JP2003194545A - 垂直振動質量体を有するmemsジャイロスコープ - Google Patents

垂直振動質量体を有するmemsジャイロスコープ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 作製が容易であり誤動作の確率が低いX型M
EMSジャイロスコープを提供する。 【解決手段】 本発明のX型MEMSジャイロスコープ
は、基板上で垂直に移動可能な第1質量体151、及び
基板上で水平に移動可能な第2質量体152を有してい
る。駆動電極110は第1質量体151と同一平面に設
けられる。第1質量体151が垂直に振動すれば第2質
量体152も共に垂直に振動される。第1質量体151
が振動する間、第1及び第2質量体151,152の運
動方向に垂直な角速度が加えられると、第2質量体15
2の水平方向にコリオリの力が加わり、感知電極120
は第2質量体152のコリオリの力による水平方向上の
変位を測定する。全ての電極内の移動電極と固定電極は
同一平面上に配され、全ての構造物は単一マスクによっ
て作製される。従って、移動電極と固定電極との粘着が
防止され作製工程が単純化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はMEMSジャイロス
コープに係り、さらに詳しくは基板上で垂直方向に振動
する質量体を備えたMEMSジャイロスコープに関す
る。
【0002】
【従来の技術】MEMS(Micro electro mechanical sy
stems)は機械的、電気的部品を半導体工程を用いて具現
する技術であって、MEMS技術を用いた素子の一例が
角速度を測定するジャイロスコープである。ジャイロス
コープは所定の速度で移動する物体に回転角速度が加え
られる場合に、発生するコリオリの力を測定して角速度
を測定する。この際、コリオリの力は移動速度と外力に
よる回転角速度のクロス乗積(cross product)に比例す
る。
【0003】ジャイロスコープがコリオリの力を発生さ
せ、またこれを検知するために、ジャイロスコープはそ
の内部で振動する質量体を具備している。以下、ジャイ
ロスコープ内の質量体が駆動される方向を「駆動方向」
と称し、ジャイロスコープに回転角速度が入力される方
向を「入力方向」と称し、質量体に発生するコリオリの
力を検知する方向を「検知方向」と称する。駆動方向と
入力方向及び検知方向は空間上で相互直交する方向に設
定される。通常、MEMS技術を用いたジャイロスコー
プでは、基板の板面に平行し、相互に直交する二つの方
向(以下、これを「水平方向」と称する)と基板の板面に
垂直の一方向(以下ではこれを「垂直方向」と称する)で
構成された三つの方向に座標軸を設定する。
【0004】通常、ジャイロスコープはX型(またはY
型)ジャイロスコープとZ型ジャイロスコープに分かれ
る。X型ジャイロスコープは入力方向が水平方向のジャ
イロスコープである。X型ジャイロスコープを用いて水
平方向に加わる角速度を測定するためには、駆動方向ま
たは検知方向のうちいずれか一つは垂直方向に設定され
るべきである。従って、X型ジャイロスコープは質量体
を垂直に駆動する駆動電極を具備したりあるいは質量体
の垂直変位を検知するための検知電極を備えるべきであ
る。
【0005】MEMS技術を用いたジャイロスコープで
は駆動電極と検知電極は物理的に同一構造を有する。図
1は垂直方向の駆動電極または垂直方向の検知電極を示
した図である。基板20上には固定電極11が形成さ
れ、固定電極11の上部には移動電極13が配される。
移動電極13は固定電極11に対して接近及び離隔可能
に基板20の上部に浮上されている。前述したような電
極が駆動電極として使用される場合、固定電極11と移
動電極13との間に加わる電圧が可変され、これにより
可変する静電力によって移動電極13が固定電極11に
対して垂直方向に振動する。前述したような電極が検知
電極として使用される場合は、固定電極11と移動電極
13との距離によって変化する静電力を検知する別の検
知手段が設けられる。検知された結果に基づき移動電極
13が移動する位置を算出することができ、この位置に
基づきコリオリの力が算出されうる。
【0006】ところが、前述したような構造を有する電
極は、移動電極13が固定電極11の上部に積層された
構造を有するので、その作製が極端に困難な短所があ
る。すなわち、前述したような電極を作製するために
は、まず基板上に固定電極11を形成する工程を行った
後、固定電極11上に犠牲層を蒸着させる。それから、
犠牲層上に移動電極13を形成し犠牲層を除去する。こ
のように、移動電極13の上部に浮上された固定電極1
1を形成するために数多くの工程が行われるべきであ
る。
【0007】また、移動電極13の垂直方向上の変位を
精密に測定するためには移動電極13と固定電極11と
の間隔が狭くなるべきなので、移動電極13と固定電極
11間の粘着現象が発生する恐れがあるという問題点を
有している。従って、図1に示したような構造の駆動電
極または検知電極を備えたMEMSジャイロスコープ
は、その作製に数多くの工程が必要であり、また粘着に
よる誤動作の可能性が高いという問題点がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前述したよう
な問題点を解決するために案出されたもので、その目的
はその作製が容易であり誤動作の確率が低いX型MEM
Sジャイロスコープを提供するところにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ための本発明に係るMEMSジャイロスコープは、基板
の板面方向に垂直方向に沿って前記基板に対して相対移
動可能な第1質量体と、前記基板上に前記第1質量体と
同一平面に設けられ、前記第1質量体を前記垂直方向上
に振動させる駆動電極と、前記板面方向に平行した方向
のうち一つである水平方向に沿って前記基板に対して相
対移動可能であり、前記駆動電極によって前記第1質量
体が振動する間、角速度を加えることによって発生した
コリオリの力によって前記水平方向に移動される第2質
量体、及び前記第2質量体の前記水平方向上の変位を測
定する検知電極と、を備える。
【0010】本発明の望ましい一実施例によれば、前記
第2質量体は前記第1質量体に対して前記水平方向上に
相対移動可能であり、このためにMEMSジャイロスコ
ープは、前記第1質量体が前記垂直方向上に移動可能に
前記第1質量体を前記基板上に固定する少なくとも一つ
の第1バネと、前記第2質量体が前記水平方向上に前記
第1質量体に対して相対移動可能に前記第2質量体と前
記第1質量体を相互固定する少なくとも一つの第2バネ
とを備える。本発明の望ましい他の実施例によれば、M
EMSジャイロスコープは、前記第1質量体が前記第2
質量体に対して前記垂直方向上に相対移動可能であり前
記水平方向上には相対固定されるよう前記第1質量体と
前記第2質量体を相互固定する少なくとも一つの第1バ
ネと、前記第2質量体が前記水平方向上に前記基板に対
して相対移動可能に前記第2質量体を前記基板上に固定
させる少なくとも一つの第2バネを備える。
【0011】ここで、前記駆動電極と前記検知電極はく
し状構造を有し、また駆動電極と検知電極はそれぞれ前
記第1質量体と同一平面上に配された固定電極と移動電
極を有する。固定電極は前記基板上に起立し相互平行に
形成された複数の固定壁を有する。移動電極はそれぞれ
の前記固定壁の間にそれぞれ配され、前記固定壁の前記
基板からの高さに比べて低い高さを有する複数の移動壁
を有する。前記固定電極は前記基板上に固定され、前記
移動電極は第1質量体に固定される。本発明によれば、
全ての電極内の移動電極と固定電極が基板上の同一な平
面に配される。従って、単一のマスクだけを持って全部
品を形成できるのでその作製工程が単純化する。
【0012】また、移動電極と固定電極との間隔を狭め
る場合もこれら間の粘着がさほど発生しなくなるため、
精密な制御の可能なジャイロスコープが作製できる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づき本発
明をさらに詳述する。以下の説明では前述した従来の技
術と同様に、ジャイロスコープ内の質量体が駆動される
方向を「駆動方向」とし、ジャイロスコープに角速度が
入力される方向を「入力方向」とし、質量体に発生する
コリオリの力を検知する方向を「検知方向」と称する。
また、基板の板面方向に垂直な方向を「垂直方向」と
し、基板の板面に並んだ方向を「水平方向」と称する。
この際、水平方向のうち図面上の左右方向を「X方向」
とし、図面上の上下方向を「Y方向」とし、垂直方向と
「Z方向」は同一な意味として使用する。
【0014】図2は本発明に係るMEMSジャイロスコ
ープの望ましい第1実施例を示した図である。本発明に
係るMEMSジャイロスコープは、基板(図示せず)上に
配される第1質量体151と第2質量体152、第1質
量体151を駆動する駆動電極110、第2質量体15
2の水平方向上の変位を検知する水平検知電極120、
第1質量体151の垂直方向上の変位を検知する垂直検
知電極130、及び第1質量体151と第2質量体15
2をそれぞれ支持する複数の第1バネ161と複数の第
2バネ162を有している。
【0015】第1質量体151は枠状を有し、基板上で
揺動可能に浮上されている。第1質量体151の各側面
は第1バネ161によって基板上に固定されている。図
3に示した通り、第1バネ161は捻れが発生する2個
の板バネ161aとこれらを相互連結する連結部161
b及び板バネ161aのうち一つを基板に固定させるた
めの固定部161cで構成されている。図4及び図5は
それぞれ図3の第1バネ161の元状態と捻れ変形され
た状態をそれぞれ示した図である。板バネ161a、1
61bの捻れ変形によって、第1質量体151は基板に
対して垂直方向に相対移動可能である。
【0016】第2質量体152は第1質量体151より
小サイズの枠状を有し、また基板上で揺動可能に浮上さ
れている。第2質量体152は第1質量体151の内側
空間に配される。第2質量体152は第2バネ162に
よって第1質量体151に固定されている。図6に示し
た通り、第2バネ162はY方向にたわむ板バネの形態
を有し、よって第2質量体152は第1質量体151に
対してY方向に相対移動可能に第2バネ162によって
支持される。駆動電極110は第1質量体151のY方
向上の側方にそれぞれ設けられ、基板上で第1質量体1
51と同一平面に配される。駆動電極110はくし(Com
b)状の構造によって相互結合された固定電極111と移
動電極112で構成されている。
【0017】図7に示した通り、固定電極111は基板
上に固定された固定部111b及び固定部111bと一
体に形成された板状の固定壁111aを有している。固
定壁111aは基板上に起立するよう配され、また相互
平行に配される。移動電極112は第1質量体151に
固定された固定部112b及び固定部112bと一体に
形成された板状の移動壁112aを有している。それぞ
れの移動壁112aはそれぞれの固定壁111aの間の
空間に配される。図8は、図7のI−I線におけるZ方
向に沿う断面図であり、移動壁112aの高さは固定壁
111aの基板からの高さに比べて低く、移動壁112
aの下端部は基板から所定の高さで離隔されている。こ
れにより移動電極112は基板上で垂直方向に揺動可能
になる。
【0018】水平検知電極120は第2質量体152の
内側空間に設けられている。水平検知電極120は、駆
動電極110と同様にくし状構造によって相互結合され
た固定電極121と移動電極122を有している。固定
電極121は基板上に固定され、移動電極122は第2
質量体152に固定される。垂直検知電極130は第1
質量体151のX方向上の側上にそれぞれ設けられる。
垂直検知電極130もくし状構造によって相互結合され
た固定電極131と移動電極132で構成されている。
固定電極131は基板上に固定され、移動電極132は
第1質量体151に固定される。垂直検知電極130は
駆動電極110と同様に、図7及び図8のような構造を
有する。
【0019】以下、前述したような構成を有する本発明
に係るMEMSジャイロスコープの動作を説明する。駆
動電極110に経時的に変化する電圧が印加されれば、
駆動電極110によって発生する静電力によって第1質
量体151がZ方向に振動する。この際、第2質量体1
52が第2バネ162によってZ方向に第1質量体15
1に対して相対固定されているため、第2質量体152
は第1質量体151と共にZ方向に振動する。
【0020】垂直検知電極130は第1質量体151の
Z方向上の変位を測定し、測定された値は制御器(図示
せず)に提供される。制御器は垂直検知電極130の測
定値に基づき第1質量体151がZ方向上に効率よく振
動できるよう駆動電極110に供給される電界を制御す
る。第1質量体151と第2質量体152が振動する間
第1質量体151にX方向に角速度が加えられると、第
2質量体152は第2バネ162によって第1質量体1
51と共にX方向に移動される。この際、第2質量体1
52にはY方向へのコリオリの力が加わって第2質量体
152がY方向に移動する。これによって水平検知電極
120内の固定電極121と移動電極122間の距離が
変化し、このような距離の変化によって水平検知電極1
20の静電容量の変化が発生する。制御器(図示せず)は
水平検知電極120の静電容量の変化を用いてコリオリ
の力を算出し、これによりX方向に加わる外力による角
速度または角加速度を算出できる。
【0021】本実施例によれば、第1質量体151のZ
方向上の振動が第1質量体151と同一平面上に形成さ
れた固定電極111と移動電極112を有する駆動電極
110によって制御される。したがって、駆動電極11
0が第1質量体151と第2質量体152などのような
他の部分を作製する工程と同一な工程内で共に作製する
ことができる。したがって、ジャイロスコープ内の全構
造が一つのマスクを用いて作製できるため、ジャイロス
コープの作製工程が単純化される。また、固定電極11
1と移動電極112が同一平面上に配置されるため、こ
れら間の間隔を狭くするのが容易になる。したがって、
第1質量体151の駆動や第2質量体152の変位検知
が精密に制御されうる。また、駆動電極110は、固定
電極111と移動電極112とがくし状構造によって相
互結合されているため、第1質量体151及び第2質量
体152の駆動運動を発生しやすくできる。よって、検
知方向の運動を検知し易い。
【0022】図9は本発明に係るMEMSジャイロスコ
ープの第2実施例を示した図である。以下の実施例等に
対する説明において図1に示された部分と同一部分につ
いては同一な参照符号を使用して引用し、その詳細な説
明は省く。本実施例において、第1質量体151、第2
質量体152、駆動電極110、水平検知電極120、
垂直検知電極130、及び第2バネ162の構成は図2
に示した実施例と実質的に同一である。本実施例におい
て第1バネ161aの構成が図2の実施例と違う。
【0023】第1バネ161aは枠状の第1質量体15
1の各角に設けられている。第1バネ161aは図2の
第1バネ161と同様に第1質量体151が基板に対し
てZ方向に相対移動可能に第1質量体151を支持す
る。このような構成を有する図9のMEMSジャイロス
コープの動作は図2と同様である。本実施例のように第
1バネ161aが第1質量体151の各角を支持するこ
とによって、図2の構造において発生する懸念のある第
1質量体が水平方向に回転する共振モードの発生を抑え
られる。
【0024】図10は本発明に係るMEMSジャイロス
コープの第3実施例を示した図である。本実施例におい
て、第1質量体151、第2質量体152、駆動電極1
10、水平検知電極120、及び垂直検知電極130の
構成は図2に示した実施例と同一である。本実施例にお
いて第1バネ261と第2バネ262の構成が図2の実
施例と違う。第1バネ261は第1質量体151と第2
質量体152を相互相対固定させる。この際、第1バネ
261によって、第1質量体151は第2質量体152
に対してZ方向上に相対移動可能であり、水平方向上に
は相対固定される。
【0025】第2バネ262は第2質量体152を基板
上に固定させる。この際、第2バネ262によって、第
2質量体152はY方向上に基板に対して相対移動可能
に基板上に固定される。駆動電極110によって第1質
量体151がZ方向に振動する際、第2質量体152が
第2バネ262によってZ方向上に基板に固定されてい
るため、第2質量体152はZ方向に振動しなくなる。
第1質量体151が振動する間第1質量体151にX方
向に角速度が加えられると、第1質量体151はY方向
に発生するコリオリの力によってY方向を移動する。こ
の際、第1質量体151と第2質量体152が第1バネ
261によってY方向に相対固定されているため、第2
質量体152は第1質量体151と共にY方向に移動さ
れる。これにより水平検知電極120には静電容量の変
化が発生する。つまり、第1質量体151がZ方向に振
動する際に、第2質量体152は検知方向であるY方向
にのみ振動するので、2つの軸方向の運動が混在しな
い。よって、検知信号のノイズを低減することができ
る。
【0026】図11は本発明に係るMEMSジャイロス
コープの第4実施例を示した図である。本実施例におい
てジャイロスコープ内の各部分の構成と動作は実質的に
図10に示した実施例と同様である。但し、本実施例で
は第1質量体351が第2質量体352の内側空間に配
されている。これにより第1質量体351をZ方向に駆
動する駆動電極310が第1質量体351の内側空間に
配され、第2質量体352のY方向上の変位を検知する
水平検知電極320が第2質量体352の外側面に配さ
れる。
【0027】第1バネ361と第2バネ362の構成も
実質的に図6の実施例と同一である。すなわち、第1バ
ネ361は第1質量体351が第2質量体352に対し
てZ方向上に相対移動可能に第1質量体351と第2質
量体352を相互相対固定させ、第2バネ362は第2
質量体352がY方向上に基板に対して相対移動可能に
第2質量体352を基板上に固定させる。前述したよう
な構成を有する本実施例によるジャイロスコープの動作
は、前述した図10の実施例と同一である。すなわち、
駆動電極310によって第1質量体351がZ方向に振
動する間第1質量体351にX方向に角速度が加えられ
ると、第2質量体352が第1質量体351と共にY方
向に移動され、これを水平検知電極320が検知する。
【0028】この第4実施例のジャイロスコープでは、
第3実施例と同様に、第1質量体351の駆動方向と第
2質量体352の検知方向とが独立しているので、検知
信号のノイズを低減することができる。図12は本発明
に係るMEMSジャイロスコープの第5実施例を示した
図である。本実施例において、第1バネ361aを除い
た他の部分の構成は図11に示された実施例と同様であ
る。第1バネ361aは枠状の第1質量体351の各外
側の角と枠状の第2質量体352の各内側角部を連結す
る。第1バネ361aは図11の第1バネ361と同様
に第1質量体351と第2質量体352がZ方向に相対
移動可能にこれらを相互連結する。このような構成を有
する図12のMEMSジャイロスコープの動作は図11
と同様である。
【0029】前述したような第2実施例ないし第5実施
例においても第1実施例と同様に、全ての電極は基板上
の同一な平面内に形成される。[その他の実施例]本発
明に係るX型MEMSジャイロスコープを垂直軸方向に
90度回転してX型ジャイロスコープと同一平面上に直
角配置すればY型ジャイロスコープになり、これにより
同一な方式による2軸ジャイロスコープを同一基板に同
一マスクを使用して作製できるようになり、同一な感
度、同一な信号処理部、及び同一チップ(Chip)サイズを
有するなどの長所を有する2軸ジャイロスコープを作製
できる。ひいては、本発明に係るX型ジャイロスコープ
の検知方式と同様な検知方式を使用するZ型ジャイロス
コープを共に配置すれば、同一基板の平面上に一つのマ
スクで3軸ジャイロスコープを容易に作製できる。
【0030】以上では本発明の望ましい実施例について
示しかつ説明したが、本発明は前述した特定の実施例に
限らず、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せず
当該発明の属する技術分野において通常の知識を有した
者ならば誰でも多様な変形実施が可能なことは勿論、そ
のような変更は請求の範囲の記載内にある。
【0031】
【発明の効果】以上述べた通り、本発明によれば、基板
上の全ての移動電極と固定電極が同一な平面に配置され
ている垂直方向に振動する質量体を具備したジャイロス
コープが提供される。従って、単一のマスクだけでも全
部品を形成することができるためその作製工程が単純化
し、また移動電極と固定電極との間隔を粘着現象の発生
なしに狭く形成することができる。これによりX型ジャ
イロスコープの作製が容易であり、また作製されたX型
ジャイロスコープが誤動作する恐れが低くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のMEMSジャイロスコープに採用された
電極を示した図。
【図2】本発明に係るMEMSジャイロスコープの第1
実施例を示した図。
【図3】図2の第1バネの拡大図。
【図4】図3の第1バネの元状態を示した図。
【図5】図3の第1バネの捻れ変形された状態を示した
図。
【図6】図2の第2バネの拡大斜視図。
【図7】図2の駆動電極の部分拡大図。
【図8】図7のI-I線に沿う断面図。
【図9】本発明に係るMEMSジャイロスコープの第2
実施例を示した図。
【図10】本発明に係るMEMSジャイロスコープの第
3実施例を示した図。
【図11】本発明に係るMEMSジャイロスコープの第
4実施例を示した図。
【図12】本発明に係るMEMSジャイロスコープの第
5実施例を示した図。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板の板面方向の垂直方向に沿って前記基
    板に対して相対移動可能な第1質量体と、 前記基板上に前記第1質量体と同一平面に設けられ、前
    記第1質量体を前記垂直方向上に振動させる駆動電極
    と、 前記板面方向に平行した方向のうち一つである水平方向
    に沿って前記基板に対して相対移動可能であり、前記駆
    動電極によって前記第1質量体が振動する間、角速度を
    加えることによって発生したコリオリの力によって前記
    水平方向に移動する第2質量体と、 前記第2質量体の前記水平方向上の変位を測定する検知
    電極と、を備えるMEMS(Micro Eelectro Mechanical
    Systems)ジャイロスコープ。
  2. 【請求項2】前記第2質量体は、前記第1質量体に対し
    て前記水平方向上に相対移動可能である請求項1に記載
    のMEMSジャイロスコープ。
  3. 【請求項3】前記第1質量体が前記垂直方向上に移動可
    能に前記第1質量体を前記基板上に固定する少なくとも
    一つの第1バネと、 前記第2質量体が前記水平方向上に前記第1質量体に対
    して相対移動可能に前記第2質量体と前記第1質量体を
    相互固定する少なくとも一つの第2バネと、を備える請
    求項2に記載のMEMSジャイロスコープ。
  4. 【請求項4】前記第1質量体が前記第2質量体に対して
    前記垂直方向上に相対移動可能であり、前記水平方向上
    には相対固定するよう前記第1質量体と前記第2質量体
    を相互固定する少なくとも一つの第1バネと、 前記第2質量体が前記水平方向上に前記基板に対して相
    対移動可能に前記第2質量体を前記基板上に固定する少
    なくとも一つの第2バネと、を備える請求項1に記載の
    MEMSジャイロスコープ。
  5. 【請求項5】前記駆動電極及び前記検知電極はくし状構
    造を有する請求項1に記載のMEMSジャイロスコー
    プ。
  6. 【請求項6】前記駆動電極は、 前記基板上に起立し相互平行に形成された複数の固定壁
    を備え、前記基板上に固定された固定電極と、 それぞれの前記固定壁の間にそれぞれ配され前記固定壁
    の前記基板からの高さに比べて低い高さを有する複数の
    移動壁を備え、前記第1質量体に固定された移動電極
    と、を備える請求項5に記載のMEMSジャイロスコー
    プ。
  7. 【請求項7】前記駆動電極によって移動する前記第1質
    量体の前記垂直方向上の変位を検知する垂直検知電極を
    さらに備える請求項1に記載のMEMSジャイロスコー
    プ。
  8. 【請求項8】前記垂直検知電極は、 前記基板上に起立し相互平行に形成された複数の固定壁
    を備え、前記基板上に固定された固定電極と、 それぞれの前記固定壁の間にそれぞれ配され前記固定壁
    の前記基板からの高さに比べて低い高さを有する複数の
    移動壁を備え、前記第1質量体に固定された移動電極
    と、を備える請求項7に記載のMEMSジャイロスコー
    プ。
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