振動ジャイロ
【課題】従来よりも小型で、角速度の検出精度が高い振動ジャイロの提供を図る。
【解決手段】振動ジャイロ５０は、蓋板５０Ａの主面法線方向をＺ軸とした直交座標形のＹ軸に沿って隣り合う２つの駆動質量部１３Ａ，１３Ｂの間に検出用固定構造部２Ａ，２Ｂの支柱部（２１）を配置し、駆動質量部１３Ａ，１３Ｂと支柱部（２１）との間それぞれに検出質量部１７Ａ，１７Ｂを配置し、支柱部（２１）と検出質量部１７Ａ，１７Ｂとの間それぞれに櫛歯電極を配置する構成である。
【解決手段】振動ジャイロ５０は、蓋板５０Ａの主面法線方向をＺ軸とした直交座標形のＹ軸に沿って隣り合う２つの駆動質量部１３Ａ，１３Ｂの間に検出用固定構造部２Ａ，２Ｂの支柱部（２１）を配置し、駆動質量部１３Ａ，１３Ｂと支柱部（２１）との間それぞれに検出質量部１７Ａ，１７Ｂを配置し、支柱部（２１）と検出質量部１７Ａ，１７Ｂとの間それぞれに櫛歯電極を配置する構成である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動子を駆動して、その振動方向と直交する方向に作用する力を検出する振動ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の振動ジャイロは、支持基板の主面法線方向をＺ軸とした直交座標系におけるＸ軸を駆動方向として振動子を振動させ、振動ジャイロがＺ軸回りに回転することによって振動子の駆動方向と直交するＹ軸方向に作用するコリオリの力を、検出用固定構造部と振動子との間の電極間隔および電極間容量の変化から検出する。（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
ここで、従来の振動ジャイロの構成例を説明する。
図１（Ａ）は従来の振動ジャイロ１０１の平面図である。
【０００４】
振動ジャイロ１０１は、蓋板（不図示）、支持板１０２Ａ、外枠部１０２Ｂ、アンカー１０３Ａ、サブアンカー１０３Ｂ、支持梁１０４Ａ、駆動梁１０４Ｂ、駆動質量部１０５Ａ〜１０５Ｄ、検出梁１０６、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂ、検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄ、および駆動用固定構造部１１０を備える。
外枠部１０２Ｂは、支持板１０２Ａと蓋板（不図示）とに接合される。アンカー１０３Ａ、サブアンカー１０３Ｂ、支持梁１０４Ａ、駆動梁１０４Ｂ、駆動質量部１０５Ａ〜１０５Ｄ、検出梁１０６、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂは低抵抗シリコン材料（導電性）による一体の振動子を構成し、グランドに接続される。
【０００５】
上記振動子を構成する駆動梁１０４Ｂは、Ｙ軸方向を長手方向としていて、Ｘ軸方向の側面に連結された３本のサブアンカー１０３Ｂで支持梁１０４Ａに支持されている。支持梁１０４Ａは、Ｙ軸方向を長手方向としていて、Ｘ軸方向の側面に連結された１本のアンカー１０３Ａで外枠部１０２Ｂに支持されている。駆動質量部１０５Ｃ，１０５Ｄは駆動質量部１０５Ａ，１０５Ｂを挟むように配置され、駆動質量部１０５Ａ〜１０５Ｄは２本の駆動梁１０４Ｂの間にそれぞれ連結される。検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂは、駆動質量部１０５Ａ，１０５Ｂそれぞれの備える開口内で、検出梁１０６を介して駆動質量部１０５Ａ，１０５Ｂに連結される。
【０００６】
検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄは、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂの備える開口内に、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂから離間して配置され、支持板１０２Ａと蓋板（不図示）とに対して固定される。
駆動用固定構造部１１０は、支持板１０２Ａと蓋板（不図示）とに対して固定され、駆動電圧が印加されることで、振動子を構成する駆動質量部１０５Ｃ，１０５Ｄとの間に静電力が作用する。この静電力によって駆動質量部１０５Ａ〜１０５ＤはＸ軸に沿った駆動方向で振動し、駆動梁１０４Ｂも同方向に変形（撓み振動）する。この状態で振動ジャイロ１０１がＺ軸回りに回転すると、検出質量部１０７Ａ，１０７ＢにＹ軸に沿った方向のコリオリの力が作用し、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂがその方向に変位する。これにより、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂと検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄとの間の電極間隔および電極間容量が変化する。このとき、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｃと検出質量部１０７Ｂ，１０７Ｄとでは、Ｘ軸方向の振動が逆相になり、コリオリの力が逆方向に作用する。
【０００７】
上記構成の振動ジャイロ１０１では、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂと検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄとの間の電極間容量の変化を検出することにより、コリオリの力および角速度の大きさを検知することが可能になる。
【０００８】
この振動ジャイロ１０１を小型化すると、小型化に伴う特性劣化、例えば感度低下が予想される。感度低下によるＳＮ比の低下を抑えるためには、振動ジャイロに接続する信号増幅回路で検出信号をＣＶ変換（容量電圧変換）し、その直後に検出信号を増幅することが有効である。しかしながら振動ジャイロ１０１では、ＣＶ変換後の検出信号にはＸ軸方向の駆動振動に伴うＹ軸方向のブレによるノイズが混入するため、同期検波によって上記ノイズを除去した後に検出信号を増幅する必要がある。
【０００９】
図１（Ｂ）は従来の振動ジャイロ２０１の平面図である。
【００１０】
振動ジャイロ２０１は、２つの振動子２０２Ａ，２０２Ｂを連結梁２０２ＣでＹ軸方向に連結した構成である。各振動子２０２Ａ，２０２Ｂは、３つの質量部２０３Ａ〜２０３Ｃを三重に配置していて、外側から一層目の質量部２０３Ａは駆動用であり、アンカー２０４によりＸ軸方向にのみ変位自在に支持されるとともに駆動用固定構造部２０５によりＸ軸方向に駆動される。二層目の質量部２０３Ｂはコリオリの力により変位するものであり、質量部２０３Ａおよび質量部２０３Ｃに連結支持されている。三層目の質量部２０３Ｃは検出用であり、アンカー２０６によりＹ軸方向にのみ変位自在に支持されている。
上記構成の振動ジャイロ２０１では、二層目の質量部と、三層目の質量部とを別体に形成しているので、二層目の質量部に駆動振動に伴うＹ軸方向のブレが生じても、三層目の質量部にはそのブレが及ばず、三層目の質量部からはＹ軸方向のブレに伴うノイズの発生を抑制して検出信号を検出することができる。したがって、振動ジャイロ２０１ではＣＶ変換直後に検出信号を増幅し、増幅後に同期検波を行ってもＳＮ比の低下を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３８７０８９５号公報
【特許文献２】特許第４２９０９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の振動ジャイロ１０１では、２つの検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂそれぞれの開口内に検出電極と支柱部とかならなる検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄを設けていた。このような構成では、検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄとして設ける支柱部の数と検出電極の数が同数必要であり、このことが振動ジャイロ１０１のさらなる小型化が難しい理由の一つとなっていた。
【００１３】
また従来の振動ジャイロ２０１は２つの振動子２０２Ａ，２０２Ｂそれぞれの振動を連成させる連結梁２０２Ｃを設けて、両者を連結していた。このような構造では小型化が困難であるだけでなく、連結梁２０２Ｃによる振動子２０２Ａ，２０２Ｂの形状ばらつきなどで２つの振動子２０２Ａ，２０２Ｂの固有振動数（共振周波数）に差があると、それぞれの振幅に差が生じ、駆動振動時にアンカー２０６に作用する反力が完全に打ち消しあわないため、残留した反力によりＸ軸方向の振動が支持板に生じたり、２つの振動子それぞれからの反力が支持板に回転モーメントとして作用したりして、振動ジャイロ２０１の特性が不安定化することがあった。
【００１４】
そこで本発明は、従来よりも小型にでき、振動子から支持板につたわる振動を抑制できる振動ジャイロの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明の振動ジャイロは支持板と、駆動質量部、駆動梁、梁支持部および検出質量部を備える振動子と、支柱部および検出電極を備える検出用固定構造部とを備える。駆動質量部は駆動により振動する。駆動梁は、駆動質量部を支持し、駆動質量部から作用する力により撓み振動する。梁支持部は、駆動梁を支持板に固定支持する。検出質量部は、駆動質量部の振動によるコリオリの力により変位自在な状態で、前記駆動質量部に支持される。支柱部は、支持板に固定支持される。検出電極は、支柱部に固定支持され前記検出質量部と隣り合って電極間容量を持つ。このような構成の振動ジャイロにおいて、駆動質量部の振動方向に直交する方向に隣り合う２つの駆動質量部の間に支柱部を配置し、隣り合う駆動質量部と支柱部との間それぞれに検出質量部を配置し、隣り合う検出質量部と支柱部との間それぞれに検出電極を配置する。
【００１６】
従来構成の固定構造部では支柱部と検出電極とが一つずつ組を成していたのに対して、この構成では１つの支柱部と２つの検出電極とが組を成すことになる。したがって、支柱部の数が従来よりも少なくでき、支柱部が要していた支持板面積を削減して振動ジャイロ全体を小型化できる。
また、複数の駆動質量部を駆動梁によって一体に支持する構成なので、２つの振動子を連結梁でつなぐ構成のように基板に振動が生じることがなく、振動ジャイロの特性を安定化できる。
【００１７】
この発明の前記梁支持部は、前記振動方向に隣り合う前記駆動梁と前記支柱部との間に配置すると好適である。
【００１８】
この構成により、従来は駆動梁と支柱部との間ではなく外側に配置されていた梁支持部の配置スペースを削減でき、振動ジャイロをさらに小型化できる。
【００１９】
この発明の振動ジャイロは、前記検出質量部を前記支持板に対して前記振動方向に垂直な方向にのみ変位自在な状態に支持する内側支持部、および、駆動質量部の振動により作用するコリオリの力に対して変位自在な状態で、前記検出質量部と前記駆動質量部との間に連結される連結質量部、を備えると好適である。
【００２０】
この構成では、検出質量部が駆動振動によってＹ軸方向にブレることがなくなり、このブレによって生じる容量変化（ノイズ）が低減でき、小型かつＳＮ比の高い振動ジャイロを構成することが可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、１つの支柱部と２つの検出電極とを組としてなる固定構造部を設けることにより、従来構成よりも支柱部の数を少なくし、支柱部が要していた支持板面積を削減して振動ジャイロを小型化できる。また、複数の駆動質量部を駆動梁によって一体に支持する構成なので、２つの振動子を連結梁でつなぐ構成のように基板に振動が生じることがなく、振動ジャイロの特性を安定化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図３】図２に示す振動ジャイロの動作を説明する図である。
【図４】図２に示す振動ジャイロの部分拡大図である。
【図５】図２に示す振動ジャイロの駆動検出回路の回路構成を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下の説明では、振動ジャイロの回転検出軸を直交座標系のＺ軸とし、駆動方向を直交座標系のＸ軸方向、コリオリの力の作用方向を直交座標系のＹ軸方向とする。
【００２４】
図２（Ａ）は本発明の実施形態に係る振動ジャイロ５０の構成を示す平面図、図２（Ｂ）は振動ジャイロ５０を実装基板に実装した状態での振動子の中心を通るＸ軸に沿った断面図である。
【００２５】
振動ジャイロ５０は、段面視して蓋板５０Ａ、低抵抗シリコン板５０Ｂ、底板５０ＣをＺ軸に沿って順に積層した構成である。低抵抗シリコン板５０Ｂは、分割してなる以下の構成、振動子１、検出用固定構造部２Ａ，２Ｂ、駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂ、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂ、および外枠部５を備える。蓋板５０Ａと外枠部５と底板５０Ｃとは、内部空間を備える筐体を構成する。この筐体は、底板５０Ｃの外側主面で実装基板１５０に接合し、蓋板５０Ａの外側主面に形成した外部接続端子（不図示）を実装基板１５０の実装電極（不図示）にワイヤボンディングする構成である。
【００２６】
振動子１は局所的に蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに対して固定していて、Ｘ軸方向に変位自在な領域として駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄを備え、Ｙ軸方向に変位自在な領域として検出質量部１７Ａ，１７Ｂを備える。
検出用固定構造部２Ａ，２Ｂは、検出質量部１７Ａ，１７Ｂとの間の電極間容量を検出して振動子１に作用するコリオリの力を検知するために設けていて、振動子１の備える中央の開口内部に配置し、全体が変形しないように蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定している。
駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂは、振動子１の備えるＹ軸両端の開口内部に配置して全体が変形しないように蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定している。この駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂに駆動電圧を印加することで、駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂと駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄとの間の静電力が変動し、駆動質量部１３Ａ〜１３ＤにＸ軸方向の振動が生じる。
モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂは振動子１を挟むＹ軸両外側に配置して全体が変形しないように蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定している。このモニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂは、駆動質量部１３Ｃ，１３Ｄとの間の電極間容量を検出して駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂに印加する駆動電圧を調整し、振動子１の振動を適切なものにするために設けている。
【００２７】
図３は、振動子１の駆動による変形を説明する図である。前述の駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂ（不図示）と駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄとの間の静電力が変動することにより、駆動質量部１３Ａ〜１３ＤはＸ軸方向に振動する。その際、駆動質量部１３Ａ，１３Ｄと駆動質量部１３Ｂ，１３Ｃとでは駆動方向が逆になるようにしている。この状態で振動子１にＺ軸回りの角速度が作用すると、検出質量部１７Ａ，１７Ｂにコリオリの力が作用する。駆動質量部１３Ａ，１３Ｄと駆動質量部１３Ｂ，１３Ｃとでは駆動方向が逆なので、コリオリの力も逆方向に作用し、検出質量部１７Ａ，１７ＢはＹ軸方向で互いに逆向きに変位することになる。
【００２８】
再び図２に戻り、振動ジャイロ５０の詳細構造について説明していく。
振動子１は、一体に成形された以下の構成、支持アンカー１０Ａ〜１０Ｆ、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄ、駆動櫛歯部１４Ａ〜１４Ｄ（一部不図示）、検出梁１５Ａ，１５Ｂ、検出質量部１７Ａ，１７Ｂ、検出櫛歯部１８Ａ，１８Ｂ（一部不図示）、およびモニタ櫛歯部１９Ａ，１９Ｂ（一部不図示）を備える。
【００２９】
駆動櫛歯部１４Ａ〜１４Ｄは、それぞれ駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄに付設している。図４（Ａ）は駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｃ近傍の拡大平面図である。なお駆動櫛歯部１４Ｂ，１４Ｄは駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｃと同じ構成である。
駆動櫛歯部１４Ａは、駆動質量部１３ＡからＹ軸正方向に突出する線状部位の一方側面からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極を備える。駆動櫛歯部１４Ｃは、駆動質量部１３ＣからＹ軸負方向に突出する線状部位の一方側面からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極を備える。これら駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｃの櫛歯電極は、駆動用固定構造部３Ａが備える櫛歯電極３３に微小間隔を隔てて対向する。なお、駆動用固定構造部３Ａは、蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定される円柱形の支柱部３１と、支柱部３１に連結された線状部位３２と、線状部位３２からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極３３とを備える構成であり、駆動用固定構造部３Ａは蓋板５０Ａに設けるビア電極によって外部接続端子に電気的に接続される。このような構成で、駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｃと駆動用固定構造部３Ａとの間に駆動電圧（バイアス電圧および交流電圧）が印加されると、駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｃと駆動用固定構造部３Ａとの間の静電力の変動により駆動質量部１３Ａ，１３ＣがＸ軸に沿って振動することになる。
【００３０】
再び図２に戻り説明する。駆動質量部１３Ｃ，１３Ｄは駆動質量部１３Ａ，１３Ｂを挟むようにＹ軸に沿って配列している。駆動質量部１３Ａ，１３Ｂは平面視してＹ軸内側が開口した概略コの字形であり、両腕部をＴ字形の梁状部を介して駆動梁１２Ａ，１２Ｂに連結している。駆動質量部１３Ｃ，１３Ｄは平面視してＸ軸方向に長尺な概略線状形であり、Ｘ軸両端を駆動梁１２Ａ，１２ＢのＹ軸両端に連結している。
【００３１】
駆動梁１２Ａ，１２Ｂは、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄを挟むＸ軸両外側に配置している。駆動梁１２Ａ，１２Ｂはそれぞれ平面視してＹ軸方向に長尺な概略線状形であり、これによりＸ軸方向に変形（撓み振動）可能な構成になっている。また駆動梁１２Ａ，１２Ｂは、Ｙ軸方向全長に対して略１／４、略２／４、略３／４の長さとなる位置で、支持アンカー１０Ａ〜１０Ｆに連結している。支持アンカー１０Ａ〜１０Ｆはそれぞれ平面視して概略ウの字状であり、外枠部５に駆動梁１２Ａ，１２Ｂを固定する。なお支持アンカー１０Ａ〜１０Ｆは請求項に記載の梁支持部を構成している。
【００３２】
上述の構成により、駆動梁１２Ａ，１２Ｂにおける支持アンカー１０Ａ〜１０Ｆに連結される位置は、駆動梁１２Ａ，１２ＢがＸ軸方向に変形（撓み振動）する際に撓み振動の節（ノード点）となる。そして、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄを支持する位置は、撓み振動の腹（アンチノード点）またはその近傍となる。したがって、駆動質量部１３Ａ，１３ＤはＸ軸方向に同相で振動し、駆動質量部１３Ｂ，１３ＣはＸ軸方向に駆動質量部１３Ａ，１３Ｄとは逆相で振動することになる。
【００３３】
検出梁１５Ａは、平面視して概略Ｔ字形であり、一方端を駆動質量部１３Ａ，１３Ｂの開口底面の中央に連結し、他方の二端を検出質量部１７Ａ，１７Ｂに連結している。検出梁１５Ｂは、平面視してＹ軸に対して蛇行する概略ミアンダ形であり、一方端を駆動質量部１３Ａ，１３Ｂの両腕部の先端付近に連結し、他方端を検出質量部１７Ａ，１７Ｂに連結している。
【００３４】
検出質量部１７Ａ，１７Ｂは、平面視して概略コの字状であり、それぞれのコの字状の開口部が向かい合うように、駆動質量部１３Ａ，１３Ｂの開口内に配置し、検出梁１５Ａ，１５Ｂに連結している。この検出質量部１７Ａ，１７ＢはＹ軸方向に変位自在となり、Ｘ軸方向の変位については駆動質量部１３Ａ，１３Ｂに連動することになる。
【００３５】
検出櫛歯部１８Ａ，１８Ｂは検出質量部１７Ａ，１７Ｂの向かい合う開口内に付設している。図４（Ｂ）は検出櫛歯部１８Ａ近傍の拡大平面図である。なお検出櫛歯部１８Ｂは検出櫛歯部１８Ａと同じ構成である。
【００３６】
検出櫛歯部１８Ａは、検出質量部１７Ａの開口内にＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極を備える。この検出櫛歯部１８Ａの櫛歯電極は、検出用固定構造部２Ａ，２Ｂが備える櫛歯電極２３に微小間隔を隔てて対向する。なお、検出用固定構造部２Ａ，２Ｂは、蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定支持された支柱部２１と、支柱部２１に連結された線状部位２２と、線状部位２２からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極２３（検出電極）とを備える構成である。このような構成で、検出質量部１７ＡがＹ軸方向に変位すると、検出櫛歯部１８Ａと検出用固定構造部２Ａ，２Ｂとの間の電極間容量が変動することになる。
【００３７】
モニタ櫛歯部１９Ａ，１９Ｂは、図２に示すように駆動質量部１３Ｃ，１３ＤのＹ軸両外側に付設している。モニタ櫛歯部１９Ａの詳細構成は図４（Ａ）に示すように、Ｙ軸に沿って延設した線状部位の側面からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極を備える。モニタ櫛歯部１９Ａ，１９Ｂの櫛歯電極は、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂが備える櫛歯電極４３に微小間隔を隔てて対向する。なお、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂは、蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定支持された支柱部４１と、支柱部４１に連結された線状部位４２と、線状部位４２からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極４３とを備える構成である。このような構成で、駆動質量部１３Ｃ，１３ＤがＸ軸方向に変位すると、モニタ櫛歯部１９Ａ，１９Ｂとモニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂとの間の電極間容量が変動することになる。
【００３８】
図５は振動ジャイロ５０に接続する駆動検出回路の回路図である。なお、ここでは駆動検出回路をカスタムＩＣ１５１として構成する例を示す。このカスタムＩＣ１５１は、図２（Ｂ）に示す実装基板１５０に実装して振動ジャイロ５０と一体にモールドし、一体のチップ素子として構成すると好適である。
【００３９】
カスタムＩＣ１５１は、Ｃ−Ｖ変換回路１５２、差動アンプ１５３、同期検波回路１５４、ＤＣアンプ・ローパスフィルタ回路１５５、デジタルトリミング回路１５６、アンプ１５８、オートゲインコントロール回路１５９、および位相シフタ・正弦波発生回路１６０を備える。
Ｃ−Ｖ変換回路１５２は振動ジャイロ５０の検出用固定構造部２Ａ，２Ｂそれぞれとモニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂ（またはモニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂの少なくとも一方）とに接続され、それぞれの持つ電極間容量に応じた電圧信号を出力する。差動アンプ１５３はＣ−Ｖ変換回路１５２から入力される２つの電圧信号の差動信号を出力する。Ｃ−Ｖ変換回路１５２に接続する検出電極では、振動ジャイロ５０にＹ軸方向の加速度が作用した場合の容量変化を打ち消してＺ軸回りの角速度のみ容量変化が生じるので、コリオリの力による信号のみが差動増幅される。同期検波回路１５４は、位相シフタ・正弦波発生回路１６０で発生させる正弦波と同期するタイミングで、差動信号から検波を行う。駆動によるＸ軸方向の振動とコリオリの力によるＹ軸方向の振動とでは位相が９０°相違するので、同期検波を行うことでＸ軸方向の振動ブレによる大部分の不要信号を除いてＹ軸方向のコリオリの力による振動を選択的に検出することが可能になる。ＤＣアンプ／ローパスフィルタ回路１５５は、同期検波回路１５４の出力する検出信号を増幅するとともに、ノイズ成分をカットする。デジタルトリミング回路１５６は、検出信号における振動ジャイロ５０個別の特性ばらつきを校正して検出信号を出力する。アンプ１５８はＣ−Ｖ変換回路１５２から入力される電圧信号（モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂからの信号）を増幅する。オートゲインコントロール回路１５９および位相シフタ・正弦波発生回路１６０は、振動ジャイロ５０の振動が適切に持続するように、駆動電圧の位相、振幅を調整して振動ジャイロ５０の駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂに出力する。
このような駆動検出回路により、振動ジャイロ５０は駆動方向に振動し、振動状態で振動ジャイロ５０にＺ軸回りの角速度が作用することで、角速度に応じた検出信号が得られることになる。
【００４０】
本実施形態の振動ジャイロ５０は上述の構成を備え、Ｙ軸に沿って配列した駆動質量部１３Ａ，１３Ｂの間に検出質量部１７Ａ，１７Ｂを配置し、検出質量部１７Ａ，１７Ｂの間に検出用固定構造部２Ａ，２Ｂを配置し、検出用固定構造部２Ａ，２Ｂを、一つの支柱部のＹ軸方向両側に櫛歯電極２３を設けた構成とする。このため振動ジャイロ５０は、従来構成よりも支柱部２１の数を低減して、支持板の面積を削減することが可能になる。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロ７０について説明する。図６は振動ジャイロ７０の構成を示す平面図である。
【００４２】
振動ジャイロ７０は、第１の実施形態とは形状が相違する振動子６１を備えるが、その他の概略構成は第１の実施形態と同様である。
【００４３】
振動子６１は、支持アンカー（支持梁）６０Ａ〜６０Ｄ、駆動梁６２Ａ，６２Ｂ、駆動質量部６３Ａ〜６３Ｄ、駆動櫛歯部６４Ａ，６４Ｂ（一部不図示）、検出梁６５、検出質量部６７Ａ，６７Ｂ、検出櫛歯部６８Ａ，６８Ｂ（一部不図示）、およびモニタ櫛歯部６９Ａ，６９Ｂ（一部不図示）を備える。
本実施形態は、第１の実施形態の構成とは、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂと駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂとの配置が入れ替えてあり、また、支持アンカー（支持梁）６０Ａ〜６０Ｄの構造が相違する。
【００４４】
支持アンカー６０Ａ，６０Ｂは、振動子６１が備える中央の開口内に配置して、検出用固定構造部２Ａ，２Ｂの支柱部とともに支持板に固定している。支持アンカー６０Ｃ，６０Ｄは、振動子６１が備えるＹ軸両外側の開口内に配置して、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂの支柱部とともに支持板に固定している。支持アンカー６０Ａ，６０Ｂの可動端は駆動梁６２Ａ，６２ＢのＹ軸方向の中央部分に連結していて、支持アンカー６０Ｃ，６０Ｄの可動端は駆動梁６２Ａ，６２ＢのＹ軸方向全長に対して１／４および３／４となる位置に連結している。このため、この振動ジャイロ７０は、振動子６１の外側に支持アンカーを配置する必要がなく、基板面積を低減することが可能になっている。
【００４５】
次に、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロ９０について説明する。図７は振動ジャイロ９０の構成を示す平面図である。
【００４６】
振動ジャイロ９０は、前述の実施形態とは形状が相違する振動子８１を備えるが、その他の概略構成は前述の実施形態と同様である。
【００４７】
振動子８１は、支持アンカー（支持梁）８０Ａ〜８０Ｅ、駆動梁８２Ａ，８２Ｂ、駆動質量部８３Ａ〜８３Ｄ、駆動櫛歯部８４Ａ，８４Ｂ（一部不図示）、連結質量部８６Ａ，８６Ｂ、検出質量部８７Ａ，８７Ｂ、検出櫛歯部８８Ａ，８８Ｂ（一部不図示）、およびモニタ櫛歯部８９Ａ，８９Ｂ（一部不図示）を備える。
【００４８】
本実施形態では、駆動質量部８３Ａ〜８３Ｄと検出質量部８７Ａ，８７Ｂとの間を連結質量部８６Ａ，８６Ｂで連結し、検出質量部８７Ａ，８７Ｂを支持アンカー８０Ｅ（内側支持部）により支持板に対して固定している点を特徴とする。
【００４９】
より詳細に説明すると、連結質量部８６Ａ，８６ＢはＹ軸内側が開口する概略コの字状であり、開口底面を構成するＸ軸に沿った線状部の両端を概略Ｔ字状の梁を介して駆動質量部８３Ａ，８３Ｂの開口底面に連結し、Ｙ軸に沿った両腕部の先端をＹ軸に対して蛇行する概略ミアンダ状の梁を介して駆動質量部８３Ａ，８３Ｂの両腕部の先端に連結している。そして、検出質量部８７Ａ，８７Ｂは、両腕部の先端をＸ軸に対して蛇行する概略ミアンダ状の梁を介して連結質量部８６Ａ，８６ＢのＸ軸に沿った線状部に連結し、中央のＹ軸に沿った線状部の先端を、３つの矩形環状部がＹ軸に沿って連結された形状の梁を介して支持アンカー８０Ｅに連結している。
【００５０】
この構成では、駆動質量部８３Ａ〜８３ＤがＸ軸方向に振動する状態で振動ジャイロ９０がＺ軸回りに回転すると、Ｙ軸方向のコリオリの力が作用する。駆動質量部８３Ａ〜８３Ｄは、Ｘ軸方向には変位自在であるがＹ軸方向の変位が規制されている構成であり、コリオリの力によるＹ軸方向の振動はほとんど生じない。連結質量部８６Ａ，８６ＢはＸ軸方向、Ｙ軸方向ともに変位自在な構成であり、両方向に振動が生じる。検出質量部８７Ａ，８７Ｂは、Ｙ軸方向には変位自在であるがＸ軸方向の変位が規制されている構成であり、連結質量部８６Ａ，８６ＢのＹ軸方向の振動が梁を介して作用することでＹ軸方向にのみ振動することになる。このため、Ｘ軸方向の駆動振動によって、検出質量部８７Ａ，８７ＢがＹ軸方向にブレることが殆どなくなり、Ｙ軸方向のブレによる不要信号の影響を除いて、振動ジャイロ９０に作用するＹ軸方向のコリオリの力を精度良く検出することが可能になる。
【００５１】
なお、上述の各実施形態では、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂをいずれも振動モニタ用途に利用する例を示したが、いずれか一方のみを振動モニタ用途に利用し、他方を振動子と同電位にして、支柱部を介してグランド電極に接続するようにして用いてもよい。この場合、振動子と同電位にした固定構造部を介して振動子をグランド電極に接続することでビア電極を別途設ける必要がなくなって支持板面積の低減を進展させられる。振動モニタ用途に利用する固定構造部が一つであっても、振動ジャイロの対称性を保持するために、振動モニタ用途に利用しない他方の固定構造部をあえて形成しておくと好適である。
【符号の説明】
【００５２】
１，６１，８１…振動子
１０Ａ〜１０Ｄ，６０Ａ〜６０Ｄ，８０Ａ〜８０Ｅ…支持アンカー
１２Ａ，１２Ｂ，６２Ａ，６２Ｂ，８２Ａ，８２Ｂ…駆動梁
１３Ａ〜１３Ｄ，６３Ａ〜６３Ｄ，８３Ａ〜８３Ｄ…駆動質量部
１４Ａ，１４Ｂ，６４Ａ，６４Ｂ，８４Ａ，８４Ｂ…駆動櫛歯部
１５Ａ〜１５Ｄ，１６Ａ〜１６Ｄ，６５…検出梁
１７Ａ，１７Ｂ，６７Ａ，６７Ｂ，８７Ａ，８７Ｂ…検出質量部
１８Ａ，１８Ｂ，６８Ａ，６８Ｂ，８８Ａ，８８Ｂ…検出櫛歯部
１９Ａ，１９Ｂ，６９Ａ，６９Ｂ，８９Ａ，８９Ｂ…モニタ櫛歯部
２Ａ，２Ｂ…検出用固定構造部
３Ａ，３Ｂ…駆動用固定構造部
４Ａ，４Ｂ…モニタ用固定構造部
２１，３１，４１…支柱部
２２，３２，４２…線状部位
２３，３３，４３…櫛歯電極
５…外枠部
５０，７０，９０…振動ジャイロ
５０Ａ…蓋板
５０Ｂ…低抵抗シリコン板
５０Ｃ…底板
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動子を駆動して、その振動方向と直交する方向に作用する力を検出する振動ジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
ある種の振動ジャイロは、支持基板の主面法線方向をＺ軸とした直交座標系におけるＸ軸を駆動方向として振動子を振動させ、振動ジャイロがＺ軸回りに回転することによって振動子の駆動方向と直交するＹ軸方向に作用するコリオリの力を、検出用固定構造部と振動子との間の電極間隔および電極間容量の変化から検出する。（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
ここで、従来の振動ジャイロの構成例を説明する。
図１（Ａ）は従来の振動ジャイロ１０１の平面図である。
【０００４】
振動ジャイロ１０１は、蓋板（不図示）、支持板１０２Ａ、外枠部１０２Ｂ、アンカー１０３Ａ、サブアンカー１０３Ｂ、支持梁１０４Ａ、駆動梁１０４Ｂ、駆動質量部１０５Ａ〜１０５Ｄ、検出梁１０６、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂ、検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄ、および駆動用固定構造部１１０を備える。
外枠部１０２Ｂは、支持板１０２Ａと蓋板（不図示）とに接合される。アンカー１０３Ａ、サブアンカー１０３Ｂ、支持梁１０４Ａ、駆動梁１０４Ｂ、駆動質量部１０５Ａ〜１０５Ｄ、検出梁１０６、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂは低抵抗シリコン材料（導電性）による一体の振動子を構成し、グランドに接続される。
【０００５】
上記振動子を構成する駆動梁１０４Ｂは、Ｙ軸方向を長手方向としていて、Ｘ軸方向の側面に連結された３本のサブアンカー１０３Ｂで支持梁１０４Ａに支持されている。支持梁１０４Ａは、Ｙ軸方向を長手方向としていて、Ｘ軸方向の側面に連結された１本のアンカー１０３Ａで外枠部１０２Ｂに支持されている。駆動質量部１０５Ｃ，１０５Ｄは駆動質量部１０５Ａ，１０５Ｂを挟むように配置され、駆動質量部１０５Ａ〜１０５Ｄは２本の駆動梁１０４Ｂの間にそれぞれ連結される。検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂは、駆動質量部１０５Ａ，１０５Ｂそれぞれの備える開口内で、検出梁１０６を介して駆動質量部１０５Ａ，１０５Ｂに連結される。
【０００６】
検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄは、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂの備える開口内に、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂから離間して配置され、支持板１０２Ａと蓋板（不図示）とに対して固定される。
駆動用固定構造部１１０は、支持板１０２Ａと蓋板（不図示）とに対して固定され、駆動電圧が印加されることで、振動子を構成する駆動質量部１０５Ｃ，１０５Ｄとの間に静電力が作用する。この静電力によって駆動質量部１０５Ａ〜１０５ＤはＸ軸に沿った駆動方向で振動し、駆動梁１０４Ｂも同方向に変形（撓み振動）する。この状態で振動ジャイロ１０１がＺ軸回りに回転すると、検出質量部１０７Ａ，１０７ＢにＹ軸に沿った方向のコリオリの力が作用し、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂがその方向に変位する。これにより、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂと検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄとの間の電極間隔および電極間容量が変化する。このとき、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｃと検出質量部１０７Ｂ，１０７Ｄとでは、Ｘ軸方向の振動が逆相になり、コリオリの力が逆方向に作用する。
【０００７】
上記構成の振動ジャイロ１０１では、検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂと検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄとの間の電極間容量の変化を検出することにより、コリオリの力および角速度の大きさを検知することが可能になる。
【０００８】
この振動ジャイロ１０１を小型化すると、小型化に伴う特性劣化、例えば感度低下が予想される。感度低下によるＳＮ比の低下を抑えるためには、振動ジャイロに接続する信号増幅回路で検出信号をＣＶ変換（容量電圧変換）し、その直後に検出信号を増幅することが有効である。しかしながら振動ジャイロ１０１では、ＣＶ変換後の検出信号にはＸ軸方向の駆動振動に伴うＹ軸方向のブレによるノイズが混入するため、同期検波によって上記ノイズを除去した後に検出信号を増幅する必要がある。
【０００９】
図１（Ｂ）は従来の振動ジャイロ２０１の平面図である。
【００１０】
振動ジャイロ２０１は、２つの振動子２０２Ａ，２０２Ｂを連結梁２０２ＣでＹ軸方向に連結した構成である。各振動子２０２Ａ，２０２Ｂは、３つの質量部２０３Ａ〜２０３Ｃを三重に配置していて、外側から一層目の質量部２０３Ａは駆動用であり、アンカー２０４によりＸ軸方向にのみ変位自在に支持されるとともに駆動用固定構造部２０５によりＸ軸方向に駆動される。二層目の質量部２０３Ｂはコリオリの力により変位するものであり、質量部２０３Ａおよび質量部２０３Ｃに連結支持されている。三層目の質量部２０３Ｃは検出用であり、アンカー２０６によりＹ軸方向にのみ変位自在に支持されている。
上記構成の振動ジャイロ２０１では、二層目の質量部と、三層目の質量部とを別体に形成しているので、二層目の質量部に駆動振動に伴うＹ軸方向のブレが生じても、三層目の質量部にはそのブレが及ばず、三層目の質量部からはＹ軸方向のブレに伴うノイズの発生を抑制して検出信号を検出することができる。したがって、振動ジャイロ２０１ではＣＶ変換直後に検出信号を増幅し、増幅後に同期検波を行ってもＳＮ比の低下を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３８７０８９５号公報
【特許文献２】特許第４２９０９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の振動ジャイロ１０１では、２つの検出質量部１０７Ａ，１０７Ｂそれぞれの開口内に検出電極と支柱部とかならなる検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄを設けていた。このような構成では、検出用固定構造部１０８Ａ〜１０８Ｄとして設ける支柱部の数と検出電極の数が同数必要であり、このことが振動ジャイロ１０１のさらなる小型化が難しい理由の一つとなっていた。
【００１３】
また従来の振動ジャイロ２０１は２つの振動子２０２Ａ，２０２Ｂそれぞれの振動を連成させる連結梁２０２Ｃを設けて、両者を連結していた。このような構造では小型化が困難であるだけでなく、連結梁２０２Ｃによる振動子２０２Ａ，２０２Ｂの形状ばらつきなどで２つの振動子２０２Ａ，２０２Ｂの固有振動数（共振周波数）に差があると、それぞれの振幅に差が生じ、駆動振動時にアンカー２０６に作用する反力が完全に打ち消しあわないため、残留した反力によりＸ軸方向の振動が支持板に生じたり、２つの振動子それぞれからの反力が支持板に回転モーメントとして作用したりして、振動ジャイロ２０１の特性が不安定化することがあった。
【００１４】
そこで本発明は、従来よりも小型にでき、振動子から支持板につたわる振動を抑制できる振動ジャイロの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明の振動ジャイロは支持板と、駆動質量部、駆動梁、梁支持部および検出質量部を備える振動子と、支柱部および検出電極を備える検出用固定構造部とを備える。駆動質量部は駆動により振動する。駆動梁は、駆動質量部を支持し、駆動質量部から作用する力により撓み振動する。梁支持部は、駆動梁を支持板に固定支持する。検出質量部は、駆動質量部の振動によるコリオリの力により変位自在な状態で、前記駆動質量部に支持される。支柱部は、支持板に固定支持される。検出電極は、支柱部に固定支持され前記検出質量部と隣り合って電極間容量を持つ。このような構成の振動ジャイロにおいて、駆動質量部の振動方向に直交する方向に隣り合う２つの駆動質量部の間に支柱部を配置し、隣り合う駆動質量部と支柱部との間それぞれに検出質量部を配置し、隣り合う検出質量部と支柱部との間それぞれに検出電極を配置する。
【００１６】
従来構成の固定構造部では支柱部と検出電極とが一つずつ組を成していたのに対して、この構成では１つの支柱部と２つの検出電極とが組を成すことになる。したがって、支柱部の数が従来よりも少なくでき、支柱部が要していた支持板面積を削減して振動ジャイロ全体を小型化できる。
また、複数の駆動質量部を駆動梁によって一体に支持する構成なので、２つの振動子を連結梁でつなぐ構成のように基板に振動が生じることがなく、振動ジャイロの特性を安定化できる。
【００１７】
この発明の前記梁支持部は、前記振動方向に隣り合う前記駆動梁と前記支柱部との間に配置すると好適である。
【００１８】
この構成により、従来は駆動梁と支柱部との間ではなく外側に配置されていた梁支持部の配置スペースを削減でき、振動ジャイロをさらに小型化できる。
【００１９】
この発明の振動ジャイロは、前記検出質量部を前記支持板に対して前記振動方向に垂直な方向にのみ変位自在な状態に支持する内側支持部、および、駆動質量部の振動により作用するコリオリの力に対して変位自在な状態で、前記検出質量部と前記駆動質量部との間に連結される連結質量部、を備えると好適である。
【００２０】
この構成では、検出質量部が駆動振動によってＹ軸方向にブレることがなくなり、このブレによって生じる容量変化（ノイズ）が低減でき、小型かつＳＮ比の高い振動ジャイロを構成することが可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、１つの支柱部と２つの検出電極とを組としてなる固定構造部を設けることにより、従来構成よりも支柱部の数を少なくし、支柱部が要していた支持板面積を削減して振動ジャイロを小型化できる。また、複数の駆動質量部を駆動梁によって一体に支持する構成なので、２つの振動子を連結梁でつなぐ構成のように基板に振動が生じることがなく、振動ジャイロの特性を安定化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図３】図２に示す振動ジャイロの動作を説明する図である。
【図４】図２に示す振動ジャイロの部分拡大図である。
【図５】図２に示す振動ジャイロの駆動検出回路の回路構成を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロの構成を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下の説明では、振動ジャイロの回転検出軸を直交座標系のＺ軸とし、駆動方向を直交座標系のＸ軸方向、コリオリの力の作用方向を直交座標系のＹ軸方向とする。
【００２４】
図２（Ａ）は本発明の実施形態に係る振動ジャイロ５０の構成を示す平面図、図２（Ｂ）は振動ジャイロ５０を実装基板に実装した状態での振動子の中心を通るＸ軸に沿った断面図である。
【００２５】
振動ジャイロ５０は、段面視して蓋板５０Ａ、低抵抗シリコン板５０Ｂ、底板５０ＣをＺ軸に沿って順に積層した構成である。低抵抗シリコン板５０Ｂは、分割してなる以下の構成、振動子１、検出用固定構造部２Ａ，２Ｂ、駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂ、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂ、および外枠部５を備える。蓋板５０Ａと外枠部５と底板５０Ｃとは、内部空間を備える筐体を構成する。この筐体は、底板５０Ｃの外側主面で実装基板１５０に接合し、蓋板５０Ａの外側主面に形成した外部接続端子（不図示）を実装基板１５０の実装電極（不図示）にワイヤボンディングする構成である。
【００２６】
振動子１は局所的に蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに対して固定していて、Ｘ軸方向に変位自在な領域として駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄを備え、Ｙ軸方向に変位自在な領域として検出質量部１７Ａ，１７Ｂを備える。
検出用固定構造部２Ａ，２Ｂは、検出質量部１７Ａ，１７Ｂとの間の電極間容量を検出して振動子１に作用するコリオリの力を検知するために設けていて、振動子１の備える中央の開口内部に配置し、全体が変形しないように蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定している。
駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂは、振動子１の備えるＹ軸両端の開口内部に配置して全体が変形しないように蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定している。この駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂに駆動電圧を印加することで、駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂと駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄとの間の静電力が変動し、駆動質量部１３Ａ〜１３ＤにＸ軸方向の振動が生じる。
モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂは振動子１を挟むＹ軸両外側に配置して全体が変形しないように蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定している。このモニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂは、駆動質量部１３Ｃ，１３Ｄとの間の電極間容量を検出して駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂに印加する駆動電圧を調整し、振動子１の振動を適切なものにするために設けている。
【００２７】
図３は、振動子１の駆動による変形を説明する図である。前述の駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂ（不図示）と駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄとの間の静電力が変動することにより、駆動質量部１３Ａ〜１３ＤはＸ軸方向に振動する。その際、駆動質量部１３Ａ，１３Ｄと駆動質量部１３Ｂ，１３Ｃとでは駆動方向が逆になるようにしている。この状態で振動子１にＺ軸回りの角速度が作用すると、検出質量部１７Ａ，１７Ｂにコリオリの力が作用する。駆動質量部１３Ａ，１３Ｄと駆動質量部１３Ｂ，１３Ｃとでは駆動方向が逆なので、コリオリの力も逆方向に作用し、検出質量部１７Ａ，１７ＢはＹ軸方向で互いに逆向きに変位することになる。
【００２８】
再び図２に戻り、振動ジャイロ５０の詳細構造について説明していく。
振動子１は、一体に成形された以下の構成、支持アンカー１０Ａ〜１０Ｆ、駆動梁１２Ａ，１２Ｂ、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄ、駆動櫛歯部１４Ａ〜１４Ｄ（一部不図示）、検出梁１５Ａ，１５Ｂ、検出質量部１７Ａ，１７Ｂ、検出櫛歯部１８Ａ，１８Ｂ（一部不図示）、およびモニタ櫛歯部１９Ａ，１９Ｂ（一部不図示）を備える。
【００２９】
駆動櫛歯部１４Ａ〜１４Ｄは、それぞれ駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄに付設している。図４（Ａ）は駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｃ近傍の拡大平面図である。なお駆動櫛歯部１４Ｂ，１４Ｄは駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｃと同じ構成である。
駆動櫛歯部１４Ａは、駆動質量部１３ＡからＹ軸正方向に突出する線状部位の一方側面からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極を備える。駆動櫛歯部１４Ｃは、駆動質量部１３ＣからＹ軸負方向に突出する線状部位の一方側面からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極を備える。これら駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｃの櫛歯電極は、駆動用固定構造部３Ａが備える櫛歯電極３３に微小間隔を隔てて対向する。なお、駆動用固定構造部３Ａは、蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定される円柱形の支柱部３１と、支柱部３１に連結された線状部位３２と、線状部位３２からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極３３とを備える構成であり、駆動用固定構造部３Ａは蓋板５０Ａに設けるビア電極によって外部接続端子に電気的に接続される。このような構成で、駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｃと駆動用固定構造部３Ａとの間に駆動電圧（バイアス電圧および交流電圧）が印加されると、駆動櫛歯部１４Ａ，１４Ｃと駆動用固定構造部３Ａとの間の静電力の変動により駆動質量部１３Ａ，１３ＣがＸ軸に沿って振動することになる。
【００３０】
再び図２に戻り説明する。駆動質量部１３Ｃ，１３Ｄは駆動質量部１３Ａ，１３Ｂを挟むようにＹ軸に沿って配列している。駆動質量部１３Ａ，１３Ｂは平面視してＹ軸内側が開口した概略コの字形であり、両腕部をＴ字形の梁状部を介して駆動梁１２Ａ，１２Ｂに連結している。駆動質量部１３Ｃ，１３Ｄは平面視してＸ軸方向に長尺な概略線状形であり、Ｘ軸両端を駆動梁１２Ａ，１２ＢのＹ軸両端に連結している。
【００３１】
駆動梁１２Ａ，１２Ｂは、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄを挟むＸ軸両外側に配置している。駆動梁１２Ａ，１２Ｂはそれぞれ平面視してＹ軸方向に長尺な概略線状形であり、これによりＸ軸方向に変形（撓み振動）可能な構成になっている。また駆動梁１２Ａ，１２Ｂは、Ｙ軸方向全長に対して略１／４、略２／４、略３／４の長さとなる位置で、支持アンカー１０Ａ〜１０Ｆに連結している。支持アンカー１０Ａ〜１０Ｆはそれぞれ平面視して概略ウの字状であり、外枠部５に駆動梁１２Ａ，１２Ｂを固定する。なお支持アンカー１０Ａ〜１０Ｆは請求項に記載の梁支持部を構成している。
【００３２】
上述の構成により、駆動梁１２Ａ，１２Ｂにおける支持アンカー１０Ａ〜１０Ｆに連結される位置は、駆動梁１２Ａ，１２ＢがＸ軸方向に変形（撓み振動）する際に撓み振動の節（ノード点）となる。そして、駆動質量部１３Ａ〜１３Ｄを支持する位置は、撓み振動の腹（アンチノード点）またはその近傍となる。したがって、駆動質量部１３Ａ，１３ＤはＸ軸方向に同相で振動し、駆動質量部１３Ｂ，１３ＣはＸ軸方向に駆動質量部１３Ａ，１３Ｄとは逆相で振動することになる。
【００３３】
検出梁１５Ａは、平面視して概略Ｔ字形であり、一方端を駆動質量部１３Ａ，１３Ｂの開口底面の中央に連結し、他方の二端を検出質量部１７Ａ，１７Ｂに連結している。検出梁１５Ｂは、平面視してＹ軸に対して蛇行する概略ミアンダ形であり、一方端を駆動質量部１３Ａ，１３Ｂの両腕部の先端付近に連結し、他方端を検出質量部１７Ａ，１７Ｂに連結している。
【００３４】
検出質量部１７Ａ，１７Ｂは、平面視して概略コの字状であり、それぞれのコの字状の開口部が向かい合うように、駆動質量部１３Ａ，１３Ｂの開口内に配置し、検出梁１５Ａ，１５Ｂに連結している。この検出質量部１７Ａ，１７ＢはＹ軸方向に変位自在となり、Ｘ軸方向の変位については駆動質量部１３Ａ，１３Ｂに連動することになる。
【００３５】
検出櫛歯部１８Ａ，１８Ｂは検出質量部１７Ａ，１７Ｂの向かい合う開口内に付設している。図４（Ｂ）は検出櫛歯部１８Ａ近傍の拡大平面図である。なお検出櫛歯部１８Ｂは検出櫛歯部１８Ａと同じ構成である。
【００３６】
検出櫛歯部１８Ａは、検出質量部１７Ａの開口内にＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極を備える。この検出櫛歯部１８Ａの櫛歯電極は、検出用固定構造部２Ａ，２Ｂが備える櫛歯電極２３に微小間隔を隔てて対向する。なお、検出用固定構造部２Ａ，２Ｂは、蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定支持された支柱部２１と、支柱部２１に連結された線状部位２２と、線状部位２２からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極２３（検出電極）とを備える構成である。このような構成で、検出質量部１７ＡがＹ軸方向に変位すると、検出櫛歯部１８Ａと検出用固定構造部２Ａ，２Ｂとの間の電極間容量が変動することになる。
【００３７】
モニタ櫛歯部１９Ａ，１９Ｂは、図２に示すように駆動質量部１３Ｃ，１３ＤのＹ軸両外側に付設している。モニタ櫛歯部１９Ａの詳細構成は図４（Ａ）に示すように、Ｙ軸に沿って延設した線状部位の側面からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極を備える。モニタ櫛歯部１９Ａ，１９Ｂの櫛歯電極は、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂが備える櫛歯電極４３に微小間隔を隔てて対向する。なお、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂは、蓋板５０Ａおよび底板５０Ｃに固定支持された支柱部４１と、支柱部４１に連結された線状部位４２と、線状部位４２からＸ軸に沿って櫛歯状に突出する櫛歯電極４３とを備える構成である。このような構成で、駆動質量部１３Ｃ，１３ＤがＸ軸方向に変位すると、モニタ櫛歯部１９Ａ，１９Ｂとモニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂとの間の電極間容量が変動することになる。
【００３８】
図５は振動ジャイロ５０に接続する駆動検出回路の回路図である。なお、ここでは駆動検出回路をカスタムＩＣ１５１として構成する例を示す。このカスタムＩＣ１５１は、図２（Ｂ）に示す実装基板１５０に実装して振動ジャイロ５０と一体にモールドし、一体のチップ素子として構成すると好適である。
【００３９】
カスタムＩＣ１５１は、Ｃ−Ｖ変換回路１５２、差動アンプ１５３、同期検波回路１５４、ＤＣアンプ・ローパスフィルタ回路１５５、デジタルトリミング回路１５６、アンプ１５８、オートゲインコントロール回路１５９、および位相シフタ・正弦波発生回路１６０を備える。
Ｃ−Ｖ変換回路１５２は振動ジャイロ５０の検出用固定構造部２Ａ，２Ｂそれぞれとモニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂ（またはモニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂの少なくとも一方）とに接続され、それぞれの持つ電極間容量に応じた電圧信号を出力する。差動アンプ１５３はＣ−Ｖ変換回路１５２から入力される２つの電圧信号の差動信号を出力する。Ｃ−Ｖ変換回路１５２に接続する検出電極では、振動ジャイロ５０にＹ軸方向の加速度が作用した場合の容量変化を打ち消してＺ軸回りの角速度のみ容量変化が生じるので、コリオリの力による信号のみが差動増幅される。同期検波回路１５４は、位相シフタ・正弦波発生回路１６０で発生させる正弦波と同期するタイミングで、差動信号から検波を行う。駆動によるＸ軸方向の振動とコリオリの力によるＹ軸方向の振動とでは位相が９０°相違するので、同期検波を行うことでＸ軸方向の振動ブレによる大部分の不要信号を除いてＹ軸方向のコリオリの力による振動を選択的に検出することが可能になる。ＤＣアンプ／ローパスフィルタ回路１５５は、同期検波回路１５４の出力する検出信号を増幅するとともに、ノイズ成分をカットする。デジタルトリミング回路１５６は、検出信号における振動ジャイロ５０個別の特性ばらつきを校正して検出信号を出力する。アンプ１５８はＣ−Ｖ変換回路１５２から入力される電圧信号（モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂからの信号）を増幅する。オートゲインコントロール回路１５９および位相シフタ・正弦波発生回路１６０は、振動ジャイロ５０の振動が適切に持続するように、駆動電圧の位相、振幅を調整して振動ジャイロ５０の駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂに出力する。
このような駆動検出回路により、振動ジャイロ５０は駆動方向に振動し、振動状態で振動ジャイロ５０にＺ軸回りの角速度が作用することで、角速度に応じた検出信号が得られることになる。
【００４０】
本実施形態の振動ジャイロ５０は上述の構成を備え、Ｙ軸に沿って配列した駆動質量部１３Ａ，１３Ｂの間に検出質量部１７Ａ，１７Ｂを配置し、検出質量部１７Ａ，１７Ｂの間に検出用固定構造部２Ａ，２Ｂを配置し、検出用固定構造部２Ａ，２Ｂを、一つの支柱部のＹ軸方向両側に櫛歯電極２３を設けた構成とする。このため振動ジャイロ５０は、従来構成よりも支柱部２１の数を低減して、支持板の面積を削減することが可能になる。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施形態に係る振動ジャイロ７０について説明する。図６は振動ジャイロ７０の構成を示す平面図である。
【００４２】
振動ジャイロ７０は、第１の実施形態とは形状が相違する振動子６１を備えるが、その他の概略構成は第１の実施形態と同様である。
【００４３】
振動子６１は、支持アンカー（支持梁）６０Ａ〜６０Ｄ、駆動梁６２Ａ，６２Ｂ、駆動質量部６３Ａ〜６３Ｄ、駆動櫛歯部６４Ａ，６４Ｂ（一部不図示）、検出梁６５、検出質量部６７Ａ，６７Ｂ、検出櫛歯部６８Ａ，６８Ｂ（一部不図示）、およびモニタ櫛歯部６９Ａ，６９Ｂ（一部不図示）を備える。
本実施形態は、第１の実施形態の構成とは、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂと駆動用固定構造部３Ａ，３Ｂとの配置が入れ替えてあり、また、支持アンカー（支持梁）６０Ａ〜６０Ｄの構造が相違する。
【００４４】
支持アンカー６０Ａ，６０Ｂは、振動子６１が備える中央の開口内に配置して、検出用固定構造部２Ａ，２Ｂの支柱部とともに支持板に固定している。支持アンカー６０Ｃ，６０Ｄは、振動子６１が備えるＹ軸両外側の開口内に配置して、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂの支柱部とともに支持板に固定している。支持アンカー６０Ａ，６０Ｂの可動端は駆動梁６２Ａ，６２ＢのＹ軸方向の中央部分に連結していて、支持アンカー６０Ｃ，６０Ｄの可動端は駆動梁６２Ａ，６２ＢのＹ軸方向全長に対して１／４および３／４となる位置に連結している。このため、この振動ジャイロ７０は、振動子６１の外側に支持アンカーを配置する必要がなく、基板面積を低減することが可能になっている。
【００４５】
次に、本発明の第３の実施形態に係る振動ジャイロ９０について説明する。図７は振動ジャイロ９０の構成を示す平面図である。
【００４６】
振動ジャイロ９０は、前述の実施形態とは形状が相違する振動子８１を備えるが、その他の概略構成は前述の実施形態と同様である。
【００４７】
振動子８１は、支持アンカー（支持梁）８０Ａ〜８０Ｅ、駆動梁８２Ａ，８２Ｂ、駆動質量部８３Ａ〜８３Ｄ、駆動櫛歯部８４Ａ，８４Ｂ（一部不図示）、連結質量部８６Ａ，８６Ｂ、検出質量部８７Ａ，８７Ｂ、検出櫛歯部８８Ａ，８８Ｂ（一部不図示）、およびモニタ櫛歯部８９Ａ，８９Ｂ（一部不図示）を備える。
【００４８】
本実施形態では、駆動質量部８３Ａ〜８３Ｄと検出質量部８７Ａ，８７Ｂとの間を連結質量部８６Ａ，８６Ｂで連結し、検出質量部８７Ａ，８７Ｂを支持アンカー８０Ｅ（内側支持部）により支持板に対して固定している点を特徴とする。
【００４９】
より詳細に説明すると、連結質量部８６Ａ，８６ＢはＹ軸内側が開口する概略コの字状であり、開口底面を構成するＸ軸に沿った線状部の両端を概略Ｔ字状の梁を介して駆動質量部８３Ａ，８３Ｂの開口底面に連結し、Ｙ軸に沿った両腕部の先端をＹ軸に対して蛇行する概略ミアンダ状の梁を介して駆動質量部８３Ａ，８３Ｂの両腕部の先端に連結している。そして、検出質量部８７Ａ，８７Ｂは、両腕部の先端をＸ軸に対して蛇行する概略ミアンダ状の梁を介して連結質量部８６Ａ，８６ＢのＸ軸に沿った線状部に連結し、中央のＹ軸に沿った線状部の先端を、３つの矩形環状部がＹ軸に沿って連結された形状の梁を介して支持アンカー８０Ｅに連結している。
【００５０】
この構成では、駆動質量部８３Ａ〜８３ＤがＸ軸方向に振動する状態で振動ジャイロ９０がＺ軸回りに回転すると、Ｙ軸方向のコリオリの力が作用する。駆動質量部８３Ａ〜８３Ｄは、Ｘ軸方向には変位自在であるがＹ軸方向の変位が規制されている構成であり、コリオリの力によるＹ軸方向の振動はほとんど生じない。連結質量部８６Ａ，８６ＢはＸ軸方向、Ｙ軸方向ともに変位自在な構成であり、両方向に振動が生じる。検出質量部８７Ａ，８７Ｂは、Ｙ軸方向には変位自在であるがＸ軸方向の変位が規制されている構成であり、連結質量部８６Ａ，８６ＢのＹ軸方向の振動が梁を介して作用することでＹ軸方向にのみ振動することになる。このため、Ｘ軸方向の駆動振動によって、検出質量部８７Ａ，８７ＢがＹ軸方向にブレることが殆どなくなり、Ｙ軸方向のブレによる不要信号の影響を除いて、振動ジャイロ９０に作用するＹ軸方向のコリオリの力を精度良く検出することが可能になる。
【００５１】
なお、上述の各実施形態では、モニタ用固定構造部４Ａ，４Ｂをいずれも振動モニタ用途に利用する例を示したが、いずれか一方のみを振動モニタ用途に利用し、他方を振動子と同電位にして、支柱部を介してグランド電極に接続するようにして用いてもよい。この場合、振動子と同電位にした固定構造部を介して振動子をグランド電極に接続することでビア電極を別途設ける必要がなくなって支持板面積の低減を進展させられる。振動モニタ用途に利用する固定構造部が一つであっても、振動ジャイロの対称性を保持するために、振動モニタ用途に利用しない他方の固定構造部をあえて形成しておくと好適である。
【符号の説明】
【００５２】
１，６１，８１…振動子
１０Ａ〜１０Ｄ，６０Ａ〜６０Ｄ，８０Ａ〜８０Ｅ…支持アンカー
１２Ａ，１２Ｂ，６２Ａ，６２Ｂ，８２Ａ，８２Ｂ…駆動梁
１３Ａ〜１３Ｄ，６３Ａ〜６３Ｄ，８３Ａ〜８３Ｄ…駆動質量部
１４Ａ，１４Ｂ，６４Ａ，６４Ｂ，８４Ａ，８４Ｂ…駆動櫛歯部
１５Ａ〜１５Ｄ，１６Ａ〜１６Ｄ，６５…検出梁
１７Ａ，１７Ｂ，６７Ａ，６７Ｂ，８７Ａ，８７Ｂ…検出質量部
１８Ａ，１８Ｂ，６８Ａ，６８Ｂ，８８Ａ，８８Ｂ…検出櫛歯部
１９Ａ，１９Ｂ，６９Ａ，６９Ｂ，８９Ａ，８９Ｂ…モニタ櫛歯部
２Ａ，２Ｂ…検出用固定構造部
３Ａ，３Ｂ…駆動用固定構造部
４Ａ，４Ｂ…モニタ用固定構造部
２１，３１，４１…支柱部
２２，３２，４２…線状部位
２３，３３，４３…櫛歯電極
５…外枠部
５０，７０，９０…振動ジャイロ
５０Ａ…蓋板
５０Ｂ…低抵抗シリコン板
５０Ｃ…底板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持板と、
駆動により振動する駆動質量部、前記駆動質量部を支持し、前記駆動質量部から作用する力により撓み振動する駆動梁、前記駆動梁を前記支持板に固定支持する梁支持部、および、前記駆動質量部の振動により作用するコリオリの力に対して変位自在な状態で、前記駆動質量部に支持される検出質量部、を備える振動子と、
前記支持板に固定支持される支柱部、および、前記支柱部に固定支持され前記検出質量部と隣り合って電極間容量を持つ検出電極、を備える検出用固定構造部と、を備え、
前記駆動質量部の振動方向に直交する方向に隣り合う２つの前記駆動質量部の間に前記支柱部を配置し、隣り合う前記駆動質量部と前記支柱部との間それぞれに前記検出質量部を配置し、隣り合う前記支柱部と前記検出質量部との間それぞれに前記検出電極を配置した、振動ジャイロ。
【請求項２】
前記梁支持部は、前記振動方向に隣り合う前記駆動梁と前記支柱部との間に配置する、請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】
前記検出質量部を前記支持板に対して前記振動方向に垂直な方向にのみ変位自在な状態に支持する内側支持部、および、
前記駆動質量部の振動により作用するコリオリの力に対して変位自在な状態で、前記検出質量部と前記駆動質量部との間に連結される連結質量部、をさらに備える、請求項１または２に記載の振動ジャイロ。
【請求項１】
支持板と、
駆動により振動する駆動質量部、前記駆動質量部を支持し、前記駆動質量部から作用する力により撓み振動する駆動梁、前記駆動梁を前記支持板に固定支持する梁支持部、および、前記駆動質量部の振動により作用するコリオリの力に対して変位自在な状態で、前記駆動質量部に支持される検出質量部、を備える振動子と、
前記支持板に固定支持される支柱部、および、前記支柱部に固定支持され前記検出質量部と隣り合って電極間容量を持つ検出電極、を備える検出用固定構造部と、を備え、
前記駆動質量部の振動方向に直交する方向に隣り合う２つの前記駆動質量部の間に前記支柱部を配置し、隣り合う前記駆動質量部と前記支柱部との間それぞれに前記検出質量部を配置し、隣り合う前記支柱部と前記検出質量部との間それぞれに前記検出電極を配置した、振動ジャイロ。
【請求項２】
前記梁支持部は、前記振動方向に隣り合う前記駆動梁と前記支柱部との間に配置する、請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】
前記検出質量部を前記支持板に対して前記振動方向に垂直な方向にのみ変位自在な状態に支持する内側支持部、および、
前記駆動質量部の振動により作用するコリオリの力に対して変位自在な状態で、前記検出質量部と前記駆動質量部との間に連結される連結質量部、をさらに備える、請求項１または２に記載の振動ジャイロ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２４２２５７（Ｐ２０１１−２４２２５７Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１４６３８（Ｐ２０１０−１１４６３８）
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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