(57)【要約】【課題】漏れ振動を抑制することができる角速度センサを提供する。【解決手段】変位部Ｂ１、Ｂ２は、第１の方向に振動することができるように支持され、振動質量体１、２と、検出質量体３、４とを有し、平面視において第１の方向に沿った対称軸ＡＸを有する。検出質量体３、４は、第１の方向に直交する第２の方向に沿って振動することができるように振動質量体１、２に支持されている。振動質量体１、２および検出質量体３、４は、第１の領域Ｒ１と、第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂとを有する。第１の領域Ｒ１は、平面視において対称軸ＡＸに貫かれている。第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂは、平面視において第１の領域Ｒ１によって第２の方向に互いに分離されている。第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂは、第１の領域Ｒ１の平均密度に比して小さい平均密度を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
第１の方向に沿って前記基板に対して振動することができるように前記基板に支持され、平面視において前記第１の方向に沿った対称軸を有する少なくとも１つの変位部と、
前記少なくとも１つの変位部の各々を前記第１の方向に沿って駆動するための駆動部とを備え、
前記少なくとも１つの変位部の各々は、
前記駆動部によって駆動される振動質量体と、
前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って振動することができるように前記振動質量体に支持された検出質量体とを有し、
前記振動質量体および前記検出質量体の少なくともいずれかは、
平面視において前記対称軸に貫かれた第１の領域と、
平面視において前記第１の領域によって前記第２の方向に互いに分離された一対の第２の領域とを有し、
前記一対の第２の領域の各々は、前記第１の領域の平均密度に比して小さい平均密度を有する、角速度センサ。
【請求項２】
前記第２の領域は貫通孔を有する、請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記第１の領域は、
母材からなる母材部と、
前記母材部に埋め込まれ、かつ前記母材の密度に比して大きな密度を有する埋込質量体とを有する、請求項１または２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記基板に対して固定された相対位置を有する検出固定電極をさらに備え、
前記検出固定電極は固定櫛歯を有し、
前記検出質量体は気体を介して前記固定櫛歯に対向する電極を有し、
前記電極は、
第１の領域に設けられた第１の櫛歯と、
前記第２の領域に設けられ、前記第１の櫛歯の歯の長さよりも大きい歯の長さを有する第２の櫛歯とを有する、請求項１〜３のいずれか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、角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
角速度を検出する方法のひとつとして、振動する物体に加わるコリオリ力を検出する方法がある。この検出原理による角速度センサとしては、たとえば、主な構成部分としてフレームと、振動質量体と、質量体（以下、検出質量体と称する）とを有する角速度センサが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１においては、振動質量体は４つのウェブを介してフレームに一定の方向（第１の方向：素子が形成された面内の一方向）で変位可能に結合されている。検出質量体は、振動質量体に不動に結合されたブロックに可撓ビームを介して結合されており、これによりブロックに対して第２の方向（素子が形成された面内において、第１の方向に直交する方向）に変位可能に配置されている。そして、検出質量体の変位により生じる櫛歯電極間の静電容量の変化を測定することにより、作用するコリオリ力の検出が行われる。
【０００４】
また、特許文献１には、１つのフレーム内に、上記の振動質量体と検出質量体とが２個配置された構成も開示されている。これら２個の振動質量体に互いに逆相の振動が与えられ、双方の測定信号の差形成が行なわれることにより、外乱がフィルタリング除去される。
【０００５】
振動質量体を振動駆動させる方式としては、たとえば電磁駆動方式（たとえば、特許文献２参照）や静電駆動方式（たとえば、特許文献３参照）がある。電磁駆動方式は、磁界の下での電流に作用するローレンツ力を振動の駆動力に用いる方式である。静電駆動方式は、電極間に電圧が印加された場合に電極間に作用する静電力を振動の駆動力に用いる方式である。その具体的な機構としては、たとえば２個の櫛歯電極を有し電極同士が噛み合うように対向して配置された櫛歯型静電駆動機構などがある。２個の櫛歯電極の間に電圧が印加され、それにより電極間に作用する静電力が駆動力として用いられる。
【０００６】
近年、これら角速度センサの小型化のために、その製造に半導体プロセス技術が用いられてきている（たとえば、特許文献３参照）。精度のよい角速度センサを製造するためには、角速度センサの各構成部分が精度よく加工される必要がある。しかしながら、半導体プロセス技術による加工、すなわち写真製版技術やエッチング技術などを用いた加工は、一般的には寸法精度として±１０％程度の製造ばらつきを有する。この製造ばらつきにより、たとえば振動質量体が設計通りに加工されないと、設計上想定されていた振動質量体の質量分布にアンバランスが生じ、設計上の駆動振動方向と実際のそれとが一致しなくなる。すなわち、駆動振動軸からずれた振動成分である漏れ振動が生じてしまう。
【０００７】
また、振動質量体とこれに連結される検出振動体とが同時に第１の方向に駆動される構成が用いられる場合、検出振動体の質量分布のアンバランスによっても、設計上の駆動振動方向と実際のそれとが一致しなくなる。すなわち、駆動振動軸からずれた振動成分である漏れ振動が生じてしまう。
【０００８】
上記の漏れ振動は、角速度センサの誤差の原因となる。検出されるべきコリオリ力の方向と同一方向の成分を有する漏れ振動が特に問題である。たとえば、角速度がゼロの時、すなわちコリオリ力が存在しない時は、理想的には検出質量体は単純に第１の方向に振動するべきものである。しかし、漏れ振動がある場合、その影響によりコリオリ力が存在しなくても検出質量体が第２の方向に沿って変位することになる。この変位は角速度センサの検出誤差の原因となる。よって角速度センサの精度を向上させるためには、この漏れ振動を抑制することが必要である。
【０００９】
この抑制手段として、特許文献３には、（１）固定電極と可動電極とが追加された構成、（２）吸振ビームと吸振マスとからなる吸振器が追加された構成、（３）空気抵抗により漏れ振動を抑制するための複数枚の羽根が追加された構成、（４）気体の粘性抵抗により漏れ振動を抑制するための制振子が追加された構成が開示されている。
【００１０】
また、特許文献４には、半導体プロセスにおける加工ばらつきが生じても、デバイス特性、特に、リング型振動子の固有振動数への影響を軽減することが、後加工により可能であることが提示されている。
【００１１】
また、非特許文献１には、櫛歯電極の隣り合う櫛歯の間に電圧を印加することで生じる静電力により漏れ振動を抑制することが提案されている。
【特許文献１】特開平８−２２０１２５号公報（第４頁、図２、図３）
【特許文献２】特開平１１−２６４７３０号公報（第７頁、図５）
【特許文献３】特開平１１−１３２７７０号公報
【特許文献４】特開２００４−２７９３８４号公報
【非特許文献１】W. A. Clark et al., "Surface Micromachined Z-Axis Vibratory Rate Gyroscope", Sensor and Actuator Workshop, 1996, pp.283−287
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記の特許文献３に記載の漏れ振動抑制手段が用いられると、以下に示すように、構造が複雑になるという問題があった。
【００１３】
まず、漏れ振動抑制のための固定電極と可動電極とが追加される場合、漏れ振動が抑制されるように電位が制御される電極が角速度センサに付加される。このため角速度センサの構造が複雑になる。また、吸振ビームや吸振マスが設けられる構成、複数枚の羽根が設けられる構成、および気体の粘性抵抗を利用する制振子が設けられる構成のいずれの場合も、複雑な構造物が必要となるので、角速度センサの構造が複雑となる。
【００１４】
さらに、上記の特許文献３に記載の漏れ振動抑制手段は、角速度センサの厚み方向の漏れ振動を抑制する手段であって、面内方向の漏れ振動を直接抑制することはできないという問題があった。
【００１５】
また、上記の特許文献４に記載の方法では、固有振動数のずれを小さくすることはできても、漏れ振動を抑制することはできないという問題があった。
【００１６】
また、上述した非特許文献１記載の漏れ振動抑制手段は、隣り合う櫛歯電極の櫛歯を電気的に独立して制御できるように形成する必要がある。このため、角速度センサの構造が複雑となるという問題があった。
【００１７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、構造が簡易で、かつ製造ばらつきに起因して生じる漏れ振動を抑制することができる角速度センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の角速度センサは、基板と、少なくとも１つの変位部と、駆動部とを有する。少なくとも１つの変位部は、第１の方向に沿って基板に対して振動することができるように基板に支持され、平面視において第１の方向に沿った対称軸を有する。駆動部は、少なくとも１つの変位部の各々を第１の方向に沿って駆動するためのものである。少なくとも１つの変位部の各々は、振動質量体と、検出質量体とを有する。振動質量体は、駆動部によって駆動される。検出質量体は、第１の方向に直交する第２の方向に沿って振動することができるように振動質量体に支持されている。振動質量体および検出質量体の少なくともいずれかは、第１の領域と、一対の第２の領域とを有する。第１の領域は、平面視において対称軸に貫かれている。一対の第２の領域は、平面視において第１の領域によって第２の方向に互いに分離されている。一対の第２の領域の各々は、第１の領域の平均密度に比して小さい平均密度を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の角速度センサによれば、第１の領域に比して第２の方向に広い範囲に分布するために形状ばらつきが生じやすい一対の第２の領域が、第１の領域の平均密度に比して小さい平均密度を有する。すなわち形状ばらつきが生じ易い領域の密度が、形状ばらつきが生じ難い領域の密度よりも小さくされている。これにより、製造ばらつきに起因して角速度センサの質量分布が対称軸に対して対称な分布からずれる程度を小さくすることができる。よって変位部が駆動部によって対称軸に沿って駆動される際に、この質量分布のずれに起因して生じる変位部の回転を抑制することができる。これにより、変位部の回転により誘起される漏れ振動が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
はじめに本実施の形態の角速度センサの構成について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施の形態における角速度センサの構成を概略的に示す平面図である。なお図１において、図を見易くするために、一部の領域にハッチングが付されている。
【００２２】
図２は、本発明の一実施の形態における角速度センサの概略的な平面レイアウトを示す図である。なお図２は図１で示される領域を示している。また図２においては、概略的な構成を見易くするために、図１に示された部材の一部が図示されていない。また図を見易くするためにハッチングが付されている。
【００２３】
図３〜図９のそれぞれは、図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩ〜線ＩＸ−ＩＸに沿う概略的な断面図である。
【００２４】
図１〜図９を参照して、本実施の形態の角速度センサは、第１の変位部Ｂ１と、第２の変位部Ｂ２と、支持ばね５と、連結ばね６と、検出ばね７と、検出固定電極９と、駆動配線１０（駆動部）と、駆動モニタ配線１１と、シリコン基板１２（基板）と、埋込質量体１３ａ、１３ｂと、ガラス基板１４と、絶縁膜１５と、駆動配線電極パッド１７と、駆動モニタ配線パッド１８と、検出可動電極パッド１９と、検出固定電極取出パッド２０と、検出固定電極パッド２１と、貫通孔２２と、熱酸化膜２４とを有する。
【００２５】
シリコン基板１２は、熱酸化膜２４を介して、ガラス基板１４に支持されている。ガラス基板１４は、第１および第２の変位部Ｂ１およびＢ２、支持ばね５、連結ばね６、および検出ばね７がガラス基板１４の上方の中空に保持されるようにするために、溝部２３を有している。熱酸化膜２４の厚さは、たとえば２００〜３００ｎｍである。溝部２３の深さは、たとえば１０〜４０μｍである。
【００２６】
第１の変位部Ｂ１と、第２の変位部Ｂ２との各々は、支持ばね５を介してシリコン基板１２に支持されている。支持ばね５は第１の方向に沿って伸縮することができるばねである。この構成により、第１の変位部Ｂ１と、第２の変位部Ｂ２との各々は、第１の方向に沿ってシリコン基板１２に対して振動することができる。
【００２７】
また第１の変位部Ｂ１と、第２の変位部Ｂ２との各々は、平面視において第１の方向に沿った対称軸ＡＸを有する。この対称軸ＡＸを、駆動振動軸ＡＸと称する。また第１の変位部Ｂ１と、第２の変位部Ｂ２とは、平面視において、点Ｏに関して点対象な形状を有している。
【００２８】
第１の変位部Ｂ１は、振動質量体１と、検出質量体３とを有する。また第２の変位部Ｂ２は、振動質量体２と、検出質量体４とを有する。振動質量体１および２は、連結ばね６によって互いに連結されている。連結ばね６は第１の方向に沿って伸縮することができるばねである。この構成により、振動質量体１および２は、第１の方向に沿って相対的に振動することができる。
【００２９】
駆動配線１０は、振動質量体１および２の各々の上に設けられ、第１の方向に直交する第２の方向に沿って延びている。また駆動配線電極パッド１７に電流が入力されることにより、振動質量体１上の駆動配線１０と、振動質量体２上の駆動配線１０との各々には、逆向きの電流が流れるように駆動配線１０が配線されている。またたとえば永久磁石を用いることで、第１および第２の方向の各々に垂直な方向に磁場が印加されている。この構成により、駆動配線電極パッド１７に電流を入力することで、振動質量体１および２の各々が、互いに逆向きで、かつ第１の方向に沿ったローレンツ力により駆動される。よって振動質量体１を含む第１の変位部Ｂ１と、振動質量体２を含む第２の変位部Ｂ２とを、第１の方向に沿った音叉振動が生じるように駆動することができる。
【００３０】
検出質量体３および４のそれぞれは、検出ばね７を介して、振動質量体１および２に支持されている。検出ばね７は第２の方向に沿って伸縮することができるばねである。この構成により、検出質量体３および４のそれぞれは、第２の方向に沿って、振動質量体１および２に対して振動することができる。
【００３１】
振動質量体１、２、および検出質量体３、４の各々は、第１の領域Ｒ１（図中の破線部Ｒ１に含まれる領域）と、一対の第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂ（図中の破線部Ｒ２ａ、Ｒ２ｂに含まれる一対の領域）とを有する。第１の領域Ｒ１は、平面視において駆動振動軸ＡＸに貫かれている。一対の第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂは、平面視において第１の領域Ｒ１によって第２の方向に互いに分離されている。
【００３２】
振動質量体１および２の各々は、第１の領域Ｒ１において、母材部と、埋込質量体１３ｂとを有する。母材部は、シリコン基板１２と一体となっており、シリコン（母材）からなる。埋込質量体１３ｂは、母材部に埋め込まれている。埋込質量体１３ｂは、たとえばタングステンのようにシリコンの密度よりも大きな密度を有する材質からなる。この構成により、振動質量体１および２の各々は、第１の領域Ｒ１において、シリコンの密度に比して大きい平均密度を有する。
【００３３】
好ましくは平面視において母材部は埋込質量体１３ｂの周囲を完全に取り囲んでいる。
検出質量体３および４の各々は、第１の領域Ｒ１において、母材部と、埋込質量体１３ａとを有する。母材部は、シリコン基板１２と一体となっており、シリコン（母材）からなる。埋込質量体１３ａは母材部に埋め込まれている。埋込質量体１３ａの材質は、たとえばタングステンのようにシリコンの密度よりも大きな密度を有する材質からなる。この構成により、検出質量体３および４の各々は、第１の領域Ｒ１において、シリコンの密度に比して大きい平均密度を有する。
【００３４】
好ましくは平面視において母材部は埋込質量体１３ａの周囲を完全に取り囲んでいる。
振動質量体１および２の各々は、一対の第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂの各々において、母材部と、貫通孔２２とを有する。母材部は、シリコン基板１２と一体となっており、シリコン（母材）からなる。貫通孔２２は、母材部に形成されており、気体で満たされているか、または真空とされている。この気体の密度または真空の密度は、シリコンの密度よりも小さい。よって振動質量体１および２の各々は、一対の第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおいて、シリコンの密度に比して小さい平均密度を有する。
【００３５】
なお本明細書における「平均密度」とは、貫通孔２２が形成された領域を含む領域について、総質量が総体積によって除されることにより算出される値である。
【００３６】
好ましくは平面視において複数の貫通孔２２が第１の方向に沿って形成されている。このためには、第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂに多数の貫通孔２２が形成された構造（いわゆるハニカム構造）が用いられればよい。
【００３７】
上記の埋込質量体１３ａによって、一対の第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂの各々における検出質量体３の平均密度は、第１の領域Ｒ１における検出質量体３の平均密度に比して小さく、また一対の第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂの各々における検出質量体４の平均密度は、第１の領域Ｒ１における検出質量体４の平均密度に比して小さくされている。
【００３８】
また上記の埋込質量体１３ｂによって、一対の第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂの各々における振動質量体１の平均密度は、第１の領域Ｒ１における振動質量体１の平均密度に比して小さく、また一対の第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂの各々における振動質量体２の平均密度は、第１の領域Ｒ１における振動質量体２の平均密度に比して小さくされている。
【００３９】
また上記の貫通孔２２によって、一対の第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂの各々における振動質量体１の平均密度は、第１の領域Ｒ１における振動質量体１の平均密度に比して小さく、また一対の第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂの各々における振動質量体２の平均密度は、第１の領域Ｒ１における振動質量体２の平均密度に比して小さくされている。
【００４０】
検出質量体３および４のそれぞれは、検出可動電極８を有する。また検出固定電極９は、熱酸化膜２４を介してガラス基板１４に固定されている。また検出固定電極９は櫛歯を有する。よって、この櫛歯はガラス基板１４に固定されている。この固定された櫛歯と、検出可動電極８とは、第２の方向に沿って対向している。この構成により、検出可動電極８と検出固定電極９との間の静電容量が測定されることで、第２の方向に沿った検出質量体３および４の振動を検出することができる。
【００４１】
この静電容量の測定は、具体的には、検出可動電極パッド１９と、検出固定電極パッド２１との間の静電容量の測定により行なうことができる。この目的のために、検出可動電極パッド１９は、シリコン基板１２上に直接形成されることで、検出質量体３および４と電気的に接続されている。また検出固定電極パッド２１は、絶縁膜１５によりシリコン基板１２から絶縁され、かつ、アルミニウムまたは金からなるワイヤボンディングにより検出固定電極取出パッド２０と接続されている。検出固定電極取出パッド２０は検出固定電極９の上に直接形成されている。よって検出固定電極パッド２１は検出固定電極９と電気的に接続されている。この構成により、検出可動電極パッド１９と検出固定電極パッド２１との間の静電容量を測定することで、検出可動電極８と検出固定電極９との間の静電容量が測定される。
【００４２】
検出可動電極８は、第１の領域Ｒ１に設けられた第１の櫛歯８１と、一対の第２の領域Ｒ２ａおよびＲ２ｂの各々に設けられた第２の櫛歯８２とを有する。第２の櫛歯８２の歯の長さは、第１の櫛歯８１の歯の長さよりも大きい。
【００４３】
なお、後述するダンピング効果が必要な場合は、検出可動電極８と検出固定電極９との間に気体が満たされている。
【００４４】
駆動モニタ配線１１は、振動質量体１および２の各々の上に設けられ、第２の方向に沿って延びている。駆動モニタ配線パッド１８は駆動モニタ配線１１の両端に設けられている。またたとえば永久磁石を用いることで、駆動モニタ配線１１には第１および第２の方向の各々に垂直な方向に磁場が印加されている。この構成により、振動質量体１および２の各々が第１の方向に沿って振動すると、誘導起電力によって駆動モニタ配線パッド１８に振動電圧が発生する。よってこの振動電圧をモニタすることで、振動質量体１および２の各々の振動をモニタすることができる。
【００４５】
次に本実施の形態の角速度センサの使用方法について説明する。
図１を参照して、駆動配線電極パッド１７を介して、駆動配線１０に交流電流が印加される。すると、第１および第２の方向に直交する方向に磁界が印加されているため、駆動配線１０には第１の方向のローレンツ力が作用する。ローレンツ力は、交流電流に応じて時間的に振動する。よって、駆動配線１０が付された振動質量体１および２の各々には、第１の方向に振動する力が加わる。ここで、振動質量体１および２の各々は支持ばね５によって第１の方向に変位可能に懸架されているため、振動質量体１および２の各々は、第１の方向に振動的に変位する。この変位に応じて、振動質量体１および２の各々の上に設けられた駆動モニタ配線１１には誘導起電力が生じる。
【００４６】
この誘導起電力が駆動モニタ配線パッド１８を介してモニタされることで、振動質量体１および２の各々の振動の振幅が検知される。この検知結果を参照して駆動配線１０の電流値が調整されることにより、振動質量体１および２の各々を所望の振幅で振動させることができる。
【００４７】
振動質量体１および２の各々に設けられた駆動配線１０は、互いに逆向きの電流が流されるように配線されている。よって、振動質量体１および２の各々に作用するローレンツ力は、互いに方向が逆になる。この結果、振動質量体１および２の各々には、第１の方向に沿って逆向きの力が作用する。振動質量体１および２の各々は支持ばね５により第１の方向に沿って振動変位が可能なように支持されているため、振動質量体１および２の各々は第１の方向に沿って逆位相で振動する。
【００４８】
さらに振動質量体１および２は連結ばね６により第１の方向に相対的に変位可能なように連結されているため、上記の振動が安定化される。また点Ｏに関する点対称性により、振動質量体１および２の各々の振動は、互いにほぼ同じ周波数で、かつ逆位相で安定化される。
【００４９】
検出質量体３および４のそれぞれは、ガラス基板１４からは独立していて、検出ばね７を介して振動質量体１および２により懸架されている。検出ばね７は第１の方向には高い剛性を有するため、振動質量体１および２の第１の方向の振動にともない、検出質量体３および４も第１の方向に振動する。
【００５０】
第１および第２の方向の各々に直交する方向周りの角速度が角速度センサに加わると、第１の方向に振動する検出質量体３および４には、この角速度に応じて第２の方向のコリオリ力が加わる。検出ばね７は、第２の方向には全体として容易に弾性的に変形するため、検出質量体３、４は第２の方向のコリオリ力に応じて振動的に変位する。これにともない検出可動電極８も第２の方向に振動する。
【００５１】
一方、検出固定電極９はガラス基板１４に固定されている。よって検出可動電極８と検出固定電極９との間の静電容量が変動する。したがって、この静電容量を検出可動電極パッド１９および検出固定電極パッド２１の各々を介して測定することにより、検出質量体３および４の各々の振動的な変位を知ることができる。
【００５２】
この変位は、上記の角速度に起因した第２の方向のコリオリ力に対応している。よって、この振動的な変位に基づいて、第１および第２の方向の各々に直交する方向周りの角速度を知ることができる。
【００５３】
上述した角速度センサの説明は、理想的な状態についてのものである。実際の角速度センサにおいては、製造ばらつきの存在により、振動質量体１、２、および検出質量体３、４の駆動振動軸ＡＸに関する線対称性を完全に確保することは困難である。この線対称性の不完全さは、角速度センサの精度に悪影響を及ぼす漏れ振動の発生原因のひとつとなる。
【００５４】
以下、この線対称性の不完全さによる漏れ振動の発生について説明する。図３１は、角速度センサの質量分布の質点系モデルを示す図である。
【００５５】
主に図３１を参照して、第１の変位部Ｂ１（図３１の左側）は、振動質量体１および検出質量体３の質量分布に対応している。第２の変位部Ｂ２（図３１の右側）は、振動質量体２および検出質量体４の質量分布に対応している。軸Ｐ１は、第１および第２の方向の各々に直交し、かつ変位部Ｂ１の重心を通る軸である。軸Ｐ２は、第１および第２の方向の各々に直交し、かつ変位部Ｂ２の重心を通る軸である。複数の質点Ｍ１の質量の合計は、第１の領域Ｒ１（図１）内の質量に対応する。また複数の質点Ｍ２の質量の合計は、一対の第２の領域Ｒ２ａおよびＲ２ｂ内の質量に対応する。
【００５６】
距離Ｌ１は、本モデルにおける質点Ｍ１の駆動振動軸ＡＸからの距離である。距離Ｌ１は、第１の領域Ｒ１における第１および第２の変位部Ｂ１、Ｂ２のそれぞれの軸Ｐ１およびＰ２周りの慣性モーメントが、モデルの対象となる角速度センサ（図１）と一致するように定められる。
【００５７】
距離Ｌ２は、本モデルにおける質点Ｍ２の駆動振動軸ＡＸからの距離である。距離Ｌ２は、一対の第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおける第１および第２の変位部Ｂ１、Ｂ２のそれぞれの軸Ｐ１およびＰ２周りの慣性モーメントが、モデルの対象となる角速度センサ（図１）と一致するように定められる。
【００５８】
角速度センサが設計通りに製造されれば、対応する質点系モデルは駆動振動軸ＡＸに関して完全な線対称性を有する。この場合、駆動配線１０により第１の変位部Ｂ１が加速度ａで駆動されると、第１の変位部Ｂ１の駆動振動軸ＡＸにより隔てられた一方側と他方側との各々に対して、互いに相殺されるような軸Ｐ１周りのトルクが作用する。この結果、第１の変位部Ｂ１の軸Ｐ１周りの回転は生じない。
【００５９】
しかし実際の角速度センサは製造誤差を有する。よって実際の角速度センサに対応する質点系モデルは、駆動振動軸ＡＸに関して完全な線対称性を有しない。このため、上述したトルクの相殺が不完全になるので、第１の変位部Ｂ１は、設計上意図された運動である第１の方向に沿った振動運動に加えて、軸Ｐ１周りの回転運動を行なう。このように意図されていない運動が発生する結果、角速度センサの漏れ振動が発生する。第２の変位部Ｂ２についても同様であり、製造誤差により軸Ｐ２周りの回転運動が生じる結果、角速度センサの漏れ振動が発生する。
【００６０】
次に、本実施の形態の角速度センサによって上記の漏れ振動が低減される原理について、トルクの大きさの観点、および製造ばらつきの大きさの観点の２つの観点から説明する。
【００６１】
第１に、トルクの大きさの観点から、漏れ振動が低減される原理について説明する。
第１の変位部Ｂ１について検討すると、複数の質点Ｍ１のいずれかの質量が製造誤差によりｄＭだけ変動した場合、トルクの相殺が不完全となり、加速度ａのもとでは軸Ｐ１周りの回転に寄与する実効的なトルクＴ１＝ｄＭ×Ｌ１×ａが生じる。同様に、複数の質点Ｍ２のいずれかの質量が製造誤差によりｄＭだけ変動した場合、実効的なトルクＴ２＝ｄＭ×Ｌ２×ａが生じる。ここで距離Ｌ２＞Ｌ１であるため、トルクＴ２＞Ｔ１である。すなわち、第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおける質量の変動ｄＭの方が、第１の領域Ｒ１における質量の変動ｄＭに比して、より大きなトルクを発生させてしまう。
【００６２】
本実施の形態によれば、第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおける平均密度が、第１の領域Ｒ１における平均密度に比して小さくされている。このように平均密度が小さいので、第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおける製造ばらつきにより形状が変動しても、質量の変動が抑制される。すなわち質量の変動にともない大きなトルクを発生させてしまう第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおいて、質量の変動が抑制される。よってトルクの発生が抑制されるので、回転運動にともなう漏れ振動の発生を抑制することができる。
【００６３】
第２に、製造ばらつきの大きさの観点から、漏れ振動が低減される原理について説明する。
【００６４】
質点Ｍ１は、第１の領域Ｒ１を含む範囲Ａ１内の質量を代表している。また質点Ｍ２は、第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂを含む範囲Ａ２の質量を代表している。一対の第２の領域Ｒ２ａおよびＲ２ｂは互いに第１の領域Ｒ１により分離されているので、範囲Ａ２は範囲Ａ１よりも広い。一般に、より広い範囲に渡って製造ばらつきを抑制することは困難である。すなわち範囲Ａ２における製造ばらつきは、範囲Ａ１における製造ばらつきよりも大きくなる。
【００６５】
言い換えると、第２の領域Ｒ２ａとＲ２ｂとが離れていることから、第２の領域Ｒ２ａとＲ２ｂとの間での製造ばらつきが大きい。このため、第２の領域Ｒ２ａにおける質点Ｍ２と、第２の領域Ｒ２ｂにおける質点Ｍ２との間で、質量の差異が生じやすい。この結果、上述したトルクの相殺の不完全性が生じやすい。
【００６６】
本実施の形態によれば、第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおける平均密度が、第１の領域Ｒ１における平均密度に比して小さくされている。このように特に製造ばらつきが生じやすい第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおいて平均密度が小さくされているので、質量の変動が抑制される。よって質量の変動にともなうトルクの発生が抑制されるので、回転運動にともなう漏れ振動の発生を抑制することができる。
【００６７】
以上、２つの観点から説明したように、本実施の形態によれば、第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおける平均密度が第１の領域Ｒ１における平均密度に比して小さくされているので、漏れ振動を抑制することができる。これにより角速度センサの精度を高めることができる。よって角速度センサの精度について所定の公差が定められている場合、製造工程の歩留まりを向上させることができる。
【００６８】
また本実施の形態によれば、平均密度を調整するために設けられている貫通孔２２は、振動質量体１、２を貫通して設けられている。これにより、振動質量体１、２の密度を厚さ方向全体に渡って調整することができる。
【００６９】
なお貫通孔２２の代わりに貫通していない孔が用いられる場合、この孔の形成によって振動質量体１、２の各々の厚み方向（第１および第２の方向に直交する方向）における重心位置が変動することで、漏れ振動が生じることがある。
【００７０】
また本実施の形態によれば、平均密度を調整するために設けられている埋込質量体１３ａ、１３ｂは、振動質量体１、２を貫通して設けられている。これにより、振動質量体１、２の密度を厚さ方向全体に渡って調整することができる。
【００７１】
なお埋込質量体１３ａ、１３ｂの代わりに貫通していない質量体が用いられる場合、この質量体によって振動質量体１、２の各々の厚み方向における重心位置が変動することで漏れ振動が生じることがある。
【００７２】
また本実施の形態によれば、検出可動電極８は、第１の領域Ｒ１に設けられた第１の櫛歯８１と、第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂに設けられ、第１の櫛歯８１の歯の長さよりも大きい歯の長さを有する第２の櫛歯８２とを有する。すなわち、検出固定電極９の櫛歯（固定櫛歯）と対向する櫛歯の対向長さが第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおいて長くされている。この構成により、検出質量体３、４のそれぞれが軸Ｐ１およびＰ２の周りを回転した際に、第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおいて第２の櫛歯８２と固定櫛歯との間の隙間に、大きなダンピング効果が生じる。これにより、検出質量体３、４の回転を抑制することで、角速度センサの漏れ振動を抑制することができる。
【００７３】
また本実施の形態によれば、好ましくは、平面視において母材部は埋込質量体１３ａおよび１３ｂの各々周囲を完全に取り囲んでいる。これにより、振動質量体１、２、および検出質量体３、４の端面において、埋込質量体１３ａ、埋込質量体１３ｂが露出しない。よって振動質量体１、２、および検出質量体３、４の端面において母材が分断されないので、熱膨張収縮による変形が駆動振動におよぼす悪影響を抑制することができる。
【００７４】
なお仮に振動質量体１、２、および検出質量体３、４の端面において、埋込質量体１３ａ、埋込質量体１３ｂが露出する部分があるとする。すると、その部分において母材と異なる熱膨張係数を有する物質によって母材が分断されていることになる。この場合、温度変化に対する構造体の変形が、駆動振動に悪影響をおよぼし、漏れ振動を増大させる懸念がある。
【００７５】
また本実施の形態によれば、好ましくは、平面視において第１の方向に沿って複数の貫通孔２２が形成されている。これにより、第１の方向に沿って多数の貫通孔２２を形成することができるので、第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおける平均密度をより小さくすることで、本発明の効果を高めることができる。
【００７６】
なお第１の方向に沿って複数の貫通孔２２が形成されていなくても、一の貫通孔２２の第１の方向に沿った幅が十分に広くされれば、上記と同様に第２の領域Ｒ２ａ、Ｒ２ｂにおける平均密度を小さくすることはできる。しかしながら、この場合、振動質量体１、２の第２の方向に沿った剛性が低下するので、振動質量体１、２が外乱やコリオリ力によって第２の方向に容易に変形してしまう。この結果、漏れ振動を十分に抑制することができないことがある。
【００７７】
次に、本実施の形態の角速度センサの製造方法について、図１０〜図３０を用いて説明する。
【００７８】
図１０は、本発明の一実施の形態における角速度センサの製造方法の第１工程を示す概略的な平面図である。図１１は、図１０のガラス基板のみが図示された概略的な平面図である。図１２〜図１５のそれぞれは、図１０の線ＸＩＩ−ＸＩＩ〜線ＸＶ〜ＸＶに沿う概略的な断面図である。
【００７９】
主に図１０〜図１５を参照して、初期段階では、ガラス基板１４とシリコン基板１２とが別個に扱われる。
【００８０】
ガラス基板１４には、振動質量体１、２、および検出質量体３、４を中空支持できるようにするための空隙となる溝部２３が形成される。
【００８１】
シリコン基板１２には、両主面に熱酸化膜２４が形成される。次に、第１の領域Ｒ１（図１）における一方の主面側に、埋込質量体１３ａ、１３ｂが形成される。より具体的には、たとえば以下の工程が行なわれる。
【００８２】
まず異方性深堀加工技術によりシリコン基板１２に所定の深さの孔が形成される。この孔の深さは、ＣＭＰの研磨代を確保するために、振動質量体１、２の厚さよりも大きくされる。この孔が埋め込まれるように、シリコン基板１２上にタングステンの成膜が行なわれる。次にＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)によって平坦化研磨が行なわれる。これによりシリコン基板１２に設けられた孔内にのみタングステンが残される。次にシリコン基板１２の全面の熱酸化により熱酸化膜２４が形成される。
【００８３】
次に、埋込質量体１３ａ、１３ｂがガラス基板１４に面するように、シリコン基板１２とガラス基板１４とが貼り合わされる。貼り合わせは、たとえば陽極接合により行うことができる。その後、振動質量体１、２、検出質量体３、４などの厚さにまで、シリコン基板１２が研削、研磨加工される。
【００８４】
なお陽極接合の代わりに、表面活性化による低温接合が用いられてもよい。またガラス基板１４の代わりにシリコン基板を用い、このシリコン基板と、シリコン基板１２とが表面活性化による低温接合により接合されてもよい。
【００８５】
図１６は、本発明の一実施の形態における角速度センサの製造方法の第２工程を示す概略的な平面図である。図１７〜図２０のそれぞれは、図１６の線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ〜線ＸＸ〜ＸＸに沿う概略的な断面図である。
【００８６】
図１６〜図２０を参照して、上記の加工により、埋込質量体１３ａ、１３ｂが外部側に露出される。
【００８７】
図２１は、本発明の一実施の形態における角速度センサの製造方法の第３工程を示す概略的な平面図である。図２２〜図２５のそれぞれは、図２１の線ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ〜線ＸＸＶ〜ＸＸＶに沿う概略的な断面図である。
【００８８】
図２１〜図２５を参照して、シリコン基板１２上に、絶縁膜１５が形成される。具体的には、まず低温で成膜することができるシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜が成膜され、この膜のパターニングがレジストマスクを用いたドライエッチングにより行なわれる。なお絶縁膜１５は、駆動配線１０、駆動モニタ配線１１、駆動配線電極パッド１７、駆動モニタ配線パッド１８、および検出固定電極パッド２１の各々と、シリコン基板１２との間の絶縁のために設けられる。
【００８９】
図２６は、本発明の一実施の形態における角速度センサの製造方法の第４工程を示す概略的な平面図である。図２７〜図３０のそれぞれは、図２６の線ＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩ〜線ＸＸＸ〜ＸＸＸに沿う概略的な断面図である。
【００９０】
図２６〜図３０を参照して、シリコン基板１２上に、駆動配線１０、駆動モニタ配線１１、駆動配線電極パッド１７、駆動モニタ配線パッド１８、検出可動電極パッド１９、検出固定電極取出パッド２０、および検出固定電極パッド２１が形成される。具体的には、まずＡｌ−Ｓｉなどの配線材料がスパッタ法により成膜される。この膜のパターニングがレジストマスクを用いたドライエッチングにより行なわれる。
【００９１】
続いて、振動質量体１、２、検出質量体３、４、支持ばね５、連結ばね６、検出ばね７、検出固定電極９のパターンに対応するレジストパターンが形成される。このレジストパターンは、貫通孔２２に対応する位置に開口部を有する。次に、たとえばＩＣＰ−ＲＩＥ (Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching) によるシリコンの深堀加工技術により、シリコン基板１２が高い異方性でエッチングされる。このエッチングにおいて、熱酸化膜２４がエッチングストップ層として用いられる。次に、レジストパターンと、エッチングの際に形成された側壁保護膜とが除去される。次に、たとえば５０％濃度のＨＦによって、熱酸化膜２４のエッチングストップ層として機能した部分が除去される。次にワイヤボンディングが行なわれる。
【００９２】
以上により、図１に示す本実施の形態の角速度センサが完成される。
なお本実施の形態においては、ローレンツ力による駆動方式、すなわち電磁駆動方式の角速度センサについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば静電駆動方式の角速度センサにも適用されることができる。
【００９３】
今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、角速度センサに特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の一実施の形態における角速度センサの構成を概略的に示す平面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における角速度センサの概略的な平面レイアウトを示す図である。
【図３】図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う概略的な断面図である。
【図４】図１の線ＩＶ−ＩＶに沿う概略的な断面図である。
【図５】図１の線Ｖ−Ｖに沿う概略的な断面図である。
【図６】図１の線ＶＩ−ＶＩに沿う概略的な断面図である。
【図７】図１の線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿う概略的な断面図である。
【図８】図１の線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿う概略的な断面図である。
【図９】図１の線ＩＸ−ＩＸに沿う概略的な断面図である。
【図１０】本発明の一実施の形態における角速度センサの製造方法の第１工程を示す概略的な平面図である。
【図１１】図１０のガラス基板のみが図示された概略的な平面図である。
【図１２】図１０の線ＸＩＩ−ＸＩＩに沿う概略的な断面図である。
【図１３】図１０の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに沿う概略的な断面図である。
【図１４】図１０の線ＸＩＶ−ＸＩＶに沿う概略的な断面図である。
【図１５】図１０の線ＸＶ−ＸＶに沿う概略的な断面図である。
【図１６】本発明の一実施の形態における角速度センサの製造方法の第２工程を示す概略的な平面図である。
【図１７】図１６の線ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩに沿う概略的な断面図である。
【図１８】図１６の線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩに沿う概略的な断面図である。
【図１９】図１６の線ＸＩＸ−ＸＩＸに沿う概略的な断面図である。
【図２０】図１６の線ＸＸ−ＸＸに沿う概略的な断面図である。
【図２１】本発明の一実施の形態における角速度センサの製造方法の第３工程を示す概略的な平面図である。
【図２２】図２１の線ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩに沿う概略的な断面図である。
【図２３】図２１の線ＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩに沿う概略的な断面図である。
【図２４】図２１の線ＸＸＩＶ−ＸＸＩＶに沿う概略的な断面図である。
【図２５】図２１の線ＸＸＶ−ＸＸＶに沿う概略的な断面図である。
【図２６】本発明の一実施の形態における角速度センサの製造方法の第４工程を示す概略的な平面図である。
【図２７】図２６の線ＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩに沿う概略的な断面図である。
【図２８】図２６の線ＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＶＩＩＩに沿う概略的な断面図である。
【図２９】図２６の線ＸＸＩＸ−ＸＸＩＸに沿う概略的な断面図である。
【図３０】図２６の線ＸＸＸ−ＸＸＸに沿う概略的な断面図である。
【図３１】角速度センサの質量分布の質点系モデルを示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１，２  振動質量体、３，４  検出質量体、５  支持ばね、６  連結ばね、７  検出ばね、８  検出可動電極、９  検出固定電極、１０  駆動配線、１１  駆動モニタ配線、１２  シリコン基板、１３ａ，１３ｂ  埋込質量体、１４  ガラス基板、１５  絶縁膜、１７  駆動配線電極パッド、１８  駆動モニタ配線パッド、１９  検出可動電極パッド、２０  検出固定電極取出パッド、２１  検出固定電極パッド、２２  貫通孔、２３  溝部、２４  熱酸化膜。
【図１】
2010014442.tif 000003
【図２】
2010014442.tif 000004
【図３】
2010014442.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2010014442.tif 000008
【図７】
2010014442.tif 000009
【図８】
2010014442.tif 000010
【図９】
2010014442.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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