(57)【要約】【課題】 カップリングバネを備えたＭＥＭＳジャイロスコープが開示される。【解決手段】カップリングバネを備えたＭＥＭＳジャイロスコープは、基板の板面方向の垂直方向に沿って基板について相対移動可能な対称構造の複数質量体と、複数質量体との間に接続され、複数質量体のいずれか１つが所定の垂直方向に移動すれば、他方の１つを所定垂直方向と逆方向に移動させるカップリングバネとを含むことを特徴とする。【選択図】   図３
2006030205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の板面方向の垂直方向に沿って前記基板に対して相対移動可能な対称構造の複数質量体と、
前記複数質量体との間に接続され、前記複数質量体のいずれか１つが所定の垂直方向に移動すれば、他方の１つを前記所定垂直方向と逆方向に移動させるカップリングバネと、
を含むことを特徴とするＭＥＭＳジャイロスコープ。
【請求項２】
前記複数質量体を所定の垂直方向に向って振動させる複数の第１および第２駆動電極と、
前記板面方向に平行な方向のうちいずれか１つの所定水平方向に沿って前記基板に対して相対移動可能であり、角速度の印加により発生したコリオリ力により前記所定の水平方向に移動される複数の第１および第２質量体と、
前記複数の第１および第２質量体の前記水平方向上の変位を測定する複数の第１および第２検知電極と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
【請求項３】
前記第１駆動電極、前記第１質量対、前記第１検知電極は前記カップリングバネを中心とした前記第２駆動電極、前記第２質量体、前記第２検知電極とそれぞれ対称構造をなすことを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
【請求項４】
前記駆動電極および前記検知電極はコーム（Ｃｏｍｂ）構造を有することを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
【請求項５】
前記複数の第１および第２駆動電極によりそれぞれ駆動される前記複数質量体の前記所定垂直方向上の変位を検知する垂直検知電極を更に含むことを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
【請求項６】
前記複数の第１および第２駆動電極には、時間の経過とともに変動する電圧が印加されることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳジャイロスコープに関し、詳細には、垂直方向に駆動可能であり、駆動共振周波数を一致させるためにカップリングバネを備えた ＭＥＭＳジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、回転角速度を検出するためのジャイロスコープは、既に前から船舶、航空機などで航法装置用の核心部品として使用され、今はＭＥＭＳ技術発達にともなって車の航法装置や高倍率ビデオカメラのハンドシェイクを検出しこれを保障する装置にても使用されている。
係るジャイロスコープは、第１軸方向に一定振動する質量体に対して垂直した第２軸方向に一定角速度の回転力を受けるとき前記２軸に対して直交する第３軸方向にコリオリ力（ｃｏｒｉｏｌｉｓ  ｆｏｒｃｅ）が発生する原理を用いた機器であって、コリオリ力による検知質量体の変位を静電容量の変化として変更し角速度を検出する。
【０００３】
ジャイロスコープは、コリオリ力を発生させ、且つこれを検知するためにその内部に所定方向に向って振動可能な質量体および検知電極を備えている。以下、ジャイロスコープ内の質量体が振動する方向を「駆動方向」とし、 ジャイロスコープに回転角速度が入力される方向を「入力方向」とする。また、質量体に発生するコリオリ力を検知する方向を「検知方向」とする。
【０００４】
駆動方向と入力方向および検知方向は、空間上で互いに直交する方向に設定される。通常、ＭＥＭＳ技術を用いたジャイロスコープにおいて、基板面に平行し、互いに直交している２つの方向（以下、水平方向と称する）と、基板面に垂直した方向（以下、垂直方向と称する）とに構成された３つの方向で座標軸を設定することができる。
通常、ジャイロスコープは、水平型（Ｚ軸）ジャイロスコープと垂直型（Ｘ軸またはＹ軸）ジャイロスコープとに分ける。水平型ジャイロスコープは、駆動方向および検知方向が水平方向、入力方向が垂直方向（Ｚ軸）であるジャイロスコープであり、垂直型ジャイロスコープは入力方向がＸ軸またはＹ軸方向のジャイロスコープである。
【０００５】
係る従来のジャイロスコープでは、外部から加速度が印加された場合と角速度が印加された場合とが同一に認識されてしまう恐れがある。この問題点を改善するために、図１に示したようなチューニングフォーク（ｔｕｎｉｎｇ  ｆｏｒｋ）構造のジャイロスコープが提案された。係るチューニングフォーク構造のジャイロスコープでは、外部から角速度が印加されれば複数の質量体が相異なる方向に移動し、外部から加速度が印加されれば複数の質量体が同一方向に移動する。従って、従来のように外部から加速度が印加された場合と角速度が印加された場合とを、同一に認識することを防止できる。しかし、図１に開示されたチューニングフォーク構造では、複数の質量体を駆動させるための駆動周波数を一致させることが難しいことから収率の低下といった問題を抱えている。
【０００６】
これを改善するため、図２に示したようなカップリングビームを用いたチューニングフォーク構造のジャイロスコープが提案されたが、これは平面内の駆動でのみ用いられる限界がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、垂直方向の駆動が可能なカップリングバネを備えたＭＥＭＳジャイロスコープを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述した目的を達成するための本発明に係るカップリングバネを備えたＭＥＭＳジャイロスコープは、基板の板面方向の垂直方向に沿って前記基板に対して相対移動可能な対称構造の複数質量体と、前記複数質量体との間に接続され、前記複数質量体のいずれか１つが所定の垂直方向に移動すれば、他方の１つを前記所定垂直方向と逆方向に移動させるカップリングバネとを含むことを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明に係るカップリングバネを備えたＭＥＭＳジャイロスコープは前記複数質量体を所定の垂直方向に向って振動させる複数の第１および第２駆動電極と、前記板面方向に平行な方向のうちいずれか１つの所定水平方向に沿って前記基板に対して相対移動可能であり、角速度の印加により発生したコリオリ力により前記所定の水平方向に移動する複数の第１および第２質量体と、前記複数の第１および第２質量体の前記水平方向上の変位を測定する複数の第１および第２検知電極とを更に含むことが好ましい。
【００１０】
なお、前記第１駆動電極、前記第１質量対、前記第１検知電極は前記カップリングバネを中心とした前記第２駆動電極、前記第２質量体、前記第２検知電極とそれぞれ対称構造をなすことが好ましい。
ここで、前記駆動電極および前記検知電極はコーム（Ｃｏｍｂ）構造を有することが好ましい。
【００１１】
また、前記複数の第１および第２駆動電極によりそれぞれ駆動される前記複数質量体の前記所定垂直方向上の変位を検知する垂直検知電極を更に含むことが好ましい。
さらに、前記複数の第１および第２駆動電極には、時間の経過につれ可変する電圧が印加されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明であるカップリングバネを備えたＭＥＭＳジャイロスコープによると、垂直に駆動する質量体の共振周波数を一致させることができ、これによって収率が上昇する。
また、本発明によると、検知方向と一致して質量体を配置することによって、線型加速度および角加速度による影響を受けないで済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付の図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。
【実施例】
【００１４】
図３は本発明に係るカップリングバネを備えたＭＥＭＳジャイロスコープ構成を示した平面図である。同図に示したように、本発明に係るＭＥＭＳジャイロスコープは、カップリングバネを基準にして左右対称の構造を有する第１および第２ジャイロスコープを有する。
本発明において、第１および第２ジャイロスコープ３００ａ、３００ｂはカップリングバネ３６０を基準にして左右対称となっているため、以下は第１ジャイロスコープ３００ａ について説明する。
【００１５】
第１ジャイロスコープ３００ａは基板（図示せず）に配置されている第１内部質量体３５０ａと第１外部質量体３４０ａ、第１外部質量体３４０ａを駆動する駆動電極３１０ａ、第１内部質量体３５０ａの水平方向の変位を検知する水平検知電極３２０ａ、第１外部質量体３４０ａの垂直方向の変位を検知する垂直検知電極３３０ａ、および第１外部質量体３４０ａと第１内部質量体３５０ａをそれぞれ支持する第１外部バネ３４５ａと第１内部バネ３５５ａを有している。
【００１６】
第１外部質量体３４０ａは四角枠の形状であり、基板（図示せず）上で遥動可能に浮上している。第１外部質量体３４０ａの左側は第１外部バネ３４５ａにより基板に固定されており、右側はカップリングバネ３６０により第２ジャイロスコープ３００ｂと接続されている。
第１内部質量体３５０ａは、第１外部質量体３４０ａより小さなサイズの四角状であり、基板上で遥動可能に浮上している。第１内部質量体３５０ａは、第１外部質量体３４０ａの内側空間内に配置される。第１内部質量体３５０ａは第１内部バネ３５５ａにより第１外部質量体３４０ａに固定されている。第１内部バネ３５５ａはＹ方向にベンディングされた板バネ状を有し、これにより第１内部質量体３５０ａは第１外部質量体３４０ａについてＹ方向へ相対的に移動自在になるよう第１内部バネ３５５ａにより支持される。
【００１７】
駆動電極３１０ａは第１外部質量体３４０ａのＸ方向上の側方にそれぞれ設けられ、基板上で第１外部質量体３４０ａと同一平面に配置される。駆動電極３１０ａはコーム（Ｃｏｍｂ）構造によって互いに結合された固定電極３１１ａと移動電極３１２ａからなっている。
水平検知電極３２０ａは第１内部質量体３５０ａの内側空間に設けられている。水平検知電極３２０ａは駆動電極３１０ａと同様に、コーム構造により互いに結合された固定電極３２１ａと移動電極３２２ａを有する。固定電極３２１ａは基板上に固定され、移動電極３２２ａは第１内部質量体３５０ａに固定される。
【００１８】
垂直検知電極３３０ａは第１外部質量体３４０ａの左側上端および下端にそれぞれ設置される。垂直検知電極３３０ａはコーム構造により結合された固定電極３３１ａと移動電極３３２ａからなる。固定電極３３１ａは基板上に固定され、移動電極３３２ａは第１外部質量体３４０ａに固定される。
以下、上記のような構造を有する本発明に係るＭＥＭＳ超小型ジャイロスコープの動作について説明する。
【００１９】
駆動電極３１０ａに時間経過により変化する電圧が印加されると、これによって駆動電極３１０ａにより発生する静電力によって第１外部質量体３４０ａがＺ方向に振動する。この際、第１内部質量体３５０ａが第１内部バネ３５５ａによりＺ方向に第１外部質量体３４０ａについて相対固定されているため、第１外部質量体３４０と共にＺ方向に振動する。
【００２０】
第１外部質量体３４０ａおよび第１内部質量体３５０ａがＺ方向に振動すれば、カップリングバネ３６０は、シーソー（ｓｅｅｓａｗ）のように動作し第２外部質量体３４０ｂおよび第２質量体３５０ｂを−Ｚ方向に移動させる。
このようにカップリングバネ３６０により複数の第１および第２外部質量体３４０ａ、３４０ｂが反対位相を有しながら垂直方向に移動するので、質量体の駆動のための共振周波数を一致させることができる。
【００２１】
一方、上記の実施の形態では、第１外部質量体３４０ａおよび第１内部質量体３５０ａがＺ方向に移動し、第２外部質量体３４０ｂおよび第２内部質量体３５０ｂが−Ｚ方向に移動することについて説明したが、これと反対に、第１外部質量体３４０ａおよび第１内部質量体３５０ａが−Ｚ方向に移動し、第２外部質量体３４０ｂおよび第２内部質量体３５０ｂがＺ方向に移動することも可能である。
【００２２】
垂直検知電極３３０ａは第１外部質量体３４０ａのＺ方向の変位を測定し、測定された値は図示されない制御器に提供される。制御器は、垂直検知電極３３０ａの測定値に基づいて第１外部質量体３４０ａがＺ方向上に効率よく振動できるように駆動電極３１０ａへ供給される電界を制御する。
第１外部質量体３４０ａと第１内部質量体３５０ａが振動する間第１外部質量体３４０ａにＸ方向に角速度が印加されれば、第１内部質量体３５０ａは第１内部バネ３５５ａにより第１内部質量体３５０ａと共にＸ方向に移動する。なお、第１内部質量体３５０ａにはＹ方向に向ってコリオリ力が加えられ、第１内部質量体３５０ａがＹ方向に移動する。これによって、水平検知電極３２０ａ内の固定電極３２１ａと移動電極３２２ａとの間の距離が変化し、この変化に応じて水平検知電極３２０ａの静電容量の変化が生じる。図示されない制御器は水平検知電極３２０ａの静電容量の変化を用いてコリオリ力を算出し、これによってＸ方向に加えられる外力による角速度または角加速度を算出できる。
【００２３】
本実施の形態によると、第１外部質量体３４０ａのＺ方向上の振動が第１外部質量体３４０ａと同一平面上に形成された固定電極３１１ａと移動電極３１２ａを有する駆動電極３１０ａにより制御される。従って、駆動電極３１０ａが第１外部質量体３４０ａと第１内部質量体３５０ａなどのような他部分の製造工程を行う時に同一工程で製造することができる。よって、ジャイロスコープ内の全ての構造が１つのマスクを用いて製造され、ジャイロスコープの製造工程が単純になる。
【００２４】
さらに、固定電極３１１ａと移動電極３１２ａが同一平面上に配置されるため、この間隔を狭くすることが容易になる。従って、第１外部質量体３４０ａの駆動や第１内部質量体３５０ａの変位検知が精密に制御され得る。
以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来のチューニングフォーク構造のジャイロスコープの概略図である。
【図２】カップリングビームを用いたチューニングフォーク構造のジャイロスコープの平面図である。
【図３】本発明に係るカップリングバネを備えたＭＥＭＳジャイロスコープの平面図である。
【符号の説明】
【００２６】
３００      カップリングバネを備えたＭＥＭＳジャイロスコープ
３１０ａ、３１０ｂ    駆動電極
３１１ａ、３１１ｂ    固定電極
３１２ａ、３１２ｂ    移動電極
３２０      水平検知電極
３２１ａ、３２１ｂ    固定電極
３２２ａ、３２２ｂ    移動電極
３３０ａ、３３０ｂ    垂直検知電極
３３１ａ、３３１ｂ    固定電極
３３２ａ、３３２ｂ    移動電極
３４０ａ、３４０ｂ    内部質量体
３４５ａ、３４５ｂ    外部バネ
３５０ａ、３５０ｂ    外部質量体
３５５ａ、３５５ｂ    内部バネ
３６０      カップリングバネ
【図１】
2006030205.tif 000003
【図２】
2006030205.tif 000004
【図３】
2006030205.tif 000005