(57)【要約】  互いに逆相に駆動される２つの錘を備える角速度センサが搭載されたセンサチップを備え、駆動方向に垂直な方向の該２つの錘の振動に基づいて角速度を検出する角速度検出装置であって、センサチップに設けられ、センサチップの基板表面と平行な面内で１軸方向に振動可能な錘をそれぞれ有する２つの加速度センサを含み、２つの加速度センサは、センサチップの回転振動時には、２つの加速度センサの各錘が互いに逆位相で振動する一方、センサチップの併進振動時には、２つの加速度センサの各錘が互いに同位相で振動するような位置関係に配置されることを特徴とする。
2011074099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに逆相に駆動される２つの錘を備える角速度センサが搭載されたセンサチップを備え、前記駆動方向に垂直な方向の該２つの錘の振動に基づいて角速度を検出する角速度検出装置であって、
前記センサチップに設けられ、前記センサチップの基板表面と平行な面内で１軸方向に振動可能な錘をそれぞれ有する２つの加速度センサを含み、
前記２つの加速度センサは、前記センサチップの回転振動時には、前記２つの加速度センサの各錘が互いに逆位相で振動する一方、センサチップの併進振動時には、前記２つの加速度センサの各錘が互いに同位相で振動するような位置関係に配置されることを特徴とする、角速度検出装置。
【請求項２】
前記２つの加速度センサの検出軸は、共に、前記センサチップの回転振動中心点を通らず、且つ、互いに対して平行であり、
前記２つの加速度センサの検出軸に平行な直線であって、前記センサチップの回転振動中心点を通る直線を基準直線としたとき、前記２つの加速度センサは、該基準直線に関して互いに対して逆側に配置される、請求項１に記載の角速度検出装置。
【請求項３】
前記２つの加速度センサは、前記センサチップの回転振動中心点に関して点対称の位置に配置される、又は、前記基準直線に関して線対称の位置に配置される、請求項２に記載の角速度検出装置。
【請求項４】
前記２つの加速度センサの出力信号に基づいて、前記角速度センサの出力信号における前記センサチップの回転振動に起因した成分を除去する回転振動成分除去手段を備える、請求項１〜３のうちいずれか１項に角速度検出装置。
【請求項５】
前記回転振動成分除去手段は、前記２つの加速度センサの出力信号に基づいて、前記センサチップの回転振動を表すチップ回転信号を生成し、該チップ回転信号を前記角速度センサの出力信号から差し引くことで、前記除去を行う、請求項４に記載の角速度検出装置。
【請求項６】
前記回転振動成分除去手段は、前記２つの加速度センサの出力信号に基づいて、前記センサチップの回転振動を表すチップ回転信号を生成し、該チップ回転信号に基づいて、前記角速度センサの各錘に、前記センサチップの回転振動に起因した振動を抑制する方向の力を作用させることで、前記除去を行う、請求項４に記載の角速度検出装置。
【請求項７】
前記２つの加速度センサの検出軸は、前記角速度センサの前記駆動方向に平行である、請求項１〜６のうちいずれか１項に角速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに逆相に駆動される２つの錘を備える角速度センサが搭載されたセンサチップを備え、駆動方向に垂直な方向の該２つの錘の振動に基づいて角速度を検出する角速度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、冒頭に記載した種の角速度検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この角速度検出装置において、錘は２つ対称的に設けられており、これら２つの錘は、第１の方向へ逆相で励起振動されつつ、角速度に応じたコリオリ力によりその第１の方向と直交する第２の方向へ逆相で変位振動される。そして、２つの錘の変位差（すなわち、第２の方向における振動向きを含む変位位置差）を検出して、その変位差に基づいて第１の方向と直交しかつ第２の方向とも直交する所定軸周りの角速度を検出する。【０００３】
また、この種の角速度検出装置において、振動子が収容された収容部と、この収容部を支持する支持部と、さらにこの支持部を支持するとともにベース部材上に配置される弾性体とからなる防振装置を備え、コリオリの力が作用する方向若しくは振動子が振動する方向における防振装置の固有振動数を、角速度入力軸回りにおける防振装置の固有振動数よりも小さく設定する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５１２００４号公報
【特許文献２】特許第３０３７７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の種の角速度検出装置においては、角速度発生時に互いに逆相に変位振動する２つの錘の変位差に基づいて角速度が検出される。かかる構成においては、外乱振動等に起因して２つの錘が互いに同相に変位振動するときにはそれら２つの錘の間に変位差がほとんど生じなくなるため、角速度検出への外乱による影響が排除され、角速度の誤検出を極力抑制することが可能となる。【０００６】
しかしながら、センサチップ自体が駆動振動周波数と同じ周波数にて回転振動すると、そのときの角加速度により、２つの錘が対称振動（逆相に変位振動）し、あたかも角速度発生時のコリオリ力が作用しているかのような状態となる。このような状態は、上述の種の角速度検出装置において角速度の検出精度が悪化する要因となる。【０００７】
そこで、本発明は、かかるセンサチップの回転振動に起因した誤差要因を除去することができる角速度検出装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、互いに逆相に駆動される２つの錘を備える角速度センサが搭載されたセンサチップを備え、前記駆動方向に垂直な方向の該２つの錘の振動に基づいて角速度を検出する角速度検出装置であって、
前記センサチップに設けられ、前記センサチップの基板表面と平行な面内で１軸方向に振動可能な錘をそれぞれ有する２つの加速度センサを含み、
前記２つの加速度センサは、前記センサチップの回転振動時には、前記２つの加速度センサの各錘が互いに逆位相で振動する一方、センサチップの併進振動時には、前記２つの加速度センサの各錘が互いに同位相で振動するような位置関係に配置されることを特徴とする、角速度検出装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、センサチップの回転振動に起因した誤差要因を除去することができる角速度検出装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例による角速度検出装置１を組み込む電子部品実装パッケージ１０の一例の要部断面を示す断面図である。
【図２】図１の電子部品実装パッケージ１０におけるセンサチップ６０の要部を概略的に示す上面図である。
【図３】ヨーレート検出原理のモデルを示す図である。
【図４】ヨーレートセンサの振動子（錘）の特性を示す図である。
【図５】音叉構造のヨーレート検出部７０のヨーレート検出原理の説明図である。
【図６】図６（Ａ）は、２つの錘が対称振動した場合の各種波形を示す図であり、図６（Ｂ）は、２つの錘が同相振動した場合の各種波形を示す図である。
【図７】図２に示したセンサチップ６０を備える角速度検出装置１の一例のブロック図である。
【図８】２つの加速度センサ９０，９２が同一の極性を有する図７に示す角速度検出装置１で生成される各信号波形を示す図である。
【図９】２つの加速度センサ９０，９２が逆の極性を有する角速度検出装置１で生成される各信号波形を示す図である。
【図１０】図２に示したセンサチップ６０を備える角速度検出装置１のその他の一例のブロック図である。
【図１１】補正用駆動部４９による補正前と補正後の各錘７４ａ，７４ｂの変位信号を示す図である。
【図１２】図１０に示す角速度検出装置１で生成される各信号波形を示す図である。
【図１３】センサチップ６０におけるヨーレート検出部７０が加速度検出機能を有さない場合における各種バリエーションを示す図である。
【図１４】センサチップ６０におけるヨーレート検出部７０が加速度検出機能を有する場合における各種バリエーションを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１２】
図１は、本発明の一実施例による角速度検出装置１を組み込む電子部品実装パッケージ１０の一例の要部断面を示す断面図である。図２は、本実施例のセンサチップ（センサ基板）６０の要部を概略的に示す上面図である。
【００１３】
電子部品実装パッケージ１０は、パッケージ本体１７を備える。パッケージ本体１７は、底部と底部から立設された側壁により内部空間（キャビティ）１７ａを画成する。内部空間１７ａには、角速度検出装置１の各種の電子部品（後述のセンサチップ６０や制御ＩＣチップ４０）が収容される。内部空間１７ａの上方側は開口しており、蓋部材１６により覆われる。パッケージ本体１７は、セラミック材料のような任意の材料から構成されてよいし、若しくは、樹脂材料（例えばエポキシ樹脂）から構成されてもよい。
【００１４】
パッケージ本体１７は、複数のリードフレーム１４を備える。リードフレーム１４は、電導性を有する材料からなる。制御ＩＣチップ４０の各電極とリードフレーム１４とはワイヤ３２のワイヤボンディングにより電気的に接続される。
【００１５】
蓋部材１６は、電導性を有する材料（典型的には、金属材料）から形成される。蓋部材１６は、シールド機能を果たすため、図示しない接地構造により接地電位に接続されてもよい。
【００１６】
角速度検出装置１は、主に、制御ＩＣチップ４０、キャップ基板５０、及び、センサチップ６０を備える。
【００１７】
制御ＩＣチップ４０は、センサチップ６０のヨーレート検出部７０及び２つの加速度センサ９０，９２（共に後述）と電気的に接続され、センサチップ６０のヨーレート検出部７０及び加速度センサ９０，９２からの信号等を処理する機能等を有する集積回路（ＩＣ）を備える。例えば車両実装状態では、制御ＩＣチップ４０は、ワイヤ３２によりリードフレーム１４を介して外部の制御装置（図示せず）に接続される。制御ＩＣチップ４０の要部は、図７を参照して後述する。
【００１８】
キャップ基板５０は、センサチップ６０を下方から覆うように設けられ、センサチップ６０のヨーレート検出部７０及び加速度センサ９０，９２等の可動部を密封・保護する。また、キャップ基板５０は、グランド等の定電位に接続されることで、センサチップ６０のヨーレート検出部７０及び加速度センサ９０，９２を電気的に保護してもよい。即ち、キャップ基板５０は、電気的なシールド機能を備え、ヨーレート検出部７０及び加速度センサ９０，９２の安定的な動作を保証してもよい。尚、キャップ基板５０は、省略されてもよい。
【００１９】
センサチップ６０は、後述のヨーレート検出部７０が一方の側に形成される基板を備える。図示の例では、センサチップ６０は、ヨーレート検出部７０の設置側が、キャップ基板５０側になるように、キャップ基板５０上に配置される。尚、センサチップ６０は、ヨーレート検出部７０の設置側が上側になるように配置されてもよく、この場合、センサチップ６０の上方側を覆うようにキャップ基板５０が設けられてよい。また、センサチップ６０及び制御ＩＣチップ４０は、必ずしも積層構造である必要はなく、横並びに配置されてもよい。
【００２０】
センサチップ６０は、例えば車両に搭載されるヨーレートセンサとして機能するものであってよい。この場合、センサチップ６０は、搭載される車両に生ずる車体前後方向又は車幅方向の加速度に応じた信号を出力する加速度センサと、車両の重心軸回りに生ずる角速度に応じた信号を出力するヨーレートセンサとを一体的に構成してもよい（図２参照）。この場合、電子部品実装パッケージ１は、センサチップ６０を一体に構成した車両制御用センサユニットとして具現化される。この場合、電子部品実装パッケージ１は、センサチップ６０等を内部に実装した状態で、車両の重心位置付近（フロアトンネル等）に設けられ、センサチップ６０は、当該搭載位置に発生するヨーレート及び加速度を検出する。検出されたヨーレート及び加速度は、例えば、横滑り等を防止して車両の挙動を安定化させる車両走行制御に利用されてよい。
【００２１】
本実施例では、センサチップ６０は、ヨーレート検出部７０に加えて、２つの加速度センサ９０，９２を備える。センサチップ６０は、典型的には、SOI（Silicon on Insulator）ウェーハを用いたマイクロマシーン技術によって製造される。この場合、２つの加速度センサ９０，９２は、検出軸に沿って振動可能な錘（振動子）とばねを備え、ヨーレート検出部７０と共にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成される。２つの加速度センサ９０，９２の配置位置の詳細については後述する。
【００２２】
センサチップ６０は、一般的に、図２に示すような、左右の錘７４ａ，７４ｂがリンクばね７８によって結合される音叉構造のヨーレート検出部７０を有する。錘７４ａ，７４ｂは、センサチップ基板表面から浮いた状態でＸ軸方向対称位置に配置される。錘７４ａ、７４ｂは、駆動フレーム７２に、Ｙ軸方向に振動可能な検出ばね７７を介して接続される。駆動フレーム７２は、Ｘ軸方向に振動可能な駆動ばね７１を介して固定部７５（センサチップ基板に対して固定された部分）に接続される。尚、このようなセンサチップ６０のヨーレート検出部７０の構造は、上述のような左右の錘（振動子）がリンクばねによって結合される音叉構造である限り、任意であってよい。例えば、ヨーレート検出部７０の詳細は、例えば特開２００６−２４２７３０公報に記載された構造（但し、ダンピング部は省略可）が採用されてもよい。
【００２３】
図３及び図４は、ヨーレート検出部７０におけるヨーレート検出原理の説明図であり、図３は、ヨーレート検出原理のモデルを示し、ヨーレートセンサの錘の特性を示す図である。
【００２４】
錘に一定振幅の駆動振動（Ｘ軸方向）を与えた状態で角速度が働くと、駆動振動と角速度回転軸（Ｚ軸）に垂直な方向（Ｙ軸方向）にコリオリ力が働き、検出方向（Ｙ軸方向）に検出振動が励起される。この検出振動の振幅に基づいて角速度が検出される。一般的には、図４に示すように、錘の駆動振動と検出振動の共振周波数は一定量離される。また、駆動振動は、その共振周波数にて駆動される。検出振動は、駆動周波数に同期するため、検出は、検出振動の共振ピークからやや離れた周波数（離調周波数）にて検出する。検出の共振ピークが高い（Ｑ値が高い）ほど、且つ離調周波数が小さいほどセンサ素子感度が高くなる。
【００２５】
図５は、音叉構造のヨーレート検出部７０のヨーレート検出原理の説明図であり、図６（Ａ）は、２つの錘７４ａ，７４ｂが対称振動した場合の各種波形を示す図であり、図６（Ｂ）は、２つの錘７４ａ，７４ｂが同相振動した場合の各種波形を示す図である。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）では、上から順に、第１の錘７４ａの振動変位Ａ１の波形、第２の錘７４ｂの振動変位Ａ２の波形、角速度信号（Ａ１−Ａ２）の波形、及び、加速度信号（Ａ１＋Ａ２）の波形が示される。
【００２６】
音叉構造では、２つの錘７４ａ，７４ｂが対称振動となるため、コリオリ力も対称方向に作用する（図６（Ａ）参照）。一方、車両振動（除く回転振動）は、図６（Ｂ）に示すように、２つの錘に対して同一方向に働くため（同相のため）、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、コリオリ力と車両振動とを区別することができる。
【００２７】
しかしながら、このような音叉構造のヨーレート検出部７０であっても、センサチップ６０自体が駆動振動周波数と同一の周波数にて回転振動すると、そのときの角加速度により、２つの錘が対称振動（逆相に変位振動）し、あたかも角速度発生時のコリオリ力が作用しているかのような状態（図６（Ａ）及び図８参照）となり、角速度の誤検出（角速度検出精度の悪化）の要因となる。
【００２８】
そこで、本発明では、以下で詳説するように、センサチップ６０の回転振動を検出する２つの加速度センサ９０，９２が設けられる。これにより、２つの加速度センサ９０，９２の検出信号に基づいて、角速度の誤検出（角速度検出精度の悪化）を適切に防止することができる。
【００２９】
原理的には、２つの加速度センサ９０，９２は、センサチップ６０の回転振動とセンサチップ６０の併進振動とを区別可能な態様でセンシングできるような位置関係に配置される。即ち、加速度センサ９０及び９２は、センサチップ６０の回転振動時には、各錘が互いに逆位相で変位（振動）する一方、センサチップ６０の併進振動時（回転振動を除く車両振動時）には、各錘が互いに同位相で変位（振動）するような位置関係となるように、配置される。
【００３０】
具体的には、２つの加速度センサのうちの一方の加速度センサ９０又は９２の検出軸に平行な直線であって、センサチップ６０の回転振動中心点Ｇを通る直線（以下、「基準直線Ｌ」という）を想定したとき、他方の加速度センサ９２又は９０は、該基準直線Ｌに関して一方の加速度センサ９０又は９２とは逆側に配置される。また、２つの加速度センサ９０，９２は、それらの検出軸がセンサチップ６０の回転振動中心点Ｇを通らないように配置される。また、２つの加速度センサ９０，９２の検出方向は、好ましくは、互いに平行である。
【００３１】
ここで、回転振動中心点Ｇとは、センサチップ６０の回転振動する際の中心点である。回転振動中心点Ｇは、設計上、センサチップ６０の単品での重心位置に対応させてもよい。或いは、回転振動中心点Ｇは、設計上、センサチップ６０及び制御ＩＣチップ４０（及び存在する場合はキャップ基板５０）を含めた組立体の重心位置に対応させてもよい。或いは、回転振動中心点Ｇは、センサチップ６０の車両搭載状態における実際のセンサチップ６０の回転振動中心であってもよい。この場合、回転振動中心は、解析や実験等により決定されてもよい。また、複数の回転振動モードに依存して複数の回転振動中心点が存在する場合は、所望の１つの回転振動モードをターゲットにして回転振動中心点Ｇが決定されてもよい。尚、センサチップ６０のヨーレート検出部７０の中心は、回転振動中心点Ｇ付近に存在するが、必ずしも回転振動中心点Ｇに一致する必要はない。他言すると、ヨーレート検出部７０の各錘７４ａ，７４ｂ及びそれぞれの検出方向（本例ではＹ方向）が、２つの加速度センサ９０，９２と同様の条件を満たすような関係で配置されていれば、角速度成分変位信号（各錘７４ａ，７４ｂの変位信号の差）がセンサチップ６０の回転振動の影響を受けることになる。
【００３２】
図２に示す例では、加速度センサ９０の検出方向は、Ｘ軸に平行であり、センサチップ６０の回転振動中心点Ｇを通る基準直線Ｌは、図２に示すように、回転振動中心点Ｇを通り且つＸ軸に平行な直線となる。このとき、他方の加速度センサ９２は、図２に示すように、基準直線Ｌに関して加速度センサ９０とは逆側（図中では基準直線Ｌより下側）に配置される。
【００３３】
従って、図２に示す例では、加速度センサ９０及び９２は、センサチップ６０の回転振動時には、基準直線Ｌの方向（Ｘ軸方向）において逆位相で変位する一方、センサチップ６０の併進振動時には、基準直線Ｌの方向（Ｘ軸方向）において同位相で変位する。このようにして、２つの加速度センサ９０，９２の検出信号の位相関係を監視することでセンサチップ６０の回転振動をモニタすることができる。
【００３４】
特に、図２に示す例では、２つの加速度センサ９０，９２は、センサチップ６０の回転振動時に互いに逆相の加速度成分であって、同一の大きさの加速度成分をセンシングできるような位置関係に配置される。具体的には、２つの加速度センサ９０，９２は、センサチップ６０の回転振動中心点Ｇに関して点対称となる位置関係で配置されている。従って、センサチップ６０の回転振動時には、基準直線Ｌの方向において逆位相で且つ同一の大きさの変位で変位する一方、センサチップ６０の併進振動時には、基準直線Ｌの方向において同位相で且つ同一の大きさの変位で変位する。従って、この場合、２つの加速度センサ９０，９２の検出信号の差分を取ることで、センサチップ６０の回転振動を表す信号（チップ回転信号）を抽出することができる。尚、ここでは、説明の複雑化の防止のために、２つの加速度センサ９０，９２は、特に言及しない限り同一方向の極性を有するものと想定しているが、逆の極性を有してもよい。この場合は、２つの加速度センサ９０，９２の検出信号を加算することで、センサチップ６０の回転振動を表す信号（チップ回転信号）を抽出することができる（図９参照）。
【００３５】
ここで、加速度センサ９０，９２における点対称の基準位置は、加速度センサ９０，９２の錘（図示せず）の位置である。即ち、加速度センサ９０，９２の錘の振動中心位置（中立位置）が、回転振動中心点Ｇに関して点対称となる位置関係で配置される。
【００３６】
尚、図２に示す例では、２つの加速度センサ９０，９２は、センサチップ６０の回転振動中心点Ｇに関して点対称となる位置関係で配置されているが、２つの加速度センサ９０，９２のセンサチップ６０の回転振動中心点Ｇからの距離は、原理上必ずしも同一である必要はない。
【００３７】
図７は、図２に示したセンサチップ６０を備える角速度検出装置１の一例のブロック図である。
【００３８】
制御ＩＣチップ４０は、ヨーレート検出部７０の各錘７４ａ，７４ｂに接続されるセンサ励振駆動部４２及び変位検出部４３と、角速度信号処理部４４と、Ｙ軸加速度信号処理部４５と、加速度センサ９０，９２の各錘９０ａ，９２ａに接続される変位検出部４６と、チップ回転検出信号処理部４７と、Ｘ軸加速度信号処理部４８とを含む。
【００３９】
センサ励振駆動部４２は、ヨーレート検出部７０の各錘７４ａ，７４ｂのＸ軸方向への駆動振動を励起させるための励起駆動信号を各錘７４ａ，７４ｂの駆動電極部へ供給すると共に、各錘７４ａ，７４ｂのＸ軸方向への駆動振動の状態を示す励起駆動モニタ信号を受信する。変位検出部４３は、各錘７４ａ，７４ｂのＹ軸方向の各変位に応じた変位信号をそれぞれ受信すると共に、検出した各錘７４ａ，７４ｂのＹ軸方向の各変位を示す変位信号をそれぞれ角速度信号処理部４４及びＹ軸加速度信号処理部４５の双方へ供給する。Ｙ軸加速度信号処理部４５は、変位検出部４３からの各錘７４ａ，７４ｂに係る各変位信号が入力される加算器を備え、これらの各変位信号を加算することで、各錘７４ａ，７４ｂのＹ軸方向の加速度の成分を示す加速度成分変位信号を生成する。このようにして生成された加速度成分変位信号は、Ｙ軸方向の加速度を表す信号（Ｙ軸加速度信号）として利用される。
【００４０】
変位検出部４６は、加速度センサ９０，９２の各錘９０ａ，９２ａのＸ軸方向の各変位に応じた変位信号をそれぞれ受信すると共に、検出した各錘９０ａ，９２ａのＸ軸方向の各変位を示す変位信号をそれぞれチップ回転検出信号処理部４７及びＸ軸加速度信号処理部４８の双方へ供給する。Ｘ軸加速度信号処理部４８は、変位検出部４６からの各錘９０ａ，９２ａに係る各変位信号が入力される加算器を備え、これらの各変位信号を加算することで、各錘９０ａ，９２ａのＸ軸方向の加速度の成分を示す加速度成分変位信号を生成する。このようにして生成された加速度成分変位信号は、Ｘ軸方向の加速度を表す信号（Ｘ軸加速度信号）として利用される。これにより、上述のＹ軸加速度信号とＸ軸加速度信号とに基づいて、２軸の加速度を検出することができる。
【００４１】
チップ回転検出信号処理部４７は、変位検出部４６からの各錘９０ａ，９２ａに係る各変位信号が入力される減算器を備え、これらの各変位信号を減算することで、センサチップ６０の回転振動を表す信号（チップ回転信号）を生成する。このようにして生成されたチップ回転信号は、角速度信号処理部４４に供給される。
【００４２】
角速度信号処理部４４は、変位検出部４６からの各錘９０ａ，９２ａに係る各変位信号が入力される減算器と、該減算器からの出力信号及びチップ回転検出信号処理部４７からのチップ回転信号が入力される減算器とを備える。これにより、角速度信号処理部４４は、変位検出部４６からの各錘９０ａ，９２ａに係る各変位信号の差を表す信号（角速度成分変位信号）を生成し、当該角速度成分変位信号からチップ回転信号を減算することで、補正後の角速度成分変位信号を生成する。このようにして生成された補正後角速度成分変位信号は、Ｚ軸回りの角速度を表す信号（角速度信号）として利用される。
【００４３】
図８は、図７に示す角速度検出装置１で生成される各信号波形を示す図であり、図の左側（Ａ）は、角速度が発生した場合の各信号波形を示す図であり、図の右側（Ｂ）は、センサチップ６０が回転振動した場合の各信号波形を示す図である。図８（Ａ）及び（Ｂ）では、上から順に、ヨーレート検出部７０の錘７４ａの変位信号Ａ１の時系列波形、ヨーレート検出部７０の錘７４ｂの変位信号Ａ２の時系列波形、角速度成分変位信号（Ａ１−Ａ２）の時系列波形、Ｙ軸加速度信号（Ａ１＋Ａ２）の時系列波形、加速度センサ９０の錘９０ａの変位信号Ｂ１の時系列波形、加速度センサ９２の錘９２ａの変位信号Ｂ２の時系列波形、チップ回転信号（Ｂ１−Ｂ２）の時系列波形、Ｘ軸加速度信号（Ｂ１＋Ｂ２）の時系列波形、及び、角速度信号（補正後角速度成分変位信号）（＝（Ａ１−Ａ２）−（Ｂ１−Ｂ２））の時系列波形をそれぞれ示す。
【００４４】
図８（Ａ）に示すように、検出対象の角速度が発生した場合は、加速度センサ９０、９２の変位信号Ｂ１，Ｂ２は実質的にゼロであり、従って、角速度信号（補正後角速度成分変位信号）は、角速度成分変位信号（Ａ１−Ａ２）と実質的に同一である。従って、検出対象の角速度が発生した場合は、ヨーレート検出部７０からの角速度成分変位信号は、加速度センサ９０、９２の変位信号による影響を実質的に受けない。
【００４５】
図８（Ｂ）に示すように、検出対象でないセンサチップ６０の回転振動が発生した場合、その際の角加速度の影響により、２つの錘９０ａ，９２ａが対称振動（逆相に変位振動）し、あたかもコリオリ力が作用しているかのような状態となる。即ち、図８（Ａ）及び（Ｂ）を対照して分かるように、センサチップ６０の回転振動が発生した場合も、検出対象の角速度が発生した場合と同様の変位信号Ａ１、Ａ２が生成され、その結果、検出対象の角速度が発生した場合と同様の角速度成分変位信号が生成される。このように、センサチップ６０の回転振動が発生した場合は、本来ゼロであるべき角速度成分変位信号がゼロでなく、角速度の発生を表す波形となってしまう。この角速度成分変位信号は、検出対象の角速度を表すものでないので、そのまま使用すべきでない。この点、本実施例では、この角速度成分変位信号は、上述の如く、チップ回転信号により補正され（＝（Ａ１−Ａ２）−（Ｂ１−Ｂ２））、角速度信号（補正後角速度成分変位信号）が生成される。この補正後の角速度信号は、図８（Ｂ）に示すように、実質的にゼロである。このようにして、本実施例によれば、検出対象でないセンサチップ６０の回転振動が発生した場合でも、検出対象の角速度を精度良く表す角速度信号を生成することができる。
【００４６】
尚、本実施例においては、角速度成分変位信号（Ａ１−Ａ２）と、チップ回転信号（Ｂ１−Ｂ２）とを生成した上で、角速度成分変位信号（Ａ１−Ａ２）からチップ回転信号（Ｂ１−Ｂ２）を減算して、最終的な角速度信号（補正後角速度成分変位信号）を生成しているが、等価的に同一の角速度信号を得る方法は、多種多様に存在する。例えば、信号（Ａ１−Ｂ１）と、信号（Ａ２−Ｂ２）とを生成した上で、信号（Ａ１−Ｂ１）から信号（Ａ２−Ｂ２）を減算して、最終的な角速度信号を生成してもよい。
【００４７】
また、本実施例においては、２つの加速度センサ９０，９２のセンサチップ６０の回転振動中心点Ｇからの距離が同一であるので、チップ回転信号は、単に（Ｂ１−Ｂ２）により導出しているが、２つの加速度センサ９０，９２のセンサチップ６０の回転振動中心点Ｇからの距離が異なる場合は、チップ回転信号は、（Ｂ１−Ｋ１×Ｂ２）により導出されてもよい。Ｋ１は、２つの加速度センサ９０，９２のセンサチップ６０の回転振動中心点Ｇからの各距離の比に基づいて設定される定数である。また、同様の観点から、補正後角速度成分変位信号は、（Ａ１−Ａ２）−Ｋ２×（Ｂ１−Ｋ１×Ｂ２）により導出されてもよい。Ｋ２は、加速度センサ９０のセンサチップ６０の回転振動中心点Ｇからの距離と、ヨーレート検出部７０の錘７４ａ又は７４ｂのセンサチップ６０の回転振動中心点Ｇからの距離（錘７４ａ、７４ｂのどちらも同一距離であると仮定）との比に基づいて設定される定数である。
【００４８】
図９は、２つの加速度センサ９０，９２が逆の極性を有している場合の角速度検出装置１で生成される各信号波形を示す図であり、図の左側（Ａ）は、角速度が発生した場合の各信号波形を示す図であり、図の右側（Ｂ）は、センサチップ６０が回転振動した場合の各信号波形を示す図である。即ち、図９では、図８と異なり（図８は、２つの加速度センサ９０，９２が同一の極性を有している場合に関する）、２つの加速度センサ９０，９２が逆の極性を有している場合（即ち、２つの加速度センサ９０，９２の検出軸の正負方向が逆である場合）の各信号波形を示す図である。
【００４９】
この場合は、上述の如く、２つの加速度センサ９０，９２の変位信号Ｂ１，Ｂ２を加算することで、チップ回転信号（Ｂ１＋Ｂ２）を抽出することができる。そして、ヨーレート検出部７０の角速度成分変位信号（Ａ１−Ａ２）から、チップ回転信号（Ｂ１＋Ｂ２）を減算することで、補正後角速度成分変位信号である角速度信号（＝（Ａ１−Ａ２）−（Ｂ１＋Ｂ２））を得ることができる。尚、上述の定数Ｋ１やＫ２を用いてもよいことは、２つの加速度センサ９０，９２が同一の極性を有している場合と同様である。
【００５０】
図１０は、角速度検出装置１のその他の一例のブロック図である。図１０に示す例は、図７に示した例に対して、角速度信号処理部４４の構成と補正用駆動部４９を備える点が主に異なる。以下では、図１０に示す例に特有の構成について重点的に説明し、他の構成は、図７に示した例と同様であってよい。
【００５１】
角速度信号処理部４４は、変位検出部４６からの各錘９０ａ，９２ａに係る各変位信号が入力される減算器を備え、変位検出部４６からの各錘９０ａ，９２ａに係る各変位信号の差を表す信号（角速度成分変位信号）を生成する。このようにして生成された角速度成分変位信号は、Ｚ軸回りの角速度を表す信号（角速度信号）として利用される。
【００５２】
チップ回転検出信号処理部４７は、変位検出部４６からの各錘９０ａ，９２ａに係る各変位信号が入力される減算器を備え、これらの各変位信号を減算することで、センサチップ６０の回転振動を表す信号（チップ回転信号）を生成する。このようにして生成されたチップ回転信号は、補正用駆動部４９に供給される。
【００５３】
補正用駆動部４９は、チップ回転信号に基づいて、センサチップ６０の回転振動に起因した変位成分が無くなるように、ヨーレート検出部７０の各錘７４ａ，７４ｂをＹ軸方向で駆動する。この駆動方法は、例えば静電力（電極）、圧電素子、電磁力等を利用して実現されてもよい。
【００５４】
例えば、静電力を用いる場合、センサチップ６０のヨーレート検出部７０は、各錘７４ａ，７４ｂをＹ軸方向で駆動するための駆動電極を有する。駆動電極は、例えば通常のサーボ検出機能を備える構成のサーボ電極と共通であってもよいし、かかるサーボ電極が存在しない場合は、かかるサーボ電極と同様の構成を新たに設けてもよい。また、駆動電極は、サーボ電極に加えて新たに設定されてもよい。駆動電極の構造及びその関連構成は、任意であるが、例えば特開２００９−４７６４９公報に開示されるようなダンピング電極部の構造及びその関連構成と同様であってよい。
【００５５】
図１１は、補正用駆動部４９による補正前と補正後の各錘７４ａ，７４ｂの変位信号を示す図である。図１２は、図１０に示す角速度検出装置１で生成される各信号波形を示す図であり、図の左側（Ａ）は、角速度が発生した場合の各信号波形を示す図であり、図の右側（Ｂ）は、センサチップ６０が回転振動した場合の各信号波形を示す図である。
【００５６】
図１２（Ａ）及び（Ｂ）では、上から順に、ヨーレート検出部７０の錘７４ａの変位信号Ａ１の時系列波形、ヨーレート検出部７０の錘７４ｂの変位信号Ａ２の時系列波形、角速度成分変位信号（Ａ１−Ａ２）の時系列波形、Ｙ軸加速度信号（Ａ１＋Ａ２）の時系列波形、加速度センサ９０の錘９０ａの変位信号Ｂ１の時系列波形、加速度センサ９２の錘９２ａの変位信号Ｂ２の時系列波形、チップ回転信号（Ｂ１−Ｂ２）の時系列波形、及び、Ｘ軸加速度信号（Ｂ１＋Ｂ２）の時系列波形をそれぞれ示す。
【００５７】
補正用駆動部４９は、チップ回転信号（Ｂ１−Ｂ２）（図１２参照）に基づいて、センサチップ６０の回転振動に起因した変位成分が無くなるような補正用駆動信号を生成し、該生成した補正用駆動信号を各錘７４ａ，７４ｂの駆動電極に供給する。例えば、錘７４ａに対する補正用駆動信号Ｃ１は、Ｃ１＝α１×（Ｂ１−Ｂ２）として生成され、錘７４ａに対する補正用駆動信号Ｃ２は、Ｃ２＝−α２×（Ｂ１−Ｂ２）として生成されてもよい。ここで、α１、α２は、定数であり、それぞれ、（Ａ１'−Ｃ１）及び（Ａ２'−Ｃ２）がゼロになるように適合される。Ａ１'及びＡ２'は、図１１に示すように、補正前の各錘７４ａ，７４ｂに係る各変位信号である。従って、センサチップ６０の回転振動が発生した場合でも、補正後の各錘７４ａ，７４ｂに係る各変位信号は、図１１及び図１２に示すように、実質的にゼロとなる。即ち、センサチップ６０の回転振動に起因した変位成分が除去される。このようにして、本実施例によれば、センサチップ６０の回転振動が発生した場合でも、検出対象の角速度を精度良く表す角速度信号を生成することができる。
【００５８】
次に、図１３以降を参照して、センサチップ６０における加速度センサ９０，９２（及び第３の加速度センサ９４等）の配置方法のバリエーションについて説明する。
【００５９】
加速度センサ９０，９２は、上述の如く、次の条件を満たすように配置されるのが望ましい。２つの加速度センサ９０，９２は、それらの検出軸がセンサチップ６０の回転振動中心点Ｇを通らず、２つの加速度センサ９０，９２の検出方向は、互いに平行であり、且つ、基準直線Ｌに関して互いに逆側（図１３等のエリア２又はエリア１参照）に位置する。尚、この場合、基準直線Ｌとは、上述の如く、２つの加速度センサ９０，９２の検出軸に平行な直線であって、センサチップ６０の回転振動中心点Ｇを通る直線である。
【００６０】
このような条件を満たす２つの加速度センサ９０，９２のバリエーションは、膨大に存在する。従って、以下では、あくまで代表的なバリエーションについてのみ説明する。
【００６１】
図１３は、センサチップ６０におけるヨーレート検出部７０が加速度検出機能を有さない場合（即ちヨーレート検出部７０がヨーレート検出機能のみを有する場合）における各種バリエーションを示す図である。
【００６２】
加速度センサ９０，９２は、図１３（Ａ）に示すように、回転振動中心点Ｇに関して点対称、且つ、基準直線Ｌに線対称に配置されてもよい。また、加速度センサ９０，９２は、図１３（Ｂ）に示すように、回転振動中心点Ｇに関して点対称に配置されてもよい。また、加速度センサ９０，９２は、図１３（Ｃ）に示すように、基準直線Ｌに線対称に配置されてもよい。
【００６３】
尚、図１３に示す各例では、加速度センサ９０、９２の検出方向は、Ｙ軸方向に平行であるが、Ｙ軸方向に対して傾斜してもよい。ここで、回転振動の検出感度を高める観点からは、加速度センサ９０，９２の検出方向は、好ましくは、加速度センサ９０，９２（の各錘）と回転振動中心点Ｇを結ぶ直線に対して、４５度〜９０度をなす。尚、加速度センサ９０，９２の検出方向と、加速度センサ９０，９２（の各錘）と回転振動中心点Ｇを結ぶ直線とのなす角度が、９０度となる場合、回転振動の検出感度が最大となる。但し、原理上、加速度センサ９０，９２の検出方向と、加速度センサ９０，９２（の各錘）と回転振動中心点Ｇを結ぶ直線とのなす角度は、０度よりも大きければよい。他方、加速度センサ９０，９２の検出方向を、検出したい加速度の方向に平行に設定することも現実的な選択肢である。但し、２つの加速度センサ９０，９２の検出信号を、専ら上述の角速度補正処理に利用する構成も可能である。また、加速度センサ９０，９２の検出方向は、必ずしもヨーレート検出部７０の検出方向（検出振動方向）と平行である必要はない。
【００６４】
尚、図１３（Ｂ）に示すように、任意的に、２つの加速度センサ９０，９２に加えて、第３の加速度センサ９４を設けることも可能である。この場合、第３の加速度センサ９４は、２つの加速度センサ９０，９２の検出方向に直交するような検出方向を有してよい。この場合、２軸の加速度の検出が可能となる。尚、第３の加速度センサ９４は、図１３（Ａ）及び図１３（Ｃ）において設けられてもよい。
【００６５】
図１４は、センサチップ６０におけるヨーレート検出部７０が加速度検出機能を有する場合（即ち、図２等で示した例と同様、ヨーレート検出部７０が１軸ヨーレートセンサと１軸加速度センサの一体型センサである場合）における各種バリエーションを示す図である。図１４に示す例では、ヨーレート検出部７０による加速度検出方向は、Ｘ軸方向である。
【００６６】
加速度センサ９０，９２は、図１４（Ａ）に示すように、回転振動中心点Ｇに関して点対称、且つ、基準直線Ｌに線対称に配置されてもよい。また、加速度センサ９０，９２は、図１４（Ｂ）に示すように、回転振動中心点Ｇに関して点対称に配置されてもよい。また、加速度センサ９０，９２は、図１４（Ｃ）に示すように、ヨーレート検出部７０と同様の長さ（Ｙ軸方向の長さ）で構成され、ヨーレート検出部７０と横並びに配置されてもよい。図１４（Ｃ）に示す例では、加速度センサ９０，９２の錘の変位時における検出電極の容量変化量を大きくすることができるので、検出精度が向上する。
【００６７】
図１４に示す各例では、加速度センサ９０，９２の検出方向は、ヨーレート検出部７０による加速度検出方向と直交する。これにより、２軸の加速度の検出が可能となる。また、図１４（Ｂ）に示すように、任意的に、２つの加速度センサ９０，９２に加えて、第３の加速度センサ９４及び第４の加速度センサ９６を設けることも可能である。この場合、第３の加速度センサ９４及び第４の加速度センサ９６は、２つの加速度センサ９０，９２の検出方向に直交するような検出方向を有してよい。この場合、２軸の加速度の冗長的な検出が可能となる。尚、第３の加速度センサ９４及び第４の加速度センサ９６は、図１４（Ａ）及び図１４（Ｃ）において設けられてもよい。
【００６８】
また、図１４に示す各例では、加速度センサ９０、９２の検出方向は、Ｙ軸方向に平行であるが、Ｙ軸方向に対して傾斜してもよい。ここで、回転振動の検出感度を高める観点からは、加速度センサ９０，９２の検出方向は、好ましくは、加速度センサ９０，９２（の各錘）と回転振動中心点Ｇを結ぶ直線に対して、４５度〜９０度をなす。尚、加速度センサ９０，９２の検出方向と、加速度センサ９０，９２（の各錘）と回転振動中心点Ｇを結ぶ直線とのなす角度が、９０度となる場合、回転振動の検出感度が最大となる（図２や図１４（Ａ）参照）。但し、原理上、加速度センサ９０，９２の検出方向と、加速度センサ９０，９２（の各錘）と回転振動中心点Ｇを結ぶ直線とのなす角度は、０度よりも大きければよい。他方、加速度センサ９０，９２の検出方向を、検出したい加速度の方向に平行に設定することも現実的な選択肢である。また、加速度センサ９０，９２の検出方向は、必ずしもヨーレート検出部７０の検出方向（検出振動方向）と平行である必要はない。
【００６９】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００７０】
例えば、上述の実施例は、本発明が車両に適用された場合に関するものであるが、本発明は、車両以外にも航空機や船舶等に搭載される角速度検出装置にも有用に適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１    角速度検出装置
１０    電子部品実装パッケージ
１４    リードフレーム
１６    蓋部材
１７    パッケージ本体
１７ａ    内部空間
３２    ワイヤ
４０    制御ＩＣチップ
４２    センサ励振駆動部
４３    変位検出部
４４    角速度信号処理部
４５    Ｙ軸加速度信号処理部
４６    変位検出部
４７    チップ回転検出信号処理部
４８    Ｘ軸加速度信号処理部
４９    補正用駆動部
５０    キャップ基板
６０    センサチップ
７０    ヨーレート検出部
７１    駆動ばね
７２    駆動フレーム
７４ａ，７４ｂ    錘
７５    固定部
７７    検出ばね
７８    リンクばね
９０，９２    加速度センサ
９０ａ，９２ａ    錘
９４    第３の加速度センサ
９６    第４の加速度センサ
【図１】
2011074099.tif 000003
【図２】
2011074099.tif 000004
【図３】
2011074099.tif 000005
【図４】
2011074099.tif 000006
【図５】
2011074099.tif 000007
【図６】
2011074099.tif 000008
【図７】
2011074099.tif 000009
【図８】
2011074099.tif 000010
【図９】
2011074099.tif 000011
【図１０】
2011074099.tif 000012
【図１１】
2011074099.tif 000013
【図１２】
2011074099.tif 000014
【図１３】
2011074099.tif 000015
【図１４】
2011074099.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月16日(2010.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに逆相に駆動される２つの錘を備える角速度センサが搭載されたセンサチップを備え、前記駆動方向に垂直な方向の該２つの錘の振動に基づいて角速度を検出する角速度検出装置であって、
前記センサチップに設けられ、前記センサチップの基板表面と平行な面内で１軸方向に振動可能な錘をそれぞれ有する２つの加速度センサを含み、
前記２つの加速度センサは、前記センサチップの回転振動時には、前記２つの加速度センサの各錘が互いに逆位相で振動する一方、センサチップの併進振動時には、前記２つの加速度センサの各錘が互いに同位相で振動するような位置関係に配置され、
前記２つの加速度センサの出力信号に基づいて、前記角速度センサの出力信号における前記センサチップの回転振動に起因した成分を除去する回転振動成分除去手段を備えることを特徴とする、角速度検出装置。
【請求項２】
前記２つの加速度センサの検出軸は、共に、前記センサチップの回転振動中心点を通らず、且つ、互いに対して平行であり、
前記２つの加速度センサの検出軸に平行な直線であって、前記センサチップの回転振動中心点を通る直線を基準直線としたとき、前記２つの加速度センサは、該基準直線に関して互いに対して逆側に配置される、請求項１に記載の角速度検出装置。
【請求項３】
前記２つの加速度センサは、前記センサチップの回転振動中心点に関して点対称の位置に配置される、又は、前記基準直線に関して線対称の位置に配置される、請求項２に記載の角速度検出装置。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
前記回転振動成分除去手段は、前記２つの加速度センサの出力信号に基づいて、前記センサチップの回転振動を表すチップ回転信号を生成し、該チップ回転信号を前記角速度センサの出力信号から差し引くことで、前記除去を行う、請求項１に記載の角速度検出装置。
【請求項６】
前記回転振動成分除去手段は、前記２つの加速度センサの出力信号に基づいて、前記センサチップの回転振動を表すチップ回転信号を生成し、該チップ回転信号に基づいて、前記角速度センサの各錘に、前記センサチップの回転振動に起因した振動を抑制する方向の力を作用させることで、前記除去を行う、請求項１に記載の角速度検出装置。
【請求項７】
前記２つの加速度センサの検出軸は、前記角速度センサの前記駆動方向に平行である、請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の角速度検出装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
振動する２つの錘の変位差に基づいて角速度が検出される。かかる構成においては、外乱振動等に起因して２つの錘が互いに同相に変位振動するときにはそれら２つの錘の間に変位差がほとんど生じなくなるため、角速度検出への外乱による影響が排除され、角速度の誤検出を極力抑制することが可能となる。
［０００６］
しかしながら、センサチップ自体が駆動振動周波数と同じ周波数にて回転振動すると、そのときの角加速度により、２つの錘が対称振動（逆相に変位振動）し、あたかも角速度発生時のコリオリ力が作用しているかのような状態となる。このような状態は、上述の種の角速度検出装置において角速度の検出精度が悪化する要因となる。
［０００７］
そこで、本発明は、かかるセンサチップの回転振動に起因した誤差要因を除去することができる角速度検出装置の提供を目的とする。
課題を解決するための手段
［０００８］
上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、互いに逆相に駆動される２つの錘を備える角速度センサが搭載されたセンサチップを備え、前記駆動方向に垂直な方向の該２つの錘の振動に基づいて角速度を検出する角速度検出装置であって、
前記センサチップに設けられ、前記センサチップの基板表面と平行な面内で１軸方向に振動可能な錘をそれぞれ有する２つの加速度センサを含み、
前記２つの加速度センサは、前記センサチップの回転振動時には、前記２つの加速度センサの各錘が互いに逆位相で振動する一方、センサチップの併進振動時には、前記２つの加速度センサの各錘が互いに同位相で振動するような位置関係に配置され、
前記２つの加速度センサの出力信号に基づいて、前記角速度センサの出力信号における前記センサチップの回転振動に起因した成分を除去する回転振動成分除去手段を備えることを特徴とする、角速度検出装置が提供される。
発明の効果
［０００９］
本発明によれば、センサチップの回転振動に起因した誤差要因を除去することができる角速度検出装置が得られる。
図面の簡単な説明
【国際調査報告】
2011074099.tif 000017
2011074099.tif 000018