JP6191151B2 - 物理量センサ - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つの錘がそれぞれバネに支持されて変位できるように構成された２自由度以上のバネマス系で構成される物理量センサに関するものであり、例えば角速度センサや加速度センサに適用すると好適である。

従来より、バネに支持された錘が物理量の印加に伴って変位することに基づき、その変位量から印加された物理量を検出するバネマス系の物理量センサがある。例えば、特許文献１では、バネマス系の物理量センサとして、基板に支持された固定電極と、基板に対してバネ（梁）を介して支持された錘に備えられた可動電極とを所望の間隔に対向配置したセンサを提案している。この物理量センサは、物理量の印加に伴って梁に支持された錘および可動電極が変位することで固定電極と可動電極との間の間隔が変わり、これらの間に構成される容量が変化することに基づいて、物理量を検出している。

特開２００２−４００４４号公報

上記のようなバネマス系の物理量センサでは、過大な衝撃が外部から印加された際に、バネ定数や錘の質量、外部加速度から想定される変位量よりも大きな変位が生じることがある。その結果、錘が予め設けられた可動範囲を超えて変位してしまい、例えば可動電極と固定電極とが接触し、センサ誤出力を招くという問題を発生させる。

これに対して、物理量センサの周囲に防振部材を設けて衝撃そのものが物理量センサに伝わらなくする構造や、可動電極と固定電極との間の間隔を拡げることで対応することが可能である。しかしながら、前者では防振部材による装置の大型化やコスト増大、後者ではセンサ感度が低下するという問題を発生させることになる。

本発明は上記点に鑑みて、防振部材を用いることなく、かつ、センサ感度の低下を招くことなく、耐衝撃性能を向上させることができる物理量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基板（１０）に対して第１バネ（４３ｂ）を介して支持された駆動錘（３３、３４）と、駆動錘に対して第２バネ（４１）を介して支持され、検出用可動電極（３５ｂ、３６ｂ）を備えた検出錘（３５、３６）と、検出用可動電極に対して対向配置された検出用固定電極（２４ｂ、２５ｂ）を備えた検出用固定部（２４、２５）とを有し、駆動錘を駆動振動させているときに物理量が印加されると、該物理量の印加に伴って検出用可動電極が検出錘と共に変位することで、検出用可動電極と検出用固定電極との間の間隔が変化することに基づいて物理量の検出を行う物理量センサにおいて、物理量の印加に伴って、駆動錘および検出錘が同方向に移動する同相モードの共振周波数をｆ１、駆動錘および検出錘が逆方向に移動する同相吸収モードの共振周波数をｆ３、ｎを整数とすると、ｎが共振周波数ｆ１のｎ倍が共振周波数ｆ３に最も近い周波数となる場合の整数であり、同相吸収モードの共振周波数ｆ３が同相モードの共振周波数ｆ１より大きく、同相吸収モードの共振周波数ｆ３と同相モードの共振周波数ｆ１のｎ倍の値との差の絶対値Δｆ３が、同相吸収モードの共振周波数ｆ３を同相モードの共振周波数ｆ１のｎ倍の値から乖離させる度合いを示す回避差Ｄを同相モードの共振周波数ｆ１に対して掛けた値よりも大きくなる関係が成り立ち、かつ、回避差Ｄが０％より大きくされていることを特徴としている。

このように、絶対値Δｆ３が共振周波数ｆ１に対して回避差Ｄを掛けた値よりも大きくなる関係（Δｆ３＞ｎ・ｆ１×Ｄ）としつつ、少なくとも回避差Ｄが０％より大きくなるようにしている。これにより、共振干渉による振動励起が最大変位となることを避けることができる。

好ましくは、請求項２に記載したように回避差Ｄ＞５％となるようにすることで、増幅率ＡをＱ値にかかわらず低下させることが可能となり、ロバスト性を高めることができる。より好ましくは、請求項３に記載したように回避差Ｄ＞１０％となるようにすることで、増幅率Ａをほぼ１桁まで低下させることができ、共振干渉による振動励起を非共振による振動励起や共振による振動励起と同等程度まで十分に低下させた状態に抑えることができる。

このような関係を満たす同相モードの共振周波数ｆ１と同相吸収モードの共振周波数ｆ３に設定されるような設計とすることにより、共振干渉による振動励起を低下させられる。したがって、防振部材を用いることなく、かつ、センサ感度の低下を招くことなく耐衝撃性能を向上させることが可能となる。

なお、上記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の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる振動型角速度センサの平面模式図である。 本発明の第１実施形態にかかる振動型角速度センサの基本動作時の様子を示した模式図である。 本発明の第１実施形態にかかる振動型角速度センサに角速度が印加された時の様子を示した模式図である。 静止状態に対する同相モードと同相吸収モードの動きを示した模式図である。 本発明の第１実施形態にかかる振動型角速度センサに対して紙面左方向から衝撃が加えられたときの同相モードの動きを示した模式図である。 本発明の第１実施形態にかかる振動型角速度センサに対して紙面左方向から衝撃が加えられたときの同相吸収モードの動きを示した模式図である。 各種振動励起について調べた結果を示す図である。 Ｑ値を変化させときの数式１のグラフである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、物理量センサとして振動型角速度センサ（ジャイロセンサ）を例に挙げて説明する。

本実施形態で説明する振動型角速度センサは、物理量として角速度を検出するためのセンサであり、例えば車両の上下方向に平行な中心線周りの回転角速度の検出に用いられるが、勿論、振動型角速度センサを車両用以外に適用することもできる。

図１は、本実施形態にかかる振動型角速度センサの平面模式図である。振動型角速度センサは、図１の紙面法線方向が車両の上下方向と一致するようにして車両に搭載される。振動型角速度センサは、板状の基板１０の一面側に形成されている。基板１０は、支持基板１１と半導体層１２とで図示しない犠牲層となる埋込酸化膜を挟み込んだ構造とされたＳＯＩ（Silicon on insulator）基板にて構成されている。このようなセンサ構造は、半導体層１２側をセンサ構造体のパターンにエッチングしたのち埋込酸化膜を部分的に除去し、センサ構造体の一部がリリースされた状態にすることで構成される。

なお、半導体層１２の表面に平行な面上の一方向であって紙面左右方向をｘ軸方向、このｘ軸方向に垂直な紙面上下方向をｙ軸方向、半導体層１２の一面に垂直な方向をｚ軸方向として、以下の説明を行う。

半導体層１２は、固定部２０と可動部３０および梁部４０とにパターニングされている。固定部２０は、少なくともその裏面の一部に埋込酸化膜が残されており、支持基板１１からリリースされることなく、埋込酸化膜を介して支持基板１１に固定された状態とされている。可動部３０および梁部４０は、振動型角速度センサにおける振動子を構成するものである。可動部３０は、その裏面側の埋込酸化膜が除去されており、支持基板１１からリリースされた状態とされている。梁部４０は、可動部３０を支持すると共に角速度検出を行うために可動部３０をｘ軸方向およびｙ軸方向において変位させるものである。これら固定部２０と可動部３０および梁部４０の具体的な構造を説明する。

固定部２０は、可動部３０を支持するための支持用固定部２１、駆動用電圧が印加される駆動用固定部２２、２３、および、角速度検出に用いられる検出用固定部２４、２５とを有した構成とされている。

支持用固定部２１は、例えば、固定部２０のうちの他の部分（駆動用固定部２２、２３および検出用固定部２４、２５）や可動部３０などのセンサ構造体の周囲を囲むように配置され、その内壁において梁部４０を介して可動部３０を支持している。ここでは、支持用固定部２１がセンサ構造体の周囲全域を囲む構造を例に挙げているが、その一部のみに形成された構造であっても構わない。

駆動用固定部２２、２３は、後述するように外側駆動錘３１と内側駆動錘３３との間に配置された駆動用固定部２２と、外側駆動錘３２と内側駆動錘３４との間に配置された駆動用固定部２３とによって構成されている。これら駆動用固定部２２、２３は、基部２２ａ、２３ａと櫛歯状の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂを備えた構成とされている。

基部２２ａ、２３ａは、ｙ軸方向に延設されている。この基部２２ａ、２３ａに対して複数の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂが接続されており、基部２２ａ、２３ａに備えられた図示しないボンディングパッドに接続されるボンディングワイヤを通じて、外部からＤＣ電圧に加算したＡＣ電圧（駆動用電圧）が印加できる構成とされている。この基部２２ａ、２３ａに対して所望のＡＣ電圧を印加することで、各駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂにも所望のＡＣ電圧が印加できるようになっている。

駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂは、後述するように外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４に備えられた櫛歯状の駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂの各櫛歯と対向配置された櫛歯状の電極である。具体的には、駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂは、ｘ軸方向に延設された複数の支持部２２ｃ、２３ｃと、各支持部２２ｃ、２３ｃからｙ軸方向に延設された複数の櫛歯状電極２２ｄ、２３ｄにより構成されており、このような構造体が基部２２ａ、２３ａのｘ軸方向両側においてｙ軸方向に沿って複数個並べられた構成とされている。

検出用固定部２４、２５は、後述するように内側駆動錘３３、３４に備えられた検出錘３５、３６内に配置されている。検出用固定部２４、２５は、基部２４ａ、２５ａと検出用固定電極２４ｂ、２５ｂとを有した構成とされている。

基部２４ａ、２５ａには、図示しないボンディングパッドが備えられており、このボンディングパッドに接続されるボンディングワイヤを通じて、外部への信号取り出しを行うことが可能となっている。検出用固定電極２４ｂ、２５ｂは、基部２４ａ、２５ａからｙ軸方向に延設された複数の櫛歯状の電極であり、検出錘３５、３６に備えられた櫛歯状の検出用可動電極３５ｂ、３６ｂの各櫛歯と対向配置されている。

可動部３０は、角速度の印加に応じて変位する部分であり、外側駆動錘３１、３２と内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６とを有した構成とされている。可動部３０は、外側駆動錘３１、検出錘３５を備える内側駆動錘３３、検出錘３６を備える内側駆動錘３４および外側駆動錘３２が順にｘ軸方向に並べられたレイアウトとされている。つまり、検出錘３５、３６が内部に備えられた内側駆動錘３３、３４が２つ内側に並べられていると共に、それら２つの内側駆動錘３３、３４を挟み込むように両外側にさらに外側駆動錘３１、３２を配置した構造としている。

外側駆動錘３１、３２は、質量部３１ａ、３２ａと駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂとを有した構成とされている。

質量部３１ａ、３２ａは、ｙ軸方向に延設されている。質量部３１ａは、駆動用固定部２２の基部２２ａと対向配置され、質量部３２ａは、駆動用固定部２３の基部２３ａと対向配置されている。この質量部３１ａ、３２ａを錘として、外側駆動錘３１、３２がｙ軸方向に移動可能とされている。

駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂは、駆動用固定部２２、２３に備えられた櫛歯状の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂの各櫛歯と対向配置された櫛歯状の電極である。具体的には、駆動用可動電極３１ｂ、３２ｂは、ｘ軸方向に延設された複数の支持部３１ｃ、３２ｃと、各支持部３１ｃ、３２ｃからｙ軸方向に延設された複数の櫛歯状電極３１ｄ、３２ｄにより構成されており、このような構造体が質量部３１ａ、３２ａのうち駆動用固定部２２、２３側においてｙ軸方向に複数個並べられた構成とされている。

内側駆動錘３３、３４は、質量部３３ａ、３４ａと駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂとを有した構成とされている。

質量部３３ａ、３４ａは、四角形状の枠体形状とされており、この質量部３３ａ、３４ａを錘として、内側駆動錘３３、３４がｙ軸方向に移動可能とされている。四角形状で構成された各質量部３３ａ、３４ａの相対する二辺がそれぞれｘ軸方向とｙ軸方向に平行とされ、ｙ軸方向に平行とされた辺のうちの一辺が駆動用固定部２２、２３の基部２２ａ、２３ａと対向配置されている。具体的には、質量部３３ａ、３４ａのｙ軸方向に平行とされた辺のうちの一辺が駆動用固定部２２、２３の基部２２ａ、２３ａと対向配置され、その基部２２ａ、２３ａと対向配置された一辺に、駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂが備えられている。

駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂは、駆動用固定部２２、２３に備えられた櫛歯状の駆動用固定電極２２ｂ、２３ｂの各櫛歯と対向配置された櫛歯状の電極である。具体的には、駆動用可動電極３３ｂ、３４ｂは、ｘ軸方向に延設された複数の支持部３３ｃ、３４ｃと、各支持部３３ｃ、３４ｃからｙ軸方向に延設された複数の櫛歯状電極３３ｄ、３４ｄにより構成されており、このような構造体が質量部３３ａ、３４ａのうち駆動用固定部２２、２３側においてｙ軸方向に複数個並べられた構成とされている。

検出錘３５、３６は、質量部３５ａ、３６ａと検出用可動電極３５ｂ、３６ｂとを有した構成とされている。

質量部３５ａ、３６ａは、四角形状の枠体形状とされており、後述する梁部４０のうちの検出梁４１を介して内側駆動錘３３、３４の内壁面に支持されている。検出錘３５、３６は内側駆動錘３３、３４と共にｙ軸方向に移動させられるが、質量部３５ａ、３６ａを錘として、検出錘３５、３６がｘ軸方向に移動可能な構成とされている。検出用可動電極３５ｂ、３６ｂは、質量部３５ａ、３６ａの内壁面からｙ軸方向に延設された複数の櫛歯状の電極であり、検出用固定部２４、２５に備えられた櫛歯状の検出用固定電極２４ｂ、２５ｂの各櫛歯と対向配置されている。

梁部４０は、検出梁４１と、駆動梁４２および支持部材４３を有した構成とされている。

検出梁４１は、第２バネを構成するもので、内側駆動錘３３、３４の質量部３３ａ、３４ａの内壁面のうちｘ軸方向と平行とされた辺と検出錘３５、３６の質量部３５ａ、３６ａの外壁面のうちｘ軸方向と平行とされた辺とを接続する梁である。検出梁４１は、ｘ軸方向において変位可能とされていることから、この検出梁４１の変位に基づいて検出錘３５、３６が内側駆動錘３３、３４に対してｘ軸方向に移動可能となっている。

駆動梁４２は、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４を連結すると共に、これら外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４のｙ軸方向への移動を可能とするものである。一方の外側駆動錘３１、一方の内側駆動錘３３、他方の内側駆動錘３４および他方の外側駆動錘３２が順番に並べられた状態で駆動梁４２によって連結されている。

具体的には、駆動梁４２は、ｙ軸方向の幅が所定寸法とされた直線状梁であり、ｙ軸方向において、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４を挟んだ両側に一本ずつ配置されており、それぞれ、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４に接続されている。駆動梁４２と外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４とは直接接続されていても良いが、例えば本実施形態では駆動梁４２と内側駆動錘３３、３４とを連結部４２ａを介して接続している。

支持部材４３は、外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６を支持するものである。具体的には、支持部材４３は、支持用固定部２１の内壁面と駆動梁４２との間に備えられており、駆動梁４２を介して上記各錘３１〜３６を支持用固定部２１に支持する。

支持部材４３は、回転梁４３ａと支持梁４３ｂおよび連結部４３ｃとを有した構成とされ、回転梁４３ａは、ｙ軸方向の幅が所定寸法とされた直線状梁であり、その両端に支持梁４３ｂが接続されていると共に、支持梁４３ｂと反対側の中央位置に連結部４３ｃが接続されている。この回転梁４３ａは、センサ駆動時に連結部４３ｃを中心としてＳ字状に波打って撓む。支持梁４３ｂは、第１バネを構成するもので、回転梁４３ａの両端を支持用固定部２１に接続するものであり、本実施形態では直線状部材とされている。この支持梁４３ｂは、衝撃などが加わった時に各錘３１〜３６がｘ軸方向に移動することを許容する役割も果たしている。連結部４３ｃは、支持部材４３を駆動梁４２に接続する役割を果たしている。

以上のような構造により、外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６がそれぞれ２つずつ備えられた一対の角速度検出構造が備えられた振動型角速度センサが構成されている。そして、このように構成された振動型角速度センサにおいて、耐衝撃性能が得られるようにしている。このような効果が得られることについては、後で詳細に説明する。

続いて、このように構成された振動型角速度センサの作動について、図２および図３に示す振動型角速度センサの作動中の様子を示した模式図を参照して説明する。

まず、振動型角速度センサの基本動作時の様子について図２を参照して説明する。駆動用固定部２２、２３に対してＤＣ電圧に加算したＡＣ電圧を印加することにより、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４との間に電位差を発生させると、その電位差に基づいてｙ軸方向に静電気力が発生する。この静電気力に基づいて、各駆動錘３１〜３４をｙ軸方向に振動させる。このとき、ＡＣ電圧の周波数を変えながら各駆動錘３１〜３４のｙ軸方向の振動をモニタし、ＡＣ電圧の周波数が駆動共振周波数ｆｄとなるように調整している。例えば、外側駆動錘３１、３２と対向配置されるようにモニタ用の電極を設け、これらの間に形成される容量の変化に基づいて外側駆動錘３１、３２の変位を検出している。このとき、回路処理により、容量変化が大きいときを駆動共振周波数ｆｄとして検知している。駆動共振周波数ｆｄは、駆動梁４２の幅などの振動子の構造によって決まるが、駆動共振周波数ｆｄを数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚに設定すること、特に５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚに設定することにより、振動型角速度センサの高感度化を図ることが可能となる。

このとき、駆動用固定部２２に備えられた駆動用固定電極２２ｂと外側駆動錘３１に備えられた駆動用可動電極３１ｂおよび内側駆動錘３３に備えられた駆動用可動電極３３ｂの配置により、図２に示すように、外側駆動錘３１と内側駆動錘３３とがｙ軸方向において互いに逆位相で振動させられるようにしている。また、駆動用固定部２３に備えられた駆動用固定電極２３ｂと外側駆動錘３２に備えられた駆動用可動電極３２ｂおよび内側駆動錘３４に備えられた駆動用可動電極３４ｂの配置により、図２に示すように、外側駆動錘３２と内側駆動錘３４とがｙ軸方向において互いに逆位相で振動させられるようにしている。さらに、２つの内側駆動錘３３、３４がｙ軸方向において逆位相で振動させられるようにしている。これにより、振動型角速度センサは、駆動モード形状にて駆動されることになる。

なお、このときには、駆動梁４２がＳ字状に波打つことで各錘３１〜３４のｙ軸方向への移動が許容されるが、回転梁４３ａと駆動梁４２とを接続している連結部４３ｃの部分については振幅の節（不動点）となり、殆ど変位しない構造にしてある。

次に、振動型角速度センサに角速度が印加された時の様子について図３を参照して説明する。上記した図２のような基本動作を行っている際に振動型角速度センサにｚ軸回りの角速度が印加されると、コリオリ力により、図３に示すように検出錘３５、３６がｘ軸方向へ変位する。この変位により、検出錘３５の検出用可動電極３５ｂと検出用固定部２４の検出用固定電極２４ｂとによって構成されるキャパシタの容量値や、検出錘３６の検出用可動電極３６ｂと検出用固定部２５の検出用固定電極２５ｂとによって構成されるキャパシタの容量値が変化する。

このため、検出用固定部２４、２５のボンディングパッドからの信号取り出しに基づいてキャパシタの容量値の変化を読み取ることにより、角速度を検出することができる。例えば、本実施形態のような構成の場合、２つの角速度検出構造それぞれから取り出した信号を差動増幅してキャパシタの容量値の変化を読み取ることが可能であるため、より正確に角速度を検出することが可能となる。このようにして、本実施形態の振動型角速度センサにより、印加された角速度を検出することができる。

このような振動型角速度センサは、衝撃の印加に対して２つの共振モードの周波数ｆ１、ｆ３を有している。具体的には、図４において模式的に示すように、バネｓ１、ｓ２に支持された２つの錘ｍ１、ｍ２が同方向へ揺れる同相モードの共振周波数ｆ１と、２つの錘ｍ１、ｍ２が逆方向へ揺れる同相吸収モードの共振周波数ｆ３がある。同相吸収モードの共振周波数ｆ３は、同相モードの共振周波数ｆ１よりも大きな周波数となる。

ここでは簡略化のために、図４の模式図を用いて同相モードと同相吸収モードの錘ｍ１、ｍ２の動きについて示したが、本実施形態の振動型角速度センサの場合、図５および図６に示される動きとなる。すなわち、図５に示すように、振動型角速度センサに対して紙面左方向から衝撃が加えられたとき、同相モードの共振周波数ｆ１では、ｘ軸方向において内側駆動錘３３、３４と検出錘３５、３６が同方向に揺れる。また、図６に示すように、振動型角速度センサに対して紙面左方向から衝撃が加えられたとき、同相吸収モードの共振周波数ｆ３では、ｘ軸方向において内側駆動錘３３、３４と検出錘３５、３６が逆方向に揺れる。

単純に設計されている物理量センサでは、共振周波数の位置関係を考慮していないため、共振周波数ｆ１の整数倍（ｎ倍）が共振周波数ｆ３付近に位置している場合が多い。このため、過大な衝撃が印加された際に、共振周波数ｆ１における同相モードの揺れと共振周波数ｆ３における同相吸収モードの揺れが干渉し、想定よりも大きな変位が生じてしまう。その結果、例えば検出錘３５、３６に備えた検出用可動電極３５ｂ、３６ｂの各櫛歯が検出用固定部２４、２５に備えられた検出用固定電極２４ｂ、２５ｂに接触するなど、センサ誤出力を招くという問題を発生させる。

振動型角速度センサに衝撃が印加されると、（１）非共振による振動励起、（２）共振による振動励起、（３）共振干渉による振動励起、の３つの足し合わせにより各種駆動錘３１〜３４や検出錘３５、３６が変位するという変位メカニズムになっている。つまり、これら（１）〜（３）の振動励起が同時に足し合わされるように発生し、各種駆動錘３１〜３４や検出錘３５、３６が変位する。

（１）非共振による振動励起は、単純に慣性力とバネ力から算出される変位量である。また、（２）共振による振動励起は、物理量センサが持つ共振モード、主に同相モードの共振周波数ｆ１と同じ周波数を持つ衝撃成分の印加時間と振動子固有のＱ値（共振倍率のピーク値）から算出される励起量である。そして、（３）共振干渉による振動励起は、同相モードの共振周波数ｆ１の整数倍（ｎ倍）と同相吸収モードの共振周波数ｆ３での干渉による励起量である。これら（１）〜（３）の振動励起について調べたところ、図７の結果が得られた。この図から分かるように、従来のように共振周波数の位置関係について考慮しておらず、同相モードの共振周波数ｆ１の整数倍（ｎ倍）が同相吸収モードの共振周波数ｆ３付近に位置している場合には、（３）共振干渉による振動励起の寄与率が非常に大きい。つまり、（３）共振干渉による振動励起の影響について考慮していないため、この振動励起を低減するという手法をとるのではなく、防振部材を設けて衝撃そのものがセンサに伝わらなくする構造や、可動電極と固定電極との間の間隔を拡げることで対応していた。しかしながら、（３）共振干渉による振動励起を低減できれば、それが全振動励起中に占める寄与率を減少することが可能となり、耐衝撃性能向上を図ることが可能になると言える。

ここで、（３）共振干渉による振動励起の影響度合いに相当する増幅率Ａは、次式によって表される。この数式は、（３）共振干渉による振動励起を（１）非共振による振動励起や（２）共振による振動励起と同等程度まで十分に低下させた状態よりもＡ倍変位することを意味している。

なお、数式中のｆ１は同相モードの共振周波数ｆ１、ｆ３は同相吸収モードの共振周波数ｆ３、ｎは整数、ＱはＱ値を表している。

また、Ｑ値を変化させて数式１をグラフ化したものが図８である。ここでいう回避差Ｄとは、同相吸収モードの共振周波数ｆ３と同相モードの共振周波数ｆ１のｎ倍の値との差の絶対値Δｆ３の設定に用いられる値であって、同相吸収モードの共振周波数ｆ３を同相モードの共振周波数ｆ１のｎ倍の値から乖離させる度合いを示している。図８に示されるように、回避差Ｄ＝０のとき、つまり同相吸収モードの共振周波数ｆ３が同相モードの共振周波数ｆ１のｎ倍の値と一致しているときに最も増幅率Ａが大きくなる。このときには（３）共振干渉による振動励起が最も大きなピーク値として現れ、全振動励起中に占める寄与率も高くなる。

したがって、絶対値Δｆ３（＝｜ｆ３−ｎ・ｆ１｜）が同相モードの共振周波数ｆ１と一致するような条件とならないように設計することにより、（３）共振干渉による振動励起を最も大きなピーク値とならず、全振動励起中に占める寄与率を減少させられる。つまり、絶対値Δｆ３が同相モードの共振周波数ｆ１に対して回避差Ｄを掛けた値よりも大きくなる関係（Δｆ３＞ｎ・ｆ１×Ｄ）において、少なくとも回避差Ｄが０％ではなく（Ｄ≠０）、０％より大きくなるようにすればよい。これにより、（３）共振干渉による振動励起が最大変位となることを避けることができる。

そして、回避差Ｄが５％より大きく（Ｄ＞５％）なるように設計すれば、数式１中における分母のルート内の第１項が第２項よりも十分に大きな値となり、第２項に含まれるＱ値にかかわらず増幅率Ａを決めることができる。具体的には、図８に示すように、増幅率Ａは２０程度まで低下する。このように、Ｑ値にかかわらず増幅率Ａを設定することが可能になり、増幅率Ａを十分に小さくできることから、ロバスト性を高めることが可能となる。

さらに、回避差Ｄが１０％より大きく（Ｄ＞１０％）なるように設計すれば、図８に示すように、増幅率Ａはほぼ１桁まで低下する。これにより、（３）共振干渉による振動励起を（１）非共振による振動励起や（２）共振による振動励起と同等程度まで十分に低下させた状態に抑えることができる。

なお、図８においては、Ｑ値を５０〜３００において変化させた場合を一例として示したが、Ｑ値の大きさについてはここに示した範囲に限るものではない。

以上の知見に基づき、本実施形態では、同相モードの共振周波数ｆ１とそれよりも大きな同相吸収モードの共振周波数ｆ３とについて、同相吸収モードの共振周波数ｆ３と同相モードの共振周波数ｆ１のｎ倍の値との差の絶対値Δｆ３が以下の条件を満たすようにしている。すなわち、絶対値Δｆ３が同相モードの共振周波数ｆ１に対して回避差Ｄを掛けた値よりも大きくなる関係（Δｆ３＞ｎ・ｆ１×Ｄ）としつつ、少なくとも回避差Ｄが０％より大きくなるようにしている。これにより、（３）共振干渉による振動励起が最大変位となることを避けることができる。

好ましくは、回避差Ｄ＞５％となるようにすることで、増幅率ＡをＱ値にかかわらず低下させることが可能となり、ロバスト性を高めることができる。より好ましくは、回避差Ｄ＞１０％となるようにすることで、増幅率Ａをほぼ１桁まで低下させることができ、（３）共振干渉による振動励起を（１）非共振による振動励起や（２）共振による振動励起と同等程度まで十分に低下させた状態に抑えることができる。

このような関係を満たす同相モードの共振周波数ｆ１と同相吸収モードの共振周波数ｆ３に設定されるような設計とすることにより、（３）共振干渉による振動励起を低下させられる。したがって、防振部材を用いることなく、かつ、センサ感度の低下を招くことなく耐衝撃性能を向上させることが可能となる。

なお、数式１で示したように、増幅率Ａは、同相モードの共振周波数ｆ１の整数倍（ｎ倍）と同相吸収モードの共振周波数ｆ３およびＱ値によって定義されることから、数式１中のＱ値を従来よりも低下させることによっても増幅率Ａを低下させることができる。例えば、本実施形態のような振動型角速度センサは真空封止された状態になるが、そのときの真空度を低下させることでＱ値を低下させられる。例えば、従来真空度を１００ｐａ程度にしているものを３００ｐａ程度まで低下させるとＱ値が１／３になることを確認している。このようにＱ値を従来と比較して低下させると、増幅率Ａを低下させることが可能となり、より（３）共振干渉による振動励起を低下させることができる。また、Ｑ値を低下させると、（２）共振による振動励起も低下させられることから、（３）共振干渉による振動励起と合せて低下させられ、更なる耐衝撃性能向上を図ることが可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、基板１０としてＳＯＩ基板を用いる場合について説明したが、これは基板１０の一例を示したものであり、ＳＯＩ基板以外のものを用いても良い。

また、外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６がそれぞれ２つずつ備えられた一対の角速度検出構造に限らず、それ以上の対となる角速度検出構造が備えられた振動型角速度センサについても本発明を適用できる。

さらに、物理量センサとして角速度センサを例に挙げて説明したが、その他の物理量センサ、例えば加速度センサについても本発明を適用することができる。

１０ 基板
２０ 固定部
２１ 支持用固定部
２２、２３ 駆動用固定部
２４、２５ 検出用固定部
２４ｂ、２５ｂ 検出用固定電極
３０ 可動部
３１、３２ 外側駆動錘
３３、３４ 内側駆動錘
３５、３６ 検出錘
３５ｂ、３６ｂ 検出用可動電極
４３ 支持部材

Claims (4)

1. 基板（１０）と、
   前記基板に対して第１バネ（４３ｂ）を介して支持された駆動錘（３３、３４）と、
   前記駆動錘に対して第２バネ（４１）を介して支持され、検出用可動電極（３５ｂ、３６ｂ）を備えた検出錘（３５、３６）と、
   前記検出用可動電極に対して対向配置された検出用固定電極（２４ｂ、２５ｂ）を備えた検出用固定部（２４、２５）とを有し、
   前記駆動錘を駆動振動させているときに物理量が印加されると、該物理量の印加に伴って前記検出用可動電極が前記検出錘と共に変位することで、前記検出用可動電極と前記検出用固定電極との間の間隔が変化することに基づいて前記物理量の検出を行い、
   物理量の印加に伴って、前記駆動錘および前記検出錘が同方向に移動する同相モードの共振周波数をｆ１、前記駆動錘および前記検出錘が逆方向に移動する同相吸収モードの共振周波数をｆ３、ｎを整数とすると、前記ｎが共振周波数ｆ１のｎ倍が共振周波数ｆ３に最も近い周波数となる場合の整数であり、前記同相吸収モードの共振周波数ｆ３が前記同相モードの共振周波数ｆ１より大きく、前記同相吸収モードの共振周波数ｆ３と前記同相モードの共振周波数ｆ１のｎ倍の値との差の絶対値Δｆ３が、前記同相吸収モードの共振周波数ｆ３を前記同相モードの共振周波数ｆ１のｎ倍の値から乖離させる度合いを示す回避差Ｄを前記同相モードの共振周波数ｆ１に対して掛けた値よりも大きくなる関係が成り立ち、かつ、前記回避差Ｄが０％より大きくされていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記回避差Ｄが５％以上とされていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
3. 前記回避差Ｄが１０％以上とされていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
4. 前記駆動錘は、前記検出錘の周囲を囲むと共に前記第２バネに相当する検出梁（４１）を介して前記検出錘を連結する一対の内側駆動錘（３３、３４）とされ、
   前記一対の内側駆動錘を挟んだ両側に配置された一対の外側駆動錘（３１、３２）と、
   前記内側駆動錘と前記外側駆動錘とを、互いに逆方向に振動させる静電引力を発生させる駆動用固定部（２２、２３）とを有し、
   前記内側駆動錘と前記外側駆動錘とが駆動梁（４２）にて連結されていると共に、
   前記第１バネを含む支持部材（４３）にて、前記外側駆動錘および前記検出錘が連結された前記内側駆動錘を前記基板に支持しており、
   前記駆動用固定部が発生させる静電引力に基づいて前記駆動梁を撓ませて前記外側駆動錘と前記内側駆動錘とを振動させるセンサ駆動を行い、該センサ駆動中に物理量として角速度が印加されると前記検出梁が撓むことによって前記検出錘が前記内側駆動錘の振動方向と垂直方向に移動させられ、前記検出用固定電極と前記検出用可動電極の容量が変化することに基づいて前記角速度を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の物理量センサを角速度検出に適用した振動型角速度センサ。

Images