(57)【要約】【課題】高感度な検出が可能なＭＥＭＳ構造を簡単なプロセスで形成することができる角速度センサを提供することを目的とする。【解決手段】所定の検出軸まわりの角速度を検出する角速度センサ１０あって、基板と、基板に対して振動可能に支持されており、検出軸と垂直な平面内で振動する振動部２２と、一端が基板に支持された梁部３０と、梁部３０に設けられたピエゾ抵抗層３１とを有するセンサ素子とを備える。振動部２２は、検出軸まわりの回転により生じるコリオリ力を受けて変位する。梁部３０は、検出軸と平行な側面を有し、振動部２２の変位により変形する。ピエゾ抵抗層３１は、梁部３０の前側面に設けられた側面抵抗部を有する。【選択図】図７Ｂ
2020118603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の検出軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
基板と、
前記基板に対して振動可能に支持されており、前記検出軸と垂直な平面内で振動する振動部と、
一端が前記基板に支持された梁部と、前記梁部に設けられたピエゾ抵抗層とを有するセンサ素子と、
を備え、
前記振動部は、前記検出軸まわりの回転により生じるコリオリ力を受けて変位し、
前記梁部は、前記検出軸と平行な側面を有し、前記振動部の変位により変形し、
前記ピエゾ抵抗層は、前記梁部の前記側面に設けられた側面抵抗部を有する角速度センサ。
【請求項２】
前記検出軸と平行な方向に磁場を発生させる磁場発生部と
前記振動部に交流電流を印加する電流印加部と、
を備え
前記振動部は、前記磁場と前記交流電流とによって発生するローレンツ力により振動する請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記振動部は共振周波数で振動する請求項１または２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記梁部は、前記検出軸と垂直な表面を有し、
前記ピエゾ抵抗層は、前記側面抵抗部に加え、前記梁部の前記表面に設けられた表面抵抗部を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度に関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度センサは、特定の検出軸まわりの角速度を検出することができる。角速度センサは、カーナビゲーションシステムにおいて車の移動方向を検出したり、デジタルカメラにおいて手ぶれ補正をしたりするために用いられる。
【０００３】
近年のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術の進展により、角速度センサは小型化が進み用途が急速に広がりつつある。
【０００４】
角速度センサの原理としては、非特許文献１から非特許文献３に示すように、櫛形電極を用いる方式や、非特許文献４から非特許文献６に示すように、検出軸に垂直な平面に平行な表面にピエゾ抵抗層を有するナノゲージを用いる方式が広く知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】CenkAcar and Andrei Shkel. MEMS Vibratory Gyroscopes. Springer, 2009.
【非特許文献２】GuoZhanshe, Cheng Fucheng, Li Boyu, Cao Le, Lu Chao and Song Ke. Research development of silicon MEMS gyroscopes: a review. Microsystem Technologies, 2015, vol.21, issue 10, pp.2053-2066.
【非特許文献３】HuikaiXie, G. K. Fedder. Fabrication, characterization, and analysis of a DRIE CMOS-MEMS gyroscope. IEEE Sensors Journal, 2003, vol.3, issue 5, pp.622-631.
【非特許文献４】Florence Gretillat, Marc-Alexis Gretillat and Nicolaas F. De Rooij. Improved design of a silicon micromachined gyroscope with piezoresistive detection and electromagnetic excitation. Journal of Microelectromechanical Systems, 1999, vol. 8, no. 3, pp.243-250.
【非特許文献５】Xinxin Li, MinhangBao, Heng Yang, Shaoqun Shen, Deren Lu.A micromachinedpiezoresistive angular rate sensor with a composite beam structure. Sensors and Actuators A: Physical, 1999, vol. 72, issue 3,pp.217-223.
【非特許文献６】Stefano Dellea, Federico Giacci, Antonio Francesco Longoni, and Giacomo Langfelder. In-Plane and Outof-Plane MEMS Gyroscopes Based on Piezoresistive NEMS Detection. Journal of microelectromechanical systems, 2015, vol. 24, no. 6, pp. 1817-1826.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１から非特許文献３に示された櫛形方式において角速度センサの検出感度を上げるためには、櫛形電極の電極間の距離を狭くする必要がある。しかし電極間の距離が狭くなると、外部からの衝撃や振動によって、電極同士が接触してしまい、場合によっては故障してしまう可能性が生じる。
【０００７】
非特許文献４から非特許文献６に示されたピエゾ抵抗層を用いる方式においては、検出軸まわり角速度に対する検出感度を高めることが難しい。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、高感度な検出が可能なＭＥＭＳ構造を簡単なプロセスで形成することができる角速度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の角速度センサは、所定の検出軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、基板と、前記基板に対して振動可能に支持されており、前記検出軸と垂直な平面内で振動する振動部と、一端が前記基板に支持された梁部と、前記梁部に設けられたピエゾ抵抗層とを有するセンサ素子と、を備え、前記振動部は、前記検出軸まわりの回転により生じるコリオリ力を受けて変位し、前記梁部は、前記検出軸と平行な側面を有し、前記振動部の変位により変形し、前記ピエゾ抵抗層は、前記梁部の前記側面に設けられた側面抵抗部を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高感度な検出が可能なＭＥＭＳ構造を簡単なプロセスで形成することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】角速度センサの概略図である。
【図２Ａ】センサチップの平面図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＢ−Ｂ線に沿った端面図である。
【図３】センサ素子を説明する説明図である。
【図４】振動部を説明する説明図である。
【図５】回路基板を説明する説明図である。
【図６】検出回路を説明する説明図である。
【図７Ａ】回転が与えられていないときの角速度センサの動作を説明する説明図である。
【図７Ｂ】Ｚ軸まわりに回転運動が与えられたときの角速度センサの動作を説明する説明図である。
【図８Ａ】デバイス層をエッチングするプロセスを説明する説明図である。
【図８Ｂ】デバイス層の熱酸化を説明する説明図である。
【図８Ｃ】ピエゾ抵抗層の形成を説明する説明図である。
【図８Ｄ】電極層の形成を説明する説明図である。
【図８Ｅ】デバイス層のエッチングを説明する説明図である。
【図８Ｆ】ハンドル層のエッチングを説明する説明図である。
【図９】ローレンツ力により振動する振動部の周波数特性を示すグラフである。
【図１０】角速度センサの角速度に対する応答を実験する実験セットアップを説明する説明図である。
【図１１Ａ】角速度センサに印加する角速度の時間変化を示すグラフである。
【図１１Ｂ】磁場と交流電流とを角速度センサに印加したときの出力電圧の時間変化を示すグラフである。
【図１１Ｃ】磁場を印加せず、交流電流を角速度センサに印加したときの出力電圧の時間変化を示すグラフである。
【図１１Ｄ】交流電流を印加せず、磁場を角速度センサに印加したときの出力電圧の時間変化を示すグラフである。
【図１２Ａ】角速度センサがＸ軸まわりに回転したときの梁部の変形および振動部の変位を説明する説明図である。
【図１２Ｂ】角速度センサがＹ軸まわりに回転したときの梁部の変形および振動部の変位を説明する説明図である。
【図１２Ｃ】角速度センサがＺ軸まわりに回転したときの梁部の変形および振動部の変位を説明する説明図である。
【図１３】４つのピエゾ抵抗層の抵抗変化を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、角速度センサ１０の概略を示す概略図である。角速度センサ１０は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のうち、Ｚ軸を検出軸として、Ｚ軸まわりの角速度を検出する。角速度センサ１０は、ハウジング１１と、センサチップ１２と、回路基板１３とを備える。
【００１３】
ハウジング１１は、回路基板１３とセンサチップ１２とを保持する。ハウジング１１は、この例では直方体である。ハウジング１１は、例えば樹脂などにより形成される。ハウジング１１は、上部ハウジング１１ａと下部ハウジング１１ｂとから構成される。上部ハウジング１１ａには、第１の磁石１５が設けられている。下部ハウジング１１ｂには、第２の磁石１６が設けられている。上部ハウジング１１ａと下部ハウジング１１ｂとは、回路基板１３とセンサチップ１２とを間に挟んだ状態で、例えばねじ（図示なし）を用いて一体化される。
【００１４】
第１の磁石１５は、上部ハウジング１１ａの中心に設けられている。第２の磁石１６は、下部ハウジング１１ｂの中心に設けられている。第１の磁石１５と第２の磁石１６は磁場を発生する。第１の磁石１５と第２の磁石１６とは、ＸＹ平面と垂直な方向、すなわち検出軸としてのＺ軸と平行な方向に磁場を発生する磁場発生部を構成する。
【００１５】
センサチップ１２は、ハウジング１１に設けられている。センサチップ１２は、第１の磁石１５および第２の磁石１６が発生する磁場内に配置される。センサチップ１２の大きさは、例えば５ｍｍ×５ｍｍである。
【００１６】
図２Ａおよび図２Ｂを用いてセンサチップ１２について説明する。図２Ａはセンサチップ１２の平面図である。図２Ｂは図２ＡのＢ−Ｂ線に沿った端面図である。センサチップ１２は、ＸＹ平面内に形成されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造を有する。
【００１７】
図２Ａに示すように、センサチップ１２は、基板２０と、センサ素子２１と、振動部２２とを備える。基板２０は、枠状に形成されている。基板２０は、センサ素子２１と振動部２２とを支持する。基板２０の外形は、この例では四角形である。
【００１８】
図２Ｂに示すように、基板２０は、ハンドル層２０ａと、絶縁層２０ｂと、デバイス層２０ｃとが順に積層された構造のＳＯＩ（Silicon on Insulator)基板である。この例では基板２０はＰ型ＳＯＩ基板である。ハンドル層２０ａとデバイス層２０ｃは、例えばＳｉなどにより形成される。絶縁層２０ｂは、例えばＳｉＯ２などにより形成される。ハンドル層２０ａの厚みは２５０μｍである。絶縁層２０ｂの厚みは１μｍである。デバイス層２０ｃの厚みは５０μｍである。
【００１９】
基板２０の表面には電極層２４が設けられている。電極層２４は、例えば図示しない下地層としてのＣｒ層と導電層としてのＡｕ層とからなる。
【００２０】
電極層２４は、駆動用電極部２６Ａ、２６Ｂと、検出用電極部２７Ａ、２７Ｂとを有する。駆動用電極部２６Ａ、駆動用電極部２６Ｂ、検出用電極部２７Ａ、検出用電極部２７Ｂは、基板２０に形成された溝２８により互いに絶縁されている。駆動用電極部２６Ａと駆動用電極部２６Ｂとは基板２０の辺の部分に設けられている。検出用電極部２７Ａと検出用電極部２７Ｂとは基板２０の四隅の部分に設けられている。溝２８からは絶縁層２０ｂが露出している（図２Ｂ参照）。
【００２１】
センサ素子２１は、本実施形態では４つ設けられている。センサ素子２１は、基板２０の四隅に配置されている。
【００２２】
図３に示すように、センサ素子２１は、梁部３０とピエゾ抵抗層３１とを有する。梁部３０は、一端が基板２０に支持されている。梁部３０の他端は接続部３３と接続している。梁部３０の抵抗値は約２ｋΩである。梁部３０は、一端が基板２０に接続した２本の梁と、各梁の他端に設けられたリングとにより構成される。梁部３０の他端にリングが設けられていることにより、梁部３０は、振動部２２の振動により生じる圧縮力を吸収する。梁部３０は、検出軸としてのＺ軸と平行な側面３０ａを有する。本実施形態では、梁部３０は、検出軸としてのＺ軸と垂直な表面３０ｂを有する（図２Ｂ参照）。梁部３０の梁は直方体状に形成されている。２本の梁の間の距離は約６０μｍである。梁は、例えば幅約２０μｍ、厚さ約５０μｍである。
【００２３】
ピエゾ抵抗層３１は、梁部３０に設けられている。ピエゾ抵抗層３１は、デバイス層２０ｃの表面および側面にＮ型又はＰ型の不純物をドーピングしたものである。この例ではＮ型のドーパントを用いた。
【００２４】
ピエゾ抵抗層３１は、梁部３０の側面３０ａに設けられた側面抵抗部３１ａを有する（図２Ｂ参照）。側面抵抗部３１ａは、側面３０ａが伸長または圧縮するように梁部３０が撓むことにより、抵抗値の変化を生じる。すなわち、側面抵抗部３１ａは、梁部３０がＺ軸と垂直なＸＹ面上で面内変形することにより抵抗値の変化を生じる。
【００２５】
ピエゾ抵抗層３１は、側面抵抗部３１ａに加え、梁部３０の表面３０ｂに設けられた表面抵抗部３１ｂを有する（図２Ｂ参照）。表面抵抗部３１ｂは、表面３０ｂが伸長または圧縮するように梁部３０が撓むことにより、抵抗値の変化を生じる。すなわち、表面抵抗部３１ｂは、梁部３０がＸ軸と垂直なＹＺ面上で面内変形することにより抵抗値の変化を生じる。
【００２６】
振動部２２は、本実施形態では４つ設けられている（図２Ａ参照）。振動部２２は、センサ素子２１の間に配置されている。振動部２２が設けられている領域が振動領域である。振動領域の大きさは例えば３ｍｍ×３ｍｍである。
【００２７】
図４に示すように、振動部２２は、梁部３０の他端と基板２０とに対して振動可能に支持されている。振動部２２は、磁場と交流電流とが印加されて発生するローレンツ力によりＺ軸と垂直なＸＹ平面内の第１方向へ振動する。磁場は、磁場発生部としての第１の磁石１５および第２の磁石１６により発生する（図１参照）。交流電流は、後述する電流印加部としての交流電源４０により印加される（図５参照）。振動部２２は共振周波数で振動する。振動部２２をローレンツ力により振動させるときの共振周波数と、後述する角速度を検出するときの共振周波数は、ほぼ同じとなるように設計した。例えば、ローレンツ力により振動させるときの共振周波数は１３．５ｋＨｚであり、角速度を検出するときの共振周波数は例えば１３．４ｋＨｚである。
【００２８】
振動部２２は、第１錘部２２ａと、第２錘部２２ｂと、第３錘部２２ｃと、第１連結部２２ｄと、第２連結部２２ｅと、第３連結部２２ｆと、第４連結部２２ｇと、第５連結部２２ｈとを有する。第１錘部２２ａは、駆動用電極部２６Ａ、２６Ｂと接続する電気伝導層（図示なし）を有する。電気伝導層には後述する交流電源４０からの交流電流が流れる。電気伝導層は、例えば電極層２４と同じ材料により形成される。第１錘部２２ａと第２錘部２２ｂとは、平面視において長方形とされている。第３錘部２２ｃは、平面視において三角形とされている。第１錘部２２ａの幅は、例えば１．５ｍｍである。
【００２９】
第１連結部２２ｄは、基板２０と第１錘部２２ａとを連結する。第１連結部２２ｄは、一対設けられている。一対の第１連結部２２ｄは、一端が基板２０と接続し、Ｙ軸方向へヘアピン状に往復してからＸ軸方向へヘアピン状に往復し、他端が第１錘部２２ａの端部と接続する。第２連結部２２ｅは、第１錘部２２ａと第２錘部２２ｂとを連結する。第３連結部２２ｆは、第２錘部２２ｂと第３錘部２２ｃとを連結する。
【００３０】
第４連結部２２ｇは、第２錘部２２ｂと接続部３３とを連結する。第４連結部２２ｇは、一対設けられている。第４連結部２２ｇは、一端が第２錘部２２ｂの一端部と接続し、Ｘ軸方向へ往復してから、他端が接続部３３と接続する。
【００３１】
第５連結部２２ｈは、第３錘部２２ｃと接続部３３とを連結する。第５連結部２２ｈは、一対設けられている。第５連結部２２ｈは、一端が第３錘部２２ｃの一端部と接続し、Ｘ軸方向へ往復してから、他端が接続部３３と接続する。
【００３２】
図５に示すように、回路基板１３は、電流印加用配線部３６と検出用配線部３７とを有する。電流印加用配線部３６は、駆動用電極部２６Ａ、２６Ｂと電気的に接続する。電流印加用配線部３６は、交流電源４０と電気的に接続する。交流電源４０は、電流印加用配線部３６と駆動用電極部２６Ａ、２６Ｂとを介して、振動部２２に交流電流を印加する。検出用配線部３７は、検出用電極部２７Ａ、２７Ｂと検出回路４２とを電気的に接続する。
【００３３】
図６に示すように、検出回路４２は、ブリッジ回路４４とロックインアンプ４６とを有する。ブリッジ回路４４は、ホイーストンブリッジ回路であり、ピエゾ抵抗層３１がホイーストンブリッジ回路の４つの抵抗の一つとして形成される。ブリッジ回路４４は、ピエゾ抵抗層３１と可変抵抗４８が直列接続された枝辺と、可変抵抗４９と固定抵抗５０が直列接続された枝辺とが、ロックインアンプ４６に対し並列に接続されている。可変抵抗４８は、梁部３０が変形していない状態で、接続点５１と接続点５２の電圧値が等しくなるように調整される。
【００３４】
ロックインアンプ４６は、ピエゾ抵抗層３１と可変抵抗４８との接続点５１と、可変抵抗４９と固定抵抗５０との接続点５２とに、接続されている。ロックインアンプ４６を通じて、ブリッジ回路４４に対し、所定の交流電圧が印加される（１．８Ｖ）。ロックインアンプ４６は、位相器４６Ａと、乗算器４６Ｂと、ローパスフィルタ４６Ｃと、増幅器４６Ｄとを有する。ロックインアンプ４６は、接続点５１の電圧値の変動を、接続点５１と接続点５２の電位差として受け取る。位相器４６Ａは、電位差を位相差が０になるように調整して、測定信号として乗算器４６Ｂへ出力する。乗算器４６Ｂは、位相器４６Ａから入力される測定信号と交流電源４０から入力される参照信号とを乗算し、その結果得た変調信号をローパスフィルタ４６Ｃへ出力する。ローパスフィルタ４６Ｃは、変調信号の高周波成分をカットし、増幅器４６Ｄへ出力する。増幅器４６Ｄは、ローパスフィルタ４６Ｃから入力された信号を所定の大きさに増幅し、電圧として出力する。
【００３５】
次に、図７Ａおよび図７Ｂを用いて、角速度センサ１０の動作を説明する。
【００３６】
図７Ａは、回転が与えられていないときの角速度センサ１０の動作を説明する説明図である。振動部２２は、Ｚ軸方向に磁場が印加され、交流電流が印加されると、同心円状に膨縮するように振動する。梁部３０は、隣接する振動部２２が同期して振動しているので変形しない。梁部３０が変形しないので、ピエゾ抵抗層３１の抵抗値は変化しない。
【００３７】
図７Ｂは、Ｚ軸まわりに回転運動が与えられたときの角速度センサ１０の動作を説明する説明図である。振動部２２が振動する速度と角速度とが直交する方向に生じるコリオリ力によって、Ｙ軸方向に配置されている２つの振動部２２は、ＸＹ平面上で互いに逆方向へ変位する。Ｘ軸方向に配置されている２つの振動部２２は、ＸＹ平面上で互いに逆方向へ変位する。４つの梁部３０は、４つの振動部２２の変位により、ＸＹ平面上で同方向へ面内変形する。この例では、４つの梁部３０は、側面抵抗部３１ａが圧縮される方向に変形する。４つの梁部３０が変形することにより、側面抵抗部３１ａの抵抗値が変化する。この抵抗値の変化が検出回路４２へ入力され（図６参照）、検出回路４２により出力される電圧に基づき、角速度を求めることができる。
【００３８】
次に図８Ａ〜図８Ｆを用いて、センサチップ１２の製造プロセスを説明する。なお下記に示すプロセスはフォトリソグラフィーを用いることが好ましい。
【００３９】
図８Ａに示すように、まず、基板２０としてＳＯＩ基板を準備し、デバイス層２０ｃのエッチングを行う。このエッチングにより、側面抵抗部３１ａを形成するための孔が形成される。孔からは絶縁層２０ｂが露出する。
【００４０】
図８Ｂに示すように、デバイス層２０ｃの表面のうちの振動領域を熱酸化し、ＳｉＯ２層を形成する。
【００４１】
図８Ｃに示すように、熱拡散法を用いて、デバイス層２０ｃの表面全域にｎ型のドーパントを熱拡散する。振動領域にはＳｉＯ２層が形成されているので、ｎ型のドーパントが熱拡散しない。ＳｉＯ２層はマスクとして機能する。熱拡散後、ＳｉＯ２層を例えばＨＦ（フッ酸）を用いてエッチングして除去する。
【００４２】
図８Ｄに示すように、レジストを所定の形状にパターニングした後に、スパッタリング法を用いてＣｒ層とＡｕ層からなる電極層を形成し、リフトオフ法を用いてパターン形成する。これにより、駆動用電極部２６Ａ、２６Ｂと、検出用電極部２７Ａ、２７Ｂとが形成される。
【００４３】
図８Ｅに示すように、デバイス層２０ｃの振動領域をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によりエッチングする。これにより、梁部３０と振動部２２とが形成される。
【００４４】
図８Ｆに示すように、ハンドル層２０ａを例えばＲＩＥによりエッチングして除去する。その後、絶縁層２０ｂを例えばＨＦを用いてエッチングして除去する。これによりセンサチップ１２が得られる。梁部３０の抵抗値は例えば２ｋΩである。第１連結部２２ｄの抵抗値は例えば５０Ωである。
【００４５】
センサチップ１２を回路基板１３に配置し、磁場を印加するための第１の磁石１５を上部ハウジング１１ａに設け、第２の磁石１６を下部ハウジング１１ｂに設け、上部ハウジング１１ａと下部ハウジング１１ｂの間に回路基板１３およびセンサチップ１２を挟むことにより角速度センサ１０が得られる。センサチップ１２の表面の磁束密度は例えば０．７Ｔである。
【００４６】
図９は、ローレンツ力により振動する振動部２２の周波数特性を示すグラフである。図９は、縦軸が速度であり、横軸が周波数である。周波数は５０Ｈｚ〜２０ｋＨｚとした。駆動電圧の振幅は２．５Ｖであった。駆動電流の実効値は６．５ｍＡであった。振動部２２が振動する速度は、レーザードップラー振動計により測定した。この周波数特性の測定では、上側の第１の磁石１５を外してセンサチップ１２の表面にレーザを照射した。センサチップ１２の表面の磁束密度は０．３５Ｔであった。ローレンツ力は、磁束密度、駆動電流、および振動部２２の幅から約４．７μＮと推定された。図９より、共振周波数は８．２ｋＨｚであることがわかる。振動部２２の振動の速度のピークは、８．２ｋＨｚで０．１ｍ／ｓとなることが確認できた。コリオリ力は０．３８ｎＮｄｅｇ．／ｓと求められた。
【００４７】
図１０は、角速度センサ１０の角速度に対する応答を実験する実験セットアップを説明する説明図である。実験では角速度センサ１０をターンテーブルの上に配置した。ターンテーブルは、正弦波状の角速度Ω＝３００×ｓｉｎ（２π×ｔ）ｄｅｇ．／ｓで回転させた。角速度センサ１０は共振周波数８．２ｋＨｚで駆動した。駆動交流は９ｍＡであった。磁束密度は０．７Ｔであった。ブリッジ回路４４の電圧は５Ｖであった。ピエゾ抵抗層３１の抵抗変化をブリッジ回路４４とロックインアンプ４６を介して電圧に変換し、４つの電圧の平均を求めた。
【００４８】
図１１Ａは、角速度センサ１０に印加する角速度の時間変化を示すグラフである。図１１Ａにおいて、縦軸は角速度Ω、横軸は時間である。角速度センサ１０に印加する角速度は、振幅が３００ｄｅｇ．／ｓ、周波数が１Ｈｚであった。図１１Ｂは、磁場と交流電流とを角速度センサ１０に印加したときの出力電圧の時間変化を示すグラフである。図１１Ｂにおいて、縦軸は出力電圧、横軸は時間である。図１１Ｃは、磁場を印加せず、交流電流を角速度センサ１０に印加したときの出力電圧の時間変化を示すグラフである。図１１Ｃにおいて、縦軸は出力電圧、横軸は時間である。図１１Ｄは、交流電流を印加せず、磁場を角速度センサ１０に印加したときの出力電圧の時間変化を示すグラフである。図１１Ｄにおいて、縦軸は出力電圧、横軸は時間である。図１１Ｂ〜図１１Ｄより、出力電圧は、磁場と交流電流とを印加した場合に変化し、磁場のみ印加した場合および交流電流のみ印加した場合には変化しないことが確認できた。図１１Ｂより、出力電圧は、印加した角速度に応じて変化することが確認できた。角速度センサ１０の感度は１５ｍＶ／（ｄｅｇ．／ｓ）であった。抵抗変化率は、Ｒ／ΔＲ＝１．２×１０−７（ｄｅｇ．／ｓ）−１と求められた。５秒間のノイズの標準偏差は１７ｍＶであり、角速度センサ１０の分解能は１．１（ｄｅｇ．／ｓ）ｒｍｓと推定された。図１１Ｃおよび図１１Ｄより、交流電流のみを印加した場合と磁場のみを印加した場合とを比べると、ノイズレベルがほぼ同じである。このことから、駆動電流は、角速度の計測に影響を与えないことがわかる。以上の実験結果より、角速度センサ１０は、角速度を計測できることが確認できた。
【００４９】
上記実施形態では、検出軸としてのＺ軸まわりの角速度を計測する例を説明したが、角速度センサ１０は、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の各軸まわりの角速度を検出することができる。
【００５０】
図１２Ａは、角速度センサ１０がＸ軸まわりに回転したときの梁部３０の変形および振動部２２の変位を説明する説明図である。図１２Ｂは、角速度センサ１０がＹ軸まわりに回転したときの梁部３０の変形および振動部２２の変位を説明する説明図である。図１２Ｃは、角速度センサ１０がＺ軸まわりに回転したときの梁部３０の変形および振動部２２の変位を説明する説明図である。図１２Ａ〜図１２Ｃにおいて、εｔｏｐは、梁部３０の表面３０ｂに生じるひずみを示す。εｓｉｄｅは、梁部３０の側面３０ａに生じるひずみを示す。εｔｏｐは、梁部３０の表面３０ｂにひずみが生じていない状態でεｔｏｐ＝０となり、ひずみが生じた方向に応じてεｔｏｐ＜０またはεｔｏｐ＞０となる。εｓｉｄｅは、梁部３０の側面３０ａにひずみが生じていない状態でεｓｉｄｅ＝０となり、ひずみが生じた方向に応じてεｓｉｄｅ＜０またはεｓｉｄｅ＞０となる。ΩＸはＸ軸まわりの回転を示し、ΩＹはＹ軸まわりの回転を示し、ΩＺはＺ軸まわりの回転を示す。
【００５１】
図１２Ａに示すように、角速度センサ１０がＸ軸まわりに回転すると、振動部２２が受けるコリオリ力は、ＹＺ平面上に生じる。したがって、梁部３０は、ＹＺ平面上で面内変形する。これにより、表面抵抗部３１ｂに抵抗変化が生じる。これに対して、側面抵抗部３１ａには抵抗変化は生じない。
【００５２】
図１２Ｂに示すように、角速度センサ１０がＹ軸まわり回転すると、振動部２２が受けるコリオリ力は、ＸＺ平面上に生じる。したがって、梁部３０は、ＸＺ平面上で面内変形する。これにより、表面抵抗部３１ｂに抵抗変化が生じる。これに対して、側面抵抗部３１ａには抵抗変化は生じない。
【００５３】
図１２Ｃに示すように、角速度センサ１０がＺ軸まわり回転すると、振動部２２が受けるコリオリ力は、ＸＹ平面上に生じる。したがって、梁部３０は、ＸＹ平面上で面内変形する。これにより、側面抵抗部３１ａに抵抗変化が生じる。これに対して、表面抵抗部３１ｂには抵抗変化が生じない。
【００５４】
図１３は、４つのピエゾ抵抗層３１について、特定のピエゾ抵抗層３１の抵抗変化が正の値を示すときの、他の３つのピエゾ抵抗層３１の抵抗変化を示す表である。図１３において、Ｒ１は、図１２Ａにおける紙面右下のピエゾ抵抗層３１を示す。Ｒ２は、図１２Ａにおける紙面左下のピエゾ抵抗層３１を示す。Ｒ３は、図１２Ａにおける紙面左上のピエゾ抵抗層３１を示す。Ｒ４は、図１２Ａにおける紙面右上のピエゾ抵抗層３１を示す。ΩＸの場合は、Ｒ１とＲ２で負の値となり、Ｒ３とＲ４で正の値となる。ΩＹの場合は、Ｒ１とＲ４で負の値となり、Ｒ２とＲ３で正の値となる。ΩＺの場合は、Ｒ１〜Ｒ４の全てで正の値となる。図１３より、角速度センサ１０は、ΩＸ、ΩＹ、ΩＺに対するＲ１〜Ｒ４の応答がそれぞれ直交しているので、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の各軸まわりの角速度を独立して検出することが可能である。
【００５５】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
【００５６】
上記実施形態では、磁場発生部（第１の磁石１５および第２の磁石１６）と電流印加部（交流電源４０）とを用いてローレンツ力を発生させ、このローレンツ力により振動部２２を振動させているが、振動部２２を検出軸と垂直な平面内で振動させる手段は特に限定されない。例えば、振動部２２を振動させる手段として、ピエゾアクチュエータ、ポリマーアクチュエータ、静電アクチュエータなどを用いてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０  角速度センサ
１２  センサチップ
１３  回路基板
１５  第１の磁石
１６  第２の磁石
２０  基板
２１  センサ素子
２２  振動部
２２ａ  第１錘部
２２ｂ  第２錘部
２２ｃ  第３錘部
２２ｄ  第１連結部
２２ｅ  第２連結部
２２ｆ  第３連結部
２２ｇ  第４連結部
２２ｈ  第５連結部
２４  電極層
２６Ａ  駆動用電極部
２６Ｂ  駆動用電極部
２７Ａ  検出用電極部
２７Ｂ  検出用電極部
３０  梁部
３０ａ  側面
３０ｂ  表面
３１  ピエゾ抵抗層
３１ａ  側面抵抗部
３１ｂ  表面抵抗部
３６  電流印加用配線部
３７  検出用配線部
４０  交流電源
【図１】
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【図２Ａ】
2020118603.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2020118603.tif 000010
【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９】
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【図１０】
2020118603.tif 000019
【図１１Ａ】
2020118603.tif 000020
【図１１Ｂ】
2020118603.tif 000021
【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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