(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、１対の駆動腕と、１対の検出腕、を有する検出素子と、１対の駆動腕側支持梁と、１対の検出腕側支持梁、を介して前記検出素子を固定する固定部とを有するジャイロ素子であって、
前記１対の前記駆動腕と前記１対の前記検出腕は、前記基部を基点として、互いに、反対向きに前記検出素子の長手方向に延伸しており、
前記支持梁は前記基部から外側へ放射状に広がるように構成され、
前記１対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度、及び、前記１対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度が８０度以下となるように、前記基部を基点に延伸し、前記固定部と結合していることを特徴とするジャイロ素子。
【請求項２】
前記検出素子と１対の前記駆動腕側支持梁と１対の前記検出腕側支持梁は、１対の前記駆動腕と１対の前記検出腕が延伸する長手方向に平行である、前記検出素子の中心軸に対し、線対称であることを特徴とする請求項１に記載のジャイロ素子。
【請求項３】
前記駆動腕側支持梁、及び前記検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のジャイロ素子。
【請求項４】
前記検出素子と、１対の前記駆動腕側支持梁と１対の前記検出腕側支持梁と、前記固定部は、半導体リソグラフィ技術により半導体基板を加工して作られることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のジャイロ素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のジャイロ素子と、前記ジャイロ素子を固定するパッケージとを備えた角速度センサであって、前記ジャイロ素子の前記検出素子は、前記固定部によって前記パッケージに固定されていることを特徴とする角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動型ヨーレートセンサに代表されるジャイロ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電素子を用いた微小振動を検出するデバイスが多く活用されている。その一つとして、例えば、振動する質量体に回転が加えられた際に生じるコリオリ力に起因して発生する非常に微弱な振動や変位を、圧電素子を介して検出することにより、各方向における回転動作、すなわち、回転角速度を検知、測定することが可能な圧電振動型ヨーレートセンサや、ジャイロセンサなどのジャイロ素子が挙げられる。このうち、長寿命、低価格且つ、小型、軽量のジャイロ素子として、基部を挟んで対向する複数の振動腕を有する角速度検出素子を備え、一方の振動腕、すなわち、駆動腕を平面内で駆動させ、コリオリ力によってその駆動方向と直交する方向へ生じた振動・変位を、他方の振動腕、すなわち、検出腕にて検知するＨ型ジャイロ素子が提案され又は実用化されている。コリオリ力の検出のために選択した検出振動モードの共振周波数に近い周波数にて駆動腕を駆動させると、駆動振動に対して駆動腕及び検出腕の双方が揺れやすい構成となり、より大きな検出信号を得ることが可能であり、ジャイロ素子自体の感度が向上することが経験上確認されている。またＨ型形状をしたＨ型角速度検出素子は検出振動モードを２つ有するため、安定して高感度を実現するのに適した形状である。
【０００３】
極めて小型で高感度なジャイロ素子を実現するには、各振動腕の共振周波数を利用し大きな変位を得ることが必要となる。また、例えば、自動車の姿勢挙動の検知に使われるジャイロ素子では、耐振動特性、耐衝撃特性にも高い性能が要求される。
【０００４】
角速度検出素子は、コリオリ力を得るための励振振動と、コリオリ力を検知する検知振動の、少なくとも２つの直交する振動モードが働き、複雑に振動する。これらの角速度検出素子の振動は、本来閉じた系の中で振動することが望ましいが、実際の角速度検出素子では加工の非対称性などによって生じる漏れ振動や、励振・検知に使用する振動モードのモード形状によっては、角速度検出素子の振動が素子の外部へ漏れることや、素子の外部の振動が角速度検出素子に伝わることが避けられない。外部への振動を低減するために、シリコーンゴムなどの低剛性材料で支持をすれば、外部から印加される不要振動に対する耐振動特性の悪化や耐衝撃性能の悪化を生じることとなる。またジャイロ素子を自動車の姿勢挙動の検知に用いる場合、外部から印加される振動は数Ｈｚから数１０ｋＨｚという周波数域で存在する。ジャイロ素子がこれらの周波数範囲に共振モードを持つと、外部振動によって角速度検出素子に不要振動が生じ、精度の低下につながる。たとえば検出振動モードの共振点に近い周波数を持った外部振動が角速度検出素子に印加されれば、たとえ角速度がない状態でも角速度検出素子は検出モードで振動し、角速度を誤検出してしまう。そのため外部で生じるであろう周波数範囲付近に素子自体が共振点を持たないことが必要である。しかしながら、角速度検出素子の支持方法によってはこの周波数範囲に共振点を有することとなる。例えば、低弾性率のカンチレバーなどにより支持された大質量体などからなる構造体では低次の固有モードが低くなることがわかっている。かといって支持構造体の弾性率を大きくするために単純に太く厚い梁で支持しようものなら、角速度検出素子の駆動振動モード及び検出振動モードが支持構造体により抑制され、振動振幅が小さくなり、結果角速度検出素子の感度が下がるといった特性の悪化が生じる。またこの場合、外部からの振動の影響も受けやすくなってしまう。外部の振動によるセンサ特性の悪化を防ぐために角速度検出素子の支持方法を工夫しても、構造的に複雑化した場合、工程数の増加やコスト増などの問題が生じる。そのため外部の振動に強い支持方法を、簡便に実現する方法が望まれている。
【０００５】
特許文献１には、従来の、Ｈ型ジャイロ素子の一例が示されている。Ｈ型の振動腕があり、振動腕には、励振するための駆動腕と、振動したときの振動状態を検出するための検出腕がある。振動腕を支持する支持梁があり、駆動腕２本と検出腕２本とからなる４本の振動腕がこの支持梁より突出してＨ字状に備えられている。支持梁を固定、支持するのが連結片であり、振動腕が振動する際の支持梁の歪み度合いを検出している歪み検出手段を有している。
【０００６】
上記のように構成された従来のＨ型ジャイロ素子について、その動作について説明する。まず、振動腕の長手方向と直交する方向の軸であるＸ軸に沿って一方の側の励振するための駆動腕を振動させると、振動状態を検出するための検出腕はＸ軸と直交するＺ軸方向に沿って振動したときの振動状態を検出する。このとき、支持梁に設けられた歪み検出手段が支持梁の歪み度合いを検出する。この歪み検出手段は支持梁における連結片の突出部分の両側に配設されるという技術が、特許文献１には、開示されている。
【０００７】
特許文献２には、音叉型振動子を搭載したパッケージの角速度センサの一例が示されている。パッケージには、電子部品と何らかの部材を介して、もしくは、直接取り付けられた音叉型振動子が搭載されている。音叉型振動子が振動すると,パッケージへと伝達し、外部への振動漏れが生じるおそれがある。特にパッケージの材料にセラミックス等の軽量なものを使用したときには、振動漏れによって、音叉型振動子の特性が安定しないという問題が生じることが指摘されている。特許文献２においては、この解決手段として、音叉型振動子の幅方向がパッケージの長辺方向となるように音叉型振動子をパッケージに配置し、音叉型振動子をパッケージに保持したときの慣性を大きくする技術が開示されている。
【０００８】
特許文献３には、音叉型振動子を搭載する支持部と、支持部と実装部とを接続する防振部から構成された角速度センサの一例が示されている。振動子を有する角速度センサにおいては、振動子の振動がその他の部品を通じ外部に漏れてしまう。このため、角速度センサをシステム等に実装した場合、振動状態が変化し、振動子の特性が変化してしまうことがある。特許文献３においては、音叉型振動子が振動すると支持部のおもりの慣性モーメントにより振動子の振動が低減される。さらに、この支持部を防振部と呼ぶシリコーンゴム等の低剛性部材にて保持することで外部振動漏れの防止と外部の振動の振動子への影響を低減させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−３３４３３２号公報
【特許文献２】特開２００７−７１６７２号公報
【特許文献３】特開２００８−８６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１の従来の構成では、連結部を基点に駆動腕及び検出腕の各腕の間を支持腕が通る形状となっており、駆動腕や検出腕以上に支持梁が長くなってしまい、素子が持つ低次の固有モードの周波数が下がることで、結果的に外部の振動に弱い構造になっている。また駆動腕及び検出腕の間を支持梁が通る形状になっていることから、振動腕の振動方向に支持梁が存在することとなり、振動腕の振動方向の寸法が増大する要因になる。寸法の増大により素子の小型化が制限され、省スペース、及び、低価格化が阻害される。
【００１１】
特許文献２の従来の構成では、振動子の幅方向をパッケージの長辺方向と合わせることで慣性を大きくし、振動子の振動を外部に漏れにくくしているが、振動子の振動は直接パッケージへ伝わることから効果が限定的になる問題点を有している。また、素子の方向で検知する方向が決まるため、角速度検出素子の配置による制限が生じる問題点も有している。
【００１２】
特許文献３の従来の構成では、振動子を載せた重い支持部をシリコーンゴム部材で保持する構造のため、低次の固有モードの周波数が低くなる問題点を有している。シリコーンゴムによる固定は高さなどの組立て寸法の安定性確保が難しく、製造の管理に負荷が生じる。周囲の温度変化に対して体積変化を起こしやすく、角速度センサの特性変化を生じやすい。さらに、シリコーンゴムは低剛性のために外部から加わる振動が角速度検出素子に対して悪影響を及ぼすことも懸念される。
【００１３】
本発明は、以上の点を考慮してなされたもので、低次の固有モードを低い周波数域に持つことがない支持方法を有するジャイロ素子及び角速度センサを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
基部と、１対の駆動腕と、１対の検出腕、を有する検出素子と、１対の駆動腕側支持梁と、１対の検出腕側支持梁、を介して前記検出素子を固定する固定部とを有するジャイロ素子であって、
前記１対の前記駆動腕と前記１対の前記検出腕は、前記基部を基点として、互いに、反対向きに前記検出素子の長手方向に延伸しており、
前記１対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度、及び、前記１対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度が８０度以下となるように、前記基部を基点に延伸していることを特徴とするジャイロ素子である。
【００１５】
このように、前記駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度、及び、前記検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度が８０度以下となるように、前記基部を基点に延伸し、前記固定部に接続されることにより、低次の固有モードを低い周波数域に持つことがない支持方法を有するジャイロ素子を実現できる。
【００１６】
また本発明は、前記検出素子と１対の前記駆動腕側支持梁と１対の前記検出腕側支持梁は、１対の前記駆動腕と１対の前記検出腕が延伸する長手方向に平行である、前記検出素子の中心軸に対し、線対称であることを特徴とする請求項１に記載のジャイロ素子としてもよい。
【００１７】
このような構成にすることによって、振動が外部へ漏れることを防ぐ支持方法を有するジャイロ素子を小型に実現できる。
【００１８】
前記駆動腕側支持梁、及び前記検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のジャイロ素子としてもよい。
【００１９】
このような構成にすることによって、細く長い支持梁を介して角速度検出素子を保持することによって角速度検出素子の、検知振動を妨げずに角速度検出素子を支持できる。
【００２０】
また本発明は、前記検出素子と、１対の前記駆動腕側支持梁と１対の前記検出腕側支持梁と、前記固定部は、半導体リソグラフィ技術により半導体基板を加工して作られることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のジャイロ素子としてもよい。
【００２１】
このような構成にすることで、角速度検出素子と支持梁と固定部とを一括してＭＥＭＳ加工により作製可能となり、センサの作製が容易となる。
【００２２】
また本発明は、請求項１から４のいずれかに記載のジャイロ素子と、前記ジャイロ素子を固定するパッケージとを備えた角速度センサであって、前記ジャイロ素子の前記検出素子は、前記固定部によって前記パッケージに固定されていることを特徴とする角速度センサとしてもよい。
【００２３】
このような構成にすることで、低次の固有モードを低い周波数域に持つことがないジャイロ素子を有する角速度センサを実現できる。
【発明の効果】
【００２４】
低次の固有モードを低い周波数域に持つことがない支持方法を有し、角速度検出素子へ外部の振動が伝わることを防ぐことができ、検知振動を妨げずに角速度検出素子を支持できる、角速度検出素子と支持梁と固定部を一括してＭＥＭＳ加工により作製可能な、小型のジャイロ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態の角速度センサを示す斜視図である。
【図２】第１実施形態のジャイロ素子を示す平面図である。
【図３】１対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度、及び、１対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の低次の共振周波数がどのように変化するかを調べたシミュレーション値を示す図である。
【図４】駆動腕側支持梁、及び検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の感度がどのように変化するかを調べたシミュレーション値を示す図である。
【図５】駆動腕側支持梁と、検出腕側支持梁の間の距離をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の低次の共振周波数がどのように変化するか調べたシミュレーション値を示す図である。
【図６】第２実施形態の角速度センサを示す分解図である。
【図７】第２実施形態の角速度センサの変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。実施形態について、図を用いて説明する。これらの図においては形状を分かりやすくするために、電極、及び、配線部を省略している。当然ながら、実際のセンサではこれらが必要になる。
【００２７】
（実施形態１）
図１は実施形態１の圧電振動型の角速度センサ１の斜視図であり、図１において、角速度センサ１は、１対の駆動腕８と、１対の検出腕９、を備えている角速度検出素子３と、１対の駆動腕側支持梁５と、１対の検出腕側支持梁６、を介して角速度検出素子３を固定する固定部４と、ジャイロ素子２を保持するためのパッケージ、を備えている。図示はしていないが、角速度センサ１は角速度を検知するシステムを構成する１つの部品であり、多くの場合において、周囲の回路部品と共に回路基板に実装されて使われる。実施形態においては、この回路基板のことを外部回路基板と呼ぶこととする。
【００２８】
コリオリ力によって角速度の検出を行う角速度検出素子３の形状としては、略Ｕ字形状、略Ｈ字形状をした音叉型などが挙げられる。特に、Ｈ字形状をしたＨ型角速度検出素子は高感度かつ低ノイズを実現するのに適した形状である。駆動腕側支持梁５、及び検出腕側支持梁６は、角速度検出素子３の振動腕の動きを阻害しないように最適化されている。
【００２９】
図１において、角速度検出素子３は、中央に位置する基部７と、基部７を挟んで所定の一方向に延びる１対の駆動腕８、及び、駆動腕８とは反対方向に延びる１対の検出腕９を備えている。基部７、駆動腕８、検出腕９から構成される角速度検出素子３は、共通の材料、例えばＳｉや水晶からなり、一般的なＳｉ等からなるウエハのパターニング加工（半導体加工）によって一体に又は一括で形成され得る。
【００３０】
駆動腕８、及び、検出腕９は、振動腕であり、駆動腕８には、形状をわかりやすくするため図示はしていないが、振動可能にするための圧電素子が設けられている。圧電素子に対して電気的な信号が入出力されて、振動可能な構成となっている。図１のように、角速度検出素子３の保持方向は、検出対象となる図１に示す中心軸１０の方向に角速度検出素子３の長手方向が合致するように選択されている。中心軸１０は、角速度検出素子３と固定部４、駆動腕側支持梁５、検出腕側支持梁６、すなわちジャイロ素子２の回転の中心であって、１対の駆動腕８と１対の検出腕９が延伸する長手方向に平行であって、角速度検出素子３を長手方向に線対称とする軸である。
【００３１】
角速度センサ１は、駆動腕８を初期的に励振させる駆動振動モードと、その駆動振動の向きと直交し、検出腕９にて角速度を検知する検出振動モードとで動作する。Ｈ型角速度検出素子は検出振動モードを２つ有する。即ち、駆動腕８と検出腕９が逆位相で振動する第１検出振動モード、と、駆動腕８と検出腕９が同位相で振動する第２検出振動モードである。これら２つの検出振動モードを有することで、感度が安定し、検出振動モードが１つの場合に比べ、高感度が実現される。駆動腕８と検出腕９は基部７を介して互いに結合され、また基部は支持梁５，６を介して固定部４に結合される。２つの検出振動モードによる振動を妨げないよう、基部は小さいことが望ましく、また支持部は基部を柔軟に支持することが望まれる。駆動腕側支持梁５、及び、検出腕側支持梁６、は幅が小さく長手方向に長く伸びた形状を有する。このようにすることによって、２つの検出振動モードを妨げないように、角速度検出素子３を固定することができる。
【００３２】
また、支持梁を基部から外側へ放射状に広がるように構成することで、厚み方向に並進運動したり、駆動腕と検出腕が厚み方向に逆相で振動したりするような、低次の固有モードの周波数が低くならないようにしている。
【００３３】
図１において、角速度検出素子１は、Ｓｉなどの半導体材料により構成される。支持梁は、例えば、断面が長方形の角柱形状などが使用でき、特に角柱形状は厚み方向、すなわち、Ｚ軸方向の振動の剛性と、幅方向、すなわち、Ｘ軸方向の振動の剛性、を明確に分けることができる点から好ましい。一例として耐衝撃性の点から、厚み方向への剛性を維持したまま幅方向にはある程度の自由度を持たせたい場合、厚み方向の寸法を大きく、幅方向の寸法を狭めに構成すればよい。  
【００３４】
図３に１対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度、及び、１対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の低次の固有モードの周波数がどのように変化するかを調べたシミュレーション値を示す。ここで、１対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度１００と、１対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度２００は図２で示される角度を指す。
【００３５】
１対の駆動腕側支持梁の延伸方向の成す角度、及び、１対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度が小さいときに、角速度検出素子の低次の固有モードの周波数が大きくなる傾向が見られた。これは１対の駆動腕と１対の検出腕が厚み方向に逆相で振動するような低次の固有モードに対し、これを抑制する形状となるからであると考えられる。１対の駆動腕と１対の検出腕が厚み方向に逆相で振動するような固有モードでは、駆動腕側支持梁及び検出腕側支持梁の、Ｙ−Ｚ平面における断面２次極モーメントが大きいほど、固有モードの周波数が大きくなる。Ｙ−Ｚ平面における、駆動腕側支持梁及び検出腕側支持梁の断面２次極モーメントは、Ｙ方向の寸法の大きさに比例して大きくなるため、実施形態１のように角度１００及び角度２００が小さくなる
、即ち素子の長手方向両側に駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁が大きく広がるような構成が耐振動性の向上に有効である。
【００３６】
角速度検出素子に必要な特性に耐振動性があり、低い周波数帯に共振周波数を持たないことが必要である。一般に必要とされる周波数の耐振動性能として２０ｋＨｚ以下に共振周波数を持たないことが求められている。シミュレーションの結果からも１対の駆動腕側支持梁の延伸方向の成す角度、及び、１対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度が概８０度以下であるとき、低次の共振周波数が２０ｋＨｚ以上となることが示されており、この結果からも本形態が耐振動性向上に効果的であることが明らかである。８０度以上では共振周波数が大きく低下する傾向にあり、このシミュレーション結果が示すように支持梁のなす角度は８０度以下、さらに言えばより小さい角度である方が、角速度検出素子の構成として望ましい。
【００３７】
ただ、素子形状の制約などから、設計可能な角度は制限される。実施形態の形状においては、駆動腕と検出腕が基部を基点として、互いに、反対向きに角速度検出素子の長手方向に延伸しており、駆動腕はコリオリ力を励起する振動を、ジャイロ素子平面の面内方向で生じ、この振動振幅によっては取りうる梁の角度が制限される。駆動腕と支持梁の干渉を防ぐため、予想される腕の振動振幅に対して５０μｍ以上は余裕をもたせて素子と支持梁を構成することが望ましい。
【００３８】
音叉型やＨ型のジャイロ素子では基部と、基部を基点として延伸する振動腕という構成をなしており、振動腕の振動振幅は基部から離れた部分ほど大きくなる特徴がある。本形態のように基部から延伸する支持梁によって角速度検出素子を保持する場合、支持梁が固定部へ延伸するほど振動腕から離れる方向に伸長するという特徴を有するため、振動腕の可動範囲外かつジャイロ素子の占有面積が小さくなるように支持梁が構成されるため、ジャイロ素子の小型化の観点からも本形態が有効である。
【００３９】
図４に駆動腕側支持梁、及び検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の感度がどのように変化するかを調べたシミュレーション値を示す。ここで、駆動腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅３００と、検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅４００は図２で示される寸法を指す。
【００４０】
支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅を大きくすると、感度が低下する傾向が見られた。これは支持梁の幅を大きくすることで梁の剛性が高くなり、検出振動モードが抑制されたためと考えられる。支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅が細いほど、角速度検出素子の検出振動モードが抑制されることがないので高感度が期待できるが、加工プロセスによる幅寸法の制限や機械的に必要とされる剛性、低次の共振周波数との関係上、素子に必要とされる環境や要求性能などの使用条件に合わせて適宜構造の最適化を行う必要がある。例えば、角速度に対する感度は一般に１μＶ／°／ｓｅｃ以上であることが望ましいが、このとき支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅は１００μｍ以下であることが望ましい。
【００４１】
図５に駆動腕側支持梁と、検出腕側支持梁の間の距離をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の低次の共振周波数がどのように変化するか調べたシミュレーション値を示す。ここで、駆動腕側支持梁と、検出腕側支持梁の間の距離５００は図２で示される寸法を指す。
【００４２】
駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁の間の長さ、を大きくすると低次の固有モードの周波数が上昇する。これは４本の支持梁が、１対の駆動腕と１対の検出腕が厚み方向に逆相で振動するような低次モードに対し、これを抑制する形状となるからであり、駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁の間の長さが大きいことが耐振動性能の観点から望まれる。ただし、駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁の間の長さが大きいとジャイロ素子の小型化を阻害するため、素子に必要とされるサイズや要求性能など、使用条件に合わせて形状設計をすることが必要である。例えば、支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅が１００μｍ、かつ梁のなす角度が８０度、かつ駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁の間の長さが０ｍｍ、つまり駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁が互いに交わらないよう基部で接する形で配置され、このときの低次の固有モードの共振周波数が２０ｋＨｚ以上であれば、素子の小型化を考え、駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁の間の長さを大きくとることは避けることが望ましい。
【００４３】
（実施形態２）
図６は実施形態２の圧電振動型の角速度センサの分解図であり、第１キャップ層１と、第１スペーサ層２と、ジャイロ素子３と、第２スペーサ層４と、第２キャップ層５、からなり、ジャイロ素子３をパッケージングすることが可能である。キャップ層１とスペーサ層２、もしくはキャップ層５とスペーサ層４は一つの構造体になっていてもよい。
【００４４】
キャップ層と、スペーサ層と、ジャイロ素子はマイクロマシニング技術により同一プロセスで一体に作製可能である。パッケージに必要な特性として高い機械的性能が求められるため、キャップ層１と、スペーサ層２にはＳｉやＳｉＯ２などの半導体、ステンレスなどの金属、セラミクスなどの誘電体材料からなることが考えられる。ＳＯＩ基板などの多層基板を用いて構造体を形成することも考えられる。また応力による反りなどの変形を防止するため、各層の線膨張係数は同じか、近い値であることが望ましい。
【００４５】
図７は実施形態２の圧電振動型の角速度センサの変形例の断面図であり、ジャイロ素子を含むデバイス層２１と、スペーサ層２２と、キャップ層２３と、スペーサ層を含むキャップ層２４と、ジャイロ素子を駆動する駆動機構２５からなる角速度センサの一つの例である。駆動機構２５は例えば圧電素子などが考えられる。
【００４６】
実施形態の形状はマイクロマシニング技術で作製可能である。ジャイロ素子の振動腕がジャイロ素子平面と垂直方向に振動するため、振動腕とキャップ層が干渉しないようジャイロ素子を構成する必要がある。キャップ層のデバイス層に対向する面は、デバイス層の振動腕から、予想される振動振幅の５μｍ以上は離れていることが望ましい。またデバイス層１と、スペーサ層２と、キャップ層３と、スペーサ層を含むキャップ層４からなる、空乏内を必要雰囲気に調整することも容易に可能である。スペーサ層を含むキャップ層４と、キャップ層３と、スペーサ層２、をデバイス層１に接合する際の雰囲気状態が内部に保たれるため、所望の雰囲気に空乏内を調整することができる。
【００４７】
ハンドリングの観点からも、キャップ層、スペーサ層、デバイス層から構成される角速度センサは望ましい。近年ＭＥＭＳデバイスの小型化、低価格化を目的とした高集積化とともに、ウエハサイズの大口径化が進行している。大口径化したウエハは加工中にハンドリングする際、わずかな応力や外力、自重などで破損する危険があり、薄い基板を必要とするデバイスであればなおのこと、最終製品に加工されるまで破損無きようウエハを搬送することは至難の業である。レジストやハンドリング用ウエハなどの保持部材で固定し強度を高めても、成膜や、剥離の工程で不良が出るなどの問題が考えられる。ＳＯＩ基板などの多層基板はハンドリング層と呼ばれる層を備えているため構造的に強固であり、さらにハンドリング層もそのままパッケージ部材として利用するので剥離の必要もなく、工程の増加や歩留まりの低下もつながらない。
【００４８】
素子の小型化と高精度化のため、角速度センサとセンサ制御回路は隣接してあることが望ましい。角速度センサは制御回路に接続して駆動腕の振動及び角速度検出を行うが、角速度センサと制御回路を結線するための導線が長いほどノイズが大きく発生し、測定精度が低下する。回路の直上に素子を配置するか、もしくは平面内で隣り合って配置することが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明に係わる角速度センサは、自動車、カーナビゲーション、手ぶれ防止カメラ、産業機器等の物質の回転による角速度を検出する用途に利用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１  角速度センサ
２、１３、２１  ジャイロ素子
３  角速度検出素子
４  固定部
５  駆動腕側支持梁
６  検出腕側支持梁
７  基部
８  駆動腕
９  検出腕
１０  回転の中心軸
１１、２３  第１キャップ層
１２、２２  第１スペーサ層
１４  第２スペーサ層
１５、２４  第２キャップ層
２５  駆動機構
１００  １対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度
２００  １対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度
３００  駆動腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅
４００  検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅
５００  駆動腕側支持梁と、検出腕側支持梁の間の距離
【図１】
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【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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