JP2001091265A - 半導体力学量センサ - Google Patents
半導体力学量センサInfo
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- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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- G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
Abstract
(57)【要約】
【課題】 振動型の半導体角速度センサにおいて、振動
子の振動を阻害することなく回転剛性を高めた梁部の構
成を実現する。 【解決手段】 角速度センサ１００は半導体基板を加工
することにより形成され、矩形枠状の基部１０と、この
基部１０と検出用梁部３１を介して連結された検出用振
動子３０と、この検出用振動子３０と駆動用梁部２１を
介して連結された駆動用振動子２０とを備える。各梁部
２１、３１は、それぞれが、平行に離間して配置された
コの字形状をなす一対の梁２２、２３、３２、３３と、
これら一対の梁を連結する連結部２４、３４とから構成
されている。
子の振動を阻害することなく回転剛性を高めた梁部の構
成を実現する。 【解決手段】 角速度センサ１００は半導体基板を加工
することにより形成され、矩形枠状の基部１０と、この
基部１０と検出用梁部３１を介して連結された検出用振
動子３０と、この検出用振動子３０と駆動用梁部２１を
介して連結された駆動用振動子２０とを備える。各梁部
２１、３１は、それぞれが、平行に離間して配置された
コの字形状をなす一対の梁２２、２３、３２、３３と、
これら一対の梁を連結する連結部２４、３４とから構成
されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両、飛行機、ロ
ボット等の運動体の運動状態を測定するのに用いられ
る、加速度センサや角速度センサ等の半導体よりなる振
動子を用いた半導体力学量センサに関する。
ボット等の運動体の運動状態を測定するのに用いられ
る、加速度センサや角速度センサ等の半導体よりなる振
動子を用いた半導体力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、この種の半導体力学量センサ
は、シリコン基板等の半導体基板をエッチング等のマイ
クロマシン加工技術を用いて加工することにより形成さ
れ、基部と、所定方向に振動する振動子と、該振動子及
び該基部を連結する複数個の梁部とを備え、該振動子の
振動に基づいて力学量（角速度、加速度等）を検出する
ようにしている。
は、シリコン基板等の半導体基板をエッチング等のマイ
クロマシン加工技術を用いて加工することにより形成さ
れ、基部と、所定方向に振動する振動子と、該振動子及
び該基部を連結する複数個の梁部とを備え、該振動子の
振動に基づいて力学量（角速度、加速度等）を検出する
ようにしている。
【０００３】例えば、角速度センサにあっては、振動子
を所定方向に駆動振動させ、角速度が印加されたとき、
コリオリ力によって駆動振動の方向及び角速度の回転軸
に直交する方向へ発生する振動（検出振動）に基づい
て、当該角速度を検出する。また、加速度センサにあっ
ては、振動子に加速度が印加されたときに発生する所定
方向への振動（検出振動）に基づいて、当該加速度を検
出する。
を所定方向に駆動振動させ、角速度が印加されたとき、
コリオリ力によって駆動振動の方向及び角速度の回転軸
に直交する方向へ発生する振動（検出振動）に基づい
て、当該角速度を検出する。また、加速度センサにあっ
ては、振動子に加速度が印加されたときに発生する所定
方向への振動（検出振動）に基づいて、当該加速度を検
出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
半導体力学量センサにおいては、センサの加工誤差（例
えばエッチングの際の加工誤差）が生じることは避けが
たい。この加工誤差により、振動子には、上記の駆動振
動や検出振動といった正規の振動に対して、当該正規の
振動以外の不要振動が発生するため、これが測定誤差の
原因となっている。
半導体力学量センサにおいては、センサの加工誤差（例
えばエッチングの際の加工誤差）が生じることは避けが
たい。この加工誤差により、振動子には、上記の駆動振
動や検出振動といった正規の振動に対して、当該正規の
振動以外の不要振動が発生するため、これが測定誤差の
原因となっている。
【０００５】本発明者等は、この不要振動は、振動子と
基部とを連結する複数個の梁部に原因があるのではない
かと考えた。つまり、従来の半導体力学量センサにおい
ては、例えば特開平６−１２３６３１号公報に記載され
ているように、複数個の梁部の各々が１本の棒状梁より
なる構成であるため、回転剛性が弱く、振動子の振動中
に各梁にねじれ等が発生しやすく、そのねじれ等が不要
振動を引き起こすと考えられる。
基部とを連結する複数個の梁部に原因があるのではない
かと考えた。つまり、従来の半導体力学量センサにおい
ては、例えば特開平６−１２３６３１号公報に記載され
ているように、複数個の梁部の各々が１本の棒状梁より
なる構成であるため、回転剛性が弱く、振動子の振動中
に各梁にねじれ等が発生しやすく、そのねじれ等が不要
振動を引き起こすと考えられる。
【０００６】本発明は上記事情に鑑み、半導体力学量セ
ンサにおいて、振動子の振動を阻害することなく回転剛
性を高めた梁部の構成を実現することを目的とする。
ンサにおいて、振動子の振動を阻害することなく回転剛
性を高めた梁部の構成を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明では、半導体基板を加工するこ
とにより形成され、基部（１０）と、所定方向に振動す
る振動子（２０、３０）と、この振動子及び該基部を連
結する複数個の梁部（２１、３１）とを備える半導体力
学量センサにおいて、該複数個の梁部のそれぞれを、平
行に離間して配置された一対の梁（２２、２３、３２、
３３）と、これら一対の梁を連結する連結部（２４、３
４）とから構成したことを特徴としている。
め、請求項１記載の発明では、半導体基板を加工するこ
とにより形成され、基部（１０）と、所定方向に振動す
る振動子（２０、３０）と、この振動子及び該基部を連
結する複数個の梁部（２１、３１）とを備える半導体力
学量センサにおいて、該複数個の梁部のそれぞれを、平
行に離間して配置された一対の梁（２２、２３、３２、
３３）と、これら一対の梁を連結する連結部（２４、３
４）とから構成したことを特徴としている。
【０００８】回転剛性を高めるだけならば、梁部を単に
太いものとすればよいが、それだけでは、センサとして
必要な変位をとることが困難となり振動子の振動を阻害
してしまう。本発明によれば、梁部の構成を、平行に離
間配置して連結された一対の梁構成としているから、振
動子の振動を阻害することなく回転剛性を高めた梁部の
構成を実現することができる。
太いものとすればよいが、それだけでは、センサとして
必要な変位をとることが困難となり振動子の振動を阻害
してしまう。本発明によれば、梁部の構成を、平行に離
間配置して連結された一対の梁構成としているから、振
動子の振動を阻害することなく回転剛性を高めた梁部の
構成を実現することができる。
【０００９】また、請求項２記載の発明では、上記一対
の梁を、コの字形状をなす第１の梁（２２、３２）と、
この第１の梁の外周側にて該第１の梁に対して相似形に
配置されたコの字形状をなす第２の梁（２３、３３）と
から構成するとともに、これらコの字形状をなす第１及
び第２の梁における互いに平行な一対の平行棒部（２２
ａ、２３ａ、３２ａ、３３ａ）を該振動子の振動方向に
たわむようにし、該平行棒部の一端を接続する接続棒部
（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ）同士を連結部（２
４、３４）にて連結させたことを特徴としている。
の梁を、コの字形状をなす第１の梁（２２、３２）と、
この第１の梁の外周側にて該第１の梁に対して相似形に
配置されたコの字形状をなす第２の梁（２３、３３）と
から構成するとともに、これらコの字形状をなす第１及
び第２の梁における互いに平行な一対の平行棒部（２２
ａ、２３ａ、３２ａ、３３ａ）を該振動子の振動方向に
たわむようにし、該平行棒部の一端を接続する接続棒部
（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ）同士を連結部（２
４、３４）にて連結させたことを特徴としている。
【００１０】本発明によれば、相似形状に平行配置され
たコの字形状をなす第１及び第２の梁において、振動子
の振動方向に撓む部分である平行棒部で連結せず、振動
子の振動に関与しない接続棒部同士にて連結しているか
ら、より効果的に振動子の振動を阻害しない梁部の構成
を実現できる。
たコの字形状をなす第１及び第２の梁において、振動子
の振動方向に撓む部分である平行棒部で連結せず、振動
子の振動に関与しない接続棒部同士にて連結しているか
ら、より効果的に振動子の振動を阻害しない梁部の構成
を実現できる。
【００１１】また、請求項３記載の発明によれば、第１
の梁（２２、３２）と第２の梁（２３、３３）との間隔
において、接続棒部（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３
ｂ）同士の間隔を平行棒部（２２ａ、２３ａ、３２ａ、
３３ａ）同士の間隔よりも大きくしている。第１の梁の
平行棒部と第２の梁の平行棒部とは長さが異なるため変
位に差が生じるが、本発明によれば連結部を充分に長く
できるから、そのような変位の相違を吸収しやすくで
き、より効果的に振動を阻害しないようにできる。
の梁（２２、３２）と第２の梁（２３、３３）との間隔
において、接続棒部（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３
ｂ）同士の間隔を平行棒部（２２ａ、２３ａ、３２ａ、
３３ａ）同士の間隔よりも大きくしている。第１の梁の
平行棒部と第２の梁の平行棒部とは長さが異なるため変
位に差が生じるが、本発明によれば連結部を充分に長く
できるから、そのような変位の相違を吸収しやすくで
き、より効果的に振動を阻害しないようにできる。
【００１２】また、請求項４記載の発明によれば、連結
部（２４、３４）を、一対の梁部（２２、２３、３２、
３３）と略同一の幅を有する梁形状としたことを特徴と
している。連結部が太すぎると連結部による一対の梁部
の固定が強すぎて、振動を阻害する恐れがあり、また、
センサの加工上、連結部が細すぎると加工しにくくなる
ため、連結部を、一対の梁部と略同一の幅とすることが
好ましい。
部（２４、３４）を、一対の梁部（２２、２３、３２、
３３）と略同一の幅を有する梁形状としたことを特徴と
している。連結部が太すぎると連結部による一対の梁部
の固定が強すぎて、振動を阻害する恐れがあり、また、
センサの加工上、連結部が細すぎると加工しにくくなる
ため、連結部を、一対の梁部と略同一の幅とすることが
好ましい。
【００１３】また、請求項５記載の発明によれば、接続
棒部（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ）同士の間隔
（Ｗ１）と平行棒部（２２ａ、２３ａ、３２ａ、３３
ａ）同士の間隔（Ｗ２）との比（Ｗ１／Ｗ２）が５以上
であることを特徴としている。これは、接続棒部同士の
間隔即ち連結部（２４、３４）の長さについて、検討し
た結果、得られたもので、上記比（Ｗ１／Ｗ２）が５以
上であれば、不要振動の低減効果を最大限に発揮させる
ことができる。
棒部（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ）同士の間隔
（Ｗ１）と平行棒部（２２ａ、２３ａ、３２ａ、３３
ａ）同士の間隔（Ｗ２）との比（Ｗ１／Ｗ２）が５以上
であることを特徴としている。これは、接続棒部同士の
間隔即ち連結部（２４、３４）の長さについて、検討し
た結果、得られたもので、上記比（Ｗ１／Ｗ２）が５以
上であれば、不要振動の低減効果を最大限に発揮させる
ことができる。
【００１４】また、請求項６記載の発明では、半導体基
板を加工することにより形成され、基部（１０）と、所
定方向に振動する振動子（２０、３０）と、この振動子
及び基部を連結する複数個の梁部（２１、３１）とを備
え、該振動子の振動に基づいて力学量を検出するように
した半導体力学量センサにおいて、該複数個の梁部が、
互いに平行に配置された第１、第２の梁（２２、２３、
３２、３３）から構成され、この第１、第２の梁は折り
返し部（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ）を備え、こ
の折り返し部において、第１、第２の梁を連結する連結
棒（２４、３４）を有し、この連結棒により第１の梁と
第２の梁との間に２つのＬ字状の空間が形成され、ま
た、Ｌ字状の空間が該連結棒に対して対称的に配置され
るものであることを特徴としている。
板を加工することにより形成され、基部（１０）と、所
定方向に振動する振動子（２０、３０）と、この振動子
及び基部を連結する複数個の梁部（２１、３１）とを備
え、該振動子の振動に基づいて力学量を検出するように
した半導体力学量センサにおいて、該複数個の梁部が、
互いに平行に配置された第１、第２の梁（２２、２３、
３２、３３）から構成され、この第１、第２の梁は折り
返し部（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ）を備え、こ
の折り返し部において、第１、第２の梁を連結する連結
棒（２４、３４）を有し、この連結棒により第１の梁と
第２の梁との間に２つのＬ字状の空間が形成され、ま
た、Ｌ字状の空間が該連結棒に対して対称的に配置され
るものであることを特徴としている。
【００１５】本発明のような梁部の構成を採用すること
により、振動子の振動を阻害することなく回転剛性を高
めた梁部の構成を実現することができ、不要振動を大幅
に低減することができる。
により、振動子の振動を阻害することなく回転剛性を高
めた梁部の構成を実現することができ、不要振動を大幅
に低減することができる。
【００１６】さらに、不要振動を低減するために、請求
項６記載の半導体力学量センサについて、本発明者等が
検討した結果によれば、請求項７記載の発明のように、
折り返し部（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ）におい
て、第１、第２の梁（２２、２３、３２、３３）のそれ
ぞれの梁幅をほぼ同じとすることが好ましい。
項６記載の半導体力学量センサについて、本発明者等が
検討した結果によれば、請求項７記載の発明のように、
折り返し部（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ）におい
て、第１、第２の梁（２２、２３、３２、３３）のそれ
ぞれの梁幅をほぼ同じとすることが好ましい。
【００１７】また、請求項８記載の発明のように、連結
棒（２４、３４）を、第１の梁（２２、３２）から第２
の梁（２３、３３）に渡ってほぼ同じ幅とすることが好
ましい。更には、請求項９記載の発明のように、請求項
７の発明と請求項８の発明とを組み合わせたものとする
ことが好ましい。
棒（２４、３４）を、第１の梁（２２、３２）から第２
の梁（２３、３３）に渡ってほぼ同じ幅とすることが好
ましい。更には、請求項９記載の発明のように、請求項
７の発明と請求項８の発明とを組み合わせたものとする
ことが好ましい。
【００１８】連結部や梁部の折り返し部に肉厚の部分が
存在すると、連結部や折り返し部の質量が増加し、この
影響が不要振動に影響すると考えられるが、その点、上
記請求項７〜請求項９の発明によれば、そのような肉厚
部を低減することができるため、不要振動が低減される
と考えられる。
存在すると、連結部や折り返し部の質量が増加し、この
影響が不要振動に影響すると考えられるが、その点、上
記請求項７〜請求項９の発明によれば、そのような肉厚
部を低減することができるため、不要振動が低減される
と考えられる。
【００１９】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図１は、本発明の半導体力学量セン
サとしての角速度センサ１００の一実施形態を示す平面
図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ断面を含む一部断面
斜視図である。角速度センサ１００は、シリコン基板等
の半導体基板にエッチング加工を施すことにより溝を形
成し、当該基板を矩形枠状の基部１０と、この基部１０
における枠内に位置して可動する可動部とに区画してい
る。
について説明する。図１は、本発明の半導体力学量セン
サとしての角速度センサ１００の一実施形態を示す平面
図であり、図２は、図１中のＡ−Ａ断面を含む一部断面
斜視図である。角速度センサ１００は、シリコン基板等
の半導体基板にエッチング加工を施すことにより溝を形
成し、当該基板を矩形枠状の基部１０と、この基部１０
における枠内に位置して可動する可動部とに区画してい
る。
【００２１】可動部は、図１に示す様に、略矩形状の駆
動用振動子２０と、駆動用振動子２０を取り囲む矩形枠
状の検出用振動子３０と、駆動用振動子２０及び検出用
振動子３０を連結する複数個（図示例では４個）の駆動
用梁部２１と、検出用振動子３０及びその外周の基部１
０を連結する複数個（図示例では４個）の検出用梁部３
１と、を備えている。
動用振動子２０と、駆動用振動子２０を取り囲む矩形枠
状の検出用振動子３０と、駆動用振動子２０及び検出用
振動子３０を連結する複数個（図示例では４個）の駆動
用梁部２１と、検出用振動子３０及びその外周の基部１
０を連結する複数個（図示例では４個）の検出用梁部３
１と、を備えている。
【００２２】ここで、本実施形態では、駆動用振動子２
０及び検出用振動子３０は本発明でいう振動子である。
駆動用振動子２０は、駆動用梁部２１を介して検出用振
動子３０と一体化されており、さらに言うならば、駆動
用振動子２０は検出用振動子３０及び検出用梁部３１を
介在させてはいるが、駆動用梁部２１を介して基部１０
に連結されている。よって、駆動用梁部２１及び検出用
梁部３１は共に、本発明でいう梁部に相当するものであ
る。
０及び検出用振動子３０は本発明でいう振動子である。
駆動用振動子２０は、駆動用梁部２１を介して検出用振
動子３０と一体化されており、さらに言うならば、駆動
用振動子２０は検出用振動子３０及び検出用梁部３１を
介在させてはいるが、駆動用梁部２１を介して基部１０
に連結されている。よって、駆動用梁部２１及び検出用
梁部３１は共に、本発明でいう梁部に相当するものであ
る。
【００２３】各々の駆動用梁部２１は、コの字形状をな
す第１の梁２２と、この第１の梁２２の外周側にて第１
の梁２２に対して相似形に配置されたコの字形状をなす
第２の梁２３とよりなる一対の梁を備えている。そし
て、これら一対の梁２２、２３は、平行に離間して配置
されており、一対の梁２２、２３の一端側が駆動用振動
子２０に接続され、他端側が検出用振動子３０における
枠内周面に接続されている。
す第１の梁２２と、この第１の梁２２の外周側にて第１
の梁２２に対して相似形に配置されたコの字形状をなす
第２の梁２３とよりなる一対の梁を備えている。そし
て、これら一対の梁２２、２３は、平行に離間して配置
されており、一対の梁２２、２３の一端側が駆動用振動
子２０に接続され、他端側が検出用振動子３０における
枠内周面に接続されている。
【００２４】また、駆動用梁部２１の第１の梁２２及び
第２の梁２３においては、上記コの字形状における互い
に平行な一対の平行棒部２２ａ及び２３ａが、その長手
方向と直交する方向にたわむようになっているため、駆
動用振動子２０は図１中の矢印Ｘ方向に振動可能となっ
ている。そして、第１の梁２２及び第２の梁２３のうち
平行棒部２２ａ、２３ａの一端を接続する接続棒部２２
ｂ、２３ｂ同士が、梁形状の連結部２４により連結され
ている。
第２の梁２３においては、上記コの字形状における互い
に平行な一対の平行棒部２２ａ及び２３ａが、その長手
方向と直交する方向にたわむようになっているため、駆
動用振動子２０は図１中の矢印Ｘ方向に振動可能となっ
ている。そして、第１の梁２２及び第２の梁２３のうち
平行棒部２２ａ、２３ａの一端を接続する接続棒部２２
ｂ、２３ｂ同士が、梁形状の連結部２４により連結され
ている。
【００２５】一方、各々の検出用梁部３１は、コの字形
状をなす第１の梁３２と、この第１の梁３２の外周側に
て第１の梁３２に対して相似形に配置されたコの字形状
をなす第２の梁３３とよりなる一対の梁を備えている。
そして、これら一対の梁３２、３３は、平行に離間して
配置されており、一対の梁３２、３３の一端側が検出用
振動子３０に接続され、他端側が基部１０における枠内
周面から突出した突出部に接続されている。
状をなす第１の梁３２と、この第１の梁３２の外周側に
て第１の梁３２に対して相似形に配置されたコの字形状
をなす第２の梁３３とよりなる一対の梁を備えている。
そして、これら一対の梁３２、３３は、平行に離間して
配置されており、一対の梁３２、３３の一端側が検出用
振動子３０に接続され、他端側が基部１０における枠内
周面から突出した突出部に接続されている。
【００２６】また、検出用梁部３１の第１の梁３２及び
第２の梁３３においては、上記コの字形状における互い
に平行な一対の平行棒部３２ａ及び３３ａが、その長手
方向と直交する方向にたわむようになっているため、検
出用振動子３０は、上記基板平面内にて駆動用振動子２
０の振動方向と略直交する方向（図１中の矢印Ｙ方向）
に振動可能となっている。そして、第１の梁３２及び第
２の梁３３のうち平行棒部３２ａ、３３ａの一端を接続
する接続棒部３２ｂ、３３ｂ同士が、梁形状の連結部３
４により連結されている。
第２の梁３３においては、上記コの字形状における互い
に平行な一対の平行棒部３２ａ及び３３ａが、その長手
方向と直交する方向にたわむようになっているため、検
出用振動子３０は、上記基板平面内にて駆動用振動子２
０の振動方向と略直交する方向（図１中の矢印Ｙ方向）
に振動可能となっている。そして、第１の梁３２及び第
２の梁３３のうち平行棒部３２ａ、３３ａの一端を接続
する接続棒部３２ｂ、３３ｂ同士が、梁形状の連結部３
４により連結されている。
【００２７】また、図３は駆動用梁部２１及び検出用梁
部３１の寸法説明図である。両梁部２１、３１のいずれ
においても、第１の梁２２、３２と第２の梁２３、３３
との間隔において、接続棒部２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、
３３ｂ同士の間隔Ｗ１は平行棒部２２ａ、２３ａ、３２
ａ、３３ａ同士の間隔Ｗ２よりも大きくなっている。ま
た、梁形状をなす連結部２４、３４の幅は上記一対の梁
と略同一の幅を有することが好ましい。例えば、上記間
隔Ｗ１は５０μｍ、上記間隔Ｗ２は１０μｍ、また、各
梁２２、２３、３２、３３及び連結部２４、３４の幅Ｗ
３は１０μｍとできる。
部３１の寸法説明図である。両梁部２１、３１のいずれ
においても、第１の梁２２、３２と第２の梁２３、３３
との間隔において、接続棒部２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、
３３ｂ同士の間隔Ｗ１は平行棒部２２ａ、２３ａ、３２
ａ、３３ａ同士の間隔Ｗ２よりも大きくなっている。ま
た、梁形状をなす連結部２４、３４の幅は上記一対の梁
と略同一の幅を有することが好ましい。例えば、上記間
隔Ｗ１は５０μｍ、上記間隔Ｗ２は１０μｍ、また、各
梁２２、２３、３２、３３及び連結部２４、３４の幅Ｗ
３は１０μｍとできる。
【００２８】また、検出用振動子３０の外周部には、こ
の外周部と対向する基部１０の内周部に向かって突出す
る櫛歯状の突起部３５が形成されており、この突起部３
５とかみ合うように当該基部１０の内周部からも櫛歯状
の突起部１１が形成されており、両方の突起部１１、３
５により、本センサ１００の検出電極部が構成されてい
る。
の外周部と対向する基部１０の内周部に向かって突出す
る櫛歯状の突起部３５が形成されており、この突起部３
５とかみ合うように当該基部１０の内周部からも櫛歯状
の突起部１１が形成されており、両方の突起部１１、３
５により、本センサ１００の検出電極部が構成されてい
る。
【００２９】かかる構成を有する角速度センサ１００の
作動について述べる。まず、図示しないが電磁駆動もし
くは容量駆動等により、駆動用振動子２０を図１に示す
矢印Ｘ方向に振動（駆動振動）させる。この駆動振動の
もと、図１に示す様に、紙面垂直方向の軸周りに角速度
Ωがセンサ１００に印加されると、駆動用振動子２０に
駆動振動方向と直交する矢印Ｙ方向にコリオリ力が発生
する。
作動について述べる。まず、図示しないが電磁駆動もし
くは容量駆動等により、駆動用振動子２０を図１に示す
矢印Ｘ方向に振動（駆動振動）させる。この駆動振動の
もと、図１に示す様に、紙面垂直方向の軸周りに角速度
Ωがセンサ１００に印加されると、駆動用振動子２０に
駆動振動方向と直交する矢印Ｙ方向にコリオリ力が発生
する。
【００３０】このコリオリ力は駆動用梁部２１から検出
用振動子３０に伝わり、検出用振動子３０と駆動用振動
子２０とが図１に示す矢印Ｙ方向に一体に振動（検出振
動）する。そして、この検出振動により、上記両突起部
１１、３５間の距離が変化する。この距離変化を基部１
０に形成された図示しない配線部等を介して、当該両突
起部１１、３５間の容量変化として検出することによ
り、上記角速度Ωが検出されるのである。
用振動子３０に伝わり、検出用振動子３０と駆動用振動
子２０とが図１に示す矢印Ｙ方向に一体に振動（検出振
動）する。そして、この検出振動により、上記両突起部
１１、３５間の距離が変化する。この距離変化を基部１
０に形成された図示しない配線部等を介して、当該両突
起部１１、３５間の容量変化として検出することによ
り、上記角速度Ωが検出されるのである。
【００３１】ところで、本実施形態によれば、各梁部２
１、３１の構成を、平行に離間配置して連結された一対
の梁構成としているから、各振動子２０、３０の振動を
阻害することなく回転剛性を高めた梁部の構成を実現す
ることができる。ちなみに、回転剛性を高めるだけなら
ば、梁部を単に太いものとすればよいが、それだけで
は、センサとして必要な変位をとることが困難となり、
振動子の振動を阻害してしまう。
１、３１の構成を、平行に離間配置して連結された一対
の梁構成としているから、各振動子２０、３０の振動を
阻害することなく回転剛性を高めた梁部の構成を実現す
ることができる。ちなみに、回転剛性を高めるだけなら
ば、梁部を単に太いものとすればよいが、それだけで
は、センサとして必要な変位をとることが困難となり、
振動子の振動を阻害してしまう。
【００３２】また、本実施形態によれば、相似形状に平
行配置されたコの字形状をなす第１及び第２の梁２２、
２３、３２、３３において、各振動子２０、３０の振動
方向に撓む部分である平行棒部２２ａ、２３ａ、３２
ａ、３３ａで連結せず、振動子の振動に関与しない接続
棒部２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ同士にて連結して
いるから、より効果的に振動子２０、３０の振動を阻害
しない梁部の構成を実現できる。
行配置されたコの字形状をなす第１及び第２の梁２２、
２３、３２、３３において、各振動子２０、３０の振動
方向に撓む部分である平行棒部２２ａ、２３ａ、３２
ａ、３３ａで連結せず、振動子の振動に関与しない接続
棒部２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ同士にて連結して
いるから、より効果的に振動子２０、３０の振動を阻害
しない梁部の構成を実現できる。
【００３３】本実施形態の梁部構成の具体的な作用を図
４の作用説明図を用いて説明する。図４中の左右方向が
振動子における狙いの振動方向である。従来のセンサに
おいては、駆動用振動子２０と検出用振動子３０とを連
結する梁部Ｊ１が１本のコの字形状のものであり、回転
剛性が弱く、駆動用振動子２０は振動狙いの振動方向よ
りも、やや斜め（図中では斜め上方）方向に振動してし
まい、これが不要振動となる。
４の作用説明図を用いて説明する。図４中の左右方向が
振動子における狙いの振動方向である。従来のセンサに
おいては、駆動用振動子２０と検出用振動子３０とを連
結する梁部Ｊ１が１本のコの字形状のものであり、回転
剛性が弱く、駆動用振動子２０は振動狙いの振動方向よ
りも、やや斜め（図中では斜め上方）方向に振動してし
まい、これが不要振動となる。
【００３４】一方、本実施形態の梁部構成では、回転剛
性を高め、且つ、振動子の振動を阻害しないようにして
いるから、駆動用振動子２０は狙いの方向に振動する。
よって、本実施形態によれば、不要振動を低減できるた
め、角速度が０の状態でも出力が発生するオフセットを
抑制し、測定精度の高い角速度センサを提供することが
できる。
性を高め、且つ、振動子の振動を阻害しないようにして
いるから、駆動用振動子２０は狙いの方向に振動する。
よって、本実施形態によれば、不要振動を低減できるた
め、角速度が０の状態でも出力が発生するオフセットを
抑制し、測定精度の高い角速度センサを提供することが
できる。
【００３５】本実施形態の効果を、図５を用いて改めて
説明する。図５（ａ）には、梁形状を４種類用意し、こ
れらの梁による不要振動を角速度として算出したデータ
を示す。梁形状はコンベンショナルな梁である。梁形
状は”Ａ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｙａｗ Ｒａｔｅ
Ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｉｃｒｏｍａ
ｃｈｉｎｉｎｇ”（ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ’９７ ｐ
ｐ．８４７−８５０，１９９７ＩＥＥＥ）に掲載された
Ｆｉｇ．８に類似した２重梁構造のものである。
説明する。図５（ａ）には、梁形状を４種類用意し、こ
れらの梁による不要振動を角速度として算出したデータ
を示す。梁形状はコンベンショナルな梁である。梁形
状は”Ａ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｙａｗ Ｒａｔｅ
Ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｉｃｒｏｍａ
ｃｈｉｎｉｎｇ”（ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ’９７ ｐ
ｐ．８４７−８５０，１９９７ＩＥＥＥ）に掲載された
Ｆｉｇ．８に類似した２重梁構造のものである。
【００３６】梁形状とは、本実施形態のものであ
り、連結部の長さを変えたものである。梁形状の方が
梁形状よりも長くなっている。図５（ａ）から、コン
ベンショナルな梁形状に比べ、梁形状、、の方
が不要振動を大きく低減できることがわかる。
り、連結部の長さを変えたものである。梁形状の方が
梁形状よりも長くなっている。図５（ａ）から、コン
ベンショナルな梁形状に比べ、梁形状、、の方
が不要振動を大きく低減できることがわかる。
【００３７】つまり、本実施形態では、各梁部２１、３
１が、互いに平行に配置された第１の梁２２、３２、第
２の梁２３、３３から構成され、この第１、第２の梁は
折り返し部としての接続棒部２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、
３３ｂを備え、この折り返し部において、第１、第２の
梁を連結する連結棒としての連結部２４、３４を有し、
この連結棒により第１の梁と第２の梁との間に２つのＬ
字状の空間が形成され、また、Ｌ字状の空間が該連結棒
に対して対称的に配置されているものとなっている。
１が、互いに平行に配置された第１の梁２２、３２、第
２の梁２３、３３から構成され、この第１、第２の梁は
折り返し部としての接続棒部２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、
３３ｂを備え、この折り返し部において、第１、第２の
梁を連結する連結棒としての連結部２４、３４を有し、
この連結棒により第１の梁と第２の梁との間に２つのＬ
字状の空間が形成され、また、Ｌ字状の空間が該連結棒
に対して対称的に配置されているものとなっている。
【００３８】そして、このような梁部２１、３１の構成
を採用することにより、振動子２０、３０の振動を阻害
することなく回転剛性を高めた梁部の構成を実現するこ
とができ、図５（ａ）に示す様に、不要振動を大幅に低
減することができる。
を採用することにより、振動子２０、３０の振動を阻害
することなく回転剛性を高めた梁部の構成を実現するこ
とができ、図５（ａ）に示す様に、不要振動を大幅に低
減することができる。
【００３９】また、図５（ｂ）は、さらに、梁形状、
、による効果の違いをより厳密に見たものであり、
梁形状に比べ、連結部を有する梁形状、の方が不
要振動を抑制する効果が大きく、さらに梁形状に比
べ、連結部の長い梁形状の方が効果が大きい。
、による効果の違いをより厳密に見たものであり、
梁形状に比べ、連結部を有する梁形状、の方が不
要振動を抑制する効果が大きく、さらに梁形状に比
べ、連結部の長い梁形状の方が効果が大きい。
【００４０】さらに、本実施形態によれば、各梁部２
１、３１における第１の梁２２、３２と第２の梁２３、
３３との間隔において、接続棒部同士の間隔Ｗ１を平行
棒部同士の間隔Ｗ２よりも大きくしているため、連結部
２４、３４を充分に長くでき、結果的に、第１の梁の平
行棒部と第２の梁の平行棒部とに生じる変位の相違を吸
収しやすくでき、より効果的に振動を阻害しないように
できる。
１、３１における第１の梁２２、３２と第２の梁２３、
３３との間隔において、接続棒部同士の間隔Ｗ１を平行
棒部同士の間隔Ｗ２よりも大きくしているため、連結部
２４、３４を充分に長くでき、結果的に、第１の梁の平
行棒部と第２の梁の平行棒部とに生じる変位の相違を吸
収しやすくでき、より効果的に振動を阻害しないように
できる。
【００４１】連結部の長さについて、さらに厳密に検討
した結果を図６に示す。この図６は、連結部２４、３４
の長さＷ１と平行棒部２２ａ、２３ａ、３２ａ、３３ａ
同士の間隔（梁間隔）Ｗ２との比Ｗ１／Ｗ２に対する不
要振動出力を調べたものである。長さＷ１は、上記図３
に示した接続棒部２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ同士
の間隔Ｗ１に相当するものである。
した結果を図６に示す。この図６は、連結部２４、３４
の長さＷ１と平行棒部２２ａ、２３ａ、３２ａ、３３ａ
同士の間隔（梁間隔）Ｗ２との比Ｗ１／Ｗ２に対する不
要振動出力を調べたものである。長さＷ１は、上記図３
に示した接続棒部２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ同士
の間隔Ｗ１に相当するものである。
【００４２】Ｗ１とＷ２との比が１（Ｗ１／Ｗ２＝１）
に対して、Ｗ１とＷ２との比が５以上になると、その効
果が大きいといえる。そして、比Ｗ１／Ｗ２が５あたり
で効果は飽和しており、比Ｗ１／Ｗ２が５以上あれば十
分と言える。つまり、接続棒部２２ｂ、２３ｂ、３２
ｂ、３３ｂ同士の間隔Ｗ１と平行棒部２２ａ、２３ａ、
３２ａ、３３ａ同士の間隔Ｗ２との比Ｗ１／Ｗ２が、５
以上であることが好ましく、それにより、不要振動の低
減効果が最大限に発揮される。
に対して、Ｗ１とＷ２との比が５以上になると、その効
果が大きいといえる。そして、比Ｗ１／Ｗ２が５あたり
で効果は飽和しており、比Ｗ１／Ｗ２が５以上あれば十
分と言える。つまり、接続棒部２２ｂ、２３ｂ、３２
ｂ、３３ｂ同士の間隔Ｗ１と平行棒部２２ａ、２３ａ、
３２ａ、３３ａ同士の間隔Ｗ２との比Ｗ１／Ｗ２が、５
以上であることが好ましく、それにより、不要振動の低
減効果が最大限に発揮される。
【００４３】また、連結部が太すぎると連結部による一
対の梁部の固定が強すぎて、振動を阻害する恐れがあ
り、更に、センサの加工上、連結部が細すぎると加工し
にくくなるため、連結部２４、３４の幅を、一対の梁部
２２、２３、３２、３３と略同一の幅とすることが好ま
しい。
対の梁部の固定が強すぎて、振動を阻害する恐れがあ
り、更に、センサの加工上、連結部が細すぎると加工し
にくくなるため、連結部２４、３４の幅を、一対の梁部
２２、２３、３２、３３と略同一の幅とすることが好ま
しい。
【００４４】図７には、連結部の形状による効果の違い
を示す。図７の梁形状、は両方とも本実施形態のも
のである。梁形状は、外側の梁と内側の梁とが連結部
にて接続される領域（つまり、接続棒部）においても、
同様の梁幅となっている（さらに、連結部も梁と同様の
梁幅となっている）が、梁形状は、外側の梁が連結部
にて接続される領域（接続棒部）において、内側の梁よ
りもその幅が大きくなっているものである。
を示す。図７の梁形状、は両方とも本実施形態のも
のである。梁形状は、外側の梁と内側の梁とが連結部
にて接続される領域（つまり、接続棒部）においても、
同様の梁幅となっている（さらに、連結部も梁と同様の
梁幅となっている）が、梁形状は、外側の梁が連結部
にて接続される領域（接続棒部）において、内側の梁よ
りもその幅が大きくなっているものである。
【００４５】この図７から、連結部（連結棒）２４、３
４にて連結される領域（接続棒部、折り返し部）２２
ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂにおいて、外側の梁（第２
の梁）２３、３３と内側の梁（第１の梁）２２、３２と
の梁幅は同等であることが好ましいと言える。
４にて連結される領域（接続棒部、折り返し部）２２
ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂにおいて、外側の梁（第２
の梁）２３、３３と内側の梁（第１の梁）２２、３２と
の梁幅は同等であることが好ましいと言える。
【００４６】また、連結部（連結棒）２４、３４は、内
側の梁（第１の梁）２２、３２に連結する部位から外側
の梁（第２の梁）２３、３３に連結する部位に渡ってほ
ぼ同じ幅であることが好ましいといえる。これは、連結
部や梁部の折り返し部に肉厚の部分が存在すると、連結
部や折り返し部の質量が増加し、この影響が不要振動に
影響すると考えられるためである。
側の梁（第１の梁）２２、３２に連結する部位から外側
の梁（第２の梁）２３、３３に連結する部位に渡ってほ
ぼ同じ幅であることが好ましいといえる。これは、連結
部や梁部の折り返し部に肉厚の部分が存在すると、連結
部や折り返し部の質量が増加し、この影響が不要振動に
影響すると考えられるためである。
【００４７】ここで、本実施形態の具体的な効果を図８
に示す。図８は、本角速度センサ１００と従来の角速度
センサとの梁部の加工誤差に対する不要振動振幅の度合
を調べた一例である。本角速度センサ１００において
は、梁部の各寸法Ｗ１〜Ｗ３を、上記の図３を参照して
述べた具体的寸法とした。また、従来のものにおいて
は、図４に示したような１本の梁よりなる梁部Ｊ１を持
つものとし、梁部Ｊ１の幅を１５μｍとした。図８から
わかるように、本実施形態（破線）によれば加工誤差が
あっても従来（実線）に比べて不要振動を大幅に低減で
きている。
に示す。図８は、本角速度センサ１００と従来の角速度
センサとの梁部の加工誤差に対する不要振動振幅の度合
を調べた一例である。本角速度センサ１００において
は、梁部の各寸法Ｗ１〜Ｗ３を、上記の図３を参照して
述べた具体的寸法とした。また、従来のものにおいて
は、図４に示したような１本の梁よりなる梁部Ｊ１を持
つものとし、梁部Ｊ１の幅を１５μｍとした。図８から
わかるように、本実施形態（破線）によれば加工誤差が
あっても従来（実線）に比べて不要振動を大幅に低減で
きている。
【００４８】なお、上記実施形態では、駆動用梁部２１
及び検出用梁部３１共に、平行に離間配置して連結され
た一対の梁構成としているが、当該構成を、これら各梁
部２１、３１のうちどちらか一方のみに適用したもので
あっても良い。即ち、駆動用梁部２１のみを本発明でい
う梁部としても良いし、検出用梁部３１のみを本発明で
いう梁部としても良い。また、本発明は、角速度センサ
以外にも、加速度センサ等の半導体力学量センサに適用
可能である。
及び検出用梁部３１共に、平行に離間配置して連結され
た一対の梁構成としているが、当該構成を、これら各梁
部２１、３１のうちどちらか一方のみに適用したもので
あっても良い。即ち、駆動用梁部２１のみを本発明でい
う梁部としても良いし、検出用梁部３１のみを本発明で
いう梁部としても良い。また、本発明は、角速度センサ
以外にも、加速度センサ等の半導体力学量センサに適用
可能である。
【図１】本発明に係る角速度センサの一実施形態を示す
平面図である。
平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面を含む一部断面斜視図であ
る。
る。
【図３】図１に示す角速度センサにおける梁部の寸法説
明図である。
明図である。
【図４】図１に示す角速度センサの作用説明図である。
【図５】梁形状の違いによる不要振動を角速度として算
出したデータを示す図である。
出したデータを示す図である。
【図６】連結部の長さＷ１と平行棒部同士の間隔Ｗ２と
の比Ｗ１／Ｗ２に対する不要振動出力を調べた結果を示
す図である。
の比Ｗ１／Ｗ２に対する不要振動出力を調べた結果を示
す図である。
【図７】連結部の形状による不要振動出力への影響を調
べた結果を示す図である。
べた結果を示す図である。
【図８】本発明の角速度センサと従来の角速度センサと
の梁部の加工誤差に対する不要振動振幅の度合示すグラ
フである。
の梁部の加工誤差に対する不要振動振幅の度合示すグラ
フである。
１０…基部、２０…駆動用振動子、２１…駆動用梁部、
２２…駆動用梁部の第１の梁、２３…駆動用梁部の第２
の梁、２４…駆動用梁部の連結部、３０…検出用振動
子、３１…検出用梁部、３２…検出用梁部の第１の梁、
３３…検出用梁部の第２の梁、３４…検出用梁部の連結
部、２２ａ、２３ａ、３２ａ、３３ａ…平行棒部、２２
ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ…接続棒部。
２２…駆動用梁部の第１の梁、２３…駆動用梁部の第２
の梁、２４…駆動用梁部の連結部、３０…検出用振動
子、３１…検出用梁部、３２…検出用梁部の第１の梁、
３３…検出用梁部の第２の梁、３４…検出用梁部の連結
部、２２ａ、２３ａ、３２ａ、３３ａ…平行棒部、２２
ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ…接続棒部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 頼永 宗男 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 樋口 祐史 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内
Claims (9)
- 【請求項１】 半導体基板を加工することにより形成さ
れ、 基部（１０）と、所定方向に振動する振動子（２０、３
０）と、この振動子及び前記基部を連結する複数個の梁
部（２１、３１）とを備え、 前記振動子の振動に基づいて力学量を検出するようにし
た半導体力学量センサにおいて、 前記複数個の梁部は、それぞれが、平行に離間して配置
された一対の梁（２２、２３、３２、３３）と、これら
一対の梁を連結する連結部（２４、３４）とから構成さ
れていることを特徴とする半導体力学量センサ。 - 【請求項２】 前記一対の梁は、コの字形状をなす第１
の梁（２２、３２）と、この第１の梁の外周側にて前記
第１の梁に対して相似形に配置されたコの字形状をなす
第２の梁（２３、３３）とから構成され、 前記第１及び第２の梁のうち前記コの字形状における互
いに平行な一対の平行棒部（２２ａ、２３ａ、３２ａ、
３３ａ）が、前記振動子の振動方向にたわむようになっ
ており、 前記連結部（２４、３４）は、前記第１及び第２の梁の
うち前記コの字形状における前記平行棒部の一端を接続
する接続棒部（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ）同士
を連結していることを特徴とする請求項１に記載の半導
体力学量センサ。 - 【請求項３】 前記第１の梁（２２、３２）と前記第２
の梁（２３、３３）との間隔において、前記接続棒部
（２２ｂ、２３ｂ、３２ｂ、３３ｂ）同士の間隔は前記
平行棒部（２２ａ、２３ａ、３２ａ、３３ａ）同士の間
隔よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の半導
体力学量センサ。 - 【請求項４】 前記連結部（２４、３４）は、前記一対
の梁部（２２、２３、３２、３３）と略同一の幅を有す
る梁形状であることを特徴とする請求項１ないし３のい
ずれか１つに半導体力学量センサ。 - 【請求項５】 前記接続棒部（２２ｂ、２３ｂ、３２
ｂ、３３ｂ）同士の間隔と前記平行棒部（２２ａ、２３
ａ、３２ａ、３３ａ）同士の間隔との比が、５以上であ
ることを特徴とする請求項３に記載の半導体力学量セン
サ。 - 【請求項６】 半導体基板を加工することにより形成さ
れ、 基部（１０）と、所定方向に振動する振動子（２０、３
０）と、この振動子及び前記基部を連結する複数個の梁
部（２１、３１）とを備え、 前記振動子の振動に基づいて力学量を検出するようにし
た半導体力学量センサにおいて、 前記複数個の梁部は、互いに平行に配置された第１、第
２の梁（２２、２３、３２、３３）から構成され、この
第１、第２の梁は折り返し部（２２ｂ、２３ｂ、３２
ｂ、３３ｂ）を備え、この折り返し部において、前記第
１、第２の梁を連結する連結棒（２４、３４）を有し、
この連結棒により前記第１の梁と前記第２の梁との間に
２つのＬ字状の空間が形成され、また、前記Ｌ字状の空
間が前記連結棒に対して対称的に配置されるものである
ことを特徴とする半導体力学量センサ。 - 【請求項７】 前記折り返し部（２２ｂ、２３ｂ、３２
ｂ、３３ｂ）において、前記第１、第２の梁（２２、２
３、３２、３３）のそれぞれの梁幅は、ほぼ同じである
ことを特徴とする請求項６に記載の半導体力学量セン
サ。 - 【請求項８】 前記連結棒（２４、３４）は、前記第１
の梁（２２、３２）から前記第２の梁（２３、３３）に
渡ってほぼ同じ幅であることを特徴とする請求項６に記
載の半導体力学量センサ。 - 【請求項９】 前記折り返し部（２２ｂ、２３ｂ、３２
ｂ、３３ｂ）において、前記第１、第２の梁（２２、２
３、３２、３３）のそれぞれの梁幅は、ほぼ同じであ
り、 また、前記連結棒（２４、３４）は、前記第１の梁（２
２、３２）から前記第２の梁（２３、３３）に渡ってほ
ぼ同じ幅であることを特徴とする請求項６に記載の半導
体力学量センサ。
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-
2000
- 2000-07-21 JP JP2000220922A patent/JP4427876B2/ja not_active Expired - Fee Related
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