(57)【要約】【課題】振動子の大型化や信号処理回路の複雑化を防止しながら、回り込み駆動信号の影響を少なくすることができる角速度センサを得る。【解決手段】角速度センサ８０は、直交する２つの方向に可動な可動部１４を有する振動子１０を含む。可動部１４のＸ方向にある駆動電極２２およびモニター電極２４に、ＣＶ変換回路５２、位相調整回路５４、振幅調整回路５６からなる発振回路５０を接続する。可動部１４のＹ方向にある検出電極３８，４０に、ＣＶ変換回路６０，６２を接続し、これらのＣＶ変換回路６０，６２を角速度信号処理回路６４に接続する。振動子１０を設計する際に、駆動電極２２とモニター電極２４の間の静電結合容量Ｃｃをモニター電極２４の検出容量の１／３０以下となるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交する２つの方向に可動な少なくとも１つの可動部と、前記可動部を所定の駆動方向に振動させるための駆動信号が入力される少なくとも１つの駆動電極と、前記駆動信号による前記可動部の所定の方向の振動状態を静電容量変化に基づきモニターするための少なくとも１つのモニター電極と、前記駆動方向と直交する向きにおける前記可動部の振動状態を静電容量変化に基づき検出するための少なくとも１つの検出電極とを有する振動子、および
前記モニター電極から得られるモニター信号から前記駆動電極に入力される駆動信号を生成するための発振回路を含む角速度センサにおいて、
前記駆動電極と前記モニター電極の間の静電結合容量を前記モニター電極の検出容量の１／３０以下にしたことを特徴とする、角速度センサ。
【請求項２】
前記駆動電極と前記モニター電極との間に電気的遮蔽を設けることなく、前記駆動電極と前記モニター電極の間の静電結合容量を前記モニター電極の検出容量の１／３０以下にしたことを特徴とする、請求項１に記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、角速度センサに関し、特にたとえば、印加された角速度によって静電容量が変化する静電容量型の角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は、この発明の背景となる角速度センサに用いられる振動子の一例を示す斜視図である。振動子１０は、単結晶シリコン材料などで形成された基板１２を含む。基板１２上には、略矩形状の可動部１４が形成される。可動部１４の４つの端部からは、支持梁１６が延びるように形成される。支持梁１６は折り曲げられて、その先端部が基板１２に固定される。
【０００３】
可動部１４の一つの側部には、くし歯状の可動電極１８が形成される。この可動電極１８に対向して、駆動電極２２が形成される。駆動電極２２からは、可動電極１８と噛み合うように延びる固定電極２２ａが形成される。可動部１４における可動電極１８が形成されている側部と背向する側部には、くし歯状の可動電極２０が形成される。この可動電極２０に対向して、モニター電極２４が形成される。モニター電極２４からは、可動電極２０と噛み合うように延びる固定電極２４ａが形成される。
【０００４】
さらに、可動部１４の他の側部には、それぞれ可動電極３４，３６が形成される。これらの可動電極３４，３６に対向して、検出電極３８，４０が形成される。これらの検出電極３８，４０からは、可動電極３４，３６と噛み合うように延びる固定電極３８ａ，４０ａが形成される。
【０００５】
駆動電極２２およびモニター電極２４には、図７に示すように、発振回路５０が接続される。発振回路５０は、モニター電極２４で検出される静電容量の変化を電圧に変換するためのＣＶ変換回路５２を含み、このＣＶ変換回路５２がモニター電極２４に接続される。ＣＶ変換回路５２の出力端は、位相調整回路５４に接続され、さらに位相調整回路５４は振幅調整回路５６に接続される。そして、振幅調整回路５６の出力端が、駆動電極２２に接続される。
【０００６】
また、検出電極３８，４０には、それぞれＣＶ変換回路６０，６２が接続される。ＣＶ変換回路６０，６２では、検出電極３８，４０で検出される静電容量の変化が電圧に変換される。検出電極３８，４０で検出される静電容量の変化は、振動子１０に印加される角速度に対応するため、ＣＶ変換回路６０，６２からは、角速度に対応した信号が出力される。これらのＣＶ変換回路６０，６２から出力される信号が、角速度信号処理回路６４で処理されて、角速度信号として出力される。
【０００７】
この振動子１０においては、駆動電極２２に駆動信号を入力することにより、可動部１４が駆動電極２２とモニター電極２４とを結ぶ方向（図７のＸ方向）に振動する。可動部１４が振動すると、可動電極２０と固定電極２４ａとの対向面積が変化して、モニター電極２４で検出される静電容量が変化する。このモニター電極２４で検出される静電容量変化が、ＣＶ変換回路５２で電圧に変換される。このようにして電圧に変換された信号が、位相調整回路５４で位相調整され、さらに振幅調整回路５６で振幅調整されることにより、駆動信号が生成される。そして、この駆動信号が、駆動電極２２に入力される。このようにして、閉ループ発振回路が形成され、可動部１４は、Ｘ方向において、共振周波数で安定的に励振される。
【０００８】
可動部１４が励振された状態で、基板１２の面に直交する軸を中心として、振動子１２に角速度が印加されると、２つの検出電極３８，４０を結ぶ方向（図７のＹ方向）にコリオリ力が作用し、可動部１４がＹ方向に振動する。検出電極３８，４０においては、コリオリ力によって生じる可動部１４の変位に応じた静電容量変化が検出され、その静電容量変化がＣＶ変換回路６０，６２で電圧信号に変換される。電圧信号に変換された検出信号は、角速度信号処理回路６４において、たとえば差動増幅、同期検波、平滑、増幅などの工程を経て、角速度に応じた直流電圧信号に変換され、角速度信号として出力される。
【０００９】
ここで、ＣＶ変換回路６０としては、たとえば図８に示すように、オペアンプ７０を含む回路が用いられる。このオペアンプ７０の反転入力端に、振動子１０の検出電極３８が接続される。さらに、オペアンプ７０の出力端と反転入力端との間には、帰還抵抗７２が接続される。また、オペアンプ７０の非反転入力端は、基準電圧源７４を介して接地される。なお、ここで用いられている振動子１０の可動部１４は、支持梁１６を介して接地されているが、可動部１４は、基準電圧源７４と異なる電圧であれば、接地に限らず任意の定電圧源に接続することができる。
【００１０】
このＣＶ変換回路６０では、オペアンプ７０の非反転入力端に基準電圧源７４が接続されていることにより、イマジナリショートによって反転入力端が基準電圧源７４と同じ電圧に設定される。これにより、振動子１０の固定電極３８ａは、基準電圧源７４で設定した電圧値にバイアスされる。したがって、検出電極３８で検出される静電容量をＣ、固定電極３８ａへのバイアス電圧をＶｂ、帰還抵抗７２を流れる電流をｉ、時間をｔとすると、可動電極３４と固定電極３８ａとで構成される静電容量に蓄積される電荷量Ｑは、次式で表される。
Ｑ＝ＣＶｂ＝ｉｔ          ・・・（１）
振動子１０に角速度が印加され、コリオリ力による可動部１４の振動によって検出電極３８で検出される静電容量Ｃが変化すると、可動電極３４と固定電極３８ａとで構成される静電容量に蓄積される電荷量Ｑも変化する。このとき、バイアス電圧Ｖｂは、オペアンプ７０のイマジナリショートによって設定されているため、静電容量が変化しても変わらない。したがって、電荷量の変化ΔＱは、次式で表される。
ΔＱ＝ΔＣＶｂ            ・・・（２）
振動子１０の可動電極３４と固定電極３８ａとで構成される静電容量から放出または吸引された電荷ΔＱは、帰還抵抗７２を流れる電流Δｉとなる。したがって、次式が成り立つ。
ΔＱ＝Δｉｔ              ・・・（３）
ここで、時間ｔは、静電容量が変化する時間を示す。これは、可動部１４の励振周波数に等しい。帰還抵抗７２を流れる電流Δｉにより、ＣＶ変換回路６０の出力には、電圧変化ΔＶｏが発生する。ここで、帰還抵抗７２の抵抗値をＲとすると、出力の電圧変化ΔＶｏは、次式で表される。
ΔＶｏ＝ΔｉＲ            ・・・（４）
（２）、（３）、（４）式より、次式が導き出される。
ΔＶｏ＝ΔｉＲ＝ΔＣＶｂＲ／ｔ        ・・・（５）
このようにして、検出電極３８で検出される静電容量変化が電圧変化に変換される。他のＣＶ変換回路５２，６２においても、同様にしてモニター電極２４および検出電極４０で検出される静電容量変化が、電圧変化に変換される（特許文献１参照）。
【００１１】
このような振動子１０において、駆動電極２２とモニター電極２４の間の静電結合容量が大きいと、駆動信号がモニター電極から得られる信号に回り込む。この回り込み駆動信号がノイズとしてモニター信号に重畳されると、駆動信号の正確な制御ができず、可動部１４を正確に共振周波数で振動させることが難しくなる。
【００１２】
そこで、駆動電極２２とモニター電極２４の間の静電結合容量の影響を小さくするために、駆動電極２２およびモニター電極２４に接続されるワイヤと検出電極３８，４０に接続されるワイヤとの間に、これらのワイヤを電気的に遮断するための遮断用ワイヤを設ける技術が開示されている（特許文献２参照）。この遮断用ワイヤが、たとえばグランド電位などの所定の電位に接続され、図７に点線で示すように、振動子１０と各回路とを接続するワイヤが電気的に遮断される。
また、振動する脚を有する音叉を用いたジャイロスコープにおいて、駆動用電極と検出用電極との間に、電極間を静電的に遮蔽するための遮蔽部を設ける技術が開示されている（特許文献３参照）。
さらに、信号処理回路内に静電結合容量によって生じるノイズの影響を小さくするための手段を設ける技術が開示されている（特許文献４参照）。
【００１３】
【特許文献１】特開２００１−１５３６５９号公報
【特許文献２】特開２００２−１８８９２４号公報
【特許文献３】特開２００１−２０１３４８号公報
【特許文献４】特開２００４−２９４４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献２や特許文献３の技術では、遮断用のワイヤや遮蔽部などを別途設ける必要があり、振動子自体が大型化してしまう。また、特許文献４の技術では、振動子自体は大型化しないものの、信号処理回路が複雑化するという問題がある。
【００１５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、振動子の大型化や信号処理回路の複雑化を防止しながら、回り込み駆動信号の影響を少なくすることができる角速度センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明は、直交する２つの方向に可動な少なくとも１つの可動部と、可動部を所定の駆動方向に振動させるための駆動信号が入力される少なくとも１つの駆動電極と、駆動信号による可動部の所定の方向の振動状態を静電容量変化に基づきモニターするための少なくとも１つのモニター電極と、駆動方向と直交する向きにおける可動部の振動状態を静電容量変化に基づき検出するための少なくとも１つの検出電極とを有する振動子、およびモニター電極から得られるモニター信号から駆動電極に入力される駆動信号を生成するための発振回路を含む角速度センサにおいて、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量をモニター電極の検出容量の１／３０以下にしたことを特徴とする、角速度センサである。
このような角速度センサにおいて、駆動電極とモニター電極との間に電気的遮蔽を設けることなく、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量をモニター電極の検出容量の１／３０以下にすることが好ましい。
【００１７】
本発明者は、振動子の駆動電極とモニター電極の間に発生する静電結合容量を完全になくすのは不可能であるとしても、それがどの程度の大きさであれば、振動子に悪影響を与えるのかに注目した。そこで、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量と駆動信号安定性との関係を確認し、静電結合容量がモニター電極の検出容量の１／３０以下のとき、駆動信号安定性が良好で、可動部の振動状態が安定することが確認された。
なお、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量がモニター電極の検出容量の１／３０以下となるための電極配置構造は、シミュレーションにより容易に設計できるものであり、かつ幾通りものパターンがあるため、特定の電極配置構造に限定されるものではない。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、シミュレーションによって、振動子における電極配置構造を設計することにより、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量を小さくすることができ、可動部の振動状態が安定した振動子を得ることができる。そのため、角速度センサに印加された角速度に対応した検出信号を得ることができ、正確に角速度を検出することができる。また、振動子に別途ワイヤや遮蔽部などを設ける必要がなく、信号処理回路にも特別な回路を付加する必要がないため、振動子の大型化や信号処理回路の複雑化を防止することができる。
【００１９】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、この発明の角速度センサの一例を示す図解図である。角速度センサ８０は、図６に示す振動子１０を含む。振動子１０の駆動電極２２およびモニター電極２４には、図７に示す回路と同様に、ＣＶ変換回路５２、位相調整回路５４、振幅調整回路５６からなる発振回路５０が接続される。また、検出電極３８，４０には、それぞれＣＶ変換回路６０，６２が接続され、ＣＶ変換回路６０，６２は、角速度信号処理回路６４に接続される。
【００２１】
この角速度センサ８０においては、従来の角速度センサにおける振動子に設けられていたような、駆動電極２２およびモニター電極２４と発振回路５０とを接続するワイヤを電気的に遮蔽するための遮蔽用ワイヤは形成されていない。なお、角速度信号処理回路６４は、図７における従来の角速度信号処理回路と同じものである。
【００２２】
上述のように、この角速度センサ８０では、駆動電極２２およびモニター電極２４の間を遮蔽するための遮蔽用ワイヤが設けられていないため、図１に二点鎖線で静電容量を示すように、駆動電極２２およびモニター電極２４の間に静電結合容量Ｃｃが形成される。ここで、駆動電極２２、モニター電極２４、検出電極３８，４０などに連結される固定電極２２ａ，２４ａ，３８ａ，４０ａと、これらの電極と噛み合う可動電極１８，２０，３４，３６の電極配置構造については、シミュレーションにより設計され、駆動電極２２とモニター電極２４の間の静電結合容量Ｃｃがモニター電極２４の検出容量の１／３０以下となるように、電極配置構造が設計される。駆動電極２２とモニター電極２４の間の静電結合容量は、シミュレーションにより容易に設計することができ、静電結合容量Ｃｃがこのように設計されていれば、電極配置構造は限定されるものではない。
【００２３】
このような角速度センサ８０を用いて、駆動電圧過度特性を測定した。また、比較例として、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量がモニター電極の検出容量の１／３０より大きい振動子を用いて、駆動電圧過度特性を測定した。これらの測定結果を図２〜図５に示した。
【００２４】
図２は、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ｃｃが０の振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。また、図３は、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ｃｃがモニター電極の検出容量Ｃｍの１／３０である振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。また、図４は、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ｃｃがモニター電極の検出容量Ｃｍの１／１５である振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。また、図５は、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ｃｃがモニター電極の検出容量Ｃｍの１／７．５である振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。
【００２５】
図２および図３からわかるように、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ｃｃがモニター電極の検出容量Ｃｍの１／３０以下である場合、駆動電圧振幅は安定している。それに対して、図４および図５からわかるように、駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ｃｃがモニター電極の検出容量Ｃｍの１／３０より大きい場合、駆動電圧振幅は不安定となっている。
【００２６】
このように、駆動電極とモニター電極の静電結合容量を小さくすることにより、安定した駆動信号を得ることができ、可動部１４を正確に共振周波数で振動させることができる。そのため、角速度センサ８０に角速度が印加されたときに、正確に角速度に対応した信号を検出電極３８，４０から得ることができる。
【００２７】
さらに、この角速度センサ８０では、回り込み駆動信号の影響を少なくするために、別途ワイヤや遮蔽部材などを設ける必要がなく、信号処理回路に特別な回路を付加する必要もない。そのため、正確に角速度を検出することができるにもかかわらず、振動子の大型化や信号処理回路の複雑化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の角速度センサの一例を示す図解図である。
【図２】駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ｃｃが０の振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。
【図３】駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ｃｃがモニター電極の検出容量Ｃｍの１／３０である振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。
【図４】駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ｃｃがモニター電極の検出容量Ｃｍの１／１５である振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。
【図５】駆動電極とモニター電極の間の静電結合容量Ｃｃがモニター電極の検出容量Ｃｍの１／７．５である振動子を用いたときの駆動電圧過度特性である。
【図６】この発明の背景となる角速度センサに用いられる振動子の一例を示す斜視図である。
【図７】従来の角速度センサの一例を示す図解図である。
【図８】図７に示す角速度センサに用いられるＣＶ変換回路の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  振動子
１４  可動部
２２  駆動電極
２４  モニター電極
３８，４０  検出電極
５０  発振回路
５２  ＣＶ変換回路
５４  位相調整回路
５６  振幅調整回路
６０，６２  ＣＶ変換回路
６４  角速度信号処理回路
８０  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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【図８】
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