JP4310325B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、角速度を検出する小型センサに関するものである。

角速度センサ（ジャイロセンサ）を実現する技術として、近年、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）の分野に置いて、シリコン基板などを材料として、半導体製造技術を応用して、大量生産可能で小型の加速度センサを作成する研究が盛んになされている。

上記技術で主流なものは振動ジャイロと呼ばれ、測定する角速度の回転軸方向を第１の軸とすると、第１の軸に垂直な第２の軸方向に振動子を振動させておき（駆動振動）、角速度に比例して第１の軸と第２の軸の両方に垂直な第３の軸方向に発生するコリオリ力による振動（検出振動）を検出するというものである。

上記検出振動は非常に小さいため、精度良く検出するためには様々な工夫を要する。検出振動は駆動振動振幅に比例するため、共振点で駆動することで駆動振幅を大きくし、また、検出の共振周波数を駆動側と一致させることで検出振動の振幅を大きくするなどの工夫がされている。また、検出振動と同方向の加速度がかかると、検出振動と同方向に変位してしまい、目的の振動と分離できないので、それがノイズになるという課題がある。

従来の角速度センサとして特開２０００−７４６７６号公報に示されるものがある。この角速度センサは、同一構造のセンサ素子を２つ並べ、２つの振動子を逆相で振動させる。すると、検出振動も逆相になり、一方で加速度による変位は同相なので、２振動子の検出信号の差分を取ることで加速度成分をキャンセルするものである。

また従来の角速度センサとして特表２００３−５０９６７０号公報に示されたものがある。この角速度センサは、円板状の振動子をねじり梁を回転中心として回転振動させることで駆動振動を与え、振動子にかかるコリオリ力を検出用振動子の回転に変換して検出する。この検出振動子は回転方向以外の方向には変位しにくく構成し、目的の角速度以外の方向の角速度および加速度に対して反応しにくくして、ノイズを抑えようとするものである。

特開２０００−７４６７６号公報 特表２００３−５０９６７０号公報

特開２０００−７４６７６号公報に開示されている差動検出の方式において精度良く検出するためには、２つの振動子を同期して駆動し、かつ両者の検出感度が一致している必要があるが、加工精度などの課題から、両振動子の共振周波数を一致させることが難しいという課題がある。特開２０００−７４６７６号公報の角速度センサでは、静電力を印加して共振周波数を調整するための別の機構を設けることで上記課題を解決する。しかしながら、共振周波数調整機構の追加により構成および制御が複雑化するため、構造の簡略化および制御の容易化の点で改良の余地がある。

また、特表２００３−５０９６７０号公報の角速度センサでは、円板状振動子の回転軸に平行な方向に作用するコリオリ力を、回転軸と垂直な軸まわりの検出振動トルクとして利用するため、コリオリ力成分の全てが検出振動トルクに利用できるわけではなく、検出感度の点で改良の余地がある。

本発明の目的は、検出振動の振幅を大きくして、かつ加速度成分などに起因するノイズも低減し、高い検出感度を持つ角速度センサを提供することである。

前記目的を達成するために、本発明は、
平面状に構成され、この平面内の第１の軸における軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
前記第１の軸に対して垂直であって前記平面内に設けられた第２の軸を回転軸として、この回転軸の軸まわりに回転可能に支持された回転振動体と、
前記回転振動体を回転振動させる振動発生手段と、を有し、
前記回転振動体は、前記第２の軸の軸方向に変位可能に支持され、前記回転軸に対して対称に設けられた第１の検出振動子および第２の検出振動子を有し、
コリオリ力による前記第２の軸方向の振動を検出する第１の検出部および第２の検出部は、前記検出振動子と接合した複数の可動側検出櫛歯電極と、この可動側検出櫛歯電極と対向する側面を備えた複数の固定側検出櫛歯電極とを有して、前記可動側検出櫛歯電極と前記固定側検出櫛歯電極のギャップの変化による静電容量変化を検出し、
前記第１および第２の検出振動子よりも前記第１および第２の検出部が前記回転軸の近くに設けられ、前記第１の軸方向に設けられた前記可動側検出櫛歯電極と前記固定側検出櫛歯電極とのそれぞれ向かい合う側面のどちらか一方に、部分的に他方に向かって突出した突出部を有することを特徴とする。

本発明の角速度センサにより、回転振動体が回転軸まわりに回転振動することで、第１の検出振動体および第２の検出振動体は、センサ素子の平面に垂直な第３の軸方向に互いに逆相で振動し、第２の軸方向の検出振動も逆相になるので、第１および第２の検出部の検出信号の差分をとることで、第２の軸方向の加速度による同相の検出信号をキャンセルでき、ノイズを小さくできる。さらに、第１および第２の検出振動子は、一つの回転振動体内に設置され、第３の軸方向の駆動振動は回転振動体の振動により与えられるため、両者の振動の振幅は一致し、位相も逆転することが構造的に保証される。回転振動体を共振周波数で駆動することにより、振幅が一致しかつ大きい振動を得ることができ、よって検出振動も大きくでき、高い感度が得られる。さらに、回転軸から見て、検出振動子を遠くに、検出部を近くに配置したことにより、同じ回転角振幅でも検出振動子の方が振幅を大きくして、よって感度を向上することができ、また検出部の駆動振幅（第３の軸方向の振動振幅）を小さくできるので、第２の軸方向の検出振動の検出に与える駆動振動の影響を小さくでき、ノイズを低減できる。

以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一
符号は同一物または相当物を示す。

本発明の第１実施例の角速度センサについて図１〜図３を用いて説明する。図１は本施例の断面模式図を、図２は本実施例の素子基板の平面模式図を示す。

図１に示すように、本実施例の角速度センサ１は、支持基板２、素子基板３、配線基板４の３層で構成されている。センサの可動部は素子基板３内に形成されており、素子基板３内の構造は、支持基板２に接合して固定された部分と、支持基板２から離れて、素子基板３内で変位可能に支持された部分とがある。

素子基板３の構造を図２を用いて説明する。以下の説明では、紙面左右方向をｘ方向、上下方向をｙ方向、紙面に垂直の方向をｚ方向として説明する。以下に説明する構成で、ｘ方向の軸まわりの角速度を検出する角速度センサを実現する。回転振動体１０は、ｘ方向に長い２本の横断フレーム１１と、回転軸１２を境に左右に分かれて配置される第１の検出振動子２０および第２の検出振動子３０から構成され、第１および第２の検出振動子は、それぞれ２本ずつの支持梁１３により横断フレーム１１に支持されており、さらに横断フレーム１１は、回転軸１２に沿って配置された２本のねじり梁１４により、アンカー１５に接続されている。アンカー１５は部分的に支持基板２に接合されているため固定されており、ねじり梁１４、横断フレーム１１、支持梁１３、第１の検出振動子２０および第２の検出振動子３０は支持基板２から離れていて変位可能である。回転振動体１０はねじり梁１４がねじれることにより、回転軸１２まわりに回転可能で、第１および第２の検出振動子２０、３０は、支持梁１３が曲がることにより、ｙ方向に変位可能になっている。

回転振動体１０の駆動手段として、図２に示すように、配線基板４上に第１の駆動平面電極２１および第２の駆動平面電極３１を有する。素子基板３は、例えば不純物注入により導電性を向上したシリコン基板などが用いられ、導電性を有する。回転振動体１０を等電位に保ち、第１および第２の駆動平面電極２１、３１に交互に回転振動体との電位差を与えることで、回転振動体１０との間に静電吸引力を発生させ、回転振動体１０を回転軸１２まわりに振動させることができる。さらに、駆動力を向上させるため、図１に示すように、第１および第２の検出振動子２０、３０の外側に、第１の駆動部２２および第２の駆動部３２を設けてもよい。第１の駆動部２２は、第１の検出振動子２０に接続された複数の第１の可動側駆動櫛歯電極２３と、支持基板２に部分的に接合する第１の駆動櫛歯支持体２４に接続された複数の第１の固定側駆動櫛歯電極２５とが、交互に配列されてなる。第２の駆動部３２も同様に、第２の検出振動子３０に接続された複数の第２の可動側駆動櫛歯電極３３と、支持基板２に部分的に接合する第２の駆動櫛歯支持体３４に接続された複数の第２の固定側駆動櫛歯電極３５とが、交互に配列されてなる。図３の断面模式図に示すように、回転振動体１０が傾き、第１の可動側駆動櫛歯電極２３または第２の可動側駆動櫛歯電極３３と第１の固定側駆動櫛歯電極２５または第２の固定側駆動櫛歯電極
３５がｚ方向にずれたタイミングで両者に電位差を与えることにより、静電吸引力を発生させて、回転振動体１０の傾きを戻す力を発生させる。上記第１および第２の駆動平面電極２１、３１、および櫛歯電極を有する第１および第２の駆動部２２、３２を連動して制御することにより、小さな電力で大きな駆動振動を得ることが可能である。

検出振動子の振動を感知する手段として、図２に示すように、第１および第２の検出振動子２０、３０に対して、それぞれ第１の検出部２６および第２の検出部３６を有する。第１および第２の検出部２６、３６は、第１および第２の検出振動子２０、３０よりも回転軸１２からみて近い位置に配置される。本実施例では、回転軸１２を対称軸として左右対称の構成になっている。第１の検出部２６は、第１の検出振動子２０に接続された複数の第１の可動側検出櫛歯電極２７と、支持基板２に部分的に接合する第１の検出櫛歯支持体２８に接続された複数の第１の固定側検出櫛歯電極２９とが、交互に配列されてなる。同様に、第２の検出部３６は、第２の検出振動子３０に接続された複数の第２の可動側検出櫛歯電極３７と、支持基板２に部分的に接合する第２の検出櫛歯支持体３８に接続された複数の第２の固定側検出櫛歯電極３９とが、交互に配列されてなる。上記第１および第２の検出部２６、３６では、検出振動子のｙ方向の変位に追随して可動側検出櫛歯電極も変位し、固定側検出櫛歯電極との間のギャップが変化し、それに伴う静電容量変化を検出する。回転振動体１０の回転振動に伴い、第１の検出振動子２０と第２の検出振動子３０はｚ方向に互いに逆相で振動しているので、ｘ方向の検出軸まわりの角速度により発生するコリオリ力によるｙ方向の振動も、第１および第２の検出振動子２０、３０で互いに逆相になる。よって、第１および第２の検出部２６、３６では、一方の静電容量が増加して、他方は減少することとなる。ここで、本実施例の角速度センサにｙ方向の加速度がかかった場合を考えると、第１および第２の検出振動子２０、３０は同方向に変位し、検出部の静電容量変化も同時に増加または減少する。よって、第１および第２の検出部２６、
３６の検出信号の差分をとることにより、加速度による同相の検出信号はキャンセルされ、角速度の逆相の検出信号は２倍されるため、加速度のノイズを取り除き、目的の角速度検出感度を２倍にできる。また逆に、検出信号の加算をとることにより、ｘ軸まわりの角速度をキャンセルして、ｙ方向の加速度を検出することもできる。本発明では、第１および第２の検出振動子２０、３０のｚ方向振動が、一つの回転振動体１０の回転振動により与えられるため、第１および第２の検出振動子２０、３０の振幅は一致し、位相は逆転することが構造的に保証され、両者の差動による検出の感度を高くすることができる。上記検出部の構成を図４を用いて説明すると、第１および第２の検出部２６、３６から引き出された信号は、減算器４３に接続して差分がとられ、その出力が角速度検出回路４４に入力され角速度検出信号が得られる。さらに、第１および第２の検出部２６、３６から引き出された信号は、加算器４５にも接続して加算され、その出力が加速度検出回路４６に入力され加速度検出信号が得られる。

本発明は、検出振動子のｚ方向振動が回転振動により与えられる構成において、第１および第２の検出部２６、３６が、第１および第２の検出振動子２０、３０よりも回転軸
１２に近い側に配置される点が特徴的である。検出振動子は回転軸からの距離が長いので、同じ回転振動体の回転角度振幅でも、検出振動子のｚ方向振動振幅が大きい。コリオリの力は振動子の速度に比例するから、周波数が一定なら振動振幅が大きいほど大きくなるので、検出感度を高められる。一方で検出部の可動側検出櫛歯電極は、回転軸からの距離が短いため、ｚ方向振動振幅が小さく抑えられる。検出はｙ方向の微小な変位を捉える必要があり、ｚ方向の大きな駆動振動はノイズの原因になりやすいことから、本発明ではｚ方向振動振幅を小さくできるため、ノイズの低減に効果がある。

また、図２に示すように、第１および第２の検出部２６、３６は、櫛歯電極の一方を部分的に突き出した構造としてもよい。例えば本実施例のように、第１および第２の固定側検出櫛歯電極２９、３９の一部を、対になる第１および第２の可動側検出櫛歯電極２７、３７の側に部分的に突き出した構造とする。固定側検出櫛歯電極の突出部の端部４０は、可動側検出櫛歯電極の端部４１よりも内側にくるようにして、突出部がすべて可動側検出櫛歯電極に対面するようにする。こうした構造は、ｘ方向加速度による検出信号をキャンセルするのに有効である。本実施例の角速度センサにｘ方向加速度がかかると、ねじり梁１４はｘ方向変位に対する剛性が比較的小さいため、回転振動体１０がｘ方向に変位し、第１および第２の検出振動子２０、３０もｘ方向に同方向に変位する。すると、検出部の櫛歯電極はスライドして対面する面積が変化するため、静電容量変化が起こる。この静電容量変化は第１、第２の検出部２６、３６で互いに逆相になるため、目的の角速度検出信号と同様で、差動検出によってキャンセルされない成分である。そこで、上記のような突出部を有する構造として、可動側検出櫛歯電極がｘ方向にスライドしても、近接して対面する面積が変化しないようにすることで、ｘ方向加速度に起因するノイズを除去することができる。

素子基板の回転振動体の厚さは数十から数百ミクロン程度で形成し、支持梁１３やねじり梁１４は、柔軟性を与えるため数ミクロンの幅で形成し、梁の断面は平面方向に対して垂直方向にアスペクト比が高い形状となる。こうした梁断面形状は、ＭＥＭＳ技術を用いた従来の角速度センサでも同様である。しかしながら、振動子をｚ方向に振動させる場合、ｚ方向にアスペクト比の大きい支持梁では振動方向の剛性が高いため、梁を長くするなどして剛性を下げなければならず、すると平面方向の剛性がより低下して、望ましくない平面方向の変位が出やすくなってしまう。本発明では、ｚ方向の振動を梁のねじりにより与えており、ｚ方向にアスペクト比の高い梁は、ねじり方向の剛性が低いので、短くても必要な柔軟性を得やすいという特徴がある。

また、本実施例の回転振動体１０は、中央の１箇所のアンカー１５で支持基板２に接合されていることも特徴である。複数の支持梁を介して複数のアンカーに支持された従来の角速度センサでは、外力などによってセンサ全体に反りが発生すると、支持梁に引っ張りや圧縮の応力がかかり、支持梁の剛性が変化して共振周波数が変化してしまう課題があった。本実施例では、１箇所のアンカーで支持されているため、そうした問題がない。

断面構造の詳細について図１を用いてさらに説明する。支持基板２は例えばシリコンを材料とした基板５０を用い、素子基板３との接合面側にシリコンを熱酸化するなどして絶縁膜５１を形成する。素子基板３のアンカー１５、第１および第２の駆動櫛歯支持体２４、３４、第１および第２の検出櫛歯支持体２７、３７は上記絶縁膜５１を介して支持基板２に少なくとも一部分が接合されている。さらに素子基板３は外周を囲むような側壁部
５２を有し、これも支持基板２に接合されている。配線基板４は、例えばシリコン基板を材料とした基板５３を用い、素子基板３と向かい合う面側にシリコンを熱酸化するなどして絶縁膜５４を形成してあり、その上に第１および第２の駆動平面電極２１、３１を含む配線および電極のパターンが形成されている。その上に例えばシリコンチッ化膜などを用いた表層絶縁膜５５を形成する。配線基板４は素子基板３の側壁部５２において素子基板３と接合される。接合方法としては、例えば、配線基板４側の表層絶縁膜５５上に第１の接合部材５６を、素子基板３側の側壁部５２上に第２の接合部材５７を形成しておき、両者を熱圧着することにより接合することができる。第１および第２の接合部材５６、５７には例えば金−錫化合物を用いることができる。以上のようにして、支持基板２、配線基板４および側壁部５２によって囲まれた閉空間を形成でき、内部を減圧することにより空気抵抗を低減して、振動の振幅を大きくして、検出感度を高めることができる。

回転振動体１０は回転振動することでｚ方向に変位するため、支持基板２および配線基板４にぶつからない程度に、回転振動体１０の上下にスペースを有する。本実施例においては、支持基板２側は、支持基板２の絶縁膜５１および基板５０を部分的に除去したキャビティ５８を形成してそのスペースを与える。回転振動体１０のｚ方向最大変位が絶縁膜５１の厚さより大きい場合はこうした対策が必要である。その場合でも、回転軸１２から近い領域でｚ方向変位が絶縁膜５１の厚さより小さい部分においては、絶縁膜５１を除去するのみで対応することもできる。例えばねじり梁１４の直下などは、絶縁膜５１の除去のみで対応可能である。配線基板４側のスペースは、素子基板３において側壁部５２が回転振動体１０よりも突出するように形成することで与える。こうした形状は、例えば素子基板に対して突出部以外の部分をまずドライエッチングで除去した後、スプレー塗布などの方法でマスクとなるレジストを塗布し、回転振動体などの形状をパターニングして、再びドライエッチングで加工する方法を用いることができる。

素子基板３内の各部の外部との電気接続は例えば以下のように実現される。素子基板３では、回転振動体１０、第１の駆動櫛歯支持体２４、第２の駆動櫛歯支持体３４、第１の検出櫛歯支持体２８、第２の検出櫛歯支持体３８はそれぞれ分離していて、絶縁膜５１を介して支持基板２に接合されているので、互いに電気的に分離されている。それぞれに外部から給電するため、図１および図２に示すように、アンカー１５、第１および第２の駆動櫛歯支持体２４、３４、第１および第２の検出櫛歯支持体２８、３８上にそれぞれ第１の電気接続パッド５９を有し、対面する配線基板４上にも同様に第２の電気接続パッド
６０を形成し、両者を接合することで電気的接続を得る。第１および第２の電気接続パッド５９、６０は、前記第１および第２の接合部材５６、５７と同様に金−錫化合物で形成し、同時に熱圧着により接合することができる。第２の電気接続パッド６０の直下には表層絶縁膜５５に開口部を形成してあり、絶縁膜５４上に形成されている配線パッド６１から、配線６２を介して、側壁部５２の外側に配置された外部電気接続パッド６３まで電気的に接合される。また、第１および第２の駆動平面電極２１、３１についても側壁の外側の外部電気接続パッドまで配線を介して引き出される。このようにして、外部電気接続パッド６３を介して、例えばアンカー１５と第１の駆動櫛歯支持体２４間に電位差を与えることで、第１の駆動部２２に駆動力を発生させ、また、アンカー１５と第１の検出櫛歯支持体２８間の静電容量変化を検出することで、第１の検出部２６の信号を検出できる。

角速度センサとして機能するには、振動子の駆動の制御や、微小な静電容量変化の検出などを担う制御部が必要である。上記制御部には前述した検出のための減算器４３、角速度検出回路４４、加算器４５、加速度検出回路４６も含む。上記制御部を含む角速度センサモジュール７０を例えば図５に示すように構成できる。制御部に相当する制御ＩＣ７１を接着層７２を介して支持基板２の素子基板３とは反対の面に接続し、制御ＩＣ７１表面の外部電気接続パッド７３と、配線基板４の外部電気接続パッド６３の間を、ワイヤボンディングなどの手段で、ワイヤ７４を用いて接続することができる。また、上記制御部は、配線基板４に作りこんでもよい。そうすることで、上記制御ＩＣ７１を別に設ける必要が無く、より小型のセンサを実現できる。また制御部を支持基板２の素子基板３とは反対の面の表面に作りこむなどしてもよい。

本発明の第２実施例は、第１の実施例で説明した角速度センサの構造を２つ並べて、２軸の角速度検出を可能にした例を示す。図６に示すように、第１のセンサユニット７５によりｘ軸まわりの角速度を、第２のセンサユニット７６によりｙ軸まわりの角速度を検出することができる。また前述したように、第１および第２の検出部の検出信号の加算をとることにより、第１のセンサユニット７５によりｙ方向の加速度を、第２のセンサユニット７６によりｘ方向の加速度を検出することもできる。

次に素子基板内の構造の別の実施例について説明する。

本発明の第３実施例の角速度センサについて図７を用いて説明する。図２に示した第１実施例と異なるのは、回転振動体の構造である。本実施例の回転振動体８０は、ねじり梁１４に接合し、ｘ方向に伸びる２本の第１のフレーム８１と、第１のフレーム８１に接合し、ｙ方向に伸びる２本の第２のフレーム８２を有する。第１の駆動部２２の第１の可動側駆動櫛歯電極２３は第２のフレーム８２の回転軸１２と反対側に接合されており、検出振動子８３が支持梁８４を介して、第２のフレーム８２の回転軸１２の側に接合されている。支持梁８４は検出振動子８３がｙ方向に変位できるように柔軟性を有している。本実施例では、ｙ方向のコリオリの力が検出振動子８３にかかることで、検出振動子８３は支持梁８４の第２のフレーム８２側の支持点を中心として回転するように変位するため、第１の可動側検出櫛歯電極２７のｙ方向の変位を、検出振動子８３がｙ方向に平行に変位する場合と比べて拡大できる。よって検出の感度を高める効果がある。またコリオリ力に対して、第２のフレーム８２はほとんど変位しないので、第１の可動側駆動櫛歯電極２３もｙ方向に変位しにくく、第１の可動側駆動櫛歯電極２３と第１の固定側駆動櫛歯電極２５のｙ方向ギャップが変化しにくいため、駆動を安定化しやすい特徴がある。

本発明の第４実施例の角速度センサについて図８を用いて説明する。図２に示した第１実施例と異なるのは、左右の検出振動体をそれぞれｙ方向に２分割した点である。回転軸１２を中心に左右対称に配置するのは同様であるので、片側のみ説明する。回転振動体
９０は、中央にあってｘ方向に伸びるフレーム９１を有し、ｙ方向に両側に伸びるねじり梁９２に支持され、ねじり梁９２の他端は、支持基板２に部分的に接合するアンカー９３に接続されている。第１の検出振動子９４および第２の検出振動子９５が、フレーム９１の両側に支持梁９６を介して接合され、ｙ方向に変位可能に支持されている。第１の検出振動子９４には回転軸側に第１の可動側検出櫛歯電極９７が接合され、支持基板３に部分的に接合された第１の検出櫛歯固定部材９８に接合する第１の固定側検出櫛歯電極９９と向かい合い、第１の検出部１００を構成する。同様に、第２の検出振動子９５には回転軸側に第２の可動側検出櫛歯電極１０１が接合され、支持基板２に部分的に接合された第２の検出櫛歯固定部材１０２に接合する第２の固定側検出櫛歯電極１０３と向かい合い、第２の検出部１０４を構成する。第１および第２の検出振動子９４、９５とフレーム９１の、回転軸１２から遠い側には、第１実施例と同様に駆動部２２を形成する。第１実施例においては、アンカー１５と、第１および第２の検出櫛歯支持体２８、３８が回転振動体
１０に囲まれているため、素子基板３内においては電気接続パッド５７を回転振動体１０の外側に引き出せないのに対して、本実施例では回転振動体９０の外側に引き出すことができるため、電気接続パッド５７の配置の自由度が高まる。

本発明の第５実施例の角速度センサについて図９を用いて説明する。本実施例は、第４実施例で示した検出振動子を２分割した構成において、第３実施例の特徴を付与したものである。図９に示すように、本実施例の回転振動体１１０は、フレーム１１１が、検出振動子の回転軸と反対側にもｙ方向に伸びたＨ型形状をしており、第１の可動側駆動櫛歯電極２３は、全てがフレーム１１１に接続している。第１の検出振動子１１２および第２の検出振動子１１３は支持梁１１４を介してフレーム１１１に接続している。本実施例では、コリオリの力に対してｙ方向に変位しにくいフレーム１１１に第１の可動側駆動櫛歯電極２３が接続しているので、第１の可動側駆動櫛歯電極２３と第２の固定側駆動櫛歯電極２５のｙ方向ギャップが変化しにくいため、駆動を安定化しやすい特徴がある。

本発明の第１実施例の角速度センサの断面模式図である。 第１実施例の角速度センサの素子基板の構造を示す平面模式図である。 回転振動体の駆動方法の一例を説明する断面模式図である。 検出回路の構成の一例を示す模式図である。 制御ＩＣと組み合わせた角速度センサモジュールの構成の一例を示す断面模式図である。 第２実施例である２軸の角速度検出を実現するモジュール構成の一例を示す模式図である。 第３実施例の角速度センサの素子基板の構造を示す平面模式図である。 第４実施例の角速度センサの素子基板の構造を示す平面模式図である。 第５実施例の角速度センサの素子基板の構造を示す平面模式図である。

符号の説明

１…角速度センサ、２…支持基板、３…素子基板、４…配線基板、１０…回転振動体、１１…横断フレーム、１２…回転軸、１３…支持梁、１４…ねじり梁、１５…アンカー、２０…第１の検出振動子、２１…第１の駆動平面電極、２２…第１の駆動部、２３…第１の可動側駆動櫛歯電極、２４…第１の駆動櫛歯支持体、２５…第１の固定側駆動櫛歯電極、２６…第１の検出部、２７…第１の可動側検出櫛歯電極、２８…第１の検出櫛歯支持体、２９…第１の固定側検出櫛歯電極、３０…第２の検出振動子、３１…第２の駆動平面電極、３２…第２の駆動部、３３…第２の可動側駆動櫛歯電極、３４…第２の駆動櫛歯支持体、３５…第２の固定側駆動櫛歯電極、３６…第２の検出部、３７…第２の可動側検出櫛歯電極、３８…第２の検出櫛歯支持体、３９…第２の固定側検出櫛歯電極、４３…減算器、４４…角速度検出回路、４５…加算器、４６…加速度検出回路、５０、５３…基板、
５１…絶縁膜、５２…側壁部、５４…絶縁膜、５５…表層絶縁膜、５６…第１の接合部材、５７…第２の接合部材、５８…キャビティ、５９…第１の電気接続パッド、６０…第２の電気接続パッド、６１…配線パッド、６２…配線、６３、７３…外部電気接続パッド、７０…角速度センサモジュール、７１…制御ＩＣ、７２…接着層、７４…ワイヤ、７５…第１のセンサユニット、７６…第２のセンサユニット。

Claims (10)

1. 平面状に構成され、この平面内の第１の軸における軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
   前記第１の軸に対して垂直であって前記平面内に設けられた第２の軸を回転軸として、この回転軸の軸まわりに回転可能に支持された回転振動体と、
   前記回転振動体を回転振動させる振動発生手段と、を有し、
   前記回転振動体は、前記第２の軸の軸方向に変位可能に支持され、前記回転軸に対して対称に設けられた第１の検出振動子および第２の検出振動子を有し、
   コリオリ力による前記第２の軸方向の振動を検出する第１の検出部および第２の検出部は、前記検出振動子と接合した複数の可動側検出櫛歯電極と、この可動側検出櫛歯電極と対向する側面を備えた複数の固定側検出櫛歯電極とを有して、前記可動側検出櫛歯電極と前記固定側検出櫛歯電極のギャップの変化による静電容量変化を検出し、
   前記第１および第２の検出振動子よりも前記第１および第２の検出部が前記回転軸の近くに設けられ、前記第１の軸方向に設けられた前記可動側検出櫛歯電極と前記固定側検出櫛歯電極とのそれぞれ向かい合う側面のどちらか一方に、部分的に他方に向かって突出した突出部を有することを特徴とする角速度センサ。
2. 請求項１に記載された角速度センサにおいて、前記第１の検出部と前記第２の検出部に逆相に検出される検出信号の差分により、前記第１の軸まわりの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
3. 請求項１記載された角速度センサにおいて、前記第１の検出部と前記第２の検出部に同相に検出される検出信号の加算により、前記第２の軸方向の加速度を検出する加速度センサ機能を有する角速度センサ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載された角速度センサにおいて、前記振動手段は、前記第１の検出振動子から見て前記回転軸と反対側に配置され、前記回転振動体に前記平面に垂直な方向の力を与える第１の駆動手段と、前記第２の検出振動子から見て前記回転軸と反対側に配置され、前記回転振動体に前記平面に垂直な方向の力を与える前記第２の駆動手段を有することを特徴とする角速度センサ。
5. 請求項４に記載の角速度センサにおいて、前記振動手段は、前記第１の検出振動子の前記平面に平行な面に面して片側あるいは両側に配置され、前記回転振動体に前記平面に垂直な方向に力を与える第３の駆動手段と、前記第２の検出振動子の前記平面に平行な面に面して片側あるいは両側に配置され、前記回転振動体に前記平面に垂直な方向に力を与える第４の駆動手段を有することを特徴とする角速度センサ。
6. 請求項４に記載の角速度センサにおいて、前記第１および第２の駆動手段は、前記回転振動体に接合された複数の可動側駆動櫛歯電極と、側面の一部が前記可動側駆動櫛歯電極と対向するように固定された複数の固定側駆動櫛歯電極とからなり、前記可動側駆動櫛歯電極と前記固定側駆動櫛歯電極との間に電位差を与えて駆動力を発生させることを特徴とする角速度センサ。
7. 請求項５に記載の角速度センサにおいて、前記第３および第４の駆動手段は、前記第１の検出振動子の前記平面と平行な面と少なくとも一部がギャップを介して向かい合うように配置された第１の駆動平面電極と、前記第２の検出振動子の前記平面と平行な面と少なくとも一部がギャップを介して向かい合うように配置された第２の駆動平面電極とからなることを特徴とする角速度センサ。
8. 請求項１に記載の角速度センサにおいて、前記可動側検出櫛歯電極か前記固定側検出櫛歯電極のどちらか一方に設けた前記突出部の端部は、対面する電極の端部よりも内側に位置し、前記突出部は全て他方の電極と対面することを特徴とする角速度センサ。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の角速度センサの構成を有する第１のセンサユニットおよび第２のセンサユニットを、互いに９０度回転して配置し、前記第１のセンサユニットによって前記第１の軸まわりの角速度を、前記第２のセンサユニットによって前記第２の軸まわりの角速度を検出する多軸検出型角速度センサ。
10. 請求項９に記載の多軸型角速度センサにおいて、前記第１のセンサユニットにより前記第２の軸方向の加速度を、前記第２のセンサユニットにより前記第１の軸方向の加速度を検出することを特徴とする、加速度検出機能付き多軸型角速度センサ。

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