(57)【要約】【課題】角速度を検出することが可能な回転センサを提供する。【解決手段】回転センサ３００は、センサ素子２０１〜２０８を含む。センサ素子２０１〜２０８は、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８をそれぞれ含む。センサ素子２０１〜２０４は、基板１０１の表面の中央部近傍に配置される。センサ素子２０１〜２０４の外側にセンサ素子２０５〜２０８がそれぞれ配置される。センサ素子２０５のカンチレバーＣＬ５はセンサ素子２０１のカンチレバーＣＬ１と同じ方向を向き、センサ素子２０６のカンチレバーＣＬ６はセンサ素子２０２のカンチレバーＣＬ２と同じ方向を向き、センサ素子２０７のカンチレバーＣＬ７はセンサ素子２０３のカンチレバーＣＬ３と同じ方向を向き、センサ素子２０８のカンチレバーＣＬ８はセンサ素子２０４のカンチレバーＣＬ４と同じ方向を向く。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上において共通の直線上にそれぞれ設けられ、前記直線に沿った一方向にそれぞれ向けられた第１および第２のセンサ素子と、
前記第１および第２のセンサ素子により検出された情報に基づいて回転の角速度の値を出力する出力部とを備え、
前記第１および第２のセンサ素子の各々は、
前記基板の一面から斜め上方に湾曲するように形成されたカンチレバーと、
前記カンチレバーの変形により変化する抵抗値を有する抵抗部とを有し、
前記出力部は、
前記第１および第２のセンサ素子の前記抵抗部の抵抗値の変化に対応する情報を検出する検出部と、
前記検出部により検出された情報を角速度の値に変換する変換部とを含むことを特徴とする回転センサ。
【請求項２】
前記第１および第２のセンサ素子は複数組設けられ、前記複数組の第１および第２のセンサ素子は互いに異なる方向に向けられたことを特徴とする請求項１記載の回転センサ。
【請求項３】
前記基板上に順に形成された第１および第２の膜と、
前記第２の膜上に形成され、残留応力を有するたわみ制御層とをさらに備え、
前記第１および第２のセンサ素子の各々のカンチレバーは、前記第２の膜により形成される支持部と、前記第２の膜および前記たわみ制御層により形成される可動部とを有し、
前記支持部は前記第１の膜の部分上に形成され、前記可動部下の前記第１の膜の部分が除去され、
前記可動部は、前記たわみ制御層の残留応力に起因して前記基板の一面から斜め上方に湾曲することを特徴とする請求項１または２記載の回転センサ。
【請求項４】
前記第２の膜は半導体材料からなり、
前記抵抗部は、前記第２の膜の一部領域に不純物が添加されることより形成されることを特徴とする請求項３記載の回転センサ。
【請求項５】
前記複数のセンサ素子を含む空間を取り囲むケーシングをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度を検出することが可能な回転センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、カンチレバー（片持ち梁）を用いた種々の加速度センサが提案されている。例えば、特許文献１および２には、半導体加工技術によりシリコンウエハにカンチレバーを形成する半導体加速度センサの製造方法が記載されている。
【０００３】
特許文献１および２に記載された方法により製造された半導体加速度センサでは、カンチレバーがシリコンウエハの表面に平行な状態で支持されている。シリコンウエハの表面に垂直な方向の加速度が作用した場合に、カンチレバーが上下に撓む。それにより、ピエゾ抵抗体の抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗体の抵抗値の変化を検出することにより加速度が検出される。
【０００４】
また、特許文献３には、三次元加速度センサが記載されている。特許文献３に記載された三次元加速度センサにおいては、単結晶シリコン板を加工することにより同一平面に沿って十字状の連結部が形成されるとともに、連結部の中心から点対称に延びる４個のカンチレバー部が形成され、これらのカンチレバー部の下面の端部に質量部がそれぞれ設けられる。質量部の重心点はカンチレバー部の下方にずらされている。この場合、加速度の方向によって４個の質量部の変位がそれぞれ異なる。それにより、三次元の加速度を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−４６２１７号
【特許文献２】特開平６−２８３７２６号
【特許文献３】特開平５−２６４５７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の半導体加速度センサおよび三次元加速度センサを用いると、回転する物体の遠心力を検出することもできる。しかしながら、これらの半導体加速度センサおよび三次元加速度センサを用いて回転時の角速度を検出することはできない。
【０００７】
本発明の目的は、角速度を検出することが可能な回転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】
【０００８】
（１）本発明に係る回転センサは、基板と、基板上において共通の直線上にそれぞれ設けられ、直線に沿った一方向にそれぞれ向けられた第１および第２のセンサ素子と、第１および第２のセンサ素子により検出された情報に基づいて回転の角速度の値を出力する出力部とを備え、第１および第２のセンサ素子の各々は、基板の一面から斜め上方に湾曲するように形成されたカンチレバーと、カンチレバーの変形により変化する抵抗値を有する抵抗部とを有し、出力部は、第１および第２のセンサ素子の抵抗部の抵抗値の変化に対応する情報を検出する検出部と、検出部により検出された情報を角速度の値に変換する変換部とを含むものである。
【０００９】
その回転センサにおいては、基板上における共通の直線上に、その直線に沿った一方向にそれぞれ向けられた第１および第２のセンサ素子がそれぞれ設けられる。第１および第２のセンサ素子の各々において、基板の一面から斜め上方に湾曲するようにカンチレバーが形成される。
【００１０】
回転センサが回転すると、第１および第２のセンサ素子のカンチレバーに遠心力がそれぞれ働く。この場合、第１のセンサ素子のカンチレバーに働く遠心力と第２のセンサ素子のカンチレバーに働く遠心力との差に基づいて、角速度を算出することができる。
【００１１】
第１および第２のセンサ素子のカンチレバーに遠心力が働くと、第１および第２のセンサ素子のカンチレバーが変形する。それにより、第１および第２のセンサ素子の抵抗部の抵抗値が変化する。第１および第２のセンサ素子のカンチレバーに働く遠心力は、第１および第２のセンサ素子の抵抗部の抵抗値の変化に対応する。
【００１２】
そこで、出力部の検出部により第１および第２のセンサ素子の抵抗部の抵抗値の変化に対応する情報が検出される。検出部により検出された情報が変換部の演算により角速度の値に変換される。このようにして、角速度を検出することができる。
【００１３】
（２）第１および第２のセンサ素子は複数組設けられ、複数組の第１および第２のセンサ素子は互いに異なる方向に向けられてもよい。
【００１４】
この場合、複数組の第１および第２のセンサ素子の抵抗部の抵抗値の変化に基づいて、回転の軸が任意の位置および方向にある場合でも、確実に角速度を検出することができる。
【００１５】
（３）回転センサは、基板上に順に形成された第１および第２の膜と、第２の膜上に形成され、残留応力を有するたわみ制御層とをさらに備え、第１および第２のセンサ素子の各々のカンチレバーは、第２の膜により形成される支持部と、第２の膜およびたわみ制御層により形成される可動部とを有し、支持部は第１の膜の部分上に形成され、可動部下の第１の膜の部分が除去され、可動部は、たわみ制御層の残留応力に起因して基板の一面から斜め上方に湾曲してもよい。
【００１６】
この場合、カンチレバーの支持部は第１の膜の部分上に形成され、可動部下の第１の膜は除去される。可動部下の第１の膜が除去されることにより、たわみ制御層の残留応力に起因して可動部が自律的に基板の一面から斜め上方に湾曲する。
【００１７】
それにより、基板の一面から斜め上方に湾曲するカンチレバーを容易に形成することができるとともに、第１および第２のセンサ素子の構造を簡素化することができる。したがって、回転センサの小型化および低コスト化が可能となる。
【００１８】
（４）第２の膜は半導体材料からなり、抵抗部は、第２の膜の一部領域に不純物が添加されることより形成されてもよい。
【００１９】
この場合、カンチレバーの構造を簡素化することができるとともに、カンチレバーを容易に形成することができる。
【００２０】
（５）回転センサは、複数のセンサ素子を含む空間を取り囲むケーシングをさらに備えてもよい。この場合、各カンチレバーの変形を可能とする空間を確保することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、出力部の検出部により第１および第２のセンサ素子の抵抗部の抵抗値の変化に対応する情報が検出される。検出部により検出された情報が変換部の演算により角速度の値に変換される。それにより、角速度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る回転センサの斜視図である。
【図２】図１の回転センサの横断面図である。
【図３】図２の回転センサの縦断面図である。
【図４】本実施の形態に係る回転センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図５】本実施の形態に係る回転センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図６】本実施の形態に係る回転センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図７】本実施の形態に係る回転センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図８】本実施の形態に係る回転センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図９】本実施の形態に係る回転センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１０】図１〜図３の回転センサのセンサ素子群およびその出力回路の一例を示すブロック図である。
【図１１】カンチレバーに接続される出力回路の部分を示す回路図である。
【図１２】加速時における回転センサの動作を説明するための図である。
【図１３】回転センサの出力値およびＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度の例を示す図である。
【図１４】回転時における回転センサの動作を説明するための図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態に係る回転センサの横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態に係る回転センサについて図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（１）回転センサの構成
図１は本発明の一実施の形態に係る回転センサの斜視図、図２は図１の回転センサの横断面図、図３は図１の回転センサの縦断面図である。
【００２５】
図１〜図３に示される回転センサ３００は、センサ素子群２００を含む。センサ素子群２００は、複数のセンサ素子２０１，２０２，・・・により構成される。本実施の形態では、センサ素子群２００は、８つのセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，２０７，２０８により構成される。
【００２６】
センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，２０７，２０８は、それぞれカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４，ＣＬ５，ＣＬ６，ＣＬ７，ＣＬ８を含む。センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，２０７，２０８は、共通の基板１０１上に形成される。センサ素子群２００の大きさは、例えば０．４ｍｍ程度と小さい。
【００２７】
以下、基板１０１の表面に平行で互いに直交する２つの方向にＸ軸およびＹ軸を定義し、基板１０１の表面に垂直な方向にＺ軸を定義する。図面において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を示す矢印の方向を＋Ｘ軸方向、＋Ｙ軸方向および＋Ｚ軸方向と呼び、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を示す矢印と逆の方向を−Ｘ軸方向、−Ｙ軸方向および−Ｚ軸方向と呼ぶ。基板１０１の表面に向かう方向をＺ軸の正の方向とする。
【００２８】
基板１０１の表面の中央部近傍に、センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４が配置される。センサ素子２０１のカンチレバーＣＬ１とセンサ素子２０３のカンチレバーＣＬ３とが互いに対向し、センサ素子２０２のカンチレバーＣＬ２とセンサ素子２０４のカンチレバーＣＬ４とが互いに対向する。センサ素子２０１，２０３とセンサ素子２０２，２０４とは互いに直交する向きに配置されている。
【００２９】
センサ素子２０１の外側にセンサ素子２０５が配置され、センサ素子２０２の外側にセンサ素子２０６が配置され、センサ素子２０３の外側にセンサ素子２０７が配置され、センサ素子２０４の外側にセンサ素子２０８が配置される。センサ素子２０５のカンチレバーＣＬ５はセンサ素子２０１のカンチレバーＣＬ１と同じ方向を向き、センサ素子２０６のカンチレバーＣＬ６はセンサ素子２０２のカンチレバーＣＬ２と同じ方向を向き、センサ素子２０７のカンチレバーＣＬ７はセンサ素子２０３のカンチレバーＣＬ３と同じ方向を向き、センサ素子２０８のカンチレバーＣＬ８はセンサ素子２０４のカンチレバーＣＬ４と同じ方向を向く。
【００３０】
本実施の形態においては、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３，ＣＬ５，ＣＬ７がＸ軸方向に沿うようにセンサ素子２０１，２０３，２０５，２０７が配置され、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ４，ＣＬ６，ＣＬ８がＹ軸方向に沿うようにセンサ素子２０２，２０４，２０６，２０８が配置されている。
【００３１】
基板１０１は基台１１０上に取り付けられる。基台１１０は、アルミニウム、銅等の金属により形成されてもよく、シリコン等の半導体により形成されてもよく、樹脂等の絶縁体により形成されてもよい。基板１０１上に空間が確保されるように基台１１０にケーシング１２０が取り付けられる。それにより、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４が変形可能となっている。ケーシング１２０は、アルミニウム、銅等の金属により形成されてもよく、樹脂等の絶縁体により形成されてもよい。基板１０１には、後述する周辺回路の一部または全てが形成されてもよい。本実施の形態では、ケーシング１２０の内部空間が真空状態にされている。
【００３２】
（２）回転センサ１００の製造方法の一例
図４〜図９は本実施の形態に係る回転センサ１００の製造方法の一例を示す工程図であり、（ａ）は模式的断面図、（ｂ）は模式的平面図である。図４〜図９には、回転センサ２００に含まれる１つのセンサ素子２０１の部分のみが示されるが、他のセンサ素子２０２〜２０８も同時に同様の方法で形成される。
【００３３】
まず、図４に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator：絶縁体上シリコン）基板１０００を用意する。ＳＯＩ基板１０００は、例えば、結晶シリコンからなる基板１０１、埋め込み酸化膜１０２および結晶シリコン膜１０３を有する。結晶シリコン膜１０３の厚さは、例えば２００ｎｍである。埋め込み酸化膜１０２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。
【００３４】
次に、図５に示すように、熱拡散またはイオン注入により結晶シリコン膜１０３の略Ｕ字状領域にホウ素（Ｂ）を添加する。これにより、結晶シリコン膜１０３に、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａが形成される。略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａは、互いに平行に延びる一対の脚部とこれらの脚部を連結する連結部とからなる。ｐ型ドープ層１０３ａの厚さは、例えば１００ｎｍである。また、ｐ型ドープ層１０３ａにおけるホウ素の濃度は、例えば０．２原子％（１０２０／ｃｍ３）である。
【００３５】
次に、図６に示すように、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部を覆うように結晶シリコン膜１０３上に、フォトリソグラフィおよび低圧ＣＶＤ（化学的気相堆積法）により、一対の開口部１０５を有するＳｉＮ（窒化シリコン）からなる絶縁層１０４を形成する。絶縁層１０４の一対の開口部１０５はｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部に重なるように設けられる。それにより、一対の開口部１０５内でｐ型ドープ層１０３ａの一部が露出する。
【００３６】
さらに、図７に示すように、フォトリソグラフィおよび真空蒸着法により、一対の開口部１０５を含む絶縁層１０４の領域上にＣｒ（クロム）／Ａｕ（金）からなる一対の矩形の電極１０６を形成するとともに、結晶シリコン膜１０３上に、ｐ型ドープ層１０３ａに並ぶようにＣｒからなる略矩形状のたわみ制御層１０７を形成する。
【００３７】
Ｃｒの蒸着の際に、温度上昇によりたわみ制御層１０７および結晶シリコン膜１０３が熱膨張する。その後、たわみ制御層１０７および結晶シリコン膜１０３が収縮する。この場合、Ｃｒと結晶シリコンとの熱膨張係数の違いにより、冷却後には、たわみ制御層１０７内に残留応力が発生する。
【００３８】
次に、図８に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、絶縁層１０４下の領域を除いて、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａおよび略矩形状のたわみ制御層１０７の周囲における結晶シリコン膜１０３の領域を除去する。たわみ制御層１０７、ｐ型ドープ層１０３ａの連結部、およびそれらの下の結晶シリコン膜１０３の部分が後述するカンチレバーＣＬ１となる。なお、エッチングとしては、例えばウェットエッチング法を用いることができる。エッチング液としては、例えば２，６−ヒドロキシナフトエ酸（ＨＮＡ）を用いることができる。
【００３９】
次に、図９に示すように、エッチングによりカンチレバーＣＬ１の下の埋め込み酸化膜１０２の領域を除去する。エッチング液としては、例えば、フッ化水素（ＨＦ）を用いることができる。
【００４０】
ここで、上述したように、たわみ制御層１０７内に残留応力が発生している。そのため、埋め込み酸化膜１０２の上記の領域を除去した場合、たわみ制御層１０７内の残留応力に起因して、図９に示すように、たわみ制御層１０７がその下の結晶シリコン膜１０３の部分とともに上方に向かって湾曲する。これにより、ＸＹ平面において略矩形状でかつ基板１０１の一面から斜め上方に湾曲するようにカンチレバーＣＬ１が形成される。カンチレバーＣＬ１は支持部Ｓおよび可動部Ｒからなる。支持部Ｓが埋め込み酸化膜１０２上に支持され、可動部Ｒ下の埋め込み酸化膜１０２が除去されている。
【００４１】
なお、例えば、カンチレバーＣＬ１の可動部ＲにおけるＸＺ平面における曲率半径は約４００μｍであり、カンチレバーＣＬ１の長手方向の長さは約４００μｍである。
【００４２】
このようにして、カンチレバーＣＬ１を有するセンサ素子２０１が作製される。センサ素子２０１においては、略Ｕ字形状を有するｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部に電極１０６がそれぞれ形成されている。これにより、ｐ型ドープ層１０３ａをピエゾ抵抗素子として機能させることができる。
【００４３】
次に、図９の状態で、水洗浄、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）置換、およびｔ−ブチルアルコール置換を行う。その後、フリーズドライ（真空凍結乾燥）を行う。
【００４４】
その後、図１に示すように、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８が形成された基板１０１を基台１１０上に取り付け、基台１１０にケーシング１２０を取り付ける。
【００４５】
上記の製造方法によれば、たわみ制御層１０７に残留応力が存在するので、可動部Ｒ下の埋め込み酸化膜１０２の部分を除去することにより残留応力に起因してたわみ制御層１０７が可動部Ｒとともに自律的に基板１０１の一面から斜め上方に湾曲する。それにより、基板１０１の一面から斜め上方に湾曲するカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８を容易にかつ小型に形成することができるとともにセンサ素子２０１〜２０８の構造を簡素化することができる。したがって、回転センサ３００の小型化および低コスト化が可能となる。
【００４６】
（３）回転センサ３００の出力回路
図１０は図１〜図３の回転センサ３００のセンサ素子群２００およびその出力回路の一例を示すブロック図である。
【００４７】
図１０に示すように、センサ素子群２００は、８つのセンサ素子２０１〜２０８を含む。出力回路は、ブリッジ回路部２１０、増幅部２２０、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部２３０および演算回路２４０を有する。
【００４８】
ブリッジ回路部２１０は、センサ素子２０１〜２０８に対応するブリッジ回路２１１〜２１８を含む。増幅部２２０は、センサ素子２０１〜２０８に対応する増幅器２２１〜２２８を含む。Ａ／Ｄ変換部２３０は、センサ素子２０１〜２０８に対応するＡ／Ｄ変換器２３１〜２３８を含む。
【００４９】
センサ素子２０１〜２０８の一対の電極１０６にブリッジ回路２１１〜２１８がそれぞれ接続される。ブリッジ回路２１１〜２１８に、増幅器２２１〜２２８がそれぞれ接続される。増幅器２２１〜２２８に、Ａ／Ｄ変換器２３１〜２３８がそれぞれ接続される。Ａ／Ｄ変換器２３１〜２３８の出力値Ｓａ〜Ｓｈは演算回路２４０に与えられる。
【００５０】
ブリッジ回路部２１０、増幅部２２０、Ａ／Ｄ変換部２３０および演算回路２４０のうち一部または全てが図１〜図３の基板１０１に形成されてもよい。例えば、ブリッジ回路部２１０のみが基板１０１に形成され、増幅部２２０、Ａ／Ｄ変換部２３０および演算回路２４０が外部装置に設けられてもよい。また、ブリッジ回路部２１０、増幅部２２０およびＡ／Ｄ変換部２３０が基板１０１に形成され、演算回路２４０が外部装置に設けられてもよい。この場合には、演算回路２４０としてパーソナルコンピュータ等を用いることができる。
【００５１】
図１１はカンチレバーＣＬ１に接続される出力回路の部分を示す回路図である。図１１に示すように、カンチレバーＣＬ１の一対の電極１０６には、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が接続され、カンチレバーＣＬ１、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３および直流電源Ｅによりブリッジ回路２１１が構成されている。ブリッジ回路２１１の出力電圧は増幅器２２１に与えられ、増幅器２２１の出力電圧がＡ／Ｄ変換器２３１に入力される。
【００５２】
ここで、カンチレバーＣＬ１の変形によりｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗が変化する。このピエゾ抵抗の変化量がブリッジ回路２１１および増幅器２２１により電圧の変化として検出される。さらに、増幅器２２１の出力電圧がＡ／Ｄ変換器２３１によりデジタル信号の出力値Ｓａに変換される。
【００５３】
他のカンチレバーＣＬ２〜ＣＬ８に接続されるブリッジ回路２１２〜２１８も図１１のブリッジ回路２１１と同様の構成を有する。
【００５４】
後述するように、４つのセンサ素子２０１〜２０４に対応する出力値Ｓａ〜Ｓｄを用いてＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度を検出することができる。また、８つのセンサ素子２０１〜２０８に対応する出力値Ｓａ〜Ｓｈを用いて回転時における角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出することができる。ここで、ωｘはＸ軸周りの角速度であり、ωｙはＹ軸周りの角速度であり、ωｚはＺ軸周りの角速度である。
【００５５】
（４）加速度の検出
（４−１）回転センサの動作
本実施の形態に係る回転センサ３００においては、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４の動作に基づいて、加速度を検出することができる。図１２は、加速時における回転センサ３００のカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４の動作について説明するための図である。
【００５６】
図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は、基板１０１の上面から斜め上方に湾曲している。カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は、一端側が対向するように配置されている。
【００５７】
図１２（ａ）に示すように、＋Ｘ軸方向に加速度ａが生じている場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３には−Ｘ軸方向の慣性力Ｆが働く。カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の質量をｍとすると、Ｆ＝ｍａである。それにより、カンチレバーＣＬ１は曲率半径が小さくなるように変形し、カンチレバーＣＬ３は曲率半径が大きくなるように変形する。
【００５８】
図１２（ｂ）に示すように、−Ｘ軸方向に加速度ａが生じている場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３には＋Ｘ軸方向の慣性力Ｆが働く。それにより、カンチレバーＣＬ１は曲率半径が大きくなるように変形し、カンチレバーＣＬ３は曲率半径が小さくなるように変形する。
【００５９】
図１２（ｃ）に示すように、−Ｚ軸方向に加速度ａが生じている場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３には＋Ｚ軸方向の慣性力Ｆが働く。それにより、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は曲率半径が大きくなるように変形する。
【００６０】
カンチレバーＣＬ２，ＣＬ４の動作は、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の動作と同様である。
【００６１】
そのため、加速度ａが＋Ｘ軸方向に生じた場合と加速度ａが−Ｘ軸方向に生じた場合とでは、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３のｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化の方向（増加する方向または減少する方向）が逆になる。また、加速度ａが＋Ｙ軸方向に生じた場合と加速度ａが−Ｙ軸方向に生じた場合とでは、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ４のｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化の方向（増加する方向または減少する方向）が逆になる。さらに、加速度ａが＋Ｚ軸方向および−Ｚ軸方向に生じた場合は、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４のｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化の方向が同じになる。つまり、ピエゾ抵抗の変化の方向および変化量を検出することにより、加速度ａの方向および大きさを検出することができる。
【００６２】
（４−２）回転センサの出力値とＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度との関係
回転センサ３００のセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４に対応する出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，ＳｄとＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度ａｘ，ａｙ，ａｚとは次の関係を有する。
【００６３】
ａｘ＝ｋ１・（Ｓａ−Ｓｃ）
ａｙ＝ｋ２・（Ｓｂ−Ｓｄ）
ａｚ＝ｋ３・（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ＋Ｓｄ）
上式において、ｋ１、ｋ２およびｋ３は係数である。係数ｋ１，ｋ２，ｋ３は、製造時に、回転センサ３００にＸ軸方向の加速度ａｘ、Ｙ軸方向の加速度ａｙおよびＺ軸方向の加速度ａｚを作用させた場合のセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４に対応する出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄを測定することにより、上式から算出される。
【００６４】
図１３は回転センサ群２００の出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，ＳｄおよびＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の加速度ａｘ，ａｙ，ａｚの例を示す図である。
【００６５】
図１３において、期間Ｔ１では、＋Ｘ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓａが正の値となり、出力値Ｓｃが負の値となり、出力値Ｓｂ，Ｓｄが０となる。上式より、Ｘ軸方向の加速度ａｘは正の値となり、Ｙ軸方向の加速度ａｙおよびＺ軸方向の加速度ａｚは０となる。期間Ｔ２では、−Ｘ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓａが負の値となり、出力値Ｓｃが正の値となり、出力値Ｓｂ，Ｓｄが０となる。上式より、Ｘ軸方向の加速度ａｘは負の値となり、Ｙ軸方向の加速度ａｙおよびＺ軸方向の加速度ａｚは０となる。
【００６６】
期間Ｔ３では、＋Ｙ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓｂが正の値となり、出力値Ｓｄが負の値となり、出力値Ｓａ，Ｓｃが０となる。上式より、Ｙ軸方向の加速度ａｙは正の値となり、Ｘ軸方向の加速度ａｘおよびＺ軸方向の加速度ａｚは０となる。期間Ｔ４では、−Ｙ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓｂが負の値となり、出力値Ｓｄが正の値となり、出力値Ｓａ，Ｓｃが０となる。上式より、この場合、Ｙ軸方向の加速度ａｙが負の値となり、Ｘ軸方向の加速度ａｘおよびＺ軸方向の加速度ａｚは０となる。
【００６７】
期間Ｔ５では、＋Ｚ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄが正の値となる。上式より、Ｚ軸方向の加速度ａｚが正の値となり、Ｘ軸方向の加速度ａｘおよびＹ軸方向の加速度ａｙは０となる。期間Ｔ６では、−Ｚ軸方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄが負の値となる。上式より、Ｚ軸方向の加速度ａｚが負の値となり、Ｘ軸方向の加速度ａｘおよびＹ軸方向の加速度ａｙは０となる。
【００６８】
期間Ｔ７では、ＸＹ平面内で＋Ｘ軸方向および＋Ｙ軸方向から約４５度の方向に加速度が生じている。この場合、出力値Ｓａ，Ｓｂが正の値となり、出力値Ｓｃ，Ｓｄが負の値となる。上式より、Ｘ軸方向の加速度ａｘおよびＹ軸方向の加速度ａｙが正の値となり、Ｚ軸方向の加速度ａｚが０となる。
【００６９】
（５）角速度の検出
本実施の形態に係る回転センサ３００においては、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８の動作に基づいて、回転時の角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出することができる。図１４は、回転時における回転センサ３００のカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８の動作について説明するための模式的平面図および模式的断面図である。
【００７０】
図１４の例では、センサ素子２０１〜２０４の中央に位置しかつＺ軸方向に平行な回転軸Ｐ１の周りで、回転センサ３００が回転する。この場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ５には、回転軸Ｐ１から外方（−Ｘ方向）に向かう遠心力が働く。
【００７１】
ここで、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ５の質量をｍとし、カンチレバーＣＬ１と回転軸Ｐ１との距離をｒ１とし、カンチレバーＣＬ５と回転軸Ｐ１との距離をｒ２とし、カンチレバーＣＬ１に働く遠心力をＦａとし、カンチレバーＣＬ５に働く遠心力をＦｂとし、回転の角速度をω１とすると、次式（１），（２）が成立する。
【００７２】
Ｆａ＝ｍｒ１ω１２・・・（１）
Ｆｂ＝ｍｒ２ω１２・・・（２）
距離ｒ２は距離ｒ１よりも大きい。そのため、カンチレバーＣＬ５に働く遠心力ＦｂはカンチレバーＣＬ１に働く遠心力Ｆａよりも大きくなる。それにより、カンチレバーＣＬ５の曲率半径はカンチレバーＣＬ１の曲率半径よりも小さくなる。
【００７３】
また、上式（１），（２）から次式（３），（４）が導かれる
Ｆａ−Ｆｂ＝ｍω１２（ｒ１−ｒ２）・・・（３）
【００７４】
【数１】
2011133244.tif 000003
【００７５】
ここで、センサ素子２０１に対応する出力値Ｓａを測定することにより、カンチレバーＣＬ１の変形量（ｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化量）を検出することができる。同様に、センサ素子２０５に対応する出力値Ｓｅを測定することにより、カンチレバーＣＬ５の変形量（ｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化量）を検出することができる。
【００７６】
カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８の変形量とカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８に働く外方への遠心力との関係は、予め測定により求められる。それにより、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ５の変形量を検出することにより、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ５に働く遠心力Ｆａ，Ｆｂを検出することができる。
【００７７】
また、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ５の質量ｍ、およびカンチレバーＣＬ１とカンチレバーＣＬ５との距離（ｒ１−ｒ２）は、予め測定により求められる。
【００７８】
これらにより、式（４）に基づいて、図１０の演算部２４０は、角速度ω１を算出することができる。本例では、演算部２４０は、角速度ω１を角速度ωｚとして出力する。
【００７９】
また、図１４の例では、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ６に回転軸Ｐ１から外方（Ｙ方向）に向かう遠心力が働き、カンチレバーＣＬ３，ＣＬ７に回転軸Ｐ１から外方（Ｘ方向）に向かう遠心力が働き、カンチレバーＣＬ４，ＣＬ８に回転軸Ｐ１から外方（−Ｙ方向）に向かう遠心力が働く。この場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ５の変形量を検出する代わりに、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ６の変形量、カンチレバーＣＬ３，ＣＬ７の変形量またはカンチレバーＣＬ４，ＣＬ８の変形量を検出することにより、上記同様に、角速度ω１を検出することができる。
【００８０】
このように、センサ素子２０１，２０５に対して共通の方向に遠心力が働く場合には、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ５の変形量を検出することにより、角速度を検出することができる。センサ素子２０２，２０６に対して共通の方向に遠心力が働く場合には、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ６の変形量を検出することにより、角速度を検出することができる。センサ素子２０３，２０７に対して共通の方向に遠心力が働く場合には、カンチレバーＣＬ３，ＣＬ７の変形量を検出することにより、角速度を検出することができる。センサ素子２０４，２０８に対して共通の方向に遠心力が働く場合には、カンチレバーＣＬ４，ＣＬ８の変形量を検出することにより、角速度を検出することができる。
【００８１】
そして、演算部２４０は、ＸＹ平面において算出された回転軸の位置とセンサ素子２０１〜２０８とを結ぶ複数の直線の方向を算出し、算出された方向とセンサ素子２０１〜２０８に対応する出力値Ｓａ〜Ｓｈとに基づいて幾何学的演算により角速度を算出する。
【００８２】
ここでは、Ｚ軸方向に平行な回転軸Ｐ１の周りでの角速度ωｚの検出方法について説明したが、Ｘ軸方向に平行な回転軸の周りでの角速度ωｘおよびＹ軸方向に平行な回転軸の周りでの角速度ωｙを検出することもできる。
【００８３】
具体的には、Ｘ軸方向に平行な回転軸の周りで回転センサ３００が回転する場合には、その回転軸から外方に向かう遠心力がカンチレバーＣＬ２，ＣＬ４，ＣＬ６，ＣＬ８に働く。この場合、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ６の変形量またはカンチレバーＣＬ４，ＣＬ８の変形量を検出することにより、角速度を検出することができる。
【００８４】
そして、演算部２４０は、センサ素子２０１〜２０８に対応する出力値Ｓａ〜Ｓｈとに基づいて幾何学的演算により角速度を算出する。
【００８５】
また、Ｙ軸方向に平行な回転軸の周りで回転センサ３００が回転する場合には、その回転軸から外方に向かう遠心力がカンチレバーＣＬ１，ＣＬ３，ＣＬ５，ＣＬ７に働く。この場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ５の変形量またはカンチレバーＣＬ３，ＣＬ７の変形量を検出することにより、角速度を検出することができる。
【００８６】
そして、演算部２４０は、センサ素子２０１〜２０８に対応する出力値Ｓａ〜Ｓｈとに基づいて幾何学的演算により角速度を算出する。
【００８７】
さらに、回転軸がＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に対して傾斜している場合には、演算部２４０は、センサ素子２０１〜２０８に対応する出力値Ｓａ〜Ｓｈに基づいて回転軸の方向を算出する。
【００８８】
そして、演算部２４０は、算出された方向とセンサ素子２０１〜２０８に対応する出力値Ｓａ〜Ｓｈとに基づいて幾何学的演算により角速度を算出する。
【００８９】
（６）実施の形態の効果
本実施の形態に係る回転センサ３００においては、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４の外側にカンチレバーＣＬ５〜ＣＬ８がそれぞれ配置されている。この場合、内側のカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４の変形量（カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４に働く遠心力）および外側のカンチレバーＣＬ５〜ＣＬ８の変形量（カンチレバーＣＬ５〜ＣＬ８に働く遠心力）を検出することにより、回転時の角速度を検出することができる。
【００９０】
また、基板１０１の同一平面上に８つのカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８が形成されるので、基板１０１上に８つのセンサ素子２０１〜２０８を容易に作製することができる。また、各カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８の可動部Ｒの重心点が基板１０１の一面に対してカンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８の支持部Ｓとは異なる高さにあるので、各カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８に大きな質量部を設ける必要がない。したがって、各センサ素子２０１〜２０８を小型化することが可能になる。
【００９１】
また、基台１１０上に複数のセンサ素子２０１〜２０８を含む空間を取り囲むケーシング１２０が設けられている。この場合、各カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８の変形を可能とする空間を確保することができる。
【００９２】
また、本実施の形態に係る回転センサ３００では、ケーシング１２０の内部空間が真空状態になっている。それにより、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ８が外部の温度の影響を受けることが防止される。その結果、外部の温度により出力値Ｓａ〜Ｓｈが変動することが防止される。
【００９３】
（７）第２の実施の形態
図１５は本発明の第３の実施の形態に係る回転センサの横断面図である。
【００９４】
図１５の回転センサ３００が図１〜図３の回転センサと異なるのは、センサ素子群２００が６つのセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０５，２０６，２０７により構成される点である。センサ素子２０１，２０２，２０３は、互いに１２０度異なる向きに配置され、センサ素子２０１，２０２，２０３の外側にセンサ素子２０５，２０６，２０７がそれぞれ配置されている。
【００９５】
図１５の回転センサ３００においては、センサ素子２０１，２０３，２０３，２０５，２０６，２０７にそれぞれ対応する出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｅ，Ｓｆ，Ｓｇが得られる。
【００９６】
この場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ５の変形量（カンチレバーＣＬ１，ＣＬ５に働く遠心力）、カンチレバーＣＬ２，ＣＬ６の変形量（カンチレバーＣＬ２，ＣＬ６に働く遠心力）またはカンチレバーＣＬ３，ＣＬ７の変形量（カンチレバーＣＬ３，ＣＬ７に働く遠心力）を検出することにより、Ｚ軸方向に平行な回転軸の周りでの角速度を検出することができる。
【００９７】
また、Ｘ軸方向に平行な回転軸の周りでの回転時にカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ５，ＣＬ６，ＣＬ７に働く遠心力と出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｅ，Ｓｆ，Ｓｇとの関係およびＹ軸方向に平行な軸の周りでの回転時にカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ５，ＣＬ６，ＣＬ７に働く遠心力と出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｅ，Ｓｆ，Ｓｇとの関係を予め測定により求める。それにより、Ｘ軸方向に平行な回転軸の周りでの角速度およびＹ軸方向に平行な軸の周りでの角速度を算出することが可能となる。
【００９８】
さらに、回転軸がＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に対して傾斜している場合には、センサ素子２０１，２０２，２０３，２０５，２０６，２０７に対応する出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｅ，Ｓｆ，Ｓｇに基づいて回転軸の位置および方向を算出し、算出された回転軸に垂直な面においてセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０５，２０６，２０７とを結ぶ直線の方向を算出し、算出された方向とセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０５，２０６，２０７に対応する出力値Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｅ，Ｓｆ，Ｓｇとに基づいて幾何学的演算により角速度を算出することが可能となる。
【００９９】
（８）他の実施の形態
上記第１の実施の形態では、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４の動作に基づいて加速度が検出されるが、これに限らず、カンチレバーＣＬ５〜ＣＬ８の動作に基づいて加速度が検出されてもよい。
【０１００】
上記第１および第２の実施の形態では、ピエゾ抵抗素子として働くｐ型ドープ層１０３ａはＵ字形状に形成されているが、ｐ型ドープ層１０３ａの形状はＵ字形状に限らず、Ｖ字形状、Ｗ字形状、または他の任意の形状に形成することができる。
【０１０１】
上記第１および第２の実施の形態では、センサ素子群２００が平面状の基板１０１上に配置されているが、センサ素子群２００が曲面状の基板上に配置されてもよい。
【０１０２】
（９）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【０１０３】
上記実施の形態では、基板１０１が基板の例であり、センサ素子２０１が第１のセンサ素子の例であり、センサ素子２０５が第２のセンサ素子の例であり、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２がカンチレバーの例であり、ｐ型ドープ層１０３ａが抵抗部の例であり、ブリッジ回路部２１０、増幅部２２０、Ａ／Ｄ変換部２３０および演算部２４０が出力部の例であり、ブリッジ回路部２１０、増幅部２２０およびＡ／Ｄ変換部２３０が検出部の例であり、演算部２４０が変換部の例であり、ｐ型ドープ層１０３ａの抵抗値の変化が情報の例である。
【０１０４】
また、埋め込み酸化膜１０２が第１の膜の例であり、結晶シリコン膜１０３が第２の膜であり、ｐ型ドープ層１０３ａが第２の膜の一部領域の例であり、支持部Ｓが支持部の例であり、可動部Ｒが可動部の例であり、たわみ制御層１０７がたわみ制御層の例であり、ホウ素が不純物の例である。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明は、回転時の角速度等を測定するために利用することができる。
【符号の説明】
【０１０６】
１０１  基板
１０２  埋め込み酸化膜
１０３  結晶シリコン膜
１０３ａ  ｐ型ドープ層
１０４  絶縁層
１０５  開口部
１０６  電極
１０７  たわみ制御層
１１０  基台
１２０  ケーシング
２００  センサ素子群
２０１〜２０８  センサ素子
２１０  ブリッジ回路部
２１１〜２１８  ブリッジ回路
２２０  増幅部
２２１〜２２８  増幅器
２３０  Ａ／Ｄ変換部
２３１〜２３８  Ａ／Ｄ変換器
２４０  演算回路
３００  回転センサ
１０００  ＳＯＩ基板
ａ  加速度
Ｅ  直流電源
ＣＬ１〜ＣＬ８  カンチレバー
Ｆ  慣性力
Ｆａ，Ｆｂ  遠心力
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３  外部抵抗
Ｓａ〜Ｓｈ  出力値
ａｘ，ａｙ，ａｚ  加速度
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７  期間
ω  角速度
【図１】
2011133244.tif 000004
【図２】
2011133244.tif 000005
【図３】
2011133244.tif 000006
【図４】
2011133244.tif 000007
【図５】
2011133244.tif 000008
【図６】
2011133244.tif 000009
【図７】
2011133244.tif 000010
【図８】
2011133244.tif 000011
【図９】
2011133244.tif 000012
【図１０】
2011133244.tif 000013
【図１１】
2011133244.tif 000014
【図１２】
2011133244.tif 000015
【図１３】
2011133244.tif 000016
【図１４】
2011133244.tif 000017
【図１５】
2011133244.tif 000018