(57)【要約】【課題】参照振動により検出信号に発生するノイズを低減することにより、高精度な角速度検出を行うことができる角速度センサを提供することである。【解決手段】角速度センサは、参照振動子２と、検出振動子４と、参照振動発生手段６と、検出手段７とを有する。参照振動子２は、第１の回転軸Ａを中心として往復回転振動可能に支持される。検出振動子４は、参照振動子２の往復回転振動と外部から入力する角速度により発生するコリオリ力によって、第１の回転軸Ａとは異なる第２の回転軸Ｂを中心として回転する様に、参照振動子２により往復回転振動可能に支持される。参照振動発生手段６は、参照振動子２を第１の回転軸Ａを中心として往復回転振動させる。検出手段６は、参照振動子２と検出振動子４の相対的な位置を検出し、検出振動子４の第２の回転軸Ｂを中心とした回転の大きさによってコリオリ力を検出することで角速度を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の回転軸を中心として往復回転振動可能に支持された参照振動子と、
前記参照振動子により前記第１の回転軸とは異なる第２の回転軸を中心として往復回転振動可能に支持された検出振動子と、
前記参照振動子を往復回転振動させる参照振動発生手段と、
前記検出振動子の往復回転振動に伴う前記検出振動子の前記参照振動子に対する変位量を検出する検出手段と、
を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記第１の回転軸と前記第２の回転軸は直交することを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記検出振動子は平板状であり、前記第１の回転軸は、中立位置にある時の前記検出振動子の平面に垂直であることを特徴とする請求項２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記検出手段は、前記参照振動子と前記検出振動子間の静電容量を検出する手段を含むことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記検出手段は、前記検出振動子を支持する支持部に設けたピエゾ抵抗素子又は圧電素子から成る歪み検出手段を含むことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記参照振動子と前記検出振動子の対向する面において、両者の少なくとも一方が、貫通孔又は凹部を有していることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記貫通孔又は凹部は、前記第２の回転軸から距離が遠くなるほど密に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の角速度センサ。
【請求項８】
前記第２の回転軸は、断面形状がＸ字形状であることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の角速度センサ。
【請求項９】
前記第２の回転軸と直交する第３の回転軸を中心として往復回転可能に前記参照振動子により支持された第２の検出振動子を、更に有し、
前記検出手段は、前記参照振動子と前記第２の検出振動子の変位量を検出することを特徴とする請求項１から８の何れか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、角速度を検出するためのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
今までに、MEMS（Micro
Electro Mechanical Systems）を用いた振動型角速度センサが提案されている。これは、振動子を或る振幅で参照振動させておき、検出対象である角速度が外部から入力された時に発生するコリオリの力（転向力ともいう。以下、コリオリ力と記す。）を、振動子の振動の変位として検出する方式を用いている。コリオリ力の方向は、参照振動の方向と角速度の方向とで決まる。従って、振動子は、参照振動の方向にも、コリオリ力の方向（検出の方向）にも容易に振動可能な構成とする必要がある。そのため、参照振動用の振動子（参照振動子）と検出用の振動子（検出振動子）を、分離して構成するダブル・フレーム方式が提案されている。
【０００３】
ダブル・フレーム方式の角速度センサには、参照振動子により検出振動子を支持しており、参照振動子と検出振動子の相対的な変位を検出する検出手段を有した構成のものがある（特許文献１参照）。これにより、参照振動子の振動が持つ検出方向の成分が、検出手段の検出信号に重畳される問題が低減される。
【０００４】
また、円盤状検出振動子を支持したドーナツ型参照振動子を、往復回転振動させ、角速度による検出振動子の傾きを検出する構成としたものがある（特許文献２参照）。これにより、参照振動子の振動によって、検出振動子が振動してしまうことによる、検出信号の精度が低下する問題が低減される。
【特許文献１】特許登録３３３６７３０号公報
【特許文献２】米国特許  第６３７４６７２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
振動型角速度センサでは、角速度を検出するための検出振動子の変位量は、参照振動子の参照振動の変位量に対して、一般的に、数百から数千分の一程度の大きさしかない。そのため、大きな参照振動子の動きの中で、微小な検出振動子の動きを検出する必要がある。従って、参照振動によりノイズ成分（参照振動方向とは異なる方向の振動等）が発生すると、検出手段で検出されてしまう。このノイズ成分は、高精度な角速度検出を行おうとする場合には、角速度の検出精度を低下させる大きな原因となる。
【０００６】
一般に、参照振動子は、参照振動子の構造・参照振動子を支持している部材の構造・参照振動子の駆動手段の印加する駆動力などについて、製造工程の加工精度の誤差により、非対称性を有している。そのため、参照振動子は、所定の参照振動方向以外の方向へのブレ成分を含んで振動を行うことになる。これらのことは、ダブル・フレーム方式の角速度センサでも、同じことが言える。
【０００７】
参照振動により発生するノイズの原因としては、以下の２つに大きく分けることができる。（1）参照振動子の振動自体を、検出手段で検出信号と誤って検出する。（2）参照振動により（例えば、角速度ωの入力がない場合でも）励起された検出振動子の振動を、検出手段で検出信号と誤って検出する。
【０００８】
このことを、上記特許文献の角速度センサについて、図を用いて説明する。図７（b）、（c）に示す特許文献１の角速度センサでは、参照用の振動体１０と検出用の振動体１６とを分けて構成し、参照用の振動体１０と検知用の振動体１６の相対位置の変化により角速度を検出手段１５で検出している。この構成では、参照用の振動体１０が所望と異なる方向（例えば、図７（b）のＸ軸方向）に振動を発生した場合でも、検出手段１５は参照用の振動体と検出用の振動体の相対位置を検出しているので、検出信号にノイズが発生し難い。つまり、上記原因（1）によるノイズを低減することができる。
【０００９】
しかし、角速度によるコリオリ力を検出するために、検出振動体１６は検出方向（図７（b）のＸ軸方向）への振動が発生し易い構成で支持されている。そのため、検出方向と同一面内の直線往復振動方向を持つ参照振動が、検出方向への直線往復振動の成分を持っていると、検出振動体には、角速度の入力が無い場合でも、微小な振動が発生する可能性がある。よって、高精度な角速度の検出を行う場合には、上記原因（2）によって検出信号に発生した微小なノイズが、検出精度を低下させる可能性がある。
【００１０】
図７（a）に示す特許文献２の角速度センサでは、参照振動子７６は基板６８に垂直な回転軸を持ち、検出振動子７０は基板６８に平行な回転軸７２、７４を持ち、それぞれの回転軸を中心とした往復回転運動を行う構成としている。この構成では、異なる回転軸の周りで両振動子がそれぞれ往復回転運動を行うので、参照振動子７６が持つ振動成分が、検出振動子７０に伝わり難くなり、それにより検出振動子７０のノイズ成分の振動が発生し難くなる。そのため、特許文献１の構成に比べて、参照振動が検出振動子に与える影響を大幅に低減することができる。つまり、上記原因（2）によるノイズを低減することができる。
【００１１】
一方、検知手段は、両振動子に対して固定の基板（上記基板６８と貼り合わされている）側にある一対の半円状検知電極（不図示）と、これらと向き合って配置される検出振動子７０との間の静電容量を検出する。半円状の検知電極により、上記固定の基板に対する検出振動子７０の位置関係を検出することができる。
【００１２】
しかし、参照振動子７６が回転軸からずれた往復回転振動を行った場合や、上記固定の基板に対して傾く運動成分を持った場合には、検出振動子７０が振動していなくても、参照振動子７６と上記一対の半円状検知電極の対向面積の関係が変化する。そのため、上記原因（1）により、検出信号に微小なノイズが発生する可能性がある。こうして、高精度な角速度の検出を行う場合には、上記原因（1）による微小なノイズが、検出精度を低下させる可能性がある。
【００１３】
加えて、特許文献２の角速度センサでは、参照振動子７６の参照振動により、検出振動子７０の回転軸７２、７４がブレてしまう。つまり、検出振動子７０の固定基板に対する角速度による傾きを検出する際、検出振動子７０の回転軸が、固定基板側にある上記一対の半円状の検知電極を分離した平行線とずれを生じてしまう。そのため、厳密にいうと、検知手段で検出する検出振動子７０の傾き成分に、参照振動子７６のブレ成分が混入する可能性がある。これは、高精度な角速度の検出を行う場合には、検出精度を低下する原因となる可能性がある（上記原因（1）の理由の一つ）。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題に鑑み、本発明の角速度センサは、第１の回転軸を中心として往復回転振動可能に支持された参照振動子と、参照振動子により第１の回転軸とは異なる第２の回転軸を中心として往復回転振動可能に支持された検出振動子と、参照振動子を往復回転振動させる参照振動発生手段と、検出振動子の往復回転振動に伴う検出振動子の参照振動子に対する変位量を検出する検出手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のセンサ構成を用いると、参照振動により検出信号に発生するノイズを低減することができる。それにより、高精度に角速度を検出できるセンサを提供することができる。
【００１６】
より具体的には、参照振動子が、参照振動以外の振動成分（振動ブレ成分）を持っている場合でも、検出信号に発生するノイズを低減することができる。本発明の構成を用いることにより、検出手段において、参照振動の往復振動成分やその振動ブレ成分が検出され難いため（上記原因（1）の克服）、検出信号のノイズを低減することができる。また、例えば、角速度の入力がない場合にも、参照振動のブレによって検出振動子の振動が発生することを抑制することができるため（上記原因（2）の克服）、検出信号のノイズを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態を説明する。本発明の角速度センサの一実施形態は、下記の様な参照振動子と、検出振動子と、参照振動発生手段と、検出手段とを有する。参照振動子は、第１の回転軸を中心として往復回転振動可能に支持基板により支持される。検出振動子は、参照振動子の往復回転振動と外部から入力する角速度により発生するコリオリ力によって、例えば、第１の回転軸と直交する第２の回転軸を中心として回転する様に、参照振動子により往復回転振動可能に支持される。参照振動発生手段は、例えば、静電気力により、参照振動子を第１の回転軸を中心として往復回転振動させるものである。検出手段は、参照振動子と検出振動子の相対的な位置を、例えば、両者間の静電容量により、検出し、検出振動子の第２の回転軸を中心とした回転の大きさによってコリオリ力を検出することで角速度を検出するものである。
【００１８】
前記検出振動子を保持する部材である参照振動子は、例えば、シリコンで形成される。また、前記参照振動子をその外縁の外側から保持する部材である支持基板も、例えば、シリコンで形成することができる。
【００１９】
本実施形態を含む本発明による角速度センサの上記課題を解決する原理は次の通りである。参照振動により検出信号に発生するノイズを低減する角速度センサを提供するにあたり、本発明者は、「（１）参照振動子と検出振動子の振動方向」と、「（２）検出振動子の振動の検出手段」に注目した。そして、本発明では、（１）参照振動子と検出振動子の振動方向を、それぞれが持つ回転軸を中心とした往復回転振動とし、（２）検出振動子の振動の検出手段を、参照振動子と検出振動子の相対的な位置を検出するものとした。これにより、異なる回転軸の周りで両振動子がそれぞれ往復回転運動を行うので、参照振動子が持つ振動成分が検出振動子に伝わり難くなり、上記原因（2）が克服できる。また、参照振動子と検出振動子の相対的な位置を検出する検出手段においては、ブレ成分に応じて検出手段も変位するため参照振動の往復振動成分やその振動ブレ成分が検出され難くなり、上記原因（1）が克服できる。
【実施例】
【００２０】
以下、図面を用いて、本発明の実施例を具体的に説明する。
【００２１】
（第１の実施例）
図１に、第１の実施例の角速度センサを説明する分解斜視図を示す。図１において、１は支持基板、２は参照振動子、３は参照振動子２の支持部材、４は検出振動子、５は検出振動子４の支持部材、６は参照振動子２の駆動手段（参照振動発生手段）、７は検出振動子４の振動の検出手段である。
【００２２】
本実施例では、図１（ａ）と図１（ｂ）で示す様に、２つの別体の部分からなる参照振動子２を備える。本実施例の角速度センサは、図１（ａ）の参照振動子２の下部に、図１（ｂ）の参照振動子２を貼り合わせることにより、作製することができる。
【００２３】
円環状の参照振動子２は、回転軸Ａの周りに等角度間隔で配された４つの部分からなる支持部材３により、基板１から支持されている。軸Ａは、当該検出振動子に何も力が加わっていない中立位置にあるときの円盤状の検出振動子４に対して、垂直である第１の回転軸である。参照振動子２は、上記支持部材３により支持されつつ、第１の回転軸Ａを中心として、矢印Ｃの方向に往復回転振動可能な構成になっている。
【００２４】
検出振動子４は、所定の直線（軸Ｂ）に沿って伸びる２つの部分からなる支持部材５により、参照振動子２から支持されている。軸Ｂは、基板１に対して平行であり軸Ａと直交する第２の回転軸である。検出振動子３は、ねじりばねとして働く上記支持部材５により支持されつつ、第２の回転軸Ｂを中心として、矢印Ｄの方向に往復回転振動可能な構成になっている。
【００２５】
駆動手段６は、第１の回転軸Ａを中心とした矢印Ｃの方向への、参照振動子２の往復回転振動（参照振動）を発生させる。センサの検出動作中は常時、所定の参照振動を持続させる。それにより、軸Ａ及び軸Ｂと直交する軸Ｅを中心とした角速度成分を有する角速度ωがセンサに入力された場合、検出振動子４において、参照振動と角速度ωの上記角速度成分の大きさに対応したコリオリ力が、矢印Ｄの方向に発生する。このコリオリ力により、第２の回転軸Ｂを中心とした矢印Ｄの方向へ、検出振動子４の往復回転振動が発生する。
【００２６】
検出手段７は、参照振動子２と検出振動子４の相対的な位置を検出することにより、検出振動子４の振動の変位を測定する。測定した振動変位の大きさから、入力された角速度ωについて、軸Ｅを中心とした角速度成分の大きさを検出する構成になっている。検出手段７は、具体的には、図１（ｂ）に示す参照振動子２の部分上に配置した２つの検知電極７と、検出振動子４の裏面に配置した検知電極７（図１（ａ）において破線で示している）間の静電容量を測定する手段である。検知電極７は、配置する部分が平板状であるので、形成し易い。図１（ｂ）の検知電極７が形成されている参照振動子２の部分上の平面と、検知電極７が形成されている検出振動子４上の平面は、角速度ωの入力がないときは、或るギャップをもって平行な関係となっている。ここでは、図１（ｂ）の参照振動子２の部分の円環状周辺部が中心部より高くなってスペーサの役割を果たすことで、このギャップを実現している。図１（ｂ）の参照振動子２上の検知電極７は、検出振動子４と対向する参照振動子２の部分の面上に配置されており、軸Ｂと平行な直線Ｆで半円状の形状に２分割されている。
【００２７】
本実施例の動作を説明する。ここで、第１の回転軸Ａを中心とした往復回転振動方向Ｃに、参照振動をしている場合を考える。検出振動子４は、支持部材５によって参照振動子２から支持されており、第２の回転軸Ｂ中心の矢印Ｄの方向の往復回転振動を最も発生し易く、他の方向には振動を発生し難い構成になっている。そのため、検出振動子４は参照振動子２の動きに合わせて、第１の回転軸Ａを中心とした方向Ｃに往復回転振動を行う。よって、検出振動子４と参照振動子２との相対的な位置関係は、変化しない。同様に、第２の回転軸Ｂと検知電極７の中心線Ｆとの位置関係も固定されたままで、平行な関係が維持される。
【００２８】
この状態で、角速度ωが入力された場合を考える。発生したコリオリ力の大きさに応じて、第２の回転軸Ｂを中心として、検出振動子４は矢印Ｄの方向に往復回転振動を行う。ここで、回転軸Ａと回転軸Ｂは直交するので、コリオリ力による振動は回転軸Ｂの周りにより効率良く発生する。その際、回転軸Ｂと検知電極７の中心線Ｆとの位置関係が固定されているため、参照振動子２の部分上の検知電極７と検出振動子４上の検知電極７間の静電容量の変化は、検出振動子４が第２の回転軸Ｂを中心として傾いた角度のみの関数とできる。つまり、検出手段７は、検出振動子４が第２の回転軸Ｂを中心として行った矢印Ｄの方向の往復回転振動の大きさを、参照振動の影響を受けずに正確に検出することができる。即ち、検出振動子の参照振動子に対する変位量を求めることができる。そのため、コリオリ力及び角速度を正確に検出できるため、高精度な検出ができる角速度センサを実現することができる。
【００２９】
また、発生するコリオリ力の大きさは、参照振動の大きさに対応する。ここで、感度を上げるべく、コリオリ力を大きく発生させるために参照振動の大きさを大きくしても、軸Ｂと検知電極７の中心線Ｆとの位置関係は変化しない。そのため、角速度ωに対して、より高い感度を得ることができ、より高精度な角速度の検出を行うセンサを提供できる。
【００３０】
本実施例の構成を用いない構成では、参照振動を行うことで、回転軸Ｂと検知電極７の中心線Ｆとの位置関係が変化してしまう。つまり、コリオリ力を大きく発生させるために参照振動の大きさを大きくすると、それに対応して、軸Ｂと検知電極７の中心線Ｆとの位置関係が変化してしまう。従って、参照振動の大きさに応じて検出振動が大きくなる効果が検出精度の向上に繋がりにくくなる。これは、特に、角速度を高精度に検出しようとする際に、問題となる可能性がある。
【００３１】
次に、角速度ωの入力が無く、且つ参照振動子２が第１の回転軸Ａを中心とした往復回転振動方向への参照振動をしており、その参照振動に振動ブレが含まれている場合を考える。
【００３２】
本実施例では、検出振動子４は、往復回転運動可能に支持されると共に、第２の回転軸Ｂを中心とした往復回転振動方向以外には、振動が発生し難い構成になっている。そのため、参照振動子２の振動ブレ成分に第２の回転軸Ｂを中心とした回転方向の成分がほとんどない場合は参照振動子２と検出振動子４の間は、実質的に同じ位置関係が保たれる。ここで、参照振動子２は、４つの支持部材３によって、周囲から支持されているので、第２の回転軸Ｂを中心とした回転方向への振動が極めて発生しにくいような構成になっている。
【００３３】
従って、検出手段７は、参照振動子２と検出振動子４との相対的な位置関係を検出するため、参照振動子２の振動ブレは信号として検出されない。この結果、検出振動子の参照振動子に対する変位量を求めることができる。つまり、参照振動子２の振動のブレ成分があったとしても、検出信号の精度が低下し難い角速度センサを提供することができる。
【００３４】
また、本実施例では、図１で示した様に、参照振動子２の周辺から支持部材３により保持した構成とすることにより、参照振動子２が、第２の回転軸Ｂを中心とした回転方向に振動ブレを極めて起こし難くすることができる。そのため、より検出信号の精度が低下し難い角速度センサを提供することができる。
【００３５】
加えて、本実施例の構成を用いることで、基板１の垂直方向に対する参照振動の振動ブレによる干渉を考慮することなく、検出手段の検知電極７を配置することができる。本実施例の構成を用いない構成では、垂直方向の振動ブレによる機械的な干渉を避けるために、参照振動子と検知電極の距離を離す必要があり、入力される角速度に対する検出信号の感度が低下してしまい易い。
【００３６】
つまり、前述した様に、本実施例の構成では、参照振動に振動ブレがあったとしても、検出振動子４と参照振動子２との相対的な位置関係は変化しない。この結果、検出振動子の参照振動子に対する変位量を求めることができる。そのため、参照振動子２の部分上に配置する検知電極７と、検出振動子４上に配置する検知電極間の距離を、近接して配置することができる。これにより、検出手段７で検出に用いる静電容量の値を非常に大きく取ることができ、それに伴い、非常に大きな検出信号を得ることができる。こうして、角速度ωに対して、非常に感度の高い検出を実現することができる。すなわち、ノイズが一定であるとすると、同じ角速度あたり大きな信号を検出できることになるので、高精度な角速度センサを提供することができる。
【００３７】
以上の様に、本実施例を用いることで、参照振動により検出信号に発生するノイズを低減することができ、高精度に角速度を検出するセンサを実現することができる。
【００３８】
（第２の実施例）
図２に、第２の実施例の角速度センサを説明する分解斜視図を示す。本実施例は、参照振動の発生する向き（第１の回転軸Ａの向き）が第１の実施例と異なる。それ以外は、第１の実施例と同じである。
【００３９】
図２において、１は支持基板、２は参照振動子、３は参照振動子２の支持部材、４は検出振動子、５は検出振動子４の支持部材、６は参照振動子２の駆動手段、７は検出振動子４の振動の検出手段である。
【００４０】
本実施例でも、図２（ａ）と図２（ｂ）で示す様に、２つの別体の部分から参照振動子２が構成される。この構成は、図２（ａ）の参照振動子２の下部に、図２（ｂ）の参照振動子２を貼り合わせ、更に貼り合わせた支持基板１の下部に、図２（ｃ）の支持基板１を貼り合わせることにより、作製することができる。
【００４１】
円盤状の検出振動子４に平行な軸Ａを第１の回転軸の中心として、参照振動子２は、矢印Ｃの方向に往復回転振動を行う構成になっている。駆動手段６は、第１の回転軸Ａを中心とした矢印Ｃの方向への参照振動子２の往復回転振動を、参照振動として発生させる。具体的には、図２（ｂ）の参照振動子２の下面には、回転軸Ａに平行な直線で２分割された半円状の駆動電極６（破線で示す）が形成されている。また、図２（ｃ）の支持基板１上には、同様に回転軸Ａに平行な直線で２分割された半円状の駆動電極６が形成されている。これらの駆動電極６間に静電引力を発生させることで、駆動手段を構成することができる。
【００４２】
本実施例では、軸Ｅを中心とした角速度ωがセンサに入力された場合、参照振動と角速度ωの大きさに対応したコリオリ力が、矢印Ｄの方向に発生する。このコリオリ力により、第２の回転軸Ｂを中心とした矢印Ｄの方向へ、検出振動子４の往復回転振動が発生する。検出手段７による検出の原理は、第１の実施例で説明した通りである。
【００４３】
本実施例を用いると、平板状の検出振動子４に対して垂直な軸Ｅ周りの角速度を高精度に検出するセンサを実現できる。
【００４４】
（第３の実施例）
図３に、第３の実施例の角速度センサを説明する分解斜視図を示す。第３の実施例は、検出振動子４が凹部又は貫通孔を有していることが第１の実施例と異なる。それ以外は、第１の実施例と同じである。
【００４５】
本実施例を用いた角速度センサでも、参照振動子２の振動ブレによる干渉を考慮する必要がなくなるため、図３（ｂ）の参照振動子２の部分と検出振動子４を近接して配置することができる。そのため、検出手段７に静電容量検出方式を用いた場合、同じ角速度ω入力時の検出感度を大幅に向上させることができる。
【００４６】
しかし、参照振動子２と検出振動子４間のギャップが小さくなると、ギャップ間の空気の影響を受けて運動を妨げるエアーダンピングが問題となる。そのため、検出振動子４のコリオリ力を検出する振動運動を妨げる力が発生してしまい、コリオリ力による検出の振動自体が減少してしまう。よって、ギャップの大きさや振動子の形状によっては、参照振動子２と検出振動子４を近接配置して静電容量の検出感度が大きくなる一方、エアーダンピングの影響によって検出感度が低下し、トータルとして感度が低下する場合も考えられる。本実施例は、こうした点を考慮した構成を有する。
【００４７】
図３において、１は支持基板、２は参照振動子、３は参照振動子２の支持部材、４は検出振動子、５は検出振動子４の支持部材、６は参照振動子２の駆動手段、７は検出振動子４の振動の検出手段である。本実施例の角速度センサも、図３（ａ）の参照振動子２の下部に、図３（ｂ）の参照振動子２の部分を貼り合わせることで、作製することができる。
【００４８】
本実施例の検出振動子４には、複数の貫通孔１０が設けられている。検出振動子４の第２の回転軸Ｂからの距離が遠いほど、貫通孔１０が密に配置される。
【００４９】
ここで、検出振動子４のコリオリ力を検出する振動を考える。外部からの入力である角速度によるコリオリ力が発生した時、第２の回転軸Ｂを中心として検出振動子４は往復回転振動を行う。ここで、回転軸Ｂに近い点をＵ１、回転軸Ｂに遠い点をＵ２とする。その際、検出振動子４は、回転軸Ｂに近い点Ｕ１より回転軸Ｂに遠い点Ｕ２の方が、大きく変位が起こることになる。つまり、検出振動子４が往復回転運動を行う場合、点Ｕ２の方が、図３（ｂ）の参照振動子２の部分との間のエアーダンピングの影響を大きく受けることになる。逆に、回転軸Ｂに近い点Ｕ１は、検出振動子４が幾ら大きく振動しても、それ程変位が大きくならないので、受けるエアーダンピングの影響は小さい。
【００５０】
もし、検出振動子４内に貫通孔１０が均一に配置されている場合、エアーダンピングが均一に低減されるので、検出振動子４が第１の回転軸Ａの軸方向に上下運動をし易くなる。それに対して、本実施例では、検出振動子４の中央部でのエアーダンピングの影響が比較的強くなる様にしてあるので、検出振動子４の上下方向の振動は、発生し難い。
【００５１】
こうして、本実施例の構成では、回転軸Ｂから離れる位置ほど、貫通孔１０によりエアーダンピングを低減させている。つまり、第２の回転軸Ｂを中心にして検出振動子４が往復回転振動をした際に、特にエアーダンピングの影響を受け易い領域（変位が大きい領域）での、エアーダンピングを低減できる様な構成になっている。
【００５２】
以上の様に、本実施例によると、検出振動子４が、第２の回転軸Ｂを中心とした往復回転振動を行い易く、上下運動は行い難くなる様に、エアーダンピングの影響を分布させることができる。そのため、検出振動子４が、所望の往復回転振動を行い易く、それ以外の振動を起こし難くできるので、検出感度が高くノイズの低い角速度センサを提供することができる。
【００５３】
他方、貫通孔１０を配置することで、検知電極７の表面積が小さくなるため、検出感度が若干劣化することが予想される。しかし、貫通孔１０の大きさが微小なものであれば、表面積の減少割合よりは、検出感度の低下割合が少なくなる。また、貫通孔１０の大きさにより、エアーダンピングの影響度合いが変化することも起こり得る。それに対処するためには、検出感度とエアーダンピングの影響度合いを考慮して、貫通孔１０の大きさ・形状を最適なものにすればよい。
【００５４】
上記例では、貫通孔１０を検出振動子４に配置したが、これに限らず、貫通孔１０は、検出振動子４と対向する参照振動子２の部分の領域に設けてもよい。角速度ωの検出感度は、検出振動子４の重量が重いほど大きくすることができる。そのため、貫通孔１０を、参照振動子２に形成することで、検出振動子４の重量を減らすことなく、すなわち検出感度を低下させることなく、角速度ωの検出を行うことができる。
【００５５】
また、貫通孔１０を、検出振動子４、又は、検出振動子４と対向する参照振動子２の領域に配置する形態のどちらにおいても、貫通孔１０を配置しており、検知電極７を配置していない振動子に測定用の電位を印加することが望ましい。これにより、貫通孔１０の配置により減少した感度分だけ、印加する電位を増加させることで、検知電極７での検出感度を保ったまま、エアーダンピングの影響を分布させることができる。よって、高精度に角速度を検出することができる。
【００５６】
加えて、貫通孔１０を、検出振動子４と、検出振動子４と対向する参照振動子２の領域の両方に設けてもよい。それにより、エアーダンピングの影響を大幅に低減させることが可能になり、検出振動子４が往復回転振動をより行い易くなる。それにより、より高精度な角速度の検出を行うことができる。
【００５７】
更に加えて、検出振動子４と、検出振動子４と対向する参照振動子２の領域の両方に貫通孔１０を設ける場合、それぞれの振動子の貫通孔１０をずらして配置することが望ましい。これにより、検出感度をそれ程低下させることなく、エアーダンピングの影響を分布させることができる。そのため、より高精度な角速度の検出を行うことができる。
【００５８】
また、上記例では、検出振動子４又は参照振動子２上に貫通孔１０を設けたが、貫通孔１０の代わりに凹部を用いてエアーダンピングの影響を低減させることもできる。これにより、貫通孔を作製する場合に比べて、容易に作製することができる。複数の凹部は分離されていてもよいが、溝により横方向に繋がっていて溝が端部で開放していれば、エアーダンピングの影響をより効果的に低減させることができる。
【００５９】
（第４の実施例）
図４に、第４の実施例の角速度センサを説明する分解斜視図を示す。第４の実施例は、検出振動子を複数有しており、それぞれの回転軸が直交していることが、第１の実施例と異なる。また、それに伴って、参照振動子は３つの環状部分から成っていて、参照振動子には検出手段の検知電極が配置されていない。それ以外は、第１の実施例と同じである。
【００６０】
図４において、１は支持基板、２は参照振動子、３は参照振動子２の支持部材、４は検出振動子、５は検出振動子４の支持部材、６は参照振動子２の駆動手段、８は第２の検出振動子、９は第２の検出振動子８の支持部材、７は検出振動子４、８の振動の検出手段である。
【００６１】
本実施例では、図４（ａ）と図４（ｂ）と図４（ｃ）で示す様に、３つの別体の部分から参照振動子２が構成される。本実施例の角速度センサは、図４（ｂ）の参照振動子２の上部に図４（ａ）の参照振動子２の部分を貼り合わせ、図４（ｂ）の参照振動子２の下部に図４（ｃ）の参照振動子２の部分を貼り合わせることで、作製できる。
【００６２】
また、本実施例では、第２の検出振動子８と検出振動子４は、第１の回転軸Ａの方向に積層されている。第２の検出振動子８は、軸Ａ及び軸Ｂと直交する第３の回転軸Ｇを中心とした矢印Ｈ方向への往復回転運動を行う構成になっている。軸Ｂと平行な軸Ｉ周りの角速度ωが入力されると、発生するコリオリ力によって、第２の検出振動子８は、第３の回転軸Ｇを中心とした往復回転運動を行う。第１の検出振動子４の往復回転運動については、第１の実施例で説明した通りである。すなわち、軸Ｅは、検出振動子４で検出する角速度の中心軸を示す。
【００６３】
検出手段７は、検出振動子４と第２の検出振動子８上にそれぞれ検知電極を有している。検知電極は、回転軸Ｂと回転軸Ｇに平行な直線で円を４等分した形状（検知電極Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚ）をしている。それぞれ対向した検知電極Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗが、対をなして静電容量を形成しており、検出手段７はそれぞれの検知電極Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗの静電容量を検出できる様になっている。この検知電極形状を用いることで、第２の回転軸Ｂを中心とした検出振動子４の往復回転運動と、第３の回転軸Ｇを中心とした第２の検出振動子８の往復回転運動を、同時に検出することができる。具体的には、検知電極ＷとＸの静電容量を加算した値と、検知電極ＹとＺの静電容量を加算した値の、差を計算することで、第２の回転軸Ｂを中心とした検出振動子４の往復回転運動を検出することができる。また、検知電極ＷとＹの静電容量を加算した値と、検知電極ＸとＺの静電容量を加算した値の、差を計算することで、第３の回転軸Ｇを中心とした検出振動子８の往復回転運動を検出することができる。そして、検出した往復回転運動から検出振動子の参照振動子に対する変位量を求めることができる。この検出原理は、結果的に、参照振動子２の部分に検知電極を設けた第１の実施例の検出原理と同じである。
【００６４】
本実施例によると、図１の構成と同じチップ面積で、２軸方向の角速度を検出することができる。そのため、２軸方向の角速度を高精度に検出することができる小型なセンサを提供できる
【００６５】
加えて、図１の構成の様に、検出振動子の周囲を参照振動子２や検出手段７で覆う構成になっていないため、検出振動子の往復回転運動がエアーダンピングにより妨げられる影響も低減することができる。
【００６６】
更に、本実施例では、軸Ａ方向に対称な構造（図１（ｂ）が対称の中心の面）になっているので、参照振動の振動ブレの発生自体を低減することができる。従って、より高精度な角速度検出を行うことができる。
【００６７】
また、本実施例の検出振動子４又は第２の検出振動子８に、第３の実施例と同様に、下記の様に凹部または貫通孔を設けてもよい。すなわち、検出振動子４に、第２の回転軸Ｂからの距離に比例した密度で、貫通孔を設ける。また、第２の検出振動子８には、第３の回転軸Ｇからの距離に比例した密度で、貫通孔を設ける。こうした構成とすることで、検出振動子４と第２の検出振動子８が所定の方向に往復回転運動し易い様に、エアーダンピングによる振動への影響を抑制することができる。
【００６８】
加えて、検出振動子４上に配置した貫通孔と、第２の検出振動子８上に配置した貫通孔をずらして配置することで、検知電極での検出感度を大きく落とすことなく、エアーダンピングの振動への影響を低減することができる。
【００６９】
以上の構成を用いることで、小型で２軸方向の角速度を高感度に検出することができて、その上、エアーダンピングによる検出感度の低下を減らして、検出方向の振動を発生させ易い高感度な角速度センサを実現することができる。
【００７０】
（第５の実施例）
図５に、第５の実施例の角速度センサを説明する分解斜視図を示す。第５の実施例は、検出振動子４の支持部材５の断面形状がＸ字状であることが第１の実施例と異なる。それ以外は、第１の実施例と同じである。
【００７１】
図５において、検出振動子４の支持部材５の断面形状以外は、図１と同じである。図６は、検出振動子４の支持部材５の断面形状を表した図である。検出振動子４の支持部材５は、複数の板状バネの組合せで構成されていると考えられる。図６において、それぞれの板状バネの最も撓み易い方向を矢印Ｊで示している。この矢印Ｊがそれぞれ交差する様に配置されている。
【００７２】
検出振動子４が、第２の回転軸Ｂを中心とした往復回転運動を行う場合、第２の回転軸Ｂを中心として、矢印Ｊ方向への撓みが円周状に発生することになる。つまり、第２の回転軸Ｂを中心とした往復回転運動においては、支持部材５が最も撓み易い方向の撓みのみが発生する。そのため、検出振動子４は、第２の回転軸Ｂを中心とした往復回転運動を行い易くなる。
【００７３】
一方、第２の回転軸Ｂを中心とした往復回転運動以外の方向に、検出振動子４が移動しようとすると、矢印Ｊがそれぞれ交差しているため、それぞれの板状バネがもう一方が撓む事を阻害しようとする。つまり、検出振動子４は、第２の回転軸Ｂを中心とした往復回転運動以外の方向への振動が極めて発生し難い構造になっている。
【００７４】
本実施例を用いると、検出振動子４が、第２の回転軸Ｂを中心とした往復回転振動を行い易くなり、それ以外の方向への振動を低減することができる。そのため、検出振動子４が単位角速度あたりに検出振動する大きさが大きくなり、角速度の検出感度が向上する。加えて、参照振動やその振動ブレによる検出振動以外の検出振動子４の振動が発生し難くなるので、振動子により発生する検出ノイズを低減することができる。
【００７５】
以上の様に、本実施例によると、より検出感度が高くノイズの低い角速度センサを実現することができる。
【００７６】
（その他の実施例）
本発明の角速度センサは、MEMSを用いて形状を実現することができる。例えば、複数の基板をMEMSにより加工し、それぞれを貼り合わせることにより、角速度センサの構造を実現することができる。MEMSによく用いられるシリコンは、機械特性が一般的な金属に比べ優れている。加えて、微細な構造体や、微小なギャップを容易に実現することができる。そのため、非常にQ値が高く、大きな参照振動を得ることができるため、高感度な角速度センサを実現できる可能性がある。
【００７７】
その反面、シリコンの結晶方位による物性の差が、機械特性に影響を与える場合がある。また、MEMSで厚い立体構造の加工を行う精度は、一般的な機械加工に比較して低い傾向にある。そのため、MEMSによる角速度センサは、参照振動のブレが発生し易い。
【００７８】
MEMSによる角速度センサに本発明を適用することで、参照振動のブレが発生しても、それによるノイズを低減することができる。よって、高感度な特徴を生かしつつ、参照振動のブレによるノイズの少ない高精度な角速度センサをシリコンなどを用いて実現することができる。加えて、検出手段７に、静電容量による検出手法を用いた場合、振動ブレによる機械的な干渉を考慮する必要がないため電極間を近接して配置でき、且つMEMSを用いることで微小なギャップを構成できる。そのため、更に高感度で、高精度な角速度センサを提供することができる。
【００７９】
以上の様に、本発明は、MEMSによる角速度センサの課題を解決することができ、より高精度な角速度センサを提供することができる。また、本発明の検出手段により検出するのは、検出振動子の参照振動子に対する変位量である。
【００８０】
上記の実施例では、平板電極（図２参照）間や櫛歯電極（図１などを参照）間に発生する静電引力を駆動手段６として用いたが、これに限るものではない。参照振動子２を所望の方向に参照振動できるものであれば、どの様なものも用いることができる。
【００８１】
また、上記の実施例の多くでは、検出手段７が有する半円状の検知電極を、参照振動子上に配置したが、これに限るものではない。検出振動子４（又は、第２の検出振動子８）上に配置するものでもよい。
【００８２】
また、上記の実施例では、平行電極間の静電容量の変化を検出することで、検出手段７が検出振動子の参照振動子に対する変位量を検出する構成としたが、これに限るものではない。検出振動子の回転軸周りの運動を検出することができるものであれば、どの様なものも用いることができる。例えば、静電容量による検出より感度は低下するが、検出振動子の支持部材のところにピエゾ抵抗効果を用いたピエゾ抵抗素子、又は圧電効果を用いた圧電素子から成る歪み検出手段を設ける形態も可能である。
【００８３】
また、上記の実施例では、参照振動子や検出振動子、その支持部材を図示した様な構成としたが、これに限るものではない。参照振動子と検出振動子が所望の異なる回転軸を中心とした往復回転を行うことができる構造であれば、用いることができる。例えば、参照振動子を、静電浮上法や磁気浮上法で浮上させておいて、参照振動発生手段としては別の動力で参照振動子を往復回転振動させる構成などを用いることもできる。
【００８４】
本発明の角速度センサは高精度な角速度検出を行うことができるので、本発明の角速度センサを用いることにより、例えば、高精度な姿勢検出装置や姿勢制御装置を実現することができる。ここで、姿勢検出装置は、例えば、カメラの手ブレ検出補正や、カーナビゲーションに用いることができる。また、姿勢制御装置は、例えば、姿勢制御機能を持つロボットに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の角速度センサの第１の実施例を説明する分解斜視図である。
【図２】本発明の角速度センサの第２の実施例を説明する分解斜視図である。
【図３】本発明の角速度センサの第３の実施例を説明する分解斜視図である。
【図４】本発明の角速度センサの第４の実施例を説明する分解斜視図である。
【図５】本発明の角速度センサの第５の実施例を説明する分解斜視図である。
【図６】第５の実施例における検出振動子の支持部材の断面を示す断面図である。
【図７】従来の角速度センサを示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１   支持基板
２   参照振動子
３   参照振動子の支持部材
４   検出振動子
５   検出振動子の支持部材
６   参照振動発生手段（参照振動子の駆動手段）
７   検出手段（検知電極）
８   第２の検出振動子
９   第２の検出振動子の支持部材
１０   貫通孔
【図１】
2008039669.tif 000003
【図２】
2008039669.tif 000004
【図３】
2008039669.tif 000005
【図４】
2008039669.tif 000006
【図５】
2008039669.tif 000007
【図６】
2008039669.tif 000008
【図７】
2008039669.tif 000009