JP5052674B2 - 回転振動型ジャイロ - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）センサにおける回転振動型の角速度センサである回転振動型ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の回転振動型ジャイロとして、円環形状の質量部の内側に駆動電極を配置したものが知られている（特許文献１参照）。この回転振動型ジャイロは、基板上に突設した固定部（アンカー）と、固定部に支持された平板円形形状の質量部（駆動錘および検出錘）と、固定部と質量部とを連結する放射状の質量支持部（支持ばね）と、質量部を回転振動させる駆動電極と、質量部に対面する４つの検出電極と、を備えている。駆動電極に電圧を印加して質量部を回転振動させた状態で、Ｘ軸回りの角速度が作用する（角速度運動）と、コリオリ力が励起されて質量部が、Ｙ軸を中心にシーソー様に振動する。この振動により、質量部と検出電極との間で静電容量が変化し、この変化に基づいて角速度を検出するようになっている。
【特許文献１】
特開２０００−１８０１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような従来の回転振動型ジャイロでは、例えばＸ軸回りの角速度を受けたときに、質量部がコリオリ力でＹ軸を中心にシーソー様に振動するが、質量部が円環形状に一体に形成されているため、この振動時にＹ軸方向の検出電極と質量部との間の静電容量も変化してしまう。このため、検出軸方向の検出感度が他軸方向の検出感度の影響を受け、結局、検出感度が低下して角速度を精度良く検出することができない問題があった。
【０００４】
本発明は、検出軸方向の検出感度に対する他軸方向の検出感度の影響を排除することができる回転振動型ジャイロを提供することをその課題としている。
課題を解決するための手段
【０００５】
本発明の回転振動型ジャイロは、任意の１の方向に延在する軸をＸ軸としＸ軸に直交する軸をＹ軸としたときのＸＹ平面内に配設された、平板環状の駆動錘と、 駆動錘を、その中心であってＸＹ平面に直交するＺ軸回りに回転振動させる駆動電極と、駆動錘の内側に配設され、駆動錘で発生したコリオリ力により駆動錘と共に振動する平板状の一対のＸ軸分割検出錘および駆動錘で発生したコリオリ力により駆動錘と共に各Ｘ軸分割検出錘とは独立して振動する平板状の一対のＹ軸分割検出錘から成る検出錘と、検出錘の内側に位置して基板上に突設され、検出錘を支持し、かつ検出錘を介して駆動錘を支持する単一のアンカーと、アンカーと各Ｘ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する各Ｘ軸分割検出錘のヒンジとして機能する一対のＸ軸錘支持ばね、およびアンカーと各Ｙ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する各Ｙ軸分割検出錘のヒンジとして機能する一対のＹ軸錘支持ばねと、回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有し、駆動錘と各Ｘ軸分割検出錘とを連結する一対のＸ軸錘連結ばね、および回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有し、駆動錘と各Ｙ軸分割検出錘とを連結する一対のＹ軸錘連結ばねと、振動する一対のＸ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＸ軸検出電極、および／または振動する一対のＹ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＹ軸検出電極と、を備え、各Ｘ軸分割検出錘、各Ｘ軸錘連結ばねおよび各Ｘ軸検出電極は、Ｘ軸に沿って配設され、各Ｙ軸分割検出錘、各Ｙ軸錘連結ばねおよび各Ｙ軸検出電極は、Ｙ軸に沿って配設されていることを特徴とする。
［０００６］
この構成によれば、回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有する一対のＸ軸錘連結ばねおよび一対のＹ軸錘連結ばねにより、駆動錘と検出錘とが振動的に分離され、且つ検出錘が相互に独立した一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘で構成されている。このため、コリオリ力で振動する検出錘は駆動錘の回転振動の影響を受けることがなく、また一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘は、コリオリ力で振動する際に相互に他方の影響を受けることがない。すなわち、一方の分割検出錘の検出感度が他方の分割検出錘の検出感度に影響を与えることがなく、角速度を精度良く検出することができる。また、Ｘ軸分割検出錘およびＹ軸分割検出錘は、それぞれ独立の一対のもので構成され、且つそれぞれ錘支持ばねで支持されているため、検出感度を損なうことなく簡単に形成することができる。さらに、検出電極の数を増減することにより、１軸の角速度センサ（ジャイロ）と２軸の角速度センサ（ジャイロ）とを簡単に作り分けることができる。
【０００７】
この場合、各Ｘ軸錘支持ばねは、Ｙ軸に平行に延在する捻り棒ばねで構成され、各Ｙ軸錘支持ばねは、Ｘ軸に平行に延在する捻り棒ばねで構成されていることが好ましい。
【０００９】
上記の回転振動型ジャイロにおいて、各Ｘ軸錘支持ばねおよび各Ｙ軸錘支持ばねは、検出錘より薄手に形成された板ばねでそれぞれ構成されていることが、好ましい。
【００１０】
この構成によれば、別個独立の各Ｘ軸錘支持ばねおよび各Ｙ軸錘支持ばねを、それぞれ適切に振動させることができると共に、これらをコンパクトに形成することができる。
【００１１】
一方、各Ｘ軸分割検出錘および各Ｙ軸分割検出錘は、いずれも平板扇状に形成されていることが好ましい。
この構成によれば、全体（駆動錘）に対し、各Ｘ軸分割検出錘および各Ｙ軸分割検出錘の面積（可動検出電極の面積）を可能な限り大きくすることができ、検出感度を高めることができる。
【００１２】
また、アンカーは、一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘の内側に配設され、各Ｘ軸錘支持ばねは、アンカーからＹ軸に平行に延びる一対の捻り棒ばねで構成され、各Ｙ軸錘支持ばねは、アンカーからＸ軸に平行に延びる一対の捻り棒ばねで構成されていることが好ましい。
【００１３】
これらの構成によれば、各Ｘ軸錘支持ばねおよび各Ｙ軸錘支持ばねにより、分割構造の検出錘および駆動錘を適切に支持することができると共に、分割構造の検出錘が振動する際にストレスとなることがない。
【００１４】
上記の回転振動型ジャイロにおいて、駆動錘における回転振動の共振周波数と、各Ｘ軸分割検出錘および各Ｙ軸分割検出錘おける振動（検出方向）の共振周波数とが異なることが、好ましい。
【００１５】
この構成によれば、検出感度は低くなるものの、製造上のばらつきに基づく検出感度のばらつきを抑制することができる。
【００１６】
本発明の他の回転振動型ジャイロは、任意の１の方向に延在する軸をＸ軸としＸ軸に直交する軸をＹ軸としたときのＸＹ平面内に配設された、平板状の駆動錘と、駆動錘を、その中心であってＸＹ平面に直交するＺ軸回りに回転振動させる駆動電極と、駆動錘の外側に囲むように配設され、駆動錘で発生したコリオリ力により駆動錘と共に振動する平板扇状の一対のＸ軸分割検出錘、および駆動錘で発生したコリオリ力により駆動錘と共に各Ｘ軸分割検出錘とは独立して振動する平板扇状の一対のＹ軸分割検出錘から成る検出錘と、検出錘の外側に位置して基板上に突設され、各Ｘ軸分割検出錘を支持し、かつ検出錘を介して駆動錘を支持する一対のＸ軸アンカー、および各Ｙ軸分割検出錘を支持し、かつ検出錘を介して駆動錘を支持する一対のＹ軸アンカーと、アンカーと各Ｘ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する各Ｘ軸分割検出錘のヒンジとして機能する一対のＸ軸錘支持ばね、およびアンカーと各Ｙ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する各Ｙ軸分割検出錘のヒンジ軸として機能する一対のＹ軸錘支持ばねと、回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有し、駆動錘と各Ｘ軸分割検出錘とを連結する一対のＸ軸錘連結ばね、および回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有し、駆動錘と各Ｙ軸分割検出錘とを連結する一対のＹ軸錘連結ばねと、 振動する一対のＸ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＸ軸検出電極、および／または振動する一対のＹ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＹ軸検出電極と、を備え、各Ｘ軸分割検出錘、各Ｘ軸アンカー、各Ｘ軸錘連結ばねおよび各Ｘ軸検出電極は、Ｘ軸に沿って配設され、各Ｙ軸分割検出錘、各Ｙ軸アンカー、各Ｙ軸錘連結ばねおよび各Ｙ軸検出電極は、Ｙ軸に沿って配設されていることを特徴とする。
［００１７］
この構成によれば、回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有する一対のＸ軸錘連結ばねおよび一対のＹ軸錘連結ばねにより、駆動錘と検出錘とが振動的に分離され、且つ検出錘が相互に独立した一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘で構成されている。このため、コリオリ力で振動する検出錘は駆動錘の回転振動の影響を受けることがなく、また一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘は、コリオリ力で振動する際に相互に他方の影響を受けることがない。すなわち、一方の分割検出錘の検出感度が他方の分割検出錘の検出感度に影響を与えることがなく、角速度を精度良く検出することができる。また、Ｘ軸分割検出錘およびＹ軸分割検出錘は、それぞれ独立の一対のもので構成され、且つそれぞれ錘支持ばねで支持されているため、検出感度を損なうことなく簡単に形成することができる。さらに、検出電極の数により、１軸の角速度センサ（ジャイロ）と２軸の角速度センサ（ジャイロ）とを簡単に作り分けることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、検出錘が相互に独立した一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘で構成されているため、一方の分割検出錘の検出感度が他方の分割検出錘の検出感度に影響を与えることがない。したがって、いわゆる他軸感度を抑えることができ、それぞれの軸に対する角速度を精度良く検出することができる。さらに、駆動錘と検出錘とが振動的に分離されているため、検出錘が駆動錘の影響を受けることがなく、角速度を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係る回転振動型ジャイロの平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図２】第１実施形態の第１変形例に係る回転振動型ジャイロの平面図（ａ）および部分断面図（ｂ）である。
【図３】第１実施形態の第２変形例に係る回転振動型ジャイロの平面図（ａ）および部分断面図（ｂ）である。
【図４】第２実施形態に係る回転振動型ジャイロの平面図である。
【図５】第２実施形態の変形例に係る回転振動型ジャイロの平面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１ 回転振動型ジャイロ ２ 基板
３ 駆動電極 ４ 駆動錘
５ 検出錘 ５Ａ Ｘ軸分割検出錘
５Ｂ Ｙ軸分割検出錘 ６ アンカー
７Ａ Ｘ軸錘支持ばね ７Ｂ Ｙ軸錘支持ばね
８Ａ Ｘ軸錘連結ばね ８Ｂ Ｙ軸錘連結ばね
９Ａ Ｘ軸検出電極 ９Ｂ Ｙ軸検出電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る回転振動型ジャイロについて説明する。この回転振動型ジャイロは、シリコン等を材料として微細加工技術により製造されるＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）センサにおける２軸の角速度センサであり、平面内において正逆の往復回転振動により駆動する。そして、実施形態のものは、例えば１ｍｍ角程度にパッケージングされ製品化されるようになっている。なお、ここでは、図面の左右方向を「Ｘ軸方向」、前後方向を「Ｙ軸方向」、貫通方向を「Ｚ軸方向」として説明を進める。
【００２２】
図１に示すように、回転振動型ジャイロ１は、基板２上において、最外周に位置する複数組（実施形態のものは８組）の駆動電極３と、複数組の駆動電極３の内側に配設した平板円環状の駆動錘４と、駆動錘４の内側に配設され、平板扇状の一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび平板扇状の一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂから成る検出錘５と、検出錘５の内側に配設した略方形のアンカー６と、アンカー６と各Ｘ軸分割検出錘５Ａとの間に掛け渡された一対のＸ軸錘支持ばね７Ａ，７Ａおよびアンカー６と各Ｙ軸分割検出錘５Ｂとの間に掛け渡された一対のＹ軸錘支持ばね７Ｂ，７Ｂと、駆動錘４と各Ｘ軸分割検出錘５Ａとを連結する一対のＸ軸錘連結ばね８Ａ，８Ａおよび駆動錘４と各Ｙ軸分割検出錘５Ｂとを連結する一対のＹ軸錘連結ばね８Ｂ，８Ｂと、振動する一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａの変位を検出する一対のＸ軸検出電極９Ａ，９Ａ、および振動する一対のＹ軸分割検出錘５Ｂの変位を検出する一対のＹ軸検出電極９Ｂ，９Ｂと、を備えて構成されている。
【００２３】
この場合、駆動錘４および検出錘（各支持ばね７Ａ，７Ｂおよび各連結ばね８Ａ，８Ｂも同じ）は、導電性の部材で構成され、後述する可動駆動電極１２は駆動錘４の一部で構成され、可動検出電極２３は検出錘５の一部で構成される。また、一対のＸ軸錘支持ばね７Ａ，７Ａおよび一対のＹ軸錘支持ばね７Ｂ，７Ｂと、アンカー６との接続形態は、駆動錘４および検出錘５を主体とする可動部がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸について対称となるように構成されている。すなわち、Ｚ軸に関しては、回転振動型ジャイロ１（可動部）の重心がＸ・Ｙ両支持ばね７Ａ，７Ｂとアンカー６との軸心と重なり、且つＸ・Ｙ平面に関しては、回転振動型ジャイロ１（可動部）の中心位置が重心と重なるように配置されている。これにより、例えば重力などの加速度の影響を受け難くなり、設置の自由度も向上させることができる。
【００２４】
複数の駆動電極３は、駆動錘４の外側において周方向に例えば均等間隔で配置されている。 各駆動電極３は、基板２上に一体に形成した固定駆動電極１１と、駆動錘４の一部として駆動錘４の外周端から径方向外方に延在するように設けた可動駆動電極１２と、で構成されている。固定駆動電極１１と可動駆動電極１２とは、相互にくし歯の形態で対峙しており、これに交流電圧を印加することで、両電極間１１，１２に生ずる静電気力により駆動錘４がＺ軸回りに回転振動する。
【００２５】
駆動錘４はＺ軸を中心とする平板円環状に形成され、また検出錘５は、平板扇状の一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂから成り、それぞれ外周が駆動錘４との間に僅かな間隙を存し、全体としてＸ−Ｙ軸座標原点を通るＺ軸を中心として円板上に形成されている。また、駆動錘４と検出錘５とは、同一平面上に位置し同一の厚みを有している。一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂは、９０°の角度を為す全く同一の平板扇状に形成され、９０°ピッチで配設されている。回転振動する駆動錘４が、Ｘ軸回りの角速度を受けると、発生するコリオリ力により駆動錘４と共に一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａが一対のＸ軸錘支持ばね７Ａ，７Ａを中心にそれぞれ振動する。同様に、回転振動する駆動錘４が、Ｙ軸回りの角速度を受けると、発生するコリオリ力により駆動錘４と共に一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂが一対のＹ軸錘支持ばね７Ｂ，７Ｂを中心にそれぞれ振動する。
【００２６】
一対のＸ軸錘連結ばね８Ａ，８Ａは、Ｘ軸上に対向配置されており、各Ｘ軸錘連結ばね８Ａは、各Ｘ軸分割検出錘５Ａに深く切り込んだ切欠き部１４に内包されるように配設されている。同様に、一対のＹ軸錘連結ばね８Ｂ，８Ｂは、Ｙ軸上に対向配置されており、各Ｙ軸錘連結ばね８Ｂは、各Ｙ軸分割検出錘５Ｂに深く切り込んだ切欠き部１４に内包されるように配設されている。一対のＸ軸錘連結ばね８Ａ，８Ａおよび一対のＹ軸錘連結ばね８Ｂ，８Ｂは、全く同一の形態を有しており、それぞれ幅狭の断面矩形に形成され、駆動錘４の回転振動を吸収すると共に駆動錘４が受けるコリオリ力を検出錘５に伝達する。すなわち、一対のＸ軸錘連結ばね８Ａ，８Ａおよび一対のＹ軸錘連結ばね８Ｂ，８Ｂにより、駆動錘４の回転振動は検出錘５に伝達されないが、コリオリ力による振動は検出錘５に伝達されるようになっている。これにより、一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂは、駆動錘４の回転振動の影響を受けることなくコリオリ力によりそれぞれ振動する。
【００２７】
アンカー６は、検出錘５の中心部位置に配設され、検出錘５より僅かに高くなるように基板２上に立設されている。この場合、アンカー６は、正方形のアンカー本体１６と、アンカー本体１６から対角方向外方に延在する４つのアンカー突部１７と、で構成されている。そして、Ｙ軸方向に並ぶ２組（計４つ）のアンカー突部１７に、それぞれ対応するＸ軸錘支持ばね７Ａを介してＸ軸分割検出錘５Ａが支持され、またＸ軸方向に並ぶ２組（計４つ）のアンカー突部１７に、それぞれ対応するＹ軸錘支持ばね７Ｂを介してＹ軸分割検出錘５Ｂが支持されている。
【００２８】
各Ｘ軸錘支持ばね７Ａは、Ｙ軸方向に並ぶ２つのアンカー突部１７，１７の両側面間に渡すように配設されＹ軸方向に延在する捻り支持ばね１８と、捻り支持ばね１８の中間位置とＸ軸分割検出錘５Ａの先端とを連結する連結片１９と、で構成されている。同様に、各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂは、Ｘ軸方向に並ぶ２つのアンカー突部１７，１７の両側面間に渡すように配設されＸ軸方向に延在する捻り支持ばね１８と、捻り支持ばね１８の中間位置とＹ軸分割検出錘５Ｂの先端とを連結する連結片１９と、で構成されている。各捻り支持ばね１８は、上記の各連結ばね８Ａ，８Ｂと同様に幅狭の断面矩形に形成され、検出錘５および駆動錘４を基板２から浮き上がった状態に支持すると共に、コリオリ力により振動する検出錘５のヒンジ軸として機能する。すなわち、各捻り支持ばね１８は、いわゆるトーションばねとして機能する。これにより、コリオリ力を受けた各Ｘ軸分割検出錘５Ａは、これを支持している捻り支持ばね（Ｙ軸）１８を中心に振動し、またＹ軸分割検出錘５Ｂは、これを支持している捻り支持ばね（Ｘ軸）１８を中心に振動する。
【００２９】
一対のＸ軸検出電極９Ａ，９Ａは、一対のＸ軸分割検出錘５Ａにより構成された一対の可動検出電極２３，２３と、一対の可動検出電極２３，２３に対し微小間隙（但し、検出錘５の振幅より大きい）を存して対面する扇状の一対の固定検出電極２４，２４と、で構成されている。同様に、一対のＹ軸検出電極９Ｂ，９Ｂは、一対のＹ軸分割検出錘５Ｂにより構成された一対の可動検出電極２３，２３と、一対の可動検出電極２３，２３に対し微小間隙を存して対面する扇状の一対の固定検出電極２４，２４と、で構成されている。なお、各固定検出電極２４は、基板２上に設けてもよいが、図示のように封止部材２６の内面に設けてもよい。コリオリ力によりＸ軸分割検出錘５ＡまたはＹ軸分割検出錘５Ｂが振動すると、それぞれの可動検出電極２３と固定検出電極２４との間の静電容量が変化し、この変化に基づいて所望の角速度が検出される。
【００３０】
ところで、このような回転振動型ジャイロ１では、駆動錘４における回転振動の共振周波数と、検出錘５の検出方向おける振動の共振周波数とを同一にすることで、検出感度を高めることができるが、実際の製造において共振周波数を同一にすることは、極めて難しいものとなる。そこで、本実施形態のものは、あえて駆動錘４における回転振動の共振周波数と、各Ｘ軸分割検出錘５Ａおよび各Ｙ軸分割検出錘５Ｂおける振動の共振周波数と、が異なるものとしている。これにより、いわゆる感度は低くなるものの、製造上のばらつきに基づく検出感度のばらつきを抑制することができ、且つ製品の歩留りを向上させることができる。特に、本実施形態のような、分割形態の検出錘５には特に有用となる。
【００３１】
なお、本実施形態のように、一対の固定検出電極２４，２４をＸ軸方向とＹ軸方向とに設ければ、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸の回転振動型ジャイロ１が構成されることになるが、一対の固定検出電極２４，２４をＸ軸方向またはＹ軸方向に設ければ、１軸の回転振動型ジャイロ１が構成されることになる。すなわち、１軸のジャイロと２軸のジャイロとを簡単に作り分けることができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態によれば、検出錘５が相互に独立した一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂで構成されているため、これら一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂは、コリオリ力で振動する際に相互に他方の影響を受けることがない。すなわち、一方の分割検出錘５の検出感度が他方の分割検出錘５の検出感度に影響を与えることがなく、角速度を精度良く検出することができる。また、Ｘ軸分割検出錘５ＡおよびＹ軸分割検出錘５Ｂは、それぞれ独立の一対のもので構成され、且つそれぞれ支持ばね７Ａ，７Ｂで支持されているため、検出感度を損なうことなく簡単に形成することができる。また、各連結ばね８Ａ，８Ｂにより、駆動錘４の回転振動を吸収するようにしているため、検出錘５がこの回転振動に基づくノイズの影響を受けることがなく、Ｘ軸回りおよびＹ軸回りの角速度の検出を精度良く行うことができる。
【００３３】
次に、図２を参照して、上記の第１実施形態の第１変形例について説明する。なお、以降の変形例や他の実施形態については、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。この変形例では、アンカー６、Ｘ軸錘支持ばね７ＡおよびＹ軸錘支持ばね７Ｂが、第１実施形態のものと異なる構造となっている。
【００３４】
この場合も、アンカー６は、検出錘５の中心部位置に配設され、検出錘５より僅かに高くなるように基板２上に立設されている。また、アンカー６は、正方形のアンカー本体１６と、アンカー本体１６からＸ軸方向外方に延在する一対のＸ軸アンカー突部１７Ａ，１７Ａと、アンカー本体１６からＹ軸方向外方に延在する一対のＹ軸アンカー突部１７Ｂ，１７Ｂと、で構成されている。そして、各Ｘ軸アンカー突部１７Ａに、対応するＸ軸錘支持ばね７Ａを介してＸ軸分割検出錘５Ａが支持され、また各Ｙ軸アンカー突部１７Ｂに、対応するＹ軸錘支持ばね７Ｂを介してＹ軸分割検出錘５Ｂが支持されている。
【００３５】
各Ｘ軸錘支持ばね７Ａは、Ｘ軸アンカー突部１７Ａの両側面からＹ軸方向にそれぞれ延在する一対の捻り支持ばね１８，１８で構成されており、Ｘ軸分割検出錘５Ａの内周側に形成した「Ｕ」字状切欠き部２１の両側面に連結されている。同様に、各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂは、Ｙ軸アンカー突部１７Ｂの両側面からＸ軸方向にそれぞれ延在する一対の捻り支持ばね１８，１８で構成されており、Ｙ軸分割検出錘５Ｂの内周側に形成した「Ｕ」字状切欠き部２１の両側面に連結されている。そして、各捻り支持ばね１８は、上記の各連結ばね８Ａ，８Ｂと同様に幅狭の断面矩形に形成され、検出錘５および駆動錘４を基板２から浮き上がった状態に支持すると共に、コリオリ力により振動する検出錘５のヒンジ軸として機能する。すなわち、各捻り支持ばね１８は、いわゆるトーションばねとして機能する。これにより、コリオリ力を受けた各Ｘ軸分割検出錘５Ａは、これを支持している一対の捻り支持ばね（Ｙ軸）１８，１８を中心に振動し、またＹ軸分割検出錘５Ｂは、これを支持している一対の捻り支持ばね（Ｘ軸）１８，１８を中心に振動する。
【００３６】
次に、図３を参照して、上記の第１実施形態の第２変形例について説明する。この変形例では、各Ｘ軸錘支持ばね７Ａおよび各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂが、それぞれアンカー６から十字状に延びる板ばねで構成されている。この場合、アンカー６は、Ｚ軸上において正方形に形成され、Ｘ軸分割検出錘７Ａの内側の端辺およびＹ軸分割検出錘７Ｂの内側の端辺は、対応するアンカー６の各辺に平行に形成されている。板ばねで構成された各Ｘ軸錘支持ばね７Ａは、Ｘ軸分割検出錘５Ａより十分に薄手に形成され、Ｘ軸分割検出錘５Ａの厚み方向の中間位置に連結されている。同様に、各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂは、Ｙ軸分割検出錘５Ｂより十分に薄手に形成され、Ｙ軸分割検出錘５Ｂの厚み方向の中間位置に連結されている。
【００３７】
これにより、各Ｘ軸錘支持ばね７Ａおよび各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂをコンパクトに形成することができ、その分、Ｘ軸分割検出錘５ＡおよびＹ軸分割検出錘５Ｂを大きく形成することができる。なお、各Ｘ軸錘支持ばね７Ａおよび各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂは、可能な限り薄く且つ幅広に形成することが、好ましい。
【００３８】
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る回転振動型ジャイロ１について説明する。第２実施形態では、第１実施形態の回転振動型ジャイロ１と異なり、外側に検出錘５が配設され内側に駆動錘４が配設されている。また、これに伴って、一対のＸ軸錘支持ばね７Ａ，７Ａおよび一対のＹ軸錘支持ばね７Ｂ，７Ｂを、検出錘５の外側に配設している。
【００３９】
すなわち、この回転振動型ジャイロ１は、基板２上において、外周に位置し全体として略平板円環状を為す、平板扇状の一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび平板扇状の一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂから成る検出錘５と、検出錘５の内側に配設した略円板状の駆動錘４と、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と４５°の角度を為して駆動錘４の外側に配設した４つの駆動電極３と、各Ｘ軸分割検出錘５Ａの外周縁に形成した幅広切欠き部３１に臨む一対のＸ軸アンカー６Ａ，６ＡおよびＹ軸分割検出錘５Ｂの外周縁に形成した幅広切欠き部３１に臨む一対のＹ軸アンカー６Ｂ，６Ｂと、各Ｘ軸アンカー６Ａと各Ｘ軸分割検出錘５Ａとの間に掛け渡した一対のＸ軸錘支持ばね７Ａ，７Ａおよび各Ｙ軸アンカー６Ｂと各Ｙ軸分割検出錘５Ｂとの間に掛け渡した一対のＹ軸錘支持ばね７Ｂ，７Ｂと、駆動錘４と各Ｘ軸分割検出錘５Ａとを連結する一対のＸ軸錘連結ばね８Ａ，８Ａおよび駆動錘４と各Ｙ軸分割検出錘５Ｂとを連結する一対のＹ軸錘連結ばね８Ｂ，８Ｂと、振動する一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａの変位を検出する一対のＸ軸検出電極９Ａ，９Ａ、および振動する一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂの変位を検出する一対のＹ軸検出電極９Ｂ，９Ｂと、を備えて構成されている。
【００４０】
この場合も、一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂは、全く同一形態のもので構成されている。また、各Ｘ軸錘支持ばね７Ａは、Ｘ軸アンカー６Ａの両側面からＹ軸方向にそれぞれ延在する一対の捻り支持ばね（トーションばね）１８，１８で構成されており、Ｘ軸分割検出錘５Ａの幅広切欠き部３１の両側面に連結されている。同様に、各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂは、Ｙ軸アンカー６Ｂの両側面からＸ軸方向にそれぞれ延在する一対の捻り支持ばね１８，１８で構成されており、Ｙ軸分割検出錘５Ｂの幅広切欠き部３１の両側面に連結されている。
【００４１】
この実施形態にあっても、検出錘５が相互に独立した一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂで構成されているため、一方の分割検出錘５Ａの検出感度が他方の分割検出錘５Ｂの検出感度に影響を与えることがなく、Ｘ軸回りおよびＹ軸回りの角速度を精度良く検出することができる。
【００４２】
次に、図５を参照して、第２実施形態の変形例について説明する。この変形例では、各Ｘ軸錘連結ばね８Ａが、「Ｔ」字状に形成され、各Ｘ軸分割検出錘５Ａに形成された「Ｔ」字状切欠き部３３に内包されるように配設されている。そして、各Ｘ軸錘連結ばね８ＡのＸ軸分割検出錘５Ａ側の直線部３５は、Ｘ軸錘支持ばね７Ａと平行に配設され、Ｘ軸分割検出錘５Ａに対しトーションばねとして機能している。同様に、各Ｙ軸錘連結ばね８Ｂが、「Ｔ」字状に形成され、各Ｙ軸分割検出錘５Ｂに形成された「Ｔ」字状切欠き部３３に内包されるように配設されている。そして、各Ｙ軸錘連結ばね８ＢのＹ軸分割検出錘５Ｂ側の直線部３５は、Ｙ軸錘支持ばね７Ｂと平行に配設され、Ｙ軸分割検出錘５Ｂに対しトーションばねとして機能している。
【００４３】
これにより、コリオリ力により振動する各Ｘ軸分割検出錘５ＡおよびＹ軸分割検出錘５Ｂは、振動方向に十分な可とう性を持って支持され、この振動がＸ軸錘連結ばね８ＡおよびＹ軸錘連結ばね８Ｂにより、抑制されてしまうことがない。したがって、検出感度が損なわれることがなく、Ｘ軸回りおよびＹ軸回りの角速度を精度良く検出することができる。
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）センサにおける回転振動型の角速度センサである回転振動型ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の回転振動型ジャイロとして、円環形状の質量部の内側に駆動電極を配置したものが知られている（特許文献１参照）。この回転振動型ジャイロは、基板上に突設した固定部（アンカー）と、固定部に支持された平板円形形状の質量部（駆動錘および検出錘）と、固定部と質量部とを連結する放射状の質量支持部（支持ばね）と、質量部を回転振動させる駆動電極と、質量部に対面する４つの検出電極と、を備えている。駆動電極に電圧を印加して質量部を回転振動させた状態で、Ｘ軸回りの角速度が作用する（角速度運動）と、コリオリ力が励起されて質量部が、Ｙ軸を中心にシーソー様に振動する。この振動により、質量部と検出電極との間で静電容量が変化し、この変化に基づいて角速度を検出するようになっている。
【特許文献１】
特開２０００−１８０１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような従来の回転振動型ジャイロでは、例えばＸ軸回りの角速度を受けたときに、質量部がコリオリ力でＹ軸を中心にシーソー様に振動するが、質量部が円環形状に一体に形成されているため、この振動時にＹ軸方向の検出電極と質量部との間の静電容量も変化してしまう。このため、検出軸方向の検出感度が他軸方向の検出感度の影響を受け、結局、検出感度が低下して角速度を精度良く検出することができない問題があった。
【０００４】
本発明は、検出軸方向の検出感度に対する他軸方向の検出感度の影響を排除することができる回転振動型ジャイロを提供することをその課題としている。
課題を解決するための手段
【０００５】
本発明の回転振動型ジャイロは、任意の１の方向に延在する軸をＸ軸としＸ軸に直交する軸をＹ軸としたときのＸＹ平面内に配設された、平板環状の駆動錘と、 駆動錘を、その中心であってＸＹ平面に直交するＺ軸回りに回転振動させる駆動電極と、駆動錘の内側に配設され、駆動錘で発生したコリオリ力により駆動錘と共に振動する平板状の一対のＸ軸分割検出錘および駆動錘で発生したコリオリ力により駆動錘と共に各Ｘ軸分割検出錘とは独立して振動する平板状の一対のＹ軸分割検出錘から成る検出錘と、検出錘の内側に位置して基板上に突設され、検出錘を支持し、かつ検出錘を介して駆動錘を支持する単一のアンカーと、アンカーと各Ｘ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する各Ｘ軸分割検出錘のヒンジとして機能する一対のＸ軸錘支持ばね、およびアンカーと各Ｙ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する各Ｙ軸分割検出錘のヒンジとして機能する一対のＹ軸錘支持ばねと、回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有し、駆動錘と各Ｘ軸分割検出錘とを連結する一対のＸ軸錘連結ばね、および回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有し、駆動錘と各Ｙ軸分割検出錘とを連結する一対のＹ軸錘連結ばねと、振動する一対のＸ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＸ軸検出電極、および／または振動する一対のＹ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＹ軸検出電極と、を備え、各Ｘ軸分割検出錘、各Ｘ軸錘連結ばねおよび各Ｘ軸検出電極は、Ｘ軸に沿って配設され、各Ｙ軸分割検出錘、各Ｙ軸錘連結ばねおよび各Ｙ軸検出電極は、Ｙ軸に沿って配設されていることを特徴とする。
［０００６］
この構成によれば、回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有する一対のＸ軸錘連結ばねおよび一対のＹ軸錘連結ばねにより、駆動錘と検出錘とが振動的に分離され、且つ検出錘が相互に独立した一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘で構成されている。このため、コリオリ力で振動する検出錘は駆動錘の回転振動の影響を受けることがなく、また一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘は、コリオリ力で振動する際に相互に他方の影響を受けることがない。すなわち、一方の分割検出錘の検出感度が他方の分割検出錘の検出感度に影響を与えることがなく、角速度を精度良く検出することができる。また、Ｘ軸分割検出錘およびＹ軸分割検出錘は、それぞれ独立の一対のもので構成され、且つそれぞれ錘支持ばねで支持されているため、検出感度を損なうことなく簡単に形成することができる。さらに、検出電極の数を増減することにより、１軸の角速度センサ（ジャイロ）と２軸の角速度センサ（ジャイロ）とを簡単に作り分けることができる。
【０００７】
この場合、各Ｘ軸錘支持ばねは、Ｙ軸に平行に延在する捻り棒ばねで構成され、各Ｙ軸錘支持ばねは、Ｘ軸に平行に延在する捻り棒ばねで構成されていることが好ましい。
【０００９】
上記の回転振動型ジャイロにおいて、各Ｘ軸錘支持ばねおよび各Ｙ軸錘支持ばねは、検出錘より薄手に形成された板ばねでそれぞれ構成されていることが、好ましい。
【００１０】
この構成によれば、別個独立の各Ｘ軸錘支持ばねおよび各Ｙ軸錘支持ばねを、それぞれ適切に振動させることができると共に、これらをコンパクトに形成することができる。
【００１１】
一方、各Ｘ軸分割検出錘および各Ｙ軸分割検出錘は、いずれも平板扇状に形成されていることが好ましい。
この構成によれば、全体（駆動錘）に対し、各Ｘ軸分割検出錘および各Ｙ軸分割検出錘の面積（可動検出電極の面積）を可能な限り大きくすることができ、検出感度を高めることができる。
【００１２】
また、アンカーは、一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘の内側に配設され、各Ｘ軸錘支持ばねは、アンカーからＹ軸に平行に延びる一対の捻り棒ばねで構成され、各Ｙ軸錘支持ばねは、アンカーからＸ軸に平行に延びる一対の捻り棒ばねで構成されていることが好ましい。
【００１３】
これらの構成によれば、各Ｘ軸錘支持ばねおよび各Ｙ軸錘支持ばねにより、分割構造の検出錘および駆動錘を適切に支持することができると共に、分割構造の検出錘が振動する際にストレスとなることがない。
【００１４】
上記の回転振動型ジャイロにおいて、駆動錘における回転振動の共振周波数と、各Ｘ軸分割検出錘および各Ｙ軸分割検出錘おける振動（検出方向）の共振周波数とが異なることが、好ましい。
【００１５】
この構成によれば、検出感度は低くなるものの、製造上のばらつきに基づく検出感度のばらつきを抑制することができる。
【００１６】
本発明の他の回転振動型ジャイロは、任意の１の方向に延在する軸をＸ軸としＸ軸に直交する軸をＹ軸としたときのＸＹ平面内に配設された、平板状の駆動錘と、駆動錘を、その中心であってＸＹ平面に直交するＺ軸回りに回転振動させる駆動電極と、駆動錘の外側に囲むように配設され、駆動錘で発生したコリオリ力により駆動錘と共に振動する平板扇状の一対のＸ軸分割検出錘、および駆動錘で発生したコリオリ力により駆動錘と共に各Ｘ軸分割検出錘とは独立して振動する平板扇状の一対のＹ軸分割検出錘から成る検出錘と、検出錘の外側に位置して基板上に突設され、各Ｘ軸分割検出錘を支持し、かつ検出錘を介して駆動錘を支持する一対のＸ軸アンカー、および各Ｙ軸分割検出錘を支持し、かつ検出錘を介して駆動錘を支持する一対のＹ軸アンカーと、アンカーと各Ｘ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する各Ｘ軸分割検出錘のヒンジとして機能する一対のＸ軸錘支持ばね、およびアンカーと各Ｙ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する各Ｙ軸分割検出錘のヒンジ軸として機能する一対のＹ軸錘支持ばねと、回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有し、駆動錘と各Ｘ軸分割検出錘とを連結する一対のＸ軸錘連結ばね、および回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有し、駆動錘と各Ｙ軸分割検出錘とを連結する一対のＹ軸錘連結ばねと、 振動する一対のＸ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＸ軸検出電極、および／または振動する一対のＹ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＹ軸検出電極と、を備え、各Ｘ軸分割検出錘、各Ｘ軸アンカー、各Ｘ軸錘連結ばねおよび各Ｘ軸検出電極は、Ｘ軸に沿って配設され、各Ｙ軸分割検出錘、各Ｙ軸アンカー、各Ｙ軸錘連結ばねおよび各Ｙ軸検出電極は、Ｙ軸に沿って配設されていることを特徴とする。
［００１７］
この構成によれば、回転振動の吸収機能およびコリオリ力の伝達機能を有する一対のＸ軸錘連結ばねおよび一対のＹ軸錘連結ばねにより、駆動錘と検出錘とが振動的に分離され、且つ検出錘が相互に独立した一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘で構成されている。このため、コリオリ力で振動する検出錘は駆動錘の回転振動の影響を受けることがなく、また一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘は、コリオリ力で振動する際に相互に他方の影響を受けることがない。すなわち、一方の分割検出錘の検出感度が他方の分割検出錘の検出感度に影響を与えることがなく、角速度を精度良く検出することができる。また、Ｘ軸分割検出錘およびＹ軸分割検出錘は、それぞれ独立の一対のもので構成され、且つそれぞれ錘支持ばねで支持されているため、検出感度を損なうことなく簡単に形成することができる。さらに、検出電極の数により、１軸の角速度センサ（ジャイロ）と２軸の角速度センサ（ジャイロ）とを簡単に作り分けることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、検出錘が相互に独立した一対のＸ軸分割検出錘および一対のＹ軸分割検出錘で構成されているため、一方の分割検出錘の検出感度が他方の分割検出錘の検出感度に影響を与えることがない。したがって、いわゆる他軸感度を抑えることができ、それぞれの軸に対する角速度を精度良く検出することができる。さらに、駆動錘と検出錘とが振動的に分離されているため、検出錘が駆動錘の影響を受けることがなく、角速度を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係る回転振動型ジャイロの平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図２】第１実施形態の第１変形例に係る回転振動型ジャイロの平面図（ａ）および部分断面図（ｂ）である。
【図３】第１実施形態の第２変形例に係る回転振動型ジャイロの平面図（ａ）および部分断面図（ｂ）である。
【図４】第２実施形態に係る回転振動型ジャイロの平面図である。
【図５】第２実施形態の変形例に係る回転振動型ジャイロの平面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１ 回転振動型ジャイロ ２ 基板
３ 駆動電極 ４ 駆動錘
５ 検出錘 ５Ａ Ｘ軸分割検出錘
５Ｂ Ｙ軸分割検出錘 ６ アンカー
７Ａ Ｘ軸錘支持ばね ７Ｂ Ｙ軸錘支持ばね
８Ａ Ｘ軸錘連結ばね ８Ｂ Ｙ軸錘連結ばね
９Ａ Ｘ軸検出電極 ９Ｂ Ｙ軸検出電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る回転振動型ジャイロについて説明する。この回転振動型ジャイロは、シリコン等を材料として微細加工技術により製造されるＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）センサにおける２軸の角速度センサであり、平面内において正逆の往復回転振動により駆動する。そして、実施形態のものは、例えば１ｍｍ角程度にパッケージングされ製品化されるようになっている。なお、ここでは、図面の左右方向を「Ｘ軸方向」、前後方向を「Ｙ軸方向」、貫通方向を「Ｚ軸方向」として説明を進める。
【００２２】
図１に示すように、回転振動型ジャイロ１は、基板２上において、最外周に位置する複数組（実施形態のものは８組）の駆動電極３と、複数組の駆動電極３の内側に配設した平板円環状の駆動錘４と、駆動錘４の内側に配設され、平板扇状の一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび平板扇状の一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂから成る検出錘５と、検出錘５の内側に配設した略方形のアンカー６と、アンカー６と各Ｘ軸分割検出錘５Ａとの間に掛け渡された一対のＸ軸錘支持ばね７Ａ，７Ａおよびアンカー６と各Ｙ軸分割検出錘５Ｂとの間に掛け渡された一対のＹ軸錘支持ばね７Ｂ，７Ｂと、駆動錘４と各Ｘ軸分割検出錘５Ａとを連結する一対のＸ軸錘連結ばね８Ａ，８Ａおよび駆動錘４と各Ｙ軸分割検出錘５Ｂとを連結する一対のＹ軸錘連結ばね８Ｂ，８Ｂと、振動する一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａの変位を検出する一対のＸ軸検出電極９Ａ，９Ａ、および振動する一対のＹ軸分割検出錘５Ｂの変位を検出する一対のＹ軸検出電極９Ｂ，９Ｂと、を備えて構成されている。
【００２３】
この場合、駆動錘４および検出錘（各支持ばね７Ａ，７Ｂおよび各連結ばね８Ａ，８Ｂも同じ）は、導電性の部材で構成され、後述する可動駆動電極１２は駆動錘４の一部で構成され、可動検出電極２３は検出錘５の一部で構成される。また、一対のＸ軸錘支持ばね７Ａ，７Ａおよび一対のＹ軸錘支持ばね７Ｂ，７Ｂと、アンカー６との接続形態は、駆動錘４および検出錘５を主体とする可動部がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸について対称となるように構成されている。すなわち、Ｚ軸に関しては、回転振動型ジャイロ１（可動部）の重心がＸ・Ｙ両支持ばね７Ａ，７Ｂとアンカー６との軸心と重なり、且つＸ・Ｙ平面に関しては、回転振動型ジャイロ１（可動部）の中心位置が重心と重なるように配置されている。これにより、例えば重力などの加速度の影響を受け難くなり、設置の自由度も向上させることができる。
【００２４】
複数の駆動電極３は、駆動錘４の外側において周方向に例えば均等間隔で配置されている。 各駆動電極３は、基板２上に一体に形成した固定駆動電極１１と、駆動錘４の一部として駆動錘４の外周端から径方向外方に延在するように設けた可動駆動電極１２と、で構成されている。固定駆動電極１１と可動駆動電極１２とは、相互にくし歯の形態で対峙しており、これに交流電圧を印加することで、両電極間１１，１２に生ずる静電気力により駆動錘４がＺ軸回りに回転振動する。
【００２５】
駆動錘４はＺ軸を中心とする平板円環状に形成され、また検出錘５は、平板扇状の一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂから成り、それぞれ外周が駆動錘４との間に僅かな間隙を存し、全体としてＸ−Ｙ軸座標原点を通るＺ軸を中心として円板上に形成されている。また、駆動錘４と検出錘５とは、同一平面上に位置し同一の厚みを有している。一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂは、９０°の角度を為す全く同一の平板扇状に形成され、９０°ピッチで配設されている。回転振動する駆動錘４が、Ｘ軸回りの角速度を受けると、発生するコリオリ力により駆動錘４と共に一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａが一対のＸ軸錘支持ばね７Ａ，７Ａを中心にそれぞれ振動する。同様に、回転振動する駆動錘４が、Ｙ軸回りの角速度を受けると、発生するコリオリ力により駆動錘４と共に一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂが一対のＹ軸錘支持ばね７Ｂ，７Ｂを中心にそれぞれ振動する。
【００２６】
一対のＸ軸錘連結ばね８Ａ，８Ａは、Ｘ軸上に対向配置されており、各Ｘ軸錘連結ばね８Ａは、各Ｘ軸分割検出錘５Ａに深く切り込んだ切欠き部１４に内包されるように配設されている。同様に、一対のＹ軸錘連結ばね８Ｂ，８Ｂは、Ｙ軸上に対向配置されており、各Ｙ軸錘連結ばね８Ｂは、各Ｙ軸分割検出錘５Ｂに深く切り込んだ切欠き部１４に内包されるように配設されている。一対のＸ軸錘連結ばね８Ａ，８Ａおよび一対のＹ軸錘連結ばね８Ｂ，８Ｂは、全く同一の形態を有しており、それぞれ幅狭の断面矩形に形成され、駆動錘４の回転振動を吸収すると共に駆動錘４が受けるコリオリ力を検出錘５に伝達する。すなわち、一対のＸ軸錘連結ばね８Ａ，８Ａおよび一対のＹ軸錘連結ばね８Ｂ，８Ｂにより、駆動錘４の回転振動は検出錘５に伝達されないが、コリオリ力による振動は検出錘５に伝達されるようになっている。これにより、一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂは、駆動錘４の回転振動の影響を受けることなくコリオリ力によりそれぞれ振動する。
【００２７】
アンカー６は、検出錘５の中心部位置に配設され、検出錘５より僅かに高くなるように基板２上に立設されている。この場合、アンカー６は、正方形のアンカー本体１６と、アンカー本体１６から対角方向外方に延在する４つのアンカー突部１７と、で構成されている。そして、Ｙ軸方向に並ぶ２組（計４つ）のアンカー突部１７に、それぞれ対応するＸ軸錘支持ばね７Ａを介してＸ軸分割検出錘５Ａが支持され、またＸ軸方向に並ぶ２組（計４つ）のアンカー突部１７に、それぞれ対応するＹ軸錘支持ばね７Ｂを介してＹ軸分割検出錘５Ｂが支持されている。
【００２８】
各Ｘ軸錘支持ばね７Ａは、Ｙ軸方向に並ぶ２つのアンカー突部１７，１７の両側面間に渡すように配設されＹ軸方向に延在する捻り支持ばね１８と、捻り支持ばね１８の中間位置とＸ軸分割検出錘５Ａの先端とを連結する連結片１９と、で構成されている。同様に、各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂは、Ｘ軸方向に並ぶ２つのアンカー突部１７，１７の両側面間に渡すように配設されＸ軸方向に延在する捻り支持ばね１８と、捻り支持ばね１８の中間位置とＹ軸分割検出錘５Ｂの先端とを連結する連結片１９と、で構成されている。各捻り支持ばね１８は、上記の各連結ばね８Ａ，８Ｂと同様に幅狭の断面矩形に形成され、検出錘５および駆動錘４を基板２から浮き上がった状態に支持すると共に、コリオリ力により振動する検出錘５のヒンジ軸として機能する。すなわち、各捻り支持ばね１８は、いわゆるトーションばねとして機能する。これにより、コリオリ力を受けた各Ｘ軸分割検出錘５Ａは、これを支持している捻り支持ばね（Ｙ軸）１８を中心に振動し、またＹ軸分割検出錘５Ｂは、これを支持している捻り支持ばね（Ｘ軸）１８を中心に振動する。
【００２９】
一対のＸ軸検出電極９Ａ，９Ａは、一対のＸ軸分割検出錘５Ａにより構成された一対の可動検出電極２３，２３と、一対の可動検出電極２３，２３に対し微小間隙（但し、検出錘５の振幅より大きい）を存して対面する扇状の一対の固定検出電極２４，２４と、で構成されている。同様に、一対のＹ軸検出電極９Ｂ，９Ｂは、一対のＹ軸分割検出錘５Ｂにより構成された一対の可動検出電極２３，２３と、一対の可動検出電極２３，２３に対し微小間隙を存して対面する扇状の一対の固定検出電極２４，２４と、で構成されている。なお、各固定検出電極２４は、基板２上に設けてもよいが、図示のように封止部材２６の内面に設けてもよい。コリオリ力によりＸ軸分割検出錘５ＡまたはＹ軸分割検出錘５Ｂが振動すると、それぞれの可動検出電極２３と固定検出電極２４との間の静電容量が変化し、この変化に基づいて所望の角速度が検出される。
【００３０】
ところで、このような回転振動型ジャイロ１では、駆動錘４における回転振動の共振周波数と、検出錘５の検出方向おける振動の共振周波数とを同一にすることで、検出感度を高めることができるが、実際の製造において共振周波数を同一にすることは、極めて難しいものとなる。そこで、本実施形態のものは、あえて駆動錘４における回転振動の共振周波数と、各Ｘ軸分割検出錘５Ａおよび各Ｙ軸分割検出錘５Ｂおける振動の共振周波数と、が異なるものとしている。これにより、いわゆる感度は低くなるものの、製造上のばらつきに基づく検出感度のばらつきを抑制することができ、且つ製品の歩留りを向上させることができる。特に、本実施形態のような、分割形態の検出錘５には特に有用となる。
【００３１】
なお、本実施形態のように、一対の固定検出電極２４，２４をＸ軸方向とＹ軸方向とに設ければ、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸の回転振動型ジャイロ１が構成されることになるが、一対の固定検出電極２４，２４をＸ軸方向またはＹ軸方向に設ければ、１軸の回転振動型ジャイロ１が構成されることになる。すなわち、１軸のジャイロと２軸のジャイロとを簡単に作り分けることができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態によれば、検出錘５が相互に独立した一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂで構成されているため、これら一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂは、コリオリ力で振動する際に相互に他方の影響を受けることがない。すなわち、一方の分割検出錘５の検出感度が他方の分割検出錘５の検出感度に影響を与えることがなく、角速度を精度良く検出することができる。また、Ｘ軸分割検出錘５ＡおよびＹ軸分割検出錘５Ｂは、それぞれ独立の一対のもので構成され、且つそれぞれ支持ばね７Ａ，７Ｂで支持されているため、検出感度を損なうことなく簡単に形成することができる。また、各連結ばね８Ａ，８Ｂにより、駆動錘４の回転振動を吸収するようにしているため、検出錘５がこの回転振動に基づくノイズの影響を受けることがなく、Ｘ軸回りおよびＹ軸回りの角速度の検出を精度良く行うことができる。
【００３３】
次に、図２を参照して、上記の第１実施形態の第１変形例について説明する。なお、以降の変形例や他の実施形態については、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。この変形例では、アンカー６、Ｘ軸錘支持ばね７ＡおよびＹ軸錘支持ばね７Ｂが、第１実施形態のものと異なる構造となっている。
【００３４】
この場合も、アンカー６は、検出錘５の中心部位置に配設され、検出錘５より僅かに高くなるように基板２上に立設されている。また、アンカー６は、正方形のアンカー本体１６と、アンカー本体１６からＸ軸方向外方に延在する一対のＸ軸アンカー突部１７Ａ，１７Ａと、アンカー本体１６からＹ軸方向外方に延在する一対のＹ軸アンカー突部１７Ｂ，１７Ｂと、で構成されている。そして、各Ｘ軸アンカー突部１７Ａに、対応するＸ軸錘支持ばね７Ａを介してＸ軸分割検出錘５Ａが支持され、また各Ｙ軸アンカー突部１７Ｂに、対応するＹ軸錘支持ばね７Ｂを介してＹ軸分割検出錘５Ｂが支持されている。
【００３５】
各Ｘ軸錘支持ばね７Ａは、Ｘ軸アンカー突部１７Ａの両側面からＹ軸方向にそれぞれ延在する一対の捻り支持ばね１８，１８で構成されており、Ｘ軸分割検出錘５Ａの内周側に形成した「Ｕ」字状切欠き部２１の両側面に連結されている。同様に、各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂは、Ｙ軸アンカー突部１７Ｂの両側面からＸ軸方向にそれぞれ延在する一対の捻り支持ばね１８，１８で構成されており、Ｙ軸分割検出錘５Ｂの内周側に形成した「Ｕ」字状切欠き部２１の両側面に連結されている。そして、各捻り支持ばね１８は、上記の各連結ばね８Ａ，８Ｂと同様に幅狭の断面矩形に形成され、検出錘５および駆動錘４を基板２から浮き上がった状態に支持すると共に、コリオリ力により振動する検出錘５のヒンジ軸として機能する。すなわち、各捻り支持ばね１８は、いわゆるトーションばねとして機能する。これにより、コリオリ力を受けた各Ｘ軸分割検出錘５Ａは、これを支持している一対の捻り支持ばね（Ｙ軸）１８，１８を中心に振動し、またＹ軸分割検出錘５Ｂは、これを支持している一対の捻り支持ばね（Ｘ軸）１８，１８を中心に振動する。
【００３６】
次に、図３を参照して、上記の第１実施形態の第２変形例について説明する。この変形例では、各Ｘ軸錘支持ばね７Ａおよび各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂが、それぞれアンカー６から十字状に延びる板ばねで構成されている。この場合、アンカー６は、Ｚ軸上において正方形に形成され、Ｘ軸分割検出錘７Ａの内側の端辺およびＹ軸分割検出錘７Ｂの内側の端辺は、対応するアンカー６の各辺に平行に形成されている。板ばねで構成された各Ｘ軸錘支持ばね７Ａは、Ｘ軸分割検出錘５Ａより十分に薄手に形成され、Ｘ軸分割検出錘５Ａの厚み方向の中間位置に連結されている。同様に、各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂは、Ｙ軸分割検出錘５Ｂより十分に薄手に形成され、Ｙ軸分割検出錘５Ｂの厚み方向の中間位置に連結されている。
【００３７】
これにより、各Ｘ軸錘支持ばね７Ａおよび各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂをコンパクトに形成することができ、その分、Ｘ軸分割検出錘５ＡおよびＹ軸分割検出錘５Ｂを大きく形成することができる。なお、各Ｘ軸錘支持ばね７Ａおよび各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂは、可能な限り薄く且つ幅広に形成することが、好ましい。
【００３８】
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る回転振動型ジャイロ１について説明する。第２実施形態では、第１実施形態の回転振動型ジャイロ１と異なり、外側に検出錘５が配設され内側に駆動錘４が配設されている。また、これに伴って、一対のＸ軸錘支持ばね７Ａ，７Ａおよび一対のＹ軸錘支持ばね７Ｂ，７Ｂを、検出錘５の外側に配設している。
【００３９】
すなわち、この回転振動型ジャイロ１は、基板２上において、外周に位置し全体として略平板円環状を為す、平板扇状の一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび平板扇状の一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂから成る検出錘５と、検出錘５の内側に配設した略円板状の駆動錘４と、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と４５°の角度を為して駆動錘４の外側に配設した４つの駆動電極３と、各Ｘ軸分割検出錘５Ａの外周縁に形成した幅広切欠き部３１に臨む一対のＸ軸アンカー６Ａ，６ＡおよびＹ軸分割検出錘５Ｂの外周縁に形成した幅広切欠き部３１に臨む一対のＹ軸アンカー６Ｂ，６Ｂと、各Ｘ軸アンカー６Ａと各Ｘ軸分割検出錘５Ａとの間に掛け渡した一対のＸ軸錘支持ばね７Ａ，７Ａおよび各Ｙ軸アンカー６Ｂと各Ｙ軸分割検出錘５Ｂとの間に掛け渡した一対のＹ軸錘支持ばね７Ｂ，７Ｂと、駆動錘４と各Ｘ軸分割検出錘５Ａとを連結する一対のＸ軸錘連結ばね８Ａ，８Ａおよび駆動錘４と各Ｙ軸分割検出錘５Ｂとを連結する一対のＹ軸錘連結ばね８Ｂ，８Ｂと、振動する一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａの変位を検出する一対のＸ軸検出電極９Ａ，９Ａ、および振動する一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂの変位を検出する一対のＹ軸検出電極９Ｂ，９Ｂと、を備えて構成されている。
【００４０】
この場合も、一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂは、全く同一形態のもので構成されている。また、各Ｘ軸錘支持ばね７Ａは、Ｘ軸アンカー６Ａの両側面からＹ軸方向にそれぞれ延在する一対の捻り支持ばね（トーションばね）１８，１８で構成されており、Ｘ軸分割検出錘５Ａの幅広切欠き部３１の両側面に連結されている。同様に、各Ｙ軸錘支持ばね７Ｂは、Ｙ軸アンカー６Ｂの両側面からＸ軸方向にそれぞれ延在する一対の捻り支持ばね１８，１８で構成されており、Ｙ軸分割検出錘５Ｂの幅広切欠き部３１の両側面に連結されている。
【００４１】
この実施形態にあっても、検出錘５が相互に独立した一対のＸ軸分割検出錘５Ａ，５Ａおよび一対のＹ軸分割検出錘５Ｂ，５Ｂで構成されているため、一方の分割検出錘５Ａの検出感度が他方の分割検出錘５Ｂの検出感度に影響を与えることがなく、Ｘ軸回りおよびＹ軸回りの角速度を精度良く検出することができる。
【００４２】
次に、図５を参照して、第２実施形態の変形例について説明する。この変形例では、各Ｘ軸錘連結ばね８Ａが、「Ｔ」字状に形成され、各Ｘ軸分割検出錘５Ａに形成された「Ｔ」字状切欠き部３３に内包されるように配設されている。そして、各Ｘ軸錘連結ばね８ＡのＸ軸分割検出錘５Ａ側の直線部３５は、Ｘ軸錘支持ばね７Ａと平行に配設され、Ｘ軸分割検出錘５Ａに対しトーションばねとして機能している。同様に、各Ｙ軸錘連結ばね８Ｂが、「Ｔ」字状に形成され、各Ｙ軸分割検出錘５Ｂに形成された「Ｔ」字状切欠き部３３に内包されるように配設されている。そして、各Ｙ軸錘連結ばね８ＢのＹ軸分割検出錘５Ｂ側の直線部３５は、Ｙ軸錘支持ばね７Ｂと平行に配設され、Ｙ軸分割検出錘５Ｂに対しトーションばねとして機能している。
【００４３】
これにより、コリオリ力により振動する各Ｘ軸分割検出錘５ＡおよびＹ軸分割検出錘５Ｂは、振動方向に十分な可とう性を持って支持され、この振動がＸ軸錘連結ばね８ＡおよびＹ軸錘連結ばね８Ｂにより、抑制されてしまうことがない。したがって、検出感度が損なわれることがなく、Ｘ軸回りおよびＹ軸回りの角速度を精度良く検出することができる。
Claims (7)
- 任意の１の方向に延在する軸をＸ軸としＸ軸に直交する軸をＹ軸としたときのＸＹ平面内に配設された、平板環状の駆動錘と、
前記駆動錘を、その中心であって前記ＸＹ平面に直交するＺ軸回りに回転振動させる駆動電極と、
前記駆動錘の内側に配設され、前記駆動錘で発生したコリオリ力により前記駆動錘と共に振動する平板状の一対のＸ軸分割検出錘および前記駆動錘で発生したコリオリ力により前記駆動錘と共に前記各Ｘ軸分割検出錘とは独立して振動する平板状の一対のＹ軸分割検出錘から成る検出錘と、
前記検出錘の内側に位置して基板上に突設され、前記検出錘を支持し、かつ前記検出錘を介して前記駆動錘を支持する単一のアンカーと、
前記アンカーと各Ｘ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する前記各Ｘ軸分割検出錘のヒンジとして機能する一対のＸ軸錘支持ばね、および前記アンカーと各Ｙ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する前記各Ｙ軸分割検出錘のヒンジとして機能する一対のＹ軸錘支持ばねと、
前記回転振動の吸収機能および前記コリオリ力の伝達機能を有し、前記駆動錘と前記各Ｘ軸分割検出錘とを連結する一対のＸ軸錘連結ばね、および前記回転振動の吸収機能および前記コリオリ力の伝達機能を有し、前記駆動錘と前記各Ｙ軸分割検出錘とを連結する一対のＹ軸錘連結ばねと、
振動する前記一対のＸ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＸ軸検出電極、および／または振動する前記一対のＹ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＹ軸検出電極と、を備え、
前記各Ｘ軸分割検出錘、前記各Ｘ軸錘連結ばねおよび前記各Ｘ軸検出電極は、Ｘ軸に沿って配設され、
前記各Ｙ軸分割検出錘、前記各Ｙ軸錘連結ばねおよび前記各Ｙ軸検出電極は、Ｙ軸に沿って配設されていることを特徴とする回転振動型ジャイロ。 - 前記各Ｘ軸錘支持ばねは、Ｙ軸に平行に延在する捻り棒ばねで構成され、
前記各Ｙ軸錘支持ばねは、Ｘ軸に平行に延在する捻り棒ばねで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転振動型ジャイロ。 - 前記各Ｘ軸錘支持ばねおよび前記各Ｙ軸錘支持ばねは、前記検出錘より薄手に形成された板ばねでそれぞれ構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転振動型ジャイロ。
- 前記各Ｘ軸分割検出錘および前記各Ｙ軸分割検出錘は、いずれも平板扇状に形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の回転振動型ジャイロ。
- 前記アンカーは、前記一対のＸ軸分割検出錘および前記一対のＹ軸分割検出錘の内側に配設され、
前記各Ｘ軸錘支持ばねは、前記アンカーからＹ軸に平行に延びる一対の捻り棒ばねで構成され、
前記各Ｙ軸錘支持ばねは、前記アンカーからＸ軸に平行に延びる一対の捻り棒ばねで構成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転振動型ジャイロ。 - 前記駆動錘における回転振動の共振周波数と、前記各Ｘ軸分割検出錘および前記各Ｙ軸分割検出錘おける振動の共振周波数とが異なることを特徴とする請求項２または３に記載の回転振動型ジャイロ。
- 任意の１の方向に延在する軸をＸ軸としＸ軸に直交する軸をＹ軸としたときのＸＹ平面内に配設された、平板状の駆動錘と、
前記駆動錘を、その中心であって前記ＸＹ平面に直交するＺ軸回りに回転振動させる駆動電極と、
前記駆動錘の外側に囲むように配設され、前記駆動錘で発生したコリオリ力により前記駆動錘と共に振動する平板扇状の一対のＸ軸分割検出錘、および前記駆動錘で発生したコリオリ力により前記駆動錘と共に前記各Ｘ軸分割検出錘とは独立して振動する平板扇状の一対のＹ軸分割検出錘から成る検出錘と、
前記検出錘の外側に位置して基板上に突設され、前記各Ｘ軸分割検出錘を支持し、かつ前記検出錘を介して前記駆動錘を支持する一対のＸ軸アンカー、および前記各Ｙ軸分割検出錘を支持し、かつ前記検出錘を介して前記駆動錘を支持する一対のＹ軸アンカーと、
前記アンカーと各Ｘ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する前記各Ｘ軸分割検出錘のヒンジとして機能する一対のＸ軸錘支持ばね、および前記アンカーと各Ｙ軸分割検出錘との間に掛け渡され、振動する前記各Ｙ軸分割検出錘のヒンジ軸として機能する一対のＹ軸錘支持ばねと、
前記回転振動の吸収機能および前記コリオリ力の伝達機能を有し、前記駆動錘と前記各Ｘ軸分割検出錘とを連結する一対のＸ軸錘連結ばね、および前記回転振動の吸収機能および前記コリオリ力の伝達機能を有し、前記駆動錘と前記各Ｙ軸分割検出錘とを連結する一対のＹ軸錘連結ばねと、
振動する前記一対のＸ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＸ軸検出電極、および／または振動する前記一対のＹ軸分割検出錘の変位を検出する一対のＹ軸検出電極と、を備え、
前記各Ｘ軸分割検出錘、前記各Ｘ軸アンカー、前記各Ｘ軸錘連結ばねおよび前記各Ｘ軸検出電極は、Ｘ軸に沿って配設され、
前記各Ｙ軸分割検出錘、前記各Ｙ軸アンカー、前記各Ｙ軸錘連結ばねおよび前記各Ｙ軸検出電極は、Ｙ軸に沿って配設されていることを特徴とする回転振動型ジャイロ。
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