JP2001336936A - ジャイロスコープおよび入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動電圧の低減、デバイスの小型化等が図れ
る横駆動／縦検出方式の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１０は、導電
性材料からなる複数の脚１６と支持部１７とを有する音
叉１１と、音叉１１を挟持する上側ガラス基板１４、下
側ガラス基板１５と、音叉１１の両面側に脚１６の一部
と対向するとともに脚１６の外方にはみ出すように各ガ
ラス基板１４，１５上に設けられ、脚１６と互いに容量
結合されて脚１６を基板面と平行な方向に駆動する駆動
用電極１２と、脚１６と互いに容量結合されて脚１６の
駆動方向と垂直な方向の脚１６の変位を検出する検出用
電極１３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、このジャイロスコープを角速度センサと
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１５は従来のジャイロスコープの構成を
示す図であって、本出願人が特開平１１−３１１５２０
号公報に開示したものである。この図に示す通り、この
例のジャイロスコープ１００は、３本の脚１０１と各脚
の基端側を連結する支持部１０２とからなる音叉１０３
を有しており、この音叉１０３が導電性を付与したシリ
コンで形成されている。また、音叉１０３は、ガラスか
らなる基板１０４上に支持部１０２が固定されており、
脚１０１と脚１０１との間、および両端の脚１０１の外
側にシリコンからなる駆動用電極１０５ａ、１０５ｂ、
１０５ｃ、１０５ｄがそれぞれ設けられている。駆動用
電極１０５ａと１０５ｃとの間、駆動用電極１０５ｂと
１０５ｄとの間はそれぞれ短絡され、駆動用電極１０５
ａ，１０５ｃと駆動用電極１０５ｂ，１０５ｄとの間で
位相が反転した交番電圧が印加される。したがって、駆
動用電極１０５ａ〜１０５ｄに電圧を印加した際に生じ
る静電引力によって各脚１０１が基板面に平行な方向
（以下、本明細書では横方向という）に振動するように
なっている。

【０００４】このジャイロスコープ１００において、横
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、基板面に垂直な方向（以下、本明細書
では縦方向という）の振動が生じるが、この縦方向の振
動を各脚１０１の下方に配置した検出用電極１０６で検
出している。検出用電極１０６は、基板１０４上にクロ
ムなどの金属膜で形成されたものである。つまり、各脚
１０１が縦方向に変位した際に脚１０１と検出用電極１
０６との間隔が変化するので、それに伴って脚１０１と
検出用電極１０６と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を電気信号として取り出すこと
で、入力された角速度の大きさを検出することができ
る。

【０００５】一般に、この種のジャイロスコープには、
駆動振動が横方向で検出振動が縦方向のもの、いわゆる
横駆動／縦検出方式と、駆動振動が縦方向で検出振動が
横方向のもの、いわゆる縦駆動／横検出方式とがある
が、図１５で示したジャイロスコープは前者の例であ
る。

【０００６】

【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、各脚の両側方に駆動用電極が配置
された構成であり、脚と脚との間隔（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、駆動用電極の幅をｘ₁、駆動用電極と脚との間隔
をｘ₂とすると、脚間ギャップＧはＧ＝ｘ₁＋２ｘ₂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。

【０００７】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知
られている。Ｑ値を大きくすることができれば、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、横駆動／縦検出方式のジャイロ
スコープの場合、小さい駆動電圧で大きな駆動力が得ら
れることになり、駆動電圧を低減することができる。

【０００８】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、デバイスの小型化や駆動電圧の低減な
どの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。

【０００９】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る高品
質、低コストの横駆動／縦検出方式のジャイロスコー
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。

【００１０】

【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、振動片を有する音
叉と、該音叉を挟んで両側に設けられた少なくとも表面
が絶縁性を有する一対の基体と、前記音叉の両面側に一
部が前記振動片と対向するとともに一部が振動片の外方
にはみ出すよう前記各基体上に設けられた電極であっ
て、前記振動片と互いに容量結合され、前記振動片を前
記各基体と平行な方向に駆動する駆動用電極と、前記振
動片と互いに容量結合され、前記振動片の駆動方向と垂
直な方向の前記振動片の変位を検出する検出用電極とを
有することを特徴とする。

【００１１】本発明のジャイロスコープは、横駆動／縦
検出方式のジャイロスコープを前提としている。そし
て、その駆動の原理は従来と同様、静電引力に基づくも
のである。ただし、従来のジャイロスコープが、音叉の
振動片（先に述べた「脚」に相当）と駆動用電極の正対
する面同士が引き合う力を利用していたのに対し、本発
明のジャイロスコープでは、音叉の振動片と駆動用電極
が一部対向するとともに一部外方にはみ出すように配置
されており、振動片−駆動用電極間に電圧を印加した際
に振動片と駆動用電極の対向する面同士の対向面積が増
加する方向に作用する力を利用している。

【００１２】すなわち、図１１に示すように、一方向に
位置がずれた（図１１においては左右方向にずれてい
る）振動片と駆動用電極の対向面をそれぞれ１，２と
し、面のずれ方向と垂直な方向の寸法をｇ、面間の間隔
をｄとすると、面１，２の対向面積が増加する方向に作
用する静電引力Ｆは次の（１）式で表される。 Ｆ＝（１／２）・ε₀（ｇ／ｄ）Ｖ² ……（１） （ただし、ε₀：真空の誘電率、Ｖ：印加電圧）

【００１３】上記（１）式に基づく力Ｆによって、駆動
用電極を設けた基体の主面と平行な方向（いわゆる横方
向）に振動片を駆動することができる。特に本発明の構
成においては、上記ｇを振動片の長手方向の寸法に大き
くとれるので、大きな駆動力を得ることができる。逆に
言えば、所定の駆動力を得るために必要な駆動電圧を下
げることができる。なお、駆動用電極を音叉の両面側、
すなわち振動片の両面側の各基体上に設ける構成とした
のは、振動片−駆動用電極間に電圧を印加すると、上記
面１，２に平行な方向（対向面積が増加する方向）の力
Ｆのみならず、面１，２に垂直な方向（引き合う方向）
の力も働くので、駆動用電極を振動片の片側のみに設け
たのでは面１，２に垂直な方向（いわゆる縦方向）の振
動成分も加わってしまうからである。

【００１４】一方、検出の原理は従来と同様、音叉の振
動片の振動を静電容量の変化で検出するものである。す
なわち、コリオリ力により振動片が縦方向に振動した際
の振動片と検出用電極との間隔の変化によって生じる容
量変化を検出する。よって、検出振動（縦方向振動）の
Ｑ値は、振動片と検出用電極との間隔によって制御可能
になる。このことにより、駆動のＱ値を充分に高くする
と同時に検出のＱ値を適正に下げることができる。すな
わち、駆動のＱ値は充分高く、検出のＱ値は適正に小さ
くしてブロードな検出特性とすることにより、大きな駆
動振動と安定した検出感度を実現する素子設計が可能に
なる。

【００１５】本発明のジャイロスコープでは、以上の構
成としたことにより、駆動用電極によって音叉の振動片
を横方向に振動させた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、コリオリ力によって前記
振動方向と直交する縦方向の振動が生じる。この時、振
動片と検出用電極とが容量結合した状態にあり、振動片
と検出用電極との間隔の変化に伴って容量変化が生じる
ため、この容量変化を検出することで角速度の大きさを
検出することができる。

【００１６】このように、本発明のジャイロスコープで
は、振動片の両側を基体に支持した場合、その基材上に
振動片と一部対向するように駆動用電極を設ければよ
く、従来のように脚と脚との間および脚の外側に駆動用
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値を充分に大
きくすることができ、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。

【００１７】また、前記駆動用電極は基体上に複数個設
けてもよく、その場合、これら複数個の電極を、振動片
の延在方向に延びる中心線に対して両側にそれぞれ設け
ることが望ましい。複数個の電極を前記中心線の両側に
設け、交互に駆動することにより安定な振動モードを容
易に生じさせることができる。また、中心線の両側に対
して振動を発生させる場合、両側に対称な振幅を持つ振
動を生じさせるよう、電極を対称な位置にそれぞれ設け
ることが望ましいが、両側に対称な振動を生じさせる配
置であれば、必ずしも対称な位置に限られるものではな
い。

【００１８】さらに、前記検出用電極は、前記音叉の少
なくとも一面側の基体に設ければよい。これにより、音
叉の基体方向への振動を、音叉と検出用電極とが形成す
る容量の変化として検出することができる。また、検出
用電極を基体の両面側に設けることにより、一面側の信
号と他面側の信号を作動で検出することができるように
なり、検出信号からノイズの影響を少なくすることがで
きる。

【００１９】また、本発明の他のジャイロスコープは、
振動片を有する音叉と、該音叉の少なくとも一面側に設
けられた少なくとも表面が絶縁性を有する基体と、一部
が前記振動片が延在する方向の振動片先端面と対向する
とともに一部が振動片先端面の外方にはみ出すよう設け
られた電極であって、前記振動片と互いに容量結合さ
れ、前記振動片を前記各基体と平行な方向に駆動する駆
動用電極と、前記振動片と互いに容量結合され、前記振
動片の駆動方向と垂直な方向の前記振動片の変位を検出
する検出用電極とを有することを特徴とする。

【００２０】前述のジャイロスコープでは振動片の両面
側の基体上にそれぞれ駆動用電極を設けたのに対し、こ
のジャイロスコープでは一部が振動片先端面と対向する
とともに一部が先端面の外方にはみ出すように駆動用電
極を設けている。この構成の場合も、振動片−駆動用電
極間に電圧を印加した際に振動片と駆動用電極の対向面
の対向面積が増加する方向に静電引力が生じ、この力に
よって横駆動を実現することができる。また、この駆動
用電極の配置の場合、前述の構成とは異なり、駆動時に
基体の主面と垂直な方向の振動成分が発生することはあ
り得ないので、基体は必ずしも音叉の両面側になくても
よく、少なくとも一面側にあればよい。

【００２１】このジャイロスコープについても、前述の
ものと同様、駆動用電極を基体上に複数個設けてもよ
く、その場合、これら複数個の電極を、振動片の延在方
向に延びる中心線に対して両側にそれぞれ設けることが
望ましい。また、前記検出用電極を、前記音叉の少なく
とも一面側の基体に設ければよい。

【００２２】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。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。

【００２３】

【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の全体構
成を示す分解斜視図、図２は各部材を組み合わせた状態
を示す平面図、図３は図２のIII−III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
コープの製造方法を示す工程断面図である。図中符号１
１は音叉、１２は駆動用電極、１３は検出用電極、１４
は上側ガラス基板（基体）、１５は下側ガラス基板（基
体）、である。なお、図面を見やすくするため、図面に
よって構成要素を適宜省略してある。

【００２４】本実施の形態のジャイロスコープ１０に
は、図１および図２に示すように、３本の脚１６（振動
片）とこれら脚１６の基端側を連結する支持部１７とを
有する音叉１１が用いられている。また、音叉１１の周
囲には枠部１８が設けられており、これら音叉１１と枠
部１８とは、元々は厚さ２００μｍ程度の導電性を有す
る１枚のＰ型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１８は上側ガラス基板１４
と下側ガラス基板１５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１４，１５の内面のうち、音
叉１１の上方および下方に位置する領域は例えば１０μ
ｍ程度の深さの凹部１４ａ，１５ａとなっており、各ガ
ラス基板１４，１５と音叉１１との間に１０μｍ程度の
間隙が形成されることで音叉１１の各脚１６が振動可能
となっている。

【００２５】図１ないし図４に示すように、上側ガラス
基板１４の下面の各脚１６の上面と対向する位置には、
各脚１６ごとに３個ずつ、合計９個の電極が脚１６の長
手方向に延在するように設けられている。各脚１６に対
する３個の電極のうち、両端の２個の電極はそれぞれ、
その一部が各脚１６の上面と対向するとともに他の部分
は脚１６の外方にはみ出す位置に形成されており、これ
ら電極が駆動用電極１２を構成している。一方、中央の
１個の電極は、全ての部分が各脚１６の上面と対向して
おり、この電極が検出用電極１３を構成している。同様
に、下側ガラス基板１５の上面の各脚１６の下面と対向
する位置にも、各脚１６に対して２個ずつの駆動用電極
１２と１個ずつの検出用電極１３とが設けられている。
また、一方のガラス基板１４，１５上に各脚１６に対し
て２個ずつ設けられた駆動用電極１２は、脚１６の延在
方向に延びる中心線に対して対称な位置にそれぞれ設け
られている。

【００２６】これら駆動用電極１２および検出用電極１
３は、上側ガラス基板１４の下面および下側ガラス基板
１５の上面上に形成された膜厚１００ｎｍ程度のアルミ
ニウム膜またはクロム膜、もしくは膜厚３０ｎｍ程度の
チタン膜上に膜厚７０ｎｍ程度の白金膜を積層した膜
（以下、白金／チタン膜と記す）等から構成されてい
る。そして、駆動用電極１２、検出用電極１３には電圧
印加用または取り出し用の配線、端子（図示略）等がそ
れぞれ設けられている。

【００２７】さらに、ジャイロスコープ１０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１２および検出用電極１３が設けられた
領域以外の両ガラス基板１４，１５の内面側には、駆動
用電極１２および検出用電極１３と同一のアルミニウム
膜、クロム膜、白金／チタン膜等からなる同電位パター
ンが設けられている。

【００２８】次に、上記構成のジャイロスコープ１０を
製造する方法の一例を図５（Ａ）から（Ｄ）を用いて説
明する。なお、図５（Ａ）〜（Ｄ）は、図２のIII−III
線に沿う図３の断面図と同じ位置の断面図である。

【００２９】図５（Ａ）に示すように、ガラス基板２０
を用意し、スパッタ法等により表面にクロム膜（図示せ
ず）を形成した後、レジストパターン（図示せず）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２０表面のフッ酸エッ
チングを行い、ガラス基板２０上の音叉の位置に対応す
る領域に深さ１０μｍ程度の凹部２０ａ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。

【００３０】次に、膜厚１００ｎｍ程度のアルミニウム
膜、クロム膜、白金／チタン膜等の金属膜２１をスパッ
タ法等により基板全面に形成した後、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駆動用
電極１２、検出用電極１３および同電位パターン２２を
形成し、下側ガラス基板１５とする。同様の方法によ
り、上側ガラス基板１４も作製しておく。

【００３１】次に、図５（Ｂ）に示すように、シリコン
基板２３を用意し、このシリコン基板２３の下面と下側
ガラス基板１５とを陽極接合法を用いて接合する。この
際、シリコン基板２３のうち、後で枠部１８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
に正、ガラス基板に負の電位を印加してシリコンとガラ
スとを接合することができるが、シリコン基板２３が音
叉１１となる部分ではガラス基板表面との間隙が１０μ
ｍ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２３が撓んで下側ガラス基板１５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１１
を形成できなくなる。したがって、下側ガラス基板１５
に接合すべきでない部分が接合されてしまうのを防止す
る目的で下側ガラス基板１５表面をシリコン基板２３と
同電位とするために、下側ガラス基板１５表面の同電位
パターン２２を用いるのである。

【００３２】次に、図５（Ｃ）に示すように、シリコン
基板２３表面にレジストパターン２４を形成する。この
際、レジストパターン２４の平面形状は、図２に示すよ
うな音叉１１、枠部１８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２４をマスクとし、反応
性イオンエッチング法を用いてシリコン基板２３を貫通
するエッチングを行う。これにより、音叉１１、枠部１
８がそれぞれ形成され、音叉１１の部分は下側ガラス基
板１５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２４を除去する。

【００３３】次に、図５（Ｄ）に示すように、シリコン
基板２３の上面と上側ガラス基板１４を陽極接合法を用
いて接合する。この際、シリコン基板２３の枠部１８が
上側ガラス基板１４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１０が完成
する。

【００３４】本実施の形態のジャイロスコープ１０を使
用する際には、駆動用電極１２にオシレータを接続する
とともに、検出用電極１３には容量検出器を接続し、音
叉１１は接地しておく。オシレータを駆動して駆動用電
極１２に数ｋＨｚ程度の周波数の電圧を印加するが、こ
の際、上下のガラス基板合わせて１２個の駆動用電極１
２のうち、図４に示す駆動用電極１２ａ，１２ｄ，１２
ｅ，１２ｇ，１２ｊ，１２ｋに対して同時に電圧を印加
すると、これらの駆動用電極１２ａ，１２ｄ，１２ｅ，
１２ｇ，１２ｊ，１２ｋと脚１６ａ，１６ｂ，１６ｃと
の対向面積が増加する方向に静電引力が働くため、脚１
６ａと脚１６ｃは図中左方向に、脚１６ｂは右方向に変
位する。次の瞬間、図４に示す駆動電極１２ｂ，１２
ｃ，１２ｆ，１２ｈ，１２ｉ，１２ｌに対して同時に電
圧を印加すると、先程とは逆に脚１６ａと脚１６ｃは右
方向に、脚１６ｂは左方向に変位する。このようにし
て、音叉１１の各脚１６を横方向に振動させ、３脚型音
叉の振動モードを実現することができる。なお、図４で
は動作を説明しやすくするため、図１〜図３とは異な
り、個々の駆動用電極と脚に異なる符号を付した。

【００３５】この状態で、脚１６の長手方向を回転軸と
する角速度が入力されると、コリオリ力によって入力さ
れた角速度の大きさに応じた縦方向の振動が生じる。こ
の時、音叉１１の各脚１６の上面および下面と各検出用
電極１３とが対向した状態にあり、脚１６の振動に伴っ
て脚１６の上面および下面と各検出用電極１３との間隔
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。

【００３６】したがって、本実施の形態のジャイロスコ
ープ１０では、従来のジャイロスコープのように脚と脚
の間に検出用電極を設ける必要がなくなる。その結果、
脚間ギャップをシリコン基板の加工限界近く、例えば１
０μｍ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。このＱ値の増大により、角速度セン
サとしての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。

【００３７】また、本実施の形態のジャイロスコープ１
０は、音叉１１が２枚のガラス基板１４，１５の間に挟
持されているため、ガラス基板１４，１５によって音叉
１１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１１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。

【００３８】また本実施の形態の場合、一方のガラス基
板１４，１５上に各脚１６に対して２個ずつ設けられた
駆動用電極１２が脚の延在方向に延びる中心線に対して
対称に配置されているので、中心線の両側に対して対称
な振幅を持つ振動を容易に生じさせることができる。

【００３９】これに対して、図４における駆動用電極１
２ｂと１２ｃ、駆動用電極１２ｄと１２ｅ、駆動用電極
１２ｈと１２ｉ、駆動用電極１２ｊと１２ｋをそれぞれ
一体の１個の電極としてもよい。すなわち、図６に示す
ように、上側ガラス基板１４下面の脚１６ａと脚１６ｂ
との間にあたる位置にこれら脚１６ａ、１６ｂに共通の
電極である駆動用電極１２ｍを設け、脚１６ｂと脚１６
ｃとの間にあたる位置にこれら脚１６ｂ、１６ｃに共通
の電極である駆動用電極１２ｎを設ける。同様に、下側
ガラス基板１５上面の脚１６ａと脚１６ｂとの間にあた
る位置にこれら脚１６ａ、１６ｂに共通の電極である駆
動用電極１２ｐを設け、脚１６ｂと脚１６ｃとの間にあ
たる位置にこれら脚１６ｂ、１６ｃに共通の電極である
駆動用電極１２ｑを設けてもよい。なお、図６において
図４と共通の構成要素には同一の符号を付した。

【００４０】図４のジャイロスコープ１０の場合、駆動
用電極１２ｂと１２ｃ、駆動用電極１２ｄと１２ｅ、駆
動用電極１２ｈと１２ｉ、駆動用電極１２ｊと１２ｋに
は必ず同時に電圧（同位相の駆動電圧）が印加されるた
め、図６のジャイロスコープ５１のように、これら電極
同士を一体化した駆動用電極１２ｍ、１２ｎ、１２ｐ、
１２ｑを設けても、動作上は何ら支障なく、３脚型音叉
の振動モードを実現することができる。この例のジャイ
ロスコープ５１においては、一つの脚、例えば脚１６ａ
の中心線に対して両側に位置する駆動用電極１２ａと１
２ｍ、駆動用電極１２ｇと１２ｐは対称な形状ではなく
なるが、全体として電極構造の簡略化を図ることができ
る。

【００４１】［第２の実施の形態］以下、本発明の第２
の実施の形態を図７ないし図１０を参照して説明する。
図７は本実施の形態のジャイロスコープの全体構成を示
す分解斜視図、図８は各部材を組み合わせた状態を示す
平面図、図９は図８のIX−IX線に沿う断面図、図１０は
ジャイロスコープの製造方法を示す工程断面図である。
第１の実施の形態のジャイロスコープは、駆動用電極を
脚の上面および下面と対向するように設けたのに対し、
本実施の形態のジャイロスコープは、駆動用電極を脚の
先端面と対向するように設けた点で異なっている。

【００４２】本実施の形態のジャイロスコープ３０も、
第１の実施の形態と同様、図７および図８に示すよう
に、３本の脚３１（振動片）とこれらの基端側を連結す
る支持部３２とを有する音叉３３が用いられている。そ
して、各脚３１が延在する方向の先端面３１ａと対向す
るように、各脚３１に対して２個ずつ、合計６個の駆動
用電極３４が設けられている。特に図８に示すように、
各脚３１に対する２個の駆動用電極３４は、脚３１の延
在方向に延びる中心線に対して対称に配置されるととも
に、各脚３１の側面の延長線から外側にはみ出すように
配置されている。また、音叉３３の周囲には枠部３５が
設けられており、これら音叉３３、駆動用電極３４、枠
部３５は、元々は導電性を有する１枚のシリコン基板か
ら形成されている。

【００４３】図７および図９に示すように、枠部３５は
上側ガラス基板３６（基体）と下側ガラス基板３７（基
体）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３６，３７の内面のうち、音叉３３の上方およ
び下方に位置する領域は１０μｍ程度の深さの凹部３６
ａ，３７ａとなっており、各ガラス基板３６，３７と音
叉３３との間に１０μｍ程度の間隙が形成されることで
音叉３３の各脚３１が振動可能となっている。また、上
述した６個の駆動用電極３４は、下側ガラス基板３７上
にそれぞれ固定されている。

【００４４】一方、図７および図８に示すように、検出
用電極３８は音叉３３の各脚３１に対応して１個ずつ、
合計３個設けられている。検出用電極３８は、図９に示
すように、各脚３１の上面と対向するように、上側ガラ
ス基板３６の下面に膜厚３００ｎｍ程度のアルミニウム
膜またはクロム膜、白金／チタン膜などで形成されてい
る。また図８に示すように、各検出用電極３８の幅は各
脚３１の幅よりも狭い。また、駆動用電極３４、検出用
電極３８には電圧印加用または取り出し用の配線、端子
（図示略）等がそれぞれ設けられている。また、同電位
パターン（図示略）が設けられていることも第１の実施
の形態と同様である。

【００４５】以下、本実施の形態のジャイロスコープ３
０を製造する方法の一例を説明する。図１０（Ａ）に示
すように、ガラス基板２０を用意し、第１の実施の形態
と同様の方法を用いて、ガラス基板２０上の音叉３３の
位置に対応する領域に深さ１０μｍ程度の凹部２０ａを
形成する。このとき、本実施の形態では、下側ガラス基
板３７となるガラス基板２０上の駆動用電極３４を配置
する部分は、後でシリコン基板と接合するために凹部と
しないでおく。次に、膜厚３００ｎｍ程度のアルミニウ
ム膜またはクロム膜、白金／チタン膜などを全面に成膜
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同電位パターン２２を形成し、下側
ガラス基板３７とする。このとき、上側ガラス基板３６
となるガラス基板には、アルミニウム膜またはクロム
膜、白金／チタン膜などを用いて検出用電極３８も同時
に形成する。

【００４６】次に、図１０（Ｂ）に示すように、シリコ
ン基板２３を用意し、このシリコン基板２３の下面と下
側ガラス基板３７とを陽極接合法を用いて接合する。こ
の際、シリコン基板２３のうち、後で枠部３５となる部
分と駆動用電極３４となる部分とが下側ガラス基板３７
と接合されることになる。

【００４７】次に、図１０（Ｃ）に示すように、シリコ
ン基板２３表面にレジストパターン２４を形成する。こ
の際、レジストパターン２４の平面形状は、図８に示す
ような音叉３３、枠部３５、駆動用電極３４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２４
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２３を貫通するエッ
チングを行う。これにより、音叉３３、枠部３５、駆動
用電極３４がそれぞれ形成され、音叉３３の部分は下側
ガラス基板３７の上方で中に浮き、枠部３５と駆動用電
極３４とは下側ガラス基板３７上に固定された状態とな
る。その後、レジストパターン２４を除去する。

【００４８】次に、図１０（Ｄ）に示すように、シリコ
ン基板２３の上面と別途作成しておいた上側ガラス基板
３６とを陽極接合法を用いて接合する。この際、シリコ
ン基板２３の枠部３５が上側ガラス基板３６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３０が完成する。

【００４９】本実施の形態のジャイロスコープ３０を使
用する方法も、第１の実施の形態とほぼ同様である。た
だ、駆動時に、駆動用電極と脚との対向面積が増加する
方向に静電引力が働く面が、第１の実施の形態が脚の上
面および下面であったのに対し、本実施の形態は脚３１
の先端面３１ａである点が異なるのみである。例えば図
８に示す６個の駆動用電極３４のうち、駆動用電極３４
ａ，３４ｄ，３４ｅに対して同時に電圧を印加すると、
これらの駆動用電極３４ａ，３４ｄ，３４ｅと脚３１の
先端面３１ａとの対向面積が増加する方向に静電引力が
働くため、脚３１ｘと脚３１ｚは図８中の下方向に、脚
３１ｙは上方向に変位する。次の瞬間、駆動電極３４
ｂ，３４ｃ，３４ｆに対して同時に電圧を印加すると、
先程とは逆に脚３１ｘと脚３１ｚは図中上方向に、脚３
１ｙは下方向に変位する。このようにして、音叉３３の
各脚３１を横方向に振動させ、３脚型音叉の振動モード
を実現することができる。

【００５０】この状態で、脚３１の長手方向を回転軸と
する角速度が入力されると、コリオリ力によって入力さ
れた角速度の大きさに応じた縦方向の振動が生じる。こ
の時、音叉３３の各脚３１の上面と各検出用電極３８が
対向した状態にあり、脚３１の振動に伴って脚３１の上
面と各検出用電極３８との間隔が変化するため、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。なお、本実施の
形態において、検出用電極３８の幅を脚３１の幅よりも
狭くしたのは、仮に検出用電極３８の幅が脚３１の幅よ
りも広いと、脚３１を横方向に駆動した際に脚３１と検
出用電極３８との対向面積が変わることで容量変化が生
じる場合があり、角速度入力時の縦振動による容量変化
を正確に検出できなくなるからである。

【００５１】このように、本実施の形態のジャイロスコ
ープ３０の場合も、脚３１と脚３１の間に検出用電極を
設ける必要がなくなるため、脚間ギャップの縮小により
Ｑ値の増大が図れ、駆動電圧の低減が図れる、デバイス
の小型化が図れるといった第１の実施の形態と同様の効
果を得ることができる。また、音叉３３が２枚のガラス
基板３６，３７の間に挟持されたことで、取り扱いが容
易になる、外乱の抑制によりセンサ精度が向上する、真
空封止によりＱ値をさらに向上できる、という効果が得
られることも同様である。

【００５２】また本実施の形態の場合、仮に音叉の部分
と駆動用電極を全く別個に作成し、下側ガラス基板上に
固定するとなると、製造工程中でこれらの位置合わせに
多くの手間や時間が掛かることが予想される。ところ
が、本実施の形態のジャイロスコープ３０の製造方法に
おいては、元々１枚のシリコン基板２３をエッチングに
より分離して音叉３３の部分と駆動用電極３４の部分を
同時に作成しているので、位置合わせの必要もなく、加
工精度の高いジャイロスコープを作製することができ
る。

【００５３】［第３の実施の形態］以下、本発明の第３
の実施の形態を図１２ないし図１４を参照して説明す
る。本実施の形態は第１、第２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。

【００５４】本実施の形態のペン型マウス４０は、図１
２に示すように、ペン型のケース４１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４
２ａ、４２ｂが２個収容されている。２個のジャイロス
コープ４２ａ、４２ｂは、図１３に示すように、ペン型
マウス４０を上から見たとき（図１２の矢印Ａ方向から
見たとき）に各ジャイロスコープ４２ａ、４２ｂ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４２ａ、４２ｂを駆動し、回転
角を検出するための駆動検出回路４３が設けられてい
る。その他、ケース４１内に電池４４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４５ａ、４５ｂ、マウス本体のスイッチ４６等が備え
られている。

【００５５】使用者は、このペン型マウス４０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１２中の紙面４
７のＸ軸方向に沿って移動させると、ジャイロスコープ
４２ｂが回転角θ１を検出し、紙面４７のＹ軸方向に沿
って移動させると、ジャイロスコープ４２ａが回転角θ
２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４０から受け取って、図１４に
示すように、画面４８上のカーソル４９等の移動前の点
から画面４８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４９を
移動させる。このようにして、このペン型マウス４０
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。

【００５６】ここで用いた本発明のジャイロスコープ４
２ａ、４２ｂ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４０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も応用が可
能である。

【００５７】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、第２の実施の形態のジャイロスコープは、音
叉を構成するシリコン基板の上下を２枚のガラス基板で
挟持した構成としたが、陽極接合を真空チャンバー内で
行うようにすれば、音叉を収容する空間を真空封止する
ことも可能である。この構成とすれば、Ｑ値をより一層
向上でき、高効率のデバイスを実現することができる。

【００５８】また、第１の実施の形態では駆動用電極を
音叉の上方および下方に設けているので、２枚のガラス
基板が必要であるが、第２の実施の形態においては、音
叉や駆動用電極を構成するシリコンを２枚のガラス基板
で挟持するのではなく、検出用電極を下側ガラス基板の
みに設けることにして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。また、３脚型の音
叉の例を挙げたが、脚の数は３本に限るものではない。
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。

【００５９】

【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
脚との間に駆動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、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
入力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線に沿う断面図である。

【図４】 図２のIV−IV線に沿う断面図である。

【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】 同、ジャイロスコープの電極構成の変形例で
ある。

【図７】 本発明の第２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８】 同、平面図である。

【図９】 図８のIX−IX線に沿う断面図である。

【図１０】 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１１】 本発明のジャイロスコープの駆動の原理を
説明するための図である。

【図１２】 本発明の第３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１３】 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１４】 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１５】 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】

１０，３０，４２ａ，４２ｂ，５１ ジャイロスコープ １１，３３ 音叉 １２，３４ 駆動用電極 １３，３８ 検出用電極 １４，３６ 上側ガラス基板 １５，３７ 下側ガラス基板 １６，３１ 脚（振動片） １７，３２ 支持部 ２３ シリコン基板 ４０ 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 Ｆターム(参考） 2F105 AA10 BB13 CC01 CC06 CD03 CD06 CD13 4M112 AA02 BA07 CA23 CA26 5B087 AA02 CC06

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動片を有する音叉と、該音叉を挟んで
   両側に設けられた少なくとも表面が絶縁性を有する一対
   の基体と、前記音叉の両面側に一部が前記振動片と対向
   するとともに一部が前記振動片の外方にはみ出すよう前
   記各基体上に設けられた電極であって、前記振動片と互
   いに容量結合され、前記振動片を前記各基体と平行な方
   向に駆動する駆動用電極と、前記振動片と互いに容量結
   合され、前記振動片の駆動方向と垂直な方向の前記振動
   片の変位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】 前記駆動用電極が複数個設けられ、これ
   ら複数個の電極が、前記振動片の延在方向に延びる中心
   線に対して両側にそれぞれ設けられ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、前記音叉の少なくと
   も一面側の基体に設けられた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】 振動片を有する音叉と、該音叉の少なく
   とも一面側に設けられた少なくとも表面が絶縁性を有す
   る基体と、一部が前記振動片が延在する方向の振動片先
   端面と対向するとともに一部が前記振動片先端面の外方
   にはみ出すよう設けられた電極であって、前記振動片と
   互いに容量結合され、前記振動片を前記各基体と平行な
   方向に駆動する駆動用電極と、前記振動片と互いに容量
   結合され、前記振動片の駆動方向と垂直な方向の前記振
   動片の変位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。
5. 【請求項５】 前記駆動用電極が複数個設けられ、これ
   ら複数個の電極が、前記振動片の延在方向に延びる中心
   線に対して両側にそれぞれ設けられていることを特徴と
   する請求項４記載のジャイロスコープ。
6. 【請求項６】 前記検出用電極が、前記音叉の少なくと
   も一面側の基体に設けられたことを特徴とする請求項４
   記載のジャイロスコープ。
7. 【請求項７】 請求項１または４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。