JP2012255668A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】体格及び製造コストの増大が抑制された角速度センサを提供する。
【解決手段】振動子と、該振動子を静電気力によって振動させる駆動部と、振動子の変位量を検出する検出部と、を有する角速度センサであって、駆動部は、振動子に固定された駆動用可動電極と、該駆動用可動電極と対向する駆動用固定電極と、該駆動用固定電極に第１駆動信号を出力し、駆動用可動電極に第２駆動信号を出力する駆動回路と、を有し、駆動回路は、所定の周波数を有する搬送波を発生する搬送波発生回路と、搬送波の周波数を変調する周波数変調回路と、搬送波のデューティ比を変調するデューティ比変調回路と、を有し、周波数変調回路を介した搬送波が、第１駆動信号として駆動用固定電極に入力され、デューティ比変調回路を介した搬送波が、第２駆動信号として駆動用可動電極に入力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動子と、該振動子を振動させる駆動部と、コリオリ力による振動子の変位量を検出する検出部と、を有する角速度センサに関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、振動子と、該振動子に隣接して設けられた駆動用電極と、振動子と駆動用電極との間に生じる静電気力によって、振動子を共振駆動する駆動回路と、を有する慣性力検出装置が提案されている。駆動回路は、搬送波を発生する搬送波発生回路と、変調波を発生する変調波発生回路と、変調波によって振幅変調した搬送波（駆動信号）を駆動用電極に出力する振幅変調回路と、直流電圧を調整した搬送波を振動子に出力する直流電圧調整回路と、を備える。搬送波は、振動子の共振周波数よりも高い周波数の交流電圧であり、変調波は、振動子の共振周波数とほぼ同一の周波数の交流電圧である。

以下においては、調整されていない搬送波、振幅変調された搬送波、及び、直流電圧の調整された搬送波それぞれを明確に区別するために、調整されていない搬送波を単に搬送波、振幅変調された搬送波を第１駆動信号、直流電圧の調整された搬送波を第２駆動信号と示す。この場合、第１駆動信号が駆動用電極に入力され、第２駆動信号が振動子に入力される。

特開２０１０−２５６１３６号公報

上記したように、特許文献１に示される慣性力検出装置では、振動子と駆動用電極との間に生じる静電気力によって、振動子を共振駆動する構成となっており、振動子に第２駆動信号が入力され、駆動用電極に第１駆動信号が入力される。両者の間に生じる静電気力は、第１駆動信号と第２駆動信号との差の二乗に比例するが、実効的に振動子を共振駆動させる駆動力は振動子の共振周波数成分であり、その大きさは第１駆動信号の平均電位（中心電位）と第２駆動信号の平均電位（中心電位）との差、及び、第２駆動信号の振幅の積に依存する。特許文献１に記載されているように、第２駆動信号Ｖｋの中心電位はＶＤＤ／２、振幅はＶＤＤ／２、第１駆動信号Ｖｍａｓｓの中心電位は０Ｖとなっており、両者で中心電位が異なっている。そのため、振動子と駆動用電極との間に生じる駆動力が有限となり、その値が、中心電位の差と第２駆動信号の振幅の積であるＶＤＤ／２の二乗に比例している。

ところで、振動子に搬送波が入力される場合、搬送波と第２駆動信号Ｖｋの中心電位は同一となるので、駆動力は発生しなくなる。これを回避するために、特許文献１では、直流電圧調整回路によって、中心電位が第１駆動信号Ｖｋとは異ならせた第２駆動信号Ｖｍａｓｓを振動子に入力している。このように、特許文献１では、搬送波を発生するための電源（搬送波発生回路）とは別に、第２駆動信号Ｖｍａｓｓの中心電位を調整するための電源（直流電圧調整回路）を有する。そのため、慣性力検出装置の体格、及び、その製造コストが増大する、という問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、体格及び製造コストの増大が抑制された角速度センサを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、互いに直交の関係にあるｘ方向及びｙ方向に変位可能な振動子と、該振動子を静電気力によってｘ方向に振動させる駆動部と、振動子のｙ方向への変位量を検出する検出部と、を有する角速度センサであって、駆動部は、振動子に固定された駆動用可動電極と、該駆動用可動電極とｘ方向若しくはｙ方向にて対向し、ｘ方向及びｙ方向に変位不可能な駆動用固定電極と、該駆動用固定電極に第１駆動信号を出力し、駆動用可動電極に第２駆動信号を出力する駆動回路と、を有し、駆動回路は、所定の周波数を有する搬送波を発生する搬送波発生回路と、搬送波の周波数を変調する周波数変調回路と、搬送波のデューティ比を変調するデューティ比変調回路と、を有し、周波数変調回路を介した搬送波が、第１駆動信号として駆動用固定電極に入力され、デューティ比変調回路を介した搬送波が、第２駆動信号として駆動用可動電極に入力されることを特徴とする。

駆動用固定電極と駆動用可動電極との間に生じる静電気力は、第１駆動信号と第２駆動信号との差の二乗に比例する。そのため、駆動用可動電極に搬送波が入力される場合、第１駆動信号と搬送波との平均電位（中心電位）が同一となり、駆動力は発生しなくなる。これに対して、請求項１に記載の発明では、駆動部が、駆動信号を生成する回路として、搬送波発生回路と周波数変調回路の他に、デューティ比変調回路を有する。第１駆動信号の振幅及びデューティ比は搬送波と同一なので、その中心電位は、搬送波と同一となる。これに対して、第２駆動信号の振幅は搬送波と同一となるが、デューティ比が異なるので、その中心電位は、搬送波と異なる。そのため、第１駆動信号と第２駆動信号の中心電位が異なり、駆動力が発生することとなる。

以上、示したように、請求項１に記載の発明では、第１駆動信号と第２駆動信号の中心電位を異ならせるために、デューティ比変調回路を有する。したがって、第１駆動信号と第２駆動信号の中心電位を異ならせるために、搬送波を発生するための電源（搬送波発生回路）とは別に、第２駆動信号の電圧値を調整するための電源（直流電圧調整回路）を設けなくとも良くなるので、角速度センサの体格、及び、その製造コストの増大が抑制される。

搬送波、駆動信号としては、請求項２に記載のように、搬送波、及び、第１駆動信号それぞれのデューティ比が５０％であり、第２駆動信号のデューティ比が５０％よりも大きい若しくは小さい構成を採用することができる。また、請求項３に記載のように、第１駆動信号の周波数は、振動子の共振周波数と同一であり、第２駆動信号の周波数は、振動子の共振周波数よりも高い構成を採用することができる。

請求項４に記載のように、駆動用可動電極と駆動用固定電極とは、ｙ方向にて対向した構成が良い。これによれば、ｘ方向に振動子が振動した際に、駆動用可動電極と駆動用固定電極とがｘ方向にて対向した構成と比べて、両者の間にダンピングが生じ難くなる。これにより、ダンピングによって、ｘ方向の振動成分がｙ方向に漏れることが抑制され、ｙ方向への振動漏れによって、振動子のｙ方向の変位量が変動することが抑制される。この結果、ｙ方向への振動漏れによる角速度の検出精度が低下することが抑制される。

検出部の具体的な構成としては、請求項５に記載のように、検出部は、振動子に固定された検出用可動電極と、該検出用可動電極とｘ方向若しくはｙ方向にて対向し、ｘ方向及びｙ方向に変位不可能な検出用固定電極と、を有する構成を採用することができる。

請求項６に記載のように、検出用可動電極と検出用固定電極とは、ｘ方向にて対向した構成が良い。これによれば、ｙ方向に振動子が変位（振動）した際に、検出用可動電極と検出用固定電極とがｙ方向にて対向する構成と比べて、両者の間にダンピングが生じ難くなる。これにより、ダンピングによって、振動子のｙ方向の変位量が変動することが抑制され、角速度の検出精度が低下することが抑制される。

検出部の更に具体的な構成としては、請求項７に記載のように、検出部は、検出用可動電極と検出用固定電極との間の静電容量変化を電圧変化に変換するＣ−Ｖ変換回路を有する構成を採用することができる。

第１実施形態に係る角速度センサの概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る角速度センサの概略図である。図１においては、構成要素を明確にするために、各構成要素を区別するための破線を入れている。

図１に示すように、角速度センサ１００は、要部として、振動子１０と、駆動部３０と、検出部５０と、を有する。振動子１０は、互いに直交の関係にあるｘ方向及びｙ方向に変位可能であり、駆動部３０は、振動子１０をｘ方向に振動し、検出部５０は、振動子１０のｙ方向の変位量を検出する機能を果たす。ｘ方向に振動子１０が振動している状態で、ｚ方向に角速度が印加されると、振動子１０に、ｙ方向に沿うコリオリ力が発生する。このコリオリ力によって振動子１０がｙ方向に変位（振動）するが、検出部５０は、このコリオリ力による振動子１０のｙ方向への変位量を検出することで、角速度を検出する機能を果たす。

振動子１０は、図示しないが、第１半導体層、絶縁層、及び、第２半導体層が順次積層されて成るＳＯＩ基板を、周知の露光技術を用いて形成されたものである。振動子１０は、絶縁層を介さずに第１半導体層に対して第２半導体層が浮遊したものであり、振動子１０と同じく第２半導体層のみから成る連結梁１１を介して、３つの層から成るアンカー１２に固定されている。振動子１０は概略的な平面形状が矩形を成しており、アンカー１２には、パッド（図示略）が形成されている。このパッドに、後述する第２駆動信号が入力される。

駆動部３０は、振動子１０に形成された駆動用可動電極３１と、該駆動用可動電極３１と対向する駆動用固定電極３２と、駆動用固定電極３２に第１駆動信号を出力し、駆動用可動電極３１（振動子１０と連結されたアンカー１２のパッド）に第２駆動信号を出力する駆動回路３３と、を有する。

駆動用可動電極３１及び駆動用固定電極３２は、振動子１０と同じく絶縁層を介さずに第１半導体層に対して第２半導体層が浮遊したものである。駆動用電極３１，３２はそれぞれ櫛歯電極であり、その櫛歯を構成する電極の一つは、平面矩形状を成している。駆動用固定電極３２は、３つの層から成るアンカー３４に形成されており、アンカー３４には、パッド（図示略）が形成されている。このパッドに、後述する第１駆動信号が入力される。

図１に示すように、駆動用可動電極３１は、振動子１０におけるｘ方向に面する側面から、振動子１０から離れるように、ｘ方向に沿って延び、駆動用固定電極３２は、アンカー３４におけるｘ方向に面する側面から、振動子１０へ向うように、ｘ方向に延びている。この構成により、櫛歯電極である駆動用可動電極３１と駆動用固定電極３２とが互いに噛み合い、互いにｙ方向で対向している。本実施形態では、駆動部３０が２つの駆動用電極３１，３２を有するが、一方の駆動用固定電極３２と、他方の駆動用固定電極３２それぞれのパッドに入力される第１駆動信号の極性は反転されている。

駆動回路３３は、所定の周波数を有する搬送波を発生する搬送波発生回路３５と、搬送波の周波数を変調する周波数変調回路３６と、搬送波のデューティ比を変調するデューティ比変調回路３７と、を有する。周波数変調回路３６を介した搬送波が、第１駆動信号として駆動用固定電極３２（アンカー３４のパッド）に入力され、デューティ比変調回路３７を介した搬送波が、第２駆動信号として駆動用可動電極３１（アンカー１２のパッド）に入力される。駆動回路３３は、本実施形態に係る角速度センサ１００の特徴点なので、後で詳説する。

検出部５０は、振動子１０に形成された検出用可動電極５１と、該検出用可動電極５１と対向する検出用固定電極５２と、検出用可動電極５１と検出用固定電極５２との間の静電容量変化を電圧変化に変換するＣ−Ｖ変換回路５３と、該Ｃ−Ｖ変換回路５３の出力信号を処理する信号処理回路５４と、を有する。

検出用可動電極５１及び検出用固定電極５２は、振動子１０と同じく絶縁層を介さずに第１半導体層に対して第２半導体層が浮遊したものである。検出用電極５１，５２はそれぞれ櫛歯電極であり、その櫛歯を構成する電極の一つは、平面矩形状を成している。検出用固定電極５２は、３つの層から成るアンカー５５に形成されており、アンカー５５には、パッド（図示略）が形成されている。このパッドを介して、検出用電極５１，５２間の静電容量変化が、Ｃ−Ｖ変換回路５３に入力される。

検出用可動電極５１は、振動子１０におけるｙ方向に面する側面から、振動子１０から離れるように、ｙ方向に沿って延び、検出用固定電極５２は、アンカー５５におけるｙ方向に面する側面から、振動子１０へ向うように、ｙ方向に延びている。この構成により、櫛歯電極である検出用可動電極５１と検出用固定電極５２とが互いに噛み合い、互いにｘ方向で対向している。本実施形態では、検出部５０が２つの検出用電極５１，５２を有するが、１つの検出用固定電極５２と、他方の検出用固定電極５２それぞれのパッドから出力される信号が、Ｃ−Ｖ変換回路５３に入力される。

上記したように、ｘ方向に振動している振動子１０に、ｚ方向に沿う角速度が印加されると、振動子１０はコリオリ力によってｙ方向に変位（振動）する。このｙ方向への変位が、検出用電極５１，５２の静電容量変化として検出され、これらの静電容量変化が、Ｃ−Ｖ変換回路５３にて電圧値に変換される。Ｃ−Ｖ変換回路５３にて変換された電圧値は、信号処理回路５４にて、増幅・高周波ノイズの除去などの信号処理が行われた後、外部に出力される。なお、２つの検出用電極５１，５２それぞれから出力される静電容量変化の差分が、Ｃ−Ｖ変換回路５３にて電圧値に変換される。

次に、本実施形態に係る角速度センサ１００の特徴点を説明する。上記したように、周波数変調回路３６を介した搬送波が、第１駆動信号として駆動用固定電極３２に入力され、デューティ比変調回路３７を介した搬送波が、第２駆動信号として駆動用可動電極３１に入力される。搬送波発生回路３５にて生成される搬送波は、振動子１０のｘ方向の共振周波数よりも充分に高く、そのデューティ比が５０％となっている。周波数変調回路３６は、搬送波の周波数を振動子１０のｘ方向の共振周波数に変調した第１駆動信号を出力し、デューティ比変調回路３７は、搬送波のデューティ比を２５％に変調した第２駆動信号を出力する。このように、第１駆動信号と第２駆動信号とは、周波数とデューティ比とが異なっている。

第１駆動信号の振幅及びデューティ比は搬送波と同一なので、その平均電位（中心電位）は、搬送波と同一となる。これに対して、第２駆動信号の振幅は搬送波と同一となるが、デューティ比が異なるので、その平均電位（中心電位）は、搬送波と異なる。そのため、第１駆動信号の中心電位と第２駆動信号の中心電位とが異なっている。

駆動用可動電極３１と駆動用固定電極３２との間に生じる静電気力（駆動力）は、第１駆動信号の中心電位と第２駆動信号の中心電位との差の二乗に比例する。したがって、２つの駆動信号の中心電位が同一の場合、２つの駆動用電極３１，３２の間に生じる静電気力はゼロとなる。しかしながら、上記したように、２つの駆動信号は中心電位が異なるので、２つの駆動用電極３１，３２の間に生じる静電気力が有限となっている。

次に、本実施形態に係る角速度センサ１００の作用効果を説明する。上記したように、角速度センサ１００では、デューティ比変調回路３７によって、第１駆動信号と第２駆動信号の中心電位を異ならせることで、駆動力を発生させている。したがって、第１駆動信号と第２駆動信号の中心電位を異ならせるために、搬送波を発生するための電源（搬送波発生回路３５）とは別に、第２駆動信号の電圧値を調整するための電源（直流電圧調整回路）を設けなくとも良くなるので、角速度センサ１００の体格、及び、その製造コストの増大が抑制される。

駆動用可動電極３１と駆動用固定電極３２とは、ｙ方向にて対向している。これによれば、ｘ方向に振動子１０が振動した際に、駆動用可動電極３１と駆動用固定電極３２とがｘ方向にて対向した構成と比べて、両者の間にダンピングが生じ難くなる。これにより、ダンピングによって、ｘ方向の振動成分がｙ方向に漏れることが抑制され、ｙ方向への振動漏れによって、振動子１０のｙ方向の変位量が変動することが抑制される。この結果、ｙ方向への振動漏れによる角速度の検出精度が低下することが抑制される。

検出用可動電極５１と検出用固定電極５２とは、ｘ方向にて対向している。これによれば、ｙ方向に振動子１０が変位（振動）した際に、検出用可動電極５１と検出用固定電極５２とがｙ方向にて対向する構成と比べて、両者の間にダンピングが生じ難くなる。これにより、ダンピングによって、振動子１０のｙ方向の変位量が変動することが抑制され、角速度の検出精度が低下することが抑制される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、搬送波発生回路３５にて生成された搬送波がデューティ比変調回路３７に入力された例を示した。しかしながら、駆動回路３３が、周波数変調回路を新たにもう一つ有し、この新たな周波数変調回路によって周波数が変調された搬送波がデューティ比変調回路３７に入力される構成を採用することもできる。

本実施形態では、搬送波のデューティ比が５０％である例を示した。しかしながら、搬送波のデューティ比は５０％でなくとも良い。

本実施形態では、デューティ比変調回路３７がデューティ比が２５％に変調された第２駆動信号を出力する例を示した。しかしながら、デューティ比の変調としては、上記例に限定されず、搬送波（第１駆動信号）のデューティ比と異なればよい。例えば、デューティ比として、３０％、６０％、８０％などを採用することができる。

本実施形態では、駆動用可動電極３１と駆動用固定電極３２とがｙ方向にて対向した例を示した。しかしながら、駆動用可動電極３１と駆動用固定電極３２とがｘ方向にて対向した構成を採用することもできる。

本実施形態では、検出用可動電極５１と検出用固定電極５２とはｘ方向にて対向した例を示した。しかしながら、検出用可動電極５１と検出用固定電極５２とがｙ方向にて対向した構成を採用することもできる。

１０・・・振動子
３０・・・駆動部
３５・・・搬送波発生回路
３６・・・周波数変調回路
３７・・・デューティ比変調回路
５０・・・検出部
１００・・・角速度センサ

Claims (7)

1. 互いに直交の関係にあるｘ方向及びｙ方向に変位可能な振動子と、
   該振動子を静電気力によってｘ方向に振動させる駆動部と、
   前記振動子のｙ方向への変位量を検出する検出部と、を有する角速度センサであって、
   前記駆動部は、前記振動子に固定された駆動用可動電極と、該駆動用可動電極とｘ方向若しくはｙ方向にて対向し、ｘ方向及びｙ方向に変位不可能な駆動用固定電極と、該駆動用固定電極に第１駆動信号を出力し、前記駆動用可動電極に第２駆動信号を出力する駆動回路と、を有し、
   前記駆動回路は、所定の周波数を有する搬送波を発生する搬送波発生回路と、前記搬送波の周波数を変調する周波数変調回路と、前記搬送波のデューティ比を変調するデューティ比変調回路と、を有し、
   前記周波数変調回路を介した搬送波が、前記第１駆動信号として前記駆動用固定電極に入力され、
   前記デューティ比変調回路を介した搬送波が、前記第２駆動信号として前記駆動用可動電極に入力されることを特徴とする角速度センサ。
2. 前記搬送波、及び、前記第１駆動信号それぞれのデューティ比が５０％であり、
   前記第２駆動信号のデューティ比が５０％よりも大きい若しくは小さいことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
3. 前記第１駆動信号の周波数は、前記振動子の共振周波数と同一であり、
   前記第２駆動信号の周波数は、前記振動子の共振周波数よりも高いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の角速度センサ。
4. 前記駆動用可動電極と前記駆動用固定電極とは、ｙ方向にて対向していることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の角速度センサ。
5. 前記検出部は、前記振動子に固定された検出用可動電極と、該検出用可動電極とｘ方向若しくはｙ方向にて対向し、ｘ方向及びｙ方向に変位不可能な検出用固定電極と、を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の角速度センサ。
6. 前記検出用可動電極と前記検出用固定電極とは、ｘ方向にて対向していることを特徴とする請求項５に記載の角速度センサ。
7. 前記検出部は、前記検出用可動電極と前記検出用固定電極との間の静電容量変化を電圧変化に変換するＣ−Ｖ変換回路を有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の角速度センサ。

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