JP2015125124A - 多軸センサ - Google Patents

Abstract

【課題】多軸方向の物理量を検出可能としセンサの小型化が図れ、且つ他軸感度による誤差を補正し検出精度の向上が図れる多軸センサを提供すること。【解決手段】センサ１０は、Ｚ軸回転の角速度に応じたコリオリ力によって錘部１１がＹ方向に変動すると、第１固定電極３１，３２，３５，３６と可動電極部２６，２８との間の静電容量が変動する。また、センサ１０は、Ｙ軸回転の角速度に応じたコリオリ力によって錘部１１の第１及び第２翼部２３，２４がＺ方向に回転すると、第１及び第２翼部２３，２４と基板１４上に形成された第２固定電極３３，３８との間の静電容量が変動する。この多軸センサであるセンサ１０において、Ｚ軸回転の角速度を検出する際に、他軸であるＹ軸回転の角速度の検出結果を用いて補正処理を行う構成とした。【選択図】図１

Description

本願に開示の技術は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて構成される静電容量型の多軸センサにおける検出値の補正に関するものである。

近年、ＭＥＭＳ技術を用いて物理量を検出する慣性センサがある。この慣性センサには、例えば、物理量として加速度を検出する加速度センサがある（例えば、特許文献１など）。特許文献１に開示される加速度センサは、基板に固定された固定電極と、弾性部によって支持され基板に対し揺動可能に設けられた錘部と、錘部に設けられた可動電極とを備える。この加速度センサでは、固定電極と可動電極との間の静電容量の変化量に基づいて錘部に作用する加速度が検出される。静電容量の変化量の検出には、Ｃ／Ｖ変換回路が用いられている。例えば、固定電極と可動電極とで構成される一対のコンデンサは、直列に接続され、その両端から位相が反転したキャリア信号をそれぞれ印加される。そして、Ｃ／Ｖ変換回路は、キャリア信号の出力が一対のコンデンサの接続点から増幅回路に出力されることによって、増幅回路からコンデンサの静電容量の差分に応じた信号を出力する。加速度センサは、この出力信号に基づいて加速度を検出する。

また、ＭＥＭＳ技術を用いた慣性センサには、上記した加速度センサの他に、角速度を検出する角速度センサ（ジャイロセンサ）がある（例えば、特許文献２など）。特許文献２に開示される角速度センサは、錘部（文献では、振動子）を能動的にＸ方向に振動させる駆動素子部と、錘部のＹ方向における位置の変動に応じた信号を出力する検知素子部とを備えている。この角速度センサでは、錘部をＸ方向に振動させた状態において、Ｚ軸方向を中心としたＺ軸回転の角速度が加わると、錘部にＹ方向のコリオリ力が発生し、コリオリ力によって変動する錘部の位置に応じた信号が検知素子部から出力される。

特開２００８−６４７４２号公報 特開平１１−１７３８５０号公報

ところで、上記した慣性センサはいずれも１方向に作用する加速度や角速度が検出可能な１軸センサとして構成されている。これに対し、この種の慣性センサでは、例えば１つの錘部に異なる２方向の物理量を検出するための可動電極を設けることによって、複数の方向の各々に作用する物理量が検出可能な多軸センサが検討されている。このような多軸センサでは、電極を配置する位置を集約することで小型化が期待できる。しかしながら、可動電極が設けられた錘部は、少なくとも２方向に対する自由度を備える必要がある。錘部が複数の自由度を備えると、１つの測定軸以外の他軸方向への物理量（加速度や角速度によるコリオリ力）が錘部に作用することによって、錘部及び可動電極の位置が変動し他軸感度の影響を受ける虞がある。その結果、センサは、静電容量の変化量に応じたＣ／Ｖ変換回路の出力に他軸感度による誤差が含まれることとなり検出精度が低下することが問題となる。

本願に開示される技術は、上記の課題に鑑み提案されたものである。多軸方向の物理量を検出可能としセンサの小型化が図れ、且つ他軸感度による誤差を補正し検出精度の向上が図れる多軸センサを提供することを目的とする。

本願に開示される技術に係る多軸センサは、基板と、基板から遊離して変動する弾性部と、弾性部に支持されることによって、第１方向と、第１方向とは異なる第２方向との少なくとも２方向に対して変動可能に構成される錘部と、基板に固定される第１固定電極と、錘部に設けられる第１可動電極との第１方向における距離に応じて静電容量が変動する第１静電容量部と、基板に固定される第２固定電極と、錘部に設けられる第２可動電極との第２方向における距離に応じて静電容量が変動する第２静電容量部と、を備え、第１静電容量部の静電容量の変化量を検出する際における第２静電容量部の静電容量の変化量を用いて、第１静電容量部の静電容量の変化量を補正することを特徴とする。

当該多軸センサでは、第１及び第２可動電極が設けられる錘部が、弾性部に支持されることによって、第１及び第２方向の少なくとも２方向に対して変動可能に構成される。第１静電容量部は、第１固定電極と第１可動電極との第１方向における距離が錘部に作用する物理量に応じて変動し電極間の静電容量が変動する。同様に、第２静電容量部は、第２固定電極と第２可動電極との第２方向における距離が錘部に作用する物理量に応じて変動し電極間の静電容量が変動する。そして、当該多軸センサは、第１静電容量部の静電容量の変化量を検出する際における第２静電容量部の静電容量の変化量を用いて、第１静電容量部の静電容量の変化量を補正する処理を実行する。これにより、第１方向の物理量を検出する際に、第２方向（他軸方向）への物理量が錘部に作用することによって、錘部の第１可動電極の位置が第２方向に変動してしまっても、第２静電容量部の検出結果から誤差を補正することができる。その結果、当該センサによれば、検出用の各電極を配置する位置を集約することで小型化を図りつつ、他軸感度による誤差を補正して検出精度の向上を図ることができる。

また、本願に開示される技術に係る多軸センサにおいて、第１方向と第２方向とは、互いに直交し、第１及び第２方向の２方向に直交する第３方向に錘部を振動させる駆動部をさらに備え、駆動部によって錘部を第３方向に振動させた状態で、第１及び第２方向のいずれかの方向に沿った回転軸を中心とした角速度が加わることによって錘部に作用するコリオリ力に応じた第１及び第２静電容量部の静電容量の変化量を検出する構成としてもよい。

当該多軸センサでは、第１及び第２方向のいずれかの方向に沿った回転軸を中心とした角速度が検出可能な角速度センサとして構成される。ここで、角速度センサは、センサに作用する角速度の大きさに比例して可動電極の位置が変位する量が、他の物理量（例えば、加速度）を検出する慣性センサに比べて微量な変位量となる場合が多い。換言すれば、角速度センサでは、可動電極の変位量が検出結果に与える影響が、他の慣性センサに比べて大きくなる傾向がある。従って、可動電極の変位量が検出結果に与える影響がより大きい角速度センサに、当該多軸センサを適用することは極めて有効である。

また、本願に開示される技術に係る多軸センサにおいて、第１方向は、基板の平面に対して平行な任意の１方向であり、第２方向は、基板の平面に対して直交する方向であり、第２固定電極は、基板上に設けられ、第２可動電極は、錘部が第１方向に向かって変動した場合にも、当該第２可動電極の少なくとも一部が、第２固定電極と第２方向において対向する大きさで形成される構成としてもよい。

当該多軸センサでは、第２固定電極は、基板上に設けられ、当該基板の平面に対して直交する第２方向において第２可動電極と対向する。第２可動電極は、錘部が平面に平行な第１方向に向かって変動した場合にも、変動前と同様に第２方向において第２固定電極と対向する。これにより、第１静電容量部の静電容量を検出する際に、錘部が第１方向に変動したとしても、第２可動電極は、第２固定電極と第２方向において常に対向する状態となる。従って、第１静電容量部による検出の際の第２静電容量部の出力を真値として取り扱うことができ、第２静電容量部の出力から第１静電容量部の検出結果の誤差を補正することで、より確実に検出精度の向上が図れる。

本願に開示される技術によれば、多軸方向の物理量を検出可能としセンサの小型化が図れ、且つ他軸感度による誤差を補正し検出精度の向上が図れる多軸センサを提供することができる。

本実施例の角速度センサの概略構成を示す平面図である。 図１に示すセンサのＡ−Ａ線断面図であり、錘部が初期状態の状態を示す図である。 可動電極部及び第１固定電極の一部を拡大した上面図であり、可動電極部がコリオリ力によってＹ方向に変動する状態を示す図である。 図１に示すセンサのＡ−Ａ線断面図であり、錘部が初期状態から回転した状態を示す図である。

以下、本発明を具体化した一実施例について添付図面を参照しながら説明する。なお、添付図面は、説明の便宜上、実際の寸法・縮尺とは異なって図示されている部分がある。
図１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造した本実施例に係る静電容量型の角速度センサを示す図であり、当該角速度センサの概略構成を示す平面図である。同図１に示すように、静電容量型の角速度センサ（以下、「センサ」という）１０は、錘部１１と、錘部１１の外縁を取り囲むように設けられた枠状錘部１２とが基板１４上に設けられている。枠状錘部１２は、平面視形状が長方形枠状に形成され、当該枠状錘部１２に囲まれた領域内に錘部１１が設けられている。なお、以下の説明では、図１に矢印で示すように、枠状錘部１２の長手方向に沿った方向をＸ方向、Ｘ方向に対して直角で枠状錘部１２の短手方向に沿った方向をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向との両方に直角となる方向をＺ方向と称し、説明する。

枠状錘部１２は、Ｙ方向に沿った短辺の外周面、換言すればＸ方向の両側に設けられた外周面の各々に２つずつ、合計で４つのバネ１５が接続されている。バネ１５は、４つのバネ１５のうち、平面視において枠状錘部１２のＸ方向の一方側に設けられた２つのバネ１５がＹ方向において所定の間隔を間に設けて配置されている。また、バネ１５は、枠状錘部１２のＸ方向の一方側に設けられた２つのバネ１５が、Ｘ方向の他方側に設けられた２つのバネ１５の各々と、枠状錘部１２のＸ方向における中点を通るＹ方向に沿った直線に対して対称な位置となっている。４つのバネ１５の各々は、枠状錘部１２と接続される端部とは反対側の端部がアンカー１６に接続されている。４つのアンカー１６の各々は、枠状錘部１２のＸ方向の両側に設けられた外周面とＸ方向において対向する位置に設けられている。アンカー１６の各々は、基板１４に接続された基端部からＺ方向に延びる直方体形状に形成されている。アンカー１６の各々は、導電材料が埋め込まれたスルーホール１６Ａが形成され、当該スルーホール１６Ａが基板１４上に形成された配線（図示略）により外部回路に接続されている。バネ１５は、例えば、Ｘ方向に対する撓動性を備え、Ｙ方向及びＺ方向の２方向に対する剛性を高めて伸縮が規制される構造となっている。枠状錘部１２は、基板１４に固定された４つのアンカー１６に対しバネ１５により支持されることによって、基板１４上に浮いた状態でＸ方向に揺動可能に保持されている。

枠状錘部１２は、Ｘ方向における中央部に対して一方側（図中における左側）であってＹ方向で対向する支承部１８に、錘部１１を支持する一対のトーションバネ１９が接続されている。一対のトーションバネ１９の各々は、Ｙ方向に向かって形成されている。錘部１１は、Ｘ方向及びＹ方向に沿った平板状に形成され、回転支点部２１と、回転支点部２１に対しＸ方向の両側の各々に設けられた第１及び第２翼部２３，２４とを備える。錘部１１は、支承部１８の各々の内周部分に接続された一対のトーションバネ１９が回転支点部２１のＹ方向の両側のそれぞれに接続されている。回転支点部２１は、Ｘ方向において略中央に位置する部分にトーションバネ１９が接続されている。錘部１１は、トーションバネ１９によって枠状錘部１２の支承部１８に対し回転可能に支持されている。錘部１１は、トーションバネ１９が延設されるＹ方向に沿った回転軸線を中心に回転する。錘部１１は、回転支点部２１に対してＸ方向の一方側（図１において左側）に第１翼部２３が形成され、他方側（図１において右側）に第２翼部２４が形成されている。第１及び第２翼部２３，２４は、回転支点部２１のＸ方向における中央部を通りＹ方向に沿った回転軸線を中心として互いに異なるＺ方向に回転する。

第１翼部２３は、長辺がＹ方向に沿った平面視略長方形の板状をなしている。第１翼部２３は、基板１４に設けられた一対の第１固定電極３１，３２の外周部分を囲むように形成された可動電極部２６が設けられている。可動電極部２６は、第１翼部２３の中央部に一体成形される四角枠状をなし、内周部分が第１固定電極３１，３２の各々と互いに離間している。また、一対の第１固定電極３１，３２は、可動電極部２６に囲まれた領域内において互いに隣接した状態で配置されている。第１固定電極３１，３２の各々は、平面がＸ方向及びＺ方向に沿った板状に形成されている。第１固定電極３１，３２の各々は、互いの平面が対向するようにＹ方向に沿って所定の間隔を間に設けて配置されている。第１固定電極３１は、Ｘ方向の一端側（図中における左側）に導電材料が埋め込まれたスルーホール３１Ａが設けられ、基板１４の上に形成された配線（図示略）と電気的に接続されている。また、第１固定電極３２は、Ｘ方向の一端側（図中における右側）に導電材料が埋め込まれたスルーホール３２Ａが設けられ、基板１４の上に形成された配線と電気的に接続されている。可動電極部２６は、所定の隙間を間に設けて対向する第１固定電極３１，３２の各々と平行平板コンデンサを構成している。また、基板１４は、Ｙ方向において第１固定電極３１，３２を間に挟む位置の基板１４上に、第２固定電極３３が形成されている。第２固定電極３３は、Ｚ方向において第１翼部２３と対向する位置に設けられ、長辺がＸ方向に沿った平面視略長方形状に形成されている。第２固定電極３３は、Ｚ方向において所定の隙間を間に設けて対向する第１翼部２３と平行平板コンデンサを構成している。

また、第２翼部２４は、平面視略正方形の板状をなしている。なお、以下の説明では、第１翼部２３と同様の構成についてはその説明を適宜省略する。第２翼部２４は、Ｙ方向における長さが第１翼部２３と同一となっている。第２翼部２４は、当該第２翼部２４の中央部に、基板１４上に設けられた一対の第１固定電極３５，３６の外周部分を囲むように可動電極部２８が一体成形されている。第１固定電極３５，３６の各々は、Ｘ方向の一端側にスルーホール３５Ａ，３６Ａが形成されている。可動電極部２８は、所定の隙間を間に設けて対向する第１固定電極３５，３６の各々と平行平板コンデンサを構成している。また、基板１４は、Ｙ方向において一対の第１固定電極３５，３６を間に挟む位置の各々に第２固定電極３８が形成されている。第２固定電極３８は、Ｚ方向において第２翼部２４と対向する位置に設けられ、長辺がＸ方向に沿った平面視略長方形状に形成されている。第２固定電極３８は、Ｚ方向において所定の隙間を間に設けて対向する第２翼部２４と平行平板コンデンサを構成している。

なお、上記したセンサ１０は、錘部１１、枠状錘部１２、バネ１５、トーションバネ１９が、例えば導電性を有する低抵抗なシリコン材料等からなり、アンカー１６のスルーホール１６Ａに電気的に接続されている。従って、錘部１１の可動電極部２６，２８は、スルーホール１６Ａを介して外部回路（図示略）に電気的に接続されている。

ここで、上記したセンサ１０は、枠状錘部１２及び錘部１１をＸ方向に振動させた状態でＺ方向を回転軸としたＺ軸回転（例えば、図中の回転を示す矢印４１の方向の回転）の角速度が加えられたときに、錘部１１がコリオリ力（慣性力）によりＹ方向に変位するのを利用して角速度を検出する構成となっている。詳述すると、枠状錘部１２は、Ｘ方向の両側の外周面に当該枠状錘部１２を能動的に振動させるための複数の駆動用可動電極２９が設けられている。駆動用可動電極２９の各々は、枠状錘部１２の外周面からＸ方向に沿って外側に向かって形成されている。複数の駆動用可動電極２９は、Ｙ方向に沿って等間隔に並んで形成され平面視における形状が櫛歯状に構成されている。基板１４は、駆動用可動電極２９の各々のＹ方向の間となる位置に駆動用固定電極３９が設けられている。駆動用固定電極３９の各々は、基板１４に対して固定され、Ｙ方向において所定の隙間を間に設けて対向する駆動用可動電極２９と平行平板コンデンサを構成している。駆動用固定電極３９は、Ｘ方向の一端部に形成されたスルーホール３９Ａが基板１４上に形成された配線により外部回路に接続されている。そして、駆動用固定電極３９は、例えば、Ｘ方向の一方側に設けられた駆動用固定電極３９と他方側の駆動用固定電極３９とに互いに逆位相となる交流の駆動信号が外部回路から印加されることにより、各駆動用可動電極２９との間でＸ方向の静電気力を交互に発生させ、枠状錘部１２をＸ方向（図中の左右の振動方向）に振動させる。

また、錘部１１は、第１及び第２翼部２３，２４が、回転支点部２１、トーションバネ１９及び支承部１８を介して基板１４と電気的に接続されている。第１翼部２３の可動電極部２６は、第１固定電極３１，３２の各々とＹ方向で対向し所定の静電容量のコンデンサが構成される。同様に、第２翼部２４の可動電極部２８は、第１固定電極３５，３６の各々とＹ方向で対向し所定の静電容量のコンデンが構成される。センサ１０は、図中に示すＺ軸回転（矢印４１参照）の角速度が作用すると、コリオリ力とトーションバネ１９のバネ定数に応じて錘部１１のＹ方向における位置が変動する。センサ１０は、錘部１１のＹ方向への変動にともなう第１翼部２３と第１固定電極３１，３２との間の静電容量の変化量と、第２翼部２４と第１固定電極３５，３６との間の静電容量の変化量とに基づいて角速度が検出される。例えば、Ｙ方向の一方（図中の上方）に錘部１１が変動するのにともなって可動電極部２６と第１固定電極３１との間の距離が長くなり静電容量が減少する一方で、可動電極部２６と第１固定電極３２との間の距離が短くなり静電容量が増加する。このような可動電極部２６と第１固定電極３１，３２（可動電極部２８と第１固定電極３５，３６）との間の距離の変動にともなって変化する静電容量の変化量の差分が図示しない外部回路に出力され、外部回路がＣＶ変換により静電容量の差分を電気信号に変換及び増幅等し角速度信号として抽出することによってＺ軸回転の角速度を検出する。

一方で、センサ１０は、枠状錘部１２及び錘部１１をＸ方向に振動させた状態でＹ方向を回転軸としたＹ軸回転（例えば、矢印４３の方向の回転）の角速度が加えられたときに、錘部１１がコリオリ力によりＺ方向に変位するのを利用して角速度を検出する構成となっている。錘部１１は、Ｙ軸回転の角速度に応じてＺ方向に作用するコリオリ力によって、第１及び第２翼部２３，２４の各々に異なるモーメントが作用し回転する。センサ１０は、錘部１１の回転にともなって、第１翼部２３と第２固定電極３３との間の距離と、第２翼部２４と第２固定電極３８との間の距離が変動する。このような第１及び第２翼部２３，２４と第２固定電極３３，３８との間の距離の変動にともなって変化する静電容量の変化量からＹ軸回転の角速度を検出することが可能となる。従って、本実施例のセンサ１０は、Ｙ軸回転とＺ軸回転との２つの角速度が検出可能な多軸センサとして構成されている。

（Ｚ軸回転の角速度の検出値の補正について）
上記したようにセンサ１０は、静電容量の変化量からＹ軸回転及びＺ軸回転の角速度が検出される。しかしながら、センサ１０の錘部１１は、Ｙ方向及びＺ方向に対する自由度を有し位置が変動する。従って、第１固定電極３１，３２及び第１固定電極３５，３６によってＺ軸回転の角速度を検出する際に、例えば、Ｙ軸回転の角速度が錘部１１に作用しているとコリオリ力によって錘部１１が回転し検出される静電容量（角速度）に影響が出る。これに対し、本実施例のセンサ１０は、Ｚ軸回転の角速度を検出する際に、錘部１１がＹ軸回転して生じる誤差を補正する処理を実行する。

以下の説明では、説明を理解し易くするため、一例として、第２翼部２４の可動電極部２８と第１固定電極３６との間の静電容量について説明する。図２は、図１に示すセンサ１０のＡ−Ａ線断面図であり、可動電極部２８と、可動電極部２８とＹ方向で対向する第１固定電極３６とを模式的に示した図である。図３は、可動電極部２８及び第１固定電極３６を上方から見た一部拡大図である。可動電極部２８は、第２翼部２４がＺ方向に回転していない初期状態では、基板１４に固定された第１固定電極３６とＺ方向における位置が同一となっている。この初期状態において、第１固定電極３６の可動電極部２８と対向する部分の対向面積をＳ、Ｘ方向の距離を長さＬ、Ｚ方向の距離を高さｈ、Ｙ方向の距離をｄ（図３参照）、誘電率をεとすると、第１固定電極３６と可動電極部２８とのＹ方向において構成されるコンデンサの静電容量Ｃは、次式で表される。
Ｃ＝ε＊Ｓ／ｄ＝ε＊Ｌ＊ｈ／ｄ・・・・・・・・（１）
ちなみに、センサ１０は、錘部１１と基板１４との隙間及び錘部１１の上面を覆う空間を真空状態としてもよく、空気や錘部１１の回転を減衰等させるための媒体（窒素等）を充填してもよい。この場合、誘電率εは、充填した気体に応じて決定される。

次に、図３に示すように、例えば、Ｚ軸回転の角速度によって生じるコリオリ力によって可動電極部２８が第１固定電極３６に近づくようにＹ方向（図３中の矢印の方向）に移動し距離ｄが距離Δｄだけ減少すると、変動後の静電容量ΔＣは、次式で表される。
ΔＣ＝ε＊Ｓ／（ｄ−Δｄ）・・・・・・・・・・・（２）
ここで、図４に示すように、Ｚ軸回転の角速度を検出するために静電容量Ｃの変化量を検出するタイミング（例えば、複数の電極間の静電容量ΔＣの差分を外部回路に出力するタイミング）で、錘部１１がＺ方向に回転しており第２翼部２４が初期状態からＺ方向における基板１４側に回転していたとする。これにより、第１固定電極３６は、可動電極部２８との対向面積Ｓが減少する。従って、静電容量Ｃに基づくＺ軸回転の角速度を検出しようとしても、静電容量Ｃの変化量には、錘部１１が回転し対向面積Ｓが減少したことに起因した変化量が含まれることとなる。

対向面積Ｓの変化量を面積ΔＳとすると、錘部１１の回転を加味した静電容量ΔＣ’は、次式で表される。
ΔＣ’＝ε＊（Ｓ−ΔＳ）／（ｄ−Δｄ）・・・・・・（３）
この静電容量ΔＣ’は、回転にともなう静電容量Ｃの変化量を誤差として含むかたちで外部回路に出力されＣＶ変換の処理に用いられる。これに対し、本実施例のセンサ１０は、上記式（３）における面積ΔＳに応じた補正を処理する。

次に、補正処理の具体的な内容について説明する。図４に示すように、第２翼部２４の回転によって減少した高さｈの変化量を高さΔｈ、可動電極部２８と第１固定電極３６がなす角度を回転角度θとすると、面積ΔＳは、次式で表される。
ΔＳ＝１／２＊Ｌ＊Δｈ＝１／２＊Ｌ＊Ｌtanθ
なお、θは極めて小さい角度であるため、面積ΔＳは、次式で近似できる。
ΔＳ＝１／２＊Ｌ^２＊θ・・・・・・（４）

次に、回転角度θについては、コリオリ力によって錘部１１に作用する回転トルクから算出できる。センサ１０は、錘部１１がＸ方向に振動した状態で、例えばＹ軸回転の角速度Ωが錘部１１に加えられると、次式で表されるコリオリ力Ｆｃ１が第１翼部２３に、コリオリ力Ｆｃ２が第２翼部２４に対してＺ方向に作用する。なお、ｍ１は第１翼部の質量、ｍ２は第２翼部２４の質量、速度ｖは錘部１１のＸ方向に振動する速度を示している。
Ｆｃ１＝２＊ｍ１＊Ω＊ｖ
Ｆｃ２＝２＊ｍ２＊Ω＊ｖ
このコリオリ力Ｆｃ１，Ｆｃ２が第１及び第２翼部２３，２４の各々の重心に作用しているものとし、錘部１１の回転の支点（回転支点部２１の中心）から第１翼部２３の重心までの距離をｌ１、回転の支点から第２翼部２４の重心までの距離をｌ２とすると、錘部１１に作用する回転トルクＴは、上記したコリオリ力Ｆｃ１，Ｆｃ２を用いて次式で表される。
Ｔ＝Ｆｃ１＊ｌ１−Ｆｃ２＊ｌ２＝２ｖΩ（ｍ１＊ｌ１−ｍ２＊ｌ２）・・・・・・（５）

また、回転角度θは、上記した回転トルクＴと、錘部１１を支持するトーションバネ１９のＹ軸回転の回転方向に対するバネ定数ｋに比例し、次式で表される。
θ＝Ｔ／ｋ・・・・・・（６）
上記式（５），（６）を式（４）に代入して対向面積Ｓの変化量である面積ΔＳは、次式で表される。
ΔＳ＝１／２＊Ｌ^２＊２ｖΩ（ｍ１＊ｌ１−ｍ２＊ｌ２）／ｋ・・・・・・・（７）

ここで、上記式（７）に含まれる変数のうち、長さＬ、質量ｍ１、ｍ２，距離ｌ１，ｌ２は、センサ１０の設計上において一意に定まる値である。また、バネ定数ｋは、トーションバネ１９を構成する材料の物性や寸法などにおいて一意に定まる値である。また、速度ｖは、錘部１１の質量などの設計上の値や駆動用可動電極２９及び駆動用固定電極３９に印加する駆動電圧の大きさなどの制御における条件などによって定まる値（例えば、錘部１１がＸ方向に振動する速度の平均値）である。そして、角速度Ωは、Ｙ軸回転の角速度であり、本実施例においては、第１及び第２翼部２３，２４と第２固定電極３３，３８とで構成されるコンデンサの静電容量から検出することが可能となる。

本実施例のセンサ１０では、図１に示すように、第１及び第２翼部２３，２４は、第２固定電極３３，３８とＺ方向で対向する部分が、当該第２固定電極３３，３８の上面を覆うのに十分な大きさで形成されている。このため、仮にＺ軸回転の角速度を検出する際に、コリオリ力によって錘部１１がＹ方向（図１における上下方向）に変動したとしても、第１及び第２翼部２３，２４は、第２固定電極３３，３８と常にＺ方向で対向する状態となる。従って、錘部１１がＹ方向に変動するＺ軸回転の角速度を検出する際にも、第１及び第２翼部２３，２４と第２固定電極３３，３８とで検出される角速度Ωを真値として取り扱うことができる。即ち、補正値として処理する面積ΔＳが一意に定まる。そして、この面積ΔＳを用いて上記式（３）の静電容量ΔＣ’を補正することよって、正しい静電容量ΔＣ（式（２）参照）を求めることができる。

具体的には、例えば、静電容量ΔＣ’は、錘部１１の回転にともなう静電容量の変化量を誤差として含むかたちで外部回路によってＣＶ変換されるため、変換後に検出される電圧値から当該静電容量ΔＣ’を求めることが可能となる。また、上記式（３）において、誘電率ε、対向面積Ｓ及び距離ｄは、センサ１０の設計上において一意に定まる値である。従って、外部回路は、上記式（３）から可動電極部２８がＹ方向に沿って移動する距離Δｄを算出することが可能となる。そして、算出した距離Δｄと上記式（２）を用いて補正後の静電容量ΔＣが求めることが可能となる。このようにして、センサ１０は、Ｚ軸回転の角速度を検出する際のＹ軸回転による誤差を補正し、正しい角速度を算出することが可能となる。

以上、上記した実施例によれば、以下の効果を奏する。
＜効果１＞本実施例のセンサ１０が備える錘部１１は、枠状錘部１２に一対のトーションバネ１９を介して支持され基板１４上に保持されている。センサ１０は、Ｚ軸回転の角速度に応じたコリオリ力によって錘部１１がＹ方向に変動すると、第１固定電極３１，３２，３５，３６と可動電極部２６，２８との間の静電容量が変動する。また、センサ１０は、Ｙ軸回転の角速度に応じたコリオリ力によって錘部１１の第１及び第２翼部２３，２４がＺ方向に回転すると、第１及び第２翼部２３，２４と第２固定電極３３，３８との間の静電容量が変動する。従って、センサ１０は、Ｙ軸回転とＺ軸回転の各々の方向の角速度が検出可能な多軸センサとして構成されている。

そして、センサ１０は、Ｚ軸回転の角速度を検出する際に、他軸であるＹ軸回転の角速度の検出結果を用いて補正処理を行う。具体的には、センサ１０は、Ｚ軸回転の角速度を検出する際に、第１及び第２翼部２３，２４がＺ方向に回転して第１固定電極３１，３２，３５，３６と可動電極部２６，２８との間の静電容量に生じる変化量を、第１及び第２翼部２３，２４と第２固定電極３３，３８との間の静電容量の変化量を用いて補正する処理を実行する。これにより、Ｚ軸回転の角速度を検出する際に、錘部１１がＺ方向に回転することによって可動電極部２６，２８の位置が変動してしまっても、第１及び第２翼部２３，２４と第２固定電極３３，３８との間の静電容量から誤差を補正することができる。その結果、このセンサ１０によれば、検出用の各電極を配置する位置を集約することで小型化を図りつつ、他軸感度による誤差を補正して検出精度の向上を図ることができる。

＜効果２＞センサ１０は、Ｙ軸回転とＺ軸回転の各々の方向の角速度が検出可能な角速度センサとして構成されている。ここで、角速度センサは、一般的に、可動電極の変位量が検出結果に与える影響が、他の慣性センサ（加速度センサなど）に比べて大きくなる傾向がある。従って、上記した補正処理を、角速度センサに適用することは極めて有効である。

＜効果３＞第１及び第２翼部２３，２４は、第２固定電極３３，３８とＺ方向で対向する部分が、当該第２固定電極３３，３８の上面を覆うのに十分な大きさで形成されている（図１参照）。このため、仮にＺ軸回転の角速度を検出する際に、コリオリ力によって錘部１１がＹ方向に変動したとしても、第１及び第２翼部２３，２４は、第２固定電極３３，３８と常にＺ方向で対向する状態となる。従って、錘部１１がＹ方向に変動するＺ軸回転の角速度を検出する際にも、第１及び第２翼部２３，２４と第２固定電極３３，３８とで検出される角速度Ωを真値として取り扱うことができ、より確実に検出精度の向上が図れる。

尚、本発明は上記実施例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内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施例では、本願における多軸センサとして角速度センサを例に説明したが、他の物理量を検出する慣性センサ、例えば加速度センサに本発明を適用してもよい。

また、測定軸の数は、２方向に限らない。例えば、センサ１０は、ＸＹＺの３方向の各々の方向に沿った回転軸を中心とした回転の角速度を検出可能な構成でもよい。この場合、例えば、Ｘ軸回転の角速度を、Ｙ軸回転及びＺ軸回転の２つの測定軸の検出結果で補正してもよい。
また、上記した補正処理の内容は、一例であり、測定軸と異なる他軸の検出結果を用いて測定軸の検出結果を補正できれば、処理手順の順番などの処理内容を適宜変更してもよい。

また、センサ１０が備える各部材の形状・構成等は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、各電極（第１固定電極３１，３２や第２固定電極３３など）の数、形状、位置は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、錘部１１は、可動電極部２８を省略した構成でもよい。この場合、第１固定電極３５，３６も併せて省略する。

ちなみに、静電容量型の角速度センサ１０は、多軸センサの一例である。トーションバネ１９は、弾性部の一例である。第１固定電極３１，３２と可動電極部２６とで構成されるコンデンサは、第１静電容量部の一例である。第１固定電極３５，３６と可動電極部２８とで構成されるコンデンサは、第１静電容量部の一例である。第１翼部２３と第２固定電極３３とで構成されるコンデンサは、第２静電容量部の一例である。第２翼部２４と第２固定電極３８とで構成されるコンデンサは、第２静電容量部の一例である。枠状錘部１２、バネ１５、アンカー１６、駆動用可動電極２９及び駆動用固定電極３９は、駆動部の一例である。Ｙ方向は、第１方向の一例である。Ｚ方向は、第２方向の一例である。Ｘ方向は、第３方向の一例である。

１０ 角速度センサ（多軸センサ）、１１ 錘部、１２ 枠状錘部、１４ 基板、１５ バネ、１６ アンカー、１８ 支承部、１９ トーションバネ、２１ 回転支点部、２３ 第１翼部、２４ 第２翼部、２９ 駆動用可動電極、３１，３２，３５，３６ 第１固定電極、３３，３８ 第２固定電極、３９ 駆動用固定電極。

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板から遊離して変動する弾性部と、
   前記弾性部に支持されることによって、第１方向と、前記第１方向とは異なる第２方向との少なくとも２方向に対して変動可能に構成される錘部と、
   前記基板に固定される第１固定電極と、前記錘部に設けられる第１可動電極との前記第１方向における距離に応じて静電容量が変動する第１静電容量部と、
   前記基板に固定される第２固定電極と、前記錘部に設けられる第２可動電極との前記第２方向における距離に応じて静電容量が変動する第２静電容量部と、を備え、
   前記第１静電容量部の静電容量の変化量を検出する際における前記第２静電容量部の静電容量の変化量を用いて、前記第１静電容量部の静電容量の変化量を補正することを特徴とする多軸センサ。
2. 前記第１方向と前記第２方向とは、互いに直交し、
   前記第１及び第２方向の２方向に直交する第３方向に前記錘部を振動させる駆動部をさらに備え、
   前記駆動部によって前記錘部を前記第３方向に振動させた状態で、前記第１及び第２方向のいずれかの方向に沿った回転軸を中心とした角速度が加わることによって前記錘部に作用するコリオリ力に応じた前記第１及び第２静電容量部の静電容量の変化量を検出することを特徴とする請求項１に記載の多軸センサ。
3. 前記第１方向は、前記基板の平面に対して平行な任意の１方向であり、
   前記第２方向は、前記基板の平面に対して直交する方向であり、
   前記第２固定電極は、前記基板上に設けられ、
   前記第２可動電極は、前記錘部が前記第１方向に向かって変動した場合にも、当該第２可動電極の少なくとも一部が、前記第２固定電極と前記第２方向において対向する大きさで形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多軸センサ。

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