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ことを目的としている。
【解決手段】本発明のジャイロセンサー１０は、基板５０と、アンカー部１２を介して前記基板５０の上方に配置され、回動振動する駆動部２４と、前記駆動部２４に接続された検出部２０と、前記基板５０に配置されている駆動電極部５６と、前記検出部２０に平面視で対向して前記基板５０に配置されている検出電極部５４と、を有し、前記駆動部２４には、空隙部が複数設けられ、前記駆動電極部５６の少なくとも一部は、平面視で前記空隙部に重なって設けられていることを特徴とするジャイロセンサー。
【解決手段】本発明のジャイロセンサー１０は、基板５０と、アンカー部１２を介して前記基板５０の上方に配置され、回動振動する駆動部２４と、前記駆動部２４に接続された検出部２０と、前記基板５０に配置されている駆動電極部５６と、前記検出部２０に平面視で対向して前記基板５０に配置されている検出電極部５４と、を有し、前記駆動部２４には、空隙部が複数設けられ、前記駆動電極部５６の少なくとも一部は、平面視で前記空隙部に重なって設けられていることを特徴とするジャイロセンサー。
【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に開示のセンサー構造は、駆動質量と駆動装置を備え、駆動装置が駆動質量から外部へ向かって放射状に取り付けられている。駆動装置は、櫛歯状の固定電極及び可動電極を備え、互いに所定の間隔を開けて駆動質量から放射状に形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７１６１１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駆動質量と同一平面上に駆動装置を設けた構成では、駆動装置の占有スペースが大きくなり、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。また駆動装置の占有スペースを確保するため検出部の設置面積を小さくすると、検出感度が低下してしまうという問題があった。
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】
【０００６】
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。
［適用例１］基板と、アンカー部を介して前記基板の上方に配置され、回動振動する駆動部と、前記駆動部に接続された検出部と、前記基板に配置されている駆動電極部と、前記検出部に平面視で対向して前記基板に配置されている検出電極部と、を有し、前記駆動部には、空隙部が複数設けられ、前記駆動電極部の少なくとも一部は、平面視で前記空隙部に重なって設けられていることを特徴とするジャイロセンサー。
【０００７】
上記構成によれば、センサー上の駆動部の占有スペースを減らすことができるので、センサー全体の小型化を図ることができる。また検出部のスペースを広くすることによって検出部の高感度化を図ることができる。
【０００８】
［適用例２］前記駆動電極部は、１つの前記空隙部に対し１対配置さ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、駆動部の駆動力を大きくすることができる。
【０００９】
［適用例３］前記駆動部は、外形が略円形であることを特徴とする適用例１または２に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、駆動部を効率良く円周運動させることができる。
【００１０】
［適用例４］前記アンカー部は、前記駆動部の中心に配置されていることを特徴とする適用例１ないし３のいずれか一例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、駆動部をバランス良く円周運動させることができる。
【００１１】
［適用例５］前記空隙部は、前記アンカー部を中心として点対称の位置に配置されていることを特徴とする適用例４に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば駆動部を効率良く円周運動させることができる。
【００１２】
［適用例６］前記駆動部の内部には、前記検出部が配置されていることを特徴とする適用例１ないし５のいずれか一例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、ジャイロセンサーの小型化に寄与する。
【００１３】
［適用例７］平面視で互いに交差する２つの軸を第１軸及び第２軸としたとき、前記検出部は、前記第１軸の方向に配置されている一対の第１検出部と、前記第２軸の方向に配置されている一対の第２検出部とを有することを特徴とする適用例１ないし５のいずれか一例に記載のジャイロセンサー。
【００１４】
上記構成によれば、互いに直交する２軸の回りに発生する角速度を検出することができ、１素子で２軸検出を実現できる。また基板上の駆動部の占有スペースを減らして小型化を図れる。
【００１５】
［適用例８］適用例１ないし７のいずれか一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、駆動部の占有スペースを小さくして小型化を図ったジャイロセンサーを備えた電子機器が得られる。またデバイス全体の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のジャイロセンサーの構成概略を示す平面図である。
【図２】図１のｂ−ｂ断面図である。
【図３】図１のａ−ａ断面の拡大図である。
【図４】（１）は図３の平面図であり、（２）は矢印ａへ回動振動したときの平面図であり、（３）は矢印ｂへ回動振動したときの平面図である。
【図５】Ｘ軸回りに作用する角速度を検出する斜視図である。
【図６】Ｙ軸回りに作用する角速度を検出する斜視図である。
【図７】Ｚ軸回りの変位を検出する検出部の説明図である。
【図８】Ｚ軸回りに作用する角速度を検出する説明図である。
【図９】空隙部の変形例の説明図である。
【図１０】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】
【００１７】
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平面図である。なお図１は基板を省略している。図２は図１のｂ−ｂ断面図である。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。
【００１８】
ジャイロセンサー１０は、アンカー部１２と、バネ部１４と、連結部１６と、検出部２０と、駆動フレーム２２からなる駆動部２４と、駆動部２４の下部に配置された基板５０とから構成されている。
【００１９】
駆動部２４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。図１に示す駆動部２４は平面視において円形状に形成されており、このような形状にすることにより、省スペース化と共に回動振動するセンサー全体の小型化を図れる。駆動部２４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。
【００２０】
アンカー部１２は、駆動部２４の回動中心に配置されている。アンカー部１２は、基板５０の支持部５２上に固定される。これによりアンカー部１２は駆動フレーム２２の回動振動で回動することがない。
【００２１】
バネ部１４は、可撓性を備え、アンカー部１２と連結部１６を接続させている。バネ部１４は、アンカー部１２を中心として、互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿って延びている。図１に示すバネ部１４は、アンカー部１２を中心として略十字の方向に延びて連結部１６と伸縮可能に接続させている。
【００２２】
連結部１６は、所定の剛性を備え、アンカー部１２と駆動フレーム２２を接続させている。図１に示す連結部１６は、Ｘ軸及びＹ軸の２軸の角度を二分した対角線方向に延びて、アンカー部１２と駆動フレーム２２を接続させている。
【００２３】
検出部２０は、可動部２８と軸部３０から構成されている。可動部２８は略扇型をなしており、軸部３０を介して連結部１６と接続している。このような構成の検出部２０は、Ｘ軸回りの変位を検出する第１検出部２０ａと、Ｙ軸回りの変位を検出する第２検出部２０ｂから構成されている。第１検出部２０ａは、一対の可動部２８ａ，２８ｂを設けている。各可動部２８ａ，２８ｂは軸部３０ａ，３０ｂがＹ軸と平行となるように連結部１６に取り付けている。軸部３０ａ，３０ｂは、各可動部２８ａ，２８ｂの重心からずれた位置に形成されている。軸部３０ａ，３０ｂは変位が加わったときにその軸回りにねじり変形させ可動部２８ａ，２８ｂをＺ軸方向に回転させる。
【００２４】
第２検出部２０ｂは、一対の可動部２８ｃ，２８ｄを設けている。各可動部２８ｃ，２８ｄは軸部３０ｃ，３０ｄがＸ軸と平行となるように連結部１６に取り付けている。軸部３０ｃ，３０ｄは、各可動部２８ｃ，２８ｄの重心からずれた位置に形成されている。軸部３０ｃ，３０ｄは変位が加わったときにその軸回りにねじり変形させ可動部２８ｃ，２８ｄをＺ軸方向に回転させる。
【００２５】
駆動フレーム２２は、円形のリングであり、内側にアンカー部１２と、バネ部１４と、連結部１６と、検出部２０が配置されている。駆動フレーム２２と連結部１６は所定の剛性を有し、アンカー部１２を中心としてバネ部１４が伸縮して矢印Ａ方向に回動振動することができる。また駆動フレーム２２は、円周に沿ってフレームの表裏を貫通する空隙部としての開口２６が形成されている。開口２６はアンカーを中心として点対称となる位置に複数形成している。
【００２６】
基板５０は、支持部５２と、検出電極部５４と、駆動電極部５６を備えている。基板５０は材質に一例として、ガラス基板を用いることができ、表面を所定の厚みで切削することにより支持部５２を形成することができる。支持部５２は、アンカー部１２と接着させている。
【００２７】
検出電極部５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄは、可動部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄと対向する基板５０上に設けられている。検出電極部５４と可動部２８は、支持部５２に相当する長さの隙間が形成されている。この隙間は支持部５２の長さにより容易に調整することができ、隙間が小さいほど、角速度の検出感度を高精度化することができる。この他、隙間は検出電極部５４の金属膜の膜厚を変えることにより調整することができる。
【００２８】
このような検出電極部５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄは、可動部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ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Ｘ軸方向のコリオリ力又はＹ軸方向のコリオリ力を求めることにより、Ｘ軸回り又はＹ軸回りに加わる角速度を検出することができる。
駆動電極部５６は開口２６と対向する基板５０上に設けている。
【００２９】
図３は図１のａ−ａ断面の拡大図である。図４の（１）は図３の平面図であり、（２）は矢印ａへ回動振動したときの平面図であり、（３）は矢印ｂへ回動振動したときの平面図である。
【００３０】
図示のように駆動電極部５６ａ，５６ｂは、１つの開口に対して一対設けている。一対の駆動電極部５６ａ，５６ｂは、互いに所定の間隔を開けて基板５０上に取り付け、図示しない電源に接続させている。そして駆動電極部５６ａ同士又は、駆動電極部５６ｂ同士に正負の電圧を交互に印加することにより、各駆動電極部５６ａ，５６ｂから静電力を発生させている。駆動電極部５６と駆動フレーム２２の間は隙間が小さく静電力が大きくなる。一方、駆動電極部５６と開口２６の間は隙間が大きく静電力が小さくなる。これにより駆動フレーム２２は、アンカー部１２を基点として、バネ部１４が伸縮して図１の矢印Ａに示すように回動振動する。
【００３１】
回動振動時において、図４（２）に示すように矢印ａ方向に駆動フレーム２２が最大限回動した場合、開口２６と駆動電極部５６は、Ｚ軸を法線とする基板５０の平面視で、重なるように配置させている。また図４（３）に示すように矢印ｂ方向に駆動フレーム２２が最大限回動した場合、開口２６と駆動電極部５６は、Ｚ軸を法線とする基板５０の平面視で、重なるように配置させている。このように、駆動フレーム２２の回動振動の振幅よりも、駆動電極部５６の幅が大きくなるように設定している。回動振動時において、開口と駆動電極部５６とが平面視で必ず重複するように配置することにより、駆動フレームの回動振動を所定の周波数を維持しながらスムーズに振動させることができる。また駆動電極部５６と駆動フレーム２２は、検出電極部５４と同様に支持部５２に相当する長さの隙間が形成されている。この隙間は支持部５２の長さにより容易に調整することができ、隙間が小さいほど、静電力が大きくなって、駆動力も大きくすることができる。この他、隙間は駆動電極部５６の金属膜の膜厚を変えることにより調整することができる。なお、駆動時に駆動フレーム２２が静電力により基板５０側（Ｚ軸方向）に引き寄せられる場合が考えられるが、図１のように開口２６をアンカー中心として点対称に配置することにより、駆動フレーム２２のＺ軸方向の力が釣り合うので、駆動フレーム２２が傾くことを防止できる。また他の方法として、アンカー部１２を駆動フレーム２２の外側に複数配置して固定すれば、駆動フレーム２２の傾くことを防止できる。
【００３２】
なお駆動電極部５６は、１つの開口２６に対して一対設ける他にも、１つの開口２６に対して１つ設けるようにしてもよい。但しこの場合も、回動振動時において、開口２６と駆動電極部５６が平面視して重なるように配置させている。また駆動部２４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。また、検出部２０は、外径を小さくした駆動フレームの外側に設けるように構成しても良い。アンカー部１２は、バネ部と共に駆動フレームの外側に複数配置して、駆動フレームを回動振動自在に固定するように構成しても良い。
【００３３】
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】
【００３４】
図５はＸ軸回りに作用する角速度を検出する斜視図である。駆動フレーム２２は矢印Ａ方向に回動振動している。第１検出部２０ａはＹ軸方向へ振動させた状態で、また第２検出部２０ｂはＸ軸方向へ振動させた状態で、Ｘ軸回りの角速度（Ωｘ）が加わると、Ｙ軸方向に振動する第１検出部２０ａにＺ軸方向のコリオリ力が作用する。このようなコリオリ力が加わると、第１検出部２０ａは、可動部２８ａ，２８ｂが軸部３０ａ，３０ｂ回りに回転し、可動部２８ａ，２８ｂと検出電極部５４ａ，５４ｂの間の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、Ｘ軸回りに加わる角速度（Ωｘ）を検出することができる。
【００３５】
図６はＹ軸回りに作用する角速度を検出する斜視図である。駆動フレーム２２は矢印Ａ方向に回動振動している。第１検出部２０ａはＹ軸方向へ振動させた状態で、また第２検出部２０ｂはＸ軸方向へ振動させた状態で、Ｙ軸回りの角速度（Ωｙ）が加わると、Ｘ軸方向に振動する第２検出部２０ｂにＺ軸方向のコリオリ力が作用する。このようなコリオリ力が加わると、第２検出部２０ｂは、可動部２８ｃ，２８ｄが軸部３０ｃ，３０ｄ回りに回転し、可動部２８ｃ，２８ｄと検出電極部５４ｃ，５４ｄの間の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軸回りに加わる角速度（Ωｙ）を検出することができる。
【００３６】
このようなジャイロセンサー１０によれば、開口２６の下に駆動電極部５６を設けた構成によって、センサー上の占有スペースを減らすことができるので、センサー全体の小型化を図ることができる。検出部のスペースを広くすることによって検出部の高感度化を図ることができる。また開口２６と駆動電極部５６の隙間を小さくすることができ、駆動力を大きくすることができる。
【００３７】
図７はＺ軸回りに加わる角速度を検出可能な第３検出部の構成概略を示す平面図である。
Ｚ軸回りに加わる角速度を検出可能な第３検出部２０ｃは、図７に示すように枠部７０と、バネ部７２と、検出部７７から構成されている。
【００３８】
枠部７０は、Ｚ軸を法線とする平面視にて略矩形の枠体であり、連結部１６が延びる方向（以下対角線方向という。）の駆動フレーム２２にバネ部７２を介して設けている。このような駆動フレーム２２の外側のスペースを用いることにより、センサー全体の小型化を図ることができる。
【００３９】
バネ部７２は、第１バネ部７４及び第２バネ部７６から構成されている。第１バネ部７４は、対角線方向の直交方向に往復しながら対角線方向に延在する形状をなしている。また、第２バネ部７６の構成は、対角線に対して、第１バネ部７４と対称的に設けられている。このような構成の第１バネ部７４及び第２バネ部７６は、検出方向であるアンカー部１２を中心とする放射方向にスムーズに枠部７０を伸縮させることができる。
【００４０】
検出部７７は、可動電極７８と固定電極７９から構成されている。可動電極７８は回動振動する矢印Ａ方向に沿って両端を枠部７０に接続させている。この他、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もよい。固定電極７９は、可動電極７８と枠部７０の隙間で回動振動する矢印Ａ方向に沿って設け、端部を基板（不図示）に固定させている。このような可動電極７８と固定電極７９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７７は、電源（不図示）によって、電極に電圧を印加することにより、各可動電極７８と各固定電極７９との間に静電力が発生する。枠部７０がアンカー部１２を中心とする放射方向に変位すると、可動電極７８が固定電極７９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放射方向の変位量を求めることができる。
【００４１】
図８はＺ軸回りに加わる角速度を検出する斜視図である。駆動フレーム２２は矢印Ａ方向に回動振動している。第３検出部２０ｃは、駆動フレーム２２の接線方向に振動させた状態で、Ｚ軸方向の軸回りに角速度（Ωｚ）が加わると、コリオリ力はアンカー部１２を中心とする放射方向、換言すれば、駆動フレーム２２の接線方向と直交する方向に作用する（矢印Ｆ）。接線方向にコリオリ力が作用すると、検出部７７は、可動電極７８が固定電極７９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放射方向のコリオリ力を求めることにより、Ｚ軸回りに加わる角速度（Ωｚ）を検出することができる。なお、駆動フレーム２２は、角速度の検出時において、常に矢印Ａ方向に回動振動している。この回動振動によって検出部７７の可動電極が放射方向に変位して第３検出部の検出値として検出されてしまう虞がある。回動振動は所定の周波数で振動させているため、一定の値として検出される。そこで第３検出部２０ｃでは、この一定の検出値の差分をとるなどの信号処理によってＺ軸回りに加わる角速度（Ωｚ）を検出すればよい。
【００４２】
また枠部７０、可動電極７８、固定電極７９を駆動フレーム２２の外周に沿って、円弧状に形成することにより、更なる省スペース化を図り、センサー全体の小型化を図ることができる。
【００４３】
図９は空隙部の変形例の説明図である。変形例の空隙部は、図１〜図４に示す開口２６に替えて薄肉部８０を備えている。なお、本願発明において、空隙部とは開口２６、薄肉部８０の両方を含むものとする。また駆動電極部５６ａ，５６ｂの構成は同様である。薄肉部８０は、開口と同様に駆動電極部５６ａ，５６ｂと対向する駆動フレーム２２ａの裏面に設けている。また薄肉部８０と駆動電極部５６ａ，５６ｂは、回動振動時において、Ｚ軸を法線とする基板５０の平面視で、必ず重複するように配置させている。薄肉部８０はシリコン基板を切削することにより形成できる。薄肉部８０の切削量をｂとし、駆動電極部５６ａ，５６ｂと駆動フレーム２２ａの隙間をａとした場合、ａ＜ｂの関係となるように薄肉部８０を設定している。このような構成によれば、駆動電極部５６ａ，５６ｂと駆動フレーム２２ａの間は静電力が大きくなり、駆動電極部５６ａ，５６ｂと薄肉部８０の間は静電力が小さくなる。これにより駆動フレーム２２ａは、アンカー部１２を基点として、バネ部１４が伸縮して回動振動することができる。なお第１検出部ないし第３検出部２０ａ，２０ｂ，２０ｃの測定については同様に検出することができる。
【００４４】
図１０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】
【００４５】
１０………ジャイロセンサー、１２………アンカー部、１４………バネ部、１６………連結部、２０………検出部、２０ａ………第１検出部、２０ｂ………第２検出部、２０ｃ………第３検出部、２２………駆動フレーム、２４………駆動部、２６………開口、２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ………可動部、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ………軸部、５０………基板、５２………支持部、５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ………検出電極部、５６，５６ａ，５６ｂ………駆動電極部、７０………枠部、７２………バネ部、７４………第１バネ部、７６………第２バネ部、７７………検出部、７８………可動電極、７９………固定電極、８０………薄肉部、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に開示のセンサー構造は、駆動質量と駆動装置を備え、駆動装置が駆動質量から外部へ向かって放射状に取り付けられている。駆動装置は、櫛歯状の固定電極及び可動電極を備え、互いに所定の間隔を開けて駆動質量から放射状に形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７１６１１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駆動質量と同一平面上に駆動装置を設けた構成では、駆動装置の占有スペースが大きくなり、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。また駆動装置の占有スペースを確保するため検出部の設置面積を小さくすると、検出感度が低下してしまうという問題があった。
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】
【０００６】
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。
［適用例１］基板と、アンカー部を介して前記基板の上方に配置され、回動振動する駆動部と、前記駆動部に接続された検出部と、前記基板に配置されている駆動電極部と、前記検出部に平面視で対向して前記基板に配置されている検出電極部と、を有し、前記駆動部には、空隙部が複数設けられ、前記駆動電極部の少なくとも一部は、平面視で前記空隙部に重なって設けられていることを特徴とするジャイロセンサー。
【０００７】
上記構成によれば、センサー上の駆動部の占有スペースを減らすことができるので、センサー全体の小型化を図ることができる。また検出部のスペースを広くすることによって検出部の高感度化を図ることができる。
【０００８】
［適用例２］前記駆動電極部は、１つの前記空隙部に対し１対配置さ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、駆動部の駆動力を大きくすることができる。
【０００９】
［適用例３］前記駆動部は、外形が略円形であることを特徴とする適用例１または２に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、駆動部を効率良く円周運動させることができる。
【００１０】
［適用例４］前記アンカー部は、前記駆動部の中心に配置されていることを特徴とする適用例１ないし３のいずれか一例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、駆動部をバランス良く円周運動させることができる。
【００１１】
［適用例５］前記空隙部は、前記アンカー部を中心として点対称の位置に配置されていることを特徴とする適用例４に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば駆動部を効率良く円周運動させることができる。
【００１２】
［適用例６］前記駆動部の内部には、前記検出部が配置されていることを特徴とする適用例１ないし５のいずれか一例に記載のジャイロセンサー。
上記構成によれば、ジャイロセンサーの小型化に寄与する。
【００１３】
［適用例７］平面視で互いに交差する２つの軸を第１軸及び第２軸としたとき、前記検出部は、前記第１軸の方向に配置されている一対の第１検出部と、前記第２軸の方向に配置されている一対の第２検出部とを有することを特徴とする適用例１ないし５のいずれか一例に記載のジャイロセンサー。
【００１４】
上記構成によれば、互いに直交する２軸の回りに発生する角速度を検出することができ、１素子で２軸検出を実現できる。また基板上の駆動部の占有スペースを減らして小型化を図れる。
【００１５】
［適用例８］適用例１ないし７のいずれか一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、駆動部の占有スペースを小さくして小型化を図ったジャイロセンサーを備えた電子機器が得られる。またデバイス全体の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のジャイロセンサーの構成概略を示す平面図である。
【図２】図１のｂ−ｂ断面図である。
【図３】図１のａ−ａ断面の拡大図である。
【図４】（１）は図３の平面図であり、（２）は矢印ａへ回動振動したときの平面図であり、（３）は矢印ｂへ回動振動したときの平面図である。
【図５】Ｘ軸回りに作用する角速度を検出する斜視図である。
【図６】Ｙ軸回りに作用する角速度を検出する斜視図である。
【図７】Ｚ軸回りの変位を検出する検出部の説明図である。
【図８】Ｚ軸回りに作用する角速度を検出する説明図である。
【図９】空隙部の変形例の説明図である。
【図１０】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】
【００１７】
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平面図である。なお図１は基板を省略している。図２は図１のｂ−ｂ断面図である。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。
【００１８】
ジャイロセンサー１０は、アンカー部１２と、バネ部１４と、連結部１６と、検出部２０と、駆動フレーム２２からなる駆動部２４と、駆動部２４の下部に配置された基板５０とから構成されている。
【００１９】
駆動部２４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。図１に示す駆動部２４は平面視において円形状に形成されており、このような形状にすることにより、省スペース化と共に回動振動するセンサー全体の小型化を図れる。駆動部２４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。
【００２０】
アンカー部１２は、駆動部２４の回動中心に配置されている。アンカー部１２は、基板５０の支持部５２上に固定される。これによりアンカー部１２は駆動フレーム２２の回動振動で回動することがない。
【００２１】
バネ部１４は、可撓性を備え、アンカー部１２と連結部１６を接続させている。バネ部１４は、アンカー部１２を中心として、互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿って延びている。図１に示すバネ部１４は、アンカー部１２を中心として略十字の方向に延びて連結部１６と伸縮可能に接続させている。
【００２２】
連結部１６は、所定の剛性を備え、アンカー部１２と駆動フレーム２２を接続させている。図１に示す連結部１６は、Ｘ軸及びＹ軸の２軸の角度を二分した対角線方向に延びて、アンカー部１２と駆動フレーム２２を接続させている。
【００２３】
検出部２０は、可動部２８と軸部３０から構成されている。可動部２８は略扇型をなしており、軸部３０を介して連結部１６と接続している。このような構成の検出部２０は、Ｘ軸回りの変位を検出する第１検出部２０ａと、Ｙ軸回りの変位を検出する第２検出部２０ｂから構成されている。第１検出部２０ａは、一対の可動部２８ａ，２８ｂを設けている。各可動部２８ａ，２８ｂは軸部３０ａ，３０ｂがＹ軸と平行となるように連結部１６に取り付けている。軸部３０ａ，３０ｂは、各可動部２８ａ，２８ｂの重心からずれた位置に形成されている。軸部３０ａ，３０ｂは変位が加わったときにその軸回りにねじり変形させ可動部２８ａ，２８ｂをＺ軸方向に回転させる。
【００２４】
第２検出部２０ｂは、一対の可動部２８ｃ，２８ｄを設けている。各可動部２８ｃ，２８ｄは軸部３０ｃ，３０ｄがＸ軸と平行となるように連結部１６に取り付けている。軸部３０ｃ，３０ｄは、各可動部２８ｃ，２８ｄの重心からずれた位置に形成されている。軸部３０ｃ，３０ｄは変位が加わったときにその軸回りにねじり変形させ可動部２８ｃ，２８ｄをＺ軸方向に回転させる。
【００２５】
駆動フレーム２２は、円形のリングであり、内側にアンカー部１２と、バネ部１４と、連結部１６と、検出部２０が配置されている。駆動フレーム２２と連結部１６は所定の剛性を有し、アンカー部１２を中心としてバネ部１４が伸縮して矢印Ａ方向に回動振動することができる。また駆動フレーム２２は、円周に沿ってフレームの表裏を貫通する空隙部としての開口２６が形成されている。開口２６はアンカーを中心として点対称となる位置に複数形成している。
【００２６】
基板５０は、支持部５２と、検出電極部５４と、駆動電極部５６を備えている。基板５０は材質に一例として、ガラス基板を用いることができ、表面を所定の厚みで切削することにより支持部５２を形成することができる。支持部５２は、アンカー部１２と接着させている。
【００２７】
検出電極部５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄは、可動部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄと対向する基板５０上に設けられている。検出電極部５４と可動部２８は、支持部５２に相当する長さの隙間が形成されている。この隙間は支持部５２の長さにより容易に調整することができ、隙間が小さいほど、角速度の検出感度を高精度化することができる。この他、隙間は検出電極部５４の金属膜の膜厚を変えることにより調整することができる。
【００２８】
このような検出電極部５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄは、可動部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ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Ｘ軸方向のコリオリ力又はＹ軸方向のコリオリ力を求めることにより、Ｘ軸回り又はＹ軸回りに加わる角速度を検出することができる。
駆動電極部５６は開口２６と対向する基板５０上に設けている。
【００２９】
図３は図１のａ−ａ断面の拡大図である。図４の（１）は図３の平面図であり、（２）は矢印ａへ回動振動したときの平面図であり、（３）は矢印ｂへ回動振動したときの平面図である。
【００３０】
図示のように駆動電極部５６ａ，５６ｂは、１つの開口に対して一対設けている。一対の駆動電極部５６ａ，５６ｂは、互いに所定の間隔を開けて基板５０上に取り付け、図示しない電源に接続させている。そして駆動電極部５６ａ同士又は、駆動電極部５６ｂ同士に正負の電圧を交互に印加することにより、各駆動電極部５６ａ，５６ｂから静電力を発生させている。駆動電極部５６と駆動フレーム２２の間は隙間が小さく静電力が大きくなる。一方、駆動電極部５６と開口２６の間は隙間が大きく静電力が小さくなる。これにより駆動フレーム２２は、アンカー部１２を基点として、バネ部１４が伸縮して図１の矢印Ａに示すように回動振動する。
【００３１】
回動振動時において、図４（２）に示すように矢印ａ方向に駆動フレーム２２が最大限回動した場合、開口２６と駆動電極部５６は、Ｚ軸を法線とする基板５０の平面視で、重なるように配置させている。また図４（３）に示すように矢印ｂ方向に駆動フレーム２２が最大限回動した場合、開口２６と駆動電極部５６は、Ｚ軸を法線とする基板５０の平面視で、重なるように配置させている。このように、駆動フレーム２２の回動振動の振幅よりも、駆動電極部５６の幅が大きくなるように設定している。回動振動時において、開口と駆動電極部５６とが平面視で必ず重複するように配置することにより、駆動フレームの回動振動を所定の周波数を維持しながらスムーズに振動させることができる。また駆動電極部５６と駆動フレーム２２は、検出電極部５４と同様に支持部５２に相当する長さの隙間が形成されている。この隙間は支持部５２の長さにより容易に調整することができ、隙間が小さいほど、静電力が大きくなって、駆動力も大きくすることができる。この他、隙間は駆動電極部５６の金属膜の膜厚を変えることにより調整することができる。なお、駆動時に駆動フレーム２２が静電力により基板５０側（Ｚ軸方向）に引き寄せられる場合が考えられるが、図１のように開口２６をアンカー中心として点対称に配置することにより、駆動フレーム２２のＺ軸方向の力が釣り合うので、駆動フレーム２２が傾くことを防止できる。また他の方法として、アンカー部１２を駆動フレーム２２の外側に複数配置して固定すれば、駆動フレーム２２の傾くことを防止できる。
【００３２】
なお駆動電極部５６は、１つの開口２６に対して一対設ける他にも、１つの開口２６に対して１つ設けるようにしてもよい。但しこの場合も、回動振動時において、開口２６と駆動電極部５６が平面視して重なるように配置させている。また駆動部２４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。また、検出部２０は、外径を小さくした駆動フレームの外側に設けるように構成しても良い。アンカー部１２は、バネ部と共に駆動フレームの外側に複数配置して、駆動フレームを回動振動自在に固定するように構成しても良い。
【００３３】
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】
【００３４】
図５はＸ軸回りに作用する角速度を検出する斜視図である。駆動フレーム２２は矢印Ａ方向に回動振動している。第１検出部２０ａはＹ軸方向へ振動させた状態で、また第２検出部２０ｂはＸ軸方向へ振動させた状態で、Ｘ軸回りの角速度（Ωｘ）が加わると、Ｙ軸方向に振動する第１検出部２０ａにＺ軸方向のコリオリ力が作用する。このようなコリオリ力が加わると、第１検出部２０ａは、可動部２８ａ，２８ｂが軸部３０ａ，３０ｂ回りに回転し、可動部２８ａ，２８ｂと検出電極部５４ａ，５４ｂの間の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、Ｘ軸回りに加わる角速度（Ωｘ）を検出することができる。
【００３５】
図６はＹ軸回りに作用する角速度を検出する斜視図である。駆動フレーム２２は矢印Ａ方向に回動振動している。第１検出部２０ａはＹ軸方向へ振動させた状態で、また第２検出部２０ｂはＸ軸方向へ振動させた状態で、Ｙ軸回りの角速度（Ωｙ）が加わると、Ｘ軸方向に振動する第２検出部２０ｂにＺ軸方向のコリオリ力が作用する。このようなコリオリ力が加わると、第２検出部２０ｂは、可動部２８ｃ，２８ｄが軸部３０ｃ，３０ｄ回りに回転し、可動部２８ｃ，２８ｄと検出電極部５４ｃ，５４ｄの間の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軸回りに加わる角速度（Ωｙ）を検出することができる。
【００３６】
このようなジャイロセンサー１０によれば、開口２６の下に駆動電極部５６を設けた構成によって、センサー上の占有スペースを減らすことができるので、センサー全体の小型化を図ることができる。検出部のスペースを広くすることによって検出部の高感度化を図ることができる。また開口２６と駆動電極部５６の隙間を小さくすることができ、駆動力を大きくすることができる。
【００３７】
図７はＺ軸回りに加わる角速度を検出可能な第３検出部の構成概略を示す平面図である。
Ｚ軸回りに加わる角速度を検出可能な第３検出部２０ｃは、図７に示すように枠部７０と、バネ部７２と、検出部７７から構成されている。
【００３８】
枠部７０は、Ｚ軸を法線とする平面視にて略矩形の枠体であり、連結部１６が延びる方向（以下対角線方向という。）の駆動フレーム２２にバネ部７２を介して設けている。このような駆動フレーム２２の外側のスペースを用いることにより、センサー全体の小型化を図ることができる。
【００３９】
バネ部７２は、第１バネ部７４及び第２バネ部７６から構成されている。第１バネ部７４は、対角線方向の直交方向に往復しながら対角線方向に延在する形状をなしている。また、第２バネ部７６の構成は、対角線に対して、第１バネ部７４と対称的に設けられている。このような構成の第１バネ部７４及び第２バネ部７６は、検出方向であるアンカー部１２を中心とする放射方向にスムーズに枠部７０を伸縮させることができる。
【００４０】
検出部７７は、可動電極７８と固定電極７９から構成されている。可動電極７８は回動振動する矢印Ａ方向に沿って両端を枠部７０に接続させている。この他、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もよい。固定電極７９は、可動電極７８と枠部７０の隙間で回動振動する矢印Ａ方向に沿って設け、端部を基板（不図示）に固定させている。このような可動電極７８と固定電極７９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７７は、電源（不図示）によって、電極に電圧を印加することにより、各可動電極７８と各固定電極７９との間に静電力が発生する。枠部７０がアンカー部１２を中心とする放射方向に変位すると、可動電極７８が固定電極７９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放射方向の変位量を求めることができる。
【００４１】
図８はＺ軸回りに加わる角速度を検出する斜視図である。駆動フレーム２２は矢印Ａ方向に回動振動している。第３検出部２０ｃは、駆動フレーム２２の接線方向に振動させた状態で、Ｚ軸方向の軸回りに角速度（Ωｚ）が加わると、コリオリ力はアンカー部１２を中心とする放射方向、換言すれば、駆動フレーム２２の接線方向と直交する方向に作用する（矢印Ｆ）。接線方向にコリオリ力が作用すると、検出部７７は、可動電極７８が固定電極７９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放射方向のコリオリ力を求めることにより、Ｚ軸回りに加わる角速度（Ωｚ）を検出することができる。なお、駆動フレーム２２は、角速度の検出時において、常に矢印Ａ方向に回動振動している。この回動振動によって検出部７７の可動電極が放射方向に変位して第３検出部の検出値として検出されてしまう虞がある。回動振動は所定の周波数で振動させているため、一定の値として検出される。そこで第３検出部２０ｃでは、この一定の検出値の差分をとるなどの信号処理によってＺ軸回りに加わる角速度（Ωｚ）を検出すればよい。
【００４２】
また枠部７０、可動電極７８、固定電極７９を駆動フレーム２２の外周に沿って、円弧状に形成することにより、更なる省スペース化を図り、センサー全体の小型化を図ることができる。
【００４３】
図９は空隙部の変形例の説明図である。変形例の空隙部は、図１〜図４に示す開口２６に替えて薄肉部８０を備えている。なお、本願発明において、空隙部とは開口２６、薄肉部８０の両方を含むものとする。また駆動電極部５６ａ，５６ｂの構成は同様である。薄肉部８０は、開口と同様に駆動電極部５６ａ，５６ｂと対向する駆動フレーム２２ａの裏面に設けている。また薄肉部８０と駆動電極部５６ａ，５６ｂは、回動振動時において、Ｚ軸を法線とする基板５０の平面視で、必ず重複するように配置させている。薄肉部８０はシリコン基板を切削することにより形成できる。薄肉部８０の切削量をｂとし、駆動電極部５６ａ，５６ｂと駆動フレーム２２ａの隙間をａとした場合、ａ＜ｂの関係となるように薄肉部８０を設定している。このような構成によれば、駆動電極部５６ａ，５６ｂと駆動フレーム２２ａの間は静電力が大きくなり、駆動電極部５６ａ，５６ｂと薄肉部８０の間は静電力が小さくなる。これにより駆動フレーム２２ａは、アンカー部１２を基点として、バネ部１４が伸縮して回動振動することができる。なお第１検出部ないし第３検出部２０ａ，２０ｂ，２０ｃの測定については同様に検出することができる。
【００４４】
図１０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】
【００４５】
１０………ジャイロセンサー、１２………アンカー部、１４………バネ部、１６………連結部、２０………検出部、２０ａ………第１検出部、２０ｂ………第２検出部、２０ｃ………第３検出部、２２………駆動フレーム、２４………駆動部、２６………開口、２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ………可動部、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ………軸部、５０………基板、５２………支持部、５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ………検出電極部、５６，５６ａ，５６ｂ………駆動電極部、７０………枠部、７２………バネ部、７４………第１バネ部、７６………第２バネ部、７７………検出部、７８………可動電極、７９………固定電極、８０………薄肉部、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】
基板と、
アンカー部を介して前記基板の上方に配置され、回動振動する駆動部と、
前記駆動部に接続された検出部と、
前記基板に配置されている駆動電極部と、
前記検出部に平面視で対向して前記基板に配置されている検出電極部と、を有し、
前記駆動部には、空隙部が複数設けられ、
前記駆動電極部の少なくとも一部は、平面視で前記空隙部に重なって設けられていることを特徴とするジャイロセンサー。
【請求項２】
前記駆動電極部は、１つの前記空隙部に対し１対配置さ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】
前記駆動部は、外形が略円形であることを特徴とする請求項１または２に記載のジャイロセンサー。
【請求項４】
前記アンカー部は、前記駆動部の中心に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。
【請求項５】
前記空隙部は、前記アンカー部を中心として点対称の位置に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のジャイロセンサー。
【請求項６】
前記駆動部の内部には、前記検出部が配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。
【請求項７】
平面視で互いに交差する２つの軸を第１軸及び第２軸としたとき、
前記検出部は、前記第１軸の方向に配置されている一対の第１検出部と、前記第２軸の方向に配置されている一対の第２検出部とを有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一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】
基板と、
アンカー部を介して前記基板の上方に配置され、回動振動する駆動部と、
前記駆動部に接続された検出部と、
前記基板に配置されている駆動電極部と、
前記検出部に平面視で対向して前記基板に配置されている検出電極部と、を有し、
前記駆動部には、空隙部が複数設けられ、
前記駆動電極部の少なくとも一部は、平面視で前記空隙部に重なって設けられていることを特徴とするジャイロセンサー。
【請求項２】
前記駆動電極部は、１つの前記空隙部に対し１対配置さ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】
前記駆動部は、外形が略円形であることを特徴とする請求項１または２に記載のジャイロセンサー。
【請求項４】
前記アンカー部は、前記駆動部の中心に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。
【請求項５】
前記空隙部は、前記アンカー部を中心として点対称の位置に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のジャイロセンサー。
【請求項６】
前記駆動部の内部には、前記検出部が配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。
【請求項７】
平面視で互いに交差する２つの軸を第１軸及び第２軸としたとき、
前記検出部は、前記第１軸の方向に配置されている一対の第１検出部と、前記第２軸の方向に配置されている一対の第２検出部とを有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のジャイロセンサー。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一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４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−７６２２（Ｐ２０１３−７６２２Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３９６９０（Ｐ２０１１−１３９６９０）
【出願日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【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２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【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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