JP2000097784A - 外力検知センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】振動検出体の空気抵抗を低減して、大気中でも
低電圧で駆動でき、且つ高い検出感度を実現することの
できる外力検知センサを提供する。 【解決手段】外力により変位する可動検出体４と、この
可動検出体４の変位を静電容量の変化として検出する固
定検出体７とを含む外力検知センサにおいて、可動検出
体４の平坦面と固定検出体７の平坦面（検出面）とを、
外力の作用する方向と直交する方向にギャップを介して
一部対向させ、かつ外力の作用する方向に平行にずらし
て配置したことを特徴とする外力検知センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車のナビゲー
ションシステム、カメラの手振れ防止装置、ロボットの
姿勢制御装置などに使用される角速度センサ、自動車の
エアバック装置などに使用される加速度センサ、真空槽
ないし加圧室などに使用される圧力計などよりなる外力
検知センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の外力検知センサとして、図９およ
び図１０を参照して、静電駆動・静電検出型の角速度セ
ンサ５０について説明する。

【０００３】５１はガラス基板を示し、このガラス基板
５１の上面部で、後述の振動体に対向する領域には、固
定検出電極５２が形成される。また、固定検出電極５２
の引出配線５２ａも同様に形成される。５３は矩形状の
負荷質量を有する振動体で、この振動体５３の四隅部に
はＬ字型の梁５３ａが結合し、この梁５３ａは支持部５
３ｂにそれぞれ結合している。また、振動体５３の両側
面からは、櫛歯形の可動駆動電極５３ｅ、５３ｆが直角
方向に伸びている。そして、これらの可動駆動電極５３
ｅ、５３ｆは、駆動固定部５４、５５に形成された櫛歯
形の固定駆動電極５４ａ、５５ａと間隙を介して対向し
ている。

【０００４】固定検出電極５２は引出電極５２ａを介し
て外部端子５２ｂに接続される。また、振動体５３は、
Ｌ字形の梁５３ａ、支持部５３ｂおよび引出配線５３ｃ
を介して外部端子５３ｄに接続される。

【０００５】また、振動体５３、可動駆動電極５３ｅ、
５３ｆ、固定駆動電極５４ａ、５５ａの下側には、空隙
５６が犠牲層エッチングにより形成される。

【０００６】つぎに、従来の角速度センサ５０の動作に
ついて説明する。外部端子５３ｄと駆動固定電極５４、
５５とを介して、固定駆動電極５４ａと可動駆動電極５
３ｅとの間および固定駆動電極５５ａと可動駆動電極５
３ｆとの間に互いに位相の反転した交流電圧を印加す
る。すると、振動体５３はＸ軸方向に振動するようにな
る。振動体５３がこのように振動しているときに、角速
度センサ５０が振動体５３の中心を通るＹ軸回りに回転
すると、振動体５３はコリオリ力によりＺ軸方向に振動
するようになる。この振動により、振動体５３は固定検
出電極５２に接近したり、離れたりして、それらの間に
形成される静電容量が変化する。この静電容量の変化に
より回転角速度を求める。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
外力検知センサとしての角速度センサ５０は、振動体５
３と固定検出電極５２とが数百ミクロンという微小ギャ
ップで近接しているため、検出振動時に、これらの間に
介在する空気がかなり大きな抵抗を持ち、検出振幅が小
さくなり、検出感度（１°／ｓに対する出力電圧）が低
下していた。また、角速度センサ５０の感度を上げるた
めには、ギャップを狭くすればよいが、その分空気抵抗
が増加するので、駆動電圧を高くする必要がある。

【０００８】そこで、本発明は、振動検出体の空気抵抗
を低減して、大気中でも低電圧で駆動でき、且つ高い検
出感度を実現することのできる外力検知センサを提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、外力により変位する可動検出体と、この可動検出体
の変位を静電容量の変化として検出する固定検出体とを
含む外力検知センサにおいて、前記可動検出体の平坦面
と前記固定検出体の平坦面とを、外力の作用する方向と
直交する方向にギャップを介して一部対向させ、かつ外
力の作用する方向に平行にずらして配置したことを特徴
とするものである。

【００１０】この発明は、可動検出体と固定検出体の平
坦面が、コリオリ力、加速度などの外力の作用する方向
と直交する方向にギャップを介して一部対抗し、可動検
出体と固定検出体との間に所定の静電容量が形成されて
いる。そして、外力が作用すると、可動検出体が固定検
出体に対し外力の作用する方向に平行に変位する。この
変位により、可動検出体と固定検出体の対向面積が外力
の作用方向により、増加したり、減少したりして、それ
らの間に形成される静電容量が増減する。この静電容量
の増減により、外力の角速度、加速度または圧力を求め
ることができる。したがって、可動検出体と固定検出体
との一部対向幅は、少なくとも可動検出体の最大変位幅
以上に設定されており、この一部対向幅により、所定の
静電容量がバイアスとして形成されている。

【００１１】請求項２に記載の発明は、前記可動検出体
は、負荷質量を有する振動体であり、該振動体は外力の
作用する方向に平坦面を有することを特徴とするもので
ある。

【００１２】この発明の角速度センサ、加速度センサな
どの外力検知センサにおいて、それらの可動検出体は振
動体であり、この振動体に平坦面が形成される。その平
坦面は角速度、加速度などの外力の作用する方向に平行
であり、この外力による振動体の変位により、角速度、
加速度などの外力を検出することができる。

【００１３】請求項３に記載の発明は、コリオリ力によ
り変位する可動検出体と、この可動検出体の変位を静電
容量の変化として検出する固定検出体と、前記可動検出
体をコリオリ力の作用方向と直交する方向に振動させる
駆動手段と、を備える外力検知センサにおいて、前記可
動検出体の平坦面と前記固定検出体の平坦面とを、コリ
オリ力の作用する方向と直交する方向にギャップを介し
て一部対向させ、かつ、コリオリ力の作用する方向に平
行にずらして配置したことを特徴とするものである。

【００１４】この発明は、駆動方向のＸ軸に対し、この
Ｘ軸と直交するＹ軸回りに回転が生じると、Ｘ軸および
Ｙ軸のいづれにも直交するＺ軸方向に外力としてコリオ
リ力が生じる。このコリオリ力により、可動検出体（振
動体、板状電極）はコリオリ力の発生方向（Ｚ軸方向）
に変位する。そして、可動検出体と固定検出体にコリオ
リ力の発生方向に平行する平坦面を設けているので、こ
の可動検出体の変位の方向により当初の静電容量に増減
（変化）が生じるが、この静電容量の変化により角速度
を検出する。

【００１５】請求項４に記載の発明は、前記可動検出体
と前記固定検出体とは、平坦面を有する複数の板状電極
を備えており、これらの板状電極の平坦面は、外力の作
用する方向と直交する方向にギャップを介してそれぞれ
一部対向し、かつ、外力の作用方向に平行にずらして配
置されていることを特徴とするものである。

【００１６】この発明は、可動検出体側の複数の板状電
極の平坦面と固定検出体側の複数の板状電極の平坦面と
を外力の作用する方向と直交する方向にそれぞれ近接し
て一部対向させて、これらの対向面を外力の作用する方
向に平行に配置することにより、対向電極の総面積を大
きくして外力による静電容量の変化量を大きくし、角速
度、加速度などの外力の検出感度を高くすることができ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、図１および図２を参照し
て、本発明の外力検知センサの実施例として角速度セン
サ１０について説明する。１は矩形状のガラス基板で、
このガラス基板１の四隅部には支持部２がそれぞれ形成
される。この支持部２には４つの梁３を介して可動検出
体としての振動体４が、その四隅部でＸ軸方向とＺ軸方
向に振動可能に支持される。この振動体４は、中央部に
矩形状の窓を有する枠型形状をしており、４つの枠桟４
ａ〜４ｃの結合体よりなる。そして、一つの対向する枠
桟４ａ、４ｃの外側面にはそれぞれ櫛歯形の可動駆動電
極４ｅ、４ｆが形成される。

【００１８】また、５、６は基板１に固定されている駆
動固定部で、これらの駆動固定部５、６の内側面には櫛
歯形の固定駆動電極５ａ、６ａが形成される。そして、
可動駆動電極４ｅ、４ｆと固定駆動電極５ａ、６ａと
は、それぞれ間隙を介して対向している。

【００１９】７は固定検出体としてのＨ形の固定検出電
極で、振動体４の窓内において基板１に植設される。こ
の固定検出電極７は、ＸＺ平面と平行な検出面（平坦
面）を持ち、振動体４の枠桟４ｂ、４ｄの内側面（平坦
面）と平行に配置されると共に、振動体４の枠桟４ｂ、
４ｄの内側面とＹ軸方向に一部対向している。即ち、固
定検出電極７の上端が振動体４の枠桟４ｂ、４ｄのほぼ
中央部に位置して、振動体４の枠桟４ｂ、４ｄは下側半
分（一部）で固定検出電極７に微小ギャップｇ１を介し
て対向している。このように、振動体４の枠桟４ｂ、４
ｄと固定検出電極７の一部対向により、これらの間に空
気を誘電体として所定の静電容量が形成される。

【００２０】つぎに、角速度センサ１０の動作について
説明する。可動駆動電極４ｅと固定駆動電極５ａとの間
および可動駆動電極４ｆと固定駆動電極６ａとの間に直
流電圧を重畳した互いに反転位相の交流電圧を印加す
る。すると、振動体４は静電引力によりＸ軸方向に振動
するようになる。このように、振動体４が振動している
ときに、角速度センサ１０が振動体４の中心を通るＹ軸
回りに回転すると、振動体４は図２に矢印で示すよう
に、コリオリ力により上下方向（Ｚ軸方向）に振動する
ようになる。振動体４が上方に変位すると、固定検出電
極７と振動体４（枠桟４ｂ、４ｄ）との対向面積が減少
して、それらの間に形成される静電容量が減少する。ま
た、振動体４（枠桟４ｂ、４ｄ）が下方に変位すると、
固定検出電極７と振動体４（枠桟４ｂ、４ｄ）との対向
面積が増加して、それらの間に形成される静電容量が増
加する。このように、静電容量の増減により回転方向と
回転角速度を求める。

【００２１】本実施例において、コリオリ力を検出する
手段は、振動体４の枠桟４ｂ、４ｄが固定検出電極７に
対し微小ギャップｇ１を保って平行に変位して、それら
の対向面積を増減することにより行われる。したがっ
て、本実施例は、振動体４が空気の介在する微小ギャッ
プｇ１の対向方向に変位して、その介在する空気を圧縮
ないし減圧する場合に比べて、空気抵抗が１／１０〜１
／１５と小さくなり検出感度を高くすることができる。

【００２２】つぎに、図３および図４を参照して第２実
施例の角速度センサ２０について説明する。この角速度
センサ２０は、第１実施例の角速度センサ１０の固定検
出電極７を変形し、更に直線状の梁３をＬ字形状の梁３
ａとし、その他の構成は角速度センサ１０と同様にした
もので、角速度センサ１０と同一部分には同一番号を付
してその説明を援用する。

【００２３】振動体４の枠桟４ｂ、４ｄの下面が、ＸＹ
平面と平行な平坦面になっており、基板１の上面と平行
に配置されている。そして、基板１の上面には、枠桟４
ｂ、４ｄの下面（平坦面）とＺ軸方向にそれぞれ一部対
向する固定検出電極７ａ、７ｂを形成する。振動体４の
枠桟４ｂ、４ｄと固定検出電極７ａ、７ｂとの間にはそ
れぞれギャップｇ２を介して所定の静電容量がそれぞれ
形成される。二つの固定検出電極７ａ、７ｂは図示しな
い配線により接続される。

【００２４】つぎに、角速度センサ２０の動作について
説明する。可動駆動電極４ｅと固定駆動電極５ａとの間
および可動駆動電極４ｆと固定駆動電極６ａとの間に直
流電圧を重畳した互いに逆位相の交流電圧を印加する。
すると、振動体４はＸ軸方向に振動するようになる。こ
のように、振動体４が振動しているときに、角速度セン
サ２０が振動体４の中心を通るＺ軸回りに回転すると、
振動体４は図４に矢印で示すように、コリオリ力により
Ｙ軸方向に振動するようになる。そして、振動体４が右
側に変位すると、振動体４の枠桟４ｂ、４ｄと固定検出
電極７ａ、７ｂとの対向面積がそれぞれ増加して、それ
らの間に形成される静電容量が増加する。また、振動体
４の枠桟４ｂ、４ｄが左側に変位すると、固定検出電極
７ａ、７ｂと振動体４の枠桟４ｂ、４ｄとの対向面積が
それぞれ減少して、それらの間に形成される静電容量が
減少する。このように、静電容量の増減（変化）により
回転方向と回転角速度を求める。

【００２５】本実施例は、第１実施例の角速度センサ１
０と同様に、コリオリ力の検出にあたって、振動体４が
ギャップｇ２を狭める方向に変位するのではなく、ギャ
ップｇ２を保つたまま平行に変位する構造なので、空気
抵抗を減少できて検出感度が向上する。

【００２６】つぎに、図５および図６を参照して、本発
明の第３実施例の角速度センサ３０について説明する。
この角速度センサ３０は、第１実施例の角速度センサ１
０の固定検出電極７を両櫛歯形状の固定検出電極７ｃに
変形し、かつ、振動体４にもこの固定検出電極７ｃに対
向する櫛歯形状の可動検出電極４ｇ、４ｈを形成したも
のである。その他の構成は角速度センサ１０と同様なの
で、角速度センサ１０と同一部分には同一番号を付して
その説明を援用する。

【００２７】固定検出電極７ｃは、両櫛歯形状で片側に
４個づつ合計８個の板状電極を有し、ＸＺ平面に平行な
検出面（平坦面）を設けて、振動体４の矩形状の窓内
で、ガラス基板１の上面に植設される。また、振動体４
の枠桟４ａの内側面には３個の櫛歯形状よりなる可動検
出電極４ｇが形成される。更に、枠桟４ａに対向する枠
桟４ｃの内側面にも３個の櫛歯形状よりなる可動検出電
極４ｈが形成される。可動検出電極４ｇ、４ｈは、ＸＺ
平面に平行な平坦面を有し板状に形成される。そして、
固定検出電極７ｃは、可動検出電極４ｇ、４ｈの下側半
分と間隙を介して対向し、これらの間に所定の静電容量
が形成される。

【００２８】つぎに、本実施例の角速度センサ３０の動
作について説明する。可動駆動電極４ｅと固定駆動電極
５ａとの間および可動駆動電極４ｆと固定駆動電極６ａ
との間に直流電圧を重畳した互いに逆位相の交流電圧を
印加する。すると、振動体４はＸ軸方向に振動するよう
になる。この場合、固定検出電極７ｃに対する可動検出
電極８ａと８ｂの対抗面積は個別には増減するが、これ
らを合わせたトータルの対向面積は変化しない。したが
って、これらの間に形成される全体の静電容量も変化し
ないので、出力は発生しない。このように、振動体４が
振動しているときに、角速度センサ３０が振動体４の中
心を通るＹ軸回りに回転すると、振動体４は図６に矢印
で示すように、コリオリ力により上下方向（Ｚ軸方向）
に振動するようになる。振動体４が上方に変位すると、
固定検出電極７ｃと可動検出電極４ｇ、４ｈとの対向面
積が減少して、それらの間に形成される静電容量が減少
する。また、振動体４が下方に変位すると、固定検出電
極７ｃと可動検出電極４ｇ、４ｈとの対向面積が増加し
て、それらの間に形成される静電容量が増加する。この
ように、静電容量の増減により回転方向と回転角速度を
求める。

【００２９】本実施例の角速度センサ３０は、固定検出
電極７ｃと可動検出電極４ｇ、４ｈとを櫛歯形状に形成
して小空間でもって対向させ、かつ、この対向面をコリ
オリ力の発生方向と平行にしているので、図１の場合よ
りも対向する電極面積が大きくなって静電容量も大きく
なり、その結果、静電容量の変化量が大きくなり、そし
て空気抵抗も少なくなって、検出感度が向上する。

【００３０】つぎに、図７および図８を参照して、本発
明の第４実施例の加速度センサ４０について説明する。

【００３１】この加速度センサ４０は、片持梁構造をし
ており、ガラス基板１ａに基部４１ａが結合し、この基
部４１ａには梁４１ｂの一端が結合し、その他端は振動
体４ｉに結合している。振動体４ｉは、基板１ａの上面
と平行な平坦面を有している。これらの梁４１ｂおよび
振動体４ｉは、基板１ａから離間して水平方向に振動可
能になっている。

【００３２】７ｄは振動体４ｉとほぼ同一形状の検出面
を有する固定検出電極で、振動体４ｉの右側半分と上下
対向するように、基板１の上面に形成される。そして、
振動体４ｉと固定検出電極７ｄとの間に所定の静電容量
が形成される。

【００３３】つぎに、本実施例の加速度センサ４０の動
作について説明する。加速度センサ４０に左側方向への
加速度が加わると、振動体４ｉはその負荷質量の慣性の
ために、右側に変位する。そして、振動体４ｉと固定検
出電極７ｄとの対抗面積が大きくなり、それらの間に形
成される静電容量が大きくなる。

【００３４】また、加速度センサ４０に右側方向への加
速度が加わると、振動体４ｉはその負荷質量の慣性のた
めに、左側に変位する。そして、振動体４ｉと固定検出
電極７ｄとの対抗面積が小さくなり、それらの間に形成
される静電容量が減少する。このように、加速に応じて
静電容量が増減することにより加速度とその作用する方
向を求める。

【００３５】本実施例の加速度センサ４０は、その振動
体４ｉが固定検出電極７ｄに対し、加速度に応じて平行
方向に変位して、それらの間の空気の介在するギャップ
方向には変位しないので、空気抵抗が小さく、検出感度
を向上させることができる。図１では、固定検出電極７
を振動体４の窓の位置に設けたが、枠桟４ｂ、４ｄの外
側に設けてもよい。即ち、枠桟４ｂ、４ｄの外向きの側
面をＸＺ軸と平行な平坦面とし、これに固定検出電極の
検出面を平行に配置する。また、図１〜図３の実施例で
は、振動体４を枠型形状にしたが、枠桟４ｂ、４ｄのい
づれか一方を削除するかあるいは結合して一本にして全
体をＨ型にしてもよい。

【００３６】上記実施例においては、外力検知センサと
して、角速度センサと加速度センサを例示したが、本発
明は、圧力計にも適用できるものである。即ち、固定検
出体と可動検出体とを外力の加わる方向に一部ギャップ
を介して平行に配置して、所定の静電容量を設けておく
ことにより、圧力により可動検出体を変位させ、可動検
出体と固定検出体の対向面積を増減させて圧力を計測す
ることができる。

【００３７】

【発明の効果】請求項１に記載の発明は、可動検出体と
固定検出体との対向面が、外力の作用する方向に平行に
なっているので、外力が作用したときに可動検出体が固
定検出体に対し、それらの間に介在する空気を圧縮する
ことなく、平行に変位する。これにより、空気抵抗が低
く、大気中でも高い検出感度を実現することのできる。
請求項２に記載の発明は、負荷質量を有する振動体自体
に可動検出体の機能を持たせているので、この振動体の
平坦面を外力の作用方向に平行にし、且つ、固定検出体
の検出面も同様に平行に配置することにより、外力を高
感度に検出することができる。

【００３８】請求項３に記載の発明は、可動検出体と固
定検出体との対向面が、コリオリ力の作用する方向に平
行になっているので、コリオリ力が作用したときに可動
検出体が固定検出体に対し、それらの間に介在する空気
を圧縮することなく、平行に変位する。これにより、空
気抵抗が低く、大気中でも高い検出感度を実現すること
のできる。

【００３９】請求項４に記載の発明は、可動検出側の板
状電極と固定検出側の板状電極との対向面を外力の作用
する方向に平行に配置しているので、外力が作用したと
きに可動検出側の板状電極が固定検出側の板状電極に対
し、それらの間に介在する空気を圧縮することなく、平
行に変位する。これにより、空気抵抗を低くすることが
できる。また、複数の板状電極を設けた構成とすること
により、小空間を介して対抗する電極面積を大きくする
ことができ、外力に対する検出感度を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の外力検知センサの第１実施例の角速
度センサの斜視図

【図２】 図１のＹ１−Ｙ１線断面形態図

【図３】 本発明の外力検知センサの第２実施例の角速
度センサの斜視図

【図４】 図３のＹ２−Ｙ２線断面形態図

【図５】 本発明の外力検知センサの第３実施例の角速
度センサの斜視図

【図６】 図５のＹ３−Ｙ３線断面形態図

【図７】 本発明の外力検知センサの第４実施例の加速
度センサの平面図

【図８】 図７のＹ４−Ｙ４線断面形態図

【図９】 従来の外力検知センサとしての角速度センサ
の斜視図

【図１０】 図９のＸ１−Ｘ１線断面形態図

【符号の説明】

１、１ａ ガラス基板 ２ 支持部 ３、３ａ 梁 ４、４ｉ 振動体（可動検出体） ４ａ〜４ｄ 枠桟（可動検出体） ４ｅ、４ｆ 可動駆動電極 ４ｇ、４ｈ 可動検出電極（可動検
出体） ５、６ 駆動固定部 ５ａ、６ａ 固定駆動電極 ７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 固定検出電極（固定検
出体） １０〜３０ 角速度センサ ４０ 加速度センサ ｇ１、ｇ２ ギャップ ４１ａ 基部 ４１ｂ 梁

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外力により変位する可動検出体と、この
   可動検出体の変位を静電容量の変化として検出する固定
   検出体とを含む外力検知センサにおいて、 前記可動検出体の平坦面と前記固定検出体の平坦面と
   を、外力の作用する方向と直交する方向にギャップを介
   して一部対向させ、かつ外力の作用する方向に平行にず
   らして配置したことを特徴とする外力検知センサ。
2. 【請求項２】 前記可動検出体は、負荷質量を有する振
   動体であり、該振動体は外力の作用する方向に平坦面を
   有することを特徴とする請求項１に記載の外力検知セン
   サ。
3. 【請求項３】 コリオリ力により変位する可動検出体
   と、この可動検出体の変位を静電容量の変化として検出
   する固定検出体と、前記可動検出体をコリオリ力の作用
   方向と直交する方向に振動させる駆動手段と、を備える
   外力検知センサにおいて、 前記可動検出体の平坦面と前記固定検出体の平坦面と
   を、コリオリ力の作用する方向と直交する方向にギャッ
   プを介して一部対向させ、かつ、コリオリ力の作用する
   方向に平行にずらして配置したことを特徴とする外力検
   知センサ。
4. 【請求項４】 前記可動検出体と前記固定検出体とは、
   平坦面を有する複数の板状電極を備えており、これらの
   板状電極の平坦面は、外力の作用する方向と直交する方
   向にギャップを介してそれぞれ一部対向し、かつ、外力
   の作用方向に平行にずらして配置されていることを特徴
   とする請求項１、２または３に記載の外力検知センサ。