(57)【要約】【課題】  振動型角速度センサにおいて、振動する重りを支持する支持梁の加工精度の誤差に起因して、離調率にばらつきが発生し、それにより角速度の感度にばらつきが発生することを抑える。【解決手段】  重り３０２を枠構造体３０１に支持する８個の支持梁３０３ａ〜ｄおよび３０４ａ〜ｄにおいて、各支持梁に調整部３０５および３０６を設け、この延出長を調整することで、支持梁３０３ａ〜ｄおよび３０４ａ〜ｄのそれぞれにおけるＸ方向の剛性とＹ方向の剛性との比と、支持梁による支持構造全体におけるＸ方向の剛性とＹ方向の剛性との比とを一致させる。これにより、部分的に支持梁の加工精度に誤差が生じても、それが離調率に及ぶ影響を小さく抑えることができる。【選択図】  図１
2007010517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠状の支持体と、
この支持体の内側に配置された所定の質量を有する重りと、
この重りを前記支持体に複数の支持点において弾性的に支持する複数の支持梁と
を有し、
前記重りを一定方向に振動させ、この振動の方向に直交する方向に働くコリオリ力を検出し、これをもって角速度を検出する振動型角速度センサであって、
前記重りの中心を原点として互いに直交するＸ方向およびＹ方向が定義され、
前記複数の支持梁の任意の一つにおける前記Ｘ方向の剛性と前記Ｙ方向の剛性との比である第１の剛性比と、
前記複数の支持梁における前記Ｘ方向の剛性の和と、前記Ｙ方向の剛性の和との比である第２の剛性比とは、
同一または略同一であることを特徴とする振動型角速度センサ。
【請求項２】
枠状の支持体と、
この支持体の内側に配置された所定の質量を有する重りと、
この重りを前記支持体に複数の支持点において弾性的に支持する複数の支持梁と
を有し、
前記重りを一定方向に振動させ、この振動の方向に直交する方向に働くコリオリ力を検出し、これをもって角速度を検出する振動型角速度センサであって、
前記重りの中心を原点として互いに直交するＸ方向およびＹ方向が定義され、
前記複数の支持梁のそれぞれにおいて、
前記Ｘ方向における剛性と前記Ｙ方向における剛性との比が、同一または略同一であることを特徴とする振動型角速度センサ。
【請求項３】
前記複数の支持梁は、Ｘ方向延出部およびＹ方向延出部と、
Ｘ方向および／またはＹ方向に延出し、剛性を調整するための調整部と
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製造工程における加工誤差があっても、それによる検出感度のばらつきが発生し難い振動型角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動型の角速度センサとして、電磁型ジャイロと呼ばれている電磁駆動型角速度センサが知られている。この電磁駆動型角速度センサは、例えばＺ方向に静磁場が加えられたＸＹＺ軸直交空間において、Ｘ−Ｙ平面内に平板状の重りを周囲から複数の支持梁によって弾性的に支持し、さらにこの重りの表面に駆動用電極および回転検出用電極を形成した基本構造を有している。
【０００３】
この構造において、駆動用電極に駆動信号（ＡＣ電流）を流すと、駆動用電極に駆動信号の周波数に応じた周期的なローレンツ力が働き、重りがＸ−Ｙ平面内の例えばＸ方向に振動する。ここで、Ｚ軸回りの回転が起こると、振動する駆動用電極にコリオリの力が働き、Ｙ方向の振動成分が発生する。
【０００４】
これらの振動が発生した際、回転検出用電極は、磁束を横切った振動をするので、そこには誘導起電力が発生する。この回転検出用電極に誘導される誘導起電力（誘導電圧）は、上述したＺ軸回りの回転に影響を受ける。コリオリの力は、Ｚ軸回りの回転の角速度に比例するので、この回転検出用電極に誘導される誘導起電力からＺ軸回りの角速度情報を得ることができる。このような電磁駆動型角速度センサとしては、例えば特許文献１に記載されているものが公知である。
【０００５】
上述した基本構造を有する電磁駆動型角速度センサは、シリコンウエハを用いたＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)加工技術により形成される。この技術は、半導体デバイスの製造技術を利用して、シリコンウエハに対する微細加工や電極等の形成等を行う技術である。
【０００６】
上述した電磁駆動型角速度センサは、Ｘ方向における固有振動数とＹ方向における固有振動数を僅かに異なった値に設定することにより、Ｙ方向成分に振動を発生させることなくＸ方向への安定した振動を行うことができる。また固有振動数の比（離調率：ｒ）は、検出感度や検出帯域にも大きな影響を及ぼすことが知られている。このため、生産される電磁駆動型角速度センサにおいて、この離調率が一定に保たれるようにする必要がある。
【０００７】
電磁駆動型角速度センサにおいては、重りが複数（ｎ個）の支持梁（バネ）によって支えられている。この支持梁のＸ方向およびＹ方向における剛性をＫｘｉおよびＫｙｉ（ｉ＝１〜ｎ）とすると、複数の支持梁による支持構造全体の剛性比は、ΣＫｘｉ／ΣＫｙｉで示される。また、この値と離調率ｒ（％）との関係は、下記「数１」によって表される。なお、ここでは、剛性比として、Ｙ方向における剛性を分子、Ｘ方向における剛性を分母として定義される比率を考えている。
【０００８】
【数１】
2007010517.tif 000003
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２６４７３９号公報（請求項１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、角速度の検出感度および検出帯域を確保するために、Ｘ方向における固有振動数とＹ方向における固有振動数とを僅かに異なった値に設定する手法が採用される。すなわち、離調率を１．５％といった値に意図的に設定することで、角速度の良好な検出感度と検出帯域を得ようとする設計手法が採用される。これを実現するためには、「数１」の値を１から僅かにずらした値（例えば１．０３といった値）に設定する必要がある。
【００１１】
一般に、センサの構造を制限された形状や限られた寸法に収める関係上、「数１」の値を１．０３といった値にする方法として、剛性比（Ｙ方向の剛性／Ｘ方向の剛性）の値がそれぞれ異なる複数の支持梁を用意し、その組合せを調整することで、振動系の剛性比が所定の値（例えば１．０３）になるようにしている。
【００１２】
しかしながら、従来の構造においては、以下に述べるような理由により、どうしても離調率のばらつきが生じてしまい易く、製品毎の感度や検出帯域のばらつきが発生し易い、という問題があった。
【００１３】
一般に、コストの制限がある中において、シリコンウエハを用いたＭＥＭＳ加工技術においては、シリコンウエハ内における加工精度のばらつき分布がある程度発生してしまう。この加工のばらつきにより、センサ内にゆるやかな厚さの変化が生じてしまう。仮に、このばらつきにより支持梁の厚さにばらつきが生じ剛性が各支持梁部分において、それぞれＣｉ（ｉ＝１〜ｎ）倍になったとする。この時、離調率ｒと全体の剛性比との関係は、下記「数２」のように表される。
【００１４】
【数２】
2007010517.tif 000004
【００１５】
剛性比（Ｙ方向の剛性／Ｘ方向の剛性）がそれぞれ異なる複数の支持梁を用意し、その組合せを調整することで支持梁による支持構造全体の剛性比を調整した場合、一つの支持梁の剛性比（Ｋｙｉ／Ｋｘｉ）の値は、全体の剛性比（ΣＫｙｉ／ΣＫｘｉ）の値から大きくずれたものとなる。したがって、面内加工精度のばらつきにより、部分的にＣｉの値に変動が存在すると、上記「数２」の値は、設定した値から大きくずれてしまう。このため、加工精度のばらつきに起因して、離調率ｒに変動が生じ易い。
【００１６】
このような背景において、本発明は、振動型角速度センサにおいて、振動体である重りを支持する支持梁の加工精度に起因する離調率のばらつきを抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、枠状の支持体と、この支持体の内側に配置された所定の質量を有する重りと、この重りを前記支持体に複数の支持点において弾性的に支持する複数の支持梁とを有し、前記重りを一定方向に振動させ、この振動の方向に直交する方向に働くコリオリ力を検出し、これをもって角速度を検出する振動型角速度センサであって、前記重りの中心を原点として互いに直交するＸ方向およびＹ方向が定義され、前記複数の支持梁の任意の一つにおける前記Ｘ方向の剛性と前記Ｙ方向の剛性との比である第１の剛性比と、前記複数の支持梁における前記Ｘ方向の剛性の和と、前記Ｙ方向の剛性の和との比である第２の剛性比とは、同一または略同一であることを特徴とする。
【００１８】
ここで、Ｘ方向の剛性とＹ方向の剛性との比というのは、（Ｙ方向の剛性／Ｘ方向の剛性）であり、支持梁のＸ方向における剛性をＫｘ、Ｙ方向における剛性をＫｙとした場合に、Ｋｙ／Ｋｘにより定義される。複数の支持梁におけるＸ方向の剛性の和は、一つの支持梁のＸ方向における剛性をＫｘ、支持梁の数をｎとして、ΣＫｘｉ（ｉ＝１〜ｎ）により定義される。複数の支持梁におけるＹ方向の剛性の和は、一つの支持梁のＹ方向における剛性をＫｙ、支持梁の数をｎとして、ΣＫｙｉ（ｉ＝１〜ｎ）により定義される。また、複数の支持梁におけるＸ方向の剛性の和と、Ｙ方向の剛性の和との比である第２の剛性比は、支持梁の数をｎとして、ΣＫｙｉ／ΣＫｘｉ（ｉ＝１〜ｎ）により定義される。この第２の剛性比（ΣＫｙｉ／ΣＫｘｉ）は、複数の支持梁によって構成される重りの支持構造全体のＸ方向における剛性とＹ方向における剛性の比を意味している。
【００１９】
支持梁の剛性は、支持梁の重りへの接続点をＸ方向またはＹ方向に移動させた際の力Ｆと移動距離Ｌによって算出される。
【００２０】
上記発明においては、各支持梁の剛性比（Ｋｙｉ／Ｋｘｉ）と、複数の支持梁で構成される支持構造全体の剛性比（ΣＫｙｉ／ΣＫｘｉ）とを同一（または略同一）に設定する。これにより、加工精度の面内ばらつき分布がある程度存在し、各支持梁の厚みが異なるような加工精度の誤差が生じても、それが支持構造全体の剛性比に影響することを抑えることができ、離調率のばらつきを抑えることができる。
【００２１】
以下、各支持梁の加工誤差が支持構造全体の剛性比に現れない理由を説明する。なお、以下において、単に剛性比という場合、それは（Ｙ方向剛性／Ｘ方向剛性）（Ｋｙ／Ｋｘ）のことを指し示すものとする。まず、前述した「数２」を展開すると、下記「数３」が得られる。
【００２２】
【数３】
2007010517.tif 000005
【００２３】
本発明は、各支持梁の剛性比が、複数の支持梁により構成される支持構造全体の剛性比に一致することを特徴とするから、ｉ＝１，２，３・・・ｎとして、下記「数４」が成立する。
【００２４】
【数４】
2007010517.tif 000006
【００２５】
上記「数４」をＫｙｉ＝の形に変形し、さらにそれを各因子について展開すると、下記「数５」が得られる。
【００２６】
【数５】
2007010517.tif 000007
【００２７】
この「数５」を「数３」のＫｙ１、Ｋｙ２、Ｋｙ３、Ｋｙｉに代入すると、下記「数６」が得られる。
【数６】
2007010517.tif 000008
【００２８】
上記「数６」を整理すると、前述した「数１」が得られる。すなわち、加工精度のばらつき分布が存在し、それにより支持梁の厚さにばらつきが生じ、剛性が各支持梁部分において、それぞれＣｉ（ｉ＝１〜ｎ）倍になったとしても、その影響は、支持構造全体で考えた場合の剛性比には現れず、離調率ｒに影響を与えない。こうして、各支持梁の剛性比を、支持構造全体の剛性比に一致させることで、各支持梁の厚みが異なるような加工精度の誤差が生じても、それにより支持構造全体の剛性比が変動する不都合を抑えることができる。
【００２９】
本発明において、略同一というのは、互いのズレが２０％以内、好ましくは１０％以内、更に好ましくは５％以内の状態にあることをいう。
【００３０】
また、「数４」は、下記「数７」のように変形できる。
【００３１】
【数７】
2007010517.tif 000009
【００３２】
「数７」は、複数ある各支持梁の剛性比が一致した関係にあることを意味する。したがって、本発明は、次のように把握することもできる。すなわち、枠状の支持体と、この支持体の内側に配置された所定の質量を有する重りと、この重りを前記支持体に複数の支持点において弾性的に支持する複数の支持梁とを有し、前記重りを一定方向に振動させ、この振動の方向に直交する方向に働くコリオリ力を検出し、これをもって角速度を検出する振動型角速度センサであって、前記重りの中心を原点として互いに直交するＸ方向およびＹ方向が定義され、前記複数の支持梁のそれぞれにおいて、前記Ｘ方向における剛性と前記Ｙ方向における剛性との比が、同一または略同一であることを特徴とする構成として把握することもできる。
【００３３】
本発明において、複数の支持梁は、Ｘ方向延出部およびＹ方向延出部と、Ｘ方向および／またはＹ方向に延出し、剛性を調整するための調整部とを有する構成とすることは好ましい。ここで、延出というのは、延びて存在していることをいう。よって、Ｘ方向延出部というのは、Ｘ方向に延びている形状の部分のことをいう。この態様によれば、調整部の長さを調整することで、剛性比を調整し、所望の値に設定することができる。
【００３４】
本発明において、重りを振動させる方法としては、電磁力を利用した方法（電磁駆動型）、静電気力を利用した方法（静電駆動型）、圧電薄膜の振動力を利用した方法等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、振動型角速度センサにおいて、振動体である重りを支持する複数の支持梁の剛性比を支持構造全体の剛性比と同じにすることで、支持梁の加工精度に誤差が発生しても、製品毎の離調率のばらつきの発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
１．実施形態の構成
以下、本発明の振動型角速度センサの構成を利用した電磁駆動型角速度センサの一例を説明する。図１は、本発明を利用した電磁駆動型角速度センサのセンサ素子の概要を示す上面図である。図１には、矩形形状の枠構造体３０１、振動体として機能する略Ｘ字型（略十字型）の重り３０２、枠構造体３０１に重り３０２を弾性的に支持する８個の支持梁３０３ａ〜ｄ、および支持梁３０４ａ〜ｄを備えたセンサ素子３００が示されている。ここでは、重り３０２の幾何学的な中心位置３０２ａを原点として、Ｘ方向およびＹ方向が定義されている。なお、中心位置３０２ａは、重り３０２の重心でもある。
【００３７】
枠構造体３０１、重り３０２、支持梁３０３ａ〜ｄ、および支持梁３０４ａ〜ｄは、単結晶シリコンウエハを材料として、ＭＥＭＳ加工技術を利用して加工されたもので、全体が一体に成形されている。
【００３８】
８個の支持梁３０３ａ〜ｄおよび支持梁３０４ａ〜ｄは、それぞれ８ヶ所の略３角形の領域内に収められ、図示されるようにＸ方向およびＹ方向への延出部を有した複雑に屈曲した構造を有し、それ自体が弾性部材（バネ）として機能する。この構造によれば、重り３０２は、８個の支持梁３０３ａ〜ｄおよび支持梁３０４ａ〜ｄによって、枠構造体３０１の内側に弾性的に支持され、枠構造体３０１に対して相対的に振動することができる。
【００３９】
各支持梁は、調整部の長さの違いによって区別される２群に分けることができる。すなわち、延出長がＬ１の調整部３０５を備えた支持梁３０３ａ〜ｄの群と、延出長がＬ２の調整部３０６を備えた支持梁３０４ａ〜ｄの群とに分けることができる。
【００４０】
第１群の支持梁３０３ａ〜ｄは、それぞれ、複数の屈曲部分において折り曲げられて略３角形の領域内に収められた構造を有し、Ｘ方向に沿って延びる第１延出部３１０と、Ｙ方向に沿って延びる第２延出部３１１と、Ｘ方向の延出長を調整する調整部３０５とを備えている。ここで、Ｙ方向に沿って延びる第２延出部３１１は、直線部の長さが段階的に短くなるように複数回折り返された屈曲構造を有し、Ｘ方向に沿って延びる第１延出部３１０も同様な屈曲構造を有しているが、その引き回し構造が異なり、またその積算長も異なっている。
【００４１】
また、第２群の支持梁３０４ａ〜ｄは、それぞれ、複数の屈曲部分において折り曲げられて略３角形の領域内に収められた構造を有し、Ｘ方向に沿って延びる第１延出部３２０と、Ｙ方向に沿って延びる第２延出部３２１と、Ｘ方向の延出長を調整する調整部３０６とを備えている。ここで、Ｘ方向に沿って延びる第１延出部３２０は、直線部の長さが段階的に短くなるように複数回折り返された屈曲構造を有し、Ｙ方向に沿って延びる第２延出部３２１も同様な屈曲構造を有しているが、その引き回し構造が異なり、またその積算長も異なっている。
【００４２】
また、同じ調整部の延出長を備えた支持梁の群も、互いに対称性を有する４個に分けることができる。すなわち、第１群の支持梁３０３ａ〜ｄは、支持梁３０３ａと３０３ｂとが、上下対称（Ｘ軸対称）の関係にあり、支持梁３０３ａと３０３ｄが左右対称（Ｙ軸対称）の関係にあり、支持梁３０３ａと３０３ｃが１８０度回転させた場合に形状が一致する関係にある。また、第２群の支持梁３０４ａ〜ｄにおいても同様な対称性がある。
【００４３】
ここで、支持梁３０３ａ〜ｄの群は、調整部３０５のＸ方向への延出長を調整することで、Ｘ方向の剛性をほとんど変えることなしに、Ｙ方向の剛性を変えることができるチューニング特性を有する。一方、支持梁３０４ａ〜ｄの群は、調整部３０６のＹ方向への延出長を調整することで、Ｙ方向の剛性をほとんど変えることなしに、Ｘ方向の剛性を変えることができるチューニング特性を有する。なお、ここで調整部の延出長の調整とは、振動型角速度センサの設計時における調整部の長さの設計を意味している。
【００４４】
略Ｘ字型の重り３０２の四隅（４ヶ所の端部）のそれぞれは、２本の支持梁を介して枠構造体３０１に支持されている。すなわち、重り３０２の第１の端部３０７ａは、延出長がＬ１の調整部３０５を備えた支持梁３０３ｂと、延出長がＬ２の調整部３０６を備えた支持梁３０４ａとによって支えられ、重り３０２の第２の端部３０７ｂは、延出長がＬ１の調整部３０５を備えた支持梁３０３ｃと、延出長がＬ２の調整部３０６を備えた支持梁３０４ｂとによって支えられ、重り３０２の第３の端部３０７ｃは、延出長がＬ１の調整部３０５を備えた支持梁３０３ｄと、延出長がＬ２の調整部３０６を備えた支持梁３０４ｃとによって支えられ、重り３０２の第４の端部３０７ｄは、延出長がＬ１の調整部３０５を備えた支持梁３０３ａと、延出長がＬ２の調整部３０６を備えた支持梁３０４ｄとによって支えられている。
【００４５】
重り３０２の四隅のそれぞれを支える２つの支持梁は、調整部の延出長を除いて、重り３０２に対して対称な形状を有している。例えば、第１群の支持梁３０３ａと第２群の支持梁３０４ｄは、重り３０２の隅３０７ｄを支持し、調整部の延出長を除いて、互いに重り３０２に対して対称な形状を有している。すなわち、支持梁３０３ａの第１延出部３１０と支持梁３０４ｄの第２延出部３２１は同様の構成を有し、また支持梁３０３ａの第２延出部３１１と支持梁３０４ｄの第１延出部３２０においても同様の構成を有する。この関係は、重り３０２の各隅において同様に成立する。
【００４６】
また、第１群の支持梁３０３ａを時計回りに９０度回転させ、調整部の長さをＬ２に変更したものが第２群の支持梁３０４ａであり、第１群の支持梁３０３ｂを時計回りに９０度回転させ、調整部の長さをＬ２に変更したものが第２群の支持梁３０４ｂであり、第１群の支持梁３０３ｃを時計回りに９０度回転させ、調整部の長さをＬ２に変更したものが第２群の支持梁３０４ｃであり、第１群の支持梁３０３ｄを時計回りに９０度回転させ、調整部の長さをＬ２に変更したものが第２群の支持梁３０４ｄである。つまり、調整部の延出長を除いて考えた場合、第２群の支持梁３０４ａ〜ｄのそれぞれは、第１群の支持梁３０３ａ〜ｄの何れかを時計回りに９０度回転させた形状に一致する。
【００４７】
以下、支持梁３０３ａ〜ｄ、および支持梁３０４ａ〜ｄについて詳細に説明する。図２は、支持梁の形状を示す概念図である。図２には、図１の支持梁３０３ａを概念的に示したものが示されている。図２において、固定点は、支持梁の一端部の枠構造体３０１への接続位置であり、図１の符号３０８で示す部分に相当し、重り接続点は、図１の符号３０７ｄで示す重り３０２の端部の部分に相当する。
【００４８】
図３は、図２に示す支持梁３０３ａにおいて、調整部３０５の延出長を変化させた場合における剛性の変化を測定したデータのグラフである。図３において、横軸は調整部３０５の延出長であり、縦軸は剛性である。図３には、図２に示す支持梁３０３ａおいて、調整部３０５の延出長を変えていった場合のＸ方向における剛性の値（◆印プロット点）とＹ方向における剛性の値（■印プロット点）が示されている。
【００４９】
ここで、支持梁の剛性は、重りへの接続点をＸ方向およびＹ方向に移動させた際の力Ｆと移動距離Ｌによって算出される。例えば、支持梁３０３ａの場合でいうと、符号３０８の部分を固定した状態において、重りの端部３０７ｄへの接続部分をフリーな状態とし、この部分をＸ方向およびＹ方向に移動させた際における力Ｆと、その移動距離Ｌとから剛性（Ｆ／Ｌ）が算出される。
【００５０】
図３に示されるように、支持梁３０３ａのＹ方向の剛性は、調整部３０５の延出長に対応して、徐々に低下する傾向を示すが、Ｘ方向の剛性は、調整部３０５の延出長には殆ど依存しない。このことから、支持梁３０３ａのＸ方向の剛性を変化させずに、Ｙ方向の剛性を制御するには、調整部３０５の延出長を調整すればよいことが分かる。
【００５１】
図３のデータによれば、支持梁３０３ａにおいて、調整部３０５の長さが１３８μｍの場合には、Ｘ方向の剛性とＹ方向の剛性が一致し、調整部３０５の長さが１３８μｍを下回っている場合には、Ｘ方向の剛性よりＹ方向の剛性が大きく、調整部３０５の長さが１３８μｍを越えると、Ｙ方向の剛性よりＸ方向の剛性が大きくなる。
【００５２】
本実施形態においては、支持梁３０３ａ〜ｄの調整部３０５の延出長Ｌ１を８４μｍにすることで、剛性比（Ｙ方向の剛性／Ｘ方向の剛性）を１．０３に設定している。剛性比を１から僅かにずらすのは、基本振動において、重り３０２がＹ方向へ振動せずにＸ方向へ安定して振動するようにし、また検出感度や検出帯域との関係を考慮したものである。
【００５３】
また、Ｌ１＝８４μｍ、Ｌ０＝１３８μｍとし、（Ｌ１＋Ｌ２）／２＝Ｌ０の関係を満足するように、支持梁３０４ａ〜ｄの調整部３０６の延出長Ｌ２を１９２μｍに設定している。こうすることで、支持梁３０４ａ〜ｄの剛性比を支持梁３０３ａ〜ｄと同じ１．０３に設定することができる。以下、支持梁３０３ａ〜ｄの剛性比と支持梁３０４ａ〜ｄの剛性比とを１．０３に一致させることができる理由について説明する。
【００５４】
まず、支持梁３０３ａ〜ｄは、原理的に剛性比（Ｙ方向の剛性／Ｘ方向の剛性）は同じである。これは、支持梁３０３ａと３０３ｂ、支持梁３０３ｃと３０３ｄとが、上下を反転させた形状であり、支持梁３０３ａと３０３ｄ、支持梁３０３ｂと３０３ｃとが左右を反転させた形状であり、Ｘ方向の剛性とＹ方向の剛性とが入れ替わる形状ではないからである。
【００５５】
一方、支持梁３０４ａ〜ｄのそれぞれは、調整部の寸法を除いて考えた場合、支持梁３０３ａ〜ｄの何れかを時計回りに９０度回転させた形状に一致する。つまり、支持梁３０３ａ〜ｄのそれぞれにおいて、調整部３０５の長さを変え、さらに全体を９０度回転させると、支持梁３０４ａ〜ｄが得られる関係にある。
【００５６】
また、図３に示す関係から分かるように、（Ｌ１＋Ｌ２）／２＝Ｌ０の関係が満足される場合において、同じ支持梁で考えると、Ｌ１を採用した支持梁の剛性比は、Ｌ２を採用した支持梁の剛性比の逆数となる。よって、Ｌ１を採用した支持梁を第１群とし、Ｌ２を採用した支持梁を第２群として、第２群の支持梁を第１群の支持梁に対して９０°回転させた関係とすると、第１群の支持梁と第２群の支持梁とは、その剛性比が略一致する。
【００５７】
すなわち、上述のように、調整部の延出長を除いて考えた場合において、第２群の支持梁３０４ａ〜ｄのそれぞれは、第１群の支持梁３０３ａ〜ｄの何れかを時計回りに９０度回転させた形状に一致する。したがって、支持梁３０３ａ〜ｄの調整部３０５の延出長を１９２μｍ（＝Ｌ２）とすると、その剛性比は０．９７となる。さらにこの支持梁３０３ａ〜ｄのそれぞれを９０度回転させると、支持梁３０４ａ〜ｄが得られる。この時、剛性比は、Ｘ方向とＹ方向とが入れ替わり、その値は０．９７から１／０．９７に変化する。つまり、支持梁３０４ａ〜ｄの剛性比は、１／０．９７となる。
【００５８】
１／０．９７≒１．０３であるから、支持梁３０４ａ〜ｄの剛性比は、１．０３ということになる。すなわち、調整部の延出長をＬ２＝１９２μｍとした第２群の支持梁３０４ａ〜ｄの剛性比は、調整部の延出長をＬ１＝８４μｍとした第１群の支持梁３０３ａ〜ｄの剛性比に一致することになる。
【００５９】
こうして、８個全ての支持梁の剛性比を一致させた構造を実現することができる。また、各支持梁の剛性比を同一にすることで、支持梁による重りを支持する構造全体の剛性比も各支持梁の剛性比（１．０３）に一致させることができる。
【００６０】
このような２つの群の支持梁を用いた構成において、調整部の寸法を除いて、第１群の支持梁を９０°回転させると第２群の支持梁に一致する関係とし、さらに各群において、調整部の寸法を剛性比＝１となる値の前後の値に設定することで、第１群と第２群の剛性比を１から僅かにずらした値に一致させることができる。具体的には、第１群の支持梁の調整部の寸法をＬ１、第２群の支持梁の調整部の寸法をＬ２、剛性比＝１となる調整部の寸法をＬ０とした場合に、（Ｌ１＋Ｌ２）／２＝Ｌ０の関係を満足するようにすることで、第１群の支持梁の剛性比と第２群の支持梁の剛性比とを１．０３といった１から僅かにずれた値に一致させることができる。
【００６１】
この構成によれば、まず一つの支持梁のデザインを決定すれば、それに基づいて他の支持梁のデザインを決めることができる。つまり、色々な条件を勘案しながら試行錯誤により複数の支持梁の異なる特性を調整する作業を行わなくて済み、設計を合理的に行うことができる。
【００６２】
なお、図１に示す支持梁３０３ａ〜ｄの調整部３０５は、Ｘ方向における延出長を調整可能な構成としているが、調整部３０５あるいはその他の部位にＹ方向における延出長を調整可能な部分を配置してもよい。また、支持梁３０４ａ〜ｄの調整部３０６あるいはその他の部位にＸ方向における延出長を調整可能な部分を配置してもよい。
【００６３】
次に、電磁駆動型角速度センサとして機能させるために必要な、電極構造について説明する。図１に示す構造において、略Ｘ字型の重り３０２上には、図示しない酸化珪素膜が形成され、その上に駆動用電極、回転検出用電極およびモニタ電極（駆動検出電極）が形成されている。各電極は、シリコンＩＣプロセスにおいて利用されるシリコンウエハ上への金属薄膜の形成技術を利用して形成されている。各電極の配置状態について後述する。
【００６４】
また、図示省略するが、重り３０２上に形成された各種電極から支持梁３０３ａ〜ｄおよび支持梁３０４ａ〜ｄ上に電極材料がそのまま延在し、それが引き出し配線となり、さらにその引き出し配線は、枠構造体３０１上まで延在し、引き出し電極に至っている。この枠構造体３０１上に形成された引き出し電極に、後述するアンプ等の周辺回路が接続される。
【００６５】
図４は、発明を利用した電磁駆動型角速度センサの概要を示す断面図である。なお、図４の矢印４０４の方向から見たセンサ素子３００の状態が図１に示されている。
【００６６】
この電磁駆動型角速度センサ４００は、磁性体（鉄）により構成されたヨーク４０１、静磁場Ｂ４０５を生成するための磁石４０２、単結晶シリコンウエハを加工することで形成されたセンサ素子３００（図４参照）、およびこのセンサ素子３００を保持するための非磁性材料（ガラス）から構成されるセンサ素子保持部材４０３を備えている。
【００６７】
ヨーク４０１には、上下に一対の突出部４０１ａおよび４０１ｂが形成され、この突出部４０１ａと４０１ｂとの間に集中的に静磁場Ｂ４０５が形成されるようになっている。また、突出部４０１ａおよび４０１ｂは、重り３０２（図１参照）のＸ字型（十字型）形状に合わせて突出した形状を有し、重り３０２が存在する部分において選択的に静磁場Ｂ４０５が加わるようになっている。
【００６８】
この構造においては、磁石４０２において生成された磁束が、ヨーク４０１内を通り、突出部４０１ａと４０１ｂとの間に静磁場Ｂ４０５を形成する。この静磁場Ｂ４０５は、平面形状のセンサ素子３００の重り３０２（図１参照）に対して、その面に垂直な向きから加えられる。なお、センサ素子３００と後述する周辺回路との間の配線の記載は、図４では省略されている。
【００６９】
図５は、図１の重り３０２上における各電極の配置状態を示した概念図である。図５に示すように、重り３０２上には、「逆くの字」形状の駆動用電極５０１、「Ｖ字」形状の回転検出用電極５０２ａ、「逆Ｖ字」形状の回転検出用電極５０２ｂ、および「くの字」形状のモニタ電極５０３が配置されている。
【００７０】
駆動用電極５０１は、その両端の一方が駆動信号源５０４ａに接続され、他方が駆動信号源５０４ｂに接続されている。駆動信号源５０４ａと５０４ｂとは、差動駆動源として機能する。すなわち、駆動信号源５０４ａと５０４ｂは、全く同じ機能を備え、その出力信号の位相のみが１８０度異なるように設定されている。
【００７１】
回転検出用電極５０２ａは、その両端の一方が差動アンプ５０５ａの＋入力端子に接続され、他方が差動アンプ５０５ａの−入力端子に接続されている。回転検出用電極５０２ｂは、その両端の一方が差動アンプ５０５ｂの＋入力端子に接続され、他方が差動アンプ５０５ｂの−入力端子に接続されている。差動アンプ５０５ａと５０５ｂは、回転検出信号を検出するアンプであり、その出力は、図示しない検波器に送られる。
【００７２】
Ｘ−Ｙ平面内の回転（図４のＺ軸回りの回転）が発生すると、回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂには、誘導起電力が発生し、それが回転検出信号として差動アンプ５０５ａおよび５０５ｂによって検出される。この回転検出信号には、回転の角速度情報が含まれており、そこから角速度を知ることができる。
【００７３】
モニタ電極５０３は、その両端の一方が差動アンプ５０６の＋入力端子に接続され、他方が差動アンプ５０６の−入力端子に接続されている。モニタ電極５０３には、図１の重り３０２の基本振動に応じた誘導起電力が発生し、それが差動アンプ５０６によって検出される。差動アンプ５０６の出力は、図示しない制御回路に出力され、この制御回路は、差動アンプ５０６の出力に基づいて、駆動信号源５０４ａと５０４ｂの出力の振幅を調整し、重り３０２が所定の共振状態で振動するようにフィードバック制御を行う。
【００７４】
２．実施形態の動作
図４に示す静磁場Ｂ４０５が加わった状態において、図５の駆動用電極５０１に駆動信号（ＡＣ信号）を駆動信号源５０４ａおよび駆動信号源５０４ｂから供給すると、この駆動信号の電流と静磁場Ｂ４０５とが電磁的に相互作用し、駆動用電極５０１にローレンツ力が働く。このローレンツ力は、駆動信号の周波数に応じてＸ方向において正負の向きが代わる周期的な振動力となり、これにより、重り３０２（図１参照）がＸ方向に振動する。なお、このＸ方向への振動が基本振動となる。
【００７５】
このＸ方向の振動は、モニタ電極５０３に誘導起電力を発生させ、それが差動アンプ５０６によって駆動検出信号として検出される。駆動検出信号は、駆動信号源５０４ａおよび５０４ｂの制御装置（図示せず）にフィードバックされ、重り３０２の振動が安定した共振状態になるように、駆動信号源５０４ａおよび５０４ｂの出力電圧が調整される。
【００７６】
図５のＸ−Ｙ平面内における回転（図４のＺ軸回りの回転）がない場合、振動はＸ方向だけであるから、回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂには、誘導起電力は誘起されず、回転検出信号は、差動アンプ５０５ａおよび５０５ｂから出力されない。
【００７７】
図５のＸ−Ｙ平面内における回転（図４のＺ軸回りの回転）が発生すると、Ｘ方向に振動する重り３０２（図１参照）にコリオリの力が加わる。このコリオリの力は、振動に直交する方向に発生するから、重り３０２には、Ｙ方向への振動が発生する。また、コリオリの力は、回転の角速度に依存するから、このＹ方向への振動は、上述のＸ−Ｙ平面内における回転（図４のＺ軸回りの回転）の角速度に依存したものとなる。
【００７８】
Ｙ方向への振動が発生すると、Ｙ方向に振動する回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂは、静磁場Ｂ４０５の磁束をＹ方向において横切るから、回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂには、誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、差動アンプ５０５ａおよび５０５ｂによって検出され、その出力は、図示しない検波器において、差動アンプ５０６の出力を利用して検波される。
【００７９】
Ｙ方向への振動の発生要因となるコリオリの力は、Ｘ−Ｙ平面内における回転の角速度に比例したものであるから、上記Ｙ方向への振動状態には、この角速度情報が含まれている。一方、回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂに発生する誘導起電力は、上記Ｙ方向への振動状態に依存している。従って、回転検出用電極５０２ａおよび５０２ｂに発生する誘導起電力には、図１のセンサ素子３００のＸ−Ｙ平面内における回転の角速度情報が含まれている。このため、差動アンプ５０５ａおよび５０５ｂの出力を、差動アンプ５０６の出力を利用して検波することで、角速度に依存したＤＣ電圧を得ることができる。
【００８０】
このような動作において、振動系の離調率ｒが角速度の検出感度および検出帯域に密接に影響する。本実施形態においては、重り３０２を支持する支持梁３０３ａ〜ｄおよび支持梁３０４ａ〜ｄの加工精度に部分的な誤差が存在しても、その影響が離調率に現れ難いので、加工精度の誤差に起因して、離調率が変動してしまうことを抑えることができる。したがって、製品によって感度や検出帯域に偏差が発生する不都合を抑えることができる。
【００８１】
３．発明の効果の検証
比較例として、図１に示す８個の支持梁のデザインを変更し、２種類の剛性比を有する支持梁を組み合わせて、支持構造全体の剛性比を１．０４に設定したものを作製した。
【００８２】
図６は、比較例のセンサ素子の概要を示す上面図である。図７は、比較例における支持梁の形状を示す概念図である。図８は、図７に示す形状において、調整部６０５の延出長を変化させた場合における剛性の変化を測定したデータのグラフである。
【００８３】
比較例におけるセンサ素子６００は、支持梁の形状以外の点において、図１に示すセンサ素子３００と同じであり、センサ素子３００と同様に、枠構造体６０１に略Ｘ字形状の重り６０２が、８個の支持梁６０３ａ〜ｄおよび支持梁６０４ａ〜ｄによって支持された構造を有している。また、支持梁６０３ａ〜ｄは、延出長Ｌ１＝２１８μｍの調整部６０５を有し、支持梁６０４ａ〜ｄは、延出長Ｌ２＝２８８μｍの調整部６０６を有している。
【００８４】
比較例においては、支持梁６０３ａ〜ｄ（バネ１）の剛性比が１．２４に設定され、支持梁６０４ａ〜ｄ（バネ２）の剛性比が０．８７に設定され、８個の支持梁によって構成される支持構造全体で考えた場合に、剛性比が１．０４になるように設定されている。この設定から明らかなように、比較例においては、各支持梁の剛性比が全体の剛性比に一致していない。勿論、支持梁の剛性比として異なる２種類の値を設定しているので、全ての支持梁の剛性比が同一あるいは略同一である条件も満たさない。
【００８５】
また、比較例においては、図８から明らかなように、調整部の延出長の設定において、Ｘ方向の剛性とＹ方向の剛性が同じになる延出長の値をＬ０、バネ１に相当する支持梁の調整部の延出長をＬ１（＝２１８μｍ）、バネ２の支持梁の調整部の延出長をＬ２（＝２８８μｍ）とした場合に、Ｌ０＞Ｌ１、Ｌ０＞Ｌ２であり、（Ｌ１＋Ｌ２）／２＝Ｌ０の要件を基本的に満たしていない。
【００８６】
下記表１に、実施形態の諸特性と上記比較例の諸得性を示す。なお、実施形態におけるバネ１とは、支持梁３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃおよび３０３ｄのことであり、バネ２とは、支持梁３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃおよび３０４ｄのことである。また、比較例におけるバネ１とは、支持梁６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃおよび６０３ｄのことであり、バネ２とは、支持梁６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃおよび６０４ｄのことである。
【００８７】
【表１】
2007010517.tif 000010
【００８８】
ここで、８個の支持梁の加工精度に部分的なバラツキがある場合を想定する。例えば、実施形態および比較例において、バネ１のある部分の幅が、加工誤差により、太くなり、Ｘ方向およびＹ方向の剛性が共に２倍になったとする。すなわち、図１に示す実施形態のセンサ素子３００において、支持梁３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃおよび３０３ｄの幅が太くなり、その剛性がＸ方向およびＹ方向において２倍になったと仮定する。同様に、図６に示す比較例のセンサ素子６００において、支持梁６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃおよび６０３ｄの幅が太くなり、その剛性がＸ方向およびＹ方向において２倍になったと仮定する。この場合における支持構造全体の剛性比への影響を計算した結果を下記表２に示す。
【００８９】
【表２】
2007010517.tif 000011
【００９０】
前述の表１と上記表２とを比較すると明らかなように、実施形態においては、加工精度のばらつきに起因して、バネ１（支持梁３０３ａ〜ｄ）のＸおよびＹ方向における剛性比が２倍になっても、その影響は全体の剛性比には現れず、全体の剛性比は、１．０３のままに維持される。
【００９１】
これに対して、比較例においては、加工精度に起因して、バネ１（支持梁６０３ａ〜ｄ）のＸおよびＹ方向における剛性比が２倍になると、その影響により、全体の剛性比が、１．０４から１．１０へと大きく変化してしまう。このことは、比較例に示すような支持構造の設計では、支持構造全体の剛性比が支持梁の加工精度の影響を敏感に受け易いことを意味している。
【００９２】
表１と表２の比較から、本発明の構成を採用することの優位性を確認することができる。すなわち、複数の支持梁それぞれにおける剛性比（Ｋｙｉ／Ｋｘｉ）を、この複数の支持梁で構成される支持構造全体の剛性比（ΣＫｙｉ／ΣＫｘｉ）に一致させた構成とすることで、支持梁の加工精度に誤差が存在し、部分的に支持梁の加工寸法が大きくあるいは小さくなっても、その影響が支持構造全体の剛性比に現れ難くできることを確認することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、回転に伴う角速度をコリオリの力を利用して検出する振動型角速度センサに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】発明を利用した電磁駆動型角速度センサのセンサ素子の概要を示す上面図である。
【図２】支持梁の形状を示す概念図である。
【図３】調整部の延出長を変化させた場合における支持梁のＸおよびＹ方向の剛性の変化を測定したデータのグラフである。
【図４】発明を利用した電磁駆動型角速度センサの概要を示す断面図である。
【図５】重り上における各電極の配置状態を示した概念図である。
【図６】比較例のセンサ素子の概要を示す上面図である。
【図７】比較例における支持梁の形状を示す概念図である。
【図８】比較例において、調整部の延出長を変化させた場合における支持梁のＸおよびＹ方向の剛性の変化を測定したデータのグラフである。
【符号の説明】
【００９５】
３００…センサ素子、３０１…枠構造体、３０２…重り（振動体）、３０３ａ〜ｄ…支持梁、３０４ａ〜ｄ…支持梁、３０５…調整部、３０６…調整部、３０７ａ〜ｄ…重りの端部、３０８…支持梁の一端部の枠構造体への接続部分、４００…電磁駆動型角速度センサ、４０１…ヨーク、４０１ａ…ヨークの突出部、４０１ｂ…ヨークの突出部、４０２…磁石、４０３…センサ素子保持部材、４０４…図１の平面図を見る視線方向、４０５…静磁場Ｂ、５０１…駆動用電極、５０２ａ…回転検出用電極、５０２ｂ…回転検出用電極、５０３…モニタ電極、５０４ａ…駆動信号源、５０４ｂ…駆動信号源、５０５ａ…差動アンプ、５０５ｂ…差動アンプ、５０６…差動アンプ、６００…センサ素子、６０１…枠構造体、６０２…重り、６０３ａ〜ｄ…支持梁、６０４ａ〜ｄ…支持梁、６０５…調整部、６０６…調整部。
【図１】
2007010517.tif 000012
【図２】
2007010517.tif 000013
【図３】
2007010517.tif 000014
【図４】
2007010517.tif 000015
【図５】
2007010517.tif 000016
【図６】
2007010517.tif 000017
【図７】
2007010517.tif 000018
【図８】
2007010517.tif 000019