JP2006119001A - 角速度検出装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】角速度検出装置の振動系の振動に節に一端を固定した弾性体を接続することで、外乱による影響を低減し、想定外の振動モードの発生を抑制することを可能とする。
【解決手段】第１基板１００の表面に設けられた支持部１０３−１〜６に一方端が接続された支持弾性体１０２−１〜６によって、第１基板１００に対して変位可能な浮遊状態に支持された第１，第２振動子１０１−１，２を備えた角速度検出装置１において、第１，第２振動子１０１−１，２および支持弾性体１０２−１〜６とからなる振動系の少なくとも一つの振動の節となる位置に一方端が接続され、かつ第１基板１００の表面に設けられた弾性体支持部１４２−１，２に他方端が支持された弾性体１４１−１，２を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い検出感度で２軸方向の角速度の同時検出が可能なマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）構成の角速度検出装置および角速度検出装置の製造方法に関するものである。

角速度検出装置のようなアクティブセンサをマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）で構成する場合、振動子を何らかの力で駆動させる必要があり、静電力やローレンツ力を用いた駆動方式の角速度検出装置が一般的には知られている。このような角速度検出装置では、リファレンス信号を得たり、何らかのフィードバックや増幅をしたりするために、複数の振動子を同時に駆動させる形式のものがある（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、電磁駆動方式の角速度検出が可能な角速度検出装置には、二つの矩形のシリコン薄膜からなる振動子が備えられ、各振動子同士はばねにより連結され、また上記連結された振動子の４隅には、それぞれ別の４本のばねにより支柱を介してガラス基板に支持されていて、各振動子上には、電磁駆動させるための電極が配設され、支柱に支持されるばね上にはその電極に接続される引き出し配線が設けられていて、各振動子に空間を介して対向する位置には静電容量を検出するための対向検出電極が備えられているものがある。

上記角速度検出装置は、弱結合を用いて音叉のように駆動側の振動子の振動を伝える方式であり、複数の振動子間を弱いばねで繋いでエネルギーの授受を行う方式である。したがって、振動子間のばねを固定すると振動が片方の振動子に伝わらず、固定しない場合には外乱に対して非常に弱く、例えば図１６に示すように、重力Ｇによる影響で、振動子３０１および振動子３０１を支持するばね３０２等の振動系３００が全体的に撓み、所望の振動方向、振動振幅、振動モードが得られないことがあった。また、駆動振動子に対して、励振される側の振動子を減衰させたい場合には、センサなどの信号を取り出した後に、後段の回路などで信号をモニタして信号処理する必要があり、煩雑となっていた。

特願２００３−４１１２６４号明細書

解決しようとする問題点は、振動子間のばねを固定すると振動が片方の振動子に伝わらず、固定しない場合には外乱に対して非常に弱くなり、また、重力による影響で振動子および支持弾性体等の振動系全体が撓み、所望の振動方向、振動振幅、振動モードが得られない点である。

本発明の角速度検出装置は、基板と、前記基板の表面に設けられた支持部と、前記支持部に一方端が接続された支持弾性体と、前記基板表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で前記支持弾性体の他方端に支持されたもので前記基板に対して変位可能な複数の振動子とを備えた角速度検出装置において、前記複数の振動子および前記支持弾性体とからなる振動系の少なくとも一つの振動の節となる位置に一方端が接続され、かつ前記基板の表面に設けられた弾性体支持部に他方端が支持された弾性体を備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明の角速度検出装置の製造方法は、基板と、前記基板の表面に設けられた支持部と、前記支持部に一方端が接続された支持弾性体と、前記基板表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で前記支持弾性体の他方端に支持されたもので前記基板に対して変位可能な複数の振動子とを備えた角速度検出装置の製造方法において、前記支持弾性体を形成する際に、前記複数の振動子および前記支持弾性体とからなる振動系の少なくとも一つの振動の節となる位置に一方端が接続された弾性体を形成し、前記支持部を形成する際に、前記基板の表面に前記弾性体の他方端が支持される弾性体支持部を形成することを最も主要な特徴とする。

本発明の角速度検出装置は、振動子および支持弾性体とからなる振動系の少なくとも一つの振動の節となる位置に一方端が接続され、かつ基板の表面に設けられた弾性体支持部に他方端が支持された弾性体を設けたため、弾性体によって振動系を固定することなく、支持することができるので、外乱に対して強い構造になるという利点がある。また、振動系全体の想定する振動モードの節に、固定点となる弾性体支持部から弾性体を繋ぐことができるので、振動系全体の動きを抑制し、想定外の振動モードの発生を抑制することができる。よって、高感度なセンサ素子になるという利点がある。

本発明の角速度検出装置の製造方法は、振動子および支持弾性体とからなる振動系の少なくとも一つの振動の節となる位置に一方端が接続され、かつ基板の表面に設けられた弾性体支持部に他方端が接続された弾性体を形成するため、弾性体によって振動系（例えば振動子間の支持弾性体）を固定することなく、支持することができるので、外乱に対して強い構造となる角速度検出装置を製造できるという利点がある。また、振動子、支持弾性体および振動子間の支持弾性体からなる振動系全体の想定する振動モードの節に、固定点となる弾性体支持部から弾性体を繋ぐことができるので、系全体の動きを抑制し、想定外の振動モードの発生を抑制される角速度検出装置を製造することができる。よって、高感度なセンサ素子を製造することができるという利点がある。

角速度検出装置の振動子、振動子を浮遊状態に支持する支持弾性体および振動子間の支持弾性体の系全体の不要な振動を抑制するという目的を、系全体の振動の節となる位置に一方の端部を固定した弾性体を接続することで、高感度なセンサ素子となる角速度検出装置を実現した。

本発明の角速度検出装置に係る第１実施例を、図１の平面図および図２の図１におけるＡ−Ａ線断面図によって説明する。なお、図２の断面図は概略構成を示すものであり、図１の平面図の縮尺と一致させていない。

図１および図２に示すように、角速度検出装置１００は、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２を並行に備えている。この第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２はともに矩形の薄膜からなり、一例としてシリコン層で形成されている。上記第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−１とは、互いに向かい合う側の角部が支持弾性体１０２−５、１０２−６とによって連結され、第１振動子１０１−１の第２振動子１０１−２とは反対側の角部分には支持弾性体１０２−１、１０２−２の一端側によって支持されている。また支持弾性体１０２−１、１０２−２の他端側は、それぞれ支持部１０３−１、１０３−２に支持固定されている。

また、第２振動子１０１−２の第１振動子１０１−１とは反対側の角部分は支持弾性体１０２−３、１０２−４の一端側によって支持されている。また支持弾性体１０２−３、１０２−４の他端側は、それぞれ支持部１０３−３、１０３−４に支持固定されている。上記支持弾性体１０２−１〜６は、それぞれが例えば板ばねで構成され、例えばシリコン層からなり、例えばＵ字形に形成されている。

上記振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６には、上記第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２、上記支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４、１０２−５、１０２−６等によって構成される振動子系の振動の節となる位置、例えば上記振動系が上記振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６を境にして対称に形成されている場合には、上記支持弾性体１０２−５、１０２−６の振動の節となるそれぞれの位置に、一方端が接続された弾性体１４１−１、１４１−２が設けられている。この弾性体１４１−１、１４１−２の他方端は上記第１基板１００に形成されている弾性体支持部１４２−１、１４２−２に支持されている。また、上記弾性体１４１−１、１４１−２は、例えば板ばねで構成されているが、ばね弾性を有するものであれば何でもよい。

上記支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４および上記弾性体支持部１４２−１、１４２−２は、それぞれ絶縁層１２２を介して第１基板１００に固定されている。したがって、第１振動子１０１−１および第２振動子１０１−２は支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４によってのみ、直接的に支持されていて、第１基板１００に対して完全に浮動状態に配置されている。

上記支持弾性体１０２−１〜１０２−４の電極形成面は、上記第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２の上面より第１基板１００側に低く形成されている。また上記第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２の電極形成部は、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２の上面の一部を掘り込んで形成された堀り込み部１１１−１、１１１−２で形成されている。

上記第１振動子１０１−１の堀り込み部１１１−１には、支持部１０２−１から支持弾性体１０２−１、第１振動子１０１−１の掘り込み部１１１−１、支持弾性体１０２−２を通り支持部１０３−２に至るもので、例えば第１振動子１０１−１を電磁駆動させるための電極１０８−１が絶縁膜１０７を介して配設されている。同様に、上記第２振動子１０１−２の堀り込み部１１１−２には、支持部１０２−３から支持弾性体１０２−３、第１振動子１０１−２の掘り込み部１１１−２、支持弾性体１０２−４を通り支持部１０３−４に至るもので、例えば第２振動子１０１−２の変位を検出するための電極１０８−２が絶縁膜１０７を介して配設されている。

また、上記第１、第２振動子１０１−１、１０１−２には、空気ダンピングを緩和するための貫通孔１０４が複数設けられている。この貫通孔１０４は、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２上方に設けられる第２基板２００との狭ギャップによるスクイーズ効果を低減させる。したがって、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２のバランスがとれるように均一に分布されるように形成されることが好ましい。この第２基板２００については次に説明する。

上記第１基板１００上には、フレーム部１２１を介して第２基板２００が形成されている。この第２基板２００は、例えばガラス基板で形成されている。また第２基板２００の上記第１基板１００と対向する面の上記第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２に対向する位置には、検出電極２１０−１、２１０−２が形成されている。

さらに、上記第１基板１００の裏面側には振動子１０１を電磁的に駆動させる磁石１２４が設置されている。この磁石１２４は、第１基板１００の裏面側を掘り込んで、その掘り込み部の内部に設置することもできる。また、上記第２基板２００上面に設置することもできる。さらには、第１基板１００の裏面側および第２基板２００の上面側の両方に磁石を設置することもできる。なお、磁石の配置位置によって出力的に相違を生じるが、動作として同様の結果が得られる。例えば、電磁駆動用の電極として第１振動子１０１−１上の電極１０８−１、１０８−２に電流を流す。

次に、振動子、支持弾性体等の振動系の別形態について、図３の概略構成平面図によって説明する。この実施例２は、実施例１において、振動子１０１に接続される支持弾性体１０２−１〜１０２−４および振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６の接続位置が異なるものである。なお、前記実施例１の構成と同様な部品には同一符号を付与した。

図３に示すように、第１基板１００に平行に、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２を並行に備えられている。

この第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２はともに矩形の薄膜からなり、一例としてシリコン層で形成されている。上記第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２とは、互いに向かい合う側の辺の両端が振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６とによって連結され、第１振動子１０１−１の第２振動子１０１−２とは反対側の辺の両端には支持弾性体１０２−１、１０２−２の一端側によって支持されている。また支持弾性体１０２−１、１０２−２の他端側は、それぞれ支持部１０３−１、１０３−２に支持固定されている。

また、第２振動子１０１−２の第１振動子１０１−１とは反対側の辺の両端には支持弾性体１０２−３、１０２−４の一端側によって支持されている。また支持弾性体１０２−３、１０２−４の他端側は、それぞれ支持部１０３−３、１０３−４に支持固定されている。

上記支持弾性体１０２−１〜４、振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６は、それぞれが例えば板ばねで構成され、例えばシリコン層からなり、平面レイアウト的に見て例えばコ字形状、Ｕ字形状もしくは矩形波形状に形成されている。上記支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４、１０３−５、１０３−６は、それぞれ絶縁体１３１を介して第１基板（図示せず）に固定されている。したがって、第１振動子１０１−１および第２振動子１０１−２は支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４、振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６によって支持されていて、第１基板（図示せず）に対して完全に浮動状態に配置されている。

また、上記支持部１０３−１上から支持弾性体１０２−１上、第１振動子１０１−１の端辺部上、支持弾性体１０２−２上を通り支持部１０３−２上に至るもので、上記第１振動子１０１−１を電磁駆動させるための電極１０６−１が絶縁膜１０５−１を介して導電性の配線として形成されている。同様に、上記支持部１０３−３上から支持弾性体１０２−３上、第２振動子１０１−２の端辺部上、支持弾性体１０２−４上を通り支持部１０３−４上に至るもので、上記電磁駆動で第２振動子１０１−２が動作したときに発生する誘導起電力を検出するためのモニタ電極となる電極１０６−２が絶縁膜１０５−２を介して導電性の配線として形成されている。さらに、角速度を検出する電極として上記第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２を用いるために、例えば、第２振動子１０１−２にシリコンからなる支持弾性体１０２−３を介して接続される導電性パッド１０６−３が支持部１０３−３上に形成されている。この導電性パッド１０６−３は同支持部１０３−３上に形成される電極１０６−２とは絶縁膜１０５−２によって電気的に絶縁されている。

また、上記電極１０６−１、１０６−２の両端に連続して、上記電極１０６−１、１０６−２の両端における上記支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４上のそれぞれには、電極パッド１０７−１、１０７−２、１０７−３、１０７−４が形成されている。

また、上記第１、第２振動子１０１−１、１０１−２には、空気ダンピングを緩和するための貫通孔（図示せず）が複数設けられていてもよい。この貫通孔は、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２上方に設けられる第２基板（図示せず）との狭ギャップによるスクイーズ効果を低減させる。したがって、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２のバランスがとれるように均一に分布されるように形成されることが好ましい。

上記振動子１０１、支持弾性体１０２、振動子間の支持弾性体１０２からなる振動系は、この振動系の振動の節となる位置、例えば上記振動系が上記振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６を境にして対称に形成されている場合には、上記振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６の振動の節となるそれぞれの位置に、一方端が接続された弾性体１４１−１、１４１−２が設けられている。この弾性体１４１−１、１４１−２の他方端は上記第１基板（図示せず）に形成されている弾性体支持部１４２−１、１４２−２に支持されている。

次に、一例として、上記実施例２で説明した振動系を有する角速度検出装置１の動作原理を説明する。なお、第１基板側の構成は前記図３に基づき、第２基板側の構成は前記図２に基づく。

上記角速度検出装置１は、電極１０６−１にはある周期を持った電流が流れる。例えばある時点で電流Ｉ₁が電極１０６−１を電極パッド１０７−１から電極パッド１０７−２に向かって流れているとする。その際、電極１０６−２に位相が１８０°ずれた電流Ｉ₂を流す。電流Ｉ₁、Ｉ₂は周期性を持っているので、別の時点では、流れる方向が逆になることもある。電極１０６−１に電流が流れると、第１基板１００の下部に設けられた磁石１２４からの磁界により、ローレンツ力Ｆ_Lがｘ方向に発生する。

ローレンツ力Ｆ_Lは下記の式で現され、配線に直交する方向にその力が誘起される。

Ｆ_L＝ＩＢＬ …（１）

上記（１）式中、Ｉは駆動電極となる電極１０６−１に流れる電流、Ｂは磁束密度、Ｌは電極１０６−１の長さである。

ロ−レンツ力Ｆ_Lは印加される電流Ｉ₁、Ｉ₂と同じ周期性をもって第１、第２振動子１０１−１、１０１−２に印加され、第１振動子部１０１−１は、支持弾性体１０２−１および支持弾性体１０２−２に接続されている支持部１０３−１および支持部１０３−２を固定点とし、振幅運動を繰り返す。もう一方の第２振動子１０１−２は支持弾性体１０２−３および支持弾性体１０２−４に接続されている支持部１０３−３および支持部１０３−４を固定点とし、位相ずれ（例えば１８０°の位相ずれ）を持ちながら振幅運動を繰り返す。その際、外部からＹ軸まわりに角速度Ωが与えられると、振動方向に直行した方向にコリオリ力Ｆ_Cが発生する。このコリオリ力Ｆ_Cは（２）式で表される。

Ｆ_C＝２ｍｖΩ …（２）

上記（２）式中、ｍは振動子の質量、ｖは駆動方向の振動速度、Ωは外部から印加される角速度である。

コリオリ力Ｆ_Cで発生した変位を大きく取るためには、質量ｍ、駆動角振動数ωＸ、駆動変位Ｘｍ（ωＸ_{およびXmは駆動振動速度vの対応パラメタ-)}を大きく取る必要がある。電磁駆動の場合、従来技術のような静電駆動で必要な櫛歯電極を必要としないため、大きな変位を取ることが可能となる。

コリオリ力Ｆ_Cが発生すると第１、第２振動子１０１−１、１０１−２がＺ軸方向に振動する。その際、第２基板２００側に設置された検出電極２１０−１と第１振動子１０１−１および検出電極２１０−２と第２振動子１０１−２との間に容量の変化が現れる。一方は第２基板２００に近づく方向に振動子が傾き、もう一方は遠ざかる方向に振動子が傾く。その容量差分を検出することで、印加される角速度を算出する。

ここで重要なことは、角速度Ωが印加されたときには検出電極２１０−１と第１振動子１０１−１および検出電極２１０−２と第２振動子１０１−２に発生する容量変化量が異なるが、並進加速度が印加された際には、発生する容量変化量は異ならないため、差分を取っても容量差が生じない。よって、角速度印加の時に発生する加速度成分を除去できる構造となっている。

また、ローレンツ力Ｆ_Lを発生させた際、第２振動子１０１−２上に形成された電極２１０６−２には誘導起電力が発生する。この誘導起電力は、ローレンツ力Ｆ_Lと同じ周期を持って発生している。容量変化を読み取る際、検出電極２１０−１、２１０−２と第１、第２振動子１０１−１、１０１−２間に搬送波を乗せ、容量変化により発生した電流を増幅することにより実際の信号を取り出す。搬送波は同期検波により除去され、また駆動波に関しても誘導起電力の周期成分で検波することにより、角速度に対応した直流信号を取り出すことができる。

上記実施例１、２によって説明した角速度検出装置１では、駆動側振動子（例えば第１振動子１０１−１）と励振側振動子（例えば第２振動子１０１−２）間に配置されている支持弾性体１０２−５、１０２−６の振動の節となる部分を、弾性体１４１−１、１４１−２を介して固定している。これにより、弾性体１４１−１、１４１−２の断面構造、長さにもよるが、重力や外力に対してＺ方向の変位を抑制し、耐Ｇ性能が向上される。また、水平方向の振動が安定する。これは、音叉のように片側駆動だけでなく、両側振動子を同時に駆動する際にも有効である。駆動側に対して励振側を減衰させたくない場合、例えば弾性体１４１−１、１４１−２がばねで形成されている場合には、そのばねの幅を小さく、ばねの長さを大きくすればよいが、このうちばねの長さに関しては外乱に対する強さとトレードオフの関係にあるので注意が必要である。減衰の制御に関してはばねの幅を大きく、固定点からのばねの長さを小さくすることで制御できる。なお、上記弾性体１４１−１、１４１−２はどちらか一方のみ形成しても両方を形成した場合と比較して効果は低減されるものの、上記効果は得られる。

次に、上記実施例２の振動系の構造を用いて定量的な傾向を調べるために構造解析（モーダル、過渡解析）を行った。その結果を図４によって説明する。図４は、縦軸に、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２（駆動側の振動子と弱結合により励振される側の振動子）との振幅差を表し、横軸に、弱結合を用いた角速度検出装置の振動系のばね定数（基本モードの振幅を決定する定数）ｋと弾性体１４１−１、１４１−２のばね定数ｋｆとの比ｋｆ／ｋを横軸に表し、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２（駆動側の振動子と弱結合により励振される側の振動子）との振幅差（％）を表す。上記振動系とは、第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２、支持弾性体１０２−１〜１０２−６からなる振動系をいう。

図４に示すように、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２との振幅差を１０％以内に収めるには、〔弾性体のばね定数ｋｆ〕／〔振動系のばね定数ｋ〕の値が１０００以下であればよいことがわかる。第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２との振幅差が１０％をこえると、検出精度が低下し、正確な検出ができなくなる可能性が高くなる。したがって、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２との振幅差は１０％以下にする必要があり、〔弾性体のばね定数ｋｆ〕／〔振動系のばね定数ｋ〕の値が１０００以下とすることが必要となる。

また、上記弾性体１４１−１、１４１−２にはモード選択効果がある。上記実施例２の構成のでは振動系の場合は、同位相振動を抑制する効果がある。すなわち、図５に示すように、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２とは相対的に逆位相モードの振動が出やすくなる。

次に、弾性体の別形態について、図６の概略構成平面図によって説明する。この実施例３は、実施例２において、弾性体１４１の構成が異なるものである。なお、前記実施例２の構成と同様な部品には同一符号を付与した。

図６に示すように、振動系の振動の節となる部分、具体的には、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２とを接続して支持する支持弾性体１０２−５の振動の節となる部分を挟むように、複数本の弾性体１４１−１の一端側を接続し、その他端側を第１基板１００上に形成した弾性体支持部１４２−１に支持させたものである。同様に、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２とを接続して支持する支持弾性体１０２−６の振動の節となる部分を挟むように、複数本の弾性体１４１−２の一端側を接続し、その他端側を第１基板１００上に形成した弾性体支持部１４２−１に支持させたものである。このように、一つに振動の節に対して複数の弾性体を接続することによって、Ｙ軸回転方向モードを抑制する効果が高まり、支持弾性体１０２−５、１０２−６の撓みが小さくなるために励振側の振動子（例えば第２振動子１０１−２）の駆動側の振動子（例えば第１振動子１０１−１）に対する減衰が大きくなるという効果が得られる。なお、上記弾性体１４１−１、１４１−２はどちらか一方のみ形成しても両方を形成した場合と比較して効果は低減されるものの、上記効果は得られる。

次に、弾性体の別形態について、図７によって説明する。この実施例４は、実施例２において、弾性体１４１の構成が異なるものである。なお、前記実施例２の構成と同様な部品には同一符号を付与した。

図７に示すように、振動系の振動の節となる部分、具体的には、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２とを接続して支持する支持弾性体１０２−５の振動の節となる部分と、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２とを接続して支持する支持弾性体１０２−６の振動の節となる部分との間の第１基板１００上に弾性体支持部１４２−３を設け、この弾性体支持部１４２−３から、支持弾性体１０２−５、１０２−６の各振動の節となる部分に接続する弾性体１４１−１、弾性体１４１−２を設けたものである。このように、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２との間に十分なスペースがあり、支持弾性体１０２−５、１０２−６への接触に対して十分な余裕がある場合には、上記説明したように弾性体１４１−１、弾性体１４１−２を配置することによって、フットプリントを小さくできる利点がある。なお、上記弾性体１４１−１、１４１−２はどちらか一方のみ形成しても両方を形成した場合と比較して効果は低減されるものの、上記効果は得られる。

次に、弾性体の別形態について、図８によって説明する。この実施例４は、実施例２において、弾性体１４１の構成が異なるものである。なお、前記実施例２の構成と同様な部品には同一符号を付与した。なお、図８の（１）図は概略構成平面図を示し、（２）図は（１）図中のＢ−Ｂ線断面を示す。

図８に示すように、振動系の振動の節となる部分、具体的には、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２とを接続して支持する支持弾性体１０２−５の振動の節となる部分の第１基板１００側に、支持弾性体１０２−５と第１基板１００とを接続する弾性体１４１−１を配置させたものである。同様に、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２とを接続して支持する支持弾性体１０２−６の振動の節となる部分の第１基板１００側に、支持弾性体１０２−６と第１基板１００とを接続する弾性体１４１−２を配置させたものである。このように、弾性体１４１−１、１４１−２を設けることによって、Ｚ軸方向の不要振動に対して耐性を高めることができる。上記弾性体１４１−１、１４１−２は、後に、製造方法の実施例で説明する、絶縁層１２２（図示せず）を加工する際に、その絶縁層１２２（図示せず）で形成することができる。この構成は、フットプリント的には最も有利となる。なお、上記弾性体１４１−１、１４１−２はどちらか一方のみ形成しても両方を形成した場合と比較して効果は低減されるものの、上記効果は得られる。

上記実施例１〜実施例５によって説明した振動系を有する角速度検出装置１は、振動子１０１および支持弾性体１０２とからなる振動系の少なくとも一つの振動の節となる位置に一方端が接続され、かつ第１基板１００の表面に設けられた弾性体支持部１４２−１、１４２−２に他方端が支持された弾性体１４１−１、１４１−２を設けたため、弾性体１４１−１、１４１−２によって振動系を固定することなく、支持することができるので、外乱に対して強い構造になるという利点がある。また、振動系全体の想定する振動モードの節に、固定点となる弾性体支持部１４２−１、１４２−２から弾性体１４１−１、１４１−２を繋ぐことができるので、振動系全体の動きを抑制し、想定外の振動モードの発生を抑制することができる。よって、高感度なセンサ素子になるという利点がある。

次に、本発明の角速度検出装置の製造方法に係る一実施例を、図９〜図１５の概略構成断面図および平面図によって説明する。この製造方法は、前記図１に示した構成の角速度検出装置を製造する製造方法の一例である。

図９（ａ）に示すように、上部シリコン層１５０−１と下部シリコン層１５０−２との間に絶縁層１２２を挟み込んでなるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１５０を用いる。上記絶縁層１２２は、例えば酸化シリコン膜（ＳｉＯ₂）で形成されている。ここで、下部シリコン層１５０−２は、上記実施例１における第１基板１００に相当する。以下、第１基板１００として説明する。このＳＯＩ基板１５０で振動子および支持弾性体（例えば、ばね）を形成する。さらに、図示はしないが、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とにより、第２基板（図示せず）との位置合わせに用いるアライメントマ−クおよびダイシングラインとなるマーク（図示せず）を形成する。これは、後に説明するシリコン基板からなる第１基板１００と第２基板（図示せず）との陽極接合時のアライメントおよび第１基板１００を切り出す際の目印となるものである。

次に、上部シリコン層１５０−１を所望の膜厚となるようＳＯＩ基板１５０の上部シリコン層１５０−１側の全面をエッチングする。このエッチング方法はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いたウエットエッチングや化学的もしくは物理的ドライエッチで行うことができる。また、上部シリコン層１５０−１の所望の膜厚が予めわかっているならば、所望の膜厚の上部シリコン層１５０−１を有するＳＯＩ基板を用意しても良い。

次に、図９（ｂ）に示すように、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とによって、上部シリコン層１５０−１を加工して陽極接合のフレ−ム部１２１を形成する。このエッチング方法はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いたウエットエッチングや化学的もしくは物理的ドライエッチで行うことができる。このエッチングにおいて、振動子の膜厚および支持弾性体の膜厚が決定される。

次に、図１０（ｃ）に示すように、上部シリコン層２０１−１に掘り込み部１１１−１、１１１−２の形成、同時に支持弾性体（例えば、ばね）および支持部となる部分も掘り込み部１１１−１、１１１−２と同様にエッチングする。

次に、図１０（ｄ）示すように、上部シリコン層１５０−１上に絶縁膜１０７を形成した後、リソグラフィー技術、エッチング技術等を用いて上記絶縁膜１０７をパターニングして、振動子の形成予定領域上の一部、ばねの形成予定領域上および支持部の形成予定領域上に絶縁膜１０７−１を形成するとともに、振動子のストッパとなる絶縁膜１０７−２を形成する。この絶縁膜１０７は、掘り込み部１１１−１、１１１−２の側壁にも形成されてもよい。上記絶縁膜１０７は、電極と下部シリコン層２０１−２との絶縁性を保持できるものであれば何でも良い。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）や窒化シリコン（ＳｉＮ）などで形成することができる。また、振動子の形成予定領域上にも絶縁膜１０７−２を形成することから、振動子と第２基板側電極の接触時の絶縁性も保持できるようになる。

次に、上記絶縁膜１０７−１上に電極（ローレンツ印加のための配線および誘導起電力検出のための配線）１０８−１、１０８−２を形成する。配線材料は電子線蒸着法により形成した。本実施例においては、配線のパターニングは、リフトオフ法により行うことができ、またはリソグラフィー技術によりマスクを作製した後にそのマスクを用いたウエットエッチングもしくはドライエッチングによって行うこともできる。また本実施例においては、配線材料として、金、白金、クロムの三層金属材料を用いたが、金、白金、チタンの三層金属材料、金とクロム、金と白金、金とチタンなどの二層金属材料や、チタンの代わりに、窒化チタンとチタンとの積層材料を用いても良い。また、クロムやチタンの代わりに銅を用いても良い。また形成方法はスパッタ法やＣＶＤ法を用いることができる。

次に、図１１（ｅ）および図１２に示すように、通常のリソグラフィー技術により、振動子、ばね、陽極接合のためのフレ−ム部を形成するマスクを作製し、そのマスクを用いたエッチング技術により、振動子１０１−１、１０１−２と、振動子１０１−１、１０１−２を支持する支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４と、振動子１０１−１、１０１−２を連結する振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６と、振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６に接続されるもので振動子系の節となる位置に一方端が接続される弾性体１４１−１、１４１−２と、支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４をそれぞれ支持する支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４と、弾性体１４１−１、１４１−２の他方端をそれぞれ支持する弾性体支持部１４２−１、１４２−２とを形成する。また陽極接合のためのフレ−ム部１２１を形成する。上記エッチングは、例えば反応性イオンエッチングを用いることができる。この振動子１０１を形成するエッチング加工において、振動子１０１−１、１０１−２に多数の貫通孔１０４を形成することが好ましい。この貫通孔１０４の配置は、振動子１０１−１、１０１−２の面内を小区画に区切った場合、各区画において貫通孔１０４の形成密度が均等な密度分布を持つような配置であれば、ランダムな配置であっても良く、または等間隔に配置されたものであっても良い。なお、図１１（ｅ）は図１２中のＤ−Ｄ’線における断面図であるが、図１１（ｅ）および図１２の縮尺は必ずしも一致させていない。

次に、図１１（ｆ）に示すように、絶縁層１２２をエッチングにより除去する。その際、各支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４の下部の絶縁層１２２およびフレ−ム部１２１の下部の絶縁層１２２は残して、第１基板１００と接続させる。他の部分は中空構造となる。これにより振動子１０１−１、１０１−２、支持弾性体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４、振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６〔前記図１２参照〕、および弾性体１４１−１、１４１−２が浮動状態に形成される。

次に、第２基板の作製方法を以下に説明する。

図１３（ａ）に示すように、第２基板２００に電極（配線）材料層２１０を電子ビ−ム蒸着により形成する。上記第２基板２００には、例えばガラス基板を用いることができる。上記電極材料としては、金、白金、クロムの三層金属材料を用いることができ、さらに金、白金、チタンの三層金属材料、金とクロム、金と白金、白金とクロム、金とチタン、白金とチタンなどの二層金属材料を用いることができ、上記チタンの代わりに窒化チタンとチタンとの積層材料を用いても良い。また、クロムやチタンの代わりに銅を用いても良い。また形成方法はスパッタ法やＣＶＤ法を用いても良い。

次に、図１３（ｂ）に示すように、無電解めっき法により、上記電極材料層２０７表面にコンタクト部２２０を形成する。このコンタクト部２２０は、例えば金めっきにより形成されるもので、陽極接合後の第１基板〔前記図１１（ｋ）参照〕側の電極とのコンタクトを取るものである。したがって、陽極接合後の第１基板に形成される電極のコンタクト部に対向する位置に形成される。本実施例においては無電解めっき法を用いたが電解めっき法でも形成できる。

次に、図１３（ｃ）に示すように、リソグラフィー技術によって電極形成のためのマスクを形成した後、そのマスクを用いたエッチング技術によって、上記電極材料層２１０をパターニングして、第２基板２００側の対向電極２１０−１、２１０−２および引き出し電極２１０−３、２１０−４を形成する。

次に、第１基板と第２基板の組立方法を説明する。

次に、図１４（ａ）に示すように、陽極接合法により、ガラス基板からなる第２基板２００とシリコンからなるフレ−ム部１２１を接合させる。その際、支持部１０３−１、１０３−２および支持部１０３−３、１０３−４上に形成されているもので、ロ−レンツ力を発生させる電極１０８−１および電極１０８−２のパッド部に対して上記コンタクト部２２０をコンタクトさせる。その際、例えば金製の支柱（図示せず）を用いる。この金製の支柱は、無電界めっき方によって各電極のパッド毎に複数配置するように形成される。これにより、陽極接合時に金製の支柱がばね状に屈曲し、適度なテンションをもって第２基板２００側と接続することができる。なお、スプリングコンタクトや、金バンプを用いる接続方法もあるが、上記金製の支柱を用いるコンタクト方法の場合、ガラス基板である第２基板２００に過度な応力をかけることも無く、また、作製方法も極めて簡単である。また、本実施例においては無電解めっき法を用いたが電解めっき法でも形成できる。

次に、図示はしないが、第１基板１００側および第２基板２００をダイシングによりカットし、個別チップを形成する。最後に、図１５（ｂ）に示すように、第１基板１００の下部に磁石１２４を形成し、図示はしないが、例えばワイヤーボンディングにより、引き出し電極２１０−３、２１０−４よりを引き出して、角速度検出装置１のチップが作製される。

本発明の角速度検出装置１の製造方法は、振動子１０１および支持弾性体１０２とからなる振動系の少なくとも一つの振動の節となる位置に一方端が接続され、かつ基板の表面に設けられた弾性体支持部１４２−１、１４２−２に他方端が接続された弾性体１４１−１、１４１−２を形成するため、弾性体１４１−１、１４１−２によって振動系（例えば振動子間の支持弾性体）を固定することなく、支持することができるので、外乱に対して強い構造となる角速度検出装置１を製造できるという利点がある。また、振動子、支持弾性体１０２−１〜１０２−４および振動子間の支持弾性体１０２−５、１０２−６からなる振動系全体の想定する振動モードの節に、固定点となる弾性体支持部１４２−１、１４２−２から弾性体１４１−１、１４１−２を繋ぐことができるので、系全体の動きを抑制し、想定外の振動モードの発生を抑制される角速度検出装置１を製造することができる。よって、高感度なセンサを製造することができるという利点がある。

本発明の角速度検出装置および角速度検出装置の製造方法は、角速度センサ素子に適用することができ、また、その他各種センサ（加速度、圧力、角速度、分子系…）やアクチュエータ、光学素子（ミラーや導波路）などにも同様に適用することができる。

本発明の角速度検出装置に係る第１実施例を示した概略構成平面図である。 本発明の角速度検出装置に係る第１実施例を示した模式的断面図である。 本発明の角速度検出装置に係る第２実施例を示した概略構成平図である。 第１振動子と第２振動子との振幅差と、弾性体のばね定数ｋｆ／振動系のばね定数ｋとの関係図である。 逆位相モードの振動形態を示した模式斜視図である。 本発明の角速度検出装置に係る第３実施例を示した概略構成平面図である。 本発明の角速度検出装置に係る第４実施例を示した概略構成平面図である。 本発明の角速度検出装置に係る第５実施例を示した概略構成平面図である。 本発明の角速度検出装置の製造方法に係る一実施例を示した模式的断面図である。 本発明の角速度検出装置の製造方法に係る一実施例を示した模式的断面図である。 本発明の角速度検出装置の製造方法に係る一実施例を示した模式的断面図である。 本発明の角速度検出装置の製造方法に係る一実施例を示した概略構成平図である。 本発明の角速度検出装置の製造方法に係る一実施例を示した模式的断面図である。 本発明の角速度検出装置の製造方法に係る一実施例を示した模式的断面図である。 本発明の角速度検出装置の製造方法に係る一実施例を示した模式的断面図である。 従来の角速度検出装置の課題を説明する図面である。

符号の説明

１…角速度検出装置、１００…第１基板、１０１−１…第１振動子、１０１−２…第２振動子、１０２−１〜１０２−６…支持弾性体、１０３−１〜１０３−６…支持部、１４１−１，１４１−２…弾性体、１４２−１，１４２−２…弾性体支持部

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の表面に設けられた支持部と、
   前記支持部に一方端が接続された支持弾性体と、
   前記基板表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で前記支持弾性体の他方端に支持されたもので前記基板に対して変位可能な複数の振動子とを備えた角速度検出装置において、
   前記複数の振動子および前記支持弾性体とからなる振動系の少なくとも一つの振動の節となる位置に一方端が接続され、かつ前記基板の表面に設けられた弾性体支持部に他方端が支持された弾性体
   を備えたことを特徴とする角速度検出装置。
2. 前記弾性体は、前記複数の振動子と前記支持弾性体とからなる振動系全体のばね定数ｋと前記弾性体のばね定数ｋｆとの比ｋｆ／ｋが１０００以下となるものからなる
   ことを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
3. 前記弾性体は、前記支持弾性体のうち前記複数の振動子間を支持する支持弾性体の少なくとも一つの振動の節となる位置に一方端が接続される
   ことを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
4. 前記振動子を一定の励振方向に振動させる励振手段と、
   前記励振手段により前記振動子を励振方向に振動させた状態で外部から外力が作用したときに、前記振動子が励振方向と直交する方向に変位したときの変位を検出する変位検出手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の角速度検出装置。
5. 基板と、
   前記基板の表面に設けられた支持部と、
   前記支持部に一方端が接続された支持弾性体と、
   前記基板表面からある一定の間隔を有して浮遊した状態で前記支持弾性体の他方端に支持されたもので前記基板に対して変位可能な複数の振動子とを備えた角速度検出装置の製造方法において、
   前記支持弾性体を形成する際に、前記複数の振動子および前記支持弾性体とからなる振動系の少なくとも一つの振動の節となる位置に一方端が接続された弾性体を形成し、
   前記支持部を形成する際に、前記基板の表面に前記弾性体の他方端が支持される弾性体支持部を形成する
   ことを特徴とする角速度検出装置の製造方法。
6. 第１基板上に絶縁層を介して形成されたシリコン層上に、絶縁膜を介して振動子を励振させる駆動電極と振動子の変位を検出する検出電極とを形成する工程と、
   前記シリコン層を用いて、複数の振動子と、前記振動子を浮遊状態に支持する支持弾性体とを形成する工程と、
   前記支持弾性体の前記振動子を支持する側とは反対側の端部を支持する支持部を前記絶縁層で形成するとともに、前記支持弾性体と前記振動子とが前記第１基板に対して浮遊する状態となるように前記絶縁層を除去する工程と、
   前記振動子上に配設されている前記駆動電極上および前記検出電極上のそれぞれの対向する位置に配置される電極を第２基板に形成する工程と、
   前記電極が前記駆動電極上および前記検出電極上のそれぞれの対向する位置に配置されるように、前記第１基板と前記第２基板とを接合する工程と、
   励磁手段としての磁石を前記第１基板および前記第２基板の少なくとも一方に配置する工程と
   を備えた角速度検出装置の製造方法であって、
   前記シリコン層を用いて、前記振動子と、前記振動子を浮遊状態に支持する前記支持弾性体とを形成する工程で、前記振動子および前記支持弾性体とからなる振動系の少なくとも一つの振動の節となる位置に一方端が接続された弾性体を形成し、
   前記支持部を形成する際に、前記第１基板に前記弾性体の他方端を支持する弾性体支持部を形成する
   ことを特徴とする請求項５記載の角速度検出装置の製造方法。
7. 前記複数の振動子と前記複数の振動子に接続された前記支持弾性体からなる振動系全体のばね定数ｋと前記弾性体のばね定数ｋｆとの比ｋｆ／ｋが１０００以下となるように、前記弾性体を形成する
   ことを特徴とする請求項５記載の角速度検出装置の製造方法。
8. 前記弾性体の一方端は、前記支持弾性体のうち複数の振動子間を支持する支持弾性体の少なくとも一つの振動の節となる位置に接続される
   ことを特徴とする請求項５記載の角速度検出装置の製造方法。
   
   
   
   

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