(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる直交座標系にてｚ軸方向を軸として支持され前記ｙ軸と直交する素子部形成面を有する振動子（２）と、
前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）を前記ｘ軸方向に振動させる駆動素子部（８、８’）と、
前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）の前記ｙ軸方向の振動に応じた信号を出力する検知素子部（９、９’）と、
前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）の前記ｘ軸方向の振動に応じた信号を出力するフィードバック素子部（１０、１０’）と、
このフィードバック素子部（１０、１０’）から出力される信号に基づいて前記駆動素子部（８、８’）を駆動し、この駆動素子の駆動によって前記振動子（２）が前記ｘ軸方向に振動しているときに前記検知素子部（９、９’）から出力される信号を、前記フィードバック素子部（１０、１０’）から出力される信号に基づき同期検波して角速度信号を出力する回路手段（３０〜３７）を備え、
前記駆動素子部（８、８’）、前記検知素子部（９、９’）および前記フィードバック素子部（１０、１０’）は、それぞれ、圧電体で形成された圧電素子部であり、
前記フィードバック素子部（１０、１０’）と前記検知素子部（９、９’）の静電容量が等しくなっていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記フィードバック素子部（１０、１０’）は、前記検知素子部（９、９’）と面積が等しく、かつ前記検知素子部（９、９’）に対し前記ｘ軸方向にオフセットした位置に形成されてい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】
ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる直交座標系にてｚ軸方向を軸として支持され前記ｙ軸と直交する素子部形成面を有する振動子（２）と、
前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）を前記ｘ軸方向に振動させる駆動素子部（８、８’）と、
前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）の前記ｙ軸方向の振動に応じた信号を出力する検知素子部（９、９’）と、
前記素子部形成面に形成され前記振動子（２）の前記ｘ軸方向の振動に応じた信号を出力するフィードバック素子部（１０、１０’）と、
このフィードバック素子部（１０、１０’）から出力される信号に基づいて前記駆動素子部（８、８’）を駆動し、この駆動素子の駆動によって前記振動子（２）が前記ｘ軸方向に振動しているときに前記検知素子部（９、９’）から出力される信号を、前記フィードバック素子部（１０、１０’）から出力される信号に基づき同期検波して角速度信号を出力する回路手段（３０〜３７）を備え、
前記駆動素子部（８、８’）、前記検知素子部（９、９’）および前記フィードバック素子部（１０、１０’）は、それぞれ、圧電体で形成された圧電素子部であり、
前記フィードバック素子部（１０、１０’）に容量補正素子部（１１、１１’）を並列接続して、その合成の静電容量と前記検知素子部（９、９’）の静電容量とが等しくなるようにしたことを特徴とする角速度センサ。
【請求項４】
前記振動子（２）は、半導体基板をエッチングして形成されたものであって、前記駆動素子部（８、８’）、前記検知素子部（９、９’）、および前記フィードバック素子部（１０、１０’）は、前記振動子（２）の表面に形成され、前記容量補正素子部（１１、１１’）は、前記振動子（２）の外周の前記半導体基板の表面に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記振動子（２）の外周の前記半導体基板の表面に、前記検知素子部（９、９’）からの信号を外部に取り出すための検知素子部用電極パッド（１９ａ、１９ａ’）と、前記フィードバック素子部（１０、１０’）からの信号を外部に取り出すためのフィードバック素子部用電極パッド（２０ａ、２０ａ’）が形成されており、前記検知素子部用電極パッド（１９ａ、１９ａ’）と前記フィードバック素子部用電極パッド（２０ａ、２０ａ’）は、それぞれに電気接続される配線の容量差を補正するために異なった面積となっていることを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両、船舶、飛行機、ロボット等の運動体の角速度を検出する角速度センサに関し、例えば、車両の姿勢制御のために用いるのに好適なるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の角速度センサとして種々のものが提案されている。この中で、特開平９−１０５６３４号公報には、シリコンマイクロ技術を用いた半導体式の角速度センサが開示されている。具体的には、半導体基板をエッチングして半導体基板面内に振動子を形成するとともに、この振動子表面に、振動子を駆動振動させる駆動素子部と、角速度を検出する検知素子部とを形成している。これら駆動素子部と検知素子部は、振動子の表面に圧電体と電極を積層して形成されている。
【０００３】
このように半導体技術を用いて角速度センサを構成することによって、小型化を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した半導体式の角速度センサには示されていないが、この種の角速度センサにおいては、振動子の振動を参照して駆動素子部をフィードバック駆動し自励発振を行わせる手段が設けられている。そこで、本発明者等は、上記した半導体式の角速度センサに対し、振動子の振動を参照するフィードバック素子部を形成して、自励発振により駆動素子部を駆動するものについて検討を行った。
【０００５】
図８にその平面構成を示す。また、図９に図８中のＡ−Ａ断面図を示す。
この角速度センサにおいては、シリコン基板等の半導体基板に所定領域をフォトリソグラフィ技術等を用いてエッチング除去することにより、半導体基板の中央部に音叉型の半導体振動子２が形成され、振動子２の外周にフレーム部１が形成されている。
【０００６】
振動子２は、図に示すｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる直交座標系にてｚ軸方向を軸としてフレーム部１に支持されている。振動子２は、上下に互いに平行に延びる一対のアーム部３、３’と、アーム部３、３’を連結し振動子２をフレーム部１に支持するための連結部４とからなっている。さらに、アーム部３、３’は、幅広アーム部５、５’と、幅狭アーム部６、６’と、質量部７、７’とからそれぞれ構成されている。
【０００７】
また、振動子２の表面には、振動子２をｘ軸方向に振動させる駆動素子部８、８’と、振動子２のｙ軸方向の振動に応じた信号を出力する検知素子部９、９’と、振動子２のｘ軸方向の振動に応じた信号を出力するフィードバック素子部１０、１０’が形成されている。また、フレーム部１には、駆動素子部８、８’と配線１８ｂ、１８ｂ’を介して接続される電極パッド１８ａ、１８ａ’と、検知素子部９、９’と配線１９ｂ、１９ｂ’を介して接続される電極パッド１９ａ、１９ａ’と、フィードバック素子部１０、１０’と配線２０ｂ、２０ｂ’を介して接続される電極パッド２０ａ、２０ａ’が形成されている。なお、それらの配線および電極パッドはＡｌで形成されている。
【０００８】
また、図９の断面図に示すように、振動子２を構成する半導体基板上に、絶縁膜２１、２１’、２２、２２’が形成され、絶縁膜２１と２２、絶縁膜２１’と２２’の間の半導体基板上に、ＺｎＯ、ＰＺＴ等からなる圧電体９ａ、９ａ’と電極９ｂ、９ｂ’をスパッタリング、蒸着等で成膜し積層することによって、検知素子部９、９’が形成されている。また、絶縁膜２１、２１’の上には、フィードバック素子部１０、１０’からの配線２０ｂ、２０ｂ’が形成されており、全体が保護膜１３、１３’で覆われている。なお、駆動素子部８、８’およびフィードバック素子部１０、１０’も、検知素子部９、９’と同様に、振動子２を構成する半導体基板上に圧電体と電極を積層することによって形成されている。また、この半導体式の角速度センサにおいては、半導体基板を接地して動作させるようになっている。
【０００９】
ここで、駆動素子部８、８’は、連結部４の幅方向（ｚ軸方向）の中心（図中に点線で示す）より下方向に位置をずらして形成されている。このため、駆動素子部８、８’の電極に交流電圧を印加すると、駆動素子部８、８’が伸縮を繰り返し、一対の振動子２をｘ軸方向に対称振動させることができる。また、フィードバック素子部１０、１０’は、図から明らかなように、幅広アーム部５、５’の中心から左右方向にそれぞれオフセット（すなわち、検知素子部９、９’に対しｘ軸方向にオフセット）した位置に形成されている。このため、振動子２が振動したとき、その振動方向（ｘ軸方向）に対しフィードバック素子部１０とフィードバック素子部１０’から互いに同相となる成分の交流信号が出力される。
【００１０】
図１０に、上記した角速度センサの回路部の構成を示す。
フィードバック素子部１０、１０’から出力される信号は、加算増幅回路３０にて加算される。フィードバック素子部１０、１０’からはｘ軸方向の振動に対し互いに同相となる成分の交流信号が出力されるので、その合成の信号が加算増幅回路３０から出力される。なお、角速度が生じて一対の振動子２がｙ軸方向で互いに逆方向に振動したとき、フィードバック素子部１０、１０’からはｙ軸方向の振動に対し互いに逆相となる成分の信号が出力されるが、それは加算増幅回路３０での加算によってキャンセルされる。
【００１１】
そして、加算増幅回路３０から出力される交流信号を駆動素子部８、８’に印加することにより、駆動素子部８、８’を駆動する。この場合、駆動素子部８、８’によって駆動される振動子２の振動状態を検出しその検出した信号により駆動素子部８、８’を駆動するようにしているので、自励発振によって駆動素子部８、８’を駆動することができる。
【００１２】
この駆動素子部８、８’の駆動によって振動子２がｘ軸方向に振動しているとき、ｚ軸回りに角速度が加わると、振動子２の先端の質量部７、７’にはｙ軸方向にコリオリ力が発生する。そして、これに応じた応力が検知素子部９、９’に加わり交流信号を発生させる。この信号は、角速度による信号の他、振動子２を振動させた時の漏れ振動や電気的な回り込みによるオフセットノイズを伴っている。
【００１３】
そして、検知素子部９、９’から出力される交流信号を、差動増幅回路３１にて差動増幅し、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３２を介して、同期検波回路３３により同期検波する。この場合、加算増幅回路３０から出力される交流信号とＢＰＦ３２を介した交流信号とは位相が９０°ずれているので、加算増幅回路３０から出力される交流信号を９０°位相回路３４によって９０°位相させ、その信号により同期検波回路３３にて同期検波を行う。この同期検波によって、角速度による信号以外の不要なノイズ成分をカットすることができる。そして、この同期検波回路３３からの出力信号は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３５、ゲイン調整回路３６、０点調整回路３７を介し、直流の角速度信号として出力される。
【００１４】
図１１に、加算増幅回路３０および差動増幅回路３１の具体的な構成を示す。加算増幅回路３０は、バッファアンプ３０ａ、３０ｂ、および加算増幅器３０ｃから構成されており、フィードバック素子部１０、１０’からのそれぞれの交流信号を加算するように構成されている。また、差動増幅回路３１は、バッファアンプ３１ａ、３１ｂ、および差動増幅器３１ｃから構成されており、検知素子部９、９’から出力される交流信号を減算するように構成されている。
【００１５】
ここで、上記した角速度センサにおいては、その原理上、小型化するにつれてコリオリ力が小さくなり、検知素子部９、９’から出力される信号も当然のごとく小さくなる。また、振動子２が小さくなれば、振動周波数が高くなる。
このように、非常に微弱でかつ周波数の高い信号を扱う場合、検知素子部９、９’の面積を大きくするのが一般的である。しかしながら、検知素子部９、９’の面積をフィードバック素子部１０、１０’の面積より大きくすると、加算増幅回路３０および差動増幅回路３１の入力インピーダンスが異なってしまうため、９０°位相回路３４から出力される９０°移相後のフィードバック信号と、ＢＰＦ３２から出力される検知信号の位相に大きなずれが生じる。すなわち、角速度が生じていないときに、図１２の上段、中段の波形に示すように、９０°移相後のフィードバック信号と検知信号（この場合、オフセット信号）に位相ずれが生じる。
【００１６】
この位相ずれによって、同期検波後の波形が図１２の下段に示すようになり、それを直流成分にしたときに、オフセット信号が出力される。このオフセット信号は温度によって変化し、いわゆるオフセット温度ドリフトとなる。
本発明は上記問題に鑑みたもので、振動子の同一面上に駆動素子部、検知素子部、フィードバック素子部を配置した小型の角速度センサにおいて、上記した位相ずれによるオフセット信号を低減することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、振動子（２）の素子部形成面に、駆動素子部（８、８’）と、検知素子部（９、９’）と、フィードバック素子部（１０、１０’）を備えた角速度センサであって、フィードバック素子部（１０、１０’）と検知素子部（９、９’）の静電容量を等しくしたことを特徴としている。
【００１８】
このようにフィードバック素子部（１０、１０’）と検知素子部（９、９’）の静電容量を等しくすることによって、回路手段（３０〜３７）への入力インピーダンスを等しくすることができるので、上記したような位相ずれによるオフセット信号を低減することができる。
この場合、請求項２に記載の発明のように、フィードバック素子部（１０、１０’）と検知素子部（９、９’）の面積を等しくすることによって、フィードバック素子部（１０、１０’）と検知素子部（９、９’）の静電容量を等しくすることができる。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明においては、フィードバック素子部（１０、１０’）に容量補正素子部（１１、１１’）を並列接続して、その合成の静電容量と検知素子部（９、９’）の静電容量とが等しくなるようにしたことを特徴としている。
この発明によっても請求項１に記載の発明と同様の効果を奏する。
【００２０】
この場合、請求項４に記載の発明のように、半導体基板をエッチングして振動子（２）を形成し、振動子（２）の外周の半導体基板の表面に容量補正素子部（１１、１１’）を形成することができる。そして、請求項５に記載の発明のように、検知素子部用電極パッド（１９ａ、１９ａ’）とフィードバック素子部用電極パッド（２０ａ、２０ａ’）を、配線の容量差を補正するために異なった面積とすれば、より精度よくオフセット信号の低減を図ることができる。
【００２１】
なお、フィードバック素子部（１０、１０’）と検知素子部（９、９’）の静電容量を等しくするとは、完全に等しくなっている場合の他、実質的に等しくなっているものも含むものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態を示す角速度センサの平面構成を示す。図に示すように、図８に示す構成に対し、フィードバック素子部１０、１０’を、検知素子部９、９’と等しい面積で、検知素子部９、９’に対しｘ軸方向にオフセットした位置に形成している。その他の構成は、図８に示すものと同じで、角速度センサの回路部の構成も図１０に示すものと同じである。
【００２３】
ここで、検知素子部９、９’とフィードバック素子部１０、１０’は、圧電体をスパッタリング、蒸着等で成膜しているためその膜厚は等しくなっている。従って、フィードバック素子部１０、１０’と検知素子部９、９’の面積を等しくすることにより、フィードバック素子部１０、１０’と検知素子部９、９’の静電容量を等しくすることができる。
【００２４】
このようにフィードバック素子部１０、１０’と検知素子部９、９’の静電容量を等しくすることによって、加算増幅回路３０および差動増幅回路３１の入力インピーダンスを等しくすることができ、９０°位相回路３４から出力される９０°移相後のフィードバック信号と、ＢＰＦ３２から出力される検知信号の位相のずれをなくすことができる。
【００２５】
図２、図３に、９０°移相後のフィードバック信号と、検知信号と、同期検波後の波形を示す。なお、図２は角速度が０の場合、図３は角速度が生じている場合の波形を示している。
図２に示すように、９０°移相後のフィードバック信号と、検知信号におけるオフセットノイズは、互いに９０°位相が異なる関係にある。このため、同期検波後においては、オフセットノイズの成分はカットされ、最終的な出力信号にはオフセット信号が生じない。また、角速度が生じている場合には、図３に示すように、検知信号に、オフセット信号とともに角速度による信号が重畳しており、角速度による信号は９０°移相後のフィードバック信号と同位相となるため、同期検波後には、オフセットノイズのみが除去され、直流の角速度信号を取り出すことができる。
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、フィードバック素子部１０、１０’と検知素子部９、９’の面積を等しくするものを示したが、このようにすると、検知素子部９、９’の面積が図８に示すものに比べて小さくなる。
【００２６】
そこで、この第２実施形態では、図４に示すように、検知素子部９、９’、フィードバック素子部１０、１０’を図８に示すものと同じ、すなわち検知素子部９、９’の方の面積を大きくし、検知素子部９、９’とフィードバック素子部１０、１０’の面積の差に相当する面積を有する容量補正素子部１１、１１’をフレーム部１に形成し、容量補正素子部１１、１１’を、配線２１ｂ、２１ｂ’を介して電極パッド２０ａ、２０ａ’に電気接続するようにしている。なお、容量補正素子部１１、１１’は、フィードバック素子部１０、１０’などと同様に、圧電体、電極をスパッタリング、蒸着等で成膜して形成されている。
【００２７】
この場合、図５に示すように、フィードバック素子部１０、１０’と容量補正素子部１１、１１’はそれぞれ並列接続されることになり、フィードバック素子部１０、１０’と容量補正素子部１１、１１’のそれぞれの合成の静電容量を、検知素子部９、９’の静電容量とそれぞれ等しくすることができる。
図６に、容量補正素子部１１、１１’を設けた場合（図６（ａ）に示す）と、図８に示すように容量補正素子部１１、１１’を設けない場合（図６（ｂ）に示す）の、９０°移相後のフィードバック信号と検知信号の位相差の温度に対する変化を示す。なお、室温のときの位相差を０としている。図６（ａ）、（ｂ）から明らかなように、容量補正素子部１１、１１’を設けることによって、位相差の温度に対する変化が少なくなっていることが分かる。
【００２８】
なお、より正確に静電容量の補正を行う場合には、図７に示すように配線の容量も補正するように、検知素子部９、９’に接続された電極パッド１９ａ、１９ａ’とフィードバック素子部１０、１０’に接続された電極パッド２０ａ、２０ａ’の面積を異なるようにするのが好ましい。なお、その配線容量の補正のために電極パッドの面積を変えるのは、第１実施形態においても同様に適用することができる。
【００２９】
上述したように、フィードバック素子部１０、１０’と検知素子部９、９’の面積を同じにするか、あるいはフィードバック素子部１０、１０’に容量補正素子部１１、１１’を並列接続することによって、両者の静電容量を等しくすることができ、検知信号と９０°位相後のフィードバック信号の位相差を低減することができるため、位相差によるオフセット信号を低減することができ、温度変化によって生じるオフセット温度ドリフトも低減することができる。
【００３０】
なお、上記した第１、第２実施形態においては、駆動素子部８、８’を連結部４の左右に設けるものを示したが、特開平９−１０５６３４号公報に記載されているように、上下に駆動素子部を設け、それらを逆位相で駆動するように構成してもよい。
また、本発明は半導体式の角速度センサに適用されるものの他、例えばセラミックにより振動子を構成し、その振動子の一面に駆動素子部、検知素子部、フィードバック素子部を配置した角速度センサに同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す角速度センサの平面構成を示す図である。
【図２】図１に示す角速度センサにおいて、角速度が０の場合の、９０°移相後のフィードバック信号と、検知信号と、同期検波後の波形を示す図である。
【図３】図１に示す角速度センサにおいて、角速度が生じている場合の、９０°移相後のフィードバック信号と、検知信号と、同期検波後の波形を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示す角速度センサの平面構成を示す図である。
【図５】図４に示す角速度センサの回路部の部分構成を示す図である。
【図６】図４、図８に示す角速度センサに対し、温度変化に対する位相差の変化を示す図である。
【図７】図４に示す角速度センサの他の構成を示す図である。
【図８】本発明者等が先に検討を行った角速度センサの平面構成を示す図である。
【図９】図８に示す角速度センサのＡ−Ａ断面図である。
【図１０】図８に示す角速度センサの回路部の構成を示す図である。
【図１１】図１０に示す回路部における加算増幅回路３０および差動増幅回路３１の具体的な構成を示す図である。
【図１２】図８に示す角速度センサの問題点を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１…フレーム部、２…振動子、３、３’…アーム部、４…連結部、５、５’…幅広アーム部、６、６’…幅狭アーム部、７、７’…質量部、８、８’…駆動素子部、９、９’…検知素子部、１０、１０’…フィードバック素子部、１１、１１’…容量補正素子部、１８ａ、１８ａ’、１９ａ、１９ａ’２０ａ、２０ａ’…電極パッド。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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