JP3753209B2

JP3753209B2 - 角速度センサ

Info

Publication number: JP3753209B2
Application number: JP23086097A
Authority: JP
Inventors: 藤学加
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: JPH1164002A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｘ，ｙ，ｚ各軸廻りの角速度のそれぞれを検出する３軸の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、半導体薄膜を用いたマイクロマシン振動型角速度センサであって、振動板を基板に対して平行な面内で振動させ、角速度が該振動に加わることにより発生するコリオリの力により誘起される、振動板の振動と直交する方向の振動を検出することにより角速度を検出する、３軸の角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体薄膜を用いたマイクロマシン角速度センサで、振動板（質量体）を基板に平行な方向（ｘ方向）に振動させ、駆動方向に対して垂直方向を軸とする角速度の検出を、コリオリ力により誘起される、角速度の検出軸に垂直でかつ前記振動の方向に対して直交な方向の振動を検出する型の角速度センサは、検出軸が単軸が主であり、複数軸の検出軸を持つために単軸の角速度センサを複数個併設することが行なわれている。
【０００３】
図７に、従来の２軸の角速度センサの一例を示す。シリコン基板１上に、ｘ軸廻りの角速度を検出するためのセンサエレメント群ＡＣＳと、これを９０度回転させた形の、ｙ軸廻りの角速度を検出するためのセンサエメント群ＢＤＳが配列されている。この例では、センサエレメント群ＡＣＳとＢＤＳは、実質上同一のエレメント構成および形状である。
【０００４】
ｙ軸廻りの角速度を検出するためのセンサエメント群ＢＤＳに関して説明すると、基板１のｘ，ｙ平面よりｚ方向に微小距離離れた振動板２Ｂには、ｙ方向に延びる４本の分岐梁８が連続しており、それらの分岐梁８は、ｘ方向に延びる連結梁７に連続している。連結梁７にはｙ方向に延びる支持梁９が連続しており、この支持梁９が、基板１に固定したアンカー１０に連続している。すなわち、振動板２Ｂは、４本の分岐梁８，２本の連結梁７および２本の支持梁９を介して２個のアンカー１０で、基板に固着されている。分岐梁８および支持梁９は、ｙ方向に延びるので、ｘ方向およびｚ方向には撓み易く、ｙ方向には変位しにくい。これにより、振動板２Ｂは、ｘおよびｚ方向には振動可であるが、ｙ方向には実質上振動不可である。
【０００５】
振動板２Ｂには、ｘ方向に突出しｙ方向に所定ピッチで分布する各複数個の可動櫛歯３Ａ，３Ｂが、相対向する一対のｙ平行辺にある。一方の可動櫛歯３Ａ（ｙ方向に一列で分布する複数の櫛歯）の歯間に突出しｙ方向に前記ピッチで分布する複数個の固定櫛歯４Ａが固定電極５Ａより突出している。同様に、他方の可動櫛歯３Ｂの歯間に突出しｙ方向に前記ピッチで分布する複数個の固定櫛歯４Ｂが固定電極５Ｂより突出している。
【０００６】
基板１の、振動板２Ｂに対向する面上に、振動板２Ｂとの間に静電容量を形成する電極１８がある。
【０００７】
振動板２Ｂ，分岐梁８，連結梁７，支持梁９およびアンカー１０は、ｐ型又はｎ型にドーピングされた半導体薄膜（この例ではポリシリコン）よりなり、導電性を持つ。固定電極５Ａは電極パッド１１Ａに、固定電極５Ｂは電極パッド１１Ｃに、電極１８は電極パッド１１Ｂに接続されている。
【０００８】
アンカー１０（振動板２Ｂ）を共通電位（機器ア−ス：ＧＮＤ）に接続し、電極パッド１１Ａ（固定電極５Ａ，４Ａ）と１１Ｃ（固定電極５Ｂ，４Ｂ）に交互に高電圧パルスを印加すると、振動板２Ｂがｘ方向に振動する。振動板２Ｂが振動しているときにｙ軸廻りの角速度が振動板２Ｂに加わると、コリオリ力により振動板２Ｂはｚ方向にも振動する。すなわち振動板２Ｂのｘ方向の往復振動が、ｘ，ｚ面上で楕円を描く楕円振動となり、そのｚ方向振動成分により、振動板２Ｂ／電極１８間の静電容量が振動する。
【０００９】
図示しない測定用電気回路が、この静電容量の振動の、振幅と位相を検出して、ｙ軸廻りの角速度の大きさと方向を表わす信号を発生する。
【００１０】
図７に示す従来例では、この角速度検出の精度を高くするために、第２の振動板２Ｄを中心とするもう１組の角速度検出エレメントがあり、この振動板２Ｄが、振動板２Ｂの振動と１８０度の位相ずれをもってｘ方向に励振される。これにより、上述のｙ軸廻りの角速度による振動板２Ｂのｚ方向の振動に対して１８０度の位相ずれをもって振動板２Ｄが振動する。振動板２Ｂと電極１８との間の静電容量検出信号と、振動板２Ｄとその直下の電極との間の静電容量検出信号の差が増幅され、両信号が共に振動するが位相差が１８０度であるので、差信号（差動増幅で得られる信号）のレベルは、２つの静電容量検出信号（のレベルの絶対値）の和となり、各検出信号中のノイズが相殺されるので、Ｓ／Ｎが高い。
【００１１】
ｘ軸廻りの角速度を検出するためのセンサエメント群ＡＣＳは、上述の、ｙ軸廻りの角速度を検出するためのセンサエメント群ＢＤＳを、ｘ，ｙ平面上で該平面に沿って９０度回転させた形のものであり、上述と同様な原理によって、ｘ軸廻りの角速度を検知する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ｘ，ｙの各軸廻りの角速度を検出するセンサは、上述のように２組のセンサ（ＢＤＳ，ＡＣＳ）を用意する必要があった。ｘ，ｙ，ｚの各軸廻りの角速度を検出するセンサは、例えば、図７に示す２軸のセンサに、センサＢＤＳを図７に示す状態から垂直に９０度起して分岐梁８をｚ軸に平行にした形のもう１組のセンサを併設したものとなる。
【００１３】
このため３軸以上の検出軸を持つ角速度センサは小型化が困難であり、また、センサの共振周波数が各センサで別であるため、励振回路が各センサに必要であり、コストアップにつながっていた。
【００１４】
特開平９−１２７１４８号公報には、１個の振動板を、ｘ方向に延びそしてｙ方向に延びるジグザグ形状の４本の梁で、ｘ，ｙ，ｚ３軸方向に平位可に支持し、この振動板をｘ方向に励振して、ｘ軸廻りに加わる角速度による振動板のｚ振動と、ｚ軸廻りに加わる角速度による振動板のｙ振動を検出する２軸の角速度センサが開示されている。しかし、上述の差動増幅はできないので検出精度を低いと推察する。検出精度を高くするために上述の差動増幅を行なうためには、同等な構造のもう１組のセンサが必要と思われる。加えて、もう１つのｙ軸廻りの角速度をも検出するためには、別途のもう１組のセンサの併設を要する。したがって、３軸以上の検出軸を持つ角速度センサは小型化が困難であり、また、センサの共振周波数が各センサで別となるため、励振回路が各センサに必要であり、コストアップにつながる。
【００１５】
本発明は、小型の、直交３軸の検出軸を持つ角速度センサを提供することを第１の目的とし、加えて検出精度が高い角速度センサを提供することを第２の目的とし、更に加えて励振回路数が少くて済む角速度センサを提供することを第３の目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の角速度センサは、ｘ，ｙ平面を有する基板(1)；
該基板の該平面に平行な面上の多角形の各辺位置に分布する、複数の振動体(2A〜2D)、および、それらを該平面と平行にかつ各辺と直交する方向に振動駆動するための手段(3A,3B,4A,4B)；
前記振動体(2A〜2D)のそれぞれに連続し前記多角形の辺の延びる方向に延びた複数の分岐梁(8)、および、前記多角形の頂点部に位置し前記分岐梁が連続する複数の連結梁(7);
これらの連結梁(7)を、前記多角形内の点を中心に回転変位可能に支持する手段(16,9,10)；
振動方向が異なる少くとも２つの振動体(2A〜2D)の、前記基板(1)に対するｚ方向の振動を検出するための手段(18)；
前記振動体(2A〜2D)，分岐梁(8)および連結梁(7)でなる組体の、前記基板(1)に対する、ｚ軸廻りの回転を検出するための手段(13A,13B,14)；
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。
【００１７】
これによれば、振動体(2A〜2D)，分岐梁(8)および連結梁(7)が連続で一体であるので、それらでなる組体の共振周波数にて、各振動体(2A〜2D)を励振するのが、励振効率が高く、１つの励振回路にて該共振周波数の励振信号を生成し、これを増幅して各振動体(2A〜2D)の励振に使用することができる。
【００１８】
複数個の振動体(2A〜2D)がｘ，ｙ面上の多角形の各辺の位置に分布するので、それらを、ｘ，ｙ面に平行であって各辺と直交する方向に、共に多角形の中心に向いそして中心から離れるように前記励振信号に基づいて励振しているとき、ｘ軸廻りの角速度が加わると、コリオリの力により、ｚ軸方向に励振周波数と一致した周波数で、ｙ方向に位置差がある振動体(2A,2C)に相対的に逆相の、ｚ方向の振動が誘起される。これらの振動を、各振動体(2A,2C)の振動検出手段(18)で検出して電気信号(静電容量検出信号)とし、それらの電気信号を差動増幅して角速度信号に変換することにより、ｘ軸廻りの角速度を高精度に検出することができる。
【００１９】
ｙ軸廻りの角速度の検出は、ｘ方向に位置差がある振動体(2B,2D)のｚ振動を各振動体(2B,2D)の振動検出手段(18)で検出して電気信号(静電容量検出信号)とし、それらの電気信号を差動増幅して角速度信号に変換することにより、高精度のｙ軸廻りの角速度検出が可能である。
【００２０】
一方、ｚ軸を回転軸とする角速度が加わったとき、コリオリの力により、ｙ方向に位置差がある振動体(2A,2C)にはｘ方向の前記励振振動の逆相の振動が誘起され、ｘ方向に位置差がある振動体(2B,2D)にはｙ方向の前記励振振動の逆相の振動が誘起され、前記振動体(2A〜2D)，分岐梁(8)および連結梁(7)でなる組体に、前記多角形内の点を中心とするｚ軸廻りの回転振動が誘起される。この回転振動をｚ軸廻りの回転検出手段(13A,13B,14)が電気信号(静電容量検出信号)に変換する。この電気信号を角速度信号に変換することにより、ｚ軸廻りの角速度を検出することができる。
【００２１】
本発明の後述の実施例では、回転検出手段(13A,13B,14)は、前記振動体(2A〜2D)，分岐梁(8)および連結梁(7)でなる組体と一体の電極１４と、この電極１４を間に置いて、ｚ軸廻りの回転方向で相対向する対の検出電極１３Ａ，１３Ｂを含み、該組体（電極１４）がｚ軸廻りに回転振動すると、検出電極１３Ａ，１３Ｂの一方と電極１４との静電容量は増大し他方と電極１４との静電容量は減少する。これらの静電容量を電気信号に変換して差動増幅して角速度信号に変換することにより、高精度のｚ軸廻りの角速度検出が可能である。
【００２２】
本発明の角速度センサは、上述のように、１つの励振回路が発生する信号に基づいて全振動体(2A〜2D)を同期励振して、ｘ，ｙ，ｚ３軸の各軸廻りの角速度を検出することができる。振動体(2A〜2D)，分岐梁(8)および連結梁(7)を一体連続の組体として多角形を構成しているので、小型の角速度センサを得ることができる。また、差動増幅により検出精度が高い角速度信号を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（２）各振動体の質量とそれに連続する分岐梁のバネ定数との比，前記複数の振動体(2A〜2D)の質量，前記複数の振動体(2A〜2D)とそれぞれに連続した分岐梁(8)の形状および材質，前記複数の連結梁(7)の形状、ならびに、前記多角形の重心に対する前記振動体(2A〜2D)，分岐梁(8)および連結梁(7)でなる組体の回転中心、のいずれか、が実質上同一である。
【００２４】
各振動体の質量とそれに連続する分岐梁のバネ定数との比が実質上同一であることにより、各振動体の励振による振動および角速度が加わることによる振動の強度および方向が均一化して安定となり、不要な振動モ−ドもしくは成分が少く、角速度検出精度が高い。
【００２５】
前記複数の振動体(2A〜2D)の質量が実質上同一であることにより、各振動体の励振による振動および角速度が加わることによる振動の強度および方向が均一化して安定となり、不要な振動モ−ドもしくは成分が少く、角速度検出精度が高い。
【００２６】
前記複数の振動体(2A〜2D)とそれぞれに連続した分岐梁(8)の形状および材質が実質上同一であることにより、分岐梁(8)の２軸方向（ｘ，ｚ／ｙ，ｚ）のたわみ特性が実質上同一となるので、各振動体の励振による振動および角速度が加わることによる振動の強度および方向が均一化して安定となり、不要な振動モ−ドもしくは成分が少く、角速度検出精度が高い。
【００２７】
前記複数の連結梁(7)の形状が実質上同一であることにより、各振動体に連続した分岐梁とそれに連続した連結梁の２者の組合せが、前記多角形の各辺に関して実質上同一となるので、各振動体の励振のバランスをとり易く、各振動体による振動および角速度が加わることによる振動の強度および方向の均一化および安定化が可能となる。
【００２８】
前記振動体(2A〜2D)，分岐梁(8)および連結梁(7)でなる組体の回転中心が、前記多角形の重心と実質上同一であることにより、ｚ軸廻りの角速度が加わったときの前記組体のｚ軸廻りの振動において前記組体の重心の変動がなく、不要な振動モ−ドもしくは成分が少く、ｚ軸廻りの角速度検出精度が高い。
【００２９】
（３）連結梁(7)を回転変位可能に支持する手段(16,9,10)は、前記複数の連結梁(7)が連続した１個のリング状の梁(16)，該リング状の梁(16)に連続し前記リングの径方向に延びる梁(9)、および、該径方向の梁(9)の端部が連続した、前記基板(1)に固定されたアンカー(10)、を含む。
【００３０】
（４）前記連結梁(7)は前記リング状の梁(16)からその外方に放射状に延び、前記径方向に延びる梁(9)は前記リング状の梁(16)からその内方に放射状に延び、前記アンカー(10)は、前記リング状の梁(16)の円中心にある。
【００３１】
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。
【００３２】
【実施例】
−第１実施例−
図１に本発明の第１実施例を示す。図１において、それぞれに同一形状の４個の分岐梁８が連続した同一形状の４個の振動板２Ａ〜２Ｄが、ｘ平行辺およびｙ平行辺を有する正方形の各辺の位置にあり、隣り合う辺にある振動板に連続した分岐梁８が４個の同一形状の連結梁７のそれぞれに連続している。４個の連結梁７は、前記正方向の各頂点部に位置し、Ｙ型であり、その脚部が、前記正方形の中心をねらう方向に向いている。
【００３３】
連結梁７の脚部端は、リング状の梁１６に連続している。この梁１６には、４本の支持梁９およびｚ軸廻りの回転検出用の１２本の検出電極が連続して梁１６の円中心に向けて放射状に延びている。４本の支持梁９は、梁１６の円中心にあってシリコン基板１に固定されたアンカー１０に連続している。すなわち、全振動板２Ａ〜２Ｄ，それらに連続の分岐梁８，連結梁７，リング状の梁１６および支持梁９は、基板１のｘ，ｙ平面に対して空隙を置いて、アンカー１０で支持されている。
【００３４】
基板１上のセンサエレメントは、ｘ軸廻りの角速度を検出するための１対のセンサエレメント群ＡＳおよびＣＳと、これらを９０度回転させた形の、ｙ軸廻りの角速度を検出するための１対のセンサエメント群ＢＳおよびＤＳ、ならびに、ｚ軸廻りの角速度を検出するための、リング状の梁１６内の検出電極群に区分することができる。この例では、センサエレメント群ＡＳ，ＢＳ，ＣＳおよびＤＳは、実質上同一のエレメント構成および形状である。
【００３５】
ｙ軸廻りの角速度を検出するための１対のセンサエメント群ＢＳおよびＤＳの一方ＢＳに関して説明すると、基板１のｘ，ｙ平面よりｚ方向に微小距離離れた振動板２Ｂには、ｙ方向に延びる４本の分岐梁８が連続しており、それらの分岐梁８は、Ｙ型の連結梁７のｘ方向に延びる分岐に連続している。連結梁７のＹ型の脚はリング状の梁１６に連続している。この梁１６が、それに連続した支持梁９を介してアンカー１０で、基板１に対して空隙を置いて支持されている。すなわち、振動板２Ｂは、４本の分岐梁８，２本の連結梁７，リング状の梁１６および支持梁９を介して、リング状の梁１６の円中心にあるアンカー１０で、基板１に固着されている。分岐梁８は、ｙ方向に延びるので、ｘ方向およびｚ方向には撓み易く、ｙ方向には変位しにくい。これにより、振動板２Ｂは、ｘおよびｚ方向には振動可であるが、ｙ方向には実質上振動不可である。
【００３６】
振動板２Ｂには、ｘ方向に突出しｙ方向に所定ピッチで分布する各複数個の可動櫛歯３Ａ，３Ｂが、相対向する一対のｙ平行辺にある。一方の可動櫛歯３Ａ（ｙ方向に一列で分布する複数の櫛歯）の歯間に突出しｙ方向に前記ピッチで分布する複数個の固定櫛歯４Ａが固定電極５Ａより突出している。同様に、他方の可動櫛歯３Ｂの歯間に突出しｙ方向に前記ピッチで分布する複数個の固定櫛歯４Ｂが固定電極５Ｂより突出している。
【００３７】
基板１の、振動板２Ｂに対向する面上に、振動板２Ｂとの間に静電容量を形成する電極１８がある。振動板２Ｂおよび電極１８の横断面（図１上のＡ−Ａ線断面）を拡大して図２に示す。
【００３８】
振動板２Ｂ，分岐梁８，連結梁７，リング状の梁１６，支持梁９およびアンカー１０は、ｐ型又はｎ型にドーピングされた半導体薄膜（この例ではポリシリコン）よりなり、導電性を持つ。固定電極５Ａは電極パッド１１Ａに、固定電極５Ｂは電極パッド１１Ｃに、電極１８は電極パッド１１Ｂに接続されている。アンカー１０は電極パッド１１に、配線１２で接続されている。
【００３９】
電極パッド１１（アンカー１０，振動板２Ｂ）を共通電位（機器ア−ス：ＧＮＤ）に接続し、電極パッド１１Ａ（固定電極５Ａ，４Ａ）と１１Ｃ（固定電極５Ｂ，４Ｂ）に１８０°位相がずれた矩形波や正弦波等を印加すると、振動板２Ｂがｘ方向に振動する。振動板２Ｂが振動しているときにｙ軸廻りの角速度が振動板２Ｂに加わると、コリオリ力により振動板２Ｂはｚ方向にも振動する。すなわち振動板２Ｂのｘ方向の往復振動が、ｘ，ｚ面上で楕円を描く楕円振動となり、そのｚ方向振動成分により、振動板２Ｂ／電極１８間の静電容量が振動する。
【００４０】
センサエレメント群ＤＳは、上述のセンサエレメント群ＢＳを、アンカー１０を中心に１８０度回転させたものに相当し、その振動板２Ｄは上述の振動板２Ｂと同期して駆動される。ただし、センサエレメント群ＤＳは、アンカー１０の中心を通るｙ軸線に関してセンサエレメント群ＢＳと対称に位置するので、振動板２Ｄのｘ方向の振動は、振動板２Ｂのｘ方向の振動と逆相となり、これにより、ｙ軸廻りの角速度が加わったとき、センサエレメント群ＢＳの振動板２Ｂのｚ方向の振動（振動板２Ｂ／電極１８間の静電容量の振動）に対して、センサエレメント群ＤＳの振動板２Ｄのｚ方向の振動（振動板２Ｄ／その直下の電極間の静電容量の振動）は逆相となる。それら静電容量の振動を表わす電気信号を差動増幅し、角速度信号に変換することにより、Ｓ／Ｎが高いｙ軸廻りの角速度検出信号が得られる。
【００４１】
センサエレメント群ＡＳはセンサエレメント群ＢＳを、センサエレメント群ＣＳはセンサエレメント群ＤＳを、アンカー１０を中心にそれぞれ９０度回転させたものに相当し、上述の１対ＢＳ，ＤＳによるｙ軸廻りの角速度検出原理と同様な原理と信号処理により、Ｓ／Ｎが高いｘ軸廻りの角速度検出信号が得られる。リング状の梁１６からアンカー１０に向けて放射状に延びる１２個の電極１４は、アンカー１０とは分離している。すなわち片持ちでリング状の梁１６で支持されている。各電極１４は振動板２Ａ〜２Ｄと同電位（ＧＮＤ）である。各電極１４を間に置いて、ｚ軸廻りの回転変位検出用の１対の電極１３Ａ，１３Ｂがあり、基板１に固定されている。これらの電極１４，１３Ａおよび１３Ｂの横断面（図１上のＢ−Ｂ線断面）を拡大して図３に示す。
【００４２】
１２個の電極１３Ａは配線１５ｅで共通に、電極パッド１１Ｅに接続され、１２個の電極１３Ｂは配線１５で共通に、電極パッド１１Ｆに接続されている。ｚ軸廻りの角速度が加わったとき、振動板２Ａ〜２Ｄに、ｚ軸廻りの回転振動が発生し、支持梁９がｚ軸廻りの回転に対して撓み易いので、リング状の梁１６がｚ軸廻りに回転振動し、この回転振動により、電極１４／１３Ａ間の距離が振動して両電極間の静電容量が振動する。同様に電極１４／１３Ｂ間の距離が振動して両電極間の静電容量が振動するが、後者の振動は前者の振動と逆相となる。それら静電容量の振動を表わす電気信号を差動増幅し、角速度信号に変換することにより、Ｓ／Ｎが高いｚ軸廻りの角速度検出信号が得られる。
【００４３】
なお、振動板２Ａ〜２Ｄ，分岐梁８，連結梁７，リング状の梁１６，支持梁９，電極１４，アンカー１０，固定電極１３Ａ，１３Ｂおよび固定電極５Ａ，５Ｂは、ｐ型又はｎ型にドーピングされた半導体薄膜よりなり導電性を持つ。
【００４４】
また、図示を省略したが、振動板２Ｂのｘ方向に平行な１対の辺の１つには、可動櫛歯電極が連続しており、該可動櫛歯電極の歯間ギャップに突出する第１組および第２組の固定櫛歯電極がある。第１組と第２組の固定櫛歯電極の各歯は、可動櫛歯電極の１つの歯を間に置いて対向し、振動板２Ｂがｘ方向で往（左から右）移動すると、可動櫛歯電極の歯と第１組の固定櫛歯電極の歯との距離が短くなり、可動櫛歯電極の歯と第２組の固定櫛歯電極の歯との距離が長くなる。復（右から左）移動のときにはその逆になる。可動櫛歯電極と両組の固定櫛歯電極との間の静電容量を表わす電気信号が差動増幅されて、振動板２Ｂの、ｘ方向の振動のフィ−ドバック信号として利用される。振動板２Ｂのもう１つのｘ平行辺にも同様な可動櫛歯電極があり、その近辺に同様な第１組および第２組の固定櫛歯電極がある。
【００４５】
同様な可動櫛歯電極が振動板２Ｄのｘ平行辺にもあり、そのｘ方向の変位を検出するための同様な固定櫛歯電極が、振動板２Ｄのｘ平行辺の近くにある。また、同様な可動櫛歯電極が振動板２Ａおよび２Ｃのｙ平行辺にもあり、それらの近辺に同様な固定櫛歯電極がある。各振動板の可動櫛歯電極（総計８組）は振動板の電位（ＧＮＤ）と同一であり、第１組の固定櫛歯電極（総計８組）は共通接続され、また第２組の固定櫛歯電極（総計８組）も共通接続されている。また、フィ−ドバック信号の検出には、電極３Ａと４Ａ，電極３Ｂと４Ｂからなる２組の櫛歯対の一方を検出用電極対としてもよい。
【００４６】
図４に、図１に示す角速度センサに接続した角速度測定回路の構成を示す。図４上に、駆動振動検出用電極２０として示したブロックが、上述の可動櫛歯電極（総計８組），第１組の固定櫛歯電極（総計８組）および第２組の固定櫛歯電極（総計８組）の全体を表わす。検出回路４０は、上述の第１組の固定櫛歯電極（総計８組）の共通接続の、共通電位（ＧＮＤ）に対する静電容量を表わす第１電気信号と、第２組の固定櫛歯電極（総計８組）の、共通電位（ＧＮＤ）に対する静電容量を表わす第２電気信号と、を発生して、第１および第２電気信号を差動増幅して励振フィ−ドバック信号とし、これを駆動回路３０に与える。駆動回路３０は、励振フィ−ドバック信号に同期して０ＶとＶＤの２値をもつ第１矩形波を電極パッド１１Ａ（４個）に出力すると共に、第１矩形波と逆相（１８０度の位相ずれ）の第２矩形波を電極パッド１１Ｃ（４個）に出力する。周波数（励振周波数）は、アンカー１０で支持された振動板組体（２Ａ〜２Ｄ，８，７，１６，９）の、アンカー１０を中心とする半径方向の拡出／収縮振動の共振周波数である。また、ＶＤは励振フィ−ドバック信号を基に、振幅が一定になるように調整する。
【００４７】
上述の第１および第２矩形波の印加により、振動板組体がアンカー１０を中心とする半径方向に拡出／収縮振動する。なお、振動板２Ａ〜２Ｄを個別に見ると、振動板２Ａと２Ｃはｙ方向に、相対的に逆相で振動する。振動板２Ｂと２Ｄはｘ方向に、相対的に逆相で振動する。
【００４８】
検出回路５０は、振動板２Ｂと電極１８とのｚ方向距離に対応する両者間の静電容量を表わす第１電気信号と、振動板２Ｄとその直下の電極との間の静電容量を表わす第２電気信号とを差動増幅してこれを第１変位信号として、信号処理回路６０に与える。ｙ軸廻りの角速度が振動板組体に加わると、第１変位信号が励振周波数で振動し、この第１変位信号の、励振信号（第１矩形波）に対する位相差は、ｙ軸廻りの角速度の方向に対応し、第１変位信号のレベルは角速度の値（スカラ量）に対応する。信号処理回路６０は、第１変位信号のレベルを角速度レベル信号に変換し、前記位相差を角速度方向信号に変換して、該角速度レベル信号と角速度方向信号を、ｙ軸廻りの角速度のものとして出力する。
【００４９】
また検出回路５０は、振動板２Ａとその直下の電極とのｚ方向距離に対応する両者間の静電容量を表わす第３電気信号と、振動板２Ｃとその直下の電極との間の静電容量を表わす第４電気信号とを差動増幅してこれを第２変位信号として、信号処理回路６０に与える。ｘ軸廻りの角速度が振動板組体に加わると、第２変位信号が励振周波数で振動し、この第２変位信号の、励振信号（第１矩形波）に対する位相差は、ｘ軸廻りの角速度の方向に対応し、第２変位信号のレベルは角速度の値（スカラ量）に対応する。信号処理回路６０は、第２変位信号のレベルを角速度レベル信号に変換し、前記位相差を角速度方向信号に変換して、該角速度レベル信号と角速度方向信号を、ｘ軸廻りの角速度のものとして出力する。
【００５０】
更に検出回路５０は、電極１４と固定電極１３Ａとの距離に対応する両者間の静電容量を表わす第５電気信号と、電極１４と固定電極１３Ｂとの間の静電容量を表わす第６電気信号とを差動増幅してこれを第３変位信号として、信号処理回路６０に与える。ｚ軸廻りの角速度が振動板組体に加わると、第３変位信号が励振周波数で振動し、この第３変位信号の、励振信号（第１矩形波）に対する位相差は、ｚ軸廻りの角速度の方向に対応し、第３変位信号のレベルは角速度の値（スカラ量）に対応する。信号処理回路６０は、第３変位信号のレベルを角速度レベル信号に変換し、前記位相差を角速度方向信号に変換して、該角速度レベル信号と角速度方向信号を、ｚ軸廻りの角速度のものとして出力する。
【００５１】
図５に、励振電圧と振動板の振動との関係と、加速度が加わったときの振動板の変位を示す。なお図５の横軸は時間軸であり、縦軸はレベルを表わす。図５上の振動板の変位と回転を表わす実線と破線は、角速度が正方向のときと逆方向のときを示す。
【００５２】
再度図１を参照する。基板１上のセンサエレメント群ＡＳ，ＤＳおよびＣＳは、それぞれセンサエレメント群ＢＳを、反時計方向に９０°，１８０°および２７０°回転させたものと実質上同一である。
【００５３】
したがって、振動板２Ａ〜２Ｄの質量は実質上同一、かつ、各振動板に連続した分岐梁８のバネ定数も実質上同一であって、各振動板の質量とそれに連続した分岐梁のバネ定数との比が実質上同一であるので、励振駆動によって不要な振動モ−ドが発生しにくく、また、角速度が加わったときに不要な振動モ−ドが発生しにくく、角速度検出信号のＳ／Ｎが高く、高精度の角速度検出が可能である。振動板２Ａ〜２Ｄの質量が実質上同一であるので、上述の不要な振動モ−ドが発生しにくくＳ／Ｎが高い。各振動板とそれに連続した分岐梁を合せた長さ（形状）が実質上同一であるので、上述の不要な振動モ−ドが発生しにくくＳ／Ｎが高い。振動板，それに連続する分岐梁８，それに連続した連結梁７よりなる、多角形の各辺の長さが実質上同一であるので、振動板間の振動バランスがとりやすく、上述の不要な振動モ−ドが発生しにくくＳ／Ｎが高い。振動板，それに連続する分岐梁８，それに連続した連結梁７よりなる多角形が正多角形（図１では正方形）であるので、振動板間の振動バランスがとりやすく、上述の不要な振動モ−ドが発生しにくくＳ／Ｎが高い。連結梁７の形状が実質上同一であるので、振動板間の振動バランスがとりやすく、上述の不要な振動モ−ドが発生しにくくＳ／Ｎが高い。多角形の回転中心が多角形の重心と合致しているので、ｚ軸廻りの角速度が加わっても、重心は移動せず、ｚ軸廻りの角速度に対する感度が高く、振動板間の回転モ−メントがバランスし、上述の不要な振動モ−ドが発生しにくくＳ／Ｎが高い。
【００５４】
−第２実施例−
図６に、３組のセンサエレメント群ＡＳ，ＢＳおよびＣＳを、アンカー１０を中心に１２０°ピッチで配列した三角形配列の一実施例を示す。センサエレメント群ＡＳおよびＣＳは、それぞれセンサエレメント群ＢＳを、時計方向廻りで１２０°および２４０°回転させたものに相当する。なお、図６では検出用電極１３Ａ，１３Ｂ，１４，１８，配線６Ｂ，１２，１５ｅ，１５ｆ，１７及び電極パッド１１Ａ〜１１Ｆの図示は省略した。振動板２Ａ〜２Ｃは、図１の実施例と同様に、アンカー１０に近づいたり離れたりするように同期して励振される。ｙ軸廻りの角速度を表わす角速度信号は、振動板２Ａ，２Ｃに対向する基板上の検出電極より得られる信号を差動増幅し、信号処理することにより得られる。ｘ軸廻りの角速度を表わす角速度信号は、可動部２Ａ，２Ｃに対向する基板上の検出電極より得られる信号の和と、可動部２Ｂに対向する基板上の検出電極より得られる信号に適当な係数をかけたものを差動増幅し、信号処理することにより得られる。ｚ軸廻りの角速度を表わす角速度信号は、図１の実施例と同様にして得られる。
【００５５】
振動板を５個以上とする場合も、５角形以上の多角形の各辺に振動板を配置することにより、同様に３軸の各軸廻りの角速度検出が可能である。
【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】図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線拡大断面図である。
【図４】図１に示す角速度センサを励振し角速度信号を生成する電気回路の構成を示すブロック図である。
【図５】図４に示す駆動回路３０が角速度センサに印加する励振電圧と角速度センサの振動板の変位を示すタイムチャ−トである。
【図６】本発明の第２実施例の概要を示す平面図である。
【図７】従来の角速度センサの１つを示す平面図である。
【符号の説明】
１：基板２Ａ〜２Ｄ：振動板
３Ａ，３Ｂ：可動櫛歯電極４ａ，４Ｂ：固定櫛歯電極
５Ａ，５Ｂ：固定電極６Ｂ：配線
７：連結梁８：分岐梁
９：支持梁１０：アンカー
１１Ａ〜１１Ｆ：電極パッド１２：配線
１３Ａ，１３Ｂ：固定電極１４：電極
１５ｅ，１５ｆ：配線１６：リング状の梁
１７：配線１８：電極

Claims

ｘ，ｙ平面を有する基板；
該基板の該平面に平行な面上の多角形の各辺位置に分布する、複数の振動体、および、それらを該平面と平行にかつ各辺と直交する方向に振動駆動するための手段；
前記振動体のそれぞれに連続し前記多角形の辺の延びる方向に延びた複数の分岐梁、および、前記多角形の頂点部に位置し前記分岐梁が連続する複数の連結梁；
これらの連結梁を、前記多角形内の点を中心に回転変位可能に支持する手段；
振動方向が異なる少くとも２つの振動体の、前記基板に対するｚ方向の振動を検出するための手段；
前記振動体，分岐梁および連結梁でなる組体の、前記基板に対する、ｚ軸廻りの回転を検出するための手段；
を備える角速度センサ。
各振動体の質量とそれに連続する分岐梁のバネ定数との比，前記複数の振動体の質量，前記複数の振動体とそれぞれに連続した分岐梁の形状および材質，前記複数の連結梁の形状、ならびに、前記多角形の重心に対する前記振動体，分岐梁および連結梁でなる組体の回転中心、のいずれか、が実質上同一である、請求項１記載の角速度センサ。
連結梁を回転変位可能に支持する手段は、前記複数の連結梁が連続した１個のリング状の梁，該リング状の梁に連続し前記リングの径方向に延びる梁、および、該径方向の梁の端部が連続した、前記基板に固定されたアンカー、を含む、請求項１又は請求項２記載の角速度センサ。
前記連結梁は前記リング状の梁からその外方に放射状に延び、前記径方向に延びる梁は前記リング状の梁からその内方に放射状に延び、前記アンカーは、前記リング状の梁の円中心にある、請求項３記載の角速度センサ。