JP6812830B2 - ジャイロセンサー、電子機器、および移動体 - Google Patents

ジャイロセンサー、電子機器、および移動体 Download PDF

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Description

本発明は、ジャイロセンサー、電子機器、および移動体に関する。
近年、シリコンMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて角速度を検出するジャイロセンサーが開発されている。ジャイロセンサーは、例えば、デジタルスチルカメラ(DSC)の手振れ補正機能、自動車のナビゲーションシステム、ゲーム機のモーションセンシング機能などの用途が急速に広がりつつある。
ジャイロセンサーは、駆動部の振動により可動体が振動している状態で角速度が加わると、コリオリ力によって可動体が変位することにより、角速度を検出することができる(例えば特許文献1参照)。このようなジャイロセンサーでは、可動体の面積を大きくすると、SN比(振動(signal)と雑音(noise)との比)を向上させることができる。
欧州特許出願公開第2957862号明細書
しかしながら、上記のようなジャイロセンサーにおいて、SN比を向上させるために可動体の面積を大きくすると、可動体が撓み易く、スプリアス振動の周波数が可動体の検出振動の周波数に近づく場合がある。スプリアス振動の周波数は環境温度によっても変動するので、スプリアス振動の周波数が可動体の検出振動の周波数に近づいた状態で、環境温度が変化すると、温度によるスプリアス振動の周波数変動の影響が大きくなる。そのため、ジャイロセンサーの温度安定性が低下する場合がある。
本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、スプリアス振動の周波数が可動体の検出振動の周波数に近づくことを抑制することができるジャイロセンサーを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、上記のジャイロセンサーを含む電子機器を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、上記のジャイロセンサーを含む移動体を提供することにある。
本発明は前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、以下の態様または適用例として実現することができる。
[適用例1]
本適用例に係るジャイロセンサーは、
基板と、
第1駆動部と、
角速度を検出する第1検出部および第2検出部と、
を含み、
前記第1検出部は、
前記第1駆動部の振動により振動し、角速度に応じて変位する第1可動電極を備えた第
1可動体と、
前記基板に固定され、前記第1可動電極と対向する第1固定電極と、
を有し、
前記第2検出部は、
前記第1駆動部の振動により振動し、角速度に応じて変位する第2可動電極を備えた第2可動体と、
前記基板に固定され、前記第2可動電極と対向する第2固定電極と、
を有し、
前記第1可動体と前記第2可動体とは、第1連結部によって連結されている。
このようなジャイロセンサーでは、例えば平面視において第1可動体の面積と第2可動体の面積の合計の面積を有するような大きな可動体を備えたジャイロセンサーに比べて、第1可動体および第2可動体が撓むことを抑制することができ、スプリアス振動の周波数が第1可動体および第2可動体の検出振動の周波数に近づくことを抑制することができる。
[適用例2]
本適用例に係るジャイロセンサーにおいて、
前記第1可動体および前記第2可動体は、同相で振動してもよい。
このようなジャイロセンサーでは、第1可動体と第2可動体とは第1連結部によって連結されているので、1つの駆動体によって、第1可動体および第2可動体を、同相で振動させることができる。
[適用例3]
本適用例に係るジャイロセンサーにおいて、
前記基板に固定された第1固定部、第2固定部、および第3固定部と、
前記第1固定部と前記第1可動体とを連結する第1バネ部と、
前記第2固定部と前記第1可動体とを連結する第2バネ部と、
前記第3固定部と前記第1可動体とを連結する第3バネ部と、
を含み、
前記第1バネ部は、平面視において、前記第2バネ部と前記第3バネ部との間に設けられていてもよい。
このようなジャイロセンサーでは、例えば第1バネ部が設けられていない場合に比べて、第1可動体が撓むことを抑制することができる。
[適用例4]
本適用例に係るジャイロセンサーにおいて、
前記第1バネ部は、第1軸方向に往復しながら、前記第1軸と直交する第2軸方向に延出する形状を有し、
前記第1バネ部の前記第1軸方向に延出している複数の延出部のうち、最も前記第1固定部に近い延出部は、前記第2軸方向からみて前記第1固定部と少なくとも一部が重なっており、前記複数の延出部のうち、他の延出部よりも前記第2軸方向の幅が大きくてもよい。
このようなジャイロセンサーでは、第2軸方向からみて第1固定部と重なる延出部であって、最も第1固定部に近い延出部が第1固定部に衝突して第1バネ部が破壊することを抑制することができる。
[適用例5]
本適用例に係るジャイロセンサーにおいて、
前記第1可動体と前記第2可動体とは、同じ大きさであって、同じ形を有していてもよい。
このようなジャイロセンサーでは、1つのスプリアス振動の周波数を避けるように設計すればよいので、設計の自由度を高くすることができる。
[適用例6]
本適用例に係るジャイロセンサーにおいて、
第2駆動部と、
前記第2駆動部の振動により振動し、角速度に応じて変位する第3可動体および第4可動体と、
を含み、
前記第3可動体と前記第4可動体とは、第2連結部によって連結され、
前記第1可動体および前記第2可動体と、前記第3可動体および前記第4可動体とは、逆相で振動してもよい。
このようなジャイロセンサーでは、例えば角速度以外の加速度等の物理量が印加されたとしても、差動検出により加速度成分を相殺することができ、角速度を正確に検出することができる。
[適用例7]
本適用例に係る電子機器は、
本適用例に係るジャイロセンサーを含む。
このような電子機器は、本適用例に係るジャイロセンサーを含むことができる。
[適用例8]
本適用例に係る移動体は、
本適用例に係るジャイロセンサーを含む。
このような移動体は、本適用例に係るジャイロセンサーを含むことができる。
本実施形態に係るジャイロセンサーを模式的に示す平面図。 本実施形態に係るジャイロセンサーを模式的に示す断面図。 検出部とQVアンプとの接続を説明するための図。 検出部とQVアンプとの接続を説明するための図。 本実施形態に係るジャイロセンサーの製造方法を説明するためのフローチャート。 本実施形態に係るジャイロセンサーの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係るジャイロセンサーの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の変形例に係るジャイロセンサーを模式的に示す平面図。 本実施形態に係る電子機器の機能ブロック図。 本実施形態に係る電子機器の一例であるスマートフォンの外観を模式的に示す図。 本実施形態に係る電子機器の一例であるウェアラブル機器の外観を模式的に示す図。 本実施形態に係る移動体を模式的に示す平面図。
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。
1. ジャイロセンサー
まず、本実施形態に係るジャイロセンサーについて、図面を参照しながら説明する。図1は、本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、本実施形態に係るジャイロセンサー100を模式的に示す図1のII−II線断面図である。なお、図1および図2では、互いに直交する3軸として、X軸、Y軸、およびZ軸を図示している。
ジャイロセンサー100は、図1および図2に示すように、基板10と、蓋体20と、機能素子102と、を含む。なお、便宜上、図1では、基板10および蓋体20を省略している。
基板10の材質は、例えば、ガラス、シリコンである。基板10には、凹部12が設けられている。凹部12は、キャビティー2を構成している。基板10は、凹部12の底面(凹部12を規定する基板10の面)12aに設けられたポスト部14を有している。ポスト部14は、機能素子102を支持するための部材である。
蓋体20は、基板10上に(基板10の+Z軸方向側に)設けられている。蓋体20の材質は、例えば、シリコンである。基板10と蓋体20とは、陽極接合によって接合されていてもよい。図示の例では、蓋体20に凹部が形成されており、該凹部は、キャビティー2を構成している。
なお、基板10と蓋体20との接合方法は、特に限定されず、例えば、低融点ガラス(ガラスペースト)による接合でもよいし、半田による接合でもよい。または、基板10および蓋体20の各々の接合部分に金属薄膜(図示せず)を形成し、該金属薄膜同士を共晶接合させることにより、基板10と蓋体20とを接合させてもよい。
機能素子102は、例えば、陽極接合によって、基板10に接合されている。機能素子102は、基板10と蓋体20とによって形成されるキャビティー2に収容されている。キャビティー2は、減圧状態であることが望ましい。これにより、機能素子102の振動が空気粘性によって減衰することを抑制することができる。
機能素子102は、例えば、固定部30と、駆動バネ部40と、駆動部50と、検出バネ部60と、連結バネ部70と、検出部80と、第1連結部90と、第2連結部92と、を有している。
固定部30は、基板10に固定されている。固定部30は、例えば、陽極接合によって、基板10のポスト部14に接合されている。固定部30は、駆動バネ部40および検出バネ部60の少なくとも一方と接続されている。固定部30は、複数設けられている。図示の例では、固定部30の平面形状(Z軸方向からみた形状)は、四角形である。
駆動バネ部40は、固定部30と駆動部50の可動駆動電極52とを連結している。駆動バネ部40は、基板10と離間して設けられている。図示の例では、駆動バネ部40は、X軸方向に往復しながらY軸方向に延出している。駆動バネ部40は、駆動部50の振
動方向(可動駆動電極52の振動方向)であるY軸方向に円滑に伸縮することができる。
駆動部50は、検出部80の可動体82をY軸方向に振動させる。駆動部50は、複数設けられている。図示の例では、駆動部50は、2個設けられている(第1駆動部50a、第2駆動部50b)。例えば、第1駆動部50aと第2駆動部50bとの間に、検出部80が設けられている。図示の例では、第1駆動部50aは、第2駆動部50bよりも−Y軸方向側に設けられている。駆動部50は、例えば、可動駆動電極52と、固定駆動電極54,56と、を有している。
可動駆動電極52は、基板10と離間して設けられている。可動駆動電極52は、例えば、X軸方向に延出している幹部と、該幹部からY軸方向に延出している複数の枝部と、を備えた櫛歯状の形状を有している。図示の例では、可動駆動電極52は、6個の駆動バネ部40によって支持されている。具体的には、可動駆動電極52の四隅が駆動バネ部40で接続され、さらに、可動駆動電極52の中間部53が2個の駆動バネ部40で接続されている。そのため、可動駆動電極52は、四隅のみが駆動バネ部40で接続されている場合に比べて、撓み難く、例えばスプリアス振動が発生し難い。
固定駆動電極54,56は、基板10に固定されている。固定駆動電極54,56は、例えば、陽極接合によって基板10のポスト部(図示せず)に接合されている。固定駆動電極54,56は、可動駆動電極52と対向して設けられている。すなわち、固定駆動電極54と可動駆動電極52とは、静電容量を形成し、固定駆動電極56と可動駆動電極52とは、静電容量を形成する。第1駆動部50aでは、固定駆動電極54は、可動駆動電極52の+Y軸方向側に設けられ、固定駆動電極56は、可動駆動電極52の−Y軸方向側に設けられている。第2駆動部50bでは、固定駆動電極54は、可動駆動電極52の−Y軸方向側に設けられ、固定駆動電極56は、可動駆動電極52の+Y軸方向側に設けられている。固定駆動電極54,56は、例えば、可動駆動電極52に対応した櫛歯状の形状を有している。
検出バネ部60は、固定部30と検出部80の可動体82とを連結している。検出バネ部60は、基板10と離間して設けられている。検出バネ部60は、可動体82のZ軸方向の変位に応じて、Z軸方向に変形可能に構成されている。
検出バネ部60は、複数設けられている。複数の検出バネ部60のうちの第1検出バネ部(第1バネ部)60aは、第1固定部(複数の固定部30のうちの第1固定部)30aに接続されている。第1検出バネ部60aは、第1固定部30aと可動体82とを連結している。複数の検出バネ部60のうちの第2検出バネ部(第2バネ部)60bは、第2固定部(複数の固定部30のうちの第2固定部)30bと可動体82とを連結している。複数の検出バネ部60のうちの第3検出バネ部(第3バネ部)60cは、第3固定部(複数の固定部30のうちの第3固定部)30cと可動体82とを連結している。
図示の例では、第1固定部30aは、2個設けられ、一方の第1固定部30aと第2固定部30bとは、一体的に設けられ、他方の第1固定部30aと第3固定部30cとは、一体的に設けられている。第1検出バネ部60aは、平面視において(Z軸方向からみて)、第2検出バネ部60bと第3検出バネ部60cとの間に設けられている。なお、図示はしないが、固定部30a,30b,30cは、それぞれ独立して設けられていてもよい。また、固定部30a,30b,30cの数は、特に限定されない。
第1検出バネ部60aは、X軸方向に往復しながら、X軸と直交するY軸方向に延出する形状を有している。第1検出バネ部60aは、X軸方向に延出する複数の延出部62を有している。複数の延出部62のうち、Y軸方向からみて第1固定部30aと重なる延出
部62(第1固定部30aと重なる部分を有する延出部62)であって、最も第1固定部30aに近い延出部62(図示の例では延出部62a)は、他の延出部62(例えば延出部62b)よりも太い(Y軸方向の大きさが大きい)。延出部62aは、第1固定部30aの面と対向する面を有している。第1検出バネ部60aのX軸方向に延出している複数の延出部62のうち、第1固定部30aと離間している延出部であって、最も第1固定部30aに近い延出部62aは、Y軸方向からみて第1固定部30aと少なくとも一部が重なっており、複数の延出部62のうち、他の延出部62(例えば延出部62b)よりもY軸方向の幅が大きい。
連結バネ部70は、駆動部50の可動駆動電極52と、検出部80の可動体82と、を連結している。連結バネ部70は、基板10と離間して設けられている。連結バネ部70は、可動体82のZ軸方向の変位に応じて、Z軸方向に変形可能に構成されている。連結バネ部70は、駆動部50の可動駆動電極52のY軸方向の振動を、検出部80の可動体82に伝える。これにより、可動体82は、Y軸方向に振動することができる。
検出部80は、角速度を検出する。検出部80は、例えば、可動体82と、固定検出電極(固定電極)86と、を有している。
可動体82は、駆動部50の振動によりY軸方向に振動し、角速度に応じてZ軸方向に変位する。可動体82は、基板10と離間して設けられている。可動体82は、四隅が検出バネ部60によって支持されている部分である。すなわち、可動体82の四隅は、検出バネ部60が接続されている。可動体82は、可動検出電極(可動電極)84を有している。可動検出電極84は、平面視において、可動体82の固定検出電極86と重なっている部分である。図示の例では、可動検出電極84の平面形状は、長方形である。可動検出電極84は、駆動部50の振動によりY軸方向に振動し、角速度に応じてZ軸方向に変位する。
固定検出電極86は、基板10に固定されている。固定検出電極86は、可動検出電極84と対向して設けられている。すなわち、固定検出電極86と可動検出電極84とは、静電容量を形成する。
検出部80は、複数設けられている。図示の例では、検出部80は、4個設けられている(第1検出部80a、第2検出部80b、第3検出部80c、第4検出部80d)。第1検出部80aは、例えば、第2検出部80bの−X軸方向側であって、第3検出部80cの−Y軸方向側に設けられている。第4検出部80dは、例えば、第2検出部80bの+Y軸方向側であって、第3検出部80cの+X軸方向側に設けられている。
第1検出部80aの可動体82(第1可動体82a)は、第1駆動部50aの駆動により振動する。第1検出部80aの固定検出電極(第1固定電極)86は、第1検出部80aの可動検出電極(第1可動電極)84と対向している。第2検出部80bの可動体82(第2可動体82b)は、第1駆動部50aの駆動により振動する。第1可動体82aを振動させるための駆動部と第2可動体82bを振動させるための駆動部とは、共通している。第2検出部80bの固定検出電極(第2固定電極)86は、第2検出部80bの可動検出電極(第2可動電極)84と対向している。第3検出部80cの可動体82(第3可動体82c)は、第2駆動部50bの駆動により振動する。第4検出部80dの可動体82(第4可動体82d)は、第2駆動部50bの駆動により振動する。第3可動体82cを振動させるための駆動部と第4可動体82dを振動させるための駆動部とは、共通している。
第1連結部90は、第1可動体82aと第2可動体82bとを連結している。すなわち
、第1可動体82aと第2可動体82bとは、第1連結部90によって連結されている。第2連結部92は、第3可動体82cと第4可動体82dとを連結している。すなわち、第3可動体82cと第4可動体82dとは、第2連結部92によって連結されている。図示の例では、連結部90,92の平面形状は、長方形である。平面視において、連結部90,92のY軸方向の大きさは、可動検出電極84のY軸方向の大きさよりも小さく、かつ可動体82のY軸方向の大きさよりも小さい。
第1可動体82aと第3可動体82cとは、例えば、検出バネ部60によって連結されている。第2可動体82bと第4可動体82dとは、例えば、検出バネ部60によって連結されている。
第1可動体82aと第2可動体82bとは、同相(同位相)で振動する。すなわち、例えば、第1可動体82aが+X軸方向側に変位した場合、第2可動体82bも+X軸側方向に変位する。第1連結部90は、可動体82a,82bの振動にともない、振動する。第3可動体82cと第4可動体82dとは、同相で振動する。第2連結部92は、可動体82c,82dの振動にともない、振動する。
第1可動体82aおよび第2可動体82bと、第3可動体82cおよび第4可動体82dとは、逆相(逆位相)で振動する。すなわち、例えば、第1可動体82aおよび第2可動体82bが+X軸方向側に変位した場合、第3可動体82cおよび第4可動体82dは−X軸方向側に変位する。
第1可動体82a、第2可動体82b、第3可動体82c、および第4可動体82dは、同じ大きさであって、同じ形を有している。機能素子102は、平面視において、機能素子102の中心Cを通りX軸に平行な仮想直線αに関して、対称となる形状を有していてもよい。機能素子102は、平面視において、機能素子102の中心Cを通りY軸に平行な仮想直線βに関して、対称となる形状を有していてもよい。
機能素子102の固定部30、バネ部40,60,70、可動駆動電極52、可動体82、および連結部90,92は、一体的に設けられている。固定部30、バネ部40,60,70、駆動部50、可動体82、および連結部90,92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。固定検出電極86の材質は、例えば、アルミニウム、金、白金、ITO(Indium Tin
Oxide)である。固定検出電極86としてITO等の透明電極材料を用いることにより、固定検出電極86上に存在する異物等を、基板10の下面側から、容易に視認することができる。
次に、ジャイロセンサー100の動作について説明する。
可動駆動電極52と固定駆動電極54,56との間に、図示しない電源によって、電圧を印加すると、可動駆動電極52と固定駆動電極54,56との間に静電力を発生させることができる。これにより、駆動部50は、可動体82をY軸方向に振動させることができる。
図1に示すように、第1駆動部50aでは、固定駆動電極54は、可動駆動電極52の+Y軸方向側に設けられ、固定駆動電極56は、可動駆動電極52の−Y軸方向側に設けられている。第2駆動部50bでは、固定駆動電極54は、可動駆動電極52の−Y軸方向側に設けられ、固定駆動電極56は、可動駆動電極52の+Y軸方向側に設けられている。そのため、可動駆動電極52と固定駆動電極54との間に第1交番電圧を印加し、可動駆動電極52と固定駆動電極56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とにより、第1可動体82aおよび第2可動体82bと、第3可動体82cおよび第4可動体82dと、を互いに逆位相(逆相)でかつ所定の周波数で、Y軸方向に振動させる(音叉型振動させる)ことができる。
可動体82a,82b,82c,82dが上記の振動を行っている状態で、ジャイロセンサー100にX軸まわりの角速度ωxが加わると、コリオリ力が働き、第1可動体82aおよび第2可動体82bと、第3可動体82cおよび第4可動体82dとは、Z軸方向に互いに反対方向に変位する。可動体82a,82b,82c,82dは、コリオリ力を受けている間、この動作を繰り返す(検出振動する)。
可動体82a,82b,82c,82dがコリオリ力に応じてZ軸方向に変位することにより、可動検出電極84と固定検出電極86との間の距離は、変化する。そのため、可動検出電極84と固定検出電極86との間の静電容量は、変化する。この可動検出電極84と固定検出電極86との間の静電容量の変化量を検出することにより、X軸まわりの角速度ωxを求めることができる。
なお、上記では、静電力によって可動体82を振動させる形態(静電駆動方式)について説明したが、可動体82を駆動させる方法は、特に限定されず、圧電駆動方式や、磁場のローレンツ力を利用した電磁駆動方式等を適用することができる。
ジャイロセンサー100は、例えば、以下の特徴を有する。
ジャイロセンサー100では、第1検出部80aの第1可動体82aは、第1駆動部50aの振動により振動し、角速度に応じて変位する可動検出電極(第1可動検出電極)84を備え、第2検出部80bの第2可動体82bは、第1駆動部50aの振動により振動し、角速度に応じて変位する可動検出電極(第2可動検出電極)84を備え、第1可動体82aと第2可動体82bとは、第1連結部90によって連結されている。そのため、ジャイロセンサー100では、例えば平面視において第1可動体82aの面積と第2可動体82bの面積の合計の面積を有するような大きな可動体を備えたジャイロセンサーに比べて、第1可動体82aおよび第2可動体82bが撓むことを抑制することができ、スプリアス振動の周波数が可動体82a,82bの検出振動(コリオリ力による振動、図示の例ではZ軸方向の振動)の周波数に近づくことを抑制することができる。したがって、ジャイロセンサー100は、高い温度安定性を有することができる。
ここで、スプリアス振動とは、可動体の駆動振動(駆動部よる可動体の振動)および検出振動とは異なる周波数を有する不要振動のことである。スプリアス振動の周波数は、例えば、可動体の検出振動の周波数より十分高くなるよう設計されているが、可動体の撓み等によりスプリアス振動の周波数が低くなり、検出振動に近づくと、正確に角速度を検出することができない場合がある。ジャイロセンサー100では、このような問題を回避することができ、正確に角速度を検出することができる。
さらに、ジャイロセンサー100では、複数の検出部80から出力される信号を、1つのQVアンプ(電荷電圧変換アンプ)で受けるため、SN比を向上させることができる。図3に示すように、QVアンプ1個が発生するノイズをNとし、単一の検出部(例えば、第1検出部)から発生する検出信号電荷をSとすれば、複数であるn個の検出部(例えば、第1,第2,第3検出部)からの検出信号電荷を合わせればn×Sの検出信号電荷となるため、S/N比はn倍向上する。しかしながら、図4に示すように、検出部(例えば、第1,第2,第3検出部)のそれぞれにQVアンプを接続した場合には、それぞれの検出部からの信号のS/N比は変わらず、さらにそれぞれのQVアンプからの出力を足し合わせたとしても2乗平均した√n倍にしかS/N比は向上しない。
ジャイロセンサー100では、第1可動体82aおよび第2可動体82bは、同相で振動する。ジャイロセンサー100では、第1可動体82aと第2可動体82とは第1連結部90によって連結されているので、1つの駆動部50aによって、第1可動体82aおよび第2可動体82bを、同相で振動させることができる。
ジャイロセンサー100では、第1固定部30aと第1可動体82aとを連結する第1検出バネ部60aと、第2固定部30bと第1可動体82aとを連結する第2検出バネ部60bと、第3固定部30cと第1可動体82aとを連結する第3検出バネ部60cと、を含み、第1検出バネ部60aは、平面視において、第2検出バネ部60bと第3検出バネ60c部との間に設けられている。そのため、ジャイロセンサー100では、例えば第1検出バネ部60aが設けられていない場合に比べて、第1可動体82aが撓むことを抑制することができる。
ジャイロセンサー100では、第1検出バネ部60aは、第1軸方向(X軸方向)に往復しながら、X軸と直交する第2軸方向(Y軸方向)に延出する形状を有し、第1検出バネ部60aのX軸方向に延出している複数の延出部62のうち、第1固定部30aと離間し、最も第1固定部30aに近い延出部62aは、Y軸方向からみて第1固定部30aと少なくとも一部が重なっており、複数の延出部62のうち、他の延出部62よりもY軸方向の幅が大きい。そのため、ジャイロセンサー100では、延出部62aをY軸方向に変位し難くすることができ、例えば延出部62aが第1固定部30aに衝突して第1検出バネ部60aが破壊することを抑制することができる。
ジャイロセンサー100では、第1可動体82aと第2可動体82bとは、同じ大きさであって、同じ形を有している。そのため、ジャイロセンサー100では、仮に第1可動体82aおよび第2可動体82bにスプリアス振動が発生したとしも、第1可動体82aに発生するスプリアス振動の周波数と、第2可動体82bに発生するスプリアス振動の周波数と、を同じすることができる。したがって、ジャイロセンサー100では、1つのスプリアス振動の周波数を避けるように設計すればよいので、設計の自由度を高くすることができる。例えば、第1可動体82aに発生するスプリアス振動の周波数と、第2可動体82bに発生するスプリアス振動の周波数とが異なると、2つのスプリアス振動の周波数を避けるように設計しなければならず、その分設計の自由度が低くなる。
ジャイロセンサー100では、第3可動体82cと第4可動体82dとは、第2連結部92によって連結され、第1可動体82aおよび第2可動体82bと、第3可動体82cおよび第4可動体82dとは、逆相で振動する。そのため、ジャイロセンサー100では、例えば角速度以外の加速度等の物理量が印加されたとしても、差動検出により加速度成分を相殺することができ、角速度をより正確に検出することができる。
なお、上記では、4個の検出部80を含む例について説明したが、検出部80の数は、複数であれば特に限定されない。例えば、本発明に係るジャイロセンサーは、X軸方向に16個の検出部80が並んで列を構成し、該列がY軸方向に2個並んだ合計32個の検出部80を含んでいてもよい。
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の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図5は、本実施形態に係るジャイロセンサー100の製造方法を説明するためのフローチャートである。図6および図7は、本実施形態に係るジャイロセンサー100の製造工程を模式的に示す断面図である。
まず、図6に示すように、凹部12およびポスト部14が設けられた基板10を準備する(ステップS1)。具体的には、例えばガラス基板を準備し、当該ガラス基板をパターニングして凹部12およびポスト部14を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより行われる。これにより、凹部12およびポスト部14が設けられた基板10を得ることができる。
次に、基板10上に機能素子102を形成する(ステップS2)。具体的には、まず、凹部12の底面12aに固定検出電極86を形成する。固定検出電極86は、例えば、導電層(図示せず)をスパッタ法やCVD(Chemical Vapor Deposition)法により成膜し、該導電層をフォトリソグラフィーおよびエッチングによりパターニングすることにより形成される。
図7に示すように、基板10に、シリコン基板4を接合する。基板10とシリコン基板4との接合は、例えば、陽極接合によって行われる。これにより、基板10とシリコン基板4とを強固に接合することができる。
次に、シリコン基板4を、例えば研削機によって研削して薄膜化した後、所定の形状にパターニングして、機能素子102を形成する。パターニングは、フォトリソグラフィーおよびエッチング(ドライエッチング)によって行われ、具体的なエッチングとして、ボッシュ(Bosch)法を用いることができる。以上の工程により、機能素子102を形成することができる。
図2に示すように、基板10と蓋体20とを接合して、基板10と蓋体20とによって形成されるキャビティー2に、機能素子102を収容する(ステップS3)。基板10と蓋体20との接合は、例えば、陽極接合によって行われる。これにより、基板10と蓋体20とを強固に接合することができる。
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。
3. 変形例
次に、本実施形態の変形例に係るジャイロセンサー200について、図面を参照しながら説明する。図8は、本実施形態の変形例に係るジャイロセンサー200を模式的に示す平面図である。なお、便宜上、図8では、基板10および蓋体20を省略している。また、図8では、互いに直交する3軸として、X軸、Y軸、およびZ軸を図示している。
以下、本実施形態の変形例に係るジャイロセンサー200において、上述した本実施形態に係るジャイロセンサー100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
上述したジャイロセンサー100では、図1に示すように、可動体82は、駆動部50の振動によりY軸方向に振動し、角速度に応じてZ軸方向に変位して、X軸まわりの角速度を検出することができた。これに対し、ジャイロセンサー200では、図8に示すように、可動体82は、駆動部50の振動によりY軸方向に振動し、角速度に応じてX軸方向に変位して、Z軸まわりの角速度を検出することができる。
ジャイロセンサー200では、可動体82は、例えば、第1バネ接続部280と、第2バネ接続部282と、中間部283と、可動検出電極284と、を有している。
第1バネ接続部280および第2バネ接続部282の各々は、2個の検出バネ部60に接続されている。可動体82の四隅は、検出バネ部60が接続されている。第1バネ接続
部280は、第2バネ接続部282よりも−X軸方向側に位置している。図示の例では、第1バネ接続部280のY軸方向の大きさと、第2バネ接続部282のY軸方向の大きさとは、同じである。第1可動体82aの第2バネ接続部282と、第2可動体82bの第1バネ接続部280とは、第1連結部90によって連結されている。第1連結部90のY軸方向の大きさは、バネ接続部280,282のY軸方向の大きさよりも小さい。第3可動体82cの第2バネ接続部282と、第4可動体82dの第1バネ接続部280とは、第2連結部92によって連結されている。第2連結部92のY軸方向の大きさは、バネ接続部280,282のY軸方向の大きさよりも小さい。図示の例では、連結部90,92の平面形状は、長方形である。
中間部283は、第1バネ接続部280と第2バネ接続部282との間に位置している。中間部283は、検出部60および連結バネ部70に接続されている。中間部283の平面形状は、例えば、長方形である。図示の例では、中間部283のY軸方向の大きさは、バネ接続部280,282のY軸方向の大きさと同じである。
可動検出電極284は、1つの可動体82において、2個設けられている。一方の可動検出電極284は、第1バネ接続部280と中間部283とを連結している。他方の可動検出電極284は、第2バネ接続部282と中間部283とを連結している。可動検出電極284は、X軸方向に延出している幹部と、該幹部からY軸方向に延出している複数の枝部と、を備えた櫛歯状の形状を有している。該枝部は、X軸方向からみて、固定検出電極286と重なる部分を有している。すなわち、該枝部は、固定検出電極286と対向している部分を有している。可動検出電極284は、駆動部50の振動によりY軸方向に振動し、角速度に応じてX軸方向に変位する。
固定検出電極286は、基板10に固定されている。固定検出電極286は、例えば、陽極接合によって基板10のポスト部(図示せず)に接合されている。固定検出電極286は、例えば、可動検出電極284に対応した櫛歯状の形状を有している。図示の例では、固定検出電極286は、1つの可動体82において、4個設けられている。固定検出電極286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。
ジャイロセンサー200では、駆動部50は、第1可動体82aおよび第2可動体82bと、第3可動体82cおよび第4可動体82dと、を互いに逆位相(逆相)でかつ所定の周波数で、Y軸方向に振動させることができる。
可動体82a,82b,82c,82dが上記の振動を行っている状態で、ジャイロセンサー200にZ軸まわりの角速度ωzが加わると、コリオリ力が働き、第1可動体82aおよび第2可動体82bと、第3可動体82cおよび第4可動体82dとは、X軸方向に互いに反対方向に変位する。可動体82a,82b,82c,82dは、コリオリ力を受けている間、この動作を繰り返す(検出振動する)。
可動体82a,82b,82c,82dがX軸方向に変位することにより、可動検出電極284と固定検出電極286との間の距離は、コリオリ力に応じて変化する。そのため、可動検出電極284と固定検出電極286との間の静電容量は、コリオリ力に応じて変化する。この可動検出電極284と固定検出電極286との間の静電容量の変化量を検出することにより、Z軸まわりの角速度ωzを求めることができる。
ジャイロセンサー200では、ジャイロセンサー100と同様の効果を得ることができる。さらに、ジャイロセンサー200では、Z軸まわりの角速度を検出することができる。
なお、ジャイロセンサー200では、検出バネ部60は、可動体82の振動方向であるX軸方向に円滑に伸縮することができる。また、検出バネ部60は、Z軸方向に変形可能に構成されていなくてもよい。また、連結バネ部70は、Z軸方向に変形可能に構成されていなくてもよい。
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。図9は、本実施形態に係る電子機器1000の機能ブロック図である。
電子機器1000は、本発明に係るジャイロセンサーを含む。以下では、本発明に係るジャイロセンサーとして、ジャイロセンサー100を含む場合について説明する。
電子機器1000は、さらに、演算処理装置(CPU)1020、操作部1030、ROM(Read Only Memory)1040、RAM(Random Access Memory)1050、通信部1060、表示部1070を含んで構成されている。なお、本実施形態の電子機器は、図9の構成要素(各部)の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
演算処理装置1020は、ROM1040等に記憶されているプログラムに従い、各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、演算処理装置1020は、ジャイロセンサー100の出力信号や、操作部1030からの操作信号に応じた各種の処理、外部装置とデータ通信を行うために通信部1060を制御する処理、表示部1070に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理等を行う。
操作部1030は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号を演算処理装置1020に出力する。
ROM1040は、演算処理装置1020が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。
RAM1050は、演算処理装置1020の作業領域として用いられ、ROM1040から読み出されたプログラムやデータ、ジャイロセンサー100から入力されたデータ、操作部1030から入力されたデータ、演算処理装置1020が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。
通信部1060は、演算処理装置1020と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。
表示部1070は、LCD(Liquid Crystal Display)等により構成される表示装置であり、演算処理装置1020から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部1070には操作部1030として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。
このような電子機器1000としては種々の電子機器が考えられ、例えば、パーソナルコンピューター(例えば、モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、タブレット型パーソナルコンピューター)、スマートフォンや携帯電話機などの移動体端末、ディジタルスチールカメラ、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)、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、移動体端末基地局用機器、テレビ、ビデオ
カメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、リアルタイムクロック装置、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、ゲーム用コントローラー、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、船舶の計器類)、フライトシミュレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、PDR(歩行者位置方位計測)等が挙げられる。
図10は、電子機器1000の一例であるスマートフォンの外観の一例を示す図である。電子機器1000であるスマートフォンは、操作部1030としてボタンを、表示部1070としてLCDを備えている。
図11は、電子機器1000の一例である腕装着型の携帯機器(ウェアラブル機器)の外観の一例を示す図である。電子機器1000であるウェアラブル機器は、表示部1070としてLCDを備えている。表示部1070には操作部1030として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。
また、電子機器1000である携帯機器は、例えば、GPS受信機(GPS:Global Positioning System)等の位置センサーを備え、ユーザーの移動距離や移動軌跡を計測することができる。
5. 移動体
次に、本実施形態に係る移動体について、図面を参照しながら説明する。図12は、本実施形態に係る移動体1100として、自動車を模式的に示す斜視図である。
本実施形態に係る移動体は、本発明に係るジャイロセンサーを含む。以下では、本発明に係るジャイロセンサーとして、ジャイロセンサー100を含む移動体について説明する。
本実施形態に係る移動体1100は、さらに、エンジンシステム、ブレーキシステム、キーレスエントリーシステム等の各種の制御を行うコントローラー1120、コントローラー1130、コントローラー1140、バッテリー1150およびバックアップ用バッテリー1160を含んで構成されている。なお、本実施形態に係る移動体1100は、図12に示される構成要素(各部)の一部を省略または変更してもよいし、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
このような移動体1100としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車(電気自動車も含む)、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
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、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及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又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。
2…キャビティー、4…シリコン基板、10…基板、12…凹部、12a…底面、14…ポスト部、20…蓋体、30…固定部、30a…第1固定部、30b…第2固定部、30c…第3固定部、40…駆動バネ部、50…駆動部、50a…第1駆動部、50b…第2駆動部、52…可動駆動電極、53…中間部、54,56…固定駆動電極、60…検出バネ部、60a…第1検出バネ部、60b…第2検出バネ部、60c…第3検出バネ部、62,62a,62b…延出部、70…連結バネ部、80…検出部、80a…第1検出部、80b…第2検出部、80c…第3検出部、80d…第4検出部、82…可動体、82a…第1可動体、82b…第2可動体、82c…第3可動体、82d…第4可動体、84…可動検出電極、86…固定検出電極、90…第1連結部、92…第2連結部、100…ジャイロセンサー、102…機能素子、200…ジャイロセンサー、280…第1バネ接続部、282…第2バネ接続部、283…中間部、284…可動検出電極、286…固定検出電極、1000…電子機器、1020…演算処理装置、1030…操作部、1040…ROM、1050…RAM、1060…通信部、1070…表示部、1100…移動体、1120,1130,1140…コントローラー、1150…バッテリー、1160…バックアップ用バッテリー

Claims (7)

  1. 基板と、
    第1駆動部と、
    角速度を検出する第1検出部および第2検出部と、
    を含み、
    前記第1検出部は、
    前記第1駆動部の振動により振動し、角速度に応じて変位する第1可動電極を備えた第1可動体と、
    前記基板に固定され、前記第1可動電極と対向する第1固定電極と、
    を有し、
    前記第2検出部は、
    前記第1駆動部の振動により振動し、角速度に応じて変位する第2可動電極を備えた第2可動体と、
    前記基板に固定され、前記第2可動電極と対向する第2固定電極と、
    を有し、
    前記第1可動体と前記第2可動体とは、第1連結部によって連結され
    前記第1可動体および前記第2可動体は、同相で振動する、ジャイロセンサー。
  2. 基板と、
    第1駆動部と、
    角速度を検出する第1検出部および第2検出部と、
    を含み、
    前記第1検出部は、
    前記第1駆動部の振動により振動し、角速度に応じて変位する第1可動電極を備えた第1可動体と、
    前記基板に固定され、前記第1可動電極と対向する第1固定電極と、
    を有し、
    前記第2検出部は、
    前記第1駆動部の振動により振動し、角速度に応じて変位する第2可動電極を備えた第
    2可動体と、
    前記基板に固定され、前記第2可動電極と対向する第2固定電極と、
    を有し、
    前記第1可動体と前記第2可動体とは、第1連結部によって連結され
    前記基板に固定された第1固定部、第2固定部、および第3固定部と、
    前記第1固定部と前記第1可動体とを連結する第1バネ部と、
    前記第2固定部と前記第1可動体とを連結する第2バネ部と、
    前記第3固定部と前記第1可動体とを連結する第3バネ部と、
    を含み、
    前記第1バネ部は、平面視において、前記第2バネ部と前記第3バネ部との間に設けられている、ジャイロセンサー。
  3. 基板と、
    第1駆動部と、
    角速度を検出する第1検出部および第2検出部と、
    を含み、
    前記第1検出部は、
    前記第1駆動部の振動により振動し、角速度に応じて変位する第1可動電極を備えた第1可動体と、
    前記基板に固定され、前記第1可動電極と対向する第1固定電極と、
    を有し、
    前記第2検出部は、
    前記第1駆動部の振動により振動し、角速度に応じて変位する第2可動電極を備えた第2可動体と、
    前記基板に固定され、前記第2可動電極と対向する第2固定電極と、
    を有し、
    前記第1可動体と前記第2可動体とは、第1連結部によって連結され
    第2駆動部と、
    前記第2駆動部の振動により振動し、角速度に応じて変位する第3可動体および第4可動体と、
    を含み、
    前記第3可動体と前記第4可動体とは、第2連結部によって連結され、
    前記第1可動体および前記第2可動体と、前記第3可動体および前記第4可動体とは、逆相で振動する、ジャイロセンサー。
  4. 請求項において、
    前記第1バネ部は、第1軸方向に往復しながら、前記第1軸と直交する第2軸方向に延出する形状を有し、
    前記第1バネ部の前記第1軸方向に延出している複数の延出部のうち、最も前記第1固定部に近い延出部は、前記第2軸方向からみて前記第1固定部と少なくとも一部が重なっており、前記複数の延出部のうち、他の延出部よりも前記第2軸方向の幅が大きい、ジャイロセンサー。
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項において、
    前記第1可動体と前記第2可動体とは、同じ大きさであって、同じ形を有している、ジャイロセンサー。
  6. 請求項1ないしのいずれか1項に記載のジャイロセンサーを含む、電子機器。
  7. 請求項1ないしのいずれか1項に記載のジャイロセンサーを含む、移動体。
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