JP2001194151A

JP2001194151A - 共振素子

Info

Publication number: JP2001194151A
Application number: JP2000001412A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Atsuji; 健一厚地
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2001-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】共振素子の感度を向上させる。【解決手段】振動子５のＸ、Ｚ二次元平面方向の裏面
５ｃにはＸ方向に間隔を介して左右の端縁部領域に振動
側振動調整用電極３０，３１を絶縁層３２を介して形成
する。これら振動側振動調整用電極３０，３１にＹ方向
に間隔を介して導電層２０，２１を基板２上に対向配置
する。導電層２０，２１のＸ方向の幅は振動子５がＸ方
向に振動しているときに振動側振動調整用電極３０，３
１が導電層２０，２１の対向領域から食み出さない広幅
となっている。振動子５と導電層２０，２１がほぼ同電
圧である状態で、振動側振動調整用電極３０，３１に静
電引力付与用電圧を印加して、振動子５の共振周波数を
調整すると共に、基板２の基板面に対する振動子５の傾
きを補正する。振動子５が基板面に沿ってＸ方向に理想
的に振動して共振素子１の感度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、角速度センサやフ
ィルタ等に用いられる共振素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８（ａ）には本出願人が以前に提案し
た共振素子の斜視図が示され、また、図８（ｂ）には上
記図８（ａ）に示すＩ−Ｉ部分の断面図が示されてい
る。この図８（ａ）、（ｂ）に示す共振素子は、従来の
シリコンのマイクロマシニング技術等を利用して作製し
た微細素子の共振素子１であり、シリコンの基板２の上
に、窒化膜３を形成し、その上にポリシリコン膜４を形
成し、これらの膜３，４をドライエッチング等により予
め定めた設定パターンとしたものである。

【０００３】基板２は、Ｘ，Ｚ二次元平面方向を基板面
方向とした固定基板として機能するものである。この基
板２上には、該基板２から浮いた状態で振動子５が配置
されており、この図８に示す共振素子１においては、こ
の振動子５が平面振動体６として機能する。この振動子
５は支持梁７を介してＸ方向の振動が可能に支持されて
おり、各支持梁７の一端側は、固定部８を介して基板２
に固定されている。

【０００４】振動子５の図の左右両側にはそれぞれ横方
向（Ｘ方向）の外側に向かって可動側櫛歯電極１０（１
０ａ，１０ｂ）が形成されており、この櫛歯電極１０と
対向する位置には、横方向の内側に向かって固定側櫛歯
電極１１（１１ａ，１１ｂ）が上記可動側櫛歯電極１０
に間隔を介して噛み合う状態で配置されている。これら
可動側櫛歯電極１０と固定側櫛歯電極１１は、それぞ
れ、図示しない導体パターンを介して外部の電極パッド
（図示せず）に接続されて励振器１２を形成している。

【０００５】例えば、上記可動側櫛歯電極１０ａ，１０
ｂを設定の定電圧（例えば零Ｖ）の状態にして、固定側
櫛歯電極１１ａ，１１ｂにはそれぞれ互いに位相が１８
０°異なる交流電圧を印加すると、可動側櫛歯電極１０
と固定側櫛歯電極１１間に静電力が発生し、この静電力
により振動子５は、Ｘ方向に振動するように構成されて
いる。

【０００６】上記構成の共振素子１では、上記のように
振動子５をＸ方向に振動させて、共振素子１をＺ軸を回
転軸として回転させると、前記Ｘ，Ｚ二次元平面方向に
直交するＹ方向にコリオリ力が発生する。このコリオリ
力が振動子５（平面振動体６）に加えられ、振動子５は
コリオリ力の方向に振動する。このときの振動子５のコ
リオリ力による振動振幅の大きさに対応する電気信号を
測定することで、例えば、回転の角速度の大きさを検知
することができる。

【０００７】なお、共振素子１を角速度センサとして適
用する場合は、前記コリオリ力による振動子５の振動振
幅の大きさに対応する電気信号を測定するための検出部
が設けられる。

【０００８】ところで、共振素子１を作製する場合、振
動子５（平面振動体６）のコリオリ力の方向（Ｙ方向）
の共振周波数を、予め設計段階でＸ方向の共振周波数に
設定して、振動子５の形状、寸法、重量等をその共振周
波数になるように設計製作する。しかし、振動子５の形
状、寸法、重量等は、シリコンのマイクロマシニング技
術の加工精度により設計通りに作製されない場合が度々
あり、振動子５の共振周波数が設計上の周波数からずれ
ることが度々発生する。振動子５の振動が共振状態なら
ば、構造的に起因するＱ（Quality Factor）の値により
振幅が飛躍的に増幅されるが、周波数がずれると増幅が
殆どされず、共振素子の感度を著しく低下するという問
題がある。そのため、振動子５や支持梁７を、例えば、
面倒な機械加工等によるトリミングを行い、振動子５の
共振周波数を設計の設定周波数に調整する必要がある。

【０００９】しかしながら、前記共振素子１はシリコン
のマイクロマシニング技術を応用して作製した微細な素
子である。このため、機械加工を利用して所望の共振周
波数を得るために必要な微小のトリミング調整部分をト
リミングしようとしても、面倒な機械加工では加工精度
上から微細な平面振動体６や支持梁７を所望の寸法、形
状、重量等に削り加工することは殆ど不可能である。し
たがって、平面振動体６の共振周波数を設定の値に調整
することは極めて困難であった。

【００１０】そこで、上記図８に示す提案の共振素子１
においては、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、基板２
上の、振動子５とＹ方向に間隔を介して対向する位置
に、静電引力１４を付与する導電層１５を設けている。
この導電層１５は、図８（ａ）に示すように、導電パタ
ーン１６を介して導電パッド１７に接続されている。こ
れら導電パターン１６と導電パッド１７を介して導電層
１５に印加する電圧を制御することにより、振動子５の
共振周波数を設定値に調整できるようにした。

【００１１】つまり、導電層１５に直流電圧を印加する
と、振動子５に静電力が作用し、これが静電的なバネと
して振動子５に作用する。すなわち、振動子５が基板２
に近づく方向に振動するときに振幅を増大させる方向に
静電力が作用するため、機械的なバネと反対方向の力を
発生させる効果がある。これにより、結果的に振動子５
のＹ方向の共振周波数を低下させる。この共振周波数の
低下量は、印加する静電引力１４の大きさに応じて変化
するため、導電層１５に印加する直流電圧の大きさを調
整することで、振動子５の固有の共振周波数から低周波
数側に共振周波数を微調整できる。

【００１２】この効果を利用すると、振動子５の固有の
Ｙ方向の共振周波数を最も高感度な共振周波数（つま
り、Ｘ方向の共振周波数と等しい周波数）よりも僅かに
高く設計しておけば（言い換えれば励振器１２による振
動子５の振動方向の共振周波数よりもＹ方向の共振周波
数を高めに設計しておけば）、導電層１５に印加する直
流電圧の調整によって、振動子５を設定の共振周波数で
もって共振させることができることとなる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように導電層１５を設けて振動子５の共振周波数の調整
を行ったのにも拘わらず、共振素子１の感度が悪くなる
場合があった。

【００１４】本発明者は、その感度劣化の原因を探った
ところ、その原因が振動子５の振動状態にあることが分
かった。つまり、上記振動子５をＸ方向に振動させたと
きにＺ軸周りの角速度がないときには、振動子５のＸ−
Ｙ平面内での振動状態は、図９（ｂ）に示すように、Ｙ
方向のぶれが殆どない状態でＸ方向に振動することが望
ましい。これに対して、図９（ａ）に示すように、振動
子５の振動状態がコリオリ力の検出方向であるＹ方向に
大きくぶれている場合があり、このような場合に、共振
素子１の感度が悪くなることが分かった。

【００１５】そこで、本発明者は、上記振動子５のＹ方
向のぶれが基板２の基板面に対する振動子５の傾きに因
ることに着目して、上記振動子５の傾きを補正する傾き
補正手段を設けた共振素子１を提案している。図５
（ａ）には、その提案の共振素子１の一例が斜視図によ
り示され、図５（ｂ）には図５（ａ）のＩ−Ｉ部分の断
面図が示されている。なお、図５（ａ）、（ｂ）には上
記図８（ａ）、（ｂ）の共振素子１と同一構成部分には
同一符号を付してあり、その共通部分の重複説明は省略
する。

【００１６】図５（ａ）、（ｂ）に示す共振素子１にお
いて、基板２のＸ、Ｚ二次元平面方向の面には導電層２
０，２１がＸ方向に間隔を介し、かつ、振動子５の図の
左あるいは右の端縁部領域にＹ方向に間隔を介して対向
するように配設されている。これら導電層２０，２１は
それぞれ導電パターン２２，２３を介して導電パッド２
４，２５に導通接続されている。この図５に示す共振素
子１では、上記導線層２０，２１により傾き補正手段が
構成されている。

【００１７】上記導電層２０，２１にそれぞれ導電パタ
ーン２２，２３と導電パッド２４，２５を介して個別に
直流電圧を印加することにより、導電層２０，２１と振
動子５間に静電引力２６，２７が発生する。上記導電層
２０，２１への各印加直流電圧の調整によって上記振動
子５の左右の各静電引力２６，２７を調整することで、
振動子５の傾きを補正することができる。

【００１８】具体的には、振動子５が図５（ｂ）に示す
点線αのように右下がりに傾いているときには、導電層
２１に印加する直流電圧よりも大きな直流電圧を導電層
２０に印加する。これにより、導電層２０に対向してい
る振動子５の左端縁部領域に作用する静電引力２６は導
電層２１に対向している振動子５の右端縁部領域に作用
する静電引力２７よりも大きいので、振動子５の左端縁
部領域は右端縁部領域よりも強く基板２側に引っ張られ
ることとなり、前記傾きが補正される。

【００１９】また、振動子５が図５（ｂ）に示す破線β
のように右上がりに傾いているときには、導電層２０に
印加する直流電圧よりも大きな直流電圧を導電層２１に
印加する。これにより、上記静電引力２７は静電引力２
６よりも大きいので、振動子５の右端縁部領域は左端縁
部領域よりも強く基板２側に引っ張られることとなり、
前記傾きが補正される。

【００２０】この図５に示す提案の共振素子１では、上
記のような導電層２０，２１を設けたことにより、振動
子５の傾きを補正することができて振動子５の振動状態
を改善することができる。また、振動子５を基板２側に
引っ張ることができるので、前記図８の共振素子１と同
様に、振動子５の共振周波数を調整することができるこ
ととなる。

【００２１】しかしながら、図５に示す構成では、振動
子５の図５（ｂ）に示す中央部Ａにおける振動状態を前
記図９（ｂ）に示すようなＹ方向のぶれが無い理想的な
振動状態に補正することはできるが、そのように振動子
５の中央部Ａの振動状態を補正しても、振動子５の左右
の端縁部である部位Ｂや部位Ｃの振動状態を見てみる
と、その部位Ｂや部位Ｃの振動状態は満足できる程の改
善が成されていない。

【００２２】それというのは次に示すような理由に因
る。図６（ａ）〜（ｅ）には振動子５を励振器１２によ
りＸ方向に振動させたときの振動子５の姿勢状態が時間
の経過に従って示されている。なお、振動子５のＸ方向
の振動の１周期をＴとした場合に、図６（ａ）の状態か
らＴ／４、Ｔ／２、３Ｔ／４、Ｔの各時間が経過したと
きの振動子５の姿勢状態がそれぞれ図６（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示されている。

【００２３】図６（ａ）、（ｃ）、（ｅ）に示すよう
に、振動子５が基準位置にあるときには、導電層２０，
２１の傾き補正手段によって振動子５は基板２に対して
殆ど傾きが無い状態であるが、図６（ｂ）や（ｄ）に示
すように、振動子５が上記基準位置よりも右側あるいは
左側に変位している場合には、振動子５は基板２に対し
て傾きを持つ。このため、振動子５の左右の端縁部であ
る部位Ｂや部位Ｃの振動状態は前記図９（ｂ）に示すよ
うな理想的な状態ではなく、図９（ａ）に示すようなＹ
方向のぶれを持つ振動状態となっている。

【００２４】それというのは、振動子５のＸ方向の振動
に伴って振動子５の重心Ｇからの力のモーメントが振動
子５の左右両端縁部領域では次に示すように周期的に変
化してしまうことに因る。

【００２５】図７（ａ）には上記図６（ａ）、（ｃ）、
（ｅ）に示すように振動子５が基準位置にあるときの振
動子５の状態例が、また、図７（ｂ）には上記図６
（ｂ）に示すように振動子５が基準位置よりも右側に変
位したときの振動子５の状態例が、さらに、図７（ｃ）
には上記図６（ｄ）に示すように振動子５が基準位置よ
りも左側に変位したときの振動子５の状態例が、それぞ
れ、図５の上側から見た状態図と、Ｉ−Ｉ部分の断面図
と、図７に示すΔＺ部分の断面図とにより示されてい
る。

【００２６】図７（ｂ）に示すように振動子５が基準位
置よりも右側に変位していくに従って、上記振動子５が
上記図７（ａ）に示すような基準位置にあるときに比べ
て、導電層２０と振動子５の対向面積が減少していく。
このため、振動子５の左端縁部領域の静電引力２６が小
さくなっていく。これに対して、導電層２１と振動子５
の対向面積は変化しないので、振動子５の右端縁部領域
の静電引力２７は変化しない。

【００２７】また、反対に、図７（ｃ）に示すように振
動子５が基準位置よりも左側に変位していくに従って、
上記振動子５が基準位置にあるときに比べて、導電層２
１と振動子５の対向面積が減少していく。このため、振
動子５の右端縁部領域の静電引力２７が小さくなってい
く。これに対して、導電層２０と振動子５の対向面積は
変化しないので、振動子５の左端縁部領域の静電引力２
６は変化しない。

【００２８】また、振動子５における上記静電引力２６
の作用質点を点Ｄとし、振動子５における静電引力２７
の作用質点を点Ｅとした場合に、図７（ａ）に示すよう
に、振動子５が基準位置にあるときには、上記振動子５
の重心Ｇと上記作用質点Ｄ間の距離Ｌ１と、上記重心Ｇ
と作用質点Ｅ間の距離Ｌ２とはほぼ等しくなっている。

【００２９】これに対して、図７（ｂ）に示すように、
振動子５が基準位置よりも右側に変位していくと、上記
重心Ｇと上記作用質点Ｄ間の距離Ｌ１は殆ど変化しない
のに、上記重心Ｇと作用質点Ｅ間の距離Ｌ２は上記基準
状態時よりも短くなっていき、上記距離Ｌ２は距離Ｌ１
よりも短くなってしまう。また、反対に、図７（ｃ）に
示すように、振動子５が基準位置よりも左側に変位して
いくに従って、重心Ｇと作用質点Ｅ間の距離Ｌ２は変化
しないのに、上記重心Ｇと作用質点Ｄ間の距離Ｌ１は上
記基準状態時よりも短くなっていき、上記距離Ｌ１は距
離Ｌ２よりも短くなってしまう。

【００３０】上記のように、図５に示す構成では、振動
子５のＸ方向の振動によって、振動子５の左右両端縁部
領域に作用する静電引力２６，２７が振動子５のＸ方向
の振動周期でもって変動し、また、振動子５の重心Ｇと
静電引力２６の作用質点Ｄとの距離Ｌ１および上記重心
Ｇと静電引力２７の作用質点Ｅとの距離Ｌ２も、振動子
５のＸ方向の振動周期でもって変動してしまう。

【００３１】このことにより、振動子５の重心Ｇから左
端縁部領域への力のモーメント（つまり、静電引力２６
に基づいた力Ｆに、重心Ｇからその力Ｆの作用質点Ｄへ
の位置ベクトルを乗算した値で表す物理量）と、振動子
５の重心Ｇから右端縁部領域への力のモーメント（つま
り、静電引力２７に基づいた力Ｆに、重心Ｇからその力
Ｆの作用質点Ｅへの位置ベクトルを乗算した値で表す物
理量）とが、振動子５のＸ方向の振動に伴って周期的に
変化して、振動子５の左右両側における力のモーメント
のバランスが崩れてしまう。

【００３２】この力のモーメントのバランスの崩れに起
因して、図６（ｂ）や（ｄ）に示すように、振動子５が
基準位置よりも右側や左側に変位した際に振動子５が基
板２に対して傾いてしまい、振動子５の左右の端縁部領
域Ｂ、ＣはＹ方向にぶれた振動状態となってしまう。

【００３３】上記のような振動子５の左右両端縁部領域
のＹ方向のぶれは、特に、振動子５のＸ方向の振動振幅
が大きい場合や、振動子５（平面振動体６）の共振周波
数が低いときや、上記静電引力２６，２７の大きさが大
きいときには顕著に現れてしまう。

【００３４】上記のようなＹ方向のぶれは、例えば、角
速度センサである共振素子１の検出信号にノイズ成分で
あるゆらぎを発生させて、角速度センサのジャイロ特性
が悪くなる等の問題を発生させてしまう。

【００３５】また、前記のように振動子５の右端縁部あ
るいは左端縁部がＹ方向にぶれて導電層２０や導電層２
１に非常に近付いたときには、静電引力２６，２７が非
常に大きくなって振動子５が基板２側に強く引っ張られ
て振動子５が導電層２０又は導電層２１に接着してしま
うという問題発生の虞があった。この場合には、共振素
子として機能できなくなってしまい非常に重大な問題で
ある。

【００３６】この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、平面振動体（振動子）を
より理想的にＸ方向に振動させて、より高感度な共振素
子を提供することにある。

【００３７】

【課題を解決するための手段】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
る手段としている。すなわち、第１の発明は、固定基板
のＸ、Ｚ二次元平面方向の面に間隔を介して対向配置さ
れる平面振動体を有し、この平面振動体はＸ方向に振動
可能に支持梁を介して上記固定基板に支持されている共
振素子であって、上記平面振動体のＸ、Ｚ二次元平面方
向の面にはＸ方向に間隔を介して少なくとも両端縁部領
域に振動側振動調整用電極が形成され、この振動側振動
調整用電極には上記Ｘ、Ｚ二次元平面方向に直交するＹ
方向に間隔を介して固定側振動調整用電極が対向配置さ
れており、この固定側振動調整用電極のＸ方向の幅は、
平面振動体がＸ方向に振動しているときに上記振動側振
動調整用電極が固定側振動調整用電極の対向領域から食
み出さない広幅となっている構成をもって前記課題を解
決する手段としている。

【００３８】第２の発明は、上記第１の発明の構成を備
え、振動側振動調整用電極と固定側振動調整用電極の組
は平面振動体に静電引力を付与して平面振動体の共振周
波数を調整すると共に、固定基板の基板面方向に対する
平面振動体の傾きを補正する傾き補正手段と成している
ことを特徴として構成されている。

【００３９】第３の発明は、上記第１又は第２の発明の
構成を備え、平面振動体は導電材料により構成されてお
り、振動側振動調整用電極は絶縁層を介して平面振動体
に設けられることを特徴として構成されている。

【００４０】第４の発明は、上記第３の発明の構成を備
え、振動側振動調整用電極と固定側振動調整用電極の組
は、平面振動体と固定側振動調整用電極がほぼ同電圧で
ある状態で振動側振動調整用電極に静電引力付与用電圧
が印加されて傾き補正手段として機能することを特徴と
して構成されている。

【００４１】第５の発明は、上記第１〜第４の発明の何
れか１つの発明の構成を備え、平面振動体の表面と裏面
の少なくとも一方には垂直移動側電極が設けられ、ま
た、この垂直移動側電極にＹ方向に間隔を介した対向側
には固定対向電極が設けられ、前記垂直移動側電極と固
定対向電極の組はＺ軸回りの回転の角速度変化に対応す
る平面振動体のＹ方向の振動振幅を検出するＺ軸回り角
速度検出手段と成していることを特徴として構成されて
いる。

【００４２】上記構成の発明において、平面振動体がＸ
方向に振動しているときに、その平面振動体に形成され
ている振動側振動調整用電極は固定側振動調整用電極の
対向領域から食み出さない。

【００４３】このため、平面振動体のＸ方向の振動中
に、振動側振動調整用電極と固定側振動調整用電極の対
向面積は変化せず、これにより、振動側振動調整用電極
と固定側振動調整用電極によって平面振動体の両端縁部
領域に作用する静電引力や、平面振動体の重心から両端
縁部領域への力のモーメントの周期的な変動を防止する
ことができる。このことに起因して、平面振動体の両端
縁部も平面振動体の中央部と同様に、Ｙ方向のぶれが無
い理想的な振動状態でＸ方向の振動を行わせることがで
きる。

【００４４】これにより、共振素子の感度をより一層高
めることができる。また、平面振動体の振動側振動調整
用電極が固定側振動調整用電極に接着して共振素子とし
て機能できなくなるという重大な問題発生を回避するこ
とができる。

【００４５】

【発明の実施の形態】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。

【００４６】図１（ａ）には本発明に係る共振素子の一
実施形態例が斜視図により示され、図１（ｂ）には上記
図１（ａ）に示すＩ−Ｉ部分の断面図が示され、図１
（ｃ）には上記図１（ａ）に示すIII-III部分の断面図
が示されている。なお、この実施形態例の説明におい
て、前記図５や図８に示す提案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。

【００４７】この実施形態例に示す共振素子１は角速度
センサや加速度センサやフィルター等の共振素子として
用いることができるものである。この実施形態例では、
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、平面振動体である振
動子５の裏面５ｃ、つまり、基板（固定基板）２と間隔
を介して対向するＸ、Ｚ二次元平面方向の面５ｃには、
Ｘ方向に間隔を介して図の左右の端縁部領域に振動側振
動調整用電極３０，３１が形成されている。

【００４８】この実施形態例では、振動子５は導電材料
であるポリシリコンにより構成されているので、振動子
５と上記振動側振動調整用電極３０，３１を絶縁させる
ために、振動側振動調整用電極３０，３１は絶縁層（例
えば窒化層）３２を介して振動子５に設けられている。

【００４９】上記振動側振動調整用電極３０，３１には
Ｙ方向に間隔を介して導電層２０，２１が基板２上に対
向配置されており、これら導電層２０，２１は固定側振
動調整用電極として機能し、上記振動側振動調整用電極
３０，３１と共に振動子５の傾き補正手段として機能す
るものである。

【００５０】この実施形態例では、上記導電層２０，２
１のＸ方向の幅は、振動子５がＸ方向に振動していると
きに上記振動側振動調整用電極３０，３１が導電層２
０，２１の対向領域から食み出さない広幅に形成されて
いる。

【００５１】例えば、振動子５のＸ方向の振動振幅をａ
とした場合に、図１（ｂ）に示すように振動子５が基準
位置にあるときに、導電層２１の図の右端縁２１ｂは振
動側振動調整用電極３１の右端縁３１ｂよりも上記振幅
ａに余裕分Δａを加算した長さ（ａ＋Δａ）分だけ右側
に食み出した位置にあり、また、同様に、導電層２１の
図の左端縁２１ａは振動側振動調整用電極３１の左端縁
３１ａよりも上記振幅ａに余裕分Δａ’を加算した長さ
（ａ＋Δａ’）分だけ左側に食み出した位置となるよう
に導電層２１は広幅に形成される。導電層２０に関して
も同様である。なお、上記余裕分ΔａとΔａ’は等しく
とも、異なっていてもよい。また、上記余裕分Δａ、Δ
ａ’は零でもよい。

【００５２】また、図１（ａ）に示すように、基板２上
には電極パッド３３，３４が形成され、さらに、図１
（ｃ）に示すように、支持梁７の底部には絶縁層３２を
介して配線層３５が形成されており、前記振動側振動調
整用電極３０，３１はそれぞれ上記配線層３５を介して
電極パッド３３，３４に導通接続されている。これら電
極パッド３３，３４は絶縁層３２により絶縁されてい
る。

【００５３】上記以外の構成は前記図５に示す提案例の
共振素子１と同様である。なお、共振素子１が角速度セ
ンサとして用いられる場合には、振動子５自体が垂直移
動側電極として機能し、図１（ｂ）の点線に示すよう
に、基板２上には振動子５にＹ方向に間隔を介して対向
し、かつ、上記導電層２０，２１を除いた領域に固定対
向電極３６が形成される。上記垂直移動側電極である振
動子５と固定対向電極３６の組によって、Ｚ軸回りの角
速度検出手段が構成される。

【００５４】この実施形態例に示す共振素子１は上記の
ように構成されている。このような共振素子１において
は、振動子５および可動側櫛歯電極１０（１０ａ，１０
ｂ）を設定の定電圧（例えば、零Ｖ）とし、また、導電
層２０，２１も上記振動子５とほぼ等しい定電圧（例え
ば、零Ｖ）とした状態で、振動側振動調整用電極３０，
３１にそれぞれ個別に静電引力付与用電圧を印加して、
導電層２０，２１と振動側振動調整用電極３０，３１間
に静電引力を発生させる。上記振動側振動調整用電極３
０と振動側振動調整用電極３１に印加する電圧をそれぞ
れ個別に制御して上記静電引力を制御することにより、
振動子５の共振周波数を設定の周波数に調整すると共
に、振動子５の傾きを補正する（姿勢調整を行う）。

【００５５】このように振動子５の共振周波数の調整お
よび傾き補正が成されている状態で、固定側櫛歯電極１
１ａ，１１ｂにそれぞれ互いに１８０°位相が異なる交
流電圧を印加して振動子５をＸ方向に振動させることに
より、振動子５の中央部Ａはもちろんのこと、左右の端
縁部Ｂ、Ｃにおいても、前記図９（ａ）に示すようなＹ
方向のぶれが無いほぼ理想的な振動状態となっており、
振動子５はゆらぎのない共振振動を行うことができるこ
ととなる。

【００５６】つまり、この実施形態例では、上記したよ
うに導電層２０，２１は、振動子５がＸ方向に振動した
ときに振動側振動調整用電極３０，３１が導電層２０，
２１の対向領域から食み出さない広幅に形成されている
ので、振動子５のＸ方向の振動によって、図２（ｂ）に
示すように振動子５が図の右側に変位した場合や、図２
（ｃ）に示すように左側に変位した場合に、導電層２
０，２１と振動側振動調整用電極３０，３１の対向面積
は変化せず、図２（ａ）に示すように振動子５が基準位
置にあるときと同様である。このため、導電層２０，２
１と振動側振動調整用電極３０，３１により振動子５に
加えられる静電引力も変化しない。なお、振動子５のＸ
方向の振動によって、導電層２０，２１と振動子５との
対向面積は変化するが、この実施形態例では、導電層２
０，２１と振動子５は上記の如くほぼ同電圧であるの
で、導電層２０，２１と振動子５間には静電引力は発生
しない。このため、導電層２０，２１と振動子５との対
向面積が変化しても、その変化は振動子５に生じる静電
引力に影響を及ぼさない。

【００５７】また、この実施形態例では、振動子５に上
記振動側振動調整用電極３０，３１を設け、かつ、上記
のように振動子５がＸ方向に振動しても、振動側振動調
整用電極３０，３１の全面が常に導電層２０，２１に対
向していることから、振動子５のＸ方向の振動中に、振
動子５の図の左端縁部領域における静電引力の作用質点
Ｄと右端縁部領域における静電引力の作用質点Ｅは変化
しない。これにより、振動子５がＸ方向に振動しても、
振動子５の重心Ｇと上記作用質点Ｄ間の距離Ｌ１および
上記重心Ｇと上記作用質点Ｅ間の距離Ｌ２は変化しな
い。

【００５８】上記のように、振動子５のＸ方向の振動中
に、振動子５の左右の端縁部領域にそれぞれ生じる静電
引力は変化せず、かつ、重心Ｇと上記作用質点Ｄ間の距
離Ｌ１および上記重心Ｇと上記作用質点Ｅ間の距離Ｌ２
も変化しないことから、重心Ｇから左右の端縁部領域へ
の力のモーメントは変化しない。

【００５９】したがって、振動子５は重心Ｇから左右の
各端縁部領域への力のモーメントのバランスが保たれた
状態でＸ方向に振動することとなり、振動子５の左右の
端縁部領域におけるＹ方向のぶれを防止することができ
る。これにより、振動子５は基板２に対して傾くことな
く、常に、基板２に対して水平状態で理想的に振動する
ことができることとなる。

【００６０】以下に、図１に示す共振素子１の作製手法
の一例を図３に基づいて簡単に説明する。まず、図３
（ａ）に示すように、シリコンの基板２に例えばリンや
ボロンをドープして導電層２０，２１や導電パターン２
２，２３や導電パッド２４，２５を形成し、また、基板
２上の外周側には絶縁膜として機能する窒化膜３を形成
する。

【００６１】次に、図３（ｂ）に示すように、基板２上
の中央部に上記窒化膜３に跨った状態で犠牲層（例えば
酸化層）３８を形成する。さらに、図３（ｃ）に示すよ
うに、その上側に、リンやボロンをドープした低抵抗の
ポリシリコンの膜を形成し、そのポリシリコンの膜を設
定のパターンに形成して、振動側振動調整用電極３０，
３１と配線層３５と電極パッド３３，３４を形作る。そ
の後に、その上側に絶縁層３２として機能する窒化膜を
形成し、次に、上記電極パッド３３，３４の上側に形成
された絶縁層３２を部分的に除去して電極パッド３３，
３４の上面を露出させる。

【００６２】然る後に、その露出した電極パッド３３，
３４の上側に犠牲層（例えば酸化膜）３９を形成する。

【００６３】そして、図３（ｄ）に示すように、上記絶
縁層３２をパターンニングして余分な部分を除去して、
つまり、後工程で支持梁７が積層形成される部分および
振動側振動調整用電極３０，３１を覆っている部分を除
いた領域を除去する。

【００６４】然る後に、上記犠牲層３８を覆うようにリ
ンやボロンをドープして低抵抗にしたポリシリコン膜を
積層形成し、そのポリシリコン膜をパターンニングし
て、図３（ｅ）に示すように、振動子５と支持梁７と固
定部８と可動側櫛歯電極１０と固定側櫛歯電極１１を形
作る。

【００６５】然る後に、図３（ｆ）に示すように、犠牲
層３８，３９をフッ酸溶液を利用して除去する。これに
より、前記図１に示す共振素子１が作製完成する。

【００６６】なお、共振素子１を角速度センサとする場
合には、導電層２０，２１を形成する際に、図３（ａ）
の点線に示すように、導電層２０，２１の形成手法と同
様にして、固定対向電極３６を形成する。

【００６７】この実施形態例によれば、振動子５のＸ、
Ｚ二次元平面方向の面５ｃにはＸ方向に間隔を介して左
右の各端縁部に振動側振動調整用電極３０，３１が設け
られ、かつ、これら振動側振動調整用電極３０，３１に
Ｙ方向に間隔を介して対向する導電層２０，２１が基板
２上に設けられており、その導電層２０，２１は振動子
５が励振器１２によりＸ方向に振動しているときに振動
側振動調整用電極３０，３１が導電層２０，２１の対向
領域から食み出さない広幅と成している。このことか
ら、上記したように、振動子５がＸ方向に振動している
ときに、振動側振動調整用電極３０，３１と導電層２
０，２１の対向面積が変化せず、かつ、振動子５の左右
の各端縁部領域における静電引力の作用質点Ｄ、Ｅが変
動しないので、振動子５の重心Ｇから左右の各端縁部領
域への力のモーメントが変化しない。

【００６８】したがって、振動子５は重心Ｇから左右の
各端縁部領域への力のモーメントのバランスを保った状
態でＸ方向の振動を行うことができるので、振動子５は
基板２の基板面に沿って水平方向に理想的なＸ方向の振
動を行うことができることとなり、共振素子１の検出感
度を格段に向上させることができる。

【００６９】また、振動子５の左右の端縁部が静電引力
によって導電層２０，２１に接着してしまって共振素子
として機能しなくなってしまうという重大な問題発生を
確実に回避することができる。

【００７０】なお、この発明は上記実施形態例に限定さ
れるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例え
ば、上記実施形態例では、振動子５のＸ、Ｚ二次元平面
方向の面である裏面５ｃに振動側振動調整用電極３０，
３１が形成され、基板２にはその振動側振動調整用電極
３０，３１にそれぞれ間隔を介して対向する固定側振動
調整用電極である導電層２０，２１が形成されていた
が、図４の鎖線に示すように、振動子５を覆う例えばガ
ラス材料から成る蓋部材４２が設けられる場合には、振
動子５のＸ、Ｚ二次元平面方向の表面に上記実施形態例
同様の振動側振動調整用電極３０，３１を設け、蓋部材
４２にはそれら振動側振動調整用電極３０，３１にそれ
ぞれＹ方向に間隔を介して対向する固定側振動調整用電
極４０，４１を設ける構成としてもよい。また、振動子
５の表面と裏面の両方に振動側振動調整用電極３０，３
１を設け、それら振動側振動調整用電極３０，３１にＹ
方向に間隔を介して対向する上記導電層２０，２１、固
定側振動調整用電極４０，４１を設ける構成としてもよ
い。

【００７１】また、上記実施形態例では、振動子５は導
電性の材料により構成されていたが、この振動子５を絶
縁材料によって構成してもよい。この場合には、振動子
５自体が絶縁材料であるので、絶縁層３２を省略して振
動側振動調整用電極３０，３１を振動子５に直接的に設
けてもよい。

【００７２】また、上記実施形態例では、振動側振動調
整用電極３０，３１に静電引力付与用電圧を印加して振
動子５の共振周波数調整および振動子５の傾き補正を行
っていたが、上記の如く、振動子５が絶縁材料により構
成される場合には、固定側振動調整用電極である導電層
２０，２１に静電引力付与用電圧を印加して振動子５の
共振周波数調整および振動子５の傾き補正を行ってもよ
い。この場合にも、上記実施形態例と同様の優れた効果
を奏することができることとなる。

【００７３】さらに、上記のように振動子５を絶縁材料
により構成する場合に、共振素子１を角速度センサとす
る際には、振動子５のＸ、Ｚ二次元平面方向の表面ある
いは裏面に垂直移動側電極を設け、また、その垂直移動
側電極にＹ方向に間隔を介した対向面に固定対向電極を
設けることとなる。

【００７４】さらに、上記実施形態例では、導電層２
０，２１や振動側振動調整用電極３０，３１は図１のＺ
方向に沿って伸長形成された形状と成していたが、微小
な電極部が複数個図１のＺ方向に沿って配列形成されて
いる構成としてもよい。このような場合には、少なくと
も振動子５の四隅に対応する領域に上記微小な電極部を
配置することが望ましい。このようにすることによっ
て、効果的に振動子５の共振周波数の調整および振動子
５の傾き補正を行うことができることとなる。さらに、
上記実施形態例では、基板２はシリコンにより形成され
ていたが、例えばガラス等の他の材料により基板２を形
成してもよい。

【００７５】さらに、上記実施形態例では、振動子５の
左右の各端縁部領域のみに振動側振動調整用電極３０，
３１が形成されていたが、振動側振動調整用電極は、振
動子５の少なくとも左右の各端縁部領域に設けられてい
れば、他の領域にも設けてもよい。

【００７６】さらに、上記実施形態例では、図１に示す
形状の共振素子１を例にして説明したが、この発明は、
様々な形状の共振素子に適用することができるものであ
る。例えば、上記振動子５は長方形状であったが、正方
形や円形等の他の形状でもよい。また、振動子５は支持
梁７によって両持ち梁の形状で支持されていたが、片持
ち梁の形状でもって振動子５が支持されていてもよい。

【００７７】

【発明の効果】この発明によれば、平面振動体のＸ、Ｚ
二次元平面方向の面にはＸ方向に間隔を介して少なくと
も両端縁部領域に振動側振動調整用電極が形成され、こ
の振動側振動調整用電極にはＹ方向に間隔を介して固定
側振動調整用電極が対向配置されており、固定側振動調
整用電極は、平面振動体がＸ方向に振動しているとき
に、振動側振動調整用電極が固定側振動調整用電極の対
向領域から食み出さない広幅に形成されている。この構
成を備えることによって、平面振動体がＸ方向に振動し
ているときに、振動側振動調整用電極と固定側振動調整
用電極の対向面積は変化しないこととなる。

【００７８】これにより、振動側振動調整用電極と固定
側振動調整用電極間に静電引力を付与する際には、平面
振動体のＸ方向の振動中に、振動側振動調整用電極と固
定側振動調整用電極間の静電引力は常に一定となり、変
化しない。また、平面振動体のＸ方向の振動に関係な
く、平面振動体における上記静電引力の作用質点の位置
は上記振動側振動調整用電極の形成位置に基づいて定ま
って変化しないこととなる。

【００７９】このように、平面振動体のＸ方向の振動中
に、平面振動体の両端縁部領域における静電引力は変化
せず、かつ、静電引力の作用質点が変化しないことか
ら、平面振動体の重心から各端縁部領域への力のモーメ
ントのバランスが平面振動体の静止時と同様に保たれた
状態で平面振動体をＸ方向に振動させることが可能とな
る。

【００８０】振動側振動調整用電極と固定側振動調整用
電極の組が傾き補正手段と成しているものにあっては、
平面振動体の共振周波数を調整すると共に、固定基板に
対する平面振動体の傾きを補正した状態で、平面振動体
をＸ方向に理想的な状態で振動させることができる。

【００８１】これにより、共振素子の感度を格段に向上
させることが可能となる。また、平面振動体を固定基板
の基板面に沿ってＸ方向に水平振動させることが可能で
あるので、振動側振動調整用電極と固定側振動調整用電
極間の静電引力によって平面振動体の振動側振動調整用
電極が固定側振動調整用電極に接着してしまって共振素
子として機能できなくなってしまうという問題を回避す
ることができる。このように、平面振動体の接着の問題
を回避することができるので、平面振動体の共振周波数
を調整するための静電引力の大きさを大きくすることが
可能となり、共振周波数の調整幅を拡大することができ
ることとなる。

【００８２】平面振動体が導電材料により構成されてお
り、振動側振動調整用電極はその平面振動体に絶縁層を
介して設けられるものや、平面振動体が導電材料により
構成され、振動側振動調整用電極と固定側振動調整用電
極の組が傾き補正手段と成している場合に平面振動体と
固定側振動調整用電極がほぼ同電圧である状態で振動側
振動調整用電極に静電引力付与用電圧を印加して振動側
振動調整用電極と固定側振動調整用電極の組が傾き補正
手段として機能するものにあっては、平面振動体が導電
材料により構成されていても、上記のような優れた効果
を奏することができることとなる。

【００８３】垂直移動側電極と固定対向電極が設けられ
てＺ軸回り角速度検出手段が設けられているものにあっ
ては、上記のような本発明において特徴的な構成を備え
ることによって、角速度検出の感度を飛躍的に高めるこ
とができ、検出精度に優れ、かつ、正確な角速度センサ
を提供することができることとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る共振素子の一実施形態例を示す説
明図である。

【図２】図１に示す振動子の振動状態を説明するための
図である。

【図３】図１に示す共振素子の作製手法の一例を示す説
明図である。

【図４】その他の実施形態例を示す説明図である。

【図５】提案例を示す説明図である。

【図６】図５に示す共振素子の課題を説明するための図
である。

【図７】さらに、図５に示す共振素子の課題を説明する
ための図である。

【図８】さらに、その他の提案例を示す説明図である。

【図９】振動子をＸ方向に振動させたときにおけるＸ−
Ｙ平面での振動子の動きの例を示す説明図である。

【符号の説明】

１共振素子２基板５振動子６平面振動体７支持梁１０可動側櫛歯電極１１固定側櫛歯電極２０，２１導電層３０，３１振動側振動調整用電極３６固定対向電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定基板のＸ、Ｚ二次元平面方向の面に
間隔を介して対向配置される平面振動体を有し、この平
面振動体はＸ方向に振動可能に支持梁を介して上記固定
基板に支持されている共振素子であって、上記平面振動
体のＸ、Ｚ二次元平面方向の面にはＸ方向に間隔を介し
て少なくとも両端縁部領域に振動側振動調整用電極が形
成され、この振動側振動調整用電極には上記Ｘ、Ｚ二次
元平面方向に直交するＹ方向に間隔を介して固定側振動
調整用電極が対向配置されており、この固定側振動調整
用電極のＸ方向の幅は、平面振動体がＸ方向に振動して
いるときに上記振動側振動調整用電極が固定側振動調整
用電極の対向領域から食み出さない広幅となっているこ
とを特徴とした共振素子。
【請求項２】振動側振動調整用電極と固定側振動調整
用電極の組は平面振動体に静電引力を付与して平面振動
体の共振周波数を調整すると共に、固定基板の基板面方
向に対する平面振動体の傾きを補正する傾き補正手段と
成していることを特徴とした請求項１記載の共振素子。
【請求項３】平面振動体は導電材料により構成されて
おり、振動側振動調整用電極は絶縁層を介して平面振動
体に設けられることを特徴とした請求項１又は請求項２
記載の共振素子。
【請求項４】振動側振動調整用電極と固定側振動調整
用電極の組は、平面振動体と固定側振動調整用電極がほ
ぼ同電圧である状態で振動側振動調整用電極に静電引力
付与用電圧が印加されて傾き補正手段として機能するこ
とを特徴とした請求項３記載の共振素子。
【請求項５】平面振動体の表面と裏面の少なくとも一
方には垂直移動側電極が設けられ、また、この垂直移動
側電極にＹ方向に間隔を介した対向側には固定対向電極
が設けられ、前記垂直移動側電極と固定対向電極の組は
Ｚ軸回りの回転の角速度変化に対応する平面振動体のＹ
方向の振動振幅を検出するＺ軸回り角速度検出手段と成
し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１つに記載の共振素子。