(57)【要約】【課題】  検知軸が基板の面内方向となる場合でも、駆動モードと検出モードの共振周波数差を小さくして角速度を高感度で検出する。【解決手段】  基板２には駆動質量部５を設け、駆動質量部５を撓み支持梁からなる駆動梁６を用いてＸ軸方向に振動可能に支持する。また、駆動質量部５の内部には検出質量部７を設け、検出質量部７を検出梁８を用いてＺ軸方向に変位可能に支持する。そして、検出梁８は、捩れ支持梁９と、捩れ支持梁９の端部を駆動質量部５および検出質量部７に接続する接続梁１０とによって構成する。これにより、捩れ支持梁９の端部に作用する応力を低減することができ、加工ばらつきが駆動モードと検出モードの共振周波数差に与える影響を小さくすることができる。【選択図】        図１
2010096538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板と隙間をもって対向して配置された駆動質量部と、
該駆動質量部と基板とを接続し、前記基板と平行な水平方向に対して該駆動質量部を振動可能に支持する駆動梁と、
前記駆動質量部に設けられた検出質量部と、
該検出質量部と駆動質量部とを接続し、該検出質量部を基板の厚さ方向に向けて変位可能に支持する検出梁と、
前記駆動質量部を水平方向に振動させる振動発生手段と、
前記駆動質量部が振動した状態で前記検出質量部が基板の厚さ方向に向けて変位するときの変位量を検出する変位検出手段とを備えた角速度センサにおいて、
前記検出梁は、前記検出質量部が基板の厚さ方向に変位するときに捩れ変形する捩れ支持梁と、該捩れ支持梁と前記検出質量部との間に設けられると共に該捩れ支持梁と駆動質量部との間に設けられ該捩れ支持梁が捩れ変形するときに該捩れ支持梁の端部側に作用する応力を低減する応力低減接続部とからなり、
前記検出梁は、前記検出質量部を片持ち状態で支持する構成としたことを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
基板と、
該基板と隙間をもって対向して配置された駆動質量部と、
該駆動質量部と基板とを接続し、前記基板の厚さ方向に対して該駆動質量部を振動可能に支持する駆動梁と、
前記駆動質量部に設けられた検出質量部と、
該検出質量部と駆動質量部とを接続し、該検出質量部を基板と平行な水平方向に向けて変位可能に支持する検出梁と、
前記駆動質量部を基板の厚さ方向に振動させる振動発生手段と、
前記駆動質量部が振動した状態で検出質量部が水平方向に向けて変位するときの変位量を検出する変位検出手段とを備えた角速度センサにおいて、
前記駆動梁は、前記駆動質量部が基板の厚さ方向に変位するときに捩れ変形する捩れ支持梁と、該捩れ支持梁と前記基板との間に設けられると共に該捩れ支持梁と駆動質量部との間に設けられ該捩れ支持梁が捩れ変形するときに該捩れ支持梁の端部側に作用する応力を低減する応力低減接続部とからなり、
前記駆動梁は、前記駆動質量部を片持ち状態で支持する構成としたことを特徴とする角速度センサ。
【請求項３】
前記応力低減接続部は、前記捩れ支持梁の端部から直交する方向に伸長した接続梁を用いて形成する構成としてなる請求項１または２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記駆動質量部、検出質量部、駆動梁および検出梁は、同じ厚さ寸法を有する構成としてなる請求項１，２または３に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記捩れ支持梁は、捩れ軸に沿って延びる板形状に形成し、板厚方向となる幅寸法に比べて捩れ軸と直交する厚さ寸法を６倍以上の値に設定してなる請求項１，２，３または４に記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば駆動質量部と検出質量部とを備え、これらの質量部のうちいずれか一方が基板の厚さ方向に変位する角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、角速度センサとして、基板上に駆動梁を介して振動可能に設けられた駆動質量部と、該駆動質量部に検出梁を介して振動可能に設けられた検出質量部を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このとき、駆動質量部と検出質量部とは、互いに直交する方向に向けて振動する。そして、駆動質量部が振動した状態で所定方向の角速度が作用すると、検出質量部は、コリオリ力によって駆動質量部の振動方向と直交する方向に向けて変位する。このため、検出質量部の変位を検出することによって、角速度を検出することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１９４１５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、駆動質量部が振動するときの駆動モードと検出質量部が振動するときの検出モードとは、互いの共振周波数が近い値になるに従って角速度に対する検出質量部の変位量が大きくなり、角速度の検出感度が高くなる。しかし、これらの共振周波数は駆動梁や検出梁の加工誤差によってばらつきが生じるから、駆動モードと検出モードの共振周波数を互いに近付けると、加工誤差の影響で角速度センサの感度ばらつきが増加する傾向がある。
【０００５】
ＭＥＭＳ技術を用いてシリコン材料を微細加工して角速度センサを製造する場合、駆動梁と駆動質量部との組合わせや、検出梁と検出質量部との組合わせによって各モードの共振周波数が設定されている。ここで、基板の垂直方向周りの角速度を検出するために、検知軸が基板の垂直方向となった角速度センサでは、駆動質量部および検出質量部は、いずれも基板の面内方向に変位する。この場合、駆動梁および検出梁は、例えば基板の面内方向の撓み変形を利用して駆動質量部および検出質量部をそれぞれ支持する。このため、実質的に駆動梁や検出梁の幅寸法が各モードの共振周波数に影響する。シリコン基板を垂直にドライエッチングして角速度センサを製造する場合、一度のエッチングで全ての梁が加工されるため、このエッチング工程で共振周波数のばらつきが決まる。しかし、エッチング速度のばらつきで駆動梁および検出梁の幅寸法が変化しても、同じ素子内では駆動梁および検出梁の相対誤差は小さくなるから、駆動モードと検出モードの共振周波数差のばらつきは小さくすることができる。
【０００６】
一方、基板の面内方向周りの角速度を検出するために、検知軸が基板の面内方向となった角速度センサでは、駆動質量部と検出質量部とのうちいずれか一方（例えば検出質量部）は基板の垂直方向に変位し、他方（例えば駆動質量部）は基板の面内方向に変位する。このとき、例えば検出梁が基板の垂直方向に対する撓み変形を利用した場合には、梁の厚さ寸法が共振周波数に影響する。このため、シリコン基板を所定の厚さ寸法にする研削工程のばらつきが問題となる。駆動梁の幅寸法に影響するエッチング工程と検出梁の厚さ寸法に影響する研削工程とは独立した工程である。この結果、検知軸が基板の面内方向となった角速度センサでは、検知軸が基板の垂直方向となった角速度センサに比べて、駆動モードと検出モードの共振周波数差のばらつきがかなり大きくなるから、加工誤差を考慮すると共振周波数差を小さくして高感度にすることができないという問題がある。
【０００７】
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、検知軸が基板の面内方向となる場合でも、駆動モードと検出モードの共振周波数差を小さくして角速度を高感度で検出することができる角速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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て配置された駆動質量部と、該駆動質量部と基板とを接続し、前記基板と平行な水平方向に対して該駆動質量部を振動可能に支持する駆動梁と、前記駆動質量部に設けられた検出質量部と、該検出質量部と駆動質量部とを接続し、該検出質量部を基板の厚さ方向に向けて変位可能に支持する検出梁と、前記駆動質量部を水平方向に振動させる振動発生手段と、前記駆動質量部が振動した状態で前記検出質量部が基板の厚さ方向に向けて変位するときの変位量を検出する変位検出手段とを備えた角速度センサにおいて、前記検出梁は、前記検出質量部を片持ち状態で支持し、前記検出質量部が基板の厚さ方向に変位するときに捩れ変形する捩れ支持梁を用いて形成し、該捩れ支持梁は、捩れ変形するときに当該捩れ支持梁の端部側に作用する応力を低減する応力低減接続部を用いて前記検出質量部と駆動質量部とにそれぞれ接続する構成としたことを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明は、基板と、該基板と隙間をもって対向して配置された駆動質量部と、該駆動質量部と基板とを接続し、前記基板の厚さ方向に対して該駆動質量部を振動可能に支持する駆動梁と、前記駆動質量部に設けられた検出質量部と、該検出質量部と駆動質量部とを接続し、該検出質量部を基板と平行な水平方向に向けて変位可能に支持する検出梁と、前記駆動質量部を基板の厚さ方向に振動させる振動発生手段と、前記駆動質量部が振動した状態で検出質量部が水平方向に向けて変位するときの変位量を検出する変位検出手段とを備えた角速度センサにおいて、前記駆動梁は、前記駆動質量部を片持ち状態で支持し、前記駆動質量部が基板の厚さ方向に変位するときに捩れ変形する捩れ支持梁を用いて形成し、該捩れ支持梁は、捩れ変形するときに当該捩れ支持梁の端部側に作用する応力を低減する応力低減接続部を用いて前記基板と駆動質量部とにそれぞれ接続する構成としたことを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明では、前記応力低減接続部は、前記捩れ支持梁の端部から直交する方向に伸長した接続梁を用いて形成する構成としている。
【００１１】
請求項４の発明では、前記駆動質量部、検出質量部、駆動梁および検出梁は、同じ厚さ寸法を有する構成としている。
【００１２】
請求項５の発明では、前記捩れ支持梁は、捩れ軸に沿って延びる板形状に形成し、板厚方向となる幅方向寸法に比べて捩れ軸と直交する厚さ方向寸法を６倍以上の値に設定している。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、例えば基板がＸ軸およびＹ軸に平行に広がるときに、駆動質量部がＸ軸方向に振動した状態で、検知軸となるＹ軸周りの角速度が作用すると、この角速度に応じて基板の厚さ方向となるＺ軸方向に向かうコリオリ力が発生する。これにより、検出質量部は、Ｙ軸周りの角速度に応じてＺ軸方向に変位する。従って、変位検出手段を用いて検出質量部が基板の厚さ方向に変位するのを検出することによって、基板に水平なＹ軸周りに作用する角速度を検出することができる。
【００１４】
また、検出梁は、検出質量部が基板の厚さ方向に変位するときに捩れ変形する捩れ支持梁と、該捩れ支持梁と検出質量部および駆動質量部との間を接続する応力低減接続部とによって構成した。このため、例えばシリコン材料等を基板の垂直方向に加工することによって捩れ支持梁を形成することができ、容易に加工することができる。また、捩れ支持梁のばね定数は幅寸法の３乗に比例して変動するが、これは撓み支持梁からなる駆動梁のばね定数と同じである。従って、幅寸法の加工ばらつきが駆動モードと検出モードの共振周波数差に与える影響が小さく、センサの感度ばらつきを小さくすることができる。
【００１５】
ここで、例えば１枚の細長い板形状をなす捩れ支持梁を用いて検出梁を構成すると共に、この検出梁の両端を固定した場合には、固定部分に作用する応力によって捩れ支持梁の捩れ変形が阻害される。このため、捩れ支持梁の厚さ寸法が変化したときには、この厚さ寸法の変化分に対する共振周波数の変化が大きくなる。この結果、厚さ寸法の加工ばらつきが駆動モードと検出モードの共振周波数差に与える影響が大きくなる傾向がある。
【００１６】
これに対し、本発明では、捩れ支持梁は、その長さ方向に対して自由度を与える応力低減接続部を用いて検出質量部と駆動質量部とにそれぞれ接続した。このため、捩れ支持梁が捩れ変形するときには、捩れ支持梁の端部側はその長さ方向に変位することができるから、捩れ支持梁の両端側に作用する歪みや応力を低減することができる。これにより、幅寸法に加えて厚さ寸法の加工ばらつきが駆動モードと検出モードの共振周波数差に与える影響も小さくすることができ、センサの感度ばらつきを小さくすることができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、例えば基板がＸ軸およびＹ軸に平行に広がるときに、駆動質量部が基板の厚さ方向となるＺ軸方向に振動した状態で、検知軸となるＹ軸周りの角速度が作用すると、この角速度に応じて基板と平行なＸ軸方向に向かうコリオリ力が発生する。これにより、検出質量部は、Ｙ軸周りの角速度に応じてＸ軸方向に変位する。従って、変位検出手段を用いて検出質量部がＸ軸方向に変位するのを検出することによって、基板に水平なＹ軸周りに作用する角速度を検出することができる。
【００１８】
また、駆動梁は、駆動質量部が基板の厚さ方向に変位するときに捩れ変形する捩れ支持梁と、該捩れ支持梁と基板および駆動質量部との間を接続する応力低減接続部とによって構成したから、請求項１の発明と同様に、幅寸法の加工ばらつきが駆動モードと検出モードの共振周波数差に与える影響が小さく、センサの感度ばらつきを小さくすることができる。
【００１９】
さらに、捩れ支持梁は、その長さ方向に対して自由度を与える応力低減接続部を用いて基板と駆動質量部とにそれぞれ接続したから、請求項１の発明と同様に、捩れ支持梁の両端側に作用する歪みや応力を低減することができる。これにより、厚さ寸法の加工ばらつきが駆動モードと検出モードの共振周波数差に与える影響も小さくすることができ、センサの感度ばらつきを小さくすることができる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、応力低減接続部は捩れ支持梁の端部から直交する方向に伸長した接続梁を用いて形成する構成としたから、捩れ支持梁が捩れ変形するときには、接続梁が撓み変形して捩れ支持梁の端部側を長さ方向（捩れ軸方向）に変位させることができる。これにより、捩れ支持梁の両端側に作用する歪みや応力を低減することができる。
【００２１】
請求項４の発明によれば、駆動質量部、検出質量部、駆動梁および検出梁は同じ厚さ寸法を有する構成としたから、１回の研削工程を行うことによって駆動質量部、検出質量部、駆動梁および検出梁の厚さ寸法を一緒に設定することができる。これにより、駆動質量部、検出質量部、駆動梁および検出梁の厚さ寸法の加工ばらつきを抑制することができ、厚さ寸法の加工ばらつきに基づく駆動モードと検出モードの共振周波数差を小さくすることができる。
【００２２】
請求項５の発明によれば、捩れ支持梁は幅寸法に比べて厚さ寸法を６倍以上の値に設定したから、捩れ支持梁の共振周波数に対する厚さ寸法の影響を小さくすることができる。これにより、捩れ支持梁の厚さ寸法にばらつきが生じても、捩れ支持梁の共振周波数の変化を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態による角速度センサについて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２４】
まず、図１ないし図３は第１の実施の形態による角速度センサ１を示している。図において、角速度センサ１は、基板２、駆動質量部５、駆動梁６、検出質量部７、検出梁８、振動発生部１１、変位検出部１３等によって構成されている。
【００２５】
基板２は、角速度センサ１のベース部分を構成している。そして、基板２は、例えばガラス材料等により四角形の平板状に形成され、互いに直交するＸ軸，Ｙ軸およびＺ軸方向のうち、例えばＸ軸およびＹ軸方向に沿って水平に延びている。
【００２６】
また、基板２上には、例えば導電性を有する低抵抗なシリコン材料等にエッチング加工を施すことによって、封止枠体３、支持部４、駆動質量部５、駆動梁６、検出質量部７、検出梁８等が形成されている。このとき、封止枠体３は、基板２の外周縁に沿って枠状に形成され、その内部に駆動質量部５、検出質量部７等を気密状態で収容している。
【００２７】
支持部４は、封止枠体３の内部に位置して基板２の表面に設けられている。また、支持部４は、駆動質量部５を挟んでＹ軸方向の両側にそれぞれ配置されている。このとき、支持部４は、駆動質量部５、駆動梁６、検出質量部７、検出梁８からなる機能部を基板２から浮いた状態で支持している。そして、支持部４は、機能部に接続されると共に、例えば後述のビアホール１７を介して機能部を外部のグランドに接続している。
【００２８】
駆動質量部５は、基板２の表面と隙間をもって対向し、例えば四角形の枠状に形成されている。また、駆動質量部５は、後述の駆動梁６によってＸ軸方向に変位可能に支持されている。さらに、駆動質量部５には、Ｘ軸方向の両端側に後述の可動側駆動電極１１Ａが設けられている。
【００２９】
駆動梁６は、駆動質量部５と支持部４との間を接続し、駆動質量部５を基板２と平行なＸ軸方向（水平方向）に振動可能に支持している。また、駆動梁６は、駆動質量部５の四隅を支持するために、駆動質量部５のＹ軸方向の両端側に２本ずつ、合計４本設けられている。
【００３０】
ここで、駆動梁６は、Ｘ軸方向に対して幅寸法ｂ0および厚さ寸法ａをもった細長い板状の梁によって形成され、Ｙ軸方向に向けて平行に延びている。そして、駆動梁６は、駆動質量部５がＸ軸方向に振動するときに撓み変形する撓み支持梁を用いて形成されている。このため、駆動梁６は、基端側が支持部４に接続された固定端となり、先端側が駆動質量部５に接続された自由端となっている。これにより、これらの駆動梁６は、駆動質量部５を両持ち状態で支持し、駆動質量部５がＸ軸方向に変位するのを許容すると共に、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に変位するのを規制している。そして、駆動質量部５がＸ軸方向に振動するときの駆動モードは、駆動梁６のばね定数と２つの質量部５，７の質量を加算した合計質量によって決まる共振周波数ω0を有している。
【００３１】
検出質量部７は、駆動質量部５の内部に位置して略四角形の平板状に形成されている。また、検出質量部７は、後述の検出梁８によって基板２の厚さ方向となるＺ軸方向に変位可能に支持されている。そして、検出質量部７は、基板２に設けられた後述の検出電極１４に対向した位置に配置されている。
【００３２】
検出梁８は、検出質量部７が基板２の厚さ方向に変位するときに捩れ変形する捩れ支持梁９と、該捩れ支持梁９と検出質量部７との間に設けられると共に該捩れ支持梁９と駆動質量部５との間に設けられた接続梁１０とによって構成されている。そして、検出梁８は、駆動質量部５と検出質量部７との間を接続し、検出質量部７をＺ軸方向に変位可能に支持している。また、検出梁８は、検出質量部７のうちＹ軸方向の一側端部と駆動質量部５との間に配置されている。
【００３３】
このとき、検出質量部７は、Ｙ軸方向の一端側部分が検出梁８によって支持されるのに対し、Ｙ軸方向の他端側部分が自由端となる。このため、検出梁８は、片持ち状態で検出質量部７を支持している。
【００３４】
捩れ支持梁９は、捩れ軸となるＸ軸方向に向けて延び、検出質量部７がＺ軸方向に変位するときに捩れ変形する。また、捩れ支持梁９は、幅寸法ｂおよび厚さ寸法ａをもって直線状に延びる細長い板状の梁によって形成されている。
【００３５】
ここで、捩れ支持梁９は、検出質量部７に対してＸ軸方向の両側に分かれて２つ設けられ、これら２つの捩れ支持梁９は、駆動質量部５内に位置してＸ軸方向に延びている。そして、捩れ支持梁９は、検出質量部７がＺ軸方向に変位するのを許容すると共に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に変位するのを規制している。さらに、検出質量部７がＺ軸方向に振動するときの検出モードは、捩れ支持梁９のばね定数Ｋと検出質量部７の質量によって決まる共振周波数ω1を有している。
【００３６】
接続梁１０は、捩れ支持梁９が捩れ変形するときに該捩れ支持梁９の端部側に作用する応力を低減する応力低減接続部を構成している。そして、接続梁１０は、各捩れ支持梁９の両端側にそれぞれ設けられている。ここで、一方の接続梁１０は、捩れ支持梁９の一端部側に設けられ、検出質量部７のうちＸ軸方向の中心部分に接続されている。また、他方の接続梁１０は、捩れ支持梁９の他端部側に設けられ、駆動質量部５に接続されている。
【００３７】
このとき、接続梁１０は、例えば捩れ支持梁９の捩れ軸方向（Ｘ軸方向）に対して直交したＹ軸方向に延び、捩れ支持梁９からＬ字形状に屈曲している。また、接続梁１０は、幅寸法δ1および長さ寸法δ2をもって直線状に延びる細長い板状の梁によって形成されている。
【００３８】
ここで、接続梁１０の幅寸法δ1は、例えば捩れ支持梁９の幅寸法ｂよりも小さい値に設定されている。これにより、捩れ支持梁９の両端側は、その長さ方向となるＸ軸方向に対して自由度をもった状態で支持されている。この結果、捩れ支持梁９が捩れ変形するときには、捩れ支持梁９の両端側が長さ方向（捩れ軸方向）に変位することができるから、捩れ支持梁９の両端側に作用する歪みや応力が低減されている。
【００３９】
振動発生部１１は、駆動質量部５のＸ軸方向両側に設けられ、駆動質量部５をそれぞれ駆動振動する振動発生手段を構成している。そして、振動発生部１１は、駆動質量部５に取付けられた可動側駆動電極１１Ａと、基板２上の電極支持部１２に取付けられた固定側駆動電極１１Ｂとによって構成されている。
【００４０】
このとき、駆動電極１１Ａ，１１Ｂは、複数枚の電極板がＸ軸方向に平行に延びた櫛歯状電極によって構成されている。また、可動側駆動電極１１Ａの電極板と固定側駆動電極１１Ｂの電極板とは、互いに隙間をもって噛合し、平行平板電極を構成している。そして、２つの振動発生部１１には例えば電圧信号等の駆動信号が交互に印加され、一方の駆動電極１１Ａ，１１Ｂ間と他方の駆動電極１１Ａ，１１Ｂ間とに交互に静電引力（駆動力）を発生させている。これにより、振動発生部１１は、駆動質量部５および検出質量部７をＸ軸方向に振動させるものである。
【００４１】
変位検出部１３は、検出質量部７が基板２の厚さ方向に変位するのを検出する変位検出手段を構成している。また、変位検出部１３は、検出質量部７と、基板２に設けられた検出電極１４とによって構成されている。ここで、検出電極１４は、検出質量部７の外側に設けられた検出用引出部１５に接続されている。また、検出用引出部１５は、支持部４等と同様に低抵抗なシリコン材料等を用いて島状に形成されている。
【００４２】
さらに、検出質量部７と検出電極１４とは、Ｚ軸方向で互いに隙間をもって対向している。そして、検出質量部７がＺ軸方向に振動したときには、検出質量部７と検出電極１４との間の距離が変化し、これらの間の静電容量も変化する。このため、変位検出部１３は、検出質量部７がＹ軸周りの角速度ΩによってＺ軸方向に変位するときに、その変位量を検出質量部７と検出電極１４との間の静電容量の変化により角速度Ωとして検出する。
【００４３】
蓋板１６は、例えばガラス材料等によって四角形の板状に形成され、陽極接合等の手段を用いて封止枠体３、支持部４、電極支持部１２、検出用引出部１５に接合されている。また、蓋板１６は、検出質量部７等との対向面（裏面）側に、四角形状に凹陥したキャビティ１６Ａが形成されている。そして、キャビティ１６Ａは、駆動質量部５、駆動梁６、検出質量部７および検出梁８と対向した位置に設けられている。これにより、駆動質量部５および検出質量部７は、蓋板１６に接触することなく、振動変位することができる。
【００４４】
そして、蓋板１６には、複数のビアホール１７が厚さ方向に貫通して形成されている。このとき、ビアホール１７は、支持部４、電極支持部１２および検出用引出部１５と対応した位置にそれぞれ形成されている。これにより、支持部４等は、ビアホール１７を通じて蓋板１６上に設けられた外部電極（図示せず）に接続される。このため、振動発生部１１は、外部電極を通じて駆動信号を出力する振動制御回路に接続されると共に、変位検出部１３は、角速度Ωを検出する角速度検出回路（いずれも図示せず）に接続されている。
【００４５】
次に、図４ないし図７に基づいて、本実施の形態による角速度センサ１の製造方法について説明する。
【００４６】
図４に示す基板接合工程では、予めシリコン基板２１の裏面にエッチング処理を施して、略四角形の凹陥部２２を形成する。一方、基板２となるガラス基板２３の表面には、シリコン基板２１の凹陥部２２と対向した位置に検出電極１４を形成する。その後、例えば陽極接合等の接合手段を用いて、基板２となるガラス基板２３の表面に、シリコン基板２１の裏面を接合する。
【００４７】
次に、図５に示す研削工程では、シリコン基板２１の表面側を研磨して、厚さ寸法の薄いシリコン層２４を形成する。このとき、シリコン層２４の外縁側は、ガラス基板２３に接合されている。また、シリコン層２４のうち凹陥部２２と対応した薄肉部２４Ａは、ガラス基板２３と隙間をもって離間している。
【００４８】
次に、図６に示す機能部形成工程では、エッチング処理を施して、シリコン層２４のうち薄肉部２４Ａに対応した位置に、駆動質量部５、駆動梁６、検出質量部７、検出梁８を形成する。このとき、検出質量部７は、検出電極１４と対向した位置に配置される。
【００４９】
また、シリコン層２４のうち薄肉部２４Ａの周囲には、支持部４および電極支持部１２を形成する。このとき、電極支持部１２の周囲には可動側駆動電極１１Ａおよび固定側駆動電極１１Ｂからなる振動発生部１１を形成する。さらに、シリコン層２４のうち外縁側には、駆動質量部５、検出質量部７等を取囲んで封止枠体３を形成する。
【００５０】
次に、図７に示す蓋板接合工程では、蓋板１６となるガラス板２５の裏面側に、予めキャビティ１６Ａとなる凹陥部２６を形成する。このとき、凹陥部２６は、駆動質量部５、駆動梁６、検出質量部７、検出梁８等と対向した位置に形成される。そして、例えば陽極接合等の接合手段を用いて、シリコン層２４の表面に、ガラス板２５の裏面を接合する。これにより、ガラス基板２５は、封止枠体３、支持部４、電極支持部１２に接合される。
【００５１】
次に、電極形成工程では、蓋板１６にサンドブラスト等の穴あけ加工処理を施して、ビアホール１７を形成する。このとき、ビアホール１７は、支持部４、電極支持部１２および検出用引出部１５と対応した位置にそれぞれ形成されている。最後に、蓋板１６の表面には、外部の回路と接続するための外部電極（図示せず）を設ける。そして、外部電極は、ビアホール１７の内面に設けられた導体膜を通じて、支持部４、電極支持部１２および検出用引出部１５に対して電気的に接続する。これにより、図１ないし図３に示す角速度センサ１が完成する。そして、振動発生部１１および変位検出部１３は、外部電極を通じて振動制御回路および角速度検出回路等に接続する。
【００５２】
本実施の形態による角速度センサ１は、上述のような製造方法を用いて製造されるもので、次に検知軸となるＹ軸周りに角速度Ωを加えた場合の基本的な検出動作について説明する。
【００５３】
まず、各振動発生部１１に駆動モードの共振周波数をもった駆動信号を印加すると、駆動電極１１Ａ，１１Ｂ間に生じた静電引力により、質量部５，７は基板２のＸ軸方向（水平方向）に振動する。
【００５４】
そして、質量部５，７が振動している状態で、Ｙ軸周りに角速度Ωが加わると、図３に示すように基板２のＺ軸方向（垂直方向）に下記数１に示すコリオリ力Ｆ（慣性力）が発生する。そして、このコリオリ力Ｆによって、検出質量部７はＺ軸方向に振動する。
【００５５】
【数１】
2010096538.tif 000003
【００５６】
このとき、変位検出部１３は、検出質量部７のＺ軸方向の変位を検出質量部７と検出電極１４との間の静電容量を用いて検出する。このため、変位検出部１３から出力される検出信号を用いて、Ｙ軸周りの角速度Ωを検出することができる。
【００５７】
次に、検出梁８の厚さ寸法ａの加工ばらつきと検出モードの共振周波数との関係について、図８ないし図１０を参照しつつ検討する。
【００５８】
まず、図８に示す比較例のように、捩れ支持梁からなる検出梁２７の両端を固定した場合には、検出モードの共振周波数ω1は、検出梁２７のばね定数Ｋと検出質量部７の慣性モーメントＩとの関係に基づいて、以下の数２の式のように表すことができる。このとき、検出質量部７は、Ｚ軸方向の厚さ寸法をａとし、Ｘ軸方向の長さ寸法をｄとし、Ｙ軸方向の長さ寸法をｃとした。また、検出梁２７の幅寸法をｂとし、固定端部分から検出質量部７の接続部分までの長さ寸法をＬとし、厚さ寸法を検出質量部７と同じ値とした。
【００５９】
【数２】
2010096538.tif 000004
【００６０】
ここで、駆動モードと検出モードの共振周波数差Δωに対して、駆動梁６および検出梁２７の幅寸法ｂ0，ｂの加工ばらつきが与える影響について検討する。
【００６１】
まず、撓み支持梁からなる駆動梁６のばね定数は、その幅寸法ｂ0の３乗に比例する。一方、捩れ支持梁からなる検出梁２７のばね定数Ｋも、幅寸法ｂの３乗に比例する。このため、シリコン層２４にエッチング処理を施す機能部形成工程で、駆動梁６の幅寸法ｂ0や検出梁２７の幅寸法ｂに加工ばらつきが生じても、これらの幅寸法ｂ0，ｂは一緒に増加または減少するから、駆動モードの共振周波数ω0と検出モードの共振周波数ω1も一緒に増加または減少する。この結果、駆動梁６および検出梁２７の幅寸法ｂ0，ｂに加工ばらつきが生じても、この加工ばらつきが駆動モードと検出モードの共振周波数差Δωに与える影響は小さくなっている。
【００６２】
次に、駆動モードと検出モードの共振周波数差Δωに対して、駆動梁６と検出梁２７の厚さ寸法ａの加工ばらつきが与える影響について検討する。
【００６３】
まず、撓み支持梁からなる駆動梁６を用いた場合、駆動モードの共振周波数ω0は厚さ寸法ａに依存しない。このため、厚さ寸法ａに加工ばらつきが生じても、駆動モードの共振周波数ω0は変化しない。
【００６４】
一方、捩れ支持梁からなる検出梁２７を用いた場合、厚さ寸法ａが変化すると、数２の式中で分母側のａの２乗とｃの２乗との加算値および分子側の形状因子αが変化する。このため、検出モードの共振周波数ω1は、検出梁２７の厚さ寸法ａに応じて変化する。このとき、形状因子αの値は、厚さ寸法ａと幅寸法ｂとの比率に応じて決まるものであり、厚さ寸法ａが幅寸法ｂよりも大きくなるに従って、最大値である０．３３３に近付いて飽和する。特に、厚さ寸法ａが幅寸法ｂの６倍以上になると、分子側の形状因子αの値は、０．３程度の値でほぼ一定となる。
【００６５】
また、分母側のａの２乗とｃの２乗との加算値も、検出梁２７の厚さ寸法ａが大きくなるに従って増加する。そこで、典型的な検出梁２７および検出質量部７の寸法を用いた場合について、数２の式に基づいて、厚さ寸法ａに対する検出モードの共振周波数ω1の変化率を調べた。ここで、検出質量部７のＹ軸方向の長さ寸法ｃは３００μｍとし、検出梁２７の幅寸法ｂは７μｍとした。この場合、厚さ寸法ａを７０μｍ以上としたときに、厚さ寸法ａの変動に対する共振周波数ωの変化が小さくなる。
【００６６】
しかし、有限要素法を用いたシミュレーションを行った場合、数２の式に基づく結果とは異なり、厚さ寸法ａが７０μｍ以上としたときでも、厚さ寸法ａが増加するに従って、共振周波数ωの変化率が大きくなることが分かった。
【００６７】
この理由は、検出梁２７が捩れ変形したときに、検出梁２７に作用する捩れ軸方向（Ｘ軸方向）の歪みや応力が大きくなるためと考えられる。具体的に説明すると、検出梁２７の両端や中心部分が駆動質量部５や検出質量部７に接続されて固定されているため、検出梁２７が捩れ変形したときには、検出梁２７の側面にせん断歪みが作用する。このせん断歪みに伴って、検出梁２７の両端側の固定部や中央の接続部分に引張り応力や圧縮応力が発生し、これらの応力によって共振周波数ω1が増加するものと考えられる。
【００６８】
以上の点を考慮して、本実施の形態では、検出梁８の捩れ支持梁９に作用する歪みや応力を低減するために、捩れ支持梁９の両端側は接続梁１０を用いて駆動質量部５や検出質量部７に接続する構成とした。そこで、比較例と本実施の形態との両方の場合について、検出梁８，２７の厚さ寸法ａと共振周波数ω1の変化率との関係を調べた。その結果を図９および図１０に示す。
【００６９】
なお、図９は、厚さ寸法ａを６０μｍに設定したときの共振周波数を基準共振周波数としたときに、厚さ寸法ａと基準共振周波数に対する共振周波数の変化率との関係を表している。また、図１０は、図９中の傾きに相当するものであり、厚さ寸法ａと厚さ１μｍ当りの共振周波数ω1の変化率との関係を示している。
【００７０】
また、図９および図１０の特性を調べるときの前提条件として、比較例では、検出梁２７の長さ寸法Ｌは２００μｍとし、幅寸法ｂは７μｍとした。一方、実施の形態では、捩れ支持梁９の長さ寸法Ｌは２００μｍとし、幅寸法ｂは７μｍとした。また、接続梁１０は、幅寸法δ1が４μｍで、長さ寸法δ2が１２μｍとしたとき、および幅寸法δ1が３μｍで、長さ寸法δ2が８μｍとしたときの２種類について調べた。
【００７１】
図９に示すように、比較例の場合、厚さ寸法ａが基準となる６０μｍから離れるに従って、ほぼ一様に共振周波数ω1の変化率が増加している。一方、本実施の形態の場合、比較例に比べて、共振周波数の変化率が小さくなる。特に、本実施の形態の場合、厚さ寸法ａが７０μｍを超えたときには、比較例の半分程度まで共振周波数ω1の変化率を抑制できることが分かる。
【００７２】
また、図１０に示すように、本実施の形態の場合、比較例に比べて、厚さ寸法ａが増加するに従って共振周波数ω1の変化率が小さくなり、共振周波数ω1のばらつきを１／２程度まで改善できることが分かった。特に、接続梁１０の幅寸法δ1を小さくして、捩れ支持梁９の端部に作用する拘束力を低減すると、共振周波数ω1の変化率が小さくなることが分かった。
【００７３】
かくして、本実施の形態では、駆動梁６は撓み支持梁を用いて形成すると共に、検出梁８は捩れ支持梁９を用いて形成したから、例えばシリコン材料等を基板２の垂直方向に加工することによって駆動梁６および検出梁８を一緒に加工することができる。また、捩れ支持梁９の幅寸法ｂに加工ばらつきが生じても、駆動梁６および捩れ支持梁９の幅寸法ｂ0，ｂは一緒に増加または減少する。この結果、駆動梁６および検出梁８（捩れ支持梁９）のばね定数は一緒に変化するから、駆動モードの共振周波数ω0と検出モードの共振周波数ω1とは一緒に変動する。これにより、駆動振動と検出振動との間で共振周波数差Δωが拡大しないから、幅寸法ｂ0，ｂの加工ばらつきに基づく検出感度の低下を防止することができる。
【００７４】
また、捩れ支持梁９の両端側は接続梁１０を用いて検出質量部７と駆動質量部５とにそれぞれ接続したから、捩れ支持梁９が捩れ変形するときに捩れ支持梁９の両端側に作用する歪みや応力を低減することができる。これにより、捩れ支持梁９等の厚さ寸法ａに加工ばらつきが生じても、この加工ばらつきが駆動モードと検出モードの共振周波数差Δωに与える影響をさらに小さくすることができ、角速度センサ１の感度ばらつきを小さくすることができる。
【００７５】
さらに、捩れ支持梁９の端部には捩れ支持梁９から直交する方向に伸長した接続梁１０を設けたから、捩れ支持梁９が捩れ変形するときには、接続梁１０が撓み変形して捩れ支持梁９の端部側を長さ方向に変位させることができる。これにより、捩れ支持梁９の両端側に作用する歪みや応力を低減することができる。
【００７６】
また、駆動質量部５、検出質量部７、駆動梁６および検出梁８は同じ厚さ寸法ａを有する構成としたから、１回の研削工程を行うことによって駆動質量部５、検出質量部７、駆動梁６および検出梁８の厚さ寸法ａを一緒に設定することができる。これにより、駆動質量部５、検出質量部７、駆動梁６および検出梁８の厚さ寸法ａの加工ばらつきを抑制することができ、厚さ寸法ａの加工ばらつきに基づく駆動モードと検出モードの共振周波数差Δωを小さくすることができる。
【００７７】
さらに、捩れ支持梁９は幅寸法ｂに比べて厚さ寸法ａを６倍以上の値に設定したから、検出梁８の共振周波数ω1に対する厚さ寸法ａの影響を小さくすることができる。これにより、検出梁８の厚さ寸法ａに加工ばらつきが生じても、検出梁８の共振周波数ω1の変化を小さくすることができる。
【００７８】
なお、特許文献１には、検出質量部を捩れ支持梁を用いて基板の厚さ方向に変位可能に支持すると共に、捩れ支持梁の両端をＬ字状に屈曲させて駆動質量部と検出質量部に接続した構成が開示されている。しかし、特許文献１の検出質量部は、基板と平行な状態を保持するために、その外周側の４箇所に捩れ支持梁が設けられている。このため、特許文献１の検出質量部は、これらの捩れ支持梁によって両持ち状態で支持されており、本実施の形態による検出質量部７のように、片持ち状態で支持されたものではない。
【００７９】
また、特許文献１では、駆動モードと検出モードの共振周波数差に対する厚さ寸法の加工ばらつきの影響を全く考慮していないから、捩れ支持梁の両端に設けたＬ字状の接続部分の幅寸法や２つの捩れ支持梁を連結する連結梁の幅寸法も捩れ支持梁の幅寸法に比べて大きくなっている。このため、特許文献１の構成では、捩れ支持梁が捩れ変形するときに捩れ支持梁の両端側に歪みや応力が作用するから、本実施の形態にように、駆動モードと検出モードの共振周波数差に対して検出梁８等の厚さ寸法の加工ばらつきが与える影響を低減できるという効果は得られない。
【００８０】
次に、図１１は本発明による第２の実施の形態を示している。そして、本実施の形態の特徴は、駆動質量部を捩れ支持梁からなる駆動梁を用いて基板の厚さ方向に振動可能に支持し、検出質量部は撓み支持梁からなる検出梁を用いて基板と平行な水平方向に変位可能に支持する構成としたことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態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。
【００８１】
角速度センサ３１は、第１の実施の形態による角速度センサ１とほぼ同様に、基板２、駆動質量部５、駆動梁３２、検出質量部３５、検出梁３６、振動発生部３７、変位検出部３９等によって構成されている。
【００８２】
駆動梁３２は、駆動質量部５が基板２の厚さ方向に変位するときに捩れ変形する捩れ支持梁３３と、該捩れ支持梁３３と基板２に固定された支持部４との間に設けられると共に該捩れ支持梁３３と駆動質量部５との間に設けられた接続梁３４とによって構成されている。そして、駆動梁３２は、駆動質量部５と支持部４との間を接続し、駆動質量部５を基板２の厚さ方向となるＺ軸方向に振動可能に支持している。
【００８３】
このとき、駆動質量部５は、Ｙ軸方向の一端側部分が駆動梁３２によって支持されるのに対し、Ｙ軸方向の他端側部分が自由端となる。このため、駆動梁３２は、片持ち状態で駆動質量部５を支持している。
【００８４】
捩れ支持梁３３は、捩れ軸となるＸ軸方向に向けて延び、駆動質量部５がＺ軸方向に変位するときに捩れ変形する。また、捩れ支持梁３３は、直線状に延びる細長い板状の梁によって形成されている。
【００８５】
ここで、捩れ支持梁３３は、駆動質量部５に対してＸ軸方向の両側に分かれて２つ設けられ、これら２つの捩れ支持梁３３は、Ｘ軸方向に延びている。そして、捩れ支持梁３３は、駆動質量部５がＺ軸方向に変位するのを許容すると共に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に変位するのを規制している。
【００８６】
接続梁３４は、捩れ支持梁３３が捩れ変形するときに該捩れ支持梁３３の端部側に作用する応力を低減する応力低減接続部を構成している。そして、接続梁３４は、各捩れ支持梁３３の両端側にそれぞれ設けられている。ここで、一方の接続梁３４は、捩れ支持梁３３の一端部側に設けられ、駆動質量部５のうちＸ軸方向の中心部分に接続されている。また、他方の接続梁３４は、捩れ支持梁３３の他端部側に設けられ、支持部４に接続されている。
【００８７】
このとき、接続梁３４は、例えば捩れ支持梁３３の捩れ軸方向（Ｘ軸方向）に対して直交したＹ軸方向に延び、捩れ支持梁３３からＬ字形状に屈曲している。また、接続梁３４の幅寸法δ1は、例えば捩れ支持梁３３の幅寸法ｂ0よりも小さい値に設定されている。これにより、捩れ支持梁３３の両端側は、その長さ方向となるＸ軸方向に対して自由度をもった状態で支持されている。
【００８８】
検出質量部３５は、駆動質量部５の内部に位置して略四角形の枠状に形成されている。また、検出質量部３５は、後述の検出梁３６によって基板２と平行なＸ軸方向（水平方向）に変位可能に支持されている。
【００８９】
検出梁３６は、駆動質量部５と検出質量部３５との間を接続し、検出質量部３５をＸ軸方向に変位可能に支持している。ここで、検出梁３６は、検出質量部３５の四隅と駆動質量部５との間に位置して例えば４本設けられている。また、検出梁３６は、細長い板状の梁によって形成され、Ｙ軸方向に向けて延びている。そして、検出梁３６は、検出質量部３５がＸ軸方向に変位するときに、撓み変形する撓み支持梁を用いて形成されている。これにより、これらの検出梁３６は、検出質量部３５がＸ軸方向に変位するのを許容すると共に、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に変位するのを規制している。この結果、駆動質量部５がＺ軸方向に振動したときに検出質量部３５に遠心力が作用しても、検出質量部３５が検出方向となるＸ軸方向に変位することがなくなる。
【００９０】
振動発生部３７は、駆動質量部５の厚さ方向の両側（一方のみ図示）に設けられ、駆動質量部５をＺ軸方向に駆動振動させる振動発生手段を構成している。そして、振動発生部３７は、駆動質量部５と、該駆動質量部５と対向した位置で基板２と蓋体（図示せず）に設けられた駆動電極３７Ａとによって構成されている。ここで、基板２に設けられた駆動電極３７Ａは、駆動質量部５の外側に設けられた駆動用引出部３８に接続されている。また、駆動用引出部３８は、支持部４等と同様に低抵抗なシリコン材料等を用いて島状に形成されている。
【００９１】
そして、２つの振動発生部３７には例えば電圧信号等の駆動信号が交互に印加され、一方の駆動電極３７Ａおよび駆動質量部５の間と他方の駆動電極３７Ａおよび駆動質量部５の間とに交互に静電引力（駆動力）を発生させている。これにより、振動発生部３７は、駆動質量部５および検出質量部３５をＺ軸方向に振動させるものである。
【００９２】
変位検出部３９は、検出質量部３５が基板２と平行なＸ軸方向に変位するのを検出する変位検出手段を構成している。また、変位検出部３９は、基板２に設けられた固定側検出電極３９Ａと、検出質量部３５に設けられた可動側検出電極３９Ｂとによって構成されている。
【００９３】
ここで、固定側検出電極３９Ａは、検出質量部３５内に設けられた電極支持部４０に取付けられ、Ｘ軸方向に間隔をもってＹ軸方向に延びる複数の電極板を有している。一方、可動側検出電極３９Ｂは、固定側検出電極３９Ａに対応して検出質量部３５に設けられ、固定側検出電極３９Ａの各電極板とＸ軸方向の隙間をもって噛合する複数の電極板を有している。これにより、検出電極３９Ａ，３９Ｂの電極板は平行平板コンデンサを構成している。
【００９４】
そして、変位検出部３９は、検出質量部３５がＹ軸周りの角速度ΩによってＸ軸方向に変位するときに、その変位量を検出電極３９Ａ，３９Ｂ間の静電容量の変化により角速度Ωとして検出する。
【００９５】
本実施の形態による角速度センサ３１は、上述のような構成を有するもので、次に検知軸となるＹ軸周りに角速度Ωを加えた場合の基本的な検出動作について説明する。
【００９６】
まず、各振動発生部３７に駆動モードの共振周波数をもった駆動信号を印加すると、駆動質量部５と駆動電極３７Ａとの間に生じた静電引力により、質量部５，３５は基板２のＺ軸方向（厚さ方向）に振動する。
【００９７】
そして、質量部５，３５がＺ軸方向に振動している状態で、Ｙ軸周りに角速度Ωが加わると、図１１に示すように基板２のＸ軸方向に向けてコリオリ力Ｆが発生する。そして、このコリオリ力Ｆによって、検出質量部３５はＸ軸方向に振動する。
【００９８】
このとき、変位検出部３９は、検出質量部３５のＸ軸方向の変位を検出電極３９Ａ，３９Ｂとの間の静電容量を用いて検出する。このため、変位検出部３９から出力される検出信号を用いて、Ｙ軸周りの角速度Ωを検出することができる。
【００９９】
かくして、本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【０１００】
次に、図１２ないし図１６は本発明による第３の実施の形態を示している。そして、本実施の形態の特徴は、基板と平行なＹ軸周りの角速度に加えて、基板に垂直なＺ軸周りの角速度を検出可能な構成としたことにある。
【０１０１】
角速度センサ４１は、基板４２、支持部４３、質量部４４，４８，５２，５８、支持梁４７，５１，５５，６１、振動発生部６６，６９、変位検出部７２，７５，７８，８１、振動モニタ部８４，８７等によって構成されている。
【０１０２】
基板４２は、例えばシリコン材料、ガラス材料等により平板状に形成され、互いに直交するＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸のうち、例えばＸ軸とＹ軸とに沿って水平に延びると共に、Ｚ軸と垂直に配置されている。
【０１０３】
また、基板４２上には、例えば導電性を有する低抵抗なシリコン材料等にエッチング加工を施すことによって、支持部４３、質量部４４，４８，５２，５８、支持梁４７，５１，５５，６１、振動発生部６６，６９、変位検出部７２，７５，７８，８１、振動モニタ部８４，８７等が形成されている。
【０１０４】
支持部４３は、基板４２上に位置してＸ軸方向の両側に設けられている。ここで、各支持部４３は、基板４２上に固定されＹ軸方向に延びた台座部４３Ａと、該台座部４３Ａに設けられ基板４２から離れた位置で連結支持梁６４の節部６４Ａに連結された３個の腕部４３Ｂとによって構成されている。
【０１０５】
また、各腕部４３Ｂは、質量部４４，４８，５２，５８、支持梁４７，５１，５５，６１等を基板４２から離間した状態に保持している。さらに、腕部４３Ｂは、各質量部等を連結支持梁６４の節部６４Ａ（振動の節）の位置で支持する。このため、これらの振動が節部６４Ａの位置で打消されるようになり、基板４２に振動が伝わるのを抑制する。
【０１０６】
第１の中央質量部４４は、基板４２と隙間をもって対向して配置されている。また、第１の中央質量部４４は、Ｙ軸方向に並んで配置された４個の質量部４４，４８，５２，５８のうち、第２の中央質量部４８と共に中央寄りに配置されている。また、中央質量部４４は、四角形の枠状に形成された第１の駆動質量部としての外側枠体４５と、該外側枠体４５の内側に配置された四角形の枠状体からなる第１の検出質量部としての内側枠体４６と、該内側枠体４６の四隅と外側枠体４５との間に設けられた例えば４本のＹ軸方向支持梁４７とにより構成されている。
【０１０７】
ここで、外側枠体４５は、中央質量部４４がＸ軸方向（振動方向）に振動するときに、後述する連結支持梁６４の撓み変形がＹ軸方向（検出方向）の変位となって内側枠体４６に伝わるのを遮断している。また、Ｙ軸方向支持梁４７は、Ｘ軸方向に延びてＹ軸方向に撓み変形可能な撓み支持梁を用いて形成され、内側枠体４６をＹ軸方向に変位可能に支持すると共に、内側枠体４６がＸ軸方向に変位するのを規制している。
【０１０８】
第２の中央質量部４８は、中央質量部４４とほぼ同様に、外側枠体４９（第１の駆動質量部）、内側枠体５０（第１の検出質量部）およびＹ軸方向支持梁５１により構成されている。そして、内側枠体５０は、Ｙ軸方向支持梁５１が撓み変形することによりＹ軸方向に変位可能となっている。
【０１０９】
第１の外側質量部５２は、Ｙ軸方向に対して中央質量部４４，４８の外側に配置されている。ここで、外側質量部５２は、四角形の枠状に形成された第２の駆動質量部としての外側枠体５３と、該外側枠体５３の内側に設けられた第２の検出質量部としての垂直振動体５４と、該垂直振動体５４をＺ軸方向に変位（振動）可能に支持する後述のＺ軸方向支持梁５５とを含んで構成されている。また、垂直振動体５４は、例えば四角形の平板に形成され、その中央には、図１２に示す如く、電極取出孔５４Ａが形成されている。
【０１１０】
Ｚ軸方向支持梁５５は、第１の実施の形態による検出梁８とほぼ同様に、捩れ支持梁５６と接続梁５７とからなり、検出梁を構成している。このとき、Ｚ軸方向支持梁５５は、外側枠体５３と垂直振動体５４との間を接続し、垂直振動体５４をＺ軸方向に変位可能に支持している。また、Ｚ軸方向支持梁５５は、垂直振動体５４のうちＹ軸方向の一側端部と外側枠体５３との間に配置されている。そして、Ｚ軸方向支持梁５５は、片持ち状態で垂直振動体５４を支持している。
【０１１１】
捩れ支持梁５６は、捩れ軸となるＸ軸方向に向けて延び、垂直振動体５４がＺ軸方向に変位するときに捩れ変形する。また、捩れ支持梁５６は、垂直振動体５４に対してＸ軸方向の両側に分かれて２つ設けられ、これら２つの捩れ支持梁５６は、外側枠体５３内に位置してＸ軸方向に延びている。そして、捩れ支持梁５６は、垂直振動体５４がＺ軸方向に変位するのを許容すると共に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に変位するのを規制している。
【０１１２】
接続梁５７は、第１の実施の形態による接続梁１０とほぼ同様に応力低減接続部を構成し、各捩れ支持梁５６の両端側にそれぞれ設けられている。ここで、一方の接続梁５７は、捩れ支持梁５６の一端部側に設けられ、垂直振動体５４のうちＸ軸方向の中心部分に接続されている。また、他方の接続梁５７は、捩れ支持梁５６の他端部側に設けられ、外側枠体５３に接続されている。
【０１１３】
このとき、接続梁５７は、例えば捩れ支持梁５６の捩れ軸方向（Ｘ軸方向）に対して直交したＹ軸方向に延び、捩れ支持梁５６からＬ字形状に屈曲している。また、接続梁５７の幅寸法は、例えば捩れ支持梁５６の幅寸法よりも小さい値に設定されている。これにより、捩れ支持梁５６の両端側は、その長さ方向となるＸ軸方向に対して自由度をもった状態で支持されている。
【０１１４】
第２の外側質量部５８は、外側質量部５２とほぼ同様に、外側枠体５９（第２の駆動質量部）、垂直振動体６０（第２の検出質量部）、Ｚ軸方向支持梁６１（検出梁）により構成されている。このとき、垂直振動体６０の中央部分には電極取出孔６０Ａが形成されている。また、Ｚ軸方向支持梁６１は、Ｚ軸方向支持梁５５とほぼ同様に、捩れ支持梁６２と接続梁６３とによって構成されている。これにより、垂直振動体６０は、Ｚ軸方向支持梁６１によって片持ち状態で支持され、Ｚ軸方向に変位可能となっている。
【０１１５】
そして、４個の質量部４４，４８，５２，５８は、Ｙ軸方向に直線状に並んで配置され、全体の重心Ｇを中心としてＹ軸方向の前，後で対称形状に形成されると共に、質量部４４，５８と質量部４８，５２とが互いに逆位相でＸ軸方向に振動する構成となっている。
【０１１６】
連結支持梁６４は、質量部４４，４８，５２，５８を挟んでＸ軸方向の両側に配置され、駆動梁を構成している。各連結支持梁６４は、ばね性を有する細幅な撓み支持梁を用いて形成され、Ｙ軸方向に直線状に延びると共に、Ｘ軸方向に撓み変形可能となっている。また、各連結支持梁６４の長さ方向途中部位には、高い剛性を有する幅広な連結部６５を介して質量部４４，４８，５２，５８の外側枠体４５，４９，５３，５９が連結され、連結支持梁６４の長さ方向両端側には外側質量部５２，５８が連結されている。
【０１１７】
これにより、４個の質量部４４，４８，５２，５８は、互いに梯子状に連結された連結質量部を構成すると共に、Ｙ軸方向に直線状に並んだ状態で各連結支持梁６４によりＸ軸方向に振動可能に支持されている。また、これらの質量部４４，４８，５２，５８は、質量部全体の重心Ｇを挟んでほぼ対称に配置されている。
【０１１８】
そして、後述の振動発生部６６，６９に駆動信号をそれぞれ印加したときには、図１５および図１６に示すように、互い隣合う質量部４４，５８と質量部４８，５２とが、これら全体の重心Ｇをほぼ一定の位置に保持しつつ、逆位相（位相が１８０°ずれた状態）でＸ軸方向に振動する。即ち、例えば質量部４４，５８がＸ軸方向に沿って矢示ａ1方向に振動するときには、質量部４８，５２がこれと逆向きの矢示ａ2方向に振動する。
【０１１９】
このように、隣合う質量部同士が互いに逆位相で振動する振動モードは、角速度センサ４１が作動するときの正規の振動モードとして予め定められているものである。この振動モードにおいて、質量部４４，５８と質量部４８，５２とは、重心Ｇを中心として対称な位置で安定的に振動できると共に、重心Ｇの周囲でバランスよく振動することによって基板４２への振動伝達を抑えることができる。また、正規の振動モードでは、各連結支持梁６４がＸ軸方向に略Ｓ字状をなして撓み変形しつつ、くねるように振動し、その長さ方向途中部位には、振動の節となってほぼ一定の位置を保持する例えば３箇所の節部６４Ａがそれぞれ形成される。
【０１２０】
第１の振動発生部６６（振動発生手段）は、基板４２と第１の外側質量部５２との間に設けられ、静電力を用いて第１の外側質量部５２をＸ軸方向に振動させる。ここで、振動発生部６６は、Ｘ軸方向に離間して２箇所に配置されている。そして、各振動発生部６６は、基板４２に設けられた固定側駆動電極６７と、外側質量部５２に設けられた可動側駆動電極６８とによって構成されている。
【０１２１】
固定側駆動電極６７は、例えば複数の電極板６７Ａを有する櫛歯状電極によって構成されている。また、可動側駆動電極６８も、例えば複数の電極板６８Ａを有する櫛歯状電極からなり、各電極板６７Ａ，６８Ａは、Ｙ軸方向の隙間をもって互いに噛合している。
【０１２２】
第２の振動発生部６９（振動発生手段）は、基板４２と第２の外側質量部５８との間に設けられ、静電力を用いて第２の外側質量部５８をＸ軸方向に振動させる。ここで、振動発生部６９は、Ｘ軸方向に離間して２箇所に配置されている。そして、各振動発生部６９は、基板４２に設けられた固定側駆動電極７０と、外側質量部５８に設けられた可動側駆動電極７１とによって構成されている。
【０１２３】
固定側駆動電極７０は、例えば複数の電極板７０Ａを有する櫛歯状電極によって構成されている。また、可動側駆動電極７１も、例えば複数の電極板７１Ａを有する櫛歯状電極からなり、各電極板７０Ａ，７１Ａは、Ｙ軸方向の隙間をもって互いに噛合している。
【０１２４】
そして、振動発生部６６，６９は、駆動信号が印加されることにより静電力を発生し、これを駆動力として外側質量部５２，５８をＸ軸方向に振動させる。この場合、例えば振動発生部６６が矢示ａ2方向の駆動力Ｆ1を発生するときに、振動発生部６９は、これと逆方向（逆位相）となる矢示ａ1方向の駆動力Ｆ2を発生する。
【０１２５】
第１のＺ軸周り角速度検出用の変位検出部７２は、基板４２と中央質量部４４との間に設けられ、内側枠体４６がＹ軸方向に向けて変位するときの変位量を検出する。ここで、変位検出部７２は、基板４２に設けられた固定側検出電極７３と、内側枠体４６に設けられた可動側検出電極７４とによって構成されている。
【０１２６】
また、固定側検出電極７３は、Ｙ軸方向に間隔をもってＸ軸方向に延びる複数の電極板７３Ａを有し、第１の中央質量部４４の内側枠体４６内に配置されている。一方、可動側検出電極７４は、固定側検出電極７３に対応して中央質量部４４の内側枠体４６に設けられ、固定側検出電極７３の各電極板７３ＡとＹ軸方向の隙間をもって噛合する複数の電極板７４Ａを有している。これにより、電極板７３Ａ，７４Ａは平行平板コンデンサを構成している。
【０１２７】
そして、変位検出部７２は、内側枠体４６がＺ軸周りの角速度Ω1によってＹ軸方向に変位するときに、その変位量を検出電極７３，７４間の静電容量の変化により角速度Ω1として検出する。
【０１２８】
第２のＺ軸周り角速度検出用の変位検出部７５は、基板４２と中央質量部４８との間に設けられ、内側枠体５０がＹ軸方向に向けて変位するときの変位量を検出する。ここで、変位検出部７５は、変位検出部７２とほぼ同様に、基板４２に設けられた固定側検出電極７６と、内側枠体５０に設けられた可動側検出電極７７とによって構成されている。
【０１２９】
また、固定側検出電極７６は、Ｙ軸方向に間隔をもってＸ軸方向に延びる複数の電極板７６Ａを有し、第２の中央質量部４８の内側枠体５０内に配置されている。一方、可動側検出電極７７は、固定側検出電極７６に対応して中央質量部４８の内側枠体５０に設けられ、固定側検出電極７６の各電極板７６ＡとＹ軸方向の隙間をもって噛合する複数の電極板７７Ａを有している。これにより、電極板７６Ａ，７７Ａは平行平板コンデンサを構成している。
【０１３０】
そして、変位検出部７５は、内側枠体５０がＺ軸周りの角速度Ω1によってＹ軸方向に変位するときに、その変位量を検出電極７６，７７間の静電容量の変化により角速度Ω1として検出する。
【０１３１】
ここで、第１の変位検出部７２は、例えば中央質量部４４の内側枠体４６がＹ軸方向に沿って矢示ｂ1方向に変位するときに検出電極７３，７４間の静電容量が増大し、内側枠体４６が矢示ｂ2方向に変位するときに静電容量が減少する。これと逆に、第２の変位検出部７５は、例えば中央質量部４８の内側枠体５０が矢示ｂ1方向に変位するときに検出電極７６，７７間の静電容量が減少し、内側枠体５０が矢示ｂ2方向に変位するときに静電容量が増大する。
【０１３２】
第１のＹ軸周り角速度検出用の変位検出部７８は、垂直振動体５４が基板４２の厚さ方向に変位するのを検出する変位検出手段を構成している。また、変位検出部７８は、垂直振動体５４と、基板４２に設けられた検出電極７９とによって構成されている。ここで、検出電極７９は、垂直振動体５４と隙間をもって対向し、これらは平行平板コンデンサを構成している。また、検出電極７９は、垂直振動体５４の中央部分に設けられた検出用引出部８０に接続されている。
【０１３３】
そして、垂直振動体５４がＺ軸方向に振動したときには、垂直振動体５４と検出電極７９との間の距離が変化し、これらの間の静電容量も変化する。このため、変位検出部７８は、垂直振動体５４がＹ軸周りの角速度Ω2によってＺ軸方向に変位するときに、その変位量を垂直振動体５４と検出電極７９との間の静電容量の変化により角速度Ω2として検出する。
【０１３４】
そして、変位検出部７８は、垂直振動体５４がＹ軸周りの角速度Ω2よってＺ軸方向に変位するときに、その変位量を垂直振動体５４と検出電極７９との間の静電容量の変化により角速度Ω2として検出する。
【０１３５】
第２のＹ軸周り角速度検出用の変位検出部８１は、垂直振動体６０が基板４２の厚さ方向に変位するのを検出する変位検出手段を構成している。そして、変位検出部８１は、変位検出部７８とほぼ同様に、垂直振動体６０と、基板４２に設けられた検出電極８２によって構成されている。また、検出電極８２は、垂直振動体６０の中央部分に設けられた検出用引出部８３に接続されている。
【０１３６】
そして、変位検出部８１は、垂直振動体６０がＹ軸周りの角速度Ω2よってＺ軸方向に変位するときに、その変位量を垂直振動体６０と検出電極８２との間の静電容量の変化により角速度Ω2として検出する。
【０１３７】
第１の振動モニタ部８４（振動モニタ手段）は、基板４２と第１の外側質量部５２との間に設けられ、外側質量部５２がＸ軸方向に向けて変位するときの変位量を検出する。ここで、振動モニタ部８４は、基板４２に設けられた固定側モニタ電極８５と、外側質量部５２に設けられた可動側モニタ電極８６とによって構成されている。また、モニタ電極８５，８６は、例えば櫛歯状電極によって構成され、隙間をもって互いに噛合している。
【０１３８】
第２の振動モニタ部８７（振動モニタ手段）は、基板４２と第２の外側質量部５８との間に設けられ、外側質量部５８がＸ軸方向に向けて変位するときの変位量を検出する。ここで、振動モニタ部８７は、基板４２に設けられた固定側モニタ電極８８と、外側質量部５８に設けられた可動側モニタ電極８９とによって構成されている。また、モニタ電極８８，８９は、例えば櫛歯状電極によって構成され、隙間をもって互いに噛合している。
【０１３９】
そして、第１の振動モニタ部８４は、例えば外側質量部５２がＸ軸方向に沿って矢示ａ1方向に変位するときにモニタ電極８５，８６間の静電容量が減少し、外側質量部５２が矢示ａ2方向に変位するときに静電容量が増大する。これと逆に、第２の振動モニタ部８７は、例えば外側質量部５８が矢示ａ1方向に変位するときにモニタ電極８８，８９間の静電容量が増大し、外側質量部５８が矢示ａ2方向に変位するときに静電容量が減少する。
【０１４０】
そして、振動モニタ部８４，８７から出力されるモニタ信号は、例えば質量部４４，４８，５２，５８の振動状態をモニタしたり、角速度Ω1，Ω2の検出信号に対して同期検波等の信号処理を行うときの基準として用いられるものである。
【０１４１】
蓋板９０は、例えばガラス材料等によって四角形の板状に形成され、陽極接合等の手段を用いて支持部４３、検出用引出部８０，８３等に接合されている。そして、蓋板９０には、複数のビアホール９１が厚さ方向に貫通して形成されている。このとき、ビアホール９１は、支持部４３等と対応した位置にそれぞれ形成されている。これにより、支持部４３等は、ビアホール９１を通じて蓋板９０上に設けられた外部電極（図示せず）に接続される。
【０１４２】
本実施の形態による角速度センサ４１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。
【０１４３】
まず、Ｚ軸周りの角速度の検出動作について述べると、質量部４４，４８，５２，５８が振動した状態で基板４２にＺ軸周りの角速度Ω1が加わると、中央質量部４４，４８のうち一方の質量部４４は、Ｙ軸方向のコリオリ力Ｆ1が作用する。このため、中央質量部４４の内側枠体４６は、例えば図１５に示すように、Ｙ軸方向支持梁４７が撓み変形することにより、コリオリ力Ｆ1に応じて矢示ｂ1方向に変位する。
【０１４４】
一方、他方の中央質量部４８は、中央質量部４４と逆位相（逆方向の速度）で振動しているため、中央質量部４４と逆向きのコリオリ力Ｆ2が作用する。このため、中央質量部４８の内側枠体５０は、Ｙ軸方向支持梁５１が撓み変形することにより、例えばコリオリ力Ｆ2に応じて内側枠体４６とは逆向きで矢示ｂ2方向に変位する。
【０１４５】
これにより、例えば変位検出部７２，７５からの検出信号を差動増幅した後、同期検波等の信号処理を行うことにより、加速度成分を除去した状態で角速度Ω1を検出することができる。
【０１４６】
次に、Ｙ軸周りの角速度の検出動作について述べると、質量部４４，４８，５２，５８が振動した状態で基板４２にＹ軸周りの角速度Ω2が加わると、外側質量部５２，５８のうち一方の質量部５２は、Ｚ軸方向のコリオリ力Ｆ3が作用する。このため、外側質量部５２の垂直振動体５４は、例えば図１６に示すように、Ｚ軸方向支持梁５５が撓み変形することにより、コリオリ力Ｆ3に応じてＺ軸方向に変位する。
【０１４７】
一方、他方の外側質量部５８は、外側質量部５２と逆位相（逆方向の速度）で振動しているため、外側質量部５２と逆向きのコリオリ力Ｆ4が作用する。このため、外側質量部５８の垂直振動体６０は、Ｚ軸方向支持梁６１が撓み変形することにより、例えばコリオリ力Ｆ4に応じて垂直振動体５４とは逆向きでＺ軸方向に変位する。
【０１４８】
これにより、例えば変位検出部７８，８１からの検出信号を差動増幅した後、同期検波等の信号処理を行うことにより、加速度成分を除去した状態で角速度Ω2を検出することができる。
【０１４９】
かくして、本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。特に、本実施の形態では、４個の質量部４４，４８，５２，５８を隣合うもの同士が互いに逆位相で振動する構成としたから、加速度成分を除去しつつ２軸周りの角速度を高精度に検出することができる。
【０１５０】
なお、前記各実施の形態では、捩れ支持梁９，３３，５６，６２の端部側がＬ字形状となった接続梁１０，３４，５７，６３を用いて応力低減接続部を構成した。しかし、本発明はこれに限らず、応力低減接続部は、捩れ支持梁の長さ方向に対して自由度を与える構成であればよい。このため、例えば図１７に示す第１の変形例による検出梁９１のように、捩れ支持梁９の端部側がＴ字形状となった接続梁９２を用いて応力低減接続部を構成してもよい。
【０１５１】
また、前記各実施の形態では、接続梁１０，３４，５７，６３は捩れ支持梁９，３３，５６，６２の端部から直交する方向に伸長する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、接続梁は捩れ支持梁の端部から斜めに傾斜した方向に伸長する構成としてもよい。
【０１５２】
また、前記各実施の形態では、検出梁８やＺ軸方向支持梁５５，６１は、直線状に延びる捩れ支持梁９，５６，６２を用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば図１８に示す第２の変形例による検出梁９３のように、１回または複数回折り返した形状の捩れ支持梁９４を用いる構成としてもよい。この構成は、駆動梁を捩れ支持梁を用いて形成した場合も同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態による角速度センサを蓋板を除いた状態で示す平面図である。
【図２】図１中の検出梁等を拡大して示す平面図である。
【図３】角速度センサを図１中の矢示III−III方向からみた断面図である。
【図４】基板接合工程を示す図３と同様な位置の断面図である。
【図５】研削工程を示す図３と同様な位置の断面図である。
【図６】機能部形成工程を示す図３と同様な位置の断面図である。
【図７】蓋板接合工程を示す図３と同様な位置の断面図である。
【図８】比較例による駆動質量部、検出質量部および検出梁を拡大して示す斜視図である。
【図９】比較例および第１の実施の形態について、検出梁の厚さ寸法と共振周波数の変化率との関係を示す特性線図である。
【図１０】比較例および第１の実施の形態について、検出梁の厚さ寸法と厚さ１μｍ当りの共振周波数の変化率との関係を示す特性線図である。
【図１１】第２の実施の形態による角速度センサを蓋板を除いた状態で示す平面図である。
【図１２】第３の実施の形態による角速度センサを蓋板を除いた状態で示す平面図である。
【図１３】角速度センサを図１２中の矢示XIII−XIII方向からみた断面図である。
【図１４】角速度センサにＹ軸周りの角速度が作用した状態を示す図１３と同様な位置の断面図である。
【図１５】角速度センサにＺ軸周りの角速度が作用した状態を示す模式的な説明図である。
【図１６】角速度センサにＹ軸周りの角速度が作用した状態を示す模式的な説明図である。
【図１７】第１の変形例による検出梁等を示す図２と同様位置の平面図である。
【図１８】第２の変形例による検出梁等を示す図２と同様位置の平面図である。
【符号の説明】
【０１５４】
１，３１，４１  角速度センサ
２，４２  基板
５  駆動質量部
６，３２  駆動梁
７，３５  検出質量部
８，３６，９１，９３  検出梁
９，３３，５６，６２，９４  捩れ支持梁
１０，３４，５７，６３，９２  接続梁（応力低減接続部）
１１，３７，６６，６９  振動発生部（振動発生手段）
１３，３９，７２，７５，７８，８１  変位検出部（変位検出手段）
５３，５９  外側枠体（駆動質量部）
５４，６０  垂直振動体（検出質量部）
５５，６１  Ｚ軸方向支持梁（検出梁）
６４  連結支持梁（駆動梁）
【図１】
2010096538.tif 000005
【図２】
2010096538.tif 000006
【図３】
2010096538.tif 000007
【図４】
2010096538.tif 000008
【図５】
2010096538.tif 000009
【図６】
2010096538.tif 000010
【図７】
2010096538.tif 000011
【図８】
2010096538.tif 000012
【図９】
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【図１０】
2010096538.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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