JP3307200B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転体の角速度を
検出するのに用いられる角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術による角速度センサを図９ない
し図１１に基づいて述べる。

【０００３】図中、１はマイクロマシニング技術によっ
て作製された角速度センサ、２は該角速度センサ１の本
体をなすように例えば高抵抗な単結晶のシリコン材料か
ら形成された基板をそれぞれ示し、該基板２は図９，図
１０に示すように長方形の板状に形成されている。ここ
で、便宜上、基板２の長手方向と直交する方向をＸ軸方
向、長手方向をＹ軸方向、厚さ方向をＺ軸方向とする。

【０００４】３は例えばＰ，Ｂ，Ｓｂ等の不純物がドー
ピングされた低抵抗なポリシリコンからなる可動部を示
し、該可動部３は例えば酸化シリコン等により基板２の
表面に設けた絶縁膜４（図１１参照）を介して基板２上
に形成され、Ｙ軸方向で対向するように固着された一対
の支持部５，５と、基端側が該各支持部５に一体形成さ
れ、Ｙ軸方向に直線状に伸長する４本の支持梁６，６，
…と、該各支持梁６の先端側に一体形成された略長方形
状の振動体７とからなり、振動体７のＸ軸方向となる
左，右両側面には、複数個の電極板８Ａ，８Ａ，…から
なる可動側くし状電極８，８が突出形成されている。ま
た、可動部３は各支持部５のみが基板２に固着され、各
支持梁６と振動体７とは基板２から所定間隔を離間した
状態で該基板２と平行に保持されることにより、振動体
７は基板２に対してＸ軸方向とＺ軸方向に変位可能に配
設されている。

【０００５】９，９は例えば低抵抗なポリシリコンによ
って形成され、振動体７を挟むように絶縁膜４を介して
基板２上に固着された一対の固定部を示し、該各固定部
９には前記可動側くし状電極８，８と対向する面に電極
板１０Ａ，１０Ａ，…を有する固定側くし状電極１０が
それぞれ形成されている。そして、可動側くし状電極８
と各固定側くし状電極１０とは、図１０に示すように隙
間を介して互いに対向し、各電極板８Ａ，１０Ａが互い
に離間した状態で噛合するように交互に配設されてい
る。

【０００６】１１，１１は振動発生手段となる振動発生
部を示し、該各振動発生部１１は可動側くし状電極８と
各固定側くし状電極１０とから構成されている。ここ
で、各振動発生部１１に周波数ｆの振動駆動信号を交互
に印加すると、各電極板８Ａ，１０Ａ間には静電引力が
交互に反対向きに発生し、この静電引力によって振動体
７は矢示Ａ1 ，Ａ2 のようにＸ軸方向に振動する。

【０００７】１２は基板２上に形成された基板側電極を
示し、該基板側電極１２は図１１に示すように、例えば
Ｐ，Ｓｂ等の不純物を基板２の表面に高密度にドーピン
グすることにより導電性を有するように形成され、振動
体７の下側に位置して該振動体７と所定距離を離間した
状態で対向している。

【０００８】１３は変位検出手段となる変位検出部を示
し、該変位検出部１３は振動体７と基板側電極１２とか
ら構成され、振動体７と基板側電極１２とのＺ軸方向に
おける離間寸法の変化を、両者間の静電容量の変化とし
て検出する。

【０００９】１４，１４は各固定部９上に固着された振
動駆動用の電極パッドを示し、該各電極パッド１４は図
９に示すように例えばＡｕ等の金属材料から形成され、
各固定側くし状電極１０と電気的に導通している。ま
た、１５は可動部３に固着され可動側くし状電極８に導
通した検出用の電極パッド、１６は引出線１６Ａを介し
て基板側電極１２に接続された検出用の電極パッドをそ
れぞれ示している。

【００１０】このように構成される角速度センサ１にお
いては、各振動発生部１１に逆位相となる周波数ｆの振
動駆動信号を印加することにより、前記振動体７は図９
中の矢示Ａ1 ，Ａ2 のように基板２に対してＸ軸方向の
振動を行い、この状態でＹ軸を回転軸とする角速度Ωが
基板２に加わると、前記振動体７には角速度Ωに比例し
たＦ1 ，Ｆ2 というコリオリ力（慣性力）がＺ軸方向に
交互に発生する。

【００１１】この結果、振動体７はこのコリオリ力Ｆ1
，Ｆ2 に比例した振幅をもってＺ軸方向に振動し、こ
の振動の振幅（変位）を変位検出部１３によって振動体
７と基板側電極１２との間の静電容量の変化として検出
することにより、Ｙ軸周りに加わった角速度Ωを検出す
る。

【００１２】また、振動体７に作用するコリオリ力Ｆ1
，Ｆ2 はＸ軸方向に発生させる矢示Ａ1,Ａ2 方向の振
動による振幅の大きさにも比例するため、角速度センサ
１では印加する振動駆動信号の周波数ｆを振動体７の力
学的な共振周波数にほぼ等しくすることによって、該振
動体７をＸ軸方向に大きく振動させてコリオリ力Ｆ1 ，
Ｆ2 によるＺ軸方向の変位を増大させ、Ｙ軸周りの角速
度Ωを高精度に検出できるようにしている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術においては、角速度センサ１は例えばＹ軸の１軸
周りだけの角速度を検出するように構成されている。従
って、互いに直交する２軸周りの角速度を検出するに
は、基板２上に２個の角速度センサ１を互いに直交する
ように形成しなければならず、基板２の面積が増大して
角速度センサ１の小型化が困難になると共に、製造コス
トが上昇するという問題がある。

【００１４】さらに、振動体７の共振周波数はある程度
のばらつきを有するため、前述した各角速度センサ１の
振動体７が互いに異なる共振周波数を有する場合は、振
動駆動信号の発生回路が各角速度センサ１に対してそれ
ぞれ必要になり、発生回路の基板面積が増大してしま
う。

【００１５】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明は、互いに直交する２軸周りの角
速度を別個に検出できる角速度センサを提供することを
目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１に記載の発明による角速度センサは、
基板と、該基板に設けられた支持部と、基端側が該支持
部に設けられた第１の支持梁と、前記基板の表面から離
間した状態で該第１の支持梁の先端側に設けられ、前記
基板に対して水平なＸ軸，Ｙ軸方向に変位可能な第１の
振動体と、基端側が該第１の振動体に設けられた第２の
支持梁と、前記基板の表面から離間した状態で該第２の
支持梁の先端側に設けられ、前記第１の振動体と共に前
記基板に対し水平なＸ軸，Ｙ軸方向に変位可能でかつ前
記基板と垂直なＺ軸方向に変位可能な第２の振動体と、
前記第１の振動体をＸ軸方向に振動させる振動発生手段
と、該振動発生手段によって前記第１の振動体にＸ軸方
向の振動を与えている状態で、角速度による第２の振動
体が変位するときの変位量をＹ軸方向，Ｚ軸方向の２方
向から検出する変位検出手段とからなる構成を採用して
いる。

【００１７】このように構成することにより、第１の振
動体は第１の支持梁を介して基板に対しＸ軸，Ｙ軸方向
にそれぞれ変位し、第２の振動体は第２の支持梁を介し
て第１の振動体に対しＺ軸方向に変位するから、該第２
の振動体は基板の表面から離間した状態で、第１の振動
体と共にＸ軸，Ｙ軸方向に振動しつつＺ軸方向にも変位
する。そして、振動発生手段により第１の振動体をＸ軸
方向に振動させ、該第１の振動体と共に第２の振動体を
Ｘ軸方向に振動させた状態で、Ｙ軸周りに角速度が加わ
ると、第２の振動体は角速度によって基板に対してＺ軸
方向に変位し、変位検出手段は、この第２の振動体のＺ
軸方向の変位量を角速度センサのＹ軸周りに加わった角
速度として検出する。一方、Ｚ軸周りに角速度が加わっ
たときには、第２の振動体は角速度によって基板に対し
てＹ軸方向に変位し、変位検出手段は、この第２の振動
体のＹ軸方向の変位量を角速度センサのＺ軸周りに加わ
った角速度として検出する。

【００１８】また、請求項２に記載の発明では、前記変
位検出手段は、第２の振動体と基板との対向する垂直面
によって該第２の振動体のＹ軸方向の変位量を検出する
Ｙ軸方向変位検出手段と、第２の振動体と基板との対向
する水平面によって該第２の振動体のＺ軸方向の変位量
を検出するＺ軸方向変位検出手段とから構成したことに
ある。

【００１９】このように構成することにより、Ｙ軸方向
変位検出手段は、Ｚ軸周りの角速度によって第２の振動
体が基板に対しＹ軸方向に変位したときに、この変位量
を第２の振動体と基板との対向する垂直面間の離間距離
の変化として検出し、Ｚ軸周りの角速度を検出する。一
方、Ｚ軸方向変位検出手段は、Ｙ軸周りの角速度によっ
て第２の振動体が基板に対しＺ軸方向に変位したとき
に、この変位量を第２の振動体と基板との対向する水平
面間の離間距離の変化として検出し、Ｙ軸周りの角速度
を検出する。

【００２０】そして、請求項３に記載の発明では、前記
変位検出手段は、前記基板上に形成されて水平面と垂直
面とを有する固定側検出用電極と、該固定側検出用電極
と離間した状態で対向して前記第２の振動体に形成され
て水平面と垂直面とを有する可動側検出用電極とからな
り、これら固定側検出用電極と可動側検出用電極は前記
基板の表面と平行にＸ軸方向に伸長して形成したことに
ある。

【００２１】このように構成することにより、変位検出
手段は、基板上の固定側検出用電極が有する垂直面と、
第２の振動体の可動側検出用電極が有する垂直面とをＹ
軸方向において対向させることができ、第２の振動体が
基板に対してＹ軸方向に変位したときに、これらの垂直
面間の離間距離を変化させることにより、この変化を第
２の振動体の基板に対するＹ軸方向の変位量として検出
する。一方、変位検出手段は、基板上の固定側検出用電
極が有する水平面と、第２の振動体の可動側検出用電極
が有する水平面とをＺ軸方向において対向させることが
でき、第２の振動体が基板に対してＺ軸方向に変位した
ときに、これらの水平面間の離間距離を変化させること
により、この変化を第２の振動体の基板に対するＺ軸方
向の変位量として検出する。

【００２２】さらに、請求項４に記載の発明では、前記
固定側検出用電極は、それぞれ離間した状態で前記基板
上に形成された少なくとも一対の突起状電極と、該各突
起状電極間に位置した基板上に形成された基板側電極と
からなり、前記可動側検出用電極は、前記各突起状電
極，基板側電極と対向するように前記第２の振動体に形
成された突起状電極とから構成したことにある。

【００２３】このように構成することにより、基板と第
２の振動体とは、固定側検出用電極の突起状電極の側面
と、可動側検出用電極の突起状電極の側面とをＹ軸方向
において対向させることができ、第２の振動体が基板に
対してＹ軸方向に変位したときに、これらの側面間の離
間距離を変化させることにより、この変化を第２の振動
体の基板に対するＹ軸方向の変位量として検出する。一
方、固定側検出用電極の基板側電極と可動側検出用電極
の突起状電極の水平面とをＺ軸方向において対向させる
ことができ、第２の振動体が基板に対してＺ軸方向に変
位したときには、基板側電極と突起状電極の水平面との
離間距離を変化させることにより、この変化を第２の振
動体の基板に対するＺ軸方向の変位量として検出する。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に従って詳細に説明するに、図１ないし図８は本発
明による実施例を示す。なお、実施例においては、従来
技術と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を
省略する。

【００２５】図中、２１は本実施例による角速度セン
サ、２２は該角速度センサ２１が形成された従来技術と
同様の基板をそれぞれ示し、該基板２２は図１，図２に
示すように、例えば高抵抗な単結晶のシリコン材料から
長方形の板状に形成されている。また、基板２２には図
３に示すように、例えば酸化シリコン膜，窒化シリコン
膜またはこれらの複合膜等からなる絶縁膜２３が表面に
形成されると共に、後述する各支持部２６と各固定部３
３（図１参照）が固着される位置には低抵抗のポリシリ
コン膜からなる導電膜２４が形成されている。

【００２６】２５は基板２２上に形成された可動部を示
し、該可動部２５は図１に示すように、例えば低抵抗な
ポリシリコン膜をエッチング処理することによって形成
され、Ｙ軸となる前，後方向に位置して基板２２上に導
電膜２４を介して形成された後述する支持部２６，２６
と、基端側が該各支持部２６に設けられ、先端側が基板
２２の中央部に向けて前後方向に伸長する第１の支持梁
２７，２７，…と、該各第１の支持梁２７の先端側に支
持され、基板２２に対する水平方向となるＸ軸，Ｙ軸方
向に変位可能に設けられ、枠体２９，第２の支持梁３１
および振動体３２からなる振動板２８とから構成されて
いる。また、該可動部２５は各支持部２６のみが基板２
２上に固着され、各第１の支持梁２７と振動板２８は基
板２２の表面から離間した状態で保持されている。

【００２７】２６，２６は可動部２５を基板２２上に支
持する支持部を示し、該各支持部２６は従来技術と同様
にＹ軸方向の両端側に位置して互いに対向するように配
設され、図３に示すように絶縁膜２３と導電膜２４を介
して基板２２上に固着されている。また、各支持部２６
のうち中央側に位置した端部は若干湾曲して形成するこ
とにより基板２２側から離間した状態となり、この端部
には各支持梁２７がそれぞれ一体形成されている。

【００２８】２７，２７…は基端側が各支持部２６に一
体形成された第１の支持梁を示し、該各支持梁２７は図
１に示すように、各支持部２６の端部から２本ずつがＹ
軸方向に伸長し、先端側に振動板２８が一体形成されて
いる。また、各支持梁２７はＸ軸方向に向けてコ字状に
屈曲する屈曲部２７Ａが形成されて略Ｓ字状をなし、該
屈曲部２７Ａが撓むことによって振動板２８はＸ軸方向
に変位すると共に、該屈曲部２７ＡがＹ軸方向に伸縮す
ることによって振動板２８はＹ軸方向に変位する。

【００２９】２８は各第１の支持梁２７によって水平方
向となるＸ軸，Ｙ軸方向に変位可能に支持された振動板
を示し、該振動板２８は第１の振動体となる枠体２９
と、基端側が該枠体２９に設けられた第２の支持梁３
１，３１，…と、該各第２の支持梁３１の先端側に位置
して枠体２９内に設けられた振動体３２とから構成され
ている。

【００３０】２９は矩形状に形成された第１の振動体と
しての枠体を示し、該枠体２９はＸ軸方向となる左，右
両側に位置してＹ軸方向に伸長する縦枠部２９Ａ，２９
Ａと、該各縦枠部２９Ａの前，後両側に位置してＸ軸方
向に伸長する横枠部２９Ｂ，２９Ｂとから構成され、各
縦枠部２９Ａには複数個の電極板３０Ａ，３０Ａ，…か
らなる可動側くし状電極３０，３０が突出形成されてい
る。

【００３１】３１，３１，…は枠体２９内に位置して基
端側が該枠体２９の各横枠部２９Ｂに一体形成された第
２の支持梁を示し、該各支持梁３１は図２に示すように
枠体２９の前，後両側に位置する各横枠部２９Ｂから２
本ずつがＹ軸方向に直線状に伸長し、先端側が振動体３
２に一体形成され、該振動体３２は振動板２８と同様に
水平方向のＸ軸，Ｙ軸方向に移動すると共に、各第２の
支持梁３１によってＺ軸方向に変位可能となる。

【００３２】３２は枠体２９内に各第２の支持梁３１を
介して設けれた第２の振動体としての振動体を示し、該
振動体３２は略長方形の平板状に形成され、Ｘ軸，Ｙ軸
方向に変位可能に保持された振動板２８内に位置し、し
かもＺ軸方向に変位可能に保持されているから、基板２
２に対してＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の３軸方向において変
位可能な状態で配設されている。

【００３３】なお、振動板２８が第１の支持梁２７を介
してＸ軸，Ｙ軸方向に振動する場合の共振周波数と、振
動体３２が第２の支持梁３１を介してＺ軸方向に振動す
る場合の共振周波数とは、互いにほぼ等しくなるように
調整されている。

【００３４】３３，３３は固定部を示し、該各固定部３
３は振動板２８を左，右両側から挟むように配設され、
絶縁膜２３と導電膜２４を介して基板２２上に固着され
ている。また、各固定部３３は振動板２８と対向する端
部に複数個の電極板３４Ａからなる固定側くし状電極３
４，３４がそれぞれ形成され、可動側くし状電極３０と
固定側くし状電極３４とは図２に示すように、各電極板
３０Ａ，３４Ａを互いに離間した状態で噛合させるよう
にして対向している。

【００３５】３５，３５は振動発生手段となる振動発生
部を示し、該各振動発生部３５は可動側くし状電極３０
と各固定側くし状電極３４とから構成され、該各振動発
生部３５に周波数ｆの振動駆動信号を交互に印加するこ
とにより、振動板２８が振動体３２と共にＸ軸方向とな
る図１中の矢示Ｂ1 ，Ｂ2 方向に振動する。

【００３６】３６は基板２２上に形成された固定側検出
用電極を示し、該固定側検出用電極３６は図３に示すよ
うに、Ｘ軸方向に伸長するように基板２２上に突出して
形成され、複数個の対をなす突起状電極３７，３７，…
および３８，３８，…と、各対の突起状電極３７，３８
間に位置した基板２２上にＸ軸方向に伸長するように形
成された基板側電極３９，３９，…とから構成されてい
る。そして、各突起状電極３７，各突起状電極３８およ
び各基板側電極３９は互いに絶縁されている。

【００３７】また、図４に示すように、各突起状電極３
７，３８の外側側面は後述する可動側検出用電極４０の
垂直面４１Ａに対応した面が垂直面３７Ａとなり、垂直
面４１Ｂに対応した面が垂直面３８Ａとなり、各基板側
電極３９は可動側検出用電極４０の水平面４１Ｃに対応
した水平面となる。なお、各突起状電極３７の上側（先
端側）面の総面積と各突起状電極３８の上側面の総面積
は互いに等しくなるように形成されている。

【００３８】４０は振動体３２に形成された可動側検出
用電極を示し、該可動側検出用電極４０は図３に示すよ
うに、基板２２に向けてＸ軸方向に延びるように突出形
成された複数個の突起状電極４１，４１，…として形成
されている。そして、該各突起状電極４１は固定側検出
用電極３６の各対の突起状電極３７，３８間に位置し
て、該各突起状電極３７，３８と所定間隔を離間した状
態で噛合するように交互に凹凸形体をなして配設されて
いる。また、各突起状電極４１は図４に示すように、Ｙ
軸方向の両側側面が垂直に形成された垂直面４１Ａ，４
１Ｂを構成すると共に、下側先端面が水平に形成された
水平面４１Ｃを構成している。さらに、各突起状電極４
１はＸ軸方向に直線状に伸長しているから、両端側が図
１に示すように枠体２９の各縦枠部２９Ａまで延在して
いる。

【００３９】ここで、固定側検出用電極３６と可動側検
出用電極４０とは、図４に示すように、垂直面３７Ａ，
４１Ａ間、垂直面３８Ａ，４１Ｂ間はＹ軸方向でそれぞ
れ電極間距離ＳH を離間した状態で保持され、基板側電
極３９と水平面４１Ｃとの間はＺ軸方向で電極間距離Ｓ
V を離間した状態を保持されている。

【００４０】４２はＹ軸方向変位検出手段としての水平
変位検出部を示し、該水平変位検出部４２は図４に示す
ように、固定側と可動側との間においてＹ軸方向で対向
する各垂直面３７Ａ，４１Ａと、各垂直面３８Ａ，４１
Ｂとから構成されている。そして、振動板２８が基板２
２に対してＹ軸方向に変位したときには、この変位によ
る垂直面３７Ａ，４１Ａ間の電極間距離ＳH の変化と、
垂直面３８Ａ，４１Ｂ間の電極間距離ＳH の変化とを、
静電容量の変化としてそれぞれ検出する。

【００４１】４３はＺ軸方向変位検出手段としての垂直
変位検出部を示し、該垂直変位検出部４３は、固定側と
可動側との間においてＺ軸方向で対向する各基板側電極
３９と各突起状電極４１の水平面４１Ｃとからなり、振
動体３２が基板２２に対してＺ軸方向に変位したときに
は、この変位による基板側電極３９と水平面４１Ｃとの
間の電極間距離ＳV の変化を、静電容量の変化として検
出する。

【００４２】また、４４Ａ〜４４Ｆは従来技術と同様の
電極パッドで、電極パッド４４Ａ〜４４Ｃは図１に示す
ように支持部２６，各固定部３３にそれぞれ固着される
と共に、電極パッド４４Ｄ，４４Ｅは引出線４５Ａ，４
５Ｂを介して固定側の各突起状電極３７，３８にそれぞ
れ接続され、電極パッド４４Ｆは固定側の各基板側電極
３９に接続されている。

【００４３】次に、本実施例による角速度センサ２１の
製造工程を図５ないし図８を参照しつつ説明する。

【００４４】まず、図５において、角速度センサ２１を
形成すべく用意された単結晶シリコンからなる基板２２
の表面に、絶縁膜形成工程により例えば酸化シリコン，
窒化シリコン等の絶縁性の薄膜を絶縁膜２３として形成
すると共に、電極形成工程により基板２２の所定位置に
例えばＰ，Ｂ，Ｓｂ等の不純物をイオン注入し、固定側
の各基板側電極３９を形成する。

【００４５】次に、図６に示す第１のエッチング工程に
おいては、絶縁膜２３上にポリシリコン膜を形成し、所
定位置にＰ，Ｂ，Ｓｂ等の不純物をドーピングした後に
ドライエッチングによってパターニングを行うことによ
り、固定側検出用電極３６の各突起状電極３７，３８、
引出線４５Ａ，４５Ｂ（図１，図２参照）および各導電
膜２４等を分離形成する。

【００４６】そして、図７に示す第２のエッチング工程
においては、例えばＰＳＧ等の犠牲層４６を基板２２上
に形成した後に、ポリシリコン膜を形成して所定位置に
Ｐ，Ｂ，Ｓｂ等の不純物をドーピングし、ポリシリコン
膜に対してのみドライエッチングによってパターニング
を行うことにより、可動部２５、固定部３３等を分離形
成する。

【００４７】最後に、図８に示す第３のエッチング工程
においては、電極パッド４４Ａ〜４４Ｆを形成した後
に、犠牲層４６をエッチングによって除去し、各支持梁
２７，振動板２８等を基板２２と離間した状態にする。

【００４８】本実施例による各角速度センサ２１は上述
の如き構成を有するもので、次にその作動について説明
する。

【００４９】まず、各振動発生部３５に対し振動駆動信
号を交互に印加すると、振動板２８は静電引力により第
１の支持梁２７を介してＸ軸方向となる図１中の矢示Ｂ
1 ，Ｂ2 方向に同じ振幅で振動する。この状態で、Ｙ軸
周りに角速度ΩY が加わると、振動板２８に対して図４
に示すコリオリ力ＦZ が角速度ΩY に比例してＺ軸方向
に発生する。

【００５０】この結果、振動板２８内の振動体３２は第
２の支持梁３１によりＺ軸方向に変位するようになって
いるから、Ｚ軸方向のコリオリ力ＦZ に比例した振幅の
振動を行う。このとき、この変位に応じて固定側の基板
側電極３９と可動側の突起状電極４１とは近接，離間を
繰返して電極間距離ＳV が変化するから、この変化を垂
直変位検出部４３が静電容量の変化として検出する。こ
れにより、Ｙ軸周りの角速度ΩY を検出することができ
る。

【００５１】また、振動板２８をＸ軸方向に振動させた
状態で、Ｚ軸周りに角速度ΩZ が図１に示すように加わ
ると、該振動板２８に対して図４に示すコリオリ力ＦY
が角速度ΩZ に比例してＹ軸方向に発生する。この結
果、振動板２８は振動体３２と共に第１の支持梁２７を
介して、基板２２に対して前記コリオリ力ＦY に比例し
た振幅の振動をＹ軸方向に行う。このとき、この変位に
応じて可動側の突起状電極４１は固定側の突起状電極３
７，３８間でＹ軸方向に変位するから、垂直面３７Ａ，
４１Ａ間の電極間距離ＳH と、垂直面３８Ａ，４１Ｂ間
の電極間距離ＳHがそれぞれ変化し、これらの変化を静
電容量の変化としてそれぞれ検出することにより、両者
の静電容量の変化の差分に基づいてＺ軸周りの角速度Ω
Z を検出することができる。

【００５２】なお、本実施例による水平変位検出部４２
は、垂直面３７Ａ，４１Ａ間と、垂直面３８Ａ，４１Ｂ
間の静電容量を検出するときに、突起状電極３７，３８
の上側（先端側）面と振動体３２との間に存在する静電
容量も同時に検出する構成となっているが、この場合、
各突起状電極３７と各突起状電極３８とは上側面の総面
積が互いに等しくなるように形成し、各突起状電極３７
の上側面と振動体３２の間と、各突起状電極３８の上側
面と振動体３２の間の静電容量が互い等しくなるように
構成しているため、検出した垂直面３７Ａ，４１Ａ間の
静電容量と、垂直面３８Ａ，４１Ｂ間の静電容量との差
分に基づいてＺ軸周りの角速度ΩZ を検出することによ
り、これら突起状電極３７，３８の上側面と振動体３２
との間の静電容量による影響を相殺し、補正するように
なっている。

【００５３】このように、本実施例による角速度センサ
２１では、第１の支持梁２７を介してＸ軸，Ｙ軸方向に
変位可能に設けた振動板２８に、第２の支持梁３１を介
して振動体３２をＺ軸方向に変位可能に設け、振動体３
２は基板２２に対してＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の全ての方向に
変位するようにしたから、振動体３２を振動板２８と共
にＸ軸方向に振動させた状態で、Ｙ軸周りに角速度ΩY
が加わったときには、Ｚ軸方向に生ずるコリオリ力によ
って振動体３２をＺ軸方向に変位させることができ、Ｚ
軸周りに角速度ΩZ が加わったときには、Ｙ軸方向に生
ずるコリオリ力によって振動体３２をＹ軸方向に変位さ
せることができる。

【００５４】従って、これらの変位量のうち、Ｚ軸方向
の変位量は振動体３２と基板２２との間に設けた垂直変
位検出部４３によって検出し、Ｙ軸方向の変位量は振動
体３２と基板２２間に設けた水平変位検出部４２によっ
て検出することにより、Ｙ軸周りとＺ軸周りの２軸周り
の角速度を検出することができる。

【００５５】さらに、固定側検出用電極３６と可動側検
出用電極４０とは、それぞれ凹凸状に形成し、電極３６
と４０の凹凸を基板２２に水平な方向で離間した状態で
噛合するように交互に配設したから、この電極３６と４
０のうち、Ｙ軸方向で対向する２対の垂直面３７Ａ，４
１Ａと３８Ａ，４１Ｂとから水平変位検出部４２を構成
でき、振動体３２のＹ軸方向の変位量を電極板間距離Ｓ
H の変化として検出することができる。

【００５６】一方、前記電極３６，４０のうち、Ｚ軸方
向で対向する基板側電極３９と水平面４１Ｃとから垂直
変位検出部４３を構成でき、振動体３２のＺ軸方向の変
位量を電極板間距離ＳV の変化として検出することがで
きる。

【００５７】また、固定側検出用電極３６を構成する各
突起状電極３７，３８と各基板側電極３９と、可動側検
出用電極４０を構成する各突起状電極４１をＸ軸方向に
それぞれ伸長させて形成したから、水平変位検出部４２
を構成する垂直面３７Ａと４１Ａ，垂直面３８Ａと４１
Ｂと、垂直変位検出部４３を構成する基板側電極３９と
水平面４１Ｃをそれぞれ十分な有効面積をもって対向さ
せることができ、変位検出部４２，４３による静電容量
の変化を大きくすることができ、高精度な検出を図るこ
とができる。

【００５８】かくして、本実施例による角速度センサ２
１では、Ｙ軸周りとＺ軸周りの２軸周りの角速度をそれ
ぞれ別個に高精度に検出することができるから、基板面
積および製造コストを増大させることなくセンサの性能
を大幅に向上することができる。例えば、車両の姿勢制
御装置等において複数方向の角速度の検出が必要な場合
でも、当該角速度センサ２１は狭い占有面積であっても
容易に使用することができる。

【００５９】また、角速度センサ２１はマイクロマシニ
ング技術を用いて形成され、例えばシリコンのエッチン
グ処理等によるパターニングによって第１の支持梁２７
等の微細加工を行っているから、複雑な形状であっても
容易に高精度に形成することができ、２軸周りの角速度
を確実に検出することができる。

【００６０】なお、前記実施例では、振動発生手段とな
る振動発生部３５に静電引力を利用したものを記載した
が、本発明はこれに限らず、例えば圧電材料等を用いて
振動を発生させるようにしてもよい。

【００６１】また、前記実施例では、振動体３２のＹ
軸，Ｚ軸方向における変位検出を同時に行うものとした
が、本発明はこれに限らず、Ｙ軸，Ｚ軸方向の変位検出
を時間的に交互に行うことにより、検出回路等を共有化
することもできる。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述した通り、請求項１に記載の発
明によれば、第２の振動体は第１の支持梁と第２の支持
梁を介して、基板に対しＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に変位可
能に配設されているから、第２の振動体を第１の振動体
と共に振動発生手段によってＸ軸方向に振動させた状態
で、Ｙ軸周りに加わった角速度により第２の振動体をＺ
軸方向に変位させることができ、またＺ軸周りに加わっ
た角速度により第２の振動体をＹ軸方向に変位させるこ
とができる。そして、これらの変位を変位検出手段によ
って別個に検出することにより、当該角速度センサはＹ
軸，Ｚ軸周りの角速度をそれぞれ確実に検出することが
でき、少ないスペースに２軸周りの角速度を検出できる
角速度センサを構成でき、基板面積および製造コストを
低減すると共に、センサの性能を大幅に向上することが
できる。

【００６３】また、請求項２に記載の発明によれば、第
２の振動体と基板との対向する垂直面によってＹ軸方向
変位検出手段を、第２の振動体と基板との対向する水平
面によってＺ軸方向変位検出手段をそれぞれ構成したか
ら、Ｙ軸方向変位検出手段は、Ｚ軸周りに角速度が加わ
ったときに第２の振動体が基板に対してＹ軸方向に変位
すると、第２の振動体と基板との対向する垂直面間の離
間距離の変化を、第２の振動体の基板に対するＹ軸方向
の変位量として確実に検出することができ、検出したＹ
軸方向の変位に基づいてＺ軸周りの角速度を高精度に検
出することができる。一方、Ｚ軸方向変位検出手段は、
Ｙ軸周りに角速度が加わったときに第２の振動体が基板
に対してＺ軸方向に変位すると、第２の振動体と基板と
の対向する水平面間の離間距離の変化を、第２の振動体
の基板に対するＺ軸方向の変位量として確実に検出する
ことができ、検出したＺ軸方向の変位に基づいてＹ軸周
りの角速度を高精度に検出することができる。

【００６４】そして、請求項３に記載の発明によれば、
基板上に固定側検出用電極を、第２の振動体に可動側検
出用電極をそれぞれ形成し、変位検出手段として、固定
側検出用電極と可動側検出用電極との間で互いの水平面
を対向させ、かつ互いの垂直面を対向させる構成とした
から、変位検出手段は、Ｚ軸周りに加わった角速度をＹ
軸方向で対向する各垂直面間の離間距離の変化として高
精度に検出することができる。一方、変位検出手段は、
Ｙ軸周りに加わった角速度をＺ軸方向で対向する各水平
面間の離間距離の変化として高精度に検出することがで
きる。

【００６５】さらに、請求項４に記載の発明によれば、
固定側検出用電極を突起状電極，基板側電極として基板
上に形成し、該突起状電極，基板側電極と対向するよう
に第２の振動体に形成した突起状電極により可動側検出
用電極を構成したから、固定側検出用電極の突起状電極
の側面と、可動側検出用電極の突起状電極の側面とをＹ
軸方向において対向させることができ、Ｚ軸周りに加わ
った角速度を各側面間の離間距離の変化として確実に検
出することができる。一方、固定側検出用電極の基板側
電極と可動側検出用電極の突起状電極の水平面とをＺ軸
方向において対向させることができ、Ｙ軸周りに加わっ
た角速度を基板側電極と突起状電極の水平面との間の離
間距離の変化として確実に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例による角速度センサを示す斜視図であ
る。

【図２】本実施例による角速度センサを上側から見た平
面図である。

【図３】図１中の矢示III −III 方向の縦断面図であ
る。

【図４】図３中の要部を拡大して示す縦断面図である。

【図５】角速度センサの製造工程に用いられるシリコン
基板に対し絶縁膜形成工程，電極形成工程により絶縁
膜，基板側電極を形成した状態を示す縦断面図である。

【図６】図５による絶縁膜形成工程，電極形成工程に続
く第１のエッチング工程により、絶縁膜上に固定側検出
用電極の突起状電極等を形成した状態を示す縦断面図で
ある。

【図７】図６による第１のエッチング工程に続く第２の
エッチング工程により、犠牲層を挟んで可動部，固定部
等を形成した状態を示す縦断面図である。

【図８】図７による第２のエッチング工程に続く第３の
エッチング工程により、犠牲層を除去して各支持梁，振
動板等を基板側から離間させた状態を示す縦断面図であ
る。

【図９】従来技術による角速度センサを示す斜視図であ
る。

【図１０】従来技術による角速度センサを上側から見た
平面図である。

【図１１】図９中の矢示XI−XI方向の縦断面図である。

【符号の説明】

２１ 角速度センサ ２２ 基板 ２５ 可動部 ２６ 支持部 ２７ 第１の支持梁 ２８ 振動板 ２９ 枠体（第１の振動体） ３１ 第２の支持梁 ３２ 振動体（第２の振動体） ３５ 振動発生部（振動発生手段） ３６ 固定側検出用電極 ３７，３８ 突起状電極 ３７Ａ，３８Ａ 垂直面 ３９ 基板側電極（水平面） ４０ 可動側検出用電極 ４１ 突起状電極 ４１Ａ，４１Ｂ 垂直面 ４１Ｃ 水平面 ４２ 水平変位検出部（Ｙ軸方向変位検出手段） ４３ 垂直変位検出部（Ｚ軸方向変位検出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−239339（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−248872（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−281665（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−312576（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−123631（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−123632（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 9/04 G01C 19/56

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板に設けられた支持部と、
   基端側が該支持部に設けられた第１の支持梁と、前記基
   板の表面から離間した状態で該第１の支持梁の先端側に
   設けられ、前記基板に対して水平なＸ軸，Ｙ軸方向に変
   位可能な第１の振動体と、基端側が該第１の振動体に設
   けられた第２の支持梁と、前記基板の表面から離間した
   状態で該第２の支持梁の先端側に設けられ、前記第１の
   振動体と共に前記基板に対し水平なＸ軸，Ｙ軸方向に変
   位可能でかつ前記基板と垂直なＺ軸方向に変位可能な第
   ２の振動体と、前記第１の振動体をＸ軸方向に振動させ
   る振動発生手段と、該振動発生手段によって前記第１の
   振動体にＸ軸方向の振動を与えている状態で、角速度に
   よる第２の振動体が変位するときの変位量をＹ軸方向，
   Ｚ軸方向の２方向から検出する変位検出手段とから構成
   してなる角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記変位検出手段は、第２の振動体と基
   板との対向する垂直面によって該第２の振動体のＹ軸方
   向の変位量を検出するＹ軸方向変位検出手段と、第２の
   振動体と基板との対向する水平面によって該第２の振動
   体のＺ軸方向の変位量を検出するＺ軸方向変位検出手段
   とから構成してなる請求項１に記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記変位検出手段は、前記基板上に形成
   されて水平面と垂直面とを有する固定側検出用電極と、
   該固定側検出用電極と離間した状態で対向して前記第２
   の振動体に形成されて水平面と垂直面とを有する可動側
   検出用電極とからなり、これら固定側検出用電極と可動
   側検出用電極は前記基板の表面と平行にＸ軸方向に伸長
   して形成してなる請求項１または２に記載の角速度セン
   サ。
4. 【請求項４】 前記固定側検出用電極は、それぞれ離間
   した状態で前記基板上に形成された少なくとも一対の突
   起状電極と、該各突起状電極間に位置した基板上に形成
   された基板側電極とからなり、前記可動側検出用電極
   は、前記各突起状電極，基板側電極と対向するように前
   記第２の振動体に形成された突起状電極とから構成して
   なる請求項３に記載の角速度センサ。