(57)【要約】【課題】  角速度検出の感度向上を容易にする。【解決手段】  角速度センサ１は、ＸＹ平面に平行なＸＹ基板面を持つ基台２と、基台２のＸＹ基板面上に浮いた状態で配置される枠状梁４と、枠状梁４を支持部５ａ，５ｂを介して基台２に両持ち梁状に支持する梁部支持固定部と、基台２のＸＹ基板面上に浮いた状態で配置される錘部７（７ａ，７ｂ）と、錘部７（７ａ，７ｂ）を枠状梁４に片持ち梁状に支持する連結部８とを有する。錘部７は枠状梁４の撓み変形によってＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向の三軸方向の外力により変位可能な構成と成す。錘部７をＺ軸方向に駆動振動させる錘部駆動手段２２を設ける。枠状梁４には、Ｚ軸方向に駆動振動している状態でＹ軸回りの回転により発生したＸ軸方向のコリオリ力による錘部７の変位に起因した枠状梁４の撓み変形に基づいて角速度を検出するためのＹ軸回り角速度検出部を設ける。【選択図】        図１
2007101203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸のうちのＸ軸およびＹ軸を含むＸＹ平面に平行なＸＹ基板面を持つ基台と、
この基台のＸＹ基板面上に浮いた状態で配置される枠状梁と、
この枠状梁からＸ軸方向に沿って枠状梁の両側にそれぞれ外向きに伸長形成されている支持部を介して枠状梁を基台に両持ち梁状に支持する枠状梁支持固定部と、
前記基台のＸＹ基板面上に浮いた状態で前記枠状梁のＹ軸方向の両側からそれぞれＹ軸方向に沿って外向きに伸長形成されている連結部と、
各連結部の伸長先端部にそれぞれ連接された錘部とを有し、
前記錘部は、枠状梁の変形によりＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向の三軸方向の外力により変位可能な構成と成し、当該錘部をＺ軸方向に駆動振動させるための錘部駆動手段が設けられており、
前記枠状梁には、錘部駆動手段により錘部がＺ軸方向に駆動振動している状態でＹ軸回りの回転によって発生したＸ軸方向のコリオリ力による錘部の変位に起因した枠状梁の撓み変形に基づいてＹ軸回りの回転の角速度を検出するＹ軸回り角速度検出部が設けられていることを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
錘部駆動手段により錘部がＺ軸方向に駆動振動している状態でＸ軸回りの回転によって発生したＹ軸方向のコリオリ力による錘部の変位に起因した枠状梁の撓み変形に基づいてＸ軸回りの回転の角速度を検出するＸ軸回り角速度検出部が枠状梁に設けられていることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】
錘部駆動手段は、各錘部をそれぞれＺ軸方向に互いに逆相で駆動振動させる構成と成していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の角速度センサ。
【請求項４】
枠状梁のＸ軸方向の両側からそれぞれＸ軸方向に伸長形成されている各支持部の中心軸は同一直線上に配置され、また、枠状梁のＹ軸方向の両側からそれぞれＹ軸方向に伸長形成されている各連結部の中心軸は同一直線上に配置されており、
枠状梁は、支持部の中心軸を通るＸ方向中心線に対して対称な形状であり、かつ、連結部の中心軸を通るＹ方向中心線に対しても対称な形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載の角速度センサ。
【請求項５】
Ｙ軸回り角速度検出部は、枠状梁の変形による枠状梁の応力変化によって電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗部を有して構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の角速度センサ。
【請求項６】
Ｙ軸回り角速度検出部は、各連結部からそれぞれ当該連結部の幅をもって枠状梁の領域へＹ軸方向に延長した帯状の連結部連接枠状梁部位の帯幅両側にそれぞれ配設された合計４つのピエゾ抵抗部を有し、
前記４つのピエゾ抵抗部は枠状梁を周回する方向に順に直列に接続されてＹ軸回り角速度検出用のブリッジ回路を構成し、各連結部連接枠状梁部位の帯幅両側にそれぞれ配置されているピエゾ抵抗部のうちの片側のピエゾ抵抗部同士の接続部が電圧検出部と成し、また、各連結部連接枠状梁部位のもう一方の片側のピエゾ抵抗部同士の接続部が別の電圧検出部と成しているか、あるいは、前記４つのピエゾ抵抗部は、各連結部連接枠状部位の帯幅両側のピエゾ抵抗部同士がそれぞれ接続されて２つの電圧検出部が形成されているＹ軸回りの角速度検出用のブリッジ回路を構成しており、Ｙ軸回り角速度検出用のブリッジ回路は、Ｙ軸回りの回転によって枠状梁が撓み変形したときに、Ｙ軸回りの回転の角速度の大きさに応じて前記２つの電圧検出部からそれぞれ出力される電圧の差が変化する構成であることを特徴とする請求項５記載の角速度センサ。
【請求項７】
枠状梁には、Ｘ軸回りの回転に起因した錘部の変位による枠状梁の撓み変形に基づいてＸ軸回りの回転の角速度を検出するＸ軸回り角速度検出部が設けられている構成を備え、そのＸ軸回り角速度検出部は、枠状梁の変形による枠状梁の応力変化によって電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗部を有して構成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項６の何れか一つに記載の角速度センサ。
【請求項８】
Ｘ軸回り角速度検出部は、各支持部からそれぞれ当該支持部の幅をもって枠状梁の領域へＸ軸方向に延長した帯状の支持部連接枠状梁部位の帯幅両側にそれぞれ配設された合計４つのピエゾ抵抗部を有し、
各支持部連接枠状梁部位の帯幅両側のうちの同じ片側のピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて電圧検出部が形成され、また、各支持部連接枠状梁部位の帯幅両側のもう一方側のピエゾ抵抗部同士が電気的に接続されて別の電圧検出部が形成されているか、あるいは、各支持部連接枠状部位の帯幅両側のピエゾ抵抗部同士がそれぞれ接続されて２つの電圧検出部が形成されており、Ｘ軸回り角速度検出部の４つのピエゾ抵抗部は、Ｘ軸回りの回転によって枠状梁が変形したときに前記２つの電圧検出部からそれぞれ出力される電圧の差に基づいてＸ軸回りの角速度を検出するためのブリッジ回路を構成していることを特徴とする請求項７記載の角速度センサ。
【請求項９】
枠状梁におけるＺ軸方向の厚みは、各支持部からそれぞれ当該支持部の幅をもって枠状梁の領域へＸ軸方向に延長した帯状の支持部連接枠状梁部位、および、各連結部からそれぞれ当該連結部の幅をもって枠状梁の領域へＹ軸方向に延長した帯状の連結部連接枠状梁部位が枠状梁の他の部分よりも厚いことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一つに記載の角速度センサ。
【請求項１０】
枠状梁の枠内空間には、枠状梁の両側の支持部を繋ぐ方向に伸長形成された補強部が配置され、当該補強部の両端側がそれぞれ枠状梁に連接されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一つに記載の角速度センサ。
【請求項１１】
錘部は、シリコンから成る支持層と酸化層とシリコンから成る活性層が下側から順に積層形成されて成るＳＯＩ基板により構成され、この錘部は、その上面の端縁部の一部分にＳＯＩ基板の支持層まで達する側面開口の凹部が形成されている態様と成し、
錘部駆動手段は、錘部の前記凹部内の支持層露出面と、錘部の側面と間隙を介して隣接する位置に設けられた固定部から錘部の前記凹部の側面開口部を通って凹部内に突き出し形成され凹部内の支持層露出面に間隙を介し対向配置して支持層露出面との間に静電力を生じさせて錘部をＺ軸方向に駆動振動させる駆動用電極部とを有して構成されており、
前記駆動用電極部は、錘部の前記凹部形成領域のＳＯＩ基板の酸化層が除去され、かつ、前記凹部形成領域のＳＯＩ基板の活性層に駆動用電極部形成用溝部が設けられて錘部から切り離されたＳＯＩ基板の活性層部分を有して構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか一つ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、回転の角速度を検出する角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１９（ａ）には角速度センサの一形態例（例えば特許文献１参照）が模式的な斜視図により表され、図１９（ｂ）には、図１９（ａ）に示されるＡ−Ａ部分の模式的な断面図が表されている。この角速度センサ４０は、互いに直交し合うＸ軸とＹ軸とＺ軸のうちのＸ軸方向に伸長形成されている固定部４１と、この固定部４１の両側からそれぞれＹ軸方向に伸長形成され当該伸長先端部が自由端と成している振動子４２（４２ａ，４２ｂ）とを有して構成されている。振動子４２（４２ａ，４２ｂ）の図の下方側には空間部４３が形成され、また、振動体４２（４２ａ，４２ｂ）の図の左右両側には空間部４４が形成されており、振動子４２（４２ａ，４２ｂ）は、当該振動子４２の固定部４１側の端部を支点としてＺ軸方向とＸ軸方向にそれぞれ変位可能となっている。
【０００３】
この角速度センサ４０には、振動子４２ａ，４２ｂを同相でＺ軸方向に駆動振動させるための振動子駆動手段（図示せず）が設けられている。また、振動子４２ａの固定部４１側の端部には、ピエゾ抵抗部４５（４５ａ，４５ｂ）が振動子４２ａの幅方向に間隔を介して並設され、さらに、振動子４２ｂの固定部４１側の端部には、ピエゾ抵抗部４５（４５ｃ，４５ｄ）が振動子４２ｂの幅方向に間隔を介して並設されている。振動子４２は、シリコン等の半導体により構成されており、ピエゾ抵抗部４５は、その半導体から成る振動子４２のピエゾ抵抗部形成部位にボロン等の不純物をドープして形成され、振動子４２のピエゾ抵抗部形成部位の応力変化に応じて電気抵抗値が変化するものである。角速度センサ４０には、ピエゾ抵抗部４５ａ〜４５ｄの電気抵抗値変化に応じて信号レベルが変化する信号を各ピエゾ抵抗部４５ａ〜４５ｄからそれぞれ出力させるための電気回路（図示せず）が形成されている。また、各ピエゾ抵抗部４５ａ〜４５ｄの出力信号を処理してＹ軸回りの回転の角速度を検出するための角速度検出信号を作成する角速度検出信号作成回路４６が設けられている。
【０００４】
この角速度センサ４０の構成では、例えば、振動子駆動手段によって振動子４２ａ，４２ｂが、それぞれ、Ｚ軸方向に同相で駆動振動している状態で、Ｙ軸回りに回転すると、Ｘ軸方向のコリオリ力が振動子４２ａ，４２ｂに作用する。そのＸ軸方向のコリオリ力により、振動子４２ａ，４２ｂが、固定部４１側の端部を支点としてＸ軸方向に振動する。このＸ軸方向の振動子４２ａ，４２ｂの振動によって振動子４２ａ，４２ｂの固定部４１側の端部に応力変化が生じ、この応力変化によってピエゾ抵抗部４５ａ〜４５ｄの電気抵抗値が変化する。これにより、角速度検出信号作成回路４６から、Ｙ軸回りの回転の角速度の大きさに応じた角速度検出信号が出力される。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２４０８７４号公報
【特許文献２】特開２００２−６２１３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１９（ａ）に示される角速度センサ４０では、振動子４２ａ，４２ｂの固定部４１側の部位にはピエゾ抵抗部４５を形成すること等を考慮して、振動子４２ａ，４２ｂの固定部４１側の部位のＸ軸方向の幅が設計されている。このために、振動子４２ａ，４２ｂの固定部４１側の部位のＸ軸方向の幅は、Ｚ軸方向の厚みの寸法よりも大きくなっている。このため、振動子４２ａ，４２ｂは、Ｚ軸方向の駆動振動よりも、角速度検出のためのＸ軸方向の振動が小さくなり、角速度の検出感度の向上が難しいという問題がある。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、角速度検出の感度の向上が容易な角速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、この発明は次に示す構成をもって前記課題を解決するための手段としている。すなわち、この発明は、
互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸のうちのＸ軸およびＹ軸を含むＸＹ平面に平行なＸＹ基板面を持つ基台と、
この基台のＸＹ基板面上に浮いた状態で配置される枠状梁と、
この枠状梁からＸ軸方向に沿って枠状梁の両側にそれぞれ外向きに伸長形成されている支持部を介して枠状梁を基台に両持ち梁状に支持する枠状梁支持固定部と、
前記基台のＸＹ基板面上に浮いた状態で前記枠状梁のＹ軸方向の両側からそれぞれＹ軸方向に沿って外向きに伸長形成されている連結部と、
各連結部の伸長先端部にそれぞれ連接された錘部とを有し、
前記錘部は、枠状梁の変形によりＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向の三軸方向の外力により変位可能な構成と成し、当該錘部をＺ軸方向に駆動振動させるための錘部駆動手段が設けられており、
前記枠状梁には、錘部駆動手段により錘部がＺ軸方向に駆動振動している状態でＹ軸回りの回転によって発生したＸ軸方向のコリオリ力による錘部の変位に起因した枠状梁の撓み変形に基づいてＹ軸回りの回転の角速度を検出するＹ軸回り角速度検出部が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、角速度検出用の錘部を支持する梁は枠状と成しており、この枠状梁は両持ち梁状の態様でもって基台に固定され、錘部はその枠状梁に片持ち梁状の態様でもって支持されており、錘部は、枠状梁の撓み変形によってＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向の三軸方向の外力により変位可能な構成と成している。枠状梁は直線状の梁よりも撓み変形し易いことから、回転に起因したコリオリ力が錘部に作用したときに当該コリオリ力による枠状梁の撓み変形は、例えば錘部を支持している梁が直線状である場合よりも大きくなる。この発明では、枠状梁に、当該枠状梁の撓み変形に基づいて回転の角速度を検出するための角速度検出部が設けられているので、枠状梁の大きな撓み変形によって角速度検出の感度を向上させることができる。
【００１０】
また、この発明の構成では、錘部はＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向の三軸方向の外力により変位可能な構成であり、また、錘部をＺ軸方向に駆動振動させるための錘部駆動手段が設けられているので、錘部をＺ軸方向に駆動振動している状態でＹ軸回りの回転が発生すると、錘部にＸ軸方向のコリオリ力が作用して錘部が枠状梁の撓み変形によりＸ軸方向に振れ変位する。錘部のＸ軸方向の振動による枠状梁の撓み変形と、Ｙ軸方向の振動による枠状梁の撓み変形と、Ｚ軸方向の振動による枠状梁の撓み変形とは互いに異なることから、枠状梁の撓み変形状態およびその撓み変形量に基づいて、錘部のＸ軸方向の振動を錘部のＹ軸方向の振動やＺ軸方向の振動と区別して検出することができる。つまり、Ｙ軸回りの角速度の大きさを検出することができる。また、枠状梁にＸ軸回り角速度検出部が設けられている場合には、Ｘ軸回りの回転に起因したＹ軸方向のコリオリ力の発生による錘部の振動を、Ｘ軸方向の錘部の振動やＺ軸方向の錘部の振動と区別して検出することができるので、Ｘ軸回りの回転の角速度を検出することができる。つまり、Ｙ軸方向とＸ軸方向の二軸方向の回転の角速度を検出できる角速度センサを提供することが可能である。
【００１１】
ところで、Ｙ軸回りの回転やＸ軸回りの回転が発生したときだけでなく、加速度が発生した場合にも錘部は変位する。このため、回転の角速度が発生していないのにも拘わらず、加速度発生に起因して角速度が発生したと誤検出してしまうことが懸念される。これに対して、錘部駆動手段が、各錘部をそれぞれＺ軸方向に互いに逆相で駆動振動させる構成を備えることによって、回転の角速度に起因した各錘部の振動は互いに逆相になり、また、加速度に起因した各錘部の変位は同相となるので、角速度に起因した錘部の振動と、加速度に起因した錘部の変位とを区別することが簡単となる。このため、加速度を角速度として誤検出してしまうことを容易に回避できることとなる。
【００１２】
また、各錘部をそれぞれＺ軸方向に互いに逆相に駆動振動させる構成を備えることによって、次に示すような問題を防止できる。つまり、各錘部が同相で振動すると、その錘部の振動に起因して角速度センサの重心位置が変動して角速度センサ全体が振動する。これにより角速度センサの出力信号にノイズが乗ってしまう。これに対して、各錘部が互いに逆相で振動する構成とすることによって、錘部の振動による角速度センサの重心位置の変動を小さく抑制できて角速度センサ全体の振動を抑えることができる。このため、角速度センサの振動に起因した出力信号のノイズを抑えることができて角速度検出の性能を高めることができる。
【００１３】
さらに、枠状梁が、支持部の中心軸を通るＸ軸方向中心線に対して対称な形状であり、かつ、連結部の中心軸を通るＹ軸方向中心線に対して対称な形状である構成を備えることによって、回転の角速度に起因した枠状梁の撓み変形を単純化でき、これにより、枠状梁の撓み変形を利用した角速度検出の精度向上が容易となる。
【００１４】
さらに、この発明では、枠状梁にＹ軸回りの角速度検出部が設けられている構成であるので、Ｙ軸回りの角速度検出部が枠状梁の撓み変形による枠状梁の応力変化によって電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗部を有している構成である場合には、そのピエゾ抵抗部は枠状梁に集約配設されることとなる。ピエゾ抵抗部は、枠状梁を構成する例えばシリコン（Ｓｉ）等の半導体にボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等の不純物をドープして作製されるが、ピエゾ抵抗部の形成位置が離れていると、各ピエゾ抵抗部形成部位における半導体への不純物のドープ濃度がばらつく。このように各ピエゾ抵抗部のドープ濃度がばらつくと、各ピエゾ抵抗部の電気抵抗値がばらついて当該ピエゾ抵抗部の電気抵抗値変化を利用した角速度検出の精度に悪影響を及ぼす。
【００１５】
これに対して、ピエゾ抵抗部の配設位置が集約されていることにより、各ピエゾ抵抗部形成位置における半導体への不純物のドープ濃度を均一にすることが容易にできることとなる。このため、各ピエゾ抵抗部の電気抵抗値変化を利用した角速度検出の精度を高めることができる。また、枠状梁にＸ軸回りの角速度検出部が設けられ、そのＸ軸回りの角速度検出部がピエゾ抵抗部である構成を備えている場合にも、上記同様の効果を得ることができる。
【００１６】
また、Ｙ軸回り角速度検出部やＸ軸回り角速度検出部がピエゾ抵抗部を有して構成されている場合には、ピエゾ抵抗部のインピーダンスが低いために次に示すような効果を得ることができる。つまり、Ｙ軸回り角速度検出部やＸ軸回り角速度検出部のインピーダンスが大きい場合には、その大きなインピーダンスのためにＹ軸回り角速度検出部やＸ軸回り角速度検出部の出力にノイズが乗り易く、このため、角速度センサの出力信号のＳＮ比が悪くなる。角速度センサは回路基板に搭載され当該回路基板に設けられている角速度センサ用の信号処理回路（つまり、角速度センサから出力される信号を処理して角速度の大きさ等を検出する信号処理回路）に電気的に接続される。角速度センサの出力信号のＳＮ比が悪い場合に、回路基板における角速度センサの搭載位置と、回路基板の上記信号処理回路の形成位置との間の距離が長いと、角速度センサの出力信号が上記信号処理回路に達するまでに角速度センサの出力信号のＳＮ比が更に悪化して、回路基板の上記信号処理回路での信号処理に支障を来す虞がある。このために、回路基板における角速度センサの搭載位置と、回路基板の上記信号処理回路の形成位置との間の距離を短くすることが好ましく、回路基板における角速度センサの配置位置が規制されて設計の自由度が低くなる。
【００１７】
これに対して、Ｙ軸回り角速度検出部やＸ軸回り角速度検出部がピエゾ抵抗部を有して構成されている場合には、ピエゾ抵抗部のインピーダンスが低いために、Ｙ軸回り角速度検出部やＸ軸回り角速度検出部の出力にノイズが乗りにくくなって角速度センサの出力信号のＳＮ比を向上させることができる。このため、回路基板における角速度センサの搭載位置を上記信号処理回路の形成位置から離しても、信号処理回路の信号処理に支障の無いＳＮ比を持つ角速度センサの出力信号を信号処理回路に供給することができるようになることから、回路基板における角速度センサの搭載位置を上記信号処理回路の形成位置から離すことができることとなる。これにより、回路基板における角速度センサの搭載位置に関する設計の自由度を高くすることができて、角速度センサの使い勝手をよくすることができる。
【００１８】
さらに、枠状梁におけるＺ軸方向の厚みは、各支持部からそれぞれ当該支持部の幅をもって枠状梁の領域へＸ軸方向に延長した帯状の支持部連接枠状梁部位、および、各連結部からそれぞれ当該連結部の幅をもって枠状梁の領域へＹ軸方向に延長した帯状の連結部連接枠状梁部位が、枠状梁の他の部位よりも厚い構成を備えることによって、枠状梁の支持部連接枠状梁部位や連結部連接枠状梁部位と、枠状梁の他の部位との境界部分における応力の強弱が明確となる。ピエゾ抵抗部を利用して角速度を検出する構成の場合には、そのように応力の強弱を明確にすることにより、角速度発生の有無に対するピエゾ抵抗部の出力の変動幅が大きくなるので、角速度検出の精度を向上させることができる。
【００１９】
また、枠状梁に補強部が設けられている構成を備えることによって、例えば周囲の温度変動等によって固定部や基台に歪みが発生したときに、その歪みに起因して固定部側から支持部を介して枠状梁に加えられる応力を軽減することができる。これにより、より一層の角速度検出の精度を向上させることができる。つまり、ピエゾ抵抗部を利用して角速度を検出する構成の場合には、周囲の温度変動（熱変動）等に起因した固定部や基台の歪みに因る応力によってピエゾ抵抗部の出力が変動して角速度検出の精度が悪化するという問題発生の虞がある。これに対して、枠状梁に補強部を設けて、熱変動等に起因した固定部や基台の歪みによって固定部側から支持部を介し枠状梁に加えられる応力を軽減できることにより、固定部や基台の歪みに起因したピエゾ抵抗部の出力変動を抑制できる。このために、ピエゾ抵抗部を利用した角速度検出の精度を高めることができる。
【００２０】
さらに、錘部がＳＯＩ基板の支持層と酸化層と活性層により構成され、また、錘部駆動手段が、錘部の支持層露出面と、当該支持層露出面に間隔を介して対向配置するＳＯＩ基板の活性層から成る駆動用電極部とを有している構成を備えることによって、マイクロマシニング技術等によってＳＯＩ基板を加工するだけで錘部駆動手段を作製することができる。また、枠状梁と支持部と連結部と錘部と固定部と錘部駆動手段がＳＯＩ基板により形成されている構成とすることによって、共通のＳＯＩ基板を加工するだけで上記枠状梁や錘部等を形作って角速度センサを作製することができることとなる。つまり、簡単な加工工程でもって角速度センサを作製することができる。
【００２１】
また、錘部はＳＯＩ基板の支持層と酸化層と活性層により形成され、枠状梁はＳＯＩ基板の活性層により形成される構成とすることによって、枠状梁の大きさに対する錘部の大きさ（換言すれば質量）を大きくできる。コリオリ力は、角速度の大きさと、錘部の駆動振動の速度と、錘部の質量とに比例した大きさとなるので、錘部の質量を大きくできることによって、回転に起因したコリオリ力が大きくなって当該コリオリ力の作用による錘部の振動を大きくすることができ、角速度検出の感度を高めることができる。また、錘部および連結部のＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向のそれぞれの方向の共振周波数は、錘部の質量や、連結部の寸法等によって調整することができる。錘部がＳＯＩ基板の支持層と酸化層と活性層により形成される構成とすることによって、錘部の質量の調整可能な範囲が広がるので、錘部および連結部の寸法調整等の共振周波数の調整によって、錘部および連結部のＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向のそれぞれの方向の共振周波数を近付けることができる。このことも、角速度センサの角速度検出の感度向上に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１（ａ）には本発明に係る角速度センサの第１実施形態例が模式的な斜視図により示され、図１（ｂ）には図１（ａ）の角速度センサの模式的な平面図が示されている。また、図２（ａ）には図１（ｂ）のＡ−Ａ部分の模式的な断面図が示され、図２（ｂ）には図１（ｂ）のＢ−Ｂ部分の模式的な断面図が示され、図２（ｃ）には図１（ｂ）のＣ−Ｃ部分の模式的な断面図が示されている。さらに、図３（ａ）には図１（ｂ）のａ−ａ部分の模式的な断面図が示され、図３（ｂ）には図１（ｂ）のｂ−ｂ部分の模式的な断面図が示されている。
【００２４】
この第１実施形態例の角速度センサ１は、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸のうちのＹ軸回りの回転の角速度を検出することができるものである。この角速度センサ１は基台２を有している。この基台２は、Ｘ軸およびＹ軸を含むＸＹ平面に平行なＸＹ基板面３を持ち、このＸＹ基板面３の上方側には、枠状梁４が浮いた状態で配置されている。この枠状梁４は方形状と成し、当該枠状梁４のＸ軸方向の両側からそれぞれＸ軸方向に沿って外向きに支持部５（５ａ，５ｂ）が伸長形成されている。これら支持部５ａ，５ｂは、それぞれ、基台２に対して浮いた状態と成し、支持部５ａ，５ｂの各伸長先端部は固定部６に連接されている。この固定部６は、枠状梁４および後述する錘部７（７ａ，７ｂ）の形成領域を間隔を介して囲む枠状の形態を有し、当該固定部６は基台２に固定されている。換言すれば、枠状梁４は、支持部５ａ，５ｂを介して基台２に両持ち梁状に支持固定されている。すなわち、この第１実施形態例では、支持部５（５ａ，５ｂ）と固定部６によって枠状梁支持固定部が構成されている。
【００２５】
枠状梁４の枠内空間には補強部２０が配置されている。当該補強部２０は、支持部５ａが連接されている枠状梁４の部位と、支持部５ｂが連接されている枠状梁４の部位との間を結ぶ方向に伸長形成され、当該補強部２０の両端部は、それぞれ、枠状梁４の内側端縁部に連接されている。また、枠状梁４のＹ軸方向の両側からは、それぞれ、連結部８（８ａ，８ｂ）がＹ軸方向に沿って外向きに伸長形成されている。第１実施形態例では、各支持部５ａ，５ｂのＸ軸方向に沿った中心軸および補強部２０のＸ軸方向に沿った中心軸は同一直線上に配置され、また、各連結部８ａ，８ｂのＹ軸方向に沿った中心軸は同一直線上に配置されている。枠状梁４は方形状と成し、当該枠状梁４は、支持部５ａ，５ｂと補強部２０の中心軸を通るＸ方向中心軸に対して対称な形状であり、かつ、連結部８ａ，８ｂの中心軸を通るＹ方向中心軸に対して対称な形状となっている。
【００２６】
この第１実施形態例では、枠状梁４において、各連結部８ａ，８ｂからそれぞれ連結部８の幅をもって枠状梁４の領域へＹ軸方向に延長した帯状の連結部連接枠状梁部位１５（１５ａ，１５ｂ）（図４の点線Ｚ15で囲んだ領域を参照）のＺ軸方向の厚みは、連結部８のＺ軸方向の厚みと同じ厚みとなっている。また、各支持部５ａ，５ｂからそれぞれ支持部５の幅をもって枠状梁４の領域へＸ軸方向に延長した帯状の支持部連接枠状梁部位１６（１６ａ，１６ｂ）（図４の点線Ｚ16で囲んだ領域を参照）のＺ軸方向の厚みは、支持部５のＺ軸方向の厚みと同じ厚みとなっている。連結部連接枠状梁部位１５（１５ａ，１５ｂ）および支持部連接枠状梁部位１６（１６ａ，１６ｂ）以外の枠状梁４の部位は、連結部連接枠状梁部位１５（１５ａ，１５ｂ）および支持部連接枠状梁部位１６（１６ａ，１６ｂ）のＺ軸方向の厚みよりも薄くなっている。
【００２７】
具体例を挙げると、例えば、支持部５や連結部８のＺ軸方向の厚みが約４００μｍ程度であり、枠状梁４における連結部連接枠状梁部位１５（１５ａ，１５ｂ）および支持部連接枠状梁部位１６（１６ａ，１６ｂ）のＺ軸方向の厚みが、支持部５や連結部８のＺ軸方向の厚みと同程度の例えば約４００μｍ程度であるのに対して、枠状梁４のそれ以外の部分のＺ軸方向の厚みは、例えば約５〜１０μｍ程度というように、枠状梁４のそれ以外の部分のＺ軸方向の厚みは、枠状梁４における連結部連接枠状梁部位１５（１５ａ，１５ｂ）および支持部連接枠状梁部位１６（１６ａ，１６ｂ）のＺ軸方向の厚みよりも薄くなっている。なお、この第１実施形態例では、補強部２０のＺ軸方向の厚みは、支持部５や支持部連接枠状梁部位１６のＺ軸方向の厚みとほぼ同じ厚みとなっている。
【００２８】
錘部７ａ，７ｂは、枠状梁４を間にしてＹ軸方向に配列配置され、かつ、基台２のＸＹ基板面３の上方側に浮いた状態で配置されている。これら各錘部７ａ，７ｂは、それぞれ、連結部８（８ａ，８ｂ）によって、枠状梁４に連接されている。連結部８（８ａ，８ｂ）は基台２に対して浮いた状態と成し、錘部７ａ，７ｂは、枠状梁４の撓み変形によって、Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向の三軸方向の外力により変位可能な構成となっている。この第１実施形態例では、錘部７のＺ軸方向の厚みは、例えば約４００μｍ程度というように、支持部５や連結部８のＺ軸方向の厚みとほぼ同様な厚みとなっている。また、錘部７（７ａ，７ｂ）の重心は、例えば図３（ｂ）に示される点Ｗ7の位置であり、錘部７（７ａ，７ｂ）を支える枠状梁４の支点は、例えば図３（ｂ）に示される点Ｗ4の位置となっており、錘部７の重心位置と、錘部７（７ａ，７ｂ）を支える枠状梁４の支点位置とは、高さ位置（Ｚ軸方向の位置）がずれている。
【００２９】
この第１実施形態例には、錘部７（７ａ，７ｂ）をＺ軸方向に駆動振動させるための錘部駆動手段２２が設けられている。当該錘部駆動手段２２は、錘部７（７ａ，７ｂ）の側面と間隔を介して隣接配置されている固定部２３（２３ａ，２３ｂ）と、固定部２３（２３ａ，２３ｂ）の表面に形成されている駆動用電圧印加用の電極パッド２４（２４ａ，２４ｂ）と、固定部２３から錘部７（７ａ，７ｂ）の上面側に向けて伸長形成されている櫛歯状の駆動用電極部２５（２５ａ，２５ｂ）と、駆動用電極部２５と間隔を介して対向配置されている錘部７（７ａ，７ｂ）の端縁部分２６と、当該錘部７の端縁部分にバイアス電圧を印加するための電極パッド２７とを有して構成されている。当該錘部駆動手段２２は、駆動用電極部２５と、当該駆動用電極２５に空隙を介して対向配置されている錘部７の端縁部分との間に後述するように交流電圧を印加し当該交流電圧に応じた静電力を発生させて錘部７（７ａ，７ｂ）をＺ軸方向に駆動振動させる構成を備えている。この第１実施形態例では、錘部駆動手段２２は、各錘部７ａ，７ｂにおける連結部８の連接側の端部側とは反対側となる端部側に配設されており、錘部７ａ側の錘部駆動手段２２と、錘部７ｂ側の錘部駆動手段２２とは、枠状梁４の形成位置を中心部とした対称的な位置に配設されている。これにより、錘部７ａのＺ軸方向の駆動振動と、錘部７ｂのＺ軸方向の駆動振動とのバランスが取りやすくなる。
【００３０】
この第１実施形態例では、枠状梁４と支持部５（５ａ，５ｂ）と固定部６と錘部７（７ａ，７ｂ）と連結部８（８ａ，８ｂ）と補強部２０と錘部駆動手段２２は、共通のＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板（つまり、Ｓｉから成る支持層１０とＳｉＯ2から成る酸化層１１とＳｉから成る活性層１２が下側から順に積層形成されている多層基板）１３をマイクロマシニング技術を利用して加工して形作られたものである。この第１実施形態例では、錘部駆動手段２２の固定部２３は、ＳＯＩ基板１３の支持層１０と酸化層１１と活性層１２により構成されている。錘部７は、ＳＯＩ基板１３の支持層１０と酸化層１１と活性層１２により構成され、当該錘部７は、錘部駆動手段形成側の端縁部分に、上面から支持層１０に達する端面開口の凹部２７が形成された形状と成し（例えば図３（ａ）、（ｂ）参照）、その凹部２７の内底壁面は支持層露出面２６となっている。駆動用電極部２５は、固定部２３から錘部７（７ａ，７ｂ）の凹部２７の端面開口部を通って凹部２７の内部に向けて伸長形成されている態様を有し、錘部７（７ａ，７ｂ）の凹部２７の内底壁面（支持層露出面２６）に間隔を介して対向配置されている。当該駆動用電極部２５は、ＳＯＩ基板１３の活性層１２から成り、この駆動用電極部２５の伸長先端側は、錘部７を構成しているＳＯＩ基板１３の錘部駆動手段形成領域内全ての酸化層１１を除去し、かつ、上面側から支持層１０まで達する駆動用電極部形成用の溝部の形成によって錘部７から切り離された活性層１２の部位を有して構成されている。
【００３１】
駆動用電極部２５の固定部２３を構成している活性層１２部分は、枠状梁４を支持固定している固定部６を構成している活性層１２の部分と、溝部２８の形成によって電気的に直接的には接続されていない状態となっている。このため、錘部駆動手段２２の等価回路は図５に示されるような回路構成となる。つまり、駆動用電極部２５と、錘部７の支持層露出面２６（支持層１０）とが空隙を介して対向配置されてコンデンサＣ１が形成され、また、錘部７を構成しているＳＯＩ基板１３の支持層１０と、活性層１２とが酸化層１１を介してコンデンサＣ２が形成されている。駆動用電極部２５は固定部２３と電気的にはほぼ同電位となる。錘部７を構成している活性層１２は、連結部８を構成している活性層１２部分および枠状梁４を構成している活性層１２部分および支持部５を構成している活性層１２部分および固定部６を構成している活性層１２部分とほぼ同電位となる。固定部２３と固定部６は電気的に直接的には接続されていないことから、コンデンサＣ１，Ｃ２は直列接続回路を構成する。
【００３２】
錘部駆動手段２２においては、例えば、固定部２３の電極パッド２４には、錘部７を駆動振動させるための予め定められた周波数の交流の駆動信号を外部から印加する。また、固定部６の電極パッド２７には外部のバイアス電圧電源からバイアス電圧を印加する。このように、電極パッド２４，２７に電圧を印加することにより、電極パッド２４に電気的に接続されている駆動用電極部２５と、電極パッド２７に電気的に接続されている錘部７の支持層露出面２６との間に交流の駆動用の電圧が印加され、当該駆動用電極部２５と、支持層露出面２６との間には、駆動用の電圧に応じた静電力が発生する。この静電力によって、錘部７がＺ軸方向に駆動振動する。この第１実施形態例では、図６のイメージ図に示されるように、錘部７ａの駆動振動と、錘部７ｂの駆動振動とが、互いに逆相となるように、電極パッド２４ａ，２４ｂにそれぞれ印加する駆動用の電圧は互いに逆相となるように制御される。
【００３３】
錘部駆動手段２２によって錘部７（７ａ，７ｂ）がＺ軸方向に駆動振動しているときにＹ軸回りの回転が生じると、Ｘ軸方向のコリオリ力が錘部７（７ａ，７ｂ）に作用する。このコリオリ力によって枠状梁４が撓み変形し、図７のイメージ図に示されるように、錘部７（７ａ，７ｂ）が振動する。
【００３４】
この第１実施形態例では、枠状梁４には、当該枠状梁４の撓み変形による応力変化によって電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4が、図８の平面図に示されるように配設されている。つまり、枠状梁４における帯状の連結部連接枠状梁部位１５ａの帯幅両側に、それぞれ、ピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY4が配設され、また、枠状梁４における帯状の連結部連接枠状梁部位１５ｂの帯幅両側に、それぞれ、ピエゾ抵抗部ＲY2，ＲY3が配設されている。
【００３５】
枠状梁４と支持部５（５ａ，５ｂ）と固定部６には、それらピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4により図９（ａ）に示されるようなブリッジ回路を構成するための配線パターンが形成されている。例えば図８に示される例では、配線パターンＬによって、各連結部連接枠状梁部位１５ａ，１５ｂの帯幅両側に配設されているピエゾ抵抗部のうちの左右の同じ片側（図８の例では左側）のピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2の一端側同士が電気的に接続されて電圧検出部ＰY1と成している。また、各連結部連接枠状梁部位１５ａ，１５ｂの帯幅両側に配設されているピエゾ抵抗部のうちの左右のもう一方の片側（図８の例では右側）のピエゾ抵抗部ＲY3，ＲY4の一端側同士が電気的に接続されて電圧検出部ＰY2と成している。固定部６の表面には、複数の外部接続用の電極パッド３０が形成されており、電圧検出部ＰY1は、配線パターンＬによって、当該電圧検出部ＰY1に個別に対応する外部接続用の電極パッド３０（ＶY-）に電気的に接続されている。また、電圧検出部ＰY2は、配線パターンＬによって、当該電圧検出部ＰY2に個別に対応する外部接続用の電極パッド３０（ＶY+）に電気的に接続されている。さらに、連結部連接枠状梁部位１５ａの両側のピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY4の他端側同士が接続され、当該接続部は、配線パターンＬによって、バイアス電圧印加用の電極パッド３０（Ｖbi）に電気的に接続されている。さらにまた、連結部連接枠状梁部位１５ｂの両側のピエゾ抵抗部ＲY2，ＲY3の他端側同士が接続され、当該接続部は、配線パターンＬによって、グランド接地用の電極パッド３０（ＧＮＤ）に電気的に接続されている。
【００３６】
この第１実施形態例では、４つのピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4は、枠状梁４が撓み変形していない状態で図９（ａ）のブリッジ回路が均衡状態となるように形成されている。
【００３７】
この第１実施形態例の角速度センサ１は上記のように構成されている。この角速度センサ１は、次に示すように角速度を検出することができる。すなわち、角速度センサ１において、錘部駆動手段２２によって錘部７（７ａ，７ｂ）がＺ軸方向に互いに逆相に駆動振動している状態で、Ｙ軸回りの回転が発生すると、その回転によるＸ軸方向のコリオリ力が錘部７ａ，７ｂにそれぞれ作用する。この第１実施形態例では、錘部７ａ，７ｂはＺ軸方向に逆相に駆動振動することから、錘部７ａ，７ｂに作用するＸ軸方向のコリオリ力も互いに逆相となり、錘部７ａ，７ｂは、互いにＸ軸方向に逆向きに図７のイメージ図のように振動する。この錘部７の振動によって、枠状梁４が撓み変形し、これにより、枠状梁４には次に述べるような応力が発生する。
【００３８】
例えば、錘部７ａが図７に示されるような右向きに振れ変位し、錘部７ｂが逆の左向きに振れ変位している場合には、枠状梁４において、図１０に示される連結部連接枠状梁部位１５ａの左側ＡLには圧縮応力が、また、連結部連接枠状梁部位１５ａの右側ＡRには引っ張り応力が、さらに、連結部連接枠状梁部位１５ｂの左側ＢLには引っ張り応力が、さらにまた、連結部連接枠状梁部位１５ｂの右側ＢRには圧縮応力が、それぞれ、発生する。また、支持部連接枠状梁部位１６ａの上側ＣUには引っ張り応力が、また、支持部連接枠状梁部位１６ａの下側ＣDには圧縮応力が、さらに、支持部連接枠状梁部位１６ｂの上側ＤUには圧縮応力が、さらに、支持部連接枠状梁部位１６ｂの下側ＤDには引っ張り応力が、それぞれ、発生する。
【００３９】
この第１実施形態例では、各連結部連接枠状梁部位１５ａ，１５ｂの両側に、それぞれ、ピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4が設けられている。Ｙ軸回りの回転に起因したＸ軸方向のコリオリ力による錘部７ａ，７ｂの振動によって枠状梁４が撓み変形することにより、枠状梁４の応力が変化してピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4の電気抵抗値が変化する。つまり、ピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY3は圧縮応力に基づいた抵抗値変化を示し、ピエゾ抵抗部ＲY2，ＲY4は引っ張り応力に基づいた抵抗値変化を示す。このため、図９（ａ）のブリッジ回路の抵抗値の均衡状態が崩れて、図９（ａ）のブリッジ回路の出力が変化する。Ｙ軸回りの回転の角速度の大きさに応じて図９（ａ）のブリッジ回路の出力の変動幅が変化することから、図９（ａ）のブリッジ回路の出力に基づいてＹ軸回りの回転の角速度の大きさを検出することができる。
【００４０】
ところで、錘部７（７ａ，７ｂ）は、加速度に基づいた力が作用しても振動する。その加速度発生に起因した力による錘部７ａ，７ｂの振動は同相である。角速度発生に起因したコリオリ力による錘部７ａ，７ｂの振動は互いに逆相であることから、加速度発生時の錘部７ａ，７ｂの振動状態とは異なる。この錘部７ａ，７ｂの振動状態の差異を利用して、角速度発生を加速度発生とは区別して検出することができる。
【００４１】
つまり、Ｘ軸方向の加速度発生に起因して錘部７ａ，７ｂが同相にＸ軸方向に振動すると、枠状梁４には次に示すような応力が発生する。例えば、加速度発生に起因して錘部７ａ，７ｂが両方共に図１１（ａ）に示すような向きに振れ変位している場合には、枠状梁４において、図１１（ｂ）に示される連結部連接枠状梁部位１５ａの左側ＡLには引っ張り応力が、また、連結部連接枠状梁部位１５ａの右側ＡRには圧縮応力が、さらに、連結部連接枠状梁部位１５ｂの左側ＢLには引っ張り応力が、さらにまた、連結部連接枠状梁部位１５ｂの右側ＢRには圧縮応力が、それぞれ、発生する。また、支持部連接枠状梁部位１６ａの両側ＣU，ＣDには、それぞれ、圧縮応力が発生し、支持部連接枠状梁部位１６ｂの両側ＤU，ＤDには、それぞれ、引っ張り応力が発生する。このため、Ｘ軸方向の加速度が発生しているときには、ピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2は、例えば引っ張り応力に基づいた抵抗値変化を示し、ピエゾ抵抗部ＲY3，ＲY4は、例えば圧縮応力に基づいた抵抗値変化を示すこととなり、ピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2と、ピエゾ抵抗部ＲY3，ＲY4とは、加速度が発生していないときの基準の抵抗値から互いに正負（増減）逆向きに抵抗値が変化する。これにより、図９（ａ）のブリッジ回路において、ピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2と、ピエゾ抵抗部ＲY3，ＲY4との抵抗値変化は互いにキャンセルされた状態となり、図９（ａ）のブリッジ回路の出力は大きな変化が無い。
【００４２】
また、Ｙ軸方向の加速度に起因した力が錘部７ａ，７ｂに作用すると、錘部７ａ，７ｂの重心位置と、枠状梁４の支点位置とが高さ方向にずれていることから、錘部７ａ，７ｂは図１２（ａ）に示すようにＹ軸方向に振れ変位する。例えば、錘部７ａ，７ｂが図１２（ａ）に示されるようにＹ軸方向の右向きに振れ変位している場合には、枠状梁４において、図１２（ｂ）に示される支持部連接枠状梁部位１６ａの上側ＣUには引っ張り応力が、また、支持部連接枠状梁部位１６ａの下側ＣDには圧縮応力が、それぞれ、発生する。さらに、支持部連接枠状梁部位１６ｂの上側ＤUには引っ張り応力が、また、支持部連接枠状梁部位１６ｂの下側ＤDには圧縮応力が、それぞれ、発生する。このように、Ｙ軸方向の加速度に起因して錘部７ａ，７ｂが振れ変位している場合には、ピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4が形成されている枠状梁部分（つまり、枠状梁４における各連結部連接枠状梁部位１５ａ，１５ｂの両側部分）の応力変化は殆ど無いので、ピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4の電気抵抗値は殆ど変化しない。このため、図９（ａ）に示されるブリッジ回路の出力は大きく変化しない。
【００４３】
すなわち、この第１実施形態例では、錘部７ａ，７ｂのＺ軸方向の駆動振動が互いに逆相となるように錘部７ａ，７ｂの駆動振動を制御することにより、角速度発生時の錘部７ａ，７ｂの振動状態と、加速度発生時の錘部７ａ，７ｂの振動状態とを異ならせることができて、角速度を加速度と区別して検出することが可能となる。なお、錘部駆動手段２２による錘部７ａ，７ｂのＺ軸方向の駆動振動による枠状梁４の応力変化は、支持部連接枠状梁部位１６ａ，１６ｂの両側に発生する。つまり、ピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4が形成されている連結部連接枠状梁部位１５ａ，１５ｂの応力変化は殆ど無いことから、図９（ａ）のブリッジ回路の出力に、Ｚ軸方向の加速度発生や駆動振動に基づいた成分が含まれてしまう事態を回避できる。
【００４４】
ところで、角速度発生に起因したコリオリ力による錘部の振動状態を静電容量変化を利用して検出して角速度の大きさを検出する手法が多数提案されている。しかしながら、コリオリ力による錘部の振動状態を静電容量変化により検出するための構造は、角速度センサの構造を複雑化するという問題がある。また、錘部を駆動振動させるための駆動手段がこの第１実施形態例の如く静電力を利用する場合には、錘部を駆動させるために形成される等価的なコンデンサと、錘部のコリオリ力による振動を検出するために形成される等価的なコンデンサとが電磁結合し、錘部駆動用の等価的なコンデンサに印加される電圧変動が、角速度検出用の等価的なコンデンサから出力される信号にノイズとして乗ってしまい、角速度検出用の出力信号のＳＮ比を悪化させてしまうという問題がある。これに対して、この第１実施形態例の如くピエゾ抵抗部を利用して錘部の振動状態を検出する手法を用いることにより、前述したように、角速度センサの構造を簡素化することができるし、また、錘部のＺ軸方向の振動に起因した角速度センサの出力信号のＳＮ比の悪化を抑制することができる。
【００４５】
以下に、この第１実施形態例の角速度センサ１の製造工程の一例を図１３の模式的な断面図に基づいて説明する。例えば、図１３（ａ）に示されるようなＳＯＩ基板１３を用意する。このＳＯＩ基板１３は、例えば、シリコンから成る約３００μｍ〜６００μｍ程度の厚みの支持層１０と、酸化シリコンから成る約０．５μｍ〜４μｍ程度の厚みの酸化層１１と、シリコンから成る約５μｍ〜約２０μｍ程度の厚みの活性層１２とが下側から順に積層され一体化された基板である。このようなＳＯＩ基板１３の活性層１２に、図１３（ｂ）に示されるように、予め定められたピエゾ形成位置にボロン等の不純物をドープしてピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4を同時に形成する。また、ピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4から成るブリッジ回路を構成するための配線パターンＬや、電極パッド２４，２７，３０を活性層１２の表面に形成する。
【００４６】
なお、配線パターンＬは、活性層１２の表面の配線パターン形成位置に導体材料をスパッタや蒸着等の成膜形成技術により設けて成るタイプのものであってもよいし、活性層１２の配線パターン形成部位にボロン等の不純物をドープして電気抵抗を小さくして成るタイプのものであってもよい。また、導体膜により構成される配線パターンＬが、枠状梁４の薄い部位（つまり、枠状梁４における連結部連接枠状梁部位１５および支持部連接枠状梁部位１６以外の部分）に設けられると、当該枠状梁４の薄い部位が反ってしまうことが心配される場合には、枠状梁４の薄い部位には、不純物ドープにより構成される配線パターンＬを形成し、枠状梁４における連結部連接枠状梁部位１５および支持部連接枠状梁部位１６には、導体膜により構成される配線パターンＬを形成するというように、２つのタイプの配線パターンＬを場所に応じて設けてもよい。また、電極パッド２４，２７，３０に関しても、導体膜により構成されていてもよいし、不純物のドープにより構成されていてもよい。
【００４７】
次に、図１３（ｃ）に示されるように、ＳＯＩ基板１３の支持層１０の予め定められた部分を例えばエッチング等により除去して、錘部７や、固定部６，２３を形作る。
【００４８】
一方、基台２となる例えばガラス基板を用意し、そのガラス基板には、枠状梁４と支持部５と錘部７と連結部８の全てに対向する予め定められた領域に凹部を形成する。そして、図１３（ｄ）に示されるように、支持層１０のエッチング等の加工が施されたＳＯＩ基板１３の支持層１０と、基台２であるガラス基板の凹部形成面とを向き合わせ、ＳＯＩ基板１３における枠状梁４と支持部５と錘部７と連結部８の形成領域と、基台２の凹部３１との位置を合わせた後に、ＳＯＩ基板１３と、基台２とを例えば陽極接合法等により接合一体化する。
【００４９】
その後、図１３（ｅ）に示されるように、活性層１２の予め定められた除去部分を例えばエッチング等により除去して、枠状梁４と、支持部５と、錘部７と、連結部８と、錘部駆動手段２２の駆動用電極部２５と、補強部２０とを形作る。そして、図１３（ｆ）に示されるように、ＳＯＩ基板１３の酸化層１１の予め定められた除去部分を例えばエッチング等により除去して、錘部７の錘部駆動手段形成側の端部と、錘部駆動手段２２の駆動用電極部２５とを分離し、錘部７の錘部駆動手段形成側の端部を自由端とする。
【００５０】
このようにして角速度センサ１を製造することができる。この第１実施形態例では、ＳＯＩ基板１３を用いて角速度センサ１を形成しているので、この第１実施形態例に示した製造工程でもって、ＳＯＩ基板１３を加工することにより、ほぼ全ての構成部を作製することができ、製造工程の簡略化を図ることができる。
【００５１】
以下に、第２実施形態例を説明する。なお、第２実施形態例の説明において、第１実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【００５２】
この第２実施形態例では、第１実施形態例の構成に加えて、図１４に示されるように、枠状梁４には、Ｘ軸回りの回転の角速度を検出するためのＸ軸回り角速度検出部である４つのピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX2，ＲX3，ＲX4が形成されている。つまり、枠状梁４において、支持部連接枠状梁部位１６ａの片側（図１４の例では上側）にはピエゾ抵抗部ＲX1が、また、支持部連接枠状梁部位１６ａのもう一方の片側（図１４の例では下側）にはピエゾ抵抗部ＲX4が、それぞれ、形成されている。また、支持部連接枠状梁部位１６ｂの片側（図１４の例では上側）にはピエゾ抵抗部ＲX2が、また、支持部連接枠状梁部位１６ｂのもう一方の片側（図１４の例では下側）にはピエゾ抵抗部ＲX3が、それぞれ、形成されている。この第２実施形態例では、ピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX3は、Ｙ軸方向に伸長形成されている形態であるのに対して、ピエゾ抵抗部ＲX2，ＲX4は、Ｙ軸方向に直交するＸ軸方向に伸長形成されている形態である。
【００５３】
枠状梁４および支持部５および固定部６の表面部には、ピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX2，ＲX3，ＲX4から成る図１５（ａ）に示されるようなブリッジ回路を構成するための配線パターンＬが次に示すように形成されている。つまり、ピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX2の一端側同士が配線パターンＬによって接続されて電圧検出部ＰX1が形成されている。当該電圧検出部ＰX1は、固定部６の表面に形成された信号出力用の電極パッド３０（Ｖx-）に電気的に接続されている。また、ピエゾ抵抗部ＲX1の他端側は、配線パターンＬによって、バイアス電圧印加用の電極パッド３０（ＶBi）に電気的に接続され、ピエゾ抵抗部ＲX2の他端側は、配線パターンＬによって、グランド接地用の電極パッド３０（ＧＮＤ）に電気的に接続されている。さらに、ピエゾ抵抗部ＲX3，ＲX4の一端側同士が配線パターンＬによって接続されて電圧検出部ＰX2が形成され、当該電圧検出部ＰX2は配線パターンＬにより信号出力用の電極パッド３０（Ｖx+）に電気的に接続されている。さらにまた、ピエゾ抵抗部ＲX4の他端側は、配線パターンＬによって、バイアス電圧印加用の電極パッド３０（ＶBi）に電気的に接続され、ピエゾ抵抗部ＲX3の他端側は、配線パターンＬによって、グランド接地用の電極パッド３０（ＧＮＤ）に電気的に接続されている。
【００５４】
この第２実施形態例の角速度センサ１では、錘部駆動手段２２によって、錘部７ａ，７ｂがＺ軸方向の互いに逆相に駆動振動している状態で、Ｘ軸回りの回転が生じると、錘部７ａ，７ｂには、Ｘ軸回りの回転に起因したＹ軸方向のコリオリ力が発生する。錘部７ａ，７ｂはＺ軸方向に互いに逆相に駆動振動しているので、各錘部７ａ，７ｂにそれぞれ印加するコリオリ力の向きは互いに逆向きとなり、各錘部７ａ，７ｂは、例えば図１６（ａ）の模式的な断面図に示されるようにＹ軸方向に互いに逆相に振動する。例えば、図１６（ａ）に示されるように、各錘部７ａ，７ｂが振れ変位している場合には、枠状梁４には、支持部連接枠状梁部位１６ａ，１６ｂのそれぞれの両側ＣU，ＣD，ＤU，ＤDには、それぞれ、引っ張り応力が発生する。これにより、支持部連接枠状梁部位１６ａ，１６ｂのそれぞれの両側に配置されているピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX2，ＲX3，ＲX4には、引っ張り応力に応じた電気抵抗値の変化が生じる。ただし、〔１１０〕方向のＰ型ピエゾ抵抗部の場合には、伸長形成方向が互いに直交しているピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX3と、ピエゾ抵抗部ＲX2，ＲX4とは、引っ張り応力に対する電気抵抗値変化は増減方向が逆向きとなる。このようなピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX2，ＲX3，ＲX4の電気抵抗値変化に応じて、図１５（ａ）のブリッジ回路の出力が変化する。
【００５５】
なお、図１５（ａ）から出力される信号には、Ｙ軸回りの回転の角速度発生に起因した信号成分だけでなく、錘部７ａ，７ｂのＺ軸方向の互いに逆相の駆動振動に基づいた信号成分が含まれているが、Ｙ軸回りの回転の角速度発生に起因した信号成分と、駆動振動による信号成分とは位相が異なることから、角速度センサの出力信号を位相検波することにより、Ｙ軸回りの回転の角速度発生に起因した信号成分を取り出すことができる。その検波後の信号に基づいて、Ｙ軸回りの回転の角速度の大きさを検出することができる。
【００５６】
また、Ｘ軸方向の加速度が発生すると、錘部７ａ，７ｂはＸ軸方向に同相に振動する。これにより、例えば図１１（ｂ）に示されるように枠状梁４の応力が変化して、ピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX2，ＲX3，ＲX4の電気抵抗値が変化するが、この第２実施形態例では、Ｘ軸方向の加速度発生に起因したピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX2，ＲX3，ＲX4の電気抵抗値変化は同様であることから、Ｘ軸方向の加速度が発生しても図１５（ａ）のブリッジ回路の出力は殆ど変化しない。このため、Ｘ軸方向の加速度発生がＹ軸回りの回転の角速度検出に悪影響を及ぼすことを殆ど回避することができる。
【００５７】
上記のように、第２実施形態例の構成を備えることによって、Ｘ軸回りの回転とＹ軸回りの回転との２軸回りの回転の角速度を検出することができる。
【００５８】
なお、この発明は第１や第２の各実施形態例の形態に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、枠状梁４において、連結部連接枠状梁部位１５および支持部連接枠状部位１６は、枠状梁４の他の部位よりもＺ軸方向の厚みが薄くなっていたが、連結部連接枠状梁部位１５および支持部連接枠状部位１６のＺ軸方向の厚みは、枠状梁４の他の部位と同様な厚みであってもよい。
【００５９】
また、第１や第２の各実施形態例では、枠状梁４の枠内空間部には補強部２０が設けられていたが、枠状梁４の剛性等によっては、補強部２０を設けなくともよい。また、枠状梁４は方形状であったが、例えば、枠状梁４は、図１７（ａ）に示されるような円形状であってもよいし、図１７（ｂ）に示されるような菱形状であってもよいし、図１７（ｃ）に示されるような楕円形状であってもよい。また、枠状梁４は、Ｘ軸方向中心軸に対して対称な形状となり、かつ、Ｙ軸方向中心軸に対して対称な形状となっていたが、枠状梁４は、Ｘ軸方向中心軸に対して非対称な形状であってもよいし、Ｙ軸方向中心軸に対して非対称な形状であってもよい。
【００６０】
さらに、第１や第２の実施形態例に示したピエゾ抵抗部間を電気的に接続する配線パターンＬの配線構成は、図８や図１４の例に限定されるものではなく、適宜設計してよいものである。
【００６１】
さらに、第１や第２の実施形態例の構成に加えて、図１８に示したように、支持部５（５ａ，５ｂ）が、それぞれ、弾性部３２（３２ａ，３２ｂ）を介して固定部６に連接されている構成を加えてもよい。弾性部３２（３２ａ，３２ｂ）は、支持部５（５ａ，５ｂ）の伸長形成方向（Ｘ軸方向）に交差する方向（この例では直交するＹ軸方向）に伸長形成されている梁（応力軽減梁）３３を有して構成され、当該梁３３は、その両端部がそれぞれ固定部６に固定されている。この梁３３の中央部に支持部５（５ａ，５ｂ）が連接されている。当該梁３３は、固定部６のＸ軸方向の歪みに応じて弾性変形し、この弾性変形によって、固定部６の歪みに起因して固定部６から支持部５に加えられる応力を軽減することができる。なお、梁３３は固定部６の歪みに応じて弾性変形することができれば、その幅やＺ軸方向の厚みは特に限定されるものではないが、例えば、梁３３のＺ軸方向の厚みは、固定部６や、枠状梁４における支持部連接枠状梁部位１６と同様の厚みとする。
【００６２】
さらに、第１や第２の各実施形態例では、Ｙ軸回り角速度検出部や、Ｘ軸回り角速度検出部は、ピエゾ抵抗部を有して構成されていたが、例えば、静電容量の変化を利用して錘部７ａ，７ｂの変位を検出し、Ｙ軸回りの回転の角速度や、Ｘ軸回りの回転の角速度を検出する構成としてもよい。
【００６３】
さらに、第１や第２の各実施形態例では、固定部６は、梁部４および錘部７の形成領域を間隔を介して囲む枠状の態様であったが、固定部６は、梁部４を支持部５ａ，５ｂによって両持ち梁状に基台２に固定させることができる形態であればよく、枠状でなくともよい。
【００６４】
さらに、第１や第２の各実施形態例では、梁部４と支持部５と固定部６と錘部７と連結部８はＳＯＩ基板により構成されていたが、それらはＳＯＩ基板で構成されていなくともよい。
【００６５】
さらに、第１や第２の各実施形態例では、錘部駆動手段２２は、錘部７の自由端側に設けられていたが、錘部駆動手段２２の形成位置は、錘部７をＺ軸方向に駆動振動させることができる位置であれば、何れの位置でもよく、適宜設定してよいものである。例えば、錘部７の連結部側に錘部駆動手段２２を設けることにより、錘部７の自由端側の振幅の大きさを大きくすることが容易となる。
【００６６】
さらに、第１や第２の各実施形態例では、図８に示されるように枠状梁４に形成されたピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4が、図９（ａ）に示されるようなＹ軸回りの角速度検出用のブリッジ回路を構成する例を示したが、例えば、ピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4が、図９（ｂ）に示されるようなＹ軸回りの角速度検出用のブリッジ回路を構成し、当該ブリッジ回路の出力に基づいてＹ軸回りの回転の角速度の大きさを検出する構成としてもよい。つまり、図９（ｂ）のブリッジ回路では、連結部連接枠状梁部位１５ａの帯幅両側のピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY4の一端側同士が電気的に接続されて電圧検出部ＰY1'と成している。また、連結部連接枠状梁部位１５ｂの帯幅両側のピエゾ抵抗部ＲY2，ＲY3の一端側同士が電気的に接続されて電圧検出部ＰY2'と成している。さらに、各連結部連接枠状梁部位１５ａ，１５ｂの帯幅両側に配置されているピエゾ抵抗部のうちの同じ片側（図８の例では左側）のピエゾ抵抗部ＲY1，ＲY2の他端側がバイアス電圧印加部と成している。さらにまた、各連結部連接枠状梁部位１５ａ，１５ｂの帯幅両側に配置されているピエゾ抵抗部のうちのもう一方側（図８の例では右側）のピエゾ抵抗部ＲY3，ＲY4の他端側がグランド接地部と成している。
【００６７】
さらに、第２実施形態例では、図１４に示されるように枠状梁４に形成されたピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX2，ＲX3，ＲX4が、図１５（ａ）に示されるようなＸ軸回りの角速度検出用のブリッジ回路を構成する例を示したが、例えば、ピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX2，ＲX3，ＲX4が、図１５（ｂ）に示されるようなＸ軸回りの角速度検出用のブリッジ回路を構成し、当該ブリッジ回路の出力に基づいてＸ軸回りの回転の角速度の大きさを検出する構成としてもよい。つまり、図１５（ｂ）のブリッジ回路では、支持部連接枠状梁部位１６ａの帯幅両側のピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX4の一端側同士が接続されて電圧検出部ＰX1'と成している。また、支持部連接枠状梁部位１６ｂの帯幅両側のピエゾ抵抗部ＲX2，ＲX3の一端側同士が接続されて電圧検出部ＰX2'と成している。さらに、各支持部連接枠状梁部位１６ａ，１６ｂの帯幅両側の同じ片側（図１４の例では上側）のピエゾ抵抗部ＲX1，ＲX2の他端側はバイアス電圧印加部と成している。さらに、各支持部連接枠状梁部位１６ａ，１６ｂの帯幅両側のもう一方側（図１４の例では下側）のピエゾ抵抗部ＲX3，ＲX4の他端側はグランド接地部と成している。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１実施形態例の角速度センサを説明するためのモデル図である。
【図２】図１の角速度センサの各部位の模式的な断面図である。
【図３】図１の角速度センサの別の部位の模式的な断面図である。
【図４】第１実施形態例の角速度センサを構成する枠状梁を説明するための図である。
【図５】第１実施形態例の角速度センサを構成する錘部駆動手段の一例を説明するための回路図である。
【図６】錘部駆動手段による各錘部のＺ軸方向の駆動振動の一例を説明するためのモデル図である。
【図７】図１の角速度センサにおいて、Ｙ軸回りの回転に起因したＸ軸方向のコリオリ力による錘部の振動状態の一例を説明するためのモデル図である。
【図８】第１実施形態例の角速度センサを構成するＹ軸回り角速度検出部であるピエゾ抵抗部の配設例および配線パターンの配線例を説明するためのモデル図である。
【図９】図８に形成されているピエゾ抵抗部により構成されるブリッジ回路の構成例を表した回路図である。
【図１０】Ｙ軸回りの回転に起因したＸ軸方向のコリオリ力による枠状梁の撓み変形により枠状梁に生じる応力変化を説明するためのモデル図である。
【図１１】Ｘ軸方向の加速度に起因した枠状梁の撓み変形による枠状梁の応力変化の一例を説明するためのモデル図である。
【図１２】Ｙ軸方向の加速度に起因した枠状梁の撓み変形による枠状梁の応力変化の一例を説明するためのモデル図である。
【図１３】第１実施形態例の角速度センサの製造工程の一例を説明するための図である。
【図１４】第２実施形態例の角速度センサを説明するためのモデル図である。
【図１５】第２実施形態例の角速度センサを構成するＸ軸回り角速度検出部のピエゾ抵抗部により形成されるブリッジ回路の構成例を表した回路図である。
【図１６】Ｘ軸回りの回転に発生したコリオリ力に起因した錘部の振動による枠状梁の応力変化の一例を説明するための図である。
【図１７】枠状梁のその他の形態例を表したモデル図である。
【図１８】その他の実施形態例を表したモデル図である。
【図１９】角速度センサの従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  角速度センサ
２  基台
４  枠状梁
５  支持部
７  錘部
８  連結部
１５  連結部連接枠状梁部位
１６  支持部連接枠状梁部位
２２  錘部駆動手段
【図１】
2007101203.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】
2007101203.tif 000008
【図７】
2007101203.tif 000009
【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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