JP3399336B2

JP3399336B2 - 検出器

Info

Publication number: JP3399336B2
Application number: JP36572497A
Authority: JP
Inventors: 裕野々村; 基弘藤吉; 義輝大村; 徳夫藤塚
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 2003-04-21
Anticipated expiration: 2017-12-22
Also published as: US6158280A; JPH11183179A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体の微細加工によ
り形成され、慣性質量を有するマス部を励振させること
で、角速度、加速度、又は、角加速度の少なくとも１つ
の物理量を検出するようにした検出器に関する。特に、
基板面に垂直な方向を検出軸とし、この検出軸と励振軸
とに垂直な軸の回りに作用する角速度の検出に有効であ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、コリオリ力を用いた角速度検出器
として、特開平２−２１８９１４号公報に記載の角速度
検出器が知られている。その角速度検出器は、振動子を
ｘ軸及びｙ軸方向に伸びた十字形状に形成し、ｘ軸方向
の１対の振動子を２本の振動子の形成する平面に垂直な
＋ｚ軸の向きに、ｙ軸方向の１対の振動子を−ｚ軸方向
に、それぞれ、圧電素子により振動させるようにしてい
る。そして、ｘ軸の回りの角速度をｘ軸方向の一対の振
動子のｙ軸方向の逆相振動で検出し、ｙ軸の回りの角速
度をｙ軸方向の一対の振動子のｘ軸方向の逆相振動で検
出するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、その従来の
角速度検出器は、振動子を十字形状の振動子の面に垂直
な方向（ｚ軸）に励振するために、中央の支点から振動
が漏れ易く、安定な振動を得ることが困難であった。ま
た、従来の角速度検出器は、音叉型振動子と圧電素子と
を用いたものであり、検出器の小型化が困難である。さ
らに、圧電素子への給電のための配線等が必要となり、
この配線のために、振動状態が安定しないという問題が
ある。本発明の目的は、安定した励振状態を得ること
で、角速度、加速度の検出精度を向上させることであ
る。さらに、他の目的は、１つの検出器で、角速度と加
速度を検出可能とすることである。さらに、他の目的
は、１つの検出器で、２軸角速度、３軸加速度、１軸角
加速度の同時検出を可能とすることである。さらに、他
の目的は、装置の小型化と製造の容易化を図ることであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の発明の構成は、微細加工による慣性質量を有する複数
のマス部を基板面に平行な異なる２方向に、マス部と対
抗して配設された励振電極による電気力により励振させ
て、角速度、加速度、又は、角加速度の少なくとも１の
物理量を検出する検出器において、前記励振電極は、隣
接する２つの前記マス部の境界付近に配設され、その２
つのマス部に対して共通な電極であって、基板面に平行
に異なる２方向に延設され、中心の交点部が基板に固定
され、他端においてマス部を基板に対して振動可能に支
持する励振ビームを設け、基板面に垂直な軸の回りの一
方の回転の向きに変位の正の向きをとるとき、任意に隣
接する２つのマス部における変位が逆位相となるように
励振させることを特徴とする。

【０００５】この検出器において、基板面に垂直な方向
にマス部に発生するコリオリ力に関連する物理量を、マ
ス部に対抗して配設された検出電極による電気量により
検出することで、基板面に平行な任意方向の軸の回りの
角速度を検出することができる。

【０００６】上記の励振ビームは、次のように構成する
ことができる。基板面上にｘ軸、ｙ軸をとり、基板面に
垂直にｚ軸をとるとき、ｘ軸とｙ軸の方向に十字形状に
励振ビームを形成して、中央部の交点部を基板に固定す
る。そして、励振ビームの先端にマス部を形成し、この
マス部をこのマス部に対して対抗配設された励振電極に
よりビームの軸及びｚ軸に垂直な方向に励振させる。こ
の時、隣接する２つのマス部における励振の向きは、ｚ
軸の回りの一方の回転の向きを正方向として、逆位相と
なる。

【０００７】又、他の発明の構成は、微細加工による慣
性質量を有する複数のマス部を基板面に平行に励振さ
せ、その励振方向と基板面の垂直軸とに直交する方向の
軸の回りの角速度を検出する角速度検出器において、リ
ング状に４分割して形成された４個のマス部と、基板面
に平行に異なる２方向に延設され、中心の交点部が基板
に固定され、他端においてマス部を基板に対して振動可
能に支持する励振ビームと、隣接する２つのマス部の境
界付近に配設され、その２つのマス部に対して共通な電
極であって、垂直軸の回りの一方の回転の向きに沿って
交互に設けられ、マス部をその垂直軸の回りの回転方向
に励振させるための励振電極と、マス部の励振変位を検
出する励振検出電極と、垂直軸の方向にマス部に発生す
るコリオリ力に関連する物理量を検出しマス部に対抗し
て配設された検出電極とを有し、垂直軸の回りの一方の
回転の向きに変位の正の向きをとるとき、任意に隣接す
る２つのマス部における変位が逆位相となるように励振
させること特徴とする。

【０００８】また、マス部は、励振ビームで支持する
他、マス部の他端をマス部の所定方向の励振に対して抵
抗にはならないように、バネ、ホールディドビーム（折
り返しビーム）等で支持しても良い。即ち、マス部から
見て、励振ビームだけの片持ち梁の他、両持ち梁でマス
部を支持しても良い。また、励振ビームは、異なる２方
向に配設されておれば良く、必ずしも直角に交差してい
る必要はない。

【０００９】ｘ軸、ｙ軸の回りの角速度を検出するに
は、ｚ軸方向に生起するコリオリ力によるマス部のｚ軸
方向の振動を、マス部との間の静電容量や電磁誘導によ
る起電力等の電気量により検出するためのマス部に対抗
する検出電極を設ける。

【００１０】

【発明の作用及び効果】ｚ軸の回りの１方向の回転の向
きを正方向とする時、隣接する２つのマス部は、逆位相
で励振される。よって、ｘ軸方向に延設された励振ビー
ムで支持された２つのマス部は、同相で励振される。同
様に、ｙ軸方向に延設された励振ビームで支持された２
つのマス部は、同相で励振される。このような励振状態
において、ｘ軸又はｙ軸の回りに角速度が存在すると、
各マス部にはｚ軸方向に振動するコリオリ力が生起す
る。このコリオリ力に関連する物理量をマス部に対して
ｚ軸方向に対抗配設された検出電極とマス部との静電容
量や電磁誘導による起電力等の電気量を検出すること
で、それぞれの角速度が検出される。基板面に平行な任
意方向の軸の回りの角速度は、ｘ軸、ｙ軸の回りの２つ
の角速度成分を検出し、それらの合成により検出するこ
とができる。また、励振電極は、隣接する２つのマス部
の境界付近に配設されており、その２つのマス部に対し
て共通な電極であるため、製造が簡単となる。（請求項
１〜３共通）。

【００１１】また、ｘ軸方向に作用する加速度は、ｙ軸
方向に延設された励振ビームに支持され同相で励振され
ている一対のマス部において、相互に逆相で作用する振
動のオフセット量を測定することで、検出される。同様
に、ｙ軸方向に作用する加速度は、ｘ軸方向に延設され
た励振ビームに支持され同相で励振されている一対のマ
ス部において、相互に逆相で作用する振動のオフセット
量を測定することで、検出される（請求項１）。

【００１２】また、ｚ軸方向に作用する加速度は、全て
のマス部が同相でｚ軸方向にオフセットする量を測定す
ることで、検出することができる（請求項１、２共
通）。即ち、励振ビームで支持された一対のマス部のｚ
軸方向の振動は、ｘ軸、又は、ｙ軸の回りの角速度に対
しては、相互に逆相であるのに対して、ｚ軸方向の加速
度は、相互に同相で変位することから、角速度とｚ軸方
向の加速度とを区別して検出することができる。本願発
明は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の加速度が検出可能である
ので、任意方向の加速度（ベクトル量）は、それらの軸
方向の加速度を成分として検出することで求めることが
できる（請求項１）。

【００１３】また、ｚ軸の回りの角加速度は、各マス部
の励振において、同相で作用する振動のオフセット量を
検出することで、検出することができる。このように、
ｘ軸又はｙ軸方向に加速度が印加された場合と、ｚ軸の
回りの角加速度が印加された場合とでは、１軸方向の励
振ビームで支持されている一対のマス部の励振におい
て、相互にオフセット量が逆相、同相となることから、
それらの２つのマス部の変位に比例して得られる信号を
減算、及び、加算して、２種類の信号を得ることで、加
速度と、角加速度を同時に測定することができる。この
ようにして、本検出器では、基板面に平行で任意方向の
軸の回りの角速度と共に、任意方向の加速度と、基板面
に垂直な軸の回りの角加速度を同時に検出することがで
きる（請求項１）。

【００１４】このように、本検出器では、隣接する２つ
のマス部は、交差したビームで構成される平面上におい
て、相互に逆相で励振されることから、重心の移動がな
く、安定した振動を得ることができる。仮に、励振のわ
ずかな非対称性により重心がわずかに振動するとして
も、それは、ビームで構成される平面上での振動である
ので、振動モードへの影響が少なく安定した励振が得ら
れる。また、マス部の励振は、マス部と対抗して配設さ
れた励振電極による静電力により得られ、振動の検出
は、マス部と対抗して配設された検出電極との間の静電
容量や電磁誘導による起電力等の電気量により得られる
ので、励振又は検出のために、マス部の振動に影響を与
えることがなく、検出精度が向上する。また、励振ビー
ム、マス部等は、微細加工により得られるため、検出器
が小型化すると共に、振動を高精度で制御することがで
き、検出精度が向上する。又、請求項２の発明は、マス
部をリング状に形成し、請求項１における隣接する励振
電極を共通とし、隣接する励振検出電極を共通としてい
るので、製造が簡単となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。〔第１実施例〕図１は本発明の具体的な第１実施例にか
かる角速度検出器１００の平面図であり、図２はｘ軸方
向の断面図、図３はマス部のｙ軸方向の断面図である。
図１において、紙面が基板面１０ａであり、基板面１０
ａに垂直な方向にｚ軸、基板面上に図のようにｘ軸、ｙ
軸をとる。この検出器１００では、ｚ軸に垂直、従って
基板面１０ａに平行な任意方向の軸の回りの角速度Ωを
検出することが可能である。即ち、この角速度Ωのｘ軸
回りの角速度成分Ω_xとｙ軸回りの角速度成分Ω_yとを
検出することが可能である。

【００１６】ｘ軸方向に伸びた第１励振ビーム２１とｙ
軸方向に伸びた第２励振ビーム２２とが基板１０に対し
て励振可能に配設されている。第１励振ビーム２１と第
２励振ビーム２２の中央の交点部２３は基板１０に固定
されている。第１励振ビーム２１の＋ｘ軸側の端部２１
ａには慣性質量を有したマス部３１ａが配設されてお
り、第１励振ビーム２１の−ｘ軸側の端部２１ｂには慣
性質量を有したマス部３１ｂが配設されている。また、
第２励振ビーム２２の＋ｙ軸側の端部２２ａには慣性質
量を有したマス部３２ａが配設されており、第２励振ビ
ーム２２の−ｙ軸側の端部２２ｂには慣性質量を有した
マス部３２ｂが配設されている。

【００１７】ｚ軸の回りに反時計回転の向きを正とする
方位座標軸αをとる。マス部３１ａとそれに対向するマ
ス部３１ｂにおいて、それらのマス部３１ａ、３１ｂの
＋α軸側に励振電極４１ａ、４１ｂが配設されており、
マス部３２ａとそれに対向するマス部３２ｂにおいて、
それらのマス部３２ａ、３２ｂの−α軸側に励振電極４
２ａ、４２ｂが配設されている。さらに、マス部３１ａ
とそれに対向するマス部３１ｂにおいて、それらのマス
部３１ａ、３１ｂの−α軸側に励振検出電極５１ａ、５
１ｂが配設されており、マス部３２ａとそれに対向する
マス部３２ｂにおいて、それらのマス部３２ａ、３２ｂ
の＋α軸側に励振検出電極５２ａ、５２ｂが配設されて
いる。図３から理解されるように、励振電極４１ａは基
板面１０ａに平行に相互に対向した上部励振電極４１１
ａと基板面１０ａに配設された下部励振電極４１２ａと
から成り、そられの電極間にマス部３１ａの周辺部が位
置している。同様に、励振検出電極５１ａは基板面１０
ａに平行に相互に対向した上部励振検出電極５１１ａと
基板面１０ａに配設された下部励振電極５１２ａとから
成り、そられの電極間にマス部３１ａの周辺部が位置し
ている。他の励振電極４１ｂ、４２ａ、４２ｂと他の励
振検出電極５１ｂ、５２ａ、５２ｂも、同様に、基板面
１０ａに平行に対向した上部励振電極と下部励振電極、
上部励振検出電極と下部励振検出電極とで構成されてい
る。

【００１８】また、マス部３１ａ、３２ａ、３１ｂ、３
２ｂの中央部には、各マス部に対向する検出電極６１
ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂが配設されている。検出電
極６１ａについて言えば、図２に示すように、基板面１
０ａに平行で相互に対向して配設された上部検出電極６
１１ａと基板面１０ａに配設された下部検出電極６１２
ａとで構成されており、それらの電極間にマス部３１ａ
が配設されている。同様に、検出電極６１ｂについて言
えば、基板面１０ａに平行で相互に対向して配設された
上部検出電極６１１ｂと基板面１０ａに配設された下部
検出電極６１２ｂとで構成されており、それらの電極間
にマス部３１ｂが配設されている。同様に、他の検出電
極６２ａ、６２ｂも、各マス部３１ｂ、３２ｂの両側に
配設された一対の平行な上部検出電極、下部検出電極と
で構成されている。

【００１９】上記の上部励振電極４１１ａ等、上部励振
検出電極５１１ａ等、上部検出電極６１１ａ、６１１ｂ
等は、基板１０上に積層された枠部１１を介して基板１
０に固定されている。第１励振ビーム２１、第２励振ビ
ーム２２、及びマス部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ
と基板面１０ａとの間には間隙がある。これらのビーム
による支持構造により、マス部３１ａ、３１ｂ、３２
ａ、３２ｂは基板１０に対して浮上して基板１０に支持
されており、マス部３１ａ、３１ｂはｙ軸方向及びｚ軸
方向、マス部３２ａ、３２ｂはｘ軸方向及びｚ軸方向へ
の変位が容易である。各マス部は第１、第２励振ビーム
２１、２２に連続して形成されており、そのマス部の大
きさを変化させるだけで、共振周波数を容易に調整する
ことができる。

【００２０】上記構造の角速度検出器１００は、次のよ
うに製造される。この製造方法は、半導体の微細加工技
術により製造され、公知の技術である。シリコン基板１
０の上にシリコン酸化膜１０２を形成し、このシリコン
酸化膜１０２の上に、不純物を添加して導電性を持たせ
たシリコン層１０３を形成する。次に、シリコン層１０
３の上にフォトレジストを塗布し、所定形状にパターニ
ングした後、フォトレジストをマスクとして、シリコン
層１０３を所定形状にエッチングして、図４（ａ）に示
すように、下部励振電極４１２ａ等、下部励振検出電極
５１２ａ等、下部検出電極６１２ａ等と、枠部１１を形
成する。次に、酸化シリコン膜１０４とシリコン層１０
５を順次積層し、同様に、フォトリソグラフィによりシ
リコン層１０５を所定形状にエッチングして、図４
（ｂ）に示すように、マス部３１ａ等と、第１励振ビー
ム２１、第２励振ビーム２２（共に図３には現れていな
い）を形成する。

【００２１】次に、酸化シリコン膜１０６とシリコン層
１０７を積層して、シリコン層１０７をパターニングし
て、図４（ｃ）に示すように、上部励振電極４１１ａ
等、上部励振検出電極５１１ａ等、上部検出電極６１１
ａ等とを形成する。次に、図４（ｄ）に示すように、シ
リコン酸化膜１０８を形成し、上部励振電極４１１ａ
等、上部励振検出電極５１１ａ等、上部検出電極６１１
ａ等と枠部１１の形状に合わせてフォトレジスト１０９
をパターンニングした。この状態で、基板１０全体をフ
ッ酸溶液に浸すことで、フッ酸溶液と接触するシリコン
酸化膜１０８、１０６、１０４、１０２が順次除去され
る。このように、犠牲層エッチング技術を用いて、マス
部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂと、第１励振ビーム
２１、第２励振ビーム２２を基板１０に対して浮上した
状態で基板１０に支持することができる。

【００２２】この時、フッ酸液の浸透が容易なように、
面積の大きいマス部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂは
多数の窓を有する格子状（図示省略）に形成されてい
る。マス部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂにおいて
は、所定の慣性質量が必要であるため、開口部の総合面
積をあまり大きくすることはできない。よって、マス部
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂのシリコン膜１０５の
厚みと各窓の１辺の長さを同程度とする。

【００２３】次に、図２、３に示すように、基板１０の
枠部１１の上面に、蓋基板１２が陽極接合され、基板１
０と蓋基板１２とで形成される内部空間は真空である。
下部励振電極４１２ａ等、上部励振電極４１１ａ等、上
部励振検出電極５１１ａ等、下部励振検出電極５１２ａ
等、下部検出電極６１２ａ等、上部検出電極６１１ａ等
は、層構成により、枠部１１の外側に基板１０に沿って
引き出され、引き出されたところにおいて、それぞれに
は、図示しない電気配線層が接続されている。この配線
層には不純物拡散による配線層、又は、Ａｌ等の金属の
蒸着による配線層を用いることができる。又、マス部３
１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、第１励振ビーム２１、
第２励振ビーム２２はアース電位となるように構成され
ている。

【００２４】尚、基板１０の材料は特に限定されない。
シリコンの他、他の半導体、セラミックス、ガラス等を
用いることもできる。又、エッチング犠牲層としては、
シリコン酸化膜の他、窒化シリコン膜、アルミナ等を用
いることもできる。さらに、マス部、第１励振ビーム、
第２励振ビーム、励振電極、励振検出電極、検出電極等
の機能層としては、弾性があれば良く、単結晶、多結晶
のシリコンの他、ニッケル等の金属、他の弾性体材料を
用いることができる。シリコンを用いた場合には、その
層により電極を形成する関係上、電導率が大きい程望ま
しく、ドナー、アクセプタ不純物を添加するのが望まし
い。

【００２５】次に、本角速度検出器の作動について説明
する。図５は、角速度検出器１００の駆動及び検出回路
を示している。駆動回路７１から励振電極４１ａ、４２
ａ、４１ｂ、４２ｂに交流電圧が印加される。尚、励振
電極４１ａの上部励振電極４１１ａと下部励振電極４１
２ａとに同一の交流電圧が印加される。他の励振電極に
ついても同様である。各励振電極と各マス部との間に作
用する静電力により、マス部３１ａ、３１ｂはｙ軸方向
に振動し、マス部３２ａ、３２ｂはｘ軸方向に振動す
る。この振動が励振検出電極５１ａ、５１ｂ、５２ａ、
５２ｂで検出される。この励振に対して上部励振検出電
極５１１ａと下部励振検出電極５１２ａとは同相の信号
を出力するので、それらの電極の加算値を励振検出電極
５１ａの出力信号とする。他の励振検出電極についても
同様である。尚、マス部３１ａがｚ軸方向に変位に対し
ては、上部励振検出電極５１１ａと下部励振検出電極５
１２ａとは逆相の信号を出力するので、それらの信号の
加算値である励振検出電極５１ａの出力信号には、ｚ軸
方向の変位成分は含まれない。励振検出電極５１ａ、５
２ｂで検出された信号は加算器７４で加算され、励振検
出電極５２ａ、５１ｂで検出された信号は加算器７５で
加算される。そして、加算器７４と加算器７５の出力信
号が加算器７６で加算されて、励振検知回路７２に入力
する。この励振検知回路７２の出力に基づいて、振幅・
位相調整回路７３により励振信号の振幅と位相が調整さ
れた後、駆動回路７１に制御信号が出力される。このフ
ィードバックループにより、各マス部は次のように固有
の共振周波数で共振することになる。

【００２６】各励振電極に共通の交流電圧が印加され、
各励振電極とマス部との配置関係が図５に示す関係であ
るために、マス部３１ａとマス部３２ａとは逆相（方位
軸αに対して）、励振検出電極５１ａと５２ａに対して
は同相で振動する。同様に、マス部３１ｂとマス部３２
ｂとは逆相（方位軸αに対して）、励振検出電極５１ｂ
と５２ｂに対しては同相で振動する。よって、全ての励
振検出電極５２ａと５１ｂ、及び、励振検出電極５１ａ
と５２ｂとからは、同相の検出信号が出力され、励振検
知回路７２に入力する信号はマス部３１ａ、３２ａ、３
１ｂ、３２ｂの振動の平均値を表している。この検出さ
れた平均振動に基づいて、振幅・位相調整回路７３にて
振動が増幅されるように、駆動回路７１から出力される
励振信号の振幅と位相が決定される。

【００２７】この励振により、マス部３１ａはｙ軸方向
に振動する。この振動の変位ｙをｙ＝ｙ₀sinβt とす
る。但し、βは励振による振動角周波数である。この
時、マス部３１ｂの振動の変位ｙは、ｙ＝−ｙ₀sinβt
となる。同様に、マス部３２ａはｘ軸方向に振動し、そ
の振動の変位ｘは、ｘ＝ｘ₀sinβt となり、マス部３２
ｂの振動の変位ｘは、ｘ＝−ｘ₀sinβt となる。ｘ₀、
ｙ₀はｘ軸方向、ｙ方向の振動振幅である。この時のマ
ス部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂの振動速度は、そ
れぞれ、Ｖ_y＝ｙ₀βcosβt 、Ｖ_y＝−ｙ₀βcosβt 、
Ｖ_x＝ｘ₀βcosβt、Ｖ_x＝−ｘ₀βcosβt となる。
尚、第１励振ビーム２１と第２励振ビーム２２とは同一
に形成されているので、ｘ₀＝ｙ₀が成立する。

【００２８】この振動状態で、ｘ軸の回りに角速度Ω_x
が作用すると、マス部３１ａ、３１ｂにはｚ軸方向にコ
リオリ力Ｆ_1aとＦ_1bとが作用し、ｙ軸の回りに角速度Ω
_yが作用すると、マス部３２ａ、３２ｂにはｚ軸方向に
コリオリ力Ｆ_2aとＦ_2bとが作用する。これらのコリオリ
力はベクトルの内積のｚ軸成分として次式で与えられ
る。

【００２９】

【数１】Ｆ_1a＝２ｍΩ_xＶ_y ＝−２ｍΩ_xｙ₀βcosβt …（１）

【数２】Ｆ_1b＝２ｍΩ_xＶ_y ＝２ｍΩ_xｙ₀βcosβt …（２）

【数３】Ｆ_2a＝２ｍΩ_yＶ_x ＝２ｍΩ_yｘ₀βcosβt …（３）

【数４】Ｆ_2b＝２ｍΩ_yＶ_x ＝−２ｍΩ_yｘ₀βcosβt …（４）

【００３０】但し、ｍはマス部３１ａ、３１ｂ、３２
ａ、３２ｂの質量である。このｚ軸方向のコリオリ力に
より各マス部にはｚ軸方向に励振周波数βと同一周波数
で振動し、その振幅の大きさは、それぞれ、角速度
Ω_x、Ω_yに比例する。このｚ軸方向の変位ｚを検出電
極６１ａとマス部３１ａとの間の静電容量、検出電極６
１ｂとマス部３１ｂとの間の静電容量、検出電極６２ａ
とマス部３２ａとの間の静電容量、検出電極６２ｂとマ
ス部３２ｂとの間の静電容量の変化で検出することがで
きる。そして、マス部３１ａ、３１ｂのｚ軸方向の振幅
を検出することで、ｘ軸回りの角速度Ω_x、マス部３２
ａ、３２ｂのｚ軸方向の振幅を検出することで、ｙ軸回
りの角速度Ω_yを検出することができる。こられのｘ
軸、ｙ軸回りの角速度Ω_xとΩ_yとを成分として、ｚ軸
に垂直な任意方向の軸の回りの角速度Ωを検出すること
ができる。

【００３１】この角速度Ω_xとΩ_yとを検出するため
に、図６に示す回路が設けられている。上部検出電極６
１１ａと下部検出電極６１２ａの出力信号は、マス部３
１ａのｚ軸方向の変位に関して、相互に逆位相となる。
よって、それらの信号を減算器８１ａで減算すること
で、マス部３１ａのｚ軸方向の変位が検出される。以
下、この減算器８１ａの出力信号を検出電極６１ａの検
出信号という。このような減算器が各検出電極６１ａ、
６１ｂ、６２ａ、６２ｂ毎に設けられている。

【００３２】ｘ軸の回りの角速度Ω_xが存在する場合に
は、マス部３１ａ、３１ｂは、それぞれ、（１）、
（２）式から理解されるように、ｚ軸に対して逆位相で
振動する。よって、検出電極６１ａ、６１ｂの出力信号
は相互に逆位相となるので、減算器８３で減算すること
で、マス部３１ａと３１ｂの振動の平均値を求め、この
振幅の大きさに基づいてｘ軸角速度検出回路８５でｘ軸
回りの角速度Ω_xが検出される。

【００３３】同様に、ｙ軸の回りの角速度Ω_yが存在す
る場合には、マス部３２ａ、３２ｂは、それぞれ、
（３）、（４）式から理解されるように、ｚ軸に対して
逆位相で振動する。よって、検出電極６２ａ、６２ｂの
出力信号は相互に逆位相となるので、減算器８４で減算
することで、マス部３２ａと３２ｂの振動の平均値を求
め、この振幅の大きさに基づいてｙ軸角速度検出回路８
６でｙ軸回りの角速度Ω_yが検出される。

【００３４】又、この検出器１００を用いて、図７に示
す装置により、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の加速度を検出す
ることができる。上述の角速度の検出に関して、（１）
〜（４）式から理解されるように、検出電極６１ａ、６
１ｂ、６２ａ、６２ｂの検出信号の総和は０となる。ｚ
軸方向に加速度が作用していると、４つのマス部３１
ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂは、同相で加速度の向きに
変位する。よって、この変位量を検出電極６１ａ、６１
ｂ、６２ａ、６２ｂの検出信号の総和により検出するこ
とができる。これらの検出信号の総和は加算器８７、８
８、８９で求められ、その総和に基づいて、ｚ軸加速度
検出回路９０によりｚ軸方向の加速度が検出される。

【００３５】また、角速度の検出のための励振振動に関
して、励振検出電極５１ａと５１ｂとは同相の信号を出
力し、励振検出電極５２ａと５２ｂとは同相の信号を出
力している。よって、それらの信号の減算値は０であ
る。また、各励振検出電極の上部励振検出電極と下部励
振検出電極は、上述したように、マス部のｚ軸方向の変
位に対して逆相の信号を出力するので、それらの加算値
である各励振検出電極の出力信号には、ｚ軸方向の変位
が含まれない。よって、角速度成分が励振検出電極から
出力されることはない。

【００３６】ｘ軸方向に加速度が作用していると、マス
部３２ａと３２ｂはｘ軸に関して同一向きに変位し、こ
の変位に関して、励振検出電極５２ａと５２ｂの出力信
号は逆相となる。よって、これらの励振検出電極５２ａ
の出力信号から励振検出電極５２ｂの出力信号を減算器
９１で減算することで、ｘ軸方向の変位が検出される。
この変位信号に基づいて、ｘ軸加速度検出回路９３によ
りｘ軸方向の加速度が検出される。

【００３７】ｙ軸方向の加速度についても同様である。
ｙ軸方向に加速度が作用していると、マス部３１ａと３
１ｂはｙ軸に関して同一向きに変位し、この変位に関し
て、励振検出電極５１ａと５１ｂの出力信号は逆相とな
る。よって、これらの励振検出電極５１ａの出力信号か
ら励振検出電極５１ｂの出力信号を減算器９２で減算す
ることで、ｙ軸方向の変位が検出される。この変位信号
に基づいて、ｙ軸加速度検出回路９４によりｙ軸方向の
加速度が検出される。

【００３８】また、次のようにしてｚ軸回りの角加速度
を検出することができる。励振に関して、励振検出電極
５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂは全て同一信号を出力
していると考えられる。よって、励振検出電極５１ａと
５１ｂの検出信号の加算器９６による加算信号と、励振
検出電極５２ａと５２ｂの検出信号の加算器９７による
加算信号との減算器９８による差信号には、励振による
信号は含まれない。また、ｘ軸方向の加速度に対して
は、励振検出電極５２ａと５２ｂの検出信号は逆位相と
なり、ｙ軸方向の加速度に対しては、励振検出電極５１
ａと５１ｂの検出信号は逆位相となる。従って、加算器
９７、９６の出力信号には、ｘ軸方向の加速度による信
号、ｙ軸方向の加速度による信号が含まれない。従っ
て、減算器９８の出力信号にも、ｘ軸、ｙ軸方向に作用
する加速度信号は含まれない。一方、ｚ軸回りの＋α方
向の角加速度が作用すると、第１群の励振検出電極５２
ａ、５２ｂの検出信号は同相、第２群の励振検出電極５
１ａと５１ｂは同相となり、それら第１群の検出信号と
第２群の検出信号とは逆相となる。よって、減算器９８
の出力信号には、ｚ軸回りの角加速度の検出信号が含ま
れることになる。このようにして、ｚ軸角加速度検出回
路９５によりｚ軸回りの角加速度が検出される。ｚ軸回
りの角加速度を検出するには、図５において、加算器７
４と加算器７５の出力信号の差信号によってもｚ軸回り
の角加速度を検出することができる。

【００３９】上記の検出器１００では、第１励振ビーム
２１、第２励振ビーム２２がそれらで構成される平面上
で振動するので、振動バランスが良く、高い振動Ｑ値が
得られ、高感度が得られる。また、第１励振ビーム２
１、第２励振ビーム２２とが中央の交点部２３で固定さ
れているために、温度特性に優れている。また、マス部
の形状の調整が容易なために、振動の安定性が得られ、
感度が向上し、温度特性が向上する。また、基板１０を
第１、第２励振ビーム２１、２２と同一にアース電位と
することで、耐ノイズ性に優れる。

【００４０】なお、上記の実施例では、ｚ軸方向の変位
ｚを各検出電極６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂと各マ
ス部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ間の静電容量の変
化で検出している。しかし、次のように構成しても良
い。検出電極６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂと同様に
上部検出電極と下部検出電極とからなる一対のｚ軸励振
電極を各マス部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂに対応
して設ける。そして、検出電極６１ａ、６１ｂ、６２
ａ、６２ｂの出力値からｚ軸方向の変位ｚを検出し、そ
の変位ｚが常に０となるように、そのｚ軸励振電極に交
流電圧を印加して、その印加電圧の振幅から角速度Ω
_{x 、}Ω_yを検出する。このように、ｚ軸方向の変位が０
となる状態で角速度Ωを検出すれば、非線型誤差を排除
することが可能となり、より検出精度を向上させること
ができる。

【００４１】また、駆動回路７１、励振検知回路７２、
振幅・位相調整回路７３、ｘ軸角速度検出回路８５、ｙ
軸角速度検出回路８６、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸加速度検出回
路９３、９４、９０、ｚ軸加速度検出回路９５等の回路
は、基板１０上に角速度検出器１００と共に形成されて
いても良い。

【００４２】〔第２実施例〕次に、第２実施例の角速度
検出器２００について説明する。図８はその角速度検出
器２００の構成を示している。第１実施例と同様に、紙
面が基板面１０ａである。第１励振ビーム２１、第２励
振ビーム２２、交点部２３は、第１実施例と同様に構成
されている。第１実施例と異なる点は、マス部３３ａ、
３３ｂ、３４ａ、３４ｂがリング状に形成され、励振電
極４３がマス部３３ａと３４ａとに対して共通に形成さ
れ、励振電極４４がマス部３３ｂと３４ｂとに対して共
通に形成され、励振検出電極５３がマス部３３ａと３４
ｂに対して共通に形成され、励振検出電極５４がマス部
３４ａと３３ｂに対して共通に形成されていることであ
る。２つの励振電極、２つの励振検出電極ともに同一に
構成されている。例えば、励振電極４３は枠部１１に固
定された櫛歯電極４３１とマス部３３ａの端部に形成さ
れた櫛歯電極３３１とマス部３４ａの端部に形成された
櫛歯電極３４１とで構成されている。これらの櫛歯電極
が微小間隙を隔てて噛み合うことで、それらの間に作用
する静電力により、第１実施例の場合と同一モードで各
マス部を励振させることができる。尚、噛み合っている
櫛歯電極はｚ軸方向には相対移動可能である。また、各
マス部３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂに対向して、検
出電極６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂが配設されてい
る。各検出電極は第１実施例と同様に、マス部の上側と
下側で対向して存在する一対の電極から構成されてい
る。

【００４３】この角速度検出器２００の励振のための装
置は、図５に示す第１実施例の場合と同様である。図５
における隣接する励振電極４１ａと４２ａが第２実施例
では励振電極４３に共通化され、図５における隣接する
励振電極４１ｂと４２ｂとが第２実施例では励振電極４
４に共通化されている。同様に、図５における隣接する
励振検出電極５１ａと５２ｂが第２実施例では励振検出
電極５３に共通化され、図５における隣接する励振検出
電極５２ａと５１ｂとが第２実施例では励振検出電極５
４に共通化されている。よって、図５に示す加算器７
５、７４を設けることなく、励振信号を２分配する図９
に示す回路構成で、マス部を励振させることができる。

【００４４】励振モードとｘ軸、ｙ軸の回りに角速度が
印加された場合のマス部のｚ軸方向の励振モードも第１
実施例と同一である。ｘ軸、ｙ軸の回りの角速度も、図
６と実質的に同一な図１０の回路により測定することが
できる。

【００４５】第２実施例の検出器２００は、励振検出電
極が共通化されているために、ｘ軸方向の変位とｙ軸方
向の変位とを分離して検出することができないし、ｚ軸
回りの回転変位も励振変位等と分離することができな
い。よって、加速度はｚ軸方向の加速度のみが検出可能
である。検出電極６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの配
置関係は、第１実施例と同一であるので、図７と同様な
図１１に示す回路により、ｚ軸方向の加速度を検出する
ことが可能である。

【００４６】第２実施例では、第１実施例に比べて、励
振電極、励振検出電極が一部共通化されているために、
検出される物量の種類は減少するが、構造が簡単となる
分、製造が容易となる。また、マス部のリング幅を調整
することで、共振周波数、共振Ｑ値を容易に調整するこ
とができる。また、励振電極、励振検出電極に櫛型電極
を用いたので、結合が高く、励振及び検出の効率が高く
なる。また、櫛型電極をマス部の側部に形成しているの
で、マス部がｚ軸方向に大きく変位しても、励振精度が
低下せず、安定した励振が可能となる。それにより検出
精度を向上させることができる。その他、第１実施例と
同様な変形例を用いてもよく、同様な効果を有する。

【００４７】上記の第１実施例、第２実施例ともに、各
マス部が片持ち梁の第１、第２励振ビーム２１、２２で
保持されている。しかし、図１２、図１３、図１４に示
す両持ち梁で各マス部を振動自在に支持しても良い。即
ち、図１２では、マス部３１ａが、一端が基板１０に固
定された一対のフォールディドビーム２１１ａ、２１２
ａで支持され、マス部３１ｂは、一端が基板１０に固定
された一対のフォールディドビーム２１１ｂ、２１２ｂ
で支持されており、ｙ軸方向に容易に変位可能である。
同様に、マス部３２ａ、３２ｂは、それぞれ、一対のフ
ォールディドビーム２２１ａ、２２２ａと、一対のフォ
ールディドビーム２２１ｂ、２２２ｂとで振動自在に支
持されており、ｘ軸方向に容易に変位可能である。

【００４８】図１３では、フォールディドビームに代え
てバネで各マス部が支持されている。即ち、マス部３１
ａは、一端が基板１０に固定された一対のｙ軸方向に伸
縮自在のバネ２１３ａ、２１４ａで支持され、マス部３
１ｂは、一端が基板１０に固定された一対のｙ軸方向に
伸縮自在のバネ２１３ｂ、２１４ｂで支持されており、
ｙ軸方向に容易に変位可能である。同様に、マス部３２
ａ、３２ｂは、それぞれ、一対のｘ軸方向に伸縮自在の
バネ２２３ａ、２２４ａと、一対のｘ軸方向に伸縮自在
のバネ２２３ｂ、２２４ｂとで振動自在に支持されてお
り、ｘ軸方向に容易に変位可能である。

【００４９】図１４では、図１３の一対のバネに代え
て、１本のバネで各マス部が支持されている。即ち、マ
ス部３１ａは、一端が基板１０に固定されたｘ軸方向に
伸縮自在のバネ２１５ａで支持され、マス部３１ｂは、
一端が基板１０に固定されたｘ軸方向に伸縮自在のバネ
２１５ｂで支持されており、ｙ軸方向に容易に変位可能
である。同様に、マス部３２ａ、３２ｂは、それぞれ、
ｙ軸方向に伸縮自在のバネ２２５ａ、２２５ｂとで振動
自在に支持されており、ｘ軸方向に容易に変位可能であ
る。

【００５０】以上のような、構成により、各マス部を所
望方向に容易に振動可能に支持することができると共
に、各マス部は両持ち梁で支持されるので、構造が堅牢
となる。また、マス部が基板に接触することも効果的に
防止される。また、複数点で支持されることから、製造
時の破壊も少なく製造が容易である。特に、図１３の構
成では、隣接するマス部、例えば、３１ａと３２ａと
が、連結されたバネ２１３ａと２２４ａとで支持されて
いることから、４つのマス部がより連動して動作し易く
なることから、励振モードをより対称性良く且つ安定さ
せることが可能となる。また、図１２の構造では、マス
部３１ａをフォールディドビーム２１１ａ、２１２ａ等
で支持しているので、柔らかいバネを実現でき、マス部
の振動モードはそのバネの内部応力の影響を受け難い。

【００５１】また、ｚ軸の回りの角速度は、その回りの
角加速度を積分演算により検出することができる。上記
の検出回路は、ハードウエアによるアナログ又はデジタ
ル回路で構成しても、ソフトウエアを用いたコンピュー
タシステムにより構成しても良い。

【００５２】上記の実施例では、各マス部の励振に静電
力によるものを用いたが、ローレンツ力による励振方法
を用いても良い。又、振動の検出には、静電容量を用い
ているが、電磁誘導による起電力を用いても良い。要
は、電気量として変位が検出されれば、任意の物理量で
良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体的な第１実施例に係る角速度検出
器の構成を示した平面図。

【図２】第１実施例に係る角速度検出器の構成を示した
断面図。

【図３】同第１実施例に係る角速度検出器の構成を示し
た断面図。

【図４】第１実施例に係る角速度検出器の製造工程を示
した断面図。

【図５】第１実施例に係る角速度検出器のマス部を励振
させるための回路構成を示したブッロック図。

【図６】第１実施例に係る角速度検出器によるｘ軸、ｙ
軸の回りの角速度を検出するための回路構成を示したブ
ッロック図。

【図７】第１実施例に係る角速度検出器によるｘ軸、ｙ
軸、ｚ軸方向の加速度、ｚ軸回りの角加速度を検出する
ための回路構成を示したブッロック図。

【図８】第２実施例に係る角速度検出器の構成を示した
構成図。

【図９】第２実施例に係る角速度検出器のマス部を励振
させるための回路構成を示したブッロック図。

【図１０】第２実施例に係る角速度検出器によるｘ軸、
ｙ軸の回りの角速度を検出するための回路構成を示した
ブッロック図。

【図１１】第２実施例に係る角速度検出器によるｚ軸回
りの角加速度を検出するための回路構成を示したブッロ
ック図。

【図１２】マス部の他の支持機構を示した構成図。

【図１３】マス部の他の支持機構を示した構成図。

【図１４】マス部の他の支持機構を示した構成図。

【符号の説明】

１０…基板１０ａ…基板面１１…枠部３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３
４ａ、３４ｂ…マス部２１…第１励振ビーム２２…第２励振ビーム２３…交点部４１ａ、４２ａ、４１ｂ、４２ｂ、４３、４４…励振電
極５１ａ、５２ａ、５１ｂ、５２ｂ、５３、５４…励振検
出電極６１ａ、６２ａ、６１ｂ、６２ｂ、６３ａ、６４ａ、６
３ｂ、６４ｂ…検出電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤塚徳夫愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献特開平２−218914（ＪＰ，Ａ) 特開平９−210690（ＪＰ，Ａ) 特開平８−271256（ＪＰ，Ａ) 特開平10−239347（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】微細加工による慣性質量を有する複数の
マス部を前記基板面に平行な異なる２方向に、マス部と
対抗して配設された励振電極による電気力により励振さ
せて、角速度、加速度、又は、角加速度の少なくとも１
の物理量を検出する検出器において、前記励振電極は、隣接する２つの前記マス部の境界付近
に配設され、その２つのマス部に対して共通な電極であ
って、前記基板面に平行に異なる前記２方向に延設され、中心
の交点部が基板に固定され、他端において前記マス部を
基板に対して振動可能に支持する励振ビームを設け、前
記基板面に垂直な軸の回りの一方の回転の向きに変位の
正の向きをとるとき、任意に隣接する２つのマス部にお
ける変位が逆位相となるように励振させることを特徴と
する検出器。
【請求項２】微細加工による慣性質量を有する複数の
マス部を基板面に平行に励振させ、その励振方向と基板
面の垂直軸とに直交する方向の軸の回りの角速度を検出
する角速度検出器において、リング状に４分割して形成された４個のマス部と、前記基板面に平行に異なる前記２方向に延設され、中心
の交点部が基板に固定され、他端において前記マス部を
基板に対して振動可能に支持する励振ビームと、隣接する２つの前記マス部の境界付近に配設され、その
２つのマス部に対して共通な電極であって、前記垂直軸
の回りの一方の回転の向きに沿って交互に設けられ、マ
ス部をその前記垂直軸の回りの回転方向に励振させるた
めの励振電極と、マス部の励振変位を検出する励振検出
電極と、前記垂直軸の方向に前記マス部に発生するコリ
オリ力に関連する物理量を検出し前記マス部に対抗して
配設された検出電極とを有し、前記垂直軸の回りの一方
の回転の向きに変位の正の向きをとるとき、任意に隣接
する２つのマス部における変位が逆位相となるように励
振させること特徴とする角速度検出器。
【請求項３】前記マス部の励振変位を検出する励振検
出電極と、前記基板面に垂直な軸の方向にマス部に対抗
して配設された検出電極とを有し、前記マス部に発生するコリオリ力に関連する物理量及び
／又は前記マス部に作用す加速度に起因するオフセット
量を測定することによって、基板面に平行で任意方向の
軸の回りの角速度、任意方向の加速度、又は、基板面に
垂直な軸の回りの角加速度の少なくとも１の物理量を検
出する請求項１に記載の検出器。