(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有する基板と、
前記主面に平行な第１方向の剛性より前記第１方向と交差する第２方向の剛性が高い第１弾性体を介して前記基板に接続される第１励振素子と、
前記第１方向の剛性より前記第２方向の剛性が低い第２弾性体を介して前記第１励振素子に接続される第１コリオリ素子と、
前記第１励振素子を前記第１方向に振動させる第１励振部と、
前記第１方向の剛性より前記第２方向の剛性が高い第３弾性体を介して前記基板に接続される第２励振素子と、
前記第１方向の剛性より前記第２方向の剛性が低い第４弾性体を介して前記第２励振素子に接続される第２コリオリ素子と、
前記第２励振素子を前記第１方向に振動させる第２励振部と、
第５弾性体を介して前記第１励振素子と接続され、第６弾性体を介して前記第２励振素子と接続される励振方向加速度検出部と、を有し、
前記第１励振部と前記第２励振部とは、前記第１励振素子と前記第２励振素子を前記第１方向に互いに逆位相で振動させ、
前記励振方向加速度検出部は、前記第１励振部による前記第１励振素子の前記第１方向への振動に基づく変位と、前記第２励振部による前記第２励振素子の前記第１方向への振動に基づく変位とが相殺する位置に配置され、
前記励振方向加速度検出部は、外部から印加される前記第１方向の加速度に基づく変位量であって、前記第１励振素子と前記第２励振素子の前記第１方向における同位相の変位量を検出することにより、前記第１方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項２】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記励振方向加速度検出部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子の容量変化に基づいて前記第１方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項３】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記第１励振部および前記第２励振部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子に加わる静電引力に基づいて、前記第１励振素子および前記第２励振素子を前記第１方向に振動させることを特徴とする慣性センサ。
【請求項４】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記励振方向加速度検出部は、複数個形成されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項５】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記第１励振素子と前記第２励振素子とを接続する弾性体が前記基板に固定されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項６】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記第１励振素子と前記第２励振素子とを接続する弾性体が前記基板に固定されていないことを特徴とする慣性センサ。
【請求項７】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記第１コリオリ素子の前記第２方向への振動に基づいて前記第２方向の変位量を検出する第１検出部と、
前記第２コリオリ素子の前記第２方向への振動に基づいて前記第２方向の変位量を検出する第２検出部と、を有することを特徴とする慣性センサ。
【請求項８】
請求項７記載の慣性センサであって、
前記第１検出部および前記第２検出部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子の容量変化に基づいて前記第２方向の変位量を検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項９】
請求項７記載の慣性センサであって、
前記第１検出部で検出された前記第２方向の変位量と、前記第２検出部で検出された前記第２方向の変位量に基づいて、角速度と前記第２方向の加速度とを検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項１０】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記第１コリオリ素子に接続され、前記第１コリオリ素子の前記第２方向の振動と同位相で前記第２方向に振動する第１検出素子と、
前記第１検出素子の前記第２方向への振動に基づいて前記第２方向の変位量を検出する第１検出部と、
前記第２コリオリ素子に接続され、前記第２コリオリ素子の前記第２方向の振動と同位相で前記第２方向に振動する第２検出素子と、
前記第２検出素子の前記第２方向への振動に基づいて前記第２方向の変位量を検出する第２検出部と、を有することを特徴とする慣性センサ。
【請求項１１】
請求項１０記載の慣性センサであって、
前記第１検出部および第２検出部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子の容量変化に基づいて前記第２方向の変位量を検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項１２】
請求項１０記載の慣性センサであって、
前記第１検出部で検出された前記第２方向の変位量と、前記第２検出部で検出された前記第２方向の変位量に基づいて、角速度と前記第２方向の加速度とを検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項１３】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記基板は、ＳＯＩ基板であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１４】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記第１励振素子、前記第１コリオリ素子、前記第１励振部、前記第２励振素子、前記第２コリオリ素子および前記第２励振部は、導電性シリコン、導電性ポリシリコンあるいは金属から形成されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１５】
主面を有する基板と、
前記主面に平行な第１方向の剛性より前記第１方向と交差する第２方向の剛性が高い第１弾性体を介して前記基板に接続される第１励振素子と、
前記第１方向の剛性より前記第２方向の剛性が低い第２弾性体を介して前記第１励振素子に接続される第１コリオリ素子と、
前記第１励振素子を前記第１方向に振動させる第１励振部と、
前記第１励振素子と同位相で振動する第１構造体と、
前記第１方向の剛性より前記第２方向の剛性が高い第３弾性体を介して前記基板に接続される第２励振素子と、
前記第１方向の剛性より前記第２方向の剛性が低い第４弾性体を介して前記第２励振素子に接続される第２コリオリ素子と、
前記第２励振素子を前記第１方向に振動させる第２励振部と、
前記第２励振素子と同位相で振動する第２構造体と、
前記第１構造体と前記第２構造体との間に接続される励振方向加速度検出部と、を有し、
前記第１励振部と前記第２励振部とは、前記第１励振素子と前記第２励振素子を前記第１方向に互いに逆位相で振動させ、
前記励振方向加速度検出部は、前記第１励振部による前記第１励振素子の前記第１方向への振動と同位相で振動する前記第１構造体に基づく変位と、前記第２励振部による前記第２励振素子の前記第１方向への振動と同位相で振動する前記第２構造体に基づく変位とが相殺する位置に配置され、
前記励振方向加速度検出部は、外部から印加される前記第１方向の加速度に基づく変位量であって、前記第１構造体と前記第２構造体の前記第１方向における同位相の変位量を検出することにより、前記第１方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項１６】
請求項１５記載の慣性センサであって、
前記励振方向加速度検出部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子の容量変化に基づいて前記第１方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項１７】
主面を有する基板と、
前記主面に平行な第１方向の剛性より前記第１方向と交差する第２方向の剛性が高い第１弾性体を介して前記基板に接続される第１励振素子と、
前記第１方向の剛性より前記第２方向の剛性が低い第２弾性体を介して前記第１励振素子に接続される第１コリオリ素子と、
前記第１励振素子を前記第１方向に振動させる第１励振部と、
前記第１方向の剛性より前記第２方向の剛性が高い第３弾性体を介して前記基板に接続される第２励振素子と、
前記第１方向の剛性より前記第２方向の剛性が低い第４弾性体を介して前記第２励振素子に接続される第２コリオリ素子と、
前記第２励振素子を前記第１方向に振動させる第２励振部と、
前記第１方向の加速度を検出する励振方向加速度検出部と、を有し、
前記第１励振素子と前記第２励振素子は、弾性体を介して接続され、
前記第１励振部と前記第２励振部とは、前記第１励振素子と前記第２励振素子を前記第１方向に互いに逆位相で振動させ、
前記励振方向加速度検出部は、前記弾性体の節に接続され、
前記弾性体の節は、前記第１励振部による前記第１励振素子の前記第１方向への振動に基づく前記弾性体の変位と、前記第２励振部による前記第２励振素子の前記第１方向への振動に基づく前記弾性体の変位とが相殺する位置であり、
前記励振方向加速度検出部は、外部から印加される前記第１方向の加速度に基づく変位量であって、前記第１励振素子と前記第２励振素子の前記第１方向における同位相の変位量を検出することにより、前記第１方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項１８】
請求項１７記載の慣性センサであって、
前記励振方向加速度検出部は、前記弾性体の節の位置が前記第１方向に変位することを検出することにより、前記第１方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項１９】
請求項１８記載の慣性センサであって、
前記励振方向加速度検出部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子の容量変化に基づいて前記第１方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
【請求項２０】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記励振方向加速度検出部は、前記第１励振素子と前記第２励振素子の前記第１方向における同位相の変位量を検出することにより、前記第１方向の加速度を検出し、
さらに、前記慣性センサは、
前記第１コリオリ素子の前記第２方向への振動に基づいて、前記第２方向の変位量を検出する第１検出部と、
前記第２コリオリ素子の前記第２方向への振動に基づいて、前記第２方向の変位量を検出する第２検出部と、を有し、
前記第１検出部で検出された前記第２方向の変位量と、前記第２検出部で検出された前記第２方向の変位量との差分に基づいて、角速度を検出し、
前記第１検出部で検出された前記第２方向の変位量と、前記第２検出部で検出された前記第２方向の変位量との加算に基づいて、前記第２方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性センサ技術に関し、特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造されるＭＥＭＳ慣性センサに適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の慣性センサの一例を図１３に示す。この慣性センサでは、質量部５００が梁５０１を介して支持部５０２で基板に固定されている。左右の質量部５００は、励振部５０３によりＸ軸方向に逆位相で振動し、Ｙ軸回りの角速度またはＺ方向（検出方向）の加速度が印加されたとき、Ｚ軸方向に変位する。このＺ軸方向の変位量を、印加された角速度または加速度として検出部５０４で検出する。
【０００３】
この種の慣性センサの励振部５０３は、その固定電極部と可動電極部とが櫛歯が噛み合う形で配置された容量素子から構成され、固定電極部と可動電極部との間に直流のバイアス電圧と共に適切な位相差をもつ交流の励振信号を印加することによって、固定電極部と可動電極部との間に静電引力を交互に発生し、左右の質量部５００を互いに逆位相で振動させるものである。
【０００４】
また、検出部５０４は、前記質量部５００を可動電極とし、その可動電極部と対向するように前記基板側に固定電極を配置し、質量部５００のＺ方向への変位量を静電容量の変化として検出することにより、角速度または加速度に応じた検出信号を出力するものである。
【０００５】
ここで、左右の質量部５００は互いに逆位相で振動しているため、Ｙ軸回りの角速度が印加されたときには、コリオリ力によるＺ軸方向への変位量も逆位相になる。しかし、Ｚ軸方向の加速度が印加された場合には、Ｘ軸方向の振動とは関係なく同位相でＺ軸方向に変位する。従って、二つの質量部から検出された夫々の容量変化信号を足し算することで印加された加速度が測定可能となる。また、夫々の容量変化信号を引き算することで加速度成分を除去することができ、印加された角速度を測定することができる。
【０００６】
例えば特開２００４−４１１９号公報（特許文献１）の明細書に基づき既に公知の角速度センサは、基板上に配置した一対の質量部を互いに逆位相で振動させることにより、２つの質量部から夫々検出されたヨーレートの差動を検出する際、精度良く加速度成分が除去できる構成としている。
【０００７】
また、例えば特許第３５１２００４号（特許文献２）に基づき既に公知の力学量検出装置は、基板上に配置した一対の質量部を互いに逆位相で振動（音叉振動）させることにより、２つの質量部から夫々検出された信号の位相の違いを比較することで、印加された角速度と検出方向に働く加速度が分離できる構成としている。
【０００８】
また、例えば特表２００４−５１８９６９号公報（特許文献３）に記載された角速度センサは、励振素子、コリオリ素子、検出素子の三つの素子で構成され、励振素子は励振方向には柔らかく、検出方向には硬い梁で支持され、励振方向には動き易く、検出方向には動き難い構造になっている。
【特許文献１】特開２００４−４１１９号公報
【特許文献２】特許第３５１２００４号
【特許文献３】特表２００４−５１８９６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、本発明者が検討した、慣性センサでは、いずれも検出方向においては角速度と同時に検出方向の加速度も測定または区別することができるものの、同時に励振方向の加速度を測定できるものはない。
【００１０】
そのため、角速度と共に励振方向の加速度を測定する必要がある場合には、角速度センサとは別途、加速度センサを併用する必要がある。すると、角速度センサと加速度センサを基板上に形成する必要があるので、慣性センサの小型化を達成できない問題点がある。
【００１１】
また、励振方向に印加される加速度は梁の線形性を悪化させるなど、慣性センサの性能にも悪影響を及ぼす問題点がある。すなわち、励振方向の加速度を同時に検出することができないため、励振方向の加速度による質量部の偏りなどによる変位誤差を補正することができない。このため、安定した励振方向の振動を維持することが困難となり、角速度の検出精度が劣化する問題点がある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、角速度と、角速度を検出する検出方向の加速度は勿論、励振方向の加速度も同時に測定できる技術を提供することにある。
【００１３】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１５】
本発明による慣性センサは、（ａ）主面を有する基板と、（ｂ）前記基板の主面上の第１方向に沿って配置された第１センサユニットおよび第２センサユニットを備え、前記第１センサユニットおよび前記第２センサユニットのそれぞれは、（ｂ１）前記第１方向である励振方向に振動する励振素子と、（ｂ２）前記励振素子を前記励振方向に振動させる励振部とを有し、前記第１センサユニットの励振素子と前記第２センサユニットの励振素子とは逆位相で振動し、（ｃ）さらに、前記第１センサユニットの励振素子と前記第２センサユニットの励振素子に弾性体を介して接続され、前記励振方向の加速度を検出する励振方向加速度検出部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１７】
すなわち、慣性センサにおいて、逆位相で振動している複数の質量部（励振素子）の間に弾性体を介して接続された励振方向加速度検出部を設け、複数の質量部における同位相の変位量から励振方向の加速度が検出できる。このため、角速度とその角速度を検出する検出方向の加速度とともに、角速度を測るための基本振動を引き起こす励振方向の加速度も同時に測定することができる。
【００１８】
また、励振方向の加速度を測定または識別することができるので、その加速度により生じる質量部の偏りなどによる変位誤差を補正することができ、外乱に強く、いつも安定した励振振動を維持させることができるため、角速度の検出精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下の実施の形態においては、複数の実施の形態に分けて説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細説明、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合や原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合や原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、数値および範囲についても同様である。また、本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
本実施の形態１の慣性センサは、加速度、角速度（ジャイロ）等のような物体の慣性により現れる物理量を測定するセンサである。本実施の形態１では、角速度と加速度（検出方向の加速度および励振方向の加速度）とを同時に測定可能な慣性センサを例に挙げて説明する。
【００２１】
まず、慣性センサの基本原理について説明する。ある第１方向（励振方向）に振動する重さｍの質量部（励振素子）に励振方向（励振軸）と直交する軸の周りに角速度Ωが印加されたとき、下記の数式１に示すコリオリ力が、励振軸と角速度が印加された軸とに直交する検出方向（検出軸）に発生する。慣性センサは、このコリオリ力により質量部が検出方向に変位する原理を用いて角速度Ωを検出する。すなわち、角速度が大きくなるとコリオリ力が大きくなり、このコリオリ力の大きさに対応して検出方向に変位する量が異なる。したがって、検出方向の変位量を検出することによって角速度を測定することができる。コリオリ力による質量部の変位量を数式３に示す。また、検出方向の加速度が印加された場合の質量部の変位量を数式４に示す。質量部の変位量を、例えば静電容量変化が検出できる容量素子からなる検出部を用いて、印加された加速度と角速度の値として出力することができる。
【００２２】
Ｆｃ＝２ｍΩｖ・・・数式１
但し、Ｆｃはコリオリ力、ｍは質量部の質量、Ωは角速度、ｖは質量部の励振方向への速度である。ここで、速度ｖは、励振方向の変位量ｙの一階微分であり、数式２として定義されている。
【００２３】
ｖ=ｙ′=Ａｗcos(ｗｔ)・・・数式２
但し、ｙは励振方向の変位量、Ａは励振方向の振幅の最大値、ｗは励振方向の角振動数である。
【００２４】
ｘ＝Ｑｓ（Ｆｃ／ｋsense）・・・数式３
但し、ｘはコリオリ力による質量部の検出方向への変位量、Ｑｓは検出方向への品質係数、ksenseは検出方向のバネ定数である。
【００２５】
ｘ＝Ａ（ｍａ／ｋsense）・・・数式４
但し、ｘは印加された加速度による質量部の検出方向への変位量、ａは加速度、Ａは空気などの減衰による影響を含む定数である。
【００２６】
まず、角速度Ωの検出方法を上述した数式１〜数式３により説明する。数式１よりコリオリ力Ｆｃは、質量部の質量ｍと角速度Ωと励振方向の速度ｖによって規定されていることがわかる。したがって、角速度Ωは、コリオリ力Ｆｃ、質量部の質量ｍおよび励振方向の速度ｖがわかれば検出することができる。ここで、質量部の質量ｍは既知である。そして、励振方向の速度ｖは、数式２で示すように、励振方向の変位量ｙの一階微分であり、励振方向の振動は既知の基準振動であるので、励振方向の速度ｖもわかることになる。次に、コリオリ力Ｆｃであるが、このコリオリ力Ｆｃは、数式３の関係を満たしている。数式３のうち、検出方向への品質係数Ｑｓおよび検出方向のバネ定数は定数であるので、検出方向の変位量ｘがわかればコリオリ力Ｆｃを求めることができる。このことから、検出方向の変位量ｘを測定できれば、数式３よりコリオリ力Ｆｃがわかり、コリオリ力Ｆｃがわかれば数式１より角速度Ωがわかることになる。つまり、検出方向の変位量ｘを測定することによって、角速度Ωを求めることができる。検出方向の変位量ｘを測定するには、例えば、櫛歯状に配置された容量素子を用い、容量素子を形成する電極間距離を検出方向の変位量ｘの変化に対応させて変化するように構成することにより、検出方向の変位量ｘを容量素子の静電容量の変化として求めることができる。このようにして角速度Ωを測定することができる。
【００２７】
次に、検出方向の加速度を検出する方法について数式４を用いて説明する。数式４に示すように、印加された加速度ａによる質量部の検出方向への変位量ｘは、検出方向の加速度ａと比例関係にあることがわかる。したがって、検出方向への変位量ｘを測定すれば検出方向の加速度を検出することができる。検出方向への変位量ｘは上述したように容量素子の静電容量変化から求めることができる。
【００２８】
続いて、励振方向の加速度を検出する方法であるが、この方法は、検出方向の加速度を検出する方法と同様にして求めることができる。すなわち、励振方向の変位量と励振方向の加速度とは比例関係があるので、励振方向の変位量を測定することにより、励振方向の加速度を求めることができる。励振方向の変位量も上述したように容量素子の静電容量変化から求めることができる。
【００２９】
以上のことから、角速度、検出方向の加速度および励振方向の加速度をそれぞれ原理的に求めることができることがわかる。本実施の形態１では、上述した角速度、検出方向の加速度および励振方向の加速度を同時に求めることができる慣性センサについて説明する。つまり、本発明の特徴の１つは、慣性センサにおいて、角速度、検出方向の加速度および励振方向の加速度を同時に求めることができることにある。
【００３０】
図１は、本実施の形態１における慣性センサの構成を模式的に示す図である。図１を用いて、本実施の形態１における慣性センサを簡単に説明する。図１に示すように、基板２上には、支持部２６が設けられている。そして、支持部２６間には、Ｙ軸方向（第１方向）に沿って２つの質量部（励振素子）３が設けられており、それぞれの質量部３の一方側は、弾性体２５を介して支持部２６に接続されている。左右の２つの質量部３のそれぞれを含むようにセンサユニットが形成されている。例えば、左側の質量部３を含むセンサユニットを第１センサユニットと呼び、右側の質量部３を含むセンサユニットを第２センサユニットと呼ぶ。この第１センサユニットおよび第２センサユニットのそれぞれには、質量部３を励振方向に振動させる励振部（図示せず）が設けられている。この励振部は、例えば容量素子による静電引力を利用して質量部３を励振方向に振動させる構造をしている。また、それぞれの質量部３の間には、弾性体２５を介して励振方向加速度検出部８が設けられている。すなわち、第１センサユニットと第２センサユニットの間には、励振方向加速度検出部８が形成されている。励振方向加速度検出部８には、可動電極８ｂが形成されている。この可動電極８ｂは、固定部８ｃに設けられた固定電極８ａと容量素子を形成している。すなわち、可動電極８ｂと固定電極８ａが櫛歯状に配置されて容量素子を形成している。このように構成された本実施の形態１における慣性センサにおいて、質量部３は、励振方向（Ｙ軸方向）に振動することができるようになっている。同様に、励振方向加速度検出部８も励振方向（Ｙ軸方向）に振動できるようになっている。さらに、図１には図示しないが、質量部３の内部には、コリオリ素子が形成されており、このコリオリ素子は、励振方向（Ｙ軸方向）および検出方向（Ｘ軸方向）に変位できるようになっている。そして、コリオリ素子の検出方向の変位量を検出する検出部も形成されている。この検出部も櫛歯状に配置された容量素子から形成されている。
【００３１】
本実施の形態１における慣性センサは上記のように構成されており、以下にその動作について説明する。まず、本発明の特徴の１つである励振方向の加速度を検出する動作について説明する。
【００３２】
まず、左右の質量部３は、互いに逆位相で励振方向（Ｙ軸方向）に振動している。左右の質量部３が互いに逆位相で励振方向（Ｙ軸方向）に振動しているので、左右の質量部３の間に弾性体２５を介して接続されている励振方向加速度検出部８では、励振方向（Ｙ軸方向）の加速度が印加されていない場合、左右の質量部３の変位量が打ち消される。このため、励振方向加速度検出部８は停止状態を保持する。なお、左右の質量部３の変位量にばらつきがある場合には、その差分だけ励振方向加速度検出部８は振動することになるが、常に一定量であるため、補正して停止させることが可能である。励振方向加速度検出部８は、停止状態を保持するため、可動電極８ｂと固定電極８ａとの距離は変化せず、容量素子の静電容量の変化はない。したがって、励振方向の変位量はゼロとなり励振方向の加速度はゼロとして検出される。
【００３３】
続いて、励振方向（Ｙ軸方向）に加速度が印加されると、左右の質量部３は同じ方向に変位する。つまり、左右の質量部３は同位相で変位する。この変位量は、質量部３に同位相で印加された加速度の大きさに比例した量となる。このときの変位量は互いに同位相であるので、励振方向加速度検出部８においても打ち消されず、励振方向加速度検出部８の可動電極８ｂが変位する。したがって、可動電極８ｂと固定電極８ａとの間の距離が変化することになる。このため、可動電極８ｂと固定電極８ａからなる容量素子の静電容量が変化する。この容量素子の静電容量の変化を測定することで、励振方向加速度検出部８の変位量を求めることができるので、最終的に励振方向に印加された加速度を求めることができる。
【００３４】
このように本実施の形態１の特徴の１つは、互いに逆位相で励振方向（Ｙ軸方向）に振動している質量部３に弾性体２５を介して励振方向加速度検出部８を設けたことにある。つまり、逆位相で振動している質量部３に励振方向加速度検出部８を接続することにより、励振方向（Ｙ軸方向）に加速度が印加されていない場合には、励振方向加速度検出部８はせず、励振方向（Ｙ軸方向）に加速度が印加されている場合には、励振方向加速度検出部８が変位することを利用している。これにより、逆位相で励振方向（Ｙ軸方向）に振動している質量部３を有する慣性センサにおいて、励振方向（Ｙ軸方向）の加速度を検出することができるのである。
【００３５】
次に、本実施の形態１における慣性センサで角速度を検出する動作について説明する。まず、左右のコリオリ素子は、互いに逆位相で励振方向に振動している。この状態で励振方向（Ｙ軸方向）と検出方向（Ｘ軸方向）との垂直な方向に中心軸をもつ回転をさせたとする。すると、左右のコリオリ素子は、コリオリ力によって検出方向（Ｘ軸方向）に変位する。この検出方向（Ｘ軸方向）の変位量は角速度の大きさに依存している。この検出方向（Ｘ軸方向）の変位量を、例えば、櫛歯状の容量素子から形成される検出部で静電容量の変化として検出することにより、角速度を検出することができる。
【００３６】
続いて、本実施の形態１における慣性センサで検出方向（Ｘ軸方向）の加速度を検出する動作について説明する。検出方向（Ｘ軸方向）に加速度が印加されると、左右のコリオリ素子が検出方向（Ｘ軸方向）に変位する。この変位量を、例えば、櫛歯状の容量素子から形成される検出部で静電容量の変化として検出することにより、検出方向（Ｘ軸方向）の加速度を検出することができる。
【００３７】
ここで、励振方向（Ｙ軸方向）と検出方向（Ｘ軸方向）との垂直な方向に中心軸をもつ回転運動と、検出方向（Ｘ軸方向）の加速度が同時に印加されたとする。すると、回転運動によるコリオリ力によってコリオリ素子は検出方向（Ｘ軸方向）に変位するとともに、検出方向の加速度によってもコリオリ素子は、検出方向（Ｘ軸方向）に変位する。したがって、検出方向（Ｘ軸方向）の変位量を測定しただけでは、回転運動による変位量と検出方向（Ｘ軸方向）に印加された加速度による変位量とを分離することができない。つまり、角速度と検出方向（Ｘ軸方向）の加速度を求めることができない。そこで、左右の質量部３に接続されているコリオリ素子を励振方向（Ｙ軸方向）に逆位相で振動させているのである。左右のコリオリ素子を励振方向（Ｙ軸方向）に逆位相で振動させた場合、コリオリ力による検出方向（Ｘ軸方向）の変位量は左右のコリオリ素子によって逆になる。これに対し、検出方向（Ｘ軸方向）に印加された加速度によるコリオリ素子の検出方向（Ｘ軸方向）の変位量は同位相になる。この相違を利用して、左右のコリオリ素子の検出方向（Ｘ軸方向）の変位量の差分をとると、同位相の変位量は打ち消されコリオリ力による逆位相の変位量だけを抽出することができる。したがって、左右のコリオリ素子の検出方向（Ｘ軸方向）の変位量の差分を取ることにより、回転運動における角速度を検出することができる。一方、左右のコリオリ素子の検出方向（Ｘ軸方向）の変位量を加算することにより、逆位相の変位量は打ち消され、同位相の変位量だけを抽出することができる。このため、左右のコリオリ素子の検出方向（Ｘ軸方向）の変位量を加算することにより、検出方向（Ｘ軸方向）の加速度を検出することができる。
【００３８】
以上のようにして、本実施の形態１における慣性センサによれば、一つの慣性センサで角速度、検出方向（Ｘ軸方向）の加速度および励振方向（Ｙ軸方向）の加速度を同時に検出することができることがわかる。つまり、逆位相で振動している複数の質量部（励振素子）の間に弾性体を介して接続された励振方向加速度検出部を設け、複数の質量部における同位相の変位量から励振方向の加速度が検出できる。このため、角速度とその角速度を検出する検出方向の加速度とともに、角速度を測るための基本振動を引き起こす励振方向の加速度も同時に測定することができる。したがって、角速度と検出方向（Ｘ軸方向）の加速度を測定する慣性センサと励振方向（Ｙ軸方向）の加速度を測定する慣性センサを別々に設ける必要がないので、慣性センサの小型化を図ることができる。
【００３９】
また、励振方向（Ｙ軸方向）の加速度を測定または識別することができるので、その加速度により生じる質量部の偏りなどによる変位誤差を補正することができ、外乱に強く、いつも安定した励振振動を維持させることができるため、角速度の検出精度を向上させることができる。
【００４０】
次に、本実施の形態１における慣性センサの具体的な構成の一例について図面を参照しながら説明する。図２は本実施の形態１における慣性センサの一例を示す平面図、図３は図２のｘ１−ｘ１線における断面図を示している。なお、図２では図面を見易くするため封止キャップを取り外して示している。また、図２のＹ軸方向は第１方向を示し、Ｘ軸方向は第１方向（Ｙ軸方向）に直交する第２方向を示している。
【００４１】
図３に示すように、慣性センサ１Ａを構成する基板２は、厚さ方向に沿って互いに反対側に位置する第１主面（表面）および第２主面（裏面）を有している。基板２の第１主面および第２主面の平面形状は、例えば矩形状に形成されており、その面積は、例えば１２ｍｍ２である。この基板２としては、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が使用されている。すなわち、基板２は、支持基板２ａ上に絶縁層２ｂを介して活性層２ｃを有する構成とされている。支持基板２ａは、例えばシリコン（Ｓｉ）により形成され、絶縁層２ｂは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）により形成されている。そして、活性層２ｃは、例えば導電性シリコンにより形成されている。支持基板２ａと絶縁層２ｂとを合わせた膜厚は、例えば数十〜数百μｍ、活性層２ｃの厚さは、例えば数〜数十μｍである。ただし、基板２はＳＯＩ基板に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば表面ＭＥＭＳ技術を用いた導電性ポリシリコン、または、例えばニッケル（Ｎｉ）などのめっき金属を活性層２ｃとして使用してもよい。基板２としては、通常のシリコン単結晶からなる半導体基板を用いることもできる。
【００４２】
この基板２の第１主面の外周には、外周壁Ｗが形成されている。この外周壁Ｗは、絶縁層２ｂとその上に形成されている活性層２ｃとの積層体で形成されている。そして、この基板２の第１主面の外周壁Ｗで囲まれた領域には、２つのセンサユニットＳＵＡ１とＳＵＡ２が形成されている（図２参照）。この２つのセンサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２は、基板２の第１方向（Ｙ軸方向）に延びる第1軸上に、左右対称に並んで配置されている。本実施の形態１では、この２つのセンサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２を互いに逆位相で振動させるようになっている。つまり、２つのセンサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２は、第１方向（Ｙ軸方向）に逆位相で振動している。
【００４３】
それぞれのセンサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２は、図２に示すように、励振素子（質量部）５と、励振手段（励振部）６と、励振方向振幅モニタ手段７と、励振方向加速度検出部８と、励振方向加速度サーボ手段９と、励振方向共振周波数チューニング手段１０を有している。さらに、コリオリ素子１１と、検出素子１２と、検出手段（検出部）１３（１３−１〜１３−４）と、角速度サーボ手段１４と、検出方向加速度サーボ手段１５と、検出方向共振周波数チューニング手段１６と梁（弾性体）１７ａ〜１７ｇとを有している。
【００４４】
励振素子５は、活性層２ｃを平面略枠状にパターニングすることにより形成されている。この励振素子５は、その下層の絶縁層２ｂが除去されて支持基板２ａから離れた状態、すなわち、浮いた状態で基板２の第１主面上に配置されている。そして、この励振素子５は、基板２の第１主面に沿って励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）のみに変位するように配置されている。この励振素子５は、後述するコリオリ素子１１を励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に振動させるために必要なものであるため、励振素子５自体が変形しない程度の剛性でよく、コリオリ力による励振素子５の検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）への変位量を極力小さくするため、質量が小さくなるよう設計されている。このような励振素子５は、その外周の４隅近傍に一体的に接続された梁１７ａと、励振素子５をそれぞれの振動エネルギーが互いに漏れこみ、音叉として作用させる目的で設計し、配置した梁１７ｂ、１７ｃを介してそれぞれ支持部１８ａと１８ｂに接続されている。
【００４５】
梁１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、活性層２ｃを励振素子５のパターンよりも細くパターニングすることにより形成されており、その下層の絶縁層２ｂが除去されて励振素子５と同様に浮いた状態で基板２の第１主面上に配置されている。この梁１７ａと１７ｂは、その平面形状が検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）には相対的に長く、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）には相対的に短い形状となっており、板バネとしての機能を有している。
【００４６】
ただし、この梁１７ａと梁１７ｂは、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）には柔らかく、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）には励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の剛性に比べて硬い構成とされており、励振素子５が、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）のみに振動するように配置されている。梁１７ｂの一端は励振素子５に接続され、もう一端は梁１７ｃに接続されている。
【００４７】
梁１７ｃは、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に長い形状で形成され、梁１７ｂが接続されている。この梁１７ｃは、励振素子５が互いに逆位相で振動するとき、梁１７ｂに引っ張られ、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に変位する。すなわち、梁１７ｃは、励振素子５の振動エネルギーが互いに漏れこむ道としての役割をし、その結果、励振素子５は安定して逆位相を保ちながら振動することができる。つまり、安定した音叉振動をすることになる。
【００４８】
支持部１８ａは、励振素子５の外周の８箇所に設置されている。この支持部１８ａは、活性層２ｃおよび絶縁層２ｂの積層パターンで形成されており、基板２の支持基板２ａにしっかりと接合され固定されている。ここで、支持部１８ａは、懸架物である梁１７ａおよび励振素子５に電気信号を与える電極としての機能を有している。
【００４９】
支持部１８ｂは、センサユニットＳＵＡ１とＳＵＡ２の間に配置されている。この支持部１８ｂは、活性層２ｃおよび絶縁層２ｂの積層パターンで形成されており、基板２の支持基板２ａにしっかりと接合され固定されている。このように、センサユニットＳＵＡ１の励振素子５とセンサユニットＳＵＡ２の励振素子５は、互いに梁１７ｂ、１７ｃによって接続されており、この梁１７ｂ、１７ｃは基板２に固定されている支持部１８ｂに接続されている。ここで、支持部１８ｂは、本実施の形態１では基板２に固定されているが、原理上基板２から浮いていても本発明の効果を得ることができる。また、励振素子５の振動エネルギーが互いに漏れこむ道としての役割をしている梁１７ｃは、図４に示しているように単純折り返し梁に構成しても本発明の効果を得ることができる。図４に示すように、梁１７ｂおよび梁１７ｃを支持部に固定しなくても本実施の形態１と同様の効果をえることができる。つまり、センサユニットＳＵＡ１とセンサユニットＳＵＡ２の励振素子５間を接続する梁１７ｂおよび梁１７ｃは、支持部１８ｂを介して基板２に固定されていてもよいし、基板２に固定されていなくてもよい。
【００５０】
次に、各センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２の励振手段６は、各センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２の励振素子５を励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に沿って互いに逆位相で振動させるための手段であり、励振素子５の励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の両端辺側の４つの角部近傍に配置されている。この励振手段６は、静電式の櫛歯形駆動装置により形成されている。すなわち、励振手段６は、複数の可動電極６ａと、複数の固定電極６ｂとが、噛み合うように検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に沿って交互に配置されることで構成されている。
【００５１】
励振手段６の固定電極６ｂは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。固定電極６ｂは、その活性層２ｃが支持部１８ｃの活性層２ｃと一体的に形成されており、支持部１８ｃに接続されて基板２に固定されている。支持部１８ｃは、励振素子５の励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の外周に設置されている。この支持部１８ｃは、活性層２ｃおよび絶縁層２ｂの積層パターンにより形成されており、基板２の支持基板２ａにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部１８ｃは、固定電極６ｂに電気信号を与える電極としての機能を有している。
【００５２】
一方、励振手段６の可動電極６ａは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この可動電極６ａの下層の絶縁層２ｂは除去されており、基板２の第１主面上に浮いた状態で配置されている。また、この可動電極６ａは、その活性層２ｃが励振素子５と一体的に形成され接続されており、励振素子５に接続されて励振素子５と共に変位するようになっている。このような構成の励振手段６は、固定電極６ｂと可動電極６ａとの間に交流の励振信号を直流のバイアス電圧とともに印加することによって、固定電極６ｂと可動電極６ａの間に静電引力を交互に発生し、各センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２の励振素子５を励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に互いに逆位相で振動させるようになっている。
【００５３】
図５は、このような励振手段６を駆動させる駆動回路を示している。なお、図５では、励振手段６をコンデンサで示し、支持部１８ａ、１８ｃを配線で示し、本図における等価回路として同一の符号を付す。また、符号Ｖbiasは、励振手段６に印加する直流のバイアス電圧であり、符号Ｖdriveは、励振手段６に印加する交流の励振信号である。この交流の励振信号を適切に印加することにより、センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２の励振素子５を逆位相で振動させることが可能となっている。
【００５４】
ここで、励振素子５は励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）にしか振動しないため、原理的に励振手段６の固定電極６ｂと可動電極６ａとの間隔を励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）と検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の振動結合がある場合に比べ狭くとることができる。したがって、本実施の形態１における慣性センサ１Ａによれば、励振エネルギーの利用効率を高めることができる。
【００５５】
励振方向振幅モニタ手段７は、励振素子５の振動状態（例えば励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の振幅）をモニタするための手段であり、励振素子５の励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）と直交する方向（第２方向、Ｘ軸方向）の両端辺の中央近傍に配置されている。この励振方向振幅モニタ手段７は、複数の固定電極７ａと、複数の可動電極７ｂとが、噛み合うように励振方向と直交する方向（第２方向、Ｘ軸方向）に沿って交互に配置されることで構成されている。
【００５６】
励振方向振幅モニタ手段７は、励振素子５の励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）における振動振幅を監視する機能を有している。そして、励振方向振幅モニタ手段７の測定結果に基づき励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の振動振幅を一定に保つ役割を有している。すなわち、励振方向振幅モニタ手段７で計測された振幅に基づき、上述した励振手段６による励振素子５の振動を調整したり、後述する励振方向共振周波数チューニング手段１０に測定結果をフィードバックすることにより共振のずれを補正することが行なわれる。
【００５７】
励振方向振幅モニタ手段７の固定電極７ａは、上記活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この固定電極７ａは、支持部１８ｄの活性層２ｃと一体的に形成されており、支持部１８ｄに接続されて基板２に固定されている。この支持部１８ｄは、活性層２ｃおよび絶縁層２ｂの積層パターンにより形成されており、基板２の支持基板２ａにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部１８ｄは、固定電極７ａに電気信号を与える電極としての機能を有している。
【００５８】
一方、励振方向振幅モニタ手段７の可動電極７ｂは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この可動電極７ｂは、その下層の絶縁層２ｂが除去されて基板２の第１主面上に浮いた状態で配置されている。この可動電極７ｂは、その活性層２ｃが励振素子５の活性層２ｃと一体的に形成され接続されており、励振素子５に接続されて固定されている。このような構成の励振方向振幅モニタ手段７は、励振素子５の振動状態を固定電極７ａと可動電極７ｂとの対向面間の静電容量の変化によって検出することによりモニタし、そのモニタ信号を出力するようになっている。
【００５９】
図６は、このような励振方向振幅モニタ手段７で得られたモニタ信号を検出する検出回路を示している。なお、図６では、励振方向振幅モニタ手段７をコンデンサで示し、支持部１８ａ、１８ｄを配線で示し、本図における等価回路として同一の符号を付す。また、符号ＯＰはオペアンプ、符号ＡｍＤは振幅検出回路、符号ＣＲは参照容量、符号ＶbiasはオペアンプＯＰに印加するバイアス電圧、符号Ｖoutは出力電圧である。
【００６０】
ここで、励振素子５が励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に変位することにより、励振方向振幅モニタ手段７の静電容量がΔＣだけ変動したとする。励振方向振幅モニタ手段７にかかる電圧はオペアンプＯＰにより常にＶbiasであるため、静電容量の変化によって電荷ΔＱ＝ΔＣ・Ｖbiasが励振方向振幅モニタ手段７に流れ込む必要がある。この電荷は参照容量ＣＲから流れ出す電荷と等しくなるため、参照容量ＣＲの電圧は（ΔＣ／ＣＲ）Ｖbiasだけ変動する。よって、出力電圧ＶoutはＶout＝（１＋ΔＣ／ＣＲ）Ｖbiasとなる。この出力結果を、励振素子５を振動させる励振手段６や励振方向共振周波数チューニング手段１０にフィードバックすることにより、安定した励振方向の振動を得ることができる。
【００６１】
また、各センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２の励振方向振幅モニタ手段７からの信号を演算処理することで、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度を検出することもできる。たとえば、各センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２の励振方向の＋方向に配置されている励振方向振幅モニタ手段７の静電容量変化値の和と−方向に配置されている励振方向振幅モニタ手段７の静電容量変化値の和との差分をとることで、励振素子５の逆相振動による静電容量の変化はキャンセルされ、励振方向に印加された同相振動（加速度）に比例した出力を得ることができる。
【００６２】
しかし、この方法では、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に並行に固定電極７ａと可動電極７ｂが設置されている櫛歯型電極では、加速度の検出に十分な静電容量の変化を得るために電極の規模を大きくする必要がある。また、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に垂直に固定電極７ａと可動電極７ｂが設置されている並行平板型電極では、固定電極７ａと可動電極７ｂの間隔を励振素子５の逆相振動の振幅以上にする必要があり、加速度の検出に十分な静電容量の変化を得るためには上記した櫛歯型電極よりは小さいが、規模の大きい電極が必要となる。また、並行平板型の電極は可動電極７ｂと固定電極７ａ間の粘性流体（空気）の粘性が励振素子５の逆相の振動を邪魔し、必要とする振幅を得るには、櫛歯型の電極に比べ、高い駆動電圧が必要となる。
【００６３】
次に、励振方向加速度検出部８は、励振方向に印加された加速度を検出するためのものであり、励振素子５と弾性体１７ｄを介して接続され、励振素子５の間に配置されている。この励振方向加速度検出部８は、複数の固定電極８ａと、複数の可動電極８ｂとが、噛み合うように励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に沿って交互に配置されることで構成されている。
【００６４】
励振方向加速度検出部８の固定電極８ａは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この固定電極８ａは、支持部１８ｅの活性層２ｃと一体的に形成されており、支持部１８ｅに接続されて基板２に固定されている。この支持部１８ｅは、活性層２ｃおよび絶縁層２ｂの積層パターンにより形成されており、基板２の支持基板２ａにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部１８ｅは、固定電極８ａに電気信号を与える電極としての機能を有している。
【００６５】
一方、励振方向加速度検出部８の可動電極８ｂは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この可動電極８ｂは、その下層の絶縁層２ｂは除去されて基板２の第１主面上に浮いた状態で配置されている。この可動電極８ｂは、その活性層２ｃが励振素子５の活性層２ｃと励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に柔らかい梁１７ｄを介して接続されている。このような構成の励振方向加速度検出部８は、励振素子５が同じ振幅で逆位相に振動しているときには変位せず、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度の印加により、励振素子５が同位相で振動する時には、その動きに追従し変位する。この振動状態を固定電極８ａと可動電極８ｂとの対向面間の静電容量の変化によって検出し、その検出信号を励振方向の加速度として出力するようになっている。可動電極８ｂは、可動電極８ｂ自体が変形しない程度の剛性でよく、可動電極８ｂそのものの慣性力による加速度応答の位相遅延を極力小さくするため、質量が小さくなるよう設計されている。
【００６６】
本実施の形態１における慣性センサ１Ａの特徴の１つは、励振方向加速度検出部８を互いに逆位相で励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に振動する励振素子５に梁１７ｄを介して接続したことにある。このように励振方向加速度検出部８を設けることにより、励振素子５を互いに逆位相で振動させながら、励振方向の加速度を検出することができるのである。つまり、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に加速度が印加されていない場合、励振方向加速度検出部８には、左右の励振素子５から互いに逆位相の振動が加えられるので、互いの振動が打ち消され、励振方向加速度検出部８を構成する容量素子の間隔が変化することはない。このため、励振方向加速度検出部８では、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度は検出されない。一方、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に加速度が印加されると、左右の励振素子５は同位相で変化する。したがって、左右の励振素子５が同位相で変位するため、左右の励振素子５に接続されている励振方向加速度検出部８も変位する。このため、励振方向加速度検出部８を構成する容量素子の間隔が変わり、容量素子の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出することにより、励振方向の加速度を検出することができる。このように本実施の形態１によれば、励振方向の加速度によって左右の励振素子５が同位相で変化する点および互いに逆位相で振動している励振素子に接続しても励振方向の加速度が印加されていない場合には、励振方向に同位相の変位量がないことに着目して、励振方向加速度検出部８を設けている点に特徴があることがわかる。
【００６７】
続いて、本実施の形態１における慣性センサに設けた励振方向加速度検出部８のさらなる利点について説明する。励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の変位量と励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度との間には、数式５に示す関係がある。
【００６８】
ｙ＝ｍａ／ｋｄｒｉｖｅ・・・数式５
但し、ｙは励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の変位量、ａは励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に印加された加速度、ｋｄｒｉｖｅは励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）のバネ定数、ｍは励振素子５と、励振素子５の中に配置されているコリオリ素子１１と、励振方向加速度検出部８の可動電極８ｂの質量の合計である。
【００６９】
さらに、ｋｄｒｉｖｅは数式６で示す関係を満たしている。
【００７０】
ｋｄｒｉｖｅ＝（Ｅｂｈ３／Ｌ３）・・・数式６
但し、Ｅは梁の縦弾性係数、ｂは梁の厚さ（活性層２ｃの厚さ）、ｈは梁の幅、Ｌは梁の長さを示している。
【００７１】
上述した数式５および数式６から、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に印加された加速度ａを精度良く測定するためには、質量ｍを大きくし、バネ定数ｋｄｒｉｖｅを小さくする必要がある。
【００７２】
例えば、図７に示しているように、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度を測定する目的で、小型の励振方向加速度検出部８を励振素子５に接続せず、支持部１８ｆに梁１７ｄを介して接続し、基板２に固定したとする。この場合、数式５に示すｍの値は励振方向加速度検出部８の可動電極８ｂのみの質量となる。この可動電極８ｂのみの質量だけでは小さいので、必要とする感度を得るためにはバネ定数ｋｄｒｉｖｅを小さくするしかない。しかし、数式６から、バネ定数ｋｄｒｉｖｅを小さくするためには、梁１７ｄの幅を狭くするか、梁１７ｄの長さを長くする必要がある。ところが梁１７ｄの幅は加工の制約上、狭くするには限界がある。また、梁１７ｄの幅を狭くすると外部からの衝撃により、壊れやすくなる。また、梁１７ｄの長さを長くするのは小型化の面で好ましくない。このように単に励振方向加速度検出部８を設けただけでは、感度と強度を両立させることが難しい。
【００７３】
そこで、本実施の形態１では、図２に示すように、励振方向加速度検出部８を梁１７ｄで励振素子５に接続させている。この場合、励振方向加速度検出部８では、数式５のｍとして、可動電極８ｂの他に励振素子５と、コリオリ素子１１の質量が含まれているので、質量を大きくすることができる。すなわち、質量を大きくすることができるので、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度の検出感度を向上させることができる。さらに、質量を大きくすることにより充分な検出感度を得ることができるため、バネ定数ｋｄｒｉｖｅを小さくする必要がない。したがって、梁の強度を保持することができる。さらに、梁１７ｄの加工上の制約が少なく、小型化にも有利である。このように本実施の形態１における慣性センサによれば、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度を感度よく検出することができるとともに、梁の強度を保持することができる。さらに、励振方向加速度検出部８を形成した慣性センサ１Ａの小型化を実現できる。
【００７４】
なお、励振方向加速度検出部８は、逆位相で振動する励振素子５に接続することに制限されることはなく、例えば、梁１７ｂなどの励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に逆位相で振動している構造体に接続されていれば、逆位相で振動する励振素子５に接続する場合と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
また、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に逆位相で振動している部分でなくても、図８に示しているように、励振素子５の逆位相振動の節になる部分、例えば梁１７ｃと１７ｃの間に直接又は梁１７ｄを介して接続されても本発明の効果は得られる。すなわち、図８に示すように、逆位相で振動する励振素子５間の接続を梁１７ｂ、１７ｃによって行なうと、梁１７ｂおよび梁１７ｃには常に振動しない節が存在する。この節は、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に加速度が印加されていない場合には変位しない。一方、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に加速度が印加されると節の位置も変化する。したがって、節の位置に励振方向加速度検出部８を設けることにより、励振方向加速度検出部８を互いに逆位相で振動する励振素子５に接続した場合と同様に励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度を検出すことができる。
【００７６】
また、節になる部分に配置することによって、励振方向加速度検出部８の固定電極８ａと可動電極８ｂの間隔を励振素子５の逆位相振幅より狭くすることができるため、励振方向振幅モニタ手段７を用いて励振方向の加速度を検出する方法より、より小さい規模の電極で高感度の測定が可能となる。
【００７７】
さらに、節になる部分に配置することによって、励振方向加速度検出部８の固定電極８ａと可動電極８ｂを励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）と垂直に設けた並行平板型にしても、固定電極８ａと可動電極８ｂの間の粘性流体の粘性が励振素子５の逆位相振動を邪魔することはない。そのため、励振方向加速度検出部８を設置することで、励振エネルギーを損することなく、逆相振幅に影響することもない。
【００７８】
さらに、励振方向加速度検出部８は、１個である必要もなく、図９で示しているように複数個あっても良い。この場合は、それぞれの励振方向加速度検出部８−１と８−２の静電容量の変化を比較し、差動をとることで、加速度を検出することが可能になる。すなわち、図９に示すように、左右の励振素子５の間に複数の励振方向加速度検出部８−１、８−２を設けてもよい。この場合、左側の励振方向加速度検出部８−１は可動電極８−１ｂおよび固定部８−１ｃに固定された固定電極８−１ａを有している。同様に、右側の励振方向加速度検出部８−２も可動電極８−２ｂおよび固定部８−２ｃに固定された固定電極８−２ａを有している。
【００７９】
次に、励振方向加速度サーボ手段９は、励振素子５に印加された加速度による振幅を常にゼロになるように、励振方向加速度検出部８で検知された加速度による検出変位量（同位相の変位）に応じてリバランス力を発生し、アクティブに制御する手段であり、励振手段６と対向して配置されている。この励振方向加速度サーボ手段９は、複数の固定電極９ａと、複数の可動電極９ｂとが、噛み合うように検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に沿って交互に配置されることで構成されている。また、リバランス力は励振方向加速度サーボ手段９の複数の固定電極９ａと、複数の可動電極９ｂの間にバイアス電圧を印加することで発生させる。したがって、このバイアス電圧そのものを出力することで印加された加速度を測定することも可能である。
【００８０】
励振方向加速度検出部８は、固定電極８ａと可動電極８ｂより構成される容量素子を含んでおり、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に加速度が生じたとき、固定電極８ａと可動電極８ｂとの距離が変化するようになっている。そして、固定電極８ａと可動電極８ｂ間の距離に応じて容量素子の静電容量が変化することを利用して励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度を検出する構造となっている。つまり、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に加速度が発生すると、励振方向加速度検出部８の可動電極８ｂが変位することにより、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度を検出する。励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度が大きくなると可動電極８ｂの変位量も大きくなる。可動電極８ｂは梁に接続されており、梁の変位量に応じて可動電極８ｂが変位するが、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度が大きくなると、可動電極８ｂに接続されている梁の変位量も大きくなる。励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度が小さいうちは、梁の変位量の線形性が保たれるが、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度が大きくなると、梁の変位量の線形性が保持されにくくなり、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度の検出感度が変化してしまう。また、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度を検出できるダイナミックレンジを広く取ろうとすると、大きな加速度が印加されても可動電極８ｂが固定電極８ａに接触しないように可動電極８ｂと固定電極８ａとの間の距離を大きくする必要がある。可動電極８ｂと固定電極８ａとの距離が狭いほど加速度の検出感度が向上するので、可動電極８ｂと固定電極８ａの距離を広げると加速度の検出感度が低下してしまう。
【００８１】
そこで、本実施の形態１では励振方向加速度サーボ手段９を設けている。この励振方向加速度サーボ手段９は、励振方向加速度検出部８の検出結果に基づいて、励振方向加速度検出部８の可動電極８ｂの変位量をゼロにするようにリバランス力を発生するようになっている。すなわち、励振方向加速度サーボ手段９は、励振方向加速度検出部８の可動電極８ｂの変位量をリバランス力によって強制的になくすようにしている。つまり、励振方向加速度サーボ手段９により、可動電極８ｂの変位量を間接的にリバランス力の大きさとして励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度を検出するものである。可動電極８ｂの変位量に応じて可動電極８ｂの変位量を相殺するリバランス力は変化するので、リバランス力を測定することにより、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）にどれくらいの加速度が印加されているかを検出することができる。
【００８２】
この励振方向加速度サーボ手段９を設けることにより、以下の効果が得られる。すなわち、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の加速度が印加された場合であっても、リバランス力によって可動電極８ｂの変位量が発生しないので、可動電極８ｂに接続している梁に負担がかからない。このため、梁の線形性が良好であり安定して加速度を検出することができる。また、可動電極８ｂの変位量が発生しないので、固定電極８ａと可動電極８ｂとの間の距離を狭くすることができる。つまり、固定電極８ａと可動電極８ｂとの間の距離を狭くしても、大きな加速度が印加された場合に接触することを防止できる。したがって、固定電極８ａと可動電極８ｂの間の距離を狭くすることが可能となり、加速度の検出感度を向上させることができる。一方で加速度の検出範囲（ダイナミックレンジ）を確保することもできる。なお、本実施の形態１では、励振方向加速度サーボ手段９を設けたが、設けなくてもよい。つまり、励振方向加速度検出部８の可動電極８ｂの変位量により直接的に加速度を検出してもよい。
【００８３】
励振方向加速度サーボ手段９の固定電極９ａは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。固定電極９ａはその活性層２ｃが支持部１８ｇの活性層２ｃと一体的に形成されており、支持部１８ｇに接続されて基板２に固定されている。支持部１８ｇは、キャップ（ＭＣＰ）封止後の配線取り出しを考慮し、励振素子５の外側であって、外周壁Ｗの内側に配置されている。この支持部１８ｇは、活性層２ｃおよび絶縁層２ｂの積層パターンにより形成されており、基板２の支持基板２ａにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部１８ｇは、固定電極９ａに電気信号を与える電極と、センサユニット内部での配線としての機能を有している。
【００８４】
一方、励振方向加速度サーボ手段９の可動電極９ｂは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この可動電極９ｂは、その下層の絶縁層２ｂが除去されて、基板２の第１主面上に浮いた状態で配置されている。可動電極９ｂは、その活性層２ｃが励振素子５の活性層２ｃと一体的に形成され接続されており、励振素子５に接続されている。
【００８５】
次に、励振方向共振周波数チューニング手段１０は、周囲温度変化や真空度の変化、または、加工ばらつきにより発生する励振素子５の共振周波数のばらつきをアクティブに制御するためのものであり、励振素子５の検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）端面の外側に配置されている。この励振方向共振周波数チューニング手段１０は、複数の固定電極１０ａと、複数の可動電極１０ｂとが、噛み合うように励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に沿って交互に配置されることで構成されている。
【００８６】
励振素子５は励振手段６により励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に振動するように構成されているが、この振動を安定して維持するために励振素子５を共振点で振動させる必要がある。しかし、慣性センサ１Ａの周囲の温度が変化すると、励振素子５の振動が共振点からずれる。励振素子５の振動が共振点からずれると、振動の振幅が急激に小さくなるため、振動を安定して維持することが困難となる。そこで、本実施の形態１における慣性センサ１Ａでは、励振方向共振周波数チューニング手段１０を設けている。この励振方向共振周波数チューニング手段１０によれば、励振素子５の振動が共振点からずれると、そのずれを補正して励振素子５の振動が共振点で行なうように調整することができる。したがって、励振素子５の励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の振動を安定して維持することができる。
【００８７】
励振方向共振周波数チューニング手段１０の固定電極１０ａは、上記活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この固定電極１０ａは、その活性層２ｃが支持部１８ｈの活性層２ｃと一体的に形成されており、支持部１８ｈに接続されて基板２に固定されている。支持部１８ｈは、活性層２ｃおよび絶縁層２ｂの積層パターンにより形成されており、基板２の支持基板２ａにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部１８ｈは固定電極１０ａに電気信号を与える電極としての機能を有している。
【００８８】
一方、励振方向共振周波数チューニング手段１０の可動電極１０ｂは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この可動電極１０ｂの下層の絶縁層２ｂは除去されており、可動電極１０ｂは、基板２の第１主面上に浮いた状態で配置されている。可動電極１０ｂは、その活性層２ｃが励振素子５の活性層２ｃと一体的に形成され接続されており、励振素子５に接続されて固定されている。
【００８９】
続いて、励振素子５の内側には、コリオリ素子１１が配置されている。このコリオリ素子１１は、活性層２ｃを平面略枠状にパターニングすることにより形成されている。このコリオリ素子１１もその下層の絶縁層２ｂが除去され浮いた状態で基板２の第１主面上に配置されている。このコリオリ素子１１は、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）にも検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）にも変位できるように設計されている。そして、コリオリ素子１１も基板２の第１主面に沿って振動する。このようなコリオリ素子１１は、梁１７ｅを介して励振素子５に接続されている。これにより、コリオリ素子１１は、励振素子５と同振幅かつ同位相で励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に振動するようになっている。そして、コリオリ素子１１は、Ｚ軸回りの角速度が印加されたときはコリオリ力により検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）へ変位する。すなわち、コリオリ素子１１の質量が数式１のｍとなる。したがって、高感度化を実現するためにコリオリ素子１１は大質量になるように設計されている。
【００９０】
左右の励振素子５の内部にそれぞれコリオリ素子１１が配置され、それぞれのコリオリ素子１１は左右の励振素子５と同様に互いに逆位相で励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に振動している。このため、Ｚ軸周りの角速度が印加されたときコリオリ力によって左右のコリオリ素子１１は検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に変位する。左右のコリオリ素子１１は励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に逆位相で振動しているため、コリオリ力による検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の変位量は逆位相となる。
【００９１】
梁１７ｅは、活性層２ｃをコリオリ素子１１のパターンよりも細くパターニングすることにより形成されており（すなわち、梁１７ｅは励振素子５およびコリオリ素子１１の活性層２ｃと一体的に形成されており）、その下層の絶縁層２ｂが除去されて励振素子５やコリオリ素子１１と同様に浮いた状態で基板２の第１主面上に配置されている。この梁１７ｅは、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に直線状に延びる相対的に長い部分と、これに直交する検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に直線状に延びる相対的に短い部分とを有している。この相対的に長い部分の両端は、励振素子５の内周に接続されている。また、相対的に短い部分の一端は、相対的に長い部分の長手方向中央に接続され、他端はコリオリ素子１１の検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の端辺の中央に接続されている。この梁１７ｅも板バネとしての機能を有している。ただし、この梁１７ｅは、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）には硬く、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）には励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の剛性に比べて柔らかい構成とされている。このため、励振素子５の励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の振動はそのままコリオリ素子１１に伝わるが、コリオリ素子１１の検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の振動は吸収され、励振素子５に伝わらないようになっている。
【００９２】
このようなコリオリ素子１１の内側には、検出素子１２が配置されている。この検出素子１２は、活性層２ｃを平面略枠状にパターニングすることにより形成されている。この検出素子１２もその下層の絶縁層２ｂが除去され浮いた状態で基板２の第１主面上に配置されている。この検出素子１２は、梁１７ｆを介してコリオリ素子１１に接続され、梁１７ｇを介して支持部１８ｉに接続され基板２に固定されている。これにより、検出素子１２は、コリオリ素子１１の検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の振動と同振幅かつ同位相で振動するようになっている。また、検出素子１２も基板２の第１主面に沿って振動する。
【００９３】
梁１７ｆは、活性層２ｃをコリオリ素子１１や検出素子１２のパターンよりも細くパターニングすることにより形成されており（すなわち、梁１７ｆは励振素子５およびコリオリ素子１１の活性層２ｃと一体的に形成されており）、その下層の絶縁層２ｂが除去されて励振素子５等と同様に浮いた状態で基板２の第１主面上に配置されている。
【００９４】
この梁１７ｆは、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に直線状に延びる相対的に長い部分と、これに直交する励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に直線状に延びる相対的に短い部分とを有している。この梁１７ｆの相対的に長い部分の両端は、コリオリ素子１１の内周に接続されている。また、梁１７ｆの相対的に短い部分の一端は、相対的に長い部分の長手方向中央に接続され、他端は、検出素子１２の励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の端辺に接続されている。この梁１７ｆも板バネとしての機能を有している。ただし、この梁１７ｆは、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）には柔らかく、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）には励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の剛性に比べて硬い構成とされている。このため、コリオリ素子１１の検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の振動はそのまま検出素子１２に伝わるが、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の振動は吸収されるようになっている。つまり、検出素子１２は検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）にだけ変位するようになっている。
【００９５】
また、梁１７ｇは、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に直線状に延びる相対的に長い部分と、これに直交する検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に直線状に延びる相対的に短い部分とを有している。この梁１７ｇの相対的に短い部分の両端は、検出素子１２の外周に接続されている。また、梁１７ｇの相対的に長い部分の一端は、相対的に短い部分の長手方向の一端に接続され、他端は、検出素子１２の検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の中央近傍で支持部１８ｉに接続され基板２に固定されている。この梁１７ｇも板バネとしての機能を有している。ただし、この梁１７ｇは、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）には柔らかく、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）には励振方向（第２方向、Ｘ軸方向）の剛性に比べて硬い構成とされている。このため、コリオリ素子１１の検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の振動はそのまま検出素子１２に伝わるが、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）の振動は梁１７ｇに吸収されるようになっている。したがって、検出素子１２は、検出素子１２自体が変形しない程度の剛性があれば良く、検出感度の向上や必要でない信号の発生を防ぐため、質量が小さくなるよう設計されている。
【００９６】
次に、検出手段１３（１３−１〜１３−４）は、検出素子１２の内側に配置されている。この検出手段１３−１〜１３−４は、櫛歯形検知装置により形成されている。すなわち、検出手段１３−１〜１３−４は、複数の固定電極１３ａと、複数の可動電極１３ｂとが、噛み合うように検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に沿って交互に配置されることで構成されている。この検出手段１３−１〜１３−４では、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の加速度または角速度により検出素子１２が検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に変位したときに検出電極間（固定電極１３ａと可動電極１３ｂとの間）の静電容量の変化として変位量を検出する。すなわち、検出素子１２の検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の変位量により固定電極１３ａと可動電極１３ｂとが互いに近づいたり、遠ざかったりすることで変化する静電容量の変化を検出する。
【００９７】
検出手段１３−１〜１３−４の固定電極１３ａは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この固定電極１３ａは、その活性層２ｃが支持部１８ｊの活性層２ｃと一体的に形成されており、支持部１８ｊに接続されて基板２に固定されている。支持部１８ｊは、各センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２の外周に配置されている。この支持部１８ｊは、活性層２ｃおよび絶縁層２ｂをパターニングすることにより形成されており、基板２の支持基板２ａにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部１８ｊは、固定電極１３ａに電気信号を与える電極と配線としての機能を有している。
【００９８】
一方、検出手段１３−１〜１３−４の可動電極１３ｂは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この可動電極１３ｂの下層の絶縁層２ｂは除去されており、可動電極１３ｂは、基板２の第１主面上に浮いた状態で配置されている。可動電極１３ｂは、その活性層２ｃが検出素子１２の活性層２ｃと一体的に形成され接続されており、検出素子１２に接続されている。このような構成の検出手段１３−１〜１３−４は、検出素子１２の振動状態を固定電極１３ａと可動電極１３ｂとの対向面間の静電容量の変化によって検出し、その検出信号を検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の加速度または角速度の測定結果として出力するようになっている。
【００９９】
図１０は、このような検出手段１３−１〜１３−４で得られた静電容量の変化から、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の加速度と角速度の値を検出する方法を概略的に示している。符号ＯＰはオペアンプである。すなわち、検出手段１３−１と検出手段１３−４の容量を足した値と検出手段１３−２と検出手段１３−３を足した値の差分をとることで、印加された角速度が検出できるようになっている。また、検出手段１３−１と検出手段１３−２を足した値と検出手段１３−３と検出手段１３−４を足した値の差分をとることで、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に印加された加速度が検出できるようになっている。つまり、Ｚ軸回りの角速度が印加された場合にコリオリ力が発生するが、このコリオリ力によってコリオリ素子１１が検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に変位する。左右のコリオリ素子１１は、励振方向（第１方向、Ｙ軸方向）に逆位相で振動しているため、コリオリ力による検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の変位量は左右のコリオリ素子１１で逆位相になる。このため、左右の検出素子１２の検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の変位量も逆位相となる。したがって、検出手段１３−１と検出手段１３−４の容量を足した値と検出手段１３−２と検出手段１３−３を足した値の差分をとることで、印加された角速度が検出することができる。一方、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の加速度が印加された場合、左右のコリオリ素子１１は検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に同位相で変位する。このため、左右の検出素子１２も検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に同位相で変化する。したがって、検出手段１３−１と検出手段１３−２を足した値と検出手段１３−３と検出手段１３−４を足した値の差分をとることで、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に印加された加速度を検出することができる。
【０１００】
このように本実施の形態１による慣性センサ１Ａによれば、一つの慣性センサで角速度、検出方向（Ｘ軸方向）の加速度および励振方向（Ｙ軸方向）の加速度を同時に検出することができることがわかる。つまり、逆位相で振動している複数の励振素子５の間に弾性体を介して接続された励振方向加速度検出部８を設け、複数の励振素子５における同位相の変位量から励振方向の加速度が検出できる。このため、角速度とその角速度を検出する検出方向の加速度とともに、角速度を測るための基本振動を引き起こす励振方向の加速度も同時に測定することができる。したがって、角速度と検出方向（Ｘ軸方向）の加速度を測定する慣性センサと励振方向（Ｙ軸方向）の加速度を測定する慣性センサを別々に設ける必要がないので、慣性センサの小型化を図ることができる。
【０１０１】
また、励振方向（Ｙ軸方向）の加速度を測定または識別することができるので、その加速度により生じる質量部の偏りなどによる変位誤差を補正することができ、外乱に強く、いつも安定した励振振動を維持させることができるため、角速度の検出精度を向上させることができる。
【０１０２】
検出素子１２は、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）にしか振動しないので、原理的には検出手段１３−１〜１３−４の固定電極１３ａと可動電極１３ｂとの対向面の面積を、励振方向と検出方向との振動結合がある技術に比べ広くとることができる。このため、慣性センサ１Ａの感度や安定度を向上させることができる。
【０１０３】
次に、角速度サーボ手段１４は、検出素子１２に印加された角速度による振幅（逆位相の振幅）を常にゼロになるように、検出手段１３から検知された検出変位量に応じてリバランス力を発生し、アクティブに制御する手段であり、検出素子１２の内側に配置されている。すなわち、角速度サーボ手段１４は、上述した励振方向加速度サーボ手段９と同等の機能を有している。この角速度サーボ手段１４は、複数の固定電極１４ａと、複数の可動電極１４ｂとが、噛み合うように検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に沿って交互に配置されることで構成されている。
【０１０４】
角速度サーボ手段１４の固定電極１４ａは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この固定電極１４ａはその活性層２ｃが支持部１８ｋの活性層２ｃと一体的に形成されており、支持部１８ｋに接続されて基板２に固定されている。支持部１８ｋは、キャップ（ＭＣＰ）封止後の配線取り出しを考慮し、励振素子５の外側であって、外周壁Ｗの内側に配置されている。この支持部１８ｋは、活性層２ｃおよび絶縁層２ｂの積層パターンにより形成されており、基板２の支持基板２ａにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部１８ｋは、固定電極１４ａに電気信号を与える電極と、センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２内部での配線としての機能を有している。
【０１０５】
検出方向加速度サーボ手段１５は、検出素子１２に印加された加速度による振幅を常にゼロになるように、検出手段１３から検知された加速度による検出変位量（同位相の変位量）に応じてリバランス力を発生し、アクティブに制御する手段であり、検出素子１２の内側に配置されている。すなわち、検出方向加速度サーボ手段１５は、上述した励振方向加速度サーボ手段９と同等の機能を有している。この検出方向加速度サーボ手段１５は、複数の固定電極１５ａと、複数の可動電極１５ｂとが、噛み合うように検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に沿って交互に配置されることで構成されている。また、リバランス力は検出方向加速度サーボ手段１５の複数の固定電極１５ａと、複数の可動電極１５ｂの間にバイアス電圧を印加することで発生させる。したがって、このバイアス電圧そのものを出力することで印加された加速度を測定するようになっている。
【０１０６】
検出方向加速度サーボ手段１５の固定電極１５ａは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この固定電極１５ａはその活性層２ｃが支持部１８ｌの活性層２ｃと一体的に形成されており、支持部１８ｌに接続されて基板２に固定されている。支持部１８ｌは、キャップ（ＭＣＰ）封止後の配線取り出しを考慮し、励振素子５の外側であって、外周壁Ｗの内側に配置されている。この支持部１８ｌは、活性層２ｃおよび絶縁層２ｂの積層パターンにより形成されており、基板２の支持基板２ａにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部１８ｌは、固定電極１５ａに電気信号を与える電極と、センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２内部での配線としての機能を有している。
【０１０７】
一方、角速度サーボ手段１４および検出方向加速度サーボ手段１５の可動電極１４ｂ、１５ｂは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この可動電極１４ｂ、１５ｂは、その下層の絶縁層２ｂが除去されて、基板２の第１主面上に浮いた状態で配置されている。可動電極１４ｂ、１５ｂは、その活性層２ｃが検出素子１２の活性層２ｃと一体的に形成され接続されており、検出素子１２に接続されている。
【０１０８】
次に、検出方向共振周波数チューニング手段１６は、検出素子１２の共振周波数をアクティブに制御するためのものであり、検出素子１２の内側に配置されている。この検出方向共振周波数チューニング手段１６は、上述した励振方向共振周波数チューニング手段１０と同等の機能を有している。検出方向共振周波数チューニング手段１６は、複数の固定電極１６ａと、複数の可動電極１６ｂとが、噛み合うように検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に沿って交互に配置されることで構成されている。
【０１０９】
検出方向共振周波数チューニング手段１６の固定電極１６ａは、上記活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この固定電極１６ａは、その活性層２ｃが支持部１８ｍの活性層２ｃと一体的に形成されており、支持部１８ｍに接続されて基板２に固定されている。支持部１８ｍは、上記活性層２ｃおよび上記絶縁層２ｂの積層パターンにより形成されており、基板２の支持基板２ａにしっかりと接合され固定されている。ここで支持部１８ｍは、固定電極１６ａに電気信号を与える電極としての機能を有している。
【０１１０】
一方、検出方向共振周波数チューニング手段１６の可動電極１６ｂは、活性層２ｃをパターニングすることにより形成されている。この可動電極１６ｂの下層の絶縁層２ｂは除去されており、可動電極１６ｂは、基板２の第１主面上に浮いた状態で配置されている。可動電極１６ｂは、その活性層２ｃが検出素子１２の活性層２ｃと一体的に形成され接続されており、検出素子１２に接続されて固定されている。
【０１１１】
このような基板２の第１主面上には、封止キャップＭＣＰが陽極接合されている。これにより、センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２は、その可動部分が適切な圧力雰囲気中に設置されるように封止されている。封止キャップＭＣＰは、例えばパイレクスガラスからなり、その上下面を貫通するように複数の電極１９が設けられている（図３参照）。この電極１９は慣性センサ１Ａの外部から内部のセンサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２に所望の電気信号を供給する電極であり、上記支持部１８ａ〜１８ｍに電気的に接続されている。
【０１１２】
ただし、封止構成は、陽極接合による封止構成に限定されるものではなく種々変更可能である。例えば封止キャップＭＣＰを接着材により基板２に接合しても良い。また、ワイヤボンディング後、センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２全体をパッケージに入れ封止してもよい。また、基板２上に励振手段６、検出手段１３などの制御回路を混載した状態でパッケージングしてもよい。また、センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２に所望の電気信号を供給するための電極を基板２の第２主面側（裏面側）からとるようにしてもよい。あるいは、センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２上に化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法やスパッタリング法等を用いて封止薄膜を形成することによりセンサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２を封止してもよい。
【０１１３】
（実施の形態２）
本実施の形態２においては、慣性センサのコリオリ素子と検出素子とを一体化した例を説明する。図１１は本実施の形態２の慣性センサ１Ｃの一例を示す平面図である。なお、図１１では図面を見易くするため封止キャップを省略している。
【０１１４】
本実施の形態２では、センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２の励振素子５の内側において、励振素子５の内側に素子２０が配置されている。素子２０は、コリオリ素子１１と検出素子１２とを一体化したもので、コリオリ素子１１および検出素子１２の両方の機能を有している。この素子２０は、梁１７ｅを介して励振素子５に接続されて支持され、その活性層２ｃを平面略枠状にパターニングすることにより形成されている。そして、その下層の絶縁層２ｂが除去されて基板２の第１主面上に浮いた状態で配置されている。
【０１１５】
検出手段１３−１〜１３−４は、検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の加速度または角速度により素子２０が検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）に変位したときに、その変位量を検出するものである。素子２０の内周には、上記検出手段１３の可動電極１３ｂが素子２０の活性層２ｃと一体的に形成され接続されている。
【０１１６】
角速度サーボ手段１４と検出方向加速度サーボ手段１５は、素子２０の検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の振幅を常にゼロになるように、アクティブに制御するものである。検出方向（第２方向、Ｘ軸方向）の両端側において素子の内周には、角速度サーボ手段１４および検出方向加速度サーボ手段１５の可動電極１４ｂ、１５ｂが素子２０の活性層２ｃと一体的に形成され接続されている。これ以外の構成は前記実施の形態１と同じである。
【０１１７】
本実施の形態２では、前記実施の形態１で得られた効果の他に、以下の効果を得ることができる。すなわち、コリオリ素子と検出素子とを一体化したことにより、センサユニットＳＵＡ１、ＳＵＡ２の形成を容易にすることができる。また、コリオリ素子と検出素子とを一体化したことにより、慣性センサ１Ｃを小型化することができる。なお、図１１では、図４の構成をベースとして発明効果を説明しているが、図２あるいは図８の構成に関しても同じ効果が得られる。
【０１１８】
（実施の形態３）
本実施の形態３においては、前記実施の形態１、２の慣性センサ１Ａ、１Ｃの適用例について説明する。
【０１１９】
図１２は、慣性センサ１Ａあるいは慣性センサ１Ｃを自動車の横滑り防止装置に適用した場合の一例を示している。符号３０は車両、３１はコントロールユニット（制御装置）、３２は運転者が操作するステアリング、３３はステアリング３２の操作量を検出する蛇角センサ、３４はタイヤ、３５は各々のタイヤの回転速度を検出する回転センサ、３６はブレーキである。コントロールユニット３１には、慣性センサ１Ａあるいは慣性センサ１Ｃが含まれている。
【０１２０】
まず、車両３０の運転者は、意図する方向に車両を向けるため、ステアリング３２を操作する。すると、ステアリング３２の操作量は蛇角センサ３３で検出され、その検出信号はコントロールユニット（制御装置）３１に入力される。また、車両３０の速さは回転センサ３５で検出され、その検出信号はコントロールユニット（制御装置）３１に入力される。ここで、車両３０が雪道などで横滑りを起こし、運転者の意図に反してスピンし始めると、コントロールユニット（制御装置）３１は，ステアリング３２の操作量と車両の速さとから計算される車両３０の運動（角速度および加速度）と、本実施の形態の慣性センサ１Ａあるいは慣性センサ１Ｃから検出される実際の車両３０の運動（角速度および加速度）との違いを検出し、横滑りが起き難くなるようにブレーキ３６を制御する。
【０１２１】
本実施の形態によれば、上述したように慣性センサ１Ａあるいは慣性センサ１Ｃの安定性、感度および信頼性を向上させることができる。このため、より高い制御を実現でき、車両３０をより安全な状態に誘導することができる。
【０１２２】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【０１２３】
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野である自動車の横滑り防止装置に適用した場合について説明したが、それに限定されるものではなく種々適用可能である。例えば、自動車のエアバックの衝突検知装置やカーナビゲーションのような自動車の他の装置に適用できる他、ロボットの姿勢や運動状態を測定するセンサや携帯電話の姿勢認識用センサ、ノート型のパーソナルコンピュータおよびデジタルカメラ等のような携帯型電子機器の姿勢制御、例えば手ぶれ補正、落下検知等に使用するセンサにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明は、ＭＥＭＳ慣性センサの製造業に幅広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明の基本概念を説明する説明図である。
【図２】本発明の実施の形態１における慣性センサの一例を示す平面図である。
【図３】図２のｘ１−ｘ１線における断面図である。
【図４】実施の形態１の変形例における慣性センサの一例を示す平面図である。
【図５】慣性センサにおける励振回路を示す回路図である。
【図６】慣性センサの励振方向における振幅検出回路（モニタ回路）を示す回路図である。
【図７】本発明者らが検討した慣性センサの一例を示す平面図である。
【図８】実施の形態１の変形例における慣性センサの一例を示す平面図である。
【図９】励振方向加速度検出部を複数設けた慣性センサの基本構成を示す図である。
【図１０】慣性センサにおける検出回路の一例を示す説明図である。
【図１１】実施の形態２における慣性センサの一例を示す平面図である。
【図１２】実施の形態３における慣性センサを自動車の横滑り防止装置に適用した例を示す説明図である。
【図１３】本発明者らが検討した慣性センサの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１Ａ、１Ｃ  慣性センサ
２  基板
２ａ  支持基板
２ｂ  絶縁層
２ｃ  活性層
３  質量部
５  励振素子
６  励振手段
６ａ  可動電極
６ｂ  固定電極
７  励振方向振幅モニタ手段
７ａ  固定電極
７ｂ  可動電極
８  励振方向加速度検出部
８ａ  固定電極
８ｂ  可動電極
８ｃ  固定部
８−１、８−２  励振方向加速度検出部
８−１ａ、８−２ａ  固定電極
８−１ｂ、８−２ｂ  可動電極
８−１ｃ、８−２ｃ  固定部
９  励振方向加速度サーボ手段
９ａ  固定電極
９ｂ  可動電極
１０  励振方向共振周波数チューニング手段
１０ａ  固定電極
１０ｂ  可動電極
１１  コリオリ素子
１２  検出素子
１３（１３−１〜１３−４）  検出手段
１３ａ  固定電極
１３ｂ  可動電極
１４  角速度サーボ手段
１４ａ  固定電極
１４ｂ  可動電極
１５  検出方向加速度サーボ手段
１５ａ  固定電極
１５ｂ  可動電極
１６  検出方向共振周波数チューニング手段
１６ａ  固定電極
１６ｂ  可動電極
１７ａ〜１７ｇ  梁
１８ａ〜１８ｍ  支持部
１９  電極
２０  素子
２５  弾性体
２６  支持部
３０  車両
３１  コントロールユニット
３２  ステアリング
３３  蛇角センサ
３４  タイヤ
３５  回転センサ
３６  ブレーキ
５００  質量部
５０１  梁
５０２  支持部
５０３  励振部
５０４  検出部
Ｗ  外周壁
ＳＵＡ１、ＳＵＡ２  センサユニット
ＭＣＰ  封止キャップ
【図１】
0005301767.tif 000002
【図２】
0005301767.tif 000003
【図３】
0005301767.tif 000004
【図４】
0005301767.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005301767.tif 000007
【図７】
0005301767.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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