JP3329068B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転体の角速度を検出
する角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】ここで、図１０および図１１に異なった
２種類の従来技術による角速度センサを示し説明する。

【０００３】まず、一般的な第１の従来技術による角速
度センサを図１０に示す。

【０００４】図中、１は第１の従来技術による角速度セ
ンサ、２は略Ｙ字状の音叉型振動子を示し、該音叉型振
動子２は対向して上方に向けて延びる一対の板状振動板
２Ａ，２Ｂと、該板状振動板２Ａ，２Ｂを連結する肉厚
の底部２Ｃと、該底部２Ｃから音叉軸（Ｚ軸）となる柱
２Ｄを介して支持する固定板２Ｅとから構成されてい
る。

【０００５】３Ａ，３Ｂは音叉型振動子２の板状振動板
２Ａ，２Ｂの外側にそれぞれ固着された駆動用圧電素子
を示し、該駆動用圧電素子３Ａ，３ＢはＰＺＴ等の材料
により薄膜状に形成されている。

【０００６】４は底部２Ｃの側面に突設された検出部を
示し、該検出部４の両側面にはマグネットまたは電極等
によって形成された振動変位検出手段（図示せず）が設
けられている。

【０００７】なお、便宜上、前述した角速度センサ１に
おいて、検出部４の突設された方向をＸ軸、板状振動板
２Ａ，２Ｂの音叉振動する方向（矢示Ａ1 ，Ａ2 ）をＹ
軸、柱２Ｄの延びる方向をＺ軸とし、前記音叉型振動子
２の板状振動板２Ａ，２ＢはＺ軸を音叉軸（中心軸）と
するＹ軸方向の振動を起すようになっている。

【０００８】このように構成される第１の従来技術によ
る角速度センサ１では、駆動用圧電素子３Ａ，３Ｂに振
動駆動信号を印加すると、前記板状振動板２Ａ，２Ｂは
矢示Ａ1 ，Ａ2 方向に同じ大きさ，周期で広がるように
音叉振動し、この状態でＺ軸（音叉軸）周りに音叉型振
動子２を角速度ωで回転させると、互いに逆向きのＸ軸
方向にＦ1 ，Ｆ2 というコリオリ力（慣性力）が発生す
る。このコリオリ力Ｆ1 ，Ｆ2 によるトルクが音叉型振
動子２に作用して、該音叉振動子２は捩れ振動を起す。
この捩れ振動の大きさを検出部４により検出することに
より、角速度ωを検出するようになっている。

【０００９】しかし、この第１の従来技術による角速度
センサは、機械加工によって製造されているため、微細
加工を行うことができず、大型となってしまうという欠
点がある。

【００１０】この欠点を解決したものとして、図１１に
示す第２の従来技術による角加速度センサも知られてい
る。なお、この角速度センサはシリコン基板等の半導体
基板を用いることにより半導体微細加工技術を利用して
製造されている。

【００１１】図中、１１は第２の従来技術による角速度
センサを示し、該角速度センサ１１は、高抵抗を有する
シリコン材料によって形成された基板１２と、該基板１
２上にはポリシリコン材料を加工することによって、後
述する角速度検出部が形成されている。

【００１２】１３，１３は支持部を示し、該各支持部１
３は前記基板１２上の前後方向に離間して設けられ、該
各支持部１３には前後方向に向けて伸長する４本の支持
梁１４，１４，…が一体形成されている。

【００１３】１５は各支持梁１４を介して支持された枠
状の音叉振動子を示し、該音叉振動子１５は、左右方向
に離間して設けられた一対の振動板１６，１６と、該各
振動板１６の左右側面に形成され、左右方向に伸長する
複数枚の電極板１７Ａ，１７Ａ，…を有する振動側くし
状電極１７，１７と、前記各振動板１６から前後方向両
側に向けて伸長する８本の第１の腕部１８，１８，…
と、それぞれ同じ方向に伸びた４本の該各第１の腕部１
８と前記支持梁１４とを連結する左右方向に伸びる第２
の腕部１９，１９とからなる。

【００１４】２０，２１，２１は基板１２上に固着され
た固定電極を示し、該固定電極２０は前記振動板１６の
間（即ち中央部）に位置して設けられ、各固定電極２１
は基板１２の左右両側に位置して設けられている。ま
た、中央部に位置した該固定電極２０の左右側面には、
前記各振動板１６の振動側くし状電極１７に対向するよ
うに、複数枚の電極板２２Ａ，２２Ａ，…を有する固定
側くし状電極２２，２２が形成されている。さらに、左
右両側に位置した各固定電極２１の内側側面には、前記
各振動板１６の振動側くし状電極１７に対向するよう
に、複数枚の電極板２３Ａ，２３Ａ，…を有する固定側
くし状電極２３が形成されている。

【００１５】２４，２４は固定電極２０を挟んで左右の
振動板１６，１６との間に設けられた振動発生手段とし
ての振動発生部を示し、該各振動発生部２４はくし状電
極１７と２２とから構成されている。そして、各くし状
電極１７と２２とに、振動駆動信号を与えることによ
り、これらの間の静電力によって各振動板１６を矢示Ａ
1 ，Ａ2 方向に駆動させる。

【００１６】一方、２５，２５は振動板１６，１６を挟
んで固定電極２１，２１との間に設けられた振動発生手
段としての振動発生部を示し、該各振動発生部２５はく
し状電極１７と２３とから構成されている。そして、各
くし状電極１７と２３とに、振動駆動信号を与えること
により、これらの間の静電力によって各振動板１６を矢
示Ａ1 ，Ａ2 方向に振動させる。

【００１７】さらに、２６，２６，…は各振動板１６の
上下方向に貫通するスルホールを示す。

【００１８】このように構成される第２の従来技術によ
る角速度センサにおいては、各支持部１３，各支持梁１
４および音叉振動子１５をポリシリコンによって一体形
成することによって、各支持梁１４および音叉振動子１
５を基板１２上に浮遊した状態で支持しているから、支
持梁１４および各腕部１８，１９の張力により、各振動
板１６は左右方向と上下方向に振動可能となっている。

【００１９】次に、音叉軸（各振動板１６が音叉振動す
る中心軸）となるＹ軸回りの角速度ωの検出動作につい
て説明するが、コリオリ力を利用して検出するという基
本的な作用においては変わるところはない。

【００２０】まず、各振動発生部２４，２５に振動駆動
信号を印加すると、各振動板１６が図中の矢示Ａ1 ，Ａ
2 のように互いに逆方向に同じ大きさで振動し、この状
態でＹ軸（音叉軸）回りに角速度ωで回転すると、各振
動板１６にはＹ軸に直交する方向にコリオリ力Ｆ1 ，Ｆ
2 （慣性力）が発生する。また、このコリオリ力Ｆ1，
Ｆ2 によって振動板１６に捩れ振動が生じ、この捩れ振
動の振幅変化を基板１２と各振動板１６間に対向配設し
た振動変位検出手段としての電極板（図示せず）によっ
て、静電容量の変化として検出し、これを角速度の検出
信号として出力するようになっている。

【００２１】この第２の従来技術においては、半導体微
細加工技術を用いて製造することができるため、第１の
従来技術に比べて非常に加工精度よく小型化できるとい
う利点がある。

【００２２】一方、角速度センサを半導体（シリコンま
たはポリシリコン）の加工技術を用いて製造した場合に
は、半導体の機械特性から共振時のＱ値が高い角速度セ
ンサを製造することが可能となる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した第
２の従来技術においては、音叉振動子１５の各振動板１
６は、該各振動板１６の各角部から前後方向に伸長する
各第１の腕部１８と、該各第１の腕部１８に連結される
左右方向に伸長する第２の腕部１９とを介して各支持梁
１４（各支持部１３）に支持されている。このため、各
振動板１６に発生するコリオリ力Ｆ1 ，Ｆ2 による捩れ
振動によって各角部と第１の腕部１８との間に大きな歪
みが生じ、捩れ振動を起す振動エネルギの大部分が第１
の腕部１８，第２の腕部１９，支持梁１４および支持部
１３を介して基板１２に外部伝播され、該基板１２から
外部に漏れて消費されてしまうという問題がある。

【００２４】この結果、音叉振動子１５の各振動板１６
のＱ値が低くなり、該各振動板１６におけるコリオリ力
Ｆ1 ，Ｆ2 の捩れ振動が小さくなり、検出感度を低下さ
せるという問題がある。

【００２５】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、本発明は捩れ振動する音叉振動子の各振
動板を高い共振状態とすることにより、高感度の角速度
の検出を行うことのできる角速度センサを提供すること
を目的としている。

【００２６】

【００２７】

【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の発明が採用する角速度センサの構成
は、基板と、該基板上に形成された支持枠と、音叉軸を
軸中心とする音叉振動を行う一対の振動板を有し、該各
振動板を保持する腕部によって前記支持枠よりも小形な
枠状に形成された音叉振動子と、該音叉振動子を前記基
板に対して前記支持枠を介して支持するため音叉軸上に
設けられた支持梁と、前記音叉振動子の音叉軸を回動軸
中心とする角速度が加わったときに、各振動板に生じる
コリオリ力による捩れを伝達すべく、前記音叉振動子と
支持枠との間に位置して連結された中形な枠状に形成さ
れた検出用捩れ振動子と、該検出用捩れ振動子の振動変
位を音叉軸回りの角速度として検出する振動変位検出手
段とを備え、前記音叉振動子の各振動板から生じる音叉
振動の節となる部分を前記支持梁で固定したことにあ
る。

【００２８】また、請求項２の発明が採用する角速度セ
ンサの構成は、基板と、該基板上に形成された支持枠
と、音叉軸を軸中心とする音叉振動を行う一対の振動板
を有し、該各振動板を保持する腕部によって前記支持枠
よりも小形な枠状に形成された音叉振動子と、該音叉振
動子を前記基板に対して前記支持枠を介して支持するた
め音叉軸上に設けられた支持梁と、前記音叉振動子の音
叉軸を回動軸中心とする角速度が加わったときに、各振
動板に生じるコリオリ力による捩れを伝達すべく、前記
音叉振動子内に位置して音叉軸上に連結された板状の検
出用捩れ振動子と、該検出用捩れ振動子の振動変位を音
叉軸回りの角速度として検出する振動変位検出手段とを
備え、前記音叉振動子の各振動板から生じる音叉振動の
節となる部分を前記支持梁で固定したことにある。

【００２９】一方、請求項３の発明では、前記基板を単
結晶のシリコン材料によって形成し、前記支持枠、支持
梁、音叉振動子および検出用捩れ振動子をポリシリコン
材料によって形成することができる。

【００３０】また、請求項４の発明では、検出用捩れ振
動子の外側には、緩衝用捩れ振動子を設けることができ
る。

【００３１】

【００３２】

【作用】 請求項１の発明のように、支持枠を大形、検出
用捩れ振動子を中形、音叉振動子を小形となる枠状に形
成することにより、該支持枠、検出用捩れ振動子、音叉
振動子および支持梁を同一平面に形成することができ
る。また、音叉振動子の不動点となる節の部分を支持梁
で固定することにより、この節は音叉振動の不動点とな
るから、支持梁および支持枠を介して基板に漏れる振動
エネルギを低減することができ、各振動板をＱ値が高い
共振状態に保持することができる。

【００３３】さらに、請求項２の発明のように、支持枠
を大形、音叉振動子を中形となる枠状に形成し、検出用
捩れ振動子を音叉振動子内に位置した板状に形成し、該
支持枠、音叉振動子、検出用捩れ振動子および支持梁を
同一平面に形成することができる。また、音叉振動子の
不動点となる節の部分を支持梁で固定することにより、
各振動板をＱ値が高い共振状態に保持することができ
る。

【００３４】一方、請求項３の発明のように、シリコン
材料による基板上にポリシリコン材料を膜形成し、該ポ
リシリコンの膜をエッチング等を行うことにより、容易
に支持枠、音叉振動子および検出用捩れ振動子を形成で
きる。

【００３５】また、請求項４の発明のように、音叉振動
子と検出用捩れ振動子との間に緩衝用捩れ振動子を設け
ることにより、検出用捩れ振動子から外部に伝播される
捩れ振動を緩衝用捩れ振動子によって緩和することがで
き、支持梁および支持枠を介して外部に漏れる振動エネ
ルギを極めて少なくすることができる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図９に基
づき説明する。なお、実施例では前述した従来技術と同
一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略する
ものとする。

【００３７】まず、図１ないし図３に本発明の第１の実
施例を示す。

【００３８】図中、３１は本実施例による角速度セン
サ、３２は単結晶のシリコン材料によって板状に形成さ
れた基板をそれぞれ示す。

【００３９】３３は基板３２上に固着され、ポリシリコ
ン材料によって大形の枠状に形成された支持枠を示し、
該支持枠３３には後述する音叉軸となる支持梁３４，３
４が音叉軸となるＹ軸方向内側に向けて突出形成されて
いる。

【００４０】ここで、前記各支持梁３４，３４は、支持
枠３３と後述する検出用捩れ振動子４０とを連結する第
１の支持梁部３５，３５と、前記検出用捩れ振動子４０
と音叉振動子３７とを連結する第２の支持梁部３６，３
６とからなり、該各第２の支持梁部３６は支持枠３３の
中心部に向けてＹ軸方向に伸長する棒状支持梁部３６
Ａ，３６Ａと、該各棒状支持梁部３６Ａに連結され、先
端部３６Ｂ1 ，３６Ｂ1を有する略コ字状に形成された
コ字状支持梁部３６Ｂ，３６Ｂとからなる。また、該各
コ字状支持梁部３６Ｂの各先端部３６Ｂ1 には音叉振動
子３７の各腕部３９がそれぞれ連結されている。

【００４１】３７は基板３２上に位置し、小形の枠状に
ポリシリコン材料によって形成された音叉振動子を示
し、該音叉振動子３７は、Ｙ軸に平行な位置に設けられ
た一対の振動板３８，３８と、該各振動板３８に連結さ
れ、当該音叉振動子３７を枠状に形成する略コ字状の腕
部３９，３９とからなる。また、該音叉振動子３７は前
記各腕部３９に支持梁３４を介して支持枠３３に連結さ
れているから、該音叉振動子３７は基板３２上に浮遊し
た状態で支持されている。

【００４２】なお、前記音叉振動子３７においては、各
振動板３８が音叉振動したときの、音叉振動の節（音叉
振動の不動点）となる部分Ｐは腕部３９，３９上に存在
し、この節となる部分Ｐの位置に前記コ字状支持梁部３
６Ｂの各先端部３６Ｂ1 を連結することにより、音叉振
動子３７の節となる部分Ｐを支持梁３４によって固定す
るようになっている。

【００４３】４０は支持枠３３と音叉振動子３７との間
に位置して連結された検出用捩れ振動子を示し、該検出
用捩れ振動子４０は各第１の支持梁部３５と各第２の支
持梁部３６とによって保持され、ポリシリコン材料によ
って中形な枠状に形成され、前記音叉振動子３７に発生
するコリオリ力による捩れ振動が伝達されるものであ
る。

【００４４】４１は固定電極を示し、該固定電極４１は
前記基板３２の中央部に位置して固着されている。

【００４５】４２，４２は固定電極４１を挟んで左右の
振動板３８，３８との間に設けられた振動発生手段とし
ての振動発生部を示し、該各振動発生部４２はそれぞれ
対向する振動板３８の側面３８Ａと固定電極４１の側面
４１Ａとから構成されている。そして各側面３８Ａ，４
１Ａとに、振動駆動信号を与えることにより、これらの
間に静電力を発生させ、この静電力により該各振動板３
８は矢示Ａ1 ，Ａ2 のように互いに逆方向に同じ大きさ
で振動し、当該音叉振動子３７は音叉軸（Ｙ軸）を中心
軸とする音叉振動を発生する。

【００４６】４３は角速度センサ３１をカバーするガラ
ス基板を示し、該ガラス基板４３の中央部には矩形状の
凹溝４３Ａが形成され、陽極接合、接着剤等によって支
持枠３３上に接合されている。なお、カバーはガラス基
板４３だけでなく、他の絶縁材料（例えば、セラミッ
ク、樹脂等）でもよい。

【００４７】４４，４４，…は振動変位検出手段として
の検出用電極を示し、該各検出用電極４４は検出用捩れ
振動子４０の上面と、この面に対向するガラス基板４３
の凹溝４３Ａ内にアルミニウム薄膜等によって着膜形成
されている。なお、検出用捩れ振動子４０に設けられた
検出用電極４４は、酸化シリコン等の絶縁膜（図示せ
ず）を介して着膜形成されている。

【００４８】なお、基板３２は高抵抗なシリコン板によ
って形成され、支持枠３３、各支持梁３４、音叉振動子
３７および検出用捩れ振動子４０はボロン等を拡散させ
て低抵抗なポリシリコン膜によって形成されている。

【００４９】本実施例による角速度センサ３１は、上述
した如く構成されるが、次に検出動作について説明す
る。

【００５０】まず、各振動発生部４２に振動駆動信号が
入力されると、固定電極４１と音叉振動子３７の各振動
板３８との間に静電力が発生し、音叉振動子３７の各振
動板３８は矢示Ａ1 ，Ａ2 方向のような反対向きに音叉
軸（Ｙ軸）を中心軸とする音叉振動を行う。この状態に
あるときに、音叉軸回りに角速度ωの回転力が作用する
と、各振動板３８には音叉軸および音叉振動方向に直交
する方向のコリオリ力Ｆ1 ，Ｆ2 が発生する。このコリ
オリ力Ｆ1 ，Ｆ2 により音叉軸回りのトルクが第２の支
持梁部３６を介して検出用捩れ振動子４０に作用し、該
検出用捩れ振動子４０では捩れ振動が発生する。

【００５１】そして、この検出用捩れ振動子４０の捩れ
振動の振幅変化を各検出用電極４４により静電容量の変
化として検出し、角速度に対応した検出信号として外部
に導出するようになっている。

【００５２】また、本実施例による角速度センサ３１で
は、物が振動するときに必ず存在する振幅のない不動点
（節）に着目し、音叉振動子３７における音叉振動の節
となる部分Ｐを、支持梁３４を構成するコ字状支持梁部
３６Ｂの各先端部３６Ｂ1 で音叉振動子３７の各腕部３
９を固定するようにしたから、音叉振動子３７からの音
叉振動による振動エネルギが該音叉振動子３７を支持す
る支持梁３４を介して外部に伝達されるのを低減でき
る。そして、各振動板３８を矢示Ａ1 ，Ａ2 方向に大き
く変位させ、Ｑ値が高い共振状態にすることができる。

【００５３】この結果、音叉軸（Ｙ軸）回りに加わる角
速度ωに対するコリオリ力Ｆ1 ，Ｆ2 を大きくすること
ができ、検出用捩れ振動子４０の捩れ振動を大きくして
当該角速度センサ３１の検出感度を著しく向上させるこ
とができる。

【００５４】さらに、音叉振動子３７の音叉振動におけ
る節となる部分Ｐを、支持梁３４を構成するコ字状支持
梁部３６Ｂの各先端部３６Ｂ1 で固定することにより、
該各先端部３６Ｂ1 等が振動エネルギによって振動する
のを防止し、支持梁３４等の振動を実質的になくすこと
ができ、支持梁３４等の各連結部における耐久性を向上
させ、当該角速度センサ３１のセンサ寿命を確実に延ば
すことができる。

【００５５】一方、本実施例における角速度センサ３１
では、基板３２をシリコン板によって形成し、支持枠３
３、各支持梁３４、音叉振動子３７および検出用捩れ振
動子４０を同一平面のポリシリコン材料によって薄膜状
に一体形成している。このため、角速度センサ３１の製
造時においては、基板３２上に全面にポリシリコン膜を
形成し、このポリシリコン膜に支持枠３３、各支持梁３
４、音叉振動子３７および検出用捩れ振動子４０をパタ
ーン形成する。これにより、小型の角速度センサ３１の
製造を容易に行うと共に、シリコンウエハの状態での多
数個取りが可能となるから、角速度センサ３１の生産性
を向上させることができる。

【００５６】次に、図４ないし図６に本発明による第２
の実施例を示すに、本実施例の特徴は、検出用捩れ振動
子を当該角速度センサの中心部に位置した一枚の板状に
形成したことにある。なお、本実施例では前述した第１
の実施例と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説
明を省略するものとする。

【００５７】図中、５１は本実施例による角速度セン
サ、５２は単結晶のシリコン材料によって板状に形成さ
れた基板をそれぞれ示す。

【００５８】５３は基板５２上に固着され、ポリシリコ
ン材料によって大形の枠状に形成された支持枠を示し、
該支持枠５３には音叉軸となるＹ軸方向内側に向けて伸
長する支持梁５４，５４が突出形成されている。

【００５９】ここで、前記各支持梁５４，５４は、支持
枠５３と後述する音叉振動子５７とを連結すべくＹ軸方
向内側に向けてに伸長する棒状支持梁部５５，５５と、
該各棒状支持梁部５５に連結され、先端部５６Ａ，５６
Ａを有する略コ字状に形成されたコ字状支持梁部５６，
５６とからなる。また、該各コ字状支持梁部５６の各先
端部５６Ａには音叉振動子５７の腕部５９が連結されて
いる。

【００６０】５７は基板５２上に位置し、中形の枠状に
ポリシリコン材料によって形成された音叉振動子を示
し、該音叉振動子５７は、Ｙ軸に平行となるように設け
られた一対の振動板５８，５８と、該各振動板５８と連
結して当該音叉振動子５７を枠状に形成する略コ字状の
腕部５９，５９とからなる。また、該音叉振動子５７は
前記各腕部５９を支持梁５４を介して支持枠５３に連結
されているから、該音叉振動子５７は基板５２に浮遊し
た状態で支持されている。

【００６１】なお、前記音叉振動子５７においては、各
振動板５８が音叉振動したときの、音叉振動の節（音叉
振動の不動点）となる部分Ｐは腕部５９，５９上に存在
し、この節となる部分Ｐはコ字状支持梁部５６の各先端
部５６Ａと一致するようになっている。

【００６２】６０，６０は振動板５８の外側に面した側
面に形成され、複数枚（例えば４枚）の電極板６０Ａ，
６０Ａ，…を有する振動側くし状電極を示し、該各振動
側くし状電極６０は後述する固定側くし状電極６３の各
電極板６３Ａに対向するように配設されている。

【００６３】６１は音叉振動子５７の各腕部５９に連結
され、当該角速度センサ５１の中心部に位置した板状の
検出用捩れ振動子を示し、該検出用捩れ振動子６１は、
音叉振動子５７からの振動変位が伝達される検出用振動
板６１Ａと、該検出用振動板６１Ａを保持すべくＹ軸方
向に向けて伸長する棒状の棒状腕部６１Ｂ，６１Ｂと、
該各棒状腕部６１Ｂの先端側に略コ字状に形成され、先
端の接続部が前記コ字状支持梁部５６の先端部５６Ａ，
５６Ａと一致する位置で音叉振動子５７に連結されるコ
字状腕部６１Ｃ，６１Ｃとからなる。

【００６４】６２，６２は基板５２の左右に位置して固
着された固定電極を示し、該各固定電極６２には、それ
ぞれ内側に位置した各振動板５８に向けて突出形成され
た複数枚（例えば４枚）の電極板６３Ａ，６３Ａ，…を
有する固定側くし状電極６３，６３が形成されている。
ここで、くし状電極６０，６３間に振動駆動信号が入力
されると、該固定電極６２と各振動板５８との間には静
電力が発生し、この静電力により該各振動板５８は矢示
Ａ1 ，Ａ2 のように互いに逆方向に同じ大きさで振動
し、当該音叉振動子５７は音叉軸（Ｙ軸）を中心軸とす
る音叉振動を発生する。

【００６５】６４，６４は振動板５８，５８と固定電極
６２，６２との間に設けられた振動発生手段としての振
動発生部を示し、該各振動発生部６４はくし状電極６０
と６３とから構成されている。そして、各くし状電極６
０と６３とに、振動駆動信号を与えることにより、これ
らの間の静電力によって各振動板５８を矢示Ａ1 ，Ａ2
方向に振動させる。

【００６６】６５は支持枠５３に接合されたカバーとし
てのガラス基板を示し、該ガラス基板６５の中央部には
矩形状の凹溝６５Ａが形成されている。

【００６７】６６，６６は振動変位検出手段としての検
出用電極を示し、該各検出用電極６６は検出用捩れ振動
子６１の上面と、この面に対向するガラス基板６５の凹
溝６５Ａ内とにアルミニウム薄膜等によって着膜形成さ
れている。なお、検出用捩れ振動子６１に設けられた検
出用電極６６は、酸化シリコン等の絶縁膜（図示せず）
を介して着膜形成されている。

【００６８】このように構成される本実施例による角速
度センサ５１においても、その検出動作においては上述
した第１の実施例による角速度センサ３１と変わるとこ
ろはない。

【００６９】然るに、本実施例による角速度センサ５１
では、音叉振動子５７の音叉振動の振幅のない節となる
部分Ｐを、コ字状支持梁部５６の各先端部５６Ａで固定
するようにしたから、音叉振動子５７からの音叉振動に
よる振動エネルギが該音叉振動子５７を支持する支持梁
５４を介して外部に伝達されるのを低減する。

【００７０】これにより、各振動板５８を矢示Ａ1 ，Ａ
2 方向に大きく変位させ、Ｑ値が高い共振状態に保持す
ることができる。この結果、音叉軸（Ｙ軸）回りに加わ
る角速度ωに対するコリオリ力Ｆ1 ，Ｆ2 を大きくする
ことができ、角速度センサ５１の検出感度を著しく向上
させることができる。

【００７１】また、コ字状支持梁部５６の各先端部５６
Ａを音叉振動子５７の音叉振動における節となる位置Ｐ
で連結することにより、該各先端部５６Ａが振動エネル
ギによって振動するのを防止し、支持梁５４等の振動を
実質的になくすことができ、各連結部における耐久性を
確実に向上し、当該角速度センサ５１の寿命を効果的に
延ばすことができる。

【００７２】さらに、本実施例においては、音叉振動子
５７の各振動板５８を振動側くし状電極６０で形成する
と共に、該振動側くし状電極６０に対向する固定電極６
２も固定側くし状電極６３で形成したから、振動側くし
状電極６０の各電極板６０Ａと固定側くし状電極６３の
各電極板６３Ａとの間の有効面積を大きくすることがで
きる。そして、各電極板６０Ａ，６３Ａ間に振動駆動信
号を印加したときの静電力を大きくすることができ、各
振動板５８の矢示Ａ１，Ａ2 方向の振動を大きくし、角
速度センサ５１の検出感度を一層高めることができる。

【００７３】さらに、図７ないし図９に本発明による第
３の実施例を示すに、本実施例の特徴は、第１の実施例
による角速度センサ３１の支持枠３３と検出用捩れ振動
子４０との間に緩衝用捩れ振動子を形成したことにあ
る。なお、本実施例では前述した第１の実施例と同一の
構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するもの
とする。

【００７４】図中、７１は本実施例による角速度セン
サ、７２は単結晶のシリコン材料によって板状に形成さ
れた基板、７３は該基板７２上に固着された大形の枠状
にポリシリコン材料によって形成された支持枠をそれぞ
れ示す。

【００７５】７４，７４は支持枠７３から音叉軸となる
Ｙ軸方向内側に向けて突出形成された支持梁を示し、該
各支持梁７４，７４は、支持枠７３と後述する緩衝用捩
れ振動子８２とを連結する第１の支持梁部７５，７５
と、前記緩衝用捩れ振動子８２と検出用捩れ振動子８１
とを連結する第２の支持梁部７６，７６と、前記検出用
捩れ振動子８１と音叉振動子７８とを連結する第３の支
持梁部７７，７７とからなる。そして、該各第３の支持
梁部７７は支持枠７３からＹ軸方向内側に向けて伸長す
る棒状支持梁部７７Ａ，７７Ａと、該各棒状支持梁部７
７Ａの先端に連結され、先端部７７Ｂ1 ，７７Ｂ1 を有
する略コ字状のコ字状支持梁部７７Ｂ，７７Ｂとからな
り、該各コ字状支持梁部７７Ｂの各先端部７７Ｂ1 には
音叉振動子７８の腕部８０が連結されている。

【００７６】７８は基板７２上に位置し、小形の枠状に
ポリシリコン材料によって形成された音叉振動子を示
し、該音叉振動子７８は、Ｙ軸と平行に設けられた一対
の振動板７９，７９と、該各振動板７９と連結して当該
音叉振動子７８を小形な枠状に形成する略コ字状の腕部
８０，８０とからなる。また、該音叉振動子７８は各腕
部８０に支持梁７４を介して支持枠７３に連結されてい
るから、該音叉振動子７８は基板７２に浮遊した状態で
支持されている。

【００７７】なお、前記音叉振動子７８においては、各
振動板７９が音叉振動したときの、音叉振動の節（音叉
振動の不動点）となる部分Ｐは腕部８０，８０上に存在
し、この節となる部分Ｐの位置でコ字状支持梁部７７Ｂ
の各先端部７７Ｂ1 が音叉振動子７８を固定するように
なっている。

【００７８】８１は緩衝用捩れ振動子８２と音叉振動子
７８との間に位置し、各第２の支持梁部７６と各第３の
支持梁部７７とによって保持された検出用捩れ振動子を
示し、該検出用捩れ振動子８１はポリシリコン材料によ
って中形な枠状に形成され、前記音叉振動子７８の各振
動板７９から生じるコリオリ力による捩れ振動が伝達さ
れるものである。

【００７９】８２は支持枠７３と検出用捩れ振動子８１
との間に位置し、各第１の支持梁部７５と各第２の支持
梁部７６とによって保持された緩衝用捩れ振動子を示
し、該緩衝用捩れ振動子８２は前記検出用捩れ振動子８
１よりも大形に形成され、該検出用捩れ振動子８１から
漏れる振動エネルギを吸収するようになっている。

【００８０】８３は固定電極を示し、該固定電極８３は
前記基板７２の中央部に位置して固着されている。

【００８１】８４，８４は振動板７９，７９と固定電極
８３との間に設けられた振動発生手段としての振動発生
部を示し、該各振動発生部８４は振動板７９の側面７９
Ａと固定電極８３の側面８３Ａ，８３Ａとから構成され
ている。そして、各側面７９Ａと８３Ａとに、振動駆動
信号を与えることにより、これらの間の静電力によって
各振動板７９を矢示Ａ1 ，Ａ間に静電力を発生させ、こ
の静電力により該各振動板７９は矢示Ａ1 ，Ａ2 のよう
に互いに逆方向に同じ大きさで振動し、当該音叉振動子
３７は音叉軸（Ｙ軸）を中心軸とする音叉振動を発生す
る。

【００８２】８５は角速度センサ７１をカバーするガラ
ス基板を示し、該ガラス基板８５の中央部には矩形状の
凹溝８５Ａが形成されている。なお、カバーはガラス基
板８５だけでなく、他の絶縁材料（例えば、セラミッ
ク、樹脂等）でもよい。

【００８３】８６，８６，…は振動変位検出手段として
の検出用電極を示し、該各検出用電極８６は検出用捩れ
振動子８１の上面と、この面に対向するガラス基板８５
の凹溝８５Ａ内にアルミニウム薄膜等によって着膜形成
されている。なお、検出用捩れ振動子８１に設けられた
検出用電極８６は、酸化シリコン等の絶縁膜（図示せ
ず）を介して着膜形成されている。

【００８４】このように構成される本実施例による角速
度センサ７１においては、その検出動作においては、前
述した第１の実施例による角速度センサ３１と同様であ
るために、その説明は省略する。

【００８５】然るに、本実施例の角速度センサ７１にお
いても、音叉振動子７８の音叉振動による節となる部分
Ｐを第３の支持梁部７７で固定するようにしたから、捩
れ振動が支持梁７４および支持枠７３を介して外部に損
失されるのを低減することができ、音叉振動子７８の各
振動板７９の音叉振動による振幅を大きくすることがで
き、当該角速度センサ７１の検出感度を向上させること
ができる。

【００８６】しかし、上述した如くに、音叉振動子７８
の節となる部分Ｐを支持梁７４で固定するようにして
も、微妙な位置ずれによる振動エネルギの漏れを防止す
ることはできず、このため、第１，第２の実施例による
角速度センサ３１，５１では微小な振動エネルギが損失
されている。そこで、本実施例の角速度センサ７１のよ
うに、支持枠７３と検出用捩れ振動子８１との間に緩衝
用捩れ振動子８２を設けることにより、微小な振動エネ
ルギも緩和させて外部に伝達することができる。この結
果、検出捩れ振動子８１の捩れ振動も大きくなり、当該
角速度センサ７１の検出感度をより向上させることがで
きる。

【００８７】なお、前記第３の実施例では、緩衝用捩れ
振動子８２を検出用捩れ振動子８１の外側に１重のみを
設けた場合を説明したが、本発明はこれに限らず、２
重，３重，…に形成してもよい。

【００８８】また、前記各実施例では、音叉振動子３
７，５７，７８の各振動板３８，５８，７９に音叉振動
を発生させるために、静電力を利用したが、本発明はこ
れに限らず、第１の従来技術による圧電体等を用いて音
叉振動を発生させるようにしてもよい。

【００８９】さらに、前記各実施例では音叉振動子３
７，５７，７８に発生する音叉振動の節となる部分Ｐを
単数とした場合について述べたが、本発明は支持梁とな
る部分Ｐが複数個ある場合には、その位置に対応した部
分を固定するように支持梁を形成して固定するようにす
ればよい。

【００９０】さらにまた、前記各実施例で音叉振動子３
７，５７，７８と、検出用捩れ振動子４０，６１，８１
の各共振周波数に一致させることにより、検出感度の向
上をより得られる。

【００９１】

【００９２】

【発明の効果】 以上詳述した如く、 請求項１の発明で
は、支持枠、検出用捩れ振動子、音叉振動子をそれぞれ
枠状に形成し、各部材を支持梁で連結するようにしたか
ら、該支持枠、検出用捩れ振動子、音叉振動子および支
持梁を同一平面に形成でき、製造を容易にできる。ま
た、音叉振動子を音叉振動の節となる部分で支持梁を介
して固定することにより、音叉振動子からの捩れ振動に
よる振動エネルギが支持梁および支持枠を介して外部に
漏れるのを低減し、音叉振動子の各振動板をＱ値が高い
共振状態で保持することができ、各振動板の振動を大き
くして音叉軸方向の角速度の検出感度を大幅に向上させ
ることができる。

【００９３】さらに、請求項２の発明では、支持枠およ
び音叉振動子をそれぞれ枠状に形成し、検出用捩れ振動
子を板状に形成し、各部材を支持梁で連結するようにし
たから、該支持枠、検出用捩れ振動子、音叉振動子およ
び支持梁を同一平面に形成でき、製造を容易にできる。
また、音叉振動子を音叉振動の節となる部分で支持梁を
介して固定することにより、各振動板の振動を大きくし
て音叉軸方向の角速度の検出感度を大幅に向上させるこ
とができる。

【００９４】一方、請求項３の発明では、基板を単結晶
のシリコン材料によって形成し、支持枠、支持梁、音叉
振動子および検出用捩れ振動子をポリシリコン材料によ
って形成することにより、該ポリシリコン材料は基板上
に薄膜形成し、該薄膜をエッチング等によってパターン
ニングすれば容易に支持枠、支持梁、音叉振動子および
検出用捩れ振動子を形成でき、角速度センサの生産性を
著しく向上できる。

【００９５】一方、請求項４の発明では、検出用捩れ振
動子の外側に緩衝用捩れ振動子を設けたから、該検出用
捩れ振動子からの漏れる捩れ振動を緩和することがで
き、検出捩れ振動子における捩れ振動の低減を抑え、検
出感度を向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による角速度センサをカ
バーの一部を破断にして示す斜視図である。

【図２】図１中の矢示II−II方向からみた縦断面図であ
る。

【図３】図１中の角速度センサを上側からみた上面図で
ある。

【図４】本発明の第２の実施例による角速度センサをカ
バーの一部を破断にして示す斜視図である。

【図５】図４中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた縦断面図であ
る。

【図６】図４中の角速度センサを上側からみた上面図で
ある。

【図７】本発明の第３の実施例による角速度センサをカ
バーの一部を破断にして示す斜視図である。

【図８】図７中の矢示VIII−VIII方向からみた縦断面図
である。

【図９】図７中の角速度センサを上側からみた上面図で
ある。

【図１０】第１の従来技術による角速度センサを示す斜
視図である。

【図１１】第２の従来技術による角速度センサを示す斜
視図である。

【符号の説明】

３１，５１，７１ 角速度センサ ３２，５２，７２ 基板 ３３，５３，７３ 支持枠 ３４，５４，７４ 支持梁 ３７，５７，７８ 音叉振動子 ３８，５８，７９ 振動板 ３９，５９，８０ 腕部 ４０，６１，８１ 検出用捩れ振動子 ４４，６６，８６ 検出用電極（振動変位検出手段） ８２ 緩衝用捩れ振動子 Ｐ 節となる部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 克彦 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 審査官 有家 秀郎 (56)参考文献 特開 平３−122518（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−140114（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−33491（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−172915（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−73414（ＪＰ，Ａ) 特許3123301（ＪＰ，Ｂ２) 国際公開93／5401（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板上に形成された支持枠
   と、音叉軸を軸中心とする音叉振動を行う一対の振動板
   を有し、該各振動板を保持する腕部によって前記支持枠
   よりも小形な枠状に形成された音叉振動子と、該音叉振
   動子を前記基板に対して前記支持枠を介して支持するた
   め音叉軸上に設けられた支持梁と、前記音叉振動子の音
   叉軸を回動軸中心とする角速度が加わったときに、各振
   動板に生じるコリオリ力による捩れを伝達すべく、前記
   音叉振動子と支持枠との間に位置して連結された中形な
   枠状に形成された検出用捩れ振動子と、該検出用捩れ振
   動子の振動変位を音叉軸回りの角速度として検出する振
   動変位検出手段とを備え、前記音叉振動子の各振動板か
   ら生じる音叉振動の節となる部分を前記支持梁で固定し
   てなる角速度センサ。
2. 【請求項２】 基板と、該基板上に形成された支持枠
   と、音叉軸を軸中心とする音叉振動を行う一対の振動板
   を有し、該各振動板を保持する腕部によって前記支持枠
   よりも小形な枠状に形成された音叉振動子と、該音叉振
   動子を前記基板に対して前記支持枠を介して支持するた
   め音叉軸上に設けられた支持梁と、前記音叉振動子の音
   叉軸を回動軸中心とする角速度が加わったときに、各振
   動板に生じるコリオリ力による捩れを伝達すべく、前記
   音叉振動子内に位置して音叉軸上に連結された板状の検
   出用捩れ振動子と、該検出用捩れ振動子の振動変位を音
   叉軸回りの角速度として検出する振動変位検出手段とを
   備え、前記音叉振動子の各振動板から生じる音叉振動の
   節となる部分を前記支持梁で固定してなる角速度セン
   サ。
3. 【請求項３】 前記基板を単結晶のシリコン材料によっ
   て形成し、前記支持枠、支持梁、音叉振動子および検出
   用捩れ振動子をポリシリコン材料によって形成してなる
   請求項１または２記載の角速度センサ。
4. 【請求項４】 前記検出用捩れ振動子の外側には、緩衝
   用捩れ振動子を設けてなる請求項１または２記載の角速
   度センサ。