JP2004205492A - 水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は移動体の回転による角速度及び角加速度を感知するためのマイクロジャイロスコープに関するもので、とりわけ音叉ジャイロにおいて感知モードの共振方向と加振モードの共振方向とが同平面上となる水平型モードに具現した水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープに関するものである。
【解決手段】 本発明は、基板（１０５）；固定部（１１０）；外部弾性部材（１２０）；外部フレーム部（１３０）；感知電極部（１４０）；内部弾性部材（１５０）；櫛歯構造の加振コームを各々有す一対の第１、第２内部質量体を含む内部質量部（１６０）；櫛歯構造のコーム加振器（ｃｏｍｂ ｄｒｉｖｅ）を含む加振電極部（１７０）；を備えることを要旨とする。このように構成された本発明によると、音叉ジャイロにおいて感知モードの共振方向と加振モードの共振方向とが同平面上となる水平型モードに具現することできる。
【選択図】 図１

Description

本発明は移動体の回転による角速度及び角加速度を感知するためのマイクロジャイロスコープに関するもので、とりわけ音叉ジャイロにおいて感知モードの共振方向と加振モードの共振方向とが同平面上となる水平型モードに具現することで、工程中決定される垂直方向の厚さ変化に鈍くなり感知特性の向上を図る水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープに関するものである。

一般に、ジャイロスコープ（Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）は移動体の回転による角速度または角加速度を感知するためのセンサとして利用されているが、こうしたジャイロスコープの種類には作用する力の種類によって機械式ジャイロ（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｇｙｒｏ）と振動式ジャイロ（ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｇｙｒｏ）とに区分され、また前記振動式ジャイロは再び製造工程によってセラミックジャイロ（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｇｙｒｏ）と半導体製造工程を用いたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）型ジャイロとに分かれる。さらに、振動式ジャイロは作用する力の方向によって水平ジャイロ（Ｌａｔｅｒａｌ Ｇｙｒｏ）と垂直ジャイロ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｙｒｏ）とに区分されるが、前記水平ジャイロは速度の水平面と水平な方向のコリオリ力を利用し、前記垂直ジャイロは速度の水平面と垂直な方向のコリオリ力を利用する。

前記振動式ジャイロに利用されるコリオリ力（Ｋｏｒｉｏｌｒｉ−ｆｏｒｃｅ）は「Ｆｃ＝２ｍΩ・Ｖ」 式から求めることができ、ここでｍは移動体の重さ、Ωは角速度、Ｖは速度である。前記コリオリ力（Ｆｃ）の方向は速度（Ｖ）軸及び角速度（Ω）の回転軸によって決まる。こうした振動式ジャイロは通常揺れを感知して補償するための装置に適用される。

一方、こうした振動式ジャイロは大きく固定構造物と振動構造物とに分かれるが、ここで、振動構造物は加振のための構造及び感知のための構造を含み、前記加振構造は加振モードで感知条件を形成すべく振動構造物を磁力発振により共振させるための構造であり、前記感知構造は移動体の揺れに当る加速度または角加速度の垂直方向に作用するコリオリ力（Ｆ）により振動構造物を共振させるための構造である。ここで、加振モードの共振と感知モードの共振とは互いに垂直方向をなし、前記コリオリ力（Ｆｃ）の大きさによってキャパシタの大きさを測定する。こうした振動式ジャイロにおいて感知能力を向上させるためには、加振モードでの動きを大きくさせ、感知モードでの感度を良好にさせなければならない。

前記加振モードにおいて、ジャイロスコープの電圧検出方式には、コリオリ力に当るキャパシタンスを測定して電圧に変化させる方式と、コリオリ力による動きを抑制するのに必要な電圧を測定するリバランス（ｒｅｂａｌａｎｃｅ）方式がある。こうした振動式ジャイロはカムコーダの手振れ防止装置、自動車用エアーバッグ（Ｒｏｌｌ−ｏｖｅｒ ａｉｒｂａｇ）装置、おもちゃ等の無人飛行機、そして仮想表示眼鏡（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ）などに適用される。

他方、振動型ジャイロの構成にあたって、ジャイロは一定方向での角速度を測定するセンサなので、測定したい方向以外の角速度や運動に対しては反応が鈍くなければならないが、こうした測定したい方向以外の運動に対する敏感度をクロストーク（Ｃｒｏｓｓ Ｔａｌｋ）あるいはクロスセンシティビティ（Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）と定義し、物理量を測定するセンサにおいてその数値を最小化させ製品仕様においてある一定の数値以下に規制している。

以下、従来のマイクロジャイロスコープについて説明する。図１３は従来の水平型マイクロジャイロスコープの平面図である。図１３によると、従来の水平型マイクロジャイロスコープ（５１０）は基板と、互いに並列配置される第１及び第２ストライプポーション（ｓｔｒｉｐｅ ｐｏｒｔｉｏｎ）（５１５、５１５’）を含み、これらストライプポーション（５１５、５１５’）の一側に各々形成された第１及び第２コーム（ｃｏｍｂｓ）（５２０、５２１）を含んで前記第１及び第２ストライプポーション（５１５、５１５’）を連結するための連結ポーション（５１６）を含む振動構造（５３０）と、前記基板から設定間隔ほど離隔するよう前記振動手段（５３０）を弾性的に支持する弾性手段（５１１、５１２、５１２’）と、弾性力に起因する一方向に前記振動手段（５３０）を適用すべく前記第１ストライプポーション（５１５）の第１コーム（５２０）の間に挿入された第３コーム（５１９）を含む駆動手段（５１３）と、キャパシタンスの変化に応じて前記駆動手段（５１３）により駆動される前記振動構造（５３０）の動きを感知すべく前記第２ストライプ（５１５’）の第２コーム（５２２）の間に挿入された第４コーム（５２１）を含む感知手段（５１４）と、キャパシタンスの変化に応じてコリオリ力に起因する前記振動構造（５３０）の位置変更を感知すべく設定間隔ほど前記振動構造（５３０）から離隔する前記振動構造（５３０）と同一面上において前記振動構造（５３０）の連結ポーション（５１６）の間に配置された複数の感知電極（５１８）とで成る。これについた詳細な説明は米国特許第５７４７６９０Ａ号に記載されている。

こうした技術に係る従来のマイクロジャイロスコープは、図１３のように、水平方向（Ｘ）にコーム（５２１）を使って加振するようになり、また垂直方向（Ｙ）に誘発される振動構造（５３０）のコリオリー振動を感知電極（５１８）から感知できるようにする。即ち、浮遊質量（５３０）の両面に位置するコーム（５１９）（５２０）（５２１）（５２２）に交流電圧を印加して浮遊質量がＸ軸方向に振動する場合、Ｚ軸方向の角速度が印加されると、コリオリ力により質量は振動周波数でＹ軸方向に振動するようになり、この際、前記振動範囲は印加された角速度に比例して質量のＹ軸方向の振動を感知電極（５１８）から振動周波数で検出することにより、角速度信号を得られるのである。

しかし、このような従来の水平型マイクロジャイロスコープにおいて、振動モードをみると、Ｘ方向に初期振動して外部の角速度が印加されて生じるコリオリー運動により質量体はＹ方向に振動しながら角速度を感知するので、こうした方式により角速度を検出する際にＸ、Ｙ方向に、とりわけ敏感なＹ方向に振動が伝わると影響が直ちに出力に現れる現象が起こるが、外部振動中とりわけ固有振動数付近の振動に弱く他の周波数帯域は電気的フィルターを設けて減少させられるが、ジャイロの原理上固有振動数（共振周波数）の信号に変調（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）されて角速度信号が発生するので、電気的に相殺不可能な成分が存在し感知能力を劣らせる問題を抱えている。

図１４は従来の音叉型マイクロジャイロスコープの平面図である。図１４によると従来の音叉型マイクロジャイロスコープは、第１軸周囲を回転するよう吊られ実質的に前記第１軸の垂直方向に振動するよう適用された加重質量体（５６４、５６６）と、振動方向に前記加重質量体（５６４、５６６）から突出した一対の駆動電極（ｄｒｉｖｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）（５３６、５３８）と、前記一対の駆動電極（５３６、５３８）と噛み合う一対の駆動電極（ｄｒｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）（５５１、５５２）と、前記加重質量体（５６４、５６６）の振動を誘導する信号と反対の極を成し前記加重質量体（５６４、５６６）と前記一対の駆動電極（５３６、５３８）及び一対の駆動電極（５５１、５５２）を通して接続される駆動電子回路（５７１）と、前記加重質量体（５６４、５６６）と向き合う位置に設けられる複数の位置センサ（５４１、５４２、５４３、５４４）と、前記複数の位置センサのうち、少なくとも１つのサブセットに応答する感知電子回路（５７２）とを含む。これについての詳細な説明は米国特許第５３４９８５５Ａ号に記載されている。

こうした従来の音叉型マイクロジャイロスコープは音叉（Ｔｕｎｉｎｇ Ｆｏｒｋ）型振動モードを用いるが、この音叉モードにおいて、感知（Ｓｅｎｓｉｎｇ）するモードが底と垂直な方向に形成される。こうしたマイクロジャイロスコープは駆動モードの方向は水平、感知モードの方向が垂直な特性を有する構造物を含み、こうした構造物では前記両方向の周波数が同一の際に最大出力が生じるので、製作工程後に電気的に或いは再工程を経て同一もしくは類似に共振周波数を合わせるチューニング作業を行う。

ところで、水平方向と垂直方向の共振周波数を同一に合わせなければならないが、感知モードと加振モードの方向が各々水平と垂直となっており、こうした水平及び垂直方向に振動するスプリングなどの弾性体の高さ及び厚さを同じく製作しなければならなく、これは周波数チューニング（Ｔｕｎｉｎｇ）作業を困難にする要因となる。また、水平方向の周波数は構造物の食刻工程に敏感で、垂直方向の共振周波数は構造物の厚さを決める蒸着やメッキや研磨（Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程により決まるので両工程の管理を徹底させなければならないが、実際の工程管理は大変難しく、感知電極が一方に形成されるので大きい角速度が印加されて垂直方向の振動が大きくなると測定において非線形性があらわれる問題がある。

前述のように従来のジャイロにおいては、外部振動や音響ノイズによりジャイロ構造物に振動が伝わり測定したい角速度以外の信号が問題になるほど大きくなることが判り、実際の用途でこうした振動や音響ノイズによる異常信号の発生は製品としての機能に致命的な悪影響を及ぼす。

本発明は前記問題点を解決すべく案出されたもので、本発明の目的は、感知モードの共振方向と加振モードの共振方向とが同平面を成す水平型モードで具現することにより、工程上で決まる垂直方向の厚さ変化に鈍く感知特性の向上される水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープを提供することにある。

本発明の他の目的は、外部振動や音響ノイズによる影響を最小化できる水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープを提供することにある。

上述の如く本発明によれば、加振及び感知方向が全て水平方向となる為、加振モードと感知モードの周波数を決定する弾性体と質量の動力学的特性が一度の工程により定まり工程において線幅の変化が同じ方向にあらわれるので、工程の変化に鈍く特性変化を起こす。工程で線幅が縮減したり拡大する結果において加振モードと感知モードが同一にあらわれて動力学的特性である弾性体の剛性、質量の大きさが同じく減少あるいは増加する。この際、共振周波数は構造物の厚さの関数ではないので構造物の厚さ変化に対する特性変化は実際の工程においてもほぼ無くなる。さらに、加振及び感知モードに音叉モードを用いるので外部振動や音響ノイズの影響を最小化でき、相互対向する２つの質量の運動を音叉モードに用いるので外部振動に対して鈍くなり外部振動による変位が生じても電気的に感知電極で相殺する効果を奏する。

そればかりでなく、本発明に提示する内部弾性体の構造を２つの質量体の連動を保障すべくπ形状に具現して安定的な音叉モードで質量を運動させ、こうしてπ形状の弾性体形状から得られる利点として内部質量を連動させ安定的な音叉モードで質量を運動させ動力学的にノダルポイント（Ｎｏｄａｌ Ｐｏｉｎｔ）（振動モードにおいて動かない点）を支持する構造を有することから外部振動に対して音叉モードは理論的に全く影響を受けない。

前記本発明の目的を成し遂げるための技術的な手段として、本発明の第１特徴は、実質的に垂直なＸ軸及びＹ軸による水平方向の平面構造を成す基板；前記基板に固定される複数の固定パッドを含む固定部；前記固定部の各固定パッドに一端が連結された複数の外部弾性体を含む外部弾性部材；実質的に四角形状から成り、前記外部弾性部材の複数の外部弾性体の各他端に連結されて前記基板から一定間隔浮いており、その外側に形成された櫛歯構造の振動電極フィンガーを有する加振電極を含む外部フレーム部；前記外部フレーム部の櫛歯構造の振動電極フィンガーから設定間隔ほど離隔しながら相互噛み合う櫛歯構造に形成された複数の感知電極を含む感知電極部；前記外部フレームの内側に連結された複数の内部弾性体を含む内部弾性部材；前記内部弾性部材の複数の内部弾性体に連結され櫛歯構造の加振コームを各々有する一対の第１、第２内部質量体を含む内部質量部；及び、前記内部質量部の各内部質量体の加振コームの各々に設定間隔ほど離隔し噛み合う櫛歯構造のコーム加振器を有する第１、第２加振電極を含む加振電極部を具備することを特徴とする水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープを提供することにある。

さらに、本発明の第２特徴は、実質的に垂直なＸ軸及びＹ軸による水平方向の平面構造を成す基板；前記基板に固定される複数の固定パッドを含む固定部；前記固定部の各固定パッドに一端が連結された複数の外部弾性体を含む外部弾性部材；実質的に円形状から成り、前記外部弾性部材の複数の外部弾性体の各他端に連結されて前記基板から一定間隔浮いており、その外側に形成された櫛歯構造の加振電極フィンガーを有する加振電極を含む外部フレーム部；前記外部フレーム部の櫛歯構造の加振電極フィンガーから設定間隔ほど離隔しながら相互噛み合う櫛歯構造に形成された加振電極フィンガーを有する加振電極部；前記外部フレームの内側に連結された複数の内部弾性体を含む内部弾性部材；前記内部弾性部材の複数の内部弾性体に連結され、櫛歯構造の振動電極フィンガーを各々有する一対の第１、第２内部質量体を含む内部質量部；及び、前記内部質量部の各内部質量体の振動電極フィンガーに設定間隔ほど離隔しながら噛み合う櫛歯構造の感知電極フィンガーを含む第１、第２感知電極を含む感知電極部を具備することを特徴とする水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープを提供することにある。

以下、本発明の各実施例による水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープについて添付図面を基に詳しく説明する。本発明では一対の質量体が水平面上で相互に反対方向に振動する音叉モードを用いるが、こうした音叉モードの利点は質量体が相互に向き合って運動する為、外部振動の影響に鈍いことといえる。そして、感知モードに用いる２次共振モードも回転運動をするので線形的な外部振動による影響を最小化でき、また音叉モードを用いるためには内部の２個の質量体がより正確に連動（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）運動しなければならない。こうしたジャイロの構成について幾つかの実施例を基に下記に説明する。

本発明の外部フレーム部と一対の内部質量体は、外部弾性部材及び内部弾性部材に弾性支持されて運動が許されており、前記質量体の大きさと各弾性体の剛性を調整して質量体の運動に対する振動モードと共振周波数を決定することができる。とりわけ、外部フレーム部に連結されながら一対の内部質量体を連結する内部弾性部材の形状は本発明の重要な事項で、一対の内部質量体が音叉モードで共振できるよう両質量体に連動された形となる。下記に説明する外部及び内部弾性部材の形状は、変位の大きい振動方向には折られた形状（Ｆｏｌｄｅｄ）の弾性体構造を成し、それほど大きくない振動方向には直線の弾性体構造を成し、こうした構造の結合から弾性部材が形成される。

図１は本発明の第１実施例による水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープの平面図である。図１によると、本発明の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープは、実質的に垂直なＸ軸及びＹ軸による水平方向の平面構造を有する基板（１０５）と、前記基板に固定される複数の固定パッド（１１１〜１１４）を含む固定部（１１０）と、前記固定部（１１０）の各固定パッド（１１１〜１１４）に一端が連結された複数の外部弾性体（１２１〜１２４）を含む外部弾性部材（１２０）と、実質的に四角形状から成り、前記外部弾性部材（１２０）の複数の外部弾性体（１２１〜１２４）の各他端に連結されて前記基板（１０５）から一定間隔浮いており、その外側に形成された櫛歯構造の振動電極フィンガー（１３５）を有す外部フレーム部（１３０）と、前記外部フレーム部（１３０）の櫛歯構造の振動電極フィンガー（１３５）に設定間隔ほど離隔しながら相互噛み合う櫛歯構造に形成された複数の感知電極（１４１〜１４４）を含む感知電極部（１４０）と、前記外部フレーム（１３０）の内側に連結された複数の内部弾性体（１５１〜１５６）を含む内部弾性部材（１５０）と、前記内部弾性部材（１５０）の複数の内部弾性体（１５１〜１５６）の各他端に連結され、櫛歯構造の加振コームを各々有する一対の第１、第２内部質量体（１６１、１６２）を含む内部質量部（１６０）と、前記内部質量部（１６０）の各内部質量体（１６１、１６２）の加振コームの各々に設定間隔ほど離隔しながら噛み合う櫛歯構造のコーム加振器を有する第１、第２加振電極（１７１、１７２）を含む加振電極部（１７０）を具備する。

前記外部弾性部材（１２０）は前記外部フレーム部（１３０）の各辺外側中央に各々連結される第１〜第４外部弾性体（１２１〜１２４）を含み、前記各弾性体は実質的に同一構造から成る。

前記外部フレーム部（１３０）は相互に離隔したＸ軸方向の２個の辺（１３１、１３２）と相互離隔したＹ軸方向の２個の辺（１３３、１３４）とを含む実質的な四角形状から成り、前記外部フレーム部（１３０）の振動電極フィンガーは前記Ｘ軸方向の２個の各辺（１３１、１３２）の外側一部でＹ軸方向に配列された櫛歯構造に形成される。

前記内部弾性部材（１５０）の複数の内部弾性体は前記外部フレーム部（１３０）の辺中Ｙ軸方向の２辺（１３３、１３４）各々の両端部から内側に延長される第１〜４内部弾性体（１５１〜１５４）と、前記外部フレーム部（１３０）の辺中Ｙ軸方向の２辺（１３３、１３４）各々の中央から内側に延長される第５、第６内部弾性体（１５５、１５６）を含む。そして、図中のフィードバック電極部（１８０）は前記内部質量部（１６０）の一対の内部質量体（１６１、１６２）の間に形成される。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）は図１３の内部弾性部材の拡大図である。図１及び図２（Ａ）によると、前記第１〜第４内部弾性体（１５１〜１５４）各々は相互対応する実質的に同じ構造から成り、前記第１〜第４内部弾性体（１５１〜１５４）中第１内部弾性体（１５１）は前記外部フレーム部（１３０）のＹ軸方向の２辺（１３３、１３４）内側にＸ軸方向に連結される外側連結部（１５１Ａ）と、前記内部質量部（１６０）の外側に連結されＹ軸方向に連結される内側連結部（１５１Ｂ）と、前記内側連結部（１５１Ｂ）の端部からＸ軸方向に延長される延長部（１５１Ｃ）と、前記外側連結部（１５１Ａ）と延長部（１５１Ｃ）とを連結するための折り曲げ形状の連結部（１５１Ｄ）とを含む。

さらに、前記第２〜第４内部弾性体（１５２〜１５４）も前記第１内部弾性体（１５１）のような外側連結部、内側連結部、延長部及び折り曲げ形状の連結部を各々含み、その基本的構造は内部質量部（１６０）を均衡的に弾性支持すべく前記第１内部弾性体（１５１）と実質的に同じであるが、但し設置位置に応じて設置方向及び連結位置が異なる。このように内部弾性部材に含まれる外側連結部は延長部の長さより長く、また前記延長部は内側連結部の長さより長く形成される。そして、前記外側連結部と延長部はＸ軸方向に相互平行するよう形成されることが好ましい。

こうした前記第１〜第４内部弾性部材（１５１〜１５４）の構造は、Ｘ軸方向には振動が抑制される一方、Ｙ軸方向では相対的に大きい振動が発生するよう形成したものである。

図１及び図２（Ｂ）によると、前記第５、第６内部弾性体（１５５、１５６）各々は相互に対応する実質的に同じ構造から成り、前記第５、第６内部弾性体（１５５、１５６）中第５内部弾性体（１５５）は前記外部フレーム部（１３０）の辺中Ｙ軸方向の２辺（１３３、１３４）各々の中央内側に形成されたボディ部（ｂｏｄｙ ｐｏｒｔｉｏｎ）（１５５Ａ）と、前記ボディ部（１５５Ａ）に各々一端が連結され、前記一対の内部質量体（１６１、１６２）各々にその他端が各々連結される一対のアーム部（１５５Ｂ、１５５Ｃ）（ａｒｍ ｐｏｒｔｉｏｎ）とを含む。また、前記ボディ部（１５５Ａ）は「コ」の字形状から成り、その両端部が前記外部フレーム（１３０）の内側に連結される。

前記一対のアーム部（１５５Ｂ、１５５Ｃ）の各アーム部はＸ軸を中心に相互対称構造から成り、この一対のアーム部（１５５Ｂ、１５５Ｃ）中いずれか（１５５Ｂ）は前記ボディ部（１５５Ａ）に連結されＸ軸方向への長さを有す外側連結部（１５５Ｂ−１）と、前記内部質量部（１６０）の外側に連結されてＸ軸方向の長さを有する内側連結部（１５５Ｂ−２）と、前記内側連結部（１５５Ｂ−２）と前記外側連結部（１５５Ｂ−１）とを連結するための折り曲げ形状の連結部（１５５Ｂ−３）とを含む。前記外側連結部（１５５Ｂ−１）は内側連結部（１５５Ｂ−２）の長さより長く形成される。また、前記第５、第６内部弾性体（１５５、１５６）の一対のアーム部は連結された一対の内部質量体（１６１、１６２）が相互に連動され音叉モードで動作するよう同一の幅構造から成ることが好ましい。そして、前記第５、第６内部弾性体（１５５、１５６）各々はそのボディ部と一対のアーム部によりπ形状とされることが好ましい。

これによる前記第５、第６内部弾性部材（１５５、１５６）の構造はＸ軸方向には振動が抑制され、逆にＹ軸方向には相対的に大きい振動が発生されるよう形成されることが分かり、従って、前述した本発明の内部弾性部材（１５１〜１５６）の構造はＹ軸方向に大きい振動を許して水平方向中Ｙ軸方向に一対の内部質量体が音叉モードで加振されることができる。

図３（Ａ）、（Ｂ）は図１の内部質量部（１６０）及び加振電極部（１７０）の拡大図である。図１及び図３（Ａ）、（Ｂ）によると、前記内部質量部（１６０）は一対の第１、第２内部質量体（１６１、１６２）を含むが、この一対の第１、第２内部質量体（１６１、１６２）はより正確な加振及び感知のために相互対称となる実質的に同じ構造で形成することが好ましい。

図１及び図３（Ａ）によると、前記第１内部質量体（１６１）は前記内部弾性部材（１５０）の第５及び第６内部弾性体（１５５、１５６）各々の一アーム部に各一端が連結され、前記第１及び第２内部弾性体（１５１、１５２）に各他端が連結され、相互離隔したＹ軸方向の２個の質量体フレーム（１６１Ａ、１６１Ｂ）と、前記２個の質量体フレーム（１６１Ａ、１６１Ｂ）の間からＸ軸方向に延長されるフレーム加振梁（１６１Ｃ、１６１Ｄ）と、前記フレーム加振梁（１６１Ｃ、１６１Ｄ）に沿ってＸ軸方向に反復配列された櫛歯構造の加振コーム（ＤＣ１、ＤＣ２）と、前記２個の質量体フレーム（１６１Ａ、１６１Ｂ）をＸ軸方向に相互連結し、前記フレーム加振梁（１６１Ｃ、１６１Ｄ）と一定間隔ほど離隔するよう設置されるフレーム感知梁（１６１Ｅ）と、前記フレーム感知梁（１６１Ｅ）にＸ軸方向に反復配列されたフィードバックコーム（ＦＣ１）とを含む。ここで、前記フレーム加振梁（１６１Ｃ、１６１Ｄ）中いずれか（１６１Ｃ）は前記２個の質量体フレーム（１６１Ａ、１６１Ｂ）をＸ軸方向に連結する構造とすることができる。

さらに、図１及び図３（Ａ）によると、前記加振電極部（１７０）の第１加振電極（１７１）は前記基板に固定され、前記第１質量体（１６１）の両側の質量体フレーム（１６１Ａ、１６１Ｂ）の間に設置される加振電極パッド（１７１Ａ）と、前記加振電極パッド（１７１Ａ）から前記フレーム加振梁（１６１Ｃ、１６１Ｄ）と一定間隔ほど離隔しながらＸ軸方向に一定の長さで延長される加振電極梁（１７１Ｂ、１７１Ｃ）と、前記加振電極梁（１７１Ｂ、１７１Ｃ）の長さ方向に沿って反復配列される櫛歯構造のコーム加振器（ＣＤ１、ＣＤ２）とを含む。

図１及び図３（Ｂ）によると、前記第２内部質量体（１６２）は前記内部弾性部材（１５０）の第５及び第６内部弾性体（１５５、１５６）各々の他アーム部に各一端が連結され、前記第３及び第４内部弾性体に各他端が連結され、相互離隔したＹ軸方向の２個の質量体フレーム（１６２Ａ、１６２Ｂ）と、前記２個の質量体フレーム（１６２Ａ、１６２Ｂ）の間からＸ軸方向に延長されるフレーム加振梁（１６２Ｃ、１６２Ｄ）と、前記フレーム加振梁（１６２Ｃ、１６２Ｄ）にＸ軸方向に反復配列された加振コーム（ＤＣ３、ＤＣ４）と、前記２個の質量体フレーム（１６２Ａ、１６２Ｂ）をＸ軸方向に相互連結し、前記フレーム加振梁（１６２Ｃ、１６２Ｄ）と一定間隔ほど離隔するよう設置されるフレーム感知梁（１６２Ｅ）と、前記フレーム感知梁（１６２Ｅ）にＸ軸方向に反復配列されたフィードバックコーム（ＦＣ２）とを含む。ここで、前記フレーム加振梁（１６２Ｃ、１６２Ｄ）中いずれか（１６２Ｃ）は前記２個の質量体フレーム（１６２Ａ、１６２Ｂ）をＸ軸方向に連結する構造とすることができる。

さらに、図１及び図３（Ｂ）によると、前記加振電極部（１７０）の第２加振電極（１７２）は前記基板に固定され、前記第２質量体（１６２）の両側の質量体フレーム（１６２Ａ、１６２Ｂ）の間に設置される加振電極パッド（１７２Ａ）と、前記加振電極パッド（１７２Ａ）から前記フレーム加振梁（１６２Ｃ、１６２Ｄ）と一定間隔ほど離隔しながらＸ軸方向に一定の長さで延長される加振電極梁（１７２Ｂ、１７２Ｃ）と、前記加振電極梁（１７２Ｂ、１７２Ｃ）の長手方向に沿って反復配列される櫛歯構造のコーム加振器（ＣＤ３、ＣＤ４）とを含む。

前述した本発明のマイクロジャイロスコープの加振電極部（１７０）に加振回路部により共振周波数を有する加振信号が供給されると、前記加振電極部（１７０）と内部質量部（１６０）との間に静電力が発生し、該静電力により前記第１内部質量体（１６１）がＹ軸方向に前記加振信号の共振周波数に同期しながら加振され、また前記静電力により前記第２内部質量体（１６２）がＹ軸方向に共振周波数で加振され、この際、かかる第１内部質量体（１６１）の共振に連動し、一対の第１、第２内部質量体（１６１、１６２）がＹ軸方向に対向しながら「寄ったり遠ざかったり」する往復運動をする水平音叉モードで加振される。この場合、本発明の内部弾性部材（１５１〜１５６）の構造により前記第１、第２内部質量体（１６１、１６２）はより正確に連動する。

図４は図１の感知電極部の拡大図である。図１及び図４によると、前記感知電極部（１４０）の第１〜第４感知電極（１４１〜１４４）の各々はＹ軸及びＸ軸中心に各々対称となる実質的に同じ構造から成り、前記複数の感知電極（１４１〜１４４）中第１感知電極（１４１）は前記基板に固定された感知電極パッド（１４１Ａ）と、前記感知パッド（１４１Ａ）からＸ軸方向に延長される感知電極梁（１４１Ｂ）と、前記感知梁（１４１Ｂ）にＸ軸方向に配列され、前記外部フレーム部（１３０）の櫛歯構造の振動電極フィンガー（１３５）に設定間隔ほど離隔しながら相互に噛み合う櫛歯構造に形成された複数の感知電極フィンガー（１４１Ｃ）とを含み、前記感知電極フィンガー（１４１Ｃ）と前記外部フレーム部（１３０）の振動電極フィンガー（１３５）との離隔距離によるキャパシタンスを感知する。

前記のように、前記一対の第１、第２質量体（１６１、１６２）が水平方向のＹ軸方向に音叉モードで加振される間、本発明のマイクロジャイロスコープにＸ軸及びＹ軸に垂直な回転軸を有する角速度が発生すると、前記一対の内部質量体（１６１、１６２）はＸ軸方向において相互逆方向のコリオリ力を受けて振動し始め、かかる振動体（１６１、１６２）の振動は内部弾性部材（１５０）により外部フレーム部（１３０）に伝わり前記外部フレーム部（１３０）が前記内部質量体（１６１、１６２）と連動して振動するようになる。

こうした外部フレーム部（１３０）の振動により、前記外部フレーム部（１３０）の振動電極フィンガー（１３５）と前記感知電極部（１４０）の感知電極フィンガー（１４１Ｃ）との間隔が変化することになり、その変化した間隔に該当するキャパシタンスを検出して外力の大きさまたは自体の揺れなどが感知できるようになる。

一方、図５は図１のフィードバック電極部の拡大図である。図５によると、前記マイクロジャイロスコープは前記内部質量部（１６０）の加振周波数を検出し正確な固有周波数での振動を制御すべくフィードバック電極部（１８０）を含むことができ、該フィードバック電極部（１８０）は前記一対の内部質量体（１６１、１６２）の間に設けられ、前記内部質量体（１６１、１６２）のフィードバックコーム（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｍｂｓ）（ＦＣ１、ＦＣ２）との離隔距離によるキャパシタンスを感知する。

前記フィードバック電極部（１８０）は、前記基板に固定されるフィードバック電極パッド（１８１）と、前記フィードバック電極パッド（１８１）のＹ軸上の両端部からＸ軸方向に延長されたフィードバック電極梁（１８２、１８３）と、前記フィードバック電極梁（１８２、１８３）にＸ軸方向に連続配列され、前記一対の内部質量体（１６１、１６２）のフィードバックコーム（ＦＣ１、ＦＣ２）各々に設定間隔ほど離隔しながら噛み合う櫛歯構造のコーム感知器（ＣＳ１、ＣＳ２）（ｃｏｍｂ ｓｅｎｓｏｒ）とを含む。こうしたフィードバック電極部（１８０）は前記コーム感知器（ＣＳ１、ＣＳ２）とフィードバックコーム（ＦＣ１、ＦＣ２）との離隔間隔の変化に該当するキャパシタンスを感知して前記内部質量部（１６０）の加振動作を検出することができる。

図６は図１のＡ−Ａ’線断面図である。図１及び図６によると、前記本発明の構成において、前記固定部（１１０）の４個の固定パッド（１１１〜１１４）、４個の感知電極部（１４０）のパッド、加振電極部（１７０）の加電電極（１７１、１７２）及びフィードバック電極部（１８０）のフィードバック電極パッド（１８１）は各々ウェーハ基板（１０５）の表面に固着されてマイクロジャイロスコープの構造物を支持し、残りの構成要素は自在に運動できるよう基板から一定間隔ほど離隔していることが分かる。

図７（Ａ）はマイクロジャイロスコープの動力学的モデリング図である。図７（Ｂ）及び（Ｃ）は１次及び２次共振モードでのマイクロジャイロスコープ状態図である。図７（Ａ）ないし（Ｃ）によると、こうした本発明の第１実施例によるマイクロジャイロスコープにおいて、加振側は内部質量体を運動させるべくコーム加振器（Ｃｏｍｂ Ｄｒｉｖｅ）が反復設置され、自励発振（Ｓｅｌｆ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）のための加振側感知電極が同じくコーム形状で配列される。自励発振が印加された状態となると上下質量に印加される電圧は同じ信号で１次モードに該当する共振周波数の信号が印加される。質量体の運動は加振側感知電極の静電容量（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）の変化を引き起こさせ該変化は回路的に感知され一定の条件で加振電極にフィードバック（Ｆｅｅｄ ｂａｃｋ）されるが、この際、本発明のマイクロジャイロスコープを図７（Ａ）のように動力学的モデリングすると、図７（Ｂ）のようにＹ軸方向に水平往復運動する１次共振モードの自励発振が発生する。

さらに、発振する質量体に外部角速度が印加されるとジャイロ構造物は共振周波数に応じて時計方向または反時計方向の回転運動が誘導されるが、これは本発明の内部質量部（１６０）の２個の第１、第２内部質量体（１６１、１６２）がＸ軸方向に相互交差する振動をし、該振動は外部弾性部材（１２０）により抑制され、該抑制された振動力により前記外部フレーム部材（１３０）が時計方向または反時計方向に動くようになる。一例として図７（Ｃ）には時計方向の回転運動状態が示してある。

こうして前記外部フレーム部（１３０）の振動電極フィンガー（１３５）と感知電極（感知＋、感知−）との間に間隔変化による静電容量の変化が誘発される。この運動は角速度に比例して共振周波数に変調（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）された信号としてあらわれるので、自励発振の信号を利用して検波（Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）すれば角速度が感知できる。電気的に接地を成す基板の接地面は前記固定部と電気的に連結され、こうした固定部は機構的にはジャイロ構造物を弾性体を介して支持する役目を果たす。

前述のような本発明の第１実施例において、質量体の加振方向及び感知方向すべてが水平方向となるので、本発明の外部及び内部弾性体構造は水平面上で同一幅に具現するだけでも正確に連動する音叉動作が保障され、こうした同一幅は同一製造工程から容易に達成することができる。こうした内容は下記に説明する本発明の第２実施例にも適用される。

図８は本発明の第２実施例による水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープの平面図である。図８によると、本発明の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープは、実質的に相互垂直なＸ軸及びＹ軸による水平方向の平面構造を有する基板（２０５）と、前記基板に固定される複数の固定パッド（２１１〜２１３）を含む固定部（２１０）と、前記固定部（２１０）の各固定パッド（２１１〜２１３）各々に一端が連結された複数の外部弾性体（２２１〜２２３）を含む外部弾性部材（２２０）と、実質的に円形状で、前記外部弾性部材（２２０）の複数の外部弾性体（２２１〜２２３）の各他端に連結され前記基板（２０５）から一定間隔浮いており、その外側に形成された櫛歯構造の加振電極フィンガー（２３２）を有する加振電極を含む外部フレーム部（２３０）と、前記外部フレーム部（２３０）の櫛歯構造の加振電極フィンガー（２３２）に設定間隔ほど離隔しながら相互に噛み合う櫛歯構造に形成された加振電極フィンガー（２４１Ｃ）を有する加振電極部（２４０）と、前記外部フレーム（２３０）の内側に一端が連結された複数の内部弾性体（２５１〜２５４）を含む内部弾性部材（２５０）と、前記内部弾性部材（２５０）の複数の内部弾性体（２５１〜２５４）の各他端に連結され、櫛歯構造の振動電極フィンガー（２６１Ｃ、２６２Ｃ）を各々有する一対の第１、第２内部質量体（２６１、２６２）を含む内部質量部（２６０）と、前記内部質量部（２６０）の各内部質量体（２６１、２６２）の振動電極フィンガー（２６１Ｃ、２６２Ｃ）に設定間隔ほど離隔しながら噛み合う櫛歯構造の感知電極フィンガー（２７１Ｃ、２７２Ｃ）を含む第１、第２感知電極（２７１、２７２）を有する感知電極部（２７０）とを具備する。

前記外部弾性部材（２２０）は前記外部フレーム部（２３０）を均衡的に弾性支持すべく前記固定部（２１０）の複数の固定パッド（２１１〜２１３）各々に連結された第１〜第３外部弾性体（２２１〜２２３）を含み、前記各弾性体は実質的に同じ構造からなる。

前記外部フレーム部（２３０）は加振電極を含むが、該加振電極は、その外側の設定位置にフレームに実質的に垂直な方向で一定の長さで形成された複数の加振電極梁（２３１）と、前記複数の電極梁（２３１）各々の長さ方向に沿って配列された櫛歯構造の加振電極フィンガー（２３２）とを含む。

図９（Ａ）、（Ｂ）は図８の加振電極部の拡大図である。図８及び図９（Ａ）によると、前記加振電極部（２４０）は複数の加振電極（２４１、２４２）を含むが、これら加振電極中第１加振電極（２４１）は、前記基板（２０５）に固定された加振電極パッド（２４１Ａ）と、前記加振電極パッド（２４１Ａ）から前記外部フレーム部（２３０）の加振電極梁（２３１Ａ）と一定間隔ほど離隔しながら延長されて一定の長さを有する加振電極梁（２４１Ｂ）と、前記加振電極梁（２４１Ｂ）に配列され、前記外部フレーム部（２３０）の櫛歯構造の加振電極フィンガー（２３２Ａ）（ｄｒｉｖｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｆｉｎｇｅｒｓ）に設定間隔ほど離隔しながら相互噛み合う櫛歯構造に形成された加振電極フィンガー（２４１Ｃ）とを含む。

次いで、図８及び図９（Ｂ）によると、前記加振電極部（２４０）は複数の加振電極（２４１、２４２）を含むが、これら加振電極中第２加振電極（２４２）は、前記基板（２０５）に固定された加振電極パッド（２４２Ａ）と、前記加振電極パッド（２４２Ａ）から前記外部フレーム部（２３０）の加振電極梁（２３１Ｂ）と一定間隔ほど離隔しながら延長され、一定の長さの加振電極梁（２４２Ｂ）と、前記加振電極梁（２４２Ｂ）に配列され、前記外部フレーム部（２３０）の櫛歯構造の加振電極フィンガー（２３２Ｂ）（ｄｒｉｖｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｆｉｎｇｅｒｓ）と設定間隔ほど離隔しながら相互に噛み合う櫛歯構造に形成された加振電極フィンガー（２４２Ｃ）とを含む。

前述した本発明のマイクロジャイロスコープの加振電極部（２４０）に加振回路部から共振周波数を有する加振信号が供給されると、前記加振電極部（２４０）と外部フレーム部（２３０）の加振電極との間に静電力が発生し、該静電力により前記外部フレーム部（２３０）が円周方向に前記加振信号の共振周波数に同期しながら加振され、該外部フレーム部（２３０）の加振力は内部弾性部材（２５０）を通して内部質量部（２６０）に伝わるので、該内部質量部（２６０）も前記外部フレーム部（２３０）の共振に連動し、一対の内部質量体（２６１、２６２）が加振される。この場合、本発明の内部弾性部材（２５１〜２５４）の構造により、前記一対の第１、第２内部質量体（２６１、２６２）はより正確に連動する。

さらに、図８及び図９によると、前記内部弾性部材（２５０）の複数の内部弾性体は前記外部フレーム部（２３０）の内側面中Ｙ軸上で相互対向する内側面各々から内側に延長される第１、第２内部弾性体（２５１、２５２）と、前記外部フレーム部（２３０）の内側面中Ｘ軸上で相互対向する内側面各々から内側に延長される第３、第４内部弾性体（２５３、２５４）とを含む。

図１０（Ａ）、（Ｂ）は図８の内部弾性部材の拡大図である。図８及び図１０（Ａ）によると、前記第１、第２内部弾性体（２５１、２５２）各々は相互対称的で実質的に同じ構造から成り、これら第１、第２内部弾性体（２５１、２５２）中第１内部弾性体（２５１）は前記外部フレーム部（２３０）の内側にＹ軸方向に連結された外側連結部（２５１Ａ）と、前記内部質量部（２６０）の外側にＹ軸方向に連結された内側連結部（２５１Ｂ）と、Ｘ軸方向に一定の長さを有し、前記外側連結部（２５１Ａ）と内側連結部（２５１Ｂ）とを連結する相互連結部（２５１Ｃ）とを含む。前記相互連結部（２５１Ｃ）は前記外側及び内側連結部（２５１Ａ、２５１Ｂ）の長さより長く形成される。こうした第１、第２内部弾性体（２５１、２５２）の構造は外部フレーム部（２３０）の動きが内部質量部（２６０）に伝達される構造で、一方、前記内部質量部（２６０）がＹ軸方向に振動されるよう形成されたものであることがわかる。

図８及び図１０（Ｂ）によると、前記第３、第４内部弾性体（２５３、２５４）各々は相互対称的で実質的に同じ構造からなり、これら第３、第４内部弾性体（２５３、２５４）中第３内部弾性体（２５３）は前記外部フレーム部（２３０）の内側面中Ｘ軸上で相互対向する内側面に各々形成されたボディ部（２５３Ａ）と、前記各ボディ部（２５３Ａ）からＸ軸方向に一定の長さで各々延長され前記一対の内部質量体（２６１、２６２）各々に連結される一対のアーム部（２５３Ｂ、２５３Ｃ）とで成る。前記第３、第４内部弾性体（２５３、２５４）の一対のアーム部は同一の幅構造からなり、前記第３、第４内部弾性体（２５３、２５４）各々はそのボディ部と一対のアーム部によりπ形状となることが好ましい。これによる前記第３、第４内部弾性体（２５３、２５４）の構造は、Ｘ軸方向には振動が抑制され、Ｙ軸方向には比較的大きい振動が発生するよう形成されていることが分かり、こうした本発明の内部弾性部材（２５０）の構造はＹ軸方向に大きい振動を許容し水平方向中Ｙ軸方向に一対の内部質量体（２６１、２６２）が感知モードから音叉モードで共振するようにできる。

さらに、図８及び図１０によると、前記一対の第１、第２内部質量体（２６１、２６２）は前記外部フレーム部（２３０）の内側に、Ｙ軸上に一定間隔ほど相互離隔しながら配列され、Ｘ軸を中心に相互対称な構造の半円形状から成り、且つ実質的に相互同じ構造となることが好ましい。

図１１（Ａ）、（Ｂ）は図８の内部質量部及び感知電極部の拡大図である。図８及び図１１（Ａ）によると、前記第１内部質量体（２６１）はＹ軸上の一側に設置され内部空間を含み、前記外部フレーム部（２３０）の内側面と一定間隔ほど離隔しながら並んだ方向に形成された半円フレーム（２６１Ａ−１）と、前記第２内部質量体（２６２）と一定間隔ほど離隔しながらＸ軸方向に形成された線形フレーム（２６１Ａ−２）を含む質量体フレーム（２６１Ａ）を含み、また前記質量体フレーム（２６１Ａ）に形成され内部空間に一定の長さを有する質量体梁（２６１Ｂ）と、前記質量体梁（２６１Ｂ）の長さ方向に沿って配列され、前記質量体フレーム（２６１Ａ）の半円フレーム（２６１Ａ−１）に並んだ方向に一定の長さを有す櫛歯構造の質量体フィンガー（２６１Ｃ）とを含む。

図８及び図１１（Ｂ）によると、前記第２内部質量体（２６２）はＹ軸上の他側に設置され内部空間を含み、前記外部フレーム部（２３０）の内側面と一定間隔ほど離隔しながら並んだ方向に形成される半円フレーム（２６２Ａ−１）及び前記第１内部質量体（２６１）の線形フレーム（２６１Ａ−２）と一定間隔ほど離隔しながらＸ軸方向に形成された線形フレーム（２６２Ａ−２）を含む質量体フレーム（２６２Ａ）を含み、また、前記質量体フレーム（２６２Ａ）に形成され内部空間に一定の長さを有する質量体梁（２６２Ｂ）と、前記質量体梁（２６２Ｂ）の長さ方向に沿って配列され、前記質量体フレーム（２６２Ａ）の半円フレーム（２６２Ａ−１）に並んだ方向に一定の長さを有する櫛歯構造の質量体フィンガー（２６２Ｃ）とを含む。

また、図８及び図１１（Ａ）によると、前記感知電極部（２７０）の第１感知電極（２７１）は、前記第１内部質量体（２６１）の内部空間に各々配置され、前記基板に固定される感知電極パッド（２７１Ａ）と、前記感知電極パッド（２７１Ａ）から前記第１質量体（２６１）の質量体梁（２６１Ｂ）の間に延長される感知電極梁（２７１Ｂ）と、前記感知電極梁（２７１Ｂ）から前記第１質量体（２６１）の質量体フィンガー（２６１Ｃ）の間に延長される感知電極フィンガー（２７１Ｃ）とを含む。

また、図８及び図１１（Ｂ）によると、前記感知電極部（２７０）の第２感知電極（２７２）は前記第２内部質量体（２６２）の内部空間に各々配置され、前記基板に固定される感知電極パッド（２７２Ａ）と、前記感知電極パッド（２７２Ａ）から前記第２質量体（２６２）の質量体梁（２６２Ｂ）の間に延長される感知電極梁（２７２Ｂ）と、前記感知電極梁（２７２Ｂ）から前記第２質量体（２６２）の質量体フィンガー（２６２Ｃ）の間に延長される感知電極フィンガー（２７２Ｃ）とを含む。

前記のように、前記一対の第１、第２質量体（２６１、２６２）が水平方向中円周方向に加振される間、本発明のマイクロジャイロスコープにＸ軸及びＹ軸に垂直な回転軸を有する角速度が発生すると、前記一対の内部質量体（２６１、２６２）はＹ軸方向中相互逆方向のコリオリ力を受け音叉モードで振動し始め、こうした振動体の振動は感知電極部（２７０）により感知されるが、この際、前記音叉で振動する質量体のフィンガーと前記感知電極部の感知電極フィンガーとの間隔が変化し、この変化する間隔に該当するキャパシタンスを検出して外力の大きさまたは自体の揺れなどを感知することができる。

図１２は図８のフィードバック感知電極部の拡大図である。図８及び図１２によると、前記外部フレーム部（２３０）はその外側に形成された櫛歯構造のフィードバック電極（ｄｒｉｖｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）を含むが、前記フィードバック電極は前記外部フレーム部（２３０）の外側の設定位置にフレームに実質的に垂直な方向に一定の長さで形成されたフィードバック電極梁（２３３）と、前記フィードバック電極梁（２３３）の長手方向に沿って配列された櫛歯構造のフィードバック電極フィンガー（２３４）とを含む。

前記マイクロジャイロスコープは前記外部フレーム部（２３０）のフィードバック電極フィンガー（２３４）との離隔距離によりキャパシタンスを感知するフィードバック電極部（２８０）をさらに含むことができ、前記フィードバック電極部（２８０）は前記基板（２０５）に固定されたフィードバック電極パッド（２８１）と、前記フィードバック電極パッド（２８１）から前記外部フレーム部（２３０）のフィードバック電極梁（２３３）と一定間隔ほど離隔しながら延長され一定の長さを有すフィードバック電極梁（２８２）と、前記フィードバック電極梁（２８２）に配列され、前記外部フレーム部（２３０）の櫛歯構造のフィードバック電極フィンガー（２３４）から設定間隔ほど離隔しながら相互に噛み合う櫛歯構造に形成されたフィードバック電極フィンガー（２８３）とを含む。

こうした本発明の第２実施例によるマイクロジャイロスコープにおいて、振動モード中２次モードの共振周波数を下向き調整して、即ち１次と２次のモードを替え加振モードに用いる例で、結果的に回転方向のモードを相対的に変位の大きい加振モードに用いるので円周方向にコームを配列して回転方向に加振し加振側感知も円周方向に配列して自励発振（Ｓｅｌｆ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）を誘導する。内部質量と外部フレームは前述した本発明の第１実施例のようにπ形状の弾性体で連結されるが、但し本発明の第２実施例の場合、感知側の変位が相対的に大きくないので折られた（Ｆｏｌｄｅｄ）部分を略した形状となる。内部質量が上下方向に向き合うモードで運動し、前述した本発明の第１実施例のように感知電極に角速度に比例し発振周波数に変調された静電容量の変化が誘発され、これを検波して角速度を測定する。感知モードが対称方向に運動するので外部の振動による影響を相殺する基本的な構造を成す。

以上の説明は本発明の具体的な実施例に係る説明に過ぎず、本発明はこうした具体的な実施例に限られず、また本発明の具体的な実施例からその構成の多様なる変更及び改造が可能であることは本発明の属す技術分野において通常の知識を有する者であれば容易に想到できることである。

本発明の第１実施例による水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープの平面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は図１における内部弾性部材の拡大図である。 （Ａ）、（Ｂ）は図１における内部質量部及び加振電極部の拡大図である。 図１における感知電極部の拡大図である。 図１におけるフィードバック電極部の拡大図である。 図１におけるＡ−Ａ’線断面図である。 （Ａ）はマイクロジャイロスコープの動力学的モデリング図、（Ｂ）及び（Ｃ）は１次、２次共振モードの際のマイクロジャイロスコープの状態図である。 本発明の第２実施例による水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープの平面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は図８における加振電極部の拡大図である。 （Ａ）、（Ｂ）は図８における内部弾性部材の拡大図である。 （Ａ）、（Ｂ）は図８における内部質量部及び感知電極部の拡大図である。 図８におけるフィードバック感知電極部の拡大図である。 従来の水平型マイクロジャイロスコープの平面図である。 従来の音叉型マイクロジャイロスコープの平面図である。

符号の説明

１０５ 基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）
１１０ 固定部（ａｎｃｈｏｒｓ）
１２０ 外部弾性部材
１２１〜１２４ 第１〜第４外部弾性体
１３０ 外部フレーム部（ｏｕｔｅｒ ｆｒａｍｅ）
１４０ 感知電極部
１４１〜１４４ 第１〜第４感知電極
１５０ 内部弾性部材（ｉｎｔｅｒ ｓｐｒｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）
１５１〜１５６ 第１〜第６内部弾性体
１６０ 内部質量部（ｉｎｔｅｒ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）
１６１、１６２ 第１、第２内部質量体
１７０ 加振電極部
１７１、１７２ 加振電極
１８０ フィードバック電極部
２０５ 基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）
２１０ 固定部（ａｎｃｈｏｒｓ）
２２０ 外部弾性部材（ｏｕｔｅｒ ｓｐｒｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）
２２１−２２３ 外部弾性体
２３０ 外部フレーム部（ｏｕｔｅｒ ｆｒａｍｅ）
２４０ 加振電極部
２４１、２４２ 第１、第２加振電極
２５０ 内部弾性部材（ｉｎｔｅｒ ｓｐｒｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）
２５１〜２５４ 第１〜第４内部弾性体
２６０ 内部質量部（ｉｎｔｅｒ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）
２６１、２６２ 第１、第２内部質量体
２７０ 感知電極部
２７１、２７２ 感知電極

Claims (38)

1. 実質的に垂直なＸ軸及びＹ軸による水平方向の平面構造を有する基板（１０５）と、
   前記基板に固定される複数の固定パッドを含む固定部（１１０）と、
   前記固定部の各固定パッドの各々に一端が連結された複数の外部弾性体を含む外部弾性部材（１２０）と、
   実質的に四角形状から成り、前記外部弾性部材の複数の外部弾性体の各他端に連結されて前記基板から一定間隔浮いており、当該基板の外側に形成された櫛歯構造の振動電極フィンガーを有する外部フレーム部（１３０）と、
   前記外部フレーム部の櫛歯構造の振動電極フィンガーに設定間隔ほど離隔しながら相互に噛み合う櫛歯構造に形成された複数の感知電極を含む感知電極部（１４０）と、
   前記外部フレームの内側に連結された複数の内部弾性体を含む内部弾性部材（１５０）と、
   前記内部弾性部材の複数の内部弾性体に連結され、櫛歯構造の加振コームを各々有する一対の第１、第２内部質量体を含む内部質量部（１６０）と、
   前記内部質量部の各内部質量体の加振コームの各々に設定間隔ほど離隔しながら噛み合う櫛歯構造のコーム加振器を有する第１、第２加振電極を含む加振電極部（１７０）と、
   を具備することを特徴とする水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
2. 前記外部弾性部材（１２０）は前記外部フレーム部（１３０）の各辺の外側中央に各々連結される第１〜第４外部弾性体（１２１〜１２４）を含み、前記各弾性体は実質的に同一構造から成ることを特徴とする請求項１に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
3. 前記外部フレーム部（１３０）は相互離隔したＸ軸方向の２辺と、相互離隔したＹ軸方向の２辺を含む四角形状から成り、前記外部フレーム部（１３０）の振動電極フィンガーは前記Ｘ軸方向の２辺の各外側一部にＹ軸方向に配列された櫛歯構造であることを特徴とする請求項１に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
4. 前記感知電極部（１４０）は、
   前記基板に固定された感知電極パッドと、
   前記感知パッドからＸ軸方向に延長される感知電極梁と、
   前記感知電極梁にＸ軸方向に配列され、前記外部フレーム部の櫛歯構造の振動電極に設定間隔ほど離隔しながら相互に噛み合う櫛歯構造に形成された複数の感知電極フィンガー（ｓｅｎｓｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｆｉｎｇｅｒｓ）を含み、
   前記感知電極フィンガーと前記外部フレームの振動電極との離隔距離によるキャパシタンスを感知することを特徴とする請求項１に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
5. 前記内部弾性部材（１５０）の複数の内部弾性体は、
   前記外部フレーム部（１３０）の辺中Ｙ軸方向の２辺各々の両端部から内側に延長される第１〜第４内部弾性体（１５１〜１５４）と、
   前記外部フレーム部（１３０）の辺中Ｙ軸方向の２辺各々の中央から内側に延長される第５、第６内部弾性体（１５５、１５６）と、
   を具備することを特徴とする請求項１に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
6. 前記第１〜第４内部弾性体（１５１〜１５４）の各々は、
   前記外部フレーム部（１３０）のＹ軸方向の２辺内側にＸ軸方向に連結される外側連結部と、
   前記内部質量部（１６０）の外側に連結されてＹ軸方向に連結される内側連結部と、
   前記内側連結部の端部からＸ軸方向に延長される延長部と、
   前記外側連結部と延長部とを連結するための折り曲げ形状の連結部と、
   を具備することを特徴とする請求項５に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
7. 前記外側連結部は延長部の長さより長く、前記延長部は内側連結部の長さより長いことを特徴とする請求項６に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
8. 前記第５、第６内部弾性体（１５５、１５６）は各々、前記外部フレーム部（１３０）の辺中Ｙ軸方向の２辺各々の中央内側に形成されたボディ部と、
   前記ボディ部に各々一端が連結され、前記一対の内部質量体中相異する内部質量体に他端が各々連結される一対のアーム部と、
   を具備することを特徴とする請求項５に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
9. 前記各アーム部は、
   前記ボディ部に連結されＸ軸方向の長さを有する外側連結部と、
   前記内部質量部（１６０）の外側に連結されＸ軸方向の長さを有する内側連結部と、
   前記内側連結部の端部に連結されるＸ軸方向の長さを有する延長部と、
   前記外側連結部と延長部とを連結するための折り曲げ形状の連結部と、
   を具備することを特徴とする請求項８に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
10. 前記外側連結部は延長部の長さより長く、前記延長部は内側連結部の長さより長いことを特徴とする請求項９に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
11. 前記第５、第６内部弾性体の一対のアーム部は同一の幅構造から成ることを特徴とする請求項８に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
12. 前記第５、第６内部弾性体は前記ボディ部と一対のアーム部とによるπ形状から成ることを特徴とする請求項８に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
13. 前記第１内部質量体（１６１）は、
    前記内部弾性部材（１５０）の第５及び第６内部弾性体（１５５、１５６）各々の一アーム部に各一端が連結され、前記第１及び第２内部弾性体に各他端が連結され、相互離隔したＹ軸方向の２個の質量体フレームと、
    前記２個の質量体フレームの間からＸ軸方向に延長されるフレーム加振梁と、
    前記フレーム加振梁に沿ってＸ軸方向に反復配列された櫛歯構造の加振コームと、
    前記２個の質量体フレームをＸ軸方向に相互に連結し、前記フレーム加振梁と一定間隔ほど離隔するよう設置されるフレーム感知梁と、
    前記フレーム感知梁にＸ軸方向に反復配列されたフィードバックコームと、
    を具備することを特徴とする請求項１に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
14. 前記第２内部質量体（１６２）は、
    前記内部弾性部材（１５０）の第５及び第６内部弾性体（１５５、１５６）各々の他アーム部に各一端が連結され、前記第３及び第４内部弾性体に各他端が連結され、相互離隔したＹ軸方向の２個の質量体フレームと、
    前記２個の質量体フレームの間からＸ軸方向に延長されるフレーム加振梁と、
    前記フレーム加振梁にＸ軸方向に反復配列された加振コームと、
    前記２個の質量体フレームをＸ軸方向に相互連結し、前記フレーム加振梁と一定間隔ほど離隔するよう設置されるフレーム感知梁と、
    前記フレーム加振梁にＸ軸方向に反復配列されたフィードバックコームと、
    を具備することを特徴とする請求項１に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
15. 前記一対の内部質量体らは実質的に相互に同一な構造から成ることを特徴とする請求項１３または１４に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
16. 前記加振電極部（１７０）の第１加振電極は、
    前記基板に固定され、前記第１質量体の両側の質量体フレームの間に設けられる加振電極パッドと、
    前記加振電極パッドから前記フレーム加振梁と一定間隔ほど離隔しながらＸ軸方向に一定の長さで延長される加振電極梁と、
    前記加振電極梁の長さ方向に沿って反復配列される櫛歯構造のコーム加振器と、
    を具備することを特徴とする請求項１に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
17. 前記加振電極部（１７０）の第２加振電極は、
    前記基板に固定され、前記第２質量体の両側の質量体フレームの間に設けられる加振電極パッドと、
    前記加振電極パッドから前記フレーム加振梁と一定間隔ほど離隔しながらＸ軸方向に一定の長さで延長される加振電極梁と、
    前記加振電極梁の長さ方向に沿って反復配列される櫛歯構造のコーム加振器と、
    を具備することを特徴とする請求項１に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
18. 前記マイクロジャイロスコープは、前記一対の内部質量体の間に形成され、前記内部質量体のフィードバックコーム（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｍｂｓ）との離隔距離によるキャパシタンスを感知するフィードバック電極部（１８０）をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
19. 前記フィードバック電極部（１８０）は、
    前記基板に固定されるフィードバック電極パッドと、
    前記フィードバック電極パッドのＹ軸上の両端部からＸ軸方向に延長されたフィードバック電極梁と、
    前記フィードバック電極梁にＸ軸方向に連続配列され、前記一対の内部質量体のフィードバックコーム（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｍｂｓ）各々と設定間隔ほど離隔しながら噛み合う櫛歯構造のコーム感知器（ｃｏｍｂ ｓｅｎｓｏｒ）を含むことを特徴とする請求項１８に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
20. 実質的に垂直なＸ軸及びＹ軸による水平方向の平面構造を有する基板（２０５）と、
    前記基板に固定される複数の固定パッドを含む固定部（２１０）と、
    前記固定部の各固定パッド各々に一端が連結された複数の外部弾性体を含む外部弾性部材（２２０）と、
    実質的に円形状から成り、前記外部弾性部材の複数の外部弾性体の各他端に連結されて前記基板から一定間隔浮いており、当該基板の外側に形成された櫛歯構造の加振電極フィンガーを有する加振電極を含む外部フレーム部（２３０）と、
    前記外部フレーム部の櫛歯構造の加振電極フィンガーと設定間隔ほど離隔しながら相互噛み合う櫛歯構造に形成された加振電極フィンガーを有する加振電極部（２４０）と、
    前記外部フレーム部の内側に連結された複数の内部弾性体を含む内部弾性部材（２５０）と、
    前記内部弾性部材の複数の内部弾性体に連結され、櫛歯構造の振動電極フィンガーを各々有する一対の第１、第２内部質量体を含む内部質量部（２６０）と、
    前記内部質量部の各内部質量体の振動電極フィンガーと設定間隔ほど離隔しながら噛み合う櫛歯構造の感知電極フィンガーを含む第１、第２感知電極を含む感知電極部（２７０）と、
    を具備することを特徴とする水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
21. 前記外部弾性部材（２２０）は前記外部フレーム部（２３０）を均衡的に弾性支持するよう配列された第１〜第３外部弾性体（２２１〜２２３）を含み、前記各弾性体は実質的に同一な構造から成ることを特徴とする請求項２０に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
22. 前記外部フレーム部（２３０）の加振電極は、
    その外側の設定位置にフレームに実質的に垂直な方向に一定の長さで形成された加振電極梁と、
    前記複数の電極梁（２３１）各々の長さ方向に沿って配列された櫛歯構造の加振電極フィンガーと、
    を具備することを特徴とする請求項２０に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
23. 前記加振電極部（２４０）は、
    前記基板に固定された加振電極パッドと、
    前記加振電極パッドから前記外部フレーム部（２３０）の加振電極梁と一定間隔ほど離隔しながら延長され、一定の長さを有する加振電極梁と、
    前記加振電極梁に配列され、前記外部フレーム部の櫛歯構造の加振電極フィンガー（ｄｒｉｖｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｆｉｎｇｅｒｓ）と設定間隔ほど離隔しながら相互噛み合う櫛歯構造に形成された加振電極フィンガーと、
    を具備することを特徴とする請求項２０に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
24. 前記内部弾性部材（２５０）の複数の内部弾性体は、
    前記外部フレーム部（２３０）の内側面中Ｙ軸上に相互対向する内側面各々から内側に延長される第１、第２内部弾性体（２５１、２５２）と、
    前記外部フレーム部（２３０）の内側面中Ｘ軸上に相互対向する内側面各々から内側に延長される第３、第４内部弾性体（２５３、２５４）と、
    を具備することを特徴とする請求項２０に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
25. 前記第１、第２内部弾性体（２５１、２５２）各々は相互対称構造から成る一対の弾性体を含み、
    前記一対の弾性体の各々は、
    前記外部フレーム部（２３０）の内側にＹ軸方向に連結された外側連結部と、
    前記内部質量部（２６０）の外側にＹ軸方向に連結された内側連結部と、
    Ｘ軸方向に一定の長さを有し、前記外側連結部と内側連結部とを連結する相互連結部を含むことを特徴とする請求項２４に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
26. 前記相互連結部は前記外側及び内側連結部の長さより更に長いことを特徴とする請求項２５に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
27. 前記第３、第４内部弾性体（２５３、２５４）の各々は、
    前記外部フレーム部（２３０）の内側面中Ｘ軸上に相互対向する内側面に各々形成されたボディ部と、
    前記各ボディ部からＸ軸方向に一定の長さで各々延長されて前記一対の内部質量部の各々に連結される一対のアーム部から成ることを特徴とする請求項２４に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
28. 前記第３、第４内部弾性体の一対のアーム部は同一の幅構造から成ることを特徴とする請求項２７に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
29. 前記第３、第４内部弾性体の各々は前記ボディ部と一対のアーム部とによりπ形状に形成されることを特徴とする請求項２７に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
30. 前記一対の第１、第２内部質量体（２６１、２６２）は前記外部フレーム部（２３０）の内側にＹ軸上に一定間隔ほど相互離隔しながら配列され、Ｘ軸を中心に相互対称構造となる半円形状に形成されることを特徴とする請求項２０に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
31. 前記第１内部質量体（２６１）は、
    Ｙ軸上の一側に設置され内部空間を含み、前記外部フレーム部（２３０）の内側面と一定間隔ほど離隔しながら並んだ方向に形成された半円フレームと、前記第２内部質量体と一定間隔ほど離隔しながらＸ軸方向に形成された線形フレームとを含む質量体フレームと、
    前記質量体フレームに形成されて内部空間に一定の長さを有する質量体梁と、
    前記質量体梁の長さ方向に沿って配列され、前記質量体フレームの半円フレームに並んだ方向に一定の長さを有する櫛歯構造の質量体フィンガーと、
    を具備することを特徴とする請求項３０に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
32. 前記第２内部質量体（２６２）は、
    Ｙ軸上の他側に設置され内部空間を含み、前記外部フレーム部（２３０）の内側面と一定間隔ほど離隔しながら並んだ方向に形成された半円フレームと、前記第１内部質量体の線形フレームと一定間隔ほど離隔しながらＸ軸方向に形成された線形フレームとを含む質量体フレームと、
    前記質量体フレームに形成されて内部空間に一定の長さを有する質量体梁と、
    前記質量体梁の長さ方向に沿って配列され、前記質量体フレームの半円フレームに並んだ方向に一定の長さを有する櫛歯構造の質量体フィンガーと、
    を具備することを特徴とする請求項３０に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
33. 前記一対の内部質量体（２６１、２６２）は実質的に相互に同一な構造から成ることを特徴とする請求項３１または３２に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
34. 前記感知電極部（２７０）の第１感知電極（２７１）は、
    前記第１内部質量体（２６１）の内部空間に各々配置され、前記基板に固定される感知電極パッドと、
    前記感知電極パッドから前記第１質量体の質量体梁の間に延長される感知電極梁と、
    前記感知電極梁から前記第１質量体の質量体フィンガーの間に延長される感知電極フィンガーと、
    を具備することを特徴とする請求項２０に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
35. 前記感知電極部（２７０）の第２感知電極（２７２）は、
    前記第２内部質量体（２６２）の内部空間に各々配置され、前記基板に固定される感知電極パッドと、
    前記感知電極パッドから前記第２質量体の質量体梁の間に延長される感知電極梁と、
    前記感知電極梁から前記第２質量体の質量体フィンガーの間に延長される感知電極フィンガーと、
    を具備することを特徴とする請求項２０に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
36. 前記外部フレーム部（２３０）は当該外部フレーム部の外側に形成された櫛歯構造のフィードバック電極（ｄｒｉｖｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）を含み、
    前記フィードバック電極は、
    前記外部フレーム部の外側設定位置にフレームに実質的に垂直な方向に一定の長さで形成されたフィードバック電極梁と、
    前記フィードバック電極梁の長さ方向に沿って配列された櫛歯構造のフィードバック電極フィンガーと、
    を具備することを特徴と請求項２０に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
37. 前記マイクロジャイロスコープは、前記外部フレーム部のフィードバック電極フィンガーとの離隔距離によりキャパシタンスを感知するフィードバック電極部（２８０）をさらに具備することを特徴とする請求項２０に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。
38. 前記フィードバック電極部（２８０）は、
    前記基板に固定されたフィードバック電極パッドと、
    前記フィードバック電極パッドから前記外部フレーム部（２３０）のフィードバック電極梁と一定間隔ほど離隔しながら延長され、一定の長さを有するフィードバック電極梁と、
    前記フィードバック電極梁に配列され、前記外部フレーム部の櫛歯構造のフィードバック電極フィンガー（ｄｒｉｖｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｆｉｎｇｅｒｓ）に設定間隔ほど離隔しながら相互噛み合う櫛歯構造に形成されたフィードバック電極フィンガーと、
    を具備することを特徴とする請求項３７に記載の水平型及び音叉型振動式マイクロジャイロスコープ。

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