JP5036218B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング部を有する振動子が形成された半導体基板を備える角速度センサに関する。

近年、低コスト化及び小型化を図ることを目的とした角速度センサとして、半導体製造プロセス等における技術を応用して種々の機械要素の小型化を実現するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いてシリコンウエハに振動子を形成する角速度センサが開発されている（例えば、特許文献１）。

図６は特許文献１における振動子近傍の部分側方断面図である。特許文献１の角速度センサにおいては、リング部１１０を有する振動子がリング部１１０の中心にある支持体１２０と梁部（図示せず）により接続されて、支持体層２０上に支持されている。そして、リング部１１０近傍に設けられた駆動電極４０とリング部１１０との間に駆動電圧を印加してその静電力により、所定の振動状態（一次振動）を作り出す一方、検出対象の角速度に応じてコリオリ力により振動状態が変化し、この変化した振動状態（二次振動）をリング部１１０近傍に設けられた二次振動検出電極３０から検出することにより、検出対象の角速度を算出可能に構成されている。

ここで、特許文献１においては、２本の軸のそれぞれの軸回りについての角速度を同時に検出可能に構成すべく、一次振動をリング部１１０と同一平面外に変位させる（３次元的に変位させる）。このために、特許文献１においては、駆動電極４０をリング部１１０の下方であって支持体層２０上に形成した立体構造を採用している。
国際公開第９９／４７８９１号パンフレット

しかしながら、上記構成によれば、駆動電極４０を作製するプロセスの追加や、ＳＯＩウェハなどの高価な基板材料を用いる必要があり、2次元的にレイアウトされた機構を作製することが得意なＭＥＭＳプロセスに適用しにくく、大きなコストダウンは望めないという問題があった。

本発明はかかる従来技術に鑑みなされたものであり、２次元的にレイアウトされた主要機構によって一次振動をリング部と同一平面外に変化させることができ、ＭＥＭＳプロセスによって容易かつ安価に作製することができる角速度センサを提供することを目的とする。

本発明に係る角速度センサは、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング部を有する振動子が形成された半導体基板を備える角速度センサであって、振動子に対して静電駆動させることにより一次振動を生じさせる駆動電極と、一次振動に基づいた二次振動により、振動子との間で変化した静電容量を検出する二次振動検出電極とを具備し、駆動電極および二次振動検出電極は、リング部と略同一平面上に配置され、リング部に固有の振動数の２倍以上の周波数の交流電圧を駆動電極に印加することにより、一次振動としてリング部を平面外ｃｏｓｎθモード（ｎ：モード次数）で３次元に振動させるとともに、前記平面内におけるリング部および二次振動検出電極間の距離の変化を前記静電容量の変化として二次振動検出電極から検出することにより、前記平面内の所定の軸回りの角速度を検出することを特徴とするものである。

上記構成の角速度センサによれば、半導体基板にリング部を有する振動子が形成される。このリング部は、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化する。

この振動状態の変化を検出するべく、駆動電極および二次振動検出電極がリング部と略同一平面上に配置される。まず、駆動電極により、リング部を静電駆動して一次振動を生じさせる。一次振動が生じた状態で検出対象において所定の軸方向に角速度が生じるとコリオリ力が生じて、二次振動が励起される。一方、二次振動検出電極を用いて、検出対象の角速度に応じて変化した振動状態である二次振動を検出すべく、振動子と二次振動検出電極との間で変化した静電容量を検出する。こうして、検出した静電容量変化により、検出対象の角速度が検出される（算出可能となる）。二次振動は、リング部と略同一平面内に振動する成分であるため、当該平面内におけるリング部および二次振動検出電極間の距離の変化を二次振動検出電極から検出することで、振動状態の変化による静電容量の変化を検出することができる。

ここで、リング部の一次振動を３次元に振動させる（リング部と同一平面外に変位させる）ために、発明者は、駆動電極に印加する電圧をリング部に固有の振動数に基づいた周波数の交流電圧値とすることで、リング部と駆動電極とが略同一平面内に配置された場合であっても当該交流電圧による共振により、リング部を３次元に振動させることができることを見出した。

理論上、完全に同一平面に構成されたリング部と駆動電極には、３次元方向の振動を励起する平面に鉛直な方向の力ベクトルは発生しない。しかし、実際に製作されたデバイスは、必ず存在する加工誤差などによって、鉛直方向に力が発生し、振動が始まる。一度、振動を始めると、駆動電極とリング部の対向面にはズレが生じるため、十分な駆動力が得られる。

したがって、上記振動状態の変化を検出する構成要素であるリング部、駆動電極および二次振動検出電極を略同一平面内に配置した上で、一次振動をリング部と同一平面外に変化させることができる。しかも、３次元に振動可能な角速度センサを二次元的に構成することにより、角速度センサの作製においてＭＥＭＳプロセスを容易に適用することができ、より安価に作製することができる。

なお、駆動に用いる交流電圧の周波数は、リング部の一次振動の固有振動数の２倍以上に設定される。

リング部と駆動電極とが同一平面上に配置された場合、リング部の一次振動の一周期の間に、リング部と駆動電極の距離(もしくは対向面積)の変化が２周期分、発生する。さらに、リング部と駆動電極との間に働く静電引力が、弾性作用としても機能するため、電圧を印加すると、リング部の固有振動数が高めに移行してしまう。したがって、駆動電圧を固有振動数の２倍以上に設定した方が、共振を生じさせ易い。さらには、静電引力による弾性定数の変化は、非線形（変位量によって変化する）であり、共振のピーク周波数よりも低周波数側では、振動が不安定になることがあるため、駆動周波数を高周波数側に設定するのが好ましい。

好ましくは、駆動電極または二次振動検出電極のいずれか一方がリング部の内側に設けられ、駆動電極または二次振動検出電極のいずれか他方がリング部の外側に設けられるように構成される。

この場合、駆動電極がリング部の内側に設けられ、二次振動検出電極がリング部の外側に設けられる。あるいは、駆動電極がリング部の外側に設けられ、二次振動検出電極がリング部の内側に設けられる。

したがって、リング部と同一面内かつリング部の両側に駆動電極および二次振動検出電極が設けられるため、空間効率よく電極を配置することができる。しかも駆動電極と二次振動検出電極とをリング部の内側または外側にそれぞれ分けて配置することにより、各電極間の静電容量型の結合（クロストーク）を起こり難くすることができる。したがって、駆動電極においては、より安定な一次振動を生成することができ、二次振動検出電極においては、より高感度かつ高精度に二次振動を検出することができる。

さらに好ましくは、駆動電極は、リング部の一次振動における前記平面に垂直な方向の変位量が最大となる位置の近傍に設けられるように構成される。

この場合、駆動電極に印加される電圧により一次振動が生じた際、駆動電極の近傍に位置するリング部において、当該一次振動によるリング部の平面に垂直な方向の変位量が最大となる。

このように、駆動電極の近傍においてリング部の３次元方向の変位量が最大となるため、リング部における一次振動をよりエネルギー効率よく生成することができる。

さらに好ましくは、二次振動検出電極は、リング部の二次振動における前記平面に平行な方向の変位量が最大となる位置の近傍に設けられるように構成される。

この場合、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化して二次振動が生じたときに、リング部を含む平面に平行な方向のリング部の変位量が最大となる位置に二次振動検出電極が予め配置される。

したがって、二次振動検出電極の近傍においてリング部を含む平面に平行な方向のリング部の変位量が最大となるため、リング部における二次振動をより高感度に検出することができる。

さらに好ましくは、駆動電極による一次振動を検出する一次振動検出電極を具備するように構成される。

この場合、一次振動検出電極により、駆動電極によりリング部に生じた一次振動（による振動子と一次振動検出電極との間の静電容量変化）が検出される。

ここで、リング部の振動は、温度等の周囲の環境の変化により振動の固有振動数が変化したり、振動子雰囲気の粘性が変化して振動の振幅値が変化する可能性がある。したがって、リング部の一次振動を安定にするためには、上記固有振動数の変化や振幅の変化に応じて駆動電極に印加する電圧を変化させる必要が生じる。そこで、一次振動検出電極によりリング部に生じた一次振動を検出することにより、駆動電極に対してフィードバックをかけることが可能となり、温度等の周囲の環境の変化に関わらず、リング部における一次振動をより安定的に生成することができる。

さらに好ましくは、二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる振動抑制電極を具備し、振動抑制電極に印加した電圧を前記二次振動の静電容量変化の代わりに検出することにより角速度を検出するように構成される。

この場合、リング部の二次振動により二次振動検出電極から検出された静電容量に基づいて、この変化を打ち消すような振動を生じさせるべく、振動抑制電極に所定の電圧が印加される。そして、振動抑制電極に印加された電圧が二次振動の静電容量変化の代わりに検出されることにより角速度が検出される。

ここで、リング部において二次振動が生じた場合、当該二次振動と検出対象の角速度との間で一次振動との間で生じたのとは別のコリオリ力が生じ得る。このような別のコリオリ力は、二次振動検出の外乱となり得るので発生しないことが好ましい。そこで、振動抑制電極に所定の電圧を印加することにより、二次振動の発生を打ち消すとともに、当該打ち消すための振動抑制電極に印加した電圧を二次振動の静電容量変化の代わりに検出する。つまり、振動抑制電極に働く静電引力を用いて一次振動により生じたコリオリ力を打ち消すことにより、二次振動を現実に発生させることなく二次振動を励起させるコリオリ力の大きさ（角速度の大きさ）を検出することができる。したがって、外乱の発生を取り除きつつ、角速度をより高精度に検出することができる。

さらに好ましくは、振動子は、リング部の中心部で一端が支持され、他端がリング部に接続される複数の梁部を有し、梁部は、振動子の一次振動における振動モードのモード次数の２倍の個数設けられ、隣り合う梁部の略中間であって、リング部の内側または外側に駆動電極が設けられるように構成される。

この場合、振動子は、梁部のリング部の中心部側の一端で支持され、他端がリング部に接続されている。梁部は、振動子の一次振動における振動モード（ｃｏｓ２θ、ｃｏｓ３θ、…ｃｏｓｎθモード）のモード次数（２，３，…，ｎ）の２倍の個数（４，６，…，２ｎ）設けられる。また、駆動電極は、梁部の略中間かつリング部の内側または外側に設けられる。

ここで、リング部の平面外に振動する一次振動においては、リング部の平面に垂直な方向の変位量が最大となる位置が一次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数、リング部の周方向に等間隔に発生する。一方、同様にリング部の平面に垂直な方向の変位量が最小となる位置がこの数と同数、リング部の周方向に等間隔に発生する。また、変位量が最大となる位置と変位量が最小となる位置とは、リング部の周方向に交互に等間隔に発生する。

したがって、梁部（および駆動電極）の数を上記振動モードのモード次数の2倍とし、隣り合う梁部の略中央に駆動電極を設けることにより、駆動電極を一次振動による変位量が最大となる位置に配置することが可能となるとともに、梁部を一次振動による変位量が最小となる位置に配置することが可能となる。駆動電極を一次振動による変位量が最大となる位置に配置することにより、駆動電極による一次振動をより安定化させることができるとともに、梁部を一次振動による変位量が最小となる位置に配置することにより、梁部の変形（捻れ）を小さくして振動子の耐久性を向上させることができるとともに、梁部の存在による一次振動への影響を最小限にすることができる。

また、好ましくは、二次振動検出電極は、前記平面内の直交する第１軸および第２軸のそれぞれについて、第１軸の軸回りに作用する角速度による二次振動を検出する第１軸二次振動検出電極と、第２軸の軸回りに作用する角速度による二次振動を検出する第２軸二次振動検出電極とを具備するように構成される。

この場合、第1軸二次振動検出電極により、検出対象における所定の第1軸の軸回りに作用する角速度による静電容量変化が検出され、第2軸二次振動検出電極により、検出対象における第1軸に直交する第2軸の軸回りに作用する角速度による静電容量変化が検出される。

したがって、検出対象における直交する２つの軸回りに作用する角速度をそれぞれ同時に検出することができる。

さらに好ましくは、駆動電極は、振動子の一次振動における振動モードのモード次数の２倍の個数設けられ、第１軸二次振動検出電極および第２軸二次振動検出電極のそれぞれは、振動子の二次振動における振動モードのモード次数の２倍の個数設けられるように構成される。

この場合、駆動電極が振動子の一次振動における振動モードのモード次数の２倍の個数設けられ、第１軸二次振動検出電極および第２軸二次振動検出電極のそれぞれは、振動子の二次振動における振動モードのモード次数の２倍の個数設けられる。

ここで、リング部の平面外に振動する一次振動においては、リング部の平面に垂直な方向の変位量が最大となる位置が一次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数、リング部の周方向に等間隔に発生する。同様に、リング部の平面内に振動する二次振動においては、第1軸の軸回りに作用する角速度による二次振動および第2軸の軸回りに作用する角速度による二次振動のそれぞれについて、リング部の平面に平行な方向の変位量が最大となる位置が二次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数、リング部の周方向に等間隔に発生する。

したがって、駆動電極を一次振動の振動モードのモード次数の2倍とすることにより、リング部において一次振動による変位量が最大となるすべての位置に駆動電極を配置することが可能となるため、駆動電極による一次振動をよりエネルギー効率よく発生させることができる。また、第1軸および第2軸に関するそれぞれの二次振動検出電極をそれぞれ二次振動の振動モードのモード次数の2倍とすることにより、リング部において二次振動による変位量が最大となるすべての位置に第1軸および第2軸二次振動検出電極をそれぞれ配置することが可能となるため、二次振動の静電容量変化をより高感度かつ高精度に検出することができる。

さらに好ましくは、第１軸二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる第１軸振動抑制電極と、第２軸二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる第２軸振動抑制電極とを具備し、第１軸振動抑制電極および第２軸振動抑制電極にそれぞれ印加した電圧に基づいて各軸の角速度を検出するように構成される。

この場合、第1軸および第2軸に関する二次振動のぞれぞれに対し、第1軸および第2軸振動抑制電極により、第１軸および第2軸二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる。

第１軸および第２軸振動抑制電極のそれぞれに独立した所定の交流電圧を印加することにより、第１軸の軸回りおよび第２軸の軸回りのそれぞれに作用する二次振動の発生を打ち消すとともに、当該打ち消すための振動抑制電極に印加した電圧が、発生したコリオリ力の大きさとして、二次振動の静電容量変化の代わりに検出されることにより各軸の角速度が検出される。したがって、外乱の発生を取り除きつつ、直交する２つの軸についての角速度をより高精度に検出することができる。

さらに好ましくは、前記駆動電極のうち、半分を一次振動検出電極として用い、前記第１軸二次振動検出電極および第２軸二次振動検出電極のうち、それぞれ半分を第１軸振動抑制電極および第２軸振動抑制電極としてそれぞれ用いるように構成される。

この場合、それぞれの電極がそれぞれの電極の効果を最大限に発揮する位置にもれなく配置される。したがって、各電極における効果を互いに阻害することなく効果的に各電極を配置することができる。

また、好ましくは、リング部に直流電圧を印加可能に構成される。

この場合、リング部に直流電圧が印加される。リング部に直流電圧を印加した状態で駆動電極により交流電圧を印加してリング部を静電駆動させると、小さい交流電圧でも大きな静電力を発生させることができる。ここで、駆動電極に印加する交流電圧が大きいと、駆動電極と二次振動検出電極側とが静電誘導によって電気的に統合してしまうクロストーク現象が生じ易くなり、ノイズの原因となって、高精度な検出を阻害してしまう。したがって、リング部に直流電圧を印加することにより、小さい交流電圧で有効な静電力を発生させつつ、二次振動のより高精度な検出を行うことができる。

本発明に係る角速度センサによれば、上記振動状態の変化を検出する構成要素であるリング部、駆動電極および二次振動検出電極を略同一平面内に配置した上で、一次振動をリング部と同一平面外に変化させることができる。しかも、３次元に振動可能な角速度センサを二次元的に構成することにより、角速度センサの作製においてＭＥＭＳプロセスを容易に適用することができ、より安価に作製することができる。

以下、本発明に係る角速度センサの好ましい実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る第１実施形態における角速度センサの概略図である。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、本実施形態においては、振動子の一次振動の振動モードとして平面外ｃｏｓ２θモードを採用し、対応する二次振動の振動モードの１つである平面内ｃｏｓ３θモードにおける振動子の状態変化を検出する構成としているが、他の平面外の振動モードも適宜採用可能である。

本発明に係る角速度センサは、図１に示すように、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング部１１を有する振動子１が形成された半導体基板２を備える角速度センサであって、振動子１に対して静電駆動させることにより一次振動を生じさせる駆動電極３と、一次振動に基づいた二次振動により、振動子１との間で変化した静電容量を検出する二次振動検出電極４とを具備し、駆動電極３および二次振動検出電極４は、リング部１１と略同一平面上に配置され、リング部１１に固有の振動数に基づいた交流電圧を駆動電極３に印加することにより、一次振動としてリング部１１を３次元に振動させるとともに、前記平面内におけるリング部１１および二次振動検出電極４間の距離の変化を前記静電容量の変化として二次振動検出電極４から検出することにより角速度を検出することを特徴とするものである。

上記構成の角速度センサによれば、半導体基板２にリング部１１を有する振動子１が形成される。このリング部１１は、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化する。

この振動状態の変化を検出するべく、駆動電極３および二次振動検出電極４がリング部１１と略同一平面上に配置される。まず、駆動電極３により、リング部１１を静電駆動して一次振動を生じさせる。一次振動が生じた状態で検出対象において所定の軸方向に角速度が生じるとコリオリ力が生じて、二次振動が励起される。一方、二次振動検出電極４を用いて、検出対象の角速度に応じて変化した振動状態である二次振動を検出すべく、振動子１と二次振動検出電極４との間で変化した静電容量を検出する。こうして、検出した静電容量変化より、検出対象の角速度が検出される（算出可能となる）。二次振動は、リング部１１と略同一平面内に振動する成分であるため、当該平面内におけるリング部１１および二次振動検出電極４間の距離の変化を二次振動検出電極４から検出することで、振動状態の変化による静電容量の変化を検出することができる。

ここで、リング部１１の一次振動を３次元に振動させる（リング部１１と同一平面外に変位させる）ために、発明者は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用し、駆動電極３に印加する電圧をリング部１１に固有の振動数に基づいた電圧値とすることで、リング部１１と駆動電極３とが略同一平面内に配置された場合であってもリング部１１を３次元に振動させることができることを見出した。

理論上、完全に同一平面に構成されたリング部１１と駆動電極３には、３次元方向の振動を励起する平面に鉛直な方向の力ベクトルは発生しない。しかし、実際に製作されたデバイスは、必ず存在する加工誤差などによって、鉛直方向に力が発生し、振動が始まる。一度、振動を始めると、駆動電極と３リング部１１の対向面にはズレが生じるため、十分な駆動力が得られる。

したがって、上記振動状態の変化を検出する構成要素であるリング部１１、駆動電極３および二次振動検出電極４を略同一平面内に配置した上で、一次振動をリング部１１と同一平面外に変化させることができる。しかも、主要な構成機構が２次元的に配置されているので、MEMSプロセスで容易に製作でき、安価な角速度センサを提供できる。以下、各構成についてより詳しく説明する。

本実施形態においては、図１（ｂ）に示すように、ガラス基板５上に、ＭＥＭＳ技術により振動子１や各電極が形成されたシリコン等の半導体基板２が陽極接合により貼着されている。なお、図示しないが、半導体基板２の上面に同様のガラス基板を貼着することにより、振動子１を低圧に封止することとしてもよい。

この半導体基板２をＭＥＭＳ技術を用いてエッチングすることにより、振動子１を形成する。振動子１は、リング部１１の中心部の支持部１２により、一端がガラス基板５上に支持され、他端がリング部１１に接続される複数の梁部１３を有し、梁部１３は、振動子１の一次振動における振動モードｃｏｓ２θのモード次数ｎ＝２の２倍の個数、すなわち４個、等間隔に設けられている。すなわち、梁部１３とリング部１１との接続点は、リング部１１の周方向に４５°ずつ離間して設けられている。振動子１の構成要素であるリング部１１、支持部１２および梁部１３をともに同一材料で作製することにより、製造コストが低く抑えられ、また、ＭＥＭＳ技術の導入が容易であり、微細な構造でも高精度かつ容易に製造することができる。なお、リング部１１およびリング部１１に連れて揺動し得る梁部１３の揺動を阻害しないようにするため、当該リング部１１および梁部１３の下方（上方にガラス基板がある場合は上方も）がガラス基板５と接触しないように、ガラス基板５表面の該当部分にサンドブラスト加工による凹部（切り欠き部）５１が設けられる。

駆動電極３は、図１（ａ）に示すように、静止状態における隣り合う梁部１３の略中間であって、リング部１１の内側に駆動電極３が等間隔に設けられるように構成される。すなわち、本実施形態においては、駆動電極３も振動子１の一次振動における振動モードｃｏｓ２θのモード次数ｎ＝２の２倍の個数、すなわち４個、リング部１１の周方向に沿って内側に設けられている。駆動電極３は、リング部１１と同時に、同じ半導体基板２をエッチングして作製されるため、半導体基板２に形成された振動子１と同一平面内に設けられる。後述するその他の各電極についても同様である。

図２は図１の角速度センサにおける振動態様を示す図である。図２（ａ）は一次振動である平面外ｃｏｓ２θモードを示すｙ−ｚ平面図およびｘ−ｙ平面図であり、図２（ｂ）はｘ軸回りの角速度が生じた際の二次振動である平面内ｃｏｓ３θモードを示すｘ−ｙ平面図であり、図２（ｃ）はｙ軸回りの角速度が生じた際の二次振動である平面内ｃｏｓ３θモードを示すｘ−ｙ平面図である。破線部は静止状態のリング部１１を示し、太線部は各振動状態のリング部１１を示す。

図２（ａ）に示すように、リング部１１の平面外に振動する一次振動においては、リング部１１の平面に垂直な方向の変位量が最大となる位置が一次振動における振動モードｃｏｓ２θのモード次数２の2倍の個数、すなわち４つずつリング部１１の周方向に等間隔（４５°間隔）に発生する。図２（ａ）において、ｘ軸およびｙ軸上にそれぞれ２箇所ずつ最大の変位点Ｐｄが存在する。一方、同様にリング部１１の平面に垂直な方向の変位量が最小となる位置がこの数と同数、リング部１１の周方向に等間隔に発生する。また、変位量が最大となる位置と変位量が最小となる位置とは、リング部の周方向に交互に等間隔に発生する（図２（ａ）において変位量が最大となる位置はｙ＝±ｘ上にそれぞれ２箇所ずつ）。

したがって、梁部１３の数および駆動電極３の数を上記振動モードｃｏｓ２θのモード次数２の2倍とした上で、隣り合う梁部１３の略中央に駆動電極３を設けることにより、駆動電極３を一次振動による変位量が最大となる位置に配置することが可能となるとともに、梁部１３を一次振動による変位量が最小となる位置に配置することが可能となる。駆動電極３を一次振動による変位量が最大となる位置に配置することにより、駆動電極３による一次振動をよりエネルギー効率よく励起させることができるとともに、梁部１３を一次振動による変位量が最小となる位置に配置することにより、梁部１３の変形を小さくして振動子１の耐久性を向上させることができるとともに、梁部１３の存在による一次振動への影響を最小限にすることができる。

一方、二次振動検出電極４は、リング部１１の外側に設けられる。つまり、本実施形態においては、駆動電極３がリング部１１の内側に設けられ、二次振動検出電極４がリング部１１の外側に設けられる。

したがって、リング部１１と同一面内のリング部１１の両側に駆動電極３および二次振動検出電極４が設けられるため、空間効率よく電極を配置することができる。しかも駆動電極３と二次振動検出電極４とをリング部１１の内側または外側にそれぞれ分けて配置することにより、駆動電極３においては、より安定な一次振動を生成することができ、二次振動検出電極４においては、より高感度かつ高精度に二次振動を検出することができる。なお、駆動電極３をリング部１１の外側に設け、二次振動検出電極４をリング部１１の内側に設けてもよい。

ここで、図２（ａ）において、ｘ軸回りに作用する角速度Ωｘが生じた場合と、ｙ軸回りに作用する角速度Ωｙが生じた場合とでは、作用するコリオリ力が異なるため、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、二次振動はいずれもｘ−ｙ平面内であるが、その振動方向はそれぞれ異なり、かつ、それぞれ独立である。

したがって、本実施形態において、二次振動検出電極４は、前記平面内の直交する第１軸であるｘ軸および第２軸であるｙ軸のそれぞれについて、ｘ軸の軸回りに作用する角速度Ωｘによる二次振動を検出するｘ軸二次振動検出電極（第1軸二次振動検出電極）４１と、ｙ軸の軸回りに作用する角速度Ωｙによる二次振動を検出するｙ軸二次振動検出電極（第２軸二次振動検出電極）４２とを具備するように構成される。

この場合、ｘ軸二次振動検出電極４１により、図２（ｂ）に示すような、検出対象におけるｘ軸回りに作用する角速度Ωｘによる静電容量変化が検出され、ｙ軸二次振動検出電極４２により、検出対象におけるｘ軸に直交するｙ軸回りに作用する角速度Ωｙによる静電容量変化が検出される。

したがって、検出対象における直交する２つの軸回りに作用する角速度Ωｘ，Ωｙをそれぞれ同時に検出することができる。

さらに、ｘ軸二次振動検出電極４１およびｙ軸二次振動検出電極４２のそれぞれは、振動子１の二次振動における振動モードｃｏｓ３θのモード次数３の２倍の個数、すなわち６個ずつ設けられるように構成され、ｘ軸およびｙ軸二次振動検出電極４１，４２のそれぞれは、リング部の二次振動における前記平面に平行な方向の変位量が最大となる位置の近傍に設けられるように構成される。

ここで、リング部１１の平面内に振動する二次振動においては、ｘ軸回りに作用する角速度Ωｘによる二次振動およびｙ軸回りに作用する角速度Ωｙによる二次振動のそれぞれについて、リング部１１の平面に平行な方向の変位量が最大となる位置が二次振動における振動モードｃｏｓ３θのモード次数３の2倍の個数、すなわち６個ずつリング部１１の周方向に等間隔に発生する。

より具体的に説明すると、図２（ａ）の一次振動において、ｘ軸回りの角速度Ωｘが生じた場合、図２（ｂ）に示すように、ｙ軸上の２点と、当該２点からリング部１１の周方向に６０°間隔で離間した位置に最大の変位点Ｐｘが存在する。同様に、図２（ａ）の一次振動において、ｙ軸回りの角速度Ωｙが生じた場合、図２（ｃ）に示すように、ｘ軸上の２点と、当該２点からリング部１１の周方向に６０°間隔で離間した位置に最大の変位点Ｐｙが存在する。したがって、本実施形態においては、変位点Ｐｘの径方向外側にｘ軸二次振動検出電極４１を配置し、変位点Ｐｙの径方向外側にｙ軸二次振動検出電極４２を配置している。

このように、ｘ軸およびｙ軸に関するそれぞれの二次振動検出電極４１，４２をそれぞれ二次振動の振動モードｃｏｓ３θのモード次数３の2倍とすることにより、リング部１１において二次振動による変位量が最大となるすべての位置（変位点）Ｐｘ，Ｐｙにｘ軸およびｙ軸二次振動検出電極４１，４２をそれぞれ配置することが可能となるため、二次振動の静電容量変化をより高感度かつ高精度に検出することができる。

図３は図１の角速度センサの配線図である。なお、図３においては理解容易のためｘ軸二次振動検出電極４１についての配線は省略してあるが、ｙ軸二次振動検出電極４２についての配線と同様に実現できる。

まず、駆動電極３に駆動電極３とリング部１１との間に一次振動のための駆動電圧を印加するための交流電源７が接続されている。また、（ｙ軸）二次振動検出電極４（４２）には、検出アンプ８が接続されている。一方、振動子１のリング部１１には、支持体１２および梁部１３を介して直流電源６が接続され、リング部１１に直流電圧が印加される。これにより、振動子１側は、検出アンプ８により接地された二次振動検出側に対して直流電圧分だけ高電位となっている。

この状態で、駆動電極３に交流電源７から電圧を印加して一次振動を生じさせておく。この状態で、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化し、図２（ｃ）に示すような二次振動が生じると、リング部１１と二次振動検出電極４との間の距離が変位する。したがって、静電容量Ｃが変化する。静電容量Ｃの変化（ｄＣ／ｄｔ）は、検出される電流値（Ｉ＝ｄＱ／ｄｔ）に比例する（ｄＱ／ｄｔ＝ＶｄＣ／ｄｔ Ｖは振動子１と二次振動検出電極４との電位差）。したがって、検出アンプ８では、二次振動検出電極４に流れる交流電流値を交流電圧値に変換して出力している。

なお、本実施形態においては、二次振動検出電極４は二次振動の最大変位点Ｐｙの６箇所すべてに設けられているが、図２（ｃ）に示すように、隣り合う変位点Ｐｙは互いに逆相となるため、配線においても、図３に示すように、検出される二次振動が同相の電極同士を同じ検出アンプ８に接続する。ここでは、検出アンプ８をｙ軸二次振動検出電極４１に対して２個（ｘ軸系も含めると計４個）備え、ｙ軸二次振動検出電極４２（またはｘ軸二次振動検出電極４１）に関して隣り合うｙ軸二次振動検出電極４２（またはｘ軸二次振動検出電極４１）同士は互いに異なる検出アンプ８に接続される。したがって、それぞれの二次振動検出電極４から検出された同相の検出電流がそれぞれの検出アンプ８で足し合わされた上で交流電圧に変換される。ここで、一方の検出アンプ８から出力された交流電圧と他方の検出アンプ８から出力された交流電圧とは、位相が反転したものとなっている。したがって、いずれか一方の出力を反転回路９により反転させて加算することにより、すべての二次振動検出電極４から検出された静電容量変化をすべて有効に加算することができる。これにより、二次振動検出電極４における検出感度を高くすることができ、高精度かつ安定な検出を行うことができる。

ここで、リング部１１に直流電圧を印加することは、上記検出アンプ８における電流検出に利用できるだけでなく、小さい交流電圧でも大きな静電力を発生させることができるという利点がある。ここで、駆動電極３に印加する交流電圧が大きいと、駆動電極３と二次振動検出電極４側とが静電誘導によって電気的に統合してしまうクロストーク現象が生じ易くなり、ノイズの原因となって、高精度な検出を阻害してしまう。したがって、リング部に直流電圧を印加することにより、小さい交流電圧で有効な静電力を発生させつつ、二次振動のより高精度な検出を行うことができる。

なお、駆動に用いる交流電圧の周波数は、リング部１１の一次振動の固有振動数の２倍以上に設定されることが好ましい。

リング部１１と駆動電極３とが同一平面上に配置された場合、リング部１１の一次振動の一周期の間に、リング部１１と駆動電極３の距離(もしくは対向面積)の変化が２周期分、発生する。さらに、リング部１１と駆動電極３との間に働く静電引力が、弾性作用としても機能するため、電圧を印加すると、リング部１１の固有振動数が高めに移行してしまう。したがって、駆動電圧３を固有振動数の２倍以上に設定した方が、共振を生じさせ易い。さらには、静電引力による弾性定数の変化は、非線形（変位量によって変化する）であり、共振のピーク周波数よりも低周波数側では、振動が不安定になることがあるため、駆動周波数を高周波数側に設定するのが好ましい。

また、二次振動検出電極４は、一次振動での容量変化も検出してしまうが、一次振動での容量変化は、二次振動検出電極４とリング部１１が同一平面上に設置されているため、一次振動の振動周波数および二次振動の振動周波数の２倍の周波数で発生する。したがって、ローパスフィルタ等を用いることにより、容易に分離して、二次振動による信号のみを取り出すことができる。

続いて、本発明の第２実施形態について説明する。図４は本発明に係る第２実施形態における角速度センサを示す平面図である。第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。なお、配線図についても第１実施形態に準じたものである。

本実施形態が第１実施形態と異なる点は、第１実施形態における駆動電極３のうち、半分を駆動電極３による一次振動を検出する一次振動検出電極３１として用い、前記ｘ軸二次振動検出電極４１およびｙ軸二次振動検出電極４２のうち、それぞれ半分をｘ軸二次振動検出電極４１から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子１に対して静電引力を働かせるｘ軸振動抑制電極（第１軸振動抑制電極）４１１およびｙ軸二次振動検出電極４２から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子１に対して静電引力を働かせるｙ軸振動抑制電極（第２軸振動抑制電極）４２１としてそれぞれ用いるように構成される。

一次振動検出電極３１は、駆動電極３により生じた一次振動を検出する電極である。検出の方法は、二次振動検出電極４と同様である。したがって、上記駆動電極３について説明したように、一次振動による変位が最大となる変位点（図２（ａ）の変位点Ｐｄ）のいずれかに配置されることが好ましい。本実施形態においては、２つの駆動電極３が対向し、２つの一次振動検出電極３１が対向するように、ｘ軸上に一次振動検出電極３１が配置され、ｙ軸上に駆動電極３が配置される。

また、振動抑制電極４１１，４２１は、二次振動検出電極４１，４２から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子１に対して静電駆動させる電極である。静電駆動の方法は、駆動電極３と同様である。したがって、上記二次振動検出電極４１，４２について説明したように、二次振動による変位が最大となる変位点（ｘ軸回りの角速度Ωｘについて図２（ｂ）の変位点Ｐｘ、ｙ軸回りの角速度Ωｙについて図２（ｃ）の変位点Ｐｙ）のいずれかに配置されることが好ましい。本実施形態においては、ｘ軸二次振動検出電極４１、ｙ軸二次振動検出電極４２のそれぞれについて、第１実施形態において使用した検出アンプ８のいずれか一方に接続された二次振動検出電極４１の一組（ｘ軸、ｙ軸についてそれぞれ３個ずつ）を振動抑制電極４１１，４２１として用いる。

このように、すべての電極を均等に配置することにより、駆動電極３、一次振動検出電極３１、二次振動検出電極４（４１，４２）および振動抑制電極４１１，４２１のそれぞれの電極がそれぞれの電極の効果を最大限に発揮する位置にもれなく配置される。したがって、各電極における効果を互いに阻害することなく効果的に各電極を配置することができる。

ここで、一次振動検出電極３１を設けることにより、駆動電極３によりリング部１１に生じた一次振動（による振動子１と一次振動検出電極３１との間の静電容量変化）が検出される。

リング部１１の振動は、温度等の周囲の環境の変化により振動の固有振動数が変化する可能性がある。したがって、リング部１１の一次振動を安定にするためには、上記固有振動数の変化に応じて駆動電極３に印加する交流電圧を変化させる必要が生じる。そこで、一次振動検出電極３１によりリング部１１に生じた一次振動を検出することにより、駆動電極３に対してフィードバックをかけることが可能となり、温度等の周囲の環境の変化に関わらず、リング部１１における一次振動をより安定的に生成することができる。

また、振動抑制電極４１１，４２１を設け、リング部１１の二次振動により二次振動検出電極４１，４２から検出された静電容量に基づいて、この変化を打ち消すような静電引力を働かせるべく、振動抑制電極４１１，４２１に所定の交流電圧が印加される。そして、振動抑制電極４１１，４２１に印加された交流電圧が発生したコリオリ力の大きさとして、二次振動の静電容量変化の代わりに検出されることにより各軸の角速度が検出される。

ここで、リング部１１において二次振動が生じた場合、当該二次振動と検出対象の角速度との間で一次振動との間で生じたのとは別のコリオリ力が生じ得る。このような別のコリオリ力は、二次振動検出の外乱となり得るので発生しないことが好ましい。そこで、振動抑制電極４１１，４２１のそれぞれに独立した所定の交流電圧を印加することにより、ｘ軸回りおよびｙ軸回りのそれぞれに作用する二次振動の発生を打ち消すとともに、当該打ち消すための振動抑制電極４１１，４２１に印加した交流電圧を二次振動を発生させるコリオリ力の大きさとして検出する。したがって、外乱の発生を取り除きつつ、直交する２つの軸についての角速度をより高精度に検出することができる。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。特に、各電極の大きさ、数および配置態様や一次振動および対応する二次振動の振動モードの選択（平面外一次振動のモード次数ｎ（ｎ≧２）に対してｎ−１またはｎ＋１のいずれかのモード次数を有する平面内二次振動を選択可能）等は、検出対象や検出環境等に応じて適宜採用可能である。

また、本実施形態においては、リング部１１がリング部１１の内側にある支持部１２により梁部１３を介して支持される構成について説明したが、これに限られず、リング部１１の外側に支持部を設けて、当該支持部とリング部とを梁部により接続することにより、リング部１１が外側から支持される構成としてもよい。

また、本実施形態においては、梁部１３が振動モードｃｏｓ２θのモード次数２の２倍設けられる構成について説明したが、これに限られず、例えば、梁部が２本１組で構成され、支持部１２側の端部は、いずれも駆動電極３に対向する位置に取り付けられ、リング部１１側の端部は、駆動電極３の両脇に１本ずつ位置するように取り付けられる。図５は図１の角速度センサの変形例を示す概略図である。図５においては図１の梁部１３の代わりに２本１組の梁部１３’が取り付けられている点のみが異なる。これにより、時計回りまたは反時計回りのいずれのコリオリ力が生じた場合であっても、梁部１３’ひいてはリング部１１にかかる応力が回転方向によって変化せず、より高精度に角速度を検出することができる。

本発明に係る第１実施形態における角速度センサの概略図である。 図１の角速度センサにおける振動態様を示す図である。 図１の角速度センサの配線図である。 本発明に係る第２実施形態における角速度センサを示す平面図である。 図１の角速度センサの変形例を示す概略図である。 特許文献１における振動子近傍の部分側方断面図である。

符号の説明

１ 振動子
２ 半導体基板
３ 駆動電極
４ 二次振動検出電極
１１ リング部
１３ 梁部
３１ 一次振動検出電極
４１ ｘ軸二次振動検出電極（第１軸二次振動検出電極）
４２ ｙ軸二次振動検出電極（第２軸二次振動検出電極）
Ｐｄ，Ｐｘ，Ｐｙ 最大変位点

Claims (12)

1. 検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング部を有する振動子が形成された半導体基板を備える角速度センサであって、
   振動子に対して静電駆動させることにより一次振動を生じさせる駆動電極と、
   一次振動に基づいた二次振動により、振動子との間で変化した静電容量を検出する二次振動検出電極とを具備し、
   駆動電極および二次振動検出電極は、リング部と略同一平面上に配置され、
   リング部に固有の振動数の２倍以上の周波数の交流電圧を駆動電極に印加することにより、一次振動としてリング部を平面外ｃｏｓｎθモード（ｎ：モード次数）で３次元に振動させるとともに、前記平面内におけるリング部および二次振動検出電極間の距離の変化を前記静電容量の変化として二次振動検出電極から検出することにより、前記平面内の所定の軸回りの角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
2. 駆動電極または二次振動検出電極のいずれか一方がリング部の内側に設けられ、駆動電極または二次振動検出電極のいずれか他方がリング部の外側に設けられることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 駆動電極は、リング部の一次振動における前記平面に垂直な方向の変位量が最大となる位置の近傍に設けられることを特徴とする請求項１または２記載の角速度センサ。
4. 二次振動検出電極は、リング部の二次振動における前記平面に平行な方向の変位量が最大となる位置の近傍に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の角速度センサ。
5. 駆動電極による一次振動を検出する一次振動検出電極を具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の角速度センサ。
6. 二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる振動抑制電極を具備し、
   振動抑制電極に印加した電圧を前記二次振動の静電容量変化の代わりに検出することにより角速度を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の角速度センサ。
7. 振動子は、リング部の中心部で一端が支持され、他端がリング部に接続される複数の梁部を有し、
   梁部は、振動子の一次振動における振動モードのモード次数の２倍の個数設けられ、
   隣り合う梁部の略中間であって、リング部の内側または外側に駆動電極が設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の角速度センサ。
8. 二次振動検出電極は、前記平面内の直交する第１軸および第２軸のそれぞれについて、第１軸の軸回りに作用する角速度による二次振動を検出する第１軸二次振動検出電極と、第２軸の軸回りに作用する角速度による二次振動を検出する第２軸二次振動検出電極とを具備することを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
9. 駆動電極は、振動子の一次振動における振動モードのモード次数の２倍の個数設けられ、
   第１軸二次振動検出電極および第２軸二次振動検出電極のそれぞれは、振動子の二次振動における振動モードのモード次数の２倍の個数設けられることを特徴とする請求項８記載の角速度センサ。
10. 第１軸二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる第１軸振動抑制電極と、
    第２軸二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる第２軸振動抑制電極とを具備し、
    第１軸振動抑制電極および第２軸振動抑制電極にそれぞれ印加した電圧に基づいて各軸の角速度を検出することを特徴とする請求項８記載の角速度センサ。
11. 前記駆動電極のうち、半分を一次振動検出電極として用い、前記第１軸二次振動検出電極および第２軸二次振動検出電極のうち、それぞれ半分を第１軸振動抑制電極および第２軸振動抑制電極としてそれぞれ用いることを特徴とする請求項１０記載の角速度センサ。
12. リング部に直流電圧を印加可能に構成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の角速度センサ。

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