JP4075022B2 - 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、基板に対して浮動支持された振動体を備える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、半導体微細加工技術を用いて形成される浮動半導体薄膜を櫛歯電極にて電気的に吸引／解放してｘ方向に励振する角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の角速度センサの代表的なものは、浮動薄膜の左辺部に１組かつ右辺部に１組の浮動櫛歯電極（左側浮動櫛歯電極と右側浮動櫛歯電極）を備え、固定櫛歯電極も２組（各組の浮動櫛歯電極に非接触で噛み合いかつ平行な左側固定櫛歯電極および右側固定櫛歯電極）として、左側浮動櫛歯電極／左側固定櫛歯電極間と右側浮動櫛歯電極／右側固定櫛歯電極間に交互に電圧を印加することにより、浮動薄膜がｘ方向に振動する。浮動薄膜に、ｚ軸を中心とする回転の角速度が加わると、浮動薄膜にコリオリ力が加わって、浮動薄膜は、ｙ方向にも振動する楕円振動となる。浮動薄膜を導体としもしくは電極が接合したものとし、浮動薄膜のｘｚ平面に平行な検出電極を基板上に備えておくと、この検出電極と浮動薄膜との間の静電容量が、楕円振動のｙ成分（角速度成分）に対応して振動する。この静電容量の変化（振幅）を測定することにより、角速度を求めることが出来る（例えば特開平５−２４８８７２号公報，特開平７−２１８２６８号公報，特開平８−１５２３２７号公報，特開平９−１２７１４８号公報，特開平９−４２９７３号公報）。
【０００３】
米国特許明細書第5,635,638号のFig.4には、１対の振動子を半円形状の１対の梁で連結して、各振動子の振動方向ｘに対して撓み性が高い梁を介して、８個のアンカーにて、該１対の振動子を浮動支持した角速度センサが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の角速度センサではアンカー部が多点にわかれており、互いに距離があるため振動子を単振動させる梁バネ部に温度変化等の外力が加わると圧縮あるいは引張りの応力がかかる。そのため共振周波数が温度とともに変化し、ヒステリシスと不連続点をもつ特性となる。それはセンサの精度を低下させる。例えば特開平７−２１８２６８号公報に開示のごとき、アンカー部が多点にわかれた従来の角度センサでは、アンカー間に距離があるため駆動時の振動が検出側の振動にもれ、そのため精度低下となることが考えられる。また、例えば特開平７−２１８２６８号公報に開示のごときの、駆動の振動モードと検出の振動モードの不動点が不一致のものでは、互いの振動もれと外力の影響があると角速度検出精度が低下すると考えられる。また、駆動の振動モードにコリオリ力による振動を低減させる振動成分を含むと、角速度検出出力が小さい。従来の振動子の振幅が、＋ｘ方向と−ｘ方向とで異なって振動が不安定になるときがあり、センサとして成立しないときがある。
【０００５】
米国特許明細書第5,635,638号の角速度センサでは、振動子の重心から振動バネが接続されていないため、製造時の寸法変動により、振動マスに加わる駆動力が不均一になると振動がアンバランスになると推察される。また、非線形振動になる。そのため共振周波数のシフト振動のアンバランスにより検出出力の不安定な変動を発生させるためＳ／Ｎが悪いと推察される。振動駆動信号が検出コンデンサに伝わるので、角速度信号のＳ／Ｎが低いと推察される。更に、従来のセンサでは駆動振動の漏れが各検出部に漏れ信号として流れるが、励振部と各検出部までの電気的距離，幾何学的距離に対称性がないため、電気回路部の作動構成でも漏れ信号が除去できず、Ｓ／Ｎの低下をもたらす。
【０００６】
本発明は、物理的（電気的および機械的）外乱による検出精度の低下を防ぎ、振動駆動信号の漏れによるＳ／Ｎ低下を抑止し、角速度検出精度を高くすることを目的とする。
【０００７】
【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平面上にあって中心Ｏを中心とし、該中心Ｏを通るｘ軸およびｙ軸の方向に撓み性が高く、浮動支持部材(b1〜b4,c,1,2,8,18,b5〜b8)にて基板(100)に対してｘ，ｙ平面に沿う方向に振動可に支持された、ループばね梁(3)；
該ループばね梁(3)の、前記中心Ｏを通るｘ軸，ｙ軸との交点の少くとも一点を、該点で交わる該軸が延びる方向に振動駆動する励振手段(4〜6)；
該ループばね梁(3)のｘ軸との交点に連続し、ｙ軸に関して対称に位置し、ｘ軸の延びる方向に撓み性が高い支持部材(8,18)にて基板(100)に対して浮動支持された第１駆動枠(7)および第２駆動枠(17)；
第１駆動枠(7)の内側で第１駆動枠に連続する、ｙ方向に撓み性が高いばね梁(9,10)、および、第１駆動枠の内側で該ばね梁(9,10)に連続する第１振動体(11)；
第２駆動枠(17)の内側で第２駆動枠に連続する、ｙ方向に撓み性が高いばね梁(19,20)、および、第２駆動枠の内側で該ばね梁(9,10)に連続する第２振動体(21)；
第１振動体(11)のｙ振動を検出する第１の変位検出手段(12,13)；および、
第２振動体(21)のｙ振動を検出する第２の変位検出手段(22,23)；
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。
【０００８】
これによれば、励振手段(4〜6)にて、ループばね梁(3)の、ｘ軸，ｙ軸との交点の少くとも一点例えばｙ軸との交点を、ｙ軸が延びる方向に振動駆動すると、これによるｙ振動と１８０度位相がずれたｘ振動が、ループばね梁(3)のｘ軸との交点に現われ、第１駆動枠(7)および第２駆動枠(17)が、逆相でｘ方向に振動する。第１振動体(11)および第２振動体(21)も、第１駆動枠(7)および第２駆動枠(17)と同じく、ｘ方向に逆相で振動する。ｚ軸廻りの角速度が加わると、第１振動体(11)および第２振動体(21)は、ｙ方向に撓み性が高いばね梁(9,10/19,20)にて支持されているので、第１振動体(11)および第２振動体(21)の振動が楕円振動となり、ｙ方向にも振動する。第１振動体(11)および第２振動体(21)のｘ振動が相対的に逆相であるので、ｙ振動も相対的には逆相となる。第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)が、これらのｙ振動を検出する。
【０００９】
第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)の振動検出信号の差動増幅を行なうと、各変位検出手段の振動検出信号の略２倍のレベルの振動検出信号が得られると共に、電気的なノイズが減殺されるばかりでなく、角速度以外の機械的な外力による信号成分も相殺される。例えばｙ方向の加，減速度が加わった場合、それによる第１振動体(11)および第２振動体(21)の移動が同方向で、第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)の変位検出信号レベルが同方向に同程度振れるが、それらを差動増幅すると、この信号レベルの振れが相殺となる。したがって、加速度など、外力による角速度信号のＳ／Ｎ低下を生じない。
【００１０】
ループばね梁(3)が、浮動支持部材(b1〜b4,c,1,2,8,18,b5〜b8)にて基板(100)に対してｘ，ｙ平面に沿う方向に振動可に支持され、しかも、第１駆動枠(7)および第２駆動枠(17)が、ｘ軸の延びる方向に撓み性が高い支持部材(8,18)にて基板(100)に対して浮動支持されているので、第１駆動枠(5)および第２駆動枠(25)が、温度歪を生じにくく、それらならびに第１および第２振動体(11,21)のｘ振動が安定するのに加えて、ｙ方向に撓み性が高いばね梁(9,10,19,20)を介して第１および第２振動体(11,21)が浮動支持されているので、第１および第２振動体(11,21)は更に温度歪を生じにくく、角速度対応のｙ振動が安定したものとなり、角速度信号の信頼性（安定性）が高い。
【００１１】
励振手段(4〜6)にて、ループばね梁(3)の、ｙ軸との交点をｙ軸が延びる方向に振動駆動する態様では、該交点から第１および第２振動体(11,21)が等距離になるので、第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)への励振駆動信号の漏れは同等となり、上述の差動増幅により相殺されるので、Ｓ／Ｎが高い角速度検出信号を得ることができる。ループばね梁(3)の、ｘ軸との交点をｘ方向に振動駆動する態様では、ｘ軸との２交点のそれぞれを対の励振手段にて振動駆動することにより、各励振手段と各変位検出手段(12,13／22,23)との距離が同一となり、同様にＳ／Ｎが高い角速度検出信号を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（２）前記ループばね梁(3)は前記中心Ｏに関して点対称の形状であり；
第１駆動枠(7)と第２駆動枠(17)は前記中心Ｏに関して点対称であり；
第１振動体(11)と第２振動体(21)も前記中心Ｏに関して点対称であり；
第１の変位検出手段(12,13)と第２の変位検出手段(22,23)も前記中心Ｏに関して点対称である；上記（１）に記載の角速度センサ。
【００１３】
中心Ｏに関して点対称としたので、駆動枠および振動体が多点でアンカーされても、熱膨張，内部応力等の解放によって中心Ｏに関する対称性がくずれることはなく、角速度信号の信頼性（安定性）が高い。
【００１４】
（３）前記ループばね梁(3)のｙ軸との交点に連続し、ｙ軸の延びる方向に撓み性が高い支持部材(1,2)にて基板(100)に対して浮動支持され、ｘ軸に関して対称に位置する第３駆動枠(77)および第４駆動枠(87)；
第３駆動枠(77)に連続するｙ方向に撓み性が高いばね梁(79,80)に連続する第３振動体(81)；
第４駆動枠(87)に連続するｙ方向に撓み性が高いばね梁(89,90)に連続する第４振動体(91)；
第３振動体(81)のｘ振動を検出する第３の変位検出手段(82,83)；および、
第４振動体(91)のｘ振動を検出する第４の変位検出手段(92,93)；
を更に備える、上記（１）又は（２）に記載の角速度センサ。
【００１５】
これによれば、第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)の変位検出信号と同様な信号が、第３および第４変位検出手段(82,83／92,93)でも得られる。これらの信号を差動増幅して、第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)の差動増幅信号と位相を合せて加算することにより、高レベルの高Ｓ／Ｎの角速度信号が得られる。また、第１〜第４駆動枠および第１〜第４振動体を、駆動枠と振動体の一組を、中心Ｏを中心に９０度づつ回転させ、ｘ軸およびｙ軸に関して対称なものとすることにより、温度変化，電気ノイズ，外部からの加，減速度や振動による影響が小さい、高Ｓ／Ｎ，高信頼性（安定性）の角速度信号が得られる。
【００１６】
（４）各振動体(11,21,81,91)は、枠形状体であり、それぞれの内側に、各振動体の、前記ループばね梁 (3) のｘ軸との交点のｘ方向の振動に直交するｙ方向の振動を検出する各変位検出手段(12,13/22,23/82,83/92,93)が位置する、上記（１）乃至（３）のいずれか１つに記載の角速度センサ。
【００１７】
（５）浮動支持部材(b1〜b4,c,1,2,8,18,b5〜b8)は、ｘ軸，ｙ軸上にあって該軸が延びる方向の撓み性が高いばね梁(1,2,8,18）を含む、上記（１）乃至（３）のいずれか１つに記載の角速度センサ。
【００１８】
（６）浮動支持部材(b1〜b4,c,1,2,8,18,b5〜b8)は、前記軸が延びる方向の撓み性が高いばね梁(1,2,8,18）が連続する枠体(c)、および、該枠体(c)に一端が連続し他端が基板(100)に固定された、ｘ軸，ｙ軸方向の撓み性が高いばね梁（b1〜b4)を含む、上記（５）に記載の角速度センサ。
【００１９】
本発明の好ましい実施例では、角速度センサエレントの配列を、中心Ｏに関してすべて点対称とした。これによれば、駆動枠および振動体が多点でアンカーされているにもかかわらず、熱膨張，内部応力等の解放によって中心Ｏに関する対称性がくずれることはなく、角速度信号の信頼性（安定性）が高い。
【００２０】
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。
【００２１】
【実施例】
−第１実施例−
図１に、本発明の第１実施例の機構要素を示す。絶縁層を形成したシリコン基板１００には、導電性とするための不純物を含むポリシリコン（以下導電性ポリシリコン）の、浮動体アンカーａ１〜ａ４，駆動電極５，６のアンカー，駆動検出電極１５，１６のアンカー，角速度検出電極１２，１３／２２，２３のアンカー，周波数調整電極２５，２６のアンカー、および、駆動検出電極１５，１６と対称な位置にあるダミ−電極６５，６６のアンカーが接合しており、これらの、６５，６６のアンカーを除くアンカーは、シリコン基板１００上の絶縁層の上に形成された配線により、図示しない接続電極に接続されている。
【００２２】
リソグラフによる半導体プロセスを用いて、シリコン基板１００から浮きしかも浮動体アンカーａ１〜ａ４に連続した、導電性ポリシリコンの、ｘ軸に対して４５度方向に向いた偏平リング状のばね梁ｂ１〜ｂ４，ならびにこれらに連続した矩形ループ状の連結枠ｃが形成されている。この連結枠ｃは、中心Ｏを通るｘ軸およびｙ軸に関して対称であり、浮動体アンカーａ１〜ａ４およびばね梁ｂ１〜ｂ４は、ｘ軸およびｙ軸に関して対称に分布する。
【００２３】
連結枠ｃのｘ平行２辺ｃ１，ｃ３の中点には偏平リング状のばね梁１，２が連続し、ばね梁１，２に丸コ−ナの４辺形ループ３およびｙ振動枠４，２４が連続している。４辺形ループ３の、ｘ軸との交点には、ｘ振動枠１４，６４が連続し、しかも、第１駆動枠７，第２駆動枠１７が連続している。第１，第２駆動枠７，１７は矩形枠であり、もう１つの、ｘ軸との交点は、偏平リング状のばね梁８，１８を介して、連結枠ｃのｙ平行２辺ｃ４，ｃ２の中点に連続している。第１駆動枠７および第２駆動枠１７の内側に、偏平リング状のばね梁９，１０／１９，２０を介して、第１振動体１１および第２振動体２１が連続している。これらの要素も、シリコン基板１００から浮いており、導電性ポリシリコンである。
【００２４】
第１，第２の駆動枠７と１７、第１，第２の振動体１１と２１、はセンサ中心Ｏを通るｘ軸およびｙ軸に関して対称な形状であって対称な位置にあり、ばね梁１，２，８，１８，９，１０，１９，２０も、ｘ軸およびｙ軸に関して対称である。
【００２５】
ｙ振動枠４，２４には、ｘ方向に等ピッチで分布しｙ方向に突出する櫛歯状の可動電極があり、駆動電極アンカーに連続した、導電性ポリシリコンの駆動電極５，６および周波数調整電極２５，２６にも、可動電極のｘ方向分布の空間に突出する櫛歯状の固定電極がありｘ方向に分布している。
【００２６】
駆動電極５，６に交互に、ｙ振動枠４の電位（略機器ア−スレベル）より高い電圧を印加することにより、ｙ振動枠４がｙ方向に振動する。このｙ振動により４辺形ループ３のｘ平行２辺がｙ振動して、周波数調整電極２５，２６間のｙ振動枠２４がｙ振動し、このｙ振動とは１８０度の位相差で、駆動枠７，１７およびｘ振動枠１４，６４がｘ方向に振動する。ｙ振動枠４，２４のｙ振動は相対的に逆相である。また、ｘ振動枠１４，６４のｘ振動も相対的に逆相であり、第１駆動枠７と第２駆動枠１７が音叉振動をする。これら第１駆動枠７と第２駆動枠１７で支持された第１振動体１１および第２振動体２１も、同様に逆相でｘ振動する。すなわち音叉振動をする。
【００２７】
駆動枠７および振動体１１でなる第１振動系と、駆動枠１７および振動体２１でなる第２振動系とを、このように音叉振動させることにより、エネルギ消費効率が高いｘ励振となる。
【００２８】
駆動枠１７（７）と共にｘ振動枠１４（６４）がｘ方向に振動することにより、駆動枠１７と駆動検出電極１５，１６との間の静電容量が振動し、かつその容量振動と逆位相で駆動枠６４と駆動検出電極６５，６６との間の静電容量が振動する。
【００２９】
振動体１１／２１も大略で枠形状であるが、ｘ方向に延びる複数の渡し梁がｙ方向に等ピッチで存在し、ｙ方向で隣り合う渡し梁の間の空間に、各１対の導電体ポリシリコンの固定検出電極１２，１３／２２，２３があり、基板１００上の検出電極用の各アンカーで支持されそれと電気的に連続である（電気接続関係にある）。
【００３０】
対の検出電極１２，１３（２２，２３）間は絶縁されているが、振動体１１（２１）のｙ振動（ｙ変位）を検出するための各対電極１２，１３（２２，２３）の、各対間で対応位置にある検出電極は、電気リ−ドに共通接続され、チャ−ジアンプ４６，４７（５６，５７）に接続されている。
【００３１】
振動体１１，２１がｘ方向に音叉振動しているとき、中心Ｏを通るｚ軸廻りの角速度が加わると、振動体１１，２１が、ｙ成分も有する相対的に逆相の楕円振動となり、これによって電極１２，１３／２２，２３にｙ振動対応の静電容量振動を生ずる。電極１２，１３の静電容量振動は相対的に逆相、同様に電極２２，２３の静電容量振動も相対的に逆相である。そして、振動体１１，２１のｙ振動が逆相であるので、電極１２，２２の静電容量振動は相対的に逆相、同様に電極１３，２３の静電容量振動は相対的に逆相である。
【００３２】
ｙ振動枠２４の可動電極および周波数調整電極２５，２６の固定電極は、４辺形ループ３のｘ平行２辺のｙ振動（およびそれによって強制されるｙ平行２辺のｘ振動：７，１７のｘ振動）の速度（ばね力）を調整し、駆動枠７，１７の振動周波数を下げて、相対的に、振動体１１，２１の共振周波数より数１００Ｈｚ程度低くするものである。なお、駆動枠７，１７は、駆動電圧の印加によって固有振動数相当の周波数でｘ励振する。角速度検出感度を高くするために、駆動枠７，１７の共振周波数（固有振動数）より、振動体１１，２１の共振周波数（固有振動数）を数１００Ｈｚ高く設計しており、上述の周波数調整電極２５，２６にｘ振動枠１４の変位に比例した電圧（静止点を零とし、ｘ，−ｘ方向）を印加してそのレベルを調整することにより、駆動枠７，１７の共振周波数を設計値に近い値に微調整する。
【００３３】
以上に説明した角速度センサには、図１に示す角速度検出回路４１〜６０，ＴＳＧ，ＦＣＲが接続される。タイミング信号発生器ＴＳＧが、駆動枠７，１７をｘ方向に共振周波数で駆動する駆動信号Ａ，Ｂを発生して、駆動回路４１ａ，４１ｂに与えると共に、同期検波用の同期信号を同期検波回路４５，５０に与える。
【００３４】
図６に、駆動信号Ａ，Ｂと、駆動フィ−ドバック信号および角速度信号、ならびにｘ振動およびｙ振動を示す。駆動信号Ａ，Ｂに同期して駆動回路４１ａ，４１ｂが駆動電極５，６に駆動電圧（パルス）を印加する。これにより、４辺形ループ３を介して、駆動枠７と共に振動体１１ならびに駆動枠１７と共に振動体２１が、ｘ方向に逆相で振動する。この振動によって、駆動検出電極１５，１６の静電容量が逆相で振動する。この静電容量の振動をチャ−ジアンプ４２，４３が電圧振動（静電容量信号）に変換する。
【００３５】
差動増幅器４４がアンプ４２，４３の静電容量信号（逆相）を差動増幅し、１個のチャ−ジアンプが発生する静電容量信号の振幅を略２倍とし、ノイズを相殺した差動信号を発生し、同期検波回路４５およびフィ−ドバック処理回路ＦＣＲに与える。同期検波回路４５は、駆動信号と同相の同期信号に同期して、差動増幅器４４が与える差動信号すなわちｘ振動を表わすｘ振動検出電圧を検波し、駆動パルス信号に対するｘ振動の位相ずれを表わすフィ−ドバック信号を発生してフィ−ドバック処理回路ＦＣＲに与える。
【００３６】
フィ−ドバック処理回路ＦＣＲは、同期検波回路４５が与える位相ずれ信号レベルを設定値に合わすための移相信号を、駆動回路４１ａ，４１ｂに与え、それを受けた駆動回路４１ａ，４１ｂは、移相信号に対応して、駆動信号に対する出力駆動電圧の位相をシフトする。同期検波回路４５の位相ずれ信号レベルが実質上設定値になった状態で、駆動枠７，１７のｘ振動は安定したものとなる。周波数調整電極２５，２６には、駆動枠７，１７の振動周波数を、振動体１１，２１の共振周波数（設計値）より数１００Ｈｚ程度低い値に下げる直流電圧を、周波数調整回路５９，６０が印加する。
【００３７】
安定した共振音叉振動の間に、中心Ｏを通るｚ軸廻りの角速度が加わると、コリオリ力が駆動枠７，１７および振動体１１，２１に加わり、これらに、ｘ振動に加えてｙ振動を含む楕円運動を起こさせる。しかし駆動枠７，１７は、ｘ方向には撓み性が高いがｙ方向には剛性が高いばね梁８，１８および４辺形ループ３のｙ平行２辺で支持されているので、ｙ振動は小さい。ところが振動体１１，２１は、ｙ方向に撓み性が高いばね梁９，１０，１９／２０で支持されているので、ｙ方向に大きく振動する。振動体１１，２１のこのｙ振動は相対的に逆相である。
【００３８】
振動体１１のｙ振動を検出する対の検出電極１２，１３の静電容量が逆相で振動し、これを表わす静電容量信号をチャ−ジアンプ４６，４７が発生して差動増幅器４８が、両信号の差動信号すなわち１個のチャ−ジアンプが発生する静電容量信号の振幅を略２倍とし、ノイズを相殺した差動信号、を発生し、差動増幅器４９に与える。振動体２１のｙ振動を検出する対の検出電極２２，２３の静電容量が逆相で振動し、これを表わす静電容量信号をチャ−ジアンプ５６，５７が発生して差動増幅器５８が、両信号の差動信号すなわち１個のチャ−ジアンプが発生する静電容量信号の振幅を略２倍とし、ノイズを相殺した差動信号、を発生し、差動増幅器４９に与える。差動増幅器４８と５８の差動増幅信号は相対的に逆相である。したがって差動増幅器４９の差動出力は、第１振動体１１と第２振動体２１の各信号処理回路に同時に実質上同一レベルで作用するノイズを相殺し、しかも、加，減速度，振動など、第１，第２振動体１１，２１に同時に同方向に作用する外力による振動体のｙ変位成分（これもノイズに該当する）も相殺した、角速度起因のｙ振動を増幅した検出信号であり、角速度検出感度が高く、Ｓ／Ｎが高い。
【００３９】
この差動出力すなわち検出信号は、同期検波回路５０に与えられ、同期検波回路５０は、駆動信号と同相の同期信号に同期して、検出信号を検波し、角速度を表わす信号を発生する。この角速度信号の極性（±）は加わった角速度の方向を、信号レベルの絶対値は角速度の大きさを表わす。
【００４０】
第１実施例の角速度センサは、上述のように振動型の双共振音叉構造をもち、温度特性の改善とＳ／Ｎ向上を実現したことを特徴とする。温度特性の改善には、保護枠でもある連結枠ｃを設けて、基板１００と振動子（３，７，１７，１１，２１）の熱膨張差による応力の増加を、連結枠ｃとばね梁ｂ１〜ｂ４で緩和している。というのは基板１００と振動子（３，７，１７，１１，２１，１４，６４）の熱膨張差を、ばね梁ｂ１〜ｂ４のばね形状で吸収する。このばね形状は、ループ形状をしているため、温度による膨張をばねの伸び縮みで吸収する時、ヒステリシスを持たない。そのため、さらに温度特性が改善する。
【００４１】
保護枠である連結枠ｃの中にある２つの振動子（７，１１／１７，２１）を接続するばね梁３は、円環に近い形状をしており、線形性のある単振動の振動が可能になっている。また、駆動枠７，振動体１１，振動枠６４と、駆動枠１７，振動体２１，駆動枠１４のｘ振動は、このばね梁３の特性により、逆相の駆動を実現する。これらの振動子は保護枠との接続のために４つのばね梁１，２，８，１８により接続されており、応力を緩和するようになっている。このため駆動振動ｘは線形性のある単振動となる。
【００４２】
駆動部の形状は、加振する部分（駆動枠１４，ばね梁３）を振動子（７，１７，１１，２１，１４，６４）と分離し、さらに２つの振動子（７，１１，６４），（１７，２１，１４）から等距離になるように配置している。駆動変位の検出部（６４〜６６，１４〜１６）は、ばね３の、ｘ軸，ｙ軸との交点に接続されている。これにより振動子の駆動変位をフィードバックするための駆動変位検出部（６４〜６６，１４〜１６）への駆動信号の漏れが低減し、かつ、漏れ信号が同相成分でもれるような形状を実現しているため、検出部のＳ／Ｎを向上することができる。
【００４３】
角速度を検出する部分９〜１３，１９〜２３は、駆動枠７，１７の内部にループ状のばね梁９，１０／１９，２０に接続された振動体１１，２１およびそれらのｙ変位を検出する固定電極１２，１３／２２，２３により構成されている。この構成により、角速度対応のｙ振動の振動モードでは、駆動枠７と１７が、また振動体１１と２１が、逆相で働くため、釣り合いが取れる構成になっている。そのため、角速度検出振動漏れがこの構成ではほとんど無視でき、Ｓ／Ｎが向上する。また、角速度検出振動を同相で振動させてもよい。
【００４４】
−第２実施例−
図２に第２実施例の機構要素を示す。この第２実施例では、第１，第２駆動枠７，１７のｙ振動をより抑制するために、偏平ループばね梁（８／１８）を各２つ８ａ，８ｂ／１８ａ，１８ｂに分けてｘ軸に関して対称な位置に配置し、かつ、第１，第２振動体１１，２２のｘ振動をより抑制するために、偏平ループばね梁（９，１０／１９，２０）を各２つ９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ／１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂに分けて、各振動体の、ｙ軸に平行な中心線に関して対称な位置に配置したものである。これにより、駆動ｘ振動と角速度検知のための検出ｙ振動の分離効果が高く、角速度信号のＳ／Ｎがより高くなる。
【００４５】
−第３実施例−
図３に、本発明の第３実施例を示す。この第３実施例では、角速度起因の振動（上述の第１，第２実施例ではｙ振動）の、中心Ｏを中心とするバランスを整えるために、もう１対の駆動枠および振動体を付加したものである。すなわち、第１駆動枠７，偏平ループばね梁９，１０，第１振動体１１および振動検出電極１２，１３を、時計廻りに９０度回転させたものと同一形状の第３駆動枠７７，偏平ループばね梁７９，８０，第３振動体８１および振動検出電極８２，８３と、時計廻りに２７０度回転させたのと同一形状の第４駆動枠８７，偏平ループばね梁８９，９０，第４振動体９１および振動検出電極９２，９３が付加されており、すべての要素が、ｘ軸およびｙ軸に関して対称に分布している。
【００４６】
駆動電極５，６に、駆動信号Ａ，Ｂに同期した駆動電圧（パルス）を印加することにより、第１，第２駆動枠７，１７がｘ方向に逆相で振動し、かつ、第３，第４駆動枠がｙ方向に逆相で振動する。ｚ軸廻りの角速度が加わると、第１，第２振動体１１，２１がｙ方向に逆相で振動し、第３，第４振動体８１，９１がｘ方向に逆相で振動する。
【００４７】
図示は省略したが、第３組および第４組の振動検出電極８２，８３および９２，９３にも、図１に示す、第１組および第２組の振動検出電極１２，１３および２２，２３に接続したアンプ４６，４７，５６，５７，差動増幅器４８，５８，４９と同様なものを接続し、第１組および第２組の振動検出電極系の最終段の差動増幅器４９の出力と、第３組および第４組の振動検出電極系の最終段の差動増幅器の出力を、追加の差動増幅器に与えて差動増幅器に与えることにより、両系の検出レベルを略２倍としノイズを相殺した角速度起因の振動検出信号が得られる。これを同期検波回路５０（例えば図１）に与えることにより、角速度信号が得られる。第１，第２実施例では、角速度起因の振動検出をｙ軸対称で行なうが、この第３実施例では、ｘ軸対称でも行なうので、角速度起因の振動のバランスが高く、よりＳ／Ｎが高い角速度信号を得ることができる。
【００４８】
−第４実施例−
図４に本発明の第４実施例を示す。この第４実施例は、更に駆動ばね梁３の不動点を、ループ状のばね梁ｂ５〜ｂ８を介してアンカーａ５〜ａ８にて固定支持した。この構成により駆動ばね梁３が検出回路のＧＮＤに接続されるため、駆動信号の漏れが更に低減し、角速度信号のＳ／Ｎが更に向上する。
【００４９】
−第５実施例−
図５に本発明の第５実施例を示す。この第５実施例は、第２実施例と同様に、第１，第２駆動枠７，１７のｙ振動ならびに第３，第４駆動枠８１，９１をより抑制するために、各偏平ループばね梁を対のものとし、しかも第４実施例と同様に駆動ばね梁３の不動点をループばね梁を介してアンカーにて支持したものである。これにより、駆動ｘ，ｙ振動と角速度検知のための検出ｙ，ｘ振動の分離効果が高く、角速度信号のＳ／Ｎがより高くなる。
【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】 本発明の第２実施例の平面図である。
【図３】 本発明の第３実施例の平面図である。
【図４】 本発明の第４実施例の平面図である。
【図５】 本発明の第５実施例の平面図である。
【図６】 第１〜５実施例の駆動回路４１，４２が、駆動電極に印加する電圧等を示すタイムチャ−トであり、（ａ）および（ｂ）は駆動電極に印加される駆動電圧を、（ｃ）は同期検波回路４５の出力信号を、（ｄ）は同期検波回路５０の出力信号を、（ｅ）は差動増幅器４４の出力信号を、（ｆ）は差動増幅器４９の出力信号を、それぞれ示す。
【符号の説明】
ａ１〜ａ８：アンカー
ｂ１〜ｂ８，１〜３，８〜１０，１９，２０：ばね梁
ｃ：連結枠
４：駆動枠
５，６：駆動電極
７：第１駆動枠
１１：第１振動体
１２，１３，２２，２３：ｙ変位検出電極
１４，２４，６４：振動枠
１５，１６，６５，６６：駆動変位検出電極
２５，２６：周波数調整用電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板に対して浮動支持された振動体を備える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、半導体微細加工技術を用いて形成される浮動半導体薄膜を櫛歯電極にて電気的に吸引／解放してｘ方向に励振する角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の角速度センサの代表的なものは、浮動薄膜の左辺部に１組かつ右辺部に１組の浮動櫛歯電極（左側浮動櫛歯電極と右側浮動櫛歯電極）を備え、固定櫛歯電極も２組（各組の浮動櫛歯電極に非接触で噛み合いかつ平行な左側固定櫛歯電極および右側固定櫛歯電極）として、左側浮動櫛歯電極／左側固定櫛歯電極間と右側浮動櫛歯電極／右側固定櫛歯電極間に交互に電圧を印加することにより、浮動薄膜がｘ方向に振動する。浮動薄膜に、ｚ軸を中心とする回転の角速度が加わると、浮動薄膜にコリオリ力が加わって、浮動薄膜は、ｙ方向にも振動する楕円振動となる。浮動薄膜を導体としもしくは電極が接合したものとし、浮動薄膜のｘｚ平面に平行な検出電極を基板上に備えておくと、この検出電極と浮動薄膜との間の静電容量が、楕円振動のｙ成分（角速度成分）に対応して振動する。この静電容量の変化（振幅）を測定することにより、角速度を求めることが出来る（例えば特開平５−２４８８７２号公報，特開平７−２１８２６８号公報，特開平８−１５２３２７号公報，特開平９−１２７１４８号公報，特開平９−４２９７３号公報）。
【０００３】
米国特許明細書第5,635,638号のFig.4には、１対の振動子を半円形状の１対の梁で連結して、各振動子の振動方向ｘに対して撓み性が高い梁を介して、８個のアンカーにて、該１対の振動子を浮動支持した角速度センサが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の角速度センサではアンカー部が多点にわかれており、互いに距離があるため振動子を単振動させる梁バネ部に温度変化等の外力が加わると圧縮あるいは引張りの応力がかかる。そのため共振周波数が温度とともに変化し、ヒステリシスと不連続点をもつ特性となる。それはセンサの精度を低下させる。例えば特開平７−２１８２６８号公報に開示のごとき、アンカー部が多点にわかれた従来の角度センサでは、アンカー間に距離があるため駆動時の振動が検出側の振動にもれ、そのため精度低下となることが考えられる。また、例えば特開平７−２１８２６８号公報に開示のごときの、駆動の振動モードと検出の振動モードの不動点が不一致のものでは、互いの振動もれと外力の影響があると角速度検出精度が低下すると考えられる。また、駆動の振動モードにコリオリ力による振動を低減させる振動成分を含むと、角速度検出出力が小さい。従来の振動子の振幅が、＋ｘ方向と−ｘ方向とで異なって振動が不安定になるときがあり、センサとして成立しないときがある。
【０００５】
米国特許明細書第5,635,638号の角速度センサでは、振動子の重心から振動バネが接続されていないため、製造時の寸法変動により、振動マスに加わる駆動力が不均一になると振動がアンバランスになると推察される。また、非線形振動になる。そのため共振周波数のシフト振動のアンバランスにより検出出力の不安定な変動を発生させるためＳ／Ｎが悪いと推察される。振動駆動信号が検出コンデンサに伝わるので、角速度信号のＳ／Ｎが低いと推察される。更に、従来のセンサでは駆動振動の漏れが各検出部に漏れ信号として流れるが、励振部と各検出部までの電気的距離，幾何学的距離に対称性がないため、電気回路部の作動構成でも漏れ信号が除去できず、Ｓ／Ｎの低下をもたらす。
【０００６】
本発明は、物理的（電気的および機械的）外乱による検出精度の低下を防ぎ、振動駆動信号の漏れによるＳ／Ｎ低下を抑止し、角速度検出精度を高くすることを目的とする。
【０００７】
【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平面上にあって中心Ｏを中心とし、該中心Ｏを通るｘ軸およびｙ軸の方向に撓み性が高く、浮動支持部材(b1〜b4,c,1,2,8,18,b5〜b8)にて基板(100)に対してｘ，ｙ平面に沿う方向に振動可に支持された、ループばね梁(3)；
該ループばね梁(3)の、前記中心Ｏを通るｘ軸，ｙ軸との交点の少くとも一点を、該点で交わる該軸が延びる方向に振動駆動する励振手段(4〜6)；
該ループばね梁(3)のｘ軸との交点に連続し、ｙ軸に関して対称に位置し、ｘ軸の延びる方向に撓み性が高い支持部材(8,18)にて基板(100)に対して浮動支持された第１駆動枠(7)および第２駆動枠(17)；
第１駆動枠(7)の内側で第１駆動枠に連続する、ｙ方向に撓み性が高いばね梁(9,10)、および、第１駆動枠の内側で該ばね梁(9,10)に連続する第１振動体(11)；
第２駆動枠(17)の内側で第２駆動枠に連続する、ｙ方向に撓み性が高いばね梁(19,20)、および、第２駆動枠の内側で該ばね梁(9,10)に連続する第２振動体(21)；
第１振動体(11)のｙ振動を検出する第１の変位検出手段(12,13)；および、
第２振動体(21)のｙ振動を検出する第２の変位検出手段(22,23)；
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。
【０００８】
これによれば、励振手段(4〜6)にて、ループばね梁(3)の、ｘ軸，ｙ軸との交点の少くとも一点例えばｙ軸との交点を、ｙ軸が延びる方向に振動駆動すると、これによるｙ振動と１８０度位相がずれたｘ振動が、ループばね梁(3)のｘ軸との交点に現われ、第１駆動枠(7)および第２駆動枠(17)が、逆相でｘ方向に振動する。第１振動体(11)および第２振動体(21)も、第１駆動枠(7)および第２駆動枠(17)と同じく、ｘ方向に逆相で振動する。ｚ軸廻りの角速度が加わると、第１振動体(11)および第２振動体(21)は、ｙ方向に撓み性が高いばね梁(9,10/19,20)にて支持されているので、第１振動体(11)および第２振動体(21)の振動が楕円振動となり、ｙ方向にも振動する。第１振動体(11)および第２振動体(21)のｘ振動が相対的に逆相であるので、ｙ振動も相対的には逆相となる。第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)が、これらのｙ振動を検出する。
【０００９】
第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)の振動検出信号の差動増幅を行なうと、各変位検出手段の振動検出信号の略２倍のレベルの振動検出信号が得られると共に、電気的なノイズが減殺されるばかりでなく、角速度以外の機械的な外力による信号成分も相殺される。例えばｙ方向の加，減速度が加わった場合、それによる第１振動体(11)および第２振動体(21)の移動が同方向で、第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)の変位検出信号レベルが同方向に同程度振れるが、それらを差動増幅すると、この信号レベルの振れが相殺となる。したがって、加速度など、外力による角速度信号のＳ／Ｎ低下を生じない。
【００１０】
ループばね梁(3)が、浮動支持部材(b1〜b4,c,1,2,8,18,b5〜b8)にて基板(100)に対してｘ，ｙ平面に沿う方向に振動可に支持され、しかも、第１駆動枠(7)および第２駆動枠(17)が、ｘ軸の延びる方向に撓み性が高い支持部材(8,18)にて基板(100)に対して浮動支持されているので、第１駆動枠(5)および第２駆動枠(25)が、温度歪を生じにくく、それらならびに第１および第２振動体(11,21)のｘ振動が安定するのに加えて、ｙ方向に撓み性が高いばね梁(9,10,19,20)を介して第１および第２振動体(11,21)が浮動支持されているので、第１および第２振動体(11,21)は更に温度歪を生じにくく、角速度対応のｙ振動が安定したものとなり、角速度信号の信頼性（安定性）が高い。
【００１１】
励振手段(4〜6)にて、ループばね梁(3)の、ｙ軸との交点をｙ軸が延びる方向に振動駆動する態様では、該交点から第１および第２振動体(11,21)が等距離になるので、第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)への励振駆動信号の漏れは同等となり、上述の差動増幅により相殺されるので、Ｓ／Ｎが高い角速度検出信号を得ることができる。ループばね梁(3)の、ｘ軸との交点をｘ方向に振動駆動する態様では、ｘ軸との２交点のそれぞれを対の励振手段にて振動駆動することにより、各励振手段と各変位検出手段(12,13／22,23)との距離が同一となり、同様にＳ／Ｎが高い角速度検出信号を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（２）前記ループばね梁(3)は前記中心Ｏに関して点対称の形状であり；
第１駆動枠(7)と第２駆動枠(17)は前記中心Ｏに関して点対称であり；
第１振動体(11)と第２振動体(21)も前記中心Ｏに関して点対称であり；
第１の変位検出手段(12,13)と第２の変位検出手段(22,23)も前記中心Ｏに関して点対称である；上記（１）に記載の角速度センサ。
【００１３】
中心Ｏに関して点対称としたので、駆動枠および振動体が多点でアンカーされても、熱膨張，内部応力等の解放によって中心Ｏに関する対称性がくずれることはなく、角速度信号の信頼性（安定性）が高い。
【００１４】
（３）前記ループばね梁(3)のｙ軸との交点に連続し、ｙ軸の延びる方向に撓み性が高い支持部材(1,2)にて基板(100)に対して浮動支持され、ｘ軸に関して対称に位置する第３駆動枠(77)および第４駆動枠(87)；
第３駆動枠(77)に連続するｙ方向に撓み性が高いばね梁(79,80)に連続する第３振動体(81)；
第４駆動枠(87)に連続するｙ方向に撓み性が高いばね梁(89,90)に連続する第４振動体(91)；
第３振動体(81)のｘ振動を検出する第３の変位検出手段(82,83)；および、
第４振動体(91)のｘ振動を検出する第４の変位検出手段(92,93)；
を更に備える、上記（１）又は（２）に記載の角速度センサ。
【００１５】
これによれば、第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)の変位検出信号と同様な信号が、第３および第４変位検出手段(82,83／92,93)でも得られる。これらの信号を差動増幅して、第１および第２変位検出手段(12,13／22,23)の差動増幅信号と位相を合せて加算することにより、高レベルの高Ｓ／Ｎの角速度信号が得られる。また、第１〜第４駆動枠および第１〜第４振動体を、駆動枠と振動体の一組を、中心Ｏを中心に９０度づつ回転させ、ｘ軸およびｙ軸に関して対称なものとすることにより、温度変化，電気ノイズ，外部からの加，減速度や振動による影響が小さい、高Ｓ／Ｎ，高信頼性（安定性）の角速度信号が得られる。
【００１６】
（４）各振動体(11,21,81,91)は、枠形状体であり、それぞれの内側に、各振動体の、前記ループばね梁 (3) のｘ軸との交点のｘ方向の振動に直交するｙ方向の振動を検出する各変位検出手段(12,13/22,23/82,83/92,93)が位置する、上記（１）乃至（３）のいずれか１つに記載の角速度センサ。
【００１７】
（５）浮動支持部材(b1〜b4,c,1,2,8,18,b5〜b8)は、ｘ軸，ｙ軸上にあって該軸が延びる方向の撓み性が高いばね梁(1,2,8,18）を含む、上記（１）乃至（３）のいずれか１つに記載の角速度センサ。
【００１８】
（６）浮動支持部材(b1〜b4,c,1,2,8,18,b5〜b8)は、前記軸が延びる方向の撓み性が高いばね梁(1,2,8,18）が連続する枠体(c)、および、該枠体(c)に一端が連続し他端が基板(100)に固定された、ｘ軸，ｙ軸方向の撓み性が高いばね梁（b1〜b4)を含む、上記（５）に記載の角速度センサ。
【００１９】
本発明の好ましい実施例では、角速度センサエレントの配列を、中心Ｏに関してすべて点対称とした。これによれば、駆動枠および振動体が多点でアンカーされているにもかかわらず、熱膨張，内部応力等の解放によって中心Ｏに関する対称性がくずれることはなく、角速度信号の信頼性（安定性）が高い。
【００２０】
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。
【００２１】
【実施例】
−第１実施例−
図１に、本発明の第１実施例の機構要素を示す。絶縁層を形成したシリコン基板１００には、導電性とするための不純物を含むポリシリコン（以下導電性ポリシリコン）の、浮動体アンカーａ１〜ａ４，駆動電極５，６のアンカー，駆動検出電極１５，１６のアンカー，角速度検出電極１２，１３／２２，２３のアンカー，周波数調整電極２５，２６のアンカー、および、駆動検出電極１５，１６と対称な位置にあるダミ−電極６５，６６のアンカーが接合しており、これらの、６５，６６のアンカーを除くアンカーは、シリコン基板１００上の絶縁層の上に形成された配線により、図示しない接続電極に接続されている。
【００２２】
リソグラフによる半導体プロセスを用いて、シリコン基板１００から浮きしかも浮動体アンカーａ１〜ａ４に連続した、導電性ポリシリコンの、ｘ軸に対して４５度方向に向いた偏平リング状のばね梁ｂ１〜ｂ４，ならびにこれらに連続した矩形ループ状の連結枠ｃが形成されている。この連結枠ｃは、中心Ｏを通るｘ軸およびｙ軸に関して対称であり、浮動体アンカーａ１〜ａ４およびばね梁ｂ１〜ｂ４は、ｘ軸およびｙ軸に関して対称に分布する。
【００２３】
連結枠ｃのｘ平行２辺ｃ１，ｃ３の中点には偏平リング状のばね梁１，２が連続し、ばね梁１，２に丸コ−ナの４辺形ループ３およびｙ振動枠４，２４が連続している。４辺形ループ３の、ｘ軸との交点には、ｘ振動枠１４，６４が連続し、しかも、第１駆動枠７，第２駆動枠１７が連続している。第１，第２駆動枠７，１７は矩形枠であり、もう１つの、ｘ軸との交点は、偏平リング状のばね梁８，１８を介して、連結枠ｃのｙ平行２辺ｃ４，ｃ２の中点に連続している。第１駆動枠７および第２駆動枠１７の内側に、偏平リング状のばね梁９，１０／１９，２０を介して、第１振動体１１および第２振動体２１が連続している。これらの要素も、シリコン基板１００から浮いており、導電性ポリシリコンである。
【００２４】
第１，第２の駆動枠７と１７、第１，第２の振動体１１と２１、はセンサ中心Ｏを通るｘ軸およびｙ軸に関して対称な形状であって対称な位置にあり、ばね梁１，２，８，１８，９，１０，１９，２０も、ｘ軸およびｙ軸に関して対称である。
【００２５】
ｙ振動枠４，２４には、ｘ方向に等ピッチで分布しｙ方向に突出する櫛歯状の可動電極があり、駆動電極アンカーに連続した、導電性ポリシリコンの駆動電極５，６および周波数調整電極２５，２６にも、可動電極のｘ方向分布の空間に突出する櫛歯状の固定電極がありｘ方向に分布している。
【００２６】
駆動電極５，６に交互に、ｙ振動枠４の電位（略機器ア−スレベル）より高い電圧を印加することにより、ｙ振動枠４がｙ方向に振動する。このｙ振動により４辺形ループ３のｘ平行２辺がｙ振動して、周波数調整電極２５，２６間のｙ振動枠２４がｙ振動し、このｙ振動とは１８０度の位相差で、駆動枠７，１７およびｘ振動枠１４，６４がｘ方向に振動する。ｙ振動枠４，２４のｙ振動は相対的に逆相である。また、ｘ振動枠１４，６４のｘ振動も相対的に逆相であり、第１駆動枠７と第２駆動枠１７が音叉振動をする。これら第１駆動枠７と第２駆動枠１７で支持された第１振動体１１および第２振動体２１も、同様に逆相でｘ振動する。すなわち音叉振動をする。
【００２７】
駆動枠７および振動体１１でなる第１振動系と、駆動枠１７および振動体２１でなる第２振動系とを、このように音叉振動させることにより、エネルギ消費効率が高いｘ励振となる。
【００２８】
駆動枠１７（７）と共にｘ振動枠１４（６４）がｘ方向に振動することにより、駆動枠１７と駆動検出電極１５，１６との間の静電容量が振動し、かつその容量振動と逆位相で駆動枠６４と駆動検出電極６５，６６との間の静電容量が振動する。
【００２９】
振動体１１／２１も大略で枠形状であるが、ｘ方向に延びる複数の渡し梁がｙ方向に等ピッチで存在し、ｙ方向で隣り合う渡し梁の間の空間に、各１対の導電体ポリシリコンの固定検出電極１２，１３／２２，２３があり、基板１００上の検出電極用の各アンカーで支持されそれと電気的に連続である（電気接続関係にある）。
【００３０】
対の検出電極１２，１３（２２，２３）間は絶縁されているが、振動体１１（２１）のｙ振動（ｙ変位）を検出するための各対電極１２，１３（２２，２３）の、各対間で対応位置にある検出電極は、電気リ−ドに共通接続され、チャ−ジアンプ４６，４７（５６，５７）に接続されている。
【００３１】
振動体１１，２１がｘ方向に音叉振動しているとき、中心Ｏを通るｚ軸廻りの角速度が加わると、振動体１１，２１が、ｙ成分も有する相対的に逆相の楕円振動となり、これによって電極１２，１３／２２，２３にｙ振動対応の静電容量振動を生ずる。電極１２，１３の静電容量振動は相対的に逆相、同様に電極２２，２３の静電容量振動も相対的に逆相である。そして、振動体１１，２１のｙ振動が逆相であるので、電極１２，２２の静電容量振動は相対的に逆相、同様に電極１３，２３の静電容量振動は相対的に逆相である。
【００３２】
ｙ振動枠２４の可動電極および周波数調整電極２５，２６の固定電極は、４辺形ループ３のｘ平行２辺のｙ振動（およびそれによって強制されるｙ平行２辺のｘ振動：７，１７のｘ振動）の速度（ばね力）を調整し、駆動枠７，１７の振動周波数を下げて、相対的に、振動体１１，２１の共振周波数より数１００Ｈｚ程度低くするものである。なお、駆動枠７，１７は、駆動電圧の印加によって固有振動数相当の周波数でｘ励振する。角速度検出感度を高くするために、駆動枠７，１７の共振周波数（固有振動数）より、振動体１１，２１の共振周波数（固有振動数）を数１００Ｈｚ高く設計しており、上述の周波数調整電極２５，２６にｘ振動枠１４の変位に比例した電圧（静止点を零とし、ｘ，−ｘ方向）を印加してそのレベルを調整することにより、駆動枠７，１７の共振周波数を設計値に近い値に微調整する。
【００３３】
以上に説明した角速度センサには、図１に示す角速度検出回路４１〜６０，ＴＳＧ，ＦＣＲが接続される。タイミング信号発生器ＴＳＧが、駆動枠７，１７をｘ方向に共振周波数で駆動する駆動信号Ａ，Ｂを発生して、駆動回路４１ａ，４１ｂに与えると共に、同期検波用の同期信号を同期検波回路４５，５０に与える。
【００３４】
図６に、駆動信号Ａ，Ｂと、駆動フィ−ドバック信号および角速度信号、ならびにｘ振動およびｙ振動を示す。駆動信号Ａ，Ｂに同期して駆動回路４１ａ，４１ｂが駆動電極５，６に駆動電圧（パルス）を印加する。これにより、４辺形ループ３を介して、駆動枠７と共に振動体１１ならびに駆動枠１７と共に振動体２１が、ｘ方向に逆相で振動する。この振動によって、駆動検出電極１５，１６の静電容量が逆相で振動する。この静電容量の振動をチャ−ジアンプ４２，４３が電圧振動（静電容量信号）に変換する。
【００３５】
差動増幅器４４がアンプ４２，４３の静電容量信号（逆相）を差動増幅し、１個のチャ−ジアンプが発生する静電容量信号の振幅を略２倍とし、ノイズを相殺した差動信号を発生し、同期検波回路４５およびフィ−ドバック処理回路ＦＣＲに与える。同期検波回路４５は、駆動信号と同相の同期信号に同期して、差動増幅器４４が与える差動信号すなわちｘ振動を表わすｘ振動検出電圧を検波し、駆動パルス信号に対するｘ振動の位相ずれを表わすフィ−ドバック信号を発生してフィ−ドバック処理回路ＦＣＲに与える。
【００３６】
フィ−ドバック処理回路ＦＣＲは、同期検波回路４５が与える位相ずれ信号レベルを設定値に合わすための移相信号を、駆動回路４１ａ，４１ｂに与え、それを受けた駆動回路４１ａ，４１ｂは、移相信号に対応して、駆動信号に対する出力駆動電圧の位相をシフトする。同期検波回路４５の位相ずれ信号レベルが実質上設定値になった状態で、駆動枠７，１７のｘ振動は安定したものとなる。周波数調整電極２５，２６には、駆動枠７，１７の振動周波数を、振動体１１，２１の共振周波数（設計値）より数１００Ｈｚ程度低い値に下げる直流電圧を、周波数調整回路５９，６０が印加する。
【００３７】
安定した共振音叉振動の間に、中心Ｏを通るｚ軸廻りの角速度が加わると、コリオリ力が駆動枠７，１７および振動体１１，２１に加わり、これらに、ｘ振動に加えてｙ振動を含む楕円運動を起こさせる。しかし駆動枠７，１７は、ｘ方向には撓み性が高いがｙ方向には剛性が高いばね梁８，１８および４辺形ループ３のｙ平行２辺で支持されているので、ｙ振動は小さい。ところが振動体１１，２１は、ｙ方向に撓み性が高いばね梁９，１０，１９／２０で支持されているので、ｙ方向に大きく振動する。振動体１１，２１のこのｙ振動は相対的に逆相である。
【００３８】
振動体１１のｙ振動を検出する対の検出電極１２，１３の静電容量が逆相で振動し、これを表わす静電容量信号をチャ−ジアンプ４６，４７が発生して差動増幅器４８が、両信号の差動信号すなわち１個のチャ−ジアンプが発生する静電容量信号の振幅を略２倍とし、ノイズを相殺した差動信号、を発生し、差動増幅器４９に与える。振動体２１のｙ振動を検出する対の検出電極２２，２３の静電容量が逆相で振動し、これを表わす静電容量信号をチャ−ジアンプ５６，５７が発生して差動増幅器５８が、両信号の差動信号すなわち１個のチャ−ジアンプが発生する静電容量信号の振幅を略２倍とし、ノイズを相殺した差動信号、を発生し、差動増幅器４９に与える。差動増幅器４８と５８の差動増幅信号は相対的に逆相である。したがって差動増幅器４９の差動出力は、第１振動体１１と第２振動体２１の各信号処理回路に同時に実質上同一レベルで作用するノイズを相殺し、しかも、加，減速度，振動など、第１，第２振動体１１，２１に同時に同方向に作用する外力による振動体のｙ変位成分（これもノイズに該当する）も相殺した、角速度起因のｙ振動を増幅した検出信号であり、角速度検出感度が高く、Ｓ／Ｎが高い。
【００３９】
この差動出力すなわち検出信号は、同期検波回路５０に与えられ、同期検波回路５０は、駆動信号と同相の同期信号に同期して、検出信号を検波し、角速度を表わす信号を発生する。この角速度信号の極性（±）は加わった角速度の方向を、信号レベルの絶対値は角速度の大きさを表わす。
【００４０】
第１実施例の角速度センサは、上述のように振動型の双共振音叉構造をもち、温度特性の改善とＳ／Ｎ向上を実現したことを特徴とする。温度特性の改善には、保護枠でもある連結枠ｃを設けて、基板１００と振動子（３，７，１７，１１，２１）の熱膨張差による応力の増加を、連結枠ｃとばね梁ｂ１〜ｂ４で緩和している。というのは基板１００と振動子（３，７，１７，１１，２１，１４，６４）の熱膨張差を、ばね梁ｂ１〜ｂ４のばね形状で吸収する。このばね形状は、ループ形状をしているため、温度による膨張をばねの伸び縮みで吸収する時、ヒステリシスを持たない。そのため、さらに温度特性が改善する。
【００４１】
保護枠である連結枠ｃの中にある２つの振動子（７，１１／１７，２１）を接続するばね梁３は、円環に近い形状をしており、線形性のある単振動の振動が可能になっている。また、駆動枠７，振動体１１，振動枠６４と、駆動枠１７，振動体２１，駆動枠１４のｘ振動は、このばね梁３の特性により、逆相の駆動を実現する。これらの振動子は保護枠との接続のために４つのばね梁１，２，８，１８により接続されており、応力を緩和するようになっている。このため駆動振動ｘは線形性のある単振動となる。
【００４２】
駆動部の形状は、加振する部分（駆動枠１４，ばね梁３）を振動子（７，１７，１１，２１，１４，６４）と分離し、さらに２つの振動子（７，１１，６４），（１７，２１，１４）から等距離になるように配置している。駆動変位の検出部（６４〜６６，１４〜１６）は、ばね３の、ｘ軸，ｙ軸との交点に接続されている。これにより振動子の駆動変位をフィードバックするための駆動変位検出部（６４〜６６，１４〜１６）への駆動信号の漏れが低減し、かつ、漏れ信号が同相成分でもれるような形状を実現しているため、検出部のＳ／Ｎを向上することができる。
【００４３】
角速度を検出する部分９〜１３，１９〜２３は、駆動枠７，１７の内部にループ状のばね梁９，１０／１９，２０に接続された振動体１１，２１およびそれらのｙ変位を検出する固定電極１２，１３／２２，２３により構成されている。この構成により、角速度対応のｙ振動の振動モードでは、駆動枠７と１７が、また振動体１１と２１が、逆相で働くため、釣り合いが取れる構成になっている。そのため、角速度検出振動漏れがこの構成ではほとんど無視でき、Ｓ／Ｎが向上する。また、角速度検出振動を同相で振動させてもよい。
【００４４】
−第２実施例−
図２に第２実施例の機構要素を示す。この第２実施例では、第１，第２駆動枠７，１７のｙ振動をより抑制するために、偏平ループばね梁（８／１８）を各２つ８ａ，８ｂ／１８ａ，１８ｂに分けてｘ軸に関して対称な位置に配置し、かつ、第１，第２振動体１１，２２のｘ振動をより抑制するために、偏平ループばね梁（９，１０／１９，２０）を各２つ９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂ／１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂに分けて、各振動体の、ｙ軸に平行な中心線に関して対称な位置に配置したものである。これにより、駆動ｘ振動と角速度検知のための検出ｙ振動の分離効果が高く、角速度信号のＳ／Ｎがより高くなる。
【００４５】
−第３実施例−
図３に、本発明の第３実施例を示す。この第３実施例では、角速度起因の振動（上述の第１，第２実施例ではｙ振動）の、中心Ｏを中心とするバランスを整えるために、もう１対の駆動枠および振動体を付加したものである。すなわち、第１駆動枠７，偏平ループばね梁９，１０，第１振動体１１および振動検出電極１２，１３を、時計廻りに９０度回転させたものと同一形状の第３駆動枠７７，偏平ループばね梁７９，８０，第３振動体８１および振動検出電極８２，８３と、時計廻りに２７０度回転させたのと同一形状の第４駆動枠８７，偏平ループばね梁８９，９０，第４振動体９１および振動検出電極９２，９３が付加されており、すべての要素が、ｘ軸およびｙ軸に関して対称に分布している。
【００４６】
駆動電極５，６に、駆動信号Ａ，Ｂに同期した駆動電圧（パルス）を印加することにより、第１，第２駆動枠７，１７がｘ方向に逆相で振動し、かつ、第３，第４駆動枠がｙ方向に逆相で振動する。ｚ軸廻りの角速度が加わると、第１，第２振動体１１，２１がｙ方向に逆相で振動し、第３，第４振動体８１，９１がｘ方向に逆相で振動する。
【００４７】
図示は省略したが、第３組および第４組の振動検出電極８２，８３および９２，９３にも、図１に示す、第１組および第２組の振動検出電極１２，１３および２２，２３に接続したアンプ４６，４７，５６，５７，差動増幅器４８，５８，４９と同様なものを接続し、第１組および第２組の振動検出電極系の最終段の差動増幅器４９の出力と、第３組および第４組の振動検出電極系の最終段の差動増幅器の出力を、追加の差動増幅器に与えて差動増幅器に与えることにより、両系の検出レベルを略２倍としノイズを相殺した角速度起因の振動検出信号が得られる。これを同期検波回路５０（例えば図１）に与えることにより、角速度信号が得られる。第１，第２実施例では、角速度起因の振動検出をｙ軸対称で行なうが、この第３実施例では、ｘ軸対称でも行なうので、角速度起因の振動のバランスが高く、よりＳ／Ｎが高い角速度信号を得ることができる。
【００４８】
−第４実施例−
図４に本発明の第４実施例を示す。この第４実施例は、更に駆動ばね梁３の不動点を、ループ状のばね梁ｂ５〜ｂ８を介してアンカーａ５〜ａ８にて固定支持した。この構成により駆動ばね梁３が検出回路のＧＮＤに接続されるため、駆動信号の漏れが更に低減し、角速度信号のＳ／Ｎが更に向上する。
【００４９】
−第５実施例−
図５に本発明の第５実施例を示す。この第５実施例は、第２実施例と同様に、第１，第２駆動枠７，１７のｙ振動ならびに第３，第４駆動枠８１，９１をより抑制するために、各偏平ループばね梁を対のものとし、しかも第４実施例と同様に駆動ばね梁３の不動点をループばね梁を介してアンカーにて支持したものである。これにより、駆動ｘ，ｙ振動と角速度検知のための検出ｙ，ｘ振動の分離効果が高く、角速度信号のＳ／Ｎがより高くなる。
【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】 本発明の第２実施例の平面図である。
【図３】 本発明の第３実施例の平面図である。
【図４】 本発明の第４実施例の平面図である。
【図５】 本発明の第５実施例の平面図である。
【図６】 第１〜５実施例の駆動回路４１，４２が、駆動電極に印加する電圧等を示すタイムチャ−トであり、（ａ）および（ｂ）は駆動電極に印加される駆動電圧を、（ｃ）は同期検波回路４５の出力信号を、（ｄ）は同期検波回路５０の出力信号を、（ｅ）は差動増幅器４４の出力信号を、（ｆ）は差動増幅器４９の出力信号を、それぞれ示す。
【符号の説明】
ａ１〜ａ８：アンカー
ｂ１〜ｂ８，１〜３，８〜１０，１９，２０：ばね梁
ｃ：連結枠
４：駆動枠
５，６：駆動電極
７：第１駆動枠
１１：第１振動体
１２，１３，２２，２３：ｙ変位検出電極
１４，２４，６４：振動枠
１５，１６，６５，６６：駆動変位検出電極
２５，２６：周波数調整用電極
Claims (6)
- ｘ，ｙ平面上にあって中心Ｏを中心とし、該中心Ｏを通るｘ軸およびｙ軸の方向に撓み性が高く、浮動支持部材にて基板に対してｘ，ｙ平面に沿う方向に振動可に支持された、ループばね梁；
該ループばね梁の、前記中心Ｏを通るｘ軸，ｙ軸との交点の少くとも一点を、該点で交わる該軸が延びる方向に振動駆動する励振手段；
該ループばね梁のｘ軸との交点に連続し、ｙ軸に関して対称に位置し、ｘ軸の延びる方向に撓み性が高い支持部材にて基板に対して浮動支持された第１駆動枠および第２駆動枠；
第１駆動枠の内側で第１駆動枠に連続する、ｙ方向に撓み性が高いばね梁、および、第１駆動枠の内側で該ばね梁に連続する第１振動体；
第２駆動枠の内側で第２駆動枠に連続する、ｙ方向に撓み性が高いばね梁、および、第２駆動枠の内側で該ばね梁に連続する第２振動体；
第１振動体のｙ振動を検出する第１の変位検出手段；および、
第２振動体のｙ振動を検出する第２の変位検出手段；
を備える角速度センサ。 - 前記ループばね梁は、前記中心Ｏに関して点対称の形状であり；
第１駆動枠と第２駆動枠は、前記中心Ｏに関して点対称であり；
第１振動体と第２振動体も、前記中心Ｏに関して点対称であり；
第１の変位検出手段と第２の変位検出手段も、前記中心Ｏに関して点対称である；
請求項１に記載の角速度センサ。 - 前記ループばね梁のｙ軸との交点に連続し、ｙ軸の延びる方向に撓み性が高い支持部材にて基板に対して浮動支持され、ｘ軸に関して対称に位置する第３駆動枠および第４駆動枠；
第３駆動枠に連続するｙ方向に撓み性が高いばね梁に連続する第３振動体；
第４駆動枠に連続するｙ方向に撓み性が高いばね梁に連続する第４振動体；
第３振動体のｘ振動を検出する第３の変位検出手段；および、
第４振動体のｘ振動を検出する第４の変位検出手段；
を更に備える、請求項１又は２に記載の角速度センサ。 - 各振動体は、枠形状体であり、それぞれの内側に、各振動体の、前記ループばね梁のｘ軸との交点のｘ方向の振動に直交するｙ方向の振動を検出する各変位検出手段が位置する、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の角速度センサ。
- 浮動支持部材は、ｘ軸，ｙ軸上にあって該軸が延びる方向の撓み性が高いばね梁を含む、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の角速度センサ。
- 浮動支持部材は、前記軸が延びる方向の撓み性が高いばね梁が連続する枠体、および、該枠体に一端が連続し他端が基板に固定された、ｘ軸，ｙ軸方向の撓み性が高いばね梁を含む、請求項５に記載の角速度センサ。
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