JP2017009404A - 慣性力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小型化で高精度な慣性力センサを提供することを目的とする。
【解決手段】支持部と、前記支持部に接続するアーム部と、前記アーム部に接続する錘部と、前記錘部を駆動振動する駆動部と、前記検出素子に働く慣性力を検出する検出部と、を備える。そして、前記支持部に設けられ、前記駆動部に電気的に接続する第１の電極と、前記支持部に設けられ、前記検出部に電気的に接続する第２の電極と、前記支持部に設けられ、基準電気に接続する第３の電極と、を有する。ここで、前記第３の電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置される検出素子を有する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器などに振動子を用いた慣性力センサに関する。

従来、錘部と、この錘部を駆動振動する駆動部と、慣性力を検出する検出部と、を備える検出素子を用いて慣性力を検出するセンサが知られている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２０１５−３１５１２号公報

従来は、駆動部、検出部から電気信号を引き出す電極の数が多いために小型化が困難であるという課題を有していた。

そこで本発明の検出素子は、支持部と、前記支持部に接続するアーム部と、前記アーム部に接続する錘部と、前記錘部を駆動振動する駆動部と、前記検出素子に働く慣性力を検出する検出部と、前記支持部に設けられ、前記駆動部に電気的に接続する第１の電極と、前記支持部に設けられ、前記検出部に電気的に接続する第２の電極と、前記支持部に設けられ、基準電気に接続する第３の電極と、を有する。ここで、前記第３の電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置される検出素子を有する構成とした。

本発明によれば、小型な慣性力センサを提供することができる。

実施の形態１の慣性力センサが備える検出素子の斜視図 検出素子の上面図 図２の検出素子の一部を拡大した図 図２の検出素子の一部を拡大した別の図 同検出素子の動作原理を示す模式図 同検出素子の別の上面図 図２の検出素子の支持部を拡大した図

以下、本発明の一実施の形態における慣性力センサについて図を用いて説明する。なお、各図面において、同一部分に対する符号の付与を省略し、その説明を適宜省略することがある。また、各図面は好ましい形態の一例を示すものであり、それぞれの構成・状・数値に限定されるわけではない。また、実施の形態中で説明する各要素技術を矛盾 の無い範囲で適宜組み合わせることは可能である。

図１は、慣性力の一種である角速度を検出するための検出素子２を示した斜視図、図２は、検出素子２の上面図、図３は、図１の破線部を拡大した図である。

検出素子２は、第１の基板２ａと、第２の基板２ｂと、第３の基板２ｃと、積層した構造である。

第１の基板２ａは、単結晶のシリコン基板を用いている。単結晶シリコン基板は、加工が容易であるだけでなく、表面が平滑で、しかも平面度を得やすいので、他の基板との接合が実施しやすいという特徴を有している。しかしながら、本発明はこれに必ずしも限定されることはない。例えば、水晶や酸化マグネシウム単結晶基板などの単結晶基板、ガラス基板や石英基板等の非晶質基板、またはアルミナやジルコニウム等のセラミック基板等を用いても良い。

第２の基板２ｂは、第１の基板２ａと同じシリコン基板を用いている。これは第１の基板２ａや第３の基板２ｃとの接合が精度良く実施できるためであるが、他の単結晶基板やガラス基板等を用いても良い。

更に第１の基板２ａと第２の基板２ｂとは互いに同じ基板で形成されていてもよい。具体的には第１の基板２ａを加工し、必要な部分に凹凸形状を設けることにより、第１の基板２ａと第２の基板２ｂとの二つの機能を一つの基板で実現することが可能となる。

第３の基板２ｃも、単結晶のシリコン基板を用いて形成されている。これは、単結晶シリコン基板は加工精度が高く、角速度センサの振動子となる構造体を精度良く形成できるためである。しかしながら、本発明はこれに必ずしも限定されることはなく、シリコン以外の単結晶基板やガラス基板や石英基板等の非晶質基板、またはアルミナやジルコニウム等のセラミック基板等を用いても良い。なお、第１の基板２ａと第２の基板２ｂとは異なる材料を用いて形成してもよいし、一つの部材で構成してもよい。

なお、ＳＯＩ基板を用いて検出素子２を構成することもできる。この場合、第１の基板２ａがシリコン、第２の基板２ｂが埋め込み酸化膜（シリコン酸化膜）、第３の基板２ｃがシリコン、からそれぞれ構成される。

更に、ＳＯＩ基板において、予め第１の基板２ａおよび第２の基板２ｂが加工されている基板を用いて検出素子２を構成することもできる。

第３の基板２ｃは、支持部６と、アーム部８と、駆動部１０と、検出部１１と、モニタ部（図示せず）と、周縁部１６ａ、周縁部１６ｂと、を有する。

支持部６は、第３の基板２ｃの中央に設けられた矩形状の部分である。支持部６において、第３の基板２ｃと第２の基板２ｂとが接続される。

支持部６は、上面視で第３の基板２ｃの中央に設けられる。

また、支持部６は、駆動部１０に接続される第１の電極１８ａ、検出部１１に接続される第２の電極１８ｂ、モニタ部に接続される第３の電極１８ｃ、基準電位を供給する第４の電極１８ｄ、を有する。図２では、一例として、第１の電極１８ａ、第２の電極１８ｂ、第３の電極１８ｃ、はそれぞれが支持部６に２つ設けられ、第４の電極１８ｄは支持部６に１つ設ける場合を図示している。

アーム部８は、第１の部分８ａ、第２の部分８ｂ、第３の部分８ｃ、第４の部分８ｄ、第５の部分８ｅ、第６の部分８ｆ、第７の部分８ｇ、を有する。

別の表現では、アーム部８は、支持部６を中心としてＹ軸方向に伸びる一対の梁と、この梁の先端に接続された一対のアーム部８と、このアーム部８の先端部分に設けられた錘部９とから構成されている。

第１の部分８ａは支持部６からＹ軸方向に延びる。第２の部分８ｂは第１の部分８ａからＸ軸方向に延びる。第３の部分８ｃは第２の部分８ｂからＹ軸方向に延びる。第４の部分８ｄは第３の部分８ｃからＸ軸方向に延びる。第５の部分８ｅは第４の部分８ｄからＹ軸方向に延びる。第６の部分８ｆは第５の部分８ｅからＸ軸方向に延びる。第７の部分８ｇは第６の部分８ｆからＹ軸方向に延びる。

また、以上の第１の部分８ａから第６の部分８ｆからなる構造体を第１の構造としたとき、第３の基板２ｃは、図３中のＬ１に対して第１の構造に対称な第２の構造と、図３中のＬ２に対して第１の構造に対称な第３の構造と、図３中のＬ１に対して第２の構造に対称な第４の構造と、を有する。ここで、Ｌ１は、支持部６の中心を通り、Ｘ軸に平行な仮想線である。Ｌ２は、支持６部の中心を通り、Ｙ軸に平行な仮想線である。

別の表現では、アーム部８は、ＸＹ平面内で折れ曲がる複数の屈曲部を有し、支持部６を取り囲む環状の構造を有する。ここで、「屈曲部」とは、第１の部分８ａと第２の部分８ｂとが接続される部分、第２の部分８ｂと第３の部分８ｃとが接続される部分、第３の部分８ｃと第４の部分８ｄとが接続される部分、第４の部分８ｄと第５の部分８ｅとが接続される部分、第５の部分８ｅと第６の部分８ｆとが接続される部分、第６の部分８ｆと第７の部分８ｇとが接続される部分、である。

なお、アーム部８は、第１の部分８ａから第７の部分８ｇまでの全てを有する必要はない。例えば、第３の部分８ｃから第５の部分８ｅを有さずに構成することもできる。

なお、アーム部８は、第１の部分８ａから第７の部分８ｇに加えて、更に多くの部分を有して構成することもできる。

図４は、図２の一部を拡大した図である。

周縁部１６ａ（第１の周縁部）は、アーム部８の外側に設けられる部分であり、慣性力の検出に寄与しない部分である。

また、周縁部１６ａは支持部６、アーム部８、錘部９から分離した別体である。

また、周縁部１６ａと錘部９とを合わせた形は、上面視で、四角の形状になる。

周縁部１６ａはアーム部８に対向する部分と、錘部９に対向する部分とを有する。

周縁部１６ａと錘部９との間は、幅Ｗ１の隙間を設けている。

周縁部１６ａと第２の部分８ｂとの間の幅は、周縁部１６ａと第６の部分８ｆとの間の幅は等しい。この幅をＷ２とする。

周縁部１６ａと第７の部分８ｇとの間は、幅Ｗ３の隙間を設けている。

周縁部１６ｂ（第２の周縁部）は、第１の周縁部１６ａとＬ１に対して対称な構造を有する。

ここでＷ１とＷ２とＷ３とが略等しくなるようにする。Ｗ１とＷ２とＷ３との寸法が等しいと、振動子を形成するＳｉドライエッチング工程において、マイクロローディング効果を抑制することができ、振動子を精度良く加工することができる。

また好ましくは、振動子のアーム幅とＷ１・Ｗ２・Ｗ３の寸法とを同じにした方が、ドライエッチング時のライン＆スペース比が一定となり、振動子をより精度良く加工することができる。
（補足：マイクロローディング効果とは、ドライエッチングで加工するパターンの幅が小さくなると（もしくはエッチングする部分のアスペクト比：パターン幅／エッチング深さが大きくなると）、エッチング速度が低下する現象であり、エッチング速度が異なるパターンが存在すると、エッチングによる加工形状が悪化するという特徴を有している）
また振動子が振動（駆動）している際、外部衝撃などの外乱要因により、振動子の駆動アームが過振幅する場合があるが、その際、周縁部を一定距離で設けることにより、駆動アームの過振幅を抑制するストッパーとなるため、振動子の信頼性を向上することができる。

また、アーム部８には駆動部１０と検出部１１とモニタ電極部（図示せず）を設けている。

図５は、検出素子２の動作原理を説明するための図である。
駆動部１０と、検出部１１とはそれぞれ、Ａｕなどからなる上部電極１２と、Ｐｔなどからなる下部電極１３と、これらの間に配置されチタン酸ジルコン酸鉛などからなる圧電体１４と、を有する積層構造である。

ここで、下部電極１３がグランドに接続された状態で上部電極１２に正電圧が印加されると、電極の積層方向に対して圧縮力が働く。この圧縮力により電極が伸びる方向に応力が発生する。下部電極１３がグランドに接続された状態で上部電極１２に負電圧が印加されと電極に引張力が働く。この引張力により電極パターンが縮む方向に応力が発生する。

また、これとは逆にアーム部８が撓み電極に圧縮応力が生じることで負電圧が発生する。電極に引張応力が生じることで正電圧が発生する。

駆動部１０にＩＣ（図示せず）から駆動信号を印加することで、錘部９がＸ軸方向（図２中の矢印Ａ１）に振動する。以下、この振動を「駆動振動」と記載する。駆動振動が発生している状態において、振動平面（ＸＹ平面）に直交するＺ軸回りの角速度が加わることで、検出素子２にコリオリ力が生じる。このコリオリ力により錘部９が矢印１６で示すようＹ軸方向に検出振動（図２中の矢印Ａ２）し、この検出振動によるアーム部８の撓みを検出部１１により電気信号に変換しＩＣに出力する。

モニタ電極１７は、アーム部８の連接梁７の近傍に設けられる。アーム部８の駆動振動の振動状態を検出しＩＣでの駆動信号の生成にフィードバックする。

図６は、本実施の形態の慣性力センサが備える別の検出素子２０の上面図である。

検出素子２０が検出素子２と異なる点は、検出素子２０が周縁部１６ｃ（第１の周縁部）、周縁部１６ｄ（第２の周縁部）、周縁部１６ｃ（第３の周縁部）、周縁部１６ｄ（第４の周縁部）を備える点である。

図７は、検出素子２、２０の支持部を拡大した図である。図７中におけるＬ１、Ｌ２の説明は上述のものと同じである。

駆動部１０に接続される第１の電極１８ａは、Ｌ２に対して対称に２つ設けられる。

検出部１１に接続される第２の電極１８ｂは、Ｌ２に対して対称に２つ設けられる。

ここで、第１の電極１８ａと第２の電極１８ｂとは、Ｌ１に対して対称に設けられる。

モニタ部に接続される第３の電極１８ｃは、第１の電極１８ａと第２の電極１８ｂとの間に設けられる。ここで、第３の電極１８ｃは、第１の電極１８ａと第２の電極１８ｂとよりも、幅Ｄ１だけ支持部６の外周に近くなるように設けられている。

次に検出素子２０と検出素子２０を駆動・制御するＩＣとは，一般的にワイヤーボンディング等により電気的に接続する。 また検出素子２０と制御ＩＣとをパッケージを経由して電気的に接続する場合もある。ここで上記検出素子２０の各電極（電極１８ａ，電極１８ｂ，電極１８ｃ）と制御ＩＣもしくはパッケージと電気的な接続を取るワイヤーは、すべて同じ長さであることが望ましい。 これは駆動部や検出部およびモニタ部に接続されるワイヤーの長さが異なると、上記ワイヤーの共振周波数が異なり、その結果、慣性センサの振動特性などに悪影響を発生させる要因となるためである。但し、一般的に制御ＩＣやパッケージの電極配置は、一定の間隔で形成されているため、検出素子の支持部に形成される各電極部を通常の一定間隔に配置してしまうと、ワイヤー長さが異なってしまう。ここでワイヤーの長さを調整するためにＤ１の長さを調整し、各電極（電極１８ａ，電極１８ｂ，電極１８ｃ）と接続するワイヤーの長さを等しくすることにより、センサ特性の悪化を抑制することが可能となる。 更にワイヤーの長さが各電極間で等しいと、ワイヤー間で発生する寄生容量を差動出力によりキャンセルすることが容易となる。 更に層間絶縁層を用いて、検出素子内の寄生容量を悪化させずに幅Ｄ１を含めた各電極配置を実施することにより、慣性センサの高精度化を実現することが可能となる。また幅Ｄ２についてもＤ１と同様に、各電極（電極１８ａ、電極１８ｂ、電極１８ｄ）とのワイヤーの長さが均等になるようにＤ２の長さを調整することにより、慣性センサの高精度化を実現することが可能となる。

なお、第３の電極１８ｃが、第１の電極１８ａと第２の電極１８ｂとの両方に対して、支持部６の外側に設ける場合について説明したが、これに限らない。例えば、第３の電極１８ｃが、第１の電極１８ａまたは第２の電極１８ｂの一方により支持部６の外側に設けてもよい。

基準電位を供給する第４の電極１８ｄは、第１の電極１８ａと第２の電極１８ｂとの間に設けられる。ここで、第４の電極１８ｄは、第１の電極１８ａと第２の電極１８ｂとよりも、幅Ｄ２だけ支持部６の外周に近くなるように設けられている。また、第４の電極１８ｄの面積は、第１の電極１８ａ、第２の電極１８ｂ、第３の電極１８ｃの面積よりも大きくなるように設けている。好ましくは、第４の電極１８ｄの面積は、第１の電極１８ａ、第２の電極１８ｂ、第３の電極１８ｃの面積の２倍になるように設けている。ここで基準電位を供給する電極１８ｄは、慣性センサの冗長化のため、制御ＩＣやパッケージとの電気的な接続を取るワイヤーを２本にする必要があり、支持部の対称性を崩さずに安定にワイヤーでの電気的な接続を取るためには、電極１８ｄの面積は、他の電極面積の約２倍にすることが望ましい。 更に本発明では電極１８ｄを形成するためには、圧電膜をウェットエッチングでエッチングする必要があるが、電極面積が大きい程、ウェットエッチングが容易になり、エッチング残渣が発生しにくいといった特徴を有しており、安定したモノづくりを実現することが可能となる。なお上述した説明では、検出素子２０と制御ＩＣおよびＰＫＧとの接続にワイヤーボンディングの場合を例に説明したが、それに限定されるものではなく、再配線基板やＢＧＡなどを用いて接続した場合においても同様の効果を得ることが可能である。

なお、上述の説明では、圧電体を用いて検出素子を駆動振動させる例について説明したが、これに限らない。例えば、錘部９に第１の櫛歯電極を設け、この第１の櫛歯電極に静電気力を印加することで駆動振動を発生させてもよい。なお、圧電体を用いて検出振動を電気信号に変換する例について説明したが、これに限らない。例えば、錘部９に第２の櫛歯電極を設け、この第２の櫛歯電極の変位にともなう静電容量の変化に基づいて検出振動を電気信号に変換してもよい。

また、検出素子２と、ＩＣとは、例えばセラミックなどからなるパッケージ（図示せず）に実装される。検出素子２と、ＩＣと、パッケージと、慣性力センサが構成される。

本発明は、小型化で高精度な慣性力センサが要求される、例えば電子機器において有用である。

２、２０ 検出素子
２ａ 第１の基板
２ｂ 第２の基板
２ｃ 第３の基板
６ 支持部
８ アーム部
８ａ 第１の部分
８ｂ 第２の部分
８ｃ 第３の部分
８ｄ 第４の部分
８ｅ 第５の部分
８ｆ 第６の部分
８ｇ 第７の部分
９ 錘部
１０ 駆動部
１１ 検出部
１２ 上部電極
１３ 下部電極
１４ 圧電体
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 周縁部
１８ａ 第１の電極
１８ｂ 第２の電極
１８ｃ 第３の電極
１８ｄ 第４の電極

Claims (10)

1. 検出素子を備える慣性力センサであって、
   前記検出素子は、
   支持部と、
   前記支持部に接続するアーム部と、
   前記アーム部に接続する錘部と、
   前記錘部を駆動振動する駆動部と、
   前記検出素子に働く慣性力を検出する検出部と、
   前記支持部に設けられ、前記駆動部に電気的に接続する第１の電極と、
   前記支持部に設けられ、前記検出部に電気的に接続する第２の電極と、
   前記支持部に設けられ、基準電気に接続する第３の電極と、を有し、
   前記第３の電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置される慣性力センサ。
2. 前記第３の電極は前記第１の電極よりも大きな面積を有する請求項１の慣性力センサ。
3. 前記第３の電極は前記第１の電極の２倍の面積を有する請求項２の慣性力センサ。
4. 前記第３の電極は前記第１の電極及び／又は前記第２の電極より、前記支持部の外側に設けられる請求項１の慣性力センサ。
5. 前記検出素子は、前記駆動振動をモニタするモニタ部を更に有し、
   前記支持部は、前記モニタ部に電気的に接続する第４の電極を更に有し、
   前記第４の電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置される請求項１の慣性力センサ。
6. 前記第４の電極は前記第１の電極と同じ面積を有する請求項５の慣性力センサ。
7. 前記第４の電極は前記第１の電極及び／又は前記第２の電極より、前記支持部の外側に設けられる請求項５の慣性力センサ。
8. 前記検出素子は、第１の基板と、前記第１の基板に接続する第２の基板と、前記第２の基板に接続する第３の基板と、を有し、
   前記支持部と、前記アーム部と、前記錘部とは、前記第３の基板の一部である請求項１の慣性力センサ。
9. 前記検出素子に電気的に接続するＩＣと、
   前記検出素子と前記ＩＣとを実装するパッケージと、を更に備える請求項１の慣性力センサ。
10. 前記慣性力は角速度である請求項１の慣性力センサ。

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