JP3608381B2 - 角速度センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば角速度センサのように、振動体を振動させるのに用いて好適な角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、角速度センサを用いたものとして角速度センサが広く知られている。そこで、この角速度センサは、基板に対して水平なＸ軸，Ｙ軸、垂直なＺ軸の合わせて３軸のうち、振動体をある方向の第１の軸方向、例えばＸ軸方向に一定の振動を与えた状態で、外部からＺ軸（第３の軸）周りの角速度を加えると、振動体にコリオリ力（慣性力）が作用して該振動体はＹ軸（第２の軸）方向に振動する。そして、このコリオリ力による振動体のＹ軸方向の変位を圧電抵抗、静電容量等の変化として検出することにより、Ｚ軸周りに加わる角速度を検出するものである。
【０００３】
ここで、従来技術による角速度センサについて、図８を参照しつつ説明するに、角速度センサとしては特開平６−１２３６３２号公報を例に挙げて示す。
【０００４】
１は従来技術による角速度センサ、２は該角速度センサ１の基台となる板状に形成された基板で、該基板２は例えばガラス材料によって形成されている。
【０００５】
３は基板２上にＰ，Ｂ，Ｓｂ等がドーピングされた低抵抗なポリシリコン、単結晶シリコン等のシリコン材料によって形成された可動部で、該可動部３は基板２の四隅に位置して該基板２上に設けられた４個の梁固定部４と、該各梁固定部４から中央部に向け、Ｘ軸に延びる部分とＹ軸に延びる部分を有してＬ字状に折曲して形成された４本の支持梁５と、該各支持梁５の先端に支持され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に振動可能に設けられた振動体６とからなり、Ｘ軸方向となる振動体６の左右両側面には４枚の電極板７Ａからなる可動側振動電極７が突出形成され、Ｙ軸方向となる振動体６の前後両側面には４枚の電極板８Ａからなる可動側検出電極８が突出形成されている。
【０００６】
また、可動部３は、各梁固定部４のみが基板２に支持され、各支持梁５と振動体６は前記基板２から浮いた状態で支持され、振動体６は各支持梁５のＹ軸と平行となる部分によってＸ軸（第１の軸）方向に振動可能となり、Ｘ軸と平行となる部分によってＹ軸（第２の軸）方向に振動可能となっている。
【０００７】
９，９は基板２上に振動体６を挟んで左右に設けられた一対の振動用固定部で、該各振動用固定部９には、可動側振動電極７と対向する面に４枚の電極板１０Ａからなる固定側振動電極１０が突出形成されている。
【０００８】
１１，１１は基板２上に振動体６を挟んで前後に設けられた一対の検出用固定部で、該各検出用固定部１１には、可動側検出電極８と対向する面に４枚の電極板１２Ａからなる固定側検出電極１２が突出形成されている。
【０００９】
１３，１３は基板２と振動体６との間に設けられた振動発生手段となる振動発生部で、該各振動発生部１３は可動側振動電極７と固定側振動電極１０とから構成され、該電極７，１０の電極板７Ａ，１０Ａとの間には隙間が形成されている。ここで、振動体６の左右の可動側振動電極７と固定側振動電極１０との間に交互に周波数ｆ０ のパルス波または正弦波等の駆動信号を印加すると、各電極板７Ａ，１０Ａ間には静電力が発生し、この静電力によって振動体６は、第１の軸となるＸ軸方向に同じ大きさで交互に振動する。
【００１０】
１４，１４は基板２と振動体６との間に設けられた変位検出手段としての変位検出部で、該各変位検出部１４は可動側検出電極８と固定側検出電極１２とから構成され、該電極８，１２の電極板８Ａ，１２Ａとの間には隙間が形成されている。また、可動側検出電極８と固定側検出電極１２は、検出用の平行平板コンデンサとして構成され、当該各変位検出部１４は各電極板８Ａ，１２Ａ間の重なり面積の変化を静電容量の変化として検出する。
【００１１】
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１３に交互に周波数ｆ０ の駆動信号を入力すると、各電極板７Ａ，１０Ａ間には静電引力が左右の振動発生部１３に対して交互に作用し、振動体６は第１の軸となるＸ軸方向に振動する。このとき、各振動発生部１３によって振動体６をＸ軸方向に移動させるときの、変位ｘとその速度ｖとの関係は、次の数１によって表わされる。
【００１２】
【数１】
ｘ＝Ａｓｉｎωｔ
ｖ＝Ａωｃｏｓωｔ
Ａ ：振動体６の振幅
ω ：駆動モードの角周波数
【００１３】
さらに、振動体６をＸ軸方向に変位ｘ，速度ｖで振動させたとき、Ｚ軸（第３の軸）周りに加わる角速度ΩによってＹ軸（第２の軸）方向に発生するコリオリ力Ｆは数２として表わされる。
【００１４】
【数２】
Ｆ＝２ｍΩｖ
ｍ ：振動体６の質量
Ω ：角速度
ｖ ：振動体６のＸ軸方向の速度
【００１５】
そして、振動体６は数２のコリオリ力ＦによってＹ軸方向に振動し、この振動体６による振動変位を、変位検出部１４では電極板８Ａ，１２Ａとの間の静電容量の変化として検出し、Ｚ軸周りの角速度Ωを検出する。
【００１６】
【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よる角速度センサ１では、その検出精度を高めるために、振動発生部１３によって振動体６を大きな振幅で振動させればよいことは知られている。このため、振動体６の固有振動数（以下共振周波数という）を駆動信号の周波数ｆ０ に近づけるように設計している。
【００１７】
また、一般にばね振動における共振周波数ｆは、下記の数３によって定義されている。
【００１８】
【数３】
ｋ：支持梁５のばね定数
ｍ：振動体６の質量
【００１９】
ここで、従来技術による角速度センサ１では、基板２をガラス材料によって形成し、基板２上に設けられた可動部３、振動用固定部９等はシリコン材料によって形成されている。また、両材料は異なった熱膨張率を持っているため、周囲温度が上昇した場合には、基板２の四隅に位置した梁固定部４間での基板２の伸びと、梁固定部４間に位置した支持梁５、振動体６等の伸びとに差が生じる。
【００２０】
例えば、基板２側のガラス材料の熱膨張率がシリコンよりも大きい場合には、基板２側の伸びが大きくなり、各支持梁５には各梁固定部４から引張り応力が加わり、該支持梁５のばね定数ｋが変化する。このため、上記数３中のばね定数ｋが温度依存性を持つため、共振周波数ｆも温度依存性を有することになる。
【００２１】
そして、温度変化によって共振周波数ｆが変化するため、各振動発生部１３によって振動される振動体６は、その振幅ｘ、速度ｖが変化してしまい、振動体６に一定の振動を起こすことができないという問題がある。
【００２２】
この結果、角速度センサ１は、周囲温度の変化によりＺ軸周りに加わる角速度Ωの検出感度がばらついてしまい、角速度センサ１の信頼性を低下させてしまうという問題があった。
【００２３】
また、一般に、駆動モードと検出モードの共振周波数が近いほど検出感度が高くなることが知られている。従って、周囲温度が変化した場合、温度変化によって駆動モードと検出モードの共振周波数が変化するため、各モード間の共振周波数の差が変化してしまい角速度センサとしての検出感度がばらついてしまう虞れがある。
【００２４】
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、本発明は周囲温度の変化に拘らず振動体を常に一定の振幅で振動させることにより、検出感度のばらつきをなくし、信頼性を高めることのできる角速度センサを提供することを目的としている。
【００２５】
【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の発明では、基板と、該基板上に設けられた枠状体と、基端側が該枠状体内に位置して支持され、前記基板に対して水平面上で互いに直交する第１の軸と第２の軸のうち第２の軸方向に延びる複数本の支持梁と、前記枠状体内に位置して該各支持梁の先端側に前記第１の軸方向と第２の軸方向に振動可能に設けられた振動体と、前記振動体に前記各支持梁を通して第１の軸方向に振動を与える振動発生手段と、前記基板と前記振動体との間に設けられ、該振動発生手段により振動体に第１の軸方向に振動を与えている状態で、該第１の軸と第２の軸に直交する第３の軸周りに角速度が加わったとき前記振動体に生じる第２の軸方向への変位を検出する変位検出手段とからなり、かつ前記枠状体は、前記基板の表面から離間した状態で少なくとも前記第２の軸方向に延び、前記各支持梁の基端側をそれぞれ支持する枠部と、該枠部の一部を前記基板の表面に固定する枠固定部とから構成したことにある。
【００２６】
このように構成することにより、各支持梁の基端側は、第２の軸方向に延びる枠部にそれぞれ固定され、該枠部はその一部を枠固定部によって基板に固定しているから、周囲温度が変化して、基板の伸縮と、振動体、支持梁の伸縮とに差が生じた場合でも、この伸縮の差を第２の軸方向に延びる枠部によって緩和する。そして、伸縮の差から支持梁に加わる応力を低減でき、温度変化に拘らず、支持梁のばね定数を一定に保つことができる。
【００２７】
請求項２の発明では、基板と、該基板上に設けられた枠状体と、基端側が該枠状体内に位置して支持され、前記基板に対して水平面上に互いに直交する第１の軸と第２の軸のうち第２の軸方向に延びる複数本の第１の支持梁と、前記枠状体内に位置して該各第１の支持梁の先端側に前記第１の軸方向に振動可能に設けられた第１の振動体と、基端側が該第１の振動体内に位置して支持され第１の軸方向に延びる第２の支持梁と、該第２の支持梁の先端側に前記第２の軸方向に振動可能に設けられた第２の振動体と、前記第１の振動体に前記各第１の支持梁を通して第１の軸方向に振動を与える振動発生手段と、該振動発生手段により第１の振動体を第１の軸方向に振動を与えている状態で、該第１の軸と第２の軸に直交する第３の軸周りに角速度が加わったとき前記第２の振動体に生じる第２の軸方向への変位を検出する変位検出手段とからなり、かつ前記枠状体は、前記基板の表面から離間した状態で少なくとも前記第１の支持梁の伸長方向に延び、前記各第１の支持梁の基端側をそれぞれ支持する枠部と、該枠部の一部を前記基板の表面に固定する枠固定部とから構成したことにある。
【００２８】
このように構成することにより、各第１の支持梁の基端側は、第１の支持梁の伸長方向に延びる枠部にそれぞれ固定され、該枠部はその一部を枠固定部によって基板に固定しているから、周囲温度が変化したとき、第１の支持梁の伸長方向に延びる枠部によって熱膨張による伸縮の差を緩和し、第１の支持梁に加わる応力を低減でき、このばね定数の変動を低減する。これにより、第１，第２の振動体の質量と第１の支持梁のばね定数とによって設定される第１の軸方向への振動系の共振周波数が、温度変化によって変動するのを抑えることができる。
【００２９】
請求項３の発明では、枠状体の枠部を略口状に形成したことにある。
【００３０】
請求項４の発明では、枠状体の枠部を略コ字状に形成したことにある。
【００３１】
このような構成とすることにより、各支持梁の基端側を、略口状または略コ字状に形成した枠部にそれぞれ固定しているから、周囲温度が変化して熱膨張によって基板が進出した場合でも、支持梁に加わる応力を小さくすることができる。
【００３２】
請求項５の発明では、枠状体、支持梁、振動体を、同一材料によって一体的に形成したことにある。
【００３３】
このように構成することにより、基板から離間した枠状体の枠部、支持梁、振動体が周囲温度の変化によって伸縮した場合でも、同一材料によって形成された各部位の延びは均一となっているから、支持梁のばね定数を一定に保つことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態に適用される角速度センサを、図１ないし図７を参照しつつ説明する。
【００３５】
まず、図１ないし図３に基づいて、本発明による第１の実施の形態について述べる。２１は角速度センサ、２２は該角速度センサ２１の基台をなす矩形状に形成された基板で、該基板２２は例えばガラス材料によって形成されている。
【００３６】
２３は基板２２上にＰ，Ｓ，Ｓｂ等がドーピングされた低抵抗なポリシリコン、単結晶シリコン等のシリコン材料によって形成された可動部で、該可動部２３は基板２２上に設けられた略口状に形成された枠状体２４と、基端側が該枠状体２４の四隅に支持され、先端側が中央部に向けてＹ軸方向に伸びる４本の第１の支持梁２５と、該各第１の支持梁２５の先端に支持され、該各第１の支持梁２５によってＸ軸方向に振動可能な長方形の枠状に形成された第１の振動体２６と、該第１の振動体２６の短尺辺の中央から突出しＸ軸方向に延びる４本の第２の支持梁２７と、該各支持梁２７によってＹ軸方向に振動可能に設けられたＨ字状の第２の振動体２８とから構成されている。
【００３７】
ここで、第１の支持梁２５、第１の振動体２６、第２の振動体２８によって第１の軸方向となるＸ軸方向へ振動する振動系２９を構成し、前記第２の支持梁２７、第２の振動体２８によって第２の軸となるＹ軸方向へ振動する検出系３０を構成している。また、前記振動系２９は、第１の振動体２６と第２の振動体２８の質量と、第１の支持梁２５のばね定数によって設定される振動側共振周波数ｆ１ を有し、検出系３０は、第２の振動体２８の質量と、第２の支持梁２７のばね定数によって設定される検出側共振周波数ｆ２ を有している。
【００３８】
また、枠状体２４は、基板２２から寸法ａだけ離間した状態で、前後に離間してＸ軸方向に伸びる２本の支持辺２４Ａ１ 、左右に離間してＹ軸方向に伸びる２本の固定辺２４Ａ２ によって略口状に形成された枠部２４Ａと、該枠部２４Ａのうち各固定辺２４Ａ２ の中央部に位置して形成された枠固定部２４Ｂとから構成され、該枠状体２４は枠部２４Ａの一部となる枠固定部２４Ｂによって基板２２上に固定されている。また、第１の振動体２６からＹ軸方向に延びる第１の支持梁２５の基端側は、各支持辺２４Ａ１ の左右両側に支持されている。
【００３９】
そして、可動部２３は枠状体２４の枠固定部２４Ｂのみが基板２２に固定され、第１の支持梁２５、第１の振動体２６、第２の支持梁２７、第２の振動体２８は、前記基板２２から離間した状態で、４本からなる第１の支持梁２５の基端側が、枠状体２４の枠部２４Ａに４点支持されている。
【００４０】
さらに、４本からなる第１の支持梁２５は、Ｙ軸方向に伸長しているからＸ軸方向に撓ませることにより、第１の振動体２６をＸ軸方向に変位させる。また、４本からなる第２の支持梁２７は、Ｘ軸方向に伸長しているからＹ軸方向に撓ませることにより、第２の振動体２８をＹ軸方向に変位させることができる。
【００４１】
３１，３１は第１の振動体２６の左右の長尺辺に形成された可動側振動電極で、これら２個の可動側振動電極３１は７枚の電極板３１Ａをくし状に配置することによって構成されている。そして、各可動側振動電極３１は後述する固定側振動電極３４と共に振動発生部３７を構成する。
【００４２】
３２，３２は第２の振動体２８の中央辺の中心から上下に向けて形成された可動側検出電極で、これら２個の可動側検出電極３２は、Ｙ軸方向に延びる腕部３２Ａと、該腕部３２Ａに均等間隔で左右方向に向けて延びる６枚の電極板３２Ｂとによってアンテナ状に形成されている。そして、該可動側検出電極３２は後述する固定側検出電極３６と共に変位検出部３８を構成する。
【００４３】
３３，３３は振動用固定部で、これら２個の振動用固定部３３は第１の振動体２６を左右から挟むように基板２２上に設けられている。３４，３４は固定側振動電極で、これら２個の固定側振動電極３４は、可動側振動電極３１の各電極板３１Ａと隙間をもって交互に対面するように、振動用固定部３３に突出形成された６枚の電極板３４Ａからなる。
【００４４】
３５，３５は検出用固定部で、これら２個の検出用固定部３５は第２の支持梁２７と第２の振動体２８との空間内に位置した基板２２上に設けられている。３６，３６は固定側検出電極で、これら２個の固定側検出電極３６は、検出用固定部３５の左右両側から上下方向に延びる腕部３６Ａと、可動側検出電極３２の各電極板３２Ｂと隙間をもって交互に対面するように、該腕部３６Ａから内側に向けて突出形成された６枚の電極板３６Ｂとから構成される。
【００４５】
３７，３７は振動発生手段としての振動発生部で、これら２個の振動発生部３７はそれぞれ可動側振動電極３１と固定側振動電極３４とによって構成され、該可動側振動電極３１の各電極板３１Ａと、固定側振動電極３４の各電極板３４Ａとの間にはそれぞれ等しい隙間が形成されている。ここで、可動側振動電極３１と固定側振動電極３４との間には、逆位相となる周波数ｆ０ のパルス波または正弦波等の駆動信号を印加され、左右に位置した電極板３１Ａ，３４Ａ間には静電引力が交互に発生し、各振動発生部３７で近接、離間を繰り返す。これにより、各振動発生部３７は、第１の振動体２６、第２の振動体２８等をＸ軸方向（第１の軸方向）に振動させる。
【００４６】
３８，３８は変位検出手段としての変位検出部で、これら２個の変位検出部３８は可動側検出電極３２と固定側検出電極３６とによって構成され、該可動側検出電極３２の各電極板３２Ｂと、固定側検出電極３６の各電極板３６Ｂとの間はそれぞれ離間している。また、可動側検出電極３２と固定側検出電極３６は、検出用の平行平板コンデンサとして構成され、当該各変位検出部３８は各電極板３２Ｂ，３６Ｂ間の離間寸法の変化を静電容量の変化として検出する。
【００４７】
ここで、本実施の形態による角速度センサ２１は、角速度Ωの検出感度を高めるために、振動系２９の振動側共振周波数ｆ１ 、検出系３０の検出側共振周波数ｆ２ 、各振動発生部３７に印加される駆動信号の周波数ｆ０ を同調させ、第１の振動体２６、第２の振動体２８を小さな駆動力によって大きく振動させると共に、検出感度を高くさせるものである。
【００４８】
本実施の形態による角速度センサ２１は、上述した如くに構成され、次にＺ軸（第３の軸）周りに角速度Ωを加えた場合の検出動作について説明する。
【００４９】
まず、左右に位置した振動発生部３７に逆位相となる駆動信号を印加すると、各電極板３１Ａ，３４Ａ間に静電引力が左右の振動発生部３７，３７に対して交互に作用し、第１の振動体２６と第２の振動体２８はＸ軸方向に振動を発生する。この場合、各第１の支持梁２５がＸ軸方向に撓むだけで、第２の支持梁２７はＸ軸方向には撓まないから、第２の振動体２８もＸ軸方向にのみ振動する。この状態で、Ｚ軸（第３の軸）周りに角速度Ωが加わると、Ｙ軸（第２の軸）方向にコリオリ力Ｆ（慣性力）が発生する。
【００５０】
そして、このコリオリ力Ｆによって、第２の振動体２８はＹ軸方向に振動し、この第２の振動体２８の振動変位を、各変位検出部３８では、可動側検出電極３２と固定側検出電極３６との間の静電容量の変化として検出し、Ｚ軸周りの角速度Ωを検出することができる。
【００５１】
また、本実施の形態による角速度センサ２１では、第１の振動体２６からＹ軸方向に延びる各第１の支持梁２５の基端側を、Ｙ軸方向に延びる各支持辺２４Ａ１ の両側に支持し、枠部２４Ａは固定辺２４Ａ２ の中央部に形成したＹ軸方向に延びる部分の比較的短い枠固定部２４Ｂによって基板２２に固定されている。さらに、各枠固定部２４ＢはＸ軸方向に離間して設けられているものの、Ｙ軸方向には離間せずに１個のみ設けられている。
【００５２】
このため、周囲温度の上昇によって基板２２が伸びたとき、基板のＹ軸方向の伸びは、枠固定部２４ＢのＹ軸方向にのみ加わり、該枠固定部２４ＢはＹ軸方向には短尺であるから、基板２２から枠状体２４の枠部２４Ａに加わるＹ軸方向の応力を低減できる。
【００５３】
一方、枠状体２４は、第１の支持梁２５、第１の振動体２６、第２の支持梁２７、第２の振動体２８等と共に可動部２３の一部としてシリコン材料によって一体的に形成されているから、可動部２３の各部位では熱膨張による伸縮は常に均一となる。
【００５４】
かくして、本実施の形態による角速度センサ２１では、周囲温度の変化により、基板２２と可動部２３とに異なる伸縮が発生した場合でも、枠状体２４の枠部２４Ａによって、Ｙ軸方向の基板２２の伸縮と可動部２３の伸縮との差を緩和することができ、基板２２の伸縮により第１の支持梁２５に加わる応力を低減することができる。
【００５５】
しかも、枠状体２４は、可動部２３を構成する各部位と同一のシリコン材料によって一体的に形成されているから、可動部２３を構成する各部位の伸びは均一になり、第１の振動体２６、第２の支持梁２７、第２の振動体２８を支持する各第１の支持梁２５のばね定数は、周囲温度が変化した場合でも、その変化を低減することができる。
【００５６】
なお、枠状体２４にはＸ軸方向に伸びる支持辺２４Ａ１ が形成されているから、該支持辺２４Ａ１ によって、基板２２側のＸ軸方向の伸びが第１の支持梁２５に伝わるのを緩和することができる。しかも、第１の支持梁２５はＹ軸方向のみでＸ軸方向には延びていないから、基板２２のＸ軸方向の伸縮は第１の支持梁２５のばね定数に影響を与えていない。
【００５７】
このように、各第１の支持梁２５は、ばね定数の温度依存性を低減することにより、振動系２９の振動側共振周波数ｆ１ の変化をなくすことができ、第１の振動体２６は、周囲温度の変化に拘らず、常に一定の振幅で振動させることができる。この結果、角速度センサ２１では、周囲温度が変化した場合でも、Ｘ軸方向の第２の振動体２８を常に一定の振幅で振動させることにより、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωを高精度に検出することができ、当該角速度センサ２１の信頼性を高めることができる。
【００５８】
また、各第１の支持梁２５は、そのばね定数の温度依存性が低減し、振動系２９の振動側共振周波数ｆ１ の変化をなくすことができるようになり、周囲温度が変化した場合でも、振動側共振周波数ｆ１ と検出側共振周波数ｆ２ との差の変化も低減することができる。この結果、角速度センサ２１は、検出感度のばらつきを小さくすることができる。
【００５９】
次に、第２の実施の形態を、図４と図５を参照しつつ説明するに、本実施の形態の特徴は、枠状体の枠部を基板に固定する枠固定部を基板の四隅に形成したことにある。なお、本実施の形態では、前述した第１の実施の形態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ものとする。
【００６０】
４１は本実施の形態に適用される角速度センサで、該角速度センサ４１は、基板２２と、該基板２２上に形成された後述の可動部４２、振動用固定部３３、検出用固定部３５等からなる。
【００６１】
４２は可動部２３の代わりに基板２２上に形成される可動部で、該可動部４２は、シリコン材料によって形成され、基板２２上に設けられた後述する枠状体４３と、該枠状体４３に支持されＹ軸方向に延びる４本の第１の支持梁２５と、該各第１の支持梁２５によって支持された枠状の第１の振動体２６と、該第１の振動体２６から内向きに突出しＸ軸方向に延びる４本の第２の支持梁２７と、該各支持梁２７によってＹ軸方向に振動可能に設けられたＨ字状の第２の振動体２８とから構成されている。
【００６２】
４３は枠状体で、該枠状体４３は、基板２２から離間した状態で、前後に離間してＸ軸方向に伸びる２本の支持辺４３Ａ１ 、左右に離間してＹ軸方向に伸びる２本の固定辺４３Ａ２ によって枠状に形成された枠部４３Ａと、該枠部４３Ａのうち各固定辺４３Ａ２ の長さ方向両端に位置して形成された４個の枠固定部４３Ｂとから構成され、該枠状体４３は枠部４３Ａの四隅に位置した枠固定部４３Ｂによって基板２２上に固定されている。また、第１の振動体２６からＹ軸方向にそれぞれ延びる第１の支持梁２５の基端側は、各支持辺４３Ａ１ の左右両側に支持される。
【００６３】
このように構成される角速度センサ４１は、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωの検出動作は第１の実施の形態で述べた角速度センサ２１と同様にして検出することができる。
【００６４】
また、角速度センサ４１では、前述した第１の実施の形態と同様に、周囲温度が上昇して基板２２が伸びた場合でも、基板２２の伸びをＸ軸方向に延びる支持辺４３Ａ１ と、Ｙ軸方向に延びる固定辺４３Ａ２ とからなる枠状体４３の枠部４３Ａによって緩和することができる。
【００６５】
これにより、周囲温度が変化した場合でも、基板２２から枠状体４３に支持された各第１の支持梁２５に伝わる応力を低減でき、第１の支持梁２５のばね定数の変化を低減することができる。この結果、角速度センサ４１は、周囲温度の変化に拘らず、第２の振動体２８を常に一定の振幅で振動させることができ、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωを高精度に検出することができる。
【００６６】
さらに、各第１の支持梁２５は、そのばね定数の温度依存性が低減し、振動系２９の振動側共振周波数ｆ１ の変化をなくすことができるようになり、周囲温度が変化した場合でも、振動側共振周波数ｆ１ と検出側共振周波数ｆ２ との差の変化も低減することができる。この結果、角速度センサ４１は、検出感度のばらつきを小さくすることができる。
【００６７】
次に、第３の実施の形態を、図６に基づいて説明するに、本実施の形態の特徴は、枠状体の枠部を略コ字状に形成したことにある。なお、本実施の形態では、前述した第１の実施の形態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ものとする。
【００６８】
５１は本実施の形態に適用される角速度センサで、該角速度センサ５１は、基板２２と、該基板２２上に形成された後述する可動部５２、振動用固定部３３、検出用固定部３５等からなる。
【００６９】
５２は可動部２３の代わりに基板２２上に形成される可動部で、該可動部５２は、シリコン材料によって形成され、基板２２上の左右に設けられた後述する枠状体５３，５３と、該各枠状体５３に支持された４本の第１の支持梁２５と、該各第１の支持梁２５の先端に支持された枠状の第１の振動体２６と、該第１の振動体２６から突出しＸ軸方向に延びる４本の第２の支持梁２７と、該各支持梁２７によってＹ軸方向に振動可能に設けられたＨ字状の第２の振動体２８とから構成されている。
【００７０】
５３，５３は基板２２の左右に設けられた２個の枠状体で、該各枠状体５３は、基板２２から離間した状態で、左右に離間してＹ軸方向に伸びる固定辺５３Ａ１ 、該固定辺５３Ａ１ の長さ方向両端に位置してＸ軸方向に延びる２本の支持腕５３Ａ２ からなる略コ字状に形成された枠部５３Ａと、該枠部５３Ａの各固定辺５３Ａ１ の長さ方向両端に位置して形成された枠固定部５３Ｂとから構成されている。そして、２個の枠状体５３は枠部５３Ａの長さ方向両端に位置した２個の枠固定部５３Ｂによって基板２２上に固定されている。また、第１の振動体２６からＹ軸方向にそれぞれ延びる第１の支持梁２５の基端側は、各支持腕５３Ａ２ の先端に支持されている。
【００７１】
このように構成される角速度センサ５１は、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωの検出動作は第１の実施の形態で述べた角速度センサ２１と同様にして検出することができる。
【００７２】
また、角速度センサ５１では、前述した第１の実施の形態と同様に、周囲温度が上昇して基板２２が伸びた場合でも、基板２２の伸びをＹ軸方向に延びる固定辺５３Ａ１ によって緩和することができる。そして、周囲温度の変化に拘らず、各第１の支持梁２５は、そのばね定数の変化を低減することができる。この結果、角速度センサ５１は、周囲温度の変化に拘らず、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωの高精度な検出を行うことができ、信頼性を高めることができる。
【００７３】
さらに、各第１の支持梁２５は、そのばね定数の温度依存性が低減し、振動系２９の振動側共振周波数ｆ１ の変化をなくすことができるようになり、周囲温度が変化した場合でも、振動側共振周波数ｆ１ と検出側共振周波数ｆ２ との差の変化も低減することができる。この結果、角速度センサ５１は、検出感度のばらつきを小さくすることができる。
【００７４】
次に、第４の実施の形態を図７を参照しつつ説明するに、本実施の形態の特徴は、枠状の枠状体を従来技術で述べた角速度センサに用いたものである。なお、本実施の形態では前述した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ものとする。
【００７５】
６１は本実施の形態に適用される角速度センサで、該角速度センサ６１は、基板２と、該基板２上に形成された後述する可動部６２、振動用固定部９、検出用固定部１１等からなる。
【００７６】
６２は基板２上にシリコン材料によって形成された可動部で、該可動部６２は後述の枠状体６３と、該各枠状体６３の四隅から中央部に向けてＬ字状に折曲して形成された形成された支持梁５と、該各支持梁５の先端に支持された振動体６とからなる。
【００７７】
６３は枠状体で、該枠状体６３は、基板２から離間した状態で、前後に離間してＸ軸方向に伸びる２本の支持辺６３Ａ１ 、左右に離間してＹ軸方向に伸びる２本の固定辺６３Ａ２ によって略口状に形成された枠部６３Ａと、該枠部６３Ａのうち各固定辺６３Ａ２ の長さ方向中央部に位置して設けられた枠固定部６３Ｂとから構成され、該枠状体６３は枠部６３Ａの一部となる枠固定部６３Ｂによって基板２上に固定されている。また、振動体６からＹ軸方向に延びる支持梁５の基端側は、各支持辺６３Ａ１ の左右両側で支持されている。
【００７８】
このように構成される角速度センサ６１では、Ｘ軸周りに加わる角速度Ωの検出動作は従来技術と同様にして検出することができる。
【００７９】
また、角速度センサ６１は、前述した第１の実施の形態と同様に、周囲温度が上昇して基板２が伸びた場合でも、基板２の伸びをＸ軸方向に延びる支持辺６３Ａ１ と、Ｙ軸方向に延びる固定辺６３Ａ２ によって緩和することができる。そして、周囲温度の変化に拘らず、各支持梁５は、そのばね定数の変化を低減することができる。この結果、角速度センサ６１は、周囲温度の変化に拘らず、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωの高精度な検出を行うことができ、信頼性を高めることができる。
【００８０】
なお、第４の実施の形態では、枠状体６３は、各固定辺６３Ａ２ の長さ方向中央部に形成した枠固定部６３Ｂによって基板２上に固定するようにしたが、これに限らず、第２，第３の実施の形態のように、固定辺６３Ａ２ の両端に枠固定部を形成し、該各枠固定部によって基板２に固定するようにしてもよい。さらに、枠状体６３は略口状に限らず、第４の実施の形態のように略コ字状に形成してもよいことは勿論である。
【００８１】
また、実施の形態では、振動発生手段を、可動側振動電極と固定側振動電極とをくし状電極とし、各電極間に発生する静電引力によって振動体を振動させる構成としたが、本発明はこれに限らず、支持梁の近傍に圧電体を設け、該圧電体によって振動体を振動させるようにしてもよい。また、変位検出手段を、可動側検出電極と固定側検出電極とをくし状電極として各電極板間の離間寸法の変化を静電容量の変化として検出するようにしたが、これに代えて、支持梁に圧電体を設け、該圧電体の伸縮によって振動体の変位を検出するようにしてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上詳述した如く、請求項１の本発明によれば、各支持梁の基端側は、第２の軸方向に延びる枠部にそれぞれ固定され、該枠部はその一部を枠固定部によって基板に固定しているから、枠状体は、周囲温度が変化したときでも、振動体、支持梁の熱膨張と、基板の熱膨張との差を緩和し、支持梁に加わる応力を低減する。これにより、支持梁のばね定数が周囲の温度変化によって変動するのをなくし、振動体を常に一定の振幅で振動させることにより、角速度の検出感度のばらつきをなくし、角速度センサの信頼性を高めることができる。
【００８３】
また、振動発生手段により、振動体が第１の軸方向に振動するときの周波数を振動側共振周波数、第３の軸周りに角速度が加わったときに振動体が第２の軸方向に振動するときの周波数を検出側共振周波数としたとき、周囲温度が変化した場合でも、支持梁のばね定数が変動するのを抑えることにより、振動側共振周波数と検出側共振周波数との差を低減することができ、角速度センサとしての検出感度のばらつきを小さくすることができる。
【００８４】
請求項２の発明では、各第１の支持梁の基端側は、第１の支持梁の伸長方向に延びる枠部にそれぞれ固定され、該枠部はその一部を枠固定部によって基板に固定しているから、周囲温度が変化したときの熱膨張の差による応力を低減する。これにより、第１の支持梁、第１の振動体、振動体からなる振動系の共振周波数が温度変化によって変動するのを抑えることができ、温度変化の影響を受けずに、振動体を同じ振幅で振動させることができる。そして、角速度の検出感度のばらつきをなくし、角速度センサの信頼性を高めることができる。
【００８５】
請求項３の発明のように枠状体の枠部を略口状に形成し、請求項４の発明のように枠状体の枠部を略コ字状に形成したことにより、周囲温度が変化して熱膨張によって基板が伸びた場合でも、枠部によって支持梁に伝わる応力を小さくすることができる。
【００８６】
請求項５の発明では、枠状体、支持梁、振動体を、同一材料によって一体的に形成したから、基板から離間した枠状体の枠部、支持梁、振動体が周囲温度の上昇によって伸びた場合でも、同一材料によって形成された各部位の延びは均一となっているから、支持梁に加わる応力を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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】図１中の矢示ＩＩＩ −ＩＩＩ 方向からみた断面図である。
【図４】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５】図４中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた断面図である。
【図６】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７】第４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８】従来技術による角速度センサを示す平面図である。
【符号の説明】
５ 支持梁
６ 振動体
２１，４１，５１，６１ 角速度センサ
２２ 基板
２３，４２，５２，６２ 可動部
２４，４３，５３，６３ 枠状体
２４Ａ，４３Ａ，５３Ａ，６３Ａ 枠部
２４Ａ１ ，４３Ａ１ ，６３Ａ１ 支持辺
２４Ａ２ ，４３Ａ２ ，５３Ａ１ ，６３Ａ２ 固定辺
２４Ｂ，４３Ｂ，５３Ｂ，６３Ｂ 枠固定部
２５ 第１の支持梁
２６ 第１の振動体
２７ 第２の支持梁
２８ 第２の振動体
３１ 可動側振動電極
３４ 固定側振動電極
１３，３７ 振動発生部（振動発生手段）
１４，３８ 変位検出部（変位検出手段）
５３Ａ２ 支持腕
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば角速度センサのように、振動体を振動させるのに用いて好適な角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、角速度センサを用いたものとして角速度センサが広く知られている。そこで、この角速度センサは、基板に対して水平なＸ軸，Ｙ軸、垂直なＺ軸の合わせて３軸のうち、振動体をある方向の第１の軸方向、例えばＸ軸方向に一定の振動を与えた状態で、外部からＺ軸（第３の軸）周りの角速度を加えると、振動体にコリオリ力（慣性力）が作用して該振動体はＹ軸（第２の軸）方向に振動する。そして、このコリオリ力による振動体のＹ軸方向の変位を圧電抵抗、静電容量等の変化として検出することにより、Ｚ軸周りに加わる角速度を検出するものである。
【０００３】
ここで、従来技術による角速度センサについて、図８を参照しつつ説明するに、角速度センサとしては特開平６−１２３６３２号公報を例に挙げて示す。
【０００４】
１は従来技術による角速度センサ、２は該角速度センサ１の基台となる板状に形成された基板で、該基板２は例えばガラス材料によって形成されている。
【０００５】
３は基板２上にＰ，Ｂ，Ｓｂ等がドーピングされた低抵抗なポリシリコン、単結晶シリコン等のシリコン材料によって形成された可動部で、該可動部３は基板２の四隅に位置して該基板２上に設けられた４個の梁固定部４と、該各梁固定部４から中央部に向け、Ｘ軸に延びる部分とＹ軸に延びる部分を有してＬ字状に折曲して形成された４本の支持梁５と、該各支持梁５の先端に支持され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に振動可能に設けられた振動体６とからなり、Ｘ軸方向となる振動体６の左右両側面には４枚の電極板７Ａからなる可動側振動電極７が突出形成され、Ｙ軸方向となる振動体６の前後両側面には４枚の電極板８Ａからなる可動側検出電極８が突出形成されている。
【０００６】
また、可動部３は、各梁固定部４のみが基板２に支持され、各支持梁５と振動体６は前記基板２から浮いた状態で支持され、振動体６は各支持梁５のＹ軸と平行となる部分によってＸ軸（第１の軸）方向に振動可能となり、Ｘ軸と平行となる部分によってＹ軸（第２の軸）方向に振動可能となっている。
【０００７】
９，９は基板２上に振動体６を挟んで左右に設けられた一対の振動用固定部で、該各振動用固定部９には、可動側振動電極７と対向する面に４枚の電極板１０Ａからなる固定側振動電極１０が突出形成されている。
【０００８】
１１，１１は基板２上に振動体６を挟んで前後に設けられた一対の検出用固定部で、該各検出用固定部１１には、可動側検出電極８と対向する面に４枚の電極板１２Ａからなる固定側検出電極１２が突出形成されている。
【０００９】
１３，１３は基板２と振動体６との間に設けられた振動発生手段となる振動発生部で、該各振動発生部１３は可動側振動電極７と固定側振動電極１０とから構成され、該電極７，１０の電極板７Ａ，１０Ａとの間には隙間が形成されている。ここで、振動体６の左右の可動側振動電極７と固定側振動電極１０との間に交互に周波数ｆ０ のパルス波または正弦波等の駆動信号を印加すると、各電極板７Ａ，１０Ａ間には静電力が発生し、この静電力によって振動体６は、第１の軸となるＸ軸方向に同じ大きさで交互に振動する。
【００１０】
１４，１４は基板２と振動体６との間に設けられた変位検出手段としての変位検出部で、該各変位検出部１４は可動側検出電極８と固定側検出電極１２とから構成され、該電極８，１２の電極板８Ａ，１２Ａとの間には隙間が形成されている。また、可動側検出電極８と固定側検出電極１２は、検出用の平行平板コンデンサとして構成され、当該各変位検出部１４は各電極板８Ａ，１２Ａ間の重なり面積の変化を静電容量の変化として検出する。
【００１１】
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１３に交互に周波数ｆ０ の駆動信号を入力すると、各電極板７Ａ，１０Ａ間には静電引力が左右の振動発生部１３に対して交互に作用し、振動体６は第１の軸となるＸ軸方向に振動する。このとき、各振動発生部１３によって振動体６をＸ軸方向に移動させるときの、変位ｘとその速度ｖとの関係は、次の数１によって表わされる。
【００１２】
【数１】
ｘ＝Ａｓｉｎωｔ
ｖ＝Ａωｃｏｓωｔ
Ａ ：振動体６の振幅
ω ：駆動モードの角周波数
【００１３】
さらに、振動体６をＸ軸方向に変位ｘ，速度ｖで振動させたとき、Ｚ軸（第３の軸）周りに加わる角速度ΩによってＹ軸（第２の軸）方向に発生するコリオリ力Ｆは数２として表わされる。
【００１４】
【数２】
Ｆ＝２ｍΩｖ
ｍ ：振動体６の質量
Ω ：角速度
ｖ ：振動体６のＸ軸方向の速度
【００１５】
そして、振動体６は数２のコリオリ力ＦによってＹ軸方向に振動し、この振動体６による振動変位を、変位検出部１４では電極板８Ａ，１２Ａとの間の静電容量の変化として検出し、Ｚ軸周りの角速度Ωを検出する。
【００１６】
【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よる角速度センサ１では、その検出精度を高めるために、振動発生部１３によって振動体６を大きな振幅で振動させればよいことは知られている。このため、振動体６の固有振動数（以下共振周波数という）を駆動信号の周波数ｆ０ に近づけるように設計している。
【００１７】
また、一般にばね振動における共振周波数ｆは、下記の数３によって定義されている。
【００１８】
【数３】
ｍ：振動体６の質量
【００１９】
ここで、従来技術による角速度センサ１では、基板２をガラス材料によって形成し、基板２上に設けられた可動部３、振動用固定部９等はシリコン材料によって形成されている。また、両材料は異なった熱膨張率を持っているため、周囲温度が上昇した場合には、基板２の四隅に位置した梁固定部４間での基板２の伸びと、梁固定部４間に位置した支持梁５、振動体６等の伸びとに差が生じる。
【００２０】
例えば、基板２側のガラス材料の熱膨張率がシリコンよりも大きい場合には、基板２側の伸びが大きくなり、各支持梁５には各梁固定部４から引張り応力が加わり、該支持梁５のばね定数ｋが変化する。このため、上記数３中のばね定数ｋが温度依存性を持つため、共振周波数ｆも温度依存性を有することになる。
【００２１】
そして、温度変化によって共振周波数ｆが変化するため、各振動発生部１３によって振動される振動体６は、その振幅ｘ、速度ｖが変化してしまい、振動体６に一定の振動を起こすことができないという問題がある。
【００２２】
この結果、角速度センサ１は、周囲温度の変化によりＺ軸周りに加わる角速度Ωの検出感度がばらついてしまい、角速度センサ１の信頼性を低下させてしまうという問題があった。
【００２３】
また、一般に、駆動モードと検出モードの共振周波数が近いほど検出感度が高くなることが知られている。従って、周囲温度が変化した場合、温度変化によって駆動モードと検出モードの共振周波数が変化するため、各モード間の共振周波数の差が変化してしまい角速度センサとしての検出感度がばらついてしまう虞れがある。
【００２４】
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、本発明は周囲温度の変化に拘らず振動体を常に一定の振幅で振動させることにより、検出感度のばらつきをなくし、信頼性を高めることのできる角速度センサを提供することを目的としている。
【００２５】
【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の発明では、基板と、該基板上に設けられた枠状体と、基端側が該枠状体内に位置して支持され、前記基板に対して水平面上で互いに直交する第１の軸と第２の軸のうち第２の軸方向に延びる複数本の支持梁と、前記枠状体内に位置して該各支持梁の先端側に前記第１の軸方向と第２の軸方向に振動可能に設けられた振動体と、前記振動体に前記各支持梁を通して第１の軸方向に振動を与える振動発生手段と、前記基板と前記振動体との間に設けられ、該振動発生手段により振動体に第１の軸方向に振動を与えている状態で、該第１の軸と第２の軸に直交する第３の軸周りに角速度が加わったとき前記振動体に生じる第２の軸方向への変位を検出する変位検出手段とからなり、かつ前記枠状体は、前記基板の表面から離間した状態で少なくとも前記第２の軸方向に延び、前記各支持梁の基端側をそれぞれ支持する枠部と、該枠部の一部を前記基板の表面に固定する枠固定部とから構成したことにある。
【００２６】
このように構成することにより、各支持梁の基端側は、第２の軸方向に延びる枠部にそれぞれ固定され、該枠部はその一部を枠固定部によって基板に固定しているから、周囲温度が変化して、基板の伸縮と、振動体、支持梁の伸縮とに差が生じた場合でも、この伸縮の差を第２の軸方向に延びる枠部によって緩和する。そして、伸縮の差から支持梁に加わる応力を低減でき、温度変化に拘らず、支持梁のばね定数を一定に保つことができる。
【００２７】
請求項２の発明では、基板と、該基板上に設けられた枠状体と、基端側が該枠状体内に位置して支持され、前記基板に対して水平面上に互いに直交する第１の軸と第２の軸のうち第２の軸方向に延びる複数本の第１の支持梁と、前記枠状体内に位置して該各第１の支持梁の先端側に前記第１の軸方向に振動可能に設けられた第１の振動体と、基端側が該第１の振動体内に位置して支持され第１の軸方向に延びる第２の支持梁と、該第２の支持梁の先端側に前記第２の軸方向に振動可能に設けられた第２の振動体と、前記第１の振動体に前記各第１の支持梁を通して第１の軸方向に振動を与える振動発生手段と、該振動発生手段により第１の振動体を第１の軸方向に振動を与えている状態で、該第１の軸と第２の軸に直交する第３の軸周りに角速度が加わったとき前記第２の振動体に生じる第２の軸方向への変位を検出する変位検出手段とからなり、かつ前記枠状体は、前記基板の表面から離間した状態で少なくとも前記第１の支持梁の伸長方向に延び、前記各第１の支持梁の基端側をそれぞれ支持する枠部と、該枠部の一部を前記基板の表面に固定する枠固定部とから構成したことにある。
【００２８】
このように構成することにより、各第１の支持梁の基端側は、第１の支持梁の伸長方向に延びる枠部にそれぞれ固定され、該枠部はその一部を枠固定部によって基板に固定しているから、周囲温度が変化したとき、第１の支持梁の伸長方向に延びる枠部によって熱膨張による伸縮の差を緩和し、第１の支持梁に加わる応力を低減でき、このばね定数の変動を低減する。これにより、第１，第２の振動体の質量と第１の支持梁のばね定数とによって設定される第１の軸方向への振動系の共振周波数が、温度変化によって変動するのを抑えることができる。
【００２９】
請求項３の発明では、枠状体の枠部を略口状に形成したことにある。
【００３０】
請求項４の発明では、枠状体の枠部を略コ字状に形成したことにある。
【００３１】
このような構成とすることにより、各支持梁の基端側を、略口状または略コ字状に形成した枠部にそれぞれ固定しているから、周囲温度が変化して熱膨張によって基板が進出した場合でも、支持梁に加わる応力を小さくすることができる。
【００３２】
請求項５の発明では、枠状体、支持梁、振動体を、同一材料によって一体的に形成したことにある。
【００３３】
このように構成することにより、基板から離間した枠状体の枠部、支持梁、振動体が周囲温度の変化によって伸縮した場合でも、同一材料によって形成された各部位の延びは均一となっているから、支持梁のばね定数を一定に保つことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態に適用される角速度センサを、図１ないし図７を参照しつつ説明する。
【００３５】
まず、図１ないし図３に基づいて、本発明による第１の実施の形態について述べる。２１は角速度センサ、２２は該角速度センサ２１の基台をなす矩形状に形成された基板で、該基板２２は例えばガラス材料によって形成されている。
【００３６】
２３は基板２２上にＰ，Ｓ，Ｓｂ等がドーピングされた低抵抗なポリシリコン、単結晶シリコン等のシリコン材料によって形成された可動部で、該可動部２３は基板２２上に設けられた略口状に形成された枠状体２４と、基端側が該枠状体２４の四隅に支持され、先端側が中央部に向けてＹ軸方向に伸びる４本の第１の支持梁２５と、該各第１の支持梁２５の先端に支持され、該各第１の支持梁２５によってＸ軸方向に振動可能な長方形の枠状に形成された第１の振動体２６と、該第１の振動体２６の短尺辺の中央から突出しＸ軸方向に延びる４本の第２の支持梁２７と、該各支持梁２７によってＹ軸方向に振動可能に設けられたＨ字状の第２の振動体２８とから構成されている。
【００３７】
ここで、第１の支持梁２５、第１の振動体２６、第２の振動体２８によって第１の軸方向となるＸ軸方向へ振動する振動系２９を構成し、前記第２の支持梁２７、第２の振動体２８によって第２の軸となるＹ軸方向へ振動する検出系３０を構成している。また、前記振動系２９は、第１の振動体２６と第２の振動体２８の質量と、第１の支持梁２５のばね定数によって設定される振動側共振周波数ｆ１ を有し、検出系３０は、第２の振動体２８の質量と、第２の支持梁２７のばね定数によって設定される検出側共振周波数ｆ２ を有している。
【００３８】
また、枠状体２４は、基板２２から寸法ａだけ離間した状態で、前後に離間してＸ軸方向に伸びる２本の支持辺２４Ａ１ 、左右に離間してＹ軸方向に伸びる２本の固定辺２４Ａ２ によって略口状に形成された枠部２４Ａと、該枠部２４Ａのうち各固定辺２４Ａ２ の中央部に位置して形成された枠固定部２４Ｂとから構成され、該枠状体２４は枠部２４Ａの一部となる枠固定部２４Ｂによって基板２２上に固定されている。また、第１の振動体２６からＹ軸方向に延びる第１の支持梁２５の基端側は、各支持辺２４Ａ１ の左右両側に支持されている。
【００３９】
そして、可動部２３は枠状体２４の枠固定部２４Ｂのみが基板２２に固定され、第１の支持梁２５、第１の振動体２６、第２の支持梁２７、第２の振動体２８は、前記基板２２から離間した状態で、４本からなる第１の支持梁２５の基端側が、枠状体２４の枠部２４Ａに４点支持されている。
【００４０】
さらに、４本からなる第１の支持梁２５は、Ｙ軸方向に伸長しているからＸ軸方向に撓ませることにより、第１の振動体２６をＸ軸方向に変位させる。また、４本からなる第２の支持梁２７は、Ｘ軸方向に伸長しているからＹ軸方向に撓ませることにより、第２の振動体２８をＹ軸方向に変位させることができる。
【００４１】
３１，３１は第１の振動体２６の左右の長尺辺に形成された可動側振動電極で、これら２個の可動側振動電極３１は７枚の電極板３１Ａをくし状に配置することによって構成されている。そして、各可動側振動電極３１は後述する固定側振動電極３４と共に振動発生部３７を構成する。
【００４２】
３２，３２は第２の振動体２８の中央辺の中心から上下に向けて形成された可動側検出電極で、これら２個の可動側検出電極３２は、Ｙ軸方向に延びる腕部３２Ａと、該腕部３２Ａに均等間隔で左右方向に向けて延びる６枚の電極板３２Ｂとによってアンテナ状に形成されている。そして、該可動側検出電極３２は後述する固定側検出電極３６と共に変位検出部３８を構成する。
【００４３】
３３，３３は振動用固定部で、これら２個の振動用固定部３３は第１の振動体２６を左右から挟むように基板２２上に設けられている。３４，３４は固定側振動電極で、これら２個の固定側振動電極３４は、可動側振動電極３１の各電極板３１Ａと隙間をもって交互に対面するように、振動用固定部３３に突出形成された６枚の電極板３４Ａからなる。
【００４４】
３５，３５は検出用固定部で、これら２個の検出用固定部３５は第２の支持梁２７と第２の振動体２８との空間内に位置した基板２２上に設けられている。３６，３６は固定側検出電極で、これら２個の固定側検出電極３６は、検出用固定部３５の左右両側から上下方向に延びる腕部３６Ａと、可動側検出電極３２の各電極板３２Ｂと隙間をもって交互に対面するように、該腕部３６Ａから内側に向けて突出形成された６枚の電極板３６Ｂとから構成される。
【００４５】
３７，３７は振動発生手段としての振動発生部で、これら２個の振動発生部３７はそれぞれ可動側振動電極３１と固定側振動電極３４とによって構成され、該可動側振動電極３１の各電極板３１Ａと、固定側振動電極３４の各電極板３４Ａとの間にはそれぞれ等しい隙間が形成されている。ここで、可動側振動電極３１と固定側振動電極３４との間には、逆位相となる周波数ｆ０ のパルス波または正弦波等の駆動信号を印加され、左右に位置した電極板３１Ａ，３４Ａ間には静電引力が交互に発生し、各振動発生部３７で近接、離間を繰り返す。これにより、各振動発生部３７は、第１の振動体２６、第２の振動体２８等をＸ軸方向（第１の軸方向）に振動させる。
【００４６】
３８，３８は変位検出手段としての変位検出部で、これら２個の変位検出部３８は可動側検出電極３２と固定側検出電極３６とによって構成され、該可動側検出電極３２の各電極板３２Ｂと、固定側検出電極３６の各電極板３６Ｂとの間はそれぞれ離間している。また、可動側検出電極３２と固定側検出電極３６は、検出用の平行平板コンデンサとして構成され、当該各変位検出部３８は各電極板３２Ｂ，３６Ｂ間の離間寸法の変化を静電容量の変化として検出する。
【００４７】
ここで、本実施の形態による角速度センサ２１は、角速度Ωの検出感度を高めるために、振動系２９の振動側共振周波数ｆ１ 、検出系３０の検出側共振周波数ｆ２ 、各振動発生部３７に印加される駆動信号の周波数ｆ０ を同調させ、第１の振動体２６、第２の振動体２８を小さな駆動力によって大きく振動させると共に、検出感度を高くさせるものである。
【００４８】
本実施の形態による角速度センサ２１は、上述した如くに構成され、次にＺ軸（第３の軸）周りに角速度Ωを加えた場合の検出動作について説明する。
【００４９】
まず、左右に位置した振動発生部３７に逆位相となる駆動信号を印加すると、各電極板３１Ａ，３４Ａ間に静電引力が左右の振動発生部３７，３７に対して交互に作用し、第１の振動体２６と第２の振動体２８はＸ軸方向に振動を発生する。この場合、各第１の支持梁２５がＸ軸方向に撓むだけで、第２の支持梁２７はＸ軸方向には撓まないから、第２の振動体２８もＸ軸方向にのみ振動する。この状態で、Ｚ軸（第３の軸）周りに角速度Ωが加わると、Ｙ軸（第２の軸）方向にコリオリ力Ｆ（慣性力）が発生する。
【００５０】
そして、このコリオリ力Ｆによって、第２の振動体２８はＹ軸方向に振動し、この第２の振動体２８の振動変位を、各変位検出部３８では、可動側検出電極３２と固定側検出電極３６との間の静電容量の変化として検出し、Ｚ軸周りの角速度Ωを検出することができる。
【００５１】
また、本実施の形態による角速度センサ２１では、第１の振動体２６からＹ軸方向に延びる各第１の支持梁２５の基端側を、Ｙ軸方向に延びる各支持辺２４Ａ１ の両側に支持し、枠部２４Ａは固定辺２４Ａ２ の中央部に形成したＹ軸方向に延びる部分の比較的短い枠固定部２４Ｂによって基板２２に固定されている。さらに、各枠固定部２４ＢはＸ軸方向に離間して設けられているものの、Ｙ軸方向には離間せずに１個のみ設けられている。
【００５２】
このため、周囲温度の上昇によって基板２２が伸びたとき、基板のＹ軸方向の伸びは、枠固定部２４ＢのＹ軸方向にのみ加わり、該枠固定部２４ＢはＹ軸方向には短尺であるから、基板２２から枠状体２４の枠部２４Ａに加わるＹ軸方向の応力を低減できる。
【００５３】
一方、枠状体２４は、第１の支持梁２５、第１の振動体２６、第２の支持梁２７、第２の振動体２８等と共に可動部２３の一部としてシリコン材料によって一体的に形成されているから、可動部２３の各部位では熱膨張による伸縮は常に均一となる。
【００５４】
かくして、本実施の形態による角速度センサ２１では、周囲温度の変化により、基板２２と可動部２３とに異なる伸縮が発生した場合でも、枠状体２４の枠部２４Ａによって、Ｙ軸方向の基板２２の伸縮と可動部２３の伸縮との差を緩和することができ、基板２２の伸縮により第１の支持梁２５に加わる応力を低減することができる。
【００５５】
しかも、枠状体２４は、可動部２３を構成する各部位と同一のシリコン材料によって一体的に形成されているから、可動部２３を構成する各部位の伸びは均一になり、第１の振動体２６、第２の支持梁２７、第２の振動体２８を支持する各第１の支持梁２５のばね定数は、周囲温度が変化した場合でも、その変化を低減することができる。
【００５６】
なお、枠状体２４にはＸ軸方向に伸びる支持辺２４Ａ１ が形成されているから、該支持辺２４Ａ１ によって、基板２２側のＸ軸方向の伸びが第１の支持梁２５に伝わるのを緩和することができる。しかも、第１の支持梁２５はＹ軸方向のみでＸ軸方向には延びていないから、基板２２のＸ軸方向の伸縮は第１の支持梁２５のばね定数に影響を与えていない。
【００５７】
このように、各第１の支持梁２５は、ばね定数の温度依存性を低減することにより、振動系２９の振動側共振周波数ｆ１ の変化をなくすことができ、第１の振動体２６は、周囲温度の変化に拘らず、常に一定の振幅で振動させることができる。この結果、角速度センサ２１では、周囲温度が変化した場合でも、Ｘ軸方向の第２の振動体２８を常に一定の振幅で振動させることにより、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωを高精度に検出することができ、当該角速度センサ２１の信頼性を高めることができる。
【００５８】
また、各第１の支持梁２５は、そのばね定数の温度依存性が低減し、振動系２９の振動側共振周波数ｆ１ の変化をなくすことができるようになり、周囲温度が変化した場合でも、振動側共振周波数ｆ１ と検出側共振周波数ｆ２ との差の変化も低減することができる。この結果、角速度センサ２１は、検出感度のばらつきを小さくすることができる。
【００５９】
次に、第２の実施の形態を、図４と図５を参照しつつ説明するに、本実施の形態の特徴は、枠状体の枠部を基板に固定する枠固定部を基板の四隅に形成したことにある。なお、本実施の形態では、前述した第１の実施の形態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ものとする。
【００６０】
４１は本実施の形態に適用される角速度センサで、該角速度センサ４１は、基板２２と、該基板２２上に形成された後述の可動部４２、振動用固定部３３、検出用固定部３５等からなる。
【００６１】
４２は可動部２３の代わりに基板２２上に形成される可動部で、該可動部４２は、シリコン材料によって形成され、基板２２上に設けられた後述する枠状体４３と、該枠状体４３に支持されＹ軸方向に延びる４本の第１の支持梁２５と、該各第１の支持梁２５によって支持された枠状の第１の振動体２６と、該第１の振動体２６から内向きに突出しＸ軸方向に延びる４本の第２の支持梁２７と、該各支持梁２７によってＹ軸方向に振動可能に設けられたＨ字状の第２の振動体２８とから構成されている。
【００６２】
４３は枠状体で、該枠状体４３は、基板２２から離間した状態で、前後に離間してＸ軸方向に伸びる２本の支持辺４３Ａ１ 、左右に離間してＹ軸方向に伸びる２本の固定辺４３Ａ２ によって枠状に形成された枠部４３Ａと、該枠部４３Ａのうち各固定辺４３Ａ２ の長さ方向両端に位置して形成された４個の枠固定部４３Ｂとから構成され、該枠状体４３は枠部４３Ａの四隅に位置した枠固定部４３Ｂによって基板２２上に固定されている。また、第１の振動体２６からＹ軸方向にそれぞれ延びる第１の支持梁２５の基端側は、各支持辺４３Ａ１ の左右両側に支持される。
【００６３】
このように構成される角速度センサ４１は、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωの検出動作は第１の実施の形態で述べた角速度センサ２１と同様にして検出することができる。
【００６４】
また、角速度センサ４１では、前述した第１の実施の形態と同様に、周囲温度が上昇して基板２２が伸びた場合でも、基板２２の伸びをＸ軸方向に延びる支持辺４３Ａ１ と、Ｙ軸方向に延びる固定辺４３Ａ２ とからなる枠状体４３の枠部４３Ａによって緩和することができる。
【００６５】
これにより、周囲温度が変化した場合でも、基板２２から枠状体４３に支持された各第１の支持梁２５に伝わる応力を低減でき、第１の支持梁２５のばね定数の変化を低減することができる。この結果、角速度センサ４１は、周囲温度の変化に拘らず、第２の振動体２８を常に一定の振幅で振動させることができ、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωを高精度に検出することができる。
【００６６】
さらに、各第１の支持梁２５は、そのばね定数の温度依存性が低減し、振動系２９の振動側共振周波数ｆ１ の変化をなくすことができるようになり、周囲温度が変化した場合でも、振動側共振周波数ｆ１ と検出側共振周波数ｆ２ との差の変化も低減することができる。この結果、角速度センサ４１は、検出感度のばらつきを小さくすることができる。
【００６７】
次に、第３の実施の形態を、図６に基づいて説明するに、本実施の形態の特徴は、枠状体の枠部を略コ字状に形成したことにある。なお、本実施の形態では、前述した第１の実施の形態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ものとする。
【００６８】
５１は本実施の形態に適用される角速度センサで、該角速度センサ５１は、基板２２と、該基板２２上に形成された後述する可動部５２、振動用固定部３３、検出用固定部３５等からなる。
【００６９】
５２は可動部２３の代わりに基板２２上に形成される可動部で、該可動部５２は、シリコン材料によって形成され、基板２２上の左右に設けられた後述する枠状体５３，５３と、該各枠状体５３に支持された４本の第１の支持梁２５と、該各第１の支持梁２５の先端に支持された枠状の第１の振動体２６と、該第１の振動体２６から突出しＸ軸方向に延びる４本の第２の支持梁２７と、該各支持梁２７によってＹ軸方向に振動可能に設けられたＨ字状の第２の振動体２８とから構成されている。
【００７０】
５３，５３は基板２２の左右に設けられた２個の枠状体で、該各枠状体５３は、基板２２から離間した状態で、左右に離間してＹ軸方向に伸びる固定辺５３Ａ１ 、該固定辺５３Ａ１ の長さ方向両端に位置してＸ軸方向に延びる２本の支持腕５３Ａ２ からなる略コ字状に形成された枠部５３Ａと、該枠部５３Ａの各固定辺５３Ａ１ の長さ方向両端に位置して形成された枠固定部５３Ｂとから構成されている。そして、２個の枠状体５３は枠部５３Ａの長さ方向両端に位置した２個の枠固定部５３Ｂによって基板２２上に固定されている。また、第１の振動体２６からＹ軸方向にそれぞれ延びる第１の支持梁２５の基端側は、各支持腕５３Ａ２ の先端に支持されている。
【００７１】
このように構成される角速度センサ５１は、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωの検出動作は第１の実施の形態で述べた角速度センサ２１と同様にして検出することができる。
【００７２】
また、角速度センサ５１では、前述した第１の実施の形態と同様に、周囲温度が上昇して基板２２が伸びた場合でも、基板２２の伸びをＹ軸方向に延びる固定辺５３Ａ１ によって緩和することができる。そして、周囲温度の変化に拘らず、各第１の支持梁２５は、そのばね定数の変化を低減することができる。この結果、角速度センサ５１は、周囲温度の変化に拘らず、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωの高精度な検出を行うことができ、信頼性を高めることができる。
【００７３】
さらに、各第１の支持梁２５は、そのばね定数の温度依存性が低減し、振動系２９の振動側共振周波数ｆ１ の変化をなくすことができるようになり、周囲温度が変化した場合でも、振動側共振周波数ｆ１ と検出側共振周波数ｆ２ との差の変化も低減することができる。この結果、角速度センサ５１は、検出感度のばらつきを小さくすることができる。
【００７４】
次に、第４の実施の形態を図７を参照しつつ説明するに、本実施の形態の特徴は、枠状の枠状体を従来技術で述べた角速度センサに用いたものである。なお、本実施の形態では前述した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ものとする。
【００７５】
６１は本実施の形態に適用される角速度センサで、該角速度センサ６１は、基板２と、該基板２上に形成された後述する可動部６２、振動用固定部９、検出用固定部１１等からなる。
【００７６】
６２は基板２上にシリコン材料によって形成された可動部で、該可動部６２は後述の枠状体６３と、該各枠状体６３の四隅から中央部に向けてＬ字状に折曲して形成された形成された支持梁５と、該各支持梁５の先端に支持された振動体６とからなる。
【００７７】
６３は枠状体で、該枠状体６３は、基板２から離間した状態で、前後に離間してＸ軸方向に伸びる２本の支持辺６３Ａ１ 、左右に離間してＹ軸方向に伸びる２本の固定辺６３Ａ２ によって略口状に形成された枠部６３Ａと、該枠部６３Ａのうち各固定辺６３Ａ２ の長さ方向中央部に位置して設けられた枠固定部６３Ｂとから構成され、該枠状体６３は枠部６３Ａの一部となる枠固定部６３Ｂによって基板２上に固定されている。また、振動体６からＹ軸方向に延びる支持梁５の基端側は、各支持辺６３Ａ１ の左右両側で支持されている。
【００７８】
このように構成される角速度センサ６１では、Ｘ軸周りに加わる角速度Ωの検出動作は従来技術と同様にして検出することができる。
【００７９】
また、角速度センサ６１は、前述した第１の実施の形態と同様に、周囲温度が上昇して基板２が伸びた場合でも、基板２の伸びをＸ軸方向に延びる支持辺６３Ａ１ と、Ｙ軸方向に延びる固定辺６３Ａ２ によって緩和することができる。そして、周囲温度の変化に拘らず、各支持梁５は、そのばね定数の変化を低減することができる。この結果、角速度センサ６１は、周囲温度の変化に拘らず、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωの高精度な検出を行うことができ、信頼性を高めることができる。
【００８０】
なお、第４の実施の形態では、枠状体６３は、各固定辺６３Ａ２ の長さ方向中央部に形成した枠固定部６３Ｂによって基板２上に固定するようにしたが、これに限らず、第２，第３の実施の形態のように、固定辺６３Ａ２ の両端に枠固定部を形成し、該各枠固定部によって基板２に固定するようにしてもよい。さらに、枠状体６３は略口状に限らず、第４の実施の形態のように略コ字状に形成してもよいことは勿論である。
【００８１】
また、実施の形態では、振動発生手段を、可動側振動電極と固定側振動電極とをくし状電極とし、各電極間に発生する静電引力によって振動体を振動させる構成としたが、本発明はこれに限らず、支持梁の近傍に圧電体を設け、該圧電体によって振動体を振動させるようにしてもよい。また、変位検出手段を、可動側検出電極と固定側検出電極とをくし状電極として各電極板間の離間寸法の変化を静電容量の変化として検出するようにしたが、これに代えて、支持梁に圧電体を設け、該圧電体の伸縮によって振動体の変位を検出するようにしてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上詳述した如く、請求項１の本発明によれば、各支持梁の基端側は、第２の軸方向に延びる枠部にそれぞれ固定され、該枠部はその一部を枠固定部によって基板に固定しているから、枠状体は、周囲温度が変化したときでも、振動体、支持梁の熱膨張と、基板の熱膨張との差を緩和し、支持梁に加わる応力を低減する。これにより、支持梁のばね定数が周囲の温度変化によって変動するのをなくし、振動体を常に一定の振幅で振動させることにより、角速度の検出感度のばらつきをなくし、角速度センサの信頼性を高めることができる。
【００８３】
また、振動発生手段により、振動体が第１の軸方向に振動するときの周波数を振動側共振周波数、第３の軸周りに角速度が加わったときに振動体が第２の軸方向に振動するときの周波数を検出側共振周波数としたとき、周囲温度が変化した場合でも、支持梁のばね定数が変動するのを抑えることにより、振動側共振周波数と検出側共振周波数との差を低減することができ、角速度センサとしての検出感度のばらつきを小さくすることができる。
【００８４】
請求項２の発明では、各第１の支持梁の基端側は、第１の支持梁の伸長方向に延びる枠部にそれぞれ固定され、該枠部はその一部を枠固定部によって基板に固定しているから、周囲温度が変化したときの熱膨張の差による応力を低減する。これにより、第１の支持梁、第１の振動体、振動体からなる振動系の共振周波数が温度変化によって変動するのを抑えることができ、温度変化の影響を受けずに、振動体を同じ振幅で振動させることができる。そして、角速度の検出感度のばらつきをなくし、角速度センサの信頼性を高めることができる。
【００８５】
請求項３の発明のように枠状体の枠部を略口状に形成し、請求項４の発明のように枠状体の枠部を略コ字状に形成したことにより、周囲温度が変化して熱膨張によって基板が伸びた場合でも、枠部によって支持梁に伝わる応力を小さくすることができる。
【００８６】
請求項５の発明では、枠状体、支持梁、振動体を、同一材料によって一体的に形成したから、基板から離間した枠状体の枠部、支持梁、振動体が周囲温度の上昇によって伸びた場合でも、同一材料によって形成された各部位の延びは均一となっているから、支持梁に加わる応力を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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】図１中の矢示ＩＩＩ −ＩＩＩ 方向からみた断面図である。
【図４】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５】図４中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた断面図である。
【図６】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７】第４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８】従来技術による角速度センサを示す平面図である。
【符号の説明】
５ 支持梁
６ 振動体
２１，４１，５１，６１ 角速度センサ
２２ 基板
２３，４２，５２，６２ 可動部
２４，４３，５３，６３ 枠状体
２４Ａ，４３Ａ，５３Ａ，６３Ａ 枠部
２４Ａ１ ，４３Ａ１ ，６３Ａ１ 支持辺
２４Ａ２ ，４３Ａ２ ，５３Ａ１ ，６３Ａ２ 固定辺
２４Ｂ，４３Ｂ，５３Ｂ，６３Ｂ 枠固定部
２５ 第１の支持梁
２６ 第１の振動体
２７ 第２の支持梁
２８ 第２の振動体
３１ 可動側振動電極
３４ 固定側振動電極
１３，３７ 振動発生部（振動発生手段）
１４，３８ 変位検出部（変位検出手段）
５３Ａ２ 支持腕
Claims (5)
- 基板と、該基板上に設けられた枠状体と、基端側が該枠状体内に位置して支持され、前記基板に対して水平面上で互いに直交する第１の軸と第２の軸のうち第２の軸方向に延びる複数本の支持梁と、前記枠状体内に位置して該各支持梁の先端側に前記第１の軸方向と第２の軸方向に振動可能に設けられた振動体と、前記振動体に前記各支持梁を通して第１の軸方向に振動を与える振動発生手段と、前記基板と前記振動体との間に設けられ、該振動発生手段により振動体に第１の軸方向に振動を与えている状態で、該第１の軸と第２の軸に直交する第３の軸周りに角速度が加わったとき前記振動体に生じる第２の軸方向への変位を検出する変位検出手段とからなり、かつ前記枠状体は、前記基板の表面から離間した状態で少なくとも前記第２の軸方向に延び、前記各支持梁の基端側をそれぞれ支持する枠部と、該枠部の一部を前記基板の表面に固定する枠固定部とから構成してなる角速度センサ。
- 基板と、該基板上に設けられた枠状体と、基端側が該枠状体内に位置して支持され、前記基板に対して水平面上に互いに直交する第１の軸と第２の軸のうち第２の軸方向に延びる複数本の第１の支持梁と、前記枠状体内に位置して該各第１の支持梁の先端側に前記第１の軸方向に振動可能に設けられた第１の振動体と、基端側が該第１の振動体内に位置して支持され第１の軸方向に延びる第２の支持梁と、該第２の支持梁の先端側に前記第２の軸方向に振動可能に設けられた第２の振動体と、前記第１の振動体に前記各第１の支持梁を通して第１の軸方向に振動を与える振動発生手段と、該振動発生手段により第１の振動体を第１の軸方向に振動を与えている状態で、該第１の軸と第２の軸に直交する第３の軸周りに角速度が加わったとき前記第２の振動体に生じる第２の軸方向への変位を検出する変位検出手段とからなり、かつ前記枠状体は、前記基板の表面から離間した状態で少なくとも前記第１の支持梁の伸長方向に延び、前記各第１の支持梁の基端側をそれぞれ支持する枠部と、該枠部の一部を前記基板の表面に固定する枠固定部とから構成してなる角速度センサ。
- 前記枠状体の枠部は、略口状に形成してなる請求項１または２記載の角速度センサ。
- 前記枠状体の枠部は、略コ字状に形成してなる請求項１または２記載の角速度センサ。
- 前記枠状体、支持梁、振動体は、同一材料によって一体的に形成してなる請求項１，２，３または４記載の角速度センサ。
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