JP4635345B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば回転体等の角速度を検出するのに好適に用いられる角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、角速度センサとしては、基板と、該基板により支持梁を介して互いに直交する２方向に変位可能に支持された質量部と、該質量部を前記２方向のうち基板と平行な振動方向に振動させる振動発生手段と、前記質量部が前記振動方向と直交する検出方向に変位するときの変位量を角速度として検出する角速度検出手段とから構成されたものが知られている（例えば、特開平５−３１２５７６号公報等）。
【０００３】
この種の従来技術による角速度センサは、基板に対して平行なＸ軸、Ｙ軸と垂直なＺ軸のうち、例えばＸ軸方向に沿って質量部を所定の振幅で振動させ、この状態でＺ軸周りの角速度が加わると、質量部にはＹ軸方向のコリオリ力が作用する。これにより、質量部はＹ軸方向に変位するので、角速度検出手段は、このときの質量部の変位量を静電容量等の変化として検出することにより、角速度に応じた検出信号を出力するものである。
【０００４】
この場合、質量部は、基板に設けられた支持梁によってＸ軸方向等に変位（振動）可能に支持されている。そして、この支持梁は、基端側が基板に固定され、先端側が質量部に連結されると共に、角速度センサの作動時には、支持梁が撓み変形することによって質量部がＸ軸方向に振動する構成となっている。
【０００５】
【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を例えば車両等に搭載する場合には、Ｙ軸周りとＺ軸周りのように２軸周りの角速度を同時に検出することがある。この場合、従来技術による角速度センサでは、例えばＺ軸周りのように１軸周りの角速度しか検出することができないから、２軸周りの角速度を同時に検出するために２個の角速度センサを使用する必要があった。このため、従来技術では、製造コストが増大すると共に、角速度センサの実装面積も大きくなるという問題があった。
【０００６】
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、本発明の目的は、２軸周りの角速度を同時に検出でき、製造コストを低減し、小型化を図ることができるようにした角速度センサを提供することにある。
【０００７】
【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の発明による角速度センサは、基板と、該基板と隙間をもって対向し互いに直交するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸からなる３軸方向のうち振動発生手段によってＸ軸方向に振動する第１の質量部と、該第１の質量部を挟んでＹ軸方向の両側に設けられ振動発生手段によって該第１の質量部と逆位相でＸ軸方向に振動する第２の質量部と、前記第１の質量部を第３の質量部を介してＸ軸方向に変位可能に連結すると共に前記第２の質量部を第４の質量部を介してＸ軸方向に変位可能に連結するＸ軸方向支持梁と、該Ｘ軸方向支持梁と前記基板との間に設けられ該Ｘ軸方向支持梁を前記基板に接続する固定部と、前記第１の質量部と前記第３の質量部との間に設けられ該第１の質量部をＹ軸方向に変位可能に支持するＹ軸方向支持梁と、前記第２の質量部と前記第４の質量部との間に設けられ前記第２の質量部をＺ軸方向に変位可能に支持するＺ軸方向支持梁と、前記第１の質量部に角速度が作用するときに前記第１の質量部がＹ軸方向に変位する変位量をＺ軸周りの角速度として検出する第１の検出手段と、前記第２の質量部に角速度が作用するときに前記第２の質量部がＺ軸方向に変位する変位量をＹ軸周りの角速度として検出する第２の検出手段とを備え、前記固定部はＸ軸方向支持梁のうち前記第１，第３の質量部と第２，第４の質量部とが互いに逆位相で振動するときの節に対応する部位を前記基板に接続する構成としている。
【０００８】
このように構成することにより、複数の質量部をＸ軸方向支持梁、Ｙ軸方向支持梁およびＺ軸方向支持梁によってＹ軸方向に並べた状態で連結でき、この状態でＸ軸方向支持梁が撓み変形することにより、互いに隣合う第１，第３の質量部と第２，第４の質量部とをほぼ逆位相で振動させることができる。そして、例えばセンサにＺ軸周りの角速度が加わるときに、第１の質量部は、コリオリ力によりＹ軸方向支持梁を介してＹ軸方向に変位でき、このときの変位量を第１の検出手段によりＺ軸周りの角速度として検出することができる。また、センサにＹ軸周りの角速度が加わるときには、第４の質量部がＺ軸方向支持梁によってＺ軸方向に変位でき、このときの変位量を第２の検出手段によりＹ軸周りの角速度として検出することができる。
【０００９】
また、固定部はＸ軸方向支持梁のうち第１，第３の質量部と第２，第４の質量部が互いに逆位相で振動するときの節に対応する部位を基板に接続する構成としている。
【００１０】
この場合、第１，第３の質量部と第２，第４の質量部がＸ軸方向支持梁を介して互いに逆位相で振動するときには、該第１，第３の質量部と第２，第４の質量部の間で撓み変形するＸ軸方向支持梁の途中部位にほぼ一定の位置を保持する振動の節を配置できる。そして、固定部は、この節に対応する位置でＸ軸方向支持梁を基板側に固定できるから、各質量部の振動がＸ軸方向支持梁等を介して基板側に伝わるのを抑制することができる。
さらに、第２の質量部はＹ軸方向に対して第１の質量部の両側に位置する構成としている。
これにより、第１の質量部を挟んで第２の質量部を対称に配置でき、これらの質量部をＸ軸方向に対して互いに逆位相で安定的に振動させることができる。そして、第１の質量部は、Ｙ軸方向に変位することによってＺ軸周りの角速度を検出することができる。また、第２の質量部は、Ｚ軸方向に変位することによってＹ軸周りの角速度を検出できると共に、第１の質量部を挟んだ両側の位置でＺ軸方向に揺動することにより、質量部全体に加わる応力等のバランスをとることができる。
【００１５】
また、請求項２の発明による角速度センサは、基板と、該基板と隙間をもって対向し互いに直交するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸からなる３軸方向のうち振動発生手段によってＸ軸方向に振動する第１の質量部と、該第１の質量部を挟んでＹ軸方向の両側に設けられ振動発生手段によってＸ軸方向に振動する第２の質量部と、前記第１の質量部と第２の質量部との間に位置して第１の質量部を取囲む第３の質量部と、前記第２の質量部を取囲む第４の質量部と、該第４の質量部を互いにＸ軸方向に変位可能に連結するＸ軸方向支持梁と、該Ｘ軸方向支持梁に対して前記第３の質量部を連結する連結部と、前記第３の質量部に対して前記第１の質量部をＹ軸方向に変位可能に連結するＹ軸方向支持梁と、前記第４の質量部に対して前記第２の質量部をＺ軸方向に変位可能に連結するＺ軸方向支持梁と、前記基板とＸ軸方向支持梁との間に設けられ該Ｘ軸方向支持梁を前記基板に接続する固定部と、前記第１の質量部に角速度が作用するときに該第１の質量部がＹ軸方向に変位する変位量をＺ軸周りの角速度として検出する第１の検出手段と、前記第２の質量部に角速度が作用するときに該第２の質量部がＺ軸方向に変位する変位量をＹ軸周りの角速度として検出する第２の検出手段とを備え、前記第１，第３の質量部と第２，第４の質量部とは互いに逆位相で振動し、前記固定部はＸ軸方向支持梁のうち前記第１，第３の質量部と第２，第４の質量部とが互いに逆位相で振動するときの節に対応する部位を前記基板に接続する構成としている。
【００１６】
これにより、第１，第３の質量部は、Ｘ軸方向支持梁を介して第２，第４の質量部と逆位相でＸ軸方向に振動でき、この状態で第１の質量部は、Ｚ軸周りの角速度が加わったときに、Ｙ軸方向支持梁を介してＹ軸方向に変位することにより、この角速度を検出することができる。また、第２の質量部は、Ｙ軸周りの角速度が加わったときに、Ｚ軸方向支持梁を介してＺ軸方向に変位でき、この角速度を検出することができる。また、第３の質量部はＸ軸方向支持梁の撓み変形等が第１の質量部に伝わるのを遮断でき、第４の質量部はＸ軸方向支持梁の撓み変形等が第２の質量部に伝わるのを遮断することができる。
【００１７】
また、固定部はＸ軸方向支持梁のうち第１，第３の質量部と第２，第４の質量部とが互いに逆位相で振動するときの節に対応する部位を基板に接続する構成としている。
【００１８】
これにより、固定部は、第１，第２，第３，第４の質量部がＸ軸方向支持梁を介して振動するときに、この振動の節に対応する位置でＸ軸方向支持梁を基板側に固定できるから、各質量部の振動がＸ軸方向支持梁等を介して基板側に伝わるのを抑制することができる。
【００１９】
さらに、請求項３の発明によると、Ｚ軸方向支持梁は、Ｘ軸またはＹ軸周りで捩れ変形可能に形成され前記第２の質量部をＺ軸方向に揺動可能に支持する捩れ支持梁により構成している。
【００２０】
これにより、第２の質量部は、Ｚ軸方向支持梁が捩れるように変形することにより、この支持梁を支点としてＺ軸方向に揺動でき、Ｙ軸周りの角速度によって基板に対し近接、離間することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による角速度センサ及びその製造方法を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２４】
図中、１は本実施の形態に適用される角速度センサ、２は該角速度センサ１の本体部分を構成する基板で、該基板２は、例えば高抵抗なシリコン材料、ガラス材料等によって四角形状に形成されている。
【００２５】
そして、基板２上には、図１、図２に示す如く、例えば単結晶または多結晶をなす低抵抗なシリコン材料を基板２上に設けてエッチング処理等の微細加工を施すことにより、後述の中央質量部３、外側質量部４、枠状質量部５，６、支持梁７，９，１０、駆動電極１３，１４、検出電極１７，１８，２０，２２等が形成されている。また、基板２の表面側には、質量部３，４，５，６、支持梁７，９，１０、可動側の検出電極１８，２２等を基板２側からＺ軸方向に離して配置するために複数の凹陥部２Ａが形成されている。
【００２６】
３は基板２の中央近傍に配置された第１の質量部としての中央質量部で、該中央質量部３は、例えば略「日」の字をなす枠状体として形成され、互いに対向してＸ軸方向に延びた横枠部３Ａ，３Ａと、該各横枠部３Ａの両端側を連結してＹ軸方向に延びた縦枠部３Ｂ，３Ｂと、各横枠部３Ａ間に位置してＸ軸方向に延設され、各縦枠部３Ｂのほぼ中間部位を連結した中間枠部３Ｃとによって構成されている。
【００２７】
ここで、中央質量部３は、後述の支持梁７，９，１０と連結部８とを介して外側質量部４、枠状質量部５，６と連結されている。そして、これらの質量部３，４，５，６は、基板２と平行な平面内でＹ軸方向に沿ってほぼ直線状に並んで配置され、支持梁７によってＸ軸方向に変位可能に支持されている。また、中央質量部３は、支持梁９によってＹ軸方向に変位可能に支持され、角速度センサ１にＺ軸周りの角速度Ω1が加わるときには、このときのコリオリ力Ｆ1に応じてＹ軸方向に変位するものである。
【００２８】
４，４はＹ軸方向に対して中央質量部３の両側に配置された第２の質量部としての一対の外側質量部で、該各外側質量部４は、図３ないし図４に示す如く、例えば四角形の平板状に形成され、その重心Ｇから中央質量部３側に向けてＹ軸方向に離間した端部側が支持梁１０と連結されている。
【００２９】
これにより、外側質量部４は、支持梁１０との連結部位を固定端とし、後述の電極取出部２１側に位置する部位を自由端として、支持梁１０により片持ち状態で揺動可能に支持されている。そして、後述の如く角速度センサ１にＹ軸周りの角速度Ω2が加わるときには、支持梁１０がＸ軸周りで捩れ変形することにより、外側質量部４がコリオリ力Ｆ2に応じてＺ軸方向に変位するものである。
【００３０】
５は中央質量部３と外側質量部４との間に配置された第３の質量部としての枠状質量部で、該枠状質量部５は、中央質量部３を取囲む四角形の枠状体によって形成され、Ｘ軸方向に延びた前，後の横枠部５Ａ，５Ａと、Ｙ軸方向に延びた左，右の縦枠部５Ｂ，５Ｂとを有している。そして、枠状質量部５は、その外側部位が連結部８を介して支持梁７と連結され、その内側部位には支持梁９を介して中央質量部３が連結されている。
【００３１】
６，６は外側質量部４を略コ字状に取囲んで配置された第４の質量部としての枠状質量部で、該各枠状質量部６は、Ｘ軸方向に延びて両端側が各支持梁７に連結された延設部６Ａと、該延設部６Ａから外側質量部４の左，右両側に突出した外側突起部６Ｂ，６Ｂとにより構成されている。
【００３２】
７，７は質量部３，４，５，６をＸ軸方向に変位可能に支持するＸ軸方向支持梁で、該各Ｘ軸方向支持梁７は枠状質量部５の左，右両側に配置され、Ｘ軸方向に撓み変形可能な状態でＹ軸方向に延びている。そして、角速度センサ１の作動時には、質量部３，５と質量部４，６とが支持梁７等を介して互いにほぼ逆位相でＸ軸方向に振動し、このとき支持梁７の長さ方向途中部位には、支持梁７が振動（撓み変形）するときに振動の節となってほぼ一定の位置を保持する４箇所の節部７Ａが配置されている。
【００３３】
８，８は各支持梁７に対して枠状質量部５を連結する左，右の連結部で、該各連結部８は高い剛性をもって形成され、枠状質量部５がＹ軸方向に変位するのを規制している。
【００３４】
９，９，…は中央質量部３をＹ軸方向に変位可能に支持する例えば４本のＹ軸方向支持梁で、該各Ｙ軸方向支持梁９は、一端側が中央質量部３の４隅に連結され、他端側がＸ軸方向に延びて枠状質量部５の各横枠部５Ａに連結されると共に、Ｙ軸方向に撓み変形可能となっている。
【００３５】
１０，１０，…は各外側質量部４をＺ軸方向に変位可能に支持する例えば４本のＺ軸方向支持梁としての捩れ支持梁で、該各捩れ支持梁１０は、各外側質量部４の左，右両側に配置され、一端側が外側質量部４に連結されると共に、他端側がＸ軸方向に延びて枠状質量部６の各外側突起部６Ｂに連結されている。
【００３６】
また、支持梁１０は、図３、図４に示す如く、例えばＸ軸方向の長さＬが２００〜４００μｍ程度、Ｙ軸方向の幅ｗが１０〜２０μｍ程度、Ｚ軸方向の厚さｔが３０〜７０μｍ程度となった薄板状に形成され、その幅ｗが長さＬ、厚さｔに対して小さく設定されることにより、図５に示す如くＸ軸周りで捩れるように弾性変形する構成となっている。
【００３７】
１１は支持梁７の節部７Ａを基板２に接続する固定部で、該固定部１１は、質量部３，４，５，６を取囲む四角形の枠状体により形成され、基板２上に固定された台座部１１Ａと、該台座部１１Ａの内側部位に一体に設けられ、基板２から離間した例えば４個の腕部１１Ｂとによって構成されている。
【００３８】
また、各腕部１１Ｂは、Ｘ軸方向に対して各支持梁７の左，右両側に２個ずつ配置され、Ｙ軸方向に離間している。そして、固定部１１は、図６に示す如く、各腕部１１Ｂによって質量部３，４，５，６と各支持梁７とを節部７Ａの部位で支持することにより、質量部３，５と質量部４，６が、Ｘ軸方向に逆位相で振動するときに、基板２に振動が伝わるのを抑制するものである。
【００３９】
一方、１２，１２，…は基板２上に固定的に設けられた例えば４個の駆動電極用支持部で、該各駆動電極用支持部１２は、図１に示す如く、Ｙ軸方向に対し各枠状質量部６を挟んで両側に２個ずつ配置されている。
【００４０】
１３，１３，…は各駆動電極用支持部１２にそれぞれ設けられた固定側駆動電極で、該各固定側駆動電極１３は、Ｘ軸方向に突出しＹ軸方向に間隔をもって櫛歯状に配置された複数の電極板１３Ａ，１３Ａ，…を有している。
【００４１】
１４，１４，…は各固定側駆動電極１３に対応して各枠状質量部６の外側突起部６Ｂにそれぞれ設けられた可動側駆動電極で、該各可動側駆動電極１４は、Ｘ軸方向に櫛歯状をなして突出し、固定側駆動電極１３の各電極板１３Ａと噛合した複数の電極板１４Ａ，１４Ａ，…を有している。
【００４２】
１５，１５，…は基板２と外側質量部４との間に設けられた振動発生手段としての振動発生部で、該各振動発生部１５は、固定側駆動電極１３と可動側駆動電極１４とによって構成されている。そして、振動発生部１５は、これらの駆動電極１３，１４間に交流の駆動信号を直流バイアス電圧と共に印加することによって、電極板１３Ａ，１４Ａ間に静電引力を交互に発生し、外側質量部４を図１中の矢示ａ1，ａ2方向に振動させるものである。
【００４３】
１６，１６は中央質量部３の内側に位置して基板２上に設けられた２個の検出電極用支持部で、該各検出電極用支持部１６は、Ｙ軸方向に対し中央質量部３の中間枠部３Ｃを挟んで両側に配置されている。
【００４４】
１７，１７，…は中央質量部３の変位量を検出するために各検出電極用支持部１６にそれぞれ複数個設けられた固定側検出電極で、該各固定側検出電極１７は、Ｘ軸方向に突出しＹ軸方向の間隔をもって櫛歯状に配置された複数の電極板１７Ａ，１７Ａ，…を有している。
【００４５】
１８，１８，…は各固定側検出電極１７に対応して中央質量部３の中間枠部３Ｃに複数個設けられた可動側検出電極で、該各可動側検出電極１８は、Ｘ軸方向に櫛歯状をなして突出し、固定側検出電極１７の各電極板１７Ａに対しＹ軸方向の隙間を挟んで噛合した複数の電極板１８Ａ，１８Ａ，…を有している。
【００４６】
１９，１９は基板２と中央質量部３との間に設けられた第１の検出手段としての角速度検出部で、該各角速度検出部１９は、固定側検出電極１７と可動側検出電極１８とによって構成されている。そして、角速度検出部１９は、中央質量部３がＹ軸方向に変位することによって静電容量が変化する平行平板コンデンサを形成し、Ｚ軸周りの角速度Ω1を検出電極１７，１８間の静電容量の変化として検出するものである。
【００４７】
２０，２０は各外側質量部４に対応する位置で基板２の凹陥部２Ａ内に設けられた固定側検出電極で、該各固定側検出電極２０は、例えば金属膜等により図４、図５に示す如く四角形状に形成されている。また、固定側検出電極２０は、その一部が凹陥部２Ａの外側に延設され、基板２上に突設された電極取出部２１に接続されている。
【００４８】
２２，２２は各外側質量部４のうち基板２に面した部位により構成された可動側検出電極で、該各可動側検出電極２２は、図４に示す如く、固定側検出電極２０とＺ軸方向の隙間を挟んで対面している。
【００４９】
２３は基板２と外側質量部４との間に設けられた第２の検出手段としての角速度検出部で、該角速度検出部２３は、固定側検出電極２０と可動側検出電極２２とによって構成されている。そして、角速度検出部２３は、外側質量部４がＺ軸方向に変位することによって静電容量が変化する平行平板コンデンサを形成し、Ｙ軸周りの角速度Ω2を検出電極２０，２２間の静電容量の変化として検出するものである。
【００５０】
本実施の形態による角速度センサ１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。
【００５１】
まず、左，右の振動発生部１５に逆位相となる交流の駆動信号を直流バイアス電圧と共に印加すると、左，右の固定側駆動電極１３と可動側駆動電極１４との間には静電引力が交互に発生し、外側質量部４と枠状質量部６とは、支持梁７が撓み変形することによって図６中の矢示ａ1，ａ2方向に振動する。
【００５２】
また、質量部４，６の振動が支持梁７等を介して枠状質量部５に伝わると、中央質量部３と枠状質量部５とは、質量部４，６に対して振動の位相が約１８０°ずれた逆位相で振動する。印加する交流の駆動信号の周波数を調整することにより、この振動を共振状態にすることができる。この場合、支持梁７の節部７Ａはほぼ一定の位置を保持するため、質量部３〜６の振動が支持梁７、固定部１１等を介して基板２に伝わることはほとんどない。
【００５３】
そして、この振動状態で例えば角速度センサ１にＺ軸周りの角速度Ω1が加わると、中央質量部３は、下記数１の式に示すコリオリ力Ｆ1がＹ軸方向に作用し、支持梁９が撓み変形することにより、コリオリ力Ｆ1の大きさに応じてＹ軸方向に変位する。
【００５４】
【数１】
Ｆ1＝２ＭΩ1ｖ
但し、 Ｍ：中央質量部３の質量
Ω1：Ｚ軸周りの角速度
ｖ：中央質量部３のＸ軸方向の速度
【００５５】
これにより、２つの角速度検出部１９では、Ｙ軸方向に対する中央質量部３の変位量に応じて検出電極１７，１８間の間隔（静電容量）がそれぞれ変化するので、例えば各角速度検出部１９における静電容量の変化量を差動出力することにより、Ｚ軸周りの角速度Ω1を検出することができる。
【００５６】
一方、角速度センサ１にＹ軸周りの角速度Ω2が加わるときは、図５に示す如く、この角速度Ω2に応じてＺ軸方向のコリオリ力Ｆ2が作用するため、外側質量部４は、支持梁１０がＸ軸周りで捩れるように弾性変形することにより、支持梁１０を支点として揺動し、コリオリ力Ｆ2の大きさに応じてＺ軸方向に変位するようになる。
【００５７】
これにより、２つの角速度検出部２３では、Ｚ軸方向に対する外側質量部４の変位量に応じて検出電極２０，２２間の静電容量がそれぞれ変化するので、例えば各角速度検出部２３における静電容量の変化量を加算出力することにより、Ｙ軸周りの角速度Ω2を検出することができる。
【００５８】
次に、図７ないし図１２を参照しつつ角速度センサ１の製造方法について説明する。
【００５９】
まず、図７に示すように基板２となるガラス板３１を用意し、図８に示す基板形成工程では、ガラス板３１の表面側のうち、質量部３，４，５，６、支持梁７，９，１０、連結部８、電極１４，１８，２２等に対応する所定の部位に対して、例えば研削、サンドブラスト等の手段を用いて各凹陥部２Ａを穿設し、基板２を形成する。
【００６０】
次に、図９に示す電極形成工程では、例えばスパッタ、ＣＶＤ等の手段を用いて基板２の各凹陥部２Ａに金属膜を形成し、この金属膜にエッチング処理を施すことにより、固定側検出電極２０を形成する。
【００６１】
そして、図１０に示す基板接合工程では、例えば陽極接合等の手段によって加工用基板となるシリコン板３２を基板２の表面側に接合し、図１１に示すエッチング工程では、シリコン板３２に対して表面側から板厚方向に１回のエッチング処理を施すことにより、質量部３，４，５，６、支持梁７，９，１０、連結部８、固定部１１、支持部１２，１６、電極１３，１４，１７，１８，２２、電極取出部２１等をほぼ同時に形成する。
【００６２】
次に、図１２に示す他の基板接合工程では、例えば蓋板となるガラス板３３等を減圧雰囲気中で質量部３，４，５，６に対して基板２と反対側に接合し、質量部３〜６等を基板２とガラス板３３との間に減圧封止した後に、このガラス板３３に電極取出用のスルーホール等を形成することにより、角速度センサ１を製造することができる。
【００６３】
かくして、本実施の形態によれば、中央質量部３、外側質量部４および枠状質量部５，６を支持梁７，９，１０等によって互いに連結し、質量部３，４の変位量を角速度検出部１９，２３によりＺ軸周りの角速度Ω1，Ｙ軸周りの角速度Ω2としてそれぞれ検出する構成としている。
【００６４】
これにより、複数の質量部３〜６をＹ軸方向に並べた状態で互いに連結でき、例えば質量部３〜６のうち枠状質量部６を振動させるだけで、Ｘ軸方向支持梁７が撓み変形することにより、質量部３，５と質量部４，６とを互いにほぼ逆位相で効率よく振動させることができる。
【００６５】
そして、角速度センサ１にＺ軸周りの角速度Ω1が加わるときには、中央質量部３をＹ軸方向支持梁９によりコリオリ力Ｆ1に応じてＹ軸方向に変位させることができ、このときの中央質量部３の変位量を角速度検出部１９によりＺ軸周りの角速度Ω1として確実に検出することができる。また、Ｙ軸周りの角速度Ω2が加わるときには、外側質量部４を捩れ支持梁１０によりコリオリ力Ｆ2に応じてＺ軸方向に変位させることができ、このときの外側質量部４の変位量を角速度検出部２３によりＹ軸周りの角速度Ω2として確実に検出することができる。
【００６６】
従って、単一の角速度センサ１により、質量部３〜６を用いた簡単な構造で２軸周りの角速度Ω1，Ω2を同時に検出でき、センサとしての検出性能を確実に向上できると共に、その寸法を小型化し、製造コスト等を低減することができる。
【００６７】
この場合、外側質量部４のうち重心Ｇから離れた部位を捩れ支持梁１０によって枠状質量部６に連結したので、各捩れ支持梁１０は、外側質量部４のうち捩れ支持梁１０との連結部位を固定端とし、電極取出部２１側の部位を自由端として、外側質量部４を片持ち状態で揺動可能に支持することができる。そして、Ｙ軸周りの角速度Ω2が加わるときには、各捩れ支持梁１０がＸ軸周りで捩れるように弾性変形することにより、外側質量部４を基板２に対して安定的に揺動変位させることができ、外側質量部４をＺ軸方向に変位させるための機構を基板２上に小さな面積で実現することができる。
【００６８】
また、質量部３，５を挟んだ両側に質量部４，６を対称に配置することにより、これらの質量部３〜６をＹ軸方向にほぼ直線状に並べて配置でき、これらを互いに逆位相で安定的に振動させることができる。そして、各外側質量部４は、中央質量部３を挟んだ両側の位置でＺ軸方向に揺動することにより、質量部３〜６全体に加わる応力等のバランスをとることができる。
【００６９】
また、中央質量部３を枠状質量部５と連結部８とを介してＸ軸方向支持梁７に連結し、外側質量部４を枠状質量部６を介してＸ軸方向支持梁７に連結したので、質量部３〜６がＸ軸方向に振動するときには、Ｘ軸方向支持梁７の撓み変形等が質量部３，４に伝わるのを枠状質量部５，６によって遮断でき、これらの質量部３，４がＺ軸やＹ軸方向（検出方向）に誤って変位するのを防止できると共に、検出精度をより向上させることができる。
【００７０】
さらに、質量部３，５と質量部４，６とを互いに逆位相で振動させることにより、Ｘ軸方向支持梁７の途中部位には、質量部３〜６の振動中にほぼ一定の位置を保持する節部７Ａを配置でき、この節部７Ａの位置では、質量部３，５と質量部４，６の振動を互いに打消すことができる。そして、固定部１１は、Ｘ軸方向支持梁７の節部７Ａを基板２に接続でき、質量部３〜６の振動が基板２側に伝わるのを抑制することができる。
【００７１】
これにより、振動発生部１５から質量部３〜６に加えられる振動エネルギを基板２側に逃がすことなく、質量部３〜６を予め定められた振幅、振動速度等で効率よく振動させることができると共に、基板２側に振動が伝わることによって質量部３，４の変位量に対する検出精度が低下するのを防止でき、信頼性を向上させることができる。
【００７２】
一方、角速度センサ１の製造時には、まず基板２上に凹陥部２Ａを形成し、該凹陥部２Ａ内に固定側検出電極２０を形成した後に、シリコン板３２を基板２上に接合して該シリコン板３２にエッチング処理を施すようにしたので、シリコン板３２に対して１回のエッチング処理を行うだけで、質量部３〜６、支持梁７，９，１０、連結部８、固定部１１、支持部１２，１６、電極１３，１４，１７，１８，２２、電極取出部２１等をほぼ同時に形成できると共に、このとき質量部３〜６、支持梁７，９，１０等を凹陥部２Ａにより基板２から離して配置でき、角速度センサ１を最小限のエッチング処理で効率よく製造することができる。
【００７３】
特に、本実施の形態による角速度センサ１のように、Ｘ軸周りで捩れ変形する捩れ支持梁１０を形成する場合には、Ｙ軸方向の幅ｗが小さな捩れ支持梁１０を１回のエッチング工程で質量部３〜６等と一緒に容易に形成できるから、捩れ変形が容易な支持梁を形成するために複数回のエッチング処理を行う必要がなくなり、生産性を高めることができる。
【００７４】
なお、実施の形態では、Ｚ軸方向支持梁としてＸ軸周りで捩れ変形可能となった捩れ支持梁１０を用いる構成としたが、本発明はこれに限らず、Ｙ軸周りで捩れ変形可能に形成された捩れ支持梁を用いる構成としてもよく、またＺ軸方向に撓み変形する支持梁を用いる構成してもよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１の発明によれば、基板上に配置した第１，第２の質量部のうちＹ軸方向に対して中央に位置する第１の質量部をＹ軸方向支持梁および第３の質量部によってＸ軸方向支持梁と連結し、Ｙ軸方向に対して第１の質量部の両側に位置する第２の質量部をＺ軸方向支持梁および第４の質量部によってＸ軸方向支持梁と連結し、第1，第２の検出手段によりＺ軸周り、Ｙ軸周りの角速度をそれぞれ検出する構成としたので、第１の検出手段は、第１の質量部がＹ軸方向支持梁を介してＹ軸方向に変位するときの変位量をＺ軸周りの角速度として検出でき、第２の検出手段は、第２の質量部がＺ軸方向支持梁を介してＺ軸方向に変位するときの変位量をＹ軸周りの角速度として確実に検出することができる。従って、単一の角速度センサにより、第１，第２の質量部を用いた簡単な構造で２軸周りの角速度を同時に検出でき、センサとしての検出性能を向上できると共に、その寸法を小型化し、製造コスト等を低減することができる。
【００７６】
また、固定部はＸ軸方向支持梁のうち振動の節に対応する部位を基板に接続する構成としたので、固定部の位置では各質量部の振動を互いに打消すことができ、その振動がＸ軸方向支持梁を介して基板に伝わるのを確実に抑制することができる。これにより、振動発生手段による振動エネルギを基板側に逃がすことなく、各質量部を所定の振幅、振動速度等で効率よく振動させることができると共に、基板に振動が伝わることによって検出精度が低下するのを防止でき、信頼性を向上させることができる。
さらに、第２の質量部はＹ軸方向に対して第１の質量部の両側に位置する構成としたので、第１の質量部を挟んだ両側に第２の質量部を対称に配置でき、これらの質量部を互いに逆位相で安定的に振動させることができる。そして、第２の質量部は、Ｙ軸周りの角速度が加わったときに、第１の質量部を挟んだ両側の位置でＺ軸方向に揺動することにより、各質量部全体に加わる応力等のバランスをとることができる。
【００７９】
また、請求項２の発明によれば、第１の質量部をＹ軸方向支持梁によって第３の質量部に連結し、第２の質量部をＺ軸方向支持梁によって第４の質量部に連結し、第３，第４の質量部をＸ軸方向支持梁に連結すると共に、第1，第２の検出手段により第1，第２の質量部の変位量をそれぞれＺ軸周り、Ｙ軸周りの角速度として検出する構成としたので、単一の角速度センサにより、第１，第２の検出手段と各質量部とを用いた簡単な構造で２軸周りの角速度を同時に検出でき、センサとしての検出性能を向上できると共に、その寸法を小型化し、製造コスト等を低減することができる。また、第３の質量部はＸ軸方向支持梁の撓み変形等が検出方向の変位となって第１の質量部に伝わるのを遮断でき、第４の質量部はＸ軸方向支持梁の撓み変形等が第２の質量部に伝わるのを遮断できるから、検出精度をより向上させることができる。
【００８０】
また、固定部はＸ軸方向支持梁のうち第１，第３の質量部と第２，第４の質量部とが互いに逆位相で振動するときの節に対応する部位を基板に接続する構成としたので、固定部の位置では第１ないし第４の質量部の振動を互いに打消すことができ、振動発生手段による振動エネルギを基板側に逃がすことなく、各質量部を効率よく振動させることができる。また、基板に振動が伝わることによって検出精度が低下するのを防止でき、信頼性を向上させることができる。
【００８１】
さらに、請求項３の発明によれば、Ｚ軸方向支持梁は、Ｘ軸またはＹ軸周りで捩れ変形可能に形成され前記第２の質量部をＺ軸方向に揺動可能に支持する捩れ支持梁により構成したので、Ｙ軸周りの角速度が加わるときには、捩れ支持梁が捩れるように弾性変形することにより、第２の質量部を基板に対してＺ軸方向に安定的に揺動変位させることができ、Ｚ軸方向への変位機構を基板上に小さな面積で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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方向からみた角速度センサの拡大断面図である。
【図３】角速度センサのうち図１中の下側に位置する片側部位を示す拡大平面図である。
【図４】図２中の左片側に位置する外側質量部、角速度検出部等を示す要部拡大断面図である。
【図５】外側質量部がＹ軸周りの角速度によってＺ軸方向に変位する状態を示す角速度センサの要部拡大断面図である。
【図６】角速度センサのうち図１中の左片側部位で中央質量部と外側質量部とが互いに逆位相で振動する状態を示す拡大平面図である。
【図７】基板形成工程に用いるガラス板の左片側部位を示す拡大断面図である。
【図８】基板形成工程により凹陥部を形成したガラス板の左片側部位を示す拡大断面図である。
【図９】電極形成工程により固定側検出電極を形成した基板の左片側部位を示す拡大断面図である。
【図１０】基板接合工程により接合した基板とシリコン板の左片側部位を示す拡大断面図である。
【図１１】エッチング工程によりシリコン板にエッチング処理を施して質量部、支持梁等を形成した状態を示す角速度センサの左片側部位の拡大断面図である。
【図１２】他の基板接合工程により質量部、支持梁等に他のガラス板を接合した状態を示角速度センサの左片側部位の拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 角速度センサ
２ 基板
３ 中央質量部（第１の質量部）
４ 外側質量部（第２の質量部）
５，６ 枠状質量部（第３，第４の質量部）
７ Ｘ軸方向支持梁
７Ａ 節部
８ 連結部
９ Ｙ軸方向支持梁
１０ 捩れ支持梁（Ｚ軸方向支持梁）
１１ 固定部
１２，１６ 電極用支持部
１３，１４ 駆動電極
１５ 振動発生部（振動発生手段）
１７，１８，２０，２２ 検出電極
１９，２３ 角速度検出部（角速度検出手段）
２１ 電極取出部
３１，３３ ガラス板
３２ シリコン板（加工用基板）

Claims (3)

1. 基板と、該基板と隙間をもって対向し互いに直交するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸からなる３軸方向のうち振動発生手段によってＸ軸方向に振動する第１の質量部と、該第１の質量部を挟んでＹ軸方向の両側に設けられ振動発生手段によって該第１の質量部と逆位相でＸ軸方向に振動する第２の質量部と、前記第１の質量部を第３の質量部を介してＸ軸方向に変位可能に連結すると共に前記第２の質量部を第４の質量部を介してＸ軸方向に変位可能に連結するＸ軸方向支持梁と、該Ｘ軸方向支持梁と前記基板との間に設けられ該Ｘ軸方向支持梁を前記基板に接続する固定部と、前記第１の質量部と前記第３の質量部との間に設けられ該第１の質量部をＹ軸方向に変位可能に支持するＹ軸方向支持梁と、前記第２の質量部と前記第４の質量部との間に設けられ前記第２の質量部をＺ軸方向に変位可能に支持するＺ軸方向支持梁と、前記第１の質量部に角速度が作用するときに前記第１の質量部がＹ軸方向に変位する変位量をＺ軸周りの角速度として検出する第１の検出手段と、前記第２の質量部に角速度が作用するときに前記第２の質量部がＺ軸方向に変位する変位量をＹ軸周りの角速度として検出する第２の検出手段とを備え、
   前記固定部はＸ軸方向支持梁のうち前記第１，第３の質量部と第２，第４の質量部とが互いに逆位相で振動するときの節に対応する部位を前記基板に接続する構成としてなる角速度センサ。
2. 基板と、該基板と隙間をもって対向し互いに直交するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸からなる３軸方向のうち振動発生手段によってＸ軸方向に振動する第１の質量部と、該第１の質量部を挟んでＹ軸方向の両側に設けられ振動発生手段によってＸ軸方向に振動する第２の質量部と、前記第１の質量部と第２の質量部との間に位置して第１の質量部を取囲む第３の質量部と、前記第２の質量部を取囲む第４の質量部と、該第４の質量部を互いにＸ軸方向に変位可能に連結するＸ軸方向支持梁と、該Ｘ軸方向支持梁に対して前記第３の質量部を連結する連結部と、前記第３の質量部に対して前記第１の質量部をＹ軸方向に変位可能に連結するＹ軸方向支持梁と、前記第４の質量部に対して前記第２の質量部をＺ軸方向に変位可能に連結するＺ軸方向支持梁と、前記基板とＸ軸方向支持梁との間に設けられ該Ｘ軸方向支持梁を前記基板に接続する固定部と、前記第１の質量部に角速度が作用するときに該第１の質量部がＹ軸方向に変位する変位量をＺ軸周りの角速度として検出する第１の検出手段と、前記第２の質量部に角速度が作用するときに該第２の質量部がＺ軸方向に変位する変位量をＹ軸周りの角速度として検出する第２の検出手段とを備え、
   前記第１，第３の質量部と第２，第４の質量部とは互いに逆位相で振動し、
   前記固定部はＸ軸方向支持梁のうち前記第１，第３の質量部と第２，第４の質量部とが互いに逆位相で振動するときの節に対応する部位を前記基板に接続する構成としてなる角速度センサ。
3. 前記Ｚ軸方向支持梁は、Ｘ軸またはＹ軸周りで捩れ変形可能に形成され前記第２の質量部をＺ軸方向に揺動可能に支持する捩れ支持梁により構成してなる請求項１または２に記載の角速度センサ。

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