(57)【要約】【課題】弾性部材の構造的な変更及び弾性部材に対する電気的な処理を必要とせずに、弾性部材のバネ定数を調整できるＭＥＭＳ構造体、角速度センサ及びバネ定数調整方法を提供すること。【解決手段】センサ１０は、トーションバー２５の第１端部２５Ａに接続された錘部１１に調整用可動電極２３が形成されている。錘部１１は、調整用可動電極２３と、それに対向する調整用固定電極３１との間に調整電圧が供給されて生じる静電気力が外力（モーメント）として加えられる。センサ１０は、錘部１１のＸ方向への変位が規制されている一方で、第２端部２５Ｂに接続された枠状錘部１２がＹ方向への移動が規制されつつＸ方向に揺動可能に保持されている。錘部１１にモーメントが作用すると、トーションバー２５は、Ｘ方向の移動が規制された第１端部２５Ａに対し、第２端部２５ＢがＸ方向に変位し弾性変形してバネ定数Ｋ１が大きくなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端部の一方側の端部が第１保持部により保持され、他方側の端部が第２保持部により保持される弾性部材と、
前記第１保持部に設けられる可動電極と、
前記可動電極との間に調整電圧が印加され静電気力によって前記第１保持部に外力を加える固定電極と、
前記第１保持部に加えられる前記外力に抗して前記弾性部材の前記第１及び第２保持部のどちらか一方の移動を規制する規制手段とを備え、
前記弾性部材は、前記第１保持部に加えられる前記外力により、前記第１及び第２保持部のどちらか他方が前記外力の作用する方向に移動し変形することを特徴とするＭＥＭＳ構造体。
【請求項２】
前記可動電極は、前記第１保持部に接続される基端部分から延設されてなり、
前記固定電極は、前記可動電極の先端部分と対向する位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項３】
前記可動電極は、前記第１保持部に対して互いに反対の方向に延設されてなる一対の可動電極であり、
前記固定電極は、前記一対の可動電極の各々の先端部分と対向する位置に設けられ、前記一対の可動電極との間で、前記第１保持部に回転モーメントを加える静電気力を印加することを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載されており、前記規制手段により前記第１保持部の移動を規制するＭＥＭＳ構造体と、
前記第２保持部を含み、前記第１保持部の移動が規制された第１方向に前記弾性部材のバネ定数に応じて可動する可動部と、
前記可動部を前記第１方向に振動させた状態で、角速度が加わることによって作用するコリオリ力に応じた前記可動部の変化量を検出する検出部と、
を有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項５】
両端部の一方側の端部が第１保持部により保持され他方側の端部が第２保持部により保持される弾性部材に対し、前記第１保持部に設けられる可動電極と、前記可動電極と対向する固定電極との間に印加される調整電圧により生ずる静電気力よって前記第１保持部に外力を加え、
前記第１保持部に加えられる前記外力に抗して前記弾性部材の前記第１保持部及び第２保持部のどちらか一方の移動を規制し、
前記第１保持部に加えられる前記外力により、前記第１及び第２保持部のどちらか他方が前記外力の作用する方向に移動することにより、
前記弾性部材を変形させてバネ定数を調整することを特徴とするバネ定数調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願に開示の技術は、特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて構成される弾性部材を有するＭＥＭＳ構造体、当該ＭＥＭＳ構造体を備える角速度センサ及び弾性部材のバネ定数調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ技術を用いて物理量を検出する慣性センサがある（例えば、特許文献１〜３など）。この慣性センサは、例えば角速度を検出する角速度センサ（ジャイロセンサ）である。慣性センサを含むＭＥＭＳ構造体には、構造体の様々な部分に弾性部材が用いられ、その弾性部材のバネ定数やバネ定数に依存した共振周波数を調整する必要が生じる。例えば、特許文献１に開示される角速度センサは、錘部を能動的に振動させる駆動部及び角速度が加わったときのコリオリ力によって静電容量が変動する電極を備える検出部を有し、駆動部及び検出部が弾性部材（特許文献１中では、「両持梁」）により支持されている。この種の角速度センサでは、駆動部や検出部の共振周波数が感度に影響を及ぼすため、共振周波数を変更するために弾性部材のバネ定数を調整する方法が非常に重要となってくる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１９６６８２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３０４４１号公報
【特許文献３】特開２００８−１４６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上記した特許文献には、構造的あるいは電気的にバネ定数を調整する方法が開示されている。例えば、構造的にバネ定数を調整する方法は、弾性部材そのものの長さや太さを変更してバネ定数を調整する方法である。しかしながら、ＭＥＭＳ構造体、特に物理量を検出するための慣性センサでは、設計上の自由度が少なく、弾性部材の構造を変更すると他の部材の位置や大きさを変更する必要が生じ、ひいては感度に影響を及ぼすため構造的な変更が容易ではない。また、上記した方法は、設計段階でバネ定数を調整する方法であり、製造後の弾性部材のバネ定数を変更可能とする方法ではない。
【０００５】
また、例えば、電気的にバネ定数を調整する方法は、駆動部や検出部を支持する弾性部材に直流電圧を印加しバネ定数を見かけ上低下させる方法がある。しかしながら、この調整方法では、弾性部材に印加する直流電圧を強くしすぎると、電荷を帯びた弾性部材と他の構造体とにスティッキング（固着）が生じる可能性が高くなる。従って、電気的にバネ定数を調整する方法は、スティッキングを引き起こす不具合があり所望の値まで周波数が調整できないという問題がある。このため、弾性部材の構造的な変更や弾性部材に対する電気的な処理を必要とせずに、弾性部材のバネ定数を調整する方法が望まれている。
【０００６】
本願に開示される技術は、上記の課題に鑑み提案されたものである。弾性部材の構造的な変更及び弾性部材に対する電気的な処理を必要とせずに、弾性部材のバネ定数を調整できるＭＥＭＳ構造体、角速度センサ及びバネ定数調整方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願に開示される技術に係るＭＥＭＳ構造体は、両端部の一方側の端部が第１保持部により保持され、他方側の端部が第２保持部により保持される弾性部材と、第１保持部に設けられる可動電極と、可動電極との間に調整電圧が印加され静電気力によって第１保持部に外力を加える固定電極と、第１保持部に加えられる外力に抗して弾性部材の第１及び第２保持部のどちらか一方の移動を規制する規制手段とを備え、弾性部材は、第１保持部に加えられる外力により、第１及び第２保持部のどちらか他方が外力の作用する方向に移動し変形する。
【０００８】
当該ＭＥＭＳ構造体では、弾性部材の両端部の一方の端部を保持する第１保持部に可動電極が設けられ、この可動電極と対向する固定電極との間に調整電圧が印加されることによって生じる静電気力が第１保持部に外力として加えられる。規制手段は、外力が加えられた弾性部材の両端部の各々を保持する第１及び第２保持部のどちらか一方の移動を規制することで、弾性部材が第１及び第２保持部のどちらか他方を外力の作用する方向へ移動させながら変形する。その結果、弾性部材は、両端部の一方が外力の作用する方向への移動が規制された状態で、両端部の他方が外力の作用する方向へ移動することによって弾性変形しバネ定数が変更される。この構成では、弾性部材そのものの長さ等の構造的な変更をすることなく、且つ製造後のＭＥＭＳ構造体が有する弾性部材に外力を加えて変形させバネ定数の調整を図ることが可能となる。また、この構成では、バネ定数の調整を図るために弾性部材に直接行う電気的な処理、例えば弾性部材に対して直流電圧を印加するなどの処理が必要なく、弾性部材に高い直流電圧を印加することで生じるスティッキングなどの不具合が発生する可能性が低減される。従って、この構成では、弾性部材の構造的な変更及び弾性部材に対する電気的な処理を必要とせずに、弾性部材のバネ定数を好適に調整できるＭＥＭＳ構造体が構成できる。
【０００９】
本願に開示される技術に係るＭＥＭＳ構造体において、可動電極は、第１保持部に接続される基端部分から延設されてなり、固定電極は、可動電極の先端部分と対向する位置に設けられる構成としてもよい。
【００１０】
当該ＭＥＭＳ構造体では、固定電極は、第１保持部に接続される基端部分から延設される可動電極の先端部分と対向する位置に設けられる。可動電極は、固定電極との間に調整電圧が供給されることによって生じる静電気力が先端部分に加えられる。第１保持部は、静電気力が先端部分に加えられた可動電極の基端部分に接続されており、てこの原理による外力が加えられることとなる。従って、この構成では、同一の大きさの静電気力に基づいてより大きな外力を第１保持部に加えることが可能となる。その結果、少ない静電気力、例えば電圧値がより小さい調整電圧に基づいて大きな外力を第１保持部に加えることができ、バネ定数の調整に必要な消費電力の低減が図れるＭＥＭＳ構造体が構成できる。
【００１１】
本願に開示される技術に係るＭＥＭＳ構造体において、可動電極は、第１保持部に対して互いに反対の方向に延設されてなる一対の可動電極であり、固定電極は、一対の可動電極の各々の先端部分と対向する位置に設けられ、一対の可動電極との間で、第１保持部に回転モーメントを加える静電気力を印加する構成としてもよい。
【００１２】
当該ＭＥＭＳ構造体では、一対の可動電極が第１保持部に対して互いに反対の方向に延設された対称な構造となる。また、固定電極は、一対の可動電極の各々の先端部分と対向する位置に設けられる。第１保持部には、各可動電極の先端部分に静電気力が印加されることによって、当該第１保持部を回転させるモーメントが加えられる。これにより、この構成では、第１保持部に加えた回転モーメントを利用して弾性部材を変形させることができる。また、このモーメントは、仮に、第１保持部、一対の可動電極、一対の固定電極をそれぞれ対称な構造、配置とした場合には、第１保持部をその中心に対して回転させるモーメントが発生することとなる。従って、この構成では、可動電極と固定電極との間に供給する調整電圧を制御し第１保持部をその中心に対して回転させることによって、調整電圧の増減に合わせて弾性部材に対して外力を安定的に加えて変形させることが可能となる。
【００１３】
本願に開示される技術に係る角速度センサは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載されており、規制手段により第１保持部の移動を規制するＭＥＭＳ構造体と、第２保持部を含み、第１保持部の移動が規制された第１方向に弾性部材のバネ定数に応じて可動する可動部と、可動部を第１方向に振動させた状態で、角速度が加わることによって作用するコリオリ力に応じた可動部の変化量を検出する検出部と、を有する。
【００１４】
当該角速度センサでは、第１保持部の移動が規制された第１方向に弾性部材のバネ定数に応じて可動する可動部を振動させた状態で、角速度が加わることによって作用するコリオリ力に応じた可動部の変化量から検出部が角速度を検出する。角速度センサは、ＭＥＭＳ構造体を有しており、ＭＥＭＳ構造体の固定電極及び可動電極の間に供給する調整電圧を制御することによって、可動部を第２保持部で保持する弾性部材のバネ定数を調整することが可能となる。これにより、この角速度センサでは、例えば、弾性部材のバネ定数を調整し可動部を所望の共振周波数で振動させることによって、検出部において検出されるコリオリ力に応じた可動部の変化量を増大させて感度の向上を図ることが可能となる。
【００１５】
本願に開示される技術に係るバネ定数調整方法は、両端部の一方側の端部が第１保持部により保持され他方側の端部が第２保持部により保持される弾性部材に対し、第１保持部に設けられる可動電極と、可動電極と対向する固定電極との間に印加される調整電圧により生ずる静電気力よって第１保持部に外力を加え、第１保持部に加えられる外力に抗して弾性部材の第１保持部及び第２保持部のどちらか一方の移動を規制し、第１保持部に加えられる外力により、第１及び第２保持部のどちらか他方が外力の作用する方向に移動することにより、弾性部材を変形させてバネ定数を調整する。
【００１６】
当該バネ定数調整方法では、可動電極と固定電極との間に調整電圧を印加し静電気力よって第１保持部に外力を加える。弾性部材は、第１保持部に加えられる外力に抗して、両端部の各々を保持する第１及び第２保持部のどちらか一方の移動が規制され、どちらか他方が外力の作用する方向へ移動することによって、変形しバネ定数が変更、調整される。これにより、このバネ定数調整方法を用いれば、弾性部材の構造的な変更及び弾性部材に対する電気的な処理を必要とせずに、弾性部材のバネ定数を好適に調整できる。
【発明の効果】
【００１７】
本願に開示される技術によれば、弾性部材の構造的な変更及び弾性部材に対する電気的な処理を必要とせずに、弾性部材のバネ定数を調整できるＭＥＭＳ構造体、角速度センサ及びバネ定数調整方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施例の角速度センサの概略構成を示す平面図である。
【図２】錘部が回転する状態を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した一実施例について添付図面を参照しながら説明する。なお、添付図面は、説明の便宜上、実際の寸法・縮尺とは異なって図示されている部分がある。
図１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造した本実施例に係るＭＥＭＳ構造体を備える静電容量型の角速度センサを示す図であり、当該角速度センサの概略構成を示す平面図である。同図１に示すように、静電容量型の角速度センサ（以下、「センサ」という）１０は、錘部１１と、錘部１１の外縁を取り囲むように設けられた枠状錘部１２とが基板１４上に設けられている。枠状錘部１２は、平面視形状が長方形枠状に形成され、当該枠状錘部１２に囲まれた領域の平面視における中央部分に錘部１１が設けられている。なお、以下の説明では、図１に矢印で示すように、枠状錘部１２の長手方向に沿った方向をＸ方向、Ｘ方向に対して直角で枠状錘部１２の短手方向に沿った方向をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向との両方に直角となる方向をＺ方向と称し、説明する。
【００２０】
錘部１１は、平面視が略長方形の板状に形成され、Ｘ方向の両側に形成された側面のそれぞれに第１バネ２１が接続されている。基板１４は、錘部１１をＸ方向の両側で挟むように一対の第１アンカー２２が設けられている。第１アンカー２２は、基端部が基板１４に接続されＺ方向にのびる直方体形状に形成されている。第１バネ２１の各々は、一端部が錘部１１に接続され、他端部が第１アンカー２２のＸ方向における錘部１１側の側面に接続されている。第１バネ２１は、例えば、Ｙ方向及びＺ方向の２方向に対する撓動性を備え、Ｘ方向に対する剛性を高めて伸縮が規制される構造となっている。従って、錘部１１は、基板１４に固定された一対の第１アンカー２２に第１バネ２１により支持されることによって、基板１４上に浮いた状態で保持されている。
【００２１】
また、錘部１１は、後述するトーションバー２５のバネ定数を調整するための一対の調整用可動電極２３が形成されている。一対の調整用可動電極２３は、錘部１１のＹ方向の両側に形成された側面のそれぞれに形成され、当該側面におけるＸ方向の端部部分に形成されている。調整用可動電極２３の各々は、錘部１１と同様に、基板１４とＺ方向において離間し浮いた状態で保持されている。調整用可動電極２３の各々は、主面がＺ方向に沿った板状に形成され、Ｙ方向に沿って延設されている。一対の調整用可動電極２３は、平面視におけるセンサ１０の中心Ｃに対し一方側の調整用可動電極２３が他方側の調整用可動電極２３と点対称な位置となっている。従って、一対の調整用可動電極２３は、一方側の調整用可動電極２３をセンサ１０の中心Ｃを通るＺ方向に沿った直線を回転軸として１８０°回転させた位置が他方側の調整用可動電極２３の位置となる。
【００２２】
また、調整用可動電極２３の各々は、基板１４に固定された調整用固定電極３１とＸ方向で互いに対向しており平行平板コンデンサを構成している。調整用固定電極３１は、Ｙ方向の一端部に導電材料が埋め込まれたスルーホール３１Ａが形成され、当該スルーホール３１Ａが基板１４上に形成された配線（図示略）により外部回路に接続されている。調整用固定電極３１は、Ｙ方向に沿った長さが調整用可動電極２３に比べて短い。また、調整用固定電極３１は、調整用可動電極２３のＹ方向の先端部分とのみで対向している。調整用固定電極３１の各々は、Ｘ方向において各調整用可動電極２３に対し中心Ｃとは反対側となる位置に設けられている。従って、一対の調整用固定電極３１は、一対の調整用可動電極２３の両方をＸ方向の間に挟んで中心Ｃに対して点対称となる位置に設けられる。
【００２３】
また、錘部１１は、一対のトーションバー２５がＹ方向の両側に設けられた側面に接続されている。トーションバー２５の各々は、錘部１１のＹ方向の両側に設けられた側面の中央部分に第１端部２５Ａが接続され、センサ１０の中心Ｃを通るＹ方向の直線に沿って延設する棒状に形成されている。トーションバー２５の各々は、錘部１１と接続された第１端部２５Ａとは反対側の第２端部２５Ｂが枠状錘部１２の内周面に接続されている。枠状錘部１２は、Ｙ方向において対向する２つの内周面のそれぞれのＸ方向における中央部分にトーションバー２５の第２端部２５Ｂが接続されている。従って、センサ１０の中心Ｃは、平面視が長方形枠状の枠状錘部１２の各頂点を結ぶ対角線が交わる点と一致する。
【００２４】
また、枠状錘部１２は、Ｙ方向に沿った短辺の外周面、換言すればＸ方向の両側に設けられた外周面の各々に２つずつ、合計で４つの第２バネ４１が接続されている。第２バネ４１は、４つの第２バネ４１のうち、枠状錘部１２のＸ方向の一方側に設けられた２つの第２バネ４１がＹ方向で所定の間隔を設けて配置されている。また、第２バネ４１は、平面視において、枠状錘部１２のＸ方向の一方側に設けられた２つの第２バネ４１が、Ｘ方向の他方側に設けられた２つの第２バネ４１とセンサ１０の中心Ｃを通るＹ方向に沿った直線に対して対称な位置となっている。４つの第２バネ４１の各々は、枠状錘部１２と接続される端部とは反対側の端部が第２アンカー４２に接続されている。第２アンカー４２は、枠状錘部１２のＸ方向の両側に設けられた外周面とＸ方向で対向する位置に設けられている。４つの第２アンカー４２の各々は、基端部が基板１４に接続されＺ方向にのびる直方体形状に形成されている。第２アンカー４２の各々は、導電材料が埋め込まれたスルーホール４２Ａが形成され、当該スルーホール４２Ａが基板１４上に形成された配線（図示略）により外部回路に接続されている。第２バネ４１は、例えば、Ｘ方向及びＺ方向の２方向に対する撓動性を備え、Ｙ方向に対する剛性を高めて伸縮が規制される構造となっている。枠状錘部１２は、基板１４に固定された４つの第２アンカー４２に対し第２バネ４１により支持されることによって、基板１４上に浮いた状態でＸ方向及びＺ方向に揺動可能に保持されている。
【００２５】
ここで、センサ１０は、Ｘ方向及びＺ方向の２方向に変位可能な枠状錘部１２をＸ方向に振動させた状態でＹ方向を回転軸としたＹ軸回転（例えば、図中の回転を示す矢印の方向の回転）の角速度が加えられたときに、枠状錘部１２がコリオリ力（慣性力）によりＺ方向に変位するのを利用して角速度を検出する構成となっている。詳述すると、枠状錘部１２は、Ｘ方向で互いに対向する内周面に当該枠状錘部１２を能動的に振動させるための複数の駆動用可動電極４４が設けられている。駆動用可動電極４４の各々は、主面がＺ方向に沿った板状に形成され枠状錘部１２の内周面から中心Ｃ側に向かってＸ方向に沿って延設されている。枠状錘部１２は、駆動用可動電極４４がＹ方向に沿って等間隔に並んで形成された櫛歯状に構成されている。枠状錘部１２は、Ｘ方向で対向する櫛歯状の駆動用可動電極４４がセンサ１０の中心Ｃを通るＹ方向に沿った直線に対して対称な位置に形成されている。また、基板１４は、駆動用可動電極４４の各々のＹ方向の間となる位置に駆動用固定電極３４が設けられている。駆動用固定電極３４の各々は、基板１４に固定され、Ｙ方向において所定の隙間を設けて対向する駆動用可動電極４４と平行平板コンデンサを構成している。駆動用固定電極３４は、Ｘ方向の一端部に形成されたスルーホール３４Ａが基板１４上に形成された配線により外部回路に接続されている。そして、駆動用固定電極３４は、例えば、Ｘ方向の一方側に設けられた駆動用固定電極３４と他方側の駆動用固定電極３４とに互いに逆位相となる交流の駆動信号が外部回路から印加されることにより、各駆動用可動電極４４との間でＸ方向の静電気力を交互に発生させ、枠状錘部１２をＸ方向（図中の左右の振動方向）に振動させる。
【００２６】
また、センサ１０は、枠状錘部１２のコリオリ力によるＺ方向への変位量を検出するための複数の検出用可動電極４６及び検出用固定電極３６を有する。検出用可動電極４６の各々は、主面がＺ方向に沿った板状に形成され枠状錘部１２のＹ方向で互いに対向する内周面から中心Ｃ側に向かってＹ方向に沿って延設されている。検出用可動電極４６は、枠状錘部１２のＹ方向で互いに対向する内周面の各々において、中心Ｃを通るＹ方向及びＸ方向に沿った各々の直線に対して、Ｘ方向及びＹ方向の両側の領域（合計で４つの領域）の各々に線対称の位置に形成されている。枠状錘部１２の４つの領域の各々に形成された検出用可動電極４６は、Ｘ方向に沿って等間隔に並んで形成された櫛歯状に構成されている。また、基板１４は、検出用可動電極４６の各々のＸ方向の間となる位置に検出用固定電極３６が設けられている。検出用固定電極３６の各々は、基板１４に固定され、Ｘ方向において所定の隙間を設けて対向する検出用可動電極４６と平行平板コンデンサを構成している。検出用固定電極３６は、Ｙ方向の一端部に形成されたスルーホール３６Ａが基板１４上に形成された配線により外部回路に接続されている。
【００２７】
なお、上記したセンサ１０は、錘部１１、調整用可動電極２３、トーションバー２５及び枠状錘部１２が、例えば導電性を有する低抵抗なシリコン材料等からなり、第２バネ４１を介して第２アンカー４２のスルーホール４２Ａに電気的に接続されている。同様に、枠状錘部１２の駆動用可動電極４４及び検出用可動電極４６は、導電性を有する低抵抗なシリコン材料等からなり、第２バネ４１を介して第２アンカー４２のスルーホール４２Ａに電気的に接続されている。従って、各可動電極（調整用可動電極２３、駆動用可動電極４４及び検出用可動電極４６）は、スルーホール４２Ａを介して外部回路（図示略）に電気的に接続されている。
【００２８】
センサ１０は、Ｙ軸回転の角速度が加えられた枠状錘部１２がコリオリ力によりＺ方向に変位するのにともなって、枠状錘部１２と一体形成された検出用可動電極４６がＺ方向に変位する。センサ１０は、コリオリ力が加えられることによりＺ方向に変位する検出用可動電極４６と基板１４に固定された検出用固定電極３６との対向面の面積の増減に応じて、両電極で構成されるコンデンサの静電容量の変化量から角速度が検出される。センサ１０は、例えば、検出用可動電極４６及び検出用固定電極３６の間の静電容量の変化量が外部回路に出力され、外部回路がＣＶ変換により静電容量の変化量を電気信号に変換及び増幅等し角速度信号として抽出することによってＹ軸回転の角速度を検出する。
【００２９】
（トーションバー２５のバネ定数の調整について）
センサ１０は、角速度の検出動作において、例えば駆動用固定電極３４に外部回路から交流の駆動信号が入力されると、駆動用固定電極３４と駆動用可動電極４４との間にＸ方向の静電気力が発生し検出用可動電極４６を含む枠状錘部１２が振動する。センサ１０は、例えば、振動体である枠状錘部１２がＸ方向に対して周波数ｆ、振幅Ａで振動するものとする。この場合、枠状錘部１２のＸ方向の変位ｘと、Ｘ方向への速度ｖは、時間ｔを用いて次式で表される。
ｘ＝Ａｓｉｎ（２πｆｔ）
ｖ＝２πｆＡｃｏｓ（２πｆｔ）
【００３０】
センサ１０は、この状態で例えばＹ軸回転の角速度Ωが枠状錘部１２に加えられると、次式で表されるコリオリ力Ｆｃが枠状錘部１２に対してＺ方向に作用する。なお、ｍは枠状錘部１２の質量を示している。
Ｆｃ＝２＊ｍ＊Ω＊ｖ
ここで、センサ１０の感度ＳをＳ＝Ｆｃ／Ωとすると、上記した式から感度Ｓが周波数ｆに比例することがわかる。一般的に、角速度を検出するセンサ１０は、振動体である枠状錘部１２がＸ方向に振動するときの周波数ｆが共振周波数ｆｃ（＝√（Ｋｔ／ｍ）／（２＊π））で振動しているときに感度が向上する。このバネ定数Ｋｔは、枠状錘部１２をＸ方向に変位可能に保持する弾性部材のバネ定数の合計値である。本実施例のセンサ１０では、トーションバー２５のＸ方向のバネ定数をＫ１、第２バネ４１のＸ方向のバネ定をＫ２とすると、バネ定数Ｋｔが次式で表される。
Ｋｔ＝２Ｋ１＋４Ｋ２
なお、第１バネ２１は、Ｘ方向に対する剛性を高めて伸縮が規制される構造とされるため、Ｘ方向に対するバネ定数Ｋｔには影響を与えないものとする。
【００３１】
上記したように、センサ１０は、例えば、製造された段階で駆動用固定電極３４に対する電圧制御によって枠状錘部１２が共振周波数ｆｃで振動することが理想的である。しかしながら、特に、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるセンサ１０は、製造工程の精度の限界、例えばトーションバー２５や枠状錘部１２を形成するエッチングにおいて生じるトーションバー２５の太さや枠状錘部１２の膜厚にバラツキが生じる場合がある。このため、センサ１０は、製造された後にバネ定数Ｋｔを好適に調整可能な機構を備えることが望ましい。本実施例のセンサ１０は、バネ定数を調整する機構の一例として、トーションバー２５の構造的な変更やトーションバー２５に対する電気的な処理を必要とせずに、当該トーションバー２５のバネ定数Ｋ１を調整可能な機構を備える。
【００３２】
本実施例のセンサ１０の錘部１１は、外部回路により調整用固定電極３１と調整用可動電極２３との間に調整電圧が供給されると、静電気力によってモーメントが作用する。図２は、錘部１１が回転する状態を示す模式図であり、センサ１０の一部を示している。図２に示すように、調整用可動電極２３は、外部回路により調整用固定電極３１との間に調整電圧が供給されることによって静電気力が生じる。調整用固定電極３１は、調整用可動電極２３のＹ方向の先端部分とのみで対向している。従って、調整用可動電極２３は、Ｙ方向の先端部分のみに静電気力が加えられる。錘部１１は、Ｙ方向の両側に設けられた一対の調整用可動電極２３（図１参照）の各々の先端部分に静電気力が加えられるため、この調整用可動電極２３の基端部に接続された錘部１１にはてこの原理による外力が加えられる。外力が加えられた錘部１１は、図中に矢印で示すように、例えば、センサ１０の中心Ｃを通るＺ方向に沿った直線を回転軸として反時計回りの方向のモーメントが作用する。
【００３３】
トーションバー２５を第１アンカー２２（図１参照）に保持する第１バネ２１は、Ｘ方向に対する剛性を高めて伸縮が規制される構造となっている。従って、モーメントが作用する錘部１１は、Ｘ方向に対する変位が規制される。一方で、枠状錘部１２は、トーションバー２５の錘部１１に接続される第１端部２５Ａとは反対側の第２端部２５Ｂに接続され、第２アンカー４２（図１参照）と接続される第２バネ４１がＸ方向の撓動性を備えＹ方向に対する剛性を高めて伸縮が規制される構造となっている。従って、枠状錘部１２は、モーメントが作用する錘部１１に対してＹ方向に向かった変位が規制された状態のままＸ方向（図中の左方向）に向かって変位することとなる。その結果、トーションバー２５は、Ｘ方向の移動が規制された錘部１１に接続された第１端部２５Ａに対し、枠状錘部１２に接続された第２端部２５ＢがＸ方向に変位し全体の長さが伸びるように弾性変形することとなる。トーションバー２５は、例えば、錘部１１が回転する前のＹ方向に沿った長さＬが、調整用可動電極２３に静電気力が加えられることによって変化量ΔＬだけ伸びるように弾性変形する。トーションバー２５は、棒形状の両端部（第１端部２５Ａ及び第２端部２５Ｂ）が引っ張られることでバネ定数Ｋ１が大きくなる（硬くなる）。従って、センサ１０は、調整用固定電極３１及び調整用可動電極２３の間に供給する調整電圧を制御してトーションバー２５のバネ定数Ｋ１を調整することが可能となる。例えば、センサ１０は、調整用固定電極３１及び調整用可動電極２３の間に供給する調整電圧を制御して枠状錘部１２を所望の共振周波数ｆｃで振動させ感度の向上を図ることが可能となる。なお、トーションバー２５は、図１に示す第１バネ２１のようなＸ方向に蛇行しながらＹ方向にのびるようなバネとは異なり棒状に形成されているため、その棒状の両端部が引っ張られることでバネ定数Ｋ１が比較的大きく増大する傾向にある。
【００３４】
以上、上記した実施例によれば、以下の効果を奏する。
＜効果１＞本実施例のセンサ１０は、トーションバー２５の第１端部２５Ａに接続された錘部１１に調整用可動電極２３が形成されている。錘部１１は、調整用可動電極２３と、それに対向する調整用固定電極３１との間に外部回路から調整電圧が供給されることによって生じる静電気力が外力として加えられる。トーションバー２５は、錘部１１に接続される第１端部２５Ａとは反対側の第２端部２５Ｂが枠状錘部１２に接続されている。センサ１０は、錘部１１のＸ方向への変位が規制されている一方で、枠状錘部１２がＹ方向への移動が規制されつつＸ方向に揺動可能に保持されている。枠状錘部１２は、外力（モーメント）が作用する錘部１１に対してＹ方向に向かった変位が規制された状態のままＸ方向に向かって変位することとなる。その結果、トーションバー２５は、Ｘ方向の移動が規制された第１端部２５Ａに対し、第２端部２５ＢがＸ方向に変位し全体の長さＬが伸びるように弾性変形しバネ定数Ｋ１が大きくなる。つまり、センサ１０は、調整用固定電極３１及び調整用可動電極２３の間に供給する調整電圧を制御してトーションバー２５のバネ定数Ｋ１を調整することが可能となる。これにより、この構成では、トーションバー２５の長さＬを変更するなどの構造的な変更をする必要がなくトーションバー２５に外力を加えて弾性変形させバネ定数Ｋ１の調整を図ることが可能となる。また、この構成では、バネ定数Ｋ１の調整を図るためにトーションバー２５に直接行う電気的な処理、例えばトーションバー２５に対して直流電圧を印加するなどの処理が必要なく、スティッキングなどの不具合が発生する可能性が低減される。従って、この構成では、トーションバー２５の構造的な変更及びトーションバー２５に対する電気的な処理を必要とせずに、バネ定数Ｋ１を好適に調整することができる。
【００３５】
＜効果２＞調整用固定電極３１は、調整用可動電極２３のＹ方向の先端部分とのみで対向している。調整用可動電極２３は、調整用固定電極３１との間に調整電圧が供給されることによって生じる静電気力が先端部分のみに加えられる。錘部１１は、Ｙ方向の両側に設けられた一対の調整用可動電極２３の各々の先端部分に静電気力が加えられるため、この調整用可動電極２３の基端部に接続された錘部１１にはてこの原理による外力が加えられる。従って、調整用固定電極３１及び調整用可動電極２３は、同一の大きさの静電気力に基づいてより大きな外力を錘部１１に加えることが可能となる。これにより、センサ１０は、例えば電圧値がより小さい調整電圧に基づいて大きな外力を錘部１１に加えることができ、バネ定数の調整に必要な消費電力の低減が図れる。
【００３６】
＜効果３＞一対の調整用可動電極２３は、一方側の調整用可動電極２３をセンサ１０の中心Ｃを通るＺ方向に沿った直線を回転軸として１８０°回転させた位置が他方側の調整用可動電極２３の位置となる。調整用固定電極３１は、一対の調整用可動電極２３の両方をＸ方向の間に挟んで中心Ｃに対して点対称となる位置に設けられている。これにより、錘部１１は、Ｙ方向の両側に設けられた一対の調整用可動電極２３の各々の先端部分に静電気力が加えられ、センサ１０の中心Ｃを通るＺ方向に沿った直線を回転軸として反時計回りの方向の回転モーメントが作用する。このような構成では、調整用可動電極２３及び調整用固定電極３１の間に供給する調整電圧を制御して錘部１１に対して一対の調整用可動電極２３の両方から同一の大きさの回転モーメントを加えることができ、調整電圧の増減に合わせてトーションバー２５に安定的に外力を加えて変形させることが可能となる。
【００３７】
＜効果４＞本実施例の静電容量型の角速度センサ１０は、調整用固定電極３１及び調整用可動電極２３の間に供給する調整電圧を制御してトーションバー２５のバネ定数Ｋ１を調整することが可能となる。これにより、センサ１０は、調整用固定電極３１及び調整用可動電極２３の間に供給する調整電圧を制御して枠状錘部１２を所望の共振周波数ｆｃで振動させ感度の向上を図ることが可能となる。
【００３８】
尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施例では、錘部１１のＸ方向への移動を規制する一方で、枠状錘部１２をＸ方向に移動可能に保持したが、逆に、枠状錘部１２のＸ方向への移動を規制し錘部１１を移動可能にした構成としてもよい。また、バネ定数Ｋ１を調整する可動電極としての調整用可動電極２３を錘部１１に設けたが、枠状錘部１２にバネ定数Ｋ１を調整する可動電極を設けた構成としてもよい。また、上記実施例では、Ｙ方向に沿って延設されるトーションバー２５をＸ方向に捻るようにして変形させたが、トーションバー２５をＹ方向（延設される方向）に伸ばして変形させる構成でもよい。要は、弾性部材（トーションバー２５）に直接電圧を印加せず、静電気力に起因した外力を加えて弾性変形させる構成であれば適宜変更してもよい。
【００３９】
また、上記実施例では、本発明のバネ定数の調整を図るＭＥＭＳ構造体として、角速度センサを例に説明したが、バネ定数の調整が必要となる弾性部材を備える他のＭＥＭＳ構造体、例えば、加速度センサやマイクロアクチュエータに本発明を適用してもよい。
また、バネ定数を調整する対象となる弾性部材は、棒状のトーションバー２５に限らず、他の形状、例えば、第２バネ４１のように蛇行した形状のバネでもよい。
【００４０】
また、上記実施例のセンサ１０は、静電容量の変化量から角速度を検出する構成としたが、他の方法（抵抗素子の抵抗値の変化量など）を用いて角速度を検出する構成でもよい。
また、上記実施例では、導電性を有するトーションバー２５に調整用可動電極２３への調整電圧を印加する構成としたが、トーションバー２５を電気的に絶縁した構成でもよい。例えば、上記したセンサ１０の構成において、調整用可動電極２３に対する調整電圧の供給を第１アンカー２２から供給する構成でもよい。これにより、バネ定数を調整するトーションバー２５（弾性部材）を絶縁状態とし、静電気力に起因したスティッキングがトーションバー２５に発生するのを防止することが可能となる。
【００４１】
また、各部材の形状・構成等は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、駆動用可動電極４４及び検出用可動電極４６は、枠状錘部１２の外周面に形成してもよい。調整用可動電極２３及び調整用固定電極３１を複数組備えてもよい。トーションバー２５を１つだけ備えた構成でもよい。各部材を変位、振動させる方向は適宜変更してもよい。
【００４２】
ちなみに、角速度センサ１０は、角速度センサの一例である。錘部１１は、第１保持部の一例である。枠状錘部１２は、第２保持部及び第２保持部を含む可動部の一例である。調整用可動電極２３は、可動電極の一例である。トーションバー２５は、弾性部材の一例である。調整用固定電極３１は、固定電極の一例である。錘部１１を基板１４に対して保持する第１バネ２１及び第１アンカー２２は、規制手段の一例である。Ｘ方向は、第１方向の一例である。検出用固定電極３６及び検出用可動電極４６は、検出部の一例である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  静電容量型角速度センサ（センサ）、１１  錘部、１２  枠状錘部、２１  第１バネ、２２  第１アンカー、２３  調整用可動電極、２５  トーションバー、２５Ａ  第１端部、２５Ｂ  第２端部、３１  調整用固定電極、４１  第２バネ。
【図１】
2015075454.tif 000003
【図２】
2015075454.tif 000004