JP2000199714A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】励振周波数に対する励振振幅のヒステリシス特
性を低減して励振振動を安定させ、駆動用梁と検出用梁
の温度特性を低減して角速度検出感度の温度ドリフトを
改善し、オフセット電圧を低減して角速度検出感度およ
び角速度検出分解能を向上させた角速度センサを提供す
る。 【解決手段】支持体1と、この支持体1に個別に支持され
ている複数の梁2〜５と、これらの複数の梁2〜５が共通
結合している結合郎6と、この結合部6に形成された振動
重り6aと、よりなる角速度センサにおいて、前記各梁2
〜５は、庄電素子の形成される圧電梁部2a〜5aと、ビー
ム成形梁部2b〜5bと、よりなることを特徴とする角速度
センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、手振れ防止カメ
ラ、カーナビゲーション装置などに使用される角速度セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の角速度センサとして、図
１８と図１９を参照して、特開平６−１７４７３９号公
報に開示されている角速度センサ８０について説明す
る。８１はシリコン基板を加工して形成した枠体で、こ
の枠体８１の内壁からそれぞれ直角に伸びる梁８２ａ〜
８２ｄが枠体８１の中心部で結合している。そして、こ
の中心部の下部には振動重り８３が形成されている。こ
れらの梁８２ａ〜８２ｄおよび振動重り８３は、枠体８
１と同じシリコン基板によりフォトエッチングなどの半
導体微細加工技術を用いて一体に形成される。

【０００３】そして、対向する梁８２ａ、８２ｃの上面
側には、それぞれ駆動用圧電素子８４ａ、８４ｃが形成
され、また、対向する梁８２ｂ、８２ｄの上面側には、
それぞれ検出用圧電素子８４ｂ、８４ｄが形成される。
これらの駆動用圧電素子８４ａ、８４ｂおよび検出用圧
電素子８４ｂ、８４ｄは、上部電極８６ａと下部電極８
６ｂとの間に、酸化亜鉛膜８７を介在させた構造よりな
る。

【０００４】そして、駆動用圧電素子８６ａと８６ｃと
に、１８０゜位相の異なる駆動信号をそれぞれ加える
と、梁８２ａと８２ｃは、反転位相のために破線と２点
鎖線で示すように、基点８５を節にして上下に振動し、
振動重り８３の下部先端はＸ軸方向に振動するようにな
る。

【０００５】このように、振動重り８３が振動している
ときに、振動重り８３の中心を通るＺ軸回りに回転が加
わると、振動重り８３の下部先端は、コリオリ力により
Ｙ軸方向にも振動するようになる。この振動を検出用圧
電素子８４ｂ、８４ｄにより電圧として検出して、これ
らの差動増幅を行うことにより回転角速度を求める。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の角速度センサ８０においては、梁８２ａ〜８２ｄを
構成するシリコンの上に酸化亜鉛膜を形成する際、酸化
亜鉛の結晶化の際の収縮により、梁８２ａ〜８２ｄは内
部応力を残留させることになる。これにより、励振周波
数を変化させると励振振幅がヒステリシス特性を示し、
励振振動が不安定になる。

【０００７】また、従来の角速度センサ８０において
は、梁８２ａ〜８２ｄを構成するシリコンと酸化亜鉛の
熱膨張係数の相違から、梁８２ａ〜８２ｄの応力が温度
により変化する。これにより、駆動用梁８２ａ、８２ｃ
と検出用梁８２ｂ、８２ｄの共振周波数が別々に変化し
て、角速度検出感度の温度ドリフトが大きくなる。

【０００８】また、従来の角速度センサ８０において
は、梁８２ａ〜８２ｄの製作時の誤差から正確な対称性
が得られないため、Ｘ軸方向の振動がＹ軸方向に漏れ、
振動重り８３の下部先端は図１８に破線で示すように、
Ｘ２−Ｘ２線からある偏角をもつ軸を長軸とする楕円運
動を行うようになる。このため、静止時に検出用圧電素
子８４ｂ、８４ｄにオフセット電圧が生じて角速度検出
感度および角速度検出分解能が低下していた。

【０００９】そこで、本発明は、上述した従来の欠点を
解決し、角速度検出感度を安定にし、角速度検出分解能
を向上させた角速度センサを提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、支持体と、該支持体に個別に支持されている複数の
梁と、該複数の梁が共通結合している結合部と、該結合
部に形成された振動重りと、よりなる角速度センサにお
いて、前記各梁は、広梁部と、この広梁部よりも細い細
梁部と、よりなるものである。

【００１１】この発明においては、各梁が広梁部と細梁
部を連結した構成よりなる。細梁部の梁幅は広梁部の梁
幅よりも狭い。細梁部は、広梁部と結合部の間に位置す
る場合、及び広梁部と支持体との間に位置する場合があ
り、広梁部と結合部または支持体との間を変形自在に継
ぐ継ぎ手としての働きをする。

【００１２】先ず、各梁と結合部を形成した際に構造的
に発生する内部応力は、細梁部の捻れ或いは撓みなどの
形状変形により吸収される。即ち、広梁部と結合部また
は支持体との当初の位置関係が内部応力に応じて変化し
た状態になる。温度変化により応力の大きさが変わって
も同様に細梁部により吸収される。この細梁部による内
部応力の吸収は、形態的に細梁部の変形として角速度セ
ンサの静止時にも動作時にも維持される。

【００１３】また、梁を励振振動させて振動重りを一定
の方向、即ち、梁の伸張方向または梁と梁の間を２分す
る方向に振動させた場合、細梁部が広梁部と結合部の間
にあるときは、振動重りの振動により影響を受ける梁の
広梁部は恰も片持梁に近似する動作をし、片持梁の自由
端に相当する位置にある細梁部で大きく屈曲して振動重
りの傾きを大きくする。

【００１４】そして、振動重りが梁の伸張方向に振動す
るとき、振動重りの振動方向と直交する方向にある梁で
は、細梁部がねじれ、その広梁部には振動重りの振動が
伝わらない。即ち、励振振動している梁の振動が漏れて
その振動方向と直交方向にある梁を振動させることはな
い。また、振動重りが隣接する梁を２分する方向に振動
するとき、全ての梁の細梁部が変形し、各梁の広梁部に
は振動重りの振動が殆ど伝わらない。

【００１５】また、細梁部が広梁部と支持体との間にあ
るときには、振動重りの一定方向への振動により、広梁
部と結合部の結合体が恰も自由振動体の如く振動する。
このとき、振動重りの振動により影響を受ける梁の細梁
部は、恰も自由振動体の自由端の如くなり、一方に於い
て振動重りと広梁部を支える支点となる。そして、振動
重りの振動方向と一定の角度を有する方向にある梁の広
梁部は、振動重りの振動と一緒に振動する。この場合、
振動重りが梁の伸張方向に振動するときには、振動重り
の振動方向と直交する方向にある細梁部のねじれにより
振動重りの振動エネルギーが支持体に漏れることがな
い。また、振動重りが隣接する梁を２分する方向に振動
するときには、全ての細梁部の変形により振動重りの振
動が支持体により抑制されることはない。

【００１６】更に、振動重りを一定の方向に励振振動し
ているときに、振動重りにコリオリ力が加わったときに
は、結合部または支持体に対する内部応力が吸収された
状態でコリオリ力の影響を受ける梁の広梁部が振動す
る。

【００１７】このとき、振動重りを励振振動させる梁の
細梁部が変形し、コリオリ力による振動を抑制すること
はない。

【００１８】請求項２に記載の発明は、前記各梁の細梁
部が前記結合部に結合し、前記広梁部が前記支持体に結
合していることを特徴とするものである。

【００１９】この発明はにおいては、広梁部は支持体に
結合され、細梁部は広梁部と結合部の間に形成されてい
る。広梁部と結合部の間の内部応力は、細梁部のねじれ
或いは撓み等の形状変形により吸収され、広梁部の応力
が結合部（振動重り）へ作用するのが阻止される。

【００２０】また、振動重りを一定の方向に振動させた
場合、この振動方向と直角な方向の振動成分の作用を受
ける梁では、細梁部が広梁部と振動重りの間を柔らかく
結合するので、その梁の広梁部には振動重りの振動が伝
達されない。

【００２１】請求項３に記載の発明は、前記各梁の細梁
部が前記支持体に結合し、前記広梁部が前記結合部に結
合していることを特徴とするものである。

【００２２】この発明においては、広梁部は結合部に結
合され、細梁部は広梁部と支持体の間に形成されてい
る。広梁部と支持体との間の内部応力は、細梁部のねじ
れ或いは撓み等の形状変形により吸収される。振動重り
を一定の方向に振動させた場合、広梁部と結合部の部分
が恰も細梁部の部分を自由端とした自由振動体のような
形態の振動をする。

【００２３】このとき結合部に結合された広梁部も振動
重りと一体的に振動する。この振動に伴う広梁部の支持
体に対する応力は細梁部により軽減され、振動重りの振
動が促進される。

【００２４】請求項４に記載の発明は、少なくとも１つ
の梁の広梁部に少なくとも１つの圧電素子を形成したこ
とを特徴とするものである。

【００２５】この発明においては、圧電素子を形成した
際に広梁部に生じる初期応力は、細梁部のねじれ或いは
撓みなどの形状変形により吸収される。即ち、広梁部と
結合部または支持体との当初の位置関係が初期応力に応
じて変化した状態で維持される。

【００２６】圧電素子に交流の駆動信号を供給すること
により、圧電素子を振動源として広梁部を屈曲振動さ
せ、振動重りを一定の方向に振動させる。即ち、圧電素
子が１つの梁に設けられている場合は、その梁の伸張方
向に振動重りを振動させ、また、圧電素子が２つ以上の
梁に設けられている場合は、各梁の振動方向を合成した
振動方向に振動重りを振動させる。また、１つの圧電素
子を駆動用と検出用に兼用する場合を除き、駆動用の圧
電素子と検出用の圧電素子を分離して共通の梁の広梁部
に設けるかまたは別々の梁の広梁部に設ける。

【００２７】そして、細梁部を広梁部と結合部の間に形
成している場合、圧電素子の伸縮動作により振動重りを
一定方向に駆動振動しているとき、これと直交方向の成
分を有する振動は細梁部で吸収され、圧電素子に作用し
ない。また、細梁部を広梁部と支持体の間に形成してい
る場合には、広梁部の支持体に対する応力が軽減される
ため、圧電素子により広梁部と結合部からなる結合体を
駆動振動しても、結合体は支持体の拘束を殆ど受けずに
屈曲振動することができる。

【００２８】請求項５に記載の発明は、支持体と、該支
持体に個別に支持されている４つの梁と、該４つの梁が
直交するように結合している結合部と、該結合部に形成
された振動重りと、からなる角速度センサにおいて、前
記各梁が、広梁部と細梁部からなり、広梁部の一端を支
持体に結合すると共に広梁部と結合部の間に細梁部を結
合し、各広梁部には少なくとも１つの圧電素子を形成し
てなることを特徴とするものである。

【００２９】この発明においては、各梁の広梁部に１つ
の圧電素子が形成されている場合には、各梁は振動重り
を励振振動するための梁（励振用梁）と振動重りの振動
を検出する梁（検出用梁）とに分けられる。励振用梁の
圧電素子に交流の駆動信号を印加して振動重りを励振用
梁の伸張方向に振動させたとき、励振用梁に直角な検出
用梁には、その細梁部がねじれて振動重りの振動が伝わ
らない。従って、検出用梁の圧電素子には電気信号が発
生しない。この励振振動時に振動重りにコリオリ力が作
用すると、検出用梁の広梁部が振動し圧電素子は電気信
号を出力する。この場合、励振用梁には細梁部のねじれ
によりコリオリ力は作用しない。

【００３０】次ぎに、隣接の２つの励振用梁の圧電素子
を用いて振動重りを２つの駆動梁の間を２分する方向に
振動させたときには、２つの検出用梁はその伸張方向の
同じ向きの力の成分により振動し、広梁部の圧電素子に
電気信号が発生するが、この出力信号は差動増幅回路で
差動を取ることにより打消すことができる。しかし、振
動重りにコリオリ力が作用した場合は、２つの検出用梁
は互いに逆向きの力の成分を受けて振動し、２つの圧電
素子には逆極性の電気信号が発生する。この信号を差動
増幅して角速度信号を得ることができる。

【００３１】また、各梁の広梁部に２つの圧電素子が形
成されている場合には、各梁毎に励振用圧電素子と検出
用圧電素子に分けられる。この場合も、細梁部は上述同
様に働き、４つの圧電素子から選択した圧電素子で振動
重りを振動し、また、４つの検出用圧電素子から選択し
た圧電素子から出力信号を得ることができる。

【００３２】請求項６に記載の発明は、支持体と、該支
持体に個別に支持されている４つの梁と、該４つの梁が
直交するように結合している結合部と、該結合部に形成
された振動重りと、からなる角速度センサにおいて、前
記各梁が、広梁部と細梁部からなり、広梁部の一端を結
合部に結合して十字型の結合体とすると共に広梁部と支
持体の間に細梁部を結合し、各広梁部には少なくとも１
つの圧電素子を形成してなることを特徴とするものであ
る。

【００３３】この発明においては、結合部と４つの広梁
部からなる十字型の結合体は、励振用梁の圧電素子によ
り振動する。結合体が振動すると検出用梁の圧電素子に
電気信号が発生するが、この出力信号は差動増幅回路で
差動を取ることにより打消すことができる。コリオリ力
が作用した場合は、圧電素子の信号を差動増幅して角速
度信号を得ることができる。

【００３４】請求項７に記載の発明は、細梁部が、少な
くとも１つのビームで構成したビーム成形体であること
を特徴とするものである。

【００３５】この発明においては、ビーム成形体は、１
つのビームからなる直線形状、２つ以上のビームでＹ字
形状、Ｔ字形状、直線とリングの結合形状などにより構
成される。ビーム成形体の構成により、ねじれ、撓み、
伸び、圧縮などの形状変形で広梁部と結合部または支持
体とをしなやかに連結し、内部応力や初期応力を吸収
し、減衰し、或いは緩和させる。

【００３６】請求項８に記載の発明においては、ビーム
成形体は、直線形状、Ｙ字形状、Ｔ字形状、直線とリン
グとの結合形状などの少なくとも一つのビームで構成し
たことを特徴とするものである。

【００３７】この発明はにおいては、ビーム成形体の形
状に応じて細梁部は撓み、屈曲、捩じれ、伸び、圧縮な
どの形状変形する。ビーム成形体が直線形状である場合
には、そのねじれにより広梁部の応力は吸収され、広梁
部の圧電駆動力はこの捩じれた状態で振動重りに伝達さ
れる。また、ビーム成形体がＹ字形状またはＴ字形状で
ある場合には、その直線部分のねじれにより広梁部の応
力が吸収され、圧電駆動力はこのねじれた状態で分散な
いし合成されて振動重りに伝達される。また、細梁部が
直線とリングの結合形状である場合には、直線部の捩じ
れとリング部の形状変形により、広梁部の応力が吸収さ
れ、広梁部の圧電駆動力はこの捩じれと変形の状態で振
動重りのに伝達される。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下に、図１および図２を参照し
て、本発明の第１実施例の角速度センサ１０について説
明する。１は矩形状の枠形支持体で、シリコン基板１
ａ、シリコン酸化膜１ｂおよび活性層１ｃの３層構造よ
りなるＳＯＩ（Silicon On Insulator)基板を加工して
形成される。２〜５は梁で、矩形状の広梁部２ａ〜５ａ
とＹ字形状の細梁部２ｂ〜５ｂとからなる。そして、広
梁部２ａ〜５ａの一方の端面は枠形支持体１の内側面に
それぞれ結合し、他方の端面は細梁部２ｂ〜５ｂのビー
ムｂ１の一端に結合している。ビームｂ１の他端は、コ
字形ビームｂ２の中央部に結合して、細梁部は全体とし
てＹ字形状となっている。そして、コ字形ビームｂ２の
二つの先端は結合部６にそれぞれ結合している。細梁部
２ｂ〜５ｂは、梁２〜５の広梁部２ａ〜５ａと結合部６
を連結する自在継手としての働きをする。各ビームｂ
１、ｂ２の幅は、広梁部２ａ〜５ａの１／３〜１／６程
度である。なお、細梁部２ｂ〜５ｂの長さは、梁２〜５
の構造により異なり、広梁部２ａ、５ａの１／３〜１／
５程度である。また、結合部６の下部には振動重り６ａ
が設けられる。４つの梁２〜５は、結合部６を中心に直
角配置になっている。

【００３９】枠形支持体１、梁２〜５および結合部６の
上面にはシリコン酸化膜７が形成される。広梁部２ａ〜
５ａと枠形支持体１との上面のシリコン酸化膜７の上に
は、下部電極８とその引出端子が形成される。広梁部２
ａ〜５ａの上面の下部電極８の上には、酸化亜鉛、チタ
ン酸ジルコン酸鉛などの圧電膜９が形成される。この圧
電膜９の上には、分割形状の２つの上部電極２ｃ（２
ｄ）〜５ｃ（５ｄ）がそれぞれ形成され、これらの上部
電極２ｃ（２ｄ）〜５ｃ（５ｄ）からは、引出端子が枠
形支持体１の上側のシリコン酸化膜７の上にそれぞれ導
出される。

【００４０】圧電膜９を上部電極２ｃ（２ｄ）〜５ｃ
（５ｄ）と下部電極８との間にそれぞれ介在させること
により圧電素子を構成し、これらの圧電素子が設けられ
た梁２〜５は、圧電振動梁２〜５を構成する。これらの
圧電振動梁２〜５は、用途により駆動用梁または検出用
梁とも呼ばれる。なお、上記の梁２〜５および結合部６
はＳＯＩ基板のシリコン活性層１ｃを加工して一体に形
成される。

【００４１】つぎに、本実施例の角速度センサ１０の動
作について説明する。下部電極８を共通のグランドにし
て、Ｙ軸上に対向している圧電振動梁２と４との上部電
極２ｃ（２ｄ）と４ｃ（４ｄ）とに、直流電圧を重畳し
た互いに１８０゜位相の異なる交流電圧をそれぞれ印加
する。すると、圧電振動梁２と４とは、結合部６の基点
６ｂを節にして、図１９に破線で示すように、例えば、
圧電振動梁２が上方に湾曲し、圧電振動梁４が下方に湾
曲するような屈曲運動（振動）、またこの逆方向の屈曲
運動（振動）を継続して行う。この上下方向の屈曲振動
により、振動重り６ａの下部中心点６ｃは、Ｘ軸方向に
振動する。

【００４２】このように、振動重り６ａが振動して慣性
状態にあるときに、結合部６の基点６ｂの（振動重り６
ａの）中心を通るＺ軸回りに回転が加わると、コリオリ
力により振動重り６ａの下部中心点６ｃはＹ軸方向にも
振動するようになる。この振動により、圧電振動梁３と
５は、図１９に破線で示すように、一方は上方に湾曲
し、他方は下方に湾曲する。この湾曲により、それらの
圧電素子に位相の反転した逆極性の電圧が発生する。こ
の発生電圧が上部電極３ｃ（３ｄ）と５ｃ（５ｄ）より
取り出されて、これらの差動増幅を行うことにより回転
角速度を求める。

【００４３】本実施例に係る角速度センサ１０において
は、梁２〜５は、上述のように、シリコン活性層１ｃに
より加工されて、広梁部２ａ〜５ａと細梁部２ｂ〜５ｂ
とからなる。そして広梁部２ａ〜５ａの活性層１ｃの上
には、圧電膜９が設けられている。広梁部２ａ〜５ａ
は、圧電膜９と活性層１ｃとの熱膨張係数の相違により
常温において初期応力を残存させている。

【００４４】しかしながら、本実施例の角速度センサ１
０においては、圧電膜９により梁２〜５の広梁部２ａ〜
５ａに生じた応力は、広梁部２ａ〜５ａよりも柔らかい
細梁部２ｂ〜５ｂの主にビームｂ１、ｂ２の捩じれや撓
み及び変形により吸収されて、振動重り６ａへの応力の
伝達を阻止する作用を有する。また、この細梁部２ｂ〜
５ｂは梁２〜５の加工変形に伴う内部応力も吸収する作
用を有する。

【００４５】梁２と４の圧電素子を駆動して駆動重りを
Ｘ軸方向に振動させると、梁２、４は細梁部２ｂ、４ｂ
で屈曲し、振動重りの振動を大きくする。梁２、４に直
交するＹ軸方向の梁３、５では、細梁部３ｂ、５ｂの主
にビームｂ１が捩じれ、振動重りの振動作用が広梁部３
ａ、５ａに伝わらない。即ち、Ｘ軸方向とＹ軸方向の振
動で相互干渉を生じない。細梁部２ｂ〜５ｂのこれらの
作用により、駆動用梁の振動が検出用梁側に漏れるのが
低減し、振動重り６ａの楕円運動が縮小する。

【００４６】角速度センサをＺ軸回りに回転すると、コ
リオリ力により、梁３、５の細梁部３ｂ、５ｂで屈曲し
た広梁部３ａ、５ａの自由端相当部を大きく動かして広
梁部３ａ、５ａを振動させ、圧電素子から電気出力を得
る。この動作において、梁２、４の細梁部３ａ、５ａ
は、主にビームｂ１部分で捩じれるのでコリオリ力によ
る振動を抑制しない。

【００４７】これにより、励振周波数に対する励振振幅
のヒステリシス特性による励振振動が安定し、また駆動
用梁と検出用梁の温度特性の相違により角速度検出出力
のドリフトが低減し、更にオフセット電圧も低減して、
角速度検出感度および角速度検出分解能が向上する。

【００４８】つぎに、図３を参照して、角速度センサ１
０を用いて構成した自励発振回路による角速度検出回路
１０ａについて説明する。圧電振動梁２を駆動用とし、
圧電振動梁４を帰還用とし、圧電振動梁３、５を角速度
の検出用とする。そして、帰還用の圧電振動梁４の出力
端子は移相回路１１に接続され、この移相回路１１の出
力端子はＡＧＣ回路（自動利得調整回路）１２に接続さ
れ、このＡＧＣ回路１２の出力端子は駆動用の圧電振動
梁２に接続される。駆動用の圧電振動梁２は結合部６
（振動重り６ａ）を介して帰還用の圧電振動梁４に機械
的に結合している。そして、これらの圧電振動梁４〜移
相回路〜ＡＧＣ回路１２〜圧電振動梁４をループとする
閉回路は自励発振回路を構成する。また、検出用の圧電
振動梁３、５の出力端子は差動増幅回路１３にそれぞれ
接続される。

【００４９】つぎに、図３に示す角速度検出回路１０ａ
の動作について説明する。この角速度検出回路１０ａ
は、図示しない電源のスイッチをオンすると、前記自励
発振回路の発振が立上がり、圧電振動梁２〜５および振
動重り６ａによって決まる機械共振周波数により発振が
継続するようになる。発振の態様については、駆動用の
圧電振動梁２と帰還用の圧電振動梁４とは位相を１８０
゜相違させているので、帰還用の圧電振動梁４の出力を
移相回路１１で１８０゜移相し、かつ、ＡＧＣ回路１２
で増幅して駆動用の圧電振動梁２に入力し、位相と利得
の発振の条件を満足させる。

【００５０】このように、振動重り６ａが圧電振動梁
２、４により励振駆動されているときに、紙面に垂直な
振動重り６ａの中心を通る軸回りに回転が加わると、振
動重り６ａがコリオリ力により回転前の振動方向に対し
直角方向に振動するようになり、検出用の圧電振動梁
３、５がそれぞれ上下方向で反対方向に屈曲振動して、
位相の反転した逆極性の電圧を発生させる。この逆極性
の電圧を差動増幅回路１３で差動増幅することにより回
転角速度を求める。

【００５１】つぎに、図４を参照して、角速度センサ１
０を用いた自励発振回路による他の角速度検出回路１０
ｂについて説明する。この角速度検出回路１０ｂは、隣
接の圧電振動梁２、３を駆動用とし、圧電振動梁４、５
を検出用および帰還用とする。自励発振回路は検出用の
圧電振動梁４、５、加算回路１４、移相回路１５、ＡＧ
Ｃ回路１６、駆動用の圧電振動梁２、３、結合部６（振
動重り６ａ）、圧電振動梁４、５の閉回路で構成され
る。そして、圧電振動梁４、５の出力端子が差動増幅回
路１７に接続される。

【００５２】つぎに、図１０に示す角速度検出回路１０
ｂの動作について説明する。この角速度検出回路１０ｂ
は、図示しない電源のスイッチをオンすると、自励発振
回路の発振が立上がり、圧電振動梁２〜５および振動重
り６ａによって決まる機械共振周波数により発振が継続
するようになる。圧電振動梁２、３に同相の電圧を加え
て同時に励振駆動する。その結果、振動重り６ａの下部
中心点は圧電駆動梁２と３の間を２等分する矢印ａの方
向に振動するようになる。

【００５３】このように、振動重り６ａが圧電振動梁
２、４により矢印ａ方向に励振駆動されているときに、
角速度センサ１０が紙面に垂直な振動重り６ａの中心を
通る軸回りに回転すると、コリオリ力に基づく振動が矢
印ａ方向と直角方向の矢印ｂ方向に発生する。この矢印
ｂ方向の振動による圧電振動梁４、５の発生電圧は、そ
れぞれ位相の反転した逆極性の電圧となるので、差動増
幅回路１７で差動増幅することにより回転角速度を求め
ることができる。また、圧電振動梁４、５は、圧電振動
梁２、３による励振駆動により矢印ａ方向の同極性の電
圧も発生しているので、圧電振動梁４、５に発生した逆
極性の電圧は加算回路１４で加算されて打ち消されると
共に、同極性の電圧は加算回路１４で加算されて、圧電
駆動梁２、３に印加される駆動電圧とほぼ同相の信号を
出力する。この信号を移相回路１５を通して帰還するこ
とで、閉回路は自励発振回路となる。

【００５４】つぎに、図５を参照して、本発明の第２実
施例の角速度センサ２０について説明する。枠形支持体
２１の４つの内側面から矩形状の広梁部２２ａが伸びて
いる。この広梁部２２ａの上面には、第１実施例と同様
に、圧電素子２２ｃが形成されている。広梁部２２ａの
先端には、直線形状の１本のビームｂ３からなる細梁部
２２ｂが形成されている。このビーム形成梁部２２ｂの
先端は、結合部２６に結合している。この結合部２６の
下側には、振動重り２６ａが形成されている。そして、
広梁部２２ａと細梁部２２ｂは、直線状の圧電振動梁２
２を構成する。

【００５５】このビーム成形部２２ｂは、捩じれと撓み
の動作をし梁２〜５と結合部２６の間を柔らかく結合す
る。その他の作用および効果は、第１実施例における細
梁部２ｂ〜５ｂの作用および効果と同様である。

【００５６】つぎに、図６を参照して、本発明の第３実
施例の角速度センサ３０について説明する。Ｌ字型の梁
３２は、矩形状の広梁部３２ａと、この広梁部３２ａの
先端面の一つの角部から広梁部３２ａの長手方向に対し
９０゜方向に伸長する細梁部３２ｂとを有する。このＬ
字型の梁３２は、枠形支持体３１の４つの内側面に広梁
部３２ａの根元部を結合させ、細梁部３２ｂの先端を結
合部３６の角部に結合させ、全体としては渦巻き型とな
っている。そして、結合部３６の下部には振動重り３６
ａが設けられる。また、広梁部３２ａの上面には、第１
実施例と同様に圧電素子３２ｃが設けられる。

【００５７】本実施例においては、細梁部３２ｂが広梁
部３２ａの角と結合部３６の角に結合しているので、駆
動用梁の広梁部３２ａは捩れ振動をし、結合部３６（振
動重り３６ａ）は、検出用梁の細梁部３２ｂを軸として
回転するように振動する。この場合、駆動用梁の細梁部
３２ｂのビームｂ４は撓み動作をし、検出用梁のビーム
ｂ４は捩じれ作用をする。本実施例のその他の作用およ
び効果は、第１実施例における細梁部２ｂ〜５ｂの作用
および効果と同様である。

【００５８】つぎに、図７を参照して、本発明の第４実
施例の角速度センサ４０について説明する。枠形支持体
４１の４つの内側面に矩形状の広梁部４２ａの根元部が
それぞれ結合している。これらの広梁部４２ａの先端に
は、ビーム形状のビームｂ６とその両側に直線形状のビ
ームｂ５からなるリング形状のビームｂ６の細梁部４２
ｂの一方のビームｂ５が結合し、他方のビームは結合部
４６に結合している。そして、結合部４６の下部には振
動重り４６ａが設けられる。また、広梁部４２ａの上に
は、第１実施例と同様に圧電素子４２ｃが設けられる。

【００５９】本実施例においては、細梁部４２ｂは２本
のビームｂ５の捩じれにビーム６の変形が加わって容易
に捩じれ、主に２本のビームｂ５の撓みで大きく撓む。
また、細梁部４２ｂに加わる引っ張り応力に対しては、
ビームｂ６が変形して伸び、逆に細梁部４２ｂに加わわ
る圧縮応力に対してはビームｂ６が変形し、ビームｂ５
が撓む。その他の作用および効果は、第１実施例におけ
る細梁部２ｂ〜５ｂの作用および効果と同様である。

【００６０】つぎに、図８を参照して、本発明の第５実
施例の角速度センサ５０について説明する。この実施例
の特徴は、細梁部５２ｂが支持体５と広梁部５２ｂの間
に設けられる点にある。梁５２は矩形状の広梁部５２ａ
とＴ字形の細梁部５２ｂとよりなる。細梁部５２ｂの直
線形状のビームｂ８の両端が枠形支持体５１に結合し、
ビームｂ８の中央部と広梁部５２ａの間には直線形状の
ビーム７が結合している。広梁部５２ａの他端面は結合
部５６に結合している。そして、結合部５６の下部には
振動重り５６ａが設けられる。また、広梁部５２ａの上
面には、第１実施例と同様に圧電素子５２ｃが設けられ
る。

【００６１】本実施例の角速度センサ５０は、圧電振動
梁５２を２次振動モードで振動させると、４つの広梁部
５２ａと結合部５６からなる結合体は、駆動用の梁の広
梁部５２ａと細梁部５２ｂの結合部分を節ｎ１、ｎ２と
し、結合部５６の中央を節ｎ３として、屈曲振動をする
ようになる。この場合、駆動用梁の細梁部５２ｂのビー
ムｂ８が捩じれ作用をし、また検出用梁の細梁部５２ｂ
のビームｂ７が捩じれ動作をして結合体を自由振動のよ
うな形態で振動させる。本実施例のその他の作用および
効果は、第１実施例における細梁部２ｂ〜５ｂの作用お
よび効果と同様である。

【００６２】つぎに、図９を参照して、本発明の第６実
施例の角速度センサ６０について説明する。この実施例
も梁６２の細梁部６２ｂを広梁部６２ａと支持体６１の
間に設けた点に特徴がある。梁６２は、矩形状の広梁部
６２ａと、この広梁部６２ａの一方の端面の両角部から
長手方向と直角方向にそれぞれ伸びる細梁部６２ｂとよ
りなる。ビーム成形梁部６２ｂの両端がそれぞれ枠形支
持体６１の内側面に結合し、広梁部６２ａの他方の端面
は結合部６６に結合している。そして、結合部６６の下
部には振動重り６６ａが設けられる。また、広梁部６２
ａの上面には、第１実施例と同様に圧電素子６２ｃが設
けられる。

【００６３】本実施例の角速度センサ６０は、圧電振動
梁６２を２次振動モードで振動させると、第５実施例と
同様に、３つの節ｎ１、ｎ２、ｎ３を節として屈曲振動
をするようになる。Ｘ軸方向の圧電振動梁６２が屈曲振
動をするときには細梁部６２ｂのビームｂ９は捩じれ動
作をし、コリオリ力によるＹ軸方向の振動に対しては検
出用梁の細梁部６２ｂのビームｂ９が捩じれ作用をす
る。本実施例のその他の作用および効果は、第１実施例
における細梁部２ｂ〜５ｂの作用および効果と同様であ
る。

【００６４】つぎに、図１０を参照して本発明の第７実
施例の角速度センサ７０について説明する。この角速度
センサ７０は、図１に示す角速度センサ１０が４つの圧
電振動梁を備えているのに対し、３つの圧電振動梁７２
で構成したものである。圧電振動梁７２の形状は図１記
載のものとほぼ同様である。即ち、圧電振動梁７２は、
圧電素子７２ｃの形成された矩形上の広梁部７２ａと細
梁部７２ｂとよりなる。３個の圧電振動梁７２が１２０
゜の角度をもって、枠形支持体７１の内側面に、広梁部
７２ａの根元部を結合させ、細梁部７２ｂの二つの先端
部を結合部７６に結合させている。そして、この結合部
７６の下部には振動重り７６ａが形成される。

【００６５】本実施例における圧電振動梁７２の作用に
ついては、角速度センサ１０において説明したところと
同様である。また、本実施例においては、例えば、３つ
の圧電振動梁７２のうち、二つを駆動用兼検出用とし、
残りを帰還用とすることにより動作させることができ
る。

【００６６】つぎに、図１に示す角速度センサ１０の製
造方法について説明する。図１１において、５００μｍ
の厚みを有するシリコン基板１ａ、シリコン酸化膜１ｂ
および２０μｍの厚みを有する活性層１ｃの３層構造よ
りなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１ｄを用意
する。このＳＯＩ基板１ｄの活性層１ｃの上面に、スパ
ッタ法、化学気相成長法などによりシリコン酸化膜７を
形成する。

【００６７】図１２において、シリコン酸化膜７の上面
に蒸着法、スパッタ法により、厚みが０．１〜０．３μ
ｍの金（Ａｕ）／クロム（Ｃｒ）、アルミニュウム（Ａ
ｌ）などの金属膜を形成する。そして、この金属膜をフ
ォトエッチング技術を用いて加工して下部電極８を形成
する。

【００６８】図１３において、下部電極８を含むシリコ
ン酸化膜７の上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法、化学
気相成長方法などを用いて、厚みが２〜１０μｍの酸化
亜鉛（ＺｎＯ）膜９ａを形成する。この工程で圧電素子
が完成する。

【００６９】図１４において、リフトオフ法を用いて、
金（Ａｕ）／クロム（Ｃｒ）、アルミニュウム（Ａｌ）
などの金属膜により、厚みが０．１〜０．３μｍの上部
電極２ｃ（２ｄ）〜５ｃ（５ｄ）を形成する。図１５に
おいて、レジストマスクを用いてドライエッチングによ
り酸化亜鉛膜９ａをパターニングして圧電膜９を形成す
る。

【００７０】図１６において、図１に示す角速度センサ
１０の表面形状にレジストマスクｍ１を形成する。この
レジストマスクｍ１を用いて、ドライエッチングによ
り、それぞれエッチングガスを取り替えて、シリコン酸
化膜７、活性層１ｃおよびシリコン酸化膜１ａを垂直加
工する。

【００７１】図１７において、枠形支持体１および振動
重り６ａの裏面形状にレジストマスクｍ２を形成する。
このレジストマスクｍ２を用いて、ドライエッチングに
より、それぞれエッチングガスを取り替えて、シリコン
基板１ａおよびシリコン酸化膜１ａを垂直加工する。そ
して、振動重り６ａ、圧電振動梁２〜５および枠形支持
体１を形成する。

【００７２】そして、レジストマスクｍ２を酸素（Ｏ2
）アッシングにより除去して、図２のような角速度セ
ンサ１０を製造する。

【００７３】なお、上記実施例においては、圧電駆動、
圧電検出型の角速度センサを例示したが、静電駆動、静
電検出型の角速度センサ、または、これらの組み合わせ
よりなる角速度センサとして構成してもよい。この場
合、静電駆動、静電検出型の構造としては、広梁部の下
側の支持体に静電電極を設けて、この静電電極と広梁部
とに電圧を印加して梁を駆動し、検出も同様の構造のも
ので行う。

【００７４】上記の説明では、細梁部は、広梁部よりも
梁幅が狭い例を述べたが、細梁部の梁幅が広梁部の梁幅
よりも狭く且つ細梁部の厚みが広梁部の厚みよりも薄い
場合でもよい。

【００７５】

【発明の効果】請求項１に記載の発明は、梁を広梁部と
細梁部の結合体として構成しているので、梁、結合部お
よび支持体の製造時に発生する内部応力を細梁部で吸収
することができ、角速度センサを応力が内在しない状態
で安定動作させ、検出感度を安定にることができる。

【００７６】また、梁を励振して振動重りを一定の方
向、即ち、梁の伸張方向または梁と梁の間を２分する方
向に振動させた場合、細梁部が広梁部と結合部の間にあ
るときは、振動重りの振動はコリオリ力発生方向の梁の
細梁部で吸収されてその梁の広梁部には伝達されないの
で、コリオリ力を検出した検出信号に含まれる励振振動
の漏れによるオフセットやノイズを低減できる。これに
より、角速度センサの検出分解能を向上させることがで
きる。そして、コリオリ力検出の際に、振動重りを励振
振動させる梁の細梁部が変形してコリオリ力を検出する
梁の振動を抑制しないので、コリオリ力の検出感度を向
上させることができる。また、細梁部が広梁部と支持体
との間にあるときには、広梁部と結合部の結合体が支持
体から分離された如くなり、振動重りの振動エネルギー
を結合体に閉じこめ、結合体を機械的Ｑの高い状態で振
動させることができるため、コリオリ力による検出出力
を大きくすることができる。

【００７７】請求項２に記載の発明は、梁部分の内部応
力が広梁部と振動重りの間で吸収されるので、特定の梁
の広梁部による励振振動を他の梁で抑制することなく行
うことができ、また、振動重りにコリオリ力が作用した
ときには、コリオリ力を検出する梁の振動を励振振動の
梁の抑制を受けることなく行うことができる。これによ
り、各梁に於いて、励振方向の振動とコリオリ力発生方
向の振動とが相互に干渉することなく行われる。

【００７８】請求項３に記載の発明は、梁部分の内部応
力が広梁部と支持体の間で吸収されるので、広梁部と結
合部の結合体を細梁部を端部として自由振動体のように
振動させることができる。従って、結合体から支持体へ
の振動エネルギーの漏れを最小にして結合体を高い機械
的Ｑを保持した状態で振動させるこことができ、角速度
センサの検出感度を向上させることができる。

【００７９】また、特定の梁を励振振動すると、振動重
りの振動と共に全ての梁が振動するが、振動に伴う応力
は細梁部で吸収され、励振振動が支持体により抑制され
ることは殆どない。これは、振動重りにコリオリ力が作
用しているときにも同様である。

【００８０】請求項４に記載の発明は、広梁部に圧電素
子を形成したことに起因する初期応力を細梁部で吸収す
ることにより、角速度センサを初期応力が内在しない状
態で安定動作させ、角速度感度を安定にることができ
る。特に、圧電素子を形成した広梁部においては、励振
周波数に対する励振振幅のヒステリシス特性を小さく
し、このヒステリシス特性による梁の不安定な励振振動
を細梁部により軽減することができる。

【００８１】また、温度変化により圧電素子を形成した
広梁部の初期応力が大きく変化しても、その初期応力は
細梁部で吸収されるので、励振振動する梁の共振周波数
とコリオリ力を検出する梁の共振周波数の変化を低減で
き、角速度センサの出力の温度変化に起因するドリフト
を小さくすると共に、検出感度の温度依存性を改善し検
出感度を安定にすることができる。

【００８２】請求項５に記載の発明は、各広梁部に圧電
素子を形成し、梁を励振振動させる圧電素子とコリオリ
力を検出する圧電素子を分離することができる。この場
合にも、細梁部の働きにより、検出用梁の圧電素子に加
わる不要な振動を軽減することができる。

【００８３】請求項６に記載の発明は、十字型結合体と
支持体との間に細梁部が設けられているから、支持体に
よる結合体の励振振動の抑制が軽減され、圧電素子によ
り効率よく結合体を振動させることができる。

【００８４】請求項７に記載の発明は、ビーム成形体の
構成により、梁のねじれ、撓み、伸び、圧縮など自在な
変形に対応できるので、梁の内部応力及び初期応力を吸
収し、また、他の梁の干渉を最小限にでき、詳述すれ
ば、広梁部と結合部または支持体の機械的結合を弱く
し、一つの広梁部の振動が他の広梁部に応力を生じさせ
ることがなくなる。

【００８５】請求項８に記載の発明は、ビーム成形体
は、自在に変形し、不要な力の伝達を軽減し、必要な力
の伝達をする効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の角速度センサの第１実施例の斜視図

【図２】 図１のＸ１−Ｘ１線断面形態図

【図３】 第１実施例の角速度センサの一つの動作ブロ
ック回路図

【図４】 同じく、第１実施例の角速度センサの他の動
作ブロック回路図

【図５】 本発明の角速度センサの第2実施例の平面図

【図６】 本発明の角速度センサの第３実施例の平面図

【図７】 本発明の角速度センサの第４実施例の平面図

【図８】 本発明の角速度センサの第5実施例の平面図

【図９】 本発明の角速度センサの第6実施例の平面図

【図１０】 本発明の角速度センサの第7実施例の平面
図

【図１１】 SOI基板にシリコン酸化膜を形成する工程
図

【図１２】 下部電極を形成する工程図

【図１３】 酸化亜鉛膜を形成する工程図

【図１４】 上部電極を形成する工程図

【図１５】 酸化亜鉛膜を形成する工程図

【図１６】 活性層などを垂直加工して梁などを形成す
る工程図

【図１７】 シリコン基板を垂直加工して、振動重り、
梁およぴ枠形支持体を形成する工程図

【図１８】 従来の角速度センサの平面図

【図１９】 図１８のＸ２−Ｘ２線断面による振動形態
図

【符号の説明】

１、２１、３１、４１、５１、６１、７１ 枠形支
持体 １ａ シリコ
ン基板 １ｂ シリコ
ン酸化膜 １ｃ 活性層 ２〜５、２２、３２、４２、５２、６２、７２ 梁
（圧電振動梁） ２ａ〜５ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ、５２ａ、６２
ａ、７２ａ 庄電梁部 ２ｂ〜５ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ、５２ｂ、６２
ｂ、７２ｂ ビーム成形梁部 ２ｃ〜５ｃ、２ｄ〜５ｄ 上部電極 ６、２６、３６、４６、５６、６６、７６ 結合部 ６ａ、２６ａ、３６ａ、４６ａ、５６ａ、６６ａ、７６
ａ 振動重り ７ シリコン酸化膜 ８ 下部電極 ９ 圧電膜 １０〜７０ 加速度センサ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持体と、該支持体に個別に支持されて
   いる複数の梁と、該複数の梁が共通結合している結合部
   と、該結合部に形成された振動重りと、よりなる角速度
   センサにおいて、 前記各梁は、広梁部と、この広梁部よりも細い細梁部
   と、よりなることを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記各梁の細梁部は前記結合部に結合
   し、前記広梁部は前記支持体に結合していることを特徴
   とする請求項１に記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記各梁の細梁部は前記支持体に結合
   し、前記広梁部は前記結合部に結合していることを特徴
   とする請求項１に記載の角速度センサ。
4. 【請求項４】 少なくとも１つの梁の広梁部に少なくと
   も１つの圧電素子を形成したことを特徴とする請求項
   １、請求項２または請求項３に記載の角速度センサ。
5. 【請求項５】 支持体と、該支持体に個別に支持されて
   いる４つの梁と、該４つの梁が直交するように結合して
   いる結合部と、該結合部に形成された振動重りと、から
   なる角速度センサにおいて、 前記各梁は、広梁部と細梁部からなり、広梁部の一端を
   支持体に結合すると共に広梁部と結合部の間に細梁部を
   結合し、各広梁部には少なくとも１つの圧電素子を形成
   してなることを特徴とする角速度センサ。
6. 【請求項６】 支持体と、該支持体に個別に支持されて
   いる４つの梁と、該４つの梁が直交するように結合して
   いる結合部と、該結合部に形成された振動重りと、から
   なる角速度センサにおいて、 前記各梁は、広梁部と細梁部からなり、広梁部の一端を
   結合部に結合して十字型の結合体とすると共に広梁部と
   支持体の間に細梁部を結合し、各広梁部には少なくとも
   １つの圧電素子を形成してなることを特徴とする角速度
   センサ。
7. 【請求項７】 細梁部は、少なくとも１つのビームで構
   成したビーム成形体であることを特徴とする請求項１乃
   至請求項６の何れか１つに記載の角速度センサ。
8. 【請求項８】 ビーム成形体は、直線形状、Ｙ字形状、
   Ｔ字形状、直線とリングとの結合形状などの少なくとも
   一つのビームで構成したことを特徴とする請求項７に記
   載の角速度センサ。