JP2009150815A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 マス部の励振方向の励振が検出手段の検出結果に影響を及ぼすのを抑制する技術を提供すること。
【解決手段】 角速度センサ１００のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄは、検出方向（ｙ軸方向）よりも励振方向（ｘ軸方向）にバネ定数が小さいフォールディッド型ビーム７３と、励振方向（ｘ軸方向）よりも検出方向（ｙ軸方向）にバネ定数が小さいストレート型ビーム７５を有している。フォールディッド型ビーム７３は、ストレート型ビーム７５よりもマス部４０側に配置されている。検出手段６０は、フォールディッド型ビーム７３よりも反マス部４０側のビーム７０ｂに設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コリオリ力を利用する角速度センサに関する。

一般的に、コリオリ力を利用する角速度センサは、基板と、マス部と、マス部を励振方向に励振させる励振手段と、一端がマス部に連結しているとともに他端が基板に固定されているビームと、マス部の振動を検出する検出手段とを備えている。ビームは、励振方向と検出方向の双方に弾性変形が可能であり、マス部が励振方向と検出方向の双方に変位可能となるようにマス部を支持している。
励振手段は、櫛歯電極で構成されていることが多い。櫛歯電極は、マス部側に設けられている可動電極と、基板側に設けられている固定電極とを備えている。この櫛歯電極に交流電圧を印加すると、マス部側の可動電極と基板側の固定電極の間に静電引力が発生し、マス部を励振方向に励振させることができる。
検出手段は、マス部側に設けられている平板電極と基板側に設けられている平板電極で構成されたコンデンサであることが多い。マス部側の平板電極と基板側の平板電極は、検出方向に対向している。

この種の角速度センサでは、マス部を励振方向に励振させているときに、マス部に角速度が加わると、マス部の励振方向と角速度の回転軸方向の両方に直交する方向（検出方向）にコリオリ力が発生し、マス部が検出方向に振動する。マス部が検出方向に振動すると、検出手段のコンデンサを構成しているマス部側の平板電極と基板側の平板電極の間の距離が変動し、コンデンサの静電容量が変動する。角速度センサは、この静電容量の変動からマス部の検出方向の振動を検出し、その検出結果から角速度センサに加わった角速度を換算する。この種の角速度センサは、特許文献１及び特許文献２に開示されている。

特開平１０−１７０２７６号公報 特開２００５−２９２１２５号公報

上記したように、この種の角速度センサでは、検出手段がマス部に対して直接的に設けられているのが一般的である。このため、マス部を励振方向に励振すると、マス部の励振によって検出手段の平板電極間の対向面積が変動する等の不具合が発生し、大きな検出誤差の原因になってしまう。一般的に、マス部を励振方向に励振する振幅の大きさは、マス部がコリオリ力によって検出方向に振動する振幅よりも圧倒的に大きい。このため、検出手段がマス部に対して直接的に設けられていると、マス部の励振方向の励振が検出手段の検出結果に悪影響を及ぼしてしまう。
本発明は、マス部の励振方向の励振が検出手段の検出結果に影響を及ぼすのを抑制する技術を提供することを目的としている。

本明細書で開示される技術は、検出手段がビームに設けられていることを特徴としている。マス部がコリオリ力によって検出方向に振動するときは、ビームもまた検出方向に振動している。したがって、ビームの検出方向の振動を検出すれば、マス部の検出方向の振動を間接的に検出することができる。さらに、本明細書で開示される技術では、ビームが、バネ定数の異なる複数の部分に区画されていることを特徴としている。本明細書で開示される技術では、ビームは、検出方向よりも励振方向にバネ定数が小さい第１部分と、励振方向よりも検出方向にバネ定数が小さい第２部分を有している。さらに、第１部分が第２部分よりもマス部側に配置されており、検出手段がその第１部分よりも反マス部側のビームに設けられていることを特徴としている。このようなビームによると、マス部が励振方向に励振したときに、第１部分が優先的に励振方向に弾性変形する。このため、第１部分よりも反マス部側のビームでは、マス部の励振振幅の影響が低減されており、第１部分よりも反マス部側のビームは、安定した状態を保つことができる。したがって、第１部分よりも反マス部側のビームに設けられている検出手段は、マス部の励振振幅の影響が低減された状態で検出動作を行うことができる。また、マス部がコリオリ力によって検出方向に振動したときは、第２部分が優先的に検出方向に弾性変形する。このため、マス部がコリオリ力によって検出方向に振動したときは、ビーム全体が検出方向に沿って振動することができる。この結果、ビームに設けられている検出手段は、ビームの検出方向の振動を検出することができ、ひいてはマス部の検出方向の振動を間接的に検出することができる。このようなビームと検出手段の配置を採用することによって、角速度センサに加わる角速度を正確に検出することができる。

即ち、本明細書で開示される角速度センサは、基板と、マス部と、マス部を励振方向に励振させる励振手段と、一端がマス部に連結しているとともに他端が基板に固定されており、少なくとも励振方向と励振方向に直交する第１検出方向とに変位可能にマス部を支持しているビームと、ビームに設けられているとともに第１検出方向のビームの変位を検出する第１検出手段とを備えている。本明細書で開示される角速度センサでは、ビームが、第１検出方向よりも励振方向にバネ定数が小さい第１部分と、励振方向よりも第１検出方向にバネ定数が小さい第２部分を有していることを特徴としている。さらに、第１部分が第２部分よりもマス部側に配置されており、第１検出手段が第１部分よりも反マス部側のビームに設けられていることを特徴としている。なお、ここでいう第１検出方向は、基板に対して平行な方向でもよく、基板に対して垂直な方向でもよい。

本明細書で開示される角速度センサでは、励振方向と第１検出方向が、基板の表面に対して平行であることが好ましい。
この角速度センサによると、第１検出手段は、基板の表面に対して垂直方向を回転軸方向とする角速度を検出することができる。

励振方向と第１検出方向が基板の表面に対して平行である場合、本明細書で開示される角速度センサでは、第１部分が第１検出方向に沿って往復する一対のビームを有するフォールディッド型ビームであり、第２部分が励振方向に沿って伸びているビームを有するストレート型ビームであることが好ましい。
フォールディッド型ビームでは、一対のビームが励振方向に弾性変形することができるとともに、第１検出方向の弾性変形が規制されている。ストレート型ビームでは、ビームが検出方向に弾性変形するとともに励振方向の弾性変形が規制されている。フォールディッド型ビームとストレート型ビームを組合せて用いると、本明細書で開示される技術を簡単に実現することができる。

励振方向と第１検出方向が基板の表面に対して平行である場合、本明細書で開示される角速度センサでは、基板の表面に対して垂直な第２検出方向のマス部の振動を直接的又は間接的に検出する第２検出手段をさらに備えていることが好ましい。
この角速度センサによると、第１検出手段が基板の表面に対して垂直方向を回転軸方向とする角速度を検出し、第２検出手段が基板の表面に対して平行方向を回転軸方向とする角速度を検出することができる。第１検出手段と第２検出手段の双方が設けられていると、１つの角速度センサで２軸の角速度を検出することができる。

第２検出手段は、第１アームと第２アームを有していても良い。第１アームは、マス部から基板の上方に向けて伸びているとともに、基板の一部の表面との間に間隙を形成する。第２アームは、基板からマス部の上方に向けて伸びているとともに、マス部の一部の表面との間に間隙を形成する。第１アームと基板の一部の表面は第１コンデンサを構成しており、第２アームとマス部の一部の表面は第２コンデンサを構成している。この第２検出手段によると、基板の表面の垂直方向にマス部が変位すると、第１コンデンサと第２コンデンサのうちの一方の間隙が拡大するとともに他方の間隙が縮小する。
この第２検出手段では、第２検出方向にマス部が変位したときに、第１コンデンサの間隙の距離が増大（又は減少）すると、第２コンデンサの間隙の距離が減少（又は増大）する。例えば、定常状態における第１コンデンサの対向面積及び距離と第２コンデンサの対向面積及び距離を一致させておくと、第２検出方向にマス部が変位したときに、第１コンデンサの静電容量の増大（又は減少）と第２コンデンサの静電容量の減少（又は増大）を一致させることができる。このため、第１コンデンサの静電容量の変動と第２コンデンサの静電容量の変動の差分を求めると、静電容量の変動を２倍の感度で検出することができる。

本明細書で開示される角速度センサでは、ビームの第１部分の第２検出方向のバネ定数がビームの第２部分の第２検出方向のバネ定数よりも大きく構成されていても良い。この場合、第２検出手段は、第１部分よりも反マス部側のビームに設けられていることが好ましい。
このようなビームによると、マス部が励振方向に励振したときは、第１部分が優先的に励振方向に弾性変形する。このため、第１部分よりも反マス部側のビームに設けられている第２検出手段は、マス部の励振振幅の影響が低減された状態で検出動作を行うことができる。一方、マス部がコリオリ力によって第２検出方向に振動したときは、第２部分が優先的に第２検出方向に弾性変形する。このため、マス部がコリオリ力によって第２検出方向に振動したときは、ビーム全体が第２検出方向に沿って振動することができる。この結果、第１部分よりも反マス部側のビームに設けられている第２検出手段は、ビームの第２検出方向の振動を検出することができ、ひいてはマス部の第２検出方向の振動を間接的に検出することができる。

第２検出手段が第１部分よりも反マス部側のビームに設けられている場合、第２検出手段は、第３アームと第４アームを有しているのが好ましい。第３アームは、第１部分よりも反マス部側のビームから基板の上方に向けて伸びているとともに、基板の一部の表面との間に間隙を形成する。第４アームは、基板から第１部分よりも反マス部側のビームの上方に向けて伸びているとともに、第１部分よりも反マス部側のビームの一部の表面との間に間隙を形成する。第３アームと前記基板の一部は第３コンデンサを構成しており、前記第４アームと前記第１部分よりも反マス部側のビームの一部は第４コンデンサを構成している。この第２検出手段によると、第２検出方向に第１部分よりも反マス部側のビームが変位すると、第３コンデンサと第４コンデンサのうちの一方の間隙が拡大するとともに他方の間隙が縮小する。

本明細書で開示される角速度センサでは、マス部とビームで決定される励振方向の励振共振周波数をfxとし、マス部とビームで決定される第１検出方向の共振周波数をfyとし、マス部とビームで決定される第２検出方向の共振周波数をfzとすると、fy＜fx＜fz又はfz＜fx＜fyの関係が成立していることが好ましい。
励振共振周波数fxに対して、コリオリ力が発生する方向の共振周波数fy及び共振周波数fzが不一致になっていると、角速度センサの応答性が向上する。上記態様では、共振周波数fy及び共振周波数fzの双方が励振共振周波数fxと不一致であり、２軸の角速度センサのいずれの方向においても応答性が向上する。さらに、共振周波数fyと共振周波数fzが励振共振周波数fxを間に挟んだ状態で設定されており、共振周波数fyと共振周波数fzもまた不一致となっている。このため、共振周波数fyに対応する第１検出方向の振動が共振周波数fzに対応する第１検出方向の振動に影響を及ぼすことも低減されており、極めて良好な特性の２軸の角速度センサが実現される。

本明細書で開示される角速度センサでは、励振共振周波数fxと共振周波数fyの差の絶対値をΔfxyとし、励振共振周波数fxと共振周波数fzの差の絶対値をΔfxzとすると、ΔfxyとΔfxzが略一致していることが好ましい。
この２軸の角速度センサによると、マス部の励振に対して双方の検出方向の振動が共通した影響を受けるので、２軸のそれぞれに設けられる容量検出回路の回路定数を同一にできる。

本明細書で開示される技術によると、マス部の検出方向の変位をビームの検出方向の変位から間接的に検出することができる。検出手段は、励振方向のバネ定数が小さい第１部分よりも反マス部側のビームに設けられているので、マス部の励振方向の励振振幅の影響が抑制された状態で、ビームの検出方向の振動を検出することができる。この結果、マス部に印加された角速度を正確に検出することができる。

本明細書で開示される技術の特徴を列記する。
（第１特徴） 検出手段には、コンデンサの静電容量の変動を検出するものの他に、磁界変化、光位相変化、光強度変化等を用いることができる。
（第２特徴） 共振周波数の関係は、fy＜fx＜fzであるのが好ましい。この場合、マス部と半導体下層の間でスティッキング現象が発生するのを防止するのに有効である。
（第３特徴） ビームは、第１部分（例えば、フォールディッド型ビーム）と第２部分（例えば、ストレート型ビーム）の間に、検出方向と励振方向のいずれにもバネ定数が大きい連結部分（例えば、ビーム連結部）を備えている。検出手段は、その連結部分に設けられている。
（第４特徴） 第３特徴において、基板と平行なｙ軸方向を検出方向とする検出手段が、連結部分に設けられている。
（第５特徴） 第３特徴において、基板と垂直なｚ軸方向を検出方向とする検出手段が、連結部分に設けられている。

（第１実施例）
図１〜図３に、角速度センサ１００の形態を模式的に示す。図１は、角速度センサ１００の平面図である。図２は、図１のII-II線に対応した角速度センサ１００の断面図である。図３は、図１のIII-III線に対応した角速度センサ１００の断面図である。図１〜図３に示すように、角速度センサ１００は、SOI（Silicon on Insulator）基板を利用して形成されている。SOI基板は、半導体下層１０と絶縁層２０と半導体上層３０が積層した構造を有している。半導体下層１０には単結晶シリコンが用いられており、絶縁層２０には酸化シリコンが用いられており、半導体上層３０には単結晶シリコンが用いられている。半導体上層３０には不純物が高濃度に含まれており、半導体上層３０は導電性を有している。後述するように、角速度センサ１００は、エッチング技術を利用して、絶縁層２０と半導体上層３０の一部を除去することによって形成されている。

図１に示すように、角速度センサ１００は、半導体下層１０と、マス部４０と、マス部４０を励振方向（ｘ軸方向）に励振させる励振手段５０ａと、マス部４０を変位可能に支持している複数のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄと、ビーム７０ｂに設けられている検出手段６０とを備えている。角速度センサ１００は、コリオリ力を利用して角速度を検出するタイプである。即ち、角速度センサ１００は、励振手段５０ａを利用してマス部４０を励振方向（ｘ軸方向）に励振させ、そのときに半導体下層１０の表面に対して垂直方向を回転軸方向（ｚ軸方向）とする角速度がマス部４０に加わると、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）と角速度の回転軸方向（ｚ軸方向）の両方に直交する検出方向（ｙ軸方向）にコリオリ力が発生する現象を利用する。角速度センサ１００は、コリオリ力によるマス部４０の検出方向（ｙ軸方向）の振動を検出することによって、その検出結果から角速度センサ１００に加わった角速度を換算する。

以下、図面を参照して角速度センサ１００の各構成を詳細に説明する。
図２に示すように、マス部４０と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されており、マス部４０は半導体下層１０上にフローティング状態で支持されている。マス部４０は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。

図１に示すように、励振手段５０ａは、マス部４０の一側面に設けられている。図４に、励振手段５０ａの拡大平面図を示す。励振手段５０ａは、可動電極５１と固定電極５２と固定電極端子５３とを備えている。可動電極５１と固定電極５２は、エッチング技術を利用して、絶縁層２０及び半導体上層３０の一部を加工することによって形成されている。可動電極５１の一端は、マス部４０に連結している。可動電極５１と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されており、可動電極５１はマス部４０に伴って半導体下層１０上にフローティング状態で支持されている。可動電極５１は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。固定電極５２と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されておらず、固定電極５２は絶縁層２０の一部を介して半導体下層１０に固定されている。固定電極端子５３は、半導体上層３０上に設けられている。

可動電極５１は、９本の可動電極指５１ａ−５１ｉを備えている。固定電極５２は、１０本の固定電極指５２ａ−５２ｊを備えている。可動電極５１の可動電極指５１ａ−５１ｉと固定電極５２の固定電極指５２ａ−５２ｊは、交互に噛み合うように配置されており、櫛歯電極を構成している。
固定電極端子５３に交流電圧を印加すると、可動電極５１の可動電極指５１ａ−５１ｉと固定電極５２の固定電極指５２ａ−５２ｊの間に静電引力が発生し、マス部４０を励振方向（ｘ軸方向）に励振させることができる。

また、図１に示すように、角速度センサ１００は、マス部４０を挟んで励振手段５０ａに対向する位置に励振振幅検出手段５０ｂを備えている。励振振幅検出手段５０ｂは、励振手段５０ａと同一構造を備えている。励振振幅検出手段５０ｂは、マス部４０の励振振幅を櫛歯電極の静電容量の変化から検出しており、その検出結果を励振手段５０ａにフィードバックしている。励振手段５０ａは、励振振幅検出手段５０ｂで得られた検出結果に基づいて、印加する交流電圧を調整し、マス部４０の励振を制御している。

図１に示すように、ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄのそれぞれは、マス部４０の隅部にそれぞれ設けられている。図３に示すように、ビーム７０ｂ，７０ｃと半導体下層１０の間の絶縁層２０の一部が除去されている。ビーム７０ｂ，７０ｃは、一端がマス部４０の隅部に連結するとともに、他端が絶縁層２０の一部２２，２４を介して半導体下層１０に固定されている。なお、他のビーム７０ａ，７０ｄも同様の形態を備えている。これにより、ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄは、マス部４０を半導体下層１０上にフローティング状態で支持している。ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄは、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。
また、図１及び図３に示すように、ビーム７０ｂの端部表面には、接地電極端子７７が設けられている。接地電極端子７７は、接地電位に固定されている。前記したように、半導体上層３０には不純物が高濃度に含まれており、半導体上層３０は導電性を有している。これにより、半導体上層３０全体の電位が接地電位に固定されている。なお、ワイヤ配線等との接触を良好に行うために、接地電極端子７７の表面積を大きく確保したい場合は、ビーム７０ｂの端部の面積を大きくする、又は接地電極端子７７を設けるための土台をビーム７０ｂの端部近傍に設ければよい。

図５に、ビーム７０ａの拡大平面図を示す。なお、他のビーム７０ｂ，７０ｃ，７０ｄも同様の形態を備えている。図５に示すように、ビーム７０ａは、フォールディッド型ビーム７３（第１部分の一例）と、ストレート型ビーム７５（第２部分の一例）と、フォールディッド型ビーム７３とストレート型ビーム７５を連結するビーム連結部７４を有している。

フォールディッド型ビーム７３は、検出方向（ｙ軸方向）に沿って往復する一対のx軸ビーム７１、７２で構成されている。フォールディッド型ビーム７３は、励振方向（ｘ軸方向）に弾性変形するとともに検出方向（ｙ軸方向）の弾性変形が規制されている。
ストレート型ビーム７５は、励振方向（ｘ軸方向）に沿って伸びているy軸ビームで構成されている。ストレート型ビーム７５は、検出方向（ｙ軸方向）に弾性変形するとともに励振方向（ｘ軸方向）の弾性変形が規制されている。
したがって、フォールディッド型ビーム７３の励振方向（ｘ軸方向）のバネ定数は、ストレート型ビーム７５の励振方向（ｘ軸方向）のバネ定数よりも小さい。一方、ストレート型ビーム７５の検出方向（ｙ軸方向）のバネ定数は、フォールディッド型ビーム７３の検出方向（ｙ軸方向）のバネ定数よりも小さい。

ビーム連結部７４は、励振方向（ｘ軸方向）に沿って伸びているビームで構成されている。ビーム連結部７４のビームは、ストレート型ビーム７５のy軸ビームよりもｙ軸方向の幅が幅広である。このため、ビーム連結部７４は、励振方向（ｘ軸方向）と検出方向（ｙ軸方向）の双方のバネ定数が非常に大きく、双方への弾性変形が規制されている。即ち、ビーム連結部７４は、励振方向（ｘ軸方向）のバネ定数がフォールディッド型ビーム７３のバネ定数よりも大きく、検出方向（ｙ軸方向）のバネ定数がストレート型ビーム７５のバネ定数よりも大きい。ビーム７０ａの一方端には固定部７６が設けられており、固定部７６は絶縁層の一部を介して半導体下層１０に固定されている。

図１に示すように、検出手段６０は、ビーム７０ｂに設けられている。図６に、検出手段６０の拡大平面図を示す。検出手段６０は、可動電極６１と固定電極６２と固定電極端子６３とを備えている。可動電極６１と固定電極６２は、エッチング技術を利用して、絶縁層２０及び半導体上層３０の一部を加工することによって形成されている。可動電極６１の一端は、ビーム７０ｂのビーム連結部７４に連結している。可動電極６１と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されており、可動電極６１はビーム７０ｂに伴って半導体下層１０上にフローティング状態で支持されている。可動電極６１は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。固定電極６２と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されておらず、固定電極６２は絶縁層２０の一部を介して半導体下層１０に固定されている。固定電極端子６３は、半導体上層３０上に設けられている。

可動電極６１は、６本の可動電極指６１ａ−６１ｆを備えている。可動電極指６１ａ−６１ｆは、２本を一組としてｙ軸方向に沿って等間隔で並んでいる。固定電極６２は、６本の固定電極指６２ａ−６２ｆを備えている。固定電極指６２ａ−６２ｆは、２本を一組としてｙ軸方向に沿って等間隔に並んでいる。
可動電極６１のｘ軸の負の向きに伸びる可動電極指６１ａ，６１ｂ，６１ｃと、固定電極６２のｘ軸の正の向きに伸びる固定電極指６２ａ，６２ｂ，６２ｃは、交互に噛み合うように配置されている。可動電極６１のｘ軸の正の向きに伸びる可動電極指６１ｄ，６１ｅ，６１ｆと、固定電極６２のｘ軸の負の向きに伸びる固定電極指６２ｄ，６２ｅ，６２ｆも、交互に噛合うように配置されている。

図６に示すように、可動電極指６１ｆと固定電極指６２ｆの間の距離（図中のＡ）は、可動電極指６１ｆと固定電極指６２ｅの間の距離（図中のＢ）に比較して狭い。同様の距離関係が、全ての可動電極指６１ａ−６１ｆと固定電極指６２ａ−６２ｆの間に存在している。このため、可動電極６１と固定電極６２間の静電容量は、対向距離が狭い可動電極指６１ａ−６１ｆと固定電極指６２ａ−６２ｆ間の静電容量の和のみによって決まるとみなすことができる。

マス部４０が検出方向（ｙ軸方向）に振動するときは、ビーム７０ｂも検出方向（ｙ軸方向）に振動する。したがって、検出手段６０は、直接的にはビーム７０ｂの検出方向（ｙ軸方向）の振動を検出するが、間接的にはマス部４０の検出方向（ｙ軸方向）の振動を検出することができる。検出手段６０では、固定電極６２が半導体下層１０に固定されているので、ビーム７０ｂの振動に伴って可動電極６１が振動すると、可動電極指６１ａ−６１ｆと固定電極指６２ａ−６２ｆ間の静電容量が変動する。検出手段６０では、この静電容量の変動を固定電極端子６３を介して容量検出回路で検出する。得られた静電容量の変動からビーム７０ｂの検出方向（ｙ軸方向）の振動振幅、ひいてはマス部４０の検出方向（ｙ軸方向）の振動振幅が換算される。

図７に、角速度センサ１００に接続されている回路の構成を示す。図中の番号５３，５４，６３は、図１に示すように、励振手段５０ａの固定電極端子５３と、励振振幅検出手段５０ｂの固定電極端子５４と、検出手段６０の固定電極端子６３を示している。以下、図７を参照して、角速度センサ１００の動作を説明する。
まず、励振手段５０ａによるマス部４０の励振に関して説明する。励振手段５０ａの固定電極端子５３には、自励振回路から振幅制御回路を介して交流電圧が印加され、マス部４０が励振方向（ｘ軸方向）に励振する。前記したように、励振振幅検出手段５０ｂは、容量検出回路を利用して、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）の励振振幅を櫛歯電極の静電容量の変化から検出している。この容量検出回路の検出結果は、自励振回路にフィードバックされ、自励振回路は上記検出結果に基づいて自励振信号を生成する。振幅制御回路は、自励振信号に基づいてマス部４０の励振振幅が一定となるように交流電圧を制御する。これらの構成により、常時適切な周波数で適切な励振振幅でマス部４０を励振方向（ｘ軸方向）に励振することができる。

前記したように、ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄは、フォールディッド型ビーム７３を有している。このため、マス部４０が励振方向（ｘ軸方向）に励振したときは、フォールディッド型ビーム７３が優先的に励振方向（ｘ軸方向）に沿って弾性変形する。このため、フォールディッド型ビーム７３よりも反マス部４０側のビーム連結部７４及びストレート型ビーム７５では、マス部４０の励振振幅の影響が低減されており、ビーム連結部７４及びストレート型ビーム７５は、安定した状態を保つことができる。したがって、ビーム連結部７４に設けられている検出手段６０は、マス部４０の励振振幅の影響が低減された状態で検出動作を行うことができる。

マス部４０が励振方向（ｘ軸方向）に励振している状態で回転軸方向（ｚ軸方向）の角速度がマス部４０に加わると、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）と角速度の回転軸方向（ｚ軸方向）の両方に直交する検出方向（ｙ軸方向）にコリオリ力が発生する。マス部４０は、このコリオリ力を受けて検出方向（ｙ軸方向）に振動する。
フォールディッド型ビーム７３は、検出方向（ｙ軸方向）のバネ定数が大きく、検出方向（ｙ軸方向）の弾性変形が規制されている。したがって、マス部４０が検出方向（ｙ軸方向）に振動すると、ストレート型ビーム７５が優先的に検出方向（ｙ軸方向）に弾性変形する。ストレート型ビーム７５が検出方向（ｙ軸方向）に弾性変形すると、ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ全体が検出方向（ｙ軸方向）に振動する。

ビーム７０ｂが検出方向（ｙ軸方向）に振動すると、ビーム連結部７４に連結している検出手段６０の可動電極６１も検出方向（ｙ軸方向）に振動する。検出手段６０では、固定電極６２が半導体下層１０に固定されているので、ビーム７０ｂの振動に伴って可動電極６１が振動すると、可動電極指６１ａ−６１ｆと固定電極指６２ａ−６２ｆ間の静電容量が変動する。容量検出回路は、検出手段６０の固定電極端子６３から静電容量の変動を検出し、その検出結果を同期検波回路に供給する。同期検波回路は、静電容量の変動のうち自励振回路が生成する交流電圧の周期と一致するものを抽出する。コリオリ力によるマス部４０の振動の周期は、自励振回路によるマス部４０の励振の周期と一致し、位相がπ／２進むので、抽出された静電容量の変動は、コリオリ力によるマス部４０の振動を反映している。同期検波回路はさらに、抽出された静電容量の変動から角速度を換算し、角速度表示部に供給する。角速度表示部は、入力した角速度を表示する。角速度センサ１００は、このような手順を経て、マス部４０に印加されたｚ軸方向を回転軸とする角速度を正確に検出することができる。

（第２実施例）
図８及び図９に、角速度センサ１１０の形態を模式的に示す。図８は、角速度センサ１１０の平面図である。図９は、図８のIX−IX線に対応した角速度センサ１１０の断面図である。なお、第１実施例の角速度センサ１００と同一の構成要素に関しては同一符号を付し、その説明を省略する。
角速度センサ１１０は、マス部４０のｚ軸方向の振動を直接的に検出する第２検出手段８０を備えていることを特徴としている。角速度センサ１１０によると、第２検出手段８０を利用して、ｙ軸方向を回転軸とする角速度も検出することができる。このため、角速度センサ１１０は、第１検出手段６０と第２検出手段８０の双方が設けられているので、２軸の角速度を検出することが可能になる。

図９に示すように、第２検出手段８０は、不純物拡散領域８２と固定電極端子８４とを備えている。不純物拡散領域８２は、半導体下層１０の表面に不純物が高濃度に導入された領域であり、導電性を有している。不純物拡散導入領域８２は、マス部４０に対向している。固定電極端子８４は、半導体下層１０の表面に設けられており、不純物拡散領域８２に電気的に接続している。

図１０に、角速度センサ１１０に接続されている回路の構成を示す。図中の番号５３，５４，６３，８４は、図８に示すように、励振手段５０ａの固定電極端子５３と、励振振幅検出手段５０ｂの固定電極端子５４と、第１検出手段６０の固定電極端子６３と、第２検出手段８０の固定電極端子８４を示している。なお、図７に示す回路構成との相違は、第２検出手段８０における静電容量の変動を検出する容量検出回路、角速度に換算するための同期検波回路、角速度を表示するための角速度表示部が追加された点であり、基本的な動作は図７の場合と同一である。

マス部４０が励振方向に励振している状態でｙ軸方向を回転軸とする角速度がマス部４０に加わると、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）と角速度の回転軸方向（ｙ軸方向）の両方に直交するｚ軸方向にコリオリ力が発生する。マス部４０は、このコリオリ力を受けてｚ軸方向に振動する。マス部４０がｚ軸方向に振動すると、マス部４０と不純物拡散領域８２の間の静電容量が変動する。容量検出回路は、第２検出手段８０の固定電極端子８４から静電容量の変動を検出し、その検出結果を同期検波回路に供給する。同期検波回路は、静電容量の変動のうち自励振回路が生成する交流電圧の周期と一致するものを抽出する。同期検波回路はさらに、抽出された静電容量の変動から角速度を換算し、角速度表示部に供給する。角速度表示部は、入力した角速度を表示する。角速度センサ１１０は、このような手順を経て、マス部４０に印加されたｙ軸方向を回転軸とする角速度を正確に検出することができる。
角速度１１０によると、第１検出手段６０がｚ軸方向を回転軸とする角速度を検出し、第２検出手段８０がｙ軸方向を回転軸とする角速度を検出することができる。角速度センサ１１０は、第１検出手段６０と第２検出手段８０の双方が設けられているので、２軸の角速度を同時に検出することができる。

（x，y，z軸振動系の共振曲線）
次に、角速度センサ１１０におけるビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄの好ましい形態に関して考察する。図１１に、x，y，z軸振動系の共振曲線を示す。角速度センサ１１０では、マス部４０が励振共振周波数fxで励振されているので、マス部４０に角速度が印加されると、励振振動Vと角速度Ωの双方に垂直な方向に振動が発生する。この振動の周波数は励振共振周波数fxと同一である。
ｙ軸振動系の拡大率Ayは、ｙ軸振動系の共振振動周波数fyにおいて最大となる。共振周波数fyから離れるにつれて拡大率Ayは減少していく。ｘ軸の励振共振周波数fxとｙ軸の共振周波数fyの差の絶対値をΔfxyと表すと、Δfxyが小さいほど拡大率Ayが増加し、角速度センサ１１０のセンサ感度が向上する。センサ感度を決定する主要素はΔfである。Δfxyが０のときにセンサ感度が最大であるが、fxとfyが完全に一致すると、励振振動のモードと検出振動のモードがカップリングし、それぞれの振動モードを安定に保つことが困難になる。即ち、コリオリ力を印加していない場合でも励振振動の一部が検出振動方向に発生し、ノイズ成分となってしまう。このため、センサ特性を安定させるためには、Δfxyを少なくともfxの１％以上に設定するのが好ましい。より好ましくは、Δfxyをfxの５％以上に設定することで、センサ特性が極めて安定化される。なお、z軸振動系についてもy軸振動系と同様である。

角速度センサ１１０は、２軸の角速度を検出するので、この２つの検出軸（ｙ軸方向とｚ軸方向）に関する検出感度がほぼ等しいことが望まれている。それぞれの検出軸に関するセンサ感度をほぼ等しく設定すると、角速度センサ１１０に接続されているｙ軸方向の容量検出回路とｚ軸方向の容量検出回路の回路定数を同一にできる。また、印加される角速度に対するセンサ出力が検出軸に関わらず等しくなるので、２軸角速度センサを利用したシステム構築が容易となる。

前記したように、センサ感度を決定する主要因はΔfである。したがって、y軸及びz軸のセンサ感度をほぼ等しくするためには、Δfxy≒Δfxzとするのが望ましい。この条件を実現するためには、励振共振周波数fxが２つの検出軸の共振周波数間にある必要がある。このため、励振共振周波数fxと共振周波数fyと共振周波数fzの間の関係を、fy＜fx＜fz、又は、fz＜fx＜fyと設定することが望ましい。

なお、上記共振周波数の関係は、fy＜fx＜fzの方が望ましい。この理由を以下に説明する。
本実施例の角速度センサ１１０は、MEMS技術を利用して作製されており、半導体下層１０の表面にセンサ構造体が作り込まれている。このような場合、例えば、半導体下層１０とマス部４０の間の距離が非常に微小であり、且つ半導体下層１０とマス部４０の対向する面積が大きくなる傾向にある。このため、マス部４０が半導体下層１０に接触して付着するという現象（スティッキング現象）が起こり得る。
そこで、スティッキング現象を回避するために、ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄのｚ軸方向のバネ剛性を高めることが望ましい。ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄのｚ軸方向のバネ剛性を高めると、z軸方向の共振周波数が高くなる。この結果、共振周波数の関係が、fy＜fx＜fzに設定される。換言すれば、共振周波数の関係がfy＜fx＜fzに設定されていると、スティッキング現象を回避するとともに、上述したようにセンサ特性をも向上させることができる。

次に、角速度センサ１１０のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄに関して具体的に考察する。角速度センサ１１０のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄにおいて、共振周波数の関係をfy＜fx＜fzに設定する一例を以下に例示する。図１２（Ａ）に、フォールディッド型ビーム７３の要部拡大斜視図を示す。図１２（Ｂ）に、ストレート型ビーム７５の要部拡大斜視図を示す。

ここで、フォールディッド型ビーム７３のx軸ビームとストレート型ビーム７５のy軸ビーム形状を以下のように定義する。
E：シリコンのヤング率
Txx：x軸ビームのx軸方向の幅
Txz：x軸ビームのｚ軸方向の厚み
Lx：x軸ビームのy軸方向の長さ
Tyy：y軸ビームのy軸方向の幅
Tyz：y軸ビームのz軸方向の厚み
Ly：y軸ビームのx軸方向の長さ
M：質量（マス部４０の質量で代表する）

（マス部４０のz軸方向の振動をフォールディッド型ビーム７３で実現する場合）
フォールディッド型ビーム７３のx軸ビームに関しては、厚みTxzを幅Txxよりも大きくし、x軸ビームのz軸方向のバネ定数をx軸方向のバネ定数よりも大きくするのが望ましい。具体的な寸法は、Txx：Txz＝１：１．１以上とする。
ストレート型ビーム７５のy軸ビームに関しては、z軸方向の剛性をy軸方向の剛性よりも十分に大きくし、y軸ビームがz軸方向に振動しないようにするのが望ましい。具体的な寸法は、Tyy：Tyz＝１：５以上とする。

以下、フォールディッド型ビーム７３のバネ定数の計算方法を示す。
フォールディッド型ビーム７３のx軸ビームのx軸方向のバネ定数をkxxとし、z軸方向のバネ定数をkxzとすると、バネ定数kxx，kxzは次式で表すことができる。なお、ｙ軸方向のバネ定数は極めて大きいので、変位に関与しない。

バネ定数kxzとバネ定数をkxxの比を求めると、以下のようになる。

Txx：Txz＝１：１．１に設定されていれば、バネ定数の比は以下のようになる。

ここで、バネ定数と共振周波数の関係は、次の式で表すことができる。

マス部４０の質量Mは３つの軸に関してほぼ共通と見なせるので、励振共振周波数fx、共振周波数fy、共振周波数fzとすると、fz：fx＝１．１：１となる。Txx：Txz＝１：１．１以上に設定すると、共振周波数fzを励振共振周波数fxよりも１０％以上高くすることができる。励振共振周波数fxは、フォールディッド型ビーム７３のx軸ビームの寸法を選ぶことで、共振周波数fyと共振周波数fzの中心になるように設定することができる。この結果、共振周波数の関係をfy＜fx＜fzであり、Δfxy＝Δfyxを実現することができる。

以下、ストレート型ビーム７５のバネ定数の計算方法を示す。
ストレート型ビーム７５のy軸ビームのy軸方向のバネ定数をkyyとし、z軸方向のバネ定数をkyzとすると、バネ定数kyy，kyzは次式で表すことができる。なお、x軸方向のバネ定数は極めて大きいので、変位に関与しない。

バネ定数kyyとバネ定数をkyzの比を求めると、以下のようになる。

Tyy：Tyz＝１：５以上に設定されていれば、Tyy／Tyzが２５以上となり、ストレート型ビーム７５のy軸ビームのz軸方向への振動がほぼ０とみなすことができる。

（マス部４０のz軸方向の振動をストレート型ビーム７５で実現する場合）
フォールディッド型ビーム７３のx軸ビームに関しては、z軸方向の剛性をx軸方向の剛性よりも十分に大きくし、x軸ビームの両端部のz軸方向の変位差がほぼ０となるようにするのが望ましい。具体的な寸法は、Txx：Txz＝１：５以上とする。
ストレート型ビーム７５のy軸ビームに関しては、厚みTyzを幅Tyyよりも大きくし、y軸ビームのz軸方向へのバネ定数をy軸方向のバネ定数よりも大きくするのが望ましい。具体的な寸法は、Tyy：Tyz＝１：１．１以上とする。

以下、フォールディッド型ビーム７３のバネ定数の計算方法を示す。
フォールディッド型ビーム７３のx軸ビームのx軸方向のバネ定数をkxxとし、z軸方向のバネ定数をkxzとすると、バネ定数kxx，kxzは次式で表すことができる。なお、y軸方向のバネ定数は極めて大きいので、変位に関与しない。

バネ定数kxxとバネ定数をkxzの比を求めると、以下のようになる。

Txx：Txz＝１：５以上に設定されていれば、Txx／Txzが２５以上となり、フォールディッド型ビーム７３のx軸ビームのz軸方向への振動がほぼ０とみなすことができる。

以下、ストレート型ビーム７５のバネ定数の計算方法を示す。
ストレート型ビーム７５のy軸ビームのy軸方向のバネ定数をkyyとし、z軸方向のバネ定数をkyzとすると、バネ定数kyy，kyzは次式で表すことができる。なお、x軸方向のバネ定数は極めて大きいので、変位に関与しない。

バネ定数kyyとバネ定数をkyzの比を求めると、以下のようになる。

Tyy：Tyz＝１：１．１に設定されていれば、バネ定数の比は以下のようになる。

ここで、バネ定数と共振周波数の関係は、次の式で表すことができる。

マス部４０の質量Mは３つの軸に関してほぼ共通と見なせるので、励振共振周波数fx、共振周波数fy、共振周波数fzとすると、fz：fy＝１．１：１となる。Tyy：Tyz＝１：１．１以上に設定すると、共振周波数fzを励振共振周波数fyよりも１０％以上高くすることができる。励振共振周波数fxは、フォールディッド型ビーム７３のx軸ビームの寸法を選ぶことで、共振周波数fyと共振周波数fzの中心になるように設定することができる。この結果、共振周波数の関係をfy＜fx＜fzであり、Δfxy＝Δfyxを実現することができる。

図１３（Ａ）に、フォールディッド型ビーム７３の変形例の要部拡大斜視図を示す。図１３（Ｂ）に、ストレート型ビーム７５の変形例の要部拡大斜視図を示す。
これらの変形例は、フォールディッド型ビーム７３のx軸ビームが２枚板で構成されており、ストレート型ビーム７５のy軸ビームも２枚板で構成されていることを特徴としている。このような構成のビーム形状であっても、図中に示す寸法の定義を上述の各数式に当て嵌めることによって、上記の共振周波数の関係をfy＜fx＜fz、又はfy＜fx＜fzを実現することができる。
さらに、ビーム形状が２枚板で構成されていると、ビームが平行板バネとなるので、マス部４０がy軸方向及びz軸方向に対して平行に振動することができる。この結果、検出手段６０において、可動電極６１の可動電極指６１ａ−６１ｆと固定電極６２の固定電極指６２ａ−６２ｆが、常時平行に対向することができる。ビーム形状が２枚板で構成されていると、マス部４０の振動に基づく微小な静電容量の変動を精度良く検出することができる。

（第３実施例）
図１４〜図１６に、角速度センサ１２０の形態を模式的に示す。図１４は、角速度センサ１２０の平面図である。図１５は、図１４のXV−XV線に対応した角速度センサ１２０の断面図である。図１６は、図１４のXVI−XVI線に対応した角速度センサ１２０の断面図である。なお、第１実施例の角速度センサ１００と実質的に同一の構成要素に関しては同一符号を付し、その説明を省略する。

角速度センサ１２０は、マス部４０のｚ軸方向の振動を直接的に検出する第２検出手段１８０が差動電極で構成されていることを特徴としている。角速度センサ１２０はさらに、ビーム７０ｃに、第１検出手段６０ａに類似した第１類似検出電極６０ｂが設けられていることも特徴としている。第１類似検出電極６０ｂもまた、第１検出電極６０ａと組合せて用いられることで差動電極として機能する。

図１５及び図１６に示すように、角速度センサ１２０のマス部４０は、半導体下層１０と絶縁層２０と半導体上層３０の一部が積層して構成されており、この点において実施例１の角速度センサ１００及び実施例２の角速度センサ１１０と相違している。マス部４０の周囲には、半導体下層１０と絶縁層２０を貫通する第１トレンチ４２が形成されている。第１トレンチ４２は、マス部４０の周囲を一巡しており、マス部４０を周囲の半導体下層１０及び絶縁層２０から分離している。マス部４０の半導体下層１０には不純物が高濃度に含まれており、マス部４０の半導体下層１０は導電性を有している。

図１４〜図１６に示すように、角速度センサ１２０の第２検出手段１８０は、第１アーム１８１と、第１貫通電極１８２と、第１延伸電極１８３と、第１固定電極端子１８４と、分離基板電極１８５と、第２アーム１８６と、第２延伸電極１８７と、第２固定電極端子１８８を備えている。
図１５に示すように、第１アーム１８１は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。第１アーム１８１は、マス部４０から分離基板電極１８５の上方に向けて伸びているとともに、分離基板電極１８５の表面との間に間隙を形成する。第１アーム１８１と分離基板電極１８５は、この間隙を利用して、第１コンデンサＣ１を構成している。

分離基板電極１８５は、半導体下層１０の一部を利用して形成されている。分離基板電極１８５の周囲には、半導体下層１０と絶縁層２０を貫通する第２トレンチ４３が形成されている。第２トレンチ４３は、第１トレンチ４２に連結している。第１トレンチ４２と第２トレンチ４３は、分離基板電極１８５の周囲を一巡しており、分離基板電極１８５を周囲の半導体下層１０及び絶縁層２０から分離している。分離基板電極１８５には不純物が高濃度に含まれており、分離基板電極１８５は導電性を有している。

第１貫通電極１８２は、絶縁層２０と半導体上層３０を貫通しており、分離基板電極１８５と第１延伸電極１８３を電気的に接続している。第１延伸電極１８３は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。第１延伸電極１８３には不純物が高濃度に含まれており、第１延伸電極１８３は導電性を有している。第１延伸電極１８３の端部には、第１固定電極端子１８４が設けられている。これらの構成によって、分離基板電極１８５は、第１固定電極端子１８４に電気的に接続されている。

図１６に示すように、第２アーム１８６は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。図１４に示すように、第２アーム１８６が設けられている位置は、マス部４０の半導体上層３０及び絶縁層２０の一部が除去された領域であり、その除去された領域に第２アーム１８６が配置されている。図１６に示すように、第２アーム１８６は、マス部４０の周囲からマス部４０の上方に向けて伸びているとともに、マス部４０の半導体下層１０の表面との間に間隙を形成する。第２アーム１８６とマス部４０の半導体下層１０は、この間隙を利用して、第２コンデンサＣ２を構成している。第２アーム１８６は、第２延伸電極１８７の一部でもある。第２延伸電極１８７には不純物が高濃度に含まれており、第２延伸電極１８７は導電性を有している。第２延伸電極１８７の端部には、第２固定電極端子１８８が設けられている。

図１４及び図１６に示すように、マス部４０は、マス部４０の絶縁層２０と半導体上層３０を貫通する貫通電極４１を備えている。貫通電極４１は、マス部４０の半導体下層１０と半導体上層３０を電気的に接続している。前記したように、マス部４０の半導体上層３０は、ビーム７０ｂに設けられた接地電極端子７７を介して接地電位に固定されている。したがって、マス部４０の半導体下層１０も接地電位に固定されている。

第２検出電極１８０では、第１コンデンサＣ１を構成している第１アーム１８１と分離基板電極１８５の対向面積と第２コンデンサＣ２を構成している第２アーム１８６とマス部４０の半導体下層１０の対向面積が一致している。さらに、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２は、いずれも絶縁層２０を除去して形成されているので、第１コンデンサＣ１を構成している第１アーム１８１と分離基板電極１８５の対向距離と第２コンデンサＣ２を構成している第２アーム１８６とマス部４０の半導体下層１０の対向距離も一致している。

したがって、第２検出手段１８０では、マス部４０がｚ軸方向に振動すると、第１コンデンサＣ１の静電容量の増大（又は減少）と第２コンデンサＣ２の静電容量の減少（又は増大）が一致する。例えば、マス部４０がｚ軸方向の正の向きに変位すると、第１コンデンサＣ１の対向距離が増大し、静電容量は減少する。このとき、第２コンデンサＣ２の対向距離は減少し、静電容量は増大する。一方、マス部４０がｚ軸方向の負の向きに変位すると、第１コンデンサＣ１の対向距離が減少し、静電容量が増大する。このとき、第２コンデンサＣ２の対向距離は増大し、静電容量は減少する。このため、第１コンデンサＣ１の静電容量の変動と第２コンデンサＣ２の静電容量の変動の差分を求めると、静電容量の変動を２倍の感度で検出することができる。

図１４に示すように、第１類似検出電極６０ｂは、可動電極指と固定電極指の噛み合う配置が、第１検出手段６０ａのそれと比較すると、y軸方向に１つづれて配置されていることを特徴としている。このため、マス部４０がy軸方向に振動したときに、第１検出電極６０ａの可動電極指と固定電極指の間の距離が減少すると、第１類似検出電極６０ｂの可動電極指と固定電極指の間の距離が増加する。一方、第１検出電極６０ａの可動電極指と固定電極指の間の距離が増加すると、第１類似検出電極６０ｂの可動電極指と固定電極指の間の距離が減少する。第１検出電極６０ｂと第１類似検出電極６０ｂは、可動電極指と固定電極指の噛み合う配置が異なっているだけで、他の形態は同一である。したがって、マス部４０がy軸方向に振動すると、第１検出手段６０ａの静電容量の増大（又は減少）と第１類似検出手段６０ｂの静電容量の減少（又は増大）が一致する。このため、第１検出手段６０ａの静電容量の変動と第１類似検出手段６０ｂの静電容量の変動の差分を求めると、静電容量の変動を２倍の感度で検出することができる。

図１７に、角速度センサ１２０に接続されている回路の構成を示す。図中の番号５３，５４，６３ａ，６３ｂ，１８４，１８８は、図１４に示すように、励振手段５０ａの固定電極端子５３と、励振振幅検出手段５０ｂの固定電極端子５４と、第１検出手段６０ａの固定電極端子６３ａと、第１類似検出電極６０ｂの固定電極端子６０ｂと、第２検出手段８０の第１固定電極端子１８４と、第２検出手段の第２固定電極端子１８８を示している。なお、図１０に示す回路構成との相違は、差動増幅回路が追加された点であり、基本的な動作は図１０の場合と同一である。

マス部４０が励振方向に励振している状態でz軸方向を回転軸とする角速度がマス部４０に加わると、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）と角速度の回転軸方向（z軸方向）の両方に直交するy軸方向にコリオリ力が発生する。マス部４０は、このコリオリ力を受けてy軸方向に振動する。マス部４０がy軸方向に振動すると、第１検出手段６０ａの静電容量が増大するときは第１類似検出手段６０ｂの静電容量が減少し、第１検出手段６０ａの静電容量が減少するときは第１類似検出手段６０ｂの静電容量が増大する。前記したように、第１検出手段６０ａの静電容量の増大分（又は減少分）と第１類似検出手段６０ｂの静電容量の減少分（又は増大分）は一致しているので、差動増幅回路でそれらの差分を求めると、静電容量の変動を２倍の感度で検出することができる。増幅された静電容量の変動は、同期検波回路に供給され、同期検波回路は静電容量の変動のうち自励振回路が生成する交流電圧の周期と一致するものを取捨選択する。これにより、マス部４０に印加されたz軸方向を回転軸とする角速度を高感度に検出することができる。検出された角速度は、角速度表示部で表示される。

また、マス部４０が励振方向に励振している状態でｙ軸方向を回転軸とする角速度がマス部４０に加わると、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）と角速度の回転軸方向（ｙ軸方向）の両方に直交するｚ軸方向にコリオリ力が発生する。マス部４０は、このコリオリ力を受けてｚ軸方向に振動する。マス部４０がｚ軸方向に振動すると、第２検出手段１８０では、第１コンデンサＣ１の静電容量が増大するときは第２コンデンサＣ２の静電容量が減少し、第１コンデンサＣ１の静電容量が減少するときは第２コンデンサＣ２の静電容量が増大する。前記したように、第１コンデンサＣ１の静電容量の増大分（又は減少分）と第２コンデンサＣ２の静電容量の減少分（又は増大分）は一致しているので、差動増幅回路でそれらの差分を求めると、静電容量の変動を２倍の感度で検出することができる。増幅された静電容量の変動は、同期検波回路に供給され、同期検波回路は静電容量の変動のうち自励振回路が生成する交流電圧の周期と一致するものを取捨選択する。これにより、マス部４０に印加されたy軸方向を回転軸とする角速度を高感度に検出することができる。検出された角速度は、角速度表示部で表示される。

（第３実施例の変形例）
図１８に、第３実施例の変形例の角速度センサ１３０の形態を模式的に示す。図１８は、角速度センサ１３０の平面図である。
角速度センサ１３０は、第２検出電極１８０がビーム７０ａ，７０ｂに設けられていることを特徴としている。第２検出手段１８０の第２アーム１８６と第２延伸電極１８７と第２固定電極端子１８８は、ビーム７０ａのビーム連結部７４に設けられている。第２検出電極１８０の第１アーム１８１と第１貫通電極１８２と第１延伸電極１８３と第１固定電極端子１８４と分離基板電極１８５は、ビーム７０ｄのビーム連結部７４に設けられている。なお、角速度センサ１３０は、第２検出電極１８０がビーム７０ａ，７０ｂに設けられている点において図１７の角速度センサ１２０と相違するものの、基本的な技術思想は図１７の角速度センサ１２０と同一である。

角速度センサ１３０では、マス部４０のｚ軸方向の振動をストレート型ビーム７５で実現している。即ち、ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄのフォールディッド型ビーム７３のｚ軸方向のバネ定数は、ストレート型ビーム７５のｚ軸方向のバネ定数よりも大きい。この種のビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄの一例は、本実施例の段落［００５５］等に記載されている。

角速度センサ１３０では、マス部４０が励振方向（ｘ軸方向）に励振したときは、フォールディッド型ビーム７３が優先的に励振方向（ｘ軸方向）に沿って弾性変形する。このため、ビーム連結部７４に設けられている第２検出手段１８０は、マス部４０の励振振幅の影響が低減された状態で検出動作を行うことができる。マス部４０が励振方向（ｘ軸方向）に励振している状態で回転軸方向（ｙ軸方向）の角速度がマス部４０に加わると、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）と角速度の回転軸方向（ｙ軸方向）の両方に直交する検出方向（ｚ軸方向）にコリオリ力が発生する。マス部４０は、このコリオリ力を受けて検出方向（ｚ軸方向）に振動する。

フォールディッド型ビーム７３は、検出方向（ｚ軸方向）のバネ定数が大きく、検出方向（ｚ軸方向）の弾性変形が規制されている。したがって、マス部４０が検出方向（ｚ軸方向）に振動すると、ストレート型ビーム７５が優先的に検出方向（ｚ軸方向）に弾性変形する。ストレート型ビーム７５が検出方向（ｚ軸方向）に弾性変形すると、ビーム７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ全体が検出方向（ｚ軸方向）に振動する。したがって、第２検出電極１８０は、ビーム連結部７４のｚ軸方向の振動から、マス部４０のｚ軸方向の振動を間接的に検出することができる。変形例の角速度センサ１３０は、ビーム連結部７４に第２検出手段６０が設けられていることによって、マス部４０の励振振幅の影響が低減された状態で検出動作を行うことができる。

（第４実施例）
図１９に、角速度センサ１４０の形態を模式的に示す。図１９は、角速度センサ１４０の平面図である。なお、第３実施例の角速度センサ１２０と実質的に同一の構成要素に関しては同一符号を付し、その説明を省略する。
角速度センサ１４０は、ビーム７０ａに第１検出手段６０ａと同様の構造を有する第１y軸振動振幅制御手段６０ｄが設けられており、ビーム７０ｄに第１類似検出手段６０ｂと同様の構造を有する第２y軸振動振幅制御手段６０ｃが設けられていることを特徴としている。さらに、角速度センサ１４０は、第２検出手段１８０と同様の構造を有するz軸振動振幅制御手段１９０を備えていることを特徴としている。

第１y軸振動振幅制御手段６０ｄと第２y軸振動振幅制御手段６０ｃは、マス部４０がy軸方向に振動振幅しないように交流電圧が印加される。z軸振動振幅制御手段１９０は、マス部４０がz軸方向に振動振幅しないように交流電圧が印加される。

図１９に、角速度センサ１４０に接続されている回路の構成を示す。図中の番号５３，５４，６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ，１８４，１８８，１９４，１９８は、図１８に示すように、励振手段５０ａの固定電極端子５３と、励振振幅検出手段５０ｂの固定電極端子５４と、第１検出手段６０ａの固定電極端子６３ａと、第１類似検出電極６０ｂの固定電極端子６０ｂと、第２y軸振動振幅制御手段６０ｃの固定電極端子６３ｃと、第１y軸振動振幅制御手段６０ｄの固定電極端子６３ｄと、第２検出手段８０の第１固定電極端子１８４と、第２検出手段の第２固定電極端子１８８と、z軸振動振幅制御手段１９０の第１固定電極端子１９４と、z軸振動振幅制御手段１９０の第２固定電極端子１９８とを示している。なお、図１７に示す回路構成との相違は、変位制御回路が追加された点であり、基本的な動作は図１７の場合と同一である。

角速度センサ１４０では、同期検波回路で検出されたy軸方向の振動に係る結果は、変位制御回路に供給され、変位制御回路は、この結果に基づいてマス部４０のy軸方向の変位が零になるように、第１y軸振動振幅制御手段６０ｄ及び第２y軸振動振幅制御手段６０ｃに印加する交流電圧を制御する。また、マス部４０のy軸方向の変位が零になるのに必要な交流電圧から角速度を換算し、角速度表示部で表示する。
同様に、角速度センサ１４０では、同期検波回路で検出されたz軸方向の振動に係る結果は、変位制御回路に供給され、変位制御回路は、この結果に基づいてマス部４０のz軸方向の変位が零になるように、z軸振動振幅制御手段１９０に印加する交流電圧を制御する。また、マス部４０のz軸方向の変位が零になるのに必要な交流電圧から角速度を換算し、角速度表示部で表示する。
角速度センサ１４０では、零位法を採用することにより、極めて高精度に角速度を検出することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例の角速度センサの平面図を示す。 図１のII-II線に対応した断面図を示す。 図１のIII-III線に対応した断面図を示す。 励振手段の要部拡大図を示す。 ビームの要部拡大図を示す。 検出手段の要部拡大図を示す。 第１実施例の角速度センサに接続される回路の構成を示す。 第２実施例の角速度センサの平面図を示す。 図８のIX-IX線に対応した断面図を示す 第２実施例の角速度センサに接続される回路の構成を示す。 x，y，z軸振動系の共振曲線を示す。 （Ａ）フォールディッド型ビームの要部拡大斜視図を示す。（Ｂ）ストレート型ビームの要部拡大斜視図を示す。 （Ａ）変形例のフォールディッド型ビームの要部拡大斜視図を示す。（Ｂ）変形例のストレート型ビームの要部拡大斜視図を示す。 第３実施例の角速度センサの平面図を示す。 図１４のXV-XV線に対応した断面図を示す。 図１４のXVI-XVI線に対応した断面図を示す。 第３実施例の角速度センサに接続される回路の構成を示す。 第３実施例の変形例の角速度センサの平面図を示す。 第４実施例の角速度センサの平面図を示す。 第４実施例の角速度センサに接続される回路の構成を示す。

符号の説明

１０：半導体下層
２０：絶縁層
３０：半導体上層
４０：マス部
５０ａ：励振手段
５０ｂ：励振振幅検出手段
６０：検出手段
６０ａ：第１検出手段
６０ｂ：第１類似検出手段
７０ａ−７０ｄ：ビーム
７１，７２：ｘ軸ビーム
７３：フォールディッド型ビーム
７４：ビーム連結部
７５：ストレート型ビーム（ｙ軸ビーム）
７６：固定部
８０，１８０：第２検出手段
１８１：第１アーム
１８６：第２アーム

Claims (9)

1. 基板と、
   マス部と、
   マス部を励振方向に励振させる励振手段と、
   一端がマス部に連結しているとともに他端が基板に固定されており、少なくとも励振方向と励振方向に直交する第１検出方向とに変位可能にマス部を支持しているビームと、
   ビームに設けられているとともに第１検出方向のビームの振動を検出する第１検出手段と、を備えており、
   ビームは、第１検出方向よりも励振方向にバネ定数が小さい第１部分と、励振方向よりも第１検出方向にバネ定数が小さい第２部分を有しており、
   第１部分は、第２部分よりもマス部側に配置されており、
   第１検出手段は、第１部分よりも反マス部側のビームに設けられている角速度センサ。
2. 励振方向と第１検出方向は、基板の表面に対して平行であることを特徴とする請求項１の角速度センサ。
3. 第１部分は、第１検出方向に沿って往復する一対のビームを有するフォールディッド型ビームであり、
   第２部分は、励振方向に沿って伸びているビームを有するストレート型ビームであることを特徴とする請求項２の角速度センサ。
4. 基板の表面に対して垂直な第２検出方向のマス部の振動を直接的又は間接的に検出する第２検出手段をさらに備えていることを特徴とする請求項２又は３の角速度センサ。
5. 第２検出手段は、
   マス部から基板の上方に向けて伸びているとともに、基板の一部の表面との間に間隙を形成する第１アームと、
   基板からマス部の上方に向けて伸びているとともに、マス部の一部の表面との間に間隙を形成する第２アームと、を有しており、
   前記第１アームと前記基板の一部は第１コンデンサを構成しており、
   前記第２アームと前記マス部の一部は第２コンデンサを構成しており、
   第２検出方向にマス部が変位すると、第１コンデンサと第２コンデンサのうちの一方の間隙が拡大するとともに他方の間隙が縮小することを特徴とする請求項４の角速度センサ。
6. ビームの第１部分の第２検出方向のバネ定数は、ビームの第２部分の第２検出方向のバネ定数よりも大きく、
   第２検出手段は、第１部分よりも反マス部側のビームに設けられていることを特徴とする請求項４の角速度センサ。
7. 第２検出手段は、
   第１部分よりも反マス部側のビームから基板の上方に向けて伸びているとともに、基板の一部の表面との間に間隙を形成する第３アームと、
   基板から第１部分よりも反マス部側のビームの上方に向けて伸びているとともに、第１部分よりも反マス部側のビームの一部の表面との間に間隙を形成する第４アームと、を有しており、
   前記第３アームと前記基板の一部は第３コンデンサを構成しており、
   前記第４アームと前記第１部分よりも反マス部側のビームの一部は第４コンデンサを構成しており、
   第２検出方向に第１部分よりも反マス部側のビームが変位すると、第３コンデンサと第４コンデンサのうちの一方の間隙が拡大するとともに他方の間隙が縮小することを特徴とする請求項６の角速度センサ。
8. マス部とビームで決定される励振方向の励振共振周波数をfxとし、
   マス部とビームで決定される第１検出方向の共振周波数をfyとし、
   マス部とビームで決定される第２検出方向の共振周波数をfzとすると、
   fy＜fx＜fz又はfz＜fx＜fyの関係が成立していることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の角速度センサ。
9. 励振共振周波数fxと共振周波数fyの差の絶対値をΔfxyとし、
   励振共振周波数fxと共振周波数fzの差の絶対値をΔfxzとすると、
   ΔfxyとΔfxzが略一致していることを特徴とする請求項８の角速度センサ。
   
   

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