JP2015169492A - Electronic device, signal detection method of electronic device, electronic apparatus and moving body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子デバイス、電子デバイスの信号検出方法、電子機器、および移動体に関する。 The present invention relates to an electronic device, a signal detection method for the electronic device, an electronic apparatus, and a moving object.
近年、振動デバイスとして、例えばシリコンMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いた機能素子が開発されている。そして、この機能素子の一例としてのジャイロ素子を用いて角速度を検出するジャイロセンサー(静電容量型MEMSジャイロセンサー素子)が開示されている。このようなジャイロセンサーの一例としては、互いに直交する三つの軸(X軸、Y軸、Z軸)の内のX−Y面に設けられ、X軸方向に駆動振動(変位)する振動系構造体と、それを支持する基板と、振動系構造体の駆動手段と、Y軸まわりの角速度を検出する検出手段と、を備えている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, functional elements using, for example, silicon MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology have been developed as vibration devices. And the gyro sensor (capacitance type MEMS gyro sensor element) which detects angular velocity using the gyro element as an example of this functional element is indicated. As an example of such a gyro sensor, a vibration system structure that is provided on the XY plane of three axes (X axis, Y axis, Z axis) orthogonal to each other and that vibrates (displaces) in the X axis direction. A body, a substrate that supports the body, a drive unit for the vibration system structure, and a detection unit that detects an angular velocity around the Y axis (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載のジャイロセンサーでは、フレーム状(枠状)の支持部を含む駆動部を有し、支持部の外側に、バネ部が備えられ、支持部の内側に、支持部に回転軸を介して接続されている検出部が備えられた静電容量型MEMSジャイロセンサー素子(以下、「ジャイロセンサー素子」と呼ぶ。)が用いられている。このジャイロセンサー素子では、X軸方向に振動している駆動部が、Y軸まわりの角速度を受けてZ軸方向に振動し、そのZ軸方向の振動による容量変化を検出部が検出することによって角速度を検出することができる。
The gyro sensor described in
上述のようなジャイロ素子では、ジャイロ素子を構成するシリコン構造体の形状が、例えば形状加工において加工誤差を生じるなどして、本来は正方形あるいは長方形になるべき断面形状が例えば平行四辺形等に形成されてしまうことがある。このようにシリコン構造体の断面形状が平行四辺形になることにより、X軸方向に振動する駆動部における駆動振動が、断面の斜辺に直交する方向に振動する成分(斜め振動)を生じる。この駆動部における斜め振動は、Z軸方向の振動成分を有しているため、駆動部の駆動振動が検出部に伝わる現象、所謂振動モレ現象により斜め振動が検出部に伝わり、検出部が角速度を検出する振動方向であるZ軸方向に振動してしまう、所謂クアドラチャー(Quadrature)現象を生じさせてしまう。この現象により、クアドラチャー成分を持った信号が発生し、角速度が生じていないにもかかわらず検出部が角速度を検出してしまったり、検出した角速度に誤差を生じてしまったりすることがあった。即ち、角速度の検出精度が低下してしまう虞を有していた。 In the gyro element as described above, the shape of the silicon structure constituting the gyro element, for example, causes a processing error in the shape processing, so that the cross-sectional shape that should originally be a square or a rectangle is formed in a parallelogram, for example. It may be done. Thus, when the cross-sectional shape of the silicon structure is a parallelogram, the drive vibration in the drive unit that vibrates in the X-axis direction generates a component (oblique vibration) that vibrates in the direction perpendicular to the oblique side of the cross section. This oblique vibration in the drive part has a vibration component in the Z-axis direction, so that the drive part drive vibration is transmitted to the detection part, the so-called vibration mole phenomenon, the oblique vibration is transmitted to the detection part, and the detection part is angular velocity. This causes a so-called quadrature phenomenon that vibrates in the Z-axis direction, which is the vibration direction for detecting the vibration. Due to this phenomenon, a signal with a quadrature component is generated, and the detection unit may detect the angular velocity even if no angular velocity is generated, or an error may occur in the detected angular velocity. . That is, the angular velocity detection accuracy may be reduced.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例に係る電子デバイスは、互いに直交する2つの軸を第1軸および第2軸とし、前記第1軸と前記第2軸とを含む面の法線に平行な軸を第3軸としたとき、第1基体と、前記第1基体に接続され、前記第1軸および前記第2軸を含む平面に沿って振動可能であり、第1電極を有する支持部と、前記支持部に支持され、前記第3軸に沿うように振動可能であり、第2電極を有する検出部と、前記第1電極と対向するように配置されている第3電極と、前記第2電極と対向するように配置されている第4電極と、を備えていることを特徴とする。 Application Example 1 In an electronic device according to this application example, two axes orthogonal to each other are defined as a first axis and a second axis, and an axis parallel to a normal line of the surface including the first axis and the second axis Is a third axis, a first base, a support connected to the first base, capable of vibrating along a plane including the first axis and the second axis, and having a first electrode; A detection unit supported by the support unit and capable of vibrating along the third axis, having a second electrode, a third electrode arranged to face the first electrode, and the second And a fourth electrode disposed so as to face the electrode.
本適用例によれば、検出部の第2電極およびそれに対向する第4電極の少なくとも一方から出力される、第3軸に沿った振動本来の検出信号と斜め振動成分(以下「クアドラチャー成分」ともいう)とを含む信号と、支持部に設けられた第1電極およびそれに対向する第3電極の少なくとも一方から出力されるクアドラチャー成分を含む信号とを得ることができる。そしてこの二つの信号を演算処理することによって、クアドラチャー成分を除去した本来の検出信号を得ることができる。これにより、検出精度を高めた電子デバイスを得ることが可能となる。 According to this application example, an original detection signal and an oblique vibration component (hereinafter referred to as a “quadrature component”) output from at least one of the second electrode of the detection unit and the fourth electrode facing the second electrode. And a signal including a quadrature component output from at least one of the first electrode provided on the support portion and the third electrode opposed thereto. An original detection signal from which the quadrature component has been removed can be obtained by performing arithmetic processing on these two signals. Thereby, an electronic device with improved detection accuracy can be obtained.
[適用例2]上記適用例に記載の電子デバイスにおいて、前記第3電極および前記第4電極の少なくとも一方は、前記第1基体に設けられていることが好ましい。 Application Example 2 In the electronic device according to the application example described above, it is preferable that at least one of the third electrode and the fourth electrode is provided on the first base.
本適用例によれば、第3電極および第4電極の少なくとも一方が、支持部を接続する第1基体に設けられていることにより、第3軸方向から見た平面視における第3電極および第4電極の配置領域を小さくすることが可能となり、電子デバイスの小型化を実現することができる。 According to this application example, at least one of the third electrode and the fourth electrode is provided on the first base body that connects the support portion, whereby the third electrode and the second electrode in a plan view as viewed from the third axial direction. The arrangement area of the four electrodes can be reduced, and the electronic device can be reduced in size.
[適用例3]上記適用例に記載の電子デバイスにおいて、前記第1基体に接続されている第2基体を備え、前記第3電極および前記第4電極の少なくとも一方は、前記第2基体に設けられていることが好ましい。 Application Example 3 In the electronic device according to the application example described above, the electronic device includes a second substrate connected to the first substrate, and at least one of the third electrode and the fourth electrode is provided on the second substrate. It is preferable that
本適用例によれば、第3電極および第4電極の少なくとも一方が、第1基体に接続された第2基体に設けられていることにより、第3軸方向から見た平面視における第3電極および第4電極の配置領域を小さくすることが可能となり、電子デバイスの小型化を実現することができる。 According to this application example, at least one of the third electrode and the fourth electrode is provided on the second base connected to the first base, so that the third electrode in a plan view as viewed from the third axial direction. And it becomes possible to make the arrangement | positioning area | region of a 4th electrode small, and size reduction of an electronic device is realizable.
[適用例4]上記適用例に記載の電子デバイスにおいて、前記第3軸方向から見た平面視で、前記支持部は、前記検出部を略囲む枠状に設けられていることが好ましい。 Application Example 4 In the electronic device according to the application example described above, it is preferable that the support portion is provided in a frame shape that substantially surrounds the detection portion in a plan view as viewed from the third axis direction.
本適用例によれば、検出部を略囲む枠状に支持部を設けることにより、そこに設けられる第3電極の面積を大きくすることができ、第3電極および対向する第1電極から得ることができる信号をより多くすることができる。これにより、演算処理に用いるデータ量が多くなり、補正精度を高めることが可能となる。 According to this application example, by providing the support portion in a frame shape that substantially surrounds the detection portion, the area of the third electrode provided therein can be increased, and the third electrode and the first electrode facing each other can be obtained. More signals can be generated. As a result, the amount of data used for the arithmetic processing increases, and the correction accuracy can be increased.
[適用例5]上記適用例に記載の電子デバイスにおいて、前記支持部を振動させる駆動共振周波数は、前記検出部の共振周波数よりも大きいことが好ましい。 Application Example 5 In the electronic device according to the application example described above, it is preferable that a drive resonance frequency for vibrating the support unit is higher than a resonance frequency of the detection unit.
本適用例によれば、検出部の共振周波数を駆動共振周波数より大きくする(離調周波数をマイナスにする)ことにより、支持部と検出部との振動方向が逆向きになる。この結果、第1電極および第3電極の少なくとも一方から流れ出す電流と、第2電極および第4電極の少なくとも一方から流れ出す電流とは、正負が逆になる。そして、二つの電流の絶対値が等しくなるように、共振倍率(Resonance Magnification)を考慮しながらそれぞれの電極の面積や間隔(ギャップ)を調整し、第1電極および第3電極による容量変化と、第2電極および第4電極による容量変化と、を調整する。このようにすることにより、第3電極と第4電極を同一電極として、演算処理を行うことなくクアドラチャー成分を除去した本来の検出信号を得ることができる。 According to this application example, by making the resonance frequency of the detection unit higher than the drive resonance frequency (decreasing the detuning frequency), the vibration directions of the support unit and the detection unit are reversed. As a result, the current flowing out from at least one of the first electrode and the third electrode is reversed in polarity from the current flowing out from at least one of the second electrode and the fourth electrode. Then, the area and interval (gap) of each electrode are adjusted in consideration of the resonance magnification so that the absolute values of the two currents are equal, and the capacitance change by the first electrode and the third electrode, The capacitance change by the second electrode and the fourth electrode is adjusted. By doing so, it is possible to obtain an original detection signal from which the quadrature component is removed without performing the arithmetic processing by using the third electrode and the fourth electrode as the same electrode.
[適用例6]上記適用例に記載の電子デバイスにおいて、前記第1電極および前記第3電極の少なくとも一方から出力される第1信号と、前記第2電極および前記第4電極の少なくとも一方から出力される第2信号と、を有し、前記第1信号および前記第2信号を元に演算処理を行い、演算結果に基づいて第3信号を出力する演算処理部を備えていることが好ましい。 Application Example 6 In the electronic device according to the application example described above, the first signal output from at least one of the first electrode and the third electrode, and the output from at least one of the second electrode and the fourth electrode. It is preferable to include an arithmetic processing unit that performs arithmetic processing based on the first signal and the second signal and outputs a third signal based on the arithmetic result.
本適用例によれば、検出部の第2電極およびそれに対向する第4電極の少なくとも一方から出力される、本来の検出信号とクアドラチャー成分とを含む第1信号と、支持部に設けられた第2電極およびそれに対向する第4電極の少なくとも一方から出力されるクアドラチャー成分を含む第2信号を得ることができる。そして、演算処理部によって第1信号から第2信号を引き算する処理を行った第3信号を出力する。この第3信号は、クアドラチャー成分を除去した本来の検出信号を得ることができ、検出精度を高めた電子デバイスを得ることが可能となる。 According to this application example, the first signal including the original detection signal and the quadrature component output from at least one of the second electrode of the detection unit and the fourth electrode facing the second electrode, and the support unit is provided. A second signal including a quadrature component output from at least one of the second electrode and the fourth electrode facing the second electrode can be obtained. And the 3rd signal which performed the process which subtracts the 2nd signal from the 1st signal by the arithmetic processing part is output. With this third signal, an original detection signal from which the quadrature component has been removed can be obtained, and an electronic device with improved detection accuracy can be obtained.
[適用例7]上記適用例に記載の電子デバイスにおいて、前記演算処理部は、前記第1信号および前記第2信号の少なくとも一方の振幅を調整する調整部を含んでいることが好ましい。 Application Example 7 In the electronic device according to the application example, it is preferable that the arithmetic processing unit includes an adjustment unit that adjusts an amplitude of at least one of the first signal and the second signal.
本適用例によれば、演算処理部に含まれる調整部において、異なる振幅を有する第1信号および第2信号の少なくとも一方の振幅を調整(増幅)し、双方の信号の振幅を合わせる。そして、振幅の合った第1信号と第2信号とを足し合わせ処理することで、クアドラチャー成分が除去された本来の検出信号を得ることができる。 According to this application example, the adjustment unit included in the arithmetic processing unit adjusts (amplifies) the amplitude of at least one of the first signal and the second signal having different amplitudes, and matches the amplitudes of both signals. An original detection signal from which the quadrature component has been removed can be obtained by adding the first signal and the second signal having the same amplitude.
[適用例8]本適用例に係る電子デバイスは、互いに直交する2つの軸を第1軸および第2軸とし、前記第1軸と前記第2軸とを含む面の法線に平行な軸を第3軸としたとき、第1基体と、前記第1基体に接続され、前記第1軸に沿うように振動可能であり、第1電極を有する支持部と、前記支持部に支持され、前記第2軸に沿うように振動可能であり、第2電極を有する検出部と、前記第1電極と対向するように配置されている第3電極と、前記第2電極と対向するように配置されている第4電極と、を備えていることを特徴とする。 Application Example 8 In an electronic device according to this application example, two axes orthogonal to each other are defined as a first axis and a second axis, and an axis parallel to a normal line of a plane including the first axis and the second axis Is the third axis, is connected to the first base, and can be vibrated along the first axis, and is supported by the support having the first electrode, A detector that can vibrate along the second axis, has a second electrode, a third electrode that is arranged to face the first electrode, and a face that faces the second electrode. And a fourth electrode.
本適用例によれば、検出部の第2電極およびそれに対向する第4電極の少なくとも一方から出力される、第2軸に沿った振動本来の検出信号とクアドラチャー成分とを含む信号と、支持部に設けられた第1電極およびそれに対向する第3電極の少なくとも一方から出力されるクアドラチャー成分を含む信号とを得ることができる。そしてこの二つの信号を演算処理することによって、クアドラチャー成分を除去した本来の検出信号を得ることができる。これにより、検出精度を高めた電子デバイスを得ることが可能となる。 According to this application example, the signal including the original detection signal of the vibration along the second axis and the quadrature component output from at least one of the second electrode of the detection unit and the fourth electrode opposed thereto, and the support It is possible to obtain a signal including a quadrature component output from at least one of the first electrode provided in the section and the third electrode facing the first electrode. An original detection signal from which the quadrature component has been removed can be obtained by performing arithmetic processing on these two signals. Thereby, an electronic device with improved detection accuracy can be obtained.
[適用例9]本適用例に係る電子デバイスの信号検出方法は、互いに直交する2つの軸を第1軸および第2軸とし、前記第1軸と前記第2軸とを含む面の法線に平行な軸を第3軸としたとき、前記第1軸および前記第2軸を含む平面に沿うように振動可能であり、第1電極を有する支持部と、前記支持部に支持され、前記第3軸に沿うように振動可能であり、第2電極を有する検出部と、前記第1電極と対向するように配置されている第3電極と、前記第2電極と対向するように配置されている第4電極と、を備えている電子デバイスの信号検出方法であって、前記第1電極および前記第3電極の少なくとも一方から出力される、前記支持部の前記第3軸方向の振動成分である第1信号を取得する第1ステップと、前記第2電極および前記第4電極の少なくとも一方から出力される第2信号を取得する第2ステップと、前記第2信号から、前記第1信号に応じた信号を除去する演算処理を行い、検出信号を出力する第3ステップと、を備えていることを特徴とする。 [Application Example 9] In the signal detection method for an electronic device according to this application example, two axes orthogonal to each other are defined as a first axis and a second axis, and a normal of a plane including the first axis and the second axis When the third axis is an axis parallel to the first axis, the first axis and the second axis can be vibrated along a plane, and a support section having a first electrode is supported by the support section, A detector that can vibrate along the third axis, has a second electrode, a third electrode that is arranged to face the first electrode, and a face that faces the second electrode. And a fourth electrode, wherein the vibration component in the third axial direction of the support portion is output from at least one of the first electrode and the third electrode. A first step of obtaining a first signal that is, the second electrode and the first signal A second step of acquiring a second signal output from at least one of the electrodes; a third step of performing a calculation process for removing a signal corresponding to the first signal from the second signal and outputting a detection signal; It is characterized by providing.
本適用例によれば、第1ステップにおいて、支持部に設けられた第1電極およびそれに対向する第3電極の少なくとも一方から出力されるクアドラチャー成分を含む第1信号を取得する。また、第2ステップにおいて、検出部の第2電極およびそれに対向する第4電極の少なくとも一方から出力される、本来の検出信号とクアドラチャー成分(斜め振動成分)とを含む第2信号を取得する。そして、第3ステップにおいて、第2信号から、第1信号に応じた信号(支持部の第3軸方向の振動成分である信号)を除去する演算処理を行い、検出信号として出力する。これによって、クアドラチャー成分を除去した本来の検出信号を得ることができる。これにより、検出精度を高めた電子デバイスを得ることが可能となる。 According to this application example, in the first step, a first signal including a quadrature component output from at least one of the first electrode provided on the support portion and the third electrode facing the first electrode is acquired. In the second step, a second signal including an original detection signal and a quadrature component (diagonal vibration component) output from at least one of the second electrode of the detection unit and the fourth electrode facing the second electrode is acquired. . Then, in the third step, a calculation process for removing a signal corresponding to the first signal (a signal that is a vibration component in the third axis direction of the support portion) from the second signal is performed and output as a detection signal. As a result, the original detection signal from which the quadrature component has been removed can be obtained. Thereby, an electronic device with improved detection accuracy can be obtained.
[適用例10]本適用例に係る電子デバイスの信号検出方法は、互いに直交する2つの軸を第1軸および第2軸とし、前記第1軸と前記第2軸とを含む面の法線に平行な軸を第3軸としたとき、前記第1軸に沿うように振動可能であり、第1電極を有する支持部と、前記支持部に支持され、前記第2軸に沿うように振動可能であり、第2電極を有する検出部と、前記第1電極と対向するように配置されている第3電極と、前記第2電極と対向するように配置されている第4電極と、を備えている電子デバイスの信号検出方法であって、前記第1電極および前記第3電極の少なくとも一方から出力される、前記支持部の前記第3軸方向の振動成分である第1信号を取得する第1ステップと、前記第2電極および前記第4電極の少なくとも一方から出力される第2信号を取得する第2ステップと、前記第2信号から、前記第1信号に応じた信号を除去する演算処理を行い、検出信号を出力する第3ステップと、を備えていることを特徴とする。 [Application Example 10] In the signal detection method for an electronic device according to this application example, two axes orthogonal to each other are defined as a first axis and a second axis, and a normal of a plane including the first axis and the second axis When the third axis is an axis parallel to the first axis, vibration is possible along the first axis, the support part having the first electrode, and the vibration supported along the second axis, supported by the support part. A detection unit having a second electrode, a third electrode disposed to face the first electrode, and a fourth electrode disposed to face the second electrode. A signal detection method for an electronic device comprising: a first signal that is output from at least one of the first electrode and the third electrode and that is a vibration component in the third axial direction of the support portion. The first step and at least one of the second electrode and the fourth electrode. A second step of acquiring a second signal to be output; and a third step of performing a calculation process for removing a signal corresponding to the first signal from the second signal and outputting a detection signal. It is characterized by that.
本適用例によれば、第1ステップにおいて、支持部に設けられた第1電極およびそれに対向する第3電極の少なくとも一方から出力されるクアドラチャー成分を含む第1信号を取得する。また、第2ステップにおいて、検出部の第2電極およびそれに対向する第4電極の少なくとも一方から出力される、本来の検出信号とクアドラチャー成分(斜め振動成分)とを含む第2信号を取得する。そして、第3ステップにおいて、第2信号から、第1信号に応じた信号(支持部の第3軸方向の振動成分である信号)を除去する演算処理を行い、検出信号として出力する。これによって、クアドラチャー成分を除去した本来の検出信号を得ることができる。これにより、検出精度を高めた電子デバイスを得ることが可能となる。 According to this application example, in the first step, a first signal including a quadrature component output from at least one of the first electrode provided on the support portion and the third electrode facing the first electrode is acquired. In the second step, a second signal including an original detection signal and a quadrature component (diagonal vibration component) output from at least one of the second electrode of the detection unit and the fourth electrode facing the second electrode is acquired. . Then, in the third step, a calculation process for removing a signal corresponding to the first signal (a signal that is a vibration component in the third axis direction of the support portion) from the second signal is performed and output as a detection signal. As a result, the original detection signal from which the quadrature component has been removed can be obtained. Thereby, an electronic device with improved detection accuracy can be obtained.
[適用例11]本適用例に係る電子機器は、上記適用例のいずれか一例に記載の電子デバイスを備えていることを特徴とする。 Application Example 11 An electronic apparatus according to this application example includes the electronic device according to any one of the application examples described above.
本適用例によれば、クアドラチャー成分(斜め振動成分)を除去した本来の検出信号を得ることにより検出精度を高めた電子デバイスを用いているため、より安定した特性の電子機器を提供することができる。 According to this application example, an electronic device with higher detection accuracy is obtained by obtaining an original detection signal from which a quadrature component (oblique vibration component) has been removed. Can do.
[適用例12]本適用例に係る移動体は、上記適用例のいずれか一例に記載の電子デバイスを備えていることを特徴とする。 Application Example 12 A moving object according to this application example includes the electronic device according to any one of the application examples described above.
本適用例によれば、クアドラチャー成分(斜め振動成分)を除去した本来の検出信号を得ることにより検出精度を高めた電子デバイスを用いているため、より安定した特性の移動体を提供することができる。 According to this application example, since an electronic device with improved detection accuracy is obtained by obtaining an original detection signal from which a quadrature component (diagonal vibration component) has been removed, a moving body with more stable characteristics can be provided. Can do.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.
1.ジャイロセンサー
1−1.第1実施形態に係るジャイロセンサーの構成
まず、本発明に係る電子デバイスとしてのジャイロセンサーの第1実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は、第1実施形態に係るジャイロセンサー100を模式的に示す平面図である。図2は、第1実施形態に係るジャイロセンサー100を模式的に示す図であり、図2(a)は図1のA−A線断面図、図2(b)は図1のB−B断面図である。なお、図1および図2では、互いに直交する3つの軸として、X軸(第1軸)およびY軸(第2軸)と、X軸(第1軸)およびY軸(第2軸)を含む面の法線に平行なZ軸(第3軸)と、を図示している。
1. Gyro sensor 1-1. Configuration of Gyro Sensor According to First Embodiment First, a first embodiment of a gyro sensor as an electronic device according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view schematically showing the
ジャイロセンサー100は、図1および図2に示すように、第1基体としての基体10と、機能素子としてのジャイロ素子5とを含んでいる。機能素子としてのジャイロ素子5は、振動体20と、弾性支持体30と、駆動部40と、を含んでいる。
ジャイロ素子5は、第1基体としての基体10および第2基体としての蓋体80によって囲まれるキャビティー82に収容されている。また、ジャイロ素子5は、基体10に設けられた凹部14と間隙を介して振動体20が設けられている。振動体20は、基体10の第1面11に(基体10上に)設けられた固定部17に弾性支持体30を介して支持されている。
ジャイロセンサー100では、ジャイロ素子5を構成する振動体20の検出部50が、Y軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサー素子(静電容量型MEMSジャイロセンサー素子)である。
なお、便宜上、図1では、基体10および蓋体80を透視して図示している。また、基体10の振動体20が設けられる基面である第1面11(図2参照)の法線方向から見ること、即ち基体10に支持されている振動体20を上方から見ることを、以下、「平面視」という。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
The
In the
For convenience, FIG. 1 shows the
基体10の材質は、例えば、ガラス、シリコンである。基体10は、図2に示すように、第1面11と、第1面11と反対側の第2面11bと、を有している。第1面11には、凹部14が設けられている。凹部14の上方には、間隙を介して、振動体20(検出部50、および支持部12)、弾性支持体30、および駆動部40(駆動用可動電極部41、および駆動用固定電極部42)が設けられている。凹部14によって、振動体20、弾性支持体30、および駆動部40の一部(駆動用可動電極部41)は、基体10に妨害されることなく、所望の方向に可動することができる。
本実施形態の凹部14の平面形状(Z軸方向から見たときの形状)は、長方形であるが、特に限定されない。凹部14は、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって形成される。
The material of the
The planar shape (shape when viewed from the Z-axis direction) of the
基体10は、図2に示すように振動体20の形態に応じて、第1面11に適宜設けられる固定部17を有している。固定部17は、振動体20を支持する弾性支持体30の一端15が固定(接合)され、弾性支持体30を介して振動体20を支持する部分である。
図1および図2に示すように、弾性支持体30の一端15(固定部17)は、X軸方向において振動体20を挟むように配置されていてもよい。また、弾性支持体30の一端15は、Y軸方向において振動体20を挟むように配置されていてもよい。即ち、弾性支持体30の一端15は、2か所、あるいは4か所設けられていてもよい。
As shown in FIG. 2, the
As shown in FIGS. 1 and 2, one end 15 (fixed portion 17) of the
固定部17の第1面11(基体10)と、後述される弾性支持体30、駆動用固定電極部42等と、の固定(接合)方法は、特に限定されないが、例えば、基体10の材質がガラスであり、振動体20等の材質がシリコンである場合は、陽極接合を適用することができる。
A method of fixing (joining) the first surface 11 (base 10) of the fixing
振動体20は、基体10の第1面11に(基体10上に)弾性支持体30を介して支持されている。振動体20は、検出部50、および検出部50と接続された支持部12を有している。振動体20の材質は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。振動体20は、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって加工することにより形成される。
The vibrating
振動体20は、弾性支持体30の一端15によって弾性支持体30を介して固定部17に支持されており、基体10と離間して配置されている。より具体的には、基体10に形成された凹部14の上方に間隙を介して、振動体20が設けられている。振動体20は、例えば、フレーム状の形状(枠状)の支持部12を有している。振動体20は、図示しない中心線(X軸に沿った直線、あるいはY軸に沿った直線)に対して、対称となる形状であってもよい。
The vibrating
支持部12は、後述する検出部50を囲むように、フレーム状(枠状)の形状で設けられている。支持部12には、後述する弾性支持体30が接続されている。支持部12は、前述のように、シリコンに、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与され、第1電極としての機能も有している。
The
支持部12と間隙を有して対向し、平面視で支持部12の配置された領域に略重なるように、第3電極としてのモニター電極56が設けられている。具体的には、モニター電極56は、支持部12と同様に略フレーム状の形状(枠状)をなしている。第3電極としてのモニター電極56は、基体10の第1面11に設けられた凹部14の底面13に設けられている。
A
支持部12とモニター電極56とは、支持部12とモニター電極56との間の容量変化によって、支持部12に生じたZ軸方向の振動(支持部12のZ軸方向の変位)を検出することができる。具体的には、支持部12(第1電極)にDC電圧を印加した状態で支持部12がZ軸方向に振動すると、支持部12とモニター電極56との間の距離が変化し、支持部12とモニター電極56との間の静電容量が変化する。その容量変化をモニター電極56(第3電極)の電流変化として検出することによって支持部12のZ軸方向の振動を求めることができる。
The
Z軸方向から見た平面視で、支持部12が検出部50を略囲む枠状に設けられていることにより、支持部12と対向して枠状に設けられているモニター電極56の面積を大きくすることができ、モニター電極56から得ることができる信号をより多くすることができる。これにより、演算処理に用いるデータ量が多くなり、補正精度を高めることが可能となる。
When the
弾性支持体30は、X軸方向に振動体20を変位し得るように構成されている。より具体的には、弾性支持体30は、弾性支持体30の一端15から振動体20までX軸に沿う方向に延出し、Y軸方向に往復しながらX軸方向に延出する形状を有している。弾性支持体30の一端15は、固定部17(基体10の第1面11)に接合(固定)されている。また、弾性支持体30の他端は、振動体20の支持部12に接続されている。本実施形態では、弾性支持体30は、振動体20をX軸方向において挟むように、4つ設けられている。
The
弾性支持体30の材質は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。弾性支持体30は、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって振動体20と共に一体的に加工することにより形成される。
The material of the
検出部50は、平面視で、振動体20の支持部12の内側(振動体20の中心側)に設けられている。換言すれば、検出部50は、支持部12に対して、後述する駆動部40の配置側と反対側に設けられている。
検出部50は、可動電極としての第1フラップ板51および第2フラップ板53と、第1フラップ板51と接続された第1梁部52と、第2フラップ板53と接続された第2梁部54と、第4電極としての検出用固定電極55と、を有している。第1フラップ板51および第2フラップ板53は、前述のように、シリコンに、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与され、第2電極としての機能も有している。
The
The
第1フラップ板51は、第1梁部52のX軸方向の中央部分に位置する接続部で第1梁部52と接続されている。第1梁部52は、支持部12の内のX軸に沿った一方の延在部分に沿って設けられ、支持部12の内の、Y軸に沿って延在し、互いに対向する二つの延在部分に両端が接続されている。第1フラップ板51の第1梁部52と接続されている端と反対側の端は、自由端となっている。第1フラップ板51は、第1梁部52を回転軸としてZ軸方向に搖動することができる。
The
また、第2フラップ板53は、第2梁部54のX軸方向の中央部分に位置する接続部で第2梁部54と接続されている。第2梁部54は、第1梁部52側(+Y軸方向)に位置する一方の支持部12の延在部分と、検出部50を挟んだ反対側(−Y軸方向)に位置する他方の支持部12の延在部分に沿って設けられている。
第2梁部54は、支持部12のY軸方向に沿って対向する二つの延在部分の内側に、両端が接続されている。第2フラップ板53の第2梁部54と接続されている端と反対側の端は、自由端となっている。第2フラップ板53は、第2梁部54を回転軸としてZ軸方向に搖動することができる。第1フラップ板51および第2フラップ板53のそれぞれの自由端は、Y軸方向の内側を向くように配置され、間隙を有して対向するように設けられている。
The
Both ends of the
第4電極としての検出用固定電極55は、第1フラップ板51および第2フラップ板53と間隙を有して対向し、平面視で第1フラップ板51および第2フラップ板53の配置された領域に略重なるように設けられている。検出用固定電極55は、基体10の第1面11に設けられた凹部14の底面13に設けられている。
The detection fixed
基体10の凹部14の底面13に設けられているモニター電極56、および検出用固定電極55は、例えばITO(酸化インジウムスズ)、ZnO(酸化亜鉛)などの透明電極材料をスパッタリング法などによって成膜し、フォトリソグラフィー法、エッチング法などでパターニングされることによって形成される。なお、モニター電極56、および検出用固定電極55は、透明電極材料に限らず、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)等の金属材料を用いることができる。また、基体10がシリコンのような半導体材料においては、検出用固定電極55、またはモニター電極56との間に、絶縁層を有していることが好ましい。絶縁層としては、例えばSiO2(酸化ケイ素)、AlN(窒化アルミ)、SiN(窒化ケイ素)などを用いることができる。
The
検出部50は、ジャイロ素子5がY軸を中心とする角速度を受けた場合に、振動体20(第1フラップ板51および第2フラップ板53)に生じるZ軸方向の振動を容量変化によって検出し、角速度を算出することができる。具体的には、第1フラップ板51および第2フラップ板53(第2電極)にDC電圧を印加した状態で、第1フラップ板51および第2フラップ板53がZ軸方向に振動(搖動)すると、第1フラップ板51および第2フラップ板53と検出用固定電極55との間の距離が変化し、第1フラップ板51および第2フラップ板53と検出用固定電極55との間の静電容量が変化する。その容量変化を検出用固定電極55(第4電極)の電流変化として検出することによって角速度を求めることができる。なお、この動作については、後段で詳述する。
The
駆動部40は、振動体20を励振することができる機構を有する。なお、駆動部40の構成および数は、振動体20を励振することができる限り、特に限定されない。例えば、駆動部40は、振動体20に直接設けられていてもよい。駆動部40は、図1に示すように、振動体20(支持部12)のY軸方向の外側に接続された駆動用可動電極部41と、基体10に駆動用可動電極部41と所定の距離を介して対向配置された駆動用固定電極部42から構成されている。なお、図示はされないが、駆動部40は、振動体20に直接接続せずに静電力等によって振動体20を励振する機構を有し、振動体20の外側に配置されていてもよい。
The
駆動用可動電極部41は、振動体20に接続されて複数設けられていてもよい。図示の例では、駆動用可動電極部41は、振動体20から+Y軸方向(または−Y軸方向)に延出している幹部と、該幹部から+X軸方向および−X軸方向に延出している複数の枝部と、を有する櫛歯状電極に設けられている。
A plurality of drive
駆動用固定電極部42は、駆動用可動電極部41の外側に配置されている。駆動用固定電極部42は、基体10の第1面11に接合(固定)されている。図示の例では、駆動用固定電極部42は複数設けられ、駆動用可動電極部41を介して対向配置されている。駆動用可動電極部41が櫛歯状の形状を有する場合、駆動用固定電極部42の形状は、駆動用可動電極部41に対応した櫛歯状電極であってもよい。
The driving fixed
駆動用可動電極部41および駆動用固定電極部42は、図示しない電源に電気的に接続されている。駆動用可動電極部41および駆動用固定電極部42に電圧が印加されると、駆動用可動電極部41と駆動用固定電極部42との間に静電力(静電気力)を発生させることができる。これにより、弾性支持体30をX軸に沿って伸縮させることができ、振動体20をX軸に沿って振動させることができる。
The driving
駆動部40の材質は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。駆動部40は、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって振動体20と共に一体的に加工することにより形成される。
The material of the
第2基体としての蓋体80は、第1基体としての基体10上に設けられている。基体10および蓋体80は、図2(a)、図2(b)に示すように、パッケージを構成することができる。基体10および蓋体80は、キャビティー82を形成することができ、キャビティー82に振動体20などを含むジャイロ素子5を収容することができる。キャビティー82は、例えば、不活性ガス(例えば窒素ガス)雰囲気、または真空雰囲気で密閉されていてもよい。
The
蓋体80の材質は、例えば、シリコン、ガラスである。蓋体80と基体10との接合方法は、特に限定されないが、例えば、基体10の材質がガラスであり、蓋体80の材質がシリコンである場合は、基体10と蓋体80とは、陽極接合されることができる。また、基体10と蓋体80との間の接合部分は、接着部材等によって埋められていてもよい。
The material of the
1−2.第1実施形態に係るジャイロセンサーの動作
次に、ジャイロセンサー100の動作について、図面を参照しながら説明する。図3および図4はジャイロセンサー100の動作を模式的に説明するための図であり、図3(a)および図4(a)は概略を示す平面図であり、図3(b)および図4(b)は、概略を示す図3(a)および図4(a)のC−C断面図である。なお、図3および図4では、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸、Z軸を図示している。また、便宜上、図3および図4では、ジャイロセンサー100の各構成を、簡略化して図示している。
1-2. Operation of Gyro Sensor According to First Embodiment Next, the operation of the
ジャイロセンサー100の振動モードでは、支持部12に接続された駆動部40における駆動用固定電極部42と駆動用可動電極部41との間に生じる静電力により、振動体20がX軸に沿って往復運動することができる。より具体的には、駆動用固定電極部42と駆動用可動電極部41との間に交番電圧を印加する。これにより、第1フラップ板51および第2フラップ板53などを含む振動体20を、所定の周波数で、X軸に沿って振動させることができる。
In the vibration mode of the
図3(a)、図3(b)に示す例では、振動体20は、所定の周波数で、α1方向(+X軸方向)およびα2方向(−X軸方向)に交互に変位している。
図4(a)、図4(b)に示すように、振動体20がX軸に沿って振動を行っている状態で、ジャイロセンサー100にY軸まわりの角速度ωが加わると、Z軸方向にコリオリの力が働き、振動体20に連結された検出部50を構成する第1フラップ板51および第2フラップ板53は、それぞれ第1梁部52および第2梁部54を回転軸としてZ軸方向(図示β1,β2方向)に搖動(変位)する。
In the example shown in FIGS. 3A and 3B, the vibrating
As shown in FIGS. 4A and 4B, when an angular velocity ω around the Y axis is applied to the
第1フラップ板51および第2フラップ板53がZ軸に沿って変位することにより、第1フラップ板51および第2フラップ板53と検出用固定電極55との間の距離が変化する。そのため、第1フラップ板51および第2フラップ板53と検出用固定電極55との間の静電容量が変化する。ジャイロセンサー100では、第1フラップ板51および第2フラップ板53にDC電圧を印加し、第1フラップ板51および第2フラップ板53と検出用固定電極55との間の容量変化を検出用固定電極55の電流変化として検出することによって、Y軸まわりの角速度ωを求めることができる。
When the
1−3.第1実施形態に係るジャイロセンサーの信号検出方法
次に、第1実施形態に係るジャイロセンサー100における信号検出方法について、図5を用いて説明する。図5は、第1実施形態に係るジャイロセンサーの信号検出方法を示し、図5(a)は信号検出方法を模式的に説明する断面図であり、図5(b)は信号検出方法の概略フローを示すフローチャートである。
1-3. Signal Detection Method of Gyro Sensor According to First Embodiment Next, a signal detection method in the
前述したように、振動体20は、図示しない駆動部40(図1参照)により、X軸方向に沿って往復する振動(矢印211)を行っている状態である。この状態の振動体20(ジャイロセンサー100)に、Y軸回りの角速度が加わった場合の信号検出方法について説明する。本発明の第1実施形態に係るジャイロセンサーの信号検出方法は、角速度の検出誤差を生じるZ軸方向の寄生振動などによる寄生信号を除去し、検出精度を高めた信号検出方法である。
As described above, the vibrating
第1実施形態に係るジャイロセンサーの信号検出方法の説明の前に、ジャイロセンサー100(ジャイロ素子5)におけるZ軸方向の寄生振動について説明する。振動体20などを含むジャイロ素子5(図1参照)を構成するシリコン構造体の形状は、例えばドライエッチング加工において加工誤差を生じるなどして、本来は正方形あるいは長方形になるべき断面形状が平行四辺形等に形成されてしまうことがある。このようにシリコン構造体の断面形状が平行四辺形になることにより、X軸方向に振動する駆動部40(図1参照)における駆動振動が、断面の斜辺に直交する方向に振動する成分(斜め振動)を生じる。この斜め振動は、Z軸方向の振動成分を有しており、駆動部40の駆動振動が第1フラップ板51および第2フラップ板53などの検出部50(図1参照)にZ軸方向の振動成分として伝わる、所謂振動モレ現象を生じてしまう。そして、この振動モレ現象による斜め振動が検出部50に伝わり、検出部50が角速度を検出する振動方向であるZ軸方向に振動してしまう、所謂クアドラチャー(Quadrature)現象を生じさせてしまう。このクアドラチャー現象により、クアドラチャー成分(Z軸方向の振動成分)を持った信号が発生し、角速度が生じていないにもかかわらず検出部50が角速度を検出してしまったり、検出した角速度に誤差を生じてしまったりする。
Prior to the description of the signal detection method of the gyro sensor according to the first embodiment, the parasitic vibration in the Z-axis direction in the gyro sensor 100 (gyro element 5) will be described. As for the shape of the silicon structure constituting the gyro element 5 (see FIG. 1) including the vibrating
以下、本発明に係るジャイロセンサー100の信号検出方法について説明する。ジャイロセンサー100は、取得された第1信号および第2信号を演算処理する演算処理部205、調整部としての増幅素子206などを備えている。
先ず、第1ステップにおいて、支持部12(第1電極)と、支持部12と対向するモニター電極56(第3電極)との間の容量変化を検出し、支持部12のZ軸方向の振動(矢印214)成分信号としての第1信号204を取得する(ステップS101)。具体的には、振動体20を構成する支持部12(第1電極)にDC電圧を印加した状態で支持部12がZ軸方向に振動する(矢印214)と、支持部12とモニター電極56との間の距離が変化し、支持部12とモニター電極56との間の静電容量が変化する。その容量変化をモニター電極56(第3電極)の電流変化として配線201から検出し、第1信号204を取得する。この支持部12のZ軸方向の振動(矢印214)は、本来発生しない斜め振動成分などの寄生振動成分(クアドラチャー成分ともいう)であり、後述する第2ステップにおいて取得する第2信号202のノイズ成分(寄生振動成分)となる振動成分である。
Hereinafter, a signal detection method of the
First, in the first step, a change in capacitance between the support part 12 (first electrode) and the monitor electrode 56 (third electrode) facing the
第1ステップにおいて取得された第1信号204は、調整部としての増幅素子206を介して増幅された増幅信号(第1信号)207として、演算処理部205に送信されてもよい。このように第1信号を増幅することにより、異なる振幅を有する第1信号204および第2信号202の振幅を合わせる。そして、後述する第3ステップにおいて、振幅の合った第1信号である増幅信号207と第2信号202とを足し合わせ処理(演算処理)することで、クアドラチャー成分が除去された本来の検出信号210(第3信号)を、容易に得ることができる。
The
次に、第2ステップにおいて、第1フラップ板51(第2電極)および第2フラップ板53(第2電極)と、第1フラップ板51および第2フラップ板53と対向する検出用固定電極55(第4電極)との間の容量変化を検出し、第1フラップ板51および第2フラップ板53のZ軸方向の振動(矢印212)成分信号としての第2信号202を取得する(ステップS102)。なお、このときの第1フラップ板51(第2電極)および第2フラップ板53(第2電極)は、Y軸まわりの角速度ωを受けてZ軸方向に振動している状態である。具体的には、第2電極としての第1フラップ板51および第2フラップ板53にDC電圧を印加した状態で第1フラップ板51(第2電極)および第2フラップ板53がZ軸方向に振動する(矢印212)と、第1フラップ板51(第2電極)および第2フラップ板53と検出用固定電極55との間の距離が変化する。その結果、第1フラップ板51(第2電極)および第2フラップ板53(第2電極)と検出用固定電極55との間の静電容量が変化し、その容量変化を検出用固定電極55(第4電極)の電流変化として配線203から検出し、第2信号202を取得する。この第2信号202には、Y軸まわりの角速度ωによるZ軸方向のコリオリの力を受けて第1フラップ板51および第2フラップ板53に生じる本来の振動成分と、本来発生しない斜め振動成分などの寄生振動成分(クアドラチャー成分ともいう)とが含まれている。
Next, in the second step, the first flap plate 51 (second electrode) and the second flap plate 53 (second electrode), and the detection fixed
次に、第3ステップにおいて、取得された第1信号204の増幅信号207(第1信号)および第2信号202を、演算処理部205が演算処理し、寄生振動成分(クアドラチャー成分)を除去した検出信号210を出力する(ステップS103)。具体的には、第2信号202の電流値から、寄生振動成分(クアドラチャー成分)に応じた支持部12のZ軸方向の振動成分である第1信号204の増幅信号207(第1信号)の電流値を除去するように、例えば第1信号204の増幅信号207(第1信号)と第2信号202とを足し合わせ処理することで、クアドラチャー成分が除去される。そして、クアドラチャー成分が除去された本来の検出信号210を出力することができ、この検出信号210によって、検出精度を高めたジャイロ素子5を得ることができる。
Next, in a third step, the
なお、検出部50を構成する第1フラップ板51および第2フラップ板53は、それぞれ第1梁部52および第2梁部54を介して支持部12に接続されている。支持部12、第1フラップ板51および第2フラップ板53は、それぞれの共振周波数でZ軸方向に振動することができる。そして、支持部12と、第1フラップ板51および第2フラップ板53とは、支持部12の振動振幅と第1フラップ板51および第2フラップ板53の振動振幅との振幅比(共振倍率:Resonance Magnification)によって、共振現象を生じることがある。この共振現象により、寄生振動成分(クアドラチャー成分)によって支持部12に生じたZ軸方向の振動が、第1フラップ板51および第2フラップ板53と共振し、第1フラップ板51および第2フラップ板53の寄生振動成分の振動振幅が大きくなってしまう。これにより、第1フラップ板51および第2フラップ板53によって検出されるべき本来の角速度における振動成分の検出精度が低下してしまうことになる。
In addition, the
しかしながら、支持部12の振動振幅、および第1フラップ板51および第2フラップ板53の振動振幅は、上記共振倍率に係る関係を有している。また、上記共振倍率は、支持部12の共振周波数fdと検出部50の共振周波数fsとの差である離調周波数で決まる。したがって、駆動周波数を管理することができるジャイロ素子5においては、支持部12の寄生振動成分(クアドラチャー成分)による信号を、支持部12と第1フラップ板51および第2フラップ板53との面積比や共振倍率を考慮して増幅することにより、検出部50における寄生振動成分(クアドラチャー成分)をキャンセルすることが可能となる。
However, the vibration amplitude of the
また、支持部12を振動させる共振周波数fdは、検出部50の共振周波数fsよりも大きくすることができる。このように、支持部12を振動させる共振周波数fdと、検出部50の共振周波数fsとの関係(離調周波数をマイナスにする)とすることにより、支持部12と検出部50との振動方向が逆向きになる。この結果、図6(a)で示す、モニター電極56から流れ出す電流I(2)および検出用固定電極55から流れ出す電流I(1)が、図6(b)に示すように、モニター電極56から流れ出す電流I(3)および検出用固定電極55から流れ出す電流I(1)の正負が逆になる。そして、二つの電流の絶対値が等しくなるように、共振倍率(Resonance Magnification)を考慮しながらそれぞれの電極の面積や間隔(ギャップ)を調整し、支持部12およびモニター電極56による容量変化と第1フラップ板51および第2フラップ板53および検出用固定電極55による容量変化とを調整する。このようにすることにより、モニター電極56と検出用固定電極55を同一電極として、演算処理を行うことなくクアドラチャー成分を除去した本来の検出信号を得ることができる。
Further, the resonance frequency fd for vibrating the
上述のような第1実施形態に係るジャイロセンサー100によれば、検出部50を構成する第1フラップ板51および第2フラップ板53(第2電極)に対向する検出用固定電極55(第4電極)から出力される、Z軸に沿った振動本来の検出信号と斜め振動成分(以下「クアドラチャー成分」ともいう)とを含む信号(第2信号202)と、支持部12(第1電極)に対向するモニター電極56から出力される、クアドラチャー成分を含む信号(第1信号204)と、を得ることができる。そしてこの二つの信号を演算処理することによって、クアドラチャー成分を除去した本来の検出信号210を得ることができる。これにより、検出精度を高めたジャイロセンサー100(ジャイロ素子5)を得ることが可能となる。
According to the
1−4.第2実施形態に係るジャイロセンサーの構成
本発明に係る機能素子としてのジャイロ素子を用いた電子デバイスとしてのジャイロセンサーの第2実施形態について図面を参照しながら説明する。図7は、第2実施形態に係るジャイロセンサー102を模式的に示す平面図である。図8は、第2実施形態に係るジャイロセンサー102を模式的に示す図7のD−D断面図である。なお、図7および図8では、互いに直交する3つの軸として、X軸(第1方向)、Y軸(第2方向)、Z軸(第3方向)を図示している。本第2実施形態に係るジャイロセンサー102は、前述の第1実施形態に係るジャイロセンサー100のジャイロ素子5がX軸方向に二つ並設された構成である。したがって、以下では、前述の第1実施形態と同様な構成については同符号を付してその説明を省略する。
1-4. Configuration of Gyro Sensor According to Second Embodiment A second embodiment of a gyro sensor as an electronic device using a gyro element as a functional element according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a plan view schematically showing the
図7および図8に示すように、第2実施形態のジャイロセンサー102は、第1基体としての基体10と、機能素子としてのジャイロ素子5bとを含んでいる。機能素子としてのジャイロ素子5bは、振動体20bと、弾性支持体30と、駆動部40と、を含んでいる。なお、振動体20bは、X軸方向に沿って並んで配置されている第1振動体21および第2振動体22を備えている。なお、第1振動体21および第2振動体22のそれぞれは、前述した第1実施形態の振動体20と同様な構成を有している。
As shown in FIGS. 7 and 8, the
ジャイロ素子5bは、第1基体としての基体10および第2基体としての蓋体80によって囲まれるキャビティー82に収容されている。ジャイロ素子5bは、基体10の上方に間隙(凹部14)を介して設けられている。ジャイロ素子5bは、基体10の第1面11に(基体10上に)設けられた固定部17に弾性支持体30を介して支持されている。ジャイロセンサー102では、ジャイロ素子5bを構成する検出部150が、Y軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサー素子(静電容量型MEMSジャイロセンサー素子)である。なお、便宜上、図7では、基体10および蓋体80を透視して図示している。また、振動体20bが設けられる基体10の基面である第1面11(図8参照)の法線方向から見ること、即ち基体10に支持されている振動体20bを上方から見ることを、以下、「平面視」という。
The
基体10の材質は、例えば、ガラス、シリコンである。基体10は、図8に示すように、第1面11と、第1面11と反対側の第2面11bと、を有している。第1面11には、凹部14が設けられている。凹部14の上方には、間隙を介して、振動体20b(第1振動体21、第2振動体22、および振動体連結部26)、弾性支持体30、および駆動部40が設けられている。凹部14によって、振動体20bは、基体10に妨害されることなく、所望の方向に可動することができる。凹部14の平面形状(Z軸方向から見たときの形状)は、特に限定されないが、本形態では、長方形である。凹部14は、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって形成される。
The material of the
基体10は、図8に示すように振動体20bの形態に応じて、第1面11に適宜設けられる固定部17を有している。固定部17は、振動体20bを支持する弾性支持体30の一端が固定(接合)され、弾性支持体30を介して振動体20bを支持する部分である。図7および図8に示すように、弾性支持体30の一端(固定部17)は、X軸方向において第1振動体21および第2振動体22のそれぞれを挟むように配置されていてもよい。また、図7に示すように、弾性支持体30の一端(固定部17)は、Y軸方向において第1振動体21および第2振動体22のそれぞれを挟むように配置されてもよい。即ち、弾性支持体30の一端(固定部17)は、2か所、あるいは4か所設けられてもよい。
As shown in FIG. 8, the
振動体20bを構成している第1振動体21および第2振動体22は、X軸に沿う方向(第1軸方向)において並設され、振動体連結部26によって連結されている。また、第1振動体21および第2振動体22は、弾性支持体30を介して、固定部17によって支持されており、基体10と離間して配置されている。より具体的には、基体10の上方に間隙(凹部14)を介して、第1振動体21および第2振動体22が設けられている。第1振動体21および第2振動体22は、例えば、フレーム状の形状(升形状)の支持部12(第1電極)が備えられている。第1振動体21および第2振動体22は、図7に示すように、両者の境界線である振動体連結部26の中央部を結ぶ線(Y軸に沿った直線)に対して、対称となる形状であってもよい。振動体20bの材質は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。振動体20bは、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって加工することにより形成される。なお、第1振動体21および第2振動体22については、前述の第1実施形態にて説明した振動体20と同様な構成であるので詳細な説明は省略する。
The first vibrating
第1振動体21および第2振動体22には、支持部12(第1電極)と間隙を有して対向し、平面視で支持部12の配置された領域に略重なるように、第3電極としてのモニター電極156が設けられている。具体的には、モニター電極156は、支持部12と同様に略フレーム状の形状(枠状)をなしている。第3電極としてのモニター電極156は、基体10の第1面11に設けられた凹部14の底面13に接合(固定)されている。なお、支持部12とモニター電極156の構成、および支持部12とモニター電極156との関係(作用)については第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
The first vibrating
振動体連結部26は、第1振動体21および第2振動体22をZ軸方向において変位し得るように構成されている。より具体的には、振動体連結部26は、第1振動体21および第2振動体22の間において、X軸に沿う方向に支持部12から延出され、Y軸方向に往復しながらX軸方向に延出する形状を有している。振動体連結部26は、X軸方向の中央部から延出された弾性体28の端部が第2固定部16によって基体10に接続されている。これにより、第1振動体21および第2振動体22は、Z軸方向において互いに逆相で振動することができる。なお、弾性体28の構成は、X軸に沿う方向に所定のバネ定数によって弾性変形することができる限り限定されない。
The vibrating
弾性支持体30は、X軸方向に振動体20bを変位し得るように構成されている。具体的には、弾性支持体30は、固定部17と接続される一端から振動体20b(第1振動体21または第2振動体22)までX軸に沿う方向に延出し、Y軸方向に往復しながらX軸方向に延出する形状を有している。弾性支持体30の一端は、固定部17(基体10の第1面11)に接合(固定)されている。また、弾性支持体30の他端は、振動体20b(第1振動体21または第2振動体22)の支持部12に接続されている。図示の例では、弾性支持体30は、振動体20bをX軸方向において挟むように、4つ設けられている。
The
弾性支持体30の材質は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。弾性支持体30は、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって振動体20bと共に一体的に加工することにより形成される。
The material of the
駆動部40は、振動体20bを励振することができる機構を有する。なお、駆動部40の構成および数は、第1振動体21または第2振動体22を励振することができる限り、特に限定されない。例えば、駆動部40は、振動体20bに直接設けられていてもよい。駆動部40は、図7に示すように、振動体20b(支持部12)のY軸方向の外側に接続された駆動用可動電極部41と、駆動用可動電極部41と所定の距離を介して対向配置された駆動用固定電極部42から構成されている。なお、図示はされないが、駆動部40は、振動体20bに直接接続せずに静電力等によって振動体20bを励振する機構を有し、振動体20bの外側に配置されていてもよい。なお、駆動部40を構成する駆動用可動電極部41および駆動用固定電極部42については、前述の第1実施形態と同様であるので、その構成および効果についての詳細な説明を省略する。
The
検出部150は、第1振動体21および第2振動体22を構成する支持部12の内側に設けられている。換言すれば、検出部150は、支持部12に対して、駆動部40の配置側と反対側に設けられている。検出部150は、可動電極としての第1フラップ板151および第2フラップ板153と、第1フラップ板151と接続された第1梁部152と、第2フラップ板153と接続された第2梁部154と、第4電極としての検出用固定電極155と、を有している。第1フラップ板151および第2フラップ板153は、前述のように、シリコンに、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与され、第2電極としての機能も有している。なお、第1フラップ板151、第2フラップ板153、第1梁部152、第2梁部154、および検出用固定電極155については、前述の第1実施形態における第1フラップ板51、第2フラップ板53、第1梁部52、第2梁部54、および検出用固定電極55と同様な構成であるので詳細な説明は省略する。
The
検出部150は、前述の第1実施形態と同様に、ジャイロ素子5bが加速度を受けた場合に、振動体20b(第1フラップ板151および第2フラップ板153)に生じるZ軸方向の振動を容量変化によって検出し、角速度を算出することができる。
As in the first embodiment described above, the
第2基体としての蓋体80は、基体10上に設けられている。基体10および蓋体80は、図8に示すように、パッケージを構成することができる。基体10および蓋体80は、キャビティー82を形成することができ、キャビティー82に振動体20bなどを含むジャイロ素子5bを収容することができる。キャビティー82は、例えば、不活性ガス(例えば窒素ガス)雰囲気、または真空雰囲気で密閉されていてもよい。
The
蓋体80の材質は、例えば、シリコン、ガラスである。蓋体80と基体10との接合方法は、特に限定されないが、例えば、基体10の材質がガラスであり、蓋体80の材質がシリコンである場合は、基体10と蓋体80とは、陽極接合されることができる。また、基体10と蓋体80との間の接合部分は、接着部材等によって埋められていてもよい。
The material of the
1−5.第2実施形態に係るジャイロセンサーの動作
次に、ジャイロセンサー102の動作について、簡単に説明する。ジャイロセンサー102の振動モードでは、第1振動体21と第2振動体22は、駆動部40により励振され、X軸に沿って互いに逆相(逆位相)で駆動振動することができる。より具体的には、第1振動体21に設けられた駆動用可動電極部41と駆動用固定電極部42との間に第1交番電圧を印加し、第2振動体22の駆動用可動電極部41と駆動用固定電極部42との間に第1交番電圧と位相が180度ずれた第2交番電圧を印加する。これにより、第1振動体21および第2振動体22を、互いに逆相(逆位相)で且つ所定の周波数で、X軸に沿って振動させることができる。即ち、X軸に沿って互いに連結された第1振動体21および第2振動体22は、X軸に沿って、互いに逆相で振動する。即ち、第1振動体21および第2振動体22は、X軸に沿って、互いに反対方向に変位する。
1-5. Operation of Gyro Sensor According to Second Embodiment Next, the operation of the
第1振動体21、第2振動体22がX軸に沿って振動を行っている状態で、ジャイロセンサー102にY軸まわりの角速度ωが加わると、コリオリの力が働き、第1フラップ板151および第2フラップ板153は、それぞれ第1梁部152および第2梁部154を回転軸としてZ軸に沿う方向に変位(振動)する。即ち、第1振動体21に連結された第1フラップ板151および第2フラップ板153と、第2振動体22に連結された第1フラップ板151および第2フラップ板153とは、Z軸に沿って、互いに反対方向に変位する。
When an angular velocity ω about the Y axis is applied to the
第1フラップ板151および第2フラップ板153は、Z軸に沿って変位することにより、第1フラップ板151および第2フラップ板153と検出用固定電極155との間の距離が変化する。そのため、第1フラップ板151および第2フラップ板153と検出用固定電極55との間の静電容量が変化する。ジャイロセンサー102では、第1フラップ板151および第2フラップ板153と検出用固定電極155とに電圧を印加することにより、第1フラップ板151および第2フラップ板153と検出用固定電極155との間の静電容量の変化量を検出し、Y軸まわりの角速度ωを求めることができる。
The
第2実施形態に係るジャイロセンサー102によれば、前述の第1実施形態のジャイロセンサー100の効果に加え次のような効果を有する。第2実施形態に係るジャイロセンサー102は、第1振動体21および第2振動体22の二つの振動体が振動体連結部26を介して並んで設けられている。このように配設されたそれぞれの振動体(第1振動体21および第2振動体22)を、互いに逆方向に駆動振動させ、それぞれの振動体ごとに計測された計測値に基いて角速度を算出することで、直線的に加わる加速度などをキャンセルすることが可能となる。したがって、ジャイロセンサー102は、加速度などの影響を受けることなくY軸まわりの角速度ωをより正確に検出することが可能となる。
The
1−6.第3実施形態に係るジャイロセンサーの構成
本発明に係る機能素子としてのジャイロ素子を用いた電子デバイスとしてのジャイロセンサーの第3実施形態について図面を参照しながら説明する。図9は、第3実施形態に係るジャイロセンサー104を模式的に示す平面図である。図10は、第2実施形態に係るジャイロセンサー104を模式的に示す図9のE−E断面図である。なお、図9および図10では、互いに直交する3つの軸として、X軸(第1軸方向)、Y軸(第2軸方向)、Z軸(第3軸方向)を図示している。なお、以下では、前述の第1実施形態と同様な構成については同符号を付してその説明を省略する。
1-6. Configuration of Gyro Sensor According to Third Embodiment A third embodiment of a gyro sensor as an electronic device using a gyro element as a functional element according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a plan view schematically showing the
ジャイロセンサー104は、図9および図10に示すように、第1基体としての基体10と、ジャイロ素子5cとを含んでいる。ジャイロ素子5cは、振動体20cと、弾性支持体30と、駆動部40と、検出部250と、モニター部260と、を含んでいる。ジャイロセンサー104では、ジャイロ素子5cを構成する検出部250が、Z軸回りの角速度を検出するジャイロセンサー素子(静電容量型MEMSジャイロセンサー素子)である。なお、便宜上、図9では、基体10および蓋体80を透視して図示している。また、基体10の振動体20cが設けられる基面である第1面11(図10参照)の法線方向から見ること、即ち基体10に支持されている振動体20cを上方から見ることを、以下、「平面視」という。
As shown in FIGS. 9 and 10, the
第1基体としての基体10の材質は、例えば、ガラス、シリコンである。基体10は、図10に示すように、第1面11と、第1面11と反対側の第2面11bと、を有している。第1面11には、凹部14が設けられている。凹部14の上方には、間隙を介して、振動体20c(第1振動体21、第2振動体22、および振動体連結部26)、弾性支持体30が設けられている。凹部14によって、振動体20cは、基体10に妨害されることなく、所望の方向に可動することができる。凹部14の平面形状(Z軸方向から見たときの形状)は、特に限定されないが、本形態では、長方形である。凹部14は、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって形成される。
The material of the base 10 as the first base is, for example, glass or silicon. As shown in FIG. 10, the
基体10は、図10に示すように振動体20cの形態に応じて、第1面11に適宜設けられる固定部17を有している。固定部17は、振動体20cを支持する弾性支持体30の一端が固定(接合)され、弾性支持体30を介して振動体20cを支持する部分である。図9および図10に示すように、固定部17は、X軸方向において振動体20cを挟むように配置されていてもよい。
As shown in FIG. 10, the
固定部17の第1面11(基体10)と、後述される弾性支持体30、駆動用固定電極部42、第1検出用固定電極部254、第2検出用固定電極部255、モニター電極256等と、の固定(接合)方法は、特に限定されないが、例えば、基体10の材質がガラスであり、振動体20c等の材質がシリコンである場合は、陽極接合を適用することができる。
The first surface 11 (base 10) of the fixing
ジャイロ素子5cは、図10に示すように、第1基体としての基体10および第2基体としての蓋体80によって囲まれるキャビティー82に収容されている。また、ジャイロ素子5cは、基体10に設けられた凹部14と間隙を介して振動体20cが設けられている。振動体20cは、基体10の第1面11に(基体10上に)弾性支持体30を介して支持される。
As shown in FIG. 10, the
振動体20cの材質は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。振動体20cは、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって加工することにより形成される。
The material of the vibrating
振動体20cは、弾性支持体30を介して固定部17に支持されており、基体10と離間して配置されている。振動体20cは、例えば、フレーム状の形状(枠状)を有することができ、振動体20cには、支持部12が備えられている。
The vibrating
モニター部260は、第1電極257およびモニター電極256によって構成されている。第1電極257は、振動体20cを構成するフレーム状の支持部12のX軸方向の2つの枠部から、X軸方向に沿って延出し、Y軸方向に並び設けられている。また、モニター電極256は、基体10の第1面11に設けられた凹部14の底面13に設けられている。モニター電極256は、第1電極257と間隙を有して対向し、並行するように設けられている。
The
第1電極257とモニター電極256とは、第1電極257とモニター電極256との間の容量変化によって、支持部12に生じたY軸方向の振動(支持部12のY軸方向の変位)を検出することができる。具体的には、支持部12(第1電極)にDC電圧を印加した状態で支持部12がY軸方向に振動すると、支持部12から延出されている第1電極257とモニター電極256との間の距離が変化し、第1電極257とモニター電極256との間の静電容量が変化する。その容量変化をモニター電極256(第3電極)の電流変化として検出することによって支持部12のY軸方向の振動を求めることができる。
The
弾性支持体30は、X軸方向に振動体20cを変位し得るように構成されている。より具体的には、弾性支持体30は、固定部17に接続される一端から振動体20cまでX軸に沿う方向に延出し、Y軸方向に往復しながらX軸方向に延出する形状を有している。弾性支持体30の一端は、固定部17(基体10の第1面11)に接合(固定)されている。また、弾性支持体30の他端は、振動体20cに接続されている。図示の例では、弾性支持体30は、振動体20cをX軸方向において挟むように、4つ設けられている。
The
弾性支持体30の材質は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。弾性支持体30は、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって振動体20cと共に一体的に加工することにより形成される。
The material of the
検出部250は、振動体20cに連結されている。検出部250は、振動体20cの支持部12の内側に設けられている。検出部250は、検出基部65と、検出用支持部251と、検出用バネ部252と、第2電極としての検出用可動電極部253と、第4電極としての第1検出用固定電極部254および第2検出用固定電極部255と、を有している。
The
検出用バネ部252は、支持部12の内側に配置されている。検出用バネ部252は、検出基部65と振動体20c(支持部12)とを接続している。より具体的には、検出用バネ部252の一端は、検出基部65に接続されている。検出用バネ部252の他端は、振動体20cに(支持部12)接続されている。検出用バネ部252は、Y軸方向に検出用支持部251を変位し得るように構成されている。より具体的には、検出用バネ部252は、X軸方向に往復しながらY軸方向に延出する形状を有している。検出用可動電極部253は、支持部12の内側に、検出基部65に接続されて配置されている。図示の例では、検出用可動電極部253は、検出基部65からX軸に沿って延出されている。
The detection spring portion 252 is disposed inside the
第1検出用固定電極部254および第2検出用固定電極部255は、基体10の第1面11に設けられた凹部14の底面13に設けられている。図示の例では、第1検出用固定電極部254および第2検出用固定電極部255は、複数設けられており、検出用可動電極部253を介して、対向配置されている。換言すれば、第1検出用固定電極部254および第2検出用固定電極部255は、検出用可動電極部253と平面視で重ならないように配置されている。
The first detection fixed
第1検出用固定電極部254および第2検出用固定電極部255を除く検出部250の材質は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。第1検出用固定電極部254および第2検出用固定電極部255を除く検出部250は、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって振動体20cと共に一体的に加工することにより形成される。
The material of the
駆動部40は、平面視で、振動体20c支持部12に対して、検出部250と反対側に設けられている。これにより、第1検出用固定電極部254および第2検出用固定電極部255と駆動部40とが、重ならないように配置することができる。駆動部40は、振動体20cを励振することができる機構を有する。なお、駆動部40の構成および数は、振動体20cを励振することができる限り、特に限定されない。例えば、駆動部40は、振動体20cに直接設けられていてもよい。図9に示すように、振動体20cの外側に接続された駆動用可動電極部41と、駆動用可動電極部41と所定の距離を介して対向配置された駆動用固定電極部42から構成されていてもよい。また、図示はされないが、駆動部40は、振動体20cに直接接続せずに静電力等によって振動体20cを励振する機構を有し、振動体20cの外側に配置されていてもよい。なお、駆動部40を構成する駆動用可動電極部41および駆動用固定電極部42については、前述の第1実施形態と同様であるので、その構成および効果についての詳細な説明を省略する。
The
第2基体としての蓋体80は、基体10上に設けられている。基体10および蓋体80は、図10に示すように、パッケージを構成することができる。基体10および蓋体80は、キャビティー82を形成することができ、キャビティー82に振動体20cを収容することができる。例えば、基体10と蓋体80との間の接合部分は、接着部材等によって埋められていてもよい。この場合、キャビティー82は、例えば、不活性ガス(例えば窒素ガス)雰囲気、または真空雰囲気で密閉されていてもよい。
The
蓋体80の材質は、例えば、シリコン、ガラスである。蓋体80と基体10との接合方法は、特に限定されないが、例えば、基体10の材質がガラスであり、蓋体80の材質がシリコンである場合は、基体10と蓋体80とは、陽極接合されることができる。
The material of the
1−7.第3実施形態に係るジャイロセンサーの動作
次に、第3実施形態に係るジャイロセンサー104の動作について、図面を参照しながら説明する。図11(a)、図11(b)および図12(a)、図12(b)は、ジャイロセンサー104の動作を模式的に説明するための図である。なお、図11および図12では、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸、Z軸を図示している。また、便宜上、図11および図12では、ジャイロセンサー104の各構成を、簡略化して図示している。
1-7. Operation of Gyro Sensor According to Third Embodiment Next, the operation of the
前述のように、ジャイロセンサー104の振動モードでは、振動体20cは、駆動部40により励振され、駆動振動することができる。より具体的には、振動体20cに設けられた駆動用可動電極部41と駆動用固定電極部42との間に第1交番電圧を印加する。これにより、振動体20cを、所定の周波数で、X軸に沿って振動させることができる。
As described above, in the vibration mode of the
図11(a)に示す例では、振動体20cは、α1方向(−X軸方向)に変位している。図11(b)に示す例では、振動体20cは、α2方向に変位している。同様に、検出部250の振動体20cに連結されている部分は、振動体20cの振動に伴い、X軸に沿って変位する。
In the example shown in FIG. 11A, the vibrating
図12(a)および図12(b)に示すように、振動体20cがX軸に沿って振動を行っている状態で、ジャイロセンサー104にZ軸回りの角速度ωが加わると、コリオリの力が働き、検出部250は、Y軸に沿って変位する。すなわち、振動体20cに連結された検出部250は、Y軸に沿って変位する。図12(a)に示す例では、検出部250は、β1方向に変位している。図12(b)に示す例では、検出部250は、β2方向に変位している。
As shown in FIGS. 12A and 12B, when an angular velocity ω around the Z axis is applied to the
検出部250がY軸に沿って変位することにより、検出用可動電極部253と第1検出用固定電極部254との間の距離Lは、変化する。それにより、検出用可動電極部253と第1検出用固定電極部254との間の静電容量が変化する。ジャイロセンサー104では、検出用可動電極部253および第1検出用固定電極部254に電圧を印加し、検出用可動電極部253と第1検出用固定電極部254との間の静電容量の変化量を電流値の変化量として検出することによって、Z軸回りの角速度ωを求めることができる。
When the
第3実施形態に係るジャイロセンサー104においても、前述の第1実施形態のジャイロセンサー100と同様な信号検出方法を適用することが可能である。なお、この信号検出方法については、説明を省略する。
Also in the
第3実施形態に係るジャイロセンサー104によれば、Z軸まわりの角速度ωを検出することができる。加えて、前述の第1実施形態のジャイロセンサー100と同様な効果を有する。具体的な一例として、ジャイロセンサー104は、検出部250を構成する第2電極としての検出用可動電極部253に対向する第4電極としての第1検出用固定電極部254および第2検出用固定電極部255から出力される、Y軸に沿った振動本来の検出信号とX軸に沿った斜め振動成分(以下「クアドラチャー成分」ともいう)とを含む信号(第2信号)を得ることとができる。加えて、ジャイロセンサー104は、第1電極257に対向する第3電極としてのモニター電極256から出力される、クアドラチャー成分を含む信号(第1信号)を得ることができる。そしてこの二つの信号を演算処理することによって、クアドラチャー成分を除去した本来の検出信号を得ることができる。これにより、検出精度を高めたジャイロセンサー104(ジャイロ素子5c)を得ることが可能となる。
According to the
2.ジャイロセンサーの製造方法
次に、本実施形態に係るジャイロセンサー100,102,104の製造方法について簡単に説明する。なお、本説明では、第1実施形態に係るジャイロセンサー100を例として図1および図2を参照しながら説明する。また、本説明では、図1および図2と同様な符号を付して説明する。
2. Next, a method for manufacturing the
先ず、基板(基体10)の第1面11に、凹部14を形成する。このとき、凹部14の周囲に溝部(図示せず)を形成することができる。凹部14、溝部は、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術により形成される。これにより、第1面11に凹部14が設けられている基体10を用意することができる。
First, the
次に、図示はされないが、凹部14内を含む基体10上に駆動部40や検出部50を構成するための配線(検出用固定電極55、モニター電極56を含む)を形成することができる。配線は、例えば、スパッタ法やCVD(Chemical Vapor Deposition)法などによって成膜された後、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によってパターニングされることによって形成される。
Next, although not shown, wiring (including the detection fixed
次に、基体10上に振動体20、弾性支持体30、駆動部40等を形成する。より具体的には、シリコン基板(図示せず)を基体10の第1面11に載置(接合)し、該シリコン基板を薄膜化させた後にパターニングすることにより形成される。パターニングは、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって行われる。シリコン基板と基体10の接合は、例えば、陽極接合によって行われる。本工程において、第1面11上に駆動用固定電極部42、駆動部40、検出部50を形成することができる。
Next, the vibrating
図2に示すように、基体10および蓋体80を接合して、基体10および蓋体80によって囲まれるキャビティー82に振動体20を収容する。基体10と蓋体80との接合は、例えば、陽極接合によって行われる。
以上の工程により、ジャイロセンサー100を製造することができる。
As shown in FIG. 2, the
Through the above steps, the
3.第4実施形態に係るジャイロセンサーの構成
本発明に係る機能素子としてのジャイロ素子を用いた電子デバイスとしてのジャイロセンサーの第4実施形態について図面を参照しながら説明する。図13は、第4実施形態に係るジャイロセンサー106を模式的に示す断面図である。なお、図13の切断位置は、前述の図2(a)と同様である。また、図13では、互いに直交する3つの軸として、X軸(第1軸方向)、Y軸(第2軸方向)、Z軸(第3軸方向)を図示している。本第4実施形態に係るジャイロセンサー106は、前述の第1実施形態に係るジャイロセンサー100の構成と、第3電極としてのモニター電極および第4電極としての検出用固定電極の配置が異なる構成である。したがって、以下では、前述の第1実施形態と異なる構成を中心に説明し、同様な構成については同符号を付してその説明を省略する。
3. Configuration of Gyro Sensor According to Fourth Embodiment A fourth embodiment of a gyro sensor as an electronic device using a gyro element as a functional element according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing the
図13に示す第4実施形態のジャイロセンサー106は、第1基体としての基体10と、機能素子としてのジャイロ素子5とを含んでいる。ジャイロ素子5は、振動体20(図示1参照)と、弾性支持体30と、駆動部40(図1参照)と、を含んでいる。基体10およびジャイロ素子5の構成は、第1実施形態と同様であるので、以下においては詳細な説明を省略する。
A
ジャイロ素子5は、第1基体としての基体10および第2基体としての蓋体80によって囲まれるキャビティー82に収容されている。ジャイロ素子5は、基体10の上方に間隙(凹部14)を介して設けられている。ジャイロ素子5は、基体10の第1面11に(基体10上に)設けられた固定部17に弾性支持体30を介して支持されている。ジャイロセンサー106では、ジャイロ素子5を構成する検出部50が、Y軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサー素子(静電容量型MEMSジャイロセンサー素子)である。
The
基体10は、第1面11と、第1面11と反対側の第2面11bと、を有している。第1面11には、凹部14が設けられている。凹部14の上方には、間隙を介して、振動体(図示せず)、弾性支持体30、などのジャイロ素子5が設けられている。凹部14によって、ジャイロ素子5は、基体10に妨害されることなく、所望の方向に可動することができる。なお、振動体20が設けられる基体10の基面である第1面11の法線方向から見ること、即ち基体10に支持されている振動体20を上方から見ることを、以下、「平面視」という。
The
振動体20(図1参照)は、弾性支持体30に一端15を介して、固定部17に支持されており、基体10と離間して配置されている。振動体20は、第1実施形態と同様に、例えばフレーム状の形状(枠状)の支持部12(第1電極)が備えられている。振動体20の材質は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。振動体20は、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって加工することにより形成される。なお、振動体20については、前述の第1実施形態と同様な構成であるので詳細な説明は省略する。
The vibrating body 20 (see FIG. 1) is supported by the fixing
第2基体としての蓋体80には、支持部12(第1電極)と間隙を有して対向し、平面視で支持部12の配置された領域に略重なるように、第3電極としてのモニター電極56aが設けられている。具体的には、モニター電極56aは、支持部12と同様に略フレーム状の形状(枠状)をなしている。第3電極としてのモニター電極56aは、蓋体80の内面に設けられている。なお、支持部12とモニター電極56aの構成、および支持部12とモニター電極56aとの関係(作用)については第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
The
検出部50(図1参照)を構成する可動電極としての第1フラップ板51および第2フラップ板53は、支持部12の内側に設けられている。そして、第1フラップ板51および第2フラップ板53に対向するように、第4電極としての検出用固定電極55aが設けられている。第4電極としての検出用固定電極55aは、第1フラップ板51および第2フラップ板53に対向し、第1フラップ板51および第2フラップ板53と平面視で少なくとも一部が重なるように、蓋体80の内面に設けられている。このような検出部50は、前述の第1実施形態と同様に、ジャイロ素子5が加速度を受けた場合に、振動体20(第1フラップ板51および第2フラップ板53)に生じるZ軸方向の振動を容量変化によって検出し、角速度を算出することができる。
The
第2基体としての蓋体80は、基体10上に設けられている。基体10および蓋体80は、パッケージを構成することができる。基体10および蓋体80は、キャビティー82を形成することができ、キャビティー82にジャイロ素子5を収容することができる。キャビティー82は、例えば、不活性ガス(例えば窒素ガス)雰囲気、または真空雰囲気で密閉されていてもよい。また、第2基体としての蓋体80は、基体10と対向する面である内面に、前述にように第3電極としてのモニター電極56aおよび第4電極としての検出用固定電極55aを形成することができる。モニター電極56aおよび検出用固定電極55aは、例えばスパッタリング法などで形成された導電層をフォトリソグラフィー法などによってパターニングすることによって形成することができる。
The
蓋体80の材質は、例えば、シリコン、ガラスである。蓋体80と基体10との接合方法は、特に限定されないが、例えば、基体10の材質がガラスであり、蓋体80の材質がシリコンである場合は、基体10と蓋体80とは、陽極接合されることができる。また、基体10と蓋体80との間の接合部分は、接着部材等によって埋められていてもよい。
The material of the
なお、ジャイロセンサー106の動作については、前述の第1実施形態のジャイロセンサー100と同様である。したがって、ここでの説明は省略するが、このような第4実施形態のジャイロセンサー106においても、前述の第1実施形態のジャイロセンサー100と同様な効果を有している。
The operation of the
なお、上述の第1実施形態〜第4実施形態では、振動体20の構成として、振動体20が一つの構成、および第1振動体21および第2振動体22の二つが設けられている構成を例に説明したが、振動体20の構成としては、3つ以上の第1〜第n振動体が用いられている構成であってもよい。
In the first to fourth embodiments described above, as the configuration of the vibrating
また、上述では、機能素子の一例として角速度を検出するジャイロセンサー100,102,104,106に用いられるジャイロ素子5,5b,5cについて説明したが、機能素子はこれに限らない。機能素子の形態としては、減圧状態や不活性ガス雰囲気で密閉されたキャビティー82内で動作するものであれば、特に限定されず、例えば、加速度センサーに用いられる加速度検出素子、圧力計に用いられる圧力検出素子、振動子、マイクロアクチュエーターなどの各種の機能素子を挙げることができる。
In the above description, the
4.電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る電子機器は、本発明に係るジャイロセンサー100,102,104,106のいずれかを含む。以下では、本発明に係るジャイロセンサー100を含む電子機器を例として説明する。
4). Next, an electronic device according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. The electronic device according to the present embodiment includes any of the
図14は、本実施形態に係る電子機器として、モバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューター1100を模式的に示す斜視図である。図14に示すように、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部1108を有する表示ユニット1106と、により構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、ジャイロセンサー100が内蔵されている。
FIG. 14 is a perspective view schematically showing a mobile (or notebook)
図15は、本実施形態に係る電子機器として、携帯電話機(PHSも含む)1200を模式的に示す斜視図である。図15に示すように、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部1208が配置されている。このような携帯電話機1200には、ジャイロセンサー100が内蔵されている。
FIG. 15 is a perspective view schematically showing a mobile phone (including PHS) 1200 as the electronic apparatus according to the present embodiment. As shown in FIG. 15, the
図16は、本実施形態に係る電子機器として、デジタルスチールカメラ1300を模式的に示す斜視図である。なお、図16には、外部機器との接続についても簡易的に示している。ここで、従来のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、デジタルスチールカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
FIG. 16 is a perspective view schematically showing a
デジタルスチールカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部1310が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部1310は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。撮影者が表示部1310に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。
A
また、このデジタルスチールカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、ビデオ信号出力端子1312には、テレビモニター1430が、データ通信用の入出力端子1314には、パーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。このようなデジタルスチールカメラ1300には、ジャイロセンサー100が内蔵されている。
In the
以上のような電子機器としてのパーソナルコンピューター1100、携帯電話機1200、デジタルスチールカメラ1300は、2つの振動体が逆相で振動する駆動系において、相互間の振動エネルギー交換を阻害せず、且つ容量結合による特性の劣化を防止することができるジャイロセンサー100を有することができる。
The
なお、上記ジャイロセンサー100を備えた電子機器は、図14に示すパーソナルコンピューター1100(モバイル型パーソナルコンピューター)、図15に示す携帯電話機1200、図16に示すデジタルスチールカメラ1300の他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ヘッドマウントディスプレイ、ビデオテープレコーダー、各種ナビゲーション装置、ページャー、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、ロケット、船舶の計器類)、ロボットや人体などの姿勢制御、フライトシミュレーターなどを挙げることができる。
In addition to the personal computer 1100 (mobile personal computer) shown in FIG. 14, the
5.移動体
図17は、本実施形態に係る移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図である。自動車506には本発明に係る機能素子(ジャイロ素子5)を用いたジャイロセンサー100が搭載されている。例えば、同図に示すように、移動体としての自動車506には、機能素子(ジャイロ素子5)を用いたジャイロセンサー100を内蔵してタイヤ509などを制御する電子制御ユニット508が車体507に搭載されている。また、ジャイロセンサー100は、他にもキーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム、等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)に広く適用できる。
5. FIG. 17 is a perspective view schematically showing an automobile as an example of a mobile object according to the present embodiment. The
上述した実施形態は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。 The above-described embodiments are examples, and the present invention is not limited to these. For example, the embodiments can be appropriately combined.
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。 The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the invention includes a configuration that achieves the same effect as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
5,5b,5c…ジャイロ素子、10…第1基体としての基体、11…第1面、11b…第2面、12…第1電極としての支持部、13…底面、14…凹部、15…弾性支持体の一端、16…第2固定部、17…固定部、20…振動体、21…第1振動体、22…第2振動体、26…振動体連結部、28…弾性体、30…弾性支持体、40…駆動部、41…駆動用可動電極部、42…駆動用固定電極部、50…検出部、51…第2電極としての第1フラップ、52…第1梁部、53…第2電極としての第2フラップ、54…第2梁部、55…第4電極としての検出用固定電極、56…第3電極としてのモニター電極、80…第2基体としての蓋体、82…キャビティー、100,102,104,106…電子デバイスとしてのジャイロセンサー、506…移動体としての自動車、1100…電子機器としてのパーソナルコンピューター、1102…キーボード、1104…本体部、1106…表示ユニット、1108…表示部、1200…電子機器としての携帯電話機、1202…操作ボタン、1204…受話口、1206…送話口、1208…表示部、1300…電子機器としてのデジタルスチールカメラ、1302…ケース、1304…受光ユニット、1306…シャッターボタン、1308…メモリー、1310…表示部、1312…ビデオ信号出力端子、1314…入出力端子、1430…テレビモニター、1440…パーソナルコンピューター。
5, 5b, 5c ... Gyro element, 10 ... Base as first base, 11 ... First surface, 11b ... Second surface, 12 ... Supporting portion as first electrode, 13 ... Bottom, 14 ... Recess, 15 ... One end of the elastic support, 16 ... second fixing part, 17 ... fixing part, 20 ... vibrating body, 21 ... first vibrating body, 22 ... second vibrating body, 26 ... vibrating body connecting part, 28 ... elastic body, 30 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Elastic support, 40 ... Drive part, 41 ... Movable electrode part for drive, 42 ... Fixed electrode part for drive, 50 ... Detection part, 51 ... 1st flap as 2nd electrode, 52 ... 1st beam part, 53 2nd flap as 2nd electrode, 54 ... 2nd beam part, 55 ... Fixed electrode for detection as 4th electrode, 56 ... Monitor electrode as 3rd electrode, 80 ... Lid body as 2nd base, 82 ... Cavity, 100, 102, 104, 106 ... Gyrocene as an electronic device -506 ... Automobile as a moving body, 1100 ... Personal computer as an electronic device, 1102 ... Keyboard, 1104 ... Main unit, 1106 ... Display unit, 1108 ... Display unit, 1200 ... Mobile phone as electronic device, 1202 ...
Claims (12)
第1基体と、
前記第1基体に接続され、前記第1軸および前記第2軸を含む平面に沿って振動可能であり、第1電極を有する支持部と、
前記支持部に支持され、前記第3軸に沿うように振動可能であり、第2電極を有する検出部と、
前記第1電極と対向するように配置されている第3電極と、
前記第2電極と対向するように配置されている第4電極と、
を備えていることを特徴とする電子デバイス。 When two axes orthogonal to each other are defined as a first axis and a second axis, and an axis parallel to the normal of the surface including the first axis and the second axis is defined as a third axis,
A first substrate;
A support portion connected to the first base body, capable of vibrating along a plane including the first axis and the second axis, and having a first electrode;
A detection unit supported by the support unit, capable of vibrating along the third axis, and having a second electrode;
A third electrode disposed to face the first electrode;
A fourth electrode disposed to face the second electrode;
An electronic device comprising:
前記第3電極および前記第4電極の少なくとも一方は、前記第2基体に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の電子デバイス。 A second substrate connected to the first substrate;
The electronic device according to claim 1, wherein at least one of the third electrode and the fourth electrode is provided on the second base.
前記第2電極および前記第4電極の少なくとも一方から出力される第2信号と、を有し、
前記第1信号および前記第2信号を元に演算処理を行い、演算結果に基づいて第3信号を出力する演算処理部を備えていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の電子デバイス。 A first signal output from at least one of the first electrode and the third electrode;
A second signal output from at least one of the second electrode and the fourth electrode,
6. The method according to claim 1, further comprising: an arithmetic processing unit that performs arithmetic processing based on the first signal and the second signal and outputs a third signal based on the arithmetic result. The electronic device according to one item.
第1基体と、
前記第1基体に接続され、前記第1軸に沿うように振動可能であり、第1電極を有する支持部と、
前記支持部に支持され、前記第2軸に沿うように振動可能であり、第2電極を有する検出部と、
前記第1電極と対向するように配置されている第3電極と、
前記第2電極と対向するように配置されている第4電極と、
を備えていることを特徴とする電子デバイス。 When two axes orthogonal to each other are defined as a first axis and a second axis, and an axis parallel to the normal of the surface including the first axis and the second axis is defined as a third axis,
A first substrate;
A support portion connected to the first base body, capable of vibrating along the first axis, and having a first electrode;
A detection unit supported by the support unit, capable of vibrating along the second axis, and having a second electrode;
A third electrode disposed to face the first electrode;
A fourth electrode disposed to face the second electrode;
An electronic device comprising:
前記第1軸および前記第2軸を含む平面に沿うように振動可能であり、第1電極を有する支持部と、
前記支持部に支持され、前記第3軸に沿うように振動可能であり、第2電極を有する検出部と、
前記第1電極と対向するように配置されている第3電極と、
前記第2電極と対向するように配置されている第4電極と、を備えている電子デバイスの信号検出方法であって、
前記第1電極および前記第3電極の少なくとも一方から出力される、前記支持部の前記第3軸方向の振動成分である第1信号を取得する第1ステップと、
前記第2電極および前記第4電極の少なくとも一方から出力される第2信号を取得する第2ステップと、
前記第2信号から、前記第1信号に応じた信号を除去する演算処理を行い、検出信号を出力する第3ステップと、
を備えていることを特徴とする電子デバイスの信号検出方法。 When two axes orthogonal to each other are defined as a first axis and a second axis, and an axis parallel to the normal of the surface including the first axis and the second axis is defined as a third axis,
A support portion having a first electrode capable of vibrating along a plane including the first axis and the second axis;
A detection unit supported by the support unit, capable of vibrating along the third axis, and having a second electrode;
A third electrode disposed to face the first electrode;
A signal detection method for an electronic device comprising: a fourth electrode arranged to face the second electrode;
A first step of obtaining a first signal which is a vibration component in the third axial direction of the support portion, which is output from at least one of the first electrode and the third electrode;
A second step of obtaining a second signal output from at least one of the second electrode and the fourth electrode;
A third step of performing a calculation process for removing a signal corresponding to the first signal from the second signal and outputting a detection signal;
A signal detection method for an electronic device, comprising:
前記第1軸に沿うように振動可能であり、第1電極を有する支持部と、
前記支持部に支持され、前記第2軸に沿うように振動可能であり、第2電極を有する検出部と、
前記第1電極と対向するように配置されている第3電極と、
前記第2電極と対向するように配置されている第4電極と、を備えている電子デバイスの信号検出方法であって、
前記第1電極および前記第3電極の少なくとも一方から出力される、前記支持部の前記第3軸方向の振動成分である第1信号を取得する第1ステップと、
前記第2電極および前記第4電極の少なくとも一方から出力される第2信号を取得する第2ステップと、
前記第2信号から、前記第1信号に応じた信号を除去する演算処理を行い、検出信号を出力する第3ステップと、
を備えていることを特徴とする電子デバイスの信号検出方法。 When two axes orthogonal to each other are defined as a first axis and a second axis, and an axis parallel to the normal of the surface including the first axis and the second axis is defined as a third axis,
A support portion capable of vibrating along the first axis and having a first electrode;
A detection unit supported by the support unit, capable of vibrating along the second axis, and having a second electrode;
A third electrode disposed to face the first electrode;
A signal detection method for an electronic device comprising: a fourth electrode arranged to face the second electrode;
A first step of obtaining a first signal which is a vibration component in the third axial direction of the support portion, which is output from at least one of the first electrode and the third electrode;
A second step of obtaining a second signal output from at least one of the second electrode and the fourth electrode;
A third step of performing a calculation process for removing a signal corresponding to the first signal from the second signal and outputting a detection signal;
A signal detection method for an electronic device, comprising:
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