JP4710926B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、所定方向に駆動振動可能な錘部を備える質量部と該質量部に間隔を有して対向配置された検出部とを有し、角速度が発生したとき質量部に対して作用するコリオリ力によって質量部と検出部との対向部の間隔を変化させ、この間隔の変化量に基づいて角速度を検出するようにした角速度センサに関する。

この種の角速度センサとしては、一般に図２に示すものがある。このものは、フレーム部Ｊ１と、このフレーム部Ｊ１内に２つの第１梁Ｊ２を介して連結された錘部（振動子）Ｊ３と、フレーム部Ｊ１外周に形成された櫛歯電極Ｊ４とを有する質量部Ｊ５を備えるとともに、基部Ｊ６より突出して櫛歯電極Ｊ４に対向配置された検出部としての櫛歯状の検出電極Ｊ７とを有する。また、質量部Ｊ５は、基部Ｊ６に２つの第２梁Ｊ８を介して連結されている。このようなセンサは、一般にＳＯＩ基板を公知のマイクロマシン技術により加工することで製造できる。

図２においては、まず、質量ｍの錘部Ｊ３を、静電気力や電磁力等を用いた励振機構（図示せず）をもって、第１梁Ｊ２のバネ力によりＸ方向へ速度ｖで駆動振動させる。この速度ｖの振動のもと、センサ全体に角速度Ωが印加された場合、錘部Ｊ３には、Ｆｃ＝２ｍｖΩの力即ちコリオリ力ＦｃがＹ方向（駆動振動と直交する方向）へ作用する。そして、このコリオリ力Ｆｃによって、第２梁Ｊ８のバネ定数とコリオリ力の力の釣り合いにより質量部Ｊ５全体がＹ方向へコリオリ力に比例する量だけ変位する。この変位量を両電極Ｊ４及びＪ７の間隔の変化量即ち両電極間の容量変化として検出することで、角速度が検出できる。

ところで、上記図２において、Ｙ方向若しくはＹ方向に成分を持つ加速度（外部加速度という）が加わった場合、錘部Ｊ３には角速度が印加されていないにも関わらず、錘部Ｊ３がＹ方向へ変位して上記両電極Ｊ４、Ｊ７間の容量が変化し、あたかも角速度が印加されているかの如く信号を出力してしまう。このように、外部加速度の影響によってセンサ出力に誤差が生じる。

この現象を防止するために、従来より、図３に示す様に、錘部（振動子）Ｊ３を備える質量部Ｊ５を２個設け、各々の錘部Ｊ３を同じ周波数で互いに逆相に駆動振動（図３では速度ｖ）させ、それぞれに印加された外部加速度成分を、差動回路を用いてキャンセルする方法が一般的にとられている。

しかしながら、この図３に示す方法を採用した場合、錘部（振動子）やそれを駆動する駆動手段（励振機構）がそれぞれ２つずつ必要であり、また、２つの質量部Ｊ５で連成振動系を組み、常に同じ周波数で振動させるために、連成梁Ｊ９を設けて互いの錘部Ｊ３の間を連結する必要がある。このため、この方法を採用したセンサは構造が複雑になり、また、構成要素が多くなるためセンサの体格（チップサイズ）が大きくなるという問題がある。

そこで、本発明は上記問題に鑑み、体格を大型化させることなく、外部加速度の影響を受けずに角速度に起因するコリオリ力を検出可能とした角速度センサを提供することを目的とする。

本発明は、上記図２及び図３に示したような従来の角速度センサでは、検出部が外力に対して固定された構造であるため、外部加速度が印加されたとき、可動構造である質量部のみに外部加速度の影響（外部加速度による変位）が生じるということに着目して、為されたものである。

まず、請求項１記載の発明では、所定方向に駆動振動可能な錘部（２２）を有する質量部（２０）と、該質量部に間隔を有して対向配置された検出部（３０）とを備え、該錘部の駆動振動中に角速度が発生したとき、該質量部に対して作用するコリオリ力によって該質量部と該検出部との対向部の間隔を変化させ、この変化量に基づいて角速度を検出するようにした角速度センサにおいて、コリオリ力の作用方向に弾性機能を有する部材によって、外部加速度が加わったときに、検出部はコリオリ力の作用方向へ該質量部と同様に変位可能となっていることを特徴としている。

それによって、外部加速度が印加されても、検出部（３０）はコリオリ力の作用する方向へ質量部（２０）と同様に変位するから、両部の対向部における間隔の変化量には、外部加速度の影響は加わってこない。そのため、従来のように、２つの質量部で連成振動系を組む必要がない。よって、本発明によれば、体格を大型化させることなく、外部加速度の影響を受けずに角速度に起因するコリオリ力を検出可能とした角速度センサを提供することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、弾性機能を有する部材は、バネ部材であるものにできる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄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一例である。

以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は、例えばジャイロセンサ等、角速度を検出するアプリケーションに適用される本発明の角速度センサ１００の一実施形態を示す平面図である。角速度センサ１００は、シリコン基板等の半導体基板にエッチング加工等を施すことにより溝を形成し、大きくは、当該基板の周縁部に位置する矩形枠状の基部１０と、この基部１０における枠内に位置する質量部２０及び検出部３０とに区画したものである。

角速度センサ１００は、例えば、両シリコン基板を酸化膜を介して貼り合わせてなるＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板を用い、両シリコン基板のうち一方を支持基板とし、他方のシリコン基板及び酸化膜に対して、トレンチエッチングや犠牲層エッチング等の周知のマイクロマシン加工技術を施すことにより、他方のシリコン基板に上記各部１０〜３０を形成するものである。

質量部２０は、矩形枠状のフレーム部２１と、このフレーム部２１内に位置する矩形状の錘部２２と、これらフレーム部２１及び錘部２２を連結する２つの矩形枠状の振動梁２３とを備えている。振動梁２３は図中に示すＸ方向に伸縮可能な弾性機能を有するもので、この振動梁２３によって、錘部２２はフレーム部２１に対してＸ方向へ振動（駆動振動）可能となっている。また、フレーム部２１の外周においてＸ方向にて対向する辺には、フレーム部２１から突出する櫛歯状の櫛歯電極（質量部電極）２４が形成されている。

また、フレーム部２１は、Ｙ方向にて対向する辺の外周において、矩形枠状の検出梁（本発明でいう第１の梁部）２５を介して基部１０に連結されている。この検出梁２５は、図中に示すＹ方向に伸縮可能な弾性機能を有するもので、この検出梁２５によって、錘部２２及びフレーム部２１、即ち質量部２０はＹ方向へ振動（検出振動）可能となっている。

検出部３０は、質量部２０のＸ方向（図中、左右方向）の両側に２個設けられている。各検出部３０は、検出部における質量部としての矩形状の電極錘３１と、この電極錘３１の外周において電極錘３１から突出する櫛歯状の検出電極３２とを有する。ここで、検出部３０における検出電極３２と上記櫛歯電極２４とは、互いの櫛歯の隙間にて噛み合うように、Ｙ方向にて間隔を有して対向して配置されている。

また、電極錘３１は、Ｙ方向にて対向する辺の外周において、矩形枠状の電極梁（本発明でいう第２の梁部）３５を介して基部１０に連結されている。電極梁３５は、図中に示すＹ方向に伸縮可能な弾性機能を有するもので、この電極梁３５によって、電極錘３１（検出部３０）はＹ方向へ振動可能となっている。

また、角速度センサ１００は、錘部２２をＸ方向へ駆動振動させるための駆動手段として、静電気力や電磁力等を用いた励振機構（図示せず）を有している。そして、角速度の検出は、この励振機構により錘部２２を駆動振動させた状態で行われる。質量部２０における錘部２２が、振動梁２３の弾性力（バネ力）と該励振機構の駆動力とによってＸ方向へ駆動振動しているとき、図１中の紙面垂直軸回りに角速度Ωが発生すると、錘部２２にはＹ方向へコリオリ力が作用する。

そして、コリオリ力と検出梁２５のバネ力との釣り合いにより、質量部２０全体がＹ方向へ変位し、Ｙ方向にて対向する櫛歯電極２４と検出電極３２との対向部の間隔が変化する。この間隔の変化量を基部１０に形成された図示しない配線部等を介して、当該両電極２４、３２間の容量変化として検出することにより、上記角速度Ωが検出されるのである。

このように、角速度センサ１００においては、質量部２０、検出部３０は、それぞれ、検出梁２５、電極梁３５のバネ機能によりＹ方向へ振動可能となっているが、さらに、本実施形態では、質量部２０と検出梁２５とにより構成される振動系（質量部振動系）と検出部３０と電極梁３５とにより構成される振動系（検出部振動系）とで、Ｙ方向若しくはＹ方向に成分を持つ加速度（外部加速度）が加わったときに、質量部２０と検出部３０とはＹ方向へ同様に変位するようになっている。

それによって、外部加速度が印加されても、検出部３０はコリオリ力の作用するＹ方向へ質量部２０と同様に変位するから、両部２０、３０の対向部即ち櫛歯電極２４と検出電極３２との対向部における間隔の変化量には、外部加速度の影響は加わってこない。そのため、従来のように、２つの質量部で連成振動系を組む必要がなく、センサの体格を大型化させることなく、外部加速度の影響を受けずに、実質的に角速度に起因するコリオリ力のみが検出可能となる。

次に、外部加速度が加わったときに質量部２０と検出部３０とをＹ方向へ同様に変位させるための質量部振動系及び検出部振動系についての具体的な手段を示す。まず、外部加速度による変位を、質量部２０と検出部３０とで同様にするという面から考えると、次のようになる。

電極錘３１の質量をｍ１、電極梁（第２の梁部）３５のバネ定数をｋ１、錘部２２及びフレーム部２１の質量をｍ２、検出梁（第１の梁部）２５のバネ定数をｋ２とする。なお、検出電極３２の質量、櫛歯電極２４の質量はそれぞれ、質量ｍ１、質量ｍ２に対して実質的に無視できる程度に小さいため、質量ｍ１、質量ｍ２はそれぞれ本発明でいう検出部の質量、本発明でいう質量部の質量に相当する。このようにしたとき、外部加速度Ｇが印加されたときに、質量ｍ１にかかる力Ｆ１、ｍ２にかかる力Ｆ２はそれぞれ、次の数式１のように示される。
（数１）
Ｆ１＝Ｇ１・ｍ１
Ｆ２＝Ｇ２・ｍ２
この力Ｆ１、Ｆ２による電極錘３１の変位量をＡ１、錘部２２及びフレーム部２１の変位量をＡ２とすると、これら変位量Ａ１、Ａ２はそれぞれ、次の数式２のように示される。
（数２）
Ａ１＝Ｆ１／ｋ１
Ａ２＝Ｆ２／ｋ２
これら変位量が外部加速度による力で同じになるように、ｋ１及びｋ２を決めてやる必要があるので、Ａ１＝Ａ２とすると、次の数式３に示される関係が導出される。
（数３）
ｋ１＝ｋ２・ｍ１／ｍ２（これを関係式１とする）
各梁２５、３５のバネ定数を上記関係式１のように定めることによって、外部加速度が加わったときに質量部２０と検出部３０とをＹ方向へ同様に変位させることができ、外部加速度をキャンセルできる。

また、質量部振動系と検出部振動系とで、Ｙ方向（コリオリ力の作用方向）における共振周波数を同一することによっても、外部加速度が加わったときに質量部２０と検出部３０とをＹ方向へ同様に変位させることができ、外部加速度をキャンセルできる。

この共振周波数を一致させるという面から考えると、上記両振動系の構成は次のように具体化できる。なお、以下、電極錘３１の質量ｍ１、電極梁３５のバネ定数ｋ１、錘部２２及びフレーム部２１の質量ｍ２、検出梁２５のバネ定数ｋ２は、上記同様である。

ここで、ω１を電極錘３１の共振周波数（検出部振動系の共振周波数に相当）、ω２を錘部２２及びフレーム部２１の共振周波数（質量部振動系の共振周波数に相当）とすると、各共振周波数ω１、ω２はそれぞれ、次の数式４の様に示される。
（数４）
ω１＝（ｋ１／ｍ１）^1/2
ω２＝（ｋ２／ｍ２）^1/2
ここで、両共振周波数ω１及びω２を一致させるため、ω１＝ω２とすると、次の数式５に示されるように、上記関係式１と同一の関係が得られる。
（数５）
ｋ１＝ｋ２・ｍ１／ｍ２
このように、基部１０と、錘部２２及び櫛歯電極（質量部電極）２４を有する質量部２０と、櫛歯電極２４に間隔を有して対向配置された検出電極３２とを備え、錘部２２の駆動振動中に角速度が発生したとき、該質量部２０に対して作用するコリオリ力により両電極２４、３２の対向間隔を変化させ該変化量に基づいて角速度を検出する角速度センサにおいて、検出電極３２に質量部としての電極錘３１を一体化させ、この電極錘３１を電極梁３５により基部１０に連結し、さらに、上記質量ｍ１及びｍ２、バネ定数ｋ１及びｋ２を上記関係式１のような関係とすることで、本発明の目的に叶う角速度センサを提供することができる。

（他の実施形態）
なお、対向間隔の変化によって容量変化を検出する質量部電極及び検出電極の形状としては、上記の櫛歯状のものに限定されない。また、上記実施形態では、梁２５、３５を用いて、外部加速度が加わったときに、検出部３０と質量部２０とを互いに同様に変位させるようにしたが、梁に限定することなく、何らかのバネ機能を有するバネ部材を用いても良い。

本発明の角速度センサの一実施形態を示す平面図である。 従来の角速度センサを示す平面図である。 連成振動系を採用した従来の角速度センサを示す平面図である。

符号の説明

１０ 基部
２０ 質量部
２２ 錘部
２５ 検出梁
３０ 検出部
３５ 電極梁

Claims (2)

1. 所定方向に駆動振動可能な錘部（２２）を有する質量部（２０）と、前記質量部に間隔を有して対向配置された検出部（３０）とを備え、
   前記錘部の駆動振動中に角速度が発生したとき、前記質量部に対して作用するコリオリ力によって前記質量部と前記検出部との対向部の間隔を変化させ、この変化量に基づいて前記角速度を検出するようにした角速度センサにおいて、
   前記コリオリ力の作用方向に弾性機能を有する部材によって、外部加速度が加わったときに、前記検出部は前記コリオリ力の作用方向へ前記質量部と同様に変位可能となっていることを特徴とする角速度センサ。
2. 前記弾性機能を有する部材は、バネ部材であることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。

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