(57)【要約】【課題】  検知性能が向上され、検知モードの変形について安定した構造を有する回転型ジャイロスコープを提供する。【解決手段】  本発明の回転型ジャイロスコープは基板と、中心平面に垂直の第１軸に関して加振運動を行うよう基板から一定間隔を隔てたまま放射状に延びている多数の駆動支持部を通して基板に支持された駆動体、電圧印加時駆動体を第１軸に関して有する運動させる駆動電極、および駆動体と一体に加振されると同時に、中心平面と並んだ任意の第２軸から角速度の入力時第１軸と第２軸に垂直の第３軸に関してコリオリ力による検知運動を発生するよう両端を駆動体と連結する検知連結部を通して駆動体と連結され駆動体内部に配置された検知体を含む構造物層、および構造物層の検知体の検知運動を検出するよう検知体と対応して検知体と一定間隔を隔てて配置された検知電極を備える構造物層を密閉するカバー層とを含む。【選択図】      図１ａ
2004271526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、 
中心平面に垂直の第１軸に関して加振運動を行うよう前記基板から一定間隔を隔てたまま、放射状に延びている駆動支持部を通して前記基板に支持された駆動体、電圧印加時前記駆動体を第１軸に関して加振運動させる駆動電極、および前記駆動体と一体に加振されると同時に、中心平面と並んだ任意の第２軸から角速度の入力時第１軸と第２軸に垂直の第３軸に関してコリオリ力による検知運動を発生するよう両端を前記駆動体と連結する検知連結部を通して前記駆動体と連結され前記駆動体内部に配置された検知体を含む構造物層と、 
該構造物層の前記検知体の検知運動を検出するよう前記検知体と対応して前記検知体と一定間隔を隔てて配置された検知電極を備え、前記構造物層を密閉するカバー層とを含むことを特徴とする回転型ジャイロスコープ。
【請求項２】
前記駆動体は、
前記基板から一定間隔を隔てた円形リムフレームと、 
前記円形リムフレームの外周縁に放射状に延びている多数の駆動アーム部を含むことを特徴とする請求項１に記載の回転型ジャイロスコープ。 
【請求項３】
前記駆動アーム部のそれぞれは多数の駆動アームを含み、それぞれ前記駆動アーム部の前記駆動アームの両面のうち片面に駆動アーム部単位で円周上の他の方向に交代に形成された可変駆動コームを有する多数の可変駆動コーム部を含むことを特徴とする請求項２に記載の回転型ジャイロスコープ。
【請求項４】
前記駆動電極は、 
前記駆動体の周りに配置された駆動電極パッド部と、 
それぞれ相応する前記可変駆動コーム部に対向して一定間隔を隔てて噛み合うよう円周方向に前記駆動電極パッド部に形成される多数の固定駆動コーム部を含むことを特徴とする請求項３に記載の回転型ジャイロスコープ。 
【請求項５】
前記駆動電極パッド部は前記駆動体の周りを４分割しつつ一定間隔を隔てて配置された長方形の四つの駆動電極パッドを含み、 
前記多数の固定駆動コーム部はそれぞれ相応する前記可変駆動コーム部の前記可変駆動コームと噛み合うよう前記駆動電極パッド単位で円周上の他の方向に交代にそれぞれの前記駆動電極パッドに形成された固定駆動コームを有する四つの固定駆動コーム部であることを特徴とする請求項４に記載の回転型ジャイロスコープ。
【請求項６】
前記構造物層は前記駆動体の加振運動を制御するための駆動検知部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の回転型 ジャイロスコープ。
【請求項７】
前記駆動検知部は、 
前記駆動体の周りに配置された駆動検知電極パッド部と、 
前記駆動体の周りに前記駆動検知電極パッド部に関して配置された少なくとも一つの検知アームおよび前記駆動支持部の支持アームに形成された多数の可変駆動検知コーム部と、
それぞれ相応する前記可変駆動検知コーム部に対向して一定間隔を隔てて噛み合うよう駆動検知電極パッド部に形成される多数の固定駆動検知コーム部を含むことを特徴とする請求項６に記載の回転型ジャイロスコープ。
【請求項８】
前記駆動検知電極パッド部は前記駆動体の周りを４分割しつつ一定間隔を隔てて配置された四つの駆動電極パッドの間で前記駆動体の周りを２分割しつつ一定間隔を隔てて配置された二つの駆動検知電極パッドを含み、
前記多数の固定駆動検知コーム部はそれぞれ相応する駆動検知電極パッドで同一な円周方向に形成された多数個の駆動検知コームを有する二つの固定駆動検知コーム部であることを特徴とする請求項７に記載の回転型ジャイロスコープ。 
【請求項９】
前記構造物層は、前記駆動体、前記駆動電極、および前記駆動支持部を取り囲み前記カバー層と接合される外郭支持部材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の回転型ジャイロスコープ。 
【請求項１０】
前記外郭支持部材、前記基板、前記構造物層および前記カバー層は長方形の外郭形状を有することを特徴とする請求項９に記載の回転型ジャイロスコープ。 
【請求項１１】
前記駆動支持部は、 
前記駆動体の外周縁に放射状に延びている多数の支持アームと、 
前記駆動体が第１軸に関して加振運動できるよう前記基板に支持された固定支持端と前記外郭支持部材のうち一つと前記支持アームを連結する多数の駆動バネを含むことを特徴とする請求項９に記載の回転型ジャイロスコープ。
【請求項１２】
前記駆動支持部は、前記外郭支持部材の対角線上に四つが配置されることを含むことを特徴とする請求項１１に記載の回転型ジャイロスコープ。
【請求項１３】
前記検知体は、中央に円形ホールを形成した円形ディスクを含むことを特徴とする請求項１に記載の回転型ジャイロスコープ。 
【請求項１４】
前記構造物層は、前記基板と前記カバー層とを連結するよう前記円形ホールと所定間隔を隔てたまま配置された固定支持部をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の回転型ジャイロスコープ。 
【請求項１５】
前記検知連結部は、前記検知体の両端を前記駆動体と連結する二つの検知バネを含むことを特徴とする請求項１に記載の回転型ジャイロスコープ。 
【請求項１６】
前記それぞれの検知バネは、一定長さと長方形の断面を有する１本のビーム、および一定長さと長方形の断面を有する２本以上のビームを少なくとも一つの連結台で連結したビーム構造物のうち一つを含むことを特徴とする請求項１５に記載の回転型ジャイロスコープ。
【請求項１７】
前記検知電極は、前記検知バネが置かれた軸を基準にして分離されるよう前記検知体に相応して前記カバー層に形成された二つの半円形の固定検知電極部を含むことを特徴とする請求項１６に記載の回転型ジャイロスコープ。  
【請求項１８】
それぞれの前記固定検知電極部は、前記構造物層に配置された相応する固定検知電極パッドと連結されるよう前記カバー層の内部面に沿って形成される一定幅を有する電極線を含むことを特徴とする請求項１７に記載の回転型ジャイロスコープ。   
【請求項１９】
前記カバー層は前記駆動電極を構成する駆動電極パッド、駆動検知部を構成するよう前記構造物層に配置された駆動検知電極パッド、および前記検知電極と連結されるよう前記構造物層に配置された固定検知電極パッドを外部と配線で連結するために前記駆動電極パッド、前記駆動検知電極パッド、および前記固定検知電極パッドに対応位置した前記カバー層の部分に形成された多数の貫通ホールを含むことを特徴とする請求項６に記載の回転型ジャイロスコープ。  
【請求項２０】
少なくとも前記駆動体と前記検知体を前記基板から一定間隔を隔てたまま流動させると同時に、少なくとも前記駆動電極、前記外郭支持部材、および前記駆動支持部を支持する固定支持端を前記基板に支持および前記基板から絶縁するよう前記基板と前記構造物層との間に配置された絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の回転型ジャイロスコープ。
【請求項２１】
前記基板、前記絶縁層、および前記構造物層はＳＯＩウェーハで形成され、前記カバー層はガラスはウェーハで形成されることを特徴とする請求項２０に記載の回転型ジャイロスコープ。
【請求項２２】
前記駆動体、前記駆動アーム部、前記駆動支持部、および前記検知体は重さを減少させ加振および検知運動を容易にすると同時に、前記絶縁層のエッチングを助けるために一定パターンに形成された多数のホールを含むことを特徴とする請求項２に記載の回転型ジャイロスコープ。
【請求項２３】
前記基板と前記絶縁層は１枚のガラスウェーハで形成され、前記構造物層はシリコンウェーハで形成され、前記カバー層はガラスウェーハで形成されることを特徴とする請求項２０に記載の回転型ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一定角度で動く質量体の回転共振(Rotational resonating)運動を用いて各種機器で発生する角速度(Angular velocity)を測定するためのジャイロスコープ(Gyroscopes)に係り、さらに詳しくは多軸角速度を一平面上で検知する回転型ジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ジャイロスコープは第１軸方向に一定に振動したり回転する質量体(mass)が第１軸方向について直角の第２軸方向で一定角速度で回転する力を受ける際、この二つの軸について直交する第３軸方向にコリオリ力(Coriolis force)が発生する原理を用いて、コリオリ力による質量体の変位を静電容量(Capacitance)の変化に変更して回転角速度を検出する。
【０００３】
このようなジャイロスコープはだいぶ前から船舶、航空機などで航法装置用核心部品として使用されてきており、今のところＭＥＭＳ(Micro Electromechanical System)技術の発達に伴って自動車の航法装置や、または高倍率ビデオカメラの手振れを検出してこれを補償する装置にも使用されている。
【０００４】
一般に、ＭＥＭＳ技術を用いたマイクロジャイロスコープはジャイロスコープの中心平面に垂直の入力角速度を測定できる形態が多用されている。このマイクロジャイロスコープの例はアメリカ特許第６、０６７、８５８号、第６、１２２、９６１号、第６、２４０、７８０号および韓国特許公開第２００１-５４６１号に開示されている。 
【０００５】
しかし、これらマイクロジャイロスコープは作製および駆動が容易であるが、ジャイロスコープの一平面上で２軸以上の角速度を測定できない短所がある。 
【０００６】
さらに詳しく説明すれば、このマイクロジャイロスコープを多軸角速度を測定するために使用する場合、検知および駆動質量体のような素子を垂直に配置する組立工程がさらに必要であり、またマイクロジャイロスコープのサイズも大きくなる問題点が発生する。
【０００７】
このような問題点を解決するため、一つの平面で多軸の角速度を測定できるマイクロジャイロスコープが提案された。このマイクロジャイロスコープの例はアメリカ特許第６、４４３、００８号、韓国特許公開第２０００-５０７６０号、ＷＯ ０１/２０２５９号、アメリカ特許第５、９５５、６６８号、Gary J．O'Brienなどの"デュアルアンカー支持部を有する角速度ジャイロスコープ"(Gary J．O'Brien、David J．Monk、and Khalil Najafi、"Angular rate gyroscope with dual anchor support"、Solind-State Sensor、Actuator and Microsystems Worshop、Hilton Head、pp．２８５-２８８、２００２)、およびアメリカ特許第６、３７４、６７２号に開示されている。 
【０００８】
しかし、アメリカ特許第６、４４３、００８号のマイクロジャイロスコープは駆動質量体を含む駆動部および検知質量体を含む検知部の運動が互いにカップル(Coupled)されていて駆動および検知周波数を調整し難い問題点があり、韓国特許公開第２０００-５０７６０９号のマイクロジャイロスコープは検知質量体の一平面がこれと向かい合う基板に位置した検知電極と一定間隔を維持するよう作製すべき製造工程上の問題と検知質量体と検知電極とにスティックション(Stiction)を引き起こす問題が残る。
【０００９】
一方、ＷＯ ０１/２０２５９号のマイクロジャイロスコープは浮揚力(Levitation force)を用いて駆動部をジャイロスコープの平面上の任意の一軸について一定角度で回転させて、ジャイロスコープの平面に垂直の軸について検知部の回転検知運動を発生させているが、コームタイプ(comb type)に比べて相対的に弱い浮揚力を使うので、性能が劣化する問題が残される。
【００１０】
アメリカ特許第５、９５５、６６８号のマイクロジャイロスコープはＷＯ ０１/２０２５９号のマイクロジャイロスコープと違って、駆動部をジャイロスコープの平面上に垂直の軸について回転させ、検知部の検知運動が平面上の任意の軸について回転させるため、韓国特許公開第２０００-５０７６０号のマイクロジャイロスコープのように基板に設けられる検知電極と検知部とにスティックションを引き起こす問題点がある。
【００１１】
特に、駆動部および検知部が全て回転運動するよう構成されたアメリカ特許第５、９５５、６６８号とＷＯ ０１/２０２５９号のマイクロジャイロスコープは同一な回転運動方式のアメリカ特許第６、４４３、００８号のマイクロジャイロスコープのカップル問題を解決するため、検知部の運動がデカップル(Decoupled)され、駆動部の運動がカップルされる構造を有している。しかし、このような構造は検知部の運動が駆動部の運動に影響されないとしても純粋コリオリ力を受ける部分が駆動部なので、コリオリ力が駆動部を通して検知部に伝達され、よって検知運動の効率性を劣化させる問題点がある。
【００１２】
Gary J．O'Brienなどのデュアルアンカー支持部を有する角速度ジャイロスコープは表面微細機械加工(Surface micro machining)技術を用いてジャイロスコープ構造物の厚さを数μｍで作製し、検知電極を上下層に配置しつつ駆動部を内部に配置してカップル運動を行うようにし、検知部を駆動部の周りに配置してカップル運動を行うよう構成される。しかし、このように検知部を駆動部の周りに配置する構成は検知モードの変形に脆弱な構造的な欠陥を示す。    
アメリカ特許第６、３７４、６７２号のマイクロジャイロスコープは駆動部を構成するため駆動体を有するウェーハの上下面のそれぞれに駆動電極と検知電極を有するウェーハを接着すべき製造工程が求められる。 
【特許文献１】アメリカ特許第６、０６７、８５８号
【特許文献２】アメリカ特許第６、１２２、9６１号
【特許文献３】アメリカ特許第６、２４０、７８０号
【特許文献４】韓国特許公開第２００１-５４６１号
【特許文献５】アメリカ特許第６、４４３、００８号
【特許文献６】韓国特許公開第２０００-５０７６０号
【特許文献７】ＷＯ ０１/２０２５９号、
【特許文献８】アメリカ特許第５、９５５、６６８号
【特許文献９】アメリカ特許第６、３７４、６７２号
【非特許文献１】Gary J．O'Brienなどの"デュアルアンカー支持部を有する角速度ジャイロスコープ"(Gary J．O'Brien、 David J．Monk、and Khalil Najafi、"Angular rate gyroscope with dual anchor support"、 Solind-State Sensor、 Actuator and Microsystems Workshop、Hilton Head、pp．２８５-２８８、２００２)、
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は前述したような問題点を解消するために案出されたもので、本発明の主な目的は検知性能を向上するために駆動部の運動がデカップルされ検知部の運動がカップルされるようにして検知部にもコリオリ力が働くようにすると同時に、検知モードの変形について安定した構造を提供するため検知部の周りに駆動部を配置するよう構成した多軸角速度を一つの平面上で検知する回転型ジャイロスコープを提供するところにある。
【００１４】
本発明の他の目的は検知部の運動が駆動部の運動に影響されるカップル問題を解決するために円形検知電極を有する回転型ジャイロスコープを提供するところにある。
【００１５】
本発明のさらに他の目的は検知電極と検知部との間を一定間隔を隔てて作製すべき製造工程上の問題と、検知部と検知電極とにスティックションを引き起こす問題を除去するために検知電極をカバー層に形成した回転型ジャイロスコープを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前述したような本発明の目的を達成するため、本発明は基板と、中心平面に垂直の第１軸に関して加振運動を行うよう基板から一定間を隔隔てたまま放射状に延びている駆動支持部を通して基板に支持された駆動体、電圧印加時駆動体を第１軸に関して加振運動させる駆動電極、および駆動体と一体に加振されると同時に中心平面と並んだ任意の第２軸から角速度の入力時第１軸と第２軸に垂直の第３軸に関してコリオリ力による検知運動を発生するよう両端を駆動体と連結する検知連結部を通して駆動体と連結され駆動体内部に配置された検知体を含む構造物層、および構造物層の検知体の検知運動を検出するよう検知体と対応して検知体と一定間隔を隔てて配置された検知電極を備えて構造物層を密閉するカバー層を含む回転型ジャイロスコープを提供する。
【００１７】
望ましい実施形態において、駆動体は基板から一定間隔を隔てた円形リムフレーム、および円形リムフレームの外周縁に放射状に延びている多数の駆動アーム部を備える。駆動アーム部のそれぞれは多数の駆動アームを含み、それぞれ駆動アーム部の駆動アームの両面のうち片面に駆動アーム部単位で円周上の他の方向に交代に形成された可変駆動コームを有する多数の可変駆動コーム部を備える。
【００１８】
駆動電極は駆動体の周りに配置された駆動電極パッド部、およびそれぞれ相応する可変駆動コーム部に対向して一定間隔を隔てて噛み合うよう円周方向に駆動電極パッド部に形成される多数の固定駆動コーム部を備える。 
【００１９】
駆動電極パッド部は駆動体の周りを４分割しつつ一定間隔を隔てて配置された長方形の四つの駆動電極パッドで構成され、多数の固定駆動コーム部はそれぞれ相応する可変駆動コーム部の可変駆動コームと噛み合うよう駆動電極パッド単位で円周上の他の方向に交代にそれぞれの駆動電極パッドに形成された固定駆動コームを有する四つの固定駆動コーム部で構成されることが望ましい。
【００２０】
構造物層は駆動体の加振運動を制御するための駆動検知部をさらに含む。駆動検知部は駆動体の周りに配置された駆動検知電極パッド部、駆動体の周りに駆動検知電極パッド部に関して配置された少なくとも一つの検知アームおよび駆動支持部の支持アームに形成された多数の可変駆動検知コーム部、およびそれぞれ相応する可変駆動検知コーム部に対向して一定間隔を隔てて噛み合うよう駆動検知電極パッド部に形成される多数の固定駆動検知コーム部を備える。 
【００２１】
駆動検知電極パッド部は駆動体の周りを４分割しつつ一定間隔を隔てて配置された四つの駆動電極パッド間で駆動体の周りを２分割しつつ一定間隔を隔てて配置された二つの駆動検知電極パッドで構成され、多数の固定駆動検知コーム部はそれぞれ相応する駆動検知電極パッドで同一な円周方向に形成された多数個の駆動検知コームを有する二つの固定駆動検知コーム部で構成されることが望ましい。 
【００２２】
構造物層は駆動体、駆動電極、および駆動支持部を取り囲んでカバー層と接合される外郭支持部材をさらに含む。 
【００２３】
本実施形態において、外郭支持部材は長方形の外郭形状を有するよう構成される。従って、基板、構造物層およびカバー層は長方形の外郭形状を有する。 
【００２４】
駆動支持部は駆動体の外周縁に放射状に延びている多数の支持アーム、および駆動体が第１軸に関して加振運動できるよう基板に支持された固定支持端と外郭支持部材のうち一つと支持アームを連結する多数の駆動バネを備える。この場合、駆動支持部は外郭支持部材の対角線上に四つが配置されることが望ましい。
【００２５】
検知体は中央に円形ホールを形成した円形ディスクで構成される。円形ホールには基板とカバー層を連結する固定支持部が円形ホールと所定間隔を隔てたまま配置される。
【００２６】
検知連結部は検知体の両端を駆動体と連結する二つの検知バネで構成される。検知バネのそれぞれは一定長さと長方形の断面を有する１本のビームで構成したり、一定長さと長方形の断面を有する２本以上の少なくとも一つの連結台で連結したビーム構造物で構成できる。
【００２７】
検知電極は検知バネが位置した軸を基準にして分離されるよう検知体に相応してカバー層に形成された二つの半円形の固定検知電極部で構成される。 
【００２８】
それぞれの固定検知電極部は構造物層で配置された相応する固定検知電極パッドと連結されるようカバー層の内部面に沿って形成される一定幅を有する電極線を備える。  
【００２９】
また、カバー層は駆動電極パッド、駆動検知電極パッド、および固定検知電極パッドを外部と配線で連結するために駆動電極パッド、駆動検知電極パッド、および固定検知電極パッドに対応位置した前記カバー層の部分に形成された多数の貫通ホールを備える。 
【００３０】
本実施形態において基板と構造物層との間には少なくとも駆動体と検知体が基板から一定間隔を隔てたまま流動させると同時に、少なくとも駆動電極、外郭支持部材、および駆動支持部を支持する固定支持端を基板に支持および基板から絶縁する絶縁層が配置される。
【００３１】
基板、絶縁層、および構造物層はＳＯＩウェーハで形成され、カバー層はガラスウェーハで形成されることが望ましい。この際、駆動体の円形リムフレーム、駆動アーム、駆動支持部の支持アーム、および検知体の円形ディスクは重さを減少させ加振および検知運動を容易にすると同時に、絶縁層のエッチングを助けるために一定パターンに形成された多数のホールを有する。
【００３２】
選択的に、基板と絶縁層は１枚のガラスウェーハで形成され、構造物層はシリコンウェーハで形成され、カバー層はガラスウェーハで形成できる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の回転型ジャイロスコープは駆動体の運動がデカップルされ検知体の運動がカップルされるようにして検知体にもコリオリ力が働くようにすることで検知性能がアップされるだけではなく、検知体の周りに駆動体を配置するよう構成して検知モードの変形に対して安定した構造を提供する。
【００３４】
また、本発明の回転型ジャイロスコープは検知電極が円形で構成されるので、検知体の運動が駆動体の運動に影響されるカップル問題を取り除く効果を発揮する。
【００３５】
それから、本発明の回転型ジャイロスコープは検知電極をカバー層に形成することによって、検知電極と検知体との間を一定間隔を隔てて作製すべき製造工程上の問題と、検知体と検知電極とにスティックションを引き起す問題を除去できることが分かる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、添付した図面に基づき本発明に係る回転型ジャイロスコープを詳述する。
【００３７】
図１ａおよび図１ｂを参照すれば、本発明の望ましい実施形態による回転型ジャイロスコープ１０が例示されている。
【００３８】
本発明の回転型ジャイロスコープ１０は、基板１、基板１の上面に配置された絶縁層２、構造物層３及びカバー層４を含む。構造物層３は、駆動支持部３４、駆動体(driving element)３３、駆動電極３５、検知連結部３２及び検知体(sensing element)３１を含む。カバー層４は検知電極４１を含み、構造物層３を密閉する。駆動体(driving element)３３は、中心平面に垂直のZ軸に関して回転する加振運動６３(図５および図６ａ)を行うよう絶縁層２によって基板１から一定間隔を隔てられており、放射状に延びている駆動支持部３４を通して基板１に支持されている。駆動電極３５は、電圧印加時に駆動体３３をＺ軸に関して加振運動させる。検知体(sensing element)３１は、駆動体３３と一体に加振されると同時に中心平面と並んだ任意の一軸、例えばＸ軸から角速度６１(図５)の入力時にＺ軸とＸ軸に垂直のＹ軸に関してコリオリ力による検知運動６２(図６ｂ)を発生するように、両端を検知連結部３２を通して駆動体３３と連結され、駆動体３３内部に配置されている。検知電極４１は、構造物層３の検知体３１の検知運動を検出するよう検知体３１と対応して検知体３１と一定間隔を隔てて配置されている。
【００３９】
基板１、絶縁層２、構造物層３およびカバー層４はそれぞれ長方形の外郭形状を有するよう構成される。 
【００４０】
絶縁層２は加振運動を行う駆動体３３と検知運動を行う検知体３１を受け入れて流動できるようにする長方形の内部受入溝２１を有する。 
【００４１】
さらに詳しく説明すれば、内部受入溝２１は図２ａに関して後述する駆動体３３の円形リムフレーム３３'、駆動アーム３３ａａ、３３ａｂ、３３ａｃ;３３ｂａ、３３ｂｂ、３３ｂｃ;３３ｃａ、３３ｃｂ、３３ｃｃ;３３ｄａ、３３ｄｂ、３３ｄｃ、第１、第２、第３および第４支持アーム３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、第１および第２検知アーム３６ｃ、３６ｄおよび検知体３１の円形ディスク３１ａを含む構造物層３の可変部分が位置する領域に対応して形成される。
【００４２】
従って、後述する外郭支持部材３８、第１、第２、第３、および第４駆動電極パッド３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、第１および第２駆動検知電極パッド３６ａ、３６ｂ、第１および第２固定検知電極パッド３７ａ、３７ｂ、および第１、第２、第３、および 第４固定支持端３４ａ''、３４ｂ''、３４ｃ''、３４ｄ''を含む構造物層３の固定部分は絶縁層２によって構造的に支持および電気的に絶縁される。
図２ａおよび図２ｂに示した通り、構造物層３の駆動体３３は基板１から一定間隔を隔てた円形リムフレーム３３'、および円形リムフレーム３３'の外周縁に一定間隔、例えば９０°間隔を隔てて放射状に延びている第１、第２、第３および第４駆動アーム部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄを備える。
第１、第２、第３および第４駆動アーム部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄはそれぞれ第１、第２および第３駆動アーム３３ａａ、３３ａｂ、３３ａｃ;３３ｂａ、３３ｂｂ、３３ｂｃ;３３ｃａ、３３ｃｂ、３３ｃｃ;または３３ｄａ、３３ｄｂ、３３ｄｃで構成される。
【００４３】
また、第１、第２、第３および第４駆動アーム部３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄはそれぞれ相応する駆動アーム部３３ａ、 ３３ｂ、３３ｃ、または３３ｄの相応する第１、第２および第３駆動アーム３３ａａ、３３ａｂ、３３ａｃ;３３ｂａ、３３ｂｂ、３３ｂｃ;３３ｃａ、３３ｃｂ、３３ｃｃ;または３３ｄａ、３３ｄｂ、３３ｄｃの両面のうち片面に駆動アーム部単位で円周上の他の方向に交代に形成された三つの可変駆動コーム３３ａａ'、３３ａｂ'、３３ａｃ';３３ｂａ'、３３ｂｂ'、３３ｂｃ';３３ｃａ'、３３ｃｂ'、３３ｃｃ';または３３ｄａ'、３３ｄｂ'、３３ｄｃ'で構成された第１、第２、第３および第４可変駆動コーム部３３ａ'、３３ｂ'、３３ｃ'、３３ｄ'を備える。また、円形リムフレーム３３'の外周縁には後述する駆動支持部３４の第１、第２、第３および第４支持アーム３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄが形成され、第１、第２、第３および第４支持アーム３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄのうち第２および第３ 支持アーム３４ｂ、３４ｃの両面には第５、第６、第７および第８可変駆動コーム部３３ｅ、３３ｆ、３３ｇ、３３ｈが形成されている。
【００４４】
駆動電極３５はそれぞれ駆動体３３の円形リムフレーム３３'の周りを４分割しつつ一定間隔、例えば９０°の間隔を隔てて配置された長方形の第１、第２、第３および第４駆動電極パッド３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、および第１、第２、第３および第４可変駆動コーム部３３ａ'、３３ｂ'、３３ｃ'、３３ｄ'に対向して一定間隔を隔てて噛み合うよう第１、第２、第３および第４駆動電極パッド３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄのそれぞれに形成される第１、第２、第３および第４固定駆動コーム部３５ａ'、３５ｂ'、３５ｃ'、３５ｄ'を備える。
【００４５】
図５に示した通り、第１および第２駆動電極パッド３５ａ、３５ｂは後述するカバー層４の貫通ホール４３(図４)を介して連結された配線を通して第１駆動用直流電源５１ａと第１交流電源５２ａに連結され、第３および第４駆動電極パッド３５ｃ、３５ｄは第２駆動用直流電源５１ｂと第２交流電源５２ｂに連結される。
【００４６】
第１および第２駆動用直流電源５１ａ、５１ｂと第１および第２交流電源５２ａ、５２ｂは、駆動制御回路部７０が設けられた基板（図示せず）に公知の方法で設けられ、駆動制御回路部７０により制御される。
【００４７】
再び図２ａおよび図２ｂを参照すれば、第１、第２、第３および第４固定駆動コーム部３５ａ'、３５ｂ'、 ３５ｃ'、３５ｄ'はそれぞれ第１、第２、第３および第４可変駆動コーム部３３ａ'、３３ｂ'、３３ｃ'、３３ｄ'の可変駆動コーム３３ａａ'、３３ａｂ'、３３ａｃ';３３ｂａ'、３３ｂｂ'、３３ｂｃ';３３ｃａ'、３３ｃｂ'、３３ｃｃ';または３３ｄａ'、３３ｄｂ'、３３ｄｃ'と第２および第３支持アーム３４ｂ、３４ｃの第５、第６、第７および第８可変駆動コーム部３３ｅ、３３ｆ、３３ｇ、３３ｈのうち一つのコームと噛み合うよう配置された四つのコーム３５ａａ'、３５ａｂ'、３５ａｃ'、３５ａｄ';３５ｂａ'、３５ｂｂ'、３５ｂｃ'、３５ｂｄ'; ３５ｃａ'、３５ｃｂ'、３５ｃｃ'、３５ｃｄ';または３５ｄａ'、３５ｄｂ'、３５ｄｃ'、３５ｄｄ'で構成される。 
【００４８】
従って、電源印加時、駆動体３３は第１および第２直流電源５１ａ、５１ｂと第１および第２交流電源５２ａ、５２ｂによって第１、第２、第３および第４固定駆動コーム部３５ａ'、３５ｂ'、３５ｃ'、３５ｄ'と第１、第２、第３および第４可変駆動コーム部３３ａ'、３３ｂ'、３３ｃ'、３３ｄ'間で発生する静電力によって後述する駆動支持部３４の第１、第２、第３および第４駆動バネ３４ａ'、３４ｂ'、３４ｃ'、３４ｄ'を弾性的に変形して、図５および図６ａに示したようにＺ軸に関して一定角度で回転する加振運動６３を行う。
【００４９】
構造物層３は駆動体３３の駆動を制御するための駆動検知部３６をさらに含む。 
駆動検知部３６は駆動体３３の円形リムフレーム３３'の周りを４分割する第１、第２、第３および第４駆動電極パッド３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ間で円形リムフレーム３３'の周りを２分割しつつ一定間隔を隔てて配置された第１および第２駆動検知電極パッド３６ａ、３６ｂと、駆動支持部３４の第１、第２、第３および第４支持アーム３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄのうち第１および第４支持アーム３４ａ、３４ｄの片面に形成された第１および第４可変駆動検知コーム部３４ａ'''、３４ｄ'''と第１および第４支持アーム３４ａ、３４ｄの近傍で円形リムフレーム３３'の周りに形成された第１および第２検知アーム３６ｃ、３６ｄの片面に形成された第２および第３可変駆動検知コーム部３６ｃ'、３６ｄ'、およびそれぞれ第１および第２可変駆動検知コーム部３４ａ'''、３６ｃ'および第３および第４可変駆動検知コーム部３６ｄ'、３４ｄ'''と対向して一定間隔を隔てて噛み合うよう第１および第２駆動検知電極パッド３６ａ、３６ｂのそれぞれに形成される第１および第２固定駆動検知コーム部３６ａａ、３６ａｂと第３および第４固定駆動検知コーム部３６ｂａ、３６ｂｂを備える。  
【００５０】
図５に示した通り、第１および第２駆動検知電極パッド３６ａ、３６ｂは駆動制御回路部７０に連結されている。
【００５１】
駆動制御回路部７０は第１および第２可変駆動検知コーム部３４ａ'''、３６ｃ'と第１および第２固定駆動検知コーム部３６ａａ、３６ａｂ間および第３および第４可変駆動検知コーム部３６ｄ'、３４ｄ'''と第３および第４固定駆動検知コーム部３６ｂａ、３６ｂｂ間で発生する静電容量の変化を検知して駆動電極３５の第１、第２、第３および第４駆動電極パッド３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに印加される電圧を制限して駆動体３３の加振運動を制御する。
【００５２】
再び図２ａおよび図２ｂを参照すれば、構造物層３は駆動体３３、駆動電極３５および駆動支持部３４を取り囲み、カバー層４と接着される外郭支持部材３８をさらに含む。外郭支持部材３８は長方形の外郭形状を有するよう構成される。 
【００５３】
駆動支持部３４は前述した通り、円形リムフレーム３３'の外周縁に放射状に延びている第１、第２、第３および第４支持アーム３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、および駆動体３３の円形リムフレーム３３'がＺ軸に関して加振できるよう第１および第４支持アーム３４a、３４ｄを絶縁層２に支持された第１および第２固定支持端３４ａ''、３４ｄ''と連結する第１および第４駆動バネ３４ａ'、３４ｄ'と第２および第３支持アーム３４ｂ、３４ｃを外郭支持部材３８に連結された第３および第４固定支持端３４ｂ''、３４ｃ''と連結する第２および第３駆動バネ３４ｂ'、３４ｃ'を備える。 
【００５４】
構造物層３の円形リムフレーム３３'の外周縁で外郭支持部材３８と第２および第３駆動バネ３４ｂ'、３４ｃ'の間にはカバー層４が外郭支持部材３８と接合される際後述する第１および第２電極線４２ａ、４２ｂ(図４)と連結される固定検知電極パッド部３７の第１および第２固定検知電極パッド３７ａ、３７ｂが配置されている。  
【００５５】
図５に示した通り、第１および第２固定検知電極パッド３７ａ、３７ｂは検知電極用直流電源５３によって直流電源が供給され、後述する検知体３１の検知運動６２(図６ｂ)によって変化する第１および第２固定検知電極部４１ａ、４１ｂ(図４)の静電容量を電圧信号として検出して角速度を検出する公知の検知回路部８０に連結されている。 
【００５６】
再び図２ａおよび図２ｂを参照すれば、検知体３１は中央に円形ホール３１ｂを形成した円形ディスク３１ａで構成される。 
【００５７】
図１ｂに示した通り、円形ホール３１ｂにはカバー層４を中央で固定および支持するため、絶縁層２の第１支持部２２とカバー層４の第２支持部４４とを連結する固定支持部３９が円形ホール３１ｂと所定間隔を隔てたまま配置される。
【００５８】
検知連結部３２は検知体３１の円形ディスク３１ａの両端を駆動体３３の円形リムフレーム３３'と連結する第１および第２検知バネ３２ａ、３２ｂで構成される。 
【００５９】
第１および第２検知バネ３２ａ、３２ｂはそれぞれ一定長さと長方形の断面を有する１本のビームで構成したり、図３に示した通り、一定長さと長方形の断面を有する２本のビーム３２ａ'を多数の連結台３２ｂ'で連結したビーム構造物で構成できる。
【００６０】
従って、駆動体３３がＺ軸に関して一定角度で回転する加振運動６３を行う状態で、構造物層３の中心平面に並んだ任意のＸ軸から入力角速度６１(図５)が検知体３１に加わると、図６ｂに示した通り、 検知体３１はコリオリ力によってＺ軸とＸ軸に垂直のＹ軸に関して回転する検知運動６２を行う。
【００６１】
このような検知体３１の検知運動６２は後述する検知電極４１の第１および第２固定検知電極部４１ａ、４１ｂの静電容量の変化を誘導し、この静電容量の変化は検知回路部８０によって角速度を算出する電圧信号として検出される。 
【００６２】
図４を参照すれば、カバー層４の内部が概略的に例示されている。
【００６３】
カバー層４の内部に配置された検知電極４１は第１および第２検知バネ３２ａ、３２ｂを基準に分離されるよう検知体３１の円形ディスク３１ａに対向してカバー層４に形成された半円状の第１および第２固定検知電極部４１ａ、４１ｂで構成される。 
【００６４】
検知電極４１を円形に形成した理由は、検知体３１がカップルされていて検知体３１の運動がこれより数百倍ないし数千倍大きい駆動体３３の運動に影響されるため、このような影響を無くすためである。
【００６５】
これに対する検証解析のため、図７ａおよび図７ｂに示した通り、検知体３１と検知電極４１を円形と定義した時、検知体３１の運動による検知電極４１の静電容量(Ｃ)を示す下記数式(１)に基づき、検知電極４１の外径ｒ１および内径ｒ２がそれぞれ０μｍおよび５００μｍ、駆動体３３の回転角度(φ)が０．５°、および検知体３１の回転角度(θ)が０．５°の場合、検知電極４１の静電容量(Ｃ)を計算した結果、駆動体３３の駆動運動がない時と比較して０．００３％変化されたことと現れた。
【００６６】
【数１】
2004271526.tif 000003
ここで、εは誘電率、
φ１およびφ２は駆動運動を考慮した有効検知電極４１の下限および上限角度、 
θはコリオリ力によって発生する検知体３１の回転角度、
ｒ１およびｒ２は検知電極４１の内径および外径、および
ｇ０は初期検知体３１と検知電極４１との間隙である。
【００６７】
従って、本発明の検知電極４１の形状は駆動体３３の駆動運動にほとんど影響されないことと考えられる。  
【００６８】
図７ａにおいて、ｒ０とｒ、およびΔｈ０とΔｈφはそれぞれ、検知体３１が初期位置に置かれた状態で検知体３１がコリオリ力によってθ°回転した時と検知体３１が駆動体３３によってφ°回転した状態で検知体３１がコリオリ力によってｒ°回転した時検知体３１の半径と回転高さを表示し、ｇは検知体３１が駆動体３３によってφ°回転した状態で検知体３１がコリオリ力によってｒ°回転した時検知体３１と検知電極４１との間隙を表示する。 
【００６９】
また、検知電極４１が円形ディスク３１ａと一定した間隙ｇ０を設けるようカバー層４に形成されるため、検知電極４１と検知体３１とを一定間隔を隔てるよう作製すべき製造工程上の問題と、検知体３１と検知電極４１とにスティックションを引き起こす問題を防止することができる。
【００７０】
第１および第２固定検知電極部４１ａ、４１ｂはカバー層４が構造物層３に接合される際、それぞれ構造物層３で円形リムフレーム３３'の外周縁に配置された固定検知電極パッド部３７の第１および第２固定検知電極パッド３７ａ、３７ｂと連結されるようカバー層４の内部面４５に沿って形成される一定幅を有する第１および第２電極線４２ａ、４２ｂを備える。  また、カバー層４は第１、第２、第３、および第４駆動電極パッド３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、第１および第２駆動検知電極パッド３６ａ、３６ｂ、および第１および第２固定検知電極パッド３７ａ、３７ｂを外部と配線で連結するため、第１、第２、第３、および第４駆動電極パッド３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、第１および第２駆動検知電極パッド３６ａ、３６ｂ、および第１および第２固定検知電極パッド３７ａ、３７ｂと対応したカバー層４の部分に形成された多数の貫通ホール４３を備える。  
【００７１】
また、駆動体３３と検知体３１の重さを減少させ運動を容易にするため、駆動体３３の円形リムフレーム３３'、駆動アーム３３ａａ、３３ａｂ、３３ａｃ;３３ｂａ、３３ｂｂ、３３ｂｃ;３３ｃａ、３３ｃｂ、３３ｃｃ;３３ｄａ、３３ｄｂ、３３ｄｃ、駆動支持部３４の第１、第２、第３および第４支持アーム３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、第１および第２検知アーム３６ｃ、３６ｄおよび検知体３１の円形ディスク３１ａは一定したパターン、例えば放射状パターンに形成された多数のエッチングホール６５を有する。 
【００７２】
エッチングホール６５はジャイロスコープ１０の駆動時駆動体３３と検知体３１の重さを減少させ運動を容易にする役割を果たす他、ジャイロスコープ１０の作製時、絶縁層２の内部受入溝２１を形成する際、エッチングホール６５によって露出された絶縁層２の領域およびその一定周辺領域、すなわち円形リムフレーム３３'、駆動アーム３３ａａ、３３ａｂ、３３ａｃ;３３ｂａ、３３ｂｂ、３３ｂｃ;３３ｃａ、３３ｃｂ、３３ｃｃ;３３ｄａ、３３ｄｂ、３３ｄｃ、第１、第２、第３および第４支持アーム３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、第１および第２検知アーム３６c、３６dおよび円形ディスク３１ａを含む構造物層３の可変部分が位置する絶縁層２の領域をエッチングガスで除去することを助ける役割を果たす。 
【００７３】
従って、エッチングホール６５がない、外郭支持部材３８、第１、第２、第３、および第４駆動電極パッド３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、第１および第２駆動検知電極パッド３６ａ、３６ｂ、第１および第２固定検知電極パッド３７ａ、３７ｂ、および 第１、第２、第３および第４固定支持端３４ａ''、３４ｂ''、３４ｃ''、３４ｄ''を含む構造物層３の固定部分が位置した絶縁層２の領域は構造物物３の固定部分を構造的に支持し電気的に絶縁するよう除去されず残されるようになる。
【００７４】
以上、本発明のジャイロスコープ１０は基板１、絶縁層２、構造物層３およびカバー層４が別の部品で構成されることと説明したが、実際作製時には基板１、絶縁層２、および構造物層３はシリコンウェーハの片面を酸化させ絶縁層を形成してからもう一枚のシリコンウェーハを取り付けたＳＯＩ(silion on insulator)ウェーハで形成し、カバー層４はガラス(Glass)ウェーハで形成した後、これら二枚のウェーハを接合することによって作製したり、基板１とカバー層４はそれぞれガラスウェーハで形成し、構造物層３はシリコンウェーハで形成した後、これら三枚のウェーハを接合することによって作製されることと理解すべきである。
【００７５】
この際、後者の作製方法では基板１と絶縁層２は一枚のガラスウェーハで形成される。例えば、別の絶縁層２が形成されず基板１を形成するガラスウェーハに、構造物層３の可変部分が流動できる内部受入溝が形成される。    
【００７６】
このように構成された本発明の回転型ジャイロスコープの作用を図１ないし図６ｂを参照して詳述すれば次の通りである。
【００７７】
まず、第１および第２直流電源５１ａ、５１ｂと第１および第２交流電源５２ａ、５２ｂを通して駆動電極３５の第１、第２、 第３および第４駆動電極パッド３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに電圧が印加されれば、駆動体３３は図５および図６ａに示した通り、第１、第２、第３および第４固定駆動コーム部３５ａ'、３５ｂ'、３５ｃ'、３５ｄ'と第１、第２、第３および第４可変駆動コーム部３３ａ'、３３ｂ'、３３ｃ'、３３ｄ'間で発生する静電力によって駆動支持部３４の第１、第２、第３および第４駆動バネ３４ａ'、３４ｂ'、３４ｃ'、３４ｄ'を弾性的に変形してＺ軸に関して検知体３１と共に一定角度、例えば０．５°で回転する加振運動６３を行う。
この際、第１および第２駆動検知電極パッド３６ａ、３６ｂに連結された駆動制御回路部７０は第１および第２可変駆動検知コーム部３４ａ'''、３６ｃ'と第１および第２固定駆動検知コーム部３６ａａ、３６ａｂ間および第３および第４可変駆動検知コーム部３６ｄ'、３４ｄ'''と第３および第４固定駆動検知コーム部３６ｂａ、３６ｂｂ間で発生する静電容量の変化を検知し、よって駆動電極３５の第１、第２、第３および第４駆動電極パッド３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄに印加される電圧を制限して駆動体３３の運動を制御する。
【００７８】
このように駆動体３３がＺ軸に関して一定角度で回転する加振運動６３を行う状態で、図５および図６ａに示した通り、構造物層３の中心平面に並んだ任意のＸ軸から入力角速度６１がジャイロスコープ１０の構造物層３に加わると、構造物層３の検知体３１と駆動体３３はＺ軸とＸ軸に垂直のＹ軸に関して回転するコリオリ力を受けるようになる。
【００７９】
この際、駆動体３３は駆動支持部３４の四つの駆動バネ３４ａ'、３４ｂ'、３４ｃ'、３４ｄ'に支持されＹ軸回転運動を行えないよう拘束されるが、検知体３１はＹ軸上に配置された第１および第２検知バネ３２ａ、３２ｂによってＹ軸に関して一定角度、例えば０．００１°で回転捻れの検知運動６２を行う。
【００８０】
このような検知体３１の検知運動６２は検知電極４１の第１および第２固定検知電極部４１ａ、４１ｂの静電容量の変化を誘導し、この静電容量の変化は固定検知電極パッド部３７の第１および第２固定検知電極パッド３７ａ、３７ｂを通して第１および第２固定検知電極部４１ａ、４１ｂに連結された検知回路部８０によって角速度を算出する電圧信号として検出される。   
【００８１】
以上本発明の特定の望ましい実施形態について示しかつ説明した。しかし、本発明は前述した実施形態に限らず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨と思想を逸脱せず当該発明に属する技術分野において通常の知識を持つ者ならば誰でも多様な変形実施が可能であろう。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は自動車の航法装置や、高倍率ビデオカメラのような各種機器から発生する多軸角速度を一つの平面上で検知するジャイロスコープに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１ａ】本発明に係る回転型ジャイロスコープの分解斜視図。
【図１ｂ】本発明に係る回転型ジャイロスコープの部分切開斜視図。
【図２ａ】図１ａおよび図１ｂに示したジャイロスコープの構造物層の平面図。
【図２ｂ】図１ａおよび図１ｂに示したジャイロスコープの構造物層の斜視図。
【図３】図２ａおよび図２ｂに示したジャイロスコープの構造物層の検知連結部の検知バネの斜視図である。
【図４】図１ａおよび図１ｂに示したジャイロスコープのカバー層の内部を示す平面図である。
【図５】図１ａおよび図１ｂに示したジャイロスコープの構造物層の電気的連結関係を示す回路図である。
【図６ａ】図２ａおよび図２ｂに示したジャイロスコープの構造物層の駆動体の加振運動示す概略平面図。
【図６ｂ】図２ａおよび図２ｂに示したジャイロスコープの構造物層の検知体の検知運動を示す概略平面図。
【図７ａ】図１ａおよび図１ｂに示したジャイロスコープのカバー層の検知電極の構造解析のための概念図。
【図７ｂ】図１ａおよび図１ｂに示したジャイロスコープのカバー層の検知電極の構造解析のための概念図。
【符号の説明】
【００８４】
１:  基板                                  
２:  絶縁層
３:  構造物層                              
４:  カバー層
１０:  ジャイロスコープ                    
３１:  検知体 
３１ａ:  円形ディスク                      
３２:  検知連結部
３２ａ、３２ｂ:  検知バネ                        
３３:  駆動体 
３３':  円形リムフレーム                     
３４:  駆動支持部
３４ａ'、３４ｂ'、３４ｃ'、３４ｄ':  駆動バネ               
３５:  駆動電極
３６:  駆動検知部                          
３７:  固定検知電極パッド部
３８:  外郭支持部材                        
４１:  検知電極
５１ａ、５１ｂ、５３:  直流電源                   
５２ａ、５２ｂ:  交流電源
【図１ａ】
2004271526.tif 000004
【図１ｂ】
2004271526.tif 000005
【図２ａ】
2004271526.tif 000006
【図２ｂ】
2004271526.tif 000007
【図３】
2004271526.tif 000008
【図４】
2004271526.tif 000009
【図５】
2004271526.tif 000010
【図６ａ】
2004271526.tif 000011
【図６ｂ】
2004271526.tif 000012
【図７ａ】
2004271526.tif 000013
【図７ｂ】
2004271526.tif 000014