JP4466283B2 - ジャイロセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いたジャイロセンサに関する。

近年、自動車におけるサスぺンションやエアバッグの制御装置、航空機における慣性航法システム、カメラの手ぶれ補正装置などにおいて、ジャイロセンサを設けたものが提供されている。この種のジャイロセンサは、規定の振動を与えている質量体に外力による角速度が作用したときのコリオリ力を計測することによって角速度を計測するものである。すなわち、コリオリ力は、外力による角速度と質量体の速度との外積に比例するので、コリオリ力の計測値と既知である質量体の速度とから角速度に相当する値を求めることができる。

この種のジャイロセンサとしては、前記ＭＥＭＳ技術を用いて、半導体製造プロセスによって作成されるものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。その特許文献１に記載のジャイロセンサ（ジャイロスコープ）は、紙面に垂直な方向であるＺ方向に振動するように駆動される質量体を備え、紙面に沿う一方向（左右方向）であるＸ方向の参照符号Ｒで示す軸回りに作用する角速度を計測するものであって、図６に示すように、矩形枠状の駆動質量体（第１質量体）４１と、駆動質量体４１の内側に配置される検出質量体（第２質量体）４２とを備え、駆動質量体４１の各辺の中央部にそれぞれ設けた第１ばね４３を図示しない支持基板にそれぞれ固定し、Ｘ方向に延長された４本の第２ばね４４を介して駆動質量体４１の左右両辺の各端部と検出質量体４２の上下両辺とをそれぞれ結合した構造を有している。

駆動質量体４１の上下両辺には、該駆動質量体４１およびそれに支持される検出質量体４２をＺ方向に振動させるように、駆動電圧が印加される駆動電極４５が設けられ、検出質量体４２内には、該検出質量体４２のＹ方向の変位を静電容量の変化によって検出する水平検知電極４６が設けられている。

したがって、駆動電極４５に駆動電圧を印加して駆動質量体４１および検出質量体４２をＺ方向に振動させている状態において、Ｘ軸回りＲの角速度が作用すると、駆動質量体４１が該Ｘ軸回りＲに変位する。検出質量体４２は、Ｘ方向に延長された第２ばね４４を介して駆動質量体４１と結合されているので、駆動質量体４１がＸ軸回りに変位すると、検出質量体４２もＸ軸回りＲに変位する。また、検出質量体４２にはコリオリ力が生じるので、第２ばね４４が撓んで、検出質量体４２がＹ方向に変位する。検出質量体４２のＹ方向の変位は水平検知電極４６の出力によって計測できるので、駆動質量体４１に与えたＺ方向の振動と水平検知電極４６の出カとを用いて、コリオリ力を算出することができ、コリオリ力が算出されると角速度に相当する値を求めることができる。

また、前記特許文献１には他の構成例も記載されており、第１ばね４３を駆動質量体４１の各隅角位置に設けた構成、第１ばね４３に代えて第２ばね４４の―端を支持基板に固定するとともに駆動質量体４１と検出質量体４２とを第１ばね４３を介して連結した構成も開示されている。第２ばね４４の一端を支持基板に固定する構成例としては、第２ばね４４の他端を検出質量体４２に連結した構成のほか、第２ばね４４の他端を駆動質量体４１に連結した構成も開示されている。
特開２００３−１９４５４５号公報（第００１４〜００２０段落および図２）

上述のような従来技術では、駆動質量体４１および検出質量体４２が、第１ばね４３および第２ばね４４によって、それぞれ四方から拘束されており、また駆動質量体４１および検出質量体４２は半導体基板から形成されるのに対して、第１ばね４３および第２ばね４４が接合される支持基板には一般にガラス基板が用いられる。このため、半導体基板とガラス基板との線膨張率の差によって、第１ばね４３および第２ばね４４に熱応力が生じて、ジャイロセンサの共振周波数が変化する。たとえば、前記支持基板への貼り付けは、４００℃で行われ、常温でも残留応力が生じている。共振周波数が変化すると検出値が変化するので、上記従来技術によるジャイロセンサは、検出値の温度依存性が大きいという問題がある。

本発明の目的は、検出値の温度依存性を低減することができるジャイロセンサを提供することである。

本発明のジャイロセンサは、支持基板と、半導体基板から成る主基板とを備えて成るジャイロセンサにおいて、前記主基板は、基端部が前記支持基板に固定され、前記支持基板に沿った面内で一方向に延び、前記一方向とは直交方向に撓み変形可能な一対の検出ばねと、前記一対の検出ばねの遊端部に接続されることで、前記検出ばねを介して支持基板に変位可能に支持される検出質量体と、前記検出質量体の前記一方向の両側に相互に対称に配置され、相互に同位相で前記支持基板に交差する方向に振動するように駆動される一対の第１駆動質量体および第２駆動質量体と、前記第１駆動質量体および第２駆動質量体を前記検出質量体にそれぞれ連結する第１駆動ばねおよび第２駆動ばねと、前記支持基板に沿った面内での前記検出質量体の変位量を検出する検出手段とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、検出質量体、第１および第２駆動質量体を支持基板に支持している一対の検出ばねは、検出質量体から一方向に延長され、片持ちで検出質量体を支持しており、主基板と支持基板との線膨張率に差があっても、主基板に熱応力が殆ど発生しないので、共振周波数の変化が殆どなく、検出値の温度依存性を低減することができる。また、第１駆動質量体と第２駆動質量体とを検出質量体の両側に相互に対称に配置し、かつ相互に同―位相で駆動させることで、検出質量体に発生する支持基板に交差する方向の振動を抑制することが可能で、角速度の検出精度を向上することができる。

また、本発明のジャイロセンサは、前記一対の検出ばねの基端部間を相互に連結し、剛性を有する連結片をさらに有し、該連結片の中間部が前記支持基板に固定されることを特徴とする。

上記の構成によれば、一対の検出ばねの基端部をそれぞれ直接前記支持基板に固定するのではなく、剛性を有する連結片によって相互に連結し、その連結片の中間部を支持基板に固定することで、支持基板に対して主基板を１箇所で固定することができ、主基板と支持基板との接合作業が容易になる。また、主基板と支持基板との線膨張率に差があっても、検出ばねには連結片の延長方向の熱応力が殆ど作用せず、検出値の温度依存性を一層低減することができる。

さらにまた、本発明のジャイロセンサでは、前記検出ばねは、前記検出質量体において、前記対称となる線上に接続されることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記検出ばねは、前記検出質量体において、前記第１および第２駆動質量体を相互に対称位置とする線上、すなわち該検出質量体の中央部に接続されるので、該検出質量体に発生する支持基板に交差する方向の振動を一層抑制することが可能で、角速度の検出精度を更に向上することができる。

また、本発明のジャイロセンサでは、前記第１駆動ばねおよび第２駆動ばねは、ねじれ変形が可能なトーションばねであることを特徴とする。

上記の構成によれば、撓み変形を利用するばねに比べて、第１および第２駆動質量体と検出質量体との間隔を短くし、それらを近接して配置できるので、省スペース化を図ることができる。

さらにまた、本発明のジャイロセンサでは、前記検出手段は、前記検出質量体に形成された切抜孔の内周面に突設した複数本の可動櫛歯片と、前記切抜孔の内側に配置され、前記支持基板に固定された固定子の外周面に各可動櫛歯片とそれぞれ対向するように突設した複数本の固定櫛歯片とから成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、可動櫛歯片と固定櫛歯片とが複数本ずつ設けられているから、検出質量体の変位に対して可動櫛歯片と固定櫛歯片との間の静電容量が比較的大きく変化することになり、検出質量体の変位を検出する精度（分解能）を高めることができる。

また、本発明のジャイロセンサは、前記支持基板において、前記第１および第２駆動質量体との対向面にはそれぞれ対応する第１および第２固定駆動電極が配置され、前記検出ばねにおける支持基板への固定部と、前記第１および第２固定駆動電極との間に振動電圧を印加することによって、前記第１および第２駆動質量体と第１および第２固定電極との間に作用する静電力で前記第１および第２駆動質量体を振動させることを特徴とする。

上記の構成によれば、主基板に設けた検出ばねと、検出質量体と、第１および第２駆動質量体とを電路に用いることになり、支持基板に第１および第２固定駆動電極を形成するだけで、第１および第２駆動質量体を振動させるための振動電圧を印加することができ、構造を簡略化し、小型化を図ることができる。

さらにまた、本発明のジャイロセンサでは、前記支持基板は厚み方向に貫通する複数個の透孔を有し、前記透孔の内周面には導電性の金属薄膜から成り、主基板を外部回路に接続する電極配線が形成されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、支持基板に設けた透孔の内周面に形成した電極配線によって主基板の各部を外部回路に接続可能とするので、主基板の各部位を外部回路に接続するための配線を引き回す必要がなく、結果的に支持基板の占有面積を小さくすることができ、小型化を図ることができる。

また、本発明のジャイロセンサでは、前記第１および第２駆動質量体の厚み寸法は、前記検出質量体の厚み寸法よりも大きいことを特徴とする。

上記の構成によれば、第１および第２駆動質量体と検出質量体との質量差を大きくすることができ、第１および第２駆動質量体の質量を検出質量体の質量よりも大きくすることによって、感度を高めることができる。

さらにまた、本発明のジャイロセンサは、駆動質量体を支持基板に交差する方向に振動させ、前記駆動質量体に駆動ばねを介して連結された検出質量体における前記駆動質量体の振動方向とは垂直な面内での変位量を検出することで、前記面内の予め定める軸線回りの角速度を検出するようにしたジャイロセンサにおいて、前記検出質量体を中心として、その両側に前記駆動質量体を一対で対称に配置し、かつ相互に同位相で振動させ、前記駆動質量体および検出質量体の配列方向と平行に延び、基端部が前記支持基板に接続され、遊端部が前記検出質量体に接続されることで、前記駆動質量体および検出質量体の前記振動方向の変位およびそれに垂直な方向の変位を可能に支持する一対の検出ばねと、前記検出質量体の前記面方向の変位量を検出する検出手段とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、検出質量体およびそれに連結される２つの駆動質量体を支持基板に支持している一対の検出ばねは、検出質量体から一方向に延長され、片持ちで検出質量体を支持しており、前記駆動質量体、駆動ばね、検出質量体および検出ばねが形成される主基板と、前記支持基板との線膨張率に差があっても、主基板に熱応力が殆ど発生しないので、共振周波数の変化が殆どなく、検出値の温度依存性を低減することができる。また、２つの駆動質量体を検出質量体の両側に相互に対称に配置し、かつ相互に同―位相で駆動させることで、検出質量体に発生する支持基板に交差する方向の振動を抑制することが可能で、角速度の検出精度を向上することができる。

本発明のジャイロセンサは、以上のように、支持基板と、半導体基板から成る主基板とを備えて成るジャイロセンサにおいて、前記主基板を、基端部が前記支持基板に固定され、前記支持基板に沿った面内で一方向に延び、前記一方向とは直交方向に撓み変形可能な一対の検出ばねと、前記一対の検出ばねの遊端部に接続されることで、前記検出ばねを介して支持基板に変位可能に支持される検出質量体と、前記検出質量体の前記一方向の両側に相互に対称に配置され、相互に同位相で前記支持基板に交差する方向に振動するように駆動される一対の第１駆動質量体および第２駆動質量体と、前記第１駆動質量体および第２駆動質量体を前記検出質量体にそれぞれ連結する第１駆動ばねおよび第２駆動ばねと、前記支持基板に沿った面内での前記検出質量体の変位量を検出する検出手段とを含んで構成する。

それゆえ、検出質量体、第１および第２駆動質量体を支持基板に支持している一対の検出ばねは、検出質量体から一方向に延長され、片持ちで検出質量体を支持しており、主基板と支持基板との線膨張率に差があっても、主基板に熱応力が殆ど発生しないので、共振周波数の変化が殆どなく、検出値の温度依存性を低減することができる。また、第１駆動質量体と第２駆動質量体とを検出質量体の両側に相互に対称に配置し、かつ相互に同―位相で駆動させることで、検出質量体に発生する支持基板に交差する方向の振動を抑制することが可能で、角速度の検出精度を向上することができる。

図１は、本発明の実施の一形態に係るジャイロセンサの構造を示す縦断面図である。このジャイロセンサは、大略的に、シリコン基板から成る主基板１が、エッチングなどによって後述するような形状に彫り出され、その一方の面にガラス基板から成る支持基板２が積層され、他方の面にガラス基板から成るキャップ３が積層された３層構造であって、支持基板２およびキャップ３は、主基板１に対して、たとえば陽極接合によって接合される。なお、主基板１には、シリコン以外の半導体を用いることも可能である。

図２は、前記主基板１の平面図である。この図２において、図１の切断面をＩ−Ｉで示す。主基板１は、平面視において矩形状である第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂと、検出質量体１２とが、該主基板１の板面に沿って並設されるとともに、これらの第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２の周囲を囲む矩形枠状のフレーム１０を備えて構成される。したがって、主基板１に支持基板２およびキャップ３を接合した状態では、支持基板２とキャップ３とフレーム１０とに囲まれる空間内に、第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２が密封される。以下では、第１駆動質量体１１Ａ、検出質量体１２および第２駆動質量体１１Ｂが並ぶ方向をＹ方向、主基板１の板面に沿う面内でＹ方向に直交する方向をＸ方向、Ｘ方向とＹ方向とに直交する方向すなわち主基板Ｉの板面に直交する方向（紙面に垂直方向）をＺ方向とする。

前記検出質量体１２には、第１駆動質量体１１Ａと第２駆動質量体１１Ｂとの互いの位置、形状が線対称となるように、Ｘ方向に延長された―対の第１駆動ばね１３Ａおよび第２駆動ばね１３Ｂをそれぞれ介して、前記第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂが連続―体に連結される。具体的には、検出質量体１２には、Ｘ方向において、その両側縁部を残して、全長よりもやや短くスリット溝１４Ａが形成され、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂには、Ｘ方向の各側縁からそれぞれ切り込まれ、かつ相互に一直線上に並ぶ２本のスリット溝１４Ｂが形成され、スリット溝１４Ａと各スリット溝１４Ｂとの間に、それぞれ第１駆動ばね１３Ａおよび第２駆動ばね１３Ｂが形成される。各駆動ばね１３Ａ，１３Ｂの―端部は、スリット溝１４Ａの各端部と検出質量体１２の側縁との間に連続し、各駆動ばね１３Ａ，１３Ｂの他端部は、２本のスリット溝１４Ｂの間の部位において第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂにそれぞれ連続する。

第１駆動ばね１３Ａおよび第２駆動ばね１３Ｂは、ねじれ変形が可能なトーションばねであって、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂは検出質量体１２に対して第１駆動ばね１３Ａおよび第２駆動ばね１３Ｂの回りで変位可能になっている。つまり、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂは、検出質量体１２に対してＺ方向の並進とＸ方向の軸回りの回転とが可能であると言える。また、第１駆動ばね１３Ａおよび第２駆動ばね１３Ｂにトーションばねを用いているので、所望の小さいばね係数を得るにあたって、第１駆動ばね１３Ａおよび第２駆動ばね１３Ｂの厚みをむやみに小さくする必要がなく、第１駆動ばね１３Ａおよび第２駆動ばね１３Ｂを形成する際の加工が容易である。

なお、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂにスリット溝１４Ａが形成され、検出質量体１２に２本のスリット溝１４Ｂが形成されてもよい。

前記検出質量体１２におけるＸ方向の各側縁には、Ｙ方向に延長された検出ばね１５の遊端部が、それぞれ線対称に位置する第１駆動質量体１１Ａと第２駆動質量体１１Ｂとの対称線上において連結されており、その両検出ばね１５の基端部同士は、Ｘ方向に延長された連結片１６を介して連続一体に連結される。すなわち、―対の検出ばね１５と連結片１６とによって、平面視でコ字状の部材が形成されている。ただし、連結片１６は、第１駆動ばね１３Ａ、第２駆動ばね１３Ｂおよび検出ばね１５に比較して、充分に剛性が高くなるように設計されている。連結片１６の長手方向の中間部には、固定片１７が突設され、固定片１７は前記支持基板２に接合され、定位置に固定される。第１駆動質量体１１Ａおよび検出質量体１２と、検出ばね１５および連結片１６との間は、コ字状のスリット溝１４Ｃによって分離されており、第１駆動質量体１１Ａに形成されるスリット溝１４Ｂの一端はスリット溝１４Ｃに連続する。検出ばね１５は、Ｘ方向に撓み変形が可能であって、第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２は、固定片１７に対してＸ方向に変位可能になっている。

前記検出質量体１２はまた、厚み方向に貫通する４個の切抜孔１８を有し、各切抜孔１８の内側には、それぞれ固定子２０が配置されている。前記固定子２０は、検出質量体１２のＸ方向の両端付近に配置される電極片２１を有し、その電極片２１からは櫛骨片２２がＸ方向に延長される。前記電極片２１と櫛骨片２２とは前記支持基板２に接合され、固定子２０は定位置に固定される。前記切抜孔１８の内周面は固定子２０の外周面の形状に沿った形状であって、固定子２０との間には間隙が形成されている。検出質量体１２のＸ方向の両端部には、２個ずつの電極片２１が配置されているが、１個ずつや３個ずつなどでもよい。櫛骨片２２の幅方向の両端面には、図３に示すように、それぞれ多数本の固定櫛歯片２３がＸ方向に列設される。―方、切抜孔１８の内側面であって櫛骨片２２との対向面には、多数本の固定櫛歯片２３にそれぞれ対向する可動櫛歯片２４がＸ方向に列設される。各固定櫛歯片２３と各可動櫛歯片２４とは相互に離間して配置されており、検出質量体１２がＹ軸回りＲに変位する際の固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４とのＸ方向の距離変化に伴う静電容量の変化を検出できるようになっている。すなわち、固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４とによって、検出質量体１２の変位を検出する検山手段が構成される。

前記支持基板２およびキャップ３は、主基板１の外周部分に残したフレーム１０に接合され、固定片１７および固定子２０は支持基板２に接合されている。ただし、第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２は、支持基板２およびキャップ３の間に形成される間隙においてＺ方向に変位可能でなければならないので、図４に示すように、第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２における支持基板２との対向面を支持基板２から後退させることで、支持基板２と、第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２との間隙ｇ１を確保し、またキャップ３における主基板１との対向面に凹所２９を形成することによって、キャップ３と、前記第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２との間隙ｇ２を確保している。

両間隙ｇ１，ｇ２は、数μｍ〜十数μｍであって、たとえば１０μｍに設定される。この場合、固定片１７の厚み寸法ｔ１を３００μｍ、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂの厚み寸法ｔ２を２９０μｍなどと設定する。なお、主基板１の厚み寸法を変化させる代わりに、支持基板２において第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２と対向する部位に、凹所を形成してもよい。要するに、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂと支持基板２との対向面において、間隙ｇ１を確保できるように第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂと、支持基板２との少なくとも一方を他方から後退させた形状とすればよい。

前記支持基板２において、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂとの対向面には、アルミニウム等の導電性の金属薄膜から成る第１固定駆動電極２５Ａおよび第２固定駆動電極２５Ｂが形成されている。また、前記支持基板２の外側の面からは、固定片１７に対応する部位と、固定子２０の各電極片２１に対応する部位と、第１固定駆動電極２５Ａおよび第２固定駆動電極２５Ｂに対応する部位とに、それぞれ図４で示すような透孔２６が形成されている。さらに、図示例ではフレーム１０において取付片１７の近傍部位に、取付片１７を挟む形で、一対の接地片１９が形成されており、各接地片１９に対応する部位においても前記透孔２６が形成される。

前記透孔２６には、図４に示すように、アルミニウム等の導電性の金属薄膜から成る電極配線２７が形成される。透孔２６は主基板１に近付く程内径が小さくなるテーパ状であって、電極配線２７は透孔２６の内周面だけでなく、主基板１の一部の表面も覆うように形成されている。つまり、透孔２６の一端面は電極配線２７によって閉塞され、その電極配線２７は主基板１の前記の各部位に電気的に接続される。また、電極配線２７の一部は、支持基板２の表面（厚み方向における主基板１との反対面）に延長きれ、支持基板２の表面に延長された部位は電極パッド２８として機能する。このように支持基板２に形成した透孔２６の内周面にスルーホールメッキと同様の金属薄膜の電極配線２７を形成することによって、主基板１に形成した各部材と電極パッド２８とを支持基板２の厚み方向において接続しているので、主基板１の上で配線を引き回すことなく外部回路と接続することが可能になり、基板面積の小型化を実現することができる。

このように構成されるジャイロセンサを製造する際には、透孔２６を形成した支持基板２に主基板１を接合する。この状態では、主基板１の各部位（フレーム１０、第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂ、検出質量体１２および固定子２０）は分離きれておらず、主基板１を支持基板２に接合した後に、フレーム１０を分離する溝、スリット構１４Ａ〜１４Ｃ、固定子２０を分離する溝を、主基板１におけるキャップ３との対向面から形成して各部位に分離する。この段階において、固定片１７は支持基板２に接合されているから、固定片１７に連続する連結片１６、検出ばね１５、検出質量体１２ならびに第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂは支持基板２に保持されており、また固定子２０も支持基板２に接合されている。その後、主基板１にキャップ３を接合すれば、第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２は、支持基板２とキャップ３とフレーム１０とに囲まれた空間内に密封される。さらに、支持基板２の透孔２６に電極配線２７を形成するとともに、電極パッド２８を形成することによって、上述したジャイロセンサが形成される。

以下に、本実施形態の動作を説明する。本実施形態のジャイロセンサは、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂに規定の同位相の振動を与えておき、外力による前記Ｙ方向の軸回りＲの角速度が作用したときの検出質量体１２の変位を検出するものである。第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂを同位相で振動させるには、第１固定駆動電極２５Ａおよび第２固定駆動電極２５Ｂと、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂとの間に、同位相の正弦波形ないし矩形波形の振動電圧を印加すればよい。振動電圧は、交流波形が望ましいが、極性を反転させることは必須ではない。

第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂは、ばね１３Ａ，１３Ｂ−検出質量体１２−検出ばね１５−連結片１６を介して、固定片１７に電気的に接続され、支持基板２において固定片１７に対応する部位には透孔２６が形成されており、また第１固定駆動電極２５Ａおよび第２固定駆動電極２５Ｂに対応する部位にも透孔２６が形成されている。したがって、両透孔２６に対応する電極配線２７に振動電圧を印加すれば、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂと、第１固定駆動電極２５Ａおよび第２固定駆動電極２５Ｂとの間に、それぞれ静電力を作用させて、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂを、支持基板２およびキャップ３に対してＺ方向に振動させることができる。振動電圧の周波数は、第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２の質量や、第１駆動ばね１３Ａ、第２駆動ばね１３Ｂおよび検出ばね１５のばね定数などによって決定される共振周波数に一致させれば、比較的小さい駆動力で大きな振幅を得ることができる。

こうして第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂを同位相で振動させている状態において、主基板１に前記Ｙ方向の軸回りＲの角速度が作用したときに、Ｘ方向にコリオリ力が発生し、第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２は、固定子２０に対してＸ方向に変位する。これによって、可動櫛歯片２４が固定櫛歯片２３に対して変位すれば、それらの間の距離が変化し、結果的に可動櫛歯片２４と固定櫛歯片２３との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は、４個の固定子２０に接続される電極配線２７から取り出すことができる。

すなわち、Ｘ方向において並ぶ各―対の電極片２１の間の静電容量は、固定櫛歯片２３と可動櫛歯片２４との距離変化を反映するので、両電極片２１は可変容量コンデンサの電極と等価であって、図示する構成では２個の可変容量コンデンサが形成されるから、各可変容量コンデンサの静電容量をそれぞれ検出したり、両可変容量コンデンザを並列に接続した合成容量を検出したりすることによって、検出質量体１２の変位を検出することができる。第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂの振動は既知であるから、検出質量体１２の変位を検出することによって、コリオリ力を求めることができる。

ここで、可動櫛歯片２４の変位は、（第１駆動質量体１１Ａの質量＋第２駆動質量体１１Ｂの質量）／（第１駆動質量体１１Ａの質量＋第２駆動質量体１１Ｂの質量＋検出質量体１２の質量）に比例するから、第１駆動質量体１１Ａの質量＋第２駆動質量体１１Ｂの質量が検出質量体１２の質量に比較して大きい程、可動櫛歯片２４の変位が大きくなり、結果的に感度が向上することになる。そこで、本実施形態では、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂの厚み寸法を検出質量体１２の厚み寸法の略２倍に設定してある。たとえば、前述のように第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂの厚み寸法ｔ２（図４参照）を２９０μｍに設定しているときには、検出質量体１２の厚み寸法を１５０μｍ程度に設定するのが望ましい。このように構成した場合、１〜１００°／ｓｅｃの角速度の検知範囲で、０．１°／ｓｅｃの分解能で検知することができる。

上述した寸法関係から明らかなように、第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２のＺ方向の変位を可能とするには、支持基板２の厚み寸法が―定である場合には、主基板１の厚み寸法を、フレーム１０、固定片１７および固定子２０と、他の部位とで異なる２段階とすればよく、さらに検出質量体１２の厚み寸法を第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂの厚み寸法よりも小さくする場合には、主基板１の厚み寸法を、フレーム１０、固定片１７および固定子２０と、検出質量体１２と、他の部位とで異なる３段階とすればよい。また、支持基板２の厚み寸法を固定片１７および固定子２０との接合部と、他の部位とで異なる２段階とする場合には、主基板１の厚み寸法を、フレーム１０、第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂ、連結片１６、固定片１７および固定子２０と、他の部位とで異なる２段階とすればよい。この構成によって、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂと検出質量体１２との厚み寸法を異ならせることができる。

上述した構成では、連結片１６の長手方向の中間部の１箇所に固定片１７を設けているが、本発明では第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂと検出質量体１２とがトーションばねである第１駆動ばね１３Ａおよび第２駆動ばね１３Ｂを介して連結されることで、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂが検出質量体１２に対して相対的に変位可能であり、かつ検出質量体１２を支持基板２に対して変位可能に支持する検出ばね１５が片持ちであれば目的を達成することができる。したがって、図５に示すように、連結片１６を設けずに、各検出ばね１５の一端に、それぞれ連続一体に固定片１７を設けてもよい。この構成では、主基板１と支持基板２との線膨張率の差によって熱応力が生じたとしても、該検出ばね１５の撓み方向のＸ方向の熱応力のみであって、該検出ばね１５の圧縮・伸張方向であるＹ方向には熱応力は生じないから、共振周波数の変化は殆ど生じない。つまり、温度変化に伴う検出精度の変化を低減することができる。なお、Ｘ方向の熱応力の影饗を低減するために、検出ばね１５はＸ方向におけるばね定数を小さくするように形成するのが望ましい。

上述した構成例は、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１ＢをＺ方向に振動させている間に、Ｙ方向の軸回りＲの角速度が作用することによるＸ方向のコリオリ力を計測するものであり、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１ＢがＺ方向に並進移動し、検出質量体１２がＹ方向の軸回りＲに回転移動するとともにＸ方向に並進移動するものであるが、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂが回転移動あるいは回転移動と並進移動とを行う構成を採用したり、検出質量体１２が回転移動と並進移動とのいずれかのみを行う構成を採用したりすることも可能であり、また第１駆動質量体１１Ａ、第２駆動質量体１１Ｂおよび検出質量体１２の移動方向についても特に制限されるものではない。

以上のように、本発明のジャイロセンサは、検出質量体１２、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂを支持基板２に支持している一対の検出ばね１５は、検出質量体１２から一方向に延長され、片持ちで該検出質量体１２を支持しており、主基板１と支持基板２との線膨張率に差があっても、主基板１に熱応力が殆ど発生しないので、共振周波数の変化が殆どなく、検出値の温度依存性を低減することができる。また、第１駆動質量体１１Ａと第２駆動質量体１１Ｂとを検出質量体１２の両側に相互に対称に配置し、かつ相互に同―位相で駆動させることで、検出質量体１２に発生する支持基板２に交差する方向の振動を抑制することが可能で、角速度の検出精度を向上することができる。

また、本発明のジャイロセンサは、前記一対の検出ばね１５の基端部をそれぞれ直接前記支持基板２に固定するのではなく、剛性を有する連結片１６によって相互に連結し、その連結片の中間部に設けた固定片１７を支持基板２に固定するので、支持基板２に対して主基板１を１箇所で固定することができ、主基板１と支持基板２との接合作業が容易になる。また、主基板１と支持基板２との線膨張率に差があっても、検出ばね１５には連結片１６の延長方向の熱応力が殆ど作用せず、検出値の温度依存性を一層低減することができる。

さらにまた、本発明のジャイロセンサでは、前記検出ばね１５は、前記検出質量体１２において、前記第１駆動質量体と第２駆動質量体とを相互に対称位置とする線上、すなわち該検出質量体１２の中央部に接続されるので、該検出質量体１２に発生する支持基板２に交差する方向の振動を一層抑制することが可能で、角速度の検出精度を更に向上することができる。

また、本発明のジャイロセンサでは、前記第１駆動ばね１３Ａおよび第２駆動ばね１３Ｂは、ねじれ変形が可能なトーションばねであるので、撓み変形を利用するばねに比べて、第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂと検出質量体１２との間隔を短くし、それらを近接して配置できるので、省スペース化を図ることができる。また、線形性も良好である。

さらにまた、本発明のジャイロセンサでは、検出手段を、前記検出質量体１２に形成された切抜孔１８の内周面に突設した多数本の可動櫛歯片２４と、前記切抜孔１８の内側に配置され、前記支持基板２に固定された固定子２０の外周面に前記各可動櫛歯片２４とそれぞれ対向するように突設した多数本の固定櫛歯片２３とで構成するので、検出質量体１２の変位に対して可動櫛歯片２４と固定櫛歯片２３との間の静電容量が比較的大きく変化することになり、検出質量体１２の変位を検出する精度（分解能）を高めることができる。

また、本発明のジャイロセンサは、前記支持基板２において、前記第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂとの対向面にはそれぞれ対応する第１固定駆動電極２５Ａおよび第２固定駆動電極２５Ｂを配置し、前記検出ばね１５における支持基板２への固定部と、前記第１および第２固定駆動電極との間に振動電圧を印加することによって、前記第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂと第１固定電極２５Ａおよび第２固定電極２５Ｂとの間に作用する静電力で前記第１駆動質量体１１Ａおよび第２駆動質量体１１Ｂを振動させるので、主基板１に設けた検出ばね１５と、検出質量体１２と、第１および第２駆動質量体１１Ａ，１１Ｂとを電路に用いることになり、支持基板２に第１および第２固定駆動電極２５Ａ，２５Ｂを形成するだけで、第１および第２駆動質量体１１Ａ，１１Ｂを振動させるための振動電圧を印加することができ、構造を簡略化し、小型化を図ることができる。

さらにまた、本発明のジャイロセンサでは、前記支持基板２は厚み方向に貫通する複数個の透孔２６を有し、前記透孔２６の内周面には導電性の金属薄膜から成り、主基板１を外部回路に接続する電極配線２７が形成されているので、主基板１の各部位を外部回路に接続するための配線を引き回す必要がなく、結果的に支持基板２の占有面積を小さくすることができ、小型化を図ることができる。

本発明の実施の一形態に係るジャイロセンサの構造を示す縦断面図である。 図１で示すジャイロセンサにおける主基板の平面図である。 本発明の実施形態に用いる主基板を示す要部平面図である。 本発明の実施形態を示す要部側面断面図である。 本発明の他の実施形態に用いる主基板を示す平面図である。 従来例を示す平面図である。

符号の説明

１ 主基板
２ 支持基板
３ キャップ
１０ フレーム
１１Ａ 第１駆動質量体
１１Ｂ 第２駆動質量体
１２ 検出質量体
１３Ａ 第１駆動ばね
１３Ｂ 第２駆動ばね
１４Ａ，１４Ｂ スリット溝
１５ 検出ばね
１６ 連結片
１７ 固定片
１８ 切抜孔
２０ 固定子
２１ 電極片
２３ 固定櫛歯片
２４ 可動櫛歯片
２５Ａ 第１固定駆動電極
２５Ｂ 第２固定駆動電極
２６ 透孔
２７ 電極配線

Claims (9)

1. 支持基板と、半導体基板から成る主基板とを備えて成るジャイロセンサにおいて、前記主基板は、
   基端部が前記支持基板に固定され、前記支持基板に沿った面内で一方向に延び、前記一方向とは直交方向に撓み変形可能な一対の検出ばねと、
   前記一対の検出ばねの遊端部に接続されることで、前記検出ばねを介して支持基板に変位可能に支持される検出質量体と、
   前記検出質量体の前記一方向の両側に相互に対称に配置され、相互に同位相で前記支持基板に交差する方向に振動するように駆動される一対の第１駆動質量体および第２駆動質量体と、
   前記第１駆動質量体および第２駆動質量体を前記検出質量体にそれぞれ連結する第１駆動ばねおよび第２駆動ばねと、
   前記支持基板に沿った面内での前記検出質量体の変位量を検出する検出手段とを含むことを特徴とするジャイロセンサ。
2. 前記一対の検出ばねの基端部間を相互に連結し、剛性を有する連結片をさらに有し、該連結片の中間部が前記支持基板に固定されることを特徴とする請求項１記載のジャイロセンサ。
3. 前記検出ばねは、前記検出質量体において、前記対称となる線上に接続されることを特徴とする請求項１または２記載のジャイロセンサ。
4. 前記第１駆動ばねおよび第２駆動ばねは、ねじれ変形が可能なトーションばねであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のジャイロセンサ。
5. 前記検出手段は、前記検出質量体に形成された切抜孔の内周面に突設した複数本の可動櫛歯片と、前記切抜孔の内側に配置され、前記支持基板に固定された固定子の外周面に各可動櫛歯片とそれぞれ対向するように突設した複数本の固定櫛歯片とから成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のジャイロセンサ。
6. 前記支持基板において、前記第１および第２駆動質量体との対向面にはそれぞれ対応する第１および第２固定駆動電極が配置され、前記検出ばねにおける支持基板への固定部と、前記第１および第２固定駆動電極との間に振動電圧を印加することによって、前記第１および第２駆動質量体と第１および第２固定電極との間に作用する静電力で前記第１および第２駆動質量体を振動させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のジャイロセンサ。
7. 前記支持基板は厚み方向に貫通する複数個の透孔を有し、前記透孔の内周面には導電性の金属薄膜から成り、主基板を外部回路に接続する電極配線が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のジャイロセンサ。
8. 前記第１および第２駆動質量体の厚み寸法は、前記検出質量体の厚み寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のジャイロセンサ。
9. 駆動質量体を支持基板に交差する方向に振動させ、前記駆動質量体に駆動ばねを介して連結された検出質量体における前記駆動質量体の振動方向とは垂直な面内での変位量を検出することで、前記面内の予め定める軸線回りの角速度を検出するようにしたジャイロセンサにおいて、
   前記検出質量体を中心として、その両側に前記駆動質量体を一対で対称に配置し、かつ相互に同位相で振動させ、
   前記駆動質量体および検出質量体の配列方向と平行に延び、基端部が前記支持基板に接続され、遊端部が前記検出質量体に接続されることで、前記駆動質量体および検出質量体の前記振動方向の変位およびそれに垂直な方向の変位を可能に支持する一対の検出ばねと、
   前記検出質量体の前記面方向の変位量を検出する検出手段とを含むことを特徴とするジャイロセンサ。

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