JPH10221086A - 角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度と回転軸Ｙ−Ｙ周
りの角速度を検出する２軸対応の角速度検出装置におけ
る各角速度の検出精度を高める。 【解決手段】 支持体３６、支持梁３８および振動子３
９等からそれぞれ構成された角速度検出要素３３，３
４，３５，３６を、中心点Ｑを中心として正方形状にそ
れぞれ配置する。角速度検出要素３３，３５の支持梁３
８の伸長方向は回転軸Ｘ−Ｘに対して平行に、角速度検
出要素３４，３６の支持梁３８の伸長方向は回転軸Ｙ−
Ｙに対して平行に配置している。これにより、回転軸Ｘ
−Ｘ周りの角速度を角速度検出要素３３，３５で検出
し、回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度を角速度検出要素３４，
３６で検出する。また、角速度検出要素３３，３５によ
って角速度を検出するときは、残りの角速度検出要素３
４，３６は、周囲温度または軸ずれを検出するための誤
差検出要素として用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車、カ
メラ等に搭載されるジャイロ等に用いて好適な角速度検
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術による角速度検出装置を図６に
基づいて説明する。

【０００３】１はマイクロマシニング技術により作製さ
れた角速度検出装置である。２は高抵抗な単結晶のシリ
コン材料からなり、表面を酸化させることにより絶縁膜
２Ａが形成された基板である。

【０００４】３，３は絶縁膜２Ａを介して基板２上に設
けられた一対の支持部で、該支持部３は基板２上に位置
して後述する回転軸Ｙ−Ｙ方向（左右方向）に離間して
配設されている。

【０００５】４，４，…は左，右に位置する一対の支持
部３，３から伸長して設けられた左，右２本ずつの支持
梁を示す。５は前記一対の支持部３，３間に位置して基
板２の表面から離間した状態で設けられた振動子で、該
振動子５は左，右の位置にそれぞれ２本ずつ配設された
支持梁４，４により、前記各支持部３に対して支持され
ている。そして、前記振動子５は前記各支持梁４を介し
て基板２に対して平行方向、直交方向に変位可能となっ
ている。

【０００６】６，６は絶縁膜２Ａを介して基板２上に設
けられた電極支持部で、該各電極支持部６は、振動子５
を挟んで回転軸Ｙ−Ｙと直交方向（上下方向）に離間し
て配設されている。

【０００７】７，７は振動子５を矢示Ａ１方向に振動さ
せる振動発生手段としての振動発生用電極で、該振動発
生用電極７，７は振動子５と電極支持部６，６との間に
位置して上，下方向に設けられている。ここで、該各振
動発生用電極７は、振動子５にくし状に設けられた電極
板７Ａ，７Ａ，…と、該各電極板７Ａと離間した状態で
噛合するように前記各電極支持部６にくし状に設けられ
た電極板７Ｂ，７Ｂ，…とから構成されている。

【０００８】また、振動子５の下側に位置した基板２の
表面には、振動子５がコリオリ力により矢示Ａ２方向に
変位したときに、その変位量を検出する変位検出手段と
しての検出用電極（図示せず）が設けられている。

【０００９】ここで、前記各支持部３，各支持梁４，振
動子５，各電極支持部６，電極板７Ａ，７Ｂは、例え
ば、Ｐ，Ｂ，Ｓｂ等の不純物がドーピングされた低抵抗
なポリシリコンをエッチング処理することにより形成さ
れている。

【００１０】従来技術による角速度検出装置は上述した
ような構成を有するもので、次にその動作について説明
する。

【００１１】各振動発生用電極７に互いに逆位相の振動
子駆動信号を印加すると、振動子５は矢示Ａ１方向に振
動する。この状態で回転軸Ｙ−Ｙに角速度が作用する
と、この回転の角速度に対応したコリオリ力が発生する
ため、振動子５が矢示Ａ２方向に変位（振動）する。そ
して、該振動子５が矢示Ａ２方向に変位すると、該振動
子５と、該振動子５の下側に設けられた検出用電極との
離間距離が変化し、該振動子５と検出用電極との間の静
電容量が変化する。この静電容量の変化を検出すること
により、角速度検出装置１に作用した角速度を算定す
る。

【００１２】一方、上述した従来技術による角速度検出
装置１は、回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度のみを検出する、
いわゆる１軸対応の角速度検出装置であるが、２組の支
持部，振動子，各支持梁等を同一基板に互いに９０度ず
らして配設することにより、Ｘ軸方向の回転軸周りの角
速度と、Ｙ軸方向の回転軸周りの角速度とをそれぞれ検
出する、いわゆる２軸対応の角速度検出装置が、例えば
特開平５−３３３０３８号公報等により知られている。

【００１３】以下、他の従来技術として２軸対応の角速
度検出装置について図７に基づき説明する。

【００１４】１１は２軸対応の角速度検出装置である。
１２は基板であり、該基板１２には平板部１３と、該平
板部１３の外周側を包囲するように枠部１４とが設けら
れ、該平板部１３と枠部１４との連結部には薄肉部１５
が形成されている。そして、該平板部１３上に設けられ
た振動発生用の圧電素子１６に振動駆動信号を印加する
ことにより、平板部１３は枠部１４に対して矢示Ｂ１方
向に振動する。

【００１５】１７は支持梁１８を介して平板部１３に設
けられた第１振動子であり、該振動子１７は、平板部１
３と共に該振動子１７が矢示Ｂ１方向に振動している状
態で、回転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度が作用したときに、コ
リオリ力により矢示Ｂ２方向に変位（振動）する。そし
て、該振動子１７の変位は検出素子１９により検出され
る。

【００１６】２０は支持梁２１を介して平板部１３に設
けられた第２振動子であり、該振動子２０は、平板部１
３と共に該振動子２０が矢示Ｂ１方向に振動している状
態で、回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度が作用したときに、コ
リオリ力により矢示Ｂ３方向に変位（振動）する。そし
て、該振動子２０の変位は検出素子２２により検出され
る。

【００１７】このように構成される角速度検出装置１１
によれば、回転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度と回転軸Ｙ−Ｙ周
りの角速度を同時に検出することができる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術では、角速度検出装置１の周囲温度が変化するこ
とによって発生する応力により、電極板７Ａ，７Ｂや支
持梁４に撓みが生じたり、振動子５に変形や位置ずれが
生じる場合がある。この結果、周囲温度変化の影響によ
り検出誤差が生じ、角速度の検出精度が低下するという
問題がある。

【００１９】かかる問題を解決するために、角速度検出
装置１とは別に温度補償用の検出装置を設ける手段や、
角速度検出装置１の外部に温度補償用の処理回路を設け
る手段が考えられるが、いずれの手段を採用しても、角
速度の検出精度を十分に向上させることは容易でなく、
また、部品点数が増加することにより製造コストが上昇
するという新たな問題が生じる。

【００２０】また、従来技術による角速度検出装置１で
は、図６に示すように、角速度検出装置１に実際に作用
した角速度の回転軸Ｙ′−Ｙ′が、該角速度検出装置１
に設定された正規の回転軸Ｙ−Ｙに対して軸ずれした場
合には、角速度の検出精度が低下するという問題があ
る。なお、上述した軸ずれは、角速度検出装置１を例え
ば自動車やカメラ等に設置する際の位置ずれ等によって
生じ得る。

【００２１】一方、他の従来技術による２軸対応の角速
度検出装置１１では、平板部１３を圧電素子１６で矢示
Ｂ１方向に振動させることにより、各振動子１７，２０
を同時に振動させるようにしている。このように、各振
動子１７，２０を同一の共振周波数で、かつ同一の位相
で振動させているため、角速度を検出する際に、振動子
１７の振動と、振動子２０の振動とが互いに干渉し、い
わゆるクロストークが発生するという問題がある。

【００２２】例えば、基板１２に回転軸Ｘ−Ｘ周りの角
速度が作用したとき、コリオリ力により振動子１７が矢
示Ｂ２方向に振動するが、これに干渉して振動子２０も
矢示Ｂ３方向に振動してしまい、それぞれの角速度の検
出精度が低下するという問題がある。

【００２３】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、温度変化によって角速度の検出精度が低
下するのを効果的に防止できると共に、軸ずれによって
角速度の検出精度が低下するのを防止できるようにした
角速度検出装置を提供することを目的としている。

【００２４】また、各振動子間にクロストークが発生す
るのを防止でき、角速度の検出精度を向上できるように
した角速度検出装置を提供することを目的としている。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１に係る発明は、単一の基板上に一の点
を中心として点対称となるように４基の角速度検出要素
を配置し、基板に対して平行方向をなす互いに直交し合
う２つの回転軸周りに作用する角速度をそれぞれ検出す
る角速度検出装置であって、該各角速度検出要素は、前
記基板に固着して設けられた支持部と、基端側が該支持
部に設けられ先端側が前記基板に対して平行方向に伸長
する支持梁と、前記基板から離間した状態で該支持梁の
先端側に支持され、前記基板に対して平行方向、直交方
向に変位可能な振動子と、該振動子を一定の振動方向に
振動させる振動発生手段と、該振動発生手段により前記
振動子を振動させた状態で前記基板に対して平行方向を
なす回転軸周りの角速度が作用したときに、該角速度に
対応して前記振動子がその振動方向と異なる一定の変位
方向に変位するのを検出する変位検出手段とからなり、
前記４個の角速度検出要素のうち２基を、その支持梁が
前記一方の回転軸に対して直交するように配置して他方
の回転軸周りに作用する角速度を検出するように構成
し、残りの２個の角速度検出要素を、その支持梁が前記
他方の回転軸に対して直交するように配置して一方の回
転軸周りに作用する角速度を検出するように構成したこ
とにある。

【００２６】上記構成により、一方の回転軸に対して角
速度が作用した場合には、この回転軸に平行に配置され
た支持梁を有する２基の角速度検出要素の各振動子がコ
リオリ力によって変位し、他方の回転軸に平行に配置さ
れた支持梁を有する２基の角速度検出要素の各振動子は
コリオリ力によって変位しない。また、他方の回転軸に
対して角速度が作用した場合には、この回転軸に平行に
配置された支持梁を有する２基の角速度検出要素の各振
動子がコリオリ力によって変位し、一方の回転軸に平行
に配置された支持梁を有する２基の角速度検出要素の各
振動子はコリオリ力によって変位しない。

【００２７】これにより、一方の回転軸に対して角速度
が作用したとき、或は他方の回転軸に対して角速度が作
用したとき、それぞれの回転軸に平行に配置された支持
梁を有する角速度検出要素の振動子同士が互いに緩衝し
にくくなり、クロストークを低減することができる。

【００２８】請求項２に係る発明は、各角速度検出要素
の振動発生手段を、各振動子をそれぞれ異なる位相で振
動させる構成としたことにある。

【００２９】上記構成により、各振動子の振動が互いに
干渉することなく、クロストークが抑制される。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に従って詳述する。

【００３１】ここで、図１ないし図４は本発明の第１の
実施例による角速度検出装置を示している。

【００３２】３１は本実施例による角速度検出装置であ
る。３２は基板を示し、該基板３２は例えば高抵抗な単
結晶のシリコン材料により平面状に形成されている。ま
た、該基板３２の表面には酸化シリコンによる絶縁膜３
２Ａが形成されている。なお、基板３２をガラス材料に
より形成してもよい。

【００３３】３３，３４，３５，３６は基板３２上に設
けられた本実施例による４基の角速度検出要素を示し、
該角速度検出要素３３〜３６は、基板３２に対して平行
方向に作用する回転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度および回転軸
Ｙ−Ｙ周りの角速度を検出するものである。また、各角
速度検出要素３３，３４，３５，３６の構成は、素子構
成、材料、寸法等の点で総て同一である。

【００３４】ここで、角速度検出要素３３〜３６のう
ち、代表して角速度検出要素３３の構成について説明す
る。

【００３５】３７，３７は絶縁膜３２Ａを介して基板３
２上に設けられた一対の支持部で、該各支持部３７は基
板３２上に位置して配設されている。

【００３６】３８，３８，…は一対の支持部３７，３７
から伸長して設けられた左，右２本ずつの支持梁を示
す。３９は前記一対の支持部３７，３７間に位置して基
板３２の表面から離間した状態で設けられた振動子で、
該振動子３９は左，右の位置にそれぞれ２本ずつ配設さ
れた支持梁３８，３８により、前記各支持部３７に対し
て支持されている。そして、前記振動子３９は前記各支
持梁３８を介して基板３２に対して平行方向、直交方向
に変位可能となっている。

【００３７】４０は振動子３９を図２中の矢示Ｅ５方向
に振動させる振動発生手段としての振動発生用電極を示
し、該振動発生用電極４０は、振動子３９の下側に位置
した基板３２上にＡｕ，Ｃｒ等の金属薄膜を蒸着するこ
とにより薄膜形成されている。

【００３８】そして、振動発生用電極４０は、図４に示
すように、角速度検出装置３１の外部に設けられた後述
の位相設定回路５２に電気的に接続されている。そし
て、該振動発生用電極４０には、位相設定回路５２から
出力される振動駆動信号Ｗ１が印加される。これによ
り、振動発生用電極４０は、振動子３９を図２中の矢示
Ｅ５方向に振動させる。

【００３９】４１は基板３２の中心点Ｑ近傍に位置し、
該基板３２上に設けられた電極支持部である。４２は振
動子３９と電極支持部４１との間に設けられた変位検出
手段としての検出用電極を示し、該検出用電極４２は、
振動子３９の側面から電極支持部４１に向けて突出する
ように設けられたくし状の電極板４２Ａ，４２Ａ，…
と、該各電極板４２Ａと離間した状態で噛合するように
前記電極支持部４１に突設されたくし状の電極板４２
Ｂ，４２Ｂ，…とから構成されている。

【００４０】そして、該検出用電極４２は、それぞれ互
いに対面する各電極板４２Ａと各電極板４２Ｂとの間の
静電容量を検出することにより振動子３９の変位を検出
する。即ち、振動発生用電極４０等により振動子３９を
振動させた状態で、角速度検出装置３１に回転軸Ｙ−Ｙ
周りの角速度が作用すると、振動子３９がコリオリ力に
より矢示Ｅ２方向に変位する。これにより、各電極板４
２Ａ，４２Ｂ間の静電容量が変化し、このときの静電容
量を検出することにより、振動子３９の変位を検出す
る。

【００４１】なお、前記各支持部３７、各支持梁３８、
振動子３９、電極支持部４１および電極板４２Ａ，４２
Ｂは、低抵抗なポリシリコンをエッチング処理すること
により形成されている。

【００４２】次に、角速度検出要素３３〜３６のそれぞ
れの配置について説明する。

【００４３】角速度検出要素３３〜３６は、図１中の中
心点Ｑを中心として正方形状にそれぞれ配置されてい
る。即ち、角速度検出要素３３〜３６の各支持部３７が
正方形の頂点に相応し、各支持梁３８と各振動子３９が
正方形の各辺に相応する。

【００４４】ここで、前記角速度検出要素３３，３５
は、その各支持梁３８の伸長方向が、回転軸Ｘ−Ｘに対
して平行であり、回転軸Ｙ−Ｙに対して直交するように
配置されている。一方、角速度検出要素３４，３６は、
その各支持梁３８の伸長方向が、回転軸Ｘ−Ｘに対して
直交し、回転軸Ｙ−Ｙに対して平行となるように配置さ
れている。

【００４５】従って、本実施例による角速度検出装置３
１は、角速度検出要素３３〜３６の各振動子３９を各振
動発生用電極４０により振動させた状態で、角速度検出
装置３１に回転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度が作用すると、角
速度検出要素３３，３５の各振動子３９は矢示Ｅ１，Ｅ
３方向に変位する。このとき角速度検出要素３４，３６
は変位しない。

【００４６】一方、角速度検出要素３３〜３６の各振動
子３９を各振動発生用電極４０により振動させた状態
で、角速度検出装置３１に回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度が
作用すると、角速度検出要素３４，３６の各振動子３９
は矢示Ｅ２，Ｅ４方向に変位する。このとき角速度検出
要素３３，３５は変位しない。

【００４７】このように、角速度検出装置３１は、角速
度検出要素３３，３５により回転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度
を検出でき、角速度検出要素３４，３６により回転軸Ｙ
ーＹ周りの角速度を検出できる。

【００４８】一方、角速度検出装置３１の周囲温度が変
化したときには、各支持梁３８に撓みが生じたり、各振
動子３９に変形や位置ずれが生じるため、角速度検出要
素３３，３５の各振動子３９は角速度の作用とは無関係
に変位する。そして、周囲温度の変化が大きければ、各
支持梁３８の撓み量、各振動子３９の変形度合い等が大
きくなるため、それに対応して各振動子３９の変位量も
大きくなる。従って、角速度検出要素３３，３５の各振
動子３９の変位を各検出用電極４２で検出することによ
り、周囲温度の変化に対応したデータ（変数）を得るこ
とができる。

【００４９】また、図３に示すように、例えば角速度検
出装置３１に実際に作用する角速度の回転軸Ｙ′−Ｙ′
が、該角速度検出装置３１の正規の回転軸Ｙ−Ｙに対し
て軸ずれしたときには、角速度検出装置３１に実際に作
用する角速度の回転軸Ｙ′−Ｙ′が、角速度検出要素３
３，３５を構成する各支持梁３８の伸長方向に対して直
交しなくなる。これにより、軸ずれが生じたときには、
角速度検出要素３３，３５の各振動子３９がコリオリ力
を受けて矢示Ｅ１，Ｅ３方向に変位するようになる。ま
た、軸ずれの度合いが大きければ、それに対応して該各
振動子３９の変位量も大きくなる。従って、角速度検出
要素３３，３５の各振動子３９の変位を各検出用電極４
２により検出することで、軸ずれの大きさに対応したデ
ータ（変数）を得ることができる。

【００５０】一方、角速度検出要素３４と３６は、基板
３２上に左右方向に対向するように配置され、両者の各
支持梁３８の伸長方向と回転軸Ｙ−Ｙとが平行となるよ
うにそれぞれ配置されている。これにより、角速度検出
要素３４，３６の各振動子３９は、角速度検出装置３１
に回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度が作用すると、コリオリ力
により図１の矢示Ｅ２，Ｅ４方向にそれぞれ変位する。
従って、角速度検出要素３４，３６の各振動子３９の変
位を検出することにより、角速度検出装置３１に作用し
た角速度に対応するデータ（変数）を得ることができ
る。

【００５１】次に、角速度検出装置３１に外部に設けら
れた角速度検出回路について図４を参照しつつ説明す
る。

【００５２】５１は高周波信号を発生する発振回路、５
２は該発振回路５１から出力された高周波信号に基づい
て振動駆動信号Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を生成する位相
設定回路をそれぞれ示し、該位相設定回路５２は発振回
路５１から出力された高周波信号を位相変換し、位相が
９０度ずつずれた同一周波数の正弦波信号である振動駆
動信号Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を生成する。そして、該
振動駆動信号Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４は角速度検出要素
３３〜３６の各振動発生用電極４０にそれぞれ印加され
る。これにより、各振動子３９は、同一の周波数で、か
つ各位相が９０度ずつずれた状態で図２中の矢示Ｅ５方
向に振動する。

【００５３】即ち、角速度検出要素３３の振動子３９の
振動が、該角速度検出要素３３と前後方向に対向する角
速度検出要素３５の振動子３９の振動に対して、位相が
１８０度ずれ、該各振動子３９は互いに逆位相に振動す
る。また、角速度検出要素３４の振動子３９の振動が、
該角速度検出要素３４と左右方向に対向する角速度検出
要素３６の振動子３９の振動に対して、位相が１８０度
ずれ、該各振動子３９は互いに逆位相に振動する。

【００５４】５３，５３，…は差動増幅器等から構成さ
れた増幅回路を示し、該各増幅回路５３には、検出用電
極４２から出力される検出信号が入力される。そして、
該各増幅回路５３は、前記各検出信号を差動増幅するこ
とにより、各振動子３９の変位に対応した新たな検出信
号を生成する。

【００５５】５４，５４，…は位相検出回路、５５は演
算処理回路をそれぞれ示し、該各位相検出回路５４、演
算処理回路５５は、各増幅回路５３から出力される検出
信号と、前記各位相設定回路５２から出力される振動駆
動信号Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４とに基づいて、下記の数
１ないし数４に基づく演算を行い、温度変化、軸ずれ等
による検出誤差を補正し、角速度出力信号Ｒを出力す
る。

【００５６】次に、前記位相検出回路５４、演算処理回
路５５による角速度検出信号Ｒの生成に関する演算方法
ついて説明する。

【００５７】まず、角速度検出装置３１に回転軸Ｙ−Ｙ
周りの角速度が作用したとき、各振動子３９に作用する
コリオリ力をＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４、振動駆動信号Ｗ
１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４の周波数（各振動子３９の振動周
波数）をω、各振動子３９の質量をＭ、角速度検出装置
３１に作用した角速度をΩ、各振動子３９の矢示Ｅ５方
向の振幅をＡ、時間をｔ、回転軸Ｙ−Ｙに対する軸ずれ
の角度、即ち、角速度検出装置３１に実際に作用する角
速度の回転軸Ｙ′−Ｙ′と、該角速度検出装置３１に設
定された正規の回転軸Ｙ−Ｙとのなす角をθとすると、
下記の数１が成立する。

【００５８】

【数１】 Ｆ１＝２・Ａ・Ｍ・ω・Ω・ｃｏｓ（９０−θ）・ｃｏ
ｓωｔ Ｆ２＝−２・Ａ・Ｍ・ω・Ω・ｃｏｓθ・ｃｏｓ（ωｔ
−９０） Ｆ３＝−２・Ａ・Ｍ・ω・Ω・ｃｏｓ（９０−θ）・ｃ
ｏｓ（ωｔ−１８０） Ｆ４＝２・Ａ・Ｍ・ω・Ω・ｃｏｓθ・ｃｏｓ（ωｔ−
２７０）

【００５９】ここで、軸ずれの角度θは、一般に小さい
ので、ｓｉｎθ＝θ、ｃｏｓθ＝１と近似することがで
きる。さらに、前記数１をそれぞれ直流変換すると、下
記の数２のようになる。なお、２・Ａ・Ｍ・ω＝αとす
る。

【００６０】

【数２】 Ｆ１＝α・Ω・θ Ｆ２＝−α・Ω Ｆ３＝−α・Ω・θ Ｆ４＝α・Ω

【００６１】また、周囲温度変化成分をＤ１，Ｄ２，Ｄ
３，Ｄ４とし、各コリオリ力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４に
角速度検出装置３１の周囲温度変化成分を付加した数値
をＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４とすると、下記の数３が成立
する。ここで、この数値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、角
速度検出要素３３〜３６の各振動子３９の変位を各検出
用電極４２によって検出することにより得ることができ
る。

【００６２】

【数３】 Ｓ１＝α・Ω・θ＋Ｄ１ Ｓ２＝−α・Ω＋Ｄ２ Ｓ３＝−α・Ω・θ＋Ｄ３ Ｓ４＝α・Ω＋Ｄ４

【００６３】ここで、角速度検出要素３３〜３６は、中
心点Ｑを中心として正方形状にそれぞれ配置されている
と共に、角速度検出要素３３〜３６の各素子構成、材
料、各寸法等が総て同一である。このため、周囲温度変
化による各支持梁３８、各振動子３９の撓み、変形、位
置ずれは、角速度検出要素３３〜３６のいずれにおいて
もほぼ同様に発生する。従って、周囲温度変化成分Ｄ
１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、Ｄ＝Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４
とすることができ、下記の数４が成立する。

【００６４】

【数４】 Ｓ１＝α・Ω・θ＋Ｄ Ｓ２＝−α・Ω＋Ｄ Ｓ３＝−α・Ω・θ＋Ｄ Ｓ４＝α・Ω＋Ｄ

【００６５】この数４の４式は、角速度検出要素３３〜
３６の各振動子３９の変位と、角速度検出装置３１に作
用した角速度と、周囲温度変化に対する角速度検出要素
３３〜３６の各特性と、軸ずれに対する角速度検出要素
３３〜３６の各特性とを含む特性方程式である。そし
て、この４つの特性方程式を解くことにより、角速度検
出装置３１に作用した角速度Ω、回転軸Ｙ−Ｙに対する
軸ずれ角度θ、周囲温度変化成分Ｄを算出する。

【００６６】また、上記数４より、周囲温度変化成分Ｄ
は、２通りの方法で得ることができる。即ち、周囲温度
変化成分Ｄは、上記数４の各式のうちＳ１に関する第１
式とＳ３に関する第３式によって得られると共に、上記
数４の各式のうちＳ２に関する第２式とＳ４に関する第
４式によっても得ることができる。従って、温度変化の
ない状態でこれら２通りの方法で得た各周囲温度変化成
分Ｄを、各振動子３９間のばらつきを補正する変数とし
て利用することができる。これにより、角速度の検出精
度を高めることができる。

【００６７】本実施例による角速度検出装置３１は上述
したような構成を有するものであり、次にその全体的な
動作について説明する。

【００６８】まず、発振回路５１、位相設定回路５２に
より、振動駆動信号Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を各振動発
生用電極４０に印加すると、各振動子３９が図２中の矢
示Ｅ５方向に振動する。このとき、振動駆動信号Ｗ１，
Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４にはそれぞれ９０度の位相差が設定さ
れているため、各振動子３９はそれぞれ９０度ずつ異な
る位相で振動する。そして、各振動子３９が振動した状
態で、角速度検出装置３１に回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度
が作用すると、角速度検出要素３４，３６の各振動子３
９がコリオリ力により図１中の矢示Ｅ２，Ｅ４方向にそ
れぞれ変位（振動）する。

【００６９】また、角速度検出装置３１の周囲温度が変
化したとき、または、図３に示すように角速度検出装置
３１に実際に作用した角速度の回転軸Ｙ′−Ｙ′が該角
速度検出装置３１に設定された正規の回転軸Ｙ−Ｙに対
して軸ずれしたときには、誤差検出要素となる角速度検
出要素３３，３５の各振動子３９が、周囲温度変化の大
きさまたは軸ずれの大きさに対応して図１中の矢示Ｅ
１，Ｅ３方向に変位（振動）する。

【００７０】そして、角速度検出要素３３〜３６の各振
動子３９の変位は、各検出用電極４２により検出され、
これが検出信号として各増幅回路５３に出力される。さ
らに、この検出信号は各増幅回路５３によって差動増幅
され、各位相検出回路５４、演算処理回路５５によっ
て、上記数１ないし数４に基づく演算が行われ、周囲温
度変化による角速度の検出誤差および軸ずれによる角速
度の検出誤差が除去され、真の角速度に対応した角速度
出力信号Ｒが出力される。

【００７１】さらに、角速度検出要素３３，３５の各振
動子３９は互いに逆位相で振動している。このため、回
転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度が作用したときの各振動子３９
の変位量を加算して角速度を求めるようにすれば、回転
軸Ｘ−Ｘ周りの角速度の検出感度が２倍になる。また、
回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度が作用したときの各振動子３
９の変位量を加算して角速度を求めるようにすれば、回
転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度の検出感度が２倍になる。

【００７２】かくして、本実施例によれば、単一の基板
３２上にそれぞれ配置の異なる４基の角速度検出要素３
３〜３６を設ける構成としたから、回転軸Ｘ−Ｘ周りの
角速度と、回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度とを同時に検出す
ることができると共に、各角速度の検出感度が良くな
り、角速度の検出精度を向上させることができる。

【００７３】また、回転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度または回
転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度が作用したとき、その角速度に
より発生したコリオリ力を、角速度検出要素３３〜３６
の各振動子３９の変位として検出し、これにより得られ
る４つの検出結果に基づいて、上記数４に示す４つの特
性方程式を得ることができる。この４つの特性方程式に
基づいて演算を行うことにより、周囲温度変化、軸ずれ
が生じても、常に正確な角速度検出を行うことができ
る。

【００７４】また、角速度検出要素３３〜３６の各振動
子３９を、それぞれ９０度ずつ異なる位相で振動させる
構成としたから、各振動子３９の振動が干渉するのを防
止でき、各振動子３９間でクロストークが発生するのを
防止できる。これにより、角速度検出要素３３〜３６の
各検出用電極４２から出力される各検出信号からノイズ
を除去することができ、各検出信号のＳ／Ｎ比を向上で
きる。

【００７５】また、回転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度が作用し
たときに角速度検出要素３３，３５の各検出用電極４２
から出力される各検出信号と、回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速
度が作用したときに角速度検出要素３４，３６の各検出
用電極４２から出力される各検出信号とを容易に分解す
ることができ、回転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度と回転軸Ｙ−
Ｙ周りの角速度とをそれぞれ独立に取出すことができ
る。これにより、２軸対向の角速度検出装置として性能
を大幅に向上させることができる。

【００７６】一方、本実施例によれば、角速度検出要素
３３，３５を、各支持梁３８の伸長方向が回転軸Ｙ−Ｙ
に対して直交するように配置する構成としたから、角速
度検出要素３３，３５を周囲温度変化および軸ずれを検
出する誤差検出要素として用いることができる。

【００７７】また、角速度検出要素３４，３６を、各支
持梁３８の伸長方向が回転軸Ｘ−Ｘに対して直交するよ
うに配置する構成としたから、角速度検出要素３４，３
６を周囲温度変化および軸ずれを検出する誤差検出要素
として用いる。

【００７８】この結果、回転軸Ｘ−Ｘと回転軸Ｙ−Ｙの
２軸周りの角速度検出の際の温度補償，軸ずれ補正を行
うことができると共に、角速度検出装置３１を小型化す
ることができる。

【００７９】さらに、本実施例によれば、角速度検出要
素３３〜３６を、中心点Ｑを中心として正方形状にそれ
ぞれ配置したことにより、基板３２の平面上における４
方向のバランスが良く、角速度検出装置３１をエッチン
グ処理等により製造する際にも、各振動子３９、支持梁
３８、電極板４２Ａ，４２Ｂの寸法ばらつき等を最小限
に抑えることができ、各振動子３９の共振周波数の調整
が不要となる。

【００８０】さらにまた、本実施例によれば、角速度検
出要素３３，３５を、両者の各支持梁３８が互いに平行
になるように配置したから、角速度検出要素３３，３５
と回転軸Ｙ−Ｙとの位置関係がそれぞれ等しくなる。ま
た、角速度検出要素３４，３６を、両者の各支持梁３８
が互いに平行になるように配置したから、角速度検出要
素３４，３６と回転軸Ｙ−Ｙとの位置関係がそれぞれ等
しくなる。

【００８１】これにより、例えば、角速度検出装置３１
等に電源を投入した直後等のような周囲温度変化がない
ときに、角速度検出要素３３〜３６を構成する各振動子
３９の変位を検出し、各検出結果を比較することによ
り、各振動子３９の寸法ばらつき等による変位量の誤差
分を補正することができる。

【００８２】次に、本発明の第２の実施例による角速度
検出装置について図５を参照しつつ説明するに、本実施
例の特徴は、４基の角速度検出要素を一の点を中心とし
て放射状に配置したことにある。

【００８３】６１は本実施例による角速度検出装置であ
る。６２は基板を示し、該基板６２は前述した第１の実
施例の基板３２と同様に高抵抗な単結晶シリコン材料に
より形成されている。

【００８４】６３，６４，６５，６６は、基板６２上に
設けられた４基の角速度検出要素を示し、該角速度検出
要素６３〜６６は、中心点Ｑを中心にそれぞれ９０度の
間隔で放射状に配置され、基板６２に対して平行方向に
作用する回転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度および回転軸Ｙ−Ｙ
周りの角速度を検出するものである。

【００８５】ここで、前記角速度検出要素６３〜６６の
構成は、それぞれ同様の素子構成、材料、寸法等の構成
を有しており、具体的な構成を角速度検出要素６３を用
いて説明する。

【００８６】角速度検出要素６３は、前述した第１の実
施例で述べた角速度検出要素３３と同様の構成となり、
基板６２を構成する４辺に設けられた支持部６７と、基
板６２の中心点Ｑ付近の位置に設けられた支持部６８
と、該支持部６７，６８間に位置して設けられた４つの
支持梁６９と、該各支持梁６９によって振動可能に支持
された振動子７０と、該振動子７０の下側に位置して基
板６２表面に形成された振動発生手段としての振動発生
用電極（図示せず）と、前記振動子７０の両側に位置し
て前記基板６２上に設けられた電極支持部７１，７１
と、該各電極支持部７１と振動子７０との間に形成され
た変位検出手段としての検出用電極７２，７２とから大
略構成されている。

【００８７】また、角速度検出要素６３〜６６のうち、
角速度検出要素６３と角速度検出要素６５は、基板６２
上の前後の位置に、角速度検出要素６３，６５の各支持
梁６９の伸長方向が回転軸Ｙ−Ｙに対して平行となるよ
うにそれぞれ配置されている。一方、角速度検出要素６
４と角速度検出要素６６は、基板６２の左右の位置に、
角速度検出要素６４，６６の各支持梁６９の伸長方向が
回転軸Ｙ−Ｙに対して直交するようにそれぞれ配置され
ている。

【００８８】従って、本実施例による角速度検出装置６
１は、角速度検出要素６３〜６６の各振動子７０を上下
方向に振動させた状態で、角速度検出装置６１に回転軸
Ｘ−Ｘ周りの角速度が作用すると、角速度検出要素６
３，６５の各振動子７０は矢示Ｇ１，Ｇ３方向に変位す
る。しかし、角速度検出要素６４，６６の各振動子７０
は変位しない。

【００８９】一方、角速度検出要素６３〜６６の各振動
子７０を上下方向に振動させた状態で、角速度検出装置
６１に回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度が作用すると、角速度
検出要素６４，６６の各振動子７０は矢示Ｇ２，Ｇ４方
向に変位する。このとき角速度検出要素６３，６５は変
位しない。

【００９０】このように、角速度検出装置６１は、角速
度検出要素６３，６５により回転軸Ｘ−Ｘ周りの角速度
を検出でき、角速度検出要素６４，６６により回転軸Ｙ
ーＹ周りの角速度を検出できる。

【００９１】一方、回転軸ＹーＹ周りの角速度を検出に
際に、角速度検出装置６１の周囲温度の変化等の影響
で、各支持梁６９に撓みが生じたり、各振動子７０に変
形や位置ずれが生じる場合があり、また角速度検出装置
６１に実際に角速度が作用する回転軸がずれた場合もあ
る。このような場合は、この軸ずれした回転軸Ｙ′−
Ｙ′と角速度検出要素６４，６６の各支持梁６９の伸長
方向（Ｘ−Ｘ方向）が直交しなくなり、該角速度検出要
素６４，６６の各振動子７０がコリオリ力によって矢示
Ｇ２，Ｇ４方向に変位するようになる。

【００９２】この角速度検出要素６４，６６の各振動子
７０の変位量は、周囲温度の影響や軸ずれした回転軸
Ｙ′−Ｙ′の軸ずれの度合いが大きければ、それに対応
して大きくなる。従って、角速度検出要素６４，６６の
各振動子７０の変位を各検出用電極７１で容量の変化と
して検出することにより、軸ずれの大きさに対応したデ
ータ（変数）を得ることができる。

【００９３】さらに、角速度検出装置６１には、第１の
実施例の角速度検出回路（図４参照）と同様のものが用
いられる。

【００９４】本実施例による角速度検出装置６１は、上
述したような構成を有するものであり、次にその全体的
な動作について説明する。

【００９５】まず、発振回路５１、位相設定回路５２に
より、それぞれ９０度ずつ位相が異なる振動駆動信号Ｗ
１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を、角速度検出要素６３〜６６の
各振動発生用電極に印加すると、各振動子７０がそれぞ
れ９０度の位相差をもってそれぞれ基板６２に対して直
交方向に振動する。そして、各振動子７０が振動した状
態で、角速度検出装置６１に回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度
が作用すると、角速度検出要素６３，６５の各振動子７
０がコリオリ力により矢示Ｇ１，Ｇ３方向にそれぞれ変
位する。

【００９６】また、角速度検出装置６１が、周囲温度の
変化等の影響で、各支持梁６９に撓みが生じたり、各振
動子７０に変形や位置ずれが生じたりすることによっ
て、或は角速度検出装置６１に実際に角速度が作用した
回転軸がずれた場合に、角速度検出要素６４，６６の各
振動子７０がコリオリ力によって矢示Ｇ２，Ｇ４方向に
変位する。

【００９７】そして、この角速度検出要素６３〜６６の
各振動子７０の変位を各検出用電極７２で容量変化とし
て検出信号を取出し、各増幅回路５３に出力される。ま
た、検出信号は各増幅回路５３によって作動増幅され、
各位相検出回路５４、演算処理回路５５によって、第３
の実施例と同様の手法に基づく演算が行われ、角速度検
出装置６１の周囲温度の変化による角速度の検出誤差や
軸ずれによる角速度の検出誤差が除去され、真の角速度
に対応した角速度出力信号Ｒが演算処理回路５５から出
力される。

【００９８】かくして、本実施例に示すように、４基の
角速度検出要素６３〜６６を中心点Ｑを中心にそれぞれ
９０度の間隔で放射状に配置する構成としても、前述し
た第１の実施例の角速度検出装置３１と同様に、２軸周
りにおける各角速度の検出精度を向上させる等の同様の
効果を得ることができる。

【００９９】なお、前記各実施例では、各振動子３９
（７０）を各振動発生用電極４０により基板３２（６
２）に対して直交方向に振動させるものとして述べた
が、本発明はこれに限るものではなく、各振動子３９
（７０）を各検出用電極４２（７２）により基板３２
（６２）に対して平行に振動させる構成としてもよい。

【０１００】この場合、例えば、第１の実施例による角
速度検出装置３１の各振動子７０を図１中の矢示Ｅ１，
Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４方向にそれぞれ振動させる。この状態
で、回転軸Ｙ−Ｙ周りの角速度が作用すると、角速度検
出要素３３，３４の各振動子７０はコリオリ力により、
図２中の矢示Ｅ５方向に変位する。この変位を検出する
ことにより角速度を求めることができる。

【０１０１】また、前記各実施例では、各振動子３９
（７０）を振動発生用電極４０により静電力を用いて振
動させるものとして述べたが、本発明はこれに限るもの
ではなく、圧電方式、磁気方式等により振動させてもよ
い。また、前記各実施例では、各振動子３９（７０）の
変位を検出用電極４２（７２）により静電容量の変化と
して検出するものとして述べたが、圧電方式、磁気方式
等により各振動子３９（７０）の変位を検出するように
してもよい。

【０１０２】さらに、前記各実施例では、振動発生用電
極４０を基板３２（６２）上に薄膜形成したものを示し
たが、これに限るものではなく、例えば、Ｐｂ，Ｓｂ等
の不純物を基板３２（６２）の表面に高密度にドーピン
グすることによって導電性を有するように形成してもよ
い。

【０１０３】

【発明の効果】以上詳述したとおり、請求項１に係る発
明によれば、単一の基板上に一の点を中心として４基の
角速度検出要素を配置し、該各角速度検出要素の振動子
を振動発生手段により各振動子を異なる位相で振動させ
る構成としたから、回転軸に平行に配置された支持梁を
有する２基の角速度検出要素の各振動子がコリオリ力に
よって変位し、他方の回転軸に平行に配置された支持梁
を有する２基の角速度検出要素の各振動子はコリオリ力
によって変位しない。また、他方の回転軸に対して角速
度が作用した場合には、この回転軸に平行に配置された
支持梁を有する２基の角速度検出要素の各振動子がコリ
オリ力によって変位し、一方の回転軸に平行に配置され
た支持梁を有する２基の角速度検出要素の各振動子はコ
リオリ力によって変位しない。

【０１０４】これにより、一方の回転軸に対して角速度
が作用したとき、或は他方の回転軸に対して角速度が作
用したとき、それぞれの回転軸に平行に配置された支持
梁を有する角速度検出要素の振動子同士が互いに緩衝し
にくくなり、クロストークを低減することができる。こ
の結果、角速度の検出精度を高めた２軸対応の角速度検
出装置を構成することができる。

【０１０５】請求項２に係る発明によれば、各速度検出
要素の振動発生手段を、各振動子をそれぞれ異なる位相
で振動させる構成としたから、各振動子の振動が互いに
干渉することなく、クロストークが抑制され、高精度の
角速度検出を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による角速度検出装置を
示す平面図である。

【図２】図１中の矢示II−II方向断面図である。

【図３】第１の実施例による角速度検出装置において回
転軸がずれた場合の各角速度検出要素の配置関係を示す
平面図である。

【図４】第１の実施例による角速度検出装置の角速度検
出回路を示すブロック回路図である。

【図５】本発明の第２の実施例による角速度検出装置を
示す平面図である。

【図６】従来技術による角速度検出装置を示す斜視図で
ある。

【図７】他の従来技術による角速度検出装置を示す斜視
図である。

【符号の説明】

３１，６１ 角速度検出装置 ３２，６２ 基板 ３３，３４，３５，３６，６３，６４，６５，６６ 角
速度検出要素 ３７，６７，６８ 支持部 ３８，６９ 支持梁 ３９，７０ 振動子 ４０ 振動発生用電極（振動発生手段） ４２，７２ 検出用電極（変位検出手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単一の基板上に一の点を中心として点対
   称となるように４基の角速度検出要素を配置し、基板に
   対して平行方向をなす互いに直交し合う２つの回転軸周
   りに作用する角速度をそれぞれ検出する角速度検出装置
   であって、該各角速度検出要素は、前記基板に固着して
   設けられた支持部と、基端側が該支持部に設けられ先端
   側が前記基板に対して平行方向に伸長する支持梁と、前
   記基板から離間した状態で該支持梁の先端側に支持さ
   れ、前記基板に対して平行方向、直交方向に変位可能な
   振動子と、該振動子を一定の振動方向に振動させる振動
   発生手段と、該振動発生手段により前記振動子を振動さ
   せた状態で前記基板に対して平行方向をなす回転軸周り
   の角速度が作用したときに、該角速度に対応して前記振
   動子がその振動方向と異なる一定の変位方向に変位する
   のを検出する変位検出手段とからなり、前記４個の角速
   度検出要素のうち２基を、その支持梁が前記一方の回転
   軸に対して直交するように配置して他方の回転軸周りに
   作用する角速度を検出するように構成し、残りの２個の
   角速度検出要素を、その支持梁が前記他方の回転軸に対
   して直交するように配置して一方の回転軸周りに作用す
   る角速度を検出するように構成してなる角速度検出装
   置。
2. 【請求項２】 前記各角速度検出要素の振動発生手段
   は、各振動子をそれぞれ異なる位相で振動させる構成と
   してなる請求項１記載の角速度検出装置。