(57)【要約】【課題】駆動電極と検出電極のそれぞれが接続されたピラーとの間にシールド壁を配置して微小な角速度を正確に測定するようにした角速度センサを提供すること。【解決手段】中央部に配置された重錘体３１の周辺には、シリコンからなるピラー３３と呼ばれる柱が配置されている。各ピラー３３は絶縁分離されており、各検出電極に配線されるように構成されている。これらのピラー３３は、Ｘ軸上に対向して２個ずつ配置されているとともに、Ｙ軸上に対向して２個ずつ配置され、合計８個のピラー３３が、振動子３１の周辺を取り囲むようにして配置されている。Ｘ軸上に配置された２個のピラー３３の周囲を取り囲むようにしてシールド壁４１が設けられている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板と第２基板に挟まれた枠体に保持された重錘体と、該重錘体の周辺に配置された複数のピラーとを備えた角速度センサにおいて、
前記ピラーの間にシールド壁が設けられ、該シールド壁が一定電位に固定されていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記ピラーのうち、検出電極用ピラーの周囲において、前記シールド壁は、前記第１基板上に立設されていて、前記第２基板の下面に設けられた各検出電極からの引き回し電極との間に空間部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記ピラーのうち、駆動電極用ピラーの周囲において、前記シールド壁は、前記第２基板上に立設されていて、前記第１基板の上面に設けられた駆動電極からの引き回し電極との間に空間部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記ピラーの周囲を囲むようにシールド壁が設けられていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記シールド壁が切断されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度センサに関し、より詳細には、駆動電極と検出電極のそれぞれが接続されたピラーとの間にシールド壁を配置して微小な角速度を正確に測定するようにした角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の角速度センサにおいて、振動する重錘体に角速度が加わった場合、このために発生したコリオリ力を重錘体の変位として検出する。この重錘体の変位は、重錘体と検出電極との間の容量変化として検出している。この微小な容量変化をＳＮよく検出するために、一般的にチャージアンプを用いたＣＶ変換回路を用いて容量変化を電圧に変換している。
【０００３】
また、この重錘体を振動させるために、駆動電極と重錘体の間に交流電圧を加えて電極間に静電引力を周期的に変化させている。また、この交流電圧の振幅は、外乱により重錘体の振動の振幅が変動しないように、重錘体の振幅の大きさをモニタしながら重錘体の振幅が同じ大きさになるためのＡＧＣ（自動利得制御；Ａｕｔｏ  Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）アンプにより絶えずフィードバックがかかっている。これにより振動の振幅に比例するコリオリ力を正確に測定することができる。ただし、コリオリ力に影響しないレベルでは重錘体の振動の振幅は一定ではあるが、フィードバックをかけているために駆動電極に加える交流電圧は変動している。
【０００４】
従来の角速度センサを示すものとしては、例えば、特許文献１がある。この特許文献１に記載のものは、振動子に作用するコリオリ力を容量素子の静電容量の変化に基づいて検出する角速度センサに関するものである。
【０００５】
図１は、従来の角速度センサの側断面図で、特許文献２に示されたものである。可撓性を有する円盤状の変位基板１１と剛性を有する固定基板１２とを対向させて装置筐体１４で支持し、変位基板１１に振動子１３を固着し、電極Ｅ１５／Ｅ２５間に交流駆動信号を与え、クーロン力を利用して振動子１３を上下に振動させる。対向する電極により第１の容量素子及び第２の容量素子を構成し、角速度が作用すると、コリオリ力＋Ｆｘにより変位基板が傾斜し、振動子と電極間の静電容量の変化を検出するようにしたものである。この特許文献２における駆動電極Ｅ１５と検出電極Ｅ１１，Ｅ１２とは同じ平面上に設けられている。
【０００６】
また、特許文献３に記載のものは、中間基板を構成する重錘体に４本の梁部材を直交して設けた構造の角速度センサである。特許文献３に記載されているように、重錘体は、上方から見ると４枚の羽状部分を備えた構造を有する。可撓部は、この重錘体の周囲を取り囲む板状枠体と、スリットによって隔てられた４本のビーム部とによって構成されている。スリットは、重錘体と可撓部とを隔てる貫通溝をなしている。このように、スリットで重錘体を物理的に隔絶するようにすると、重錘体は、４本のビーム部によってのみ支持された状態となるので、重錘体がより変位しやすい構造が実現できる。
【０００７】
上述したように、特許文献１乃至３には、クーロン力を用いて重錘体を駆動し、静電容量を用いてコリオリ力により発生した重錘体の変位を検出する角速度センサが開示されている。このように、クーロン力を用いた静電引力による駆動は、電極のみ形成すればよく、磁力や圧電効果を用いた駆動方法とは異なり、磁性体や圧電体など他の材料を必要とせず、回路や構造が簡便なため、非常に有効である。
【０００８】
図２は、非特許文献１及び２に記載の従来の角速度センサの重錘体である振動子と検出電極と駆動電極との配置関係を示す構成図で、両面駆動の場合を示している。図中符号２０は第１基板、２１は貫通穴、２２は枠体、２３は重錘体（振動子）、２４はピラー、２５は空隙部、２６は第２基板を示している。
【０００９】
この角速度センサは、第１基板２０と枠体２２と第２基板から構成されている。第１基板２０には、中央に上部駆動電極Ｔ０が配置され、その周辺に上部検出電極Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が配置され、さらにその周辺にはピラー２４と対応して設けられた貫通穴２１が配置されている。
【００１０】
また、枠体２２には、中央部に梁部材を介して重錘体２３が、上部検出電極Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４に対向するように配置され、重錘体２３の周辺には、貫通穴２１に対応してピラー２４が配置されている。
【００１１】
また、第２基板２６には、重錘体２３を挟んで上部検出電極Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４及び上部駆動電極Ｔ０に対向して下部検出電極Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４及び下部駆動電極Ｂ０が配置されている。
【００１２】
このような構成により、駆動された重錘体２３に生じたコリオリ力による変位状態を、重錘体２３とＸ軸用第１検出電極Ｔ２，Ｂ２と間に構成される容量素子Ｃ１及び重錘体２３とＸ軸用第２検出電極Ｔ４，Ｂ４と間に構成される容量素子Ｃ２により静電容量の変化として検出してＹ軸回りの角速度成分を正確に測定することができる。
【００１３】
つまり、重錘体の上下の面を挟むようにして、一方側の面に対向して検出電極を設け、他方側の面に対向して駆動電極を設けることにより、電極間とカップリングを低減させ、駆動の信号が検出の信号に回り込まなくし、これにより、コリオリ力により発生した静電容量の変化を正確に検出できるようにしたものである。
【００１４】
同様に、駆動された重錘体２３に生じたコリオリ力による変位状態を、重錘体２３とＹ軸用第１検出電極Ｔ１，Ｂ１と間に構成される容量素子Ｃ３及び重錘体２３とＹ軸用第２検出電極Ｔ３，Ｂ３と間に構成される容量素子Ｃ４により静電容量の変化として検出してＸ軸まわりの角速度成分を正確に測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００７−３１９１号公報
【特許文献２】特開平１０−２２７６４４号公報
【特許文献３】特開２００７−４６９２７号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Y. Watanabe, T. Mitsui, T. Mineta, Y. Matsu and K. Okada, “SOI Micromachined 5-Axis Motion Sensor using Resonant Electrostatic Drive and Non-Resonant Capacitive Detection Mode”, Digest of Papers, Tranceducers ’05, pp. 511-514, 2005
【非特許文献２】「ＳＯＩウェハを用いた５軸モーションセンサとその設計−手法」（岡田和廣  他６名  電学論  E  １２６巻６号  ２００６年  ｐｐ．２６１−２６８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上述した特許文献１のものは、駆動電極と検出電極が接続されたシリコンピラーとの間には何も存在せず、重錘体を振動させるための駆動電極と検出電極、および検出電極間が寄生容量によりカップリングする構造をしている。ここで駆動電極に交流電圧をかけているため、この寄生容量を介して検出電極側にコリオリ力とは関係なく電荷が生じる。チャージャアンプでは容量の検出は電荷量を測定して行うため、寄生容量によりカップリングした駆動のための電圧から発生した電荷は、チャージアンプにとってはオフセットとしてたえず存在することになる。ただし、単に振幅が一定の交流電圧による電荷変動であれば一定のオフセットになり、一定であればオフセットの調整によりコリオリ力による重錘体と検出電極間の容量変化による電荷の変化との分離は可能である。しかし、上述したとおりの駆動のための交流電圧の振幅は変動しているため、真のコリオリ力からの電荷変化と区別することができず、正確な測定ができなかった。また、検出電極間のカップリングは、実際に信号が入っていない電極にも信号が回りこむため、不要な他軸感度として現れる問題があった。
【００１８】
つまり、従来の角速度センサにおいては、駆動電極と検出電極との間にカップリングを抑制するものは何も存在せず、微小な容量変化を正確に検出できないという問題があった。また、駆動時に静電引力を発生するための電荷の変化が検出部へ影響を与えたり、他の検出電極の信号が回り込むため、コリオリ力による微小な容量変化を正確に検出できないという問題があった。
【００１９】
また、駆動の電荷移動の周波数とコリオリ力の検出される静電容量の変化は、同一の周波数であるため、コリオリ力による信号を分離して正確に検出できないという問題点があった。
【００２０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、駆動電極と検出電極のそれぞれが接続されたピラーとの間にシールド壁を配置して微小な角速度を正確に測定するようにした角速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、第１基板と第２基板に挟まれた枠体に保持された重錘体と、該重錘体の周辺に配置された複数のピラーとを備えた角速度センサにおいて、前記ピラーの間にシールド壁が設けられ、該シールド壁が一定電位に固定されていることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ピラーのうち、検出電極用ピラーの周囲において、前記シールド壁は、前記第１基板上に立設されていて、前記第２基板の下面に設けられた各検出電極からの引き回し電極との間に空間部が設けられていることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記ピラーのうち、駆動電極用ピラーの周囲において、前記シールド壁は、前記第２基板上に立設されていて、前記第１基板の上面に設けられた駆動電極からの引き回し電極との間に空間部が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記ピラーの周囲を囲むようにシールド壁が設けられていることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記シールド壁が切断されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ピラーの周りにシールド壁を設け、このシールド壁を一定電位に固定することにより、振動子を介したピラーとのカップリングを低減させ、駆動信号と検出信号をアイソレーションし、これによりコリオリ力により発生した容量の変化を正確に検出でき、微小な角速度を正確に測定することのできる角速度センサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来の角速度センサの側断面図である。
【図２】従来の角速度センサの重錘体である振動子と検出電極と駆動電極との配置関係を示す構成図である。
【図３】本発明に係る角速度センサの重錘体である振動子と検出電極と駆動電極との配置関係を示す構成図である。
【図４】図３に示した枠体の内部構造を説明するための構成図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、図４における第１又は第２基板からの外部配線を示す図で、図４の概略断面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、容量変化と角速度との関係を示した特性図である。
【図７】本発明に係る角速度センサの実施例１を説明するための構成図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、図７におけるガラス基板からの外部配線を示す図で、図７の概略断面図である。
【図９】本発明に係る角速度センサの実施例２を説明するための構成図である。
【図１０】本発明に係る角速度センサの実施例３を説明するための構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図３は、本発明に係る角速度センサの重錘体である振動子と検出電極と駆動電極との配置関係を示す構成図である。図４は、図３に示した枠体の内部構造を説明するための構成図である。図中符号２９は枠体、３０は絶縁分離部、３１は重錘体（振動子）、３２は梁部材、３３はピラー、３４は第１基板、３５は第２基板、３６は貫通穴、Ｔは検出電極（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、Ｂは駆動電極を示している。
【００２９】
本発明の角速度センサは、第１基板３４と枠体２９と第２基板３５から構成されている。第１基板３４には、中央部及びその周辺に検出電極Ｔが配置され、さらにその周辺にはピラー３３と対応して設けられた貫通穴３６が配置されている。
【００３０】
また、枠体２９には、中央部に梁部材３２を介して重錘体３１が、検出電極Ｔに対向するように配置され、重錘体３１の周辺には、貫通穴３６に対応してピラー３３が配置されている。また、第２基板３５には、重錘体３１を挟んで検出電極Ｔに対向して駆動電極Ｂが配置されている。
【００３１】
さらに、図４に基づいて枠体２９の内部構造を説明すると、中央部に配置された重錘体３１の周辺には、シリコンからなるピラー（ｐｉｌｌａｒ）３３と呼ばれる柱が８個配置されている。各ピラー３３は、絶縁分離部３０により絶縁分離されており、各検出電極に配線されるように構成されている。これらのピラー３３は、Ｘ軸上に２個、Ｙ軸上に２個Ｚ軸上に１個配置され、また、駆動用に１個の６個のピラーと対称性を維持するために２個の電気接続には使用していないピラーの合計８個のピラー３３が、振動子３１の周辺を取り囲むようにして配置されている。そして、各ピラーの周りに絶縁分離部３０を設けて絶縁分離したものである。
【００３２】
図５（ａ），（ｂ）は、図４における第１又は第２基板からの外部配線を示す図で、図４の概略断面図である。図５（ａ）は第１基板に設けられた各検出電極の外部配線を示す図で、図５（ｂ）は第２基板に設けられた駆動電極の外部配線を示す図である。
【００３３】
振動子３１の周辺を取り囲むようにして８個のピラー３３が第１基板３４と第２基板３５の間に設けられ、このピラー３３に対応して第１基板３４に貫通穴３６が設けられ、この貫通穴３６に対応してピラー３３が配置されている。各検出電極からの引き回し電極３７は、図５（ａ）に示すように、貫通穴３６に対応して配置されたピラー３３に導かれ、また、駆動電極からの引き回し電極３９は、図５（ｂ）に示すように、ピラー３３に導かれている。なお、符号３８は外部電極を示している。
【００３４】
図５（ａ），（ｂ）では、駆動電極は一つの例であり、Ｚ方向の一方向に振動をあたえているため、Ｘ，Ｙ軸回りの２軸の角速度を検出するセンサを示しているが、駆動電極を複数配置し、例えば、振動子に歳差運動させてＺ軸と直交する振動成分も同時に与えることにより、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸回りの３軸の角速度センサとしても適用できる。
【００３５】
図６（ａ），（ｂ）は、容量変化と角速度との関係を示した特性図で、図６（ａ）は従来の角速度センサによるＸ軸まわりの回転を与えた時にＹ軸用検出電極で検出される容量変化の特性図で、図６（ｂ）は本発明の角速度センサによる特性図である。特性図の縦軸は実際にはＣＶ変換回路により電圧として測定されるが、ＣＶ変換回路のゲインから容量変化として換算している。図６（ａ）に示した従来の角速度センサによる特性図では、リニア特性にバラツキが見られるが、図６（ｂ）に示した本発明の角速度センサによる特性図では、リニア特性が高まっている。このことから、本発明によれば微小な角速度を正確に測定できることが分かる。
【００３６】
なお、この例は、第１基板３４上に検出電極を配置し、第２基板３５上に駆動電極を配置しているが、第１基板３４上に駆動電極を配置し、第２基板３５上に検出電極を配置してもよい。
【００３７】
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。  
【実施例１】
【００３８】
図７は、本発明に係る角速度センサの実施例１を説明するための構成図である。図中符号４１はシールド壁で、その他、図４と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００３９】
本実施例１の角速度センサは、第１基板３４と第２基板３５に挟まれた枠体に保持された重錘体３１と、この重錘体３１の周辺に配置されたピラー３３とを備えている。このピラー３３の絶縁分離部３０の周囲を囲うようにシールド壁４１が設けられ、このシールド壁４１が一定電位に固定されている。
【００４０】
つまり、中央部に配置された重錘体３１の周辺には、シリコンからなるピラー（ｐｉｌｌａｒ）３３と呼ばれる柱が配置されている。各ピラー３３は、絶縁分離部３０により絶縁分離されており、各検出電極に配線されるように構成されている。これらのシリコンピラー３３は、Ｘ軸上に対向して２個ずつ配置されているとともに、Ｙ軸上に対向して２個ずつ配置され、合計８個のピラー３３が、振動子３１の周辺を取り囲むようにして配置されている。
【００４１】
そして、Ｘ軸上に配置された２個のピラー３３の絶縁分離部３０の周囲を取り囲むようにしてシールド壁４１が設けられている。
【００４２】
図８（ａ），（ｂ）は、図７における第１又は第２基板からの外部配線を示す図で、図７の概略断面図である。図８（ａ）は第１基板に設けられた各検出電極の外部配線を示す図で、図８（ｂ）は第２基板に設けられた駆動電極の外部配線を示す図である。
【００４３】
振動子３１の周辺を取り囲むようにして８個のピラー３３が設けられ、このピラー３３に対応して第１基板３４に貫通穴３６が設けられ、この貫通穴３６に対応してピラー３３が配置されている。各検出電極からの引き回し電極３７は、図８（ａ）に示すように、貫通穴３６に対応して配置されたピラー３３に導かれ、また、駆動電極からの引き回し電極３９は、図８（ｂ）に示すように、ピラー３３に導かれている。なお、符号３８は外部電極を示している。
【００４４】
図８（ａ）に示すように、ピラー３３のうち、検出電極用ピラーの周囲においては、シールド壁４１は、第１基板３４上に立設されていて、第２基板３５の下面に設けられた各検出電極からの引き回し電極３７との間には空間部が設けられている。また、図８（ｂ）に示すように、駆動電極用ピラーの周囲においては、シールド壁４１は、第２基板３５上に立設されていて、第１基板３４の上面に設けられた駆動電極からの引き回し電極３９との間には空間部が設けられている。
【００４５】
図８（ａ），（ｂ）では、駆動電極は一つの例であり、Ｚ方向の一方向に振動をあたえているため、Ｘ，Ｙ軸回りの２軸の角速度を検出するセンサを示しているが、駆動電極を複数配置し、例えば、振動子に歳差運動させてＺ軸と直交する振動成分も同時に与えることにより、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸回りの３軸の角速度センサとしても適用できる。
【実施例２】
【００４６】
図９は、本発明に係る角速度センサの実施例２を説明するための構成図である。図中符号５１はシールド壁で、その他、図４と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００４７】
図７に示した実施例１のピラーの配置パターンは、２つのピラー３３の周囲を取り囲むようにして繋がってシールド壁４１が設けられていたが、このシールド壁は、全てが繋がっている必要はなく、配線の用途に応じて所々に切断されていても良い。すなわち、複数のシールド壁に分割されていてもよい。
【００４８】
本実施例２に示したシールド壁５１，５１・・は、ピラー３３の周囲を取り囲むようにして切断された状態で設けられている。
【実施例３】
【００４９】
図１０は、本発明に係る角速度センサの実施例３を説明するための構成図である。図中符号６１はシールド壁で、その他、図４と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００５０】
本実施例３に示したシールド壁６１は、重錘体と同じ電位に固定されている場合の構成で、２つのピラー３３の間に挟まれるようにしてシールド壁６１が設けられている。
【００５１】
このように、実施例１乃至３に示したように、ピラーの周りにシールド壁を設け、このシールド壁を一定電位に固定するようにしたので、振動子を介したピラーとのカップリングを低減させ、駆動信号と検出信号をアイソレーションし、これによりコリオリ力により発生した容量の変化を正確に検出でき、微小な角速度を正確に測定することのできる角速度センサが実現できる。
【符号の説明】
【００５２】
１１  変位基板
１２  固定基板
１３  重錘体（振動子）
１４  装置筐体
２０  第１基板
２１  貫通穴
２２  枠体
２３  重錘体（振動子）
２４  ピラー
２５  空隙部
２６  第２基板
３０  絶縁分離部
３１  重錘体（振動子）
３２  梁部材
３３  ピラー
３４  第１基板
３５  第２基板
３６  貫通穴
３７  各検出電極からの引き回し電極
３８  外部電極
３９  駆動電極からの引き回し電極
４１，５１，６１  シールド壁
Ｔ０  上部駆動電極
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４  上部検出電極
Ｂ０  下部駆動電極
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４  下部検出電極
Ｔ  検出電極（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
Ｂ  駆動電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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