JP2000337884A

JP2000337884A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2000337884A
Application number: JP11186529A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Mochida; 洋一持田; Kazufumi Moriya; 和文森屋
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2000-12-08
Also published as: EP1039264A2; EP1039264A3; US6415663B1

Abstract

(57)【要約】【課題】支持基板と素子基板との異なる熱膨張係数の
作用による駆動と検出の共振周波数の差を縮小して検出
感度を向上させる。【解決手段】支持基板１上には、支持基板１と熱膨張
係数を異なる材料からなる支持固定部２ａ，２ｂを形成
する。そして、支持固定部２ａ，２ｂには、第１支持梁
４，５を介してＸ軸方向に振動可能に支持される第１振
動体３と、この第１振動体３に第２支持梁７，８を介し
てＹ軸方向に振動可能に支持される第２振動体６を設け
る。また、第１支持梁４，５は、第１振動体３の振動方
向に対して直交方向に伸長して設け、それらの両端は第
１振動体３の端部に結合すると共にそれらの中間部は支
持固定部２ａ，２ｂにそれぞれ結合させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のナビゲー
ションシステム、カメラの手振れ防止装置、ロボットの
姿勢制御装置などに使用される角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、角速度センサとして、支持基板
と、この支持基板に配置された一対の支持固定部と、こ
の支持固定部に結合している第１支持梁と、この第１支
持梁により支持されている第１振動体と、この第１振動
体に結合している第２支持梁と、この第２支持梁により
支持されてコリオリ力発生方向に振動する第２振動体
と、これらの振動体を一定の方向に振動させる駆動手段
と、第２振動体に加わるコリオリ力に基づく第２振動体
の変位を検出する検出手段とによって構成されたものが
知られている。

【０００３】そこで、以下に、図９および図１０を参照
して、従来の角速度センサ４０について説明する。

【０００４】３１はパイレックスガラスよりなる支持基
板で、その中央部には凹部３１ａが設けられている。

【０００５】３２は支持基板３１の周辺凸部に陽極接合
によって接合された枠形支持体で、、該枠形支持体３１
は、シリコンによって矩形状に形成されている。また、
枠形支持体３２は、Ｙ軸方向に離間して設けられた枠桟
の内側面の４箇所からそれぞれ第１支持梁３３ａ，３３
ｂ，３３ｃ，３３ｄ（以下、これらを総称して第１支持
梁３３という）が伸長している。このため、枠形支持体
３２のうち第１支持梁３３が結合している４箇所が支持
固定部３２ａとなっている。また、第１支持梁３３の先
端側は、後述する振動体３４の枠桟の外側面に結合して
いる。

【０００６】３４は枠形支持体３２の内周側に位置して
第１支持梁３３によってＸ軸方向に振動可能に支持され
た第１振動体としての振動体で、該振動体３４は略矩形
の枠状に形成され、Ｙ軸方向に離間して設けられた枠桟
の外側面には４本の第１支持梁３３が結合されている。
また、振動体３４には、Ｘ軸方向に離間して設けられた
枠桟の内側面から第２支持梁３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，
３５ｄ（以下、これらを総称して第２支持梁３５とい
う）とがそれぞれ伸長し、これらの先端は後述する負荷
振動体３６の外側面にそれぞれ結合している。なお、第
１支持梁３３と第２支持梁３５とは直交関係にあり、第
１支持梁３３はＹ軸方向に伸長し、第２支持梁３５はＸ
軸方向に伸長している。

【０００７】３６は振動体３４の内周側に位置して第２
支持梁３５によってＹ軸方向に振動可能に支持された第
２振動体としての負荷振動体で、該負荷振動体３６は、
略矩形の平面状に形成され、Ｘ軸方向両端に位置する外
側面には第２支持梁３５が結合されている。

【０００８】３７，３７はＸ軸方向に離間して振動体３
４と枠形支持体３２とに設けられた駆動手段としての駆
動部で、該駆動部３７は、振動体３４のＸ軸方向の枠桟
の外側面にそれぞれ設けられた駆動電極３７ａ，３７ｂ
と、これらの駆動電極３７ａ，３７ｂと対向している枠
形支持体３２の内側面にそれぞれ設けられた駆動電極３
７ｃ，３７ｄとによって構成されている。

【０００９】３８，３８はＹ軸方向に離間して振動体３
４と負荷振動体３６とに設けられた検出手段としての検
出部で、該検出部３８は、振動体３４のＹ軸方向の枠桟
の内側面にそれぞれ設けられた検出電極３８ａ，３８ｂ
と、これらの検出電極３８ａ，３８ｂと対向している負
荷振動体３６の外側面にそれぞれ設けられた検出電極３
８ｃ，３８ｄによって構成されている。

【００１０】なお、振動体３４、負荷振動体３６、第１
支持梁３３、第２支持梁３５は、枠形支持体３２と同一
のシリコン基板を加工して一体構造に形成されている。

【００１１】従来の角速度センサ４０は上述の如き構成
を有するもので、次にその動作について説明する。

【００１２】まず、駆動電極３７ａ，３７ｃに、駆動電
極３７ｂ，３７ｄに、それぞれ直流電圧を重畳した１８
０゜位相の異なる交流電圧を印加して静電力により、負
荷振動体３６および振動体３４をＸ軸方向に振動させ
る。このとき、この負荷振動体３６のＸ軸方向への振動
は、第１支持梁３３の撓みにより可能となっている。

【００１３】そして、負荷振動体３６がこのように振動
しているときに、角速度センサ４０が負荷振動体３６の
中心を通るＺ軸回りに角速度Ωが作用して負荷振動体３
６が回転すると、Ｙ軸方向にコリオリ力が発生する。こ
のため、負荷振動体３６は、このコリオリ力によってＹ
軸方向にも振動するようになる。このとき、この負荷振
動体３６のＹ軸方向への振動は、第２支持梁３５の撓み
により可能となっている。

【００１４】このように負荷振動体３６がＹ軸方向に振
動したときには、検出電極３８ａ，３８ｃ間に形成され
る静電容量と、検出電極３８ｂ，３８ｄ間に形成される
静電容量とが増減する。このため、これらの増減する静
電容量を、電圧変換して差動増幅することにより回転角
速度Ωを求めることができる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
角速度センサ４０においては、パイレックスガラスより
なる支持基板３１とシリコンよりなる枠形支持体３２と
は、陽極接合されて一体構造になっているので、それら
の熱膨張係数の相違により、周囲の温度が変化した場合
に、接合部に引張り応力または圧縮応力が発生する。

【００１６】例えば、支持基板３１の熱膨張係数が枠形
支持体３２の熱膨張係数より大きい場合には、矢印ｃで
示すように、駆動用の第１支持梁３３の接合している枠
形支持体３２の接合部分が外側に広がるような歪みを発
生させる。この歪みは第１支持梁３３に外向きの張力を
生じさせて駆動の共振周波数を上昇させる。この場合、
検出の共振周波数は変化しないため、駆動と検出の共振
周波数の差が大きくなり、検出感度を低下させていた。

【００１７】このことは、駆動と検出の共振周波数差を
小さく高感度に設計した角速度センサの場合に、特に影
響が大きい。従って、従来の角速度センサ４０は、駆動
と検出の共振周波数の差が拡大することによる検出感度
の低下を小さくするために、駆動と検出の共振周波数の
差を当初から大きくした設計にしなければならなかっ
た。その結果、高感度な角速度センサを製作できないと
いう問題があった。

【００１８】そこで、本発明は、支持基板とセンサ素子
基板との異なる熱膨張係数の作用による駆動と検出の共
振周波数の差を縮小して検出感度を向上させた角速度セ
ンサを提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、支持基板と、この支持基板に設けられた支持固定部
と、該支持固定部に結合された第１支持梁と、該第１支
持梁により支持された第１振動体と、該第１振動体に結
合された第２支持梁と、該第２支持梁により支持されて
コリオリ力発生方向に振動する第２振動体と、これら第
１，第２振動体を一定の方向に振動させる駆動手段と、
前記第２振動体に加わるコリオリ力に基づく前記第２振
動体の変位を検出する検出手段とからなる角速度センサ
において、前記第１支持梁は、少なくとも前記第１振動
体の振動方向と直交する方向に伸長し、その両端が前記
第１振動体に結合され、長さ方向の中間部が前記支持固
定部に結合したことを特徴とするものである。

【００２０】この発明において、支持固定部と第１振動
体などの可動部とからなるセンサ素子は、支持基板と異
なる材料で製作される。例えば、支持基板がパイレック
スガラス基板で、センサ素子がシリコン基板よりなる。
可動部は例えば互いに離間した一対の支持固定部により
第１支持梁を介して宙吊りに支持される。一対の支持固
定部は、ある間隔をおいて支持基板に陽極接合などによ
り固定されているので、温度が変化した場合、支持基板
はその材料の熱膨張により伸縮するが、センサ素子も同
様に伸縮する。しかし、支持基板とセンサ素子が熱膨張
係数を異ならせている場合には、センサ素子はそれらの
熱膨張係数の差だけ歪みを受けることになる。ここに、
センサ素子は、その一対の支持固定部を介して支持基板
に固定されているので、一対の支持固定部が直接に前記
熱膨張の差による伸縮の歪み（変位）を受ける。

【００２１】この歪みは、その中心がセンサ素子（支持
基板）の中心にあるとすると、その中心から放射状かつ
同心円状に拡大ないし縮小する。従って、この拡大また
は縮小する歪みは、一対の支持固定部間の間隔に比例し
て大きくなる。

【００２２】また、この歪みの作用方向は、一対の支持
固定部の第１支持梁との結合部の幅の範囲にある。この
一対の支持固定部の結合部の幅が広いと、第１支持梁の
長さ方向（伸長方向）にも歪みの成分が生じるが、この
結合部を細い形状に加工して歪みの作用範囲を狭くし、
即ち、この歪みの作用線を一対の支持固定部の中心を結
ぶ直線上に近づけることにより、第１支持梁の伸長方向
に加わる歪の成分を軽減することができる。

【００２３】このような歪みの作用方向が、一対の支持
固定部の中心を結ぶ直線上、即ち駆動方向と同一方向に
あるとすると、第１支持梁の支持固定部の両側部分は対
称構造をしているので、前記歪みにより、第１支持梁の
長さ方向中間部の両側部分が均等に撓み、一対の第１支
持梁はくの字形または逆くの字形に変形ないし撓んで、
この変形ないし撓みにより前記歪みは、吸収されて第１
振動体などの可動部には及ばない。従って、この歪みに
より第１支持梁の伸長方向に応力がほとんど発生しな
い。

【００２４】第１支持梁の伸長方向に作用する応力は、
駆動方向の共振周波数に変化をきたす主な原因であるた
め、本構造では駆動周波数が熱歪みにより影響を受けな
い。また、第２支持梁による検出方向の共振周波数は、
第２支持梁が基板と直接結合しないため、同様に熱歪み
による周波数変化が起こらない。その結果、駆動、検出
方向の共振周波数の差が温度変化により変動せず、検出
感度の変動を防止することができる。

【００２５】また、本発明は、一対の支持固定部と第１
支持梁の形状を、上記のように構成することにより、温
度変化による歪み以外に、製造時のばらつきによる歪み
に対しても第１支持梁が変形ないし撓んで該歪みを吸収
して、駆動と検出の機械共振周波数の差を一定に保持し
て、感度の変動を防止することができる。

【００２６】請求項２に記載の発明は、支持固定部を第
１振動体の振動方向に離間して前記第１振動体の外側の
２箇所に配置され、該各支持固定部は第１支持梁との結
合部分の幅を根本部分の幅より狭く形成したものであ
る。

【００２７】この発明は、第１支持梁の長さ方向中間部
を支持する２箇所の支持固定部の結合部分の幅を狭くす
る、即ち、支持固定部の根本部分から延びる結合部分を
先細の形状にしたり、また、結合部分を短い梁の形状に
することにより、一対の支持固定部から第１支持梁に加
わる熱応力の向きが第１支持梁の長さ方向に対し直交す
る直線方向となり、一対の支持固定部からの熱応力によ
る影響を一直線上に集中させて一層軽減することができ
る。

【００２８】例えば、第１支持梁と結合する支持固定部
の先端部の幅が広いと、応力に基づく歪みは支持固定部
の全面に及ぶ関係上、この支持固定部と第１支持梁との
２つの結合点で、第１支持梁に外側または内側に向かう
引張り応力または圧縮応力による歪みが発生する。しか
し、支持固定部の先端部の幅が狭いと、応力による歪み
は、対向する一対の支持固定部の先端部を結ぶ直線上に
集中し、一対の第１支持梁の均等な撓みにより吸収され
る。

【００２９】請求項３に記載の発明は、前記第１振動体
が矩形状の枠体よりなり、前記第２振動体が矩形状をな
して前記第１振動体の内側で振動し、前記第２支持梁に
おいては、前記第１振動体の振動方向と同方向に伸長
し、その両端が前記第２振動体に結合され、長さ方向の
中間部が前記第１振動体に結合しているものである。

【００３０】この発明においては、第１支持梁の両端
は、枠体の形状に形成された第１振動体に結合してい
る。一対の支持固定部に発生した歪みは第１支持梁で吸
収されて第２振動体の振動にはその影響を及ぼさない。
このため、第２振動体は、前記歪みの影響を受けること
なく効率よく、第１振動体と同じ方向に駆動振動すると
共にコリオリ力の発生方向にも振動する。

【００３１】請求項４に記載の発明は、第１支持梁を第
１振動体の振動方向と直交する方向に伸長する複数の腕
部と、前記第１振動体の振動方向と同方向に延び該各腕
部間を折返し状態に接続する折返し部とによって構成し
たことにある。

【００３２】このように構成することにより、駆動手段
によって第１振動体が振動するときには、折返し状態に
接続された複数の腕部が拡縮する。このため、第１振動
体は振動方向に振動し易くなるから、その振幅を大きく
することができる。

【００３３】請求項５に記載の発明は、折返し部を腕部
よりも短い長さ寸法に形成したことにある。

【００３４】これにより、第１の振動体は振動方向への
変位が容易になる一方、振動方向と直交する方向には変
位しにくい構成にすることができる。この結果、振動方
向と直交する方向への振動を規制しつつ、第１振動体を
振動方向にのみ振動させることができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態による
角速度センサを図１ないし図８を参照しつつ詳細に説明
する。

【００３６】図１および図２は本発明の第１の実施の形
態による角速度センサ１０を示し、１はパイレックスガ
ラス基板を加工して形成した矩形状の支持基板で、この
支持基板１の上面部には、面内に設けた例えば２個の凸
部１ａ，１ａと周辺部を取り囲んで突出した枠部１ｂと
を除いて、後述の第１振動体（外側振動体）、第２振動
体（内側振動体）などの可動部分の自由振動空間を与え
る凹部１ｃが設けられる。

【００３７】ここで、凸部１ａは、枠部１ｂ内に位置し
てＹ軸方向に離間して配設され、その上部には後述の固
定検出電極１１，１２が形成されている。また、枠部１
ｂの上部には、後述する支持枠体２が形成されている。

【００３８】２はシリコン基板を加工して形成した矩形
状の支持枠体で、該支持枠体２には、Ｘ軸方向に離間し
た枠桟の内側面にそれぞれ凸形状の支持固定部２ａ，２
ｂが形成されている。また、支持固定部２ａ，２ｂは、
支持枠体２のうちＹ軸方向に延びる枠桟の長さ方向中間
部に配設されている。

【００３９】３は矩形枠状の第１振動体で、該第１振動
体には、Ｘ軸方向に離間した枠桟３ａ，３ｂの外側に第
１支持梁４，５がそれぞれ設けられている。また、第１
支持梁４，５は、枠桟３ａ，３ｂに対しそれぞれ平行と
なってＹ軸方向に延びている。そして、第１支持梁４，
５の長さ方向（Ｙ軸方向）中間部は、支持固定部２ａ，
２ｂの先端部にそれぞれ結合している。また、第１支持
梁４，５の両端は、枠桟３ａ，３ｂの端部にそれぞれ結
合している。

【００４０】第１振動体３のＹ軸方向の枠桟３ｃ，３ｄ
の外側面には、Ｆ字形のそれぞれ対をなす櫛歯電極３
ｅ，３ｈが形成されている。これらの櫛歯電極３ｅ，３
ｈは、それらの櫛歯側を互いに対向させている。これら
の櫛歯電極３ｅ，３ｈとそれぞれ間隙を介して噛み合う
櫛歯状の電極３ｆ，３ｉを有する固定駆動電極３ｇ，３
ｊが凹部１ｃ内にそれぞれ形成されている。そして、電
極３ｅ，３ｆ、電極３ｈ，３ｉが、それぞれ一対となっ
て静電駆動電極を形成する。これらの電極３ｅ〜３ｇ、
３ｈ〜３ｊは、駆動手段を構成している。また、第１振
動体３を駆動させる場合には、固定駆動電極３ｇと３ｊ
には、逆位相の電圧が印加される。

【００４１】６は矩形枠状の第２振動体で、該第２振動
体６は、第１振動体３の内側にＹ軸方向に変位可能に支
持されている。そして、第２振動体６には、Ｙ軸方向に
離間した枠桟６ａ，６ｂの外側に第２支持梁７，８が設
けられている。また、第２支持梁７，８は、枠桟６ａ，
６ｂと平行となってＸ軸方向の延びている。さらに、第
１振動体３には、Ｙ軸方向に離間した枠桟３ｃ，３ｄの
長さ方向（Ｘ軸方向）中間部の内側面に支持部３ｋ，３
ｍが設けられている。

【００４２】そして、第２支持梁７，８の長さ方向（Ｘ
軸方向）中間部は、枠桟３ｃ，３ｄの支持部３ｋ，３ｍ
にそれぞれに結合している。また、第２支持梁７，８の
両端は、枠桟６ａ，６ｂの端部にそれぞれ結合してい
る。

【００４３】また、第２振動体６には、Ｘ軸方向に離間
した枠桟６ｃ，６ｄの長さ方向（Ｙ軸方向）中間部の内
側面に、第２振動体６に質量を付加する矩形状の負荷振
動体９の両端部がそれぞれ結合されている。そして、こ
の負荷振動体９の一方の側面側には、「干」字形状の２
個の櫛歯電極９ａが形成され、また他方の側面側には、
「干」字形状の２個の櫛歯電極９ｂが形成されている。

【００４４】１１，１２は固定検出電極で、負荷振動体
９の両側にそれぞれ配置され、凹部１ｃ内の各凸部１ａ
上にそれぞれ形成されている。そして、固定検出電極１
１，１２は、櫛歯電極９ａ，９ｂとそれぞれ間隙を介し
て噛み合う櫛歯電極１１ａ，１２ａを有している。

【００４５】なお、第１振動体３、第２振動体６などの
可動部分（点集合塗り潰し部分）と、支持枠体２などの
固定部分（斜線塗り潰し部分）とは、センサ素子を形成
し、同一のシリコン基板を加工して一体に形成される。
そして、前記可動部分は一対の第１支持梁４，５を介し
て一対の支持固定部２ａ，２ｂに振動可能に支持され
る。

【００４６】前述のように、シリコン基板を加工して形
成した一対の支持固定部２ａ，２ｂは、パイレックスガ
ラス基板よりなる支持基板１に一定の間隔をおいて対向
して接合されている。そして、熱膨張係数がシリコン基
板よりパイレックスガラス基板の方が大きい場合には、
一対の支持固定部２ａ，２ｂは、矢印ａ方向に引張り応
力を受ける。この引張り応力のために、第１支持梁４，
５の長さ方向中間の結合部も同方向に引張り応力を受け
ることになる。しかしながら、この引張り応力は、第１
支持梁４，５の変形ないし撓みにより吸収されて、第１
支持梁に引張り応力を生じさせない。このため、第１支
持梁４，５および第２支持梁７，８の張力が変化しない
ので、第１支持梁４，５および第２支持梁７，８の引張
り応力による機械的な共振周波数変化を生じず、それら
の周波数の差も変化しない。従って、駆動と検出の共振
周波数の差が最適の値になるように設計することがで
き、検出感度を向上させることができる。

【００４７】本実施の形態による角速度センサ１０は上
述の如き構成を有するもので、次にその動作について説
明する。

【００４８】まず、電極３ｅ，３ｆ間と、電極３ｈ，３
ｉ間に、直流電圧を重畳した１８０°位相の異なる交流
電圧をそれぞれ印加する。すると、負荷振動体９（第１
振動体３、第２振動体６なども含む）は、一対の第１支
持梁４，５の撓みにより、Ｘ軸方向に振動するようにな
る。このように、負荷振動体９が振動して慣性状態にあ
るときに、負荷振動体９の中心を通るＺ軸回りに角速度
Ωが作用して、該負荷振動体９が回転すると、負荷振動
体９（第２振動体６を含む）はコリオリ力によりＹ軸方
向にも振動するようになる。このＹ軸方向への振動は、
一対の第２支持梁７，８の撓みにより可能となる。

【００４９】そして、櫛歯電極９ａと櫛歯電極１１ａと
の間に形成される静電容量と、櫛歯電極９ｂと櫛歯電極
１２ａとの間に形成される静電容量とが、一方は増加
し、他方は減少するように変化する。このため、これら
の変化する静電容量を電圧変換して差動増幅することに
より回転角速度を求めることができる。

【００５０】次に、図３を参照して第２の実施の形態に
よる角速度センサ２０について説明する。本実施の形態
は、図１に示す角速度センサ１０の一対の支持固定部２
ａ，２ｂの第１支持梁４，５との結合部を梁２ｃ，２ｄ
のように細く形成したもので、その他の部分については
図１と同様なので同一番号を付してその説明を援用す
る。

【００５１】図１に示す角速度センサ１０の一対の支持
固定部２ａ，２ｂは、第１支持梁４，５との結合部の幅
が広く、実際は、一対の支持固定部２ａ，２ｂの中心線
ａから僅かにずれた矢印ｂで示すような方向の引張り応
力も受ける。この矢印ｂで示す方向の応力は、第１支持
梁４，５に長さ方向の圧縮応力の成分を与え、第１支持
梁４，５の機械的な共振周波数を下げることになる。

【００５２】このため、駆動周波数が相違して駆動周波
数と検出周波数の差が当初の設定値から相違することに
なり、検出感度が低下することになる。従って、一対の
支持固定部２ａ，２ｂの第１支持梁４，５との結合部を
梁２ｃ，２ｄの形状にしたりして、一対の支持固定部２
ａ，２ｂの先端部（結合部）を根本部よりも狭くあるい
は細く形成することにより、熱応力を一対の支持固定部
２ａ，２ｂの中心線ａに集中させて、熱応力の影響をよ
り軽減することができる。

【００５３】次に、図４ないし図８を参照して第３の実
施の形態による角速度センサ３０について説明する。本
実施の形態は、図１に示す角速度センサ１０の第１支持
梁４，５を図４に示す第１支持梁２１，２２のように折
返した形状に形成したもので、その他の部分については
図１と同様なので同一番号を付してその説明を援用す
る。

【００５４】２１，２２は第１振動体３をＹ軸方向に振
動可能に支持する第１支持梁で、該第１支持梁２１，２
２は、第１振動体３のＸ軸方向の枠桟３ａ，３ｂの外側
に配設されている。そして、第１支持梁２１，２２のう
ち枠桟３ａ側の第１支持梁２１は、その長さ方向（Ｙ軸
方向）中間部が支持固定部２ａに結合されると共に、支
持固定部２ａを挟んで略対称形状をなす支持梁部２１
ａ，２１ｂによって構成されている。また、支持梁部２
１ａは、枠桟３ａと平行にＹ軸方向に延びる３本の腕部
２１ａ1 と、各腕部２１ａ1 を接続する２つの折返し部
２１ａ2 とによって構成され、全体として略Ｚ字状に折
返した形状をなしている。

【００５５】一方、支持梁部２１ｂも、支持梁部２１ａ
と同様にＹ軸方向に延びる３本の腕部２１ｂ1 と、これ
らの腕部２１ｂ1 を接続する２つの折返し部２１ｂ2 と
によって構成され、全体として略Ｚ字状に折返した形状
をなしている。そして、支持梁部２１ａ，２１ｂは、基
端側が支持固定部２ａに接続されると共に、先端側が第
１振動体３の枠桟３ａの両端側に接続されている。

【００５６】また、枠桟３ｂ側の第１支持梁２２は、そ
の長さ方向（Ｙ軸方向）中間部が支持固定部２ｂに結合
されると共に、支持固定部２ｂを挟んで略対称形状をな
す支持梁部２２ａ，２２ｂによって構成されている。そ
して、支持梁部２２ａは、枠桟３ｂと平行にＹ軸方向に
延びる３本の腕部２２ａ1 と、各腕部２２ａ1 を接続す
る２つの折返し部２２ａ2 とによって構成され、全体と
して略Ｚ字状に折返した形状をなしている。

【００５７】一方、支持梁部２２ｂも、Ｙ軸方向に延び
る３本の腕部２２ｂ1 と、これらの腕部２２ｂ1 を接続
する２つの折返し部２２ｂ2 とによって構成され、全体
として略Ｚ字状に折返した形状をなしている。また、支
持梁部２２ａ，２２ｂは、基端側が支持固定部２ｂに接
続されると共に、先端側が第１振動体３の枠桟３ｂの両
端側に接続されている。

【００５８】そして、Ｙ軸方向に延びる各腕部２１ａ1
，２１ｂ1 ，２２ａ1 ，２２ｂ1 の長さ寸法Ｌ1 は、
図５に示すようにＸ軸方向に延びる各折返し部２１ａ2
，２１ｂ2 ，２２ａ2 ，２２ｂ2 の長さ寸法Ｌ2 に比
べて例えば２〜５倍程度長くなっている。

【００５９】かくして、このように構成された本実施の
形態による角速度センサ３０でも前述した第１の実施の
形態とほぼ同様の作用効果を有するものである。

【００６０】しかし、本実施の形態では、第１支持梁２
１を腕部２１ａ1 ，２１ｂ1 と折返し部２１ａ2 ，２１
ｂ2 とによって折返した形状に形成し、第１支持梁２２
を腕部２２ａ1 ，２２ｂ1 と折返し部２２ａ2 ，２２ｂ
2 とによって折返した形状に形成している。このため、
電極３ｅ，３ｆ間と、電極３ｈ，３ｉ間に、直流電圧を
重畳した１８０°位相の異なる交流電圧を印加し、第１
振動体３が振動するときには、折返し状態に接続された
複数の腕部２１ａ1 ，２１ｂ1 ，２２ａ1 ，２２ｂ1 が
拡開、縮小を繰り返す。これにより、第１振動体３は振
動方向に振動し易くなるから、その振幅を大きくするこ
とができる。

【００６１】また、第１，第２の実施の形態のように直
線状に延びる第１支持梁４，５によって第１振動体３を
振動可能に支持した場合には、図７の比較例に示すよう
に第１支持梁４，５には、第１支持梁４，５の撓みによ
るばね力Ｆ1 に加えて、引張り応力によるばね力Ｆ2 が
作用する。そして、引張り応力によるばね力Ｆ2 は、第
１振動体３の振幅が大きくなるに従って増大する。この
結果、図８中に実線で示す特性線Ａのように、第１振動
体３の振幅が小さいときには、第１振動体３は共振周波
数ｆa で最大振幅で振動するのに対し、第１振動体３の
振幅が大きいときには、図８中に点線で示す特性線Ｂの
ように第１振動体３は共振周波数ｆa よりも高い共振周
波数ｆb で最大振幅となり、第１振動体３の振幅に応じ
て共振周波数が変化してしまう。

【００６２】一方、第２振動体６は、その共振周波数が
第１振動体３の共振周波数と等しいときにコリオリ力に
よって振動する振幅が大きくなり、第１振動体３の振幅
が大きいときにコリオリ力によって振動する振幅が大き
くなるものである。このため、第２振動体６の共振周波
数は、例えば第１振動体３の共振周波数ｆa とほぼ等し
い値となるように設定されているから、第１振動体３が
共振周波数ｆa とは異なる共振周波数ｆb で振動すると
きには、第２振動体６の振幅が小さくなる。従って、第
２振動体６の振幅を大きくするために、第１振動体３の
振幅を大きくしても、第１振動体３の共振周波数が変化
するから、第２振動体６の振幅を大きくすることができ
ず、検出感度を高めることができない。

【００６３】これに対し、第３の実施の形態では、第１
支持梁２１，２２を折返した形状に形成しているから、
第１振動体３が振動するときには、折返し状態に接続さ
れた複数の腕部２１ａ1 ，２１ｂ1 ，２２ａ1 ，２２ｂ
1 が拡縮する。従って、第１支持梁２１，２２には、図
６に示すように第１支持梁２１，２２の撓みによるばね
力Ｆ1 のみが作用し、図７に示すような引張り応力によ
るばね力Ｆ2 が作用することはない。

【００６４】このため、図８中に二点鎖線で示す特性線
Ｃのように、第１振動体３の振幅が大きいときであって
も、第１振動体３は共振周波数ｆa で最大振幅となり、
第１振動体３の振幅に関係なく共振周波数を一定値に保
持することができる。この結果、第１振動体３の振幅に
関係なく、第１振動体３と第２振動体６をほぼ同じ共振
周波数ｆa で振動させることができるから、第１振動体
３を大きな振幅で振動させることによって、コリオリ力
による第２振動体６の変位を大きくすることができ、検
出感度を高めることができる。

【００６５】さらに、第１振動体３の振動方向に延びる
折返し部２１ａ2 ，２１ｂ2 ，２２ａ2 ，２２ｂ2 は、
腕部２１ａ1 ，２１ｂ1 ，２２ａ1 ，２２ｂ1 よりも短
い長さ寸法に形成したから、第１支持梁２１，２２によ
って、第１振動体３の振動方向への変位を許容し、振動
方向と直交する方向への変位を規制することができる。
これにより、第１支持梁２１，２２は、第１振動体３を
振動方向にだけ変位可能に支持することができる。

【００６６】なお、前記第３の実施の形態では、第１支
持梁２１，２２の長さ方向中間部を第１の実施の形態と
同様の支持固定部２ａ，２ｂに結合するものとしたが、
第２の実施の形態に示す梁２ｃ，２ｄに結合する構成と
してもよい。

【００６７】また、第１ないし第３の実施の形態におい
ては、支持基板１はパイレックスガラス基板を用いた
が、シリコン基板の上にシリコン酸化膜の形成された基
板でもよい。

【００６８】

【発明の効果】請求項１に記載の発明においては、支持
基板とセンサ素子との間に熱膨張または熱収縮の差があ
っても、支持固定部が支持基板から受ける歪みは、第１
支持梁の変形ないし撓みにより吸収されて、温度変化に
よる駆動周波数と検出周波数の差が変動しないので、駆
動と検出の機械的な共振周波数を接近させて高い検出感
度を有する角速度センサを製作することができる。

【００６９】また、温度変化による原因以外に、製造時
ばらつきによるセンサ素子の歪みも支持固定部と第１支
持梁の支持構造により吸収されて、動作特性を安定化す
ることができる。

【００７０】請求項２に記載の発明においては、２つの
支持固定部から第１支持梁に加わる応力は、第１支持梁
の長さ方向（伸長方向）に対し直交する直線方向のみと
なるから、一対の支持固定部の両側における第１支持梁
の均等な変形ないし撓みにより吸収される。また、温度
変化による支持固定部が受ける応力歪みは、細い先端部
に集中し、一対の第１支持梁の撓みにより吸収されて、
駆動周波数および検出周波数とも変化しないので、駆動
共振周波数と検出共振周波数とを近接した設計仕様とす
ることができ、広い温度範囲で出力感度の変動を抑える
ことができる。

【００７１】請求項３に記載の発明においては、第１振
動体および第２振動体は矩形状の枠体よりなるので、振
動体の駆動方向と、コリオリ力の検出方向とが、幾何学
的に均整のとれたものとなり、検出感度を向上させるこ
とができる。

【００７２】請求項４に記載の発明においては、第１支
持梁を第１振動体の振動方向と直交する方向に伸長する
複数の腕部と、該各腕部を折返し状態に接続する折返し
部とによって構成したから、駆動手段によって第１振動
体が振動するときには、折返し状態に接続された複数の
腕部が拡縮する。このため、第１振動体は振動方向に振
動し易くなるから、その振幅を大きくすることができ
る。また、第１振動体の振幅に関係なく第１振動体の共
振周波数を一定値に保持することができるから、第１振
動体を大きな振幅をもって振動させ、角速度の検出感度
を高めることができる。

【００７３】請求項５に記載の発明においては、第１振
動体の振動方向に延びる折返し部を腕部よりも短い長さ
寸法に形成したから、第１の振動体は振動方向への変位
が容易になる一方、振動方向の直交方向には変位しにく
い構成にすることができる。この結果、振動方向と直交
方向への振動を規制しつつ、第１振動体を振動方向にの
み振動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による角速度センサ
を示す平面図である。

【図２】図１中の矢示II−II方向からみた断面図であ
る。

【図３】第２の実施の形態による角速度センサを示す平
面図である。

【図４】第３の実施の形態による角速度センサを示す平
面図である。

【図５】第３の実施の形態による第１支持梁を拡大して
示す要部拡大の平面図である。

【図６】第１振動体が変位したときの第１支持梁を示す
要部拡大の平面図である。

【図７】比較例による第１支持梁を拡大して示す要部拡
大の平面図である。

【図８】第１振動体が振動するときの周波数と振幅との
関係を示す特性線図である。

【図９】従来技術による角速度センサを示す平面図であ
る。

【図１０】図９中の矢示Ｘ−Ｘ方向からみた断面図であ
る。

【符号の説明】

１支持基板１ｃ凹部２支持枠体２ａ，２ｂ支持固定部３第１振動体３ａ〜３ｄ枠桟３ｅ，３ｈ櫛歯電極３ｆ，３ｉ電極３ｇ，３ｊ固定駆動電極４，５，２１，２２第１支持梁６第２振動体６ａ〜６ｄ枠桟７，８第２支持梁９負荷振動体９ａ，９ｂ櫛歯電極１０，２０，３０角速度センサ１１，１２固定検出電極１１ａ，１２ａ櫛歯電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F105 AA02 AA06 AA08 BB04 BB09 BB14 BB15 CC04 CD03 CD05 CD13 4M112 AA02 BA07 CA24 CA26 CA36 DA18 EA02 EA13 FA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持基板と、この支持基板に設けられた
支持固定部と、該支持固定部に結合された第１支持梁
と、該第１支持梁により支持された第１振動体と、該第
１振動体に結合された第２支持梁と、該第２支持梁によ
り支持されてコリオリ力発生方向に振動する第２振動体
と、これら第１，第２振動体を一定の方向に振動させる
駆動手段と、前記第２振動体に加わるコリオリ力に基づ
く前記第２振動体の変位を検出する検出手段とからなる
角速度センサにおいて、前記第１支持梁は、少なくとも前記第１振動体の振動方
向と直交する方向に伸長し、その両端が前記第１振動体
に結合され、長さ方向の中間部を前記支持固定部に結合
したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】前記支持固定部は第１振動体の振動方向
に離間して前記第１振動体の外側の２箇所に配置され、
該各支持固定部は第１支持梁との結合部分の幅を根本部
分の幅より狭く形成した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】前記第１振動体は矩形状の枠体よりな
り、前記第２振動体は矩形状をなして前記第１振動体の
内側で振動し、前記第２支持梁は、前記第１振動体の振
動方向と同方向に伸長し、その両端が前記第２振動体に
結合され、長さ方向の中間部が前記第１振動体に結合し
たことを特徴とする請求項１または２に記載の角速度セ
ンサ。
【請求項４】前記第１支持梁は、前記第１振動体の振
動方向と直交する方向に伸長する複数の腕部と、前記第
１振動体の振動方向と同方向に延び該各腕部間を折返し
状態に接続する折返し部とによって構成してなる請求項
１，２または３に記載の角速度センサ。
【請求項５】前記折返し部は、腕部よりも短い長さ寸
法に形成してなる請求項４に記載の角速度センサ。