JP2000321072A - ジャイロスコープおよびこれを用いた入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 デバイスの小型化、検出感度の向上、駆動電
圧の低減等が図れるジャイロスコープを提供する。 【解決手段】 本発明のジャイロスコープ１は、導電性
材料からなる複数の脚７と支持部８とを有する音叉２
と、音叉２を挟持する上側ガラス基板５、下側ガラス基
板６と、音叉２の上面側に配置されて各脚７を駆動する
複数の駆動用電極３と、音叉２の上面側および下面側の
各脚７の先端部と対向して各脚７毎に２対ずつ設けられ
た複数の検出用電極４ａ、４ｂとを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジャイロスコープ
とこれを用いた入力装置に関し、特に角速度入力時の音
叉の脚の変位を容量の変化で検出するタイプのジャイロ
スコープとこれを用いた入力装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、導電性を有するシリコン等の
材料で形成された音叉を用いたジャイロスコープが知ら
れている。この種のジャイロスコープは、音叉の脚を一
方向に振動させ、振動中に脚の長手方向を中心軸とする
角速度が入力された際にコリオリ力によって生じる前記
振動方向と垂直な方向の振動を検出するものである。コ
リオリ力により生じる振動の大きさは角速度の大きさに
対応するので、このジャイロセンサを角速度センサとし
て用いることができ、例えばパソコンの座標入力装置等
に適用することができる。

【０００３】図９は、従来のジャイロスコープの主要部
である音叉の構成を示す図である。この図に示す通り、
この例の音叉１００は、３本の脚１０１と各脚１０１の
基端側を連結する支持部１０２とを有しており、導電性
を付与したシリコンで形成されている。音叉１００は、
基板１０３上に支持部１０２で固定されており、各脚１
０１の下方にあたる箇所には駆動用電極（図示略）がそ
れぞれ設けられている。したがって、駆動用電極に電圧
を印加した際に生じる静電引力によって各脚１０１が鉛
直方向に振動する構成となっている。

【０００４】このジャイロスコープにおいて、鉛直方向
振動中に脚１０１の長手方向を回転軸とする角速度が入
力されると水平方向の振動が生じるが、この水平方向の
振動は各脚１０１の両側方に配置された一対の検出用電
極１０４で検出している。すなわち、脚１０１が水平方
向に変位した際、脚１０１の一方側に配置された検出用
電極１０４と脚１０１との間隔が狭まると、他方側に配
置された検出用電極１０４と脚１０１との間隔が広が
り、各検出用電極１０４と脚１０１とで構成される２組
の静電容量が変化する。この静電容量の変化から、入力
された角速度の大きさを検出することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記構成の
ジャイロスコープは、各脚１０１の両側方に検出用電極
１０４が配置されているため、脚１０１と脚１０１との
間隔（以下、脚間ギャップという）をあまり狭くするこ
とができなかった。すなわち、検出用電極１０４の幅を
ｘ₁、検出用電極１０４と脚１０１との間隔および検出
用電極１０４同士の間隔をｘ₂とすると、脚間ギャップ
ＧはＧ＝２ｘ₁＋３ｘ₂となり、一般的な半導体デバイス
製造技術を利用したシリコン加工におけるｘ₁、ｘ₂の加
工限界から、脚間ギャップＧの縮小化にも限界があっ
た。

【０００６】その一方、３脚型の音叉において脚間ギャ
ップＧを小さくすると、この種のデバイスの共振の大き
さを表す性能指標である「Ｑ値」が大きくなることがわ
かった。Ｑ値を大きくすることができれば、角速度の検
出感度が向上することに加えて、デバイスに入力する電
気エネルギーから振動エネルギーへの変換効率が向上す
るため、駆動電圧の低減を図ることができる。

【０００７】ところが上述したように、脚間ギャップが
縮小化できれば、デバイスの小型化、検出感度の向上、
駆動電圧の低減等、種々の利点が得られることが予想さ
れながらも、従来のジャイロスコープは脚間ギャップの
縮小化に限界があったため、その実現が不可能であっ
た。

【０００８】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであって、上記種々の利点が得られ、高品
質、低コストのジャイロスコープ、およびこのジャイロ
スコープを利用した入力装置の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のジャイロスコープは、導電性材料からな
る振動片および該振動片の基端側を連結する支持部を有
してなる音叉と、前記振動片と互いに容量結合されて前
記振動片を駆動する駆動用電極と、前記音叉の少なくと
も一面側に前記振動片の先端部と対向して設けられた検
出用電極であって前記振動片と対応した少なくとも１個
の検出用電極との間に形成される容量を検出する検出用
電極とを有することを特徴とするものである。

【００１０】本発明のジャイロスコープの検出原理も従
来と同様、音叉の振動片（先に述べた「脚」に相当）の
振動を容量変化で検出するものである。通常、容量Ｃ
は、 Ｃ＝ε・（Ｓ／ｄ） ……（１） （ε：誘電体の誘電率、Ｓ：電極の面積、ｄ：電極間の
ギャップ）で表される。ところが、従来のジャイロスコ
ープが、振動時における脚と検出用電極との間隔の変
化、上記（１）式で言えば、電極間ギャップｄの変化に
よる容量変化を検出するのに対し、本発明のジャイロス
コープは、振動時における脚と検出用電極との対向面積
の変化、上記（１）式で言えば、電極面積Ｓの変化によ
る容量変化を検出する点で相違している。

【００１１】すなわち、本発明のジャイロスコープは、
音叉の少なくとも一面側に振動片の先端部と対向して振
動片との間に形成される容量を検出する検出用電極を各
振動片に対して少なくとも１個設けたことを構成上の最
大の特徴点としている。この構成としたことにより、駆
動用電極に電圧を印加すると音叉の各振動片が振動を始
め、その状態で振動片の長手方向を回転軸とする角速度
が入力されると前記振動方向と直交する方向の振動が生
じる。この時、各振動片の先端部と検出用電極が対向し
た状態にあり、振動片の振動に伴って振動片の先端面と
検出用電極との対向面積が変化するため、容量変化が生
じる。この容量変化を検出することで角速度を検出する
ことができる。

【００１２】したがって、本発明のジャイロスコープで
は、振動片の一面側、例えば振動片を任意の基板に支持
したような場合、その基板上に振動片と対向するように
検出用電極を設ければよく、従来のように脚と脚の間に
検出用電極を設ける必要がなくなる。その結果、脚間ギ
ャップを音叉を構成する材料、例えばシリコンの加工限
界程度にまで小さくすることができるため、Ｑ値を大き
くすることができ、検出感度の向上、駆動電圧の低減を
図ることができる。勿論、デバイスの小型化を図ること
も可能である。

【００１３】そして、前記駆動用電極を、各振動片の延
在方向に延びて形成し、かつ音叉の少なくとも一面側の
各振動片に対応した位置に設け、駆動用電極と検出用電
極との間の寄生容量の発生を防ぐよう検出用電極を離間
させて設けることが望ましい。仮に駆動用電極と検出用
電極との間で寄生容量が発生すると、角速度を検知し、
検出用電極との間に生じた容量変化を検出する際、この
寄生容量をも検知してしまい、これがノイズ成分とな
り、ＳＮ比が低下するという不具合が生じるが、駆動用
電極と検出用電極とを離間させて配置すれば、このよう
な不具合の発生が防止される。

【００１４】検出用電極に関しては、各振動片あたり少
なくとも１個の検出用電極を設ければよいが、各検出用
電極を各振動片と対向する１対の電極とし、この１対の
電極が、１対の電極の各々と各振動片の先端部との間に
形成される容量をそれぞれ検出するものとしてもよい。
すなわち、検出用電極を１個とした場合、単に１個の検
出用電極と１個の振動片からなる１つのキャパシタの容
量変化を検出すればよい。検出用電極を各振動片の先端
部に対応するように配置した場合、各振動片の先端部で
は振動時の変位が最大となるため、最も感度が高い状態
で容量変化を検出することができる。これに対して、２
個１対の検出用電極を設けた場合、２個の検出用電極と
１個の振動片から２つのキャパシタが構成され、一方向
に振動した時には一方のキャパシタの容量が増加する
と、その容量増加分だけ他方のキャパシタの容量が減少
することになる。したがって、この構成とした場合、２
つの容量変化の差分を検出すれば、同じ振動であっても
２倍の容量変化が得られ、検出感度が向上する点で好ま
しい。また、各容量値の総和は０．１ｐＦ以上とするこ
とが望ましい。

【００１５】本発明の入力装置は、上記本発明のジャイ
ロスコープを用いたことを特徴とするものである。本発
明のジャイロスコープの使用により、例えばパソコンの
座標入力装置等の小型の機器を実現することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】［第１の実施の形態］以下、本発
明の第１の実施の形態を図１ないし図５を参照して説明
する。図１は本実施の形態のジャイロスコープ１の全体
構成を示す斜視図、図２は平面図、図３は図２のIII−I
II線に沿う断面図、図４は図２のIＶ−IＶ線に沿う断面
図、図５はジャイロスコープ１の製造方法を示す工程断
面図である。図中符号２は音叉、３は駆動用電極、４
ａ、４ｂは検出用電極、５は上側ガラス基板、６は下側
ガラス基板である。

【００１７】本実施の形態のジャイロスコープ１は、図
１および図２に示すように、３本の脚７（振動片）とこ
れらの基端側を連結する支持部８とを有する音叉２が用
いられている。また、音叉２の周囲には枠部９が設けら
れており、これら音叉２と枠部９とは、元々は厚さ２０
０μｍ程度の導電性を有する１枚のシリコン基板から形
成されている。図３および図４に示すように、枠部９は
上側ガラス基板５と下側ガラス基板６との間に挟持され
て固定されるとともに、２枚のガラス基板５、６の内面
のうち、音叉２の上方および下方に位置する領域は１０
μｍ程度の深さの凹部５ａ、６ａとなっており、各ガラ
ス基板５、６と音叉２との間に１０μｍ程度の間隙が形
成されることで音叉２の各脚７が振動可能となってい
る。

【００１８】図１および図２に示すように、上側ガラス
基板５の下面の各脚７の基端側に対応する位置には、各
脚７に１個ずつの駆動用電極３が脚７の長手方向に延在
するように設けられている。また、上側ガラス基板５の
下面の駆動用電極３の形成位置よりも脚７の先端部寄り
の位置には、各脚７に対して２個ずつの１対の検出用電
極４ａが設けられている。同様に、図４に示すように、
下側ガラス基板６の上面の脚７の先端部寄りの位置に
も、各脚７に対して２個ずつの１対の検出用電極４ｂが
設けられている。これら駆動用電極３および検出用電極
４ａ、４ｂは、上側ガラス基板５の下面および下側ガラ
ス基板６の上面上に形成された膜厚３００ｎｍ程度のア
ルミニウム膜またはクロミウム膜などで構成されてい
る。そして、駆動用電極３、検出用電極４ａ、４ｂには
電圧印加用または取り出し用の端子（図示略）がそれぞ
れ設けられている。

【００１９】さらに、ジャイロスコープ１の機能上は特
に必要ではなく、後述する製造上の都合により必要なも
のであるため、ここでは図示を省略するが、実際には、
駆動用電極３および検出用電極４ａ、４ｂが設けられた
領域以外の両ガラス基板５、６の内面側には、駆動用電
極３および検出用電極４ａ、４ｂと同一のアルミニウム
膜またはクロミウム膜などからなる同電位パターンが設
けられている。

【００２０】次に、上記構成のジャイロスコープ１を製
造する方法の一例を説明する。図５（ａ）に示すよう
に、ガラス基板６を用意し、表面にクロム膜をスパッタ
した後、レジストパターンを形成し、このレジストパタ
ーンをマスクとしてクロム膜をエッチングする。次に、
このレジストパターンおよびクロム膜をマスクとしてガ
ラス基板６表面のフッ酸エッチングを行い、ガラス基板
６上の音叉２の位置に対応する領域に深さ１０μｍ程度
の凹部６ａを形成する。その後、レジストパターンおよ
びクロムパターンを除去する。次に、膜厚３００ｎｍ程
度のアルミニウム膜またはクロミウム膜などを全面にス
パッタした後、周知のフォトリソグラフィー技術を用い
てこれをパターニングして検出用電極４ｂおよび同電位
パターン１０を形成し、下側ガラス基板６とする。同様
の方法により、上側ガラス基板５も作製しておく。上側
ガラス基板５の場合、膜厚３００ｎｍ程度のアルミニウ
ム膜またはクロミウム膜などから、駆動用電極３、検出
用電極４ａ、同電位パターン１０を形成する。

【００２１】図５（ｂ）に示すように、シリコン基板１
１を用意し、このシリコン基板１１の下面と下側ガラス
基板６とを陽極接合法を用いて接合する。この際、シリ
コン基板１１のうち、後で支持部８および枠部９となる
部分が接合されることになる。陽極接合法ではシリコン
基板１１に正、ガラス基板６に負の電位を印加してシリ
コンとガラスを接合することができるが、シリコン基板
１１が音叉２となる部分ではガラス基板６表面との間隙
が１０μｍ程度しかないため、陽極接合時の静電引力に
よりシリコン基板１１が撓んでガラス基板６と接触する
と、この部分も接合されてしまい、振動可能な音叉２を
形成できなくなる。したがって、ガラス基板６に接合す
べきでない部分がガラス基板６に接合されてしまうのを
防止する目的でガラス基板６表面をシリコン基板１１と
同電位とするために、ガラス基板６表面の同電位パター
ン１０を用いるのである。

【００２２】次に、図５（ｃ）に示すように、シリコン
基板１１表面にレジストパターン１２を形成する。この
際、レジストパターン１２の平面形状は、図２に示すよ
うな音叉２、枠部９等、シリコンを残す部分の形状とな
る。このレジストパターン１２をマスクとして、反応性
イオンエッチング法などの異方性エッチングを用いてシ
リコン基板１１を貫通するエッチングを行う。これによ
り、音叉２、枠部９がそれぞれ形成され、音叉２の部分
は下側ガラス基板６の上方で中に浮いた状態となる。そ
の後、レジストパターン１２を除去する。

【００２３】次に、図５（ｄ）に示すように、シリコン
基板１１の上面と上側ガラス基板５を陽極接合法を用い
て接合する。この際、シリコン基板１１の枠部９および
支持部８が上側ガラス基板５に接合されることになる。
以上の工程により、本実施の形態のジャイロスコープ１
が完成する。

【００２４】本実施の形態のジャイロスコープ１を使用
する際には、駆動用電極３にオシレータを接続するとと
もに、検出用電極４ａ、４ｂに容量検出器を接続し、音
叉２は接地しておく。オシレータを駆動して駆動用電極
３に数ｋＨｚ程度の周波数の電圧を印加すると、音叉２
の各脚７が鉛直方向に振動する。その状態で、脚７の長
手方向を回転軸とする角速度が入力されると、入力され
た角速度の大きさに応じた水平方向の振動が生じる。こ
の時、音叉２の各脚７の上面および下面と各検出用電極
４ａ、４ｂが対向した状態にあり、脚７の振動に伴って
脚７の上面および下面と各検出用電極４ａ、４ｂとの対
向面積が変化するため、容量変化が生じる。この容量変
化を容量検出器で検出することにより角速度を検出する
ことができる。

【００２５】したがって、本実施の形態のジャイロスコ
ープ１では、従来のジャイロスコープように脚と脚の間
に検出用電極を設ける必要がなくなる。その結果、脚間
ギャップをシリコン基板の加工限界近く、例えば１０μ
ｍ程度にまで小さくすることができ、Ｑ値を大きくする
ことができる。例えば脚幅が２００μｍのジャイロスコ
ープにおいて、脚間ギャップが３００μｍ〜４００μｍ
程度であるとＱ値は１０００前後であるが、脚間ギャッ
プを数十μｍ程度にまで狭めるとＱ値は２０００前後
と、約２倍に増大することができる。このＱ値の増大に
より、角速度センサとしての検出感度の向上、駆動電圧
の低減を図ることができる。さらに、デバイスの小型化
を図ることもできる。

【００２６】特に本実施の形態の場合、音叉２の各脚７
に対応して２個の検出用電極４ａ、４ｂが設けられ、各
脚７毎に２個のキャパシタが構成されている。そして、
各脚７が水平方向に振動した際に２個のキャパシタのう
ちの一方のキャパシタの容量が増加すると、その容量増
加分だけ他方のキャパシタの容量が減少することにな
る。したがって、２つの容量変化の差分を検出すれば、
同じ振動であっても２倍の容量変化が得られ、検出感度
をより向上することができる。さらに、検出用電極４
ａ、４ｂが脚７の先端側に設けられているので、振動時
の変位が最大の最も感度が高い状態で容量変化を検出す
ることができる。

【００２７】また、本実施の形態のジャイロスコープ１
は、音叉２が２枚のガラス基板５、６の間に挟持されて
いるため、ガラス基板５、６によって音叉２の部分が保
護され、取り扱いやすいものとなっている。さらに、音
叉２の部分に塵埃が入りにくい構造であるから、外乱が
抑制され、センサ精度を向上することができる。また、
真空封止も行える構造であり、これによれば更にＱ値を
向上させることができる。

【００２８】［第２の実施の形態］以下、本発明の第２
の実施の形態を図６ないし図８を参照して説明する。本
実施の形態は第１の実施の形態のジャイロスコープを用
いた入力装置の例であり、具体的にはパソコンの座標入
力装置であるペン型マウスに適用した例である。

【００２９】本実施の形態のペン型マウス３０は、図６
に示すように、ペン型のケース３１の内部に第１または
第２の実施の形態で示したようなジャイロスコープ３２
ａ、３２ｂが２個収容されている。２個のジャイロスコ
ープ３２ａ、３２ｂは、図７に示すように、ペン型マウ
ス３０を上から見たとき（図６の矢印Ａ方向）に各ジャ
イロスコープ３２ａ、３２ｂの音叉の脚の延在方向が直
交するように配置されている。また、各ジャイロスコー
プ３２ａ、３２ｂを駆動し、回転角を検出するための駆
動検出回路３３が設けられている。その他、ケース３１
内に電池３４が収容されるとともに、一般のマウスのス
イッチに相当する２つのスイッチ３５ａ、３５ｂ、マウ
ス本体のスイッチ３６等が備えられている。

【００３０】使用者は、このペン型マウス３０を持ち、
所望の方向にペン先を移動させることによって、パソコ
ン画面上のカーソル等をペン先の移動方向に応じて動か
すことができる。すなわち、ペン先を図６中の紙面３７
のＸ軸方向に沿って移動させると、ジャイロスコープ３
２ｂが回転角θ１を検出し、紙面３７のＹ軸方向に沿っ
て移動させると、ジャイロスコープ３２ａが回転角θ２
を検出する。それ以外の方向に移動させた場合には回転
角θ１と回転角θ２の組み合わせとなる。したがって、
パソコン側では回転角θ１および回転角θ２に対応した
信号をペン型マウス３０から受け取って、図８に示すよ
うに、画面３８上のカーソル３９等の移動前の点から画
面３８上でのＸ’軸、Ｙ’軸に対応させて回転角θ１、
θ２の大きさに対応する距離だけカーソル３９を移動さ
せる。このようにして、このペン型マウス３０は、光学
式エンコーダ等を用いた一般のマウスと同様の動作を実
現することができる。

【００３１】ここで用いた本発明のジャイロスコープ３
２ａ、３２ｂは、小型、低駆動電圧、高感度という特徴
を持っているため、本実施の形態のペン型マウス３０の
ような小型の座標入力機器に好適に使用することができ
る。また、ナビゲーションやヘッドマウントディスプレ
イなど、角速度を検知する一般の入力装置に応用が可能
である。

【００３２】なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲において種々の変更を加えることが可能である。例
えば第１の実施の形態のジャイロスコープでは、駆動用
電極を上側ガラス基板に設けた例を示したが、下側ガラ
ス基板側に設けてもよい。また、片側のガラス基板に設
けるのみならず、双方のガラス基板ともに設ける構成と
してもよい。一方、検出用電極に関しては、第１の実施
の形態のジャイロスコープでは、各脚の上面側と下面側
の双方に２個ずつ、計４個設けたが、少なくとも１個設
ければよい。その場合、各脚の上面側、下面側のいずれ
でもよいし、３本の脚で例えば上面側、下面側、上面側
というように異なる面側に設けてもよい。

【００３３】また、シリコンからなる音叉を２枚のガラ
ス基板で挟持するのではなく、上側ガラス基板がない構
成としてもよい。この場合、より簡易な構造のジャイロ
スコープとなる。また、陽極接合法による張り合わせを
考慮すると、シリコンとガラスの相性がよいが、ガラス
基板に関しては任意の基材の表面にガラスを融着したも
のでも代用できる。また、音叉の材料としてシリコンに
代えて、カーボンを用いることも可能である。その他、
各種構成部材の材料、寸法等の具体的な記載は上記実施
の形態に限ることなく、適宜変更が可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
ジャイロスコープにおいては、従来のように音叉の脚と
脚との間に検出用電極を設ける必要がなくなるため、Ｑ
値を大きくすることができ、検出感度の向上、駆動電圧
の低減、デバイスの小型化を図ることができる。このジ
ャイロスコープの使用により、例えばパソコンの座標入
力装置等の小型の機器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態であるジャイロス
コープを示す分解斜視図である。

【図２】 同、平面図である。

【図３】 図２のIII−III線に沿う側断面図である。

【図４】 図２のIＶ−IＶ線に沿う側断面図である。

【図５】 同、ジャイロスコープの製造方法を順を追っ
て示す工程断面図である。

【図６】 本発明の第２の実施の形態であるペン型マウ
スを示す斜視図である。

【図７】 同、ペン型マウスに用いた２個のジャイロス
コープの配置を示す平面図である。

【図８】 同、ペン型マウスを用いて操作を行うパソコ
ン画面を示す正面図である。

【図９】 従来のジャイロスコープの一例を示す斜視図
である。

【符号の説明】

１，３２ａ，３２ｂ ジャイロスコープ ２ 音叉 ３ 駆動用電極 ４ａ，４ｂ 検出用電極 ５ 上側ガラス基板 ６ 下側ガラス基板 ７ 脚（振動片） ８ 支持部 １１ シリコン基板 ３０ ペン型マウス（入力装置）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江刺 正喜 宮城県仙台市太白区八木山南一丁目11−９ (72)発明者 村田 眞司 東京都大田区雪谷大塚町１番７号 アルプ ス電気株式会社内 Ｆターム(参考） 2F105 AA10 BB02 BB13 CC01 CD03 CD05 5B087 BC03 BC12 BC31

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性材料からなる振動片および該振動
   片の基端側を連結する支持部を有してなる音叉と、前記
   振動片と互いに容量結合されて前記振動片を駆動する駆
   動用電極と、前記音叉の少なくとも一面側に前記振動片
   の先端部と対向して設けられた検出用電極であって前記
   振動片と対応した少なくとも１個の検出用電極との間に
   形成される容量を検出する検出用電極とを有することを
   特徴とするジャイロスコープ。
2. 【請求項２】 前記駆動用電極が、前記振動片の延在方
   向に延びて形成され、かつ前記音叉の少なくとも一面側
   であって振動片に対応した位置に設けられており、前記
   駆動用電極と前記検出用電極を離間させて設けているこ
   とを特徴とする請求項１記載のジャイロスコープ。
3. 【請求項３】 前記検出用電極が、前記振動片と対向す
   る１対の電極であり、該１対の電極が、該１対の電極の
   各々と前記振動片の先端部との間に形成される容量をそ
   れぞれ検出することを特徴とする請求項１記載のジャイ
   ロスコープ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載のジ
   ャイロスコープを用いたことを特徴とする入力装置。