JP3374636B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転体の角速度を
検出するのに用いられる角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術による角速度センサについて、
図１２ないし図１４に示す図面と共に説明する。

【０００３】図中、１はマイクロマシニング技術によっ
て作製された角速度センサ、２は該角速度センサ１の本
体をなすように例えば高抵抗な単結晶のシリコン材料か
ら形成された基板をそれぞれ示し、該基板２は図１２，
図１３に示すように長方形の板状に形成されている。こ
こで、便宜上、基板２の長手方向と直交する方向をＸ軸
方向、長手方向をＹ軸方向、厚さ方向をＺ軸方向とす
る。

【０００４】３は例えばＰ，Ｂ，Ｓｂ等の不純物がドー
ピングされた低抵抗なポリシリコンからなる可動部を示
し、該可動部３は例えば酸化シリコン等により基板２の
表面に設けた絶縁膜４（図１４、参照）を介して基板２
上に、マイクロマシニングによる犠牲層エッチング技術
によって形成され、Ｙ軸方向で対向するように固着され
た一対の支持部５，５と、基端側が該各支持部５に一体
形成され、Ｙ軸方向に直線状に伸長する４本の支持梁
６，６，…と、該各支持梁６の先端側に一体形成された
略長方形状の振動体７とからなり、振動体７のＸ軸方向
となる左，右両側面には、複数個の電極板８Ａ，８Ａ，
…からなる可動側くし状電極８，８が突出形成されてい
る。また、可動部３は各支持部５のみが基板２に固着さ
れ、各支持梁６と振動体７とは基板２から所定間隔を離
間した状態で該基板２と平行に保持されることにより、
振動体７は基板２に対してＸ軸方向とＺ軸方向に変位可
能に配設されている。

【０００５】９，９は例えば低抵抗なポリシリコンによ
って形成され、振動体７を挟むように絶縁膜４を介して
基板２上に固着された一対の固定部を示し、該各固定部
９には前記可動側くし状電極８，８と対向する面に電極
板１０Ａ，１０Ａ，…を有する固定側くし状電極１０が
それぞれ形成されている。そして、可動側くし状電極８
と各固定側くし状電極１０とは、図１３に示すように隙
間を介して互いに対向し、各電極板８Ａ，１０Ａが互い
に離間した状態で噛合するように交互に配設されてい
る。

【０００６】１１，１１は振動発生手段となる振動発生
部を示し、該各振動発生部１１は可動側くし状電極８と
各固定側くし状電極１０とから構成されている。ここ
で、各振動発生部１１に周波数ｆの駆動信号を交互に印
加すると、各電極板８Ａ，１０Ａ間には静電引力が交互
に反対向きに発生し、この静電引力によって振動体７は
矢示Ａ方向（Ｘ軸方向）に振動する。

【０００７】１２は基板２上に形成された基板側電極
で、該基板側電極１２は図１４に示すように、例えば
Ｐ，Ｓｂ等の不純物を基板２の表面に基板２と反対の極
性（Ｐ型に対してＮ型、Ｎ型に対してＰ型）となるよう
に高密度にドーピングすることにより導電性を有するよ
うに形成されて基板２と基板側電極１２にはＰＮ接合に
よって分離され、振動体７の下側に位置して該振動体７
と所定距離を離間した状態で対向している。

【０００８】１３は変位検出手段となる変位検出部を示
し、該変位検出部１３は振動体７と基板側電極１２とか
ら構成され、振動体７と基板側電極１２とのＺ軸方向に
おける離間寸法の変化を、両者間の静電容量の変化とし
て検出する。

【０００９】１４，１４は各固定部９上にそれぞれ固着
された振動駆動用の電極パットで、該各電極パット１４
は図１２に示すように、例えばＡｕ等の金属材料から形
成され、各固定側くし状電極１０と電気的に導通してい
る。また、１５は可動部３に固着された可動側くし状電
極８に導通した検出用の電極パット、１６は引出線１６
Ａを介して基板側電極１２に接続された検出用の電極パ
ットをそれぞれ示している。

【００１０】このように構成される角速度センサ１にお
いては、各振動発生部１１に逆位相となる周波数ｆの駆
動信号を印加することにより、前記振動体７は図１２中
の矢示Ａ方向の振動を行い、この状態でＹ軸を回転軸と
する角速度Ωが加わると、前記振動体７には角速度Ωに
比例したＺ軸方向にコリオリ力Ｆ（慣性力）が発生す
る。

【００１１】この結果、振動体７はこのコリオリ力Ｆに
比例した振幅をもってＺ軸方向に振動し、この振動の振
幅（変位）を変位検出部１３によって振動体７と基板側
電極１２との間の静電容量の変化として検出することに
より、Ｙ軸周りの角速度Ωを検出する。

【００１２】また、振動体７に作用するコリオリ力Ｆは
Ｘ軸方向に発生させる矢示Ａ方向の振動による振幅の大
きさにも比例するため、角速度センサ１では印加する駆
動信号の周波数ｆを振動体７の力学的な共振周波数にほ
ぼ等しくすることによって、該振動体７をＸ軸方向に大
きく振動させてコリオリ力ＦによるＺ軸方向の変位を増
大させ、Ｙ軸周りの角速度Ωを高精度に検出できるよう
にしている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術による角速度センサ１は、振動体７のコリオリ力
によるＺ軸方向の変位を、変位検出部１３によって該振
動体７と基板２の基板側電極１２との離間寸法を静電容
量の変化として検出し、Ｙ軸周りの角速度Ωを検出して
いる。

【００１４】ここで、変位検出部１３で振動体７の変位
Δｄと静電容量の変化ΔＣとの関係は近似的に次の数１
のようになる。

【００１５】

【数１】 ただし、ｄ：初期状態の振動体７と基板側電極１２との
離間寸法 Ｃ：初期静電容量 ε：比誘電率 Ｓ：有効面積

【００１６】この数１からもわかるように、微小変位を
高感度に検出するためには、離間寸法ｄを小さくすれば
有効である。

【００１７】しかし、可動部３はマイクロマシニングに
よる犠牲層エッチング技術によって形成されている。こ
のため、犠牲層を薄くすれば離間寸法を小さくすること
はできるものの、この場合には犠牲層を除去するエッチ
ング工程でエッチング液がこの隙間に侵入しにくくなっ
て除去できなくなったり、エッチング後の乾燥で素子同
士が接着してしまい、技術的に基板２と振動体７とを離
間させることのできる寸法は１μｍが限界であり、変位
検出部１３での静電容量による検出感度を高めることが
できないという問題がある。

【００１８】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明は、角速度の検出感度を高めるこ
とのできる角速度センサを提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１の発明による角速度センサは、基板
と、該基板に設けられた支持部と、基端側が該支持部に
設けられた支持梁と、前記基板の表面から離間した状態
で該支持梁の先端側に設けられ、前記基板に対して水平
方向と垂直方向に変位可能な振動体と、該振動体を水平
方向に振動させる振動発生手段と、該振動発生手段によ
って前記振動体に水平方向の振動を与えた状態で振動方
向の直交方向の角速度により振動体に生じる垂直方向の
変位を検出すべく、前記基板上に形成された固定側検出
用電極と該固定側検出用電極に対向して前記振動体に形
成された可動側検出用電極とからなる変位検出手段と、
該変位検出手段の固定側検出用電極と可動側検出用電極
との離間寸法が近接する方向に制御する制御手段とを備
え、該制御手段は、前記基板上で前記固定側検出用電極
とは別個に形成された固定側制御用電極と、該固定側制
御用電極と離間した状態で対向して前記振動体に形成さ
れた可動側制御用電極とからなり、前記固定側制御用電
極は、それぞれ離間した状態で前記基板上に絶縁膜を介
して形成された凸凹状電極からなり、前記可動側制御用
電極は、前記凸凹状電極と対向して噛合するように前記
振動体に形成された凹凸状電極からなり、前記固定側の
凸凹状電極と可動側の凹凸状電極との間に発生する静電
引力を用いて前記変位検出手段の固定側の凸凹状電極と
可動側の凹凸状電極との離間寸法を小さくする構成とし
たことにある。

【００２０】上記構成により、振動発生手段で振動体を
例えばＸ軸方向に振動させた状態で、Ｙ軸周りの角速度
が加わると、振動体にはＺ軸方向にコリオリ力が生じて
該振動体がＺ軸方向に変位し、このＺ軸方向の変位を変
位検出手段によって静電容量の変化として検出する。こ
のとき、制御手段によって固定側制御用電極と可動側制
御用電極との間に静電引力を発生させて、該各電極間を
小さくできる。この結果、振動体を基板側に近づけるこ
とにより、変位検出手段の固定側検出用電極と可動側検
出用電極との離間寸法を小さくすることができる。従っ
て、制御手段により変位検出手段の固定側検出用電極と
可動側検出用電極との離間寸法を小さくすることによ
り、前記数１で示したように振動体のＺ軸方向の変位に
対して変位検出手段から検出される静電容量の変化を大
きくすることができる。

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【００２４】また、固定側制御用電極はそれぞれ離間し
た状態で基板上に絶縁膜を介して形成された凸凹状電極
からなり、可動側制御用電極は前記凸凹状電極と対向し
て噛合するように振動体に形成された凹凸状電極からな
る構成としたから、制御手段を互いに離間して噛合する
凸凹状電極と凹凸状電極とからなるくし歯状アクチュエ
ータとすることができ、固定側制御用電極と可動側制御
用電極との間に直流電圧を印加することによって、振動
体を基板側に近づけることができ、変位検出手段の固定
側検出用電極と可動側検出用電極との離間寸法を小さく
できる。

【００２５】請求項２の発明では、前記固定側の凸凹状
電極と可動側の凹凸状電極とは、前記固定側の凸凹状電
極の凸部先端面から前記可動側の凹凸状電極の凹部底面
までの離間寸法をａ、前記固定側の凸凹状電極の凹部底
面から前記可動側の凹凸状電極の凸部先端面までの離間
寸法をｂとしたときに、ａ＞ｂとなるように形成したこ
とにある。

【００２６】上記構成により、例えば凸凹状電極の凹部
底面と凹凸状電極の凸部先端面とが接近した場合でも、
前記凸凹状電極の凸部先端面と凹凸状電極の凹部底面と
の離間寸法ａが大きいため、前記凸凹状電極の凸部先端
面と凹凸状電極の凹部底面が静電引力で接触することな
く、当該制御手段が電気的に短絡するのを防止できる。

【００２７】請求項３の発明では、前記変位検出手段の
固定側検出用電極は、前記凸凹状電極間の凹部底面に位
置して前記基板上に設けられた基板側電極として構成
し、可動側検出用電極は該基板側電極と対向させて前記
振動体の凹凸状電極の凸部先端面として構成したことに
ある。

【００２８】上記構成により、前記制御手段で振動体を
基板側に近づけることにより、基板側電極と凹凸状電極
の凸部先端面との離間寸法を小さくでき、変位検出手段
によって基板側電極と凸部先端面との離間寸法による静
電容量の変化を大きくすることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に従って詳細に説明するに、図１ないし図１０は本
発明による実施例を示す。なお、実施例においては、従
来技術と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明
を省略する。

【００３０】図中、２１は本実施例による角速度セン
サ、２２は該角速度センサ２１が形成された従来技術と
同様の基板をそれぞれ示し、該基板２２は図１，図２に
示すように、例えば高抵抗な単結晶のシリコン材料から
長方形の板状に形成されている。また、基板２２には例
えば酸化シリコン膜，窒化シリコン膜またはこれらの複
合膜等からなる絶縁膜２３が表面に形成されると共に、
後述する各支持部２６と各固定部３０が固着される位置
には低抵抗のポリシリコン膜からなる導電膜２４，２
４，…が形成されている。

【００３１】２５は基板２２上に形成された可動部を示
し、該可動部２５は図１に示すように、例えば低抵抗な
ポリシリコン膜をエッチング処理することによって形成
され、水平方向の一方の軸となるＹ軸の前，後方向に位
置して基板２２上に導電膜２４を介して形成された後述
する支持部２６，２６と、基端側が該各支持部２６に設
けられ、先端側が基板２２の中央部に向けて前後方向に
伸長する支持梁２７，２７，…と、該各支持梁２７の先
端側に支持され、基板２２に対する水平方向の他の軸と
なるＸ軸と垂直方向のＺ軸に変位可能に設けられた振動
体２８とから構成される。また、該可動部２５は各支持
部２６のみが導電膜２４を介して基板２２上に固着さ
れ、各支持梁２７と振動体２８は基板２２の表面から離
間した状態で保持されている。

【００３２】２６，２６は可動部２５を基板２２上に支
持する支持部で、該各支持部２６は従来技術と同様にＹ
軸方向の両端側に位置して互いに対向するように配設さ
れ、図３に示すように絶縁膜２３と導電膜２４を介して
基板２２上に固着されている。また、各支持部２６のう
ち中央側に位置した端部は若干湾曲して形成することに
より基板２２側から離間した状態となり、この端部には
各支持梁２７がそれぞれ一体形成されている。

【００３３】２７，２７…は基端側が各支持部２６に一
体形成された４本の支持梁で、該各支持梁２７は図１に
示すように、各支持部２６の端部から２本ずつがＹ軸方
向に伸長し、先端側に振動体２８が一体形成されてい
る。

【００３４】２８は各支持梁２７によってＸ軸とＺ軸方
向に変位可能に支持された振動体を示し、該振動体２８
のＸ軸方向となる左，右両側面には、複数個の電極板２
９Ａ，２９Ａ，…となる可動側くし状電極２９，２９が
突出形成されている。

【００３５】３０，３０は固定部を示し、該各固定部３
０は振動体２８を左，右両側から挟むように配設され、
絶縁膜２３と導電膜２４を介して基板２２上に固着され
ている。また、振動体２８と対向する各固定部３０の端
面には、複数個の電極板３１Ａ，３１Ａ，…からなる固
定側くし状電極３１，３１がそれぞれ形成され、可動側
くし状電極２９と固定側くし状電極３１とは図２に示す
ように、各電極板２９Ａ，３１Ａを互いに離間した状態
で噛合するようにして対向している。

【００３６】３２，３２は振動発生手段となる振動発生
部を示し、該各振動発生部３２は可動側くし状電極２９
と各固定側くし状電極３１とから構成され、該各振動発
生部３２に周波数ｆの駆動信号を交互に印加することに
より、振動体２８はＸ軸方向となる図１中の矢示Ｂ方向
に振動する。

【００３７】３３，３３，…は基板２２表面に形成され
た固定側検出用電極となる複数個の基板側電極で、該各
基板側電極３３は、図３に示すように、後述する凸凹状
電極３４の凹部底面３４Ｂに位置した基板２２表面にＸ
軸方向に伸長し、基板２２の所定位置に基板２２と反対
の極性（Ｐ型に対してＮ型、Ｎ型に対してＰ型）となる
ように、例えばＰ，Ｓｂ等の不純物を高密度にドーピン
グすることにより導電性を持たせて形成されている。な
お、各基板側電極３３の表面は絶縁膜２３によって覆わ
れている。

【００３８】３４は固定側制御用電極としての凸凹状電
極を示し、該凸凹状電極３４は、図３に示すように基板
２２上に絶縁膜２３を含んで凹凸状に形成されている。

【００３９】即ち、前記凸凹状電極３４は、絶縁膜２３
上に位置して一定の間隔で、Ｘ軸方向に延びた多数本の
角柱状電極体３５，３５，…からなっている。そして、
前記凸凹状電極３４は各角柱状電極体３５の先端面によ
って凸部先端面３４Ａが形成され、絶縁膜２３の上面に
よって凹部底面３４Ｂが形成される。

【００４０】一方、３６は可動側制御用電極としての凹
凸状電極を示し、該凹凸状電極３６は、図３に示すよう
に振動体２８の下面に凹凸状に形成され、該凹凸状電極
３６は前記凸凹状電極３４と離間した状態で噛合するよ
うに配設されている。

【００４１】即ち、前記凹凸状電極３６は、振動体２８
の下面に一定間隔でＸ軸方向に延び、かつ前記凸凹状電
極３４の各角柱状電極体３５と交互に配列された多数個
の角柱状電極体３７，３７，…とからなっている。そし
て、前記凹凸状電極３６は各角柱状電極体３７の先端面
によって凸部先端面３６Ａが形成され、振動体２８の下
面によって凹部底面３６Ｂが形成される。

【００４２】そして、凸凹状電極３４の凸部先端面３４
Ａは凹凸状電極３６の凹部底面３６Ｂと対面し、凸凹状
電極３４の凹部底面３４Ｂは凹凸状電極３６の凸部先端
面３６Ａと対面している。

【００４３】３８，３８，…は凹凸状電極３６の凸部先
端面３６Ａによって実現される可動側検出用電極となる
先端側電極を示し、該各先端側電極３８は、前述した固
定側検出用電極となる基板側電極３３，３３，…と対面
している。

【００４４】なお、前記凸凹状電極３４と凹凸状電極３
６とは、前記凸凹状電極３４の凸部先端面３４Ａから凹
凸状電極３６の凹部底面３６Ｂまでの離間寸法をａ、凸
凹状電極３４の凹部底面３４Ｂ（絶縁膜２３）から凹凸
状電極３６の凸部先端面３６Ａ（先端側電極３８）まで
の離間寸法をｂとしたときに、ａ＞ｂの関係となるよう
に形成されている。

【００４５】３９は変位検出手段としての変位検出部を
示し、該変位検出部３９は、図４に示すように、基板２
２に形成した基板側電極３３，３３，…と、該各基板側
電極３３と対向するように、振動体２８に形成された先
端側電極３８，３８，…とから構成され、振動体２８と
基板２２とのＺ軸方向における離間寸法の変化を、両者
の静電容量の変化として検出するようになっている。

【００４６】４０は制御手段としての制御部を示し、該
制御部４０は、基板２２に形成した凸凹状電極３４と、
該凸凹状電極３４と対向するように、振動体２８に形成
された凹凸状電極３６とからなる。また、凸凹状電極３
４，凹凸状電極３６は離間した状態で噛合しているか
ら、くし歯状アクチュエータとして構成されている。そ
して、凸凹状電極３４，凹凸状電極３６間に直流電圧を
印加すると、凸凹状電極３４をなす角柱状電極体３５の
側面と凹凸状電極３６をなす角柱状電極体３７の側面と
の間（図４中の個別アクチュエータ４０Ａ，４０Ａ，
…）には有効面積が増える方向に静電引力が発生し、結
果として振動体２８を離間寸法が近接する方向に変位さ
せることができる。

【００４７】また、４１Ａ〜４１Ｅは従来技術と同様の
電極パットで、電極パット４１Ａ〜４１Ｃは図１中の支
持部２６，固定部３０，３０にそれぞれ固着されると共
に、電極パット４１Ｄは引出線４２Ｄを介して固定側の
凸凹状電極３４にそれぞれ接続され、また電極パット４
１Ｅは引出線４２Ｅを介して基板２２上の基板側電極３
３に接続されている。

【００４８】次に、本実施例による角速度センサ２１の
製造工程を図５ないし図１０を参照しつつ説明する。

【００４９】まず、図５において、角速度センサ２１を
形成すべく用意された単結晶シリコンからなる基板２２
の表面に、薄い酸化シリコン膜（図示せず）を形成した
上で、電極形成工程により基板２２の所定位置に例えば
Ｐ，Ｂ，Ｓｂ等の不純物をイオン注入し、固定側の各基
板側電極３３を形成すると共に、絶縁膜形成工程により
例えば酸化シリコン，窒化シリコン等の絶縁性の薄膜を
絶縁膜２３として形成する。

【００５０】次に、図６に示す第１のポリシリコン膜形
成工程では、基板２２の絶縁膜２３上に凸凹状電極３４
および各導電膜２４等となる第１のポリシリコン膜４１
を形成する。

【００５１】さらに、基板２２上に形成した第１のポリ
シリコン膜４１に凸凹状電極３４および各導電膜２４等
の形成部分にＰ，Ｂ，Ｓｂ等の不純物をイオン等の不純
物をドーピングした後に、図７に示す第１の犠牲層形成
工程では、凸凹状電極３４および各導電膜２４等が形成
される部分を覆うようにＣＶＤ等の手段により、リンド
ープの酸化シリコンからなる第１の犠牲層４２を着膜形
成する。

【００５２】さらに、図８に示す第１のエッチング工程
では、先に形成された第１の犠牲層４２をマスクとし
て、ドライエッチによってパターニングを行うことによ
り、固定側制御用電極となる凸凹状電極３４の角柱状電
極体３５，３５，…、引出線４２Ｄ，４２Ｅ（図１，図
２参照）および各導電膜２４等を分離形成する。

【００５３】また、図９に示す第２の犠牲層形成工程で
は、第１のポリシリコン膜４１によって形成された凸凹
状電極３４と各導電膜２４を第１の犠牲層４２と共に覆
うようにＰＳＧ等の第２の犠牲層４３を形成する。

【００５４】また、図１０に示す第２のポリシリコン膜
形成工程においては、Ｐ，Ｓｂ等の不純物をドーピング
した第２のポリシリコン膜４４を成膜し、最後に第２の
エッチング工程において、電極パット４１Ａ〜４１Ｅを
形成した後に、犠牲層４２，４３をエッチングによって
除去し、各支持梁２７，振動体２８等を基板２２と離間
した状態に形成する（図３、参照）。このとき、振動体
２８の下面には凹凸状電極３６の角柱状電極体３７，３
７，…が凸凹状電極３４の角柱状電極体３５，３５，…
に対向するように形成される。

【００５５】本実施例による各角速度センサ２１は上述
の如く構成されるが、次にその角速度Ωの検出動作につ
いて説明する。

【００５６】まず、各振動発生部３２に対し駆動信号を
交互に印加すると、振動体２８は静電引力により支持梁
２７を介してＸ軸方向となる図１中の矢示Ｂ方向に同じ
振幅で振動する。この状態で、Ｙ軸周りに角速度Ωが加
わると、振動体２８に対して図１に示すコリオリ力Ｆが
角速度Ωに比例してＺ軸方向に発生する。

【００５７】そして、このＺ軸方向の変位を変位検出部
３９の基板側電極３３と先端側電極３８との離間寸法変
化として静電容量の変化として検出することにより、Ｙ
軸周りの角速度Ωを検出することができる。

【００５８】しかも、本実施例においては、制御部４０
を構成する凸凹状電極３４と凹凸状電極３６との間に直
流電圧を印加することにより、くし歯状アクチュエータ
として構成しているから、凸凹状電極３４，凹凸状電極
３６間にはそれぞれ対向する有効面積を増やす方向に静
電引力が発生し、この静電引力によって振動体２８を基
板２２側に近づけることができる。

【００５９】この結果、変位検出部３９の基板側電極３
３と先端側電極３８との初期状態における離間寸法を小
さくすることができるから、前記数１に示したように、
振動体２８のＺ軸方向の変位Δｄに対する静電容量の変
化ΔＣを大きくすることができ、変位検出部３９におけ
る検出感度を高めることができる。

【００６０】しかも、凸凹状電極３４，凹凸状電極３６
の形状は、凸凹状電極３４の凸部先端面３４Ａから凹凸
状電極３６の凹部底面３６Ｂまでの離間寸法をａ、凸凹
状電極３４の凹部底面３４Ｂから凹凸状電極３６の凸部
先端面３６Ａまでの離間寸法をｂとしたときに、ａ＞ｂ
の関係となるように、前述した犠牲層エッチング技術に
よって形成されている。

【００６１】これにより、凹凸状電極３６の凸部先端面
３６Ａと凸凹状電極３４の凹部底面３４Ｂとが接近して
も凸凹状電極３４の凸部先端面３４Ａと凹凸状電極３６
の凹部底面３６Ｂの離間寸法ａが大きく、静電引力によ
りこの部分が接触することがない。

【００６２】また、制御部４０に印加する電圧が大き過
ぎて、凹凸状電極３６の先端側電極３８と基板側電極３
３とが接触しそうになったり、制御部４０で振動体２８
を基板２２に近づけた状態で、振動体２８にコリオリ力
Ｆが発生して該振動体２８が基板２２に接触しそうにな
ったときでも、基板２２の表面には絶縁膜２３が形成さ
れているから、基板側電極３３と先端側電極３８とが短
絡するのを防止して、センサの検出信頼性を高めること
ができる。

【００６３】かくして、本実施例による角速度センサ２
１では、変位検出部３９の基板側電極３３と先端側電極
３８との離間寸法を小さくするための制御部４０を、基
板２２上に設けた角柱状電極体３５，３５，…の側面と
振動体２８に設けた角柱状電極体３７の側面とによって
個別アクチュエータ４０Ａ，４０Ａ，…として形成し、
該制御部４０に直流電圧を印加して変位検出部３９の離
間寸法を小さくした状態で、変位検出部３９によって、
Ｙ軸周りに角速度Ωが加わるときのＺ軸方向に発生する
コリオリ力Ｆによる変位を静電容量による変化として検
出する。このとき、前記制御部４０によって変位検出部
３９の基板側電極３３と先端側電極３８との離間寸法を
小さくすることができるから、角速度検出を高感度に行
うことができる。

【００６４】しかも、前述したように製造された角速度
センサ２１における基板２２と振動体２８との離間寸法
は、現在のマイクロマシニング技術では小さくしても１
μｍ程度の大きさである。しかし、本実施例のように角
速度センサ２１を形成することにより、基板２２と振動
体２８に形成した凸凹状電極３４，凹凸状電極３６から
なる制御部４０に直流電圧を印加することによって、振
動体２８を基板２２側に近づけることができ、変位検出
部３９を構成する基板側電極３３と先端側電極３８との
離間寸法を小さくして当該変位検出部３９における検出
感度を高めることができる。

【００６５】さらに、制御部４０に直流電圧を印加して
おくと、角速度センサ２１の姿勢変化等の原因で重力加
速度が加わったときでも、変位検出部３９の初期状態に
おける基板側電極３３と先端側電極３８との離間寸法を
一定に保持することができ、センサ感度の変動を防止し
て、検出精度の信頼性を高めることができる。

【００６６】なお、前記実施例では、振動体２８をＺ軸
方向に実際に変位させて基板側電極３３と先端側電極３
８との離間寸法を静電容量の変化として検出するように
したが、本発明はこれに限らず、図１１のブロック図に
示すように、振動体２８を変位させることなく角速度を
検出するサーボ機構によって検出するようにしてもよ
い。

【００６７】即ち、固定側検出用電極（基板側電極３
３）と可動側検出用電極（先端側電極３８）との変位を
静電容量検出回路５１で検出し、該静電容量検出回路５
１からの出力信号に基づいてフィードバック電圧演算出
力回路５２では直流のフィードバック電圧Ｖf を演算
し、該フィードバック電圧Ｖf を制御部４０の固定側制
御用電極（凸凹状電極３４）と可動側制御用電極（凹凸
状電極３６）との間に印加する。これにより、振動体２
８の変位を制御部４０に発生する静電力によって抑える
ことにより、該振動体２８をＺ軸方向に変位させずに振
動体２８に加わるコリオリ力を検出することができる。
そして、振動体２８のＺ軸方向の変位をなくすことによ
り、変位検出部３９の基板側電極３３と先端側電極３８
との離間寸法を微小に設定することもでき、検出感度を
大幅に高めることができる。

【００６８】また、前記実施例では、振動発生手段とな
る振動発生部３２に静電引力を利用したものを記載した
が、本発明はこれに限らず、例えば圧電材料等を用いて
振動を発生させるようにしてもよい。

【００６９】

【発明の効果】以上詳述した通り、請求項１の発明によ
れば、振動発生手段で振動体を水平方向に振動させた状
態で、振動方向に直交方向の角速度が加わると、振動体
には垂直方向にコリオリ力が生じて該振動体が垂直方向
に変位し、この変位を変位検出手段によって静電容量の
変化として検出する。 このとき、制御手段を基板上で固
定側検出用電極とは別個に形成された固定側制御用電極
と、該固定側制御用電極と離間した状態で対向して振動
体に形成された可動側制御用電極とから構成したから、
制御手段によって各電極間に静電引力を発生させて該各
電極間を小さくでき、変位検出手段の固定側検出用電極
と可動側検出用電極との離間寸法を小さくすることがで
きる。このため、制御手段を用いて変位検出手段の固定
側検出用電極と可動側検出用電極との離間寸法を小さく
することによって、変位検出手段から検出される静電容
量の変化を大きくすることができ、角速度センサに加わ
る角速度の検出感度を高めることができる。

【００７０】

【００７１】また、固定側制御用電極はそれぞれ離間し
た状態で基板上に絶縁膜を介して形成された凸凹状電極
からなり、可動側制御用電極は凸凹状電極と対向して噛
合するように振動体に形成された凹凸状電極から構成し
たから、当該制御手段を互いに離間して噛合する凸凹状
電極，凹凸状電極からなるくし歯状アクチュエータとで
き、固定側制御用電極と可動側制御用電極との間に直流
電圧を印加することによって、振動体を基板側に近づけ
ることができ、変位検出手段の固定側検出用電極と可動
側検出用電極との離間寸法を小さくして、検出感度を高
めることができる。

【００７２】請求項２の発明では、固定側の凸凹状電極
と可動側の凹凸状電極とは、凸凹状電極の凸部先端面か
ら凹凸状電極の凹部底面までの離間寸法をａ、凸凹状電
極の凹部底面から凹凸状電極の凸部先端面までの離間寸
法をｂとしたときに、ａ＞ｂとなるように形成したか
ら、例えば固定側の凸凹状電極と可動側の凹凸状電極と
が接近した場合でも、凸凹状電極の凸部先端面と凹凸状
電極の凹部底面とが静電引力で接触することがなくな
り、当該制御手段が電気的に短絡するのを防止でき、セ
ンサ寿命を延ばすことができる。

【００７３】請求項３の発明では、変位検出手段の固定
側検出用電極は、それぞれ離間した状態で凸凹状電極の
凹部底面に位置するように、基板上に形成された基板側
電極として構成し、可動側検出用電極は該基板側電極と
対向するように、振動体の凹凸状電極の凸部先端面とし
て構成したから、制御手段で振動体を基板側に近づける
ことにより、基板側電極と凹凸状電極の凸部先端面との
離間寸法を小さくでき、変位検出手段によって基板側電
極と凹凸状電極の凸部先端面との離間寸法による静電容
量の変化を大きくして、検出感度を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例による角速度センサを示す斜視図であ
る。

【図２】本実施例による角速度センサを上側から見た平
面図である。

【図３】図２中の矢示III −III 方向の縦断面図であ
る。

【図４】図３中の要部を拡大して示す縦断面図である。

【図５】角速度センサの製造工程に用いられるシリコン
基板に対し電極形成工程，絶縁膜形成工程により基板側
電極，絶縁膜を形成した状態を示す縦断面図である。

【図６】図５による電極形成工程，絶縁膜形成工程に続
く第１のポリシリコン膜形成工程により、絶縁膜上に第
１のポリシリコン膜を形成した状態を示す縦断面図であ
る。

【図７】図６による第１のポリシリコン膜形成工程に続
く第１の犠牲層形成工程により、第１のポリシリコン膜
上に第１の犠牲層を形成した状態を示す縦断面図であ
る。

【図８】図７による第１の犠牲層形成工程に続く第１の
エッチング工程により、絶縁膜上に凸凹状電極および導
電層等を形成した状態を示す縦断面図である。

【図９】図８による第１のエッチング工程に続く第２の
犠牲層形成工程により、第２の犠牲層を凸凹状電極およ
び導電層上に形成した状態を示す縦断面図である。

【図１０】図９による第２の犠牲層形成工程に続く第２
のポリシリコン層形成行程により、第２の犠牲層を凸凹
状電極および導電層上に形成した状態を示す縦断面図で
ある。

【図１１】変形例によるサーボ機構を用いた検出動作を
示すブロック図である。

【図１２】従来技術による角速度センサを示す斜視図で
ある。

【図１３】従来技術による角速度センサを上側から見た
平面図である。

【図１４】図１３中の矢示 XIV−XIV 方向の縦断面図で
ある。

【符号の説明】

２１ 角速度センサ ２２ 基板 ２５ 可動部 ２６ 支持部 ２７ 支持梁 ２８ 振動体 ２９ 可動側くし状電極 ３０ 固定部 ３１ 固定側くし状電極 ３２ 振動発生部（振動発生手段） ３３ 基板側電極（固定側検出用電極） ３４ 凸凹状電極（固定側制御用電極） ３４Ａ，３６Ａ 凸部先端面 ３４Ｂ，３６Ｂ 凹部底面 ３５，３７ 角柱状電極体 ３６ 凹凸状電極（可動側制御用電極） ３８ 先端側電極（可動側検出用電極） ３９ 変位検出部 ４０ 制御部 ５１ 静電容量検出回路 ５２ フィードバック電圧演算出力回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板に設けられた支持部と、
   基端側が該支持部に設けられた支持梁と、前記基板の表
   面から離間した状態で該支持梁の先端側に設けられ、前
   記基板に対して水平方向と垂直方向に変位可能な振動体
   と、該振動体を水平方向に振動させる振動発生手段と、
   該振動発生手段によって前記振動体に水平方向の振動を
   与えた状態で振動方向の直交方向の角速度により振動体
   に生じる垂直方向の変位を検出すべく、前記基板上に形
   成された固定側検出用電極と該固定側検出用電極に対向
   して前記振動体に形成された可動側検出用電極とからな
   る変位検出手段と、該変位検出手段の固定側検出用電極
   と可動側検出用電極との離間寸法が近接する方向に制御
   する制御手段とを備え、 該制御手段は、前記基板上で前記固定側検出用電極とは
   別個に形成された固定側制御用電極と、該固定側制御用
   電極と離間した状態で対向して前記振動体に形成された
   可動側制御用電極とからなり、前記固定側制御用電極は、それぞれ離間した状態で前記
   基板上に絶縁膜を介して形成された凸凹状電極からな
   り、前記可動側制御用電極は、前記凸凹状電極と対向し
   て噛合するように前記振動体に形成された凹凸状電極か
   らなり、 前記固定側の凸凹状電極と可動側の凹凸状電極との間に
   発生する静電引力を用いて前記変位検出手段の固定側の
   凸凹状電極と可動側の凹凸状電極との離間寸法を小さく
   する構成としてなる角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記固定側の凸凹状電極と可動側の凹凸
   状電極とは、前記固定側の凸凹状電極の凸部先端面から
   前記可動側の凹凸状電極の凹部底面までの離間寸法を
   ａ、前記固定側の凸凹状電極の凹部底面から前記可動側
   の凹凸状電極の凸部先端面までの離間寸法をｂとしたと
   きに、ａ＞ｂとなるように形成してなる請求項１記載の
   角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記変位検出手段の固定側検出用電極
   は、前記凸凹状電極間の凹部底面に位置して前記基板上
   に設けられた基板側電極として構成し、可動側検出用電
   極は該基板側電極と対向させて前記振動体の凹凸状電極
   の凸部先端面として構成してなる請求項１または２記載
   の角速度センサ。