JPH05333038A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 小型かつ低コストの振動ジャイロ、即ち角速
度センサ、特に、同時に２軸以上の多軸方向の角速度の
検知可能な角速度センサを提供する。 【構成】 重り部１０３及び重り部１０３を保持する梁
部１０４が形成された平板部１０２を上下方向に振動さ
せる振動部、及び重り部１０３及び梁部１０４がコリオ
リ力を受けて梁部１０４が面内方向にたわみ変形すると
き、このたわみ変形の中立面の両側の平板上面に設けら
れた一対の歪量検出センサ１０６の出力差により角速度
を求める検出部１１７により構成される。

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、特に多軸の角速度を同時に検知可能な多軸
検知型角速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の角速度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
るものである。この様な機械式機構からなるジャイロ
は、高精度に角速度検出を行うことができるが、その反
面、準機械的構造であるため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、しかも体積及
び重量が大きいという欠点を有していた。このため、近
年ではジャイロを用いて高精度の角速度検出を行いたい
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を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
ロ式検出器を登載できる可能性が大きくなった。

【０００４】前述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、各種機器において利用されることが期待されて
いる。

【０００５】以下には、前記振動ジャイロからなる角速
度センサについて図１１乃至図１２を参照にして説明す
る。図１１において、１１０１及び１１０２は固定され
た振動片で、１１０３および１１０４は振動片１１０１
及び１１０２にそれぞれに取り付けられ、１１１２及び
１１１３の固定部材を図中Ｘ方向に振動させる駆動用圧
電素子であり、１１０５及び１１０６は駆動用圧電素子
１１０３及び１１０４で振動する振動片１１０１及び１
１０２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、１１０９及び１１１０は固定部材１１１２及び
１１１３に取り付けられた検出用振動片であり、１１０
９及び１１１０は検出用振動片１１０９及び１１１０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。この振動ジャイロにおいて、振動片１１０１及
び１１０２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１１１１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１１１２及び１１１３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１１０１及び１１０２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。

【０００６】 ｖ＝Ａ・ω1 ・ｃｏｓω1 ｔ （ａ） ここで、ω1 は振動片１１０１及び１１０２の共振周波
数である。

【０００７】ここで検知用振動片１１０９及び１１１０
の質量をＭとするとコリオリの力Ｆｃは次式で表され
る。

【０００８】 Ｆｃ＝２・Ａ・Ｍ・Ω・ω１・ｃｏｓω1 ｔ （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１１１２及び１１１３はＹ軸方向に
振動片し、その振幅は角速度Ωに比例するので検出用振
動片１１０９及び１１１０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。

【０００９】次に、図１２において、図１１の構成を用
いた角速度検出方法を説明する。同図において、１１０
３、１１０４、１１０５、１１０６、１１０７及び１１
０８は圧電素子を示し、図１１中に示した駆動用圧電素
子１１０３及び１１０４、モニター用圧電素子１１０５
及び１１０６、検出用圧電素子１１０７及び１１０８は
同一番号で示してある。１２０１、１２０７、１２０９
は増幅器であり、それぞれ、増幅器１２０１はモニター
用圧電素子１１０５及び１１０６からの信号を増幅する
もの、増幅器１２０７は駆動用圧電素子１１０３及び１
１０４に駆動信号を供給するもの、増幅器１２０９は検
出用圧電素子１１０７及び１１０８からの角速度検出用
信号を増幅するものである。１２０２は増幅器１２０１
で増幅されたモニター出力を移相させる移相回路であ
る。１２０３は同様に増幅器１２０１からの信号を整流
して整流電圧を発生する整流回路である。１２０４は基
準電圧発生回路で増幅器１２０１からの増幅電圧を一定
にすべく駆動用圧電素子１１０３及び１１０４への入力
電圧を抑制するための基準電圧を発生する。差動増幅器
１２０５は整流回路１２０３の出力電圧と基準電圧発生
回路１２０４からの基準電圧との差を増幅した出力を発
生する。乗算回路１２０６は移相回路１２０２の出力電
圧と差動増幅器１２０５の出力電圧とを乗じ、この乗算
結果を増幅器１２０７を介して駆動用圧電素子１１０３
及び１１０４に印加する。

【００１０】１２１０は増幅器１２０９で増幅された検
出用圧電素子１１０７及び１１０８の出力信号のうち振
動片１１０１及び１１０２の共振周波数ω1 の帯域成分
を通過させるバンドパスフィルターである。このバンド
パスフィルター１２１０の出力信号は同期検波回路１２
１１において移相回路１２０８の出力信号により同期検
波され、同期検波電圧となる。１２１２は同期検波回路
の１２１１の出力のうち、特定の低周波成分を通過させ
るローパスフィルターである。１２１３は、ローパスフ
ィルター１２１２の出力を増幅して角速度Ωを表す出力
を発生する出力増幅器である。

【００１１】図１２において振動片１１０１及び１１０
２は、それぞれに取り付けられた駆動用圧電素子１１０
３及び１１０４によって励振されるとＸ方向に振動し、
共振する。従って、検出用振動片１１０９及び１１１０
に取り付けられた検出用振動片１１０９及び１１１０も
同様に振動する。この時、モニター用圧電素子１１０５
及び１１０６は振動片１１０１及び１１０２と検出用振
動片１１０９および１１１０のそれぞれのＸ方向の振動
の振幅に比例したモニター電圧を増幅し、移相回路１１
０２は増幅器１２０１の出力電圧を９０゜移相した出力
電圧を発生する。同時に整流回路１２０３は増幅器１２
０１の出力電圧を整流した正電圧を発生する。したがっ
て、差動増幅器１２０５は整流回路１２０３の出力電圧
と基準電圧発生回路１２０４の基準電圧との差を増幅し
た出力を発生し、該出力が乗算回路１２０６に入力され
る。乗算回路１２０６は移相回路１２０２の出力（すな
わち、モニター用圧電素子１１０５及び１１０６の出力
を９０゜移相した信号）と、差動増幅器１２０５の出力
とを取り込んで両者の積に等しい出力を発生し、増幅器
１２０７は乗算回路１２０６の出力を増幅して駆動用圧
電素子１１０３及び１１０４には乗算回路１２０６を介
してモニター用圧電素子１１０５及び１１０６の出力が
帰還され、駆動用圧電素子１１０３及び１１０４は常に
一定電圧で駆動されるように乗算回路１２０６によって
制御される。

【００１２】基部１１１１がＺ軸を中心として角速度Ω
で回動されると検出用振動片１１０１及び１１０２はコ
リオリ力Ｆｃにより角速度Ωに比例してＹ軸方向に変位
する。従って、検出用圧電素子１１０７及び１１０８は
振動片の振動速度ｖと角速度Ωとの積に比例した出力を
生じ、該出力が増幅器１２０９で増幅された後、バンド
パスフィルター１２１０に入力される。

【００１３】検出用圧電素子１１０７及び１１０８の出
力は振動片１１０１及び１１０２の共振周波数ω1 を角
速度Ωによって振幅変調した振幅変調波となっており、
また、バンドパスフィルター１２１０の通過帯域は共振
周波数ω1 に設定されているためバンドパスフィルタ１
２１０の出力は検出用圧電素子１１０７及び１１０８の
出力から共振周波数ω1 の振動成分が通過されたものと
なる。

【００１４】バンドパスフィルター１２２０の出力は同
期検波回路１２１１において移相回路１２０８の出力に
より同期検波される。移相回路１２０８の出力により同
期検波される。移相回路１２０８の出力はモニター用圧
電素子１１０５及び１１０６の出力を９０゜移相したも
のであり、従って同期検波回路１２１１の出力はΩに比
例したものとなる。

【００１５】ついで同期検波回路１２１１の出力はロー
パスフィルター１２１２に入力され、ローパスフィルタ
ー１２１３では高周波成分が除去された後、出力増幅器
１２１３に入力される。出力増幅器１２１３ではローパ
スフィルター１２１２の出力を適当な振幅に増幅して出
力し、該出力が表示器などに供給される。

【００１６】

【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。特
に、多軸検知を必要とするシステムにおいては一方向の
検知軸に対して一個の角速度センサが必要であり、角速
度センサおよび実装スペースが検知軸分だけ必要とな
る。このため、従来の角速度センサを多軸検知が必要な
システムで用いる場合にはシステムの小型化が難しいと
いう問題があった。

【００１７】

【課題を解決するための手段（及び作用）】本発明は以
上の問題点を解決するものであり、小型かつ低コストの
振動ジャイロ、即ち角速度センサを提供することを目的
とし、特に、同時に２軸以上の多軸方向の角速度の検知
可能な角速度センサを提案するものである。

【００１８】そして、本発明は、平板部をその面内方向
に対して略直交する上下方向に振動させる駆動機構及び
駆動源を設け、該平板部を形状加工しその面内に複数の
方向の角速度に対してコリオリ力を受ける重り部及びこ
の重り部を平板部に保持し重り部及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こと
により上記目的を達成した。

【００１９】又、本発明は、平板を加工することにより
角速度センサを作製するために厚み方向の大きさが小さ
いセンサを実現している。本発明の平板材料としては、
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、この結果、高い感度を有する角速
度センサの提供が可能となった。

【００２０】また、駆動源としては焼結ＰＺＴ（チタン
酸ジルコン酸鉛）等の高い駆動力を持つもの使用が可能
であり駆動部を共通化することにより、センサの大きさ
に対して駆動部を大きくすることができ、大きさに対す
る加工誤差の低減及び大きな駆動力により小型センサに
おいても制御性の高い励振が可能となった。

【００２１】

【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。

【００２２】（実施例１）図１から図４は、本発明の角
速度センサの第一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
本実施例の角速度センサ作製のためのプロセスを示す
図、図４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。

【００２３】図１および図２において、１０１はシリコ
ン単結晶基板であり、１０２は平板部、１０３は重り
部、１０４は検出用梁部、１０５はエッチング除去して
形成した空隙部、１０６はピエゾ抵抗素子部、１０７は
シリコンの厚みが平板部に比べ小さく上下方向の振動を
可能にする駆動構造部、１０８は駆動源である励振用Ｐ
ＺＴ、１０９ａ，ｂは励振検知用ＰＺＴ、１１０はリー
ド電極、１１１はリード電極引き出し部、１１２は一枚
のシリコン基板により構成される単体センサ部、１１
３、１１４は角速度の検知軸、１１５、１１６はコリオ
リ力の発生方向、１１７は、梁部１０４に形成された一
対のピエゾ抵抗素子１０６の変形に伴う抵抗差を検出
し、電圧信号とする歪検出回路、１１８，１２１，１２
６は増幅器であり、夫々、増幅器１１８は励振検知用Ｐ
ＺＴ１０９ａ，１０９ｂからの信号を増幅するもの、増
幅器１２１は励振用ＰＺＴに駆動信号を供給するもの、
増幅器１２６は歪検出回路１１７からの信号を増幅する
ものである。１１９は増幅器１１８で増幅された出力を
移相させる移相回路、１１２は同様に増幅器１１８から
の信号を整流して整流電圧を発生する整流回路、１２４
は基準電圧発生回路で増幅器１２１からの増幅電圧を一
定にすべく励振用ＰＺＴ１０８への入力電圧を抑制する
ための基準電圧を発生する。１２３は差動増幅器で、整
流回路１２２の出力電圧と基準電圧発生回路１２４から
の基準電圧との差を増幅した出力を発生する。１２０は
乗算回路で、移相回路１１９の出力電圧と差動増幅器１
２３の出力電圧とを乗じ、この乗算結果を増幅器１２１
を介して励振用ＰＺＴ１０８に印加する。

【００２４】１２７は増幅器１２６で増幅された歪検出
回路１１７の出力信号のうち振動片１０８の共振周波数
ω１の帯域成分を通過させるバンドパスフィルターであ
る。このバンドパスフィルター１２７の出力信号は同期
検波回路１２８において移相回路１２５の出力信号によ
り同期検波され、同期検波電圧となる。１２９は同期検
波回路の１２８の出力のうち、特定の低周波成分を通過
させるローパスフィルターである。１３０は、ローパス
フィルター１２９の出力を増幅して角速度を表す出力を
発生する出力増幅器である。又、２０１はピエゾ抵抗素
子用引き出し電極、２０２は検出用梁部１０４のたわみ
の中立面である。

【００２５】尚、上述の実施例では軸１１３に関する角
速度検出を行う信号処理回路は省略しているが、上述の
軸１１４に関する角速度検出信号処理回路と同様のもの
である。

【００２６】又、本実施例においては同じ構成のセンサ
を２枚積層しており、各々の励振を逆位相としており、
各々の出力増幅器１３０からの出力の差動信号を角速度
信号としている。このため、角速度センサを使用する装
置において、発生する振動等の角速度センサが受ける外
乱の影響を抑制することができる。また、差動信号を得
るための差動増幅器（不図示）は歪検出回路１１７から
出力増幅器１３０までのどの回路間に設けてもほぼ同様
の効果が得られる。このとき回路規模、回路特性等を考
慮してより適切な配置を選択することが可能である。

【００２７】次に、上記構成の動作について説明する。
本実施例においては励振用ＰＺＴ１０８に一定電圧の交
流を印加することにより駆動構造部１０７を矢印Ａの方
向に平板部１０２を振動させる。このとき、駆動検知用
ＰＺＴ１０９ａ，ｂの出力を検知し、駆動周波数が所望
の値となるように励振用ＰＺＴに印加する交流電圧を増
幅器１１８、移相回路１１９、乗算回路１２０、増幅器
１２１、整流回路１２２、差動増幅器１２３、基準電圧
発生回路１２４からなる駆動回路で調整し、一定の上下
振動が得られる用にする。検知軸１１３、１１４の回り
の角速度がこの上下している平板に加わると検知部であ
る重り部１０３及び梁部１０４はそれぞれ１１５、１１
６の方向にコリオリ力を受けそれぞれ梁部１０４は同方
向にたわみ変形する、この時、梁の中立面の両側に形成
された一対のピエゾ抵抗素子１０６の前記変形に伴う抵
抗差（歪量）を歪検出回路１１７で検出する。歪検出回
路１１７では、更に検出した抵抗差を電圧信号に変換し
て出力する。歪検出回路１１７の出力信号は、増幅器１
２６、バンドパスフィルター１２７、同期検波回路１２
８、ローパスフィルター１２９、出力増幅器１３０を介
して角速度を表す信号に変換され出力増幅器１３０より
出力される。

【００２８】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。上記構成にお
いて、出力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、１°／ｓｅｃの角速度
において０．１ｍＶの出力を得た。

【００２９】また、本実施例においては、平板部１０
２、重り部１０３、梁部１０４は１ｍｍ厚の＜１００＞
方位のｎ型単結晶シリコン基板から異方性エッチングに
よって一体的に形成している。次に、この作製方法につ
いて、図３を用いて詳細に説明する。

【００３０】図３において、３０１はシリコン基板、３
０２は熱酸化膜、３０３はピエゾ抵抗素子部、３０４は
窒化シリコン膜、３０５は梁部１０４及、重り部１０３
及び平板部１０２を形成するためのエッチング部、３０
６はシリコン（１１１）面、３０７は駆動部用エッチン
グ部、３０８は垂直エッチング面、３０９はピエゾ抵抗
用電極、３１０は駆動用電極、３１１は駆動用片持ち梁
部、３１２はガラス基板、３１３はガラス基板に形成し
た溝部、３１４はＰＺＴ焼結体、３１５はテフロンシー
トである。

【００３１】図３（ａ）において、単結晶基板３０１に
所望の熱酸化膜３０２を形成した後、フォトリソグラフ
ィ法によりレジストをパターニングして一部をエッチン
グ除去しピエゾ抵抗素子パターンを形成し、イオン注入
法を用いてｐ型のピエゾ抵抗素子３０３を形成した。な
お、この時、平板部上面における梁部の幅は１００μｍ
とし、この梁部１０４の中立面の両側に１０μｍ幅の抵
抗線を有するピエゾ抵抗素子部を形成した。次に図３
（ｂ）に示すように、ジクロロシランおよびアンモニア
ガスを原料としたＬＰＣＶＤ成膜法を用いて窒化シリコ
ン膜３０４を０．２μｍ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１
０４、平板部１０２を形成するためのエッチング部３０
５の窒化シリコン膜を除去する。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１１０゜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（１１
１）結晶面３０６は結晶面によるエッチング速度の違い
により出現する。次に、図３（ｄ）に示す用に検知部を
形成した平板部を上下方向に駆動する駆動機構である片
持ち梁部１０７の厚みを調整し所望の駆動周波数とする
ための梁部のエッチングを行うため、窒化シリコン膜３
０７のエッチング部のパターニングを行い、再び加熱し
た水酸化カリウム水溶液によりエッチングを行った。図
３（ｅ）における３１１はこのエッチングにより形成さ
れた梁部であり、エッチング時において、重り部１０
３、梁部１０４及び平板部１０２のエッチングによりほ
ぼ垂直断面が得られる時間と所望の駆動用梁部の厚みが
得られる時間を一致させることにより所望のセンサ構造
体の形成が可能となる。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。次に、図３（ｅ）に示す様に、
ピエゾ抵抗素子部３０３と電気的接続を行うためのコン
タクトホールをフォトリソグラフィ法および四フッ化炭
素を用いた反応成イオンエッチング法を用いて窒化シリ
コン膜３０４に形成し、電極用のレジストパターニング
を行った後、蒸着法およびリフトオフ法を用いてアルミ
電極を所望のパターンに形成する。このあと、所望の大
きさにセンサをシリコン基板より切りだし単体センサ部
１１２が形成される。次に、単体センサ部１１２裏面窒
化シリコン膜を反応性イオンエッチング法で除去した
後、予め枠部を約１ｍｍ幅で残し、中心部を５０％フッ
化水素酸溶液中で約０．５ｍｍの深さのエッチングをお
こない溝部３１３を形成した厚み１ｍｍのパイレックス
ガラス板（コーニング社＃７７４０）３１２と単体セン
サ部１１２を陽極接合して図３（ｆ）の状態とした。な
お、陽極接合においては、３８０゜で単体センサ部１１
２側を正電位、パイレックスガラス側を負電位として４
００Ｖを１０分間印加して行った。この後、予め両面に
銀電極を銀ペーストをスクリーン印刷法で塗布して形成
し分極処理を行った励振用ＰＺＴ３１４および励振検知
用ＰＺＴ１０９はＡｇ粉を分散させ導電特性を付与した
エポキシ系接着剤を塗布しシリコン単結晶基板上に形成
した引き出し電極（図示せず）上に圧着し固定して図３
（ｇ）の状態とした。最後に、このセンサを形成した単
体センサ部１１２が図３（ｈ）に示すように相対する面
で接着する。本実施例においては、幅２ミリ厚さ０．５
ミリのテフロン枠シート３１５を間に挟みエポキシ系接
着剤を用いて加圧接着しセンサ部を形成した。

【００３２】なお、本実施例においては単体センサ部の
外寸は１７×１４ｍｍとし、駆動用梁部３１１およびＰ
ＺＴ焼結体３１２の厚みはいずれも３００μｍ、長さは
５ミリとした。

【００３３】図４は、本実施例の角速度センサをカメラ
の像ぶれ抑制システムに用いた図である。

【００３４】図４において、４０は補正光学系、４１は
光軸中心、４１Ｐ、４１Ｙは各々カメラの縦ブレ、横ブ
レ方向、４２はレンズ鏡筒、４３は上述の実施例で説明
した角速度センサ、４４Ｐ及び４４Ｙは角速度検知方
向、４５Ｐ及び４５Ｙは積分回路、４６は固定レンズの
一部、４７Ｐ及び４７Ｙは補正光学系駆動部、４８Ｐお
よび４８Ｙは補正光学系位置センサ、４９は像面であ
る。

【００３５】二つの角速度検出方向４４Ｐ、４４Ｙを角
速度センサ４３で検出し、積分回路４５Ｐおよび４５Ｙ
で上記角速度センサの信号を積分して手ブレ角変位に変
換する。次に、この変換された角変位信号は、補正光学
系４０をＸ、Ｙ方向に変位させる駆動部４７Ｐ、４７Ｙ
に入力されてこの補正光学系４０を駆動させ、像面４９
での像安定を確保し、像ブレ抑制を行うようになってい
る。この時、補正光学系４０の位置検出センサ４８Ｐ、
４８Ｙを用いて補正位置検出を行い、検出信号はフィー
ドバック制御に利用される。上記構成のカメラの像ブレ
抑制システムは良好に動作し像ブレを抑制した。

【００３６】本実施例では、角速度センサはレンズ鏡筒
４２先端部に配置したがカメラの形態により角速度検知
方向４４Ｐ、４４Ｙと手ブレ方向４１Ｐ、４１Ｙを一致
させれば設計上都合の良い場所に設置することが可能で
ある。例えば、本実施例の角速度センサは厚みが薄いた
め、像面４９の背後に設置しても従来の角速度センサを
用いた場合の様に大きく膨らむことがないため装置のデ
ザイン的制約が少なくなる効果がある。

【００３７】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。図３（ｈ）
において、二つのセンサを貼り合わせる際に減圧下で行
うと、センサ内部を減圧状態にすることができる。この
場合には、振動の電気機械変換特性が向上し、さらに１
０倍〜１００倍程度の感度向上が可能となった。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
くくなるためセンサ出力の熱的安定化が計れた。

【００３８】また、二つのセンサを貼り合わせる際にテ
フロンシートの替わりに所望の形状にエッチング加工し
たスガラス基板を用い、常温中で接着部のみに炭素レー
ザーを照射しながらシリコン基板側を正電位として約４
００Ｖの電圧をガラス基板との間に印加することによっ
ても接着が可能である。この場合には、基板端面側から
炭素レーザーを照射して接着を行った。この方法におい
てはシリコンとガラス部の緻密な接着が可能であり、特
に、センサ内部を減圧状態とする場合に生産上の歩留ま
り向上、センサの信頼性向上が計られた。

【００３９】さらに、本実施例で説明した回路部の一部
をＣＭＯＳ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。

【００４０】（実施例２）図５から図９は、本発明第二
の実施例を説明するための図であり、図５はセンサ上面
図、図６は図５の角速度センサのＡ−Ａ’断面における
作製行程図、図７及び図８は角速度センサの検出部の他
の形態を示す図、図９は他の形態をとった角速度センサ
の説明図である。

【００４１】図５および図６において、５０１はガラス
基板、５０２は駆動用ヒンジ梁部、５０３は空隙部、５
０４は重り部、５０５は検出用梁部、５０６は検出用圧
電素子、５０７は検出部が形成された平板部、６０１は
エッチングマスク材、６０２は紫外線露光用マスク、６
０３駆動用圧電素子、６０４、６０６は封止用シリコン
基板、６０５はセンサ空隙部である。

【００４２】図５の角速度センサにおいて、角速度の検
出は、重り部５０４および検出用梁部５０５がコリオリ
力を受けて面内方向に梁部５０５がたわみ変形するとき
の歪量を梁部５０５のたわみ変形の中立面の両側に形成
した一対の検出用圧電体素子５０６の出力差により検出
した。また、検出部が形成された平板部５０７は一対の
ヒンジ梁部５０２によって構成される駆動機構によって
平面とおよそ直行する上下方向に振動する。また、この
ときの駆動源としては圧電素子であるＰＺＴ焼結体を用
いた。

【００４３】次に、図６を用いて図６に示した本実施例
の角速度センサの作製方法について詳細に説明する。

【００４４】本実施例においては、ガラス基板５０１に
は、１ｍｍ厚のＰＥＧ３感光性ガラス（ＨＯＹＡ（株）
製）を用いた。図６（ａ）において、ホトレジス材をガ
ラス基板５０１表面にスピン塗布法により形成し、ヒン
ジ梁部５０２形成のためのパターンにパターンニングし
てエッチングマスク部６０１を形成する。この後、テフ
ロン製の専用治具（図示せず）を用いて片面のみ５０％
フッ化水素酸溶液溶液に触れるようにしてヒンジ梁部５
０２が所望の厚みになるようにエッチングを行った。本
実施例においては、エッチング時間の制御により約０．
４μｍの厚みを残した。次に、エッチングを行った面と
相対する面に図５における空隙部５０３のパターンに形
成した紫外線マスク部６０２を形成する。次に、紫外線
照射を行い、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未露光部を露光す
る。この後、１０％フッ化水素酸溶液でエッチングを行
い空隙部５０３を形成する。次に、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５０６として酸化亜鉛膜およびを酸化亜鉛膜上の
金電極（図示せず）、検出部用引出し電極（図示せず）
をスパッタ法およびリフトオフ法を用いて所望のパター
ンに形成する。さらに、駆動部引出し電極（図示せず）
および駆動用電極（図示せず）を同様な方法で形成した
後、駆動源６０２としてＰＺＴ焼結体を実施例１と同様
の方法でガラス基板に接着し図６（ｃ）の状態とした。
なお、ヒンジ梁部の平板部側には駆動検知用のＰＺＴ焼
結体（図示せず）および電極（図示せず）も同様の方法
で形成した。つぎに、図６（ｄ）に示す様に異方性エッ
チングにより空隙部６０５を形成したシリコン基板６０
４をガラス基板に接着する。最後に、図６（ｅ）に示す
ように、異方性エッチングにより形成した６０６を挟ん
で図５（ｄ）の二つのセンサ単体を接着して、本発明の
角速度センサを形成する。

【００４５】なお、図５（ｄ）および図５（ｅ）におい
て基板間の接着はエポキシ系接着剤を用いて行った。

【００４６】上記構成において、二つの圧電素子５０６
のたわみ変形に伴う出力電圧の差信号を、図１２で説明
した従来例と同様な電気回路を用いて出力を検出したと
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
ができた。

【００４７】また、実施例１同様角速度センサをカメラ
の像ブレ制御システムに用いたところ像ブレシステムは
良好に動作した。

【００４８】次に、本実施例において角速度センサの形
状を変えた例について図７から図９を用いてさらに説明
する。

【００４９】図７及び図８は、本実施例において異なる
センサ検出部構造の説明図であり、７０１及び８０１は
検出角速度方向、７０２及び８０２はコリオリ力の検出
方向、７０３及び８０３は重り部、７０４及び８０４は
検出用梁部、７０５及び８０５は空隙部である。

【００５０】図７における検出部は、二つの梁部７０４
によって構成され。このため角速度方向７０１のねじれ
がおきにくい構造を示し、強い角速度を検出する場合に
この構造は有利となる。また、図８は四つの梁部８０４
によって構成され紙面に対して上下方向の振動がおきに
くい構造となっており、上下振動の激しいところでの用
途に適している。

【００５１】図９は、駆動機構が四つの駆動用ヒンジ梁
部により構成される角速度の例を示しており、９０１は
ガラス基板、９０２はヒンジ梁部、９０３は空隙部、９
０４は重り部、９０５ａから９０５ｄは検知梁部、９０
６は検出用圧電素子、９０７は検出部が形成された平板
部である。この例においては、駆動機構が四つのヒンジ
梁部９０２により構成されているため、検出部が形成さ
れた平板部９０７が四つのヒンジ梁部９０２により上下
振動する際に、平板面内方向の回転が起こりにくい効果
があり、平板部の面内方向の回転による誤差を小さくす
ることができる。なお、この例においては、振動する平
板部９０７が対称構造なしてることにより、平板部の重
心の中心からのずれをなくしより正確な上下振動を実現
している。このとき、検出出力はそれぞれの角速度方向
に対して、９０５ａと９０５ｄの出力の和および９０５
ｂと９０５ｃとの和により求めることができる。

【００５２】（実施例３）図１０は、実施例２の角速度
センサをさらに発展させ４軸検知可能な角速度センサを
提供したものである。

【００５３】図１０において、１００１はヒンジ梁部、
１００２は検出梁部、１００３は重り部、１００４は検
出部が形成された平板部を示。第２の実施例と同様な方
法により本実施例の角速度センサを作製し、同様に駆動
させたところ四つ検出部により、それぞれ検出用梁部１
００２の形成された３０゜ごとの方向の軸まわりの角速
度の検出が可能であった。本実施例の角速度センサは、
ロッ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が可能であり、必要に応じて検
出部を任意の検知軸方向に形成することにより多軸検知
可能な角速度センサが容易に形成可能である。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の角速度セ
ンサは多軸検知を必要とするシステムにおいてセンサ部
の小型化及びセンサ部の実装部の共通化によるシステム
の小型化が実現できる効果がある。この効果は、カメ
ラ、ビデオカメラをはじめとする小型機器において多大
であり、センサ部が大きい故のシステムのデザイン的お
よび機能的制約を飛躍的に小さくした。

【００５５】さらに、本発明においては検出部の形成に
おいてを高い加工精度を有するフォトリソグラフィ法お
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が計られた。また、少なくとも二
つ以上の振動部を共通化することにより、余裕をもった
駆動力による外乱の影響を受けにくい制御性の高い振動
ができる効果がある。また、駆動部を大きくすることに
より大きさあたりの加工及び組立誤差が小さくなり感度
が向上する効果が得らた。

【００５６】また、駆動回路の共通化等の回路部品の共
通化、及び実装部材の共通化により大幅なコストの低減
が計れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の角速度センサの構造部
分を示した斜視図、

【図２】本発明の第１の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】本発明の第１の実施例の角速度センサ作製のた
めのプロセスを示す図、

【図４】本発明の第１の実施例の角速度センサを適用し
たカメラの手ブレ抑制システム概要図、

【図５】本発明の第２の実施例のセンサ上面図、

【図６】本発明の第２の実施例である第５図の角速度セ
ンサのＡ−Ａ’断面における作製行程図、

【図７】本発明の第２の実施例において他の形態の検出
部構造を示す図、

【図８】本発明の第２の実施例において、更に他の形態
の検出部構造を示す図、

【図９】本発明第２の実施例の角速度センサにおいて他
の形態の構造を示す図、

【図１０】本発明の第３の実施例の角速度センサを示す
図である。

【図１１】従来の例を説明するための図である。

【図１２】従来の例を説明するための図である。

【符号の説明】

１０１、３０１ センサ形成用シリコン基板 １０２、５０７、９０７、１００４ 平板部 １０３、５０４、７０３、８０３、９０４、１００３
重り部 １０４、５０５、７０４、８０４、９０５ａ、９０５
ｂ、９０５ｃ、９０５ｄ、１００２ 検知用梁部 １０５、５０３、６０５、７０５、８０５、９０３ 空
隙部 １０６、３０３ ピエゾ抵抗素子部 １０７、３１１ 駆動用片持ち梁構造部 １０８、３１４、６０３ 励振用ＰＺＴ焼結体 １０９ 励振検知用ＰＺＴ焼結体 １１０、３０９、３１０ 電極部 １１１、２１０ 引き出し電極部 １１２ 単体センサ部 ２０２ 梁１０４のたわみの中立面 ３０２ シリコンの熱酸化膜 ３０４ 窒化シリコン膜 ３０５、３０７ エッチング部 ３０６ シリコン（１１１）面 ３０８ 垂直エッチング面 ３１２、５０１、９０１ ガラス基板 ３１３ ガラス基板に形成した溝部 ３１５ テフロンシート ４０ 補正光学系 ４１ 光軸中心 ４１Ｐ カメラの撮影光軸の縦ブレ方向 ４１Ｙ カメラの撮影光軸の横ブレ方向 ４２ レンズ鏡筒部 ４３ 角速度センサ ４４Ｐ、４４Ｙ 角速度検知方向 ４５Ｐ、４５Ｙ 積分回路 ４６ 固定レンズの一部 ４７Ｐ、４７Ｙ 補正光学系駆動部 ４８Ｐ、４８Ｙ 補正光学系位置センサ ４９ 像面 ５０２、９０２、１００１ 駆動用ヒンジ梁部 ５０６、９０６ 検出用圧電素子 ６０１ エッチングマスク材 ６０２ 紫外線露光用マスク ６０４、６０６ 封止用シリコン基板 ７０１、８０１ 検出角速度方向 ７０２、８０２ コリオリ力の検出方向 １１０１、１１０２ 固定された振動片 １１０３、１１０４ 駆動用圧電素子 １１０５、１１０６ モニター用圧電素子 １１０７、１１０８ 検出用振動片 １１０９、１１１０ 検出用圧電素子 １１１２、１１１３ 固定部材 １１１１ 基部 １２０１、１２０７、１２０９ 増幅器 １２０２、１２０８ 移相回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高木 博嗣 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 (72)発明者 平井 裕 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

Claims (8)

【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少
   なくとも二つ以上の重り部及びこの重り部と平板部を接
   続する検出用梁部とこの重り部及び検出用梁部が形成さ
   れた平板部を面内方向と略直交して振動させる振動機構
   及び振動源により構成され、該梁部の長手方向を軸とす
   る角速度が該検出用梁部に加わることにより該検出用梁
   部がコリオリ力を受けて面内方向に歪む際の中立面の両
   側の該平板部上面の該検出用梁部にそれぞれ少なくとも
   一つ以上の歪量を検出する手段を有し、この両側に設け
   られた歪量検出手段の出力値の差より角速度信号を生成
   することを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 請求項１において、 コリオリ力により歪を発生する二つ以上の検出用梁部の
   うち少なくとも二つが略９０゜の方向をなして形成され
   ている。
3. 【請求項３】 請求項１において、 コリオリ力により歪を発生させる検出用梁部は、前記平
   板をエッチングすることにより形成されている。
4. 【請求項４】 請求項１において、 前記平板部が感光性ガラスで構成されている。
5. 【請求項５】 請求項１において、 前記平板部を駆動させる駆動機構は片持ちばり構造であ
   る。
6. 【請求項６】 請求項１において、 前記平板部を駆動させる駆動機構は少なくとも該平板部
   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。
7. 【請求項７】 請求項１において、 前記歪量検出は前記検出用梁部上面部に形成された一対
   のピエゾ抵抗素子である。
8. 【請求項８】 請求項１において、 歪量検出は前記検出用梁部上面部に形成された一対の圧
   電素子である。