JP5418355B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

本発明は角速度センサに関する。

自動車等の車両においては、車両のスピンやピッチングなどの回転発生時にエンジン出力とブレーキ動作を制御してこの回転を解消する車両安定制御（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ、ＶＳＣ）システムと呼ばれる制御システムが採用されている。

車両のスピンやピッチングは車両の急旋回として捉えることができることから、車両の角速度を測定することによりスピンやピッチング等の回転を検知することができる。車両の角速度を測定するため、車両には角速度センサが設けられている。

角速度センサの原理について説明する。図９に示すように、所定方向に運動する物体が、その運動方向に対して垂直な回転軸周りの回転運動を受けたとき、物体には運動方向および回転軸に対して垂直な方向にコリオリ力が働く。角速度センサはこのコリオリ力を測定し、コリオリ力の大きさに基づいて角速度の大きさを求めている。

角速度センサは、所定の質量を有する錘と、錘を振動可能に支持する梁とを備えている。特許文献１における角速度センサ１００を図１０に示す。角速度センサ１００は、直方体の錘１１０と、錘１１０に一方の端部を固定されるとともに、固定部１１２に他方の端部が固定された梁１１４が設けられている。梁１１４は差し金状またはΓ字状の形状をしており、錘１１０の各辺から計４本延びている。梁１１４はｘ軸方向、ｘ軸方向に直交するｙ軸方向、ｘ軸方向及びｙ軸方向に直交するｚ軸方向に振動可能になっており、したがって錘１１０もｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向のいずれにも変位可能となっている。

錘１１０のｚ軸方向から見て上下方向（紙面手前および奥）には励振電極１１６が設けられている。励振電極１１６は錘１１０に固定された錘側電極と、錘側電極とはｚ軸方向に離間して対向する固定電極の組から構成される。励振電極１１６は交流電源に電気的に接続されており、交流電力を励振電極１１６に印加することにより励振電極１１６に静電力が働き、交流電力の正負に応じて励振電極１１６の錘側電極と固定電極とは互いに引き合い、または反発する。この引き合いと反発とが周期的に生じることにより錘１１０がｚ軸方向に振動させられる。

また、錘１１０の周囲には検出電極１１８が設けられている。検出電極１１８は、錘１１０に固定された錘側電極と、錘側電極と離間してｘ軸方向又はｙ軸方向に対向し、固定部１１２側に固定された固定電極の組から構成される。検出電極１１８は静電容量の変化を捉えることにより錘側電極と固定電極との距離の変動を検知し、これにより錘１１０のｘ軸方向またはｙ軸方向の変位を検知する。

このような構成において、錘１１０は励振電極１１６によってｚ軸方向に励振される。錘１１０が励振されているときにｘ軸を回転軸とする回転運動が角速度センサ１１６に加わると、錘１１０にはｚ軸及びｘ軸と直交するｙ軸方向にコリオリ力が生じ、錘１１０はｚ軸方向に加えてｙ軸方向にも振動する。このｙ軸方向の錘１１０の変位を検出電極１１８により検出することにより角速度の大きさを求める。また、錘１１０がｚ軸方向に励振されているときにｙ軸を回転軸とする回転運動が角速度センサ１１６に加わると、錘１１０にはｚ軸及びｙ軸と直交するｘ軸方向にコリオリ力が生じ、錘１１０はｚ軸方向に加えてｘ軸方向にも振動する。このｘ軸方向の錘１１０の変位を検出電極１１８により検出することにより角速度の大きさを求める。

特開平１１−２９５０７５号公報

ところで、錘を励振させる際に、励振方向とは異なる方向に錘が振動してしまうことがある。これは錘を支持する梁の断面形状に起因している。梁の断面形状に応じて、梁には撓み易い方向と撓み難い方向とが存在する。図１１に示すように、梁が撓み易い方向から荷重を受けた場合、荷重方向（つまり、励振方向）と梁の振動方向は等しくなるが、梁の撓み易い方向と励振方向とが異なる場合、梁は撓み易い方向にも振動し、励振方向と振動方向が異なることになる。その結果、励振方向に直交する方向の振動成分、いわゆる漏れ振動成分が発生する。漏れ振動成分がコリオリ力と同じ検出方向（ｘ軸またはｙ軸）の成分である場合、漏れ振動成分を検出した際にこれを誤ってコリオリ力と検出してしまうおそれがある。

したがって、漏れ振動の抑制のためには、梁の撓み易い方向と励振方向とを一致させることが望ましい。しかし、近年小型化、微細化が進む角速度センサにおいては梁形状の正確な加工は困難であり、梁の撓み易い方向と励振方向とを一致させることは容易ではない。

近年、角速度センサは半導体ウエハの集積回路技術を基礎にした微細加工技術により製作され、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、またはマイクロマシンと呼ばれる微小機械素子として構成される。このような微細加工技術において半導体ウエハに対するウェット法やドライ法を用いた異方性エッチングにより梁が形成される。

異方性エッチングとはエッチング速度がエッチングの方向によって異なるエッチング処理を指している。例えばアルカリ溶液を用いるウェットエッチング法では、半導体ウエハの結晶のうち、結晶方位（１００）面のエッチング速度は（１１１）面のエッチング速度の約１００倍となる。この異方性エッチングにおいて梁の正確な加工を行うには半導体ウエハの結晶構造が所望の構造を採るように半導体ウエハ材料の結晶を成長させる必要がある。しかし、結晶成長の過程で半導体ウエハ材料の実際の結晶構造が理想的な結晶構造とは相違する部分が生じる。また、ＳＦ_６等のガスを用いるドライエッチング法では、ウエハ上の場所や隣接するパターン形状の影響によりエッチング速度にばらつきが生じることがある。その結果、梁を加工する異方性エッチング工程において梁の形状が所望の形状とは異なるものとなる。その結果、梁の撓み易い方向と励振方向とが一致しない場合が生じてしまう。

そこで本発明は、励振時に発生する検出方向の漏れ振動を抑制し、コリオリ力による変位を正確に検出することのできる角速度センサを提供することを目的とする。

本願発明は、錘と、錘を支持する梁と、錘を所定の励振方向に振動させる励振電極と、励振方向に直交する第１の検出方向、および、励振方向及び第１の検出方向に直交する第２の検出方向の錘の変位を検出する検出電極と、を備えた角速度センサに関するものである。梁は、第２の検出方向に沿って延び、励振電極によって励振方向に振動させられる励振梁と、励振方向に沿って延び、第１の検出方向の加振により第１の検出方向に振動させられる第１の検出梁と、励振方向に沿って延び、第２の検出方向の加振により第２の検出方向に振動させられる第２の検出梁と、を備えている。さらに、錘は、第１の検出梁に支持された第１の錘と、第２の検出梁に支持された第２の錘と、を備え、第１の検出梁、および、第２の検出梁の反錘側は励振梁に支持されるプレートに接続されている。検出電極は、第１の錘の第１の検出方向の変位を検出する第１の検出電極と、第２の錘の第２の検出方向の変位を検出する第２の検出電極と、を備え、第１の検出電極によって検知された第１の錘の第１の検出方向の変位に基づいて、第２の検出方向の角速度を求めるとともに、第２の検出電極によって検知された第２の錘の第２の検出方向の変位に基づいて、第１の検出方向の角速度を求める。

また、上記発明において、励振梁は、第１の検出方向の厚さが、励振方向の厚さより厚く、第１の検出梁は、第２の検出方向の厚さが、第１の検出方向の厚さよりも厚く形成され、第２の検出梁は、第１の検出方向の厚さが、第２の検出方向の厚さよりも厚く形成されていることが好適である。

また、上記発明において、第１の検出梁は、第１の検出方向の厚さが、励振梁の第１の検出方向の厚さよりも薄く形成され、第２の検出梁は、第２の検出方向の厚さが、第１の検出梁の第２の検出方向の厚さより薄く形成されていることが好適である。

また、上記発明において、励振梁の第１の検出方向の厚さは、励振方向の厚さの１．５倍以上の厚さであることが好適である。

また、上記発明において、第１の錘の重心と第２の錘の重心と励振梁の中心点が、励振方向に平行な直線上に配置されることが好適である。

また、上記発明において、第１の錘と第２の錘の重心が一致することが好適である。

本発明によれば、励振時に発生する検出方向の漏れ振動を抑制しつつ、コリオリ力による変位を正確に検出することが可能となる。

本実施形態に係る角速度センサを例示する図である。 本実施形態に係る角速度センサを例示する図である。 本実施形態に係る角速度センサを例示する図である。 錘の変位検出について説明する図である。 錘の変位検出について説明する図である。 錘の変位検出について説明する図である。 錘の変位検出について説明する図である。 本実施形態に係る角速度センサを例示する図である。 角速度センサの原理を説明する図である。 従来の角速度センサを例示する図である。 振動方向と梁の断面形状とを示す図である。

図１に、本実施形態に係る角速度センサ１０を示す。なお、以下では励振方向をｙ軸で示し、車両等の横滑り（スピン）による回転の回転軸をｙ方向に直行するｘ軸で示す。さらに、スピンにより発生したコリオリ力の方向をｘ軸及びｙ軸に直交するｚ軸で示す。また、車両のピッチングによる回転の回転軸をｚ軸で示し、ピッチングにより発生したコリオリ力の方向をｙ軸で示す。

また、以下では図の手前側をｚ軸の負方向、奥側をｚ軸の正方向とする。また、図の右側をｘ軸の正方向、左側をｘ軸の負方向とする。さらに、図の上側をｙ軸の正方向、下側を負方向とする。

角速度センサ１０は、所定の質量を有する錘と、錘を支持する梁とを備えている。梁は励振梁１２および検出梁を備えている。

励振梁１２の一方の端部は固定部１４に固定されている。励振梁１２は固定部１４からｘ軸方向に延び、他方の端部はプレート部１６に固定されている。また、励振梁１２はｙ軸方向から見て下方の第１の励振梁１２Ａと上方の第２の励振梁１２Ｂの２本の梁から構成されている。

励振梁１２は平板状の直方体形状をしており、断面が長方形形状をしている。
励振梁１２の断面形状は、ｚ軸方向（第１の検出方向）の厚さＴ_ｚがｙ軸方向（励振方向）の厚さＴ_ｙよりも厚くなるように形成されている。ｚ軸方向を厚くすることによりｚ軸方向の漏れ振動が抑制される。また、ｙ軸方向の厚さＴ_ｙについてはｙ軸方向に振動することのできる厚さになるように定めている。具体的には、励振梁１２のｚ軸方向の厚さＴ_ｚは１．５〜１００μｍとなるように定められている。一方、励振梁１２のｙ軸方向の厚さＴ_ｙは１〜５０μｍとなるように形成されている。このうち、励振梁１２のｚ軸方向の厚さはｙ軸方向の厚さの１．５倍以上となるように励振梁１２が形成されていることが好適である。

また、プレート部１６のｚ軸方向の厚さは励振梁１２とほぼ等しい厚さに形成されている。また、ｙ軸方向の厚さは励振梁１２よりも厚く形成されており、ｙ軸方向の撓みが励振梁１２よりに比べて抑制されるように形成されている。

また、検出梁はｚ軸方向に振動可能なｚ変位検出梁１８と、ｘ軸方向に振動可能なｘ変位検出梁２０とを備えている。ｚ変位検出梁１８とｘ変位検出梁２０は、プレート部１６を介して励振梁１２Ａ、１２Ｂに接続されている。また、ｚ変位検出梁１８は所定の質量を有する直方体形状のｚ錘２２を支持し、ｘ変位検出梁２０は所定の質量を有する直方体形状のｘ錘２４を支持している。図１に示されているように、ｚ変位検出梁１８はプレート部１６Ａまたは１６Ｂに一方（反錘側）の端部を固定されてｙ軸方向に延び、他方の端部はｚ錘２２に固定されている。また、ｘ変位検出梁２０はプレート部１６Ａまたは１６Ｂに一方（反錘側）の端部を固定されてｙ軸方向に延び、他方の端部はｘ錘２４に固定されている。ｚ変位検出梁１８およびｚ錘２２の組み合わせをｚ振動子と呼び、またｘ変位検出梁２０およびｘ錘２４の組み合わせをｘ振動子と呼ぶと、本実施形態においてはｚ振動子およびｘ振動子がｘｙ平面上に互いに離間して並列に配置され、さらに両振動子は共通のプレート部１６および励振梁１２に振動可能に支持されている。すなわち、本実施形態においては励振用の梁とコリオリ力検出用の梁とを分離している。励信用の梁と検出用の梁を分離することで、励振時に生じうる漏れ振動の検出側への伝達を抑制することができる。

ｚ変位検出梁１８はｙ軸方向に延びた平板状の直方体形状をしており、断面が長方形形状をしている。ｚ変位検出梁１８の断面形状は、ｘ軸方向（第２の検出方向）の厚さＴ_ｘがｚ軸方向（第１の検出方向）の厚さＴ_ｚよりも厚くなるように形成されている。ｘ軸方向を厚くすることによりｘ軸方向の漏れ振動が抑制される。また、ｚ軸方向の厚さＴ_ｚについては励振梁１２のｚ軸方向の厚さＴ_ｚよりも薄くなるように形成され、ｚ変位検出梁１８はｚ軸方向に加振されたときに振動可能となっている。具体的には、ｚ変位検出梁１８のｘ軸方向の厚さＴ_ｘは５〜５００μｍとなるように定められている。一方、ｚ変位検出梁１８のｚ軸方向の厚さＴ_ｚは１〜１００μｍとなるように形成されている。

また、ｘ変位検出梁２０はｙ軸方向に延びた平板状の直方体形状をしており、断面が長方形形状をしている。ｘ変位検出梁２０の断面形状は、ｚ軸方向（第１の検出方向）の厚さＴ_ｚがｘ軸方向（第２の検出方向）の厚さＴ_ｘよりも厚くなるように形成されている。ｚ軸方向を厚くすることによりｚ軸方向の漏れ振動が抑制される。また、ｘ軸方向の厚さＴ_ｘについてはｚ変位検出梁１８のｘ軸方向の厚さＴ_ｘよりも薄くなるように形成され、ｘ変位検出梁２０はｘ軸方向に加振されたときに振動可能となっている。具体的には、ｘ変位検出梁２０のｚ軸方向の厚さＴ_ｚは１〜１００μｍとなるように定められている。一方、ｘ変位検出梁２０のｘ軸方向の厚さＴ_ｘは０．５〜５０μｍとなるように形成されている。

さらに励振梁１２Ｂに接続されたプレート部１６には、検出梁が固定されている側とは対向する側に励振電極２６が設けられている。励振電極２６はプレート部１６に固定された梁側電極と固定部１４側に固定された固定電極との組からなり、梁側電極と固定電極とはｙ軸方向に所定の間隔を空けて離間されている。この励振電極２６により励振梁１２およびプレート部１６がｙ軸方向に励振される。励振梁１２の励振に伴って、ｚ振動子（ｚ錘２２およびｚ変位検出梁１８）とｘ振動子（ｘ錘２４およびｘ変位検出梁２０）がｙ軸方向に同一の周期で励振される。

また、励振梁１２Ａに接続されたプレート部１６には、検出梁が固定されている側とは対向する側にｙ変位検出電極２７が設けられている。ｙ変位検出電極２７はプレート部１６に固定された梁側電極と固定部側に固定された固定電極との組からなり、梁側電極と固定電極とはｙ軸方向に所定の間隔を空けて離間されている。ｙ変位検出電極２７は梁側電極と固定電極との間の静電容量を測定しており、両者の間隔が変動することに伴う静電容量の変化を検知することにより、ｚ振動子およびｘ振動子のｙ軸方向の変位を検知する。

また、ｚ錘２２にはｚ変位検出電極２８が設けられている。ｚ変位検出電極２８はｚ錘２２に固定された梁側電極と固定部側に固定された固定電極との組からなり、梁側電極と固定電極とはｚ軸方向に所定の間隔を空けて離間されている。ｚ変位検出電極２８は梁側電極と固定電極との間の静電容量を測定しており、両者の間隔が変動することに伴う静電容量の変化を検知することにより、ｚ振動子のｚ軸方向の変位を検知する。

また、ｘ錘２４にはｘ変位検出電極２９が設けられている。ｘ変位検出電極２９はｘ錘２４に固定された梁側電極と固定部側に固定された固定電極との組からなり、梁側電極と固定電極とはｘ軸方向に所定の間隔を空けて離間されている。ｘ変位検出電極２９は梁側電極と固定電極との間の静電容量を測定しており、両者の間隔が変動することに伴う静電容量の変化を検知することにより、ｘ振動子のｘ軸方向の変位を検知する。

また、図１に示されているように、励振電極２６、ｙ変位検出電極２７、ｘ変位検出電極２９はいずれも櫛歯電極から構成されている。

なお、本実施形態に係る角速度センサ１０はＭＥＭＳと呼ばれる微小機械素子であり、半導体等の集積回路技術を基礎にした微細加工技術により製作される。微細加工技術とは例えば等方性エッチングや非等方性エッチングなどのエッチング加工や、ＣＶＤ、ＰＶＤ、メッキ等の成膜加工が含まれる。本実施形態に係る角速度センサ１０は、シリコン基板上に酸化膜を挟んで積層された多結晶シリコン膜層からなる積層体から構成されている。本願の図面においてはシリコン基板を斜線のハッチングで示し、酸化膜を縦線のハッチングで示し、多結晶シリコン膜層をグレーで示している。また、シリコン基板、酸化膜、多結晶シリコン膜層の３層すべてが除去された領域を白で示している。なお、多結晶シリコン膜層の代わりに、単結晶シリコン膜層を予め酸化膜を介して別のシリコン基板と接合したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いても良い。

本実施形態に係る角速度センサ１０の各構成と積層体の各層との関係を説明する。固定部１４はシリコン基板、酸化膜、多結晶シリコン膜層の３層からなる積層体から構成されている。また、励振梁１２、プレート部１６は多結晶シリコン膜層のみから形成され、その下層にある酸化膜が除去されている。つまり励振梁１２、プレート部１６とシリコン基板との間には空隙が設けられている。これにより、励振梁１２、プレート部１６が振動可能となる。

また、ｚ変位検出梁１８およびｘ変位検出梁２０は多結晶シリコン膜層のみから形成され、さらにシリコン膜層の下層である酸化膜は除去されている。つまりｚ変位検出梁１８およびｘ変位検出梁２０とシリコン基板との間には空隙が設けられている。これにより、ｚ変位検出梁１８およびｘ変位検出梁２０が振動可能となる。

また、ｚ錘２２はシリコン基板、酸化膜、多結晶シリコン膜層の３層からなる積層体から構成されている。また、ｚ錘２２の周囲はシリコン基板、酸化膜、多結晶シリコン膜層が除去されており、ｚ錘２２の振動時の周囲への接触を防いでいる。このような構成において、ｚ錘２２はｚ変位検出梁１８のみによって支持されている。

また、ｚ錘２２の一部の多結晶シリコン膜層および酸化膜を除去し、当該部分をｚ変位検出電極２８として形成している。多結晶シリコン膜層および酸化膜が除去され、シリコン基板が露出した部分がｚ変位検出電極２８の梁側電極となる。さらに梁側電極上に位置する多結晶シリコン膜層を固定電極とすることで梁側電極と多結晶シリコン膜層とがｚ軸方向に関して離間する。多結晶シリコンとシリコン基板との間の酸化膜を除去するため、ｚ変位検出電極２８の固定電極には犠牲膜エッチング用のエッチング孔が設けられている。

また、ｘ錘２４は多結晶シリコン膜層のみから構成されている。ここで、ｘ錘２４の下層にある酸化膜は除去されており、シリコン基板とは離間している。すなわち、ｘ錘２４はｘ変位検出梁２０のみによって支持されている。

また、励振電極２６の梁側電極および固定電極はともにシリコン基板、酸化膜、多結晶シリコン膜層の３層からなる積層体から構成されている。さらに、ｙ変位検出電極２７の梁側電極および固定電極もともにシリコン基板、酸化膜、多結晶シリコン膜層の３層からなる積層体から構成されている。

また、ｘ変位検出電極２９の梁側電極はｘ錘２４から延伸した多結晶シリコン膜層の櫛型電極から構成され、また固定電極は多結晶シリコン膜層から構成され、梁側電極の各櫛歯電極と近接する櫛型電極から構成されている。

また、シリコン基板および多結晶シリコン膜層のうち、電極を構成する領域、および当該電極から交流電源（図示せず）、または電圧計（図示せず）までの経路はｎ型またはｐ型に予めドープされており、導電性を有している。

次に、角速度センサ１０を用いて角速度を算出する過程について説明する。

交流電源から交流電力が励振電極２６に供給されると、励振電極２６の梁側電極と固定電極との間に静電力が働き、交流電力の正負に応じて励振電極２６の梁側電極と固定電極とは互いに引き合い、または反発する。この引き合いと反発とが周期的に生じることにより励振梁１２が撓んでｙ軸方向（励振方向）に振動する。励振梁１２に支持されたプレート部１６、ｚ振動子（ｚ錘２２およびｚ変位検出梁１８）ｘ振動子（ｘ錘２４およびｘ変位検出梁２０）も励振梁１２の振動に伴ってｙ軸方向に振動する。

上述したように、励振梁１２のｚ軸方向の厚さＴ_ｚはｙ軸方向の励振に伴い発生し得るｚ軸方向の漏れ振動を抑制することのできる厚さになるように定められている。
梁のばね定数は撓み方向の厚さの３乗に比例することが知られている。したがって、上述のように励振梁１２のｚ軸方向の厚さＴ_ｚをｙ軸方向の厚さＴ_ｙの１０倍以上にすることで、ｚ軸方向の剛性はｙ軸方向の剛性に比べて１０００倍程度高くなる。ｚ軸方向の剛性が高くなることで、ｚ軸方向には撓みにくくなる。ｚ軸方向に撓みにくくなることから、ｚ軸方向の振動は抑制される。したがって、ｙ軸方向の励振に伴うｚ軸方向の漏れ振動を抑制することができる。さらに、励振梁１２はｘ軸方向に撓むことなく直線状に延びており、ｘ軸方向の漏れ振動は抑制されている。このように、本実施形態における角速度センサにおいては、励振梁１２が励振方向以外の方向に生じうる漏れ振動を抑制する構造を備えている。

励振梁１２の振動に伴い、ｙ変位検出電極２７の梁側電極と固定電極の間隔が変動する。この間隔の変動に伴ってｙ変位検出電極２７の静電容量が変化する。この静電容量の変化をｙ変位検出電極２７に接続された電圧センサ（図示せず）により測定し、さらに静電容量の変化に伴う電位変化に応じてｚ振動子およびｘ振動子のｙ軸方向（励振方向）の変位を求めることができる。

ｚ振動子がｙ軸方向に励振されているときに、ｘ軸を回転軸とする回転運動（車両のスピンに相当）が角速度センサ１０に加わると、ｚ軸方向（第１の検出方向）にコリオリ力が生じ、ｚ振動子はｙ軸方向に加えてｚ軸方向にも振動する。コリオリ力をＦｃ、錘の質量をｍ（ただし、梁の質量は無視できるものとする）、錘の励振方向の速度をｖ、回転による角速度をΩで示すと、角速度Ωは下記数式１のように表すことができる。

錘の励振速度ｖは、下記数式２で示すように、錘の励振による変位ｙを微分することにより求めることができる。

ここで、Ａはｙ軸方向の振幅、ω_ｙは励振の角速度を示す。なお、錘の励振による変位ｙは上述したようにｙ変位検出電極２７の電位変化により求めることができる。例えば、ｙ変位検出電極２７が検知した電圧変化の成分のうち、励振電極２６に印加する交流電圧と周期の一致した成分のみを取り出す同期検波によって錘の変位を求めることができる。

また、ｚ軸方向のコリオリ力Ｆｃはｚ錘２２のｚ軸方向の変位に基づいて求めることができる。すなわち、ｚ錘２２のｚ軸方向の運動はコリオリ力Ｆｃによる強制振動と捉えることができ、これを解くことによりコリオリ力Ｆｃを求めることができる。強制振動の運動方程式は既知であり、下記数式３のように示される。

ここで、ｚ（ｔ）はｚ軸方向の変位を示している。さらにω_ｚ０は検出梁２０のｚ軸方向の固有振動数、ＱはＱ値を表し、下記数式４で表される。

ここで、ω_ｚ１−ω_ｚ２は半値幅を示しており、ω_ｚ１およびω_ｚ２は固有振動数ω_ｚ０における振動エネルギーの半値となる振動数を表している。ω_ｚ０、ω_ｚ１、ω_ｚ２はいずれも角速度センサの性能試験等により予め求めることができる。さらにｚ錘２２のｚ軸方向の変位ｚ（ｔ）はｚ変位検出電極２８に接続された電圧センサ（図示せず）から求めることができる。ｚ軸方向の変位ｚ（ｔ）からＺ軸方向の速度および加速度を求めることができる。また、ｚ錘２２の質量ｍは予め求めることができる。これらの値を数式３に代入することによりコリオリ力Ｆｃを求めることができる。

コリオリ力Ｆｃが求められ、ｚ錘２２の質量ｍは既知であり、さらにｚ錘２２のｙ軸方向（励振方向）の速度ｖも求めることができることから、数式１にこれらの値を代入することによりｘ軸周りの角速度Ωを求めることができる。

また、ｘ振動子がｙ軸方向に励振されているときに、ｚ軸を回転軸とする回転運動（車両のピッチングに相当）が角速度センサ１０に加わると、ｘ軸方向（第２の検出方向）にコリオリ力が生じ、ｘ振動子はｙ軸方向に加えてｘ軸方向にも振動する。数式３の運動方程式を変位ｘ（ｔ）に変更し、数式１、２、４の各パラメータを求めることにより、ｚ軸周りの角速度Ωを求めることができる。

このように本実施形態においては、励振方向に薄く、検出方向に厚い形状の励振梁１２を設けている。このような構成を備えることにより、励振梁１２の励振時に生じうる漏れ振動が抑制される。また、ｚ振動子およびｘ振動子の励振梁を励振梁１２に共通させることで、ｘ錘２４とｚ錘２２の質量が異なっていても、ｚ振動子およびｘ振動子を同一周波数の振幅、位相で励振させることができる。２つの振動子の励振周波数および振幅を一致させることで、コリオリ力を発生させるための速度の大きさを同一にすることができ、ｘ振動子とｚ振動子の感度を一致させ易くなる。

また、コリオリ力がそれぞれ発生した際に、ｚ振動子およびｘ振動子の変位の位相は励振振動の位相から見て等しい位相関係となる。したがってｚ変位検出電極２８またはｘ変位検出電極２９の電圧波形からｚ振動子またはｘ振動子の変位を求める際に、励振振動と同周期の成分を取り出せば良く、位相も共通となるので、ｚ振動子およびｘ振動子の変位を求める上で共通の同期検波回路を使用することが可能となり、高精度かつ低コストな角速度センサを提供することができる。

なお、図１に係る実施形態においてはｚ振動子およびｘ振動子をｘ軸方向に並列して配置したが、この形態に限られない。例えば、図２に示すように、ｚ振動子およびｘ振動子をｙ軸方向に並列して配置しても良い。

図２においては励振梁１２Ａ、１２Ｂに加えて中央に励振梁１２Ｃが設けられている。励振梁１２Ａ、１２Ｃの間にはｘ振動子（ｘ錘２４、ｘ変位検出梁２０）が設けられ、さらにｘ錘２４にはｘ変位検出電極２９が設けられている。また、励振梁１２Ｂ、１２Ｃの間にはｚ振動子（ｚ錘２２、ｚ変位検出梁１８）が設けられ、さらにｚ錘２２にはｚ変位検出電極２８が設けられている。また、励振梁１２Ｃに励振電極２６が設けられ、励振梁１２Ａにｙ変位検出電極２７が設けられている。

図２に示す角速度センサは、ｚ振動子およびｘ振動子の共振周波数を調整する上で有意な構成を採っている。励振電極２６によりｚ振動子およびｘ振動子を励振させる際に、励振振幅が最も大きくなる共振周波数を選択して両振動子を励振させる。励振時の共振周波数を数式５に示す。

ここで、ｆ_ｄは励振時の共振周波数、ｋ_ｄは励振梁１２のｙ軸方向のばね定数、Ｍ_ｘはｘ錘２４の質量、Ｍ_ｚはｚ錘２２の質量を表わしている。なお、励振梁１２、ｘ変位検出梁２０、ｚ変位検出梁１８の質量は無視できるほど軽量であるものとする。一方、ｘ振動子単体の共振周波数を数式６に示す。

ここで、ｆ_ｘはｘ振動子単体の共振周波数を表わし、ｋ_ｘはｘ変位検出梁２０のｘ軸方向のばね定数を表わしている。また、ｚ振動子単体の共振周波数を数式７に示す。

ここで、ｆ_ｚはｚ振動子単体の共振周波数を表わし、ｋ_ｚはｚ変位検出梁１８のｚ軸方向のばね定数を表わしている。

前述したように、コリオリ力によるｘ振動子単体およびｚ振動子単体の変位を求める際には、ｘ変位検出電極２９またはｚ変位検出電極２８の検出波形のうち、励振電極２６に印加した交流電圧と同周期、つまり励振時の共振周波数の成分を抽出する同期検波を行っている。このとき、数式５〜７から、励振時の共振周波数がｘ振動子単体およびｚ振動子単体の共振周波数であるとは限らない。一般的に共振周波数のとき振幅が極値を取り、共振周波数から離れるほど振幅は小さくなる。すなわち、励振時の共振周波数とｘ振動子またはｚ振動子の共振周波数との差が大きいほどｘ振動またはｚ振動子の変位を検出する感度は低くなる。

ｘ振動子とｚ振動子の感度を向上させるには、各振動子の共振周波数と励振時の共振周波数を互いに近づければよい。数式５〜７から、各振動子のばね定数およびｘ錘２４およびｚ錘２２の質量を変化させることにより各振動子の共振周波数を励振時の共振周波数に近づけることができる。ここで、ｘ振動子とｚ振動子が図１に示したようにｘ軸上に並列されている場合、ｘ錘２４とｚ錘２２の質量が相違すると（例えば、ｚ錘２２質量がｘ錘２４に比べて大きいと）、錘全体の重心が励振梁１２の中心、従って励振運動の中心位置からずれる。励振運動の中心と錘の重心がずれることにより励振方向以外の振動が発生するおそれがある。

そこで図２に係る角速度センサにおいては、ｘ振動子とｚ振動子とをｙ軸方向に並べ、励振梁１２の中心点と、ｘ錘２４の重心、ｚ錘２２の重心とがｙ軸に平行な直線上に配置されるように構成している。このような構成を備えることにより、ｘ錘２４とｚ錘２２の質量を異ならせたときに、錘全体の重心位置と励振運動の中心位置がずれることを防止することができる。

また、錘の重心位置と励振運動の中心位置とのずれを防止できる構造を備えた角速度センサの別の実施形態を、図３に示す。図３に示す角速度センサにおいては、ロ字状のｘ錘２４と、ｘ錘２４の内側に配置されたｚ錘２２が設けられている。ｘ錘２４とｚ錘２２を入れ子状に配置することで、ｙ軸上に延びる図２の角速度センサと比較してｙ軸方向の長さを短縮することができ、角速度センサの小型化に寄与し得る構造となっている。

ここで、ｘ錘２４は多結晶シリコン膜層と、酸化膜とシリコン基板の積層体から構成されている。さらに、ｘ錘２４と多結晶シリコン膜層のみからなるｚ変位検出梁１８が交差する位置においてはｘ錘２４から多結晶シリコン層および酸化膜を除去している。これによりｘ錘２４とｚ変位検出梁１８との接触を避けることができる。また、後述する上側検出電極３０の多結晶シリコン膜層からなる固定電極と、同じく下側検出電極３２の多結晶シリコン膜層からなる梁側電極とｘ錘２４とが交差する位置においても、ｘ錘２４から多結晶シリコン層および酸化膜を除去している。これによりｘ錘２４と各電極の接触を避けることができる。さらに、後述する上側制御電極３８の多結晶シリコン膜層からなる固定電極と、同じく下側制御電極４０の多結晶シリコン膜層からなる梁側電極とｘ錘２４とが交差する位置においても、ｘ錘２４から多結晶シリコン層および酸化膜を除去している。これによりｘ錘２４と各電極の接触を避けることができる。

図３に示す実施形態においては、ｚ変位検出電極を２種類備えている。すなわち、ｚ錘２２から多結晶シリコン膜層および酸化膜を除去し、シリコン基板が露出した部分を梁側電極とし、これにｚ軸方向に離間して対向する多結晶シリコン膜層のみからなる固定電極から構成される上側検出電極３０と、ｚ錘２２から延伸する多結晶シリコン膜層のみからなる梁側電極と、梁側電極にｚ軸方向に離間して対向するシリコン基板のみからなる固定電極から構成される下側検出電極３２を備えている。ｚ振動子のｚ軸方向の変位ｚ（ｔ）は上側検出電極３０の電位（上側電位）と、下側検出電極３２の電位（下側電位）から求めることができる。この変位ｚ（ｔ）の求め方について以下に説明する。

まずコリオリ力が働いておらず、励振のみによりｚ錘２２が運動している場合、図４に示すようにｚ錘２２はｙ軸上を往復運動する。このとき、上側検出電極３０および下側検出電極３２の梁側電極と固定電極とが重なる面積は、ｚ錘２２のｙ軸上の往復運動により変動する。これにより上側検出電極および下側検出電極が検出する電位（上側電位及び下側電位）は変動する。

例えば変位ｙ＝０（つまりωｔ＝０、π）のときに上側電位及び下側電位が最大値Ｖ_ＭＡＸを取るように上側検出電極３０および下側検出電極３２の梁側電極及び固定電極の配置を定める。具体的には変位ｙ＝０のときにそれぞれの梁側電極と固定電極との重なり面積が最も大きくなるように各電極を配置する。このように各電極を配置した場合、図５に示すようにωｔ＝π／２、３π／２のときに上側電位および下側電位は最小値Ｖ_ＭＩＮを取り、ｚ錘２２の変位に伴う上側電位と下側電位の変化の傾向は一致する。

一方、ｚ軸方向のコリオリ力が働くと、ｚ錘２２は図６に示すように菱形の軌跡を描くようにして移動する。これはｙ軸方向の励振運動にｚ軸方向のコリオリ力が重畳するためである。なお、コリオリ力を説明した数式１においてはコリオリ力、励振速度、角速度の値をスカラーで表したが、図６の理解を容易にするためにそれぞれの成分をベクトル表記した数式を下記数式８に示す。

数式８より、コリオリ力のベクトルＦｃは、角速度ベクトルΩと速度ベクトルｖの外積であることが理解される。ｙ軸方向の速度ベクトルｖは数式２よりωｔ＝０のときにｙ軸の正方向に向かって最大値を取る。したがってコリオリ力はωｔ＝０（ｙ＝０）のときにｚ軸方向について最小値を取る。また、速度ベクトルｖはωｔ＝πのときにｘ軸の負方向に向かって最大値を取る。したがってコリオリ力はωｔ＝π（ｘ＝０）のときにｚ軸方向について最大値を取る。

コリオリ力によるｚ軸方向の変位の影響を受け、上側電位と下側電位の波形は図５とは異なるものとなる。上側電位の波形を図７上段に示し、下側電位の波形を図７中段に示す。ωｔ＝０のとき、ｚ錘２２はｚ軸方向の最小値を取り、下側検出電極３２の梁側電極が固定電極に近接することから、上側電位の値は図５に比べて低くなり、下側電位は高くなる。また、ωｔ＝πのとき、ｚ錘２２はｚ軸方向の最大値を取り、上側検出電極３０の梁側電極は固定電極に近接することから、上側電位の値は図５に比べて高くなり、下側電位は低くなる。ここで、上側電位と下側電位の差分を取ると、ｚ軸方向の変位、すなわちコリオリ力によるｚ錘２２の変位に対応する波形を得ることができることが理解される。図７の下段に上側電位と下側電位の差分の波形を示す。本実施形態における角速度センサ１０は上側電位と下側電位の差分を取ることにより、ｚ錘２２のｚ軸方向の変位を求めている。

また、図３に示す角速度センサにおいては、ｘ変位検出電極も２種類設けられている。すなわち、ｘ錘２４からｘ軸方向の正方向（右側）に延伸する右側検出電極３４と、ｘ錘２４からｘ軸方向の負方向（左側）に延伸する左側検出電極３６が設けられている。右側検出電極３４および左側検出電極３６はともに多結晶シリコン膜層からなる梁側電極と、梁側電極とｘ軸方向に離間して近接する多結晶シリコン膜層からなる固定電極との組から構成されている。上側検出電極３０と下側検出電極３２との電位差からｚ振動子のｚ軸方向の変位ｚ（ｔ）を求めたのと同様に、右側検出電極３４と左側検出電極３６との電位差からｘ振動子のｘ軸方向の変位ｘ（ｔ）を求めている。ここで、検出電極３４、３６はｘ錘２４と電気的に接続するため、貫通電極３７により結合されている。

さらに、ｚ振動子およびｘ振動子には各振動子の振動を調整する制御電極が設けられている。ｚ振動子の制御電極は上側制御電極３８と下側制御電極４０から構成されている。上側制御電極３８の構造は上側検出電極３０と等しく、上側検出電極３０が電圧計に接続されているのに対して上側制御電極３８には交流電源が接続されている。また、下側制御電極４０の構造は下側検出電極３２に等しく、下側検出電極３２が電圧計に接続されているのに対して下側制御電極４０には交流電源が接続されている。交流電源から上側制御電極３８および下側制御電極４０に交流電力が供給されることにより、上側制御電極３８および下側制御電極４０の梁側電極と固定電極との間に静電力が働き、両者は引き付け合い、または反発する。つまりｚ振動子は上側制御電極３８および下側制御電極４０によって強制的に振動させられる。

ｚ変位検出梁１８は温度変化や継続的な使用によりばね定数が変化する。
ばね定数が変化すると所定の荷重がかかったときのｚ錘２２の変位が異なってしまい、荷重を正確に求めることが困難になる。そこでばね定数の変化を補償するため、温度変化や使用時間に応じて上側制御電極３８および下側制御電極４０に電圧を印加することによりｚ変位検出梁１８の撓みを調整している。

また、ｘ振動子の制御電極は右側制御電極４２と左側制御電極４４から構成されている。右側制御電極４２の構造は右側検出電極３４と等しく、右側検出電極３４が電圧計に接続されているのに対して右側制御電極４２には交流電源が接続されている。また、左側制御電極４４の構造は左側検出電極３６に等しく、左側検出電極３６が電圧計に接続されているのに対して左側制御電極４４には交流電源が接続されている。右側制御電極４２および左側制御電極４４に電圧を印加することによりｘ変位検出梁２０の撓みが調整される。

図３においてはロ字状のｘ錘２４の内側にｚ錘２２を配置したが、この配置関係を逆にしても良い。図８にはロ字状のｚ錘２２の内側にｘ錘２４が配置された角速度センサが設けられている。これによってもｘ錘２４とｚ錘２２との総和からなる錘全体の重心と励振運動中心位置とを一致させることができる。

ｚ錘２２は多結晶シリコン膜層と酸化膜とシリコン基板の積層体から構成されている。さらに、多結晶シリコン膜層のみからなるｘ変位検出梁２０、および、同じく多結晶シリコン膜層のみからなる右側検出電極３４、左側検出電極３６、右側制御電極４２、左側制御電極４４の各梁側電極とｚ錘２２とが交差する位置においてはｚ錘２２から多結晶シリコン層および酸化膜を除去している。これによりｚ錘２２とｘ変位検出梁２０および各電極との接触を避けることができる。さらに、ｚ錘２２の上側検出電極３０および上側制御電極３８の梁側電極についても多結晶シリコン層および酸化膜を除去している。これにより上側検出電極３０および上側制御電極３８の固定電極とそれぞれの梁側電極との接触を防ぐことができる。

１０ 角速度センサ、１２ 励振梁、１４ 固定部、１６ プレート部、１８ ｚ変位検出梁、２０ ｘ変位検出梁、２２ ｚ錘、２４ ｘ錘、２６ 励振電極、２７ ｙ変位検出電極、２８ ｚ変位検出電極、２９ ｘ変位検出電極、３０ 上側検出電極、３２ 下側検出電極、３４ 右側検出電極、３６ 左側検出電極、３８ 上側制御電極、４０ 下側制御電極、４２ 右側制御電極、４４ 左側制御電極。

Claims (8)

1. 錘と、
   前記錘を支持する梁と、
   前記錘を所定の励振方向に振動させる励振電極と、
   前記励振方向に直交する第１の検出方向、および、前記励振方向及び前記第１の検出方向に直交する第２の検出方向の前記錘の変位を検出する検出電極と、
   を備えた角速度センサであって、
   前記梁は、
   前記第２の検出方向に沿って延び、前記励振電極によって前記励振方向に振動させられる励振梁と、
   前記励振方向に沿って延び、前記第１の検出方向の加振により前記第１の検出方向に振動させられる第１の検出梁と、
   前記励振方向に沿って延び、前記第２の検出方向の加振により前記第２の検出方向に振動させられる第２の検出梁と、
   を備え、
   前記錘は、前記第１の検出梁に支持された第１の錘と、前記第２の検出梁に支持された第２の錘と、を備え、
   前記第１の検出梁、および、前記第２の検出梁の反錘側は、前記励振梁に支持されるとともに前記励振梁よりも撓みが抑制されるように形成された単一のプレートに接続され、
   前記検出電極は、前記第１の錘の前記第１の検出方向の変位を検出する第１の検出電極と、前記第２の錘の前記第２の検出方向の変位を検出する第２の検出電極と、を備え、
   前記第１の検出電極によって検知された前記第１の錘の前記第１の検出方向の変位に基づいて、前記第２の検出方向の角速度を求めるとともに、前記第２の検出電極によって検知された前記第２の錘の前記第２の検出方向の変位に基づいて、前記第１の検出方向の角速度を求めることを特徴とする、角速度センサ。
2. 請求項１記載の角速度センサであって、
   前記励振梁は、前記第１の検出方向の厚さが、前記励振方向の厚さより厚く、
   前記第１の検出梁は、前記第２の検出方向の厚さが、前記第１の検出方向の厚さよりも厚く形成され、
   前記第２の検出梁は、前記第１の検出方向の厚さが、前記第２の検出方向の厚さよりも厚く形成されていることを特徴とする、角速度センサ。
3. 請求項１または２に記載の角速度センサであって、
   前記第１の検出梁は、前記第１の検出方向の厚さが、前記励振梁の前記第１の検出方向の厚さよりも薄く形成され、
   前記第２の検出梁は、前記第２の検出方向の厚さが、前記第１の検出梁の前記第２の検出方向の厚さより薄く形成されていることを特徴とする、角速度センサ。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の角速度センサであって、
   前記励振梁の前記第１の検出方向の厚さは、前記励振方向の厚さの１．５倍以上の厚さであることを特徴とする、角速度センサ。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の角速度センサであって、
   前記第１の錘の重心と前記第２の錘の重心と前記励振梁の中心点が、前記励振方向に平行な直線上に配置されることを特徴とする、角速度センサ。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の角速度センサであって、
   前記第１の錘と前記第２の錘の重心が一致することを特徴とする、角速度センサ。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載の角速度センサであって、
   第１の方向から見たときに、前記第１の検出梁が前記第２の錘に重なるように構成されるか、または、前記第２の検出梁が前記第１の錘と重なるように構成されていることを特徴とする、角速度センサ。
8. 請求項１から７のいずれか一つに記載の角速度センサであって、
   第１の方向から見たときに、前記第１の検出電極の一部が前記第２の錘に重なるように構成されるか、または、前記第２の検出電極の一部が前記第１の錘と重なるように構成されていることを特徴とする、角速度センサ。