(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に設けられ該基板に加わる衝撃を減衰する衝撃減衰機構と、該衝撃減衰機構の内側に振動体支持梁を用いて互いに直交する２方向に変位可能に支持された振動体と、該振動体を前記２方向のうち基板と平行な振動方向に振動させる振動発生手段と、前記振動体が前記振動方向と直交する検出方向に変位するときに前記振動体の変位量を角速度として検出する角速度検出手段とを備え、
前記衝撃減衰機構は、前記基板に設けられた枠体支持梁と、該枠体支持梁によって前記基板に支持され前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に変位可能となった枠体とからなり、前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に沿った衝撃が前記基板から振動体に伝わるのを減衰する構成とし、
前記振動体は、前記枠体の内側に前記振動体支持梁を介して前記振動方向と検出方向の両方向に変位可能に支持する構成とし、
前記振動体、振動体支持梁および枠体が前記枠体支持梁を介して前記基板上で振動するときの全体共振周波数は、前記振動体が振動体支持梁を介して前記枠体内で振動するときの振動体共振周波数に対して１／√２倍以下の値に設定する構成としてなる角速度センサ。
【請求項２】
前記基板には前記枠体の外側を取囲んで配置され前記枠体支持梁を介して枠体を支持する支持部を設け、該支持部と前記枠体との間には、前記枠体が変位するときに気体を圧縮する緩衝用隙間部を設けてなる請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記振動体は前記基板に平行な振動方向と前記基板に垂直な検出方向とに変位可能に構成し、前記衝撃減衰機構は前記振動方向に対して前記基板から振動体に衝撃が伝わるのを減衰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】
前記振動体は前記基板と平行で互いに直交する振動方向と検出方向とに変位可能に構成し、前記衝撃減衰機構は前記振動方向と検出方向のうち少なくとも一方向に対して前記基板から振動体に衝撃が伝わるのを減衰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５】
基板と、該基板上に設けられ該基板に加わる衝撃を減衰する衝撃減衰機構と、該衝撃減衰機構の内側に振動体支持梁を用いて互いに直交する２方向に変位可能に支持された振動体と、該振動体を前記２方向のうち基板と平行な振動方向に振動させる振動発生手段と、前記振動体が前記振動方向と直交する検出方向に変位するときに前記振動体の変位量を角速度として検出する角速度検出手段とを備え、
前記衝撃減衰機構は、前記基板に設けられた枠体支持梁と、該枠体支持梁によって前記基板に支持され前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に変位可能となった枠体とからなり、前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に沿った衝撃が前記基板から振動体に伝わるのを減衰する構成とし、
前記振動体は、前記枠体の内側に前記振動体支持梁を介して前記振動方向と検出方向の両方向に変位可能に支持する構成とし、
前記基板には前記枠体の外側を取囲んで配置され前記枠体支持梁を介して枠体を支持する支持部を設け、
該支持部と前記枠体との間には、前記枠体が変位するときに気体を圧縮する緩衝用隙間部を設ける構成としてなる角速度センサ。
【請求項６】
前記振動体は前記基板と平行で互いに直交する振動方向と検出方向とに変位可能に構成し、前記衝撃減衰機構は前記振動方向と検出方向のうち少なくとも一方向に対して前記基板から振動体に衝撃が伝わるのを減衰する構成としてなる請求項５に記載の角速度センサ。
【請求項７】
基板と、該基板上に設けられ該基板に加わる衝撃を減衰する衝撃減衰機構と、該衝撃減衰機構の内側に振動体支持梁を用いて互いに直交する２方向に変位可能に支持された振動体と、該振動体を前記２方向のうち基板と平行な振動方向に振動させる振動発生手段と、前記振動体が前記振動方向と直交する検出方向に変位するときに前記振動体の変位量を角速度として検出する角速度検出手段とを備え、
前記衝撃減衰機構は、前記基板に設けられた枠体支持梁と、該枠体支持梁によって前記基板に支持され前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に変位可能となった枠体とからなり、前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に沿った衝撃が前記基板から振動体に伝わるのを減衰する構成とし、
前記振動体は、前記枠体の内側に前記振動体支持梁を介して支持され、前記基板と平行で互いに直交する前記振動方向と検出方向との両方向に変位可能な構成としてなる角速度センサ。
【請求項８】
前記振動体、振動体支持梁および衝撃減衰機構は単結晶または多結晶のシリコン材料によって一体に形成してなる請求項１，２，３，４，５，６または７に記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば回転体の角速度を検出するのに用いて好適な角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、角速度センサとしては、基板と、該基板に振動体支持梁を介して設けられ、互いに直交する２方向に変位可能となった振動体と、該振動体を前記２方向のうち基板と平行な一の方向に振動させる振動発生手段と、前記振動体が前記２方向のうち他の方向に変位するときに前記振動体の変位量を角速度として検出する角速度検出手段とから構成されたものが知られている（例えば、特開平１１−３２５９１５号公報等）。
【０００３】
この種の従来技術による角速度センサは、基板に対して平行なＸ軸、Ｙ軸と垂直なＺ軸のうち、例えば振動体をＸ軸方向に振動させた状態で、外部からＺ軸周りの角速度が加わると、振動体にコリオリ力（慣性力）が作用することにより、振動体はＹ軸方向に変位する。そして、角速度検出手段は、このコリオリ力による振動体のＹ軸方向への変位量を圧電体の出力値、静電容量等の変化として検出することにより、Ｚ軸周りに加わる角速度を検出するものである。
【０００４】
また、従来技術では、基板上に振動体を取囲む枠状部材を設け、この枠状部材が振動体支持梁を介して振動体を支持することにより、温度変化による振動体支持梁等の特性変化が振動体に与える影響を低減し、その振動状態を安定化して検出精度を向上させる構成としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、振動体をＸ軸方向に対して一定の振動状態に保持することにより、この振動体がコリオリ力によってＹ軸方向へと変位するときの変位量を角速度として検出する構成としている。
【０００６】
しかし、角速度センサには、その取付け対象となる回転体等から角速度が加わるだけでなく、回転体に加わる外力やその運動変化による慣性力等が衝撃となって加わることがあり、この衝撃は振動体支持梁等を介して振動体に作用する。
【０００７】
この場合、例えば衝撃の波形が振動体の共振周波数に近い振動を含んでいると、この衝撃により振動体が大きく共振して振動状態が不安定となったり、コリオリ力と無関係に検出方向へと変位することがある。
【０００８】
このため、従来技術では、外部からの衝撃が加わったときに、角速度に対する検出感度の変動、検出値の誤差等が生じ易くなり、センサとしての信頼性が低下するという問題がある。
【０００９】
また、従来技術では、基板上に振動体を支持する枠状部材を設ける構成としている。しかし、この枠状部材は、単に温度変化による影響を低減するための構造に過ぎず、基板から振動体に伝わる衝撃を減衰するものではない。
【００１０】
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、基板から振動体に加わる衝撃を減衰でき、この衝撃が振動体に伝わるのを抑えて検出感度、検出精度等を安定化できると共に、信頼性を向上できるようにした角速度センサを提供することにある。
【００１１】
【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の発明は、基板と、該基板上に設けられ該基板に加わる衝撃を減衰する衝撃減衰機構と、該衝撃減衰機構の内側に振動体支持梁を用いて互いに直交する２方向に変位可能に支持された振動体と、該振動体を前記２方向のうち基板と平行な振動方向に振動させる振動発生手段と、前記振動体が前記振動方向と直交する検出方向に変位するときに前記振動体の変位量を角速度として検出する角速度検出手段とを備え、前記衝撃減衰機構は、前記基板に設けられた枠体支持梁と、該枠体支持梁によって前記基板に支持され前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に変位可能となった枠体とからなり、前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に沿った衝撃が前記基板から振動体に伝わるのを減衰する構成とし、前記振動体は、前記枠体の内側に前記振動体支持梁を介して前記振動方向と検出方向の両方向に変位可能に支持する構成とし、前記振動体、振動体支持梁および枠体が前記枠体支持梁を介して前記基板上で振動するときの全体共振周波数は、前記振動体が振動体支持梁を介して前記枠体内で振動するときの振動体共振周波数に対して１／√２倍以下の値に設定する構成としている。
【００１２】
このように構成することにより、振動体は、振動発生手段によって一定の振動方向へと振動した状態で基板に加わる角速度に応じて検出方向へと変位でき、角速度検出手段は、振動体の変位量を角速度として検出することができる。また、外部からの衝撃が基板に対し振動方向または検出方向に沿って加わるときには、この衝撃が衝撃減衰機構によって減衰される。この結果、振動体を衝撃に対してほぼ一定の振動状態に保持したり、振動体が衝撃によって検出方向に変位するのを防止することができる。
【００１３】
また、衝撃減衰機構を枠体支持梁と枠体とによって構成し、振動体を枠体の内側で振動体支持梁を介して振動方向と検出方向の両方向に変位可能に支持する構成としたから、外部からの衝撃が基板に加わるときには、この衝撃を枠体支持梁と枠体とによって振動体の外側で減衰でき、この衝撃が振動体に伝わるのを抑制することができる。また、振動体は、振動体支持梁によって枠体内に支持された状態となるから、この状態で振動しつつ角速度に応じて変位することができる。
さらに、振動体、振動体支持梁および枠体が枠体支持梁を介して基板上で振動するときの全体共振周波数は、振動体共振周波数に対して１／√２倍以下の値に設定する構成としたから、振動体の共振周波数に近い振動波形をもつ衝撃が基板に加わるときには、振動体と振動体支持梁とを含めた枠体の全体部位が衝撃によって振動するのを小さく抑制でき、振動体に大きな影響を与える衝撃波形を特に減衰させることができる。
【００１７】
さらに、請求項２の発明によると、基板には前記枠体の外側を取囲んで配置され前記枠体支持梁を介して枠体を支持する支持部を設け、該支持部と前記枠体との間には、前記枠体が変位するときに気体を圧縮する緩衝用隙間部を設ける構成としている。
【００１８】
これにより、例えば角速度センサのパッケージ内に封入した空気等の気体を緩衝用隙間部内に存在させ、この気体にダンパ機能をもたせることができる。そして、外部から基板に衝撃が加わるときには、振動体と振動体支持梁とを含めた枠体の全体部位が衝撃によって振動すると、この枠体または枠体支持梁によって緩衝用隙間部内の気体が基板との間で圧縮されることにより、この気体がダンパとなって枠体の振動を減衰させることができる。
【００１９】
また、請求項３の発明によると、振動体は前記基板に平行な振動方向と前記基板に垂直な検出方向とに変位可能に構成し、前記衝撃減衰機構は前記振動方向に対して前記基板から振動体に衝撃が伝わるのを減衰する構成としている。
【００２０】
これにより、振動体を基板と平行な平面上で振動させつつ、この平面に垂直な検出方向へと角速度に応じて変位させることができ、衝撃減衰機構は、振動方向に対して基板に加わる衝撃を減衰することができる。
【００２１】
また、請求項４の発明によると、振動体は前記基板と平行で互いに直交する振動方向と検出方向とに変位可能に構成し、前記衝撃減衰機構は前記振動方向と検出方向のうち少なくとも一方向に対して前記基板から振動体に衝撃が伝わるのを減衰する構成としている。
【００２２】
これにより、振動体を基板と平行な平面上で振動させつつ、この平面上で角速度に応じて検出方向に変位させることができ、衝撃減衰機構は、振動方向と検出方向のうち少なくとも一方向に対して基板に加わる衝撃を減衰することができる。
一方、請求項５の発明による角速度センサは、基板と、該基板上に設けられ該基板に加わる衝撃を減衰する衝撃減衰機構と、該衝撃減衰機構の内側に振動体支持梁を用いて互いに直交する２方向に変位可能に支持された振動体と、該振動体を前記２方向のうち基板と平行な振動方向に振動させる振動発生手段と、前記振動体が前記振動方向と直交する検出方向に変位するときに前記振動体の変位量を角速度として検出する角速度検出手段とを備え、前記衝撃減衰機構は、前記基板に設けられた枠体支持梁と、該枠体支持梁によって前記基板に支持され前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に変位可能となった枠体とからなり、前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に沿った衝撃が前記基板から振動体に伝わるのを減衰する構成とし、前記振動体は、前記枠体の内側に前記振動体支持梁を介して前記振動方向と検出方向の両方向に変位可能に支持する構成とし、前記基板には前記枠体の外側を取囲んで配置され前記枠体支持梁を介して枠体を支持する支持部を設け、該支持部と前記枠体との間には、前記枠体が変位するときに気体を圧縮する緩衝用隙間部を設ける構成としている。
請求項６の発明では、前記振動体は前記基板と平行で互いに直交する振動方向と検出方向とに変位可能に構成し、前記衝撃減衰機構は前記振動方向と検出方向のうち少なくとも一方向に対して前記基板から振動体に衝撃が伝わるのを減衰する構成としている。
請求項７の発明による角速度センサは、基板と、該基板上に設けられ該基板に加わる衝撃を減衰する衝撃減衰機構と、該衝撃減衰機構の内側に振動体支持梁を用いて互いに直交する２方向に変位可能に支持された振動体と、該振動体を前記２方向のうち基板と平行な振動方向に振動させる振動発生手段と、前記振動体が前記振動方向と直交する検出方向に変位するときに前記振動体の変位量を角速度として検出する角速度検出手段とを備え、前記衝撃減衰機構は、前記基板に設けられた枠体支持梁と、該枠体支持梁によって前記基板に支持され前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に変位可能となった枠体とからなり、前記振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に沿った衝撃が前記基板から振動体に伝わるのを減衰する構成とし、前記振動体は、前記枠体の内側に前記振動体支持梁を介して支持され、前記基板と平行で互いに直交する前記振動方向と検出方向との両方向に変位可能な構成としている。
【００２３】
さらに、請求項８の発明によると、振動体、振動体支持梁および衝撃減衰機構は単結晶または多結晶のシリコン材料によって一体に形成している。
【００２４】
これにより、例えば単結晶または多結晶のシリコン材料にエッチング処理等の微細加工を施すことによって、振動体、振動体支持梁および衝撃減衰機構を同時に効率よく形成することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による角速度センサを、図１ないし図６を参照して詳細に説明する。
【００２６】
ここで、図１ないし図４は本発明による第１の実施の形態を示し、図中、１は角速度センサの本体をなす矩形状の基板で、該基板１は例えば高抵抗なシリコン材料、ガラス材料等によって形成されている。
【００２７】
２は基板１上に固定的に設けられた支持部で、該支持部２は、図１、図２に示す如く、後述の枠体６、振動体９等を取囲んで延びた四角形の枠状に形成され、その内側部位と後述の振動体９との間には衝撃減衰機構３が設けられている。
【００２８】
３は支持部２と振動体９との間に設けられた衝撃減衰機構で、該衝撃減衰機構３は、後述の枠体支持梁４，４，…と、枠体６とによって構成されている。
【００２９】
４，４，…は支持部２と枠体６との間に設けられた枠体支持梁で、該各枠体支持梁４はクランク状に屈曲した長尺な板状体として形成され、図１中のＸ軸方向に対し枠体６を挟んで左，右両側に２個ずつ合計４個配置されている。そして、枠体支持梁４は、Ｙ軸方向に延設された例えば２個の延設部４Ａ，４Ａと、該各延設部４Ａを折返した状態で接続する接続部４Ｂとを含んで略コ字状に構成され、各延設部４Ａは、支持部２と枠体６との間に位置してＸ軸方向の微小な緩衝用隙間部５，５，…を形成している。そして、これらの緩衝用隙間部５には、角速度センサのパッケージ（図示せず）内に封入された空気等の気体が存在し、各緩衝用隙間部５は、枠体６がＸ軸方向へと変位するときに気体を圧縮する。
【００３０】
６は基板１と振動体９との間に設けられた枠体で、該枠体６は、図１、図２に示す如く、後述の振動体支持梁８，８，…と振動体９とを取囲んで四角形状に延設され、各枠体支持梁４によって基板１の表面から離間した状態でＸ軸方向に変位可能に支持されている。
【００３１】
ここで、枠体６、各振動体支持梁８および振動体９は、各枠体支持梁４によってＸ軸方向に振動可能に支持された全体質量部７を構成し、該全体質量部７は、振動時の共振周波数として予め定められた全体共振周波数ω0 を有している。そして、この全体共振周波数ω0 は、例えば枠体６の質量や各枠体支持梁４のばね定数等を調整することによって設定され、後述の理由により振動体９の共振周波数ω1 に対して下記数１の式に示す関係となっている。
【００３２】
【数１】
0003666335.tif 000002
【００３３】
これにより、枠体６は、基板１に対して外部からＸ軸方向に衝撃が加わったときに、この衝撃が基板１から振動体９に伝わるのを各枠体支持梁４と協働して効率よく減衰させるものである。
【００３４】
８，８，…は枠体６と振動体９との間に設けられた振動体支持梁で、該各振動体支持梁８は、図１中のＹ軸方向に延びて形成され、Ｙ軸方向に対して振動体９を挟んで前，後両側に２個ずつ合計４個配置されている。
【００３５】
９は基板１上に設けられた略四角形状の振動体で、該振動体９は、例えば単結晶または多結晶をなす低抵抗なシリコン材料等にエッチング加工等の微細加工を施すことにより、支持部２、支持梁４，８、枠体６および後述の振動用固定部１０、電極１１，１２と同時に形成されるものである。
【００３６】
また、振動体９は、各振動体支持梁８によって基板１から離間した状態でＸ軸方向およびＺ軸方向に変位可能に支持され、振動時の共振周波数として予め定められた振動体共振周波数ω1 を有している。そして、振動体９は、後述の振動発生部１３によって駆動されることにより、枠体６内で図１中の矢示ａ方向に振動し、Ｘ軸方向を振動方向として共振周波数ω1 を保持した共振状態となる。
【００３７】
１０，１０は基板１上に固定的に設けられた２個の振動用固定部で、該各振動用固定部１０は、Ｘ軸方向に離間して振動体９の左，右両側に配置されている。
【００３８】
１１，１１は各振動用固定部１０に設けられた固定側振動電極で、該各固定側振動電極１１は、後述の可動側振動電極１２に向けて突出した複数の電極板１１Ａ，１１Ａ，…を含んで構成されている。
【００３９】
１２，１２は振動体９の左，右両側に設けられた可動側振動電極で、該各可動側振動電極１２は、固定側振動電極１１の各電極板１１Ａと噛合するように交互に配置された複数の電極板１２Ａ，１２Ａ，…を有し、これらの電極板１１Ａ，１２Ａ間にはＹ軸方向の微小隙間が形成されている。また、各可動側振動電極１２は振動体９の質量の一部を構成している。
【００４０】
１３，１３は振動発生手段としての左，右の振動発生部で、該各振動発生部１３は、固定側振動電極１１と可動側振動電極１２とによって構成されている。そして、左，右の振動発生部１３は、振動体９の共振周波数ω1 に対応した周波数をもって互いに逆位相となるパルス波、正弦波等の駆動信号が電極１１，１２間に印加されることにより、振動体９に対して左方向または右方向への静電引力を交互に加え、振動体９を共振周波数ω1 でＸ軸方向に振動させる。
【００４１】
１４は角速度検出手段としての角速度検出部で、該角速度検出部１４は、基板１上に設けられた固定側検出電極１５と、該固定側検出電極１５とＺ軸方向の隙間を挟んで対向する振動体９とからなり、これらを一対の電極板とした平行平板コンデンサを構成している。
【００４２】
そして、角速度検出部１４は、Ｚ軸方向を検出方向として、振動体９がＺ軸方向に変位するときの変位量を振動体９と固定側検出電極１５との間で静電容量の変化として検出し、Ｙ軸周りに加わる角速度に応じた検出信号を出力する。
【００４３】
本実施の形態による角速度センサ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。
【００４４】
まず、左，右の振動発生部１３にバイアス電圧と逆位相となる駆動信号が印加されると、振動体９は、各振動発生部１３からＸ軸方向に沿って左側または右側への静電引力を交互に受けるようになり、枠体６内で図１中の矢示ａ方向に共振周波数ω1 をもって振動する共振状態となる。
【００４５】
そして、この共振状態で角速度センサにＹ軸周りの角速度Ωが加わると、振動体９には、Ｚ軸方向に沿って下記数２の式に示すコリオリ力（慣性力）Ｆが作用するため、振動体９はコリオリ力ＦによってＺ軸方向に変位する。
【００４６】
【数２】
Ｆ＝２ｍΩｖ
ただし、ｍ：振動体９の質量
Ω：Ｙ軸周りの角速度
ｖ：振動体９のＸ軸方向の速度
【００４７】
そして、振動体９がＺ軸方向に変位すると、その変位量に応じて振動体９と固定側検出電極１５との間の隙間寸法が変化するので、角速度検出部１４は、振動体９と固定側検出電極１５との間の隙間寸法に応じた静電容量の変化を角速度として検出し、角速度Ωに応じた検出信号を出力する。
【００４８】
また、角速度センサにＸ軸方向の衝撃が加わった場合には、基板１と振動体９との間に衝撃減衰機構３が介在しているので、その各枠体支持梁４と枠体６とによって衝撃が減衰され、後述のように振動体９への影響は抑制される。
【００４９】
そこで、この衝撃の減衰動作について、図３に示す角速度センサの力学的モデルを用いて説明する。
【００５０】
まず、基板１に加わる衝撃の波形は、振幅Ａ、周波数ω、変位ｚ、時間ｔを用いて下記数３の式のように表されるものとする。
【００５１】
【数３】
ｚ＝ＡＳｉｎ（ωｔ）
【００５２】
また、基板１に前記数３の式による衝撃が加わるときには、この基板１と全体質量部７の運動方程式を下記数４の式のように表すことができる。
【００５３】
【数４】
0003666335.tif 000003
ただし、Ｍ：全体質量部７の質量
Ｃ：各枠体支持梁４等による枠体６の振動への減衰係数
ｋ：各枠体支持梁４全体のばね定数
Ａ：基板１に加わる衝撃波形の振幅
ｘ：全体質量部７の変位
【００５４】
次に、この数４の式に示す運動方程式を解くことにより、基板１側の振幅Ａに対する全体質量部７の最大変位（振幅）ｘmax の振幅比率（ｘmax ／Ａ）を求めると、図４に示すようになる。この場合、図４において、横軸は、全体質量部７の共振周波数ω0 に対する衝撃波形の周波数ωの周波数比率（ω／ω0 ）を示し、また特性線（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、後述の如く減衰係数Ｃがそれぞれ異なる場合の振幅比率（ｘmax ／Ａ）を示している。
【００５５】
そして、図４から判るように、基板１に加わる衝撃波形の周波数ωが全体質量部７の共振周波数ω0 よりも増大し、周波数比率（ω／ω0 ）が１よりも大きくなると、振幅比率（ｘmax ／Ａ）は全ての特性線（ａ）〜（ｅ）において減少傾向となる。特に、周波数比率（ω／ω0 ）が√２以上の値となった場合には、全体質量部７の振幅ｘmax が大幅に減少し、振動体９に伝わる衝撃が効率よく減衰されるようになる。
【００５６】
この結果、基板１に対して振動体９の共振周波数ω1 に近い振動波形をもった衝撃が加わる場合でも、下記数５の式に示すように、この共振周波数ω1 と全体質量部７の共振周波数ω0 との周波数比率（ω1 ／ω0 ）が√２以上の値となるように予め設定しておくことによって、全体質量部７の振動（振幅ｘmax ）を小さく抑制することができる。
【００５７】
【数５】
0003666335.tif 000004
【００５８】
従って、本実施の形態では、この数５の式を変形した前記数１の式に示すように、例えば枠体６の質量や各枠体支持梁４のばね定数等を調整することによって、周波数比率（ω1 ／ω0 ）を√２以上の値となるように予め設定しているので、共振周波数ω1 に近い周波数をもっているために振動体９に大きな影響を与える衝撃が基板１に加わる場合でも、この衝撃が振動体９に伝わるのを効率よく減衰できることが確認できた。
【００５９】
一方、図４中の特性線（ａ）〜（ｅ）は、各枠体支持梁４等による減衰係数Ｃを所定の臨界減衰係数Ｃｃに対して変化させた場合の振幅比率（ｘmax ／Ａ）を示している。この場合、例えば特性線（ｂ）のように減衰係数Ｃを小さく設定して係数比率（Ｃ／Ｃｃ）を減少させると、周波数比率（ω／ω0 ）が√２以上となる周波数領域では、減衰係数Ｃが大きな他の特性線（ｃ）〜（ｅ）と比較して全体質量部７の振幅ｘmax をより効率よく減衰することができる。しかし、このとき周波数比率（ω／ω0 ）が√２未満となる周波数領域では、全体質量部７の振幅ｘmax が増大する。
【００６０】
このため、本実施の形態では、基板１の支持部２と枠体６との間に微小な緩衝用隙間５を設け、この緩衝用隙間部５内の気体を用いたダンパ機能によって全体質量部７の減衰係数Ｃを適切に調整する構成としている。
【００６１】
即ち、全体質量部７が衝撃によってＸ軸方向に振動するときには、各緩衝用隙間部５内の気体が枠体６または各枠体支持梁４の延設部４Ａによって支持部２との間で圧縮されるため、この気体がダンパとなって全体質量部７の振動に適切な減衰係数Ｃが与えられるものである。
【００６２】
かくして、本実施の形態では、基板１と振動体９との間に衝撃減衰機構３を設ける構成としたので、基板１に対し振動体９の振動方向に沿って衝撃が加わるときには、この衝撃を衝撃減衰機構３によって確実に減衰でき、振動体９に衝撃が伝わるのを抑制することができる。これにより、振動発生部１３は、外部からの衝撃に対して振動体９を安定的に振動させることができ、センサの検出感度、検出精度等を向上できると共に、信頼性を高めることができる。
【００６３】
また、衝撃減衰機構３を各枠体支持梁４および枠体６によって構成し、この枠体６を含めた全体質量部７の共振周波数ω0 を、前記数１の式に示す如く振動体９の共振周波数ω1 に対して１／√２倍以下の値に設定したので、基板１に衝撃が加わるときには、この衝撃を各枠体支持梁４と枠体６とによって振動体９の外側で減衰させることができ、特に振動体９の共振周波数ω1 と近い周波数をもつ衝撃波形に対して全体質量部７の振動を小さく抑制できると共に、このように振動体９に大きな影響を与える衝撃波形の減衰効率を高めることができる。
【００６４】
また、枠体６と基板１との間には、枠体６または枠体支持枠４の延設部４Ａによって基板１との間で気体を圧縮する緩衝用隙間部５を設けたので、枠体６が衝撃によってＸ軸方向に振動するときには、各緩衝用隙間部５内の気体をダンパとして全体質量部７の振動に適切な減衰係数Ｃを与えることができ、例えば枠体支持枠４、緩衝用隙間部５の寸法、形状等を変更することによって減衰係数Ｃを容易に調整できると共に、衝撃の減衰効率をより高めることができる。
【００６５】
次に、図５および図６は本発明による第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、角速度センサに対して振動方向と検出方向の両方向に加わる衝撃を減衰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。
【００６６】
２１は角速度センサの本体をなす矩形状の基板、２２は該基板２１上に固定的に設けられた四角形状の支持部で、該支持部２２は、図５、図６に示す如く、基板２１と共に前記第１の実施の形態とほぼ同様に構成されている。
【００６７】
２３は支持部２２と後述の振動体３０との間に設けられた衝撃減衰機構で、該衝撃減衰機構２３は、後述の枠体支持梁２４，２４，…と、枠体２７とからなり、第１の実施の形態とほぼ同様に構成されている。しかし、本実施の形態による衝撃減衰機構２３は、後述の如く振動体３０の振動方向と検出方向となるＸ軸とＹ軸の両方向に対して衝撃を減衰するように構成されている。
【００６８】
２４，２４，…は支持部２２と枠体２７との間に設けられた枠体支持梁で、該各枠体支持梁２４は、Ｌ字状に屈曲した長尺な板状体として形成され、枠体２７の４箇所の角隅側に配置されている。また、枠体支持梁２４は、図５中のＸ軸方向に延設された第１の延設部２４Ａと、該第１の延設部２４Ａの先端側に設けられ、Ｙ軸方向に例えば２個延設された第２の延設部２４Ｂ，２４Ｂと、該各延設部２４Ｂを折返した状態で接続する接続部２４Ｃとを含んで構成されている。
【００６９】
そして、延設部２４Ａは、支持部２２と枠体２７との間に位置してダンパ機能をもったＹ軸方向の微小な緩衝用隙間部２５，２５を形成し、延設部２４Ｂもほぼ同様に、Ｘ軸方向の微小な緩衝用隙間部２６，２６，…を形成している。
【００７０】
２７は基板２１と振動体３０との間に設けられた枠体で、該枠体２７は、後述の振動体支持梁２９，２９，…と振動体３０とを取囲んで四角形状に延設され、各枠体支持梁２４によって基板２１から離間した状態でＸ軸方向およびＹ軸方向に変位可能に支持されている。
【００７１】
ここで、枠体２７、各振動体支持梁２９および振動体３０は、各枠体支持梁２４によってＸ軸方向およびＹ軸方向に振動可能に支持された全体質量部２８を構成し、該全体質量部２８の全体共振周波数ω2 は、第１の実施の形態と同様の理由により、振動体３０の共振周波数ω3 に対して下記数６の式に示す関係となるように予め設定されている。
【００７２】
【数６】
0003666335.tif 000005
【００７３】
２９，２９，…は枠体２７と振動体３０との間に設けられた振動体支持梁で、該各振動体支持梁２９は、図５中のＸ軸方向およびＹ軸方向に延びた細長い板状体として形成され、Ｙ軸方向に対して振動体９を挟んで前，後両側に２個ずつ合計４個配置されている。
【００７４】
３０は基板２１上に設けられた略Ｈ字状の振動体で、該振動体３０は、例えば単結晶または多結晶をなす低抵抗なシリコン材料等にエッチング加工等の微細加工を施すことによって、支持部２２、支持梁２４，２９、枠体２７および後述の固定部３１，３５、電極３２，３３，３６，３７と同時に形成されている。
【００７５】
また、振動体３０は、各振動体支持梁２９によって基板１から離間した状態でＸ軸方向およびＹ軸方向に変位可能に支持され、予め定められた振動体共振周波数ω3 を有している。そして、振動体３０は、後述の振動発生部３４によって駆動されることにより、枠体２７内でＸ軸方向に振動し、Ｘ軸方向を振動方向として共振周波数ω3 を保持した共振状態となる。
【００７６】
３１，３１は基板２１上に固定的に設けられた２個の振動用固定部、３２，３２は該各振動用固定部３１に設けられた固定側振動電極で、該各固定側振動電極３２は、後述の可動側振動電極３３に向けて突出した複数の電極板３２Ａ，３２Ａ，…を含んで構成されている。
【００７７】
３３は振動体３０の左，右両側に設けられた可動側振動電極で、該各可動側振動電極３３は、固定側振動電極３２の各電極板３２Ａと噛合するように交互に配置された複数の電極板３３Ａ，３３Ａ，…を有し、これらの各電極板３２Ａ，３３Ａ間にはＹ軸方向の微小隙間が形成されている。
【００７８】
３４，３４は振動発生手段としての左，右の振動発生部で、該各振動発生部３４は、第１の実施の形態とほぼ同様に、固定側振動電極３２と可動側振動電極３３とから構成され、振動体３０を共振周波数ω3 でＸ軸方向に振動させる。
【００７９】
３５，３５は基板２１上に固定的に設けられた２個の検出用固定部、３６，３６は該各検出用固定部３５に設けられた固定側検出電極で、該各固定側検出電極３６は、後述の可動側検出電極３７に向けて突出した複数の電極板３６Ａ，３６Ａ，…を有している。
【００８０】
３７，３７は振動体３０に設けられた可動側検出電極で、該各可動側検出電極３７は、固定側検出電極３６の各電極板３６Ａと噛合するように交互に配置された複数の電極板３７Ａ，３７Ａ，…を有し、これらの各電極板３６Ａ，３７Ａ間にはＹ軸方向の微小隙間が形成されている。
【００８１】
３８，３８は角速度検出手段としての角速度検出部で、該各角速度検出部３８は、固定側検出電極３６と可動側検出電極３７とからなり、これらの各電極板３６Ａ，３７Ａはそれぞれ平行平板コンデンサを構成している。そして、角速度検出部３８は、Ｙ軸方向を検出方向として、振動体３０がＹ軸方向に変位するときの変位量を固定側検出電極３６と可動側検出電極３７との間で静電容量の変化として検出し、Ｚ軸周りの角速度Ωに応じた検出信号を出力する。
【００８２】
これにより、本実施の形態では、振動体３０が各振動発生部３４により駆動されてＸ軸方向に振動し、この状態で角速度センサにＺ軸周りの角速度Ωが加わると、振動体３０はコリオリ力により角速度Ωに応じた変位量をもってＹ軸方向に変位する。そして、振動体３０の変位量は、角速度検出部３８により静電容量の変化として検出され、Ｚ軸周りの角速度Ωに応じた検出信号が出力される。
【００８３】
また、基板２１にＸ軸方向またはＹ軸方向の衝撃が加わったときには、これら両方向の衝撃が衝撃減衰機構２３によって効率よく減衰され、振動体３０に伝わる衝撃が抑制される。
【００８４】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、衝撃減衰機構２３が振動体３０の振動方向と検出方向の両方向に対して衝撃を減衰する構成としたので、振動体３０をＸ軸方向の衝撃に対してほぼ一定の振動状態に保持できると共に、振動体３０がＹ軸方向の衝撃によって検出方向に変位するのを防止でき、検出精度、信頼性等をより向上させることができる。
【００８５】
また、振動体３０の振動方向、検出方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向として基板２１と平行に配置する構成としたので、角速度センサをＺ軸方向に対して小型化できると共に、振動方向と検出方向の両方向に対して衝撃を減衰する衝撃減衰機構２３を容易に形成することができる。
【００８６】
なお、前記第２の実施の形態では、振動体３０がＸ軸方向に振動しつつ角速度に応じてＹ軸方向に変位し、衝撃減衰機構２３は、基板２１に加わるＸ軸方向とＹ軸方向の両方向の衝撃を減衰する構成としたが、本発明はこれに限らず、衝撃減衰機構は、基板２１に加わるＸ軸方向とＹ軸方向のうちいずれか一方向の衝撃を減衰する構成としてもよい。
【００８７】
また、前記第１の実施の形態では、１種類の振動体支持梁８，２９によって単一の振動体９，３０をＸ軸方向とＺ軸方向（またはＹ軸方向）の２方向に変位可能に支持する構成としたが、本発明はこれに限らず、基板上に第１の振動体支持梁を介して第１の振動体をＸ軸方向に変位可能に設け、この第１の振動体には第２の振動体支持梁を介して第２の振動体をＹ軸方向に変位可能に設け、第１，第２の振動体をＸ軸方向へと一緒に振動させた状態で第２の振動体だけが角速度に応じてＹ軸方向に変位する構成としてもよい。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１の発明によれば、振動方向と検出方向のうち少なくとも１つの方向に沿った衝撃が基板から振動体に伝わるのを減衰する衝撃減衰機構を設ける構成としたので、振動方向または検出方向の衝撃が基板に加わるときには、この衝撃を衝撃減衰機構によって確実に減衰でき、振動体に衝撃が伝わるのを抑制することができる。これにより、振動体は、外部からの衝撃に対して安定的に振動しつつ、センサに加わる角速度に応じて円滑に変位することができる。従って、センサの検出感度、検出精度等を向上でき、信頼性を高めることができる。
【００８９】
また、請求項１の発明によれば、衝撃減衰機構を枠体支持梁と枠体とによって構成し、振動体を枠体内で振動体支持梁によって振動方向と検出方向の両方向に変位可能に支持する構成としたので、外部からの衝撃が基板に加わるときには、この衝撃を枠体支持梁と枠体とによって振動体の外側で減衰でき、この衝撃が振動体に伝わるのを抑制できると共に、振動体は枠体内で振動しつつ角速度に応じて変位することができる。
【００９０】
また、請求項１の発明によれば、振動体、振動体支持梁および枠体全体での全体共振周波数は、振動体共振周波数に対して１／√２倍以下の値に設定する構成としたので、振動体共振周波数と近い周波数をもつ衝撃波形に対して振動体、振動体支持梁および枠体全体の振動を小さく抑制でき、この衝撃が振動体に伝わるのを減衰できると共に、振動体に大きな影響を与える衝撃波形の減衰効率を高めることができる。
【００９１】
さらに、請求項２，５の発明によれば、基板の支持部と枠体との間には枠体が変位するときに気体を圧縮する緩衝用隙間部を設ける構成としたので、枠体が衝撃によって振動するときには、各緩衝用隙間部内の気体をダンパとして振動を適切に減衰でき、例えば緩衝用隙間部の寸法、形状等を変更することによって減衰係数を容易に調整できると共に、衝撃の減衰効率をより高めることができる。
【００９２】
また、請求項３の発明によれば、振動体は基板に平行な振動方向と基板に垂直な検出方向とを有し、衝撃減衰機構は振動方向に対して基板から振動体に衝撃が伝わるのを減衰する構成としたので、振動体を基板と平行な平面上で振動させつつ、この平面に垂直な検出方向へと角速度に応じて変位させることができ、衝撃減衰機構は振動方向の衝撃を減衰することができる。
【００９３】
また、請求項４，６，７の発明によれば、振動体の振動方向と検出方向とを基板と平行に配置し、衝撃減衰機構は振動方向と検出方向のうち少なくとも一方向に対して衝撃を減衰する構成としたので、振動体を振動方向の衝撃に対してほぼ一定の振動状態に保持できると共に、振動体が衝撃によって検出方向に変位するのを防止でき、検出精度、信頼性等をより向上させることができる。また、振動方向と検出方向とを基板と平行に配置することにより、これらの両方向に対して衝撃を減衰する衝撃減衰機構を容易に形成することができる。
【００９４】
さらに、請求項８の発明によれば、振動体、振動体支持梁および衝撃減衰機構は単結晶または多結晶のシリコン材料によって構成したので、例えば単結晶または多結晶のシリコン材料にエッチング処理等の微細加工を施すことにより、振動体、振動体支持梁および衝撃減衰機構を同時に効率よく形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による角速度センサを示す平面図である。
【図２】図１中の矢示II−II方向からみた角速度センサの縦断面図である。
【図３】基板と全体質量部の力学的モデルを示す説明図である。
【図４】衝撃波形の周波数に対応する周波数比率と全体質量部の振幅に対応する振幅比率との間の関係を示す特性線図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態による角速度センサを示す平面図である。
【図６】図５中の矢示VI−VI方向からみた角速度センサの縦断面図である。
【符号の説明】
１，２１  基板
２，２２  支持部
３，２３  衝撃減衰機構
４，２４  枠体支持梁
５，２５，２６  緩衝用隙間部
６，２７  枠体
７，２８  全体質量部
８，２９  振動体支持梁
９，３０  振動体
１１，３２  固定側振動電極
１２，３３  可動側振動電極
１３，３４  振動発生部（振動発生手段）
１４，３８  角速度検出部（角速度検出手段）
１５，３６  固定側検出電極
３７  可動側検出電極
【図１】
0003666335.tif 000006
【図２】
0003666335.tif 000007
【図３】
0003666335.tif 000008
【図４】
0003666335.tif 000009
【図５】
0003666335.tif 000010
【図６】
0003666335.tif 000011