(57)【要約】【課題】センサチップの小型化と検出感度の向上を同時に実現することができる運動検出装置を提供する。【解決手段】一部が円弧状に形成されかつ内部に液体５が封入された流路４と、この流路４内に封入された液体５の物理的変化を、流路４の両端で液体５から受ける圧力の変化として検知する圧力検知部２，３を有するチップ１とを用いて運動検出装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液体が封入された流路と、
前記流路内に封入された前記液体の物理的変化を検知する検知手段と
を備える運動検出装置。
【請求項２】
前記検知手段は、前記流路の端部で前記液体から受ける圧力の変化を前記物理的変化として検知する
ことを特徴とする請求項１記載の運動検出装置。
【請求項３】
前記検知手段は、前記流路内における前記液体の動きを前記物理的変化として検知する
ことを特徴とする請求項１記載の運動検出装置。
【請求項４】
前記流路は、少なくとも一部が円弧状をなすように形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の運動検出装置。
【請求項５】
前記検知手段は、前記液体中に分散されかつ前記液体とは誘電率が異なる粒子の位置変動を前記流体の動きとして検知する
ことを特徴とする請求項３記載の運動検出装置。
【請求項６】
前記液体は、互いに誘電率が異なりかつ混じり合わない複数種の液体からなり、
前記検知手段は、前記複数種の液体の界面の位置変動を前記流体の動きとして検知する
ことを特徴とする請求項３記載の運動検出装置。
【請求項７】
前記検知手段は、前記流体の動きを静電容量の変化によって検知する
ことを特徴とする請求項３記載の運動検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動物体の運動を検出する際に用いられる運動検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度を検出するジャイロセンサを用いた運動検出装置は、撮像カメラの手ブレ補正や自動車のナビゲーションシステムなどに広く応用されている。一般に角速度は第１の軸に対して自励振動する錘体に、第１の軸に対して垂直な第２の軸方向の角速度が存在した場合に、第１の軸及び第２の軸の両方に垂直な方向に発生するコリオリ力による振動振幅を静電容量検出手段などを用いて検出する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、錘体に作用するコリオリ力を利用して角速度を検出する従来のセンサ構成では、実際に検出される角速度の感度が自励振動する錘体の質量に直接比例し、かつ錘体のサイズはジャイロセンサのチップサイズ（面積）に比例したものとなる。したがって、例えば、携帯電話などのモバイル機器に搭載するためにセンサチップを小型化しようとすると、これに伴うサイズの縮小によって錘体の質量が小さくなる。その結果、センサの検出感度が低下してしまう。また、錘体の質量低下を補うために錘体をより高速に振動させようとすると、錘体の振幅が小さくなるため、結果的に検出感度が低くなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る運動検出装置は、内部に液体が封入された流路と、この流路内に封入された液体の物理的変化を検知する検知手段とを備えるものである。
【０００５】
本発明に係る運動検出装置においては、流路内に封入された液体の物理的変化を検知手段で検知することにより、運動物体の運動を検出することが可能となる。また、検知手段をチップ上に形成し、このチップと分離して流路を形成することにより、検出感度を低下させることなくセンサチップを小型化することが可能となる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の運動検出装置によれば、センサチップの小型化と検出感度の向上を同時に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明の第１実施形態に係る運動検出装置の構成を示すもので、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）はその平面図である。図においては、平面視四角形（矩形）のチップ１上に２つの圧力検知部２，３が設けられている。また、チップ１上においては、各々の圧力検知部２，３にそれぞれ流路４の一端と他端が接続されている。流路４は、例えば断面円形のガラス管からなる管路によって形成されるものである。流路４の一部は円弧状に形成されている。この円弧状部分は、例えばチップ１の中心で交差（直交）しかつチップ１の辺と平行な水平面内の二軸をＸ軸及びＹ軸とすると、Ｙ軸と平行なＪ軸を中心として円弧状に形成されている。
【０００９】
流路４は一定（有限長）の閉じた形状に定義されている。また、流路４の内部には非圧縮性の液体（例えば、水、アルコール、油など）５が充填、封入されている。流路４の一端と他端はそれぞれ円形に開口しており、この開口部の内側に圧力検知部２，３が配置されている。また、チップ１上では各々の圧力検知部２，３が外側に露出した状態で配置され、そこに流路４を接続した状態では、この流路４内に封入された（閉じ込められた）液体５が圧力検知部２，３に接触した状態になっている。
【００１０】
ここで、圧力検知部２，３の具体的な構成について説明する。なお、圧力検知部２，３は互いに同様の構成を有するものである。図２は圧力検知部の構成例を示す断面図である。図において、チップ１のベースとなるシリコン基板６上には窒化シリコンからなる絶縁膜７が形成され、この絶縁膜７上に第１の電極部８と第２の電極部９とが形成されている。各々の電極部８，９は、例えばポリシリコンによって形成されるもので、互いに所定のギャップ（空間）１０を介して対向状態に配置されている。ギャップ１０は、例えば、第１の電極部８の上に二酸化シリコンからなる犠牲層を形成し、この犠牲層の上に第２の電極部９を形成した後、フッ酸溶液を用いたウェットエッチングにより犠牲層を取り除くことにより形成されるものである。
【００１１】
上記構成からなる圧力検知部に流路４の端部を接続した状態では、流路４内に封入された液体５が第２の電極部９に接触し、第１の電極部８と第２の電極部９との間のギャップ１０はそのまま空間として維持されている。このような接続状態は、例えば流路４の一端をチップ１上の圧力検知部２に接続した後、これらのチップ１と流路４を、予め液体５が入れられた液槽に浸漬させ、これによって空気を完全に取り除いた状態（流路４の内部が液体５で満たされた状態）で、流路４の他端を圧力検知部３に接続することにより得られる。
【００１２】
上記接続状態においては、流路４の一端部で圧力検知部２が液体５からの圧力を受けるとともに、流路４の他端部で圧力検知部３が液体５からの圧力を受けることになる。そうした場合、各々の圧力検知部２，３では、液体５から受ける圧力の大きさ（大小）に応じて第２の電極部９が可動する。すなわち、液体５から圧力を受けると、この圧力に押されて第２の電極部９の可動部（第１の電極部８と対向した部分）が第１の電極部８に近づく方向に可動（凹むように変形）する。このときの第２の電極部９の可動量は、液体５から受ける圧力の大きさに比例したものとなる。ただし、運動検出装置を搭載した運動物体が静止した状態では、各々の圧力検知部２，３に均等な圧力が加わるため、このときの圧力を基準に各々の圧力検知部２，３が液体５から受ける圧力の変化を検知することになる。
【００１３】
また、上述のように第２の電極部９が可動すると、これにしたがってギャップ１０の寸法（間隔）が変化する。具体的には、第２の電極部９が可動した分だけギャップ１０の寸法が小さくなる。このことから、相対向する２つの電極部（平行電極）８，９を静電コンデンサとして、それらの電極間に電源１１によって電圧を加えた場合、２つの電極部８，９で構成される静電コンデンサの静電容量はギャップ１０の寸法に依存したものとなる。すなわち、ギャップ１０の寸法が小さくなると、それにつれて静電容量は大きくなる。また、静電コンデンサの静電容量の大きさは、第１の電極部８と第２の電極部９との間に電圧を印加したときに流れる電流を電流計Ａで測定することにより検知することができる。以上のことから、電流計Ａを用いて静電コンデンサの静電容量の大きさを検出することにより、各々の圧力検知部２，３が液体５から受ける圧力の変化（物理的変化）を検知することが可能となる。
【００１４】
上記構成からなる運動検出装置においては、これを搭載する運動物体の回転運動や並進運動などによって装置自身に慣性力が働くと、各々の圧力検知部２，３が液体５から受ける圧力に変化が生じる。例えば、チップ１を水平に保持したままで運動物体をＺ軸方向の一方（上方）に移動（並進運動）させると、各々の圧力検知部２，３が受ける圧力は共に上昇する。また、チップ１を水平に保持したままで運動物体をＺ軸方向の他方（下方）に移動（並進運動）させると、各々の圧力検知部２，３が受ける圧力は共に低下する。また、運動物体をθ１方向に回転運動させると、圧力検知部２が受ける圧力は上昇し、圧力検知部３が受ける圧力は低下する。また、運動物体をθ２方向（θ１方向と逆方向）に回転運動させると、圧力検知部２が受ける圧力は低下し、圧力検知部３が受ける圧力は上昇する。したがって、各々の圧力検知部２，３が液体５から受ける圧力の変化を検知することにより、運動物体の回転運動や並進運動を検出することができる。また、各々の圧力検知部２，３が液体５から受ける圧力の大きさや、各々の圧力検知部２，３に生じる圧力差によって、運動物体の並進運動及び回転運動の加速度を検出することができる。
【００１５】
この運動検出装置によれば、運動物体が運動したときに慣性力を受ける質量体に、ジャイロセンサで使用している錘体ではなく液体５を使用し、しかもこの液体５を、圧力検知部２，３を含むチップ１とは別体の流路４に封入しているため、チップサイズに制限されることなく、流路４の形状や寸法などを任意に設定することができる。これにより、チップ１上に運動検出のための錘体を一体に形成する場合に比較して、チップ１を大幅に小型化することができる。また、液体５を封入した流路４をチップ１の外に配置することで、液体５の質量を大きく確保して検出感度を高めることができる。さらに、流路４に関しては、必ずしもチップ１上に形成する必要はなく、運動検出装置を搭載する運動物体製品（撮像カメラなど）の筐体に納めるように形成すればよい。実際に、製品の筐体部分にまで流路４を伸張するように形成した場合は、より大きな質量をもつ液体５を用いて圧力の変化を検知することができる。したがって、動きの遅い又は弱い運動体の運動に対しても、必要十分な検出感度をもって運動検出を行うことが可能となる。
【００１６】
また、従来ではＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical system)技術を用いてジャイロセンサなどの運動検出装置をチップ上に形成しているが、これと比較するとチップ上に錘体やこれを振動させる駆動部分が存在しないため、非常に高い信頼性が得られるとともに、運動検出のためのセンサ部（上記の例では圧力検出部）を安価に製造することができる。
【００１７】
また、本発明の応用例として、内部に液体を封入した流路と、この流路内に封入された液体の物理的変化（圧力変化など）を検知する検知手段を組み合わせた運動検出機能部を同一のチップ上に複数設けるとともに、流路の形状や向きを互いに変えて各々の運動検出機能部を構成することにより、方向性の異なる様々な運動を検出することが可能となる。
【００１８】
例えば、図３に示すように、Ｘ軸と平行な軸を中心とした円弧状部分を含む第１の流路１０１と、Ｙ軸に平行な軸を中心とした円弧状部分を含む第２の流路１０２と、Ｘ軸及びＹ軸に直交する軸に平行な軸を中心とした円弧状部分を含む第３の流路１０３を、それぞれ同一のチップ１０４上に配置するとともに、各々の流路１０１，１０２，１０３内に封入された液体から受ける圧力の変化を、それぞれの流路に対応する一対の圧力検知部１０１Ａ，１０１Ｂ、１０２Ａ，１０２Ｂ、１０３Ａ，１０３Ｂを用いて検知することにより、互いに直交する３軸方向の運動（回転運動、並進運動）を検出することが可能となる。
【００１９】
図４は本発明の第２実施形態に係る運動検出装置の構成を示す概略図である。図においては、円形の閉じたガラス管からなる流路２１内に、非圧縮性の液体（水、アルコール、油など）２２が封入されている。液体２２の中には、当該液体２２と誘電率が異なる複数（多数）の微小な粒子２３が混入されている。各々の粒子２３は、例えばテフロン（登録商標）製の球形の粒子からなるもので、液体２２の中では流路２１の長さ方向（円周方向）に均等な間隔で分散している。
【００２０】
また、流路２１の内部には、その長さ方向の一部に、互いに対向（対面）する状態で一対の電極部２４，２５が組み込まれている。一対の電極部２４，２５は、静電コンデンサを構成するもので、流路２１を形成するガラス管の内壁面上に形成配置されている。また、流路２１の内部では、そこに封入された液体２２が各々の電極部２４，２５に接触した状態になっている。さらに、一対の電極部２４，２５の間には、流路２１の外側から電源２６によって電圧が印加され、これによって流れる電流を電流計Ａで測定することにより、電極間の静電容量を検出し得る構成となっている。このように流路２１内に封入された液体２２の動き（物理的変化）を、静電容量の変化によって検知する検知手段は、図示しないチップ上に形成される。
【００２１】
ここで、図５に示すように、一対の電極部２４，２５の間隔（対向距離）をＬg、粒子２３の平均直径をＤ、流路２１の長さ方向における各々の電極部２４，２５の長さ（幅）をＷ、同方向における粒子２３の配列ピッチをＰとすると、これらの寸法の大小関係は、一対の電極部２４，２５の間を流路２１の長手方向に粒子２３が通過したときに、それらの電極間で静電容量が周期的に変化するように、例えばＬｇ＜（２×Ｄ）、Ｗ＜（２×Ｐ）の条件で設定されている。このような寸法関係に設定すれば、一対の電極部２４，２５の間に同時に２つ以上の粒子２３が介在することはない。そのため、流路２１内で一対の電極部２４，２５の間を粒子２３が移動した際には、粒子２３の移動個数に応じた振幅数と粒子２３の移動速度に応じた周期をもって、電極間の静電容量が周期的に変化するようになる。
【００２２】
上記構成からなる運動検出装置においては、これを搭載する運動物体の回転運動などによって装置自身に慣性力が働くと、この慣性力を受けて流路２１内の液体２２に動き（物理的変化）が生じる。液体２２の動きは、その液中に分散された粒子２３の位置変動となって現れる。このとき、流路２１内で一対の電極部２４，２５の間を各々の粒子２３が通過すると、これにしたがって電極間の静電容量が変化する。すなわち、流路２１内で流体２２が相対的に速く（素早く）動いた場合は、その分だけ単位時間内で一対の電極部２４，２５間を通過する粒子２３の個数が多くなる。また、流路２１内で流体２２が相対的に遅く（ゆっくり）動いた場合は、その分だけ単位時間内で一対の電極部２４，２５間を通過する粒子２３の個数が少なくなる。したがって、液体２２の動きが速い場合は、電極間に生じる静電容量が図６の実線のように短い周期で変化し、液体２２の動きが遅い場合は、電極間に生じる静電容量が図６の点線のように長い周期で変化する。よって、単位時間当たりの静電容量の変化の仕方から、運動物体の回転運動させたときの速さ（角加速度）を検出することができる。
【００２３】
この運動検出装置によれば、運動物体が運動したときに慣性力を受ける質量体に、ジャイロセンサで使用している錘体ではなく液体２２を使用し、しかもこの液体２２を、静電容量を検知機能を有するチップ（不図示）とは別体の流路２１に封入しているため、チップサイズに制限されることなく、流路２１の形状や寸法などを任意に設定することができる。これにより、チップ上に運動検出のための錘体を一体に形成する場合に比較して、チップを大幅に小型化することができる。また、液体２２を封入した流路２１をチップの外に配置することで、液体２２の質量を大きく確保して検出感度を高めることができる。さらに、流路２１に関しては、必ずしもチップ上に形成する必要はなく、運動検出装置を搭載する運動物体製品（撮像カメラなど）の筐体に納めるように形成すればよい。また、従来ではＭＥＭＳ技術を用いてジャイロセンサなどの運動検出装置をチップ上に形成しているが、これと比較するとチップ上に錘体やこれを振動させる駆動部分が存在しないため、非常に高い信頼性が得られるとともに、運動検出のためのセンサ部（上記の例では静電容量の検知部）を安価に製造することができる。
【００２４】
図７は本発明の第３実施形態に係る運動検出装置の構成を示す概略図である。図においては、円形の閉じたガラス管からなる流路３１内に、非圧縮性の液体３２が封入されている。液体３２は、互いに誘電率が異なりかつ混じり合わない２種類の液体３２Ａ，３２Ｂによって構成されている。例えば、２種類の液体３２Ａ，３２Ｂのうち、一方は水で構成され、他方は油で構成されている。また、流路３１を垂直に立てて配置した状態では、流路３１の内部で各々の液体３２Ａ，３２Ｂが互いの容量や比重などに対応した位置でバランス状態（均衡状態）となって静止する。この静止状態において、液体３２Ａ，３２Ｂが接触する２つの界面３３，３４のうち、一方の界面３３が存在する位置には一対の電極部３５，３６が流路３１を挟んで対向する状態に設けられている。
【００２５】
一対の電極部３５，３６は、静電コンデンサを構成するもので、上記静止状態で液体３２Ａ，３２Ｂの一方の界面３３を、自身の電極間に挟むようにして流路（ガラス管）３１の外壁面上に形成配置されている。また、上記静止状態においては、一対の電極部３５，３６の間で、流路３１の長さ方向の中間部に界面３３が位置するように配置されている。さらに、一対の電極部３５，３６の間には、流路３１の外側から電源３７によって電圧が印加され、これによって流れる電流を電流計Ａで測定することにより、電極間の静電容量を検出し得る構成となっている。このように流路３１内に封入された液体３２の動き（物理的変化）を、静電容量の変化によって検知する検知手段は、図示しないチップ上に形成される。また、図７においては、液体３２Ａ，３２Ｂの界面３３，３４がそれぞれ流路３１の上端及び下端に位置するときに静止状態（バランス状態）となる場合を想定している。
【００２６】
上記構成からなる運動検出装置においては、これを搭載する運動物体の回転運動などによって装置自身に慣性力が働くと、この慣性力を受けて流路３１内の液体３２Ａ，３２Ｂに動き（物理的変化）が生じる。液体３２Ａ，３２Ｂの動きは、互いの界面３３，３４の位置変動となって現れる。このとき、一対の電極部３５，３６の間で界面３３の位置が変動すると、その電極間に占める液体３２Ａ，３２Ｂの容積比が変化する。すなわち、液体３２Ａの誘電率ε1と液体３２Ｂの誘電率ε2との大小関係がε1＞ε2の条件のもとで、界面３３の位置がＲ１方向（図の時計回り方向）に変化した場合は、一対の電極部３５，３６の間で液体３２Ａが占める容積比が増加するため、その分だけ一対の電極部３５，３６の間の静電容量が減少し、界面３３の位置がＲ２方向（図の反時計回り方向）に変化した場合は、一対の電極部３５，３６の間で液体３２Ａが占める容積比が増加するため、その分だけ一対の電極部３５，３６の間の静電容量が増加する。
【００２７】
また、一対の電極部３５，３６の間の静電容量は界面３３の位置変動にしたがって変化する。例えば、流路３１内で流体３２が相対的に速く（素早く）動いた場合は、図８の実線で示すように、一対の電極部３５，３６及び３７，３８の間で静電容量の変化が急激に現れ、流路３１内で流体３２が相対的に遅く（ゆっくり）動いた場合は、図８の破線で示すように、一対の電極部３５，３６及び３７，３８の間で静電容量の変化が緩やかに現れる。よって、単位時間当たりの静電容量の変化の仕方から、運動物体の回転運動させたときの速さ（角加速度）を検出することができる。また、各々の電極間における静電容量の変化の仕方から、運動物体を回転運動させたときの方向性を検出することができる。
【００２８】
この運動検出装置によれば、運動物体が運動したときに慣性力を受ける質量体に、ジャイロセンサで使用している錘体ではなく液体３２を使用し、しかもこの液体３２を、静電容量を検知機能を有するチップ（不図示）とは別体の流路３１に封入しているため、チップサイズに制限されることなく、流路３１の形状や寸法などを任意に設定することができる。これにより、チップ上に運動検出のための錘体を一体に形成する場合に比較して、チップを大幅に小型化することができる。また、液体３２を封入した流路３１をチップの外に配置することで、液体３２の質量を大きく確保して検出感度を高めることができる。さらに、流路３１に関しては、必ずしもチップ上に形成する必要はなく、運動検出装置を搭載する運動物体製品（撮像カメラなど）の筐体に納めるように形成すればよい。また、従来ではＭＥＭＳ技術を用いてジャイロセンサなどの運動検出装置をチップ上に形成しているが、これと比較するとチップ上に錘体やこれを振動させる駆動部分が存在しないため、非常に高い信頼性が得られるとともに、運動検出のためのセンサ部（上記の例では静電容量の検知部）を安価に製造することができる。
【００２９】
なお、上記第３実施形態においては、流路３１内に２種類の液体３２Ａ，３２Ｂを封入するものとしたが、３種類以上の液体３２Ａ，３２Ｂを封入してもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る運動検出装置の構成を示す図である。
【図２】圧力検知部の構成例を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る運動検出装置の応用例を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る運動検出装置の構成を示す概略図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る運動検出装置の要部拡大図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る運動検出装置で検知される静電容量の変化を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る運動検出装置の構成を示す概略図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る運動検出装置で検知される静電容量の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…チップ、２，３…圧力検知部、４，２１，３１…流路、５，２２，３２，３２Ａ，３２Ｂ…液体、８，９，２４，２５，３５，３６…電極部、１１，２６，３７…電源、２３…粒子、Ａ…電流計
【図１】
2005195480.tif 000003
【図２】
2005195480.tif 000004
【図３】
2005195480.tif 000005
【図４】
2005195480.tif 000006
【図５】
2005195480.tif 000007
【図６】
2005195480.tif 000008
【図７】
2005195480.tif 000009
【図８】
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