JP2010117292A - Angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリコン(Silicon)層を加工するなどして形成された微細な構造の角速度センサに係り、特に、支持基板と平行な面内にベクトルが向く角速度を検知できる角速度センサに関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor having a fine structure formed by processing a silicon layer, and more particularly to an angular velocity sensor capable of detecting an angular velocity at which a vector faces in a plane parallel to a support substrate.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)素子は、2枚のシリコン(Si)ウエハがSiO2などの絶縁層を介して接合されたSOI(Silicon on Insulator)層を微細加工することで形成される。MEMS素子は、SOI層の一方のシリコンウエハが支持基板として使用され、他方のシリコンウエハが機能層として使用され、機能層がエッチングにより分離されて、質量部と、この質量部を動作できるように支持する弾性変形部と、質量部の移動量を検知する可動電極部と固定電極部などが形成される。 A MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) element is formed by finely processing an SOI (Silicon on Insulator) layer in which two silicon (Si) wafers are joined via an insulating layer such as SiO 2 . In the MEMS element, one silicon wafer of the SOI layer is used as a support substrate, the other silicon wafer is used as a functional layer, and the functional layer is separated by etching so that the mass part can be operated. An elastically deformable portion to be supported, a movable electrode portion that detects the amount of movement of the mass portion, a fixed electrode portion, and the like are formed.
SOI層を加工する際に、SiO2などの前記絶縁層の一部が残されて、この絶縁層によって機能層の一部と支持基板とが接合されており、また質量部と弾性変形部および可動電極部などと支持基板との間の前記絶縁層が除去されて、質量部と弾性変形部および可動電極部などが、支持基板上の空間内で動作可能となる。 When processing the SOI layer, a part of the insulating layer such as SiO 2 is left, and a part of the functional layer and the supporting substrate are joined by the insulating layer, and the mass part, the elastically deforming part, and The insulating layer between the movable electrode portion and the support substrate is removed, and the mass portion, the elastic deformation portion, the movable electrode portion, and the like can be operated in the space on the support substrate.
以下の特許文献1と特許文献2には、角速度センサとして機能するMEMS素子が開示されている。
The following Patent Document 1 and
特許文献1に記載された角速度センサは、基板の面と平行な向き(X方向)に移動自在に支持された一対の第1の振動体と、それぞれの第1の振動体に支持されて、基板の面に垂直な向き(Z方向)に移動自在に支持された第2の振動体が設けられている。一対の第1の振動体が前記面と平行な向き(X方向)で互いに逆位相となるように駆動されているときに、一対の第2の振動体の前記面と垂直な向き(Z方向)の振動を検知することで、Z方向のコリオリ力成分を検出でき、これにより、基板の面と平行なY軸回りの角速度、すなわちY軸と直交する面内にベクトルが向く角速度を知ることができる。 The angular velocity sensor described in Patent Document 1 is supported by a pair of first vibrating bodies supported movably in a direction parallel to the surface of the substrate (X direction), and the respective first vibrating bodies, A second vibrating body is provided that is movably supported in a direction (Z direction) perpendicular to the surface of the substrate. When the pair of first vibrating bodies are driven so as to be in opposite phases to each other in the direction parallel to the plane (X direction), the direction perpendicular to the plane of the pair of second vibrating bodies (Z direction) ), The Coriolis force component in the Z direction can be detected, so that the angular velocity around the Y axis parallel to the surface of the substrate, that is, the angular velocity at which the vector faces in the plane perpendicular to the Y axis is known. Can do.
特許文献2に記載された角速度センサであるジャイロスコープは、リング状のベースの内側にリング状のフレームが角振動できるように支持されており、このフレーム内に、角振動方向と直交する垂直方向(Z方向)へ振動できる2つの質量が設けられている。2つの前記質量をZ方向へ互いに逆向きに振動させ、コリオリ力で励起されるフレームの角振動を測定することで、前記角振動を含む面と平行なY軸周りの角速度、すなわちY軸と直交する面内にベクトルが向く角速度を知ることができる。
前記特許文献1および特許文献2に記載された角速度センサは、一対の第2の振動体や一対の質量部が、シリコンウエハなどで形成される基板と垂直な方向へ駆動されるものである。そのため、いずれも基板の面と平行なY軸周りの角速度を検知することはできるが、基板の面と垂直な軸回り(Z軸周り)の角速度、すなわち、基板と平行な面にベクトルが向く角速度の成分を検出することはできない。
In the angular velocity sensors described in Patent Document 1 and
そのため、空間内でZ軸周りの角速度成分を検出しようとすると、基板を垂直に向けて使用することが必要であり、薄いMEMS素子を使用する利点を十分に生かすことができなくなる。 Therefore, in order to detect the angular velocity component around the Z axis in the space, it is necessary to use the substrate in a vertical direction, and the advantage of using a thin MEMS element cannot be fully utilized.
また、前記角速度センサを使用して、三次元空間の全ての方向にベクトルが向く可能性のある角速度を検出するためには、2つの角速度センサを、その基板が同じ平面内となるように配置し、且つ同じ平面内で2つの角速度センサの配置角度を90度変えて、X軸周りとY軸周りの角速度成分を検知できるようにするとともに、他の1つの角速度センサを、その基板を前記平面と垂直な向きに配置して、Z軸周りの角速度成分を検知できるようにすることが必要になる。このように、三方向の角速度成分を検出する角速度センサを、基板を互いに垂直に向けて組み合わせなくてはならなくなり、センサ全体の構造が複雑になり、薄型化もできなくなる。 In addition, in order to detect an angular velocity in which a vector may be directed in all directions in the three-dimensional space using the angular velocity sensor, two angular velocity sensors are arranged so that their substrates are in the same plane. The angular velocity components around the X axis and the Y axis can be detected by changing the arrangement angle of the two angular velocity sensors in the same plane by 90 degrees, and the other angular velocity sensor is mounted on the substrate. It is necessary to arrange it in a direction perpendicular to the plane so that the angular velocity component around the Z axis can be detected. As described above, the angular velocity sensors that detect the angular velocity components in the three directions must be combined with the substrates facing each other vertically, the structure of the entire sensor becomes complicated, and the thickness cannot be reduced.
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、各部材を支持基板の面と平行に配列させながら、前記面と垂直な軸周りの角速度成分、すなわち基板の面と平行な面内にベクトルが向けられる角速度成分を検知できる角速度センサを提供することを目的としている。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and arranges each member in parallel with the surface of the supporting substrate, while the angular velocity component around the axis perpendicular to the surface, that is, the vector in the surface parallel to the surface of the substrate. It is an object of the present invention to provide an angular velocity sensor that can detect an angular velocity component to which is directed.
また、本発明は、互いに直交する三方向への角速度のベクトル成分を、同じ平面内に配置した部材の動作で検知することができる角速度センサを提供することを目的としている。 It is another object of the present invention to provide an angular velocity sensor that can detect vector components of angular velocities in three directions orthogonal to each other by the movement of members arranged in the same plane.
本発明は、支持基板と、前記支持基板に設けられた複数の固定支持部と、第1の弾性変形部を介して前記固定支持部に支持されて前記支持基板と平行な面内で回動可能な検出回動部と、第2の弾性変形部を介して前記検出回動部に支持されて前記面内で移動可能な一対の駆動質量部と、一対の前記駆動質量部を前記面内において互いに逆向きに駆動する面内駆動部材と、前記検出回動部と一体に設けられた可動電極部と、前記支持基板上に固定されて前記可動電極部に対向する固定電極部とを有し、
一対の前記駆動質量部を前記面内において互いに逆向きに駆動し、前記可動電極と前記固定電極との対向状態の変化によって前記検出回動部の回動を検出することで、前記面内にベクトルが向いて前記駆動質量部に作用する角速度が検出されることを特徴とするものである。
The present invention supports a support substrate, a plurality of fixed support portions provided on the support substrate, and is supported by the fixed support portion via a first elastic deformation portion and rotates in a plane parallel to the support substrate. A detection rotation unit capable of moving, a pair of drive mass units supported by the detection rotation unit via a second elastic deformation unit and movable in the plane, and a pair of drive mass units in the plane In-plane driving members that are driven in opposite directions, a movable electrode portion that is provided integrally with the detection rotation portion, and a fixed electrode portion that is fixed on the support substrate and faces the movable electrode portion. And
A pair of the drive mass units are driven in opposite directions within the plane, and the rotation of the detection rotation unit is detected by a change in the facing state of the movable electrode and the fixed electrode. An angular velocity acting on the driving mass unit with the vector facing is detected.
本発明の角速度センサは、駆動質量部を基板と平行な面内で互いに逆向きに駆動し、駆動質量部を支持している検出回動部の回動動作によってコリオリ力を検出している。そのため、支持基板の面と垂直な軸周りの角速度成分、すなわち前記面内にベクトルが向く角速度成分を検出することができる。したがって、空間で垂直な軸周りに作用する角速度を検出する場合にも支持基板を水平に配置することができ、装置の薄型化を実現できる。 The angular velocity sensor of the present invention drives the driving mass unit in directions opposite to each other in a plane parallel to the substrate, and detects the Coriolis force by the rotating operation of the detection rotating unit that supports the driving mass unit. Therefore, it is possible to detect an angular velocity component around an axis perpendicular to the surface of the support substrate, that is, an angular velocity component in which a vector faces in the surface. Therefore, even when detecting an angular velocity acting around a vertical axis in space, the support substrate can be arranged horizontally, and the apparatus can be thinned.
また、一対の駆動質量部と検出回動部は同じ面内で動作し、支持基板の面と垂直に動作する部分が存在していないために、駆動質量部や検出回動部などの可動部と支持基板との隙間を最小にできる。支持基板に前記可動部が当たらないための逃げ部を必要以上に深く加工することが不要であるため、加工が容易であり、薄型のセンサを構成しやすくなる。 In addition, since the pair of drive mass units and the detection rotation unit operate in the same plane and there is no portion that operates perpendicular to the surface of the support substrate, the movable units such as the drive mass unit and the detection rotation unit And the support substrate can be minimized. Since it is not necessary to process the escape portion for preventing the movable portion from hitting the support substrate more deeply than necessary, the processing is easy and a thin sensor can be easily configured.
本発明は、前記面内駆動部材が、前記第2の弾性変形部に取り付けられた圧電素子であり、前記圧電素子の電歪効果によって、前記第2の弾性変形部が前記面内で曲げ変形させられて、一対の前記駆動質量部が互いに逆向きに駆動される。 In the present invention, the in-plane driving member is a piezoelectric element attached to the second elastic deformation portion, and the second elastic deformation portion is bent and deformed in the plane by an electrostrictive effect of the piezoelectric element. Thus, the pair of drive mass units are driven in opposite directions.
前記面内駆動部材を圧電素子で形成することで、静電力で駆動質量を駆動するものに比べて駆動時に大きな電圧が必要でなく、また駆動制御も容易になる。ただし、本発明の面内駆動部材は、一対の駆動質量部を静電力を使用して振動駆動するものであってもよい。 By forming the in-plane driving member with a piezoelectric element, a large voltage is not required during driving and driving control is facilitated compared to driving the driving mass with electrostatic force. However, the in-plane driving member of the present invention may be one that vibrates and drives a pair of driving mass parts using electrostatic force.
本発明は、複数の前記可動電極部が、前記検出回動部から離れるにしたがってその間隔が広がるように設けられ、それぞれの前記可動電極部に対して回動方向に向く一方から対向する第1の固定電極部と他方から対向する第2の固定電極部とが設けられ、前記可動電極部と前記第1の固定電極部との間の静電容量の変化に基づく検知出力と、前記可動電極部と前記第2の固定電極部との静電容量の変化に基づく検知出力との差が求められるものが好ましい。 In the present invention, a plurality of the movable electrode portions are provided such that a distance between the movable electrode portions increases as the distance from the detection rotation portion increases, and each of the movable electrode portions is opposed to each of the movable electrode portions from one side facing the rotation direction. A fixed output portion and a second fixed electrode portion facing from the other, a detection output based on a change in capacitance between the movable electrode portion and the first fixed electrode portion, and the movable electrode It is preferable that a difference between the detection output based on the change in capacitance between the first fixed electrode unit and the second fixed electrode unit is obtained.
本発明は、駆動質量部が駆動されているときに、駆動質量部が角速度を有していると、コリオリ力によって検出回動部が回動させられる。このとき、可動電極部と第1の固定電極部との間隔の変化、および可動電極部と第2の固定電極部との間隔の変化が、静電容量の変化として検出される。このとき第1の固定電極部で得られる検知出力と、第2の固定電極部で得られる検知出力との差を求めることにより、検出回動部の回動量を大きな出力で検知できる。 In the present invention, when the drive mass unit is driven and the drive mass unit has an angular velocity, the detection rotation unit is rotated by the Coriolis force. At this time, a change in the interval between the movable electrode portion and the first fixed electrode portion and a change in the interval between the movable electrode portion and the second fixed electrode portion are detected as a change in capacitance. At this time, by obtaining the difference between the detection output obtained at the first fixed electrode portion and the detection output obtained at the second fixed electrode portion, the rotation amount of the detection rotation portion can be detected with a large output.
また、前記検出回動部が、回動方向以外の方向である支持基板の面に垂直な方向や、支持基板の面と平行な方向へ移動して、可動電極部とそれぞれの固定電極部との対向面積が変動したときに、この変動による出力を、第1の固定電極部で得られる検知出力と第2の固定電極部で得られる検知出力との差を求めることで相殺できる。よって、コリオリ力成分での駆動方向以外の外乱の動作ノイズが重畳するのを防止できる。 Further, the detection rotation unit moves in a direction perpendicular to the surface of the support substrate, which is a direction other than the rotation direction, or in a direction parallel to the surface of the support substrate, and the movable electrode unit and each fixed electrode unit When the opposed area of the first and second counter electrodes fluctuates, the output due to the fluctuation can be canceled by obtaining the difference between the detection output obtained by the first fixed electrode portion and the detection output obtained by the second fixed electrode portion. Therefore, it is possible to prevent the operation noise of disturbances other than the driving direction due to the Coriolis force component from being superimposed.
本発明は、2つのSi層が絶縁層を介して接合されたSOI層が使用され、一方のSi層が前記支持基板として使用され、他方のSi層が機能層として使用されて、前記機能層から、前記固定支持部、前記検出回動部と前記駆動質量部、前記第1の弾性変形部と前記第2の弾性変形部、前記可動電極部と前記固定電極部とが分離されて形成されており、
前記固定支持部と前記支持基板との接合部および前記固定電極部の一部と前記支持基板との接合部に、前記絶縁層が残され、前記検出回動部と前記駆動質量部、前記第1の弾性変形部と前記第2の弾性変形部および前記可動電極部のそれぞれと前記支持基板との間で、前記絶縁層が除去されているものである。
In the present invention, an SOI layer in which two Si layers are bonded via an insulating layer is used, one Si layer is used as the support substrate, and the other Si layer is used as a functional layer. The fixed support portion, the detection rotation portion and the drive mass portion, the first elastic deformation portion and the second elastic deformation portion, the movable electrode portion and the fixed electrode portion are formed separately. And
The insulating layer is left at a joint portion between the fixed support portion and the support substrate, and a joint portion between the part of the fixed electrode portion and the support substrate, and the detection rotation portion, the driving mass portion, the first The insulating layer is removed between each of the first elastic deformation portion, the second elastic deformation portion, the movable electrode portion, and the support substrate.
また本発明は、前記機能層を覆う閉鎖部材が設けられ、前記閉鎖部材と前記固定支持部および前記閉鎖部材と前記固定電極部の一部とが第2の絶縁層を介して接合されているものである。 According to the present invention, a closing member that covers the functional layer is provided, and the closing member, the fixed support portion, and the closing member and a part of the fixed electrode portion are joined via a second insulating layer. Is.
SOI層によって支持基板と機能層を形成すると、薄型で小型の角速度センサを得ることができる。 When the support substrate and the functional layer are formed by the SOI layer, a thin and small angular velocity sensor can be obtained.
また本発明は、前記駆動質量部に、Si層よりも比重の大きい金属材料の錘層が積層されているものが好ましい。 In the present invention, it is preferable that a weight layer of a metal material having a specific gravity larger than that of the Si layer is laminated on the driving mass unit.
駆動質量部に錘層を積層して駆動質量部の質量を増加させると、駆動質量部を動作させたときの慣性力を大きくでき、またコリオリ力によって駆動質量部に力が与えられるときの慣性力も大きくなり、検出回動部の回動振幅を増幅することが可能になる。 Increasing the mass of the drive mass unit by stacking the weight layer on the drive mass unit can increase the inertial force when the drive mass unit is operated, and the inertia when force is applied to the drive mass unit by Coriolis force The force also increases, and the rotation amplitude of the detection rotation unit can be amplified.
また本発明は、前記いずれかの構造の角速度センサが垂直軸角速度センサとして使用され、
さらに、前記第2の弾性変形部に変えて、一対の前記駆動質量部を前記面と垂直な方向へ移動自在に支持する第3の弾性変形部が設けられるとともに、前記面内駆動部材に変えて、一対の前記駆動質量部を前記面と垂直な方向へ互いに逆向きに駆動する面垂直駆動部材が設けられて、一対の前記駆動質量部の並び方向に延びる水平軸と直交する垂直面内にベクトルが向いて前記駆動質量部に作用する角速度が検出されるものが水平軸角速度センサとして使用されており、
前記垂直軸角速度センサの前記支持基板と前記水平軸角速度センサの前記支持基板とが互いに連続する一枚の共通支持基板とされ、この共通支持基板上に、前記垂直軸角速度センサと前記水平軸角速度センサとが並んで配置されていることを特徴とするものである。
In the present invention, the angular velocity sensor having any one of the structures described above is used as a vertical axis angular velocity sensor,
Further, instead of the second elastic deformation portion, a third elastic deformation portion that supports the pair of drive mass portions so as to be movable in a direction perpendicular to the surface is provided, and is changed to the in-plane drive member. A vertical surface drive member that drives the pair of drive mass units in directions opposite to each other in a direction perpendicular to the surface, and in a vertical plane orthogonal to a horizontal axis extending in the direction in which the pair of drive mass units are arranged. Is used as a horizontal axis angular velocity sensor to detect the angular velocity acting on the drive mass unit with the vector facing to
The support substrate of the vertical axis angular velocity sensor and the support substrate of the horizontal axis angular velocity sensor are formed as a single common support substrate, and the vertical axis angular velocity sensor and the horizontal axis angular velocity are provided on the common support substrate. The sensor is arranged side by side.
また、本発明は、前記共通支持基板上に前記水平軸角速度センサが2組設けられ、前記水平軸角速度センサは、前記水平軸の向きが互いに90度相違するものである。 Further, in the present invention, two sets of the horizontal axis angular velocity sensors are provided on the common support substrate, and the horizontal axis angular velocity sensors are different from each other in the direction of the horizontal axis by 90 degrees.
上記発明では、共通基板上に平面的に構成された薄型の3つの角速度センサによって、空間内の三次元の全ての向きの角速度成分を検知できるようになる。 In the above invention, the three angular velocity sensors formed in a plane on the common substrate can detect angular velocity components in all three directions in the space.
さらに本発明は、前記垂直軸角速度センサと前記水平軸角速度センサとで、前記固定支持部と前記検出回動部、前記第1の弾性変形部と一対の前記駆動質量部、および前記可動電極部と前記固定電極部のそれぞれの形状と寸法が同じであることが好ましい。 Furthermore, the present invention provides the vertical axis angular velocity sensor and the horizontal axis angular velocity sensor, the fixed support portion, the detection rotation portion, the first elastic deformation portion, the pair of driving mass portions, and the movable electrode portion. It is preferable that the shapes and dimensions of the fixed electrode portions are the same.
上記発明では、弾性変形部と駆動部材以外の部分を全て同じ構成にできるので、同じシリコンウエハなどで3個の角速度センサを形成する際の加工が容易であり、共通部分が多いために加工制御も容易である。 In the above invention, since the parts other than the elastically deforming part and the driving member can be made the same structure, the processing when forming three angular velocity sensors with the same silicon wafer or the like is easy, and there are many common parts. Is also easy.
本発明の角速度センサは、基板面に平行な面内にベクトルが向く角速度成分を検知できる。よって、空間内で支持基板を水平に設置して、垂直な軸周りの角速度成分を検知することが可能である。この場合に従来のように支持基板を垂直に向ける必要がないため、装置を薄型に構成することができる。 The angular velocity sensor of the present invention can detect an angular velocity component in which a vector faces in a plane parallel to the substrate surface. Therefore, it is possible to detect the angular velocity component around the vertical axis by installing the support substrate horizontally in the space. In this case, since it is not necessary to orient the support substrate vertically as in the prior art, the apparatus can be configured thin.
また、本発明は、共通支持基板に、垂直軸角速度センサと水平軸角速度センサの双方を平面的に配列させて形成することができるため、薄型でありながらベクトルが他方向へ向く角速度成分を検出することが可能になる。 In addition, the present invention can be formed by arranging both a vertical axis angular velocity sensor and a horizontal axis angular velocity sensor in a plane on a common support substrate, so that the angular velocity component in which the vector is directed in the other direction is detected while being thin. It becomes possible to do.
図1は本発明の実施の形態の垂直軸角速度センサの機能層の構造を示す平面図、図2は図1に示す垂直軸角速度センサをII−II線で切断した断面図である。図3(A)は機能層に設けられた検出回動部と駆動質量部を部分的に示す平面図、図3(B)は図3(A)のB−B線の断面図である。図4ないし図6は、第2の弾性変形部および面内駆動部材を実施の形態別に示す部分平面図である。図7(A)(B)は、垂直軸角速度センサの動作説明図である。 FIG. 1 is a plan view showing a structure of a functional layer of a vertical axis angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of the vertical axis angular velocity sensor shown in FIG. FIG. 3A is a plan view partially showing a detection rotating portion and a driving mass portion provided in the functional layer, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 4 to 6 are partial plan views showing the second elastic deformation portion and the in-plane driving member according to the embodiment. FIGS. 7A and 7B are explanatory diagrams of the operation of the vertical axis angular velocity sensor.
図1と図2に示す垂直軸角速度センサ1はMEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)素子であり、図1に示すようにその平面形状は四角形である。 The vertical axis angular velocity sensor 1 shown in FIGS. 1 and 2 is a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) element, and its planar shape is a quadrangle as shown in FIG.
図2に示すように、垂直軸角速度センサ1は、支持基板2に機能層20が積層され、機能層20の一部分と支持基板2とが第1の絶縁層3を介して接合されている。支持基板2と機能層20および第1の絶縁層3は、SOI(Silicon on Insulator)層を微細加工して形成されている。ここで使用するSOI層は、2つのシリコンウエハが、絶縁層(Insulator)であるSiO2層を挟んで一体に接合されたものである。SOI層の一方のシリコンウエハが、支持基板2として使用され、他方のシリコンウエハが機能層20として使用されて、この機能層20が微細加工されてそれぞれの機能部が分離されて形成される。また、SiO2層の一部が残されて第1の絶縁層3となる。
As shown in FIG. 2, in the vertical axis angular velocity sensor 1, a
図2に示すように、機能層20には閉鎖部材4が重ねられて、機能層20は支持基板2と閉鎖部材4との間で挟まれた構造となっている。閉鎖部材4は単独のSi基板である。閉鎖部材4は、機能層20との対向面に第2の絶縁層5が形成されている。
As shown in FIG. 2, the
前記第2の絶縁層5の内部に導電体のパターンが埋設されてリード層が形成されている。また、前記第2の絶縁層5の表面と、機能層20のうちのそれぞれの通電部とが金属接合層を介して導通しており、それぞれの金属接合層が、第2の絶縁層5内に埋設されているリード層と導通している。
A conductive layer is embedded in the second insulating layer 5 to form a lead layer. Further, the surface of the second insulating layer 5 and each energization portion of the
図1には、第2の絶縁層5の内部に配線されているリード層が実線で示されている。第2の弾性変形部30a,30b,30c,30d,30e,30f,30g,30hに設けられた面内駆動部材の圧電素子が1相駆動である場合には、圧電素子の一方の電極層に通電する1つの駆動リード層11が設けられて、駆動リード層11が駆動電極パッド11aに接続される。前記圧電素子が2相駆動である場合は、前記駆動リード層11に加えて他の駆動リード層12によって圧電素子の電極層に通電され、前記駆動リード層12が駆動電極パッド12aに接続される。圧電素子の他方の電極層は、接地リード層13を介して接地電極パッド13aに導通されている。
In FIG. 1, the lead layer wired inside the second insulating layer 5 is shown by a solid line. When the piezoelectric element of the in-plane driving member provided in the second elastically deforming
コリオリ力の検出出力は可動電極部28と第1の固定電極部23との間の静電容量の変化、および可動電極部28と第2の固定電極部24との間の静電容量の変化によって検出される。可動電極部28には所定の電位を間欠的に供給する通電リード層14が導通しており、この通電リード層14は通電電極パッド14aに接続されている。複数設けられているそれぞれの第1の固定電極部23は第1の検出リード層15に導通しており、第1の検出リード層15は第1の検出電極パッド15aに接続されている。同じく複数設けられている第2の固定電極部24は第2の検出リード層16に導通し、第2の検出リード層16は第2の検出電極パッド16aに接続されている。
The detection output of the Coriolis force is a change in capacitance between the
図1に示すY方向の両側では、閉鎖部材4が、支持基板2よりも突出しており、閉鎖部材4の突出部分において、第2の絶縁層5の表面に、前記電極パッド11a,12a,13a,14a,15a,16aが形成されて、外部回路との接続が可能となっている。
On both sides in the Y direction shown in FIG. 1, the closing
なお、閉鎖部材4は、Siの単独の基板に限られるものではなく、ガラス基板などであってもよい。あるいは駆動回路や検出回路などの各種回路が収納されたICパッケージの表面が閉鎖部材4として使用され、ICパッケージの表面の絶縁層が第2の絶縁層5の代わりに使用されて、その上に機能層20および支持基板2が順に積層されて接合されているものであってもよい。この場合、前記各リード層11,12,13,14,15,16は、ICパッケージの上面に設けられた電極バンプなどに接続されて、ICパッケージの内部回路に接続される。
The closing
図1と図2に示すように、機能層20では、シリコンウエハの一部が分離されて枠体層21が形成されている。図1には枠体層21が形成されている領域がハッチングを付して示されている。四角枠形状の枠体層21は垂直軸角速度センサ1の周囲において額縁状に形成されている。枠体層21と支持基板2はSOI層のSiO2層の一部が残された第1の絶縁層3を介して接合され、枠体層21と第2の絶縁層5とが金属接合層を介して接合されて、枠体層21で囲まれた動作空間7が外気から遮断されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
動作空間7内には、機能層20のシリコンウエハから分離された固定支持部22a,22b,22c,22d、検出回動部26、第1の弾性変形部25a,25b,25c,25d、駆動質量部29a,29b、第2の弾性変形部30a,30b,30c,30d,30e,30f,30g,30h、可動電極部28、第1の固定電極部23および第2の固定電極部24が形成されている。図2に示すように、これら各部は同じシリコンウエハから分離されて形成されているため、Z方向の厚さ寸法が同じである。
In the
4個の固定支持部22a,22b,22c,22dは、枠体層21の内側の四隅のそれぞれに設けられている。固定支持部22a,22b,22c,22dの一方の面は、SOI層のSiO2層の一部が残された第1の絶縁層3を介して支持基板2に接合されており、固定支持部22a,22b,22c,22dの他方の面は、前記接合金属層を介して第2の絶縁層5に固定されている。固定支持部22a,22b,22c,22dを接合している接合金属層は、それぞれのリード層11,12,13,14に導通している。
The four fixed
枠体層21のそれぞれの内辺の内側には、第1の電極固定部23aと第2の電極固定部24aとが交互に配置されている。第1の電極固定部23aと第2の電極固定部24aは、枠体層21のそれぞれの内辺の内側に沿って一列に配列されている。各内辺の内側において、反時計方向へ向かって、第1の電極固定部23aの次に第2の電極固定部24aが位置するように交互に配列されている。
The first
それぞれの第1の電極固定部23aは、その一方の面がSOI層のSiO2層の一部が残された第1の絶縁層3を介して支持基板2に接合されている。それぞれの第1の電極固定部23aの他方の面は、金属接合層を介して第2の絶縁層5に接合されており、それぞれの金属接合層は前記第1の検出リード層15に導通している。それぞれの第2の電極固定部24aは、その一方の面がSOI層のSiO2層の一部が残された第1の絶縁層3を介して支持基板2に接合されている。それぞれの第2の電極固定部24aの他方の面は、金属接合層を介して第2の絶縁層5に接合されており、それぞれの金属接合層は前記第2の検出リード層16に導通している。
Each of the first
動作空間7内において機能層20から分離されて形成された各機能部のうちの前記固定支持部22a,22b,22c,22dと第1の電極固定部23aおよび第2の電極固定部24a以外の部分は、支持基板2および閉鎖部材4の双方に固定されていない。図2に示すように、動作空間7内では、支持基板2の内面に、機能層20の前記各部分に対向する凹部2aが形成されている。同様に閉鎖部材4の内面にも前記各部分に対向する部分に凹部4aが形成されている。
Among the functional parts formed separately from the
機能層20では、前記固定支持部22aから第1の弾性変形部25aが延びており、同様に、固定支持部22b,22c,22dから第1の弾性変形部25b,25c,25dがそれぞれ延びている。第1の弾性変形部25a,25b,25c,25dは、動作空間7の中心に向かって放射状に延びている。動作空間7の中心部には四角い枠状の検出回動部26が設けられている。第1の弾性変形部25aは、リンク支点部27aを介して、検出回動部26の右上の角部に連結されている。同様に、第1の弾性変形部25b,25c,25dは、それぞれリンク支点部27b,27c,27dを介して検出回動部26の角部に連結されている。
In the
第1の弾性変形部25a,25b,25c,25dが曲げ変形し、且つリンク支点部27a,27b,27c,27dが変形することで、検出回動部26は、支持基板2の面と平行な面内で時計方向および反時計方向へ回動することが可能である。
When the first
検出回動部26の4つの外辺には、外側へ延びる複数の可動電極部28が一体に形成されている。それぞれの可動電極部28は、検出回動部26の中心(図11の平面図での図心)から離れるにしたがって間隔が広がるように放射状に形成されている。
A plurality of
複数の前記第1の電極固定部23aには、検出回動部26の中心に向けて放射状に延びる第1の固定電極部23が一体に形成されており、複数の前記第2の電極固定部24aには、検出回動部26の中心に向けて放射状に延びる第2の固定電極部24が一体に形成されている。それぞれの可動電極部28は、第1の固定電極部23と第2の固定電極部24との間に挟まれている。全ての第1の固定電極部23は、可動電極部28に対して時計方向に対向しており、全ての第2の固定電極部24は、可動電極部28に対して反時計方向に対向している。
The plurality of first
検出回動部26が時計方向へ回動すると、それぞれの可動電極部28と第1の固定電極部23との対向間隔が狭くなって、可動電極部28と第1の固定電極部23との間の静電容量が大きくなる。逆に可動電極部28と第2の固定電極部24との間の間隔が広くなって静電容量が低下する。検出回動部26が反時計方向へ回動すると、可動電極部28と第1の固定電極部23との間の静電容量が低下し、可動電極部28と第2の固定電極部24との間の静電容量が大きくなる。第1の固定電極部23から得られる静電容量の変化による検出出力と、第2の固定電極部24から得られる静電容量の変化による検出出力との差を求めることで、検出回動部26の時計方向および反時計方向への回動量を検出することが可能である。
When the
また、検出回動部26が、回動方向以外の方向であるX方向やY方向へ直線的に移動し、または支持基板2の面と垂直な方向であるZ方向へ動いたときは、1つの可動電極部28と第1の固定電極部23との対向面積の変化と、前記可動電極部28と第2の固定電極部24との対向面積の変化とが同じになり、第1の固定電極部23からの検出出力と第2の固定電極部24からの検出出力との差を求めることで、検出出力が相殺される。したがって、検出回動部26の本来の検出方向である回動方向以外の動作による外乱ノイズが検出出力に重畳することがない。
Further, when the
検出回動部26は、図示右側でY方向に延びる右側支持部26aと、図示左側でY方向に延びる左側支持部26bと、左右の両支持部26a,26bの中間においてY方向に延びる中間支持部26cとを有している。
The
右側支持部26aと中間支持部26cとの間に、第1の駆動質量部29aが設けられ、左側支持部26bと中間支持部26cとの間に、第2の駆動質量部29bが設けられている。
A first
図7にも示すように、第1の駆動質量部29aの右側部はY方向に間隔を空けて設けられた2つの第2の弾性変形部30a,30bを介して右側支持部26aに支持されているとともに、左側部はY方向に間隔を空けて設けられた2つの第2の弾性変形部30c,30dを介して中間支持部26cに支持されている。第2の駆動質量部29bの右側部はY方向に間隔を空けて設けられた2つの第2の弾性変形部30e,30fを介して中間支持部26cに支持されているとともに、左側部はY方向に間隔を空けて設けられた2つの第2の弾性変形部30g,30hを介して左側支持部26bに支持されている。
As shown also in FIG. 7, the right side portion of the first
左右の合計4箇所で第2の弾性変形部30a,30b,30c,30dで支持された第1の駆動質量部29aは、検出回動部26の内部において、支持基板2の面と平行なX方向へ往復移動自在である。同様に、左右の合計4箇所で第2の弾性変形部30e,30f,30g,30hで支持された第2の駆動質量部29bも、検出回動部26の内部において、支持基板2の面と平行なX方向へ往復移動自在である。
The first
図3は、第1の駆動質量部29aが4個の第2の弾性変形部30a,30b,30c,30dで支持されている状態を示す部分拡大図である。
FIG. 3 is a partially enlarged view showing a state in which the first driving
図3(A)に示すように、第1の駆動質量部29aは長辺がY方向に向けられた長方形状である。第1の駆動質量部29aの右側部にはZ方向に貫通してY方向に長い長穴36aが形成されているとともに、この長穴36aの右側に連結弾性変形部35aが一体に形成されている。連結弾性変形部35aは、Y側の両端部35c,35dが第1の駆動質量部29aと一体化されており、両端部35c,35dを支点としてX方向へ湾曲変形可能である。第1の駆動質量部29aの左側部には長穴36bを介して連結弾性変形部35bが一体に形成されている。連結弾性変形部35bは、Y方向の両端部35e,35fを介して第1の駆動質量部29aに一体に連結されているとともに、両端部35e,35fを支点としてX方向へ湾曲変形可能である。
As shown in FIG. 3A, the first
第2の弾性変形部30a,30bは、検出回動部26の右側支持部26aと連結弾性変形部35aとを連結している。第2の弾性変形部30aと第2の弾性変形部30bは、X方向に延びる線を挟んで線対称形状である。第2の弾性変形部30c,30dは、検出回動部26の中間支持部26cと連結弾性変形部35aとを連結している。第2の弾性変形部30cと第2の弾性変形部30dは、X方向に延びる線を挟んで線対称形状である。また、第2の弾性変形部30aと第2の弾性変形部30cとがY方向に延びる線を挟んで線対称形状であり、第2の弾性変形部30bと第2の弾性変形部30dもY方向に延びる線を挟んで線対称形状である。
The second
図4(A)に、第2の弾性変形部30aが拡大されて示されている。第2の弾性変形部30aの基端連結部31は、検出回動部26の右側支持部26aに一体に連結されており、基端連結部31には質量を低減させるための穴31aがZ方向に貫通して形成されている。第2の弾性変形部30aの先端連結部32は連結弾性変形部35aに一体に連結されており、先端連結部32には質量を低減させるための穴32aがZ方向に貫通して形成されている。
FIG. 4A shows the second
基端連結部31と先端連結部32との間には、第1の梁33と第2の梁34とが設けられている。第1の梁33のY1側の端部33aは基端連結部31に一体に連結され、Y2側の端部33bは先端連結部32に一体に連結されている。同様に、第2の梁34のY1側の端部34aは基端連結部31に一体に連結され、Y2側の端部34bは先端連結部32に一体に連結されている。
A
第1の梁33と第2の梁34は、Z方向に貫通する空間部38を挟んで互いに平行に形成されている。そして、空間部38をY方向に二分する中央部において、第1の梁33と第2の梁34を連結する連結梁37が一体に形成されている。第1の梁33は、端部33aから端部33bまで幅寸法および断面積が均一であり、第2の梁34も、端部34aから端部34bまで幅寸法および断面積が均一である。
The
第1の梁33と第2の梁34は、幅寸法および断面積が同一であってもよいし、異なっていてもよい。図4(A)に示すように、第1の梁33には面内駆動部材41が取り付けられ、第1の梁33に変形力が与えられるため、第1の梁33の幅寸法および断面積が第2の梁34よりも大きいことが好ましい。
The
面内駆動部材41は、圧電素子であり、第1の梁33のZ方向に向く上面と下面の双方に設けられている。第1の梁33はシリコンウエハから分離されたものであって導電性である。よって、第1の梁33の上面と下面に絶縁層が形成され、この絶縁層の上に下部電極層と圧電素子層と上部電極層とが順に積層されて前記面内駆動部材41が形成されている。
The in-
上部電極層と下部電極層との間に、交流電圧を印加すると、第1の梁33の上下両面に設けられた面内駆動部材41が一緒に伸びまた一緒に縮み、その結果、図4(B)に示すように、第1の梁33は基端連結部31が支持端となって、先端連結部32がX1−X2方向へ移動するように曲げ変形振動を生じる。
When an AC voltage is applied between the upper electrode layer and the lower electrode layer, the in-
第1の駆動質量部29aを支持している他の第2の弾性変形部30b,30c,30dは、図4(A)に示す第2の弾性変形部30aとは向きが相違し、または対称形状であるが、その構造は実質的に同じである。すなわち、第2の弾性変形部30b,30c,30dも、第1の駆動質量部29aから離れる側に第1の梁33が設けられ、第1の駆動質量部29aに接近する側に第2の梁34が設けられている。そして、第1の梁33の上下両面に面内駆動部材41が設けられている。
The other second
なお、前記面内駆動部材41は、第1の梁33の上面と下面のいずれか一方の面のみに設けられていてもよい。これは以下の他の実施の形態においても同じである。
The in-
図7(A)に示すように、左側の第2の駆動質量部29bの右側部には連結弾性変形部35gが形成され、左側部に連結弾性変形部35hが形成されている。連結弾性変形部35g,35hの構造は、第1の駆動質量部29aに設けられた連結弾性変形部35a,35bと同じである。第2の弾性変形部30e,30fは、中間支持部26cと連結弾性変形部35gとを連結しており、第2の弾性変形部30g,30hは、左側支持部26bと連結弾性変形部35hとを連結している。
As shown in FIG. 7A, a connecting
第2の駆動質量部29bを4箇所で支持している第2の弾性変形部30e,30f,30g,30hは、図4(A)に示す第2の弾性変形部30a,30b,30c,30dと構造が実質的に同じであり、それぞれが、第2の駆動質量部29bから離れる側に第1の梁33を有し、第2の駆動質量部29bに接近する側に第2の梁34が設けられ、第1の梁33の上下両面に面内駆動部材41が設けられている。
The second
枠状の検出回動部26と第1の弾性変形部25aおよび固定支持部22aのそれぞれの下面には絶縁層を介してリードパターンが形成されている。合計8箇所に設けられた第2の弾性変形部30aないし30hの第1の梁33に設けられた面内駆動手段41の一方の電極層が、前記リードパターンに接続されている。さらに、前記リードパターンは、駆動リード層11を介して駆動電極パッド11aに接合されている。
A lead pattern is formed on the lower surface of each of the frame-shaped
枠状の検出回動部26と第1の弾性変形部25aおよび固定支持部22aのそれぞれの下面には、絶縁層を介してさらに他のリードパターンが形成されている。合計8箇所に設けられた面内駆動手段41の他方の電極層は、前記リードパターンに接続されている。さらに、前記リードパターンは、接地リード層13を介して接地電極パッド13aに導通されている。
Still another lead pattern is formed on the lower surface of each of the frame-shaped
第2の弾性変形部30a,30b,30g,30hに設けられた面内駆動部材41がY方向へ伸び変形するときに、弾性変形部30c,30d,30e,30fに設けられた面内駆動部材41がY方向に縮み変化し、逆に、第2の弾性変形部30a,30b,30g,30hに設けられた面内駆動部材41がY方向へ縮み変形するときに、弾性変形部30c,30d,30e,30fに設けられた面内駆動部材41がY方向に延び変形するように、それぞれの面内駆動部材41の分極方向が設定され、または上下の電極層の駆動リード層11と接地リード層13への接続状態が選択されている。よって、右側の第1の駆動質量部29aがX1方向へ駆動されたときに第2の駆動質量部29bがX2方向へ駆動され、右側の第1の駆動質量部29aがX2方向へ駆動されたときに第2の駆動質量部29bがX1方向へ駆動されるように、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bが、X方向へ互いに逆向きに振動するように駆動される。
When the in-
図5と図6は、前記第1の梁33に取り付けられる面内駆動部材の他の例を示している。
5 and 6 show another example of the in-plane driving member attached to the
図5(A)に示す実施の形態では、第1の弾性変形部の第1の梁33の上下両面に面内駆動部材41が、第2の梁34の上下両面に面内駆動部材42が設けられている。これら面内駆動部材41,42は、いずれも第1の梁33と第2の梁34の上下面に絶縁層を形成し、その表面に下部電極層と圧電素子層および上部電極層を順に重ねて積層することで形成されている。
In the embodiment shown in FIG. 5A, the in-
第1の梁33に設けられた面内駆動部材41がY方向に伸びるときに、第2の梁34に設けられた面内駆動部材42がY方向へ縮むように、面内駆動部材41,42を構成する圧電素子層の分極方向や上下の電極層の駆動リード層11と接地リード層13への接続状態が選択されている。その結果、図5(B)に示すように、基端連結部31を支持端として、先端連結部32がX1−X2方向へ触れるように曲げ変形振動する。
When the in-
図6(A)に示す実施の形態では、第1の梁33の連結梁37よりもY2側の上下面と、第2の梁34の連結梁37よりもY1側の上下面に、同じ面内駆動部材43が設けられており、第2の梁34の連結梁37よりもY1側の上下面と、第2の梁34の連結梁37よりもY2側の上下面に、同じ面内駆動部材44が設けられている。面内駆動部材43,44は、いずれも第1の梁33と第2の梁34の上下面に絶縁層を形成し、その表面に下部電極層と圧電素子層および上部電極層を順に重ねて積層することで形成されている。
In the embodiment shown in FIG. 6A, the upper and lower surfaces of the
2つの面内駆動部材43,43がY方向に伸びるときに、2つの面内駆動部材44,44がY方向へ縮み、面内駆動部材43,43がY方向に縮むときに、2つの面内駆動部材44,44がY方向へ伸びるように、面内駆動部材43,44を構成する圧電素子層の分極方向や上下の電極層の駆動リード層11と接地リード層13への接続状態が選択されている。その結果、図6(B)に示すように、基端連結部31を支持端として、先端連結部32がX1−X2方向へ触れるように、第1の梁33と第2の梁34の双方がS字状に曲げ変形振動する。このとき、先端連結部32が、X−Y平面内であまり回動することなくX1−X2方向へ振動するため、第2の弾性変形部30aないし30hと、連結弾性変形部35a,35b,35g,35hとの連結部に捩じり応力が作用しにくくなる。
When the two in-
図5または図6に示すように、1つの第2の弾性変形部に2種類の面内駆動部材が設けられ、2種類の面内駆動部材を別々に駆動する必要が有る場合、それぞれの面内駆動部材の一方の電極層は、接地リード層13に接続されるが、他方の電極層は、駆動リード層11と駆動リード層12に別々に接続される。
As shown in FIG. 5 or FIG. 6, when two types of in-plane driving members are provided in one second elastically deformable portion and the two types of in-plane driving members need to be driven separately, the respective surfaces One electrode layer of the inner drive member is connected to the
図4ないし図6に示すように、第2の弾性変形部30aないし30hは、基端連結部31と先端連結部32との間に、2つの梁33,34が互いに平行に設けられたいわゆるラーメン構造であるため、2つの梁33,34がX−Y平面内でX1方向とX2方向へ撓む際に、2つの梁33,34がX−Y平面と平行に動きやすく、X−Y平面に対して捻れ方向に変形しにくい。また、基端連結部31と先端連結部32が、図4(A)に示す変形前の平行状態を保ったまま、先端連結部32がX1−X2方向へ移動するので、先端連結部32と連結弾性変形部35aとの連結部にX−Y平面内での捩じりが生じにくい。また、この連結部で若干の捻れが生じても、この捩れは、連結弾性変形部35aの撓み変形で吸収される。
As shown in FIGS. 4 to 6, the second elastically
また、第2の弾性変形部30aないし30hは、図4ないし図6に示すように、第1の梁33と第2の梁34の中間点が連結梁37で連結されているため、第1の梁33と第2の梁34が、X方向の間隔を保ったまま変形できるようになる。よって、面内駆動部材41ないし44で発せられる駆動力が、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bに対して、損失があまり無い状態で伝達される。
Further, as shown in FIGS. 4 to 6, the second
第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bは、機能層20であるシリコンウエハから分離されて形成されている。そこで、図3(B)に示すように、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bの上に、シリコンよりも比重の大きい錘層39が形成されている。錘層39は、Mo、Hf、Ta、W、Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt、Auなどのいずれかまたはこれらの合金で形成される。
The first
次に、前記垂直軸角速度センサ1の動作を説明する。
図1に示す接地電極パッド13aを接地電位とし、駆動電極パッド11aに交流の駆動電圧を与え、または駆動電極パッド11aと駆動電極パッド12aに交流の駆動電圧を与えると、それぞれの第2の弾性変形部30aないし30hに設けられた面内駆動部材41(図4参照)または面内駆動部材41,42(図5参照)あるいは面内駆動部材43,44(図6参照)が、駆動される。このときの駆動力で、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bが、支持基板2の面と平行なX−Y平面内においてX1−X2方向へ駆動される。図7(B)において矢印(i)(ii)で示すように、第1の駆動質量部29aがX1方向へ駆動されるときに第2の駆動質量部29bがX2方向へ駆動され、第1の駆動質量部29aがX2方向へ駆動されるときに第2の駆動質量部29bがX1方向へ駆動される。このように、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bは、位相が逆となるように振動駆動される。
Next, the operation of the vertical axis angular velocity sensor 1 will be described.
When the
駆動中の垂直軸角速度センサ1が角速度を有して運動し、その角速度のベクトルがX−Y平面内に位置しているとき、すなわち、垂直軸角速度センサ1が、X−Y平面に垂直なOz軸回りの角速度を有して運動しているとき、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bに対して、その駆動時の速度ベクトルと直交する向き(Y1−Y2方向)のコリオリの力が作用する。第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bが互いに逆向きの速度ベクトルを有して運動するため、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bに対してY1−Y2方向への互いに逆向きのコリオリ力が作用する。
When the driven vertical axis angular velocity sensor 1 moves with an angular velocity and the vector of the angular velocity is located in the XY plane, that is, the vertical axis angular velocity sensor 1 is perpendicular to the XY plane. When moving at an angular velocity around the Oz axis, the first
第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bに作用するコリオリ力は、第2の弾性変形部30aないし30hを介して検出回動部26に作用する。第1の駆動質量部29aに作用するコリオリ力と、第2の駆動質量部29bに作用するコリオリ力は、Y方向において互いに逆向きである。そのため、検出回動部26に偶力が作用し、検出回動部26が、図7(B)において(iii)(iv)で示すように、垂直軸Oz回りに回動振動を生じる。この回動振動により、それぞれの可動電極部28と第1の固定電極部23との対向距離および静電容量が変化し、可動電極部28と第2の固定電極部24との対向距離および静電容量が変化する。
The Coriolis force acting on the first
図1に示す通電電極パッド14aには、パルス状の電圧が与えられ、この電圧は、通電シード層14からシリコンの固定支持部22cに与えられる。パルス状の電圧は、第1の弾性変形部25cを通じて、シリコン製の検出回動部26に与えられ、さらに可動電極部28に与えられる。電圧のパルスの立ち上がり時に第1の固定電極部23に短時間に流れる電流の電流値は、可動電極部28と第1の固定電極部23との間の静電容量の変化に応じて変動し、これは第2の固定電極部24に流れる電流においても同じである。第1の固定電極部23の検知出力と第2の固定電極部24の検知出力との差を求めることで、検出回動部26の回動時の振幅を検知でき、これにより角速度を換算することが可能になる。
A pulse voltage is applied to the energizing
第2の弾性変形部30aないし30hは、図4ないし図6に示すいわゆるラーメン構造であり、Y方向の剛性が高い。そのため、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bにY1−Y2方向のコリオリ力が作用したときに、第2の弾性変形部30aないし30hが座屈することなく、その力が検出回動部26に与えられる。よって、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bおよび検出回動部26が一体となって(iii)(iv)方向へ回動できるようになる。
The second
図8ないし図11は水平軸角速度センサ1Aを示している。図8と図9は駆動質量部を支持している第3の弾性変形部を示す部分平面図、図10は駆動質量部の動作を示す説明図、図11(A)(B)は、水平軸角速度センサの動作説明図である。 8 to 11 show the horizontal axis angular velocity sensor 1A. 8 and 9 are partial plan views showing a third elastic deformation part supporting the driving mass unit, FIG. 10 is an explanatory view showing the operation of the driving mass unit, and FIGS. 11A and 11B are horizontal views. It is operation | movement explanatory drawing of an axial angular velocity sensor.
水平軸角速度センサ1Aは、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bを支持している第3の弾性変形部および面垂直駆動部材の形状と構造が、垂直軸角速度センサ1の第2の弾性変形部30aないし30hおよび面内駆動部材41ないし44と相違しているだけであり、その他の構成は、垂直軸角速度センサ1と実質的に同じである。
In the horizontal axis
図8には、第1の駆動質量部29aの右側部を検出回動部26の右側支持部26aに支持する第3の弾性変形部50aが示されている。第3の弾性変形部50aは、シリコンウエハから第1の駆動質量部29aおよび検出回動部26と一緒に切り出されたものであり、第3の弾性変形部50aのZ方向の厚さ寸法は、第1の駆動質量部29aおよび検出回動部26と同じである。
FIG. 8 shows a third
第3の弾性変形部50aは、Y1側の固定端51aが検出回動部26の右側支持部26aに一体に固定された第1の外側リンク部52aと、Y2側の固定端51bが右側支持部26aに一体に固定された第2の外側リンク部52bを有している。第1の外側リンク部52aの内側には第1の内側リンク部53aが設けられており、第1の内側リンク部53aのY1側の端部は捩じり変形部54aを介して、第1の駆動質量部29aの右側部に一体に連結されている。第2の外側リンク部52bの内側には第2の内側リンク部53bが設けられており、第2の内側リンク部53bのY2側の端部は捩じり変形部54bを介して、第1の駆動質量部29aの右側部に連結されている。
The third
第3の弾性変形部50aの中央部には連結部55が設けられている。この連結部55そのものは変形しない。第1の外側リンク部52aのY2側の端部は捩じり変形部56aを介して前記連結部55に連結されており、第2の外側リンク部52bのY1側の端部は捩じり変形部56bを介して連結部55に連結されている。また、第1の内側リンク部53aのY2側の端部は捩じり変形部57aを介して連結部55に連結され、第2の内側リンク部53bのY1側の端部は捩じり変形部57aを介して連結部55に連結されている。
A connecting
第1の外側リンク部52aのZ1方向に向く上面と、第2の外側リンク部52bの上面に面垂直駆動部材61,61が設けられている。面垂直駆動部材61,61は、シリコンウエハで形成された第1の外側リンク部52aと第2の外側リンク部52bの表面に絶縁層を形成し、その上に下部電極層と圧電素子層および上部電極層を積層したものである。例えば下部電極層が図1に示したのと同等の接地リード層13に接続され、上部電極層が図1に示したのと同等の駆動リード層11に接続され、面垂直駆動部材61,61に対して同時に交流の駆動電圧が与えられる。
Surface
図11(A)に示すように、第1の駆動質量部29aはX1側の側部が前記第3の弾性変形部50aを介して、検出回動部26の右側支持部26aに支持されており、左側の側部は前記第3の弾性変形部50aと左右対称形状の第3の弾性変形部50bを介して検出回動部26の中間支持部26cに支持されている。第2の駆動質量部29bの右側部は前記第3の弾性変形部50aと同じ形状の第3の弾性変形部50cを介して中間支持部26cに固定され、第2の駆動質量部29bの左側部は前記第3の弾性変形部50bと同じ構造の第3の弾性変形部50dを介して左側支持部26bに支持されている。
As shown in FIG. 11A, the first driving
1つの弾性変形部に設けられている2つの面垂直駆動部材61,61が同じ時刻にY方向へ伸び変形し、同じ時刻に縮み変形し、これを繰り返す。図10(A)は、第1の駆動質量部29aを支持している第3の弾性変形部50aの面垂直駆動部材61,61および第3の弾性変形部50bの面垂直駆動部材61,61がY方向へ伸びた瞬間を示している。第1の外側リンク部52aと第2の外側リンク部52bが、共にZ1側が凸状となるように湾曲変形するため、捩じり変形部56a,56bが捩れて連結部55がZ2方向へ移動し、さらに捩じり変形部54a,54bおよび捩じり変形部57a,57bが捩じり変形して、第1の駆動質量部29aがZ2方向へ移動する。また、面垂直駆動部材61,61が縮み変形すると、第1の駆動質量部29aがZ1方向へ移動する。
The two surface
ここで、第1の駆動質量部29aを支持している第3の弾性変形部50a,50bの面垂直駆動部材61,61と、第2の駆動質量部29bを支持している第3の弾性変形部50c,50dの面垂直駆動部材61,61とでは、別々の通電経路から駆動電圧が与えられる。そして、第1の駆動質量部29aがZ1方向へ移動したときには第2の駆動質量部29bがZ2方向へ移動し、第1の駆動質量部29aがZ2方向へ移動したときには第2の駆動質量部29bがZ1方向へ移動するように、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bとが、Z方向へ互いに逆の位相となるように振動駆動される。
Here, the surface
図9は、第3の弾性変形部50aに取り付けられる面垂直駆動部材の他の実施の形態を示す拡大平面図である。
FIG. 9 is an enlarged plan view showing another embodiment of the surface vertical drive member attached to the third
図9に示す例では、第1の外側リンク部52aのY1側に第1の面垂直駆動部材62が設けられ、Y2側に第2の面垂直駆動部材63が設けられている。また、第2の外側リンク部52bでは、Y2側に第1の面垂直駆動部材62が設けられ、Y1側に第2の面垂直駆動部材63が設けられている。第1の面垂直駆動部材62と第2の面垂直駆動部材63は、異なる位相で駆動され、第1の面垂直駆動部材62が伸びると第2の面垂直駆動部材63が縮み変形する。
In the example shown in FIG. 9, a first surface
その結果、図10(B)に示すように、第1の外側リンク部52aと第2の外側リンク部52bがS字変形となり、その結果、連結部55に連結されている捩じり変形部56a,56bなどに必要以上の大きな捩じり変形力が作用するのを防止できるようになっている。
As a result, as shown in FIG. 10B, the first
図11(B)は、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bとが、矢印(v)(vi)で示すように、Z方向へ互いに逆の位相で振動駆動されているときに、水平軸角速度センサ1Aに角速度が作用した状態を示している。角速度のベクトルが、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bとが並ぶ方向であるX方向に延びる軸Oxに垂直な面内に向けられていると、すなわち水平軸角速度センサ1Aに軸Oz回りの角速度が作用すると、前記面内において第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bの駆動方向と直交する向きであるY1−Y2方向のコリオリ力が作用する。
In FIG. 11B, as shown by arrows (v) and (vi), the first
第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bはZ方向へ互いに逆の位相で振動しているために、第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bに作用するコリオリ力の向きはY方向において互いに逆向きである。コリオリ力が検出回動部26に偶力となって作用するために、検出回動部26が、図11(B)において矢印(vii)(Viii)で示すように、往復回動する。このときの可動電極部28と第1の固定電極部23との間の静電容量の変化、および可動電極部28と第2の固定電極部24との間の静電容量の変化を検出することで、軸Ox回りの角速度を検出することができる。
Since the first driving
前記垂直軸角速度センサ1と前記水平軸角速度センサ1Aは、検出回動部26に第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bを支持するための第2の弾性変形部30aないし30hと、第3の弾性変形部50aないし50dの形状および構造が相違するだけで、それ以外の部分の形状および寸法はほとんど同じである。したがって、第2の弾性変形部30aないし30hと第3の弾性変形部50aないし50dの形状を変えるだけで、前記垂直軸角速度センサ1と前記水平軸角速度センサ1Aをほぼ同じエッチングプロセスで形成することができる。
The vertical axis angular velocity sensor 1 and the horizontal axis
また、前記垂直軸角速度センサ1と前記水平軸角速度センサ1Aは、同じ厚さで平面的な構成でありながら、互いに直交する面内にベクトルが向く角速度を検出することができる。
In addition, the vertical axis angular velocity sensor 1 and the horizontal axis
図12は、1つの前記垂直軸角速度センサ1と2つの前記水平軸角速度センサ1Aを共通の基板内に平面的に構成した角速度センサ100を示している。
FIG. 12 shows an
この角速度センサ100は、長方形の共通支持基板102と、同じく長方形の共通閉鎖部材104(図示省略)との間に、同じく長方形の共通機能層120が挟まれている。共通支持基板102と共通機能層120は、SOI層の2つのシリコンウエハで形成されている。
In this
前記共通機能層120のシリコンウエハをエッチングで分離して、1つの前記垂直軸角速度センサ1と2つの前記水平軸角速度センサ1Aを形成する。ただし、2つの水平軸角速度センサ1Aは、一方が第1の駆動質量部29aと第2の駆動質量部29bの並び方向がY方向であり、他方は前記並び方向がX方向である。また、共通機能層120には、1つの前記垂直軸角速度センサ1と2つの前記水平軸角速度センサ1Aを区分するための仕切り層121が一体に形成されている。
The silicon wafer of the common
図12に示す角速度センサ100は、長方形の同じシリコンウエハから、1つの前記垂直軸角速度センサ1と2つの前記水平軸角速度センサ1Aが分離されて形成されているため、これら3個の角速度センサにより、角速度センサ100に作用する三次元空間内の全ての方向の角速度成分を検出することが可能である。
The
また、垂直軸角速度センサ1と水平軸角速度センサ1Aとでは、第2の弾性変形部30aないし30hと第3の弾性変形部50aないし50dの構造が相違するだけで、その他の各部の構成は同じ寸法で同じ構造であるため、シリコンウエハから図12に示す各部分をエッチングで容易に形成することができる。
In addition, the vertical axis angular velocity sensor 1 and the horizontal axis
1 垂直軸角速度センサ
1A 水平軸角速度センサ
2 支持基板
3 第1の絶縁層
4 閉鎖部材
5 第2の絶縁層
7 動作空間
11,12,13,14,15,16 リード層
11a,12a,13a,14a,15a,16a 電極パッド
20 機能層
22a,22b,22c,22d 固定支持部
23 第1の固定電極部
24 第2の固定電極部
25a,25b,25c,25d 第1の弾性変形部
26 検出回動部
28 可動電極部
29a 第1の駆動質量部
29b 第2の駆動質量部
30a,30b,30c,30d,30e,30f,30g,30h 第2の弾性変形部
31 基端連結部
32 先端連結部
33 第1の梁
34 第2の梁
41,42,43,44 面内駆動部材
50 第3の弾性変形部
52a 第1の外側リンク部
52b 第2の外側リンク部
53a 第1の内側リンク部
53b 第2の内側リンク部
61,62,63 面垂直駆動部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vertical axis | shaft
Claims (9)
一対の前記駆動質量部を前記面内において互いに逆向きに駆動し、前記可動電極と前記固定電極との対向状態の変化によって前記検出回動部の回動を検出することで、前記面内にベクトルが向いて前記駆動質量部に作用する角速度が検出されることを特徴とする角速度センサ。 A support substrate, a plurality of fixed support portions provided on the support substrate, and a detection circuit which is supported by the fixed support portion via a first elastic deformation portion and is rotatable in a plane parallel to the support substrate. A moving portion, a pair of drive mass portions supported by the detection rotation portion via the second elastic deformation portion and movable in the plane, and a pair of the drive mass portions in opposite directions in the plane An in-plane driving member that is driven on, a movable electrode unit provided integrally with the detection rotation unit, and a fixed electrode unit fixed on the support substrate and facing the movable electrode unit,
A pair of the drive mass units are driven in opposite directions within the plane, and the rotation of the detection rotation unit is detected by a change in the facing state of the movable electrode and the fixed electrode. An angular velocity sensor, wherein an angular velocity acting on the driving mass unit with a vector facing is detected.
前記固定支持部と前記支持基板との接合部および前記固定電極部の一部と前記支持基板との接合部に、前記絶縁層が残され、前記検出回動部と前記駆動質量部、前記第1の弾性変形部と前記第2の弾性変形部および前記可動電極部のそれぞれと前記支持基板との間で、前記絶縁層が除去されている請求項1ないし3のいずれかに記載の角速度センサ。 An SOI layer in which two Si layers are joined via an insulating layer is used, one Si layer is used as the support substrate, and the other Si layer is used as a functional layer, from the functional layer, the fixed layer The support part, the detection rotation part and the driving mass part, the first elastic deformation part and the second elastic deformation part, the movable electrode part and the fixed electrode part are formed separately,
The insulating layer is left at a joint portion between the fixed support portion and the support substrate, and a joint portion between the part of the fixed electrode portion and the support substrate, and the detection rotation portion, the driving mass portion, the first 4. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the insulating layer is removed between each of the first elastic deformation portion, the second elastic deformation portion, the movable electrode portion, and the support substrate. .
請求項1ないし6のいずれかに記載の角速度センサにおいて、前記第2の弾性変形部に変えて、一対の前記駆動質量部を前記面と垂直な方向へ移動自在に支持する第3の弾性変形部が設けられるとともに、前記面内駆動部材に変えて、一対の前記駆動質量部を前記面と垂直な方向へ互いに逆向きに駆動する面垂直駆動部材が設けられて、一対の前記駆動質量部の並び方向に延びる水平軸と直交する垂直面内にベクトルが向いて前記駆動質量部に作用する角速度が検出されるものが水平軸角速度センサとして使用されており、
前記垂直軸角速度センサの前記支持基板と前記水平軸角速度センサの前記支持基板とが互いに連続する一枚の共通支持基板とされ、この共通支持基板上に、前記垂直軸角速度センサと前記水平軸角速度センサとが並んで配置されていることを特徴とする角速度センサ。 The angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 6 is used as a vertical axis angular velocity sensor,
7. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein a third elastic deformation is supported in place of the second elastic deformation portion, wherein the pair of driving mass portions are movably supported in a direction perpendicular to the surface. In addition to the in-plane drive member, a surface vertical drive member for driving the pair of drive mass units in directions opposite to each other in a direction perpendicular to the surface is provided, and the pair of drive mass units In the vertical axis perpendicular to the horizontal axis extending in the direction of the alignment, the vector is oriented and the angular velocity acting on the drive mass unit is detected is used as the horizontal axis angular velocity sensor,
The support substrate of the vertical axis angular velocity sensor and the support substrate of the horizontal axis angular velocity sensor are a single common support substrate, and the vertical axis angular velocity sensor and the horizontal axis angular velocity are provided on the common support substrate. An angular velocity sensor, wherein the sensor is arranged side by side.
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