JP2000055668A - 角速度検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出感度を高く維持するための構造の最適化
が容易な角速度検出センサ及びそれを用いたビデオカメ
ラやナビゲーションシステムを提供する。 【解決手段】 振動梁の断面形状が点対称で、断面の点
対称中心を通る軸に対して線対称構造となるように溝が
設けてあるシリコン振動梁１と、該シリコン振動梁１の
溝の深さ方向と平行する面に成膜された加振用上部電極
８、加振用下部電極７及び加振用圧電薄膜６からなり、
これら膜面に垂直方向に振動梁を振動させる振動発生手
段と、前記振動発生手段が形成されている面に対向する
面に設けられた検出用上部電極Ａ４、検出用上部電極Ｂ
５、検出用圧電薄膜２、及び検出用下部共通電極３から
なり、振動梁の長手方向と振動方向に直交する方向の歪
を検出し歪量に応じた信号として出力する歪検出手段
と、シリコン振動梁１を振動の節で固定支持する金属製
支持梁９ａ〜９ｈと、を含んで角速度検出センサを構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は角速度を検出する角
速度検出センサ及びそれを用いた機器に係わり、特に振
動体を振動させて角速度に応じたコリオリ力を検出する
振動式の角速度検出センサ及びそのセンサを用いた手振
れ防止機能付きのビデオカメラ、ムービーカメラ等のカ
メラ機器や車載用のナビゲーションシステム装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、手振れ防止機能付きカメラや車載
用ナビゲーションシステムに利用されている振動式の角
速度検出センサは、特開昭61−118612号公報（図示せ
ず）に開示された音叉構造のハイブリッドタイプであっ
たり、特開平2−223817号公報（図示せず）に開示され
た音片構造のハイブリッドタイプであった。一方、これ
らのハイブリッドタイプに替わる角速度検出センサとし
て、マイクロマシニング技術を応用し小型化低価格化を
目的とした、特開平6−288774号公報（図示せず）や特
開平9−166439号公報（図示せず）の角速度検出センサ
が開示されている。特開平6−288774号公報において
は、振動梁の断面形状は４角形で、片持ち梁タイプの振
動梁である。一方、特開平9−166439号公報において
は、振動梁の断面形状は正６角形で、両持ち梁タイプの
振動梁である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】先に述べたように、従
来の手振れ防止機能付きビデオカメラや車載用ナビゲー
ションシステム装置に利用されている振動式の角速度検
出センサはハイブリッドタイプが主流である。しかし、
ハイブリッドタイプは構成が極めて複雑で振動梁を含め
個々に機械加工で加工されているため量産性が低く、製
造工程にかなりのノウハウが要求される。また、振動梁
の機械加工精度のばらつきが原因でセンサ個体間の検出
感度のばらつきが２０％と大きい。

【０００４】例えば、ビデオカメラの場合、一般的に、
手振れ防止機能を実現するためには、２軸の角速度を検
出する必要がある。そのため、レンズ中心近くにセンサ
２個分のスペースが必要となる。ところが、このハイブ
リッドタイプは、周辺の集積化された電子回路部に対し
形状が大きいので、ビデオカメラを小型化する上で障害
となる。さらに、感度ばらつきのため、実際に使用する
上では後付けの補正機能が必要となり、ビデオカメラの
低コスト化を阻んでいる。

【０００５】このような問題点を解決するために上記従
来例に見られる、マイクロマシニング技術を応用したマ
イクロマシンタイプの振動式の角速度検出センサが開示
されている。これらマイクロマシンタイプは、その加工
法から量産性が高く、小型で、各個体間の形状ばらつき
は存在しないと考えてよい。しかし、コリオリ力の検出
手段が静電容量の変化を用いていることやセンサの構造
を最適化することが難しいため、結果的に検出感度が低
くなる。

【０００６】検出方法に静電容量変化を用いる方法は、
電極間の静電容量が検出感度に大きく影響する。つま
り、この方式でセンサ感度を挙げるためには電極間の狭
小ギャップを均一性、再現性よく高い加工精度で加工
し、配線周りの浮遊容量の影響で静電容量変化の割合が
小さくならないように電極部の面積を大きくし静電容量
を増やさなければならない。しかし、従来例（特開平6
−288774号公報）のような構造において電極間の狭小ギ
ャップを均一性、再現性よく、高い加工精度で加工する
ことは非常に難しい。

【０００７】次に、一般的に、ある角速度検出センサに
おいて、振動梁の駆動振動方向における共振周波数とコ
リオリ力検出方向における共振周波数とを一致させる構
造にしなければ、検出感度を最大限に高めることができ
ない。このような振動梁の構造の最適化を行うために
は、振動梁の加振方向回りの断面２次モーメントと検出
方向回りの断面２次モーメントとを一致させる必要があ
る。このため、従来例（特開平9−166439号公報）で
は、振動梁の断面形状を正４角形、正５角形、正６角形
とし、上記条件を満足させている。しかし、前記形状
は、マイクロマシニング技術を用いた微細加工では対応
できず、特に面方位（１００）の単結晶シリコン基板を
用いた場合、エッチング加工では不可能である。

【０００８】本発明は、前記加工の問題を解決し、マイ
クロマシニング技術を応用して、検出感度を高く維持す
るために構造の最適化可能な構造を備える角速度検出セ
ンサ及びそれを用いたビデオカメラやナビゲーションシ
ステム装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明は、長手方向に平行な面内で振動する振動梁と、該
振動梁を前記長手方向に平行な面内で振動させる振動発
生手段と、該振動梁の長手方向と振動方向とに直交する
方向のたわみを検出し、たわみ量に応じた信号として出
力する歪検出手段と、を備えてなり、前記振動梁が姿勢
を変化させるとき、前記振動梁の長手方向に平行な方向
を回転軸とする回転成分の角速度を、前記歪検出手段の
出力に基づいて検出する角速度検出センサにおいて、前
記振動梁の断面形状が点対称であること、前記振動梁
に、その振動方向に平行でかつ断面の点対称中心を通る
軸に対して断面形状が線対称構造となり、振動方向に直
交する方向に深さを持つ溝が設けてあること、前記振動
梁に、振動方向に直交する面に平行でかつ互いに対向す
る平面が形成されていること、及び前記歪検出手段は、
前記互いに対向する平面のいずれか一方もしくは双方に
設けられていること、を特徴とする。

【００１０】上記溝はその断面形状がＶ字形、あるいは
Ｕ字形とするのが望ましい。また、前記振動発生手段
は、前記振動梁を所定の方向に振動させる手段であれば
よい。例えば、前記振動梁の溝が形成されていない残り
の面の一部に電極を形成し、前記振動梁がある狭小ギャ
ップを持つように電極が形成された板を電極が向き合う
ように挟み込む。そして、これらの電極間に交流電圧を
印可すると、前記振動梁と板との間に静電引力が発生
し、前記振動梁を振動させることができる。また、静電
引力以外に磁力を利用してもよいし、振動梁の前記互い
に対向する平面のいずれか一方もしくは双方に設けた加
振用圧電素子を用いてもよい。このように、前記振動発
生手段は公知の方法を用いてよい。

【００１１】歪検出手段としては、例えば、圧電素子や
圧電薄膜を用いる。圧電素子の場合、前記振動梁に貼り
付けて形成し、圧電薄膜の場合、スパッタ等の成膜装置
にて前記振動梁に成膜し形成する。このように振動梁に
設けられる歪検出手段は、前記振動梁のたわみ成分を電
圧値や抵抗値として検出できる手段であれば、いずれの
手段を用いてもよい。

【００１２】また、前記互いに対向する二つの平面の一
方の面に加振用圧電素子を、もう一方の面に歪検出手段
を設けてもよいし、いずれか一方または両方の面に加振
用圧電素子と歪検出手段とを設けてもよい。

【００１３】角速度検出センサと、該角速度検出センサ
の出力を入力として手振れ防止機能を実行する手段とを
備えてなるビデオカメラにおいて、角速度検出センサを
上記手段のいずれかに記載された角速度検出センサとし
てもよい。

【００１４】また、角速度検出センサと、該角速度検出
センサの出力を入力として車両の進行方向を検出する手
段とを備えてなるカーナビゲーションシステムにおい
て、前記角速度検出センサを上記手段のいずれかに記載
の角速度検出センサとしてもよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を詳細に説明する。

【００１６】図８は、本発明の角速度検出センサを２個
実装しているビデオカメラの一部分をカットしたカット
モデルを示す外観図である。図示のビデオカメラは、大
きく分類して、ビデオテープ装着部１１１、カメラ部１
１４、音声入力部１１６、ファインダー部１１２から構
成されている。図示のビデオカメラは、カメラ部１１４
を一部カットしてあり、レンズ部１１３と角速度検出セ
ンサ搭載基板１１５が配置されているのが見える。

【００１７】図９は、取り出したレンズ部１１３を示す
外観模式図である。角速度検出センサ搭載基板１１５上
に、水平方向手振れ検出用の角速度検出センサ１２１と
垂直方向手振れ検出用の角速度検出センサ１２２とが実
装されている。搭載基板１１５はネジ止めによりレンズ
部１１３に固定され一体となっている（図示せず）。こ
のため、レンズ部１１３が水平方向及び垂直方向に動い
たときに搭載基板１１５も同時に動くので、各方向の角
速度を角速度検出センサ１２１、１２２によって検出す
ることができる。

【００１８】図１０は搭載基板１１５の上面模式図であ
る。角速度検出センサ１２１、１２２はレンズ外径位置
１３１のレンズ光軸１３２にできるだけ近い位置に配置
される。ただし、角速度検出センサ１２１、１２２はと
もに振動式の角速度検出センサなので、共振周波数は互
いに相互作用を及ぼさないように５００Ｈｚ程度ずらし
てある。

【００１９】次に、図１１は、本発明の角速度検出セン
サが組み込まれた車載用のナビゲーションシステム装置
を実装している乗用車の模式図である。乗用車１４５に
は、エンジン１４１、カーナビゲーションシステムデー
タ処理部１４４、角速度検出センサ１４６、ＧＰＳ衛星
からの信号を受信するＧＰＳ衛星信号受信アンテナ１４
３、データの処理結果を表示するナビゲーション情報表
示部１４２とが搭載されている。乗用車１４５に装備し
てある処理部１４４では、アンテナ１４３からのデー
タ、エンジン１４１からのデータ、本発明の角速度検出
センサ１４６からのデータ、車輪１４７からのデータが
処理される。通常、車載用のナビゲーションシステム装
置は、ＧＰＳ衛星からの位置信号を基に乗用車１４５の
位置を割り出し、目的地まで誘導するシステムである。
しかし、ＧＰＳ衛星からの信号は数ｍ〜数十ｍの誤差が
あるため、都市部の入り組んだ道路や路地ではシステム
が現在の位置を誤認識する場合がある。それを補正する
手段として角速度検出センサ１４６のデータが用いられ
る。例えば乗用車１４５が乗用車の回転方向１４８を感
知したとき、角速度検出センサ１４６からのデータと車
輪１４７からのデータとを基にデータ処理部１４４にお
いて乗用車１４５の移動データを処理する。この後、Ｇ
ＰＳ衛星からの位置情報より細かな車体の挙動を求め、
情報表示部１４２に補正した位置を表示する。

【００２０】次に、図１は本発明の第一の実施例である
角速度検出センサの素子部の外観を模式的に示す斜視図
である。ただし、パッケージ部やカバーや増幅回路等の
回路部分はこの図では省略してある。Ｚ軸方向は加振方
向、Ｙ軸は検出方向つまりコリオリ力発生方向、Ｘ軸回
りに角速度ωが加わるものとする。図示の角速度検出セ
ンサは、大きく分けて、角速度のセンシングを行うため
にＺ軸方向に振動するシリコン振動梁１と、金属製支持
梁９ａ〜９ｈを介してシリコン振動梁１が両持ち支持固
定される外枠１２との２つに分けられる。金属製支持梁
９ｈは図１では見えないが、金属製支持梁９ｇの反対側
の位置に配置されている。図２は図１のシリコン振動梁
１の長さ方向中央部におけるＡ−Ａ’断面を示す図であ
る。

【００２１】シリコン振動梁１の断面形状は、図２に示
すように、各２つの中心線Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’の交点に
関し、線対称となるようにＹ軸方向に溝が設けてあり、
２つの中心線Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’の交点に関し、点対称
構造である。シリコン振動梁１には、シリコン振動梁１
の振動方向（Ｚ軸）に平行でかつ断面の点対称中心を通
る軸に対して線対称構造となり、振動方向に直交する方
向（Ｙ軸方向）に深さを持つ断面Ｖ字形の溝が設けら
れ、振動方向に直交する面に平行でかつ互いに対向する
平面（図２の上下の面）が形成されている。

【００２２】図１、図２のように、シリコン振動梁１の
Ｚ軸に垂直な面、つまり振動方向に直交する面に平行で
かつ互いに対向する平面（溝が形成されていない面）の
うち、Ｚ軸のプラス方向の面には、最下層に検出用下部
共通電極３、その上に検出用圧電薄膜２、その上に検出
用上部電極Ａ４及び検出用上部電極Ｂ５及び支持梁固定
用パッド１０ａ〜１０ｄが形成されて歪検出手段を構成
している。Ｚ軸のマイナス方向の面には、最下層に加振
用下部電極７、その上に加振用圧電薄膜６、その上に加
振用上部電極８が形成されている。なお、シリコン振動
梁１の表面に電気的な絶縁体である熱酸化膜１３を形成
することで、検出用下部共通電極３と加振用下部電極８
とを電気的に分離している。またワイヤ線１１ａによっ
て、検出用上部電極Ａ４と支持梁固定用パッド１０ａと
は結線してあり、金属製支持梁９ａは支持梁固定用パッ
ド１０ａに固定され金属製支持梁９ａと支持梁固定用パ
ッド１０ａとは導通状態にある。すなわち、金属製支持
梁９ａと検出用上部電極Ａ４とは電気的に接続されてい
る。これと同じ関係が、検出用下部共通電極３、ワイヤ
線１１ｂ、支持梁固定用パッド１０ｂ、金属製支持梁９
ｂと、検出用上部電極Ｂ５、ワイヤ線１１ｃ、支持梁固
定用パッド１０ｃ、金属製支持梁９ｃと、検出用下部共
通電極３、ワイヤ線１１ｄ、支持梁固定用パッド１０
ｄ、金属製支持梁９ｄと、の３種類についても成立す
る。ここで、検出用上部電極Ａ４、検出用上部電極Ｂ
５、支持梁固定用パッド１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０
ｄのそれぞれは、電極パターンにおいては電気的に分離
されている。しかし、ワイヤ線１１ｂとワイヤ線１１ｄ
とが検出用下部共通電極に接続されているので、支持梁
固定用パッド１０ｂと支持梁固定用パッド１０ｄとは同
電位となる。このように、金属製支持梁９ａ、９ｂ、９
ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈは外部回路（図示せ
ず）との入出力を行う導体の役割を兼ねる。

【００２３】ただし、金属製支持梁９ｅ、９ｆ、９ｇ、
９ｈと、加振用下部電極７、加振用上部電極８との接続
状態は図示していないが、金属製支持梁９ｆ、９ｈは加
振用下部電極７に、金属製支持梁９ｅ、９ｇは加振用上
部電極８に、それぞれ図示されていない支持梁固定用パ
ッドを介して接続している。加振用圧電薄膜６、加振用
下部電極７、加振用上部電極８は、前記検出用下部共通
電極３と同様、シリコン振動梁１のほぼ全長に渡って設
けられて振動発生手段を構成する。

【００２４】シリコン振動梁１は、Ａ−Ａ’断面におい
てＺ軸方向に最大変位を発生するように振動する。すな
わち、加振用下部電極７、加振用上部電極８に交流電圧
を印可することにより、加振用圧電薄膜６は交流電圧の
周波数に応じた周波数にて伸縮し、シリコン振動梁１は
Ｚ軸方向に両持ち梁の１次振動をする。このとき、金属
製支持梁９ａ〜９ｈをシリコン振動梁１に固定する支持
梁固定用パッドは両持ち梁が１次振動するときの節（不
動点）の位置に形成してある。そのため、金属製支持梁
９ａ〜９ｈは、シリコン振動梁１を節の位置で固定して
いることとなり、振動状態を拘束することはない。この
ようにシリコン振動梁１が振動しているときに、角速度
ωがシリコン振動梁１に加わると、Ｙ軸方向にコリオリ
力が発生する。このコリオリ力によりシリコン振動梁１
はＹ軸方向にたわむことで、検出用上部電極Ａ４と検出
用下部共通電極３とに挟まれた検出用圧電薄膜２の部分
がひずみ（例えば、この部分が縮む）、電圧を生じる。
それと同時に検出用上部電極Ｂ５と検出用下部共通電極
３とに挟まれた検出用圧電薄膜２の部分もひずみ（例え
ば、この部分がのびる）、電圧を生じる。これらのひず
みによる出力電圧値を先に述べた構成の金属製支持梁９
ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄによって、外部に取り出すことが
可能である。以上のような検出素子の構成を用いて、シ
リコン振動梁１が姿勢を変えるときのＸ軸を軸中心とし
て回転する角速度ωを検出する。

【００２５】図２に示すＶ字形断面の底角の１／２であ
る角度αがある一定値とした場合、中心線Ｂ−Ｂ’回り
の断面２次モーメントの値と、中心線Ｃ−Ｃ’回りの断
面２次モーメントの値とを一致させるだけでなく、変え
ることが容易である。つまり、この断面形状において、
シリコン振動梁１の加振方向（Ｚ軸方向）の共振周波数
とシリコン振動梁１の歪検出方向（Ｙ軸方向）の共振周
波数とを一致させるだけでなく、変えることが容易にで
きる。具体的には、シリコン振動梁１の梁幅や梁厚を変
えることで、容易にシリコン振動梁１の加振方向（Ｚ軸
方向）の共振周波数とシリコン振動梁１の歪検出方向
（Ｙ軸方向）の共振周波数とを一致させるだけでなく、
変えることができる。以上のべたように、図２に示すシ
リコン振動梁１の断面形状は、構造の最適化、すなわ
ち、互いに直交する二つの軸（Ｙ軸、Ｚ軸）の方向の共
振周波数を一致させるのが容易な構造である。

【００２６】このシリコン振動梁１は、面方位（１０
０）の単結晶シリコンウエハをシリコンの異方性エッチ
ングを用いて加工したものである。そのため、図２のよ
うに、角度αの大きさは５４．７度となる。シリコン振
動梁１を含む加工プロセスに関しては図６において後に
説明を行う。ここでのシリコンの異方性エッチングと
は、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）やテトラメチルア
ンモニウムハイドロオキサイト（ＴＭＡＨ）等のアルカ
リ系エッチング液を用いて行うシリコンのエッチングの
ことである。

【００２７】さらに図７に示すように、金属製支持梁９
ｅ〜９ｈを介して、加振用圧電薄膜６に加振方向（Ｚ軸
方向）の共振周波数で交流電圧を印加する発振回路４
９、金属製支持梁９ａ〜９ｄを介して、検出用圧電薄膜
２上に形成した検出用上部電極Ａ４、検出用上部電極Ｂ
５に接続され両者の電圧差を増幅する差動増幅回路５
０、差動増幅回路５０及び発振回路４９に接続された同
期検波回路５１、同期検波回路５１に接続された直流増
幅回路５２が設けられている。

【００２８】第一の実施例は以上のようにして構成され
る。

【００２９】次に、図７を用いて第一の実施例における
角速度検出センサの角速度センシング方法を説明する。
角速度検出センサが作動状態にある間は、発振回路４９
により加振用下部電極７と加振用上部電極８とに交流電
圧が印加されるため加振用圧電薄膜６が伸縮し、シリコ
ン振動梁１がＺ軸方向に振動する。ただし、この交流電
圧の周波数は、シリコン振動梁１がＺ軸方向に共振する
周波数である。このときの振動速度をＶとし、シリコン
振動梁の質量をｍとする。この状態において、角速度検
出センサがＸ軸を回転軸中心として角速度ωで回転する
と、角速度に応じたコリオリ力Ｆｃ（＝２ｍＶω）が図
のようにＹ軸方向に発生する。このコリオリ力ＦｃはＹ
軸方向に加わり、シリコン振動梁１をＹ軸方向にたわま
せる。図７に示す方向にコリオリ力Ｆｃが加わった場
合、検出用上部電極Ａ４と検出用下部共通電極３との間
に挟まれた領域の検出用圧電薄膜２において圧縮応力
が、同じく検出用上部電極Ｂ５と検出用下部共通電極３
との間に挟まれた領域の検出用圧電薄膜２において引っ
張り応力が、それぞれ作用する。検出用上部電極Ａ４と
検出用下部共通電極３との間で検出される電圧をＶａ、
検出用上部電極Ｂ５と検出用下部共通電極３との間で検
出される電圧をＶｂとすると、Ｖａ、Ｖｂ共にコリオリ
力Ｆｃに伴う歪の信号に加えてシリコン振動梁１の振動
に起因する歪の信号が合成された形で検出される。コリ
オリ力Ｆｃによる信号はＶａとＶｂとで符号が異なるた
め、差動増幅回路５０にこれらの値を入力し両者の差Ｖ
ａ−Ｖｂを取れば、シリコン振動梁１の振動に起因する
歪の信号が相殺され、コリオリ力Ｆｃによる信号のみを
読み取ることができる。シリコン振動梁１を共振周波数
で振動させている発振回路４９の周波数を基準として差
動増幅回路５０を経て得られた電圧信号を同期検波回路
５１によって検波する。さらに、この電圧値を直流増幅
回路５２によって増幅し、コリオリ力Ｆｃによるたわみ
に基づく電圧値、すなわち角速度ωに比例した量として
取り出す。

【００３０】以上のような方法を用いて角速度の検出を
行う。ただし、図７の回路は一実施例でこれらの回路構
成を様々に組み合わせることで角速度の検出を行うこと
もできる。

【００３１】図４は第一の実施例において検出用上部電
極Ａ４、検出用上部電極Ｂ５、加振用上部電極８の電極
配置、電極形成位置を変更したもので、真上からシリコ
ン振動梁１を見た概略図である。なお、図１において示
した支持梁固定用パッド１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０
ｄはここでは示しておらず、金属製支持梁９ａ、９ｂ、
９ｃ、９ｄは図１の場合と同じく、シリコン振動梁１を
その振動の節の位置で外枠１２に固定支持する役割をし
ている。

【００３２】Ｚ軸プラス方向の面（以下表面）におい
て、最下層に下部電極３１が形成され、その上に圧電薄
膜３０が形成されている。その上に、シリコン振動梁１
の幅方向中央部に加振用上部電極２７が、この加振用上
部電極２７の両側に検出用上部電極Ａ２８と検出用上部
電極Ｂ２９が、いずれも同じ面に形成されている。下部
電極３１は、圧電薄膜３０を挟み加振用上部電極２７に
対応する加振用下部電極、検出用上部電極Ａ２８、検出
用上部電極Ｂ２９と対向し、それらに対応する検出用下
部共通電極の役割をしている。Ｚ軸マイナス方向の面
（以下裏面）にも同構成となるように電極パターンを形
成してある。

【００３３】以下、動作原理につき説明する。シリコン
振動梁１を振動させるため、表面の加振用上部電極２７
に発振回路４９を用いて電圧を印加する。それと同時
に、その電圧と振幅が同じでかつ位相が１８０°遅れた
電圧を裏面の加振用上部電極（図示せず）に印加する。
位相が１８０°遅れているので、これらの電圧を印加し
た結果、シリコン振動梁１は図１と同様にＺ軸方向に振
動する。シリコン振動梁１がＺ軸方向に振動していると
き、シリコン振動梁１にＸ軸回りの角速度ωが加わる
と、シリコン振動梁１にコリオリ力ＦｃがＹ軸方向に加
わる。この結果、先の図１の原理と同じようにして、例
えば、検出用上部電極Ａ２８と下部電極３１とに挟まれ
た領域の圧電薄膜３０に圧縮応力、検出用上部電極Ｂ２
９と下部電極３１とに挟まれた領域の圧電薄膜３０に引
っ張り応力が発生し、電圧がそれぞれ発生する。それら
を入力とする差動増幅回路５０によってコリオリ力によ
る信号を取り出すことができる。裏面に形成されている
検出電極（図示せず）においても同様に行ってコリオリ
力による信号を取り出すことができる。

【００３４】以上のような、電極形状をとっても図１と
同じ効果を得ることができる。なお、図４においては、
表面、裏面とも同パターン形状・配置としたが、少なく
とも一方の面に形成されていれば同様の効果を得ること
ができる。さらに、図１の裏面のパターンを図４の裏面
のパターンと同パターンとしてもよい。

【００３５】次に図６を用いて図１の素子の加工プロセ
スを説明する。 （ａ）初めに、面方位（１００）の単結晶のシリコン基
板３５に熱酸化膜を形成する。その後、熱酸化膜をウエ
ットエッチングまたはドライエッチングを用いて図のよ
うなシリコンエッチング面３７が形成された熱酸化膜パ
ターン３６をシリコン基板３５に形成する。シリコンエ
ッチング面３７はシリコン基板３５の上下とも同じ形状
の開口部とする。

【００３６】（ｂ）次に、先に述べたＫＯＨを用いたシ
リコンの異方性エッチングにてシリコン基板３５を貫通
するまでエッチングを行う。シリコン基板３５は面方位
（１００）の基板なので、貫通直後のエッチング形状は
図のようにエッチング凸部３８が形成されている。これ
は｛１１１｝面によって形成されている。角度αは５
４．７度である。

【００３７】（ｃ）（ｂ）の状態からさらにオーバーエ
ッチングを進めていくと、エッチング凸部３８がなくな
り、図のように対称形状のエッチング凹部３９が形成さ
れ、シリコン振動梁４０が完成する。これを形成する面
は、やはり｛１１１｝面である。また角度βは５４．７
度である。このようにして、図１に示すシリコン振動梁
１の構造が形成される。

【００３８】（ｄ）次に先の熱酸化膜パターン３６をウ
エットエッチングにて除去し、再度シリコン基板３５外
周に熱酸化膜４１を形成する。そして、検出用下部薄膜
電極４２及び加振用下部薄膜電極４３を図のような各全
面に形成する。このときの薄膜電極材料としては、Ａu
／Ｃr薄膜、やＡu／Ｔi薄膜、Ｐt／Ｔi薄膜、Ａl薄膜を
用いる。Ｃr薄膜やＴi薄膜をＡu薄膜、Ｐt薄膜の下層に
形成するのは、シリコン基板３５とＡu薄膜、Ｐt薄膜と
の密着性を向上するためである。ここで用いた薄膜以外
にも金属の薄膜であればこれらに代用可能である。

【００３９】（ｅ）さらに、メタルマスクを用いてシリ
コン振動梁４０にのみ、圧電薄膜が形成されるように他
の部分をカバーする。このようにして、検出用圧電薄膜
４４、加振用圧電薄膜４５を図のようにぞれぞれ成膜
し、形成する。成膜方法としては、スパッタや蒸着やＣ
ＶＤ（Ｃhemical Ｖapor Ｄeposition）を用いる。圧
電薄膜の材料としては、例えば、ＺｎＯ（酸化亜鉛）や
ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いる。

【００４０】（ｆ）次に、検出用上部薄膜電極Ａ４６、
検出用上部薄膜電極Ｂ４７の材料となる、例えば、Ａu
薄膜を検出用圧電薄膜４４が形成された面、全面に成膜
する。同様に、加振用上部薄膜電極４８の材料となる、
例えば、Ａu薄膜を加振用圧電薄膜４５が形成された
面、全面に成膜する。その後、シリコン基板３５上に電
着レジストを塗布し、シリコン振動梁４０上に検出用上
部薄膜電極Ａ４６と検出用上部薄膜電極Ｂ４７と加振用
上部薄膜電極４８形成用のレジストパターンを形成し、
その後イオンミリング等のドライエッチング装置にてこ
れらの電極パターンをエッチングにて形成し、レジスト
を剥離して（ｆ）の状態のシリコン振動梁４０を得る。
以上のように、シリコン基板３５を逐次加工し、図１の
センサ素子を得る。

【００４１】以上述べたように、本実施例によれば、微
小なセンサ構造が要求される場合、マイクロマシニング
により微小なセンサ構造を形成するとともに、直交する
二つの方向の共振周波数を容易に一致させることができ
る。

【００４２】図３は、本発明の第二の実施例である角速
度検出センサの素子部の外観図を模式的に示す斜視図で
ある。第二の実施例は、図のようにシリコン振動梁１４
が支持部１５と一体成形された片持ち梁構造である。こ
こで、Ｄ−Ｄ’断面における断面図は、図１のＡ−Ａ’
断面を示した図２の断面図と同じである。すなわちシリ
コン振動梁１４は、以下のように形成されている。シリ
コン振動梁１４の溝の形成されていない面でＺ軸のプラ
ス方向に位置する面には、最下層に検出用下部共通電極
１７が形成され、その上に検出用圧電薄膜１６、その上
に、検出用上部電極Ａ１８、検出用上部電極Ｂ１９が形
成されている。また、Ｚ軸のマイナス方向に位置する面
には、最下層に加振用下部電極２１が形成され、その上
に加振用圧電薄膜２０、その上に加振用上部電極２２が
形成されている。支持部１５には、検出用電極Ａパッド
２５、検出用電極Ｂパッド２４、検出用共通電極パッド
２３がそれぞれ形成されており、検出用上部電極Ａ１８
と検出用電極Ａパッド２５とはワイヤ線２６によって接
続され、同電位である。この関係は、検出用上部電極Ｂ
１９と検出用電極Ｂパッド２４においても当てはまる。
検出用共通電極パッド２３と検出用下部共通電極１７と
はパターンによってつながっている。このことは、加振
用上部電極２２及び加振用下部電極２１においても同じ
で、支持部１５のＺ軸マイナス方向の面に、加振用上部
電極パッド（図示せず）及び加振用下部電極パッド（図
示せず）が形成され、それぞれ結線されている。これら
のパッドから外部の外付け電気回路（図示せず）に接続
され角速度ωのセンシングを行う。図１の両持ち梁タイ
プと図３の片持ち梁タイプとは、梁の支持状態が異なる
だけで、動作原理は全く同じであり、同様の効果が得ら
れるが、どちらかといえば図１に示す両持ち梁構造の方
が、外乱に影響される度合いが少ない。

【００４３】図５は第ニの実施例において検出用上部電
極Ａ１８、検出用上部電極Ｂ１９、加振用上部電極２２
の電極配置、電極形成位置を変更したもので、真上から
シリコン振動梁１４を見た概略図である。なお、図３に
おいて示した検出用電極Ａパッド２５、検出用電極Ｂパ
ッド２４、検出用共通電極パッド２３等のパッドは図示
していない。

【００４４】Ｚ軸プラス方向の面（以下表面）に、最下
層に下部電極（図示せず）が形成され、その上に圧電薄
膜（図示せず）が形成されている。その上に、加振用上
部電極３２、検出用上部電極Ａ３３、検出用上部電極Ｂ
３４とが同じ面に形成されている。下部電極（図示せ
ず）は、圧電薄膜（図示せず）を挟み加振用上部電極３
２、検出用上部電極Ａ３３、検出用上部電極Ｂ３４との
共通電極となっている。Ｚ軸マイナス方向の面（以下裏
面）にも同じ構成となるように電極パターンを形成して
ある。検出用上部電極Ａ３３、検出用上部電極Ｂ３４
は、シリコン振動梁１４のたわみが大きい個所に配置さ
れている。

【００４５】動作原理を説明する。先の図４において説
明したように、表面の加振用上部電極１４に発振回路４
９を用いて電圧を印加し、それと同時に、その電圧の振
幅が同じでかつ位相が１８０°遅れた電圧を裏面の加振
用上部電極（図示せず）に印加して、シリコン振動梁１
４をＺ軸方向に振動させる。このとき、シリコン振動梁
１４にＸ軸回りに角速度ωが加わると、コリオリ力Ｆｃ
がＹ軸方向にシリコン振動梁１４に加わる。この結果、
例えば、検出用上部電極Ａ３３の部分に圧縮応力、検出
用上部電極Ｂ３４の部分に引っ張り応力が発生し、電圧
がそれぞれ発生する。それらを差動増幅回路５０に入力
し、コリオリ力Ｆｃによる信号を取り出す。裏面に形成
されている検出電極（図示せず）においても同様に行
う。

【００４６】以上のべたように、図５に示す電極形状と
しても、図３に示した実施例と同じ効果を得ることがで
きる。なお、図５においては、表面、裏面とも同パター
ン形状・配置としたが、少なくとも一方の面に形成され
ていれば同様の効果を得ることができる。さらに、図３
の裏面のパターンを図５の裏面のパターンと同パターン
としてもよい。

【００４７】以上のように第ニの実施例は達成される。

【００４８】なお、上記各実施例においては、溝の形状
はいずれも、断面Ｖ字形とした例を述べたが、断面Ｕ字
形の溝としてもよい。断面Ｕ字形の溝とする場合は、レ
ーザー加工によって溝を形成するのがよい。

【００４９】

【発明の効果】以上本発明は、次のような優れた効果を
発揮する。

【００５０】（１）本発明によれば、振動梁の断面形状
が点対称で、中心線に線対称となるように溝が形成され
ているので、各中心線の断面２次モーメントを一致させ
るだけでなく、変えることが容易である。つまり、本セ
ンサの断面形状は、加振方向の共振周波数と検出方向の
共振周波数とを一致させることが容易である。そのた
め、センサの構造の最適化を容易に達成でき、検出感度
を上げることができる。

【００５１】（２）本発明の形状は、面方位（１００）
の単結晶シリコン基板を用い異方性エッチングにて加工
可能である。また、エッチングを用いた一括加工を行え
ば、生成された各センサの形状ばらつきがほとんど無い
ため、各センサ間の検出感度のばらつきを非常に小さく
することができる。さらに、一括加工による量産性に富
み小型化可能な構造であるため、センサの低コスト化を
達成でき、センサの占有面積を小さく抑えることができ
る。

【００５２】（３）本発明によれば、センサを小さくで
きるため小型のビデオカメラにも本発明のセンサを容易
に実装できる。さらに、現在後工程で行われているセン
サ感度を調整するための補正回路の付加や制御用のソフ
トウエアの書き換えが要らなくなり、ビデオカメラの低
コスト化を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例である角速度検出センサの
素子部の斜視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ’断面図を示す断面模式図であ
る。

【図３】本発明の第二実施例である角速度検出センサの
素子部の斜視図である。

【図４】第一実施例の構成において、加振／検出用の電
極パターン形状の別の一例を示す図である。

【図５】第二実施例の構成において、加振／検出用の電
極パターン形状の別の一例を示す図である。

【図６】第一実施例の製造加工プロセスの流れを示す概
要図である。

【図７】本発明の角速度検出センサにおける回路構成を
示すブロック図である。

【図８】本発明の角速度検出センサが組み込まれたビデ
オカメラの一部をカットした外観図である。

【図９】ビデオカメラから取り出したレンズ部の外観模
式図である。

【図１０】角速度検出センサ搭載基板の上面模式図であ
る。

【図１１】本発明の角速度検出センサが組み込まれた車
載用ナビゲーションシステム装置を取り入れた乗用車の
模式図である。

【符号の説明】

１ シリコン振動梁 ２ 検出用圧電薄膜 ３ 検出用下部共通電極 ４ 検出用上部電極Ａ ５ 検出用上部電極Ｂ ６ 加振用圧電薄膜 ７ 加振用下部電極 ８ 加振用上部電極 ９ａ〜９ｈ 金属製支持梁 １０ａ〜１０ｄ 支持梁固定用パッド １１ａ〜１１ｄ ワイヤ線 １２ 外枠 １３ 熱酸化膜 １４ シリコン振動梁 １５ 支持部 １６ 検出用圧電薄膜 １７ 検出用下部共通電極 １８ 検出用上部電極Ａ １９ 検出用上部電極Ｂ ２０ 加振用圧電薄膜 ２１ 加振用下部電極 ２２ 加振用上部電極 ２３ 検出用共通電極パッド ２４ 検出用電極Ｂパッド ２５ 検出用電極Ａパッド ２６ ワイヤ線 ２７ 加振用上部電極 ２８ 検出用上部電極Ａ ２９ 検出用上部電極Ｂ ３０ 圧電薄膜 ３１ 下部電極 ３２ 加振用上部電極 ３３ 検出用上部電極Ａ ３４ 検出用上部電極Ｂ ３５ 単結晶のシリコン基板 ３６ 熱酸化膜パターン ３７ シリコンエッチング面 ３８ エッチング凸部 ３９ エッチング凹部 ４０ シリコン振動梁 ４１ 熱酸化膜 ４２ 検出用下部薄膜電極 ４３ 加振用下部薄膜電極 ４４ 検出用圧電薄膜 ４５ 加振用圧電薄膜 ４６ 検出用上部薄膜電極Ａ ４７ 検出用上部薄膜電極Ｂ ４８ 加振用上部薄膜電極 ４９ 発振回路 ５０ 差動増幅回路 ５１ 同期検波回路 ５２ 直流増幅回路 １１１ ビデオテープ装着部 １１２ ファインダー部 １１３ レンズ部 １１４ カメラ部 １１５ 角速度検出センサ搭載基板 １１６ 音声入力部 １２１ 水平方向手振れ検出用の角速度検出センサ １２２ 垂直方向手振れ検出用の角速度検出センサ １３１ レンズ外径位置 １３２ レンズ光軸 １４１ エンジン １４２ ナビゲーション情報表示部 １４３ ＧＰＳ衛星信号受信アンテナ １４４ カーナビゲーションシステムデータ処理部 １４５ 乗用車 １４６ 角速度検出センサ １４７ 車輪 １４８ 乗用車の回転方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大津 満雄 神奈川県横浜市戸塚区吉田町501番地 株 式会社日立製作所映像情報メディア事業部 内 (72)発明者 佐藤 和恭 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 2F105 AA02 AA08 BB02 BB13 BB15 CC04 CC06 CC07 CD02 CD05 CD06 CD13

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長手方向に平行な面内で振動する振動梁
   と、該振動梁を前記長手方向に平行な面内で振動させる
   振動発生手段と、該振動梁の長手方向と振動方向とに直
   交する方向のたわみを検出し、たわみ量に応じた信号と
   して出力する歪検出手段と、を備えてなり、前記振動梁
   が姿勢を変化させるとき、前記振動梁の長手方向に平行
   な方向を回転軸とする回転成分の角速度を、前記歪検出
   手段の出力に基づいて検出する角速度検出センサにおい
   て、前記振動梁の断面形状が点対称であること、前記振
   動梁に、その振動方向に平行でかつ断面の点対称中心を
   通る軸に対して断面形状が線対称構造となり、振動方向
   に直交する方向に深さを持つ溝が設けてあること、前記
   振動梁に、振動方向に直交する面に平行でかつ互いに対
   向する平面が形成されていること、及び前記歪検出手段
   は、前記互いに対向する平面のいずれか一方もしくは双
   方に設けられていること、を特徴とする角速度検出セン
   サ。
2. 【請求項２】 前記溝の断面がＶ字形状であることを特
   徴とする請求項１記載の角速度検出センサ。
3. 【請求項３】 前記溝の断面がＵ字形状であることを特
   徴とする請求項１記載の角速度検出センサ。
4. 【請求項４】 前記振動発生手段が、振動梁の前記互い
   に対向する平面のいずれか一方もしくは双方に設けられ
   た加振用圧電素子を含んで構成されていることを特徴と
   する請求項１乃至３のいずれかに記載の角速度検出セン
   サ。
5. 【請求項５】 角速度検出センサと、該角速度検出セン
   サの出力を入力として手振れ防止機能を実行する手段と
   を備えてなるビデオカメラにおいて、前記角速度検出セ
   ンサが、請求項１〜４のいずれかに記載の角速度検出セ
   ンサであることを特徴とするビデオカメラ。
6. 【請求項６】 角速度検出センサと、該角速度検出セン
   サの出力を入力として車両の進行方向を検出する手段と
   を備えてなるカーナビゲーションシステムにおいて、前
   記角速度検出センサが、請求項１〜４のいずれかに記載
   の角速度検出センサであることを特徴とするカーナビゲ
   ーションシステム。