特許 6604158 振動型角速度センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6604158

(24)【登録日】2019年10月25日

(45)【発行日】2019年11月13日

(54)【発明の名称】振動型角速度センサ

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/574 20120101AFI20191031BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20191031BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20191031BHJP

【ＦＩ】

   G01C19/574

   H01L29/84 Z

   B81B3/00

【請求項の数】3

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-228265(P2015-228265)

(22)【出願日】2015年11月23日

(65)【公開番号】特開2017-96731(P2017-96731A)

(43)【公開日】2017年6月1日

【審査請求日】2018年5月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】特許業務法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】城森 知也

(72)【発明者】

【氏名】岩城 隆雄

【審査官】 九鬼 一慶

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／０３０９０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−２７７２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／０１０１８１５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ １９／５７４

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動型角速度センサであって、
基板（１０）に対して固定された固定部（２０）と、
駆動錘（３１、３２）および検出錘（３１、３２）とを有する可動部（３０）と、
前記駆動錘を前記基板の平面と平行な平面上において移動可能としつつ前記固定部に対して支持する駆動梁（４２）、および、前記検出錘を前記基板の平面と平行な平面上において移動可能としつつ前記固定部に対して支持する検出梁（４１）を有する梁部（４０）と、
前記駆動錘の駆動振動の振動量に応じて第１変化量で変化する第１容量を構成する第１容量構成部（６１、６４）と、
前記駆動錘の駆動振動の振動量に応じて前記第１変化量よりも急な第２変化量で変化する第２容量を構成する第２容量構成部（６２、６６）と、
前記駆動錘を前記基板の平面上における一方向に駆動振動させ、角速度の印加に伴って前記検出錘が前記基板の平面上において前記一方向に対する垂直方向にも振動することに基づき角速度検出を行う制御装置（７０）と、を備え、
前記制御装置は、前記第１容量の変化に基づいて第１精度で前記駆動錘の駆動振動の振動量を検出すると共に、前記第２容量の変化に基づいて前記第１精度よりも高い第２精度で前記駆動錘の駆動振動における振動量が最も大きくなる振動位置を検出するものであり、
前記固定部を中心として、前記駆動振動の方向と同方向の両側において前記駆動錘と前記検出錘を兼ねる駆動兼検出用錘（３１、３２）が配置され、
前記検出梁（４１）は、前記固定部を中心として、前記駆動振動の方向に対する垂直な方向の両側に延設され、
前記駆動梁（４２）は、前記駆動兼検出用錘を中心として、前記駆動振動の方向に対する垂直な方向の両側に延設され、
前記検出梁のうち前記固定部と反対側および前記駆動梁のうち前記駆動兼検出用錘と反対側が直線状の支持部材（４３）に連結されており、
前記駆動兼検出用錘は、前記駆動振動の方向に伸びる可動櫛歯電極（６１）と、前記駆動振動の方向を法線方向とする一面に形成された可動平面電極（６２）とを有し、
前記第１容量構成部は、前記可動櫛歯電極と該可動櫛歯電極に対向配置されていると共に前記基板に対して固定された固定櫛歯電極（６４）とによって前記第１容量を構成し、
前記第２容量構成部は、前記可動平面電極と該可動平面電極に対して対向配置されていると共に前記基板に対して固定された固定平面電極（６６）とによって前記第２容量を構成するものであり、
前記固定櫛歯電極と前記固定平面電極とが別々に備えられたものである振動型角速度センサ。

【請求項2】

振動型角速度センサであって、
基板（１０）に対して固定された固定部（２０）と、
駆動錘（３１、３２）および検出錘（３１、３２）とを有する可動部（３０）と、
前記駆動錘を前記基板の平面と平行な平面上において移動可能としつつ前記固定部に対して支持する駆動梁（４２）、および、前記検出錘を前記基板の平面と平行な平面上において移動可能としつつ前記固定部に対して支持する検出梁（４１）を有する梁部（４０）と、
前記駆動錘の駆動振動の振動量に応じて第１変化量で変化する第１容量を構成する第１容量構成部（６１、６４）と、
前記駆動錘の駆動振動の振動量に応じて前記第１変化量よりも急な第２変化量で変化する第２容量を構成する第２容量構成部（６２、６６）と、
前記駆動錘を前記基板の平面上における一方向に駆動振動させ、角速度の印加に伴って前記検出錘が前記基板の平面上において前記一方向に対する垂直方向にも振動することに基づき角速度検出を行う制御装置（７０）と、を備え、
前記制御装置は、前記第１容量の変化に基づいて第１精度で前記駆動錘の駆動振動の振動量を検出すると共に、前記第２容量の変化に基づいて前記第１精度よりも高い第２精度で前記駆動錘の駆動振動における振動量が最も大きくなる振動位置を検出するものであり、
前記固定部を中心として、前記駆動振動の方向と同方向の両側において前記駆動錘と前記検出錘を兼ねる駆動兼検出用錘（３１、３２）が配置され、
前記検出梁（４１）は、前記固定部を中心として、前記駆動振動の方向に対する垂直な方向の両側に延設され、
前記駆動梁（４２）は、前記駆動兼検出用錘を中心として、前記駆動振動の方向に対する垂直な方向の両側に延設され、
前記検出梁のうち前記固定部と反対側および前記駆動梁のうち前記駆動兼検出用錘と反対側が直線状の支持部材（４３）に連結されており、
前記駆動兼検出用錘は、前記駆動振動の方向に伸びる可動櫛歯電極（６１）と、該可動櫛歯電極の間において前記駆動振動の方向に伸びる可動櫛歯部（６７）とを有し、
前記第１容量構成部は、前記可動櫛歯電極と該可動櫛歯電極に対向配置されていると共に前記基板に対して固定された固定櫛歯電極（６４）とによって前記第１容量を構成し、
前記第２容量構成部は、前記可動櫛歯部と前記固定櫛歯電極の先端において前記駆動振動の方向に伸ばされた固定櫛歯部（６８）とによって前記第２容量を構成するものである振動型角速度センサ。

【請求項3】

前記第２容量構成部は、前記駆動錘の駆動振動における振動量が最も大きくなる振動位置に近づくほど、該振動位置から離れているときよりも前記第２変化量が大きくなるものである請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動型角速度センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１において、振動型角速度センサが提案されている。この振動型角速度センサでは、四角形状とされた駆動錘に相当する駆動質量体の内側に四角形状とされた検出錘に相当する検出質量体が配置された構造とされている。駆動質量体は、四隅において第１の支持梁を介して基板に支持されており、検出質量体は、第２の支持梁を介して駆動質量体に支持されている。駆動質量体のうちの外側面には駆動用の櫛歯電極が形成され、駆動質量体から離れた位置に該外側面と対向するように駆動モニタ用櫛歯電極が備えられている。これら駆動用の櫛歯電極および駆動モニタ用櫛歯電極とによって駆動櫛歯電極対を構成し、駆動櫛歯電極対の間に構成される容量への電圧印加によって、駆動質量体が駆動振動させられるようになっている。また、検出質量体の内側面には検出用の櫛歯電極が形成され、検出質量体から離れた位置に検出モニタ用櫛歯電極が配置されている。これら検出用の櫛歯電極と検出モニタ用櫛歯電極とによって検出櫛歯電極対を構成し、検出櫛歯電極対の間に構成される容量を利用して、角速度印加時に検出質量体が移動させられたときに、その移動量を容量変化として出力できるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−１０８９２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

振動型角速度センサでは、センサ精度を向上させるために、振幅精度が得られるようにすること、換言すれば所望の振幅で駆動振動させられるようにすることが重要である。このため、例えば、駆動錘の駆動振動の振幅をモニタし、駆動櫛歯電極対に印加する電位差を自動的にフィードバック制御するオートゲインコントロール（以下、ＡＧＣと略す）を行っている。

【0005】

しかしながら、駆動錘の駆動振動の振幅を精度良く検出するためには、検出回路の回路ビット数を増加させる必要がある。例えば、駆動振動の振幅検出を駆動櫛歯電極対の容量を電圧に変換、つまりＣ−Ｖ変換することで行う場合において、振幅３μｍに対してその１％の検出精度を持つ検出回路とする場合、振幅精度が０．０３μｍである。この場合、振幅を例えば１０倍の３０μｍにすると、振幅精度も１０倍に悪化して０．３μｍとなる。この場合においても、振幅精度を０．０３μｍにするには、検出回路のビット数を増加させて、より細かく振幅を検出できるようにすることが必要になる。

【0006】

本発明は上記点に鑑みて、より振幅精度を向上させることが可能な振動型角速度センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の振動型角速度センサは、基板（１０）に対して固定された固定部（２０）と、駆動錘（３１、３２）および検出錘（３１、３２）とを有する可動部（３０）と、駆動錘を基板の平面と平行な平面上において移動可能としつつ固定部に対して支持する駆動梁（４２）、および、検出錘を基板の平面と平行な平面上において移動可能としつつ固定部に対して支持する検出梁（４１）を有する梁部（４０）と、駆動錘の駆動振動の振動量に応じて第１変化量で変化する第１容量を構成する第１容量構成部（６１、６４）と、駆動錘の駆動振動の振動量に応じて第１変化量よりも急な第２変化量で変化する第２容量を構成する第２容量構成部（６２、６６）と、駆動錘を基板の平面上における一方向に駆動振動させ、角速度の印加に伴って検出錘が基板の平面上において一方向に対する垂直方向にも振動することに基づき角速度検出を行う制御装置（７０）と、を備えている。そして、制御装置は、第１容量の変化に基づいて第１精度で駆動錘の駆動振動の振動量を検出すると共に、第２容量の変化に基づいて第１精度よりも高い第２精度で駆動錘の駆動振動における振動量が最も大きくなる振動位置を検出する。

【0008】

このように、第１容量構成部によって、駆動振動に基づいて緩やかに変化する第１容量を構成する。この第１容量に基づいて振動位置を第１精度で検出することで、駆動振動における大まかな振動位置を確認する。また、第２容量構成部によって、駆動振動の振動量が最も大きくなる振動位置に近づくと大きく変化する第２容量を構成する。この第２容量に基づいて駆動振動における最も振動量の大きくなった振動位置を精度良く検出することで、回路ビット数を増やさなくても振動振幅の検出精度を高めることが可能となる。

【0009】

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。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態にかかる振動型角速度センサの上面レイアウト図である。

【図2】振動型角速度センサの斜視図である。

【図3】図１中のIII−III断面図である。

【図4】図１中のIV−IV断面図である。

【図5】振動型角速度センサのブロック構成例を示した図である。

【図6】振動型角速度センサにおける駆動兼検出用錘の近傍の拡大図である。

【図7】図１に示す振動型角速度センサの駆動振動時の様子を示した上面図である。

【図8】図１に示す振動型角速度センサの角速度印加時の様子を示した上面図である。

【図9】駆動兼検出用錘の駆動振動に伴う第１容量および第２容量の変化の一例を示した図である。

【図10】第２実施形態にかかる振動型角速度センサにおける駆動兼検出用錘の近傍の拡大図である。

【図11】駆動兼検出用錘の駆動振動に伴う第１容量および第２容量の変化の一例を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態で説明する振動型角速度センサ（いわゆるジャイロセンサ）は、物理量として角速度を検出するためのセンサである。振動型角速度センサは、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、車両用以外に適用されても良い。

【0013】

以下、図１〜図８を参照して、本実施形態にかかる振動型角速度センサについて説明する。

【0014】

振動型角速度センサのセンサ素子１００は、図１中のｘｙ平面が車両水平方向に向けられ、ｚ軸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のセンサ素子１００は、図２に示すように板状の基板１０を用いて形成されている。本実施形態では、基板１０は、支持基板１１と半導体層１２とで犠牲層となる埋込酸化膜１３を挟み込んだ構造とされたＳＯＩ（Silicon on insulatorの略）基板にて構成されている。この基板１０の平面の一方向がｘ軸、この平面上におけるｘ軸に対する垂直方向がｙ軸、この平面の法線方向かつｘ軸およびｙ軸に対する垂直方向がｚ軸となり、この基板１０の平面がｘｙ平面と平行な平面をなしている。このような基板１０を用いてセンサ素子１００が構成されており、図２に示すように、例えば半導体層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１３を部分的に除去し、センサ構造体の一部をリリースすることで構成されている。なお、図２中では支持基板１１を簡略化して記載してあるが、実際には平面板状で構成されている。また、図２は断面図ではないが、図を見やすくするために、埋込酸化膜１３にハッチングを示してある。

【0015】

半導体層１２は、固定部２０と可動部３０および梁部４０にパターニングされている。固定部２０は、図２に示すように、少なくともその裏面の一部に埋込酸化膜１３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１３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、センサ素子１００における振動子を構成するものである。可動部３０は、その裏面側において埋込酸化膜１３が除去されており、支持基板１１からリリースされている。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。

【0016】

固定部２０は、可動部３０を支持すると共に、図示しないが駆動用電圧の印加用のパッドや角速度検出に用いられる検出信号の取り出し用のパッドが形成される部分である。本実施形態では、これら各機能を１つの固定部２０によって実現しているが、例えば可動部３０を支持するための支持用固定部、駆動用電圧が印加される駆動用固定部、角速度検出に用いられる検出用固定部に分割した構成とされても良い。その場合、例えば図１に示した固定部２０を支持固定部とし、支持固定部に連結されるように駆動用固定部と検出用固定部を備え、駆動用固定部に駆動用電圧の印加用のパッドを備えると共に検出用固定部に検出信号取り出し用のパッドを備えればよい。

【0017】

固定部２０は、例えば上面形状が四角形で構成されている。固定部２０の下方には埋込酸化膜１３が残されており、埋込酸化膜１３を介して固定部２０が支持基板１１に固定されている。固定部２０のｘ軸方向およびｙ軸方向の幅については任意であるが、後述する検出梁４１の幅よりも広くしてある。

【0018】

可動部３０は、角速度印加に応じて変位する部分であり、駆動用電圧の印加によって駆動振動させられる駆動用錘と駆動振動時に角速度が印加されたときにその角速度に応じて振動させられる検出用錘とを有した構成とされる。本実施形態の場合、可動部３０として、駆動用錘と検出用錘の役割を同じ錘によって担う駆動兼検出用錘３１、３２が備えられている。駆動兼検出用錘３１、３２は、ｘ軸方向において、固定部２０を挟んだ両側に配置されており、固定部２０から等間隔の場所に配置されている。各駆動兼検出用錘３１、３２は、同寸法、同質量で構成され、本実施形態の場合、上面形状が四角形で構成されている。そして、各駆動兼検出用錘３１、３２は、それぞれ相対する二辺において梁部４０に備えられる後述する駆動梁４２に連結させられることで、両持ち支持されている。各駆動兼検出用錘３１、３２の下方においては、埋込酸化膜１３が除去されており、支持基板１１から各駆動兼検出用錘３１、３２がリリースされている。このため、各駆動兼検出用錘３１、３２は、駆動梁４２の変形によってｘ軸方向に駆動振動可能とされ、角速度印加の際には駆動梁４２などの変形によってｙ軸方向を含む固定部２０を中心とした回転方向へも振動可能とされている。

【0019】

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。

【0020】

検出梁４１は、固定部２０と支持部材４３とを連結するｙ軸方向に延設された直線状の梁とされている。検出梁４１のｘ軸方向の寸法は、ｚ軸方向の寸法よりも薄くされており、ｘ軸方向に変形可能とされている。

【0021】

駆動梁４２は、駆動兼検出用錘３１、３２と支持部材４３とを連結するｙ軸方向、つまり検出梁４１と平行な方向に延設された直線状の梁とされている。各駆動兼検出用錘３１、３２に接続られた駆動梁４２から検出梁４１までは等距離とされている。駆動梁４２のｘ軸方向の寸法も、ｚ軸方向の寸法よりも薄くされており、ｘ軸方向に変形可能とされている。これにより、駆動兼検出用錘３１、３２をｘｙ平面状において変位可能としている。

【0022】

支持部材４３は、ｘ軸方向に延設された直線状の部材とされ、支持部材４３の中心位置において検出梁４１が連結されており、両端位置において各駆動梁４２が連結されている。支持部材４３は、ｙ軸方向の寸法が検出梁４１や駆動梁４２におけるｘ軸方向の寸法よりも大きくされている。このため、駆動振動時には駆動梁４２が主に変形し、角速度印加時には検出梁４１および駆動梁４２が主に変形するようになっている。

【0023】

このような構造により、駆動梁４２と支持部材４３および駆動兼検出用錘３１、３２によって上面形状が四角形の枠体が構成され、その内側に検出梁４１および固定部２０が配置されたセンサ素子１００が構成されている。

【0024】

さらに、駆動梁４２には、図１および図３に示すように駆動部５１が形成されており、検出梁４１には、図４に示すように、振動検出部５３が形成されている。これら駆動部５１および振動検出部５３が、図５に示すように、外部に備えられた制御装置７０に電気的に接続されている。そして、制御装置７０からの駆動信号が伝えられることでセンサ素子１００の駆動が行われると共に、センサ素子１００からの角速度の検出信号が制御装置７０に伝えられることで角速度検出が行われるようになっている。

【0025】

駆動部５１は、図１に示すように、各駆動梁４２のうち支持部材４３との連結部近傍に備えられており、各場所に２本ずつ所定距離を空けて配置され、ｙ軸方向に延設されている。図３に示すように、駆動部５１は、駆動梁４２を構成する半導体層１２の表面に下層電極５１ａと駆動用薄膜５１ｂおよび上層電極５１ｃが順に積層された構造とされている。下層電極５１ａおよび上層電極５１ｃは、例えばＡｌ電極などによって構成されている。これら下層電極５１ａおよび上層電極５１ｃは、図１に示した支持部材４３および検出梁４１を経て固定部２０まで引き出された配線部５１ｄ、５１ｅを通じて、図示しない駆動用電圧の印加用のパッドやＧＮＤ接続用のパッドに接続されている。また、駆動用薄膜５１ｂは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（いわゆるＰＺＴ）膜によって構成されている。

【0026】

このような構成において、下層電極５１ａと上層電極５１ｃとの間に電位差を発生させることで、これらの間に挟まれた駆動用薄膜５１ｂを変位させ、駆動梁４２を強制振動させることで駆動兼検出用錘３１、３２をｘ軸方向に沿って駆動振動させる。例えば、各駆動梁４２のｘ軸方向の両端側に１本ずつ駆動部５１を備えるようにし、一方の駆動部５１の駆動用薄膜５１ｂを圧縮応力で変位させると共に他方の駆動部５１の駆動用薄膜５１ｂを引張応力で変位させる。このような電圧印加を各駆動部５１に対して交互に繰り返し行うことで、駆動兼検出用錘３１、３２をｘ軸方向に沿って駆動振動させている。

【0027】

振動検出部５３は、図１および図４に示すように、検出梁４１のうちの固定部２０との連結部近傍に備えられており、検出梁４１におけるｘ軸方向の両側それぞれに設けられ、ｙ軸方向に延設されている。図４に示すように、振動検出部５３は、検出梁４１を構成する半導体層１２の表面に下層電極５３ａと検出用薄膜５３ｂおよび上層電極５３ｃが順に積層された構造とされている。下層電極５３ａおよび上層電極５３ｃや検出用薄膜５３ｂは、それぞれ、振動検出部５３を構成する下層電極５１ａおよび上層電極５１ｃや駆動用薄膜５１ｂと同様の構成とされている。下層電極５３ａおよび上層電極５３ｃは、図１に示した固定部２０まで引き出された配線部５３ｄ、５３ｅを通じて、図示しない検出信号出力用のパッドに接続されている。

【0028】

このような構成では、角速度の印加に伴って検出梁４１が変位すると、それに伴って検出用薄膜５３ｂが変形する。これにより、例えば下層電極５３ａと上層電極５３ｃとの間の電気信号（すなわち、定電圧駆動の場合の電流値、定電流駆動の場合の電流値）が変化する。このため、その電気信号を角速度を示す検出信号として図示しない検出信号出力用のパッドを通じて外部の制御装置７０に出力している。

【0029】

また、駆動兼検出用錘３１、３２およびその周囲には、図６に示したように駆動振動検出部６０が備えられている。この駆動振動検出部６０の詳細構造について説明する。なお、図６では、駆動兼検出用錘３２およびその周囲に備えられる駆動振動検出部６０を示しているが、駆動兼検出用錘３１およびその周囲にも同様の構造のものが備えられている。

【0030】

図６に示すように、駆動兼検出用錘３２は、四角形で構成されており、ｘ軸と平行な相対する二辺において駆動梁４２に連結されている。そして、駆動兼検出用錘３２のうち駆動梁４２と連結されている２辺と異なる相対するｙ軸と平行な２辺において、ｘ軸方向に沿って複数の可動櫛歯電極６１が形成されている。可動櫛歯電極６１は、駆動兼検出用錘３２におけるｙ軸方向の両側に離れて複数個ずつ備えられており、ここではそれぞれ同数ずつとされている。また、可動櫛歯電極６１が離されることで空いている部分において、駆動兼検出用錘３２の側面、つまり駆動振動の方向を法線方向とする一面に可動平面電極６２が形成されている。

【0031】

一方、駆動兼検出用錘３２のｙ軸と平行な辺のうち可動櫛歯電極６１が形成された部分と対向する位置には、櫛歯固定部６３が形成されている。この櫛歯固定部６３には複数の可動櫛歯電極６１と対向するｘ軸方向に伸びた固定櫛歯電極６４が形成されている。駆動兼検出用錘３２のｙ軸と平行な辺のうち可動平面電極６２が形成された部分と対向する位置には、電極固定部６５が形成されている。この電極固定部６５のうち駆動兼検出用錘３２と対向する一面には固定平面電極６６が形成されている。

【0032】

これらのうち、可動櫛歯電極６１と固定櫛歯電極６４とが、駆動兼検出用錘３２におけるｘ軸方向の振動を粗い第１精度で検出するための第１容量構成部として機能する。また、可動平面電極６２と固定平面電極６６とが、駆動兼検出用錘３２におけるｘ軸方向の振動を第１精度よりも高い第２精度で検出する第２容量構成部として機能する。

【0033】

なお、図中には記載していないが、櫛歯固定部６３や電極固定部６５は、例えば支持基板１１を通じて制御装置７０に引き出される配線部と電気的に接続されている。可動櫛歯電極６１や可動平面電極６２は駆動兼検出用錘３２に電気的に接続されており、駆動兼検出用錘３２は、駆動梁４２や支持部材４３および検出梁４１を通じて固定部２０に引き出された配線を通じて制御装置７０に電気的に接続されている。

【0034】

そして、可動櫛歯電極６１と固定櫛歯電極６４との間に構成される容量を第１容量として、駆動兼検出用錘３２がｘ軸方向に振動したときに、櫛歯固定部６３を通じて第１容量の変化が制御装置７０に出力される。同様に、可動平面電極６２と固定平面電極６６との間に構成される容量を第２容量として、駆動兼検出用錘３２がｘ軸方向に振動したときに、電極固定部６５を通じて第２容量の変化が制御装置７０に出力される。すなわち、駆動兼検出用錘３２のｘ軸方向の振動に伴って、可動櫛歯電極６１と固定櫛歯電極６４との間の対向面積が変化することから、第１容量が変化する。同様に、可動平面電極６２と固定平面電極６６との間の距離が変化することから、第２容量が変化する。これら第１容量および第２容量の変化が、図５に示したようにＣ−Ｖ変換回路８０を通じて電気的な検出信号として取り出され、これが制御装置７０に出力される。

【0035】

このとき、第１容量については、駆動兼検出用錘３２の駆動振動に伴って、緩やかに変化することになる。これに対して、第２容量については、駆動兼検出用錘３２の駆動振動に伴って変化するものの、可動平面電極６２と固定平面電極６６との間の距離が離れているときには緩やかな変化で、近づくと急峻に変化する。これら変化の異なる第１容量および第２容量の検出信号がそれぞれＣ−Ｖ変換回路８０を介して制御装置７０に伝えられるようになっている。

【0036】

以上のようにして、本実施形態にかかる振動型角速度センサが構成されている。次に、このように構成される振動型角速度センサの作動について説明する。

【0037】

まず、図３に示すように、駆動梁４２に備えられた駆動部５１に対して駆動用電圧の印加を行う。具体的には、下層電極５１ａと上層電極５１ｃとの間に電位差を発生させることで、これらの間に挟まれた駆動用薄膜５１ｂを変位させる。そして、２本並んで設けられた２つの駆動部５１のうち、一方の駆動部５１の駆動用薄膜５１ｂを圧縮応力で変位させると共に他方の駆動部５１の駆動用薄膜５１ｂを引張応力で変位させる。このような電圧印加を各駆動部５１に対して交互に繰り返し行うことで、駆動兼検出用錘３１、３２をｘ軸方向に沿って駆動振動させる。これにより、図７に示すように、駆動梁４２によって両持ち支持された駆動兼検出用錘３１、３２が固定部２０を挟んでｘ軸方向において互いに逆方向に移動させられる駆動モードとなる。つまり、駆動兼検出用錘３１、３２が共に固定部２０が近づく状態と遠ざかる状態とが繰り返されるモードとなる。

【0038】

この駆動振動が行われているときに、振動型角速度センサに対して角速度、つまり固定部２０を中心軸としたｘ軸周りの振動が印加されると、図８に示すように駆動兼検出用錘３１、３２がｙ軸方向を含む固定部２０を中心とした回転方向へも振動する検出モードとなる。これにより、検出梁４１も変位し、この検出梁４１の変位に伴って、振動検出部５３に備えられた検出用薄膜５３ｂが変形する。これにより、例えば下層電極５３ａと上層電極５３ｃとの間の電気信号が変化し、この電気信号が外部に備えられる制御装置７０に入力されることで、発生した角速度を検出することが可能となる。

【0039】

また、上記のようにして駆動振動が行われるときに、駆動振動が所望の振動量で行われるように、制御装置７０にて駆動兼検出用錘３２の駆動振動の振幅をモニタし、駆動部５１に対して印加する駆動用電圧を自動的にフィードバック制御するＡＧＣを行っている。このときの駆動振動の振幅のモニタを第１容量の変化と第２容量の変化に基づいて精度良く行えるようにしている。これについて、第１容量と第２容量の変化の様子を参照して説明する。

【0040】

図９は、駆動兼検出用錘３２の駆動振動に伴う第１容量および第２容量の変化の一例を示している。図９に示されるように、第１容量は、サイン波状の変化を示し、駆動兼検出用錘３２の駆動振動に伴って緩やかな変化となる。これに対して、第２容量については、可動平面電極６２と固定平面電極６６との間の距離が離れているときには殆ど変化せず、近づくと急峻に変化している。

【0041】

このような現象を利用して、駆動兼検出用錘３２の駆動振動の粗動検出、つまりｘ軸方向における振動位置の大まかな検出を行うと共に、駆動振動の微動検出、つまりｘ軸方向における振動位置の細かな検出を行う。すなわち、Ｃ−Ｖ変換回路８０において、第１容量および第２容量をそれぞれ電圧変換し、これらを第１容量および第２容量を示す検出信号として制御装置７０に入力する。そして、制御装置７０にて、第１容量を示す検出信号に基づいて駆動兼検出用錘３２の駆動振動の粗動検出を行い、第２容量を示す検出信号に基づいて駆動兼検出用錘３２の駆動振動の微動検出を行う。

【0042】

例えば、第１容量や第２容量の変化に対応した電圧を所定の分解能で検出する。その場合、第１容量については駆動振動の振動全域において変化するが、所定の振動量に対する第１容量の変化量およびそれに対応する電圧変化量は小さい。一方、第２容量については駆動振動の振動量が最も大きくなるときに近づいた場合にだけ大きく変化し、そのときの所定の振動量に対する第２容量の変化量およびそれに対応する電圧変化量は大きい。

【0043】

このため、制御装置７０の電圧検出の分解能が高くなくても、第１容量の変化に対応する電圧変化量に基づいて駆動振動の全域において粗動検出が行え、第２容量の変化に対応する電圧変化量に基づいて、振動量が最も大きくなるときに近づくと微動検出が行える。

【0044】

ここで、制御装置７０の検出精度を向上させるのには、制御装置７０による電圧検出の分解能を上げること、すなわち電圧変化量をより細かく検出できるようにすることが考えられる。しかしながら、分解能は電圧変化量を検出する回路のビット数によって決まり、分解能を上げるためには回路ビット数を増やさなければならない。

【0045】

一方、制御装置７０による駆動振動の検出精度が要求されるのは、駆動振動の振幅精度を向上させるためである。そして、駆動振動の振幅精度を向上させるために必要なのは、駆動振動の全域において駆動振動の検出精度を向上させることではなく、駆動振動の振動量が最も大きくなる近辺において駆動振動の検出精度を向上させることである。

【0046】

このため、本実施形態では、可動櫛歯電極６１と固定櫛歯電極６４とによって、駆動振動に基づいて緩やかに変化する第１容量を構成する。この第１容量に基づいて振動位置の粗動検出を行うことで、駆動振動の全域において振動位置を確認する。また、可動平面電極６２と固定平面電極６６とによって、駆動振動の振動量が最も大きくなる振動位置に近づくと大きく変化する第２容量を構成する。この第２容量に基づいて微動検出を行うことで、回路ビット数を増やさなくても振動振幅の検出精度を高めることが可能となる。

【0047】

例えば、駆動振動の振幅が３０μｍと大きい場合であっても、駆動振動の全域で０．０３μｍの精度で検出する必要は無く、駆動振動の振幅量が最も大きくなる振動位置で０．０３μｍの精度で検出することが可能となる。

【0048】

このように、駆動振動の振幅量が最も大きくなる振動位置に近づいたときに、第２容量の変化に基づいて検出精度の高い第２精度で検出できるため、残りの領域では第１容量の変化に基づく検出精度の低い第１精度に落とすことができる。したがって、回路ビット数を増やさなくても、検出精度を高めたい振動位置において、所望の検出精度で駆動振動の振動量を検出することができる。

【0049】

なお、第２容量の変化に基づく微動検出を行う範囲と、第２容量構成部が構成する第２容量の容量値および容量変化の定め方次第で、検出精度を自由に変更することが可能である。

【0050】

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第２容量構成部の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、
本実施形態では、第１実施形態で説明した可動平面電極６２や電極固定部６５および固定平面電極６６を無くしている。その代わりに、図１０に示すように、第２容量構成部を構成する可動櫛歯部６７と固定櫛歯部６８を備えている。なお、図１０では、駆動兼検出用錘３２およびその周囲に備えられる駆動振動検出部６０を示しているが、駆動兼検出用錘３１およびその周囲にも同様の構造のものが備えられている。

【0051】

可動櫛歯部６７は、可動櫛歯電極６１の間に配置されており、ｘ軸方向に延びるように構成されている。ただし、可動櫛歯部６７におけるｘ軸方向寸法は可動櫛歯電極６１よりも小さくされている。具体的には、駆動兼検出用錘３２の駆動振動が小さいときには可動櫛歯部６７が固定櫛歯部６８と対向せず、駆動振動の最も振動量が大きくなるときに近づくと可動櫛歯部６７が固定櫛歯部６８と対向する程度に、可動櫛歯部６７のｘ軸方向寸法が設定されている。

【0052】

固定櫛歯部６８は、固定櫛歯電極６４の先端に備えられており、固定櫛歯電極６４の先端から更にｘ軸方向に延びるように形成されている。ただし、固定櫛歯部６８におけるｘ軸方向寸法は固定櫛歯電極６４よりも小さくされている。具体的には、駆動兼検出用錘３２の駆動振動が小さいときには固定櫛歯部６８が可動櫛歯部６７と対向せず、駆動振動の最も振動量が大きくなるときに近づくと固定櫛歯部６８が可動櫛歯部６７と対向する程度に、固定櫛歯部６８のｘ軸方向寸法が設定されている。

【0053】

このような構成において、本実施形態では、可動櫛歯電極６１と固定櫛歯電極６４との間に構成される容量を第１容量とし、可動櫛歯部６７と固定櫛歯部６８との間に構成される容量を第２容量として、これらの容量の変化を制御装置７０に出力する。ただし、本実施形態の場合、可動櫛歯部６７が駆動兼検出用錘３２に備えられ、固定櫛歯部６８が固定櫛歯部６８に備えられている。このため、駆動兼検出用錘３２と櫛歯固定部６３との間の容量をＣ−Ｖ変換回路８０によって電圧変換して取り出すと、第１容量の変化に第２容量の変化が重畳された合成容量の変化を示す電圧値を取り出すことになる。

【0054】

図１１は、駆動兼検出用錘３２の駆動振動に伴う第１容量に第２容量が重畳された合成容量の変化の一例を示している。図１１に示されるように、第１容量の変化に基づいてサイン波状の変化を示すが、駆動振動の振動量が最も大きくなる近辺において、可動櫛歯部６７と固定櫛歯部６８とが対向し、第２容量の変化に基づく急峻な変化が重畳される。

【0055】

したがって、このような合成容量の変化に対応する電圧値変化をモニタすることで、駆動兼検出用錘３２の駆動振動の振動位置を検出できる。そして、第２容量の変化に基づく急峻な変化については第１実施形態と同様であることから、これに基づいて微動検出を行うことで、回路ビット数を増やさなくても振動振幅の検出精度を高めることが可能となる。

【0056】

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

【0057】

例えば、駆動兼検出用錘３１、３２を用いることで、駆動錘と検出錘の両方を兼用したものとしたが、別々に備えた構造であっても良い。

【0058】

また、駆動振動検出部６０における第１容量構成部や第２容量構成部として、上記と異なる構成のものとしても良い。具体的には、図６に示したように、駆動兼検出用錘３１、３２のうちｙ軸方向に平行な各側面やそれに対向する位置に設けた櫛歯固定部６３に可動櫛歯電極６１と固定櫛歯電極６４を２箇所に分けて配置し、その間に可動平面電極６２や固定平面電極６６を配置した。これは第１容量構成部や第２容量構成部の一例を示したに過ぎない。例えば、可動櫛歯電極６１と固定櫛歯電極６４を２箇所に分けて配置しなくても良い。また、可動櫛歯電極６１や固定櫛歯電極６４と可動平面電極６２や固定平面電極６６を配置する場所を異ならせ、例えば一方を駆動兼検出用錘３１、３２のうちｘ軸と平行な一面に形成しても良い。

【0059】

なお、上記各実施形態では、駆動振動検出部６０の各振動検出部をそれぞれｘ軸、ｙ軸に平行な直線を中心とした線対称形状で形成したが、必ずしも線対称形状にする必要はない。ただし、線対称形状にすると、対称配置された各素子それぞれから検出信号を得て、それらの差動を取ることで、不要振動成分のキャンセルが可能になるなど、より精度良い角速度検出を行うことが可能になる。

【0060】

また、上記実施形態では、検出梁４１や駆動梁４２のうち支持部材４３の近傍にのみ、駆動部５１や振動検出部５３を備えた構造とした。これについても単なる一例を示したに過ぎず、例えば検出梁４１や駆動梁４２の全域にこれらを設けるようにしても良い。

【0061】

さらに、上記実施形態では、駆動部５１として、圧電膜を用いて駆動振動を行わせる圧電タイプのものを用いたが、静電気力を用いて駆動振動を行わせる静電タイプのものを用いても良い。

【符号の説明】

【0062】

１０ 基板
２０ 固定部
３０ 可動部
３１、３２ 駆動兼検出用錘
４０ 梁部
４１ 検出梁
４２ 駆動梁
５１ 駆動部
５３ 振動検出部
６０ 駆動振動検出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】