JP2008256578A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】他軸角速度、角加速度、及び温度依存性の影響を受けることの少ない高精度の角速度センサを提供する。
【解決手段】静電容量型の角速度センサであって、第１及び第２回転フレーム２１、２２は、第１及び第２ねじれ軸を中心に回転可能なように基板１に支持されている。検出フレームは第１及び第２回転フレーム２１、２２内に配置され、検出梁にて接続されている。検出フレーム内には検出電極４ａ、４ｂが交互に配置されている。駆動フレーム２は、第１及び第２リンク梁３１、３２にて第１及び第２回転フレーム２１、２２の各々に連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度センサに関し、特に、静電容量型の角速度センサに関する。

従来の静電容量型の角速度センサとして、例えば、特許文献１に開示されるような角速度センサが知られている。該角速度センサは、主な構成部分として、駆動ジンバルと、検出ジンバルと、錘と、下部電極と、上部ブリッジ電極とを有する。

このような従来の角速度センサは、以下のような構成及び作用を有する。
上記駆動ジンバルは、駆動梁にて支持部としてのシリコンフレームに接続されており、Ｘ軸を中心として一定範囲で回転可能である。このような駆動ジンバルの内側には、上記検出ジンバルが検出梁にて接続されており、Ｙ軸を中心として一定範囲で回転可能である。又、検出ジンバルには、質量を稼ぐため錘が設置されている。ここで大きな錘を設けるため、シリコンフレームのシリコン塊には、ピットとしての溝が形成されている。

このような角速度センサの構成において、検出ジンバルは、ジャイロ検出素子として機能する。駆動ジンバルは、第１下部電極に交流電圧を印加することで、Ｘ軸を中心として一定振動数で、かつ一定角度振幅で振動され、被駆動部として機能する。第２下部電極は、駆動ジンバルの振動の角振幅を検知する。

このように構成された角速度センサは、Ｘ軸及びＹ軸に直角で、錘を通過するＺ軸を中心とする構造物の回転を検知し得る。つまり、上記Ｚ軸方向に角速度が加えられると、錘にコリオリ力が発生し、検出ジンバルが回転振動する。その振動変位を、上部ブリッジ電極にて検出、サーボを行なうことで、角速度を測定する。

特表平５−５０２９４５号公報

上述したような従来の角速度センサでは、以下のような問題がある。
即ち、下部電極にて駆動ジンバルを駆動する場合、静電力と剛性との釣り合いから駆動変位は、電極間のギャップ寸法の約１／３と制限されてしまう。

また、上述の角速度センサに対して、駆動梁、あるいは検出梁の周りに角加速度が加えられた場合、慣性力により、駆動ジンバル、又は検出ジンバルが回転してしまう。また、他軸方向の角速度が加えられた場合も、遠心力の影響により、駆動ジンバル、又は検出ジンバルが回転する可能性がある。このように、従来の角速度センサでは、他軸角速度や角加速度に起因する検出ジンバルの回転振動にて検出される角速度と、本来の検出対象である角速度とが区別できない場合がある。このため、角速度の検出誤差が発生するという問題がある。

また、錘を大きくするために、上記シリコン塊に溝を形成する等の複雑な構造及び製造プロセスを採る必要があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、他軸角速度及び角加速度の影響を受けることの少ない高精度の角速度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における角速度センサは、互いに直交する第１、第２、及び第３の軸の内、少なくとも第２の軸周りの角速度を検出する静電容量型の角速度センサである。このような角速度センサは、基板と、上記基板の上方にて、上記第２の軸方向に互いに独立して配置される一対の第１測定対象検出用回転フレームと、それぞれの上記第１測定対象検出用回転フレーム内にて、上記第２の軸方向にてそれぞれ一対ずつ配置され上記第１の軸方向へ変位可能な第１測定対象検出用検出フレームと、それぞれの上記第１測定対象検出用検出フレーム内に配置され、当該角速度センサに作用する角速度による上記第１測定対象検出用検出フレームの上記第１の軸方向への変位に応じて変化する静電容量を検出する第１測定対象検出用検出電極と、上記基板の上方にて、それぞれの上記第１測定対象検出用回転フレームに第１測定対象検出用リンク梁を介して支持される駆動フレームと、を備える。それぞれの上記第１測定対象検出用回転フレームは、上記基板に支持される第１測定対象検出用ねじれ梁にて上記第１の軸周りに回転可能にして上記基板に支持される。上記第１測定対象検出用リンク梁は、上記駆動フレームに対して各第１測定対象検出用回転フレームを上記第１の軸周りに回転可能に支持し、かつ、上記第１測定対象検出用ねじれ梁に対して上記第２の軸方向にずれた位置に配置される。

本発明の第１態様における角速度センサによれば、第１測定対象検出用リンク梁と、第１測定対象検出用ねじれ梁とは、第２の軸方向にずれて配置される。よって、駆動フレームが第３の軸方向に変位し、当該角速度センサに角速度が作用しないときには、各第１測定対象検出用回転フレームは、互いに逆向きに回転変位する。一方、駆動フレームが傾斜したり、他軸角速度や角加速度が作用した場合は、第１測定対象検出用回転フレームは、同一の向きに回転変位する。よって、第１測定対象検出用回転フレームが互いに逆向きの回転変位した場合にのみ、第１測定対象検出用検出フレームの感度が高くなるように、第１測定対象検出用検出電極を設けることにより、検出対象でない方向の角速度に対する感度（他軸感度）を抑制し、かつ角加速度の影響を受けにくくすることができる。

本発明の実施形態である角速度センサについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。

実施の形態１．
最初に、本実施の形態の角速度センサの主要な構成について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における角速度センサ５０１の構成を概略的に示す上面図である。また図２は、図１のＡ−Ａ線、図３は、図１のＢ−Ｂ線に沿う概略的な断面図である。又、説明の便宜のため、互いに直交する座標軸Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が導入され、Ｘ軸が第１軸に、Ｙ軸が第２軸に、Ｚ軸が第３軸にそれぞれ対応する。また、図１において、Ｘ軸は図示の横方向に沿う右方向を正の向きとした軸であり、Ｙ軸は図示の縦方向に沿う上方向を正の向きとした軸であり、Ｚ軸は紙面に垂直で紙面の上方を正の向きとした軸である。尚、Ｙ軸の方向は、本実施の形態における角速度センサ５０１が測定対象とする角速度方向に一致する。又、Ｙ軸方向に沿う角速度方向を第１測定対象の方向とする。

図１、図２及び図３において、本実施の形態の角速度センサ５０１は、基本的構成として、基板１と、駆動フレーム２と、第１及び第２ねじれ梁１１、１２と、第１及び第２回転フレーム２１、２２と、検出フレーム８と、複数の検出電極４と、第１及び第２リンク梁３１、３２とを備え、さらに、駆動電極５と、調整電極６と、検出梁７と、モニター電極１００とを有する。

尚、第１及び第２回転フレーム２１、２２が第１測定対象検出用回転フレームに相当し、Ｙ軸方向に互いに独立して配置される。検出フレーム８は、以下に説明するように、検出フレーム８ａ〜８ｄを有し、第１測定対象検出用検出フレームに相当する。検出電極４は、以下に説明するように検出電極４ａ，４ｂを有し、第１測定対象検出用検出電極に相当する。第１及び第２ねじれ梁１１、１２が第１測定対象検出用ねじれ梁に相当する。第１及び第２リンク梁３１、３２が第１測定対象検出用リンク梁に相当する。

基板１として、シリコン基板を用いることができる。また、駆動フレーム２と、第１及び第２ねじれ梁１１、１２と、第１及び第２回転フレーム２１、２２と、複数の検出電極４（４ａ、４ｂ）と、第１及び第２リンク梁３１、３２と、駆動電極５と、調整電極６と、検出梁７（７ａ〜７ｄ）と、検出フレーム８と、モニター電極１００（１００ａ〜１００ｄ）との材質は、ポリシリコン膜を用いることができる。このポリシリコン膜は、低応力であり、かつ厚さ方向に応力分布がないことが望ましい。

第１ねじれ梁１１は、基板１に立設されたアンカー９１にて支持され、アンカー９１を中心としてＸ軸方向に延び、かつＸ軸に沿った第１ねじれ軸Ｔ１の軸周りにねじれることができる。
第１回転フレーム２１は、枠体形状にてなり、第１ねじれ梁１１及びアンカー９１を介して基板１に支持されて、第１ねじれ軸Ｔ１を中心として第１ねじれ梁１１の軸周りに回転可能である。また、第１回転フレーム２１は、少なくともその一部が導電性を有している。

第２ねじれ梁１２は、基板１に立設されたアンカー９２にて支持され、アンカー９２を中心としてＸ軸方向に延び、かつＸ軸に沿った第２ねじれ軸Ｔ２の軸周りにねじれることができる。
第２回転フレーム２２は、第１回転フレーム２１と同一の枠体形状にてなり、第２ねじれ梁１２及びアンカー９２を介して基板１に支持されて、第２ねじれ軸Ｔ２を中心として第２ねじれ梁１２の軸周りに回転可能である。また、第２回転フレーム２２は、少なくともその一部が導電性を有している。

検出フレーム８ａ、８ｂは、共に同一形状の枠体であり、第１回転フレーム２１において、第１ねじれ軸Ｔ１を対称軸としてＹ軸方向に一対が配置される。検出フレーム８ａ、８ｂは、Ｘ軸方向における両端部分を、それぞれ検出梁７ａ、７ｂにて、第１回転フレーム２１に連結されている。検出梁７ａ、７ｂは、Ｘ軸方向に変位しやすい構造となっており、よって、角速度センサ５０１に作用する角速度等により、検出フレーム８ａ、８ｂは、Ｘ軸方向に変位可能である。

検出フレーム８ｃ、８ｄは、検出フレーム８ａ、８ｂと同一形状にてなる枠体であり、第２回転フレーム２２において、第２ねじれ軸Ｔ２を対称軸としてＹ軸方向に一対が配置される。検出フレーム８ｃ、８ｄは、Ｘ軸方向における両端部分を、それぞれ検出梁７ｃ、７ｄにて、第２回転フレーム２２に連結されている。検出梁７ｃ、７ｄは、Ｘ軸方向に変位しやすい構造となっており、よって、角速度センサ５０１に作用する角速度等により、検出フレーム８ｃ、８ｄは、Ｘ軸方向に変位可能である。

検出電極４は、基板１に立設して、検出フレーム８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの内側にそれぞれ配置され、検出電極４ａと検出電極４ｂとで構成されている。検出電極４ａと、検出電極４ｂは、図３に示すように、Ｘ軸方向に沿って交互に配置されている。又、検出フレーム８ａと検出フレーム８ｂとでは、検出電極４ａ、４ｂの配置順序は逆になっており、検出フレーム８ｃと検出フレーム８ｄとでは、検出電極４ａ、４ｂの配置順序は逆になっている。例えば、図１に示すように、検出フレーム８ｄの各空隙内では、Ｘ軸方向において左側が検出電極４ａ、右側が検出電極４ｂと配置したときには、検出フレーム８ｃの各空隙内では左側に検出電極４ｂを、右側に検出電極４ａを配置している。また、検出フレーム８ａと検出フレーム８ｄとにおける検出電極４は、同配置順序であり、検出フレーム８ｂと検出フレーム８ｃとにおける検出電極４は、同配置順序となっている。

駆動フレーム２は、第１及び第２回転フレーム２１、２２のそれぞれからＸ軸方向に延びる第１及び第２リンク梁３１、３２によって、換言すると第１及び第２回転フレーム２１、２２によって、基板１上で基板１の厚み方向であるＺ軸方向に変位可能に支持されている。

第１リンク梁３１は、Ｘ軸方向に沿う軸Ｌ１上の位置にて、第１回転フレーム２１に設けられている。ここで、軸Ｌ１は、第１ねじれ軸Ｔ１を、第１ねじれ軸Ｔ１と交差する方向に沿って、つまり本実施形態ではＹ軸方向に沿って、第１回転フレーム２１の一方端部側へオフセットｅ１にて平行移動した軸である。即ち、オフセットｅ１の絶対値は、第１ねじれ軸Ｔ１と第１リンク梁３１との間の寸法であり、その向きは第１ねじれ軸Ｔ１と交差して第１ねじれ軸Ｔ１から軸Ｌ１へ向かう方向である。

第２リンク梁３２は、Ｘ軸方向に沿う軸Ｌ２上の位置にて、第２回転フレーム２２に設けられている。ここで、軸Ｌ２は、第２ねじれ軸Ｔ２を、第１ねじれ軸Ｔ１の移動方向とは反対方向、つまりオフセットｅ１と反対方向のオフセットｅ２にて平行移動した軸である。即ち、オフセットｅ２の絶対値は、第２ねじれ軸Ｔ２と第２リンク梁３２との間の寸法であり、その向きはオフセットｅ１と反対方向である。

好ましくは、第１及び第２ねじれ梁１１、１２と、第１及び第２リンク梁３１、３２とは、オフセットｅ１とｅ２とが逆向きに等量となるように配置されている。さらに好ましくは、角速度センサの構造が軸対称になるようになっている。

駆動電極５は、駆動フレーム２を静電力でＺ軸方向に駆動できるように、駆動フレーム２に対向して基板１に絶縁膜３を介して形成されている。
調整電極６は、調整電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを有し、駆動フレーム２がＺ軸方向に平行に振動するように駆動フレーム２を静電力で調整する電極であり、駆動フレーム２と対向するように基板１に絶縁膜３を介して形成されている。
モニター電極１００は、駆動フレーム２の変位が検知できるように、駆動フレーム２に対向して基板１に絶縁膜３を介して形成されている。
尚、絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜とシリコン酸化膜との複合膜や窒化シリコン膜単体が好適である。

次に、本実施の形態の角速度センサ５０１の角速度の測定原理について説明する。
図４は、角速度センサ５０１において、角速度が印加される前の定常状態の動作の様子を概略的に示す断面図である。尚、図４の断面位置は図２の場合と同一である。

図４を参照して、駆動フレーム２と駆動電極５の間に、特定の周波数で直流電圧Ｖｄｃ及び交流電圧Ｖａｃが印加されると、駆動フレーム２は、静電力により、基板の膜厚方向つまりＺ軸方向に沿って振動する。駆動フレーム２に連結されている第１及び第２リンク梁３１、３２も、駆動フレーム２と一体となってＺ軸方向に振動する。

第１リンク梁３１の変位により、第１リンク梁３１にて接続されている第１回転フレーム２１は、軸Ｌ１の部分でＺ軸方向への力を受ける。この軸Ｌ１は、第１ねじれ軸Ｔｌからオフセットｅ１だけ平行移動された位置にあるため、第１回転フレーム２１にはトルクが作用する。この結果、第１回転フレーム２１は、第１ねじれ軸Ｔ１を中心として第１ねじれ梁１１の軸周りに回転変位する。

また、第２リンク梁３２の変位により、第２リンク梁３２にて接続されている第２回転フレーム２２は、軸Ｌ２の部分でＺ軸方向への力を受ける。この軸Ｌ２は、第２ねじれ軸Ｔ２からオフセットｅ２だけ平行移動された位置にあるため、第２回転フレーム２２にはトルクが作用する。この結果、第２検出フレーム２２は、第２ねじれ軸Ｔ２を中心として第２ねじれ梁１２の軸周りに回転変位する。
ここで、オフセットｅ１とオフセットｅ２とは相互に反対向きであるため、第１回転フレーム２１と第２回転フレーム２２とは逆向きに回転する。
このとき、第１回転フレーム２１内の検出梁７ａ、７ｂ、及び検出フレーム８ａ，８ｂも第１回転フレーム２１と同様に振動し、第２回転フレーム２２内の検出梁７ｃ、７ｄ、及び検出フレーム８ｃ，８ｄも第２回転フレーム２２と同様に振動する。

この状態が、角速度が印加される前の定常状態である。振動は正弦的な動作が好ましい。
回転フレーム２１、２２が等量回転するためには、駆動フレーム２がＺ軸方向に平行に振動することが理想であるが、実際は完全に平行振動することは困難である。そこで、調整電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに適量の電圧を印加することで、駆動フレーム２をＺ軸方向に平行振動させることができる。

駆動フレーム２の振動量や位相は，モニター電極１００で測定する。本実施形態では，モニター電極１００は駆動フレーム２に対向して配置しているが、回転フレーム２１、２２や検出フレーム８に対向して配置しても良い。

次に角速度が印加された場合における角速度センサ５０１の動作について説明する。
図５の（ａ）は、角速度センサ５０１において、角速度が印加された後の動作の様子を概略的に示す上面図である。図５の（ｂ）は、検出フレーム８ｃの動作を示す図であり、図５の（ｃ）は、検出フレーム８ｄの動作を示す図である。

Ｙ軸周りに角速度Ωが印加されると、検出フレーム８はＺ軸方向に振動しているため、検出フレーム８にコリオリ力Ｆｃが発生する。コリオリ力Ｆｃは、検出フレーム８の質量をＭ、Ｚ軸方向の速度をｖとすると次式のように示される。
Ｆｃ＝２Ｍｖ×Ω （１）

又、コリオリ力は、振動方向の軸及び角速度の軸の共に直交する方向に発生するので、検出フレーム８におけるコリオリ力Ｆｃは、Ｘ軸方向に発生する。そのコリオリ力により、検出フレーム８はＸ軸方向に振動する。

この振動変位にともない、検出フレーム８と検出電極４ａ、４ｂの間の静電容量が変化する。例えば、図５の（ｂ）に示すように、検出フレーム８ｃがＸ軸の負（図左）方向に移動すると、検出フレーム８ｃと検出電極４ａで形成される静電容量Ｃ１は増加し、検出フレーム８ｃと検出電極４ｂで形成される静電容量Ｃ２は減少する。又、検出フレーム８ｃがＸ軸の負（図左）方向に移動したとき、図５の（ｃ）に示すように、検出フレーム８ｄはＸ軸の正（図右）方向に移動する。検出フレーム８ｄでは、検出電極４ａと４ｂの配置が検出フレーム８ｃとは反対になっていることから、検出フレーム８ｄにおいても、検出フレーム８ｃと同様に、検出フレーム８ｄと検出電極４ａで形成される静電容量Ｃ１は増加し、検出フレーム８ｄと検出電極４ｂで形成される静電容量Ｃ２は減少する。

これらの静電容量変化をＣ−Ｖ変換器で電圧に変換し、モニター電極１００から得られる出力で同期検波することで、出力電圧を得て、角速度を測定することが出来る。
尚、本実施形態の角速度センサ５０１に、上記Ｃ−Ｖ変換器、及びモニター電極１００に接続される同期検波器を備えることで、角速度検出器を形成することができる。

次に、本実施の形態の角速度センサ５０１に対して、Ｙ軸方向の角速度以外の運動が加わった場合の例について説明する。
図６は角速度センサ５０１に対して、Ｘ軸方向に角加速度が加えられた状態を概略的に示す断面図である。この場合、回転フレーム２１、２２は、角加速度とは逆向きに回転する。図６においては、角加速度がＸ軸方向の負に印加された場合、検出フレーム８ａ、８ｃはＺ軸方向の正に、検出フレーム８ｂ、８ｄはＺ軸方向の負に変位する。

出力は同期検波して得るため、角加速度が駆動周波数以外で入力された場合は問題ない。駆動周波数と同周波数で角加速度が印加された場合においても、検出フレーム８ａと８ｃ、８ｂと８ｄ内の検出電極４ａ、４ｂの配置が逆に配置されているため、相殺される。このため、この角加速度が出力に対して及ぼす影響は抑制される。
これは、図６にようにＹ軸に対して角度θ傾いた角速度が印加された場合も同様である。この角速度の場合、遠心力によって、回転フレーム２１、２２が回転する。

次に、本実施の形態の角速度センサの製造方法について説明する。図７〜図１１は、本発明の実施の形態１における角速度センサ５０１の製造方法の第１〜第５工程を順に示す概略的な断面図であり、その断面位置は図２の断面位置に対応する。

図７を参照して、シリコンからなる基板１上に、ＬＰＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により、絶縁膜３が堆積される。絶縁膜３としては、低応力の窒化シリコン膜やシリコン膜などが適している。この絶縁膜３の上に、ＬＰＣＶＤ法により、例えばポリシリコンからなる導電性の膜が堆積される。続いて、この導電性の膜がパターニングされて、駆動電極５、調整電極６、及びモニター電極１００が形成される。その後、基板１上全体にＰＳＧ(Phosphosilicate Glass)膜１０１が堆積される。

主に図８を参照して、アンカー９１、９２（図２）が形成される部分のＰＳＧ膜１０１が選択的に除去される。
図９を参照して、基板１上全体に、ポリシリコン膜１０２が堆積される。続いてその表面にＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)処理が施される。
図１０を参照して、上記ＣＭＰ処理により、ポリシリコン膜１０２の表面が平坦化される。

図１１を参照して、ポリシリコン膜１０２のＰＳＧ膜１０１の上面よりも上方の部分に対して、選択的なエッチングが行なわれる。これにより、駆動フレーム２と、第１及び第２リンク梁３１、３２と、第１及び第２回転フレーム２１、２２と、第１及び第２ねじれ梁１１、１２と、アンカー９１、９２と、検出梁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと、検出フレーム８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと、検出電極４ａ、４ｂとが一括形成される。その後、ＰＳＧ膜１０１がエッチングにより除去され、図２に示される本実施の形態の角速度センサが得られる。

また、図１０及び図１１に示すように、駆動フレーム２と、第１及び第２リンク梁３１、３２と、第１及び第２回転フレーム２１、２２と、第１及び第２ねじれ梁１１、１２と、アンカー９１、９２と、検出梁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと、検出フレーム８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと、検出電極４ａ、４ｂとが、同一材料からなる膜から一括形成される。
よって、可動部において異材料の接合部分がないため、異材料の熱膨張係数の差異により生じる歪の発生がない。このため、角速度センサ５０１の温度依存性を抑制することができる。

又、構成部分が一様な厚さを有するようにしたことから、製造プロセスを簡略化することができる。
又、アンカー９１，９２が内側に配置されることから、残留応力の影響を低減することができる。

本実施の形態１において、好ましくは、図１に示すオフセットｅ１とｅ２とは絶対値が等しくされる。又、図１に示す第１及び第２ねじれ軸Ｔ１、Ｔ２が互いに平行とされる。このため、図６に示すように、第１及び第２回転フレーム２１、２２のそれぞれの回転変位量は、等しくなる。よって、図５に示す静電容量変化の相殺がより精度よく行なわれる。このように角速度センサ５０１では、回転フレームを２つ設けたことにより、角速度の検出誤差をさらに抑制することができる。

実施の形態２．
図１２は、本発明の実施の形態２における角速度センサ５０２の構成を概略的に示す上面図である。図１２を参照して、本実施の形態の角速度センサ５０２は、基板１に立設されたアンカー９０と、支持梁２００とを有している。支持梁２００の一方端部は、アンカー９０により基板１上に支持されている。また、支持梁２００の他方端部は、駆動フレーム２を支持している。このような支持梁２００は、四角形にてなる駆動フレーム２の四隅のそれぞれに２つずつ設置される。

支持梁２００は、第１支持梁２００Ｘと、第２支持梁２００Ｙとを有している。第１支持梁２００Ｘは、Ｚ軸方向に容易に弾性変形でき、かつＸ軸方向に弾性変形し難い形状を有している。第２支持梁２００Ｙは、Ｚ軸方向に容易に弾性変形でき、かつＹ軸方向に弾性変形し難い形状を有している。このため支持梁２００全体としては、Ｚ軸方向に容易に弾性変形でき、かつＸＹ面内方向には弾性変形し難い構成となっている。
尚、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１における構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態２によれば、駆動フレーム２はＸＹ面内方向に弾性変形し難い支持梁２００によっても基板１上に支持されている。このような構成により、ＸＹ面内方向の加速度が角速度センサに加えられた場合の駆動フレーム２のＸ軸及びＹ軸方向への変位を抑制することができる。よって、測定対象外の加速度に対する感度を低減することができる。

実施の形態３．
図１３は、本発明の実施の形態３における角速度センサ５０３の構成を概略的に示す上面図である。上述した実施の形態１の角速度センサ５０１では、第１回転フレーム２１と第２回転フレーム２２とは、Ｙ軸方向に沿って一対、配置された。本実施の形態３の角速度センサ５０３は、第１回転フレーム２１及び第２回転フレーム２２を含む構成に加えて、第１回転フレーム２１及び第２回転フレーム２２を含む構成と同様の構成を有する、第３回転フレーム２３及び第４回転フレーム２４を含む構成をＸ軸方向に沿ってさらに配置した構成を有する。

より具体的に説明する。本実施の形態の角速度センサ５０３は、実施の形態１の角速度センサ５０１の構成に加えてさらに、第３及び第４ねじれ梁１３、１４と、第３及び第４回転フレーム２３、２４と、第３及び第４リンク梁３３、３４と、複数の検出電極４ｃ、４ｄと、検出梁７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈと、検出フレーム８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈとを有している。

ここで、第３及び第４回転フレーム２３、２４が第２測定対象検出用回転フレームに相当する。検出フレーム８ｅ〜８ｈは、第２測定対象検出用検出フレームに相当する。検出電極４ｃ，４ｄは、第２測定対象検出用検出電極に相当する。第３及び第４ねじれ梁１３、１４が第２測定対象検出用ねじれ梁に相当する。第３及び第４リンク梁３３、３４が第２測定対象検出用リンク梁に相当する。又、２Ａは駆動フレームであり上述の駆動フレーム２に対応する。又、Ｘ軸方向に沿う角速度方向を第２測定対象の方向とする。

第３ねじれ梁１３は、基板１に立設されたアンカー９３にて支持され、アンカー９３を中心としてＹ軸方向に延び、かつＹ軸に沿った第３ねじれ軸Ｔ３の軸周りにねじれることができる。
第３回転フレーム２３は、枠体形状にてなり、第３ねじれ梁１３及びアンカー９３を介して基板１に支持されて、第３ねじれ軸Ｔ３を中心として第３ねじれ梁１３の軸周りに回転可能である。また、第３回転フレーム２３は、少なくともその一部が導電性を有している。

第４ねじれ梁１４は、基板１に立設されたアンカー９４にて支持され、アンカー９４を中心としてＹ軸方向に延び、かつＹ軸に沿った第４ねじれ軸Ｔ４の軸周りにねじれることができる。
第４回転フレーム２４は、第３回転フレーム２３と同一形状の枠体にてなり、第４ねじれ梁１４及びアンカー９４を介して基板１に支持されて、第４ねじれ軸Ｔ４を中心として第４ねじれ梁１４の軸周りに回転可能である。また、第４検出フレーム２４は、少なくともその一部が導電性を有している。

検出フレーム８ｅ、８ｆは、互いに同一形状の枠体形状であり、第３回転フレーム２３において、第３ねじれ軸Ｔ３を対称軸としてＸ軸方向に一対が配置される。検出フレーム８ｅ、８ｆは、Ｙ軸方向における両端部分を、それぞれ検出梁７ｅ、７ｆにて、第３回転フレーム２３に連結されている。検出梁７ｅ、７ｆは、Ｙ軸方向に変位しやすい構造となっており、よって、角速度センサ５０３に作用する角速度等により、検出フレーム８ｅ、８ｆは、Ｙ軸方向に変位可能である。

検出フレーム８ｇ、８ｈは、検出フレーム８ｅ、８ｆと同一形状にてなる枠体であり、第４回転フレーム２４において、第４ねじれ軸Ｔ４を対称軸としてＸ軸方向に一対が配置される。検出フレーム８ｇ、８ｈは、Ｙ軸方向における両端部分を、それぞれ検出梁７ｇ、７ｈにて、第４回転フレーム２４に連結されている。検出梁７ｇ、７ｈは、Ｙ軸方向に変位しやすい構造となっており、よって、角速度センサ５０３に作用する角速度等により、検出フレーム８ｇ、８ｈは、Ｙ軸方向に変位可能である。

検出電極４は、基板１に立設して、検出フレーム８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈの内側にそれぞれ配置され、検出電極４ｃと検出電極４ｄとで構成されている。検出電極４ｃと、検出電極４ｄは、図１３に示すように、Ｙ軸方向に沿って交互に配置されている。又、検出フレーム８ｅと検出フレーム８ｆとでは、検出電極４ｃ、４ｄの配置順序は逆になっており、検出フレーム８ｇと検出フレーム８ｈとでは、検出電極４ｃ、４ｄの配置順序は逆になっている。例えば、検出フレーム８ｈの各空隙内では、Ｙ軸方向において負側が検出電極４ｃ、正側が検出電極４ｄと配置したときには、検出フレーム８ｇの各空隙内では負側に検出電極４ｄを、正側に検出電極４ｃを配置している。また、検出フレーム８ｅと検出フレーム８ｈとにおける検出電極４は、同配置順序であり、検出フレーム８ｆと検出フレーム８ｇとにおける検出電極４は、同配置順序となっている。

駆動フレーム２Ａは、第３及び第４回転フレーム２３、２４のそれぞれからＹ軸方向に延びる第３及び第４リンク梁３３、３４によって、基板１上で基板１の厚み方向であるＺ軸方向に変位可能に支持されている。

第３リンク梁３３は、Ｙ軸方向に沿う軸Ｌ３上の位置にて、第３回転フレーム２３に設けられている。ここで、軸Ｌ３は、第３ねじれ軸Ｔ３を、第３ねじれ軸Ｔ３と交差する方向に沿って、つまり本実施形態ではＸ軸方向に沿って、第３回転フレーム２３の一方端部側へオフセットｅ３にて平行移動した軸である。即ち、オフセットｅ３の絶対値は、第３ねじれ軸Ｔ３と第３リンク梁３３との間の寸法であり、その向きは第３ねじれ軸Ｔ３と交差して第３ねじれ軸Ｔ３から軸Ｌ１へ向かう方向である。

第４リンク梁３４は、Ｙ軸方向に沿う軸Ｌ４上の位置にて、第４回転フレーム２４に設けられている。ここで、軸Ｌ４は、第４ねじれ軸Ｔ４を、第３ねじれ軸Ｔ３の移動方向とは反対方向、つまりオフセットｅ３と反対方向のオフセットｅ４にて平行移動した軸である。即ち、オフセットｅ４の絶対値は、第４ねじれ軸Ｔ４と第４リンク梁３４との間の寸法であり、その向きはオフセットｅ３と反対方向である。

好ましくは、第３及び第４ねじれ梁１３、１４と、第３及び第４リンク梁３３、３４とは、オフセットｅ３とｅ４とが逆向きに等量となるように配置されている。さらに好ましくは、角速度センサの構造が軸対称になるようになっている。

又、本実施形態では、上述したように、第３ねじれ梁１３、第３回転フレーム２３、第３リンク梁３３、及び複数の検出電極４ｃ、４ｄは、第１ねじれ梁１１、第１検出フレーム２１、第１リンク梁３１、及び複数の検出電極４ａ、４ｂと同一の形状であって、Ｚ軸周りに９０°回転された方位に形成されたものとしたが、これに限定するものではない。

同様に、本実施形態では上述したように、第４ねじれ梁１４、第４回転フレーム２４、第４リンク梁３４、及び複数の検出電極４ｃ、４ｄは、第２ねじれ梁１２、第２検出フレーム２２、第２リンク梁３２、及び複数の検出電極４ａ、４ｂと同一の形状であって、Ｚ軸周りに９０°回転された方位に形成されたものとしたが、これに限定するものではない。

尚、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。又、本実施の形態の角速度センサ５０３において、角速度センサ５０１に対して付加された、第３及び第４ねじれ梁１３、１４と、第３及び第４回転フレーム２３、２４と、第３及び第４リンク梁３３、３４と、複数の検出電極４ｃ、４ｄと、検出梁７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈと、検出フレーム８ｅ、８ｆ、８ｇ、８ｈとに関する構成部分の機能は、角速度センサ５０１において説明した、対応構成部分の機能に同様である。よって、ここでの説明は省略する。

本実施の形態によれば、実施の形態１で説明したＹ軸方向の角速度の検出が可能であるのみならず、Ｘ軸方向の角速度が印加された場合に、実施の形態１で構成された以外の構成部分が実施の形態１と同様の動作をし、角速度を得ることが出来る。したがって、本実施の形態３の角速度センサ５０３によれば、Ｘ、Ｙの２軸に関する角速度の検出が可能となる。

実施の形態４．
図１４は、本発明の実施の形態４における角速度センサ５０４の構成を概略的に示す上面図である。
前述した実施の形態１の角速度センサ５０１においては、角速度センサ５０１の外周側に駆動フレーム２が配され、第１及び第２回転フレーム２１、２２がその内側に配されている。一方、本実施の形態４の角速度センサ５０４では、角速度センサ５０４の外周側に第１及び第２回転フレーム２１、２２が配され、駆動フレーム２Ｒがその内側に配されている点で実施の形態１の角速度センサと相違している。
尚、本実施の形態において、これ以外の構成は、上述した実施の形態１の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態４によれば、検出電極４ａ、４ｂからの配線の引き回しを、駆動フレーム２Ｒの下方を通過させずに容易に行なうことができる。よって、検出電極４ａ、４ｂのための配線と駆動フレーム２Ｒとの寄生容量が形成されることを抑制することができ、より精度の高い角速度の検出が可能となる。

実施の形態５．
図１５は、本発明の実施の形態５における角速度センサ５０５の構成を概略的に示す上面図である。
実施の形態１では、基板１上に駆動フレーム２に対向して駆動電極５と、調整電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと、モニター電極１００と、検出電極４ａ、４ｂとを配置している。よって、これらは、配線を引き回す必要がある。実施の形態５はこの点を改善したもので、図１５に示すように、駆動電極５Ｓと、調整電極６Ｓ、６Ｔ、６Ｕ、６Ｖと、モニター電極１００Ｓと、検出電極４Ｓ、４Ｔとを櫛歯構造にして配置する。実施の形態１に示す駆動フレーム２及び検出フレーム８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに対応する、本実施の形態５における駆動フレーム２Ｓ及び検出フレーム８Ｓ、８Ｔ、８Ｕ、８Ｖは、櫛歯状の駆動電極５Ｓ、調整電極６Ｓ、６Ｔ、６Ｕ、６Ｖ、モニター電極１００Ｓ、及び、検出電極４Ｓ、４Ｔに対応するように、一部櫛歯構造とする。又、これに伴い、実施の形態１における第１及び第２の回転フレーム２１、２２について、図１５に示すように、その形状を変更し、第１及び第２の回転フレーム２１Ｓ、２２Ｓとする。

本実施の形態５によれば、基板１に上下部配線を使用する必要がなくなることから、寄生容量を小さくすることができる。よって、より精度の高い角速度の検出が可能となる。また、下部配線の必要がないことから、基板１をパイレックス（登録商標）ガラス、その他構成部を単結晶シリコンとするバルク構造体で形成が可能となる。

実施の形態６．
図１６は、本発明の実施の形態６における角速度センサの構成を概略的に示す断面図である。図１６を参照して、本実施の形態６の角速度センサ５０６は、上述の実施の形態１の構成に加えてさらに、キャップ３００を有している。

キャップ３００は、例えばガラス製であり、基板１上にアンカー９９により支持されている。キャップ３００の接合方法としては、陽極接合などの強固な接合が可能な方法が望ましい。また、キャップ３００を単結晶シリコンにしてフリットガラスなどで接合しても良い。

このキャップ３００により、基板１上に形成された第１及び第２の回転フレーム２１、２２と、駆動フレーム２と、第１及び第２のねじれ梁１１、１２と、第１及び第２のリンク梁３１、３２と、検出電極４と、駆動電極５と、調整電極６と、検出梁７と、検出フレーム８と、モニター電極１００とを有する、角速度センサ５０６の構造体部分が覆われている。

本実施の形態６によれば、図１６に示すように、キャップ３００により、角速度センサ５０６の構造体部分が覆われており、好ましくは密封されている。このため、構造体部分にゴミや水滴などの不純物が侵入することを抑制することができる。よって、角速度センサの耐環境性が向上する。

尚、上述した各実施形態における構成を任意に組み合わせて構成することもできる。
今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

本発明の実施の形態１による角速度センサを示す上面図である。 図１に示す角速度センサにおけるＡ−Ａ部の断面図である。 図１に示す角速度センサにおけるＢ−Ｂ部の断面図である。 図１に示す角速度センサの定常駆動形態を示す図である。 図１に示す角速度センサの検出形態を説明するための図である。 図１に示す角速度センサにおいて、他軸の角速度や角加速度が印加された場合におけるＢ−Ｂ部の断面図である。 図１に示す角速度センサの製造工程を示す、図１のＢ−Ｂ部における断面図である。 図１に示す角速度センサの製造工程を示す、図１のＢ−Ｂ部における断面図である。 図１に示す角速度センサの製造工程を示す、図１のＢ−Ｂ部における断面図である。 図１に示す角速度センサの製造工程を示す、図１のＢ−Ｂ部における断面図である。 図１に示す角速度センサの製造工程を示す、図１のＢ−Ｂ部における断面図である。 本発明の実施の形態２による角速度センサを示す上面図である。 本発明の実施の形態３による角速度センサを示す上面図である。 本発明の実施の形態４による角速度センサを示す上面図である。 本発明の実施の形態５による角速度センサを示す上面図である。 本発明の実施の形態６による角速度センサを示す、図１のＢ−Ｂ部における断面図である。

符号の説明

１ 基板、２、２Ｒ 駆動フレーム、４ 検出電極、５ 駆動電極、６ 調整電極、
７ 検出梁、８ａ〜８ｈ 検出フレーム、８Ｓ〜８Ｖ 検出フレーム、
１１ 第１ねじれ梁、１２ 第２ねじれ梁、
１３ 第３ねじれ梁、１４ 第４ねじり梁、
２１、２１Ｓ 第１回転フレーム、２２、２２Ｓ 第２回転フレーム、
２３ 第３回転フレーム、２４ 第４回転フレーム、
３１ 第１リンク梁、３２ 第２リンク梁、
３３ 第３リンク梁、３４ 第４リンク梁、
９１〜９４ アンカー、１００ モニター電極、
２００ 支持梁、３００ キャップ。

Claims (10)

1. 互いに直交する第１、第２、及び第３の軸の内、少なくとも第２の軸周りの角速度を検出する静電容量型の角速度センサであって、
   基板と、
   上記基板の上方にて、上記第２の軸方向に互いに独立して配置される一対の第１測定対象検出用回転フレームと、
   それぞれの上記第１測定対象検出用回転フレーム内にて、上記第２の軸方向にてそれぞれ一対ずつ配置され上記第１の軸方向へ変位可能な第１測定対象検出用検出フレームと、
   それぞれの上記第１測定対象検出用検出フレーム内に配置され、当該角速度センサに作用する角速度による上記第１測定対象検出用検出フレームの上記第１の軸方向への変位に応じて変化する静電容量を検出する第１測定対象検出用検出電極と、
   上記基板の上方にて、それぞれの上記第１測定対象検出用回転フレームに第１測定対象検出用リンク梁を介して支持される駆動フレームと、を備え、
   それぞれの上記第１測定対象検出用回転フレームは、上記基板に支持される第１測定対象検出用ねじれ梁にて上記第１の軸周りに回転可能にして上記基板に支持され、
   上記第１測定対象検出用リンク梁は、上記駆動フレームに対して各第１測定対象検出用回転フレームを上記第１の軸周りに回転可能に支持し、かつ、上記第１測定対象検出用ねじれ梁に対して上記第２の軸方向にずれた位置に配置される、
   ことを特徴とする角速度センサ。
2. 上記第１測定対象検出用ねじれ梁は、上記第１測定対象検出用回転フレームの中央部にて上記基板に立設されたアンカーに接続され、
   上記第１測定対象検出用検出フレームは、上記第１測定対象検出用ねじれ梁を対称軸として上記第２の軸方向に互いに独立してそれぞれの上記第１測定対象検出用回転フレームに一対ずつ配置される、請求項１記載の角速度センサ。
3. 上記基板に形成され、上記第１測定対象検出用回転フレームを回転させるために上記第３の軸方向に上記駆動フレームを振動させる駆動電極と、
   上記基板に形成され上記駆動フレームの変位を検知するモニター電極と、をさらに備えた、請求項２記載の角速度センサ。
4. それぞれの第１測定対象検出用回転フレームが有する第１測定対象検出用ねじれ梁は、上記第１の軸方向に延びかつ互いに平行に配置されている、請求項１から３のいずれかに記載の角速度センサ。
5. 上記駆動フレームに接続され、上記第１の軸方向及び上記第２の軸方向への上記駆動フレームの変位を抑制する支持梁をさらに備えた、請求項１から４のいずれかに記載の角速度センサ。
6. 上記基板上に設けられ、上記第１測定対象検出用回転フレーム、上記第１測定対象検出用検出フレーム、及び上記駆動フレームを有する角速度センサ構造体部分を覆うキャップをさらに備えた、請求項１から５のいずれかに記載の角速度センサ。
7. 上記駆動フレームは、一対の上記第１測定対象検出用回転フレームの間に配置される、請求項１から６記載の角速度センサ。
8. 上記第１測定対象検出用検出電極、上記駆動電極、及び上記モニタ電極は、櫛歯形状にて形成される、請求項３記載の角速度センサ。
9. 上記基板の上方にて、上記第１の軸方向に互いに独立して配置される一対の第２測定対象検出用回転フレームと、
   それぞれの上記第２測定対象検出用回転フレーム内にて、上記第１の軸方向にてそれぞれ一対ずつ配置され上記第２の軸方向へ変位可能な第２測定対象検出用検出フレームと、
   それぞれの上記第２測定対象検出用検出フレーム内に配置され、当該角速度センサに作用する角速度による上記第２測定対象検出用検出フレームの上記第２の軸方向への変位に応じて変化する静電容量を検出する第２測定対象検出用検出電極と、をさらに備え、
   上記駆動フレームは、さらに、それぞれの上記第２測定対象検出用回転フレームに第２測定対象検出用リンク梁を介して支持され、
   それぞれの上記第２測定対象検出用回転フレームは、上記基板に支持される第２測定対象検出用ねじれ梁にて上記第２の軸周りに回転可能にして上記基板に支持され、
   上記第２測定対象検出用リンク梁は、上記駆動フレームに対して各第２測定対象検出用回転フレームを上記第２の軸周りに回転可能に支持し、かつ、上記第２測定対象検出用ねじれ梁に対して上記第１の軸方向にずれた位置に配置される、
   請求項１記載の角速度センサ。
10. 互いに直交する第１、第２、及び第３の軸の内、少なくとも第２の軸周りの角速度を検出する静電容量型の角速度センサであって、
    基板と、
    上記基板に支持され、上記第１の軸方向に沿う第１ねじれ軸の周りにねじれる第１ねじれ梁と、
    上記第１ねじれ軸を中心に回転可能なように、上記第１ねじれ梁を介して上記基板に支持された第１回転フレームと、
    上記基板に支持され、上記第１の軸方向に沿う第２ねじれ軸の周りにねじれる第２ねじれ梁と、
    上記第２ねじれ軸を中心に回転可能なように、上記第２ねじれ梁を介して上記基板に支持された第２回転フレームと、
    上記第１及び第２回転フレーム内に形成されコリオリ力によって上記第１の軸方向に変位する検出フレームと、
    上記第１及び第２回転フレームと上記検出フレームとを接続する検出梁と、
    上記検出フレーム内に位置し検出フレームと静電容量を形成するための検出電極と、
    上記第１ねじれ軸を上記第１ねじれ軸と交差する方向に沿って上記第１回転フレームの一方端部側に移動した位置において上記第１回転フレームに設けられ上記第１の軸方向に延びる第１リンク梁と、
    上記第２ねじれ軸を上記移動の方向と反対方向にずらした軸上の位置において上記第２回転フレームに設けられ上記第１の軸方向に延びる第２リンク梁と、
    上記第１及び第２リンク梁のそれぞれにより上記第１及び第２回転フレームの各々に連結されることにより、上記基板上で上記基板の厚み方向である上記第３の軸方向に振動可能に支持された駆動フレームと、
    上記駆動フレームを静電力で駆動させるため上記基板に形成された駆動電極と、
    上記駆動フレームの振動を上記第３の軸方向に平行に振動させるための調整電極と、
    上記駆動フレームの振動動作を検出するため上記基板に形成されたモニター電極と、
    を備えたことを特徴とする角速度センサ。

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