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Title:
ANGULAR VELOCITY SENSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/087858
Kind Code:
A1
Abstract:
The surface of a substrate (2) is equipped with drive mass portions (4 to 7) at positions of point symmetry with respect to a center point (O). The drive mass portions (4 to 7) connect a connecting beam (8) mutually thereto. The connecting beam (8) is supported in a warping manner by means of connecting portions (9 to 12) and drive beams (13 to 16). On the inner sides of the drive mass portions (4 to 7), there are disposed detection mass portions (22 to 25), which are so supported by detection beams (26 to 29) as can be displaced in a Z-axis direction. The drive mass portions (4 to 7) adjoining in the circumferential direction are vibrated in phases opposite to each other by vibration generation portions (17 to 20). When angular velocities (Ω1 and Ω2) are applied in this state, the detection mass portions (22 to 25) are so vibrated while being displaced in the direction of the thickness of the substrate (2). Displacement detection portions (30 to 33) detect the displacements of the detection mass portions (22 to 25) in the thickness direction.

Inventors:
TAMURA MASAYA (JP)
MOCHIDA YOICHI (JP)
Application Number:
PCT/JP2008/072656
Publication Date:
July 16, 2009
Filing Date:
December 12, 2008
Export Citation:
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Assignee:
MURATA MANUFACTURING CO (JP)
TAMURA MASAYA (JP)
MOCHIDA YOICHI (JP)
International Classes:
G01C19/56; G01C19/5621; G01C19/5628; G01P9/04
Domestic Patent References:
WO1997045699A21997-12-04
WO1999019689A11999-04-22
WO2006034706A12006-04-06
Foreign References:
JPH11183179A1999-07-09
JP2000009471A2000-01-14
JP2005241500A2005-09-08
JPH10239347A1998-09-11
US5203208A1993-04-20
Attorney, Agent or Firm:
HIROSE, Kazuhiko (1-2 Nishishinjuku 3-chome, Shinjuku-k, Tokyo 23, JP)
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Claims:
 基板と、
 該基板と隙間をもって対向し、中心部を中心とする周方向の異なる位置に配置され、中心部に対して点対称な位置に配置された4つの駆動質量部と、
 該4つの駆動質量部を互いに連結し、該4つの駆動質量部が前記基板と水平な方向に変位するときに撓み変形する連結梁と、
 前記中心部を中心として放射状に延び、周方向で隣合う2つの駆動質量部の間にそれぞれ位置して該連結梁に接続された4つの接続部と、
 該4つの接続部にそれぞれ設けられ、前記連結梁が撓み変形するときに該各接続部を長さ方向に変位可能に支持する駆動梁と、
 周方向で隣合う駆動質量部が逆位相となる状態で、前記4つの駆動質量部を中心部を取囲む周方向に向けて振動させる駆動手段と、
 前記4つの駆動質量部にそれぞれ設けられた検出質量部と、
 該検出質量部と前記駆動質量部との間に設けられ、該検出質量部を基板の厚さ方向に変位可能に支持する検出梁と、
 前記検出質量部が前記基板の厚さ方向に変位するのを検出する変位検出手段とによって構成してなる角速度センサ。
 前記検出梁は、前記中心部を取囲む周方向に向けて延び、前記検出質量部が基板の厚さ方向に変位するときに、捩れ変形する捩れ支持梁を用いて形成してなる請求項1に記載の角速度センサ。
 前記検出梁は、捩れ変形するときに当該検出梁の端部側に作用する応力を低減する応力低減接続部を用いて前記検出質量部と駆動質量部とにそれぞれ接続する構成としてなる請求項2に記載の角速度センサ。
 前記連結梁は、前記4つの駆動質量部に取囲まれた中心部側に設ける構成としてなる請求項1,2または3に記載の角速度センサ。
 前記駆動手段は、前記駆動質量部に設けられた可動側駆動電極と、該可動側駆動電極と対向して前記基板に設けられた固定側駆動電極とからなり、可動側駆動電極と固定側駆動電極との間に作用する静電力によって前記駆動質量部を振動させる構成としてなる請求項1,2または3に記載の角速度センサ。
 前記変位検出手段は、前記検出質量部と厚さ方向で対向した固定側検出電極を用いて構成し、
 該変位検出手段の固定側検出電極は、前記基板に設けられた検出用ランドに電気的に接続し、
 前記駆動手段の固定側駆動電極は、前記基板に設けられた駆動用ランドに電気的に接続し、
 該駆動用ランドと検出用ランドとの間には、信号の干渉を遮断するシールドランドを設ける構成としてなる請求項5に記載の角速度センサ。
 前記駆動手段は、前記連結梁に設けられた可動側駆動電極と、該可動側駆動電極と対向して前記基板に設けられた固定側駆動電極とからなり、可動側駆動電極と固定側駆動電極との間に作用する静電力によって前記連結梁を撓み変形させて前記駆動質量部を振動させる構成としてなる請求項1,2または3に記載の角速度センサ。
 前記駆動質量部の周囲には、当該駆動質量部の振動方向の変位をモニタするモニタ手段を設け、
 該モニタ手段は、前記駆動質量部に設けられた可動側モニタ電極と、該可動側モニタ電極と対向して前記基板に設けられた固定側モニタ電極とからなり、可動側モニタ電極と固定側モニタ電極との間の静電容量を用いて前記駆動質量部の変位を検出する構成としてなる請求項1,2または3に記載の角速度センサ。
Description:
角速度センサ

 本発明は、例えば2軸方向の角速度を検出 するのに好適に用いられる角速度センサに関 する。

 一般に、角速度センサとして、基板上に 数の質量部を備えたものが知られている(例 えば、特許文献1~4参照)。特許文献1,2には、 板上に円周に沿って4つの質量部を設けると に、周方向で隣合う2つの質量部が互いに逆 方向に振動する構成が開示されている。この 場合、4つの質量部が振動した状態で基板の 面と平行な2軸周りの角速度が作用したとき は、4つの質量部がコリオリ力によって基板 の垂直方向(厚さ方向)に変位する。このため 特許文献1,2の角速度センサは、4つの質量部 の垂直方向の変位を検出することによって、 2軸周りの角速度を検出するものである。

 特許文献3には、基板上に複数の質量部を Y軸方向に並んで配置すると共に、これら複 の質量部をY軸と直交したX軸方向に振動させ る構成が開示されている。そして、特許文献 3の角速度センサは、複数の質量部が振動し 状態で、質量部の基板の垂直方向(Z軸方向) 変位およびY軸方向の変位を検出することに って、Y軸周りの角速度とZ軸周りの角速度 を検出する構成となっている。

 特許文献4には、XY面に平行な基板を配置 、該基板上の支持部から渦巻状に延びる複 の支持脚部を設け、該支持脚部の先端に周 向にリング状振動子を設けた構成が開示さ ている。この場合、リング状振動子をXY面 で所定の振動モードをもって変形振動させ と共に、リング状振動子のZ軸方向(基板の垂 直方向)の変位を検出することによって、X軸 りの角速度とY軸周りの角速度とを検出する 構成となっている。

特開平11-183179号公報

特開2006-138855号公報

特開2002-213962号公報

特表2002-509615号公報

 ところで、特許文献1,2の角速度センサは 4つの質量部を組合わせて使用することによ って、基板に対して振動が漏れるのを抑制す る構成となっている。しかし、振動の漏洩を 防止するためには、4つの質量部の振幅を一 させる必要がある。ここで、特許文献1,2の 速度センサは、4つの質量部がそれぞれ独立 たばねを用いて振動可能に支持する構成と っている。このため、質量部やばねに加工 らつきが生じた場合には、質量部が共振状 で振動したときに、それぞれの質量部に大 な振動差が発生する。この結果、基板に対 て質量部の振動が漏洩し、温度変化等を受 てオフセットの変動やノイズ増加等の問題 発生する傾向がある。さらに、各質量部の 幅が異なることによって、角速度によって 生するコリオリ力も異なり、2つの軸の検出 感度がばらついてしまう。

 特に、特許文献1,2の角速度センサは、ば が駆動方向および検出方向のいずれの方向 も変位可能な状態で質量部を支持する構成 なっている。このため、駆動振動と検出振 との間で結合(カップリング)が起こり易く 振動漏れの影響が大きい。

 また、特許文献3の角速度センサでは、駆 動振動のばねと検出振動のばねとを独立して 設けることによって、駆動振動と検出振動と の間の結合を起こり難くしている。しかし、 この角速度センサでは、基板と平行な2軸(X軸 およびY軸)周りの角速度を検出する構成には っておらず、適用対象の要求仕様に適合し いことがある。

 さらに、特許文献4の角速度センサでは、 ばねが駆動方向(XY面内方向)および検出方向(Z 軸方向)のいずれの方向にも変位可能な状態 リング状振動子を支持する構成となってい 。このため、ばねとリング状振動子の両方 駆動および検出に兼用される構成となって るから、駆動振動と検出振動との間で結合 起こり易い。

 また、リング状振動子はそれ自体がXY面 方向に変形するから、径方向の幅寸法が細 。このとき、基板に設けた検出電極とリン 状振動子との間の静電容量を用いて、リン 状振動子のZ軸方向の変位(コリオリ力による 変位)を検出する構成となっている。しかし リング状振動子の幅寸法が小さいから、検 電極との間の容量変化が小さく、検出精度 低下し易い傾向がある。さらに、リング状 動子は、XY面内方向およびZ軸方向に変形可 とするために、その質量が小さい。この結 、リング状振動子の共振周波数が高くなり 角速度の検出感度が低下するという問題も る。

 本発明は上述した従来技術の問題に鑑み されたもので、本発明の目的は、基板面内 2軸(X軸およびY軸)周りの角速度を高精度か 高感度に検出することができる角速度セン を提供することにある。

 (1).上述した課題を解決するために、本発 明による角速度センサは、基板と、該基板と 隙間をもって対向し、中心部を中心とする周 方向の異なる位置に配置され、中心部に対し て点対称な位置に配置された4つの駆動質量 と、該4つの駆動質量部を互いに連結し、該4 つの駆動質量部が前記基板と水平な方向に変 位するときに撓み変形する連結梁と、前記中 心部を中心として放射状に延び、周方向で隣 合う2つの駆動質量部の間にそれぞれ位置し 該連結梁に接続された4つの接続部と、該4つ の接続部にそれぞれ設けられ、前記連結梁が 撓み変形するときに該各接続部を長さ方向に 変位可能に支持する駆動梁と、周方向で隣合 う駆動質量部が逆位相となる状態で、前記4 の駆動質量部を中心部を取囲む周方向に向 て振動させる駆動手段と、前記4つの駆動質 部にそれぞれ設けられた検出質量部と、該 出質量部と前記駆動質量部との間に設けら 、該検出質量部を基板の厚さ方向に変位可 に支持する検出梁と、前記検出質量部が前 基板の厚さ方向に変位するのを検出する変 検出手段とによって構成している。

 本発明によれば、4つの駆動質量部は中心 部に対して点対称な位置に配置されているか ら、2つの駆動質量部は中心部を挟んで互い 対向すると共に、残余の2つの駆動質量部も 心部を挟んで互いに対向する。このとき、2 つの駆動質量部と残余の2つの駆動質量部と 、互いに異なる位置に配置される。このた 、例えば基板がX軸およびY軸に平行なX-Y平面 に沿って広がっているときには、2つの駆動 量部は中心部を通る1本の線(例えばX軸)に沿 て配置されると共に、残余の2つの駆動質量 部は中心部を通る他の線(例えばY軸)に沿って 配置される。また、4つの駆動質量部は中心 を取囲む周方向に沿って振動するから、例 ばX軸に沿って配置された2つの駆動質量部は Y軸方向に振動し、Y軸に沿って配置された2つ の駆動質量部はX軸方向に振動する。

 そして、X軸周りの角速度が作用すると、 Y軸方向に振動する駆動質量部には、この角 度に応じてZ軸方向(基板の厚さ方向)に向か コリオリ力が発生する。一方、Y軸周りの角 度が作用すると、X軸方向に振動する駆動質 量部には、この角速度に応じてZ軸方向(基板 厚さ方向)に向かうコリオリ力が発生する。

 そして、4つの駆動質量部にはZ軸方向に 位可能な検出質量部がそれぞれ設けられて るから、Y軸方向に振動する検出質量部は、X 軸周りの角速度に応じてZ軸方向に変位し、X 方向に振動する検出質量部は、Y軸周りの角 速度に応じてZ軸方向に変位する。従って、 位検出手段を用いて4つの検出質量部が基板 厚さ方向に変位するのを検出することによ て、基板に水平な2つの軸周りに作用する角 速度を検出することができる。

 また、4つの駆動質量部は中心部に対して 点対称な位置に配置されると共に、周方向で 互いに隣合う駆動質量部を逆位相となる状態 で振動する構成となっている。このため、4 の駆動質量部全体の重心位置を固定するこ ができると共に、4つの駆動質量部全体に生 る周方向の回転トルクを相殺することがで る。このとき、連結梁は4つの駆動質量部を 互いに連結するから、例えば4つの駆動質量 に加工ばらつきが生じたときでも、各駆動 量部は、駆動振幅および位相が揃った状態 振動する。この結果、4つの駆動質量部全体 重心位置の変動や回転トルクを確実に小さ することができ、駆動質量部の駆動振動が 板に漏れるのを抑制することができる。

 また、駆動質量部は駆動梁を用いて支持 、検出質量部は検出梁を用いて支持する構 とした。このため、駆動質量部と検出質量 とを独立した別個の梁(駆動梁および検出梁 )を用いて支持することができ、共通の梁を いて支持した場合に比べて、駆動振動と検 振動との間の結合を小さくすることができ 。従って、変位検出手段が検出質量部の変 を検出して変位検出信号を出力したときに 、この変位検出信号にノイズ信号となる駆 振動の成分が混入することがない。この結 、角速度信号に含まれるノイズ信号を相対 に小さくすることができ、SN比が良い角速度 信号を得ることができ、センサの検出精度を 向上することができる。

 また、駆動質量部および検出質量部自体 変形する必要がないから、駆動質量部およ 検出質量部の質量を大きくして、共振周波 を低下させることができる。このため、コ オリ力による検出質量部の変位量を大きく ることができ、角速度の検出感度を高める とができる。さらに、検出質量部の面積を きくすることができる。このため、変位検 手段を検出質量部とZ軸方向で対向した検出 電極を用いて構成した場合でも、検出質量部 がZ軸方向に変位したときの静電容量の変化 大きくすることができ、検出感度を高める とができる。

 また、連結梁には放射状に延びる4つの接 続部を設けると共に、各接続部を長さ方向に 変位可能に支持する駆動梁を設ける構成とし た。このため、基板に歪みが生じても、この 歪みを駆動梁によって吸収することができ、 例えば連結梁の張力に対する影響を軽減する ことができる。この結果、駆動質量部および 検出質量部の共振周波数が変化しにくく、特 性変動を小さくすることができる。

 (2).本発明では、前記検出梁は、前記中心 部を取囲む周方向に向けて延び、前記検出質 量部が基板の厚さ方向に変位するときに、捩 れ変形する捩れ支持梁を用いて形成してもよ い。

 このように構成したことにより、例えば リコン材料等を基板の垂直方向に加工する とによって捩れ支持梁を形成することがで 、容易に加工することができる。また、捩 支持梁のばね定数は幅寸法の3乗に比例して 変動するが、これは駆動梁、連結梁と同じで ある。従って、幅寸法の加工ばらつきが駆動 モードと検出モードの共振周波数差に与える 影響が小さく、センサの感度ばらつきを小さ くすることができる。

 (3).本発明では、前記検出梁は、捩れ変形 するときに当該検出梁の端部側に作用する応 力を低減する応力低減接続部を用いて前記検 出質量部と駆動質量部とにそれぞれ接続する 構成としてもよい。

 ここで、例えば1枚の細長い板形状をなす 捩れ支持梁を用いて検出梁を構成すると共に 、この検出梁の両端を固定した場合には、固 定部分に作用する応力によって検出梁の捩れ 変形が阻害される。このため、検出梁の厚さ 寸法が変化したときには、この厚さ寸法の変 化分に対する共振周波数の変化が大きくなる 。この結果、加工ばらつきが駆動モードと検 出モードの共振周波数差に与える影響が大き くなる傾向がある。

 これに対し、本発明では、検出梁は、検 梁の長さ方向に対して自由度を与える応力 減接続部を用いて検出質量部と駆動質量部 にそれぞれ接続した。このため、検出梁が れ変形するときには、検出梁の端部側はそ 長さ方向に変位することができるから、検 梁の両端側に作用する歪みや応力を低減す ことができる。これにより、厚さ寸法の加 ばらつきが駆動モードと検出モードの共振 波数差に与える影響を小さくすることがで 、センサの感度ばらつきを小さくすること できる。

 (4).本発明では、前記連結梁は、前記4つ 駆動質量部に取囲まれた中心部側に設ける 成としてもよい。

 このように構成したことにより、連結梁 全長を短くすることができ、基板の垂直方 に対する剛性を高めることができる。この め、駆動質量部が基板の垂直方向に変位す のを防ぐことができ、この駆動質量部の変 に基づくノイズを低減することができる。

 (5).本発明では、前記駆動手段は、前記駆 動質量部に設けられた可動側駆動電極と、該 可動側駆動電極と対向して前記基板に設けら れた固定側駆動電極とからなり、可動側駆動 電極と固定側駆動電極との間に作用する静電 力によって前記駆動質量部を振動させる構成 としてもよい。

 このように構成したことにより、可動側 動電極と固定側駆動電極との間に作用する 電力によって駆動質量部を直接的に変位さ て、駆動質量部を駆動振動させることがで る。

 (6).本発明では、前記変位検出手段は、前 記検出質量部と厚さ方向で対向した固定側検 出電極を用いて構成し、該変位検出手段の固 定側検出電極は、前記基板に設けられた検出 用ランドに電気的に接続し、前記駆動手段の 固定側駆動電極は、前記基板に設けられた駆 動用ランドに電気的に接続し、該駆動用ラン ドと検出用ランドとの間には、信号の干渉を 遮断するシールドランドを設ける構成として もよい。

 このように構成したことにより、駆動用 ンドと検出用ランドとの間の結合をシール ランドを用いて阻止することができ、これ の間の信号の干渉を遮断することができる この結果、変位検出手段による変位検出信 に対して、駆動手段に供給する駆動信号が 入することがなく、角速度の検出精度を高 ることができる。

 (7).本発明では、前記駆動手段は、前記連 結梁に設けられた可動側駆動電極と、該可動 側駆動電極と対向して前記基板に設けられた 固定側駆動電極とからなり、可動側駆動電極 と固定側駆動電極との間に作用する静電力に よって前記連結梁を撓み変形させて前記駆動 質量部を振動させる構成としてもよい。

 本発明によれば、駆動手段は、連結梁に けられた可動側駆動電極と、基板に設けら た固定側駆動電極とによって構成したから 可動側駆動電極と固定側駆動電極との間に 用する静電力によって連結梁を撓み変形さ ることができる。これにより、連結梁に接 された駆動質量部を間接的に変位させて、 動質量部を駆動振動させることができる。

 また、駆動手段は駆動質量部の周囲に設 る必要がないから、駆動質量部および検出 量部を大きくして、角速度の検出感度を高 ることができる。一方、駆動質量部の周囲 駆動手段を設けない分だけ、センサ全体を 型化することができ、製造コストを低減す ことができる。

 また、例えば容量結合等によって駆動手 と変位検出手段との間で電気的クロストー が生じても、この電気的クロストークを完 に対称で、かつ最小限にすることができる ら、変位検出信号に対するノイズを小さく ることができる。

 さらに、固定側駆動電極は基板の中心部 位置する1箇所で外部の回路と接続すればよ いから、外部接続用の端子を減少させること ができる。これにより、センサ全体を小型化 することができ、製造コストを低減すること ができる。

 (8).本発明では、前記駆動質量部の周囲に は、当該駆動質量部の振動方向の変位をモニ タするモニタ手段を設け、該モニタ手段は、 前記駆動質量部に設けられた可動側モニタ電 極と、該可動側モニタ電極と対向して前記基 板に設けられた固定側モニタ電極とからなり 、可動側モニタ電極と固定側モニタ電極との 間の静電容量を用いて前記駆動質量部の変位 を検出する構成としてもよい。

 本発明によれば、駆動質量部の周囲には 当該駆動質量部の振動方向の変位をモニタ るモニタ手段を設けたから、モニタ手段を いて駆動質量部の振動振幅および位相を検 することができる。このため、駆動振動の 振回路はモニタ手段の出力信号を参照信号 して利用することができ、共振状態の安定 を図ることができる。また、角速度の検出 路もモニタ手段の出力信号を参照信号とし 利用することができ、駆動質量部の振動状 に応じて正確な同期検波を行うことができ 。

図1は本発明の第1の実施の形態による 速度センサを蓋板を除いた状態で示す平面 である。 図2は図1中の角速度センサの要部を拡 して示す平面図である。 図3は角速度センサを図1中の矢示III-III 向からみた断面図である。 図4は角速度センサを検出質量部がZ軸 向に振動した状態で示す図3と同様位置の断 図である。 図5は角速度センサを示す模式的な説明 図である。 図6は角速度センサを駆動質量部が振動 した状態で示す模式的な説明図である。 図7は角速度センサの振動制御回路、角 速度検出回路および加速度検出回路を示す回 路構成図である。 図8は基板接合工程を示す図3と同様な 置の断面図である。 図9は薄膜化工程を示す図3と同様な位 の断面図である。 図10は機能部形成工程を示す図3と同様 な位置の断面図である。 図11は蓋板接合工程を示す図3と同様な 位置の断面図である。 図12は第2の実施の形態による角速度セ ンサの要部を拡大して示す図2と同様位置の 面図である。 図13は図12中の振動発生部を拡大して す平面図である。 図14は第2の実施の形態による角速度セ ンサを駆動質量部が振動した状態で示す模式 的な説明図である。 図15は第3の実施の形態による角速度セ ンサの要部を拡大して示す図2と同様位置の 面図である。 図16は図15中の検出梁等を拡大して示 平面図である。 図17は第1の変形例による検出梁等を拡 大して示す図16と同様位置の平面図である。 図18は第2の変形例による検出梁等を拡 大して示す図16と同様位置の平面図である。 図19は第3の変形例による角速度センサ を示す模式的な説明図である。 図20は第4の変形例による角速度センサ を示す模式的な説明図である。

符号の説明

 1,91,101,111,121 角速度センサ
 2 基板
 4~7 駆動質量部
 8,112,122 連結梁
 9~12 接続部
 13~16 駆動梁
 17~20,92,93 振動発生部(駆動手段)
 21 駆動用ランド
 22~25 検出質量部
 26~29,102~105,102″,102′ 検出梁
 30~33 変位検出部(変位検出手段)
 34 検出用ランド
 35~38 振動モニタ部(モニタ手段)
 39 モニタ用ランド
 40 シールドランド
 106~109 L型梁(応力低減接続部)
 106″ T型梁(応力低減接続部)

 以下、本発明の実施の形態による角速度 ンサについて、添付図面を参照しつつ詳細 説明する。

 まず、図1ないし図6は第1の実施の形態に る角速度センサ1を示している。図において 、角速度センサ1は、基板2、駆動質量部4~7、 結梁8、接続部9~12、駆動梁13~16、振動発生部 17~20、検出質量部22~25、検出梁26~29、変位検出 部30~33、振動モニタ部35~38等によって構成さ ている。

 基板2は、角速度センサ1のベース部分を 成している。そして、基板2は、例えばガラ 材料等により四角形の平板状に形成され、 いに直交するX軸,Y軸およびZ軸方向のうち、 例えばX軸およびY軸方向に沿って水平に延び いる。

 また、基板2上には、例えば導電性を有す る低抵抗なシリコン材料等にエッチング加工 を施すことによって、支持部3、駆動質量部4~ 7、連結梁8、接続部9~12、駆動梁13~16、駆動用 ンド21、検出質量部22~25、検出梁26~29、検出 ランド34、振動モニタ部35~38、モニタ用ラン ド39、シールドランド40等が形成されている

 支持部3は、基板2の表面に設けられてい 。また、支持部3は、基板2のうち角隅側の4 所にそれぞれ配置されている。そして、4つ 支持部3に取囲まれた基板2の中央側部分に 、駆動質量部4~7、検出質量部22~25等が基板2 ら浮いた状態で設けられている。また、後 する振動発生部17~20の可動側駆動電極17A~20A 変位検出部30~33の可動側検出電極となる検出 質量部22~25等は、支持部3を介してグランドに 接続されている。

 駆動質量部4~7は、基板2の表面と隙間をも って対向し、中心部(中心点O)に対して点対称 な位置に配置されている。また、駆動質量部 4~7は、中心点Oを取囲む周方向に対して90°毎 互いに等間隔で配置されている。このため X軸側駆動質量部4,5は、X軸に沿って配置さ 、中心点Oを挟んで互いに対向している。一 、Y軸側駆動質量部6,7は、X軸と直交したY軸 沿って配置され、中心点Oを挟んで互いに対 向している。

 また、駆動質量部4~7は、例えば略五角形 枠状に形成されている。ここで、X軸側駆動 質量部4,5は、X軸方向の内側部位が中心点Oに けて突出し、中心点Oに近付くに従って幅寸 法(Y軸方向寸法)が徐々に小さくなっている。 同様に、Y軸側駆動質量部6,7は、Y軸方向の内 部位が中心点Oに向けて突出し、中心点Oに 付くに従って幅寸法(X軸方向寸法)が徐々に さくなっている。また、駆動質量部4~7の内 側の突出部分(頂点部分)には、中心点Oに向 て突出した接続用腕部4A~7Aが設けられている 。このとき、接続用腕部4A~7Aは、X軸、Y軸お びZ軸のいずれの方向にも撓み変形しないよ に、高い剛性を有している。そして、接続 腕部4A~7Aの先端部位が、例えば駆動質量部4~ 7がX-Y平面上で振動するときの支点となって る。

 連結梁8は、中心点Oを取囲む環状に形成 れ、駆動質量部4~7を互いに連結する。具体 には、連結梁8は、例えば略円形の細長い枠 に形成され、X軸方向の両端側部位およびY 方向の両端側部位がそれぞれ接続用腕部4A~7A の先端に接続されている。そして、駆動質量 部4~7が基板2と水平な状態で中心点Oを取囲む 方向に駆動振動したときに、連結梁8全体が 楕円形状となるように撓み変形する(図6参照) 。これにより、連結梁8は、各駆動質量部4~7 駆動振幅および位相が一致するように調整 る。

 接続部9~12は、図1および図2に示すように 中心点Oを中心として放射状に延び、連結梁 8に接続されている。また、接続部9~12は、周 向で隣合う2つの駆動質量部4~7の間にそれぞ れ位置して、中心点Oに対して点対称な位置 配置されている。このため、接続部9は駆動 量部4,6の間に配置されると共に、接続部10 駆動質量部5,7の間に配置され、これらの接 部9,10は、X軸に対して45°傾斜した軸線上に 置して互いに対向している。同様に、接続 11は駆動質量部4,7の間に配置されると共に、 接続部12は駆動質量部5,6の間に配置され、こ らの接続部11,12は、X軸に対して-45°傾斜し 軸線上に位置して互いに対向している。こ により、接続部9,10と接続部11,12とは、互い 直交している。そして、接続部9~12は、X軸、 Y軸およびZ軸のいずれの方向にも撓み変形し いように、高い剛性を有している。

 駆動梁13~16は、接続部9~12の先端にそれぞ 設けられ、接続部9~12と支持部3との間を接 している。ここで、駆動梁13~16は、例えば2 の折返した梁を互いに対向して配置するこ によって構成され、接続部9~12と直交した方 に延びた細長い枠状に形成されている。そ て、駆動梁13~16は、接続部9~12が長さ方向に 位したときに、枠内の空間が拡大、縮小す ように撓み変形する。これにより、駆動梁1 3~16は、連結梁8が撓み変形するときに、各接 部9~12を長さ方向に変位可能に支持する。

 振動発生部17~20は、駆動質量部4~7をそれ れ駆動振動する駆動手段を構成している。 して、振動発生部17~20は、駆動質量部4~7の外 径側に取付けられた可動側駆動電極17A~20Aと 基板2上の駆動用ランド21に取付けられた固 側駆動電極17B~20Bとによって構成されている

 ここで、可動側駆動電極17Aは、例えば駆 質量部4から中心点Oを中心とする径方向外 に向けて放射状に延びた2つの櫛歯状電極に って構成され、該櫛歯状電極には長さ方向 間隔をもって複数の電極板が配置されてい 。そして、可動側駆動電極17Aは、駆動質量 4のうちY軸方向の一側に配置されている。

 また、可動側駆動電極18Aも、可動側駆動 極17Aと同様に、例えば駆動質量部5から中心 点Oを中心とする径方向外側に向けて放射状 延びた2つの櫛歯状電極によって構成されて る。但し、可動側駆動電極18Aは、駆動質量 5のうちY軸方向の他側に配置されている。 れにより、可動側駆動電極17Aと可動側駆動 極18Aとは、中心点Oに対して点対称な位置に 置されている。

 一方、可動側駆動電極19Aは、例えば駆動 量部6から中心点Oを中心とする径方向外側 向けて放射状に延びた2つの櫛歯状電極によ て構成され、該櫛歯状電極には長さ方向に 隔をもって複数の電極板が配置されている そして、可動側駆動電極19Aは、駆動質量部6 のうちX軸方向の一側に配置されている。

 また、可動側駆動電極20Aも、可動側駆動 極19Aと同様に、例えば駆動質量部7から中心 点Oを中心とする径方向外側に向けて放射状 延びた2つの櫛歯状電極によって構成されて る。但し、可動側駆動電極20Aは、駆動質量 7のうちX軸方向の他側に配置されている。 れにより、可動側駆動電極19Aと可動側駆動 極20Aとは、中心点Oに対して点対称な位置に 置されている。

 また、固定側駆動電極17B~20Bは、可動側駆 動電極17A~20Aと平行な状態で径方向外側に向 て延びた櫛歯状電極によって構成されてい 。そして、可動側駆動電極17A~20Aの電極板と 定側駆動電極17B~20Bの電極板とは、互いに隙 間をもって噛合している。

 また、固定側駆動電極17B~20Bは、それぞれ 基板2に固定された4つの駆動用ランド21に取 けられ、電気的に接続されている。このと 、4つの駆動用ランド21は、例えば駆動梁15,16 に接続された支持部3を挟んだ位置に設けら 、支持部3の幅方向(周方向)の両側に配置さ ている。これにより、固定側駆動電極17B~20B よび駆動用ランド21も、可動側駆動電極17A~2 0Aと同様に、中心点Oに対して点対称な位置に 配置されている。

 そして、固定側駆動電極17B,18Bに同じ駆動 信号(電圧信号等)を印加すると、可動側駆動 極17A,18Aと固定側駆動電極17B,18Bとの間には Y軸に沿って互いに逆方向の駆動力F1,F2(静電 )が発生する。これにより、駆動質量部4,5は 、互いに逆位相でY軸方向に振動する。

 一方、固定側駆動電極19B,20Bに同じ駆動信 号(電圧信号等)を印加すると、可動側駆動電 19A,20Aと固定側駆動電極19B,20Bとの間には、X に沿って互いに逆方向の駆動力F3,F4(静電力) が発生する。これにより、駆動質量部6,7は、 互いに逆位相でX軸方向に振動する。

 さらに、振動発生部17~20は、周方向で隣 う駆動質量部4~7が逆位相となる状態で、4つ 駆動質量部4~7を中心部を取囲む周方向に向 て振動させる。このため、駆動質量部4,6が 付くときには、残余の駆動質量部5,7は互い 近付き、駆動質量部4,6と駆動質量部5,7とは いに遠ざかる。一方、駆動質量部4,7が近付 ときには、残余の駆動質量部5,6は互いに近 き、駆動質量部4,7と駆動質量部5,6とは互い 遠ざかる。

 検出質量部22~25は、駆動質量部4~7の内部 位置して駆動質量部4~7にそれぞれ設けられ いる。また、検出質量部22~25は、駆動質量部 4~7と相似な略五角形の板状に形成されている 。さらに、検出質量部22~25は、径方向外側に けて突出した接続用突出部22A~25Aを備えてい る。そして、検出質量部22~25は、接続用突出 22A~25Aおよび後述の検出梁26~29を介して駆動 量部4~7に接続され、基板2の表面と隙間をも って対向している。

 検出梁26~29は、検出質量部22~25よりも径方 向外側に位置して検出質量部22~25と駆動質量 4~7との間に設けられ、検出質量部22~25を基 2の厚さ方向に変位可能に支持している。ま 、検出梁26~29は、中心点Oを取囲む周方向に けて延び、検出質量部22~25が基板2の厚さ方 に変位するときに、捩れ変形する捩れ支持 を用いて形成されている。具体的には、検 梁26~29は、幅寸法δをもって直線状に延びる 細長い板状の梁によって形成されている。

 そして、検出梁26,27は、駆動質量部4,5内 位置してY軸方向に延び、長さ方向の中央部 に検出質量部22,23の接続用突出部22A,23Aが取 けられている。また、検出梁28,29は、駆動 量部6,7内に位置してX軸方向に延び、長さ方 の中央部分に検出質量部24,25の接続用突出 24A,25Aが取付けられている。これにより、検 質量部22~25は中心点Oに近い径方向内側部分 自由端となるから、検出梁26~29は片持ち状 で検出質量部22~25を支持する。

 そして、X軸周りの角速度ω1が作用したと きには、Y軸方向に振動する駆動質量部4,5に 、角速度ω1に応じてZ軸方向(基板2の厚さ方 )に向かうコリオリ力Fxが発生する。このと 、検出梁26,27は検出質量部22,23をZ軸方向に変 位可能に支持しているから、検出質量部22,23 、角速度ω1に応じてZ軸方向に振動する。

 一方、Y軸周りの角速度ω2が作用したとき には、X軸方向に振動する駆動質量部6,7には 角速度ω2に応じてZ軸方向(基板の厚さ方向) 向かうコリオリ力Fyが発生する。このとき、 検出梁28,29は検出質量部24,25をZ軸方向に変位 能に支持しているから、検出質量部24,25は 角速度ω2に応じてZ軸方向に振動する。

 変位検出部30~33は、検出質量部22~25が基板 2の厚さ方向に変位するのを検出する変位検 手段を構成している。また、変位検出部30~33 は、可動側検出電極としての検出質量部22~25 、基板2に設けられた例えば導体薄膜からな る固定側検出電極30A~33Aとによって構成され いる。ここで、検出質量部22~25と固定側検出 電極30A~33Aとは、Z軸方向で互いに対向してい 。

 また、固定側検出電極30A~33Aは、それぞれ 基板2に固定された4つの検出用ランド34に取 けられ、電気的に接続されている。このと 、4つの検出用ランド34は、駆動質量部4~7の 方向外側に配置されている。これにより、 定側検出電極30A~33Aおよび検出用ランド34も 検出質量部22~25と同様に、中心点Oに対して 対称な位置に配置されている。

 そして、検出質量部22~25がZ軸方向に振動 たときには、検出質量部22~25と固定側検出 極30A~33Aとの間の距離が変化する。これによ 、検出質量部22~25と固定側検出電極30A~33Aと 間の静電容量Cs1~Cs4も変化する。このため、 変位検出部30~33は、検出質量部22~25のZ軸方向 変位量を検出質量部22~25と固定側検出電極30 A~33Aとの間の静電容量Cs1~Cs4の変化によって検 出する。

 振動モニタ部35~38は、駆動質量部4~7の振 方向の変位を検出するモニタ手段を構成し いる。そして、振動モニタ部35~38は、駆動質 量部4~7の外径側に取付けられた可動側モニタ 電極35A~38Aと、基板2上のモニタ用ランド39に 付けられた固定側モニタ電極35B~38Bとによっ 構成されている。

 ここで、可動側モニタ電極35A~38Aは、振動 発生部17~20の可動側駆動電極17A~20Aとほぼ同様 に駆動質量部4~7から径方向外側に向けて放射 状に延びた2つの櫛歯状電極によって構成さ ている。但し、可動側モニタ電極35A,36Aは、 動質量部4,5を挟んで可動側駆動電極17A,18Aと はY軸方向の反対側に配置されている。同様 、可動側モニタ電極37A,38Aは、駆動質量部6,7 挟んで可動側駆動電極19A,20AとはX軸方向の 対側に配置されている。

 また、固定側モニタ電極35B~38Bは、可動側 モニタ電極35A~38Aと平行な状態で径方向外側 向けて延びた櫛歯状電極によって構成され いる。そして、可動側モニタ電極35A~38Aの電 板と固定側モニタ電極35B~38Bの電極板とは、 互いに隙間をもって噛合している。

 また、固定側モニタ電極35B~38Bは、それぞ れ基板2に固定された4つのモニタ用ランド39 取付けられ、電気的に接続されている。こ とき、4つのモニタ用ランド39は、例えば駆 梁13,14に接続された支持部3を挟んだ位置に けられ、支持部3の幅方向(周方向)の両側に 置されている。そして、可動側モニタ電極35 A~38A、固定側モニタ電極35B~38Bおよびモニタ用 ランド39は、中心点Oに対して点対称な位置に 配置されている。

 ここで、駆動質量部4,5がY軸方向に変位し たときには、可動側モニタ電極35A,36Aと固定 モニタ電極35B,36Bとの間の静電容量Cm1,Cm2が変 化する。また、駆動質量部6,7がX軸方向に変 したときには、可動側モニタ電極37A,38Aと固 側モニタ電極37B,38Bとの間の静電容量Cm3,Cm4 変化する。このため、振動モニタ部35~38は、 この静電容量Cm1~Cm4の変化によって駆動質量 4~7の振動状態をモニタする。

 なお、周方向で隣合う駆動質量部4~7が逆 相となる状態で4つの駆動質量部4~7が振動し たときには、振動モニタ部35~38の静電容量Cm1~ Cm4は、同期して変化する構成となっている。

 シールドランド40は、4つの検出用ランド3 4の周方向の両側に位置して、基板2上に合計8 個設けられている。ここで、各シールドラン ド40は、駆動用ランド21と検出用ランド34との 間に配置されると共に、モニタ用ランド39と 出用ランド34との間に配置されている。ま 、8つのシールドランド40は、中心点Oに対し 点対称な位置に配置されている。

 そして、シールドランド40は、ランド21,34 ,39と電気的に絶縁した状態で設けられ、例え ばグランドに接続されている。これにより、 シールドランド40は、検出用ランド34の周囲 電気的にシールド(遮断)し、検出用ランド34 変位検出信号に対して駆動用ランド21側の 動信号およびモニタ用ランド39のモニタ信号 が干渉するのを防止している。

 蓋板41は、例えばガラス材料等によって 角形の板状に形成され、陽極接合等の手段 用いて支持部3、駆動用ランド21、検出用ラ ド34、モニタ用ランド39およびシールドラン 40に接合されている。また、蓋板41は、検出 質量部22~25等との対向面(裏面)側に、四角形 に凹陥したキャビティ41Aが形成されている そして、キャビティ41Aは、駆動質量部4~7、 結梁8、接続部9~12、駆動梁13~16、検出質量部2 2~25、検出梁26~29、振動発生部17~20および振動 ニタ部35~38と対向した位置に設けられてい 。これにより、駆動質量部4~7、検出質量部22 ~25は、蓋板41に接触することなく、振動変位 ることができる。

 そして、蓋板41には、複数のビアホール42 が厚さ方向に貫通して形成されている。この とき、ビアホール42は、支持部3および各ラン ド21,34,39,40と対応した位置にそれぞれ形成さ ている。これにより、支持部3等は、ビアホ ール42を通じて蓋板41上に設けられた外部電 (図示せず)に接続される。このため、振動発 生部17~20、変位検出部30~33および振動モニタ 35~38は、外部電極を通じて後述する振動制御 回路51および角速度検出回路61等に接続する とができる。

 次に、図7を参照しつつ、駆動質量部4~7の 振動状態を制御する振動制御回路51について 明する。振動制御回路51は、振動モニタ部35 ~38によるモニタ信号Vmを用いて振動発生部17~2 0に出力する駆動信号Vdを制御する。そして、 振動制御回路51は、C-V変換回路52、増幅器53、 AGC回路54、駆動信号発生回路55等によって構 されている。

 C-V変換回路52は振動モニタ部35~38の出力側 に接続されている。そして、C-V変換回路52は 振動モニタ部35~38の静電容量Cm1~Cm4の変化を 圧変化に変換し、これらの電圧変化をモニ 信号Vmとして出力する。そして、このモニ 信号Vmは、C-V変換回路52の出力側に接続され 増幅器53によって増幅され、AGC回路54に向け て出力される。

 AGC回路54の出力側は、駆動信号Vdを出力す る駆動信号発生回路55に接続されている。そ て、AGC回路54は、モニタ信号Vmが一定となる ようにゲインを調整する。また、駆動信号発 生回路55は、増幅器56を介して振動発生部17~20 に接続される。これにより、駆動信号発生回 路55は、振動発生部17~20に対して互いに駆動 号Vdを入力し、振動発生部17~20は、周方向で 合う駆動質量部4~7が互いに逆位相となる状 で、駆動質量部4~7を振動させる。

 次に、2軸周り(X軸およびY軸周り)の角速 ω1,ω2を検出する角速度検出回路61(角速度検 手段)について説明する。角速度検出回路61 、変位検出部30~33による変位検出信号Vx,Vyを 振動モニタ部35~38によるモニタ信号Vmを用い 同期検波し、駆動質量部4~7に作用する角速 ω1,ω2を検出する。そして、角速度検出回路6 1は、例えばC-V変換回路62~65、差動増幅器66,70 同期検波回路67,71等によって構成されてい 。

 C-V変換回路62~65は、変位検出部30~33の静電 容量Cs1,Cs2,Cs3,Cs4の変化を電圧変化に変換し、 これらの電圧変化を予備的な変位検出信号Vs1 ,Vs2,Vs3,Vs4としてそれぞれ出力する。

 ここで、隣合う駆動質量部4~7が互いに逆 相で振動している状態で、X軸周りの角速度 ω1が作用したときには、検出質量部22,23は互 に逆位相でZ軸方向に変位する。このとき、 予備的な変位検出信号Vs1と変位検出信号Vs2は 互いに逆位相となる。

 このため、差動増幅器66は、C-V変換回路62 ,63の出力側に接続され、これらの予備的な変 位検出信号Vs1,Vs2の差から最終的な変位検出 号Vxを演算する。

 同期検波回路67の入力側は、差動増幅器66 に接続されると共に、位相シフト回路57を介 てAGC回路54に接続されている。また、同期 波回路67の出力側には、角速度信号を取り出 すための低域通過フィルタ(LPF)68が接続され と共に、LPF68の出力側にはゲインおよびオフ セットを調整するための調整回路69が接続さ ている。ここで、位相シフト回路57は、AGC 路54を介して出力されるモニタ信号Vmの位相 90°シフトさせた位相シフト信号Vm″を出力 る。これにより、同期検波回路67は、変位 出信号Vxから位相シフト信号Vm″を用いて同 検波し、LPF68、調整回路69を介してX軸周り 角速度ω1に応じた角速度信号を出力する。

 一方、隣合う駆動質量部4~7が互いに逆位 で振動している状態で、Y軸周りの角速度ω2 が作用したときには、検出質量部24,25は互い 逆位相でZ軸方向に変位する。このとき、予 備的な変位検出信号Vs3と変位検出信号Vs4は互 いに逆位相となる。

 このため、差動増幅器70は、C-V変換回路64 ,65の出力側に接続され、これらの予備的な変 位検出信号Vs3,Vs4の差から最終的な変位検出 号Vyを演算する。これにより、同期検波回路 71は、同期検波回路67と同様に、変位検出信 Vyから位相シフト信号Vm″を用いて同期検波 、LPF72、調整回路73を介してY軸周りの角速 ω2に応じた角速度信号を出力する。

 次に、図8ないし図11に基づいて、本実施 形態による角速度センサ1の製造方法につい て説明する。

 図8に示す基板接合工程では、予めシリコ ン基板81の裏面にエッチング処理を施して、 央部分が凹陥した略四角形または円形の凹 部82を形成する。一方、基板2となるガラス 板83の表面には、中央側に位置して、スパ タ等の手段を用いて導体薄膜からなる4つの 定側検出電極30A~33Aを形成する。その後、例 えば陽極接合等の接合手段を用いて、ガラス 基板83の表面に、シリコン基板81の裏面を接 する。このとき、固定側検出電極30A~33Aは、 陥部82の内側に配置される。

 次に、図9に示す薄膜化工程では、シリコ ン基板81の表面側を研磨して、厚さ寸法の薄 シリコン層84を形成する。このとき、シリ ン層84の外縁側は、ガラス基板83に接合され いる。また、シリコン層84のうち凹陥部82と 対応した薄肉部84Aは、ガラス基板83と隙間を って離間している。

 次に、図10に示す機能部形成工程では、 ッチング処理を施して、シリコン層84のうち 薄肉部84Aに対応した位置に、駆動質量部4~7、 連結梁8、接続部9~12、駆動梁13~16、振動発生 17~20、検出質量部22~25、検出梁26~29、振動モ タ部35~38を形成する。また、シリコン層84の 縁側には、支持部3、駆動用ランド21、検出 ランド34、モニタ用ランド39、シールドラン ド40を形成する。このとき、検出質量部22~25 、変位検出部30~33を構成するために、固定側 検出電極30A~33Aと対向した位置に形成される

 また、駆動用ランド21には振動発生部17~20 の固定側駆動電極17B~20Bを接続し、検出用ラ ド34には変位検出部30~33の固定側検出電極30A~ 33Aを接続し、モニタ用ランド39には振動モニ 部35~38の固定側モニタ電極35B~38Bを接続する

 次に、図11に示す蓋板接合工程では、蓋 41となるガラス板85の裏面側に、予めキャビ ィ41Aとなる凹陥部86を形成する。このとき 凹陥部86は、駆動質量部4~7、連結梁8、接続 9~12、駆動梁13~16、振動発生部17~20、検出質量 部22~25、検出梁26~29、振動モニタ部35~38等と対 向した位置に形成される。

 そして、例えば陽極接合等の接合手段を いて、シリコン層84の表面に、ガラス基板85 の裏面を接合する。これにより、ガラス基板 85の外縁側は支持部3および各ランド21,34,39,40 接合される。なお、固定側検出電極30A~33Aは ガラス基板83ではなく、ガラス基板85(蓋板41) 形成してもよい。

 次に、電極形成工程では、蓋板41にサン ブラスト等の穴あけ加工処理を施して、ビ ホール42を形成する。このとき、ビアホール 42は、支持部3および各ランド21,34,39,40と対応 た位置にそれぞれ形成されている。最後に 蓋板41の表面には、外部の回路と接続する めの外部電極(図示せず)を設ける。そして、 外部電極は、ビアホール42の内面に設けられ 導体膜を通じて、支持部3および各ランド21, 34,39,40に対して電気的に接続する。これによ 、図1ないし図6に示す角速度センサ1が完成 る。そして、振動発生部17~20、変位検出部30 ~33および振動モニタ部35~38は、外部電極を通 て振動制御回路51および角速度検出回路61等 に接続する。

 なお、ビアホール42は、ガラス基板83側に 形成してもよい。好ましくは、ガラス基板83, 85のうち固定側検出電極30A~33Aが形成されたも のにビアホール42を加工した方がよい。ビア ールを形成したガラス基板の表面は、薄膜 線等を形成するために、ガラス基板越しに 部が見えなくなる。固定側検出電極を形成 た面は、固定側検出電極によって元々内部 見えにくいため、逆側から内部を観察でき ようにしておいた方が、製造上好ましいか である。

 第1の実施の形態による角速度センサ1は 述の如き構成を有するもので、次にその作 について説明する。

 まず、X軸周りの角速度ω1を検出する場合 について説明する。外部の振動制御回路51か 駆動用ランド21に駆動信号Vdを入力すると、 駆動信号Vdは振動発生部17~20の固定側駆動電 17B~20Bに印加される。これにより、駆動質量 4,5にはY軸方向の静電引力が作用し、駆動質 量部4,5はY軸方向に振動する。一方、駆動質 部6,7にはX軸方向の静電引力が作用し、駆動 量部6,7はX軸方向に振動する。そして、周方 向で隣合う駆動質量部4~7は、互いに逆位相で 振動する。

 駆動質量部4~7が振動している状態でX軸周 りの角速度ω1が作用すると、Y軸方向に振動 る駆動質量部4,5には、角速度ω1に応じて、 下の数1に示すコリオリ力Fxが作用する。一 、X軸方向に振動する駆動質量部6,7には、コ オリ力は作用しない。これにより、検出質 部22,23は、コリオリ力FxによってZ軸方向に 位し、角速度ω1に応じて振動する。

 このため、変位検出部30,31は、検出質量 22,23のZ軸方向の変位に応じて検出質量部22,23 と固定側検出電極30A,31Aとの間の静電容量Cs1,C s2が変化する。このとき、角速度検出回路61 C-V変換回路62,63は、静電容量Cs1,Cs2の変化を 備的な変位検出信号Vs1,Vs2に変換する。そし 、差動増幅器66は、変位検出信号Vs1,Vs2の差 基づいて、X軸周りの角速度ω1に応じた最終 的な変位検出信号Vxを出力する。同期検波回 67は、変位検出信号Vxから位相シフト信号Vm と同期した信号を検波する。これにより、 速度検出回路61は、X軸周りの角速度ω1に応 た角速度信号を出力する。

 次に、Y軸周りの角速度ω2を検出する場合 について説明する。外部の振動制御回路51か 駆動用ランド21に駆動信号Vdを入力し、駆動 質量部4~7を振動させる。この振動状態でY軸 りの角速度ω2が作用すると、X軸方向に振動 る駆動質量部6,7には、角速度ω2に応じて、 下の数2に示すコリオリ力Fyが作用する。一 、Y軸方向に振動する駆動質量部4,5には、コ リオリ力は作用しない。これにより、検出質 量部24,25は、コリオリ力FyによってZ軸方向に 位し、角速度ω2に応じて振動する。

 このため、変位検出部32,33は、検出質量 24,25のZ軸方向の変位に応じて検出質量部24,25 と固定側検出電極32A,33Aとの間の静電容量Cs3,C s4が変化する。このとき、角速度検出回路61 C-V変換回路64,65は、静電容量Cs3,Cs4の変化を 位検出信号Vs3,Vs4に変換する。そして、差動 幅器70は、変位検出信号Vs3,Vs4の差に基づい 、Y軸周りの角速度ω2に応じた変位検出信号 Vyを出力する。同期検波回路71は、変位検出 号Vyから位相シフト信号Vm″と同期した信号 検波する。これにより、角速度検出回路61 、Y軸周りの角速度ω2に応じた角速度信号を 力する。

 かくして、本実施の形態では、4つの駆動 質量部4~7は中心点Oに対して点対称な位置に 置されているから、2つの駆動質量部4,5は中 点Oを挟んでX軸方向の両側に配置すること でき、2つの駆動質量部6,7は中心点Oを挟んで Y軸方向の両側に配置することができる。ま 、周方向で隣合う駆動質量部4~7は互いに逆 相で振動する。

 これにより、X軸周りの角速度ω1が作用し たときには、Y軸方向に振動する駆動質量部4, 5にはZ軸方向に向かうコリオリ力Fxを発生さ ることができる。このため、角速度ω1が作 したときには、検出質量部22,23はZ軸方向に 位して振動する。従って、この振動を変位 出部30,31を用いて検出することによって、X 周りの角速度ω1を検出することができる。

 一方、Y軸周りの角速度ω2が作用したとき には、X軸方向に振動する駆動質量部6,7にはZ 方向に向かうコリオリ力Fyを発生させるこ ができる。このため、角速度ω2が作用した きには、検出質量部24,25はZ軸方向に変位し 振動する。従って、この振動を変位検出部32 ,33を用いて検出することによって、Y軸周り 角速度ω2を検出することができる。これに り、単一の角速度センサ1を用いて、基板2と 水平な2つの軸(X軸およびY軸)周りに作用する 速度ω1,ω2を検出することができる。

 また、4つの駆動質量部4~7は中心点Oに対 て点対称な位置に配置されているから、周 向で互いに隣合う駆動質量部4~7を逆方向(逆 相)に振動させる構成となっている。このた め、4つの駆動質量部4~7全体の重心位置を固 することができると共に、4つの駆動質量部4 ~7全体に生じる周方向の回転トルク(回転モー メント)を相殺することができる。このとき 連結梁8は4つの駆動質量部4~7を互いに連結す るから、例えば4つの駆動質量部4~7に加工ば つきが生じたときでも、各駆動質量部4~7は 動振幅および位相が揃った状態で振動する この結果、4つの駆動質量部4~7全体の重心位 の変動や回転トルクを確実に小さくするこ ができ、駆動質量部4~7の駆動振動が基板2等 に漏れることがなくなる。これにより、角速 度信号のオフセット出力が安定する。

 また、駆動質量部4~7は駆動梁13~16を用い 支持し、検出質量部22~25は検出梁26~29を用い 支持する構成とした。このため、駆動質量 4~7と検出質量部22~25とを独立した別個の梁( 動梁13~16および検出梁26~29)を用いて支持す ことができ、共通の梁を用いて支持した場 に比べて、駆動振動と検出振動との間の結 を小さくすることができる。従って、変位 出部30~33が検出質量部22~25の変位を検出して 備的な変位検出信号Vs1~Vs4を出力したときに は、この変位検出信号Vs1~Vs4にノイズ信号と る駆動振動の成分が混入することがない。 の結果、例えば変位検出信号Vs1~Vs4を直接増 するとき、または差動増幅器66,70を用いて 動増幅するときでも、ノイズ信号によって 得が飽和することがない。このため、同期 波前の初期段階の増幅率を高くすることが きるから、角速度信号に含まれるノイズ信 を相対的に小さくすることができ、SN比が良 い角速度信号を得ることができ、角速度セン サ1の検出精度を向上することができる。

 さらに、可動部となる駆動質量部4~7、連 梁8、接続部9~12、駆動梁13~16、検出質量部22~ 25等は中心点Oに対して点対称な形状となると 共に、中心点Oを挟んで対称な位置に配置さ て駆動質量部4,6と駆動質量部5,7とは互いに 方向に向けて振動する。従って、角速度ω1, 2が作用したときには、検出質量部22,24と検 質量部23,25とはZ軸方向に向けて互いに逆方 に変位する。これに対し、基板2の垂直方向( Z軸方向)に加速度が作用しても、検出質量部2 2~25がZ軸方向に変位しても、この変位による 位検出部30~33の静電容量Cs1~Cs4の変化は同じ になる。このため、変位検出部30~33による 位検出信号Vs1~Vs4を差動検出することによっ 、角速度信号から加速度による成分を除去 ることができる。

 また、駆動質量部4~7および検出質量部22~2 5自体は変形する必要がないから、駆動質量 4~7および検出質量部22~25の質量を大きくして 、共振周波数を低下させることができる。こ のため、コリオリ力Fx,Fyによる検出質量部22~2 5の変位量を大きくすることができ、角速度ω 1,ω2の検出感度を高めることができる。さら 、検出質量部22~25の面積を大きくすること できる。このため、変位検出部30~33を検出質 量部22~25とZ軸方向で対向した固定側検出電極 30A~33Aを用いて構成した場合でも、検出質量 22~25がZ軸方向に変位したときの静電容量Cs1~C s4の変化を大きくすることができ、検出感度 高めることができる。

 また、連結梁8には放射状に延びる4つの 続部9~12を設けると共に、各接続部9~12を長さ 方向に変位可能に支持する駆動梁13~16を設け 構成とした。このため、基板2に歪みが生じ ても、この歪みを駆動梁13~16によって吸収す ことができ、例えば連結梁8の張力に対する 影響を軽減することができる。この結果、駆 動質量部4~7および検出質量部22~25の共振周波 が変化しにくく、特性変動を小さくするこ ができ、角速度センサ1の出力を安定化する ことができる。

 また、第1の実施の形態では、検出梁26~29 、検出質量部22~25が基板2の厚さ方向に変位 るときに、捩れ変形する捩れ支持梁を用い 形成した。このため、例えばシリコン材料 を基板2の垂直方向に加工することによって 捩れ支持梁を形成することができ、容易に加 工することができる。また、捩れ支持梁は幅 寸法が小さい細長い直線状の梁を用いて形成 するから、検出梁26~29の幅寸法δにはばらつ が生じ易い傾向がある。

 仮に、幅寸法δにばらつきが生じても、 動質量部4~7の共振周波数を決める連結梁8お び駆動梁13~16も同様な細長い梁を用いて形 しているから、連結梁8、駆動梁13~16および 出梁26~29の幅寸法は一緒に増加または減少す る。この結果、連結梁8、駆動梁13~16および検 出梁26~29のばね定数は一緒に変化するから、 動振動の共振周波数と検出振動の共振周波 とは一緒に変動する。これにより、駆動振 と検出振動との間で共振周波数の差が拡大 ないから、加工ばらつきに基づく検出感度 低下を防止することができる。

 また、駆動質量部4~7は円周状に並べて配 したから、径方向外側に比べて径方向内側 は駆動質量部4~7の周方向の長さ寸法が小さ なる。このとき、検出梁26~29は、駆動質量 4~7のうち径方向外側に配置したから、径方 内側に配置した場合に比べて、周方向に延 る長さ寸法を大きくすることができる。こ ため、検出梁26~29の設計自由度を大きくする ことができる。

 また、検出梁26~29は接続用突出部22A~25Aを いて検出質量部22~25の径方向外側に接続さ ている。このため、駆動振動によって検出 量部22~25の径方向外側に大きな駆動トルクが 作用するときでも、検出梁26~29を用いて検出 量部22~25および駆動質量部4~7を一緒に駆動 動させることができる。

 また、連結梁8は4つの駆動質量部4~7に取 まれた中心点O側に設ける構成としたから、 結梁8の全長を短くすることができ、基板2 垂直方向(Z軸方向)に対する剛性を高めるこ ができる。このため、駆動質量部4~7および 出質量部22~25が基板2の垂直方向に変位する を防ぐことができ、この質量部4~7,22~25の変 に基づくノイズを低減することができる。

 また、振動発生部17~20は、駆動質量部4~7 設けられた可動側駆動電極17A~20Aと、基板2に 設けられた固定側駆動電極17B~20Bとによって 成したから、可動側駆動電極17A~20Aと固定側 動電極17B~20Bとの間に作用する静電力によっ て駆動質量部4~7を直接的に変位させて、駆動 質量部4~7を駆動振動させることができる。

 また、変位検出部30~33の固定側検出電極30 A~33Aを検出用ランド34に電気的に接続し、振 発生部17~20の固定側駆動電極17B~20Bを駆動用 ンド21に電気的に接続すると共に、駆動用ラ ンド21と検出用ランド34との間にはシールド ンド40を設ける構成とした。このため、駆動 用ランド21と検出用ランド34との間の結合を ールドランド40を用いて阻止することができ 、これらの間の信号の干渉を遮断することが できる。この結果、変位検出部30~33による変 検出信号Vs1~Vs4に対して、振動発生部17~20に 給する駆動信号Vdが混入することがなく、 速度ω1,ω2の検出精度を高めることができる

 さらに、駆動質量部4~7の振動方向の変位 モニタする振動モニタ部35~38を設けたから 振動モニタ部35~38を用いて駆動質量部4~7の振 動振幅および位相を検出することができる。 このため、振動モニタ部35~38によるモニタ信 Vmは振動制御回路51の参照信号として利用す ることができ、共振状態の安定化を図ること ができる。また、振動モニタ部35~38によるモ タ信号Vmは角速度検出回路61の参照信号(位 シフト信号Vm″)としても利用することがで 、駆動質量部4~7の振動状態に応じて正確な 期検波を行うことができる。

 また、第1の実施の形態では、振動発生部 17~20、駆動用ランド21、変位検出部30~33、検出 用ランド34、振動モニタ部35~38、モニタ用ラ ド39、シールドランド40等は対称性を有する 態で形成した。このため、変位検出部30~33 変位検出信号Vs1~Vs4に対して駆動信号Vdやモ タ信号Vmがノイズ信号として混入するときで も、このノイズ信号は変位検出信号Vs1~Vs4に して全て同じレベルとなるから、容易にノ ズ信号を除去することができる。

 なお、第1の実施の形態では、駆動質量部 4~7の全てに振動モニタ部35~38を設ける構成と た。しかし、本発明はこれに限らず、例え 4個の駆動質量部4~7のうちいずれか1個、2個 たは3個の駆動質量部に振動モニタ部を設け る構成としてもよい。

 また、第1の実施の形態では、振動発生部 17~20と振動モニタ部35~38とは同じ形状に形成 たから、振動モニタ部を振動発生部として 用することもできる。この場合、駆動質量 に対する駆動力を増加させることができる

 次に、図12ないし図14は本発明による第2 実施の形態を示している。そして、本実施 形態の特徴は、振動発生部は、連結梁に設 られた可動側駆動電極と、該可動側駆動電 と対向して基板に設けられた固定側駆動電 とによって構成したことにある。なお、本 施の形態では前記第1の実施の形態と同一の 成要素に同一の符号を付し、その説明を省 するものとする。

 角速度センサ91は、第1の実施の形態によ 角速度センサ1とほぼ同様に、基板2、駆動 量部4~7、連結梁8、駆動梁13~16、振動発生部92 ,93、検出質量部22~25、検出梁26~29、変位検出 30~33、振動モニタ部35~38等によって構成され いる。

 振動発生部92,93は、中心点Oの近傍に位置 て連結梁8の内側に配置されている。ここで 、振動発生部92,93は、第1の実施の形態による 振動発生部17~20と同様に例えば低抵抗なシリ ン材料によって形成されている。そして、 動発生部92,93は、連結梁8に取付けられた可 側駆動電極92A,93Aと、基板2上の電極支持部94 に取付けられた固定側駆動電極92B,93Bとによ て構成されている。

 このとき、電極支持部94は、連結梁8に取 まれ、基板2の中心点O付近に固定されてい 。また、可動側駆動電極92A,93Aは、接続部9,10 を内径側に延長した延長部9A,10Aの先端にそれ ぞれ取付けられ、複数の電極板からなる櫛歯 状電極によって構成されている。さらに、固 定側駆動電極92B,93Bは、可動側駆動電極92A,93A 対向して電極支持部94の周囲に取付けられ 複数の電極板からなる櫛歯状電極によって 成されている。そして、可動側駆動電極92A,9 3Aと固定側駆動電極92B,93Bとは、互いに噛合し た状態で設けられ、電極支持部94に駆動信号 印加することによって、静電力が作用して いに接近、離間する。これにより、振動発 部92,93は、可動側駆動電極92A,93Aと固定側駆 電極92B,93Bとの間に作用する静電力によって 連結梁8を撓み変形させて、駆動質量部4~7を 接的に振動させる。

 かくして、このように構成される本実施 形態でも、第1の実施の形態とほぼ同様の作 用効果を得ることができる。そして、特に本 実施の形態では、振動発生部92,93は、可動側 動電極92A,93Aと固定側駆動電極92B,93Bとによ て構成したから、可動側駆動電極92A,93Aと固 側駆動電極92B,93Bとの間に作用する静電力に よって連結梁8を撓み変形させることができ 。これにより、連結梁8に接続された駆動質 部4~7を間接的に変位させて、駆動質量部4~7 駆動振動させることができる。

 また、振動発生部92,93は駆動質量部4~7の 囲に設ける必要がないから、駆動質量部4~7 よび検出質量部22~25を大きくして、角速度ω1 ,ω2の検出感度を高めることができる。一方 駆動質量部4~7の周囲に振動発生部92,93を設け ない分だけ、角速度センサ91全体を小型化す ことができ、製造コストを低減することが きる。

 また、例えば容量結合等によって振動発 部92,93と変位検出部30~33との間で電気的クロ ストークが生じても、この電気的クロストー クを完全に対称で、かつ最小限にすることが できる。この結果、変位検出信号Vs1~Vs4に対 るノイズを小さくすることができる。

 さらに、固定側駆動電極92B,93Bは基板2の 心部(中心点O)に位置する1箇所で外部の回路( 振動制御回路51)と接続すればよいから、外部 接続用の端子を減少させることができる。こ れにより、角速度センサ91全体を小型化する とができ、製造コストを低減することがで る。

 なお、第2の実施の形態では、連結梁8の 側に位置して駆動質量部4~7の周囲に取付け 振動モニタ部35~38を用いて駆動質量部4~7の振 動方向の変位をモニタする構成とした。しか し、本発明はこれに限らず、例えば振動モニ タ部は連結梁の内側に設ける構成としてもよ い。この場合、振動モニタ部は、例えば振動 発生部92,93と同様に構成し、連結梁に設けた 動側モニタ電極と基板に設けた固定側モニ 電極との間の静電容量を検出するものであ 。

 次に、図15および図16は本発明による第3 実施の形態を示している。そして、本実施 形態の特徴は、検出梁の両端側を応力低減 続部を用いて検出質量部と駆動質量部とに れぞれ接続する構成としたことにある。な 、本実施の形態では前記第1の実施の形態と 一の構成要素に同一の符号を付し、その説 を省略するものとする。

 角速度センサ101は、第1の実施の形態によ る角速度センサ1とほぼ同様に、基板2、駆動 量部4~7、連結梁8、駆動梁13~16、振動発生部1 7~20、検出質量部22~25、検出梁102~105、変位検 部30~33、振動モニタ部35~38等によって構成さ ている。

 検出梁102~105は、検出質量部22~25よりも径 向外側に位置して検出質量部22~25と駆動質 部4~7との間に設けられ、検出質量部22~25を基 板2の厚さ方向に変位可能に支持している。 た、検出梁26~29は、中心点Oを取囲む周方向 向けて延び、検出質量部22~25が基板2の厚さ 向に変位するときに、捩れ変形する捩れ支 梁を用いて形成されている。さらに、検出 102~105は、幅寸法δをもって直線状に延びる 長い板状の梁によって形成されている。こ とき、検出質量部22~25は中心点Oに近い径方 内側部分が自由端となるから、検出梁102~105 片持ち状態で検出質量部22~25を支持する。

 但し、検出梁102~105は、検出質量部22~25に して2つずつ設けられている点で、第1の実 の形態による検出梁26~29とは異なっている。 このとき、2つの検出梁102は、駆動質量部4内 位置してY軸方向に延びると共に、Y軸方向 両側にそれぞれ配置されている。同様に、2 の検出梁103は、駆動質量部5内に位置してY 方向に延びると共に、Y軸方向の両側にそれ れ配置されている。

 また、2つの検出梁104は、駆動質量部6内 位置してX軸方向に延びると共に、X軸方向の 両側にそれぞれ配置されている。同様に、2 の検出梁105は、駆動質量部7内に位置してX軸 方向に延びると共に、X軸方向の両側にそれ れ配置されている。

 また、各検出梁102の一端部側は、検出質 部22のうちY軸方向の中心部分に位置して応 低減接続部としてのL型梁106を用いて検出質 量部22に接続されている。さらに、各検出梁1 02の他端部側は、検出質量部22のうちY軸方向 両端部側にそれぞれ位置してL型梁106を用い て駆動質量部4に接続されている。

 同様に、各検出梁103の一端部側は、検出 量部23のうちY軸方向の中心部分に位置して 力低減接続部としてのL型梁107を用いて検出 質量部23に接続されている。さらに、各検出 103の他端部側は、検出質量部23のうちY軸方 の両端部側にそれぞれ位置してL型梁107を用 いて駆動質量部5に接続されている。

 また、各検出梁104の一端部側は、検出質 部24のうちX軸方向の中心部分に位置して応 低減接続部としてのL型梁108を用いて検出質 量部24に接続されている。さらに、各検出梁1 04の他端部側は、検出質量部24のうちX軸方向 両端部側にそれぞれ位置してL型梁108を用い て駆動質量部6に接続されている。

 同様に、各検出梁105の一端部側は、検出 量部25のうちX軸方向の中心部分に位置して 力低減接続部としてのL型梁109を用いて検出 質量部25に接続されている。さらに、各検出 105の他端部側は、検出質量部25のうちX軸方 の両端部側にそれぞれ位置してL型梁109を用 いて駆動質量部7に接続されている。

 このとき、L型梁106,107は、例えば検出梁10 2,103からL字形状に屈曲している。これにより 、検出梁102,103の両端側は、その長さ方向と るY軸方向に対して自由度をもった状態で支 されている。同様に、L型梁108,109は、例え 検出梁104,105からL字状に屈曲している。これ により、検出梁104,105の両端側は、その長さ 向となるX軸方向に対して自由度をもった状 で支持されている。この結果、検出梁102~105 が捩れ変形するときには、検出梁102~105の両 側が長さ方向に変位することができるから 検出梁102~105の両端側に作用する歪みや応力 低減されている。

 かくして、このように構成される本実施 形態でも、第1の実施の形態とほぼ同様の作 用効果を得ることができる。そして、特に本 実施の形態では、検出梁102~105の両端側はL型 106~109を用いて検出質量部22~25と駆動質量部4 ~7とにそれぞれ接続したから、角速度センサ1 01の感度ばらつきを小さくすることができる

 ここで、L型梁106~109と感度ばらつきとの 係を詳しく説明する。まず、第1の実施の形 のように、検出梁26~29の両端を固定した場 には、固定部分に作用する応力によって検 梁26~29の捩れ変形が阻害される。このため、 検出梁26~29の厚さ寸法が変化したときには、 の厚さ寸法の変化分に対する共振周波数の 化が大きくなる。この結果、加工ばらつき 駆動モードと検出モードの共振周波数差に える影響が大きくなる傾向がある。

 これに対し、本実施の形態では、検出梁1 02~105の両端側はL型梁106~109を用いて検出質量 22~25と駆動質量部4~7とにそれぞれ接続した ら、検出梁102~105が捩れ変形するときに検出 102~105の両端側に作用する歪みや応力を低減 することができる。これにより、厚さ寸法の 加工ばらつきが駆動モードと検出モードの共 振周波数差に与える影響を小さくすることが でき、角速度センサ101の感度ばらつきを小さ くすることができる。

 なお、第3の実施の形態では、L型梁106~109 用いて応力低減接続部を構成した。しかし 本発明はこれに限らず、応力低減接続部は 検出梁の長さ方向(捩れ軸方向)に対して自 度を与える構成であればよい。このため、 えば図17に示す第1の変形例のように、検出 102″の端部側がT字形状となったT型梁106″を 用いて応力低減接続部を構成してもよい。

 また、前記第3の実施の形態では、検出梁 102~105は、直線状に延びる捩れ支持梁を用い 形成した。しかし、本発明はこれに限らず 例えば図18に示す第2の変形例のように、検 梁102′は1回または複数回折り返した形状の れ支持梁を用いて形成してもよい。

 また、前記各実施の形態では、検出梁26~2 9,102~105は、検出質量部22~25が基板2の厚さ方向 に変位するときに捩れ変形する捩れ支持梁を 用いて形成した。しかし、本発明はこれに限 らず、例えば検出質量部が基板の厚さ方向に 変位するときに撓み変形する撓み支持梁を用 いて検出梁を形成してもよい。

 また、前記各実施の形態では、連結梁8は 円形の枠状に形成する構成とした。しかし、 本発明はこれに限らず、図19に示す第3の変形 例による角速度センサ111ように、例えば連結 梁112を四角形の枠状に形成してもよく、四角 形以上の多角形の枠状に形成してもよい。こ の場合、連結梁は、例えば八角形、十二角形 等のように、4の倍数の角を有する多角形の 状に形成するのが好ましい。

 また、前記各実施の形態では、連結梁8は 駆動質量部4~7に取囲まれた中心点O側(内径側) に設ける構成とした。しかし、本発明はこれ に限らず、図20に示す第4の変形例による角速 度センサ121のように、例えば連結梁122は駆動 質量部4~7を取囲む外径側に設ける構成として もよい。