(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交の関係にあるｘ方向とｙ方向それぞれに変位可能な振動子（１９）と、
前記振動子を密閉空間に収納するパッケージ（７０）と、
前記振動子をｘ方向に所定の駆動周期にて振動させる駆動部（２５，３４，２７，３７，５５）と、
前記振動子のｙ方向への変位量を、前記駆動周期と同期して、前記駆動周期における所定の位相にて検出する変位検出部（２９，３５，２８，３８，５６）と、
前記変位検出部の出力信号を補正する補正部（５７）と、を有し、
前記変位検出部は、前記振動子のｙ方向への変位量を、異なる位相にて複数検出し、
前記補正部は、
異なる位相にて検出された複数の前記振動子のｙ方向への変位量を記憶する記憶部（５７ａ）と、
該記憶部に記憶された複数の前記振動子のｙ方向への変位量に基づいて、前記変位検出部の出力信号の温度特性を演算する演算部（５７ｂ）と、
該演算部の演算結果に基づいて、前記変位検出部の出力信号の温度特性を補正する信号補正部（５７ｃ）と、を有し、
前記演算部は、前記記憶部に記憶された複数の前記振動子のｙ方向への変位量に基づいて、前記振動子のｙ方向への変位量と位相との相関関係を示す近似直線を演算し、
前記信号補正部は、前記近似直線の傾きと切片とに基づいて、前記変位検出部の出力信号のオフセット電圧の温度特性と値を補正することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記密閉空間の圧力は、１気圧よりも低い低圧状態であることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記変位検出部は、前記振動子のｙ方向への変位量を静電容量に変換して検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記振動子のｘ方向の振動振幅を検出する振幅検出部（２４，３３，２６，３６，５４）を有し、
前記駆動部は、前記振幅検出部の出力信号に基づいて、前記ｘ方向の振動振幅を一定に調整す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子と、振動子を収納するパッケージと、振動子を振動させる駆動部と、振動子の変位量を検出する変位検出部と、変位検出部の出力信号を補正する補正部と、を有する角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、振動子と、振動子を収納するケースと、振動子を駆動する駆動回路及び振動子の出力信号を処理する検出回路が設けられたＩＣと、検出回路の出力信号を補正する補正データが記憶された記憶手段と、を有する角速度センサが提案されている。この角速度センサは、上記構成要素の他に、ケースの外側に設けられた外側温度センサと、ケースの内側に設けられた内側温度センサと、ケースの内側に設けられた温度可変素子と、を有する。
【０００３】
温度可変素子は、上記した二つの温度センサの温度測定データに基づいて、ケースの内側の温度を所定の温度に変化させる。これにより、角速度センサの周囲温度（ケースの内部温度）が変化したとしても、振動子の周囲温度が安定化され、温度変化による振動子の出力信号の変動が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６８５４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記したように、特許文献１に示される角速度センサは、複数の温度センサと、温度可変素子を有し、これらによって、振動子の周囲温度が変化することを抑制する。こうすることで、振動子の出力信号が変動することを抑制する。しかしながら、この構成の場合、上記した複数の素子を有さなくてはならず、部品点数が増大する、という問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、振動子の出力信号の変動が補正されつつ、部品点数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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、直交の関係にあるｘ方向とｙ方向それぞれに変位可能な振動子（１９）と、振動子を密閉空間に収納するパッケージ（７０）と、振動子をｘ方向に所定の駆動周期にて振動させる駆動部（２５，３４，２７，３７，５５）と、振動子のｙ方向への変位量を、駆動周期と同期して、駆動周期における所定の位相にて検出する変位検出部（２９，３５，２８，３８，５６）と、変位検出部の出力信号を補正する補正部（５７）と、を有し、変位検出部は、振動子のｙ方向への変位量を、異なる位相にて複数検出し、補正部は、異なる位相にて検出された複数の振動子のｙ方向への変位量を記憶する記憶部（５７ａ）と、該記憶部に記憶された複数の振動子のｙ方向への変位量に基づいて、変位検出部の出力信号の温度特性を演算する演算部（５７ｂ）と、該演算部の演算結果に基づいて、変位検出部の出力信号の温度特性を補正する信号補正部（５７ｃ）と、を有し、演算部は、記憶部に記憶された複数の振動子のｙ方向への変位量に基づいて、振動子のｙ方向への変位量と位相との相関関係を示す近似直線を演算し、信号補正部は、近似直線の傾きと切片とに基づいて、変位検出部の出力信号のオフセット電圧の温度特性と値を補正することを特徴とする。
【０００８】
変位検出部の出力信号の位相δは、ｘ方向への振動状態を表すＱｄ値、及び、ｙ方向への振動状態を表すＱｓ値に依存する。そして、これらＱｄ値とＱｓ値はパッケージ内の圧力（内圧）に依存し、内圧は温度に依存する。
【０００９】
これに対して、本発明では、振動子のｙ方向への変位量を、異なる位相にて複数検出している。これはつまり、振動子のｙ方向への変位量を、異なる温度にて複数検出していることに相当する。したがって、これら異なる位相にて検出された複数の振動子のｙ方向への変位量に基づくことで、変位検出部の出力信号の温度特性を補正することができる。これによれば、複数の温度センサと温度可変素子を有し、これらによって、振動子の周囲温度が変化することを抑制する構成とは異なり、これら複数の素子が不要となる。そのため、本発明の場合、振動子の出力信号の変動が補正されつつ、上記した比較構成と比べて、部品点数の増大が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る角速度センサの概略構成を示す断面図である。
【図２】センサ基板の概略構成を示す上面図である。
【図３】角速度センサの回路構成を示すブロック図である。
【図４】検波タイミングを示すグラフ図である。
【図５】検波した検出信号の位相依存性を示すグラフ図である。
【図６】補正前のオフセット電圧の温度依存性を示すグラフ図である。
【図７】補正後のオフセット電圧の温度依存性を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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〜図７に基づいて、第１実施形態に係る角速度センサ１００について説明する。以下においては、半導体基板１１の対向面１１ａに沿う一方向をｘ方向と示し、対向面１１ａに沿い、且つ、ｘ方向と直交する方向をｙ方向と示し、ｘ，ｙ方向によって規定されるｘ−ｙ平面に垂直な方向をｚ方向と示す。また、図２に示すように、センサチップ１０をｘ方向において２等分する、ｙ方向に沿う仮想直線ＶＬを一点鎖線で示す。そして、後述する浮遊部１６と固定部１７とを区別するために、図２では、これらにハッチを入れている。なお、図５〜７の縦軸は、任意単位である。
【００１３】
角速度センサ１００は、図１に示すように、要部として、センサチップ１０と、回路チップ５０と、パッケージ７０と、を有する。センサチップ１０と回路チップ５０とが、バンプ６０を介して機械的及び電気的に接続され、回路チップ５０とパッケージ７０とが、接着剤６１を介して機械的に接続されている。そして、回路チップ５０とパッケージ７０とが、配線６２を介して電気的に接続され、センサチップ１０と回路チップ５０とが、パッケージ７０の密閉空間に収納されている。本実施形態では、密閉空間は１気圧よりも低い低圧状態となっている。
【００１４】
センサチップ１０は、第１半導体層１２、絶縁層１３、及び、第２半導体層１４が順次積層されて成る半導体基板１１と、該半導体基板１１における回路チップ５０との対向面１１ａ側に周知の露光技術を用いて形成されたセンサ部１５と、を有する。
【００１５】
図２に示すように、センサチップ１０は、仮想直線ＶＬを介して対称な構造を成している。したがって、以下においては、説明が煩雑となることを避けるために、センサチップ１０における仮想直線ＶＬによって分断された紙面左側若しくは紙面右側の部位のみを説明する。
【００１６】
センサ部１５は、図１に示すように、絶縁層１３を介さずに第１半導体層１２に対して第２半導体層１４が浮遊した浮遊部１６と、絶縁層１３を介して第１半導体層１２に第２半導体層１４が固定された固定部１７と、該固定部１７に形成されたセンサパッド１８と、を有する。浮遊部１６は、第１半導体層１２に対してｘ方向及びｙ方向に変位（振動）可能だが、固定部１７及びセンサパッド１８は、第１半導体層１２に対して変位不可能となっている。
【００１７】
浮遊部１６は、図２に示すように、振動子１９と、変位部２０と、振動子１９と変位部２０とを連結する第１連結部２１と、変位部２０を固定部１７に連結する第２連結部２２と、を有する。このように、振動子１９は、第１連結部２１、変位部２０、及び、第２連結部２２を介して固定部１７に連結されている。
【００１８】
振動子１９は、ｘ方向に伸びた錘部２３と、錘部２３からｙ方向に延びた梁２４，２５と、梁２４，２５からｘ方向に延びた電極２６，２７と、を有する。第１モニター梁２４は、錘部２３の両端に形成され、第１駆動梁２５は、錘部２３における２つの第１モニター梁２４によって挟まれた部位に形成されている。第１モニター電極２６は、第１モニター梁２４における錘部２３の中央Ｐ（図２にバツ印で示す部位）側の側面から櫛歯状に複数延び、第１駆動電極２７は、第１駆動梁２５における中央Ｐ側の側面から櫛歯状に複数延びている。振動子１９の構成要素２３〜２７はそれぞれ平面矩形状を成している。
【００１９】
変位部２０は、第１検出電極２８と、第１検出梁２９と、を有する。第１検出梁２９は、ｙ方向に延びており、第１検出電極２８は、第１検出梁２９からｘ方向に延びている。第１検出電極２８及び第１検出梁２９はそれぞれ平面矩形状を成し、第１検出電極２８は、第１検出梁２９における振動子１９側の側面の裏面から櫛歯状に複数延びている。
【００２０】
第１連結部２１は、第１検出梁２９に連結された平面Ｌ字状の腕部３０と、腕部３０と第１検出梁２９との間に設けられたバネ部３１と、を有する。図２に示すように、腕部３０は、第１検出梁２９における振動子１９側の側面からｘ方向に延びた第１部位３０ａと、第１部位３０ａの先端から振動子１９に向ってｙ方向に伸びた第２部位３０ｂと、を有する。バネ部３１は、ｘ方向に沿う第３部位３１ａと、該第３部位３１ａの振動子１９側の側面からｙ方向に延びた第４部位３１ｂと、を有する。
【００２１】
本実施形態では、４つの第４部位３１ｂが第３部位３１ａから延びて、ｘ方向に並んでいる。ｘ方向に並ぶ４つの第４部位３１ｂの内、第１駆動梁２５側の第４部位３１ｂの先端が、第２部位３０ｂに連結され、第１検出梁２９側の第４部位３１ｂの先端が、第１検出梁２９に連結されている。そして、残り２つの第４部位３１ｂの先端が、第１モニター梁２４に連結されている。
【００２２】
上記構成により、バネ部３１は、ｘ方向に弾性変形し易く、ｙ方向に弾性変形し難くなっている。したがって、振動子１９のｘ方向の振動が、バネ部３１を介して変位部２０に伝達され難く、振動子１９のｙ方向への振動（変位）が、バネ部３１（連結部２１）を介して変位部２０に伝達され易くなっている。後述するように、振動子１９が、コリオリ力によってｙ方向に変位（振動）すると、変位部２０も、ｙ方向に変位（振動）する。
【００２３】
第２連結部２２は、第１検出梁２９における振動子１９側の側面から、固定部１７のアンカー３２へ向かって、ｘ方向に延びた形状を成している。第２連結部２２を除く浮遊部１６の他の構成要素１９〜２１は、第２連結部２２を介して、固定部１７に固定されている。
【００２４】
固定部１７は、アンカー３２と、主要部がｙ方向に延びた梁３３〜３５と、梁３３〜３５からｘ方向に延びた電極３６〜３８と、浮遊部１６、アンカー３２、梁３３〜３５、電極２６〜３８を囲む基部３９と、を有する。
【００２５】
第２モニター梁３３は、変位部２０側の第１駆動梁２５と第１モニター梁２４との間に設けられており、第２モニター電極３６は、第２モニター梁３３における第１モニター梁２４との対向面から、第１モニター梁２４に向かって、櫛歯状に複数延びている。そして、モニター電極２６，３６がｙ方向で互いに対向し、モニターコンデンサを構成している。
【００２６】
第２駆動梁３４は、二つの第１駆動梁２５の間に設けられており、第２駆動電極３７は、第２駆動梁３４における中央Ｐから離れた側面から、この側面と対向する第１駆動梁２５に向かって、櫛歯状に複数延びている。そして、駆動電極２７，３７がｙ方向で互いに対向し、駆動コンデンサを構成している。
【００２７】
第２検出梁３５は、第１検出梁２９とｙ方向に沿う基部３９の一部との間に設けられており、第２検出電極３８は、第２検出梁３５における第１検出梁２９側の側面から、第１検出梁２９に向かって、櫛歯状に複数延びている。そして、検出電極２８，３８がｙ方向で互いに対向し、検出コンデンサを構成している。
【００２８】
センサパッド１８は、アンカー３２に形成された第１センサパッド４０と、第２モニター梁３３に形成された第２センサパッド４１と、第２駆動梁３４に形成された第３センサパッド４２と、第２検出梁３５に形成された第４センサパッド４３と、基部３９に形成された第５センサパッド４４と、を有する。図２に示すように、センサパッド４０〜４４は、ｘ方向に並んでおり、センサパッド４０〜４３がそれぞれ８つ固定部１７に形成され、第５センサパッド４４が２つ固定部１７に形成されている。
【００２９】
第１センサパッド４０にはＤＣ電圧が入力される。このＤＣ電圧は、アンカー３２を介して、浮遊部１６に入力される。これにより、浮遊部１６が、ＤＣ電圧と等電位となっている。
【００３０】
第２センサパッド４１からは、モニター電極２６，３６によって構成されるモニターコンデンサの静電容量変化が出力される。浮遊部１６の一部である第１モニター電極２６は、ＤＣ電圧と等電位となるので、第２センサパッド４１からは、ＤＣ電圧に依存する信号が出力されることが期待される。
【００３１】
第３センサパッド４２には極性が一定周期で変動する駆動電圧が入力される。浮遊部１６の一部である第１駆動電極２７はＤＣ電圧と等電位になっているので、駆動電極２７，３７によって構成される駆動コンデンサに、ＤＣ電圧と駆動電圧とに依存する静電気力（駆動力Ｆｄ）が生じる。この駆動力Ｆｄにおけるｘ方向に沿う力によって、第１駆動電極２７が形成された第１駆動梁２５（振動子１９）がｘ方向に変位する。駆動電圧は一定周期で極性が変動するので、第１駆動電極２７に作用する駆動力Ｆｄの作用方向もｘ方向にて一定周期（駆動周期）で変動する。これにより、振動子１９がｘ方向にて駆動周期で振動する。
【００３２】
第４センサパッド４３からは、検出電極２８，３８によって構成される検出コンデンサの静電容量変化が出力される。
【００３３】
第５センサパッド４４には、一定電圧が入力される。この一定電圧によって、基部３９（センサチップ１０）の電位が一定に保たれる。
【００３４】
回路チップ５０は、図１に示すように、半導体基板５１と、該半導体基板５１の一面５１ａ側に構成された、センサチップ１０の出力信号を処理する回路部５２と、該回路部５２と電気的に接続されたパッド５３と、を有する。
【００３５】
回路部５２は、図３に示すように、振動子１９のｘ方向の振動状態（振動振幅）を検出するモニター回路５４と、駆動電圧を生成する駆動回路５５と、振動子１９のｙ方向の変位量（振動振幅）を検出する変位検出回路５６と、変位検出回路５６の出力信号を補正する補正回路５７と、を有する。
【００３６】
モニター回路５４、モニター梁２４，３３、及び、モニター電極２６，３６によって、特許請求の範囲に記載の振幅検出部が構成され、駆動回路５５、駆動梁２５，３４、及び、駆動電極２７，３７によって、特許請求の範囲に記載の駆動部が構成されている。また、変位検出回路５６、検出梁２９，３５、及び、検出電極２８，３８によって、特許請求の範囲に記載の変位検出部が構成され、補正回路５７が、特許請求の範囲に記載の補正部に相当する。
【００３７】
モニター回路５４は、第２センサパッド４１から入力されるモニターコンデンサの静電容量変化に基づいて、振動子１９のｘ方向の振動状態（振動振幅）を検出する。
【００３８】
駆動回路５５は、モニター回路５４の出力信号に基づいて、ｘ方向の振動振幅が一定となる駆動電圧（駆動力Ｆｄ）を生成し、生成した駆動電圧を第３センサパッド４２に入力する。このように、振動子１９の振動状態が、内圧や温度の変化などによって変化したとしても、振動子１９のｘ方向の振動状態は一定に保たれる。なお、駆動電圧は、変位検出回路５６にも入力される。
【００３９】
変位検出回路５６は、第４センサパッド４３から入力される検出コンデンサの静電容量変化に基づいて、振動子１９のｙ方向の変位量（振動振幅）を電気信号に変換する変換部５６ａと、駆動回路５５から入力される駆動電圧の駆動周期と同期して、変換部５６ａにて電気信号に変換された振動子１９のｙ方向の変位量を（以下、単に検出信号と示す）を、駆動周期における所定の位相にて検出する検波部５６ｂと、を有する。検波部５６ｂは、通常モードにて、検出信号をある位相にて検出（検波）し、補正モードにて、検出信号を異なる位相にて複数検出（検波）する。本実施形態では、図４に示すように、検波部５６ｂは、通常モードにて０ｄｅｇの検出信号を検波し、補正モードにて０ｄｅｇ，３０ｄｅｇ，４５ｄｅｇそれぞれの検出信号を検波する。０ｄｅｇにて検波した検出信号が、オフセット電圧に相当する。なお、本実施形態では、０ｄｅｇは、検出信号の振幅が最大となることが期待される位相として決定される。
【００４０】
補正回路５７は、補正モードにて検出された複数の検出信号に基づいて、通常モードにて検出された検出信号を補正し、補正した検出信号を外部に出力するものである。補正回路５７は、補正モードにて検出された複数の検出信号を記憶する記憶部５７ａと、記憶部５７ａに記憶された複数の検出信号に基づいて、通常モードにて検出された検出信号の温度特性を演算する演算部５７ｂと、演算部５７ｂの演算結果に基づいて、通常モードにて検出された検出信号の温度特性を補正する信号補正部５７ｃと、を有する。
【００４１】
演算部５７ｂは、記憶部５７ａに記憶された複数の検出信号に基づいて、検出信号と位相との相関関係を示す近似直線（図５に示す破線）を演算する。信号補正部５７ｃは、近似直線の傾きと切片とに基づいて、通常モードにて検出された検出信号の温度特性を補正する。具体的に言えば、信号補正部５７ｃは、図６に模擬的に示すオフセット電圧の温度特性を、図７に模擬的に示すように、オフセット電圧が温度に依存しないように補正しつつ、オフセット電圧をグランド電位に固定する。なお、オフセット電圧の温度特性は、近似直線の傾きに基づいて補正され、オフセット電圧の値は、近似直線の切片に基づいて補正される。
【００４２】
なお、回路部５２は、上記構成要素の他に、第１センサパッド４０にＤＣ電圧を入力するＤＣ電圧印加回路（図示略）と、第５センサパッド４４に一定電圧を入力する一定電圧生成回路（図示略）と、を有する。
【００４３】
パッド５３は、センサパッド１８に対応する回路パッド５８と、後述する内部端子７３と電気的に接続される外部パッド５９と、を有する。センサパッド１８と回路パッド５８とがバンプ６０を介して機械的及び電気的に接続され、内部端子７３と外部パッド５９とが配線６２を介して電気的に接続されている。
【００４４】
パッケージ７０は、図１に示すように、底部と側部とから成る凹状の収納部７１と、収納部７１の開口部を閉塞する蓋部７２と、を有する。収納部７１には、側部内面に設けられた内部端子７３と、側部内部に設けられた内部配線７４と、底部外面に設けられた外部端子７５と、が設けられている。上記したように、内部端子７３と外部パッド５９とが配線６２を介して電気的に接続されており、回路チップ５０の電気信号が、外部パッド５９、配線６２、内部端子７３、内部配線７４、及び、外部端子７５を介して、外部に出力される。なお、収納部７１と蓋部７２とは、機械的及び電気的に接続されている。
【００４５】
次に、角速度の検出原理について説明する。振動子１９が駆動力Ｆｄによってｘ方向に振動している状態で、ｚ方向に角速度が印加されると、ｙ方向に沿うコリオリ力Ｆｃが振動子１９に生じる。コリオリ力Ｆｃによって、振動子１９がｙ方向に変位すると、それに伴って、第１連結部２１を介して振動子１９と連結された変位部２０（第１検出電極２８）が、ｙ方向に変位する。この結果、検出電極２８，３８間の相対距離が変動し、検出コンデンサの静電容量が変化する。この静電容量変化が、第２検出電極３８に形成された第２センサパッド４１、バンプ６０、及び、パッド５３を介して、回路チップ５０に入力される。
【００４６】
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。変位検出回路５６の出力信号の位相δ（検波部５６ｂが検出する位相δ）は、ｘ方向への振動状態を表すＱｄ値、及び、ｙ方向への振動状態を表すＱｓ値に依存する。そして、これらＱｄ値とＱｓ値はパッケージ７０内の圧力（内圧）に依存し、内圧は温度に依存する。
【００４７】
これに対して、本実施形態では、検出信号を、異なる位相にて複数検出している。これはつまり、検出信号を、異なる温度にて複数検出していることに相当する。したがって、これら異なる位相にて検出された複数の検出信号に基づくことで、変位検出回路５６の出力信号の温度特性を補正することができる。
【００４８】
上記したように、本実施形態では、検出信号を異なる位相にて複数検出し、検出された複数の検出信号に基づいて、検出信号と位相との相関関係を示す近似直線を演算する。そして、近似直線の傾きと切片とに基づいて、検出信号の温度特性を補正する。具体的に言えば、近似直線の傾きに基づいて、オフセット電圧が温度に依存しないように補正し、近似直線の切片に基づいて、オフセット電圧をグランド電位に固定する。これによれば、複数の温度センサと温度可変素子を有し、これらによって、振動子の周囲温度が変化することを抑制する構成とは異なり、これら複数の素子がなくとも、検出信号の変動が補正される。そのため、本実施形態に係る角速度センサ１００の場合、検出信号の変動が補正されつつ、上記した比較構成と比べて、部品点数の増大が抑制される。
【００４９】
密閉空間の圧力は、１気圧よりも低い低圧状態となっている。この場合、Ｑｓ値及びＱｄ値の変動は、内圧が１気圧の場合と比べて大きくなる。したがって、上記したように、内圧変動による変位検出回路５６の出力信号の変動を補正する構成が好ましい。
【００５０】
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。
【００５１】
本実施形態では、検波部５６ｂは、補正モードにて０ｄｅｇ，３０ｄｅｇ，４５ｄｅｇそれぞれの検出信号を検波する例を示した。しかしながら、検波部５６ｂが、補正モードにて検波する位相が、上記例に限定されないことはもちろんである。例えば、補正モードにて、１ｄｅｇ刻みにて、０ｄｅｇから複数点測定しても良い。
【符号の説明】
【００５２】
１９・・・振動子
５５・・・駆動回路
５６・・・変位検出回路
５７・・・補正回路
１００・・・角速度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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