JPH1019577A

JPH1019577A - 角速度センサ

Info

Publication number: JPH1019577A
Application number: JP8172375A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Tsuruga; 紀久夫敦賀; Koichi Shuda; 浩一習田; Mitsuteru Kimura; 光照木村
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1996-07-02
Filing date: 1996-07-02
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】構造が簡単であり、特性のばらつきの少ない
高精度で小型かつ安価で量産できる角速度センサを提供
すること。【解決手段】振動子を薄膜振動板７と薄膜振動板７に
取り付けられた錘部９とから形成し、薄膜振動板７は片
持ち梁状に支持されている。薄膜振動板７をＰ型シリコ
ン単結晶基板５，６に高濃度ホウ素を添加して形成し、
錘部９を異方性エッチング技術により形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動子を振動さ
せ、入力角速度に応じてその振動子にコリオリ力が発生
するようにし、そのコリオリ力による振動子の変位から
入力角速度を検出する角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる従来の角速度センサの一例とし
て、圧電効果を利用した圧電振動型角速度センサを図１
１に示す。

【０００３】この従来の角速度センサは、断面正方形の
金属材料からなる棒状振動子１の隣り合う面１ａ，１ｂ
に、厚さ方向に分極されたそれぞれ駆動用、検出用の圧
電セラミックス薄板２，３が接着され、棒状振動子１の
固有振動のノード点となる２点を、それぞれワイヤ４で
支持することにより構成されている。駆動用の圧電セラ
ミックス薄板２に共振周波数に等しい周波数の交流電圧
を印加すると、棒状振動子１は圧電セラミックス薄板２
を接合した面方向に屈曲振動する。長さ方向を軸として
棒状振動子１を回転させると、コリオリ力の作用により
棒状振動子１が、圧電セラミックス薄板２による屈曲振
動方向と直交する方向に振動する。この振動成分を検出
用の圧電セラミックス薄板３からの出力電圧として検出
すると、棒状振動子１の回転角速度に比例した電圧を得
ることができる。

【０００４】また、他の従来例として、シリコン単結晶
基板を用い、その異方性エッチング技術等のマイクロ加
工技術を利用した多くの角速度センサが提案されてい
る。

【０００５】例えば、特開平５−３２２５７９号に記載
されている角速度センサは、断面形状が四角形のシリコ
ン基板から成る片持ち梁状の振動子を有し、振動駆動部
により励振され、振動子の回転により発生するコリオリ
力を、振動子の対応する壁面に形成された検出電極によ
り、静電容量の変化として検出するものである。

【０００６】一方、特開平６−２９４８０６号に記載さ
れている角速度センサは、断面形状が台形のシリコン基
板から成る片持ち梁状の振動子を有し、同様にして発生
したコリオリ力を、近接配置した一対の歪みゲージで音
波として検出するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の角速度
センサは、金属材料からなる棒状振動子１に圧電セラミ
ックス薄板２，３を接着剤で接合しており、接着位置の
ばらつきまたは接着剤の層の厚さのばらつき等により、
角速度センサの特性が変化してしまうという問題があっ
た。また、角速度センサの振動の節に相当するノード点
にワイヤ４を取り付けるのに溶接して固定する等、固定
の方法も煩雑であるため、高精度で小型、低価格の角速
度センサを得るのが困難であった。

【０００８】また、特開平５−３２２５７９号に記載さ
れている角速度センサは、振動子壁面の静電容量を利用
するため、厚いシリコン基板を用いる必要があり、その
加工が大変困難であった。その上、片持ち梁状の振動子
の長さを大きくしないと、その駆動力やコリオリ力によ
る変位も小さく、従って、所望の感度を得にくいという
問題があった。

【０００９】一方、特開平６−２９４８０６号に記載さ
れている角速度センサは、その精度からしてコリオリ力
検出面の異方性エッチングによる形成に、大変困難な技
術を必要とすること、大きな駆動用振動が得難い構造で
あること等の問題があった。尚、この角速度センサで
は、振動子の断面形状が逆向きの台形であるため、振動
子の捩れ振動を誘発するのは困難な構造である。

【００１０】以上、従来の角速度センサの種々の問題点
を考えると、小型でありながら大きな感度を達成するに
は、振動子の振幅をできるだけ大きくし、コリオリ力に
よる振動子の変位を大きくさせる必要がある。また、高
精度且つ安価に製作するには、大量生産可能な一体形成
による方法が望ましい。

【００１１】本発明の目的は、構造が簡単であり、特性
のばらつきの少ない高精度で小型かつ安価で量産できる
角速度センサを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、振動子
と、該振動子を第１の方向に励振させる駆動手段と、前
記振動子の回転運動によるコリオリ力によって前記第１
の方向と直交する第２の方向に生じる振動を検出する検
出手段とを備え、該検出手段の出力と前記駆動手段の出
力とから前記回転運動における角速度を算出する角速度
センサにおいて、前記振動子を薄膜振動板と該薄膜振動
板に取り付けられた錘部とから形成し、該錘部の重心を
前記薄膜振動板からずらして形成し、有効にねじり振動
に変換できるようにしたことを特徴とする角速度センサ
が得られる。

【００１３】本発明によれば、前記薄膜振動板が片持ち
梁状に支持されていることを特徴とする角速度センサが
得られる。

【００１４】本発明によれば、前記薄膜振動板が橋架状
に支持されていることを特徴とする角速度センサが得ら
れる。

【００１５】また、本発明によれば、前記片持ち梁状又
は橋架状に支持された薄膜振動板をＰ型シリコン単結晶
基板に高濃度ホウ素を添加して形成し、前記錘部を異方
性エッチング技術により形成したことを特徴とする角速
度センサが得られる。

【００１６】

【作用】本発明の角速度センサでは、振動子を薄膜振動
板と該薄膜振動板に取り付けられた錘部とから形成した
ことで、従来技術のようにノード点でワイヤを接続する
必要がない構造にし、ワイヤの接続位置精度により発生
する誤差を無くすことができる。

【００１７】また、半導体基板上に半導体加工技術を用
いて、片持ち梁状又は橋架状に支持された半導体振動子
を形成し、その基板面と垂直方向に振動する半導体振動
子を共振周波数で励振振動させ、しかも回転角速度が加
わったとき励振振動方向と直交した方向に振動すること
ができる構造の半導体振動子と、前記半導体基板上に半
導体振動子と対向する面に設置された励振、検出用手段
とからなる構成とすることにより、微細加工が可能な半
導体加工技術により半導体基板上に半導体振動子を形成
するので、従来の機械加工や接着、溶接などの組立作業
により作成するものと比較して、寸法精度を上げること
ができる上に小型化が実現でき、量産性に優れたものと
なる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００１９】図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第１の実
施形態に係る半導体振動型角速度センサのそれぞれ平面
図と断面図である。

【００２０】本実施形態の半導体振動型角速度センサ
は、Ｐ型シリコン単結晶基板である２枚のシリコン基板
５，６を接合してなる。前記シリコン基板５，６の接合
箇所表面は酸化してから接合してある。シリコン基板５
は異方性エッチングにより錘部９と、ボロン拡散部また
は窒化膜から成り、片持ち梁状に支持された薄膜振動板
７が形成され可動電極８として動作する。

【００２１】尚、錘部９と薄膜振動板７を形成するに
は、表面の面方位（１００）のシリコン基板を用いて、
薄膜振動板７の長さ方向を面方位（１１０）方向に対し
略４５度の位置関係に配置し異方性エッチングにより形
成する。薄膜振動板７の下部のシリコン基板のエッチン
グが容易になるので、短時間で薄膜振動板７を形成でき
るからである。

【００２２】また、薄膜振動板７の下に犠牲層を形成
し、シリコンの異方性エッチングと、犠牲層のエッチン
グの組み合わせにより形成してもよい。即ち、表面の面
方位（１００）のシリコン基板を用いて、該シリコン基
板の上の薄膜振動板になる位置に犠牲層を形成し、更
に、錘部と該犠牲層の上にポリシリコン又は窒化膜を蒸
着し、該ポリシリコンに高濃度ホウ素を添加した後、シ
リコンの異方性エッチングと犠牲層のエッチングの組み
合わせにより薄膜振動板７と錘部９を形成する。尚、表
面の面方位（１００）のシリコン基板の上に犠牲層とし
て酸化膜を蒸着し、更に、該酸化膜の上に薄膜振動板７
を形成するためのポリシリコンを蒸着してから高濃度ホ
ウ素を添加した後、薄膜振動板７の長さ方向を（１１
０）方向に配置した薄膜振動板７を形成する場合、初め
に異方性エッチングにより錘部９を形成し、その後フッ
酸により犠牲層の酸化膜をエッチングすることにより形
成できる。

【００２３】本実施形態において、図１（Ｂ）に示すよ
うに、可動電極である錘部９は薄膜振動板７から離れる
に従い、断面積が大きくなるように形成している。これ
は、錘部９を形成する場合、薄膜振動板７側からの異方
性エッチングを用いて、錘部９が薄膜振動板７から離れ
るに従い断面積が大きくなるようにして錘部９の重心を
薄膜振動板７から離すように形成し、コリオリ力による
振動を捻れ振動に変換する時のモーメントを大きくした
ものである。

【００２４】シリコン基板６は固定電極となり、錘部９
が固定電極の方向へ変位できるように、固定電極の対向
面に異方性エッチングにより溝３７を作成し、その上に
酸化膜２１により絶縁層を作り、更にその上に、図１
（Ａ）に示すように、３個の固定電極１０，１１，１２
を形成する。尚、溝３７をエッチングする代わりに、錘
部９の大きさ以上に穴の開いたもう一つの基板を介して
固定電極１０，１１，１２と同様の固定電極を形成して
もよい。

【００２５】本実施形態では、固定電極１０，１１，１
２の中の励振用の固定電極１１と錘部９の間の導体パタ
ーン１３を通じて電極パッド１４，１５間に交流電圧を
印加すると、錘部９と励振用の固定電極１１の間に静電
気力、即ちクーロン力が発生し、錘部９が図１（Ｂ）に
示すＸ軸方向に振動する。

【００２６】尚、励振用の固定電極１１を形成する代わ
りに、薄膜振動板７にＰＺＴ薄膜を蒸着したり、ＰＺＴ
厚膜をゾルゲル法にて塗布して圧電素子を形成し（図示
せず）交流電圧を印加して圧電効果により、錘部９を励
振振動させてもよい。このような圧電効果を利用する他
にも、薄膜振動板７と錘部９とを励振、即ち、駆動させ
る手段としては、電極間のクーロン力、電磁力、または
薄膜ヒーターの加熱・冷却に基づく膨張・収縮の少なく
ともひとつを用いることが考えられる。これは、薄膜振
動板７と錘部９とを励振させる手段として、錘部９に対
向する面に配置した電極と錘部９の間に印加される電圧
により発生するクーロン力、薄膜振動板７に磁束が通る
ように磁石を配置し薄膜振動板７に電流を流したり、薄
膜振動板７に磁石を設置し該磁石の磁束が通る位置に電
流を流すことにより発生する電磁力、薄膜振動板７に間
欠の電流を流すことによるバイメタル効果のいずれかを
利用したものである。

【００２７】錘部９の下部は酸化膜３５により形成され
ているので、固定電極１０，１１，１２との短絡防止と
なっている。また、シリコン基板５，６の接合部におけ
る酸化膜３５は絶縁層として寄生容量減少の働きをなし
ている。

【００２８】検出用の固定電極１０，１２は、薄膜振動
板７の中心軸に対し対象な位置関係に配置し、それぞれ
の固定電極１０，１２と錘部９との間の静電容量を形成
する。外部の処理回路（図示せず）で差動出力になるよ
うに接続すると回転が無いときは、それぞれの固定電極
１０，１２の面積と錘部９からの距離が等しいので、キ
ャンセルされて出力は出ない。図１（Ａ）に示すよう
に、Ｚ軸方向に回転角速度が加わると、薄膜振動板７の
振動方向と直交する方向（図１（Ａ）中のＹ軸方向）に
コリオリ力が発生し、励振周波数と同じ周波数で振動し
ようとする。この時、薄膜振動板７の位置と錘部９の重
心の位置が一致していないので、薄膜振動板７を軸にし
て錘部９にモーメントが働き、捻れながら図１（Ａ）中
のＹ軸方向に振動が起こる。この捻れにより検出用の固
定電極１０，１２と錘部９との間の距離が変化し、静電
容量に差が発生し、上述した外部の処理回路（図示せ
ず）から角速度の大きさに応じた出力が得られる。

【００２９】以上のように、本実施形態においては、片
持ち梁状に支持された薄膜振動板７に錘部９を形成する
にあたり、錘部９の重心を薄膜振動板７からずらして形
成することにより、これらを薄膜振動板７の厚み方向に
励振させたときに生じるコリオリ力により、これらが捻
れ振動を起こしやすいようにしたもので、これらの錘部
９を持つ薄膜振動板７を薄膜振動板７の厚み方向に励振
させる手段と、コリオリ力による薄膜振動板７の厚み方
向とは直交する方向の錘部９の振動を検出する手段とを
持たせ、これらの手段からの出力を利用し、角速度を検
出することができるようにしたものである。また、コリ
オリ力による錘部９の振動を検出するのに錘部９に対向
する面に配置した少なくとも一対の電極を用いたもので
あり、コリオリ力により錘部９は捻り振動をするため
に、一対の電極の静電容量に差が発生するので、差動検
出するようにしたものである。

【００３０】尚、Ｐ型シリコン単結晶基板に高濃度ホウ
素を添加して、該高濃度ホウ素添加層を主材とする片持
ち梁状に支持された薄膜振動板７を形成し、錘部９を異
方性エッチング技術により形成しても良い。この場合、
高濃度ホウ素添加領域は、例えば、２Ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3以
上の高濃度にするとアルカリエッチング液に侵されにく
いという性質を利用して、薄膜振動板７を形成すると共
に、異方性エッチング技術によりシリコン単結晶の錘部
９も形成するもので、更に、Ｐ型シリコン単結晶を用い
ることにより、このようにして形成した薄膜振動板７や
錘部９を電気的に分離せずに導通させておき、シリコン
単結晶基板自体を一方の電極としても使用できるように
する。

【００３１】図２は、本発明の第２の実施形態に係る半
導体振動型角速度センサを示す図であり、（Ａ）はその
平面図、（Ｂ）はその回路図である。

【００３２】本実施形態に係る半導体振動型角速度セン
サは、上述した第１実施形態の半導体振動型角速度セン
サと基本的な構成は同じであり、同様の部分には同一の
参照番号を付してある。本実施形態の半導体振動型角速
度センサが第１実施形態のものと異なる点は、固定電極
を２個にして、励振と検出を兼ねて用いる点である。励
振の方法は、固定電極１０，１２のそれぞれに静電容量
の変化を検出する回路として、図２（Ｂ）に示すよう
に、電流検出回路１６，１７を接続し、錘部９と基準電
位間に交流電圧を印加すると、電流検出回路１６，１７
に用いられている演算増幅器１８，１９の非反転入力端
子は基準電位に接続されるので、固定電極１０，１２は
基準電位に仮想接地されて、励振電圧の基準となるため
定電圧駆動される。従って、電流検出回路１６，１７を
介して固定電極１０，１２の出力を差動で求めると、第
１実施形態と同様に角速度を検出できる。

【００３３】図３は、本発明の第３の実施形態に係る半
導体振動型角速度センサの断面図である。図１（Ａ），
（Ｂ）に示した片持ち梁状に支持された薄膜振動板の代
わりに、橋架状に支持された薄膜振動板にし、この薄膜
振動板に蛇腹部２０を形成することにより、センサ感度
を高めた例である。即ち、橋架状に支持された薄膜振動
板を振動に基づく伸び縮みが起こりやすいように蛇腹部
２０を形成したものである。

【００３４】尚、Ｐ型シリコン単結晶基板に高濃度ホウ
素を添加して、該高濃度ホウ素添加層を主材とする橋架
状に支持された薄膜振動板７を形成し、錘部９を異方性
エッチング技術により形成しても良いのは上述した第１
の実施形態に係る半導体振動型角速度センサの場合と同
様である。

【００３５】図４（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第４の実
施形態に係る半導体振動型角速度センサのそれぞれ平面
図と断面図である。本実施形態も上述した第１実施形態
と同様に、錘部９が薄膜振動板７に片持ち梁状に支持さ
れた構造を有するが、錘部９の幅寸法より狭くした幅の
薄膜振動板７の上に酸化膜３６の絶縁膜を蒸着し、その
上に検出用の圧電素子２２，２３を薄膜振動板７の中心
線に対し線対称な位置関係になるように、薄膜振動板７
の長さ方向に対し４５度の傾きを設けて形成したもので
ある。尚、圧電素子２２，２３の代わりにピエゾ抵抗素
子を形成してもよい。このように、コリオリ力を検出す
る手段としての圧電素子又はピエゾ抵抗素子を配置する
にあたり、薄膜振動板７は捻れ振動しやすいように錘部
９の幅寸法と同じか又は狭くした幅にし、薄膜振動板７
の長さ方向に対し略４５度の傾きを設けて形成し、コリ
オリ力による捻れ振動発生時の薄膜振動板７の伸び縮み
方向に合わせることにより、捻れの方向を分かるように
することができる。

【００３６】また、検出用の圧電素子２２，２３を薄膜
振動板７の中心線に対し線対称な位置関係になるように
形成したのは、コリオリ力により薄膜振動板７に捻れ振
動が発生する時に、それぞれの圧電素子２２，２３が薄
膜振動板７の捻れ方向に対応して変化するようにしたも
のである。

【００３７】図４（Ａ）に示す電極パッド１４，１５を
通じて励振用の固定電極１１と錘部９の間に交流電圧を
印加すると、薄膜振動板７の厚み方向に振動する。

【００３８】圧電素子２２，２３は励振による厚み方向
への振動に対しては同じ出力電圧を出すが、図４（Ａ）
に示すＺ軸方向に回転角速度が加わると、薄膜振動板７
の振動方向と直交するＹ軸方向（図４（Ａ）参照）にコ
リオリ力が発生し、励振周波数と同じ周波数で振動しよ
うとする。この時、薄膜振動板７の位置と錘部９の重心
の位置が一致してないので、薄膜振動板７を軸にして錘
部９にモーメントが働き、捻れながら上記Ｙ軸方向に振
動が起こる。この捻れにより、上述した検出用の圧電素
子２２，２３の一方にプラス電圧が発生し、他方からは
逆極性で同じ大きさの出力電圧が発生する。この２つの
出力電圧を差動増幅器に接続すると（接続パッド及び配
線は酸化膜上に蒸着しているが図示を省略する）、回転
がないときの励振時の振動による出力電圧はキャンセル
され、角速度が加わったときのみ出力が得られ、角速度
センサとして動作する。そして、錘部９の励振周波数と
コリオリ力により錘部９が振動する周波数は、厚みや寸
法等の形状を変えることにより、固有振動数を合わせ、
同一にする方が望ましい。

【００３９】図５（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第５の実
施形態に係る半導体振動型角速度センサのそれぞれ平面
図と断面図である。本実施形態は、錘部９が薄膜振動板
７に片持ち梁状に支持された図４の実施形態の構造の代
わりに、錘部９が薄膜振動板７に橋架状に支持された構
造を有し、錘部９の幅寸法より狭くした幅の薄膜振動板
７の上に酸化膜３６の絶縁膜を蒸着し、その上に検出用
の圧電素子２２，２３を薄膜振動板７の中心に対し点対
象な位置関係になるように、薄膜振動板７の長さ方向に
対し４５度の傾きを設けて形成したものであり、励振方
法及び検出方法は図４の実施形態と同様である。

【００４０】尚、本実施形態は、特に、錘部９が薄膜振
動板７に橋架状に支持された構造において、検出用の圧
電素子２２，２３を薄膜振動板７の中心線に対し点対象
な位置関係になるように、薄膜振動板７の長さ方向に対
しおよそ４５度（又は１３５度）の傾きを設けて形成す
ることにより、コリオリ力により薄膜振動板７に捻れ振
動が発生する時に、それぞれの圧電素子２２，２３が薄
膜振動板７の捻れ方向に対応して変化するようにしたも
のである。

【００４１】図６は、本発明の第６の実施形態に係る半
導体振動型角速度センサの平面図である。

【００４２】片持ち梁状に支持された薄膜振動板７の上
に酸化膜から成る絶縁膜３６を蒸着し、その上に白金等
の金属抵抗体２４を蒸着する。金属抵抗体２４に一定の
周波数で通電と遮断を繰り返すと、薄膜振動板７と金属
抵抗体２４との熱膨張係数の違いによりバイメタル効果
が起こり、薄膜振動板７を含む可動電極部が厚み方向に
振動する。図６に示すＺ軸方向に回転角速度が加わる
と、可動電極部の振動方向と直交するＹ軸方向（図６参
照）にコリオリ力が発生し、Ｙ軸方向に振動が発生す
る。この振動による出力を第１の実施形態と同様に１対
の差動出力用電極を用いて、静電容量の変化として検出
すると角速度センサとして機能する。

【００４３】図７は、本発明の第７の実施形態に係る半
導体振動型角速度センサの平面図である。

【００４４】橋架状に支持された構造の薄膜振動板７の
上に酸化膜３６の絶縁膜を蒸着し、その上に励振電流を
通電するための導体パターン２５となるＡｌ等を蒸着す
る。薄膜振動板７を含む可動電極部のＹ軸方向（図７参
照）に直流磁界が印加されるように磁石２６を設置し、
磁束が薄膜振動板７を通過し、強磁性体薄膜を蒸着した
ヨーク２７を通して磁束が磁石２６に戻るように形成す
る。磁石２６はバルクの磁石を接合してもよいし、強磁
性体薄膜を蒸着し磁化させて形成してもよい。

【００４５】導体パターン２５に接続されている電極パ
ッド２８，２９から導体パターン２５に交流の電流を通
電すると、電磁力により薄膜振動板７は厚み方向に振動
する。

【００４６】図７に示すＺ軸方向に回転角速度が加わる
と、薄膜振動板７を含む可動電極部の振動方向と直交す
るＹ軸方向（図７参照）にコリオリ力が発生し、Ｙ軸方
向に振動が発生する。この振動による出力を第１の実施
形態と同様に１対の差動出力用電極を用いて、容量の変
化として検出すると角速度センサとして機能する。

【００４７】本実施形態では、電磁力により励振する角
速度センサにおいて、橋架状に支持された薄膜振動板７
の上に絶縁膜を介して励振に必要な電流を流すための導
体パターン２５を形成し、薄膜振動板７の幅方向に有効
に磁束が通るように、薄膜振動板７の外に磁石２６を配
置することにより、導体パターン２５に交流電流が流れ
た時、電流が流れる方向と磁束が通る方向の両方に直交
する、薄膜振動板７の厚み方向に振動するようにしたも
のである。

【００４８】図８は、本発明の第８の実施形態に係る半
導体振動型角速度センサの平面図である。

【００４９】片持ち梁状に支持された薄膜振動板７の上
に酸化膜の絶縁膜を蒸着し、錘部９の上部に強磁性体を
蒸着し、厚みと垂直方向に着磁して薄膜磁石３８を形成
する。錘部９及び薄膜振動板７以外の場所に、励振電流
を通電するための導体３９となるＡｌ等を蒸着する。薄
膜磁石３８による直流磁界と略直交して励振電流が流れ
るように導体３９を配置し、電極パッド２８，２９から
導体３９に交流の励振電流を印加すると、電磁力により
薄膜振動板７は厚み方向に振動する。図８に示すＺ軸方
向に回転角速度が加わると、薄膜振動板７を含む可動電
極部の振動方向と直交するＹ軸方向（図８参照）にコリ
オリ力が発生し、Ｙ軸方向に振動が発生する。この振動
による出力を第１の実施形態と同様に１対の差動出力用
電極を用いて、容量の変化として検出すると角速度セン
サとして機能する。

【００５０】強磁性体薄膜を蒸着したヨーク４０は、薄
膜磁石３８から発生する磁束が導体３９を平行に通過す
るように形成する。また、薄膜磁石３８の代わりにメッ
キなどで厚くし錘部を兼用した永久磁石を形成してもよ
い。

【００５１】本実施形態では、電磁力により励振する角
速度センサにおいて、片持ち梁状に支持された薄膜振動
板７の上に薄膜振動板７の厚みと垂直方向に磁束が通る
ように薄膜磁石３８を配置し、薄膜振動板７の外に励振
に必要な電流を流すための導体３９を形成することによ
り、導体３９に交流電流が流れた時、電流が流れる方向
と磁束が通る方向の両方に直交する、薄膜振動板７の厚
み方向に振動するようにしたものである。

【００５２】図９（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第９の実
施形態に係る半導体振動型角速度センサのそれぞれ平面
図と断面図である。片持ち梁状に支持された薄膜振動板
７の上に酸化膜の絶縁膜４１を蒸着し、錘部９の上部に
強磁性体を蒸着し、厚みと垂直方向に着磁して薄膜磁石
３８を作成する。錘部９及び薄膜振動板７以外の場所
に、強磁性体磁芯４２と絶縁層４３とＡｌ蒸着で作成さ
れたコイル４４とから成る電磁石を作成する。コイル４
４に交流電流を通電すると電磁石の磁芯の両端４２−１
と４２−２の極性が変わり、薄膜磁石３８が電磁力の作
用を受け、薄膜振動板７が厚み方向に振動する。図９
（Ａ）に示すＺ軸方向に回転角速度が加わると、薄膜振
動板７を含む可動電極部の振動方向と直交するＹ軸方向
（図９（Ａ）参照）にコリオリ力が発生し、Ｙ軸方向に
振動が発生する。この振動による出力を第１の実施形態
と同様に１対の差動出力用電極を用いて、容量の変化と
して検出すると角速度センサとして機能する。

【００５３】薄膜振動板７以外の場所に設置した電磁石
の磁芯の形状はコの字の形状であるが、棒状の形状にし
てもよい。その場合、薄膜振動板７側に薄膜磁石３８を
作成してもよく、薄膜磁石３８の代わりに軟鉄のような
磁性体にし、磁束の通路に強磁性体薄膜で作成したヨー
クを形成してもよい。また、電磁石を薄膜振動板７に配
置し、薄膜磁石３８又は軟磁性体を薄膜振動板７以外の
場所に設置してもよい。

【００５４】図１０（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１０
の実施形態に係る半導体振動型角速度センサのそれぞれ
平面図と断面図である。片持ち梁状に支持された薄膜振
動板７の錘部の底面に、フェライト等の強磁性体を蒸着
し、厚みと垂直方向に着磁して薄膜磁石３０を作成す
る。錘部を挟んだシリコン基板上の対象な位置に、リン
を注入したホール素子３１，３２またはＭＲ素子または
コイル等の磁気検出素子を作成する。ホール素子の場合
はそれぞれについて２端子は駆動用とし、他の２端子は
検出用とする。薄膜磁石３０から発生する磁束が効率良
く磁気検出素子を通過するように、磁束の通路であるシ
リコン基板６の底部と上部に異方性エッチングにより貫
通穴３４を形成することによりシリコン基板６の上部と
底部がつながった状態に強磁性体薄膜を蒸着しコの字形
にヨーク３３を形成する。励振は、電極パッド１４，１
５を通じて励振用の固定電極１１と錘部の間に交流電圧
を印加すると、薄膜振動板７の厚み方向に振動する。こ
の時、磁気検出素子３１，３２と薄膜磁石３０の位置関
係は等しいので、磁気検出素子３１，３２からの出力電
圧は等しい。Ｚ軸方向に回転角速度が加わると、可動電
極部の振動方向と直交するＹ軸方向にコリオリ力が発生
し、Ｙ軸方向に振動が発生する。この振動による磁気検
出素子と薄膜磁石３０の位置関係が非対称となるため、
それぞれの磁気検出素子の出力に差が発生する。そこ
で、磁気検出素子の出力を差動で検出すれば、回転角速
度に比例した出力が得られる。

【００５５】本実施形態では、磁気検出素子を用いた検
出手段において、片持ち梁状に支持された薄膜振動板７
の錘部の底面に、厚みと垂直方向に着磁した薄膜磁石３
０を作成し、錘部を挟んだシリコン基板上の対象な位置
に、一対のホール素子３１，３２またはＭＲ素子または
コイル等の磁気検出素子を作成し、コリオリ力により薄
膜振動板７に捻れ振動が発生する時に、それぞれの磁気
検出素子と薄膜磁石３０との相対的な位置関係が非対称
となることにより、各磁気検出素子の出力に差が発生す
るので、これらの出力を差動で検出することにより、回
転角速度に比例した出力を得るものである。

【００５６】

【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、振動子を薄膜振動板と該薄膜振動板に取り付け
られた錘部とから形成するにあたり、前記錘部の重心を
前記薄膜振動板からずらして形成したので、コリオリ力
による捻り振動を起こし易い構成を有している。

【００５７】従って、従来のシリコン単結晶基板を用い
た角速度センサと異なり、厚いシリコン基板に対する加
工が不要となるので、加工も容易となる上に、従来技術
のようにノード点でワイヤを接続する必要がないので、
ワイヤの接続位置精度により発生する誤差を無くすこと
ができる結果、角速度センサの小型化、高精度化を実現
できる。

【００５８】また、圧電振動型の角速度センサに比べて
も、半導体基板上に片持ち梁状又は橋架状に支持された
半導体振動子を形成するので、微細加工が可能な半導体
加工技術を用いることにより、機械加工や接着、溶接な
どの組立作業工程も無くなるため、小型、高精度で且つ
安価に量産可能な角速度センサを提供し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサを
示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその断面
図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係る角速度センサを
示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその回路
図である。

【図３】本発明の第３の実施形態に係る角速度センサを
示す断面図である。

【図４】本発明の第４の実施形態に係る角速度センサを
示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその断面
図である。

【図５】本発明の第５の実施形態に係る角速度センサを
示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその断面
図である。

【図６】本発明の第６の実施形態に係る角速度センサを
示す平面図である。

【図７】本発明の第７の実施形態に係る角速度センサを
示す平面図である。

【図８】本発明の第８の実施形態に係る角速度センサを
示す平面図である。

【図９】本発明の第９の実施形態に係る角速度センサを
示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその断面
図である。

【図１０】本発明の第１０の実施形態に係る角速度セン
サを示す図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその
断面図である。

【図１１】従来の角速度センサの１例の斜視図である。

【符号の説明】

１振動子２，３圧電セラミックス４リード線５，６シリコン基板７薄膜振動板８可動電極部９錘部１０，１１，１２固定電極部１３，２５，３９導体パターン１４，１５，２８，２９電極パッド１６，１７電流検出回路１８，１９演算増幅器２０蛇腹部２１，３５，３６，４３絶縁層２２，２３圧電素子２４金属抵抗体２６磁石２７，３３，４０ヨーク３０，３８薄膜磁石３１，３２ホール素子３４貫通穴３７溝４２磁芯４４コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者習田浩一宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号株式会社トーキン内 (72)発明者木村光照宮城県宮城郡七ケ浜町汐見台三丁目二番地ノ五六

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子と、該振動子を第１の方向に励振
させる駆動手段と、前記振動子の回転運動によるコリオ
リ力によって前記第１の方向と直交する第２の方向に生
じる振動を検出する検出手段とを備え、該検出手段の出
力と前記駆動手段の出力とから前記回転運動における角
速度を算出する角速度センサにおいて、前記振動子を薄
膜振動板と該薄膜振動板に取り付けられた錘部とから形
成し、該錘部の重心を前記薄膜振動板からずらして形成
したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】請求項１記載の角速度センサにおいて、
前記薄膜振動板が片持ち梁状に支持されていることを特
徴とする角速度センサ。
【請求項３】請求項１記載の角速度センサにおいて、
前記薄膜振動板が橋架状に支持されていることを特徴と
する角速度センサ。
【請求項４】請求項２又は３記載の角速度センサにお
いて、Ｐ型シリコン単結晶基板に高濃度ホウ素を添加し
て、該高濃度ホウ素添加層を主材とする前記片持ち梁状
又は橋架状に支持された薄膜振動板を形成し、前記錘部
を異方性エッチング技術により形成したことを特徴とす
る角速度センサ。
【請求項５】請求項２又は３記載の角速度センサにお
いて、前記駆動手段が、電極間のクーロン力、電磁力、
圧電効果、または薄膜ヒーターの加熱・冷却に基づく膨
張・収縮の少なくともひとつを用いて前記薄膜振動板と
前記錘部とを励振させることを特徴とする角速度セン
サ。
【請求項６】請求項１又は２又は３記載の角速度セン
サにおいて、前記検出手段が、前記錘部の下部の空隙を
介して配置した少なくとも一対の差動出力用電極を用い
て、静電容量の変化を検出することを特徴とする角速度
センサ。
【請求項７】請求項１又は２又は３記載の角速度セン
サにおいて、前記検出手段が、ピエゾ抵抗素子、圧電素
子、または磁気検出素子の少なくともひとつを用いてい
ることを特徴とする角速度センサ。
【請求項８】請求項３記載の角速度センサにおいて、
前記橋架状に支持された薄膜振動板に蛇腹を形成したこ
とを特徴とする角速度センサ。
【請求項９】請求項２又は３又は４記載の角速度セン
サにおいて、前記Ｐ型シリコン単結晶基板に面方位（１
００）のシリコン基板を用い、前記薄膜振動板の長さ方
向を（１１０）方向に対し略４５度の位置関係に異方性
エッチングにより形成したことを特徴とする角速度セン
サ。
【請求項１０】請求項２又は３又は４記載の角速度セ
ンサにおいて、面方位（１００）のシリコン基板を用い
て、該シリコン基板の上の薄膜振動板になる位置に犠牲
層を形成し、更に錘部と前記犠牲層の上にポリシリコン
又は窒化膜を蒸着し、該ポリシリコン又は窒化膜に高濃
度ホウ素を添加した後、シリコンの異方性エッチングと
前記犠牲層のエッチングの組み合わせにより前記薄膜振
動板と前記錘部とを形成したことを特徴とする角速度セ
ンサ。
【請求項１１】請求項２又は３又は４記載の角速度セ
ンサにおいて、前記錘部の重心を前記薄膜振動板から離
すために前記錘部は前記薄膜振動板から離れるに従い断
面積が大きくなるように形成されていることを特徴とす
る角速度センサ。
【請求項１２】請求項６記載の角速度センサにおい
て、前記薄膜振動板と前記錘部を取り付けた基板とは異
なる基板に凹部を形成し、該凹部の底面に前記差動出力
用電極を形成したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１３】請求項６記載の角速度センサにおい
て、前記薄膜振動板と前記錘部を取り付けた基板とは異
なる基板で、穴の開いたもう一つの板を介して、前記差
動出力用電極を形成したことを特徴とする角速度セン
サ。
【請求項１４】請求項６記載の角速度センサにおい
て、前記薄膜振動板と前記錘部を取り付けた基板とは異
なる基板に、前記差動出力用電極を形成し、それぞれに
静電容量の変化を検出する回路を接続することにより、
前記差動出力用電極を、前記駆動手段と前記検出手段に
兼用したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１５】請求項７記載の角速度センサにおい
て、前記ピエゾ抵抗素子または前記圧電素子を、前記錘
部の幅寸法以下の幅の、前記薄膜振動板の長さ方向に対
し略４５度の傾きを設けて形成したことを特徴とする角
速度センサ。
【請求項１６】請求項７記載の角速度センサにおい
て、前記ピエゾ抵抗素子または前記圧電素子を、前記薄
膜振動板の中心線に対し線対象な位置関係になるように
前記薄膜振動板の長さ方向に対し略４５度の傾きを設け
て形成したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１７】請求項７記載の角速度センサにおい
て、前記ピエゾ抵抗素子または前記圧電素子を、前記薄
膜振動板の中心に対し点対象な位置関係になるように前
記薄膜振動板の長さ方向に対し略４５度の傾きを設けて
形成したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１８】請求項５記載の角速度センサのうち前
記電磁力により励振する角速度センサにおいて、前記橋
架状に支持された薄膜振動板の上に絶縁膜を介して励振
に必要な電流を流すための導体を形成し、前記薄膜振動
板の幅方向に有効に磁束が通るように、前記薄膜振動板
の外に磁石を配置したことを特徴とする角速度センサ。
【請求項１９】請求項５記載の角速度センサのうち前
記電磁力により励振する角速度センサにおいて、前記薄
膜振動板の上に磁石を配置すると共に、前記薄膜振動板
の外に励振に必要な電流を流すための導体を形成したこ
とを特徴とする角速度センサ。
【請求項２０】請求項７記載の角速度センサのうち前
記磁気検出素子を検出手段に用いた角速度センサにおい
て、前記錘部の底面に、厚みと垂直方向に着磁した薄膜
磁石を作成し、前記錘部を挟んだシリコン基板上の対象
な位置に、一対の前記磁気検出素子を作成したことを特
徴とする角速度センサ。