JPH11311520A - シリコンジャイロおよびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定した角速度の検出を可能とするシリコン
ジャイロおよびその駆動方法を提供すること。 【解決手段】 シリコンウエハにより形成され、２箇所
の溝により分離された３個の弾性脚２を有するシリコン
ジャイロの前記弾性脚を２支持する振動子１の基部の一
部を基体３に固定し、前記弾性脚２間および外側方には
前記弾性脚２の並び面と垂直且つ前記弾性脚２に近接す
る水平電極４を配設するとともに、前記各弾性脚２毎
に、その弾性脚２の並び面と平行且つ前記弾性脚２と近
接する垂直電極５を配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動子が振動しな
がら回転したときに発生するコリオリ力を利用して回転
角速度を検出するシリコンジャイロおよびその駆動方法
に係り、特に、安定した角速度の検出を可能とするシリ
コンジャイロおよびその駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、車掲載用ナビゲーションシステム
や無人走行車用の姿勢制御装置、さらにはビデオカメラ
の画面振れ防止装置などに使用される小型の振動型ジャ
イロスコープとして、２カ所の溝により分離された３個
の平行な弾性脚を有する振動子と、前記弾性脚に振動を
発生させる駆動手段と、前記振動子が回転したときに前
記弾性脚に生じる前記振動の方向と直交する方向への振
動成分を検出する検出手段からなるジャイロスコープが
開発されている。

【０００３】前記ジャイロスコープの振動子としては、
圧電セラミックスや恒弾性金属（エリンバ）が用いられ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記振動子
として、前記圧電セラミックスを用いる場合、圧電セラ
ミックスはそれ自体に圧電性があるので、通電させるた
めの電極のみを形成すればよく、構造的には簡単なもの
になる。

【０００５】しかし、一般に、圧電セラミックスは振動
のＱ値が低い（２０〜１０００）。そのため、共振によ
る変位量の増大効果を大きくは期待できず、入力エネル
ギが大きくなることや、大きい入力エネルギのためにセ
ンサ素子自体が発熱してしまう欠陥があった。

【０００６】また、圧電セラミックス材料は、熱に対す
るヤング率の変化（１０〜２００ｐｐｍ）や線膨張係数
（１０〜５０ｐｐｍ）も大きい。このため、環境温度変
化により、圧電セラミックスによって構成された振動子
に寸法変化が生じ、結果としてセンサの出力変化を生じ
ることがあった。また、圧電効果にも温度による依存が
あり（１００〜５０００ｐｐｍ）、寸法変化を伴わない
場合でも、環境温度変化に伴って出力値が変動すること
があった。

【０００７】さらには、環境温度変化がなくても、セン
サ自体の発熱があるため、センサに通電されてからセン
サが一定温度になるまでの間、出力変化が生じやすい状
態になる。例えば、出力のｎｕｌｌ値が変動すること
は、角速度出力を積分して方位検出を行うジャイロセン
サにとって、方位角の誤差となって表われてしまうとい
う問題があった。

【０００８】また、前記振動子として、恒弾性金属を用
いる場合は、恒弾性金属には圧電性がないため、圧電素
子を前記弾性脚に貼り付け、この圧電素子に通電するこ
とにより弾性脚を振動させ、それにより発生した振動で
恒弾性金属による振動子全体を振動させることとなり、
前述の圧電セラミックスを用いた場合の構造に比較する
と構造的に複雑になる。

【０００９】図２６は、この恒弾性金属からなる振動子
の構成を示す斜視図であり、図２７は、その従来例の断
面図である。これらの図に示す従来のジャイロスコープ
の振動子２００は、その互いに平行な各弾性脚２０１
ａ，２０１ｂ，２０１ｃには、圧電素子２０２ａ〜２０
２ｌが貼り合わせてあり、前記各圧電素子２０２と通電
するための電極２０３ａ〜２０３ｌが形成されている。

【００１０】このように、恒弾性金属に圧電素子２０２
を貼り付けて使用する場合には、前述の圧電セラミック
スを用いた場合と同様の不具合の他、異種材料を貼り合
わせるため、熱膨張係数の違いから振動子２００にひず
みを生じ、駆動と検出の共振周波数に差が生じたり、振
動子２００の振幅変位による出力変動を生じるといった
問題や、さらには、圧電素子２０２と振動子２００間に
空隙があると振動子２００の振動に影響がでたり、コリ
オリ力による出力信号にも影響があるといった問題を有
するものとなっている。

【００１１】また、従来のシリコンジャイロスコープの
駆動方法は、振動子の駆動方法に振動子と駆動電極間に
電圧を印加して、それによる静電力で振動子を駆動さ
せ、コリオリ力による振動子の変位量を振動子と検出電
極間の静電容量の変化として検出するものであった。

【００１２】しかし、この従来の駆動方法によると、制
止した状態での静電容量が小さい（０．１〜３ＰＦ）の
みならず、コリオリ力によって振動子が変位することに
よる静電容量変化は非常に小さく（５〜５００ａＦ）、
一方、静電容量を電圧値に変換するＣ−Ｖ変換回路の入
力側はインピーダンスが高いため、電磁誘導等による外
乱ノイズに非常に弱かった。

【００１３】また、デバイスの構造上、振動子と駆動電
極、検出電極は相対的に近接した位置関係にあり、駆動
電極による誘導ノイズをハイインピーダンスである検出
電極側に洩れないようにすることは困難であった。

【００１４】さらには、振動子を駆動する周波数とコリ
オリ力による静電容量が変化する周波数は同じであるた
めに、ノイズと信号との分離ができずに、Ｃ−Ｖ変換回
路のゲインを下げざるを得ず、角速度検出感度を犠牲に
し、感度を低減させざるを得なかった。

【００１５】そして、従来の駆動方法では、圧電素子の
伸び縮みにより振動子を屈曲させるので、圧電素子の材
料が均一でないことにより、駆動振動方向が振動の過程
で一直線にならず、ねじれを生じやすく、また、検出時
にも同様に振動方向と直交方向に生じるコリオリ力によ
る変位も揺らぎを生じ、駆動振動の方向と検出振動の方
向とが直交せず、このため、検出振動に駆動信号の機械
的結合が生じ、出力信号に影響を与え、出力信号のドリ
フトやオフセットといった誤差が生じていた。

【００１６】以上のような点から、安定した角速度の検
出ができないという重大な問題があった。

【００１７】本発明は前記した点に鑑みなされたもの
で、安定した角速度の検出を可能とするシリコンジャイ
ロおよびその駆動方法を提供することを目的とするもの
である。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明の請求項１に係るシリコンジャイロは、シリコン
ウエハにより形成され、２箇所の溝により分離された３
個の弾性脚を有するシリコンジャイロであって、前記弾
性脚を支持する振動子の基部の一部を基体に固定し、前
記弾性脚間および外側方には前記弾性脚の並び面と垂直
且つ前記弾性脚に近接する水平電極を配設するととも
に、前記各弾性脚毎に、その弾性脚の並び面と平行且つ
前記弾性脚と近接する垂直電極を配設したことを特徴と
する。

【００１９】また、請求項２に記載のシリコンジャイロ
は、請求項１に記載のシリコンジャイロにおいて、前記
水平電極をシリコンウエハにより形成し、前記垂直電極
を金属膜により形成したことを特徴とし、請求項３に記
載のシリコンジャイロは、請求項１または請求項２に記
載のシリコンジャイロにおいて、前記基体をガラス板に
より形成し、この基体に対し、前記水平電極および垂直
電極を形成したことを特徴とする。

【００２０】さらに、請求項４に記載のシリコンジャイ
ロは、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシ
リコンジャイロにおいて、前記各弾性脚に対する垂直電
極をそれぞれ逆極性となる２つの電極で構成したことを
特徴とするものである。

【００２１】これらのシリコンジャイロによれば、振動
子の材料として、単結晶シリコンを用いることにより、
高いＱ値を得ることができ（１０００〜２００００）、
温度変化のある環境で長時間使用しても安定した出力を
得ることができる。

【００２２】また、本発明のシリコンジャイロの振動子
には異種材料の付着がないため、振動子の振動が他の構
造体の影響を受け難いものとなり、シリコン自体の熱膨
張率は２ｐｐｍ程度と小さいため、共振周波数に対する
影響は少なく、自励振回路を採用した場合、振動子の伸
び縮みに追従して発振周波数が変化し、常に共振状態を
維持することができる。

【００２３】また、空気の誘電率の温度係数は５ｐｐｍ
／℃であり、シリコンと空気の両方の温度依存性の影響
は、１０ｐｐｍ／℃以下である。

【００２４】そして、請求項５に記載のシリコンジャイ
ロの駆動方法は、振動子を構成する各弾性脚に対し、そ
れぞれ２つの垂直電極を配接し、この２つの垂直電極の
それぞれに、互いに相反する逆極性のＤＣ成分と、互い
に反転した逆位相のＡＣ成分とからなる電圧を印加する
ことを特徴とする。

【００２５】本発明のシリコンジャイロの駆動方法によ
れば、互いに相反する位相関係にあるＡＣ成分と互いに
相反する極性関係にあるＤＣ成分をそれぞれの電極に印
加することにより、互いの影響を相殺させることができ
る。こうして、各速度の検出感度を大幅に向上すること
ができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１乃
至図２５を参照して説明する。

【００２７】図１および図２に示す本発明の第１実施形
態のシリコンジャイロ本体は、振動子１、基体３、水平
電極４、垂直電極５より構成される。前記振動子１は、
シリコンからなり、ベース部１ａとベース部１ａより伸
びた２カ所の溝により分離された互いに平行な３つの弾
性脚２ａ，２ｂ，２ｃにより構成される。

【００２８】前記振動子１はベース部１ａの端部近傍
が、ガラスよりなる基体３と陽極接合等の手段により接
合されている。

【００２９】本実施形態の水平電極４はシリコンからな
り、前記弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃ間と前記弾性脚２ａ，
２ｃの外側に、前記弾性脚２と垂直に、且つ近接させて
配設されており、水平電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、
基体３と接合されている。

【００３０】また、本実施形態の垂直電極５ａ，５ｂ，
５ｃはクロムからなり、基体３の上面に凹設された溝３
ａ内に、前記弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃの並び方向と平行
に、且つ各弾性脚に近接させて配設されている。

【００３１】振動子１が振動する際は、弾性脚２ａ，２
ｂ，２ｃがベース部１ａを支点として振動することとな
る。弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃの振動はベース部１ａにも
伝達してくるが、そのレベルは弱く、ベース部１ａの端
部においてはほとんど振動しない。本発明では、弾性脚
２ａ，２ｂ，２ｃの振動に影響を与えないようにベース
部１ａの端部を基体３と接合することとした。

【００３２】図２は図１の振動子の寸法を示す平面図で
あり、この寸法にて製作された振動子１の共振周波数は
約２ＫＨｚである。また、図３は、図２の３−３断面
図、図４は図２の４−４断面図である。

【００３３】これらの図に示すように、本実施形態の垂
直電極５と水平電極４は、直交する方向に配置されてお
り、振動子１を駆動する際は、振動子１は垂直または水
平方向に自由に振動することができるため、水平または
垂直方向に駆動する場合でも、振動子１はねじれること
なく振動することとなり、駆動方向と直交方向に生じる
コリオリ力による振動子１の変位は、駆動方向と直交方
向の成分のみ検出することを可能とするものとなる。

【００３４】また、振動子１の駆動または角速度検出
は、本実施形態の振動子１に格子欠陥が少ない単結晶の
シリコンを用いれば、振動子１内部に歪みはなく、熱的
な特性も優れるし、振動子１の駆動や角速度検出を全て
非接触で行い、振動子１の振動に影響を与えるような付
加的な構造物は一切無いので、安定した角速度検出がで
きるものとなる。

【００３５】つまり、振動子１の材料としてのシリコン
は純度が高く、欠陥のない単結晶材料を容易に使用する
ことができるので、高いＱ値が得られる（１０００〜２
００００）。また、格子欠陥が非常に少ないことから振
動による疲労が無く、大きな振幅で振動させても塑性破
壊が起こらず、シリコン内部に歪みや内部応力を蓄積し
ないため、温度変化のある環境で長時間使用しても安定
した出力を得ることができる。

【００３６】また、本発明のシリコンジャイロの振動子
１には異種材料の付着がないため、振動子１の振動が他
の構造体の影響を受けずに安定した振動が得られるし、
振動子１に圧電素子や電極を形成する際に振動子１との
間に空隙を生じたり、振動子そのものに歪みや応力を与
えるということが無い。また、異種材料の熱膨張係数の
差による歪みが無く、異種材料による温度変化の影響を
受けない。さらに、シリコン自体の熱膨張率は２ｐｐｍ
程度と小さいため、圧電素子に比べて共振周波数に対す
る影響は少ない。また、自励振回路を採用した場合、振
動子１の伸び縮みに追従して発振周波数が変化し、常に
共振状態を維持することができる。

【００３７】また、振動子１をシリコン製とすること
で、フォトリソグラフィ技術を用いることにより一括で
大量に微細加工精度につくることができ、直交精度を良
好にして駆動振動が検出振動に与える影響を抑え、出力
信号に影響を与えることを防止することができるものと
なる。

【００３８】図５は、本発明のシリコンジャイロの作成
フローチャートである。

【００３９】本発明のシリコンジャイロは、大きくは、
基体３となるガラス単体の加工、振動子１となるシリコ
ンの加工、および基体３と振動子１の接合、振動子１部
分の加工の４段階からなる。

【００４０】基体３となるガラスは、その上面に凹状の
溝３ａを形成するためのパターニング後（ステップＳＴ
１）、エッチング（ステップＳＴ２）にて振動子１と前
記溝３ａの底部との間に約２０μｍのギャップを設ける
ための溝形成を行う。

【００４１】その後、垂直電極５となる厚みが約０．５
μｍのクロム膜をスパッタリング法にて製膜し（ステッ
プＳＴ３）、電極のパターニングを行い（ステップＳＴ
４）、前記溝３ａの底部に所望の電極形状を得る。

【００４２】一方、シリコンの加工は、シリコンウエハ
の全面に絶縁膜を形成し（ステップＳＴ１１）、拡散の
ためのパターニングを行い（ステップＳＴ１２）、オー
ミックコンタクトを行うためのＢ（ボロン）の拡散を行
う（ステップＳＴ１３）。特に、ベース部１ａに設ける
前記オーミックコンタクトの位置は、振動子１の振動に
影響を与えないようにベース部１ａの近傍で、後にガラ
ス製の基体３と接合される接合部の上方とする。その
後、前記絶縁膜を除去して（ステップＳＴ１４）、新た
に、振動子１と水平電極４を形成するマスクとなる絶縁
膜を形成し（ステップＳＴ１５）、パターニングを行う
（ステップＳＴ１６）。次に、信号取りだし用のＣｒ膜
のためのコンタクトホールを形成し（ステップＳＴ１
７）、信号取りだし用のＣｒ膜を形成し（ステップＳＴ
１８）、電極部以外のＣｒ膜を除去するためのパターニ
ングを行う（ステップＳＴ１９）。

【００４３】基体３であるガラスとシリコンとの接合
は、陽極接合法により行う（ステップＳＴ２１）。接合
後、振動子１と水平電極４を形成するためにエッチング
にて、溝形成および分離を行う（ステップＳＴ２２）。

【００４４】この後、フローには記載していないが絶縁
膜の除去や所望の大きさにチップをダイサー等で分割
し、回路基板に実装後、ワイヤーボンド等にて回路基板
と接続するようにする。

【００４５】また、図６は、本発明の第１実施形態の駆
動および検出を示すブロック図である。

【００４６】発振回路１０１により、振動子１の両端に
位置する弾性脚２ａ，２ｃとそれぞれに対向する垂直電
極５ａ，５ｃの間には、周波数５０ＫＨｚ、振幅５Ｖの
交番電圧が印加されている。さらに位相反転回路１０２
により、振動子１の中央脚２ｂと対向する垂直電極５ｂ
に対して発振回路１０１とは逆位相の搬送波が加えられ
る。

【００４７】振動子１の各弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃと垂
直電極５ａ，５ｂ，５ｃとの間は、ギャップ２０μｍを
隔てて離間されており、静電容量を生じる。

【００４８】これらの静電容量はＣ−Ｖ変換回路１０３
により電圧値に変換される。静電駆動による誘導ノイズ
の２ＫＨｚをカットするため、カットオフ周波数１０Ｋ
ＨｚのＨＰＦ１０４を通した後、同期検波回路１０５に
より、発振回路（器）１０１と同期した周波数と位相で
同期検波される。この出力をＬＰＦ１０６を通すことに
より、振動子１の３本の弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃと垂直
電極５ａ，５ｂ，５ｃの間の垂直方向の静電容量の変化
が得られる。

【００４９】振動子１は、低比抵抗のシリコンにより構
成されているため、振動子１の各脚２ａ，２ｂ，２ｃと
対向する垂直電極５ａ，５ｂ，５ｃとの間により静電容
量によって形成される交番電圧に対するインピーダンス
成分に対しては、電気的には導通していると考えてよ
い。すなわち、Ｃ−Ｖ変換回路１０３への３つの脚によ
る容量変化は、信号取り出し部１００により直結され、
各弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃの容量変化がＣ−Ｖ変換回路
１０３により加算される。

【００５０】また、水平電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ
は、水平電極４ａと水平電極４ｃ、水平電極４ｂと水平
電極４ｄが短絡されて、それぞれ発振回路１２０と位相
反転回路１２１に図示しないＤＣ成分カット用のコンデ
ンサと分圧用の抵抗を介して接続されている。発振回路
１２０は、周波数７０ＫＨｚ、振幅５Ｖで発振する。

【００５１】水平電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと振動子
の３本の弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃは、ギャップ２０μｍ
を隔てて離間されているため、両者間には静電容量が生
じている。これらの静電容量は、Ｃ−Ｖ変換回路１０３
により電圧値に変換される。

【００５２】ＨＰＦ１０９（カットオフ周波数１０ＫＨ
ｚ）を通した後、同期検波回路１１０により、発振回路
（器）１２０と同期した周波数と位相で同期検波され
る。この出力をＬＰＦ１１１を通すことにより、振動子
１と３本の弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃとの間の水平方向の
静電容量の変化が得られる。

【００５３】さらに、水平電極４ａと水平電極４ｃ、水
平電極４ｂと水平電極４ｄは、図示しない分圧用の抵抗
を介して増幅およびＤＣ重圧重畳回路１１８と同じく増
幅およびＤＣ重圧重畳回路１１９に接続されている。

【００５４】そして、電圧制御発振器（以下、ＶＣＯと
いう）の発振位相と振動子の振動位相を比較する位相検
出回路１１４、ループフィルタ１１５、そして前記ＶＣ
Ｏ１１６で構成されるＰＬＬ部１１３と、＋９０゜位相
シフト回路１１２とにより、ＰＬＬ部１１３の出力は、
前記増幅およびＤＣ重圧重畳回路１１８と１１９とによ
り増幅され、さらにＤＣ電圧を重畳されているので、振
動子１の各弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃと水平電極４ａ，４
ｂ，４ｃ，４ｄ間には静電引力が働く。そして、水平電
極４ａと水平電極４ｃとに対して、水平電極４ｂと水平
電極４ｄは、位相反転器１１７により位相が反転した交
番電圧が印加されている。

【００５５】増幅およびＤＣ電圧重畳回路１１９の出力
と、Ｃ−Ｖ変換回路１０３の入力（すなわち、振動子１
の水平方向の振動）は、＋９０゜位相シフト回路１１２
により、常に９０゜だけＣ−Ｖ変換回路１０３の出力が
遅れるように構成されている。すなわち、振動子１の水
平方向の振動が９０゜遅れ、ＰＬＬ部１１３によりその
位相がロックされ続けるような構成になっている。その
ため、振動子１は、振動子固有の共振周波数で、水平方
向に共振状態（振動子の駆動位相に対して実際の変位が
９０゜遅れる）で発振を続ける。

【００５６】このため、外部から温度変化があり、振動
子１の寸法が微小に変化して、振動子固有の共振周波数
に変化を生じても、常に、変位量は最大となる共振状態
で発振を続ける。また、ＰＬＬ部１１３の出力は、同期
検波回路１０７の同期信号となっている。このため、振
動子１の垂直方向の容量変化成分において、ＰＬＬ部１
１３の出力と同期した成分のみが検波され、ＬＰＦ１０
８を通して所望の出力となるが、その際に、ＰＬＬ部１
１３により位相がロックされているため、同期検波回路
１０７による位相のずれは発生せず、安定した出力が得
られる。

【００５７】ところで、シリコンジャイロスコープに、
振動子１の延長方向に角速度が生じたとき、水平方向に
振動する振動子１の各弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃにコリオ
リ力が働く。

【００５８】速度Ｖ（ベクトル値）で運動する物体ｍ
に、角速度ｗ（ベクトル値）が印加されたときのコリオ
リ力Ｆｃは、Ｆｃ＝２ｍ（Ｖｘｗ）と表される（ｘはベ
クトル積を示す）。

【００５９】例えば、振動子１が水平に振動すると、振
動子１の延長方向の周りに角速度が働いた時に、振動子
１は、コリオリ力を垂直方向に受けることとなる。コリ
オリ力により、振動子１は垂直方向に力を受け、水平方
向の振動と同期して垂直方向にも変位する。この変位量
は、印加角速度に比例している。

【００６０】この振動子１の垂直方向の変位量は、垂直
電極５ａ，５ｂ，５ｃとの静電容量変化に比例するの
で、振動子１の水平方向に同期した垂直方向の静電容量
変化を検出することにより、シリコンジャイロスコープ
に印加された角速度の大きさと向き（回転方向）がわか
る。

【００６１】なお、水平駆動で垂直検出の本構成におい
て、水平電極と垂直電極並びにそれに接続されている構
成回路を入れ替えても、すなわち、垂直駆動で水平検出
するようにしても同様のことが成り立つ。

【００６２】次に、この振動子１に駆動を与える方法を
図７および図８に示す。

【００６３】図７と図８は、図６における増幅およびＤ
Ｃ電圧重畳回路１１８，１１９の出力を示す。両図にお
いて、横軸は時間を表し、縦軸は出力電圧を表す。縦軸
と横軸の交わるところを基準電位としてゼロボルトとす
る。振動子に対するＣ−Ｖ変換回路１０３の電位は、基
準電位と等価である回路構成になっているため、基準電
位から見た振動子の電位はゼロボルトと考えてよい。

【００６４】図７と図８において、振動子１の電位は基
準電位であり、水平電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの電位
は正弦波状に変化し、振動子１と水平電極４ａ，４ｂ，
４ｃ，４ｄとの間に電位差を生じている。実際には、水
平電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄには、発振回路１２０と
位相反転回路１２１により周波数７０ＫＨｚの搬送波が
重畳されているが、説明のため、この周波数の成分は除
外して、図７と図８とに電圧波形を示している。除外し
ても回路の動作説明には支障がない。以下、同様であ
る。

【００６５】水平電極４ａと４ｃとの電位は図７のよう
に、交番電圧にプラス極性のＤＣ電圧が重畳されてお
り、水平電極４ｂと４ｄとの電位は図８のように大きさ
が同じのプラス電極のＤＣ電圧に位相が反転した交番電
圧が重畳されている。

【００６６】この電界により振動子１の各弾性脚２ａ，
２ｂ，２ｃが振動する様子を図９および図１０により説
明する。図９および図１０は、振動子１の各弾性脚２
ａ，２ｂ，２ｃと水平電極４および垂直電極（図示せ
ず）との関係を模式的に示してある。これらの図におい
て、２重枠線で示された部分は水平電極４を示す。

【００６７】図９において、ＯＮ／ＯＦＦと示されてい
るのは図７、図８におけるある時間ｔ＝Ｔ時の水平電極
の電圧値を示す。水平電極４ａと水平電極４ｃとには、
図７のタイミングで電圧が印加され、時間ｔ＝Ｔ時に
は、振動子１と水平電極４ａ，４ｃとの電位差が最大に
なっている。これをＯＮとする。また、このとき、図８
に示されるように、振動子１と水平電極４ｂおよび４ｄ
間の電位差は極小となる。これを図９においてＯＦＦと
する。

【００６８】図９で時間ｔ＝Ｔでは、水平電極４ａと水
平電極４ｃとがＯＮ、水平電極４ｂ，４ｄがＯＦＦであ
る。そのため、振動子１の両端に位置する弾性脚２ａ，
２ｃは、電界により図９において、左側に動き、振動子
１の中央に位置する弾性脚２ｂは、反対方向の右側に動
く。このとき、ジャイロスコープに、図上で時計回りの
各速度が印加されていると、図１０での矢印に示す向き
にコリオリ力が働き、振動子１の各弾性脚２ａ，２ｂ，
２ｃも矢印方向に変位する。そのため、各弾性脚２ａ，
２ｂ，２ｃの垂直成分も変位し、図示しない垂直電極５
ａ，５ｂ，５ｃとのギャップが図に示すように、弾性脚
２ａ，２ｃについては狭く、弾性脚２ｂについては広く
変化する。これにより、静電容量に変化が生じ、静電容
量の変化を検出することにより、角速度の大きさが検出
される。

【００６９】なお、角速度の回転方向が反時計方向とす
ると、今までの説明における矢印の向きは逆になり、振
動子の変位と同期している同期検波回路の出力が反転す
るため、角速度の方向も検出できる。振動子１は交番電
圧により、振動しているので、振動子１がｔ＝Ｔ時よ
り、位相がπずれている時、すなわち、逆位相の時は、
図１１および図１２にて同様に説明される。

【００７０】Ｃ−Ｖ変換回路１０３は、静電容量の大き
さにより、発振回路１０１による搬送波の転幅が比例す
る回路構成になっている。例えば、図１０において、振
動子１の左右端に位置する弾性脚２ａ，２ｃと垂直電極
（図示せず）とのギヤツプが狭まる事により、静電容量
が大きくなり、発振器１０１と同相の搬送波成分の振幅
値が大きくなるとする。

【００７１】これに対して、中央に位置する弾性脚２ｂ
により形成される静電容量は小さくなる。中央に位置す
る弾性脚２ｂと対向する垂直電極には、位相反転回路１
０２により発振回路１０１と逆位相の搬送波が加えられ
ているので、逆位相の搬送波成分は小さくなる。

【００７２】結果として、Ｃ−Ｖ変換回路の出力は、図
９、図１０のタイミングでコリオリ力が働く時、発振回
路１０１と同相の搬送波成分が大きくなり、同期検波回
路１０７の出力をＬＰＦ１０８に通すことにより、例え
ば正極性の出力を得る。

【００７３】これとは逆に、反時計回りの角速度が印加
されると、図１０と図１２におけるコリオリカの成分が
反転し、図１０と図１２における矢印方向が反転する。
その場合、ＬＰＦ１０８後の出力は負極性となり、角速
度の方向が検出できる。

【００７４】また、図１３は本発明の第２実施形態のシ
リコンジャイロを示しており、図１４は、第２実施形態
の振動子１の寸法を示す平面図である。この寸法にて製
作された振動子１の共振周波数は約２ＫＨｚである。ま
た、図１５は、図１４の１５−１５断面図、図１６は図
１４の１６−１６断面図である。

【００７５】本第２実施形態のシリコンジャイロは、前
記垂直電極６が、振動子１の各弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃ
に対し、それぞれ２本ずつ（垂直電極６ａ，６ｂ，６
ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ）形成されている点のみ、前述の
第１実施形態のシリコンジャイロと構成を異ならせてい
る。

【００７６】図１７は、図１３に示す本発明の第２実施
形態のシリコンジャイロの駆動および角速度検出を示す
ブロック図である。

【００７７】発振回路１０１により、水平電極４ａ，４
ｃには、周波数５０ＫＨｚ、振幅５Ｖの交番電圧が印加
されている。さらに位相反転回路１０２により、水平電
極４ｂ，４ｄに対して、発振回路１０１とは逆位相の搬
送波が加えられる。振動子１の各弾性脚２ａ，２ｂ，２
ｃと水平電極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとの間は、ギャッ
プ２０μｍを隔てて離間されており、静電容量を生じ
る。Ｃ−Ｖ変換回路１０３により、これらの静電容量
は、電圧値に変換される。ＨＰＦ１０４（カットオフ周
波数１０ＫＨｚ）を通した後、同期検波回路１０５によ
り、発振器１０１と同期した周波数と位相で同期検波さ
れる。この出力をＬＰＦ１０６を通す事により、振動子
１と３本の弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃとの間の水平方向の
静電容量の変化が得られる。

【００７８】振動子１は、低比抵抗のシリコンにより構
成されているため、振動子１の各脚２ａ，２ｂ，２ｃと
対向する水平電極４ａ〜４ｄ間による静電容量によって
形成される交番電圧に対するインピーダンス成分に対し
ては、電気的には導通していると考えてよい。

【００７９】すなわち、Ｃ−Ｖ変換回路１０３には、弾
性脚２ａ，２ｂ，２ｃによる容量変化が、信号取りだし
部１００により直結され、各弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃの
容量変化がＣ−Ｖ変換回路１０３により加算される構成
になっている。

【００８０】また、本実施形態において、垂直電極６
ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆは、６ａと６ｅ、６
ｂと６ｆがそれぞれ短絡されており、図示しない分圧用
の抵抗を介して発振回路１２０に接続されている。そし
て、垂直電極６ｃと６ｄとが図示しない分圧用の抵抗を
介して位相反転回路１２１に接続されている。

【００８１】発振回路１２０は、周波数７０ＫＨｚ、振
幅５Ｖで発振する。垂直電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，
６ｅ，６ｆと振動子１の３本の弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃ
は、ギャップ２０μｍを隔てて離間されているため、静
電容量を生じている。

【００８２】Ｃ−Ｖ変換回路１０３により、これらの静
電容量は、電圧値に変換される。ＨＰＦ１０９（カット
オフ周波数１０ＫＨｚ）を通した後、同期検波回路１１
０により、発振器１２０と同期した周波数と位相で同期
検波される。この出力をＬＰＦ１１１を通す事により、
振動子１と弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃとの間の垂直方向の
静電容量の変化が得られる。

【００８３】さらに、垂直電極６ａと６ｅ、６ｄと６ｆ
は、図示しないＤＣ成分カット用のコンデンサと分圧用
の抵抗を介して、増幅およびＤＣ電圧重畳回路１３５お
よび増幅およびＤＣ電圧重畳回路１３４に接続されてい
る。垂直電極６ｃと６ｄは、増幅およびＤＣ電圧重畳回
路１３２および増幅およびＤＣ電圧重畳回路１３１に接
続されている。

【００８４】そして、電圧制御発振器（以下、ＶＣＯと
いう）の発振位相と振動子の振動位相とを比較する位相
検出回路１１４、ループフィルタ１１５、そして前記Ｖ
ＣＯ１１６で構成されるＰＬＬ部１１３と、＋９０゜位
相シフト回路１１２により、ＰＬＬ部１１３の入力と出
力間、つまり＋９０゜位相シフト回路１１２からの入力
とＶＣＯ１１６からの出力間に、常に＋９０゜の位相差
を与える。その際、ＰＬＬ部１１３の出力は、増幅およ
びＤＣ電圧重畳回路１３１，１３２，１３４，１３５に
より増幅し、さらにＤＣ電圧を重畳されているので、振
動子１の各弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃと垂直電極６ａ，６
ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ間には、静電引力が働く。

【００８５】増幅およびＤＣ電圧重畳回路１３２，１３
５の出力とＣ−Ｖ変換回路１０３の入力（すなわち、振
動子の垂直方向の振動）とは、＋９０゜位相シフト回路
１１２により、常に９０゜だけＣ−Ｖ変換回路出力が遅
れるように構成されている。すなわち、振動子１の垂直
方向の振動が９０゜遅れ、ＰＬＬ部１１３によりその位
相がロックされ続けるような構成になっている。そのた
め、振動子１は、振動子固有の共振周波数で、垂直方向
に共振状態（振動子の駆動位相に対して実際の変位が９
０゜遅れる状態）で発振を続ける。

【００８６】次に、垂直電極への電圧印加方法を、図１
８乃至図２１で説明する。

【００８７】図１８は、図１７における、増幅およびＤ
Ｃ電圧重畳回路１３４の出力を示し、図１９は、図１７
における、増幅およびＤＣ電圧重畳回路１３５の出力を
示す。また、図２０は、図１７における、増幅およびＤ
Ｃ電圧重畳回路１３１の出力を示し、図２１は、図１７
における、増幅およびＤＣ電圧重畳回路１３２の出力を
示している。

【００８８】図１８乃至図２１において、横軸は時間を
表し、縦軸は出力電圧を表す。縦軸と横軸の交わるとこ
ろを基準電位として、０ボルトとする。振動子は、Ｃ−
Ｖ変換回路１０３に接続されているが、振動子１側から
みたＣ−Ｖ変換回路１０３の電位は、基準電位と等価で
ある回路構成になっているため、基準電位からみた振動
子１の電位は、０ボルトと考えてよい。そのため、図１
８乃至図２１において、振動子１の電位は基準電位であ
り、正弦波上に変化している垂直電極６ａ，６ｂ，６
ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆの電位による電界を受ける。

【００８９】振動子１の両端に位置する弾性脚２ａ，２
ｃに対向する１脚あたり２つの垂直電極６、すなわち、
垂直電極６ａと垂直電極６ｂ、垂直電極６ｅと垂直電極
６ｆは位相が反転し、さらに重畳するＤＣ電圧の極性も
反転している。同様に、中央脚２ｂに対する２つの垂直
電極６ｃと６ｄも、図２０および図２１に示すように、
位相およびＤＣ極性ともに反転している。

【００９０】このような電圧を印加すると、図１８乃至
図２１において、ある時刻ｔ＝Ｔの時、振動子１の各弾
性脚２ａ，２ｂ，２ｃが対向する電極から受ける静電力
は、下表のようになる。

【００９１】 そのため、弾性脚２ａ，２ｃは電極へ近づく静電力が極
大になり、中央に位置する弾性脚２ｂは電極から受ける
力が極小になる。

【００９２】また、弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃに働く静電
力と時計回りに角速度が働いたときの弾性脚２ａ，２
ｂ，２ｃの動きおよびコリオリカを模式的に図示する
と、図２２および図２３のようになる。つまり、弾性脚
２ａと弾性脚２ｃに働く静電力は、垂直方向に極大とな
り、弾性脚２ｂに働く静電力は極小となる。

【００９３】この場合、コリオリカは図２３のように働
く。これにより、静電容量に変化が生じ、静電容量の変
化を検出することにより角速度の大きさが検出される。

【００９４】角速度の回転方向が、反時計方向では、今
までの説明における矢印の向きは逆になり、振動子１の
変位と同期している同期検波回路の出力が反転するた
め、角速度の方向も検出できる。振動子１は交番電圧に
より、振動しているので、振動子１がｔ＝Ｔ時より、位
相がπずれている時、すなわち、逆位相の時は、図２４
および図２５にて同様に説明される。

【００９５】Ｃ−Ｖ変換回路１０３は、静電容量の大き
さにより、発振回路１０１による搬送波の振幅が比例す
る回路構成になっている。例えば、振動子１の各弾性脚
２ａ，２ｂ，２ｃが図２３のようにコリオリカによる変
位を受けるとき、発振回路（器）１０１と同相の搬送波
成分の振幅値は小さくなり、位相反転回路１０２と同相
成分、すなわち発振回路１０１と逆位相の搬送波成分は
大きくなる。

【００９６】結果として、Ｃ−Ｖ変換回路の出力は、時
計回りに角速度が印加され、図２３のようなコリオリカ
が働く時、発振回路１０１と逆位相の搬送波成分が大き
くなり、同期検波回路１０７の出力をＬＰＦ１０８に通
すことにより、例えば負極性の出力を得る。

【００９７】これとは逆に、反時計回りの角速度が印加
されると、図２３と図２５におけるコリオリカの成分が
反転し、図２３と図２５における矢印方向が反転する。
その場合、ＬＰＦ１０８後の出力は正極性となり、角速
度の方向が検出できる。

【００９８】ところで、Ｃ−Ｖ変換回路１０３は、ハイ
インピーダンスな静電容量を電圧値に変換する回路であ
る。このようにＣ−Ｖ変換回路１０３の入力側は、ハイ
インピーダンスであり、電磁誘導等によるノイズに弱い
構成になっている。コリオリカによる静電容量変化は数
十ａＦ程度と非常に小さく、電磁誘導等による外乱ノイ
ズ内に埋もれてしまい検出できないことがあった。

【００９９】前述の第１実施形態においても、振動子１
を振動させるのに静電力により振動させ、コリオリ力に
よる振動子１の弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃの変位量を静電
容量変化として検出しており、駆動するための周波数と
コリオリカによる静電容量の変化する周波数は同じであ
るから、駆動時の誘導ノイズが、Ｃ−Ｖ変換回路１０３
に混入する可能性はある。

【０１００】しかしながら、本第２実施形態において
は、駆動電極を複数（本第２実施形態においては、各弾
性脚２に対する垂直電極を２つずつ）に分け、互いに相
反するそれぞれ逆位相のＡＣ成分を加えることにより、
各弾性脚２ａ，２ｂ，２ｃに与える駆動成分の影響度を
小さくしている。例えば、上表において、図１３の弾性
脚２ａにおける垂直電極６ａ，６ｂのＡＣ成分のそれぞ
れの和をとると、互いに相殺されることがわかる。図１
３の中央または右側に配設された弾性脚２ｂ，２ｃの垂
直電極６ｃ，６ｄ、６ｅ，６ｆについても同様である。

【０１０１】このように駆動電極を複数に分け、互いに
相反する位相関係にあるＡＣ成分を印加することによ
り、駆動電極を分けたことによる単位面積あたりの静電
力をほとんど損なうことなく、１つの電極での駆動と同
等の静電力が得られ、Ｃ−Ｖ変換回路１０３に与えるＡ
Ｃ成分の誘導ノイズを極小にすることが可能となる。

【０１０２】つまり、駆動電極を複数に分け、互いに相
反する位相関係にあるＡＣ成分と互いに相反する極性関
係にあるＤＣ成分とをそれぞれの電極に印加することに
より、互いの影響を相殺させ、検出電極側に誘導される
ノイズを極小化し、同じデバイスでも電極配置を換える
ことにより、検出感度の向上と高いＳ／Ｎ比を得ること
ができ、また、駆動電極を複数本に分けることで、単一
の駆動電極を用いる場合と比べて、振動子１に印加する
静電力をほとんど損なうことなく、同じ電圧で同等の静
電力を与えることが可能となり、本来の目的である振動
子１の駆動については単一の電極と同等の機能を果たす
ものとなり、さらには、誘導ノイズの原因となるＡＣ成
分の振幅を微小に調整することにより、相殺の効果を高
めることができるという、前述の第１実施形態の場合以
上の効果を奏することができる。

【０１０３】なお、本発明は前記実施形態のものに限定
されるものではなく、必要に応じて種々変更することが
可能である。例えば、振動子の弾性脚を垂直方向に駆動
して、水平方向に働くコリオリカによる変位を検出する
ようにしてもよい。

【０１０４】

【発明の効果】以上述べたように本発明に係るシリコン
ジャイロは、振動子の材料をシリコンとしたことで、温
度変化のある環境や長時間の使用に対しても安定した角
速度検出を行うことができるものとなり、また、一括で
大量に高精度のシリコンジャイロを製造することをも可
能にし、振動子の弾性脚部分に付着物がないので、振動
子の振動が他の構造体の影響を受けることが無く、安定
した振動を得ることが可能となり、振動子の振動付与と
コリオリ力の検出も振動子に対して非接触で行われるの
で、コリオリ力の検出に与える誤差が介在し難く、ま
た、駆動振動と検出振動の直交精度を、振動子をシリコ
ン製とし、電極のフォトリソグラフィによる微細加工精
度で出すことができ、よって、駆動信号が検出信号に影
響を与えることを防止することができる等の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るシリコンジャイロの第１実施形
態を示す斜視図

【図２】 図１のシリコンジャイロの平面図

【図３】 図２のシリコンジャイロの３−３断面図

【図４】 図２のシリコンジャイロの４−４断面図

【図５】 図１のシリコンジャイロの作成フローチャー
ト

【図６】 第１実施形態の駆動および検出のブロック図

【図７】 図６の増幅およびＤＣ電圧重畳回路１１９の
出力特性図

【図８】 図６の増幅およびＤＣ電圧重畳回路１１８の
出力特性図

【図９】 図７のｔ＝Ｔ時における弾性脚の駆動による
変位を示す模式図

【図１０】 図７のｔ＝Ｔ時における弾性脚のコリオリ
力による変位を示す模式図

【図１１】 図９と逆位相で印加された場合の図７のｔ
＝Ｔ時における弾性脚の駆動による変位を示す模式図

【図１２】 図１０と逆位相で印加された場合の図７の
ｔ＝Ｔ時における弾性脚のコリオリ力による変位を示す
模式図

【図１３】 本発明に係るシリコンジャイロの第２実施
形態を示す斜視図

【図１４】 図１３のシリコンジャイロの平面図

【図１５】 図１４のシリコンジャイロの１５−１５断
面図

【図１６】 図１４のシリコンジャイロの１６−１６断
面図

【図１７】 第２実施形態の駆動および検出のブロック
図

【図１８】 図１７の増幅およびＤＣ電圧重畳回路１３
５の出力を示す特性図

【図１９】 図１７の増幅およびＤＣ電圧重畳回路１３
４の出力を示す特性図

【図２０】 図１７の増幅およびＤＣ電圧重畳回路１３
２の出力を示す特性図

【図２１】 図１７の増幅およびＤＣ電圧重畳回路１３
１の出力を示す特性図

【図２２】 図１８乃至図２１のｔ＝Ｔ時における弾性
脚の駆動による変位を示す模式図

【図２３】 図１８乃至図２１のｔ＝Ｔ時における弾性
脚のコリオリ力による変位を示す模式図

【図２４】 図２２と逆位相で印加された場合の図１８
乃至図２１のｔ＝Ｔ時における弾性脚の駆動による変位
を示す模式図

【図２５】 図２２と逆位相で印加された場合の図１８
乃至図２１のｔ＝Ｔ時における弾性脚のコリオリ力によ
る変位を示す模式図

【図２６】 従来の恒弾性金属からなる振動型ジャイロ
の一例を示す斜視図

【図２７】 図２６の恒弾性金属からなる振動型ジャイ
ロの２７−２７断面図

【符号の説明】

１ 振動子 ２ 弾性脚 ３ 基体 ３ａ 溝 ４ 水平電極 ５ 垂直電極 ６ 垂直電極 １００ 信号取り出し部 １０１，１２０ 発振回路 １０２，１１７，１２１，１３０，１３３ 位相反転回
路 １０３ Ｃ−Ｖ変換回路 １０４，１０９ ＨＰＦ １０５，１０７，１１０ 同期検波回路 １０６，１０８，１１１ ＬＰＦ １１２ ＋９０゜位相シフト回路 １１３ ＰＬＬ部 １１４ 位相検出回路 １１５ ループフィルタ １１６ ＶＣＯ １１８，１１９，１３１，１３２，１３４，１３５ 増
幅およびＤＣ電圧重畳回路 ２００ 振動子 ２０１ 弾性脚 ２０２ 圧電素子 ２０３ 電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンウエハにより形成され、２箇所
   の溝により分離された３個の弾性脚を有するシリコンジ
   ャイロであって、前記弾性脚を支持する振動子の基部の
   一部を基体に固定し、前記弾性脚間および外側方には前
   記弾性脚の並び面と垂直且つ前記弾性脚に近接する水平
   電極を配設するとともに、前記各弾性脚毎に、その弾性
   脚の並び面と平行且つ前記弾性脚と近接する垂直電極を
   配設したことを特徴とするシリコンジャイロ。
2. 【請求項２】 前記水平電極をシリコンウエハにより形
   成し、前記垂直電極を金属膜により形成したことを特徴
   とする請求項１に記載のシリコンジャイロ。
3. 【請求項３】 前記基体をガラス板により形成し、この
   基体に対し、前記水平電極および垂直電極を形成したこ
   とを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシリコ
   ンジャイロ。
4. 【請求項４】 前記各弾性脚に対する垂直電極をそれぞ
   れ逆極性となる２つの電極で構成したことを特徴とする
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシリコン
   ジャイロ。
5. 【請求項５】 振動子を構成する各弾性脚に対し、それ
   ぞれ２つの垂直電極を配接し、この２つの垂直電極のそ
   れぞれに、互いに相反する逆極性のＤＣ成分と、互いに
   反転した逆位相のＡＣ成分とからなる電圧を印加するこ
   とを特徴とするシリコンジャイロの駆動方法。