(57)【要約】【課題】逆相駆動変位する駆動質量体、及び逆相変位で検出する検出質量体のそれぞれの共振周波数を一意に定めることができ、かつ検出質量体が駆動振動により駆動変位相当の変位を伴わないようにした容量検出型の振動型ジャイロの提供。【解決手段】左右の駆動質量体４及び６がそれぞれ、Ｘ方向に可動となるように、Ｘ方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成された少なくとも１つの第１の支持梁８及び１０の一端に接続され支持されている。左右の駆動質量体４及び６は、第１の連結ばね１２により互いに結合されている。連結ばね１２は、少なくともＸ方向及びＹ方向についてその剛性が調整されており、Ｘ方向の剛性は左右の駆動質量体４及び６が逆相振動モードを有し、Ｙ方向の剛性は連結ばね２６と協働して左右の検出質量体１４及び１６が逆相振動モードを有するように調整されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の支持梁により支持基板に固定され、角速度により発生するコリオリ力よって平面内の一方向に励振されるように構成された左右の検出質量体と、
前記平面に直交するベクトルを有する角速度印加により左右の検出質量体が励振される方向と直交する平面内の方向に駆動振動できるように、前記左右の検出質量体のそれぞれの内部に第１の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備え、
前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように弾性の第１の連結ばねによって互いに連結され、
前記第１の連結ばねは、前記左右の駆動質量体の駆動振動方向に弾性を有するばね領域と、前記左右の検出質量体が逆相で励振するモードを有するように前記駆動振動方向に直交する検出方向にも弾性を有するばね領域を有するとともに、前記駆動質量体及び前記検出質量体と実質同一平面を構成するように形成される、
振動型ジャイロ。
【請求項２】
前記左右の検出質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように検出振動方向に弾性を有する第２の連結ばねにより互いに結合される、請求項１に記載の振動型ジャイロ。
【請求項３】
第２の支持梁により支持基板に固定され、角速度により発生するコリオリ力よって平面内の一方向に回転励振されるように構成された１つの回転検出質量体と、
前記平面内の一方向に駆動振動できるように、前記回転検出質量体の内部に第１の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備え、
前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように、前記駆動振動の方向に弾性を有する第１の連結ばねによって互いに連結される、
振動型ジャイロ。
【請求項４】
前記検出質量体又は前記回転検出質量体の突起部に対向配置され、気体のダンピング力及び前記検出質量体又は前記回転検出質量体の共振周波数を調整するための調整用電極をさらに有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動型ジャイロ。
【請求項５】
前記検出質量体又は前記回転検出質量体は、前記支持基板の厚み方向に延びる複数の貫通穴を備えたハニカム構造を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動型ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型ジャイロに関し、特には、ＭＥＭＳ技術によって製造された振動型ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
１９９０年代から急速に発展したいわゆるマイクロマシニング技術によって、例えば、絶縁膜を有するシリコン基板やガラス基板上に接合されたバルクシリコンウェハを、湿式エッチングやドライエッチング等の化学的なエッチングにより処理し、メカニカルなセンサ構造体を形成して、一度のプロセスで大量のセンサ構造を製造する手法が確立されている。このような微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術によるセンサとしては、加速度センサ及び振動型ジャイロ等があり、例えば自動車、慣性ナビゲーション、デジタルカメラ、ゲーム機他、多くの分野において利用されている。
【０００３】
中でも振動型ジャイロは、一方向に振動する可動物体が回転運動を受けるときに発生するコリオリ加速度を利用している。振動する可動質量体が回転運動を伴うとき、該可動質量体は振動方向及び回転軸方向の双方に直交する方向に作用するコリオリ力を受け、この結果該可動質量体はコリオリ力の作用方向に変位する。該可動質量体は、この方向の変位を可能にするばねにより支持され、該可動質量体の変位量からコリオリ力及びそれを生じさせる角速度の値を検出することができる。可動質量体の変位は、例えば、一方が固定されかつ他方が可動質量体ともに変位可能な一対の平行平板構造又は櫛歯構造を備えた、平行平板型コンデンサ又は櫛歯型コンデンサを使用し、その容量変化から求めることができる。
【０００４】
以下に示す先行技術文献には、左右の逆相で振動する駆動運動を利用する角速度センサ又は振動型ジャイロが開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載された角速度センサは、第１の方向に並んで設けられ、各々固定部４から第１の方向に振動可能に支持された２つの第１振動体１ａ，１ｂと、伸縮方向を第１の方向に一致させて２つの第１振動体１ａ，１ｂを連結する振動バネ２と、固定部および連結された第１振動体１ａ，１ｂは同一平面上にあり、該平面に直交する第２の方向に振動可能に２つの第１振動体１ａ，１ｂのそれぞれに支持された第２振動体７と、第１の方向に直交する第２の方向に振動可能に２つの第１振動体１ａ，１ｂのそれぞれに支持された第２振動体７と、２つの第１振動体１ａ，１ｂを第１の方向に互いに逆位相となるように振動させる振動発生手段９と、第２振動体７の第２の方向の振動を検出する振動検出手段１３とを備えている角速度センサが開示されている。
【０００６】
また特許文献２には、駆動質量３と、駆動質量３の内部に懸垂支持された第１の感知質量１５ａ、１５ａ’及び第２の感知質量１５ｂ、１５ｂ’とを有する微小電気機械構造が開示されている。
【０００７】
また特許文献３には、ｘ軸に振動可能に配設された励振素子と該励振素子の振動に追従しながら、ｙ軸にも振動可能に配設されたコリオリ素子とを有する角速度検出装置が開示されている。
【０００８】
また特許文献４には、設計平面ｘ−ｙ上で基板に対して移動可能な２つの個別構造１００、２００、３００、４００、５００、６００を備え、該２つの個別構造は連結されて連結構造を形成し、該連結構造はｙ方向に平行な方向の線形加速によって励起される振動モードを有さない回転速度センサが開示されている。
【０００９】
また特許文献５には、第１方向に駆動される駆動部１００と、第１方向に直交する第２方向に可動する検出部１０１と、駆動部１００と検出部１０１とを連結する弾性部材１０１ｂとを各々有する第１ユニットと第２ユニットとを備え、第１ユニットの駆動部１００の上面と第２ユニットの駆動部１００の上面とは、第１ユニットの検出部１０１および第２ユニットの検出部１０１の上面と離間する連成梁１０４により接続される角速度センサが開示されている。
【００１０】
さらに特許文献６には、ｘｙ平面上の点Ｏに関して略対称に配置された第１駆動振動子及び第２駆動振動子と、点Ｏに関して略対称な略円形及び略多角形のいずれか一方の枠状に形成されて第１駆動振動子及び第２駆動振動子を包囲する検出振動子と、点Ｏを通るｙ方向に対して略対称となるように検出振動子に対して第１駆動振動子及び第２駆動振動子をそれぞれｘ方向に振動可能に浮動支持する第１駆動用ばね及び第２駆動用ばねと、検出振動子を基板に対して点Ｏを通るｚ軸廻りにねじれ回転振動可能に浮動支持する複数の検出用ばねと、第１駆動振動子及び第２駆動振動子に介装されて第１駆動振動子及び第２駆動振動子を連成振動させる連成ばねと、第１駆動振動子及び第２駆動振動子を逆相でｘ方向に振動駆動する駆動手段と、検出振動子の点Ｏを通るｚ軸廻りのねじれ回転振動を検出する検出手段とを備えた角速度センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−２１３６０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１７１６５号公報
【特許文献３】特開２００９−２８３４号公報
【特許文献４】特表２０１０−５３１４４７号公報
【特許文献５】特開２０１０−６０３７２号公報
【特許文献６】特開２００１−２６４０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載の振動型ジャイロでは、一対の第１の振動体がＸ方向へ互いに逆位相となるように駆動され、第１の振動体の各々に支持されている第２の振動体がコリオリ力によってＺ方向に動作する。ここで第１の振動体は共通の振動バネ（連結バネ）によって互いに逆相振動するが、第２の振動体は連結バネを有さずに各々が単独のバネマス系を構成している。従って製造プロセスのばらつき等により、第２の振動体が共通の共振周波数（動的応答特性）を有することは難しい。このため、駆動周波数を基準として誘起されるコリオリ力による第２の振動体の各々の応答変位及び位相も互いに異なり、第２の振動体の変位の差動出力感度が低下する傾向にある。また、外部ノイズとしてＺ方向の加速度外乱を考慮した場合、第２の振動体は共通の動的応答特性を有さないので、差動出力に残渣が発生し、出力ノイズの原因となり得る。
【００１３】
特許文献５では、第１ユニットの検出部１０１及び第２ユニットの検出部１０１の上面と離間する連成梁を設けることによってこの課題の対策としているが、製造プロセス上、エッチングされた部分に充填材５０４を充填したり、その上に連成梁１０４を形成したりする工程等が加わり、製造上複雑となることが予想される。さらに、連成梁１０４は素子形成層３と異なる材料で形成されるため、温度変化による寸法変化量の相違によって動特性が変化しやすいという課題も想定される。
【００１４】
また他の課題として、特許文献１では第１の振動体のＸ方向駆動変位により第２の振動体も同量のＸ方向変位を伴うため、第２の振動体のＹ方向変位を検出するための各固定電極と第２の振動体の各々との間の検出容量に変動が生じる。これは、製造プロセス上の誤差やフリンジ容量等の影響による。この結果、角速度が入力されていない場合も検出信号としていわゆる漏れ出力（クワドラチャーエラー）が発生し、バイアス出力（角速度ゼロ時のセンサ出力）の発生や安定性の低下といった課題につながる。この課題は特許文献１に記載のものの他、特許文献２及び３に記載の振動型ジャイロのように、コリオリ力による第２の振動体の変位を容量変化によって検出する方式の振動型ジャイロにおいて、検出用振動体が駆動変位相当の変位を伴い、かつ対向する検出用固定電極を有する場合に共通の課題となる。
【００１５】
また特許文献４では、上記課題を解決する手段として、励起ユニット内に設けられた検知ユニット５３０以外に、コリオリ素子５２０が複数のスプリング素子によって結合されるという複雑な構造が必要となっている。
【００１６】
そこで本発明は、逆相駆動変位する駆動質量体、及び逆相変位で検出する検出質量体のそれぞれの共振周波数（動的応答性）を一意に定めることができ、かつ検出質量体が駆動振動により駆動変位相当の変位を伴わないようにした、構造上及び製造上シンプルな容量検出型の振動型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】
【００１７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第２の支持梁により支持基板に固定され、角速度により発生するコリオリ力よって平面内の一方向に励振されるように構成された左右の検出質量体と、前記平面に直交するベクトルを有する角速度印加により左右の検出質量体が励振される方向と直交する平面内の方向に駆動振動できるように、前記左右の検出質量体のそれぞれの内部に第１の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備え、前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように弾性の第１の連結ばねによって互いに連結され、前記第１の連結ばねは、前記左右の駆動質量体の駆動振動方向に弾性を有するばね領域と、前記左右の検出質量体が逆相で励振するモードを有するように前記駆動振動方向に直交する検出方向にも弾性を有するばね領域を有するとともに、前記駆動質量体及び前記検出質量体と実質同一平面を構成するように形成される、振動型ジャイロを提供する。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動型ジャイロにおいて、前記左右の検出質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように検出振動方向に弾性を有する第２の連結ばねにより互いに結合される、振動型ジャイロを提供する。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、第２の支持梁により支持基板に固定され、角速度により発生するコリオリ力よって平面内の一方向に回転励振されるように構成された１つの回転検出質量体と、前記平面内の一方向に駆動振動できるように、前記回転検出質量体の内部に第１の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備え、前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように、前記駆動振動の方向に弾性を有する第１の連結ばねによって互いに連結される、振動型ジャイロを提供する。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動型ジャイロにおいて、前記検出質量体又は前記回転検出質量体の突起部に対向配置され、気体のダンピング力及び前記検出質量体又は前記回転検出質量体の共振周波数を調整するための調整用電極をさらに有する、振動型ジャイロを提供する。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動型ジャイロにおいて、前記検出質量体又は前記回転検出質量体は、前記支持基板の厚み方向に延びる複数の貫通穴を備えたハニカム構造を有する、振動型ジャイロを提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、左右の駆動質量体及び検出質量体に関して、駆動振動の逆相周波数と動特性のみならず、検出振動の逆相振動の共振周波数とその動特性をも一意に定めることができる。従って、並進加速度のノイズや検出感度の低下、さらには不要バイアスの低減に効果がある。また駆動変位振動により、左右の検出質量体が同量に変位することを防止でき、検出信号に現れる不要な漏れ出力を大幅に低減でき、バイアス出力低減及び安定性が向上する。
【００２３】
調整用電極を設けることにより、検出方向振動のＱ値を低減できるとともに、駆動振動方向のＱ値を向上させることができる。
【００２４】
検出質量体をハニカム構造とすることにより、剛性を維持しつつ低質量化を図ることができる。
【００２５】
駆動質量体、検出質量体、各支持梁及び連結ばね等の振動型ジャイロを構成する部材を、残留ひずみを有さない単一の半導体シリコン基板から形成可能な構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る振動型ジャイロを示す平面図である。
【図２】図１のジャイロのII−II線に沿う断面図である。
【図３】図１のジャイロのIII−III線に沿う断面図である。
【図４】図１のジャイロのIV−IV線に沿う断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る振動型ジャイロを示す平面図である。
【図６】図５のジャイロのVI−VI線に沿う断面図である。
【図７】図５のジャイロのVII−VII線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動型ジャイロの基本構造を示す平面図であり、図２−図４はそれぞれ、図１のII−II線、III−III線及びIV−IV線に沿った切断面を示す断面図である。
【００２８】
図１において、ガラス等の絶縁材料からなる支持基板２の上に、シリコンの単結晶からなる、左右対称構造を呈する振動型ジャイロの機能部材が配置されている。詳細には、左右の駆動質量体４及び６がそれぞれ、基板２の面内方向かつ左右方向である駆動方向（Ｘ方向）に可動となるように、Ｘ方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成された少なくとも１つ（図示例ではそれぞれ４つ）の第１の支持梁８及び１０の一端に接続され支持されている。また左右の駆動質量体４及び６は、弾性結合要素である第１の連結ばね１２により互いに結合されている。
【００２９】
駆動質量体４及び６に接続されていない第１の支持梁８及び１０の他端は、それぞれ左右の検出質量体１４及び１６に接続されており、各検出質量体はそれぞれ、基板２の面内方向かつ上下方向である検出方向（Ｙ方向）に可動となるように、Ｙ方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成された少なくとも１つ（図示例ではそれぞれ４つ）の第２の支持梁１８及び２０の一端に接続され支持されている。第２の支持梁１８及び２０の他端は、それぞれ左右のアンカー部２２及び２４に接続され、該アンカー部２２及び２４は支持基板２に接合されている。また必要に応じ、左右の検出質量体１４及び１６は、少なくとも１つ（図示例では２つ）の弾性結合要素である第２の連結ばね２６により互いに結合されている。第２の連結ばね２６は、左右の検出質量体１４及び１６が互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように、少なくとも検出振動方向に弾性を有する。
【００３０】
断面図２−４に示すように、左右の駆動質量体４及び６、第１の支持梁８及び１０、第１の連結ばね１２、左右の検出質量体１４及び１６、第２の支持梁１８及び２０、並びに第２の連結ばね２６は、支持基板２から所定距離離れて配置されている。従ってこれらの構成要素は、一般にそれらの剛性に差はあるが、支持基板２上にて３次元的な可動構造を構成している。
【００３１】
図１に示すように、左側駆動質量体４のＸ方向についての、右側駆動質量体６側及びその反対側には、櫛歯状の突起部２８及び３０がそれぞれ設けられており、また突起部２８及び３０に対向して、駆動櫛歯電極３２及び駆動モニタ櫛歯電極３４が、それぞれ基板２上に設けられている。同様に、右側駆動質量体６のＸ方向についての、左側駆動質量体４側及びその反対側には、櫛歯状の突起部３６及び３８がそれぞれ設けられており、また突起部３６及び３８に対向して、駆動櫛歯電極４０及び駆動モニタ櫛歯電極４２が、それぞれ基板２上に設けられている。このような構成により、駆動振動の励起には静電力を利用したコームドライブ方式を採用し、駆動振動の検知には容量変化をモニタする方式を採用している。
【００３２】
図１に示すように、左側検出質量体１４のＸ方向についての、右側駆動質量体１６の反対側には、櫛歯状の突起部４４及び該突起部４４より櫛歯間隔が狭い櫛歯状突起部４６が設けられており、また突起部４４及び４６に対向して、それぞれ検出用固定電極４８及び調整用電極５０が、基板２上に設けられている。同様に、右側検出質量体１６のＸ方向についての、左側駆動質量体１４の反対側には、櫛歯状の突起部５２及び該突起部５２より櫛歯間隔が狭い櫛歯状突起部５４が設けられており、また突起部５２及び５４に対向して、それぞれ検出用固定電極５６及び調整用電極５８が、基板２上に設けられている。なお調整用電極５０及び５８は、検出方向振動のＱ値（共振特性の鋭さを示すクオリティファクター）を低減するための調整用電極であり、この電極の数を増やすことによってＱ値を低減できる。この点について以下に述べる。
【００３３】
振動型ジャイロは、駆動振動変位を大きくすることによってその検出感度を向上させることができるが、このためには、駆動電極に加える駆動電圧を大きくし、駆動方向振動の上述のＱ値を大きくする必要がある。駆動振動方向のＱ値は、振動型ジャイロを内包するパッケージ内の真空度に依存し、真空度を高くするとＱ値も上昇する。一方、ジャイロの周波数特性（角速度の周波数に対する検出出力の振幅と位相）は、検出方向振動のＱ値によって制限される（駆動振動周波数と検出振動周波数の差に相当する角速度周波数付近にて感度ピークが発生することは、周波数特性上好ましくない）ため、検出方向振動のＱ値の上限には一定の制限が課される。この検出方向振動のＱ値の制限を満たす真空度において、駆動振動のＱ値をできるだけ上昇させるために、周囲気体とのダンピング効果向上のための調整用電極が設けられる。
【００３４】
調整用電極５０及び５８はそれぞれ、検出質量体１４及び１６との間にＤＣ電位差が与えられるように構成されており、後述する逆相共振周波数を調整する目的でも使用される。なお図１に示すように、調整用電極５０及び５８とそれぞれ対をなして狭ギャップを隔てて設けられる突起部４６及び５４は、それら狭ギャップの大きさが同一である必要がある。また検出用固定電極４８及び５６の少なくとも一部は、それぞれ検出質量体１４及び１６の検出変位を静電力で電気的に抑制し、角速度周波数の検出帯域向上や感度向上のため、サーボ式振動型ジャイロの場合に利用される。
【００３５】
上述のように構成された振動型ジャイロは、以下のようなマイクロマシニングプロセスを適用して作製することができる。
【００３６】
先ず、ガラス支持基板２とジャイロの可動部材との間に所定の間隙（図２−４参照）が形成されるように、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置等を利用したドライエッチング処理をシリコン基板に施す。但し、ドライエッチングされてはいけない領域として、間隙を形成する部分以外については、半導体フォトリソグラフィ技術等を適用して、例えばレジストマスクを予め形成しておく。
【００３７】
次に、ガラス支持基板とシリコン基板とを陽極接合手法等により接合する。この段階で、シリコン基板側から研磨を行い、該シリコン基板を所定の厚さにするとともに、ボンディング用パッドとして必要とされる領域に、Ｃｒ＆Ａｕ等の導電性メタルの選択的スパッタリングを行い、電極パッド（図示せず）を形成する。
【００３８】
さらに、接合されたシリコン基板の表面側に、フォトレジスト等のマスク材料を利用して、図１の平面図で示されるレジストパターンを、フォトリソグラフィ技術を利用して作製する。この場合も、エッチングされてはいけない領域がレジストマスクにより保護される。
【００３９】
次に、ＲＩＥ装置等を利用したドライエッチングにより、シリコン基板の厚さ方向に貫通エッチングを行う。以上のようなマイクロマシニング技術を適用した単純な製造プロセスにより、振動型ジャイロの基本構造を作製することができる。
【００４０】
このようにジャイロを構成する材料として必要なものはシリコン基板及びガラス基板のみであり、シリコン基板とほぼ同一の線膨張係数を有するガラス材料を使用することで、温度変化に対して構造的ひずみ（熱ひずみ）や応力（熱応力）が発生しにくくなり、構造的に安定かつ特性的にも優れた振動型ジャイロが提供可能となる。
【００４１】
次に、振動型ジャイロの動作について説明する。例えば、Ｘ軸方向に速度Ｖxで振動する質量Ｍの検出質量体にＺ軸回りの回転（回転角速度Ωz）が加わった場合に生じるＹ軸方向のコリオリ力Ｆyの絶対量は、
Ｆy＝２ΩzＭＶx
で表される。このため、コリオリ力Ｆyによる該検出質量体の変位を検出することで角速度を検出する振動型ジャイロでは、駆動質量体を速度Ｖxで励振させる必要がある。このための方式として、例えば静電力によるコームドライブ方式が利用される。
【００４２】
左側駆動質量体４と左側駆動櫛歯電極３２との間、及び右側駆動質量体６と右側駆動櫛歯電極４０との間に、ＤＣ電圧ＶDCとＡＣ電圧ＶACとの和を印加すると、ＶACの電圧周期と等しい駆動力が発生する。一方、左右の駆動質量体４及び６は弾性の連結ばね１２により互いに連結されているので、互いにＸ方向に近づき又は離れる、いわゆる逆相振動の共振モードを有する。従って、ＶACの周波数をこの逆相振動モードの共振周波数と一致させて振動させることで、駆動質量体４及び６は、互いに接離する逆相振動を呈する。この振動の速度Ｖxは、モニタ櫛歯電極３４及び４２により、静電容量変化として電気回路を通じで検出され、駆動振動制御に利用される。
【００４３】
左右の駆動質量体４及び６が上記のようにＸ方向に逆相振動する場合、角速度Ωzが図１の紙面に垂直な方向に作用すると、左右の駆動質量体には逆相のコリオリ力Ｆyが生じる。このコリオリ力は第１の支持梁８及び１０を通じてそれぞれ左右の検出質量体１４及び１６に伝達される。ここで左右の検出質量体はそれぞれ第２の支持梁１８及び２０によってＹ方向に可動に支持されているため、逆相でＹ方向に振動する。この結果、左右の検出質量体にそれぞれ設けられた櫛歯状の突起部４４及び５２と左右の固定電極４８及び５６との間の静電容量がそれぞれ変化し、この差動容量変化を電気的に検出することによって角速度Ωzを検出することができる。
【００４４】
左右の検出質量体１４及び１６は、連結ばね１２により駆動質量体を介して間接的に互いに連結されており、或いはさらに連結ばね２６により互いに連結されているので、駆動質量体と同様に、Ｙ方向に関して逆相の振動モードを有する。連結ばね１２は、少なくともＸ方向及びＹ方向についてその剛性が調整されており、詳細には、Ｘ方向の剛性は左右の駆動質量体４及び６が逆相振動モードを有し、Ｙ方向の剛性は連結ばね２６と協働して左右の検出質量体１４及び１６が逆相振動モードを有するように調整されている。換言すれば、第１の連結ばね１２は、左右の駆動質量体４及び６の駆動振動方向に弾性を有するばね領域と、左右の検出質量体１４及び１６が逆相で励振するモードを有するように駆動振動方向に直交する検出方向にも弾性を有するばね領域を有する。
【００４５】
また連結ばね１２及び２６は、図２−図４からわかるように、駆動質量体４及び６、検出質量体１４及び１６等の他の構造体と実質同一平面を構成するように形成可能であり、上述した単純なマイクロマシニング製造プロセスが適用できる。検出質量体の逆相振動モードの共振周波数を、駆動質量体の逆相振動モードの共振周波数に一致させ又は近い値に設定することによって、振動型ジャイロの検出感度を高くすることができる。
【００４６】
本発明に係る振動型ジャイロの特徴は、駆動質量体の振動のみならず、検出質量体の逆相振動モードが一意に定まり、特に、角速度検出時の左右の検出質量体の動特性（共振周波数、ゲイン及び位相）を揃えることが可能である点にある。該特徴は、以下の点で、検出時の誤差発生や感度低下を防止する上で有効である。
【００４７】
検出質量体１４及び１６が連結ばね１２又は２６で連結されていない場合は、ジャイロの製造プロセス時のシリコンエッチングのばらつき等により、左右の検出質量体のＹ方向の共振周波数を歩留まり高く一致させることが困難である。共振周波数が異なると、Ｙ方向のコリオリ力に対する動的応答の変位振幅や位相も異なり、これらを差動信号処理する場合に信号感度が低下することになる。また、Ｙ方向に加速度外乱が入力された場合、左右の検出質量体でＹ方向の動的応答性が異なると、本来、信号の差動処理によりキャンセルされるところが、残渣が発生し、誤差が出力される。このように、左右の検出質量体の単一逆相振動モードを適用できる本発明では、加速度外乱による誤差の発生や感度の低下を防止できるという効果が得られる。
【００４８】
一方、振動型ジャイロにおいてしばしば問題視される、バイアス安定性に関する本願発明の有意な特徴について説明する。上述の実施形態では、従来と異なり、左右の駆動質量体４及び６の駆動振動により、検出質量体１４及び１６が同じ振幅で振動する構成とはなっていないため、駆動振動による検出容量変化、すなわち漏れ出力を抑制することが可能である。従来では、駆動質量体の駆動振動により検出質量体が同じ振幅で振動し、かつ該検出質量体が固定電極と比較的狭いギャップで対向することにより検出用静電容量が得られている。このような場合、製造工程、特に構造体作製時のシリコンエッチングのばらつき等により、上記ギャップにもばらつきが生じ、駆動変位による容量変化により漏れ出力が発生する。
【００４９】
これに対し本願発明に係る上記実施形態では、上述のように駆動振動と検出振動とが分離されているので、角速度入力がない場合における漏れ出力（クワドラチャー誤差）を大幅に低減可能であり、さらに漏れ出力を原因とするバイアス値やその変動を抑制することも可能である。
【００５０】
なお、角速度により発生するコリオリ力は、駆動されている左右の駆動質量体４及び６に作用し、それらの検出変位は、この慣性力と、検出質量体１４及び１６を支持するＹ方向（第２）の支持梁１８及び２０の剛性とから定まる。ここで、検出系の逆相共振周波数を変化させることなく上記剛性を低くして変位検出感度を向上させるためには、左右の検出質量体１４及び１６はできるだけ低質量であることが好ましい。そこで、図１に示すように、左右の検出質量体１４及び１６は、その剛性を維持しつつ低質量化を図るべく、厚み方向（Ｚ方向）に延びる多数の貫通穴を有する、いわゆるハニカム構造として構成されている。
【００５１】
以上のように、第１の実施形態によれば、左右の検出質量体の単一逆相振動モードが適用できるとともに、駆動質量体の振動と検出質量体の振動とが分離されるため、高感度でバイアス安定性に優れた振動型ジャイロが提供される。
【００５２】
次に、本願発明の第２の実施形態に係る振動型ジャイロを、図５−７を参照して説明する。図５は、第２の実施形態に係る振動型ジャイロの基本構造を示す平面図であり、図６及び図７はそれぞれ、図５のVI−VI線及びVII−VII線に沿った切断面を示す断面図である。
【００５３】
図５に示すように、ガラス等の絶縁材料からなる支持基板１０２の上に、シリコンの単結晶からなる、左右対称構造を呈する振動型ジャイロの機能部材が配置されている。詳細には、左右の駆動質量体１０４及び１０６がそれぞれ、基板１０２の面内方向かつ左右方向である駆動方向（Ｘ方向）に可動となるように、Ｘ方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成された少なくとも１つ（図示例ではそれぞれ４つ）の第１の支持梁１０８及び１１０の一端に接続され支持されている。また左右の駆動質量体１０４及び１０６は、弾性結合要素である連結ばね１１２により互いに結合されている。
【００５４】
駆動質量体１０４及び１０６に接続されていない第１の支持梁１０８及び１１０の他端は、略円板形状の１つの回転検出質量体１１４に接続されており、回転検出質量体１１４は、基板２の面内方向に所定の回転中心回りに回転可能となるように、少なくとも１つ（図示例では４つ）の回転方向支持梁１１８の一端に接続され、回転方向支持梁１１８の他端は基板中央近傍に固定配置されたアンカー部１２２にそれぞれ接続されている。
【００５５】
断面図６及び７に示すように、左右の駆動質量体１０４及び１０６、第１の支持梁１０８及び１１０、連結ばね１１２、検出質量体１１４、並びに第２の支持梁１１８は、支持基板１０２から所定距離離れて配置されている。従ってこれらの構成要素は、一般にそれらの剛性に差はあるが、支持基板２上にて３次元的な可動構造を構成している。また連結ばね１１２は、図６及び図７からわかるように、駆動質量体１０４及び１０６、並びに検出質量体１１４等の他の構造体と実質同一平面を構成するように形成可能であり、上述した単純なマイクロマシニング製造プロセスが適用できる。
【００５６】
図５に示すように、左側駆動質量体１０４のＸ方向についての、右側駆動質量体１０６側及びその反対側には、櫛歯状の突起部１２８及び１３０がそれぞれ設けられており、また突起部１２８及び１３０に対向して、駆動櫛歯電極１３２及び駆動モニタ櫛歯電極１３４が、それぞれ基板１０２上に設けられている。同様に、右側駆動質量体１０６のＸ方向についての、左側駆動質量体１０４側及びその反対側には、櫛歯状の突起部１３６及び１３８がそれぞれ設けられており、また突起部１３６及び１３８に対向して、駆動櫛歯電極１４０及び駆動モニタ櫛歯電極１４２が、それぞれ基板１０２上に設けられている。このような構成により、駆動振動の励起には静電力を利用したコームドライブ方式を採用し、駆動振動の検知には容量変化をモニタする方式を採用している。
【００５７】
回転振動検出体１１４の周縁部には、該回転振動検出体１１４の回転円の径方向外側に延びる櫛歯状の突起部１４４が設けられており、また突起部１４４に対して狭ギャップを隔てて対向して、検出用固定電極１４８及び調整用電極１５０が、基板２上に設けられている。突起部１４４と検出用固定電極１４８との間には検出容量が構成され、一方突起部１４４と調整用固定電極１５０との間にはＤＣ電位差が与えられるように構成されており、共振周波数を調整する目的で使用される。また検出用固定電極１４８の少なくとも一部は、回転検出質量体１１４の検出変位を静電力で電気的に抑制し、角速度周波数の検出帯域向上や感度向上のため、サーボ式振動型ジャイロの場合に利用される。
【００５８】
上述のように構成された第２の実施形態に係る振動型ジャイロは、第１の実施形態において説明したものと同様のマイクロマシニングプロセスを適用して作製することができる。
【００５９】
次に、第２の実施形態に係る振動型ジャイロの動作について説明する。なお左右の駆動質量体１０４及び１０６をＸ方向に逆相で振動させる点については第１の実施形態と同様でよいため、説明は省略する。
【００６０】
一定振幅のＸ軸方向速度Ｖxで逆相振動している質量駆動体１０４及び１０６に、Ｚ軸回りの回転（回転角速度Ωz）が加わった場合、両駆動質量体には逆相のコリオリ力Ｆyが作用する。この力は、第１の支持梁１０８を介して回転検出質量体１１４に伝達され、その結果、回転検出質量体１１４に回転振動が誘起される。これにより、櫛歯状の突起部１４４とこれに対向する検出用固定電極１４８とから構成される電極対に容量変化が発生する。ここで、図６に示すように、同一回転方向について逆相の容量変化が発生するように上記電極対を構成しておくことにより、差動容量変化を図示しない電気回路を通じて電圧出力に変換し、角速度Ωzに比例した検出出力を得ることができる。
【００６１】
第２の実施形態の特徴は、検出構造として回転振動を採用しているため、第１の実施形態と同様、単一の共振周波数有する振動モード（この場合は回転振動モード）を利用できることである。また、この回転振動モードの共振周波数を、駆動質量体の逆相振動モードの共振周波数に一致又は近接して設定することにより、振動型ジャイロの検出感度を高くすることができる。このようにして、第１の実施形態と同様に、角速度検出時の検出質量体の動特性（共振周波数、ゲイン及び位相）が一意に定まり、従来発生していた検出誤差や感度低下を防止できる。さらに、例えばＹ軸に平行な並進加速度外乱が入力された場合でも、検出振動方向はねじれ回転方向であるため、構造的に出力誤差を発生させる変位は生じにくく、加速度外乱に対しても堅牢（ロバスト）であるという利点が得られる。
【００６２】
また第２の実施形態も駆動系振動と検出系振動は分離されているので、バイアス安定性は優れている。すなわち、従来とは異なり、左右の駆動質量体１０４及び１０６の駆動振動により、回転振動検出質量体１１４が同じ振幅で振動しないため、駆動振動による検出容量変化に起因する漏れ出力を抑制できる。従来では、駆動質量体の駆動振動により検出質量体が同じ振幅で振動し、かつ該検出質量体が固定電極と比較的狭いギャップで対向することにより検出用静電容量が得られている。このような場合、製造工程、特に構造体作製時のシリコンエッチングのばらつき等により、上記ギャップにもばらつきが生じ、駆動変位による容量変化により漏れ出力が発生する。これに対し本願発明に係る第２の実施形態では、上述のように駆動振動と検出振動とが分離されているので、角速度入力がない場合における漏れ出力（クワドラチャー誤差）を大幅に低減可能であり、さらに漏れ出力を原因とするバイアス値やその変動を抑制することも可能である。
【００６３】
なお、第１の実施形態と同様に、角速度により発生するコリオリ力は、駆動されている左右の駆動質量体１０４及び１０６に作用し、それらの検出変位は、慣性力と、回転検出質量体１１４を支持する第２の支持梁１１８の剛性とから定まる。ここで、検出系の逆相共振周波数を変化させることなく上記剛性を低くして変位検出感度を向上させるためには、回転検出質量体１１４はできるだけ低質量であることが好ましい。そこで、図５に示すように、回転検出質量体１１４は、その剛性を維持しつつ低質量化を図るべく、厚み方向（Ｚ方向）に多数の貫通穴を有する、いわゆるハニカム構造として構成されている。
【００６４】
以上のように、第２の実施形態によれば、検出質量体の単一逆相振動モードが適用できるとともに、駆動質量体の振動と検出質量体の振動とが分離されるため、高感度でバイアス安定性に優れた振動型ジャイロが提供される。
【符号の説明】
【００６５】
２、１０２    基板
４、６、１０４、１０６    駆動質量体
８、１０、１０８、１１０    第１の支持梁
１８、２０、１１８    第２の支持梁
１２、１１２    第１の連結ばね
２６    第２の連結ばね
１４、１６、１１４    検出質量体
調整用電極    ５０、５８、１５０
【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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