(57)【要約】【課題】内圧変動による振動子の出力信号の変動が抑制された角速度センサを提供する。【解決手段】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（１９）をｘ方向に振動させる駆動部（３７，５５）と、振動子（１９）のｘ方向の振動振幅を検出する振幅検出部（３６，５４）と、振動子（１９）のｙ方向への変位量を検出する変位検出部（３８，５６）と、振動子（１９）を密閉空間に収納するパッケージ（７０）と、を有する角速度センサであって、振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づいて、パッケージ（７０）の内圧を一定に調整する内圧調整部（９０）を有する。【選択図】図１
2012220210.tif 000002
【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（１９）をｘ方向に振動させる駆動部（３７，５５）と、
前記振動子（１９）のｘ方向の振動振幅を検出する振幅検出部（３６，５４）と、
前記振動子（１９）のｙ方向への変位量を検出する変位検出部（３８，５６）と、
前記振動子（１９）を密閉空間に収納するパッケージ（７０）と、を有する角速度センサであって、
前記振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づいて、前記パッケージ（７０）の内圧を一定に調整する内圧調整部（９０）を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記駆動部（３７，５５）は、前記振幅検出部（３６，５４）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し、
前記内圧調整部（９０）は、前記振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づく前記駆動部（３７，５５）の出力信号を用いて、前記パッケージ（７０）の内圧を一定に調整す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】
前記内圧調整部（９０）は、前記振幅検出部（３６，５４）の出力信号を用いて、前記パッケージ（７０）の内圧を一定に調整す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４】
前記パッケージ（７０）の内圧は、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１〜３いずれか１項に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記パッケージ（７０）は、底部及び該底部の縁に形成された側部から成る箱部（７１）と、該箱部（７１）の開口部を閉塞する蓋部（７２）と、を有し、
前記内圧調整部（９０）は、前記箱部（７１）と前記蓋部（７２）とが並ぶ方向に伸縮可能であり、前記箱部（７１）と前記蓋部（７２）とを連結する蛇腹部（９１）と、該蛇腹部（９１）を伸縮させることで前記箱部（７１）と前記蓋部（７２）の相対距離を変動するアクチュエータ（９２）と、前記振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づいて前記アクチュエータ（９２）に前記蛇腹部（９１）の伸縮を指示する動作指示部（９３）と、を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記内圧調整部（９０）は、前記パッケージ（７０）内に設けられた膨張収縮部材（９８）と、該膨張収縮部材（９８）を膨張収縮させることで前記密閉空間の体積を変動するアクチュエータ（９９）と、前記振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づいて前記アクチュエータ（９９）に前記膨張収縮部材（９８）の膨張収縮を指示する動作指示部（９３）と、を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記動作指示部（９３）は、前記振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づく前記駆動部（３７，５５）の出力信号若しくは前記振幅検出部（３６，５４）の出力信号と閾値を比較し、前記出力信号が前記閾値よりも高い場合にＨｉ信号を出力し、低い場合に電圧レベルが前記Ｈｉ信号よりも低いＬｏ信号を出力する比較部（９４）と、該比較部（９４）から出力されるＨｉ信号を、リセット信号が入力されてから再び入力されるまでの間カウントするカウンタ（９５）と、該カウンタ（９５）のカウント信号に基づいて、前記アクチュエータ（９２，９９）に動作指示信号を出力する演算部（９７）と、を有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の角速度センサ。
【請求項８】
前記閾値は、第１閾値（Ｖ１）と、該第１閾値（Ｖ１）よりも低い第２閾値（Ｖ２）と、を有し、
前記比較部（９４）は、前記振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づく前記駆動部（３７，５５）の出力信号若しくは前記振幅検出部（３６，５４）の出力信号と前記第１閾値（Ｖ１）とを比較する第１比較部（９４ａ）と、前記振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づく前記駆動部（３７，５５）の出力信号若しくは前記振幅検出部（３６，５４）の出力信号と前記第２閾値（Ｖ２）とを比較する第２比較部（９４ｂ）と、を有し、
前記カウンタ（９５）は、前記第１比較部（９４ａ）のＨｉ信号をカウントする第１カウンタ（９５ａ）と、前記第２比較部（９４ｂ）のＨｉ信号をカウントする第２カウンタ（９５ｂ）と、を有し、
前記動作指示部（９３）は、前記第１比較部（９４ａ）の出力信号の電圧レベルを反転する第１反転部（９６ａ）と、前記第２比較部（９４ｂ）の出力信号の電圧レベルを反転する第２反転部（９６ｂ）と、を有し、
前記リセット信号は、前記第１反転部（９６ａ）から前記第１カウンタ（９５ａ）に入力される第１リセット信号と、前記第２反転部（９６ｂ）から前記第２カウンタ（９５ｂ）に入力される第２リセット信号と、を有し、
前記動作指示信号は、前記密閉空間の体積の膨張を指示する膨張指示信号と、前記密閉空間の体積の収縮を指示する収縮指示信号と、を有し、
前記演算部（９７）は、第１カウンタ（９５ａ）からのみ第３閾値を超えるカウント信号が入力された場合に、前記膨張指示信号を前記アクチュエータ（９２，９９）に出力し、第２カウンタ（９５ｂ）からのみ第４閾値を超えるカウント信号が入力された場合に、前記収縮指示信号をアクチュエータ（９２，９９）に出力することを特徴とする請求項７に記載の角速度センサ。
【請求項９】
前記振動子（１９）のｘ方向の振動周波数を検出する周波数検出部（３６，５４）を有し、
前記駆動部（３７，５５）は、前記周波数検出部（３６，５４）の出力信号に基づいて、前記ｘ方向の振動周波数を一定に調整することを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の角速度センサ。
【請求項１０】
前記変位検出部（３８，５６）は、前記振動子（１９）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１〜９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ｘ方向に振動させる駆動部と、振動子のｘ方向の振動振幅を検出する振幅検出部と、振動子のｙ方向への変位量を検出する変位検出部と、振動子を密閉空間に収納するパッケージと、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、振動子の周囲温度の変化を抑制することで、振動子の出力信号の変動が抑制された構成となっている。しかしながら、振動子の出力信号は、温度だけではなく、ケース内の圧力（内力）によっても変動する。
【０００６】
振動子がｘ方向に振動した状態で、ｚ方向に角速度が印加されると、ｙ方向にコリオリ力が生じる。このコリオリ力によって、振動子はｙ方向に変位（振動）し、その変位量（振動振幅）はコリオリ力（角速度）に依存する。したがって、振動振幅を検出することで、コリオリ力（角速度）を検出することができる。ｙ方向への振動状態を表すＱｓ値は圧力に依存し、振動子の出力信号はＱｓ値に依存する。そのため、特許文献１に示される角速度センサでは、内圧の変動による振動子の出力信号の変動を抑制することができない。
【０００７】
なお、もちろんではあるが、内圧は温度に応じて変動するので、温度変化に起因する、内圧変動による振動子の出力信号の変動は、特許文献１に記載の角速度センサでも抑制される。しかしながら、内圧は、温度だけではなくケース内の粒子数によっても変動する。そのため、特許文献１に記載の角速度センサでは、粒子数変化に起因する、内圧変動による振動子の出力信号の変動を抑制できなかった。
【０００８】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、内圧変動による振動子の出力信号の変動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】
【０００９】
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（１９）をｘ方向に振動させる駆動部（３７，５５）と、振動子（１９）のｘ方向の振動振幅を検出する振幅検出部（３６，５４）と、振動子（１９）のｙ方向への変位量を検出する変位検出部（３８，５６）と、振動子（１９）を密閉空間に収納するパッケージ（７０）と、を有する角速度センサであって、振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づいて、パッケージ（７０）の内圧を一定に調整する内圧調整部（９０）を有することを特徴とする。
【００１０】
このように本発明によれば、内圧の変動に依存する振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づいて、内圧を一定に調整する。内圧は、密閉空間内の粒子数、温度、及び、体積によって変動する。したがって、密閉空間内の温度に基づいて内圧を調整する構成の場合、粒子数の変動による内圧の変化を検出することができない。これに対して、本発明では、内圧そのものに依存する振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づいて、内圧を調整する。そのため、粒子数の変動によって内圧が変動したとしても、その変化に基づいて、内圧を調整することができる。これにより、内圧変動による変位検出部（３８，５６）（振動子（１９））の出力信号の変動が抑制される。
【００１１】
請求項２に記載のように、駆動部（３７，５５）は、振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づいて、ｘ方向の振動振幅を一定に調整し、内圧調整部（９０）は、振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づく駆動部（３７，５５）の出力信号を用いて、パッケージ（７０）の内圧を一定に調整する構成が好適である。
【００１２】
ｘ方向の振動振幅Ａは、ｘ方向への振動状態を表すＱｄ値と、駆動部（３７，５５）が振動子（１９）をｘ方向に振動させる駆動力Ｆｄとに依存する。内圧変動によってＱｄ値が変動した場合、駆動部（３７，５５）は、振動振幅Ａを一定に保つために、駆動力Ｆｄを変動させる。駆動力Ｆｄの値は、駆動部（３７，５５）の出力信号によって決定される。したがって、請求項２に記載のように、振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づく駆動部（３７，５５）の出力信号を用いて、パッケージ（７０）の内圧を一定に調整することで、内圧変動による変位検出部（３８，５６）の出力信号の変動が抑制される。
【００１３】
なお、もちろんではあるが、請求項２に記載のように、振幅検出部（３６，５４）の出力信号を間接的に用いるのではなく、請求項３に記載のように、内圧調整部（９０）は、振幅検出部（３６，５４）の出力信号を直接的に用いて、パッケージ（７０）の内圧を一定に調整する構成を採用することもできる。
【００１４】
請求項４に記載のように、パッケージ（７０）の内圧は、１気圧よりも低い低圧状態である構成が好適である。この場合、ｙ方向への振動状態を表すＱｓ値、及び、上記したＱｄ値の変動が、内圧が１気圧の場合と比べて高くなる。したがって、請求項１に記載のように、内圧変動による変位検出部（３８，５６）の出力信号の変動を抑制する構成が好ましい。
【００１５】
請求項５に記載のように、パッケージ（７０）は、底部及び該底部に形成された側部から成る箱部（７１）と、該箱部（７１）の開口部を閉塞する蓋部（７２）と、を有し、内圧調整部（９０）は、箱部（７１）と蓋部（７２）とが並ぶ方向に伸縮可能であり、箱部（７１）と蓋部（７２）とを連結する蛇腹部（９１）と、該蛇腹部（９１）を伸縮させることで箱部（７１）と蓋部（７２）の相対距離を変動するアクチュエータ（９２）と、振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づいてアクチュエータ（９２）に蛇腹部（９１）の伸縮を指示する動作指示部（９３）と、を有する構成が良い。これによれば、密閉空間の体積を調整することで、内圧を調整することができる。
【００１６】
なお、体積を調整する構成としては、請求項６に記載のように、内圧調整部（９０）は、パッケージ（７０）内に設けられた膨張収縮部材（９８）と、該膨張収縮部材（９８）を膨張収縮させることで密閉空間の体積を変動するアクチュエータ（９９）と、振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づいてアクチュエータ（９９）に膨張収縮部材（９８）の膨張収縮を指示する動作指示部（９３）と、を有する構成を採用することができる。
【００１７】
請求項５及び請求項６に記載の動作指示部としては、請求項７に記載のように、動作指示部（９３）は、振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づく駆動部（３７，５５）の出力信号若しくは振幅検出部（３６，５４）の出力信号と閾値を比較し、出力信号が閾値よりも高い場合にＨｉ信号を出力し、低い場合に電圧レベルがＨｉ信号よりも低いＬｏ信号を出力する比較部（９４）と、該比較部（９４）から出力されるＨｉ信号を、リセット信号が入力されてから再び入力されるまでの間カウントするカウンタ（９５）と、該カウンタ（９５）のカウント信号に基づいて、アクチュエータ（９２，９９）に動作指示信号を出力する演算部（９７）と、を有する構成を採用することができる。
【００１８】
また、請求項７に記載の動作指示部（９３）の更に具体的な構成としては、請求項８に記載のように、閾値は、第１閾値（Ｖ１）と、該第１閾値（Ｖ１）よりも低い第２閾値（Ｖ２）と、を有し、比較部（９４）は、振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づく駆動部（３７，５５）の出力信号若しくは振幅検出部（３６，５４）の出力信号と第１閾値（Ｖ１）とを比較する第１比較部（９４ａ）と、振幅検出部（３６，５４）の出力信号に基づく駆動部（３７，５５）の出力信号若しくは振幅検出部（３６，５４）の出力信号と第２閾値（Ｖ２）とを比較する第２比較部（９４ｂ）と、を有し、カウンタ（９５）は、第１比較部（９４ａ）のＨｉ信号をカウントする第１カウンタ（９５ａ）と、第２比較部（９４ｂ）のＨｉ信号をカウントする第２カウンタ（９５ｂ）と、を有し、動作指示部（９３）は、第１比較部（９４ａ）の出力信号の電圧レベルを反転する第１反転部（９６ａ）と、第２比較部（９４ｂ）の出力信号の電圧レベルを反転する第２反転部（９６ｂ）と、を有し、リセット信号は、第１反転部（９６ａ）から第１カウンタ（９５ａ）に入力される第１リセット信号と、第２反転部（９６ｂ）から第２カウンタ（９５ｂ）に入力される第２リセット信号と、を有し、動作指示信号は、密閉空間の体積の膨張を指示する膨張指示信号と、密閉空間の体積の収縮を指示する収縮指示信号と、を有し、演算部（９７）は、第１カウンタ（９５ａ）からのみ第３閾値を超えるカウント信号が入力された場合に、膨張指示信号をアクチュエータ（９２，９９）に出力し、第２カウンタ（９５ｂ）からのみ第４閾値を超えるカウント信号が入力された場合に、収縮指示信号をアクチュエータ（９２，９９）に出力する構成を採用することができる。動作指示部（９３）の詳しい動作については、実施形態で説明する。
【００１９】
請求項９に記載のように、振動子（１９）のｘ方向の振動周波数を検出する周波数検出部（３６，５４）を有し、駆動部（３７，５５）は、周波数検出部（３６，５４）の出力信号に基づいて、ｘ方向の振動周波数を一定に調整する構成が良い。ｙ方向への変位量は、ｘ方向の振動周波数に依存する。したがって、請求項９に記載の発明によれば、変位検出部（３８，５６）の出力信号の変動が抑制される。
【００２０】
請求項１０に記載のように、変位検出部（３８，５６）としては、振動子（１９）のｙ方向への変位量を静電容量に変換して検出する構成を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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】動作指示部の信号を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】角速度センサの変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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は、角速度センサの概略構成を示す断面図である。図２は、センサ基板の概略構成を示す上面図である。図３は、角速度センサの回路構成を示すブロック図である。図４は、動作指示部の信号を説明するためのタイミングチャートである。
【００２３】
なお、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ｓ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。
【００２４】
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、内圧調整部９０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おり、内圧調整部９０の主要部は、密閉空間の外に設けられている。
【００２５】
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。
【００２６】
図２に示すように、センサチップ１０は、仮想直線ｓ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ｓ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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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２６〜２８，３６〜３８を囲む基部３９と、を有する。
【００３６】
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が噛み合わさることで互いにｙ方向で対向し、モニターコンデンサを構成している。
【００３７】
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が噛み合わさることで互いにｙ方向で対向し、駆動コンデンサを構成している。
【００３８】
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が噛み合わさることで互いにｙ方向で方向で対向し、検出コンデンサを構成している。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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Ｖｄ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Ｖｄ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Ｖｄ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方向にて一定周期で変動する。これにより、振動子１９がｘ方向にて一定周期で振動する。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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（振動振幅と振動周波数）を検出するモニター回路５４と、駆動電圧Ｖｄ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、を有する。
【００４７】
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及び周波数検出部が構成され、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ている。
【００４８】
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（振動振幅と振動周波数）を検出する。
【００４９】
駆動回路５５は、モニター回路５４の出力信号に基づいて、ｘ方向の振動振幅と振動周波数とが一定となる駆動電圧Ｖｄ（駆動力Ｆｄ）を生成し、生成した駆動電圧Ｖｄ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Ｖｄは、後述する動作指示部９３にも出力される。
【００５０】
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、変位部２０（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。
【００５１】
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。
【００５２】
パッド５３は、センサパッド１８に対応する回路パッド５７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５８と、を有する。センサパッド１８と回路パッド５７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５８とが配線６２を介して電気的に接続されている。
【００５３】
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箱部７１と、該箱部７１の開口部を閉塞する蓋部７２と、を有する。箱部７１の底部内面には、揮発性成分を含む接着剤６１が設けられており、該接着剤６１を介して箱部７１と回路チップ５０とが機械的に接続されている。箱部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５８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５８、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、箱部７１と蓋部７２とは、機械的及び電気的に接続されている。
【００５４】
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、振動子１９にコリオリ力Ｆｃがｙ方向に生じる。振動子１９が、コリオリ力Ｆｃによって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。
【００５５】
次に、本実施形態に係る角速度センサ１００の特徴点である内圧調整部９０を説明する。内圧調整部９０は、蛇腹部９１と、モータ９２と、動作指示部９３と、を有する。蛇腹部９１は、板状の部材が山折りと谷折りを繰り返したアコーディオン構造を成しており、箱部７１と蓋部７２とが並ぶｚ方向に伸縮可能である。蛇腹部９１の一端が箱部７１に連結され、他端が蓋部７２に連結されている。密閉空間は、蛇腹部９１とパッケージ７０とによって構成されている。
【００５６】
モータ９２は、動作指示部９３の動作指示信号（膨張指示信号若しくは収縮指示信号）に基づいて、蛇腹部９１をｚ方向に伸縮するものである。モータ９２は、膨張指示信号が入力されると、箱部７１から遠ざけるように蓋部７２を引っ張ることで、蛇腹部９１を伸ばす。また、モータ９２は、収縮指示信号が入力されると、箱部７１に近づけるように蓋部７２を押圧することで、蛇腹部９１を縮める。モータ９２が、特許請求の範囲に記載のアクチュエータに相当する。
【００５７】
動作指示部９３は、駆動回路５５の出力信号に基づいてモータ９２に蛇腹部９１の伸縮を指示するものである。動作指示部９３は、駆動回路５５の出力信号と閾値を比較して、出力信号が閾値よりも高い場合にＨｉ信号を出力し、低い場合に電圧レベルがＨｉ信号よりも低いＬｏ信号を出力する比較部９４と、該比較部９４から出力されるＨｉ信号を、リセット信号が入力されてから再び入力されるまでの間カウントするカウンタ９５と、比較部９４の出力信号の電圧レベルを反転し、その反転した信号をリセット信号として比較部９４に出力する反転部９６と、カウンタ９５のカウント信号に基づいて、モータ９２に動作指示信号を出力する演算部９７と、を有する。また、動作指示部９３は、クロック信号をカウンタ９５に入力するクロック部（図示略）を有し、図１に示すように、配線６３を介して外部端子７５と電気的に接続されている。
【００５８】
比較部９４は、駆動回路５５の出力信号（駆動電圧Ｖｄ）と第１閾値Ｖ１とを比較する第１比較部９４ａと、駆動電圧Ｖｄと第１閾値Ｖ１よりも低い第２閾値Ｖ２とを比較する第２比較部９４ｂと、を有する。図３に示すように、第１比較部９４ａの反転入力端子に駆動電圧Ｖｄが入力され、非反転入力端子に第１閾値Ｖ１が入力される。また、第２比較部９４ｂの反転入力端子に第２閾値Ｖ２が入力され、非反転入力端子に駆動電圧Ｖｄが入力される。
【００５９】
駆動電圧Ｖｄが閾値Ｖ２よりも低い場合、第１比較部９４ａからはＨｉ信号が出力され、第２比較部９４ｂからはＬｏ信号が出力される。この場合、駆動電圧Ｖｄが閾値Ｖ２よりも低くなっているので、内圧は低くなっていることが分かる。
【００６０】
駆動電圧Ｖｄが第１閾値Ｖ１よりも低く、第２閾値Ｖ２よりも高い場合、比較部９４ａ，９４ｂそれぞれからＨｉ信号が出力される。この場合、駆動電圧Ｖｄは第１閾値Ｖ１と第２閾値Ｖ２との間にあるので、内圧は安定（一定）であることが分かる。
【００６１】
駆動電圧Ｖｄが閾値Ｖ１よりも高い場合、第１比較部９４ａからはＬｏ信号が出力され、第２比較部９４ｂからはＨｉ信号が出力される。この場合、駆動電圧Ｖｄが閾値Ｖ１よりも高くなっているので、内圧は高くなっていることが分かる。
【００６２】
カウンタ９５は、第１比較部９４ａのＨｉ信号をカウントする第１カウンタ９５ａと、第２比較部９４ｂのＨｉ信号をカウントする第２カウンタ９５ｂと、を有する。カウンタ９５ａ，９５ｂには、図４に示すクロック信号が入力されるようになっており、カウンタ９５ａ，９５ｂは、Ｈｉ信号が入力されている間に、クロック信号のパルスが幾つ入力されたかをカウントする。そして、カウントした数を含むカウント信号を演算部９７に出力する。このように、カウント数は、Ｈｉ信号の入力時間に相当する。
【００６３】
反転部９６は、第１比較部９４ａの出力信号の電圧レベルを反転した第１リセット信号を第１カウンタ９５ａに入力する第１反転部９６ａと、第２比較部９４ｂの出力信号の電圧レベルを反転した第２リセット信号を第２カウンタ９５ｂに入力する第２反転部９６ｂと、を有する。リセット信号はＨｉレベルの信号である。したがって、比較部９４からＨｉ信号が出力されている場合、反転部９６からはＬｏ信号が出力されるので、カウンタ９５はカウントし続ける。反対に、比較部９４からＬｏ信号が出力されている場合、反転部９６からはＨｉ信号が出力されるので、カウンタ９５のカウントはストップする。反転部９６からＨｉ信号が出力されている間、カウンタ９５のカウントはストップし、カウンタ９５からカウント信号が出力されなくなる。
【００６４】
演算部９７は、カウンタ９５の出力信号に基づいて、動作指示信号をモータ９２に出力する。演算部９７は、第１カウンタ９５ａからのみカウント信号が入力された場合に、駆動電圧Ｖｄが小さくなっているので内圧は低くなっていると判断し、カウンタ９５ａ，９５ｂそれぞれからカウント信号が入力された場合に、駆動電圧Ｖｄは所定値に収まっているので内圧は安定（一定）であると判断する。また、演算部９７は、第２カウンタ９５ｂからのみカウント信号が入力された場合に、駆動電圧Ｖｄが大きくなっているので内圧は高くなっていると判断する。演算部９７は、第１カウンタ９５ａからのみ第３閾値を超えるカウント信号が入力された場合に、密閉空間の体積の膨張を指示する膨張指示信号をモータ９２に出力し、第２カウンタ９５ｂからのみ第４閾値を超えるカウント信号が入力された場合に、密閉空間の体積の収縮を指示する収縮指示信号をモータ９２に出力する。本実施形態では、第３閾値と第４閾値は共に等しく５である。演算部９７は、カウント数が５を超えるカウンタ９５ａ，９５ｂのいずれか一方のカウント信号が入力された場合に、動作指示信号を出力する。
【００６５】
次に、内圧調整部９０の動作を図４に基づいて説明する。図４の横軸は時間、縦軸は電圧を示している。駆動電圧Ｖｄが、第２閾値Ｖ２よりも高く、第１閾値Ｖ１よりも低い場合、時間ｔ０〜ｔ１の第１期間に示すように、比較部９４ａ，９４ｂからはそれぞれＨｉ信号が出力される。すると、カウンタ９５ａ，９５ｂはカウントを開始し、カウント信号がカウンタ９５ａ，９５ｂそれぞれから演算部９７に入力される。この時、演算部９７は、内圧は安定（一定）であると判断して、モータ９２に動作指示信号を出力せず、モータ９２を駆動しない。
【００６６】
駆動電圧Ｖｄが、閾値Ｖ１よりも高い場合、時間ｔ１〜ｔ２の第２期間に示すように、第１比較部９４ａからはＬｏ信号が出力され、第２比較部９４ｂからはＨｉ信号が出力される。すると、第１カウンタ９５ａにリセット信号が入力されるので、第１カウンタ９５ａからはカウント信号が出力されなくなる。その一方、第２カウンタ９５ｂはカウントを開始し、カウント信号が第２カウンタ９５ｂからのみ演算部９７に入力される。この時、演算部９７は、内圧は高くなっていると判断する。そして、カウント信号が５を超えると、演算部９７はモータ９２に膨張指示信号を出力する。モータ９２は、膨張指示信号を受信すると、箱部７１から遠ざけるように蓋部７２を引っ張ることで、蛇腹部９１を伸ばす。これによって、密閉空間の体積を膨張する。
【００６７】
密閉空間の体積の膨張によって内圧が下ると、駆動電圧Ｖｄは、再び第２閾値Ｖ２よりも高く、第１閾値Ｖ１よりも低くなる。この場合、時間ｔ２〜ｔ３の第３期間に示すように、比較部９４ａ，９４ｂからそれぞれＨｉ信号が出力される。演算部９７は、第１期間と同様に内圧は安定（一定）であると判断し、モータ９２に動作指示信号を出力せず、モータ９２を駆動しない。
【００６８】
駆動電圧Ｖｄが、閾値Ｖ２よりも低い場合、時間ｔ３〜ｔ４の第４期間に示すように、第１比較部９４ａからはＨｉ信号が出力され、第２比較部９４ｂからはＬｏ信号が出力される。すると、第２カウンタ９５ｂにリセット信号が入力されるので、第２カウンタ９５ｂからはカウント信号が出力されなくなる。その一方、第１カウンタ９５ａはカウントを開始し、カウント信号が第１カウンタ９５ａからのみ演算部９７に入力される。この時、演算部９７は、内圧は低くなっていると判断する。そして、カウント信号が５を超えると、演算部９７はモータ９２に収縮指示信号を出力する。モータ９２は、収縮指示信号を受信すると、箱部７１に近づけるように蓋部７２を押圧することで、蛇腹部９１を縮める。これによって、密閉空間の体積を収縮する。
【００６９】
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。上記したように、内圧の変動に依存する駆動回路５５の出力信号（駆動電圧Ｖｄ）に基づいて、内圧を一定に調整する。内圧は、密閉空間内の粒子数、温度、及び、体積によって変動する。したがって、密閉空間内の温度に基づいて内圧を調整する構成の場合、粒子数の変動による内圧の変化を検出することができない。これに対して、本実施形態では、内圧そのものに依存する駆動電圧Ｖｄに基づいて、内圧を調整する。そのため、粒子数の変動によって内圧が変動したとしても、その変化に基づいて、内圧を一定に調整することができる。これにより、内圧変動による変位検出回路５６（センサ部１５）の出力信号の変動が抑制される。
【００７０】
なお、内圧の変動する要因としては、接着剤６１に含まれる揮発性成分の揮発による粒子数変化と、温度変化とがある。これに対して、本実施形態に係る角速度センサ１００では、内圧そのものに依存する駆動電圧Ｖｄに基づいて、内圧の調整を行っている。したがって、感温素子の出力信号に基づいて、内圧の調整を行う構成とは異なり、粒子数変化に起因する内圧変動においても、センサ部１５の出力信号の変動が抑制される。
【００７１】
密閉空間の圧力（内圧）は、１気圧よりも低い低圧状態となっている。この場合、ｙ方向の振動状態を表すＱｓ値、及び、ｘ方向の振動状態を表すＱｄ値の変動は、内圧が１気圧の場合と比べて高くなる。したがって、上記したように、内圧を一定に調整する構成が好ましい。
【００７２】
駆動回路５５は、モニター回路５４の出力信号に基づいて、ｘ方向の振動周波数（共振周波数）を一定に調整する。ｙ方向への変位部２０（振動子１９）の変位量は、ｘ方向の共振周波数に依存する。したがって、上記構成によれば、センサ部１５の出力信号の変動が抑制される。
【００７３】
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。
【００７４】
本実施形態では、モニター回路５４の出力信号に基づく駆動電圧Ｖｄを用いて、内圧を調整する例を示した。しかしながら、モニター回路５４の出力信号を用いて、内圧を調整しても良い。
【００７５】
本実施形態では、内圧調整部９０の主要部が密閉空間の外に設けられた例を示した。しかしながら、図５に示すように、内圧調整部９０が密閉空間内に設けられた構成を採用することもできる。図５に示す内圧調整部９０は、膨張収縮部材９８と、該膨張収縮部材９８の温度を調整することで、膨張収縮させるペルチェ素子９９と、動作指示部９３と、を有する。動作指示部９３は、半導体基板５１に形成されており、動作指示部９３の動作指示信号は、半導体基板５１に形成された指示パッド５９及び配線６４を介して、ペルチェ素子９９に入力される。ペルチェ素子９９は、膨張指示信号を受信すると、膨張収縮部材９８を冷却することで、膨張収縮部材９８を縮める。これによって、密閉空間の体積を増大（膨張）する。また、ペルチェ素子９９は、収縮指示信号を受信すると、膨張収縮部材９８を加温することで、膨張収縮部材９８を膨らませる。これによって、密閉空間の体積を減少（収縮）する。ペルチェ素子９９が、特許請求の範囲に記載のアクチュエータに相当する。図５は、角速度センサの変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０・・・センサチップ
１５・・・センサ部
１９・・・振動子
５０・・・回路チップ
５４・・・モニター回路
５５・・・駆動回路
７０・・・パッケージ
９０・・・内圧調整部
９３・・・動作指示部
１００・・・角速度センサ
【図１】
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【図２】
2012220210.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012220210.tif 000006
【図５】
2012220210.tif 000007