(57)【要約】【課題】Ｓ／Ｎ比が優れた角速度センサを提供すること。【解決手段】基板上に形成され、基板表面に対して略平行な平面に配置される一対の半導体薄膜からなる第１可動部と、第１可動部と同一の平面に形成される少なくとも一対の第２可動部と、一端が基板に固定され、他端が第１可動部に接続される第１の梁と、平面の第１軸（ｘ軸）方向に変位可能であり、一対の前記第２可動部に両端が接続される第２の梁と、一端が第１可動部に接続され、他端が第２可動部に接続される第３の梁とを有しており、第１可動部および第２可動部は、第１軸および第１軸と直交する第２軸（ｙ軸）に対して変位可能であり、第１可動部は第１軸および第２軸の変位を検出する手段を有するとともに、第２可動部は、第１軸の方向に力を付加する。【選択図】      図１
2004301575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成される一対の第１可動部と、該第１可動部間に形成された一対の第２可動部と、一端が前記基板に固定され、他端が前記第１可動部に接続される第１の梁と、前記平面の第１軸方向に変位可能であり、一対の前記第２可動部に両端が接続される第２の梁と、一端が前記第１可動部に接続され、他端が前記第２可動部に接続される第３の梁とを有しており、前記第１可動部および前記第２可動部は、前記第１軸および前記第１軸と直交する第２軸方向に変位可能であり、前記第１可動部は前記第１軸方向および前記第２軸方向の変位を検出する手段を有し、前記第２可動部は前記第１軸方向に駆動力を付与する駆動手段を備えた、ことを特徴とする角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体薄膜を用いた角速度センサの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ製造されたジャイロスコープとして例えば、特表２００２−５１５９７６号公報記載の技術が公知となっている。この技術では、基板の表面に平行な軸周りでの回転を測定するためのマイクロ製造されたジャイロスコープが示されている。このジャイロスッコープは、基板に対して平行な面内で質量体を駆動振動させ、基板に対して垂直方向（ｚ軸）を軸とするコリオリ力により誘起される基板に、平行かつ駆動方向に対して直交する（ｙ軸）方向の振動を検出する方式のセンサである。より具体的には、交互に噛合するように配置された櫛歯状の可動質量体に形成された電極と固定電極間に周期的な電圧を加えることにより、静電引力を働かせ質量体をｘ軸方向に振動させている。前記特表２００２−５１５９７６号公報の図１４に代表的なジャイロスコープが示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００２−５１５９７６号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来技術には次の問題点を有する。上記した角速度センサの質量体、特に、センサ内の駆動電極がｘｙ平面内で可動であり、櫛歯状の駆動電極の構造上、検出に必要なｘ軸のみの振動ではなく検出には不要な成分となるｙ軸方向の振動が誘起されると、駆動振動がｙ軸方向の成分を持ちやすい。このため、角速度のないときにも角速度の検出軸となるｙ軸方向の振動成分を有するため、検出精度の低下を招いていた。
【０００５】
したがって、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、角速度センサにおいて、センサのＳ／Ｎ比が向上できる構造を提供することを技術的課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために講じた技術的手段は、基板上に形成される一対の第１可動部と、該第１可動部間に形成された一対の第２可動部と、一端が前記基板に固定され、他端が前記第１可動部に接続される第１の梁と、前記平面の第１軸方向に変位可能であり、一対の前記第２可動部に両端が接続される第２の梁と、一端が前記第１可動部に接続され、他端が前記第２可動部に接続される第３の梁とを有しており、前記第１可動部および前記第２可動部は、前記第１軸および前記第１軸と直交する第２軸方向に変位可能であり、前記第１可動部は前記第１軸方向および前記第２軸方向の変位を検出する手段を有し、前記第２可動部は前記第１軸方向に駆動力を付与する駆動手段を備えた角速度センサとしたことである。
【０００７】
上記した構成によれば、第１軸方向、第２軸方向に対して有効に機能する可動部が設けられ、雑音成分を相殺することができるようになり角加速度を精度良く検出することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１には本発明における実施の形態を示す。図１はマイクロマシニング技術を用いた半導体薄膜の角速度センサＳＥＮであり、基板１に対して平行な面内で図１示の縦方向（ｘ軸方向）に駆動振動させると、基板１に対して垂直な方向（ｚ軸）を軸とする角速度に対して、基板に平行かつ駆動方向（ｘ軸方向）に対して垂直な方向（ｙ軸方向）の振動を検出する。
【０００９】
基板１上には半導体薄膜で形成された一対の第１可動部２が、基板１に対して略平行に配置されている。この一対の第１可動部２は、図１示ｘ軸方向に対して対称に配置されており、基板１上のｘｙ平面にそれぞれの軸方向に変位可能となる構成となっている。この第１可動部２は、一端が基板１上に固定され、他端が第１可動部２に接続された梁４により保持されている。
【００１０】
第１可動部２に対して、基板１上にはさらに半導体薄膜よりなる第２可動部３が配置が配置されている。この第２可動部３は、対向する一対の第１可動部２の図１示内側に対称に一対で配置され、第１可動部２と同様にｘｙ平面でそれぞれの軸方向に変位可能となるように配設されている。
【００１１】
対向する一対の第２可動部３は、互いに、少なくともｘ軸方向のみに変位可能となるように２つの梁１５により連結されている。そしてまた、第２可動部３は、一端が第１可動部２に接続され、他端が第２可動部３に接続された梁１４により保持されている。第２可動部３には、駆動するための可動部側電極１２及び基板１に固定された固定電極１３ａが具備されており、第２可動部３はこの両電極間の静電引力により駆動される。
【００１２】
一対の第１可動部２、一対の第２可動部３、梁４、梁１４、および梁１５は、ｘ軸方向に対して対称に配置されている。
【００１３】
図１において、第２可動部３の固定電極１３ａに周期的な一定電位が印加されており、第１可動部２、および第２可動部３のｘ軸方向への音叉振動の共振周波数に一致した周期的な力が働くようになっている。この固定電極１３ａに周期的な電圧を印加することでｘ軸方向に音叉振動させる。
【００１４】
第１可動部２には駆動方向への振動を検出する櫛歯電極６、７ａが配置されており、これらの電極により検出された信号を基に共振周波数に第１可動部２の振動を追従させて振動時の振幅を一定にする。この状態において基板１の面に対して垂直なｚ軸を回転軸とする角速度が加わると、コリオリ力が発生し、第１可動部２、および第２可動部３の振動体には逆相でｙ軸方向への振動が誘起される。
【００１５】
以上の結果、第１可動部２がｙ軸方向に駆動振動し、第１可動部２よりｘ軸方向に延在する検出電極９と固定部側検出電極１１間の距離（間隙）が変動するので、電気的にこの変動を検出することにより角速度が検出できる。
【００１６】
第１可動部２、および第２可動部３を音叉振動させるため、機械的外乱によるノイズを回路上でキャンセルすることが可能である。また、対となる第２可動部３の可動部側電極１２と固定電極１３ａとの間隔は非常に狭く、第１可動部２の可動部対及び第２可動部３の可動部対を含む振動体の音叉振動を行う共振周波数で駆動することにより、第２可動部３の振動振幅に対して第１可動部２の振動振幅を大きくとることができる。
【００１７】
可動部側駆動電極１２、固定部側駆動電極１３ａは、図１示ではｙ軸方向に伸びた平行平板の電極であるが、第１可動部２の可動部側櫛歯電極６、固定部側櫛歯電極７ａの駆動電極の場合でも、製造プロセスに起因する電極部の精度のばらつきが生じても、検出方向への力は可動部の対で同じ方向に発生しやすく回転力として発生しにくい。そのため、本発明のセンサの特性上、第１可動部２の対がｙ軸方向で逆相で振動する場合には電気信号として検出されるが、同相で振動した場合には電気信号としてキャンセルされるため、この不要な振動によるセンサの温度特性の劣化を抑制できる。
【００１８】
以上より第２可動部３の駆動力に起因する、第１可動部２のｙ軸方向への振動が低減され、音叉構造とすることにより信号のＳ／Ｎ比の向上が図れる。なお、梁４の形状は第１可動部２、および第２可動部３を連結する梁１４の形状と同様な形状でもよく、また、ｘｙ方向に変位可能であれば他の形状で形成されても良い。また、梁１４の形状は梁４のようなＬ字型でもよくｘｙ方向に変位可能であれば他の形状でも良い。
【００１９】
図２に第２可動部３の可動部側駆動電極１２に対して固定部側駆動電極１３ａ、１３ｂを相補的に配置する別の実施の形態を示す。固定部側駆動電極１３ａ、１３ｂを対で配置することで、駆動電圧の交流成分を固定部側駆動電極１３ａ、１３ｂで反転した信号で入力することが可能となり固定部側検出電極１０、１１及び固定部側櫛歯電極７ａ、７ｂへの駆動電圧の交流成分のクロストークの低減が可能となりＳ／Ｎ比の向上及び温度特性の向上が可能となる。
【００２０】
図１、２に示すようにｘｚ平面よりなる第１可動部２の可動部側検出電極９と固定部側検出電極１１を互いに近傍にかつ平行平板となるように配置することにより高感度な検出が可能となる。なお、第１可動部２の可動部側検出電極９と固定部側検出電極１１の間隔はミクロンオーダーであり、駆動時に発生する不要振動の振幅はサブミクロン以下である。またコリオリの力により発生する振動は０．１μｍ以下なので、検出感度の直線性は十分である。
【００２１】
図３に第１可動部２の可動部側検出電極９に対して、固定部側駆動電極１０、１１を相補的に配置する別の実施の形態を示す。固定部側駆動電極１０、１１を対で相補的に配置することで、駆動信号や外乱に起因する電気的ノイズが対となる電極に同相で混入し、コリオリの力等による機械的な動きは逆相の電気信号として検出されるため、電極に入力される検出信号は回路の出力側に配置される差動増幅（図５参照）で電気的ノイズの除去が可能となる。その結果、センサのＳ／Ｎ比の向上及び温度特性の向上が可能となる。
【００２２】
図１、図２、および図３に示すように第１可動部２の駆動振動を検出する電極を第１可動部２側電極６と固定電極７ａのように櫛歯状の電極を互いにかみ合わせ、駆動振幅に対して常に櫛歯状電極６ａ、７ａの各電極の一部がかみ合い、かつ櫛歯状電極６、７ａが第一の可動部２及び固定部８と干渉しないように配置することにより第１可動部２の振動の検出に対して大きな振幅まで対応でき、かつ直線性の高い検出が可能となる。
【００２３】
図４に第１可動部２の駆動振動を検出する可動部側櫛歯電極６に対して固定部側櫛歯電極７ａ、７ｂを相補的に配置する別の実施の形態を示す。このように構成することで、駆動信号や外乱に起因する電気的ノイズが対となる電極に同相で混入し、駆動振動等の機械的な動きは逆相の電気信号として検出されるため、櫛歯電極７ａ、７ｂの回路の出力側にチャージアンプ回路を構成すれば、電気的ノイズの除去が可能となり、駆動振動の検出のＳ／Ｎ比が向上する。その結果、駆動振動が安定しセンサのＳ／Ｎ比の向上及び温度特性の向上が可能となる。
【００２４】
なお、第１可動部２に対して検出方向の共振周波数を静電引力により調節する機構、及び駆動時にｘ軸方向からの振動のずれを補正するためのサーボ機構を加えても良い。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、第１可動部と第２可動部を質量体として有する加速度センサにおいて、第２の可動を所定の軸方向に音叉振動させて、その振動による変位を第１可動部で検出する。このときｙｚ平面よりなる駆動電極を用いるので、
製造時に発生する基板の反りや、プロセス上の形状のばらつきに起因するｙ軸方向の力の誘起が低減されるので、第１可動部２の検出部の検出方向への不要な振動が抑制され、不要な振動に起因するセンサ出力のオフセットが抑制され、その結果、センサの温度特性の向上が図れる。
【００２６】
また、駆動電極と固定電極はｙｚ平面よりなる平行平板の電極で構成し、駆動電極と固定電極の間隔を、第２可動部３の変位可能だけ狭く形成するので、ｙ軸方向に伸びた電極により電極面積を大きく取れる。電極間距離が狭いので駆動力が大きく取れ、第１可動部２（振動子）と第２可動部３（振動子）の間の梁１４により第１の振動子２と第２の振動子３を含む振動体の共振周波数で駆動力を与えることにより第１の振動体２は大きな振幅で振動できる。
【００２７】
またさらには、対となる固定電極を可動電極に対して複数の対で構成することにより、変位の検出回路の出力側にチャージアンプ回路を構成すれば、電気的ノイズの除去が可能となり、駆動振動の検出のＳ／Ｎ比が向上する。その結果、駆動振動が安定しセンサのＳ／Ｎ比の向上及び温度特性の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における構成を示す概略図である。
【図２】本発明の別の実施の形態を示す概略図である。
【図３】本発明の別の実施の形態を示す概略図である。
【図４】本発明の別の実施の形態を示す概略図である。
【図５】増幅回路の一例を示す概略図ある。
【符号の説明】
１      基板
２      第１可動部
３      第２可動部
４      梁（第１の梁）
５      アンカー（梁と基板の接続部）
６      可動部側櫛歯電極
７ａ    固定部側櫛歯電極
７ｂ    固定部側櫛歯電極
７ｃ    固定部側櫛歯電極
８      櫛歯電極固定部
９      可動部側検出電極
１０      固定部側検出電極
１１      固定部側検出電極
１２      可動部側駆動電極
１３ａ    固定部側駆動電極
１３ｂ    固定部側駆動電極
１４      梁
１５      梁
１６      配線
１７      電極パッド
【図１】
2004301575.tif 000003
【図２】
2004301575.tif 000004
【図３】
2004301575.tif 000005
【図４】
2004301575.tif 000006
【図５】
2004301575.tif 000007