JP3155380B2 - 角速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、角速度センサに関する
ものであり、特に小型化が可能な振動ジャイロ方式の角
速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体の姿勢、動き、速度等の情報を得る
ために物体の方位を検出するものとしてジャイロが知ら
れている。ジャイロはすでによく知られているように、
駒の原理を利用した機械式機構からなる方位検出装置と
して船舶や航空機の慣性航法装置として利用されてき
た。ジャイロは初期位置入力が正確であれば高精度の絶
対位置検出が可能であり、また、初期位置入力なしの場
合にも相対位置検出を常に高精度に行うことができると
いう優れた長所を有している。しかし、従来のジャイロ
は準機械的構造であるために極めて高精度に加工された
部品を要し、従って、非常に高価であり、しかも体積お
よび重量が大きいという欠点があった。このため、近年
ではジャイロを用いて高精度の検出を行いたいという需
要は以前に比べていっそう増加しているにも関わらず、
従来の機械式ジャイロの各種装置や機器に搭載した場合
は該装置や該機器が大型化かつ大重量化してしまう問題
が生ずるため、従来の機械式ジャイロの利用は比較的限
られた分野のみに留まっていた。

【０００３】しかるに最近になって従来の機械式ジャイ
ロに設けられていた回転駒の代わりに音さなどの振動子
を用いる振動ジャイロが開発されたため、ジャイロの利
用分野の拡大が可能になり、各種の機器や装置にジャイ
ロ式検出器を搭載できる可能性が大きくなった。

【０００４】上記した振動ジャイロは、一定の振動数で
振動している音さ等の振動子に外力による角速度が加わ
った時に該振動子に生ずるコリオリ力を検出することに
よって該角速度を検出するものであり、回転駒がないた
め小型であるとともに低コストで作製することができ、
しかも高精度の検出が可能であるという長所を有してい
るため、各種機器の振動検出装置や方位検出装置として
利用されることが期待されている。

【０００５】以下には、本発明に関係のある上記振動ジ
ャイロからなる角速度センサについて図１２を参照して
説明する。図１２において、２５０１および２５０２は
固定された振動片で、２５０３および２５０４は振動片
２５０１および２５０２にそれぞれ取り付けられ、２５
１２および２５１３の結合部材を図中Ｘ方向に振動させ
る駆動用圧電素子であり、２５０５および２５０６は駆
動用圧電素子２５０３および２５０４で振動する振動片
２５０１および２５０２の実際の振動をモニターするモ
ニター用圧電素子であり、２５０９および２５１０は結
合部２５１２および２５１３に取り付けられた検出用振
動片であり、２５０９および２５１０は検出用振動片２
５０９および２５１０に取り付けられた角速度を検出す
るための検出用圧電素子である。なお、結合部２５１
２、２５１３と検出用振動片２５０９、２５１０、固定
された振動片２５０１、２５０２の間の固定はエポキシ
系接着剤に代表される樹脂系接着剤、低融点金属、低融
点ガラス、あるいはこれらの混合物による接着剤を用い
て固定する技術が提案されている。

【０００６】この振動ジャイロにおいて、振動片２５０
１および２５０２を共振周波数ω１でＸ方向に互いに逆
向きに振動している状態にしておいて基部２５１１がた
とえばＺ軸の回りに角速度Ωで回動されたと仮定する
と、検出用振動片２５１２および２５１３には角速度Ω
に比例したコリオリの力ＦｃがＹ軸方向に作用する。こ
の時、Ｘ方向に振動中の振動片２５０１および２５０２
のＸ方向速度ｖは振幅をＡ、時間をｔとすると次式で表
される。

【０００７】 ｖ＝Ａ・ω１・ｃｏｓω１ｔ （ａ） ここで、ω１は振動片２５０１および２５０２の共振周
波数である。

【０００８】ここで検出用振動片２５０９および２５１
０の質量をＭとするとコリオリの力Ｆｃは次式で表され
る。

【０００９】 Ｆｃ＝２・Ａ・Ｍ・Ω・ω１・ｃｏｓω１ｔ （ｂ） （ｂ）式で明らかなように、コリオリの力Ｆｃが作用し
た時に検出用振動片２５１２および２５１３はＹ軸方向
に振動し、その振幅は角速度Ωに比例するので検出用振
動片２５０９および２５１０の振幅を検出することによ
り角速度Ωを求めることができる。

【００１０】しかしながら、上記振動ジャイロは、小型
機器に搭載するのには大きさ、コストの点で十分ではな
かった。そこで、これらの問題を解決する手段として、
振動子、検出部等をシリコン基板をエッチング加工する
ことにより作製する方法が提案されている。この方法に
よれば、微小部分を高精度に加工することが可能なた
め、センサの感度を低下させることなく、小型化を達成
することが期待できる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、振動ジ
ャイロは駒の原理を利用した機械的機構から成るジャイ
ロに比べ大きさが小さく、コストも小さいという特徴を
有している。しかしながら、小型機器においては大き
さ、コストの点においてもまだ十分なものではない。

【００１２】これは、大きさの点については、センササ
イズを小さくすると加工技術に起因するサイズ誤差の影
響、貼り合わせの影響等を強く受け感度が低下すること
による。

【００１３】貼り合わせの影響としては、以下の様なも
のがある。

【００１４】低融点金属、低融点ガラス、接着剤等接着
部材が液状状態において位置合わせ行い接着する方法で
は、接着部材が液状であるために高い精度で貼り合わせ
ることが困難であり、高精度な接着ができない。また、
樹脂系接着剤を用いる方法では、接着剤の剛性が低く振
動を吸収しやすいために、例えば振動ジャイロデバイス
の様な振動を伝達・検出するデバイスにおいては、振動
の伝達効率の低下をまねきさらに耐久性が低いためデバ
イスの信頼性が低下する。さらに接着剤を用いる方法で
は接着剤が熱的安定性に乏しいため、接着後には高温に
できないというプロセス上の制約やデバイスとしての使
用温度制限を受ける。

【００１５】また、コストの点においては、従来の機械
加工法では同時に多数個の素子加工が行いにくいという
問題点があった。

【００１６】更なる小型化を阻む原因としては、センサ
サイズの低下に伴い角速度により生ずるコリオリ力が小
さくなるために感度が低下してしまうことが挙げられ
る。従来の歪センサは、感度の点において検出能力が十
分でないためセンサを小型化すると感度が低下し、用途
が限られてしまう問題があった。ここで、歪量に対して
感度の高いセンサとして、例えば積層型圧電体素子が知
られているが、フォトリソグラフィ等の加工精度の高い
加工方法を適用することはできず、また大きさを小さく
することができなかった。

【００１７】このように、センサの小型化が望まれてい
るが、一方、前記式（ｂ）に示したように、コリオリ力
は、検出部の質量Ｍに比例するため、出力を大きくする
ためには検出部の質量Ｍをある程度大きくする必要があ
る。従って、センサのサイズを１０ミリ角〜２０ミリ角
の大きさにすると、検出部の厚みは１ｍｍ程度は必要と
なる。しかしながら、エッチング加工により振動子等を
形成する方法では、厚さ１ｍｍ程度の構造体を得るため
には、エッチングに数時間の時間を要し、生産性が良く
ないという問題点があった。また、エッチング時間が長
くなると、サイドエッチングや、コーナー部でのエッチ
ングが進行し、加工精度が悪くなるという問題点があっ
た。

【００１８】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点を解決するためになされたものであって、その
目的は、高性能（高感度）な小型かつ低コストの振動ジ
ャイロ方式の角速度センサを実現することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の角速度センサ
は、平板の一部をエッチング除去してなる重り部と、該
重り部と前記平板とを接続する検出用梁部と、前記重り
部および検出用梁部の角速度によって生じたコリオリ力
を受けて検出用梁部が面内方向に歪変形する変形量を検
知する手段とを有する第１の平板部と、圧電素子から成
る第２の平板部と、前記第１の平板部の一端と第２の平
板部の一端とを各面内方向が略平行となるように結合さ
せる結合部と、前記第２の平板部の他端が固定された基
台部と、を有し、前記第１の平板部と第２の平板部とが
結合部を介してコの字型に結合され、また、前記圧電素
子で第２の平板部を振動させることによって前記第１の
平板部を面内方向と略直交する方向に振動させることを
特徴とする。

【００２０】この場合、前記重り部および梁部が第１の
平板部に複数個形成されていることとしてもよい。

【００２１】また、前記コリオリ力により歪を発生させ
る検出用梁部がシリコン単結晶基板をエッチングするこ
とによって形成されていることとしてもよい。

【００２２】また、前記第１の平板部が感光性ガラスで
構成されることとしてもよい。

【００２３】また、前記第１の平板部と結合部との間お
よび第２の平板部と結合部との間のうちの少なくとも一
方が陽極接合法を用いて接着されていることとしてもよ
い。

【００２４】また、前記第１の平板部と結合部との間お
よび第２の平板部と結合部との間のうちの少なくとも一
方が炭酸ガスレーザー光照射下での陽極接合法を用いて
接着されていることとしてもよい。

【００２５】また、前記結合部が第１の平板をエッチン
グ加工することにより形成されていることとしてもよ
い。

【００２６】また、前記第１の平板部を駆動させる第２
の平板部の駆動機構が少なくとも第１の平板部を保持す
る二つ以上の梁を有するヒンジばね構造であることとし
てもよい。

【００２７】また、前記歪量を検出する手段が該検出用
梁部上面部の歪の中立面の両側に形成された一対の圧電
素子の出力差により検出するものであることとしてもよ
い。

【００２８】また、前記歪量を検出する手段が該検出用
梁部上面部の歪の中立面の両側に形成された一対のピエ
ゾ抵抗素子の出力差により検出するものであることとし
てもよい。

【００２９】また、角速度センサが少なくとも二つ以上
積層されてなることとしてもよく、前記二つ以上の角速
度センサの内、一対の角速度センサの振動が逆位相であ
り、この時に得られる各々の角速度センサからの角速度
信号出力の差をとることにより角速度信号を得ることと
してもよい。

【００３０】また、前記角速度センサが真空封入されて
いることとしてもよい。

【００３１】さらに、前記第１の平板部に形成される検
出用梁部の検知方向の固有振動数が第１の平板部に形成
される振動機構の固有振動数と概ね同じ周波数であるこ
ととしてもよい。

【００３２】

【作用】本発明の第１の構成による角速度センサは、検
出部が形成される第１の平板部と、この第１の平板部の
面内方向に対して略直交する上下方向に振動させる駆動
機構および駆動源を有する第２の平板部と、これら第１
の平板部と第２の平板部を各々の端部で結合させる結合
部により構成される。この第１の平板部にはエッチング
により角速度によりコリオリ力を受ける重り部およびこ
の重り部を平板部に保持し重り部および梁部がコリオリ
力を受けた時に平面内方向にたわみ変形する梁部を形成
し、この梁部がたわみ変形して歪む際の中立面に相対し
て平板上両側にそれぞれ設けられた歪量を検出する等価
な検出手段、そしてこの各々の検出手段の出力の差によ
り歪量を検出してコリオリ力を求めて角速度を得る。

【００３３】本発明による第１の平板部材料としては、
シリコン単結晶、推奨、感光性ガラス等フォトリソグラ
フィー法を用いエッチング可能な材料を用いることがで
きる。フォトリソグラフィー法は、高い精度を有するエ
ッチングプロセスの適用が可能なため寸法精度の高い形
状加工が可能であり、小型でも高い感度を有する検出部
の形成が可能と成った。さらに、本発明においては、第
２の平板部を構成する駆動源として燒結ＰＺＴ（ジルコ
ンチタン酸鉛）を用いており、高い駆動力を基に大きい
振動量を安定して得ることができ制御性の高い振動を実
現できる。このため、本発明の第１の構成による角速度
センサは小型でも高いセンシング感度が得られる。

【００３４】また、結合部において平板部との間の接着
を陽極接合または光照射下における陽極接合を用いて行
うことも高い感度を得るために有効である。第１の平板
部と第２の平板部の接着部においては、これらの方法に
より精密な接着が可能であり、振動の伝達ロスの少ない
効率の高い駆動を実現している。また、接着時における
接着層のゆがみ等を妨げるとともに接着剤を用いる方法
に比べ高寿命、高信頼性が得られる。また、熱的安定性
が高いためセンサ作製時における２００℃以上の高温プ
ロセスにも耐えることが可能である。

【００３５】また、本発明において、第１の平板部と第
２の平板部を結合部を介してコの字型に積層することに
より長さ方向の短いセンサの実現も可能である。

【００３６】また、第１の平板部に検出用の複数の重り
部および梁部をそれぞれ異なった角度で形成することに
より多軸の検知も可能である。

【００３７】本発明の角速度センサにおける積層圧電体
は、エッチング加工可能な基板上に絶縁層を形成し（あ
るいは基板自体が絶縁体である場合には絶縁層は省略で
きる）、さらにその上に形成し溝を有する電極層中に圧
電体層を形成、この圧電体層を分極処理することにより
作製される。検出用梁部を形成する平板部材料として
は、シリコン単結晶、水晶、感光性ガラス等フォトリソ
グラフィ法を用いエッチング可能な材料を用いることが
できる。フォトリソグラフィ法は、高い精度を有するエ
ッチングプロセスの適用が可能なため寸法精度の高い形
状加工が可能である。また、絶縁層としては酸化シリコ
ンをシリコンの熱酸化により形成する方法や、酸化シリ
コン膜、窒化シリコン膜、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓ
ｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）等を各種成膜法を用いて
形成することが可能である。電極層としては、金、白
金、タングステン等の高融点金属材をマスク蒸着法、リ
フトオフ法等を用いて所望の溝パターンをもって形成さ
せることができる。さらに、別の方法としては絶縁膜上
に膜の堆積時または堆積後に拡散法を用いてボロン、リ
等の不純物を加え導電性を付与する方法やノンドープ高
抵抗ポリシリコン膜にイオン注入法を用いて低抵抗化す
る方法を用い低抵抗ポリシリコン膜を形成し、所望のパ
ターンに一部をエッチング除去することにより電極部お
よび溝部を形成する方法である。また、圧電体材料とし
ては分極処理によりその分極方向が制御できるＰＺＴ等
を用いることができ、圧電体の形成方法としては、圧電
体原料とバインダーを混合したものをスクリーン印刷す
る方法やゾルゲル法、スパッタ法やＭＯＣＶＤ法などの
真空成膜法の適用が可能である。

【００３８】また、平板部に検出用の複数の重り部およ
び梁部をそれぞれ異なった角度で形成することにより高
い感度での多軸の検知も可能である。

【実施例】以下、図に示す実施例に基づいて本発明をよ
り詳細に説明するが本発明はこれに限定されるものでは
ない。

【００３９】（実施例１−１） 図１から図７は、本発明の角速度センサの第１の実施例
を示すものであり、図１は本実施例の角速度センサの構
造図、図２は図１の本実施例の角速度センサにおける検
出部の上面の拡大図、図３は第２の平板部の形成方法を
示す工程図、図４は本実施例の角速度センサの断面図、
図５は第２の平板部と結合部を陽極接合する際の説明
図、図６は第１の平板部と結合部を陽極接合する際の説
明図、図７は本実施例の変形例を示す図、図８は本実施
例の角速度センサをカメラの手ブレ抑制システムに適用
した場合のシステム図を示している。

【００４０】図１から図６において、１０１は単結晶シ
リコンにより構成される第１の平板部、１０２，１０３
はそれぞれ第１の平板部１０１に形成された梁部と重り
部、１０４は第１の平板部１０１をエッチング除去して
形成した空隙部、１０５はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸
鉛）で構成されるバイモルフ型駆動素子により成る第２
の平板部、１０６は第１の平板部１０１と第２の平板部
１０５を結合する結合部、１０７は第２の平板部１０５
を保持する基台部、１０８は励振方向、１０９は検知す
る角速度方向、１１０はコリオリ力の検知方向、２０１
は検知用圧電素子、２０２は検知用圧電素子２０１の引
出し電極部を構成する下方電極、２０３は検知用圧電素
子２０１の引出し電極部を構成する上方電極、２０４は
梁１０２の歪の中立面、３０１は単結晶シリコン基板、
３０２は窒化シリコン膜、３０３は梁部１０２および重
り部１０３を形成するためのエッチング部、３０４はシ
リコン（１１１）面、３０５は垂直エッチング面、５０
１，５０２は第２の平板部を構成するバイモルフの駆動
用電極、５０３はシム板、５０４，５０５はＰＺＴ、５
０６，６０２は酸化シリコン膜、５０７は負電位印加電
極探針、５０８は正電位印加電極探針、６０１は陽極接
合用電極、８００は補正光学系、８０１は光軸中心、８
０１Ｐ，８０１Ｙは各々カメラの縦ブレ、横ブレ方向、
８０２はレンズ鏡筒、８０３Ｐ，８０３Ｙは本実施例で
説明した角速度センサ、８０４Ｐおよび８０４Ｙは角速
度検知方向、８０５Ｐおよび８０５Ｙは積分回路、８０
６は固定レンズの一部、８０７Ｐおよび８０７Ｙは補正
光学系駆動部、８０８Ｐおよび８０８Ｙは補正光学系位
置センサ、８０９は像面である。

【００４１】最初に、図１と図２を用いて本実施例の角
速度センサの基本構成について説明する。

【００４２】本実施例においては第２の平板部１０５の
バイモルフ型駆動素子に一定電圧の交流を印加すること
により結合部１０６を介して第１の平板部１０１を矢印
１０８の方向に振動させる。角速度１０９がこの振動し
ている第１の平板部１０１に加わると、検知部である重
り部１０３および梁部１０４はコリオリ力検知方向１１
０の方向にコリオリ力を受け、梁部１０２は同方向にた
わみ変形する。この時の歪量が梁の中立面２０４の両側
に形成した検知用圧電体２０１を用いて検出される。

【００４３】なお、本実施例において、駆動周波数は１
５ｋＨｚとし、入力電圧は±５Ｖとした。

【００４４】また、本実施例において、第１の平板部１
０１は１ｍｍ厚の＜１００＞方位のｎ型単結晶シリコン
基板により構成されており、検知用梁部１０２および重
り部１０３は、異方性エッチングによって空隙部１０４
が設けられて一体的に形成されている。また、結合部１
０６と第１の平板部１０１、第２の平板部１０５は後述
する陽極接合法を用いて接着した。なお、本実施例にお
いては基台部１０７もシリコン材とし、第２の平板部１
０５とも陽極接合法を用いて接着した。

【００４５】次に、この角速度センサの作製方法につい
て、図３，図４，図５，図６を用いて詳細に説明する。

【００４６】図３（ａ）において、単結晶基板３０１に
所望の窒化シリコン膜をジクロロシランおよびアンモニ
アガスを原料としたＬＰＣＶＤ成膜法を用いて０．２μ
ｍの厚さに堆積させた。次に、両面マスクアライナー装
置を用いたフォトリソグラフィ法により基板両面の検出
部の重り部１０３、検出用梁部１０２を形成するための
エッチング部３０３上の窒化シリコン膜を除去した。な
お、窒化シリコン膜の除去は四フッ化炭素を用いた反応
性イオンエッチング法により行った。この基板を約１１
０°に加熱した水酸化カリウム水溶液で所望時間エッチ
ングを行い、図３（ｃ）に示す状態を得た。ここで、シ
リコンの（１１１）結晶面３０４は結晶面によるエッチ
ング速度の違いにより出現する。また、本実施例では、
エッチング溶液として水酸化カリウム水溶液を用いた
が、ヒドラジン、アンモニア、テトラメチルアンモニウ
ムオキサイド等のシリコンの異方性エッチングを示すエ
ッチング液を用いることができる。図３（ｄ）は、所望
時間エッチングを行い垂直エッチング面３０５が形成し
た状態である。

【００４７】次に、図４に示す様に、この第１の平板部
１０１および第２の平板部１０５と結合部１０６、第２
の平板部１０５と基台部１０７とを陽極接合したのち検
出圧電体用下方電極２０２、圧電体２０１、検出用圧電
体上方電極２０３を形成して角速度センサを作製した。
なお、電極部は金により構成し真空蒸着法を用い、圧電
体は酸化亜鉛により構成しスパッタ法を用いそれぞれ作
製した。

【００４８】ここで、図５と図６を用いて本実施例に用
いた陽極接合法について説明する。励振用電極５０１，
５０２、シム板５０３、ＰＺＴ燒結体５０４，５０５に
より構成される第２の平板部と結合部１０６の陽極接合
は図５によって示される。

【００４９】図５において、第２の平板部上の結合部１
０６と接する部分に酸化シリコン層５０６を形成する。
次に、この酸化シリコン層５０６とシリコンにより構成
される結合部１０６を密着し、電圧印加用電極探針５０
８と５０７を用いて電圧を印加した陽極接合を行った。
なお、陽極接合において、温度を３８０°とし、結合部
１０６側を正電位、励振用電極５０１側を負電位として
４００Ｖを１０分間印加して行った。

【００５０】次に、第１の平板部１０１と結合部１０６
との接着について図６を用いて説明する。図６におい
て、第１の平板部１０１上の結合部１０６と接する部分
に酸化シリコン層６０２を形成する。次に、結合部１０
６上にアルミニウム電極である陽極接合用電極６０１を
形成して互いに密着させた後、第２の平板部と結合部１
０６の陽極接合と同じ条件で接合を行った。さらに、同
様に基台部１０７と第２の平板部とを同様な方法を用い
て接着した。

【００５１】なお、本実施例においては酸化シリコンは
スパッタ法、アルミニウム電極は真空蒸着法を用いて形
成したが、それぞれゾルゲル法、スクリーン印刷法等の
他の形成方法も適用することが可能である。また、陽極
接合においては３８０°の温度を使用したが、第２の平
板部におけるＰＺＴ燒結体５０４，５０５とシム板との
接着をエポキシ樹脂等の低融点材料を用いている場合に
は、陽極接合時に光を陽極接合部近傍のみに照射して行
うことにより低融点材料による接着部の劣化を防ぐこと
が可能である。

【００５２】本実施例の構成において、エポキシ樹脂に
よる接着法が用いられている第２の平板部を用い、炭酸
レーザーを陽極接合部近傍のみに照射し熱的加熱をする
事なく陽極接合を行ったところエポキシ樹脂部の劣化が
なく、かつ通常の陽極接合と同様の接着が行えた。ま
た、光照射による陽極接合法は接合材料の温度上昇が小
さいため熱膨張係数の異種材料の接合に有効である。

【００５３】また、陽極接合後に第２の平板部の低融点
材料による接着を行って第２の平板部を形成する方法を
用いれば、低融点材料による接着を用いた第２の平板部
をもつ構成のセンサに対しても通常の陽極接合法を適用
することが可能である。

【００５４】なお、本実施例においてはセンサ部の外寸
は１０×７ｍｍとし、第１の平板部１０１および第２の
平板部１０５の厚みはいずれも１ｍｍ、結合部１０６の
厚みは５００μｍとした。

【００５５】上記構成において、図２における二つの検
出用圧電体の出力信号の差を検出したところ良好に角速
度を検出することができ、１°／ｓｅｃの角速度におい
て０．１ｍＶの出力を得た。

【００５６】本実施例の角速度センサにおいては、薄い
ふたつの平板を結合部を介してコの字型に積層している
ためセンサ長の小さいセンサを提供できる効果がある。

【００５７】図７は、本実施例の角速度センサの他の実
施形態であり、ふたつの等価なセンサを基台部１０７を
介して積層してある。この等価なセンサ部を逆位相で励
振させ二つのセンサ出力の差をとる方法により、重力・
ショック等の外乱の影響を小さくし感度の高い角速度セ
ンサの提供が可能である。

【００５８】また、上述した本実施例の角速度センサに
おいてさらに特性向上を計ることもできる。センサ内部
を減圧状態もしくは真空封入として角速度センサを構成
すると、振動の電気機械変換特性が向上し、１０倍〜１
００倍程度の感度向上が可能となる。さらに、この場合
には空気を介在した温度変化の影響を受けにくくなるた
めセンサ出力の熱的安定化が計れる。また、第１の平板
部に形成される検出用梁部の検知方向の固有新同数を第
２の平板部に形成される振動機構の固有振動数を略同じ
周波数にすることにより検出用梁部１０２の歪量を大き
くすることができ検出感度を高めることが可能である。

【００５９】さらに、本実施例で駆動回路部の一部をＣ
ＭＯＳ構成としセンサを形成するシリコン基板内に回路
を形成することも可能である。この場合には、回路構成
部における小型化によるシステムのさらなる小型化が可
能である。

【００６０】このような特性を有する角速度センサ８０
３Ｐ，８０３Ｙを用いた図８に示されるカメラの手ブレ
抑制システムについて説明する。

【００６１】レンズ鏡筒８０２内には、画像光が通過す
る固定レンズ８０６とともに手ブレを補正するための補
正光学系８００が設けられている。

【００６２】画像光の光軸中心８０１に関する縦ブレ方
向８０１Ｐおよび横ブレ方向８０１Ｙについて発生した
手ブレは、角速度検知方向８０４Ｐ，８０４Ｙへの角速
度として現れ、角速度センサ８０３Ｐ，８０３Ｙにより
検出される。角速度センサ８０３Ｐ，８０３Ｙの各出力
は補正のために設けられた積分回路８０５Ｐ，８０５Ｙ
および加算器をそれぞれ介した後に補正光学系駆動部８
０７Ｐ，８０７Ｙに入力される。各補正光学系駆動部８
０７Ｐ，８０７Ｙは各入力に応じて補正光学系８００を
移動させる。補正光学系８００の移動は、補正光学計位
置センサ８０８Ｐ，８０８Ｙにより検出され、該検出内
容を示す出力が負入力として前述した加算器に入力さ
れ、補正光学系８００に対するフィードバック制御がな
される。これにより、像面８０９には手ブレの発生に関
わらずに適正な画像が結像する。

【００６３】上記の手ブレ抑制システムを備えたカメラ
は、本発明の角速度センサを用いたため、小型に構成す
ることができた。

【００６４】（実施例１−２） 次に、図９と図１０を用いて、本発明の第２の実施例を
詳細に説明する。本実施例は、結合部を第１の平板部材
料からエッチングにより形成することを特徴とするもの
で、梁部および重り部等の基本構成は実施例１−１と同
じである。

【００６５】図９において、９０１は単結晶シリコン基
板、９０２は窒化シリコン膜、９０３は梁部および重り
部を形成するためのエッチング部、９０４はシリコン
（１１１）面、９０５はエッチング面、９０６は垂直エ
ッチング面、９０７は結合部、１００１は検知用圧電素
子、１００２は検出用圧電体１００１の引出し電極部を
構成する下方電極。１００３は検出用圧電体１００１の
引出し電極部を構成する上方電極である。

【００６６】また、本実施例においては、第１の平板部
１０１は１．３ｍｍ厚の＜１００＞方位のｎ型単結晶シ
リコン基板により構成され、検知用梁部および重り部
は、実施例１−１と同様の異方性エッチング法により一
体的に形成している。また、本実施例においては結合部
１００６は第１の平板部と一体的に形成されている。

【００６７】次に、この角速度センサの作製方法につい
て、図９および、図１０を用いて説明する。

【００６８】図９（ａ）から図９（ｂ）にかけての工程
は、実施例１−１と同様な方法を用いているため、説明
は省略する。

【００６９】図９（ｃ）に示す状態において、所望のエ
ッチング時間エッチングを停止し、下方の窒化シリコン
膜のうち結合部との結合部以外を除去してエッチング面
９０５を形成する。このあと、水酸化カリウム水溶液に
よるエッチングを再開して図９（ｄ）に示す結合部９０
７を同一基板から一体形成する。

【００７０】本実施例においては、垂直エッチング面９
０６が出現する時間と結合部９０７の厚みが３００μｍ
となる時間を一致させることにより第１の平板部の厚み
を実施例１−１と同様に１ｍｍとした。図１０は、本実
施例の第１の平板部と第２の平板部を実施例１−１と同
様の方法により陽極接合させて作製した角速度センサの
断面図であり、本実施例の角速度センサにおいても実施
例１−１と同様の効果が得られた。

【００７１】なお、本実施例においては結合部９０７が
シリコン基板９０１をエッチングすることにより一体形
成されているため、フォトリソグラフィー法を用いた高
い精度での加工が可能である。また、陽極接合部箇所が
少ないため工程の簡略化が計れる効果がある。 （実施例１−３） 次に、図１１を用いて本発明の第３の実施例を説明す
る。

【００７２】図１１において、１１０１は感光性ガラス
で構成される第１の平板部、１１０２，１１０３はそれ
ぞれ第１の平板部１１０１に形成された梁部と重り部、
１１０４は第１の平板部１１０１をエッチング除去して
形成した空隙部、１１０５はシリコン単結晶基板の一部
をエッチング除去してヒンジバネ構造とした第２の平板
部、１１０６は第２の平板部に形成された第１の平板部
１１０１と第２の平板部１１０５を結合する結合部、１
１０７は第２の平板部をエッチング除去した空隙部、１
１０８はＰＺＴで構成された励振素子、１１０９は検知
用圧電体である。

【００７３】本実施例の角速度センサにおいて、第２の
平板部１１０５の平板の厚みは１ｍｍで構成されるが、
駆動用励振素子１１０８が接着されているヒンジ梁部の
みは厚さが２５０μｍとなるようにシリコンをエッチン
グし、紙面に対して垂直な方向に励振する構造とした。
また、本実施例においては、駆動用の励振素子１１０８
の厚みを２５０μｍとし、検知用圧電素子にはスパッタ
法で形成した酸化亜鉛を用いた。なお、第１の平板部１
１０１には１ｍｍ厚のＰＥＧ３感光性ガラス〔ＨＯＹＡ
（株）製〕を用いた。検出部の形成は以下のように行っ
た。

【００７４】まず、ホトレジスト材を感光性ガラス基板
１１０１表面にスピン塗布法により形成し、検出用梁部
１１０２および重り部１１０３の形状にパターニングし
て光マスク部として紫外線照射を行った。マスク材を取
り除いた後、熱処理による現像を行い、さらにその後、
紫外線を照射して未露光部を露光した。この後、１０％
フッ化水素酸溶液でエッチングを行い空隙部１１０４を
形成した。

【００７５】次に、第１の平板部１１０１と第２の平板
部１１０５を第１の平板側を負電位、第２の平板側を正
電位とした通常の陽極接合法により接合する。この後、
検出部用電極（図示せず）としてクロムを下地電極とす
る金電極、検出用圧電素子１１０９として酸化亜鉛膜お
よび酸化亜鉛膜上の金電極（図示せず）、検出部用引出
し電極（図示せず）をスパッタ法を用いてそれぞれ形成
し角速度センサを形成する。また、励振素子１１０８と
第２の平板部１１０５との接着は、電極層および酸化シ
リコ層を形成して実施例１−１と同様の方法で光照射下
での陽極接合法により行った。

【００７６】上記構成において、二つの検出用圧電素子
１１０９のたわみ変形に伴う出力電圧の差信号を、検出
したところ二つの軸方向に対して良好に角速度を検出す
ることができる。

【００７７】また、本実施例における検出部は、二つの
梁部１１０２によって構成されているためにねじれが生
じにくい構造となり、大きな角速度を検出する場合に有
利なものとなった。

【００７８】また、両側から４つの梁部によって重り部
を構成する形態も可能である。この場合には紙面に対し
て上下方向の振動が起きにくい構造となり、上下振動の
激しいところでの用途に適するものとなる。

【００７９】さらに、必要に応じて検出用梁部の形状お
よび数を変えることが可能である。さらに、第２の平板
部に構成されるヒンジ梁構造についても梁の数が四つに
なるもの等の適用が可能である。

【００８０】また、本実施例では、コリオリ力の検出を
行うための検出部の梁の歪検出を酸化亜鉛圧電体を用い
て行ったが、ＰＺＴ燒結体をはじめとする他の圧電体、
金属抵抗素子、ピエゾ抵抗素子等の歪検出手段を同様に
適用することが可能である。特に、ピエゾ抵抗素子はイ
オン注入法等の半導体プロセスを用いて形成することが
可能であり高い精度で素子を形成することが可能であ
る。

【００８１】また、本実施例の角速度検知方向は２方向
としたが、さらに必要に応じて任意の方向に検出軸を有
するセンサが同様な方法により形成可能である。これら
は、例えばロボットアーム等の複雑な動きを有する装置
の制御用センサとして用いることも可能である。

【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、以下に記載するような効果を奏する。

【００８２】検出部の形成において高い加工精度を有す
るフォトリソグラフィー法およびエッチング法を用いて
行っており、加工誤差の低減による検出感度の向上を図
ることができる効果がある。

【００８３】また、検出部を平板構造とし、結合部を介
して駆動部の設けられた平板部と陽極接合法あるいは光
照射下における陽極接合法により精度の高いかつ力の伝
達効率の高い結合を可能とした。この結果、センササイ
ズを大幅に小さくする効果が得られた。また、フォトリ
ソグラフィー法およびエッチング法は同時に多数個の素
子製造が可能であり、センササイズが小さくなることに
よる原料材の量の減少効果も含め工業的に優れた低コス
トのセンサの提供を可能にする効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構造図である。

【図２】図１に示した実施例における検出部の上面の拡
大図である。

【図３】（ａ）〜（ｄ）のそれぞれは、図１に示した実
施例における第２の平板部の形成方法を示す工程図であ
る。

【図４】図１に示した実施例の断面図である。

【図５】図１に示した実施例における第２の平板部と結
合部を陽極接合する際の説明図である。

【図６】図１に示した実施例における第１の平板部と結
合部を陽極接合する際の説明図である。

【図７】図１に示した実施例における変形例を示す図で
ある。

【図８】図１に示した実施例をカメラの手ブレ抑制シス
テムに適用した場合のシステム図である。

【図９】（ａ）〜（ｄ）のそれぞれは、本発明の第２の
実施例の要部の形成方法を示す工程図である。

【図１０】本発明の第２の実施例の構造を示す断面図で
ある。

【図１１】本発明の第３の実施例の構造を示す平面図で
ある。

【図１２】従来例の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０１，１１０１ 第１の平板部 １０２，１１０２ 梁部 １０３，１１０３ 重り部 １０４，１１０４，１１０７ 空隙部 １０５，１１０５ 第２の平板部 １０６，９０７，１１０６ 結合部 １０７ 基台部 １０８ 励振方向 １０９ 角速度方向 １１０ 検知方向 ２０１ 検知用圧電素子 ２０２ 下方電極 ２０３ 上方電極 ２０４ 歪の中立面 ３０１ 単結晶シリコン膜 ３０２，９０２ 窒化シリコン膜 ３０３，９０３ エッチング部 ３０４，９０４ シリコン（１１１）面 ３０５，９０６ 垂直エッチング面 ５０１，５０２ 駆動用電極 ５０３ シム板 ５０４，５０５ ＰＺＴ ５０６，６０２ 酸化シリコン膜 ５０７ 負電位印加電極探針 ５０８ 正電位印加電極探針 ６０１ 陽極接合用電極 ８０１ 光軸中心 ８０１Ｐ 縦ブレ方向 ８０１Ｙ 横ブレ方向 ８０２ レンズ鏡筒 ８０３Ｐ，８０３Ｙ 角速度センサ ８０４Ｐ，８０４Ｙ 角速度検知方向 ８０５Ｐ，８０５Ｙ 積分回路 ８０６ 固定レンズ ８０７Ｐ，８０７Ｙ 補正光学系駆動部 ８０８Ｐ，８０８Ｙ 補正光学系位置センサ ８０９ 像面 ９０１ 単結晶シリコン基板 ９０５ エッチング面 １１０８ 励振素子 １１０９ 検知用圧電体

フロントページの続き (72)発明者 田村 美樹 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 井阪 和夫 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−248264（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−72679（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−160067（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−139719（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−172915（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−296657（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板の一部をエッチング除去してなる重
   り部と、該重り部と前記平板とを接続する検出用梁部
   と、前記重り部および検出用梁部の角速度によって生じ
   たコリオリ力を受けて検出用梁部が面内方向に歪変形す
   る変形量を検知する手段とを有する第１の平板部と、 圧電素子から成る第２の平板部と、 前記第１の平板部の一端と第２の平板部の一端とを各面
   内方向が略平行となるように結合させる結合部と、 前記第２の平板部の他端が固定された基台部と、 を有し、前記第１の平板部と第２の平板部とが結合部を
   介してコの字型に結合され、また、前記圧電素子で第２
   の平板部を振動させることによって前記第１の平板部を
   面内方向と略直交する方向に振動させることを特徴とす
   る角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記重り部および梁部が第１の平板部に
   複数個形成されていることを特徴とする請求項１記載の
   角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記コリオリ力により歪を発生させる検
   出用梁部がシリコン単結晶基板をエッチングすることに
   よって形成されていることを特徴とする請求項１記載の
   角速度センサ。
4. 【請求項４】 前記第１の平板部が感光性ガラスで構成
   されることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
5. 【請求項５】 前記第１の平板部と結合部との間および
   第２の平板部と結合部との間のうちの少なくとも一方が
   陽極接合法を用いて接着されていることを特徴とする請
   求項１記載の角速度センサ。
6. 【請求項６】 前記第１の平板部と結合部との間および
   第２の平板部と結合部との間のうちの少なくとも一方が
   炭酸ガスレーザー光照射下での陽極接合法を用いて接着
   されていることを特徴とする請求項１記載の角速度セン
   サ。
7. 【請求項７】 前記結合部が第１の平板をエッチング加
   工することにより形成されていることを特徴とする請求
   項１記載の角速度センサ。
8. 【請求項８】 前記第１の平板部を駆動させる第２の平
   板部の駆動機構が少なくとも第１の平板部を保持する二
   つ以上の梁を有するヒンジばね構造であることを特徴と
   する請求項１記載の角速度センサ。
9. 【請求項９】 前記歪量を検出する手段が該検出用梁部
   上面部の歪の中立面の両側に形成された一対の圧電素子
   の出力差により検出するものであることを特徴とする請
   求項１記載の角速度センサ。
10. 【請求項１０】 前記歪量を検出する手段が該検出用梁
    部上面部の歪の中立面の両側に形成された一対のピエゾ
    抵抗素子の出力差により検出するものであることを特徴
    とする請求項１記載の角速度センサ。
11. 【請求項１１】 請求項１記載の角速度センサが少なく
    とも二つ以上積層されてなることを特徴とする角速度セ
    ンサ。
12. 【請求項１２】 前記二つ以上の角速度センサの内、一
    対の角速度センサの振動が逆位相であり、この時に得ら
    れる各々の角速度センサからの角速度信号出力の差をと
    ることにより角速度信号を得ることを特徴とする請求項
    １１記載の角速度センサ。
13. 【請求項１３】 前記角速度センサが真空封入されてい
    ることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
14. 【請求項１４】 前記第１の平板部に形成される検出用
    梁部の検知方向の固有振動数が第１の平板部に形成され
    る振動機構の固有振動数と概ね同じ周波数であることを
    特徴とする請求項１記載の角速度センサ。