JP2012042250A

JP2012042250A - 振動型角速度センサ

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Publication number: JP2012042250A
Application number: JP2010181839A
Authority: JP
Inventors: Hironori Sato; 優典佐藤
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2012-03-01

Abstract

【課題】小型で感度と応答性が高い振動型角速度センサを提供する。
【解決手段】支持部と、錘部と、前記錘部からそれぞれ前記支持部まで延伸し前記錘部を支持している複数の梁部と、前記錘部を時分割駆動によって複数方向に励振する励振手段と、前記支持部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、前記支持部および前記錘部の少なくとも一方の前記梁部との境界近傍に形成され、前記梁部の張力に応じて前記梁部の延伸方向に弾性変形し前記梁部の主撓み方向には実質的に変形しないばね定数安定化手段と、前記ばね定数安定化手段と結合し前記ばね定数安定化手段の振動を減衰させるダンパーと、を備える振動型角速度センサ。
【選択図】図４

Description

本発明は振動型角速度センサに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）として構成される振動型角速度センサに関する。

従来、ＭＥＭＳとして構成される振動型角速度センサが知られている。振動型角速度センサでは、参照振動の振幅が大きくなるほど感度が高くなる。したがって錘部は錘部の形態と錘部を支持する弾性体の形態とで決まる固有振動数の近傍の振動数において励振される。しかし、錘部を支持する弾性体が延びると弾性体のばね定数が変化し、それにともなって固有振動数が変化する。このような固有振動数の変化はハードスプリング効果といわれる。一定の振幅に対しては弾性体が小型化するほどハードスプリング効果が起こりやすい。ハードスプリング効果による固有振動数の変化に追従して励振することは困難であるため、振動型角速度センサが小型化するほど振幅の大きな参照振動を実現することは困難になる。特許文献１、２，３に記載されているように、錘部を支持する弾性体としての梁部が例えばＴ字形である等、錘部を支持する弾性体としての梁部に屈曲部があるとハードスプリング効果による固有振動数の変化は起こりにくくなる。

特開２０００−１９９７１４号公報特開２００７−３３３６６５号公報国際公開ＷＯ００−０７９２８８号パンフレット特開２００２−５５１１７号公報

しかし、屈曲部を形成するなどして梁部自体を柔らかくするとばね定数と固有振動数が大幅に低下する。したがって、従来の方法では、目標とする固有振動数を維持しながら弾性体のハードスプリング効果を低減することはできない。すなわち、振動型角速度センサには、小型化するほど、振幅の大きな参照振動を実現することは困難になるとともに感度を高めにくくなるという問題がある。
また、時分割駆動によって錘部を２方向に振動させることで角速度の直交する３成分を検出する振動型角速度センサでは、１方向の振動が十分減衰するまで振動方向を切り変えることができないため、応答性が悪くなるという問題がある。

本発明は、この問題を解決するために創作されたものであって、小型で感度と応答性が高い振動型角速度センサを提供することを目的の１つとする。

（１）上記目的を達成するための振動型角速度センサは、支持部と、錘部と、前記錘部からそれぞれ前記支持部まで延伸し前記錘部を支持している複数の梁部と、前記錘部を時分割駆動によって複数方向に励振する励振手段と、前記支持部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、前記支持部および前記錘部の少なくとも一方の前記梁部との境界近傍に形成され、前記梁部の張力に応じて前記梁部の延伸方向に弾性変形し前記梁部の主撓み方向には実質的に変形しないばね定数安定化手段と、前記ばね定数安定化手段と結合し前記ばね定数安定化手段の振動を減衰させるダンパーと、を備える。

本発明によると梁部の張力に応じてばね定数安定化手段が梁部の延伸方向に弾性変形することによって梁部の伸びが抑制される。このため本発明によると、錘部の参照振動の振幅を大きくしても、ハードスプリング効果による固有振動数の変化を抑えることができる。すなわち本発明によると感度が高い振動型角速度センサを実現できる。また梁部の延伸方向のばね定数は梁部の主撓み方向のばね定数に比べて格段に大きい。したがって梁部の延伸方向におけるばね定数安定化手段のばね定数が相当大きくても、梁部のハードスプリング効果を抑制できる。梁部の延伸方向におけるばね定数安定化手段のばね定数を十分大きく設定することによって、ばね定数安定化手段によって錘部の固有振動数が大幅に低くなることを防止できる。さらに、ダンパーによってばね定数安定化手段の振動を減衰させるため、時分割駆動において錘部の振動方向の切換に要する時間を短縮し、応答性を高めることができる。なお、本明細書において、主撓み方向とは、板状の構造体を厚さ方向に撓ませる任意の変位方向である。また、厚さ方向とは板状の構造体の寸法について最も長さが短くなる方向である。

（２）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記ばね定数安定化手段は、主撓み方向が前記梁部の延伸方向に一致するとともに当該主撓み方向において前記梁部と結合している板ばねの形態を有してもよい。
本発明によると板ばねの形態を有するばね定数安定化手段が梁部の延伸方向に撓むことによって梁部の伸びが抑制される。このため感度が高い振動型角速度センサを実現できる。また板ばねの形態を有するばね定数安定化手段の主撓み方向のばね定数を十分大きく設定することによって、錘部の固有振動数が大幅に低くなることを防止できる。

（３）上記目的を達成するための振動型角速度センサにおいて、前記支持部と前記錘部と前記梁部とは積層構造体からなり、前記積層構造体の積層方向において前記支持部または前記錘部を貫通する穴によって前記ばね定数安定化手段が形成され、前記ダンパーは前記穴の内部に充填された樹脂材料からなってもよい。
本発明によると、ばね定数安定化手段と支持部または錘部の残部との積層構造が同一になるため、ばね定数安定化手段を簡素な製造プロセスの中で形成することができる。また穴の内部に樹脂材料を充填することによってダンパーを形成するため、簡素な製造プロセスの中でダンパーを形成することができる。

図１Ａは本発明の実施形態にかかる斜視図。図１Ｂおよび図１Ｃは本発明の実施形態にかかる側面図。本発明の実施形態にかかるグラフ。本発明の実施形態にかかるグラフ。本発明の実施形態にかかる斜視図。図５Ａは本発明の実施形態にかかる上面図。図５Ｂは図５Ａに示すＢＢ線断面図。図５Ｃは図５Ａに示すＣＣ線断面図。図５Ｄは図５Ａの部分図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる上面図。本発明の実施形態にかかる上面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．ハードスプリング効果とその抑制原理
図１Ａに示すように梁Ｒの両端が２つの支持体Ｓ１、Ｓ２に固定されているとき、梁Ｒの厚さ方向について変位ａと復元力Ｆの関係を考える。梁Ｒの中間点の変位ａが小さい範囲ではフックの法則Ｆ＝ｋａが近似的に成立する。ばね定数ｋは変位ａの関数であって、変位ａが大きくなるとばね定数ｋは大きくなり梁Ｒはばねとして硬くなる。

図２は梁Ｒを励振する駆動電圧の大きさ（振幅）毎に梁Ｒの中間点の振幅と振動数の関係を示したグラフである。駆動電圧Ｖが大きくなるほど梁Ｒの振幅は増大する。また駆動電圧Ｖの振動数が固有振動数に近くなるほど梁Ｒの振幅は増大する。相対的に高い駆動電圧Ｖ_４において励振する場合、相対的に低い駆動電圧Ｖ_１において励振するよりも高い振動数において梁Ｒの振幅が極大になる。すなわち、梁Ｒの中間点の振幅が大きくなると梁Ｒの中間点の固有振動数が高くなる。これは梁Ｒの中間点の変位ａの増大に伴って梁Ｒの主撓み方向である厚さ方向のばね定数ｋが大きくなるからである。これをハードスプリング効果という。

相対的に低い駆動電圧Ｖ_１において励振する場合、梁Ｒの中間点の振幅が極大になる固有振動数を境にして梁Ｒの中間点の振幅と振動数の関係は対称である。一方、相対的に高い駆動電圧Ｖ_４において励振する場合、図３において実線によって示すように、梁Ｒの中間点の振幅が極大になる固有振動数よりも高い振動数において振動する範囲では振動数に対する振幅の変化率の絶対値が、振幅が極大になる固有振動数よりも低い振動数において振動する範囲に比べて大きくなる。振動数に対する振幅の変化率の絶対値が大きくなると、駆動電圧によって振幅を制御することが困難になる。すなわち大きな振幅で梁Ｒを安定して励振することは困難である。なお、図３に示すグラフにおいて、実線は駆動電圧Ｖ_４において梁Ｒを励振するときに梁Ｒの中間点の振幅と振動数の関係を示し、破線は振幅が極大となる振動数を境にして梁Ｒの中間点の振動数と振幅の関係が対称である関係を示している。

ところで図１Ｂに示すように支持体Ｓ１、Ｓ２の位置が相対的に固定されているとき、変位ａが大きくなるほど梁Ｒが延びる。そこで変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくすることにより、ハードスプリング効果を抑制する。

図１Ｃに示すように、梁Ｒの両端が固定されている支持体Ｓ１、Ｓ２の距離ｄが変位ａの増加に伴って減少するように梁Ｒを支持すると、変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくすることができる。すなわち、梁Ｒの張力に応じて支持体Ｓ１、Ｓ２の距離ｄが縮むとき、変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくすることができる。したがって、支持体Ｓ１および支持体Ｓ２の少なくとも一方を、梁Ｒの延伸方向においてばねとして機能させることによってハードスプリング効果を抑制できる。

ただし、支持体Ｓ１および支持体Ｓ２の少なくとも一方を、梁Ｒの延伸方向においてばねとして機能させると、支持体Ｓ１、Ｓ２の位置を相対的に固定する場合に比べて梁Ｒの中間点の固有振動数は低くなる。したがって、梁Ｒの中間点の固有振動数を維持するには、梁Ｒの長さ方向における支持体Ｓ１および支持体Ｓ２のばね定数は大きいほど好ましい。また、変位ａに伴う梁Ｒの単位長さあたりの伸びを小さくするためには、梁Ｒの長さ方向における支持体Ｓ１および支持体Ｓ２のばね定数は、梁Ｒの延伸方向における梁Ｒのばね定数よりも小さいことが好ましい。

なお、支持体Ｓ１、Ｓ２が梁Ｒの中間点の振動方向と同じ方向にばねとして振動するように構成すると、梁Ｒの中間点の固有振動数が大きく変動する。したがって、支持体Ｓ１、Ｓ２は、梁Ｒの延伸方向においてはばねとして機能し、梁Ｒの中間点の振動方向においては実質的な剛体として機能するように構成される。すなわち、支持体Ｓ１、Ｓ２は、主撓み方向が梁Ｒの延伸方向に一致するとともに主撓み方向において梁Ｒと結合している板ばねの形態とする。板ばねは、厚さ方向に成分を持つ主撓み方向についてはばね定数が小さく、厚さ方向と垂直な面と平行な方向についてはばね定数は実質的に無限大として扱えるほど大きい。したがって、支持体Ｓ１、Ｓ２は、厚さ方向が梁Ｒの延伸方向に一致するとともに厚さ方向において梁Ｒと結合している板ばねの形態とすればよい。

２．第一実施例
図４および図５は本発明による振動型角速度センサの第一実施例を示している。説明の便宜のために図４および図５に示すように直交するｘｙｚ軸を定める。振動型角速度センサ１は、ＭＥＭＳとして構成され、単結晶珪素、酸化珪素、白金、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの積層構造体であって、図示しないパッケージに収容される。振動型角速度センサ１には、枠形の支持部１０、底面が十字形の柱体である錘部１５、梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄなどが形成されている。

支持部１０はパッケージに固定され、梁部１２に比べて十分厚いため、実質的に剛体として振る舞う。支持部１０は内側に梁部１２および錘部１５が収まる空間を形成し実質的に剛体として振る舞う形態であればどのような形態であっても良い。

４つの梁部１２は、いずれも一端が支持部１０に他端が錘部１５に結合している。具体的には梁部１２を構成する２つの層１０４と１０６とが支持部１０および錘部１５をも構成し、層１０４，１０６が錘部１５、梁部１２および支持部１０にわたって連続していることによって梁部１２が支持部１０と錘部１５とに結合している。４つの梁部１２は、錘部１５と支持部１０とを構成している複数の層のうち突出して厚い層１００を含まないため、錘部１５と支持部１０に対して十分ｚ方向に薄い。したがって４つの梁部１２は、それぞれ一端が支持部１０に固定された弾性梁として振る舞う。４つの梁部１２は、ｘｙ平面と平行に整列し、いずれもｘ軸と平行な方向に延伸している。梁部１２ａ、１２ｂの対はｘ方向において整列し、錘部１５のｙ方向の一端部から互いに逆方向（ｘ軸正方向およびｘ軸負方向）にそれぞれ支持部１０まで延伸している。梁部１２ｃ、１２ｄの対はｘ方向において整列し、錘部１５のｙ方向の他端部から互いに逆方向（ｘ軸正方向およびｘ軸負方向）にそれぞれ支持部１０まで延伸している。梁部１２と支持部１０と錘部１５は一方の主面がｘｙ平面と平行に整列している。すなわちｚ方向において相対的に厚い支持部１０と錘部１５のｚ方向の端部に対して、ｚ方向において相対的に薄い梁部１２が結合している。

錘部１５は、支持部１０に対して運動可能に４つの梁部１２によって支持されている。錘部１５は、支持部１０に対して固定されたｘｙｚ座標系において３次元運動する剛体として振る舞う。ｚ方向において相対的に厚い錘部１５のｚ方向の端部に対して、ｚ方向において相対的に薄い梁部１２が結合しているため、錘部１５の重心は梁部１２を含む平面からｚ方向に離間している。したがって、錘部１５にｘ方向またはｙ方向の慣性力が作用すると、錘部１５の重心の運動はｘ軸またはｙ軸周りの回転を伴う運動となる。

それぞれの梁部１２の表面の支持部１０との境界近傍に励振手段として駆動用圧電素子１３が設けられる。駆動用圧電素子１３に交流の駆動電圧を印加することによって錘部１５を振動させる。本実施形態では、ｘ軸方向の参照振動とｙ軸方向の参照振動とを時分割駆動によって異なる時に発生させる。なおｘ軸方向の参照振動とｙ軸方向の参照振動とを同時に発生させるには、たとえば駆動用圧電素子１３ａおよび駆動用圧電素子１３ｄに印加する駆動信号と駆動用圧電素子１３ｂおよび駆動用圧電素子１３ｃに印加する駆動信号との位相をずらせばよい。

梁部１２および錘部１５は、錘部１５の重心の固有振動数がｘ軸方向とｙ軸方向とｚ軸方向とで異なるように構成されている。これはｘ軸方向の参照振動がｙ軸およびｚ軸に漏れたり、ｚ軸方向の参照振動がｘ軸及びｙ軸に漏れる、所謂メカニカルカップリングを防止するためである。本実施例ではｚ軸方向、ｘ軸方向、ｙ軸方向の順に固有振動数が高くなるように梁部１２および錘部１５が構成されている（後記の表２参照）。

それぞれの梁部１２の表面の錘部１５との境界近傍に検出手段として検出用圧電素子１４が設けられる。検出用圧電素子１４は支持部１０に対する錘部１５の運動を検出する。

振動型角速度センサ１がｘ軸周りに回転するとｚ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｙ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｚ軸方向に振動している場合、ｘ軸周りの回転に伴うｙ軸と平行なコリオリ力も振動するため、振動型角速度センサ１がｘ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｚ軸の参照振動と同じ振動数においてｙ軸と平行に振動する。錘部１５の重心がｙ軸と平行に変位するとき、錘部１５のｘ軸周りの回転に伴って検出用圧電素子１４ａ、１４ｂの対と検出用圧電素子１４ｃ、１４ｄの対とは伸縮が逆になる。すなわち、検出用圧電素子１４ａ、１４ｂの対が延びるとき検出用圧電素子１４ｃ、１４ｄの対は縮み、検出用圧電素子１４ａ、１４ｂの対が縮むとき検出用圧電素子１４ｃ、１４ｄの対は延びる。

振動型角速度センサ１がｙ軸周りに回転するとｘ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｚ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｘ軸方向に振動している場合、ｙ軸周りの回転に伴うｚ軸と平行なコリオリ力も振動するため、振動型角速度センサ１がｙ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｘ軸の参照振動と同じ振動数においてｚ軸と平行に振動する。錘部１５の重心がｚ軸と平行に変位するとき、４つの検出用圧電素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは伸縮方向が揃う。すなわち４つの検出用圧電素子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは同時に延びるとともに同時に縮む。

振動型角速度センサ１がｚ軸周りに回転するとｘ軸方向に進行する錘部１５の重心に対してｙ軸と平行なコリオリ力が作用する。錘部１５がｘ軸方向に振動している場合、ｚ軸周りの回転に伴うｙ軸と平行なコリオリ力も振動するため、振動型角速度センサ１がｚ軸周りに回転すると錘部１５の重心はｘ軸の参照振動と同じ振動数においてｙ軸と平行に振動する。

４つの検出用圧電素子１４の出力信号と駆動用圧電素子１３に印加する駆動信号とに基づいてｘｙｚの各軸周りの角速度を検出する回路と、駆動用圧電素子１３に印加する駆動信号を出力して時分割駆動する回路とは、振動型角速度センサ１を構成するダイに形成しても良いし、振動型角速度センサ１を構成するダイとは別のダイに形成しても良い。

上述したように４つの梁部１２の固有振動数を維持しつつハードスプリング効果を抑制するために、ばね定数安定化手段として梁部１２毎にばね部１１が支持部１０に形成されている。ばね部１１は支持部１０の内周面近傍に形成された穴１０ｈと支持部１０の内周面との間に位置するＬ字形に屈曲した板状の部分であって、図５において等間隔のハッチングによって示されている部分である。ばね部１１と支持部１０の残部とを隔てる穴１０ｈは支持部１０を貫通している。支持部１０を貫通している穴１０ｈによって支持部１０の残部と隔てられているばね部１１は、支持部１０の残部と同一の積層構造を有する。したがって、ばね部１１のｚ方向の長さＷは支持部１０の残部のｚ方向の長さと等しく一定である。ばね部１１は屈曲部を境にして一方がｙ軸と平行に延び他方がｘ軸と平行に延び、両端が支持部１０の残部と結合している。

ばね部１１のｙ軸と平行に延びる部分においてｚ方向の一端に梁部１２の一端が結合している。具体的には梁部１２を構成する２つの層１０４、１０６とがばね部１１をも構成し、層１０４、１０６がばね部１１および梁部１２わたって連続していることによって梁部１２がばね部１１に結合している。梁部１２との結合部においてばね部１１の主撓み方向はばね部１１の厚さ方向（ｘ方向）であって、梁部１２の延伸方向（錘部１５に結合する端と支持部１０に結合する端とを結ぶ方向）と一致している。梁部１２の張力に伴ってばね部１１の梁部１２との結合部がｘ軸方向に変位する。ばね部１１の梁部１２との結合部のｘ軸方向の変位とこの変位に伴うばね部１１のｘ軸方向の復元力との関係、すなわちばね部１１のｘ軸方向（梁部１２の延伸方向）のばね定数は、図５Ｂおよび図５Ｄに示す各部位の寸法Ｔ_１、Ｔ_２、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３およびＷに相関する。ばね部１１のｘ軸方向のばね定数とＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３との関係は負の相関である。ばね部１１のｘ軸方向のばね定数とＴ_１、Ｔ_２、Ｗとの関係は正の相関である。すなわちばね部１１のｘ軸方向のばね定数を大きくするには、板ばねの厚さに対応するＴ_１およびＴ_２ならびに板ばねの幅に対応するＷを大きくし、板ばねの長さに対応するＬ_１、Ｌ_２、およびＬ_３を小さくすればよい。ばね部１１の形態は支持部１０に形成する穴１０ｈの位置および寸法によって設定される。穴１０ｈは支持部１０を貫通しているため、ばね部１１は二辺が支持部１０の残部に固定されている。穴１０ｈは支持部１０を貫通しない形態にしてもよく、この場合、ばね部１１は三辺が支持部１０の残部に固定される形態となる。ばね部１１の厚さＴ_１、Ｔ_２は屈曲部を境にして変えても良い。ばね部１１のｘ軸と平行に延びる部分を十分厚く（Ｔ_２を大きく）かつ十分短く（Ｌ_３を小さく）設計すると、ばね部１１のｙ軸と平行に延びる部分のみが実質的にばねとして機能する。ばね部１１のｚ方向の長さ（幅）Ｗは厚さＴ_１、Ｔ_２に比べて十分大きいため、ばね部１１のｚ方向のばね定数は実質的に無限大と考えられる。すなわち、ばね部１１は梁部１２の延伸方向であるｘ方向には弾性変形するが、梁部１２の主撓み方向であるｚ方向においては変形しない。ばね部１１と梁部１２との結合部が梁部１２の主撓み方向であるｚ方向に固定されている場合、その結合部がｚ方向に変位する場合に比べて錘部１５の固有振動数を高くすることができる。

図５Ｂに示すように支持部１０と梁部１２と錘部１５のｚ方向の端面がｘｙ平面と平行に整列し、梁部１２が全く撓んでいない状態を初期状態とするとき、錘部１５が支持部１０に対して運動すると４つの梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの少なくともいずれか１つの張力が増大する。この張力の増大に応じてばね部１１が撓むため、張力の増大に伴う梁部１２の伸びとばね定数の増大が抑制される。具体的には例えば錘部１５の重心が初期状態からｚ方向に変位すると、４つの梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの張力がいずれも増大し、梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄにそれぞれ結合しているばね部１１ａ，１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは梁部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの張力の増大に伴ってｘ軸方向に撓む。すなわち、梁部１２ａの伸びに伴う梁部１２ａのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ａによって、梁部１２ｂの伸びに伴う梁部１２ｂのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ｂによって、梁部１２ｃの伸びに伴う梁部１２ｃのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ｃによって、梁部１２ｄの伸びに伴う梁部１２ｄのｚ方向のばね定数の増大はばね部１１ｄによって、それぞれ抑制される。

一方、梁部１２の主撓み方向であるｚ方向における梁部１２のばね定数に比べると、梁部１２の延伸方向であるｘ方向における梁部１２のばね定数は十分大きい。したがって、梁部１２のｚ方向のばね定数に比べてばね部１１のｘ方向のばね定数を十分大きく設定しても、梁部１２の伸びを抑制し、梁部１２のｚ方向のばね定数の増大を抑制できる。そして、梁部１２のｚ方向のばね定数に比べてばね部１１のｘ方向のばね定数を十分大きく設定することにより、錘部１５の重心の固有振動数の変化を抑制できる。

ｘ軸方向およびｚ軸方向の参照振動を時分割駆動によって個別に実現するには、参照振動の方向を切り換えるために素早く振動を減衰させる必要がある。そこでダンパー２０によって穴１０ｈの内部を埋めるとともに支持部１０にダンパー２０を結合する。なお図５においてダンパー２０は樹脂ハッチングによって示されている。ダンパー２０の材料としては、梁部１２よりもばね部１１よりも弾性率やＱ値が小さいポリイミドなどの樹脂を用いる。このようなダンパー２０をばね部１２に設けることによってＱ値を下げることができる。

３．製造方法
図６から図９は図４に示した振動型角速度センサ１の製造方法を示す断面図である。なお、図８Ａおよび図９Ａは図５に示すＢＢ線断面を示し、図８Ｂおよび図９Ｂは図５に示すＣＣ線断面を示す。

はじめに図６に示すように、厚さ６２５μｍの単結晶珪素層１００と厚さ１μｍの酸化珪素層１０２と厚さ１０μｍの単結晶珪素層１０４からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を熱酸化することによって厚さ０．５μｍの絶縁層１０６を形成する。続いて絶縁層１０６の上にスパッタ法によって厚さ０．１μｍの白金からなる電極層１０８、厚さ３μｍのＰＺＴからなる圧電層１１０、厚さ０．１μｍの白金からなる電極層１１２を順に積層する。

次に図７に示すようにフォトレジストからなる２種類の図示しない保護膜部を用いたミリング法によって電極層１０８、１１２および圧電層１１０を所定形状にパターニングする。その結果、電極層１０８、１１２および圧電層１１０からなる駆動用圧電素子１３および検出用圧電素子１４、並びにおよび電極層１０８、１１２からなる図示しない配線要素（導線およびボンディングパッド）が形成される。

次に図８に示すようにフォトレジストからなる図示しない保護膜部を用いた反応性イオンエッチングによって絶縁層１０６および単結晶珪素層１０４を所定形状にパターニングする。その結果、絶縁層１０６および単結晶珪素層１０４からなる梁部１２のパターンが形成されるとともにばね部１１および錘部１５の上層部が形成される。また、支持部１０にばね部１１を形成するための穴１０ｈの上層部が形成される。

次に図９に示すようにフォトレジストからなる図示しない保護膜部を用いたＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって単結晶珪素層１００を所定形状にパターニングする。その結果、ばね部１１および錘部１５の下層部が形成される。また、支持部１０にばね部１１を形成するための穴１０ｈの下層部が形成される。

次に酸化珪素層１０２の露出している部分をエッチングによって除去する。その結果、支持部１０の穴１０ｈが貫通し、梁部１２、ばね部１１および錘部１５がリリースされる。

次にばね部１１にダンパー２０を結合する。具体的には例えば、ディスペンサーなどを用いて樹脂材料を穴１０ｈに充填した後に硬化させてもよいし、感光性樹脂を塗布して穴１０ｈに充填した後にフォトリソグラフィ技術によって不要部を除去するとともに穴１０ｈ内に残存させてもよい。

その後、ダイシング等の後工程を実施すると、図４および図５に示す振動型角速度センサ１が完成する。

支持部１０の穴１０ｈが支持部１０を貫通しているためにばね部１１が支持部１０の残部と同一の層構造を有する場合、ばね部１１が無い支持部１０を製造する場合と保護膜部のパターンが異なるだけでその他は全く同一である上記の製造方法によって、ばね部１１を形成することができる。すなわち、支持部１０を貫通する穴１０ｈによってばね部１１が形成される場合には、プロセスを追加すること無しにばね部１１を形成することができる。

８．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、図１０に示すように２つのばね部１１ａ、１１ｂに４つの梁部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを結合し、ばね部１１ａ、１１ｂを形成している穴１０ｈ内にダンパー２０を設けても良い。また例えば、図１１に示すようにばね部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを錘部１５に形成し、ばね部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを形成している穴１５ｈ内にダンパー２０を設けても良い。

また、ダンパー２０で支持部１０の穴１０ｈを完全に埋めずに、図１２、図１３に示すように穴１０ｈの一部をダンパー２０で埋めても良い。穴１０ｈの壁面を構成しているばね部１１ａ、１１ｂの幅方向（ｚ方向）の端部に梁部１２ａ、１２ｂが結合しているため、梁部１２ａ、１２ｂがｚ方向に撓むとばね部１１ａ、１１ｂはねじれる。このとき、穴１０ｈをｘｙ平面と平行に切断した断面積の増減は梁部１２ａ、１２ｂに近い側の端部と遠い側の端部とで逆になる。したがって、ダンパー２０で支持部１０の穴１０ｈを完全に埋めた場合には、ダンパー２０の体積変化が内部で一部相殺される。これに対し、図１２、図１３に示すように穴１０ｈの一端から半分程度までをダンパー２０で埋める場合には、ダンパー２０の体積変化が内部で相殺されないため、ダンパー２０による振動の減衰効果を高めることができる。

また、図１３に示すように穴１０ｈの両端をダンパー材２０ａ、２０ｂによって閉塞し、穴１０ｈの内部に空気を密封してもよい。この場合、ダンパー材２０ａ、２０ｂ自体がダンパーとして機能するだけでなく、穴１０ｈの内部に密封された空気もダンパーとして機能する。主に穴１０ｈの内部に密封された空気をダンパーとして機能させる場合には、感光性ドライフィルムなどの樹脂膜によって穴１０ｈの両端を閉塞すればよい。なお、図１３に示すように穴１０ｈの内部にダンパー材２０ｂを充填するとともにダンパー材２０ａによって穴１０ｈの一端を閉塞するには次の方法を実施すればよい。すなわち、まずフォトレジストなどの感光性樹脂を穴１０ｈに充填した後に露光深さを制御したフォトリソグラフィ技術によって不要部を除去してダンパー材２０ｂを形成する。次に感光性ドライフィルムを貼り付けて穴１０ｈの一端を閉塞し、感光性ドライフィルムの不要部を露光・現像によって除去し、ダンパー材２０ａを形成すればよい。

また、ばね定数安定化手段は板ばねの形態に限らず、例えば梁部との境界近傍において支持部または錘部を積層方向に貫通する穴によって梁部の延伸方向において剛性が低下した領域をばね定数安定化手段として構成しても良いし、支持部または錘部を積層方向に貫通する複数の穴によって形成されるハニカム構造をばね定数安定化手段として構成しても良い。また錘部を励振する励振手段は、静電引力や電磁力を用いて実現しても良い。また錘部の運動を検出する検出手段は、静電容量やピエゾ抵抗効果を用いて実現しても良い。また上記実施形態で示した材質や寸法や製造方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である変形例については説明が省略されている。

１：振動型角速度センサ、２：振動型角速度センサ、３：振動型角速度センサ、１０：支持部、１０ｈ：穴、１１ａ：ばね部、１１ｂ：ばね部、１１ｃ：ばね部、１１ｄ：ばね部、１２ａ：梁部、１２ｂ：梁部、１２ｃ：梁部、１２ｄ：梁部、１３ａ：駆動用圧電素子、１３ｂ：駆動用圧電素子、１３ｃ：駆動用圧電素子、１３ｄ：駆動用圧電素子、１４ａ：検出用圧電素子、１４ｂ：検出用圧電素子、１４ｃ：検出用圧電素子、１４ｄ：検出用圧電素子、１５：錘部、１６ｂ：ばね部、１６ｃ：ばね部、１６ｄ：ばね部、１６ｅ：ばね部、１００：単結晶珪素層、１０２：酸化珪素層、１０４：単結晶珪素層、１０６：絶縁層、１０８：電極層、１１０：圧電層、１１２：電極層、Ｒ：梁、Ｓ１：支持体、Ｓ２：支持体

Claims

支持部と、
錘部と、
前記錘部からそれぞれ前記支持部まで延伸し前記錘部を支持している複数の梁部と、
前記錘部を時分割駆動によって複数方向に励振する励振手段と、
前記支持部に対する前記錘部の運動を検出する検出手段と、
前記支持部および前記錘部の少なくとも一方の前記梁部との境界近傍に形成され、前記梁部の張力に応じて前記梁部の延伸方向に弾性変形し前記梁部の主撓み方向には実質的に変形しないばね定数安定化手段と、
前記ばね定数安定化手段と結合し前記ばね定数安定化手段の振動を減衰させるダンパーと、
を備える振動型角速度センサ。
前記ばね定数安定化手段は、主撓み方向が前記梁部の延伸方向に一致するとともに当該主撓み方向において前記梁部と結合している板ばねの形態を有する、
請求項１に記載の振動型角速度センサ。
前記支持部と前記錘部と前記梁部とは積層構造体からなり、
前記積層構造体の積層方向において前記支持部または前記錘部を貫通する穴によって前記ばね定数安定化手段が形成され、
前記ダンパーは前記穴の内部に充填された樹脂材料からなる、
請求項１または２に記載の振動型角速度センサ。