JP4859649B2

JP4859649B2 - 角速度センサ

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Publication number: JP4859649B2
Application number: JP2006334516A
Authority: JP
Inventors: 康志岡田; 昌大松本; 隆史松村
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-12-12
Also published as: JP2008145338A

Description

本発明は、半導体などで構成された振動式の角速度センサに関する。

従来の半導体などで構成された振動式の角速度センサとしては、基板上から梁により両側から対称に支持された２つの振動子を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この角速度センサでは、これらの振動子を基板表面と水平なＸ軸方向に互いに逆相に振動させられる。そして、外部からの角速度の印加により発生するコリオリ力による基板表面と水平かつＸ軸方向と垂直なＹ軸方向への振動子の検出部分の変位を検出することにより、角速度を検出している。

特開２００２−１８８９２３号公報

ここで、特許文献１記載の角速度センサでは、２つの振動子は、それぞれ、基板上から梁により両側から対称に支持されている。そのため、振動子を支持する梁が、基板からの熱応力により発生する引張り力を受けることになる。その結果、振動子の共振周波数が変化し、角速度の検出精度が低下するという問題があった。

本発明の目的は、振動子を支持する梁が基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度が向上した角速度センサを提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、基板上に弾性的に支持された第１及び第２振動子と、前記第１及び第２振動子を前記基板表面と水平なＸ軸方向に弾性的に連結する弾性連結梁と、前記第１及び第２振動子を前記Ｘ軸方向に互いに逆相に振動させる駆動手段と、前記第１及び第２振動子の検出部分の前記基板表面と水平かつ前記Ｘ軸方向と垂直なＹ軸方向の変位を検出する手段とを備え、前記Ｙ軸方向の変位に基づいて角速度を検出する角速度センサにおいて、前記第１及び第２振動子を構成する四角い枠状のフレームのうち前記Ｘ軸方向に平行な枠から片持ち梁構造で前記第１及び第２振動子をそれぞれ前記Ｘ軸方向に変位し易く、Ｙ軸及びＺ軸方向に変位し難く支持するとともに、前記Ｙ軸方向に沿って設けられている支持梁を備え、前記支持梁の一端がアンカーにより前記基板に支持され、前記第１及び第２振動子は、前記支持梁によって一方から片持ち梁構造で支持されることで、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸から構成される平面内において、振り子状に振動するように支持されるものである。
かかる構成により、振動子を支持する梁が基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度が向上し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記支持梁は、前記第１及び第２振動子をそれぞれ複数箇所で支持するようにしたものである。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記第１振動子を複数箇所で支持する支持梁の長辺は、互いに平行になるように配置され、また、前記第２振動子を複数箇所で支持する支持梁の長辺は、互いに平行になるように配置したものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記支持梁は、前記弾性連結梁の中心部から点対称になるように、前記第１及び第２振動子を支持するように配置したものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記第１及び第２振動子の前記支持梁が設置された一方とは反対側から、前記支持梁よりも前記Ｘ軸、前記Ｙ軸及び前記基板表面と垂直なＺ軸方向に変位し易く、前記第１及び第２振動子を支持する補助梁を備えるようにしたものである。

（６）上記（１）において、好ましくは、前記第１及び第２振動子を前記Ｘ軸方向に振動させることに起因する、前記第１及び第２振動子の検出部分の前記Ｙ軸方向への振動成分と、前記第１及び第２駆動体の検出部分の角速度による前記Ｙ軸方向への振動成分を、周波数によって区別して検出する検出回路を備えるようにしたものである。

（７）上記（６）において、好ましくは、前記検出回路は、前記第１及び第２振動子を前記Ｘ軸方向に振動させることに起因する、前記第１及び第２振動子の検出部分の前記Ｙ軸方向への振動成分を、前記第１及び第２振動子を前記基板表面と水平なＸ軸方向に互いに逆相に振動させる周波数の２倍で同期検波する第１の検波回路と、前記第１及び第２振動子の検出部分の前記角速度による前記Ｙ軸方向への振動成分を、前記第１及び第２振動子を前記基板表面と水平なＸ軸方向に互いに逆相に振動させる周波数で同期検波する第２の検波回路とからなる。

（８）上記（７）において、好ましくは、前記第１及び第２振動子の検出部分の前記Ｙ軸方向の変位を検出する手段により、前記第１及び第２振動子の前記Ｘ軸方向への変位を検出するようにしたものである。

（９）上記（７）において、好ましくは、前記第１及び第２振動子の検出部分の前記Ｙ軸方向の変位を検出する手段により検出される前記第１及び第２振動子の前記Ｘ軸方向への変位が、予め決められた値になるように、前記第１及び第２振動子を振動させる駆動手段を備えるようにしたものである。

（１０）上記（９）において、好ましくは、前記駆動手段は、前記第１及び第２振動子に静電気力を働かせ、前記第１及び前記第２振動子を前記Ｘ軸方向に互いに逆相に振動させる静電気力発生手段であり、前記第１及び第２振動子の検出部分の前記Ｙ軸方向の変位を検出する手段が、前記第１及び第２駆動体の検出部分の前記Ｙ軸方向の変位を静電容量の変化として検出する静電容量検出手段である。

本発明によれば、振動子を支持する梁が基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度が向上するものとなる。

以下、図面を用いて、本発明の各実施形態について説明する。本発明の各実施形態は、次の４つの特徴を有するものである。

（１）振動子を支持する梁が、基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度を向上させることができる。

（２）振動子をＸ軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する振動子の検出部分のＹ軸方向への振動成分と、角速度による振動子の検出部分のＹ軸方向への振動成分を、周波数によって区別して検出することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。

（３）振動子の検出部分のＹ軸方向の変位を検出する手段により、振動子のＸ軸方向の変位も検出し、電極数を少なくし、チップ面積を小さくできる。

（４）振動子の検出部分のＹ軸方向の変位を検出する手段により、振動子のＸ軸方向の変位も検出し、振動子のＸ軸方向への変位が予め決められた値になるように振動子を振動させ、角速度の検出精度を向上させることができる。

以下、図１〜図５を用いて、本発明の第１の実施形態による角速度センサの構成及び動作について説明する。
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による角速度センサの構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による角速度センサの構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面図である。

図２に示すように、検出素子１は、シリコン層２と、絶縁層３と、シリコン基板４と、ガラス基板５とから構成される。ここで、シリコン層２と、絶縁層３と、シリコン基板４とにより、ＳＯＩ基板が構成される。ＳＯＩ基板のシリコン層２に、図１を用いて説明するように、可動部と固定部が形成される。凹部を持つガラス基板５は、シリコン層２にアノーディックボンディング等によって貼り付けられる。

なお、図１及び図２において、シリコン基板４の表面と水平な一方向をＸ軸、シリコン基板４の表面と水平かつＸ軸と垂直な方向をＹ軸、シリコン基板４と垂直な方向をＺ軸と表記する。

図１に示すように、検出素子１は、第１〜第４静電気力発生手段６，７，８，９と、第１及び第２振動子１０，１１と、弾性連結梁１２と、第１〜第４静電容量検出手段１３，１４，１５，１６と、第１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０と、枠部２１とから構成される。

弾性連結梁１２は、第１及び第２振動子１０，１１を弾性的に連結する。第１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０は、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に変位し易く、Ｙ軸及びＺ軸に変位し難く支持する。枠部２１は、上記の各構成の外周部に設置され、ガラス基板５と接着される。

以下、各々の構成について説明する。

第１静電気力発生手段６は、フレーム６ａと、櫛歯電極６ｂと、パッド６ｃとから構成される。フレーム６ａは、シリコン基板４に固定されている。櫛歯電極６ｂは、フレーム６ａと第１振動子１０に各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド６ｃは、フレーム６ａから電気的接続を取り出すために設けられている。

第２静電気力発生手段７は、フレーム７ａと、櫛歯電極７ｂと、パッド７ｃとから構成される。フレーム７ａは、シリコン基板４に固定されている。櫛歯電極７ｂは、フレーム７ａと第１振動子１０に各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド７ｃは、フレーム７ａから電気的接続を取り出すために設けられている。

第３静電気力発生手段８は、フレーム８ａと、櫛歯電極８ｂと、パッド８ｃとから構成される。フレーム８ａは、シリコン基板４に固定されている。櫛歯電極８ｂは、フレーム８ａと第２振動子１１に各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド８ｃは、フレーム８ａから電気的接続を取り出すために設けられている。

第４静電気力発生手段９は、フレーム９ａと、櫛歯電極９ｂと、パッド９ｃとから構成される。フレーム９ａは、シリコン基板４に固定されている。櫛歯電極９ｂは、フレーム９ａと第２振動子１１に各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド９ｃは、フレーム９ａから電気的接続を取り出すために設けられている。

次に、第１振動子１０は、フレーム１０ａと、検出部分１０ｂと、連結梁１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆとから構成される。フレーム１０ａは、シリコン基板４から浮いた状態で配置されている。検出部分１０ｂは、フレーム１０ａの内側にシリコン基板４から浮いた状態で配置されている。連結梁１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆは、フレーム１０ａに対して、検出部分１０ｂがＹ軸方向に変位し易く、かつＸ軸及びＺ軸方向に変位し難い状態で、検出部分１０ｂを支持する。なお、連結梁１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆは、フレーム１０ａに対して検出部分１０ｂがＸ軸及びＺ軸方向に変位し難くなるように検出部分１０ｂの片側にそれぞれ２本づつ合計４本配置している。

第２振動子１１は、フレーム１１ａと、検出部分１１ｂと、連結梁１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆとから構成される。フレーム１１ａは、シリコン基板４から浮いた状態で配置されている。検出部分１１ｂは、フレーム１１ａの内側にシリコン基板４から浮いた状態で配置されている。連結梁１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆは、フレーム１１ａに対して、検出部分１１ｂがＹ軸方向に変位し易く、かつＸ軸及びＺ軸方向に変位し難い状態で、検出部分１１ｂを支持する。なお、連結梁１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆは、フレーム１１ａに対して検出部分１１ｂがＸ軸及びＺ軸方向に変位し難くなるように検出部分１１ｂの片側にそれぞれ２本づつ合計４本配置している。

次に、弾性連結梁１２は、連結梁１２ａ，１２ｂから構成される。連結梁１２ａ，１２ｂは、第１振動子１０のフレーム１０ａと第２振動子１１のフレーム１１ｂを互いにＸ軸方向に変位し易く、Ｙ軸及びＺ軸方向に変位し難く連結している。

次に、第１静電容量検出手段１３は、フレーム１３ａと、平行平板電極１３ｂと、パッド１３ｃとから構成される。フレーム１３ａは、シリコン基板４に固定されている。平行平板電極１３ｂは、フレーム１３ａと第１振動子１０の検出部分１０ｂに各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド１３ｃは、フレーム１３ａから電気的接続を取り出すために用いられる。

第２静電容量検出手段１４は、フレーム１４ａと、平行平板電極１４ｂとパッド１４ｃとから構成される。フレーム１４ａは、シリコン基板４に固定されている。平行平板電極１４ｂは、フレーム１４ａと第１振動子１０の検出部分１０ｂに各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド１４ｃは、フレーム１４ａから電気的接続を取り出すために用いられる。

なお、第１及び第２静電容量検出手段１３，１４の平行平板電極１３ｂ，１４ｂの容量は、第１振動子１０の検出部分１０ｂが変位したとき、互いに逆相の変化をするように配置される。

第３静電容量検出手段１５は、フレーム１５ａと、平行平板電極１５ｂと、パッド１５ｃとから構成される。フレーム１５ａは、シリコン基板４に固定されている。平行平板電極１５ｂは、フレーム１５ａと第２振動子１１の検出部分１０ｂに各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド１５ｃは、フレーム１５ａから電気的接続を取り出すために用いられる。

第４静電容量検出手段１６は、フレーム１６ａと、平行平板電極１６ｂとパッド１６ｃとから構成される。フレーム１６ａは、シリコン基板４に固定されている。平行平板電極１６ｂは、フレーム１６ａと第２振動子１１の検出部分１０ｂに各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド１６ｃは、フレーム１６ａから電気的接続を取り出すために用いられる。

なお、第３及び第４静電容量検出手段１５，１６の平行平板電極１５ｂ，１６ｂの容量は、第２振動子１１の検出部分１１ｂが変位したとき、互いに逆相の変化をするように配置される。

次に、第１支持梁１７は、支持梁１７ａと、アンカー部１７ｂと、パッド１７ｃとから構成される。支持梁１７ａは、第１振動子１０のフレーム１０ａをＸ軸方向に変位し易く、Ｙ軸及びＺ軸方向に変位し難く支持する。アンカー部１７ｂは、支持梁１７ａをシリコン基板４に固定する。パッド１７ｃは、アンカー部１７ｂから電気的接続を取り出すために用いられる。

第２支持梁１８は、支持梁１８ａと、アンカー部１８ｂと、パッド１８ｃとから構成される。支持梁１８ａは、第１振動子１０のフレーム１０ａをＸ軸方向に変位し易く、Ｙ軸及びＺ軸方向に変位し難く支持する。アンカー部１８ｂは、支持梁１８ａをシリコン基板４に固定する。パッド１８ｃは、アンカー部１８ｂから電気的接続を取り出すために用いられる。

なお、第１及び第２支持梁１７，１８は、第１振動子１０のフレーム１０ａがＸ軸及びＹ軸から構成される平面及びＸ軸及びＺ軸から構成される平面において回転しないように、第１振動子１０の四角形状のフレーム１０ａの一辺の両端に１本ずつ合計２本配置している。

また、第１及び第２支持梁１７，１８は、第１振動子１０のフレーム１０ａがＸ軸及びＹ軸から構成される平面において回転しないように、第１振動子１０のフレーム１０ａから第１及び第２支持梁１７，１８の長辺が互いに平行になるように配置している。

第３支持梁１９は、支持梁１９ａと、アンカー部１９ｂと、パッド１９ｃとから構成される。支持梁１９ａは、第１振動子１０のフレーム１０ａをＸ軸方向に変位し易く、Ｙ軸及びＺ軸方向に変位し難く支持する。アンカー部１９ｂは、支持梁１９ａをシリコン基板４に固定する。パッド１９ｃは、アンカー部１９ｂから電気的接続を取り出すために用いられる。

第４支持梁２０は、支持梁２０ａと、アンカー部２０ｂと、パッド２０ｃとから構成される。支持梁２０ａは、第１振動子１０のフレーム１０ａをＸ軸方向に変位し易く、Ｙ軸及びＺ軸方向に変位し難く支持する。アンカー部２０ｂは、支持梁２０ａをシリコン基板４に固定する。パッド２０ｃは、アンカー部２０ｂから電気的接続を取り出すために用いられる。

なお、第３及び第４支持梁１９，２０は、第２振動子１１のフレーム１１ａがＸ軸及びＹ軸から構成される平面及びＸ軸及びＺ軸から構成される平面において回転しないように、第２振動子１１のフレーム１１ａの両端に１本ずつ合計２本配置している。

また、第３及び第４支持梁１９，２０は、第２振動子１１のフレーム１１ａがＸ軸及びＹ軸から構成される平面において回転しないように、第２振動子１１のフレーム１１ａから第３及び第４支持梁１９，２０の長辺が互いに平行になるように配置している。

また、図２に示すように、パッド７ｃ，８ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃは、ガラス基板５に空けられたスルーホールを介して電気配線がガラス基板５の外に引き出せるようにしている。この様にパッド７ｃ，８ｃ，１３ｃ，１４ｃ，１５ｃ，１６ｃの電気接続をガラス基板５を介して取り出すことで、第１及び第２振動子１０，１１のフレーム１０ａ，１１ａと、連結梁１０ｃ，…，１０ｆ，１１ｃ，…，１１ｆ及び弾性連結梁１２に配線の引き出し部としての切り欠きを設ける必要が無くなり、第１及び第２振動子１０，１１の剛性を高めることで、不要な振動モードを低減できるようにしている。

次に、図１〜図３を用いて、本実施形態である角速度センサの第１の特徴について説明する。
図３（Ａ）は、本発明の第１の実施形態の角速度センサの検出素子１のＢ−Ｂ‘の断面図を模擬的に表す図である。図３（Ｂ）は、特開２００２−１８８９２３号公報等に開示されている従来の振動子２３が基板上から梁２２，２４などによって両側から対称に支持された角速度センサの検出素子の断面図を模擬的に表す図である。

（１）第１及び第２振動子１０，１１をそれぞれ支持する支持梁１７，１８及び支持梁１９，２０が、シリコン基板４からの熱応力により発生する引張り力を受け、第１及び第２振動子１０，１１の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度を向上させる。

自動車における角速度センサは、寒冷地から砂漠地帯まで使用され、また、エンジンからの放射熱を受けるため、本実施形態の角速度センサを自動車用として使用するためには、−４０℃から＋１３０℃の広い温度範囲で正常に動作する必要がある。

本実施形態の角速度センサを高温下あるいは低温下で使用する場合、図１〜図３では示していない外部から検出素子１を支持するフレームとシリコン基板４の熱膨張係数差から、図３に示すようにシリコン基板４にそりが生じる。

図３（Ｂ）に示すように、従来の角速度センサでは、振動子１０は基板上から梁１７，２２などによって両側から対称に支持されている。ここで、シリコン基板４にそりが生じたとき、振動子１０を両側から対称に支持する梁１７，２２にシリコン基板４からの熱応力により発生する引張り力が加わる。これにより、振動子１０を両側から対称に支持する梁１７，２２のばね定数が変わり、振動子１０のＸ軸方向への共振周波数が変わり、角速度の検出精度が低下する。

一方、図３（Ａ）に示すように、本実施形態の角速度センサは、第１及び第２振動子１０，１１が基板上から支持梁１７，１８，１９，２０によって一方から片持ち梁構造で支持されている。ここで、シリコン基板４にそりが生じたとき、第１及び第２振動子１０，１１を一方から片持ち梁構造で支持する支持梁１７，１８，１９，２０にはシリコン基板４からの熱応力により発生する引張り力は加わらない。したがって、第１及び第２振動子１０，１１を一方から片持ち梁構造で支持する支持梁１７，１８，１９，２０のばね定数は変わらず、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸及びＹ軸から構成される平面での共振周波数は変わらないので、角速度の検出精度を向上させることができる。

次に、図４及び図５を用いて、本実施形態である角速度センサの第２の特徴について説明する。
図４（Ａ）は、本発明の第１の実施形態の角速度センサの第１及び第２振動子１０，１１の振動方向を模擬的に表す図である。図４（Ｂ）は、特開２００２−１８８９２３号公報等に開示されている従来の振動子が基板上から梁などによって両側から対称に支持された角速度センサの振動子の振動方向を模擬的に表す図ある。図５は、本発明の第１の実施形態による角速度センサの駆動回路である。

（２）第１及び第２振動子１０、１１をＸ軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する第１及び第２振動子の検出部分１０ｂ、１１ｂのＹ軸方向への振動成分と、角速度による第１及び第２振動子１０、１１の検出部分１０２、１１２のＹ軸方向への振動成分を周波数によって区別して検出することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。

図４（Ｂ）に示すように、従来の角速度センサでは、振動子が基板上から梁などによって両側から対称に支持されている。すなわち、第１及び第２振動子１０，１１は基板上から支持梁１７，１８，１９，２０，２２，２３，２４，２５によって両側から対称に支持されている。一方、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に互いに逆相に振動させる駆動手段では、その振動にばらつきがあり、また、支持梁１７，１８，１９，２０及び２２，２３，２４，２５の加工上のばらつき等がある。したがって、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に互いに逆相に振動させる駆動手段により、Ｘ軸方向に振動させたとき、第１及び第２振動子１０，１１は、図４（Ｂ）に示したように、Ｘ軸及びＹ軸から構成される平面において直線的もしくは楕円状に振動する。

このとき、第１及び第２振動子１０，１１の検出部分の直線もしくは楕円振動のＸ軸方向への振動成分の周波数をｆ１とすると、第１及び第２振動子１０，１１の検出部分の直線もしくは楕円振動のＹ軸方向への振動成分の周波数はｆ１になる。また、第１及び第２振動子１０，１１の検出部分の角速度によるＹ軸方向への振動成分の周波数はｆ１になる。

したがって、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する第１及び第２振動子１０，１１の検出部分のＹ軸方向への振動成分と角速度による第１及び第２振動子１０，１１の検出部分のＹ軸方向への振動成分を区別することができず、角速度の検出誤差になる。

一方、図４（Ａ）に示すように、本実施形態の角速度センサでは、第１及び第２振動子１０，１１が基板上から支持梁１７，１８，１９，２０によって一方から片持ち梁構造で支持されている。第１及び第２振動子１０，１１をそれぞれ第１及び第２静電気力発生手段６，７と第３及び第４静電気力発生手段８，９により振動させたとき、第１及び第２振動子１０，１１は、基板上から支持梁１７，１８，１９，２０によって一方から片持ち梁構造で支持されているため、第１及び第２振動子１０，１１は、図４（Ａ）に示したように、Ｘ軸及びＹ軸から構成される平面において振り子状に振動する。

このとき、第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂの振り子振動のＸ軸方向への振動成分の周波数をｆ１とすると、第１及び第２振動子１０、１１の検出部分１０ｂ，１１ｂの振り子振動のＹ軸方向への振動成分の周波数は２×ｆ１になる。また、第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂの角速度によるＹ軸方向への振動成分の周波数はｆ１になる。

したがって、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂのＹ軸方向への振動成分と角速度による第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂのＹ軸方向への振動成分を周波数によって区別することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。

次に、図５を用いて、本実施形態である角速度センサの駆動回路の構成を説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態である角速度センサの駆動回路の回路図である。なお、図５では、検出素子１の第１〜第４静電気力発生手段６，７，８，９と、第１〜第４静電容量検出手段１３，１４，１５，１６を便宜上コンデンサの電気記号として表記している。

発振器３１ａは、周波数ｆ２の発振波形を発生し、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６に電圧を印加する。反転器３１ｂは、発振器３１ａの信号を反転して、第２及び第３静電容量検出手段１４，１５に電圧を印加する。Ｃ／Ｖ変換器３２は、第１〜第４静電気力発生手段６，７，８，９と第１〜第４静電容量検出手段１３，１４，１５，１６により構成されるコンデンサの共通端子の電位を一定に保つと共に、第１〜第４静電気力発生手段６，７，８，９と第１〜第４静電容量検出手段１３，１４，１５，１６に電圧を印加することによって生じる電荷を電圧に変換する。乗算器３３ａは、Ｃ／Ｖ変換器３２の出力と周波数ｆ２の信号で乗算する。ＬＰＦ３３ｂは、乗算器３３ａの出力から高周波成分を除去する。

乗算器３４ａは、ＬＰＦ３３ｂの出力と周波数ｆ１の信号で乗算する。ＬＰＦ３４ｂは、乗算器３４ａの出力の高周波成分を除去する。乗算器３５ａは、ＬＰＦ３３ｂの出力と周波数２×ｆ１の信号で乗算する。ＬＰＦ３５ｂは、乗算器３５ａの出力の高周波成分を除去する。

加減算器３７ａは、ＬＰＦ３５ｂの出力に予め決められた基準電圧ＶＲを減算する。増幅器３７ｂは、加減算器３７ａの出力を増幅して第１及び第２振動子１０、１１のＸ軸方向の変位に応じた信号を出力する。乗算器３７ｃは、増幅器３７ｂの出力と周波数ｆ１の信号で乗算する。加算器３７ｄは、乗算器３７ｃの出力にバイアス電圧ＶＢを加算して第１及び第４静電気力発生手段６，９に電圧を印加する。反転器３７ｅは、乗算器３７ｃの出力を反転する。加算器３７ｆは、反転器３７ｅの出力にバイアス電圧ＶＢを加算して第２及び第３静電気力発生手段７，８に電圧を印加する。

発振器３８ａは、周波数２×ｆ１の発振波形を発生し、乗算器３５ａに電圧を印加する。分周器３８ｂは、発振器３８ａの出力を１／２分周し、周波数ｆ１の発振波形を発生し、乗算器３４ａ，３７ｃに電圧を印加する。基準電源３９ａは、基準電圧ＶＲを発生し、加減算器３７ａに印加する。バイアス電源３９ｂは、バイアス電圧ＶＢを発生し、加算器３７ｄ，３７ｆに印加する。

以下、本駆動回路の動作を説明する。そして、本発明の第１の実施形態である角速度センサの第３及び第４の特徴を説明する。

（３）第１及び第２振動子１０、１１の検出部分１０２，１１２のＹ軸方向の変位を検出する第１及び第２静電容量検出手段１３，１４と第３及び第４静電容量検出手段１５，１６により、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位も検出し、チップ面積を小さくすることができる。

（４）第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０２，１１２のＹ軸方向の変位を検出する第１及び第２静電容量検出手段１３，１４と第３及び第４静電容量検出手段１５，１６により、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位も検出し、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向への変位が予め決められた値になるように第１及び第２振動子１０，１１を振動させ、角速度の検出精度を向上させることができる。

まず、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂのＹ軸方向への振動成分の検出動作，すなわち、第３の特徴について説明する。

角速度以外により発生する第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂのＹ軸方向への振動成分の検出は、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の静電容量の差分信号を検出して、この差分信号の２×ｆ１の成分を検出することで実現できる。

本駆動回路では、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の静電容量の差分信号を検出するために、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５に周波数ｆ２の各々反転した信号を印加して、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の差分に依存した電荷をＣ／Ｖ変換器３２に流している。

この時、周波数ｆ２は、周波数ｆ１よりも十分高い周波数にして、Ｃ／Ｖ変換器３２のゲインの高い周波数域を利用している。

こうすることで、Ｃ／Ｖ変換器３２の出力に周波数ｆ２の周波数成分を持ち、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の静電容量の差分に依存した電圧波形が現れる。

この電圧波形を乗算器３３ａで周波数ｆ２の信号と乗算してＬＰＦ３３ｂで高周波成分を除去することで、Ｃ／Ｖ変換器３２の出力電圧の周波数ｆ２の信号成分を抽出することで、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の静電容量の差分信号を検出する。

そして、この検出信号を乗算器３５ａで周波数２×ｆ１の信号と乗算してＬＰＦ３５ｂで高周波成分を除去することで、この検出信号の周波数２×ｆ１の信号成分を抽出して、角速度以外により発生する第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂのＹ軸方向への振動成分に応じた信号を得る。

以上により、第３の特徴である、Ｙ軸方向の変位を検出する第１及び第２静電容量検出手段１３，１４と第３及び第４静電容量検出手段１５，１６により、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位も検出することができる。従来の角速度センサでは、例えば、特開２００２−１８８９２３号公報のものでは、図１に示すモニタ電極５２という専用のＸ軸方向の変位を検出するセンサにより、Ｘ軸方向の変位を検出している。それに対して、本実施形態では、専用のＸ軸方向の変位を検出するセンサ部を不要として、チップ面積を小さくすることができる。

次に、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位の検出動作について説明する。

第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位の検出は、第１及び第２静電気力発生手段６，７と第３及び第４静電気力発生手段８，９により行うこともできるが、第１及び第２静電気力発生手段６，７と第３及び第４静電気力発生手段８，９は大きな静電気力を発生させるために静電容量が大きく、第１及び第２静電気力発生手段６，７と第３及び第４静電気力発生手段８，９に電圧を印加するとＣ／Ｖ変換器３２が飽和することがある。

また、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位を検出するために、第１及び第２静電容量検出手段１３，１４と第３及び第４静電容量検出手段１５，１６とは別に、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位を検出する静電容量検出手段を第１及び第２振動子１０，１１のフレーム１０ａ，１１ａに設けることもできるが、チップ面積を大きくする必要が生じる。

そこで、本実施形態の角速度センサでは、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位を第１及び第２静電容量検出手段１３，１４と第３及び第４静電容量検出手段１５，１６により検出する手法を採用している。

第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位は、第１及び第２振動子１０，１１がＸ軸とＹ軸から構成される平面において振り子状に振動するため、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂのＹ軸方向への変位に依存する。

したがって、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に振動させることに起因する第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂのＹ軸方向への変位から第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位を検出することができる。

次に、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位を予め決められた値になるように第１及び第２振動子１０，１１を振動させる駆動力サーボ動作について説明する。

本実施形態の駆動回路では、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の静電容量との差分信号が一定になるように、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に振動させることに起因する第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂのＹ軸方向への振動成分を用いて、第１及び第２静電気力発生手段６，７と第３及び第４静電気力発生手段８，９に電圧を印加する手法を採用している。

本実施形態の駆動回路では、ＬＰＦ３５ｂの出力には、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に振動させることに起因する第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂのＹ軸方向への変位に依存した電圧が検出される。

そして、この検出電圧に予め決められた基準電圧ＶＲを加減算器３７ａで減算する。基準電圧ＶＲが、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位を予め決められた値とする基準電圧である。第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向の変位は、この基準電圧ＶＲとなるように、サーボ動作される。

加減算器３７ａの出力は増幅器３７ｂで増幅され、増幅器３７ｂの出力に乗算器３７ｃで周波数ｆ１の信号と乗算する。乗算器３７ｃの出力にバイアス電圧ＶＢを加算器３７ｄで加算して、第１及び第４静電気力発生手段６，９に印加することにより、第１及び第４静電気力発生手段６，９に静電気力を発生させて第１及び第２振動子１０，１１を周波数ｆ１で両側から引っ張る。

また、第２及び第３静電気力発生手段７，８には、乗算器３７ｃの出力を反転器３７ｅで反転し、反転器３７ｅの出力にバイアス電圧ＶＢを加算器３７ｆで加算した信号を印加する。これにより、第２及び第３静電気力発生手段７，８に静電気力を発生させて第１及び第２振動子１０，１１を周波数ｆ１で両側から引き込む。

このとき、周波数ｆ１は第１及び第２振動子１０，１１の逆相振動の共振周波数に合わせ、第１及び第２振動子１０，１１が大きく逆相に振動するようにしている。

こうすることで、第１及び第４静電気力発生手段６，９と第２及び第３静電気力発生手段７，８から第１及び第２振動子１０，１１に静電気力を働かせて、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の静電容量の差分が一定になるようにする。

つまり、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に振動させることに起因する第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂのＹ軸方向への変位を一定に保ち、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向への振動の振幅を一定に保つことができる。

これにより、本角速度センサに外部からの振動が加わっても、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸方向への変位が予め決められた値になるように第１及び第２振動子１０，１１を振動させ、第４の特徴のように、角速度の検出精度を向上させることができる。

次に、角速度の検出動作について説明する。

角速度の検出は、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の静電容量の差分信号を検出して、この差分信号の周波数ｆ１の成分を検出することで実現できる。

本実施形態の駆動回路では、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の静電容量の差分信号を検出するために、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５に周波数ｆ２の各々反転した信号を印加して、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の静電容量の差分に依存した電荷をＣ／Ｖ変換器３２に流している。

こうすることで、Ｃ／Ｖ変換器３２の出力に周波数ｆ２の周波数成分を持ち、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の静電容量との差分に依存した電圧波形が現れる。

この電圧波形を乗算器３３ａで周波数ｆ２の信号と乗算してＬＰＦ３３ｂで高周波成分を除去し、Ｃ／Ｖ変換器３２の出力電圧の周波数ｆ２の信号成分を抽出することで、第１及び第４静電容量検出手段１３，１６の静電容量と第２及び第３静電容量検出手段１４，１５の静電容量の差分信号を検出する。

そして、この検出信号を乗算器３４ａで周波数ｆ１の信号と乗算してＬＰＦ３４ｂで高周波成分を除去することで、この検出信号の周波数ｆ１の信号成分を抽出して、角速度に応じた信号を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、（１）振動子を支持する梁が、基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度を向上させることができる。

（２）また、振動子をＸ軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する振動子の検出部分のＹ軸方向への振動成分と、角速度による振動子の検出部分のＹ軸方向への振動成分を、周波数によって区別して検出することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。

（３）さらに、振動子の検出部分のＹ軸方向の変位を検出する手段により、振動子のＸ軸方向の変位も検出し、電極数を少なくし、チップ面積を小さくできる。

（４）また、振動子の検出部分のＹ軸方向の変位を検出する手段により、振動子のＸ軸方向の変位も検出し、振動子のＸ軸方向への変位が予め決められた値になるように振動子を振動させ、角速度の検出精度を向上させることができる。

次に、図６を用いて、本発明の第２の実施形態による角速度センサの構成について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態の角速度センサの検出素子の平面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。また、図６の断面構成は、図２に示したものと同様である。さらに、駆動回路の構成は、図５に示したものと同様である。

本実施形態では、角速度センサの検出部１Ａは、図１に示した第１の実施形態における、角速度センサの検出部１の第１及び第２振動子１０，１１を基板上から支持する手段の構成を変更したものである。

本実施形態の角速度センサの検出部１Ａの第１及び第２振動子１０，１１を基板上から支持する手段は、図１と同様な第１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０に加えて、第１及び第２補助梁４１，４２である。第１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０は、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に変位し易く、Ｙ軸及びＺ軸方向に変位し難く支持する。第１及び第２補助梁４１，４２は、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向に変位し易く支持する。ここで、第１及び第２補助梁４１，４２のＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向のばね定数は、１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０のＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向のばね定数よりも小さく設定されている。

以下、各々の構成について説明する。

第１補助梁４１は、支持梁４１ａと、支持梁４１ｂと、アンカー部４１ｃ，４１ｄから構成される。支持梁４１ａは、第１振動子１０のフレーム１０ａをＸ軸とＺ軸方向に変位し易く支持する。支持梁４１ｂは、支持梁４１ａからＸ軸方向に対称に連結され、第１振動子１０のフレーム１０ａをＹ軸とＺ軸方向に変位し易く支持する。アンカー部４１ｃ，４１ｄは、支持梁４１ｂを両側からシリコン基板４に固定する。

第２補助梁４２は、支持梁４２ａと、支持梁４２ｂと、アンカー部４２ｃ，４２ｄから構成される。支持梁４２ａは、第２振動子１１のフレーム１０ａをＸ軸とＺ軸方向に変位し易く支持する。支持梁４２ｂは、支持梁４２ａからＸ軸方向に対称に連結され、第２振動子１１のフレーム１１ａをＹ軸とＺ軸方向に変位し易く支持する。アンカー部４２ｃ，４２ｄは、支持梁４２ｂを両側からシリコン基板４に固定する。

第１及び第２振動子１０，１１は、基板上から第１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０と、第１及び第２補助梁４１，４２とによって支持されているので、第１及び第２振動子１０，１１のＺ軸方向への剛性が大きくなる。

次に、本角速度センサを高温下あるいは低温下で使用する場合、図６では示していない外部から検出素子１を支持するフレームとシリコン基板４の熱膨張係数差からシリコン基板４にそりが生じ、第１〜第４支持梁１７〜２０と第１及び第２補助梁４１，４２にシリコン基板４からの熱応力により発生する引張り力が加わる。

ここで、第１及び第２補助梁４１，４２のＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向のばね定数は、１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０のＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向のばね定数よりも小さく設定されているので、シリコン基板４からの熱応力により発生する引張り力は、第１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０よりも、第１及び第２補助梁４１，４２に大きく加わる。そのため、第１及び第２補助梁４１，４２のばね定数は変わるが、第１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０のばね定数は変わらないものである。

また、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸及びＹ軸から構成される平面での共振周波数は、それぞれ第１及び第２振動子１０，１１の質量と、第１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０のバネ定数により決定される。シリコン基板４からの熱応力により引張り力が発生した場合でも、第１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０のバネ定数は変わらないため、第１及び第２振動子１０，１１のＸ軸及びＹ軸から構成される平面での共振周波数は変わらないので、角速度の検出精度を向上させることができる。

次に、第１及び第２振動子１０，１１を、それぞれ第１及び第２静電気力発生手段６，７と第３及び第４静電気力発生手段８，９により振動させたとき、第１及び第２支持梁１７，１８よりも第１補助梁４１の方がＸ軸及びＹ軸方向に変位し易く、第３及び第４支持梁１９，２０よりも第２補助梁４２の方がＸ軸及びＹ軸方向に変位し易いため、第１及び第２振動子１０，１１はそれぞれＸ軸とＹ軸から構成される平面において振り子状に振動する。

このとき、第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂの振り子振動のＸ軸方向への振動成分の周波数をｆ１とすると、第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂの振り子振動のＹ軸方向への振動成分の周波数は２×ｆ１となる。

また、第１及び第２振動子１０，１１の検出部分１０ｂ，１１ｂの角速度によるＹ軸方向への振動成分の周波数はｆ１となる。

（５）さらに、第１及び第２振動子１０，１１のＺ軸方向への剛性が大きくすることができる。

次に、図７を用いて、本発明の第３の実施形態による角速度センサの構成について説明する。
図７は、本発明の第３の実施形態の角速度センサの検出素子の平面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。また、図７の断面構成は、図２に示したものと同様である。さらに、駆動回路の構成は、図５に示したものと同様である。

本実施形態では、角速度センサの検出部１Ｂは、図１に示した実施形態の角速度センサの検出部１の第１及び第２振動子１０，１１を基板上から支持する手段の構成を変更したものである。

第３の実施形態の角速度センサの検出部１の第１及び第２振動子１０，１１を基板上から支持する手段は、第１〜第４支持梁１７，１８，１９’，２０’により構成される。第１〜第４支持梁１７，１８，１９’，２０’は、それぞれ、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に変位し易く、Ｙ軸及びＺ軸方向に変位し難く支持する。ここで、第１及び第２支持梁１７，１８と第３及び第４支持梁１９’，２０’は、互いに弾性連結梁１２の中心部から点対称になるように配置される。

前述したように、第１及び第２振動子１０，１１をそれぞれ支持する第１及び第２支持梁１７，１８と第３及び第４支持梁１９’，２０’は互いに弾性連結梁１２の中心部から点対称になるように配置されている。したがって、第１及び第２振動子１０，１１を、それぞれ第１及び第２静電気力発生手段６，７と第３及び第４静電気力発生手段８，９により振動させたとき、第１及び第２振動子１０，１１はＸ軸とＹ軸から構成される平面において互いに弾性連結梁１２の中心部から点対称に振り子状に振動する。

したがって、第１及び第２振動子１０，１１の運動量とエネルギーの総和は０となり、検出素子１からシリコン基板４と図６では示していない外部から検出素子１を支持するフレームを通して漏れる運動量とエネルギーは０となり、第１及び第２振動子１０，１１の振動が、外部に漏れることを防止できる。その結果、第１及び第２振動子１０，１１を安定してＸ軸とＹ軸から構成される平面において振り子状に振動させることができるので、角速度の検出精度を向上させることができる。

（５）さらに、第１及び第２振動子１０，１１の振動を、外部に漏れるのを防止できる。

次に、図８を用いて、参考例の角速度センサの構成について説明する。
図８は、参考例の角速度センサの検出素子の平面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。また、図８の断面構成は、図２に示したものと同様である。さらに、駆動回路の構成は、図５に示したものと同様である。

本実施形態では、角速度センサの検出部１Ｃは、図１に示した実施形態の角速度センサの検出部１の第１及び第２振動子１０，１１を基板上から支持する手段の構成を変更したものである。

本実施形態の角速度センサの検出部１Ｃの第１及び第２振動子１０，１１を基板上から支持する手段は、第１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０により構成される。第１〜第４支持梁１７，１８，１９，２０は、第１及び第２振動子１０，１１をＸ軸方向に変位し易く、Ｙ軸及びＺ軸方向に変位し難く支持する。第１及び第２支持梁１７，１８と第３及び第４支持梁１９’，２０は互いに弾性連結梁１２の中心部から点対称、かつＸ軸について対向するように配置される。

すなわち、図１と比較すると理解されるように、図１では、第１の振動子１０の短辺と、第２の振動子１１の短辺同士を、弾性連結梁１２で連結しているのに対して、本実施形態では、第１の振動子１０の短辺と、第２の振動子１１の長辺同士を、弾性連結梁１２’で連結している
前述したように、第１及び第２振動子１０，１１をそれぞれ支持する第１及び第２支持梁１７，１８と第３及び第４支持梁１９，２０は互いに弾性連結梁１２の中心部から点対称になるように配置されている。その結果、第１及び第２振動子１０，１１をそれぞれ第１及び第２静電気力発生手段６，７と第３及び第４静電気力発生手段８，９により振動させたとき、第１及び第２振動子１０，１１はＸ軸とＹ軸から構成される平面において互いに弾性連結梁１２’の中心部から点対称に振り子状に振動する。

なお、本発明の各実施形態の角速度センサは、自動車の横滑り制御、追突検知、横転検知、また、ナビゲーションシステムに利用される車両の進行方向検知などに用いられる。

本発明の第１の実施形態による角速度センサの構成を示す平面図である。図１のＡ−Ａ’断面図である。Ａ）は、本発明の第１の実施形態の角速度センサの検出素子１のＢ−Ｂ‘の断面図を模擬的に表す図である。（Ｂ）は、特開２００２−１８８９２３号公報等に開示されている従来の振動子２３が基板上から梁２２，２４などによって両側から対称に支持された角速度センサの検出素子の断面図を模擬的に表す図である。（Ａ）は、本発明の第１の実施形態の角速度センサの第１及び第２振動子１０，１１の振動方向を模擬的に表す図である。（Ｂ）は、特開２００２−１８８９２３号公報等に開示されている従来の振動子が基板上から梁などによって両側から対称に支持された角速度センサの振動子の振動方向を模擬的に表す図ある。本発明の第１の実施形態による角速度センサの駆動回路である。本発明の第２の実施形態による角速度センサの構成を示す平面図である。本発明の第３の実施形態による角速度センサの構成を示す平面図である。参考例の角速度センサの構成を示す平面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…検出素子、２…シリコン層、３…絶縁層、４…シリコン基板、５…ガラス基板、６…第１静電気力発生手段、６ａ…フレーム、６ｂ…櫛歯電極、６ｃ…パッド、７…第２静電気力発生手段、７ａ…フレーム、７ｂ…櫛歯電極、７ｃ…パッド、８…第３静電気力発生手段、８ａ…フレーム、８ｂ…櫛歯電極、８ｃ…パッド、９…第４静電気力発生手段、９ａ…フレーム、９ｂ…櫛歯電極、９ｃ…パッド、１０…第１振動子、１０ａ…フレーム、１０ｂ…検出部分、１０ｃ…連結梁、１０ｄ…連結梁、１０ｅ…連結梁、１０ｆ…連結梁、１１…第２振動子、１１ａ…フレーム、１１ｂ…検出部分、１１ｃ…連結梁、１１ｄ…連結梁、１１ｆ…連結梁、１１ｅ…連結梁、１２，１２’…弾性連結梁、１２ａ…連結梁、１２ｂ…連結梁、１３…第１静電容量検出手段、１３ａ…フレーム、１３ｂ…平行平板電極、１３ｃ…パッド、１４…第２静電容量検出手段、１４ａ…フレーム、１４ｂ…平行平板電極、１４ｃ…パッド、１５…第３静電容量検出手段、１５ａ…フレーム、１５ｂ…平行平板電極、１５ｃ…パッド、１６…第４静電容量検出手段、１６ａ…フレーム、１６ｂ…平行平板電極、１６ｃ…パッド、１７…第１支持梁、１７ａ…支持梁、１７ｂ…アンカー部、１７ｃ…パッド、１８…第２支持梁、１８ａ…支持梁、１８ｂ…アンカー部、１８ｃ…パッド、１９，１９’…第３支持梁、１９ａ…支持梁、１９ｂ…アンカー部、１９ｃ…パッド、２０，２０’…第４支持梁、２０ａ…支持梁、２０ｂ…アンカー部、２０ｃ…パッド、２１…枠部、２２…支持梁、２３…支持梁、２４…支持梁、２５…支持梁、３１ａ…発振器、３１ｂ…反転器、３２…Ｃ／Ｖ変換器、３３ａ…乗算器、３３ｂ…ＬＰＦ、３４ａ…乗算器、３４ｂ…ＬＰＦ、３５ａ…乗算器、３５ｂ…ＬＰＦ、３７ａ…加減算器、３７ｂ…増幅器、３７ｃ…乗算器、３７ｄ…加算器、３７ｅ…反転器、３７ｆ…加算器、３８ａ…発振器，３８ｂ…分周器，３９ａ…基準電源，３９ｂ…バイアス電源，４１…第１補助梁、４１ａ…支持梁、４１ｂ…支持梁、４１ｃ…アンカー部、４１ｄ…アンカー部、４２…第２補助梁、４２ａ…支持梁、４２ｂ…支持梁、４２ｃ…アンカー部、４２ｄ…アンカー部

Claims

基板上に弾性的に支持された第１及び第２振動子と、
前記第１及び第２振動子を前記基板表面と水平なＸ軸方向に弾性的に連結する弾性連結梁と、
前記第１及び第２振動子を前記Ｘ軸方向に互いに逆相に振動させる駆動手段と、
前記第１及び第２振動子の検出部分の前記基板表面と水平かつ前記Ｘ軸方向と垂直なＹ軸方向の変位を検出する手段とを備え、
前記Ｙ軸方向の変位に基づいて角速度を検出する角速度センサにおいて、
前記第１及び第２振動子を構成する四角い枠状のフレームのうち前記Ｘ軸方向に平行な枠から片持ち梁構造で前記第１及び第２振動子をそれぞれ前記Ｘ軸方向に変位し易く、Ｙ軸及びＺ軸方向に変位し難く支持するとともに、前記Ｙ軸方向に沿って設けられている支持梁を備え、
前記支持梁の一端がアンカーにより前記基板に支持され、
前記第１及び第２振動子は、前記支持梁によって一方から片持ち梁構造で支持されることで、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸から構成される平面内において、振り子状に振動するように支持されることを特徴とする角速度センサ。
請求項１記載の角速度センサにおいて、
前記支持梁は、前記第１及び第２振動子をそれぞれ複数箇所で支持することを特徴とする角速度センサ。
請求項２記載の角速度センサにおいて、
前記第１振動子を複数箇所で支持する支持梁の長辺は、互いに平行になるように配置され、
また、前記第２振動子を複数箇所で支持する支持梁の長辺は、互いに平行になるように配置されることを特徴とする角速度センサ。
請求項１記載の角速度センサにおいて、
前記支持梁は、前記弾性連結梁の中心部から点対称になるように、前記第１及び第２振動子を支持するように配置したことを特徴とする角速度センサ。
請求項１記載の角速度センサにおいて、
前記第１及び第２振動子の前記支持梁が設置された一方とは反対側から、前記支持梁よりも前記Ｘ軸、前記Ｙ軸及び前記基板表面と垂直なＺ軸方向に変位し易く、前記第１及び第２振動子を支持する補助梁を備えたことを特徴とする角速度センサ。
請求項１記載の角速度センサにおいて、
前記第１及び第２振動子を前記Ｘ軸方向に振動させることに起因する、前記第１及び第２振動子の検出部分の前記Ｙ軸方向への振動成分と、前記第１及び第２駆動体の検出部分の角速度による前記Ｙ軸方向への振動成分を、周波数によって区別して検出する検出回路を備えたことを特徴とする角速度センサ。
請求項６記載の角速度センサにおいて、
前記検出回路は、
前記第１及び第２振動子を前記Ｘ軸方向に振動させることに起因する、前記第１及び第２振動子の検出部分の前記Ｙ軸方向への振動成分を、前記第１及び第２振動子を前記基板表面と水平なＸ軸方向に互いに逆相に振動させる周波数の２倍で同期検波する第１の検波回路と、
前記第１及び第２振動子の検出部分の前記角速度による前記Ｙ軸方向への振動成分を、前記第１及び第２振動子を前記基板表面と水平なＸ軸方向に互いに逆相に振動させる周波数で同期検波する第２の検波回路とからなることを特徴とする角速度センサ。
請求項７記載の角速度センサにおいて、
前記第１及び第２振動子の検出部分の前記Ｙ軸方向の変位を検出する手段により、前記第１及び第２振動子の前記Ｘ軸方向への変位を検出することを特徴とする角速度センサ。
請求項７記載の角速度センサにおいて、
前記第１及び第２振動子の検出部分の前記Ｙ軸方向の変位を検出する手段により検出される前記第１及び第２振動子の前記Ｘ軸方向への変位が、予め決められた値になるように、前記第１及び第２振動子を振動させる駆動手段を備えたことを特徴とする角速度センサ。
請求項９記載の角速度センサにおいて、
前記駆動手段は、前記第１及び第２振動子に静電気力を働かせ、前記第１及び前記第２振動子を前記Ｘ軸方向に互いに逆相に振動させる静電気力発生手段であり、
前記第１及び第２振動子の検出部分の前記Ｙ軸方向の変位を検出する手段が、前記第１及び第２駆動体の検出部分の前記Ｙ軸方向の変位を静電容量の変化として検出する静電容量検出手段であることを特徴とする角速度センサ。