JP2006098168A - 角速度センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動振動および角速度印加に伴う検出振動を行う可動部を備える振動型の角速度センサ素子をパッケージ内に封止してなる角速度センサ装置において、パッケージ内を減圧せずにエアダンピングの影響を低減することを目的とする。
【解決手段】 第１の方向ｘへ駆動振動が可能であって第２の方向ｙへ検出振動が可能な可動部３１、３３〜３６、３８、４１、４３〜４６、４８を備え、この可動部の駆動振動のもと角速度Ωが印加されたときの可動部の検出振動の状態に基づいて角速度Ωを検出する角速度センサ素子１と、この角速度センサ素子１を収納するパッケージ３とを備える角速度センサ装置において、パッケージ内には、空気よりも有効粘性係数が小さいガスが大気圧にて充填され、このガスにより角速度センサ素子１は封止されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、駆動振動および角速度印加に伴う検出振動を行う可動部を備える角速度センサ素子と、この角速度センサ素子を封止するパッケージとを備える角速度センサ装置に関する。

この種の角速度センサ装置における角速度センサ素子は、一般に、第１の方向へ駆動振動が可能であって当該第１の方向と直交する第２の方向へ検出振動が可能な振動子としての可動部を備えて構成されている。

そして、検出時においては、可動部は、静電駆動などにより第１の方向に沿って駆動振動され、この可動部の駆動振動中に角速度が印加されたときに、可動部はコリオリ力によって第２の方に沿って検出振動を行い、この検出振動の状態に基づいて角速度を検出するようになっている。

ここで、角速度センサ素子においては、通常、可動部に対向して固定された検出電極が設けられており、上記検出振動による可動部と上記検出電極との間の容量変化などに基づいて角速度を検出するようになっている。

このような角速度検出素子としては、半導体基板を用い、これにマイクロマシニング技術を適用して作製される静電駆動・容量検出型のマイクロジャイロセンサなどが知られている。

ここで、この角速度センサ素子を大気圧下で動作させた場合、角速度センサ素子の周囲に存在する空気の粘性によるエアダンピングの（空気の流動抵抗）によって、角速度センサ素子の振動動作を妨げるため、振動振幅が小さくなり、ひいてはセンサの感度を低下させてしまう。

そのため、従来では、一般に、角速度センサ素子を、真空もしくは減圧したパッケージ内に収納して封止することにより、エアダンピングの影響を受けにくい環境下で、角速度センサ素子を動作させるようしている。

しかしながら、パッケージ内部が真空もしくは減圧されている場合、外部からパッケージ内部へ空気がリークしたり、パッケージ内部で発生する脱ガスなどにより、パッケージ内部の圧力が変化することが起こりうる。

このパッケージ内の圧力変化は、すぐに角速度センサ素子の振動動作に影響するため、センサ特性に影響し、センサ特性が大きくドリフト（変動）するという問題が発生し、信頼性の面でデメリットとなる。

また、パッケージにおいて上記したような空気のリークを発生させないようにするためは、堅牢な気密構造を実現する必要があり、パッケージ構造の複雑化やコストアップなどの問題を招く可能性もある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、駆動振動および角速度印加に伴う検出振動を行う可動部を備える振動型の角速度センサ素子をパッケージ内に封止してなる角速度センサ装置において、パッケージ内を減圧せずにエアダンピングの影響を低減することを目的とする。

上記目的を達成するため、鋭意検討を行った。本発明者らは、エアダンピングの大きさは、ガスの有効粘性係数に比例することに着目した。

つまり、角速度センサ素子を取り巻くガスの有効粘性係数が小さいほど、エアダンピングの影響も小さくなる。そのため、パッケージ内にガスを大気圧で充填し、このガスの有効粘性係数を空気よりも小さいものにすれば、パッケージ内を減圧としなくてもダンピングの影響を小さくできる。

ここで、有効粘性係数μeffは、角速度センサ素子を封止するパッケージ内に充填されているガスの粘性係数μ、平均自由行程λ、さらに、角速度センサ素子における可動部とこれに対向する部位とのギャップｄを用いて、次の数式１にて示される。

つまり、パッケージ内に充填される上記ガスが、上記数式１にて示される有効粘性係数μeffが空気よりも小さいものであれば、当該ガスを大気圧にて充填しても、空気中の大気圧駆動よりもダンピングの影響が小さくなる。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち、請求項１に記載の発明では、第１の方向（ｘ）へ駆動振動が可能であって第１の方向（ｘ）と直交する第２の方向（ｙ）へ検出振動が可能な可動部（３１、３３〜３６、３８、４１、４３〜４６、４８）を備え、可動部（３１、３４、４１、４４）の前記駆動振動のもと角速度が印加されたときに可動部（３８、４８）が前記検出振動を行い、この検出振動の状態に基づいて前記角速度を検出する角速度センサ素子（１）と、角速度センサ素子（１）を収納するパッケージ（３）とを備える角速度センサ装置において、パッケージ（３）内には、空気よりも有効粘性係数が小さいガスが大気圧にて充填され、このガスにより角速度センサ素子（１）は封止されていることを特徴としている。

それによれば、パッケージ（３）内に、空気よりも有効粘性係数が小さいガスを大気圧にて充填し、このガスにより角速度センサ素子（１）を封止しているため、パッケージ（３）内を減圧せずにエアダンピングの影響を低減することができる。そして、センサ感度と信頼性の確保がなされる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

図１は、本発明の実施形態に係る角速度センサ装置１００の概略断面構成を示す図である。また、図２は、図１に示される角速度センサ装置１００における角速度センサ素子１の概略平面構成を示す図であり、同素子１００を構成する支持基板２の上面からみた概略平面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。

本実施形態の角速度センサ装置１００は、大きくは、図１に示されるように、角速度センサ素子１と回路基板２とこれらを収納するパッケージ３とを備え、パッケージ３に回路基板２を固定し、その上に接着剤４を介して角速度センサ素子１が積層された構造体として構成されている。

まず、角速度センサ素子１について、主として図２、図３を参照して説明する。ここで、図２において、紙面左右方向を第１の方向ｘ、紙面上下方向を第２の方向ｙ、紙面垂直方向を回転軸ｚとする。

本実施形態の角速度センサ素子１は、半導体基板を用い、これにマイクロマシニング技術を適用して作製される静電駆動・容量検出型のマイクロジャイロセンサとして形成されている。

図２に示されるように、角速度センサ素子１は、半導体からなる支持基板２上において、２つのセンシング部３、４を備えて構成されている。図２における紙面左側のセンシング部が左側センシング部３、紙面右側のセンシング部が右側センシング部４であり、これら各センシング部３、４が左右対称構造で構成されている。

以下、左右センシング部３、４の構造について説明するが、各センシング部３、４の構造は全く同じであるため、ここでは左側センシング部３の構造に関して説明し、右側センシング部４の構造に関しては省略する。

左側センシング部３は、駆動用の固定電極３０および可動電極３１、振動検出用の固定電極３２および可動電極３３、錘部３４、検出梁３５、駆動梁３６、角速度検出用の固定電極３７および可動電極３８を有し、これら各構成要素が枠部３９によって囲まれた構成となっている。そして、これら各構成要素が紙面左半分と右半分とで対称となる左右対称構造で構成されている。

これら各構成要素のうち、駆動用の固定電極３０、駆動振動検出用の固定電極３２、角速度検出用の固定電極３７および枠部３９は、支持基板２に対して固定された固定部に相当するものである。

また、駆動用の可動電極３１、駆動振動検出用の可動電極３３、錘部３４、検出梁３５、駆動梁３６および角速度検出用の可動電極３８は、支持基板２の基板面に平行な方向すなわち図２中の第１の方向ｘおよび第２の方向ｙに対して動くことができる可動部に相当するものである。

駆動用の固定電極３０は、図２に示されるように、左側センシング部３の略中央位置において、上下２つずつ、合計４つ備えられている。

各駆動用の固定電極３０は、図３に示されるように、支持基板２に対して固定されるように支持されており、図２に示されるように枠部３９より内側において二股に別れた形状とされている。そして、二股に別れた各部に、基体部３０ａと櫛歯部３０ｂが備えられた構成となっている。

駆動用の固定電極３０において、基体部３０ａは、図２中の紙面上下方向すなわち第２の方向ｙを長手方向として左側センシング部３の中央部に向けて延設されており、櫛歯部３０ｂは、基体部３０ａの一側面において基体部３０ａの長手方向と垂直な方向すなわち第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

また、各駆動用の固定電極３０は、枠部３９に備えられた駆動用パッド３０ｃに電気的に接続されており、この駆動用パッド３０ｃを通じて、各駆動用の固定電極３０に駆動用電圧が印加されるようになっている。

駆動用の可動電極３１は、図２に示されるように、左側センシング部３の略中央位置において、駆動用の固定電極３０の各基体部３０ａと対向するように、上下４つずつ、合計８つ備えられている。

この駆動用の可動電極３１は、図３に示されるように、支持基板２に対してフローティング状態とされ、図２に示されるように錘部３４と一体化されている。各駆動用の可動電極３１は、基体部３１ａと櫛歯部３１ｂを備えた構成となっている。

駆動用の可動電極３１において、基体部３１ａは、図２中の第２の方向ｙを長手方向として錘部３４から左側センシング部３の上下に向けて延設されており、櫛歯部３１ｂは、基体部３１ａの一側面、具体的には固定電極３０における櫛歯部３０ｂと対向する面において基体部３１ａの長手方向と垂直な第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

このため、各駆動用の固定電極３０および各駆動用の可動電極３１において、各可動電極３１の櫛歯部３１ｂと各固定電極３０の櫛歯部３０ｂとが、所定間隔を空けて交互に配置された状態となっている。

駆動振動検出用の固定電極３２は、図２に示されるように、駆動用の固定電極３０および駆動用の可動電極３１よりも外側の位置において、上下２つずつ、合計４つ備えられている。

各駆動振動検出用の固定電極３２は、図３に示されるように、支持基板２に対して固定されるように支持されている。そして、各駆動振動検出用の固定電極３２は、基体部３２ａと櫛歯部３２ｂを備えて構成されている。

駆動振動検出用の固定電極３２において、基体部３２ａは、図２中の第２の方向ｙを長手方向として左側センシング部３の中央部に向けて延設されており、櫛歯部３２ｂは、基体部３２ａの先端部の一側面において基体部３２ａの長手方向と垂直な第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

また、各駆動振動検出用の固定電極３２は、枠部３９に備えられた振動検出用パッド３２ｃに電気的に接続されており、この振動検出用パッド３２ｃを通じて、駆動振動検出用の固定電極３２の電位を測ることができるようになっている。

駆動振動検出用の可動電極３３は、図２に示されるように、錘部３４の両側に配置され、駆動振動検出用の固定電極３２の各基体部３２ａと対向するように、上下２つずつ、合計４つ備えられている。

この駆動振動検出用の各可動電極３３は、図３に示されるように、支持基板２に対してフローティング状態とされ、図２に示されるように錘部３４と一体化されている。そして、各駆動振動検出用の可動電極３３は、基体部３３ａと櫛歯部３３ｂを備えた構成となっている。

駆動振動検出用の可動電極３３において、基体部３３ａは、図２中の第２の方向ｙを長手方向として錘部３４から左側センシング部３の上下に向けて延設されており、櫛歯部３３ｂは、基体部３３ａの一側面、具体的には固定電極３２における櫛歯部３２ｂと対向する面において基体部３３ａの長手方向と垂直な第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

このため、各駆動振動検出用の固定電極３２および各駆動振動検出用の可動電極３３において、各可動電極３３の櫛歯部３３ｂと各固定電極３２の櫛歯部３２ｂとが、所定間隔を空けて交互に配置された状態となっている。

錘部３４は、図２に示されるように、駆動用の各固定電極３０の間に配置されている。この錘部３４は、図２中の第１の方向ｘを長手方向として延設されており、支持基板２に対してフローティング状態とされている。

検出梁３５は、図２に示されるように、左側センシング部３における略四隅に配置されている。この検出梁３５は、支持基板２に対する片持梁とされ、枠部３９側から延設された支持部３５ｂによって支持基板２に支持されている。

これにより、可動部を構成する各要素、すなわち駆動用の可動電極３１、駆動振動検出用の可動電極３３、錘部３４、検出梁３５、駆動梁３６および角速度検出用の可動電極３８が支持基板２に対して支持されている。そして、検出梁３５によって、これら可動部を構成する各要素は、図２中の第２の方向ｙに沿って移動できるようになっている。

この検出梁３５は、支持部３５ｂを介して角速度検出用のパッド３５ａと電気的に接続されている。この角速度検出用のパッド３５ａを通じて、駆動用の可動電極３１、駆動振動検出用の可動電極３３、および、角速度検出用の可動電極３８に対して所定電圧が印加できるようになっている。

駆動梁３６は、振動検出用の可動電極３３と角速度検出用の可動電極３８とを接続するもので、図２中の第２の方向ｙを長手方向とする複数本の梁部を備えて構成されている。そして、複数本の梁部によって紙面左右方向に振動検出用の可動電極３３を移動させられるようになっている。

このため、振動検出用の可動電極３３と一体化された錘部３４、さらにはこの錘部３４と一体化された駆動用の可動電極３１が、駆動梁３６によって、図２中の第１の方向ｘに移動できるようになっている。

角速度検出用の固定電極３７は、図２に示されるように、左側センシング部３における左右両側において、上下２つずつ、合計４つ備えられている。

各角速度検出用の固定電極３７は、図３に示されるように、支持基板２に対して固定されるように支持されている。そして、各角速度検出用の固定電極３７は、基体部３７ａと櫛歯部３７ｂを備えて構成されている。

角速度検出用の固定電極３７において、基体部３７ａは、図２中の第２の方向ｙを長手方向として左側センシング部３の中央部に向けて延設されており、櫛歯部３７ｂは、基体部３７ａの一側面において基体部３７ａの長手方向と垂直な第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

また、各角速度検出用の固定電極３７は、枠部３９に備えられた角速度検出用パッド３７ｃに電気的に接続されており、この角速度検出用パッド３７ｃを通じて、角速度検出用の固定電極３７の電位が測れるようになっている。

角速度検出用の可動電極３８は、図２に示されるように、錘部３４の両側において、角速度検出用の各固定電極３７と対向するように１つずつ配置され、合計２つ備えられている。

各角速度検出用の可動電極３８は、図３に示されるように、支持基板２に対してフローティング状態とされ、図２に示されるように錘部３４や駆動梁３６等と一体化されている。各角速度検出用の可動電極３８は、基体部３８ａと櫛歯部３８ｂを備えた構成となっている。

角速度検出用の可動電極３８において、基体部３８ａは、図２中の第２の方向ｙを長手方向として枠部３９における上側位置から下側位置に至るように延設されており、櫛歯部３８ｂは、基体部３８ａの一側面、具体的には固定電極３７における櫛歯部３７ｂと対向する面において基体部３８ａの長手方向と垂直な第１の方向ｘに複数本突き出した状態で設けられている。

このため、各角速度検出用の固定電極３７および各角速度検出用の可動電極３８において、各可動電極３８の櫛歯部３８ｂと各固定電極３７の櫛歯部３７ｂとが、所定間隔を空けて交互に配置された状態となっている。

枠部３９は、左右センシング部３、４を囲むように構成されたもので、図３に示されるように、支持基板２に固定されている。この枠部３９は、パッド３９ａを介して一定電位に保持されるようになっている。このような構成により、本実施形態の角速度センサ素子１が構成されている。

なお、右側センシング部４に関しては、左側センシング部３と全く同じ構成となっており、それぞれ、以下の対応関係となっている。左側センシング部３の駆動用の固定電極３０および駆動用の可動電極３１は、右側センシング部４の駆動用の固定電極４０および駆動用の可動電極４１に対応する。

左側センシング部３の駆動振動検出用の固定電極３２および駆動振動検出用の可動電極３３は、右側センシング部４の駆動振動検出用の固定電極４２および駆動振動検出用の可動電極４３に対応する。

左側センシング部３の錘部３４は、右側センシング部４の錘部４４に対応し、左側センシング部３の検出梁３５は、右側センシング部４の検出梁４５に対応する。左側センシング部３の駆動梁３６は、右側センシング部４の駆動梁３６に対応する。

左側センシング部３の角速度検出用の固定電極３７および角速度検出用の可動電極３８は、右側センシング部４の角速度検出用の固定電極４７および角速度検出用の可動電極４８に対応する。そして、左側センシング部３の枠部３９は、右側センシング部４の枠部４９に対応する。

また、右側センシング部４の各部を構成する基体部４０ａや櫛歯部４０ｂなどの詳細構成に関しても、図２、図３中において、左側センシング部３に関して付した参照符号の３０番代のものを４０番代に変更したものとして示してある。

そして、本実施形態では、図２に示されるように、角速度センサ素子１における上記各パッド３０ｃ、３２ｃ、３５ａ、３７ｃ、３９ａは角速度センサ素子１の周辺部に設けられており、図１に示されるように、これらパッドには、ボンディングワイヤ５が接続されるようになっている。

それにより、角速度センサ素子１と回路基板２とがボンディングワイヤ５により結線され電気的に接続される。このボンディングワイヤ５は、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミニウム）などのワイヤからなるものであり、通常のワイヤボンディング手法により形成できるものである。

この回路基板２は、たとえばシリコン基板等に対してＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等が、周知の半導体プロセスを用いて形成されているもので、角速度センサ素子１へ電圧を送ったり、角速度センサ素子１からの電気信号を処理して外部へ出力する等の機能を有するものにできる。

図１に示されるように、角速度センサ素子１は回路基板２上に接着剤４を介して接合固定されている。ここで、接着剤４としては、シリコーン系、エポキシ系、ポリイミド系などの樹脂からなる接着剤やフィルム状接着材などを採用することができる。

そして、角速度センサ素子１が積層された回路基板２は、パッケージ３内にてパッケージ３の底部上に接着部材６を介して固定されている。この接着部材６としては、たとえばシリコーン樹脂系の接着剤などを採用することができる。

ここで、パッケージ３は、内部もしくは表面などに図示しない配線を有するもので、回路基板２とパッケージ３の上記配線とが、ボンディングワイヤ５により結線され電気的に接続されている。そして、回路基板２からの出力信号はボンディングワイヤ５を介してパッケージ３の配線から外部へ送られるようになっている。

このパッケージ３は、たとえばアルミナなどのセラミック層が複数積層された積層基板として構成することができる。このような積層基板は、各層の間に上記配線が形成され、スルーホールなどにより各配線が導通されているものである。

また、図１に示されるように、パッケージ３は、その開口部に蓋３ａを取り付けてなるものである。この蓋３ａの材質は、特に限定するものではないが、金属や樹脂、セラミックなどを採用することができ、パッケージ３との接合は、接着やロウ付けなどにより行うことができる。そして、この蓋３ａの取付によって、パッケージ３の内部が気密に封止されている。

ここで、本実施形態の角速度センサ装置１００においては、パッケージ３内には、空気よりも有効粘性係数（後述の数式２等参照）が小さいガスが大気圧にて充填され、このガスにより角速度センサ素子１が封止されている。

このようなガスとしては、特に限定するものではないが、たとえば亜酸化窒素、アセチレン、二酸化イオウ、アンモニア、エタン、エチレン、水素、プロパン、メタン、硫化水素などが挙げられる。

このような本実施形態の角速度センサ装置１００は、たとえば、パッケージ３に回路基板２を固定するとともに、回路基板２の上に接着剤４を配置してその上に角速度センサ素子１を接着した後、ワイヤボンディングを行い、さらに、パッケージ３の蓋部３ａを取り付けるとともに上記ガスをパッケージ３内に充填・封止することにより製造することができる。

次に、本実施形態の角速度センサ装置１００の駆動方法について説明する。

本角速度センサ装置１においては、駆動用の固定電極３０、４０が電気的に接続された駆動用パッド３０ｃ、４０ｃに対して、回路基板２から所望の駆動電圧を印加することによって、可動部が駆動される。

駆動電圧が駆動用パッド３０ｃ、４０ｃに印加されると、駆動電圧の交流成分の周期的な変動に伴って、駆動用の固定電極３０、４０と可動電極３１、４１との間に形成される容量による静電引力が発生する。

これにより、駆動梁３７、４７が撓み、錘部３４、４４と共に駆動用の可動電極３１、４１等が図１中の第１の方向ｘに振動させられる。そして、駆動電圧の交流成分の周期変化に伴って、可動部のうちの錘部３４、４４と共に駆動用の可動電極３１、４１等が第１の方向ｘに周期的に駆動振動する。

ここで左右のセンシング部３、４において、駆動電圧の交流成分を互いに逆相とすることにより、左右のセンシング部３、４では互いに逆方向へ可動部３１、３３、３４、４１、４３、４４を駆動振動させる。

このとき、この周期的な振動に応じて振動検出用の固定電極３２、４２における櫛歯部３２ｂ、４２ｂと可動電極３２、４２における櫛歯部３２ｂ、４２ｂとのオーバラップ量が変動することから、これらによって形成される容量が変化する。

この容量変化を固定電極３２、４２が接続された振動検出用のパッド３２ｃ、４２ｃの電位から測定することで、周期的な振動の大きさをモニタリングすることが可能となる。このため、周期的な振動の大きさが所望の値となるように、周期的な振動の大きさに合わせて駆動電圧をフィードバック制御する。

この状態において、図１中の回転軸ｚ回りに角速度Ωが入力されると、コリオリ力が発生し、検出梁３５、４５の撓みにより、可動部のうちの錘部３４、４４および角速度検出用の可動電極３８、４８などが第２の方向ｙに振動する。

これにより、可動部のうちの角速度検出用の可動電極３８、４８に備えられた櫛歯部３８ｂ、４８ｂと固定部のうちの角速度検出用の固定電極３７、４７に備えられた櫛歯部３７ｂ、４７ｂとの間の間隔が変化し、これらによって形成される容量が変化する。

この容量の変化に伴って角速度検出用の固定電極３７、４７の電位が変化するため、回路基板２００によって、この電位を測定することにより、上記角速度Ωを検出することが可能となる。

このように、本実施形態では、角速度センサ素子１は、上記駆動および検出の振動が可能な可動部３１、３３〜３６、３８、４１、４３〜４６、４８と、この可動部と対向して配置され可動部を駆動振動させるための駆動電極としての駆動用の固定電極３０、４０と、この可動部と対向して配置され可動部の検出振動による可動部との間の容量変化を検出するための検出電極としての角速度検出用の固定電極３７、４７とを備えている。

ところで、本実施形態によれば、第１の方向ｘへ駆動振動が可能であって第１の方向ｘと直交する第２の方向ｙへ検出振動が可能な可動部３１、３３〜３６、３８、４１、４３〜４６、４８を備え、可動部のうちの錘部３４、４４および駆動用の可動電極３１、４１の駆動振動のもと角速度Ωが印加されたときに可動部のうちの角速度検出用の可動電極３８、４８が検出振動を行い、この検出振動の状態に基づいて角速度を検出する角速度センサ素子１と、角速度センサ素子１を収納するパッケージ３とを備える角速度センサ装置１００において、次のような点を特徴とする角速度センサ装置１００が提供される。

・パッケージ３内には、ガスが大気圧にて充填され、このガスにより角速度センサ素子１は封止されていること。

・パッケージ３内に充填されている上記ガスは、当該ガスの粘性係数をμ、平均自由行程をλ、角速度センサ素子１の可動部３１、４１、３８、４８等とこれに対向する部位（つまり固定部）とのギャップをｄとしたとき、次の数式２にて表される有効粘性係数μeffが空気よりも小さいものであること。

ここで、平均自由行程λはガスの圧力の関数であり、一般的に知られているものである。また、上記ギャップｄは、角速度センサ素子１において、ダンピングが作用する構造体のギャップである。

本実施形態では、上述したように、角速度センサ素子１は、上記駆動および検出の振動が可能な可動部３１、３３〜３６、３８、４１、４３〜４６、４８と、この可動部と対向して配置され可動部を駆動振動させるための駆動電極３０、４０と、この可動部と対向して配置され可動部の検出振動による可動部との間の容量変化を検出するための検出電極３７、４７とを備えている。

具体的に、本実施形態においては、上記ギャップｄは、駆動振動のダンピングについては、駆動振動方向すなわち第１の方向ｘに沿った可動部としての駆動用の可動電極３１、４１と固定部としての駆動電極３０、４０との両櫛歯部間のギャップである。

また、検出振動のダンピングについては、検出振動方向すなわち第２の方向ｙに沿った可動部としての角速度検出用の可動電極３８、４８と固定部としての検出電極３７、４７との両櫛歯部間のギャップである。これらギャップｄは、たとえば１μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。

そして、パッケージ３内に充填されている上記ガスと空気との間において、有効粘性係数μeffを比べるときは、温度、圧力、上記ギャップｄを同一の条件とすることはもちろんである。

このように、本実施形態の角速度センサ装置１００によれば、パッケージ３内に、空気よりも有効粘性係数μeffが小さいガスを大気圧にて充填し、このガスにより角速度センサ素子１を封止しているため、パッケージ３内を減圧せずにエアダンピングの影響を低減することができる。

つまり、エアダンピングの大きさは、ガスの有効粘性係数に比例することから、角速度センサ素子１を取り巻くガスの有効粘性係数μeffが小さいほど、エアダンピングの影響も小さくなる。そのため、パッケージ３内を有効粘性係数μeffが空気よりも小さいガスで大気圧にて充填すれば、パッケージ３内を減圧としなくても、大気圧駆動に比べてダンピングの影響を小さくできる。

そして、ダンピングの影響を低減できているため、角速度センサ素子１の振動動作の妨げが抑制され、振動振幅の確保がなされる結果、センサ感度の確保がなされる。また、パッケージ３内の圧力は大気圧とできるため、パッケージ３におけるリークは抑制され、パッケージ内圧の変化が抑制され、信頼性の確保がなされる。

また、パッケージ３の構造については、パッケージ内を減圧（真空も含む）状態とする場合に比べて、気密性が緩和されるため、パッケージ構造の複雑化やコストアップなどの問題を回避しやすくなる。

ここで、表１に、パッケージ３内に充填されるガスの種類と、有効粘性係数μeff、および、空気中で動作させたときとそのガス中で動作させたときのＱ値の比を示す。Ｑ値はダンピング定数に反比例するパラメータであり、Ｑ値が大きいほどダンピングが低減できることになる。

ここで、有効粘性係数μeffおよびＱ値は、計算により求めた。Ｑ値はダンピング定数に反比例するパラメータであるため、センサの感度はこのＱ値に比例する。すなわち、Ｑ値が大きいほど振動振幅を大きくできるため、このＱ値の比は感度比としてみることもできる。

この表１に示されるように、空気の有効粘性係数：１．６２×１０^-5Ｐａ・ｓよりも小さな値を示すガスを空気（または窒素）の替わり用いてパッケージ３内を大気圧封止すれば、空気（または窒素）中で角速度センサ素子１を動作させる場合よりも大きな感度を得ることができる。そして、ガス種によっては、２倍近い感度向上効果を得ることも可能となっている。

表１からわかるように、比較的有効粘性係数μeffが小さくおよびＱ値が大きいガスとしては、アセチレン、アンモニア、エタン、エチレン、水素、プロパン、メタンが挙げられる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態で示した角速度センサ素子１の構造は、単なる一例であり、一般的に知られている他の構造などに本発明を適用しても良い。また、図２中において、各固定電極や各可動電極に備えられた櫛歯部の数は模式的なものであり、もちろん、図示された数に限られるものではない。

要するに、本発明は、第１の方向へ駆動振動が可能であって該第１の方向と直交する第２の方向へ検出振動が可能な可動部を備え、該可動部の前記駆動振動のもと角速度が印加されたときに該可動部が前記検出振動を行い、この検出振動の状態に基づいて前記角速度を検出する角速度センサ素子と、該角速度センサ素子を収納するパッケージとを備える角速度センサ装置において、該パッケージ内に、空気よりも有効粘性係数が小さいガスを大気圧にて充填し、このガスにより該角速度センサ素子を封止したことを要部とするものであり、その他の細部等については適宜設計変更等が可能である。

本発明の実施形態に係る角速度センサ装置の概略断面図である。 上記図１に示される角速度センサ装置における角速度センサ素子の概略平面構成を示す図である。 上記図２のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１…角速度センサ素子、３…パッケージ、
３１、４１…可動部としての駆動用の可動電極、
３３、４３…可動部としての駆動振動検出用の可動電極、
３４、４４…可動部としての錘部、３５、４５…可動部としての検出梁、
３６、４６可動部としての駆動梁、
３８、４８…可動部としての角速度検出用の可動電極、
ｘ…第１の方向、ｙ…第２の方向。

Claims (1)

1. 第１の方向（ｘ）へ駆動振動が可能であって前記第１の方向と直交する第２の方向（ｙ）へ検出振動が可能な可動部（３１、３３〜３６、３８、４１、４３〜４６、４８）を備え、前記可動部の前記駆動振動のもと角速度が印加されたときに前記可動部が前記検出振動を行い、この検出振動の状態に基づいて前記角速度を検出する角速度センサ素子（１）と、
   前記角速度センサ素子を収納するパッケージ（３）とを備える角速度センサ装置において、
   前記パッケージ内には、空気よりも有効粘性係数が小さいガスが大気圧にて充填され、このガスにより前記角速度センサ素子は封止されていることを特徴とする角速度センサ装置。
   

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