JP2000046558A - 外力検知センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】角速度、加速度などの外力の検出感度および角
度分解能を向上させた外力検知センサを提供する。 【解決手段】 枠型支持部１に結合している複数個の梁
２〜５が中心部で共通結合し、この共通結合部６には振
動重り８が設けられている。梁２〜５の梁幅を先端側か
ら根元側に向けて広くし、それに応じて、駆動電極ｄ
１、ｄ２の面積も大きくし、特に、外部応力の大きい根
元部にその面積に相当する検出電極ｓ１、ｓ２を設けた
外力検知センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カーナビゲーショ
ン装置、手振れ防止カメラなどに使用される角速度セン
サ、また自動車に搭載されるエアバック装置などに使用
される加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の外力検知センサとして、図１６と
図１７を参照して、特開平６−１７４７３９号公報に開
示されている角速度センサ５０について説明する。同図
において、５１は半導体基板を加工して形成した正方形
状の枠体で、この枠体５１の４つの内壁から直角に伸び
る梁５２ａ〜５２ｄが枠体５１の中心部で結合してい
る。そして、この中心部の下部には振動重り５３が形成
される。これらの梁５２ａ〜５２ｄおよび振動重り５３
は、枠体５１と同様の半導体基板によりフォトエッチン
グなどの半導体微細加工技術を用いて一体に形成され
る。

【０００３】また、梁５２ａ、５２ｃの上面には駆動用
圧電素子５４ａ、５４ｃがそれぞれ形成され、また梁５
２ｂ、５２ｄの上面には検出用圧電素子５４ｂ、５４ｄ
がそれぞれ形成される。

【０００４】つぎに、角速度センサ５０の動作について
説明する。駆動用圧電素子５４ａと５４ｃとに、１８０
゜位相の異なる駆動信号を加える。すると、梁５２ａ、
５２ｃは反転位相のために破線と２点鎖線で示すように
屈曲振動を行う。

【０００５】このように、角速度センサ５０が振動して
慣性状態にあるときに、振動重り５３を通るＺ軸回りに
角速度が加わると、Ｙ軸方向にコリオリ力に基づく振動
が発生する。この発生した振動を検出用圧電素子５４
ｂ、５４ｄで電圧変換して角速度を求める。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の角
速度センサにおいて一般的にコリオリ力に基づく変位は
極微小であり、この変位による発生電荷も極微少とな
る。したがって、コリオリ力を利用して角速度を検出す
る場合、発生応力の最も大きい部位に検出電極を設ける
必要がある。しかしながら、従来の角速度センサ５０
は、梁が均等幅に形成されており、コリオリ力に基づく
応力の発生する領域の電極面積も小さく発生電荷を効率
よく取り出すことができず、検出感度が低く、角度分解
能が劣っていた。このことは、外力検知センサとしての
圧電型の加速度センサについても同様であった。

【０００７】そこで、本発明は、角速度、加速度などの
外力の検出感度および角度分解能を向上させた外力検知
センサを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、支持部と、この支持部に根元側が固定されると共に
圧電素子が設けられた梁と、この梁の先端側に設けられ
た重りと、からなる外力検知センサにおいて、前記梁が
先端側から根元側に向けて梁幅が広くなっていることを
特徴とするものである。

【０００９】この発明は、外力検知センサとしての加速
度センサに係り、梁幅の広い面に垂直方向の加速度が加
わると、重りの慣性により梁が撓み、この梁に設けられ
ている圧電素子に圧電効果により電圧が発生する。この
発生電圧により加速度を検出することができる。

【００１０】また、梁は先端側よりも根元側が広く形成
されているので、先端側の梁幅と同じ梁幅で形成した梁
に比べて梁の表面積が広くなり、その分、圧電素子の面
積も大きく形成することができ、発生する電荷量を多く
することが可能となる。更に、支持部で支持する梁の機
械的強度も大きくなる。

【００１１】請求項２に記載の発明は、支持部と、この
支持部に根元側が固定されると共に圧電素子が設けられ
た梁と、この梁の先端側に設けられた重りと、からなる
外力検知センサにおいて、前記梁が先端側から根元側に
向けて梁幅が広くなり、この根元部にその面積に相当す
る広さの圧電素子を設けたものである。

【００１２】この発明は、外力検知センサとしての加速
度センサに係り、応力の大きい梁の根元部にその面積に
相当する広さの圧電素子を設けているので、加速度を受
けたとき、発生する電荷量が多くなり、加速度の検出感
度を向上することができる。請求項３に記載の発明は、
支持部と、この支持部に根元側が異なる位置で支持さ
れ、先端側が共通結合部で結合し、圧電素子が設けられ
た少なくとも３本の梁と、前記共通結合部に形成した振
動重りと、からなる外力検知センサにおいて、前記少な
くとも検出用梁の梁幅が、前記先端側から前記根元側に
向けて広くなっていることを特徴とするものである。

【００１３】この発明は、外力検知センサとしての角速
度センサまたは加速度センサに係り、圧電素子の設けら
れている検出用梁の根元側の梁幅を先端側よりも相対的
に広く形成している。梁の根元側は角速度または加速度
に基づいて発生する応力が大きくなる領域で、この部分
に設けられる圧電素子の検出電極の面積を大きくするこ
とによって、発生する電荷量を多くすることができる。
これにより、検出感度を高く、角速度センサにあっては
角度分解能を向上させることができる。また、駆動用梁
についても、先端側の梁幅よりも根元側の梁幅を広く形
成してもよい。駆動電極は駆動用梁のほぼ全面に設ける
ことにより、駆動変位を大きくすることができる。

【００１４】請求項４に記載の発明は、支持部と、この
支持部に根元側が異なる位置で支持され、先端側が共通
結合部で結合し、圧電素子が設けられた少なくとも３本
の梁と、前記共通結合部に形成した振動重りと、からな
る外力検知センサにおいて、前記少なくとも検出用梁の
梁幅が前記先端側から前記根元側に向けて広くなり、こ
の根元部にその面積に相当する広さの圧電素子の検出電
極を設けたものである。

【００１５】この発明は、外力検知センサとしての角速
度センサまたは加速度センサに係り、検出用梁の根元側
の梁幅を先端側よりも相対的に広く形成し、且つ、この
根元部に設けられる圧電素子の検出電極の面積も広く形
成する。梁の根元側は角速度または加速度に基づいて発
生する応力が大きくなる領域で、この部分に設けられる
圧電素子の検出電極の面積を大きくすることによって、
発生する電荷量を多くすることができる。これにより、
検出感度を高く、角速度センサにあっては角度分解能を
向上させることができる。また、駆動用梁についても先
端側の梁幅よりも根元側の梁幅を広く形成してもよい。
駆動電極は駆動用梁のほぼ全面に設けることにより、駆
動変位を大きくすることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、図１および図２を参照し
て、本発明の第１実施例の角速度センサ１０について説
明する。１はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を加
工して形成した枠型支持部で、シリコン基板１ａ、酸化
膜１ｂおよび活性層１ｃの３層構造よりなる。２〜５は
平面形状が三角形状をしている梁で、ＳＯＩ基板の活性
層１ｃを加工して形成され、それらの根元側は枠型支持
部１に結合し、先端側は矩形状の共通結合部６に結合し
ている。

【００１７】これらの梁２〜５は、三角形状をしている
ので、それらの梁幅が先端側から根元側にかけて次第に
広くなっている。

【００１８】これらの梁２〜５と共通結合部６と枠型支
持部１の上面には酸化膜７が形成される。共通結合部６
の下部には、前記ＳＯＩ基板の酸化膜１ｂおよびシリコ
ン基板１ａを加工して振動重り８が形成される。

【００１９】梁２〜５と枠型支持部１の上側の酸化膜７
の上には、グランドに接続される下部電極９とその引出
電極９ａとがそれぞれ形成される。梁２〜５の上側の下
部電極９の上には、酸化亜鉛膜１１が形成される。駆動
用となる梁３、５の上側の酸化亜鉛膜１１の上には、ほ
ぼ全面にわたって駆動電極ｄ１、ｄ２がそれぞれ形成さ
れる。また、検出用となる梁２、４の上側の酸化亜鉛膜
１１の上には、中央部から根元側にかけて台形状の検出
電極ｓ１、ｓ２がそれぞれ形成される。

【００２０】なお、これらの駆動電極ｄ１、ｄ２および
検出電極ｓ１、ｓ２からは、図示しないが、引出電極が
導出される。そして、下部電極９と駆動電極ｄ１、ｄ２
とは、酸化亜鉛膜１１を介在させて、それぞれ駆動用圧
電梁３、５を形成する。また、下部電極９と検出電極ｓ
１、ｓ２とは、酸化亜鉛膜１１を介在させて、それぞれ
検出用圧電梁２、４を形成する。

【００２１】つぎに、本実施例の角速度センサ１０の動
作について説明する。グランドに接続される引出電極９
ａと駆動電極ｄ１との間、および引出電極９ａと駆動電
極ｄ２との間に、それぞれ梁２〜５の機械共振周波数で
１８０゜位相の異なる交流電圧を印加する。すると、梁
３と５とは屈曲振動を行い、振動重り８の下部中心点は
Ｙ軸方向に振り子運動を行うようになる。

【００２２】このように、振動重り８が振動して慣性状
態にあるときに、振動重り８の中心を通るＺ軸の回りに
角速度が加わると、コリオリ力に基づく振動がＸ軸方向
に発生する。この振動を圧電効果により検出電極ｓ１と
ｓ２で電圧として検出し、これらの検出電圧を差動増幅
してコリオリ力を利用して回転角速度を求める。

【００２３】なお、図１、２に示す角速度センサ１０
は、Ｚ軸方向を加速度を検出する方向とすると、加速度
センサとしても用いることができる。

【００２４】つぎに、図３を参照して、本発明の第２実
施例の角速度センサ２０について説明する。本実施例の
角速度センサ２０は、図１に示す第１実施例の角速度セ
ンサ１０と同様に、ＳＯＩ基板を加工して形成される。

【００２５】２１はＳＯＩ基板を加工して形成した支持
部である。２２〜２４は三角形状の梁で、それらの根元
側は支持部２１に結合し、先端側は共通結合部２５で１
２０゜の角度をもって結合している。

【００２６】これらの梁２２〜２４と共通結合部２５と
支持部２１との上面には酸化膜２６が形成される。共通
結合部２５の下部には、前記ＳＯＩ基板の酸化膜および
シリコン基板を加工して振動重り２７が形成される。

【００２７】梁２２〜２４と支持部２１との上側の酸化
膜２６の上には、下部電極２８とその引出電極２８ａと
がそれぞれ形成される。梁２２〜２４の上側の下部電極
２８の上には、酸化亜鉛膜２９が形成される。そして、
梁２２および２３の上側の酸化亜鉛膜２９の上には、ほ
ぼ全面にわたって駆動電極ｄ３（兼検出電極ｓ３）およ
び駆動電極ｄ４（兼検出電極ｓ４）が形成されて、駆動
用兼検出用圧電梁２２、２３が構成される。また、梁２
４の上側の酸化亜鉛膜２９の上には、中央部から根元側
にかけて台形状の帰還電極ｋ１が形成されて、帰還用圧
電梁２４が構成される。

【００２８】この帰還用圧電梁２４は、図示しない発振
増幅回路および駆動用圧電梁２２、２３と自励発振回路
を構成し、駆動信号の一部を発振増幅回路に帰還して角
速度センサ２０に継続発振を行わせる。

【００２９】つぎに、本実施例の加速度センサ２０の動
作について説明する。前述の角速度センサ２０の自励発
振は、振動重り２７の中心点が二つの駆動用圧電梁２
２、２３の合成力を受けてＹ軸方向に屈曲振動すること
により行われる。このように、振動重り２７が振動して
慣性状態にあるときに、振動重り２７の中心を通るＺ軸
回りに角速度が加わると、コリオリ力に基づく振動がＸ
軸方向に発生する。この振動を圧電効果により検出電極
ｓ３とｓ４で電圧として検出し、これらの検出電圧を差
動増幅してコリオリ力を利用して回転角速度を求める。

【００３０】なお、図１、２に示す角速度センサ１０
は、Ｚ軸方向を加速度を検出する方向とすると、加速度
センサとしても用いることができる。

【００３１】つぎに、図４を参照して、本発明の第３実
施例の角速度センサ３０について説明する。この角速度
センサ３０は、図１に示す角速度センサ１０において、
三角形状の駆動用梁３、５を均等幅の長方形状の駆動用
梁３ａ、５ａとし、また三角形状の駆動電極ｄ１、ｄ２
を長方形状の駆動電極ｄ１１、ｄ２２としたものであ
る。その他の構成は、角速度センサ１０と同様なので同
一番号を付してその説明を援用する。この場合、駆動用
梁３ａ、５ａおよび検出用梁２、４は、それらの機械共
振周波数をほぼ等しく形成される。なお、角速度センサ
３０の動作についても、角速度センサ１０とほぼ同様で
ある。

【００３２】本実施例は、駆動用梁３ａ、５ａは従来例
と同様の形状であるが、検出用梁２、４の梁幅が先端側
から根元側に向けて次第に広くなっており、広い根元部
に台形状の大きい面積の圧電素子が設けられているの
で、発生電荷量が多くなり検出感度が高くなる。

【００３３】なお、図４に示す角速度センサ３０は、Ｚ
軸方向を加速度を検出する方向とすると、加速度センサ
としても用いることができる。

【００３４】つぎに、図５を参照して、本発明の第４実
施例の加速度センサ４０について説明する。この加速度
センサ４０は、図１に示す角速度センサ１０において、
枠型支持部１を縮小して枠型支持部１ｄとなし、それに
検出用梁２、共通結合部６および振動重り８を残し、そ
の他の梁３〜５などを削除したものである。

【００３５】加速度センサ４０の動作は、紙面に垂直な
方向を加速度の加わる方向にして配置し、加速度が振動
重り８に加わると、振動重り８の慣性により検出用梁２
および酸化亜鉛膜１１が撓み、検出電極ｓ１から加速度
に比例した電圧が検出される。この加速度センサ４０
は、検出用梁２の応力の大きい領域に検出電極ｓ１を設
けているので、加速度に対する検出電圧が大きくなる。

【００３６】つぎに、図１および図２に示す本発明の第
１実施例に係る角速度センサ１０の製造方法について、
図６〜図１５を参照して説明する。

【００３７】図６において、厚みが５００μｍのシリコ
ン基板１ａ、同じく２μｍの酸化膜１ｂ、同じく５μｍ
の活性層１ｃよりなるＳＯＩ基板１ｋを用意する。

【００３８】図７において、ＳＯＩ基板１ｋを熱酸化し
て、ＳＯＩ基板１ｋの表面と裏面に厚みが３００ｎｍの
酸化膜７、７ａを形成する。

【００３９】図８において、蒸着装置を用いて、金（Ａ
ｕ）／クロム（Ｃｒ）を酸化膜７の上に堆積した後、フ
ォトエッチングにより梁２〜５の下部電極９とその引出
電極９ａにパターニングする。

【００４０】図９において、スパッタリング装置を用い
て、下部電極９などを含む露出している酸化膜７上に酸
化亜鉛（ＺｎＯ）膜１１ａを堆積する。

【００４１】図１０において、酢酸、燐酸および水から
なる混合液を用いたウエットエッチングまたはＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）により酸化亜鉛膜１１ａを
パターニングして酸化亜鉛膜１１を形成する。

【００４２】ついで、蒸着装置を用いて、金（Ａｕ）／
クロム（Ｃｒ）を酸化亜鉛膜１１を含む酸化膜７上に堆
積した後、フォトエッチングにより駆動電極ｄ１、ｄ
２、検出電極ｓ１、ｓ２および図示しないがこれらの引
出電極をパターニングする。

【００４３】図１１において、フォトリソグラフィ法を
用いて、駆動電極ｄ１、ｄ２、検出電極ｓ１、ｓ２など
を含む酸化膜７上にフォトレジスト３１を塗布する。

【００４４】図１２において、フォトレジスト３１を図
１に示す角速度センサ１０の平面形状、即ち、枠型支持
部１、梁２〜５の形状および共通結合部６の形状にパタ
ーニングしてレジストマスク３１ａを形成する。

【００４５】図１３において、レジストマスク３１ａを
用いて、ＲＩＥ装置により酸化膜７と活性層１ｃをエッ
チングする。また、ＳＯＩ基板１ｋの裏面側に、フォト
レジストを塗布して、枠型支持部１と振動重り８の形状
にレジストマスク３２を形成する。その後、酸化膜１ｂ
をＲＩＥによりドライエッチングする。図１４におい
て、レジストマスク３２を用いて、ＲＩＥ装置により酸
化膜７ａとシリコン基板１ａをドライエッチングして、
振動重り８と梁２〜５を形成する。

【００４６】図１５において、アッシャーを用いて、フ
ォトレジストマスク３１ａ、３２を除去して、図１に示
す角速度センサ１０を作製する。

【００４７】上記角速度センサ１０の製造においては、
圧電素子材料として酸化亜鉛を使用したが、チタン酸ジ
ルコン酸鉛（ＰＺＴ）なども使用できる。また、電極材
料としては、Ａｕ／Ｃｒを例示したが、その他アルムニ
ュウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ｔｉ（チタン）な
どの導電性金属も使用可能である。

【００４８】

【発明の効果】本発明の外力検知センサは、少なくとも
検出用梁が先端側から根元側に向けて広く形成され、か
つ、この広くなった根元部、即ち外部応力の大きい領域
に面積の大きい圧電素子を設けているので、発生電荷量
も多くなり、加速度センサにおいては検出感度が高くな
り、また角速度センサにおいては検出感度および角度分
解能が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例の角速度センサの平面図

【図２】 図１のＸ１−Ｘ１線断面形態図

【図３】 本発明の第２実施例の角速度センサの平面図

【図４】 本発明の第３実施例の角速度センサの平面図

【図５】 本発明の第４実施例の加速度センサの平面図

【図６】 図１に示す角速度センサの製造方法をＸ１−
Ｘ１線断面にて示すもので、ＳＯＩ基板を用意する工程
図

【図７】 同じく、ＳＯＩ基板の表面と裏面に酸化膜を
形成する工程図

【図８】 同じく、駆動用圧電素子と検出用圧電素子の
下部電極を形成する工程図

【図９】 同じく、酸化亜鉛膜を堆積する工程図

【図１０】 同じく、酸化亜鉛膜をパターニングし、上
部電極を形成して、駆動用圧電素子と検出用圧電素子を
形成する工程図

【図１１】 図１に示す角速度センサの製造方法をＸ２
−Ｘ２線断面にて示すもので、フォトレジストを塗布す
る工程図

【図１２】 同じく、図１に示す角速度センサの平面形
状にレジストマスクを形成する工程図

【図１３】 同じく、酸化膜と活性層をエッチングし、
裏面に枠型支持部および振動重りの形状にレジストマス
クを形成する工程図

【図１４】 同じく、酸化膜とシリコン基板をエッチン
グして枠型支持部および振動重りを形成する工程図

【図１５】 同じく、レジストマスクをアッシングする
工程図

【図１６】 従来の角速度センサの平面図

【図１７】 図１６のＸ３−Ｘ３線断面形態図

【符号の説明】

１、２１、１ｄ 支持部 １ａ シリコン
基板 １ｂ、７、２６ 酸化膜 １ｃ 活性層 ２〜５、３ａ、５ａ、２２〜２４ 梁 ６、２５ 共通結合
部 ８、２７ 振動重り ９、２８ 下部電極 ９ａ、２８ａ 引出電極 １０、２０、３０ 角速度セ
ンサ １１、１ｋ、２９ 酸化亜鉛
膜 ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ１１、ｄ２２ 駆動電極 ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４ 検出電極 ｋ１ 帰還電極 ４０ 加速度セ
ンサ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持部と、この支持部に根元側が固定さ
   れると共に圧電素子が設けられた梁と、この梁の先端側
   に設けられた重りと、からなる外力検知センサにおい
   て、 前記梁が先端側から根元側に向けて梁幅が広くなってい
   ることを特徴とする外力検知センサ。
2. 【請求項２】 支持部と、この支持部に根元側が固定さ
   れると共に圧電素子が設けられた梁と、この梁の先端側
   に設けられた重りと、からなる外力検知センサにおい
   て、 前記梁が先端側から根元側に向けて梁幅が広くなり、こ
   の根元部にその面積に相当する広さの圧電素子を設けた
   外力検知センサ。この発明は、外力検知センサとしての
   加速度センサに係り、応力の大きい梁の根元部にその面
   積に相当する広さの圧電素子を設けているので、加速度
   を受けたとき、発生する電荷量が多くなり、加速度の検
   出感度を向上することができる。
3. 【請求項３】 支持部と、この支持部に根元側が異なる
   位置で支持され、先端側が共通結合部で結合し、圧電素
   子が設けられた少なくとも３本の梁と、前記共通結合部
   に形成した振動重りと、からなる外力検知センサにおい
   て、 前記少なくとも検出用梁の梁幅が、前記先端側から前記
   根元側に向けて広くなっていることを特徴とする角速度
   センサ。
4. 【請求項４】 支持部と、この支持部に根元側が異なる
   位置で支持され、先端側が共通結合部で結合し、圧電素
   子が設けられた少なくとも３本の梁と、前記共通結合部
   に形成した振動重りと、からなる外力検知センサにおい
   て、 前記少なくとも検出用梁の梁幅が前記先端側から前記根
   元側に向けて広くなり、この根元部にその面積に相当す
   る広さの圧電素子の検出電極を設けた外力検知センサ。