(57)【要約】【課題】重錘体である振動子を挟んで駆動電極と検出電極と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】振動子１０は、保持部材１６を介して第１の基板１４と第２の基板１５に挟まれるように配置され、駆動電極１１は、振動子１０の第１の面Ａに対向して第１の基板１４上に設けられ、検出電極１２（１２ａ〜１２ｅ）は、振動子の第２の面Ｂに対向して第２の基板１５上に設けられている。駆動された振動子１０に生じたコリオリ力による変位状態を、振動子１０と第１のＸ軸用検出電極１２ａと間に構成される容量素子Ｃ１及び振動子１０と第２のＸ軸用検出電極１２ｂ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Ｘ軸の角速度成分を正確に測定することができる。同様にしてＹ軸の角速度成分を正確に測定することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と第２の面を有する変位可能な重錘体である振動子と、該振動子の前記第１の面に対向して配置された第１の電極と、前記振動子の前記第２の面に対向して配置された第２の電極とを備え、前記振動子に生じた変位状態を前記振動子と前記電極との間の静電容量の変化として検出するようにしたことを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記振動子は、保持部材を介して第１の基板と第２の基板に挟まれるように配置され、前記第１の電極は、前記振動子の第１の面に対向して前記第１の基板上に設けられ、前記第２の電極は、前記振動子の第２の面に対向して前記第２の基板上に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】
前記第１の電極は、前記振動子を変位させる駆動電極であ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】
前記第２の電極は、前記振動子の前記第２の面とで容量素子を構成し、前記振動子の変位状態に基づく該振動子の前記第２の面との間の静電容量変化を測定する検出電極であることを特徴とする請求項３に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記第２の電極は、Ｘ軸用検出電極とＹ軸用検出電極とＺ軸用検出電極とを備えていることを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記振動子と前記保持部材との間に梁部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記振動子は、前記梁部材の交点に配置された中心部を有するとともに、前記保持部材と前記梁部材に沿って前記中心部からクローバ型に配置された周辺部を有することを特徴とする請求項６に記載の角速度センサ。
【請求項８】
前記梁部材は、前記振動子の中心部から前記保持部材の対角線方向に沿って、前記振動子の隣接する前記周辺部に挟まれるように配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の角速度センサ。
【請求項９】
前記第２の電極の形状は、前記クローバ型に配置された前記振動子の前記周辺部に相似形の形状であることを特徴とする請求項７又は８に記載の角速度センサ。
【請求項１０】
前記第２の電極は、前記振動子を変位させる駆動電極であ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１１】
前記第１の電極は、前記振動子の前記第１の面とで容量素子を構成し、前記振動子の変位状態に基づく該振動子の前記第１の面との間の静電容量変化を測定する検出電極であることを特徴とする請求項１０に記載の角速度センサ。
【請求項１２】
前記第１の電極は、Ｘ軸用検出電極とＹ軸用検出電極とＺ軸用検出電極とを備えていることを特徴とする請求項１１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、重錘体である振動子を挟んで駆動電極と検出電極と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、特許文献１の図７に示された従来の角速度センサの側断面図である。可撓性を有する円盤状の変位基板１１０と剛性を有する固定基板１２０とを対向させて装置筐体１４０で支持し、変位基板１１０に振動子１３０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１３０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１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２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２の図２７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及び２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】
【特許文献１】特開平１０−２２７６４４号公報
【特許文献２】特開２００７−４６９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した特許文献１及び２のものは、駆動電極と検出電極とは同じ面にあるため、重錘体を振動させるための駆動電極と検出電極が寄生容量によりカップリングしている。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。
【００１０】
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が同一面上に配置されていたため、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るため、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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、重錘体である振動子を挟んで駆動電極と検出電極と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】
【００１３】
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の面（Ａ）と第２の面（Ｂ）を有する変位可能な重錘体である振動子（１０）と、該振動子の前記第１の面に対向して配置された第１の電極（１１）と、前記振動子の前記第２の面に対向して配置された第２の電極（１２）とを備え、前記振動子に生じた変位状態を前記振動子と前記電極との間の静電容量の変化として検出するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
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、前記振動子（１０）は、保持部材（１６）を介して第１の基板（１４）と第２の基板（１５）に挟まれるように配置され、前記第１の電極（１１）は、前記振動子の第１の面（Ａ）に対向して前記第１の基板（１４）上に設けられ、前記第２の電極（１２）は、前記振動子の第２の面（Ｂ）に対向して前記第２の基板（１５）上に設けられていることを特徴とする。
【００１５】
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、前記第１の電極（１１）は、前記振動子（１０）を変位させる駆動電極であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第２の電極（１２）は、前記振動子の前記第２の面とで容量素子を構成し、前記振動子の変位状態に基づく該振動子の前記第２の面との間の静電容量変化を測定する検出電極であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記第２の電極（１２）は、Ｘ軸用検出電極とＹ軸用検出電極とＺ軸用検出電極とを備えていることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記振動子（１０）と前記保持部材（１６）との間に梁部材（１３）を設けたことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記振動子は、前記梁部材の交点に配置された中心部（１０ｅ）を有するとともに、前記保持部材と前記梁部材に沿って前記中心部からクローバ型に配置された周辺部（１０ａ〜１０ｄ）を有することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の発明において、前記梁部材は、前記振動子の中心部から前記保持部材の対角線方向に沿って、前記振動子の隣接する前記周辺部に挟まれるように配置されていることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載の発明において、前記第２の電極（１２ａ乃至１２ｄ）の形状は、前記クローバ型に配置された前記振動子の前記周辺部に相似形の形状であることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第２の電極（１２）は、前記振動子（１０）を変位させる駆動電極であることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、前記第１の電極（１１）は、前記振動子の前記第１の面とで容量素子を構成し、前記振動子の変位状態に基づく該振動子の前記第１の面との間の静電容量変化を測定する検出電極であることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の発明において、前記第１の電極（１１）は、Ｘ軸用検出電極とＹ軸用検出電極とＺ軸用検出電極とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、第１の面と第２の面を有する変位可能な重錘体である振動子と、この振動子の第１の面に対向して配置された駆動電極と、振動子の第２の面に対向して配置された検出電極とを備えたので、駆動電極と検出電極とを同一面上に配置することなく、重錘体を挟んで駆動電極と検出電極とを配置したので、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を実現することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。  
図２は、本発明の角速度センサの一実施例を示す概念図で、図３は、本発明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。
【００２７】
本発明の角速度センサの振動子１０（１０ａ乃至１０ｅ）は、保持部材１６を介して第１の基板（ガラス基板）１４と第２の基板（ガラス基板）１５に挟まれるように配置され、第１の面Ａと第２の面Ｂとを有する変位可能な重錘体である。第１の電極である駆動電極１１は、振動子１０の第１の面Ａに対向して第１の基板１４上に配置されている。第２の電極である検出電極１２（１２ａ乃至１２ｅ）は、振動子１０の第２の面Ｂに対向して第２の基板１５上に配置されている。なお、１２ａは第１のＸ軸用検出電極、１２ｂは第１のＹ軸用検出電極、１２ｃは第２のＸ軸用検出電極、１２ｄは第２のＹ軸用検出電極、１２ｅはＺ軸用検出電極である。なお、符号２１はシリコンピラー、２２は貫通穴、２３，２４は引き回し電極を示している。
【００２８】
また、振動子１０と保持部材１６との間には梁部材１３が設けられている。梁部材１３ｄａは、重錘体１０ｄと重錘体１０ａに挟まれ、梁部材１３ａｂは、重錘体１０ａと重錘体１０ｂに挟まれ、梁部材１３ｂｃは、重錘体１０ｂと重錘体１０ｃに挟まれ、梁部材１３ｃｄは、重錘体１０ｃと重錘体１０ｄに挟まれた梁部材である。
【００２９】
また、振動子１０は、梁部材１３の交点に配置された中心部１０ｅを有するとともに、保持部材１６と梁部材１３に沿って中心部１０ｅからクローバ型に配置された周辺部１０ａ乃至１０ｄを有している。
【００３０】
また、梁部材１３は、振動子１０の中心部１０ｅから保持部材１６の略対角線方向に沿って、振動子１０の隣接する周辺部１０ａ乃至１０ｄに挟まれるように配置されている。
【００３１】
また、検出電極１２ａ乃至１２ｄの形状は、クローバ型に配置された振動子１０の周辺部１０ａ乃至１０ｄに相似形の形状である。
【００３２】
このような構成により、駆動された振動子１０に生じたコリオリ力による変位状態を、振動子１０と第１のＸ軸用検出電極１２ａと間に構成される容量素子Ｃ１及び振動子１０と第２のＸ軸用検出電極１２ｃ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。
【００３３】
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た。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。
【００３４】
同様に、駆動された振動子１０に生じたコリオリ力による変位状態を、振動子１０と第１のＹ軸用検出電極１２ｂと間に構成される容量素子Ｃ３及び振動子１０と第２のＹ軸用検出電極１２ｄ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。
【００３５】
さらに、駆動された振動子１０に生じたクーロン力による変位状態を、振動子１０とＺ軸用検出電極１２ｅと間に構成される容量素子Ｃ５により静電容量の変化として検出してＺ軸の振動の振幅を正確に測定することができる。重錘体の振動の振幅をＺ電極で測定することにより、交流電圧の振幅は、外乱により変動せず、振幅の大きさをモニタできるため、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することにより重錘体は同じ振動の大きさになっている。
【００３６】
図４（ａ），（ｂ）は、図３におけるガラス基板からの外部配線を示す図である。図４（ａ）は第１の基板に設けられた各検出電極の外部配線を示す図で、図４（ｂ）は第２の基板に設けられた駆動電極の外部配線を示す図である。保持部材１６と振動子１０との空隙部には６個のシリコンピラー２１が設けられ、このシリコンピラー２１に対応して第１の基板１５に６個の貫通穴２２が設けられ、この貫通穴２２にシリコンピラー２１が嵌め込まれている。各検出電極１２ａ乃至１２ｅからの引き回し電極は、図４（ａ）に示すように、貫通穴２２に嵌め込まれたシリコンピラー２１に導かれ、また、駆動電極１１からの引き回し電極２４は、図４（ａ）に示すように、シリコンピラー２１に導かれている。なお、符号２５は外部電極を示している。この図では、駆動電極はひとつの例であり、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、たとえば振動子に歳差運動させることにより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本発明は適用できる。
【００３７】
図５（ａ），（ｂ）は、容量変化と角速度との関係を示した特性図で、図５（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５（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５（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５（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。
【００３８】
なお、図１に示した本発明の実施例では、第１の基板１４上に駆動電極を配置し、第２の基板１５上に検出電極を配置しているが、第１の基板１４上に検出電極を配置し、第２の基板１５上に駆動電極を配置してもよい。
【００３９】
つまり、第２の電極１２側を、振動子１０を変位させる駆動電極とし、第１の電極１１側を、振動子１０の第１の面Ａとで容量素子を構成し、振動子１０の変位状態に基づく振動子１０の第１の面Ａとの間の静電容量変化を測定する検出電極とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】特許文献１の図７に示された従来の角速度センサの側断面図である。
【図２】本発明の角速度センサの一実施例を示す概念図である。
【図３】本発明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４】図３における基板からの外部配線を示す図である。（ａ）は第１の基板に設けられた各検出電極の外部配線を示す図で、（ｂ）は第２の基板に設けられた駆動電極の外部配線を示す図である。
【図５】容量変化と角速度との関係を示した特性図で、（ａ）は従来の角速度センサによる特性図、（ｂ）は本発明の角速度センサによる特性図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０（１０ａ乃至１０ｅ）  重錘体である振動子
１１  第１の電極である駆動電極
１２（１２ａ乃至１２ｅ）  第２の電極である検出電極
１３（１３ｄａ，１３ａｂ，１３ｂｃ，１３ｃｄ）  梁部材
１４  第１の基板（ガラス基板）
１５  第２の基板（ガラス基板）
１６  保持部材
２１  シリコンピラー
２２  貫通穴
２３，２４  引き回し電極
１１０  変位基板
１２０  固定基板
１３０  振動子
１４０  装置筐体
Ａ  振動子の第１の面
Ｂ  振動子の第２の面
【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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