角速度センサ
【課題】 質量部を支持する弾性変形部を、正規の変形方向へ曲がりやすく、正規の変形方向以外の方向へ変形しにくい構造にして、質量部を安定して駆動できる角速度センサを提供する。
【解決手段】 検出回動部２６の内部に第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを介して駆動質量部２９ａがＸ方向へ移動自在に支持されており、第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄに設けられた圧電素子によって駆動質量部２９ａがＸ方向へ振動させられる。角速度センサ１が、垂直軸Ｚ回りの角速度を持つと、駆動質量部２９ａにＹ方向のコリオリ力が作用し、検出回動部２６が動作して角速度が検出される。第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄはＹ方向に平行に延びる梁３３，３４を有しているため、Ｙ方向の力で変形しにくい。よって、駆動質量部２９ａがＸ方向へ安定して支持される。
【解決手段】 検出回動部２６の内部に第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを介して駆動質量部２９ａがＸ方向へ移動自在に支持されており、第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄに設けられた圧電素子によって駆動質量部２９ａがＸ方向へ振動させられる。角速度センサ１が、垂直軸Ｚ回りの角速度を持つと、駆動質量部２９ａにＹ方向のコリオリ力が作用し、検出回動部２６が動作して角速度が検出される。第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄはＹ方向に平行に延びる梁３３，３４を有しているため、Ｙ方向の力で変形しにくい。よって、駆動質量部２９ａがＸ方向へ安定して支持される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン（Silicon）層を加工するなどして形成された微細な構造の角速度センサに係り、特に、質量部を安定して往復振動させることができるとともに、振動方向と直交する力による運動を正確に検知することができる角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）素子は、２枚のシリコン（Ｓｉ）ウエハがＳｉＯ2などの絶縁層を介して接合されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）層を微細加工することで形成される。ＭＥＭＳ素子は、ＳＯＩ層の一方のシリコンウエハが支持基板として使用され、他方のシリコンウエハが機能層として使用される。機能層は、エッチングにより分離されて、質量部と、この質量部を動作できるように支持する弾性変形部と、質量部の移動量を検知する可動電極部と固定電極部などが形成される。
【０００３】
ＳＯＩ層を加工する際に、ＳｉＯ2などの前記絶縁層の一部が残されて、この絶縁層によって機能層の一部と支持基板とが接合されており、また質量部と弾性変形部および可動電極部などと支持基板との間の前記絶縁層が除去されて、質量部と弾性変形部および可動電極部などが、支持基板上の空間内で動作可能となる。
【０００４】
以下の特許文献１と特許文献２には、角速度センサとして機能するＭＥＭＳ素子が開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載された角速度センサは、基板の面と平行な向き（Ｘ方向）に移動自在に支持された一対の第１の振動体と、それぞれの第１の振動体に支持されて、基板の面に垂直な向き（Ｚ方向）に移動自在に支持された第２の振動体が設けられている。一対の第１の振動体が前記面と平行な向き（Ｘ方向）で互いに逆位相となるように駆動されているときに、一対の第２の振動体の前記面と垂直な向き（Ｚ方向）の振動を検知することで、Ｚ方向のコリオリ力成分を検出でき、これにより、基板の面と平行なＹ軸回りの角速度、すなわちＹ軸と直交する面内にベクトルが向く角速度を知ることができる。
【０００６】
特許文献２に記載された角速度センサであるジャイロスコープは、リング状のベースの内側にリング状のフレームが角振動できるように支持されており、このフレーム内に、角振動方向と直交する垂直方向（Ｚ方向）へ振動できる２つの質量が設けられている。２つの前記質量をＺ方向へ互いに逆向きに振動させ、コリオリ力で励起されるフレームの角振動を測定することで、前記角振動を含む面と平行なＹ軸周りの角速度、すなわちＹ軸と直交する面内にベクトルが向く角速度を知ることができる。
【特許文献１】特開２００１−２１３６０号公報
【特許文献２】特表２００７−５０９３４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特許文献１に記載された角速度センサは、一対の第１の振動体がＸ方向へ互いに逆位相となるように駆動され、この第１の振動体に支持されている第２の振動体がコリオリの力でＺ方向へ動作させられる。ただし、前記第１の振動体を支持しているバネが単純な平板形状であり、平板形状のバネの撓み変形によって、第１の振動体がＸ方向へ振動自在に支持されている。そのため、コリオリ力によって第２の振動体にＺ方向の移動力が与えられたときに、前記バネがＸ方向へ撓み変形するのみならず、Ｚ方向へも変形しやすくなって、第１の振動体に本来のＸ方向への振動以外の不要な振動が重畳しやすい。
【０００８】
また、前記第２の振動体を支持しているバネも平板状であるため、第２の振動体がＺ方向へのコリオリ力を受けてＺ方向へ動作するときに、第１の振動体へ与えられているＸ方向への振動によって、バネが本来の撓み方向以外の向きに変形しやすくなり、第２の振動体にコリオリ力以外の外乱の振動が重畳する心配がある。
【０００９】
これは、特許文献２に記載された角速度センサにおいても同じであり、一対の質量部がＺ方向へ振動駆動されているときに、質量部を支持している撓み部分がコリオリ力の影響などで本来の振動方向以外の方向へ変形し、コリオリ力を検出するためのリング状のフレームにノイズとなる振動が重畳するおそれがある。
【００１０】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、質量部を振動自在に支持している弾性変形部を、質量部の本来の方向へ撓み変形しやすく且つそれ以外の方向へ変形しにくくして、質量部やその他の駆動部に余分なノイズ振動が重畳するのを防止しやすい角速度センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、質量部と、前記質量部を第１の方向へ往復移動自在に支持する弾性変形部と、前記質量部を前記第１の方向へ往復振動させる駆動部材と、質量部が角速度を持って運動したときに前記第１の方向と直交する第２の方向に作用する力を検出する検出部とを有する角速度センサにおいて、
前記弾性変形部は、支持部に固定される基端連結部と、前記質量部に連結される先端連結部と、前記先端連結部と前記基端連結部との間で前記第２の方向に沿って平行に延びる少なくとも２つの梁とを有しており、
前記駆動部材によって前記質量部が前記第１の方向へ往復振動させられるときに、それぞれの前記梁が前記質量部の振動方向に向けて曲げ変形することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の角速度センサに設けられた弾性変形部は、平行な２本の梁または３本以上の梁を有しており、これら梁が質量部の駆動方向である第１の方向へ向けて撓み変形する。前記梁はコリオリ力の検出方向である第２の方向へ延びているため、弾性変形部がコリオリ力の力の影響を受けにくくなり、検出部に本来の検出方向の振動以外の振動ノイズが重畳しにくくなる。
【００１３】
本発明は、前記基端連結部と前記先端連結部との間に、隣り合う梁どうしを連結する連結梁が設けられていることが好ましい。
【００１４】
上記連結梁が設けられていると、隣り合う梁が互いの間隔を保って撓み変形するため、梁の変形が安定し、弾性変形部に捩じり変形などが生じにくくなる。
【００１５】
本発明は、前記駆動部材が、少なくとも１つの梁に設けられた圧電素子であり、この圧電素子の電歪効果によって複数の梁が曲げ変形させられて、前記質量部が往復振動させられるものである。
【００１６】
圧電素子を用いて梁に直接に振動駆動力を与えることで、質量部を効率よく振動させることができる。なお、本発明は弾性変形部とは別個に駆動電極を設け、質量部に設けられた電極と支持部に設けられた電極との間の静電力によって質量部が駆動されるものであってもよい。
【００１７】
本発明は、前記質量部に対し前記第２の方向へ作用する力によって前記支持部が移動させられ、前記支持部の移動が前記検出部で検出されるものである。
【００１８】
例えば、本発明は、前記支持部に対して２つの前記質量部が前記弾性変形部を介して支持されているとともに、前記駆動部材によって２つの前記質量部が互いに逆の位相で振動駆動され、前記質量部に対し前記第２の方向へ作用する力によって、前記支持部が回動し、前記検出部で前記支持部の回動が検出されるものである。
【００１９】
本発明は、２つのＳｉ層が絶縁層を介して接合されたＳＯＩ層が使用され、一方のＳｉ層が前記支持基板として使用され、他方のＳｉ層が機能層として使用されて、前記機能層から、前記質量部および前記弾性変形部が形成されており、前記質量部と前記支持基板との間および前記弾性変形部と前記支持基板との間で、前記絶縁層が除去されているものが好ましい。
【００２０】
ＳＯＩ層の一方のシリコンウエハから各動作部分を形成することで、薄型で小型の角速度センサを得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の角速度センサは、質量部を支持している弾性変形部に複数の梁が設けられているため、この梁の撓みで質量部を安定して振動させることが可能である。また梁が検出方向である第２の方向へ延びているため、質量部に作用するコリオリ力によって梁にたわみが生じにくい。そのために、弾性変形部に対して質量部を駆動する振動以外の振動が重畳しにくくなり、検出出力にノイズが加わりにくくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の実施の形態の角速度センサの機能層の構造を示す平面図、図２は図１に示す角速度センサをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図である。図３（Ａ）は機能層に設けられた検出回動部と駆動質量部を部分的に示す平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。図４ないし図６は、第２の弾性変形部および面内駆動部材を実施の形態別に示す部分平面図である。図７（Ａ）（Ｂ）は、角速度センサの動作説明図である。
【００２３】
図１と図２に示す角速度センサ１はＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）素子であり、図１に示すようにその平面形状は四角形である。
【００２４】
図２に示すように、角速度センサ１は、支持基板２に機能層２０が積層され、機能層２０の一部分と支持基板２とが第１の絶縁層３を介して接合されている。支持基板２と機能層２０および第１の絶縁層３は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）層を微細加工して形成されている。ここで使用するＳＯＩ層は、２つのシリコンウエハが、絶縁層（Insulator）であるＳｉＯ2層を挟んで一体に接合されたものである。ＳＯＩ層の一方のシリコンウエハが、支持基板２として使用され、他方のシリコンウエハが機能層２０として使用されて、この機能層２０が微細加工されてそれぞれの機能部が分離されて形成される。また、ＳｉＯ2層の一部が残されて第１の絶縁層３となる。
【００２５】
図２に示すように、機能層２０には閉鎖部材４が重ねられて、機能層２０は支持基板２と閉鎖部材４との間で挟まれた構造となっている。閉鎖部材４は単独のＳｉ基板である。閉鎖部材４は、機能層２０との対向面に第２の絶縁層５が形成されている。
【００２６】
前記第２の絶縁層５の内部に導電体のパターンが埋設されてリード層が形成されている。また、前記第２の絶縁層５の表面と、機能層２０のうちのそれぞれの通電部とが金属接合層を介して導通しており、それぞれの金属接合層が、第２の絶縁層５内に埋設されているリード層と導通している。
【００２７】
図１には、第２の絶縁層５の内部に配線されているリード層が実線で示されている。第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈに設けられた面内駆動部材の圧電素子が１相駆動である場合には、圧電素子の一方の電極層に通電する１つの駆動リード層１１が設けられて、駆動リード層１１が駆動電極パッド１１ａに接続される。前記圧電素子が２相駆動である場合は、前記駆動リード層１１に加えて他の駆動リード層１２によって圧電素子の電極層に通電され、前記駆動リード層１２が駆動電極パッド１２ａに接続される。圧電素子の他方の電極層は、接地リード層１３を介して接地電極パッド１３ａに導通されている。
【００２８】
この実施の形態ではコリオリ力を検出する検出部が可動電極２８部と第１の固定電極部２３および第２の固定電極部２４で構成されている。検出部では、可動電極部２８と第１の固定電極部２３との間の静電容量の変化、および可動電極部２８と第２の固定電極部２４との間の静電容量の変化が検出される。可動電極部２８には所定の電位を間欠的に供給する通電リード層１４が導通しており、この通電リード層１４は通電電極パッド１４ａに接続されている。複数設けられているそれぞれの第１の固定電極部２３は第１の検出リード層１５に導通しており、第１の検出リード層１５は第１の検出電極パッド１５ａに接続されている。同じく複数設けられている第２の固定電極部２４は第２の検出リード層１６に導通し、第２の検出リード層１６は第２の検出電極パッド１６ａに接続されている。
【００２９】
図１に示すＹ方向の両側では、閉鎖部材４が、支持基板２よりも突出しており、閉鎖部材４の突出部分において、第２の絶縁層５の表面に、前記電極パッド１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａが形成されて、外部回路との接続が可能となっている。
【００３０】
なお、閉鎖部材４は、Ｓｉの単独の基板に限られるものではなく、ガラス基板などであってもよい。あるいは駆動回路や検出回路などの各種回路が収納されたＩＣパッケージの表面が閉鎖部材４として使用され、ＩＣパッケージの表面の絶縁層が第２の絶縁層５の代わりに使用されて、その上に機能層２０および支持基板２が順に積層されて接合されているものであってもよい。この場合、前記各リード層１１，１２，１３，１４，１５，１６は、ＩＣパッケージの上面に設けられた電極バンプなどに接続されて、ＩＣパッケージの内部回路に接続される。
【００３１】
図１と図２に示すように、機能層２０では、シリコンウエハの一部が分離されて枠体層２１が形成されている。図１には枠体層２１が形成されている領域がハッチングを付して示されている。四角枠形状の枠体層２１は角速度センサ１の周囲において額縁状に形成されている。枠体層２１と支持基板２はＳＯＩ層のＳｉＯ2層の一部が残された第１の絶縁層３を介して接合され、枠体層２１と第２の絶縁層５とが金属接合層を介して接合されて、枠体層２１で囲まれた動作空間７が外気から遮断されている。
【００３２】
動作空間７内には、機能層２０のシリコンウエハから分離された固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ、検出回動部２６、第１の弾性変形部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ、駆動質量部２９ａ，２９ｂ、第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ、可動電極部２８、第１の固定電極部２３および第２の固定電極部２４が形成されている。図２に示すように、これら各部は同じシリコンウエハから分離されて形成されているため、Ｚ方向の厚さ寸法が同じである。
【００３３】
４個の固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、枠体層２１の内側の四隅のそれぞれに設けられている。固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの一方の面は、ＳＯＩ層のＳｉＯ2層の一部が残された第１の絶縁層３を介して支持基板２に接合されており、固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの他方の面は、前記接合金属層を介して第２の絶縁層５に固定されている。固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを接合している接合金属層は、それぞれのリード層１１，１２，１３，１４に導通している。
【００３４】
枠体層２１のそれぞれの内辺の内側には、第１の電極固定部２３ａと第２の電極固定部２４ａとが交互に配置されている。第１の電極固定部２３ａと第２の電極固定部２４ａは、枠体層２１のそれぞれの内辺の内側に沿って一列に配列されている。各内辺の内側において、反時計方向へ向かって、第１の電極固定部２３ａの次に第２の電極固定部２４ａが位置するように交互に配列されている。
【００３５】
それぞれの第１の電極固定部２３ａは、その一方の面がＳＯＩ層のＳｉＯ2層の一部が残された第１の絶縁層３を介して支持基板２に接合されている。それぞれの第１の電極固定部２３ａの他方の面は、金属接合層を介して第２の絶縁層５に接合されており、それぞれの金属接合層は前記第１の検出リード層１５に導通している。それぞれの第２の電極固定部２４ａは、その一方の面がＳＯＩ層のＳｉＯ2層の一部が残された第１の絶縁層３を介して支持基板２に接合されている。それぞれの第２の電極固定部２４ａの他方の面は、金属接合層を介して第２の絶縁層５に接合されており、それぞれの金属接合層は前記第２の検出リード層１６に導通している。
【００３６】
動作空間７内において機能層２０から分離されて形成された各機能部のうちの前記固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと第１の電極固定部２３ａおよび第２の電極固定部２４ａ以外の部分は、支持基板２および閉鎖部材４の双方に固定されていない。図２に示すように、動作空間７内では、支持基板２の内面に、機能層２０の前記各部分に対向する凹部２ａが形成されている。同様に閉鎖部材４の内面にも前記各部分に対向する部分に凹部４ａが形成されている。
【００３７】
機能層２０では、前記固定支持部２２ａから第１の弾性変形部２５ａが延びており、同様に、固定支持部２２ｂ，２２ｃ，２２ｄから第１の弾性変形部２５ｂ，２５ｃ，２５ｄがそれぞれ延びている。第１の弾性変形部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄは、動作空間７の中心に向かって放射状に延びている。動作空間７の中心部には四角い枠状の検出回動部２６が設けられている。第１の弾性変形部２５ａは、リンク支点部２７ａを介して、検出回動部２６の右上の角部に連結されている。同様に、第１の弾性変形部２５ｂ，２５ｃ，２５ｄは、それぞれリンク支点部２７ｂ，２７ｃ，２７ｄを介して検出回動部２６の角部に連結されている。
【００３８】
第１の弾性変形部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄが曲げ変形し、且つリンク支点部２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄが変形することで、検出回動部２６は、支持基板２の面と平行な面内で時計方向および反時計方向へ回動することが可能である。
【００３９】
検出回動部２６の４つの外辺には、外側へ延びる複数の可動電極部２８が一体に形成されている。それぞれの可動電極部２８は、検出回動部２６の中心（図１１の平面図での図心）から離れるにしたがって間隔が広がるように放射状に形成されている。
【００４０】
複数の前記第１の電極固定部２３ａには、検出回動部２６の中心に向けて放射状に延びる第１の固定電極部２３が一体に形成されており、複数の前記第２の電極固定部２４ａには、検出回動部２６の中心に向けて放射状に延びる第２の固定電極部２４が一体に形成されている。それぞれの可動電極部２８は、第１の固定電極部２３と第２の固定電極部２４との間に挟まれている。全ての第１の固定電極部２３は、可動電極部２８に対して時計方向に対向しており、全ての第２の固定電極部２４は、可動電極部２８に対して反時計方向に対向している。
【００４１】
検出回動部２６が時計方向へ回動すると、それぞれの可動電極部２８と第１の固定電極部２３との対向間隔が狭くなって、可動電極部２８と第１の固定電極部２３との間の静電容量が大きくなる。逆に可動電極部２８と第２の固定電極部２４との間の間隔が広くなって静電容量が低下する。検出回動部２６が反時計方向へ回動すると、可動電極部２８と第１の固定電極部２３との間の静電容量が低下し、可動電極部２８と第２の固定電極部２４との間の静電容量が大きくなる。第１の固定電極部２３から得られる静電容量の変化による検出出力と、第２の固定電極部２４から得られる静電容量の変化による検出出力との差を求めることで、検出回動部２６の時計方向および反時計方向への回動量を検出することが可能である。
【００４２】
また、検出回動部２６が、回動方向以外の方向であるＸ方向やＹ方向へ直線的に移動し、または支持基板２の面と垂直な方向であるＺ方向へ動いたときは、１つの可動電極部２８と第１の固定電極部２３との対向面積の変化と、前記可動電極部２８と第２の固定電極部２４との対向面積の変化とが同じになり、第１の固定電極部２３からの検出出力と第２の固定電極部２４からの検出出力との差を求めることで、検出出力が相殺される。したがって、検出回動部２６の本来の検出方向である回動方向以外の動作による外乱ノイズが検出出力に重畳することがない。
【００４３】
検出回動部２６は、図示右側でＹ方向に延びる右側支持部２６ａと、図示左側でＹ方向に延びる左側支持部２６ｂと、左右の両支持部２６ａ，２６ｂの中間においてＹ方向に延びる中間支持部２６ｃとを有している。
【００４４】
右側支持部２６ａと中間支持部２６ｃとの間に、第１の駆動質量部２９ａが設けられ、左側支持部２６ｂと中間支持部２６ｃとの間に、第２の駆動質量部２９ｂが設けられている。すなわち、検出回動部２６は一対の駆動質量部２９ａ，２９ｂを支持する支持部として機能している。
【００４５】
図７にも示すように、第１の駆動質量部２９ａの右側部はＹ方向に間隔を空けて設けられた２つの第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂを介して右側支持部２６ａに支持されているとともに、左側部はＹ方向に間隔を空けて設けられた２つの第２の弾性変形部３０ｃ，３０ｄを介して中間支持部２６ｃに支持されている。第２の駆動質量部２９ｂの右側部はＹ方向に間隔を空けて設けられた２つの第２の弾性変形部３０ｅ，３０ｆを介して中間支持部２６ｃに支持されているとともに、左側部はＹ方向に間隔を空けて設けられた２つの第２の弾性変形部３０ｇ，３０ｈを介して左側支持部２６ｂに支持されている。
【００４６】
左右の合計４箇所で第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄで支持された第１の駆動質量部２９ａは、検出回動部２６の内部において、支持基板２の面と平行なＸ方向（第１の方向）へ往復移動自在である。同様に、左右の合計４箇所で第２の弾性変形部３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈで支持された第２の駆動質量部２９ｂも、検出回動部２６の内部において、支持基板２の面と平行なＸ方向（第１の方向）へ往復移動自在である。
【００４７】
図３は、第１の駆動質量部２９ａが４個の第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄで支持されている状態を示す部分拡大図である。
【００４８】
図３（Ａ）に示すように、第１の駆動質量部２９ａは長辺がＹ方向に向けられた長方形状である。第１の駆動質量部２９ａの右側部にはＺ方向に貫通してＹ方向に長い長穴３６ａが形成されているとともに、この長穴３６ａの右側に連結弾性変形部３５ａが一体に形成されている。連結弾性変形部３５ａは、Ｙ側の両端部３５ｃ，３５ｄが第１の駆動質量部２９ａと一体化されており、両端部３５ｃ，３５ｄを支点としてＸ方向へ湾曲変形可能である。第１の駆動質量部２９ａの左側部には長穴３６ｂを介して連結弾性変形部３５ｂが一体に形成されている。連結弾性変形部３５ｂは、Ｙ方向の両端部３５ｅ，３５ｆを介して第１の駆動質量部２９ａに一体に連結されているとともに、両端部３５ｅ，３５ｆを支点としてＸ方向へ湾曲変形可能である。
【００４９】
第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂは、検出回動部２６の右側支持部２６ａと連結弾性変形部３５ａとを連結している。第２の弾性変形部３０ａと第２の弾性変形部３０ｂは、Ｘ方向に延びる線を挟んで線対称形状である。第２の弾性変形部３０ｃ，３０ｄは、検出回動部２６の中間支持部２６ｃと連結弾性変形部３５ａとを連結している。第２の弾性変形部３０ｃと第２の弾性変形部３０ｄは、Ｘ方向に延びる線を挟んで線対称形状である。また、第２の弾性変形部３０ａと第２の弾性変形部３０ｃとがＹ方向に延びる線を挟んで線対称形状であり、第２の弾性変形部３０ｂと第２の弾性変形部３０ｄもＹ方向に延びる線を挟んで線対称形状である。
【００５０】
図４（Ａ）に、第２の弾性変形部３０ａが拡大されて示されている。第２の弾性変形部３０ａの基端連結部３１は、検出回動部２６の右側支持部２６ａに一体に連結されており、基端連結部３１には質量を低減させるための穴３１ａがＺ方向に貫通して形成されている。第２の弾性変形部３０ａの先端連結部３２は連結弾性変形部３５ａに一体に連結されており、先端連結部３２には質量を低減させるための穴３２ａがＺ方向に貫通して形成されている。
【００５１】
基端連結部３１と先端連結部３２との間には、第１の梁３３と第２の梁３４とが設けられている。第１の梁３３のＹ１側の端部３３ａは基端連結部３１に一体に連結され、Ｙ２側の端部３３ｂは先端連結部３２に一体に連結されている。同様に、第２の梁３４のＹ１側の端部３４ａは基端連結部３１に一体に連結され、Ｙ２側の端部３４ｂは先端連結部３２に一体に連結されている。
【００５２】
第１の梁３３と第２の梁３４は、Ｚ方向に貫通する空間部３８を挟んで互いに平行に形成され、共にＹ方向（第２の方向）へ直線的に延びている。そして、空間部３８をＹ方向に二分する中央部において、第１の梁３３と第２の梁３４を連結する連結梁３７が一体に形成されている。第１の梁３３は、端部３３ａから端部３３ｂまで幅寸法および断面積が均一であり、第２の梁３４も、端部３４ａから端部３４ｂまで幅寸法および断面積が均一である。
【００５３】
第１の梁３３と第２の梁３４は、幅寸法および断面積が同一であってもよいし、異なっていてもよい。図４（Ａ）に示すように、第１の梁３３には面内駆動部材４１が取り付けられ、第１の梁３３に変形力が与えられるため、第１の梁３３の幅寸法および断面積が第２の梁３４よりも大きいことが好ましい。
【００５４】
面内駆動部材４１は、圧電素子であり、第１の梁３３のＺ方向に向く上面と下面の双方に設けられている。第１の梁３３はシリコンウエハから分離されたものであって導電性である。よって、第１の梁３３の上面と下面に絶縁層が形成され、この絶縁層の上に下部電極層と圧電素子層と上部電極層とが順に積層されて前記面内駆動部材４１が形成されている。
【００５５】
上部電極層と下部電極層との間に、交流電圧を印加すると、第１の梁３３の上下両面に設けられた面内駆動部材４１が一緒に伸びまた一緒に縮み、その結果、図４（Ｂ）に示すように、第１の梁３３は基端連結部３１が支持端となって、先端連結部３２がＸ１−Ｘ２方向(第１の方向)へ移動するように曲げ変形振動を生じる。
【００５６】
第１の駆動質量部２９ａを支持している他の第２の弾性変形部３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、図４（Ａ）に示す第２の弾性変形部３０ａとは向きが相違し、または対称形状であるが、その構造は実質的に同じである。すなわち、第２の弾性変形部３０ｂ，３０ｃ，３０ｄも、第１の駆動質量部２９ａから離れる側に第１の梁３３が設けられ、第１の駆動質量部２９ａに接近する側に第２の梁３４が設けられている。そして、第１の梁３３の上下両面に面内駆動部材４１が設けられている。
【００５７】
なお、前記面内駆動部材４１は、第１の梁３３の上面と下面のいずれか一方の面のみに設けられていてもよい。これは以下の他の実施の形態においても同じである。
【００５８】
図７（Ａ）に示すように、左側の第２の駆動質量部２９ｂの右側部には連結弾性変形部３５ｇが形成され、左側部に連結弾性変形部３５ｈが形成されている。連結弾性変形部３５ｇ，３５ｈの構造は、第１の駆動質量部２９ａに設けられた連結弾性変形部３５ａ，３５ｂと同じである。第２の弾性変形部３０ｅ，３０ｆは、中間支持部２６ｃと連結弾性変形部３５ｇとを連結しており、第２の弾性変形部３０ｇ，３０ｈは、左側支持部２６ｂと連結弾性変形部３５ｈとを連結している。
【００５９】
第２の駆動質量部２９ｂを４箇所で支持している第２の弾性変形部３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈは、図４（Ａ）に示す第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄと構造が実質的に同じであり、それぞれが、第２の駆動質量部２９ｂから離れる側に第１の梁３３を有し、第２の駆動質量部２９ｂに接近する側に第２の梁３４が設けられ、第１の梁３３の上下両面に面内駆動部材４１が設けられている。
【００６０】
枠状の検出回動部２６と第１の弾性変形部２５ａおよび固定支持部２２ａのそれぞれの下面には絶縁層を介してリードパターンが形成されている。合計８箇所に設けられた第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈの第１の梁３３に設けられた面内駆動手段４１の一方の電極層が、前記リードパターンに接続されている。さらに、前記リードパターンは、駆動リード層１１を介して駆動電極パッド１１ａに接合されている。
【００６１】
枠状の検出回動部２６と第１の弾性変形部２５ａおよび固定支持部２２ａのそれぞれの下面には、絶縁層を介してさらに他のリードパターンが形成されている。合計８箇所に設けられた面内駆動手段４１の他方の電極層は、前記リードパターンに接続されている。さらに、前記リードパターンは、接地リード層１３を介して接地電極パッド１３ａに導通されている。
【００６２】
第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｇ，３０ｈに設けられた面内駆動部材４１がＹ方向へ伸び変形するときに、弾性変形部３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆに設けられた面内駆動部材４１がＹ方向に縮み変化し、逆に、第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｇ，３０ｈに設けられた面内駆動部材４１がＹ方向へ縮み変形するときに、弾性変形部３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆに設けられた面内駆動部材４１がＹ方向に延び変形するように、それぞれの面内駆動部材４１の分極方向が設定され、または上下の電極層の駆動リード層１１と接地リード層１３への接続状態が選択されている。よって、右側の第１の駆動質量部２９ａがＸ１方向へ駆動されたときに第２の駆動質量部２９ｂがＸ２方向へ駆動され、右側の第１の駆動質量部２９ａがＸ２方向へ駆動されたときに第２の駆動質量部２９ｂがＸ１方向へ駆動されるように、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂが、Ｘ方向へ互いに逆の位相で振動するように駆動される。
【００６３】
図５と図６は、前記第１の梁３３に取り付けられる面内駆動部材の他の例を示している。
【００６４】
図５（Ａ）に示す実施の形態では、第１の弾性変形部の第１の梁３３の上下両面に面内駆動部材４１が、第２の梁３４の上下両面に面内駆動部材４２が設けられている。これら面内駆動部材４１，４２は、いずれも第１の梁３３と第２の梁３４の上下面に絶縁層を形成し、その表面に下部電極層と圧電素子層および上部電極層を順に重ねて積層することで形成されている。
【００６５】
第１の梁３３に設けられた面内駆動部材４１がＹ方向に伸びるときに、第２の梁３４に設けられた面内駆動部材４２がＹ方向へ縮むように、面内駆動部材４１，４２を構成する圧電素子層の分極方向や上下の電極層の駆動リード層１１と接地リード層１３への接続状態が選択されている。その結果、図５（Ｂ）に示すように、基端連結部３１を支持端として、先端連結部３２がＸ１−Ｘ２方向へ触れるように曲げ変形振動する。
【００６６】
図６（Ａ）に示す実施の形態では、第１の梁３３の連結梁３７よりもＹ２側の上下面と、第２の梁３４の連結梁３７よりもＹ１側の上下面に、同じ面内駆動部材４３が設けられており、第２の梁３４の連結梁３７よりもＹ１側の上下面と、第２の梁３４の連結梁３７よりもＹ２側の上下面に、同じ面内駆動部材４４が設けられている。面内駆動部材４３，４４は、いずれも第１の梁３３と第２の梁３４の上下面に絶縁層を形成し、その表面に下部電極層と圧電素子層および上部電極層を順に重ねて積層することで形成されている。
【００６７】
２つの面内駆動部材４３，４３がＹ方向に伸びるときに、２つの面内駆動部材４４，４４がＹ方向へ縮み、面内駆動部材４３，４３がＹ方向に縮むときに、２つの面内駆動部材４４，４４がＹ方向へ伸びるように、面内駆動部材４３，４４を構成する圧電素子層の分極方向や上下の電極層の駆動リード層１１と接地リード層１３への接続状態が選択されている。その結果、図６（Ｂ）に示すように、基端連結部３１を支持端として、先端連結部３２がＸ１−Ｘ２方向へ触れるように、第１の梁３３と第２の梁３４の双方がＳ字状に曲げ変形振動する。このとき、先端連結部３２が、Ｘ−Ｙ平面内であまり回動することなくＸ１−Ｘ２方向へ振動するため、第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈと、連結弾性変形部３５ａ，３５ｂ，３５ｇ，３５ｈとの連結部に捩じり応力が作用しにくくなる。
【００６８】
図５または図６に示すように、１つの第２の弾性変形部に２種類の面内駆動部材が設けられ、２種類の面内駆動部材を別々に駆動する必要が有る場合、それぞれの面内駆動部材の一方の電極層は、接地リード層１３に接続されるが、他方の電極層は、駆動リード層１１と駆動リード層１２に別々に接続される。
【００６９】
図４ないし図６に示すように、第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈは、基端連結部３１と先端連結部３２との間に、２つの梁３３，３４が互いに平行に設けられたいわゆるラーメン構造であるため、２つの梁３３，３４がＸ−Ｙ平面内でＸ１方向とＸ２方向へ撓む際に、２つの梁３３，３４がＸ−Ｙ平面と平行に動きやすく、Ｘ−Ｙ平面に対して捻れ方向に変形しにくい。また、基端連結部３１と先端連結部３２が、図４（Ａ）に示す変形前の平行状態を保ったまま、先端連結部３２がＸ１−Ｘ２方向へ移動するので、先端連結部３２と連結弾性変形部３５ａとの連結部にＸ−Ｙ平面内での捩じりが生じにくい。また、この連結部で若干の捻れが生じても、この捩れは、連結弾性変形部３５ａの撓み変形で吸収される。
【００７０】
また、第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈは、図４ないし図６に示すように、第１の梁３３と第２の梁３４の中間点が連結梁３７で連結されているため、第１の梁３３と第２の梁３４が、Ｘ方向の間隔を保ったまま変形できるようになる。よって、面内駆動部材４１ないし４４で発せられる駆動力が、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂに対して、損失があまり無い状態で伝達される。
【００７１】
第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂは、機能層２０であるシリコンウエハから分離されて形成されている。そこで、図３（Ｂ）に示すように、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂの上に、シリコンよりも比重の大きい錘層３９が形成されている。錘層３９は、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕなどのいずれかまたはこれらの合金で形成される。
【００７２】
次に、前記角速度センサ１の動作を説明する。
図１に示す接地電極パッド１３ａを接地電位とし、駆動電極パッド１１ａに交流の駆動電圧を与え、または駆動電極パッド１１ａと駆動電極パッド１２ａに交流の駆動電圧を与えると、それぞれの第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈに設けられた面内駆動部材４１（図４参照）または面内駆動部材４１，４２（図５参照）あるいは面内駆動部材４３，４４（図６参照）が、駆動される。このときの駆動力で、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂが、支持基板２の面と平行なＸ−Ｙ平面内においてＸ１−Ｘ２方向（第１の方向）へ駆動される。図７（Ｂ）において矢印（ｉ）（ｉｉ）で示すように、第１の駆動質量部２９ａがＸ１方向へ駆動されるときに第２の駆動質量部２９ｂがＸ２方向へ駆動され、第１の駆動質量部２９ａがＸ２方向へ駆動されるときに第２の駆動質量部２９ｂがＸ１方向へ駆動される。このように、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂは、位相が逆となるように振動駆動される。
【００７３】
駆動中の角速度センサ１が角速度を有して運動し、その角速度のベクトルがＸ−Ｙ平面内に位置しているとき、すなわち、角速度センサ１が、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＯｚ軸回りの角速度を有して運動しているとき、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂに対して、その駆動時の速度ベクトルと直交する向き（Ｙ１−Ｙ２方向：第２の方向）のコリオリの力が作用する。第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂが互いに逆向きの速度ベクトルを有して運動するため、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂに対してＹ１−Ｙ２方向への互いに逆向きのコリオリ力が作用する。
【００７４】
第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂに作用するコリオリ力は、第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈを介して検出回動部２６に作用する。第１の駆動質量部２９ａに作用するコリオリ力と、第２の駆動質量部２９ｂに作用するコリオリ力は、Ｙ方向において互いに逆向きである。そのため、検出回動部２６に偶力が作用し、検出回動部２６が、図７（Ｂ）において（ｉｉｉ）（ｉｖ）で示すように、垂直軸Ｏｚ回りに回動振動を生じる。この回動振動により、それぞれの可動電極部２８と第１の固定電極部２３との対向距離および静電容量が変化し、可動電極部２８と第２の固定電極部２４との対向距離および静電容量が変化する。
【００７５】
図１に示す通電電極パッド１４ａには、パルス状の電圧が与えられ、この電圧は、通電シード層１４からシリコンの固定支持部２２ｃに与えられる。パルス状の電圧は、第１の弾性変形部２５ｃを通じて、シリコン製の検出回動部２６に与えられ、さらに可動電極部２８に与えられる。電圧のパルスの立ち上がり時に第１の固定電極部２３に短時間に流れる電流の電流値は、可動電極部２８と第１の固定電極部２３との間の静電容量の変化に応じて変動し、これは第２の固定電極部２４に流れる電流においても同じである。第１の固定電極部２３の検知出力と第２の固定電極部２４の検知出力との差を求めることで、検出回動部２６の回動時の振幅を検知でき、これにより角速度を換算することが可能になる。
【００７６】
第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈは、図４ないし図６に示すいわゆるラーメン構造であり、Ｙ方向の剛性が高い。そのため、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂにＹ１−Ｙ２方向のコリオリ力が作用したときに、第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈが座屈することなく、その力が検出回動部２６に与えられる。よって、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂおよび検出回動部２６が一体となって（ｉｉｉ）（ｉｖ）方向へ回動できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態の角速度センサの全体構造を示す平面図、
【図２】図１に示す角速度センサをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図、
【図３】（Ａ）は、検出回動部における駆動質量部の支持構造を拡大して示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）をＢ−Ｂ線で切断した断面図、
【図４】（Ａ）は、第２の弾性変形部と面内駆動手段を拡大して示す平面図、（Ｂ）は前記第２の弾性変形部の変形動作を示す説明図、
【図５】（Ａ）は、他の実施の形態の第２の弾性変形部と面内駆動手段を拡大して示す平面図、（Ｂ）は前記第２の弾性変形部の変形動作を示す説明図、
【図６】（Ａ）は、さらに他の実施の形態の第２の弾性変形部と面内駆動手段を拡大して示す平面図、（Ｂ）は前記第２の弾性変形部の変形動作を示す説明図、
【図７】（Ａ）は駆動質量部と検出回動部および可動電極部を示す平面図、（Ｂ）は動作説明図、
【符号の説明】
【００７８】
１ 角速度センサ
２ 支持基板
３ 第１の絶縁層
４ 閉鎖部材
５ 第２の絶縁層
７ 動作空間
１１，１２，１３，１４，１５，１６ リード層
１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａ 電極パッド
２０ 機能層
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ 固定支持部
２３ 第１の固定電極部
２４ 第２の固定電極部
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ 第１の弾性変形部
２６ 検出回動部（支持部）
２８ 可動電極部
２９ａ 第１の駆動質量部
２９ｂ 第２の駆動質量部
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ 第２の弾性変形部
３１ 基端連結部
３２ 先端連結部
３３ 第１の梁
３４ 第２の梁
４１，４２，４３，４４ 面内駆動部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン（Silicon）層を加工するなどして形成された微細な構造の角速度センサに係り、特に、質量部を安定して往復振動させることができるとともに、振動方向と直交する力による運動を正確に検知することができる角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）素子は、２枚のシリコン（Ｓｉ）ウエハがＳｉＯ2などの絶縁層を介して接合されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）層を微細加工することで形成される。ＭＥＭＳ素子は、ＳＯＩ層の一方のシリコンウエハが支持基板として使用され、他方のシリコンウエハが機能層として使用される。機能層は、エッチングにより分離されて、質量部と、この質量部を動作できるように支持する弾性変形部と、質量部の移動量を検知する可動電極部と固定電極部などが形成される。
【０００３】
ＳＯＩ層を加工する際に、ＳｉＯ2などの前記絶縁層の一部が残されて、この絶縁層によって機能層の一部と支持基板とが接合されており、また質量部と弾性変形部および可動電極部などと支持基板との間の前記絶縁層が除去されて、質量部と弾性変形部および可動電極部などが、支持基板上の空間内で動作可能となる。
【０００４】
以下の特許文献１と特許文献２には、角速度センサとして機能するＭＥＭＳ素子が開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載された角速度センサは、基板の面と平行な向き（Ｘ方向）に移動自在に支持された一対の第１の振動体と、それぞれの第１の振動体に支持されて、基板の面に垂直な向き（Ｚ方向）に移動自在に支持された第２の振動体が設けられている。一対の第１の振動体が前記面と平行な向き（Ｘ方向）で互いに逆位相となるように駆動されているときに、一対の第２の振動体の前記面と垂直な向き（Ｚ方向）の振動を検知することで、Ｚ方向のコリオリ力成分を検出でき、これにより、基板の面と平行なＹ軸回りの角速度、すなわちＹ軸と直交する面内にベクトルが向く角速度を知ることができる。
【０００６】
特許文献２に記載された角速度センサであるジャイロスコープは、リング状のベースの内側にリング状のフレームが角振動できるように支持されており、このフレーム内に、角振動方向と直交する垂直方向（Ｚ方向）へ振動できる２つの質量が設けられている。２つの前記質量をＺ方向へ互いに逆向きに振動させ、コリオリ力で励起されるフレームの角振動を測定することで、前記角振動を含む面と平行なＹ軸周りの角速度、すなわちＹ軸と直交する面内にベクトルが向く角速度を知ることができる。
【特許文献１】特開２００１−２１３６０号公報
【特許文献２】特表２００７−５０９３４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特許文献１に記載された角速度センサは、一対の第１の振動体がＸ方向へ互いに逆位相となるように駆動され、この第１の振動体に支持されている第２の振動体がコリオリの力でＺ方向へ動作させられる。ただし、前記第１の振動体を支持しているバネが単純な平板形状であり、平板形状のバネの撓み変形によって、第１の振動体がＸ方向へ振動自在に支持されている。そのため、コリオリ力によって第２の振動体にＺ方向の移動力が与えられたときに、前記バネがＸ方向へ撓み変形するのみならず、Ｚ方向へも変形しやすくなって、第１の振動体に本来のＸ方向への振動以外の不要な振動が重畳しやすい。
【０００８】
また、前記第２の振動体を支持しているバネも平板状であるため、第２の振動体がＺ方向へのコリオリ力を受けてＺ方向へ動作するときに、第１の振動体へ与えられているＸ方向への振動によって、バネが本来の撓み方向以外の向きに変形しやすくなり、第２の振動体にコリオリ力以外の外乱の振動が重畳する心配がある。
【０００９】
これは、特許文献２に記載された角速度センサにおいても同じであり、一対の質量部がＺ方向へ振動駆動されているときに、質量部を支持している撓み部分がコリオリ力の影響などで本来の振動方向以外の方向へ変形し、コリオリ力を検出するためのリング状のフレームにノイズとなる振動が重畳するおそれがある。
【００１０】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、質量部を振動自在に支持している弾性変形部を、質量部の本来の方向へ撓み変形しやすく且つそれ以外の方向へ変形しにくくして、質量部やその他の駆動部に余分なノイズ振動が重畳するのを防止しやすい角速度センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、質量部と、前記質量部を第１の方向へ往復移動自在に支持する弾性変形部と、前記質量部を前記第１の方向へ往復振動させる駆動部材と、質量部が角速度を持って運動したときに前記第１の方向と直交する第２の方向に作用する力を検出する検出部とを有する角速度センサにおいて、
前記弾性変形部は、支持部に固定される基端連結部と、前記質量部に連結される先端連結部と、前記先端連結部と前記基端連結部との間で前記第２の方向に沿って平行に延びる少なくとも２つの梁とを有しており、
前記駆動部材によって前記質量部が前記第１の方向へ往復振動させられるときに、それぞれの前記梁が前記質量部の振動方向に向けて曲げ変形することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の角速度センサに設けられた弾性変形部は、平行な２本の梁または３本以上の梁を有しており、これら梁が質量部の駆動方向である第１の方向へ向けて撓み変形する。前記梁はコリオリ力の検出方向である第２の方向へ延びているため、弾性変形部がコリオリ力の力の影響を受けにくくなり、検出部に本来の検出方向の振動以外の振動ノイズが重畳しにくくなる。
【００１３】
本発明は、前記基端連結部と前記先端連結部との間に、隣り合う梁どうしを連結する連結梁が設けられていることが好ましい。
【００１４】
上記連結梁が設けられていると、隣り合う梁が互いの間隔を保って撓み変形するため、梁の変形が安定し、弾性変形部に捩じり変形などが生じにくくなる。
【００１５】
本発明は、前記駆動部材が、少なくとも１つの梁に設けられた圧電素子であり、この圧電素子の電歪効果によって複数の梁が曲げ変形させられて、前記質量部が往復振動させられるものである。
【００１６】
圧電素子を用いて梁に直接に振動駆動力を与えることで、質量部を効率よく振動させることができる。なお、本発明は弾性変形部とは別個に駆動電極を設け、質量部に設けられた電極と支持部に設けられた電極との間の静電力によって質量部が駆動されるものであってもよい。
【００１７】
本発明は、前記質量部に対し前記第２の方向へ作用する力によって前記支持部が移動させられ、前記支持部の移動が前記検出部で検出されるものである。
【００１８】
例えば、本発明は、前記支持部に対して２つの前記質量部が前記弾性変形部を介して支持されているとともに、前記駆動部材によって２つの前記質量部が互いに逆の位相で振動駆動され、前記質量部に対し前記第２の方向へ作用する力によって、前記支持部が回動し、前記検出部で前記支持部の回動が検出されるものである。
【００１９】
本発明は、２つのＳｉ層が絶縁層を介して接合されたＳＯＩ層が使用され、一方のＳｉ層が前記支持基板として使用され、他方のＳｉ層が機能層として使用されて、前記機能層から、前記質量部および前記弾性変形部が形成されており、前記質量部と前記支持基板との間および前記弾性変形部と前記支持基板との間で、前記絶縁層が除去されているものが好ましい。
【００２０】
ＳＯＩ層の一方のシリコンウエハから各動作部分を形成することで、薄型で小型の角速度センサを得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の角速度センサは、質量部を支持している弾性変形部に複数の梁が設けられているため、この梁の撓みで質量部を安定して振動させることが可能である。また梁が検出方向である第２の方向へ延びているため、質量部に作用するコリオリ力によって梁にたわみが生じにくい。そのために、弾性変形部に対して質量部を駆動する振動以外の振動が重畳しにくくなり、検出出力にノイズが加わりにくくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の実施の形態の角速度センサの機能層の構造を示す平面図、図２は図１に示す角速度センサをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図である。図３（Ａ）は機能層に設けられた検出回動部と駆動質量部を部分的に示す平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。図４ないし図６は、第２の弾性変形部および面内駆動部材を実施の形態別に示す部分平面図である。図７（Ａ）（Ｂ）は、角速度センサの動作説明図である。
【００２３】
図１と図２に示す角速度センサ１はＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）素子であり、図１に示すようにその平面形状は四角形である。
【００２４】
図２に示すように、角速度センサ１は、支持基板２に機能層２０が積層され、機能層２０の一部分と支持基板２とが第１の絶縁層３を介して接合されている。支持基板２と機能層２０および第１の絶縁層３は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）層を微細加工して形成されている。ここで使用するＳＯＩ層は、２つのシリコンウエハが、絶縁層（Insulator）であるＳｉＯ2層を挟んで一体に接合されたものである。ＳＯＩ層の一方のシリコンウエハが、支持基板２として使用され、他方のシリコンウエハが機能層２０として使用されて、この機能層２０が微細加工されてそれぞれの機能部が分離されて形成される。また、ＳｉＯ2層の一部が残されて第１の絶縁層３となる。
【００２５】
図２に示すように、機能層２０には閉鎖部材４が重ねられて、機能層２０は支持基板２と閉鎖部材４との間で挟まれた構造となっている。閉鎖部材４は単独のＳｉ基板である。閉鎖部材４は、機能層２０との対向面に第２の絶縁層５が形成されている。
【００２６】
前記第２の絶縁層５の内部に導電体のパターンが埋設されてリード層が形成されている。また、前記第２の絶縁層５の表面と、機能層２０のうちのそれぞれの通電部とが金属接合層を介して導通しており、それぞれの金属接合層が、第２の絶縁層５内に埋設されているリード層と導通している。
【００２７】
図１には、第２の絶縁層５の内部に配線されているリード層が実線で示されている。第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈに設けられた面内駆動部材の圧電素子が１相駆動である場合には、圧電素子の一方の電極層に通電する１つの駆動リード層１１が設けられて、駆動リード層１１が駆動電極パッド１１ａに接続される。前記圧電素子が２相駆動である場合は、前記駆動リード層１１に加えて他の駆動リード層１２によって圧電素子の電極層に通電され、前記駆動リード層１２が駆動電極パッド１２ａに接続される。圧電素子の他方の電極層は、接地リード層１３を介して接地電極パッド１３ａに導通されている。
【００２８】
この実施の形態ではコリオリ力を検出する検出部が可動電極２８部と第１の固定電極部２３および第２の固定電極部２４で構成されている。検出部では、可動電極部２８と第１の固定電極部２３との間の静電容量の変化、および可動電極部２８と第２の固定電極部２４との間の静電容量の変化が検出される。可動電極部２８には所定の電位を間欠的に供給する通電リード層１４が導通しており、この通電リード層１４は通電電極パッド１４ａに接続されている。複数設けられているそれぞれの第１の固定電極部２３は第１の検出リード層１５に導通しており、第１の検出リード層１５は第１の検出電極パッド１５ａに接続されている。同じく複数設けられている第２の固定電極部２４は第２の検出リード層１６に導通し、第２の検出リード層１６は第２の検出電極パッド１６ａに接続されている。
【００２９】
図１に示すＹ方向の両側では、閉鎖部材４が、支持基板２よりも突出しており、閉鎖部材４の突出部分において、第２の絶縁層５の表面に、前記電極パッド１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａが形成されて、外部回路との接続が可能となっている。
【００３０】
なお、閉鎖部材４は、Ｓｉの単独の基板に限られるものではなく、ガラス基板などであってもよい。あるいは駆動回路や検出回路などの各種回路が収納されたＩＣパッケージの表面が閉鎖部材４として使用され、ＩＣパッケージの表面の絶縁層が第２の絶縁層５の代わりに使用されて、その上に機能層２０および支持基板２が順に積層されて接合されているものであってもよい。この場合、前記各リード層１１，１２，１３，１４，１５，１６は、ＩＣパッケージの上面に設けられた電極バンプなどに接続されて、ＩＣパッケージの内部回路に接続される。
【００３１】
図１と図２に示すように、機能層２０では、シリコンウエハの一部が分離されて枠体層２１が形成されている。図１には枠体層２１が形成されている領域がハッチングを付して示されている。四角枠形状の枠体層２１は角速度センサ１の周囲において額縁状に形成されている。枠体層２１と支持基板２はＳＯＩ層のＳｉＯ2層の一部が残された第１の絶縁層３を介して接合され、枠体層２１と第２の絶縁層５とが金属接合層を介して接合されて、枠体層２１で囲まれた動作空間７が外気から遮断されている。
【００３２】
動作空間７内には、機能層２０のシリコンウエハから分離された固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ、検出回動部２６、第１の弾性変形部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ、駆動質量部２９ａ，２９ｂ、第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ、可動電極部２８、第１の固定電極部２３および第２の固定電極部２４が形成されている。図２に示すように、これら各部は同じシリコンウエハから分離されて形成されているため、Ｚ方向の厚さ寸法が同じである。
【００３３】
４個の固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、枠体層２１の内側の四隅のそれぞれに設けられている。固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの一方の面は、ＳＯＩ層のＳｉＯ2層の一部が残された第１の絶縁層３を介して支持基板２に接合されており、固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの他方の面は、前記接合金属層を介して第２の絶縁層５に固定されている。固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを接合している接合金属層は、それぞれのリード層１１，１２，１３，１４に導通している。
【００３４】
枠体層２１のそれぞれの内辺の内側には、第１の電極固定部２３ａと第２の電極固定部２４ａとが交互に配置されている。第１の電極固定部２３ａと第２の電極固定部２４ａは、枠体層２１のそれぞれの内辺の内側に沿って一列に配列されている。各内辺の内側において、反時計方向へ向かって、第１の電極固定部２３ａの次に第２の電極固定部２４ａが位置するように交互に配列されている。
【００３５】
それぞれの第１の電極固定部２３ａは、その一方の面がＳＯＩ層のＳｉＯ2層の一部が残された第１の絶縁層３を介して支持基板２に接合されている。それぞれの第１の電極固定部２３ａの他方の面は、金属接合層を介して第２の絶縁層５に接合されており、それぞれの金属接合層は前記第１の検出リード層１５に導通している。それぞれの第２の電極固定部２４ａは、その一方の面がＳＯＩ層のＳｉＯ2層の一部が残された第１の絶縁層３を介して支持基板２に接合されている。それぞれの第２の電極固定部２４ａの他方の面は、金属接合層を介して第２の絶縁層５に接合されており、それぞれの金属接合層は前記第２の検出リード層１６に導通している。
【００３６】
動作空間７内において機能層２０から分離されて形成された各機能部のうちの前記固定支持部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと第１の電極固定部２３ａおよび第２の電極固定部２４ａ以外の部分は、支持基板２および閉鎖部材４の双方に固定されていない。図２に示すように、動作空間７内では、支持基板２の内面に、機能層２０の前記各部分に対向する凹部２ａが形成されている。同様に閉鎖部材４の内面にも前記各部分に対向する部分に凹部４ａが形成されている。
【００３７】
機能層２０では、前記固定支持部２２ａから第１の弾性変形部２５ａが延びており、同様に、固定支持部２２ｂ，２２ｃ，２２ｄから第１の弾性変形部２５ｂ，２５ｃ，２５ｄがそれぞれ延びている。第１の弾性変形部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄは、動作空間７の中心に向かって放射状に延びている。動作空間７の中心部には四角い枠状の検出回動部２６が設けられている。第１の弾性変形部２５ａは、リンク支点部２７ａを介して、検出回動部２６の右上の角部に連結されている。同様に、第１の弾性変形部２５ｂ，２５ｃ，２５ｄは、それぞれリンク支点部２７ｂ，２７ｃ，２７ｄを介して検出回動部２６の角部に連結されている。
【００３８】
第１の弾性変形部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄが曲げ変形し、且つリンク支点部２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄが変形することで、検出回動部２６は、支持基板２の面と平行な面内で時計方向および反時計方向へ回動することが可能である。
【００３９】
検出回動部２６の４つの外辺には、外側へ延びる複数の可動電極部２８が一体に形成されている。それぞれの可動電極部２８は、検出回動部２６の中心（図１１の平面図での図心）から離れるにしたがって間隔が広がるように放射状に形成されている。
【００４０】
複数の前記第１の電極固定部２３ａには、検出回動部２６の中心に向けて放射状に延びる第１の固定電極部２３が一体に形成されており、複数の前記第２の電極固定部２４ａには、検出回動部２６の中心に向けて放射状に延びる第２の固定電極部２４が一体に形成されている。それぞれの可動電極部２８は、第１の固定電極部２３と第２の固定電極部２４との間に挟まれている。全ての第１の固定電極部２３は、可動電極部２８に対して時計方向に対向しており、全ての第２の固定電極部２４は、可動電極部２８に対して反時計方向に対向している。
【００４１】
検出回動部２６が時計方向へ回動すると、それぞれの可動電極部２８と第１の固定電極部２３との対向間隔が狭くなって、可動電極部２８と第１の固定電極部２３との間の静電容量が大きくなる。逆に可動電極部２８と第２の固定電極部２４との間の間隔が広くなって静電容量が低下する。検出回動部２６が反時計方向へ回動すると、可動電極部２８と第１の固定電極部２３との間の静電容量が低下し、可動電極部２８と第２の固定電極部２４との間の静電容量が大きくなる。第１の固定電極部２３から得られる静電容量の変化による検出出力と、第２の固定電極部２４から得られる静電容量の変化による検出出力との差を求めることで、検出回動部２６の時計方向および反時計方向への回動量を検出することが可能である。
【００４２】
また、検出回動部２６が、回動方向以外の方向であるＸ方向やＹ方向へ直線的に移動し、または支持基板２の面と垂直な方向であるＺ方向へ動いたときは、１つの可動電極部２８と第１の固定電極部２３との対向面積の変化と、前記可動電極部２８と第２の固定電極部２４との対向面積の変化とが同じになり、第１の固定電極部２３からの検出出力と第２の固定電極部２４からの検出出力との差を求めることで、検出出力が相殺される。したがって、検出回動部２６の本来の検出方向である回動方向以外の動作による外乱ノイズが検出出力に重畳することがない。
【００４３】
検出回動部２６は、図示右側でＹ方向に延びる右側支持部２６ａと、図示左側でＹ方向に延びる左側支持部２６ｂと、左右の両支持部２６ａ，２６ｂの中間においてＹ方向に延びる中間支持部２６ｃとを有している。
【００４４】
右側支持部２６ａと中間支持部２６ｃとの間に、第１の駆動質量部２９ａが設けられ、左側支持部２６ｂと中間支持部２６ｃとの間に、第２の駆動質量部２９ｂが設けられている。すなわち、検出回動部２６は一対の駆動質量部２９ａ，２９ｂを支持する支持部として機能している。
【００４５】
図７にも示すように、第１の駆動質量部２９ａの右側部はＹ方向に間隔を空けて設けられた２つの第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂを介して右側支持部２６ａに支持されているとともに、左側部はＹ方向に間隔を空けて設けられた２つの第２の弾性変形部３０ｃ，３０ｄを介して中間支持部２６ｃに支持されている。第２の駆動質量部２９ｂの右側部はＹ方向に間隔を空けて設けられた２つの第２の弾性変形部３０ｅ，３０ｆを介して中間支持部２６ｃに支持されているとともに、左側部はＹ方向に間隔を空けて設けられた２つの第２の弾性変形部３０ｇ，３０ｈを介して左側支持部２６ｂに支持されている。
【００４６】
左右の合計４箇所で第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄで支持された第１の駆動質量部２９ａは、検出回動部２６の内部において、支持基板２の面と平行なＸ方向（第１の方向）へ往復移動自在である。同様に、左右の合計４箇所で第２の弾性変形部３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈで支持された第２の駆動質量部２９ｂも、検出回動部２６の内部において、支持基板２の面と平行なＸ方向（第１の方向）へ往復移動自在である。
【００４７】
図３は、第１の駆動質量部２９ａが４個の第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄで支持されている状態を示す部分拡大図である。
【００４８】
図３（Ａ）に示すように、第１の駆動質量部２９ａは長辺がＹ方向に向けられた長方形状である。第１の駆動質量部２９ａの右側部にはＺ方向に貫通してＹ方向に長い長穴３６ａが形成されているとともに、この長穴３６ａの右側に連結弾性変形部３５ａが一体に形成されている。連結弾性変形部３５ａは、Ｙ側の両端部３５ｃ，３５ｄが第１の駆動質量部２９ａと一体化されており、両端部３５ｃ，３５ｄを支点としてＸ方向へ湾曲変形可能である。第１の駆動質量部２９ａの左側部には長穴３６ｂを介して連結弾性変形部３５ｂが一体に形成されている。連結弾性変形部３５ｂは、Ｙ方向の両端部３５ｅ，３５ｆを介して第１の駆動質量部２９ａに一体に連結されているとともに、両端部３５ｅ，３５ｆを支点としてＸ方向へ湾曲変形可能である。
【００４９】
第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂは、検出回動部２６の右側支持部２６ａと連結弾性変形部３５ａとを連結している。第２の弾性変形部３０ａと第２の弾性変形部３０ｂは、Ｘ方向に延びる線を挟んで線対称形状である。第２の弾性変形部３０ｃ，３０ｄは、検出回動部２６の中間支持部２６ｃと連結弾性変形部３５ａとを連結している。第２の弾性変形部３０ｃと第２の弾性変形部３０ｄは、Ｘ方向に延びる線を挟んで線対称形状である。また、第２の弾性変形部３０ａと第２の弾性変形部３０ｃとがＹ方向に延びる線を挟んで線対称形状であり、第２の弾性変形部３０ｂと第２の弾性変形部３０ｄもＹ方向に延びる線を挟んで線対称形状である。
【００５０】
図４（Ａ）に、第２の弾性変形部３０ａが拡大されて示されている。第２の弾性変形部３０ａの基端連結部３１は、検出回動部２６の右側支持部２６ａに一体に連結されており、基端連結部３１には質量を低減させるための穴３１ａがＺ方向に貫通して形成されている。第２の弾性変形部３０ａの先端連結部３２は連結弾性変形部３５ａに一体に連結されており、先端連結部３２には質量を低減させるための穴３２ａがＺ方向に貫通して形成されている。
【００５１】
基端連結部３１と先端連結部３２との間には、第１の梁３３と第２の梁３４とが設けられている。第１の梁３３のＹ１側の端部３３ａは基端連結部３１に一体に連結され、Ｙ２側の端部３３ｂは先端連結部３２に一体に連結されている。同様に、第２の梁３４のＹ１側の端部３４ａは基端連結部３１に一体に連結され、Ｙ２側の端部３４ｂは先端連結部３２に一体に連結されている。
【００５２】
第１の梁３３と第２の梁３４は、Ｚ方向に貫通する空間部３８を挟んで互いに平行に形成され、共にＹ方向（第２の方向）へ直線的に延びている。そして、空間部３８をＹ方向に二分する中央部において、第１の梁３３と第２の梁３４を連結する連結梁３７が一体に形成されている。第１の梁３３は、端部３３ａから端部３３ｂまで幅寸法および断面積が均一であり、第２の梁３４も、端部３４ａから端部３４ｂまで幅寸法および断面積が均一である。
【００５３】
第１の梁３３と第２の梁３４は、幅寸法および断面積が同一であってもよいし、異なっていてもよい。図４（Ａ）に示すように、第１の梁３３には面内駆動部材４１が取り付けられ、第１の梁３３に変形力が与えられるため、第１の梁３３の幅寸法および断面積が第２の梁３４よりも大きいことが好ましい。
【００５４】
面内駆動部材４１は、圧電素子であり、第１の梁３３のＺ方向に向く上面と下面の双方に設けられている。第１の梁３３はシリコンウエハから分離されたものであって導電性である。よって、第１の梁３３の上面と下面に絶縁層が形成され、この絶縁層の上に下部電極層と圧電素子層と上部電極層とが順に積層されて前記面内駆動部材４１が形成されている。
【００５５】
上部電極層と下部電極層との間に、交流電圧を印加すると、第１の梁３３の上下両面に設けられた面内駆動部材４１が一緒に伸びまた一緒に縮み、その結果、図４（Ｂ）に示すように、第１の梁３３は基端連結部３１が支持端となって、先端連結部３２がＸ１−Ｘ２方向(第１の方向)へ移動するように曲げ変形振動を生じる。
【００５６】
第１の駆動質量部２９ａを支持している他の第２の弾性変形部３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、図４（Ａ）に示す第２の弾性変形部３０ａとは向きが相違し、または対称形状であるが、その構造は実質的に同じである。すなわち、第２の弾性変形部３０ｂ，３０ｃ，３０ｄも、第１の駆動質量部２９ａから離れる側に第１の梁３３が設けられ、第１の駆動質量部２９ａに接近する側に第２の梁３４が設けられている。そして、第１の梁３３の上下両面に面内駆動部材４１が設けられている。
【００５７】
なお、前記面内駆動部材４１は、第１の梁３３の上面と下面のいずれか一方の面のみに設けられていてもよい。これは以下の他の実施の形態においても同じである。
【００５８】
図７（Ａ）に示すように、左側の第２の駆動質量部２９ｂの右側部には連結弾性変形部３５ｇが形成され、左側部に連結弾性変形部３５ｈが形成されている。連結弾性変形部３５ｇ，３５ｈの構造は、第１の駆動質量部２９ａに設けられた連結弾性変形部３５ａ，３５ｂと同じである。第２の弾性変形部３０ｅ，３０ｆは、中間支持部２６ｃと連結弾性変形部３５ｇとを連結しており、第２の弾性変形部３０ｇ，３０ｈは、左側支持部２６ｂと連結弾性変形部３５ｈとを連結している。
【００５９】
第２の駆動質量部２９ｂを４箇所で支持している第２の弾性変形部３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈは、図４（Ａ）に示す第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄと構造が実質的に同じであり、それぞれが、第２の駆動質量部２９ｂから離れる側に第１の梁３３を有し、第２の駆動質量部２９ｂに接近する側に第２の梁３４が設けられ、第１の梁３３の上下両面に面内駆動部材４１が設けられている。
【００６０】
枠状の検出回動部２６と第１の弾性変形部２５ａおよび固定支持部２２ａのそれぞれの下面には絶縁層を介してリードパターンが形成されている。合計８箇所に設けられた第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈの第１の梁３３に設けられた面内駆動手段４１の一方の電極層が、前記リードパターンに接続されている。さらに、前記リードパターンは、駆動リード層１１を介して駆動電極パッド１１ａに接合されている。
【００６１】
枠状の検出回動部２６と第１の弾性変形部２５ａおよび固定支持部２２ａのそれぞれの下面には、絶縁層を介してさらに他のリードパターンが形成されている。合計８箇所に設けられた面内駆動手段４１の他方の電極層は、前記リードパターンに接続されている。さらに、前記リードパターンは、接地リード層１３を介して接地電極パッド１３ａに導通されている。
【００６２】
第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｇ，３０ｈに設けられた面内駆動部材４１がＹ方向へ伸び変形するときに、弾性変形部３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆに設けられた面内駆動部材４１がＹ方向に縮み変化し、逆に、第２の弾性変形部３０ａ，３０ｂ，３０ｇ，３０ｈに設けられた面内駆動部材４１がＹ方向へ縮み変形するときに、弾性変形部３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆに設けられた面内駆動部材４１がＹ方向に延び変形するように、それぞれの面内駆動部材４１の分極方向が設定され、または上下の電極層の駆動リード層１１と接地リード層１３への接続状態が選択されている。よって、右側の第１の駆動質量部２９ａがＸ１方向へ駆動されたときに第２の駆動質量部２９ｂがＸ２方向へ駆動され、右側の第１の駆動質量部２９ａがＸ２方向へ駆動されたときに第２の駆動質量部２９ｂがＸ１方向へ駆動されるように、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂが、Ｘ方向へ互いに逆の位相で振動するように駆動される。
【００６３】
図５と図６は、前記第１の梁３３に取り付けられる面内駆動部材の他の例を示している。
【００６４】
図５（Ａ）に示す実施の形態では、第１の弾性変形部の第１の梁３３の上下両面に面内駆動部材４１が、第２の梁３４の上下両面に面内駆動部材４２が設けられている。これら面内駆動部材４１，４２は、いずれも第１の梁３３と第２の梁３４の上下面に絶縁層を形成し、その表面に下部電極層と圧電素子層および上部電極層を順に重ねて積層することで形成されている。
【００６５】
第１の梁３３に設けられた面内駆動部材４１がＹ方向に伸びるときに、第２の梁３４に設けられた面内駆動部材４２がＹ方向へ縮むように、面内駆動部材４１，４２を構成する圧電素子層の分極方向や上下の電極層の駆動リード層１１と接地リード層１３への接続状態が選択されている。その結果、図５（Ｂ）に示すように、基端連結部３１を支持端として、先端連結部３２がＸ１−Ｘ２方向へ触れるように曲げ変形振動する。
【００６６】
図６（Ａ）に示す実施の形態では、第１の梁３３の連結梁３７よりもＹ２側の上下面と、第２の梁３４の連結梁３７よりもＹ１側の上下面に、同じ面内駆動部材４３が設けられており、第２の梁３４の連結梁３７よりもＹ１側の上下面と、第２の梁３４の連結梁３７よりもＹ２側の上下面に、同じ面内駆動部材４４が設けられている。面内駆動部材４３，４４は、いずれも第１の梁３３と第２の梁３４の上下面に絶縁層を形成し、その表面に下部電極層と圧電素子層および上部電極層を順に重ねて積層することで形成されている。
【００６７】
２つの面内駆動部材４３，４３がＹ方向に伸びるときに、２つの面内駆動部材４４，４４がＹ方向へ縮み、面内駆動部材４３，４３がＹ方向に縮むときに、２つの面内駆動部材４４，４４がＹ方向へ伸びるように、面内駆動部材４３，４４を構成する圧電素子層の分極方向や上下の電極層の駆動リード層１１と接地リード層１３への接続状態が選択されている。その結果、図６（Ｂ）に示すように、基端連結部３１を支持端として、先端連結部３２がＸ１−Ｘ２方向へ触れるように、第１の梁３３と第２の梁３４の双方がＳ字状に曲げ変形振動する。このとき、先端連結部３２が、Ｘ−Ｙ平面内であまり回動することなくＸ１−Ｘ２方向へ振動するため、第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈと、連結弾性変形部３５ａ，３５ｂ，３５ｇ，３５ｈとの連結部に捩じり応力が作用しにくくなる。
【００６８】
図５または図６に示すように、１つの第２の弾性変形部に２種類の面内駆動部材が設けられ、２種類の面内駆動部材を別々に駆動する必要が有る場合、それぞれの面内駆動部材の一方の電極層は、接地リード層１３に接続されるが、他方の電極層は、駆動リード層１１と駆動リード層１２に別々に接続される。
【００６９】
図４ないし図６に示すように、第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈは、基端連結部３１と先端連結部３２との間に、２つの梁３３，３４が互いに平行に設けられたいわゆるラーメン構造であるため、２つの梁３３，３４がＸ−Ｙ平面内でＸ１方向とＸ２方向へ撓む際に、２つの梁３３，３４がＸ−Ｙ平面と平行に動きやすく、Ｘ−Ｙ平面に対して捻れ方向に変形しにくい。また、基端連結部３１と先端連結部３２が、図４（Ａ）に示す変形前の平行状態を保ったまま、先端連結部３２がＸ１−Ｘ２方向へ移動するので、先端連結部３２と連結弾性変形部３５ａとの連結部にＸ−Ｙ平面内での捩じりが生じにくい。また、この連結部で若干の捻れが生じても、この捩れは、連結弾性変形部３５ａの撓み変形で吸収される。
【００７０】
また、第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈは、図４ないし図６に示すように、第１の梁３３と第２の梁３４の中間点が連結梁３７で連結されているため、第１の梁３３と第２の梁３４が、Ｘ方向の間隔を保ったまま変形できるようになる。よって、面内駆動部材４１ないし４４で発せられる駆動力が、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂに対して、損失があまり無い状態で伝達される。
【００７１】
第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂは、機能層２０であるシリコンウエハから分離されて形成されている。そこで、図３（Ｂ）に示すように、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂの上に、シリコンよりも比重の大きい錘層３９が形成されている。錘層３９は、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕなどのいずれかまたはこれらの合金で形成される。
【００７２】
次に、前記角速度センサ１の動作を説明する。
図１に示す接地電極パッド１３ａを接地電位とし、駆動電極パッド１１ａに交流の駆動電圧を与え、または駆動電極パッド１１ａと駆動電極パッド１２ａに交流の駆動電圧を与えると、それぞれの第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈに設けられた面内駆動部材４１（図４参照）または面内駆動部材４１，４２（図５参照）あるいは面内駆動部材４３，４４（図６参照）が、駆動される。このときの駆動力で、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂが、支持基板２の面と平行なＸ−Ｙ平面内においてＸ１−Ｘ２方向（第１の方向）へ駆動される。図７（Ｂ）において矢印（ｉ）（ｉｉ）で示すように、第１の駆動質量部２９ａがＸ１方向へ駆動されるときに第２の駆動質量部２９ｂがＸ２方向へ駆動され、第１の駆動質量部２９ａがＸ２方向へ駆動されるときに第２の駆動質量部２９ｂがＸ１方向へ駆動される。このように、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂは、位相が逆となるように振動駆動される。
【００７３】
駆動中の角速度センサ１が角速度を有して運動し、その角速度のベクトルがＸ−Ｙ平面内に位置しているとき、すなわち、角速度センサ１が、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＯｚ軸回りの角速度を有して運動しているとき、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂに対して、その駆動時の速度ベクトルと直交する向き（Ｙ１−Ｙ２方向：第２の方向）のコリオリの力が作用する。第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂが互いに逆向きの速度ベクトルを有して運動するため、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂに対してＹ１−Ｙ２方向への互いに逆向きのコリオリ力が作用する。
【００７４】
第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂに作用するコリオリ力は、第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈを介して検出回動部２６に作用する。第１の駆動質量部２９ａに作用するコリオリ力と、第２の駆動質量部２９ｂに作用するコリオリ力は、Ｙ方向において互いに逆向きである。そのため、検出回動部２６に偶力が作用し、検出回動部２６が、図７（Ｂ）において（ｉｉｉ）（ｉｖ）で示すように、垂直軸Ｏｚ回りに回動振動を生じる。この回動振動により、それぞれの可動電極部２８と第１の固定電極部２３との対向距離および静電容量が変化し、可動電極部２８と第２の固定電極部２４との対向距離および静電容量が変化する。
【００７５】
図１に示す通電電極パッド１４ａには、パルス状の電圧が与えられ、この電圧は、通電シード層１４からシリコンの固定支持部２２ｃに与えられる。パルス状の電圧は、第１の弾性変形部２５ｃを通じて、シリコン製の検出回動部２６に与えられ、さらに可動電極部２８に与えられる。電圧のパルスの立ち上がり時に第１の固定電極部２３に短時間に流れる電流の電流値は、可動電極部２８と第１の固定電極部２３との間の静電容量の変化に応じて変動し、これは第２の固定電極部２４に流れる電流においても同じである。第１の固定電極部２３の検知出力と第２の固定電極部２４の検知出力との差を求めることで、検出回動部２６の回動時の振幅を検知でき、これにより角速度を換算することが可能になる。
【００７６】
第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈは、図４ないし図６に示すいわゆるラーメン構造であり、Ｙ方向の剛性が高い。そのため、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂにＹ１−Ｙ２方向のコリオリ力が作用したときに、第２の弾性変形部３０ａないし３０ｈが座屈することなく、その力が検出回動部２６に与えられる。よって、第１の駆動質量部２９ａと第２の駆動質量部２９ｂおよび検出回動部２６が一体となって（ｉｉｉ）（ｉｖ）方向へ回動できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態の角速度センサの全体構造を示す平面図、
【図２】図１に示す角速度センサをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図、
【図３】（Ａ）は、検出回動部における駆動質量部の支持構造を拡大して示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）をＢ−Ｂ線で切断した断面図、
【図４】（Ａ）は、第２の弾性変形部と面内駆動手段を拡大して示す平面図、（Ｂ）は前記第２の弾性変形部の変形動作を示す説明図、
【図５】（Ａ）は、他の実施の形態の第２の弾性変形部と面内駆動手段を拡大して示す平面図、（Ｂ）は前記第２の弾性変形部の変形動作を示す説明図、
【図６】（Ａ）は、さらに他の実施の形態の第２の弾性変形部と面内駆動手段を拡大して示す平面図、（Ｂ）は前記第２の弾性変形部の変形動作を示す説明図、
【図７】（Ａ）は駆動質量部と検出回動部および可動電極部を示す平面図、（Ｂ）は動作説明図、
【符号の説明】
【００７８】
１ 角速度センサ
２ 支持基板
３ 第１の絶縁層
４ 閉鎖部材
５ 第２の絶縁層
７ 動作空間
１１，１２，１３，１４，１５，１６ リード層
１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａ 電極パッド
２０ 機能層
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ 固定支持部
２３ 第１の固定電極部
２４ 第２の固定電極部
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ 第１の弾性変形部
２６ 検出回動部（支持部）
２８ 可動電極部
２９ａ 第１の駆動質量部
２９ｂ 第２の駆動質量部
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ 第２の弾性変形部
３１ 基端連結部
３２ 先端連結部
３３ 第１の梁
３４ 第２の梁
４１，４２，４３，４４ 面内駆動部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量部と、前記質量部を第１の方向へ往復移動自在に支持する弾性変形部と、前記質量部を前記第１の方向へ往復振動させる駆動部材と、質量部が角速度を持って運動したときに前記第１の方向と直交する第２の方向に作用する力を検出する検出部とを有する角速度センサにおいて、
前記弾性変形部は、支持部に固定される基端連結部と、前記質量部に連結される先端連結部と、前記先端連結部と前記基端連結部との間で前記第２の方向に沿って平行に延びる少なくとも２つの梁とを有しており、
前記駆動部材によって前記質量部が前記第１の方向へ往復振動させられるときに、それぞれの前記梁が前記質量部の振動方向に向けて曲げ変形することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記基端連結部と前記先端連結部との間に、隣り合う梁どうしを連結する連結梁が設けられている請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記駆動部材は、少なくとも１つの梁に設けられた圧電素子であり、この圧電素子の電歪効果によって複数の梁が曲げ変形させられて、前記質量部が往復振動させられる請求項１または２記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記質量部に対し前記第２の方向へ作用する力によって前記支持部が移動させられ、前記支持部の移動が前記検出部で検出される請求項１ないし３のいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記支持部に対して２つの前記質量部が前記弾性変形部を介して支持されているとともに、前記駆動部材によって２つの前記質量部が互いに逆の位相で振動駆動され、前記質量部に対し前記第２の方向へ作用する力によって、前記支持部が回動し、前記検出部で前記支持部の回動が検出される請求項４記載の角速度センサ。
【請求項６】
２つのＳｉ層が絶縁層を介して接合されたＳＯＩ層が使用され、一方のＳｉ層が前記支持基板として使用され、他方のＳｉ層が機能層として使用されて、前記機能層から、前記質量部および前記弾性変形部が形成されており、前記質量部と前記支持基板との間および前記弾性変形部と前記支持基板との間で、前記絶縁層が除去されている請求項１ないし５のいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項１】
質量部と、前記質量部を第１の方向へ往復移動自在に支持する弾性変形部と、前記質量部を前記第１の方向へ往復振動させる駆動部材と、質量部が角速度を持って運動したときに前記第１の方向と直交する第２の方向に作用する力を検出する検出部とを有する角速度センサにおいて、
前記弾性変形部は、支持部に固定される基端連結部と、前記質量部に連結される先端連結部と、前記先端連結部と前記基端連結部との間で前記第２の方向に沿って平行に延びる少なくとも２つの梁とを有しており、
前記駆動部材によって前記質量部が前記第１の方向へ往復振動させられるときに、それぞれの前記梁が前記質量部の振動方向に向けて曲げ変形することを特徴とする角速度センサ。
【請求項２】
前記基端連結部と前記先端連結部との間に、隣り合う梁どうしを連結する連結梁が設けられている請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記駆動部材は、少なくとも１つの梁に設けられた圧電素子であり、この圧電素子の電歪効果によって複数の梁が曲げ変形させられて、前記質量部が往復振動させられる請求項１または２記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記質量部に対し前記第２の方向へ作用する力によって前記支持部が移動させられ、前記支持部の移動が前記検出部で検出される請求項１ないし３のいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記支持部に対して２つの前記質量部が前記弾性変形部を介して支持されているとともに、前記駆動部材によって２つの前記質量部が互いに逆の位相で振動駆動され、前記質量部に対し前記第２の方向へ作用する力によって、前記支持部が回動し、前記検出部で前記支持部の回動が検出される請求項４記載の角速度センサ。
【請求項６】
２つのＳｉ層が絶縁層を介して接合されたＳＯＩ層が使用され、一方のＳｉ層が前記支持基板として使用され、他方のＳｉ層が機能層として使用されて、前記機能層から、前記質量部および前記弾性変形部が形成されており、前記質量部と前記支持基板との間および前記弾性変形部と前記支持基板との間で、前記絶縁層が除去されている請求項１ないし５のいずれかに記載の角速度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１１７２９３（Ｐ２０１０−１１７２９３Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９１８４４（Ｐ２００８−２９１８４４）
【出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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