JPH1164002A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 小型の、直交３軸の検出軸を持つ角速度セン
サの提供。検出精度の向上。励振回路数の低減。 【解決手段】 ３以上の同一形状の振動板を多角形の各
辺位置に配置し、分岐梁８および連結梁７で、多角形状
に連結した、３軸の角速度センサ。連結梁７にリング状
の梁１６が連続し、この梁１６からその円中心に延びる
支持梁９がアンカー１０に連続する。各振動板の直下に
は、ｘ又はｙ軸廻りの角速度による振動板のｚ方向変位
を検出する電極１８がある。リング状の梁１６からその
円中心に向かうように電極１４が突出し、この電極１４
を挟む固定電極１３Ａ，１３Ｂがあり、これらが、ｚ軸
廻りの角速度による振動板の、アンカー１０廻りの変位
を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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４
Ａ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，４
Ｂ）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２
Ｄ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,1
4)；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(13
A,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Ａ
Ｓ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４
Ａ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２
Ｂ）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２
Ｄ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〜２
Ｄ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４
Ｂ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Ｃ
Ｓ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，２
Ｃ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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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。
2. 【請求項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。
3. 【請求項３】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。
4. 【請求項４】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。