(57)【要約】【課題】  複数の励振方向を備えた角速度センサにおいて、励振モードの安定化と小型化を同時に実現する技術を提供すること。【解決手段】  角速度センサ１１０は、３つ以上の角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３を備えている。連結部１２０は、各角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３のマス部４０を連結している。角速度検出ユニット１０１は、水平方向（ｙ軸方向）のマス部４０の振動を検出する水平方向検出手段６０を備えている。角速度検出ユニット１０２，１０３は、垂直方向（ｚ軸方向）のマス部４０の振動を検出する垂直方向検出手段８０を備えている。【選択図】  図１
2009150816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、その基板の所定位置の周囲に配置されている少なくとも３つ以上の角速度検出ユニットと、連結部と、を備えており、
各角速度検出ユニットは、
マス部と、
マス部と前記所定位置を結ぶ方向に平行な励振方向にマス部を励振させる励振手段と、
一端がマス部に連結するとともに他端が基板に固定されており、少なくとも前記励振方向と前記励振方向に直交する方向とに変位可能にマス部を支持しているビームと、を有しており、
連結部は、基板から浮遊しているとともに、各角速度検出ユニットのマス部を連結しており、
前記励振方向には、方向を異にする第１励振方向と第２励振方向が少なくとも含まれており、
第１励振方向に励振するマス部を備えた角速度検出ユニットの少なくとも１つは、第１励振方向に直交する第１検出方向のマス部の振動を検出する検出手段を備えており、
第２励振方向に励振するマス部を備えた角速度検出ユニットの少なくとも１つは、第２励振方向に直交する第２検出方向のマス部の振動を検出する検出手段を備えている角速度センサ。
【請求項２】
各角速度検出ユニットは、
前記所定位置を始点とする励振方向の単位ベクトルの和が０となるように、所定位置の周囲に配置されてい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】
第１励振方向に励振するマス部を備えた角速度検出ユニットの少なくとも１つでは、第１励振方向と第１検出方向が基板の表面に対して平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
第２励振方向に励振するマス部を備えた角速度検出ユニットの少なくとも１つでは、第２励振方向が基板の表面に対して平行であり、第２検出方向が基板の表面に対して垂直であることを特徴とする請求項３に記載の角速度センサ。
【請求項５】
第１励振方向及び／又は第２励振方向に励振するマス部を備えた角速度検出ユニットの少なくとも１つでは、検出手段が、基板の表面に対して平行方向のマス部の振動を検出する水平方向検出手段と、基板の表面に対して垂直方向のマス部の振動を検出する垂直方向検出手段とを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項６】
垂直方向検出手段は、
マス部から基板の上方に向けて伸びているとともに、基板の一部の表面との間に間隙を形成する第１アームと、
基板からマス部の上方に向けて伸びているとともに、マス部の一部の表面との間に間隙を形成する第２アームと、を有しており、
前記第１アームと前記基板の一部は第１コンデンサを構成しており、
前記第２アームと前記マス部の一部は第２コンデンサを構成しており、
基板の表面に対して垂直方向にマス部が変位すると、第１コンデンサと第２コンデンサのうちの一方の間隙が拡大するとともに他方の間隙が縮小することを特徴とする請求項５の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コリオリ力を利用する角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、コリオリ力を利用する角速度センサは、基板と、その基板に配置されている角速度検出ユニットを備えている。角速度検出ユニットは、マス部と、マス部を励振方向に励振させる励振手段と、一端がマス部に連結するとともに他端が基板に固定されているビームとを備えている。角速度検出ユニットにはさらに、マス部の振動を検出する検出手段が設けられている。ビームは、励振方向と検出方向の双方に弾性変形が可能であり、マス部が励振方向と検出方向の双方に変位可能にマス部を支持している。
励振手段は、櫛歯電極で構成されていることが多い。櫛歯電極は、マス部側に設けられている可動電極と、基板側に設けられている固定電極とを備えている。この櫛歯電極に交流電圧を供給すると、マス部側の可動電極と基板側の固定電極の間に静電引力が発生し、マス部を励振方向に励振させることができる。
検出手段は、マス部側に設けられている平板電極と基板側に設けられている平板電極で構成されたコンデンサであることが多い。マス部側の平板電極と基板側の平板電極は、検出方向に対向している。
【０００３】
この種の角速度センサでは、マス部を励振方向に励振させているときに、マス部に角速度が加わると、マス部の励振方向と角速度の回転軸方向の両方に直交する方向（検出方向）にコリオリ力が発生し、マス部が検出方向に振動する。マス部が検出方向に振動すると、検出手段のコンデンサを構成しているマス部側の平板電極と基板側の平板電極の間の距離が変動し、コンデンサの静電容量が変動する。角速度センサは、この静電容量の変動からマス部の検出方向の振動を検出し、その検出結果から角速度センサに加わった角速度を換算する。
【０００４】
特許文献１の図１５には、１組の角速度検出ユニットを励振方向に沿って配置した角速度センサが開示されている。一方の角速度検出ユニットのマス部と他方の角速度検出ユニットのマス部は、基板から浮遊している連結部を介して連結している。
各角速度検出ユニットの励振手段には、同位相の交流電圧が供給されており、各マス部が励振方向に沿って反対方向に励振する。このため、連結された一組のマス部の全体の重心は、各マス部が励振しているときに移動しない。この結果、各マス部のバランスが安定し、励振モードが安定する。励振モードが安定すると、外部からの振動の影響を受け難くなり、角速度センサの出力が安定する。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１７０２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術は、励振モードを安定化させることができるので、極めて優れた技術である。この技術をさらに発展させるためには、この技術の有用な活用法を開発することが重要である。
一般的に、角速度センサでは、複数の軸の角速度を同時に検出することが望まれている。複数の軸の角速度を同時に検出するためには、励振方向を異にする複数の角速度検出ユニットを同一基板に設けるのが望ましい。しかし、特許文献１に開示される角速度センサは、１つの励振方向において、２つの角速度検出ユニットと各マス部を連結する連結部を備えている。例えば、特許文献１の技術を利用して、２種類の励振方向を有する角速度センサを構築しようとすると、２つの角速度検出ユニットと１つの連結部を単位とする構造を各励振方向に対して用意することになる。このため、基板面積の消費量が増大し、角速度センサが大型化してしまう。特許文献１の技術を複数の励振方向を備えた角速度センサにまで適用するためには、更なる技術開発が必要である。
本発明は、複数の励振方向を備えた角速度センサにおいて、励振モードの安定化と小型化を同時に実現する技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示される技術は、少なくとも３つ以上の角速度検出ユニットを備えていることを特徴としている。各角速度検出ユニットは、基板の所定位置の周囲に配置されている。各角速度検出ユニットの励振方向は、全てが異なる方向でもよく、一部が重複していてもよい。但し、これらの励振方向には、方向を異にする第１励振方向と第２励振方向が少なくとも含まれている。各角速度検出ユニットのマス部は、基板から浮遊している連結部を介して連結している。即ち、励振方向を異にするマス部同士が同一の連結部によって連結されている。
この角速度センサは、交流電圧を供給する回路が接続されて用いられる。この回路は、各マス部の速度ベクトルの和が０となるような交流電圧を各励振手段に供給する。各マス部は連結部を介して連結されているので、速度ベクトルの和が０となるように各マス部を励振させると、連結されたマス部の全体の重心が移動しない状態を作り出すことができる。この結果、各マス部のバランスが安定し、励振モードが安定する。上記の角速度センサでは、複数の励振方向を備えていたとしても、各マス部を連結部を介して連結することによって、励振モードの安定化を実現することができる。さらに、上記の角速度センサでは、各マス部を１つの連結部で連結しているので、複数の角速度検出ユニットを高密度に集積することができる。即ち、特許文献１の技術を何ら改善することなく利用すると、２つの角速度検出ユニットと１つの連結部を単位とする構造が、励振方向毎に別個に設けられることになるので、基板面積の消費量が増大してしまう。一方、上記の角速度センサでは、複数の角速度検出ユニットで１つの連結部のみが用いられる。上記の角速度検出ユニットでは、複数の角速度検出ユニットで連結部を兼用していると評価できる。このため、上記の角速度センサでは、デッドスペースを削減することができるので、基板面積を効率的に活用することができる。上記の角速度センサによると、複数の励振方向を有するとともに、励振モードの安定化と小型化を同時に実現することができる。
【０００８】
即ち、本明細書で開示される角速度センサは、基板と、その基板の所定位置の周囲に配置されている少なくとも３つ以上の角速度検出ユニットと、連結部を備えている。各角速度検出ユニットは、マス部と、マス部と所定位置を結ぶ方向に平行な励振方向にマス部を励振させる励振手段と、一端がマス部に連結するとともに他端が基板に固定されており、少なくとも励振方向とその励振方向に直交する方向とに変位可能にマス部を支持しているビームとを備えている。連結部は、基板から浮遊しているとともに、各角速度検出ユニットのマス部を連結している。励振方向には、方向を異にする第１励振方向と第２励振方向が少なくとも含まれている。第１励振方向に励振するマス部を備えた角速度検出ユニットの少なくとも１つは、第１励振方向に直交する第１検出方向のマス部の振動を検出する検出手段を備えている。第２励振方向に励振するマス部を備えた角速度検出ユニットの少なくとも１つは、第２励振方向に直交する第２検出方向のマス部の振動を検出する検出手段を備えている。
ここで、各マス部の変位を検出する検出手段は、マス部に直接的に設けられていてもよく、あるいはマス部に連結されているビームに設けられていてもよい。検出手段がビームに設けられている場合は、ビームの検出方向の変位から間接的にマス部の検出方向の変位を検出することができる。
【０００９】
本明細書で開示される角速度センサでは、各角速度検出ユニットが、前記所定位置を始点とする励振方向の単位ベクトルの和が０となるように、所定位置の周囲に配置されていることが好ましい。
各角速度検出ユニットが上記位置関係に配置されていると、各マス部を同位相又は逆位相で励振すると、連結されたマス部の全体の重心が移動しない状態を作り出すことができる。
【００１０】
本明細書で開示される角速度センサでは、第１励振方向に励振するマス部を備えた角速度検出ユニットの少なくとも１つにおいて、第１励振方向と第１検出方向が基板の表面に対して平行であることが好ましい。
この角速度検出ユニットの検出手段は、基板の表面に対して垂直方向を回転軸方向とする角速度を検出することができる。
【００１１】
本明細書で開示される角速度センサでは、第２励振方向に励振するマス部を備えた角速度検出ユニットの少なくとも１つにおいて、第２励振方向が基板の表面に対して平行であり、第２検出方向が基板の表面に対して垂直であることが好ましい。
この角速度検出ユニットの検出手段は、基板の表面に対して平行方向を回転軸方向とする角速度を検出することができる。
【００１２】
本明細書で開示される角速度センサでは、第１励振方向及び／又は第２励振方向に励振するマス部を備えた角速度検出ユニットの少なくとも１つにおいて、検出手段が、基板の表面に対して平行方向のマス部の振動を検出する水平方向検出手段と、基板の表面に対して垂直方向のマス部の振動を検出する垂直方向検出手段を備えていることが好ましい。
この角速度検出ユニットによると、水平方向検出手段が基板の表面に対して垂直方向を回転軸方向とする角速度を検出し、垂直方向検出手段が基板の表面に対して平行方向を回転軸方向とする角速度を検出することができる。水平方向検出手段と垂直方向検出手段の双方が設けられていると、１つの角速度検出ユニットで２軸の角速度を検出することができる。
【００１３】
垂直方向検出手段は、第１アームと第２アームを有しているのが好ましい。第１アームは、マス部から基板の上方に向けて伸びているとともに、基板の一部の表面との間に間隙を形成する。第２アームは、基板からマス部の上方に向けて伸びているとともに、マス部の一部の表面との間に間隙を形成する。第１アームと基板の一部の表面は第１コンデンサを構成しており、第２アームとマス部の一部の表面は第２コンデンサを構成している。この垂直方向検出手段によると、基板の表面の垂直方向にマス部が変位すると、第１コンデンサと第２コンデンサのうちの一方の間隙が拡大するとともに他方の間隙が縮小する。
この垂直方向検出手段では、基板の表面に対して垂直方向にマス部が変位したときに、第１コンデンサの間隙の距離が増大（又は減少）すると、第２コンデンサの間隙の距離が減少（又は増大）する。例えば、定常状態における第１コンデンサの対向面積及び距離と第２コンデンサの対向面積及び距離を一致させておくと、基板の表面に対して垂直方向にマス部が変位したときに、第１コンデンサの静電容量の増大（又は減少）と第２コンデンサの静電容量の減少（又は増大）を一致させることができる。このため、第１コンデンサの静電容量の変動と第２コンデンサの静電容量の変動の差分を求めると、静電容量の変動を２倍の感度で検出することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書で開示される技術によると、複数の軸の角速度を検出できるとともに、励振モードの安定化と小型化を同時に実現する角速度センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本明細書で開示される技術の好ましい形態を記載する。
（第１形態）
角速度センサは、基板と、その基板の所定位置の周囲に配置されている３つの角速度検出ユニットと、連結部とを備えている。第１角速度検出ユニットは、第１マス部と、第１マス部を第１励振方向に励振させる第１励振手段と、一端が第１マス部に連結するとともに他端が基板に固定されており、少なくとも第１励振方向と第１励振方向に直交する第１検出方向とに変位可能に第１マス部を支持している第１ビームと、第１マス部の第１検出方向の振動を検出する第１検出手段とを有している。第２角速度検出ユニットは、第２マス部と、第２マス部を第２励振方向に励振させる第２励振手段と、一端が第２マス部に連結するとともに他端が基板に固定されており、少なくとも第２励振方向と第２励振方向に直交する第２検出方向とに変位可能に第２マス部を支持している第２ビームと、第２マス部の第２検出方向の振動を検出する第２検出手段とを有している。第３角速度検出ユニットは、第３マス部と、第３マス部を第３励振方向に励振させる第３励振手段と、一端が第３マス部に連結するとともに他端が基板に固定されており、少なくとも第３励振方向と第３励振方向に直交する第３検出方向とに変位可能に第３マス部を支持している第３ビームと、第３マス部の第３検出方向の振動を検出する第３検出手段とを有している。連結部は、基板から浮遊しているとともに、第１マス部と第２マス部と第３マス部を連結している。第１励振方向と第２励振方向の間の角度、第１励振方向と第３励振方向の間の角度、及び第２励振方向と第３励振方向の間の角度はそれぞれ１２０°である。
（第２形態）
第１形態の角速度センサにおいて、第１検出方向は基板の表面に対して垂直方向であり、第２検出方向及び第３検出方向は基板の表面に対して平行である。
（第３形態）
角速度センサは、基板と、その基板の所定置の周囲に配置されている４個の角速度検出ユニットと、連結部とを備えている。第１角速度検出ユニットは、第１マス部と、第１マス部を第１励振方向に励振させる第１励振手段と、一端が第１マス部に連結するとともに他端が基板に固定されており、少なくとも第１励振方向と第１励振方向に直交する第１検出方向とに変位可能に第１マス部を支持している第１ビームと、第１マス部の第１検出方向の振動を検出する第１検出手段とを有している。第２角速度検出ユニットは、第１マス部に対向して設けられている第２マス部と、第２マス部を第１励振方向に励振させる第２励振手段と、一端が第２マス部に連結するとともに他端が基板に固定されており、少なくとも第１励振方向と第１励振方向に直交する第１検出方向とに変位可能に第２マス部を支持している第２ビームと、第２マス部の第１検出方向の振動を検出する第２検出手段とを有している。第３角速度検出ユニットは、第３マス部と、第３マス部を第２励振方向に励振させる第３励振手段と、一端が第３マス部に連結するとともに他端が基板に固定されており、少なくとも第２励振方向と第２励振方向に直交する第２検出方向とに変位可能に第３マス部を支持している第３ビームと、第３マス部の第２検出方向の振動を検出する第３検出手段とを有している。第４角速度検出ユニットは、第３マス部に対向して設けられている第４マス部と、第４マス部を第２励振方向に励振させる第４励振手段と、一端が第４マス部に連結するとともに他端が基板に固定されており、少なくとも第２励振方向と第２励振方向に直交する第２検出方向とに変位可能に第４マス部を支持している第４ビームと、第４マス部の第２検出方向の振動を検出する第４検出手段とを有している。連結部は、基板から浮遊しているとともに、第１マス部と第２マス部と第３マス部と第４マス部を連結している。
（第４形態）  第３形態の角速度センサにおいて、各角速度検出ユニットは、基板の表面に対して垂直方向のマス部の振動を検出する検出手段をさらに備えている。
（第５形態）  検出手段には、コンデンサの静電容量の変動を検出するものの他に、磁界変化、光位相変化、光強度変化等を用いることができる。
【実施例】
【００１６】
以下、図面を参照して実施例を説明する。まず、図１を参照して、本実施例の角速度センサの基本的な構成を模式的に例示するとともに、その特徴を説明する。その後に、角速度センサが備えている各構成要素を詳細に説明する。
図１（Ａ）に、３つの角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３を備えた角速度センサ１００を例示する。図１（Ｂ）に、４つの角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４を備えた角速度センサ１１０を例示する。
【００１７】
図１（Ａ）に例示する角速度センサ１００は、基板１０と、その基板１０の所定位置１３０の周囲に配置されている３つの角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３とを備えている。図１（Ｂ）に例示する角速度センサ１１０は、基板１０と、その基板１０の所定位置１３０の周囲に配置されている４つの角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４とを備えている。後述するように、角速度検出ユニット１０１−１０３，１１１−１１４には、様々なタイプが採用され得る。いずれのタイプの角速度検出ユニット１０１−１０３，１１１−１１４も、少なくとも以下の構成要素を備えている。
【００１８】
マス部：所定質量を有しており、励振手段を利用して励振方向に励振させられる部分。角速度が印加されると、励振方向と角速度の回転軸方向の両方に直交する方向（検出方向）に振動する。
【００１９】
励振手段：マス部と所定位置を結ぶ方向に平行な励振方向にマス部を励振させる手段。典型的には、櫛歯電極が用いられる。
【００２０】
ビーム：一端がマス部に連結するとともに他端が基板１０に固定されており、少なくとも励振方向と励振方向に直交する検出方向とに変位可能にマス部を支持している部分。
【００２１】
検出手段：励振方向に直交する検出方向のマス部の振動を検出する手段。検出手段には、基板１０の表面に対して平行な方向のマス部の振動を検出する水平方向検出手段、及び／又は基板１０の表面に対して垂直な方向のマス部の振動を検出する垂直方向検出手段が用いられる。なお、同一の励振方向に沿って角速度検出ユニットが配置されている場合、それらの角速度検出ユニットの間では、同一の検出方向を対象とする検出手段を一方の角速度検出ユニットから省略することも可能である。
【００２２】
図１（Ａ）に示すように、角速度センサ１００はさらに、連結部１２０を備えていることを特徴としている。連結部１２０は、基板１０から浮遊しているとともに、各角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３のマス部を連結している。
図１（Ｂ）に示すように、角速度センサ１１０もさらに、連結部１２１を備えていることを特徴としている。連結部１２１は、基板１０から浮遊しているとともに、各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４のマス部を連結している。
【００２３】
図１中の矢印は、各角速度検出ユニット１０１−１０３，１１１−１１４に設けられているマス部の励振方向を示している。図１（Ａ）に示すように、角速度センサ１００では、角速度検出ユニット１０１の励振方向がｘ軸方向であり，角速度検出ユニット１０２，１０３の励振方向がｘ軸方向に対して傾斜した方向である。このため、角速度センサ１００では、各角速度センサ１０１，１０２，１０３の励振方向がそれぞれ異なっており、角速度センサ１００には３種類の励振方向が含まれている。図１（Ｂ）に示すように、角速度センサ１１０では、角速度検出ユニット１１１，１１３の励振方向がｘ軸方向であり、角速度検出ユニット１１２，１１４の励振方向がｙ軸方向である。このため、角速度センサ１１０では、角速度検出ユニット１１１，１１３の励振方向（ｘ軸方向）と角速度検出ユニット１１２，１１４の励振方向（ｙ軸方向）が異なっており、角速度センサ１１０には２種類の励振方向が含まれている。
【００２４】
マス部に印加されるコリオリ力は、マス部の励振方向と角速度の回転軸方向の両方に直交する方向に作用する。換言すると、励振方向に直交する方向のマス部の振動を検出すれば、その検出方向と励振方向の両方に直交する方向を回転軸方向とする角速度を求めることができる。例えば、角速度センサ１００の角速度検出ユニット１０１では、マス部のｙ軸方向の振動を水平方向検出手段を用いて検出すれば、検出方向（ｙ軸方向）と励振方向（ｘ軸方向）の両方に直交する方向（ｚ軸方向）を回転軸方向とする角速度を求めることができる。また、角速度センサ１００の角速度検出ユニット１０１では、マス部のｚ軸方向の振動を垂直方向検出手段を用いて検出すれば、検出方向（ｚ軸方向）と励振方向（ｘ軸方向）の両方に直交する方向（ｙ軸方向）を回転軸方向とする角速度を求めることができる。即ち、角速度検出ユニット１０１は、ｙ軸方向の水平方向検出手段及び／又はｚ軸方向の垂直方向検出手段を設けることによって、１つの励振方向に対して１軸又は２軸の角速度を同時に求めることができる。他の角速度検出ユニット１０２，１０３，１１１−１１４も同様である。
【００２５】
このため、図１（Ａ）の角速度センサ１００では、３種類の励振方向が含まれているので、少なくとも３軸の角速度を同時に求めることができる。さらに、角速度検出ユニット１０１，１１２，１０３のそれぞれが２軸の角速度を検出すれば（但し、ｚ軸方向は重複する）、４軸の角速度を同時に求めることができる。なお、後述するように、角速度センサ１００では、角速度検出ユニット１０２，１０３で直接的に得られたｘ軸に対して傾斜した方向を回転軸方向とする角速度をベクトル分解することで、ｘ軸とｙ軸の角速度を間接的に求めることができる。したがって、角速度センサ１００は、ｘｙｚの３軸の角速度を同時に求めることができる。
また、図１（Ｂ）の角速度センサ１１０では、２種類の励振方向が含まれているので、少なくとも２軸の角速度を同時に求めることができる。さらに、角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４がそれぞれ２軸の角速度を検出すれば（但し、ｚ軸方向は重複する）、ｘｙｚの３軸の角速度を同時に求めることができる。
このように、角速度センサ１００，１１０は、励振方向を異にする角速度検出ユニット１０１−１０３，１１１−１１４を備えているので、複数の軸の角速度を同時に求めることができる。
【００２６】
角速度センサ１００，１１０はさらに、連結部１２０，１２１を備えていることを特徴としている。連結部１２０，１２１は、基板１０から浮遊しているとともに、各角速度検出ユニット１０１−１０３，１１１−１１４の各マス部を連結している。即ち、励振方向を異にするマス部同士が同一の連結部１２０，１２１によって連結されている。
【００２７】
図１（Ａ）に示すように、角速度センサ１００の角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３の励振方向は、他の励振方向に対して１２０°回転している。
詳細は後述するが、図１（Ａ）の角速度センサ１００には、交流電圧を供給する回路が接続される。この回路は、各励振手段に同位相の交流電圧を供給する。このため、各マス部は、所定位置１３０に向けて同時に接近するとともに同時に離反するように励振する。したがって、各マス部の速度ベクトルの和が０となっている。各マス部は連結部１２０を介して連結されているので、速度ベクトルの和が０となるように各マス部が励振すると、連結されたマス部の全体の重心が移動しない。この結果、各マス部のバランスが安定し、励振モードが安定する。励振モードが安定すると、外部からの振動の影響を受け難くなり、角速度センサ１００の出力が安定する。
【００２８】
図１（Ｂ）に示すように、角速度センサ１１０の角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４の励振方向は、他の励振方向に対して９０°回転している。図１（Ｂ）の角速度センサ１１０にもまた、交流電圧を供給する回路が接続される。この回路は、対向する角速度検出ユニット１１１と角速度検出ユニット１１３の励振手段の間に同位相の交流電圧を供給し、対向する角速度検出ユニット１１２と角速度検出ユニット１１４の励振手段の間に同位相の交流電圧を供給する。角速度検出ユニット１１１，１１３の励振手段に供給される交流電圧と角速度検出ユニット１１２，１１４の励振手段に供給される交流電圧は、同位相又は逆位相である。このため、対向する角速度検出ユニット１１１と角速度検出ユニット１１３のマス部は、所定位置１３０に向けて同時に接近するとともに同時に離反するように励振する。同様に、対向する角速度検出ユニット１１２と角速度検出ユニット１１４のマス部も、所定位置１３０に向けて同時に接近するとともに同時に離反するように励振する。したがって、各マス部の速度ベクトルの和が０となっている。各マス部は連結部１２１を介して連結されているので、速度ベクトルの和が０となるように各マス部が励振すると、連結されたマス部の全体の重心が移動しない。この結果、各マス部のバランスが安定し、励振モードが安定する。励振モードが安定すると、外部からの振動の影響を受け難くなり、角速度センサ１１０の出力が安定する。
【００２９】
角速度センサ１００，１１０では、励振方向を異にするマス部同士を１つの連結部１２０，１２１で連結しているので、励振モードの安定化を実現することができる。さらに、角速度センサ１００，１１０では、複数のマス部同士を１つの連結部１２０，１２１で連結しているので、複数の角速度検出ユニット１０１−１０３，１１１−１１４を高密度に集積することができる。即ち、角速度センサ１００，１１０では、複数の角速度検出ユニット１０１−１０３，１１１−１１４で１つの連結部１２０，１２１を兼用している。このため、角速度センサ１００，１１０では、デッドスペースを削減することができるので、基板面積を効率的に活用することができる。上記の角速度センサ１００，１１０によると、複数の励振方向を有するとともに、励振モードの安定化と小型化を同時に実現することができる。
【００３０】
（角速度センサ１００の具体的な構成）
次に、図１（Ａ）に例示する角速度センサ１００の角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３を詳細に説明する。まず、図２〜７を参照して、角速度センサ１００の角速度検出ユニット１０１を詳細に説明する。
（角速度検出ユニット１０１）
図２〜図４に、角速度検出ユニット１０１の形態を模式的に示す。図２は、角速度検出ユニット１０１の平面図である。図３は、図２のIII-III線に対応した角速度検出ユニット１０１の断面図である。図４は、図２のIV-IV線に対応した角速度検出ユニット１０１の断面図である。図２〜図４に示すように、角速度検出ユニット１０１は、SOI（Silicon on Insulator）基板を利用して形成されている。SOI基板は、半導体下層１０と絶縁層２０と半導体上層３０が積層した構造を有している。半導体下層１０には単結晶シリコンが用いられており、絶縁層２０には酸化シリコンが用いられており、半導体上層３０には単結晶シリコンが用いられている。半導体上層３０には不純物が高濃度に含まれており、半導体上層３０は導電性を有している。後述するように、角速度検出ユニット１０１は、エッチング技術を利用して、絶縁層２０と半導体上層３０の一部を除去することによって形成されている。
【００３１】
図２に示すように、角速度検出ユニット１０１は、半導体下層１０と、マス部４０と、マス部４０を励振方向（ｘ軸方向）に励振させる励振手段５０ａと、マス部４０を変位可能に支持している２本のビーム７０ａ，７０ｂと、マス部４０に設けられている水平方向検出手段６０とを備えている。角速度検出ユニット１０１は、コリオリ力を利用して角速度を検出するタイプである。即ち、角速度検出ユニット１０１は、励振手段５０ａを利用してマス部４０を励振方向（ｘ軸方向）に励振させ、そのときに半導体下層１０の表面に対して垂直方向を回転軸方向（ｚ軸方向）とする角速度がマス部４０に加わると、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）と角速度の回転軸方向（ｚ軸方向）の両方に直交する検出方向（ｙ軸方向）にコリオリ力が発生する現象を利用する。角速度検出ユニット１０１は、コリオリ力によるマス部４０の検出方向（ｙ軸方向）の振動を検出することによって、その検出結果から角速度検出ユニット１０１に加わった角速度を換算する。
【００３２】
以下、図面を参照して角速度検出ユニット１０１の各構成を詳細に説明する。
図３に示すように、マス部４０と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されており、マス部４０は半導体下層１０上にフローティング状態で支持されている。マス部４０は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。
【００３３】
図２に示すように、励振手段５０ａは、マス部４０の一側面に設けられている。図５に、励振手段５０ａの拡大平面図を示す。励振手段５０ａは、可動電極５１と固定電極５２と固定電極端子５３とを備えている。可動電極５１と固定電極５２は、エッチング技術を利用して、絶縁層２０及び半導体上層３０の一部を加工することによって形成されている。可動電極５１の一端は、マス部４０に連結している。可動電極５１と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されており、可動電極５１はマス部４０に伴って半導体下層１０上にフローティング状態で支持されている。可動電極５１は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。固定電極５２と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されておらず、固定電極５２は絶縁層２０の一部を介して半導体下層１０に固定されている。固定電極端子５３は、半導体上層３０上に設けられている。
【００３４】
可動電極５１は、９本の可動電極指５１ａ−５１ｉを備えている。固定電極５２は、１０本の固定電極指５２ａ−５２ｊを備えている。可動電極５１の可動電極指５１ａ−５１ｉと固定電極５２の固定電極指５２ａ−５２ｊは、交互に噛み合うように配置されており、櫛歯電極を構成している。
固定電極端子５３に交流電圧を印加すると、可動電極５１の可動電極指５１ａ−５１ｉと固定電極５２の固定電極指５２ａ−５２ｊの間に静電引力が発生し、マス部４０を励振方向（ｘ軸方向）に励振させることができる。
【００３５】
また、図２に示すように、角速度検出ユニット１０１は、マス部４０を挟んで励振手段５０ａに対向する位置に励振振幅検出手段５０ｂを備えている。励振振幅検出手段５０ｂは、励振手段５０ａと同一構造を備えている。励振振幅検出手段５０ｂは、マス部４０の励振振幅を櫛歯電極の静電容量の変化から検出しており、その検出結果を励振手段５０ａにフィードバックしている。励振手段５０ａは、励振振幅検出手段５０ｂで得られた検出結果に基づいて、印加する交流電圧を調整し、マス部４０の励振を制御している。
【００３６】
図２に示すように、ビーム７０ａ，７０ｂのそれぞれは、マス部４０の隅部にそれぞれ設けられている。図４に示すように、ビーム７０ｂと半導体下層１０の間の絶縁層２０の一部が除去されている。ビーム７０ｂは、一端がマス部４０の隅部に連結するとともに、他端が絶縁層２０の一部２２を介して半導体下層１０に固定されている。なお、他のビーム７０ａも同様の形態を備えている。これにより、ビーム７０ａ，７０ｂは、マス部４０を半導体下層１０上にフローティング状態で支持している。ビーム７０ａ，７０ｂは、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。
また、図２及び図４に示すように、ビーム７０ｂの端部表面には、接地電極端子７７が設けられている。接地電極端子７７は、接地電位に固定されている。前記したように、半導体上層３０には不純物が高濃度に含まれており、半導体上層３０は導電性を有している。これにより、半導体上層３０全体の電位が接地電位に固定されている。なお、ワイヤ配線等との接触を良好に行うために、接地電極端子７７の表面積を大きく確保したい場合は、ビーム７０ｂの端部の面積を大きくする、又は接地電極端子７７を設けるための土台をビーム７０ｂの端部近傍に設ければよい。
【００３７】
図６に、ビーム７０ａの拡大平面図を示す。なお、他のビーム７０ｂも同様の形態を備えている。図６に示すように、ビーム７０ａは、フォールディッド型ビーム７３と、ストレート型ビーム７５と、フォールディッド型ビーム７３とストレート型ビーム７５を連結するビーム連結部７４を有している。
【００３８】
フォールディッド型ビーム７３は、検出方向（ｙ軸方向）に沿って往復する一対のx軸ビーム７１、７２で構成されている。フォールディッド型ビーム７３は、励振方向（ｘ軸方向）に弾性変形するとともに検出方向（ｙ軸方向）の弾性変形が規制されている。
ストレート型ビーム７５は、励振方向（ｘ軸方向）に沿って伸びているy軸ビームで構成されている。ストレート型ビーム７５は、検出方向（ｙ軸方向）に弾性変形するとともに励振方向（ｘ軸方向）の弾性変形が規制されている。
したがって、フォールディッド型ビーム７３の励振方向（ｘ軸方向）のバネ定数は、ストレート型ビーム７５の励振方向（ｘ軸方向）のバネ定数よりも小さい。一方、ストレート型ビーム７５の検出方向（ｙ軸方向）のバネ定数は、フォールディッド型ビーム７３の検出方向（ｙ軸方向）のバネ定数よりも小さい。
【００３９】
ビーム連結部７４は、励振方向（ｘ軸方向）に沿って伸びているビームで構成されている。ビーム連結部７４のビームは、ストレート型ビーム７５のy軸ビームよりもｙ軸方向の幅が幅広である。このため、ビーム連結部７４は、励振方向（ｘ軸方向）と検出方向（ｙ軸方向）の双方のバネ定数が非常に大きく、双方への弾性変形が規制されている。即ち、ビーム連結部７４は、励振方向（ｘ軸方向）のバネ定数がフォールディッド型ビーム７３のバネ定数よりも大きく、検出方向（ｙ軸方向）のバネ定数がストレート型ビーム７５のバネ定数よりも大きい。ビーム７０ａの一方端には固定部７６が設けられており、固定部７６は絶縁層の一部を介して半導体下層１０に固定されている。
【００４０】
図７に、水平方向検出手段６０の拡大平面図を示す。水平方向検出手段６０は、可動電極６１と固定電極６２と固定電極端子６３とを備えている。可動電極６１と固定電極６２は、エッチング技術を利用して、絶縁層２０及び半導体上層３０の一部を加工することによって形成されている。可動電極６１の一端は、マス部４０に連結している。可動電極６１と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されており、可動電極６１はマス部４０に伴って半導体下層１０上にフローティング状態で支持されている。可動電極６１は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。固定電極６２と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されておらず、固定電極６２は絶縁層２０の一部を介して半導体下層１０に固定されている。固定電極端子６３は、半導体上層３０上に設けられている。
【００４１】
可動電極６１は、６本の可動電極指６１ａ−６１ｆを備えている。可動電極指６１ａ−６１ｆは、２本を一組としてｙ軸方向に沿って等間隔で並んでいる。固定電極６２は、６本の固定電極指６２ａ−６２ｆを備えている。固定電極指６２ａ−６２ｆは、２本を一組としてｙ軸方向に沿って等間隔に並んでいる。
可動電極６１のｘ軸の負の向きに伸びる可動電極指６１ａ，６１ｂ，６１ｃと、固定電極６２のｘ軸の正の向きに伸びる固定電極指６２ａ，６２ｂ，６２ｃは、交互に噛み合うように配置されている。可動電極６１のｘ軸の正の向きに伸びる可動電極指６１ｄ，６１ｅ，６１ｆと、固定電極６２のｘ軸の負の向きに伸びる固定電極指６２ｄ，６２ｅ，６２ｆも、交互に噛合うように配置されている。
【００４２】
図７に示すように、可動電極指６１ｆと固定電極指６２ｆの間の距離（図中のＡ）は、可動電極指６１ｆと固定電極指６２ｅの間の距離（図中のＢ）に比較して狭い。同様の距離関係が、全ての可動電極指６１ａ−６１ｆと固定電極指６２ａ−６２ｆの間に存在している。このため、可動電極６１と固定電極６２間の静電容量は、対向距離が狭い可動電極指６１ａ−６１ｆと固定電極指６２ａ−６２ｆ間の静電容量の和のみによって決まるとみなすことができる。
【００４３】
マス部４０が検出方向（ｙ軸方向）に振動すると、マス部４０の振動に伴って可動電極６１も検出方向（ｙ軸方向）に振動する。水平方向検出手段６０では、固定電極６２が半導体下層１０に固定されているので、マス部４０の振動に伴って可動電極６１が振動すると、可動電極指６１ａ−６１ｆと固定電極指６２ａ−６２ｆ間の静電容量が変動する。水平方向検出手段６０では、この静電容量の変動を固定電極端子６３を介して容量検出回路で検出する。得られた静電容量の変動からマス部４０の検出方向（ｙ軸方向）の振動振幅が換算される。
【００４４】
（角速度検出ユニット１０２，１０３）
次に、図８及び図９を参照して、角速度検出ユニット１０２，１０３を詳細に説明する。角速度検出ユニット１０２と角速度検出ユニット１０３は、基本的には同一構造を備えている。図８は、角速度検出ユニット１０２，１０３の平面図である。図９は、図８のIX−IX線に対応した角速度検出ユニット１０２，１０３の断面図である。なお、第１実施例の角速度センサ１００と同一の構成要素に関しては同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４５】
角速度検出ユニット１０２，１０３は、マス部４０のｚ軸方向の振動を検出する垂直方向検出手段８０を備えていることを特徴としている。図９に示すように、垂直方向検出手段８０は、不純物拡散領域８２と固定電極端子８４とを備えている。不純物拡散領域８２は、半導体下層１０の表面に不純物が高濃度に導入された領域であり、導電性を有している。不純物拡散導入領域８２は、マス部４０に対向している。固定電極端子８４は、半導体下層１０の表面に設けられており、不純物拡散領域８２に電気的に接続している。
【００４６】
垂直方向検出手段８０では、マス部４０と不純物拡散導入領域８２の間にコンデンサが構成されている。このため、マス部４０が検出方向（ｚ軸方向）に振動すると、マス部４０と不純物拡散導入領域８２の間の静電容量が変動する。垂直方向検出手段８０では、この静電容量の変動を固定電極端子８４を介して容量検出回路で検出する。得られた静電容量の変動からマス部４０の検出方向（ｚ軸方向）の振動振幅が換算される。
【００４７】
（連結部１２０）
次に、図１０を参照して、連結部１２０を説明する。図１０は、連結部１２０の要部平面図を示す。図１０には、各角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３のマス部４０の一部も図示されている。
連結部１２０は、各角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３のマス部４０から伸びるビーム１２０ａ，１２０ｂと、各ビーム１２０ａ，１２０ｂを結合する略正三角形の結合部１２２を備えている。ビーム１２０ａ，１２０ｂの形態は、図６に示すビーム７０ａと同一の形態を備えている。したがって、連結部１２０のビーム１２０ａ，１２０ｂもまた、フォールディッド型ビームが弾性変形することによって励振方向のマス部４０の励振を許容し、ストレート型ビームが弾性変形することによって検出方向のマス部４０の振動を許容する。ビーム１２０ａ，１２０ｂ及び結合部１２２は、エッチング技術を利用して、半導体上層３０と絶縁層３０の一部を加工することによって形成されている。ビーム１２０ａ，１２０ｂと半導体下層１０の間の絶縁層２０、及び結合部１２２と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されており、ビーム１２０ａ，１２０ｂ及び結合部１２２は半導体下層１０上に浮遊している。
【００４８】
（角速度センサ１００の動作）
次に、角速度センサ１００に接続されている回路の構成を説明する。まず、図１１及び図１２を参照して、各角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３による角速度の基本的な測定方法を説明する。図１１は、角速度検出ユニット１０１に接続される回路の構成である。図１２は、角速度検出ユニット１０２，１０３に接続される回路の構成である。なお、図１１及び図１２の回路によると、角速度検出ユニット１０１でｚ軸を回転軸方向とする角速度を求めることができ、角速度検出ユニット１０２，１０３でｘ軸から傾斜した方向を回転軸方向とする角速度を求めることができる。後述するように、角速度検出ユニット１０２，１０３では、直接的に求まる角速度をベクトル分解することで、ｘ軸を回転軸方向とする角速度とｙ軸を回転軸方向とする角速度に変換することもできる。まず、以下の説明では、図１１及び図１２を参照して、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３の基本的な測定方法を説明する。その後に、図１３〜１５を参照して、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３によってｘｙｚの３軸の角速度を測定する方法を説明する。
【００４９】
図１１に、角速度検出ユニット１０１に接続されている回路の基本的な構成を示す。図中の番号５３，５４，６３は、図２に示すように、励振手段５０ａの固定電極端子５３と、励振振幅検出手段５０ｂの固定電極端子５４と、水平方向検出手段６０の固定電極端子６３を示している。以下、図１１を参照して、角速度検出ユニット１０１の動作を説明する。
まず、励振手段５０ａによるマス部４０の励振に関して説明する。励振手段５０ａの固定電極端子５３には、自励振回路から振幅制御回路を介して交流電圧が印加され、マス部４０が励振方向（ｘ軸方向）に励振する。前記したように、励振振幅検出手段５０ｂは、容量検出回路を利用して、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）の励振振幅を櫛歯電極の静電容量の変化から検出している。この容量検出回路の検出結果は、自励振回路にフィードバックされ、自励振回路は上記検出結果に基づいて自励振信号を生成する。振幅制御回路は、自励振信号に基づいてマス部４０の励振振幅が一定となるように交流電圧を制御する。これらの構成により、常時適切な周波数で適切な励振振幅でマス部４０を励振方向（ｘ軸方向）に励振することができる。
【００５０】
マス部４０が励振方向（ｘ軸方向）に励振している状態で回転軸方向（ｚ軸方向）の角速度がマス部４０に加わると、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）と角速度の回転軸方向（ｚ軸方向）の両方に直交する検出方向（ｙ軸方向）にコリオリ力が発生する。マス部４０は、このコリオリ力を受けて検出方向（ｙ軸方向）に振動する。
マス部４０が検出方向（ｙ軸方向）に振動すると、マス部４０に連結している水平方向検出手段６０の可動電極６１も検出方向（ｙ軸方向）に振動する。水平方向検出手段６０では、固定電極６２が半導体下層１０に固定されているので、マス部４０の振動に伴って可動電極６１が振動すると、可動電極指６１ａ−６１ｆと固定電極指６２ａ−６２ｆ間の静電容量が変動する。容量検出回路は、検出手段６０の固定電極端子６３から静電容量の変動を検出し、その検出結果を同期検波回路に供給する。同期検波回路は、静電容量の変動のうち自励振回路が生成する交流電圧の周期と一致するものを抽出する。コリオリ力によるマス部４０の振動の周期は、自励振回路によるマス部４０の励振の周期と一致し、位相がπ／２進むので、抽出された静電容量の変動は、コリオリ力によるマス部４０の振動を反映している。同期検波回路はさらに、抽出された静電容量の変動から角速度を換算し、角速度表示部に供給する。角速度表示部は、入力した角速度を表示する。角速度検出ユニット１０１は、このような手順を経て、マス部４０に印加されたｚ軸方向を回転軸とする角速度を求めることができる。
【００５１】
図１２に、角速度検出ユニット１０２，１０３に接続されている回路の基本的な構成を示す。図中の番号５３，５４，８４は、図８に示すように、励振手段５０ａの固定電極端子５３と、励振振幅検出手段５０ｂの固定電極端子５４と、垂直方向検出手段８０の固定電極端子８４を示している。なお、図１１に示す回路構成との相違は、水平方向検出手段６０が垂直方向検出手段８０に変更された点のみであり、基本的な動作は図１１の場合と同一である。
【００５２】
マス部４０が励振方向に励振している状態でｘ軸から傾斜した方向を回転軸方向とする角速度がマス部４０に加わると、マス部４０の励振方向と角速度の回転軸方向の両方に直交するｚ軸方向にコリオリ力が発生する。マス部４０は、このコリオリ力を受けてｚ軸方向に振動する。マス部４０がｚ軸方向に振動すると、マス部４０と不純物拡散領域８２の間の静電容量が変動する。容量検出回路は、垂直方向検出手段８０の固定電極端子８４から静電容量の変動を検出し、その検出結果を同期検波回路に供給する。同期検波回路は、静電容量の変動のうち自励振回路が生成する交流電圧の周期と一致するものを抽出する。同期検波回路はさらに、抽出された静電容量の変動から角速度を換算し、角速度表示部に供給する。角速度表示部は、入力した角速度を表示する。角速度検出ユニット１０２，１０３は、このような手順を経て、マス部４０に印加されたｘ軸から傾斜した方向を回転軸方向とする角速度を求めることができる。
【００５３】
このように、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３のそれぞれは、異なる回転軸方向の角速度を同時に検出することができる。したがって、角速度センサ１００は、３軸の角速度を同時に検出することができる。
ここで、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３の各励振手段５０ａには、同位相の交流電圧が供給されている。このため、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３の各マス部４０は、所定位置１３０に向けて同時に接近するとともに同時に離反するように励振する。したがって、各マス部４０の速度ベクトルの和が０となっている。各マス部４０は連結部１２０を介して連結されているので、速度ベクトルの和が０となるように各マス部４０が励振すると、連結されたマス部４０の全体の重心が移動しない状態を作り出すことができる。この結果、各マス部４０のバランスが安定し、励振モードが安定する。角速度センサ１００は、励振モードが安定した状態で、３軸の角速度を同時に検出することができる。
【００５４】
次に、ｘｙｚの３軸の角速度を測定する場合の回路の構成を図１３に例示する。この構成は一例であり、後述するように、他の構成を採用することもできる。
ここで、図１３の回路の説明に先立って、角速度センサ１００がｘｙｚの３軸の角速度を測定できる原理を説明する。図１４に、角速度検出ユニット１０２の測定原理を説明する説明図を示す。図１４（Ａ）は角速度検出ユニット１０２の励振方向と直接的に測定される角速度の回転軸方向を示しており、図１４（Ｂ）は角速度検出ユニット１０２で間接的に測定されるｘ軸を回転軸方向とする角速度とｙ軸を回転軸方向とする角速度を示している。図１５に、角速度検出ユニット１０３の測定原理を説明する説明図を示す。図１５（Ａ）は角速度検出ユニット１０３の励振方向と直接的に測定される角速度の回転軸方向を示しており、図１５（Ｂ）は角速度検出ユニット１０３で間接的に測定されるｘ軸を回転軸方向とする角速度とｙ軸を回転軸方向とする角速度を示している。
【００５５】
まず、図１４及び図１５中の記号を説明する。
（図１４）
１０２Ｖ軸：角速度検出ユニット１０２のマス部４０の励振方向。
１０２Ω軸：角速度検出ユニット１０２の垂直方向検出手段８０が直接的に検出する角速度の回転軸方向。
Ｖ102：角速度検出ユニット１０２のマス部４０の励振速度。
Ωｘ：ｘ軸回りに印加された角速度。
Ωｙ：ｙ軸回りに印加された角速度。
θ：ｙ軸と１０２Ｖ軸の間の角度。
Ω102x：Ωｘの１０２Ω軸への投影。
Ω102y：Ωｙの１０２Ω軸への投影。
Ω102：Ωｘ、Ωｙを１０２Ω軸回りに変換した角速度。
（図１５）
１０３Ｖ軸：角速度検出ユニット１０３のマス部４０の励振方向。
１０３Ω軸：角速度検出ユニット１０３の垂直方向検出手段８０が直接的に検出する角速度の回転軸方向。
Ｖ103：角速度検出ユニット１０３のマス部４０の励振速度。
Ωｘ：ｘ軸回りに印加された角速度。
Ωｙ：ｙ軸回りに印加された角速度。
φ：ｘ軸と１０３Ｖ軸の間の角度。
Ω103x：Ωｘの１０３Ω軸への投影。
Ω103y：Ωｙの１０３Ω軸への投影。
Ω103：Ωｘ、Ωｙを１０３Ω軸回りに変換した角速度。
【００５６】
まず、角速度検出ユニット１０２に関して考察する。角速度検出ユニット１０２では、１０２Ｖ軸が−ｙ軸に対してθ回転している。角速度検出ユニット１０２のマス部４０が１０２Ｖ軸に沿って速度Ｖ102で励振されているときに、１０２Ω軸を回転軸方向とする角速度が印加されると、ｚ軸方向にコリオリ力Ｆが発生する。
【数１】
2009150816.tif 000003
次に、ｘ軸回りの角速度Ωｘとｙ軸回りの角速度Ωｙが同時に印加された場合、１０２Ω軸に現れる角速度Ω102を求める。
角速度Ωｘの１０２Ω軸の方向成分は、次のように求めることができる。
【数２】
2009150816.tif 000004
角速度Ωｙの１０２Ω軸の方向成分は、次のように求めることができる。
【数３】
2009150816.tif 000005
したがって、１０２Ω軸に現れる角速度Ω102は、次のように求めることができる。
【数４】
2009150816.tif 000006
ここで、θが３０°の場合は、それを代入する。
【数５】
2009150816.tif 000007
【００５７】
次に、角速度検出ユニット１０３に関して考察する。角速度検出ユニット１０３では、１０３Ｖ軸がｘ軸に対してφ回転している。角速度検出ユニット１０３のマス部４０が１０３Ｖ軸に速度Ｖ103で励振されているときに、１０３Ω軸を回転軸方向とする角速度が印加されると、ｚ軸方向にコリオリ力Ｆが発生する。
【数６】
2009150816.tif 000008
ｘ軸回りの角速度Ωｘとｙ軸回りの角速度Ωｙが同時に印加された場合、１０３Ω軸に現れる角速度Ω103を求める。
角速度Ωｘの１０３Ω軸の方向成分は、次のように求めることができる。
【数７】
2009150816.tif 000009
角速度Ωｙの１０３Ω軸の方向成分は、次のように求めることができる。
【数８】
2009150816.tif 000010
したがって、１０３Ω軸に現れる角速度Ω103は、次のように求めることができる。
【数９】
2009150816.tif 000011
ここで、φが６０°の場合は、それを代入する。
【数１０】
2009150816.tif 000012
【００５８】
ここで、以下の式が成立する。
【数１１】
2009150816.tif 000013
上記の原理から、角速度センサ１００は、角速度検出ユニット１０２，１０３で直接的に測定された角速度からｘ軸回りとｙ軸回りの角速度を間接的に求めることができる。
【００５９】
ここで、図１３の回路に戻る。図１３に示すように、この回路は、角速度演算回路を備えていることを特徴とする。角速度演算回路は、上記した演算を実行するようにプログラムされている。これにより、角速度センサ１００は、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３から得られた検出結果をｘｙｚ軸の角速度に換算し、角速度表示部で表示する。
【００６０】
以下、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３を励振するための回路と、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３から角速度を検出する回路をそれぞれ具体的に説明する。
【００６１】
（角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３を励振するための回路）
図１６に、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３を励振するための回路の一例を例示する。この回路は、図１３に示す回路の一部に相当する。図中の番号５３，５４は、図２及び８に示すように、励振手段５０ａの固定電極端子５３と、励振振幅検出手段５０ｂの固定電極端子５４を示している。括弧内の番号１０１，１０２，１０３は、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３を示している。
【００６２】
図１６に示すように、容量検出回路は、各角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３にそれぞれ設けられており、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３毎の振動信号を検出する。各容量回路で得られた振動信号は、加算回路で加算され、自励振回路に供給する。自励振回路は、換算された振動信号に基づいて自励振信号を振幅制御回路に入力する。振幅制御回路は、自励振信号に基づいて励振電圧信号（交流電圧）を生成し、その励振電圧信号を各励振手段５０ａの固定電極端子５３に印加する。
【００６３】
上記のように、各角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３のマス部の振動信号を加算することにより、各マス部の振動を合成した励振電圧信号を生成することができる。このため、合成した振幅、位相が同期した励振電圧信号を各励振手段５０ａの固定電極端子５３に印加することができるので、励振振動が安定する。この結果、各マス部の励振を合成した励振電圧信号に基づいて各マス部が励振するので、自励振し易い。したがって、励振振動が安定するので、角速度検出精度を向上させることができる。
【００６４】
図１７は、図１６に示す回路の変形例であり、振幅制御回路が角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３毎に設けられていることを特徴としている。この変形例の回路によると、マス部毎に励振振動を制御することができるので、マス部の振動振幅を揃えた状態で各マス部を励振することができる。この結果、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３毎で得られる角速度の量が揃うので、角速度検出精度を向上させることができる。
【００６５】
（角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３から角速度を検出する回路）
図１８に、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３から角速度を検出する回路の一例を例示する。この回路は、図１３に示す回路の一部を具体的に示すものである。図中の番号６３，８４は、水平方向検出手段６０の固定電極端子６３と、垂直方向検出手段８０の固定電極端子８４を示している。括弧内の番号１０１，１０２，１０３は、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３を示している。
【００６６】
図１８に示すように、容量検出回路は、各角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３にそれぞれ設けられており、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３毎の検出信号を検出する。各容量回路で得られた検出信号は、同期検波回路１，２，３に入力する。同期検波回路１，２，３は、容量変化を変位に相当する信号に変換して出力する。角速度検出ユニット１０１に対応した同期検波回路１の出力は、角速度演算回路１に入力する。角速度検出ユニット１０２に対応した同期検波回路２の出力と角速度検出ユニット１０３に対応した同期検波回路３の出力はそれぞれ、角速度演算回路２と角速度演算回路３に入力する。
【００６７】
角速度演算回路１は、同期検波回路１から入力した信号を用いてｚ軸周りの角速度を演算する。
角速度演算回路２は、同期検波回路１と同期検波回路２から入力した２つの信号を用いてｙ軸周りの角速度を演算する。演算式は、上記した数式１１に基づく。
角速度演算回路３は、同期検波回路１と同期検波回路２から入力したした２つの信号を用いてｘ軸周りの角速度を演算する。演算式は、上記した数式１１に基づく。
【００６８】
このようにして得られる角速度は、検出性能が揃っており、位相も同期している。このため、検出精度が向上している。なお、各角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３が１２０°の間隔で配置されているのが望ましい。上記した数式１１に示すように、振動の対象性が優れており、また、演算が容易となる。
【００６９】
（角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３の変形例）
図１９及び図２０に、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３の変形例を例示する。図１９は、変形例の角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３の平面図である。図２０は、図１９のXX-XX線に対応した変形例の角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３の断面図である。この変形例では、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３のいずれもが同一の形態を備えている。変形例の角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３は、水平方向検出手段６０と垂直方向検出手段８０の両者を備えていることを特徴としている。
【００７０】
変形例の角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３によると、水平方向検出手段６０がｚ軸方向を回転軸方向とする角速度を検出し、垂直方向検出手段８０が基板１０の表面に対して平行方向を回転軸方向とする角速度を検出することができる。水平方向検出手段６０と垂直方向検出手段８０の両者が設けられていると、１つの角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３で２軸の角速度を同時に検出することができる。
【００７１】
図２１に、変形例の角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３に接続されている回路の構成の一例を例示する。図１３の回路との相違点は、容量検出回路が３つ追加された点であり、その他の点に相違はない。この変形例では、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３のいずれもが同一の形態を備えている。このため、角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３の設計及び作製が容易になる。さらに、同一の形態を備えていることで、マス部４０のバランスをより向上させることができ、励振モードをさらに安定させることができる。
【００７２】
（角速度センサ１１０の具体的な構成）
次に、図１（Ｂ）に例示する角速度センサ１１０の角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４を詳細に説明する。
（角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４）
図２２〜図２４に、角速度センサ１１０の角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４の形態を模式的に示す。図２２は、角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４の平面図である。図２３は、図２２のXXIII−XXIII線に対応した角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４の断面図である。図２４は、図２２のXXIＶ−XXIＶ線に対応した角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４の断面図である。角速度センサ１１０では、角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４のいずれもが同一の形態を備えている。なお、以下の説明では、角速度検出ユニット１１１を中心に説明する。その説明は、方向が異なる点以外において、他の角速度検出ユニット１１２，１１３，１１４にも当て嵌まる。また、角速度センサ１００の角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３と実質的に同一の構成要素に関しては同一符号を付し、その説明を省略する。
【００７３】
角速度検出ユニット１１１は、ｙ軸方向のマス部４０の振動を検出する水平方向検出手段６０ａと、ｚ軸方向のマス部４０の振動を検出する垂直方向検出手段１８０を備えている。
角速度検出ユニット１１１は、水平方向検出手段６０ａがビーム７０ｂのビーム連結部に設けられていることを１つの特徴としている。図６に示したように、ビーム７０ａ，７０ｂは、フォールディッド型ビームを有している。このため、マス部４０が励振方向（ｘ軸方向）に励振したときは、フォールディッド型ビームが優先的に励振方向（ｘ軸方向）に沿って弾性変形する。このため、フォールディッド型ビームよりも反マス部４０側のビーム連結部及びストレート型ビームでは、マス部４０の励振振幅の影響が低減されており、ビーム連結部及びストレート型ビームは、安定した状態を保つことができる。したがって、ビーム連結部に設けられている検出手段６０ａは、マス部４０の励振振幅の影響が低減された状態で検出動作を行うことができる。
【００７４】
さらに、連結部１２０のビーム１２０ｂに水平方向検出手段６０ａに類似した類似水平方向検出電極６０ｂが設けられていることも特徴としている。類似水平方向検出電極６０ｂは、水平方向検出電極６０ａと組合せて用いられることで差動電極として機能する。
【００７５】
図２２に示すように、類似水平方向検出電極６０ｂは、可動電極指と固定電極指の噛み合う配置が、水平方向検出手段６０ａのそれと比較すると、y軸方向に１つづれて配置されていることを特徴としている。このため、マス部４０がy軸方向に振動したときに、水平方向検出電極６０ａの可動電極指と固定電極指の間の距離が減少すると、類似水平方向検出電極６０ｂの可動電極指と固定電極指の間の距離が増加する。一方、水平方向検出電極６０ａの可動電極指と固定電極指の間の距離が増加すると、類似水平方向検出電極６０ｂの可動電極指と固定電極指の間の距離が減少する。水平方向検出電極６０ｂと類似水平方向検出電極６０ｂは、可動電極指と固定電極指の噛み合う配置が異なっているだけで、他の形態は同一である。したがって、マス部４０がy軸方向に振動すると、水平方向検出手段６０ａの静電容量の増大（又は減少）と類似水平方向検出電極６０ｂの静電容量の減少（又は増大）が一致する。このため、水平方向検出手段６０ａの静電容量の変動と類似水平方向検出電極６０ｂの静電容量の変動の差分を求めると、静電容量の変動を２倍の感度で検出することができる。
【００７６】
また、角速度検出ユニット１１１は、マス部４０のｚ軸方向の振動を検出する垂直方向検出手段１８０が差動電極で構成されていることを特徴としている。
【００７７】
図２３及び図２４に示すように、角速度検出ユニット１１１のマス部４０は、半導体下層１０と絶縁層２０と半導体上層３０の一部が積層して構成されており、この点において角速度センサ１００の角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３と相違している。マス部４０の周囲には、半導体下層１０と絶縁層２０を貫通する第１トレンチ４２が形成されている。第１トレンチ４２は、マス部４０の周囲を一巡しており、マス部４０を周囲の半導体下層１０及び絶縁層２０から分離している。マス部４０の半導体下層１０には不純物が高濃度に含まれており、マス部４０の半導体下層１０は導電性を有している。
【００７８】
図２２〜図２４に示すように、角速度検出ユニット１１１の垂直方向検出手段１８０は、第１アーム１８１と、第１貫通電極１８２と、第１延伸電極１８３と、第１固定電極端子１８４と、分離基板電極１８５と、第２アーム１８６と、第２延伸電極１８７と、第２固定電極端子１８８を備えている。
図２３に示すように、第１アーム１８１は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。第１アーム１８１は、マス部４０から分離基板電極１８５の上方に向けて伸びているとともに、分離基板電極１８５の表面との間に間隙を形成する。第１アーム１８１と分離基板電極１８５は、この間隙を利用して、第１コンデンサＣ１を構成している。
【００７９】
分離基板電極１８５は、半導体下層１０の一部を利用して形成されている。分離基板電極１８５の周囲には、半導体下層１０と絶縁層２０を貫通する第２トレンチ４３が形成されている。第２トレンチ４３は、第１トレンチ４２に連結している。第１トレンチ４２と第２トレンチ４３は、分離基板電極１８５の周囲を一巡しており、分離基板電極１８５を周囲の半導体下層１０及び絶縁層２０から分離している。分離基板電極１８５には不純物が高濃度に含まれており、分離基板電極１８５は導電性を有している。
【００８０】
第１貫通電極１８２は、絶縁層２０と半導体上層３０を貫通しており、分離基板電極１８５と第１延伸電極１８３を電気的に接続している。第１延伸電極１８３は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。第１延伸電極１８３には不純物が高濃度に含まれており、第１延伸電極１８３は導電性を有している。第１延伸電極１８３の端部には、第１固定電極端子１８４が設けられている。これらの構成によって、分離基板電極１８５は、第１固定電極端子１８４に電気的に接続されている。
【００８１】
図２４に示すように、第２アーム１８６は、半導体上層３０の一部を利用して形成されている。図２２に示すように、第２アーム１８６が設けられている位置は、マス部４０の半導体上層３０及び絶縁層２０の一部が除去された領域であり、その除去された領域に第２アーム１８６が配置されている。図２４に示すように、第２アーム１８６は、マス部４０の周囲からマス部４０の上方に向けて伸びているとともに、マス部４０の半導体下層１０の表面との間に間隙を形成する。第２アーム１８６とマス部４０の半導体下層１０は、この間隙を利用して、第２コンデンサＣ２を構成している。第２アーム１８６は、第２延伸電極１８７の一部でもある。第２延伸電極１８７には不純物が高濃度に含まれており、第２延伸電極１８７は導電性を有している。第２延伸電極１８７の端部には、第２固定電極端子１８８が設けられている。
【００８２】
図２２及び図２４に示すように、マス部４０は、マス部４０の絶縁層２０と半導体上層３０を貫通する貫通電極４１を備えている。貫通電極４１は、マス部４０の半導体下層１０と半導体上層３０を電気的に接続している。前記したように、マス部４０の半導体上層３０は、ビーム７０ｂに設けられた接地電極端子７７を介して接地電位に固定されている。したがって、マス部４０の半導体下層１０も接地電位に固定されている。
【００８３】
垂直方向検出手段１８０では、第１コンデンサＣ１を構成している第１アーム１８１と分離基板電極１８５の対向面積と第２コンデンサＣ２を構成している第２アーム１８６とマス部４０の半導体下層１０の対向面積が一致している。さらに、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２は、いずれも絶縁層２０を除去して形成されているので、第１コンデンサＣ１を構成している第１アーム１８１と分離基板電極１８５の対向距離と第２コンデンサＣ２を構成している第２アーム１８６とマス部４０の半導体下層１０の対向距離も一致している。
【００８４】
したがって、垂直方向検出手段１８０では、マス部４０がｚ軸方向に振動すると、第１コンデンサＣ１の静電容量の増大（又は減少）と第２コンデンサＣ２の静電容量の減少（又は増大）が一致する。例えば、マス部４０がｚ軸方向の正の向きに変位すると、第１コンデンサＣ１の対向距離が増大し、静電容量は減少する。このとき、第２コンデンサＣ２の対向距離は減少し、静電容量は増大する。一方、マス部４０がｚ軸方向の負の向きに変位すると、第１コンデンサＣ１の対向距離が減少し、静電容量が増大する。このとき、第２コンデンサＣ２の対向距離は増大し、静電容量は減少する。このため、第１コンデンサＣ１の静電容量の変動と第２コンデンサＣ２の静電容量の変動の差分を求めると、静電容量の変動を２倍の感度で検出することができる。
【００８５】
図２５に、角速度検出ユニット１１１に接続されている回路の構成を示す。図中の番号５３，５４，６３ａ，６３ｂ，１８４，１８８は、図２２に示すように、励振手段５０ａの固定電極端子５３と、励振振幅検出手段５０ｂの固定電極端子５４と、水平方向検出手段６０ａの固定電極端子６３ａと、類似水平方向検出電極６０ｂの固定電極端子６０ｂと、垂直方向検出手段１８０の第１固定電極端子１８４と、垂直方向検出手段１８０の第２固定電極端子１８８を示している。なお、図１１及び図１２に示す回路構成との相違は、差動増幅回路が追加された点であり、基本的な動作は、図１１及び図１２の場合と同一である。
【００８６】
マス部４０が励振方向に励振している状態でz軸方向を回転軸とする角速度がマス部４０に加わると、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）と角速度の回転軸方向（z軸方向）の両方に直交するy軸方向にコリオリ力が発生する。マス部４０は、このコリオリ力を受けてy軸方向に振動する。マス部４０がy軸方向に振動すると、水平方向検出手段６０ａの静電容量が増大するときは類似水平方向検出手段６０ｂの静電容量が減少し、水平方向検出手段６０ａの静電容量が減少するときは類似水平方向検出手段６０ｂの静電容量が増大する。前記したように、水平方向検出手段６０ａの静電容量の増大分（又は減少分）と類似水平方向検出手段６０ｂの静電容量の減少分（又は増大分）は一致しているので、差動増幅回路でそれらの差分を求めると、静電容量の変動を２倍の感度で検出することができる。増幅された静電容量の変動は、同期検波回路に供給され、同期検波回路は静電容量の変動のうち自励振回路が生成する交流電圧の周期と一致するものを取捨選択する。これにより、マス部４０に印加されたz軸方向を回転軸とする角速度を高感度に検出することができる。検出された角速度は、角速度表示部で表示される。
【００８７】
また、マス部４０が励振方向に励振している状態でｙ軸方向を回転軸とする角速度がマス部４０に加わると、マス部４０の励振方向（ｘ軸方向）と角速度の回転軸方向（ｙ軸方向）の両方に直交するｚ軸方向にコリオリ力が発生する。マス部４０は、このコリオリ力を受けてｚ軸方向に振動する。マス部４０がｚ軸方向に振動すると、垂直方向検出手段１８０では、第１コンデンサＣ１の静電容量が増大するときは第２コンデンサＣ２の静電容量が減少し、第１コンデンサＣ１の静電容量が減少するときは第２コンデンサＣ２の静電容量が増大する。前記したように、第１コンデンサＣ１の静電容量の増大分（又は減少分）と第２コンデンサＣ２の静電容量の減少分（又は増大分）は一致しているので、差動増幅回路でそれらの差分を求めると、静電容量の変動を２倍の感度で検出することができる。増幅された静電容量の変動は、同期検波回路に供給され、同期検波回路は静電容量の変動のうち自励振回路が生成する交流電圧の周期と一致するものを取捨選択する。これにより、マス部４０に印加されたy軸方向を回転軸とする角速度を高感度に検出することができる。検出された角速度は、角速度表示部で表示される。
【００８８】
このように、角速度検出ユニット１１１は、z軸方向を回転軸方向とする角速度とｙ軸方向を回転軸方向とする角速度を同時に検出することができる。励振方向を共通にしている角速度検出ユニット１１３も、z軸方向を回転軸方向とする角速度とｙ軸方向を回転軸方向とする角速度を同時に検出することができる。一方、励振方向が異なる角速度検出ユニット１１２，１１４は、z軸方向を回転軸方向とする角速度とｘ軸方向を回転軸方向とする角速度を同時に検出することができる。
したがって、各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４で検出される角速度を合わせると、角速度センサ１１０は、ｘｙｚの３軸の角速度を同時に求めることができる。
【００８９】
ここで、角速度センサ１１０では、対向する角速度検出ユニット１１１と角速度検出ユニット１１３の励振手段５０ａの間に同位相の交流電圧を供給し、対向する角速度検出ユニット１１２と角速度検出ユニット１１４の励振手段５０ａの間に同位相の交流電圧を供給している。角速度検出ユニット１１１，１１３の励振手段５０ａに供給される交流電圧と角速度検出ユニット１１２，１１４の励振手段５０ａに供給される交流電圧は、同位相又は逆位相である。このため、対向する角速度検出ユニット１１１と角速度検出ユニット１１３のマス部４０は、所定位置１３０に向けて同時に接近するとともに同時に離反するように励振する。同様に、対向する角速度検出ユニット１１２と角速度検出ユニット１１４のマス部４０も、所定位置１３０に向けて同時に接近するとともに同時に離反するように励振する。したがって、各マス部４０の速度ベクトルの和が０となっている。各マス部４０は連結部１２１を介して連結されているので、速度ベクトルの和が０となるように各マス部４０が励振すると、連結されたマス部４０の全体の重心が移動しない。この結果、各マス部４０のバランスが安定し、励振モードが安定する。励振モードが安定すると、外部からの振動の影響を受け難くなり、角速度センサ１１０の出力が安定する。角速度センサ１１０は、励振モードが安定した状態で、ｘｙｚの３軸の角速度を同時に検出することができる。
【００９０】
以下、角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４を励振するための回路と、角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４から角速度を検出する回路をそれぞれ具体的に説明する。
【００９１】
（角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４を励振するための回路）
図２６に、角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４を励振するための回路の一例を例示する。図中の番号５３，５４は、図２２に示すように、励振手段５０ａの固定電極端子５３と、励振振幅検出手段５０ｂの固定電極端子５４を示している。括弧内の番号１１１，１１２，１１３，１１４は、角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４を示している。この回路は、角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４の励振手段５０ａのそれぞれに同位相の交流電圧を印加するタイプである。
【００９２】
図２６に示すように、容量検出回路は、各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４にそれぞれ設けられており、角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４毎の振動信号を検出する。各容量回路で得られた振動信号は、加算回路で加算され、自励振回路に供給される。自励振回路は、加算された振動信号に基づいて自励振信号を振幅制御回路に入力する。振幅制御回路は、自励振信号に基づいて励振電圧信号（交流電圧）を生成し、その励振電圧信号を各励振手段５０ａの固定電極端子５３に印加する。
【００９３】
上記のように、各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４のマス部の振動信号を加算することにより、各マス部の振動を合成した励振電圧信号を生成することができる。このため、合成した振幅、位相が同期した励振電圧信号を各励振手段５０ａの固定電極端子５３に印加することができるので、励振振動が安定する。この結果、各マス部の励振を合成した励振電圧信号に基づいて各マス部が励振するので、自励振し易い。したがって、励振振動が安定するので、角速度検出精度を向上させることができる。
【００９４】
図２７は、図２６に示す回路の変形例であり、この回路は、角速度検出ユニット１１１，１１３の励振手段５０ａに供給される交流電圧と角速度検出ユニット１１２，１１４の励振手段５０ａに供給される交流電圧が逆位相のタイプである。この回路では、角速度検出ユニット１１１と１１３に振幅制御回路１が設けられており、角速度検出ユニット１１２と１１４に振幅制御回路２が設けられていることを特徴としている。さらに、この変形例の回路は、位相反転回路を備えていることを特徴としている。角速度検出ユニット１１２，１１４用の振幅制御回路２には、自励振回路からの信号が位相反転回路で位相が反転して入力している。これにより、角速度検出ユニット１１１，１１３の励振手段５０ａに供給される交流電圧と角速度検出ユニット１１２，１１４の励振手段５０ａに供給される交流電圧が逆位相となる。
【００９５】
（各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４から角速度を検出する回路）
図２８に、各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４から角速度を検出する回路の一例を例示する。図中の番号６３，１８４，１８８は、図２２に示すように、水平方向検出手段６０の固定電極端子６３と、垂直方向検出手段１８０の第１固定電極端子１８４及び第２固定電極端子１８８を示している。括弧内の番号１１１，１１２，１１３，１１４は、各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４を示している。
【００９６】
図２８に示すように、角速度検出ユニット１１１の水平方向検出手段６０に対応した同期検波回路１１の出力と角速度検出ユニット１１３の水平方向検出手段６０に対応した同期検波回路１３の出力は、角速度演算回路２に入力する。角速度検出ユニット１１２の水平方向検出手段６０に対応した同期検波回路１２の出力と角速度検出ユニット１１４の水平方向検出手段６０に対応した同期検波回路１４の出力は、角速度演算回路１に入力する。各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４の垂直方向検出手段１８０に対応した同期検波回路２１−２４の出力は、角速度演算回路３に入力する。
【００９７】
角速度演算回路１は、差動増幅回路を利用して、ｘ軸周りの角速度Ωｘを以下の数式に基づいて演算する。なお、式中のＳ１１−１４，２１−２４は、各同期検波回路１１−１４，２１−２４の出力信号を示す。
各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４の励振信号の位相が揃っている場合は、以下の数式１２に基づく。
【００９８】
【数１２】
2009150816.tif 000014
【００９９】
角速度検出ユニット１１１，１１３の励振信号と角速度検出ユニット１１２，１１４の励振信号が逆位相の場合は、以下の数式１３に基づく。
【０１００】
【数１３】
2009150816.tif 000015
【０１０１】
角速度演算回路２は、差動増幅回路を利用して、ｙ軸周りの角速度Ωｙを以下の式に基づいて演算する。
各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４の励振信号の位相が揃っている場合は、以下の数式１４に基づく。
【数１４】
2009150816.tif 000016
【０１０２】
角速度検出ユニット１１１，１１３の励振信号と角速度検出ユニット１１２，１１４の励振信号が逆位相の場合は、以下の数式１５に基づく。
【数１５】
2009150816.tif 000017
【０１０３】
角速度演算回路３は、加算増幅回路を利用して、ｚ軸周りの角速度Ωｚを以下の式に基づいて演算する。各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４の励振信号の位相が揃っている場合は、以下の数式１６に基づく。
【０１０４】
【数１６】
2009150816.tif 000018
【０１０５】
角速度検出ユニット１１１，１１３の励振信号と角速度検出ユニット１１２，１１４の励振信号が逆位相の場合は、以下の数式１７に基づく。
【０１０６】
【数１７】
2009150816.tif 000019
【０１０７】
このようにして得られる角速度は、検出性能が揃っており、位相も同期している。このため、角速度検出精度を向上させることができる。
【０１０８】
（角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４の変形例）
図２９及び図３０に、角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４の変形例を例示する。図２９は、角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４の変形例の平面図である。図３０は、図２９のXXX−XXX線に対応した角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４の変形例の縦断面図である。なお、以下の説明では、角速度検出ユニット１１１を中心に説明する。その説明は、方向が異なる点以外において、他の角速度検出ユニット１１２，１１３，１１４にも当て嵌まる。なお、図２２〜図２４に示す角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３、１１４と実質的に同一の構成要素に関しては同一符号を付し、その説明を省略する。
【０１０９】
角速度検出ユニット１１１の変形例は、ビーム７０ａに垂直方向検出手段６０ａと同様の構造を有するy軸振動振幅制御手段６０ｄが設けられており、連結部１２０のビーム連結部１２０ａに類似水平方向検出手段６０ｂと同様の構造を有する類似y軸振動振幅制御手段６０ｃが設けられていることを特徴としている。さらに、角速度検出ユニット１１１の変形例は、垂直方向検出手段１８０と同様の構造を有するz軸振動振幅制御手段１９０を備えていることを特徴としている。
【０１１０】
y軸振動振幅制御手段６０ｄと類似y軸振動振幅制御手段６０ｃは、マス部４０がy軸方向に振動振幅しないように交流電圧が印加される。z軸振動振幅制御手段１９０は、マス部４０がz軸方向に振動振幅しないように交流電圧が印加される。
【０１１１】
角速度検出ユニット１１１の変形例では、同期検波回路で検出されたy軸方向の振動に係る結果は、変位制御回路に供給され、変位制御回路は、この結果に基づいてマス部４０のy軸方向の変位が零になるように、y軸振動振幅制御手段６０ｄ及び類似y軸振動振幅制御手段６０ｃに印加する交流電圧を制御する。また、マス部４０のy軸方向の変位が零になるのに必要な交流電圧から角速度を換算し、角速度表示部で表示する。
同様に、角速度検出ユニット１１１の変形例では、同期検波回路で検出されたz軸方向の振動に係る結果は、変位制御回路に供給され、変位制御回路は、この結果に基づいてマス部４０のz軸方向の変位が零になるように、z軸振動振幅制御手段１９０に印加する交流電圧を制御する。また、マス部４０のz軸方向の変位が零になるのに必要な交流電圧から角速度を換算し、角速度表示部で表示する。
角速度検出ユニット１１１の変形例では、零位法を採用することにより、極めて高精度に角速度を検出することができる。
【０１１２】
また、角速度検出ユニット１１１の変形例では、励振手段５０ａと励振振幅検出手段５０ｂがマス部４０の一側面に揃って配置されていることも特徴としている。この形態によると、以下に説明する連結部１２１を設けるに都合がよい。
【０１１３】
図３１〜図３５に、角速度センサ１１０に設けられている連結部１２１の様々な形態を示す。
図３１に示す連結部１２１は、各角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４のマス部４０から伸びるビーム１２１ａ，１２１ｂと、各ビーム１２１ａ，１２１ｂを結合する略正方形の結合部１２３を備えている。ビーム１２１ａ，１２１ｂの形態は、図６に示すビーム７０ａと同一の形態を備えている。したがって、連結部１２１のビーム１２１ａ，１２１ｂもまた、フォールディッド型ビームが弾性変形することによって励振方向のマス部４０の励振を許容し、ストレート型ビームが弾性変形することによって検出方向のマス部４０の振動を許容する。ビーム１２１ａ，１２１ｂ及び結合部１２３は、エッチング技術を利用して、半導体上層３０と絶縁層３０の一部を加工することによって形成されている。ビーム１２１ａ，１２１ｂと半導体下層１０の間の絶縁層２０、及び結合部１２３と半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されており、ビーム１２１ａ，１２１ｂ及び結合部１２３は半導体下層１０上に浮遊している。
【０１１４】
図３２に示す連結部１２１は、ビーム１２１ａ，１２１ｂのストレート型ビームが２枚の平行板バネで構成されていることを特徴とする。なお、必要に応じて、フォールディッド型ビームも２枚の平行板バネに構成してもよい。また、マス部４０を挟んで対向するビーム７０ａ，７０ｂのストレート型ビーム７５及びフォールディッド型ビーム７３も同様に、２枚の平行板バネで構成してもよい。
平行板バネは、バネの端部が平行に変位することができ、ストレート型ビーム及びフォールディッド型ビームの捩れに対する剛性を高めることができる。このため、マス部４０及び検出電極を平行に移動させることができるので、センサ感度を向上させることができる。
【０１１５】
図３３に示す連結部１２１は、ビーム１２１ａ，１２１ｂのフォールディッド型ビームとマス部４０の間に、剛性部１２４とストレート型ビーム１２５ａ，１２５ｂが設けられていることを特徴としている。剛性部１２４は、励振方向と検出方向のいずれにも剛性が高いので弾性変形しない。この例では、フォールディッド型ビームとマス部４０の間に設けられたストレート型ビーム１２５ａ，１２５ｂが検出方向に弾性変形する。したがって、類似水平方向検出手段６０ｂは、マス部４０の端部に設ける必要がある。なお、マス部４０を挟んで対応するビーム７０ａ，７０ｂにおいても、フォールディッド型ビーム７３とマス部４０の間に剛性部とストレート型ビームを形成してもよい。その場合は、水平方向検出手段６０ａをマス部４０の端部に設ける必要がある。
【０１１６】
図３４に示す連結部１２１は、剛性部１２６ａと、その剛性部１２６ａから伸びる連結ストレートビーム１２６ｂを備えている。各剛性部１２６ａから伸びる各連結ストレートビーム１２６ｂは結合している。剛性部１２６ａは、励振方向と検出方向のいずれにも剛性が高いので弾性変形しない。連結ストレートビーム１２６ｂは、検出方向に弾性変形することによって、検出方向のマス部４０の振動を許容する。しかし、連結ストレートビーム１２６は、励振方向のバネ剛性は振動に寄与しないほど高い。マス部４０の励振方向の励振は、フォールディッド型ビームが許容する。剛性部１２６ａと連結ストレートビーム１２６ｂは、エッチング技術を利用して、半導体上層３０と絶縁層３０の一部を加工することによって形成されている。剛性部１２６ａと半導体下層１０の間の絶縁層、及び連結ストレートビーム１２６ｂと半導体下層１０の間の絶縁層２０は除去されており、剛性部１２６ａ及び連結ストレートビーム１２６ｂは半導体下層１０上に浮遊している。
【０１１７】
図３５に示す連結部１２１は、バネ結合部１２７を備えていることを特徴としている。バネ結合部１２７は、励振方向に沿って弾性変形することができるので、マス部４０のバランスをより安定させることができ、振動をより安定化させることができる。
【０１１８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】（Ａ）３つの角速度検出ユニットを備える角速度センサの基本的な構成を模式的に例示する。（Ｂ）４つの角速度検出ユニットを備える角速度センサの基本的な構成を模式的に例示する。
【図２】角速度検出ユニット１０１の平面図を示す。
【図３】図２のIII-III線に対応した断面図を示す。
【図４】図２のIV-IV線に対応した断面図を示す。
【図５】励振手段の要部平面図を示す。
【図６】ビームの要部平面図を示す。
【図７】検出手段の要部平面図を示す。
【図８】角速度検出ユニット１０２，１０３の平面図を示す。
【図９】図８のIX-IX線に対応した断面図を示す。
【図１０】連結部の要部平面図を示す。
【図１１】角速度検出ユニット１０１に接続される回路の構成を示す。
【図１２】角速度検出ユニット１０２，１０３に接続される回路の構成を示す。
【図１３】角速度センサ１００に接続される回路の構成を示す。
【図１４】（Ａ）角速度検出ユニット１０２の励振方向と直接的に測定される角速度の回転軸方向を示す。（Ｂ）角速度検出ユニット１０２で間接的に測定されるｘ軸を回転軸方向とする角速度とｙ軸を回転軸方向とする角速度を示す。
【図１５】（Ａ）角速度検出ユニット１０３の励振方向と直接的に測定される角速度の回転軸方向を示す。（Ｂ）角速度検出ユニット１０３で間接的に測定されるｘ軸を回転軸方向とする角速度とｙ軸を回転軸方向とする角速度を示す。
【図１６】角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３を励振するための回路の一例を示す。
【図１７】角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３を励振するための回路の変形例の一例を示す。
【図１８】角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３から角速度を検出する回路の一例を示す。
【図１９】角速度検出ユニット１０１，１０２，１０３の変形例の平面図を示す。
【図２０】図１９のXX-XX線に対応した断面図を示す。
【図２１】角速度センサ１１０に接続される回路の構成を示す。
【図２２】角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４の平面図を示す。
【図２３】図２２のXXIII-XXIII線に対応した断面図を示す。
【図２４】図２２のXXIV-XXIV線に対応した断面図を示す。
【図２５】角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４に接続される回路の構成を示す。
【図２６】角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４を励振するための回路の一例を示す。
【図２７】角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４を励振するための回路の変形例の一例を示す。
【図２８】角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４から角速度を検出する回路の一例を示す。
【図２９】角速度検出ユニット１１１，１１２，１１３，１１４の変形例の平面図を示す。
【図３０】図２９のXXX-XXX線に対応した断面図を示す。
【図３１】連結部の一例の要部平面図を示す。
【図３２】連結部の他の一例の要部平面図を示す。
【図３３】連結部の他の一例の要部平面図を示す。
【図３４】連結部の他の一例の要部平面図を示す。
【図３５】連結部の他の一例の要部平面図を示す。
【符号の説明】
【０１２０】
１０：半導体下層
２０：絶縁層
３０：半導体上層
４０：マス部
５０ａ：励振手段
５０ｂ：励振振幅検出手段
６０，６０ａ：水平方向検出手段
６０ｂ：類似水平方向検出手段
７０ａ，７０ｂ：ビーム
８０，１８０：垂直方向検出手段
１０１−１０３，１１１−１１４：角速度検出ユニット
１２０，１２１：連結部
１８１：第１アーム
１８６：第２アーム
【図１】
2009150816.tif 000020
【図２】
2009150816.tif 000021
【図３】
2009150816.tif 000022
【図４】
2009150816.tif 000023
【図５】
2009150816.tif 000024
【図６】
2009150816.tif 000025
【図７】
2009150816.tif 000026
【図８】
2009150816.tif 000027
【図９】
2009150816.tif 000028
【図１０】
2009150816.tif 000029
【図１１】
2009150816.tif 000030
【図１２】
2009150816.tif 000031
【図１３】
2009150816.tif 000032
【図１４】
2009150816.tif 000033
【図１５】
2009150816.tif 000034
【図１６】
2009150816.tif 000035
【図１７】
2009150816.tif 000036
【図１８】
2009150816.tif 000037
【図１９】
2009150816.tif 000038
【図２０】
2009150816.tif 000039
【図２１】
2009150816.tif 000040
【図２２】
2009150816.tif 000041
【図２３】
2009150816.tif 000042
【図２４】
2009150816.tif 000043
【図２５】
2009150816.tif 000044
【図２６】
2009150816.tif 000045
【図２７】
2009150816.tif 000046
【図２８】
2009150816.tif 000047
【図２９】
2009150816.tif 000048
【図３０】
2009150816.tif 000049
【図３１】
2009150816.tif 000050
【図３２】
2009150816.tif 000051
【図３３】
2009150816.tif 000052
【図３４】
2009150816.tif 000053
【図３５】
2009150816.tif 000054