(57)【要約】【課題】多軸の角速度センサに着目して、制御回路の簡素化や製造工程の簡素化や周辺環境の変動に起因する特性変動を受けにくい多軸の角速度センサを提供する。【解決手段】質量体ＭＳとコリオリ素子ＣＥ１とコリオリ素子ＣＥ２は、同一のデバイス層に形成され、デバイス層は、基板の裏面と並行するように、基板の表面の上方に配置されている。さらに、質量体ＭＳは、励振方向に延在する第１部位Ｐ１、第１部位Ｐ１と離間しながら励振方向に延在する第２部位Ｐ２、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを連結する接続部ＣＵを含み、平面視において、コリオリ素子ＣＥ１とコリオリ素子ＣＥ２は、接続部ＣＵを挟むように配置されている。【選択図】図１４
2014238317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）励振方向と前記励振方向に直交する第１検出方向とを面内に含む裏面を有する基板、
（ｂ）前記基板の前記裏面とは反対側の表面に固定された第１固定部、
（ｃ）第１支持梁を介して前記第１固定部と接続され、かつ、前記励振方向に振動可能な励振素子、
（ｄ）第１検出梁を介して前記励振素子と接続され、かつ、前記第１検出方向に変位可能な第１コリオリ素子、
（ｅ）第２検出梁を介して前記励振素子と接続され、かつ、前記励振方向および前記第１検出方向に直交する第２検出方向に変位可能な第２コリオリ素子、
を備え、
前記励振素子と前記第１コリオリ素子と前記第２コリオリ素子は、同一のデバイス層に形成され、
前記デバイス層は、前記基板の前記裏面と並行するように、前記基板の前記表面の上方に配置されている、角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記励振素子は、
（ｆ１）前記励振方向に延在する第１部位、
（ｆ２）前記第１部位と離間しながら前記励振方向に延在する第２部位、
（ｆ３）前記第１部位と前記第２部位とを連結する接続部、
を含み、
平面視において、前記第１コリオリ素子と前記第２コリオリ素子は、前記接続部を挟むように配置されている、角速度センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の角速度センサにおいて、
前記接続部は、
（ｇ１）前記第１検出方向の中心を通り、前記励振方向に延在する仮想線上に配置された第２固定部であって前記基板に固定された前記第２固定部と、第２支持梁を介して接続され、かつ、前記第１部位と前記第２部位を連結するように前記第１検出方向に延在する第３部位、
（ｇ２）第３支持梁を介して前記第２固定部と接続され、かつ、前記第１部位と前記第２部位を連結するように前記第１検出方向に延在する第４部位、
を含み、
平面視において、前記第３部位と前記第４部位は、前記第２固定部を挟むように配置されている、角速度センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１支持梁、前記第１検出梁、および、前記第２検出梁は、同一の変形態様を有する梁である、角速度センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の角速度センサにおいて、
前記第１支持梁、前記第１検出梁、および、前記第２検出梁は、屈曲によって変形する屈曲梁である、角速度センサ。
【請求項６】
請求項２に記載の角速度センサにおいて、
前記第１固定部は、第１外側固定部と第１内側固定部を含み、
前記第１支持梁は、第１外側支持梁と第１内側支持梁を含み、
前記第１部位は、前記第１外側支持梁を介して前記第１外側固定部と接続され、かつ、前記第１内側支持梁を介して前記第１内側固定部と接続され、
前記第１外側固定部と前記第１内側固定部は、前記第１検出方向の中心を通り、前記励振方向に延在する仮想線に対して、同じ側に配置されている、角速度センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の角速度センサにおいて、
前記第１外側固定部と前記第１内側固定部は、前記第１部位に対して、反対側に配置されている、角速度センサ。
【請求項８】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１コリオリ素子は、前記励振方向に前記励振素子を振動させた状態で、前記第２検出方向回りに第１角速度が印加された場合に、前記第１検出方向に変位し、
前記第２コリオリ素子は、前記励振方向に前記励振素子を振動させた状態で、前記第１検出方向回りに第２角速度が印加された場合に、前記第２検出方向に変位する、角速度センサ。
【請求項９】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
（ｈ１）前記第１コリオリ素子の前記第１検出方向の変位を静電容量値の変化として捉える第１角速度検出部、
（ｈ２）前記第２コリオリ素子の前記第２検出方向の変位を静電容量値の変化として捉える第２角速度検出部、
を含む、角速度センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の角速度センサにおいて、
前記第１角速度検出部は、平面視において、前記第１コリオリ素子の内部に設けられ、
前記第２角速度検出部は、前記第２コリオリ素子の外部に設けられる、角速度センサ。
【請求項１１】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１コリオリ素子および前記第２コリオリ素子は、前記基板と直接接続されていない、角速度センサ。
【請求項１２】
請求項１に記載の角速度センサにおいて、
前記第１検出方向は、前記基板の前記裏面内に含まれる面内方向であり、
前記第２検出方向は、前記基板の厚さ方向となる面外方向である、角速度センサ。
【請求項１３】
励振方向と前記励振方向に直交する第１検出方向とを面内に含む裏面を有する基板上に形成された第１センサエレメントと第２センサエレメントとを含み、
前記第１センサエレメントおよび前記第２センサエレメントのそれぞれは、
（ａ）前記基板の前記裏面とは反対側の表面に固定された第１固定部、
（ｂ）第１支持梁を介して前記第１固定部と接続され、かつ、前記励振方向に振動可能な励振素子、
（ｃ）第１梁を介して前記励振素子と接続され、かつ、前記第１検出方向に変位可能な第１コリオリ素子、
（ｄ）第２梁を介して前記励振素子と接続され、かつ、前記励振方向および前記第１検出方向に直交する第２検出方向に変位可能な第２コリオリ素子、
を備え、
前記励振素子と前記第１コリオリ素子と前記第２コリオリ素子は、同一のデバイス層に形成され、
前記デバイス層は、前記基板の前記裏面と並行するように、前記基板の前記表面の上方に配置され、
前記第１センサエレメントの前記励振素子と、前記第２センサエレメントの前記励振素子は、互いにリンク梁で接続されている、角速度センサ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の角速度センサにおいて、
前記第１センサエレメントの前記励振素子と、前記第２センサエレメントの前記励振素子は、前記励振方向において互いに逆相振動する、角速度センサ。
【請求項１５】
請求項１３に記載の角速度センサにおいて、
前記第１センサエレメントの構成要素と、前記第２センサエレメントの構成要素は、鏡像対称となるように配置されている、角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体微細加工技術により形成される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：
Micro Electro Mechanical Systems）に関し、例えば、微小電気機械システムの１つである角速度センサに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
角速度センサ（ジャイロ）の方式には、回転体の歳差運動を利用する機械式、筐体内で周回するレーザー光の筐体回転に伴う受光タイミング変化を利用する光学式、筐体内でセンシング用のガスを熱線に噴射し、その噴射量が筐体の回転により変化するのを熱線温度で検知する流体式などが知られている。
【０００３】
一方、カーナビゲーションや車の横滑り防止システム、二足歩行ロボットや一輪乗り物等のバランス制御システム等における車両方向や姿勢検知用の角速度センサの需要が近年急速に高まっている。これらの用途に使用される角速度センサとしては、上述した各方式と比較してより安価で軽量かつ小型な振動式の角速度センサ（例えば、特許文献１参照）が主流となりつつある。振動式の角速度センサは、予め定められた基準方向（励振方向）に振動する励振素子（振動子）に角速度が作用したとき、励振方向と直交する検出方向へのコリオリ力に基づく新たな振動成分を検出し、この振動成分に基づいて角速度を検出するものである。この振動式の角速度センサは、現在では様々な用途に使用されている。
【０００４】
例えば、カーナビゲーションシステムの場合、ＧＰＳ（Global Positioning System）による現在位置のモニタリングは、車両のマクロな進行方向の変化を検知することはできても、交差点などにおける急激な方向変化には追従できないことから、車両の旋回運動を角速度の形で検知し、その角速度の時間的な積分値により方向転換角度をトレースすることが行なわれている。
【０００５】
また、別の例として、車の横滑り防止システムの場合、ハンドルに装着されている操舵角センサの値（指令値）と横滑り防止システムに組み込まれている角速度センサの出力値（実測値）を比較することで車の横滑りを判定し、その結果に基づいて、エンジン出力や四輪それぞれの制動力を制御することで車体の横滑りを防止することが行なわれている。
【０００６】
さらに、別の例として、車の横転検知システムの場合、車の横転を検知するシステムに組み込まれている角速度センサと、重力の方向を測定する加速度センサの出力値から車の横転を判定し、その結果に基づいて、エアバックを作動させ、さらに、燃料の供給も停止することで２次的な事故を防ぐことが行なわれている。
【０００７】
また、別の例として、車の配光制御システムの場合、車体に組み込まれている加速度センサおよび角速度センサからの情報より車体の姿勢を判定し、より広い視野を確保できるようにヘッドライトの上下および左右の角度を調整することが行なわれている。
【０００８】
さらに、別の例として、一輪乗り物や二足歩行ロボットのバランス制御システムの場合、姿勢が崩れないように常時バランスを制御する必要がある。また、風や、傾斜、積荷等によって回転や重心の移動が発生した場合には、角速度センサや加速度センサを用いることで回転や重心移動を計測し、回転方向に車輪を動かす、若しくは、重心が移動した方向のアクチュエータにより強い力を発生させることでバランスを制御することが行なわれている。
【０００９】
上述した用途においては、それぞれ異なる検出方向の角速度を測定する必要がある。例えば、車の横滑り防止システムでは、地面から垂直となる垂直軸周りの回転を検知する必要がある一方、横転検知システムでは、地面と水平となる水平軸周りの回転を検知しなければならない。さらに、配光制御システムにおいても、ヘッドライトの左右の角度を制御するためには地面から垂直となる垂直軸周りの回転を検知する必要がある一方、上下の角度を制御するためには、地面と水平となる水平軸周りの回転を検知しなければならない。当然、ロボットのバランス制御システムにおいても、前後の回転と共に左右の回転も制御する必要があり、異なる検出方向の角速度を検出できる角速度センサが望まれている。
【００１０】
ここで、特許文献２には、面外方向に変位する励振素子を設けるとともに、面内方向に変位する２つのコリオリ素子において、それぞれ９０度向きを変えて配置し、コリオリ素子の変位によって圧電素子に発生する電荷量の変化を検出することにより、２軸方向の角速度を検出できる構成が記載されている。
【００１１】
特許文献３には、各コリオリ素子の静電容量の変化を検出し、信号処理を行うことで角速度と同時に加速度も検出できる複合センサの構成が記載されている。
【００１２】
特許文献４には、異なる２つの層にそれぞれのコリオリ素子を形成することで複数軸の角速度および加速度を検出できる構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第４,５２４，６１９号
【特許文献２】特開平５−３３３０３８号公報
【特許文献３】特開２００７−３３３４６７号公報
【特許文献４】特開２０１１−２３７３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述した例においても同じことが言えるが、ここでは、説明が明確で分かりやすい横滑り防止システムと横転検知システムに組み込まれる角速度センサを例に挙げて説明する。上述したように横滑り防止システムに採用される角速度センサと横転検知システムに採用される角速度センサはその検出方向が異なる。さらに、より正確な姿勢の判定のためには角速度のみならず加速度の情報も必要となる。このため、従来のシステムでは、例えば、それぞれのシステムに独立した角速度センサおよび加速度センサを用いるか、あるいは、複雑な構成を持つ複合センサを採用することがある。しかし、この場合、各システムの総コストが増大するとともに、複雑な構成に起因する長期信頼性にも課題がある。
【００１５】
近年、横滑り防止システムとともに横転検知システムも法規制による標準装着化が進む中、それぞれのシステムに使用される角速度センサおよび加速度センサを１つに統合できれば、システムのコストを削減できると考えられる。
【００１６】
この点に関し、特許文献２に記載されている圧電素子を使った検出方式では、静的な姿勢を測定することが困難となる。このため、加速度センサは必ず別体とし、測定方式も静電容量方式、若しくは、圧抵抗方式など圧電方式とは異なる方式を採用する必要がある。
【００１７】
また、特許文献３に記載されている複合センサの構成では、角速度と同時に加速度も測定することができるが、異なる軸回りの角速度には対応できない。さらに、この構成の複合センサを同じ基板上に２つ形成することにより、異なる方向の加速度および角速度を検出することは可能となるが、２つの励振素子を持つこととなり、制御回路の構成が複雑となる。
【００１８】
また、特許文献４に記載されている複合センサの構成では、２つの角速度、若しくは、加速度を検出することができる。ところが、特許文献４に記載されている構成では、各検出方向に対応するコリオリ素子が異なる層に形成されており、製造工程の複雑さに起因する歩留まり低下やコストの増大が懸念される。さらに、特許文献４に記載されている構成では、それぞれのコリオリ素子において、面内変位には、屈曲する梁が採用される一方、面外変位には、ねじれる梁が採用されている。このため、周辺温度の変動による感度誤差が大きくなることも懸念される。
【００１９】
本発明の目的は、異なる軸回りの角速度を検出することができる多軸の角速度センサと加速度センサを含む複合センサを実現するにあたって、特に、多軸の角速度センサに着目して、制御回路の簡素化や製造工程の簡素化や周辺環境の変動に起因する特性変動を受けにくい多軸の角速度センサを提供することにある。なお、本明細書では、異なる軸回りの角速度を検出できる角速度センサを「多軸の角速度センサ」と呼ぶことにする。
【００２０】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
一実施の形態における角速度センサは、（ａ）励振方向と前記励振方向に直交する第１検出方向とを面内に含む裏面を有する基板、（ｂ）前記基板の前記裏面とは反対側の表面に固定された第１固定部、（ｃ）第１支持梁を介して前記第１固定部と接続され、かつ、前記励振方向に振動可能な励振素子、を備える。そして、（ｄ）第１検出梁を介して前記励振素子と接続され、かつ、前記第１検出方向に変位可能な第１コリオリ素子、（ｅ）第２検出梁を介して前記励振素子と接続され、かつ、前記励振方向および前記第１検出方向に直交する第２検出方向に変位可能な第２コリオリ素子、を備える。ここで、前記励振素子と前記第１コリオリ素子と前記第２コリオリ素子は、同一のデバイス層に形成され、前記デバイス層は、前記基板の前記裏面と並行するように、前記基板の前記表面の上方に配置されている。
【００２２】
また、一実施の形態における角速度センサは、励振方向と前記励振方向に直交する第１検出方向とを面内に含む裏面を有する基板上に形成された第１センサエレメントと第２センサエレメントとを含む。そして、前記第１センサエレメントおよび前記第２センサエレメントのそれぞれは、（ａ）前記基板の前記裏面とは反対側の表面に固定された第１固定部、（ｂ）第１支持梁を介して前記第１固定部と接続され、かつ、前記励振方向に振動可能な励振素子、を備える。さらに、（ｃ）第１梁を介して前記励振素子と接続され、かつ、前記第１検出方向に変位可能な第１コリオリ素子、（ｄ）第２梁を介して前記励振素子と接続され、かつ、前記励振方向および前記第１検出方向に直交する第２検出方向に変位可能な第２コリオリ素子、を備える。ここで、前記励振素子と前記第１コリオリ素子と前記第２コリオリ素子は、同一のデバイス層に形成され、前記デバイス層は、前記基板の前記裏面と並行するように、前記基板の前記表面の上方に配置される。また、前記第１センサエレメントの前記励振素子と、前記第２センサエレメントの前記励振素子は、互いにリンク梁で接続されている。
【発明の効果】
【００２３】
一実施の形態によれば、多軸の角速度センサにおいて、制御回路の簡素化を図ることができる。また、一実施の形態によれば、多軸の角速度センサにおいて、製造工程の簡素化を図ることができる。また、一実施の形態によれば、周辺環境の変動に起因する特性変動を受けにくい多軸の角速度センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向のそれぞれと自動車の位置関係を示す模式図である。
【図２】実施の形態１における角速度センサの全体構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態１におけるセンサエレメントの断面構成を示す模式図である。
【図４】実施の形態１におけるセンサエレメントの製造工程を示す断面図である。
【図５】実施の形態１におけるセンサエレメントの製造工程を示す断面図である。
【図６】実施の形態１におけるセンサエレメントの製造工程を示す断面図である。
【図７】実施の形態１におけるセンサエレメントの製造工程を示す断面図である。
【図８】実施の形態１におけるセンサエレメントの製造工程を示す断面図である。
【図９】実施の形態１におけるセンサエレメントの製造工程を示す断面図である。
【図１０】実施の形態１におけるセンサエレメントの製造工程を示す断面図である。
【図１１】実施の形態１におけるセンサエレメントの製造工程を示す断面図である。
【図１２】実施の形態１におけるセンサエレメントの製造工程を示す断面図である。
【図１３】実施の形態１におけるセンサエレメントの製造工程を示す断面図である。
【図１４】実施の形態１におけるセンサエレメントの平面構成を示す模式図である。
【図１５】実施の形態１における角速度センサの動作を説明する図である。
【図１６】変形例における角速度センサの平面構成を示す図である。
【図１７】実施の形態２におけるセンサエレメントの平面構成を示す図である。
【図１８】（ａ）は、屈曲による変位する屈曲梁を示す模式図であり、（ｂ）は、ねじれにより変位するねじれ梁を示す模式図である。
【図１９】固有振動数の温度依存性を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００２６】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００２７】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００２８】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００２９】
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００３０】
（実施の形態１）
角速度センサは、例えば、ｘ方向（駆動方向）に常に駆動振動している励振素子である質量体において、この質量体が駆動振動しているｘ方向と直交するｚ方向回りに角速度（回転）が印加された場合、ｘ方向に駆動振動している質量体が、ｘ方向およびｚ方向に直交するｙ方向（検出方向）に、外部から印加された角速度に比例した大きさで振動するコリオリ現象を利用して角速度を検出するセンサである。特に、本実施の形態１における角速度センサは、それぞれ異なる検出方向の角速度を測定することを想定している。すなわち、本実施の形態１における技術的思想は、ｚ方向回りの角速度だけでなく、ｙ方向回りの角速度も検出することができる多軸の角速度センサに関するものである。このような多軸の角速度センサは、例えば、横滑り防止システムと横転検知システムの両方を搭載した自動車に使用される。
【００３１】
図１は、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向のそれぞれと自動車ＣＡＲの位置関係を示す模式図である。図１に示すように、例えば、自動車ＣＡＲの側面と垂直な方向をｘ方向と定義し、自動車ＣＡＲの進行方向と並行する方向をｙ方向と定義する。また、自動車ＣＡＲの上面と垂直な方向をｚ方向と定義することにする。図１において、自動車ＣＡＲの横滑り防止システムでは、地面から垂直となるｚ方向周りの回転を検知することになる一方、自動車ＣＡＲの横転検知システムでは、地面と水平となるｙ方向周りの回転を検知することになる。以下に示す実施の形態１では、ｙ方向回りの角速度とｚ方向回りの角速度とを検出する多軸の角速度センサについて説明することにする。
【００３２】
＜実施の形態１における角速度センサの全体構成＞
まず、本実施の形態１における角速度センサの全体構成について、図面を参照しながら説明する。図２は、本実施の形態１における角速度センサＳ１の全体構成を示す断面図である。図２に示すように、本実施の形態１における角速度センサＳ１は、リードＬＤと同じ構成材料から形成されたチップ搭載部ＴＡＢ上に、接着材ＡＤＨ１を介して半導体チップＣＨＰ１が搭載されている。そして、この半導体チップＣＨＰ１上には、接着材ＡＤＨ２を介して、センサエレメントＳＥが搭載されている。
【００３３】
このとき、半導体チップＣＨＰ１には、例えば、ＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）などに代表される半導体素子や多層配線からなる集積回路が形成されている。一方、センサエレメントＳＥには、半導体微細加工技術を使用することにより、例えば、多軸の角速度センサを構成する構造体が形成されている。つまり、本実施の形態１における角速度センサＳ１は、集積回路が形成された半導体チップＣＨＰ１と、多軸の角速度センサＳ１を構成する構造体が形成されたセンサエレメントＳＥを有し、半導体チップＣＨＰ１とセンサエレメントＳＥを電気的に接続することにより、多軸の角速度センサＳ１が構成されていることになる。
【００３４】
したがって、例えば、センサエレメントＳＥと半導体チップＣＨＰ１は、例えば、図２に示すように、金属線からなるワイヤＷ１で電気的に接続され、半導体チップＣＨＰ１とリードＬＤは、例えば、金属線からなるワイヤＷ２で電気的に接続されている。
【００３５】
これにより、センサエレメントＳＥに形成されている構造体において、励振素子が振動した状態で角速度が印加されると、角速度に起因したコリオリ素子の変位が生じるとともに、センサエレメントＳＥ内に設けられた角速度検出部で、このコリオリ素子の変位を電気容量の変化として捉えるようになっている。そして、センサエレメントＳＥ内の角速度検出部で検出された電気容量の変化は、センサエレメントＳＥとワイヤＷ１で電気的に接続されている半導体チップＣＨＰ１へ出力され、半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路で信号処理される。その後、半導体チップＣＨＰ１とワイヤＷ２で電気的に接続されているリードＬＤへ角速度信号が出力されるようになっている。
【００３６】
さらに、本実施の形態１における角速度センサＳ１では、センサエレメントＳＥ、半導体チップＣＨＰ１、ワイヤＷ１、ワイヤＷ２、および、リードＬＤの一部が、例えば、熱硬化性樹脂からなる樹脂ＭＲで封止されている。このように構成されている本実施の形態１における角速度センサＳ１は、例えば、横滑り防止システムと横転検知システムに代表される上位のシステムに組み込まれ、検出した角速度信号を上位システムに供給するように構成されている。
【００３７】
＜実施の形態１におけるセンサエレメントの断面構成＞
続いて、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥの断面構成について説明する。図３は、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥの断面構成を示す模式図である。図３において、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥは、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁膜１ａが形成された基板１Ｓを有し、シリコンからなる基板１Ｓの表面には溝ＤＩＴが形成されている。この基板１Ｓは、励振方向であるｘ方向と励振方向と直交する第１検出方向であるｙ方向とを面内に含む裏面を有し、かつ、ｘ方向およびｙ方向と直交するｚ方向を厚さ方向としている。そして、この基板１Ｓの表面上に、例えば、シリコン層からなるデバイス層ＤＬが形成されている。このデバイス層ＤＬもｘ方向とｙ方向を含む平面を有している。すなわち、デバイス層ＤＬは、基板１Ｓの裏面と並行するように、基板１Ｓの表面の上方に配置されている。このデバイス層ＤＬには、例えば、図３に示すように、コリオリ素子ＣＥ１、コリオリ素子ＣＥ２、梁ＢＭおよび固定部ＦＵが形成されている。つまり、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥにおいては、コリオリ素子ＣＥ１、コリオリ素子ＣＥ２、梁ＢＭおよび固定部ＦＵが同一のデバイス層ＤＬに形成されていることになる。そして、コリオリ素子ＣＥ１、コリオリ素子ＣＥ２および梁ＢＭは、空間ＳＰ上に懸架されるように配置される一方、固定部ＦＵは絶縁膜１ａを介して基板１Ｓの表面に固定されている。
【００３８】
さらに、図３において、デバイス層ＤＬ上には、キャップＣＡＰが配置されている。このキャップＣＡＰと基板１Ｓの間には空間ＳＰが設けられており、この空間ＳＰの内部にコリオリ素子ＣＥ１、コリオリ素子ＣＥ２、梁ＢＭおよび固定部ＦＵが形成されているデバイス層ＤＬが配置されていることになる。そして、キャップＣＡＰには、貫通ビア（プラグ）ＶＡが形成されており、この貫通ビアＶＡは、例えば、デバイス層ＤＬに形成された固定部と接続されている。
【００３９】
また、キャップＣＡＰには、角速度検出部ＹＳＵ２を構成する固定電極ＦＥが形成されており、この固定電極ＦＥとコリオリ素子ＣＥ２によって静電容量素子からなる角速度検出部ＹＳＵ２が構成されることになる。つまり、本実施の形態１においては、コリオリ素子ＣＥ２は、ｙ方向回りの角速度が印加された場合に、コリオリ力によってｚ方向に変位するように構成されており、このｚ方向の変位を角速度検出部ＹＳＵ２によって静電容量値の変化として捉えるように構成されていることになる。このように、本実施の形態１において、ｙ方向回りの角速度を検出する角速度検出部ＹＳＵ２は、ｚ方向に変位するコリオリ素子ＣＥ２の外部に設けられていることになる。
【００４０】
そして、キャップＣＡＰの上面には、パターニングされた絶縁膜ＩＦ１が形成されており、例えば、この絶縁膜ＩＦ１を貫通して、キャップＣＡＰに形成された貫通ビアＶＡと接続するとともに、絶縁膜ＩＦ１上にわたってパッドＰＤ１が配置されている。また、キャップＣＡＰの上面に形成されている絶縁膜ＩＦ１を貫通して、キャップＣＡＰと接続するとともに、絶縁膜ＩＦ１上にわたってパッドＰＤ２も配置されている。
【００４１】
＜実施の形態１におけるセンサエレメントの製造方法＞
本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥは上記のように断面構成されており、以下に、断面図を使用して、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥの製造方法について説明することにする。
【００４２】
本実施の形態１における角速度センサＳ１のセンサエレメントＳＥの各構成要素は、半導体製造技術を用いることにより形成される。センサエレメントＳＥの形成に使用される代表的な半導体製造技術としては、基板上に光や電子ビームなどに反応するレジスト膜を塗布した後、紫外線などの光や電子ビームを照射することにより、レジスト膜を変質させて除去することで微細なパターンを形成するフォトリソグラフィ技術がある。また、代表的な半導体製造技術には、フォトリソグラフィ技術によって形成されたレジスト膜の開口部の底部に露出する酸化シリコン膜やシリコンなどの材料をフッ酸もしくはＴＭＡＨやＫＯＨなどのアルカリ性薬品で除去するウェットエッチング技術がある。さらに半導体製造技術としては、レジスト膜の開口部に露出している酸化シリコン膜やシリコン、アルミニウムなどをそれぞれの材料と反応するガスとプラズマを用いることで除去するＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などのドライエッチング技術がある。これらを含めた半導体製造技術がこれから説明するセンサエレメントＳＥの製造工程に使用される。
【００４３】
図４および図５は、センサエレメントＳＥの構成要素である基板１Ｓの製造工程である。まず、図４に示すように、基板１Ｓは、後述するセンサエレメントＳＥの固定部と接続されて他の構成要素を支持する機能を有する。この基板１Ｓは、例えば、酸化シリコン膜からなる絶縁膜１ａが形成されたシリコン（Ｓｉ）基板より構成される。そして、基板１Ｓ上にフォトリソグラフィ技術を使用することにより、図示しないレジスト膜をパターニングして開口部を形成する。その後、この開口部から露出している絶縁膜１ａをフッ酸などのガス若しくは液体を用いて除去する。次に、図５に示したように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いたドライエッチング技術や、ＴＭＡＨやＫＯＨなどのアルカリ性薬品を用いたウェットエッチング技術を駆使することにより、露出する基板１Ｓを除去することにより、溝ＤＩＴを形成して空間ＳＰを形成する。
【００４４】
この空間ＳＰの深さは、後述するデバイス層の厚さよりも小さく形成されていることが望ましい。本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥでは、例えば、後述するデバイス層の厚さが４０μｍになるように形成し、空間ＳＰの深さは３８μｍになるように形成する。この結果、外部からの振動や衝撃によって、デバイス層に形成される構成要素が面外方向（ｚ方向）に動いたとしても、空間ＳＰによって、その最大変位が制限されるため、これらの構成要素が固定部上に乗り上げることによって、衝撃などが解消された際に元の状態に回復しなくなる不具合を防ぐことができる。
【００４５】
続いて、図６〜図８は、基板１Ｓ上にデバイス層を形成し、このデバイス層にセンサエレメントＳＥの構成要素を形成する製造工程を説明する図である。まず、図６に示すように、デバイス層と中間絶縁層とハンドル層を構成要素とするＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板２Ｓを基板１Ｓに接合する。このとき、限定することではないが、例えば、本実施の形態１では、基板１ＳとＳＯＩ基板２Ｓのそれぞれの表面をプラズマで清浄化した後、純水で洗浄処理することにより水酸基を形成する水素結合法で基板１ＳとＳＯＩ基板２Ｓとを接合する。その後、約１０００℃の熱で加熱することにより、基板１ＳとＳＯＩ基板２Ｓとの結合力を強くしている。
【００４６】
なお、基板１ＳとＳＯＩ基板２Ｓとを接合する方法は、上述した接合方法に限らず、例えば、基板１Ｓをガラス材料としながら、ＳＯＩ基板２Ｓとの間で高電圧を印加することにより基板１ＳとＳＯＩ基板２Ｓとを接合する陽極接合方法や、ガラスフリットや金属の接着材を使用した共有結合を用いることにより、基板１ＳとＳＯＩ基板２Ｓを接合してもよい。もちろん、ＳＯＩ基板２Ｓ以外でも、単なるシリコン基板を基板１Ｓと接合した後、研磨して薄くすることにより、デバイス層を形成してもよい。
【００４７】
本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥでは、図６に示すように、ＳＯＩ基板２Ｓを基板１Ｓに接合している。このとき、本実施の形態１では、ＳＯＩ基板２Ｓを基板１Ｓに接合した後、ハンドル層をアルカリ性薬品によるウェットエッチング技術、若しくは、ＲＩＥによるドライエッチング技術で除去する。そして、図７に示すように、フッ酸（ＨＦ）溶液を使用することにより、中間絶縁層を除去して、デバイス層ＤＬだけを残存させる。これにより、基板１Ｓ上にデバイス層ＤＬを形成することができる。
【００４８】
次に、図８に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を使用することにより、デバイス層ＤＬを加工する。この結果、固定部ＦＵ、励振素子（図示されず）、コリオリ素子ＣＥ１、コリオリ素子ＣＥ２、および、梁ＢＭなどの構成要素を同一のデバイス層ＤＬ上に形成することができる。
【００４９】
続いて、図９〜図１１は、キャップＣＡＰを形成する製造工程を説明する図である。この工程で形成されるキャップＣＡＰは、図３に示す励振素子（図示されず）、コリオリ素子ＣＥ１、コリオリ素子ＣＥ２および角速度検出部ＹＳＵ２の固定電極ＦＥなどに外部の制御回路(集積回路)からの電気信号を伝達するための電極としての機能を有する。さらに、キャップＣＡＰは、デバイス層ＤＬをキャップＣＡＰと基板１によって上下に挟むような形で配置されることにより、気密な空間ＳＰを形成するチャンバとしての機能も有する。以下に、このような機能を有するキャップＣＡＰの製造工程について説明する。
【００５０】
まず、図９に示すように、酸化シリコン膜からなる絶縁膜ＩＬ１が形成されたキャップＣＡＰを用意する。そして、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を駆使することにより、励振素子、コリオリ素子ＣＥ１、コリオリ素子ＣＥ２などを可動状態とするための空間ＳＰ２を形成する。この空間ＳＰ２は、基板１Ｓに形成される空間ＳＰと同じ機能を有する。すなわち、空間ＳＰ２の深さは、空間ＳＰと同様に、デバイス層ＤＬの厚さよりも浅く形成されることが望ましい。例えば、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥでは、空間ＳＰ２の深さを空間ＳＰと同様の３８μｍとしている。
【００５１】
次に、図１０に示すように、キャップＣＡＰを熱酸化することにより、空間ＳＰ２を形成する際に露出したキャップＣＡＰの表面に酸化シリコン膜からなる絶縁膜ＯＸ１を形成する。その後、キャップＣＡＰに形成されている絶縁膜ＩＬ１を加工し、加工した絶縁膜ＩＬ１をマスクとして、キャップＣＡＰをドライエッチングすることにより、絶縁膜ＯＸ１に到達する貫通孔ＴＨを形成する。この結果、電気的に独立した固定電極ＦＥおよび貫通ビアＶＡを形成することができる。このとき、絶縁膜ＯＸ１は、ドライエッチング加工が止まる層、すなわち、エッチングストップ層として機能するとともに、貫通孔ＴＨを形成することにより完全に分離された固定電極ＦＥや貫通ビアＶＡを支える機能も有する。
【００５２】
続いて、図１１に示すように、キャップＣＡＰを高温に加熱することにより、貫通孔ＴＨが完全に埋まるまで絶縁膜ＯＸ２を成長させる。シリコンを高温で加熱することで絶縁膜ＯＸ２を形成する場合、初期のシリコン表面を境界にシリコンの内部に４５％、外部に５５％の絶縁膜ＯＸ２が形成される。また、熱酸化によって絶縁膜ＯＸ２を成長させる原理上、４μｍよりも大きな膜厚の絶縁膜ＯＸ２を形成するためには非常に長い時間を必要とすることから、貫通孔ＴＨの幅は４μｍにしている。さらに、貫通孔ＴＨを形成するドライエッチング加工においても、貫通孔ＴＨの幅と深さによって定義されるアスペクト比が量産に適した２５以下になるようにしている。すなわち、貫通孔ＴＨは、幅が４μｍで、深さが１００μｍになるように形成されている。なお、貫通孔ＴＨが絶縁膜ＯＸ２で完全に埋まった後、キャップＣＡＰの表面に形成されている絶縁膜ＩＬ１や絶縁膜ＯＸ１などは、フッ酸溶液で除去される。このようにして、キャップＣＡＰを製造することができる。
【００５３】
次に、図１２および図１３は、デバイス層ＤＬを形成した基板１ＳとキャップＣＡＰを接合する工程と、キャップＣＡＰの表面に配線を形成する工程を説明する図である。
【００５４】
まず、図１２に示すように、キャップＣＡＰと、デバイス層ＤＬおよび基板１Ｓは、上述したＳＯＩ基板２Ｓと基板１Ｓを接合した方法と同じ方法で接合することができる。このとき、接合時の周辺圧力を制御することにより、励振素子、コリオリ素子ＣＥ１、コリオリ素子ＣＥ２、梁ＢＭおよび固定部ＦＵなどが封止される空間ＳＰの圧力を制御する。
【００５５】
そして、図１３に示すように、キャップＣＡＰの表面上に、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を使用することにより、酸化シリコン膜からなる絶縁膜ＩＦ１を形成した後、キャップＣＡＰに形成された固定電極ＦＥおよび貫通ビアＶＡの上部に開口部を形成する。続いて、開口部を形成した絶縁膜ＩＦ１上に、例えば、スパッタリング法を使用することにより、例えば、アルミニウム膜からなる金属膜ＭＦを形成する。
【００５６】
次に、図３に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、金属膜ＭＦを加工して、パッドＰＤ１およびパッドＰＤ２含む配線を形成する。このようにして、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥを製造することができる。
【００５７】
＜実施の形態１におけるセンサエレメントの平面構成＞
続いて、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥの平面構成について、図面を参照しながら説明する。図１４は、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥの平面構成を示す模式図である。図１４において、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥは、まず、励振素子として機能する質量体ＭＳを有している。
【００５８】
この質量体ＭＳは、ｘ方向に長い第１部位Ｐ１と、ｘ方向に長い第２部位Ｐ２と、これらの第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを繋ぐようにｙ方向に延びる接続部ＣＵによって構成されている。第１部位Ｐ１は、ｘ方向に延在するように構成され、第２部位Ｐ２は、ｘ方向と直交するｙ方向に第１部位Ｐ１から所定距離だけ離間しながらｘ方向に延在するように構成されている。そして、接続部ＣＵは、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２に連結するようにｙ方向に延在するように構成されている。このため、質量体ＭＳは、例えば、アルファベットの「Ｈ」を横にしたような開放端を有する形状をしていることになる。
【００５９】
例えば、ｙ方向の中心を通る仮想線ＩＬに対して、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２が対称に配置され、この第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２を接続するように接続部ＣＵが配置されている。そして、ｙ方向の中心に位置して、上述した仮想線ＩＬ上に配置される固定部ＦＵ２が設けられており、接続部ＣＵは、ｘ方向において、基板と固定された固定部ＦＵ２を挟むように配置された第３部位Ｐ３と第４部位Ｐ４を備える。そして、第３部位Ｐ３は、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを連結するように配置される。同様に、第４部位Ｐ４も、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを連結するように配置される。さらに、第３部位Ｐ３は、支持梁ＢＭ３を介して固定部ＦＵ２と接続され、かつ、第４部位Ｐ４は、支持梁ＢＭ４を介して固定部ＦＵ２と接続されている。
【００６０】
このように構成されている質量体ＭＳにおいては、励振方向であるｘ方向には柔軟で、第１検出方向であるｙ方向には硬い支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２で支持されている。具体的に、２つの支持梁ＢＭ１と２つの支持梁ＢＭ２とを組み合わせて支持梁群と呼ぶことにすると、質量体ＭＳの４隅にそれぞれ支持梁群が設けられている。そして、質量体ＭＳの４隅のそれぞれに着目した場合、１つの端部には、１つの支持梁群を構成する２つの支持梁ＢＭ１と２つの支持梁ＢＭ２が設けられている。このとき、２つの支持梁ＢＭ１のそれぞれは、単位梁ＢＭ１Ａと単位梁ＢＭ１Ｂから構成され、２つの支持梁ＢＭ２のそれぞれは、単位梁ＢＭ２Ａと単位梁ＢＭ２Ｂから構成されている。
【００６１】
なお、図１４では、質量体ＭＳを左上の端部で支持する２つの支持梁ＢＭ１と２つの支持梁ＢＭ２が図示されているが、質量体ＭＳのその他の３つの端部のそれぞれも同様に２つの支持梁ＢＭ１と２つの支持梁ＢＭ２で支持されていることになる。
【００６２】
具体的に、第１部位Ｐ１の端部近傍には、基板に固定された外側固定部ＯＦＵ１Ａおよび外側固定部ＯＦＵ１Ｂが配置されているとともに、基板に固定された内側固定部ＩＦＵ２Ａおよび内側固定部ＩＦＵ２Ｂが配置されている。特に、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、外側固定部ＯＦＵ１Ｂ、内側固定部ＩＦＵ２Ａ、内側固定部ＩＦＵ２Ｂは、仮想線ＩＬに対して同じ側に配置されている。さらに、外側固定部ＯＦＵ１Ａと内側固定部ＩＦＵ２Ａは、第１部位Ｐ１に対して対称に配置されており、外側固定部ＯＦＵ１Ｂと内側固定部ＩＦＵ２Ｂも、第１部位Ｐ１に対して対称に配置されている。
【００６３】
そして、第１部位Ｐ１の外側に自由端ＦＰ１が設けられており、第１部位Ｐ１と自由端ＦＰ１がｙ方向に延在する単位梁ＢＭ１Ｂで接続され、自由端ＦＰ１と外側固定部ＯＦＵ１Ａがｙ方向に延在する単位梁ＢＭ１Ａで接続されている。したがって、第１部位Ｐ１と外側固定部ＯＦＵ１Ａは、自由端ＦＰ１に接続された単位梁ＢＭ１Ａおよび単位梁ＢＭ１Ｂで接続されていることになる。同様に、第１部位Ｐ１と自由端ＦＰ１がｙ方向に延在する単位梁ＢＭ１Ｂで接続され、自由端ＦＰ１と外側固定部ＯＦＵ１Ｂがｙ方向に延在する単位梁ＢＭ１Ａで接続されている。したがって、第１部位Ｐ１と外側固定部ＯＦＵ１Ｂも、自由端ＦＰ１に接続された単位梁ＢＭ１Ａおよび単位梁ＢＭ１Ｂで接続されていることになる。
【００６４】
さらに、第１部位Ｐ１の内側に自由端ＦＰ２が設けられており、第１部位Ｐ１と自由端ＦＰ２がｙ方向に延在する単位梁ＢＭ２Ｂで接続され、自由端ＦＰ２と内側固定部ＩＦＵ２Ａがｙ方向に延在する単位梁ＢＭ２Ａで接続されている。したがって、第１部位Ｐ１と内側固定部ＩＦＵ２Ａは、自由端ＦＰ２に接続された単位梁ＢＭ２Ａおよび単位梁ＢＭ２Ｂで接続されていることになる。同様に、第１部位Ｐ１と自由端ＦＰ２がｙ方向に延在する単位梁ＢＭ２Ｂで接続され、自由端ＦＰ２と内側固定部ＩＦＵ２Ｂがｙ方向に延在する支持梁ＢＭ２Ａで接続されている。したがって、第１部位Ｐ１と内側固定部ＩＦＵ２Ｂも、自由端ＦＰ２に接続された単位梁ＢＭ２Ａおよび単位梁ＢＭ２Ｂで接続されていることになる。
【００６５】
以上は、質量体ＭＳの第１部位Ｐ１の左端部の接続構成について説明したが、第１部位Ｐ１の右端部の接続構成、第２部位Ｐ２の左端部の接続構成、および、第２部位Ｐ２の右端部の接続構成を同様であるため、その説明は省略する。
【００６６】
このように構成されている質量体ＭＳにおいて、固定電極として機能する第１駆動電極との間で容量素子ＤＥ１を形成するとともに、固定電極として機能する第２駆動電極との間でも容量素子ＤＥ２を形成するように第１可動電極が質量体ＭＳと一体的に形成されている。さらに、質量体ＭＳにおいて、固定電極として機能する第１駆動振幅モニタ電極や第２駆動振幅モニタ電極との間でも、それぞれ、容量素子ＭＥ１および容量素子ＭＥ２を形成するように第２可動電極が質量体ＭＳと一体的に形成されている。
【００６７】
そして、図１４に示すように、平面視において、質量体ＭＳの内部には、コリオリ素子ＣＥ１が配置されている。詳細には、質量体ＭＳの第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２に挟まれ、かつ、接続部ＣＵの左側に位置するようにコリオリ素子ＣＥ１が配置されている。このコリオリ素子ＣＥ１は、ｘ方向には硬く、ｙ方向には柔軟な検出梁ＤＢＭ１で質量体ＭＳの第１部位Ｐ１と接続されているとともに、ｘ方向には硬く、ｙ方向には柔軟な検出梁ＤＢＭ２で質量体ＭＳの第２部位Ｐ２と接続されている。これにより、コリオリ素子ＣＥ１は、質量体ＭＳとだけ接続され、基板自体とは直接接続されていない。この結果、コリオリ素子ＣＥ１は、第１検出方向であるｙ方向に変位可能なように構成されていることになる。この第１検出方向は、ｘ方向とｙ方向を含む平面内に含まれることから、「面内方向」と呼ぶこともでき、この場合、コリオリ素子ＣＥ１は、面内方向に変位可能なように構成されているということもできる。
【００６８】
ここで、質量体ＭＳが励振方向であるｘ方向に振動している状態で、ｚ方向回りに角速度が印加された場合、コリオリ素子ＣＥ１は、コリオリ力によってｙ方向に変位することになる。つまり、本実施の形態１において、コリオリ素子ＣＥ１は、ｚ方向回りの角速度を検出するための構成要素であることがわかる。
【００６９】
このように構成されているコリオリ素子ＣＥ１に内包されるように角速度検出部ＹＳＵ１が形成されている。具体的に、この角速度検出部ＹＳＵ１は、コリオリ素子ＣＥ１と一体的に形成された第１検出用可動電極と、固定部材に固定された第１検出用固定電極を含むように構成される。この場合、外部からｚ方向回りに角速度が印加されると、コリオリ力によって、コリオリ素子ＣＥ１がｙ方向に変位する。したがって、コリオリ素子ＣＥ１と一体的に形成されている第１検出用可動電極もｙ方向に変位する。一方、第１検出用固定電極は、固定部材に接続されていることから、角速度に起因するコリオリ力が印加されても変位しない。このことから、第１検出用可動電極と第１検出用固定電極との間の距離が変化する。このことは、第１検出用可動電極と第１検出用固定電極で構成される容量素子の静電容量（電気容量）が変化することを意味する。このようにして、角速度検出部ＹＳＵ１は、コリオリ素子ＣＥ１のｙ方向の変位を静電容量の変化として捉えるように構成されていることになる。
【００７０】
一方、図１４に示すように、平面視において、質量体ＭＳの内部には、コリオリ素子ＣＥ２も配置されている。詳細には、質量体ＭＳの第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２に挟まれ、かつ、接続部ＣＵの右側に位置するようにコリオリ素子ＣＥ２が配置されている。このコリオリ素子ＣＥ２は、ｚ方向にねじれる検出梁ＤＢＭ３で質量体ＭＳの第４部位Ｐ４と接続されている。これにより、コリオリ素子ＣＥ２も、質量体ＭＳとだけ接続され、基板自体とは直接接続されていない。この結果、コリオリ素子ＣＥ２は、第２検出方向であるｚ方向に変位可能なように構成されていることになる。この第２検出方向は、ｘ方向とｙ方向を含む平面に垂直なｚ方向であることから、「面外方向」と呼ぶこともでき、この場合、コリオリ素子ＣＥ２は、面外方向に変位可能なように構成されているということもできる。
【００７１】
ここで、質量体ＭＳが励振方向であるｘ方向に振動している状態で、ｙ方向回りに角速度が印加された場合、コリオリ素子ＣＥ２は、コリオリ力によってｚ方向に変位することになる。つまり、本実施の形態１において、コリオリ素子ＣＥ２は、ｙ方向回りの角速度を検出するための構成要素であることがわかる。
【００７２】
このように構成されているコリオリ素子ＣＥ２の外側に角速度検出部ＹＳＵ２が形成されている。具体的に、例えば、図３に示すように、角速度検出部ＹＳＵ２は、コリオリ素子ＣＥ２自体を第２検出用可動電極とし、キャップＣＡＰに固定された第２検出用固定電極を含むように構成される。この場合、外部からｙ方向回りに角速度が印加されると、コリオリ力によって、検出梁ＤＢＭ３がねじれることにより、コリオリ素子ＣＥ２がｚ方向に変位する。したがって、コリオリ素子ＣＥ２自体からなる第２検出用可動電極もｚ方向に変位する。一方、第２検出用固定電極は、キャップＣＡＰに接続されていることから、角速度に起因するコリオリ力が印加されても変位しない。このことから、第２検出用可動電極と第２検出用固定電極との間の距離が変化する。このことは、第２検出用可動電極と第２検出用固定電極で構成される容量素子の静電容量（電気容量）が変化することを意味する。このようにして、角速度検出部ＹＳＵ２は、コリオリ素子ＣＥ２のｚ方向の変位を静電容量の変化として捉えるように構成されていることになる。
【００７３】
以上のことから、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥは、励振方向であるｘ方向に励振振動する１つの励振素子である質量体ＭＳと、ｚ方向回りの角速度によってｙ方向に変位するコリオリ素子ＣＥ１と、ｙ方向回りの角速度によってｚ方向に変位するコリオリ素子ＣＥ２とを備える。このため、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥは、励振素子を共有し、かつ、異なる方向回りの角速度を検出するコリオリ素子ＣＥ１とコリオリ素子ＣＥ２を有していることになり、多軸の角速度センサを構成することになる。
【００７４】
そして、コリオリ素子ＣＥ１とコリオリ素子ＣＥ２は、質量体ＭＳの構成要素である第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２で挟まれる位置に配置されるとともに、質量体ＭＳの接続部ＣＵを構成する第３部位Ｐ３と第４部位Ｐ４を挟むように、接続部ＣＵの左側にコリオリ素子ＣＥ１が配置され、接続部ＣＵの右側にコリオリ素子ＣＥ２が配置される。
【００７５】
さらに、質量体ＭＳを構成する第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２は、仮想線ＩＬに対して対称となる位置に配置されている。また、質量体ＭＳを構成する第３部位Ｐ３および第４部位Ｐ４のそれぞれ自体も、仮想線ＩＬに対して対称となるように配置されている。同様に、コリオリ素子ＣＥ１およびコリオリ素子ＣＥ２のそれぞれ自体も、仮想線ＩＬに対して対称となるように配置されているとともに、コリオリ素子ＣＥ１に内包される角速度検出部ＹＳＵ１も、仮想線ＩＬに対して対称となるように配置されている。
【００７６】
なお、本実施の形態１において、支持梁ＢＭ１、支持梁ＢＭ２、支持梁ＢＭ３、支持梁ＢＭ４、検出梁ＤＢＭ１、検出梁ＤＢＭ２は、梁の屈曲によって変形する屈曲梁から構成されている一方、検出梁ＤＢＭ３は、梁のねじれによって変形するねじれ梁から構成されている。したがって、本実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥでは、屈曲とねじれという２種類の異なる変形態様の梁が混在していることになる。
【００７７】
＜実施の形態１における角速度センサの動作＞
本実施の形態１における角速度センサは、上記のように構成されており、以下に、その動作について説明する。
【００７８】
図１５は、本実施の形態１における角速度センサの動作を説明する図である。図１５において、容量素子ＤＥ１および容量素子ＤＥ２は、質量体ＭＳをｘ方向に振動させる駆動手段を構成する。そして、容量素子ＤＥ１の一部を構成する固定電極である第１駆動電極には、図２に示す半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路から駆動信号として、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄが印加される。一方、容量素子ＤＥ２の一部を構成する固定電極である第２駆動電極には、図２に示す半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路から駆動信号として、Ｖｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄが印加される。
【００７９】
また、質量体ＭＳには、支持梁を介して接続されている固定部を介して、図２に示す半導体チップＣＨＰ１内に形成されている信号処理回路からＶｃｏｍが印加される。したがって、固定電極である第１駆動電極と質量体ＭＳとの間の電位差は、Ｖｂ＋Ｖｄとなり、固定電極である第２駆動電極と質量体ＭＳとの間の電位差は、Ｖｂ−Ｖｄとなる。この結果、容量素子ＤＥ１および容量素子ＤＥ２には、上述した電位差に起因する静電力が発生し、質量体ＭＳがｘ方向に駆動振動（励振振動）することになる。
【００８０】
なお、質量体ＭＳには、信号処理回路からキャリア信号Ｖｃも印加されているが、キャリア信号Ｖｃの周波数は、数百ｋＨｚであり、上述した駆動振動が追従できないほど充分に高いため、駆動力としては機能しない。
【００８１】
また、角速度センサの構成要素以外の基板１ＳおよびキャップＣＡＰの周辺領域は、図３に示すパッドＰＤ２を介してＶｃｏｍの電位に接続される。これらの周辺領域を一定電位に固定することにより、キャリア信号Ｖｃが質量体ＭＳ、コリオリ素子ＣＥ１およびコリオリ素子ＣＥ２の外部に漏れることを防止できる。特に、半導体チップＣＨＰ１に形成されている集積回路、および、本実施の形態１における角速度センサが実装されるシステム側の周辺回路への信号干渉を防ぐことができる。言い換えれば、システム側の電子回路、および、半導体チップＣＨＰ１に形成されている集積回路から角速度センサへの不要な高周波信号の影響を遮断する効果も期待できる。
【００８２】
ここで、下記に示す（式１）は質量体ＭＳの駆動変位（ｘ）と駆動力（Ｆｄ）の関係を示す式であり、（式２）はコリオリ力（Ｆｃｙ）を示す式である。また、（式３）は検出方向（ｙ方向）の振幅とコリオリ力（Ｆｃｙ）の関係を示す式である。なお、ここでは、便宜上、ｚ方向回りの角速度Ωｚによって、コリオリ素子ＣＥ１がｙ方向へ変位する場合を例にした添字を使用して説明するが、ｙ方向回りの角速度Ωｙによって、コリオリ素子ＣＥ２がｚ方向へ変位する場合においても同じ原理を適用することができる。
【００８３】
ｘ＝
Ｆｄ／ｋｄ×１／｛［１−（ωｄ／ωｒｘ）２］２＋［１／Ｑｄ×（ωｄ／ωｒｘ）］２｝１／２
・・・（式１）
このとき、ｘは駆動変位、ωｄ／２πは駆動周波数、ωｒｘは駆動方向の固有振動数、Ｑｄは駆動方向の機械品質係数、ｋｄは支持梁ＢＭ１Ａ〜ＢＭ１Ｄのばね定数、Ｆｄは駆動力を示している。
【００８４】
Ｆｃｙ＝２・ｍｙ・Ωｚ・Ｘ・ωｄ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ）      ・・・（式２）
このとき、ＦｃｙはΩｚによって発生するｙ方向のコリオリ力、ｍｙはコリオリ素子ＣＥ１の質量、Ωｚはｚ方向回りに印加される角速度、Ｘは駆動方向の最大振幅、ωｄ／２πは駆動周波数、ｔは時間を示している。
【００８５】
ｙ＝Ｆｃｙ・Ｑｓｙ／ｋｓ      ・・・（式３）
このとき、ｙは検出変位、Ｑｓｙはコリオリ素子ＣＥ１と検出梁ＤＢＭ１〜ＤＢＭ２で構成される検出振動系の機械品質係数、ｋｓは検出梁ＤＢＭ１〜ＤＢＭ２のばね定数を示している。
【００８６】
上述した（式１）からは、質量体ＭＳと支持梁ＢＭ１と支持梁ＢＭ２で構成される振動系において駆動力Ｆｄが一定である場合、駆動変位ｘは、駆動周波数ωｄ（２πで割れば周波数となるため、駆動角振動数と駆動周波数を混用する）に依存することがわかる。そして、（式１）から、振動系の固有振動数ωｒｘと駆動周波数ωｄが一致する場合、最も大きい駆動変位ｘが得られることになり、駆動周波数ωｄが固有振動数ωｒｘから離れるほど駆動変位ｘが小さくなることがわかる。
【００８７】
また、（式２）と（式３）に示すコリオリ力Ｆｃｙと検出変位ｙの関係式からは、印加される角速度Ωｚによって得られるコリオリ力Ｆｃｙと検出変位ｙは、駆動方向の最大振幅Ｘ（駆動変位ｘ）と比例関係にあることがわかる。
【００８８】
ここで、（式２）において、コリオリ素子ＣＥ１の質量ｍｙと、駆動周波数ωｄ、印加される角速度Ωｚを一定であると仮定すると、角速度センサの出力として変換されるコリオリ力Ｆｃｙと検出振幅ｙは、駆動方向の最大振幅Ｘ（駆動変位ｘ）のみの関数となる。
【００８９】
したがって、周辺圧力の変動や振動外乱がある場合でも、角速度センサの感度を一定に維持して信頼性を確保するためには、駆動方向の最大振幅Ｘを常にモニタし、フィードバック制御を行なうことにより、駆動方向の最大振幅Ｘが一定値になるよう管理する必要がある。このフィードバック制御は、ＡＧＣ（Auto Gain Control）によって実施される。
【００９０】
以下に、上述したＡＧＣによるフィードバック制御について説明する。本実施の形態１において、図１５に示すように、質量体ＭＳの駆動振幅は、固定電極として機能する第１駆動振幅モニタ電極と、質量体ＭＳと一体的に形成されている第１可動電極からなる容量素子ＭＥ１の静電容量の変化を検出することでモニタされている。同様に、質量体ＭＳの駆動振幅は、固定電極として機能する第２駆動振幅モニタ電極と、質量体ＭＳと一体的に形成されている第２可動電極からなる容量素子ＭＥ２の静電容量の変化を検出することでモニタされている。
【００９１】
具体的には、質量体ＭＳに、周波数が数百ｋＨｚのキャリア信号Ｖｃを印加する。この場合、キャリア信号Ｖｃによって、質量体ＭＳと第１駆動振幅モニタ電極（固定電極）で構成される容量素子ＭＥ１や、質量体ＭＳと第２駆動振幅モニタ電極（固定電極）で構成される容量素子ＭＥ２の静電容量に変化が生じ、この静電容量の変化に応じて電荷の移動が発生する。この静電容量の変化は、図１５に示すＣ／Ｖ変換部１０でアナログ電圧信号に変換された後、ＡＤ変換部１１でデジタル電圧信号に変換される。そして、容量素子ＭＥ１からＣ／Ｖ変換部１０およびＡＤ変換部１１を経て生成された第１デジタル電圧信号と、容量素子ＭＥ２からＣ／Ｖ変換部１０およびＡＤ変換部１１を経て生成された第２デジタル電圧信号とが、差動検出部１２で演算される。このとき、駆動振幅が０の場合は、容量素子ＭＥ１と容量素子ＭＥ２の初期の静電容量が互いに相殺されるため、同期検波部１３への入力電圧は０となる。
【００９２】
一方、質量体ＭＳが振動している場合は、質量体ＭＳの駆動振幅に追従して容量素子ＭＥ１の静電容量が増加し、容量素子ＭＥ２の静電容量が減少する。あるいは、質量体ＭＳの駆動振幅に追従して容量素子ＭＥ１の静電容量が減少し、容量素子ＭＥ２の静電容量が増加する。このことから、差動検出部１２からは、駆動振動の駆動振幅に比例したデジタル信号が出力される。
【００９３】
差動検出部１２から出力されたデジタル信号は、同期検波部１３で駆動周波数の成分（例えば、数十ｋＨｚ）と、必要に応じてＤＣを含む低周波数の成分（例えば、ＤＣから数百Ｈｚ）に変換される。低周波数のデジタル信号に変換された駆動振幅は、ＡＧＣ（Auto Gain Control）１５に入力され、予め設定されている駆動振幅の目標値と比較される。そして、この比較結果に基づいて、ＤＡ変換部１６で駆動信号Ｖｄの大きさを調整することにより、駆動振幅が予め設定されている目標値になるようにフィードバック制御されることになる。以上のようにして、本実施の形態１における角速度センサでは、質量体ＭＳを一定駆動振幅でｘ方向に駆動振動させることができる。
【００９４】
なお、限定するわけではないが、本実施の形態１における角速度センサでは、小さい駆動電圧で大きなｘ方向の駆動振幅を得るために駆動信号Ｖｄの周波数（駆動周波数）を、質量体ＭＳと支持梁ＢＭ１と支持梁ＢＭ２によって構成される駆動振動系の固有振動数に合わせている。また、本実施の形態１では、周辺環境の変動に起因する駆動振動系の固有振動数の変化に駆動振動数を追従させるため、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）によるＡＦＣ（Auto Frequency Control）１４およびＤＡ変換部１６を用いてフィードバック制御を行なっている。ただし、本実施の形態１における技術的思想は、駆動周波数ωｄと駆動振動系の固有振動数ωｒｘを一致させない非共振モードでの駆動においても適用できることは言うまでもない。
【００９５】
続いて、質量体ＭＳをｘ方向に駆動振動させた状態で、ｚ方向回りに角速度が印加された場合の角速度の検出動作について説明する。
【００９６】
まず、質量体ＭＳが駆動振動している状態で、ｚ方向回りに角速度Ωｚが印加されると、質量体ＭＳには、（式２）で示されるコリオリ力Ｆｃｙが発生し、印加された角速度Ωｚに比例するｙ方向の振動が発生する。
【００９７】
ここで、質量体ＭＳは、ｘ方向には柔軟で、ｙ方向には硬い支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２で支持されているため、上述したコリオリ力Ｆｃｙが発生しても、質量体ＭＳは、ｙ方向にほとんど変位しない。同様に、コリオリ素子ＣＥ２も、ｙ方向にはほとんど変位しない。一方、コリオリ素子ＣＥ１は、ｘ方向には硬く、ｙ方向には柔軟な検出梁ＤＢＭ１および検出梁ＤＢＭ２を介して質量体ＭＳに接続されているため、（式３）に示すような関係で、コリオリ力Ｆｃｙに基づきｙ方向に変位する。
【００９８】
図１５に示すように、コリオリ素子ＣＥ１がｙ方向に変位すると、コリオリ素子ＣＥ１と接続されるように設けられた角速度検出部ＹＳＵ１を構成する容量素子の静電容量が変化する。角速度検出部ＹＳＵ１を構成する容量素子の静電容量の変化は、Ｃ／Ｖ変換部２０Ａでアナログ電圧信号に変換された後、ＡＤ変換部２１Ａでデジタル電圧信号に変換される。その後、差動検出部２２Ａで演算された後、同期検波部２３Ａで復調信号が抽出される。
【００９９】
そして、同期検波部２３Ａで復調された復調信号は、ＬＰＦ（低周波数帯域通過フィルタ）２４Ａを通過することにより、最終的に、角速度Ωｚに対応した角速度信号が出力端子ＯＵＴ１から出力されることになる。以上のようにして、本実施の形態１における角速度センサによれば、ｚ方向回りの角速度Ωｚを検出することができる。
【０１００】
次に、質量体ＭＳをｘ方向に駆動振動させた状態で、ｚ方向回りに角速度が印加された場合の角速度の検出動作について説明する。
【０１０１】
まず、質量体ＭＳが駆動振動している状態で、ｙ方向回りに角速度Ωｙが印加されると、質量体ＭＳには、（式２）と同等の式で示されるコリオリ力Ｆｃｚが発生し、印加された角速度Ωｙに比例するｚ方向の振動が発生する。
【０１０２】
ここで、質量体ＭＳおよびコリオリ素子ＣＥ１は、上述したコリオリ力Ｆｃｚが発生しても、ｚ方向にほとんど変位しない。一方、コリオリ素子ＣＥ２は、ｚ方向にねじれる検出梁ＤＢＭ３を介して質量体ＭＳに接続されているため、コリオリ力Ｆｃｚに基づきｚ方向に変位する。
【０１０３】
図１５に示すように、コリオリ素子ＣＥ２がｚ方向に変位すると、コリオリ素子ＣＥ２の外部に設けられた角速度検出部ＹＳＵ２を構成する容量素子の静電容量が変化する。角速度検出部ＹＳＵ２を構成する容量素子の静電容量の変化は、Ｃ／Ｖ変換部２０Ｂでアナログ電圧信号に変換された後、ＡＤ変換部２１Ｂでデジタル電圧信号に変換される。その後、差動検出部２２Ｂで演算された後、同期検波部２３Ｂで復調信号が抽出される。
【０１０４】
そして、同期検波部２３Ｂで復調された復調信号は、ＬＰＦ（低周波数帯域通過フィルタ）２４Ｂを通過することにより、最終的に、角速度Ωｙに対応した角速度信号が出力端子ＯＵＴ２から出力されることになる。以上のようにして、本実施の形態１における角速度センサによれば、ｙ方向回りの角速度Ωｙを検出することができる。
【０１０５】
このように本実施の形態１における角速度センサによれば、質量体ＭＳをｘ方向に駆動振動させた状態で、ｚ方向回りに角速度Ωｚが印加された場合には、コリオリ素子ＣＥ１のｙ方向の変位に基づいて、角速度Ωｚに対応する角速度信号を出力端子ＯＵＴ１から出力することができる。一方、本実施の形態１における角速度センサによれば、ｙ方向回りに角速度Ωｙが印加された場合には、コリオリ素子ＣＥ２のｚ方向の変位に基づいて、角速度Ωｙに対応する角速度信号を出力端子ＯＵＴ２から出力することができることがわかる。つまり、本実施の形態１における角速度センサは、異なる軸回りの角速度を検出できる多軸の角速度センサを構成していることがわかる。
【０１０６】
＜実施の形態１における特徴＞
続いて、本実施の形態１における角速度センサの特徴点について説明する。まず、本実施の形態１における第１特徴点は、例えば、図１４に示すように、駆動振動可能な１つの質量体ＭＳに対して、２つのコリオリ素子ＣＥ１およびコリオリ素子ＣＥ２が設けられている点にある。つまり、本実施の形態１における第１特徴点は、互いに異なる方向に変位可能なコリオリ素子ＣＥ１とコリオリ素子ＣＥ２で、駆動振動可能な質量体ＭＳを共有している点にある。これにより、本実施の形態１によれば、例えば、図１５に示すように、質量体ＭＳを駆動振動するとともに駆動振幅をフィードバック制御する制御回路を１つに簡素化しながらも、異なる軸方向の角速度信号を出力することができる。つまり、本実施の形態１によれば、多軸の角速度センサを構成しながらも、駆動振動させる質量体ＭＳを共有することによって、質量体ＭＳを駆動振動するとともに駆動振幅をフィードバック制御する制御回路の簡素化を図ることができる。
【０１０７】
次に、本実施の形態１における第２特徴点は、質量体ＭＳとコリオリ素子ＣＥ１とコリオリ素子ＣＥ２が同一のデバイス層ＤＬに形成されている点にある。これにより、本実施の形態１によれば、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術による１回のパターニングで、質量体ＭＳとコリオリ素子ＣＥ１とコリオリ素子ＣＥ２を一括して同一のデバイス層ＤＬに形成することができる。この結果、本実施の形態１によれば、製造時に必要なマスクの枚数を減らすことができるため、センサエレメントＳＥを製造する製造工程の簡略化を図ることができ、この簡略化によって製造コストの低減を図ることができる。特に、本実施の形態１では、質量体ＭＳとコリオリ素子ＣＥ１とコリオリ素子ＣＥ２だけでなく、その他の構成要素である梁（支持梁ＢＭ１、支持梁ＢＭ２、支持梁ＢＭ３、支持梁ＢＭ４、検出梁ＤＢＭ１〜３）や固定部（外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ、内側固定部ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂ、固定部ＦＵ２）なども同一のデバイス層ＤＬで形成するため、さらなる製造工程の簡略化を図ることができる。
【０１０８】
続いて、本実施の形態１における第３特徴点および第４特徴点について説明する。
【０１０９】
本実施の形態１における角速度センサは、例えば、図２に示すように、チップ搭載部ＴＡＢ、半導体チップＣＨＰ１、接着材ＡＤＨ１、ＡＤＨ２、センサエレメントＳＥなどの異種材料が積層される構造となっている。また、センサエレメントＳＥおよび半導体チップＣＨＰ１を含む上述した構成要素は、樹脂ＭＲで封止されている。すなわち、本実施の形態１における角速度センサは、線膨張係数の異なる複数材料の積層構造として構成される。このような積層構造を有する角速度センサが、例えば、車のエンジンルームなどの温度変化の激しい場所で使用される場合には、それぞれの構成材料の線膨張係数の差によって、センサエレメントＳＥが変形する。例えば、図１４において、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ、および、内側固定部ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂの位置が変動する。
【０１１０】
材料力学の理論によれば、温度変化と線膨張係数の差によって、センサエレメントＳＥは、均一な曲率を持つように変形する。このため、支持梁ＢＭ１に接続されている外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂ、および、支持梁ＢＭ２に接続されている内側固定部ＩＦＵ１Ａ、ＩＦＵ２Ｂは、いずれも、センサエレメントＳＥの中心から放射状に離れる方向、もしくは、近づく方向に移動する。この結果、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２には内部応力が発生して、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２のばね定数が変化する。これにより、（式１）に記載されている駆動方向の固有振動数ωｒｘが変動することになる。
【０１１１】
上述しているように、低い駆動電圧で大きな駆動変位ｘを得るため、本実施の形態１では、例えば、図１５に示すように、ＰＬＬによるＡＦＣ１４およびＤＡ変換部１６を用いることにより、フィードバック制御を行なっている。これにより、本実施の形態１によれば、駆動周波数ωｄを駆動方向の固有振動数ωｒｘに合わせている。したがって、駆動方向の固有振動数ωｒｘが変化すれば、駆動周波数ωｄも変化することになる。この結果、（式２）に定義されるコリオリ力Ｆｃｙも変動し、これによって、角速度センサの感度が変化することになる。さらに、駆動方向の固有振動数ωｒｘの変動幅が大きい場合には、ＡＦＣ１４によるフィードバック制御が追従できず、角速度センサの機能が停止する場合もある。
【０１１２】
そこで、本実施の形態１では、質量体ＭＳの形状や、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２の配置位置を工夫しており、この工夫点が本実施の形態１における第３特徴点である。すなわち、本実施の形態１における第３特徴点を備えることにより、内部応力の軽減および相殺を図ることができる。この結果、本実施の形態１によれば、周辺環境温度の変化や封止樹脂に起因する基板歪が発生する場合でも、駆動方向の固有振動数ωｒｘの変動を少なくすることにより、安定性が高く、かつ、高信頼性を有する角速度センサを提供することができる。
【０１１３】
以下に、本実施の形態１における第３特徴点について説明する。本実施の形態１における第３特徴点は、質量体ＭＳの形状と支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２の配置位置にある。例えば、図１４に示すように、本実施の形態１における質量体ＭＳは、駆動方向であるｘ方向に延在する２つの長い第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを有し、第１部位Ｐ１の両端部、および、第２部位Ｐ２の両端部に、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２が接続されており、この支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２が基板に固定された外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂと内側固定部ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂと接続されている。
【０１１４】
このように支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２を、質量体ＭＳのｘ方向に長い第１部位Ｐ１の先端部と第２部位Ｐ２の先端部に配置することにより、例えば、周辺の環境温度や実装に起因する基板歪が発生して、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂおよび内側固定部ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂが変位した場合であっても、基板歪に起因するこの変位の一部は、ｘ方向に長い第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２の変形として吸収される。つまり、本実施の形態１における第３特徴点は、質量体ＭＳをｘ方向に長い第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２を有するように構成し、かつ、第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２の先端部に支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２を配置する点にある。これにより、基板歪が発生した場合でも、質量体ＭＳ自体が変形しやすくなり、質量体ＭＳ自体で基板歪の一部を吸収しやすくできるのである。このことから、本実施の形態１における第３特徴点によれば、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２に発生する内部応力を軽減することができるため、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２のばね定数の変動を抑制することができ、これによって、駆動方向の固有振動数ωｒｘの変動も抑制することができるのである。
【０１１５】
ただし、質量体ＭＳの変形ですべての基板歪を吸収することは困難であるため、質量体ＭＳの変形で吸収し切れなかった基板歪が存在し、この残存する基板歪は、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２を構成する部材の内部応力となる。この点に関し、本実施の形態１では、さらに、支持梁ＢＭ１と支持梁ＢＭ２の配置位置、および、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂおよび内側固定部ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂの配置位置に工夫を施している。この工夫点が本実施の形態１における第４特徴点であり、この第４特徴点によって、本実施の形態１によれば、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２に発生する内部応力を相殺することができるのである。以下に、本実施の形態１における第４特徴点について説明する。
【０１１６】
本実施の形態１における第４特徴点は、支持梁ＢＭ１と支持梁ＢＭ２の配置位置、および、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂおよび内側固定部ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂの配置位置に存在する。例えば、図１４に示すように、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、外側固定部ＯＦＵ１Ｂ、内側固定部ＩＦＵ２Ａ、内側固定部ＩＦＵ２Ｂは、仮想線ＩＬに対して同じ側に配置されている。このような配置の場合、基板歪がセンサエレメントＳＥの中心から外側に向かう方向に発生することを考慮すれば、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、外側固定部ＯＦＵ１Ｂ、内側固定部ＩＦＵ２Ａ、内側固定部ＩＦＵ２Ｂには、同じ方向の基板歪が発生することになる。
【０１１７】
さらに、外側固定部ＯＦＵ１Ａと内側固定部ＩＦＵ２Ａは、第１部位Ｐ１に対して対称に配置されており、外側固定部ＯＦＵ２Ｂと内側固定部ＩＦＵ２Ｂも、第１部位Ｐ１に対して対称に配置されている。このような配置の場合、第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２を含む質量体ＭＳは基板と直接接続されていない。このことから、質量体ＭＳ自体は、基板歪に対して変位しないことを考慮すると、例えば、上述した対称配置されている外側固定部ＯＦＵ１Ａと内側固定部ＩＦＵ２Ａに着目した場合、外側固定部ＯＦＵ１Ａと内側固定部ＩＦＵ２Ａが同じ方向に変位し、かつ、質量体ＭＳが変位しないことから、基板歪によって、外側固定部ＯＦＵ１Ａと第１部位Ｐ１の間の距離が大きくなり、内側固定部ＩＦＵ２Ａと第１部位Ｐ１の間の距離が小さくなるか、または、外側固定部ＯＦＵ１Ａと第１部位Ｐ１の間の距離が小さくなり、内側固定部ＩＦＵ２Ａと第１部位Ｐ１の間の距離が大きくなることになる。このことは、外側固定部ＯＦＵ１Ａと第１部位Ｐ１とを接続している支持梁ＢＭ１の単位梁ＢＭ１Ａに引張応力が働く場合には、内側固定部ＩＦＵ２Ａと第１部位Ｐ１とを接続している支持梁ＢＭ２の単位梁ＢＭ２Ａに圧縮応力が働くことを意味している。言い換えれば、外側固定部ＯＦＵ１Ａと第１部位Ｐ１とを接続している支持梁ＢＭ１の単位梁ＢＭ１Ａに圧縮応力が働く場合には、内側固定部ＩＦＵ２Ａと第１部位Ｐ１とを接続している支持梁ＢＭ２の単位梁ＢＭ２Ａには、引張応力が働くことを意味している。
【０１１８】
例えば、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２の駆動方向（ｘ方向）におけるばね定数は、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２の形状や構成材料のヤング率などの関数となるが、構成材料のヤング率は、構成材料固有の物性値でありながらも材料の内部応力によって、見かけ上の値が変化する。図示はしないが、基板歪による支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２のｙ方向の主応力の有限要素解析結果によれば、支持梁ＢＭ１と支持梁ＢＭ２は、外側固定部ＯＦＵ１Ａ、ＯＦＵ１Ｂおよび内側固定部ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂの位置変動による内部応力を互いに打ち消すように内部応力が発生していることがわかる。
【０１１９】
このように本実施の形態１の第３特徴点および第４特徴点によれば、センサエレメントＳＥに発生する基板歪のうちの一部は、質量体ＭＳのｘ方向に長い第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２の変形によって吸収されるとともに、残りの基板歪に起因して支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２に発生する内部応力は、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２を構成する構成要素間で相殺されることなる。この結果、本実施の形態１によれば、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２のばね定数の変動を抑えることができるため、駆動方向の固有振動数ωｒｘの変動に起因する角速度センサの感度の変動を抑制することができる。
【０１２０】
ここで、本実施の形態１において、ｙ方向の主応力成分に着目した理由は、基板歪によって外側固定部ＯＦＵ１Ａ，ＯＦＵ１Ｂおよび内側固定部ＩＦＵ２Ａ、ＩＦＵ２Ｂが角速度センサの中心部に対して放射線状に発生した場合、ｘ方向の移動においては、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２が変形することで吸収されるため、内部応力が発生することはないことを考慮したものである。一方、ｙ方向の移動においては、質量体ＭＳのｘ方向に長い第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２の変形によって吸収し切れなかった一部の変形が、支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２に引張方向や圧縮方向に働く。このため、ｙ方向に硬く形成されている支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２の内部にはｙ方向の引張応力や引張応力が発生することになる。特に、ｙ方向の内部応力は支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２の駆動方向（ｘ方向）のばね定数に影響を及ぼすため、質量体ＭＳと支持梁ＢＭ１および支持梁ＢＭ２によって構成される振動系の固有振動数ωｒｘの変動が発生する。すなわち、環境温度の変動に起因した基板歪の発生と、この基板歪に基づく振動系の固有振動数ωｒｘの変動による角速度センサの感度の変動の主要因がｙ方向の主応力成分に起因するのである。このため、本実施の形態１では、上述した第３特徴点および第４特徴点を採用することによって、ｙ方向における基板歪の影響を抑制しているのである。
【０１２１】
以上のことから、本実施の形態１によれば、上述した第３特徴点と第４特徴点の相乗効果により、温度変化に基づく駆動方向の固有振動数ωｒｘの変動を充分に抑制することができる。このため、本実施の形態１によれば、振動系の固有振動数ωｒｘの変動に起因する角速度センサの感度の変動も抑制することができる。
【０１２２】
例えば、角速度センサの温度変化に起因する特性変動を補正する方法として、各温度点での角速度センサの出力値を記録し、これらが全使用温度範囲の中で、予め決められた仕様範囲内に収まるように補正する電気的な補正方法がある。ところが、角速度センサの各温度点における出力値が非線形的な挙動を示す場合には、補正のために、多くの温度点における出力値と複雑な補正演算処理が必要となるとともに、恒温槽を装備した高価な評価装置が必要となり、製造コストの上昇に繋がる。
【０１２３】
この点に関し、本実施の形態１における角速度センサによれば、上述した第３特徴点および第４特徴点を有しているため、広い使用温度範囲においても、振動系の固有振動数ωｒｘの変動を抑制できる。このため、本実施の形態１における角速度センサによれば、信号処理回路による高度な温度特性補正が不要となり、角速度センサの信頼性向上や、信号処理回路の小型化、角速度センサの出荷時における温度特性補正の簡素化などを図ることができ、これによって、製造コストの低減を図ることができる。
【０１２４】
続いて、本実施の形態１における第５特徴点について説明する。
【０１２５】
本実施の形態１における角速度センサは、駆動振動する１つの質量体ＭＳを共有しながら、互いに異なる方向に変位可能な２つのコリオリ素子ＣＥ１およびコリオリ素子ＣＥ２を備えることにより、例えば、ｚ方向回りの角速度Ωｚと、ｙ方向回りの角速度Ωｙを同時に検出することができる。ところが、質量体ＭＳを共有するために、質量体ＭＳにコリオリ素子ＣＥ１とコリオリ素子ＣＥ２を接続するように配置する場合、例えば、図１４に示すように、質量体ＭＳを構成する第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２のｘ方向の長さが長くなる。言い換えれば、支持梁ＢＭ１と支持梁ＢＭ２を１つの支持梁群とした場合、質量体ＭＳの四隅に配置されている４つの支持梁群の間の距離が必然的に長くなる。この結果、駆動振動系の駆動固有振動数の近傍、若しくは、低い周波数帯域に、例えば、ｚ方向に振動するモードなどに代表される角速度センサの動作には不要な共振モードが出現するおそれがある。つまり、質量体ＭＳの長さが長くなって、支持梁群の間の距離が大きくなることに起因して、角速度センサの動作には無関係な振動系を構成する不要モードが発生しやすくなるのである。
【０１２６】
これらの不要モードは、角速度センサのｘ方向の駆動振動を構成する駆動モードとは異なる振動系を構成する。このため、温度変動に伴う周波数変動特性に代表される温度特性も異なり、不要モードが上述した駆動モードと隣接した周波数帯域に存在する場合には、特定温度で不要モードと駆動モードが混じることによって誤動作の原因ともなる。
【０１２７】
この点に関し、不要モードを発生しにくくするためには、もっと多くの支持梁を配置して質量体ＭＳを支持することが考えられるが、配置位置を考慮しないと、上述した内部応力に起因する駆動方向の固有振動数ωｒｘの変動と、それに伴う角速度センサの感度の変動が問題点として顕在化する。
【０１２８】
そこで、本実施の形態１では、上述した第３特徴点および第４特徴点による歪にロバストな特性を維持しながらも、例えば、図１４に示すように、上述した不要モードの発生を抑制するための工夫を施している。この工夫点が第５特徴点である。具体的に、まず、ｙ方向の中心に位置して、仮想線ＩＬ上に配置される固定部ＦＵ２を設ける。そして、接続部ＣＵは、ｘ方向において、基板と固定された固定部ＦＵ２を挟むように配置された第３部位Ｐ３と第４部位Ｐ４を備える。このとき、第３部位Ｐ３は、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを連結するように配置される。同様に、第４部位Ｐ４も、第１部位Ｐ１と第２部位Ｐ２とを連結するように配置される。そして、第３部位Ｐ３は、支持梁ＢＭ３を介して固定部ＦＵ２と接続され、かつ、第４部位Ｐ４は、支持梁ＢＭ４を介して固定部ＦＵ２と接続されている。このように構成する点に本実施の形態１における第５特徴点がある。
【０１２９】
この場合、周辺環境温度による基板歪が発生しても、固定部ＦＵ２が変位することはなく、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４には内部応力が発生しない。一方で、質量体ＭＳの第１部位Ｐ１および第２部位Ｐ２が支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４を介して固定部ＦＵ２とも接続される。この結果、本実施の形態１によれば、歪にロバストな特徴構成を維持しながらも、角速度センサの動作には不必要な不要モードを抑制することができる。
【０１３０】
特に、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４は、質量体ＭＳのｙ方向に長い第３部位Ｐ３と第４部位Ｐ４の間に配置され、平面視において第３部位Ｐ３と第４部位Ｐ４を挟むようにコリオリ素子ＣＥ１とコリオリ素子ＣＥ２を配置している。このような配置にすることにより、支持梁ＢＭ３および支持梁ＢＭ４を中心に左右に配置されたコリオリ素子ＣＥ１とコリオリ素子ＣＥ２の重さがバランスを取ることとなる。このため、ｙ方向回りに回転する不要モードを抑制することができる。専門用語を用いるとこれは、ｙ方向における慣性モーメントを小さくしたこととなり、ｙ方向周りに回転する不要モードの固有周波数を高くしたことになる。この結果、本実施の形態１によれば、駆動振動系の固有振動数よりも高周波帯域にｙ方向周りに回転する不要モードの固有周波数をシフトさせることができる。これにより、環境温度変化によって、駆動振動系の固有振動数が変化したとしても、特定温度において不要モードと駆動モードが混じることを効果的に抑制することができ、これによって、角速度センサの誤動作の可能性を低くすることができる。
【０１３１】
本実施の形態１における角速度センサは、コリオリ素子ＣＥ１の変位を角速度検出部ＹＳＵ１で静電容量値の変化をして捉えることにより、ｚ方向回りの角速度を検出し、コリオリ素子ＣＥ２の変位を角速度検出部ＹＳＵ２の静電容量値の変化として捉えることにより、ｙ方向回りの角速度を検出している。この点に関し、物体の変位を検出する方法としては、静電容量値の変化を検出する方式の他に、物体の変位を構造の歪として捉え、特殊な薄膜の内部に存在する電気双極子間の距離の変動に伴って発生する電荷を電流として検出する圧電効果を使用する方式もある。ところが、圧電効果を使用する方式では、物体の変位によって発生した電荷がすぐに消滅するため、傾斜などの静的な変位（例えば、重力加速度に起因する変位）を検出することは困難である。つまり、角速度センサと加速度センサを統合することを考えた場合、圧電効果を使用する方式では、静的な変位も検出する加速度センサを実現することが困難になる。このため、圧電効果を使用する方式では、角速度センサと加速度センサとを統合することが困難となる。
【０１３２】
これに対し、静電容量値を検出する方式では、重力加速度に代表される静的な変位も容易に検出することができる。このことから、本実施の形態１における角速度センサでは、容易に加速度センサと統合することができる。したがって、本実施の形態１における多軸の角速度センサは、加速度センサと角速度センサを１つのセンサに統合するトレンドに適合したアプローチを提供するものと考えられる。
【０１３３】
＜変形例＞
本変形例では、音叉構造の角速度センサについて説明する。図１６は、本変形例における角速度センサＳ２の平面構成を示す図である。図１６において、基板には、センサエレメントＳＥ１とセンサエレメントＳＥ２が設けられており、このセンサエレメントＳＥ１とセンサエレメントＳＥ２は、互いの振動エネルギーを共有する音叉構造を構成するように、リンク梁ＬＢＭによって接続されている。そして、センサエレメントＳＥ１およびセンサエレメントＳＥ２のそれぞれの構成は、前記実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥの構成と同様である。
【０１３４】
特に、本変形例においては、センサエレメントＳＥ１の構成要素と、センサエレメントＳＥ２の構成要素は、ｘ方向の中心線に対して（リンク梁ＬＢＭに対して）、鏡像対称となるように配置されている。そして、センサエレメントＳＥ１の質量体（励振素子）と、センサエレメントＳＥ２の質量体（励振素子）は、励振方向であるｘ方向において互いに逆相振動するように制御されている。
【０１３５】
これにより、本変形例における角速度センサの利点としては、コモンリジェックションとして呼ばれる電気的な同相モードノイズのキャンセルや外部からの外乱振動のキャンセルなどを挙げることができる。例えば、加速度に起因するような同相モードノイズが発生しても、音叉構造の場合、センサエレメントＳＥ１の変位とセンサエレメントＳＥ２の変位の差分を取るため、相殺することができ、検出精度を向上させることができる。さらには、検出振動系においても、振動外乱のようなノイズ成分を除去し、角速度の印加に起因する信号だけを分離することが容易となる。また、音叉構造とすることにより、例えば、駆動振動系を構成する質量体や支持梁に加工時の誤差が存在する場合であっても、きれいな共振特性を得ることができる。
【０１３６】
（実施の形態２）
図１７は、本実施の形態２における角速度センサのセンサエレメントＳＥの平面構成を示す図である。図１７において、本実施の形態２におけるセンサエレメントＳＥの構成は、例えば、図１４に示す前記実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥの構成とほぼ同様であるため、相違点を中心に説明する。
【０１３７】
図１４および図１７に示すように、前記実施の形態１と本実施の形態２の相違点は、コリオリ素子ＣＥ２を支持する検出梁の構成である。すなわち、前記実施の形態１では、構成要素がねじれる変形態様の検出梁ＤＢＭ３を採用している一方、本実施の形態２では、構成要素が屈曲する変形態様の検出梁ＤＢＭ４を採用している点に相違点がある。その他の構成や製造方法については、前記実施の形態１と同様であるため、ねじれ梁である検出梁ＢＭ３の代わりに屈曲梁である検出梁ＤＢＭ４を採用することによって得られる利点を重点的に説明する。
【０１３８】
まず、（式４）は、上述した（式２）を（式３）に代入して、角速度センサの感度Ｓｚを駆動周波数ωｄ（ここでは、駆動周波数ωｄを駆動方向の固有振動数ωｒｘに一致させているため、ωｄ＝ωｒｘとなる。）と、コリオリ素子ＣＥ１と検出梁ＤＢＭ１および検出梁ＤＢＭ２から構成される検出系の検出方向の固有振動数ωｒｙとの関係式として表現したものである。さらに、（式３）の中のＱｓｙを駆動周波数ωｄと検出方向の固有振動数ωｒｙが異なる場合でも対応できるように一般化している。さらに、（式５）は、応答倍率を示す関係式であり、（式６）は、角速度センサの応答周波数を示す関係式である。
【０１３９】
Ｓｚ＝ｙ／Ωｚ
＝２・ｍｙ・Ｘ・ωｄ／ωｒｙ２
×１／｛［１−（ωｄ／ωｒｙ）２］２＋［ωｄ／（Ｑｓｙωｒｙ）］２｝１／２
・・・（式４）
このとき、Ｓｚは角速度センサの感度、ｙはコリオリ素子ＣＥ１のｙ方向の変位、Ωｚはｚ方向回りの角速度、ｍｙはコリオリ素子ＣＥ１の質量、Ｘは駆動方向の最大振幅、ωｄ／２πは駆動周波数、ωｒｙは第１検出方向（ｙ方向）の固有振動数を示している。
【０１４０】
Ｑｓｙｅ＝１／｛［１−（ωｄ／ωｒｙ）２］２＋［ωｄ／（Ｑｓｙωｒｙ）］２｝１／２
・・・（式５）
このとき、Ｑｓｙｅは、応答倍率を示している。
【０１４１】
ｆｂ＝ωｒｙ／（１２・π・Ｑｓｙｅ）                            ・・・（式６）
このとき、ｆｂは、角速度センサの応答周波数である。
【０１４２】
（式４）から、角速度センサの感度Ｓｚは、駆動周波数ωｄと検出方向の固有振動数ωｒｙの比の関数であることが分かる。さらに、（式５）からは、駆動周波数ωｄと検出方向の固有振動数ωｒｙとを近づけるほど、応答倍率Ｑｓｙｅは高くなるため、高い感度Ｓｚを得られることがわかる。つまり、駆動周波数ωｄを検出方向の固有振動数ωｒｙに一致させれば、応答倍率Ｑｓｙｅは検出振動系の機械品質係数Ｑｓｙと同じ値となり、最大となる。ところが、（式６）に示すように応答倍率Ｑｓｙｅが高すぎると、角速度センサの応答周波数ｆｂが制限される。さらに、駆動周波数ωｄを検出方向の固有振動数ωｒｙに一致させた場合には、コリオリ素子ＣＥ１の位相が周波数のわずかな変動で大きく変化して不安定な状態となるため、一般的には、駆動周波数ωｄの値と、検出方向の固有振動数ωｒｙの値を一定間隔で分離している。したがって、感度変動の少ない高い信頼性を有する角速度センサを提供するためには、駆動方向の固有振動数ωｒｘ（＝駆動周波数ωｄ）と検出方向の固有振動数ωｒｙの比および周波数差を温度変化に対してなるべく一定に保持することが重要であることがわかる。
【０１４３】
そこで、本実施の形態２では、以下に示す工夫を施している。すなわち、本実施の形態２における角速度センサでは、質量体ＭＳとともに駆動振動系を構成する支持梁ＢＭ１、ＢＭ２、ＢＭ３、ＢＭ４が屈曲する屈曲梁として構成されている。さらに、本実施の形態２における角速度センサでは、コリオリ素子ＣＥ１とともに第１検出振動系を構成する検出梁ＤＢＭ１、ＤＢＭ２も屈曲する屈曲梁として構成され、また、コリオリ素子ＣＥ２とともに第２検出振動系を構成する検出梁ＤＢＭ４も屈曲する屈曲梁として構成されている点に特徴点がある。すなわち、本実施の形態２における角速度センサでは、支持梁ＢＭ１、ＢＭ２、ＢＭ３、ＢＭ４、検出梁ＤＢＭ１、ＤＢＭ２、ＤＢＭ４のすべてが屈曲する屈曲梁から構成されている点に特徴点がある。以下に、この理由について説明する。
【０１４４】
図１８（ａ）は、屈曲による変位する屈曲梁を示す模式図であり、図１８（ｂ）は、ねじれにより変位するねじれ梁を示す模式図である。図１８（ａ）に示すように、屈曲梁ＢＭＷが屈曲変形することにより質量体Ｍが変位していることがわかる。一方、図１８（ｂ）に示すように、ねじれ梁ＢＭＴがねじれることにより質量体Ｍが変位していることがわかる。このように屈曲梁ＢＭＷとねじれ梁ＢＭＴは、変形態様が異なることがわかる。
【０１４５】
ここで、（式７）は屈曲梁ＢＭＷのばね定数を示す関係式であり、（式８）はねじれ梁ＢＭＴのばね定数を示す関係式である。
【０１４６】
ｋｂ＝Ｅ・ｂ・ｈ３／Ｌ３              ・・・（式７）
このとき、ｋｂは屈曲梁ＢＭＷのばね定数、Ｅは縦弾性係数、ｂは屈曲梁ＢＭＷの高さ、ｈは屈曲梁ＢＭＷの幅、Ｌは屈曲梁ＢＭＷの長さを示している。
【０１４７】
ｋｔ＝Ｅ・ｂ・ｈ３／｛２（１＋ν）・Ｌ｝
×［１／３−０．２１ｈ（１−ｈ４／１２ｂ４）／ｂ］        ・・・（式８）
このとき、ｋｔはねじれ梁ＢＭＴのばね定数、Ｅは縦弾性係数、ｂはねじれ梁ＢＭＴの高さ、ｈはねじれ梁ＢＭＴの幅、Ｌはねじれ梁ＢＭＴの長さ、νはポアソン比を示している。
【０１４８】
このことから、図１８（ａ）に示す屈曲梁ＢＭＷを使用する振動系の固有振動数ωｒｂは、ωｒｂ＝√（ｋｂ／ｍ）であり、図１８（ｂ）に示すねじれ梁ＢＭＴを使用する振動系の固有振動数ωｒｔは、ωｒｔ＝√（ｋｔ／Ｊ）として定義できる。このとき、ｍは質量体Ｍの質量であり、Ｊは質量体Ｍの慣性モーメントである。図１８（ｂ）における慣性モーメントＪは、Ｊ＝ρｂｃａ３／１２であり、ρは密度である。
【０１４９】
さらに、梁を構成する材料として、＜１１０＞結晶軸の単結晶シリコンを使用した場合、縦弾性係数Ｅは、（式９）に示す温度依存性を有する。
【０１５０】
Ｅ＝Ｅ０−ＢＴｅｘｐ（−Ｔ０／Ｔ）              ・・・（式９）
このとき、Ｅ０は、０Ｋでの＜１１０＞単結晶シリコンの縦弾性係数（１６７．５ＧＰａ）、Ｂは温度係数（１５．８ＭＰａ／Ｋ）、Ｔ０は近似係数（３１７Ｋ）、Ｔは温度を示している。
【０１５１】
以上のことから、屈曲梁ＢＭＷを使用する振動系の固有振動数ωｒｂは、（式７）に示すばね定数ｋｂの温度変化に基づく温度依存性を有することになる一方、ねじれ梁ＢＭＴを使用する振動系の固有振動数ωｒｔは、（式８）に示すばね定数ｋｔの温度変化に基づく温度依存性を有することになる。ここで、（式７）に示すばね定数ｋｂと、（式８）に示すばね定数ｋｔとは、関係式が異なることから、屈曲梁ＢＭＷを使用する振動系の固有振動数ωｒｂの温度依存性と、ねじれ梁ＢＭＴを使用する振動系の固有振動数ωｒｔの温度依存性は異なることになる。したがって、１つのセンサエレメントＳＥ上に屈曲梁と質量体として構成される屈曲振動系と、ねじり梁と慣性モーメントとして構成されるねじり振動系が混在する場合には、２つの固有振動数の比および周波数差を広い使用温度範囲内で一定に維持することが困難である。つまり、図１９に示すように、例えば、角速度センサにおいて、駆動振動系に屈曲振動系を採用し、検出振動系にねじれ振動系を採用する場合、それぞれの固有振動数の温度依存性が異なることから、２つの固有振動数の比および周波数差を広い使用温度範囲内で一定に維持することが困難であることがわかる。
【０１５２】
もちろん、上述した（式７）〜（式９）を駆使することで、図１４に示す前記実施の形態１におけるセンサエレメントＳＥにおいて、質量体ＭＳ、屈曲梁から構成される支持梁ＢＭ１、ＢＭ２、ＢＭ３、ＢＭ４、屈曲梁から構成される検出梁ＤＢＭ１、ＤＢＭ２、ねじれ梁から構成される検出梁ＤＢＭ３、コリオリ素子ＣＥ１、コリオリ素子ＣＥ２の形状および配置を工夫することで、駆動振動系と検出振動系の間の固有振動数の温度依存性を合わせることは不可能ではないが、大きな構造設計の制約となる。
【０１５３】
これに対し、本実施の形態２における角速度センサのセンサエレメントＳＥでは、支持梁ＢＭ１、ＢＭ２、ＢＭ３、ＢＭ４、検出梁ＤＢＭ１、ＤＢＭ２、ＤＢＭ４のすべてが屈曲する屈曲梁から構成されている。この場合、図１９に示すように、駆動振動系に屈曲振動系を採用し、検出振動系にも屈曲振動系を採用する場合、それぞれの固有振動数の温度依存性がほぼ同様になることから、２つの固有振動数の比および周波数差を広い使用温度範囲内で一定に維持することが可能となる。すなわち、本実施の形態２では、質量体ＭＳと支持梁ＢＭ１、ＢＭ２、ＢＭ３、ＢＭ４として構成される駆動振動系の固有振動数ωｒｘ、コリオリ素子ＣＥ１と検出梁ＤＢＭ１、ＤＢＭ２として構成される第１検出振動系の固有振動数ωｒｙ、コリオリ素子ＣＥ２と検出梁ＤＢＭ４として構成される第２検出振動系の固有振動数ωｒｚが存在する。このとき、本実施の形態２では、すべての梁を屈曲する屈曲梁から構成しているため、図１９からわかるように、固有振動数の比および周波数差を広い使用温度範囲で一定に維持することができる。この結果、本実施の形態２によれば、感度の温度依存性が少ない高い信頼性を有する角速度センサを提供することができる。
【０１５４】
さらに、本実施の形態２によれば、広い温度範囲においても感度の変動が少ないため、角速度センサの出荷時の補正および調整の工数を軽減することができ、これによって、より低コストで高信頼性を有する角速度センサを提供することができる。
【０１５５】
なお、本実施の形態２における角速度センサにおいても、前記実施の形態１における角速度センサと同様に音叉構造とすることもできる。
【０１５６】
また、本実施の形態２では、駆動振動系および２つの異なる検出振動系において、すべて屈曲モードで構成する例を挙げて説明しているが、（式７）から（式９）を考慮すれば、本実施の形態２の基本思想は、駆動振動系および２つの異なる検出振動系において、すべて同一の変形態様（変形モード）で構成する点に本質があることは明らかである。したがって、例えば、駆動振動系および２つの異なる検出振動系において、すべてねじりモードで構成しても上述した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１５７】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【０１５８】
本発明は、自動車やロボットなどの姿勢検知、デジタルカメラの手ぶれ補正、ナビゲーションシステムの姿勢・方向検知、ゲーム機の姿勢検知などに使用される慣性センサの分野に幅広く利用することができる。特に、異なる方向の角速度を検出する場合に優れた効果を発揮することができる。
【符号の説明】
【０１５９】
１ａ  絶縁膜
１Ｓ  基板
２Ｓ  ＳＯＩ基板
１０  Ｃ／Ｖ変換部
１１  ＡＤ変換部
１２  差動検出部
１３  同期検波部
１４  ＡＦＣ
１５  ＡＧＣ
１６  ＤＡ変換部
２０Ａ  Ｃ／Ｖ変換部
２０Ｂ  Ｃ／Ｖ変換部
２１Ａ  ＡＤ変換部
２１Ｂ  ＡＤ変換部
２２Ａ  差動検出部
２２Ｂ  差動検出部
２３Ａ  同期検波部
２３Ｂ  同期検波部
２４Ａ  ＬＰＦ
２４Ｂ  ＬＰＦ
ＡＤＨ１  接着材
ＡＤＨ２  接着材
ＢＭ  梁
ＢＭＴ  ねじれ梁
ＢＭＷ  屈曲梁
ＢＭ１  支持梁
ＢＭ１Ａ  単位梁
ＢＭ１Ｂ  単位梁
ＢＭ２  支持梁
ＢＭ２Ａ  単位梁
ＢＭ２Ｂ  単位梁
ＢＭ３  支持梁
ＢＭ４  支持梁
ＣＡＰ  キャップ
ＣＡＲ  自動車
ＣＥ１  コリオリ素子
ＣＥ２  コリオリ素子
ＣＨＰ１  半導体チップ
ＣＵ  接続部
ＤＢＭ１  検出梁
ＤＢＭ２  検出梁
ＤＢＭ３  検出梁
ＤＢＭ４  検出梁
ＤＥ１  容量素子
ＤＥ２  容量素子
ＤＩＴ  溝
ＤＬ  デバイス層
ＦＥ  固定電極
ＦＰ１  自由端
ＦＰ２  自由端
ＦＵ  固定部
ＦＵ２  固定部
ＩＦＵ２Ａ  内側固定部
ＩＦＵ２Ｂ  内側固定部
ＩＦ１  絶縁膜
ＩＬ  仮想線
ＩＬ１  絶縁膜
ＬＢＭ  リンク梁
ＬＤ  リード
Ｍ  質量体
ＭＥ１  容量素子
ＭＥ２  容量素子
ＭＦ  金属膜
ＭＲ  樹脂
ＭＳ  質量体
ＯＦＵ１Ａ  外側固定部
ＯＦＵ１Ｂ  外側固定部
ＯＵＴ１  出力端子
ＯＵＴ２  出力端子
ＯＸ１  絶縁膜
ＯＸ２  絶縁膜
ＰＤ１  パッド
ＰＤ２  パッド
Ｐ１  第１部位
Ｐ２  第２部位
Ｐ３  第３部位
Ｐ４  第４部位
ＳＥ  センサエレメント
ＳＥ１  センサエレメント
ＳＥ２  センサエレメント
ＳＰ  空間
ＳＰ２  空間
Ｓ１  角速度センサ
Ｓ２  角速度センサ
ＴＡＢ  チップ搭載部
ＴＨ  貫通孔
ＶＡ  貫通ビア
Ｗ１  ワイヤ
Ｗ２  ワイヤ
ＹＳＵ１  角速度検出部
ＹＳＵ２  角速度検出部
【図１】
2014238317.tif 000003
【図２】
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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７】
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【図８】
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【図９】
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【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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