JP2001027529A

JP2001027529A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2001027529A
Application number: JP11198548A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Yamashita; 光洋山下
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2001-01-30

Abstract

(57)【要約】【課題】低真空度で大振幅駆動可能な角速度センサを
提供すること。【解決手段】面方位（１００）のシリコン基板１００
に対して、異方性エッチングを用いて、錘１０２Ａ、検
出用梁１０３ａ，１０３ｂ、駆動用梁１０４ａ〜１０４
ｈを形成する。そして角速度センサの駆動振動モードを
シリコン基板１００に平行な面内方向にとる。錘１０２
Ａの側面１０５を（１１１）面にする。次に上部ガラス
及び下部ガラスを張りつけ、振動体の振動空間を低圧に
する。角速度を検出するには、駆動用電極を交流駆動
し、振動体をＸ軸方向に共振振動させる。このときＹ軸
を回転軸して回転力が生じると、コリオリの力が発生
し、これを検出／制御用電極で検出する。錘１０２Ａの
エッジ部をテーパ状にすることにより、面内振動方向の
気体の粘性抵抗が低減され、高感度になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車両の姿勢
制御、進行方位の算出などに用いられる角速度センサに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、角速度を検出するセンサとして様
々なジャイロスコープ（以下、ジャイロという）が開発
されている。その種類は大まかに機械式のコマジャイ
ロ、流体式のガスレートジャイロ、音片・音叉の振動を
用いる振動ジャイロ、光学式の光ファイバジャイロとリ
ングレーザージャイロ等に分類される。光学式のジャイ
ロはサニャック効果、それ以外のものは回転体の角運動
量保存則の現象であるコリオリ力を用いて角速度の検出
を行っている。使用用途により、精度、価格、寸法等が
勘案され、実際に使用されるセンサが選択されている。

【０００３】上記振動ジャイロ式の角速度センサとして
は、例えば特開昭６１−７７７１２号公報に開示されて
いるものがある。図９はこの従来の振動ジャイロ式の角
速度センサの基本構造図であり、検出用素子９０１、９
０２、励振用素子９０３、９０４を有している。各々の
素子は例えば圧電バイモルフにより構成されており、励
振用素子と検出用素子が二組で音叉を形成する。角速度
は、音叉の根元に近い励振用素子９０３，９０４に交流
電圧を加えて検出用素子９０１，９０２を屈曲振動さ
せ、検出用素子９０１，９０２の面に垂直に加わるコリ
オリ力を圧電効果を用いて検出する方式となっている。

【０００４】更に近年は、単結晶シリコンや水晶などの
素材にマイクロマシニング微細加工技術を適用して形成
した超小型な角速度センサの開発も進められている。例
えば、P.Greiff他により発表された論文（Silicon mono
lithic micromechanical gyroscope, Transducers'91,
p.966 〜969 ）にその一例が記載されている。また、例
えば特開平５−３１２５７６号公報「角速度センサ」に
その例が記載されている。

【０００５】角速度センサは、自動車用途としてはシャ
シー系の制御とか、ナビゲーションシステムの方位算出
等に用いられる。検出されるのはヨー、ロール、ピッチ
と三種類ある車体の回転運動の中で、特にヨー方向（鉛
直線を中心とする大地に水平な面内での回転）の角速
度、即ちヨーレートであることが多い。検出目的は、例
えば４輪操舵（４ＷＳ）の様なシャシー制御の場合に
は、ヨーレートを車両の姿勢情報の一つとして制御シス
テム側にフィードバックすることにより、姿勢制御性能
を向上させるためである。またナビゲーションシステム
用の場合には、ヨーレートを時間積分することによって
車両の旋回角度を算出することにある。なお、通常車載
用として使用される角速度センサは、廉価版の圧電振動
ジャイロを用いたものが多い。また、光ジャイロは高精
度車載用センサとして実用化された例がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】車載用途を始めとする
各種機器に搭載するには、電子部品の小型化が常に求め
られており、そのため角速度センサにおいては、マイク
ロマシニング微細加工技術を適用することが試みられて
きた。しかし、マイクロマシン振動ジャイロの場合、音
片又は音叉からなる振動体を大振幅で駆動することが必
要となる。この場合、常圧（大気圧）では気体の粘性抵
抗のため十分な振幅がとれず、駆動振幅に比例するコリ
オリ力が小さくなり、感度が低下する。このため、実際
には減圧雰囲気で角速度センサを使用する必要があると
いう課題を有していた。

【０００７】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、高真空度に保持することな
く、安定して大振幅駆動を行うことのできる角速度セン
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】本願の請求項１の発明
は、基板と、前記基板と平行に支持された振動体と、前
記振動体に対して前記基板に平行な面内で振動を励起す
る駆動手段と、前記振動体に加わるコリオリ力を検出す
る検出手段と、を具備し、前記振動体は、振動方向に対
して傾斜したテーパ面を有することを特徴とするもので
ある。

【０００９】本願の請求項２の発明は、周辺部、中央
部、及び前記周辺部と中央部を弾性的に結合する支持部
を残してエッチング加工される基板と、前記基板の中央
部に形成されて前記基板面と平行な方向に振動自在とな
る振動体と、前記基板の支持部に形成され、前記振動体
を前記基板面と平行方向に弾性的に保持する駆動用梁部
と、前記基板の上面及び下面と一定の空隙を介して平行
になるよう前記基板の周辺部に固着された上下の電極用
基板と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動体
のエッジ部と対向する位置に設けられ、前記振動体に駆
動電圧による静電気力を与える駆動用電極と、前記上下
の電極用基板に形成され、前記振動体のエッジ部と対向
する位置に設けられ、前記振動体の振動変位を検出する
モニタ用電極と、前記上下の電極用基板に形成され、前
記振動体の上下面と対向する位置に設けられ、前記振動
体に加わるコリオリ力を検出する検出用電極と、を具備
し、前記振動体のエッジ部は、前記振動体の振動方向に
対して傾斜したテーパ面を有することを特徴とするもの
である。

【００１０】本願の請求項３の発明は、請求項１の角速
度センサにおいて、前記基板の素材は、シリコンであ
り、前記振動体のテーパ面は、アルカリ溶剤による異方
性エッチングで形成されることを特徴とするものであ
る。

【００１１】本願の請求項４の発明は、基板と、前記基
板と平行に支持された振動体と、前記振動体に対して前
記基板に平行な面内で振動を励起する駆動手段と、前記
振動体に加わるコリオリ力を検出する検出手段と、を具
備し、前記振動体は、振動方向に対して形成された複数
の溝を有することを特徴とするものである。

【００１２】本願の請求項５の発明は、周辺部、中央
部、及び前記周辺部と中央部を弾性的に結合する支持部
を残してエッチング加工される基板と、前記基板の中央
部に形成されて前記基板面と平行な方向に振動自在とな
る振動体と、前記基板の支持部に形成され、前記振動体
を前記基板面と平行方向に弾性的に保持する駆動用梁部
と、前記基板の上面及び下面と一定の空隙を介して平行
になるよう前記基板の周辺部に固着された上下の電極用
基板と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動体
のエッジ部と対向する位置に設けられ、前記振動体に駆
動電圧による静電気力を与える駆動用電極と、前記上下
の電極用基板に形成され、前記振動体のエッジ部と対向
する位置に設けられ、前記振動体の振動変位を検出する
モニタ用電極と、前記上下の電極用基板に形成され、前
記振動体の上下面と対向する位置に設けられ、前記振動
体に加わるコリオリ力を検出する検出用電極と、を具備
し、前記振動体は、前記振動体の上下面の少なくとも一
方に前記振動体の振動方向と平行な成分を持つ複数の溝
が形成されたことを特徴とするものである。

【００１３】本願の請求項６の発明は、請求項４の角速
度センサにおいて、前記基板の素材は、シリコンであ
り、前記振動体の溝は、アルカリ溶剤による異方性エッ
チング又は反応性イオンエッチングで形成されることを
特徴とするものである。

【００１４】本願の請求項７の発明は、周辺部、中央
部、及び前記周辺部と中央部を弾性的に結合する支持部
を残してエッチング加工されるエッチング加工可能な基
板と、前記基板の中央部に形成されて前記基板面と平行
な方向に振動自在となる振動体と、前記基板の支持部に
形成され、前記振動体を前記基板面と平行方向に弾性的
に保持する駆動用梁部と、前記基板の上面及び下面と一
定の空隙を介して平行になるよう前記基板の周辺部に固
着された上下の電極用基板と、前記上下の電極用基板に
形成され、前記振動体のエッジ部と対向する位置に設け
られ、前記振動体に駆動電圧より静電気力を与える駆動
用電極と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動
体のエッジ部と対向する位置に設けられ、前記振動体の
振動変位を検出するモニタ用電極と、前記上下の電極用
基板に形成され、前記振動体の上下面と対向する位置に
設けられ、前記振動体に加わるコリオリ力を検出する検
出用電極と、を具備し、前記基板の素材は、シリコンで
あり、前記駆動用梁部は、前記シリコンのエッチングに
より形成され、前記基板面と直角方向に板状部材を環状
に結合した板ばねから構成されることを特徴とするもの
である。

【００１５】このような構成によれば、角速度センサの
駆動振動モードとして基板面内の振動を選択し、かつ振
動体の側面の形状をテーパ状にしたり、振動体の表面に
溝を形成することで、振動に対する気体の粘性抵抗を低
下させることができる。この、低真空中での振動体の共
振利得を低下させることなく駆動することが可能にな
る。

【００１６】また、駆動用梁部を板ばね状にしため、不
要な振動モードを増やすことなく、大振幅駆動時の共振
特性の非線形化を防ぎ、高いＱ値を維持したまま駆動す
ることが可能になる。

【００１７】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本発明の実施の
形態１における角速度センサについて図面を参照しなが
ら説明する。図１は本実施の形態における角速度センサ
の構造を示すＸ−Ｙ平面図である。この角速度センサ
は、駆動振動を基板面、即ちＸ−Ｙ平面と平行にとり、
かつ振動体の駆動方向の側面を斜面（テーパ面）で形成
する。そして側面の中央部を凸とするテーパ面とするこ
とにより、駆動振動の粘性抵抗を低減したことを特徴と
するものである。

【００１８】この角速度センサは単結晶のシリコン（Ｓ
ｉ）基板１００に形成される。本例では、単結晶のシリ
コン基板１００は、その面方位が（１００）であり、ｎ
形不純物の濃度が高く、抵抗率が低く、エッチング可能
なｎ⁺ 基板とする。基板１００は、その周辺部、中央
部、周辺部と中央部を弾性的に結合する支持部とを残し
てエッチング加工する。このとき中央部に形成されて基
板面と平行な方向に振動自在となる錘１０２Ａを角速度
センサの振動体とする。そして基板１００の支持部に形
成され、振動体を基板面と平行方向に弾性的に保持する
駆動用梁部を複合梁１０４とする。

【００１９】このように角速度センサの主要部となる振
動体は、フレーム１０１に対して１個の錘１０２Ａを１
対（２本）の複合梁１０４で支持する構造となってい
る。この振動体は、シリコン基板１００をＫＯＨ（水酸
化カリウム）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニ
ウム，（ＣＨ₃ ）₄ ＮＯＨ）等のエッチング溶液中で結
晶異方性エッチングすることにより形成される。

【００２０】ここでフレーム１０１及び錘１０２Ａは、
基板面に平行な（１００）面を主面として構成されてい
る。また検出用梁１０３ａ、１０３ｂは錘１０２Ａを支
える梁であり、主面及び側面とも（１００）面で、主面
がシリコン基板１００と平行な面からなる板ばねとなっ
ている。この検出用梁１０３は、計８本の駆動用梁１０
４ａ〜１０４ｈを介して固定端から弾性的に支持されて
いる。これらの駆動用梁は、基板面と直角な板面を有す
る板状部材で構成される。即ち、駆動用梁１０４の主面
及び側面とも（１００）面で構成された板ばね構造であ
るが、主面がシリコン基板１００と垂直な面で、＜１０
０＞方向に構成されている点が検出用梁１０３と異な
る。

【００２１】基板１００の上面及び下面と一定の空隙を
介して平行になるよう、基板１００の周辺部に上下の電
極用基板を固着させる。図２（ａ）〜（ｃ）はシリコン
基板１００と、上側の電極用基板である上部ガラス１１
１と、下側の電極用基板である下部ガラス１２１とを、
Ｘ軸を揃えて示した分解平面図である。上下の電極用基
板はシリコン基板１００に対して陽極接合で固着され
る。上部ガラス１１１及び下部ガラス１２１には、シリ
コンと熱膨張率が非常に近いガラス、例えばコーニング
社のホウケイ酸ガラスであるパイレックス＃７７４０が
用いられる。図２（ａ）に示す電極１１２〜１１４、及
び図２（ｃ）に示す電極１２２〜１２４は、上部ガラス
１１１の下面、及び下部ガラス１２１の上面に、例えば
真空蒸着法又はスパッタ法等ＰＶＤ（physical vapor
deposition,物理気相堆積）の手法で形成したＰｔ／Ｔ
ｉまたはＡｕ／Ｃｒ等からなる電極である。これらの電
極は、錘１０２Ａと対をなし、コンデンサを形成する。

【００２２】図３は本実施の形態による角速度センサを
図１のＡ−Ａ’線で切断した際のＺ−Ｘ断面図である。
この断面図に示すように、検出／制御用電極１１３、１
２３は錘１０２Ａの中央部を挟み込むように形成され、
その左右に駆動用電極１１２、１２２、及びモニタ用電
極１１４、１２４が形成されている。図２（ａ）に示す
電極１１５はＧＮＤ用である。駆動用電極１１２、１２
２は、振動体のエッジ部と対向する位置に設けられ、振
動体に駆動電圧による付勢力を与える駆動手段である。
モニタ用電極１１４、１２４は、振動体のエッジ部と対
向する位置に設けられ、振動体の振動変位を検出する電
極である。検出／制御用電極１１３、１２３は、振動体
の上下面と対向する位置に設けられ、振動体に加わるコ
リオリ力を検出する検出手段（検出用電極）の機能を有
している。

【００２３】以上のような構造の角速度センサの製作プ
ロセスについて簡単に説明する。まず、シリコンプロセ
スでは、シリコンエッチング用マスクである酸化膜又は
窒化膜の形成と、フォトリソグラフィ技術を用いた多段
マスクの形成という２つの技術の組合せで振動体を形成
する。なお本実施の形態では、シリコン基板のエッチン
グにはドライエッチングではなく、ウェットエッチング
を採用するものとし、エッチング溶液にはＫＯＨ又はＴ
ＭＡＨを用いるものとする。そのため、シリコン基板の
ウェットエッチングによる振動体の形成時には、検出用
梁１０３の側面及び駆動用梁１０４の主面がＳｉ面（１
００）上の＜１００＞方向に形成されているため、（１
００）面が現れる。

【００２４】一方、錘１０２Ａの側面１０５は、Ｓｉ
（１００）面上の＜１１０＞方向に形成されるため、シ
リコン基板１００と５４．７４°だけ傾いた（１１１）
面がテーパ面となって現れる。なお、図１は振動体が形
成された後の概略図であるが、振動体の各凸部における
オーバーエッチングについては図示を省略している。ま
た、酸化膜（窒化膜）のマスク形状の設計には、予め最
終的なシリコンのエッチング量とシリコン基板１００の
厚さ、所望の駆動用梁１０４の厚さを勘案して寸法を決
定する必要がある。ガラス上の電極と振動体からなるコ
ンデンサのギャップ形成には、ガラス側をエッチングす
る手法もあるが、本実施の形態ではシリコン基板１００
をエッチングする手法を採用した。図３に示すエッチン
グ深さｄ₀は、例えば両面とも２〜５μｍとすれば良
い。

【００２５】次に、ガラスプロセスについて説明する。
上部ガラス１１１及び下部ガラス１２１は、前述したよ
うにシリコンと熱膨張率が非常に近いガラス、例えばパ
イレックス＃７７４０を用いる。そして、少なくともシ
リコン基板１００に接する面は鏡面研磨されているもの
とし、本実施の形態では１ｍｍの厚さとした。ガラス基
板上の電極としては、例えばＴｉとＰｔを電子ビーム蒸
着しても良いし、ＩＴＯの様な透明電極をスパッタで形
成しても良い。また、２種類以上の組成の金属材料を場
所により使い分けても何ら問題ない。

【００２６】ガラス基板上には３種類の電極を形成す
る。本実施の形態では、電極１１２、１２２が駆動用、
電極１１３、１２３が検出及び制御用、電極１１４、１
２４がモニタ用の電極とする。なお図３に示すように、
駆動用電極１１２，１２２と、モニタ電極１１４、１２
４は、駆動用梁１０４と平行な錘１０２Ａの端部上下の
ガラス面に各々対をなして形成するが、検出／制御用電
極１１３、１２３は錘１０２Ａの主面上に独立して形成
する。

【００２７】以上のプロセスにより、図２に示したシリ
コン基板１００、上部ガラス１１１、下部ガラス１２１
の各部品加工は終了する。次に組立プロセスに移行す
る。まず、初めに上部ガラス１１１とシリコン基板１０
０を陽極接合し、その後、シリコン基板１００に対して
下部ガラス１２１を陽極接合し、振動体を形成する。陽
極接合は、真空中でシリコン基板及びガラスを例えば３
００〜４００℃で加熱し、シリコン基板を基準電位とし
てガラス側に３００〜１，０００Ｖ程度の負電圧を印加
することで行う。最後に、ガラス基板上の各電極と外部
信号処理回路を金線等で接続して配線を完了する。以上
が角速度センサの組立プロセスである。

【００２８】以上のように構成された本実施の形態の角
速度センサの動作原理について以下に説明する。尚説明
の都合上、図１に示すようにシリコン基板１００がＸ−
Ｙ平面内にあり、駆動用梁１０４がＹ軸方向に平行に設
置されているものとする。

【００２９】まず、２枚の駆動電極１１２、１２２にシ
リコン基板１００を接地基準として絶対値の等しい電圧
を印加する。この場合、シリコン基板面１００に垂直な
Ｚ軸方向の力は相殺されて０になる。しかし、電極面に
平行で検出用梁１０３の接続された錘１０２Ａの側面に
垂直な方向、即ちＸ軸方向に静電気力が発生する。ただ
し、ここでは２枚の電極面積が等しく、かつコンデンサ
の電極間隔、即ち錘１０２Ａと電極１１２、１２２間の
距離が等しいと仮定する。このときシリコン振動体とガ
ラス面との平行なＸ軸方向に発生する力をＦ_d とし、２
枚の電極と錘１０２Ａが形成するコンデンサのエネルギ
ーをＵ_d 、２枚の電極の総容量をＣ_d とすれば、Ｆ_d は
次の（１）式で与えられる。

【数１】（１）式において、Ｑ_d はコンデンサに保持された電
荷、ｌ_w は駆動方向に垂直な電極の幅、ｄ₀ はコンデン
サの電極間隔、Ｖ_d は印加電圧である。ここでは、コン
デンサの電極間隔ｄ₀ は、２枚のガラス上に形成された
電極相互の間隔よりも十分小さいという近似を適用して
いる。

【００３０】（１）式より２枚の駆動電極で発生するＸ
軸方向の静電気力Ｆ_d の大きさは、駆動方向に垂直な電
極幅ｌ_w に比例し、かつコンデンサの電極間隔ｄ₀ に反
比例し、印加電圧Ｖ_d の２乗に比例することが判る。

【００３１】錘１０２ＡのＸ軸方向の駆動には上記の静
電気力Ｆ_d を用いる。静的な錘１０２Ａの変位量Δｘ
は、駆動用梁１０４のＸ軸方向のばね定数ｋ_d が決まれ
ば、フックの法則によりΔｘ＝Ｆ_d ／ｋ_d で求められ
る。この値は非常に小さな値となるが、駆動方向の振動
周波数を振動体の共振周波数に一致させることで、動的
にはＱファクター倍した変位量Δｘを得ることができ
る。特に、本実施の形態の様に単結晶シリコンで振動体
をエッチング加工した場合には、振動体のエッジ部にテ
ーパ面が形成されているため、空気抵抗が少なくなる。
このため内部損失が非常に小さくなり、数万程度の大き
なＱファクターを得ることが可能である。結果として大
きな振動振幅、例えば２０μｍ程度の振幅を得ることが
できる。

【００３２】所望の振動周波数で振動体を駆動するに
は、例えば駆動用電極１１２、１２２に所望の共振周波
数ωの交流電圧Ｖ_acと、直流電圧Ｖ_dcとを重畳して印加
すれば良い。この場合、（１）式よりＦ_d ∝Ｖ_d ² の関
係があるが、次の（２）式が成立する。

【数２】ここでＶ_dc≫Ｖ_acの関係式が成立するよう、各値を設定
することにより、印加電圧と同じ周波数の駆動力を得る
ことができる。以上のように、駆動用電極１１２、１２
２に交流電圧Ｖ_acと直流電圧Ｖ_dcとを重畳して印加する
ことで、電極面に平行な方向の大きな振動を励起するこ
とができる。

【００３３】このようなシリコン振動体を角速度センサ
に用いる場合には、最終的な角速度の検出感度を一定と
するために、駆動振幅を一定に保つ必要がある。モニタ
用電極１１４、１２４は、その駆動振幅を検出するため
に設けられた電極である。駆動用電極１１２、１２２に
駆動電圧が印加され、錘１０２ＡがＸ軸方向に駆動され
れば、駆動用電極１１２、１２２と錘１０２Ａの重なり
部分の面積と同期してモニタ用コンデンサの面積が変動
する。この駆動振動に同期したコンデンサ容量の変化を
モニタ用電極１１４，１２４により検出し、容量変化の
ＡＣ成分が一定になるように駆動電圧にフィードバック
をかけることで、振動体の駆動振幅を一定に保つことが
できる。

【００３４】以上の駆動方法は他励発振させる場合であ
るが、交流電圧Ｖ_acを印加する代わりに、一巡ループを
形成し、自励発振を行わせることも可能である。一般
に、バルクハウゼンの発振条件、即ちループ利得が１か
つループ一巡の位相変化が３６０゜の整数倍を満足した
とき発振する。このため、直流電圧Ｖ_dcだけを印加し、
ループの利得と位相変化を調整すれば、それだけで所望
の振動モードで共振を励起することができる。この場合
も、例えば非線形抵抗としての機能を乗算器等を用いて
実現すれば、振動体の駆動振幅を一定に保つことができ
る。

【００３５】最終的な角速度の検出は、以下のようにし
て行う。Ｘ軸方向に励振された錘１０２ＡがＹ軸回りに
角速度Ωで回転すれば、錘１０２Ａには（３）式で示さ
れるコリオリ力Ｆ_c が作用する。

【数３】尚、（３）式のｍは振動体の実効質量とし、ｖは振動体
のＸ方向の運動速度とする。

【００３６】コリオリ力は回転体の角運動量保存則の表
れと考えられるが、その大きさは（３）式にも示された
通り、錘１０２Ａの運動速度ｖと角速度Ωの外積に比例
したものとなる。即ち、回転軸がＹ軸の場合、コリオリ
力Ｆ_c はＺ軸方向に発生する。よって、振動体である錘
１０２Ａと検出／制御用電極１１３又は１２３とで形成
されるコンデンサの容量変化、即ちコリオリ力による容
量変化を検出することで、角速度Ωを求めることができ
る。

【００３７】振動体の実効質量ｍは比較的小さいため、
（３）式で示されるコリオリ力Ｆ_cも静的には小さい値
となる。しかし、錘１０２ＡのＸ軸方向の屈曲振動であ
る駆動振動と、錘１０２ＡのＺ軸方向の屈曲振動である
検出振動との共振周波数を十分近づければ、駆動振動に
おける動的Ｑファクターに加え、検出振動においても動
的効果を得られる。こうすると、十分な検出感度を確保
することができる。なお、共振周波数を十分近づけるた
めには、有限要素法を用いて振動体の共振周波数の計算
機シミュレーション（モーダル解析）を行い、各寸法を
調整すれば良い。

【００３８】ところで、前述した容量変化はＣ−Ｖ変換
器で電圧変化（交流電圧）に変換して検出する。Ｃ−Ｖ
変換器としては、例えば前中他により論文（Silicon r
atesensor using anisotropic etching technolog
y, Transducers'93, p.642〜p.645 ）にも示されている
ように、入力インピーダンスの高いＪ−ＦＥＴをソース
フォロワとしてセルフバイアス方式で用いれば良い。ま
た、一方の検出／制御用電極１１３が形成するコンデン
サと、他方の検出／制御用電極電極１２３が形成するコ
ンデンサの容量変化は、位相が互いに反転している。よ
って、Ｃ−Ｖ変換した後で差動増幅することで、全コン
デンサの容量変化を電圧変化として検出することができ
る。これらの手法を用いることで、振動体に働くコリオ
リ力により発生する錘１０２の変位から、角速度Ωを検
出することができる。

【００３９】なお、以上の説明では錘１０２Ａの動的変
位量から角速度を算出したが、サーボ技術を用いること
で、更に高感度に角速度を検出することも可能である。
サーボ技術を適用する場合には、錘１０２Ａに働くコリ
オリ力Ｆ_c を打ち消す方向に一部の検出／制御電極を用
いて力Ｆ_s を加えれば良い。制御方式としては、例えば
ＰＷＭ方式を用いても良いし、またその他の方式を用い
ても構わない。

【００４０】以上のように、実施の形態１では、面方位
（１００）の単結晶シリコン基板を異方性エッチング加
工することによって、基板面内での駆動振動モードを持
ち、駆動振動方向の錘の側面が基板と垂直でなく５４．
７４°の傾きを持つ（１１１）面で形成された角速度セ
ンサを実現できた。

【００４１】ところで、一般にコリオリの力を大きくと
るには、（３）式から明らかなように、駆動振幅を十分
大きくしなければならない。数１０μｍに及ぶ駆動振幅
を実現するには、共振特性のＱファクターを十分大きく
する必要があるが、Ｑファクターは振動体の外部雰囲気
（気圧）に大きく影響を受ける。特に、平行平板で狭い
ギャップを形成したような構造では、基板に平行な面内
での振動モードと、垂直な面内での振動モードとでは、
ダンピングの影響が大きく異なる。面内での振動モード
の方は、１桁から２桁程度低い真空度でも高いＱファク
ターを維持できる。但しその場合でも、十分な駆動振幅
を得るには、例えば数Ｔｏｒｒから数十Ｔｏｒｒ程度ま
で振動体の外部雰囲気（気圧）を下げる必要がある。

【００４２】本実施の形態では、Ｑファクター維持に有
利なように、シリコン基板に平行な面内での振動モード
を採用しただけでなく、駆動振動方向の振動体側面の大
部分を（１１１）面からなる斜面で構成し、駆動振動に
おける気体の粘性抵抗を極力低下させている。このた
め、更に角速度センサ内の気圧を大気圧に近づけても、
十分なＱファクターを維持することができ、結果として
低真空度での大振幅動作が可能な角速度センサを実現す
ることができる。

【００４３】なお、本実施の形態では、駆動振動モード
としてシリコン基板に平行な面内でのＸ軸に沿った直線
的な往復振動を採用した場合について述べたが、これは
同じシリコン基板面内での振動モードであれば、Ｚ軸を
回転軸とする回転振動モードを駆動振動モードとしても
結果は同様である。更に本実施の形態では、面方位（１
００）のシリコン基板を結晶異方性エッチング加工して
駆動側面の斜面形成を行ったが、当然（１１０）面のよ
うに、他の面方位をもつシリコン基板であっても良い
し、斜面も（１１１）面である必要はなく他の方位を持
つ面でも良い。またシリコン基板のドーパントは、Ｐ型
であっても何ら問題はない。

【００４４】（実施の形態２）次に、本発明の実施の形
態２におけるに角速度センサについて説明する。本実施
の形態の角速度センサは、実施の形態１と同様に駆動振
動をシリコン基板と平行な面にとり、かつシリコン基板
面と平行な振動体の面上に溝を形成して、駆動振動の粘
性抵抗を低減したことを特徴とするものである。図４は
本実施の形態における角速度センサの構成を示すＸ−Ｙ
平面図であり、実施の形態１と同一部分は同一の符号を
付け、詳細な説明は省略する。

【００４５】図４に示すように、角速度センサの基本的
構成は図１に示すものとほぼ同じであるが、シリコン振
動体の主要部である錘１０２Ｂの形状が異なっている。
図４において、シリコン基板１００は面方位（１００）
の単結晶シリコン基板であり、実施の形態１と同様にｎ
形不純物の濃度が高く、抵抗率が低いｎ⁺ 基板とする。
この振動体は１個の錘１０２Ｂを１対（２本）の複合梁
で支持する構造となっている。この振動体はシリコン基
板１００をＫＯＨ及びＴＭＡＨ等のアルカリエッチング
溶液中で結晶異方性エッチングすることにより形成され
る。

【００４６】錘１０２Ｂは、シリコン基板１００の面に
平行な（１００）面を主面として構成されている。検出
用梁１０３ａ、１０３ｂは錘１０２Ｂを支える梁であ
り、主面及び側面とも（１００）面で主面がシリコン基
板１００と平行な面からなる板ばねとなっている。この
検出用梁１０３は、各々４本（合計８本）の駆動用梁１
０４ａ〜１０４ｈを介して固定端から支持されている。
なお、駆動用梁１０４は主面及び側面とも（１００）面
で構成された板ばね構造であるが、主面がシリコン基板
１００と垂直な面で、＜１００＞方向に構成されている
点が検出用梁１０３と異なる。

【００４７】実施の形態１との差異は、錘１０２Ｂの駆
動方向の側面が（１００）面で構成されていることと、
錘１０２の主面上に複数の溝１０６Ｂが振動方向である
Ｘ軸方向に形成されていることである。図４のＢ−Ｂ’
線に沿って切断したＺ−Ｙ断面図を図５に示す。この断
面図に示すように、溝１０６Ｂは側面及び底面とも（１
００）面で形成されており、駆動振動方向に平行に形成
されることになる。ガラス基板及びシリコンプロセス、
更に振動体の駆動方法及び角速度の検出原理は、実施の
形態１とほぼ同様であるので、それらの説明を省略す
る。

【００４８】以上のように、本実施の形態では、面方位
（１００）の単結晶のシリコン基板１００を異方性エッ
チング加工することによって、基板面内での駆動振動モ
ードを持ち、かつ振動体の主面上に駆動振動方向に沿っ
た溝を形成した角速度センサを形成できる。その結果、
Ｑファクターの維持に有利なように、シリコン基板に平
行な面内での振動モードを採用し、駆動振動方向の振動
体の投影断面積を減らすことができる。また極端に狭い
間隔の領域を減らすことで、駆動振動に対する気体の粘
性抵抗を極力低下させることができる。そのため、角速
度センサ内の気圧を大気圧に近づけても、十分なＱファ
クターを維持することができる。結果として低真空度で
の大振幅動作が可能な角速度センサを実現することがで
きる。

【００４９】なお、本実施の形態では、実施の形態１と
同様、駆動振動モードとしてシリコン基板に平行な面内
でのＸ軸に沿った直線的な往復振動を採用した場合につ
いて述べた。これは同じ基板面内での振動モードであれ
ば、Ｚ軸を回転軸とする回転振動モードを駆動振動モー
ドとしても結果は同様である。さらに、溝１０６Ｂとし
て（１００）面による凹溝を採用したが、（１１１）面
によるＶ溝としても良い。その場合には、図４の錘１０
２Ｂ上で溝がＸ軸（Ｙ軸）と４５°傾いた形で形成され
る。また、本実施の形態では面方位（１００）のシリコ
ン基板を異方性エッチング加工して駆動側面の斜面形成
を行ったが、当然（１１０）面のように、他の面方位を
もつシリコン基板であっても良いし、斜面も（１１１）
面である必要はない。

【００５０】（実施の形態３）次に、本発明の実施の形
態３におけるに角速度センサについて説明する。本実施
の形態の角速度センサは、駆動振動をシリコン基板と平
行な面にとり、かつ振動体の主面及び側面を加工して、
駆動振動の粘性抵抗を低減したことを特徴とするもので
ある。図６は本実施の形態における角速度センサの構造
を示すＸ−Ｙ平面図であり、実施の形態１，２と同一部
分は同一の符号を付け、詳細な説明は省略する。

【００５１】角速度センサの基本的構成は実施の形態１
とほぼ同じであるが、シリコン振動体の形状が実施の形
態１、２のものと異なっている。図６において、シリコ
ン基板１００は面方位（１００）の単結晶のシリコン基
板であり、実施の形態１と同様にｎ形不純物の濃度が高
く、抵抗率が低いｎ⁺ 基板とする。角速度センサの主要
部となる振動体は、１個の錘１０２Ｃを２対（２本）の
複合梁で支持する構成となっている。この振動体は、ア
ルカリエッチング溶液中での結晶異方性エッチングと、
プラズマ中での反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を併
用して形成される。

【００５２】錘１０２Ｃはシリコン基板１００の面に平
行な（１００）面を主面として構成されている。検出用
梁１０３ａ、ｂは錘１０２Ｃを支える梁であり、主に結
晶異方性エッチング加工で形成される。この検出用梁１
０３は、各々２本（合計４本）の駆動用梁１０４ａ〜１
０４ｄを介して固定端から支持されている。なお、駆動
用梁１０４はＲＩＥで構成された板ばね構造である点が
検出用梁１０３と異なる。その他の主要な差異は、錘１
０２Ｂの駆動方向の側面が（１１１）面で構成されてい
ることと、錘１０２の主面上に駆動方向に平行なＶ形の
溝１０６Ｃが形成されていることである。

【００５３】図６のＡ−Ａ’線に沿って切断したＺ−Ｘ
断面図を図７（ａ）に示し、図６のＢ−Ｂ’線に沿って
切断したＺ−Ｙ断面図を図７（ｂ）に示す。これらの断
面図で示すように、最初にシリコン基板１００の異方性
エッチングを上面からのみ実施し、その後で下面からＲ
ＩＥを用いて貫通エッチング加工を行う。その他のプロ
セス及び駆動原理は実施の形態１、２と同様であるの
で、それらの説明を省略する。

【００５４】以上のように本実施の形態では、面方位
（１００）のシリコン基板１００に結晶異方性エッチン
グ加工とＲＩＥを併用することによって、基板面内での
駆動振動モードを採用し、振動体の主面上に駆動振動方
向に沿った溝を形成し、また側面はシリコン基板１００
と傾きを持つ（１１１）面から構成される角速度センサ
を形成できる。その結果、実施の形態１、２と同様に、
Ｑファクターの維持に有利となるよう、シリコン基板に
平行な面内での振動モードを採用し、駆動振動方向の振
動体の投影断面積を減らすことができる。また極端に狭
い間隔の領域を減らすことで、駆動振動に対する気体の
粘性抵抗を極力低下させることができる。そのため、角
速度センサ内の気圧を大気圧に近づけても、十分なＱフ
ァクターを維持することができ、結果として低真空度で
の大振幅動作が可能な角速度センサを実現することがで
きる。

【００５５】なお、本実施の形態では、実施の形態１、
２と同様に、駆動振動モードとしてシリコン基板に平行
な面内でのＸ軸に沿った直線的な往復振動を採用した場
合について述べたが、これは同じ基板面内での振動モー
ドであれば、Ｚ軸を回転軸とする回転振動モードを駆動
振動モードとしても、結果は同様である。またＲＩＥを
採用すれば、振動体の平面的な設計自由度は大きくな
り、基板面内振動モードを用いた振動体として様々な構
成を採ることができる。更に、振動体主面上の溝をＲＩ
Ｅで形成してもなんら問題ない。

【００５６】また、実施の形態１〜３では、ウェットエ
ッチング及びＲＩＥを用いて基板面に垂直な板ばねを組
合せ、環状の梁として駆動用梁を形成した。この駆動用
梁の形状は、板面を図８（ａ）に示す箱状にしても良
く、（ｂ）に示すように板面と環状に結合した楕円状に
形成しても良い。また、この形状を直列に接続する形で
も良い。このように、駆動方向に十分な弾性を持った梁
を構成することで、大振幅駆動時にも共振特性の非線形
化を抑制することが可能になり、高いＱ値を維持したま
ま駆動振動を励起することが可能になる。また、このよ
うに板ばねを環状に構成した場合、図８（ｃ）に示すよ
うに、２つの梁に分離する場合と比較して、可動に関す
る自由度が減少し、不要な振動モードを必要以上に増や
さないという利点も得られる。

【００５７】更に、実施の形態１〜３では、ガラス−シ
リコン−ガラスの三層構成の平行平板静電駆動容量検出
型のマイクロマシン振動ジャイロについて述べたが、シ
リコン基板面内での振動モードを採用するならば、櫛形
静電駆動容量検出型でも良いし、基板の上に磁石を設置
し、振動体に電流路を形成してローレンツ力で面内振動
を誘起するような電磁駆動方式でも良い。また、圧電駆
動方式でもなんら問題はない。さらに、三層構成でなく
ても問題はなく、ガラス−シリコン、シリコン−シリコ
ンの二層構成であっても効果は同様である。

【００５８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、振動型の
角速度センサにおいて、共振特性を非線形化することな
く、大振幅で駆動させることができる。また低真空度に
おいても気体の粘性抵抗を低減し、共振特性のＱ値を著
しく低下させることなく駆動振幅を維持することができ
る。その結果、駆動振幅に比例するコリオリ力を高感度
で検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による角速度センサにお
いて、振動体の構成を示す平面図である。

【図２】実施の形態１の角速度センサにおいて、上部ガ
ラス、振動体、下部ガラスの位置関係を示す分解平面図
である。

【図３】実施の形態１による角速度センサにおいて、振
動体の構成を示す断面図である。

【図４】本発明の実施の形態２による角速度センサにお
いて、振動体の構成を示す平面図である。

【図５】実施の形態２による角速度センサにおいて、振
動体の構成を示す断面図である。

【図６】本発明の実施の形態３による角速度センサにお
いて、振動体の構成を示す平面図である。

【図７】実施の形態３による角速度センサにおいて、振
動体の構成を示すＺ−Ｘ断面図及びＺ−Ｙ断面図であ
る。

【図８】本発明の実施の形態１〜３の角速度センサに用
いられる駆動用梁の変形例を示す構造図である。

【図９】従来例の音叉形振動ジャイロを用いた振動体の
概略構成図である。

【符号の説明】

１００シリコン基板１０１フレーム１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ錘１０３ａ，１０３ｂ検出用梁１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄ，１０４ｅ，
１０４ｆ，１０４ｇ，１０４ｈ駆動用梁１０５錘の側面１０６，１０６Ｂ，１０６Ｃ溝１１１上部ガラス１１２，１２２駆動用電極１１３，１２３検出／制御用電極１１４，１２４モニタ用電極１２１下部ガラス９０１，９０２検出用素子９０３，９０４励振用素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板と平行に支持された振
動体と、前記振動体に対して前記基板に平行な面内で振
動を励起する駆動手段と、前記振動体に加わるコリオリ
力を検出する検出手段と、を具備し、前記振動体は、振動方向に対して傾斜したテーパ面を有
することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】周辺部、中央部、及び前記周辺部と中央
部を弾性的に結合する支持部を残してエッチング加工さ
れる基板と、前記基板の中央部に形成されて前記基板面と平行な方向
に振動自在となる振動体と、前記基板の支持部に形成され、前記振動体を前記基板面
と平行方向に弾性的に保持する駆動用梁部と、前記基板の上面及び下面と一定の空隙を介して平行にな
るよう前記基板の周辺部に固着された上下の電極用基板
と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動体のエッジ
部と対向する位置に設けられ、前記振動体に駆動電圧に
よる静電気力を与える駆動用電極と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動体のエッジ
部と対向する位置に設けられ、前記振動体の振動変位を
検出するモニタ用電極と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動体の上下面
と対向する位置に設けられ、前記振動体に加わるコリオ
リ力を検出する検出用電極と、を具備し、前記振動体のエッジ部は、前記振動体の振動方向に対して傾斜したテーパ面を有す
ることを特徴とする角速度センサ。
【請求項３】前記基板の素材は、シリコンであり、前記振動体のテーパ面は、アルカリ溶剤による異方性エ
ッチングで形成されるものであることを特徴とする請求
項１記載の角速度センサ。
【請求項４】基板と、前記基板と平行に支持された振
動体と、前記振動体に対して前記基板に平行な面内で振
動を励起する駆動手段と、前記振動体に加わるコリオリ
力を検出する検出手段と、を具備し、前記振動体は、振動方向に対して形成された複数の溝を
有することを特徴とする角速度センサ。
【請求項５】周辺部、中央部、及び前記周辺部と中央
部を弾性的に結合する支持部を残してエッチング加工さ
れる基板と、前記基板の中央部に形成されて前記基板面と平行な方向
に振動自在となる振動体と、前記基板の支持部に形成され、前記振動体を前記基板面
と平行方向に弾性的に保持する駆動用梁部と、前記基板の上面及び下面と一定の空隙を介して平行にな
るよう前記基板の周辺部に固着された上下の電極用基板
と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動体のエッジ
部と対向する位置に設けられ、前記振動体に駆動電圧に
よる静電気力を与える駆動用電極と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動体のエッジ
部と対向する位置に設けられ、前記振動体の振動変位を
検出するモニタ用電極と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動体の上下面
と対向する位置に設けられ、前記振動体に加わるコリオ
リ力を検出する検出用電極と、を具備し、前記振動体は、前記振動体の上下面の少なくとも一方に前記振動体の振
動方向と平行な成分を持つ複数の溝が形成されたことを
特徴とする角速度センサ。
【請求項６】前記基板の素材は、シリコンであり、前記振動体の溝は、アルカリ溶剤による異方性エッチン
グ又は反応性イオンエッチングで形成されるものである
ことを特徴とする請求項４記載の角速度センサ。
【請求項７】周辺部、中央部、及び前記周辺部と中央
部を弾性的に結合する支持部を残してエッチング加工さ
れるエッチング加工可能な基板と、前記基板の中央部に形成されて前記基板面と平行な方向
に振動自在となる振動体と、前記基板の支持部に形成され、前記振動体を前記基板面
と平行方向に弾性的に保持する駆動用梁部と、前記基板の上面及び下面と一定の空隙を介して平行にな
るよう前記基板の周辺部に固着された上下の電極用基板
と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動体のエッジ
部と対向する位置に設けられ、前記振動体に駆動電圧よ
り静電気力を与える駆動用電極と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動体のエッジ
部と対向する位置に設けられ、前記振動体の振動変位を
検出するモニタ用電極と、前記上下の電極用基板に形成され、前記振動体の上下面
と対向する位置に設けられ、前記振動体に加わるコリオ
リ力を検出する検出用電極と、を具備し、前記基板の素材は、シリコンであり、前記駆動用梁部は、前記シリコンのエッチングにより形
成され、前記基板面と直角方向に板状部材を環状に結合
した板ばねから構成されることを特徴とする角速度セン
サ。