JP2002013931A - 角速度・加速度センサの梁構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外乱に強く高感度な加速度・角速度センサの
梁構造が望まれていた。 【解決手段】 両端支持の環状板バネ形式の駆動梁の屈
曲頭頂部を連結して駆動振動モード以外の検出モードを
抑制し、大振幅駆動時の振動の直線性を向上させる。ま
た、渦巻き状に板バネを回転対称配置して検出梁とする
ことで、検出軸以外の外乱感度を低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車両の姿勢
制御、進行方位算出などに用いられる角速度センサ及び
加速度センサの梁構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、角速度を検出するセンサとして様
々なジャイロスコープ（以下、ジャイロと略称する）が
開発されている。その種類は大まかに機械式のコマジャ
イロ、流体式のガスレートジャイロ、音片・音叉の振動
を用いる振動ジャイロ、光学式の光ファイバジャイロと
リングレーザージャイロに分類される。光学式のジャイ
ロはサニャック効果、それ以外のものは回転体の角運動
量保存則の表れであるコリオリ力を用いて角速度の検出
を行っており、使用用途により精度と価格、寸法等が勘
案され使用センサが選択されている。

【０００３】上記振動ジャイロ式の角速度センサとして
は、例えば特開昭６１−７７７１２号公報に示されてい
る。図７はこの従来の振動式角速度センサの基本原理の
説明図であり、７０１、７０２が検出用素子、７０３、
７０４が励振用素子を示す。

【０００４】各々の素子は例えば圧電バイモルフにより
構成されており、励振用素子と検出用素子が二組で音叉
を形成する。角速度は、音叉の根元に近い励振用素子に
交流電圧を加えて検出用素子を屈曲振動させ、検出用素
子の面に垂直に加わるコリオリ力を圧電効果を用いて検
出する方式となっている。

【０００５】さらに近年、単結晶シリコンや水晶などの
素材にマイクロマシニング微細加工技術を適用して形成
した超小型な角速度センサの開発も進められている。

【０００６】例えば特表平9-511571号公報の「マイクロ
メカニカルのシリコン・オン・ガラス音叉ジャイロスコ
ープの製造方法」、特表平10-267667号公報の「振動構
造ジャイロスコープ」、U.S.Patent 5,392,650 Microma
chined Accelerometer Gyroscope, U.S.Patent 4,750,3
64 Angular Velocity and Acceleration Sensor, U.S.P
atent 5,392,650 Micromachined Accelerometer Gyrosc
ope等にその例が記載されている。

【０００７】自動車用途としてはシャシー系の制御やナ
ビゲーションシステムの方位算出等に用いられるが、検
出されるのはヨー、ロール、ピッチと三種類ある車体の
回転運動の中で、特にヨー方向（鉛直線を中心とする大
地に水平な面内での回転）の角速度（すなわちヨーレー
ト）であることが多い。

【０００８】検出目的は、例えば四輪操舵（４ＷＳ）の
様なシャシー制御の場合にはヨーレートを制御システム
側に車両の姿勢情報の一つとしてフィードバックし姿勢
制御性能を向上させることであり、またナビゲーション
システム用の場合にはヨーレートを時間積分することに
よって車両の旋回角度を算出することにある。なお、通
常車載用として使用される角速度センサは廉価版の圧電
振動ジャイロである。また、光ジャイロは高精度車載用
センサとして実用化された例がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】車載機器やビデオカメ
ラ・デジタルスチルカメラ等各種民生機器に搭載するに
は電子部品の小型化が常に求められており、そのため加
速度、角速度を計測する慣性センサにもマイクロマシニ
ング微細加工技術を適用することが試みられてきた。

【００１０】しかしながら、小型化と高感度化／分解能
の確保は相反する課題であり、小型化による感度低下は
大きな課題であった。

【００１１】本発明では、上記の様な課題を考慮し、小
型化と感度維持の両立が可能な慣性センサの梁構造を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、例えば、一個の錘からなる音片型角速度セン
サにおいて、駆動梁は前記錘を駆動方向の一端から支持
する第一の梁部と、反対側の一端から支持する第二の梁
部、さらに前記第一と第二の梁部を連結する第三の連結
部から構成され、第一及び第二の梁部は駆動方向と垂直
な板バネの組み合わせにより駆動方向と垂直な方向に凸
な屈曲部を各々二カ所ずつ有し環状に構成され、かつ第
三の連結部は第一及び第二の梁部の屈曲頭頂部を連結す
ることを特徴とする角速度センサの駆動梁構造である。

【００１３】また、第二の手段として、例えば、錘と梁
とフレームと電極からなる角速度センサにおいて、錘と
梁とフレームは同一面内に、また電極は錘と相対して平
行に配置され、梁は錘とその周辺部に位置するフレーム
を直線的に結合する複数の板バネからなり、板バネは錘
内の一点とフレームの各部を結ぶ直線と所定の角度を有
し回転対称で複数個配置され、かつ板バネ構成の梁のね
じり振動による錘の電極と垂直な方向への振動モードを
角速度の検出振動に用いることを特徴とする角速度セン
サの梁構造である。

【００１４】さらに第三の手段として、例えば、錘と梁
とフレームと電極からなる加速度センサにおいて、錘と
梁とフレームは同一面内に、また電極は錘と相対して平
行に配置され、梁は錘とその周辺部に位置するフレーム
を直線的に結合する複数の板バネからなり、板バネは錘
内の一点とフレームの各部を結ぶ直線と所定の角度を有
し回転対称で複数個配置され、かつ板バネ構成の梁のね
じり振動による錘の電極と垂直な方向への振動モードを
加速度の検出振動に用いることを特徴とする加速度セン
サの梁構造である。

【００１５】第一の手段によれば、駆動梁を環状板バネ
構成とし駆動方向の動きに対する梁の柔らかさを確保し
た上で左右二つの駆動梁を屈曲頭頂部で連結しているた
め、角速度センサの駆動振動の検出振動方向へのぶれを
抑制することができ、角速度の駆動振動誤差に基づく検
出誤差を十分小さくすることが可能になる。

【００１６】また、第二及び第三の手段によれば、角速
度・加速度等の慣性力を検出する錘を直線的な板バネの
回転対称複数配置により錘を支持するため、錘を含む面
内での外乱入力に対してバネが非常に硬くなり外乱の影
響を抑制し易くなる。このため、角速度・加速度の検出
誤差を十分に小さくすることが可能になる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００１８】（実施の形態１）本発明の実施の形態１の
角速度センサのシリコン構造体の概略構成図を図１に、
また電極構造の概略構成図を図２に示す。この実施の形
態１により、角速度センサで直線性の高い大振幅駆動が
可能になるだけでなく、慣性力検出に対する基板面内の
外乱の影響を小さくする角速度センサが実現できる。

【００１９】図１（ａ）において１００はＳＯＩ基板で
あり、シリコン活性層とＳｉＯ₂からなる絶縁層、シリ
コン支持層の三層構成をとる。この中で、角速度センサ
構造体作成用に用いるのは活性層であり、例えば、本例
では５０μｍ程度の厚みをもちｎ形不純物の濃度が高く
抵抗率が低いｎ⁺基板で面方位（１００）の単結晶シリ
コン層とする。一方、支持層はＳＯＩ基板を破損せず取
り扱える最低限の強度を保証する厚さがあれば良く、本
例では４００μｍの厚みをもつシリコン単結晶層とす
る。また、絶縁層は２μｍ程度の厚みの酸化膜とする。

【００２０】角速度センサの主要部となるシリコン振動
体は、ＳＯＩ基板１００の中心部にドライエッチング技
術（反応性イオンエッチング、略称ＲＩＥ）とウェット
結晶異方性エッチング技術（エッチャント：ＫＯＨ（水
酸化カリウム）／ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモ
ニウム））を併用して形成する。ここで、１０１が錘、
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄが検出梁、１
０３ａ、１０３ｂが駆動部、１０４ａ、１０４ｂ、１０
４ｃ、１０４ｄが駆動梁、１０５ａ、１０５ｂが駆動梁
連結部、１０６ａ、１０６ｂがモニター電極を示してお
り、これらの部位は活性層で形成されるとともに裏面の
絶縁層及び支持層は除去され振動可能な状態に置かれて
いるものとする。

【００２１】１１１から１１５が、ＳＯＩ基板１００の
周辺部で構成されるフレームの活性層面に形成されたシ
リコン電極で、１１１ａ、１１１ｂが駆動電極、１１２
が検出電極、１１３及び１１４ａから１１４ｄがＧＮＤ
電極、１１５ａ，１１５ｂがモニター電極を示す。フレ
ーム部では、裏面のシリコン支持層及び絶縁層は除去さ
れておらず十分な強度を有しており、かつ１１１から１
１５の各電極は各々絶縁されているものとする。なお、
シリコン振動体の駆動梁１０４はフレーム部のＧＮＤ電
極１１４と物理的かつ電気的に連続して繋がっており、
またモニター電極１０６と１１５も同様の関係を有す
る。

【００２２】ところで、シリコン振動体はフレーム部上
のシリコン電極群よりも表面が低くなっている。これ
は、振動体が電極にあたらず自由な状態で振動できるた
めの処置であり、通常２から５μｍ程度のギャップ間隔
でウェットエッチング手法で形成している。なお、この
エッチングギャップはガラス上の金属電極とシリコンと
のギャップ量を決めている。

【００２３】また、振動体自体はＲＩＥにより垂直異方
性を有して加工されるので、側面は全て基板に垂直な面
から構成される。よって、検出梁１０２及び駆動梁１０
４は基板面に垂直な板バネの複合により形成されること
になる。検出梁は、渦巻型に配置された四本の板バネの
複合体で形成されており、全ての梁がねじれ振動を起こ
して錘１０１が基板に垂直な方向に振動する様に動作す
る。

【００２４】また、駆動梁１０４は左右で各々四本の板
バネにより環状構成をとっているが、各々の頭頂部で駆
動梁連結部１０５により連結されて一体構成をとってい
る。このため、低次振動モードでは駆動梁頭頂部の間隔
が制限されるため左右方向への駆動振動振動モードだけ
が残る。駆動部１０３は、一定間隔で長方形断面を持つ
梁が駆動方向に並ぶ構成になっており、後で述べる駆動
電極と組になりシリコン振動体を左右に駆動する働きを
有する。

【００２５】次に、図２はガラス基板上に形成された金
属電極パターンを示しているが、金属電極は４種類あ
り、２０１ａ，２０１ｂが駆動電極、２０２が検出電
極、２０３がＧＮＤ電極であり、ここではシリコンと熱
膨張率が非常に近いガラス（例えばコーニング社のホウ
ケイ酸ガラス、パイレックス（登録商標）＃７７４０）
上にＡｕ／Ｃｒスパッタ膜で形成している。そのスパッ
タ膜を、Ａｕ／Ｃｒ各々のエッチャントでエッチングす
ることで所望の形状をパターニングしている。

【００２６】ここで、図３にガラス側からみた角速度セ
ンササンプルの構造を示す。図３において、３０１はガ
ラス基板、３０２がＳＯＩ基板、３０３がアルミ電極を
示す。ガラス基板３０１は、ＳＯＩ基板３０２の活性層
に形成されたシリコン振動体を覆うだけでなく、陽極接
合によって図２に示したガラス電極をフレーム部のシリ
コン電極に挟み込む役目も担っている。最後に、各シリ
コン電極上に形成されるアルミ電極３０３はボンディン
グによる配線工程のために形成してある。

【００２７】以上の様に構成された本実施の形態の角速
度センサの製作プロセスについて、再度簡単に説明す
る。

【００２８】まず、シリコンプロセスでは酸化膜を形成
し、シリコン活性層側にフォトリソグラフィ技術を用い
てギャップ形成用酸化膜マスクを形成して、所定の深さ
までウェットエッチングを行う。次に、ＳＯＩ基板の裏
面からＲＩＥ加工を行う。このとき、マスクには粘度が
高い厚いレジストを用いても良いし、酸化膜をマスクに
しても良いが、どちらの場合もエッチング面からは酸化
膜を除去する必要がある。その後で、露出した絶縁層及
び活性層表面の酸化膜を弗酸もしくはバッファード弗酸
を用いて除去した後、表面にレジストで振動体及びシリ
コン電極形成用のマスクを形成し、ＲＩＥ加工で振動体
等を形成する。なお、ＲＩＥ加工にはＳＦ６等のガスを
用いており、エッチングレートは２〜４μｍ／ｍｉｎ．
程度の値となる。

【００２９】振動体・電極などの形成が終了すれば、ス
テンシルマスクを用いてアルミ電極を形成する。これ
で、ＳＯＩ基板側の加工が終了する。

【００３０】ガラスプロセスでは、まずガラス基板上に
Ａｕ／Ｃｒ膜をスパッタで形成する。なお、電極材料は
陽極接合温度まで耐えられ、かつシリコン層との接触抵
抗を考慮して選んであり、Ｐｔ／Ｔｉでも良いし、他の
組成であっても何ら問題ない。電極のパターンニングは
リフトオフでもエッチングでも良いが、本例ではエッチ
ングによる手法を採用するものとする。この場合、電極
形状をレジストでパターンニングした後、表面のＡｕ膜
・Ｃｒ膜と順次エッチングを進めパターンを作成してゆ
くことになる。

【００３１】最後に、ガラスとＳＯＩ基板を陽極接合で
接合することで、角速度センサ構造体は完成する。

【００３２】以上の様に構成された本実施の形態の角速
度センサについて、以下にその動作原理を簡単に説明す
る。

【００３３】本実施の形態で説明する角速度センサの駆
動方法は、U.S.Patent 4,750,364 Angular Velocity an
d Acceleration Sensor, U.S.Patent 5,392,650 Microm
achined Accelerometer Gyroscope等に示された、シリ
コン基板と平行な電極を振動体のエッジ部を跨ぐように
配置し、共振のＱファクタを利用しながら静電気力で振
動体を電極に平行に駆動する手法の一例である。便宜
上、以下では本駆動方式を平行平板静電駆動と呼ぶもの
とする。通常、エッジだけでは錘を十分に駆動すること
が難しいため、U.S.Patent 5,392,650で示される様に駆
動力を生み出すエッジ部を錘の一部に貫通部とか穴部を
形成することで増やし、そのエッジ部も駆動に利用して
駆動力を稼いでいる。

【００３４】また、この他に平行平板静電駆動方式のも
のとして、長尾他「シリコン振動型角速度センサ（日本
電気学会論文誌Ｅ １１８巻３号）」とか特願平１１−
３６７６４５等で示される様にシリコン振動体と片側の
電極だけで駆動を行う例もある（以後、片側平行平板静
電駆動と呼称する）。

【００３５】図２に示す電極とシリコン振動体の関係
を、基板表面に垂直で駆動方向を含む面内の断面でモデ
ル化した様子を図４に示す。結局、振動体の駆動に左右
駆動部の梁のエッジを覆うように設置された駆動電極に
駆動電圧を印加することで行い、コリオリ力の検出は錘
と検出電極との微小容量変化により行っていることにな
る。図４からもわかるように、駆動振動の直線性は重要
であり、検出方向へのぶれは即座にノイズの増加／感度
低下に直結することになる。

【００３６】角速度センサ用の駆動梁としては、色々な
形状が報告されている。特に重要なのは線形大振幅駆動
が可能という点であり、そのため直線的な一本の板バネ
で振動体を支持するのではなく、よりフレキシビリティ
を持たせるためほとんどの場合屈曲部を導入している。
図５（ｃ）の様な形状がその代表である。

【００３７】図５は、中心錘周辺固定タイプの音片型角
速度センサ用振動体の構造の中で駆動梁部のみ抜き出し
表示をしたものであり、（ｃ）では錘を左右両端から支
持する従来型の両端支持駆動梁方式で、特に各々の梁を
環状複合板バネで形成することで駆動方向（この場合は
左右方向）に対する駆動梁としての柔らかさを確保して
いる。この構造でも大振幅駆動は可能であるが、ともす
れば比較的低い共振周波数に低次の梁回転モードやねじ
れ振動モードが現れやすくなり、大振幅駆動時に振動の
直線性が確保できないことがあった。

【００３８】この課題に対し、本実施の形態では左右の
駆動梁の屈曲頭頂部を板バネ形式の硬い梁で連結する対
策をとる。図５（ａ）、（ｂ）はその例であり、図５
（ａ）では、図５（ｃ）の左右の環状複合板バネの屈曲
頭頂部をねじれ剛性の高い断面直方体の直線的な梁で結
合する構造をとる。また図５（ｂ）では、図５（ａ）の
連結部を複合板バネ構造に置き換えることで、ねじれ剛
性を保持したまま連結部の質量を低減しており、駆動に
直接寄与しない無効質量の低減を計っている。これらの
手法により、駆動梁のねじれに対する強度が増加し、か
つ駆動振動モードには何ら影響を与えずに不要振動を高
次に追いやることができ容易に除去可能となる。

【００３９】また、検出梁の構成も色々なものが報告さ
れているが、基本的には板バネの屈曲振動を利用するも
のが大変多い。このとき、基板に平行な板バネを用いれ
ば、基板面内の外乱に対して強くなるが、梁をＲＩＥで
一括加工できないためプロセスコストがかさむ。また、
基板に垂直な板バネを用いる基板面内方向の外乱に弱い
という課題を有していた。

【００４０】この課題に対して、本実施の形態では基板
に垂直な板バネを錘に対して回転対称で配置し、各梁の
ねじれ振動で基板面内に垂直な角速度を検出する対策を
とる。図１（ａ）は、９０度単位で回転対称な場合の一
例である。この手法をとれば、角速度検出方向の振動モ
ードは確保した上で、基板面に平行な方向の外乱に対し
て錘が動く振動モードは低次共振では存在せず非常に硬
いバネ性を有する。そのため外乱に対する感度が著しく
押さえられる。

【００４１】なお、図１（ｂ）が４５度単位で回転対称
に８本の梁を配置した場合を示しているが、梁の本数を
増やすほど外乱に対する強度は強くなる。それから、梁
は直線的な板バネでなくてもよく、その場合は図１
（ｂ）の錘と検出梁が図６（ｂ）の様になる。また、錘
の形状は角速度検出軸に対して回転対称であれば良く、
検出軸に垂直な断面では図１（ｂ）の様に円形でも良い
し、図６（ａ）の様に多角形であっても良い。

【００４２】さらに、加速度センサでも同様のことが成
り立ち、基板に垂直な方向の加速度を検出する加速度セ
ンサで板バネを渦巻き状に回転対称配置することで、検
出軸以外の加速度感度を低減することが可能になる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明した様に本発明によれば、振動
型角速度センサにおいて、駆動振動の検出方向へのぶれ
を押さえることができ、振動ぶれによる誤差を低減して
Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。また、角速度及び
加速度の検出方向に垂直な面内の外乱に対する変動を著
しく抑制できるため、これも感度安定性に著しく寄与す
る。よって、その実用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の実施の形態１の角速度センサの
シリコン基板の概略構成図 （ｂ）４５度単位で回転対称に８本の梁を配置した場合
の概略構成図

【図２】本発明の実施の形態１の角速度センサの電極構
造の概略構成図

【図３】本発明の実施の形態１の角速度センサのガラス
基板側からみた全体構成図

【図４】本発明の実施の形態１の角速度センサの駆動検
出方法の説明図

【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態１の角
速度センサと従来例の駆動梁の構成比較図

【図６】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態１の角速
度センサの錘と検出梁の構成例の概略説明図

【図７】従来例の音叉形振動ジャイロの振動体の概略構
成図

【符号の説明】

１００，３０２ シリコン基板 １０１ 錘 １０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ 検出梁 １０３ａ，１０３ｂ，８０２ 駆動部 １０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄ 駆動梁 １０５ａ，１０５ｂ 駆動梁連結部 １０６ａ，１０６ｂ，１１５ａ，１１５ｂ モニター電
極 １１１ａ，１１１ｂ，２０１ａ，２０１ｂ 駆動電極 １１２，２０２ 検出電極 １１３，１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄ，２
０３ ＧＮＤ電極 ３０１ ガラス基板 ３０３ アルミ電極 ７０１，７０２ 検出用素子 ７０３，７０４ 励振用素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F105 AA02 BB02 BB13 CC01 CD02 CD06 4M112 AA02 BA07 CA24 CA26 DA03 DA04 DA09 DA18 EA03 EA06 EA13

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一個の錘からなる音片型角速度センサに
   おいて、 駆動梁は前記錘を駆動方向の一端から支持する第一の梁
   部と、反対側の一端から支持する第二の梁部、さらに前
   記第一と第二の梁部を連結する第三の連結部から構成さ
   れ、 前記第一及び第二の梁部は駆動方向と垂直な板バネの組
   み合わせにより駆動方向と垂直な方向に凸な屈曲部を各
   々二カ所ずつ有し環状に構成され、かつ前記第三の連結
   部は前記第一及び第二の梁部の屈曲頭頂部を連結するこ
   とを特徴とする角速度センサの駆動梁構造。
2. 【請求項２】 錘と梁とフレームと電極からなる角速度
   センサにおいて、 前記錘と前記梁と前記フレームは同一面内に、また前記
   電極は前記錘と相対して平行に配置され、 前記梁は前記錘とその周辺部に位置するフレームを直線
   的に結合する複数の板バネからなり、前記板バネは前記
   錘内の一点と前記フレームの各部を結ぶ直線と所定の角
   度を有し回転対称で複数個配置され、 かつ板バネ構成の前記梁のねじり振動による前記錘の前
   記電極と垂直な方向への振動モードを角速度の検出振動
   に用いることを特徴とする角速度センサの梁構造。
3. 【請求項３】 梁は錘とその周辺部に位置するフレーム
   を曲線的に結合する板バネからなり、前記板バネは前記
   錘内の一点に関して回転対称で複数個配置され、かつ板
   バネ構成の前記梁のねじり振動による前記錘の前記電極
   と垂直な方向への振動モードを角速度の検出振動に用い
   ることを特徴とする請求項２記載の角速度センサの梁構
   造。
4. 【請求項４】 錘と梁とフレームと電極からなる加速度
   センサにおいて、 前記錘と前記梁と前記フレームは同一面内に、また前記
   電極は前記錘と相対して平行に配置され、 前記梁は前記錘とその周辺部に位置するフレームを直線
   的に結合する複数の板バネからなり、前記板バネは前記
   錘内の一点と前記フレームの各部を結ぶ直線と所定の角
   度を有し回転対称で複数個配置され、 かつ板バネ構成の前記梁のねじり振動による前記錘の前
   記電極と垂直な方向への振動モードを加速度の検出振動
   に用いることを特徴とする加速度センサの梁構造。
5. 【請求項５】 梁は錘とその周辺部に位置するフレーム
   を曲線的に結合する板バネからなり、前記板バネは前記
   錘内の一点に関して回転対称で複数個配置され、かつ板
   バネ構成の前記梁のねじり振動による前記錘の前記電極
   と垂直な方向への振動モードを加速度の検出振動に用い
   ることを特徴とする請求項４記載の加速度センサの梁構
   造。