JP2009074860A - 角速度センサ素子および角速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】櫛歯形状電極を有する静電アクチュエータを用いた角速度センサ素子の提供。
【解決手段】角速度センサ素子は、櫛歯凹凸形状の固定電極１１０と、櫛歯凹凸形状を成し、固定電極１１０の方向に振動する可動電極１２０とを備え、固定電極１１０およびと可動電極１２０は、一方の電極の凹部１２０ｂに他方の電極の凸部１１０ａが入り込むように噛合し、かつ、互いに入り込んだ凹部１２０ｂと凸部１１０ａとの間の２つの側方隙間Ｙ１，Ｙ２の大きさが互いに異なるように偏って対向配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、櫛歯電極を有する静電アクチュエータを用いた角速度センサおよび角速度検出装置に関する。

櫛歯ドライブで振動させたプローブにより原子間力を検出する原子間力顕微鏡装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。プローブに作用する原子間力は、櫛歯ドライブのアドミッタンスとして検出される。

特開２００７−２１８６０８号公報

しかしながら、上述した装置では、櫛歯ドライブの振動方向の変位は検出できても、コリオリ力による振動方向と直交する方向の変位は検出できない。そのため、このような櫛歯ドライブではコリオリ力が検出できず、角速度センサとして用いることができなかった。

請求項１の発明は、角速度検出対象に固定され、前記角速度検出対象の角速度を検出するための角速度センサ素子に適用され、櫛歯凹凸形状の固定電極と、櫛歯凹凸形状を成し、固定電極の方向に振動する可動電極とを備え、固定電極およびと可動電極は、一方の電極の凹部に他方の電極の凸部が入り込むように噛合し、かつ、互いに入り込んだ凹部と凸部との間の２つの側方隙間の大きさが互いに異なるように偏って対向配置されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の角速度センサ素子において、固定電極と可動電極とを、フォトリソグラフィー法によりＳＯＩウエハ上に一体に形成したものである。
請求項３の発明は、角速度検出対象に固定され、角速度検出対象の角速度を検出するための角速度センサ素子に適用され、櫛歯凹凸形状の第１の固定電極と、第１の固定電極と噛合して振動し、噛合する凹凸部間の２つの側方隙間の大きさが互いに異なるように偏って対向配置された櫛歯凹凸形状の第１の可動電極とを有する第１のセンサ部と、第１の固定電極と同一方向に櫛歯凹凸形状を成す第２の固定電極と、第２の固定電極と噛合して第１の可動電極と同一方向に振動し、噛合する凹凸部間の２つの側方隙間が等しくなるように対向配置された櫛歯凹凸形状の第２の可動電極とを有する第２のセンサ部と、を備えたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の角速度センサ素子において、第１のセンサ部と第２のセンサ部とを、フォトリソグラフィー法により同一ＳＯＩウエハ上に一体に形成したものである。
請求項５の発明による角速度検出装置は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の角速度センサ素子と、可動電極を振動駆動するための電圧を固定電極とそれに対応する可動電極との間に印加する駆動部と、角速度検出対象の運動による可動電極の振動状態の変化に基づいて、角速度検出対象の角速度を検出する検出部とを備えたことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５に記載の角速度検出装置において、振動状態の変化による角速度センサ素子および駆動部を含む系のイミタンスの変化に基づいて、角速度検出対象の角速度を検出するようにしたものである。
請求項７の発明は、請求項５に記載の角速度検出装置において、駆動部は、角速度センサ素子が有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により可動電極を振動させる増幅器を備える。
請求項８の発明は、請求項７に記載の角速度検出装置において、振動状態の変化としての振動周波数の変化に基づいて、角速度検出対象の角速度を検出するようにしたものである。
請求項９の発明は、請求項３または４に記載の角速度センサ素子を備えた角速度検出装置であって、一対の第１のセンサ部を直列接続したものと、第１のセンサ部と第２のセンサ部を直列接続したものとを並列接続してブリッジ回路を構成し、一方の直列接続の接続点と他方の直列接続の接続点との間の電位差に基づいて、角速度検出対象の角速度を検出する検出部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、櫛歯凹凸形状の固定電極および可動電極を有する角速度センサ素子を用いて、角速度検出対象の角速度を検出することが可能となる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明に係る角速度検出装置の概略構成を示す図である。センサ部１は、固定部１１と可動部１２を有している。固定部１１および可動部１２の対向する部分には、櫛歯形状電極１１０，１２０が形成されている。

櫛歯形状電極１１０，１２０は隙間を有して噛合するように配置されており、櫛歯形状電極１１０の凸部１１０ａは櫛歯形状電極１２０の凹部１２０ｂに入り込み、櫛歯形状電極１２０の凸部１２０ａは櫛歯形状電極１１０の凹部１１０ｂに入り込んでいる。凸部１１０ａ，１２０ａは凹部１１０ｂ，１２０ｂに対して、寸法Ｘだけ入り込んでいる。凸部１１０ａは凹部１２０ｂ対して右側（＋ｙ方向）に偏って配置されており、右側の隙間寸法Ｙ１は左側の隙間寸法Ｙ２よりも小さく設定されている。

可動部１２は、固定部１１との間に形成された一対の支持部１３によって支持されている。支持部１３はｘ方向およびｙ方向に屈曲した形状をしており、ｙ方向に延在する梁１３１，１３３，１３５と、ｘ方向に延在する梁１３２，１３４とで構成されている。そのため、可動部１２は支持部１３によって弾性的に支持され、固定部１１に対してｘ方向およびｙ方向に移動可能となっている。

一対の櫛歯形状電極１１０，１２０は、可動部１２をｘ方向に振動させる静電アクチュエータとして機能し、駆動部２によって駆動される。駆動部２には、ＤＣ電源２１と、ＤＣ電源２１に直列接続された交流電源２２とが設けられている。ＤＣ電源２１は櫛歯形状電極１１０，１２０にＤＣバイアス電圧Ｅ_０を与え、交流電源２２はバイアス電圧Ｅ_０に重畳するように交流電圧ｅを与える。検出部３は、静電アクチュエータによる可動部１２の振動状態を検出する。

図２はセンサ部１の断面を示す図であり、（ａ）はＡ１−Ａ１断面図、（ｂ）はＢ１−Ｂ１断面図である。センサ部１は、絶縁層を挟んだ上下２つのシリコン層からなる３層構造の基板、例えばＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハを用いて、半導体微細加工技術により一体で製作される。ＳＯＩウエハは上部Ｓｉ層５１、ＳｉＯ_２層５２および下部Ｓｉ層５３で構成され、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ_２層５２を形成し、そのＳｉＯ_２層５２を挟むように貼り合わせたものである。

固定部１１の櫛歯形状電極１１０、可動部１２および支持部１３は、上部Ｓｉ層５１により形成されている。固定部１１の上部Ｓｉ層５１には、溝１４が形成されている。その結果、櫛歯形状電極１１０が形成されている上部Ｓｉ層５１ａと、支持部１３によって可動部１２が接続されている上部Ｓｉ層５１ｂとは、電気的に絶縁されている。

図３は、角速度検出装置の解析モデルを示す図である。図３において、ｍは可動部１２の質量、ｋ_ｘ、ｋ_ｙは可動部１２のｘ方向およびｙ方向のバネ定数、ｆ_ｘ，ｆ_ｙは可動部１２に作用するｘ方向およびｙ方向の外力、ｒ_ｆｘ，ｒ_ｆｙは機械抵抗（ｘ方向およびｙ方向）、Ｘは櫛歯の初期重なり量、Ｙ_１，Ｙ_２は上述した凸部と凹部の間のｙ方向隙間寸法、ｘ、ｙは可動部１２のｘ方向およびｙ方向の変位量、ｖ_ｘ，ｖ_ｙは可動部１２の振動速度（ｘ方向およびｙ方向）、ｉは交流電流、ｅは交流電圧、Ｅ_０は直流電圧（バイアス電圧）である。また、Ｃ(x,y)は櫛歯形状電極１１０，１２０全体の静電容量、Ｃ_strayは浮遊容量である。なお、以下では、浮遊容量をＣ_stray＝０と仮定して説明をする

ＤＣ電源２１により櫛歯形状電極１１０，１２０間にＤＣバイアス電圧Ｅ_０を印加すると、機械系と電気系とがカップリングした電気・機械結合系が構成される。図３に示す電気・機械結合系のラグランジアンＬおよび散逸関数Ｆは、それぞれ次式（１），（２）のように表される。式（１）において、Ｑは櫛歯形状電極１１０，１２０の電荷であり、櫛歯形状電極１１０，１２０全体の静電容量Ｃ(x,y)は次式（３）のように表される。なお、式（３）において、ｎは凸部１１０ａの総数、ｂは凹凸部のｚ方向の厚さ寸法、ε_０は真空の誘電率、Ｒは電気的抵抗である。式（３）の第１項は櫛歯形状電極１１０，１２０の隙間寸法Ｙ２の部分の静電容量であり、第２項は櫛歯形状電極１１０，１２０の隙間寸法Ｙ１の部分の静電容量である。

上述したラグランジアンＬおよび散逸関数Ｆから、（４），（５），（６）に示すような機械系の外力ｆ_ｘ，ｆ_ｙおよび電気系の交流電圧ｅに関するラグランジュ方程式を導出する。式（４），（５）は機械的運動を表すものであり、式（６）は電気的レスポンスを表すものである。なお、Ｆｘ、Ｆｙは、ＤＣバイアス電圧Ｅ_０による力を示す。

ここで、角周波数ωの交流電圧ｅの大きさがバイアス電圧Ｅ_０に対して十分小さく、かつ、Ｒ≒０であると仮定すると、式（４）〜（６）は式（７）で示すような線形近似基本方程式で表される。なお、式（７）は３つの式を行列を用いて表現したものである。また、Ｃ_１，Ｃ_２は、変移量ｘ、ｙがゼロの場合における、櫛歯形状電極１１０，１２０の隙間寸法Ｙ_１およびＹ_２の部分の静電容量である。

Ｃ_１＝ｎε_０ｂＸ／Ｙ_１
Ｃ_２＝ｎε_０ｂＸ／Ｙ_２
Ｃ_０＝ｎε_０ｂＸ（１／Ｙ_１＋１／Ｙ_２）

式（７）において機械抵抗をゼロと仮定すると、式（７）は次式（７Ａ）のように変形される。さらに、ｖ_ｙ＝ｊω・ｙを用いると、式（７Ａ）は式（７Ｂ）のような速度ｖ_ｘ、変位ｙ、電流ｉに関する式に変形できる。式（７Ｂ）の外力ｆ_ｙの式の第１項には、コリオリ力に起因する項（２ｍω_ａ）ｖ_ｘが入っている。ω_ａは角速度である。このように、櫛歯の噛み合いを左右非対称（Ｙ_１≠Ｙ_２）とすることで、コリオリの力による変位ｙが、電気系およびｘ方向の振動系とカップリングすることがわかる。

すなわち、センサ部１が取り付けられた測定対象物がｚ軸回りの角速度を有していた場合に、コリオリ力によるｙ方向の変位を電気系および振動系の変化として検出することができる。すなわち、角速度を検出するセンサとして用いることが可能となる。一方、櫛歯の噛み合いが左右対称（Ｙ_１＝Ｙ_２）であった場合には（Ｃ_１／Ｙ_１−Ｃ_２／Ｙ_２）＝０となり、変位ｙは電気系およびｘ方向の振動系とカップリングしない。

振動状態の変化、すなわち振動系の変化は電気系のインピーダンスＺまたはアドミッタンスＹの変化（より一般的にはイミタンスの変化）を計測することにより検出することができる。周波数入力時の出力インピーダンスＺは、次式（８）のように表される。図４は、交流電圧の角周波数に対するアドミッタンスＹの絶対値｜Ｙ｜の変化を示したものである。｜Ｙ｜の値は、インピーダンスアナライザーによって直接に計測することができる。なお、アドミッタンスの検出方法については、特開２００７−９３２３１号公報に詳細に記載されており、ここでは説明を省略する。

図６は、電気的なアドミッタンスと駆動周波数との関係の一例を示す図である。縦軸はアドミッタンスの絶対値、横軸は周波数である。Ｙ_１およびＹ_２をそれぞれ４μｍ、４．２μｍに設定し、櫛歯の初期重なり量Ｘ＝１０μｍ、バネ定数ｋ_ｘ＝５００Ｎ／ｍ、櫛歯の厚さｂ＝２５μｍ、可動部１２の質量ｍ＝６５ｎｇとした。曲線は、機械的な共振周波数の近傍において鋭いピークを有している。

また、図７は、角速度ω_ａとアドミッタンスとの関係を示す図であり、縦軸はアドミッタンスの絶対値を、横軸は角速度を表している。角速度がゼロから大きくなるにつれてアドミッタンスの絶対値は小さくなり、アドミッタンスの絶対値の変化を計測することで、角速度を計測することが可能となる。

［変形例］
ところで、図４に示す周波数特性は、（電気機械変換素子である）水晶振動子と同様の機能を有している。そのため、増幅器を付加し、櫛歯形状電極１１０，１２０を有する静電アクチュエータを共振回路として用いることで、静電アクチュエータを自励発振させることができる。そして、振動状態の変化として周波数変化を検出することにより、角速度や、外力の付加を検出することができる。

図５は、自励発振させる場合の概略構成を示すブロック図である。ここでは、センサ部１は、それが本来的に有しているＬ，Ｃ，Ｒ共振回路に基づいて描いてある。すなわち、センサ部１を受動２端子素子とみなして示した。 駆動部２は、センサ部１を帰還回路として有する増幅器２３と、センサ部１（櫛歯形状電極１１０，１２０）に対してＤＣバイアス電圧Ｅ_０を印加するＤＣ電源２１とを備えている。

なお、ＤＣバイアス電圧Ｅ_０を印加するＤＣ電源２１の内部抵抗は非常に小さいので、帰還信号がＤＣ電源２１側を通過しないようにする必要がある。そこで、本実施の形態では、高抵抗ＲhighをＤＣ電源と直列に挿入してある。このことにより、ＤＣ電源２１が帰還パスに影響を与えないようにしている。また、ＤＣ電源２１が、増幅器２３を含んだ回路系統からＤＣ回路としてフローティング状態とされる同時に、増幅器２３の端子（出力端子＆入力端子）にＤＣ電圧が直接印加されないよう、ブロッキング・コンデンサＣ_Ｂを挿入してある。

増幅器２３とセンサ部（静電アクチュエータ）１とで発振回路を構成することにより、櫛歯形状電極１１０，１２０に電圧を印加すると、可動部１２は共振周波数で振動することになる。外力やコリオリ力により可動部１２に変位が生じると、等価回路のＲ，Ｃ，Ｌが変化して振動の振幅および周波数が変化する。増幅器２３からの出力信号は、振動状態の変化を周波数変化として検出する検出部３に入力される。検出部３には、例えば、周波数コンパレータが設けられ、増幅器２３から出力される信号の周波数を周波数コンパレータによりモニタする。

ところで、式（７）からも分かるように、ｘ方向の外力が加わった場合でも可動部１２の振動状態は変化する。そのため、コリオリ力の影響だけを検出するには、櫛歯の噛み合いが左右対称（Ｙ_１＝Ｙ_２）に設計された対称型センサ部を一緒に配置して、その振動状態の違いからコリオリ力の影響を推定する。対称型センサ部は、可動部の振動方向が非対称型センサ部１の振動方向と一致するように配置する。

上述したように、対称型センサ部の場合には、（Ｃ_１／Ｙ_１−Ｃ_２／Ｙ_２）＝０であるためコリオリ力を検出することができない。そのため、センサ部が設置された対象物が角速度を有していない場合には、対称型センサ部も非対称型センサ部１も、振動状態はほぼ同じとなる。また、ｘ方向の外力が作用した場合には、いずれのセンサ部も振動状態が変化するが、その変化量は対称型センサ部も非対称型センサ部１もほぼ同じとなる。

一方、ｚ軸回りの角速度が発生すると、非対称型センサ部１にはコリオリ力の影響が現れるので、対称型センサ部と非対称型センサ部１とで振動状態に差が生じることになる。この差から、角速度を推定することができる。この振動状態の変化（例えば、アドミッタンス変化量）と角速度との関係は、予め実験データに基づいて計測しておき、テーブルとして用意しておく。

例えば、図８に示すように、対称型センサ部１Ｂと非対称型センサ部１とでブリッジ回路を構成し、点ａ，ｂ間の電圧Ｖを計測することでコリオリ力によるアドミッタンス変化を検出することができる。角速度＝０の場合には、対称型センサ部１Ｂと非対称型センサ部１のアドミッタンスはほぼ等しくなるので、電圧Ｖはほぼゼロとなる。Ｖ≠０でない場合には、例えば、非対称型センサ部１に可変抵抗を直列接続しておき、角速度＝０のときＶ＝０となるように調整しておけば良い。一方、角速度が発生すると、非対称型センサ部１のアドミッタンスが図７のように変化するので、電圧Ｖがゼロから変化する。この変化分を計測することで角速度を推定することができる。

なお、対称型センサ部と非対称型センサ部１とを別々に製作して、振動方向が揃うように基台上に固定して一つのセンサ素子としても良いし、対称型センサ部と非対称型センサ部１とを同一のＳＯＩウエハに一体に形成しても良い。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明に係る角速度検出装置の概略構成を示す図である。 センサ部１の断面を示す図であり、（ａ）はＡ１−Ａ１断面図、（ｂ）はＢ１−Ｂ１断面図である。 角速度検出装置の解析モデルを示す図である。 交流電圧の角周波数に対するアドミッタンスＹの絶対値｜Ｙ｜の変化を示す図である。 自励発振させる場合の概略構成を示すブロック図である。 電気的なアドミッタンスと駆動周波数との関係を示す図である。 角速度ω_ａとアドミッタンスとの関係を示す図である。 対称型センサ部１Ｂと非対称型センサ部１とで構成されたブリッジ回路を示す図である。

符号の説明

１：センサ部、２：駆動部、３：検出部、１１：固定部、１２：可動部、１３：支持部、２１：ＤＣ電源、２２：交流電源、５１：上部Ｓｉ層、５２：ＳｉＯ_２層、５３：下部Ｓｉ層、１１０，１２０：櫛歯形状電極、１１０ａ，１２０ａ：凸部、１１０ｂ，１２０ｂ：凹部、１３１〜１３５：梁、

Claims (9)

1. 角速度検出対象に固定され、前記角速度検出対象の角速度を検出するための角速度センサ素子において、
   櫛歯凹凸形状の固定電極と、
   櫛歯凹凸形状を成し、前記固定電極の方向に振動する可動電極とを備え、
   前記固定電極およびと前記可動電極は、一方の電極の凹部に他方の電極の凸部が入り込むように噛合し、かつ、互いに入り込んだ凹部と凸部との間の２つの側方隙間の大きさが互いに異なるように偏って対向配置されていることを特徴とする角速度センサ素子。
2. 請求項１に記載の角速度センサ素子において、
   前記固定電極と前記可動電極とを、フォトリソグラフィー法によりＳＯＩウエハ上に一体に形成したことを特徴とする角速度センサ素子。
3. 角速度検出対象に固定され、前記角速度検出対象の角速度を検出するための角速度センサ素子において、
   櫛歯凹凸形状の第１の固定電極と、前記第１の固定電極と噛合して振動し、噛合する凹凸部間の２つの側方隙間の大きさが互いに異なるように偏って対向配置された櫛歯凹凸形状の第１の可動電極とを有する第１のセンサ部と、
   前記第１の固定電極と同一方向に櫛歯凹凸形状を成す第２の固定電極と、前記第２の固定電極と噛合して前記第１の可動電極と同一方向に振動し、噛合する凹凸部間の２つの側方隙間が等しくなるように対向配置された櫛歯凹凸形状の第２の可動電極とを有する第２のセンサ部と、を備えたことを特徴とする角速度センサ素子。
4. 請求項３に記載の角速度センサ素子において、
   前記第１のセンサ部と前記第２のセンサ部とを、フォトリソグラフィー法により同一ＳＯＩウエハ上に一体に形成したことを特徴と角速度センサ素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の角速度センサ素子と、
   前記可動電極を振動駆動するための電圧を前記固定電極とそれに対応する前記可動電極との間に印加する駆動部と、
   前記角速度検出対象の運動による前記可動電極の振動状態の変化に基づいて、前記角速度検出対象の角速度を検出する検出部とを備えたことを特徴とする角速度検出装置。
6. 請求項５に記載の角速度検出装置において、
   前記検出部は、前記振動状態の変化による前記角速度センサ素子および前記駆動部を含む系のイミタンスの変化に基づいて、前記角速度検出対象の角速度を検出することを特徴とする角速度検出装置。
7. 請求項５に記載の角速度検出装置において、
   前記駆動部は、前記角速度センサ素子が有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により前記可動電極を振動させる増幅器を備えることを特徴とする角速度検出装置。
8. 請求項７に記載の角速度検出装置において、
   前記検出部は、前記振動状態の変化としての振動周波数の変化に基づいて、前記角速度検出対象の角速度を検出することを特徴とする角速度検出装置。
9. 請求項３または４に記載の角速度センサ素子を備えた角速度検出装置であって、
   一対の前記第１のセンサ部を直列接続したものと、前記第１のセンサ部と前記第２のセンサ部を直列接続したものとを並列接続してブリッジ回路を構成し、
   一方の前記直列接続の接続点と他方の前記直列接続の接続点との間の電位差に基づいて、前記角速度検出対象の角速度を検出する検出部を備えたことを特徴とする角速度検出装置。

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