JPH01217217A - 振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は微小な振動子に係り、特にμｍオーダまたは、
それ以下の変位を利用する物理量センサに好適な振動子
に関する。

〔従来の技術〕

従来の振動子は特許９３８９５９号や特開昭６１−９７
５７２号公報に記載され、第６図にその断面図を示した
ように支持部１０１．梁部１０２．質量部１０３から構
成され、その支持部を固定して用いる片持梁型の構造と
なっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は梁のたわみ変形量を大きくすることを主
眼としている。外力によりたわみ振動すると、第７図に
示すように基準位置１０４に対して質量部１０３は角度
Ｏだけ傾く。その結果、質量部の長さをａとすると、質
量部の付は根と先端とでは、Δｈ＝ａ・θだけの振幅差
が生じてしまう。このように従来技術では質量部の傾き
による上記振幅差の発生について配慮されておらず、質
量部と対向した壁面との間の静電容量変化による振動検
出をする際に、感度を向上させる上で問題があった。ま
た、従来技術の振動子はシリコン単結晶を異方性エツチ
ングで作るため、第９図に示すように梁の断面１０６が
台形状を成し、外面１０８と内面１０７の寸法に差が生
じて、梁部の上、下に対称に電歪材や抵抗素子を形成す
ることが困難という問題があった。さらに第６図におい
てＸ方向に外力が働くと、質量部の重心と梁部のＸ方向
の軸とがずれているためモーメントが加わりたわみ変形
するという問題があった。

本発明の目的は、質量部を２方向のみの外力で平行に並
進することを可能とする振動子を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、質量部を２枚以上の平行な板ばねで片持ち
支持する構造を有することにより達成される。好ましく
はこれらはシリコン単結晶から作られる。

〔作用〕

質量部を一対の平行な板ばねで片持ち支持する構造であ
るため、梁部は、質量部を平行案内する柔軟な梁とする
ことができる。またこの構造をシリコン単結晶から作る
ことにより、この一対の梁を振動子の中心軸に対して対
称な構造とすることができるので、振動子の中立軸であ
るＸ方向の外力によるモーントでたわみ変形することが
なくなる。

さらに−枚のシリコン単結晶の表裏面に同じパターンを
形成して異方性エツチング処理を行うことにより平行で
対称な一対の梁が形成されるので、互に対称な梁の部分
に抵抗素子や電歪素子を形成することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。シリ
コンウェーハの両面に所望の振動子の平面形状を作るた
めの表裏面対称なパターンをリングラフィ技術を用いて
パターンニングする。次にそれを用いて、耐エツチング
マスクを酸化膜で形成する。最後にＫＯＨの４０％水溶
液を用いて異方性エツチング処理を行なうと本発明の振
動子ができる。

支持部１から梁部２，３を介して質量部４が支持された
構造である。質量部４の法線方向はシリコン単結晶（１
００）軸、また質量部４の中心軸Ｘ方向は（１１０）軸
である。質量部４と支持部１の厚さは４００μｍ、質量
部の面積は２部２ｍｍ。

梁部２，３の厚さは各々２０μｍで長さ２００μｍであ
る。第２図は本発明のｙ軸上の横断面図であり、第１図
と同一部品は同一番号を付した。

振動子の支持部１は外部の固定台５に接着されている。

梁部２と３は振動子のＸ方向の中心軸に対して対称な形
状である。第３図は、外力Ｆが加わり質量部４がｈだけ
移動した状態である。梁部２゜３が平行板ばね案内の作
用をするため、質量部４は、平行な並進移動のみが行な
える。

また第２図において、Ｘ方向に圧縮の外力が加わった場
合、梁部２，３に等しく重心Ｇのモーメントが加わるた
め、第７図の従来例のような、たわみ変形が生じない利
点がある。

なお、質量部を平行に移動させる手法として、従来行な
われている例を第８図に示した。固定部２０１．２０２
に固定された支持部２０３，２０４から、梁部２０５，
２０６を介して質量部２０７が支持されている。この構
造は両端支持構造であるため、同一断面の梁を用いる場
合には、片持梁構造の本発明に比べて、同じたわみ量を
達成するためには、梁部のＸ方向の長さが２部と大きく
なる。これは振動子の小型化の上では不利になる。

さらに重心Ｇに加わるＸ方向の力による回転モーメント
を防ぐことができないので質量部２０７が傾く。

第４図に本発明の第２の実施例を示す。支持部３１、二
対の梁部３２，３３，３４．．３５、質量部３６とから
構成されている。梁部３２，３３と梁部３４，３５はＸ
方向に所定の距離だけ隔てて設けであるため、ｙ軸回わ
りの回転α、Ｚ軸回わりの回転βなどの外力に対する剛
性が向上し、Ｚ方向の並進移動のみを確実にする。

第５図は、本発明の振動子を用いた加速度センサの一実
施例である。支持部４１．梁部４２゜４３、質量部４４
からなる振動子を絶縁体であるガラス４５．４６で挟ん
で固定した構造である。

一対の梁部４２，４３上には、シリコン拡散型の歪ゲー
ジ４７．４８が形成されている。梁部４２゜っている。

ガラス４５．４６は、化学エツチングで浅い溝が形成さ
れ、その中に電極４９．５０が形成されている。これら
の電極に対向した質量部４４の表面にも電極５１．５２
が形成されている。

本発明の加速度センサの検出系は、Ｚ方向からの加速度
入力による歪ゲージ４７．４８の出力を増幅し、位相を
進めて、電極４９と５１または５０と５２との間に電位
を加えることにより振動子の振動を制振する系となって
いる。この制振に要する電力から加速度が特定される。

振動子の質量部４４が並進移動するため、電極４９と５
１．５０と５２の間隔を各々、極ねめで小さくすること
が可能となり、本例では２μｍに設定した。また質量部
４４が平行移動するため、電極どうしが接近した際に薄
い空気層のスクイズ作用によるダンピング効果を利用す
ることも可能となった。

なお、本発明で述べた、一対の平行な梁部の製作方法に
ついては、（１００）ウェーハの表裏にＳ　ｉ　０２膜
マスクの所定の開口を設け、両面から対称的にエツチン
グすることにより骨組構造体を作る技術の応用であり、
文献（１９８７，３，］、　１　。

第１６回ＥＭシンポジウム「Ｓｉチップ上のマイクロメ
カニクス技術」佐藤著他、電子回路技術委員会主催、電
子情報通信学会協賛）で報告されている。

また、振動子の制振方法として、本発明の梁部の内側に
、粘弾性材料ＶＥＭや鉛系の制振金属を充填することが
可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、微小振動子の振動体である質量部を平
行に並進運動することが可能となるので、質量部と剖向
する壁面や電極間隔を極小にすることが可能となり、静
電的な振動検出や制振さらには空気膜によるスクイズ効
果によるダンピング作用を有効に行うことができる。従
って小型で高性能な振動子を有するセンサが製作可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の烏瞼図、第２図は第１図の
ｙ軸を通る断面図、第３図は、外力下でたわみ変形した
本発明の第２図と同様の断面図、第４図は本発明の第２
の実施例の烏睡図、第５図は本発明の第３の実施例の断
面図、第６図は従来例の断面図、第７図は従来例の断面
図、第８図は第２の従来例の断面図、第９図は梁部の断
面図である。 −Ｎ　Ｃつ　＼吐

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一方向に柔軟な梁と剛構造の質量部と支持部とから
   構成される片持ち梁部の振動子において、該振動子の振
   動方向を法線方向とする２つ以上の異なる平面に含まれ
   るように、それぞれの該平面内に梁を設けて、平行板ば
   ねを構成することにしたことを特徴とする振動子。 ２、上記質量部を一対の平板状壁面で挟み気体による制
   振を作用を行うことを特徴とする請求項１記載の振動子
   。 ３、上記梁部の内側に制振材を付着挿入したことを特徴
   とする請求項１記載の振動子。 ４、上記質量部と相対向する壁面に該質量部に静電力を
   作用させて制振する制振部材を設けたことを特徴とする
   請求項１記載の振動子。 ５、上記質量部、梁及び支持部はシリコン単結晶から構
   成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
   載の振動子。