JPH11173850A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動子の同一面上に駆動素子部、検知素子
部、フィードバック素子部を配置した小型の角速度セン
サにおいて、オフセット信号の低減を図る。 【解決手段】 半導体基板をエッチングすることによっ
て振動子２を形成し、振動子２の表面に、駆動素子部
８、８’と、検知素子部９、９’と、フィードバック素
子部１０、１０’を形成した半導体式の角速度センサで
あって、フィードバック素子部１０、１０’と検知素子
部９、９’の静電容量が等しくなるように、両者の面積
を等しくした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両、船舶、飛行
機、ロボット等の運動体の角速度を検出する角速度セン
サに関し、例えば、車両の姿勢制御のために用いるのに
好適なるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の角速度センサとして種々
のものが提案されている。この中で、特開平９−１０５
６３４号公報には、シリコンマイクロ技術を用いた半導
体式の角速度センサが開示されている。具体的には、半
導体基板をエッチングして半導体基板面内に振動子を形
成するとともに、この振動子表面に、振動子を駆動振動
させる駆動素子部と、角速度を検出する検知素子部とを
形成している。これら駆動素子部と検知素子部は、振動
子の表面に圧電体と電極を積層して形成されている。

【０００３】このように半導体技術を用いて角速度セン
サを構成することによって、小型化を図ることができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した半導体式の角
速度センサには示されていないが、この種の角速度セン
サにおいては、振動子の振動を参照して駆動素子部をフ
ィードバック駆動し自励発振を行わせる手段が設けられ
ている。そこで、本発明者等は、上記した半導体式の角
速度センサに対し、振動子の振動を参照するフィードバ
ック素子部を形成して、自励発振により駆動素子部を駆
動するものについて検討を行った。

【０００５】図８にその平面構成を示す。また、図９に
図８中のＡ−Ａ断面図を示す。この角速度センサにおい
ては、シリコン基板等の半導体基板に所定領域をフォト
リソグラフィ技術等を用いてエッチング除去することに
より、半導体基板の中央部に音叉型の半導体振動子２が
形成され、振動子２の外周にフレーム部１が形成されて
いる。

【０００６】振動子２は、図に示すｘ軸、ｙ軸、ｚ軸か
らなる直交座標系にてｚ軸方向を軸としてフレーム部１
に支持されている。振動子２は、上下に互いに平行に延
びる一対のアーム部３、３’と、アーム部３、３’を連
結し振動子２をフレーム部１に支持するための連結部４
とからなっている。さらに、アーム部３、３’は、幅広
アーム部５、５’と、幅狭アーム部６、６’と、質量部
７、７’とからそれぞれ構成されている。

【０００７】また、振動子２の表面には、振動子２をｘ
軸方向に振動させる駆動素子部８、８’と、振動子２の
ｙ軸方向の振動に応じた信号を出力する検知素子部９、
９’と、振動子２のｘ軸方向の振動に応じた信号を出力
するフィードバック素子部１０、１０’が形成されてい
る。また、フレーム部１には、駆動素子部８、８’と配
線１８ａ、１８ａ’を介して接続される電極パッド１８
ｂ、１８ｂ’と、検知素子部９、９’と配線１９ａ、１
９ａ’を介して接続される電極パッド１９ｂ、１９ｂ’
と、フィードバック素子部１０、１０’と配線２０ａ、
２０ａ’を介して接続される電極パッド２０ｂ、２０
ｂ’が形成されている。なお、それらの配線および電極
パッドはＡｌで形成されている。

【０００８】また、図９の断面図に示すように、振動子
２を構成する半導体基板上に、絶縁膜１１、１１’、１
２、１２’が形成され、絶縁膜１１と１２、絶縁膜１
１’と１２’の間の半導体基板上に、ＺｎＯ、ＰＺＴ等
からなる圧電体９ａ、９ａ’と電極９ｂ、９ｂ’をスパ
ッタリング、蒸着等で成膜し積層することによって、検
知素子部９、９’が形成されている。また、絶縁膜１
１、１１’の上には、フィードバック素子部１０、１
０’からの配線２０ａ、２０ａ’が形成されており、全
体が保護膜１３、１３’で覆われている。なお、駆動素
子部８、８’およびフィードバック素子部１０、１０’
も、検知素子部９、９’と同様に、振動子２を構成する
半導体基板上に圧電体と電極を積層することによって形
成されている。また、この半導体式の角速度センサにお
いては、半導体基板を接地して動作させるようになって
いる。

【０００９】ここで、駆動素子部８、８’は、連結部４
の幅方向（ｚ軸方向）の中心（図中に点線で示す）より
下方向に位置をずらして形成されている。このため、駆
動素子部８、８’の電極に交流電圧を印加すると、駆動
素子部８、８’が伸縮を繰り返し、一対の振動子２をｘ
軸方向に対称振動させることができる。また、フィード
バック素子部１０、１０’は、図から明らかなように、
幅広アーム部５、５’の中心から左右方向にそれぞれオ
フセット（すなわち、検知素子部９、９’に対しｘ軸方
向にオフセット）した位置に形成されている。このた
め、振動子２が振動したとき、その振動方向（ｘ軸方
向）に対しフィードバック素子部１０とフィードバック
素子部１０’から互いに同相となる成分の交流信号が出
力される。

【００１０】図１０に、上記した角速度センサの回路部
の構成を示す。フィードバック素子部１０、１０’から
出力される信号は、加算増幅回路３０にて加算される。
フィードバック素子部１０、１０’からはｘ軸方向の振
動に対し互いに同相となる成分の交流信号が出力される
ので、その合成の信号が加算増幅回路３０から出力され
る。なお、角速度が生じて一対の振動子２がｙ軸方向で
互いに逆方向に振動したとき、フィードバック素子部１
０、１０’からはｙ軸方向の振動に対し互いに逆相とな
る成分の信号が出力されるが、それは加算増幅回路３０
での加算によってキャンセルされる。

【００１１】そして、加算増幅回路３０から出力される
交流信号を駆動素子部８、８’に印加することにより、
駆動素子部８、８’を駆動する。この場合、駆動素子部
８、８’によって駆動される振動子２の振動状態を検出
しその検出した信号により駆動素子部８、８’を駆動す
るようにしているので、自励発振によって駆動素子部
８、８’を駆動することができる。

【００１２】この駆動素子部８、８’の駆動によって振
動子２がｘ軸方向に振動しているとき、ｚ軸回りに角速
度が加わると、振動子２の先端の質量部７、７’にはｙ
軸方向にコリオリ力が発生する。そして、これに応じた
応力が検知素子部９、９’に加わり交流信号を発生させ
る。この信号は、角速度による信号の他、振動子２を振
動させた時の漏れ振動や電気的な回り込みによるオフセ
ットノイズを伴っている。

【００１３】そして、検知素子部９、９’から出力され
る交流信号を、差動増幅回路３１にて差動増幅し、バン
ドパスフィルタ（ＢＰＦ）３２を介して、同期検波回路
３３により同期検波する。この場合、加算増幅回路３０
から出力される交流信号とＢＰＦ３２を介した交流信号
とは位相が９０°ずれているので、加算増幅回路３０か
ら出力される交流信号を９０°位相回路３４によって９
０°位相させ、その信号により同期検波回路３３にて同
期検波を行う。この同期検波によって、角速度による信
号以外の不要なノイズ成分をカットすることができる。
そして、この同期検波回路３３からの出力信号は、ロー
パスフィルタ（ＬＰＦ）３５、ゲイン調整回路３６、０
点調整回路３７を介し、直流の角速度信号として出力さ
れる。

【００１４】図１１に、加算増幅回路３０および差動増
幅回路３１の具体的な構成を示す。加算増幅回路３０
は、バッファアンプ３０ａ、３０ｂ、および加算増幅器
３０ｃから構成されており、フィードバック素子部１
０、１０’からのそれぞれの交流信号を加算するように
構成されている。また、差動増幅回路３１は、バッファ
アンプ３１ａ、３１ｂ、および差動増幅器３１ｃから構
成されており、検知素子部９、９’から出力される交流
信号を減算するように構成されている。

【００１５】ここで、上記した角速度センサにおいて
は、その原理上、小型化するにつれてコリオリ力が小さ
くなり、検知素子部９、９’から出力される信号も当然
のごとく小さくなる。また、振動子２が小さくなれば、
振動周波数が高くなる。このように、非常に微弱でかつ
周波数の高い信号を扱う場合、検知素子部９、９’の面
積を大きくするのが一般的である。しかしながら、検知
素子部９、９’の面積をフィードバック素子部１０、１
０’の面積より大きくすると、加算増幅回路３０および
差動増幅回路３１の入力インピーダンスが異なってしま
うため、９０°位相回路３４から出力される９０°移相
後のフィードバック信号と、ＢＰＦ３２から出力される
検知信号の位相に大きなずれが生じる。すなわち、角速
度が生じていないときに、図１２の上段、中段の波形に
示すように、９０°移相後のフィードバック信号と検知
信号（この場合、オフセット信号）に位相ずれが生じ
る。

【００１６】この位相ずれによって、同期検波後の波形
が図１２の下段に示すようになり、それを直流成分にし
たときに、オフセット信号が出力される。このオフセッ
ト信号は温度によって変化し、いわゆるオフセット温度
ドリフトとなる。本発明は上記問題に鑑みたもので、振
動子の同一面上に駆動素子部、検知素子部、フィードバ
ック素子部を配置した小型の角速度センサにおいて、上
記した位相ずれによるオフセット信号を低減することを
目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明においては、振動子（２）の
素子部形成面に、駆動素子部（８、８’）と、検知素子
部（９、９’）と、フィードバック素子部（１０、１
０’）を備えた角速度センサであって、フィードバック
素子部（１０、１０’）と検知素子部（９、９’）の静
電容量を等しくしたことを特徴としている。

【００１８】このようにフィードバック素子部（１０、
１０’）と検知素子部（９、９’）の静電容量を等しく
することによって、回路手段（３０〜３７）への入力イ
ンピーダンスを等しくすることができるので、上記した
ような位相ずれによるオフセット信号を低減することが
できる。この場合、請求項２に記載の発明のように、フ
ィードバック素子部（１０、１０’）と検知素子部
（９、９’）の面積を等しくすることによって、フィー
ドバック素子部（１０、１０’）と検知素子部（９、
９’）の静電容量を等しくすることができる。

【００１９】また、請求項３に記載の発明においては、
フィードバック素子部（１０、１０’）に容量補正素子
部（１１、１１’）を並列接続して、その合成の静電容
量と検知素子部（９、９’）の静電容量とが等しくなる
ようにしたことを特徴としている。この発明によっても
請求項１に記載の発明と同様の効果を奏する。

【００２０】この場合、請求項４に記載の発明のよう
に、半導体基板をエッチングして振動子（２）を形成
し、振動子（２）の外周の半導体基板の表面に容量補正
素子部（１１、１１’）を形成することができる。そし
て、請求項５に記載の発明のように、検知素子部用電極
パッド（１８ｂ、１８ｂ’）とフィードバック素子部用
電極パッド（２０ｂ、２０ｂ’）を、配線の容量差を補
正するために異なった面積とすれば、より精度よくオフ
セット信号の低減を図ることができる。

【００２１】なお、フィードバック素子部（１０、１
０’）と検知素子部（９、９’）の静電容量を等しくす
るとは、完全に等しくなっている場合の他、実質的に等
しくなっているものも含むものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に、本発明
の第１実施形態を示す角速度センサの平面構成を示す。
図に示すように、図８に示す構成に対し、フィードバッ
ク素子部１０、１０’を、検知素子部９、９’と等しい
面積で、検知素子部９、９’に対しｘ軸方向にオフセッ
トした位置に形成している。その他の構成は、図８に示
すものと同じで、角速度センサの回路部の構成も図１０
に示すものと同じである。

【００２３】ここで、検知素子部９、９’とフィードバ
ック素子部１０、１０’は、圧電体をスパッタリング、
蒸着等で成膜しているためその膜厚は等しくなってい
る。従って、フィードバック素子部１０、１０’と検知
素子部９、９’の面積を等しくすることにより、フィー
ドバック素子部１０、１０’と検知素子部９、９’の静
電容量を等しくすることができる。

【００２４】このようにフィードバック素子部１０、１
０’と検知素子部９、９’の静電容量を等しくすること
によって、加算増幅回路３０および差動増幅回路３１の
入力インピーダンスを等しくすることができ、９０°位
相回路３４から出力される９０°移相後のフィードバッ
ク信号と、ＢＰＦ３２から出力される検知信号の位相の
ずれをなくすことができる。

【００２５】図２、図３に、９０°移相後のフィードバ
ック信号と、検知信号と、同期検波後の波形を示す。な
お、図２は角速度が０の場合、図３は角速度が生じてい
る場合の波形を示している。図２に示すように、９０°
移相後のフィードバック信号と、検知信号におけるオフ
セットノイズは、互いに９０°位相が異なる関係にあ
る。このため、同期検波後においては、オフセットノイ
ズの成分はカットされ、最終的な出力信号にはオフセッ
ト信号が生じない。また、角速度が生じている場合に
は、図３に示すように、検知信号に、オフセット信号と
ともに角速度による信号が重畳しており、角速度による
信号は９０°移相後のフィードバック信号と同位相とな
るため、同期検波後には、オフセットノイズのみが除去
され、直流の角速度信号を取り出すことができる。 （第２実施形態）上記第１実施形態では、フィードバッ
ク素子部１０、１０’と検知素子部９、９’の面積を等
しくするものを示したが、このようにすると、検知素子
部９、９’の面積が図８に示すものに比べて小さくな
る。

【００２６】そこで、この第２実施形態では、図４に示
すように、検知素子部９、９’、フィードバック素子部
１０、１０’を図８に示すものと同じ、すなわち検知素
子部９、９’の方の面積を大きくし、検知素子部９、
９’とフィードバック素子部１０、１０’の面積の差に
相当する面積を有する容量補正素子部１１、１１’をフ
レーム部１に形成し、容量補正素子部１１、１１’を、
配線２１ａ、２１ａ’を介して電極パッド２０ｂ、２０
ｂ’に電気接続するようにしている。なお、容量補正素
子部１１、１１’は、フィードバック素子部１０、１
０’などと同様に、圧電体、電極をスパッタリング、蒸
着等で成膜して形成されている。

【００２７】この場合、図５に示すように、フィードバ
ック素子部１０、１０’と容量補正素子部１１、１１’
はそれぞれ並列接続されることになり、フィードバック
素子部１０、１０’と容量補正素子部１１、１１’のそ
れぞれの合成の静電容量を、検知素子部９、９’の静電
容量とそれぞれ等しくすることができる。図６に、容量
補正素子部１１、１１’を設けた場合（図６（ａ）に示
す）と、図８に示すように容量補正素子部１１、１１’
を設けない場合（図６（ｂ）に示す）の、９０°移相後
のフィードバック信号と検知信号の位相差の温度に対す
る変化を示す。なお、室温のときの位相差を０としてい
る。図６（ａ）、（ｂ）から明らかなように、容量補正
素子部１１、１１’を設けることによって、位相差の温
度に対する変化が少なくなっていることが分かる。

【００２８】なお、より正確に静電容量の補正を行う場
合には、図７に示すように配線の容量も補正するよう
に、検知素子部９、９’に接続された電極パッド１８
ｂ、１８ｂ’とフィードバック素子部１０、１０’に接
続された電極パッド２０ｂ、２０ｂ’の面積を異なるよ
うにするのが好ましい。なお、その配線容量の補正のた
めに電極パッドの面積を変えるのは、第１実施形態にお
いても同様に適用することができる。

【００２９】上述したように、フィードバック素子部１
０、１０’と検知素子部９、９’の面積を同じにする
か、あるいはフィードバック素子部１０、１０’に容量
補正素子部１１、１１’を並列接続することによって、
両者の静電容量を等しくすることができ、検知信号と９
０°位相後のフィードバック信号の位相差を低減するこ
とができるため、位相差によるオフセット信号を低減す
ることができ、温度変化によって生じるオフセット温度
ドリフトも低減することができる。

【００３０】なお、上記した第１、第２実施形態におい
ては、駆動素子部８、８’を連結部４の左右に設けるも
のを示したが、特開平９−１０５６３４号公報に記載さ
れているように、上下に駆動素子部を設け、それらを逆
位相で駆動するように構成してもよい。また、本発明は
半導体式の角速度センサに適用されるものの他、例えば
セラミックにより振動子を構成し、その振動子の一面に
駆動素子部、検知素子部、フィードバック素子部を配置
した角速度センサに同様に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す角速度センサの平
面構成を示す図である。

【図２】図１に示す角速度センサにおいて、角速度が０
の場合の、９０°移相後のフィードバック信号と、検知
信号と、同期検波後の波形を示す図である。

【図３】図１に示す角速度センサにおいて、角速度が生
じている場合の、９０°移相後のフィードバック信号
と、検知信号と、同期検波後の波形を示す図である。

【図４】本発明の第２実施形態を示す角速度センサの平
面構成を示す図である。

【図５】図４に示す角速度センサの回路部の部分構成を
示す図である。

【図６】図４、図８に示す角速度センサに対し、温度変
化に対する位相差の変化を示す図である。

【図７】図４に示す角速度センサの他の構成を示す図で
ある。

【図８】本発明者等が先に検討を行った角速度センサの
平面構成を示す図である。

【図９】図８に示す角速度センサのＡ−Ａ断面図であ
る。

【図１０】図８に示す角速度センサの回路部の構成を示
す図である。

【図１１】図１０に示す回路部における加算増幅回路３
０および差動増幅回路３１の具体的な構成を示す図であ
る。

【図１２】図８に示す角速度センサの問題点を説明する
ための波形図である。

【符号の説明】

１…フレーム部、２…振動子、３、３’…アーム部、４
…連結部、５、５’…幅広アーム部、６、６’…幅狭ア
ーム部、７、７’…質量部、８、８’…駆動素子部、
９、９’…検知素子部、１０、１０’…フィードバック
素子部、１１、１１’…容量補正素子部、１８ｂ、１８
ｂ’、１９ｂ、１９ｂ’２０ｂ、２０ｂ’…電極パッ
ド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 頼永 宗男 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 吉野 好 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる直交座標系に
   てｚ軸方向を軸として支持され前記ｙ軸と直交する素子
   部形成面を有する振動子（２）と、 前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）を前記ｘ
   軸方向に振動させる駆動素子部（８、８’）と、 前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）の前記ｙ
   軸方向の振動に応じた信号を出力する検知素子部（９、
   ９’）と、 前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）の前記ｘ
   軸方向の振動に応じた信号を出力するフィードバック素
   子部（１０、１０’）と、 このフィードバック素子部（１０、１０’）から出力さ
   れる信号に基づいて前記駆動素子部（８、８’）を駆動
   し、この駆動素子の駆動によって前記振動子（２）が前
   記ｘ軸方向に振動しているときに前記検知素子部（９、
   ９’）から出力される信号を、前記フィードバック素子
   部（１０、１０’）から出力される信号に基づき同期検
   波して角速度信号を出力する回路手段（３０〜３７）を
   備え、 前記フィードバック素子部（１０、１０’）と前記検知
   素子部（９、９’）の静電容量が等しくなっていること
   を特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記フィードバック素子部（１０、１
   ０’）は、前記検知素子部（９、９’）と面積が等し
   く、かつ前記検知素子部（９、９’）に対し前記ｘ軸方
   向にオフセットした位置に形成されていることを特徴と
   する請求項１に記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる直交座標系に
   てｚ軸方向を軸として支持され前記ｙ軸と直交する素子
   部形成面を有する振動子（２）と、 前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）を前記ｘ
   軸方向に振動させる駆動素子部（８、８’）と、 前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）の前記ｙ
   軸方向の振動に応じた信号を出力する検知素子部（９、
   ９’）と、 前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）の前記ｘ
   軸方向の振動に応じた信号を出力するフィードバック素
   子部（１０、１０’）と、 このフィードバック素子部（１０、１０’）から出力さ
   れる信号に基づいて前記駆動素子部（８、８’）を駆動
   し、この駆動素子の駆動によって前記振動子（２）が前
   記ｘ軸方向に振動しているときに前記検知素子部（９、
   ９’）から出力される信号を、前記フィードバック素子
   部（１０、１０’）から出力される信号に基づき同期検
   波して角速度信号を出力する回路手段（３０〜３７）を
   備え、 前記フィードバック素子部（１０、１０’）に容量補正
   素子部（１１、１１’）を並列接続して、その合成の静
   電容量と前記検知素子部（９、９’）の静電容量とが等
   しくなるようにしたことを特徴とする角速度センサ。
4. 【請求項４】 前記振動子（２）は、半導体基板をエッ
   チングして形成されたものであって、前記駆動素子部
   （８、８’）、前記検知素子部（９、９’）、および前
   記フィードバック素子部（１０、１０’）は、前記振動
   子（２）の表面に形成され、前記容量補正素子部（１
   １、１１’）は、前記振動子（２）の外周の前記半導体
   基板の表面に形成されていることを特徴とする請求項３
   に記載の角速度センサ。
5. 【請求項５】 前記振動子（２）の外周の前記半導体基
   板の表面に、前記検知素子部（９、９’）からの信号を
   外部に取り出すための検知素子部用電極パッド（１８
   ｂ、１８ｂ’）と、前記フィードバック素子部（１０、
   １０’）からの信号を外部に取り出すためのフィードバ
   ック素子部用電極パッド（２０ｂ、２０ｂ’）が形成さ
   れており、前記検知素子部用電極パッド（１８ｂ、１８
   ｂ’）と前記フィードバック素子部用電極パッド（２０
   ｂ、２０ｂ’）は、それぞれに電気接続される配線の容
   量差を補正するために異なった面積となっていることを
   特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。