JPH11304412A - 回転角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】振動体の質量を大きく保つことにより、感度が
向上し、かつ電極部をコンパクトな平面構造とすること
により、生産歩留りが向上する回転角速度センサを提供
する。 【解決手段】振動体１１の櫛歯状可動電極３０の各電極
間に、駆動用固定電極３１と変位検出用固定電極３２と
を並べて設ける構成とした。これにより、振動体１１の
質量を大きく保つことができ、かつ電極部をコンパクト
な平面構造とすることができた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転体の角速度を
検出する際に用いる角速度センサに関し、特に、角速度
を検出して、回転体の運動や姿勢の制御を行う装置に用
いられる回転角速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】回転角速度センサ（ジャイロスコープ、
ヨーレートセンサ）は、自動車の車両安定制御システ
ム、ナビゲーションシステム、小型ビデオカメラの手ぶ
れ防止などに必要なセンサとして多くの需要がある。

【０００３】これまでに、回転する球やコマをもつ機械
式ジャイロや光ファイバーを用いたファイバージャイロ
など多種多様なセンサが開発されてきている。

【０００４】機械式ジャイロや光ファイバージャイロ
は、高精度ではあるが、装置が大型化する傾向があっ
た。

【０００５】一方、三角柱や円筒形状の材料に圧電素子
を取り付けて小型化した圧電ジャイロも製品化されてい
るが、精密加工を要する小型部品を組み合わせる必要が
あるので、制作が難しく、また、多数の個別部品から成
っているため、回路一体型のものをつくるのは困難であ
るいう問題があった。この問題に対処するために、最
近、従来のシリコン半導体プロセス技術を応用したマイ
クロマシニング技術を用いた小型ジャイロスコープの研
究、開発が活発に行われている。この技術により、セン
サを安価かつ大量に生産することができ、さらにセンサ
部と周辺回路部との一体化が可能になることが期待され
る。

【０００６】このようなマイクロマシニング技術を使用
した角速度センサの基本的な動作原理について、米国特
許第５３４９８５５号に開示されたものを例にとって、
以下、説明する。

【０００７】一般に、角速度センサの原理は、第１軸方
向に一定に振動、または回転する慣性体（振動体）に第
１軸方向に対して直角の第２軸方向回りの角速度が与え
られた時、第１軸及び第２軸に対して直交する第３軸方
向に生じるコリオリの力を検出することにより、角速度
を検出するというものである。

【０００８】コリオリの力は、慣性体の変位量を測定す
ることにより知ることができる。上記例の角速度センサ
は、振動体、それを支える支持構造部、振動体の駆動
部、コリオリ力による変位検出部から構成されている。

【０００９】振動体を、適当な形状の支持梁によって基
板から離間し、櫛歯状電極を用いて静電駆動する。振動
方向は基板に平行な方向である。この状態で、振動体
に、同じく基板に平行で、前記振動方向に垂直な方向を
軸とした回転が加わると、振動体はコリオリ力により基
板に垂直な方向に変位する。

【００１０】この変位を、振動体下部の基板に配置され
た電極を用いて静電容量の変化として検出し、コリオリ
力を測定する。

【００１１】その他にも、マイクロマシニング技術を用
いてつくられた角速度センサで、基板に平行な平面内に
駆動電極と変位検出電極を設けて、振動体をこの平面内
でのみ可動としたものの例が、特開平０９-１８９５５
７号公報及び特開平０９-１１９９４２号公報などに開
示されている。

【００１２】また、振動体の櫛歯状電極の電極間に二つ
の変位検出用固定電極を配置した構造を有する加速度セ
ンサが、例えば特開平０８-７５７８２号公報に開示さ
れている。

【００１３】

【課題が解決しようとする課題】しかしながら、上記米
国特許第５３４９８５５号記載のように、コリオリ力に
よる振動体の変位が、基板と垂直な方向である角速度セ
ンサは、真空中では良好に動作するものの、安価なパッ
ケージを前提に大気中で使用すると、基板と垂直な方向
への変位の際に振動体が空気による粘性抵抗の影響を受
けて、振動体の振動方向が不安定になり、感度が低下す
るという問題があった。

【００１４】また、特開平０９-１８９５５７号公報の
場合、変位検出電極が振動体の内部にあり、振動体の質
量を大きくできないという問題があった。このことはセ
ンサの感度を低下させる原因となっていた。

【００１５】また、特開平０９-１１９９４２号公報の
場合、櫛歯状の駆動電極と変位検出電極がお互い離れた
位置に設けられているので、振動体を支える支持構造部
の形状が複雑になり、振動方向が不安定になり、感度が
低下する恐れが考えられ、かつセンサ全体の面積が多く
きくなってしまい、センサ自体をコンパクトにまとめき
れないという問題があった。

【００１６】本発明の目的は、振動体質量の大きい、か
つ電極部をコンパクトな平面構造とするセンサを提案す
ることであり、その結果として測定感度の良い回転角速
度センサを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における回転角速度センサの特徴とするとこ
ろは、振動体の櫛歯状可動電極の各電極間に、駆動用固
定電極と変位検出用固定電極とを並べて設けることにあ
る。

【００１８】具体的には本発明は次に掲げる装置及び方
法を提供する。

【００１９】本発明は、櫛歯状可動電極が設けられた振
動体と、前記振動体を振動可能に支持する支持構造部
と、前記櫛歯状可動電極との間に電圧を印加することに
より前記振動体を駆動する駆動用固定電極と、該駆動用
固定電極により前記振動体が駆動された方向とは異なる
方向へ生じる前記振動体の変位を検出する変位検出用固
定電極とを有する回転角速度センサにおいて、前記櫛歯
状可動電極の各電極間に、前記駆動用固定電極と前記変
位検出用固定電極とを並べて設けることを特徴とする回
転角速度センサを提供する。

【００２０】好ましくは、前記駆動用固定電極と前記変
位検出用固定電極とを、互いにほぼ平行にする。

【００２１】好ましくは、前記支持構造部を、４本のＬ
字状の帯板で構成し、前記各Ｌ字状の帯板を、前記振動
体が横方向に振動できるように前記振動体を前記横方向
に対し垂直方向から支持する縦帯板と、記振動体が縦方
向に振動できるように前記縦帯板を前記縦方向に対し垂
直方向から支持する横帯板とで一体形成する。

【００２２】好ましくは、前記櫛歯状可動電極が前記駆
動用固定電極または前記変位検出用固定電極と接触する
のを防止する過剰振動防止部を、前記振動体の前記支持
部側両端に近接させて設ける。

【００２３】好ましくは、前記櫛歯状可動電極を含む振
動体と、前記駆動用固定電極と、前記変位検出用固定電
極とを、ポリシリコン或いは単結晶シリコンで同じ厚さ
に形成し、基板上から離間された所定の位置に保持す
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例に係
わる回転角速度センサを、図を用いて説明する。

【００２５】図１は、本発明の第１の実施の形態例に係
わる回転角速度センサの構成を示す。回転角速度センサ
は、振動体１１、支持構造部２３、駆動用固定電極３
１、変位検出用固定電極３２（斜線部）によって構成さ
れている。

【００２６】振動体１１は、振動質量１０の両側に櫛歯
状可動電極３０を設けた構造となっている。また、振動
体１１は、曲がり部分を有する梁で構成された支持構造
部２３により基板（図面では省略）からほぼ一定の距離
を保って弾性的に支持されており、x軸、y軸の２軸方向
に振動することが可能となっている。

【００２７】つまり、y 軸に平行な梁によってx 軸方向
への振動が、x 軸に平行な梁によって y 軸方向への振
動が実現される。支持構造部２３は、アンカー部４１に
よって基板に固定されている。

【００２８】本実施の形態例の特徴は、振動体１１を構
成している櫛歯電極３０の電極間に、駆動用固定電極３
１と振動体１１の変位検出用固定電極３２の二つをほぼ
平行に設けた点にある。変位検出用固定電極３２を振動
質量１０の外部に配置することにより、振動質量１０の
質量を大きくすることができ、センサの感度を向上させ
ることが可能となる。なお、駆動用固定電極電極３１及
び変位検出用固定電極３２は、必ずしも互いに平行にす
る必要はないが、平行にすることによって、振動体１１
の駆動と変位の検出を効率的に行うことができる。

【００２９】図２は、図１のＡ−Ｂ断面を示す。駆動用
固定電極３１及び変位検出用固定電極３２は、それぞれ
基板５０の上部から一定の位置に保持されていて、図で
は省略しているが、振動体１１と反対側の端において基
板に固定されている。

【００３０】基板５０と駆動用固定電極３１、基板５０
と変位検出用固定電極３２との間隔は、基板５０と振動
体１１の櫛歯状可動電極３０、振動質量１０との間隔に
等しく、基板５０から離間されて保持されている各種構
造部の厚さは全て等しい。

【００３１】図３を用いて、本実施の形態例に係わる回
転角速度センサの実際の駆動、検出方法を説明する。

【００３２】振動体１１を駆動するには、駆動用固定電
極３１と振動体の櫛歯状可動電極３０aの間に電圧Ｖを
印加し、静電気力により振動体をx軸方向に引っぱる。
このような状態で、電圧Ｖを時間的に振動させると、振
動体をx軸方向に振動させることができる。

【００３３】ここで、同時に駆動用固定電極３１と櫛歯
状可動電極３０aの間の静電容量を検出することによ
り、振動体１１の変位量が分かるので、当該変位量が一
定になるように印加電圧Ｖをフィードバック制御する
と、振動体１１のx軸方向の振動の振幅を一定にするこ
とが可能となる。

【００３４】以上のように、振動体１１がx軸方向に励
振されている状態でこの振動体１１にz軸、つまり基板
と垂直な軸回りの角速度Ωが加えられた場合、振動体１
１には、次式（数１）で与えられるコリオリ力Fcがy軸
方向に働き、振動体１１はy軸方向に微小振動する。 Ｆｃ＝２ｍｖΩ …（数１） （数１）で、ｍは振動体１１の質量、ｖはx軸方向に励
振された振動体１１の速度である。

【００３５】コリオリ力Ｆｃによる振動体１１のy軸方
向への変位は、振動体１１の櫛歯状可動電極３０bと変
位検出用電極３２a（斜線部上側）間の静電容量C1の変
化と、振動体１１の櫛歯状可動電極３０bと変位検出用
電極３２b（斜線部下側）間の静電容量C2の変化として
計測できるので、具体的には（ C1− C2）/２により、
加えられた角速度の大きさΩを知ることができる。

【００３６】図４は、本発明の第２の実施の形態例に係
わる回転角速度センサの構成を示す。本実施の形態例の
回転角速度センサは、第１の実施の形態例の支持構造部
２３を他の構造にしたものである。すなわち、支持構造
部２３を折れ曲がり部がただ１ヵ所のＬ字状の梁４本で
構成している。

【００３７】振動体１１の櫛歯状可動電極間に駆動用固
定電極３１、変位検出用固定電極３２の二つの固定電極
を設けることによって、振動体１１の質量を大きくする
ことが可能であることは、第１の実施の形態例において
述べた通りである。

【００３８】前述した式（数１）から分かるように、コ
リオリ力を大きくするためには振動体の質量を増やすこ
との他に、振動体１１の励振速度、つまり駆動振幅を大
きくすることが必要となる。

【００３９】大振幅駆動を実現するには、駆動用固定電
極３１及び変位検出用固定電極３２は、互いにほぼ平行
に配置し、更に感度を上げるためには、振動体１１の櫛
歯状可動電極３０と変位検出用固定電極３２の間隔を狭
くすることが望ましい。

【００４０】しかし、駆動用固定電極３１及び変位検出
用固定電極３２が互いに垂直に配置された場合、大振幅
駆動をさせると、振動体１１が変位検出用固定電極３２
と衝突してしまう可能性がある。

【００４１】本実施の形態例のように、駆動用固定電極
３１及び変位検出用固定電極３２を互いに平行に配置さ
せ、かつ支持構造部２３にＬ字状の梁を用いることによ
り、大振幅駆動が可能になり、さらに感度を上げること
ができる。

【００４２】また、支持構造部２３に構造上単純なＬ字
状の梁を用いることにより、センサ自体をコンパクトに
まとめることができる。また、Ｌ字状の梁は折れ曲がっ
ている部分が１ヵ所なので、大振幅駆動でも壊れにく
く、信頼性という観点から見た場合にも有利である。

【００４３】さらに、量産を考えた場合、櫛歯状可動電
極３０と変位検出用固定電極３２という細かいパターニ
ング精度が必要な箇所Ｘを分散させずにすむため、作製
するときに、エッチングガスの濃度勾配が生じた場合で
も、櫛歯状可動電極３０のパターン精度が不均一になる
可能性が小さくなり、歩留りの向上につながる、という
利点がある。

【００４４】図５は、本発明の第１、第２の実施の形態
例に係わる回転角速度センサに設けた過剰振動防止部の
詳細を示す。振動体１１がy軸方向に過剰振動して、振
動体１１の櫛歯状可動電極３０が駆動用固定電極３１ま
たは変位検出用固定電極３２と接触することを避けるた
めに、過剰振動防止部４０を設けている。

【００４５】過剰振動防止部４０は、過剰振動防止部４
０と振動体１１の間隔Ｄ₁が、駆動用固定電極３１また
は変位検出用固定電極３２と櫛歯状可動電極３０の間隔
Ｄ₂に比べて小さくなるように配置される。

【００４６】次に、前述した本発明の第２の実施の形態
例に係わる回転角速度センサの製造工程例を、図４の断
面Ｃ−Ｄを例にとり、図６から図９を用いて説明する。

【００４７】基板から回転角速度センサの各種構造体を
離間するために、後の工程で消失する層（犠牲層）を予
め基板上に形成しておき、その上に構造体となる層を重
ね、工程の最終段階で犠牲層をエッチングするというプ
ロセスが必要となる。

【００４８】まず、図６に示す工程においては、単結晶
シリコンからなる基板５０の表面に、絶縁膜形成工程に
より、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁性の
薄膜を絶縁膜５１として形成する。

【００４９】次に、図７に示す工程においては、絶縁膜
５１上に第１のポリシリコン膜５２を形成し、ドライエ
ッチングによってパターニングを行い、絶縁膜５１を介
してシリコン基板５０と接触するアンカー部４１の下部
を形成する。

【００５０】そして、図８に示す工程においては、例え
ばPSG等の犠牲層５３を図７の構造の表面に形成し、ド
ライエッチングによりパターニングを行う。この上に第
２のポリシリコン膜５４を形成し、ドライエッチングで
パターニングをすることにより、各種可動部やアンカー
部４１の上部が完成する。その後熱処理を行い、PSG等
の犠牲層５３中のリンをポリシリコン中に熱拡散させ、
ポリシリコン膜５２、５４に伝導性をもたせる。

【００５１】最後に、図９に示す工程においては、犠牲
層５３をウェットエッチングにより除去し、支持構造部
２３、櫛歯状可動電極３０を含む振動体１１、駆動用固
定電極３１、変位検出用固定電極３２等を基板と離間し
た状態にする。犠牲層５３のエッチングを容易にするた
めに、振動質量１０に、例えばエッチング用のホールを
設けてもよい。

【００５２】上記工程では、支持構造部２３、櫛歯状可
動電極３０を含む振動体１１、駆動用固定電極３１、変
位検出用固定電極３２等は、ポリシリコンによって構成
されているが、これらの構造体をSOI（Silicon on In
sulator）基板などの単結晶シリコンを用いてつくるこ
とも可能である。

【００５３】以上述べてきた実施の形態例によれば、振
動体１１の櫛歯状可動電極３０間に、駆動用固定電極３
１及び変位検出用固定電極３２の二つの固定電極を設け
ることによって、振動体１１の駆動と変位検出を基板に
水平な平面内で行うことができ、かつ変位検出用固定電
極３２を振動質量１０の外部に配置することができるの
で、振動質量１０の質量を大きくすることができ、セン
サの感度を向上させることができる。

【００５４】また、駆動用固定電極３１及び変位検出用
固定電極３２を互いに平行に配置させ、かつ支持構造部
２３にＬ字状の梁を用いることにより、大振幅駆動が可
能になり、さらに感度を上げることができる。また、支
持構造部２３に構造上単純なＬ字状の梁を用いることに
より、センサ自体をコンパクトにまとめることができ
る。また、Ｌ字状の梁は折れ曲がっている部分が１ヵ所
なので、大振幅駆動でも壊れにくく、信頼性という観点
から見た場合にも有利になる。

【００５５】さらに、量産を考えた場合、櫛歯状の駆動
電極と変位検出電極という細かいパターニング精度が必
要な箇所を分散させずにまとめたため、作製するとき
に、エッチングガスの濃度勾配が生じた場合でも櫛歯状
電極のパターン精度が不均一になる可能性が小さくな
り、歩留りの向上につながる、という利点がある。

【００５６】また、過剰振動防止部４０を設けることに
よって、振動体１１がy軸方向に過剰振動して振動体１
１の櫛歯電極が固定電極部と接触することを避けること
ができる。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、振動体の質量を大きく
保つことができ、かつ電極部をコンパクトな平面構造と
することができるので、測定感度が向上し、かつ信頼性
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態例に係わる回転角速
度センサの構成を示す平面図である。

【図２】図１のＡ−Ｂ断面図である。

【図３】図１の電極部の一部を拡大した平面図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態例に係わる回転角速
度センサの構成を示す平面図である。

【図５】本発明の第１〜第２の実施の形態例に係わる回
転角速度センサに設けた過剰振動防止部の詳細を示す平
面図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態例に係わる回転角速
度センサの製造工程例に係わる断面図である。

【図７】図６の基板上に第１のポリシリコン膜を形成し
た断面図である。

【図８】図７の基板上に、さらに犠牲層及び第２のポリ
シリコン膜を形成した断面図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態例に係わる回転角速
度センサが基板上に離間され形成された状態を示す断面
図である。

【符号の説明】

１０…振動質量、１１…振動体、２３…支持構造部、３
０, ３０a, ３０b…櫛歯状可動電極、３１…駆動用固定
電極、３２, ３２a, ３２b…変位検出用固定電極、３３
…櫛歯電極間の固定電極部、４０…過剰振動防止部、４
１…アンカー部、５０…基板、５１…絶縁膜、５２…第
１のポリシリコン膜、５３…犠牲層、５４…第２のポリ
シリコン膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 清光 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】櫛歯状可動電極が設けられた振動体と、前
   記振動体を振動可能に支持する支持構造部と、前記櫛歯
   状可動電極との間に電圧を印加することにより前記振動
   体を駆動する駆動用固定電極と、該駆動用固定電極によ
   り前記振動体が駆動された方向とは異なる方向へ生じる
   前記振動体の変位を検出する変位検出用固定電極とを有
   する回転角速度センサにおいて、 前記櫛歯状可動電極の各電極間に、前記駆動用固定電極
   と前記変位検出用固定電極とを並べて設けることを特徴
   とする回転角速度センサ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記駆動用固定電極と
   前記変位検出用固定電極とは、互いにほぼ平行であるこ
   とを特徴とする回転角速度センサ。
3. 【請求項３】請求項１において、前記支持構造部は、４
   本のＬ字状の帯板で構成され、前記各Ｌ字状の帯板は、
   前記振動体が横方向に振動できるように前記振動体を前
   記横方向に対し垂直方向から支持する縦帯板と、記振動
   体が縦方向に振動できるように前記縦帯板を前記縦方向
   に対し垂直方向から支持する横帯板とが一体形成されて
   いることを特徴とする角速度センサ。
4. 【請求項４】請求項１において、前記櫛歯状可動電極が
   前記駆動用固定電極または前記変位検出用固定電極と接
   触するのを防止する過剰振動防止部を、前記振動体の前
   記支持部側両端に近接させて設けることを特徴とする回
   転角速度センサ。
5. 【請求項５】請求項１において、前記櫛歯状可動電極を
   含む振動体と、前記駆動用固定電極と、前記変位検出用
   固定電極とは、ポリシリコン或いは単結晶シリコンで同
   じ厚さに形成され、基板上から離間された所定の位置に
   保持されることを特徴とする回転角速度センサ。