JPH09159457A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】基板の上の配線間での相互干渉を抑制すること
ができる半導体型角速度センサを提供する。 【解決手段】振動子３はシリコン基板１を用いて形成さ
れ、音叉型をなしている。振動子３には駆動用圧電素子
１３〜１６、検出用圧電素子１９，２０、フィードバッ
ク用圧電素子２１が形成されるとともに、アルミ配線２
９〜３５が延設されている。アルミ配線３０，３４によ
り駆動用圧電素子１３，１４に駆動信号が供給されて振
動子３が励振され、アルミ配線３１，３３より検出用圧
電素子１９，２０による検出信号が取り出される。アル
ミ配線２９，３５はアルミ配線３０，３４と並設され、
駆動信号とは逆相の信号が供給されノイズ対策が行われ
るとともに、圧電素子１５，１６が駆動される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧電振動型ジャ
イロを用いて角速度を測定する角速度センサに係わり、
同センサは車両・船舶・飛行機・ロボット等の運動体の
運動状態を測定する際に用いられ、例えば、車両の姿勢
制御のための車両旋回角度を測定するために用いるもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電振動型ジャイロは、金属振動
板に圧電素子を接着したものが主に用いられてきた。こ
れは、金属振動板に止着した駆動用（励振用）圧電素子
により金属振動板を励振させるとともに、同じく金属振
動板に止着した検出用圧電素子により角速度の作用に伴
い発生する金属振動板の振動を電気的に取り出して角速
度を検出するものである。これに対しシリコン基板をエ
ッチングして振動子を形成し、シリコン基板上に圧電薄
膜を形成することが提案されている（特開平６−１４７
９０３号公報等）。この技術を用いると、小型化が達成
できるとともに、圧電素子の接着等の複雑な製造工程を
省略でき低コスト化を図ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、シリコン基
板の上面に圧電薄膜へと延びるアルミ配線を配置するこ
ととなり、このアルミ配線の間隔も小型化のために極め
て接近したものとなり、駆動信号ラインと検出信号ライ
ンとの間で信号の相互干渉が発生してしまうという不具
合が生じる。

【０００４】そこで、この発明の目的は、基板の上の配
線間での相互干渉を抑制することができる半導体型角速
度センサを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、ノイズ対策用配線を振動子の表面における駆動信号
供給用配線に並設し、当該ノイズ対策用配線に駆動信号
とは位相が異なる信号を供給するようにしたことを特徴
としている。よって、駆動信号供給用配線により供給さ
れる駆動用圧電素子の駆動信号が、検出用圧電素子（あ
るいはフィードバック制御用の圧電素子）からの信号取
り出し用配線に、ノイズとして入ろうとするが、ノイズ
対策用配線に供給されている信号によりキャンセルされ
る。

【０００６】このようにして、基板の上の配線間での相
互干渉を抑制することができることとなる。請求項２に
記載の発明は、振動子は音叉型をなし、平行に延びるア
ーム部の連結部（音叉の根元部）においては配線が近接
するが、このときに前述のノイズ対策が行われる。

【０００７】請求項３に記載の発明は、ノイズ対策用配
線に駆動信号とは逆相の信号を供給することにより、そ
の相殺効果は最大となる。請求項４に記載の発明は、ノ
イズ対策用配線には、前記駆動用圧電素子とは異なる位
相にて前記振動子を駆動するための第２の駆動用圧電素
子が接続されているので、ノイズ対策に加え、振動子を
より効率的に振動させることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、この発明の実施の形態を図
面に従って説明する。

【０００９】本実施の形態における角速度センサを図１
に示す。以下の説明にあたり、３軸直交座標系として、
左右方向をＸ方向（Ｘ軸）とし、前後方向をＹ方向（Ｙ
軸）とし、上下方向をＺ方向（Ｚ軸）とする。

【００１０】所定の厚みを有するシリコン基板（半導体
基板）１における所定領域がエッチング除去されて四角
環状の枠部２が形成されるとともにその枠部２の内方に
おいて音叉型の振動子３が形成されている。同振動子３
は立設されている。振動子３は、上下に互いに平行に延
びるアーム部４，５と、このアーム部４，５と枠部２の
下辺部とを連結する連結部６とからなる。さらに、アー
ム部４は、長方形状をなす幅広アーム部７と、幅狭アー
ム部８と、質量部９とからなる。同様に、アーム部５
は、長方形状をなす幅広アーム部１０と、幅狭アーム部
１１と、質量部１２とからなる。

【００１１】より詳細に説明すると、連結部６はＴ字形
状をなし、枠部２の上面からは連結部６の垂直部６ａが
上方に延び、垂直部６ａの上端部から左右方向に水平部
６ｂが延びている。水平部６ｂの左端の上面から幅広ア
ーム部７が上方に延びるとともに、水平部６ｂの右端の
上面から幅広アーム部１０が上方に延びている。

【００１２】さらに、長方形状の幅広アーム部７の上端
からは幅狭アーム部８が上方に延設され、その上端には
方形状をなす質量部９が上方に延設されている。同様
に、長方形状の幅広アーム部１０の上端からは幅狭アー
ム部１１が上方に延設され、その上端には方形状をなす
質量部１２が上方に延設されている。

【００１３】振動子３の連結部６の水平部６ｂにおける
正面には、駆動用圧電素子１３，１４が左右に離間して
配置されている。この駆動用圧電素子１３，１４は帯状
をなし、左右方向（Ｘ方向）に延びている。駆動用圧電
素子１３，１４を伸縮動作させることにより、振動子３
を図１のＸ軸方向に強制的に振動させることができる。

【００１４】この圧電素子１３，１４を詳細に説明する
と、図２に示すように、シリコン基板１上に圧電薄膜１
７と電極薄膜１８とが積層され、圧電薄膜１７をシリコ
ン基板１と電極薄膜１８とで挟み込んだ構造となってい
る。電極薄膜１８としては、アルミやニッケル、あるい
は、アルミと窒化チタンの積層膜等が用いられる。そし
て、電極薄膜１８に対する対向電極としてのシリコン基
板１がアースされている。又、駆動用圧電素子１３，１
４は、接地電位に対しプラス電圧の印加により収縮する
とともに、マイナス電圧の印加により伸長する特性を有
している。このようにして、圧電素子１３，１４が形成
されている。

【００１５】より詳しくは、センサ製造に際し、所定の
厚みを有するシリコン基板１を用意し、圧電薄膜１７と
なる薄膜圧電性材料と電極薄膜１８となる薄膜電極材料
を順に成膜し所望の形状にパターニングして圧電素子１
３，１４を形成する。ここで、薄膜圧電性材料としては
ＺｎＯ、ＰＺＴ等が用いられ、このＺｎＯ、ＰＺＴ等の
薄膜はスパッタリングや蒸着等により成膜される。その
後、シリコン基板１に対しフォトリソ技術等を用いて所
定領域をエッチングし、振動子３を形成する。

【００１６】又、本実施の形態では、駆動用圧電素子１
３，１４（第１の駆動用圧電素子）に加え、この駆動用
圧電素子１３，１４の下方において第２の駆動用圧電素
子１５，１６を配置している。この駆動用圧電素子１
５，１６は帯状をなし、左右方向（Ｘ方向）に延び、か
つ、左右に離間して配置されている。この駆動用圧電素
子１５，１６は、図２に示したものと同じであり、その
説明は省略する。

【００１７】又、図１に示すように、振動子３の幅広ア
ーム部７における正面には、検出用圧電素子１９が配置
されている。同様に、振動子３の幅広アーム部１０にお
ける正面には、検出用圧電素子２０が配置されている。
検出用圧電素子１９，２０は長方形状をなし、上下方向
（Ｚ方向）に延び、かつ両検出用圧電素子１９，２０は
同じ高さに配置されている。

【００１８】この圧電素子１９，２０は、図２に示した
ものと同じであり、その説明は省略する。又、振動子３
の連結部６の水平部６ｂにおける正面には、フィードバ
ック用圧電素子２１が配置されている。このフィードバ
ック用圧電素子２１は帯状をなし、左右方向（Ｘ方向）
に延びている。このフィードバック用圧電素子２１は、
図２に示したものと同じであり、その説明は省略する。

【００１９】シリコン基板１の下辺部における縁部には
アルミよりなるボンディングパッド２２，２３，２４，
２５，２６，２７，２８が並設されている。又、シリコ
ン基板１の上面にはアルミ配線２９，３０，３１，３
２，３３，３４，３５が延設され、アルミ配線２９にて
圧電素子１５の電極とボンディングパッド２２とが、ア
ルミ配線３０にて圧電素子１３の電極とボンディングパ
ッド２３とが、アルミ配線３１にて圧電素子１９の電極
とボンディングパッド２４とが、アルミ配線３２にて圧
電素子２１の電極とボンディングパッド２５とが、アル
ミ配線３３にて圧電素子２０の電極とボンディングパッ
ド２６と、アルミ配線３４にて圧電素子１４の電極とボ
ンディングパッド２７とが、アルミ配線３５にて圧電素
子１６の電極とボンディングパッド２８とが電気的に接
続されている。このアルミ配線２９〜３５は、音叉型振
動子３の根元部（両アーム部４，５の連結部６）におい
て接近した状態で配置されている。具体的には図１にお
いて左からアルミ配線２９，３０，３１，３２，３３，
３４，３５が順に配置されている。

【００２０】尚、パッド２２〜２８およびアルミ配線２
９〜３５はシリコン基板１の上面に絶縁膜（例えばシリ
コン酸化膜）を介して形成されており、シリコン基板１
とは電気的に分離されている。

【００２１】ボンディングパッド２２〜２８はボンディ
ングワイヤにより外部装置（駆動回路および信号処理回
路）と電気的に接続されている。図３には電気的構成を
示す。外部装置３６は、インピーダンス変換回路３７と
フィルタ回路３８と９０°位相シフト回路３９と反転増
幅回路４０と非反転増幅回路４１と差動増幅回路４２と
同期検波回路４８を備えている。インピーダンス変換回
路３７にはフィードバック用圧電素子２１が接続されて
いる。インピーダンス変換回路３７にはフィルタ回路３
８と９０°位相シフト回路３９と反転増幅回路４０とが
接続されている。反転増幅回路４０には駆動用圧電素子
１３，１４が接続されている。又、９０°位相シフト回
路３９の出力端子には非反転増幅回路４１が接続され、
この非反転増幅回路４１には駆動用圧電素子１５，１６
が接続されている。

【００２２】ここで、反転増幅回路４０での信号増幅率
（ゲイン）および非反転増幅回路４１での信号増幅率
（ゲイン）は共に同じ値Ｋ１をとっている。駆動用圧電
素子１３，１４の電極には図４の交流信号（サイン波）
ＳＧ３が出力される。この駆動信号ＳＧ３の振幅の中心
は接地電位となっている。又、駆動用圧電素子１５，１
６の電極には図４の前記交流信号ＳＧ３とは逆相の交流
信号（サイン波）ＳＧ４が出力される。即ち、駆動信号
ＳＧ４は駆動信号ＳＧ３を反転した波形となっている。

【００２３】又、検出用圧電素子１９，２０には差動増
幅回路４２が接続され、差動増幅回路４２の出力端子が
同期検波回路４８と接続されている。この同期検波回路
４８は前述のフィルタ回路３８の出力信号ＳＧ１からの
信号を入力して、差動増幅回路４２から出力される信号
のうち信号ＳＧ１と同じタイミングで発生する信号を取
り出して出力する。その同期検波回路４８の出力信号が
角速度検出信号（センサ信号）となる。つまり、振動子
３の幅広アーム部７，１０での前後方向（Ｙ方向）の変
位を電気信号として送る。

【００２４】次に、このように構成した回転角センサの
作用を説明する。図３の外部装置３６において駆動用圧
電素子１３，１４と駆動用圧電素子１５，１６とに逆相
の交流信号（駆動信号）ＳＧ３，ＳＧ４が出力される。
すると、下側の駆動用圧電素子１５，１６が収縮動作す
るとともに上側の駆動用圧電素子１３，１４が伸長動作
する。この動作は同時に（同期して）起こる。この駆動
用圧電素子１３〜１６の収縮および伸長動作により、ア
ーム部４，５の上端側は左右方向（Ｘ方向）において互
いに離間する方向に大きく変位する。

【００２５】又、上側の駆動用圧電素子１３，１４が収
縮動作するとともに下側の駆動用圧電素子１５，１６が
伸長動作する。この動作は同時に（同期して）起こる。
この駆動用圧電素子１３〜１６の伸長および収縮動作に
より、アーム部４，５の上端側は左右方向（Ｘ方向）に
おいて互いに接近する方向に大きく変位する。

【００２６】この駆動用圧電素子１３〜１６の伸縮動作
が繰り返されることにより、アーム部４，５は左右方向
（Ｘ方向）に屈曲振動する。この振動が駆動振動（励振
動作）となる。

【００２７】本実施の形態においては、アーム部４，５
の屈曲振動をフィードバック用圧電素子２１を用いてフ
ィードバックし、この信号を基にして駆動信号を生成し
ている。つまり、屈曲振動によりフィードバック用圧電
素子２１にグランド電位を基準にクロスする正弦波信号
が発生し、フィードバック用圧電素子２１からのフィー
ドバック信号をインピーダンス変換回路３７にてインピ
ーダンス変換し、フィルタ回路３８にてノイズ除去す
る。この信号（図４における正弦波信号）ＳＧ１を、９
０°位相シフト回路３９により位相を９０°ズラして信
号ＳＧ２を出力する。さらに、信号ＳＧ２を反転増幅回
路４０により反転および増幅して反転増幅信号ＳＧ３を
駆動用圧電素子１３，１４に出力する。

【００２８】又、信号ＳＧ２を非反転増幅回路４１によ
り増幅して増幅信号ＳＧ４を駆動用圧電素子１５，１６
に出力する。このようにして共振周波数で自励発振させ
てＸ方向に共振させて大きな振幅を得ている。

【００２９】このような振動子３の励振動作中において
図１に示すように、振動子３の中心軸Ｌ１に回転角速度
Ωが加わると、前後方向（Ｙ方向）にコリオリの力（振
動成分）が発生する。このコリオリの力により振動子３
に屈曲応力が加わり、検出用圧電素子１９，２０に電圧
が発生し回転検出信号として外部装置３６に送られる。
外部装置３６においては、差動増幅回路４２にて検出用
圧電素子１９，２０からの信号が差動増幅され、同期検
波回路４８にて信号ＳＧ１に対し同期検波されて角速度
の大きさを示すセンサ信号として出力される。

【００３０】この振動型ジャイロにおいては、音叉型振
動子３の根元部（両アーム部４，５の連結部６）におい
てアルミ配線２９〜３５が近接しており、駆動信号ＳＧ
３が、駆動信号ラインから検出ラインおよびフイードバ
ックラインに容量結合等により回り込もうとする。しか
し、駆動信号ＳＧ３に対し１８０°位相が異なる駆動信
号ＳＧ４を付加しているため、駆動信号ＳＧ３がキャン
セルされて信号の回り込みを回避することができる
（「０」にできる）。よって、駆動振動を安定にし、検
知の精度を向上させることができる。

【００３１】尚、駆動信号ＳＧ３と駆動信号ＳＧ４の振
幅を調整することにより、より高度にキャンセルするこ
とができる。つまり、図３での増幅回路４０，４１のゲ
イン調整にて振幅を調整する。

【００３２】このように本実施の形態は、下記（イ）〜
（ハ）の特徴を有する。 （イ） アルミ配線（ノイズ対策用配線）２９，３５を
駆動信号ＳＧ３が供給されるアルミ配線（駆動信号供給
用配線）３０，３４に並設し、このアルミ配線２９，３
５に、ノイズとなる駆動信号ＳＧ３に対し位相が異なる
信号ＳＧ４を供給するようにした。よって、アルミ配線
３０，３４により供給される駆動用圧電素子１３，１４
の駆動信号ＳＧ３が、検出用圧電素子１９，２０および
フィードバック制御用の圧電素子２１からの信号取り出
し用配線３１，３２，３３に、ノイズとして入ろうとす
るが、アルミ配線（ノイズ対策用配線）２９，３５に供
給されている信号ＳＧ４によりキャンセルされる。つま
り、アルミ配線３０，３４から検出用のアルミ配線３
１，３３あるいはフィードバック用圧電素子の配線３２
に駆動信号がノイズとして回り込むのを防止することが
でき、基板の上の配線間での相互干渉を抑制することが
できることとなる。

【００３３】特に、振動子は音叉型をなし、音叉型振動
子３の根元部（平行に延びるアーム部の連結部６）にお
いては配線が近接するが、このときに前述のノイズ対策
が行われる。

【００３４】（ロ） アルミ配線（ノイズ対策用配線）
２９，３５に駆動信号ＳＧ３とは逆相の信号ＳＧ４を供
給することにより、その相殺効果は最大となる。 （ハ） アルミ配線（ノイズ対策用配線）２９，３５に
は、駆動用圧電素子１３，１４とは異なる位相にて（よ
り詳しくは逆相にて）振動子３を駆動するための第２の
駆動用圧電素子１５，１６が接続されているので、ノイ
ズ対策に加え、振動子３をより効率的に振動させること
ができる。 （第２の実施の形態）次に、第２の実施の形態を第１の
実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００３５】本実施の形態の角速度センサを図５に示
す。本実施の形態では駆動信号ＳＧ３のノイズ対策とし
てアルミ配線（ノイズ対策用配線）４３，４５を駆動信
号配線とは別に設けている。このアルミ配線４３，４５
の一端は枠部２の下辺部に配置されたボンディングパッ
ド４４，４６と接続され、他端は連結部６の垂直部６ａ
の上端まで延びている。ボンディングパッド４４，４６
は図６の外部装置３６とワイヤボンディングされてい
る。

【００３６】図６において、外部装置３６において９０
°位相シフト回路３９の出力端子が非反転増幅回路４７
に接続され、非反転増幅回路４７の出力端子が前述のア
ルミ配線４３，４５に接続されている。そして、駆動信
号ＳＧ２が非反転増幅回路４７にて増幅される。このと
き、振幅が調整される。さらに、増幅された信号ＳＧ５
はボンディングパッド４４，４６を通してアルミ配線４
３，４５に供給される。この信号ＳＧ５は駆動信号ＳＧ
３と１８０°位相の異なる信号である。この信号ＳＧ５
により、図６の反転増幅回路４０で発生する駆動信号Ｓ
Ｇ３から検知信号ラインおよびフィードバック信号ライ
ンへの回り込みを解消している。

【００３７】又、本例では、ノイズ対策用配線４３，４
５を配線群２９〜３５に対し左右から挟み込む状態で、
かつ、対称に配置している。本発明の他の態様として以
下のように実施してもよい。

【００３８】上記各実施の形態では、フィードバック用
圧電素子２１を用いてフィードバック制御を行っていた
が、フィードバック用圧電素子２１を用いた制御は行わ
ず、予め求めておいて共振周波数の駆動信号を供給して
もよい。

【００３９】又、上記各実施の形態では振動子は幅狭ア
ーム部８，１１や質量部９，１２を設けているが、これ
ら幅狭アーム部８，１１や質量部９，１２を設けること
なく、一定幅にて直線的に延びるアーム構造としてもよ
い。

【００４０】さらに、上記各実施の形態では上下に一対
の駆動用圧電素子を設けた構造としたが、１つの駆動用
圧電素子のみを用いて、振動子３を駆動振動（励振）し
てもよい。即ち、第１の実施の形態において駆動用圧電
素子１３，１４のみを設け、アルミ配線２９，３５を配
置するが駆動用圧電素子１５，１６を設けないようにす
る。あるいは、第１の実施の形態において駆動用圧電素
子１３，１４を一つ（１本）の駆動用圧電素子にて構成
し、この駆動用圧電素子に対し１本のアルミ配線（アル
ミ配線３０，３４に相当）を接続し、アルミ配線２９，
３５を配置するが駆動用圧電素子１５，１６を設けない
ようにする。

【００４１】さらに、振動子は音叉型以外の振動子を用
いてもよい。例えば、半導体基板における一部領域を重
り部とするとともに、その重り部を梁部により連結支持
する構造としてもよい。

【００４２】さらには、アルミ配線の他にも、他の材料
よりなる薄膜配線、あるいは半導体基板での不純物拡散
層による配線を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の角速度センサの斜視図。

【図２】圧電素子部の断面図。

【図３】電気的構成を示す回路図。

【図４】信号内容を示す波形図。

【図５】第２の実施の形態の角速度センサの斜視図。

【図６】電気的構成を示す回路図。

【符号の説明】

１…半導体基板としてのシリコン基板、３…振動子、１
３，１４…駆動用圧電素子、１５，１６…駆動用圧電素
子（第２の駆動用圧電素子）、１９，２０…検出用圧電
素子、２９，３５…ノイズ対策用配線としてのアルミ配
線、３０，３４…駆動信号供給用配線としてのアルミ配
線、４３，４５…ノイズ対策用配線としてのアルミ配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 岳志 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 浅海 一志 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 吉野 好 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装 株式会社内 (72)発明者 三浦 和彦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装 株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板を用いて形成した振動子と、 前記振動子に形成され、駆動信号の供給により前記振動
   子を強制的に振動させる駆動用圧電素子と、 前記振動子に形成され、前記振動子における強制振動方
   向に直交する方向での前記振動子の振動を電気信号に変
   換する検出用圧電素子とを備えた角速度センサであっ
   て、 ノイズ対策用配線を前記振動子の表面における駆動信号
   供給用配線に並設し、当該ノイズ対策用配線に前記駆動
   信号とは位相が異なる信号を供給するようにしたことを
   特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記振動子は音叉型をなすものである請
   求項１に記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記ノイズ対策用配線に前記駆動信号と
   は逆相の信号を供給するようにした請求項１に記載の角
   速度センサ。
4. 【請求項４】 前記ノイズ対策用配線には、前記駆動用
   圧電素子とは異なる位相にて前記振動子を駆動するため
   の第２の駆動用圧電素子が接続されている請求項１に記
   載の角速度センサ。