JPH10132572A - 静電駆動型角速度センサ - Google Patents
静電駆動型角速度センサInfo
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- JPH10132572A JPH10132572A JP8291795A JP29179596A JPH10132572A JP H10132572 A JPH10132572 A JP H10132572A JP 8291795 A JP8291795 A JP 8291795A JP 29179596 A JP29179596 A JP 29179596A JP H10132572 A JPH10132572 A JP H10132572A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 設計時間の短縮と感度の向上。
【解決手段】 電極基板６は第１〜第４電極６−１〜６
−４がｚ軸の周りに順にほぼ９０°間隔でロ字形薄肉部
３ｃと対向して形成される。第１及び第３電極を駆動電
極として、ダイアフラム３との間に、それぞれ互いに差
動的に変化する電圧を印加することにより、質量部４の
駆動振動と出力振動（検出振動）とを共に振り子振動と
する。第２及び第４電極を検出電極として、ダイアフラ
ム３との間の互いに差動的に変化する静電容量を検出す
ることにより、ｚ軸方向の入力角速度ωを検出する。図
１の例ではｙ軸及びｘ軸がそれぞれ駆動軸及び出力軸と
され、第１及び第３（第２及び第４）電極がｙ（ｘ）軸
の正及び負の方向を中心として±４５°の範囲に、ｙ
（ｘ）軸に対して対称に形成される。更に、各電極の外
形は図１の例では二等辺三角形とされる。
−４がｚ軸の周りに順にほぼ９０°間隔でロ字形薄肉部
３ｃと対向して形成される。第１及び第３電極を駆動電
極として、ダイアフラム３との間に、それぞれ互いに差
動的に変化する電圧を印加することにより、質量部４の
駆動振動と出力振動（検出振動）とを共に振り子振動と
する。第２及び第４電極を検出電極として、ダイアフラ
ム３との間の互いに差動的に変化する静電容量を検出す
ることにより、ｚ軸方向の入力角速度ωを検出する。図
１の例ではｙ軸及びｘ軸がそれぞれ駆動軸及び出力軸と
され、第１及び第３（第２及び第４）電極がｙ（ｘ）軸
の正及び負の方向を中心として±４５°の範囲に、ｙ
（ｘ）軸に対して対称に形成される。更に、各電極の外
形は図１の例では二等辺三角形とされる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は静電駆動型角速度
センサに関し、特に質量部の駆動軸方向及び出力軸方向
の回転角速度を有する２つの振動、つまり駆動振動と出
力振動（検出振動）の共振周波数をできるだけ近づけ
た、検出感度のよいセンサ及び設計時間を短縮できるセ
ンサに関する。
センサに関し、特に質量部の駆動軸方向及び出力軸方向
の回転角速度を有する２つの振動、つまり駆動振動と出
力振動（検出振動）の共振周波数をできるだけ近づけ
た、検出感度のよいセンサ及び設計時間を短縮できるセ
ンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種の角速度センサを図３、図
４により説明する。角速度センサには、ダイアフラム３
とその底面側に弾性支持された質量部４と、そのダイア
フラム３上にギャップ５を介して対向して配された電極
基板６が設けられる。従来の角速度センサは図３のｘ，
ｙ，ｚ軸（上下方向の軸がｚ軸）より成る直交座標の−
ｘ軸を入力軸とする回転角速度ωを検出するように構成
される。
４により説明する。角速度センサには、ダイアフラム３
とその底面側に弾性支持された質量部４と、そのダイア
フラム３上にギャップ５を介して対向して配された電極
基板６が設けられる。従来の角速度センサは図３のｘ，
ｙ，ｚ軸（上下方向の軸がｚ軸）より成る直交座標の−
ｘ軸を入力軸とする回転角速度ωを検出するように構成
される。
【０００３】ダイアフラム３は、ｘｙ平面に平行に配さ
れたシリコンなどの半導体ウエハの底面に、エッチング
処理によりｘ軸またはｙ軸に平行な辺をもつロ字形溝３
ａを形成したものである。これによりダイアフラム３に
はロ字形溝３ａに囲まれた四角形の中央部３ｂと、ロ字
形溝の底面と対応するロ字形薄肉部３ｃと、ロ字形溝の
外側の枠部３ｄとが形成される。
れたシリコンなどの半導体ウエハの底面に、エッチング
処理によりｘ軸またはｙ軸に平行な辺をもつロ字形溝３
ａを形成したものである。これによりダイアフラム３に
はロ字形溝３ａに囲まれた四角形の中央部３ｂと、ロ字
形溝の底面と対応するロ字形薄肉部３ｃと、ロ字形溝の
外側の枠部３ｄとが形成される。
【０００４】質量部４はこの例ではパイレックスガラス
等の直方体で、中央部３ｂの底面に固定される。また枠
部３ｄの底面に、パイレックスガラス等を用いた基枠７
が固定され、基枠７の内周面とギャップを介して質量部
４が配される。基枠７の高さは質量部４の高さより多少
大きくされ、基枠７をベース８上に載置したとき、ベー
ス８と質量部４との間にギャップ９が形成される。
等の直方体で、中央部３ｂの底面に固定される。また枠
部３ｄの底面に、パイレックスガラス等を用いた基枠７
が固定され、基枠７の内周面とギャップを介して質量部
４が配される。基枠７の高さは質量部４の高さより多少
大きくされ、基枠７をベース８上に載置したとき、ベー
ス８と質量部４との間にギャップ９が形成される。
【０００５】電極基板６は、ダイアフラム３とほぼ同じ
外形をもち、パイレックスガラスなどの絶縁性基板の底
面に、周辺部を除いて、ギャップ５に等しい深さをもつ
凹部６ａが形成される。電極基板６の内面に、四角形の
Ｚ電極６ｂが中央部３ｂと対向して形成され、そのＺ電
極６ｂに近接して、ｘ軸の正及び負の方向側にそれぞれ
台形のＸ１電極６ｃ，Ｘ２電極６ｄがクロム上金などの
スパッタリング等により形成される。電極基板６の周辺
部６ｇの底面がダイアフラム３の枠部３ｄ上に固定され
る。
外形をもち、パイレックスガラスなどの絶縁性基板の底
面に、周辺部を除いて、ギャップ５に等しい深さをもつ
凹部６ａが形成される。電極基板６の内面に、四角形の
Ｚ電極６ｂが中央部３ｂと対向して形成され、そのＺ電
極６ｂに近接して、ｘ軸の正及び負の方向側にそれぞれ
台形のＸ１電極６ｃ，Ｘ２電極６ｄがクロム上金などの
スパッタリング等により形成される。電極基板６の周辺
部６ｇの底面がダイアフラム３の枠部３ｄ上に固定され
る。
【０００６】ダイアフラム３と電極基板６、質量部４及
び基枠７との固定には、接着や陽極接合などの方法が用
いられる。Ｚ電極６ｂとダイアフラム３との間に角周波
数ωｄｒｖの交流電圧を印加することにより、質量部４
に静電力を作用させ、質量部４をｚ軸方向に角周波数ω
ｄｒｖで並進振動させる。この場合のｚ軸を駆動軸、Ｚ
電極６ｂを駆動電極と言う。このとき、入力軸（−ｘ軸
に対応する）方向にω＝ｄθ／ｄｔ（θは回転角、ｔは
時間）の角速度が入力されると、質量部４に対して−ｙ
軸方向にコリオリ力が発生し、質量部４はｚ軸（駆動
軸）方向の並進振動に、−ｙ軸方向の振り子振動（角速
度ωｏｕｔ）が加わる。
び基枠７との固定には、接着や陽極接合などの方法が用
いられる。Ｚ電極６ｂとダイアフラム３との間に角周波
数ωｄｒｖの交流電圧を印加することにより、質量部４
に静電力を作用させ、質量部４をｚ軸方向に角周波数ω
ｄｒｖで並進振動させる。この場合のｚ軸を駆動軸、Ｚ
電極６ｂを駆動電極と言う。このとき、入力軸（−ｘ軸
に対応する）方向にω＝ｄθ／ｄｔ（θは回転角、ｔは
時間）の角速度が入力されると、質量部４に対して−ｙ
軸方向にコリオリ力が発生し、質量部４はｚ軸（駆動
軸）方向の並進振動に、−ｙ軸方向の振り子振動（角速
度ωｏｕｔ）が加わる。
【０００７】これらのｚ軸方向の並進振動と−ｙ軸方向
の振り子振動との合成振動により、Ｘ１電極６ｃ及びＸ
２電極６ｄとダイアフラム３との間の静電容量ＣＸ１及
びＣＸ２は図５に示すように互いに差動的に変化する。
即ち、ＣＸ１，ＣＸ２は ＣＸ１＝Ｃ０１＋Ｃ１×Ｆａ（ωｄｒｖ・ｔ＋φ１）＋Ｃ１´×Ｆｂωｄｒｖ ・ｔ， ＣＸ２＝Ｃ０２−Ｃ２×Ｆａ（ωｄｒｖ・ｔ＋φ２）＋Ｃ２´×Ｆｂωｄｒｖ ・ｔ …（１） で表される。Ｆａ及びＦｂはＣＸ１，ＣＸ２の変化部分
の時間関数（例えば正弦関数）であり、Ｃ１，Ｃ２及び
Ｃ１´，Ｃ２´は変動分の振幅である。φ１，φ２は位
相角であり、入力角速度の方向により決定される。Ｃ０
１，Ｃ０２は多軸方向の並進震動や入力角速度が無いと
きのＣＸ１，ＣＸ２の値で、既知である。（１）式の第
２項はコリオリオにより発生する容量変化、第３項は多
軸方向の並進震動による容量変化である。
の振り子振動との合成振動により、Ｘ１電極６ｃ及びＸ
２電極６ｄとダイアフラム３との間の静電容量ＣＸ１及
びＣＸ２は図５に示すように互いに差動的に変化する。
即ち、ＣＸ１，ＣＸ２は ＣＸ１＝Ｃ０１＋Ｃ１×Ｆａ（ωｄｒｖ・ｔ＋φ１）＋Ｃ１´×Ｆｂωｄｒｖ ・ｔ， ＣＸ２＝Ｃ０２−Ｃ２×Ｆａ（ωｄｒｖ・ｔ＋φ２）＋Ｃ２´×Ｆｂωｄｒｖ ・ｔ …（１） で表される。Ｆａ及びＦｂはＣＸ１，ＣＸ２の変化部分
の時間関数（例えば正弦関数）であり、Ｃ１，Ｃ２及び
Ｃ１´，Ｃ２´は変動分の振幅である。φ１，φ２は位
相角であり、入力角速度の方向により決定される。Ｃ０
１，Ｃ０２は多軸方向の並進震動や入力角速度が無いと
きのＣＸ１，ＣＸ２の値で、既知である。（１）式の第
２項はコリオリオにより発生する容量変化、第３項は多
軸方向の並進震動による容量変化である。
【０００８】 Ｃ１，Ｃ２∝ω＝ｄθ／ｄｔ（入力角速度の大きさ） ・・・（２） の関係がある。よってＣＸ１，ＣＸ２の変化を検出する
ことにより、入力角速度を検出できる。なお、前記のコ
リオリ力の発生する−ｙ軸を出力軸または検出軸、Ｘ
１，Ｘ２の各電極を検出電極と言う。
ことにより、入力角速度を検出できる。なお、前記のコ
リオリ力の発生する−ｙ軸を出力軸または検出軸、Ｘ
１，Ｘ２の各電極を検出電極と言う。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】静電駆動型角速度セン
サの感度を向上させるためには、駆動軸（ｚ軸）方向の
並進振動、つまり駆動振動の共振周波数と、出力軸（−
ｙ軸）方向の振り子振動、つまり出力振動（検出振動）
の共振周波数をできるだけ近づける必要がある。このた
め従来は、ダイアフラム３のロ字形薄肉部３ｃの外形寸
法及び厚味、質量部４の形状を仮定し、上記の駆動軸方
向及び出力軸方向の振動の共振周波数をＦＥＭ（有限要
素解析；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏ
ｄ）、即ち、ＣＡＥ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ
ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）用のワークステーションを用
いた振動解析により求め、その結果により仮定したダイ
アフラム及び質量部の形状を修正して、再び解析を繰返
すと言った、カットアンドトライを繰返すことによりダ
イアフラム３及び質量部４の形状を設計していた。この
ため可なり大きな設計時間を必要とした。
サの感度を向上させるためには、駆動軸（ｚ軸）方向の
並進振動、つまり駆動振動の共振周波数と、出力軸（−
ｙ軸）方向の振り子振動、つまり出力振動（検出振動）
の共振周波数をできるだけ近づける必要がある。このた
め従来は、ダイアフラム３のロ字形薄肉部３ｃの外形寸
法及び厚味、質量部４の形状を仮定し、上記の駆動軸方
向及び出力軸方向の振動の共振周波数をＦＥＭ（有限要
素解析；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏ
ｄ）、即ち、ＣＡＥ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ
ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）用のワークステーションを用
いた振動解析により求め、その結果により仮定したダイ
アフラム及び質量部の形状を修正して、再び解析を繰返
すと言った、カットアンドトライを繰返すことによりダ
イアフラム３及び質量部４の形状を設計していた。この
ため可なり大きな設計時間を必要とした。
【００１０】それにもかかわらず、駆動振動及び出力振
動の各共振周波数を感度向上のために希望するような互
いに近接した値に設定することが困難であった。この発
明はこれらの問題を解決することを目的としている。
動の各共振周波数を感度向上のために希望するような互
いに近接した値に設定することが困難であった。この発
明はこれらの問題を解決することを目的としている。
【００１１】
（１）この発明が対象としている静電駆動型角速度セン
サは、ダイアフラムと、そのダイアフラムの底面側に弾
性支持された質量部と、そのダイアフラム上にギャップ
を介して対向された電極基板とを有する。ダイアフラム
は、（ｘ，ｙ，ｚ）直交座標のｘｙ平面に平行に配され
た半導体ウエハの底面に、ｘ軸またはｙ軸に平行な辺を
もつロ字形溝がｚ軸を中心として形成され、そのロ字形
溝に囲まれた中央部と、ロ字形溝の底面と対応するロ字
形薄肉部と、ロ字形溝の外側の枠部とを有する。質量部
は、中央部の底面に固定される。
サは、ダイアフラムと、そのダイアフラムの底面側に弾
性支持された質量部と、そのダイアフラム上にギャップ
を介して対向された電極基板とを有する。ダイアフラム
は、（ｘ，ｙ，ｚ）直交座標のｘｙ平面に平行に配され
た半導体ウエハの底面に、ｘ軸またはｙ軸に平行な辺を
もつロ字形溝がｚ軸を中心として形成され、そのロ字形
溝に囲まれた中央部と、ロ字形溝の底面と対応するロ字
形薄肉部と、ロ字形溝の外側の枠部とを有する。質量部
は、中央部の底面に固定される。
【００１２】電極基板は、絶縁性基板の内面に、駆動電
極及び検出電極（出力電極）がそれぞれ形成される。駆
動電極とダイアフラムとの間に交流電圧を印加すること
により、質量部を静電力により振動させ、検出電極とダ
イアフラムとの間の静電容量を検出することにより、入
力角速度を検出する。請求項１の発明では特に、電極基
板は、同じ外形を有する第１乃至第４電極がｚ軸の周り
に順にほぼ９０°間隔でロ字形薄肉部と対向して形成さ
れる。対向する第１及び第３電極を駆動電極として、ダ
イアフラムとの間に、それぞれ互いに差動的に変化する
電圧を印加することにより、質量部の駆動振動と出力振
動（検出振動）とを共に振り子振動としている。そして
対向する第２及び第４電極を検出電極として、ダイアフ
ラムとの間の互いに差動的に変化する静電容量を検出す
ることにより、ｚ軸方向の入力角速度を検出する。
極及び検出電極（出力電極）がそれぞれ形成される。駆
動電極とダイアフラムとの間に交流電圧を印加すること
により、質量部を静電力により振動させ、検出電極とダ
イアフラムとの間の静電容量を検出することにより、入
力角速度を検出する。請求項１の発明では特に、電極基
板は、同じ外形を有する第１乃至第４電極がｚ軸の周り
に順にほぼ９０°間隔でロ字形薄肉部と対向して形成さ
れる。対向する第１及び第３電極を駆動電極として、ダ
イアフラムとの間に、それぞれ互いに差動的に変化する
電圧を印加することにより、質量部の駆動振動と出力振
動（検出振動）とを共に振り子振動としている。そして
対向する第２及び第４電極を検出電極として、ダイアフ
ラムとの間の互いに差動的に変化する静電容量を検出す
ることにより、ｚ軸方向の入力角速度を検出する。
【００１３】（２）請求項２の発明では、前記（１）に
おいて、ｙ軸及びｘ軸がそれぞれ駆動軸及び出力軸とさ
れる。第１及び第３電極がそれぞれ、ｙ軸の正及び負の
方向を中心として±４５°の範囲に、ｙ軸に対して対称
に形成され、第２及び第４電極がそれぞれ、ｘ軸の正及
び負の方向を中心として±４５°の範囲に、ｘ軸に対し
て対称に形成される。
おいて、ｙ軸及びｘ軸がそれぞれ駆動軸及び出力軸とさ
れる。第１及び第３電極がそれぞれ、ｙ軸の正及び負の
方向を中心として±４５°の範囲に、ｙ軸に対して対称
に形成され、第２及び第４電極がそれぞれ、ｘ軸の正及
び負の方向を中心として±４５°の範囲に、ｘ軸に対し
て対称に形成される。
【００１４】（３）請求項３の発明では、前記（２）に
おいて、第１及び第３電極の形状が、ｚ軸側に頂角を有
し、ｘ軸に平行な底辺を有する二等辺三角形とされ、第
２及び第４電極の形状が、ｚ軸側に頂角を有し、ｙ軸に
平行な底辺を有する二等辺三角形とされる。 （４）請求項４の発明では、前記（１）において、ｙ軸
及びｘ軸をそれぞれ４５°回転させたβ軸及びα軸がそ
れぞれ駆動軸及び出力軸とされる。第１及び第３電極が
それぞれ、β軸の正及び負の方向を中心として±４５°
の範囲に、β軸に対して対称に形成され、第２及び第４
電極がそれぞれ、α軸の正及び負の方向を中心として±
４５°の範囲に、α軸に対して対称に形成される。
おいて、第１及び第３電極の形状が、ｚ軸側に頂角を有
し、ｘ軸に平行な底辺を有する二等辺三角形とされ、第
２及び第４電極の形状が、ｚ軸側に頂角を有し、ｙ軸に
平行な底辺を有する二等辺三角形とされる。 （４）請求項４の発明では、前記（１）において、ｙ軸
及びｘ軸をそれぞれ４５°回転させたβ軸及びα軸がそ
れぞれ駆動軸及び出力軸とされる。第１及び第３電極が
それぞれ、β軸の正及び負の方向を中心として±４５°
の範囲に、β軸に対して対称に形成され、第２及び第４
電極がそれぞれ、α軸の正及び負の方向を中心として±
４５°の範囲に、α軸に対して対称に形成される。
【００１５】（５）請求項５の発明では、前記（４）に
おいて、第１及び第３電極の形状が、ｘｙ座標の第１及
び第３象限内にそれぞれ形成された方形とされ、第２及
び第４電極の形状が、ｘｙ座標の第４及び第２象限内に
それぞれ形成された方形とされる。
おいて、第１及び第３電極の形状が、ｘｙ座標の第１及
び第３象限内にそれぞれ形成された方形とされ、第２及
び第４電極の形状が、ｘｙ座標の第４及び第２象限内に
それぞれ形成された方形とされる。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１、図２の実施例を参照して発
明の実施の形態を説明する。図１、図２には図３と対応
する部分に同じ符号を付け、重複説明を省略する。この
発明では、電極基板６には同じ外形を有する第１〜第４
電極６−１〜６−４がｚ軸の周りに順にほぼ９０°間隔
でロ字形薄肉部３ｃと対向して形成される。その内の互
いに対向する第１電極６−１及び第３電極６−３を駆動
電極として、ダイアフラム３との間に、互いに差動的に
変化する交流電圧（例えば正弦波状電圧）を印加するこ
とにより、質量部４の駆動振動と出力振動（検出振動）
を共に振り子振動としている。互いに対向する第２電極
６−２及び第４電極６−４を検出電極として、ダイアフ
ラム３との間の互いに差動的に変化する静電容量を検出
することにより、ｚ軸方向の入力角速度を検出する（請
求項１）。
明の実施の形態を説明する。図１、図２には図３と対応
する部分に同じ符号を付け、重複説明を省略する。この
発明では、電極基板６には同じ外形を有する第１〜第４
電極６−１〜６−４がｚ軸の周りに順にほぼ９０°間隔
でロ字形薄肉部３ｃと対向して形成される。その内の互
いに対向する第１電極６−１及び第３電極６−３を駆動
電極として、ダイアフラム３との間に、互いに差動的に
変化する交流電圧（例えば正弦波状電圧）を印加するこ
とにより、質量部４の駆動振動と出力振動（検出振動）
を共に振り子振動としている。互いに対向する第２電極
６−２及び第４電極６−４を検出電極として、ダイアフ
ラム３との間の互いに差動的に変化する静電容量を検出
することにより、ｚ軸方向の入力角速度を検出する（請
求項１）。
【００１７】図１の例では、ｙ軸及びｘ軸がそれぞれ駆
動軸及び出力軸とされる。第１電極６−１及び第３電極
６−３は、それぞれｙ軸の正及び負の方向を中心とし
て、±４５°の範囲に、ｙ軸に対して対称に形成され
る。一方、第２電極６−２及び第４電極６−４は、それ
ぞれｘ軸の正及び負の方向を中心として４５°の範囲
に、ｘ軸に対して対称に形成される（請求項２）。
動軸及び出力軸とされる。第１電極６−１及び第３電極
６−３は、それぞれｙ軸の正及び負の方向を中心とし
て、±４５°の範囲に、ｙ軸に対して対称に形成され
る。一方、第２電極６−２及び第４電極６−４は、それ
ぞれｘ軸の正及び負の方向を中心として４５°の範囲
に、ｘ軸に対して対称に形成される（請求項２）。
【００１８】更に図１の例では、第１電極６−１及び第
３電極６−３の形状が、ｚ軸側に頂角を有し、ｘ軸に平
行な底辺を有する二等辺三角形とされ、一方第２電極６
−２及び第４電極６−４の形状が、ｚ軸側に頂角を有
し、ｙ軸に平行な底辺を有する二等辺三角形とされる
（請求項３）。第１電極６−１及び第３電極６−３とダ
イアフラム３との間にそれぞれ差動的に変化する角周波
数ωｄｒｖの交流電圧を印加する。これにより第１電極
６−１とダイアフラム３間及び第３電極６−３とダイア
フラム３間に、互いに差動的な静電力が作用し、質量部
４がｙ軸（駆動軸）方向の角速度ωｄｒｖをもつ振り子
振動する。このとき、ｚ軸（入力軸）方向に角速度ω＝
ｄθ／ｄｔの角速度が入力されると、ｘ軸（出力軸）方
向にコリオリ力が発生し、ｘ軸方向の角速度ωｏｕｔを
もった振り子振動が出現する。
３電極６−３の形状が、ｚ軸側に頂角を有し、ｘ軸に平
行な底辺を有する二等辺三角形とされ、一方第２電極６
−２及び第４電極６−４の形状が、ｚ軸側に頂角を有
し、ｙ軸に平行な底辺を有する二等辺三角形とされる
（請求項３）。第１電極６−１及び第３電極６−３とダ
イアフラム３との間にそれぞれ差動的に変化する角周波
数ωｄｒｖの交流電圧を印加する。これにより第１電極
６−１とダイアフラム３間及び第３電極６−３とダイア
フラム３間に、互いに差動的な静電力が作用し、質量部
４がｙ軸（駆動軸）方向の角速度ωｄｒｖをもつ振り子
振動する。このとき、ｚ軸（入力軸）方向に角速度ω＝
ｄθ／ｄｔの角速度が入力されると、ｘ軸（出力軸）方
向にコリオリ力が発生し、ｘ軸方向の角速度ωｏｕｔを
もった振り子振動が出現する。
【００１９】このとき第２電極６−２とダイアフラム３
間及び第４電極６−４とダイアフラム３間の静電容量Ｃ
Ａ１，ＣＡ２は ＣＡ１＝Ｃ０１＋Ｃ１×Ｆｂ（Ωｂ・ｔ＋φ１）， ＣＡ２＝Ｃ０２−Ｃ２×Ｆｂ（Ωｂ・ｔ＋φ２） ・・・（３） で表される。ＦｂはＣＡ１，ＣＡ２の変化部分の時間関
数（例えば正弦関数）であり、Ωｂは角周波数、Ｃ１，
Ｃ２は変動分の振幅である。φ１，φ２は位相角であ
り、入力角速度の方向により決定される。Ｃ０１，Ｃ０
２は入力角速度が無いときのＣＡ１，ＣＡ２の値で、既
知である。振幅Ｃ１，Ｃ２は（２）式のように入力角速
度の大きさω＝ｄθ／ｄｔに比例するので、ＣＡ１，Ｃ
Ａ２の変化を検出することにより、入力角速度を検出で
きる。
間及び第４電極６−４とダイアフラム３間の静電容量Ｃ
Ａ１，ＣＡ２は ＣＡ１＝Ｃ０１＋Ｃ１×Ｆｂ（Ωｂ・ｔ＋φ１）， ＣＡ２＝Ｃ０２−Ｃ２×Ｆｂ（Ωｂ・ｔ＋φ２） ・・・（３） で表される。ＦｂはＣＡ１，ＣＡ２の変化部分の時間関
数（例えば正弦関数）であり、Ωｂは角周波数、Ｃ１，
Ｃ２は変動分の振幅である。φ１，φ２は位相角であ
り、入力角速度の方向により決定される。Ｃ０１，Ｃ０
２は入力角速度が無いときのＣＡ１，ＣＡ２の値で、既
知である。振幅Ｃ１，Ｃ２は（２）式のように入力角速
度の大きさω＝ｄθ／ｄｔに比例するので、ＣＡ１，Ｃ
Ａ２の変化を検出することにより、入力角速度を検出で
きる。
【００２０】この発明では、質量部４に対する駆動軸
（ｙ軸）方向の駆動振動（ωｄｒｖ）及びｚ軸（入力
軸）方向の入力角速度ω＝ｄθ／ｄｔが加わったときの
質量部４の出力軸（ｘ軸）方向の出力振動（ωｏｕｔ）
はともに振り子振動とされ、ｘｙ平面内でこれら２つの
振子振動は互いに対称となる。このことから、駆動軸
（ｙ軸）及び出力軸（ｘ軸）方向の振り子振動の共振周
波数を所望の近接した値（例えば１０Ｈｚ程度の差）に
設定でき、高感度のセンサの設計が容易に行える。
（ｙ軸）方向の駆動振動（ωｄｒｖ）及びｚ軸（入力
軸）方向の入力角速度ω＝ｄθ／ｄｔが加わったときの
質量部４の出力軸（ｘ軸）方向の出力振動（ωｏｕｔ）
はともに振り子振動とされ、ｘｙ平面内でこれら２つの
振子振動は互いに対称となる。このことから、駆動軸
（ｙ軸）及び出力軸（ｘ軸）方向の振り子振動の共振周
波数を所望の近接した値（例えば１０Ｈｚ程度の差）に
設定でき、高感度のセンサの設計が容易に行える。
【００２１】なお、前記２つの振り子振動が対称となる
ためには、駆動軸（ｙ軸）を基準にした駆動電極６−
１，６−３の配置及び形状と、出力軸（ｘ軸）を基準と
した出力電極（検出電極）６−２，６−４の配置及び形
状とが全く同じであることが必要である。図２に示すの
はｙ軸（駆動軸）及びｘ軸（出力軸）を時計方向にそれ
ぞれ４５°回転させたβ軸及びα軸を駆動軸及び出力軸
とし、第１乃至第４電極６−１〜６−４の位置も４５°
回転させると共に形状を三角形から方形に変更した場合
であり、駆動電極６−１，６−３及び出力電極６−２，
６−４の駆動軸或いは出力軸に対する配置及び形状は同
じである。この場合も、駆動振動と出力振動とはαβ平
面内で、互いに対称な振り子振動となっている。
ためには、駆動軸（ｙ軸）を基準にした駆動電極６−
１，６−３の配置及び形状と、出力軸（ｘ軸）を基準と
した出力電極（検出電極）６−２，６−４の配置及び形
状とが全く同じであることが必要である。図２に示すの
はｙ軸（駆動軸）及びｘ軸（出力軸）を時計方向にそれ
ぞれ４５°回転させたβ軸及びα軸を駆動軸及び出力軸
とし、第１乃至第４電極６−１〜６−４の位置も４５°
回転させると共に形状を三角形から方形に変更した場合
であり、駆動電極６−１，６−３及び出力電極６−２，
６−４の駆動軸或いは出力軸に対する配置及び形状は同
じである。この場合も、駆動振動と出力振動とはαβ平
面内で、互いに対称な振り子振動となっている。
【００２２】第１電極６−１及び第３電極６−３はそれ
ぞれ、β軸の正及び負の方向を中心として±４５°の範
囲に、β軸に対して対称に形成される。また第２電極６
−２及び第４電極６−４はそれぞれ、α軸の正及び負の
方向を中心として±４５°の範囲に、α軸に対して対称
に形成される（請求項４）。更に図２の例では、第１電
極６−１及び第３電極６−３の形状が、ｘｙ座標の第１
及び第３象限内にそれぞれ形成された方形とされ、第２
電極６−２及び第４電極６−４の形状は、ｘｙ座標の第
４及び第２象限内にそれぞれ形成された方形とされる
（請求項５）。図２の場合も、図１と類似の特性が得ら
れる。
ぞれ、β軸の正及び負の方向を中心として±４５°の範
囲に、β軸に対して対称に形成される。また第２電極６
−２及び第４電極６−４はそれぞれ、α軸の正及び負の
方向を中心として±４５°の範囲に、α軸に対して対称
に形成される（請求項４）。更に図２の例では、第１電
極６−１及び第３電極６−３の形状が、ｘｙ座標の第１
及び第３象限内にそれぞれ形成された方形とされ、第２
電極６−２及び第４電極６−４の形状は、ｘｙ座標の第
４及び第２象限内にそれぞれ形成された方形とされる
（請求項５）。図２の場合も、図１と類似の特性が得ら
れる。
【００２３】
【発明の効果】この発明では、駆動振動と出力振動とを
互いに対称な振り子振動とすることによって、２つの振
動の共振周波数を所望の近接した値に設定することを可
能とし、従来より高感度の角速度センサを、従来のよう
にカットアンドトライを繰返すことなく、少ない時間で
設計することができる。
互いに対称な振り子振動とすることによって、２つの振
動の共振周波数を所望の近接した値に設定することを可
能とし、従来より高感度の角速度センサを、従来のよう
にカットアンドトライを繰返すことなく、少ない時間で
設計することができる。
【図１】この発明の実施例を示す図で、Ａは平面図、Ｂ
はＡのａ−ａ′断面図。
はＡのａ−ａ′断面図。
【図２】この発明の他の実施例を示す図で、Ａは平面
図、ＢはＡのａ−ａ′断面図。
図、ＢはＡのａ−ａ′断面図。
【図３】従来の角速度センサを示す図で、Ａは平面図、
ＢはＡのａ−ａ′断面図。
ＢはＡのａ−ａ′断面図。
【図４】図３のダイアフラム３の平面図。
【図５】図３のＸ１，Ｘ２電極とダイアフラム間の静電
容量ＣＸ１，ＣＸ２の波形図。
容量ＣＸ１，ＣＸ２の波形図。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成８年１１月６日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】これらのｚ軸方向の並進振動と−ｙ軸方向
の振り子振動との合成振動により、Ｘ１電極６ｃ及びＸ
２電極６ｄとダイアフラム３との間の静電容量ＣＸ１及
びＣＸ２は図５に示すように互いに差動的に変化する。
即ち、ＣＸ１，ＣＸ２は ＣＸ１＝Ｃ０１＋Ｃ１×Ｆａ（ωｄｒｖ・ｔ＋φ１）＋Ｃ１´×Ｆｂωｄｒｖ ・ｔ， ＣＸ２＝Ｃ０２−Ｃ２×Ｆａ（ωｄｒｖ・ｔ＋φ２）＋Ｃ２´×Ｆｂωｄｒｖ ・ｔ …（１） で表される。Ｆａ及びＦｂはＣＸ１，ＣＸ２の変化部分
の時間関数（例えば正弦関数）であり、Ｃ１，Ｃ２及び
Ｃ１´，Ｃ２´は変動分の振幅である。φ１，φ２は位
相角であり、入力角速度の方向により決定される。Ｃ０
１，Ｃ０２はｚ軸方向の並進震動や入力角速度が無いと
きのＣＸ１，ＣＸ２の値で、既知である。（１）式の第
２項はコリオリオにより発生する容量変化、第３項はｚ
軸方向の並進震動による容量変化である。
の振り子振動との合成振動により、Ｘ１電極６ｃ及びＸ
２電極６ｄとダイアフラム３との間の静電容量ＣＸ１及
びＣＸ２は図５に示すように互いに差動的に変化する。
即ち、ＣＸ１，ＣＸ２は ＣＸ１＝Ｃ０１＋Ｃ１×Ｆａ（ωｄｒｖ・ｔ＋φ１）＋Ｃ１´×Ｆｂωｄｒｖ ・ｔ， ＣＸ２＝Ｃ０２−Ｃ２×Ｆａ（ωｄｒｖ・ｔ＋φ２）＋Ｃ２´×Ｆｂωｄｒｖ ・ｔ …（１） で表される。Ｆａ及びＦｂはＣＸ１，ＣＸ２の変化部分
の時間関数（例えば正弦関数）であり、Ｃ１，Ｃ２及び
Ｃ１´，Ｃ２´は変動分の振幅である。φ１，φ２は位
相角であり、入力角速度の方向により決定される。Ｃ０
１，Ｃ０２はｚ軸方向の並進震動や入力角速度が無いと
きのＣＸ１，ＣＸ２の値で、既知である。（１）式の第
２項はコリオリオにより発生する容量変化、第３項はｚ
軸方向の並進震動による容量変化である。
Claims (5)
- 【請求項１】 ダイアフラムと、そのダイアフラムの底
面側に弾性支持された質量部と、そのダイアフラム上に
ギャップを介して対向された電極基板とを具備し、 前記ダイアフラムは、（ｘ，ｙ，ｚ）直交座標のｘｙ平
面に平行に配された半導体ウエハの底面に、ｘ軸または
ｙ軸に平行な辺をもつロ字形溝がｚ軸を中心として形成
され、そのロ字形溝に囲まれた中央部と、ロ字形溝の底
面と対応するロ字形薄肉部と、ロ字形溝の外側の枠部と
を有し、 前記質量部は、前記中央部の底面に固定され、 前記電極基板は、絶縁性基板の内面に、駆動電極及び検
出電極（出力電極）がそれぞれ形成され、 前記駆動電極と前記ダイアフラムとの間に交流電圧を印
加することにより、前記質量部を静電力により振動さ
せ、前記検出電極と前記ダイアフラムとの間の静電容量
を検出することにより、入力角速度を検出するようにし
た静電駆動型角速度センサにおいて、 前記電極基板は、同じ外形を有する第１乃至第４電極が
ｚ軸の周りに順にほぼ９０°間隔で前記ロ字形薄肉部と
対向して形成され、 対向する前記第１及び第３電極を前記駆動電極として、
前記ダイアフラムとの間に、それぞれ互いに差動的に変
化する電圧を印加することにより、前記質量部の駆動振
動と出力振動（検出振動）とを共に振り子振動とし、 対向する前記第２及び第４電極を前記検出電極として、
前記ダイアフラムとの間の互いに差動的に変化する静電
容量を検出することにより、ｚ軸方向の入力角速度を検
出することを特徴とする静電駆動型角速度センサ。 - 【請求項２】 請求項１において、前記ｙ軸及びｘ軸が
それぞれ駆動軸及び出力軸とされ、 前記第１及び第３電極が、それぞれｙ軸の正及び負の方
向を中心として±４５°の範囲に、ｙ軸に対して対称に
形成され、 前記第２及び第４電極がそれぞれ、ｘ軸の正及び負の方
向を中心として±４５°の範囲に、ｘ軸に対して対称に
形成されていることを特徴とする静電駆動型角速度セン
サ。 - 【請求項３】 請求項２において、前記第１及び第３電
極の形状が、ｚ軸側に頂角を有し、ｘ軸に平行な底辺を
有する二等辺三角形であり、 前記第２及び第４電極の形状が、ｚ軸側に頂角を有し、
ｙ軸に平行な底辺を有する二等辺三角形であることを特
徴とする静電駆動型角速度センサ。 - 【請求項４】 請求項１において、前記ｙ軸及びｘ軸を
それぞれ４５°回転させたβ軸及びα軸がそれぞれ駆動
軸及び出力軸とされ、 前記第１及び第３電極がそれぞれ、前記β軸の正及び負
の方向を中心として±４５°の範囲に、β軸に対して対
称に形成され、 前記第２及び第４電極がそれぞれ、前記α軸の正及び負
の方向を中心として±４５°の範囲に、α軸に対して対
称に形成されていることを特徴とする静電駆動型角速度
センサ。 - 【請求項５】 請求項４において、前記第１及び第３電
極の形状が、ｘｙ座標の第１及び第３象限内にそれぞれ
形成された方形であり、 前記第２及び第４電極の形状が、ｘｙ座標の第４及び第
２象限内にそれぞれ形成された方形であることを特徴と
する静電駆動型角速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8291795A JPH10132572A (ja) | 1996-11-01 | 1996-11-01 | 静電駆動型角速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8291795A JPH10132572A (ja) | 1996-11-01 | 1996-11-01 | 静電駆動型角速度センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10132572A true JPH10132572A (ja) | 1998-05-22 |
Family
ID=17773538
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8291795A Pending JPH10132572A (ja) | 1996-11-01 | 1996-11-01 | 静電駆動型角速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10132572A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6983650B2 (en) * | 2002-12-10 | 2006-01-10 | Pacific Industrial Co., Ltd. | Semiconductor sensor and transmitter for use in tire condition monitoring apparatus |
| JP2010286477A (ja) * | 2009-05-01 | 2010-12-24 | Board Of Trustees Of The Leland Stanford Jr Univ | ジャイロスコープおよび回転検出方法 |
| WO2014178172A1 (ja) * | 2013-04-30 | 2014-11-06 | 旭化成株式会社 | 角速度センサ |
-
1996
- 1996-11-01 JP JP8291795A patent/JPH10132572A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6983650B2 (en) * | 2002-12-10 | 2006-01-10 | Pacific Industrial Co., Ltd. | Semiconductor sensor and transmitter for use in tire condition monitoring apparatus |
| JP2010286477A (ja) * | 2009-05-01 | 2010-12-24 | Board Of Trustees Of The Leland Stanford Jr Univ | ジャイロスコープおよび回転検出方法 |
| US8711363B2 (en) | 2009-05-01 | 2014-04-29 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Gyroscope utilizing torsional springs and optical sensing |
| US8885170B2 (en) | 2009-05-01 | 2014-11-11 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Gyroscope utilizing torsional springs and optical sensing |
| WO2014178172A1 (ja) * | 2013-04-30 | 2014-11-06 | 旭化成株式会社 | 角速度センサ |
| JPWO2014178172A1 (ja) * | 2013-04-30 | 2017-02-23 | 旭化成株式会社 | 角速度センサ |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20041112 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20041124 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050121 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20050719 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20051004 |