JP5206709B2 - 可動体を備えている装置 - Google Patents

Description

本発明は、２方向に変位可能な可動体を備えている装置に関する。例えば、ｘ軸方向の加速度が作用するとｘ軸方向に変位するとともに、ｚ軸方向の加速度が作用するとｚ軸方向に変位する可動体を備えている装置に関する。あるいは、ｘ軸方向に振動している状態でｙ軸周りの角速度が作用するとｚ軸方向に変位する可動体を備えている装置に関する。すなわち、本発明は、２軸方向に変位可能な可動体（２自由度を有する可動体であり、２自由度可動体ということができる）を備えている装置に関する。
本発明の装置は、外力等が作用することによって２自由度可動体が変位する装置に限定されない。内蔵するアクチュエータによって２自由度可動体を積極的に変位させる装置であることもある。
本発明の装置は、半導体加工技術を応用して製造するのに適しており、マイクロメカニカル構造体（ＭＥＭＳ）の一種であることがある。

従来から２自由度可動体（たとえばｘ-ｚ可動体）の変位量を検出することによって、物理量を検出する装置が提案されている。例えば、ｘ軸方向の変位量からｘ軸方向の加速度を検出し、ｚ軸方向の変位量からｚ軸方向の加速度を検出する装置が提案されている。あるいは、ｚ軸方向の変位量からｙ軸周りの角速度を検出する装置が提案されている。
ｘ-ｚ可動体を備えている装置の場合、ｘ軸方向の変位がｚ軸方向の変位量を検出することに影響し、ｚ軸方向の変位がｘ軸方向の変位量を検出することに影響する。ｘ軸方向の変位量とｚ軸方向の変位量を分離して検出することが難しい。

この問題を解決するために、特許文献１に記載の角速度センサが提案されている。この角速度センサは、第１質量体と第２質量体とを備えている。第２質量体は、ｘ軸方向とｚ軸方向に変位可能である。第２質量体がｘ軸方向に振動している状態でｙ軸周りの角速度が作用すると、第２質量体にｚ軸方向のコリオリ力が作用し、第２質量体はｚ軸方向に変位する。第１質量体は、ｚ軸方向には移動可能であるが、ｘ軸方向には移動不能に案内されている。第１質量体と第２質量体はばねによって接続されている。そのばねは、ｘ軸方向にはやわらかく、ｚ軸方向には硬い。第１質量体と第２質量体は、ｘ軸方向には相対変位可能であり、ｚ軸方向には一体となって変位する。ｘ軸方向に振動している第２質量体にコリオリ力が作用して第２質量体がｚ軸方向に変位すると、第１質量体は、ｘ軸方向には変位せずに、ｚ軸方向にのみ変位する。第２質量体のｚ軸方向の変位量と、第１質量体のｚ軸方向の変位量は等しい。第１質量体のｚ軸方向の変位量から、ｙ軸周りの角速度を検出することができる。上記のセンサでは、ｚ軸方向の変位量を検出する第１質量体がｘ軸方向に変位しないことから、第１質量体と第２質量体のｚ軸方向の変位量を正確に検出することができ、ｙ軸周りの角速度を正確に検出することができる。同種の技術が、特許文献２乃至４にも開示されている。

特開２００３−１９４５４５号公報 特表２００４−５１８９６９号公報 特開２００７−３３３４６７号公報 特表２００１−５１５２０１号公報

従来の技術では、第１質量体が回転することには対処していない。例えば、ｚ軸方向に変位可能である第１質量体がｚ軸の周りで回転してしまうことがある。この場合、第１質量体のｚ軸方向の変位量と第２質量体のｚ軸方向の変位量がずれてしまったりする。それによって検出精度が低下する。

本発明は、上述の課題を解決するために創作されたものであり、例えば、２自由度可動体（たとえばｘ-ｚ可動体）の他に、ｚ軸方向には２自由度可動体と一体となって変位するけれどもｘ軸方向には変位しない１自由度可動体を設けることによって、ｘ軸方向への変位がｚ軸方向への変位量の検出に影響しないようにするとともに、１自由度移動体が回転しないようにして検出精度の向上を図る。

本発明の可動体を備えている装置は、サポート範囲を備えている基板と、基板に部分的に積層されている中間層と、中間層を介して基板に積層されている表面層を備えている。表面層は、互いに直交するｘ軸とｙ軸に沿って伸びており、ｘ軸とｙ軸のそれぞれに対してｚ軸が直交している。表面層は、中間層を介してサポート範囲に固定されている固定範囲と、サポート範囲から分離されている遊離範囲を備えている。遊離範囲は、固定範囲に続く複数個の第１ばね範囲と、複数個の第１ばね範囲に続く第１可動範囲と、第１可動範囲に続く第２ばね範囲と、第２ばね範囲に続く第２可動範囲を備えている。第２可動範囲は、ｘ軸方向に伸びる２つの辺とｙ軸方向に伸びる２つの辺を備える矩形枠状である。第１可動範囲は、矩形枠の内部に収容されている。複数個の第１ばね範囲は、第１可動範囲と第２可動範囲との間の少なくとも４箇所に分散されており、その４箇所は、第１可動範囲の中心を通るｘ軸とｙ軸に対して対称な４つの位置に分散されている。各々の第１ばね範囲のｚ軸方向のばね定数はｘ軸とｙ軸方向のばね定数よりも低く、第２ばね範囲のｘ軸方向のばね定数はｙ軸とｚ軸方向のばね定数よりも低い。第１可動範囲は、複数個の第１ばね範囲によって、サポート範囲に対して、ｚ軸方向に可動であるとともに、ｘ軸方向とｙ軸方向には不動であり、ｚ軸周りには回転しない。第２可動範囲は、複数個の第１ばね範囲と第２ばね範囲によって、サポート範囲に対して、ｘ軸方向とｚ軸方向に可動となっている。

上記装置では、第１ばね範囲が、第１可動範囲の中心を通るｘ,ｙ軸に対して対称な少なくとも４箇所に設けられている。そのため、第１可動範囲が中心の周りにｘ−ｙ面内で回転しようとしても、第１可動範囲を取り囲む少なくとも４箇所に設けられている第１ばね範囲が、第１可動範囲が回転することを強く抑制する。第１ばね範囲はｚ軸方向にはやわらかいものの、ｘ軸，ｙ軸方向には硬いことから、第１可動範囲が１本の第１ばね範囲で支持されていても第１可動範囲がz軸の周りに回転することを抑制できるが、第１可動範囲の中心を通るｘ,ｙ軸に対して対称な少なくとも４箇所で第１可動範囲が支持されていると、第１可動範囲の回転が極めて強固に抑制される。

第１可動範囲が、第１可動範囲を取り囲む少なくとも４箇所に設けられている第１ばね範囲で支持されていると、製造時に第１ばね範囲等に永久歪が発生するような場合でも、複数個の第１ばね範囲同士が永久歪の影響を打ち消しあう。第１可動範囲が意図せずに回転することを強固に抑制する。この問題は、ポリシリコンやＳｉやＧｅといった成膜温度の高い材料を使用して装置を製造する際には、特に深刻である。この場合、熱応力が大きくなるので大きな反りが生じやすい。本装置によると、製造時に発生する反り(永久歪)に起因してオフセット値がばらついたり、温度変化に起因して検出値がシフトするといった問題をも抑制することもできる。

このような特徴は、所定方向への加速度を他の方向への加速度に干渉されないように計測するセンサ、あるいは所定方向への正確な並進変位を実現するアクチュエータといった種々の用途に利用可能である。さらに、本願発明者の解析と実験とによって、振動外乱への耐性や衝撃への耐性に優れることが明らかとなった。振動外乱への耐性は、たとえば自動車のような移動体へ本装置を装備する場合に有用な性質である。衝撃への耐性は、たとえば自動車のような移動体の事故検知において有用な性質である。

可動体を備えている装置では、複数の第１ばね範囲が、４箇所に設けられており、複数の第１ばね範囲が、ｘ軸方向に伸びている第１グループと、ｙ軸方向に伸びている第２グループを備えていることが好ましい。この構成によると、ｘ軸，ｙ軸方向に硬くてｚ軸方向に柔らかな第１ばね範囲を実現しやすく、回転に対する高い剛性を確保することができる。すなわち、第１可動範囲と基板の間に回転に対する高い剛性を実現できるとともに、他の軸へのカップリング（影響）を抑制することができる。

可動体を備えている装置では、第２可動範囲をｘ軸方向に往復振動させる励振部と、第１可動範囲のｚ軸方向の変位に依存して出力が変化する変位検出部が付加されていることが好ましい。上記の変位検出部は、例えば、第１可動範囲のｚ軸方向への変位に追従して容量を変えるコンデンサを利用して構成することができる。

上記の装置では、励振部が第２可動範囲をｘ軸方向に往復振動させている状態でｙ軸周りの角速度が加えられると、コリオリ力によって第２可動範囲がｚ軸方向に変位する。その結果、第１可動範囲もｚ軸方向に変位する。第１可動範囲はｘ軸方向に変位しないだけでなく、回転もしないことから、z軸方向の変位量を正確に検出することができる。高精度で低ノイズの角速度計測を実現することができる。すなわち、第１可動範囲への回転運動の混入に起因するノイズを抑制し、高精度な角速度計測を可能とする。

可動体を備えている装置では、基板が、基板を貫通する溝によって内側部分と外側部分とに区画されており、外側部分がサポート範囲を構成しているといった態様を採用することができる。この場合、内側部分は、外側部分に対して相対的に変位可能である。表面層に設けられている固定範囲は、中間層を介して外側部分に固定されており、第１可動範囲は、中間層を介して内側部分に固定されていることが好ましい。この構成によると、第１可動範囲の質量を増大させることができる。あるいは、第１可動範囲の変位検出部を設けやすい。

可動体を備えている装置の基板が内側部分と外側部分とを備えている場合には、表面層に、基板の外側部分に固定されている範囲から基板の内側部分に間隔を隔てて対向する範囲にまで伸びている検出部分が形成されていることが好ましい。この構成によると、基板の内側部分と表面層に形成されている検出部分によって、コンデンサが構成される。第１可動範囲に固定されている内側部分は、外側部分に対してｚ軸方向に変位可能であり、第１可動範囲と一体となってｚ軸方向に移動する。従って、第１可動範囲がｚ軸方向に変位すると、コンデンサの電極間距離が変化し、コンデンサの容量が変化する。コンデンサの容量から、第１可動範囲のｚ軸方向への移動量を検出することができる。また、変位検出部の好ましい動的バランスと静的バランスとを実現して変位検出部の慣性モーメントに起因する想定しない回転を抑制することができる。

可動構造を備えている装置では、表面層が、第２可動範囲に続く第３ばね範囲と、第３ばね範囲に接続されているとともに中間層を介してサポート範囲に固定されている第２固定範囲を備えており、第３ばね範囲のｘ軸方向とｚ軸方向のばね定数が、ｙ軸方向のばね定数よりも低いことが好ましい。この構成によると、第２可動範囲は、第３ばね範囲によっても支持される。このとき、第３ばね範囲は、ｘ軸方向とｚ軸方向にやわらかことから、第２可動範囲はｚ軸方向にもｘ軸方向にも自在に変位できる。その一方において、第３ばね範囲は、ｙ軸方向には硬い。第２可動範囲はｙ軸方向には変位できない。これによって枠形状をしている第２可動範囲の回転が抑制される。これにより、第２可動範囲が回転することを確実に防止できる。
第２可動範囲の外側に第２固定範囲を設けた場合には、第２可動範囲の外側からの拘束によって、第２可動範囲の回転をより適切に抑制することができる。

表面層が第３ばね範囲と第２固定範囲を備えている装置では、第３ばね範囲が、第２可動範囲に続く可動側ばね範囲と、第２固定範囲に続く固定側ばね範囲を備えており、可動側ばね範囲のｚ軸方向のばね定数が、ｘ軸とｙ軸方向のばね定数よりも低く、固定側ばね範囲のｘ軸方向のばね定数が、ｙ軸とｚ軸方向のばね定数よりも低いことが好ましい。上記構造では、第３ばね範囲が、可動側ばね範囲と固定側ばね範囲を備えているため、ｘ軸方向とｚ軸方向のばね定数がｙ軸方向のばね定数よりも低くなる。

可動体を備えている装置が、可動側ばね範囲と固定側ばね範囲とを備える場合には、可動側ばね範囲と固定側ばね範囲の間に配置されている第３可動範囲が付加されていることが好ましい。この場合、第３可動範囲は、固定側ばね範囲を介して第２固定範囲に続いているため、第３可動範囲はｘ軸方向にのみ可動となり、ｙ軸及びｚ軸方向への変位が制限される。

可動体を備えている装置に第３可動範囲が付加されている場合には、第３可動範囲をｘ軸方向に往復振動させる励振部と、第１可動範囲のｚ軸方向の変位に依存して出力が変化する変位検出部とがさらに付加されていることが好ましい。

この装置は、ｙ軸周りの角速度を検出する。この装置では、第２可動範囲をｘ軸方向に往復振動させるために、第３可動範囲をｘ軸方向に往復振動させる。第３可動範囲はｚ軸方向に移動しないことから、第３可動範囲をｘ軸方向に往復振動させる振動装置の構成を簡単化することができる。変位検出部は、第１可動範囲のｚ軸方向への変位量に依存して出力を変化させる。第１可動範囲はｘ軸方向に変位しないことから、ｘ軸方向への変位がｚ軸方向への変位量の検出を妨げることがない。この装置は、ｘ軸方向への変位以外に対しては高い剛性で支持されている第３可動範囲をｘ軸方向に往復振動させ、ｚ軸方向への変位以外に対しては高い剛性で支持されている第１可動範囲のｚ軸方向への変位に基づいて角速度を計測することができる。したがって、高精度で低ノイズの角速度計測を実現することができる。

可動体を備えている装置に第３可動範囲が付加されている場合には、第１可動範囲のｚ軸方向の変位に依存して出力が変化する第１変位検出部と、第３可動範囲のｘ軸方向の変位に依存して出力が変化する第２変位検出部とがさらに付加されていることが好ましい。
上記装置では、第１変位検出部によってｚ軸方向の加速度を検出することができ、第２変位検出部によってｘ軸方向の加速度を検出することができる。第１変位検出部はｘ軸及びｙ軸方向への加速度の影響を受けないため、ｚ軸方向の加速度を高精度に検出することができる。第２変位検出部は、ｚ軸及びｙ軸方向の加速度の影響を受けないため、ｘ軸方向の加速度を高精度に検出することができる。すなわち、この構成では、第１可動範囲への回転運動の混入に起因するノイズを抑制し、高精度な２軸加速度センサを実現することができる。

上記では、第１可動範囲がｚ軸方向にのみ変位し、第２可動範囲がｘ軸とｚ軸方向にのみ変位する場合を説明した。
これに代えて、第１可動範囲がｘ軸方向にのみ変位し、第２可動範囲がｘ軸とｚ軸方向にのみ変位するものであってもよい。
この場合は、ｘ軸方向のばね係数がｙ軸方向のばね係数とｚ軸方向のばね係数よりも低い第１ばね範囲と、ｚ軸方向のばね係数がｘ軸方向のばね係数とｙ軸方向のばね係数よりも低い第２ばね範囲を利用する。

本発明の装置によれば、第１可動範囲を周囲から拘束して１自由度以外の変位を拘束することから、他の軸方向への変位の影響を受けない変位を確保することができる。また第１可動範囲が回転することを防止できる。さらに、第１ばね範囲等に反りが残ってオフセット値がずれるといった問題を防止できる。

本発明の第１実施例に係る可動構造１００を備える角速度センサ１０の構成を示す説明図。 第１実施例の支持基板５００から可動構造１００を分離した状態を模式的に示す分解斜視図。 第１実施例の可動構造１００と２個の固定電極２２１、２２２の固定状態を示す説明図。 第１実施例の可動構造１００の構成を示す説明図。 第１実施例の角速度センサ１０の支持基板５００の構成を示す説明図。 第１実施例の角速度センサ１０の構成を示す断面図。 第１実施例の角速度センサ１０の作動状態における構成を示す断面図。 本発明の第２実施例に係る可動構造１００ａを備える角速度センサ１０ａの構成を示す説明図。 第２実施例の可動構造１００ａの構成を示す説明図。 本発明の第３実施例に係る可動構造１００ｂを備える角速度センサ１０ｂの構成を示す説明図。 第３実施例の可動構造１００ｂの構成を示す説明図。 第３実施例の角速度センサ１０ｂの支持基板５００ｂの構成を示す説明図。 本発明の第３実施例の変形例に係る角速度センサ１０ｂｖの構成を示す説明図。 本発明の第４実施例に係る可動構造１００ｃを備える角速度センサ１０ｃの構成を示す説明図。 本発明の第５実施例に係る２軸加速度センサ１０ｄの構成を示す説明図。 本発明の第６実施例に係る可動構造を備える装置の斜視図。 第１変形例に係る可動構造１００ｅを示す説明図。 第２変形例に係る可動構造１００ｆを示す説明図。 第３変形例に係る可動構造１００ｇを示す説明図。

本発明は、たとえば以下の特徴を単独あるいは組み合わせて備えることによって好ましい形態として実現することもできる。
（特徴１） 第２ばね範囲が、結合部（第１可動範囲であり、１自由度可動体の実施例）のｘ−ｙ平面での中心位置を通るｘ,ｙ軸に対して対称な少なくとも４箇所の位置で結合部に接続されている。
（特徴２） 第１ばね範囲が、ｚ軸方向に薄く、かつ、ｘ−ｙ平面内においてｚ軸方向よりも大きなサイズを有する板ばねとして構成されることによって、ｘ−ｙ平面内において高い回転剛性を有している。
（特徴３） 第１ばね範囲は、結合部のｘ−ｙ平面での中心から見たときに、第２ばね範囲よりも離れた位置に配置されている。
（特徴４） 可動構造体が、ＳＯＩ基板から構成されている。

以下では、実施の形態を、次のような順序に従って説明する。
Ａ．第１実施例に係る角速度センサの構成：
Ｂ．第２実施例に係る角速度センサの構成：
Ｃ．第３実施例に係る角速度センサの構成：
Ｄ．第４実施例に係る角速度センサの構成：
Ｅ．第５実施例に係る２軸加速度センサの構成：
Ｆ．第６実施例に係る可動構造を備える装置の構成：
Ｇ．変形例：

Ａ．第１実施例に係る角速度センサの構成：
図１は、第１実施例に係る可動構造１００を備える角速度センサ１０の構成を示す。角速度センサ１０は、可動構造１００と、３個の固定電極２２１、２２２、２３０と、一対の励振電極３１０、３２０と、これらを埋め込み酸化膜ＢＬを介して支持する支持基板５００を備えている。角速度センサ１０は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から構成されている。ＳＯＩ基板は、導電性の活性層ＷＬ（表面層の実施例）と、支持基板ＳＬ（基板の実施例）との間に、埋め込み酸化膜ＢＬ（中間層の実施例）を積層した構造を有する基板である。活性層ＷＬには、図１および図２に示されるように、可動構造１００と、３個の固定電極２２１、２２２、２３０と、一対の励振電極３１０、３２０とが形成され、４個の貫通電極ＰＥ１〜ＰＥ４で活性層ＷＬと支持基板ＳＬとが電気的に接続されている。

図２は、支持基板５００から可動構造１００を分離した状態の分解斜視図を示す。図３は、可動構造１００と２個の固定電極２２１、２２２の固定状態を示す。図４は、可動構造１００の平面図を示す。図５は、支持基板５００の平面図を示す。図５に示されるように、支持基板５００は、支持基板５００を貫通する溝Ｇによって、外側基板５１０（外側部分の実施例）と、２個の固定電極基板５２１、５２２と、内側基板５３０（内側部分の実施例）と、に分離されている。なお、図２では、一対の励振電極３１０，３２０の図示が省略されている。

可動構造１００は、図２に示されるように、一対の結合部１５１，１５２を備えている。一対の結合部１５１，１５２は、第１可動範囲を構成し、後記するように、ｘ−ｙ平面内での変位が拘束され、z軸方向にのみ可動な１自由度可動体でもある。一対の結合部１５１，１５２は、活性層ＷＬで構成されている。結合部１５１は酸化膜７３５を介して内側基板５３０に固定されており、結合部１５２は酸化膜７３６を介して内側基板５３０に固定されている。一対の結合部１５１，１５２は、内側基板５３０と一体化されており、一体として変位する。

図１に示されるように、結合部１５１は、２個のｚ軸ばね１３１、１３２で支持されている。結合部１５２は、２個のｚ軸ばね１３３、１３４で支持されている。４個のｚ軸ばね１３１，１３２，１３３，１３４（第１ばね範囲の実施例）は、一対の結合部１５１，１５２の中心Ｃｆを通るｘ,ｙ軸に対して対称な４箇所に配置されている。４個のｚ軸ばね１３１、１３２、１３３、１３４は、活性層ＷＬの厚さを薄くすることによって、ｚ軸方向のばね定数を他の方向のばね定数よりも顕著に小さくするように構成し、実質的にｚ軸方向の変位のみを許容するように構成されたばねである。

ｚ軸ばね１３１の一端は、内部固定部１４１で外側基板５１０に固定されている。ｚ軸ばね１３２の一端は、内部固定部１４２で外側基板５１０に固定されている。ｚ軸ばね１３３の一端は、内部固定部１４３で外側基板５１０に固定されている。ｚ軸ばね１３４の一端は、内部固定部１４４で外側基板５１０に固定されている。４個の内部固定部１４１〜１４４（固定範囲の実施例）も、一対の結合部１５１，１５２の中心Ｃｆを通るｘ,ｙ軸に対して対称な４箇所に配置されている。４個の内部固定部１４１〜１４４は、図２に示されるように、４箇所に残留している酸化膜７４１〜７４４を介して、外側基板５１０に固定されている。４個の内部固定部１４１〜１４４は、後記する枠マス部１１０の内側の範囲に形成されている。可動構造１００は、一対の結合部１５１，１５２の中心Ｃｆを通るｘ,ｙ軸に対して対称な４箇所の位置に配置された４個の酸化膜７４１〜７４４を介して、外側基板５１０に固定されている。

可動構造１００は、図４に示されるように、矩形の枠状の形状（枠形状）を有する質量体である枠マス部１１０（第２可動範囲の実施例）を備えている。一対の結合部１５１，１５２と枠マス部１１０とは、４個のｘ軸ばね１２１〜１２４（第２ばね範囲の実施例）で連結されている。４個のｘ軸ばね１２１、１２２、１２３、１２４は、ｘ軸方向のばね定数を他の方向のばね定数よりも顕著に小さくするように構成することによって、実質的にｘ軸方向の変位のみを許容するように構成されたばねである。結合部１５１，１５２はｚ軸方に変位可能である。その結合部１５１，１５２にｘ軸ばね１２１〜１２４を介して連結されていることから、枠マス部１１０はｘ軸方向とｚ軸方向に変位可能である。枠マス部１１０は、外側基板５１０に対して、ｘ軸方向とｚ軸方向に可動であり、ｙ軸方向に移動不能である。枠マス部１１０は、２自由度可動体である。
ｘ軸ばね１２１〜１２４はｚ軸方向には変位しないことから、枠マス部１１０がｚ軸方向に変位すれば、それに追従して結合部１５１，１５２もｚ軸方向に変位する。

一対の結合部１５１，１５２と枠マス部１１０を連結する４個のｘ軸ばね１２１〜１２４も、一対の結合部１５１，１５２の中心Ｃｆを通るｘ,ｙ軸に対して対称な４箇所の位置に配置されている。４個のｘ軸ばね１２１〜１２４はｙ軸方向に変位しづらいことから、枠マス部１１０が中心Ｃｆの周りに回転することが規制されている。結合部１５１，１５２も枠マス部１１０も、回転しないように拘束されている。

より詳細に説明すると、２個のｘ軸ばね１２１、１２２が、枠マス部１１０と結合部１５１とを一体的に接続している。２個のｘ軸ばね１２３、１２４が、枠マス部１１０と結合部１５２とを一体的に接続している。結合部１５１は、２個のｘ軸ばね１２１、１２２と２個のｚ軸ばね１３１、１３２とを結合し、結合部１５２は、２個のｘ軸ばね１２３、１２４と２個のｚ軸ばね１３３、１３４とを結合していることになる。

このような接続状態は、以下のような利点を有している。すなわち、本実施例では、ｚ軸ばね１３１〜１３４は、ｚ軸方向に薄く、かつ、ｘ−ｙ平面内においてｚ軸方向よりも大きなサイズを有する板ばねなので、ｘ−ｙ平面内において極めて高い回転剛性を有している。一方、ｘ軸ばね１２１〜１２４は、ｘ−ｙ平面内においてｘ軸方向への変位を許容するＵ字構造を有しているので、ｚ軸ばね１３１〜１３４と比較してｘ−ｙ平面内における剛性が低くなっている。このような構成は、枠マス部１１０への外乱の入力によって仮に枠マス部１１０が意図しない運動を生じても、ｚ軸ばね１３１〜１３４で支持された一対の結合部１５１，１５２への回転運動の混入を顕著に低減させることができるという利点を有している。加えて、本実施例では、ｚ軸ばね１３１〜１３４は、ｘ−ｙ平面内において、４個の内部固定部１４１〜１４４から曲がることなく、ほぼ直線状に伸びて結合部１５１，１５２に接続されているので、屈曲部の存在に起因するｘ−ｙ平面内の剛性の低下をも排除している。

図２に示されるように、固定電極２２１は、酸化膜７１１を介して外側基板５１０に固定されるとともに、酸化膜７２１を介して固定電極基板５２１に接続されている。固定電極基板５２１は、外側基板５１０に機械的に固定され、電気的に絶縁されている。固定電極２２２は、酸化膜７１２を介して外側基板５１０に固定されるとともに、酸化膜７２３を介して固定電極基板５２２に接続されている。固定電極基板５２２は、外側基板５１０に機械的に固定され、電気的に絶縁されている。一方、固定電極２３０（検出部分の実施例）の両端２３１，２３２は、２個の酸化膜７３１、７３２を介して外側基板５１０に固定されている。固定電極２３０は、外側基板５１０に機械的に固定され、電気的に絶縁されている。固定電極２３０は、結合部１５１，１５２に接続されている内側基板５３０の上方を通過している。内側基板５３０がｚ軸方向に変位しない状態では、内側基板５３０の上面と固定電極２３０の下面の間に、酸化膜ＢＬの厚みに等しいギャップが形成されている。

一対の励振電極３１０、３２０（図１）は、図２に示されるように、それぞれ酸化膜７１０と、酸化膜７２０とを介して外側基板５１０に固定されている。図１に示されるように、一対の励振電極３１０、３２０に対向する枠マス部１１０の辺から外側に向けて櫛歯状電極ＣＥが形成されている。励振電極３１０に通電すると、櫛歯状電極ＣＥが励振電極３１０に向けて吸引され、励振電極３２０に通電すると、櫛歯状電極ＣＥが励振電極３２０に向けて吸引される。励振電極３１０と励振電極３２０に交互に通電すると、枠マス部１１０はｘ軸方向に往復振動する。一対の励振電極３１０、３２０は、励振（振動）部を構成している。

可動構造１００は、上述の接続状態において以下のような動作が可能である。結合部１５１は、実質的にｚ軸方向の変位のみを許容するｚ軸ばね１３１、１３２を介して２個の内部固定部１４１、１４２（いわゆるアンカー）に接続されているので、支持基板ＳＬのうちの外側基板５１０に対してｚ軸方向にのみ変位可能である。この点は、結合部１５２についても同様である。結合部１５１は酸化膜７３５を介して内側基板５３０に固定されており、結合部１５２は酸化膜７３６を介して内側基板５３０に固定されている。すなわち、結合部１５１と結合部１５２は、酸化膜７３５、７３６と内側基板５３０を介して一体化されている。一体化された部分の全体は、４本のｚ軸ばね１３１〜１３４で支持されており、外側基板５１０に対してｚ軸方向にのみ変位可能となっている。結合部１５１、１５２は、結合部１５１、１５２の中心Cfを通るｘ軸とｙ軸に対称な４箇所に分散して配置されている４個のｚ軸ばね１３１〜１３４と、４個の固定部１４１〜１４４で支持されており、ｚ軸周りに回転することが禁止されている。枠マス部１１０は、実質的にｘ軸方向の変位のみを許容する４個のｘ軸ばね１２１〜１２４を介して結合部１５１、１５２に接続されているので、結合部１５１、１５２に対してｘ軸方向にのみ変位可能である。

図６は、角速度センサ１０の断面図である。角速度センサ１０の電気的な接続状態は以下のとおりである。本実施例では、結合部１５１、１５２は、２個の貫通電極ＰＥ２、ＰＥ３を介して内側基板５３０に電気的に接続されている。結合部１５１、１５２は、ｘ軸ばね１２１〜１２４を介して枠マス部１１０に電気的に接続されている。これにより、結合部１５１、１５２、枠マス部１１０、および内側基板５３０は、いずれも電気的に相互に接続されている。

なお、本明細書では、結合部１５１、１５２、枠マス部１１０、および内側基板５３０は、外側基板５１０や２個の固定電極基板５２１、５２２、固定電極２２１，２２２，２３０に対して変位可能なので、可動電極群とも呼ばれる。この可動電極群は、ｘ軸に垂直な面（ｙｚ面）と、ｙ軸に垂直な面（ｘｚ面）のいずれに対してもほぼ面対称となるように構成されているので、可動電極群に好ましいバランスを実現している。変位検出部で想定しない回転が生じることを抑制し、低ノイズでの角速度計測を実現することができる。可動電極群の中でも、特に結合部１５１、１５２および内側基板５３０の好ましいバランスが、結合部１５１、１５２が意図せずに回転することを抑制するのに顕著な効果を奏する。

固定電極２２１は、貫通電極ＰＥ１を介して固定電極基板５２１に電気的に接続されている。固定電極２２２は、貫通電極ＰＥ４を介して固定電極基板５２２に電気的に接続されている。本明細書では、固定電極２３０、固定電極基板５２１、および固定電極基板５２２は、固定電極群とも呼ばれる。

図７は、第１実施例の角速度センサ１０の作動状態における断面図である。角速度センサ１０は、ｙ軸周りの回転に応じて、可動電極群（結合部１５１、１５２、枠マス部１１０、および内側基板５３０）がｚ軸方向に変位することを利用して、ｙ軸周りの角速度を計測することができる。可動電極群のｚ軸方向の変位は、ｙ軸周りの角速度に応じて枠マス部１１０に発生するコリオリ力によって発生する。枠マス部１１０にコリオリ力が発生するのは、枠マス部１１０が、一対の励振電極３１０、３２０によってｘ軸方向に往復振動しているからである。枠マス部１１０に発生したコリオリ力は、枠マス部１１０をｚ軸方向に変位させ、この変位が実質的にｘ軸方向の変位のみを許容する４個のｘ軸ばね１２１〜１２４を介して結合部１５１、１５２に伝達されることになる。この伝達途中で、枠マス部１１０のｘ軸方向の振動が、４個のｘ軸ばね１２１〜１２４によって吸収されることになる。

ｚ軸方向の変位は、可動電極群と固定電極群との間の静電容量の差動変化として電気的な出力に変換される。具体的には、図７に示されるように、可動電極群がｚ軸方向の正の方向に変位すると、固定電極２３０と内側基板５３０の対向面の距離ｄ２が小さくなる一方、結合部１５１や枠マス部１１０と固定電極基板５２１の対向面の距離ｄ１ａ並びに結合部１５２や枠マス部１１０と固定電極基板５２２の対向面の距離ｄ１ｂが大きくなる。

このような静電容量の差動変化は、キャリア信号発生部９１０と、Ｃ−Ｖ変換部９２０と、ＡＭ復調回路９３０と、によって以下のようにして角速度を表す角速度情報を含む電気信号として出力される。キャリア信号発生部９１０と、Ｃ−Ｖ変換部９２０と、ＡＭ復調回路９３０とが検出部を構成する。具体的には、キャリア信号発生部９１０は、固定電極群（２個の固定電極基板５２１、５２２）にキャリア電圧を印加する。固定電極群（２個の固定電極基板５２１、５２２）は、可動電極群（結合部１５１、５２２等）との間にコンデンサを形成している。このコンデンサには、接地された固定電極２３０と可動電極群（内側基板５３０）との間に形成されたコンデンサが直列に接続されている。このように直列に接続された２つのコンデンサは、分圧電位を生じさせる。この分圧電位は、オペアンプ９２１、キャパシタ９２２、および抵抗９２３からなるＣ−Ｖ変換部９２０によって増幅され、ＡＭ復調回路９３０によって角速度を表す角速度情報を含むアナログ電気信号として出力されることになる。

このように、第１実施例では、内側基板５３０に固定されている結合部１５１、１５２が、一対の結合部１５１、１５２との中心Ｃｆを通るｘ,ｙ軸に対して対称な４箇所の位置で外側基板５１０に固定されている。この固定は、実質的にｚ軸方向の変位のみを許容し、ｘ−ｙ平面内において強固に拘束するｚ軸ばね１３１〜１３４によって行われているので、一対の結合部１５１、１５２は、ｘ−ｙ平面内における高い回転剛性で固定されていることになる。これにより、外側基板５１０に対して可動な結合部１５１、１５２と内側基板５３０は、ｘ−ｙ平面内において強固に拘束されているので、意図しない回転運動の混入を抑制することができる。この結果、結合部１５１、１５２の変位に応じて計測される角速度への誤差の混入を抑制することができる。

なお、本実施例では、枠マス部１１０は、一対の結合部１５１、１５２の中心Ｃｆを通るｘ,ｙ軸に対して対称な接続位置において接続されているので、枠マス部１１０が並進運動を行っても結合部１５１、１５２への回転モーメントの入力を顕著に低減することができる。

また、本実施例では、枠マス部１１０は、４個のｘ軸ばね１２１〜１２４が４箇所の接続位置で接続されている。しかしながら、この接続位置は、たとえば２箇所でもよく、６箇所以上でも良い。接続位置の数を多くすると、枠マス部１１０への意図しない回転運動の混入を抑制することができる。結合部１５１、１５２を介して外側基板５１０に高い回転剛性で締結されることになるからである。一方、接続位置の数を少なくすると、枠マス部１１０からの外乱の影響を小さくすることができる。さらに、本構成は、本願発明者の解析と実験とによって振動外乱への耐性や衝撃への耐性にも優れることが明らかとなった。振動外乱への耐性は、たとえば自動車のような移動体への装備において有用な性質である。衝撃への耐性は、たとえば自動車のような移動体の事故検知において有用な性質である。

また、このような構成は、特に、半導体製造プロセスによる製造に適している。積層面内の回転剛性は、積層面を有効利用することができるので、外側固定部や導電層接続部の配置に関して大きな設計自由度を有するとともに、反りを抑制して製造誤差を小さくすることができるという利点をも有している。特に、ポリシリコンやＳｉＧｅといった成膜温度の高い材料を使用する際には、熱応力が大きくなるので顕著な効果を奏することができる。加えて、温度特性、すなわち温度変化に起因する計測誤差や変位誤差の発生も抑制することもできる。

Ｂ．本発明の第２実施例に係る角速度センサの構成：
図８は、本発明の第２実施例に係る可動構造１００ａを備える角速度センサ１０ａの構成を示す。図９は、第２実施例の可動構造１００ａの構成を示す。第２実施例の可動構造１００ａは、第１実施例の結合部１５１、１５２が第２実施例の結合部１５１ａ、１５２ａに変更されている点で第１実施例の可動構造１００と相違する。第２実施例の角速度センサ１０ａは、他の点において第１実施例の角速度センサ１０と共通する。

第２実施例の結合部１５１ａ、１５２ａは、内部固定部１４１〜１４４とｘ軸ばね１２１〜１２４の接続位置が入れ替えられている点で第１実施例の結合部１５１、１５２（図４）と相違する。具体的には、たとえば結合部１５１ａでは、内部固定部１４１とｘ軸ばね１２１の位置が入れ替えられているとともに、内部固定部１４２とｘ軸ばね１２２の位置が入れ替えられている。結合部１５２ａおいても同様に、内部固定部１４３、１４４とｘ軸ばね１２３、１２４とが入れ替えられている。このような入れ替えによって、第２実施例では、４個の内部固定部１４１〜１４４が第１実施例よりも結合部１５１ａ、１５２ａの中心Ｃｆよりも離れた位置に配置されていることになる。

このように、第２実施例は、４個の内部固定部１４１〜１４４がより離れた位置に配置されているので、枠マス部１１０が外側基板５１０に対してｘ‐ｙ面内において強固に拘束されていることになる。これにより、枠マス部１１０の回転運動の発生を抑制し、枠マス部１１０から結合部１５１ａ、１５２ａへの意図しない回転運動の混入を第１実施例よりも抑制して、計測精度をさらに高めることができる。

Ｃ．本発明の第３実施例に係る角速度センサの構成：
図１０は、本発明の第３実施例に係る可動構造１００ｂを備える角速度センサ１０ｂの構成を示す。図１１は、第３実施例の可動構造１００ｂの構成を示す。図１２は、第３実施例の角速度センサ１０ｂの支持基板５００ｂの構成を示す。第３実施例の角速度センサ１０ｂは、第１実施例の可動構造１００と支持基板５００とがそれぞれ第３実施例の可動構造１００ｂと支持基板５００ｂとに変更され、２個の貫通電極ＰＥ２、ＰＥ３が削除されている点で第１実施例の角速度センサ１０ｂと相違する。

第３実施例の可動構造１００ｂは、その外側基板５１０ｂへの固定が卍型（Ｓｗａｓｔｉｋａ ｓｈａｐｅ）に構成されている点で第１実施例の可動構造１００と相違する。具体的な構成の相違は以下のとおりである（図１１参照）。
（１）一対の結合部１５１、１５２を１個の結合部１５１ｂ（第１可動範囲の実施例）に変更。
（２）内部固定部１４１〜１４２を内部固定部１４１ｂ〜１４２ｂに変更。
（３）ｚ軸ばね１３１〜１３４をｚ軸ばね１３１ｂ〜１３４ｂに変更。

図１１に示されるように、第３実施例の結合部１５１ｂは、矩形の枠形状の結合枠部１５１ｂ１と、可動の電極として機能する可動電極部１５１ｂ２と、を備えている。可動電極部１５１ｂ２は、４個の機能部接続部１６１〜１６４を有し、４個の機能部接続部１６１〜１６４を介して結合枠部１５１ｂ１に接続されている。結合枠部１５１ｂ１と、その内部の構成要素（可動電極部１５１ｂ２、４個の機能部接続部１６１〜１６４、およびｚ軸ばね１３１ｂ〜１３４ｂ）は、いずれもｚ軸方向の厚さが可動構造１００ｂの他の要素よりも薄くなるように構成し、慣性質量の低減とｚ軸ばね１３１ｂ〜１３４ｂの異方性とを実現している。４個のｚ軸ばね１３１ｂ〜１３４ｂのうち、２個のｚ軸ばね１３１ｂ，１３４ｂ（第１グループの実施例）は、ｘ軸方向に伸びており、２個のｚ軸ばね１３２ｂ，１３３ｂ（第２グループの実施例）は、ｙ軸方向に伸びている。ｚ軸ばね１３１ｂ〜１３４ｂの異方性は、実質的にｚ軸方向の変位のみを許容する性質である。

このような構成を有する結合枠部１５１ｂ１は、図１１に示されるように、第１実施例の結合部１５１、１５２のように、４個のｘ軸ばね１２１〜１２４と４個のｚ軸ばね１３１ｂ〜１３４ｂとを連結しているので、コリオリ力に応じて第１実施例の結合部１５１、１５２と同様に作動することになる。

第３実施例の内部固定部１４１ｂ〜１４２ｂは、結合枠部１５１ｂ１の枠内であって可動電極部１５１ｂ２の外側に配置されている。４個の内部固定部１４１ｂ〜１４２ｂは、第１実施例と同様に結合部１５１ｂの中心Ｃｆを通るｘ,ｙ軸に対して対称な位置において、結合枠部１５１ｂ１を外側基板５１０ｂに卍型に固定している。この固定は、前述のように第１実施例と同様に実質的にｚ軸方向の変位のみを許容し、ｘ‐ｙ面内において強固に拘束するｚ軸ばね１３１ｂ〜１３４ｂによって行われているので、第３実施例の結合部１５１ｂは、ｘ‐ｙ面内における高い回転剛性で固定されていることになる。

第３実施例のｚ軸ばね１３１ｂ〜１３４ｂは、第１実施例と異なり、結合枠部１５１ｂ１の枠内において、結合部１５１ｂの中心Ｃｆを通るｘ,ｙ軸に対して対称な方向に伸びて４個の内部固定部１４１ｂ〜１４２ｂと結合枠部１５１ｂ１とを接続している。このような構成は、結合枠部１５１ｂ１への回転モーメントの入力に応じて、軸方向の荷重（引っ張り荷重あるいは圧縮荷重）のみが発生することになるので、ｚ軸方向の変位を許容しつつ、効果的に高い回転剛性で固定することができるとともに、他の軸へのカップリング（影響）を抑制することができる。

第３実施例の可動電極部１５１ｂ２は、４個の機能部接続部１６１〜１６４を介して結合枠部１５１ｂ１に接続されている。これにより、可動電極部１５１ｂ２は、結合枠部１５１ｂ１と一体的にｚ軸方向に変位することになる。可動電極部１５１ｂ２は、第３実施例の支持基板５００ｂの一部に対する対向面をｚ軸方向に有している。

第３実施例の支持基板５００ｂは、支持基板ＳＬを貫通する溝Ｇによって、固定電極基板５２１ｂと外側基板５１０ｂと、に分離されている。固定電極基板５２１ｂは、可動電極部１５１ｂ２に対する対向面を有し、２個の貫通電極ＰＥ１、ＰＥ４を介して２個の固定電極２２１、２２２に電気的に接続されている。

角速度センサ１０ｂは、第１実施例と同様に、ｙ軸周りの回転に応じて、可動電極部１５１ｂ２がｚ軸方向に変位することを利用して、ｙ軸周りの角速度を計測することができる。この変位は、可動電極部１５１ｂ２と固定電極基板５２１ｂとの間の静電容量の変化として電気的な出力に変換され、外側基板５１０ｂの電位を基準電位として２個の固定電極２２１、２２２に出力される。

このように、第３実施例は、可動電極部１５１ｂ２を有する結合部１５１ｂが、その中心Ｃｆに対してほぼ点対称な方向に伸びているｚ軸ばね１３１ｂ〜１３４ｂによって４個の内部固定部１４１ｂ〜１４２ｂに接続されているので、効果的に高い回転剛性で固定することができるとともに、他の軸へのカップリング（影響）を抑制することができる。ただし、電気的な出力は、第１実施例や第２実施例とは異なり、差動出力ではない。

図１３は、本発明の第３実施例の変形例に係る角速度センサ１０ｂｖの構成を示す説明図である。角速度センサ１０ｂｖでは、支持基板５００ｂｖ上に第３実施例の変形例に係る２個の可動構造１００ｂｖ１、１００ｂｖ２を装備することによって差動出力が実現されている。可動構造１００ｂｖ１は、図１３において、右側の櫛歯電極素子ＣＥが削除されるとともに、その部位にｘ軸ばね１２７の一方が接続されている点で第３実施例の可動構造１００ｂと相違する。ｘ軸ばね１２７の他方には、可動構造１００ｂから左側の櫛歯電極素子ＣＥが削除された構成を有する可動構造１００ｂｖ２が接続されている。ｘ軸ばね１２７は、ｘ軸方向のばね定数を他の方向のばね定数よりも顕著に小さくするように構成することによって、実質的にｘ軸方向の変位のみを許容するように構成されたばねである。

角速度センサ１０ｂｖは、励振電極３１０，３２０の通電によって、ｘ軸ばね１２７の弾性変形に応じて音叉のような運動を行う。すなわち、２個の可動構造１００ｂｖ１、１００ｂｖ２は、ｘ軸ばね１２７の伸縮に応じて、近づいたり離れたりを繰り返すことになる。このような運動では、２個の可動構造１００ｂｖ１、１００ｂｖ２の各々が相互に常時反対方向に運動することになる。これにより、角速度の入力に応じて２個の可動構造１００ｂｖ１、１００ｂｖ２に対して相互に反対方向のコリオリ力が働くことになるので、可動構造１００ｂｖ１側と可動構造１００ｂｖ２側の静電容量の変化が逆となって差動出力として取り出すことができることになる。
このように、第３実施例の可動構造１００ｂｖ１，２のような構成を有する可動構造体を使用しても差動出力を得ることができる。

Ｄ．本発明の第４実施例に係る角速度センサの構成：
図１４は、本発明の第４実施例に係る可動構造１００ｃを備える角速度センサ１０ｃの構成を示す説明図である。第４実施例の可動構造１００ｃは、２個の櫛歯電極結合部４１０、４２０（第３可動範囲の実施例）と、４個の第２ｚ軸ばね６０１〜６０４（可動側ばね範囲の実施例）と、４個の屈曲ばね６１０〜６４０とを有している点で第１実施例の可動構造１００と相違する。２個の櫛歯電極結合部４１０、４２０は、可動構造１００ｃが有する枠マス部１１０ｃの左右に第２ｚ軸ばね６０１〜６０４を介して一体的に接続されている。各第２ｚ軸ばね６０１〜６０４は、ｚ軸方向のばね定数をｘ軸方向のばね係数とｙ軸方向のばね係数よりも顕著に小さくすることによって、実質的にｚ軸のみの変異を許容するように構成されたばねである。２個の櫛歯電極結合部４１０、４２０の動きが４個の屈曲ばね６１０〜６４０によってｘ軸方向に拘束されている。

たとえば屈曲ばね６１０は、支持基板５００ｃ上に２個の外部固定部６１１（第２固定範囲の実施例）と、４本の屈曲ばね本体６１２と、屈曲ばね連結部６１３と、を備えている。屈曲ばね連結部６１３には、４本の屈曲ばね本体６１２が接続されている。４本の屈曲ばね本体６１２のうち２本は、２個の外部固定部６１１で支持基板５００ｃに接続されている。他の２本の屈曲ばね本体６１２は、櫛歯電極結合部４１０の上端部に接続されている。各屈曲ばね本体６１２と屈曲ばね連結部６１３とが固定側ばね範囲を構成している。４本の屈曲ばね本体６１２は、ｘ軸方向のばね定数を他の方向のばね定数よりも顕著に小さくするように構成することによって、実質的にｘ軸方向の変位のみを許容するように構成されたばねである。他の３個の屈曲ばね６２０〜６４０は、屈曲ばね６１０と同一の構成であり、外部固定部６２１，６３１，６４１（第２固定範囲の実施例）と、それぞれ４本の屈曲ばね本体６２２，６３２，６４２と、屈曲ばね連結部６２３，６３３，６４３とを有している。櫛歯電極結合部４１０と、第２ｚ軸ばね６０１，６０２と、屈曲ばね本体６１２，６３２と、屈曲ばね連結部６１３，６３３とが、第３ばね範囲を構成している。櫛歯電極結合部４２０と、第２ｚ軸ばね６０３，６０４と、屈曲ばね本体６２２，６４２と、屈曲ばね連結部６２３，６４３とが、第３ばね範囲を構成している。

櫛歯電極結合部４１０は、上述のようにそれぞれ２本の屈曲ばね６１０，６３０に接続されている。これにより、櫛歯電極結合部４１０は、８本の屈曲ばね本体６１２，６３２を介して４個の外部固定部６１１，６３１に接続されていることになる。屈曲ばね本体６１２，６３２は、実質的にｘ軸方向の変位のみを許容するように構成されているので、櫛歯電極結合部４１０は、２個の外部固定部６１１と２個の外部固定部６３１とに対してｘ軸方向の変位のみが許容されることになる。櫛歯電極結合部４２０も櫛歯電極結合部４１０と同様にｘ軸方向の変位のみが許容されることになる。この結果、可動構造１００ｃは、屈曲ばね本体６１２，６２２，６３２，６４２を介して８個の外部固定部６１１、６２１、６３１、６４１に接続され、高い回転剛性で支持基板５００ｃに固定されていることになる。

このように、第４実施例は、可動構造１００ｃが有する枠マス部１１０ｃの枠内において４個の内部固定部１４１〜１４４によって固定されているとともに、枠マス部１１０ｃの枠外において８個の外部固定部６１１、６２１、６３１、６４１によって固定されていることになる。これにより、可動構造１００ｃは、極めて高い回転剛性で外側基板５１０ｃに締結することができるので、意図しない回転運動の混入を顕著に抑制することができる。

Ｅ．本発明の第５実施例に係る２軸加速度センサの構成：
図１５は、本発明の第５実施例に係る２軸加速度センサ１０ｄの構成を示す説明図である。第５実施例では、第４実施例の可動構造１００ｃを使用して２軸加速度センサ１０ｄが構成されている。２軸加速度センサ１０ｄは、２個の励振電極３１０、３２０のそれぞれが２個の検出電極３１０ｄ、３２０ｄに変更され、２個の櫛歯電極結合部４１０、４２０が２個の櫛歯電極結合部４１０ｄ、４２０ｄに変更されている点で第４実施例の角速度センサ１０ｃと相違する。

検出電極３１０ｄは、それぞれ２個の櫛歯電極素子ＣＥｄを有する２本の電極素子支持部材３１１ｄと、４個の櫛歯電極素子ＣＥｄを支持する電極素子支持部材３１２ｄとを有している。櫛歯電極結合部４１０ｄは、それぞれ４個の櫛歯電極素子ＣＥｄを支持する２本の電極素子支持部材４１１ｄを有している。検出電極３２０ｄと櫛歯電極結合部４２０ｄとは、それぞれ検出電極３１０ｄと櫛歯電極結合部４１０ｄと対称の構成を有している。

また、検出電極３１０ｄおよび櫛歯電極結合部４１０ｄは、以下のように作動する。たとえば２軸加速度センサ１０ｄに対してｘ軸方向（負の方向）に加速度が発生すると、可動構造１００ｃの枠マス部１１０ｃがｘ軸方向（正の方向）に並進移動する。このような枠マス部１１０ｃのｘ軸方向の並進移動に応じて、枠マス部１１０ｃと一体的に櫛歯電極結合部４１０ｄも移動することなる。櫛歯電極結合部４１０ｄがｘ軸方向に移動すると、櫛歯電極結合部４１０ｄの８個の櫛歯電極素子ＣＥｄは、検出電極３１０ｄの櫛歯電極素子ＣＥｄと近接することになる。これにより、検出電極３１０ｄと櫛歯電極結合部４１０ｄとの間の静電容量が変化することになる。検出電極３２０ｄおよび櫛歯電極結合部４２０ｄは、検出電極３１０ｄおよび櫛歯電極結合部４１０ｄと同様に作動する。このような静電容量の変化に応じて、ｘ軸方向の加速度を計測することができることが分かる。第２検出部６５０ｂは、この静電容量の変化に依存して出力を変化させ、実施例１の検出部と同じ原理である。すなわち、第２検出部６５０ｂが、櫛歯電極結合部４１０ｄ、４２０ｄの変位に依存して、その出力を変化する。

一方、２軸加速度センサ１０ｄに対してｚ軸方向の加速度が生じたときには、ｚ軸方向の加速度に応じて慣性質量を有する枠マス部１１０ｃとともに一対の結合部１５１、１５２と内側基板５３０とが変位するので、この変位に伴う静電容量の変化を利用してｚ軸方向の加速度を計測することもできる。本実施例では、２軸の加速度センサ１０ｄに対して、ｚ軸方向（負の方向）に加速度が発生すると、結合部１５１，１５２がｚ軸方向（正の方向）に並進移動する。第１検出部６５０ａは、実施例１の検出部と同様の構成であり、結合部１５１，１５２の変位に依存して、その出力を変化する。

このように、第５実施例では、第４実施例の可動構造１００ｃを使用して２軸加速度センサ１０ｄが実現されている。２軸加速度センサは、第４実施例の可動構造１００ｃだけでなく、第１実施例や第２実施例の可動構造１００、１００ａを使用しても実現することができる。

Ｆ．本発明の第６実施例に係る可動構造体を備える装置の構成：
図１６に、第６実施例の可動体を備えている装置１０ｈを示す。図１６に示すように、可動構造１００ｈは、結合部１５１ｈ（第１可動範囲の実施例）と枠マス部１１０ｈを備えている。本実施例の結合部１５１ｈは、ｘ軸方向に可動であり、ｙ軸方向とｚ軸方向には移動不能である。本実施例は、この点が、上記各実施例と異なる。

結合部１５１ｈは、枠マス部１１０ｈの内側に収容されている。結合部１５１ｈは、４個のｘ軸ばね１３１ｈ，１３２ｈ，１３３ｈ，１３４ｈ（第１ばね範囲の実施例）に接続されている。各ｘ軸ばね１３１ｈ，１３２ｈ，１３３ｈ，１３４ｈのｘ軸方向のばね定数は、ｙ軸とｚ軸方向のばね定数よりも低い。４個のｘ軸ばね１３１ｈ，１３２ｈ，１３３ｈ，１３４ｈは、結合部１５１ｈに対して、結合部１５１ｈの中心Ｃｆを通るｘ軸,ｙ軸に対して対称な位置に接続されている。４個のｘ軸ばね１３１ｈ，１３２ｈ，１３３ｈ，１３４ｈのそれぞれは、内部固定部１４１ｈ，１４２ｈ，１４３ｈ，１４４ｈに接続されている。各内部固定部１４１ｈ，１４２ｈ，１４３ｈ，１４４ｈは、酸化膜７４１ｈ，７４２ｈ，７４３ｈ，７４４ｈを介して、基板５００ｈに接続されている。このようにして、結合部１５１ｈは、ｙ−ｚ平面内での変位が拘束される。

枠マス部１１０ｈは、４個のｚ軸ばね１２１ｈ，１２２ｈ，１２３ｈ，１２４ｈ（第２ばね範囲の実施例）を介して、結合部１５１ｈと接続されている。ｚ軸ばね１２１ｈ，１２２ｈ，１２３ｈ，１２４ｈのｚ軸方向のばね定数は、ｚ軸ばね１２１ｈ，１２２ｈ，１２３ｈ，１２４ｈのｘ軸とｙ軸方向のばね定数よりも低い。また、枠マス部１１０ｈは、４個のｘｚ軸ばね６５１，６５２，６５３，６５４を介して、外側固定部６６１，６６２，６６３，６６４に接続されている。ｘｚ軸ばね６５１，６５２，６５３，６５４のｘ軸とｚ軸方向のばね定数は、ｘｚ軸ばね６５１，６５２，６５３，６５４のｙ軸方向のばね定数よりも低い。外側固定部６６１，６６２，６６３，６６４は、酸化膜７６１，７６２，７６３，７６４を介して基板５００ｈに接続されている。したがって、枠マス部１１０ｈは、基板５００ｈに対してｘ，ｚ軸方向に可動であり、ｙ軸方向には移動不能である。

可動構造１００ｈを備えている装置１０ｈに、枠マス部１１０ｈをｚ軸方向に往復振動させる励振部と、結合部１５１ｈのｘ軸方向の変位に依存して出力が変化する検出部とを付加する。この場合、ｙ軸周りの角速度を検出することができる。
また、この可動構造体１１０ｈを備える装置１０ｈに、結合部１５１ｈのｘ軸方向の変位に依存して出力が変化する第１検出部と、枠マス部１１０ｈのｚ軸方向の変位に依存して出力が変化する第２検出部とを付加する。この場合、ｘ軸、ｚ軸方向の加速度を検出することができる。

Ｇ．変形例：
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。具体的には、たとえば以下のような変形例も実施可能で-ある。

Ｇ−１：上述の各実施例では、可動構造体を使用して角速度センサや加速度センサといった受動素子が構成されているが、たとえばアクチュエータや光スイッチといった能動素子を構成しても良い。このように、本発明の可動構造体は、受動素子だけでなく能動素子の構成にも利用可能である。

Ｇ−２：上述の各実施例（第３実施例とその変形例を除く）では、固定電極２３０を配置するための開口部が形成され、たとえば第１実施例では、一対の結合部１５１、１５２に分離されている可動構造体が例示されている。しかし、本発明は、図１７乃至図１９に示されるように、たとえば第１変形例の可動構造１００ｅや第２変形例の可動構造１００ｆ、第３変形例の可動構造１００ｇといった結合部１５１ｅ、１５１ｆ、１５１ｇに開口部が形成されていない可動構造体としても構成しても良い。こうすれば、内側基板５３０で一対の結合部１５１、１５２を結合する必要性も無くなって、内側基板５３０の接続に起因する慣性質量の増加を排除することもできる。

このような可動構造１００ｅ、１００ｆ、１００ｇは、上述の各実施例（第３実施例とその変形例を除く）の構成よりも高い剛性と、小さな慣性質量、および高い回転剛性での固定を実現することができる。ただし、上述の各実施例（第３実施例とその変形例を除く）は、開口部を形成して、固定電極２３０を配置することができるので、差動出力を得ることができるという利点を有している。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…角速度センサ
１０ｄ・・・加速度センサ
１０ｈ・・・可動構造体を備える装置
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｂｖ１、１００ｂｖ２、１００ｈ…可動構造体
１１０、１１０ｃ、１１０ｈ…枠マス部
１４１、１４１ｂ、１４２、１４３…内部固定部
１５１、１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｅ、１５２、１５２ａ…結合部
１５１ｂ１…結合枠部
１５１ｂ２…可動電極部
１６１…機能部接続部
２２１、２２２、２３０…固定電極
３１０、３２０…励振電極
３１０ｄ、３２０ｄ…検出電極
３１１ｄ…電極素子支持部材
４１０、４１０ｄ…櫛歯電極結合部
４１１ｄ…電極素子支持部材
４２０、４２０ｄ…櫛歯電極結合部
５００、５００ｂ…基板
５１０、５１０ｂ、５１０ｃ…外側基板
５２１、５２１ｂ、５２２、５２３…固定電極基板
５３０…内側基板
６１０、６２０、６２３…屈曲ばね
６１１、６２１…外部固定部
６２２…屈曲ばね本体

Claims (11)

1. 可動体を備えている装置であり、
   サポート範囲を備えている基板と、その基板に部分的に積層されている中間層と、その中間層を介して前記基板に積層されている表面層を備えており、
   その表面層は、互いに直交するｘ軸とｙ軸に沿って伸びており、
   そのｘ軸とｙ軸のそれぞれに対してｚ軸が直交しており、
   前記表面層は、前記中間層を介して前記サポート範囲に固定されている固定範囲と、そのサポート範囲から分離されている遊離範囲を備えており、
   その遊離範囲は、前記固定範囲に続く複数個の第１ばね範囲と、その複数個の第１ばね範囲に続く第１可動範囲と、その第１可動範囲に続く第２ばね範囲と、その第２ばね範囲に続く第２可動範囲を備えており、
   その第２可動範囲は、ｘ軸方向に伸びる２つの辺とｙ軸方向に伸びる２つの辺を備える矩形枠状であり、
   前記第１可動範囲は、前記矩形枠の内部に収容されており、
   前記複数個の第１ばね範囲は、前記第１可動範囲と前記第２可動範囲との間の少なくとも４箇所に分散されており、
   その４箇所は、前記第１可動範囲の中心を通るｘ軸とｙ軸に対して対称な４つの位置に分散されており、
   各々の前記第１ばね範囲のｚ軸方向のばね定数はｘ軸とｙ軸方向のばね定数よりも低く、
   前記第２ばね範囲のｘ軸方向のばね定数はｙ軸とｚ軸方向のばね定数よりも低く、
   前記第１可動範囲は、前記複数個の第１ばね範囲によって、前記サポート範囲に対して、ｚ軸方向に可動であるとともに、ｘ軸方向とｙ軸方向には不動であり、ｚ軸周りには回転せず、
   前記第２可動範囲は、前記複数個の第１ばね範囲と前記第２ばね範囲によって、前記サポート範囲に対して、ｘ軸方向とｚ軸方向に可動であることを特徴とする装置。
2. 前記複数個の第１ばね範囲が、４箇所に設けられており、
   前記複数個の第１ばね範囲が、ｘ軸方向に伸びている第１グループと、ｙ軸方向に伸びている第２グループを備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第２可動範囲をｘ軸方向に往復振動させる励振部と、
   前記第１可動範囲のｚ軸方向の変位に依存して出力が変化する変位検出部が付加されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記基板は、その基板を貫通する溝によって内側部分と外側部分とに区画されており、
   その外側部分が前記サポート範囲を構成し、
   前記内側部分は、前記外側部分に対して相対的に変位可能であり、
   前記固定範囲は、前記中間層を介して前記外側部分に固定されており、
   前記第１可動範囲は、前記中間層を介して前記内側部分に固定されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の装置。
5. 前記表面層が、前記外側部分に固定されている範囲から前記内側部分に間隔を隔てて対向する範囲にまで伸びている検出部分を備えていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記表面層は、前記第２可動範囲に続く第３ばね範囲と、その第３ばね範囲に接続されているとともに前記中間層を介して前記サポート範囲に固定されている第２固定範囲を備えており、
   前記第３ばね範囲のｘ軸方向とｚ軸方向のばね定数が、ｙ軸方向のばね定数よりも低いことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の装置。
7. 前記第３ばね範囲は、前記第２可動範囲に続く可動側ばね範囲と、前記第２固定範囲に続く固定側ばね範囲を備えており、
   その可動側ばね範囲のｚ軸方向のばね定数が、ｘ軸とｙ軸方向のばね定数よりも低く、
   その固定側ばね範囲のｘ軸方向のばね定数が、ｙ軸とｚ軸方向のばね定数よりも低い
   ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記可動側ばね範囲と前記固定側ばね範囲の間に配置されている第３可動範囲が付加されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記第３可動範囲をｘ軸方向に往復振動させる励振部と、
   前記第１可動範囲のｚ軸方向の変位に依存して出力が変化する変位検出部が付加されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記第１可動範囲のｚ軸方向の変位に依存して出力が変化する第１変位検出部と、
    前記第３可動範囲のｘ軸方向の変位に依存して出力が変化する第２変位検出部が付加されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 可動体を備えている装置であり、
    サポート範囲を備えている基板と、その基板に部分的に積層されている中間層と、その中間層を介して前記基板に積層されている表面層を備えており、
    その表面層は、互いに直交するｘ軸とｙ軸に沿って伸びており、
    そのｘ軸とｙ軸のそれぞれに対してｚ軸が直交しており、
    前記表面層は、前記中間層を介して前記サポート範囲に固定されている固定範囲と、そのサポート範囲から分離されている遊離範囲を備えており、
    その遊離範囲は、前記固定範囲に続く複数個の第１ばね範囲と、その複数個の第１ばね範囲に続く第１可動範囲と、その第１可動範囲に続く第２ばね範囲と、その第２ばね範囲に続く第２可動範囲を備えており、
    その第２可動範囲は、ｘ軸方向に伸びる２つの辺とｙ軸方向に伸びる２つの辺を備える矩形枠状であり、
    前記第１可動範囲は、前記矩形枠の内部に収容されており、
    前記複数個の第１ばね範囲は、前記第１可動範囲と前記第２可動範囲との間の少なくとも４箇所に分散されており、
    その４箇所は、前記第１可動範囲の中心を通るｘ軸とｙ軸に対して対称な４つの位置に分散されており、
    前記第１ばね範囲の各々のｘ軸方向のばね定数はｙ軸とｚ軸方向のばね定数よりも低く、
    前記第２ばね範囲のｚ軸方向のばね定数はｘ軸とｙ軸方向のばね定数よりも低く、
    前記第１可動範囲は、前記複数個の第１ばね範囲によって、前記サポート範囲に対して、ｘ軸方向に可動であるとともに、ｙ軸方向とｚ軸方向には不動であり、ｚ軸周りには回転せず、
    前記第２可動範囲は、前記複数個の第１ばね範囲と前記第２ばね範囲によって、前記サポート範囲に対して、ｘ軸方向とｚ軸方向に可動であることを特徴とする装置。
    

Images