JP3061864B2 - マイクロメカニカル回転速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、静電的に励起されて互いに逆相となるよう
に振動する２つの平板状振動子を有するコリオリの原理
に基づいたマイクロメカニカル回転速度センサに関する
ものである。

コリオリ力の測定により回転速度の測定は、既に知ら
れており、一般的な形式のセンサの幾つかに利用されて
いる。現在の市場で入手可能なコリオリの回転速度セン
サでは、励起（例えば、振動の励起）および検出のため
に圧電効果が利用されている。その一例としては、EP
０ 563 761 A1、EP ０ 563 762 A1、EP ０ 52
0 467 A1、EP ０ 520 468 A2、EP ０ 533 163
A2、EP ０ 460 089 B1、GB ２ 251 072 Ａ、
CA １ 313 065 Ａ、EP ０ 298 511 B1、E0 ０
318 972 B1、EP ０ 638 783 A1、およびUS ５
247 252 Ａが挙げられる。

マイクロエンジニアリングにおいて上記の目的のため
に用いられる圧電材料は、シリコンと極めて異なる温度
依存性材料パラメータを有しているので、その結果とし
て、上記の回転速度センサは、温度依存性が高く、零点
の再生が不可能である。

マイクロメカニカル素子を備える回転速度センサは、
既に得ることができるようになっている。他方、小型の
センサを実現するための純粋にマイクロメカニカルな解
決方法は、まだ市場に出ていない。しかしながら、コリ
オリの加速度を測定するマイクロメカニカルな解決方法
は、特許公報によって既知となっている（US ５ 101
702 Ａ、CH 682 844 A5、GB ２ 251 688
Ａ、DE 40 22 495 A1、EP ０ 574 143 A1、EP
０ 634 629 A1、US ５ 203 208 Ａ、EP ０
442 280 A2、US ４ 750 364 Ａ、EP ０ 623 8
07 Ａ、EP ０ 620 415 A1、GB ２ 276 241
Ａ、US ４ 844 446 Ａ、およびDE 40 41 582 A
1参照）。

Si技術におけるマイクロメカニカル構造中の振動機構
としては、容量性アクチュエータが励起用に、容量性ブ
リッジ回路が検出用にそれぞれ提案されている（GB 92
009 30、EP ０ 586 437 A1、US ５ 207 685
Ａ、およびDE 40 41 582 A1参照）。

マイクロメカニカル振動機構の容量式駆動の最も有効
な力の方向は、互いに反対の極性が付与された対向する
２枚の平板の間の垂直方向である。この理由から、上記
のような振動機構としては、互いに反対の極性が付与さ
れた２枚の平板100および200を振動子101の駆動に利用
可能な構成を選択すると都合が良い（図４参照）。同図
における振動子の断面図の下の略信号図は、上側平板10
0（電極１）および下側平板200（電極２）のそれぞれに
付与される励起信号の変化を明示したものである。

上記構成において、上側平板100と振動子100との間の
駆動コンデンサの表面から、下側平板200と振動子101と
の間の駆動コンデンサの表面までの間の距離を非常に短
くして使用すれば、比較的低い電圧（例えば、5V）を用
いて十分に高い駆動力を得ることができるかもしれな
い。

しかしながら、この構成の不利な点は、概ね知られて
いることである（例えば、US ４ 884 446 Ａ参照）
が、図４により説明すれば、２つの駆動コンデンサの表
面の間の距離を短くすることによって同時に振動知101
の最大振幅がコンデンサ板の間隔の何分の一かに制限さ
れ、また、コンデンサの減衰を小さくするためには、振
動子の構成を包含するガス雰囲気に求められる必要条件
が必然的に高くなることである。

コリオリの加速度の影響を受けると、振動子の移動方
向に垂直な振幅が発生し、その振幅を回転速度の測定に
用いることができる。図４の例では、図示した回転速度
によって、紙面から離れる方向に向かってコリオリ力が
発生する。しかしながら、この構成は、振動子の運動の
反力がセンサの周囲に誘導され、測定値に対する干渉を
引き起こすことがあるというさらに別の不利な点を持っ
ている。

最後に述べた欠点を避けるために、図５に示されるよ
うな２つの振動子を備える構成が提案されている（GB
２ 251 688 Ａ参照）。第１の振動子50と第２の振動
子60とは、互いに逆相となるように運動する。同図の紙
面に垂直な方向のベルトを持つ回転速度により、この共
通回転軸55の周りに振動子の発振周波数でトルクが発生
する。この既知の構成を用いると、大きな振動子の振幅
を達成することができる。しかしながら、この構成は、
差動コンデンサによる容量式駆動がなされると、ウェー
ハ面に垂直に配された２つの面の間に駆動力が作用する
が、この２つの面を互いに短い距離で厳密に平行に生成
させるには必ず困難が伴うという不利な点を有してい
る。振動子50、60における不均一なエアギャップは、回
転軸の周りに励振効果を及ぼし、センサの零点にかなり
の影響を与える。この効果は、温度依存性である。この
容量性励起を用いる構成のさらなる不利な点は、駆動力
が比較的小さいことにあるが、より最近のいくつかの提
案によれば、くし状電極によって駆動力を低下させる試
みがなされている。

本発明は、振動子の運動のために生じる反力の結果と
して測定値に対する干渉が生じることがなく、駆動コン
デンサ表面の間の距離が望ましい短い距離であるにもか
かわらず、許容される振動子の振幅に関して考慮される
べき制限が概ね無いもしくは著しく少なく、マイクロメ
カニカル工学を用いて慣用効率良く製造することが可能
な、コリオリの原理に基づくマイクロメカニカル回転速
度センサを提供することを目的としてなされたものであ
る。

本発明に係る解決法は、静電励起によって互いに逆相
となるように振動する２つの平板状振動子を有するコリ
オリの原理に基づくマイクロメカニカル回転速度センサ
において、各振動子を単結晶のウェーハからマイクロメ
カニカル工学を用いて製造可能とし、ウェーハ面に垂直
な２つの面で一つの振動子が他の振動子の下になるよう
に層状に配し、振動の方向を各平板の面に垂直としたこ
とにある。これにより、エッチングやウェーハ接合のよ
うなマイクロメカニカルの工程を用いて費用効率良く製
造することが可能となる。

本発明によれば、各振動子がそれぞれ、その片側ある
いは対向する両側において平板状支持機構の一部に接続
され、上記支持機構を介してウェーハ面に垂直な方向に
振動の静電励起が行われる。上記支持機構の固有周波数
は、好ましくは振動子の固有周波数より高くなるように
選択される。さらに、各支持機構部分は、それらの反力
が互いに相殺し合うように配置される。

支持機構の２つの部分の間を動く振動子の厚みは、振
動子のウェーハ面に垂直な振動の振幅を（より一層）大
きくできるように、振動を励起する役割を果たす支持機
構の厚みより顕著に薄くなっている。他方、支持機構の
厚みは、最小の駆動コンデンサギャップであっても支持
機構の領域で振動を静電励起することができるように選
択される。

振動子は、好ましくは支持機構の各部の各々について
少なくとも１つの薄い連結ストラットを介して一続きに
接続されている。この一続きの振動子と支持機構との結
合体は、片側あるいは両側で、各々１つのスプリングス
トラットによって振動子および支持機構の構成を囲むフ
レーム内に部分的に保持されている。上記スプリングス
トラットは、好ましくは、本質的に振動子の回転運動の
みを許容し、振動子の直線的な偏向運動を抑制する板ば
ね部材あるいは傾いたスプリング部材として構成され
る。

このようなマイクロメカニカル回転速度センサの有利
な実施態様は、各振動子が、各振動子に対して支持機構
の連結ストラットとフレームの連結ストラットとを介し
て一続きに接続された各部とともに、二層のウェーハか
ら好ましくは異方性エッチングによって形成され、ウェ
ーハの各層が、相互の絶縁のために互いに対向する表面
のそれぞれが酸化されているとともに、複振動子構造を
形成するために互いにシリコン融着によって接合されて
いるものである。上記の一つの振動子が他の振動子の下
に配置された複振動子構造は、フレームに接合された非
導電性のカバープレートによって上側および下側で密封
されている。振動子構造は、このようにして形成された
ハウジング内において、真空中あるいは低圧の不活性ガ
ス雰囲気下に置かれている。

本発明および更なる有利な詳細部分については、以下
に、実施例において添付図面を参照してより詳細に説明
する。添付図面は、以下の通りである。

図１は、発明に係る特徴を備えたコリオリの原理に基
づく回転速度センサの複振動子構造を示す断面図であ
る。

図２は、図１に係る複振動子構造における、上および
下のカバープレートによって補助された合計４つのウェ
ーハ面から形成される層構造を示す分解図である。

図３は、カバープレートを、その内面に貼着された電
極との貫通接続の仕方が明らかとなるように示す基本断
面図である。

図４は、既に説明した既知の平板振動子構造を示す図
である。

図５は、同じく既に説明した、１つの面上で互いに横
に並ぶように構成された振動子を有する既知の複振動子
構造を示す図である。

図６は、発明に係る特徴を有する片側で連結された複
振動子構造を示す部分斜視図である。

図７は、図６に対応する複振動子構造において、囲み
フレーム構成を含み、上下のカバープレートを含まない
複振動子構造を示す図である。

図８は、図６に対応する複振動子構造において、（11
1）面に配されて一種の十字ばね結合を形成する１組の
連結ストラットを介して片側が連結された複振動子構造
を示す図である。

図９は、図８に対応する複振動子構造において、囲み
フレーム構成を含み、上下のカバープレートを含まない
複振動子構造を示す図である。

まず、図１は、コリオリ力を用いて回転速度信号を得
るマイクロメカニカル回転速度センサのための２層振動
子構造の基本構造および配置を断面図として示してい
る。

図５（GB ２ 251 688 Ａも参照）に係る既知の構
成が、互いに横に並ぶように配され、反対方向に振動す
る２つの質量を有しているのとは異なり、本発明の図１
にかかる実施例の場合には、上記の反対方向に振動する
構造体が、１つの面上で互いに横に並ぶように配されて
いるのではなく、互いに異なる複数の面上で一つが他の
下に配されており、さらに詳しくは、振動子の動力の反
力が互いに完全に相殺し合うようになっている。

図示した例では、振動子構成は、２つの振動素子1a、
1bおよび2a、2bを有し、各振動素子はそれぞれ、２つの
層を有している。振動素子1a、1bおよび2a、2bはそれぞ
れ、その両側において、連結ストラット9a、19aおよび9
b、19bを介して、振動素子2a、2bに関しては連結ストラ
ット9a、19aおよび9b、19bを介して、片側が平板状支持
部4a、3aおよび4b、3bに結合され、その反対側が平板状
支持部33c、33dおよび32a、32bに結合されている。平板
状支持部3a、3bおよび4a、4bと、平板状支持部32b、32a
および33c、33dについては、それぞれスプリングストラ
ット５、すなわちスプリングストラット5a、5b、5c、お
よび5dと、スプリングストラット７、すなわちスプリン
グストラット7a、7b、7c、および7dを介して、囲みフレ
ーム６、すなわち囲みフレーム6a、6b、6c、および6dに
対して一続きに接続されている。従って、個々の層、例
えば、図１における最上層は、支持部3aに対してスプリ
ングストラット5aを介して一続きに接続された囲みフレ
ーム6aを備え、支持部3aは、振動素子1aに対して連結ス
トラット19aを介して結合されている。また、振動素子1
aは、その右側で、連結ストラット9aを介して右側支持
部4aに結合しており、右側支持部4aは、フレーム6aの右
側部に対してスプリングストラット7aを介して結合され
ている。この型の振動子機構は、ウェーハ材料から、例
えば、異方性エッチング工程によって製造される。二層
の複振動子構造の個々の層間において、各ウェーハ板
は、酸化、すなわち互いに電気的に絶縁され、その後、
Si融着によって互いに接合されている。

図１より明らかなように、上側の振動子1a、1bと下側
の振動子2a、2bとの間の距離は、比較的大きく、その結
果、大きな振幅で振動することができる。逆に、左側支
持部3a、3bおよび32b、32aと左側支持部4a、4bおよび33
c、33dとの間の駆動コンデンサギャップ30は、比較的小
さく、前述したように、比較的低い水準のパルス電圧を
用いて良好な振動の励起を行うことができるようになっ
ている。上述したように、支持機構部3a、3bおよび4a、
4bと支持機構部32bと、32aおよび33c、33dとはそれぞ
れ、振動素子と比較して厚く、それらの固有周波数は、
２つの振動子1a、1bおよび2a、2bの固有周波数と異なる
ように、詳細にはより高くなるように選択されている。

スプリングストラット5aないし5dおよびスプリングス
トラット7aないし7dは、それぞれフレーム部6aないし6d
を有するフレーム６内に複振動子構造を懸吊あるいは保
持するのに供され、図２を見ればより良く分かるよう
に、ｙ軸（Ａ−Ａ）の周りの回転運動に対して追従し、
＋ｚ方向あるいは−ｚ方向への直線運動を大きく抑制す
る板ばね素子として形成されている。

見れば分かるように、図１および図２に係る複振動子
は、図５に係る既知の複振動子構成とは異なり、直接的
に励起されるのではなく、支持機構部3a、3bおよび4a、
4bと支持機構部32b、32aおよび33c、33dとのそれぞれを
介して励起される。この支持構造は、振動子1a、1bおよ
び2a、2bより大きい剛性を有しており、それゆえ振動子
の共振周波数では小さな動きしか起こさないが、比較的
大きい振動子の振幅をさらに大きくするために、この励
振を図示されているように長い距離あるいは間隔を有し
ている振動子に伝達する。振動子1a、1bおよび2a、2bは
直接駆動されないので、この間隔200は任意に広く設定
することが可能であり、これにより高品質数で振動子を
得ることが良好な安定性で実現可能となる。逆に、励起
のためのコンデンサギャップ30は、サブミクロンの範囲
内で選択することができ、その結果、低い電圧であって
も十分に大きな駆動力を得ることができるであろう。減
衰が十分に低く、かつ、励起位相が適当な値であれば、
振動子振幅は各駆動振幅について合計され、より高い水
準の振動子振幅を形成するであろう。上述した高い振動
品質は、振動子１および２の互いの距離および周囲の構
成要素からの距離をより長くすることにより実現でき
る。

図示した構成の特異な特徴点は、駆動力が、支持機構
３、４および32、33のそれぞれにおける互いに反対方向
に運動する２つの半部に駆動力を伝えるべく設けられた
底面構造上で支持されないという事実によっても分かる
であろう。逆に、駆動力は、支持機構の２つの半部の間
に直接的にのみ作用する。

この構成の場合には、２つの二層振動子１、２が反対
方向に動くので、反力が外部に放出されない。逆に、外
部からの横方向の妨害は、２つの振動子に対して互いに
反対方向に作用し、反対方向へ振動子が運動する結果と
して、出力信号では上記の妨害の影響が相殺されるよう
になっている。

軸Ａ−Ａの周りをセンサ全体が回転運動する場合に
は、２つの振動子１、２が振動面から反対の方向に移動
する。その結果、振動子の運動と同期したトルクが軸Ａ
−Ａの周りに発生し、そのトルクは支持機構によって吸
収される。支持機構３、４は、振動子１、２とともにフ
レームに固定されているので、支持機構の領域Ｂでの回
転運動を容量的に検出することが可能である。この場
合、支持機構3a、3bおよび32a、32bの左半分と、支持機
構4a、4bおよび33c、33dの右半分とに対して別個に検出
を行うことができる。それゆえ、この方法では、図面の
中心に垂直な軸の周りの回転の影響について、信号にお
ける補償、および／または、第２のチャネルでの測定を
行うことが可能である。

図示した例では、振動子および支持機構は、上述した
平行なスプリングストラット５、７および５′、７′に
よって保持されており、スプリングストラット５、７お
よび５′、７′は、図面の紙面に垂直な軸の周りの回転
剛性を増すために板ばねとして形成されている。これら
の板ばね部材は、ｙ軸の周りの振動子の回転運動を可能
にしている。２つの複新読子構造の部分1a、1b、2a、お
よび2bが上述したように互いに酸化物層によって絶縁さ
れていれば、励起用の電位と検出用の電位とが電気的に
絶縁されるので、電子復元装置および電子駆動装置の配
線および設計のみならず速度制御にもかなり都合が良
い。

領域Ｂ（図１参照）内の支持構造は非常に小さい運動
しか行わないので、この結果として、狭い駆動コンデン
サギャップ30によって回転運動の読み取り感度を高くす
ることができるというさらなる利点が得られる。

振動子の運動、すなわち励振器の振動の検出に必要な
電極と、支持機構の領域における回転運動（誘導された
回転速度）の検出に必要な電極とは、振動子機構を封止
している底板およびカバープレート26および27のそれぞ
れの内側に金属被覆として付着させてもよい。

２つの振動子について必要な低い減衰を達成するため
には、センサの実用期間にわたって振動子の周囲に安定
な負圧を維持しなくてはならない。ハウジングに必要な
気密度は、非導電性材料、例えば、ガラスからなる陽極
接合された底板あるいはカバープレート26および27によ
って達成することができる。電極の結線は、底板あるい
はカバープレートの開口を通して接続され、前記と同様
に接合されたSiアイランドによって気密となるように封
止されている。これらについては、図２を参照して以下
により詳しく説明する。

この図２は、本発明に係る構成の一種であるマイクロ
メカニカル回転速度センサの完成品を引き離して分解し
た図を示している。中央の４つの層状振動子構造は、既
に図１を参照して説明した通りである。上側の振動子１
は、２つの部分1aおよび1bを含み、これらは絶縁の目的
で互いの接触面上において酸化されており、Si融着（SF
B）によって堅固に結合されている。部分2aおよび2bを
備える振動子２は、振動１と同様の構成である。振動子
１および２は、互いに逆相で振動するように励起され
る。

望ましいコンプライアンスを設定するために、トレン
チ状のくぼみを形成する連結ストラット9a、9bおよび19
a、19bのそれぞれと連結ストラット9a、9bおよび19a、1
9bのそれぞれとの厚みとして適当な値を選択するように
してもよい。

振動子の＋ｚまたは−ｚ方向への横方向運動の検出
は、コンデンサ表面12および13を介して行われる。コン
デンサ表面12および13は、２枚の接合可能な絶縁板、す
なわちカバープレート27および底板26の内側に付着され
た金属被覆として形成され、接合されたシリコンアイラ
ンド20、21および28、31に対してこれら絶縁層の開口を
通して接続されている。上記の貫通結線は、電極自体と
全く同様の導電層を付着させる操作によって作成するこ
とができる。図２は、また、概略ブロック回路図におい
て、電子速度制御装置への接続あるいは電子リセット装
置からの接続を明示している。

同様にして、図２に示す例では底板26についてのみ示
しているが、振動子１および２から支持機構部3a、3bお
よび32a、32bのそれぞれと支持機構部4a、4bおよび33
c、32dのそれぞれとに伝達された回転速度によって誘導
された回転運動を検出するための表層状の電極８、９お
よび10、11が設けられている。これらの電極の各々は、
金属導電体路34、35、36、37、38、および39を介して、
円錐状あるいは円錐形の貫通リード14、15、16、17、18
に接続されており、貫通リード14、15、16、17、18は同
じく金属被覆されている。図３は、この型の貫通接続の
実施例を示している。円錐形の開口は、各々、センサの
上下を密封する陽極接合された導電性シリコンアイラン
ドによって外部に対して封鎖されている。これら導電性
シリコンアイランドは、小型接続板20、21、22、23、2
4、および25を同時に形成しているか、あるいは、小型
接続板20、21、22、23、24、および25とともに設けられ
ている。底板26およびカバープレート27は、フレーム
６、６′上に陽極接合されている。これらには同一のカ
バープレートを用いてもよい。電極層との電気的接続
は、シリコンアイランドあるいは小型接続板20ないし25
を介してなされていてもよい。

図２は、また、２つの複振動子がどのようにして電気
的に接続されて励起されるかを概略図で明示している。
例えば、上部の振動子1aは、フレームを介して一定の電
位＋Uconstに接続することができる。接地されているコ
ンデンサは、交流（A.C.）遮蔽を示す。２つめの部分の
振動子1aは、その次に、そのコンデンサに対して励振器
パルス＋Uexcを電子駆動装置から印加している。第２の
複振動子の上部2bは、図示されているように、一定の電
位行、例えば、接地電位、あるいは、電子駆動装置によ
って付与される適当な負のパルス電位−Uexcをとりうる
ものである。

図示した実施例では、振動子の運動を検出するための
検出電極は、電極８および９（あるいは電極10および1
1）に分割されており、その結果、対称的な容量式検出
の設計、および、強度の照射の抑制の実現を可能にして
いる。

図６は、複振動子構造の第１実施例を示す。上記の複
振動子構造は、概ね、図１を用いて上記で説明したのと
全く同様に構成されており、各々２層である振動子１お
よび２が設けられているのも同様であるが、振動子１お
よび２が単一の狭い駆動コンデンサギャップ30のみを介
して励起される点、および、各振動素子1a、1bおよび2a
および2bに対して、連結ストラット90aないし90dと支持
部4a、4dおよび33c、33dとが各々１つずつしか設けられ
ていない点で異なっている。さらに、振動子１および２
の各々に対して前側の中央に配された１つのスプリング
ストラット70および70′が設けられており、スプリング
ストラット70および70′を介してそれぞれの電気的接続
をなしうるようになっている。中間面においては、すな
わち内側の振動素子1bおよび2aに関しては、中央に配さ
れたスプリング部材70、70′からずらして配置されたス
プリングストラット71ないし74が設けられている。この
ようにスプリングストラット70、70′とスプリングスト
ラット71ないし74とがずらして配置されている結果、振
動素子1a、1bおよび2a、2bのそれぞれの面（ウェーハ
面）における剛性はかなり向上している。

図７は、初めに述べた実施形態に対して部分的変更が
なされたフレーム構造６、６′の構成を示している。フ
レームの長辺側の中心には互いに一列に並べられた複数
の装着アタッチメント60が一体的に形成されている一
方、フレームの短辺側の片方または両方には互いに対し
てずらして配置された側面接点40、41、42、および43が
形成されている。

図８に係る二層振動子構造の実施形態は、図６に係る
実施形態とは、スプリングストラット80ないし83が、一
側面で斜めになって一列に並んでいるとともに互いに交
差しているという異なる型の配置を有する点で異なって
いる。現行の平板状振動子構造が、その一側面において
自由端（左端）から前方へ結合され、結合側の前面が個
々の（100）Siウェーハからなっていたのに対し、スプ
リングストラット80ないし83およびスプリングストラッ
ト80′ないし83′は、前方への異方性エッチング、すな
わち（111）面からの異方性エッチングによって形成さ
れており、詳細には、図８から容易に分かるように、１
つの十字ばね結合の様になっている。当業者にとって自
明であるように、図８に係る振動子構造の構成様式によ
れば、いくつかの生産上の利点が得られると同時に、ウ
ェーハ面の剛性が改良される。

最後に、図９は、図８に係る振動子構造を有する本発
明に係るマイクロメカニカル回転速度センサの完了した
層構造を示す。但し、この構成においても、カバープレ
ート26および27を省いている。上記のフレーム構造は、
図７のフレーム構造に対応している。

本発明を用いることにより、外部の振動の結果として
生じる構造共振の励起を構造に関する対称性によって完
全に回避できるように配置された支持機構を介して２つ
の振動子が励起される、マイクロメカニカル工学を用い
て全て製造可能なコリオリの原理に基づいた回転速度セ
ンサが提供される。この支持機構は、回転速度によって
誘導されたトルクを振動子から受け、振動子の横方向の
振幅よりはるかに小さい非常に狭いエアギャップによっ
て検出が行われる。

コリオリの原理に基づいた従前に開示されているマイ
クロメカニカル回転速度センサと対照的に、本発明によ
れば、各ウェーハ面のそれぞれに垂直な方向に振動子
１、２の励起が行われる。水平方向の容量性励起につい
ての前述した不利はこのようにして回避され、駆動ギャ
ップが非常に狭いことから、比較的小さい励起電圧を用
いて比較的大きい力を達成できるであろう。

さらに、ここで述べた既知の回転速度センサと対照的
に、検出が行われる個々の振動子はコリオリの加速度に
よって運動を生じることがなく、このような運動が生じ
たとしてもずっと大きい励起振動に対して重畳されるこ
とになる。むしろ、共通の支持機構に対する２つの振動
子１、２のコリオリの加速度の効果が、容量的に検出さ
れる。その結果、支持機構に対する振動子の各部の反力
は、少なくとも大部分が互いに完全に相殺される。当初
生じていた、容量性励起および検出のためには可能な限
り最小のギャップが必要とされる一方、振動子の部分的
な運動のためには可能な限り最大のギャップが必要とさ
れるという矛盾は、本発明に従い、個々の振動子を共通
の励起構造上に設置するというアイデアを用いることに
より解消される。この共通の励起構造が小さい励起ギャ
ップ30を可能にしているのに対して、振動子１、２には
より大きい運動ギャップ200が設けられている。

フロントページの続き (72)発明者 ブレング，ウーヴェ ドイツ グンデルフィンゲン デー− 79194 アム ゼー ８ (72)発明者 ハッフェン，マルティン ドイツ ロットヴァイル デー−78628 ズッペンガッセ 21 (56)参考文献 特開 昭61−102518（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−154915（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (20)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】静電励起されることによって互いに逆相で
   振動する２つの平板状振動子（１、２）を有するコリオ
   リの原理に基づくマイクロメカニカル回転速度センサに
   おいて、 ２つの振動子（１、２）が、２つの面で一方が他方の下
   になるように層状に配され、かつ、各平板の面に垂直に
   振動するように励起され得るようになっており、 上記振動子（１、２）が、少なくとも片側で２つの平板
   状支持機構（3a、3bおよび4a、4b;32a、32bおよび33c、
   33dのそれぞれ）にそれぞれ接続され、上記平板状支持
   機構の一つが他の平板状支持機構の下に配置され、上記
   平板状支持機構を介して振動が静電励起されるようにな
   っていることを特徴とするマイクロメカニカル回転速度
   センサ。
2. 【請求項２】上記振動子（１、２）の各々が、対向する
   両側で平板状支持機構の一部（3a、3bおよび4a、4b;32
   a、32bおよび33c、33dのそれぞれ）に接続されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の回転速度センサ。
3. 【請求項３】上記振動子（１、２）の各々が、片側で平
   板状支持機構の一部（4a、4b、33c、33d）に接続されて
   いることを特徴とする請求項１記載の回転速度センサ。
4. 【請求項４】上記支持機構の固有周波数が、上記振動子
   （１、２）の固有周波数と異なるように、好ましくは振
   動子の固有周波数より高くなるように選択されており、
   各振動子に係る支持機構部分が、それらの反力が互いに
   相殺し合うように配置されていることを特徴とする請求
   項１ないし３のいずれか１項に記載の回転速度センサ。
5. 【請求項５】上記振動子（１、２）の振動が、２つの平
   板状支持機構の間に形成された少なくとも１つの独立し
   た駆動コンデンサギャップ（30）により間接的に励起さ
   れるようになっており、 ２つの平板状支持機構の間の距離が２つの振動子（１、
   ２）の間の距離より短くなっていることを特徴とする請
   求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転速度セン
   サ。
6. 【請求項６】上記振動子の各々が、上記支持機構に対
   し、少なくとも１つの薄い振動励起スプリングストラッ
   ト（9a、9bまたは19a、19bと9c、9dまたは19c、19c;90a
   ないし90d）を介して一続きに接続されていることを特
   徴とする前出の各請求項のいずれか１項に記載の回転速
   度センサ。
7. 【請求項７】上記支持機構が、片側あるいは両側で、す
   なわち振動子から離れる方向に向かう外側で、スプリン
   グストラット（70、70′;5、７または５′、７′）によ
   って振動子および支持機構の構成を囲むフレーム（６、
   ６′）内に保持されていることを特徴とする請求項６記
   載の回転速度センサ。
8. 【請求項８】上記スプリングストラット（70、70′;5、
   ７または５′、７′）が、上記各振動子（１および２）
   の回転偏向運動を生じさせるとともに振動子の直線運動
   （±方向の運動）を大きく抑制する板ばね部材として構
   成されていることを特徴とする請求項７記載の回転速度
   センサ。
9. 【請求項９】上記各振動子（１および２）が、各振動子
   に対して一続きに接続された支持機構、スプリングスト
   ラット、およびフレームの各部とともに、二層のウェー
   ハから異方性エッチングによって形成されており、ウェ
   ーハの各層が、相互の絶縁のために互いに接続されてい
   る各表面上にて酸化されているとともに、複振動子構造
   を形成するようにウェーハ接合によって互いに接続され
   ていることを特徴とする前出の各請求項のいずれか１項
   に記載の回転速度センサ。
10. 【請求項１０】上記ウェーハが、（100）Siウェーハで
    あることを特徴とする請求項９記載の回転速度センサ。
11. 【請求項１１】上記の一つの振動子が他の振動子の下に
    配置された複振動子構造が、フレーム（６、６′）に接
    合されたカバープレート（26、27）により上側および下
    側で密封され、このようにして形成されたハウジングの
    内側が、真空排気されるか、あるいは低圧の不活性ガス
    で満たされていることを特徴とする請求項９記載の回転
    速度センサ。
12. 【請求項１２】上記カバープレート（26、27）が、ガラ
    スからなり、フレーム（６、６′）に沿って陽極接合に
    より密封状態となるように接合されていることを特徴と
    する請求項11記載の回転速度センサ。
13. 【請求項１３】上記カバープレート（26、27）が、その
    内側で平らな金属表面（８ないし13）によって覆われ、
    上記の平らな金属表面が、一方で、上記の２つの振動子
    （１、２）に対して振動の検出あるいはコンデンサ表面
    のリセットのために付与され、他方で、上記の間隔を空
    けて配置された支持機構の各部に対して電極の励起ある
    いは回転速度によって誘導された運動の検出のために付
    与されていることを特徴とする請求項11または12記載の
    回転速度センサ。
14. 【請求項１４】上記金属表面（８ないし13）が、上記カ
    バープレート（26、27）におけるめっきされたスルーホ
    ールを介して電気的に接続可能であり、上記スルーホー
    ルが、その外側で導電性導電性閉止アイランドに接合さ
    れることによって閉止されていることを特徴とする請求
    項13記載の回転速度センサ。
15. 【請求項１５】上記導電性閉止アイランドが、高度にド
    ーピングされた材料によって形成され、上記カバープレ
    ートに対して陽極接合あるいはSi融着により密封状態と
    なるように接合されていることを特徴とする請求項14記
    載の回転速度センサ。
16. 【請求項１６】上記フレーム（6aないし6d）が、上記層
    構造の外側面の少なくとも一つに、層間でずれた電気的
    接続のためのアタッチメント（40ないし43）を備えてい
    ることを特徴とする前出の各請求項のいずれか１項に記
    載の回転速度センサ。
17. 【請求項１７】上記フレーム（6aないし6d）が、対向す
    る２つの側面に、一列に並べられた装着アタッチメント
    （60、61）を備えていることを特徴とする前出の各請求
    項のいずれか１項に記載の回転速度センサ。
18. 【請求項１８】上記支持機構が、片側で、各振動子の各
    々に取り付けられたスプリングストラット（70、70′）
    の外側で保持されている場合であって、 上記支持機構には、各フレーム（6aないし6d）のそれぞ
    れへの接続を行うために、スプリングストラット（70、
    70′）からずらして配置された保持・接続ストラット
    （71ないし74）がさらに備えられていることを特徴とす
    る請求項７記載の回転速度センサ。
19. 【請求項１９】上記各板ばねストラットが、各ウェーハ
    層のそれぞれの（111）面における異方性エッチングに
    よって形成され、偏向の生じうる方向に対して傾くよう
    に配列されていることを特徴とする請求項10記載の回転
    速度センサ。
20. 【請求項２０】各ウェーハ層に対して、仮想中心線に向
    かって等しい角度に配置された２つの板ばねストラット
    が、層間で互いに一列に並んで交差し、全体として十字
    ばね結合を形成するストラット配置となるように備えら
    れていることを特徴とする請求項19記載の回転速度セン
    サ。