JP2002213962A - 角速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の質量部を連結して２軸周りの角速度を
検出することにより、センサの検出性能を高めつつ、そ
の小型化、コストダウンを図る。 【解決手段】 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によって連結し、支
持梁７の節部７Ａを固定部１１によって基板２に固定す
る。また、振動発生部１５は、質量部３，５と質量部
４，６とを支持梁７を介して互いに逆位相で振動させ
る。そして、角速度検出部１９は、中央質量部３が支持
梁９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Ω1として検出し、角速度検出部２３は、外
側質量部４が捩れ支持梁１０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Ω2として検出す
る。これにより、角速度センサ１は、２軸周りの角速度
Ω1，Ω2を同時に検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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及
びその製造方法に関する。

【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及びその製造方法を提
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Ｙ軸方向に並んで配置され振動発生手段によ
ってＸ軸方向に互いに逆位相で振動する複数の質量部
と、該各質量部を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、
前記複数の質量部のうち一部の質量部と前記Ｘ軸方向支
持梁との間に設けられ該一部の質量部をＹ軸方向に変位
可能に支持するＹ軸方向支持梁と、前記複数の質量部の
うち残余の質量部と前記Ｘ軸方向支持梁との間に設けら
れ該残余の質量部をＺ軸方向に変位可能に支持するＺ軸
方向支持梁と、前記一部の質量部に角速度が作用すると
きに該一部の質量部が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、前記残
余の質量部に角速度が作用するときに該残余の質量部が
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の検出手段とからなる構成を採用している。

【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
に隣合う質量部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、各質量部のうち一部の質量部は、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、各質量部のうち残余の質量
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、請求項２の発明によると、固定部は
Ｘ軸方向支持梁のうち前記各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前記基板に接続する構
成としている。

【００１０】この場合、各質量部が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、該各質量部間で
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。

【００１１】また、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
れ前記残余の質量部を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。

【００１２】これにより、センサにＹ軸周りの角速度が
加わって前記残余の質量部にＺ軸方向のコリオリ力が付
加されるときに、この質量部は、Ｚ軸方向支持梁が捩れ
るように変形することにより、Ｚ軸方向支持梁を支点と
してＺ軸方向に揺動でき、基板に対し近接、離間するこ
とができる。

【００１３】さらに、請求項４の発明によると、一部の
質量部はＹ軸方向に対して中央に位置する第１の質量部
によって構成し、前記残余の質量部はＹ軸方向に対して
該第１の質量部の両側に位置する第２の質量部によって
構成している。

【００１４】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５の発明では、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の質量部の周囲に位置する第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、請求項６の発明によると、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。

【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７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。

【００２１】一方、請求項８に係る製造方法は、基板上
に配置した複数の質量部を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互いに連結し該各質
量部と支持梁とを固定部によって基板上に接続すると共
に、前記各質量部のうち一部の質量部がＹ軸方向に変位
するときの変位量を第１の検出手段によりＺ軸周りの角
速度として検出し、前記各質量部のうち残余の質量部が
Ｚ軸方向に変位するときの変位量を第２の検出手段によ
りＹ軸周りの角速度として検出してなる角速度センサの
製造方法であって、前記基板の表面には前記各質量部と
各支持梁とを基板から離して配置するための凹陥部を形
成し、該凹陥部には前記第２の検出手段となる電極を形
成し、前記基板の表面には該電極と対面して加工用基板
を接合し、該加工用基板にエッチング処理を施して前記
凹陥部に対応する位置に前記各質量部、各支持梁、固定
部および第１の検出手段を形成する構成としている。

【００２２】これにより、例えば基板の表面側に研削等
の加工を施すことによって凹陥部を形成でき、この凹陥
部に金属膜等を用いて第２の検出手段となる電極を形成
することができる。そして、この基板上に接合した加工
用基板にエッチング処理を施すことにより、基板上に
は、各質量部、各支持梁、固定部および第１の検出手段
を１回のエッチング工程でほぼ同時に形成でき、これら
の部材を基板の凹陥部により該基板から離して配置する
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１
８，２２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３
Ｂ，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１
７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１８
０°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１３，１４，１
７，１８，２２、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２
３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Ω
1，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１
０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、基板上に配置した複数の質量部のうち一部の質量
部をＹ軸方向支持梁によってＸ軸方向支持梁と連結し、
各質量部のうち残余の質量部をＺ軸方向支持梁によって
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、各質量部のうち一部の質
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、各質量部のうち残余の質量部が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、各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、請求項２の発明によれば、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。

【００７７】また、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
れ残余の質量部を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。

【００７８】さらに、請求項４の発明によれば、一部の
質量部はＹ軸方向に対して中央に位置する第１の質量部
によって構成し、前記残余の質量部はＹ軸方向に対して
該第１の質量部の両側に位置する第２の質量部によって
構成したので、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５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、請求項６の発明によれば、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７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。

【００８２】一方、請求項８に係る製造方法によれば、
基板の表面には凹陥部と電極とを形成して加工用基板を
接合し、該加工用基板にエッチング処理を施して凹陥部
に対応する位置に各質量部、各支持梁、固定部および第
１の検出手段を形成する構成としたので、加工用基板に
対して１回のエッチング処理を行うだけで、各質量部、
各支持梁等をほぼ同時に形成できると共に、これらの質
量部、支持梁等を基板の凹陥部により該基板から離して
配置でき、角速度センサ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。

【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 (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   Ｙ軸方向に並んで配置され振動発生手段によってＸ軸方
   向に互いに逆位相で振動する複数の質量部と、該各質量
   部を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、前記複数の質
   量部のうち一部の質量部と前記Ｘ軸方向支持梁との間に
   設けられ該一部の質量部をＹ軸方向に変位可能に支持す
   るＹ軸方向支持梁と、前記複数の質量部のうち残余の質
   量部と前記Ｘ軸方向支持梁との間に設けられ該残余の質
   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、前記一部の質量部に角速度が作用するときに該一部
   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、前記残余の質量部
   に角速度が作用するときに該残余の質量部が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
   の検出手段とによって構成してなる角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記固定部はＸ軸方向支持梁のうち前記
   各質量部が互いに逆位相で振動するときの節に対応する
   部位を前記基板に接続する構成としてなる請求項１に記
   載の角速度センサ。
3. 【請求項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残余の質量部を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。
4. 【請求項４】 前記一部の質量部はＹ軸方向に対して中
   央に位置する第１の質量部によって構成し、前記残余の
   質量部はＹ軸方向に対して該第１の質量部の両側に位置
   する第２の質量部によって構成してなる請求項１，２ま
   たは３に記載の角速度センサ。
5. 【請求項５】 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
   部の周囲に位置する第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す
   る構成としてなる角速度センサ。
6. 【請求項６】 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請求項５に記載の角速度センサ。
7. 【請求項７】 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５または６に記載の角速度センサ。
8. 【請求項８】 基板上に配置した複数の質量部を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
   て互いに連結し該各質量部と支持梁とを固定部によって
   基板上に接続すると共に、前記各質量部のうち一部の質
   量部がＹ軸方向に変位するときの変位量を第１の検出手
   段によりＺ軸周りの角速度として検出し、前記各質量部
   のうち残余の質量部がＺ軸方向に変位するときの変位量
   を第２の検出手段によりＹ軸周りの角速度として検出し
   てなる角速度センサの製造方法であって、 前記基板の表面には前記各質量部と各支持梁とを基板か
   ら離して配置するための凹陥部を形成し、該凹陥部には
   前記第２の検出手段となる電極を形成し、前記基板の表
   面には該電極と対面して加工用基板を接合し、該加工用
   基板にエッチング処理を施して前記凹陥部に対応する位
   置に前記各質量部、各支持梁、固定部および第１の検出
   手段を形成する構成としてなる角速度センサの製造方
   法。