JP2000009474A

JP2000009474A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2000009474A
Application number: JP10176992A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Touge; 宗志峠; Manabu Kato; 藤学加; Shinichi Harada; 田伸一原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2000-01-14
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: DE19928759B4; DE19928759A1; US6134961A; JP4075022B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電気的および機械的外乱による検出精度の低
下を防止。角速度検出精度の向上。【解決手段】ｘ，ｙ方向に撓み性が高いばね梁ｂ１〜
ｂ４で基板１００に対して浮動支持された、中心Ｏに関
して対称な連結梁ｃ１，ｃ２；これらに、ｘ方向に撓み
性が高いばね梁３１〜３４／３５〜３８を介して支持さ
れた、それぞれが中心Ｏを通るｘ軸に関して対称であっ
て、互には中心Ｏを通るｙ軸に関して対称な、第１，第
２振動体７，１７；これらの少くとも一方をｘ振動駆動
する駆動電極５ａ，６ａ／５ｂ，６ｂ；第１振動体７の
ｙ振動を検出する第１変位検出電極１２，１３；およ
び、第２振動体１７のｙ振動を検出する第２変位検出電
極２２，２３；を備える（図６）。他の態様では、一点
にて励振するル−プばね梁３を用い、第１，第２振動体
１１，２１を第１，第２駆動枠７，１７に浮動支持した
（図１）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板に対して浮動
支持された振動体を備える角速度センサに関し、特に、
これに限定する意図ではないが、半導体微細加工技術を
用いて形成される浮動半導体薄膜を櫛歯電極にて電気的
に吸引／解放してｘ方向に励振する角速度センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の角速度センサの代表的なもの
は、浮動薄膜の左辺部に１組かつ右辺部に１組の浮動櫛
歯電極（左側浮動櫛歯電極と右側浮動櫛歯電極）を備
え、固定櫛歯電極も２組（各組の浮動櫛歯電極に非接触
で噛み合いかつ平行な左側固定櫛歯電極および右側固定
櫛歯電極）として、左側浮動櫛歯電極／左側固定櫛歯電
極間と右側浮動櫛歯電極／右側固定櫛歯電極間に交互に
電圧を印加することにより、浮動薄膜がｘ方向に振動す
る。浮動薄膜に、ｚ軸を中心とする回転の角速度が加わ
ると、浮動薄膜にコリオリ力が加わって、浮動薄膜は、
ｙ方向にも振動する楕円振動となる。浮動薄膜を導体と
しもしくは電極が接合したものとし、浮動薄膜のｘｚ平
面に平行な検出電極を基板上に備えておくと、この検出
電極と浮動薄膜との間の静電容量が、楕円振動のｙ成分
（角速度成分）に対応して振動する。この静電容量の変
化（振幅）を測定することにより、角速度を求めること
が出来る（例えば特開平５−２４８８７２号公報，特開
平７−２１８２６８号公報，特開平８−１５２３２７号
公報，特開平９−１２７１４８号公報，特開平９−４２
９７３号公報）。

【０００３】米国特許明細書第5,635,638号のFig.4に
は、１対の振動子を半円形状の１対の梁で連結して、各
振動子の振動方向ｘに対して撓み性が高い梁を介して、
８個のアンカーにて、該１対の振動子を浮動支持した角
速度センサが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の角速度センサで
はアンカー部が多点にわかれており、互いに距離がある
ため振動子を単振動させる梁バネ部に温度変化等の外力
が加わると圧縮あるいは引張りの応力がかかる。そのた
め共振周波数が温度とともに変化し、ヒステリシスと不
連続点をもつ特性となる。それはセンサの精度を低下さ
せる。例えば特開平７−２１８２６８号公報に開示のご
とき、アンカー部が多点にわかれた従来の角度センサで
は、アンカー間に距離があるため駆動時の振動が検出側
の振動にもれ、そのため精度低下となることが考えられ
る。また、例えば特開平７−２１８２６８号公報に開示
のごときの、駆動の振動モードと検出の振動モードの不
動点が不一致のものでは、互いの振動もれと外力の影響
があると角速度検出精度が低下すると考えられる。ま
た、駆動の振動モードにコリオリ力による振動を低減さ
せる振動成分を含むと、角速度検出出力が小さい。従来
の振動子の振幅が、＋ｘ方向と−ｘ方向とで異なって振
動が不安定になるときがあり、センサとして成立しない
ときがある。

【０００５】米国特許明細書第5,635,638号の角速度セ
ンサでは、振動子の重心から振動バネが接続されていな
いため、製造時の寸法変動により、振動マスに加わる駆
動力が不均一になると振動がアンバランスになると推察
される。また、非線形振動になる。そのため共振周波数
のシフト振動のアンバランスにより検出出力の不安定な
変動を発生させるためＳ／Ｎが悪いと推察される。振動
駆動信号が検出コンデンサに伝わるので、角速度信号の
Ｓ／Ｎが低いと推察される。更に、従来のセンサでは駆
動振動の漏れが各検出部に漏れ信号として流れるが、励
振部と各検出部までの電気的距離，幾何学的距離に対称
性がないため、電気回路部の作動構成でも漏れ信号が除
去できず、Ｓ／Ｎの低下をもたらす。

【０００６】本発明は、物理的（電気的および機械的）
外乱による検出精度の低下を防ぎ、振動駆動信号の漏れ
によるＳ／Ｎ低下を抑止し、角速度検出精度を高くする
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】（１）本発明の角速度セ
ンサは、中心Ｏを通るｘ軸およびｙ軸の方向に撓み性が
高く、浮動支持部材(b1〜b4,c,1,2,8,18,b5〜b8)にて基
板(100)に対してｘ，ｙ平面に沿う方向に振動可に支持
された、ル−プばね梁(3)；該ル−プばね梁(3)の、ｘ
軸，ｙ軸との交点の少くとも一点を該軸が延びる方向に
振動駆動する励振手段(4〜6)；該ル−プばね梁(3)のｘ
軸との交点に連続し、ｙ軸に関して対称に位置し、ｘ軸
の延びる方向に撓み性が高い支持部材(8,18)にて基板(1
00)に対して浮動支持された第１駆動枠(7)および第２駆
動枠(17)；第１駆動枠(7)にあって、それに連続するｙ
方向に撓み性が高いばね梁(9,10)に連続する第１振動体
(11)；第２駆動枠(17)にあって、それに連続するｙ方向
に撓み性が高いばね梁(19,20)に連続する第２振動体(2
1)；第１振動体(11)のｙ振動を検出する第１の変位検出
手段(12,13)；および、第２振動体(21)のｙ振動を検出
する第２の変位検出手段(22,23)；を備える。なお、理
解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述す
る実施例の対応要素の符号を参考までに付記した。

【０００８】これによれば、励振手段(4〜6)にて、ル−
プばね梁(3)の、ｘ軸，ｙ軸との交点の少くとも一点例
えばｙ軸との交点を、ｙ軸が延びる方向に振動駆動する
と、これによるｙ振動と１８０度位相がずれたｘ振動
が、ル−プばね梁(3)のｘ軸との交点に現われ、第１駆
動枠(7)および第２駆動枠(17)が、逆相でｘ方向に振動
する。第１振動体(11)および第２振動体(21)も、第１駆
動枠(7)および第２駆動枠(17)と同じく、ｘ方向に逆相
で振動する。ｚ軸廻りの角速度が加わると、第１振動体
(11)および第２振動体(21)は、ｙ方向に撓み性が高いば
ね梁(9,10/19,20)にて支持されているので、第１振動体
(11)および第２振動体(21)の振動が楕円振動となり、ｙ
方向にも振動する。第１振動体(11)および第２振動体(2
1)のｘ振動が相対的に逆相であるので、ｙ振動も相対的
には逆相となる。第１および第２変位検出手段(12,13／
22,23)が、これらのｙ振動を検出する。

【０００９】第１および第２変位検出手段(12,13／22,2
3)の振動検出信号の差動増幅を行なうと、各変位検出手
段の振動検出信号の略２倍のレベルの振動検出信号が得
られると共に、電気的なノイズが減殺されるばかりでな
く、角速度以外の機械的な外力による信号成分も相殺さ
れる。例えばｙ方向の加，減速度が加わった場合、それ
による第１振動体(11)および第２振動体(21)の移動が同
方向で、第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)の
変位検出信号レベルが同方向に同程度振れるが、それら
を差動増幅すると、この信号レベルの振れが相殺とな
る。したがって、加速度など、外力による角速度信号の
Ｓ／Ｎ低下を生じない。

【００１０】ル−プばね梁(3)が、浮動支持部材(b1〜b
4,c,1,2,8,18,b5〜b8)にて基板(100)に対してｘ，ｙ平
面に沿う方向に振動可に支持され、しかも、第１駆動枠
(7)および第２駆動枠(17)が、ｘ軸の延びる方向に撓み
性が高い支持部材(8,18)にて基板(100)に対して浮動支
持されているので、第１駆動枠(5)および第２駆動枠(2
5)が、温度歪を生じにくく、それらならびに第１および
第２振動体(11,21)のｘ振動が安定するのに加えて、ｙ
方向に撓み性が高いばね梁(9,10,19,20)を介して第１お
よび第２振動体(11,21)が浮動支持されているので、第
１および第２振動体(11,21)は更に温度歪を生じにく
く、角速度対応のｙ振動が安定したものとなり、角速度
信号の信頼性（安定性）が高い。

【００１１】励振手段(4〜6)にて、ル−プばね梁(3)
の、ｙ軸との交点をｙ軸が延びる方向に振動駆動する態
様では、該交点から第１および第２振動体(11,21)が等
距離になるので、第１および第２変位検出手段(12,13／
22,23)への励振駆動信号の漏れは同等となり、上述の差
動増幅により相殺されるので、Ｓ／Ｎが高い角速度検出
信号を得ることができる。ル−プばね梁(3)の、ｘ軸と
の交点をｘ方向に振動駆動する態様には、ｘ軸との２交
点のそれぞれを対の励振手段にて振動駆動することによ
り、各励振手段と各変位検出手段(12,13／22,23)との距
離が同一となり、同様にＳ／Ｎが高い角速度検出信号を
得ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】（２）前記ル−プばね梁(3)のｙ
軸との交点に連続し、ｙ軸の延びる方向に撓み性が高い
支持部材(1,2)にて基板(100)に対して浮動支持され、ｘ
軸に関して対称に位置する第３駆動枠(77)および第４駆
動枠(87)；第３駆動枠(77)にあって、それに連続するｙ
方向に撓み性が高いばね梁(79,80)に連続する第３振動
体(81)；第４駆動枠(87)にあって、それに連続するｙ方
向に撓み性が高いばね梁(89,90)に連続する第４振動体
(91)；第３振動体(81)のｘ振動を検出する第３の変位検
出手段(82,83)；および、第４振動体(91)のｘ振動を検
出する第４の変位検出手段(92,93)；を更に備える角速
度センサ。

【００１３】これによれば、第１および第２変位検出手
段(12,13／22,23)の変位検出信号と同様な信号が、第３
および第４変位検出手段(82,83／92,93)でも得られる。
これらの信号を差動増幅して、第１および第２変位検出
手段(12,13／22,23)の差動増幅信号と位相を合せて加算
することにより、高レベルの高Ｓ／Ｎの角速度信号が得
られる。また、第１〜第４駆動枠および第１〜第４振動
体を、駆動枠と振動体の一組を、中心Ｏを中心に９０度
づつ回転させ、ｘ軸およびｙ軸に関して対称なものとす
ることにより、温度変化，電気ノイズ，外部からの加，
減速度や振動による影響が小さい、高Ｓ／Ｎ，高信頼性
（安定性）の角速度信号が得られる。（３）各振動体(11,21,81,91)は、枠形状体であり、そ
れぞれの内側に各変位検出手段(12,13/22,23/82,83/92,
93)が位置する。（４）浮動支持部材(b1〜b4,c,1,2,8,18,b5〜b8)は、ｘ
軸，ｙ軸上にあって該軸が延びる方向の撓み性が高いば
ね梁(1,2,8,18）を含む。（５）浮動支持部材(b1〜b4,c,1,2,8,18,b5〜b8)は、前
記軸が延びる方向の撓み性が高いばね梁(1,2,8,18）が
連続する枠体(c)、および、該枠体(c)に一端が連続し他
端が基板(100)に固定された、ｘ軸，ｙ軸方向の撓み性
が高いばね梁（b1〜b4)を含む。（６）ｘ，ｙ方向に撓み性が高い浮動支持部材(b1〜b4)
で基板に対して浮動支持された、中心Ｏに関して対称な
連結梁(c1,c2)；それぞれが前記連結梁(c1,c2)に、ｘ方
向に撓み性が高いばね梁(31〜34/35〜38)を介して支持
された、それぞれが中心Ｏを通るｘ軸に関して対称であ
って、互には中心Ｏを通るｙ軸に関して対称な、第１振
動体(7)および第２振動体(17)；第１駆動体(7)と第２振
動体(17)の少くとも一方をｘ方向に振動駆動する励振手
段(5a,6a/5b,6b)；第１振動体(7)のｙ振動を検出する第
１の変位検出手段(12,13)；および、第２振動体のｙ振
動を検出する第２の変位検出手段(22,23)；を備える角
速度センサ。

【００１４】本発明の好ましい実施例では、角速度セン
サエレントの配列を、中心Ｏに関してすべて点対称とし
た。これによれば、駆動枠および振動体が多点でアンカ
ーされているにもかかわらず、熱膨張，内部応力等の解
放によって中心Ｏに関する対称性がくずれることはな
く、角速度信号の信頼性（安定性）が高い。

【００１５】本発明の他の目的および特徴は、図面を参
照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

【００１６】

【実施例】−第１実施例− 図１に、本発明の第１実施例の機構要素を示す。絶縁層
を形成したシリコン基板１００には、導電性とするため
の不純物を含むポリシリコン（以下導電性ポリシリコ
ン）の、浮動体アンカーａ１〜ａ４，駆動電極５，６の
アンカー，駆動検出電極１５，１６のアンカー，角速度
検出電極１２，１３／２２，２３のアンカー，周波数調
整電極２５，２６のアンカー、および、駆動検出電極１
５，１６と対称な位置にあるダミ−電極６５，６６のア
ンカーが接合しており、これらの、６５，６６のアンカ
ーを除くアンカーは、シリコン基板１００上の絶縁層の
上に形成された配線により、図示しない接続電極に接続
されている。

【００１７】リソグラフによる半導体プロセスを用い
て、シリコン基板１００から浮きしかも浮動体アンカー
ａ１〜ａ４に連続した、導電性ポリシリコンの、ｘ軸に
対して４５度方向に向いた偏平リング状のばね梁ｂ１〜
ｂ４，ならびにこれらに連続した矩形ル−プ状の連結枠
ｃが形成されている。この連結枠ｃは、中心Ｏを通るｘ
軸およびｙ軸に関して対称であり、浮動体アンカーａ１
〜ａ４およびばね梁ｂ１〜ｂ４は、ｘ軸およびｙ軸に関
して対称に分布する。

【００１８】連結枠ｃのｘ平行２辺ｃ１，ｃ３の中点に
は偏平リング状のばね梁１，２が連続し、ばね梁１，２
に丸コ−ナの４辺形ル−プ３およびｙ振動枠４，２４が
連続している。４辺形ル−プ３の、ｘ軸との交点には、
ｘ振動枠１４，６４が連続し、しかも、第１駆動枠７，
第２駆動枠１７が連続している。第１，第２駆動枠７，
１７は矩形枠であり、もう１つの、ｘ軸との交点は、偏
平リング状のばね梁８，１８を介して、連結枠ｃのｙ平
行２辺ｃ４，ｃ２の中点に連続している。第１駆動枠７
および第２駆動枠１７の内側に、偏平リング状のばね梁
９，１０／１９，２０を介して、第１振動体１１および
第２振動体２１が連続している。これらの要素も、シリ
コン基板１００から浮いており、導電性ポリシリコンで
ある。

【００１９】第１，第２の駆動枠７と１７、第１，第２
の振動体１１と２１、はセンサ中心Ｏを通るｘ軸および
ｙ軸に関して対称な形状であって対称な位置にあり、ば
ね梁１，２，８，１８，９，１０，１９，２０も、ｘ軸
およびｙ軸に関して対称である。

【００２０】ｙ振動枠４，２４には、ｘ方向に等ピッチ
で分布しｙ方向に突出する櫛歯状の可動電極があり、駆
動電極アンカーに連続した、導電性ポリシリコンの駆動
電極５，６および周波数調整電極２５，２６にも、可動
電極のｘ方向分布の空間に突出する櫛歯状の固定電極が
ありｘ方向に分布している。

【００２１】駆動電極５，６に交互に、ｙ振動枠４の電
位（略機器ア−スレベル）より高い電圧を印加すること
により、ｙ振動枠４がｙ方向に振動する。このｙ振動に
より４辺形ル−プ３のｘ平行２辺がｙ振動して、周波数
調整電極２５，２６間のｙ振動枠２４がｙ振動し、この
ｙ振動とは１８０度の位相差で、駆動枠７，１７および
ｘ振動枠１４，６４がｘ方向に振動する。ｙ振動枠４，
２４のｙ振動は相対的に逆相である。また、ｘ振動枠１
４，６４のｘ振動も相対的に逆相であり、第１駆動枠７
と第２駆動枠１７が音叉振動をする。これら第１駆動枠
７と第２駆動枠１７で支持された第１振動体１１および
第２振動体２１も、同様に逆相でｘ振動する。すなわち
音叉振動をする。

【００２２】駆動枠７および振動体１１でなる第１振動
系と、駆動枠１７および振動体２１でなる第２振動系と
を、このように音叉振動させることにより、エネルギ消
費効率が高いｘ励振となる。

【００２３】駆動枠１７（７）と共にｘ振動枠１４（６
４）がｘ方向に振動することにより、駆動枠１７と駆動
検出電極１５，１６との間の静電容量が振動し、かつそ
の容量振動と逆位相で駆動枠６４と駆動検出電極６５，
６６との間の静電容量が振動する。

【００２４】振動体１１／２１も大略で枠形状である
が、ｘ方向に延びる複数の渡し梁がｙ方向に等ピッチで
存在し、ｙ方向で隣り合う渡し梁の間の空間に、各１対
の導電体ポリシリコンの固定検出電極１２，１３／２
２，２３があり、基板１００上の検出電極用の各アンカ
ーで支持されそれと電気的に連続である（電気接続関係
にある）。

【００２５】対の検出電極１２，１３（２２，２３）間
は絶縁されているが、振動体１１（２１）のｙ振動（ｙ
変位）を検出するための各対電極１２，１３（２２，２
３）の、各対間で対応位置にある検出電極は、電気リ−
ドに共通接続され、チャ−ジアンプ４６，４７（５６，
５７）に接続されている。

【００２６】振動体１１，２１がｘ方向に音叉振動して
いるとき、中心Ｏを通るｚ軸廻りの角速度が加わると、
振動体１１，２１が、ｙ成分も有する相対的に逆相の楕
円振動となり、これによって電極１２，１３／２２，２
３にｙ振動対応の静電容量振動を生ずる。電極１２，１
３の静電容量振動は相対的に逆相、同様に電極２２，２
３の静電容量振動も相対的に逆相である。そして、振動
体１１，２１のｙ振動が逆相であるので、電極１２，２
２の静電容量振動は相対的に逆相、同様に電極１３，２
３の静電容量振動は相対的に逆相である。

【００２７】ｙ振動枠２４の可動電極および周波数調整
電極２５，２６の固定電極は、４辺形ル−プ３のｘ平行
２辺のｙ振動（およびそれによって強制されるｙ平行２
辺のｘ振動：７，１７のｘ振動）の速度（ばね力）を調
整し、駆動枠７，１７の振動周波数を下げて、相対的
に、振動体１１，２１の共振周波数より数１００Ｈｚ程
度低くするものである。なお、駆動枠７，１７は、駆動
電圧の印加によって固有振動数相当の周波数でｘ励振す
る。角速度検出感度を高くするために、駆動枠７，１７
の共振周波数（固有振動数）より、振動体１１，２１の
共振周波数（固有振動数）を数１００Ｈｚ高く設計して
おり、上述の周波数調整電極２５，２６にｘ振動枠１４
の変位に比例した電圧（静止点を零とし、ｘ，−ｘ方
向）を印加してそのレベルを調整することにより、駆動
枠７，１７の共振周波数を設計値に近い値に微調整す
る。

【００２８】以上に説明した角速度センサには、図１に
示す角速度検出回路４１〜６０，ＴＳＧ，ＦＣＲが接続
される。タイミング信号発生器ＴＳＧが、駆動枠７，１
７をｘ方向に共振周波数で駆動する駆動信号Ａ，Ｂを発
生して、駆動回路４１ａ，４１ｂに与えると共に、同期
検波用の同期信号を同期検波回路４５，５０に与える。
図７に、駆動信号Ａ，Ｂと、駆動フィ−ドバック信号
および角速度信号、ならびにｘ振動およびｙ振動を示
す。駆動信号Ａ，Ｂに同期して駆動回路４１ａ，４１ｂ
が駆動電極５，６に駆動電圧（パルス）を印加する。こ
れにより、４辺形ル−プ３を介して、駆動枠７と共に振
動体１１ならびに駆動枠１７と共に振動体２１が、ｘ方
向に逆相で振動する。この振動によって、駆動検出電極
１５，１６の静電容量が逆相で振動する。この静電容量
の振動をチャ−ジアンプ４２，４３が電圧振動（静電容
量信号）に変換する。

【００２９】差動増幅器４４がアンプ４２，４３の静電
容量信号（逆相）を差動増幅し、１個のチャ−ジアンプ
が発生する静電容量信号の振幅を略２倍とし、ノイズを
相殺した差動信号を発生し、同期検波回路４５およびフ
ィ−ドバック処理回路ＦＣＲに与える。同期検波回路４
５は、駆動信号と同相の同期信号に同期して、差動増幅
器４４が与える差動信号すなわちｘ振動を表わすｘ振動
検出電圧を検波し、駆動パルス信号に対するｘ振動の位
相ずれを表わすフィ−ドバック信号を発生してフィ−ド
バック処理回路ＦＣＲに与える。

【００３０】フィ−ドバック処理回路ＦＣＲは、同期検
波回路４５が与える位相ずれ信号レベルを設定値に合わ
すための移相信号を、駆動回路４１ａ，４１ｂに与え、
それを受けた駆動回路４１ａ，４１ｂは、移相信号に対
応して、駆動信号に対する出力駆動電圧の位相をシフト
する。同期検波回路４５の位相ずれ信号レベルが実質上
設定値になった状態で、駆動枠７，１７のｘ振動は安定
したものとなる。周波数調整電極２５，２６には、駆動
枠７，１７の振動周波数を、振動体１１，２１の共振周
波数（設計値）より数１００Ｈｚ程度低い値に下げる直
流電圧を、周波数調整回路５９，６０が印加する。

【００３１】安定した共振音叉振動の間に、中心Ｏを通
るｚ軸廻りの角速度が加わると、コリオリ力が駆動枠
７，１７および振動体１１，２１に加わり、これらに、
ｘ振動に加えてｙ振動を含む楕円運動を起こさせる。し
かし駆動枠７，１７は、ｘ方向には撓み性が高いがｙ方
向には剛性が高いばね梁８，１８および４辺形ル−プ３
のｙ平行２辺で支持されているので、ｙ振動は小さい。
ところが振動体１１，２１は、ｙ方向に撓み性が高いば
ね梁９，１０，１９／２０で支持されているので、ｙ方
向に大きく振動する。振動体１１，２１のこのｙ振動は
相対的に逆相である。

【００３２】振動体１１のｙ振動を検出する対の検出電
極１２，１３の静電容量が逆相で振動し、これを表わす
静電容量信号をチャ−ジアンプ４６，４７が発生して差
動増幅器４８が、両信号の差動信号すなわち１個のチャ
−ジアンプが発生する静電容量信号の振幅を略２倍と
し、ノイズを相殺した差動信号、を発生し、差動増幅器
４９に与える。振動体２１のｙ振動を検出する対の検出
電極２２，２３の静電容量が逆相で振動し、これを表わ
す静電容量信号をチャ−ジアンプ５６，５７が発生して
差動増幅器５８が、両信号の差動信号すなわち１個のチ
ャ−ジアンプが発生する静電容量信号の振幅を略２倍と
し、ノイズを相殺した差動信号、を発生し、差動増幅器
４９に与える。差動増幅器４８と５８の差動増幅信号は
相対的に逆相である。したがって差動増幅器４９の差動
出力は、第１振動体１１と第２振動体２１の各信号処理
回路に同時に実質上同一レベルで作用するノイズを相殺
し、しかも、加，減速度，振動など、第１，第２振動体
１１，２１に同時に同方向に作用する外力による振動体
のｙ変位成分（これもノイズに該当する）も相殺した、
角速度起因のｙ振動を増幅した検出信号であり、角速度
検出感度が高く、Ｓ／Ｎが高い。

【００３３】この差動出力すなわち検出信号は、同期検
波回路５０に与えられ、同期検波回路５０は、駆動信号
と同相の同期信号に同期して、検出信号を検波し、角速
度を表わす信号を発生する。この角速度信号の極性
（±）は加わった角速度の方向を、信号レベルの絶対値
は角速度の大きさを表わす。

【００３４】第１実施例の角速度センサは、上述のよう
に振動型の双共振音叉構造をもち、温度特性の改善とＳ
／Ｎ向上を実現したことを特徴とする。温度特性の改善
には、保護枠でもある連結枠ｃを設けて、基板１００と
振動子（３，７，１７，１１，２１）の熱膨張差による
応力の増加を、連結枠ｃとばね梁ｂ１〜ｂ４で緩和して
いる。というのは基板１００と振動子（３，７，１７，
１１，２１，１４，６４）の熱膨張差を、ばね梁ｂ１〜
ｂ４のばね形状で吸収する。このばね形状は、ル−プ形
状をしているため、温度による膨張をばねの伸び縮みで
吸収する時、ヒステリシスを持たない。そのため、さら
に温度特性が改善する。

【００３５】保護枠である連結枠ｃの中にある２つの振
動子（７，１１／１７，２１）を接続するばね梁３は、
円環に近い形状をしており、線形性のある単振動の振動
が可能になっている。また、駆動枠７，振動体１１，振
動枠６４と、駆動枠１７，振動体２１，駆動枠１４のｘ
振動は、このばね梁３の特性により、逆相の駆動を実現
する。これらの振動子は保護枠との接続のために４つの
ばね梁１，２，８，１８により接続されており、応力を
緩和するようになっている。このため駆動振動ｘは線形
性のある単振動となる。

【００３６】駆動部の形状は、加振する部分（駆動枠１
４，ばね梁３）を振動子（７，１７，１１，２１，１
４，６４）と分離し、さらに２つの振動子（７，１１，
６４），（１７，２１，１４）から等距離になるように
配置している。駆動変位の検出部（６４〜６６，１４〜
１６）は、ばね３の、ｘ軸，ｙ軸との交点に接続されて
いる。これにより振動子の駆動変位をフィードバックす
るための駆動変位検出部（６４〜６６，１４〜１６）へ
の駆動信号の漏れが低減し、かつ、漏れ信号が同相成分
でもれるような形状を実現しているため、検出部のＳ／
Ｎを向上することができる。

【００３７】角速度を検出する部分９〜１３，１９〜２
３は、駆動枠７，１７の内部にル−プ状のばね梁９，１
０／１９，２０に接続された振動体１１，２１およびそ
れらのｙ変位を検出する固定電極１２，１３／２２，２
３により構成されている。この構成により、角速度対応
のｙ振動の振動モードでは、駆動枠７と１７が、また振
動体１１と２１が、逆相で働くため、釣り合いが取れる
構成になっている。そのため、角速度検出振動漏れがこ
の構成ではほとんど無視でき、Ｓ／Ｎが向上する。ま
た、角速度検出振動を同相で振動させてもよい。

【００３８】−第２実施例− 図２に第２実施例の機構要素を示す。この第２実施例で
は、第１，第２駆動枠７，１７のｙ振動をより抑制する
ために、偏平ル−プばね梁（８／１８）を各２つ８ａ，
８ｂ／１８ａ，１８ｂに分けてｘ軸に関して対称な位置
に配置し、かつ、第１，第２振動体１１，２２のｘ振動
をより抑制するために、偏平ル−プばね梁（９，１０／
１９，２０）を各２つ９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ／１
９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂに分けて、各振動体の、
ｙ軸に平行な中心線に関して対称な位置に配置したもの
である。これにより、駆動ｘ振動と角速度検知のための
検出ｙ振動の分離効果が高く、角速度信号のＳ／Ｎがよ
り高くなる。

【００３９】−第３実施例− 図３に、本発明の第３実施例を示す。この第３実施例で
は、角速度起因の振動（上述の第１，第２実施例ではｙ
振動）の、中心Ｏを中心とするバランスを整えるため
に、もう１対の駆動枠および振動体を付加したものであ
る。すなわち、第１駆動枠７，偏平ル−プばね梁９，１
０，第１振動体１１および振動検出電極１２，１３を、
時計廻りに９０度回転させたものと同一形状の第３駆動
枠７７，偏平ル−プばね梁７９，８０，第３振動体８１
および振動検出電極８２，８３と、時計廻りに２７０度
回転させたのと同一形状の第４駆動枠８７，偏平ル−プ
ばね梁８９，９０，第４振動体９１および振動検出電極
９２，９３が付加されており、すべての要素が、ｘ軸お
よびｙ軸に関して対称に分布している。

【００４０】駆動電極５，６に、駆動信号Ａ，Ｂに同期
した駆動電圧（パルス）を印加することにより、第１，
第２駆動枠７，１７がｘ方向に逆相で振動し、かつ、第
３，第４駆動枠がｙ方向に逆相で振動する。ｚ軸廻りの
角速度が加わると、第１，第２振動体１１，２１がｙ方
向に逆相で振動し、第３，第４振動体８１，９１がｘ方
向に逆相で振動する。

【００４１】図示は省略したが、第３組および第４組の
振動検出電極８２，８３および９２，９３にも、図１に
示す、第１組および第２組の振動検出電極１２，１３お
よび２２，２３に接続したアンプ４６，４７，５６，５
７，差動増幅器４８，５８，４９と同様なものを接続
し、第１組および第２組の振動検出電極系の最終段の差
動増幅器４９の出力と、第３組および第４組の振動検出
電極系の最終段の差動増幅器の出力を、追加の差動増幅
器に与えて差動増幅器に与えることにより、両系の検出
レベルを略２倍としノイズを相殺した角速度起因の振動
検出信号が得られる。これを同期検波回路５０（例えば
図１）に与えることにより、角速度信号が得られる。第
１，第２実施例では、角速度起因の振動検出をｙ軸対称
で行なうが、この第３実施例では、ｘ軸対称でも行なう
ので、角速度起因の振動のバランスが高く、よりＳ／Ｎ
が高い角速度信号を得ることができる。

【００４２】−第４実施例− 図４に本発明の第４実施例を示す。この第４実施例は、
更に駆動ばね梁３の不動点を、ル−プ状のばね梁ｂ５〜
ｂ８を介してアンカーａ５〜ａ８にて固定支持した。こ
の構成により駆動ばね梁３が検出回路のＧＮＤに接続さ
れるため、駆動信号の漏れが更に低減し、角速度信号の
Ｓ／Ｎが更に向上する。

【００４３】−第５実施例− 図５に本発明の第５実施例を示す。この第５実施例は、
第２実施例と同様に、第１，第２駆動枠７，１７のｙ振
動ならびに第３，第４駆動枠８１，９１をより抑制する
ために、各偏平ル−プばね梁を対のものとし、しかも第
４実施例と同様に駆動ばね梁３の不動点をル−プばね梁
を介してアンカーにて支持したものである。これによ
り、駆動ｘ，ｙ振動と角速度検知のための検出ｙ，ｘ振
動の分離効果が高く、角速度信号のＳ／Ｎがより高くな
る。

【００４４】−第６実施例− 図６に本発明の第６実施例を示す。この実施例において
は、絶縁層を形成したシリコン基板１００には、導電性
ポリシリコンの、浮動体アンカーａ１〜ａ４，駆動電極
５ａ，５ｂ／６ａ，６ｂのアンカー，駆動検出電極１５
ａ，１５ｂ／１６ａ，１６ｂのアンカーおよび角速度検
出電極１２，１３／２２，２３のアンカーが接合してお
り、これらのアンカーは、シリコン基板１００上の絶縁
層の上に形成された配線により、図示しない接続電極に
接続されている。

【００４５】リソグラフによる半導体プロセスを用い
て、シリコン基板１００から浮きしかも浮動体アンカー
ａ１〜ａ４に連続した、導電性ポリシリコンの、ｘ，ｙ
方向に撓み性が高いばね梁ｂ１〜ｂ４、ならびにこれら
に連続した帯板状状の連結梁ｃ１，ｃ２が形成されてい
る。これらの連結梁ｃ１，ｃ２は、中心Ｏを通るｘ軸お
よびｙ軸に関して対称であり、浮動体アンカーａ１〜ａ
４およびばね梁ｂ１〜ｂ４は、ｘ軸およびｙ軸に関して
対称に分布する。

【００４６】連結梁ｃ１，ｃ２には、それらに連続する
各４本のｘ方向に撓み性が高いばね梁３１〜３４／３５
〜３８で、それらに連続する第１駆動枠７，第２駆動枠
１７が支持されている。第１，第２駆動枠７，１７は矩
形枠であり、それらと一体にかつ内側に、第１振動体１
１および第２振動体２１が連続している。これらの要素
も、シリコン基板１００から浮いており、導電性ポリシ
リコンである。

【００４７】第１，第２の駆動枠７と１７、第１，第２
の振動体１１と２１、はセンサ中心Ｏを通るｘ軸および
ｙ軸に関して対称な形状であって対称な位置にあり、ば
ね梁３１〜３４／３５〜３８も、ｘ軸およびｙ軸に関し
て対称である。

【００４８】第１，第２の駆動枠７，１７それぞれのｙ
平行２辺には、ｙ方向に等ピッチで分布しｘ方向に突出
する櫛歯状の可動電極があり、駆動電極アンカーに連続
した、導電性ポリシリコンの駆動電極５ａ，５ｂ／６
ａ，６ｂおよび駆動検出電極アンカーに連続した、導電
性ポリシリコンの駆動検出電極１５ａ，１５ｂ／１６
ａ，１６ｂに、可動電極のｙ方向分布の空間に突出する
櫛歯状の固定電極がありｙ方向に分布している。

【００４９】駆動電極５ａと５ｂに、また６ａと６ｂに
交互に、駆動枠７，１７の電位（略機器ア−スレベル）
より高い電圧を印加することにより、駆動枠７，１７が
ｘ方向に振動する。駆動枠７，１７を共振音叉振動とす
るために、駆動枠７，１７のｘ振動は相対的に逆相にす
る。

【００５０】駆動枠７および振動体１１でなる第１振動
系と、駆動枠１７および振動体２１でなる第２振動系と
を、共振音叉振動させることにより、エネルギ消費効率
が高いｘ励振となる。なお、第１および第２駆動枠７，
１７のｘ振動の共振周波数は同一に設計され、角速度検
出感度を高くするために、それらのｙ振動の共振周波数
はｘ振動の共振周波数より数１００Ｈｚ程度高い値に設
計されている。

【００５１】駆動枠７，１７がｘ方向に共振音叉振動す
ることにより、駆動枠７と駆動検出電極１５ａ，１６ｂ
との間の静電容量が逆相で振動し、かつその容量振動と
逆相で、駆動枠１７と駆動検出電極１５ｂ，１６ｂとの
間の静電容量が振動する。

【００５２】駆動枠７，１７と一体の振動体１１，２１
も大略で枠形状であるが、ｘ方向に延びる複数の渡し梁
がｙ方向に等ピッチで存在し、ｙ方向で隣り合う渡し梁
の間の空間に、各１対の導電体ポリシリコンの固定検出
電極１２，１３／２２，２３があり、基板１００上の検
出電極用の各アンカーで支持されそれと電気的に連続で
ある。

【００５３】対の検出電極１２，１３（２２，２３）間
は絶縁されているが、振動体１１（２１）のｙ振動（ｙ
変位）を検出するための各対電極１２，１３（２２，２
３）の、各対間で対応位置にある検出電極は、電気リ−
ドに共通接続され、チャ−ジアンプ４６，４７（５６，
５７）に接続されている。

【００５４】振動体１１，２１がｘ方向に音叉振動して
いるとき、中心Ｏを通るｚ軸廻りの角速度が加わると、
振動体１１，２１が、ｙ成分も有する相対的に逆相の楕
円振動となり、これによって電極１２，１３／２２，２
３にｙ振動対応の静電容量振動を生ずる。電極１２，１
３の静電容量振動は相対的に逆相、同様に電極２２，２
３の静電容量振動も相対的に逆相である。そして、振動
体１１，２１のｙ振動が逆相であるので、電極１２，２
２の静電容量振動は相対的に逆相、同様に電極１３，２
３の静電容量振動は相対的に逆相である。

【００５５】計測コントロ−ラＴＣＲが、駆動枠７，１
７をｘ方向に共振周波数で駆動する駆動信号Ａ，Ｂを発
生して、それらを駆動回路４１および５１に与えると共
に、同期検波用の同期信号を同期検波回路４５ａ，４５
ｂ，５０ａ，５０ｂに与える。駆動信号Ａ，Ｂに同期
して、駆動回路４１／５１が駆動電極５ａ，６ａ／５
ｂ，６ｂに駆動電圧（パルス）を印加する。これによ
り、第１／第２駆動枠７／１７４辺形ル−プ３を介し
て、駆動枠７と共に振動体１１ならびに駆動枠１７と共
にが、ｘ方向に逆相で振動する。この振動によって、駆
動検出電極１５ａ，１６ａ／１５ｂ，１６ｂの静電容量
が逆相で振動する。この静電容量の振動をチャ−ジアン
プ４２ａ，４３ａ／４２ｂ，４３ｂが電圧振動（静電容
量信号）に変換し、出力調整（可調整ゲインアンプ）が
電圧振動のピ−クレベルを実質上同一に調整して、差動
増幅器４４ａ／４４ｂに与える。

【００５６】差動増幅器４４ａ／４４ｂは、与えられた
静電容量信号（逆相）を差動増幅し、一方の静電容量信
号の振幅を略２倍とし、ノイズを相殺した差動信号を発
生し、出力調整（可調整ゲインアンプによる増幅）をし
た後、計測コントロ−ラＴＣＲおよび差動増幅器６１に
与える。差動増幅器６１は、差動増幅して同期検波回路
４５ａ，４５ｂに与える。同期検波回路４５ａは、駆動
信号と同相の同期信号に同期して、差動増幅器６１が与
える差動信号すなわちｘ振動を表わすｘ振動検出電圧を
検波し、駆動パルス信号に対するｘ振動の位相ずれを表
わす位相信号を発生して計測コントロ−ラＴＣＲに与え
る。同期検波回路４５ｂは、駆動信号と同相の同期信号
に同期して、差動増幅器６１が与える差動信号すなわち
ｘ振動を表わすｘ振動検出電圧を検波し、ｘ振動の振幅
を表わす振幅信号を発生して計測コントロ−ラＴＣＲに
与える。

【００５７】計測コントロ−ラＴＣＲは、位相信号が表
わす位相を設定値に合わすための移相信号ならびに振幅
信号が表わすｘ振動の振幅を設定値に合わすための電圧
指示信号を、駆動回路４１，５１に与え、それを受けた
駆動回路４１，５１は、移相信号に対応して、駆動信号
に対する出力駆動電圧の位相をシフトし、電圧指示信号
に対応して出力電圧レベルをシフトする。同期検波回路
４５ａ，４５ｂの位相信号，振幅信号が実質上設定値に
なった状態で、駆動枠７，１７のｘ振動すなわち共振音
叉振動は安定したものとなる。

【００５８】安定した共振音叉振動の間に、中心Ｏを通
るｚ軸廻りの角速度が加わると、コリオリ力が駆動枠
７，１７に加わり、これらに、ｘ振動に加えてｙ振動を
含む楕円運動を起こさせる。ところで駆動枠７，１７
は、ｘ方向には撓み性が高いがｙ方向には剛性が高いば
ね梁３１〜３４，３５〜３８で支持されているので、連
結梁ｃ１，ｃ２が駆動枠７，１７と共にｙ方向に振動す
る。駆動枠７，１７のｙ振動は相対的に逆相であるの
で、連結梁ｃ１，ｃ２は、中心Ｏを通るｚ軸を中心にね
じり（旋回）振動する。

【００５９】駆動枠７と一体の振動体１１のｙ振動を検
出する対の検出電極１２，１３の静電容量が逆相で振動
し、これを表わす静電容量信号をチャ−ジアンプ４６，
４７が発生し、出力調整（可調整ゲインアンプ）が電圧
振動のピ−クレベルを実質上同一に調整して、差動増幅
器４８に与える。差動増幅器４８が、両信号の差動信号
すなわち一方の静電容量信号の振幅を略２倍とし、ノイ
ズを相殺した差動信号、を発生し出力調整（可調整ゲイ
ンアンプ）でレベルを調整した後、差動増幅器４９に与
える。同様な、駆動枠１７と一体の振動体２１のｙ振動
を検出する対の検出電極２２，２３の静電容量が、差動
増幅器４９に与えられる。したがって差動増間器４９の
差動出力は、第１振動体１１と第２振動体２１の各信号
処理回路に同時に実質上同一レベルで作用するノイズを
相殺し、しかも、加，減速度，振動など、第１，第２振
動体１１，２１に同時に同方向に作用する外力による振
動体のｙ変位成分（これもノイズに該当する）も相殺し
た、角速度起因のｙ振動を増幅した検出信号であり、角
速度検出感度が高く、Ｓ／Ｎが高い。

【００６０】この差動出力すなわち検出信号は、同期検
波回路５０ａ，５０ｂに与えられ、同期検波回路５０ａ
は、駆動信号と同相の同期信号に同期して、検出信号を
検波し、角速度の方向を表わす位相信号を発生する。同
期検波回路５０ｂは、角速度の絶対値を表わす振幅信号
を発生する。

【００６１】この第６実施例では、出力調整（ゲイン可
調整の増幅器）を備えているので、さまざまな理由で差
動構成の信号のアンバランスが発生しても駆動信号とチ
ャ−ジアンプの出力段、ならびに必要に応じて差動増幅
器の入力段で調整し、駆動検出，角速度検出の信号のノ
イズを低減しかつ検出信号間のアンバランスを調整する
ことができるため、角速度検出のＳ／Ｎを高くすること
ができるのは勿論、センサの歩留りを高くし、低コスト
化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の平面図である。

【図２】本発明の第２実施例の平面図である。

【図３】本発明の第３実施例の平面図である。

【図４】本発明の第４実施例の平面図である。

【図５】本発明の第５実施例の平面図である。

【図６】本発明の第６実施例の平面図である。

【図７】第１〜６実施例の駆動回路４１，４２が、駆
動電極に印加する電圧等を示すタイムチャ−トであり、
（ａ）および（ｂ）は駆動電極に印加される駆動電圧
を、（ｃ）は同期検波回路４５の出力信号を、（ｄ）は
同期検波回路５０の出力信号を、（ｅ）は差動増幅器４
４の出力信号を、（ｆ）は差動増幅器４９の出力信号
を、それぞれ示す。

【符号の説明】

ａ１〜ａ８：アンカーｂ１〜ｂ８，１〜３，８〜１０，１９，２０：ばね梁ｃ：連結枠４：駆動枠５，６：駆動電極７：第１駆動枠１１：第１振動体１２，１３，２２，２
３：ｙ変位検出電極１４，２４，６４：振動枠１５，１６，６５，６
６：駆動変位検出電極２５，２６：周波数調整用電極３１〜３８：ばね梁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者原田伸一愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内Ｆターム(参考） 2F105 BB03 BB04 BB20 CC04 CD03 CD05 CD11 CD13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心Ｏを通るｘ軸およびｙ軸の方向に撓み
性が高く、浮動支持部材にて基板に対してｘ，ｙ平面に
沿う方向に振動可に支持された、ル−プばね梁；該ル−
プばね梁の、ｘ軸，ｙ軸との交点の少くとも一点を該軸
が延びる方向に振動駆動する励振手段；該ル−プばね梁
のｘ軸との交点に連続し、ｙ軸に関して対称に位置し、
ｘ軸の延びる方向に撓み性が高い支持部材にて基板に対
して浮動支持された第１駆動枠および第２駆動枠；第１
駆動枠にあって、それに連続するｙ方向に撓み性が高い
ばね梁に連続する第１振動体；第２駆動枠にあって、そ
れに連続するｙ方向に撓み性が高いばね梁に連続する第
２振動体；第１振動体のｙ振動を検出する第１の変位検
出手段；および、第２振動体のｙ振動を検出する第２の
変位検出手段；を備える角速度センサ。
【請求項２】前記ル−プばね梁のｙ軸との交点に連続
し、ｙ軸の延びる方向に撓み性が高い支持部材にて基板
に対して浮動支持され、ｘ軸に関して対称に位置する第
３駆動枠および第４駆動枠；第３駆動枠にあって、それ
に連続するｙ方向に撓み性が高いばね梁に連続する第３
振動体；第４駆動枠にあって、それに連続するｙ方向に
撓み性が高いばね梁に連続する第４振動体；第３振動体
のｘ振動を検出する第３の変位検出手段；および、第４
振動体のｘ振動を検出する第４の変位検出手段；を更に
備える角速度センサ。
【請求項３】各振動体は、枠形状体であり、それぞれの
内側に各変位検出手段が位置する、請求項１又は請求項
２記載の角速度センサ。
【請求項４】浮動支持部材は、ｘ軸，ｙ軸上にあって該
軸が延びる方向の撓み性が高いばね梁を含む、請求項１
又は請求項２記載の角速度センサ。
【請求項５】浮動支持部材は、前記軸が延びる方向の撓
み性が高いばね梁が連続する枠体、および、該枠体に一
端が連続し他端が基板に固定された、ｘ軸，ｙ軸方向の
撓み性が高いばね梁を含む、請求項４記載の角速度セン
サ。
【請求項６】ｘ，ｙ方向に撓み性が高い浮動支持部材で
基板に対して浮動支持された、中心Ｏに関して対称な連
結梁；それぞれが前記連結梁に、ｘ方向に撓み性が高い
ばね梁を介して支持された、それぞれが中心Ｏを通るｘ
軸に関して対称であって、互には中心Ｏを通るｙ軸に関
して対称な、第１振動体および第２振動体；第１駆動体
と第２振動体の少くとも一方をｘ方向に振動駆動する励
振手段；第１振動体のｙ振動を検出する第１の変位検出
手段；および、第２振動体のｙ振動を検出する第２の変
位検出手段；を備える角速度センサ。