(57)【要約】【課題】パッケージに剪断歪みが作用しても、検出信号に不要信号が混入することを抑止できる振動ジャイロの提供を図る。【解決手段】振動ジャイロ５０は、振動子１と蓋板５０Ａとを備える。振動子１は、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃ、駆動梁、検出質量部１７Ａ〜１７Ｄおよび支持梁を備える。駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃは駆動により振動する。駆動梁は、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃを支持し、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃから作用する力により撓み振動する。検出質量部１７Ａ〜１７Ｄは、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃの振動により作用するコリオリの力に対して変位自在な状態で、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃに支持される。支持梁は、駆動梁を撓み振動の節となる位置で支持する。蓋板５０Ａは、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃの振動方向および検出質量部１７Ａ〜１７Ｄの変位方向に平行であり、振動方向に平行な振動子１の中心線に対向する領域で、振動子の固定を行った構成である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動により振動する駆動質量部、
前記駆動質量部を支持し、前記駆動質量部から作用する力により撓み振動する駆動梁、
前記駆動質量部の振動により作用するコリオリの力に対して変位自在な状態で、前記駆動質量部に支持される検出質量部、および、
前記駆動梁を前記撓み振動の節となる位置で支持する支持梁、
を備える振動子と、
前記駆動質量部の振動方向および前記検出質量部の変位方向に平行な支持板と、を備え、
前記振動子の中心を通り前記振動方向に平行な中心線に対向する領域で、前記支持板に対する前記振動子の固定を行った構成である、
振動ジャイロ。
【請求項２】
前記支持梁は、前記中心線に対して直交する直線梁状である、請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】
ミアンダライン状に屈曲する連結部で、前記支持梁と前記駆動梁とを連結する、請求項１または２に記載の振動ジャイロ。
【請求項４】
前記振動子を開口内部に収める外枠部と、前記外枠部の開口を閉塞する蓋板および底板と、を備え、
前記底板の外側主面が実装面となる構造であり、前記蓋板のみが前記振動子に接合されて前記支持板となる構成である請求項１〜３のいずれかに記載の振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動子を駆動し、その振動方向と直交する方向に作用する力を検出する振動ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の振動ジャイロは、支持板の主面法線方向をＺ軸とした直交座標系におけるＸ軸を駆動方向として振動子を振動させ、振動ジャイロがＺ軸回りに回転することによって振動方向と直交するＹ軸方向に作用するコリオリの力を、検出用固定構造部と振動子との間の電極間隔および電極間容量の変化から検出する。（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
ここで、従来の振動ジャイロの構成例を説明する。
図１（Ａ）は従来の振動ジャイロ１０１の平面図である。
【０００４】
振動ジャイロ１０１は、蓋板（不図示）、支持板１０２Ａ、外枠部１０２Ｂ、アンカー１０３、駆動梁１０４Ａ、駆動質量部１０５Ａ〜１０５Ｃ、検出梁１０４Ｂ、検出質量部１０６Ａ〜１０６Ｃ、検出電極１０７Ａ〜１０７Ｄ、支柱部１０８Ａ〜１０８Ｄ、および駆動用固定構造部１０９を備える。
外枠部１０２Ｂは、支持板１０２Ａと蓋板（不図示）とに接合される。アンカー１０３、駆動梁１０４Ａ、駆動質量部１０５Ａ〜１０５Ｃ、検出梁１０４Ｂ、および検出質量部１０６Ａ〜１０６Ｃは低抵抗シリコン材料（導電性）による一体の振動子を構成し、グランドに接続される。検出電極１０７Ａ〜１０７Ｄおよび支柱部１０８Ａ〜１０８Ｄは低抵抗シリコン材料（導電性）による検出用固定構造部を構成する。
【０００５】
上記振動子を構成する駆動梁１０４Ａは、Ｙ軸方向を長手方向としていて、Ｘ軸方向の側面に連結された２本のアンカー１０３で外枠部１０２Ｂに支持されている。駆動質量部１０５Ａ，１０５Ｂは２本の駆動梁１０４Ａの端部間に、駆動質量部１０５Ｃは２本の駆動梁１０４Ａの中央部間に連結される。検出質量部１０６Ａ〜１０６Ｃは、駆動質量部１０５Ａ〜１０５Ｃそれぞれの備える開口内で、検出梁１０４Ｂを介して駆動質量部１０５Ａ〜１０５Ｃに連結される。
【０００６】
上記検出用固定構造部を構成する検出電極１０７Ａ〜１０７Ｄおよび支柱部１０８Ａ〜１０８Ｄは、検出質量部１０６Ａ〜１０６Ｃの備える開口内に検出質量部１０６Ａ〜１０６Ｃから離間して配置され、支柱部１０８Ａ〜１０８Ｄによって支持板１０２Ａと蓋板（不図示）とに接合される。検出電極１０７Ａと検出電極１０７Ｃとは蓋板の上面で接続され、検出電極１０７Ｂと検出電極１０７Ｄとも蓋板の上面で接続される。
【０００７】
駆動用固定構造部１０９は検出用固定構造部と同様に支柱部によって支持板１０２Ａと蓋板（不図示）とに接合され、駆動電圧が印加される。これにより、振動子を構成する駆動質量部１０５Ａ〜１０５ＢがＸ軸に沿った駆動方向で振動し、駆動梁１０４Ａも同方向に変形（撓み振動）する。この状態で振動ジャイロ１０１がＺ軸回りに回転すると、検出質量部１０６Ａ〜１０６ＣにＹ軸に沿った方向のコリオリの力が作用し、検出質量部１０６Ａ〜１０６Ｃがその方向に変位する。これにより、検出質量部１０６Ａ〜１０６Ｃと検出電極１０７Ａ〜１０７Ｄとの間の電極間隔および電極間容量が変化する。このとき、検出質量部１０６Ａ，１０６Ｂと検出質量部１０６Ｃとでは、Ｘ軸方向の振動が逆相になり、コリオリの力が逆方向に作用する。そこで、検出電極１０７Ａ，１０７Ｃから合成容量を検出するとともに、検出電極１０７Ｂ，１０７Ｄからも合成容量を検出すれば、両者の差動容量から振動ジャイロ１０１のＺ軸回りの角速度が検出可能になる。
【０００８】
なお、このような振動ジャイロ１０１にＹ軸に沿った加速度が作用した場合、検出質量部１０６Ａ〜１０６Ｃそれぞれに作用する慣性力は、検出質量部１０６Ａ〜１０６Ｃいずれも同方向である。このため、上記差動容量では各電極間容量の変化が打ち消し合い、Ｙ軸方向の加速度の影響を受けずにＺ軸回りの角速度を検出できる。
【０００９】
図１（Ｂ）は従来の振動ジャイロ２０１の平面図である。
この振動ジャイロ２０１は、振動ジャイロ１０１と主要部構成が同一であるが振動子の支持部分が相違する。具体的には、駆動梁２０４が２つのサブアンカー２０３に連結され、サブアンカー２０３がＹ軸方向を長手とする支持梁２０５の一方側面の両端に連結され、支持梁２０５の他方側面の中央部がアンカー２０６を介して外枠部２０２Ｂに連結される。
【００１０】
図１（Ｃ）は従来の振動ジャイロ３０１の平面図である。
この振動ジャイロ３０１は、４つの駆動質量部と、内側２つの駆動質量部の内部に配置された検出質量部とからなる振動子を備える。そして振動ジャイロ３０１は、駆動梁３０７の両端部および中央部が３つのサブアンカー３０６に連結され、サブアンカー３０６がＹ軸方向を長手とする支持梁３０５の一方側面に連結され、支持梁３０５の他方側面の中央部がアンカー３０４を介して外枠部３０２Ｂに連結される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３５８９１８２号公報
【特許文献２】特許第３８７０８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図２は、従来の振動ジャイロ３０１に剪断歪みが生じた場合の変形例を説明する模式図である。なお、図中のＡ１，Ａ２（Ａ１’，Ａ２’）は、アンカー３０４と外枠部３０２Ｂとの接続点、即ち振動子の固定点を示している。
振動ジャイロ３０１の筐体に剪断歪みが作用すると、矩形の一方の対角線方向の寸法が伸び、他方の対角線方向の寸法が縮み、図２（Ａ）に示す矩形から図２（Ｂ）に示す平行四辺形に筐体が変形する。この変形により、固定点Ａ１，Ａ２から固定点Ａ１’，Ａ２’に振動子の固定点が回転変位する。この際、振動子はアンカー３０４を介して壁面に固定支持されているため、駆動梁３０７が壁面と略平行な状態を維持しようとし壁面の法線方向である振動子の支持方向が固定点の回転変位方向とは逆方向に回転する。このため、振動子には過大な剪断歪みが作用して大きく変形する。すると、駆動質量部が振動する駆動方向と、コリオリの力により検出質量部が振動する方向（検出方向）との直交性が崩れ、検出信号に駆動による不要信号が混入することになる。この問題は従来の振動ジャイロ１０１や振動ジャイロ２０１でも同様に生じる。
【００１３】
上述の不要信号は通常の検出信号と位相が９０°異なるため、検出信号の同期検波を行うことでほとんど除去することができる。しかしながら、同期検波の初期位相ずれや温度による位相変化があると、検出信号から不要信号を完全に除去することが難しくなる。したがって、剪断歪みによって振動ジャイロの出力変動や温度特性が劣化することになる。
【００１４】
また筐体の初期歪により、Ｚ軸回りの角速度が作用していないときにも検出信号に不要信号が混入するので、同期検波前の信号増幅率を大きくできず、センサ感度を設計値にするためには同期検波後の信号増幅率を大きくする必要が生じる。振動ジャイロのＳＮ比は、同期検波前の信号増幅率が大きい方が良好であり、同期検波後の信号増幅率が大きければＳＮ比が低下してしまう。
【００１５】
そこで本発明は、筐体に剪断歪みが作用しても、検出信号に不要信号が混入することを抑止できる振動ジャイロの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明の振動ジャイロは、振動子と支持板とを備える。振動子は駆動質量部、駆動梁、検出質量部および支持梁を備える。駆動質量部は駆動により振動する。駆動梁は、駆動質量部を支持し、駆動質量部から作用する力により撓み振動する。検出質量部は、駆動質量部の振動により作用するコリオリの力に対して変位自在な状態で、駆動質量部に支持される。支持梁は、駆動梁を撓み振動の節となる位置で支持する。支持板は、駆動質量部の振動方向および検出質量部の変位方向に平行である。上記構成の振動ジャイロにおいて、振動子の中心を通り振動方向に平行な中心線に対向する領域で、支持板に対する振動子の固定を行った構成である。
この構成では、支持板に剪断歪みが作用した場合に、上記振動子の中心線の回転に追従して支持梁と支持板との固定点が回転変位する。その際、支持梁は支持板の法線方向を支持方向として固定支持されているので、従来構造のように支持方向が固定点の回転変位方向と逆方向に回転することがなく、振動子に作用する剪断歪みが極めて低減したものになる。したがって、この構成の振動ジャイロは、筐体に剪断歪みが作用した状態でも、駆動方向と検出方向との直交性が高く検出信号に不要信号が混入することを抑止できる。
【００１７】
この発明の支持梁は、前記中心線に対して直交する直線梁状であると好適である。
この構成は支持梁の剛性が高く、支持梁の撓みを抑制して駆動梁の変形および連結部分（サブアンカー）の変位を抑制でき、高性能な振動ジャイロを構成できる。
【００１８】
この発明の振動ジャイロはミアンダライン状に屈曲する連結部（サブアンカー）で、前記支持梁と前記駆動梁とを連結すると好適である。
この構成では、駆動梁における振動の節となる位置を、拘束することなく弾性支持し、これにより支持梁に作用する剪断歪を連結部で開放することができる。したがって、駆動梁および各質量部に及ぶ剪断歪みを低減できる。
【００１９】
この発明の振動ジャイロは振動子を開口内部に収める外枠部と、前記外枠部の開口を閉塞する蓋板および底板と、を備え、底板の外側主面が実装面となる構造であり、蓋板のみが振動子に接合されて支持板となる構成であると好適である。
この構成では、他部材に固定される底板に作用する剪断歪みが、振動子に対して直接ではなく外枠部および蓋板を介して作用するので、振動子に作用する剪断歪みを低減できる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、支持板に対する振動子の固定を、振動子の中心を通り振動方向に平行な中心線に対向する領域で行うので、支持板に剪断歪みが作用した場合に、従来構造のように支持方向が固定点の回転変位方向と逆方向に回転することがなく、振動子に作用する剪断歪みが極めて低減したものになる。したがって、この構成の振動ジャイロは、筐体に剪断歪みが作用した状態でも、駆動方向と検出方向との直交性が高く検出信号に不要信号が混入することを抑止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図２】従来の振動ジャイロの剪断歪みによる変形例を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図４】図３に示す振動ジャイロの動作を説明する図である。
【図５】図３に示す振動ジャイロの部分拡大図である。
【図６】図３に示す振動ジャイロに接続する駆動検出回路の回路構成を説明する図である。
【図７】図３に示す振動ジャイロの剪断歪みによる影響を説明する図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図９】図８に示す振動ジャイロの動作を説明する図である。
【図１０】図８に示す振動ジャイロの剪断歪みによる影響を説明する図である。
【図１１】実施例と従来例とを比較して説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下の振動ジャイロの説明では、剪断歪みの非作用時における振動ジャイロの回転検出軸を直交座標系のＺ軸とし、駆動方向を直交座標系のＸ軸方向、コリオリの力の作用方向を直交座標系のＹ軸方向とする。
【００２３】
まず、本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロ５０について説明する。図３（Ａ）は振動ジャイロ５０の構成を示す平面図、図３（Ｂ）は振動ジャイロ５０を実装基板１５０に実装した状態での振動子の中心を通るＸ軸に沿った断面図である。
【００２４】
振動ジャイロ５０は、段面視して蓋板５０Ａ（支持板）、低抵抗シリコン板５０Ｂ、底板５０ＣをＺ軸に沿って順に積層した構成である。低抵抗シリコン板５０Ｂは、分割されてなる以下の構成、振動子１、検出用固定構造部２Ａ，２Ｂ、駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂ、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂ、および外枠部５を備える。蓋板５０Ａと外枠部５と底板５０Ｃとは、内部空間を備える筐体を構成する。この筐体は、底板５０Ｃの外側主面で実装基板１５０に接合し、蓋板５０Ａの外側主面に形成した外部接続端子（不図示）を実装基板１５０の実装電極（不図示）にワイヤボンディングする。
【００２５】
振動ジャイロ５０の概略構造について説明すると、振動子１はＸ−Ｙ面で振動子１の中心を通るＸ軸上の位置（固定点Ａ１，Ａ２）で蓋板５０Ａに固定している。また、Ｘ軸方向に変位自在な領域として駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃを備え、Ｙ軸方向に変位自在な領域として検出質量部１７Ａ〜１７Ｄを備える。
【００２６】
検出用固定構造部２Ａ，２Ｂは、検出質量部１７Ａ〜１７Ｄとの間の電極間容量を検出して振動子１に作用するコリオリの力を検知するために設けていて、振動子１の備える開口内部に配置し、全体が変形しないように蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定している。
駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂは、振動子１を挟むＹ軸両外側に配置して全体が変形しないように蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定している。この駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂに駆動電圧を印加することで、駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂと駆動質量部１３Ａ，１３Ｂとの間の静電力が変動し、Ｘ軸方向の振動が生じる。
【００２７】
モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂは振動子１を挟むＸ軸両外側に配置して全体が変形しないように蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定している。このモニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂは、駆動質量部１３Ｃとの間の電極間容量を検出して駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂに印加する駆動電圧を調整し、振動子１の振動を適切なものにするために設けている。
【００２８】
図４（Ａ）は、振動子１の駆動による変形を説明する図である。駆動質量部１３Ａ，１３Ｂと、前述の駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂ（不図示）との間の静電力が変動することにより、駆動質量部１３Ａ〜１３ＣはＸ軸方向に振動する。駆動質量部１３Ａ，１３Ｂと駆動質量部１３Ｃとでは駆動方向が逆になる。
【００２９】
図４（Ｂ）は振動子１のコリオリの力による変形を説明する図である。振動子１にＺ軸回りの角速度が作用すると、検出質量部１７Ａ〜１７Ｄにコリオリの力が作用する。駆動質量部１３Ａ，１３Ｂと駆動質量部１３Ｃとでは駆動方向が逆なので、コリオリの力も逆方向に作用し、検出質量部１７Ａ，１７ＢがＹ軸負方向に変位する際には、検出質量部１７Ｃ，１７DはＹ軸正方向に変位する。
【００３０】
再び図３に戻り、振動ジャイロ５０の詳細構造について説明していく。
振動子１は、一体に成形された以下の構成、支持アンカー（支持梁）１０Ａ〜１０Ｄ、サブアンカー１１Ａ〜１１Ｄ、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃ、駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｂ（一部不図示）、検出梁１５Ａ〜１５Ｄ，１６Ａ〜１６Ｄ、検出質量部１７Ａ〜１７Ｄ、検出櫛歯部１８Ａ〜１８Ｄ（一部不図示）、およびモニタ櫛歯部１９Ａ，１９Ｂ（一部不図示）を備える。
【００３１】
駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ駆動質量部１３Ａ，１３Ｂに付設している。図５（Ａ）は駆動櫛歯部１４Ａ近傍の拡大平面図である。なお駆動櫛歯部１４Ｂは駆動櫛歯部１４Ａと同じ構成である。
駆動櫛歯部１４Ａは、駆動質量部１３Ａの側面からＹ軸に沿って突出する線状部位の一方側面からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極を備える。この駆動櫛歯部１４Ａの櫛歯電極は、駆動用固定構造部３Ａが備える櫛歯電極３３に微小間隔を隔てて対向する。なお、駆動用固定構造部３Ａは、蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定される円柱形の支柱部３１と、支柱部３１に連結された線状部位３２と、線状部位３２からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極３３とを備える構成である。なお、駆動用固定構造部３Ａは、蓋板５０Ａに設けるビア電極によって外部接続端子に電気的に接続される。このような構成で、駆動櫛歯部１４Ａと駆動用固定構造部３Ａとの間に駆動電圧（バイアス電圧および交番電圧）が印加されると、駆動櫛歯部１４Ａと駆動用固定構造部３Ａとの間の静電力の変動により駆動質量部１３ＡがＸ軸に沿って振動することになる。
【００３２】
再び図３に戻り説明する。駆動質量部１３Ａ，１３Ｂは駆動質量部１３Ｃを挟むようにＹ軸に沿って配列している。駆動質量部１３Ａ，１３Ｂは平面視してＹ軸内側が開口した概略コの字形であり、開口底面を構成するＸ軸に沿った線状部がＸ軸両外側に張り出し、Ｙ軸内側の側面で駆動梁１２Ａ，１２ＢのＹ軸端部に連結している。駆動質量部１３Ｃは平面視してＹ軸両外側が開口した概略Ｈ字形であり、Ｙ軸中央部のＸ軸に沿った線状部の両端で駆動梁１２Ａ，１２ＢのＹ軸中央部に連結している。
【００３３】
駆動梁１２Ａ，１２Ｂは、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃを挟むＸ軸両外側に配置している。駆動梁１２Ａ，１２Ｂはそれぞれ平面視してＹ軸方向に長尺な概略線状形であり、これによりＸ軸方向に変形（撓み振動）可能な構成になっている。また駆動梁１２Ａ，１２Ｂは、Ｙ軸方向全長に対して略１／４の長さとなる位置、および、略３／４の長さとなる位置で、サブアンカー１１Ａ〜１１Ｄに連結している。サブアンカー１１Ａ〜１１Ｄは、Ｘ軸に対して蛇行する概略ミアンダ状であり、一端を駆動梁１２Ａ，１２Ｂの側面に連結し、他端を、支持アンカー１０Ａ〜１０Ｄの側面に連結している。支持アンカー１０Ａ〜１０Ｄは、Ｙ軸方向に長尺な概略線状形であり、Ｙ軸内側の端部が固定点Ａ１，Ａ２で蓋板５０Ａに固定される。支持アンカー１０Ａ〜１０Ｄは、Ｙ軸方向に長尺な概略線状形であるので剛性が高く、サブアンカー１１Ａ〜１１Ｄから伝わる振動によって変位することが抑制できる。
【００３４】
上述の構成により、駆動梁１２Ａ，１２Ｂにおけるサブアンカー１１Ａ〜１１Ｄに連結される位置は、駆動梁１２Ａ，１２ＢがＸ軸方向に変形（撓み振動）する際に撓み振動の節（ノード点）となる。そして、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃを支持する位置は、撓み振動の腹（アンチノード点）またはその近傍となる。したがって、駆動質量部１３Ａ，１３ＢはＸ軸方向に同相で振動し、駆動質量部１３ＣはＸ軸方向に駆動質量部１３Ａ，１３Ｂとは逆相で振動することになる。
【００３５】
検出梁１５Ａ〜１５Ｄは、平面視してＸ軸に沿って長尺な２本の線状部を平行させて中央部で連結した形状であり、一方の線状部の両端を駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃに接続し、他方の線状部の両端を検出質量部１７Ａ〜１７Ｄに接続した構成である。検出梁１５Ｃ，１５Ｄは、駆動質量部１３ＣのＨ字状の開口底面に連結している。検出梁１６Ａ〜１６Ｄは、平面視してＹ軸に対して蛇行する概略ミアンダ状に構成している。検出梁１５Ａ，１５Ｂは、駆動質量部１３Ａ，１３Ｂのコの字状の開口底面に連結している。検出梁１６Ａ，１６Ｂは、駆動質量部１３Ａ，１３Ｂのコの字状の端部に連結している。検出梁１６Ｃ，１６Ｄは、駆動質量部１３ＣのＨ字状の端部に連結している。
【００３６】
検出質量部１７Ａ，１７Ｃは、平面視して概略コの字状であり、それぞれのコの字状の開口部が向かい合うように、駆動質量部１３Ａ，１３Ｃの開口内に配置し、検出梁１５Ａ，１５Ｃ，１６Ａ，１６Ｃに連結している。また、検出質量部１７Ｂ，１７Ｄも、平面視して概略コの字状であり、それぞれのコの字状の開口部が向かい合うように、駆動質量部１３Ｂ，１３Ｃの開口内に配置し、検出梁１５Ｂ，１５Ｄ，１６Ｂ，１６Ｄに連結している。上述のように検出梁１５Ａ〜１５Ｄ，１６Ａ〜１６ＤがいずれもＹ軸に対して蛇行するミアンダ形状であるので、検出質量部１７Ａ〜１７ＤはＹ軸方向に変位自在となり、Ｘ軸方向の変位については駆動質量部１３Ａ〜１３Ｃに連動することになる。
【００３７】
検出櫛歯部１８Ａ，１８Ｃは検出質量部１７Ａ，１７Ｃの向かい合う開口内に、検出櫛歯部１８Ｂ，１８Ｄは検出質量部１７Ｂ，１７Ｄの向かい合う開口内に付設している。図５（Ｂ）は検出櫛歯部１８Ａ近傍の拡大平面図である。なお検出櫛歯部１８Ｂ〜１８Ｄは検出櫛歯部１８Ａと同じ構成である。
【００３８】
検出櫛歯部１８Ａは、検出質量部１７Ａの開口内にＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極を備える。この検出櫛歯部１８Ａの櫛歯電極は、検出用固定構造部２Ａが備える櫛歯電極２３に微小間隔を隔てて対向する。なお、検出用固定構造部２Ａは、蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定支持された支柱部２１と、支柱部２１に連結された線状部位２２と、線状部位２２からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極２３（検出電極）とを備える構成である。このような構成で、検出質量部１７ＡがＹ軸方向に変位すると、検出櫛歯部１８Ａと検出用固定構造部２Ａとの間の電極間容量が変動することになる。
【００３９】
再び図３に戻り説明する。モニタ櫛歯部１９Ａ，１９Ｂは、駆動梁１２Ａ，１２Ｂおよび駆動質量部１３Ｃを挟むＸ軸両外側に配置していて、それぞれ駆動梁１２Ａ，１２ＢのＹ軸中心部に連結している。図５（Ｃ）はモニタ櫛歯部１９Ａ近傍の拡大平面図である。なおモニタ櫛歯部１９Ｂはモニタ櫛歯部１９Ａと同じ構成である。
【００４０】
モニタ櫛歯部１９Ａは、Ｙ軸に沿って延設し途中で折り返した形状の線状部位の側面からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極を備える。このモニタ櫛歯部１９Ａの櫛歯電極は、モニタ用固定構造部４Ａが備える櫛歯電極４３に微小間隔を隔てて対向する。なお、モニタ用固定構造部４Ａは、蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定支持された支柱部４１（図３参照）と、支柱部４１に連結された線状部位４２と、線状部位４２からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極４３とを備える構成である。このような構成で、駆動質量部１３ＣがＸ軸方向に変位すると、モニタ櫛歯部１９Ａとモニタ用固定構造部４Ａとの間の電極間容量が変動することになる。
【００４１】
図６は振動ジャイロ５０に接続する駆動検出回路の回路図である。なお、ここでは駆動検出回路をカスタムＩＣ１５１として構成する例を示す。このカスタムＩＣ１５１は、図３（Ｂ）に示す実装基板１５０に実装して振動ジャイロ５０と一体にモールドし、一体のチップ素子として構成すると好適である。
【００４２】
カスタムＩＣ１５１は、Ｃ−Ｖ変換回路１５２、差動アンプ１５３、同期検波回路１５４、ＤＣアンプ・ローパスフィルタ回路１５５、デジタルトリミング回路１５６、アンプ１５８、オートゲインコントロール回路１５９、および位相シフタ・正弦波発生回路１６０を備える。
Ｃ−Ｖ変換回路１５２は振動ジャイロ５０の検出用固定構造部２Ａ，２Ｂそれぞれとモニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂ（またはモニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂの少なくとも一方）に接続され、それぞれの持つ電極間容量に応じた電圧信号を出力する。差動アンプ１５３はＣ−Ｖ変換回路１５２から入力される２つの電圧信号の差動信号を出力する。差動信号を用いることにより、振動ジャイロ５０にＹ軸方向の加速度が作用した場合の容量変化を打ち消してＺ軸回りの角速度のみを検出することが可能になる。同期検波回路１５４は、位相シフタ・正弦波発生回路１６０で発生させる正弦波と同期するタイミングで、差動信号から検波を行う。駆動によるＸ軸方向の振動とコリオリの力によるＹ軸方向の振動とでは位相が９０°相違するので、同期検波を行うことでＸ軸方向の振動の影響を除いてＹ軸方向の振動を検出することが可能になる。ＤＣアンプ／ローパスフィルタ回路１５５は、同期検波回路１５４の出力する検出信号を増幅するとともに、ノイズ成分をカットする。デジタルトリミング回路１５６は、検出信号における振動ジャイロ５０個別の特性ばらつきを校正して検出信号を出力する。アンプ１５８はＣ−Ｖ変換回路１５２から入力される電圧信号（モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂからの信号）を増幅する。オートゲインコントロール回路１５９および位相シフタ・正弦波発生回路１６０は、振動ジャイロ５０の振動が適切に持続するように、駆動電圧の位相、振幅を調整して振動ジャイロ５０の駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂに出力する。
このような駆動検出回路１５１により、振動ジャイロ５０は駆動方向に振動し、振動状態で振動ジャイロ５０にＺ軸回りの角速度が作用することで、角速度に応じた検出信号が得られることになる。
【００４３】
次に、振動ジャイロ５０における剪断歪みの影響について説明する。
図７（Ａ）は蓋板５０Ａの断面を示す振動ジャイロ５０の平面図である。蓋板５０Ａは内側主面を部分的にエッチング除去した構成であり、振動子側に突出する枠状部位５０Ａ１、円柱部位５０Ａ２、矩形部位５０Ａ３を備える。枠状部位５０Ａ１は前述の低抵抗シリコン板５０Ｂの外枠部５および支柱部３１，４１を固定する部位である。円柱部位５０Ａ２は支柱部２１を固定する部位である。矩形部位５０Ａ３は支持アンカー１０Ａ〜１０Ｄの一端部を固定する部位である。本実施形態では、矩形部位５０Ａ３を振動子１の中心を通るＸ軸に対向する領域に配置し、その位置を固定点として振動子１を固定支持する。
【００４４】
図７（Ｂ）は、振動ジャイロ５０の剪断歪みによる変形例を説明する図である。振動ジャイロ５０の筐体に剪断歪みが作用する場合、固定点Ａ１，Ａ２が振動子１の中心を回転中心にしてＸ−Ｙ面で回転変位する。その際、振動子１は前述の矩形部位５０Ａ３で支持され、その支持方向が蓋板５０Ａの法線方向なので、振動子１に作用する剪断歪みが極めて低減したものになり、振動子１は形状を維持したまま固定点の回転変位方向と同方向に回転する。
【００４５】
なお、前述のサブアンカー１１Ａ〜１１Ｄをミアンダ状に形成していることで、支持アンカー１０Ａ〜１０Ｄの変位による応力がサブアンカー１１Ａ〜１１Ｄの変形によって開放されることになり、これにより、駆動梁１２Ａ，１２Ｂに剪断歪みが伝わることを、より確実に防ぐことができる。
したがって、本実施形態に係る振動ジャイロ５０は、剪断歪みが作用しても振動子１の形状を維持でき、駆動方向と検出方向との直交性を維持して検出信号に不要信号が混入することを抑止できる。
【００４６】
なお、本実施形態では、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂをいずれも振動モニタ用途に利用する例を示したが、いずれか一方のみを振動モニタ用途に利用し、他方を振動子１と同電位にして、支柱部を介してグランド電極に接続するようにして用いてもよい。この場合、振動子と同電位にした固定構造部を介して振動子１をグランド電極に接続することでビア電極を別途設ける必要がなくなって支持板面積の低減を進展させられる。振動モニタ用途に利用する固定構造部が一つであっても、振動ジャイロ５０の対称性を保持するために、振動モニタ用途に利用しない他方の固定構造部をあえて形成しておくと好適である。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロ１００について説明する。図８は振動ジャイロ１００の構成を示す平面図である。
【００４８】
振動ジャイロ１００は、第１の実施形態とは形状が相違する振動子５１を備えるが、その他の概略構成は第１の実施形態と同様である。
【００４９】
振動子５１は、支持アンカー（支持梁）６０Ａ〜６０Ｆ、サブアンカー６１Ａ〜６１Ｆ、駆動梁６２Ａ，６２Ｂ、駆動質量部６３Ａ〜６３Ｄ、駆動櫛歯部６４Ａ，６４Ｂ（一部不図示）、検出梁６５、検出質量部６７Ａ，６７Ｂ、検出櫛歯部６８Ａ，６８Ｂ（一部不図示）、およびモニタ櫛歯部６９Ａ，６９Ｂ（一部不図示）を備える。
【００５０】
振動ジャイロ１００の概略構造について説明すると、振動子５１はＸ−Ｙ面で振動子５１の中心を通るＸ軸上の位置（固定点Ａ１，Ａ２，ＢＡ，Ｂ２）で支持板に固定している。また、Ｘ軸方向に変位自在な領域として駆動質量部６３Ａ〜６３Ｄを備え、Ｙ軸方向に変位自在な領域として検出質量部６７Ａ，６７Ｂを備える。
検出用固定構造部７２は、振動子５１の備える中央の開口内部に配置し、全体が変形しないように支持板に固定する。駆動用固定構造部７３は振動子５１の備えるＹ軸両外側の開口内部に配置し、全体が変形しないように支持板に固定する。モニタ用固定構造部７４は振動子５１を挟むＹ軸両外側に配置し、全体が変形しないように支持板に固定する。
【００５１】
駆動櫛歯部６４Ａ，６４Ｂは、駆動質量部６３Ｃ，６３Ｄと駆動質量部６３Ａ，６３Ｂとに挟まれる位置に配置していて、Ｘ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極（不図示）を備え、駆動用固定構造部７３の櫛歯電極（不図示）と微小間隔を隔てて対向する。
【００５２】
駆動質量部６３Ａ〜６３Ｄは中央付近に配置した駆動質量部６３Ａ，６３Ｂを駆動質量部６３Ｃ，６３Ｄが挟むようにＹ軸に沿って配列している。駆動質量部６３Ａ，６３Ｄと駆動質量部６３Ｂ，６３ＣはＸ軸方向に逆相で振動する。駆動質量部６３Ａ，６３Ｂは平面視してＹ軸内側が開口した概略コの字形で、互いの開口が向かい合うように配置していて、開口側面を構成するＹ軸に沿った線状部の両端をＴ字形の連結部を介して駆動梁６２Ａ，６２Ｂに連結している。駆動質量部６３Ｃ，６３Ｄは平面視してＸ軸方向が長尺な線状形であり、両端で駆動梁１２Ａ，１２Ｂに連結している。
【００５３】
駆動梁６２Ａ，６２Ｂは、駆動質量部６３Ａ〜６３Ｄを挟むＸ軸両外側に配置している。駆動梁６２Ａ，６２Ｂはそれぞれ平面視してＹ軸方向に長尺な概略線状形であり、Ｘ軸方向に変形（撓み振動）可能な構成になっている。また駆動梁６２Ａ，６２Ｂは、Ｙ軸方向全長に対して略１／４、略２／４、略３／４の長さとなる位置それぞれで、サブアンカー６１Ａ〜６１Ｆに連結している。サブアンカー６１Ａ〜６１Ｆは、概略ウの字状であり、一端を駆動梁６２Ａ，６２Ｂの側面に連結し、他の二端を、支持アンカー６０Ａ〜６０Ｆに連結している。支持アンカー６０Ａ〜６０Ｄは、Ｙ軸方向に長尺な概略線状形であり、固定点Ａ１，Ａ２で支持板に固定している。支持アンカー６０Ｅ，６０Ｆは、振動子１の中央の開口部内に配置した矩形状のものであり、固定点Ｂ１，Ｂ２で支持板に固定している。
【００５４】
検出質量部６７Ａ，６７Ｂは、平面視して概略コの字状であり、それぞれのコの字状の開口部が向かい合うように、駆動質量部６３Ａ，６３Ｂの開口内に配置し、検出梁６５を介して駆動質量部６３Ａ，６３Ｂに連結している。
【００５５】
検出櫛歯部６８Ａ，６８Ｂは、検出質量部６７Ａ，６７Ｂの向かい合う開口内に付設している。検出櫛歯部６８Ａ，６８Ｂは、Ｘ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極（不図示）を備え、検出用固定構造部７２が備える櫛歯電極（不図示）に微小間隔を隔てて対向する。
【００５６】
モニタ櫛歯部６９Ａ，６９Ｂは、駆動質量部６３Ｃ，６３Ｄを挟むＹ軸両外側に配置していて、Ｘ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極（不図示）を備え、モニタ用固定構造部７４が備える櫛歯電極（不図示）に微小間隔を隔てて対向する。
【００５７】
図９は、振動子５１の駆動による変形を説明する図である。駆動質量部６３Ａ〜６３Ｄと前述の駆動用固定構造部７３との間の静電力が変動することにより、駆動質量部６３Ａ〜６３ＤはＸ軸方向に変位する。この状態で、振動子５１にＺ軸回りの角速度が作用すると、検出質量部６７Ａ，６７Ｂにコリオリの力が作用する。駆動質量部６３Ａと駆動質量部６３Ｂとでは駆動方向が逆なので、検出質量部６７Ａ，６７Ｂに作用するコリオリの力も逆方向となる。
【００５８】
図１０（Ａ）は振動ジャイロ１００の備える支持板１００Ａの断面を示す平面図である。支持板１００Ａは内側主面を部分的にエッチング除去した構成であり、振動子５１側に突出する枠状部位１００Ａ１、円柱部位１００Ａ２、矩形部位１００Ａ３，１００Ａ４を備える。枠状部位１００Ａ１は低抵抗シリコン板の外枠部を固定する部位である。円柱部位１００Ａ２は各固定構造部の支柱部を固定する部位である。矩形部位１００Ａ３は支持アンカー６０Ａ〜６０Ｄの一端部を固定する部位である。矩形部位１００Ａ４は支持アンカー６０Ｅ，６０Ｆを固定する部位である。本実施形態では、矩形部位１００Ａ３，１００Ａ４を振動子５１の中心を通るＸ軸に対向する領域に配置し、この領域内で振動子５１を固定している。
【００５９】
図１０（Ｂ）は、振動ジャイロ１００における剪断歪みの影響を説明する図である。振動ジャイロ１００の筐体に剪断歪みが作用する場合、固定点Ａ１，Ａ２および固定点Ｂ１，Ｂ２が振動子５１の中心を回転中心にしてＸ−Ｙ面で回転変位する。その際、振動子５１は、前述の矩形部位１００Ａ３，１００Ａ４で支持され、その支持方向が支持板１００Ａの法線方向なので、振動子５１に作用する剪断歪みが極めて低減したものになり、振動子５１は形状を維持したまま固定点の回転変位方向と同方向に回転する。
したがって、本実施形態に係る振動ジャイロ１００は、剪断歪みが作用しても振動子５１の形状を維持でき、駆動方向と検出方向との直交性を維持して検出信号に不要信号が混入することを抑止できる。
【００６０】
次に、本発明の実施例と従来例とに対して行ったシミュレーションについて説明する。シミュレーションでは、剪断歪みの歪み量を０．００１に設定し、剪断歪みによる固定部の変位を振動子モデルに印加して、静解析によって振動子モデルの変形状態を観察した。
図１１は、本発明の実施例と従来例とのそれぞれでの、剪断歪みによる変形をシミュレーションした結果を説明する図である。図１１（Ａ）は従来の振動ジャイロ３０１を、図１１（Ｂ）は第２の実施形態と同様な構成から支持アンカーを省いた従来例の振動ジャイロ４０１を、図１１（Ｃ）は第２の実施形態の振動ジャイロ１００を、図１１（Ｄ）は第１の実施形態の振動ジャイロ５０を示している。
従来例の振動ジャイロ３０１，４０１は、固定点が壁面に支持されているために、剪断歪みの作用により振動子の固定点が回転する回転変位方向とは逆方向に支持アンカーが傾いて、大きな変形が生じている。一方、実施例の振動ジャイロ５０，１００は、振動子の固定点が支持板に支持されているために、支持アンカーが固定点の回転変位方向と同方向に回転して、ほとんど変形が生じていない。
【００６１】
このシミュレーションの変形状態におけるモーダル解析を行い、駆動振動時の検出方向へのブレ量を計算した。すると、従来例の振動ジャイロ３０１では振幅３μｍあたりの駆動振動時の検出方向へのブレ量が６１．０ｎｍとなり、従来例の振動ジャイロ４０１では振幅３μｍあたりの駆動振動時の検出方向へのブレ量が１４７．６ｎｍとなった。一方、本発明の実施例の振動ジャイロ５０では振幅３μｍあたりの駆動振動時の検出方向へのブレ量が６．１ｎｍとなり、振動ジャイロ１００では振幅３μｍあたりの駆動振動時の検出方向へのブレ量が６．３ｎｍとなった。
【００６２】
このようにシミュレーションのモーダル解析からも、駆動振動時の検出方向へのブレ量が本発明の実施例では従来例の１／１０となることが確認でき、本発明の振動ジャイロでは剪断歪みの影響による振動子の変形を抑制できることが確認できた。
【符号の説明】
【００６３】
１，５１…振動子
１０Ａ，６０Ａ〜６０Ｆ…支持アンカー
１１Ａ，６１Ａ〜６１Ｆ…サブアンカー
１２Ａ，１２Ｂ，６２Ａ，６２Ｂ…駆動梁
１３Ａ〜１３Ｃ，６３Ａ〜６３Ｄ…駆動質量部
１４Ａ，１４Ｂ，６４Ａ，６４Ｂ…駆動櫛歯部
１５Ａ〜１５Ｄ，１６Ａ〜１６Ｄ，６５…検出梁
１７Ａ〜１７Ｄ，６７Ａ，６７Ｂ…検出質量部
１８Ａ〜１８Ｄ，６８Ａ，６８Ｂ…検出櫛歯部
１９Ａ，１９Ｂ，６９Ａ，６９Ｂ…モニタ櫛歯部
２Ａ，２Ｂ，７２…検出用固定構造部
３Ａ，３Ｂ，７３…駆動用固定構造部
４Ａ，４Ｂ，７４…モニタ用固定構造部
２１，３１，４１…支柱部
２２，３２，４２…線状部位
２３，３３，４３…櫛歯電極
５…外枠部
５０，１００…振動ジャイロ
５０Ａ，１００Ａ…支持板（蓋板）
５０Ａ１，１００Ａ１…枠状部位
５０Ａ２，１００Ａ２…円柱部位
５０Ａ３，１００Ａ３，１００Ａ４…矩形部位
５０Ｂ…低抵抗シリコン板
５０Ｃ…底板
Ａ１，Ａ２，ＢＡ，Ｂ２…固定点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2011242256.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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