ジャイロセンサー、電子機器
【課題】小型化を図ったジャイロセンサーを提供する。
【解決手段】第１空洞部１５を有した外マス部１４と、第１空洞部１５内に設けられ、第２空洞部１７を有した内マス部１６と、外マス部１４を内マス部１６と一体に第１軸の方向に駆動させる駆動部７０と、外マス部１４と内マス部１６との間に接続され、第１軸の方向に直交する第２軸の方向に変位可能なバネ部２０と、第２空洞部１７内に設けられ、第１軸の軸回りの角速度を検出する第１検出部（検出部３０）と、第２空洞部１７に設けられた振動体４０と、を備え、振動体４０は、第２空洞部１７の内壁に一端を接続させ、第１軸の方向に延出させて他端を浮かせた片持ち支持構造であり、第１軸の方向の駆動振動に伴い、振動体４０が第１軸及び第２軸に対して垂直な第３軸方向に振動可能とした。
【解決手段】第１空洞部１５を有した外マス部１４と、第１空洞部１５内に設けられ、第２空洞部１７を有した内マス部１６と、外マス部１４を内マス部１６と一体に第１軸の方向に駆動させる駆動部７０と、外マス部１４と内マス部１６との間に接続され、第１軸の方向に直交する第２軸の方向に変位可能なバネ部２０と、第２空洞部１７内に設けられ、第１軸の軸回りの角速度を検出する第１検出部（検出部３０）と、第２空洞部１７に設けられた振動体４０と、を備え、振動体４０は、第２空洞部１７の内壁に一端を接続させ、第１軸の方向に延出させて他端を浮かせた片持ち支持構造であり、第１軸の方向の駆動振動に伴い、振動体４０が第１軸及び第２軸に対して垂直な第３軸方向に振動可能とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジャイロセンサー及びそれを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーナビゲーションシステムや、ビデオカメラの手ぶれ補正などの姿勢制御に、角速度を検出するジャイロセンサーが多く用いられている。このようなジャイロセンサーには、互いに直交するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸回りの角速度を検出可能な検出素子を各軸に備えたセンサーがある。
【０００３】
特許文献１に開示のジャイロセンサーは、互いに直交する第１ないし第３の検出軸に対する角速度を検出する多軸角速度センサーであって、第１の検出軸に対する角速度を検出する第１の振動型角速度センサー素子と、第２の検出軸に対する角速度を検出する第２の振動型角速度センサー素子と、第３の検出軸に対する角速度を検出する第３の振動型角速度センサー素子と、第１ないし第３の振動型角速度センサー素子を制御するＩＣと、第１ないし第３の振動型角速度センサー素子及びＩＣを収容するパッケージを備え、第１の振動型角速度センサー素子の振動平面と第１の検出軸が平行であり、第２の振動型角速度センサー素子の振動平面と第２の検出軸が平行であり、第３の振動型角速度センサー素子の振動平面と第３の検出軸が直交し低背化した多軸角速度センサーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２６６３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら従来のジャイロセンサーは３軸回りの角速度を検出するため、各軸をチップ内に並べると、実装面積が大きくなってしまいデバイス全体の小型化の要請に伴うセンサー素子の更なる小型化が図れないという問題があった。
【０００６】
また１軸の角速度センサーごとに振動が独立なため、駆動回路も角速度センサーごとに設けなければならず、集積回路（ＩＣ）も個別に必要であり実装面積が大きくなりセンサーを小型化することが困難であった。また複数の角速度センサー毎に振動モードが存在するため、互いに干渉してしまうという問題があった。
【０００７】
上記従来技術の問題点を解決するため、本発明は、小型化を図ったジャイロセンサーを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上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、以下の適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］第１空洞部を有した外マス部と、前記外マス部の前記第１空洞部内に設けられ、且つ第２空洞部を有した内マス部と、前記外マス部を前記内マス部と一体に第１軸の方向に駆動させる駆動部と、前記外マス部と前記内マス部との間に接続され、前記第１軸の方向に直交する第２軸の方向に変位可能なバネ部と、前記内マス部の前記第２空洞部内に設けられ、前記第１軸の軸回りの角速度を検出する第１検出部と、前記内マス部の前記第２空洞部に設けられた振動体と、を備えた振動系構造体を備え、前記振動体は、前記内マス部の前記第２空洞部の内壁に一端を接続させ、前記第１軸の方向に延出させて他端を浮かせた片持ち支持構造であり、前記第１軸の方向の駆動振動に伴い、前記振動体が前記第１軸及び前記第２軸に対して垂直な第３軸方向に振動可能なことを特徴とするジャイロセンサー。
このような構成のジャイロセンサーは、駆動振動に伴って第１軸及び第２軸からなる平面に直交する第３軸方向に振動する振動体を備えているので、第３軸方向の振動を面内軸検出の駆動振動として用いることにより、平面に水平な駆動方向と同じ軸回りの角速度を検出することができる。従って、本適用例のジャイロセンサー素子を組み合わせて用いれば、駆動方向を一方向とした多軸検出が可能となり、素子の小型化が可能となる。
【００１０】
［適用例２］前記振動体には、周波数調整部が設けられていることを特徴とする適用例１に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、駆動部の駆動振動と振動体の振動周波数を合わせることができ、所望の駆動振幅が得られる。
【００１１】
［適用例３］前記周波数調整部は、前記振動体の前記他端側に設けられていることを特徴とする適用例２に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、周波数調整部を振動体の他端側に設けることにより、周波数を大きく変化させることができるので、周波数調整を容易に行うことができる。
【００１２】
［適用例４］前記周波数調整部には、金属膜が設けられていることを特徴とする適用例２または３に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、周波数調整部に設けた金属膜をレーザー等により削ることで容易に周波数調整を行うことができる。
【００１３】
［適用例５］前記振動体は、前記一端側の剛性が前記他端側の剛性よりも小さいことを特徴とする適用例１ないし４のいずれか１例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、駆動振動に伴う振動体の振動の振幅を大きくすることができ、回転が加わったときのコリオリ力を大きく発生させることができ、感度を向上させることができる。
【００１４】
［適用例６］前記振動体には、前記他端側に錘部が設けられていることを特徴とする適用例１ないし５のいずれか１例に記載のジャイロセンサー。
【００１５】
［適用例７］前記振動体には、前記一端側に溝又は貫通孔が設けられていることを特徴とする適用例１ないし６のいずれか１例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、例えば、振動体の先端に錘部を設けたり、振動体の固定端側に貫通孔または溝を設けたりして、振動体の固体端側の剛性を自由端側の剛性よりも小さくすることができ、軸回りに作用する回転によって生じる角速度を感度良く検出することができる。
【００１６】
［適用例８］前記外マス部は、基板の上方に配置されており、前記第１検出部は、前記基板に設けられている固定電極と、前記内マス部に設けられている可動電極とを含むことを特徴とする適用例１ないし７のいずれか１例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、軸回りに作用する回転によって生じる角速度を感度良く検出することができる。
【００１７】
［適用例９］前記振動系構造体を前記第１軸の方向に並べて配置し、前記振動系構造体同士を連結するバネで接続し、前記振動系構造体同士を互いに反対方向に振動させることを特徴とする適用例１ないし８のいずれか１例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、振動バランスが向上し、軸回りに作用する回転によって生じる角速度を感度良く検出することができる。
【００１８】
［適用例１０］一方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向と、他方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向とを逆にし、一方の前記振動系構造体の出力信号と、他方の前記振動系構造体の出力信号の和をとることを特徴とする適用例９に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、他軸の角速度成分を除去して、所望の角速度のみを検出することができる。従って適用例１と比較して角速度検出を高精度に行うことができる。
【００１９】
［適用例１１］一方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向と、他方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向とを同じにし、一方の前記振動系構造体の出力信号と、他方の前記振動系構造体の出力振動の差をとることを特徴とする適用例９に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、加速度成分の力を除去して、所望の角速度のみを検出することができる。従って適用例１と比較して角速度検出を高精度に行うことができる。
【００２０】
［適用例１２］前記振動系構造体には、前記第２軸および前記第３軸の軸回りの角速度の少なくとも一方を検出する第２検出部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、駆動方向を一方向とした多軸検出が可能となり、駆動部を共通化することができるのでセンサー全体の小型化を図ることができる。
【００２１】
［適用例１３］適用例１ないし１２のいずれか１例に記載のジャイロセンサーを備えたことを特徴とする電子機器。
上記構成によれば、多軸検出のための駆動部を共通化して小型化を図れ、高精度で角速度を検出することができるジャイロセンサーを備えた電子機器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のジャイロセンサーの構成概略を示す説明図である。
【図２】Ｘ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子の構成概略を示す説明図である。
【図３】振動体の変形例１〜４の説明図である。
【図４】周波数調整部の説明図であり、（１）は斜視図であり、（２）は（１）のａ−ａ断面図である。
【図５】Ｘ軸回りに作用する回転を検出する説明図であり、（１）は斜視図であり、（２）は（１）のｂ−ｂ断面図である。
【図６】Ｙ軸回りに作用する回転を検出する説明図であり、（１）は斜視図であり、（２）は（１）のｃ−ｃ断面図である。
【図７】Ｚ軸回りに作用する回転を検出する説明図である。
【図８】ジャイロセンサーの集積回路の説明図である。
【図９】本発明のジャイロセンサーを備える電子機器を適用した携帯電話機の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明のジャイロセンサー、電子機器の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明のジャイロセンサーの構成概略を示す説明図である。なお各図では説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示している。また本実施形態ではＸ軸（第１軸）に平行な方向をＸ軸方向、Ｙ軸（第２軸）に平行な方向をＹ軸方向、Ｚ軸（第３軸）に平行な方向をＺ軸方向という。
【００２４】
図１に示すジャイロセンサー１０は、Ｘ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子１００、Ｙ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子２００、Ｚ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子３００を備えている。
図２はＸ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子の構成概略を示す説明図である。図２に示すセンサー素子１００は、振動系構造体１２上に形成した外マス部１４と、駆動バネ部６０と、外マス部１４に囲まれた内マス部１６と、外マス部１４を駆動させる駆動部７０と、外マス部１４と内マス部１６を接続するバネ部２０と、軸回りの変位を検出可能な第１検出部としての検出部３０と、内マス部１６に支持された振動体４０と、を主な基本構成としている。
【００２５】
基板となる振動系構造体１２は、シリコンを主材料として構成されていて、シリコン基板（シリコンウエハ）上に薄膜形成技術（例えば、エピタキシャル成長技術、化学気相成長技術等の堆積技術）や各種加工技術（例えばドライエッチング、ウェットエッチング等のエッチング技術）を用いて所望の外形形状に加工することにより、前述した各部が一体的に形成されている。或いは、シリコン基板とガラス基板を張り合わせた後に、シリコン基板のみを所望の外形形状に加工することで、前述の各部を形成することもできる。振動系構造体１２の主材料をシリコンとすることにより、優れた振動特性を実現できるとともに、優れた耐久性を発揮することができる。またシリコン半導体デバイス作製に用いられる微細な加工技術の適用が可能となり、ジャイロセンサー１０の小型化を図ることができる。
【００２６】
外マス部１４は内側に第１空洞部１５を備え、Ｚ軸を法線とする平面視にて略矩形の枠体である。なお、本実施例において、外マス部１４および内マス部１６は共に枠状になっているが、枠状以外の形状も適用可能である。外マス部１４は、Ｚ軸を法線とする平面視にてＸ軸と交差する側面を駆動バネ部６０と接続させている。
【００２７】
駆動バネ部６０は、外マス部１４と固定部５０とを連結している。駆動バネ部６０は、第１及び第２駆動バネ部６２，６４から構成されている。第１駆動バネ部６２は、一対の第１駆動バネ部６２ａ，６２ｂから構成されており、各第１駆動バネ部６２ａ，６２ｂはＹ軸方向に往復しながらＸ軸方向に延在する形状をなしている。また第１駆動バネ部６２ａ，６２ｂは、Ｚ軸を法線とする平面視にて、外マス部１４の中心Ｃと交わるＹ軸に対して対称的に設けられている。各第１駆動バネ部６２ａ，６２ｂをこのような形状とすることにより、第１駆動バネ部６２をＹ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、駆動方向ＡであるＸ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。
【００２８】
また、第２駆動バネ部６４の構成は、外マス部１４の中心Ｃと交わるＸ軸に対して、第１駆動バネ部６２と対称的に設けられ、一対の第２駆動バネ部６４ａ，６４ｂから構成されている。各第２駆動バネ部６４ａ，６４ｂをこのような形状とすることにより、第２駆動バネ部６４をＹ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、駆動方向であるＸ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。
【００２９】
内マス部１６は、外マス部１４の第１空洞部１５に設けられ、外周を外マス部１４に囲われている。なお、内マス部１６の内側には、第２空洞部１７が形成されている。内マス部１６はＺ軸を法線とする平面視にて略矩形の枠体であり、Ｙ軸と交差する側面を、バネ部２０を介して外マス部１４と接続させている。
【００３０】
バネ部２０は、第１及び第２バネ部２２，２４から構成されている。第１バネ部２２は、一対の第１バネ部２２ａ，２２ｂから構成されており、各第１バネ部２２ａ，２２ｂはＸ軸方向に往復しながらＹ軸方向に延在する形状をなしている。また第１バネ部２２ａ，２２ｂは、Ｚ軸を法線とする平面視にて、外マス部１４の中心Ｃと交わるＸ軸に対して対称的に設けられている。各第１バネ部２２ａ，２２ｂをこのような形状とすることにより、第１バネ部２２をＸ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、検出方向であるＹ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。また、第２バネ部２４の構成は、外マス部１４の中心Ｃと交わるＹ軸に対して、第１バネ部２２と対称的に設けられ、一対の第２バネ部２４ａ，２４ｂから構成されている。各第２バネ部２４ａ，２４ｂをこのような形状とすることにより、第２バネ部２４をＸ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、検出方向であるＹ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。
【００３１】
駆動部７０は、外マス部１４をＸ軸方向に所定の周波数で振動させる機能を備えている。すなわち駆動部７０は、外マス部１４を＋Ｘ軸方向に変位させる状態と、−Ｘ軸方向に変位させる状態とを繰り返すように振動させている。図２に示す駆動部７０は、図示しない駆動電極と固定電極から構成されており、Ｙ軸と交差する側面に１つ設けており、例えば、駆動電極と固定電極間の静電力により駆動させる。この他、外マス部１４をＸ方向に振動させることができる構成であれば、Ｙ軸と交差する両側面に設けるように構成すれば、より安定した駆動運動が行える。固定電極は駆動電極を介してＸ軸方向に対向配置された櫛歯状の一対の電極片を有している。このような構成の駆動部７０は、図示しない電源によって、電極片に電圧を印加することにより、各駆動電極と各電極片との間に静電力を発生させ、駆動バネ部６０を伸縮させつつ、外マス部１４を所定の周波数でＸ軸方向に振動させている。なお駆動部７０は、静電駆動方式、圧電駆動方式、又は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。
【００３２】
検出部３０は、可動電極３２と固定電極３４から構成されている。可動電極３２は駆動方向となるＸ軸方向に沿って両端を内マス部１６に接続させ、隣接する電極同士が所定の間隔を開けるように複数設けている。固定電極３４は、可動電極３２間の隙間で駆動方向となるＸ軸方向に沿って設け、下部基板（不図示）のアンカーに固定させている。このような可動電極３２と固定電極３４は、交互に配置された櫛歯状に形成されている。上記構成による検出部３０は、図示しない電源によって、電極に電圧を印加するとことにより、各可動電極３２と各固定電極３４との間に静電力が発生する。内マス部１６がＹ軸方向に変位すると、可動電極３２が固定電極３４に接近又は離間することにより静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出してＹ軸方向の変位量を求めることができる。
【００３３】
振動体４０は、内マス部１６内に設けられ、固定端４２側を内マス部１６に接続させて、自由端４４側をＸ軸方向に沿って延出させている。振動体４０は、固定端４２側が内マス部１６に支持されて、自由端４４側がＺ軸方向に上下動可能な片持ち支持された構造（カンチレバー構造）となる。振動体４０の自由端４４側は、駆動方向Ａに延出されているため、外マス部１４の駆動方向Ａに駆動振動すると、自由端４４が±Ｚ軸方向に振動させることができる。また振動体４０は、２つの検出部３０に挟まれるように内マス部１６の中心に配置されている。このような構成により安定した振動を維持することができる。
【００３４】
図３は振動体の変形例１〜４の説明図である。振動体は、内マス部に片持ち支持された構造であり、駆動部による駆動振動に伴ってＺ軸方向へ振動可能な形状であれば、次のような変形例１〜４の形状に形成することもできる。（１）、（２）は振動体４０ａ，４０ｂの平面図であり、いずれも固定端４２側と内マス部１６を支持部４６ａ，４６ｂを介して接続させている。支持部４６ａ，４６ｂは振動体よりも細腕に形成している。また固定端４２と内マス部１６の間に開口４７を設けている。このような振動体４０ａ，４０ｂは支持部４６ａ，４６ｂにより剛性を小さくし自由端４４を振動し易い構造にすることができる。（３）は振動体４０ｃの断面図であり、固定端４２側に薄肉部４８を形成している。このような振動体４０ｃは、薄肉部４８により剛性を小さくし自由端４４を振動し易い構造にすることができる。（４）は振動体４０ｄの平面図であり、Ｚ軸を法線とする平面視にて、自由端４４ａを固定端４２ａよりも幅広に、又は断面視で自由端４４ａを固定端４２ａよりも厚肉となるハンマーヘッド型に形成している。このような振動体４０ｄは、自由端４４ａの質量を固定端４２ａよりも大きくすることができ（錘部を形成でき）、駆動に対してＺ軸方向へ振動し易い構造にすることができる。なお、振動体４０ａ，４０ｂの延出方向の全長の中心線で振動体を分割したときに、固定端側（一端側）とは中心線から固定端までの領域を指し、自由端側（他端側）とは中心線から先端までの領域を指す。
【００３５】
本発明のジャイロセンサーは、振動体を振動させる駆動部を一元化させてセンサー全体の小型化を図っている。一定の振動周波数で角速度を検出するためには駆動部による駆動振動の駆動共振周波数と同じ周波数で振動体を振動させる必要がある。振動体４０は、予め、駆動共振周波数と同じ周波数で発振するような形状に設計しているが、製作上の誤差等により、同じ周波数に形成することが困難な場合がある。そこで実施形態の振動体４０は上面に共振周波数を調整可能な周波数調整部８０を設けている。図４は周波数調整部の説明図であり、（１）は斜視図であり、（２）は（１）のａ−ａ断面図である。周波数調整部８０は、振動体４０の上面に金、タングステンなどの金属膜を塗布することにより形成することができる。そして（２）に示すように周波数調整部８０にレーザー光を照射して、金属膜を剥離させて振動体４０の質量を減少させて、共振周波数を調整することができる。このような金属膜の他にも、シリコン材料の振動体４０に直にレーザー光を照射して、振動体４０の質量を減少させて、共振周波数の調整を行うように構成することもできる。このような周波数調整部８０により、振動体４０の共振周波数と、駆動部７０による外マス部１４の駆動の駆動共振周波数を一致させることができる。
【００３６】
Ｙ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子２００は、図１に示すように、外マス部１４の第１空洞部１５に一対の変位板９０ａ，９０ｂを設けている。変位板９０ａ，９０ｂは回転軸９２ａ，９２ｂで外マス部１４のＸ軸方向と直行する側面に連結されている。回転軸９２ａ，９２ｂは、各変位板９０ａ，９０ｂの重心からずれた位置に形成している。回転軸９２ａ，９２ｂは共に回転方向がＸ軸方向に沿って設けられている。回転軸９２ａ，９２ｂは変位が加わったときにその軸回りにねじり変形させ変位板９０ａ，９０ｂをＺ軸方向に回転させる。また変位板９０ａ，９０ｂは、回転軸９２ａ，９２ｂに対し重力（Ｚ軸方向の変位）による回転方向が互いに逆方向に回転するように取り付けている。換言すると、回転軸９２ａ，９２ｂの変位板９０ａ，９０ｂの重心からのずれの方向と、回転軸９２ａ，９２ｂの変位板９０ａ，９０ｂの重心からのずれの方向とは、互いに反対方向であるとも言える。変位板９０ａ，９０ｂと対向する箇所には、所定間隔を開けて下部電極（不図示）を設けている。
【００３７】
Ｚ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子３００は、図１に示すように外マス部１４内に内マス部１１６と、バネ部１２０と、第２検出部としての検出部１３０を設けている。
内マス部１１６は、外マス部１４の第１空洞部１５に設けられ、外周を外マス部１４に囲われている。内マス部１１６はＺ軸を法線とする平面視にて略矩形の枠体であり、Ｙ軸と交差する側面を、バネ部１２０を介して外マス部１４と接続させている。
【００３８】
バネ部１２０は、第１及び第２バネ部１２２，１２４から構成されている。第１バネ部１２２は、一対の第１バネ部１２２ａ，１２２ｂから構成されており、各第１バネ部１２２ａ，１２２ｂはＸ軸方向に往復しながらＹ軸方向に延在する形状をなしている。また第１バネ部１２２ａ，１２２ｂは、Ｚ軸を法線とする平面視にて、外マス部１４の中心Ｃ’と交わるＸ軸に対して対称的に設けられている。各第１バネ部１２２ａ，１２２ｂをこのような形状とすることにより、第１バネ部１２２をＸ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、検出方向であるＹ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。また、第２バネ部１２４の構成は、外マス部１４の中心Ｃ’と交わるＹ軸に対して、第１バネ部１２２と対称的に設けられ、一対の第２バネ部１２４ａ，１２４ｂから構成されている。各第２バネ部１２４ａ，１２４ｂをこのような形状とすることにより、第２バネ部１２４をＸ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、検出方向であるＹ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。
【００３９】
検出部１３０は、センサー素子１００の検出部３０と同様に、可動電極１３２と固定電極１３４から構成されている。可動電極１３２は駆動方向となるＸ軸方向に沿って両端を内マス部１１６に接続させ、隣接する電極同士が所定の間隔を空けるように複数設けている。固定電極１３４は、可動電極１３２間の隙間で駆動方向となるＸ軸方向に沿って設け、下部基板（不図示）のアンカーに固定させている。このような可動電極１３２と固定電極１３４は、交互に配置された櫛歯状に形成されている。
【００４０】
本発明のジャイロセンサー１０は、振動系構造体１２１上に２つの振動体を備えている。具体的には、センサーの駆動方向（Ｘ軸方向）に沿ってセンサー素子１００，２００，３００を有する第１振動系構造体１１２と、センサー素子１００，２００，３００を有する第２振動系構造体２１２から構成されている。ここでセンサー素子１００の第１振動体４０ａと第２振動体４０ｂは、振動方向が同一となるように配置している。具体的に第１振動体４０ａの自由端と第２振動体４０ｂの自由端とが対向するように配置している。或いは、第１振動体４０ａの自由端と第２振動体４０ｂの自由端とは互いに離間するように配置してもよい。
【００４１】
なお、第１及び第２振動系構造体１１２，２１２は、少なくともセンサー素子１００を基本構成とし、Ｙ軸及びＺ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子２００，３００のいずれか一方を備える構成とすることもできる。
【００４２】
振動系構造体１２０は、シリコンを主材料として構成されていて、シリコン基板（シリコンウエハ）上に薄膜形成技術や各種加工技術を用いて所望の外形形状に加工することにより、各部が一体的に形成されている。
【００４３】
また、第１及び第２振動系構造体１１２，２１２の間には、第３駆動バネ部（連結バネ）６６を形成している。第３駆動バネ部６６は、一対の第３駆動バネ部６６ａ，６６ｂから構成されており、各第３駆動バネ部６６ａ，６６ｂはＹ軸方向に往復しながらＸ軸方向に延在する形状をなしている。また第３駆動バネ部６６ａ，６６ｂは、Ｚ軸を法線とするＸＹ平面視にて、第１振動系構造体１１２と第２振動系構造体２１２の中心Ｃと交わるＸ軸に対して対称的に設けられている。各第３駆動バネ部６６ａ，６６ｂをこのような形状とすることにより、第１駆動バネ部６２及び第２駆動バネ部６４をＹ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、Ｘ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。第１及び第２振動系構造体１１２，２１２の四隅には、第１及び第２駆動バネ部６２，６４を設けている。
【００４４】
またジャイロセンサー１０の駆動部７２は、図２に示す駆動部７０と基本構成は同じである。第１振動系構造体１１２のＸ軸方向と交差する側面に一対の駆動部７２ａ，７２ｂを取り付け、第２振動系構造体２１２のＸ軸方向と交差する側面に一対の駆動部７２ｃ，７２ｄを取り付けている。第１振動系構造体１１２の駆動部７２ａ，７２ｂと、第２振動系構造体２１２の駆動部７２ｃ，７２ｄは、位相が１８０度ずれた交番電圧を印加することにより、各駆動電極と各電極片との間にそれぞれ静電力を発生させている。第１〜第３駆動バネ部６２，６４，６６がＸ軸方向に伸縮すると、第１振動系構造体１１２と第２振動系構造体２１２は、互いに逆位相でかつ所定の周波数でＸ軸方向に振動させることができる。なお、駆動部７２ａ，７２ｂは、どちらか一方のみ形成されていれば良い。駆動部７２ｃ，７２ｄについても同様である。
【００４５】
上記構成による本発明のジャイロセンサー１０の作用について以下説明する。
一般にコリオリ力は数式１のように表すことができる。
【数１】
【００４６】
図５はＸ軸回りに作用する回転を検出する説明図であり、（１）は斜視図であり、（２）は（１）のｂ−ｂ断面図である。外マス部内の内マス部１６は、駆動部によって駆動方向Ａに駆動している。この駆動振動に伴って、振動体４０がＺ軸方向に振動（ｖ）する。そして駆動方向となるＸ軸方向の軸回りに角速度（Ωｘ）が入力された場合、コリオリ力は±Ｙ軸方向に作用する。Ｙ軸方向にコリオリ力が作用すると、検出部３０は、可動電極３２が固定電極３４に接近又は離間することにより静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出してＹ軸方向のコリオリ力を求めることにより、Ｘ軸回りに作用する回転を検出することができる。
【００４７】
図６はＹ軸回りに作用する回転を検出する説明図であり、（１）は斜視図、（２）は（１）のｃ−ｃ断面図である。外マス部１４は駆動部によって駆動方向Ａに駆動している。そしてＹ軸方向の軸回り角速度（Ωｙ）が入力された場合、コリオリ力は±Ｚ軸方向に作用する。Ｚ軸方向にコリオリ力が作用すると、変位板９０ａ，９０ｂは下部電極と接近又は離間することにより静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出してＺ軸方向のコリオリ力を求めることにより、Ｙ軸回りに作用する回転を検出することができる。
【００４８】
図７はＺ軸回りに作用する回転を検出する説明図である。外マス部内の内マス部１１６は、駆動部によって駆動方向Ａに駆動している。そしてＺ軸方向の軸回りに角速度（Ωｚ）が入力された場合、コリオリ力は±Ｙ軸方向に作用する。Ｙ軸方向にコリオリ力が作用すると、検出部１３０は、可動電極１３２が固定電極１３４に接近又は離間することにより静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出してＹ軸方向のコリオリ力を求めることにより、Ｚ軸回りに作用する回転を検出することができる。
【００４９】
なお、図１のセンサー素子１００において、Ｘ軸回りに作用する回転を検出する際に、Ｚ軸回りに作用する回転も検出される場合がある。本発明のジャイロセンサー１０は、第１振動体４０ａと第２振動体４０ｂが振動体の延出方向を反対方向にすることによりＺ方向の振動方向が同一となるように構成している。このような構成によれば、Ｚ軸回りの回転を受けたときの内マス部１６の変位は、第１振動系構造体１１２側と第２振動系構造体２１２側でＹ軸方向で互いに逆向きとなり、両者からの出力信号の和を取ることにより除去して、Ｘ軸回りの変位のみを検出することができる。
【００５０】
このようなジャイロセンサー１０によれば、多軸検出のための駆動部を共通化してセンサー全体の小型化を図ることができる。
また、図１のセンサー素子１００において、Ｙ軸の加速度成分が検出される場合がある。このＹ軸加速度成分を無くしたい場合は、第１振動体４０ａと第２振動体４０ｂの振動体の延出方向を同じにして、第１振動体４０ａと第２振動体４０ｂのＺ軸方向の振動方向を互いに逆にし、第１振動系構造体１１２側と第２振動系構造体２１２側の両者からの出力信号の差を取ることにより、Ｙ軸加速度の検出を除去することができる。
【００５１】
図８はジャイロセンサーの集積回路の説明図である。図示のようにジャイロセンサー１０は、駆動部７０に集積回路（ＩＣ）５２を電気的に接続させている。本発明のジャイロセンサー１０は、１つの駆動部７０により外マス部１４を駆動振動させて、センサー素子１００，２００，３００により複数の角速度を検出することができる。駆動部７０は集積回路５２で駆動させることにより、各軸の駆動共振周波数を同一にして所望の駆動振幅を得ることができる。
【００５２】
図９は本発明のジャイロセンサーを備える電子機器を適用した携帯電話機の説明図である。図示のように携帯電話機５００は、複数の操作ボタン５０２、受話口５０４、および送信口５０６を備え、操作ボタン５０２と受話口５０４との間には、表示部５０８が配置されている。このような携帯電話機５００には角速度検出手段として機能するジャイロセンサー１０が内蔵されている。
【符号の説明】
【００５３】
１０………ジャイロセンサー、１２，１２１………振動系構造体、１４………外マス部、１５………第１空洞部、１６，１１６………内マス部、１７………第２空洞部、２０，１２０………バネ部、２２，１２２………第１バネ部、２４，１２４………第２バネ部、３０，１３０………検出部、３２，１３２………可動電極、３４，１３４………固定電極、４０………振動体、４２………固定端、４４………自由端、４７………開口、４８………薄肉部、５０………固定部、５２………集積回路（ＩＣ）、６０………駆動バネ部、６２………第１駆動バネ部、６４………第２駆動バネ部、６６………第３駆動バネ部、７０，７２………駆動部、８０………周波数調整部、９０ａ，９０ｂ………変位板、９２ａ，９２ｂ………回転軸、１００，２００，３００………センサー素子、１１２………第１振動系構造体、２１２………第２振動系構造体、５００………携帯電話機、５０２………操作ボタン、５０４………受話口、５０６………送信口、５０８………表示部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジャイロセンサー及びそれを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カーナビゲーションシステムや、ビデオカメラの手ぶれ補正などの姿勢制御に、角速度を検出するジャイロセンサーが多く用いられている。このようなジャイロセンサーには、互いに直交するＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸回りの角速度を検出可能な検出素子を各軸に備えたセンサーがある。
【０００３】
特許文献１に開示のジャイロセンサーは、互いに直交する第１ないし第３の検出軸に対する角速度を検出する多軸角速度センサーであって、第１の検出軸に対する角速度を検出する第１の振動型角速度センサー素子と、第２の検出軸に対する角速度を検出する第２の振動型角速度センサー素子と、第３の検出軸に対する角速度を検出する第３の振動型角速度センサー素子と、第１ないし第３の振動型角速度センサー素子を制御するＩＣと、第１ないし第３の振動型角速度センサー素子及びＩＣを収容するパッケージを備え、第１の振動型角速度センサー素子の振動平面と第１の検出軸が平行であり、第２の振動型角速度センサー素子の振動平面と第２の検出軸が平行であり、第３の振動型角速度センサー素子の振動平面と第３の検出軸が直交し低背化した多軸角速度センサーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２６６３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら従来のジャイロセンサーは３軸回りの角速度を検出するため、各軸をチップ内に並べると、実装面積が大きくなってしまいデバイス全体の小型化の要請に伴うセンサー素子の更なる小型化が図れないという問題があった。
【０００６】
また１軸の角速度センサーごとに振動が独立なため、駆動回路も角速度センサーごとに設けなければならず、集積回路（ＩＣ）も個別に必要であり実装面積が大きくなりセンサーを小型化することが困難であった。また複数の角速度センサー毎に振動モードが存在するため、互いに干渉してしまうという問題があった。
【０００７】
上記従来技術の問題点を解決するため、本発明は、小型化を図ったジャイロセンサーを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上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、以下の適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］第１空洞部を有した外マス部と、前記外マス部の前記第１空洞部内に設けられ、且つ第２空洞部を有した内マス部と、前記外マス部を前記内マス部と一体に第１軸の方向に駆動させる駆動部と、前記外マス部と前記内マス部との間に接続され、前記第１軸の方向に直交する第２軸の方向に変位可能なバネ部と、前記内マス部の前記第２空洞部内に設けられ、前記第１軸の軸回りの角速度を検出する第１検出部と、前記内マス部の前記第２空洞部に設けられた振動体と、を備えた振動系構造体を備え、前記振動体は、前記内マス部の前記第２空洞部の内壁に一端を接続させ、前記第１軸の方向に延出させて他端を浮かせた片持ち支持構造であり、前記第１軸の方向の駆動振動に伴い、前記振動体が前記第１軸及び前記第２軸に対して垂直な第３軸方向に振動可能なことを特徴とするジャイロセンサー。
このような構成のジャイロセンサーは、駆動振動に伴って第１軸及び第２軸からなる平面に直交する第３軸方向に振動する振動体を備えているので、第３軸方向の振動を面内軸検出の駆動振動として用いることにより、平面に水平な駆動方向と同じ軸回りの角速度を検出することができる。従って、本適用例のジャイロセンサー素子を組み合わせて用いれば、駆動方向を一方向とした多軸検出が可能となり、素子の小型化が可能となる。
【００１０】
［適用例２］前記振動体には、周波数調整部が設けられていることを特徴とする適用例１に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、駆動部の駆動振動と振動体の振動周波数を合わせることができ、所望の駆動振幅が得られる。
【００１１】
［適用例３］前記周波数調整部は、前記振動体の前記他端側に設けられていることを特徴とする適用例２に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、周波数調整部を振動体の他端側に設けることにより、周波数を大きく変化させることができるので、周波数調整を容易に行うことができる。
【００１２】
［適用例４］前記周波数調整部には、金属膜が設けられていることを特徴とする適用例２または３に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、周波数調整部に設けた金属膜をレーザー等により削ることで容易に周波数調整を行うことができる。
【００１３】
［適用例５］前記振動体は、前記一端側の剛性が前記他端側の剛性よりも小さいことを特徴とする適用例１ないし４のいずれか１例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、駆動振動に伴う振動体の振動の振幅を大きくすることができ、回転が加わったときのコリオリ力を大きく発生させることができ、感度を向上させることができる。
【００１４】
［適用例６］前記振動体には、前記他端側に錘部が設けられていることを特徴とする適用例１ないし５のいずれか１例に記載のジャイロセンサー。
【００１５】
［適用例７］前記振動体には、前記一端側に溝又は貫通孔が設けられていることを特徴とする適用例１ないし６のいずれか１例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、例えば、振動体の先端に錘部を設けたり、振動体の固定端側に貫通孔または溝を設けたりして、振動体の固体端側の剛性を自由端側の剛性よりも小さくすることができ、軸回りに作用する回転によって生じる角速度を感度良く検出することができる。
【００１６】
［適用例８］前記外マス部は、基板の上方に配置されており、前記第１検出部は、前記基板に設けられている固定電極と、前記内マス部に設けられている可動電極とを含むことを特徴とする適用例１ないし７のいずれか１例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、軸回りに作用する回転によって生じる角速度を感度良く検出することができる。
【００１７】
［適用例９］前記振動系構造体を前記第１軸の方向に並べて配置し、前記振動系構造体同士を連結するバネで接続し、前記振動系構造体同士を互いに反対方向に振動させることを特徴とする適用例１ないし８のいずれか１例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、振動バランスが向上し、軸回りに作用する回転によって生じる角速度を感度良く検出することができる。
【００１８】
［適用例１０］一方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向と、他方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向とを逆にし、一方の前記振動系構造体の出力信号と、他方の前記振動系構造体の出力信号の和をとることを特徴とする適用例９に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、他軸の角速度成分を除去して、所望の角速度のみを検出することができる。従って適用例１と比較して角速度検出を高精度に行うことができる。
【００１９】
［適用例１１］一方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向と、他方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向とを同じにし、一方の前記振動系構造体の出力信号と、他方の前記振動系構造体の出力振動の差をとることを特徴とする適用例９に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、加速度成分の力を除去して、所望の角速度のみを検出することができる。従って適用例１と比較して角速度検出を高精度に行うことができる。
【００２０】
［適用例１２］前記振動系構造体には、前記第２軸および前記第３軸の軸回りの角速度の少なくとも一方を検出する第２検出部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、駆動方向を一方向とした多軸検出が可能となり、駆動部を共通化することができるのでセンサー全体の小型化を図ることができる。
【００２１】
［適用例１３］適用例１ないし１２のいずれか１例に記載のジャイロセンサーを備えたことを特徴とする電子機器。
上記構成によれば、多軸検出のための駆動部を共通化して小型化を図れ、高精度で角速度を検出することができるジャイロセンサーを備えた電子機器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のジャイロセンサーの構成概略を示す説明図である。
【図２】Ｘ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子の構成概略を示す説明図である。
【図３】振動体の変形例１〜４の説明図である。
【図４】周波数調整部の説明図であり、（１）は斜視図であり、（２）は（１）のａ−ａ断面図である。
【図５】Ｘ軸回りに作用する回転を検出する説明図であり、（１）は斜視図であり、（２）は（１）のｂ−ｂ断面図である。
【図６】Ｙ軸回りに作用する回転を検出する説明図であり、（１）は斜視図であり、（２）は（１）のｃ−ｃ断面図である。
【図７】Ｚ軸回りに作用する回転を検出する説明図である。
【図８】ジャイロセンサーの集積回路の説明図である。
【図９】本発明のジャイロセンサーを備える電子機器を適用した携帯電話機の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明のジャイロセンサー、電子機器の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明のジャイロセンサーの構成概略を示す説明図である。なお各図では説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示している。また本実施形態ではＸ軸（第１軸）に平行な方向をＸ軸方向、Ｙ軸（第２軸）に平行な方向をＹ軸方向、Ｚ軸（第３軸）に平行な方向をＺ軸方向という。
【００２４】
図１に示すジャイロセンサー１０は、Ｘ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子１００、Ｙ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子２００、Ｚ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子３００を備えている。
図２はＸ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子の構成概略を示す説明図である。図２に示すセンサー素子１００は、振動系構造体１２上に形成した外マス部１４と、駆動バネ部６０と、外マス部１４に囲まれた内マス部１６と、外マス部１４を駆動させる駆動部７０と、外マス部１４と内マス部１６を接続するバネ部２０と、軸回りの変位を検出可能な第１検出部としての検出部３０と、内マス部１６に支持された振動体４０と、を主な基本構成としている。
【００２５】
基板となる振動系構造体１２は、シリコンを主材料として構成されていて、シリコン基板（シリコンウエハ）上に薄膜形成技術（例えば、エピタキシャル成長技術、化学気相成長技術等の堆積技術）や各種加工技術（例えばドライエッチング、ウェットエッチング等のエッチング技術）を用いて所望の外形形状に加工することにより、前述した各部が一体的に形成されている。或いは、シリコン基板とガラス基板を張り合わせた後に、シリコン基板のみを所望の外形形状に加工することで、前述の各部を形成することもできる。振動系構造体１２の主材料をシリコンとすることにより、優れた振動特性を実現できるとともに、優れた耐久性を発揮することができる。またシリコン半導体デバイス作製に用いられる微細な加工技術の適用が可能となり、ジャイロセンサー１０の小型化を図ることができる。
【００２６】
外マス部１４は内側に第１空洞部１５を備え、Ｚ軸を法線とする平面視にて略矩形の枠体である。なお、本実施例において、外マス部１４および内マス部１６は共に枠状になっているが、枠状以外の形状も適用可能である。外マス部１４は、Ｚ軸を法線とする平面視にてＸ軸と交差する側面を駆動バネ部６０と接続させている。
【００２７】
駆動バネ部６０は、外マス部１４と固定部５０とを連結している。駆動バネ部６０は、第１及び第２駆動バネ部６２，６４から構成されている。第１駆動バネ部６２は、一対の第１駆動バネ部６２ａ，６２ｂから構成されており、各第１駆動バネ部６２ａ，６２ｂはＹ軸方向に往復しながらＸ軸方向に延在する形状をなしている。また第１駆動バネ部６２ａ，６２ｂは、Ｚ軸を法線とする平面視にて、外マス部１４の中心Ｃと交わるＹ軸に対して対称的に設けられている。各第１駆動バネ部６２ａ，６２ｂをこのような形状とすることにより、第１駆動バネ部６２をＹ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、駆動方向ＡであるＸ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。
【００２８】
また、第２駆動バネ部６４の構成は、外マス部１４の中心Ｃと交わるＸ軸に対して、第１駆動バネ部６２と対称的に設けられ、一対の第２駆動バネ部６４ａ，６４ｂから構成されている。各第２駆動バネ部６４ａ，６４ｂをこのような形状とすることにより、第２駆動バネ部６４をＹ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、駆動方向であるＸ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。
【００２９】
内マス部１６は、外マス部１４の第１空洞部１５に設けられ、外周を外マス部１４に囲われている。なお、内マス部１６の内側には、第２空洞部１７が形成されている。内マス部１６はＺ軸を法線とする平面視にて略矩形の枠体であり、Ｙ軸と交差する側面を、バネ部２０を介して外マス部１４と接続させている。
【００３０】
バネ部２０は、第１及び第２バネ部２２，２４から構成されている。第１バネ部２２は、一対の第１バネ部２２ａ，２２ｂから構成されており、各第１バネ部２２ａ，２２ｂはＸ軸方向に往復しながらＹ軸方向に延在する形状をなしている。また第１バネ部２２ａ，２２ｂは、Ｚ軸を法線とする平面視にて、外マス部１４の中心Ｃと交わるＸ軸に対して対称的に設けられている。各第１バネ部２２ａ，２２ｂをこのような形状とすることにより、第１バネ部２２をＸ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、検出方向であるＹ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。また、第２バネ部２４の構成は、外マス部１４の中心Ｃと交わるＹ軸に対して、第１バネ部２２と対称的に設けられ、一対の第２バネ部２４ａ，２４ｂから構成されている。各第２バネ部２４ａ，２４ｂをこのような形状とすることにより、第２バネ部２４をＸ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、検出方向であるＹ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。
【００３１】
駆動部７０は、外マス部１４をＸ軸方向に所定の周波数で振動させる機能を備えている。すなわち駆動部７０は、外マス部１４を＋Ｘ軸方向に変位させる状態と、−Ｘ軸方向に変位させる状態とを繰り返すように振動させている。図２に示す駆動部７０は、図示しない駆動電極と固定電極から構成されており、Ｙ軸と交差する側面に１つ設けており、例えば、駆動電極と固定電極間の静電力により駆動させる。この他、外マス部１４をＸ方向に振動させることができる構成であれば、Ｙ軸と交差する両側面に設けるように構成すれば、より安定した駆動運動が行える。固定電極は駆動電極を介してＸ軸方向に対向配置された櫛歯状の一対の電極片を有している。このような構成の駆動部７０は、図示しない電源によって、電極片に電圧を印加することにより、各駆動電極と各電極片との間に静電力を発生させ、駆動バネ部６０を伸縮させつつ、外マス部１４を所定の周波数でＸ軸方向に振動させている。なお駆動部７０は、静電駆動方式、圧電駆動方式、又は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。
【００３２】
検出部３０は、可動電極３２と固定電極３４から構成されている。可動電極３２は駆動方向となるＸ軸方向に沿って両端を内マス部１６に接続させ、隣接する電極同士が所定の間隔を開けるように複数設けている。固定電極３４は、可動電極３２間の隙間で駆動方向となるＸ軸方向に沿って設け、下部基板（不図示）のアンカーに固定させている。このような可動電極３２と固定電極３４は、交互に配置された櫛歯状に形成されている。上記構成による検出部３０は、図示しない電源によって、電極に電圧を印加するとことにより、各可動電極３２と各固定電極３４との間に静電力が発生する。内マス部１６がＹ軸方向に変位すると、可動電極３２が固定電極３４に接近又は離間することにより静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出してＹ軸方向の変位量を求めることができる。
【００３３】
振動体４０は、内マス部１６内に設けられ、固定端４２側を内マス部１６に接続させて、自由端４４側をＸ軸方向に沿って延出させている。振動体４０は、固定端４２側が内マス部１６に支持されて、自由端４４側がＺ軸方向に上下動可能な片持ち支持された構造（カンチレバー構造）となる。振動体４０の自由端４４側は、駆動方向Ａに延出されているため、外マス部１４の駆動方向Ａに駆動振動すると、自由端４４が±Ｚ軸方向に振動させることができる。また振動体４０は、２つの検出部３０に挟まれるように内マス部１６の中心に配置されている。このような構成により安定した振動を維持することができる。
【００３４】
図３は振動体の変形例１〜４の説明図である。振動体は、内マス部に片持ち支持された構造であり、駆動部による駆動振動に伴ってＺ軸方向へ振動可能な形状であれば、次のような変形例１〜４の形状に形成することもできる。（１）、（２）は振動体４０ａ，４０ｂの平面図であり、いずれも固定端４２側と内マス部１６を支持部４６ａ，４６ｂを介して接続させている。支持部４６ａ，４６ｂは振動体よりも細腕に形成している。また固定端４２と内マス部１６の間に開口４７を設けている。このような振動体４０ａ，４０ｂは支持部４６ａ，４６ｂにより剛性を小さくし自由端４４を振動し易い構造にすることができる。（３）は振動体４０ｃの断面図であり、固定端４２側に薄肉部４８を形成している。このような振動体４０ｃは、薄肉部４８により剛性を小さくし自由端４４を振動し易い構造にすることができる。（４）は振動体４０ｄの平面図であり、Ｚ軸を法線とする平面視にて、自由端４４ａを固定端４２ａよりも幅広に、又は断面視で自由端４４ａを固定端４２ａよりも厚肉となるハンマーヘッド型に形成している。このような振動体４０ｄは、自由端４４ａの質量を固定端４２ａよりも大きくすることができ（錘部を形成でき）、駆動に対してＺ軸方向へ振動し易い構造にすることができる。なお、振動体４０ａ，４０ｂの延出方向の全長の中心線で振動体を分割したときに、固定端側（一端側）とは中心線から固定端までの領域を指し、自由端側（他端側）とは中心線から先端までの領域を指す。
【００３５】
本発明のジャイロセンサーは、振動体を振動させる駆動部を一元化させてセンサー全体の小型化を図っている。一定の振動周波数で角速度を検出するためには駆動部による駆動振動の駆動共振周波数と同じ周波数で振動体を振動させる必要がある。振動体４０は、予め、駆動共振周波数と同じ周波数で発振するような形状に設計しているが、製作上の誤差等により、同じ周波数に形成することが困難な場合がある。そこで実施形態の振動体４０は上面に共振周波数を調整可能な周波数調整部８０を設けている。図４は周波数調整部の説明図であり、（１）は斜視図であり、（２）は（１）のａ−ａ断面図である。周波数調整部８０は、振動体４０の上面に金、タングステンなどの金属膜を塗布することにより形成することができる。そして（２）に示すように周波数調整部８０にレーザー光を照射して、金属膜を剥離させて振動体４０の質量を減少させて、共振周波数を調整することができる。このような金属膜の他にも、シリコン材料の振動体４０に直にレーザー光を照射して、振動体４０の質量を減少させて、共振周波数の調整を行うように構成することもできる。このような周波数調整部８０により、振動体４０の共振周波数と、駆動部７０による外マス部１４の駆動の駆動共振周波数を一致させることができる。
【００３６】
Ｙ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子２００は、図１に示すように、外マス部１４の第１空洞部１５に一対の変位板９０ａ，９０ｂを設けている。変位板９０ａ，９０ｂは回転軸９２ａ，９２ｂで外マス部１４のＸ軸方向と直行する側面に連結されている。回転軸９２ａ，９２ｂは、各変位板９０ａ，９０ｂの重心からずれた位置に形成している。回転軸９２ａ，９２ｂは共に回転方向がＸ軸方向に沿って設けられている。回転軸９２ａ，９２ｂは変位が加わったときにその軸回りにねじり変形させ変位板９０ａ，９０ｂをＺ軸方向に回転させる。また変位板９０ａ，９０ｂは、回転軸９２ａ，９２ｂに対し重力（Ｚ軸方向の変位）による回転方向が互いに逆方向に回転するように取り付けている。換言すると、回転軸９２ａ，９２ｂの変位板９０ａ，９０ｂの重心からのずれの方向と、回転軸９２ａ，９２ｂの変位板９０ａ，９０ｂの重心からのずれの方向とは、互いに反対方向であるとも言える。変位板９０ａ，９０ｂと対向する箇所には、所定間隔を開けて下部電極（不図示）を設けている。
【００３７】
Ｚ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子３００は、図１に示すように外マス部１４内に内マス部１１６と、バネ部１２０と、第２検出部としての検出部１３０を設けている。
内マス部１１６は、外マス部１４の第１空洞部１５に設けられ、外周を外マス部１４に囲われている。内マス部１１６はＺ軸を法線とする平面視にて略矩形の枠体であり、Ｙ軸と交差する側面を、バネ部１２０を介して外マス部１４と接続させている。
【００３８】
バネ部１２０は、第１及び第２バネ部１２２，１２４から構成されている。第１バネ部１２２は、一対の第１バネ部１２２ａ，１２２ｂから構成されており、各第１バネ部１２２ａ，１２２ｂはＸ軸方向に往復しながらＹ軸方向に延在する形状をなしている。また第１バネ部１２２ａ，１２２ｂは、Ｚ軸を法線とする平面視にて、外マス部１４の中心Ｃ’と交わるＸ軸に対して対称的に設けられている。各第１バネ部１２２ａ，１２２ｂをこのような形状とすることにより、第１バネ部１２２をＸ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、検出方向であるＹ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。また、第２バネ部１２４の構成は、外マス部１４の中心Ｃ’と交わるＹ軸に対して、第１バネ部１２２と対称的に設けられ、一対の第２バネ部１２４ａ，１２４ｂから構成されている。各第２バネ部１２４ａ，１２４ｂをこのような形状とすることにより、第２バネ部１２４をＸ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、検出方向であるＹ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。
【００３９】
検出部１３０は、センサー素子１００の検出部３０と同様に、可動電極１３２と固定電極１３４から構成されている。可動電極１３２は駆動方向となるＸ軸方向に沿って両端を内マス部１１６に接続させ、隣接する電極同士が所定の間隔を空けるように複数設けている。固定電極１３４は、可動電極１３２間の隙間で駆動方向となるＸ軸方向に沿って設け、下部基板（不図示）のアンカーに固定させている。このような可動電極１３２と固定電極１３４は、交互に配置された櫛歯状に形成されている。
【００４０】
本発明のジャイロセンサー１０は、振動系構造体１２１上に２つの振動体を備えている。具体的には、センサーの駆動方向（Ｘ軸方向）に沿ってセンサー素子１００，２００，３００を有する第１振動系構造体１１２と、センサー素子１００，２００，３００を有する第２振動系構造体２１２から構成されている。ここでセンサー素子１００の第１振動体４０ａと第２振動体４０ｂは、振動方向が同一となるように配置している。具体的に第１振動体４０ａの自由端と第２振動体４０ｂの自由端とが対向するように配置している。或いは、第１振動体４０ａの自由端と第２振動体４０ｂの自由端とは互いに離間するように配置してもよい。
【００４１】
なお、第１及び第２振動系構造体１１２，２１２は、少なくともセンサー素子１００を基本構成とし、Ｙ軸及びＺ軸回りに作用する回転を検出可能なセンサー素子２００，３００のいずれか一方を備える構成とすることもできる。
【００４２】
振動系構造体１２０は、シリコンを主材料として構成されていて、シリコン基板（シリコンウエハ）上に薄膜形成技術や各種加工技術を用いて所望の外形形状に加工することにより、各部が一体的に形成されている。
【００４３】
また、第１及び第２振動系構造体１１２，２１２の間には、第３駆動バネ部（連結バネ）６６を形成している。第３駆動バネ部６６は、一対の第３駆動バネ部６６ａ，６６ｂから構成されており、各第３駆動バネ部６６ａ，６６ｂはＹ軸方向に往復しながらＸ軸方向に延在する形状をなしている。また第３駆動バネ部６６ａ，６６ｂは、Ｚ軸を法線とするＸＹ平面視にて、第１振動系構造体１１２と第２振動系構造体２１２の中心Ｃと交わるＸ軸に対して対称的に設けられている。各第３駆動バネ部６６ａ，６６ｂをこのような形状とすることにより、第１駆動バネ部６２及び第２駆動バネ部６４をＹ軸方向及びＺ軸方向への変形を抑制しつつ、Ｘ軸方向にスムーズに伸縮させることができる。第１及び第２振動系構造体１１２，２１２の四隅には、第１及び第２駆動バネ部６２，６４を設けている。
【００４４】
またジャイロセンサー１０の駆動部７２は、図２に示す駆動部７０と基本構成は同じである。第１振動系構造体１１２のＸ軸方向と交差する側面に一対の駆動部７２ａ，７２ｂを取り付け、第２振動系構造体２１２のＸ軸方向と交差する側面に一対の駆動部７２ｃ，７２ｄを取り付けている。第１振動系構造体１１２の駆動部７２ａ，７２ｂと、第２振動系構造体２１２の駆動部７２ｃ，７２ｄは、位相が１８０度ずれた交番電圧を印加することにより、各駆動電極と各電極片との間にそれぞれ静電力を発生させている。第１〜第３駆動バネ部６２，６４，６６がＸ軸方向に伸縮すると、第１振動系構造体１１２と第２振動系構造体２１２は、互いに逆位相でかつ所定の周波数でＸ軸方向に振動させることができる。なお、駆動部７２ａ，７２ｂは、どちらか一方のみ形成されていれば良い。駆動部７２ｃ，７２ｄについても同様である。
【００４５】
上記構成による本発明のジャイロセンサー１０の作用について以下説明する。
一般にコリオリ力は数式１のように表すことができる。
【数１】
【００４６】
図５はＸ軸回りに作用する回転を検出する説明図であり、（１）は斜視図であり、（２）は（１）のｂ−ｂ断面図である。外マス部内の内マス部１６は、駆動部によって駆動方向Ａに駆動している。この駆動振動に伴って、振動体４０がＺ軸方向に振動（ｖ）する。そして駆動方向となるＸ軸方向の軸回りに角速度（Ωｘ）が入力された場合、コリオリ力は±Ｙ軸方向に作用する。Ｙ軸方向にコリオリ力が作用すると、検出部３０は、可動電極３２が固定電極３４に接近又は離間することにより静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出してＹ軸方向のコリオリ力を求めることにより、Ｘ軸回りに作用する回転を検出することができる。
【００４７】
図６はＹ軸回りに作用する回転を検出する説明図であり、（１）は斜視図、（２）は（１）のｃ−ｃ断面図である。外マス部１４は駆動部によって駆動方向Ａに駆動している。そしてＹ軸方向の軸回り角速度（Ωｙ）が入力された場合、コリオリ力は±Ｚ軸方向に作用する。Ｚ軸方向にコリオリ力が作用すると、変位板９０ａ，９０ｂは下部電極と接近又は離間することにより静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出してＺ軸方向のコリオリ力を求めることにより、Ｙ軸回りに作用する回転を検出することができる。
【００４８】
図７はＺ軸回りに作用する回転を検出する説明図である。外マス部内の内マス部１１６は、駆動部によって駆動方向Ａに駆動している。そしてＺ軸方向の軸回りに角速度（Ωｚ）が入力された場合、コリオリ力は±Ｙ軸方向に作用する。Ｙ軸方向にコリオリ力が作用すると、検出部１３０は、可動電極１３２が固定電極１３４に接近又は離間することにより静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出してＹ軸方向のコリオリ力を求めることにより、Ｚ軸回りに作用する回転を検出することができる。
【００４９】
なお、図１のセンサー素子１００において、Ｘ軸回りに作用する回転を検出する際に、Ｚ軸回りに作用する回転も検出される場合がある。本発明のジャイロセンサー１０は、第１振動体４０ａと第２振動体４０ｂが振動体の延出方向を反対方向にすることによりＺ方向の振動方向が同一となるように構成している。このような構成によれば、Ｚ軸回りの回転を受けたときの内マス部１６の変位は、第１振動系構造体１１２側と第２振動系構造体２１２側でＹ軸方向で互いに逆向きとなり、両者からの出力信号の和を取ることにより除去して、Ｘ軸回りの変位のみを検出することができる。
【００５０】
このようなジャイロセンサー１０によれば、多軸検出のための駆動部を共通化してセンサー全体の小型化を図ることができる。
また、図１のセンサー素子１００において、Ｙ軸の加速度成分が検出される場合がある。このＹ軸加速度成分を無くしたい場合は、第１振動体４０ａと第２振動体４０ｂの振動体の延出方向を同じにして、第１振動体４０ａと第２振動体４０ｂのＺ軸方向の振動方向を互いに逆にし、第１振動系構造体１１２側と第２振動系構造体２１２側の両者からの出力信号の差を取ることにより、Ｙ軸加速度の検出を除去することができる。
【００５１】
図８はジャイロセンサーの集積回路の説明図である。図示のようにジャイロセンサー１０は、駆動部７０に集積回路（ＩＣ）５２を電気的に接続させている。本発明のジャイロセンサー１０は、１つの駆動部７０により外マス部１４を駆動振動させて、センサー素子１００，２００，３００により複数の角速度を検出することができる。駆動部７０は集積回路５２で駆動させることにより、各軸の駆動共振周波数を同一にして所望の駆動振幅を得ることができる。
【００５２】
図９は本発明のジャイロセンサーを備える電子機器を適用した携帯電話機の説明図である。図示のように携帯電話機５００は、複数の操作ボタン５０２、受話口５０４、および送信口５０６を備え、操作ボタン５０２と受話口５０４との間には、表示部５０８が配置されている。このような携帯電話機５００には角速度検出手段として機能するジャイロセンサー１０が内蔵されている。
【符号の説明】
【００５３】
１０………ジャイロセンサー、１２，１２１………振動系構造体、１４………外マス部、１５………第１空洞部、１６，１１６………内マス部、１７………第２空洞部、２０，１２０………バネ部、２２，１２２………第１バネ部、２４，１２４………第２バネ部、３０，１３０………検出部、３２，１３２………可動電極、３４，１３４………固定電極、４０………振動体、４２………固定端、４４………自由端、４７………開口、４８………薄肉部、５０………固定部、５２………集積回路（ＩＣ）、６０………駆動バネ部、６２………第１駆動バネ部、６４………第２駆動バネ部、６６………第３駆動バネ部、７０，７２………駆動部、８０………周波数調整部、９０ａ，９０ｂ………変位板、９２ａ，９２ｂ………回転軸、１００，２００，３００………センサー素子、１１２………第１振動系構造体、２１２………第２振動系構造体、５００………携帯電話機、５０２………操作ボタン、５０４………受話口、５０６………送信口、５０８………表示部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１空洞部を有した外マス部と、
前記外マス部の前記第１空洞部内に設けられ、且つ第２空洞部を有した内マス部と、
前記外マス部を前記内マス部と一体に第１軸の方向に駆動させる駆動部と、
前記外マス部と前記内マス部との間に接続され、前記第１軸の方向に直交する第２軸の方向に変位可能なバネ部と、
前記内マス部の前記第２空洞部内に設けられ、前記第１軸の軸回りの角速度を検出する第１検出部と、
前記内マス部の前記第２空洞部に設けられた振動体と、
を備えた振動系構造体を備え、
前記振動体は、前記内マス部の前記第２空洞部の内壁に一端を接続させ、前記第１軸の方向に延出させて他端を浮かせた片持ち支持構造であり、前記第１軸の方向の駆動振動に伴い、前記振動体が前記第１軸及び前記第２軸に対して垂直な第３軸方向に振動可能なことを特徴とするジャイロセンサー。
【請求項２】
前記振動体には、周波数調整部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサー。
【請求項３】
前記周波数調整部は、前記振動体の前記他端側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のジャイロセンサー。
【請求項４】
前記周波数調整部には、金属膜が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載のジャイロセンサー。
【請求項５】
前記振動体は、前記一端側の剛性が前記他端側の剛性よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項６】
前記振動体には、前記他端側に錘部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項７】
前記振動体には、前記一端側に溝又は貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項８】
前記外マス部は、基板の上方に配置されており、
前記第１検出部は、前記基板に設けられている固定電極と、前記内マス部に設けられている可動電極とを含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項９】
前記振動系構造体を前記第１軸の方向に並べて配置し、前記振動系構造体同士を連結するバネで接続し、前記振動系構造体同士を互いに反対方向に振動させることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項１０】
一方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向と、他方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向とを逆にし、
一方の前記振動系構造体の出力信号と、他方の前記振動系構造体の出力信号の和をとることを特徴とする請求項９に記載のジャイロセンサー。
【請求項１１】
一方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向と、他方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向とを同じにし、
一方の前記振動系構造体の出力信号と、他方の前記振動系構造体の出力振動の差をとることを特徴とする請求項９に記載のジャイロセンサー。
【請求項１２】
前記振動系構造体には、前記第２軸および前記第３軸の軸回りの角速度の少なくとも一方を検出する第２検出部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のジャイロセンサーを備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
第１空洞部を有した外マス部と、
前記外マス部の前記第１空洞部内に設けられ、且つ第２空洞部を有した内マス部と、
前記外マス部を前記内マス部と一体に第１軸の方向に駆動させる駆動部と、
前記外マス部と前記内マス部との間に接続され、前記第１軸の方向に直交する第２軸の方向に変位可能なバネ部と、
前記内マス部の前記第２空洞部内に設けられ、前記第１軸の軸回りの角速度を検出する第１検出部と、
前記内マス部の前記第２空洞部に設けられた振動体と、
を備えた振動系構造体を備え、
前記振動体は、前記内マス部の前記第２空洞部の内壁に一端を接続させ、前記第１軸の方向に延出させて他端を浮かせた片持ち支持構造であり、前記第１軸の方向の駆動振動に伴い、前記振動体が前記第１軸及び前記第２軸に対して垂直な第３軸方向に振動可能なことを特徴とするジャイロセンサー。
【請求項２】
前記振動体には、周波数調整部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のジャイロセンサー。
【請求項３】
前記周波数調整部は、前記振動体の前記他端側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のジャイロセンサー。
【請求項４】
前記周波数調整部には、金属膜が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載のジャイロセンサー。
【請求項５】
前記振動体は、前記一端側の剛性が前記他端側の剛性よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項６】
前記振動体には、前記他端側に錘部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項７】
前記振動体には、前記一端側に溝又は貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項８】
前記外マス部は、基板の上方に配置されており、
前記第１検出部は、前記基板に設けられている固定電極と、前記内マス部に設けられている可動電極とを含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項９】
前記振動系構造体を前記第１軸の方向に並べて配置し、前記振動系構造体同士を連結するバネで接続し、前記振動系構造体同士を互いに反対方向に振動させることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項１０】
一方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向と、他方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向とを逆にし、
一方の前記振動系構造体の出力信号と、他方の前記振動系構造体の出力信号の和をとることを特徴とする請求項９に記載のジャイロセンサー。
【請求項１１】
一方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向と、他方の前記振動系構造体の前記振動体の前記延出の方向とを同じにし、
一方の前記振動系構造体の出力信号と、他方の前記振動系構造体の出力振動の差をとることを特徴とする請求項９に記載のジャイロセンサー。
【請求項１２】
前記振動系構造体には、前記第２軸および前記第３軸の軸回りの角速度の少なくとも一方を検出する第２検出部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のジャイロセンサー。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のジャイロセンサーを備えたことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２４２２４０（Ｐ２０１２−２４２２４０Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１２５７７（Ｐ２０１１−１１２５７７）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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