JP4974340B2

JP4974340B2 - 角速度センサ

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Publication number: JP4974340B2
Application number: JP2006135083A
Authority: JP
Inventors: 隆太荒木
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-05-15
Also published as: JP2007304046A

Description

本発明は、物体の角速度の検出に用いられる角速度センサに関する。

近年、角速度センサの低コスト化及び小型化の要請により、半導体製造プロセス等における技術を応用した種々の機械要素の小型化を実現するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて作製された角速度センサが提案されている。かかるＭＥＭＳ技術を用いて作製された角速度センサとして、例えば、非特許文献１に提案された角速度センサを挙げることができる。

図８は非特許文献１に提案された角速度センサ１００の概略図であり、図８（ａ）は側面図を、図８（ｂ）は当該角速度センサ１００を構成するシリコン層１２０の平面図を示す。図８に示すように、角速度センサ１００は、Ｚ軸（図８（ａ）参照）方向に、下部ガラス層１３０、シリコン層１２０、上部ガラス１１０層が積層された３層構造に形成されている。

シリコン層１２０は、シリコンフレーム１２１と、ディスク１２２と、スプリング１２３と、駆動電極１２４及び１２５とを備えている。シリコンフレーム１２１は、シリコン層１２０の外周部を形成しており、シリコンフレーム１２１の内側の空間は、シリコン層１２０に上部ガラス層１１０及び下部ガラス層１３０が積層されることで低圧に封止されている。この封止された空間には、ディスク１２２と、スプリング１２３と、駆動電極１２４及び１２５とが配置されている。ディスク１２２は、４本のスプリング１２３によってシリコンフレーム１２１に支持されている。かかるディスク１２２は、外周部の２箇所において、櫛歯状に形成された駆動電極１２５を支持している。一方の駆動電極１２４も櫛歯状に形成されており、当該駆動電極１２４は、シリコンフレーム１２１の内側に支持され、駆動電極１２５と対向する位置に配置されている。駆動電極１２４及び１２５間に静電力を作用させると、ディスク１２２は、スプリング１２３の弾性力に抗して、Ｘ―Ｙ平面上を（図８（ｂ）に示す矢印Ｑ方向に）回動する。

さらに、下部ガラス層１３０には、ディスク１２２の下方の位置において、Ｘ軸方向の２箇所に検出電極１３２ａ、１３２ｂが設けられている。

このような構成の角速度センサ１００において、ディスク１２２がＸ―Ｙ平面上を回動しているときに、Ｘ軸（図８（ｂ）参照）周りの回転が角速度センサ１００に与えられると、Ｘ軸と直交するＹ軸（図８（ｂ）参照）周りのコリオリ力がディスク１２２に生じ、スプリング１２３の弾性力に抗してディスク１２２がＹ軸周りに揺動する。このＹ軸周りの揺動により、ディスク１２２と各検出電極１３２ａ、１３２ｂとの間隔が変動し、ディスク１２２と各検出電極１３２ａ、１３２ｂとの間の静電容量が変動する。コリオリ力は、角速度に比例するため、ディスク１２２と各検出電極１３２ａ、１３２ｂとの間の静電容量の変動速度はＸ軸周りの角速度に比例する。かかる文献の角度センサ１００においては、ディスク１２２と各検出電極１３２ａ、１３２ｂとの間の静電容量の変動速度に基づいてＸ軸周りの角速度が検出される。
T.Fujita、外７名、「Vacuum Sealed Silicon Bulk Micromachined Gyroscope」、 Transducers ’99 The 10th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators Digest of Technical Papers Volume 2、The Institute of Electrical Engineers of Japan、1999年 6月 7日、P914-917

しかし、上記非特許文献の角速度センサ１００は、コリオリ力により揺動するディスク１２２と、ディスク１２２をＸ−Ｙ平面上において回動させる駆動電極１２４及び１２５と、角速度を検出するための検出電極１３２ａ、１３２とが３次元的に配置されている。このように、ディスクや電極などが３次元的に配置された角速度センサ１００を製作することは、ディスクや電極の作製にＭＥＭＳ技術を用いると多くの製作プロセスを必要とするため、コスト上、不利である。

そこで、本発明は、ＭＥＭＳ技術を用いて容易に作製することができる角度センサを提供することを課題とする。

本発明は、かかる従来技術の問題を解決するべくなされたものであり、特許請求の範囲の請求項１に記載の如く、枠体に対して、径方向と平行な第１軸周りに揺動可能に支持されると共に、周方向に回動可能に支持されたディスク状の揺動体と、静電力を利用して前記揺動体を前記第１軸周りに揺動させる駆動電極と、前記揺動体に設けられた第１検出電極と、前記枠体を固定した基板に設けられた第２検出電極とを備え、前記駆動電極と、前記第１検出電極と、前記第２検出電極とは、前記揺動体と略同一平面上に配置され、さらに、前記駆動電極に交流電圧を印加する電源と、前記第１検出電極と前記第２検出電極との間の静電容量または静電容量の変動速度を測定する測定手段とを備え、前記揺動体は、前記枠体に対して、前記周方向に回動可能に支持されたリング状の検出部材と、前記検出部材の内側に、前記検出部材に対して、前記第１軸周りに揺動可能に支持された揺動部材とを備え、前記電源は、前記揺動部材の固有振動数の２倍の周波数の交流電圧を前記駆動電極に印加することを特徴とする角速度センサを提供する。

本発明に係る角速度センサは、枠体に対して、径方向と平行な第１軸周りに揺動可能に支持されると共に、周方向に回動可能に支持されたディスク状の揺動体を備えている。かかる揺動体が第１軸周りに揺動しているときに、第２軸周りの回転が角速度センサに与えられると、揺動体の各部位において第１軸方向のコリオリ力が生じる。ここで、第２軸とは、揺動体の径方向のうち第１軸と直交する軸である。

このコリオリ力の第１軸方向における正逆の向きは、第１軸周りの揺動時における揺動体の各部位の移動方向に応じた向きとなる。例えば、第１軸が揺動体の内部を通る場合、第１軸を挟んで反対側に位置する２つの部位では、揺動による移動方向が反対であるため、互いに正逆が反対の第１軸方向のコリオリ力が発生する。このように、第１軸を挟んで一方側と他方側とで正逆が反対の第１軸方向のコリオリ力が発生することで、周方向に回動する力が揺動体に作用し、この力により、揺動体は周方向に回動する。

なお、第１軸が揺動体の外側を通る場合、揺動体の全部位は、全て第１軸に対して一方側に位置する。この場合、各部位において同じ向きのコリオリ力が発生するが、発生するコリオリ力の大きさは、第１軸に近い部位ほど小さく、そのため、第１軸が揺動体の外側を通る場合であっても、第１軸が揺動体の内部を通る場合と同様に、揺動体は周方向に回動する。

このように第２軸方向の回転により回動する揺動体には、第１検出電極が設けられ、かかる揺動体を周方向に回動可能に支持する枠体を固定する基板には、第２検出電極が設けられている。従って、第１検出電極と第２検出電極との距離は、揺動体が周方向に回動することで変動する。コリオリ力の大きさは、第２軸周りの角速度と比例関係を有するため、第１検出電極と第２検出電極との距離の変動速度は、第２軸周りの角速度に応じた大きさとなる。第１検出電極と第２検出電極との距離が変動すると、第１検出電極と第２検出電極との間の静電容量が変動する。この静電容量又は静電容量の変動速度は測定手段によって測定される。よって、測定手段が静電容量を測定する場合は、測定された静電容量に基づいて静電容量の変動量を算出することで第２軸周りの角速度を求めることができる。また、測定手段が静電容量の変動速度を測定する場合は、当該静電容量の変動速度から第２軸周りの角速度を求めることができる。

以上のように、本発明に係る角速度センサにおいては、駆動電極が静電力を用いて揺動体を第１軸周りに揺動させる。静電力は２つの駆動電極間において発生するため、本発明に係る角速度センサには、駆動電極が２つ設けられる。この２つの駆動電極のうち、一方を、揺動体に、他方を、一方の揺動体に対して第２軸方向に異なる位置に設けると、第２軸方向に静電力が作用する。第２軸方向に静電力が作用すると、揺動体が静電力の増減に応じて第１軸周りに揺動する。理論上、駆動電極が設けられる２つの部材が静止している状態において、この２つの部材間に静電力を作用させると、静電力の作用する方向は、２つの部材が配置された平面内の方向である。従って、理論上、２つの部材のうち一方の部材を所定の軸周りに揺動させることはできない。しかし、実際には加工誤差などによって、２つの部材のバランスが崩れており、静止状態で静電力を作用させると、一方の部材が所定の軸周りに揺動する。ひとたび所定の軸周りに揺動すれば、相対する電極の位置ズレが生じるから、その後も一方の部材が所定の軸周りに揺動する。よって、駆動電極が設けられる２つの部材を略同一平面上に配置しても、揺動体を第１軸周りに揺動させることを実現することができる。

また、本発明に係る角速度センサにおいては、第２軸周りの角速度に比例したコリオリ力で第１検出電極を揺動体の周方向に回動させて、第１検出電極と第２検出電極との距離を変動させている。これにより、電極間の静電容量および、静電容量の変動速度が与えられた角速度に応じて変化するため、静電容量の変動量もしくは変動速度を検出することで、角速度を検知できる。第２軸周りの角速度に比例して第１検出電極と第２検出電極との距離を変動させることは、例えば、第１検出電極と第２検出電極とを揺動体と略同一平面上に配置しても、実現することができる。

以上のように、本発明の角速度センサは、駆動電極と、第１検出電極と、第２検出電極とが揺動体と略同一平面上に配置されているが、揺動体を第１軸周りに揺動させ、且つ、第２軸周りの角速度に応じた静電容量の変動量もしくは変動速度を検出することが可能である。よって、本発明は、駆動電極と、第１検出電極と、第２検出電極とが揺動体と略同一平面上に配置され、これらが２次元的に配置され、作製が容易な角速度センサを提供することができる。

また、検出部材と揺動部材を用いて、第１検出電極と第２検出電極との静電容量または静電容量の変動速度を測定する具体的な他の構成として、特許請求の範囲の請求項２に記載の如く、基板に設けられた固定部と、前記固定部を囲繞するように、前記固定部に対して、周方向に回動可能に支持されたリング状の検出部材と、前記検出部材を囲繞するように、前記検出部材に対して、前記検出部材の径方向と平行な第１軸周りに揺動可能に支持された揺動部材と、静電力を利用して、前記揺動部材を前記第１軸周りに揺動させる駆動電極と、前記検出部材に設けられた第１検出電極と、前記基板に設けられた第２検出電極とを備え、前記駆動電極と、前記第１検出電極と、前記第２検出電極と、前記揺動部材とは、前記検出部材と略同一平面上に配置され、さらに、前記駆動電極に交流電圧を印加する電源と、前記第１検出電極と前記第２検出電極との間の静電容量または静電容量の変動速度を測定する測定手段とを備え、前記電源は、前記揺動部材の固有振動数の２倍の周波数の交流電圧を前記駆動電極に印加する構成を挙げることができる。

また、好ましくは、特許請求の範囲の請求項３に記載の如く、前記第１検出電極と、前記第２検出電極とが、櫛歯状に形成された櫛歯電極である構成とされる。

かかる好ましい構成のように、第１検出電極と第２検出電極とを櫛歯状に形成することで、第１検出電極と第２検出電極とが向き合う面積を大きくできる。そのため、第２軸の角速度が小さく、第１検出電極と第２検出電極との間の距離の変動速度が小さくても、第１検出電極と第２検出電極の静電容量の変動量もしくは変動速度を大きくできるので、第２軸周りの角速度を精度良く測定することができる。

本発明は、コリオリ力が作用する揺動体と、揺動体にコリオリ力を作用させるために揺動体を揺動させる駆動電極と、角速度に応じた電流を発生させるための検出電極とが２次元的に配置され、ＭＥＭＳ技術等を用いて容易に作製することができる角速度センサを提供することができる。

本実施形態に係る角速度センサは、測定対象の角速度に応じたコリオリ力を受けて揺動体（後述する）が回転する揺動部と、揺動部を駆動するための直流電源３（図５参照）と交流電源４（図５参照）と、測定対象の角速度に応じた電流を測定する測定部５（図５参照）とを備える。図１は、揺動部２の概略斜視図である。図１に示すように、揺動部２は、従来の角速度センサと同様に、図１に示すＺ軸方向に、下部ガラス層３０（特許請求の範囲の基板に相当する）、シリコン層２０、上部ガラス層１０が積層された３層構造に形成されている。

図２は、シリコン層２０の平面図である。図２に示すように、シリコン層２０は、枠体（以下、「シリコンフレーム」という）２１と、ディスク状の揺動体２２と、当該揺動体２２をシリコンフレーム２１に支持するヒンジ２３と、駆動電極２４と、検出電極２５とを備えている。シリコン層２０が備えるシリコンフレーム２１、揺動体２２、ヒンジ２３、駆動電極２４、検出電極２５は、全て揺動体２２と略同一平面（図２の紙面と平行な面）上に配置されている。また、シリコンフレーム２１と、揺動体２２と、ヒンジ２３と、駆動電極２４と、検出電極２５とは、シリコン層２０の材料となる１枚のシリコン基板に、ＤｅｅｐＲＩＥ（Reactive Ion Etching）処理などを含むＭＥＭＳ技術を用いて加工することで形成されたものである。

図３は図１に示す揺動部２の端面図であり、図３（ａ）は図１に示す揺動部２のＡ−Ａ端面図を示し、図３（ｂ）は図１に示す揺動部２のＢ−Ｂ端面図を示す。Ａ−Ａ端面は、図２において１点鎖線Ａ’で示す位置に現れ、Ｂ−Ｂ端面は、図２において１点鎖線Ｂ’で示す位置に現れる。

図２及び図３に示すように、シリコンフレーム２１は、シリコン層２０の外周部を形成し、上部ガラス層１０及び下部ガラス層３０が積層されている。このシリコンフレーム２１は、上記の直流電源３と電気的に接続されている。さらに、このシリコンフレーム２１の内側の空間２１ａは、上部ガラス層１０及び下部ガラス層３０が積層されることにより、低圧の状態で封止されている。

揺動体２２は、シリコンフレーム２１の内側の空間２１ａに配置されている。揺動体２２は、シリコンフレーム２１に対して、周方向（図２の紙面と平行な方向（図２の矢印Ｗ））に回動可能にヒンジ２３によって支持されたリング状の検出部材（以下、リングという）２２２と、当該リング２２２内に、リング２２２に対して、第１軸周りに揺動可能に支持された平面視矩形状の揺動部材２２１と、リング２２２と揺動部材２２１とを連結する軸部材２２３とを備えている。ここで、第１軸とは、揺動体２２の所定の径方向（図２のＹ軸）と平行であり、揺動部材２２１の第２軸方向中央部を通る軸（図２において一点鎖線Ａ’で示される、軸部材２２３を通る軸）である。また、第２軸とは、揺動体２２の径方向のうち第１軸と直交する軸（図１に示すＸ軸と平行な軸）である。

軸部材２２３は、第１軸方向に長手方向を向けて配置され、リング２２２と揺動部材２２１とに接続され、揺動部材２２１を、リング２２２に対して第１軸周りに揺動可能に支持している。この揺動部材２２１は、一対の対向する外辺部２２１ａが第１軸と平行となる向きに配置されている。

ヒンジ２３は、シリコンフレーム２１の内周部とリング２２２の外周部とを連結しており、上述のようにシリコンフレーム２１に対して周方向に回動可能にリング２２２を支持している。本実施形態では、ヒンジ２３は４本備えられ、４本のヒンジ２３の一端が、リング２２２の周方向（揺動体２２の周方向と同方向）に等間隔でリング２２２の外周部に連結されており、本実施形態のリング２２２は、４本のヒンジ２３によって揺動体２２の周方向に回動可能に支持されている。

駆動電極２４は、静電力を利用して、揺動部材２２１を第１軸周りに揺動させるための電極である。駆動電極２４は、揺動部材２２１の一対の対向する外辺部２２１ａの全体に亘って設けられた第１駆動電極２４１と、第１駆動電極２４１に対して第２軸方向に所定の間隔を置いて設けられた第２駆動電極２４２とを備えている。第２駆動電極２４２は、下部ガラス層３０の上面に設けられている。第１駆動電極２４１は、第２軸方向に向いた複数の枝部を備えた櫛歯上に形成され、同様に、第２駆動電極２４２も第２軸方向に向いた複数の枝部を備えた櫛歯状に形成されている。そして、第１軸方向において、第１駆動電極２４１の枝部と、第２駆動電極２４２の枝部とが交互に配置されている。

検出電極２５は、リング２２２の外周部に沿って円弧状に配置された第１検出電極２５１と、第１検出電極２５１に対して揺動体２２の径方向外側に設けられ、第１検出電極２５１に対向するよう形成された第２検出電極２５２とを備えている。本実施形態では、検出電極２５が４つ設けられ、４つの検出電極２５が揺動体２２の周方向に等間隔に配置されている。なお、第２検出電極２５２は、下部ガラス層３０の上面に設けられている。図４は、第１検出電極２５１と第２検出電極２５２を説明するための図２の点線Ｐで囲まれた部分の拡大図である。図４（ａ）に示すように、第１検出電極２５１は、揺動体２２の径方向に向いた複数の枝部２５１ａを備えた櫛歯状に形成され、同様に、第２検出電極２５２も、揺動体２２の径方向に向いた複数の枝部２５２ａを備えた櫛歯状に形成されている。そして、枝部２５１ａと枝部２５２ａとがリング２２２の周方向（揺動体２２の周方向）に交互に配置されている。図４（ａ）に示すように、揺動体２２の周方向において、枝部２５１ａと当該枝部２５１ａから一方側（図４（ａ）に示す矢印Ｕ方向側）における枝部２５２ａとの間隔は、枝部２５１ａと当該枝部２５１ａから他方側（図４（ａ）に示す矢印Ｖ方向側）における枝部２５２ａとの間隔よりも大きく形成されている。

なお、本実施形態では、第２検出電極２５２は、第１検出電極２５１の径方向外側に設けられているが、径方向内側に設けることも、或いは、径方向外側及び内側の両方に設けることも可能である。

図５は、揺動部２における電気的な接続状態を示す模式図である。以上に説明したように、シリコン層２０は、１枚のシリコン基板から作製され導電性を有する。図５に示すように、第１駆動電極２４１が設けられる揺動部材２２１は、揺動軸２２３、リング２２２、ヒンジ２３を介して直流電源３と電気的に接続されたシリコンフレーム２１と連結され、また、第１検出電極２５１も、リング２２２、ヒンジ２３を介してシリコンフレーム２１と連結されている。よって、第１駆動電極２４１及び第１検出電極２５１は、シリコンフレーム２１等を介して直流電源３と電気的に接続され、直流電源３によって直流電圧が印加可能にされていている。これにより、第１駆動電極２４１と第１検出電極２５１との電位を一定に保つことが可能である。

図３に示すように、以上に説明したシリコン層２０の上側に積層される上部ガラス層１０は、シリコン層２０のシリコンフレーム２１に陽極接合等によって接合されることで、シリコン層２０の上側に積層されている。揺動体２２、ヒンジ２３、揺動部材２２１に設けられた第１駆動電極２４１、リング２２２に設けられた第１検出電極２５１の回動又は揺動を妨げないように、揺動体２２と、ヒンジ２３と、第１駆動電極２４１と、第１検出電極２５１との上方には空間が設けられるように、これらの位置において上部ガラス層１０は凹状に形成されている。

一方、第２駆動電極２４２と第２検出電極２５２との上面は、上部ガラス層１０と当接されている。上部ガラス層１０の第２駆動電極２４２と第２検出電極２５２との上方部分にはスルーホール１１が形成されている。このスルーホール１１は、第２駆動電極２４２及び第２検出電極２５２を上部ガラス層１０の上面（シリコン層２０と反対側の面）と導通させるためのものである。第２駆動電極２４２及び第２検出電極２５２と上部ガラス層３０の上面との導通は、スルーホール１１を導電性の良い金属１２で埋めることで行われている。上部ガラス層１０の上面には、各スルーホール１１の近傍に接続用パッド（図示しない）が形成されており、各接続用パットは、近傍のスルーホール１１に充填された金属１２と接続される。なお、導通方法として、第２駆動電極２４２及び第２検出電極２５２にワイヤを接続して、当該ワイヤを上部ガラス層１０の上面まで引き出す方法を挙げることができる。しかしながら、導通にワイヤを用いる場合、ワイヤをボンディングする装置の制約から、スルーホール１１の直径を数百ミクロンの大きさにせねばならず、揺動部２の縮小化が困難になったり、上部ガラス層１０の強度低下などの問題が発生してしまう。よって、かかる導通は、スルーホール１１を導電性の良い金属１２で埋めることで行うのが望ましい。

第２駆動電極２４２を導通させるためのスルーホール１１に充填された金属１２と接続される接続用パットは、交流電源４に接続されている。これにより、第２駆動電極２４２は、交流電源４によって交流電圧が印加可能に構成されている。

一方、第２検出電極２５２を導通させるためのスルーホール１１に充填された金属１２は、電流測定手段５（図５参照）に接続されている。この電流測定手段５は、直流電源３と接続されている。

第１検出用電極２５１と第２検出用電極２５２とは、上記のように対向して設けられているため、キャパシタとして機能する。よって、図５に示すように、直流電源３、第１検出用電極２５１、第２検出用電極２５２、電流測定手段５とで、１つの回路（以下、測定回路６という）が形成されている。この測定回路６において、直流電源３によって、第１検出用電極２５１と第２検出用電極２５２との間に直流電圧が印加され、第１検出用電極２５１と第２検出用電極２５２との静電容量の変動があると、その変動速度に応じた電流が測定回路６に発生し、発生した電流が電流測定手段５によって測定される。即ち、本実施形態においては、第１検出用電極２５１と第２検出用電極２５２との静電容量の変動速度を測定する測定手段は、直流電源３と電流測定手段５とで構成されている。

次に、下部ガラス層３０は、上部ガラス層１０と同様に、シリコン層２０のシリコンフレーム２１に陽極接合等によって接合されることで、シリコン層２０の下側に積層されている。図３（ｂ）に示すように、下部ガラス層３０は、中央部分が凹状に形成されており、第２駆動電極２４２及び第２検出電極２５２に対応する部分がシリコン層２０側に突起したパッド３１が形成されている。このパッド３１の上面に第２駆動電極２４２及び第２検出用電極２５２が設けられている。

次に、上記した揺動部２の製造方法について説明する。図６は、揺動部２の製造工程を示したＢ―Ｂ端面図である。まず、図６（ａ）に示すように、下部ガラス層３０の材料であるガラス基板３０ａにブラスト加工によって、中央部を凹状に形成すると共に、上面にパッド３１を形成する。

次いで、図６（ｂ）に示すように、ガラス基板３０ａをシリコン層２０の材料であるシリコン基板２０ａの下側に陽極接合によって接合する。次いで、図６（ｃ）に示すように、シリコン基板２０ａのガラス基板３０ａが接合された面と反対面側から、ＭＥＭＳ技術を用いて、シリコンフレーム２１と、揺動部材２２１と、リング２２２と、軸部材２２３と、ヒンジ２３と、第１駆動電極２４１と、第２駆動電極２４２と、第１検出電極２５１と、第２検出電極２５２とを形成する。

次いで、図６（ｄ）に示すように、シリコン基板２０ａの上側に上部ガラス層１０の材料であるガラス基板１０ａを陽極接合によって接合する。なお、上部ガラス層１０を形成するガラス基板１０ａは、予め、ブラスト加工等によって、スルーホール１１を形成する部分に上下方向に貫通する孔１３が設けられ、揺動体２２と、ヒンジ２３と、第１駆動電極２４１と、第１検出電極２５１との上方に空間を形成するために、ガラス基板１０ａのこれらの上方の部分が凹状に形成されている。最後に、図６（ｅ）に示すように、ガラス基板３０ａに形成された孔１３を導電性の良い金属１２で埋めてスルーホール１１を形成し、これにより揺動部２が製造される（図３（ｂ）参照）。

以上のように、本実施形態に係る角速度センサは、揺動体２２、駆動電極２４、第検出電極２５が同一平面上に配置されるため、これらをＤｅｅｐＲＩＥ処理などを含むＭＥＭＳ技術を用いて同時に形成できるので、作製が容易である。

以上に説明した本実施形態に係る角速度センサを用いて、第２軸周りの角速度を検出する方法について説明する。角速度センサを用いて第２軸周りの角速度を検出する場合は、直流電源３によって直流電圧を第１駆動電極２４１と第１検出電極２５１とに印加し、交流電源４によって交流電圧を第２駆動電極２４２に印加する。

このように、第１駆動電極２４１に直流電源が印加され、第２駆動電極２４２に交流電圧が印加されると、第１駆動電極２４１と第２駆動電極２４２との間に第２軸方向の静電力が作用する。この静電力は、第２駆動電極２４２に印加される交流電圧の増減に応じて変動し、この静電力の変動に応じて、第１駆動電極２４１が設けられた揺動部材２２１が第１軸周りに揺動する。

なお、本実施形態では、小さな静電力で大きく揺動部材２２１を揺動させるために、揺動部材２２１の第１軸周りの揺動に共振現象を利用している。共振現象を利用するために、本実施形態では、第２駆動電極２４２に印加される交流電圧の周波数を、揺動部材２２１の固有振動数の２倍としている。このように、周波数が固有振動数の２倍の交流電圧を印加すると、揺動部材２２１が揺動部材２２１の固有振動数で揺動する。さらに望ましくは、交流電圧の周波数は、揺動部材２２１の固有振動数の２倍よりも少し高めに設定される。これは、第１駆動電極２４１と第２駆動電極２４２間に印加される直流電圧によって発生する静電引力が、ばねの役割をし、固有振動数が高めにシフトするためである。また、この共振系は非線形性を持つために、共振点のピークよりも低周波数側が不安定になることがあり、この観点からも、交流電圧の周波数は高めに設定することが好ましい。

このように揺動部材２２１が第１軸周りに揺動しているときに、第２軸周りの回転が角速度センサに与えられると、揺動体２２１の各部位において、第２軸周りの回転の角速度に比例した第１軸方向のコリオリ力が発生する。このコリオリ力の向きは、第１軸周りの揺動によって揺動体２２１の各部位が移動する移動方向に応じた向きである。例えば、図２に示すように、第１軸を挟んで反対側に位置する２つの部位では、第１軸周りの揺動による移動方向が反対であるため、反対方向（図２の矢印Ｒ方向と矢印Ｒ’方向）のコリオリ力が発生する。このように、第１軸を挟んで一方側と他方側とで反対方向のコリオリ力が発生することで、揺動部材２２１に、揺動体２２の周方向に回転する力が作用し、この力により、揺動部材２２１及び揺動部材２２１と連結されたリング２２２は、揺動体２２の周方向に回転する。よって、リング２２２は、揺動体２２の周方向にコリオリ力に比例した速さで回転する。

このように回転するリング２２２には、第１検出電極２５１が設けられ、リング２２２が周方向に回転すると、第１検出電極２５１の枝部２５１ａと第２検出電極２５２の枝部２５２ａとの距離が変動する。枝部２５１ａと枝部２５２ａとの距離が変動すると枝部２５１ａ及び２５２ａ間の静電容量が変動する。

本実施形態では、図４（ａ）に示すように、揺動体２２の周方向において、枝部２５１ａと当該枝部２５１ａから図４（ａ）に示す矢印Ｕ方向側の枝部２５２ａ（以下、Ｕ側の枝部２５２ａという）との間隔が、枝部２５１ａと当該枝部２５１ａから図４（ａ）に示す矢印Ｖ方向側の枝部２５２ａ（以下、Ｖ側の枝部２５２ａという）との間隔に比べて大きく形成されている。従って、枝部２５１ａとＵ側の枝部２５２ａとの間の静電容量は極めて小さく、枝部２５１ａ及び２５２ａ間の静電容量は、枝部２５１ａとＶ側の枝部２５２ａとの距離に影響される。

第２軸周りの回転によって発生するコリオリ力の向きは、第２軸周りの回転の方向及び、第１軸周りの揺動の方向に影響され、第２軸周りに同一方向の回転が角速度センサに与えられても、発生するコリオリ力の向きは、揺動部材２２１の揺動方向の反転と同時に反転する。従って、リング２２２は、揺動部材２２１の固有振動数で周方向に回動する。そのため、枝部２５１ａとＶ側の枝部２５２ａとの距離は、上記のコリオリ力に比例した速さで変動するが、変動方向が、揺動部材２２１の揺動方向と共に変化し、枝部２５１ａとＶ側の枝部２５２ａとの距離が、揺動部材２２１の固有振動数で増減する。よって、枝部２５１ａとＶ側の枝部２５２ａとの間の静電容量も、揺動部材２２１の固有振動数で増減する。このように増減する各枝部２５１ａと各Ｖ側の枝部２５２ａとの静電容量の合計が第１検出電極２５１と第２検出電極との間の静電容量となる。

第１検出電極２５１に直流電圧が印加されて、第１検出電極２５１の電位が一定に保たれているので、第１検出電極２５１と第２検出電極２５２との間の静電容量が変動すると、静電容量の変動速度に応じた電流が測定回路６に発生する。この静電容量の変動速度に応じた電流は、電流測定手段５によって測定され、この測定された電流に基づいて第２軸周りの角速度を算出することができる。

第１検出電極２５１と第２検出電極２５２との間の静電容量は、揺動部材２２１の固有振動数で増減するため、測定回路６に発生する電流は、揺動部材２２１の揺動周波数と同一周波数の交流電流である。このように、静電容量の変動速度に応じた電流が揺動部材２２１の揺動周波数と同一周波数の交流電流であると、交流電源４によって第２駆動電極２４２に交流電圧が印加されることにより、容量型の結合によって測定回路６に電流ノイズが発生(以下、クロストークという)しても、第２駆動電極２４２に印加される交流電圧の周波数が、揺動部材２２１の固有振動数の２倍であるため、静電容量の変動速度に応じた電流からクロストークした交流電流を取り除くことが容易に行える。

本実施形態では、第１検出電極２５１に直流電圧を印加して、第１検出電極２５１と第２検出電極２５２とに一定の電位差を持たせて、第２軸周りの角速度に応じた電流を測定回路６に生じさせているが、第２軸周りの角速度に応じた電流を測定回路６に生じさせる方法として、例えば、第１検出電極２５１をグランドに接続し、第２検出電極２５２に直流電圧を印加する方法を挙げることができる。

また、本実施形態では、第１駆動電極２４１に直流電圧を印加し、第２駆動電極２４２に交流電圧を印加して、揺動部材２２１を第１軸周りに揺動させるための静電力を増減させている。このように、第１駆動電極２４１に直流電圧を印加し、第２駆動電極２４２に交流電圧を印加すると、発生する静電力は交流電圧の振幅とともに直流電圧に比例する。そうすると、大きな直流電圧を第１駆動電極２４１に印加すると、第２駆動電極２４２に小さな交流電圧を印加した場合であっても、揺動部材２２１の揺動に必要な静電力を発生させることができる。第２駆動電極２４２に印加する交流電圧が小さいと、測定回路６へのクロストークを抑えることができるので、電流測定手段５によって、第２軸周りの回転の角速度に応じた電流が精度良く測定される。

さらに、本実施形態では、第１検出電極２５１と第２検出電極２５２とを櫛歯状に形成することで、第１検出電極２５１と第２検出電極２５２とが向き合う面積を大きくしている。第１検出電極２５１と第２検出電極２５２とが向き合う面積を大きくすると、例えば、第２軸周りの回転の角速度が小さく、リング２２２の周方向の回動速度が小さくても、第１検出電極２５１と第２検出電極２５２との間の電流を大きく変化させることができるので、電流測定手段５によって、第２軸周りの回転の角速度に応じた電流が精度良く測定される。

また、第１検出電極２５１と第２検出電極２５２の形状は、第１検出電極２５１と第２検出電極２５２が対向している限りにおいて、特に限定されるものでなく、例えば、図４（ｂ）に示すような形状でもよい。即ち、第１検出電極２５１は、リング２２２の外周部から振動体２２の径方向に延出された幹部２５１ｂと、当該幹部２５１ｂから振動体２２の周方向の一方側（図４（ｂ）では矢印Ｖ側）に延出された枝部２５１ｃとから構成された電極片２５１ｄが、リング２２２の外周部に沿って複数設けられた形状であってもよい。また、第１検出電極がこの形状を採る場合は、図４（ｂ）に示すように、第２検出電極２５２は、振動体２２の径方向と平行な幹部２５２ｂと、当該幹部２５２ｂから振動体２２の周方向の他方側（図４（ｂ）では矢印Ｕ側）に延出された枝部２５２ｃとから構成された電極片２５２ｄが複数設けられた形状であってもよい。

また、本実施形態の角速度センサ１の変形例として、シリコン層２０Ａの揺動部材２２１Ａが、リング２２２Ａの外側に配置された構成を挙げることができる。図７は、揺動部材２２１Ａがリング２２２Ａの外側に配置された構成のシリコン層２０Ａの平面図である。図７に示すように、本実施形態と同様に、シリコン層２０Ａの外周部は、シリコンフレーム２１Ａによって形成されている。シリコンフレーム２１Ａの内側には、中央から、固定部２８Ａ、リング２２２Ａ、揺動部材２２１Ａの順で配置されている。

固定部２８Ａは、下部ガラス層の上面に設けられている。リング２２２Ａは、固定部２８Ａを囲繞するように配置され、周方向（図７の紙面と平行な方向（図７の矢印Ｗ方向））に回動可能に４本のヒンジ２３Ａによって固定部２８に支持されている。揺動部材２２１Ａは、リング２２２Ａを囲繞するように配置され、第１軸周りに揺動可能に２本の軸部材２７Ａによってリング２２２Ａに支持されている。揺動部材２２１Ａは、中央に固定部２８Ａとリング２２２Ａとが配置される矩形状の開口が形成された矩形状に形成されている。また、ここでの第１軸とは、リング２２２Ａの所定の径方向（図７のＹ軸）と平行であり、揺動部材２２１Ａの第２軸方向中央部を通る軸（図７において一点鎖線Ｃ’で示される、軸部材２７Ａを通る軸）である。また、第２軸とは、リング２２２Ａの径方向のうち第１軸と直交する軸（図７に示すＸ軸と平行な軸）である。さらに、揺動部材２２１Ａは、２本の軸部材２６Ａによって、第１軸周りに揺動可能にシリコンフレーム２１Ａに支持されている。

揺動部材２２１Ａの第２軸方向両側には、第１駆動電極２４１Ａが形成され、シリコンフレーム２１Ａの内側の第１駆動電極２４１Ａと対向する位置に第２駆動電極２４２Ａが形成されている。この第２駆動電極２４２Ａは、下部ガラス層の上面に設けられている。また、リング２２２Ａの外周部には、リング２２２Ａの外周部に沿って円弧状に形成された第１検出電極２５１Ａが設けられ、揺動部材２２１Ａの開口の当該第１検出電極２５１Ａと対向する位置に、第２検出電極２５２Ａが設けられている。この第２検出電極２５２Ａは、下部ガラス層の上面に設けられている。

図７に示す構成においても、第１駆動電極２４１Ａと第２駆動電極２４２Ａとの間に交流電圧を印加すれば、揺動部材２２１Ａは、第１軸周りに揺動する。リング２２２Ａは、固定部２８につながるヒンジ２３Ａに支持されているので、揺動部材２２１Ａが第１軸周りに揺動してもリング２２２Ａは揺動しない。揺動部材２２１Ａが第１軸周りに揺動しているときに、第２軸周りの回転が角速度センサに与えられると、揺動部材２２１Ａの第１軸を挟んだそれぞれの部位に互いに反対方向の第１軸方向に平行なコリオリ力が発生する。このコリオリ力によって、リング２２２Ａは回動し、第１検出電極２５１Ａと第２検出電極２５２Ａとの静電容量が第２軸周りの角速度に応じて変動し、本実施形態と同様に、静電容量の変動速度に応じた電流が発生し、この電流に基づいて第２軸周りの角速度を算出することができる。

本発明の一実施形態に係る角速度センサを構成する揺動部の概略斜視図である。本発明の一実施形態に係る角速度センサを構成するシリコン層の平面図である図１に示す揺動部の端面図であり、（ａ）は図１に示す揺動部のＡ―Ａ端面図を示し、（ｂ）は図１に示す揺動部のＢ−Ｂ端面図を示す。第１検出電極と第２検出電極を説明するための図２の点線Ｐで囲まれた部分の拡大図であり、（ａ）は本実施形態における第１検出電極と第２検出電極を示し、（ｂ）は他の形態における第１検出電極と第２検出電極を示す。揺動部における電気的な接続状態を示す模式図である。揺動部の製造工程を示した図１に示すＢ―Ｂ端面図である。揺動部材がリングの外側に支持された構成のシリコン層の平面図である。非特許文献１に提案された角速度センサの概略図であり、（ａ）は側面図を、（ｂ）は当該角速度センサを構成するシリコン層の平面図を示す。

符号の説明

２揺動部
３直流電源
４交流電源
５電流測定手段
２０、２０Ａシリコン層
２１、２１Ａシリコンフレーム（枠体）
２２揺動体
２３２３Ａヒンジ
２４駆動電極
２５検知電極

Claims

枠体に対して、径方向と平行な第１軸周りに揺動可能に支持されると共に、周方向に回動可能に支持されたディスク状の揺動体と、
静電力を利用して前記揺動体を前記第１軸周りに揺動させる駆動電極と、
前記揺動体に設けられた第１検出電極と、
前記枠体を固定した基板に設けられた第２検出電極とを備え、
前記駆動電極と、前記第１検出電極と、前記第２検出電極とは、前記揺動体と略同一平面上に配置され、
さらに、前記駆動電極に交流電圧を印加する電源と、
前記第１検出電極と前記第２検出電極との間の静電容量または静電容量の変動速度を測定する測定手段とを備え、
前記揺動体は、
前記枠体に対して、前記周方向に回動可能に支持されたリング状の検出部材と、
前記検出部材の内側に、前記検出部材に対して、前記第１軸周りに揺動可能に支持された揺動部材とを備え、
前記電源は、前記揺動部材の固有振動数の２倍の周波数の交流電圧を前記駆動電極に印加することを特徴とする角速度センサ。
基板に設けられた固定部と、
前記固定部を囲繞するように、前記固定部に対して、周方向に回動可能に支持されたリング状の検出部材と、
前記検出部材を囲繞するように、前記検出部材に対して、前記検出部材の径方向と平行な第１軸周りに揺動可能に支持された揺動部材と、
静電力を利用して、前記揺動部材を前記第１軸周りに揺動させる駆動電極と、
前記検出部材に設けられた第１検出電極と、
前記基板に設けられた第２検出電極とを備え、
前記駆動電極と、前記第１検出電極と、前記第２検出電極と、前記揺動部材とは、前記検出部材と略同一平面上に配置され、
さらに、前記駆動電極に交流電圧を印加する電源と、
前記第１検出電極と前記第２検出電極との間の静電容量または静電容量の変動速度を測定する測定手段とを備え、
前記電源は、前記揺動部材の固有振動数の２倍の周波数の交流電圧を前記駆動電極に印加することを特徴とする角速度センサ。
前記第１検出電極と、前記第２検出電極とは、櫛歯状に形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の角速度センサ。