦波の印加電圧信号（駆動信号）を印加する。例えば振動子用支持部４０に２．５Ｖ、駆動電極３５と駆動電極３６に逆相に、２．５Ｖを中心とした振幅が５Ｖの矩形波を印加する。すると、駆動電極３５、３６の電極部３５ｂ、３６ｂと振動子１０〜１３の櫛形電極２０ｃ〜２３ｃとの間に静電気力が発生する。
【００３８】
このとき、振動梁（第１の弾性部材）４１の弾性力によって、図８に示す破線矢印の様に、４個の振動子１０〜１３において隣接する全ての振動子同士が、基板４の水平面内で所定点Ｋ回りの円周方向に逆相で駆動振動する。
この駆動振動において、所定点Ｋを挟んで対向する振動子１０と１２との位相及び振動子１１と１３との位相は、所定点Ｋを中心とした円周方向に同相であり（対向可動部の同相駆動）、また、４個の振動子１０〜１３のうち２個の振動子１０、１２の位相（例えば−方向）と残りの２個の振動子１１、１３の位相（例えば＋方向）とが互いに逆相となっている（半々逆相駆動）。
【００３９】
このように各振動子１０〜１３を基板４の水平面内で駆動振動させ、基板４と垂直軸（図１中、符号Ｊで図示）回りに角速度Ωが発生すると、各振動子１０〜１３に対して基板４の水平面内において所定点Ｋから径方向にコリオリ力（Ｆｃ）が作用する。例えば、図８に示す様に、所定点Ｋの時計回りに角速度Ωが発生すると、位相が−方向である振動子１０、１２には−Ｆｃ、位相が＋方向である振動子１１、１３には＋Ｆｃのコリオリ力が作用する。
【００４０】
このコリオリ力が作用すると、検出梁（第２の弾性部材）２０ｂ〜２３ｂの弾性力によって、図８に示す様に、検出錘２０〜２３が基板４の水平面内且つ所定点Ｋの径方向（駆動振動の方向と直交する方向）に振動（変位）する。そして、この検出錘２０〜２３の変位を、検出錘２０〜２３と検出電極３０〜３３の電極部３０ｂ〜３３ｂとの間の容量変化として検出する。なお、図８の上記径方向において、容量の増加方向が＋方向、減少方向が−方向となっている。
【００４１】
この容量変化の検出は、検出電極３０〜３３からパッド電極３０ｃ〜３３ｃを介し、上記容量−電圧変換回路１０４によって、電圧値に変換し、該電圧値を処理回路１０５にて演算処理し角速度検出信号Ｓ１として出力する。
以上が角速度センサ１００の基本動作である。ただし、検出錘２０〜２３は、振動子１０〜１３全体として回転方向に振動しているため、コリオリ力が作用する径方向に遠心力が働き、また、例えば、急停止、急発進等によりコリオリ力が作用する径方向に検出錘２０〜２３に外部加速度（外力、外部Ｇ）が働く。
【００４２】
これら遠心力（図８中、Ｆａ）や外部加速度（図８中、ＦＧ）は、ノイズ成分として出力にのってくるため、キャンセルする必要がある。本実施形態では、処理回路１０５において、次のような演算処理を行うことで、簡単な回路構成で、外部加速度及び遠心力をキャンセルし、振動子の数（本例では実質４倍）だけ倍増したコリオリ力の信号を取り出すようにしている。
【００４３】
図８に示す様に、４つの振動子１０〜１３が振動しながら角速度Ωが加わると、検出錘２０〜２３にかかる力Ｆ10〜Ｆ13は、それぞれ、下記数式１のようになる。
【００４４】
【数１】
振動子１０：Ｆ10＝−Ｆｃ＋Ｆａ＋ＦＧｙ
振動子１１：Ｆ11＝＋Ｆｃ＋Ｆａ＋ＦＧｘ
振動子１２：Ｆ12＝−Ｆｃ＋Ｆａ−ＦＧｙ
振動子１３：Ｆ13＝＋Ｆｃ＋Ｆａ−ＦＧｘ
ただし、Ｆｃはコリオリ力、Ｆａは遠心力、ＦＧｘ・ＦＧｙは各々外部加速度のｘ成分・ｙ成分である。
【００４５】
ここで、必要な信号はＦｃのみで他の成分は全てノイズであるので、処理回路１０５においては、下記数式２のように加減計算処理を行う。
【００４６】
【数２】
Ｆ＝−Ｆ10＋Ｆ11−Ｆ12＋Ｆ13＝４Ｆｃ
こうして、回路部１０１の演算処理により、ノイズ成分（Ｆａ、ＦＧ）を全てキャンセルし、４倍のコリオリ力による信号（角速度信号Ｓ１）を出力できるため、角速度センサ１００においてＳ／Ｎ比が向上できる。また、その演算処理が加減算であるので回路構成も簡単で、一般的な演算素子を用いた回路構成とできる。
【００４７】
次に、本実施形態の変形例として上記点対称配置される振動子が６個の場合を、図９にモデル化した角速度センサとして示す。なお、図９においても所定点Ｋを中心とした円周方向及び径方向の＋−方向は図８と同じである。
図９に示すセンサでは、基板４の水平面内において所定点Ｋを中心に６個の振動子１０〜１５を点対称に配置し、これら振動子１０〜１５のうち所定点Ｋを挟んで対向する２つの振動子１０と１３（＋方向）、１１と１４（−方向）、１２と１５（＋方向）が、所定点Ｋを中心とした円周方向に同相で駆動振動（図中、破線矢印）するように構成されている。
【００４８】
ここで、図９に示す様に、各振動子１０〜１５の駆動振動中に、所定点Ｋの時計回りの角速度Ω、振動子１３から１０の方向への外部加速度ＦＧ1 が加わった場合について、各振動子１０〜１５の検出錘（図示せず）にかかる力Ｆ10〜Ｆ15は、それぞれ、下記数式３のようになる。
【００４９】
【数３】
振動子１０：Ｆ10＝＋Ｆｃ＋Ｆａ＋ＦＧ1
振動子１１：Ｆ11＝−Ｆｃ＋Ｆａ＋ＦＧ2
振動子１２：Ｆ12＝＋Ｆｃ＋Ｆａ−ＦＧ3
振動子１３：Ｆ13＝＋Ｆｃ＋Ｆａ−ＦＧ1
振動子１４：Ｆ14＝−Ｆｃ＋Ｆａ−ＦＧ2
振動子１５：Ｆ15＝＋Ｆｃ＋Ｆａ＋ＦＧ3
ただし、Ｆｃはコリオリ力、Ｆａは遠心力、ＦＧ2 はＦＧ1 ｃｏｓ（π／３）、ＦＧ3 はＦＧ1 ｓｉｎ（π／３）である。
【００５０】
ここで、必要な信号であるＦｃのみ取り出すように、下記数式４のように加減計算処理を行う。
【００５１】
【数４】
Ｆ＝Ｆ10−Ｆ11＋Ｆ12＋Ｆ13−Ｆ14＋Ｆ15＝６Ｆｃ＋２Ｆａ
この回路部１０１の演算処理によって、外部加速度を全てキャンセルし、６倍のコリオリ力による信号Ｓ１を出力でき、Ｓ／Ｎ比が向上できる。この場合、遠心力は出力信号Ｓ１にオフセットとして残るが、これをオフセットとして見積もっておけば回路部１０１による演算処理によって除去可能である。
【００５２】
このように、少なくとも２以上の偶数個の振動子を基板４の水平面内において所定点Ｋを中心に点対称配置し、且つ上述した対向可動部の同相駆動を行い、上記各数式１〜４に代表されるような加減算処理を行うことにより、外部加速度をキャンセルし、振動子の数だけ倍増したコリオリ力の信号を取り出すことができる。特に振動子が４以上の偶数個である場合、上述した従来の２個の振動子に比べてＳ／Ｎ比を向上することができる。ちなみに、奇数個の振動子では必ずキャンセルできない外部加速度が１つ残るため、偶数個であることが必要である。
【００５３】
この効果について更に述べる。上記４個の振動子の例では、所定点Ｋを挟んで対向する振動子１０と１２、１１と１３の同相駆動により、例えば、対向する２つの振動子１０と１２をみた場合、作用する外部加速度ＦＧｙを互いに逆方向（＋と−）、作用するコリオリ力Ｆｃを互いに同一方向（共に−）とできる。このことは対向する２つの振動子１１と１３でも同様である。
【００５４】
従って、同相駆動を行う振動子（可動部）のペア（例えば、第１の可動部として振動子１０、第２の可動部として振動子１２）が少なくとも１つあれば、簡単な加減算により外部加速度をキャンセルでき、コリオリ力による信号のみを取り出すことができる。
さらに、振動子の数が４個と６個の場合を比較して分かるように、４の倍数個の振動子を、上記同様に点対称に配置し且つ上述した対向可動部の同相駆動及び半々逆相駆動を行った場合には、上記数式１、２に基づく加減算処理を行って各振動子の変位に基づく信号の総和Ｆをとることにより、外部加速度に加えて遠心力をキャンセルでき、回路構成をより簡単にできる。
【００５５】
なお、４の倍数個以外の偶数個の場合（例えば、２、６、１０個、‥‥）には、外部加速度成分をキャンセルしても出力信号Ｓ１に遠心力成分が残るが、上述の様に、オフセットとして回路部１０１の演算処理により除去すればよい。
また、上記４個の例のように、４の倍数個（その他例えば８、１２個‥‥）の振動子を点対称配置した場合には、隣接する全ての振動子（可動部）同士を、所定点Ｋを中心とした円周方向に逆相で駆動振動させるようにすれば、上述の対向可動部の同相駆動及び半々逆相駆動を適切に行うことができる。
【００５６】
また、本実施形態によれば、２以上且つ偶数個の振動子（可動部）１０〜１５を基板４の水平面内の所定点Ｋを中心に点対称に配置し、且つ所定点Ｋを中心とした円周方向に駆動振動するという新規な構成により、センサ全体を円形状にでき、小型化に適したものとできる。
（他の実施形態）
なお、基板４の水平面内において所定点Ｋからみて各振動子１０〜１３の外側には、コリオリ力を検出するための検出電極（検出部）３０〜３３が設けられているが、検出電極は各振動子１０〜１３の内側に位置していてもよい。つまり、上記各数式のように演算処理するためにはコリオリ力や外部加速度の符号が重要であり、コリオリ力の検出部の位置は、その符号に関わってくるため、各振動子全てにおいて所定点Ｋからみて外側にあるか、内側にあることが好ましい。
【００５７】
なお、検出部としては、検出錘の変位を電磁力の変化として検出するものであってもよい。
また、回路部（回路手段）１０１は、角速度センサ１００と同一の基板４上に形成しても良いし、他の基板上に形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る角速度センサの平面構成を示す図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の部分拡大説明図である。
【図４】図１における振動子の支持固定構成を説明する説明図である。
【図５】上記実施形態における回路部を示すブロック図である。
【図６】図１に示す角速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図７】図６に続く製造方法を示す工程図である。
【図８】上記実施形態における角速度センサの作動説明図である。
【図９】上記実施形態の変形例を説明する説明図である。
【符号の説明】
４…ＳＯＩ基板、１０〜１３…振動子、２０〜２３…振動子の検出錘、
２０ａ〜２３ａ…振動子の懸架振動部、２０ｂ〜２３ｂ…振動子の検出梁、
２０ｃ〜２３ｃ…振動子の櫛形電極、３０〜３３…検出電極、
３０ｂ〜３３ｂ…検出電極の電極部、３５、３６…駆動電極、４１…支持梁、
１０１…回路部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板に設けられた可動部を基板の水平面内で振動させて基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、可動部に対して基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサ（ジャイロセンサ、ヨーレートセンサ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、容量検出型角速度センサは、車両やゲーム機器などに利用され、搭載スペースやコストダウンのために小型化が進められている。しかし、小型化によって容量検出部も小さくなり、必然的に角速度の作用による容量変化に基づく信号も微少になってくる。このような微少信号からノイズを除去して必要な信号のみを精度良く取り出すための処理回路を設計するのは容易ではない。
【０００３】
この種の角速度センサとして、特開平８−２２０１２５号公報には、フレーム内に互いに逆相に振動する２つの振動質量体（振動子）と角速度センサの測定信号を処理する評価ユニットとを備え、振動質量体の逆相の振動に基づき、評価ユニットによって信号の差形成を行い、振動体によって生ぜしめられる外乱をフィルタリング除去するものがある。この場合は、実質２倍の容量変化に基づく信号を出力することができ、また比較的簡単にノイズを除去することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の角速度センサは、単に矩形の振動子を２つ並べただけのもので、サイズが大きくなりがちであり、小型化という面からは不十分（不利）である。
このような従来の角速度センサにおいて、Ｓ／Ｎ比（シグナル／ノイズ比）を向上するために容量変化に基づく信号を更に大きなものにしようとすると、振動子を更に追加することが考えられる。
【０００５】
しかし、従来の構造において振動子を単に追加すれば装置全体のサイズが大きくなってしまうといった問題が生じる。また、単純な追加だけでは好適にノイズを除去しきれなくなる場合が生じる。
本発明は上記問題に鑑みて、小型化に適した新規な角速度センサを提供することを目的とする。また、本発明は、小型化に適した構成を有するとともに、Ｓ／Ｎ比（シグナル／ノイズ比）が向上できるような角速度センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、基板に設けられた可動部を該基板の水平面内で駆動振動させて該基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、該可動部に対して基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサについて、可動部の駆動振動方向及び配置構成等を工夫することにより、なされたものである。
【０００７】
即ち、請求項１記載の発明においては、可動部を、基板（４）の水平面内の所定点（Ｋ）を中心に点対称に配置され互いに該所定点を中心とした円周方向に同相で駆動振動するた第１の可動部（１０、１２）と第２の可動部（１１、１３）とから構成し、該基板の水平面内において該所定点からみて該各可動部の外側に該各可動部の変位を検出する検出部（３０〜３３）を設け、更に、該検出部からの信号を演算処理して前記コリオリ力による信号を取り出す回路手段（１０１）を具備したことを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、２つの可動部を基板の水平面内の所定点を中心に点対称に配置し、且つ所定点を中心とした円周方向に駆動振動するという新規な構成により、センサ全体を円形状にでき、小型化に適したものとできる。
また、点対称配置された２つの可動部を、所定点を中心とした円周方向に同相で駆動振動させ、所定点からみて各可動部の外側においてコリオリ力を検出するようにしているから、２つの可動部にかかる外力（外部加速度等）とコリオリ力のうち、一方を該２つの可動部の間で同一方向とし、他方を逆方向とできるから、回路手段の演算処理によって簡単に外力をキャンセルしたコリオリ力による信号を取り出すことができる。
【０００９】
また、請求項２記載の発明においては、４以上の偶数個の可動部（１０〜１３）を、基板（４）の水平面内の所定点（Ｋ）を中心に点対称に配置し、これら可動部のうち所定点を挟んで対向する２つの可動部が、所定点を中心とした円周方向に同相で駆動振動するようになっており、更に、各可動部の変位を検出する検出部（３０〜３３）からの信号を演算処理して各可動部に対し該基板の水平面内に作用する外力をキャンセルしコリオリ力による信号を取り出す回路手段（１０１）を備えたことを特徴としている。
【００１０】
本発明においても、所定点を中心とした円周方向に駆動振動する４以上の偶数個の可動部（１０〜１３）を点対称配置することで、センサ全体を円形状にでき、小型化に適したものとできる。
また、所定点を挟んで対向する２つの可動部が、所定点を中心とした円周方向に同相で駆動振動（以下、対向可動部の同相駆動という）するから、請求項１の発明と同様に、回路手段の演算処理によってこれら２つの可動部の間で上記外力を簡単にキャンセルでき、更に、可動部の数だけ即ち実質４倍以上のコリオリ力の信号を取り出すことができるため、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００１１】
また、請求項３記載の発明においては、基板（４）の水平面内の所定点（Ｋ）を中心に点対称に配置する可動部（１０〜１３）の数を４の倍数とし、これら可動部において上記の対向可動部の同相駆動を行うとともに、この駆動振動において４の倍数個の可動部のうち半数のもの（１０、１２）と残りの半数のもの（１１、１３）とが互いに逆相となっていることを特徴としている。
【００１２】
本発明においても、センサ全体を円形状にでき、小型化に適したものとできる。また、点対称配置された４の倍数個の可動部において、請求項２の発明と同様、対向可動部の同相駆動を行っているから、回路手段（１０１）の演算処理によって上記外力を簡単にキャンセルでき、更に、実質的に４の倍数分大きくされたコリオリ力の信号を取り出すことができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００１３】
また、少なくとも外力をキャンセルしコリオリ力による信号のみを取り出すためには、偶数個の可動部であればよいが、可動部は所定点を中心とした円周方向に駆動振動するため、遠心力が生じる。この遠心力は、可動部の数によっては出力信号にオフセットとして残るが、演算処理によって除去可能である。
ここで、本発明では、駆動振動において４の倍数個の可動部のうち半数のものと残りの半数のものとが互いに逆相（半々逆相駆動）となるようしているため、加算もしくは減算によって各可動部の変位に基づく信号の総和をとることにより、外力をキャンセルしつつ遠心力もキャンセルできるから、回路構成を簡単にできる。
【００１４】
また、請求項４記載の発明のように、４の倍数個の可動部（１０〜１３）において隣接する全ての可動部同士を、所定点（Ｋ）を中心とした円周方向に逆相で駆動振動させるようにすれば、請求項３に記載の角速度センサにおける対向可動部の同相駆動及び半々逆相駆動を適切に行うことができ、請求項３の発明と同様の作用効果を発揮することができる。
【００１５】
また、請求項５記載の発明のように、請求項２〜請求項４の角速度センサにおける検出部（３０〜３３）を、基板（４）の水平面内において所定点（Ｋ）からみて各可動部（１０〜１３）の外側に設けることにより、各可動部の駆動振動の位相とコリオリ力との関係を適切なものとできる。
また、その検出部としては、請求項６記載の発明のように、可動部（１０〜１３）と対向するように基板（４）に固定された固定電極（３０ｂ〜３３ｂ）を備えたものとでき、それによって、該基板の水平面方向への該可動部の変位に基づく該固定電極と該可動部との間の容量変化を回路手段（１０１）にて演算処理することができる。
【００１６】
また、請求項７及び請求項８記載の発明は、可動部（１０〜１３）の適切な具体構成を提供するものである。
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態では、車両に搭載される姿勢制御用として適用され、基板に設けられた可動部を該基板の水平面内で振動させて該基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、該可動部に対して該基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサについて、説明する。
【００１８】
図１は本実施形態に係る角速度センサの平面構成を示し、図２は図１中のＡ−Ａ断面を示し、図３は図１の部分拡大図であり可動部構成の詳細を示す説明図である。本角速度センサ１００は、共に結晶方位が（１００）である単結晶シリコンからなる第１の半導体層１と第２の半導体層２との間に酸化膜からなる絶縁層３を有する矩形状のＳＯＩ基板（本発明でいう基板）４に、半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成されたものである。そして、車両へは、図１の紙面垂直方向における紙面表側を上、紙面裏側を下として搭載される。
【００１９】
ＳＯＩ基板４における第１の半導体層１及び絶縁層３は、センサの主要部が形成される領域において、第２の半導体層２が露出するように矩形状に除去され、その除去部分は、第１の半導体層１の開口部（図１中、破線図示）１ａを構成している。この開口部１ａの領域における第２の半導体層２は、開口部１ａの外周部にて絶縁層３を介して第１の半導体層１に支持され、開口部１ａに臨んだ状態となっている。
【００２０】
本角速度センサ１００においては、この開口部１ａの領域における第２の半導体層２を溝で区画することにより、可動部としての４個の振動子１０、１１、１２、１３、４個の検出電極３０、３１、３２、３３、及び駆動電極３５、３６等からなるセンサ主要部が分離形成されている。なお、各半導体層１、２を構成する単結晶シリコンには、その抵抗率を下げるために不純物が予め拡散されている。
【００２１】
４個の振動子（可動部）１０〜１３は、基板４の水平面において、該水平面の所定点Ｋを中心に点対称に配置されている。各振動子１０〜１３は、各々１つずつの検出錘（図３中、クロスハッチングで図示）２０、２１、２２、２３と、この検出錘２０〜２３の外周に位置する懸架振動部（本発明でいう振動部、図３中、片側斜線ハッチングで図示）２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａと、検出錘２０〜２３を懸架振動部２０ａ〜２３ａに懸架する検出梁２０ｂ、２１ｂ、２２ｂ、２３ｂとからなる。
【００２２】
検出梁（本発明でいう第２の弾性部材）２０ｂ〜２３ｂは、懸架振動部２０ａ〜２３ａに対して検出錘２０〜２３が基板４の水平面内且つ上記所定点Ｋの径方向（駆動振動の方向と直交する方向）に振動できるように、弾性を発揮する。このことは、例えば、アスペクト比を上げる等によって、振動方向には柔らかく、その他の方向には固くすることによって実現できる。
【００２３】
ここで、図４は、振動子１０〜１３の支持固定構成を説明するための説明図であり、支持固定部分のみ示してある。各振動子１０〜１３は、次のようにして、開口部１ａの外周部に位置する４個の振動子用支持部４０に支持される。なお、これら振動子用支持部４０は、絶縁層３を介して第１の半導体層１に支持された第２の半導体層２からなり、図１の例では、各振動子１０〜１３の間に位置している。
【００２４】
図４に示す様に、各振動子１０〜１３は、懸架振動部２０ａ〜２３ａから延びる梁状の振動梁４１によって、上記所定点Ｋを略中心とする環状の連成梁４２に懸架され、連成梁４２は、各振動子１０〜１３の間に位置する梁状の支持梁４３によって上記振動子用支持部４０に懸架されている。
従って、各振動子１０〜１３は、連結された各梁４１〜４３を介して、振動子用支持部４０に懸架されることにより、絶縁層３を介して第１の半導体層１に支持されており、各振動子１０〜１３及び各梁４１〜４３は、第１の半導体層１の開口部１ａにて臨んだ状態となっている。
【００２５】
ここで、各振動子１０〜１３と環状の連成梁４２とを連結する振動梁（本発明でいう第１の弾性部材）４１は、各振動子１０〜１３を基板４の水平面内で所定点Ｋ回りの円周方向（駆動振動の方向）に振動させるように、弾性を発揮する。このことは、例えば、アスペクト比を上げたり、梯子形状（ラーメン構造）とする等によって、振動方向には柔らかく、その他の方向には固くすることによって実現できる。
【００２６】
また、４個の検出電極（本発明でいう検出部）３０〜３３は、各々、基板４の水平面内において各振動子１０〜１３の外側（つまり上記所定点Ｋより離れる側）に位置し、検出錘２０〜２３と対向して配置されている。
各検出電極３０〜３３は、第１の半導体層１上に絶縁層３を介して固定された支持部５０から検出錘２０〜２３へ延びる梁部３０ａ〜３３ａと、この梁部３０ａ〜３３ａの先端に設けられ検出錘２０〜２３と対向する電極部（本発明でいう固定電極）３０ｂ〜３３ｂとからなる。各検出電極３０〜３３は支持部５０に片持ち状に支持され、第１の半導体層１の開口部１ａに臨んだ状態となっている。
【００２７】
また、各検出電極３０〜３３を支持する支持部５０には、各々、各検出電極３０、３１、３２、３３に対応して信号を取り出すためのパッド電極３０ｃ、３１ｃ、３２ｃ、３３ｃが形成されている。
また、振動子１０〜１３と各支持梁４１との間に位置する駆動電極３５、３６は、第１の半導体層１上に絶縁層３を介して片持ち状に支持固定され支持部３５ａ、３６ａを有する。この支持部３５ａ、３６ａにおいて、振動子１０〜１３の懸架振動部２０ａ〜２３ａと対向する面には、櫛歯状の電極部３５ｂ、３６ｂが設けられている。これら支持部及び電極部から構成される駆動電極３５、３６は、第１の半導体層１の開口部１ａに臨んだ状態となっている。
【００２８】
また、振動子１０〜１３の懸架振動部２０ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａの各々において、駆動電極３５、３６の電極部３５ｂ、３６ｂと対向する面に、駆動電極３５、３６の電極部３５ｂ、３６ｂと互いにかみ合うように櫛歯状の櫛形電極（本発明でいう対向電極）２０ｃ、２１ｃ、２２ｃ、２３ｃが備えられている（図１及び図３参照）。
【００２９】
次に、角速度センサ１００の作動を行うために角速度センサに備えられた回路部（回路手段）１０１について、図５に示すブロック図を参照して述べる。回路部１０１は、各振動子１０〜１３を駆動させるとともに、基板４の水平面方向への各振動子１０〜１３の変位に基づく信号を演算処理するもので、各駆動電極３５、３６の支持部３５ａ、３６ａ及び上記４個の振動子用支持部４０のうちの１つに結線された駆動回路１０２と、上記パッド電極３０ｃ〜３３ｃ及び上記４個の振動子用支持部４０のうちの１つに結線された検出・処理回路１０３とを備えている。
【００３０】
駆動回路１０２は、駆動電極３５と駆動電極３６に駆動信号を印加し、各振動子１０〜１３を駆動振動させるものである。検出・処理回路１０３は、振動子１０〜１３の検出錘２０〜２３と検出電極３０〜３５との間の静電容量変化を電圧値に変換するスイッチドキャパシタ等の容量−電圧変換回路（図５中、Ｃ／Ｖで図示）１０４と、該容量−電圧変換回路１０４から送られてきた電圧値を演算処理し角速度検出信号Ｓ１として出力する処理回路１０５とを備えている。
【００３１】
かかる構成を有する角速度センサ１００は、図６及び図７に示す製造方法により製造される。図６及び図７は、上記図２に示すＡ−Ａ断面に基づく製造工程を示すものである。なお、図６（ａ）〜図７（ｃ）は図７（ｄ）に示す完成図（上記図２と同様）に対応した途中部分を示す。
まず、共に結晶方位が（１００）である単結晶シリコンからなる第１の半導体層１と第２の半導体層２との間にシリコン酸化膜（例えば厚さ１μｍ）からなる絶縁層３を有するＳＯＩ基板４を用意し（図６（ａ）参照）、第２の半導体層２の全面に表面抵抗値を下げ、次工程にて形成されるアルミニウムからなる上記パッド電極３０ｃ〜３３ｃとの接触抵抗を下げるために、例えばリンを高濃度に拡散（Ｎ+ 拡散）する。
【００３２】
続いて、図６（ｂ）に示す様に、基板４の表面（第２の半導体層２）にアルミニウムを例えば１μｍ蒸着し、ホト、エッチングを行い、信号取り出し用の上記パッド電極３０ｃ〜３３ｃを形成する。
続いて、図６（ｃ）に示す様に、基板４の裏面（第１の半導体層１）を切削研磨（バックポリッシュ）することにより所定の厚さ（例えば３００μｍ）とし、且つ鏡面仕上げする。
【００３３】
続いて、図６（ｄ）に示す様に、基板４の裏面（第１の半導体層１）にプラズマＳｉＮ膜２００を堆積（例えば０．５μｍ）し、ホトパターンを形成し、プラズマＳｉＮ膜２００をエッチングすることにより所定の領域を開口する。
続いて、図７（ａ）に示す様に、第２の半導体層２の表面に上記振動子１０〜１３、各電極３０〜３６、各梁４１〜４３等を画定するパターンをレジストで形成し、ドライエッチングにより垂直に絶縁層３までトレンチ形状を形成する。
【００３４】
続いて、図７（ｂ）に示す様に、第１の半導体層１を、プラズマＳｉＮ膜２００に形成したパターンをマスクとして、例えばＫＯＨ水溶液で深くエッチングする。このとき、絶縁層３までエッチングを進めると、エッチング液の圧力により絶縁層３が破れて基板４を破損するため、絶縁層３が破れないように、例えば第１の半導体層１のシリコンを１０μｍ残してエッチングを終了できるようエッチング時間を管理する。
【００３５】
続いて、図７（ｃ）に示す様に、プラズマドライエッチングにより、図７（ｂ）の工程で残したＳｉをエッチング除去する。このとき、基板４の裏面のプラズマＳｉＮ膜２００は同時に除去される。
最後に、図７（ｄ）に示す様に、絶縁層３をドライエッチングによって除去して、上記振動子１０〜１３、各電極３０〜３６、各梁４１〜４３を形成し、上記回路部１０１との配線等を行うことにより、上記図２に示す角速度センサ１００が出来上がる。
【００３６】
次に、上記角速度センサ１００の作動について、図８に示す図１の平面構成に対応したモデルを参照して、説明する。ここで、図８中、所定点Ｋを中心とした円周方向においては、時計回り方向を＋方向、反時計回り方向を−方向とし、所定点Ｋを中心とした円周の径方向においては、所定点Ｋから離れる方向を＋方向、所定点Ｋへ近づく方向を−方向とする。
【００３７】
角速度センサ１００において、駆動回路１０２によって、例えば、駆動電極３５と駆動電極３６に、インバータ１０１ａを介して、それぞれ互いに逆相に矩形波もしくは正弦波の印加電圧信号（駆動信号）を印加する。例えば振動子用支持部４０に２．５Ｖ、駆動電極３５と駆動電極３６に逆相に、２．５Ｖを中心とした振幅が５Ｖの矩形波を印加する。すると、駆動電極３５、３６の電極部３５ｂ、３６ｂと振動子１０〜１３の櫛形電極２０ｃ〜２３ｃとの間に静電気力が発生する。
【００３８】
このとき、振動梁（第１の弾性部材）４１の弾性力によって、図８に示す破線矢印の様に、４個の振動子１０〜１３において隣接する全ての振動子同士が、基板４の水平面内で所定点Ｋ回りの円周方向に逆相で駆動振動する。
この駆動振動において、所定点Ｋを挟んで対向する振動子１０と１２との位相及び振動子１１と１３との位相は、所定点Ｋを中心とした円周方向に同相であり（対向可動部の同相駆動）、また、４個の振動子１０〜１３のうち２個の振動子１０、１２の位相（例えば−方向）と残りの２個の振動子１１、１３の位相（例えば＋方向）とが互いに逆相となっている（半々逆相駆動）。
【００３９】
このように各振動子１０〜１３を基板４の水平面内で駆動振動させ、基板４と垂直軸（図１中、符号Ｊで図示）回りに角速度Ωが発生すると、各振動子１０〜１３に対して基板４の水平面内において所定点Ｋから径方向にコリオリ力（Ｆｃ）が作用する。例えば、図８に示す様に、所定点Ｋの時計回りに角速度Ωが発生すると、位相が−方向である振動子１０、１２には−Ｆｃ、位相が＋方向である振動子１１、１３には＋Ｆｃのコリオリ力が作用する。
【００４０】
このコリオリ力が作用すると、検出梁（第２の弾性部材）２０ｂ〜２３ｂの弾性力によって、図８に示す様に、検出錘２０〜２３が基板４の水平面内且つ所定点Ｋの径方向（駆動振動の方向と直交する方向）に振動（変位）する。そして、この検出錘２０〜２３の変位を、検出錘２０〜２３と検出電極３０〜３３の電極部３０ｂ〜３３ｂとの間の容量変化として検出する。なお、図８の上記径方向において、容量の増加方向が＋方向、減少方向が−方向となっている。
【００４１】
この容量変化の検出は、検出電極３０〜３３からパッド電極３０ｃ〜３３ｃを介し、上記容量−電圧変換回路１０４によって、電圧値に変換し、該電圧値を処理回路１０５にて演算処理し角速度検出信号Ｓ１として出力する。
以上が角速度センサ１００の基本動作である。ただし、検出錘２０〜２３は、振動子１０〜１３全体として回転方向に振動しているため、コリオリ力が作用する径方向に遠心力が働き、また、例えば、急停止、急発進等によりコリオリ力が作用する径方向に検出錘２０〜２３に外部加速度（外力、外部Ｇ）が働く。
【００４２】
これら遠心力（図８中、Ｆａ）や外部加速度（図８中、ＦＧ）は、ノイズ成分として出力にのってくるため、キャンセルする必要がある。本実施形態では、処理回路１０５において、次のような演算処理を行うことで、簡単な回路構成で、外部加速度及び遠心力をキャンセルし、振動子の数（本例では実質４倍）だけ倍増したコリオリ力の信号を取り出すようにしている。
【００４３】
図８に示す様に、４つの振動子１０〜１３が振動しながら角速度Ωが加わると、検出錘２０〜２３にかかる力Ｆ10〜Ｆ13は、それぞれ、下記数式１のようになる。
【００４４】
【数１】
振動子１０：Ｆ10＝−Ｆｃ＋Ｆａ＋ＦＧｙ
振動子１１：Ｆ11＝＋Ｆｃ＋Ｆａ＋ＦＧｘ
振動子１２：Ｆ12＝−Ｆｃ＋Ｆａ−ＦＧｙ
振動子１３：Ｆ13＝＋Ｆｃ＋Ｆａ−ＦＧｘ
ただし、Ｆｃはコリオリ力、Ｆａは遠心力、ＦＧｘ・ＦＧｙは各々外部加速度のｘ成分・ｙ成分である。
【００４５】
ここで、必要な信号はＦｃのみで他の成分は全てノイズであるので、処理回路１０５においては、下記数式２のように加減計算処理を行う。
【００４６】
【数２】
Ｆ＝−Ｆ10＋Ｆ11−Ｆ12＋Ｆ13＝４Ｆｃ
こうして、回路部１０１の演算処理により、ノイズ成分（Ｆａ、ＦＧ）を全てキャンセルし、４倍のコリオリ力による信号（角速度信号Ｓ１）を出力できるため、角速度センサ１００においてＳ／Ｎ比が向上できる。また、その演算処理が加減算であるので回路構成も簡単で、一般的な演算素子を用いた回路構成とできる。
【００４７】
次に、本実施形態の変形例として上記点対称配置される振動子が６個の場合を、図９にモデル化した角速度センサとして示す。なお、図９においても所定点Ｋを中心とした円周方向及び径方向の＋−方向は図８と同じである。
図９に示すセンサでは、基板４の水平面内において所定点Ｋを中心に６個の振動子１０〜１５を点対称に配置し、これら振動子１０〜１５のうち所定点Ｋを挟んで対向する２つの振動子１０と１３（＋方向）、１１と１４（−方向）、１２と１５（＋方向）が、所定点Ｋを中心とした円周方向に同相で駆動振動（図中、破線矢印）するように構成されている。
【００４８】
ここで、図９に示す様に、各振動子１０〜１５の駆動振動中に、所定点Ｋの時計回りの角速度Ω、振動子１３から１０の方向への外部加速度ＦＧ1 が加わった場合について、各振動子１０〜１５の検出錘（図示せず）にかかる力Ｆ10〜Ｆ15は、それぞれ、下記数式３のようになる。
【００４９】
【数３】
振動子１０：Ｆ10＝＋Ｆｃ＋Ｆａ＋ＦＧ1
振動子１１：Ｆ11＝−Ｆｃ＋Ｆａ＋ＦＧ2
振動子１２：Ｆ12＝＋Ｆｃ＋Ｆａ−ＦＧ3
振動子１３：Ｆ13＝＋Ｆｃ＋Ｆａ−ＦＧ1
振動子１４：Ｆ14＝−Ｆｃ＋Ｆａ−ＦＧ2
振動子１５：Ｆ15＝＋Ｆｃ＋Ｆａ＋ＦＧ3
ただし、Ｆｃはコリオリ力、Ｆａは遠心力、ＦＧ2 はＦＧ1 ｃｏｓ（π／３）、ＦＧ3 はＦＧ1 ｓｉｎ（π／３）である。
【００５０】
ここで、必要な信号であるＦｃのみ取り出すように、下記数式４のように加減計算処理を行う。
【００５１】
【数４】
Ｆ＝Ｆ10−Ｆ11＋Ｆ12＋Ｆ13−Ｆ14＋Ｆ15＝６Ｆｃ＋２Ｆａ
この回路部１０１の演算処理によって、外部加速度を全てキャンセルし、６倍のコリオリ力による信号Ｓ１を出力でき、Ｓ／Ｎ比が向上できる。この場合、遠心力は出力信号Ｓ１にオフセットとして残るが、これをオフセットとして見積もっておけば回路部１０１による演算処理によって除去可能である。
【００５２】
このように、少なくとも２以上の偶数個の振動子を基板４の水平面内において所定点Ｋを中心に点対称配置し、且つ上述した対向可動部の同相駆動を行い、上記各数式１〜４に代表されるような加減算処理を行うことにより、外部加速度をキャンセルし、振動子の数だけ倍増したコリオリ力の信号を取り出すことができる。特に振動子が４以上の偶数個である場合、上述した従来の２個の振動子に比べてＳ／Ｎ比を向上することができる。ちなみに、奇数個の振動子では必ずキャンセルできない外部加速度が１つ残るため、偶数個であることが必要である。
【００５３】
この効果について更に述べる。上記４個の振動子の例では、所定点Ｋを挟んで対向する振動子１０と１２、１１と１３の同相駆動により、例えば、対向する２つの振動子１０と１２をみた場合、作用する外部加速度ＦＧｙを互いに逆方向（＋と−）、作用するコリオリ力Ｆｃを互いに同一方向（共に−）とできる。このことは対向する２つの振動子１１と１３でも同様である。
【００５４】
従って、同相駆動を行う振動子（可動部）のペア（例えば、第１の可動部として振動子１０、第２の可動部として振動子１２）が少なくとも１つあれば、簡単な加減算により外部加速度をキャンセルでき、コリオリ力による信号のみを取り出すことができる。
さらに、振動子の数が４個と６個の場合を比較して分かるように、４の倍数個の振動子を、上記同様に点対称に配置し且つ上述した対向可動部の同相駆動及び半々逆相駆動を行った場合には、上記数式１、２に基づく加減算処理を行って各振動子の変位に基づく信号の総和Ｆをとることにより、外部加速度に加えて遠心力をキャンセルでき、回路構成をより簡単にできる。
【００５５】
なお、４の倍数個以外の偶数個の場合（例えば、２、６、１０個、‥‥）には、外部加速度成分をキャンセルしても出力信号Ｓ１に遠心力成分が残るが、上述の様に、オフセットとして回路部１０１の演算処理により除去すればよい。
また、上記４個の例のように、４の倍数個（その他例えば８、１２個‥‥）の振動子を点対称配置した場合には、隣接する全ての振動子（可動部）同士を、所定点Ｋを中心とした円周方向に逆相で駆動振動させるようにすれば、上述の対向可動部の同相駆動及び半々逆相駆動を適切に行うことができる。
【００５６】
また、本実施形態によれば、２以上且つ偶数個の振動子（可動部）１０〜１５を基板４の水平面内の所定点Ｋを中心に点対称に配置し、且つ所定点Ｋを中心とした円周方向に駆動振動するという新規な構成により、センサ全体を円形状にでき、小型化に適したものとできる。
（他の実施形態）
なお、基板４の水平面内において所定点Ｋからみて各振動子１０〜１３の外側には、コリオリ力を検出するための検出電極（検出部）３０〜３３が設けられているが、検出電極は各振動子１０〜１３の内側に位置していてもよい。つまり、上記各数式のように演算処理するためにはコリオリ力や外部加速度の符号が重要であり、コリオリ力の検出部の位置は、その符号に関わってくるため、各振動子全てにおいて所定点Ｋからみて外側にあるか、内側にあることが好ましい。
【００５７】
なお、検出部としては、検出錘の変位を電磁力の変化として検出するものであってもよい。
また、回路部（回路手段）１０１は、角速度センサ１００と同一の基板４上に形成しても良いし、他の基板上に形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る角速度センサの平面構成を示す図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の部分拡大説明図である。
【図４】図１における振動子の支持固定構成を説明する説明図である。
【図５】上記実施形態における回路部を示すブロック図である。
【図６】図１に示す角速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図７】図６に続く製造方法を示す工程図である。
【図８】上記実施形態における角速度センサの作動説明図である。
【図９】上記実施形態の変形例を説明する説明図である。
【符号の説明】
４…ＳＯＩ基板、１０〜１３…振動子、２０〜２３…振動子の検出錘、
２０ａ〜２３ａ…振動子の懸架振動部、２０ｂ〜２３ｂ…振動子の検出梁、
２０ｃ〜２３ｃ…振動子の櫛形電極、３０〜３３…検出電極、
３０ｂ〜３３ｂ…検出電極の電極部、３５、３６…駆動電極、４１…支持梁、
１０１…回路部。
Claims (8)
- 基板（４）に設けられた可動部（１０〜１３）を前記基板の水平面内で駆動振動させて基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、前記可動部に対して前記基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサにおいて、
前記可動部は、前記基板の水平面内の所定点（Ｋ）を中心に点対称に配置された第１の可動部（１０、１２）と第２の可動部（１１、１３）を有し、
これら第１及び第２の可動部は、前記所定点を中心とした円周方向に同相で駆動振動するものであり、
前記基板の水平面内において前記所定点からみて前記各可動部の外側には、前記可動部の変位を検出する検出部（３０〜３３）が設けられており、
前記検出部からの信号を演算処理して前記コリオリ力による信号を取り出す回路手段（１０１）を備えていることを特徴とする角速度センサ。 - 基板（４）に設けられた可動部（１０〜１３）を前記基板の水平面内で駆動振動させて基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、前記可動部に対して前記基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサにおいて、
前記可動部は４以上の偶数個設けられ、これら各可動部が前記基板の水平面内の所定点（Ｋ）を中心に点対称に配置されたものであり、
前記４以上の偶数個の可動部のうち前記所定点を挟んで対向する２つの可動部が、前記所定点を中心とした円周方向に同相で駆動振動するものであり、
前記基板の水平面内には、前記可動部の変位を検出する検出部（３０〜３３）が設けられており、
前記検出部からの信号を演算処理して前記可動部に対し前記基板の水平面内に作用する外力をキャンセルし前記コリオリ力による信号を取り出す回路手段（１０１）を備えていることを特徴とする角速度センサ。 - 基板（４）に設けられた可動部（１０〜１３）を前記基板の水平面内で駆動振動させて基板と垂直軸回りに角速度が発生したときに、前記可動部に対して前記基板の水平面内に作用するコリオリ力を検出するようにした角速度センサにおいて、
前記可動部は４の倍数個設けられ、これら各可動部が前記基板の水平面内の所定点（Ｋ）を中心に点対称に配置されたものであり、
前記４の倍数個の可動部のうち前記所定点を挟んで対向する２つの可動部が、前記所定点を中心とした円周方向に同相で駆動振動するとともに、この駆動振動において前記４の倍数個の可動部のうち半数のもの（１０、１２）と残りの半数のもの（１１、１３）とが互いに逆相となっており、
前記基板の水平面内には、前記可動部の変位を検出する検出部（３０〜３３）が設けられており、
前記検出部からの信号を演算処理して前記可動部に対し前記基板の水平面内に作用する外力をキャンセルし前記コリオリ力による信号を取り出す回路手段（１０１）を備えていることを特徴とする角速度センサ。 - 前記４の倍数個の可動部（１０〜１３）において隣接する全ての可動部同士が、前記所定点（Ｋ）を中心とした円周方向に逆相で駆動振動することを特徴とする請求項３に記載の角速度センサ。
- 前記検出部（３０〜３３）は、前記基板（４）の水平面内において前記所定点（Ｋ）からみて前記各可動部（１０〜１３）の外側に設けら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つに記載の角速度センサ。
- 前記検出部（３０〜３３）は、前記可動部（１０〜１３）と対向するように前記基板（４）に固定された固定電極（３０ｂ〜３３ｂ）を備え、前記基板の水平面方向への可動部の変位に基づく前記固定電極と前記可動部との間の容量変化を前記回路手段（１０１）にて演算処理するようにしたことを特徴とする請求項１または５に記載の角速度センサ。
- 前記可動部（１０〜１３）は、前記駆動振動の方向に弾性変形可能な第１の弾性部材（４１）により前記基板（４）に支持された振動部（２０ａ〜２３ａ）と、前記基板の水平面内において前記駆動振動の方向と直交する方向に弾性変形可能な第２の弾性部材（２０ｂ〜２３ｂ）により前記振動部に支持された検出錘（２０〜２３）とを備え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。
- 前記基板（４）には前記振動部（２０ａ〜２３ａ）と対向するように櫛歯形状を有する駆動電極（３５、３６）が設けられ、
前記振動部には前記駆動電極の櫛歯とかみ合うように対向する櫛歯形状の対向電極（２０ｃ〜２３ｃ）が設けられており、
前記駆動及び対向電極の間に交流電圧を印加して、前記駆動及び対向電極の間に静電気力を発生させることにより、前記振動部を駆動振動させることを特徴とする請求項７に記載の角速度センサ。
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