(57)【要約】【課題】外乱に影響されることなく角速度を検出する振動ジャイロを提供する。【解決手段】本発明の振動ジャイロは、Ｚ軸周りの角速度を検出する振動ジャイロであって、Ｙ軸対称に配置された枠型の駆動フレーム３８ａ、３８ｂと、駆動フレーム３８ａ、３８ｂ内にＸ軸に沿って伸びる梁４４ａ、４４ｂで支持された慣性質量体３４ａ、３４ｂと、Ｙ軸に平行に共通フレーム４０から伸びて駆動フレーム３８ａ、３８ｂを支持する梁４６ａ、４６ｂと、Ｙ軸に沿って伸びて共通フレーム４０を支持する梁４８を含む。駆動フレーム３８ａ、３８ｂが振動している間に入力されたＺ軸回りの角速度は、慣性質量体３４ａ、３４ｂに作用するコリオリ力によって誘起された慣性質量体３４ａ、３４ｂの梁４４ａ、４４ｂを中心とする誘起振動に基づいて算出される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する第１、第２、及び第３の軸の中、第１の軸周りの角速度を検出する振動ジャイロであって、
それぞれ上記第２の軸を中心に揺動振動が可能でかつ上記第３の軸に平行な回転軸を中心として揺動振動が可能に設けられ、上記第３の軸について対称に配置された第１と第２の慣性質量体と、
上記第１と第２の慣性質量体を、上記第３の軸に平行な回転軸を中心として所定の周波数で互いに逆位相で振動駆動させる振動駆動手段と、
上記第１の軸周りの角速度によって励振された上記第１と第２の慣性質量体の上記第２の軸を中心とする揺動振動の変位をそれぞれ検出する振動検出手段と、
上記振動検出手段の検出結果に基づいて上記角速度を算出する角速度算出手段とを有することを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
上記第３の軸に対して対称に配置された枠型であってそれぞれ上記第２の軸に平行な質量体支持梁を有してなる第１及び第２の駆動フレームをさらに有し、上記第１の慣性質量体は、上記第１の駆動フレームが有する上記質量体支持梁によって上記第２の軸を中心に揺動振動可能に上記第１の駆動フレームに支持され、かつ上記第２の慣性質量体は、上記第２の駆動フレームが有する上記質量体支持梁によって上記第２の軸を中心に揺動振動可能に上記第２の駆動フレームに支持されており、
上記振動駆動手段は、上記第１及び第２の駆動フレームに対向する電極面を有する電極と該電極に振動電圧を印加する振動電圧印加手段とを有してなり、
上記第１と第２の駆動フレームの上記電極面に対向する対向面及び上記電極面の第１の軸に直交する断面はそれぞれ櫛歯形状である請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】
上記第３の軸に対して対称に配置された枠型であってそれぞれ上記第２の軸に平行な質量体支持梁を有してなる第１及び第２の駆動フレームと、第３の軸方向の加速度を算出する加速度算出手段とをさらに有し、
上記第１の慣性質量体は、上記第１の駆動フレームが有する上記質量体支持梁によって上記第２の軸を中心に揺動振動可能に上記第１の駆動フレームに支持され、かつ上記第２の慣性質量体は、上記第２の駆動フレームが有する上記質量体支持梁によって上記第２の軸を中心に揺動振動可能に上記第２の駆動フレームに支持されており、
上記振動検出手段は、第３の軸方向の加速度振動が入力されて上記第１及び第２の慣性質量体に作用する慣性力によって誘起された上記第１及び第２の慣性質量体の対応する質量体支持梁を中心とする誘起振動を検出し、
上記加速度算出手段は、上記検出された誘起振動に基づいて第３の軸方向の加速度を算出することを特徴とする請求項１記載の振動ジャイロ。
【請求項４】
上記第３の軸に対して対称に配置された枠型であってそれぞれ上記第２の軸に平行な質量体支持梁を有してなる第１及び第２の駆動フレームをさらに有し、上記第１の慣性質量体は、上記第１の駆動フレームが有する上記質量体支持梁によって上記第２の軸を中心に揺動振動可能に上記第１の駆動フレームに支持され、かつ上記第２の慣性質量体は、上記第２の駆動フレームが有する上記質量体支持梁によって上記第２の軸を中心に揺動振動可能に上記第２の駆動フレームに支持されており、
上記質量体支持梁がそれぞれ複数の梁からなる請求項１記載の振動ジャイロ。
【請求項５】
互いに直交する第１、第２、及び第３の軸の中、第１の軸周りの角速度を検出する振動ジャイロであって、
それぞれ上記第２の軸を中心に揺動振動が可能でかつ上記第３の軸に平行な回転軸を中心として揺動振動が可能に設けられ、上記第３の軸について対称に配置された第１と第２の慣性質量体と、
上記第１と第２の慣性質量体を、上記第３の軸に平行な回転軸を中心として所定の周波数で互いに逆位相で振動駆動させる振動駆動手段と、
上記第１の軸周りの角速度によって励振された上記第１と第２の慣性質量体の上記第２の軸を中心とする揺動振動の変位をそれぞれ検出する振動検出手段と、
上記第３の軸に対して対称に配置された枠型であってそれぞれ上記第２の軸に平行な質量体支持梁を有してなる第１及び第２の駆動フレームと、
それぞれ一端が上記第１又は第２の駆動フレームに接続されて、上記第１及び第２の駆動フレームをそれぞれ上記第３の回転軸について揺動振動可能に支持する第１及び第２の駆動フレーム支持梁と、
第２と第３の軸に対象に配置され、それぞれ第３の軸に平行な梁で支持されており、上記第１と第２の駆動フレーム支持梁の他端が接続される共通フレームと、
上記振動検出手段の検出結果に基づいて上記角速度を算出する角速度算出手段とを備え、
上記第１の慣性質量体は、上記質量体支持梁によって上記第２の軸を中心に揺動振動可能に上記第１の駆動フレームに支持され、
上記第２の慣性質量体は、上記質量体支持梁によって上記第２の軸を中心に揺動振動可能に第２の駆動フレームに支持されたことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項６】
上記振動駆動手段は、上記第１及び第２の駆動フレームに対向する電極面を有する電極と該電極に振動電圧を印加する振動電圧印加手段とを有してなり、
上記第１と第２の駆動フレームの上記電極面に対向する対向面及び上記電極面の第１の軸に直交する断面はそれぞれ櫛歯形状である請求項５に記載の振動ジャイロ。
【請求項７】
上記振動検出手段は、第３の軸方向の加速度振動が入力されて第１及び第２の慣性質量体に作用する慣性力によって誘起された第１及び第２の慣性質量体の対応する質量体支持梁を中心とする誘起振動を検出し、
上記加速度算出手段は、検出された誘起振動に基づいて第３の軸方向の加速度を算出することを特徴とする請求項５記載の振動ジャイロ。
【請求項８】
上記質量体支持梁、第１と第２の駆動フレーム支持梁及び上記第３の軸に平行な梁のうちのすくなくとも１つは複数の梁からなる請求項５記載の振動ジャイロ。
【請求項９】
互いに直交する第１、第２、及び第３の軸の中、第１の軸周りの角速度を検出する振動ジャイロであって、
それぞれ上記第２の軸を中心に揺動振動が可能でかつ上記第３の軸に平行な回転軸を中心として揺動振動が可能に設けられ、上記第３の軸について対称に配置された第１と第２の慣性質量体と、
上記第１と第２の慣性質量体を、上記第３の軸に平行な回転軸を中心として所定の周波数で互いに逆位相で振動駆動させる振動駆動手段と、
上記第１の軸周りの角速度によって励振された上記第１と第２の慣性質量体の上記第２の軸を中心とする揺動振動の変位をそれぞれ検出する振動検出手段と、
上記第３の軸に対して対称に配置された枠型であってそれぞれ上記第２の軸に平行な質量体支持梁を有してなる第１及び第２の駆動フレームと、
それぞれ一端が上記第１又は第２の駆動フレームに接続されて、上記第１及び第２の駆動フレームをそれぞれ上記第３の回転軸について揺動振動可能に支持する第１及び第２の駆動フレーム支持梁と、
第２と第３の軸に対象に配置され、それぞれ第３の軸に平行な梁で支持されており、上記第１と第２の駆動フレーム支持梁の他端が接続される共通フレームと、
上記振動検出手段の検出結果に基づいて上記角速度を算出する角速度算出手段とを備え、
上記第１の慣性質量体は、上記質量体支持梁によって上記第２の軸を中心に揺動振動可能に上記第１の駆動フレームに支持され、
上記第２の慣性質量体は、上記質量体支持梁によって上記第２の軸を中心に揺動振動可能に第２の駆動フレームに支持されており、
上記振動駆動手段は、
上記第１及び第２の駆動フレームが有する面と平行で対向する電極面を有する電極と該電極に振動電圧を印加する振動電圧印加手段とを有してなることを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項１０】
上記第１と第２の駆動フレームの上記電極面に対向する対向面及び上記電極面の第１の軸に直交する断面はそれぞれ櫛歯形状である請求項９に記載の振動ジャイロ。
【請求項１１】
上記振動検出手段は、第３の軸方向の加速度振動が入力されて第１及び第２の慣性質量体に作用する慣性力によって誘起された第１及び第２の慣性質量体の対応する質量体支持梁を中心とする誘起振動を検出し、
上記加速度算出手段は、検出された誘起振動に基づいて第３の軸方向の加速度を算出することを特徴とする請求項９記載の振動ジャイロ。
【請求項１２】
上記質量体支持梁、第１と第２の駆動フレーム支持梁及び上記第３の軸に平行な梁のうちのすくなくとも１つは複数の梁からなる請求項９記載の振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度を検出するジャイロに関するものであり、特に振動ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動ジャイロの一例として特許文献１のものがある。図９に示すように、特許文献１の振動ジャイロのセンサ構造体５１０は、慣性質量体５１２と、慣性質量体５１２を載置するフレーム５１４と、フレーム５１４をＸ軸に沿った梁５１６で両端支持するフレーム５１８とを有する。フレーム５１８は、他の振動ジャイロの構成要素（図示せず）によってＸ軸と直交するＹ軸に沿った梁５２０で両端支持されている。
【０００３】
フレーム５１８は梁５２０を中心として振動され、この状態でＸ軸とＹ軸に対して垂直なＺ軸周りの角速度５２２が加わると、慣性質量体５１２（フレーム５１４も含む）にコリオリ力が作用し、慣性質量体５１２が梁５１６を中心として誘起振動する。梁５１６を中心とする誘起振動の振幅は、角速度５２２と対応しており、この誘起振動を検出すれば、角速度を検出することができる。
【特許文献１】米国特許第４５９８５８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の振動ジャイロは、例えばＹ軸方向に沿ってセンサ構造体５１０を振動させるような外力（振動ノイズなどの外乱振動）が加わると、慣性質量体５１２が梁５１６を中心として振動し、この振動から角速度を誤って検出するということがある。別の観点からいえば、検出された角速度に外乱振動の影響が含まれている可能性がある。そのため、検出された角速度は正確なものと言えないことがある。
【０００５】
そこで、本発明は、外乱振動の影響を除去して角速度を正確に検出できる振動ジャイロを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る振動ジャイロは、
互いに直交する第１、第２、及び第３の軸の中、第１の軸周りの角速度を検出する振動ジャイロであって、
それぞれ上記第２の軸を中心に揺動振動が可能でかつ上記第３の軸に平行な回転軸を中心として揺動振動が可能に設けられ、上記第３の軸について対称に配置された第１と第２の慣性質量体と、
上記第１と第２の慣性質量体を、上記回転軸を中心として所定の周波数で互いに逆位相で振動駆動させる振動駆動手段と、
上記第１の軸周りの角速度によって励振された上記第１と第２の慣性質量体の上記第２の軸を中心とする揺動振動の変位をそれぞれ検出する振動検出手段と、
上記振動検出手段の検出結果に基づいて上記角速度を算出する角速度算出手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明よれば、振動ジャイロは、コリオリ力によって２つの慣性質量体に生じた誘起振動を検出し、２つの誘起振動に基づいて角速度を検出するため、外乱振動の影響はなく角速度を正確に検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
本発明に係る一実施形態の振動ジャイロの構成を図１〜４に示す。図１は振動ジャイロの内部構成を示している。図２は図１に示すＡ方向から見た断面図である。図３は後述する内部電極の配置を示すための図１の部分拡大図である。図４は後述するセンサ構造体の斜視図である。図４において示される方向Ｚは請求の範囲に記載の第１の軸が伸びる方向に対応しており、方向Ｚに伸びる軸（第１の軸に対応し、以下、「Ｚ軸」と称する。）周りの角速度を本発明に係る振動ジャイロは検出する。また、方向Ｘ、方向Ｙは請求の範囲に記載の第２、第３の軸が伸びる方向に対応しており、この方向に伸びる軸（第２、第３の軸に対応し、以下、「Ｘ軸」、「Ｙ軸」と称する。）は相互に垂直であり、両軸ともＺ軸に対して垂直である。
【０００９】
図１に示すように、全体が１０で示される振動ジャイロは、内部空間１２を有する本体１４と、内部空間１２に配置されるセンサ構造体１６とを含む。また、振動ジャイロ１０は、図２と３に示すようにセンサ構造体１６に対向するように本体１４に設けられてセンサ構造体１６を駆動させるまたはセンサ構造体１６の挙動を検出する複数の内部電極１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂを含む。さらに、振動ジャイロ１０は、本体１４外部に、センサ構造体１６を駆動させる振動駆動部（図示せず）と、センサ構造体１６の挙動として振動を検出する振動検出部（図示せず）と、振動検出部が検出した振動に基づいてＺ軸周りの角速度を算出する角速度算出部（図示せず）とを含む。
【００１０】
本実施の形態１の振動ジャイロは、センサ構造体１６が、Ｙ軸について対称に配置された２つの慣性質量体３４ａ，３４ｂを有しており、その慣性質量体３４ａ，３４ｂはそれぞれ、Ｘ軸を中心に揺動振動が可能でかつＹ軸に平行な回転軸を中心として揺動振動が可能に設けられ、２つの慣性質量体３４ａ，３４ｂが振動駆動部によってＹ軸に平行な回転軸を中心として所定の周波数で互いに逆位相で振動駆動される。そして、その状態でＺ軸周りの角速度によって励振された慣性質量体３４ａ，３４ｂのＸ軸を中心とする揺動振動の変位をそれぞれ振動検出部によって検出して、その検出結果に基づいて角速度が角速度算出部により算出される。
【００１１】
以下、本実施の形態１の振動ジャイロの構成及び動作を具体的に説明する。
本体１４は、内部空間１２を形成するために、図２に示すように複数の部材から構成されており、ベースとなるガラス基板２６と、ガラス基板２６の外縁に沿って立設されて内部空間１２を形成する囲い壁２８と、内部空間１２を密閉するためのガラスキャップ３０とから構成されている。
【００１２】
センサ構造体１６は、図４に示すように板状のフレーム３２に直方体形状の２つの慣性質量体３４ａ、３４ｂを載置して構成される。フレーム３２は、Ｚ軸が直交するように内部空間１２に配置され、図１に示すようにＸ軸とＹ軸に対して対称な形状である。
【００１３】
図３、４に示すように、フレーム３２は、慣性質量体３４ａ、３４ｂがそれぞれ載置された検出フレーム（部）３６ａ、３６ｂと、検出フレーム３６ａ、３６ｂをそれぞれ支持する駆動フレーム（部）３８ａ、３８ｂと、駆動フレーム３８ａ、３８ｂを支持する共通フレーム（部）４０と、本体１４と当接するアンカー（部）４２と、これらを接続する複数の梁から構成される。このようなフレーム３２により、センサ構造体１６は、内部空間１２内において検出フレーム（部）３６ａ、３６ｂ及び駆動フレーム（部）３８ａ、３８ｂが揺動可能にアンカー（部）４２で支持される。
【００１４】
慣性質量体３４ａ、３４ｂを載置した検出フレーム３６ａ、３６ｂは、Ｚ軸周りの角速度を検出するためにその挙動（後述する梁４４ａ、４４ｂを中心とする振動）が検出されるフレーム３２の部分である。広義には、検出フレーム３６ａ、３６ｂも慣性質量体と一緒に挙動するとともに質量を有することから慣性質量体に含まれるとみなすことができる。また別の考え方として、慣性質量体３４ａ、３４ｂのＺ方向厚みが実質的にゼロで、慣性質量として検出フレーム３６ａ、３６ｂのみを有する場合も考えられ、この場合においても本発明の主張する本質は損なわれない。検出フレーム３６ａ、３６ｂの挙動からＺ軸周りの角速度を検出する方法については後述する。検出フレーム３６ａ、３６ｂは、図３に示すようにＸ軸対称の形状（例えば、本実施形態においては四角形）で構成される。
【００１５】
駆動フレーム３８ａ、３８ｂは、上述の振動駆動部によって振動駆動されるフレーム３２の部分である。駆動フレーム３８ａ、３８ｂは、図３に示すように検出フレーム３６ａ、３６ｂを囲うような枠形状であってＸ軸対称の形状（例えば、本実施形態においては四角形）であり、Ｘ軸に沿って駆動フレームと検出フレームを接続する梁（請求の範囲に記載の質量体支持梁に対応）４４ａ、４４ｂによって検出フレームを両端支持している。
【００１６】
梁４４ａ、４４ｂは、駆動フレーム３８ａ、３８ｂに対して検出フレーム３６ａ、３６ｂが、該梁を中心としてねじれ振動可能なように構成されている。本明細書において、「梁を中心とするねじれ振動」とは、ある回転軸を中心として回転方向がある角度の範囲（所定の振幅）で周期的に変わる回転を伴う揺動振動のうち、梁の長軸を回転軸とし、梁のねじれ反力により揺動振動するものをいう。
【００１７】
また、図３に示すように、駆動フレーム３８ａ、３８ｂはＹ軸に対して対称に配置されており、共通フレーム４０と駆動フレームを接続するＹ軸に平行な梁（請求の範囲に記載の駆動フレーム支持梁に対応）４６ａ、４６ｂによって両端支持されている。
【００１８】
梁４６ａ、４６ｂは、梁４４ａ、４４ｂと同様に、共通フレーム４０に対して駆動フレーム３８ａ、３８ｂが該梁を中心としてねじれ振動可能なように構成されている。
【００１９】
アンカー４２は、図３に示すように、Ｘ軸とＹ軸が交差する位置、すなわち、フレーム３２の中心位置に配置されており、Ｙ軸に沿ったねじれ可能な梁（請求の範囲に記載の共通フレーム支持梁に対応）４８によって共通フレーム４０と接続されている。また、アンカー４２は、図２に示すように、本体１４のガラス基板２６から突出したフレーム支持部５０によって支持されている。これにより、アンカー４２を除いたフレーム３２（センサ構造体１６）は、本体１４から離れた状態で、すなわち内部空間１２内に配置された状態で維持されている。言い換えれば、センサ構造体１６は、フレーム３２のアンカー４２のみで振動ジャイロ１０の他の構成要素と当接している。このようにセンサ構造体１６を本体１４に支持させる理由を以下に説明する。
【００２０】
後述するような駆動方法を用いると梁４６ａ、４６ｂ及び対応する梁で支持された駆動フレーム３８ａ、３８ｂは、梁を含めた形状が完全に同一であれば、対応する梁４６ａ、４６ｂを中心として相互に逆位相（相対的に位相が１８０°ずれた状態）でいわゆる音叉振動する１つの共振周波数を共有する。しなしながら、実際には、構造のアンバランス状態（例えば、各梁形状、フレームの大きさや重量バランスなど）が製造プロセスのばらつきにより発生し、この結果、駆動フレーム３８ａとこれを支持する梁４６ａで決定される共振周波数と駆動フレーム３８ｂとこれを支持する梁４６ｂで決定される共振周波数にずれが生じる。一方の共振周波数で系を振動駆動すると、他方の駆動フレームでは、逆位相からの位相差が発生してしまう。
【００２１】
梁４８は、左右の駆動フレームやこれらを支持する梁の形状が製造プロセスのばらつきで同一でなくなった場合においても、左右の駆動フレームのねじれ振動の共振振動が逆位相からずれ難くなるような役割を担う。梁４８は、この目的が達成されるようなねじれ剛性、例えば断面形状や長さを有するように設計される。共通フレーム４０を支持する梁４８を導入することによって、駆動フレーム３８ａ、３８ｂは、多少の製造ばらつきがあっても１つの共振周波数を共有し、且つ逆相で振動可能なロバストな音叉振動系となる。
【００２２】
なお、フレーム３２は導電性を備え、配線５２を介して電気的に接地（または、一定のバイアス電位に固定）されている。
【００２３】
複数の内部電極１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂはフレーム３２の一部に対向する平面を有する電極であって、本体１４のガラス基板２６のセンサ構造体１６のフレーム３２の面に対して平面が平行に対向する位置に設けられている（図２参照。）。具体的な配置位置と機能を、図３を用いて説明する。
【００２４】
内部電極１８ａ、１８ｂそれぞれは、駆動フレーム３８ａ、３８ｂの外側部分（アンカー４２と反対側の部分）と対向する位置に配置され、駆動フレームを梁４６ａ、４６ｂを中心として相互に逆位相の関係で振動させるためのものである。具体的には、内部電極１８ａ、１８ｂに振動駆動部によって振動電圧（直流電圧と交流電圧とが重畳されてなる電圧）が印加されることにより、接地された駆動フレーム３８ａ、３８ｂの外側部分と内部電極との間に生じた図２に示す静電引力５４の変化によって駆動フレームを梁４６ａ、４６ｂを中心にして相互に逆位相の関係で振動させる。例えば、図４において、矢印５６方向から見た場合、駆動フレーム３８ａが梁４６ａを中心として反時計回り方向にねじれ振動し、駆動フレーム３８ｂが梁４６ｂを中心として時計回り方向にねじれ振動する。また、また、駆動フレーム３８ａ、３８ｂのねじれ振動周波数は、振動電圧の周波数に対応しており、振動電圧の周波数としては、この振動系の逆相振動の共振周波数が選択される。
【００２５】
内部電極２０ａ、２０ｂそれぞれは、駆動フレーム３８ａ、３８ｂの内側部分（アンカー４２側の部分）と対向する位置に配置され、駆動フレーム３８ａ、３８ｂが対応する梁４６ａ、４６ｂを中心として相互に逆位相の関係で振動していることを検出するものである。内部電極２０ａ、２０ｂそれぞれは、接地された駆動フレーム３８ａ、３８ｂとの間で静電容量を形成している。この静電容量は駆動フレーム３８ａ、３８ｂが振動することによって変化し、その変化は駆動フレームの対応する梁を中心とする振動振幅変化に対応している。振動ジャイロ１０の振動駆動部は、駆動フレーム３８ａ、３８ｂが対応する梁４６ａ、４６ｂを中心として相互に逆位相の関係で振動するように、検出された静電容量に基づいて内部電極１８ａ、１８ｂに印加する振動周波数を調整するように構成されている（自励発振）。静電容量の変化はＣ／Ｖ変換器（図示せず）で検出され、振動駆動部はＣ／Ｖ変換器からの電圧信号に基づいて、駆動振幅が一定値となるように内部電極１８ａ、１８ｂに印加する振動電圧を調整する。
【００２６】
内部電極２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂは、検出フレーム３６ａ、３６ｂと対向する位置に配置され、検出フレームの挙動の検出、すなわち対応する梁４４ａ、４４ｂを中心とする検出フレームの振動を検出するためのものである。内部電極２２ａ、２４ａは、検出フレーム３６ａと対向する位置に配置されており、それぞれは図３に示すようにＸ軸対称に配置されている。また、内部電極２２ｂ、２４ｂは、検出フレーム３６ｂと対向する位置に配置されており、それぞれはＸ軸対称に配置されている。振動ジャイロ１０の振動検出部による振動の検出は、内部電極２０ａ、２０ｂと同様に、接地された検出フレーム３６ａ、３６ｂと内部電極２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂとの間で形成される静電容量の変化に対応するＣ／Ｖ変換器から出力される電圧信号に基づいて行われる。
【００２７】
内部電極１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂは、対応する配線６０、６２、６４、６６、６８、７０、７２、７４を介して本体１４の外部に設けられた外部電極と電気的に接続されている。例えば、図２に示すように、内部電極１８ａ、１８ｂは、外部電極７６、７８に後述するシリコン層を介して電気的に接続されている。同様に、他の内部電極２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂも、対応する外部電極８０、８２、８４、８６、８８、９０に電気的に接続されている。内部電極１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂに対応する外部電極７６、７８、８０、８２は振動駆動部に接続され、内部電極２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂに対応する外部電極８４、８６、８８、９０は振動検出部に接続されている。
【００２８】
センサ構造体１６のフレーム３２を電気的に接地している配線５２は、外部電極９２に接続されている。
【００２９】
振動駆動部は、上述したように、内部電極１８ａ、１８ｂに所定の振動電圧を印加するように構成されている。
【００３０】
振動検出部は、上述したように、接地された検出フレーム３６ａ、３６ｂと内部電極２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂとの間で形成される静電容量の変化に対応するＣ／Ｖ変換器から出力される電圧信号に基づいて振動を検出するように構成されている。また、後述するように、検出した振動に対応する電圧信号を角速度算出部に出力するように構成されている。
【００３１】
角速度算出部は、後述するようにＺ軸回りの角速度が振動ジャイロ１０に入力されることによって生じた振動（振動検出部が検出した振動）に対応する電圧信号に基づいて角速度を検出するように構成されている。
【００３２】
次に、振動ジャイロ１０の作製方法について説明する。図５と図６は振動ジャイロ１０の作製方法を説明するためのもので、図２に対応する振動ジャイロ１０の断面を示している。以下、図５、６を参照しながら振動ジャイロ１０の作製方法を説明する。
【００３３】
まず、図５（ａ）に示すように、ウェハ基板１１０上に数μｍの厚さを有する酸化膜１１２が形成され、酸化膜１１２上にシリコン活性層１１４が形成された部材１１６（ＳＯＩウェハ：シリコン  オン  インシュレータ  ウェハ）を準備する（作製する。）。
【００３４】
次に、図５（ｂ）に示すように、シリコン活性層１１４が選択的にエッチング除去される。エッチング除去されずに残ったシリコン活性層１１４の一部が、後に振動ジャイロ１０のセンサ構造体１６のフレーム３２となる。
【００３５】
これとは別に、図５（ｃ）に示すように、後に振動ジャイロ１０の部材１１８となるガラス基板１２０（振動ジャイロ１０のガラス基板２６）に、後にセンサ構造体１６のフレーム３２のアンカー４２と当接するフレーム支持部５０を残して、言い換えるとアンカー４２以外でフレーム３２とガラス基板１２０が接触しないように凹部１２２が形成される。また、後に外部電極７６、７８、８０、８２、８４、８６、８８、９０、９２となる部分に貫通孔１２４が形成される。ガラス基板１２０への凹部１２２や貫通穴１２４の形成は、例えば、エッチングや超音波振動加工などによっておこなわれる。
【００３６】
次に、図５（ｄ）に示すように、内部電極１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂや配線６０、６２がガラス基板１２０の所定の位置に形成される。図示していないが、他の内部電極２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂや他の配線５２、６４、６６、６８、７０、７２、７４も所定の位置に形成される。これらの内部電極は、例えばアルミまたは金が選択的にスパッタリングや蒸着処理されて形成される。
【００３７】
図５（ｅ）に示すように、上述するように形成された部材１１６と１１８が、シリコン活性層１１４を有する面と凹部１２２が形成された面とを合わせた状態で接合される。部材１１６と１１８の接合は、例えば陽極接合法などを用いて行われる。
【００３８】
部材１１６と１１８を貼り合わせて形成された部材１２６においてウェハ基板１１０が所定の厚さに研磨され、続いて、図６（ｆ）に示すように、研磨されたウェハ基板１１０上に選択的にエッチングマスク１２８が配置される。
【００３９】
次に、図６（ｇ）に示すように、エッチングマスク１２８を利用してウェハ基板１１０が選択的にエッチング除去される。エッチングされずに残った部分の一部が、後に振動ジャイロ１０の慣性質量体３４ａ、３４ｂや囲い壁２８となる。
【００４０】
続いて、図６（ｈ）に示すように、酸化膜１１２がＨＦ溶液やＢＨＦ溶液により除去される。これにより、センサ構造体１６が、アンカー４２を除いて振動ジャイロ１０の他の構成要素から離される。さらに、内部空間１２を形成するために囲い壁２８上にガラスキャップ３０が陽極接合法などによって接合される。
【００４１】
さらに、図６（ｉ）に示すように貫通孔１２４に外部電極７６、７８が形成される。図示していないが、他の外部電極８０、８２、８４、８６、８８、９０、９２も形成される。外部電極は、内部電極と同一の金属材料で形成される。
【００４２】
以上の作製方法により、振動ジャイロ１０の本体１４が作製される。
【００４３】
上述の作製方法によれば、慣性質量体３４ａ、３４ｂの重心をＸＹ平面から離すことにより振動の振幅を大きくすることができる。これにより、後述するように検出フレーム３６ａ、３６ｂの振動振幅も大きくなり、ジャイロの検出感度が向上する。この慣性質量体３４ａ、３４ｂの重心をＸＹ平面から離れた位置に配置するには、慣性質量体３４ａ、３４ｂとなるウェハ基板１１０の厚さを大きくすればよい。なお、厚いウェハ基板１１０を選択的に除去して慣性質量体３４ａ、３４ｂを形成する場合、深掘りエッチング、例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥ法（誘導結合型反応性イオンエッチング）を用いるのが好ましい。
【００４４】
ジャイロの検出感度を向上させるもう１つの方法としては、慣性質量体３４ａ、３４ｂをなくし、駆動フレーム３８ａ、３８ｂ、検出フレーム３６ａ、３６ｂ自体をＸＹ平面的に大きくすることやＺ方向厚みを大きくすることが考えられる。この場合の製造方法は、上述の作製方法よりも簡素化される。初期ウェハとしてＳＯＩウェハ１１６を必要なく、代わりとしてウェハ基板１１０のみを使用する。ウェハ基板１１０を上述の活性層１１４とみなし、同様のプロセス（図５（ａ）〜（ｅ）及び図６（ｆ）〜（ｉ）に示すプロセス）を実施する。この場合、酸化膜１１２が存在しないため、酸化膜１１２の除去の工程（図６（ｈ）に示す工程）は不要になる。
【００４５】
次に、本実施の形態に係る振動ジャイロの動作について説明する。
【００４６】
図４を参照して説明すると、振動ジャイロ１０のセンサ構造体１６において、慣性質量体３４ａ、３４ｂは、振動駆動部が内部電極１８ａ、１８ｂに所定の周波数の振動電圧を印加することにより（図３参照。）、梁４６ａ、４６ｂを中心として駆動フレーム３８ａ、３８ｂを介して相互に逆位相の関係で励振されている。この状態でＺ軸周りに角速度２１０が加わると、梁４６ａ、４６ｂを中心として振動している慣性質量体３４ａ、３４ｂにコリオリ力が作用し、慣性質量体３４ａ、３４ｂに梁４４ａ、４４ｂを中心とする振動が誘起される。この誘起された梁４４ａ、４４ｂを中心とする慣性質量体３４ａ、３４ｂの振動（以下、「誘起振動」と称する。）は、入力角速度２１０に対応しており、相互に逆位相の関係であって、梁４６ａ、４６ｂを中心とする駆動振動の周波数と等しく、その最大振幅は角速度２１０に比例する（コリオリ力は、駆動振動の振幅に比例し、駆動振動速度の位相に同期して発生する。）。誘起振動の様子としては、例えば、矢印２１２から見た場合、慣性質量体３４ａは梁４４ａを中心として反時計回りにねじれ振動し、一方、慣性質量体３４ｂは梁４４ｂを中心として時計回りにねじれ振動する。
【００４７】
梁４４ａ、４４ｂを中心とする誘起振動に対応して、検出フレーム３６ａ、３６ｂとこれらと対向する内部電極２２ａ、２２ｂ、２４ａ，２４ｂとの間の静電容量が変化する。検出フレーム３６ａと電極２２ａ、２４ａの間の静電容量は、例えば、検出フレーム３６ａと電極２２ａの間の静電容量は増加し、一方、検出フレーム３６ａと電極２４ａの間の静電容量は減少するように差動的に変化する。静電容量の差動的変化はＣ／Ｖ変換器で検出され、対応する電圧信号がＣ／Ｖ変換器から出力される。
【００４８】
検出フレーム３６ａと電極２２ａ、２４ａの間の静電容量に関する差動的変化に対応するＣ／Ｖ変換器からの信号の電圧をＶａとし、検出フレーム３６ｂと電極２２ｂ、２４ｂの間の静電容量に関する静電的変化に対応する信号の電圧をＶｂとする。慣性質量体３４ａ、３４ｂが相互に逆位相の関係で梁４４ａ、４４ｂを中心にして誘起振動していることから、電圧ＶａとＶｂの関係は、Ｖａ＝−Ｖｂとなる（厳密には、電圧ＶａとＶｂの極性が逆になるように回路が構成されている必要がある。）。したがって、振動ジャイロ１０の振動検出部は、角速度に対応する電圧信号Ｖｏｕｔ＝Ｖａ−Ｖｂ＝２Ｖａ（＝−２Ｖｂ）を振動ジャイロ１０の角速度算出部に出力することになり、従来例に比較して２倍の出力感度が得られる。また、ＶａとＶｂの同相ノイズ成分は相殺されるため、検出信号のＳＮ比が向上する。角速度算出部は、駆動振動の位相と誘起振動の電圧信号振幅Ｖｏｕｔから対応する角速度を算出する。これにより、角速度が高い感度でかつ外乱振動による影響が抑制されて正確に算出される。
【００４９】
例を挙げて外乱振動の抑制について具体的に説明する。例えばＹ軸に沿って振動させるような外力（外乱振動）やＸ軸回りのねじれ振動が振動ジャイロ１０に加わると、慣性質量体３４ａ、３４ｂは、対応する梁４４ａ、４４ｂを中心にして同相で振動する。例えば、矢印２１２から見た場合、慣性質量体３４ａは梁４４ａを中心として反時計回りにねじれ振動し、一方、慣性質量体３４ｂも梁４４ｂを中心として反時計回りにねじれ振動する。この場合、電圧ＶａとＶｂの関係は、Ｖａ＝Ｖｂとなる。そのため、振動検出部から出力される信号Ｖｏｕｔは０となる。このように、振動ジャイロ１０は、原理的に慣性質量体３４ａ、３４ｂが相互に逆位相の関係で梁４４ａ、４４ｂを中心にして誘起振動する場合に信号出力するように構成されており、外力（外乱振動）によりこのような逆相の誘起振動は発生し難いことから、誤検出することがない。そのため、角速度を正確に検出することができる。
【００５０】
なお、このような外乱振動成分は電圧Ｖａ、Ｖｂの同相成分に対応しているため、これらを足し合わせることで、逆に外乱振動（Ｙ方向の加速度）を検出することも可能である。この場合、振動検出部から出力される信号に基づいて加速度を算出する加速度算出部を設ける必要がある。ただし、慣性質量体３４ａ、３４ｂのＺ方向厚みがゼロの場合は、Ｙ軸に沿った加速度により梁４４ａ、４４ｂを中心とした同相振動は発生し得ないため、この機能は無効になる。また、この場合も含めて、加速度検出の必要がない場合は、角速度検出のために、個々の慣性質量体のねじれ振動を、個々の振動検出部で処理する必要性はなく、電極２２ａと２４ｂ及び電極２４ａと２２ｂをガラス基板２６上で電気的に直接接続し、コリオリ力により発生するねじれ振動を原因とした差動容量変化を１個の振動検出部で出力することもできる。その結果、Ｃ／Ｖ変換器の数を少なくすることが可能になり、素子配線数や外部電極数を少なくして素子サイズの小型化や素子の低コスト化に貢献できるというメリットが生ずる。
【００５１】
実施の形態２．
実施の形態１おいて、平面状の電極と板状の駆動フレームの間、すなわち２つの平面間で静電引力を発生させることにより、駆動フレームを振動駆動させている。平行であれば平面でなくても静電引力を発生させることが可能であることは明らかある。
【００５２】
例えば、本発明に係る実施の形態２の振動ジャイロとして、図７に示す振動ジャイロ３１０がある。振動ジャイロ３１０は、上述の振動ジャイロ１０の内部電極１８ａ、１８ｂに代わって、櫛歯電極（対向方向の、すなわちＺ軸に直交する断面が櫛歯形状の電極）３１８ａ、３１８ｂによって駆動フレーム３３８ａ、３３８ｂを梁３４６ａ、３４６ｂを中心として振動駆動させるように構成されている。また、内部電極２０ａ、２０ｂに代わって、櫛歯電極３２０ａ、３２０ｂが、駆動フレーム３３８ａ、３３８ｂが対応する梁３４６ａ、３４６ｂを中心として相互に逆位相の関係で振動していることを検出している。
【００５３】
櫛歯電極３１８ａ、３１８ｂと協働して静電引力３５４を発生させるために、図７のＢ方向から見た断面を示す図８にも示すように、駆動フレーム３３８ａ、３３８ｂの櫛歯電極３１８ａ、３１８ｂと対向する位置に櫛歯構造体（対向方向の断面が櫛歯形状の構造体）３９４ａ、３９４ｂが設けられている。
加えて、櫛歯電極３２０ａ、３２０ｂと静電容量を形成するために、駆動フレーム３３８ａ、３３８ｂの櫛歯電極３２０ａ、３２０ｂと対向する位置に櫛歯構造体３９６ａ、３９６ｂが設けられている。
【００５４】
振動ジャイロ３１０も、上述の振動ジャイロ１０と同様の方法で作製されており、櫛歯電極３１８ａ，３１８ｂ、３２０ａ、３２０ｂ、櫛歯構造体３９４ａ、３９４ｂ、３９６ａ、３９６ｂは、慣性質量体３３４ａ、３３４ｂと同時にウェハ基板で形成される。また、振動ジャイロ３１０において、櫛歯電極３１８ａ，３１８ｂ、３２０ａ、３２０ｂ、櫛歯構造体３９４ａ、３９４ｂ、３９６ａ、３９６ｂは、絶縁膜４１２によって絶縁されている。したがって、櫛歯電極３１８ａ、３１８は導通部材３９８ａ、３９８ｂによって外部電極３７６、３７８に電気的に接続され、櫛歯構造体３９４ａ、３９４ｂ、３９６ａ、３９６ｂは、導通部４００によってフレーム３３２と電気的に接続されている。これら以外の振動ジャイロ３１０の他の構成要素は上述の振動ジャイロ１０の構成要素と同じである。
【００５５】
櫛歯電極３１８ａ、３１８ｂに振動電圧を印加すると、櫛歯構造体３９４ａ、３９４ｂとの間に静電引力が生じ、駆動フレーム３３８ａ、３３８ｂは梁３４６ａ、３４６ｂを中心としてねじれ振動する。このとき、駆動フレーム３３８ａ、３３８ｂの駆動振動の振幅は、実施の形態１に比べて大きくすることができる。理由は、原理的に、平面電極においては電極間の距離が小さくなると静電引力が大きくなるが、櫛歯電極の場合、電極間距離によらず静電引力が略一定であることによる。実施の形態１の場合、内部電極１８ａ、１８ｂと駆動フレーム３８ａ、３８ｂの距離が小さくなると増大した静電引力により接触する可能性があるため、該距離を小さくする、言い換えれば、駆動振動の振幅を大きくするのには限界がある。本実施の形態の場合、静電引力が略一定であるため、櫛歯電極３１８ａ、３１８ｂと櫛歯構造体３９４ａ、３９４ｂの間の距離を接触する直前まで駆動振動の振幅を大きくすることができる。そのため、本実施の形態は、実施の形態１に比べて駆動振動の振幅を大きくすることができ、その結果、実施の形態１に比べて高い検出感度を得られる。
【００５６】
また、本実施の形態は、櫛歯電極３１８ａ、３１８ｂと櫛歯構造体３９４ａ、３９４ｂの間の距離によらず静電引力が略一定であることから、駆動振動の制御性が高い。
【００５７】
なお、実施の形態１の振動ジャイロの製造において、上述の導通部材３９８ａ、３９８ｂや導通部４００を用いてウェハ基板１１０と活性層１１４を電気的に接続させておくと、製造プロセスにおける陽極接合性を向上することができる。
【００５８】
実施の形態２によれば、櫛歯電極を用いることにより、駆動振動の制御性が向上するとともに高い検出感度で角速度を検出できる。
【００５９】
実施の形態３．
本発明に係る実施の形態３の振動ジャイロは、揺動振動可能に保持するための梁が複数の梁で構成されている点が実施の形態１及び２の振動ジャイロと異なっている。
すなわち、本発明に係る実施の形態３の振動ジャイロは、検出フレームと駆動フレーム間、及び駆動フレームと共通フレーム間を接続する梁がそれぞれ平行した２本の独立したねじれ梁で支持されているため、駆動、検出のねじれ振動モードの周波数よりも低い外乱振動の顕著な振動周波数域に位置する他モード振動や、近接した他の振動モードが発生しにくいという特徴がある。
以下、実施の形態３に係る振動ジャイロについて詳細に説明する。
【００６０】
本発明に係る実施の形態３の振動ジャイロの構成を図１０〜１３Ｃに示す。図１０は振動ジャイロの内部構成を示している。図１１は図１０に示すＣ−Ｃの断面図である。図１２は後述する内部電極の配置を示すための図１０の部分拡大図である。図１３は駆動、検出時の動作図である。実施の形態３において、実施の形態１と同様、「Ｚ軸」「Ｘ軸」「Ｙ軸」はそれぞれ、請求の範囲に記載した第１の軸、第２の軸及び第３の軸に対応しており、これらは相互に垂直である。
【００６１】
図１０に示すように、全体が６１０で示される振動ジャイロは、内部空間６１２を有する本体６１４と、内部空間６１２に振動可能に配置されるセンサ構造体６１６とを含む。また、振動ジャイロ６１０は、図１１と図１２に示すようにセンサ構造体６１６に対向するように本体６１４に設けられてセンサ構造体６１６を駆動させるまたはセンサ構造体６１６の挙動を検出する複数の内部電極６１８ａ、６１８ｂ、６２０ａ、６２０ｂ、６２２ａ、６２２ｂ、６２４ａ、６２４ｂを含む。さらに、振動ジャイロ６１０は、本体６１４外部に、センサ構造体６１６を駆動させる振動駆動部（図示せず）と、センサ構造体６１６の挙動として振動を検出する振動検出部（図示せず）と、振動検出部が検出した振動に基づいてＺ軸周りの角速度を算出する角速度算出部（図示せず）とを含む。
【００６２】
本実施の形態３の振動ジャイロ６１０において、慣性質量体６３４ａは検出フレーム６３８ａからなり、慣性質量体６３４ｂは検出フレーム６３８ａからなる。そして、その２つの慣性質量体６３４ａ，６３４ｂは、Ｙ軸について対称に配置されている。慣性質量体６３４ａ，６３４ｂはそれぞれ、Ｘ軸を中心に揺動振動が可能でかつＹ軸に平行な回転軸を中心として揺動振動が可能に設けられ、２つの慣性質量体６３４ａ，６３４ｂが振動駆動部によってＹ軸に平行な回転軸を中心として所定の周波数で互いに逆位相で振動駆動される。そして、その状態でＺ軸周りの角速度によって励振された慣性質量体６３４ａ，６３４ｂのＸ軸を中心とする揺動振動の変位をそれぞれ振動検出部によって検出して、その検出結果に基づいて角速度が角速度算出部により算出される。
【００６３】
以下、本実施の形態３の振動ジャイロ６１０の構成及び動作をより具体的に説明する。
本体６１４は、内部空間６１２を形成するために、図１１に示すように複数の部材から構成されており、ガラス基板６２６と、ガラス基板６２６の外縁に沿って立設された囲い壁６２８と、内部空間６１２を密閉するためのガラスキャップ６３０とから構成されている。
【００６４】
図１０、図１２に示すように、センサ構造体６１６は、慣性質量体６３４ａ、６３４ｂを構成する検出フレーム（部）６３６ａ、６３６ｂ及び検出フレーム６３６ａ、６３６ｂをそれぞれ支持する駆動フレーム（部）６３８ａ、６３８ｂと、駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂを支持する共通フレーム（部）６４０と、本体６１４と当接するアンカー（部）６４２と、これらを接続する複数の梁から構成される。このように、センサ構造体６１６は、内部空間６１２内において検出フレーム（部）６３６ａ、６３６ｂ及び駆動フレーム（部）６３８ａ、６３８ｂが揺動可能にアンカー（部）６４２で支持される。
【００６５】
検出フレーム６３６ａ、６３６ｂの挙動からＺ軸周りの角速度を検出する方法については後述する。検出フレーム６３６ａ、６３６ｂは、図１２に示すようにＸ軸対称の形状（例えば、本実施形態においてはエ形）で構成される。
駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂは、上述の振動駆動部によって振動駆動される。駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂは、図１２に示すように検出フレーム６３６ａ、６３６ｂを囲うような枠形状であってＸ軸対称の形状（例えば、本実施形態においては四角形）であり、Ｘ軸に沿って駆動フレームと検出フレームを接続する梁（請求の範囲に記載の質量体支持梁に対応）６４４ａ、６４４ｂによって検出フレームを両端支持している。
【００６６】
本発明の最大の特長として、梁６４４ａ、６４４ｂは、複数本（例えば２本）で構成されており、駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂに対して検出フレーム６３６ａ、６３６ｂが、該複数梁の梁間寸法の１／２の位置を中心としてねじれ振動可能なように構成されている。
尚、梁が２本以上で構成されている場合には、その最も外側の２つの梁間寸法の１／２の位置を中心としてねじれ振動可能なように構成される。
【００６７】
また、図１０に示すように、駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂはＹ軸に対して対称に配置されており、共通フレーム６４０と駆動フレームを接続するＹ軸に平行なそれぞれ２本の梁（請求の範囲に記載の駆動フレーム支持梁に対応）６４６ａ、６４６ｂによって両端支持されている。
梁６４６ａ、６４６ｂは、梁６４４ａ、６４４ｂと同様に、共通フレーム６４０に対して駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂが該梁間の中心をねじれ中心としてねじれ振動可能なように構成されている。
【００６８】
さらに、アンカー６４２は、図１０に示すように配置されており、Ｙ軸に平行な２本の梁でそれぞれが構成されたねじれ可能な梁（請求の範囲に記載の共通フレーム支持梁に対応）６４８によって共通フレーム６４０と接続されている。また、アンカー６４２は、図１１に示すように、ガラス基板６２６によって支持されている。これにより、センサ構造体６１６は、内部空間６１２内に、ガラス基板６２６、囲い壁６２８及びガラスキャップ６３０から離れた浮いた状態で保持されている。言い換えれば、センサ構造体６１６は、アンカー６４２のみで振動ジャイロ６１０の他の構成要素と当接している。このように、各梁を複数にして、センサ構造体６１６を本体６１４に支持させる理由を以下に説明する。
【００６９】
以上のように構成されたセンサ構造体６１６において、梁６４６ａ、６４６ｂ及び対応する梁で支持された駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂが梁を含めた形状が同一である。従って、後述するような駆動方法を用いると、駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂは、対応する梁６４６ａ、６４６ｂを中心として相互に逆位相（相対的に位相が１８０°ずれた状態）でいわゆる音叉振動し、同一の共振周波数を有する。
【００７０】
しなしながら、実際には、製造プロセスのばらつきにより、構造のアンバランス（例えば、各梁形状、フレームの大きさや重量バランスなど）が発生し、この結果、駆動フレーム６３８ａとこれを支持する梁６４６ａで決定される共振周波数と駆動フレーム６３８ｂとこれを支持する梁６４６ｂで決定される共振周波数にずれが生じる。このようにアンバランスがある場合に、一方の共振周波数で系を振動駆動すると、他方の駆動フレームでは、逆位相からの位相差が発生してしまう。
【００７１】
このとき、複数の梁で構成された梁６４８は、左右の駆動フレームやこれらを支持する梁の形状が製造プロセスのばらつきで同一でなくなった場合においても、左右の駆動フレームのねじれ振動の共振振動が逆位相からずれ難くなるような役割を担う。すなわち、梁６４８は、この目的が達成されるようなねじれ剛性、例えば断面形状や長さを有するように設計される。共通フレーム６４０を、このように設計された複数の梁からなる梁６４８によって支持することにより、駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂは、多少の製造ばらつきがあっても１つの共振周波数を共有し、且つ逆相で振動可能なロバストな音叉振動系となる。
【００７２】
また、センサ構造体６１６は導電性を備え、配線６５２を介して電気的に接地（または、一定のバイアス電位に固定）されている。
複数の内部電極６１８ａ、６１８ｂ、６２０ａ、６２０ｂ、６２２ａ、６２２ｂ、６２４ａ、６２４ｂは、センサ構造体６１６の一部に対向する面を有する電極であって、センサ構造体６１６に平行に対向するように設けられている（図１１参照。）。具体的な配置位置と機能を、図１２を用いて説明する。
【００７３】
内部電極６１８ａ、６１８ｂそれぞれは、駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂの外側部分（アンカー６４２と反対側の部分）と対向する位置に配置され、駆動フレームを梁６４６ａ、６４６ｂを中心として相互に逆位相の関係で振動させるためのものである。具体的には、内部電極６１８ａ、６１８ｂに振動駆動部によって振動電圧（直流電圧と交流電圧とが重畳されてなる電圧）が印加されることにより、接地された駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂの外側部分と内部電極との間に生じた静電引力の変化によって駆動フレームを梁６４６ａ、６４６ｂを中心にして相互に逆位相の関係で振動させる。
【００７４】
例えば、図１３ＡのＤ−Ｄ断面で見た場合、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示すように、駆動フレーム６３８ａが梁６４６ａを中心として反時計回り方向にねじれ振動し、駆動フレーム６３８ｂが梁６４６ｂを中心として時計回り方向にねじれ振動する。また、駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂのねじれ振動周波数は、振動電圧の周波数に対応しており、振動電圧の周波数としては、この振動系の逆相振動の共振周波数が選択される。
【００７５】
内部電極６２０ａ、６２０ｂそれぞれは、駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂの内側のフレーム部分と対向する位置に配置され、駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂの振動を検出するものである。すなわち、内部電極６２０ａ、６２０ｂはそれぞれ、接地された駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂとの間で静電容量を形成する。したがって、この静電容量は駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂが振動することによって変化し、その変化は駆動フレームの対応する梁を中心とする振動振幅変化に対応している。
【００７６】
振動ジャイロ６１０の振動駆動部は、駆動フレーム６３８ａ、６３８ｂが対応する梁６４６ａ、６４６ｂを中心として相互に逆位相の関係で振動するように、検出された静電容量に基づいて内部電極６１８ａ、６１８ｂに印加する振動周波数を調整するように構成されている（自励発振）。静電容量の変化はＣ／Ｖ変換器（図示せず）で検出され、振動駆動部はＣ／Ｖ変換器からの電圧信号に基づいて、駆動振幅が一定値となるように内部電極６１８ａ、６１８ｂに印加する振動電圧を調整する。
【００７７】
内部電極６２２ａ、６２２ｂ、６２４ａ、６２４ｂは、検出フレーム６３６ａ、６３６ｂと対向する位置に配置され、検出フレームの挙動を検出する。すなわち対応する梁６４４ａ、６４４ｂを中心とする検出フレームの振動を検出するためのものである。内部電極６２２ａ、６２４ａは、検出フレーム６３６ａと対向する位置に配置されており、それぞれは図１２に示すようにＸ軸対称に配置されている。また、内部電極６２２ｂ、６２４ｂは、検出フレーム６３６ｂと対向する位置に配置されており、それぞれはＸ軸対称に配置されている。振動ジャイロ６１０の振動検出部による振動の検出は、内部電極６２０ａ、６２０ｂと同様に、接地された検出フレーム６３６ａ、６３６ｂと内部電極６２２ａ、６２２ｂ、６２４ａ、６２４ｂとの間で形成される静電容量の変化に対応するＣ／Ｖ変換器から出力される電圧信号に基づいて行われる。
【００７８】
内部電極６１８ａ、６１８ｂ、６２０ａ、６２０ｂ、６２２ａ、６２２ｂ、６２４ａ、６２４ｂは、対応する配線６６０、６６２、６６４、６６６、６６８、６７０、６７２、６７４を介して本体６１４の外部に設けられた外部電極と電気的に接続されている。例えば、図１０に示すように、内部電極６１８ｂは、外部電極６７８に、シリコン層を介して電気的に接続されている。同様に、他の内部電極６１８ａ、６２０ａ、６２０ｂ、６２２ａ、６２２ｂ、６２４ａ、６２４ｂも、対応する外部電極６７６、６８０、６８２、６８４、６８６、６８８、６９０に電気的に接続されている。内部電極６１８ａ、６１８ｂ、６２０ａ、６２０ｂに対応する外部電極６７６、６７８、６８０、６８２は振動駆動部に接続され、内部電極６２２ａ、６２２ｂ、６２４ａ、６２４ｂに対応する外部電極６８４、６８６、６８８、６９０は振動検出部に接続されている。
【００７９】
センサ構造体６１６は、外部電極６９２を介して電気的接続されている。
振動駆動部は、上述したように、内部電極６１８ａ、６１８ｂに所定の振動電圧を印加するように構成されている。
振動検出部は、上述したように、接地された検出フレーム６３６ａ、６３６ｂと内部電極６２２ａ、６２２ｂ、６２４ａ、６２４ｂとの間で形成される静電容量の変化に対応するＣ／Ｖ変換器から出力される電圧信号に基づいて振動を検出するように構成されている。また、後述するように、検出した振動に対応する電圧信号を角速度算出部に出力するように構成されている。
【００８０】
角速度算出部は、後述するようにＺ軸回りの角速度が振動ジャイロ６１０に入力されることによって生じた振動（振動検出部が検出した振動）に対応する電圧信号に基づいて角速度を検出するように構成されている。
【００８１】
次に、振動ジャイロ６１０の作製方法について説明する。図１４Ａ、図１４Ｂは、振動ジャイロ６１０の作製方法を説明するためのもので、断面図で示している。以下、図１４Ａ及び図１４Ｂを参照しながら振動ジャイロ６１０の作製方法を説明する。
まず、図１４Ａの（ａ）に示すように、ウェハ基板７１０に静電容量を構成するためにＫＯＨなどでエッチングすることにより段差を形成する。
次に、図１４Ａの（ｂ）に示すように、段差部にＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合型反応性イオンエッチング）によるオーバーエッチを防止するために酸化膜７１２を形成する。
【００８２】
これとは別に、図１４Ａの（ｃ）に示すように、ガラス基板６２６に、内部電極６１８ｂ、６２２ｂ、６２４ｂを形成する。図示していないが、他の内部電極６１８ａ、６２０ａ、６２０ｂ、６２２ａ、６２４ａや配線６６０、６６２、６６４、６６６、６６８、６７０、６７２、６７４も所定の位置に形成される。これらの内部電極は、例えばアルミまたは金が選択的にスパッタリングや蒸着処理されて形成される。
【００８３】
次に、図１４Ａ（ｄ）に示すように、段差が形成されたウェハ基板７１０と、内部電極が形成されたガラス基板６２６を接合する。ウェハ基板７１０とガラス基板６２６の接合は、例えば陽極接合法などを用いて行われる。
【００８４】
次に、図１４Ａ（ｅ）に示すように、ウェハ基板７１０上に外部電極６９２を形成する。図示していないが、他の外部電極６７６,６７８,６８０，６８２，６８４，６８６，６８８，６９０も所定の位置に形成される。
【００８５】
次に、図１４Ｂ（ｆ）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥでシリコンを保護するエッチングマスク７２８を形成する。この保護膜は、例えば、レジストまたはアルミで形成される。
【００８６】
次に、図１４Ｂ（ｇ）に示すように、エッチングマスク７２８が形成されていない部分にあるウェハ基板７１０が選択的にエッチング除去される。エッチングされずに残った部分が、後に振動ジャイロ６１０の慣性質量体６３４ａ、６３４ｂや囲い壁６２８となる。
【００８７】
続いて、図１４Ｂ（ｈ）に示すように、酸化膜７１２がＨＦ溶液又はＢＨＦ溶液等を用いて除去される。これにより、センサ構造体６１６を構成する部分が、アンカー６４２を除いて振動ジャイロ６１０の他の構成要素から離される。
【００８８】
さらに、図１４Ｂ（ｉ）に示すように、内部空間６１２を形成するために囲い壁６２８上にガラスキャップ６３０が陽極接合法などによって大気圧下又は真空環境下で接合される。
以上の作製方法により、振動ジャイロ６１０の本体６１４が作製される。
【００８９】
次に、本実施の形態に係る振動ジャイロの動作について、図１３Ａ〜図１３Ｃ等を参照して説明する。
振動ジャイロ１１０のセンサ構造体１１６において、慣性質量体６３４ａ、６３４ｂは、振動駆動部が内部電極６１８ａ、６１８ｂに所定の周波数の振動電圧を印加することにより、梁６４６ａ、６４６ｂを中心として相互に逆位相の関係で励振される。
尚、本実施の形態３において、２つの梁からなる梁６４６ａ、６４６ｂ等について、「梁を中心として」という場合は、「２本の梁の間にある中心線を中心として」をいう意味である。
【００９０】
このように逆位相で励振された状態で、Ｚ軸周りに角速度が加わると、慣性質量体６３４ａ、６３４ｂにコリオリ力が作用し、慣性質量体６３４ａ、６３４ｂに梁６４４ａ、６４４ｂを中心とする振動が誘起される。この誘起された慣性質量体６３４ａ、６３４ｂの振動（以下、「誘起振動」と称する。）は、Ｚ軸周りに加えられた角速度に対応しており、相互に逆位相の関係であって、駆動振動の周波数と等しい。すなわち、その誘起振動の最大振幅は、Ｚ軸周りに加えられた角速度に比例する（コリオリ力は、駆動振動の振幅に比例し、駆動振動速度の位相に同期して発生する。）。誘起振動の様子としては、例えば、Ｄ−Ｄ断面から見た場合、検出フレーム６３６ａは梁６４４ａを中心として反時計回りにねじれ振動し、一方、検出フレーム６３６ｂは梁６４４ｂを中心として時計回りにねじれ振動する。
【００９１】
そして、梁６４４ａ、６４４ｂを中心とする誘起振動に対応して、検出フレーム６３６ａ、６３６ｂとこれらと対向する内部電極６２２ａ、６２２ｂ、６２４ａ，６２４ｂとの間の静電容量が変化する。検出フレーム６３６ａと電極６２２ａ、６２４ａの間の静電容量は、例えば、検出フレーム６３６ａと電極６２２ａの間の静電容量は増加し、一方、検出フレーム６３６ａと電極６２４ａの間の静電容量は減少するように差動的に変化する。静電容量の差動的変化はＣ／Ｖ変換器で検出され、対応する電圧信号がＣ／Ｖ変換器から出力される。
【００９２】
ここで、検出フレーム６３６ａと電極６２２ａ、６２４ａの間の静電容量に関する差動的変化に対応するＣ／Ｖ変換器からの信号の電圧をＶａとし、検出フレーム６３６ｂと電極６２２ｂ、６２４ｂの間の静電容量に関する静電的変化に対応する信号の電圧をＶｂとする。検出フレーム６３６ａ、６３６ｂが相互に逆位相の関係で梁６４４ａ、６４４ｂを中心にして誘起振動していることから、電圧ＶａとＶｂの関係は、Ｖａ＝−Ｖｂとなる（厳密には、電圧ＶａとＶｂの極性が逆になるように回路が構成されている必要がある。）。したがって、振動ジャイロ６１０の振動検出部は、角速度に対応する電圧信号Ｖｏｕｔ＝Ｖａ−Ｖｂ＝２Ｖａ（＝−２Ｖｂ）を振動ジャイロ６１０の角速度算出部に出力することになり、従来例に比較して２倍の出力感度が得られる。また、ＶａとＶｂの同相ノイズ成分は相殺されるため、検出信号のＳＮ比が向上する。角速度算出部は、駆動振動の位相と誘起振動の電圧信号振幅Ｖｏｕｔから対応する角速度を算出する。これにより、角速度が高い感度でかつ外乱振動による影響が抑制されて正確に算出される。
【００９３】
例を挙げて外乱振動の抑制について具体的に説明する。例えばＹ軸に沿って振動させるような外力（外乱振動）やＸ軸回りのねじれ振動が振動ジャイロ６１０に加わると、検出フレーム６３６ａ、６３６ｂは、対応する梁６４４ａ、６４４ｂを中心にして同相で振動する。例えば、Ｅ−Ｅ断面から見た場合、検出フレーム６３６ａは梁６４４ａを中心として反時計回りにねじれ振動し、一方、検出フレーム６３６ｂも梁６４４ｂを中心として反時計回りにねじれ振動する。この場合、電圧ＶａとＶｂの関係は、Ｖａ＝Ｖｂとなる。そのため、振動検出部から出力される信号Ｖｏｕｔは０となる。このように、振動ジャイロ６１０は、原理的に検出フレーム６３６ａ、６３６ｂが相互に逆位相の関係で梁６４４ａ、６４４ｂを中心にして誘起振動する場合に信号出力するように構成されており、外力（外乱振動）によりこのような逆相の誘起振動は発生し難いことから、誤検出することがない。そのため、角速度を正確に検出することができる。
【００９４】
以下、本実施の形態３の最大の特徴を説明する。
上述したように、検出フレーム、駆動フレーム、並びに共通フレームは、それぞれ平行した２本の独立したねじれ梁で支持されている。このため、駆動、検出のねじれ振動モードの周波数よりも低い外乱振動の顕著な振動周波数域に位置する他モード振動や、近接した他の振動モードが発生しにくいという特長がある。通常、ジャイロの駆動、検出振動の周波数は、外乱振動（例えばＤＣ〜５ＫＨｚ程度）の影響を受けにくい様にこれらの周波数以上の値で設計される。ただし、駆動と検出の周波数をこれら振動の周波数範囲から遠ざけ（５ＫＨｚ以上）て設計しても、機械的な構造上、これらより低い振動モードが発生する可能性がある。
【００９５】
例えば、図１０に示すセンサ構造において、共通フレームを支持する梁６４８を１本で構成した場合には、その１本の梁の長手方向であるＹ軸をねじれ軸中心とする振動モードの共振周波数が、各フレームの駆動、検出のねじれ振動モードの共振周波数よりもかなり低くなってしまうことは容易に推定できる。これは、ねじれ振動の共振周波数が、そのばね剛性ｋをねじれ軸回りの慣性モーメントＩで除した値の平方根√（ｋ／Ｉ）に比例するためであり、慣性モーメントがねじれ回転軸から遠ざかるほど大きくなるからである。
【００９６】
一例として、厚さ１００μｍ、幅３０μｍ、長さ１７５μｍの梁で、２ｍｍ角の駆動フレームを支持したときの振動解析の例を示す。２本の梁で支える場合には、２本梁の間隔は１００μｍとした。結果を図１５Ａ〜図１５Ｄ、図１６Ａ〜図１６Ｄ及び表１に示す。図１５Ａ〜図１５Ｄは、梁６４８が２本の場合であり、図１６Ａ〜図１６Ｄは、梁６４８を１つの梁で構成した場合の結果を示す。表１には各モードの共振周波数を示す。
【００９７】
【表１】
2007024864.tif 000003
【００９８】
表１に示すように、梁が１本の場合には駆動、検出モードよりも低周波側に全体ねじれと面内ねじれモードの両方が存在する。特に、駆動モード（図１６Ａ）、検出モード（図１６Ｂ）が約７ｋＨｚであるのに対して、全体ねじれモードの共振周波数が２．５ｋＨｚ付近（図１６Ｃ）となっており、外乱振動の影響を受けやすく、検出信号に悪影響を与えることになる。この全体ねじれモードの共振周波数を上げるためには梁の幅を太くするなど剛性を高めることで可能であるが、このような対策を講じると、音叉振動からの位相ずれが大きくなるなどの問題が発生する。
【００９９】
一方、表１及び図１５Ａ〜図１５Ｄに示す様に、１本のねじれ梁を２本（複数）にすることで、例えば、外乱振動の影響を受けやすい低周波域には、他モード、検出、駆動振動モードがいすれも位置しないように設計することが出来る。
【０１００】
また、梁６４４ａ、６４４ｂ、６４６ａ、６４６ｂ、６４８を平行な複数の梁にすることで（図１０の例では各２本）、１本の梁と比較して、同一のねじれ共振周波数であればＺ方向の曲げの共振周波数を高めることができる。また、1本の梁に比較して、Ｚ軸周りのねじれ回転振動を制限することもでき（このねじれモードの固有周波数を高くできる）、外乱振動を防止することが可能となる。
【０１０１】
Ｚ方向の曲げ振動の共振周波数を高めることについては、図１７に示すパラメータを用いて、次式で定式化できる。図１７には、簡略化した単一梁と２本梁の構成を示している。この場合、ねじれ剛性K1は梁幅W1の３乗に比例する（実際は断面形状等によるため単純な比例ではない）。
【０１０２】
【数１】
2007024864.tif 000004
G：横弾性係数、H：厚さ
【０１０３】
面外剛性K2は次式。
【数２】
2007024864.tif 000005
【０１０４】
ねじれ剛性K1を変えずに梁を２本にすると梁幅W2は次式。
【数３】
2007024864.tif 000006
【０１０５】
この場合の面外剛性K2’は次式で表される。
【数４】
2007024864.tif 000007
【０１０６】
したがって、面外の曲げ振動の共振周波数を梁が１本の場合に対して約1.6倍高くすることが出来る。この倍率は梁の本数を増加させるほど次式で示すように大きくなる。
【数５】
2007024864.tif 000008
n：本数
図１５及び図１６の解析に用いた構成（図示せず）では、１本梁では面外モードは１０ｋＨｚ付近に存在しているが、２本梁では約１５ｋＨｚとなっており、上記定式化が妥当であることがわかる。
【０１０７】
以上、３つの実施の形態の振動ジャイロを説明してきたが、本発明に係る振動ジャイロは、２つの実施の形態に限定されるわけでない。
【０１０８】
例えば、以上の実施の形態１〜３では、梁のねじれ反力によるねじれ振動を利用して慣性質量体を揺動振動させる例について説明したが、本発明は、慣性質量体を逆位相で回転揺動振動させることが重要であり、ねじれ反力による揺動振動に限られるものではない。
【０１０９】
３つの実施形態の振動ジャイロにおいて、実施の形態１，３の振動ジャイロ１０は、図２に示すようにＸＹ平面と垂直に静電引力を発生させており、実施の形態２の振動ジャイロ３１０は、図８に示すようにＸＹ平面と平行に静電引力を発生させている。本発明に係る振動ジャイロは、駆動フレームを対応する梁を中心にして駆動振動させることができれば（対応する梁をねじることができれば）、静電引力の方向はどのような方向で合っても構わない。
【０１１０】
また、駆動フレームを振動駆動させる力は、静電引力でなくてもよく、例えば電磁力を利用することも可能である。この場合、例えば振動ジャイロ素子の本体に電磁石や永久磁石を設けるとともに、ジャイロ素子の駆動フレームに電流の流れる金属部材を設ければ、その間に電磁駆動力（ローレンツ力）を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明に係る実施形態1の振動ジャイロの内部構成図である。
【図２】図１に示すＡ方向から見た断面図である。
【図３】内部電極配置図である。
【図４】図１に示す振動ジャイロのセンサ構造体の斜視図である。
【図５】本発明の実施形態1に係る振動ジャイロの作製方法を示す図である。
【図６】図５に示す作製方法に続く振動ジャイロの作製方法を示す図である。
【図７】本発明に係る実施形態２の振動ジャイロの内部構成図である。
【図８】図７に示すＢ方向から見た断面図である。
【図９】従来の振動ジャイロのセンサ構造体の斜視図である。
【図１０】本発明に係る実施形態３の振動ジャイロの内部構成図である。
【図１１】実施形態３の振動ジャイロの、図１０におけるＣ−Ｃ線についての断面を示す断面図である。
【図１２】実施形態３の振動ジャイロの内部電極配置図である。
【図１３Ａ】実施形態３の振動ジャイロにおけるセンサ構造体とその支持構造を示す平面図である。
【図１３Ｂ】実施形態３の振動ジャイロにおけるセンサ構造体の駆動状態を模式的に示す断面図である。
【図１３Ｃ】実施形態３の振動ジャイロにおけるセンサ構造体の誘起振動を模式的に示す断面図である。
【図１４Ａ】実施形態３に係る振動ジャイロの製造方法における前半の工程を示す断面図である。
【図１４Ｂ】実施形態３に係る振動ジャイロの製造方法における後半の工程を示す断面図である。
【図１５Ａ】実施の形態３の振動ジャイロにおける駆動モードの振動解析図である。
【図１５Ｂ】実施の形態３の振動ジャイロにおける検出モードの振動解析図である。
【図１５Ｃ】実施の形態３の振動ジャイロにおける全体ねじれモードの振動解析図である。
【図１５Ｄ】実施の形態３の振動ジャイロにおける面内ねじれモードの振動解析図である。
【図１６Ａ】１本の梁で構成した振動ジャイロにおける駆動モードの振動解析図である。
【図１６Ｂ】１本の梁で構成した振動ジャイロにおける検出モードの振動解析図である。
【図１６Ｃ】１本の梁で構成した振動ジャイロにおける全体ねじれモードの振動解析図である。
【図１６Ｄ】１本の梁で構成した振動ジャイロにおける面内ねじれモードの振動解析図である。
【図１７】１本梁で構成した場合と２本梁で構成した場合の剛性を定式化するための簡略化したモデルの構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１０，３１０，６１０  振動ジャイロ、１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、６１８ａ、６１８ｂ、６２０ａ、６２０ｂ、６２２ａ、６２２ｂ、６２４ａ、６２４ｂ  内部電極、３４ａ、３４ｂ，３３４ａ、３３４ｂ、６３４ａ、６３４ｂ  慣性質量体、  ３８ａ、３８ｂ、３３８ａ、３３８ｂ、６３８ａ、６３８ｂ  駆動フレーム、  ４０、６４０  共通フレーム、  ４４ａ、４４ｂ、６４４ａ、６４４ｂ  梁、  ４６ａ、４６ｂ、６４６ａ，６４６ｂ  梁、  ４８、６４８  梁。
【図１】
2007024864.tif 000009
【図２】
2007024864.tif 000010
【図３】
2007024864.tif 000011
【図４】
2007024864.tif 000012
【図５】
2007024864.tif 000013
【図６】
2007024864.tif 000014
【図７】
2007024864.tif 000015
【図８】
2007024864.tif 000016
【図９】
2007024864.tif 000017
【図１０】
2007024864.tif 000018
【図１１】
2007024864.tif 000019
【図１２】
2007024864.tif 000020
【図１３Ａ】
2007024864.tif 000021
【図１３Ｂ】
2007024864.tif 000022
【図１３Ｃ】
2007024864.tif 000023
【図１４Ａ】
2007024864.tif 000024
【図１４Ｂ】
2007024864.tif 000025
【図１５Ａ】
2007024864.tif 000026
【図１５Ｂ】
2007024864.tif 000027
【図１５Ｃ】
2007024864.tif 000028
【図１５Ｄ】
2007024864.tif 000029
【図１６Ａ】
2007024864.tif 000030
【図１６Ｂ】
2007024864.tif 000031
【図１６Ｃ】
2007024864.tif 000032
【図１６Ｄ】
2007024864.tif 000033
【図１７】
2007024864.tif 000034