(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠部と該枠部の内側に設けられた振動片と該振動片及び前記枠部を挟持するように設けられた一対の基材との３層構造とされ、
前記枠部と、前記振動片と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片を駆動する駆動用電極と、該駆動用電極に駆動信号を供給する駆動用線路部と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片の駆動方向と直交する方向の変位を検出する検出用電極と、該検出用電極からの検出信号を伝送する検出用線路部とを備え、前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する第１の遮蔽部材が設けられるとともに、
前記振動片、前記駆動用線路部、前記検出用線路部および前記第１の遮蔽部材がともに前記基材間において同一平面上に形成され、
前記駆動用電極と前記検出用電極とが前記振動片と対向して配置された各基材上に設けられ、該基材上の前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、前記第１の遮蔽部材が設けられ、
前記一方の基材の外側に外部接続用パッド部が設けられ、前記一方の基材と前記他方の基材との間に介在される前記駆動用線路部または前記検出用線路部を介して前記駆動用電極または前記検出用電極が前記外部接続用パッド部に接続されてなり、
前記枠部、前記振動片、前記駆動用線路部の一部、前記検出用線路部および前記第１の遮蔽部材がともに同じ導電性材料からなり、前記振動片の側方側に前記枠部から前記振動片側に一体に延出形成されて前記第１の遮蔽部材が複数設けられてなることを特徴とするジャイロスコープ。
【請求項２】
前記複数の遮蔽部材間または前記遮蔽部材と前記枠部の間に前記一方の基板側のパッド部と前記他方の基板側の電極とを接続するための線路部が前記一方の基材と前記他方の基材に挟まれるように配置されてなることを特徴とする請求項１記載のジャイロスコープ。
【請求項３】
前記導電性材料がシリコンであることを特徴とする請求項１または２記載のジャイロスコープ。
【請求項４】
前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部がいずれも１枚のシリコン基板をエッチングにより加工して得られ、これにより前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部が同一平面上に形成されるとともに、これらを一対の基材により両側から挟持して前記基材がパッケージを兼ねてなることを特徴とする請求項３記載のジャイロスコープ。
【請求項５】
枠部と該枠部の内側に設けられた振動片と該振動片及び前記枠部を挟持するように設けられた一対の基材との３層構造とされ、
前記枠部と、振動片と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片を駆動する駆動用電極と、該駆動用電極に駆動信号を供給する駆動用線路部と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片の駆動方向と直交する方向の変位を検出する検出用電極と、該検出用電極からの検出信号を伝送する検出用線路部とを備え、前記駆動用電極または前記検出用電極の少なくとも一方が互いに分離された複数の電極からなり、これら複数の電極の隣接する電極間、もしくは該隣接する電極にそれぞれ接続される線路部間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する第２の遮蔽部材が設けられるとともに、
前記振動片、前記駆動用線路部、前記検出用線路部および前記第２の遮蔽部材がともに前記基材間において同一平面上に形成され、
前記駆動用電極と前記検出用電極とが前記振動片と対向して配置された各基材上に設けられ、該基材上の前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、前記第２の遮蔽部材が設けられ、
前記一方の基材の外側に外部接続用パッド部が設けられ、前記一方の基材と前記他方の基材との間に介在される前記駆動用線路部または前記検出用線路部を介して前記駆動用電極または前記検出用電極が前記外部接続用パッド部に接続されてなり、
前記枠部、前記振動片、前記駆動用線路部の一部、前記検出用線路部および前記第２の遮蔽部材がともに同じ導電性材料からなり、前記振動片の側方側に前記枠部から前記振動片側に一体に延出形成されて前記第２の遮蔽部材が複数設けられてなることを特徴とするジャイロスコープ。
【請求項６】
前記複数の遮蔽部材間または前記遮蔽部材と前記枠部の間に前記一方の基板側のパッド部と前記他方の基板側の電極とを接続するための線路部が前記一方の基材と前記他方の基材に挟まれるように配置されてなることを特徴とする請求項５記載のジャイロスコープ。
【請求項７】
前記導電性材料がシリコンであることを特徴とする請求項５または６記載のジャイロスコープ。
【請求項８】
前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部がいずれも１枚のシリコン基板をエッチングにより加工して得られ、これにより前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部が同一平面上に形成されるとともに、これらを一対の基材により両側から挟持して前記基材がパッケージを兼ねてなることを特徴とする請求項７記載のジャイロスコープ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか一項に記載のジャイロスコープを用いたことを特徴とする入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量検出型センサおよびジャイロスコープならびに入力装置に関し、特に静電容量検出型センサにおける外部取り出し電極周りの構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
片持ち梁やダイヤフラムなどの構造体を有し、加速度や圧力等の所望の力学量を検出するセンサが従来から知られている。この種のセンサでは、外力が働いた際に生じる片持ち梁やダイヤフラムの変形量を静電容量の変化量として検出する方式が従来から採用されている。この種のセンサの一例として、静電容量式加速度センサの例を図１０に示す。
【０００３】
図１０に示すセンサは、シリコン基板１０１とこれを挟持する２枚のガラス基板１０２，１０３から構成されている。シリコン基板１０１によって弾性部１０４（片持ち梁）、重錘１０５、導電柱１０６などが形成されており、弾性部１０４の先端に重錘１０５が加速度による慣性力を受けて変位可能に支持されている。また、各ガラス基板１０２，１０３上に重錘１０５と微小な間隙を介して対向する電極１０７，１０８がそれぞれ設けられており、重錘１０５が変位した際の重錘１０５−電極１０７，１０８間の静電容量の変化を検出信号として取り出すようになっている。両ガラス基板１０２，１０３とシリコン基板１０１とは陽極接合により気密状態に接合されているが、センサ内部の重錘１０５や電極１０７，１０８との電気的導通を取る必要があるため、上側ガラス基板１０２に孔１０９が形成され、各孔１０９の表面には外部回路に接続するためのアルミニウムからなる導電層１１０，１１１が形成されている。導電層１１０は不純物層１１２を介して重錘１０５と電気的に接続され、導電層１１１は不純物層１１３を介して導電柱１０６と電気的に接続されている。さらに、導電柱１０６は電極１０７，１０８と電気的に接続されている。
【０００４】
この種のセンサは、マイクロマシニング技術を用いたマイクロセンサとして実現される。その場合、片持ち梁やダイヤフラム等の構造体にシリコン基板が用いられ、これを挟持する支持体にはガラス基板が用いられることが多い。シリコン基板は半導体製造技術を用いて微細加工が可能な材料であるし、ガラス基板は陽極接合法を用いてシリコン基板と容易に接合可能な材料だからである。また、シリコン基板の両面をガラス基板で封止することによって、センサのパッケージを構成することにもなる。この構成を採用した場合、上述したように、パッケージ内に封入されたシリコンからなる構造体や電極との導通を取るために、ガラス基板に開けた孔に形成した導電体、シリコン基板で形成した導電柱、いわゆるフィードスルーと呼ばれる電気信号の取り出し部などが必要になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の静電容量検出型センサには、検出信号として電気信号を外部に取り出す際に電気的ノイズが発生し、Ｓ／Ｎ比が劣化して検出感度が低下する、という問題があった。
【０００６】
これは、外力が働く前に片持ち梁やダイヤフラムを予め運動（振動）させておくタイプのセンサの場合、特に顕著な問題となる。なぜならば、この種のセンサは、検出用電極に加えて、片持ち梁やダイヤフラムを駆動するための駆動用電極を有している。ところが、マイクロセンサの場合、微小寸法の中に検出用電極と駆動用電極が近接して形成されることが多く、検出用電極と駆動用電極が容量結合された状態となっている。そのため、駆動用電極に駆動信号を供給した際に、その信号の影響を受けて検出用電極に不要の電圧が誘導され、電気的ノイズが発生するからである。さらに、上記の例のように、フィードスルーにより検出信号を取り出す場合には、駆動用、検出用各々のフィードスルー間の寄生容量という形でも電気的ノイズが発生する。
【０００７】
このように駆動用電極と検出用電極を兼備したセンサの例として、導電性を有するシリコン等の材料からなる音叉を用いたジャイロスコープが知られている。このジャイロスコープは、音叉の脚を一方向に振動（駆動）させ、振動中に脚の長手方向を中心軸とする角速度が入力された際にコリオリ力によって生じる前記振動方向と垂直な方向の振動を検出するものである。コリオリ力により生じる振動の大きさは角速度の大きさに対応するので、このジャイロスコープを角速度センサとして用いることができ、例えばパソコンの座標入力装置等に適用することができる。
【０００８】
このジャイロスコープにおいては、検出感度向上のために様々な工夫がなされてきたが、検出感度のより一層の向上が望まれている。検出感度のさらなる向上を実現するには、ジャイロスコープにおいても上記電気的ノイズの問題を避けて通ることはできない。また、各種センサの微細化がますます進んでいる現状を考えると、センサの駆動や検出の方式によっては、前述の駆動用電極−検出用電極間のみならず、駆動用電極−駆動用電極間、あるいは検出用電極−検出用電極間の容量結合による電気的ノイズの発生も無視できなくなると考えられる。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、センサ内の電極周りで発生する電気的ノイズを極力抑制し、Ｓ／Ｎ比の向上によって検出感度の向上を図ることのできる静電容量検出型センサおよびジャイロスコープ、ならびにこのジャイロスコープを利用した入力装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の静電容量検出型センサは、枠部と該枠部の内側に設けられた振動片と該振動片及び前記枠部を挟持するように設けられた一対の基材との３層構造とされ、前記枠部と、前記振動片と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片を駆動する駆動用電極と、該駆動用電極に駆動信号を供給する駆動用線路部と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片の駆動方向と直交する方向の変位を検出する検出用電極と、該検出用電極からの検出信号を伝送する検出用線路部とを備え、前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する第１の遮蔽部材が設けられるとともに、前記振動片、前記駆動用線路部、前記検出用線路部および前記第１の遮蔽部材がともに前記基材間において同一平面上に形成され、前記駆動用電極と前記検出用電極とが前記振動片と対向して配置された各基材上に設けられ、該基材上の前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、前記第１の遮蔽部材が設けられ、前記一方の基材の外側に外部接続用パッド部が設けられ、前記一方の基材と前記他方の基材との間に介在される前記駆動用線路部または前記検出用線路部を介して前記駆動用電極または前記検出用電極が前記外部接続用パッド部に接続されてなり、前記枠部、前記振動片、前記駆動用線路部の一部、前記検出用線路部および前記第１の遮蔽部材がともに同じ導電性材料からなり、前記振動片の側方側に前記枠部から前記振動片側に一体に延出形成されて前記第１の遮蔽部材が複数設けられてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、「駆動用線路部」、「検出用線路部」という際の「線路部」とは、駆動用電極、検出用電極等の電極と電気的に接続され、これら電極との間で信号をやり取りする伝送路となる部分全体を示している。よって、従来の技術の項で述べた「シリコンで形成したフィードスルー」などは、本発明の「線路部」に含まれる。
【００１３】
ここで、フィードスルーを有するジャイロスコープを例に挙げて、本発明の作用・効果を説明する。
図６（ａ）は従来のジャイロスコープの構成を示す模式図である。振動片６０（音叉の脚に相当）と微小な間隙を介して駆動用電極６１、検出用電極６２が配置されており、駆動用電極６１に駆動信号を供給するための駆動用フィードスルー６３と、検出用電極６２から検出信号を取り出すための検出用フィードスルー６４とが各電極６１，６２にそれぞれ接続されている。駆動用フィードスルー６３と検出用フィードスルー６４とは容量結合しており、その容量値をＣ１とする。また、振動片６０と検出用電極６２との間でも容量が形成され、その容量値をＣ２とする。
【００１４】
このジャイロスコープにおいて、駆動用フィードスルー６３に駆動電圧（Ｖdrive）としてＶdrive＝Ｖｄを印加すると、振動片６０が変位していない状態での検出用フィードスルー６４からの検出電圧（Ｖdetect）は本来、Ｖdetect＝０であるにもかかわらず、
Ｖdetect＝{Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）}・Ｖｄ  …（１）
なる電圧が誘導され、これが検出信号を検出する際のノイズとなってしまう。
【００１５】
そこで、このノイズの発生を抑制するには、駆動用フィードスルーと検出用フィードスルーとの間に遮蔽部材を挿入すればよい。図６（ｂ）は本発明のジャイロスコープの構成を示す模式図である。この構成の場合、駆動用フィードスルー６３と検出用フィードスルー６４との間に遮蔽部材６５が設けられ、遮蔽部材６５が接地されたことにより、駆動用フィードスルー６３と検出用フィードスルー６４が電気的に隔離された状態となる。その結果、駆動用フィードスルー６３にＶdrive＝Ｖｄを印加しても、検出用フィードスルー６４側ではＶdetect＝０が実現され、ノイズの発生を抑制することができる。
【００１６】
このように、本発明の静電容量検出型センサにおいては、駆動用電極と検出用電極との間、もしくは駆動用線路部と検出用線路部との間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する遮蔽部材を設けたことにより、静電誘導による電気的ノイズの発生が防止されるので、Ｓ／Ｎ比が向上することによって検出感度の向上を図ることができる。同様に、本発明のジャイロスコープにおいては、駆動用電極と検出用電極との間、もしくは駆動用線路部と検出用線路部との間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する第１の遮蔽部材を設けたことにより、電気的ノイズの発生が防止されるので、Ｓ／Ｎ比が向上することによって角速度の検出感度の向上を図ることができる。
【００１７】
本発明のジャイロスコープの具体的な構成としては、前記複数の遮蔽部材間または前記遮蔽部材と前記枠部の間に前記一方の基板側のパッド部と前記他方の基板側の電極とを接続するための線路部が前記一方の基材と前記他方の基材に挟まれるように配置されてなるもので良い。
より具体的には、半導体製造技術を用いて微細加工が容易なシリコン等の半導体基板に導電性を付与したものを材料とし、これをフォトリソグラフィー、エッチング技術により加工することにより、振動片、駆動用線路部、検出用線路部および第１の遮蔽部材を１枚の半導体基板から作り込むことができる。この構成とすれば、特に製造プロセスを複雑にすることなく、本発明の構成を実現することができる。
【００１８】
本発明は更に、前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部がいずれも１枚のシリコン基板をエッチングにより加工して得られ、これにより前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部が同一平面上に形成されるとともに、これらを一対の基材により両側から挟持して前記基材がパッケージを兼ねてなる構成でも良い。
【００１９】
また、本発明の他のジャイロスコープは、枠部と該枠部の内側に設けられた振動片と該振動片及び前記枠部を挟持するように設けられた一対の基材との３層構造とされ、前記枠部と、振動片と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片を駆動する駆動用電極と、該駆動用電極に駆動信号を供給する駆動用線路部と、前記振動片と対向して設けられ、前記振動片の駆動方向と直交する方向の変位を検出する検出用電極と、該検出用電極からの検出信号を伝送する検出用線路部とを備え、前記駆動用電極または前記検出用電極の少なくとも一方が互いに分離された複数の電極からなり、これら複数の電極の隣接する電極間、もしくは該隣接する電極にそれぞれ接続される線路部間に、これら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する第２の遮蔽部材が設けられるとともに、前記振動片、前記駆動用線路部、前記検出用線路部および前記第２の遮蔽部材がともに前記基材間において同一平面上に形成され、前記駆動用電極と前記検出用電極とが前記振動片と対向して配置された各基材上に設けられ、該基材上の前記駆動用電極と前記検出用電極との間、もしくは前記駆動用線路部と前記検出用線路部との間に、前記第２の遮蔽部材が設けられ、前記一方の基材の外側に外部接続用パッド部が設けられ、前記一方の基材と前記他方の基材との間に介在される前記駆動用線路部または前記検出用線路部を介して前記駆動用電極または前記検出用電極が前記外部接続用パッド部に接続されてなり、前記枠部、前記振動片、前記駆動用線路部の一部、前記検出用線路部および前記第２の遮蔽部材がともに同じ導電性材料からなり、前記振動片の側方側に前記枠部から前記振動片側に一体に延出形成されて前記第２の遮蔽部材が複数設けられてなることを特徴とする。
【００２０】
上述したように、電気的ノイズの抑制に関しては、駆動用電極と検出用電極との間、もしくは駆動用線路部と検出用線路部との間を遮蔽するのが最も効果的である。しかしながら、ジャイロスコープの構成、駆動や検出の方式によっては、駆動−駆動間、検出−検出間を遮蔽すると、ノイズの発生をさらに抑制できる場合もある。例えば、検出用電極が唯一つの電極で構成されるのではなく、互いに分離された複数の電極から構成され、しかもこれら複数の電極が、振動片が一方向に変位した際に容量変化が正になる電極と負になる電極に割り振られ、これら電極間で差動検出を行うタイプのジャイロスコープの場合、上記容量変化が正になる電極と負になる電極が隣接していると、一方の電極の検出電圧が他方の電極の検出電圧の影響を受けて変動することなども考えられる。このような場合、隣接する検出用電極間もしくは検出用線路部間を静電的に遮蔽する第２の遮蔽部材を設けることにより、隣接する電極や線路部からの影響をなくし、検出精度の向上を図ることができる。
【００２１】
駆動−駆動間、検出−検出間を遮蔽する第２の遮蔽部材に関しても、上述した第１の遮蔽部材と同様、振動片、複数の電極にそれぞれ接続される線路部および第２の遮蔽部材をともに同一平面上に形成することができる。また、これら部材を同じ導電性材料で形成することができる。この構成によっても、上述した第１の遮蔽部材の場合と同様の作用・効果を得ることができる。
また、本発明は、前記振動片、前記複数の電極にそれぞれ接続される線路部および前記第２の遮蔽部材がともに同じ導電性材料からなり、前記第２の遮蔽部材が一体的に延出成形されてなることを特徴とするものでも良い。
本発明は、前記振動片が枠部の内側に該枠部と一体に延出形成され、該振動片の側方側に前記枠部から前記振動片側に一体に延出形成されて前記第２の遮蔽部材が複数設けられ、前記複数の第２の遮蔽部材間または前記第２の遮蔽部材と前記枠部の間に前記一方の基板側のパッド部と前記他方の基板側の電極とを接続するための線路部の一部が前記一方の基材と前記他方の基材に挟まれるように配置されてなるものでも良い。
【００２２】
また、前記導電性材料がシリコンであることが好ましい。
本発明は、前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部がいずれも１枚のシリコン基板をエッチングにより加工して得られ、これにより前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材と前記線路部が同一平面上に形成されるとともに、これらを一対の基材により両側から挟持して前記基材がパッケージを兼ねてなることを特徴とするものでも良い。
【００２３】
本発明の入力装置は、上記本発明のジャイロスコープを用いたことを特徴とするものである。
本発明によれば、検出感度の高い本発明のジャイロスコープを用いたことにより、応答性に優れた入力装置を実現することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１ないし図４を参照して説明する。
図１は本実施の形態のジャイロスコープの全体構成を示す分解斜視図、図２は各部材を組み合わせた状態を示す斜視図、図３は図２のIII−III線に沿う断面図、図４は図２のIV−IV線に沿う断面図、である。
図中符号２は上側ガラス基板（基材）、３は下側ガラス基板（基材）、４は駆動用電極、５は検出用電極、６は音叉、７は駆動用フィードスルー（駆動用線路部）、８は検出用フィードスルー（検出用線路部）、である。
なお、図面を見やすくするため、図面によって構成要素を適宜省略してある。
【００２５】
本実施の形態のジャイロスコープ１は、図１および図２に示すように、３本の脚９（振動片）とこれらの基端側を連結する支持部１０とを有する３脚型の音叉６が用いられている。また、音叉６の周囲を囲むように枠部１１が設けられており、これら音叉６と枠部１１とは、元々は厚さ２００μｍ程度の導電性を有する１枚のシリコン基板から形成されている。図３に示すように、枠部１１は上側ガラス基板２と下側ガラス基板３との間に挟持されて固定されるとともに、２枚のガラス基板２，３の内面のうち、音叉６の上方および下方に位置する領域は１０μｍ程度の深さの凹部２ａ，３ａとなっており、各ガラス基板２，３と音叉６との間に１０μｍ程度の間隙が形成されることで音叉６の各脚９が宙に浮いた状態となり、振動可能となっている。
【００２６】
両ガラス基板２，３と枠部１１とは、ガラスとシリコンの陽極接合により接合されている。したがって、両ガラス基板２，３と枠部１１とによって気密状態に保持された空間内に音叉６が配置されることになる。さらに、両ガラス基板２，３は、本ジャイロスコープ１のパッケージの役目も果たしている。
【００２７】
図１および図２に示すように、上側ガラス基板２下面の凹部２ａ内の脚９の基端側と対向する位置には、各脚９に２個ずつ、計６個の駆動用電極４が脚９の長手方向に延在して設けられている。駆動用電極４は膜厚３００ｎｍ程度のアルミニウム膜またはクロム膜、もしくは膜厚３０ｎｍ程度のチタン膜上に膜厚７０ｎｍ程度の白金膜を積層した膜（以下、白金／チタン膜と記す）等から形成されており、駆動用電極４に駆動信号を供給するための駆動用配線１２が電極と同じレイヤーのアルミニウム膜またはクロム膜、もしくは白金／チタン膜等により一体的に形成されている。また、上記駆動用電極４よりも脚９の先端側に対向する位置には、各脚９に２個ずつ、計６個の検出用電極５が脚９の長手方向に延在して設けられている。この検出用電極５も駆動用電極４と同じ材料で形成され、各検出用電極５に連続して検出用配線１３がそれぞれ形成されている。さらに、上側ガラス基板２下面の凹部２ａの外側に位置する部分において、駆動用配線１２および検出用配線１３の先端に同一の金属薄膜からなる中間パッド部１４，１５が設けられている。
【００２８】
また、駆動用電極４、検出用電極５、およびこれら電極４，５に接続された駆動用配線１２、検出用配線１３の構成は、上で説明した上側ガラス基板２と下側ガラス基板３とで全く同様である。
【００２９】
図１および図２に示すように、音叉６と枠部１１は一体に形成されているが、音叉６の両側方には、音叉６と枠部１１から孤立したアイランド状のシリコン片からなる駆動用フィードスルー７、検出用フィードスルー８が音叉６の長手方向に沿って６個ずつ、計１２個設けられている。１列６個のフィードスルーのうち、脚９の先端側に位置する３個のフィードスルーが検出用フィードスルー８、脚９の基端側に位置する３個のフィードスルーが駆動用フィードスルー７に対応している。
【００３０】
そして、図１および図２におけるジャイロスコープ１を正面から見たとき、左列の３個の検出用フィードスルー８は左側３個の検出用電極５の信号取り出し用に割り当てられており、手前側から奥側に向けての各検出用フィードスルー８が中央側から左端に向けての各検出用電極５に対応している。一方、左列の３個の駆動用フィードスルー７も左側３個の駆動用電極４への信号供給用に割り当てられているが、手前側から奥側に向けての各駆動用フィードスルー７が左端から中央側に向けての駆動用電極４に対応している。同様に、右列の検出用フィードスルー８および駆動用フィードスルー７は右側の検出用電極５および駆動用電極４にそれぞれ割り当てられている。これらフィードスルー７，８は、音叉６や枠部１１から孤立してはいるが、同一のシリコン基板から形成されており、音叉６や枠部１１と同様、導電性を有している。
【００３１】
両ガラス基板２，３上の検出用配線１３、駆動用配線１２と検出用フィードスルー８、駆動用フィードスルー７の接続関係を図４を用いて説明する。なお、ここでは検出側を例に挙げて説明するが、駆動側も全く同様の構成である。
図４に示すように、下側ガラス基板３の上面および上側ガラス基板２の下面に検出用配線１３に繋がる中間パッド部１５がそれぞれ形成され、中間パッド部１５の形成位置に検出用フィードスルー８が接合されている。そして、上側ガラス基板２の検出用フィードスルー８に対応する位置にテーパ状のスルーホール１６が形成され、スルーホール１６の内面に沿って形成された導電膜が上側ガラス基板２の上面に延在し、外部接続用パッド部１７となっている。この導電膜は、例えば下層側に膜厚５０ｎｍ程度のクロム、上層側に膜厚１０００ｎｍ程度の金を積層した２層構造の膜である。よって、ジャイロスコープ１を平面視した際に同一位置にある検出用電極５から延びる２つの中間パッド部１５と検出用フィードスルー８とが電気的に接続され、検出用フィードスルー８と外部接続用パッド部１７とがスルーホール１６内で接触することにより電気的に接続されている。また、外部接続用パッド部１７はワイヤボンディング等の手段により外部回路（図示せず）と接続され、検出信号は、検出用電極５、検出用フィードスルー８、外部接続用パッド部１７の経路を経て外部回路に取り出される。なお、図１および図２中の符号１８は、駆動用電極４と電気的に接続された外部接続用パッド部である。
【００３２】
図４に示すように、各脚９に対して、各ガラス基板２，３で２個ずつ、計４個の検出用電極５が対向配置されているが、１枚のガラス基板上の２個の検出用電極５の各々の外端と脚９の変位検出方向（図におけるＸ方向）の端部同士が完全に揃うように対向配置されているわけではなく、各検出用電極５の外端と脚９の端部が、脚９の変位検出方向の最大振幅以上の距離だけずれた状態に配置されている。また、各検出用電極５の幅は、脚９の最大振幅以上の寸法に設定されている。この構成によれば、脚９が紙面右方向（矢印Ｒの方向）に変位した際には、脚９の右側にはみ出した検出用電極５側では対向面積が増えるために容量変化が正となり、脚９の左側にはみ出した検出用電極５側では対向面積が減るために容量変化が負となる。したがって、これらの容量変化量を別々に検出して差動検出を行うことができる。この場合、２つの容量値における初期容量値が互いに等しいため、差分をとると初期容量値分が消去され、容量変化量のみが残る。したがって、初期容量値の中に含まれるノイズ成分をキャンセルすることができ、検出精度を向上させることができる。
【００３３】
図１および図２に示すように、駆動用フィードスルー７、検出用フィードスルー８が配列された部分には、隣接するフィードスルー７，８間に位置する壁部がそれぞれ形成されている。これら壁部は枠部１１と一体に形成されている。片側の列で６個のフィードスルーの間に５個の壁部が設けられているが、５個の壁部のうち、中央の壁部は、隣接する検出用フィードスルー８と駆動用フィードスルー７との間を静電的に遮蔽する役目を果たしており、検出−駆動間遮蔽部１９（第１の遮蔽部材）を構成している。手前側２個の壁部は、隣接する検出用フィードスルー８間を静電的に遮蔽する役目を果たしており、検出−検出間遮蔽部２０（第２の遮蔽部材）を構成している。奥側２個の壁部は、隣接する駆動用フィードスルー７間を静電的に遮蔽する役目を果たしており、駆動−駆動間遮蔽部２１（第２の遮蔽部材）を構成している。
【００３４】
さらに、ジャイロスコープ１の機能上は特に必要ではなく、後述する製造上の都合により必要なものであるため、図示を省略するが、実際には、検出用電極５および検出用配線１３、駆動用電極４および駆動用配線１２の形成領域以外の上側ガラス基板２の下面側、および下側ガラス基板３の上面側に、これら電極および配線と同一のアルミニウム膜またはクロム膜、もしくは白金／チタン膜等からなる同電位パターンが設けられている。
【００３５】
上記構成のジャイロスコープ１を製造する際には、まずガラス基板を用意し、マスク材を用いてガラス基板のフッ酸エッチングを行い、ガラス基板上の音叉６の位置に対応する領域に凹部２ａ，３ａを形成する。その後、凹部２ａ，３ａを形成した面に金属膜を成膜した後、フォトリソグラフィー、エッチング技術を用いてパターニングすることにより、検出用電極５、検出用配線１３、駆動用電極４、駆動用配線１２および同電位パターンを形成する。以上の工程により、下側ガラス基板３が完成する。上側ガラス基板２に関しては、さらにスルーホール１６も形成し、金属膜の成膜、パターニングにより外部接続用パッド部１７，１８を形成する。
【００３６】
次にシリコン基板を用意し、シリコン基板の下面と下側ガラス基板３とを陽極接合法を用いて接合する。この際、シリコン基板のうち、後で枠部１１となる部分が接合されるようにする。陽極接合法ではシリコン基板に正、ガラス基板に負の電位を印加してシリコンとガラスを容易に接合することができるが、シリコン基板が音叉６となる部分では下側ガラス基板３表面との間隙が１０μｍ程度しかないため、陽極接合時の静電引力によりシリコン基板が撓んで下側ガラス基板３と接触すると、その部分も接合されてしまい、振動可能な音叉を形成できなくなる。したがって、下側ガラス基板３に接合すべきでない部分が接合されてしまうのを防止する目的で下側ガラス基板３のその部分をシリコン基板と同電位とするために、下側ガラス基板３表面に同電位パターンを形成しておく。この点は上側ガラス基板２についても同様である。
【００３７】
次に、シリコン基板表面に、音叉６、枠部１１、検出用フィードスルー８、駆動用フィードスルー７等、シリコンを残す部分の形状を有するレジストパターンを形成し、反応性イオンエッチング等の異方性エッチングを用いてシリコン基板を貫通するエッチングを行う。これにより、音叉６、枠部１１、検出用フィードスルー８、駆動用フィードスルー７等が形成され、音叉６の部分は下側ガラス基板３の上方で宙に浮いた状態となる。その後、レジストパターンを剥離する。
【００３８】
次に、下側ガラス基板３に接合されたシリコン基板の上面と上側ガラス基板２とを陽極接合法を用いて接合する。この際も、枠部１１が上側ガラス基板２に接合されることになる。以上の工程により、本実施の形態のジャイロスコープ１が完成する。
【００３９】
本実施の形態のジャイロスコープ１を使用する際には、枠部１１を接地するとともに、駆動用電極４側の外部接続用パッド部１８に接続された外部配線に駆動源としての発振器を接続する。この際、枠部１１、音叉６、検出−駆動間遮蔽部１９、検出−検出間遮蔽部２０、駆動−駆動間遮蔽部２１は全て一体であるから同電位となり、枠部１１を接地すれば、音叉６、検出−駆動間遮蔽部１９、検出−検出間遮蔽部２０、駆動−駆動間遮蔽部２１は全て接地された状態となる。また、図４において各脚９の右側にはみ出した検出用電極５の外部接続用パッド部１７に接続された外部配線と音叉６との間に第１の容量検出器を接続するとともに、各脚９の左側にはみ出した検出用電極５の外部接続用パッド部１７に接続された外部配線と音叉６との間に第２の容量検出器を接続する。
【００４０】
そこで、発振器を駆動して音叉６−駆動用電極４間に数ｋＨｚ程度の周波数の駆動信号を印加すると、音叉６の各脚９が鉛直方向に振動する。その状態で、脚９の長手方向を回転軸とする角速度が入力されると、入力された角速度の大きさに応じた水平方向の振動が生じる。この時、音叉６の各脚９と検出用電極５とが対向した状態にあり、脚９の水平振動に伴って各脚９と各検出用電極５の対向面積が変化するため、容量変化が生じる。この時の容量変化量を第１の容量検出器および第２の容量検出器で差動検出することにより角速度の大きさを検出することができる。
【００４１】
本実施の形態のジャイロスコープ１においては、駆動用フィードスルー７と検出用フィードスルー８との間に検出−駆動間遮蔽部１９を設けたことにより、これらフィードスルー７，８間が静電的に遮蔽されるので、駆動信号の印加により検出用フィードスルー８に誘導される電気的ノイズが抑制されるので、Ｓ／Ｎ比が向上することによって角速度の検出感度の向上を図ることができる。
【００４２】
さらに、本実施の形態のジャイロスコープ１の場合、差動検出を行っており、隣接する検出用フィードスルー８から異なる検出信号が取り出されるため、隣接するフィードスルーの信号の影響を受けて検出信号が変動する恐れがある。その点、隣接する検出用フィードスルー８にも検出−検出間遮蔽部２０を設けたことによって、隣接する検出用フィードスルー８からの影響が排除され、検出精度の向上を図ることができる。
【００４３】
また、音叉６、枠部１１、駆動用フィードスルー７、検出用フィードスルー８、検出−駆動間遮蔽部１９、検出−検出間遮蔽部２０、駆動−駆動間遮蔽部２１が全て１枚のシリコン基板から形成されているため、特に製造プロセスを複雑にすることなく、一般のシリコン加工技術を用いて本実施の形態の構成を実現することができる。
【００４４】
また、本実施の形態のジャイロスコープ１は、音叉６が２枚のガラス基板２，３の間に挟持されているため、ガラス基板２，３によって音叉６の部分が保護され、取り扱いやすいものとなっている。さらに、音叉６の部分に塵埃が入りにくい構造であるから、外乱が抑制され、センサ精度を向上することができる。また、真空封止も行える構造であり、これによればＱ値（共振の大きさを表す性能指数）の向上を図ることができ、デバイスに供給する電気エネルギーから振動エネルギーへの変換効率が向上するため、駆動電圧の低減を図ることができる。
【００４５】
［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図５を参照して説明する。
図７は本実施の形態のジャイロスコープの全体構成を示す平面図である。
本実施の形態のジャイロスコープの基本構成は第１の実施の形態と同様であるが、本実施の形態のジャイロスコープが第１の実施の形態と異なる点は、シリコンで形成したフィードスルー間に遮蔽部材を設けることに加えて、ガラス基板上にも遮蔽部材を形成した点である。
図５では、図１ないし図４と共通の構成要素に同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。また、図面を見やすくするため、構成要素を適宜省略してある。
【００４６】
本実施の形態のジャイロスコープ２５の場合、図５に示すように、上側ガラス基板２の下面の検出用電極５と駆動用電極４との間、および検出用配線１３と駆動用配線１２との間に、これら電極５，４間および配線１３，１２間を静電的に遮蔽するための検出−駆動間遮蔽配線２６（第１の遮蔽部材）が設けられている。この検出−駆動間遮蔽配線２６は上側ガラス基板２を横断する方向に延在し、両端部は検出用フィードスルー８−駆動用フィードスルー７間に位置する検出−駆動間遮蔽部１９と接触し、電気的に接続されている。また、検出−駆動間遮蔽配線２６は、検出用電極５、駆動用電極４、検出用配線１３、駆動用配線１２と同様、アルミニウム膜またはクロム膜、もしくは白金／チタン膜等により形成されている。
【００４７】
本実施の形態の構成によれば、使用時に枠部１１を接地した際に検出−駆動間遮蔽部１９を通じて検出−駆動間遮蔽配線２６も同時に接地される。したがって、第１の実施の形態のように、検出用フィードスルー８−駆動用フィードスルー７間が静電的に遮蔽されるのみならず、金属薄膜で形成した検出用電極５−駆動用電極４間、および検出用配線１３−駆動用配線１２間も静電的に遮蔽されることになる。これにより、電気的ノイズが全体としてさらに抑制され、検出感度のより一層の向上を図ることができる。
【００４８】
［第３の実施の形態］
以下、本発明の第３の実施の形態を図７ないし図９を参照して説明する。
本実施の形態は第１または第２の実施の形態のジャイロスコープを用いた入力装置の例であり、具体的にはパソコンの座標入力装置であるペン型マウスに適用した例である。
【００４９】
本実施の形態のペン型マウス３０は、図７に示すように、ペン型のケース３１の内部に第１または第２の実施の形態で示したようなジャイロスコープ３２ａ、３２ｂが２個収容されている。２個のジャイロスコープ３２ａ、３２ｂは、図８に示すように、ペン型マウス３０を上から見たとき（図７の矢印Ａ方向から見たとき）に各ジャイロスコープ３２ａ、３２ｂの音叉の脚の延在方向が直交するように配置されている。また、各ジャイロスコープ３２ａ、３２ｂを駆動し、回転角を検出するための駆動検出回路３３が設けられている。その他、ケース３１内に電池３４が収容されるとともに、一般のマウスのスイッチに相当する２つのスイッチ３５ａ、３５ｂ、マウス本体のスイッチ３６等が備えられている。
【００５０】
使用者は、このペン型マウス３０を持ち、所望の方向にペン先を移動させることによって、パソコン画面上のカーソル等をペン先の移動方向に応じて動かすことができる。すなわち、ペン先を図７中の紙面３７のＸ軸方向に沿って移動させると、ジャイロスコープ３２ｂが回転角θ１を検出し、紙面３７のＹ軸方向に沿って移動させると、ジャイロスコープ３２ａが回転角θ２を検出する。それ以外の方向に移動させた場合には回転角θ１と回転角θ２の組み合わせとなる。したがって、パソコン側では回転角θ１および回転角θ２に対応した信号をペン型マウス３０から受け取って、図９に示すように、画面３８上のカーソル３９等の移動前の点から画面３８上でのＸ’軸、Ｙ’軸に対応させて回転角θ１、θ２の大きさに対応する距離だけカーソル３９を移動させる。このようにして、このペン型マウス３０は、光学式エンコーダ等を用いた一般のマウスと同様の動作を実現することができる。
【００５１】
ここで用いた本発明のジャイロスコープ３２ａ、３２ｂは、小型、低駆動電圧、高感度という特徴を持っているため、本実施の形態のペン型マウス３０のような小型の座標入力機器に好適に使用することができる。また、ナビゲーションやヘッドマウントディスプレイなど、角速度を検知する一般の入力装置に応用が可能である。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態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において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記の実施の形態のジャイロスコープにおける電極の数は任意に設定してかまわない。しかしながら、感度向上の面からは、加工が可能である限り、多くすることが望ましい。また、電極間またはフィードスルー間を遮蔽する遮蔽部材の形状や数も任意でよい。上記実施の形態では、製造プロセスが複雑化しないようにフィードスルー間を遮蔽する遮蔽部材をフィードスルーと同じシリコンで、電極間を遮蔽する遮蔽部材を電極材料と同じ金属薄膜で形成したが、製造プロセスの複雑化が許容できるのであれば、異なる材料を用いても良い。また、上記実施の形態では３脚型の音叉を用いた例を示したが、脚の数も変更が可能であり、１本でも良い。
【００５３】
また、シリコンからなる音叉を２枚のガラス基板で挟持するのではなく、片側のガラス基板がない構成としてもよい。この場合、より簡易な構造のジャイロスコープとなる。また、陽極接合法による張り合わせを考慮すると、シリコンとガラスの相性がよいが、ガラス基板に関しては任意の基材の表面にガラスを融着したものでも代用できる。また、音叉の材料としてシリコンに代えて、カーボンを用いることも可能である。その他、各種構成部材の材料、形状等の具体的な記載は上記実施の形態に限ることなく、適宜変更が可能である。
【００５４】
さらに、上記実施の形態ではジャイロスコープの例を挙げたが、本発明は、例えば加速度センサ、圧力センサ等、ジャイロスコープ以外の任意の静電容量検出型センサに適用が可能である。特に片持ち梁やダイヤフラム等の構造体を予め運動（振動）させておくタイプのセンサにおいて、駆動用電極−検出用電極間、もしくはこれら電極にそれぞれ接続された駆動用線路部−検出用線路部間に、本発明特有の遮蔽部材を設けることにより、静電誘導による電気的ノイズの発生が抑制され、Ｓ／Ｎ比の向上、ひいては検出感度の向上を実現することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の静電容量検出型センサおよびジャイロスコープによれば、駆動用電極と検出用電極との間、もしくは駆動用線路部と検出用線路部との間にこれら電極間もしくは線路部間を静電的に遮蔽する遮蔽部材を設けたことによって、静電誘導による電気的ノイズの発生が防止されるので、Ｓ／Ｎ比の向上、ひいては検出感度の向上を図ることができる。そして、本発明のジャイロスコープの使用により、応答性に優れた、例えばパソコンの座標入力装置等の小型の入力装置を実現することができる。
次に、振動片とそれを挟持する基材との３層構造として振動片と線路部の一部と遮蔽部材の一部を同一平面上に形成することで１枚の基板から振動片と線路部の一部と遮蔽部材の一部を作り込むことが可能となり、製造プロセスを複雑にすることなく上述の構成を実現できる。
また、振動片、駆動用線路部の一部、検出用線路部の一部および第１の遮蔽部材の一部をともに同一平面上に、これらをシリコンから構成すると、半導体製造技術を用いて微細加工が容易なシリコン基板に導電性を付与したものを材料とし、これをフォトリソグラフィー、エッチング技術により加工することにより、振動片、駆動用線路部の一部、検出用線路部の一部および第１の遮蔽部材の一部を１枚のシリコン基板から作り込むことができる。この構成とすれば、特に製造プロセスを複雑にすることなく、本発明の構成を実現することができる。
特に、前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材の一部と前記線路部の一部がいずれも１枚のシリコン基板をエッチングにより加工して得られ、これにより前記振動片と前記枠部と前記遮蔽部材の一部と前記線路部の一部が同一平面上に形成されるとともに、これらを一対の基材により両側から挟持して前記基材がパッケージを兼ねてなることにより、特に製造プロセスを複雑にすることなく、基材により振動片を保護できるパッケージ性を具備する構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態のジャイロスコープを示す分解斜視図である。
【図２】  同、組み合わせた状態を示す斜視図である。
【図３】  図２のIII−III線に沿う側断面図である。
【図４】  図２のIV−IV線に沿う正断面図である。
【図５】  本発明の第２の実施の形態のジャイロスコープを示す平面図である。
【図６】  （ａ）従来のジャイロスコープの電極取り出し部の構成を示す模式図、（ｂ）本発明のジャイロスコープの電極取り出し部の構成を示す模式図、である。
【図７】  本発明の第３の実施の形態であるペン型マウスを示す斜視図である。
【図８】  同、ペン型マウスに用いた２個のジャイロスコープの配置を示す平面図である。
【図９】  同、ペン型マウスを用いて操作を行うパソコン画面を示す正面図である。
【図１０】  従来の静電容量式加速度センサの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２５  ジャイロスコープ
２  上側ガラス基板（基材）
３  下側ガラス基板（基材）
４  駆動用電極
５  検出用電極
６  音叉
７  駆動用フィードスルー（駆動用線路部）
８  検出用フィードスルー（検出用線路部）
９  脚（振動片）
１０  支持部
１１  枠部
１２  駆動用配線（駆動用線路部）
１３  検出用配線（検出用線路部）
１９  検出−駆動間遮蔽部（第１の遮蔽部材）
２０  検出−検出間遮蔽部（第２の遮蔽部材）
２１  駆動−駆動間遮蔽部（第２の遮蔽部材）
２６  検出−駆動間遮蔽配線（第１の遮蔽部材）
３０  ペン型マウス（入力装置）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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