JP2000055670A - 振動式検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】振動式検出器の振動子の変位に対する復元力の
非線形性を補償すること 【解決手段】基板１上に可動部としてマス部１０、支持
ビーム２１、２２、２３、２４、櫛歯電極６０、６１、
振動子電極８００、８０１を形成し、固定部分としてア
ンカー５１、５２、５３、５４、駆動電極７０及び検出
電極７１、制御電極８１及び８２、８３及び８４を形成
する。駆動電極７０に交流電圧を印加すると櫛歯電極６
０との間の静電力により支持ビーム２１、２２、２３、
２４が湾曲し可動部が振動するが、マス部１０の変位
が、支持ビーム２１、２２、２３、２４の復元力が非線
形性を示すほど大きくても、制御電極８１及び８２、８
３及び８４と振動子電極８００、８０１との間隙ａ及び
電位差Ｖを設計・調整することで、制御電極８１及び８
２、８３及び８４と振動子電極８００、８０１との間の
静電力により支持ビームの復元力の非線形性を補償する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の微細加工
により形成され、角速度を振動子に生起されるコリオリ
力に関連して検出するようにした振動式検出器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、シリコンマイクロマシニング技術
の発達により、特開平７−４３１６６号公報に記載の両
端支持梁型の振動子をもった振動式検出器や特開平１０
−１２２８６７号公報に記載の折り返し梁型の振動子を
もった振動式検出器が提案されている。

【０００３】両端支持梁型の振動式検出器１１１は図８
に示す構造を持っている。すなわち、基板１上に半導体
の微細加工により形成される慣性質量をもったマス部１
０、マス部１０を振動可能に支持する支持ビーム２１、
２２、２３、２４、支持ビーム２１、２２、２３、２４
を基板１に固定するアンカー５１、５２、５３、５４、
振動子側の櫛歯電極６０、６１、固定部側の駆動櫛歯電
極７０及び検出櫛歯電極７１から構成される。駆動櫛歯
電極７０に交流電圧を印加すると振動子側の櫛歯電極６
０との間の静電力によりマス部１０が振動する。この
時、振動子側の櫛歯電極６１と検出櫛歯電極７１との間
の静電容量を測定することで振動子の変位を測定するこ
とができ、駆動櫛歯電極７０に印加された交流電圧との
関係から振動特性を測定し、共振周波数を探すことがで
きる。

【０００４】また、折り返し梁型の振動式検出器１１２
は図９に示す構造を持っている。すなわち、基板１上に
半導体の微細加工により形成される慣性質量をもったマ
ス部１０、マス部１０を振動可能に支持する支持ビーム
２１、２２、２３、２４、支持ビーム２１、２２、２
３、２４に連結されたリンク３１、３２、リンク３１、
３２に連結された折り返しビーム４１、４２、４３、４
４、折り返しビーム４１、４２、４３、４４を基板１に
固定するアンカー５１、５２、５３、５４、振動子側の
櫛歯電極６０、６１、固定部側の駆動櫛歯電極７０及び
検出櫛歯電極７１から構成される。振動式検出器１１２
は振動式検出器１１１と全く同様に、駆動櫛歯電極７０
に交流電圧を印加すると振動子側の櫛歯電極６０との間
の静電力によりマス部１０が振動し、振動子側の櫛歯電
極６１と検出櫛歯電極７１との間の静電容量を測定する
ことで振動子の変位を測定することができ、駆動櫛歯電
極７０に印加された交流電圧との関係から振動特性を測
定して共振周波数を探すことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが図８のような
両端支持梁型の振動式検出器１１１では、アンカー５１
と５２の間、５３と５４の間のｙ軸方向に働く張力が大
きいため、支持ビームのｘ軸、ｚ軸方向への変位が大き
い場合、支持ビームの復元力が変位の高次項に比例する
非線形性が無視できなくなる。この結果、その方向での
振動特性が図３のようなヒステリシスをもったものとな
り、共振周波数付近の振幅が大きい領域（図３のＡＢＣ
Ｄの範囲）では共振周波数を特定できず、安定した作動
が保証できなくなる。

【０００６】両端支持梁型の振動式検出器１１１の駆動
櫛歯電極の出力を変えたときの周波数特性を図４の
(Q₁)、(Q₂)に示す。(Q₁)は駆動櫛歯電極の出力を抑えた
もので、最大振幅は 0.3μｍ、共振周波数は26.8kHz 、
(Q₂)は駆動櫛歯電極の出力を上げたもので、最大振幅は
0.95μｍ、その時の周波数は27.4kHz である。図４から
明らかなように、従来の両端支持梁型の振動式検出器は
周波数特性のヒステリシスを抑えるため振幅の小さい範
囲でしか使用できず、また共振周波数は駆動電力の大小
すなわち共振時の振幅の大小によって変動する。

【０００７】一方、図９の折り返し梁型の振動式検出器
１１２では、図８の両端支持梁型の振動式検出器１１１
のような非線形性は現れにくい。なぜならば、両端支持
梁型の振動式検出器１１１では、固定されたアンカー５
１、５２、５３、５４とビーム２１、２２、２３、２４
からの張力がマス部１０を拘束する方向であるのに対
し、折り返し梁型の振動式検出器１１２では、固定され
たアンカー５１、５２、５３、５４からの４つの張力は
マス部１０を拘束する方向ではないからである。

【０００８】しかし、マス部１０の拘束が弱いことは他
の問題を起こす。折り返し梁型の振動式検出器１１２
は、マス部１０の拘束が弱いため基板その他に固着する
スティッイキングが起こりやすい。また、図９のｙ軸、
ｚ軸方向の剛性や、ビームのねじり剛性が低いため、ｘ
軸、ｚ軸方向の入出力の信頼性が乏しくなってしまう。

【０００９】本発明は図８のようなマス部１０の拘束が
強い構造の両端支持梁型の振動式検出器において、振動
子の変位が大きい場合でも支持ビームの復元力の非線形
性を補償することを目的とし、更には、非線形性が共振
周波数を振幅によって変化させることを防ぐことを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の発明の構成は、基板面上に半導体の微細加工により形
成され、ビームにより振動可能に支持された振動子を前
記ビーム長手軸に垂直方向に振動させる検出器におい
て、前記振動子の一部を挟む一対以上の電極又は前記振
動子の一部を取り巻く一以上の電極を持ち、前記振動子
の一部と前記電極の間の静電力が、前記振動子の変位に
対するビームの復元力の非線形性を補償することを特徴
とする。

【００１１】振動子の変位に対するビームの復元力の非
線形性とは以下に示す、変位の３乗に比例するビームの
復元力の増加によるものが最も重要である。

【００１２】図１０に示す両端支持梁型の振動式検出器
１００について、基板に平行で振動方向にｘ軸、ビーム
に平行にｙ軸、基板に垂直にｚ軸をとる。Ｅを構造材の
ヤング率、σを構造材の内部応力とし、ｔを振動子及び
支持ビームの膜厚、ｗを支持ビームの幅、l₁を支持ビー
ムの長さ、ｘをマス部１０のｘ軸方向への変位とおく。
４本の支持ビーム２１、２２、２３、２４によるマス部
１０の変位ｘに対するビームの復元力Ｆを、以下の３つ
に分けて考える。

【００１３】今、マス部１０を剛体とすれば、支持ビー
ム２１と２２はアンカー５１、５２に両端を固定された
長さ２l₁の１本の梁と考えてよいから、張力の無い両端
固定の梁の中央での、加重Ｗと変位ｘについて考える
と、数１が成り立つ（新機械工学便覧等参照）。

【数１】ｘ＝Ｗl₁ ³l₁ ³／３Ｅ（ｔｗ³ ／１２）（２l₁)³ ∴Ｗ＝２Ｅｔｗ³ ｘ／l₁ ³ … （１）

【００１４】４本の支持ビーム２１、２２、２３、２４
では式（１）の２倍である。よって、復元力と変位の符
号は逆だから、復元力Ｆの張力によらない弾性部分Ｆ₁
は数２となる。

【数２】Ｆ₁ ＝−４Ｅｔｗ³ ｘ／l₁ ³

【００１５】シリコンマイクロマシニングによる振動子
には薄膜形成の際、内部応力が生じる。この内部応力は
振動子の支持ビームの張力として働き、マス部がｘ軸方
向に変位すると、支持ビームの張力のｘ軸方向の成分が
復元力となる。４本のビームの張力のｘ軸方向の成分を
Ｆ₂ とすれば、Ｆ₂ は数３で表現できる。

【数３】Ｆ₂ ＝−π² σｔｗｘ／２l₁

【００１６】マス部が変位することにより支持ビームが
伸び、支持ビームの張力による復元力は増加するので、
その増加分をＦ₃ とすると、Ｆ₃ は数４で表現できる。

【数４】Ｆ₃ ＝−４ＣＥｔｗｘ³ ／３l₁ ³

【００１７】ここでＣは定数で、マス部が剛体ならばＣ
＝π⁴/128 と置くことができる。

【００１８】ビームの復元力ＦはこれらＦ₁,Ｆ₂,Ｆ₃ の
和であるから数５となる。

【数５】 Ｆ＝−４Ｅｔｗ³ ｘ／l₁ ³ −π² σｔｗｘ／２l₁−４ＣＥｔｗｘ³ ／３l₁ ³ ＝−（４Ｅｔｗ³ ／l₁ ³ ）（１＋π² σl₁ ² ／８Ｅｗ² ）ｘ −（４ＣＥｔｗ／３l₁ ³ ）ｘ³

【００１９】ここで、復元力Ｆのばね定数をｋとおけ
ば、ｋ＝−ｄＦ／ｄｘであるから数６となる。

【数６】ｋ＝（４Ｅｔｗ³ ／l₁ ³ ）｛１＋π² σl₁ ² ／
８Ｅｗ² ＋Ｃ（ｘ／ｗ）² ｝

【００２０】ｘ／ｗ＞０．１のとき、第３項の影響が顕
著となる。

【００２１】振動式検出器１００について、図１０のよ
うに、振動子電極８００、８０１をマス部１０のｙ軸に
垂直な２面からそれぞれｙ軸方向に延設し、ｘ軸に垂直
な両側の面が電極面であるように設ける。この振動子電
極８００の両側の電極面と間隙ａを隔てて挟むように、
板状の制御電極８１、８２を基板とｘ軸に垂直に設け
る。振動子電極８０１についても同様に、両側の電極面
と間隙ａを隔てて挟むよう、板状の制御電極８３、８４
を基板とｘ軸に垂直に設ける。マス部１０の振動ととも
に振動子電極８００、８０１は振動する。振動子が釣合
いの位置からｘ軸方向にｘだけ変位（ただしｘの絶対値
はａより小さい）すると、振動子電極８００と制御電極
８１、８２との間隙はａ＋ｘとａ−ｘに、振動子電極８
０１と制御電極８３、８４との間隙もａ＋ｘとａ−ｘに
なる。振動子電極８００、８０１よりも制御電極８１、
８２、８３、８４を電位Ｖだけ高く保てば、２対の制御
電極から振動子電極８００、８０１が静電力を受け、こ
れによりマス部１０は、変位ｘに応じて制御電極８１及
び８２、８３及び８４からの静電力を受ける。

【００２２】振動子電極８００の厚さを支持ビームの厚
さと同じくｔ、制御電極８１、８２の長さをl₂とすされ
ば、制御電極８１、８２から静電力を受ける振動子電極
８００の電極面の面積はl₂ｔである。ε₀ を真空の誘電
率とし、制御電極８１、８２から振動子電極８００が受
ける静電力をＦ_a+x 、Ｆ_a-x とすると、一対の制御電極
８１、８２から振動子電極８００とマス部１０が受ける
静電力は数７のとおりである。

【数７】 Ｆ_a+x ＋Ｆ_a-x ＝ε₀ l₂ｔＶ² ｛−１／２（ａ＋ｘ）² ＋１／２（ａ−ｘ)²｝ ＝２ε₀ l₂ｔＶ² ａｘ／（ａ² −ｘ²)² …（２）

【００２３】よって２対の制御電極８１及び８２、８３
及び８４から振動子電極８００と振動子電極８０１をと
おしてマス部１０が受ける静電力Ｆ_c は式（２）の２倍
で数８のとおりである。

【数８】 Ｆ_c ＝２（Ｆ_a+x ＋Ｆ_a-x ） ＝４ε₀ l₂ｔＶ² ａｘ／（ａ² −ｘ²)²

【００２４】よって静電力Ｆ_c による「見かけのばね定
数」ｋ_c は数９のとおりである。

【数９】 ｋ_c ＝−ｄＦ_c ／ｄｘ ＝−４ε₀ l₂ｔＶ² ａ（ａ² ＋３ｘ² ）／（ａ² −ｘ² ）³

【００２５】これは静電力Ｆ_c のばね定数ｋ_c が支持ビ
ームの復元力のばね定数ｋとは符号が逆で、ｋがｘの２
乗に比例する項をもつようにｋ_c がｘの２乗に関係する
項をもつことを示す。特にａ≫ｘでは、−４ε₀ l₂ｔＶ
² （ａ^-3＋６ａ^-5ｘ² ）とおくことができる。

【００２６】これより、２対の電極（制御電極８１及び
８２、８３及び８４）とそれに挟まれた振動子電極８０
０、８０１との釣合いの位置での間隙ａと、電極と振動
子との電位差Ｖを調整することで、変位ｘが小さいとき
はビームの復元力Ｆの変位ｘの３乗に比例する項を完全
に打ち消すことが可能である。実際ｋとｋ_c の関係を数
１０の数値（電位差Ｖを一定に保つ）で調べると図２に
示すとおりとなり、変位ｘが小さいときは制御時のばね
定数（ｋ＋ｋ_c ）はほぼ一定であり、変位ｘが１μｍま
で増えても、非制御時に比較すると大変安定しているこ
とがわかる。

【数１０】Ｅ= 160 GPa, σ= 30 MPa, ｔ= 2 μm, ｗ
= 2 μm, l₁= 200μm,l₂= 50 μm, ａ= 3 μm, Ｖ=
43V

【００２７】この電極は支持ビームに垂直な方向の振動
に対してはどの方向にも設けてよく、例えば図１の振動
式検出器がｚ軸方向のコリオリ力による振動を検出する
角速度検出器である場合、図１のｘ軸方向の振動の非線
形性を補償する制御電極８１及び８２、８３及び８４に
加え、ｚ軸方向に垂直な電極面を持つ振動子電極と一対
以上の制御電極を設けてもよい。この際、ｘ軸方向の振
動の制御電極とｚ軸方向の振動の制御電極を等電位とす
るならば、それらを合わせ、振動子の一部を取り巻く１
の電極とする形でもよい。例えば支持ビーム２１の、マ
ス部１０に近い側の一部を間隙ａを空けて角柱状に取り
巻くような制御電極にすることも有効である。振動子電
極との制御電極の組は１組以上任意に配設してよい。

【００２８】一対以上の電極に印加する電圧を一定では
なく、共振周波数が振幅によってずれないよう、すなわ
ち、振動子の共振周波数が一定となるよう変化させれば
更に非線形性を取り除くことも可能である。

【００２９】

【発明の作用及び効果】本発明により、両端支持梁型の
振動式検出器において支持ビーム長手軸に垂直に振動を
起こすとき、その振動の変位が大きく支持ビームの復元
力が変位の高次に比例する項が大きくなったとしても、
それを打ち消す静電力を電位一定の制御電極に発生さ
せ、振動子の振動を線形に保つことができる。更に、振
動子の共振周波数が一定となるように制御電極に印加す
る電圧をフィードバック制御させた状態で電力を与える
ことで、駆動電力を大きくし振動子が大きな振幅をとっ
た場合でも完全な線形振動をさせることができる。こう
して振動式検出器の共振周波数を、振幅にかかわらず一
定とさせることができ、振動特性を振幅が非常に大きい
場合でも飛躍的に安定させることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。 《実施例１》図１は本発明の具体的な第１実施例にかか
る振動式検出器１００とその検出器１００を駆動させる
ための各電気回路を示している。振動式検出器１００は
図１１に示す半導体の微細加工技術により作製され、こ
の製造方法は公知の技術である。尚、図１１は図１のＢ
Ｂ’での断面を示している。図１１の（ａ）に示すよう
に、シリコン基板１の上にシリコン窒化膜４を形成し、
このシリコン窒化膜４の上にシリコン酸化膜２を形成
し、このシリコン膜２をフォトリソグラフにより所定形
状にパターンニングする。

【００３１】このシリコン酸化膜２の上に不純物を添加
して導電性を持たせたシリコン層３を形成する（図１１
の（ｂ））。次に、マス部１０、支持ビーム２１、２
２、２３、２４からなる振動子を形成するために、フォ
トレジストをシリコン層３の表面に一様に塗布してパタ
ーンニングし、シリコン層３の上にマスクパターン７を
形成する（図１１の（ｃ））。次に、マスクパターン７
をマスクとして、ドライエッチングによりシリコン層３
をエッチングし、シリコン層３を所望形状にパターンニ
ングする（図１１の（ｄ））。次にシリコン層３の上に
アルミニウムを蒸着して、図１１の（ｅ）に示すよう
に、フォトリソグラフにより所定形状にパターンニング
して、配線層を形成する（図１、５、６、７、８、９で
は配線層は省略してあり、図１１では配線層７６）。次
に犠牲層エッチング技術を用いて、振動子の下部のシリ
コン酸化膜２を除去する。この犠牲層エッチングでは、
基板１をフッ酸溶液に浸すことでシリコン酸化膜２が除
去される。この時、アンカー部５１、５２、５３、５４
は基板に固定され、振動子と駆動櫛歯電極７０及び検出
櫛歯電極７１の下部のシリコン酸化膜が除去される（図
１１の（ｆ））。

【００３２】尚、基板１の材料は特に限定されない。シ
リコンのほか、他の半導体、セラミックス、ガラス等を
用いることもできる。また、エッチング犠牲層として
は、シリコン酸化膜のほか、窒化シリコン膜等を用いる
こともできる。更に、可動部を形成するための機能層と
しては、主として弾性があれば良く、単結晶、多結晶の
シリコンのほか、ニッケル等の金属、他の弾性材料を用
いることができる。シリコンを用いた場合には、シリコ
ン膜３により可動櫛歯電極６０、６１、駆動櫛歯電極７
０、検出櫛歯電極７１、制御電極８１及び８２、８３及
び８４、振動子電極８００、８０１を形成し、支持ビー
ム２１、２２、２３、２４が配線としての機能も有する
関係上、導電率が大きいほど望ましく、ドナー、アクセ
プタ不純物を添加することが望ましい。更に近年では、
シリコン酸化膜２の犠牲層エッチング技術としてフッ酸
蒸気によるドライエッチング手法も用いられている。

【００３３】マス部１０は紙面垂直方向の貫通したエッ
チングホールを持ってもよい。マス部１０は支持ビーム
２１、２２、２３、２４で振動可能に支持されており、
これらからなる振動子を基板１に固定するアンカー５
１、５２、５３、５４を設ける。こうして、アンカー５
１、５２、５３、５４が固定されたまま、マス部１０は
支持ビーム２１、２２、２３、２４が横振動することに
より振動可能となっている。

【００３４】マス部１０には櫛歯電極６０、６１が設け
られ、駆動櫛歯電極７０及び検出櫛歯電極７１が櫛歯電
極６０、６１と相対するよう設けられる。駆動櫛歯電極
７０は配線層を介して発振回路９０に接続され、検出櫛
歯電極７１は配線層を介して振動検出回路９１と接続さ
れる。このマス部１０に、ｘ軸に垂直な電極面をもつ振
動子電極８００、８０１がｙ軸方向に延設され、基板１
に固定した制御電極８１及び８２、８３及び８４を振動
子電極８００、８０１とわずかな間隙ａを空けて挟むよ
うに設けられる。制御電極８１及び８２、８３及び８４
には配線層を通して、基板１より電位をＶだけ高める制
御電圧発生回路９２が接続される。発振回路９０は駆動
櫛歯電極７０に出力する電力を一定として、振動検出回
路９１が検出する振幅が最大となるように印加電圧が制
御されている。これにより、前記振動子が共振するよう
に電力が供給される。

【００３５】このように、前述の数１０の設計値で作製
された振動式検出器１００について周波数特性を調べ
た。図４の(P) はその実測値であり、振幅を１μｍとし
ても周波数特性にヒステリシスは現れなかった。

【００３６】《実施例２》図５は本発明の具体的な第２
実施例にかかる振動式検出器１０１の平面図である。基
板１上に、慣性質量をもったマス部１０、マス部１０を
振動可能に支持する支持ビーム２１、２２、２３、２
４、支持ビーム２１、２２、２３、２４を基板１に固定
するアンカー５１、５２、５３、５４、振動子側の櫛歯
電極６０、６１、固定部側の駆動櫛歯電極７０及び検出
櫛歯電極７１が半導体の微細加工により形成される。基
板１に固定した制御電極８１、８２、８３、８４、８
５、８６、８７、８８を、全ての支持ビーム２１、２
２、２３、２４のマス部１０に近い側に、支持ビームを
わずかな間隙を空けて挟むように設ける。制御電極８
１、８２、８３、８４、８５、８６、８７、８８は基板
１に対して高電位を印加する制御電圧発生回路９２に接
続されている。このように作製された振動式検出器１０
１について周波数特性を調べたが、図４(P) と同様な特
性を示し、周波数特性にヒステリシスは現れなかった。

【００３７】《実施例３》図６は本発明の具体的な第３
実施例にかかる振動式検出器１０２の平面図とＡＡ’に
おける断面図である。基板１上に、慣性質量をもったマ
ス部１０、マス部１０を振動可能に支持する支持ビーム
２１、２２、２３、２４、支持ビーム２１、２２、２
３、２４を基板１に固定するアンカー５１、５２、５
３、５４、振動子側の櫛歯電極６０、６１、固定部側の
駆動櫛歯電極７０及び検出櫛歯電極７１が、半導体の微
細加工により形成される。基板１に固定した制御電極８
１、８２、８３、８４を、全ての支持ビーム２１、２
２、２３、２４のマス部１０に近い側に、支持ビームを
わずかな間隙を空けて角柱状に取り巻くように設ける。
制御電極８１、８２、８３、８４は基板１に対して高電
位を印加する制御電圧発生回路９２に接続されている。
このように作製された振動式検出器１０２について周波
数特性を調べたが、図４(P) と同様な特性を示し、周波
数特性にヒステリシスは現れなかった。

【００３８】《実施例４》図７は本発明の具体的な第４
実施例にかかる振動式検出器１００と、共振周波数を一
定とするように制御電極の電位を変化させるためのフィ
ードバック制御手段の回路構成とを示している。実施例
１の振動式検出器１００の、駆動櫛歯電極７０に発振回
路９０が、検出櫛歯電極７１に振動検出回路９１が接続
される。振動検出回路９１により検出された共振周波数
を電圧に変換する周波数−電圧変換回路９３が設けられ
る。共振周波数の変換された電圧と、設定周波数を示す
目標電圧９４を比較するための比較回路９５に続いて、
制御電圧発生回路９２が制御電極８１、８２に接続され
る。あらかじめ小振幅での共振周波数を測定し、設定周
波数として目標電圧９４に入力される。制御電圧発生回
路９２の電圧の初期値は、この小振幅で、共振周波数が
設定周波数と一致するように設定される。

【００３９】発振回路９０から印加されるの交流駆動電
力により、駆動櫛歯電極７０と櫛歯電極６０の間の静電
力の変化と支持ビーム２１、２２、２３、２４の復元力
によりマス部１０が振動する。櫛歯電極６１と検出櫛歯
電極７１の間の静電容量の変化からマス部１０の変位が
振動検出回路９１により検出される。共振が得られるよ
うに発振回路９０から印加される交流駆動電力の位相を
変化させることにより共振状態となり、振動検出回路９
１から共振周波数が検出される。これは周波数−電圧変
換回路９３によって電圧に変換され、比較回路９５によ
り設定周波数を示す目標電圧９４と比較される。比較し
た結果、共振周波数が設定周波数より高い場合は、支持
ビーム２１、２２、２３、２４の復元力の非線形性を制
御電極８１及び８２、８３及び８４と振動子電極８０
０、８０１との間の静電力が補償しきれていないことを
意味するので、制御電圧発生回路９２が制御電極８１及
び８２、８３及び８４に印加する直流電圧を増大させ、
制御電極８１及び８２、８３及び８４と振動子電極８０
０、８０１との間の静電力が支持ビーム２１、２２、２
３、２４の復元力の非線形性を補償するようにする。逆
に共振周波数が設定周波数より低い場合は、制御電極８
１及び８２、８３及び８４と振動子電極８００、８０１
との間の静電力がビームの復元力の非線形性を越えてい
るので制御電圧発生回路９２が制御電極８１及び８２、
８３及び８４に印加する直流電圧を減少させる。このよ
うに、フィードバック制御手段を持たせた振動式検出器
１００について様々な駆動電力をかけ周波数特性を調べ
たが、駆動電力の大小すなわち共振時の振幅の大小にか
かわらず、周波数特性にヒステリシスは現れず、また共
振周波数は一定に保たれていた。

【００４０】以上の例で見るとおり、電極の数が任意で
あることは明らかで、制御電極及び振動子の間隙と電極
電位との関係において設計時に考慮すればよい。また以
上の例では、主に駆動電極からの強制振動に対する支持
ビームの非線形性を制御するものを取り上げたが、駆動
電極からの強制振動とは垂直な方向に他の検出電極を設
けて振動を検出する際の非線形性制御についても全く同
様に本発明を適用することができる。また、実施例３で
は各電極が２方向の制御にかかわっているが、各電極が
一方向の制御で、制御する方向の違う電極を複数組み合
わせてもよい。更に、ビームを組み合わせた複雑な振動
子においても、実質的に両端支持梁型となっている振動
部分については本発明を適用することができ、実質的に
両端支持梁型となっている振動部分が複数組ある振動子
については、その組それぞれについて独立に本発明を適
用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例にかかる両端支持梁型の振動式検出
器１００の平面図とその検出器１００を駆動させるため
の各電気回路を示したブロック図。

【図２】第１実施例にかかる両端支持梁型の振動式検出
器１００の、振動子の変位に対する、非制御時及び電極
による制御時のばね定数の変化を示したグラフ。

【図３】制御されない状態の、ヒステリシスを持った両
端支持梁型の振動子１１１の周波数特性のグラフ。

【図４】第１実施例にかかる両端支持梁型の振動式検出
器１００の、非制御時及び電極による制御時の周波数特
性を示したグラフ。

【図５】第２実施例にかかる両端支持梁型の振動式検出
器１０１を示した平面図。

【図６】第３実施例にかかる両端支持梁型の振動式検出
器１０２を示した平面図と断面図。

【図７】第４実施例にかかる両端支持梁型の振動式検出
器１００を示した平面図と、フィードバック制御手段を
示した電気回路のブロック図。

【図８】従来の、両端支持梁型の振動式検出器１１１を
示した平面図。

【図９】従来の、折り返し梁型の折振動式検出器１１２
を示した平面図。

【図１０】第１実施例にかかる両端支持梁型の振動式検
出器１００の制御電極付近を示した斜視図。

【図１１】第１実施例の製法にかかるシリコンマイクロ
マシニングにおけるプロセスフロー。

【符号の説明】

１…基板 １０…マス部 ２１、２２、２３、２４…支持ビーム ３１、３２…リンク ４１、４２、４３、４４…折り返しビーム ５１、５２、５３、５４…アンカー ６０、６１…櫛歯電極 ７０…駆動櫛歯電極 ７１…検出櫛歯電極 ７６…配線層 ８００、８０１…振動子電極 ８１、８２、８３、８４、８５、８６、８７、８８…制
御電極 ９０、９１、９２、９３、９４、９５…外部回路 １００、１０１、１０２…本発明の振動式検出器 １１１…従来の両端支持梁型の振動式検出器 １１２…従来の折り返し梁型の振動式検出器

フロントページの続き (72)発明者 坂田 二郎 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 2F105 BB07 CC04 CD03 CD05 CD13

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体の微細加工により形成され、ビー
   ムとビームにより振動可能に支持されたマス部とから成
   る振動子を前記ビーム長手軸に垂直方向に振動させる検
   出器において、 前記振動子の一部を挟む一対以上の制御電極又は前記振
   動子の一部を取り巻く一以上の制御電極を設け、 前記振動子の一部と前記制御電極の間の静電力が、 前記振動子の変位に対するビームの変位に関する復元力
   の非線形性を補償することを特徴とする振動式検出器。
2. 【請求項２】 前記振動子の共振周波数をあらかじめ設
   定した周波数に一致させるように前記制御電極の電位を
   フィードバック制御する制御手段を設けたことを特徴と
   する請求項１に記載の振動式検出器。