TWI645161B - 陀螺儀感測器之角速度之取得方法及取得裝置 - Google Patents

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Abstract

若依據實施形態，則陀螺儀感測器之角速度之取得方法，係具備有：將依存於基於作用在正於第1方向上震動之可動體處的科氏力所導致的第2方向之震動的振幅之特定物理量檢測出來之步驟；和基於前述所檢測出的特定物理量來算出前述可動體之角速度之步驟，該陀螺儀感測器之角速度之取得方法，其特徵為：前述特定物理量，係當基於前述科氏力所導致的第2方向之震動乃身為非穩態時而被檢測出來。

Description

陀螺儀感測器之角速度之取得方法及取得裝置 [關連申請案之引用]
本申請案，係以由在2015年4月10日所申請之日本特願2015-081227號所得到的優先權之利益作為基礎，並將其之內容全體藉由引用而包含於此。
實施形態，係有關於陀螺儀感測器之角速度之取得方法及取得裝置。
在使用MEMS(micro electro-mechanical systems)技術所形成的陀螺儀感測器中，係根據基於作用在正在震動之可動體處的科氏力(Coriolis force)所致的震動之振幅，來取得角速度(angular velocity)。
然而，在先前技術的陀螺儀感測器中，係對於可動體而持續性地賦予有強制震動。因此，係有著消耗電力會變大的問題。
實施形態，係有關於能夠並不持續性地對於可動體賦予強制震動並確實地進行檢測動作的陀螺儀感測器之角速度之取得方法及取得裝置。
實施形態，係為一種陀螺儀感測器之角速度之取得方法，其係具備有：將依存於基於作用在正於第1方向上震動之可動體處的科氏力所導致的第2方向之震動的振幅之特定物理量檢測出來之步驟；和基於前述所檢測出的特定物理量來算出前述可動體之角速度之步驟，該陀螺儀感測器之角速度之取得方法，其特徵為：前述特定物理量，係當基於前述科氏力所導致的第2方向之震動乃身為非穩態時而被檢測出來。
又，實施形態，係為一種陀螺儀感測器之角速度之取得裝置，其係具備有：將依存於基於作用在正於第1方向上震動之可動體處的科氏力所導致的第2方向之震動的振幅之特定物理量檢測出來之檢測部；和基於藉由前述檢測部所檢測出的特定物理量來算出前述可動體之角速度之角速度算出部，該陀螺儀感測器之角速度之取得裝置，其特徵為：前述特定物理量，係當基於前述科氏力所導致的第2方向之震動乃身為非穩態時而被檢測出來。
10‧‧‧陀螺儀感測器
11‧‧‧可動體
11x‧‧‧x方向可動部
11y‧‧‧Y方向可動部
11xa‧‧‧可動電極部之部分
11xb‧‧‧可動電極部之部分
11xc‧‧‧可動電極部之部分
11xm‧‧‧可動電極部
12‧‧‧定錨部
13‧‧‧彈簧部
14‧‧‧彈簧部
15‧‧‧固定電極部
15a‧‧‧固定電極部之部分
15b‧‧‧固定電極部之部分
15c‧‧‧固定電極部之部分
15d‧‧‧固定電極部之部分
16‧‧‧突起部
17‧‧‧擋止構件
18‧‧‧驅動電極
31‧‧‧驅動電壓供給電路
32‧‧‧檢測部
33‧‧‧角速度算出部
50‧‧‧陀螺儀感測器
51‧‧‧可動體
51m‧‧‧可動電極部
51ma‧‧‧可動電極部之細的部分
51mb‧‧‧可動電極部之粗的部分
52‧‧‧定錨部
53‧‧‧彈簧部
54‧‧‧固定電極部
54a‧‧‧固定電極部之部分
54b‧‧‧固定電極部之部分
55‧‧‧梳齒部
56‧‧‧驅動電極
71a‧‧‧開關
71b‧‧‧開關
72a‧‧‧電容器
72b‧‧‧電容器
73a‧‧‧可變電容器
73b‧‧‧可變電容器
74a‧‧‧電晶體
74b‧‧‧電晶體
75‧‧‧差動電壓檢測電路
110‧‧‧基底區域
111‧‧‧半導體基板
112‧‧‧絕緣區域
113‧‧‧電晶體
114‧‧‧配線
120‧‧‧陀螺儀感測器
130‧‧‧帽膜
141‧‧‧可動體
142‧‧‧彈簧部
143‧‧‧上部電極
144‧‧‧下部電極
Vp‧‧‧電壓
圖1A，係為對於實施形態之陀螺儀感測器的構成作示意性展示之平面圖。
圖1B，係為對於實施形態之變形例之陀螺儀感測器的構成作示意性展示之平面圖。
圖2，係為對於實施形態之由科氏力所致的可動體之震動作展示之圖。
圖3，係為對於實施形態之陀螺儀感測器以及陀螺儀感測器之角速度之取得裝置的構成作展示之圖。
圖4，係為對於實施形態之陀螺儀感測器之角速度之取得方法作展示的流程圖。
圖5A，係為對於實施形態之陀螺儀感測器的初期狀態作展示之圖。
圖5B，係為對於實施形態之陀螺儀感測器的震動開始後之狀態作展示之圖。
圖5C，係為對於實施形態之陀螺儀感測器的震動開始後之狀態作展示之圖。
圖5D，係為對於實施形態之陀螺儀感測器的基於科氏力所致之x方向之震動狀態作展示之圖。
圖6A，係為對於實施形態之變更例之陀螺儀感測器的構成作示意性展示之平面圖。
圖6B，係為對於實施形態之變更例之陀螺儀感測器的初期狀態作展示之圖。
圖6C，係為對於實施形態之變更例之陀螺儀感測器的震動開始後之狀態作展示之圖。
圖6D，係為對於實施形態之變更例之陀螺儀感測器的震動開始後之狀態作展示之圖。
圖7A，係為對於實施形態之檢測電路的構成作展示之電路圖。
圖7B，係為對於實施形態之陀螺儀感測器的基於科氏力所致之x方向之震動狀態作展示之圖。
圖8A，係為實施形態之當可動體之x方向的共振角頻率與y方向的共振角頻率係為相異的情況時之在非穩態下的可動體之x方向之震動波形以及x方向之衰減係數作展示之圖。
圖8B，係為對於圖8A之參數作展示之圖。
圖9A，係為實施形態之當可動體之x方向的共振角頻率與y方向的共振角頻率係為相等的情況時(或者是略相等的情況時)之在非穩態下的可動體之x方向之震動波形以及x方向之衰減係數作展示之圖。
圖9B，係為對於圖9A之參數作展示之圖。
圖10，係為實施形態之當阻尼因數(damping factor)為非常小的情況時的可動體之x方向之震動波形以及x方向之衰減係數作展示之圖。
圖11，係為針對實施形態之用以使檢測動作在1msec以內結束的條件以及用以在差頻之振幅為大時而進行檢測的條件作展示之圖。
圖12，係為針對實施形態之用以使震動之衰減充分慢的條件作展示之圖。
圖13，係為針對實施形態之用以使差頻之振幅成為較穩態之振幅而更大的條件作展示之圖。
圖14A，係為針對實施形態之使震動停止的時序作展示之圖。
圖14B，係為對於圖14A之比較例作展示之圖。
圖15A，係為對於當將實施形態之陀螺儀感測器形成在半導體基板上時的構成例作示意性展示之平面圖。
圖15B，係為對於當將實施形態之陀螺儀感測器形成在半導體基板上時的構成例作示意性展示之剖面圖。
圖16，係為對於當將實施形態之陀螺儀感測器形成在半導體基板上時的其他構成例作示意性展示之剖面圖。
若依據其中一個實施形態，則陀螺儀感測器之角速度之取得方法，係具備有：將依存於基於作用在正於第1方向上震動之可動體處的科氏力所導致的第2方向之震動的振幅之特定物理量檢測出來之步驟；和基於前述所檢測出的特定物理量來算出前述可動體之角速度之步驟，該陀螺儀感測器之角速度之取得方法，其特徵為：前述特定物理量，係當基於前述科氏力所導致的第2方向之震動乃身為非穩態時而被檢測出來。
以下，參考圖面，對實施形態作說明。
圖1A，係為對於實施形態之陀螺儀感測器的構成作示意性展示之平面圖。陀螺儀感測器，係使用MEMS技術所形成。
圖1A中所示之陀螺儀感測器10，係作為可動體(可 動部)11，而具備有y方向可動部11y以及x方向可動部11x。y方向可動部11y，係構成可動體11之y方向質量(mass)，x方向可動部11x，係構成可動體11之x方向質量(mass)。x方向可動部11，係包含有藉由3個的部份11xa、11xb以及11xc所構成的可動電極部11xm。
在y方向可動部11y和定錨部(固定部)12之間，係被設置有彈簧部13。在y方向可動部11y和x方向可動部11x之間，係被設置有彈簧部14。
在x方向可動部11x之圖案的內側，係被設置有固定電極部15。在本實施形態中，固定電極部15係藉由4個的部份15a、15b、15c以及15d所構成。
在y方向可動部11y處，係被設置有突起部16，在突起部16之延長線上，係被設置有擋止構件17。又，在突起部16之近旁，係被設置有驅動電極18。擋止構件17之電位，係為了防止黏滯力(stiction)，而被設定為與可動體11之電位相同電位或者是成為浮動電位。另外，在本實施形態中，雖係設置有擋止構件17，但是，如同圖1B中所示一般，係亦可並不設置擋止構件17。
若是當可動體11正在進行旋轉運動的途中而可動體11朝向y方向(第1方向)震動，則起因於科氏力，可動體11會朝向x方向(第2方向)震動。一般而言，角速度係與基於科氏力所產生的x方向之震動之振幅成正比。故而，係能夠根據x方向之震動的振幅而算出可動體11之旋轉運動的角速度。
具體而言，若是起因於科氏力而可動體11之x方向可動部11x朝向x方向震動，則固定電極部15和可動電極部11xm之間的距離係會因應於震動而改變。若是固定電極部15和可動電極部11xm之間的距離改變，則固定電極部15和可動電極部11xm之間的電容量係會改變。藉由檢測出此電容量之變化，係能夠求取出固定電極部15和可動電極部11xm之間的距離，而能夠求取出可動體11之x方向之震動的振幅。
圖2，係為對於由科氏力所致的可動體11之x方向之震動作展示之圖。橫軸係為時間，縱軸係為x方向之振幅比(相對於穩態之振幅的振幅比)。
如同圖2中所示一般，在產生了非穩態之震動之後，係會變遷至穩態之震動。在本實施形態中，係當基於科氏力所產生的x方向之震動乃身為非穩態時，檢測出x方向之震動之振幅。通常，係如同後述一般，將依存於基於科氏力所產生的x方向之震動之振幅的特定物理量檢測出來。例如，特定物理量，係為基於固定電極部15和可動電極部11xm之間之電容量所致之物理量。之後，基於所檢測出的特定物理量來算出可動體11之角速度。
於先前技術中，係構成為當x方向之震動乃身為穩態時，檢測出x方向之震動之振幅。然而，直到震動到達穩態為止，係會需要耗費一定的時間。又，陀螺儀感測器之檢測動作，係有必要以短的週期來進行。故而，係有必要在對於可動體而持續性地賦予有強制震動的狀態下來進行 檢測動作。亦即是，係有必要並不使強制震動停止地來進行檢測動作。如此這般，在先前技術的方法中，由於係對於可動體而持續性地賦予有強制震動，因此消耗電力係會變大。
在本實施形態中，係當基於科氏力所產生的震動乃身為非穩態時，檢測出震動之振幅。因此，係能夠藉由短時間的震動而檢測出震動的振幅，而並不需要使震動持續進行。故而，在本實施形態中，係能夠並不持續性地對於可動體賦予強制震動並確實地進行檢測動作。其結果，係能夠將消耗電力大幅度地降低。
圖3，係為對於本實施形態之陀螺儀感測器以及陀螺儀感測器之角速度之取得裝置的構成作展示之圖。另外，在圖3中，係將彈簧部13以及彈簧部14作簡略化的描繪。
在圖3中，驅動電壓供給電路31，係為對於驅動電極18供給驅動電壓者。藉由對於驅動電極18供給驅動電壓，係能夠使可動體11在y方向上作強制震動。又，藉由從驅動電壓供給電路31來對於驅動電極18賦予特定之定電壓，係能夠將突起部16固定在擋止構件17處。
檢測部32，係為將依存於基於作用於正在y方向上進行震動的可動體11處之科氏力所產生的x方向之震動之振幅的特定物理量檢測出來者。在本實施形態中，特定物理量，係為基於固定電極部15和可動電極部11xm之間之電容量所致之物理量。具體而言，在檢測部32處， 係檢測出固定電極部15和可動電極部11xm之間之電位差。關於電位差之檢測的詳細內容，係於後再述。
在角速度算出部33處，係基於藉由檢測部32所檢測出的特定物理量(基於電容量之物理量)，來算出可動體11之角速度。
圖4，係為對於本實施形態之陀螺儀感測器之角速度之取得方法作展示的流程圖。另外，以下，係針對並不對於可動體11賦予強制震動的情況作說明。
首先，係將陀螺儀感測器10設定為初期狀態(S11)。圖5A，係為對於陀螺儀感測器10的初期狀態作展示之圖。如同圖5A中所示一般，在使突起部16與擋止構件17作了接觸的狀態下，可動體11係靜止。具體而言，藉由對於驅動電極18和可動體11之間賦予適當的電位差(例如，20V)，突起部16係成為與擋止構件17作接觸。此時之可動體11之y方向的位移量，例如係為20μm程度。擋止構件17，係作為在檢測出特定物理量之後使可動體11之y方向之震動停止的震動停止部而起作用。故而，藉由擋止構件17，可動體係維持於當前一次的震動停止時的狀態。
接著，開始陀螺儀感測器10之y方向的震動(S12)。具體而言，藉由將驅動電極18和可動體11之間的電位差設為0並將可動體11從擋止構件17釋放，可動體11之y方向的震動係開始。亦即是，可動體11之y方向之震動，係從抵抗彈簧13之力而使可動體11朝向y 方向來強制性地作了位移的狀態起而開始。其結果，如同圖5B以及圖5C中所示一般，可動體11係在y方向上震動。當震動之Q值為大的情況時，就算是並不對於可動體11賦予強制震動，亦可涵蓋某一程度之較長之期間地來使震動持續。當並不對於可動體11賦予強制震動的情況時，由於用以進行強制震動之電路動作係成為不必要，因此係能夠將消耗電力作大幅度的削減。
若是當可動體11正在y方向上震動的期間中而可動體11進行旋轉運動，則起因於科氏力，可動體11會朝向x方向震動。如同於前已有所敘述一般，若是可動體11在x方向上震動，則如同圖5D中所示一般，固定電極部15和可動電極部11xm之間的距離會改變，固定電極部15和可動電極部11xm之間的電容量係會改變。藉由檢測部32來檢測出此電容量之變化，並求取出可動體11之x方向之震動的振幅。亦即是，在檢測部32處，係將依存於基於科氏力所產生的x方向之震動之振幅的特定物理量(基於電容量之物理量)檢測出來(S13)。
在藉由檢測部32而檢測出了特定物理量之後，使可動體11之y方向之震動停止(S14)。具體而言，在檢測出了可動體11之x方向之震動的振幅之峰值之後，於可動體11之x方向之震動到達穩態之前，使可動體11之y方向之震動停止。
可動體11之y方向之震動，係藉由以作為震動停止部而起作用之擋止構件17來捕捉可動體11，而使其停 止。具體而言，係藉由對於驅動電極18和可動體11之間賦予適當之電位差，並當可動體11之y方向之震動的振幅到達了峰值時捕捉可動體11之突起部16，來使震動停止。如此這般，藉由在y方向之震動的振幅到達了峰值時而使震動停止，在下一次的震動之開始時，由於係成為不需要耗費用以將可動體11上拉之能量，因此係能夠使消耗電力降低。
可動體11之角速度，係藉由角速度算出部33，而基於所檢測出的特定物理量來算出(S15)。具體而言，可動體11之角速度，係基於當可動體11之x方向之震動的振幅乃身為峰值時所檢測出來的特定物理量，而被算出。
如同於前已有所敘述一般，特定物理量，係為基於固定電極部15和可動電極部11xm之間之電容量所致之物理量，在檢測部32處，係檢測出固定電極部15和可動電極部11xm之間之電壓差(電位差)。如同後述一般，在檢測出固定電極部15和可動電極部11xm之間之電位差時，係進行差動電壓之檢測。例如，係檢測出固定電極部15a和可動電極部11xa之間之電位差Va，並檢測出固定電極部15b和可動電極部11xb之間的電位差Vb，且作為差動電壓而求取出Va與Vb之間之電位差。當可動體11之x方向之震動的振幅到達了峰值時，差動電壓亦係到達峰值。故而，係能夠根據到達了峰值時之差動電壓，而算出可動體11之角速度。
一般而言，角速度係能夠根據基於科氏力所產生的x 方向之震動之振幅來算出。又，如同根據上述之內容而可得知一般，只要得知差動電壓，則便可求取出x方向之震動的振幅。故而，係能夠根據所檢測出的差動電壓，而算出可動體11之角速度。
另外，係亦可基於在可動體11開始了y方向之震動之後的特定之時序處所檢測出來的特定物理量(例如，上述之差動電壓)，而算出角速度。如同後述一般，基於科氏力所產生的可動體11之x方向之震動之狀態，係能夠預先作預測。故而，係亦可構成為預先預測可動體11之x方向之震動會到達峰值的時間，並基於在所預測的特定之時序處所檢測出來的特定物理量，而算出角速度。
如同上述一般，在本實施形態中，係當x方向之震動乃身為非穩態時，檢測出依存於基於科氏力所產生的x方向之震動的振幅之特定物理量。因此，係能夠藉由短時間的震動而進行檢測，而並不需要使震動持續進行。故而，在本實施形態中，係能夠並不持續性地對於可動體賦予強制震動並確實地進行檢測動作，而能夠將消耗電力降低。
於先前技術中，由於係在穩態下而進行檢測，因此，係有必要持續性地進行強制震動，消耗電力係為大。例如，假設震動之頻率係為10kHz，輸出資料速率(ODR)係為100Hz。於此情況，震動之週期係為100μsec，輸出週期係為10msec。在本實施形態中，例如，假設係於從使震動開始起之10個週期之量的震動處而使檢測動作結束，亦即是係在從使震動開始起之1msec後而使檢測動作 結束，之後，係使震動停止。於此情況，在輸出週期10msec中之9msec的期間中，震動係成為停止，而能夠使消耗電力成為先前技術之1/10。
又，在本實施形態中，由於係於震動成為穩態之前而進行檢測動作，因此係亦能夠使起動(startup)時間縮短。
又，在本實施形態中，藉由基於當可動體之x方向之震動的振幅乃身為峰值時所檢測出來的特定物理量來算出角速度，係能夠將角速度之算出精確度提高。
又，在本實施形態中，由於係作為使可動體之y方向之震動停止的震動停止部而設置有擋止構件，因此在檢測動作結束之後係能夠確實地使可動體之震動停止。於此情況，藉由在y方向之震動的振幅到達了峰值時而捕捉可動體，在下一次的檢測動作時，係能夠從y方向之峰值位置起來使震動開始，而能夠進行有效率之檢測動作。
另外，在上述之實施形態中，係亦可對於可動體11賦予強制震動。於此情況，係亦可構成為：在對於可動體11而賦予了一定期間之y方向之強制震動之後，使強制震動停止。在賦予強制震動的情況時，係可構成為進行閉環(closed-loop)控制，亦可構成為進行開環(open-loop)控制。作為用以使其進行強制震動之驅動力，係可使用靜電力、壓電力、電磁力等。
圖6A，係為對於本實施形態之變更例之陀螺儀感測器的構成作示意性展示之平面圖。另外，基本性之事項， 由於係與上述之實施形態相同，因此係將在上述之實施形態中所作了說明的事項之說明省略。本變更例之陀螺儀感測器，亦係使用MEMS技術所形成。
圖6A中所示之陀螺儀感測器50，係具備有使y方向可動部以及x方向可動部作了一體化的可動體(可動部)51。可動體51，係包含有藉由細的部分51ma以及粗的部份51mb所構成之可動電極部51m。在可動體51和定錨部(固定部)52之間，係被設置有彈簧部53。在可動體51之圖案的內側，係被設置有固定電極部54。在本實施形態中，固定電極部54係藉由2個的部份54a以及54b所構成。在可動體51處，係被設置有梳齒部55，在梳齒部55之近旁，係被設置有驅動電極56。
圖6B、圖6C以及圖6D，係為對於陀螺儀感測器50的y方向之震動作展示之圖。在圖6B中，藉由預先對於梳齒部55和驅動電極56之間賦予電位差，陀螺儀感測器50係被設定為初期狀態。藉由將電位差設為0，如同圖6C以及圖6D中所示一般，震動係開始。
在本變更例中，亦與上述之實施形態同樣的，若是當可動體51正在y方向上震動的期間中而可動體51進行旋轉運動，則起因於科氏力，可動體51會朝向x方向震動。其結果，固定電極部54和可動電極部51m之間的距離係改變，固定電極部54和可動電極部51m之間的電容量係會改變。基於此電容量之變化，係能夠求取出可動體51之x方向之震動的振幅(依存於x方向之震動的振幅 之特定物理量)。
具體而言，係檢測出固定電極部54a和可動電極部51m之間之電位差Va，並檢測出固定電極部54b和可動電極部51m之間的電位差Vb，且作為差動電壓而求取出Va與Vb之間之電位差。係能夠根據此差動電壓，而算出可動體51之角速度。另外，當可動電極部51m之粗的部份51mb係位置在固定電極部54a和固定電極部54b之間時，由於電極間之距離係變小，因此係能夠將檢測之感度提高。
圖7A，係為對於檢測電路(對應於圖3之檢測部32)的構成作展示之電路圖。另外，本檢測電路，係能夠適用在上述之實施形態以及變形例之任一者中。
圖7A中所示之檢測電路，係具備有開關71a以及71b、和電容器72a以及72b、和可變電容器73a以及73b、和具有二極體連接之電晶體74a以及74b、以及差動電壓檢測電路75。將電容器72a以及72b之電容量均設為C0，並將可變電容器73a之電容量設為C1，且將可變電容器73b之電容量設為C2。
可變電容器73a以及73b，係對應於上述之可變電容器。例如，在圖6A所示之變更例中，藉由固定電極部54a和可動電極部51m所構成的可變電容器，係對應於可變電容器73a，藉由固定電極部54b和可動電極部51m所構成的可變電容器，係對應於可變電容器73b。
首先，將開關71a以及71b設定為ON狀態，並對於 電容器施加電壓Vb。藉由此，在電容器處，係被充電有Q=Vp(C0+C1)=Vp(C0+C2)
之電荷Q。在對於電容器之充電結束之後，將開關71a以及71b設定為OFF狀態。
若是陀螺儀感測器之震動被開始並藉由陀螺儀感測器之旋轉運動而產生科氏力，則如同圖7B中所示一般，可動電極部51m係在x方向上震動。之後，如同圖6D中所示一般，當可動電極部51m之粗的部份51mb係位置在固定電極部54a和固定電極部54b之間時，可變電容器73a之電容量係從C1而增加為C1'，可變電容器73b之電容量係從C2而增加為C2'。其結果，被施加於電容器72a以及可變電容器73a處之電壓係成為VP1，被施加於電容器72b以及可變電容器73b處之電壓係成為VP2。故而，Q=Vp1(C0+C1’)=Vp2(C0+C2’)
之關係係成立。藉由差動電壓檢測電路75來檢測出電壓Vp1和電壓Vp2之間之差動電壓，而能夠基於該差動電壓來求取出角速度。
另外，在上述之實施形態以及變更例中，係會有基於科氏力所導致的x方向之振幅的中心有所偏移並產生偏位的情況。因此，係亦可構成為設置有將正方向之振幅的峰值Ap與負方向之振幅的峰值An之間之差(Ap-An)檢測出來的電路。於此情況，係能夠根據峰值差(Ap-An)來求取出角速度。
在檢測電路中，係可採用與包含有LNA以及混頻器 等的無線受訊IC之波封(envelope)檢測電路相同的構成。又，係亦可構成為使基於科氏力所導致的震動波形作AD轉換並進行檢測。
接著，針對在本實施形態中之震動的解析結果作說明。另外，以下之解析結果，係為並不對於陀螺儀感測器之可動體賦予強制震動的情況時之解析結果。
可動體之y方向的運動方程式，係如同下述一般而作表現。
其中，ω y係為y方向之共振角頻率(resonant angular frequency)，my係為y方向之可動體的質量，by係為y方向之震動的衰減(attenuation)係數，ky係為y方向之彈簧常數。
滿足初期條件
[數式4]y(0)=y 0
之解，係成為如同下述一般。
可動體之x方向的運動方程式，係如同下述一般而作表現。
其中，ω x係為x方向之共振角頻率(resonant angular frequency)，mx係為x方向之可動體的質量，bx係為x方向之震動的衰減(attenuation)係數，kx係為x方向之彈簧常數。又，
係為科氏力。
在滿足初期條件
[數式14]x(0)=0
並且「γ y=0」的情況時之解，係成為如同下述一般。
圖8A，係為對於當可動體之x方向的共振角頻率ω x與y方向的共振角頻率ω y係為相異的情況時之在非穩態下的可動體之x方向之震動波形x(t)以及x方向之衰減係數作展示之圖。圖8B，係為對於圖8A之參數作展示之圖。
圖9A，係為對於當可動體之x方向的共振角頻率ω x與y方向的共振角頻率ω y係為相等的情況時(或者是，略相等的情況時)之在非穩態下的可動體之x方向之震動波形x(t)以及x方向之衰減係數作展示之圖。圖9B，係為對於圖9A之參數作展示之圖。
圖10，係為對於當阻尼因數(damping factor)為非常小的情況時的可動體之x方向之震動波形x(t)以及x方向之衰減係數作展示之圖。圖10(a)係為針對非穩態作展示之圖，圖10(b)係為針對穩態作展示之圖。在非穩態下，亦同樣的，差頻之振幅的峰值在短時間內係幾乎沒有變化。又，非穩態之振幅的峰值，係成為穩態之振幅 的峰值之略2倍。
根據上述事項，可以想見，較理想，係如同下述一般地來進行檢測動作。
在圖8A之情況中，可動體之x方向之震動，係在非穩態中而具有過渡性的差頻(transient beat)。如此這般，在非穩態下，由於係產生有差頻，因此係檢測出差頻之振幅的峰值。又，係亦可構成為在震動開始後之特定之時序處而進行檢測。於此情況，係亦可構成為預先預測震動會到達峰值的時間，並在所預測的特定之時序處而進行檢測。
在圖9A的情況中，由於係並未產生差頻，因此，係在震動開始後之特定之時序處而進行檢測。於此情況，如同根據上述之振幅A之數式而可得知一般，由於振幅本身係變大，因此係能夠使檢測感度提昇。
當並非為「γ y=0」的情況時之x方向的運動方程式，係如同下述一般而作表現。
將β 1以及β 2如同下述一般地作定義。
於此情況時之運動方程式，係如同下述一般而作表現。
[數式26]x(t)=Z 1(t)+Z 2(t)
[數式34]s≡-2ω2(β2-β1)。
上述，係在「β 2→0」的極限下，如同下述一般而作表現。
[數式35]x(t)=Z 1(t)+Z 2(t)
[數式40]s(β2=0)≡2ω2β1
又，當β 1以及β 2為小的情況時，係如同下述一般而作表現。
右邊的第1項，係代表差頻的成份。右邊的第2項，當ω 1和ω 2為略相等的情況時，係成為0。
圖11，係為針對用以使檢測動作在1msec以內結束的條件以及用以在差頻之振幅為大時而進行檢測的條件作展示之圖。
為了使檢測動作在1msec以內結束，只要差頻之週期係為2msec以下即可。具體而言，只要「t1=2 π/(△ω/2)≦2msec」即可。但是，「△ω=2 π△f」，△f係為可動體之x方向之共振頻率和y方向之共振頻率間之差。此條件，係可改寫為「1kHz≦△f」。另外，係亦可針對差頻之複數週期而進行檢測，而使精確度提昇。
為了在差頻之振幅為大時而進行檢測，係只要使頻率f之震動的1個週期(T=1/f)收斂於差頻之峰值之近旁即可。但是，「f=(fx+fy)/2」，fx係為x方向之共振頻率，fy係為y方向之共振頻率。若是假設T係為t1之10%以下(T≦0.1×t1)，則係得到「5kHz≦f」之條件。
為了在差頻之振幅為大時而進行檢測，震動之衰減係需要為充分慢。圖12，係為針對用以使震動之衰減充分慢的條件作展示之圖。若是假設在差頻之1個週期t1處的 衰減量係為並不存在衰減的情況時之10%以下，則係得到「0.2/t1≧γ x」之條件。若是假設「t1=2msec」，則係得到「100Hz≧γ x」之條件。若是假定為「f=5kHz」，「△f=1kHz」，並將此條件以Q值來作表現，則係成為「Q=ω x/γ x≧345」。
圖13，係為針對用以使差頻之振幅成為較穩態之振幅而更大的條件作展示之圖。為了使差頻之振幅成為較穩態之振幅而更大，係只要使[數式42]1-√3 γ/2<ωx/ωy<1+√3 γ/2
之關係成立即可。
接著，針對使震動停止的時序作說明。
如同已做了說明一般，在本實施形態中，係藉由在檢測動作結束之後使震動停止，來對於消耗電力作削減。使震動停止的時序之大略基準，係為差頻消失的時序。如同上述一般，差頻之振幅，係依循於「exp(-γ x t/2)」而衰減。
於此，若是設為在差頻之振幅一直衰減至1/10時而使震動停止，則係為「exp(-γ x t/2)≧0.1」，使震動停止之時序，係成為「t2≦21og10/γ x=4.6/γ x」。若是使用Q值(Q x=ω x/γ x)來重新改寫，則使震動停止之時序，係成為「t≦4.6Qx/ω x」。
圖14A，係為針對使震動停止的時序作展示之圖。以輸出資料速率(ODR)之倒數(Ts1=1/ODR)之週期， 來進行檢測動作。例如，當「ODR=100Hz」的情況時，係為「Ts1=10msec」。又，係在Ts1之期間中的Ts2之期間而使震動持續。亦即是，可動體之y方向之震動的持續期間Ts2，係較與陀螺儀感測器之輸出資料速率(ODR)的倒數相對應之週期Ts1而更短。在本實施形態中，若是假設震動之開始位置係為「y=y0」(例如，圖5A中所示之初期狀態之位置)，則從能量性的觀點來看，係以震動之停止位置亦身為「y=y0」一事為較有效率。為了達成此，係只要滿足「ω2×Ts2=n π」(n為自然數)即可。故而，係只要滿足「Ts2=n π/ω2」即可。實際上，就算是並未嚴密地滿足「Ts2=n π/ω2」，也只要在可動體為正位置於「y=y0」之近旁處時而使可動體停止即可。於此情況，Ts2，係只要滿足
即可。
圖14B，係為對於圖14A之比較例(先前技術)作展示之圖。在圖14B所示之比較例中，由於係並不使可動體停止地而對於可動體持續性地賦予有強制震動，因此消耗電力係會變大。
圖15A，係為對於當將本實施形態之陀螺儀感測器形成在半導體基板上時的構成例作示意性展示之平面圖。圖15B，係為沿著圖15A之A-A線的剖面圖。
如同圖15A以及圖15B中所示一般，在包含有半導體基板111、絕緣區域112、電晶體113以及配線114之基底區域110上，係被設置有使用MEMS技術所形成之陀螺儀感測器120。陀螺儀感測器120，係被帽膜(保護膜)130所覆蓋。陀螺儀感測器120，係包含有x方向可動部11x、y方向可動部11y、彈簧部14以及固定電極部15等。帽膜130，係藉由3層的絕緣層所形成，於其之內側係形成有空腔。為了將震動之衰減係數縮小，較理想，帽膜130之內側的空腔係身為真空狀態。
另外，在圖15A以及圖15B之例中，陀螺儀感測器120雖係被與包含有電晶體113以及配線114之積體電路設置在同一晶片上，但是，陀螺儀感測器120係亦可被設置在與積體電路相異之晶片上。
圖16，係為對於當將本實施形態之陀螺儀感測器形成在半導體基板上時的其他構成例作示意性展示之剖面圖。
在本構成例中，亦與圖15A以及圖15B之構成例相同的，在基底區域110上，係被設置有使用MEMS技術所形成之陀螺儀感測器。在可動體(可動部)141之兩端處，係被設置有彈簧部142，在可動體141之上方，係被設置有上部電極143，在可動體141之下方，係被設置有下部電極144。
當可動體141正在x軸之周圍進行旋轉運動時，若是對於可動體141而在y軸方向上賦予震動，則在z軸方向 上會作用有科氏力。由科氏力所致之震動的振幅，係可基於可動體141與上部電極143之間之電容量Ca和可動體141與下部電極144之間之電容量Cb之間的差動電容量(Ca-Cb)而求取出來。
又，當可動體141正在y軸之周圍進行旋轉運動時，若是將x軸方向作為驅動方向(賦予震動方向)，則在z軸方向上會作用有科氏力。故而，於此情況，亦同樣的，由科氏力所致之震動的振幅，係可基於上述之差動電容量(Ca-Cb)而求取出來。
另外，在上述之實施形態中所述之方法，係亦可適用在檢測出3軸(x軸、y軸、z軸)方向之角速度的陀螺儀感測器中。
雖係針對本發明之數個實施形態作了說明，但是，此些之實施形態，係僅為例示，而並非為對發明之範圍作限定者。此些之新穎的實施形態，係可藉由其他之各種形態來實施，在不脫離本發明之要旨的範圍內，係可進行各種之省略、置換、變更。此些之實施形態或其變形，係亦被包含於發明之範圍或要旨中，並且亦被包含在申請專利範圍中所記載的發明及其均等範圍內。

Claims (29)

  1. 一種陀螺儀感測器之旋轉資訊之取得方法，係具備有：藉由將可動體從震動停止部釋放，開始前述可動體之第1方向之震動之步驟；將依存於不同於第1方向之第2方向之震動的振幅之特定物理量檢測出來之步驟；基於前述所檢測出的特定物理量來算出前述可動體之旋轉資訊之步驟；和在檢測出前述特定物理量之後，藉由使前述震動停止部將前述可動體作捕捉，以使前述可動體之前述第1方向之震動停止之步驟，其中，所述之捕捉前述可動體，係藉由在前述可動體和電極之間施加靜電力來進行。
  2. 如請求項1所記載之方法，其中，前述特定物理量，係為基於固定電極部和在前述可動體中所包含的可動電極部之間之電容量所致之物理量。
  3. 如請求項1所記載之方法，其中，前述特定物理量，係當前述第2方向之震動乃身為非穩態時而被檢測出來。
  4. 如請求項3所記載之方法，其中，前述可動體之前述第1方向之震動，係在前述第2方向之震動到達穩態之前而被停止。
  5. 如請求項1所記載之方法，其中，前述可動體之 前述第1方向之震動，係藉由當前述第1方向之震動的振幅到達了峰值時將前述可動體作捕捉，而被停止。
  6. 如請求項1所記載之方法，其中，前述可動體之前述第1方向之震動，係藉由以擋止構件來捕捉前述可動體而被停止。
  7. 如請求項1所記載之方法，其中，所述之釋放前述可動體，係藉由減少在前述可動體和電極之間的靜電力來進行。
  8. 如請求項1所記載之方法，其中，在前述可動體開始了前述第1方向之震動之後，對於前述可動體係並不會被賦予前述第1方向之強制震動。
  9. 如請求項1所記載之方法，其中，在對於前述可動體而賦予了一定期間之前述第1方向之強制震動之後，使對於前述可動體之強制震動停止。
  10. 如請求項1所記載之方法，其中，前述可動體之前述第1方向之共振頻率和前述可動體之前述第2方向之共振頻率係為相異。
  11. 如請求項1所記載之方法，其中，前述旋轉資訊，係基於當前述可動體之前述第2方向之震動的振幅到達了峰值時所檢測出來的前述特定物理量，而被算出。
  12. 如請求項1所記載之方法，其中，前述旋轉資訊，係基於在前述可動體開始了前述第1方向之震動之後的特定之時序處所檢測出來的前述特定物理量，而被算出。
  13. 如請求項1所記載之方法，其中，前述可動體之前述第1方向之震動，係從使前述可動體在前述第1方向上強制性地作了位移的狀態起而開始。
  14. 一種陀螺儀感測器之旋轉資訊之取得裝置，係具備有：將依存於正於第1方向上震動之可動體的第2方向之震動的振幅之特定物理量檢測出來之檢測部；基於藉由前述檢測部所檢測出的前述特定物理量來算出前述可動體之旋轉資訊之旋轉資訊算出部；和藉由將前述可動體作捕捉，以使前述可動體之前述第1方向之震動停止之震動停止部，其中，藉由將前述可動體從前述震動停止部釋放，開始了前述可動體之前述第1方向之震動，其中，前述第2方向與前述第1方向相異，其中，所述之捕捉前述可動體，係藉由在前述可動體和電極之間施加靜電力來進行。
  15. 如請求項14所記載之裝置，其中，前述特定物理量，係為基於固定電極部和在前述可動體中所包含的可動電極部之間之電容量所致之物理量。
  16. 如請求項14所記載之裝置，其中，在檢測出前述特定物理量之後，前述震動停止部使前述可動體之前述第1方向之震動停止。
  17. 如請求項14所記載之裝置，其中，前述特定物理量，係當第2方向之震動乃身為非穩態時而被檢測出 來。
  18. 如請求項17所記載之裝置，其中，前述震動停止部，係在前述第2方向之震動到達穩態之前，使前述可動體之前述第1方向之震動停止。
  19. 如請求項14所記載之裝置，其中，前述可動體之前述第1方向之共振頻率和前述可動體之前述第2方向之共振頻率係為相異。
  20. 如請求項14所記載之裝置，其中，前述旋轉資訊算出部，係基於當前述可動體之前述第2方向之震動的振幅到達了峰值時所檢測出來的前述特定物理量，而算出旋轉資訊。
  21. 如請求項14所記載之裝置，其中，前述旋轉資訊算出部，係基於在前述可動體開始了前述第1方向之震動之後的特定之時序處所檢測出來的前述特定物理量，而算出前述旋轉資訊。
  22. 如請求項14所記載之裝置，其中，前述震動停止部，係藉由當前述第1方向之震動的振幅到達了峰值時將前述可動體作捕捉，而使前述可動體之前述第1方向之震動停止。
  23. 如請求項14所記載之裝置，其中，前述震動停止部，係藉由以擋止構件來捕捉前述可動體，而使前述可動體之前述第1方向之震動停止。
  24. 如請求項14所記載之裝置，其中，前述震動停止部，係藉由在前述可動體的突起部和位於前述突起部附 近的驅動電極之間施加靜電力，以使前述突起部與前述震動停止部接觸，而使前述可動體之前述第1方向之震動停止。
  25. 如請求項14所記載之裝置，其中，所述之釋放前述可動體，係藉由減少在前述可動體和電極之間之靜電力來進行。
  26. 一種陀螺儀感測器之旋轉資訊之取得方法，係具備有：將依存於正於第1方向上震動之可動體處的第2方向之震動的振幅之特定物理量檢測出來之步驟；基於前述所檢測出的特定物理量來算出前述可動體之旋轉資訊之步驟；和在檢測出前述特定物理量之後，使前述可動體之前述第1方向之震動停止之步驟，其中，藉由將前述可動體作捕捉，以使前述可動體之前述第1方向之震動停止，其中，所述之捕捉前述可動體，係藉由在前述可動體和電極之間施加靜電力來進行。
  27. 如請求項26所記載之方法，其中，係進一步包含藉由將前述可動體釋放，開始前述可動體之前述第1方向之震動之步驟，其中，所述之釋放前述可動體，係藉由減少在前述可動體和前述電極之間的靜電力來進行。
  28. 一種陀螺儀感測器之旋轉資訊之取得裝置，係具 備有：將依存於正於第1方向上震動之可動體處的第2方向之震動的振幅之特定物理量檢測出來之檢測部；基於藉由前述檢測部所檢測出的前述特定物理量來算出前述可動體之旋轉資訊之旋轉資訊算出部；和藉由將前述可動體作捕捉，以使前述可動體之前述第1方向之震動停止之震動停止部，其中，所述之捕捉前述可動體，係藉由在前述可動體和電極之間施加靜電力來進行。
  29. 如請求項28所記載之裝置，其中，藉由將前述可動體從前述震動停止部釋放，開始了前述可動體之前述第1方向之震動，其中，所述之釋放前述可動體，係藉由減少在前述可動體和前述電極之間的靜電力來進行。
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