JP3659160B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基部に梁部を介して連結された重り部を備え、検出しようとする角速度軸に垂直な水平面内にて重り部を第１の方向へ駆動振動させつつ、角速度印加時における重り部の第１の方向と直交する第２の方向への振動に基づいて角速度を検出するようにした角速度センサに関し、例えば、車両制御システム、車両転倒検知システム、ナビゲーションシステム、光学機器の手ぶれ防止システム等の角速度をセンシングする必要のある角速度センサ装置に適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、小型化、低コスト化を目的として、マイクロマシン技術を用いて半導体基板（ＳＯＩ基板等）を加工することにより形成された振動型の角速度センサが報告されている。このようなものとして、例えば、特開平９−１１９９４２号公報、特開平６−１２３６３２号公報、特開平８−２２０１２５号公報、特開平１１−２４８７３３号公報等に記載の角速度センサが提案されている。
【０００３】
これら角速度センサは、第１の方向（駆動方向、ｘ軸方向）へ振動を励起される重り部（振動体）を有している。そして、角速度軸（ｚ軸）を中心として回転した場合に、重り部には、第１の方向と直交する第２の方向（検出方向、ｙ軸方向）へコリオリ力が発生する。
【０００４】
このコリオリ力は、振動ばねとしての梁部によって、可動電極及び固定電極を有する検出エレメントに伝達され、この検出エレメントにおいて可動電極の変位により、可動電極と固定電極との間の容量が変化し、角速度出力値が検出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、角速度センサを構成する梁構造体において、全く加工誤差がなく、設計通りにこのセンサが作製できたと仮定すると、このセンサは正確に上に述べたように動作する。しかし、例えば、振動ばねとしての梁部や駆動電極等に加工誤差がある（例えば梁部の太さに誤差が発生する）と、駆動振動の際に、ｘ軸方向のみへ振動させようとしても、例えば検出方向であるｙ軸方向へ振動がもれ、そのせいで角速度がゼロの場合でも、検出部の容量が変化してしまい、角速度出力値の誤差が発生する。
【０００６】
従って、このような重り部の駆動振動の検出方向へのもれ（以下、不要振動という）を防ぐために、従来のセンサではできる限り、正確な加工を行うことが必要とされ、その加工精度がセンサの性能を決めてきた。しかし、もちろん半導体基板を加工することにより形成する角速度センサにおいて、加工誤差は必ず存在するものであり、上記不要振動も小さくすることはできるが、限界がある。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑み、梁部により変位可能に支持された重り部を有する振動型の角速度センサにおいて、加工誤差による重り部の駆動振動の検出方向へのもれ（不要振動）を無くすことにより、角速度出力値の誤差を低減することを目的とする。
【０００８】
【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〜請求項１６記載の発明は、基部と、この基部に梁部を介して連結された重り部とを備え、梁部は、検出しようとする角速度軸に垂直な水平面内にて互いに直交する第１の方向及び第２の方向へ重り部を変位可能なように支持しており、重り部を第１の方向へ駆動振動させつつ角速度軸回りに角速度が印加されたときに発生する重り部の前記第２の方向への振動に基づいて、角速度を検出するようにした角速度センサ、即ち、振動型の角速度センサに係るものである。
【０００９】
まず、請求項１の発明では、振動型の角速度センサにおいて、第１の方向（ｘ）以外の方向へ重り部（３）が駆動振動するのを抑制するために、重り部に対して第２の方向（ｙ）へ外力を印加する不要振動抑制手段（７、８、７’、８’）を備え、この不要振動抑制手段は、重り部の第２の方向に沿う一辺側と重り部の第２の方向に沿う他辺側にそれぞれ２つずつ設けられており、重り部の一辺側と他辺側にそれぞれ設けられた２つの不要振動抑制手段は、一方が重り部に印加する外力として重り部を第２の方向の一方向に引きつける外力を発生し、他方が重り部に印加する外力として重り部を第２の方向の他方向に引きつける外力を発生するものであり、重り部の駆動振動の方向が第１の方向から斜めにずれた場合に、重り部の一辺側の一方の不要振動抑制手段と重り部の他辺側の他方の不要振動抑制手段とにより発生される外力と重り部の一辺側の他方の不要振動抑制手段と重り部の他辺側の一方の不要振動抑制手段とにより発生される外力のうち重り部の駆動振動の方向の斜めずれを無くす方向に作用する外力を用いて重り部の駆動振動の方向を補正することを特徴としている。なお、不要振動抑制手段は、後述する実施形態に示すように、重り部の一辺側と他辺側のそれぞれに、さらに２つずつ追加して設けられていてもよい。
【００１０】
本発明によれば、不要振動抑制手段（７、８、７’、８’）によって、重り部（３）に対して検出方向である第２の方向（ｙ）へ外力を印加し、駆動振動において不要振動成分となる第２の方向の振動成分をキャンセルすることができる。そのため、第１の方向（ｘ）以外の方向への重り部の不要振動を抑制し、第１の方向のみへ良好に駆動振動させることができる。よって、梁部（４、４ａ、４ｂ）等の加工誤差があっても、重り部の駆動振動の検出方向へのもれを無くすことにより、角速度出力値の誤差を低減することができる。また、本発明によれば、不要振動抑制手段を、重り部の一辺側と他辺側にそれぞれ２つずつ設け、重り部の一辺側と他辺側にそれぞれ設けられた２つの不要振動抑制手段は、一方が重り部に印加する外力として重り部を第２の方向の一方向に引きつける外力を発生し、他方が重り部に印加する外力として重り部を第２の方向の他方向に引きつける外力を発生するものとし、重り部の駆動振動の方向が第１の方向から斜めにずれた場合に、重り部の一辺側の一方の不要振動抑制手段と重り部の他辺側の他方の不要振動抑制手段とにより発生される外力と重り部の一辺側の他方の不要振動抑制手段と重り部の他辺側の一方の不要振動抑制手段とにより発生される外力のうち重り部の駆動振動の方向の斜めずれを無くす方向に作用する外力を用いて重り部の駆動振動の方向を補正しているから、梁部等の加工誤差により重り部の駆動振動の方向が第１の方向から斜めにずれた場合でも、重り部の駆動振動の方向を補正することができる。
【００１１】
また、請求項２の発明では、互いに独立して変位可能な重り部（３）を複数個設けたことを特徴としており、請求項１で述べた効果に加えて、次のような効果がある。複数個の重り部を連結せずに独立させることにより、複数個の重り部の配置が自由になり、センサ全体の小型化が可能である。これは、単純には低コストになるし、歩留まりも向上する。また、複数個の重り部を連結しないことにより、例えば、各重り部をそれぞれ別のチップ上に配置することも可能であり、これも歩留まり向上に役立つ。
【００１２】
さらに、複数個の重り部を連結しないということは、これら重り部を連結するための梁部を設けなくても良いということであるから、個々の重り部の周囲に駆動手段（駆動用電極等）を、簡単に複数個とりつけることができる。従って、駆動力を大きくすることができて非常に有利である。
【００１３】
また、請求項３の発明では、重り部（３）を複数個設け、これら複数個の重り部のうち少なくとも２個を、少なくとも１個の連結用梁（２０）にて連結したことを特徴としている。本発明では、請求項１で述べた効果に加えて、次のような効果がある。
【００１４】
即ち、少なくとも２個の重り部同士が連結用梁で連結されているため振動系は連成振動系となり、駆動振幅が極大となる駆動力の周波数は、該連結用梁で連結された重り部において同じ値（固有振動数）となる。角速度センサでは、駆動振幅を大きくとるために固有振動数で振動させることが多いが、連成振動系を作ることにより、振幅を一致（または近い値に）させるのが容易になる。
【００１５】
また、請求項４の発明では、請求項２または請求項３の角速度センサにおいて、複数個の重り部（３）のうち少なくとも１個を、他の重り部とは逆相に駆動振動させるようにしたことを特徴としている。
【００１６】
通常、振動型の角速度センサは外乱加速度の影響を受け、検出方向への加速度が生じると、角速度がゼロであってもあたかも角速度が生じたかのようになる。その点、請求項４の角速度センサによれば、２個の重り部が逆相で駆動振動することにより、コリオリ力の方向も、それぞれの重り部で逆になる。一方、外部からの加速度による振動は、２個の重り部で同相となるので、２個の重り部からの信号の差をとれば、加速度の影響がキャンセルされた（ノイズの低減された）角速度による信号のみが得られ、外乱加速度の影響を除くことができる。また、信号の大きさも、重り部が１個の場合に比べて２倍になる。
【００１７】
また、請求項４の角速度センサによれば、逆相に駆動振動する２個の重り部からの信号の和をとれば、コリオリ力による信号がキャンセルされ加速度が測定できるので、加速度センサとして用いることも可能である。つまり、信号処理の方法によっては、角速度、加速度の両方を測定できるセンサとして使用可能である。
【００１８】
また、請求項５の発明では、不要振動抑制手段（７、８、７’、８’）を、重り部（３）に印加する外力として静電気力を発生するものとしたことを特徴としており、例えば、重り部と基部（２）とに電極を設け、両電極間にて静電引力を発生させるような構成とできるため、製造プロセスが簡単で部品点数が少なく、小型化が可能であるというメリットがある。
【００１９】
ここで、請求項６の発明は、請求項５の角速度センサにおける静電気力の発生手段の具体的手段を提供するものであり、基部（２）から櫛歯状に突出する基部側櫛歯電極（８、８’）と、この基部側櫛歯電極の隙間に噛み合うように重り部（３）から櫛歯状に突出する重り部側櫛歯電極（７、７’）とを備え、これら両櫛歯電極間に静電気力を発生させるものを採用したことを特徴としている。請求項６の発明のような櫛歯構造では、センサを構成するチップの単位面積当たりにおいて、非常に大きな静電気力を発生させることができ、従って、電圧が小さくて済み、有利である。
【００２０】
さらに、請求項７の発明は、請求項６の角速度センサにおいて、両櫛歯電極（７、８、７’、８’）のうち重り部側櫛歯電極（７、７’）が、その両側に隣接する基部側櫛歯電極（８、８’）の隙間の中心よりも、どちらか一方の隣接する基部側櫛歯電極に近くなるように位置していることを特徴としている。それによれば、可動電極である基部側櫛歯電極は静電気力によって、近い方の固定電極である基部側櫛歯電極に引っ張られるため、容易に重り部（３）の振動方向を正常な状態に変更できる。
【００２１】
また、請求項８の発明では、不要振動抑制手段を、梁部（４、４ａ）に圧電素子を形成し、この圧電素子の歪みを利用して、重り部（３）に外力を印加するものとしたことを特徴としている。圧電素子は、電圧印加により発生する歪み、即ち重り部の不要振動を抑制するための外力が非常に大きいので、消費電圧が小さくて済むというメリットがある。
【００２２】
また、請求項９の発明では、不要振動抑制手段を、重り部（３）に印加する外力としてローレンツ力を発生するものとしたことを特徴としている。具体的には、ローレンツ力の発生手段として、梁部（４、４ｂ）上を経由して重り部（３、３ｂ）上に配線を形成し、この配線を流れる電流と外部に設置された永久磁石または電磁石とを相互作用させるもの（請求項１０または請求項１１の発明）とすることができる。
【００２３】
それによれば、不要振動抑制手段に用いる電圧が角速度の検出側にもれてノイズの原因となることが少なく、あったとしてもその値が小さいというメリットがある。また、配線を梁部を経由して重り部上に設けることにより、簡単なプロセスでローレンツ力を発生させることができる。また、該配線に流す電流の大きさを変更することで、ローレンツ力を制御できる。
【００２４】
また、永久磁石を利用する場合は、電力の消費が少なくて済む。また、電磁石を利用する場合は、重り部上の配線を流れる電流を一定に保ち、電磁石を流れる電流を制御することでもローレンツ力を制御できる。また、この制御方法では、重り部上の配線を流れる電流を直流とすることで、不要振動抑制手段に用いる電圧の検出側へのもれが、角速度の検出に影響しにくくなる。
【００２５】
また、請求項１２の発明では、重り部（３）を駆動振動させる手段を、重り部と基部（２）との間に静電気力を発生させることにより、重り部の駆動振動を行わせるものとしたことを特徴としている。
【００２６】
静電気力以外の重り部の駆動方法として、従来より電磁駆動や圧電駆動があるが、例えば電磁駆動では、永久磁石や電磁石等の余分な部品が必要となる。また、圧電駆動では、圧電体薄膜の形成が必要で、プロセスが複雑になる。従って、静電気力を用いた静電駆動では、プロセスが簡単で部品点数が少なく、小型化が可能であるというメリットがある。
【００２７】
また、請求項１３及び請求項１４の発明では、重り部（３）における駆動振動の物理量をモニタする手段（５、６、１２、１３）を備えたことを特徴としており、駆動振動をモニタすることによって、駆動振幅が例えば温度変化等により変化した場合に、駆動振動を一定にしたり、回路で補正したりすることによって、感度を一定に保つことができる。
【００２８】
そのため、感度の温度ドリフト（温度変化による角速度出力値のゼロ点の変化）を低減することができる。ちなみに、駆動振幅は、雰囲気気体の粘性係数に大きく依存し、該気体の粘性係数は、一般に温度に非常に敏感であるから、角速度センサの感度に対する温度の影響（感度の温度ドリフト）は非常に大きく、本発明の効果は大きい。
【００２９】
また、請求項１５の発明では、請求項１〜１４における重り部（３）を、第１の方向（ｘ）へ駆動振動可能な第１の重り部（３ａ）と、この第１の重り部に駆動梁（４ａ）によって結合され、かつ基部（２）に検出梁（４ｂ）によって接続された第２の重り部（３ｂ）とを備え、第１の重り部を第１の方向へ駆動振動させつつ角速度軸（ｚ）回りに角速度が印加されたときに、検出梁によって、第１の重り部及び第２の重り部が共に、第２の方向（ｙ）へ振動するようになっているものとしたことを特徴としている。
【００３０】
それによれば、第２の重り部の第２の方向への振動に基づいて、角速度を検出することができる。また、駆動振動によって、検出部である第２の重り部が変位しないので、結果としてノイズが少なくなり、分解能の良いセンサとなりやすいというメリットがある。
【００３１】
また、請求項１６の発明では、請求項１〜１４における重り部（３）を、基部（２）と駆動梁（４ａ）によって結合され且つ第１の方向（ｘ）へ駆動振動可能な第１の重り部（３ｃ）と、この第１の重り部に検出梁（４ｂ）によって結合されることによって第１の方向だけでなく第２の方向（ｙ）へも変位可能な第２の重り部（３ｄ）とを備えたものとし、第１及び第２の重り部を第１の方向へ駆動振動させつつ角速度軸（ｚ）回りに角速度が印加されたときに、検出梁によって、第２の重り部が第２の方向へ振動するようになっていることを特徴としている。
【００３２】
それによれば、第２の重り部の第２の方向への振動に基づいて、角速度を検出することができる。また、第１の重り部（３ｃ）が検出振動によって検出振動方向へ変位しない。このことは、第１の重り部に付随する駆動電極（５、６）や振動モニタ電極（１２、１３）等の静電気力によって、検出振動が影響を受けないことを意味しており、正確な検出を行う上で有利である。
【００３３】
また、一般に、感度を大きくするために、検出梁（４ｂ）は、駆動梁（４ａ）に比して、バネ定数が小さいことが多いが、本発明によれば、上記請求項１５の発明に比べて、検出梁を、基部と結合された駆動梁よりも内側に持ってくることができるため、角速度軸（ｚ）方向の共振周波数が大きくし易く、従って、角速度軸方向に重り部が共振するような不要振動を避けやすく、ノイズの少ないセンサを実現することができ、非常に有利である。
【００３４】
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を示す一例である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は、本第１実施形態に係る角速度センサ１００の平面構成図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ断面図である。なお、以下の各実施形態相互において、同一部分に付いては図中、同一符号を付してある。角速度センサ１００は、周知の半導体製造技術を用いたマイクロマシン加工により製造されたチップである。
【００３６】
角速度センサ１００は、第１の半導体基板（シリコン基板等）１０１と第２の半導体基板（シリコン基板等）１０２とを絶縁膜層（シリコン酸化膜等）１０３を介して張り合わせた基板（ＳＯＩ基板等）により、形成されている。第２の半導体基板１０２及び絶縁膜層１０３が異方性エッチング等により除去されて開口部１０４及び台座部１０５が形成されており、この開口部１０４に対応して第１の半導体基板１０１がダイアフラム形状となっている。
【００３７】
この第１の半導体基板１０１にトレンチ溝１が形成され、可動部、固定部、及びこれらに付随した各電極が、互いに電気的に分離されて形成されている。角速度センサ１００は、固定部としての基部２の内部に、トレンチ溝１にて区画された可動部としての矩形状の重り部３を備えている。重り部３は、その四隅に各々設けられた合計４本の梁部４を介して、基部３に連結されている。
【００３８】
梁部４は、各々直角に曲がったＬ字形状をなし、ともに駆動方向ｘ（ｘ軸方向、第１の方向）と検出方向ｙ（ｙ軸方向、第２の方向）への自由度を持ったものである。従って、梁部４は、角速度軸ｚに垂直な水平面内にて互いに直交する駆動方向ｘ及び検出方向ｙへ重り部３が変位可能なように、重り部３を支持しており、重り部３は、両方向ｘ、ｙへ共に振動可能な構成となっている。
【００３９】
重り部３の左右両辺、及び、これとトレンチ溝１を有して対向する基部２の各辺には、該各辺から櫛歯状に突出する各櫛歯電極５、６、７、８、７’、８’、９、１０、９’、１０’が形成されている。まず、重り部３の中央部には、重り部３を駆動方向ｘに駆動振動させるための駆動用電極（重り部を駆動振動させる手段）５、６が形成されている。
【００４０】
駆動用電極５、６において、重り部３側の駆動用可動電極５と基部２側の駆動用固定電極６とは、各々の櫛歯が互いに等間隔となるように配置されている。そして、両駆動用電極５、６に所定の交流電圧を印加することにより、静電気力を発生させ、重り部３は、梁部４の弾性により駆動方向ｘへ駆動振動できるようになっている。
【００４１】
重り部３の左右両辺において、駆動用電極５、６の両側（図１中の上下両側）には、不要振動抑制手段であって重り部３に印加する外力として静電気力を発生する静電気力の発生手段としての不要振動抑制用電極７、８、７’、８’が形成されている。
【００４２】
これら不要振動抑制用電極は、重り部３側の不要振動抑制用可動電極（重り部側櫛歯電極）７、７’と基部２側の不要振動抑制用固定電極（基部側櫛歯電極）８、８’との間に、所定の直流若しくは交流電圧を印加して、静電気力を発生させることにより、不要振動抑制用可動電極７、７’と不要振動抑制用固定電極８、８’とが引き合う（近づく）ようにするものである。
【００４３】
それにより、重り部３は、その駆動振動において、検出方向（ｙ軸方向）への不要振動（変位）が抑制されるようになっている。ここで、不要振動抑制用可動電極７、７’が、その両側に隣接する不要振動抑制用固定電極８、８’の隙間の中心よりも、どちらか一方の隣接する不要振動抑制用固定電極８、８’に近くなるように偏って位置している。
【００４４】
さらに、図１にて、重り部３の左辺側に位置する第１の不要振動抑制用電極７、８と第２の不要振動抑制用電極７’、８’とを比べた場合、両側に隣接する固定電極８、８’の隙間の中心における可動電極７、７’の偏り方向が、第１の不要振動抑制用電極７、８と第２の不要振動抑制用電極７’、８’とでは逆方向となっている。このことは、重り部３の右辺側においても同様である。それによって、第１の不要振動抑制用電極７、８と第２の不要振動抑制用電極７’、８’とでは、検出方向ｙにおける重り部３の変位の抑制方向が互いに逆となっている。
【００４５】
例えば、重り部３の左辺側に位置する第１の不要振動抑制用電極７、８と第２の不要振動抑制用電極７’、８’の場合、静電気力を発生させたとき、第１の不要振動抑制用電極７、８では、可動電極７が検出方向ｙに沿って下方へ引きつけられるのに対し、第２の不要振動抑制用電極７’、８’では、可動電極７’が検出方向ｙに沿って上方へ引きつけられるようになっている。よって、重り部３の不要振動の検出方向ｙにおける向きに応じて、第１の不要振動抑制用電極７、８と第２の不要振動抑制用電極７’、８’とを使い分けるようになっている。
【００４６】
また、重り部３の左右両辺において、駆動用電極５、６及び不要振動抑制用電極７、８、７’、８’の両側（図１中の上下両側）には、角速度検出用電極（角速度検出手段）９、１０、９’、１０’が形成されている。この角速度検出用電極は、重り部３側の角速度検出用可動電極９、９’と基部２側の角速度検出用固定電極１０、１０’との対向間隔の変位（重り部３の検出方向ｙへの変位）に伴う静電容量の変化により、角速度が検出可能となっている。
【００４７】
また、上記駆動用、不要振動抑制用、及び角速度検出用の各櫛歯電極は、各々電気的に独立して、基部２上にアルミニウムを蒸着する等により形成された電極パッド１１に接続されている。そして、各パッド１１は図示しない外部回路にワイヤボンディング等にて電気的に接続され、上記各櫛歯電極の電位を独立に制御することが可能となっている。
【００４８】
次に、上記角速度センサ１００の構成に基づき、本実施形態の作動について説明する。本センサ１００の角速度検出の基本動作は、重り部３を駆動方向ｘへ駆動振動させつつ角速度軸ｚ回りに角速度が印加されたときに発生する重り部３の検出方向ｙへの振動に基づいて、角速度を検出するものである。
【００４９】
上記した図示しない外部回路によって、駆動用可動電極５に、矩形波もしくは正弦波の電圧信号（駆動信号）を印加する。すると、重り部３は、梁部４の駆動方向ｘへの自由度により、駆動方向ｘへ沿って駆動振動する。角速度センサの感度は、駆動振動の振幅にほぼ比例するから、駆動振幅を大きくとれる共振駆動（駆動電圧の周波数を振動系の固有振動数と一致させた駆動方法）が良く用いられる。
【００５０】
また、共振駆動した場合、振幅は駆動振動のＱ値に比例する。このＱ値は、気体中では主に気体の粘性係数によって決まり、一般に粘性係数が大きいほどＱ値は小さくなる。また、粘性係数は、気体中では、気体の圧力が小さくなるほど小さくなるから、結局、共振駆動の場合、角速度センサの感度は、気体の圧力が低いほど良くなる。従って、真空パッケージ等の工夫によって、角速度センサの感度を上げることができる。
【００５１】
ただし、本実施形態では、センサの感度を上げるよりも、製造にかかるコストが小さいことを優先して、あえて大気中で非共振駆動させるものとする。なお、本実施形態が共振駆動でも有効なのはもちろんのことである。ここで、駆動振幅は、温度依存性を持つ（これは主に気体の粘性係数の温度依存性による）ため、Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＡＧＣと略す）とよばれる制御を用いることが多い。ここで、このＡＧＣについて説明しておく。
【００５２】
上記角速度センサ１００の場合、重り部３の左右両辺に設けられている駆動用電極５、６のうち、例えば、右辺側の駆動用電極５、６を、重り部３における駆動振動の物理量（駆動振幅、駆動速度等）をモニタするための振動モニタ電極として用いる。この場合、重り部３側の駆動用可動電極５が振動モニタ可動電極、基部２側の駆動用固定電極６が振動モニタ固定電極に相当する。従って、駆動信号が印加され駆動力を発生するのは、左辺側の駆動用電極５、６のみとなる。
【００５３】
この重り部３の駆動振動において、重り部３が駆動方向ｘへ変位すると、振動モニタ電極５と６との重なり長さが変わる。従って、振動モニタ電極５と６との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を例えば、上記外部回路によって電圧変化に換算し、駆動振動の物理量（駆動振幅、駆動速度等）をモニタすることができる。
【００５４】
ここで、例えば、上記モニタを行った結果、得られた駆動振動の振幅（駆動振幅）をもとに、駆動電圧にフィードバックをかけ（負帰還を行い）、駆動振幅を一定にする制御がＡＧＣである。このＡＧＣを用いれば、駆動振幅の温度依存性を取り除くことができ、感度の温度ドリフトを抑えることができるので、有利である。もちろん、感度の温度ドリフトを抑えることが、たいして必要でない場合には、必ずしもＡＧＣを使用する必要はない。
【００５５】
なお、振動モニタを行う手段としては、櫛歯電極である振動モニタ電極５、６以外にも、歪みゲージや、配線を貫く磁束の変化を検出する電磁検出等であっても良い。歪みゲージを用いる場合は、例えば、梁部４の上に圧電素子を設けて、梁部４の歪み度合から駆動振動をモニタする方法が挙げられる。また、電磁検出を用いる場合は、例えば、梁部４を経由して重り部３の上に配線を形成し、この配線の上方に磁石を設け、配線を貫く磁束の変化をモニタする方法が挙げられる。
【００５６】
そして、駆動方向ｘに沿って直線的な駆動振動をしている重り部３に対して、基板面（第１の半導体基板１０１の基板面）に垂直な角速度軸ｚ回りの角速度が加わると、検出方向ｙにコリオリ力Ｆｃ＝２ｍｖΩ（ここで、ｍ：重り部３の質量、ｖ：駆動振動の速度、Ω：角速度）が作用する。重り部３にコリオリ力Ｆｃが働くと、梁部４の検出方向ｙへの自由度によって、重り部３は検出方向ｙへ振動する。
【００５７】
ここで、検出方向ｙの固有振動数を駆動方向ｘの固有振動数と一致させておき、なおかつ、共振駆動すると、角速度センサの感度は非常に良くなる（双共振）。また、共振駆動させなくても、駆動電圧の周波数と検出方向ｙの固有振動数とを一致させれば、角速度センサの感度は、非常に良くなる。もちろん、必ずしもこのような工夫をする必要はない。
【００５８】
このとき、例えば、検出電極９、１０の静電容量がＣ０＋ΔＣになったとすると、検出電極９’，１０’の静電容量は、Ｃ０−ΔＣとなる（ここで、Ｃ０：初期容量、ΔＣ：コリオリ力による容量の変化分）。ここで、ΔＣ∝Ｆｃ∝Ωであり、ΔＣは角速度Ωに比例するので、角速度検出用電極９、１０と角速度検出用電極９’、１０’との容量を差動で検出することにより、角速度Ωを検出することができる。
【００５９】
ここで、図３及び図４は、本実施形態の不要振動抑制手段である不要振動抑制用電極７、８、７’、８’を用いた不要振動抑制の作用を示す説明図である。角速度センサ１００において、加工誤差（特に梁部４の加工誤差）があると、駆動振動の方向は、図３（ａ）に示す様に、駆動方向ｘと平行ではなく、検出方向ｙの振動成分を持ち、駆動方向ｘから角度θ分、斜めにずれたものとなってしまう。この斜め振動はノイズの原因となるため、できれば避けて、図３（ｂ）に示す様にしたい。
【００６０】
この斜め振動をキャンセルするために、本実施形態では、次のような方法にて対策している。例えば、図３（ａ）のように、駆動振動が斜めになったとする（これを不要振動と呼ぶことにする）。この不要振動の駆動方向ｘ（ｘ軸方向）からのずれ角θを予め、センサの出荷前に実験等によって測定しておく。そして、第２の不要振動抑制用電極７’、８’間に直流電圧Ｖを与える。
【００６１】
すると、重り部３は、図３（ｂ）に示す様に、検出方向ｙ（ｙ軸方向）に（つまり、駆動振動の方向を補正する方向に）静電気力Ｆを受けることになり、上記直流電圧Ｖの値を適当な値とすることにより、駆動振動の方向を補正することができる。
【００６２】
さらに、駆動振動方向の補正方法として、上記した直流電圧ではなく、図４に示す様に、駆動周波数と同周期の交流電圧をかけることも可能である。不要振動が図３（ａ）のように発生していると、重り部３（駆動用可動電極５）は、図４（ａ）に示す様に、検出方向ｙ（ｙ軸方向）へ周期的に変位し、不要振動する。この変位の周期に合わせて、第２の不要振動抑制用電極７’、８’間に交流電圧を印加する。この場合、不要振動の変位が最大のときに、静電気力も最大となるので、有利である。
【００６３】
これにより、図４（ｂ）に示す様に、不要振動は無くなる。また、不要振動（斜め振動）の方向が、図３（ａ）とは逆の方向にもれた場合（例えば、図３（ａ）において、ずれ角が−θの場合）には、今度は、第１の不要振動抑制用電極７、８を用いて、上記同様、直流または交流電圧を印加する措置をとればよい。第１、第２の不要振動抑制用電極のうち、使わない方における不要振動抑制用固定電極８、８’は、不要振動抑制用可動電極７、７’と同電位にしておく。
【００６４】
本例では、第１の不要振動抑制用電極７、８及び第２の不要振動抑制用電極７’、８’はそれぞれ４個ずつ設けられているが、これらは４個で１セットであり、同じように制御する方法が最も簡便で有利であるが、別々に制御しても良い。また、不要振動抑制用電極は、駆動用電極を挟むように両側に設けているが、片側だけでも良い。ただし、対称性を考えれば、図に示す配置が好ましい。なお、図４（ａ）では正弦波としているが、矩形波でも良いのは、もちろんである。
【００６５】
そして、これらの不要振動抑制に関わる調整は、センサ出荷前に済ませておくことが必要である。つまり、不要振動を抑制するための直流電圧もしくは交流電圧が第１の不要振動抑制用電極７、８または第２の不要振動抑制用電極７’、８’に対してセンサ使用時に印加されるように、図示しない外部回路を出荷前に調整しておく。
【００６６】
この不要振動抑制用電極７、８、７’、８’による角速度出力値への効果を、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、不要振動が存在し、不要振動抑制用電極７、８、７’、８’を用いず、かつ、角速度がゼロである場合の重り部３（駆動用可動電極５）の検出方向ｙ（ｙ軸方向）への変位を示すものである。該検出方向の変位は、角速度検出用電極９、１０、９’１０’の容量変化となってしまい、検出の妨げ（ノイズ）となる。
【００６７】
実際、不要振動が存在し且つ不要振動抑制用電極７、８、７’、８’を用いない場合、角速度印加時には、図５（ｂ）に示す様に、角速度による角速度信号Ｓ１と不要振動による信号Ｓ２が（互いに位相は約９０°ずれているものの）混ざり合って出てきてしまう。
【００６８】
逆に、図５（ｃ）及び（ｄ）は、不要振動抑制用電極７、８、７’、８’を用いた場合である。この場合、角速度がない場合（図５（ｃ）参照）は、検出方向ｙへの変位が無くなり、一切出力が出ず、一方、角速度印加時（図５（ｄ）参照）は、角速度信号Ｓ１のみが検出されるので、理想的な検出が出来ている。
【００６９】
以上のように、本実施形態によれば、不要振動抑制手段７、８、７’、８’によって、重り部３に対して検出方向ｙへ外力を印加し、駆動方向ｘへの駆動振動において不要振動成分となる検出方向ｙの振動成分をキャンセルすることができるため、駆動方向ｘ以外の方向への重り部３の不要振動を抑制し、駆動方向ｘのみへ良好に駆動振動させることができる。よって、梁部４等の加工誤差による重り部３の駆動振動の検出方向ｙへのもれを無くすことにより、角速度出力値の誤差を低減することができる。また、角速度出力値の誤差を低減するということは、角速度出力値のゼロ点の温度変化を小さくすることにもつながる。
【００７０】
また、本実施形態によれば、不要振動抑制手段として、重り部３に印加する外力として静電気力を発生するものを用いたことを特徴としている。本例では、基部３から櫛歯状に突出する不要振動抑制用固定電極（基部側櫛歯電極）８、８’と、この固定電極８、８’の隙間に噛み合うように重り部３から櫛歯状に突出する不要振動抑制用可動電極（重り部側櫛歯電極）７、７’とを備え、これら両電極間に静電気力を発生させるものとしている。
【００７１】
それにより、不要振動抑制用電極７等においては、上記角速度センサ１００を製造するマイクロマシン加工技術を用いて容易に製造することができ、製造プロセスが簡単で部品点数が少なく、小型化が可能であるというメリットがある。また、本不要振動抑制用電極のような櫛歯構造では、センサを構成するチップの単位面積当たりにおいて、非常に大きな静電気力を発生させることができ、従って、電圧が小さくて済み、有利である。
【００７２】
また、本実施形態の不要振動抑制用電極７等では、重り部側櫛歯電極７、７’が、その両側に隣接する基部側櫛歯電極８、８’の隙間の中心よりも、どちらか一方の隣接する基部側櫛歯電極８、８’に近くなるように位置している。そのため、可動電極である基部側櫛歯電極７、７’は静電気力によって、近い方の固定電極である基部側櫛歯電極８、８’に引っ張られるので、容易に重り部３の振動方向を正常な状態に変更できる。
【００７３】
また、本実施形態では、重り部３を駆動振動させる手段（駆動手段）として、櫛歯電極である駆動用電極５、６を用い、重り部３と基部２との間に静電気力を発生させることにより、重り部３の駆動振動を行わせるものとしたことを特徴としている。そのため、従来より用いられている電磁駆動や圧電駆動に比べて、静電気力を用いた静電駆動では、プロセスが簡単で部品点数が少なく、小型化が可能である。
【００７４】
ここで、本実施形態の角速度センサの他の例を図６に示す。図６に示す角速度センサ１５０は、上記図１に示す角速度センサ１００と基本的に同様の構成であるが、重り部３における駆動振動の物理量をモニタするための振動モニタ電極１２、１３を別途形成してあるところが異なる。
【００７５】
上記図１に示す角速度センサ１００では、振動モニタ電極を特別に設けずに、重り部３の左右両辺に設けられている駆動用電極５、６のうちどちらか一方（例えば右辺側の駆動用電極５、６）を振動モニタ電極としていた。そのため、図１に示す角速度センサ１００では、重り部３に対して、例えば、左辺側のみ駆動力が加わることになる。
【００７６】
しかし、図６に示す角速度センサ１５０では、重り部３は、左右両側から駆動されることになり、対称性および、駆動振幅の大きさの面で、図６の方が有利と考えられる。例えば、同じ駆動電圧の場合、図６では、図１のものに比べて２倍程度の駆動振幅が得られるはずである。この角速度センサ１５０においても、その他の効果は、上記と同様である。
【００７７】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。主に、第１実施形態との相違点に着目して説明する。図７は、本実施形態に係る角速度センサ２００の平面構成図であり、図８は本実施形態に係る角速度センサ２５０の他の例を示す平面構成図である。上記第１実施形態では、重り部３が１個であったが、本実施形態では、ほとんど同じ重り部３を複数個（本例では２個）形成している点が主に第１実施形態と異なる。
【００７８】
図７の角速度センサ２００は、上記図１に示した角速度センサ１００に相当するＢ部が、ｙ軸方向へ２個並んで設けられた形状に相当し、図８の角速度センサ２５０は、上記図６に示した角速度センサ１５０に相当するＣ部が、ｘ軸方向へ２個並んで設けられた形状に相当するため、図７及び図８中の符号は一部省略して示してある。また、図８の角速度センサ２５０では、電極パッド１１を外周部に配置するために、トレンチ溝１の形状が多少、図６のものから変更されている。
【００７９】
次に、本実施形態のセンサ２００、２５０の動作について、主に、上記第１実施形態との相違点に着目して説明する。それぞれの重り部３の動作は、もちろん第１実施形態と同様である。ただし、それぞれの重り部３の関係において、駆動振動の位相が逆相であるように駆動振動させると、特に、本実施形態の利点が発揮される。駆動振動の位相を逆相にすれば、外乱加速度をキャンセルできるからである。ここでは、そのことについてのみ詳しく説明する。
【００８０】
まず、両方の重り部３を、互いに逆位相に駆動方向ｘに沿って駆動振動させる。重り部３が１個のセンサの場合は、外からコリオリ力と同方向に加速度（外乱加速度）が加わった場合、角速度検出用電極９、１０、９’、１０’の間隔が変化するので、該加速度がノイズの原因となる。つまり、角速度がゼロであっても、あたかも角速度が生じたかのようになる。
【００８１】
しかし、本実施形態では、互いに逆相に駆動振動する２個の重り部３からの角速度信号は、互いに逆相であり、外乱加速度による信号は互いに同相であることから、２個の重り部３の出力の差をとることによって、外乱加速度の影響を除去することができる。また、上記第１実施形態に比べて、感度が２倍になるというメリットがある。逆に、２個の重り部３の出力の和をとることによって、加速度を測定することも可能である。従って、信号処理により、加速度、角速度を同時に測定するセンサを実現することも可能である。
【００８２】
また、本実施形態によれば、重り部３を複数個設け、該複数個の重り部３を連結せずに独立させることにより、複数個の重り部３の配置が自由になり、センサ全体の小型化が可能である。これは、単純には低コストになるし、歩留まりも向上する。また、図示例では同一チップ上に２個の重り部３を形成しているが、例えば、各重り部３をそれぞれ別のチップ上に配置することも可能であり、これも歩留まり向上に役立つ。
【００８３】
さらに、複数個の重り部３を連結しないということは、これら重り部３を連結するための梁部を設けなくても良いことであるから、個々の重り部３の周囲に、駆動手段としての駆動用電極５、６を、簡単に複数個とりつけることができる。実際、図示例では、個々の重り部３の上下両側に２個の櫛歯状駆動用電極５、６を形成し、駆動力を大きくしている。例えば、次に述べる第３実施形態では、２個の重り部３を梁２０で連結しており、この梁２０が邪魔になるので、駆動用電極５、６は、重り部３の片辺側にしかとりつけられない。
【００８４】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態は上記第２実施形態を変形したものであり、複数個の重り部のうち少なくとも２個を、少なくとも１個の連結用梁にて連結したことを特徴とするものである。主に、第２実施形態との相違点に着目して説明する。
【００８５】
図９は、本実施形態に係る角速度センサ３００の平面構成図である。この角速度センサ３００は、上記図８に示した角速度センサ２５０と同様、２個の重り部３が存在するが、それぞれ、内側（左側重り部３の右辺側、右側重り部３の左辺側）の駆動用電極５、６が無いこと、及び、２個の重り部３を駆動方向ｘ、検出方向ｙの両方に変位可能な連結用梁（連成梁）２０で連結してあることが異なる。また、本センサ３００は、２個の同形状のＤ部が左右に並んだ形状である。
【００８６】
次に、本実施形態の動作について、主に、上記第２実施形態との違いを中心にして説明する。それぞれの重り部３を同相または逆相で振動させるのは、第２実施形態と同じである。また、次のことも第２実施形態と同様である。
【００８７】
即ち、２個の重り部３からの出力信号の差をとることによって、加速度の影響を除去することができること。上記第１実施形態と比べて、感度が約２倍となること。２個の重り部３からの出力の和をとることによって、加速度を測定することができ、信号処理の方法によっては、角速度、加速度の両方を同時に測定するセンサを実現可能であること。
【００８８】
ところで、この時、本実施形態では、２個の重り部３が連結用梁２０で連結されているため、次のようなメリットがある。連結用梁２０で連結されていることにより、２個の重り部３は連成振動系を構成する。従って、加工誤差等によって左右の重り部３およびそれに接続された梁部４等が対称な構造にできなかったとしても、両重り部３の振幅の周波数特性は同じ周波数（固有振動数）でピーク（極大値）を持つ。
【００８９】
従って、共振を利用した場合、両重り部３の振幅は近い値になる。ちなみに、連結用梁２０が無い場合には、加工誤差があれば両方の重り部３の固有振動数は一致しないので、左右の重り部３の振幅を一致させることは非常に難しい。また、一致できたとしても、周波数が共振点からずれるので、その振幅は小さい。従って感度が小さく不利である。
【００９０】
（第４実施形態）
次に第４実施形態について説明する。本実施形態は上記第１実施形態を変形したものであり、主に第１実施形態のセンサ１００との相違点について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、本実施形態に係る角速度センサ４００の平面構成図であり、図１１は本実施形態に係る角速度センサ４５０の他の例を示す平面構成図である。
【００９１】
まず、図１０に示す角速度センサ４００について説明する。本実施形態では、重り部３を、駆動方向ｘへ駆動振動可能な第１の重り部（駆動用重り部）３ａと、この第１の重り部３ａに駆動梁４ａによって結合され、かつ基部２に検出梁４ｂによって接続された２個の第２の重り部（検出用重り部）３ｂとを備えたものとしたことが、上記第１実施形態と異なる。
【００９２】
つまり、第１の重り部３ａは、駆動梁４ａによって第２の重り部３ｂを介して、基部２に連結されており、本実施形態では、これら駆動梁４ａ及び検出梁４ｂを合わせて本発明でいう梁部が構成されている。
【００９３】
第２の重り部３ｂに接続された４本の駆動梁４ａは、駆動方向ｘにのみの自由度を持つように設計すると特に有利であり、本実施形態では、そのような構造としている。但し、もちろん必ずしもそのようになっている必要は無く、主として、駆動方向ｘに第１の重り部３ａが変位するようになっていればよい。
【００９４】
また、各々の第２の重り部３ｂ及びこれと対向する基部２には、４個の不要振動抑制用電極７、８、７’、８’および２個の角速度検出用電極９、１０、９’、１０’が設けられている。各第２の重り部３ｂは、２本の検出梁４ｂによって基部２に連結固定されているが、これら検出梁４ｂは、主として検出方向ｙに自由度を持つように設計されている。
【００９５】
それにより、第１の重り部３ａは、この第１の重り部３ａに形成された駆動用可動電極５及びこれと対向して基部２に形成された駆動用固定電極６との間に、電圧印加することにより、駆動方向ｘへ駆動振動可能となっている。そして、この駆動振動のもと、角速度軸ｚ回りに角速度が印加されたときに、検出梁４ｂによって、両重り部３ａ、３ｂが共に、検出方向ｙへ振動するようになっている。
【００９６】
また、本角速度センサ４００においても、第１の重り部３ａにおける一方の辺側の駆動用電極５、６は、振動モニタ電極として使用可能である。ここで、本実施形態の他の例である角速度センサ４５０（図１１参照）のように、第１の重り部３ａにおける駆動振動の物理量をモニタするための振動モニタ電極１２、１３を別途形成しても良い。
【００９７】
要するに、図１０と図１１との相違は、上記第１実施形態における図１と図６との相違と同様である。つまり、ＡＧＣを用いる場合、図１０に示す角速度センサ４００では、第１の重り部３ａが、左右どちらか一方の辺側から駆動されることになるが、図１１に示す角速度センサ４５０では、第１の重り部３ａが、左右両辺側から駆動されることになり、対称性および、駆動振幅の大きさの面で有利と考えられる。
【００９８】
次に、本実施形態のセンサの動作について説明する。図示しない外部回路に周期的な電圧を与えると、第１の重り部３ａは、駆動梁４ａの駆動方向ｘへの自由度により、駆動方向ｘに沿って駆動振動する。ここで、第２の重り部３ｂは、駆動振動（変位）しないため、角速度検出用電極９、１０、９’、１０’間の容量は、単なる駆動振動によっては、ほとんど変化しない。これが、本実施形態の一つの特徴で、このことにより、本実施形態のセンサ４００、４５０は、上記第１実施形態と比べて、ノイズが少なく分解能の良いものができる。
【００９９】
また、本実施形態においても、上記した共振駆動または非共振駆動させても良いし、さらに、ＡＧＣ制御を採用すれば、駆動振幅の温度依存性を取り除くことができ、感度の温度ドリフトを抑えることができるので、有利である。
【０１００】
そして、第１の重り部３ａが駆動振動しているとき、角速度軸ｚ回りに角速度が印加されると、検出梁４ｂの検出方向ｙへの自由度によって、両重り部３ａ、３ｂが共に、検出方向ｙへ振動する。このとき、上記第１実施形態と同様に、角速度検出用電極９、１０の容量と、角速度検出用電極９’、１０’の容量とを差動で検出することにより、角速度Ωを検出することができる。
【０１０１】
また、角速度センサ４００、４５０における加工誤差（特に梁４ａの加工誤差）により発生する不要振動を抑制する方法も、上記第１実施形態と同様、不要振動抑制用電極７、８、７’、８’を用いて実行することができる。それによって、上記第１実施形態で述べたのと同様に、角速度がゼロの場合は、一切出力が出ず、角速度印加時は、角速度信号のみ検出され、理想的な検出が出来る（図５参照）。
【０１０２】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。本実施形態は上記第４実施形態を上記第２実施形態と組み合わせて変形したものであり、主に、第４実施形態との相違点に着目して説明する。図１２に、本実施形態に係る角速度センサ５００の平面構成を示す。上記第４実施形態では、第１の重り部３ａ及び第２の重り部３ｂよりなる重り部３が１個であったが、本実施形態では、ほとんど同じ重り部３を複数個（本例では２個）形成している点が、主に第４実施形態と異なる。
【０１０３】
つまり、図１２に示す角速度センサ５００は、上記図１１に示した角速度センサ４５０に相当するＥ部が、ｘ軸方向へ２個並んで設けられた形状に相当するため、図１２中の符号は一部省略して示してある。また、本角速度センサ５００では、電極パッド１１を外周部に配置するために、トレンチ溝１の形状が多少、図１１のものから変更されている。
【０１０４】
次に、本実施形態のセンサ５００の動作について、主に、上記第４実施形態との相違点に着目して説明する。それぞれの重り部３における第１の重り部３ａ及び第２の重り部３ｂの動作はもちろん第４実施形態と同様である。ただし、それぞれの第１の重り部３ａの関係において、駆動振動の位相が逆相であるように駆動振動させると、上記第２実施形態と同様の理由から、外乱加速度をキャンセルでき、特に、本実施形態の利点が発揮される。
【０１０５】
即ち、両方の第１の重り部３ａを、互いに逆位相に駆動方向ｘに沿って駆動振動させ、角速度軸ｚ回りに角速度が印加されると、検出梁４ｂの検出方向ｙへの自由度によって、それぞれの重り部３において両重り部３ａ、３ｂが共に、検出方向ｙへ逆相に振動する。このとき、２個の第２の重り部３ｂからの出力の差をとることによって、外乱加速度の影響を除去することができる。また、上記第４実施形態に比べて、感度が２倍になるというメリットがある。
【０１０６】
逆に、２個の第２の重り部３ｂからの出力の和をとることによって、加速度を測定することも可能である。従って、信号処理により、加速度、角速度を同時に測定するセンサを実現することも可能である。また、本実施形態においても、上記第２実施形態と同様、複数個の重り部３を連結せずに独立させることによる効果、即ち、センサ全体の小型化、低コスト化、歩留まり向上、複数個の駆動用電極の配置の容易化といった各効果を発揮することができる。
【０１０７】
（第６実施形態）
次に、第６実施形態について説明する。本実施形態は上記第５実施形態を変形したもので、換言すれば、上記第４実施形態を上記第３実施形態と組み合わせたものである。主に、第５実施形態との相違点に着目して説明する。図１３に、本実施形態に係る角速度センサ６００の平面構成を示す。
【０１０８】
本角速度センサ６００は、上記図１２に示した角速度センサ５００と同様、第１の重り部３ａ及び第２の重り部３ｂよりなる２個の重り部３が存在するが、それぞれ、内側（左側の第１重り部３ａの右辺側、右側の第１重り部３ａの左辺側）の駆動用電極５、６が無いこと、及び、２個の第１の重り部３ａを駆動方向ｘ、検出方向ｙの両方に変位可能な連結用梁（連成梁）２０で連結してあることが異なる。また、本センサ６００は、２個の同形状のＦ部が左右に並んだ形状である。
【０１０９】
次に、本実施形態の動作について、主に、上記第５実施形態との違いを中心にして説明する。それぞれの第１の重り部３ａを同相または逆相で振動させるのは、第５実施形態と同じである。また、次のことも第５実施形態と同様である。
【０１１０】
即ち、２個の第２の重り部３ｂからの出力信号の差をとることによって、加速度の影響を除去することができること。上記第４実施形態と比べて、感度が約２倍となること。２個の第２の重り部３ｂからの出力の和をとることによって、加速度を測定することができ、信号処理の方法によっては、角速度、加速度の両方を同時に測定するセンサを実現可能であること。
【０１１１】
さらに、本実施形態では、２個の第１の重り部３ａが連結用梁２０で連結されているため、上記第３実施形態と同様に、２個の重り部３が連成振動系を構成することによる効果も発揮できる。
【０１１２】
（第７実施形態）
次に第７実施形態について説明する。本実施形態は上記第１実施形態を変形したものであり、主に第１実施形態のセンサ１００との相違点について、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施形態に係る角速度センサ７００の平面構成図である。
【０１１３】
本実施形態では、重り部３を、基部２と駆動梁４ａによって結合され且つ駆動方向（第１の方向）ｘへ駆動振動可能な第１の重り部（駆動用重り部）３ｃと、この第１の重り部３ｃに検出梁４ｂによって結合されることによって駆動方向ｘだけでなく検出方向（第２の方向）ｙへも変位可能な第２の重り部（検出用重り部）３ｄとを備えていることが、上記第１実施形態と異なる。
【０１１４】
つまり、第２の重り部３ｄは、検出梁４ｂによって第１の重り部３ｃに接続され、第１の重り部３ｃは、駆動梁４ａを介して基部２に連結されており、本実施形態においても、これら駆動梁４ａ及び検出梁４ｂを合わせて本発明でいう梁部が構成されている。
【０１１５】
また、各々の第２の重り部３ｄ及びこれと対向する基部２には、４個の不要振動抑制用電極７、８、７’、８’および２個の角速度検出用電極９、１０、９’、１０’が設けられている。
【０１１６】
また、上記第４実施形態と同様、第１の重り部３ｃに接続された４本の駆動梁４ａは、主として駆動方向ｘに自由度を持ち、一方、各第２の重り部３ｄに接続された２本の検出梁４ｂは、主として検出方向ｙに自由度を持つように設計されている。つまり、第２の重り部３は第１の重り部３ｃに接続されているため、第１の重り部３ｃと同様に駆動方向ｘへの自由度を持つだけでなく、第１の重り部３ｃに対して相対的に検出方向ｙへの自由度も持つようになっている。
【０１１７】
そして、駆動梁４ａの効果により、第１の重り部３ｃは、この第１の重り部３ｃに形成された駆動用可動電極５及びこれと対向して基部２に形成された駆動用固定電極６との間に、電圧印加することにより、第２の重り部３ｄとともに駆動方向ｘへ駆動振動可能となっている。この駆動振動のもと、角速度軸ｚ回りに角速度が印加されたときに、検出梁４ｂによって、第４の重り部３ｄが検出方向ｙへ振動するようになっている。
【０１１８】
また、本角速度センサ７００においても、第１の重り部３ｃとそれに対向する基部２に振動モニタ電極１２、１３を形成している。この振動モニタ電極１２、１３は、上記第１実施形態と同様に、駆動振動の物理量をモニタするために使用される。
【０１１９】
次に、本実施形態のセンサの動作について説明する。図示しない外部回路に周期的な電圧を与えると、第１の重り部３ｃは、第２の重り部３ｄとともに駆動梁４ａの駆動方向ｘへの自由度により、駆動方向ｘに沿って駆動振動する。ここで、第１の重り部３ｃは、駆動振動（変位）しないため、角速度検出用電極９、１０、９’、１０’間の容量は、単なる駆動振動（駆動方向への純粋な振動）によっても変化する。
【０１２０】
これは、上記第４実施形態と異なり、本実施形態のデメリットであるようにみえるが、実際には、隣り合う２個の検出電極の出力の和をとることにより、駆動振動の影響はキャンセルされるため、実際には殆ど問題にならない。
【０１２１】
また、本実施形態においても、上記した共振駆動または非共振駆動させても良いし、さらに、ＡＧＣ制御を採用すれば、駆動振幅の温度依存性を取り除くことができ、感度の温度ドリフトを抑えることができるので、有利である。
【０１２２】
そして、第１の重り部３ｃ及び第２の重り部３ｄが駆動振動しているとき、角速度軸ｚ回りに角速度が印加されると、第２の重り部３ｄに加わるコリオリ力により、検出梁４ｂの検出方向ｙへの自由度によって、第２の重り部３ｄが、検出方向ｙへ振動する。このとき、上記第１実施形態と同様に、角速度検出用電極９、１０の容量と、角速度検出用電極９’、１０’の容量とを差動で検出することにより、角速度Ωを検出することができる。
【０１２３】
ここで、第１の重り部３ｃおよび駆動電極５、６、振動モニタ電極１２、１３が検出振動によって検出方向へ変位しない。このことは、駆動電極５、６や振動モニタ電極１２、１３の静電気力によって、検出振動が影響を受けないことを意味しており、正確な検出を行う上で有利である。
【０１２４】
また、一般に、感度を大きくするため、検出梁４ｂは、駆動梁４ａに比して、バネ定数が小さいことが多いが、本実施形態によれば、上記請求項１５の発明に比べて、検出梁を、基部と結合された駆動梁よりも内側に持ってくることができるため、角速度軸ｚ方向の共振周波数が大きくし易く、従って、角速度軸ｚ方向に重り部が共振するような不要振動を避けやすく、ノイズの少ないセンサを実現することができ、非常に有利である。
【０１２５】
また、角速度センサ７００における加工誤差（特に梁４ａの加工誤差）により発生する不要振動を抑制する方法も、上記第１実施形態と同様、不要振動抑制用電極７、８、７’、８’を用いて実行することができる。それによって、上記第１実施形態で述べたのと同様に、角速度がゼロの場合は、一切出力が出ず、角速度印加時は、角速度信号のみ検出され、理想的な検出が出来る（図５参照）。
【０１２６】
（第８実施形態）
次に、第８実施形態について説明する。本実施形態は上記第７実施形態を上記第２実施形態と組み合わせて変形したものであり、主に、第７実施形態との相違点に着目して説明する。図１５に、本実施形態に係る角速度センサ８００の平面構成を示す。上記第７実施形態では、２個の第１の重り部３ｃ及び第２の重り部３ｄよりなる重り部３が１個であったが、本実施形態では、ほとんど同じ重り部３を複数個（本例では２個）形成している点が、主に第７実施形態と異なる。
【０１２７】
つまり、図１５に示す角速度センサ８００は、上記図１４に示した角速度センサ７００に相当するＧ部が、ｘ軸方向へ２個並んで設けられた形状に相当するため、図１５中の符号は一部省略して示してある。
【０１２８】
次に、本実施形態のセンサ８００の動作について、主に、上記第７実施形態との相違点に着目して説明する。それぞれの重り部３における第１の重り部３ｃ及び第２の重り部３ｄの動作はもちろん第７実施形態と同様である。ただし、２個の重り部３において、駆動振動の位相が逆相であるように駆動振動させると、上記第２実施形態と同様の理由から、外乱加速度をキャンセルでき、特に、本実施形態の利点が発揮される。
【０１２９】
即ち、両方の重り部３を、互いに逆位相に駆動方向ｘに沿って駆動振動させ、角速度軸ｚ回りに角速度が印加されると、検出梁４ｂの検出方向ｙへの自由度によって、それぞれの重り部３における重り部３ｃが互いに、検出方向ｙへ逆相に振動する。このとき、２個の第２の重り部３ｄからの出力の差をとることによって、外乱加速度の影響を除去することができる。また、上記第７実施形態に比べて、感度が２倍になるというメリットがある。
【０１３０】
逆に、２個の第２の重り部３ｄからの出力の和をとることによって、加速度を測定することも可能である。従って、信号処理により、加速度、角速度を同時に測定するセンサを実現することも可能である。また、本実施形態においても、上記第２実施形態と同様、複数個の重り部３を連結せずに独立させることによる効果、即ち、センサ全体の小型化、低コスト化、歩留まり向上、複数個の駆動用電極の配置の容易化といった各効果を発揮することができる。
【０１３１】
（第９実施形態）
次に、第９実施形態について説明する。本実施形態は上記第８実施形態を変形したもので、換言すれば、上記第７実施形態を上記第３実施形態と組み合わせたものである。主に、第８実施形態との相違点に着目して説明する。図１６に、本実施形態に係る角速度センサ９００の平面構成を示す。
【０１３２】
本角速度センサ９００は、上記図１５に示した角速度センサ８００と同様、第１の重り部３ｃ及び第２の重り部３ｄよりなる２個の重り部３が存在するが、それぞれ、内側（左側の第１の重り部３ｃの右辺側、右側の第１の重り部３ｃの左辺側）の駆動用電極５、６、振動モニタ電極１２、１３が無いこと、及び、２個の第１の重り部３ｃを駆動方向ｘ、検出方向ｙの両方に変位可能な連結用梁（連成梁）２０で連結してあることが異なる。また、本センサ９００は、２個の同形状のＨ部が左右に並んだ形状である。
【０１３３】
次に、本実施形態の動作について、主に、上記第８実施形態との違いを中心にして説明する。それぞれの重り部３（第１の重り部３ｃ及び第２の重り部３ｄ）を同相または逆相で振動させるのは、第８実施形態と同じである。また、次のことも第８実施形態と同様である。
【０１３４】
即ち、２個の第２の重り部３ｄからの出力信号の差をとることによって、加速度の影響を除去することができること。上記第７実施形態と比べて、感度が約２倍となること。２個の第２の重り部３ｄからの出力の和をとることによって、加速度を測定することができ、信号処理の方法によっては、角速度、加速度の両方を同時に測定するセンサを実現可能であること。
【０１３５】
さらに、本実施形態では、２個の第１の重り部３ｃが連結用梁２０で連結されているため、上記第３実施形態と同様に、２個の重り部３が連成振動系を構成することによる効果も発揮できる。
【０１３６】
（他の実施形態）
以上、各実施形態について述べてきたが、全ての実施形態に共通する事項としては、次のことが挙げられる。まず、上記各実施形態において、不要振動を抑制する方法として、静電気力による方法を主に記述してきた。これは、静電気力を用いる場合は、製造プロセスが簡単で部品点数が少なく、小型化が可能であるというメリットがあるためである。
【０１３７】
しかし、不要振動抑制手段としては、圧電素子を用いることも可能である。この場合、例えば、梁部４または駆動梁４ａ上にＰＺＴ等の圧電薄膜（圧電素子、図示せず）を形成し、この圧電薄膜に電気信号を印加することにより発生する歪みを利用して、重り部３に対して検出方向ｙへ外力を印加し、不要振動を抑制することができる。圧電素子は、電圧印加により発生する歪み、即ち重り部の不要振動を抑制するための外力が非常に大きいので、電圧が小さくて済むというメリットがある。
【０１３８】
また、不要振動抑制手段としては、重り部３に印加する外力としてローレンツ力を発生するものであってもよい。具体的には、ローレンツ力の発生手段として、梁部４または検出梁４ｂを経由して重り部３上または第２の重り部３ｂ上に配線（図示せず）を形成し、この配線を流れる電流と外部に設置された永久磁石または電磁石（図示せず）とを相互作用させるものとすることができる。そして、配線を流れる電流を調整したり、電磁石を用いる場合には電磁石を流れる電流を制御することでもローレンツ力を制御できる。
【０１３９】
このローレンツ力を利用した不要振動抑制手段では、配線や電磁石に印加する電圧が角速度の検出側にもれてノイズの原因となることが少なく、あったとしてもその値が小さいというメリットがある。また、配線を梁部上を経由して重り部上に設けることにより、簡単なプロセスでローレンツ力を発生させることができる。
【０１４０】
また、上記第２、第３、第５、第６実施形態において、重り部３は３個以上であっても良い。また、上記第３及び第６実施形態において、複数個の重り部３の少なくとも２個が連結用梁２０で連結されていればよく、２個の重り部３が複数個の連結用梁２０で連結されていても良い。
【０１４１】
また、上記各角速度センサにおいては、重り部３を駆動振動させる駆動手段及び角速度検出手段としては、櫛歯電極を用いた静電駆動または静電検出を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明は駆動方法や検出方法によらずに適用可能であり、例えば電磁力を用いた駆動または検出、圧電素子やひずみゲージを使った駆動や検出を採用した角速度センサにおいても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る角速度センサの平面構成図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】不要振動の発生と不要振動の抑制の様子を示す説明図である。
【図４】不要振動抑制用電極に交流電圧を印加する場合を示す説明図である。
【図５】不要振動抑制による角速度出力への効果を示す説明図である。
【図６】上記第１実施形態に係る角速度センサの他の例を示す平面構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る角速度センサの平面構成図である。
【図８】上記第２実施形態に係る角速度センサの他の例を示す平面構成図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る角速度センサの平面構成図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係る角速度センサの平面構成図である。
【図１１】上記第４実施形態に係る角速度センサの他の例を示す平面構成図である。
【図１２】本発明の第５実施形態に係る角速度センサの平面構成図である。
【図１３】本発明の第６実施形態に係る角速度センサの平面構成図である。
【図１４】本発明の第７実施形態に係る角速度センサの平面構成図である。
【図１５】本発明の第８実施形態に係る角速度センサの平面構成図である。
【図１６】本発明の第９実施形態に係る角速度センサの平面構成図である。
【符号の説明】
２…基部（固定部）、３…重り部、３ａ…第１の重り部、
３ｂ…第２の重り部、３ｃ…第１の重り部、３ｄ…第２の重り部、４…梁部、
４ａ…駆動梁、４ｂ…検出梁、５…駆動用可動電極、６…駆動用固定電極、
７、７’…不要振動抑制用可動電極、８、８’…不要振動抑制用固定電極、
１２、１３…振動モニタ電極、２０…連結用梁（連成梁）、
ｘ…駆動方向（第１の方向）、ｙ…検出方向（第２の方向）、ｚ…角速度軸、
１００…図１に示す角速度センサ、１０１…第１の半導体基板、
１０２…第２の半導体基板、１０３…絶縁膜層（絶縁膜部）、１０４…開口部、１０５…台座部、１５０…図６に示す角速度センサ、
２００…図７に示す角速度センサ、２５０…図８に示す角速度センサ、
３００…図９に示す角速度センサ、４００…図１０に示す角速度センサ、
４５０…図１１に示す角速度センサ、５００…図１２に示す角速度センサ、
６００…図１３に示す角速度センサ、７００…図１４に示す角速度センサ、
８００…図１５に示す角速度センサ、９００…図１６に示す角速度センサ。

Claims (16)

1. 基部（２）と、この基部に梁部（４、４ａ、４ｂ）を介して連結された重り部（３）とを備え、前記梁部は、検出しようとする角速度軸（ｚ）に垂直な水平面内にて互いに直交する第１の方向（ｘ）及び第２の方向（ｙ）へ前記重り部を変位可能なように支持しており、
   前記重り部を前記第１の方向へ駆動振動させつつ前記角速度軸回りに角速度が印加されたときに発生する前記重り部の前記第２の方向への振動に基づいて、前記角速度を検出するようにした角速度センサにおいて、
   前記第１の方向以外の方向へ前記重り部が駆動振動するのを抑制するために、前記重り部に対して前記第２の方向へ外力を印加する不要振動抑制手段（７、８、７’、８’）を備え、
   この不要振動抑制手段は、前記重り部の前記第２の方向に沿う一辺側と前記重り部の前記第２の方向に沿う他辺側にそれぞれ２つずつ設けられており、前記重り部の一辺側と他辺側にそれぞれ設けられた２つの不要振動抑制手段は、一方が前記重り部に印加する外力として前記重り部を前記第２の方向の一方向に引きつける外力を発生し、他方が前記重り部に印加する外力として前記重り部を前記第２の方向の他方向に引きつける外力を発生するものであり、
   前記重り部の駆動振動の方向が前記第１の方向から斜めにずれた場合に、前記重り部の一辺側の一方の不要振動抑制手段と前記重り部の他辺側の他方の不要振動抑制手段とにより発生される外力と前記重り部の一辺側の他方の不要振動抑制手段と前記重り部の他辺側の一方の不要振動抑制手段とにより発生される外力のうち前記重り部の駆動振動の方向の斜めずれを無くす方向に作用する外力を用いて前記重り部の駆動振動の方向を補正することを特徴とする角速度センサ。
2. 前記重り部（３）は複数個設けられており、各々の前記重り部は、互いに独立して変位可能となっ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. 前記重り部（３）は複数個設けられており、これら複数個の重り部のうち少なくとも２個が、少なくとも１個の連結用梁（２０）にて連結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。
4. 前記複数個の重り部（３）のうち少なくとも１個が、他の重り部とは逆相に駆動振動するようになっていることを特徴とする請求項２または３に記載の角速度センサ。
5. 前記不要振動抑制手段（７、８、７’、８’）は、前記重り部（３）に印加する外力として静電気力を発生するものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の角速度センサ。
6. 前記静電気力の発生手段は、前記基部（２）から櫛歯状に突出する基部側櫛歯電極（８、８’）と、この基部側櫛歯電極の隙間に噛み合うように前記重り部（３）から櫛歯状に突出する重り部側櫛歯電極（７、７’）とを備え、これら両櫛歯電極間に静電気力を発生させるものであることを特徴とする請求項５に記載の角速度センサ。
7. 前記両櫛歯電極（７、８、７’、８’）のうち前記重り部側櫛歯電極（７、７’）が、その両側に隣接する前記基部側櫛歯電極（８、８’）の隙間の中心よりも、どちらか一方の隣接する前記基部側櫛歯電極に近くなるように位置していることを特徴とする請求項６に記載の角速度センサ。
8. 前記不要振動抑制手段は、前記梁部（４、４ａ）に圧電素子を形成し、この圧電素子の歪みを利用して、前記重り部（３）に外力を印加するものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の角速度センサ。
9. 前記不要振動抑制手段は、前記重り部（３）に印加する外力としてローレンツ力を発生するものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の角速度センサ。
10. 前記ローレンツ力の発生手段は、前記梁部（４、４ｂ）上を経由して前記重り部（３、３ｂ）に配線を形成し、この配線を流れる電流と外部に設置された永久磁石とを相互作用させるものであることを特徴とする請求項９に記載の角速度センサ。
11. 前記ローレンツ力の発生手段は、前記梁部（４、４ｂ）上を経由して前記重り部（３、３ｂ）に配線を形成し、この配線を流れる電流と外部に設置された電磁石とを相互作用させるものであることを特徴とする請求項９に記載の角速度センサ。
12. 前記重り部（３）を駆動振動させる手段が、前記重り部と前記基部（２）との間に静電気力を発生することにより、前記重り部の駆動振動を行わせるものであることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の角速度センサ。
13. 前記重り部（３）における駆動振動の物理量をモニタする手段（５、６、１２、１３）を備えたことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の角速度センサ。
14. 前記モニタの結果を用いた負帰還により、前記重り部（３）の駆動振幅を一定に制御することを特徴とする請求項１３に記載の角速度センサ。
15. 前記重り部（３）は、前記第１の方向（ｘ）へ駆動振動可能な第１の重り部（３ａ）と、この第１の重り部に駆動梁（４ａ）によって結合され、かつ前記基部（２）に検出梁（４ｂ）によって接続された第２の重り部（３ｂ）とを備えており、
    前記第１の重り部を前記第１の方向へ駆動振動させつつ前記角速度軸（ｚ）回りに角速度が印加されたときに、前記検出梁によって、前記第１の重り部及び前記第２の重り部が共に、前記第２の方向（ｙ）へ振動するようになっており、
    前記第２の重り部の前記第２の方向への振動に基づいて、前記角速度を検出するようになっていることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の角速度センサ。
16. 前記重り部（３）は、基部（２）と駆動梁（４ａ）によって結合され且つ前記第１の方向（ｘ）へ駆動振動可能な第１の重り部（３ｃ）と、この第１の重り部に検出梁（４ｂ）によって結合されることによって前記第１及び第２の方向（ｙ）へ変位可能な第２の重り部（３ｄ）とを備えており、
    前記第１及び第２の重り部を前記第１の方向へ駆動振動させつつ前記角速度軸（ｚ）回りに角速度が印加されたときに、前記検出梁によって、前記第２の重り部が前記第２の方向へ振動するようになっており、
    前記第２の重り部の前記第２の方向への振動に基づいて、前記角速度を検出するようになっていることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の角速度センサ。

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