JP3418904B2

JP3418904B2 - 振動式角速度検出器

Info

Publication number: JP3418904B2
Application number: JP31446097A
Authority: JP
Inventors: 基弘藤吉; 義輝大村; 徳夫藤塚; 裕野々村
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 2003-06-23
Anticipated expiration: 2017-10-29
Also published as: JPH11132770A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体の微細加工によ
り形成され、角速度を振動子に生起されるコリオリ力に
関連して検出するようにした角速度検出器に関する。詳
しくは、ビームにより振動可能に支持された振動子を１
軸方向に励振させるときに、その振動が他軸方向に漏れ
ることによる角速度の検出精度の低下を防止した検出器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の角速度検出器としては、
特開平７−４３１６６号に記載の検出器が知られてい
る。この技術は、図１７、図１８に示すように、振動子
であるマス部１０をｙ軸方向に伸びたビーム２１、２
２、２３、２４で支持している。そして、固定櫛歯電極
４２とその固定櫛歯電極４２と噛み合う可動櫛歯電極４
１との間に交流電圧が印加され、それらの電極４２、４
１間に発生する静電力により、マス部１０はビームの軸
に垂直なｘ軸方向に振動する。この振動状態で、マス部
１０にｙ軸回りの角速度ωが作用すると、マス部１０に
は基板面１ａに垂直なｚ軸方向に振動するコリオリ力が
生起する。ビーム２１、２２、２３、２４はｚ軸方向に
も屈曲可能であるので、このコリオリ力によりマス部１
０はｚ軸方向に振動する。この振動の振幅が、マス部１
０に平行にマス部１０を挟んでｚ軸方向に対向して配設
された検出電極５１、５２間の静電容量の変化により測
定される。このようにｚ軸方向の振動振幅により角速度
ωが検出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ビーム２
１、２２、２３、２４は線状体であるためにｘ軸、ｚ軸
方向に容易に屈曲可能であるために、ｘ軸方向の励振成
分がｚ軸方向に漏れ、角速度ωが作用していないにも係
わらず、角速度ωの検出値が０にならないという問題が
ある。次に、ｘ軸方向の振動成分がｚ軸方向へ漏れる理
由について述べる。

【０００４】上述の角速度検出器は、微細加工に適した
いわゆる半導体プロセス技術を利用して製造されてい
る。ところが、半導体プロセス技術においても、常に、
正確で均一な加工形状を得ることは困難である。例え
ば、エッチング工程における不均一エッチングのため
に、ビームのｙ軸に垂直な断面形状が長方形や正方形に
はならず、図１９に示すように、エッチングによる突起
２１１を生じる。このように、ビームのｙ軸に垂直な断
面形状がｘ軸対象とはならない場合がある。

【０００５】ビームの断面形状が図２０に示すようにｘ
軸対象、ｚ軸対象である場合には、ビーム断面に対する
主断面二次モーメントの方向、即ち、ビームの曲がり易
い方向は、ｘ軸方向とｚ軸方向である。このビームにｘ
軸方向に外力を加えても、その外力の方向が主断面二次
モーメントの方向と一致するために、ビームはｚ軸方向
には屈曲しない。即ち、ｘ軸方向の励振成分がｚ軸方向
に漏れることはない。

【０００６】しかしながら、ビームの断面形状が、図２
１に示すようにｘ軸対象でない場合には、主断面二次モ
ーメントの方向はｘ^'軸方向、ｚ^'軸方向となる。この
ビームにｘ軸方向に外力を加えると、外力の方向と主断
面二次モーメントの方向（ｘ^'軸方向）との間の成す角
はαとなる。従って、ビームの変位方向はｘ^'軸方向に
対して角度βだけ回転した方向、即ち、ｘ軸方向からγ
だけ回転した方向となる。このため、ｚ軸方向の変位成
分が現れることになり、ｘ軸方向の励振成分がｚ軸方向
に漏れることになる。ビームの断面形状を対象形状にす
るには、レーザ加工によりトリミングすることも考えら
れるが、ビームの幅は数μｍ程度と極めて細く、そのた
め、同程度のビーム径を有したレーザで加工することは
困難である。又、マス部やビーム構造は、角速度の検出
感度を向上させるために、ｚ軸方向に対して励振周波数
で共振するように設計されている。このため、少しのｚ
軸方向のもれ振動が大きく増幅されることになる。

【０００７】この結果、角速度が存在しない場合にも、
検出電極５１、５２はｚ軸方向の振動の振幅を検出する
ことになり、角速度の検出値が０とはならない。このよ
うに、ビームの微細加工による形状精度が得られないた
めに、角速度の検出精度が良くないという問題がある。

【０００８】そこで、本発明の目的は、ビームの断面形
状に対象性がなくとも、ｘ軸方向の励振によるｚ軸方向
への漏れ振動を抑制する構造とすることで、角速度検出
器の検出精度を向上させることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の第１の発明群の構成は、基板面上にｘ軸とｘ軸に垂直
なｙ軸をとり、基板面に垂直にｚ軸をとるとき、慣性質
量を有するマス部を基板に対して振動可能に支持しｙ軸
に平行に配設された励振ビームを有し、そのマス部をｘ
軸方向に励振させ、ｙ軸又はｚ軸の回りの角速度を、そ
れぞれ、ｚ軸方向又はｙ軸方向に発生するコリオリ力に
関連する物理量を検出することで、角速度を検出する振
動式角速度検出器において、励振ビームのｙ軸方向の中
心軸の回りの捩れ角を制御する捩れ角制御手段を設けた
ことを特徴とするものである。

【００１０】この捩れ角制御手段のより具体的な構成は
以下の通りである。請求項１に係る発明においては、励
振ビームから延設された可動電極と、この可動電極に対
して対向して設けられた固定電極とで構成することがで
きる。この固定電極と可動電極間に電圧を印加すること
で、励振ビームの中心軸回りの捩じり角を変化させるこ
とができる。例えば可動電極は励振ビームからｘ軸方向
に延設され、固定電極はｚ軸方向に対向して設けられる
ものとすれば良い。更には、同様の構成の検出電極と励
振電極とを設けて、検出電極の出力値からｚ軸方向の変
位を検出し、その変位が常に０となるように、そのｚ軸
励振電極に交流電圧を印加して、その印加電圧の振幅か
ら角速度ωを検出するようにしても良い。

【００１１】又、第２の発明群の構成は、基板面上にｘ
軸とｘ軸に垂直なｙ軸をとり、基板面に垂直にｚ軸をと
るとき、慣性質量を有するマス部をｘ軸方向に延設され
た検出ビームでｙ軸及びｚ軸方向に振動可能に支持する
可動枠体と、この可動枠体をｘ軸及びｚ軸方向に振動可
能に支持し、ｙ軸に平行に配設された励振ビームとを有
し、可動枠体をｘ軸方向に励振させ、ｙ軸又はｚ軸の回
りの角速度を、それぞれ、ｚ軸方向又はｙ軸方向に発生
するコリオリ力に関連する物理量を検出することで、角
速度を検出する振動式角速度検出器において、可動枠体
のｚ軸方向の振動を抑制する振動抑制手段を設けたこと
を特徴とする。

【００１２】即ち、上記構成の励振ビームで可動枠体を
ｘ軸及びｚ軸方向に振動可能に支持し、その可動枠体か
らｘ軸方向に延設された検出ビームでマス部をｙ軸及び
ｚ軸方向に振動可能に支持するように角速度検出器を構
成する。そして、この可動枠体のｚ軸方向の振動を抑制
する振動抑制手段を設ける。この振動抑制手段として
は、請求項２に係る発明においては、ｚ軸方向の振動に
対して共振する吸振器を可動枠体に配設する構成であ
る。これにより、可動枠体のｚ軸方向の振動が吸振器で
吸収される結果、マス部にはｚ軸方向の漏れ振動が生じ
ないため、検出精度が向上する。又、請求項３に係る発
明においては、この吸振器に対向して電極を設け、この
吸振器と電極間に電圧を印加して静電力を発生させ、吸
振器内の応力を電気的に変化させることで、吸振器の共
振周波数を変化させることができる。

【００１３】さらに、他の振動抑制手段として、請求項
４に係る発明においては、可動枠体に対してｚ軸方向の
振動に対して流体抵抗となる制振子を可動枠体に設ける
構成を採用する。さらに、他の振動抑制手段として、請
求項５に係る発明においては、ｚ軸方向に微小間隙で可
動枠体に対向させた制振子を設け、微小間隙による粘性
抵抗により可動体のｚ軸方向の振動を抑制する構成を採
用する。

【００１４】

【発明の作用及び効果】励振ビームはｙ軸方向に配設さ
れているので、ｘ軸及びｚ軸方向には容易に屈曲でき
る。励振ビームによる支持構造により、マス部はｘ軸方
向に励振される。この時、捩れ角制御手段により、励振
ビームのｙ軸方向の中心軸の回りの捩れ角が制御され
る。この捩れ角の制御により、励振ビームの主断面二次
モーメントの方向をｘ軸方向とすることができる。この
結果、励振のｚ軸成分を０にすることができるので、検
出軸であるｚ軸又はｙ軸への励振の漏れ振動成分を抑制
することができる。従って、角速度の検出精度が向上す
る。

【００１５】他の発明では、上記の発明と同一理由によ
り、励振ビームの断面形状の非対称性により、ｘ軸方向
の励振がｚ軸方向に漏れ、可動枠体がｚ軸方向に振動す
る。この時、可動枠体のｚ軸方向の振動が、振動抑制手
段により抑制される結果、検出ビームを介したマス部の
角速度の検出軸であるｚ軸又はｙ軸方向への漏れ振動が
抑制される。この結果、角速度の検出精度が向上する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。〔第１実施例〕図１は本発明の具体的な第１実施例にか
かる角速度検出器１００の平面図であり、図２、図３は
その断面図である。図１において、紙面が基板面であ
り、基板面に垂直な方向にｚ軸、基板面上に図のように
ｘ軸、ｙ軸をとる。この検出器１００ではｙ軸の回りの
角速度ωが検出され、ｘ軸が励振軸、ｚ軸が検出軸であ
る。マス部１０の＋ｙ軸方向の側１０ａには、励振ビー
ム２１、２２が＋ｙ軸方向に延設されており、マス部１
０の−ｙ軸方向の側１０ｂには、励振ビーム２３、２４
が−ｙ軸方向に延設されている。

【００１７】これらの励振ビーム２１、２２、２３、２
４の一端２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａは基板１上に
積層された枠部１１を介して基板１に固定されている。
励振ビーム２１、２２、２３、２４及びマス部１０と基
板面１ａとの間には間隙がある。これらのビームによる
支持構造により、マス部１０は基板１に対して浮上して
基板１に支持されており、ｘ軸方向及びｚ軸方向への変
位が容易である。

【００１８】又、マス部１０の＋ｘ軸側の一端１０ｃに
は、歯がｘ軸方向に伸びた可動櫛歯電極４１がｙ軸方向
に沿って形成されている。そして、その可動櫛歯電極４
１に噛み合うように固定櫛歯電極４２が基板１の枠部１
１に固定されている。この可動櫛歯電極４１と固定櫛歯
電極４２とで励振電極が構成される。同様に、マス部１
０の−ｘ軸側の端部１０ｄには、歯が−ｘ軸方向に伸び
た可動櫛歯電極４３がｙ軸方向に沿って形成されてい
る。そして、その可動櫛歯電極４３に噛み合うように固
定櫛歯電極４４が基板１の枠部１１に固定されている。
この可動櫛歯電極４３と固定櫛歯電極４４とで励振検出
電極が構成される。この励振電極、励振検出電極の可動
櫛歯電極４１、４３はマス部１０の振動と共にｘ軸方向
とｚ軸方向に変位可能である。

【００１９】又、図３に示すように、マス部１０に平行
に一定間隙を隔ててｚ軸方向の両側からそれを挟むよう
に、検出電極５１、５２が配設されている。この検出電
極５１、５２は基板１の枠部１１からｙ軸方向に伸びて
形成されている。この一対の検出電極５１、５２とマス
部１０間の静電容量により、マス部１０のｚ軸方向の変
位が検出できる。

【００２０】次に、捩じり角制御手段の構成について説
明する。１つの励振ビーム２１について言えば、励振ビ
ーム２１と一体的に±ｘ軸方向に伸びた可動電極３１、
３２が形成されている。そして、可動電極３１と平行
に、一定の間隙を隔てて可動電極３１を両側から挟むよ
うに対向して、固定電極３１１、３１２が配設されてい
る。同様に、可動電極３２に対して、その両側から固定
電極３２１、３２２が配設されている。この可動電極３
１、３２と対向する固定電極３１１、３１２、３２１、
３２２とで、励振ビーム２１に対する捩じり角制御電極
（捩じり角制御手段）が構成されている。他の励振ビー
ム２２、２３、２４についても、同様に、それぞれ、可
動電極３３、３４と、３５、３６と、３７、３８とがそ
れぞれの励振ビームから±ｘ軸方向に延設されている。
それらの可動電極に対して、同様に、固定電極３３１、
３３２、３４１、３４２等が配設されている。このよう
にして、励振ビーム２１〜２４に対する捩じり角制御電
極が形成されている。可動電極３１〜３４に対する固定
電極３１１〜３４２は、基板１の枠部１１のｙ軸方向の
端部１１ａから−ｙ軸方向に延設されている。同様に、
可動電極３５〜３８に対する固定電極（図示略）は、基
板１の枠部１１の−ｙ軸方向の端部１１ｂから＋ｙ軸方
向に延設されている。

【００２１】基板１の枠部１１の上面に蓋基板１２が陽
極接合され、基板１と蓋基板１２とで形成される内部空
間は真空である。励振電極の固定電極４２、励振検出電
極の固定電極４４、検出電極５１、５２、捩じり角制御
電極の各固定電極３１１〜３４２等は層構成により、枠
部１１の外側に基板１に沿って引き出され、引き出され
たところにおいて、それぞれには、図示しない電気配線
層が接続されている。又、マス部１０、励振ビーム２１
〜２４はアース電位となるように構成されている。

【００２２】上記構造の角速度検出器１００は、次のよ
うに製造される。この製造方法は、半導体の微細加工技
術により製造され、公知の技術である。シリコン基板１
の上にシリコン酸化膜１０２を形成し、このシリコン酸
化膜１０２の上に、不純物を添加して導電性を持たせた
シリコン層１０３を形成する。次に、シリコン層１０３
の上にフォトレジストを塗布し、所定形状にパターニン
グした後、フォトレジストをマスクとして、シリコン層
１０３を所定形状にエッチングして、図４（ａ）に示す
ように、捩じり角制御電極の固定電極３１２〜３４２等
と、検出電極５２（図３）と、枠部１１を形成する。次
に、酸化シリコン膜１０４とシリコン層１０５を順次積
層し、同様に、フォトリソグラフィによりシリコン層１
０５を所定形状にエッチングして、図４（ｂ）に示すよ
うに、マス部１０、励振ビーム２１〜２４、励振電極の
可動櫛歯電極４１と固定櫛歯電極４２、励振検出電極の
可動櫛歯電極４３と固定櫛歯電極４４、捩じり角制御電
極の可動電極３１〜３８を形成する（図４（ｂ）には、
励振ビーム２１、２２、可動電極３１〜３４のみが現れ
ている）。

【００２３】次に、酸化シリコン膜１０６とシリコン層
１０７を積層して、シリコン層１０７をパターニングし
て、図４（ｃ）に示すように、捩じり角制御電極の固定
電極３１１〜３４１等と検出電極５１を形成する。次
に、図４（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜１０８を
形成し、捩じり角制御電極の固定電極３１１〜３４１等
と検出電極５１と枠部１１の形状に合わせてフォトレジ
スト１０９をパターンニングした。この状態で、基板１
全体をフッ酸溶液に浸すことで、フッ酸溶液と接触する
シリコン酸化膜１０８、１０６、１０４、１０２が順次
除去される。このように、犠牲層エッチング技術を用い
て、マス部１０、励振ビーム２１〜２４、捩じり角制御
電極の可動電極３１〜３８、励振電極の可動櫛歯電極４
１、励振検出電極の可動櫛歯電極４３（以下、これらの
構成要素を「浮上体」と定義する）を、基板１に対して
浮上した状態で基板１に支持することができる。

【００２４】この時、フッ酸液の浸透が容易なように、
面積の大きいマス部１０は多数の窓を有する格子状に形
成されている。マス部１０においては、所定の慣性質量
が必要であるため、開口部の総合面積をあまり大きくす
ることはできない。よって、マス部１０のシリコン膜１
０５の厚みと各窓の１辺の長さを同程度とする。

【００２５】尚、基板１の材料は特に限定されない。シ
リコンの他、他の半導体、セラミックス、ガラス等を用
いることもできる。又、エッチング犠牲層としては、シ
リコン酸化膜の他、窒化シリコン膜、アルミナ等を用い
ることもできる。さらに、マス部、励振ビーム、捩じり
角制御電極、励振電極、励振検出電極、検出電極等の機
能層としては、弾性があれば良く、単結晶、他結晶のシ
リコンの他、ニッケル等の金属、他の弾性体材料を用い
ることができる。シリコンを用いた場合には、その層に
より電極を形成する関係上、電導率が大きい程望まし
く、ドナー、アクセプタ不純物を添加するのが望まし
い。

【００２６】次に、上記の角速度検出器１００の動作に
ついて説明する。励振電極の固定櫛歯電極４２に交流電
圧を印加する。すると、固定櫛歯電極４２と可動櫛歯電
極４１との間に交流の静電力が作用し、マス部１０を含
む浮上体はｘ軸方向に振動する。即ち、図５に示すよう
に、可動櫛歯電極４１が固定櫛歯電極４２の側に吸引さ
れると、マス部１０は＋ｘ軸側に変位する。この時、励
振ビーム２１〜２４は＋ｘ軸方向に凸に湾曲する。逆
に、可動櫛歯電極４１が固定櫛歯電極４２から排斥され
ると、マス部１０は−ｘ軸側に変位する。この時、励振
ビーム２１〜２４は−ｘ軸方向に凸に湾曲する。

【００２７】このようにマス部１０をｘ軸方向に励振す
る時、次のように励振ビーム２１〜２４のｙ軸に平行な
中心軸回りの捩じり角を調整する。励振ビーム２１につ
いて言えば、捩じり角制御電極の−ｘ軸側固定電極３１
１、３１２と、＋ｘ軸側固定電極３２１、３２２に印加
する電圧の大きさを調整する。この電圧により可動電極
３１は−ｘ軸側固定電極３１１、３１２から力ｆ１を受
け、可動電極３２は＋ｘ軸側固定電極３２１、３２２か
ら力ｆ２を受ける。これらの力ｆ１、ｆ２により、励振
ビーム２１にはそのｙ軸に平行な中心軸回りにトルクが
作用する。この結果、、励振ビーム２１のｙ軸に平行な
中心軸回りの捩じり角を変化させることができる。他の
励振ビーム２２〜２３についても同様に、捩じり角制御
電極の−ｘ軸側固定電極と＋ｘ軸側固定電極に印加する
電圧の大きさを変化させることで、各励振ビームの中心
軸回りの捩じり角を制御できる。

【００２８】図６に示すように、捩じり角制御電極の固
定電極３１１、３１２に印加する電圧と、固定電極３２
１、３２２に印加する電圧とを制御することで、励振ビ
ーム２１の主断面二次モーメントの方向ｘ^'を励振軸で
あるｘ軸方向に一致させることができる。このように、
励振ビーム２１の捩じり角を制御すれば、励振ビーム２
１はｘ軸方向に励振させても、ｚ軸方向には振動しな
い。他の励振ビーム２２〜２４についても同様である。

【００２９】ｙ軸の回りに角速度ωが作用しない状態
で、マス部１０をｘ軸方向に励振して、検出電極５１、
５２で検出されるマス部１０の振動振幅が０となるよう
に、捩じり角制御電極の各固定電極に印加する電圧をフ
ィードバック制御することで、ｘ軸方向の励振によるｚ
軸方向の漏れ振動を抑制することができる。この結果、
角速度ωの検出精度が向上する。

【００３０】励振ビーム２１〜２４による支持構造によ
り、マス部１０は容易にｘ軸方向に振動する。この振動
の変位ｘをｘ＝ｘ₀sinαt とする。但し、αは励振電極
に印加する電圧の角周波数であり、励振周波数である。
ｘ₀はｘ軸方向の振動振幅である。速度Ｖ_xはＶ_x＝ｘ
₀αcosαtとなる。この振動状態で、ｙ軸の回りに角速
度ωが作用すると、マス部１０にはｚ軸方向にコリオリ
力Ｆが作用する。このコリオリ力Ｆは次式で得られる。

【００３１】

【数１】Ｆ＝２ｍωＶ_x ＝２ｍωｘ₀αcosαt …（１）但し、ｍはマス部１０の質量である。

【００３２】よって、マス部１０には（１）式の力Ｆが
ｚ軸方向に作用し、その方向にｘ軸方向の振動数と同じ
振動数で振動する。

【００３３】このｚ軸方向の振動変位を検出電極５１、
５２とマス部１０間の静電容量の変化で検出することが
できる。そして、コリオリ力Ｆが角速度ωに比例するた
めに、このｚ軸方向の変位は角速度ωに比例する。この
ｚ軸方向の振幅から角速度ωを検出することができる。

【００３４】励振検出電極である可動櫛歯電極４３と固
定櫛歯電極４４とによりｘ軸方向の変位が検出されるこ
とで、ｘ軸方向の励振振幅ｘ₀を検出することができ
る。そして、その励振振幅ｘ₀が常に一定値となるよう
に、励振電極の固定電極４２への印加電圧の大きさをフ
ィードバック制御することで、マス部１０のｘ軸方向の
励振振幅を常に一定値ｘ₀にすることができる。

【００３５】又、上記の実施例では、ｚ軸方向の変位を
検出電極５１、５２とマス部１０間の静電容量の変化で
検出している。しかし、検出電極５１、５２と同様な構
造の一対のｚ軸励振電極を設け、検出電極５１、５２の
出力値からｚ軸方向の変位を検出し、その変位が常に０
となるように、そのｚ軸励振電極に交流電圧を印加し
て、その印加電圧の振幅から角速度ωを検出するように
しても良い。即ち、（１）式で表されるコリオリ力Ｆを
相殺する外力をマス部１０に与えるように、ｚ軸励振電
極に電圧を印加する。ｚ軸方向の変位が０となる状態で
角速度ωを検出すれば、非線型誤差を排除することが可
能となり、より検出精度を向上させることができる。

【００３６】〔第２実施例〕次に、第２実施例の角速度
検出器２００について説明する。図７はその角速度検出
器２００の構成を示している。第１実施例と同様に、紙
面が基板面１ａであり、周辺部に、マス部１０を含む浮
上体を支持するための枠体１１が基板１上に形成されて
いる。図のようにｘｙｚ座標系が設定されている。ｘ軸
が励振軸、基板面１ａに垂直なｚ軸が検出軸である。励
振ビーム２１〜２４、励振電極の可動櫛歯電極４１と固
定櫛歯電極４２、励振検出電極の可動櫛歯電極４３、固
定櫛歯電極４４は、ｚ軸方向の変位を検出する検出電極
５１、５２（図７には表現されていない）は、第１実施
例の対応する部分と同一である。第２実施例では、励振
ビーム２１〜２４によりｘ軸及びｚ軸方向に振動可能に
可動枠体１２が支持され、その可動枠体１２に対してｙ
軸及びｚ軸方向に変位可能にマス部１０が支持されてい
る。即ち、可動枠体１２から−ｘ軸方向に伸びた検出ビ
ーム２５、２６と＋ｘ軸方向に伸びた検出ビーム２７、
２８とによりマス部１０がｚ軸及びｙ軸方向に振動可能
に配設されている。

【００３７】又、第２実施例では、励振ビーム２１〜２
４の捩じり角を制御する捩じり角制御電極に代えて、可
動枠体１２に次の振動抑制手段としての吸振器４１０〜
４４０が配設されている。可動枠体１２の＋ｙ軸側の端
部１２ａから、吸振ビーム４１１と吸振マス４１２とか
ら成る吸振器４１０と、吸振ビーム４２１と吸振マス４
２２とから成る吸振器４２０とが延設されている。同様
に、可動枠体１２の−ｙ軸側の端部１２ｂから吸振ビー
ム４３１と吸振マス４３２とから成る吸振器４３０と、
吸振ビーム４４１と吸振マス４４２とから成る吸振器４
４０とが延設されている。

【００３８】次に、この角速度検出器２００の作動につ
いて説明する。第１実施例と同様に、励振電極の固定櫛
歯電極４２に交流電圧が印加され、可動枠体１２、検出
ビーム２５〜２８、マス部１０から成る浮上体は、ｘ軸
方向に励振される。この状態でｙ軸の回りに角速度ωが
作用すると、マス部１０にはｚ軸方向に振動するコリオ
リ力が作用し、検出ビーム２５〜２８のｚ軸方向の屈曲
作用により、マス部１０はｚ軸方向に角速度ωとｘ軸方
向の励振振幅ｘ₀及び励振周波数αに比例した振幅で振
動する。この振幅が検出電極５１、５２で検出されて、
角速度ωが検出される。

【００３９】この時、励振ビーム２１〜２４の断面形状
の非対称性により、ｘ軸方向の励振がｚ軸方向の振動成
分として漏れ、浮上体はｚ軸方向にも振動する。各吸振
器４１０〜４４０の共振周波数は励振周波数αに等しく
なるように、共振ビーム４１１〜４４１の幅及び長さ、
共振マス４１２〜４４２の質量が調整されている。この
ために、この吸振器４１０〜４４０はｚ軸方向の漏れ励
振成分に反応し容易に振動し、その結果として、浮上体
のｚ軸方向に漏れた励振周波数αの振動を吸収する。こ
のため、浮上体は、ｘ軸方向の励振される時、ｚ軸方向
には振動しないことになる。よって、マス部１０は、励
振のｚ軸方向の漏れ振動が現れないために、角速度の検
出精度が向上する。尚、マス部１０にｚ軸方向に振動す
るコリオリ力が作用した場合には、検出ビーム２５〜２
８の作用により、マス部１０はｚ軸方向に容易に振動
し、ωｘ₀αに比例した振幅が得られる。又、マス部１
０のｚ軸方向の共振周波数は励振周波数αと等しく設計
されている。

【００４０】〔第３実施例〕次に、第３実施例について
説明する。図８、図９は第３実施例にかかる角速度検出
器３００の構成を示している。第２実施例とは次の点に
おいてのみ異なる。基板１の枠部１１に固定され、吸振
器４１０〜４４０と共に振動抑制手段を構成する共振周
波数調整電極４５、４６に直流電圧が印加され、静電力
により吸振器４１０、４２０と４３０、４４０に対して
ｙ軸方向に外力Ｊが与えられる。この外力Ｊにより吸振
ビーム４１１〜４４１の張力が変化する。こにより、吸
振器４１０〜４４０の共振周波数を共振周波数調整電極
４５、４６に印加する電圧により変化させることができ
る。よって、製造プロセスにおける誤差等により浮上体
の共振周波数が設計値からずれても、吸振器４１０〜４
４０の共振周波数を電圧調整できるために、ｚ軸方向の
漏れ振動を効果的に抑制することができる。この場合に
は、角速度ωが作用していない状態で、検出値が０とな
るように共振周波数調整電極４５、４６に印加する電圧
を調整する。

【００４１】〔第４実施例〕次に、第４実施例について
説明する。図１０、図１１は第４実施例にかかる角速度
検出器４００の構成を示している。第３実施例が、吸振
器４１０〜４４０に対してｙ軸方向に外力Ｊを印加する
ようにしているのに対して、第４実施例は吸振器４１０
〜４４０にｚ軸方向に外力Ｊを印加するようにしてい
る。このために、吸振マス４１２について言えば、吸振
マス４１２のｚ軸方向の両側から、共振周波数調整電極
４５１、４５２を吸振マス４１２に対して所定間隙を隔
てて配設して、各共振周波数調整電極４５１、４５２と
吸振マス４１２との間に同一電圧を印加する。これによ
り、吸振マス４１２に＋ｚ軸方向と−ｚ軸方向に等しい
外力Ｊが作用することになり、ｚ軸方向の共振周波数を
変化させることができる。この場合も、角速度ωが作用
していない状態で、検出値が０となるように共振周波数
調整電極４５１、４５２、４６１、４６２に印加する電
圧を調整する。

【００４２】

【第５実施例】次に、第５実施例について説明する。図
１２は第５実施例にかかる角速度検出器５００の構成を
示している。この角速度検出器５００は、検出軸の方向
が上記の全実施例と異なる。即ち、この第５実施例の角
速度検出器５００は、紙面の基板面１ａに垂直な方向で
あるｚ軸回りの角速度ωを、ｘ軸を励振軸、ｙ軸を検出
軸として測定する。可動枠体１２に固定された検出ビー
ム２５〜２８はｘ軸方向に直線状に伸びていることか
ら、ｚ軸及びｙ軸方向に屈曲する。よって、ｘ軸方向の
励振とｚ軸回りの角速度ωによって生じるｙ軸方向に振
動するコリオリ力によるｙ軸方向の変位を検出すること
で、角速度ωが検出できる。ｙ軸方向の変位は、マス部
１０から延設された検出電極を構成する可動櫛歯電極５
１１とこの電極と噛み合い基板１に固定された固定櫛歯
電極５２１、５３１間の静電容量、マス部１０から延設
された可動櫛歯電極５１２とこの電極と噛み合い基板１
に固定された固定櫛歯電極５２２、５３２間の静電容量
との少なくとも一方を測定することで、マス部１０のｙ
軸方向の振幅を測定することができる。

【００４３】尚、＋ｙ軸側に配設された固定櫛歯電極５
２２、５３２により検出されたｙ軸方向の振幅が０とな
るように、−ｙ軸側に配設された固定櫛歯電極５２１、
５３１と可動櫛歯電極５１１間に励振周波数αと同一周
波数の交流電圧を印加し、その交流電圧の振幅から角速
度ωを検出することもできる。

【００４４】このように、励振軸（ｘ軸）と検出軸（ｙ
軸）とが基板面１ａ上に存在する角速度検出器において
は、検出ビーム２５〜２８に関し、励振ビーム２１〜２
４と同様な問題を有する。即ち、検出ビーム２５〜２８
の断面形状の非対象性によりｚ軸方向の振動が検出軸で
あるｙ軸方向に漏れる。よって、検出精度を向上させる
ためには、可動枠体１２のｚ軸方向の振動を抑制するこ
とが望ましい。そのために、第５実施例の角速度検出器
５００は、ｙ軸方向に検出軸を有する検出器において、
可動枠体１２に第２実施例〜第４実施例で説明した振動
抑制手段としての吸振器４１０〜４４０（図１２はこれ
を示している）や共振周波数制御電極４５、４６、４５
１、４５２、４６１、４６２を設けたものである。

【００４５】〔第６実施例〕次に、第６実施例について
説明する。図１３、図１４は、可動枠体１２にｚ軸方向
の振動を空気抵抗により抑制する角速度検出器６００、
７００を示している。図１３において、可動枠体１２の
＋ｙ軸側の端部にｚ軸に垂直な面から成る複数枚の羽根
を有した振動抑制手段としての制振子６１、６２が配設
されている。この制振子６１、６２はｘ軸方向には抵抗
とならないので、励振を妨げるものでなく、励振のｚ軸
方向の漏れ振動のみを抑制することができる。図１４
は、励振軸と検出軸とが基板面上に存在する第５実施例
の角速度検出器において、振動抑制手段としての制振子
６１、６２を設けたものである。

【００４６】〔第７実施例〕次に、第７実施例について
説明する。図１５に示す角速度検出器８００は、可動枠
体１２の下部に可動枠体１２と略同一形状に振動抑制手
段としての制振子６３を有している。この制振子６３は
可動枠体１２の下部の間隙６４を狭くするものである。
この間隙６４が狭いと、気体の粘性効果により基板１の
垂直方向には振動が抑制される。一方、マス部１０と基
板面１ａとの間隙６５は広いので、マス部１０はｚ軸方
向の振動が抑制されることがない。図１６は、励振軸と
検出軸とが基板面上に存在する第５実施例の角速度検出
器において、振動抑制手段としての制振子６３を設けた
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体的な第１実施例に係る角速度検出
器の構成を示した平面図。

【図２】第１実施例に係る角速度検出器の構成を示した
断面図。

【図３】同第１実施例に係る角速度検出器の構成を示し
た断面図。

【図４】第１実施例に係る角速度検出器の製造工程を示
した断面図。

【図５】第１実施例に係る角速度検出器の変位の様子を
示した説明図。

【図６】励振ビームの捩じり角を制御する方法を示した
説明図。

【図７】第２実施例に係る角速度検出器の構成を示した
平面図。

【図８】第３実施例に係る角速度検出器の構成を示した
平面図。

【図９】第３実施例に係る角速度検出器の構成を示した
断面図。

【図１０】第４実施例に係る角速度検出器の構成を示し
た平面図。

【図１１】第４実施例に係る角速度検出器の構成を示し
た断面図。

【図１２】第５実施例に係る角速度検出器の構成を示し
た平面図。

【図１３】第６実施例に係る角速度検出器の構成を示し
た平面図。

【図１４】第６実施例に係る角速度検出器の構成を示し
た平面図。

【図１５】第７実施例に係る角速度検出器の構成を示し
た平面図。

【図１６】第７実施例に係る角速度検出器の構成を示し
た平面図。

【図１７】従来の角速度検出器の構成を示した平面図。

【図１８】従来の角速度検出器の構成を示した断面図。

【図１９】従来の角速度検出器の問題点を示した説明
図。

【図２０】励振ビームの捩じり角による励振漏れ振動が
発生する理由を示した説明図。

【図２１】励振ビームの捩じり角による励振漏れ振動が
発生する理由を示した説明図。

【符号の説明】

１…基板１０…マス部１１…枠部１２…可動枠２１、２２、２３、２４…励振ビーム３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８…可
動電極（捩じり角制御電極）３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２、３
４１、３４２…固定電極（捩じり角制御電極）４１、４３…可動櫛歯電極（励振電極）４２、４４…固定櫛歯電極（励振電極）４１０、４２０、４３０、４４０…吸振器４５、４６、４５１、４５２、４６１、４６２…共振周
波数調整電極６１、６２、６３…制振子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野々村裕愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献特開平７−43166（ＪＰ，Ａ) 特開平８−334334（ＪＰ，Ａ) 特開平８−184448（ＪＰ，Ａ) 特開平７−239339（ＪＰ，Ａ) 特開平６−123631（ＪＰ，Ａ) 特開平７−120266（ＪＰ，Ａ) 実開平７−32514（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板面上にｘ軸とｘ軸に垂直なｙ軸をと
り、基板面に垂直にｚ軸をとるとき、慣性質量を有する
マス部を基板に対して振動可能に支持しｙ軸に平行に配
設された励振ビームを有し、そのマス部をｘ軸方向に励
振させ、ｙ軸又はｚ軸の回りの角速度を、それぞれ、ｚ
軸方向又はｙ軸方向に発生するコリオリ力に関連する物
理量を検出することで、前記角速度を検出する振動式角
速度検出器において、前記励振ビームのｙ軸方向の中心軸の回りの捩れ角を制
御するよう、励振ビームから延設された可動電極と、こ
の可動電極に対して対向して設けられた固定電極から成
る捩れ角制御手段を設けたことを特徴とする振動式角速
度検出器。
【請求項２】基板面上にｘ軸とｘ軸に垂直なｙ軸をと
り、基板面に垂直にｚ軸をとるとき、慣性質量を有する
マス部をｘ軸方向に延設された検出ビームでｙ軸及びｚ
軸方向に振動可能に支持する可動枠体と、この可動枠体
をｘ軸及びｚ軸方向に振動可能に支持し、ｙ軸に平行に
配設された励振ビームとを有し、前記可動枠体をｘ軸方
向に励振させ、ｙ軸又はｚ軸の回りの角速度を、それぞ
れ、ｚ軸方向又はｙ軸方向に発生するコリオリ力に関連
する物理量を検出することで、前記角速度を検出する振
動式角速度検出器において、前記可動枠体のｚ軸方向の振動を抑制するよう可動枠体
に配設された、ｚ軸方向の振動に対して共振する吸振器
から成る振動抑制手段を設けたことを特徴とする振動式
角速度検出器。
【請求項３】基板面上にｘ軸とｘ軸に垂直なｙ軸をと
り、基板面に垂直にｚ軸をとるとき、慣性質量を有する
マス部をｘ軸方向に延設された検出ビームでｙ軸及びｚ
軸方向に振動可能に支持する可動枠体と、この可動枠体
をｘ軸及びｚ軸方向に振動可能に支持し、ｙ軸に平行に
配設された励振ビームとを有し、前記可動枠体をｘ軸方
向に励振させ、ｙ軸又はｚ軸の回りの角速度を、それぞ
れ、ｚ軸方向又はｙ軸方向に発生するコリオリ力に関連
する物理量を検出することで、前記角速度を検出する振
動式角速度検出器において、前記可動枠体のｚ軸方向の振動を抑制するよう可動枠体
に配設された、ｚ軸方向の振動に対して共振する吸振器
と、吸振器に対向して電極を設け、この吸振器と電極間
に電圧を印加して静電力を発生させる振動抑制手段を設
けたことを特徴とする振動式角速度検出器。
【請求項４】基板面上にｘ軸とｘ軸に垂直なｙ軸をと
り、基板面に垂直にｚ軸をとるとき、慣性質量を有する
マス部をｘ軸方向に延設された検出ビームでｙ軸及びｚ
軸方向に振動可能に支持する可動枠体と、この可動枠体
をｘ軸及びｚ軸方向に振動可能に支持し、ｙ軸に平行に
配設された励振ビームとを有し、前記可動枠体をｘ軸方
向に励振させ、ｙ軸又はｚ軸の回りの角速度を、それぞ
れ、ｚ軸方向又はｙ軸方向に発生するコリオリ力に関連
する物理量を検出することで、前記角速度を検出する振
動式角速度検出器において、前記可動枠体のｚ軸方向の振動を抑制するよう可動枠体
に設けられた、可動枠体に対してｚ軸方向の振動に対し
て流体抵抗となる制振子から成る振動抑制手段を設けた
ことを特徴とする振動式角速度検出器。
【請求項５】基板面上にｘ軸とｘ軸に垂直なｙ軸をと
り、基板面に垂直にｚ軸をとるとき、慣性質量を有する
マス部をｘ軸方向に延設された検出ビームでｙ軸及びｚ
軸方向に振動可能に支持する可動枠体と、この可動枠体
をｘ軸及びｚ軸方向に振動可能に支持し、ｙ軸に平行に
配設された励振ビームとを有し、前記可動枠体をｘ軸方
向に励振させ、ｙ軸又はｚ軸の回りの角速度を、それぞ
れ、ｚ軸方向又はｙ軸方向に発生するコリオリ力に関連
する物理量を検出することで、前記角速度を検出する振
動式角速度検出器において、前記可動枠体のｚ軸方向の振動を抑制するよう微小間隙
で可動枠体に対向させて設けられた、粘性抵抗により可
動体のｚ軸方向の振動を抑制する振動抑制手段を設けた
ことを特徴とする振動式角速度検出器。