JP2008224229A - 慣性センサおよびその製造方法および電気・電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】動作不良を起こさず、応答性の低下がない、高出力、広ダイナミックレンジの慣性センサを提供することを可能とする。
【解決手段】支持部１０３−１〜１０３−４に一端が支持された弾性支持体１０２−１〜１０２−４と、前記弾性支持体１０２−１〜１０２−４の他端側に支持された振動子１０１−１、１０１−２とを有する慣性センサ素子１１を複数備え、前記各慣性センサ素子１１で検出された出力値が加算されて出力されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、慣性センサおよびその製造方法、およびこの慣性センサを用いた電気・電子機器に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いた振動ジャイロにおいて、出力を上げるためには、振動子部の質量や、例えば容量検出であれば面積を増やすことで対応が可能である。しかし、サイズを大きくすると積層膜の応力による変形で所望の動作が得られなかったり、接触によるスティッキング、動作不良などが起こったりする。また、駆動周波数と検出周波数の比である、離調度を１に近づけることでメカニカルカップリングを利用して、出力を上げる手法もあるが、トレードオフ的に応答性が低下し、平坦な周波数特性が得られないといった問題が起こっていた。また、大気中で駆動させ、離調度と検出Ｑ値の関係を規定することで、温度変動や応答性の改善を試みた手法（例えば、特許文献１参照。）はあるが、この手法では駆動Ｑ値を同時に下げてしまい、駆動電圧や消費電力の増加を引き起こしていた。

次に、慣性センサの出力を上げる手法として、振動子の面積を増加させる手法には限界がある。以下にそれを説明する。

上下方向に検出電極を持つＭＥＭＳ振動ジャイロの振動子は面積に比例して出力が上がるが、面積を増やすと振動子の撓み量も増大し、電極間距離をその撓み量よりも充分大きくしなければならないため、振動子の面積と電極間距離はトレードオフの関係となる。以下、数式で説明する。以下の式では、Ｃは振動子と電極間の容量、ｄは電極間距離、δは撓み量、Ｓは振動子の面積、ｌは振動子の一辺の長さを表す。

容量変化ΔＣ＝（εＳ／ｄ）・（Δｄ／ｄ）＝εＳΔｄ／ｄ²とし、振動子を振動自在に支持するバイメタルの撓みはδ∝ｌ²／Ｒとなる。静電ＭＥＭＳのギャップ条件を、ｄ＞３δ、ここではｄ＝ｋδとする。ここで最も撓みの影響の少ない正方形の振動子を想定して、振動子の面積増大効果Ｓ’＝ｎ²Ｓ＝（ｎｌ）²＝（ｌ’）²とすれば、バイメタルの撓みは、δ’＝ｎδ∝ｎｌ／Ｒとなる。そして静電ＭＥＭＳのギャップ条件をｄ’＝ｋδ’とする。このときに容量変化は、ΔＣ’＝εＳ’Δｄ’／ｄ’²＝ε（ｎｌ）²Δｄ’／（ｋｎδ）²＝εＳΔｄ’／ｄ²となる。よって、コリオリ変位がΔｄ＝Δｄ’であれば、ΔＣ＝ΔＣ’である。

また、静電型の櫛歯電極構造を有する角速度センサの場合、容量は対向する櫛歯の面積によって決まるが、それを形成する際に用いるＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching ）でエッチング可能なアスペクト比は、量産を視野に入れれば２０：１程度が限界である。つまり、振動子厚さが電極間距離に対して制限されることになる。櫛歯の数、つまり横方向に面積を大きくする場合は固定櫛歯と可動櫛歯に反りの違いが発生し、上下方向に電極を設けた時と同様に、面積を大きくすれば櫛歯の電極間を広くしなくてはいけないトレードオフの関係となる。

次に、応答性低下に対する問題点を示す。運動方程式を用いてコリオリ力による容量変位を検出し、同期検波後の応答性について考察する。

振動子のｘ方向変位：ｘ＝Ａ_xｓｉｎ（ω_xｔ−φ）、コリオリ力：Ｆ_c（ｔ）＝２ｍｘ（ｔ）Ω、とし、運動方程式は（１）式のようになる。

ｍｚ（ｔ）＋μ_zｚ（ｔ）＋ｋ_zｚ（ｔ）＝Ｆ_c（ｔ）……（１）

ここで、ω_z＝√（ｋ_z／ｍ）、Ｑ_z＝√（ｍｋ_z／μ_z）であるから、上記（１）式は（２）式のようになる。

ｚ（ｔ）＋（ω_z／Ω_z）ｚ（ｔ）＋ω_z ²ｚ（ｔ）＝２Ａ_xΩｃｏｓ（ω_x−φ）……（２）

ここで、初期変位および速度を０として境界条件を定め、離調度α＝ω_z／ω_xとすれば、厳密解は（３）式のようになる。

ここで、過渡項を無視すれば、（４）式となる。

したがって、離調度αを１に近づければコリオリ変位は増加する。電圧（容量）変化はコリオリ変位に比例するため、Ｖ（ｔ）＝ｋ・ｚ（ｔ）とおける。よって、同期検波出力は、（５）式となる。

例えば、一般的なＱ＝１０００、ω_x＝２０ｋＨｚ、ω_Z＝２０．１ｋＨｚとすれば、立ち上がり時間２０ｍｓｅｃ後には２８％の過渡成分が残留する。この過渡成分を、低域通過フィルタを用いて取り除く必要がある。ここで律速する周波数は、｜ω_x−ω_z｜＝１００Ｈｚである。この１００Ｈｚを急峻な低域通過フィルタで落としても、１００Ｈｚ以上の応答性は得られないことになる。つまり、離調度を１に近づけると、応答性が低下するという弊害が起こる。

また、離調度を１に近づけると、既定した利得（例えば±２０％）に対する周波数マージンが小さくなり、線幅、膜厚のスペックがナノメートルレベルとなり、現実の半導体プロセスでの作製が難しくなる。作成後に周波数調整する方法が提案されている（例えば、特許文献２、３参照。）が、検査、調整のコストが上乗せされるために好ましくない。

また、一般の振動ジャイロのダイナミックレンジは精々６０ｄＢである。振動ジャイロの最小分解能を維持するためには、例えば数ｍＶの電圧を割り当てる必要がある。これを１０００倍すると数Ｖとなり通常の集積回路（ＩＣ）の動作電圧を超えてしまうため、ダイナミックレンジの向上には制限が生じる。

特開２００２−３１０６６２号公報 特開平１１−７２３３２号公報 特開０８−３１２２６５号公報

解決しようとする問題点は、出力を高めようとして振動子面積を大きくすると、積層膜の応力による変形で所望の動作が得られなくなり、離調度を１に近づけることによる応答性が低下する点である。

本発明は、動作不良を起こさず、応答性の低下がない、高出力、広ダイナミックレンジの慣性センサを提供することを課題とする。

請求項１に係る本発明は、支持部に一端が支持された弾性支持体と、前記弾性支持体の他端側に支持された振動子とを有する慣性センサ素子を複数備え、前記各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されることから、高出力が得られるとともに、慣性センサ素子を複数設けることによって低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの広い慣性センサとなる。

請求項７に係る本発明は、支持部に一端が支持された弾性支持体と、前記弾性支持体の他端側に支持された振動子とを有する慣性センサ素子を複数備え、前記各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力される慣性センサの製造方法であって、前記各慣性センサ素子を同一工程で同一基板に形成した後、前記各慣性センサ素子の出力値を出力する配線が互いに接続されるように形成することを特徴とする。

請求項７に係る本発明では、各慣性センサ素子の出力値を出力する配線が互いに接続されるように形成することから、各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されるため、高出力が得られる。それとともに、慣性センサ素子を複数設けることから、低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの広い慣性センサが製造される。

請求項８に係る本発明は、電気・電子機器の動きによって生じる角速度もしくは加速度を検出する慣性センサを搭載した電気・電子機器であって、前記慣性センサは、支持部に一端が支持された弾性支持体と、前記弾性支持体の他端側に支持された振動子とを有する慣性センサ素子を複数備え、前記慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されることを特徴とする。

請求項８に係る本発明では、本発明の慣性センサを備えたことから、高出力、広ダイナミックレンジの慣性センサの提供が可能となる。

請求項１に係る本発明によれば、各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されることから、変形による動作不良を発生することなく、また応答性が低下することなく、高い出力を得ることができるとともに、慣性センサ素子を複数設けることによって、低加速度から高加速度まで、低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの大きい慣性センサを提供できるという利点がある。

請求項７に係る本発明によれば、各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されるようになることから、慣性センサが変形による動作不良を発生することなく、また応答性を低下させることなく、大きい出力を得ることができるようになるとともに、複数の慣性センサ素子を形成することによって、低加速度から高加速度まで、低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの広い慣性センサを提供できるという利点がある。

請求項８に係る本発明によれば、本発明の慣性センサを備えたことから、大出力、広ダイナミックレンジの慣性センサの提供が可能となるので、例えば、発生した角速度による悪影響をフィードバックにより排除したり、影響のある期間だけ機器を停止したりするような行動を電気・電子機器にとらせることができるという利点がある。

請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１実施例）を、図１の要部斜視図によって説明する。

図１に示すように、慣性センサ１は、ｎ個の慣性センサ素子１１（１１−１）、１１（１１−２）、…１１（１１−ｎ）が並列に配置されている。各慣性センサ素子１１は、支持部（図示せず）によって一端が支持された弾性支持体１０２−１の他端側に振動自在に支持された第１振動子１０１−１と、支持部（図示せず）によって一端が支持された弾性支持体１０２−２の他端側に振動自在に支持された第２振動子１０２とを備えている。また、各第１振動子１０１−１上には第１共通電極１２０−１が間隔をおいて配置され、同様に各第２振動子１０１−２上には第２共通電極１２０−２が間隔をおいて配置されている。それぞれの第１共通電極１２０−１は第１配線１３０−１によって並列に接続されている。同様に、それぞれの第２共通電極１２０−２は第２配線１３０−２によって並列に接続されている。

上記各慣性センサ素子１１からの出力を得る際、上記第１共通電極１２０−１と第１振動子１０１−１との間、および第２共通電極１２０−２と第２振動子１０１−２との間に搬送波（＋Ｖｓｉｎωｔ、−Ｖｓｉｎωｔ）を乗せて信号を取り出す。

次に、上記慣性センサ素子の一例を、図２に示した平面レイアウト図および図３に示した図２中のＡ−Ａ’線断面図等によって説明する。ここでは、一例として、電磁駆動方式の慣性センサ素子を説明する。

図２および図３に示すように、慣性センサ素子１１は、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２を並行に備えている。例えば、第１振動子１０１−１を駆動側振動子とし、第２振動子１０１−２を励振側振動子とする。この第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２はともに矩形の薄膜からなり、一例としてシリコンで形成されている。上記第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−１とは、互いに向かい合う側の角部が弾性支持体１０２−５、１０２−６とによって接続され、第１振動子１０１−１の第２振動子１０１−２とは反対側の角部分には弾性支持体１０２−１、１０２−２の一端側によって支持されている。また弾性支持体１０２−１、１０２−２の他端側は、それぞれ支持部１０３−１、１０３−２に支持固定されている。また、第２振動子１０１−２の第１振動子１０１−１とは反対側の角部分には弾性支持体１０２−３、１０２−４の一端側によって支持されている。また弾性支持体１０２−３、１０２−４の他端側は、それぞれ支持部１０３−３、１０３−４に支持固定されている。また弾性支持体１０２−５、１０２−６は、それぞれの中央部からフレーム部１２１側に延長形成されてフレーム部１２１に支持固定されていてもよい。上記弾性支持体１０２−１〜６は、それぞれが例えば板バネで構成され、例えばシリコンからなり、例えばＵ字形に形成されている。上記支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４は、それぞれ第１基板１００上に形成されている。したがって、第１振動子１０１−１および第２振動子１０１−２は弾性支持体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４によってのみ支持されていて、第１基板１００に対して完全に浮動状態に配置されている。

上記支持部１０２−１から弾性支持体１０２−１、第１振動子１０１−１、弾性支持体１０２−２を通り支持部１０３−２に至るものでこの第１振動子１０１−１を電磁駆動させるための電極１０８−１が絶縁膜１０７を介して配設されている。同様に、上記支持部１０２−３から弾性支持体１０２−３、第１振動子１０１−２、弾性支持体１０２−４を通り支持部１０３−４に至るものでこの第２振動子１０１−２の励振を検出するための電極１０８−２が絶縁膜１０７を介して配設されている。

上記振動子１０１が形成されている側とは反対側の上記第１基板１００の裏面には磁石３００が設けられている。

上記第１基板１００上には、フレーム部１２１を介して第２基板２００が形成されている。この第２基板２００は、例えばガラス基板で形成されている。この第２基板２００の上記第１基板１００と対向する面の上記第１振動子１０１−１に形成された電極１０８−１に対向する位置には、第１共通電極１２０−１が形成され、第２振動子１０１−２に形成された電極１０８−２に対向する位置には、第２共通電極１２０−２が形成されている。

さらに、上記第２基板２００には、上記支持部１０３−１、１０３−２上の電極１０８−１に接続するもので、電極１０８−１を外部に引き出すための引き出し電極１２４−１、１２４−２、他（図示せず）がコンタクト部１２５−１、１２５−２、他（図示せず）を介して形成され、上記支持部１０３−３、１０３−４上の電極１０８−２に接続するもので、電極１０８−２を外部に引き出すための引き出し電極１２４−３、１２４−４、他（図示せず）がコンタクト部１２５−３、１２５−４、他（図示せず）を介して形成されている。

上記慣性センサ素子１１は、第１基板１００の下部に配置された磁石３００により電磁的に駆動される。上記第１実施例では、磁石３００を第１基板１００の下部に設置したが、第１基板１００を掘り込んで、その内部に磁石３００を設置する、または第２基板２００の上部に設置することも可能である。また、第１基板１００および第２基板２００の両方に磁石３００を設置することも可能である。いずれの構成も磁束密度の多少による出力の違いはあるが、動作として同様の結果が得られる。電磁駆動用の電極として、振動子１０１上の電極１０８に電流を流す。

上記構成の各慣性センサ素子１１の各構成部品が同様なものとなるので、同一工程で、各構成部品を形成することが可能になる。したがって、複数の慣性センサ素子１１を同一工程で製造することが可能になり、慣性センサ素子１１間の位置ずれは、マスク精度および露光精度、エッチング精度等の半導体プロセスの精度まで高めることが可能になる。よって、各慣性センサ素子１１より均一な信号出力を得ることができるという利点がある。

次に、上記慣性センサ素子１１の動作原理を説明する。

駆動側の振動子（第１振動子１０１−１）上の電極１０８−１に対してある周期を持った交流電流が流れる。電流は周期性を持っているので、別の時点では、流れる方向が逆になることもある。電極に電流が流れると、第１基板１００の下部に配された磁石３００からの磁界により、ローレンツ力がＸ方向に発生する。

ローレンツ力Ｆ_lorentzは、電極に流れる電流をＩ、磁束密度をＢ、電極配線の長さをＬとすると、Ｆ_lorentz＝ＩＢＬなる式で表され、配線に直交する方向にその力が誘起される。このローレンツ力は印加される電流と同じ周期性をもって振動子に印加され、駆動側の第１振動子１０１−１は、弾性支持体１０２−１、１０２−２に接続されている支持部１０３−１、１０３−２を固定点とし、周期的に運動を繰り返す。

振動モード周波数を適切に選択することにより、もう一方の第２振動子１０１−２は弾性支持体１０２−３、１０２−４に接続されている支持部１０３−３、１０３−４を固定点とし、ある位相ずれを持ちながら運動を繰り返す。その際、外部からＹ軸まわりに角速度が与えられると、振動方向に直交した方向にコリオリ力が発生する。コリオリ力Ｆ_lorentzは、振動子の質量をｍ、駆動方向の振動速度をｖ、外部から印加される角速度をΩとすると、Ｆ_lorentz＝２ｍｖΩなる式で表される。

コリオリ力で発生した変位を大きく取るためには、駆動変位ｘ_mを大きく取る必要がある。また電磁駆動の場合、静電駆動で必要な櫛歯電極を必要とせず、櫛歯の間隙に制限されないために、大きな変位を取ることが可能となる。

コリオリ力が発生すると振動子１０１がＺ軸方向に振動する。その際、第１、第２振動子１０１−１，１０１−２の上部にそれぞれ共通電極１２０−１、１２０−２が配置されていることで電極間に容量の変化が現れる。ここで、電圧印加の周波数はコントロールされており、第１、第２振動子１０１−１，１０１−２は逆位相でＸ方向に駆動している。このため、Ｚ方向に対しては、一方の振動子（例えば第１振動子１０１−１）は検出電極１２０−１に近づく方向に変位し、もう一方の振動子（例えば第２振動子１０１−２）は検出電極１２０−２に遠ざかる方向に振動子が変位する。その容量差分を検出することで、印加される角速度を算出する。すなわち、上記第１角速度センサ１は、Ｘ軸に駆動し、Ｙ軸周りの角速度をＺ軸方向の容量変化として検出する。なお、第１、第２振動子１０１−１，１０１−２は逆位相で振動するので、上記の逆の場合もある。

角速度が印加されたときにはそれぞれの検出電極１２０と振動子１０１間に発生する容量変化量が異なるが、加速度が印加された際には、理想的には発生する容量変化量は異ならないため、差分を取っても容量差が生じない。よって、加速度成分を除去できる構造となっている。

上記加速度成分を除去できることについて図４により説明する。図４（１）に示すように、初期容量をＣとして、検出電極１２０−１と第１振動子１０１−１との間に生じる容量をＣ１、検出電極１２０−２と第２振動子１０１−２との間に生じる容量をＣ２として、定常状態では、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃとなるので、容量差分Ｃ１−Ｃ２＝０となり、容量差は生じていない。

次に、図４（２）に示すように、角速度が印加された場合には、Ｃ１＞Ｃ、Ｃ２＜Ｃ（もしくは駆動方向によってはＣ１＜Ｃ、Ｃ２＞Ｃ）となるので、容量差分｜Ｃ１−Ｃ２｜＞０となり、容量差が生じる。

次に、図４（３）に示すように、加速度が印加された場合には、Ｃ１＞Ｃ、Ｃ２＞Ｃ（もしくは加速度の印加方向によってはＣ１＜Ｃ、Ｃ２＜Ｃ）となり、かつＣ１＝Ｃ２であるので、容量差分｜Ｃ１−Ｃ２｜＝０となり、容量差が生じない。したがって、加速度成分は除去されることになる。

また、図５の容量検出ブロック図に示すように、容量変化を読み取る際、第２基板２００側の電極１２０と振動子１０１間に搬送波（＋Ｖｓｉｎωｔ、−Ｖｓｉｎωｔ）を乗せ、容量変化（Ｃ１−Ｃ２）により発生した電荷を増幅器により増幅することにより実際の信号を取り出す。搬送波（＋Ｖｓｉｎωｔ、−Ｖｓｉｎωｔ）は搬送波同期検波（図示せず）により除去され、また駆動波に関しては、駆動同期検波によって、駆動信号そのもの、もしくは誘導起電圧などの駆動モニタ手段の周期成分で検波することにより、角速度に対応した信号を取り出す。

上記慣性センサ１では、慣性センサ素子１１を複数並列に配置し、第１配線１３０−１、第２配線１３０−２、第１検出電極１２０−１、第２検出電極１２０−２を各慣性センサ素子１１（１１−１〜ｎ）に対して共通に用いることで、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２自体の振動による変位量を小さくできるので、動作不良が発生しなくなるとともに、振動子−検出電極間の距離を短くできる。ここで、第１振動子１０１−１を第１検出電極１２０−１で検出し、第２振動子１０１−２を第２検出電極１２０−２で検出しているのは、前記図４によって説明した逆位相キャンセル機構（加速度成分の除去機構）をアレイ化した後も実現するためである。また、離調度を１から離すことで所望のＳＮ比を得るための低域通過フィルタＬＰＦ（前記図５参照）に、応答性を阻害されることなく出力を上げることができる。

そして、図６のブロック図に示すように、各慣性センサ１１より引き出された第１配線１３０−１、第２配線１３０−２（前記図１参照）によって出力信号は、仮想接地されているチャージポンプに入力され、増幅、復調された後に同期検波されて低域通過フィルタＬＰＦを通して慣性センサ１の電圧出力となる。

上記慣性センサ素子１１の説明では、電磁駆動方式の慣性センサ素子を説明したが、本発明の慣性センサに用いる慣性センサ素子は、電磁駆動方式に限定されず、静電駆動方式、圧電駆動方式の慣性センサ素子を適用することもできる。いずれの方式の慣性センサ素子であっても、複数の慣性センサ素子を有し、各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されるように構成される。

上記慣性センサ１では、振動子面積を大きくしたことによる変形や離調度を１に近づけることによる応答性の低下をもたらすことなく、複数の慣性センサ素子１１を並列に配置したことによって、低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの広い慣性センサを提供できるという利点がある。また、各慣性センサ素子１１で検出された出力値が加算されて出力されることから、変形による動作不良を発生することなく、また応答性が低下することなく、高い出力を得ることができるという利点がある。

次に、本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第２実施例）を、図７のブロック図によって説明する。第２実施例では、慣性センサ１により角速度を検出する事例を説明する。

図７に示すように、慣性センサ素子１１−１と慣性センサ素子１１−２は、それぞれ、電極間距離、質量、バネ定数などを変えて単位角速度あたりの出力が異なるものである。例えば慣性センサ素子１１−１を単位角速度あたりｘ（ｆＦ／ｄｅｇ／ｓ）の容量変化、慣性センサ素子１１−２を単位角速度あたり１００ｘ（ｆＦ／ｄｅｇ／ｓ）の容量変化とする。それぞれ同ゲイン（利得）のＣ−Ｖ変換器（容量−電圧変換器）を通した後、例えば慣性センサ素子１１−１の出力を１（ｍＶ／ｄｅｇ／ｓ）、慣性センサ素子１１−２の出力を１００（ｍＶ／ｄｅｇ／ｓ）となったとする。それぞれの最大出力を１Ｖに制限する。最後に加算器を用いて信号を合わせることで、０Ｖ〜１Ｖは１０ｄｅｇ／ｓまで、１〜２Ｖは１００００ｄｅｇ／ｓまでの角速度を検知でき、元の慣性センサ素子のダイナミックレンジが３０ｄＢとすれば６０ｄＢまでダイナミックレンジを拡大することができる。０〜１Ｖのときには慣性センサ素子１１−２の出力も混じるために所望の信号＋０．１％分だけ増幅される。誤差とみなしてもよいが、電圧で条件を設けて補正してもよい。

次に、本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第３実施例）を、図８のブロック図によって説明する。第３実施例では、慣性センサ１により角速度を検出する事例を説明する。

図８に示すように、慣性センサ素子１１−１と慣性センサ素子１１−２は、それぞれ、単位角速度あたりの容量変化が同じものである。このような慣性センサ素子１１−１、１１−２を用い、各慣性センサ素子１１−１、１１−２に接続されているＣ−Ｖ（容量−電圧）変換器のゲイン（利得）を変える。すなわち、負荷容量Ｃを変える。例えば、慣性センサ素子１１−１側のＣ−Ｖ変換器のゲインと、慣性センサ素子１１−２側のＣ−Ｖ変換器のゲインに、例えば３０ｄＢの差を設ければ、２つの同ゲイン（利得）の慣性センサ素子１１−１、１１−２を用いて、６０ｄＢのダイナミックレンジの慣性センサ１を構成することが可能となる。

次に、本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第４実施例）を、図９のブロック図によって説明する。第４実施例では、慣性センサ１により角速度を検出する事例を説明する。

図９に示すように、検出ユニット１０−１には慣性センサ素子１１−０を用い、検出ユニット１０−２には慣性センサ素子１１−１、１１−２、…、１１−ｎのｎ個の慣性センサ素子１１を用いる。それぞれの慣性センサ素子１１は、単位角速度あたりの容量変化が同じものである。この場合、検出ユニット１０−１の出力を例えば１（ｍＶ／ｄｅｇ／ｓ）とすれば、検出ユニット１０−２の出力は例えばｎ（ｍＶ／ｄｅｇ／ｓ）となる。これは、先に説明した第１実施例と第２実施例を組み合わせた構成である。上記検出ユニット１０−１は、複数の慣性センサ素子１１を用いてもよい。

また、Ｃ−Ｖ変換器の負荷容量Ｃによって利得を変えることもできる。これは、先に説明した第１実施例と第３実施例とを組み合わせた構成となる。

このように、第１実施例と第２実施例を組み合わせた構成、第１実施例と第３実施例とを組み合わせた構成等をとることによって、さらに、ダイナミックレンジを広くすることができる。

次に、本発明の慣性センサの一実施の形態（第２実施例）を、図１０の要部斜視図によって説明する。

図１に示すように、慣性センサ２は、ｎ個の慣性センサ素子１１（１１−１）、１１（１１−２）、…１１（１１−ｎ）が並列に配置されているユニット１０（１０−１、１０−２、１０−ｍ）が、複数行、例えば図面ではｍ行に配列されているものである。

各慣性センサ素子１１は、支持部（図示せず）によって一端が支持された弾性支持体１０２−１の他端側に振動自在に支持された第１振動子１０１−１と、支持部（図示せず）によって一端が支持された弾性支持体１０２−２の他端側に振動自在に支持された第２振動子１０２とを備えている。

また、各ユニット１０の各第１振動子１０１−１上には第１共通電極１２０−１が間隔をおいて配置され、同様に各第２振動子１０１−２上には第２共通電極１２０−２が間隔をおいて配置されている。それぞれの第１共通電極１２０−１は第１配線１３０−１によって並列に接続されている。同様に、それぞれの第２共通電極１２０−２は第２配線１３０−２によって並列に接続されている。

上記各慣性センサ素子１１からの出力を得る際、上記第１共通電極１２０−１と第１振動子１０１−１との間、および第２共通電極１２０−２と第２振動子１０１−２との間に搬送波（＋Ｖｓｉｎωｔ、−Ｖｓｉｎωｔ）を乗せて信号を取り出す。

上記慣性センサ２の慣性センサ素子１１をＭ×Ｎのマトリクス状に並べる配置は一例であって、アレイ化の並べ方に関して、機能としてはレイアウトに依存せず、横方向、縦方向にならべても同様に効果を得ることができる。例えば、ゲインが同一の慣性センサ素子１１をＭ×Ｎのマトリクス状に並べれば、Ｍ×Ｎ倍のアレイ効果が得られる。また、前記第４実施例のように出力を上げた検出ユニット同士を組み合わせてダイナミックレンジを拡大することも可能である。

次に、本発明の慣性センサの製造方法に係わる一実施の形態（製造方法の実施例）を、図１１〜図１７によって説明する。図１１〜図１７では、一例として、前記第２実施例で説明した慣性センサ２の製造工程を示す。図１１〜図１７は前記図２のＡ−Ａ’線にそって表記している。

図１１（１）に示すように、振動子、弾性支持体等を形成するための基板１００を用意する。この基板１００は、シリコン層１３１とシリコン層１３３との間に酸化シリコン層１３２を挟み込んだＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いる。また、基板１００の下面に、次ぎの工程でアライメントマークを形成する際のマスクとなるマスク層１４１を形成する。

まず、図１１（２）に示すように、上記マスク層１４１をエッチングマスクに用いて、シリコン層１３１に、後に説明する第１、第２基板とのアライメントを行うためのアライメントマークおよびダイシングライン１３４を形成する。これは、後に説明する第１基板と第２基板との陽極接合時のアライメントおよび慣性センサ１を切り出す際のマークとなるものである。

次に、図１１（３）に示すように、上部のシリコン層１３３を所望の膜厚となるよう基板全面にエッチングを施す。エッチング方法はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いたウエットエッチでよく、または化学的、物理的ドライエッチでも良い。また、所望の膜厚が予めわかっているならば、そのようなＳＯＩ基板を用意しても良い。

次に、図１２（４）に示すように、陽極接合のフレーム形成のため、シリコン層１３３のエッチングを行い、凹部１３５を形成する。エッチング方法はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いたウエットエッチや化学的、物理的ドライエッチでも良い。このエッチングにおいて、振動子の膜厚および弾性支持体の膜厚が決定される。

次に、図１２（５）に示すように、振動子を形成する領域上の一部および弾性支持体を形成する領域上に絶縁層１０７を形成する。絶縁層１０７は、次に形成する電極とシリコン層１３３との絶縁性を保持できるものであれば何でも良い酸化シリコン（ＳｉＯ₂）や窒化シリコン（ＳｉＮ）など後で形成する。

次に、図１２（６）に示すように、絶縁層１０７上にローレンツ印加のための配線１０８−１および誘導起電力検出のための配線１０８−２を形成する。配線材料は電子ビーム蒸着により形成した。本実施例においては、リフトオフ法により配線を形成したが、配線のエッチングをウェットエッチングやドライエッチングによって行っても良い。また本実施例においては、配線材料として、金、白金、クロムの３層金属材料を用いたが、金、白金、チタンの３層金属材料、金、クロムや白金、クロムまたは、金、チタンや白金、チタンなどの２層金属材料や、チタンの代わりに、窒化チタンとチタンとの積層材料を用いても良い。また、クロムやチタンの代わりに銅を用いても良い。また形成方法はスパッタ法やＣＶＤ法を用いても良い。

次に、図１３（７）に示すように、エッチング技術として、例えば反応性イオンエッチングを用いてシリコン層１３３を加工して、振動子１０１、弾性支持体１０２、陽極接合のためのフレーム部１２１を形成する。

次に、図１３（８）に示すように、不必要な部分、例えば振動子１０１や弾性支持体（図示せず）の下部の絶縁層１３２部をエッチングにより除去する。その際、支持部３０３となるシリコン層１３３下部の絶縁層１３２およびフレーム１２１となるシリコン層１３３の下部の絶縁層１３２は一部残して、シリコン層１３１と接続させる。ほかの部分は中空構造となる。これにより振動子１０１、弾性支持体（図示せず）、支持部１０３等が形成される。

次に第２基板側の作製方法を以下に説明する。

図１４（１）に示すように、第２基板２００には例えばガラス基板を用い、この第２基板２００に共通電極１２０を電子ビーム蒸着により形成する。配線電極１２０として、金、白金、クロムの三層金属材料を用いたが、金、白金、チタンの三層金属材料、金、クロムや白金、クロムまたは、金、チタンや白金、チタンなどの二層金属材料や、チタンの代わりに、窒化チタンとチタンとの積層材料を用いても良い。また、クロムやチタンの代わりに銅を用いても良い。また形成方法はスパッタ法やＣＶＤ法を用いても良い。

次に図１４（２）に示すように、コンタクト部１２５を、例えば無電解めっき法により金の支柱で形成する。この金の支柱は陽極接合後の第１基板１００側のパッドとのコンタクトをとるために形成する。本実施例においては、金の支柱は直下に配置される配線パッド上およびシリコンに直接接続させる配線パッドに対してパッド毎に複数本形成する。これにより、陽極接合時に支柱がバネ状に屈曲し、適度なテンションをもって第１基板１００側と接続することができる。スプリングコンタクトや、金バンプを用いる接続方法もあるが、本方法の場合、ガラス基板に過度な応力をかけることも無く、また、作成方法もきわめて簡単である。本実施例においては無電解めっき法を用いたが電解めっき法でも形成できる。

次に、図１４（３）に示すように、第１共通電極１２０−１、第２共通電極１２０−２、引き出し電極１２４等をエッチングによって形成する。上記第１共通電極１２０−１は、同時に形成されている各慣性センサ素子１１の第１共通電極１２０−１と、配線（図示せず）によって並列に接続されるように形成される。同様に、第２共通電極１２０−２は、同時に形成されている各慣性センサ素子１１の第２共通電極１２０−２と、配線（図示せず）によって並列に接続されるように形成される。

上記工程において、電極（駆動電極）１０８−１および電極（検出電極）１０８−２〔前記図１２参照〕のガラス側への引き出しのコンタクト部１２５−１、１２５−２、およびシリコン層１３３〔前記図１２参照〕に直接接続するコンタクト（図示せず）を形成し、さらにフレーム１２１〔前記図１２参照〕に接続するための引き出し電極（図示せず）を形成する。

次に第１基板１００と第２基板２００との組立方法を説明する。

図１５（１）に示すように、陽極接合法により第２基板２００とフレーム１２１を接合させる。その際、ローレンツ力を発生させる電極１０８−１のパッド部（支持部１０３−１上に形成されている部分）および電磁駆動で振動子１０１が動作したときに発生する誘導起電力を検出する電極１０８−２のパッド部（支持部１０３−３上に形成されている）をコンタクト部１２５−１、コンタクト部１２５−２を接続させる。同様に、シリコン層１３３〔前記図１２参照〕に直接接続するための電極パッド（図示せず）にコンタクト部（図示せず）を接続させる。

次に、図１５（２）に示すように、第１基板１００および第２基板２００を、例えばダイシングにより切断し、個別チップを形成する。

最後に、図１６（３）に示すように、第１基板１００側下部に磁石３００を形成し、角速度検出の慣性センサ１が作製される。その後、図示はしないが、上記慣性センサ１はパッケージに実装される。

上記製造方法では、一つに慣性センサ素子１１の製造方法を説明したが、実際には、上記工程で説明した慣性センサ素子１１を同一基板上に同時に複数個形成することで、複数の慣性センサ素子１１を並列に配置した慣性センサ１を得る。また、上記慣性センサ素子をマトリクス状に配列することによって、前記第２実施例で説明した慣性センサ２を得ることができる。この場合も、例えば、各慣性センサ素子１１の第１共通電極１２０−１および第２共通電極１２０−２を形成する際に、各第１共通電極１２０−１を並列に接続する配線（図示せず）を形成するとともに、各第２共通電極１２０−２を並列に接続する配線（図示せず）を形成する

上記慣性センサの製造方法によれば、各慣性センサ素子１１で検出された出力値が加算されて出力されるようになることから、慣性センサ１が変形による動作不良を発生することなく、また応答性が低下することなく、高い出力を得ることができるようになるとともに、複数の慣性センサ素子１１を形成することによって低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの広い慣性センサを提供できるという利点がある。

また、上記慣性センサ１、２では、２つの振動子の変位容量を計算することで、角速度を検出することができる。それぞれの検出電極と振動子間に発生する容量変化量が異なるが、並進加速度が印加された際には、発生する容量変化量は異ならないため、差分を取っても容量差が生じない。よって、角速度印加の時に発生する加速度成分を除去できる構造となっている。さらに２つの振動子の変位容量の和を計算することで、加速度を検出することができる。

以上説明した本発明に係る慣性センサ１もしくは２は、様々な電気・電子機器に適用することが可能である。

また、本発明に係る慣性センサ１もしくは２は、加速度を検出することができる。例えば、携帯型ハードディスク駆動装置（以下、ハードディスク駆動装置を略してＨＤＤと記す）、ノート型パーソナルコンピュータ、ＨＤＤ内蔵携帯型音楽再生装置、ＨＤＤ内蔵携帯型音楽録音再生装置、ＨＤＤ搭載型ビデオカメラ等のＨＤＤを搭載した携帯型電子機器、携帯電話等の携帯端末装置、等に適用される。

上記慣性センサ１もしくは２は、姿勢制御、動作検知にも用いられるものである。例えば、ビデオカメラ、スチルカメラ、カメラの交換レンズ等の携帯型撮影機器、携帯電話等の携帯端末装置、ユーザ・インターフェース、ゲーム機、ゲームコントローラー、等に適用される。

上記慣性センサ１もしくは２は、振動制御にも用いられるものである。例えば、全自動洗濯機、自動車、振動制御装置、等に適用される。

上記慣性センサ１もしくは２は、動作検知にも用いられるものである。例えば、歩数計、防犯・防災装置、盗難防止装置、等に適用される。

上記慣性センサ１もしくは２は、衝撃（衝突）検知に用いられるものである。例えば、車両用エアバッグ装置、車両・船舶・航空機等の事故記録装置、ＨＤＤ、等に適用され、また携帯型ＨＤＤ、ノート型パーソナルコンピュータ、ＨＤＤ内蔵携帯型音楽再生装置、ＨＤＤ内蔵携帯型音楽録音再生装置、ＨＤＤ搭載型ビデオカメラ等のＨＤＤを搭載した携帯型電子機器、携帯電話等の携帯端末装置、等に適用される。

このように、本発明の慣性センサ１もしくは２は、あらゆる分野の電気・電子機器に適用することが可能である。以下、電気・電子機器の一実施の形態を以下に説明する。ここで説明するのは一例であって、上記した電気・電子機器に適用できる。なお、以下の説明において、慣性センサは、代表して慣性センサ１を記載するが、その他の慣性センサ２も同様に適用できる。

次に、請求項８に係る本発明の電気・電子機器の一実施の形態（第１実施例）を、図１７によって説明する。図１７では、ビデオカメラ装置の一例を示し、概略構成斜視図で示した。

図１７に示すように、本適用例に係るビデオカメラ装置５１０は、本体５１１に、前方を向いた側面に被写体撮影用のレンズ５１２、撮影時のスタート／ストップスイッチ５１３、表示部５１４、ファインダー５１５、撮影した画像を記録する記録装置（図示せず）、固体撮像装置等の撮像素子５１６等を含み、その撮像素子５１６が搭載される基板５１７には、角速度センサが搭載されていて、その角速度センサとして本発明に係る慣性センサ１を用いることによって作製される。

まず、本発明に係る電気・電子機器の一実施の形態（第２実施例）を、図１８によって説明する。図１８では、ＨＤＤ装置の一例を示し、（１）図に概略構成斜視図を示し、（２）図に内部平面図を示した。

図１８に示すように、本適用例に係るＨＤＤ装置５３０は、ベース部材５３１とベース部材５３１の内部に設置された装置を覆うカバー５３２を有し、上記ベース部材５３１の内部に設置されているベース基板５３３に、磁気ディスク５３４を駆動するモータ５３５、このモータに駆動される磁気ディスク５３４、支軸５３６に回動自在に設けたアクチュエータアーム５３７、その先端部にヘッドサスペンション５３８を介して形成された磁気ヘッド５３９等が設けられている。そして、ベース基板５３３上に慣性センサ１が設置されている。なお、慣性センサ１は、ベース部材５３１、カバー５３２等に設置することも可能である。

次に、本発明に係る電気・電子機器の一実施の形態（第３実施例）を、図１９によって説明する。図１９では、ＨＤＤ装置を搭載したノート型パーソナルコンピュータの一例を示し、（１）図に表示部を開いた状態の概略構成斜視図を示し、（２）図に表示部を閉じた状態の概略構成斜視図を示した。

図１９に示すように、本適用例に係るノート型パーソナルコンピュータ５５０は、本体５５１に、文字等を入力するとき操作されるキーボード５５２、画像を表示する表示部５５３、ＨＤＤ装置５５４等を含み、そのＨＤＤ装置５５４は、前記説明した本発明の慣性センサ１が搭載されたＨＤＤ装置５５０を用いることにより作製されている。また、慣性センサ１はノート型パーソナルコンピュータ５５０の基板（図示せず）や本体５５１や表示部５５３を構成する筐体の内側の空いている領域に取付けてもよい。

次に、本発明に係る電気・電子機器の一実施の形態（第４実施例）を、図２０によって説明する。図２０では、ＨＤＤ装置を搭載したゲーム機の一例を平面図に示した。

図２０に示すように、本適用例に係るＨＤＤ装置を搭載したゲーム機５７０は、本体５７１に、画面等を操作する第１操作ボタン群５７２、第２操作ボタン群５７３、画像を表示する表示部５７４、ＨＤＤ装置５７５等を含み、そのＨＤＤ装置５７４は、前記説明した本発明の慣性センサ１が搭載されたＨＤＤ装置５５０を用いることにより作製されている。また、慣性センサ１はゲーム機５７０の基板（図示せず）や本体５７１を構成する筐体の内部側の空いている領域に取付けてもよい。

次に、本発明に係る電気・電子機器の一実施の形態（第５実施例）を、図２１によって説明する。図２１では、ＨＤＤ装置を搭載したビデオカメラ装置の一例を示し、概略構成斜視図で示した。

図２１に示すように、本適用例に係るＨＤＤ装置を搭載したビデオカメラ装置５９０は、本体５９１に、前方を向いた側面に被写体撮影用のレンズ５９２、撮影時のスタート／ストップスイッチ５９３、表示部５９４、ファインダー５９５、撮影した画像を記録するＨＤＤ装置５９６等を含み、そのＨＤＤ装置５９６は、前記説明した本発明の慣性センサ１が搭載されたＨＤＤ装置５５０を用いることにより作製されている。また、慣性センサ１はビデオカメラ装置５９０の基板（図示せず）や本体５９１を構成する筐体の内部側の空いている領域に取付けてもよい。

次に、本発明に係る電気・電子機器の一実施の形態（第６実施例）を、図２２によって説明する。図２２では、カメラ付き携帯端末装置、例えばカメラ付き携帯電話機の一例を示し、（Ａ）は開いた状態での正面図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）は閉じた除隊での正面図、（Ｄ）は左側面図、（Ｅ）は右側面図、（Ｆ）は上面図、（Ｇ）は下面図である。

図２２に示すように、本適用例に係る携帯端末装置、例えば携帯電話機６１０は、上側筐体６１１、下側筐体６１２、連結部（ここではヒンジ部）６１３、ディスプレイ６１４、サブディスプレイ６１５、ピクチャーライト１６１６、カメラ６１７、角速度センサ６１８等を含み、その加速度センサ６１８として本発明に係る慣性センサ１を用いることにより作製される。また、慣性センサ１は、携帯電話機６１０の上側筐体６１１の内部側の他の位置、下側筐体６１２の内部側の空いている領域に取付けてもよい。

上記各電気・電子機器によれば、本発明の慣性センサ１もしくは２を備えたことから、高出力、広ダイナミックレンジの慣性センサの提供が可能となるので、例えば、角速度や加速度を瞬時に検知できるため、発生した角速度や加速度による補正行動を電気・電子機器にとらせることができるという利点がある。

本発明の慣性センサに係わる一実施の形態（第１実施例）を示した要部斜視図である。 第１実施例の慣性センサ素子の一例を示した平面レイアウト図である。 図２中のＡ−Ａ’線断面図である。 加速度成分の除去原理を示した図である。 容量検出ブロック図である。 第１実施例の慣性センサの一例を示したブロック図である。 本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第２実施例）を示したブロック図である。 本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第３実施例）を示したブロック図である。 本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第４実施例）を示したブロック図である。 本発明の慣性センサに係わる一実施の形態（第２実施例）を示した要部斜視図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係わる一実施の形態（実施例）を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係わる一実施の形態（実施例）を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係わる一実施の形態（実施例）を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係わる一実施の形態（実施例）を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係わる一実施の形態（実施例）を示した製造工程断面図である。 本発明の慣性センサの製造方法に係わる一実施の形態（実施例）を示した製造工程断面図である。 請求項８に係る本発明の電気・電子機器の一実施の形態（第１実施例）を示したビデオカメラ装置の平面図である。 本発明の電気・電子機器の一実施の形態（第２実施例）を示したＨＤＤ装置の概略構成斜視図および内部平面図である。 本発明の電気・電子機器の一実施の形態（第３実施例）を示したノート型パーソナルコンピュータの概略構成斜視図である。 本発明の電気・電子機器の一実施の形態（第４実施例）を示したゲーム機の概略構成斜視図である。 本発明の電気・電子機器の一実施の形態（第５実施例）を示したビデオカメラ装置の平面図である。 本発明の電気・電子機器の一実施の形態（第６実施例）を示した携帯電話機を示した図面であり、（Ａ）は開いた状態での正面図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）は閉じた除隊での正面図、（Ｄ）は左側面図、（Ｅ）は右側面図、（Ｆ）は上面図、（Ｇ）は下面図である。

符号の説明

１…慣性センサ、１１…慣性センサ素子、１０１−１，１０１−２…振動子、１０２−１〜１０２−４…弾性支持体、支持部…１０３−１〜１０３−４

Claims (8)

1. 支持部に一端が支持された弾性支持体と、前記弾性支持体の他端側に支持された振動子とを有する慣性センサ素子を複数備え、
   前記各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力される
   ことを特徴とする慣性センサ。
2. 前記各慣性センサ素子は、並列に配置され、第１振動子と第２振動子の二つの振動子を有するとともに、
   前記変位検出手段が、前記第１振動子群の変位を検出する第１共通電極と、前記第２振動子群の変位を検出する第２共通電極とを有し、
   前記第１振動子と前記第２振動子の角速度信号の差分で角速度を検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
3. 前記慣性センサ素子の単位角速度あたりの電圧出力が各々異なる
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
4. 前記慣性センサ素子は静電駆動方式を用いて角速度を検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
5. 前記慣性センサ素子は圧電駆動方式を用いて角速度を検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
6. 前記慣性センサ素子は電磁駆動方式を用いて角速度を検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
7. 支持部に一端が支持された弾性支持体と、前記弾性支持体の他端側に支持された振動子とを有する慣性センサ素子を複数備え、
   前記各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力される慣性センサの製造方法であって、
   前記各慣性センサ素子を同一工程で同一基板に形成した後、
   前記各慣性センサ素子の出力値を出力する配線が互いに接続されるように形成する
   ことを特徴とする慣性センサの製造方法。
8. 電気・電子機器の動きによって生じる角速度もしくは加速度を検出する慣性センサを搭載した電気・電子機器であって、
   前記慣性センサは、
   支持部に一端が支持された弾性支持体と、前記弾性支持体の他端側に支持された振動子とを有する慣性センサ素子を複数備え、
   前記慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力される
   ことを特徴とする電気・電子機器。

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