JP4942470B2

JP4942470B2 - ２軸角速度センサ

Info

Publication number: JP4942470B2
Application number: JP2006342232A
Authority: JP
Inventors: 隆太荒木
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP2008151728A

Description

本発明は、２軸の角速度を検出する２軸角速度センサに関する。

物体の角速度を検出する角速度センサとして、ジャイロが知られている。ジャイロは、例えば、手ぶれ補正等を実現するために、デジタルカメラ等に実装されている。手ぶれ補正は、ジャイロで検出された所定軸周りの角速度から手ぶれ量を算出し、手ぶれ量に基づいて撮像された画像を補正するものである。このような手ぶれは、１次元的だけでなく、２次元的にも生じる。そのため、手ぶれ補正に用いられるジャイロは、２軸の角速度を検出できることが好ましい。

２軸の角速度を検出できる２軸ジャイロは、１軸の角速度を検出できる１軸ジャイロを２つ組み合わせて作製されている。２軸ジャイロの作製に用いられる１軸ジャイロとして、例えば特許文献１及び２に開示のジャイロを挙げることができる。
特開平１１−３２５９０５号公報特開２００４−２７１５２６号公報

しかしながら、１軸ジャイロを２つ組み合わせて２軸ジャイロを作製すると、２つの１軸ジャイロが必要であるため製造コストが高く、また、部品点数が１軸ジャイロの略２倍となり大型になるという問題がある。

本発明は、低コスト化及び小型化が可能な２軸角速度センサを提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明は、特許請求の範囲の請求項１に記載の如く、枠体に対して周方向に回動可能に支持されたディスク状の揺動体と、前記揺動体が含まれる平面内に存在し、且つ、前記平面の法線周りに回転する揺動軸周りに前記揺動体を揺動させる駆動手段と、前記揺動体に連結され、且つ、前記揺動体が周方向に回動すると、前記揺動体と連動して回動する回動体と、前記回動体に支持された一方の電極、及び、前記枠体に支持された他方の電極を有する角速度検出電極と、前記角速度検出電極の一方の電極と他方の電極との間の静電容量の変動量を測定する測定手段と、前記揺動軸の方向を検出する方向検出手段と、前記方向検出手段によって検出された前記揺動軸の方向に基づいて、前記測定手段によって測定された変動量から、前記揺動体が含まれる平面と平行な第１軸周りの第１軸角速度に対応する変動量、及び、前記揺動体が含まれる平面と平行であり、且つ、前記第１軸方向に垂直な第２軸周りの第２軸角速度に対応する変動量を出力する出力手段とを備えることを特徴とする２軸角速度センサを提供する。

説明を容易とするために、ここでは、図１に示すように、本発明に係る２軸角速度センサの揺動体２３は、Ｘ−Ｙ平面に配置されているものとする（図１の点線で示す状態）。そして、揺動軸Ｄは、揺動体２３が含まれるＸ−Ｙ平面内に存在しており、揺動体２３の法線方向と平行なＺ軸周りの一方向Ｚ０に回転するものとする。駆動手段は、揺動軸Ｄ周りに揺動体２３を揺動させるものである。

揺動軸ＤをＺ軸周りの一方向Ｚ０に回転させながら、揺動軸Ｄ周りに揺動体２３が揺動している（以下、「励起揺動」という場合がある）場合において、揺動軸Ｄに平行な軸周りの角速度が揺動体２３に与えられると、与えられた角速度の大きさに比例するコリオリ力Ｐが揺動体２３の各部分に生じる。かかるコリオリ力Ｐの向きは、揺動軸Ｄに垂直で、且つ、Ｘ−Ｙ平面に含まれる方向である。

例えば、揺動体２３が励起揺動している時に、揺動軸ＤがＹ軸と平行であり、Ｙ軸周りの角速度が揺動体２３に与えられると、Ｙ軸に垂直であり、且つ、Ｘ−Ｙ平面に含まれる方向、即ち、Ｘ軸方向のコリオリ力Ｐが生じる。更に、このコリオリ力Ｐの向きは、揺動軸Ｄ周りの揺動において、移動する方向がＺ軸方向のＺ１方向（紙面上では上方向）の場合と、Ｚ２方向（紙面上では下方向）との場合とでは、１８０°異なる。具体的には、揺動体２３のＹ軸方向中央部を通るＸ軸と平行なＸ１軸よりも矢印Ｙ１側の部分は、励起揺動によってＺ軸方向のＺ１方向に移動し、矢印Ｙ２側の部分は、Ｚ２方向に移動する。従って、Ｚ１方向に移動する揺動体２３の部分とＺ２方向に移動する揺動体２３の部分とでは、Ｘ軸に平行であり、且つ互いに１８０°異なるコリオリ力Ｐが生じる。このように１８０°異なるコリオリ力Ｐが発生することで、揺動体２３は周方向に回転する。

揺動体２３の各部分は、揺動軸Ｄ周りの揺動によって、Ｚ１方向への移動とＺ２方向への移動を交互に繰り返すため、揺動体２３の各部分に発生するコリオリ力の向きは繰り返し反転する。このようにコリオリ力の向きが繰り返し反転することで、揺動体２３は周方向に回動する。よって、揺動体２３は、揺動軸に平行な軸周りの角速度に対応する速度で周方向に回動することができる。

また、揺動軸Ｄは、Ｚ軸周りに回転するので、Ｘ―Ｙ平面内に含まれる軸であれば、どの方向の軸に対しても、平行となることができる。従って、本発明の２軸角速度センサにおいては、Ｘ―Ｙ平面内において、どの方向の軸周りの角速度が揺動体２３に与えられても、与えられた角速度に対応するコリオリ力Ｐが生じ、与えられた角速度に対応する速度で揺動体２３が回動する。

更に、本発明に係る２軸角速度センサは、揺動体に連結され、且つ、揺動体が周方向に回動すると、揺動体と連動して回動する回動体と、回動体に支持された一方の電極及び枠体に支持された他方の電極を有する角速度検出電極とを備える。回動体は、揺動体と連動して回動するため、揺動体と共に、揺動体に与えられた角速度に対応する速度で回動する。回動体が、揺動体に与えられた角速度に対応する速度で回動するため、角速度検出電極の一方の電極は揺動体に与えられた角速度に対応する速度で回動する。よって、角速度検出電極が有する一方の電極と他方の電極との間の静電容量（以下、「角速度検出電極の静電容量」という場合がある）は、揺動体に与えられた角速度に対応する速度で変動する。更に、本発明に係る２軸角速度センサは、角速度検出電極の静電容量の変動量を測定する測定手段を備える。

また、本発明に係る２軸角速度センサは、揺動軸の方向を検出する方向検出手段と、方向検出手段によって検出された揺動軸の方向に基づいて、測定手段によって測定された変動量から、第１軸角速度及び第２軸角速度に対応する変動量を出力する出力手段とを備える。出力手段は、揺動体に与えられた角速度に対応する角速度検出電極の静電容量の変動量を、揺動軸の方向に基づいて、第１軸角速度に対応する角速度検出電極の静電容量の変動量と第２軸角速度に対応する角速度検出電極の静電容量の変動量とに分離する。そして、出力手段は、第１軸角速度に対応する角速度検出電極の静電容量の変動量と第２軸角速度に対応する角速度検出電極の静電容量の変動量とを出力する。

以上のように、本発明に係る２軸角速度センサにおいては、揺動体が含まれる平面内において、どの方向の軸周りの角速度が揺動体に与えられても、与えられた角速度に対応したコリオリ力が生じる。そして、このコリオリ力により変動する角速度検出電極の静電容量の変動量を、第１軸角速度及び第２軸角速度に対応する変動量に分離することで、どの方向の軸周りの角速度についても、第１軸成分及び第２軸成分の角速度に対応する角速度検出電極の静電容量の変動量を出力することができる。また、本発明に係る２軸角速度センサは、第１軸成分及び第２軸成分の角速度に対応する角速度検出電極の静電容量の変動量を１つの角速度検出電極で出力することができるので、部品点数が少なく、小型化及び低コスト化を図ることができる。

前述の駆動手段の具体的構成として、特許請求の範囲の請求項２に記載の如く、前記駆動手段は、静電力を利用して、前記揺動体が含まれる平面と平行な第３軸周りに前記揺動体を揺動させる第１駆動電極と、静電力を利用して、前記揺動体が含まれる平面と平行であり、且つ、前記第３軸に垂直な第４軸周りに前記揺動体を揺動させる第２駆動電極と、前記揺動体の前記第３軸周りの揺動と前記揺動体の前記第４軸周りの揺動との位相が９０°異なるように、前記第１駆動電極と前記第２駆動電極とに交流電圧を印加する交流電源とを備える構成を挙げることができる。

かかる好ましい構成のように、第１駆動電極と第２駆動電極と交流電源とで駆動手段を構成すると、この３つの構成要素のみで、揺動軸周りに揺動体を揺動させることができる。そのため、かかる好ましい構成によれば、２軸角速度センサの部品点数を抑えることができる。

また、前述の方向検出手段の具体的構成として、特許請求の範囲の請求項３に記載の如く、前記方向検出手段は、前記揺動体に支持された一方の電極、及び、前記枠体に支持され、前記揺動体の法線方向に沿った位置が前記一方の電極と異なる他方の電極を有する方向検出電極と、前記方向検出電極の一方の電極と他方の電極との間の静電容量に基づいて前記揺動軸の方向を検出する検出手段とを具備し、前記出力手段は、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記測定手段によって測定された変動量から前記第１軸角速度に対応する変動量を抽出するための第１検波波、及び、前記第２軸角速度に対応する変動量を抽出するための前記第１検波波と位相が９０°異なる第２検波波を生成する検波波生成手段と、前記第１検波波に基づいて、前記測定手段によって測定された変動量から前記第１軸角速度に対応する変動量、及び、前記第２検波波に基づいて、前記測定手段によって測定された変動量から前記第２軸角速度に対応する変動量を抽出する抽出手段とを具備する構成を挙げることができる。

かかる具体的構成における方向検出手段は、揺動体に支持された一方の電極と、枠体に支持された他方の電極とを有する方向検出電極を備える。一方の電極は、揺動体に支持されているため、揺動体が励起揺動すると、励起揺動による揺動軸の回転に伴って、揺動体が含まれる平面の法線方向に揺動する。一方の電極が揺動することによって、一方の電極と他方の電極との位置関係が変動し、この位置関係の変動により、一方の電極と他方の電極との間の静電容量（以下、「方向検出電極の静電容量」という場合がある）が変動する。更に、一方の電極と他方の電極とは、揺動体の法線方向に沿った位置が異なっている。そのため、励起揺動による揺動軸の回転に伴って、一方の電極が揺動体の含まれる平面の法線方向一方側に移動する場合と、法線方向他方側に移動する場合とでは、一方の電極と他方の電極との位置関係の変動形態が異なる。そのため、方向検出電極の静電容量の変動周期は、揺動軸の回転周期と同一となり、方向検出電極の静電容量から揺動軸の方向を特定することができる。かかる具体的構成における方向検出手段は、この方向検出電極の静電容量に基づいて揺動軸の方向を検出する検出手段を具備する。

更に、かかる具体的構成における出力手段は、検出手段の検出結果に基づいて、測定手段によって測定された静電容量の変動量から、第１軸角速度に対応する変動量を抽出するための第１検波波と、第１検波波と位相が９０°異なる、第２軸角速度に対応する変動量を抽出するための第２検波波とを生成する検波波生成手段を備える。前述のように、方向検出手段の静電容量の変動周期は、揺動軸の回転周期と同一であるため、第１検波波と第２検波波とによって方向検出電極の静電容量の変動量から、第１軸角速度及び第２軸角速度に対応する静電容量の変動量を抽出することができる。更に、かかる具体的構成における出力手段は、第１検波波に基づいて、第１軸角速度に対応する静電容量の変動量と、第２検波波に基づいて、第２軸角速度に対応する静電容量の変動量とを抽出する抽出手段とを具備する。この抽出手段は、測定手段によって測定された静電容量の変動量から、第１軸角速度及び第２軸角速度に対応する静電容量の変動量を抽出する。

また、本発明に係る２軸角速度センサの好ましい構成として、特許請求の範囲の請求項４に記載の如く、前記駆動手段は、静電力を利用して、前記揺動体が含まれる平面と平行な第３軸周りに前記揺動体を揺動させる第１駆動電極と、静電力を利用して、前記揺動体が含まれる平面と平行であり、且つ、前記第３軸に垂直な第４軸周りに前記揺動体を揺動させる第２駆動電極と、前記揺動体の前記第３軸周りの揺動と前記揺動体の前記第４軸周りの揺動との位相が９０°異なるように、前記第１駆動電極と前記第２駆動電極とに、交流電圧を印加する交流電源とを備え、前記揺動体、前記回動体、前記第１駆動電極、前記第２駆動電極、前記角速度検出電極及び前記方向検出電極は、互いに重ならないように配置されている構成を挙げることができる。

近年、低コスト化及び小型化の要請により、角速度センサの作製に、ＭＥＭＳ技術が用いられることがある。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術とは、半導体製造プロセス等における技術を応用した種々の機械要素の小型化を実現する技術である。このＭＥＭＳ技術は、部材同士が重ならない配置の構成物の作製に向いている。よって、かかる好ましい構成においては、ＭＥＭＳ技術を用いて本発明に係る２軸角速度センサの作製を容易に行うことができる。

本発明に係る２軸角速度センサは、第１軸角速度及び第２軸角速度に対応した角速度検出電極の静電容量の変動量を同一部材を用いて出力することができるので、低コスト化及び小型化を図ることができる。

本実施形態に係る２軸角速度センサは、枠体に対して周方向に回動可能に支持されたディスク状の揺動体と、揺動体が含まれる平面内に存在し、且つ、該平面の法線周りに回転する揺動軸周りに揺動体を揺動させる駆動手段と、揺動体に連結され、且つ、揺動体が周方向に回動すると、揺動体と連動して回動する回動体と、回動体に支持された一方の電極、及び、枠体に支持された他方の電極を有する角速度検出電極と、角速度検出電極の一方の電極と他方の電極との間の静電容量の変動量を測定する測定手段と、揺動軸の方向を検出する方向検出手段と、方向検出手段によって検出された揺動軸の方向に基づいて、測定手段によって測定された変動量から、揺動体が含まれる平面と平行な第１軸周りの第１軸角速度に対応する変動量、及び、揺動体が含まれる平面と平行であり、且つ、第１軸方向に垂直な第２軸周りの第２軸角速度に対応する変動量を出力する出力手段とを備える。

駆動手段は、静電力を利用して、揺動体が含まれる平面と平行な第３軸周りに揺動体を揺動させる第１駆動電極と、静電力を利用して、揺動体が含まれる平面と平行であり、且つ、第３軸に垂直な第４軸周りに揺動体を揺動させる第２駆動電極と、揺動体の第３軸周りの揺動と揺動体の第４軸周りの揺動との位相が９０°異なるように、第１駆動電極と第２駆動電極とに交流電圧を印加する交流電源とを備える。

方向検出手段は、揺動体に支持された一方の電極、及び、枠体に支持され、揺動体の法線方向に沿った位置が一方の電極と異なる他方の電極を有する方向検出電極と、方向検出電極の一方の電極と他方の電極との間の静電容量に基づいて揺動軸の方向を検出する検出手段とを具備し、出力手段は、検出手段の検出結果に基づいて、測定手段によって測定された変動量から第１軸角速度に対応する変動量を抽出するための第１検波波、及び、第２軸角速度に対応する変動量を抽出するための第１検波波と位相が９０°異なる第２検波波を生成する検波波生成手段と、第１検波波に基づいて、測定手段によって測定された変動量から第１軸角速度に対応する変動量を、第２検波波に基づいて、測定手段によって測定された変動量から第２軸角速度に対応する変動量を抽出する抽出手段とを具備する。

図２は、本実施形態に係る２軸角速度センサを構成する上部ガラス層１０と、シリコン層２０と、下部ガラス層４０との積層体の模式図である。前述した本実施形態に係る２軸角速度センサの構成要素のうち、枠体と、揺動体と、駆動手段が備える第１駆動電極及び第２駆動電極と、回動体と、角速度検出電極、方向検出手段が備える方向検出電極とは、シリコン層２０に形成されている。かかるシリコン層２０には、これらの他、第１ヒンジと、第２ヒンジと、第３ヒンジと、固定部とが形成されている。

シリコン層２０は、シリコン層２０の材料となるシリコン基板をＤｅｅｐＲＩＥ（Reactive Ion Etching）処理などを含むＭＥＭＳ技術を用いて加工して形成されたものである。

図３は、シリコン層２０の平面図である。図３において、図２のＡ―Ａ端面は、図３の二点鎖線Ａで示す部分に現れる。図３に示すように、シリコン層２０に形成される枠体２１は、矩形状に形成されてシリコン層２０の外周部を形成し、内側に円状の空間２１ａを有している。枠体２１の上面には、上部ガラス層１０が積層され、下面には、下部ガラス層４０が積層されている。空間２１ａは、上部ガラス層１０と下部ガラス層４０とにより低圧の状態で封止されている。

かかる空間２１ａの中央部には、固定部２２が配置されている。図４は、図２のＡ―Ａ端面図である。図４に示すように、固定部２２は、下部ガラス層４０に下方から支持され、下部ガラス層４０を介して枠体２１に支持されている。

図３に示すように、固定部２２の周囲には、揺動体２３が配置されている。かかる揺動体２３は、枠体２１に対して周方向に回動可能に支持され、且つ、ディスク状に形成され、中央部には、固定部２２が配置される円状の空間２３ａを有している。揺動体２３は、４本の第１ヒンジ２４によって、固定部２２に対して周方向に回動可能に連結されている。よって、揺動体２３は、固定部２２を介して、枠体２１に支持されている。

揺動体２３の周囲には、回動体２５が配置されている。かかる回動体２５は、揺動体２３が配置される円状の空間２５ａを中央部に有するディスク状に形成されている。回動体２５は、揺動体２３が周方向に回動すると、揺動体２３と連動して周方向に回動するように、１２０°ずつ異なる位置に配置された３本の第２ヒンジ２６によって揺動体２３と連結されている。尚、第２ヒンジ２６の配置位置及び数は、特に限定されないが、１８０°異なる２つの位置に配置することは避けるべきである。なぜならば、揺動体２３が含まれる平面内に存在し、且つ、この平面の法線周りに回転する揺動軸周りに揺動体２３を揺動（後述する図９に示す揺動）させることは、揺動体２３が含まれる平面内に存在する直交する２軸それぞれの軸周りの揺動の固有振動数が離れていると実現が困難であるためである。２つの第２ヒンジ２６を１８０°異なる位置に配置した場合、その２つの第２ヒンジ２６に沿った方向と重なる軸周りの揺動と、その２つの第２ヒンジ２６に沿った方向と直交した軸周りの揺動とでは、揺動体２３に発生するねじりモーメントの大きさが大きく異なって、固有振動数が大きく異なり、図９に示す揺動を実現することが困難となる。また、回動体２５は、４本の第３ヒンジ２７によって、枠体２１に対して周方向に回動可能に連結されている。

第１駆動電極２８は、静電力を利用して、揺動体２３が含まれる平面と平行な第３軸（図３のＴ軸）周りに揺動体２３を揺動させる。一方、第２駆動電極２９は、静電力を利用して、揺動体２３が含まれる平面と平行であり、且つ、第３軸に垂直な第４軸（図３のＵ軸）周りに揺動体２３を揺動させる。尚、本実施形態では、第３軸周りの揺動体２３の固有振動数及び第４軸周りの揺動体２３の固有振動数は同一であるとする。

第１駆動電極２８は、揺動体２３に支持された一方の電極２８１と枠体２１に支持された他方の電極２８２とを有している。一方の電極２８１は、揺動体２３の内周部に形成されている。かかる一方の電極２８１は、揺動体２３の内周部から径内方向に突出した複数の枝部を備えた櫛歯状に形成されている。一方、他方の電極２８２は、一方の電極２８１から第４軸方向に離れるように、揺動体２３の径内方向に所定の間隔をおいて空間２３ａに形成されている。かかる他方の電極２８２は、揺動体２３の径外方向に突出した複数の枝部を備えた櫛歯状に形成されている。他方の電極２８２の枝部と一方の電極２８１の枝部とは、揺動体２３の周方向（図３に示す矢印Ｗ方向）において、交互に配置されている。尚、図４に示すように、他方の電極２８２は、下部ガラス層４０に下方から支持されており、下部ガラス層４０を介して枠体２１に支持されている。また、本実施形態では、第１駆動電極２８は、２つ備えられ、２つの第１駆動電極２８は、固定部２２を挟んで互いに反対側の第４軸上の位置に形成されている。第２駆動電極２９は、第１駆動電極２８と形成される位置が９０°異なることを除いて、第１駆動電極２８と同様の構成である。

方向検出電極３０は、揺動体２３に支持された一方の電極３０１と、枠体２１に支持された他方の電極３０２とを備える。一方の電極３０１は、揺動体２３の外周部に形成されている。かかる一方の電極３０１は、揺動体２３の外周部から径外方向に突出した複数の枝部を備えた櫛歯状に形成されている。一方、他方の電極３０２は、一方の電極３０１から揺動体２３の径外方向に所定の間隔をおいて空間２５ａに形成されている。かかる他方の電極３０２は、揺動体２３の径内方向に突出した複数の枝部を備えた櫛歯状に形成されている。他方の電極３０２の枝部と一方の電極３０１の枝部とは、揺動体２３の周方向（図３に示す矢印Ｗ方向）において交互に配置されている。尚、図４に示すように、他方の電極３０２は、下部ガラス層４０に下方から支持されており、下部ガラス層４０を介して枠体２１に支持されている。

図５は、図２の矢印Ｃ方向から見た方向検出電極３０の側面図である。図５（ａ）に示すように、方向検出電極３０は、一方の電極３０１と他方の電極３０２との上下方向（揺動体２３が含まれる平面の法線方向(図５の矢印Ｌ方向)）位置が異なる。一方の電極３０１及び他方の電極３０２の上下方向位置とは、一方の電極３０１及び他方の電極３０２の枝部の上下方向中央の上下方向位置を言う。本実施形態では、図５に示すように、一方の電極３０１の枝部を薄く形成することによって、一方の電極３０１の上下方向位置を他方の電極３０２の上下方向位置より低く形成している。尚、一方の電極３０１の上下方向位置を他方の電極３０２の上下方向位置より低くする他の手段としては、図５（ｂ）に示すように、一方の電極３０１を全体的に他方の電極３０２よりも下方に配置する方法を挙げることができる。

角速度検出電極３１は、図３に示すように、回動体２５に支持された一方の電極３１１と、枠体２１に支持された他方の電極３１２とを有している。一方の電極３１１は、回動体２５の外周部に形成されている。他方の電極３１２は、一方の電極３１１から回動体２５の径外方向に所定の間隔をおいた空間２１ａに形成されている。図４に示すように、他方の電極３１２は、下部ガラス層４０に下方から支持されており、下部ガラス層４０を介して枠体２１に支持されている。図３に示すように、本実施形態では、このような角速度検出電極３０は、９０°ずつ異なる位置に４つ設けられている。

図６は図３の点線Ｐで囲まれた部分の拡大図であり、（ａ）は本実施形態の場合の、（ｂ）は変形例の場合の点線Ｐで囲まれた部分の拡大図を示す。図６（ａ）に示すように、角速度検出電極３１の一方の電極３１１は、回動体２５の径外方向に突出した複数の枝部３１１ａを備えた櫛歯状に形成され、同様に、他方の電極３１２も、回動体２５の径内方向に突出した複数の枝部３１２ａを備えた櫛歯状に形成されている。一方の電極３１１の枝部３１１ａと他方の電極３１２の枝部３１２ａとは回動体２５の周方向に交互に配置されている。図６（ａ）に示すように、一方の電極３１１の所定の枝部３１１ａと、当該枝部３１１ａに隣接する他方の電極３１２の枝部３１２ａとの距離は、一方の電極３１１の枝部３１１ａの周方向一方側に存在する枝部３１２ａと他方側に存在する枝部３１２ａとで異なる。即ち、図６（ａ）に示すように、枝部３１１ａの周方向一方側に存在する枝部３１２ａとの距離（図６（ａ）に示す矢印Ｖ）は、周方向他方側に存在する枝部３１２ａとの距離（図６（ａ）に示す矢印Ｖ’）に比べて小さく形成されている。従って、枝部３１１ａと周方向一方側の枝部３１２ａとの間の静電容量は、枝部３１１ａと周方向他方側の枝部３１２ａとの間の静電容量に比べて大きい。よって、角速度検出電極３１の静電容量は、枝部３１１ａと周方向一方側の枝部３１２ａとの間の静電容量に大きく依存し、枝部３１１ａと周方向他方側の枝部３１２ａとの間の静電容量の影響を殆ど受けない。

以上の構成のシリコン層２０に積層される上部ガラス層１０は、シリコン層２０の枠体２１の上面に陽極接合等によって積層されている。図４に示すように、第１駆動電極２８及び角速度検出電極３１の他方の電極２８２、３１２の上面は上部ガラス層１０と当接している。他方の電極２８２、３１２が当接している上部ガラス層１０の各部分の中央部には、上部ガラス層１０を上下に貫通するスルーホール１１が形成されている。各スルーホール１１は、上部ガラス層１０を上下に貫通する貫通孔１３を導電性の良い金属１２で埋めて形成されたものである。このスルーホール１１によって、第１駆動電極２８及び角速度検出電極３１の他方の電極２８２、３１２は、上部ガラス層１０の上方と導通している。図示していないが、第２駆動電極２９及び方向検出電極３０の他方の電極２９２、３０２の上面も上部ガラス層１０と当接し、スルーホール１１によって、上部ガラス層１０の上方と導通している。

尚、第１駆動電極２８、第２駆動電極２９、方向検出電極３０及び角速度検出電極３１の他方の電極２８２、２９２、３０２、３１２と上部ガラス層１０の上方との導通方法として、第１駆動電極２８等の他方の電極２８２、２９２、３０２、３１２にワイヤを接続して、当該ワイヤを貫通孔１３を介して上部ガラス層１０の上面まで引き出す方法を挙げることができる。

下部ガラス層４０は、シリコン層２０の枠体２１の下面に陽極接合等によって積層されている。図４に示すように、下部ガラス層４０は、枠体２１、第１駆動電極２８、角速度検出電極３１の他方の電極２８２、３１２及び固定部２２に対応する部分に、上方に突起して、これらを下方から支持するパッド４１が形成されている。図示していないが、下部ガラス層４０には、第２駆動電極２９及び方向検出電極３０の他方の電極２９２、３０２に対応する部分にもパッド４１が形成されている。

図４に示すように、揺動体２３及び回動体２５と、上部ガラス層１０及び下部ガラス層４０との間には、空間が設けられている。図示していないが、第１ヒンジ２４、第２ヒンジ２６、第３ヒンジ２７、第１駆動電極２８、第２駆動電極２９、方向検出電極３０及び角速度検出電極３１の一方の電極２８１、２９１、３０１、３１１と上部ガラス層１０及び下部ガラス層４０との間にも空間が設けられている。空間が設けられることで、揺動体２３等が、上部ガラス層１０及び下部ガラス層４０に邪魔されることなく、動くことができる。

次に、上記したシリコン層２０、上部ガラス層１０及び下部ガラス層４０から構成される積層体の製造方法について説明する。図７は、シリコン層２０の製造工程を示したＡ―Ａ端面図である。まず、図７（ａ）に示すように、下部ガラス層４０の材料であるガラス基板４０ａにブラスト加工によって、上面にパッド４１を形成する。

次いで、図７（ｂ）に示すように、ガラス基板４０ａをシリコン層２０の材料であるシリコン基板２０ａの下面に陽極接合によって積層する。次いで、図７（ｃ）に示すように、シリコン基板２０ａのガラス基板４０ａが接合された面と反対面から、ＭＥＭＳ技術を用いて、枠体２１、固定部２２、揺動体２３、第１ヒンジ２４、回動体２５、第２ヒンジ２６、第３ヒンジ２７、第１駆動電極２８、第２駆動電極２９、方向検出電極３０及び角速度検出電極３１を形成する。

その後、図７（ｄ）に示すように、シリコン基板２０ａの枠体２１の上面に上部ガラス層１０の材料であるガラス基板１０ａを陽極接合によって積層する。尚、上部ガラス層１０の材料であるガラス基板１０ａは、陽極接合する前に、予め、ブラスト加工等によって貫通孔１３を形成しておく。そして、最後に、ガラス基板１０ａに形成された貫通孔１３を導電性の良い金属１２で埋めてスルーホール１１を形成し、これにより、シリコン層２０、上部ガラス層１０及び下部ガラス層４０から構成される積層体が完成する（図４参照）。

以上のように、枠体２１、固定部２２、揺動体２３、第１ヒンジ２４、回動体２５、第２ヒンジ２６、第３ヒンジ２７、第１駆動電極２８、第２駆動電極２９、方向検出電極３０及び角速度検出電極３１は、全てシリコン層２０に２次元的に形成され、これらが互いに重ならないように配置される。そのため、これらの形成をＤｅｅｐＲＩＥ処理などを含むＭＥＭＳ技術を用いて同時に且つ容易に形成することができる。

次に、本実施形態に係る２軸角速度センサの電気的な接続状態を説明する。図８は、本実施形態に係る２軸角速度センサの電気的な接続状態を示す模式図である。図８に示すように、本実施形態に係る２軸角速度センサは、直流電源５、交流電源６、第１電流測定手段７、第２電流測定手段８及び出力手段９を備える。

直流電源６は、枠体２１と電線などにより電気的に接続されている。枠体２１を含むシリコン層２０は、導電性を有するため、直流電源６は、枠体２１を介して第１駆動電極２８、第２駆動電極２９、方向検出電極３０及び角速度検出電極３１の一方の電極２８１、２９１、３０１、３１１と電気的に接続されている。また、直流電源６は、上部ガラス層１０の上面において、方向検出電極３０及び角速度検出電極３１の他方の電極３０２、３１２を上部ガラス層１０の上方と導通させるスルーホール１１と電線などを介して接続されている。直流電源６は、このスルーホール１１を介して方向検出電極３０及び角速度検出電極３１の他方の電極３０２、３１２と電気的に接続されている。

交流電源６は、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２と電気的に接続されている。具体的には、交流電源６から導出された電線は、上部ガラス層１０の上面において、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２を上部ガラス層１０の上方と導通させるスルーホール１１に接続されている。よって、交流電源６は、スルーホール１１を介して、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２と電気的に接続されている。本実施形態では、交流電源６が第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２に印加する交流電圧の周波数は、第３軸及び第４軸周りの揺動体２３の固有振動数の２倍である。

第１駆動電極２８の他方の電極２８２に交流電圧が、第１駆動電極２８の一方の電極２８１に直流電圧が印加されると、一方の電極２８１と他方の電極２８２との間に静電力が生じる。この静電力は、第１駆動電極２８の他方の電極２８２に印加される交流電圧の増減に対応して変動する。この静電力の変動により、揺動体２３を第３軸周りに揺動させる力が揺動体２３に作用し、揺動体２３は、かかる交流電圧の１／２の周波数、即ち、第３軸周りの揺動体２３の固有振動数で共振揺動する。

また、第２駆動電極２９の他方の電極２９２に交流電圧が、第２駆動電極２９の一方の電極２９１に直流電圧が印加されると、一方の電極２９１と他方の電極２９２との間に静電力が生じる。この静電力は、第２駆動電極２９の他方の電極２９２に印加される交流電圧の増減に対応して変動する。この静電力の変動により、揺動体２３を第４軸周りに揺動させる力が揺動体２３に作用し、揺動体２３は、印加される交流電圧の１／２の周波数、即ち、第４軸周りの揺動体２３の固有振動数で共振揺動する。

更に、交流電源６は、第３軸及び第４軸周りの揺動体２３の揺動の位相が９０°異なるように、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８１、２９２に交流電圧を印加する。第３軸及び第４軸周りの揺動体２３の揺動の位相に影響を及ぼす要因として、第３軸及び第４軸周りの揺動体２３の固有振動数の差と、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２に印加される交流電圧の位相差とを挙げることができる。本実施形態では、上述のように、第３軸周り及び第４軸周りの揺動体２３の固有振動数は同一である。よって、第３軸及び第４軸周りの揺動体２３の位相差は、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２に印加される交流電圧の位相差に影響される。従って、本実施形態では、交流電源６は、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２に９０°位相が異なる交流電圧を印加することで、第３軸周りの揺動体２３の揺動及び第４軸周りの揺動体２３の揺動の位相を９０°ずらすことを実現している。

揺動体２３の第３軸周り及び第４軸周りの揺動の位相が９０°異なっていると、揺動体２３は、励起揺動する。励起揺動とは、図９に示す揺動軸Ｄ周りに揺動する運動である（揺動軸Ｄは、物理的に実在せず、説明を容易とするための仮想の軸である）。図９に示すＸ−Ｙ平面は、揺動体２３が存在する平面である。揺動軸Ｄは、Ｘ−Ｙ平面内に存在しており、揺動体２３の中心部を通り、揺動体２３の中心部を軸として、揺動体２３の法線方向と平行なＺ軸周りの一方向Ｚ０に回転するものとする。この励起揺動では、揺動軸ＤのＺ軸周りの回転と、揺動体２３の揺動軸Ｄ周りの揺動の周期とは同じであり、即ち、揺動軸Ｄが一回転すると、揺動体２３が一揺動する。この励起揺動の周期、即ち、揺動体２３の揺動軸Ｄ周りの揺動の周期は、交流電源６によって第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２に印加される交流電圧の周期の２倍である。この励起揺動の結果、揺動体２３は、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す状態を順番に取り、揺動体２３がＸ―Ｙ平面内に配置されているときに揺動体２３の表面からＺ軸方向に離れた所定の点Ｍの周りを揺動体２３の法線Ｎが周回するように揺動する。

以上の交流電源６は、第１駆動電極２８と第２駆動電極２９と協同して特許請求の範囲の駆動手段を構成している。このように、第１駆動電極２８と第２駆動電極２９と交流電源６とで駆動手段を構成すると、この３つの構成要素のみで、揺動軸Ｄ周りに揺動体２３を揺動させることができる。そのため、かかる好ましい構成によれば、本実施形態に係る２軸角速度センサの部品点数を抑えることができる。

第１電流測定手段７は、直流電源６と角速度検出電極３１との間の電流を測定する。この電流は、角速度検出電極３１の静電容量の変動量（変動速度）に応じた大きさである。第１電流測定手段７は、直流電源６と協同して、特許請求の範囲の測定手段を構成している。

第２電流測定手段８は、方向検出電極３０の一方の電極３０１と他方の電極３０２との間の静電容量に基づいて揺動軸Ｄの方向を検出する。具体的には、第２電流測定手段８は、直流電源６と方向検出電極３０との間の電流（以下、「変動速度電流」という場合がある）を測定することで揺動軸Ｄの方向を検出する。変動速度電流は、方向検出電極３０の静電容量の変動速度に応じた電流である。方向検出電極３０の静電容量は、方向検出電極３０の一方の電極３０１と他方の電極３０２との位置関係に依存する。一方の電極３０１は、揺動体２３に支持されており、揺動体２３が励起揺動すると、励起揺動による揺動軸Ｄの回転に伴って上下方向に揺動する。

方向検出電極３０の静電容量の変動周期は、揺動軸Ｄの回転周期と同一である。これは、前述のように、本実施形態においては、一方の電極３０１と他方の電極３０２との上下方向位置は異なっているためである。一方の電極３０１は、励起揺動に伴なう揺動の際に、他方の電極３０２に対して上方側に移動する場合と、下方側に移動する場合とがある。しかし、一方の電極３０１と他方の電極３０２との上下方向位置は異なっているため、一方の電極３０１が上方側に移動する場合と下方側に移動する場合とでは、一方の電極３０１と他方の電極３０２との位置関係の変動形態が異なる。そのため、一方の電極３０１が上方側に移動する場合と下方側に移動する場合とで、方向検出電極３０の静電容量の変動形態が同一となることが防がれ、方向検出電極３０の静電容量の変動周期が揺動軸Ｄの回転周期の２倍となることが防止されているためである。このように、方向検出電極３０の静電容量の変動周期は、揺動軸Ｄの回転周期と同一であるため、方向検出電極３０の静電容量は、揺動軸Ｄの方向と対応している。第２電流測定手段８は、方向検出電極３０の静電容量に基づいて揺動軸Ｄの方向を検出している。

図１０は本実施形態における一方の電極３０１の揺動の状態を示す図であり、（ａ）は一方の電極３０１が最も上方に位置した（最上位位置に位置した）ときの、（ｂ）は一方の電極３０１が最も下方に位置した（最下位位置に位置した）ときの状態を示す。図１０（ａ）に示すように、一方の電極３０１が、最上位位置に位置したとき、一方の電極３０１と他方の電極３０２との距離が最小となる。この距離は、一方の電極３０１が最上位位置から下方に移動するに従い大きくなる。一方の電極３０１が最下位位置に位置したときに最大となる。このように、本実施形態では、一方の電極３０１が上方側に移動する場合と、下方側に移動する場合とでは、一方の電極３０１と他方の電極３０２との位置関係の変動形態が異なる。図１１は揺動軸Ｄの方向と方向検出電極３０の静電容量との関係を示す説明図であり、（ａ）は揺動軸Ｄの方向の変動を、（ｂ）は一方の電極３０１の上下位置の変動を、（ｃ）は、方向検出電極３０の静電容量の変動を示す。図１１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、方向検出電極３０の静電容量は、一方の電極３０１が最上位位置にあるときに最大となり、一方の電極３０１が下方に移動するに従い減少し、一方の電極３０１が最下位位置にあるときに最小となる。

尚、前述のように、この変動速度電流は、方向検出電極３０の静電容量の変動速度に応じた電流である。従って、変動速度電流は、図１１（ｃ）及び（ｄ）に示すように、方向検出電極３０の静電容量を微分した値となっている。本実施形態では、この第２電流測定手段８と直流電源６とで、特許請求の範囲の方向検出手段の検出手段が形成されている。

出力手段９は、検波波生成手段９１と抽出手段９２とを備える。検波波生成手段９１は、変動速度電流に基づいて、第１電流測定手段７によって測定された電流値から、第１軸角速度に対応する電流値を抽出するための第１検波波と、第２軸角速度に対応する電流値を抽出するための第２検波波とを生成する。第１軸角速度とは、揺動体２３が含まれる平面と平行な第１軸周りの角速度である。図８に示すように、第１軸Ｑとは、揺動体２３が含まれる平面と平行であり、方向検出電極３０の一方の電極３０１と他方の電極３０２とを結ぶ直線上に位置する軸である。また、第２軸角速度とは、揺動体２３が含まれる平面と平行で、且つ、第１軸方向に垂直な第２軸Ｑ周りの角速度である。尚、第１軸Ｑは、揺動体２３が含まれる平面と平行であれば限定されるものでなく、例えば、第３軸Ｔ又は第４軸Ｕと同じ方向であっても良い。

検波波生成手段９１には、第２電流測定手段８が測定した変動速度電流の電流値が入力される。かかる検波波生成手段９１は、図１２に示すように、入力された変動速度電流の電流値に基づいて第１検波波と第２検波波とを生成する。この第１検波波は、第２電流測定手段８が測定した変動速度電流と同一の位相を有し、第２電流測定手段８が測定した変動速度電流そのものであっても、変動速度電流に基づいて生成したものであってもよい。また第２検波波は、第１検波波と位相が９０°異なる検波波である。

抽出手段９２には、第１電流測定手段７が測定した電流値と、検波波生成手段９１から第１検波波と第２検波波とが入力される。抽出手段９２は、第１電流測定手段７から入力された電流値から、第１検波波を用いて、第１軸角速度に対応する電流値を、前記第２検波波を用いて、第２軸角速度に対応する電流値を抽出する。抽出手段９２は、抽出した第１軸角速度及び第２軸角速度に相当する電流値を所定の出力先に出力する。出力先は、特に限定されず、例えば、電流値に基づいて角速度を算出する機器等とすることができる。尚、本実施形態では、第１電流測定手段７が測定した電流値に対して検波を行っているが、第１電流測定手段７が測定した電流値を電圧値に変換し、当該電圧値に対して検波を行うようにしてもよい。

以上に説明した本実施形態に係る２軸角速度センサを用いて、第１軸角速度及び第２軸角速度に対応した角速度検出電極３１の静電容量の変動速度を出力することについて説明する。

まず、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２に互いに位相が９０°異なる交流電圧を印加し、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の一方の電極２８１、２９１と、方向検出電極３０及び角速度検出電極３１の一方の電極３０１、３１１と他方の電極３０２、３１２とに直流電圧を印加する。このように電圧が印加されると、揺動体２３が共振現象を利用して図９に示すように励起揺動する。

揺動体２３が励起揺動すると、励起揺動に伴って、方向検出電極３０の一方の電極３０１が上下方向に揺動する。方向検出電極３０の一方の電極３０１が上下方向に揺動すると、前述のように、方向検出電極３０の静電容量が変動する。方向検出電極３０の静電容量が変動すると、変動速度電流が生じる。この変動速度電流は、第２電流測定手段８によって測定され、測定された電流値が第２電流測定手段８から検波波生成手段９１に入力される。検波波生成手段９１は、入力された変動速度電流に基づいて、第１検波波及び第２検波波を生成する。検波波生成手段９１は、生成した第１検波波及び第２検波波を抽出手段９２に入力する。

一方、図１３に示すように、揺動体２３が励起揺動している時に、揺動体２３が含まれる平面内に存在する所定軸Ｇ周りの角速度ｇが発生すると、当該軸Ｇ周りの角速度ｇのうち、揺動軸Ｄと平行な軸周りの角速度成分ｇ’の大きさに対応するコリオリ力Ｐ（図９（ａ）及び図１３参照）が揺動体２３に生じる。かかるコリオリ力Ｐの向きは、揺動軸Ｄ及びコリオリ力Ｐが生じる揺動体２３の部分における揺動軸Ｄ周りの揺動の移動方向と垂直な向きである。揺動軸Ｄ周りの揺動での移動方向には、揺動体２３の法線方向一方側のＺ１方向と他方側のＺ２方向とがあり、Ｚ１方向とＺ２方向とで、揺動体２３に発生するコリオリ力Ｐの向きが１８０°異なる。即ち、図９（ａ）に示すように、Ｚ１方向に移動する揺動体２３の部分とＺ２方向に移動する揺動体２３の部分とでは、１８０°異なる向きのコリオリ力Ｐが発生する。このように、１８０°異なる向きのコリオリ力Ｐが発生することで、揺動体２３は周方向（図９（ａ）及び図１３の矢印Ｗ方向）に回転する。

揺動体２３の各部分は、揺動軸Ｄ周りの揺動によって、Ｚ１方向への移動とＺ２方向への移動を繰り返すため、揺動体２３の各部分に発生するコリオリ力Ｐの向きは、揺動軸Ｄ周りの揺動により移動する方向がＺ１方向及びＺ２方向に切り替わるたびに反転する。このようにコリオリ力の向きが反転することで、揺動体２３は周方向に回動する。

よって、揺動体２３は、励起揺動しているときに、揺動体２３が含まれる平面内に含まれる所定軸周りの角速度が与えられると、与えられた角速度の揺動軸Ｄ周りの角速度成分に対応する速度で周方向に回動する。

揺動体２３が周方向に回動すると、回動体２５は、揺動体２３と連動して回動する。即ち、回動体２５は、角速度成分ｇ’に対応する速度で周方向（図１３の矢印Ｗ方向）に回動する。このように回動体２５が、角速度成分ｇ’に対応する速度で回動するため、角速度検出電極３１の一方の電極３０１は角速度成分ｇ’に対応する速度で回動する。よって、角速度検出電極３１の一方の電極３０１と他方の電極３０２との距離は、角速度成分ｇ’に対応する速度で変動し、角速度検出電極３１の静電容量も、角速度成分ｇ’に対応する速度で変動する。図１４に示すように、角速度検出電極３１の静電容量が変動すると、直流電源６と角速度検出電極３１との間に、角速度検出電極３１の静電容量の変動速度に応じた電流が発生する。この電流は、第１電流測定手段７によって測定される。第１電流測定手段７は、測定した電流値を抽出手段９２に入力する。

抽出手段９２は、第１電流測定手段７から入力された電流値から、検波波生成手段９１から入力された第１検波波を用いて、第１軸角速度に対応する電流値を抽出する。また、抽出手段９２は、第１電流測定手段７から入力された電流値から、検波波生成手段９１から入力された第２検波波を用いて、第２軸角速度に対応する電流値を抽出する。そして、抽出手段９２は、抽出した第１軸角速度に対応する電流値と、第２軸角速度に対応する電流値とを所定の出力先に出力する。

以上のように、本実施形態に係る２軸角速度センサにおいては、揺動軸Ｄが回転するため、揺動体２３が含まれる平面内においてどの方向の軸周りの角速度が揺動体２３に与えられても、与えられた角速度に対応したコリオリ力Ｐが生じる。そして、このコリオリ力Ｐにより、変動する角速度検出電極３１の静電容量の変動速度を、第１軸角速度に対応する角速度検出電極３１の静電容量の変動速度と第２軸角速度に対応する角速度検出電極３１の静電容量の変動速度とに分離することで、どの方向の軸周りの角速度についても、第１軸成分及び第２軸成分の角速度に対応する角速度検出電極の静電容量の変動速度を出力することができる。また、本実施形態に係る２軸角速度センサは、第１軸成分及び第２軸成分の角速度に対応する角速度検出電極３１の静電容量の変動速度を１つの角速度検出電極３１で出力することができるので、部品点数が少なく、小型化及び低コスト化を図ることができる。

尚、本実施形態では、揺動体２３の振動励起に共振現象を利用しているが、揺動体２３の振動励起は共振現象を利用せずに実現しても良い。即ち、交流電源６によって第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２に印加される交流電圧の周波数は、第３軸及び第４軸周りの揺動体２３の固有振動数の２倍でなくてもよい。共振現象を利用しない場合、揺動体２３にコリオリ力が発生するタイミングが、共振現象を利用する場合に対して交流電圧の位相の９０°分ずれる。そのため、共振現象を利用しない場合は、検波波生成手段９１は、共振現象を利用する場合の第１検波波及び第２検波波に対して、位相が９０°ずれた第１検波波及び第２検波波を生成する。

また、本実施形態のように、揺動体２３の振動励起に共振現象を利用する場合、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２に印加する交流電圧の周波数は、好ましくは揺動体２３の固有振動数の２倍よりも少し高めとする。２倍より少し高めとすると、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の一方の電極２８１、２９１と他方の電極２８２、２９２との間に発生する静電引力が、ばねの役割をし、揺動体２３の固有振動数が高めにシフトするためである。また、この共振系は非線形性を持つために、共振点のピークよりも低周波数側が不安定になることがあり、この観点からも、交流電圧の周波数は高めに設定することが好ましい。

更に、本実施形態では、角速度検出電極３１の一方の電極３１１と他方の電極３１２との枝部が回動体２５の周方向に交互に配置されている。そのため、一方の電極３１１と他方の電極３１２との対向面積が大きくされている。対向面積が大きければ、例えば、揺動体２３に与えられる角速度が小さく、回動体２５の周方向の回動速度が小さくても、角速度検出電極３１の静電容量を大きく変動させることができる。よって、小さな角速度が与えられた場合でも、角速度に対応する静電容量の変動速度を精度良く測定することができる。

また、励起揺動の周期は、交流電源６が第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９に印加する交流電圧の２倍である。そのため、方向検出電極の静電容量の変動周期も交流電圧の２倍であり、第１電流測定手段７に測定される電流の変動周期も交流電圧の２倍である。よって、第１電流測定手段７に測定される電流と、交流電源６が交流電圧を印加することで発生する交流電流との間にクロストークが発生しても、ローパスフィルタなどによって容易にこれらの電流を分離できる。

また、角速度検出電極３１の一方の電極３１１と他方の電極３１２との形状は、互いに対向している限りにおいて、特に限定されるものでなく、例えば、図６（ｂ）に示すような形状でもよい。即ち、一方の電極３１１は、回動体２５の外周部から回動体２５の径外方向に延出された幹部３１１ｂと、当該幹部３１１ｂから回動体２５の周方向の一方側に延出された枝部３１１ｃとから構成された電極片３１１ｄが、回動体２５の外周部に沿って複数設けられた形状であってもよい。また、一方の電極３１１がこの形状を採る場合は、図６（ｂ）に示すように、他方の電極３０２は、回動体２５の径方向と平行な幹部３１２ｂと、当該幹部３１２ｂから回動体２５の周方向の他方側に延出された枝部３１２ｃとから構成された電極片３１２ｄが複数設けられた形状であってもよい。

また、本実施形態では、方向検出電極３０の一方の電極３０１の上下方向位置は他方の電極３０２の上下方向位置より低くすることで、揺動軸Ｄの回転周期と、方向検出電極３０の静電容量の変動周期とを同一としている。しかしながら、方向検出電極３０の静電容量の変動周期が揺動軸Ｄの回転周期の２倍となっても、方向検出電極３０の静電容量から揺動軸Ｄの方向を特定できれば、方向検出電極３０の一方の電極３０１と他方の電極３０２との上下方向位置を同じとしてもよい。方向検出電極３０の静電容量の変動周期が揺動軸Ｄの回転周期の２倍となっても、方向検出電極３０の静電容量から揺動軸Ｄの方向を特定する手段として、例えば、次の手段を挙げることができる。例えば、揺動体２３の周方向の一部分の上方に第３の電極を設ける構成を挙げることができる。上方に第３の電極を設けると、揺動体２３の周方向の一部分が揺動により上昇すると、第３の電極と揺動体との間の静電容量が大きくなるので、第３の電極と揺動体との間の静電容量から一方の電極３０１が上方に移動しているのか、下方に移動しているかを判別することができる。もちろん、第３の電極を揺動体２３の周方向の一部分の下方に設けても、一方の電極３０１の移動方向を判別することが可能である。

本実施形態では、方向検出電極３０及び角速度検出電極３１の一方の電極３０１、３１１と他方の電極３０２、３１２との間に直流電圧を印加して、一方の電極３０１、３１１と他方の電極３０２、３１２とに一定の電位差を持たせている。一方の電極３０１、３１１と他方の電極３０２、３１２とに一定の電位差を持たせる方法として、例えば、シリコン層２０をグランドに接続する方法を挙げることができる。

また、本実施形態では、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の一方の電極２８１、２９１に直流電圧を印加し、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２に交流電圧を印加して、揺動体２３を揺動させる静電力を生じさせている。このように、一方の電極に２８１、２９２に直流電圧を、他方の電極２８２、２９２に交流電圧を印加すると、生じる静電力は交流電圧の振幅と直流電圧とに比例する。そうすると、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の一方の電極２８１、２９１に大きな直流電圧を印加すると、第１駆動電極２８及び第２駆動電極２９の他方の電極２８２、２９２に小さな交流電圧を印加した場合であっても、揺動体２３を揺動させるために必要な静電力を生じさせることができる。小さな交流電圧を用いると、直流電源６及び角速度検出電極３１の他方の電極３１２の間と、直流電源６及び方向検出電極３０の他方の電極３０２の間とのクロストークを抑えることができるので、角速度検出電極３１の静電容量の変動速度の測定及び揺動軸Ｄの方向の検出を精度良く行うことができる。

図１は、本発明の２軸角速度センサの励起振動を説明するための説明図である。図２は、本実施形態に係る２軸角速度センサの模式図である。図３は、シリコン層の平面図である。図４は、図２のＡ―Ａ端面図である。図５は、図３の矢印Ｃ方向から見た方向検出電極３０の側面図である。図６は図２の点線Ｐで囲まれた部分の拡大図であり、（ａ）は本実施形態の場合の、（ｂ）は変形例の場合の点線Ｐで囲まれた部分の拡大図を示す。図７は、シリコン層２０の製造工程を示したＡ―Ａ端面図である。図８は、本実施形態に係る２軸角速度センサの電気的な接続状態を示す模式図である。図９は、揺動体の揺動形態を説明するための揺動体の斜視図である。図１０は一方の電極の揺動の状態を示す図であり、（ａ）は一方の電極が他方の電極の上方側の領域に、（ｂ）は他方の電極の下方側の領域に移動した状態を示す。図１１は一方の電極の静電容量の変動を示す説明図であり、（ａ）は揺動軸Ｄの方向の変動を、（ｂ）は一方の電極の上下位置の変動を、（ｃ）は、方向検出電極の静電容量の変動を、（ｄ）は変動速度電流の変動を示す。第１検波波及び第２検波波の波形を示す図である。角速度と、コリオリ力との関係を示す図である。角速度検出電極の静電容量の変動速度に応じて発生する電流の波形と、第１検波波及び第２検波波の波形とを示す図である。

符号の説明

２０シリコン層
２１枠体
２３揺動体
２５回動体
２８第１駆動電極
２９第２駆動電極
３０方向検出電極
３１角速度検出電極

Claims

枠体に対して周方向に回動可能に支持されたディスク状の揺動体と、
前記揺動体が含まれる平面内に存在し、且つ、前記平面の法線周りに回転する揺動軸周りに前記揺動体を揺動させる駆動手段と、
前記揺動体に連結され、且つ、前記揺動体が周方向に回動すると、前記揺動体と連動して回動する回動体と、
前記回動体に支持された一方の電極、及び、前記枠体に支持された他方の電極を有する角速度検出電極と、
前記角速度検出電極の一方の電極と他方の電極との間の静電容量の変動量を測定する測定手段と、
前記揺動軸の方向を検出する方向検出手段と、
前記方向検出手段によって検出された前記揺動軸の方向に基づいて、前記測定手段によって測定された変動量から、前記揺動体が含まれる平面と平行な第１軸周りの第１軸角速度に対応する変動量、及び、前記揺動体が含まれる平面と平行であり、且つ、前記第１軸方向に垂直な第２軸周りの第２軸角速度に対応する変動量を出力する出力手段とを備えることを特徴とする２軸角速度センサ。
前記駆動手段は、
静電力を利用して、前記揺動体が含まれる平面と平行な第３軸周りに前記揺動体を揺動させる第１駆動電極と、
静電力を利用して、前記揺動体が含まれる平面と平行であり、且つ、前記第３軸に垂直な第４軸周りに前記揺動体を揺動させる第２駆動電極と、
前記揺動体の前記第３軸周りの揺動と前記揺動体の前記第４軸周りの揺動との位相が９０°異なるように、前記第１駆動電極と前記第２駆動電極とに交流電圧を印加する交流電源とを備えることを特徴とする請求項１に記載の２軸角速度センサ。
前記方向検出手段は、
前記揺動体に支持された一方の電極、及び、前記枠体に支持され、前記揺動体の法線方向に沿った位置が前記一方の電極と異なる他方の電極を有する方向検出電極と、
前記方向検出電極の一方の電極と他方の電極との間の静電容量に基づいて前記揺動軸の方向を検出する検出手段とを具備し、
前記出力手段は、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記測定手段によって測定された変動量から前記第１軸角速度に対応する変動量を抽出するための第１検波波、及び、前記第２軸角速度に対応する変動量を抽出するための前記第１検波波と位相が９０°異なる第２検波波を生成する検波波生成手段と、
前記第１検波波に基づいて、前記測定手段によって測定された変動量から前記第１軸角速度に対応する変動量、及び、前記第２検波波に基づいて、前記測定手段によって測定された変動量から前記第２軸角速度に対応する変動量を抽出する抽出手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載の２軸角速度センサ。
前記駆動手段は、
静電力を利用して、前記揺動体が含まれる平面と平行な第３軸周りに前記揺動体を揺動させる第１駆動電極と、
静電力を利用して、前記揺動体が含まれる平面と平行であり、且つ、前記第３軸に垂直な第４軸周りに前記揺動体を揺動させる第２駆動電極と、
前記揺動体の前記第３軸周りの揺動と前記揺動体の前記第４軸周りの揺動との位相が９０°異なるように、前記第１駆動電極と前記第２駆動電極とに、交流電圧を印加する交流電源とを備え、
前記揺動体、前記回動体、前記第１駆動電極、前記第２駆動電極、前記角速度検出電極及び前記方向検出電極は、互いに重ならないように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の２軸角速度センサ。