JP3155380B2 - 角速度センサ - Google Patents
角速度センサInfo
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- JP3155380B2 JP3155380B2 JP31053192A JP31053192A JP3155380B2 JP 3155380 B2 JP3155380 B2 JP 3155380B2 JP 31053192 A JP31053192 A JP 31053192A JP 31053192 A JP31053192 A JP 31053192A JP 3155380 B2 JP3155380 B2 JP 3155380B2
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- angular velocity
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、角速度センサに関する
ものであり、特に小型化が可能な振動ジャイロ方式の角
速度センサに関するものである。
ものであり、特に小型化が可能な振動ジャイロ方式の角
速度センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】物体の姿勢、動き、速度等の情報を得る
ために物体の方位を検出するものとしてジャイロが知ら
れている。ジャイロはすでによく知られているように、
駒の原理を利用した機械式機構からなる方位検出装置と
して船舶や航空機の慣性航法装置として利用されてき
た。ジャイロは初期位置入力が正確であれば高精度の絶
対位置検出が可能であり、また、初期位置入力なしの場
合にも相対位置検出を常に高精度に行うことができると
いう優れた長所を有している。しかし、従来のジャイロ
は準機械的構造であるために極めて高精度に加工された
部品を要し、従って、非常に高価であり、しかも体積お
よび重量が大きいという欠点があった。このため、近年
ではジャイロを用いて高精度の検出を行いたいという需
要は以前に比べていっそう増加しているにも関わらず、
従来の機械式ジャイロの各種装置や機器に搭載した場合
は該装置や該機器が大型化かつ大重量化してしまう問題
が生ずるため、従来の機械式ジャイロの利用は比較的限
られた分野のみに留まっていた。
ために物体の方位を検出するものとしてジャイロが知ら
れている。ジャイロはすでによく知られているように、
駒の原理を利用した機械式機構からなる方位検出装置と
して船舶や航空機の慣性航法装置として利用されてき
た。ジャイロは初期位置入力が正確であれば高精度の絶
対位置検出が可能であり、また、初期位置入力なしの場
合にも相対位置検出を常に高精度に行うことができると
いう優れた長所を有している。しかし、従来のジャイロ
は準機械的構造であるために極めて高精度に加工された
部品を要し、従って、非常に高価であり、しかも体積お
よび重量が大きいという欠点があった。このため、近年
ではジャイロを用いて高精度の検出を行いたいという需
要は以前に比べていっそう増加しているにも関わらず、
従来の機械式ジャイロの各種装置や機器に搭載した場合
は該装置や該機器が大型化かつ大重量化してしまう問題
が生ずるため、従来の機械式ジャイロの利用は比較的限
られた分野のみに留まっていた。
【0003】しかるに最近になって従来の機械式ジャイ
ロに設けられていた回転駒の代わりに音さなどの振動子
を用いる振動ジャイロが開発されたため、ジャイロの利
用分野の拡大が可能になり、各種の機器や装置にジャイ
ロ式検出器を搭載できる可能性が大きくなった。
ロに設けられていた回転駒の代わりに音さなどの振動子
を用いる振動ジャイロが開発されたため、ジャイロの利
用分野の拡大が可能になり、各種の機器や装置にジャイ
ロ式検出器を搭載できる可能性が大きくなった。
【0004】上記した振動ジャイロは、一定の振動数で
振動している音さ等の振動子に外力による角速度が加わ
った時に該振動子に生ずるコリオリ力を検出することに
よって該角速度を検出するものであり、回転駒がないた
め小型であるとともに低コストで作製することができ、
しかも高精度の検出が可能であるという長所を有してい
るため、各種機器の振動検出装置や方位検出装置として
利用されることが期待されている。
振動している音さ等の振動子に外力による角速度が加わ
った時に該振動子に生ずるコリオリ力を検出することに
よって該角速度を検出するものであり、回転駒がないた
め小型であるとともに低コストで作製することができ、
しかも高精度の検出が可能であるという長所を有してい
るため、各種機器の振動検出装置や方位検出装置として
利用されることが期待されている。
【0005】以下には、本発明に関係のある上記振動ジ
ャイロからなる角速度センサについて図12を参照して
説明する。図12において、2501および2502は
固定された振動片で、2503および2504は振動片
2501および2502にそれぞれ取り付けられ、25
12および2513の結合部材を図中X方向に振動させ
る駆動用圧電素子であり、2505および2506は駆
動用圧電素子2503および2504で振動する振動片
2501および2502の実際の振動をモニターするモ
ニター用圧電素子であり、2509および2510は結
合部2512および2513に取り付けられた検出用振
動片であり、2509および2510は検出用振動片2
509および2510に取り付けられた角速度を検出す
るための検出用圧電素子である。なお、結合部251
2、2513と検出用振動片2509、2510、固定
された振動片2501、2502の間の固定はエポキシ
系接着剤に代表される樹脂系接着剤、低融点金属、低融
点ガラス、あるいはこれらの混合物による接着剤を用い
て固定する技術が提案されている。
ャイロからなる角速度センサについて図12を参照して
説明する。図12において、2501および2502は
固定された振動片で、2503および2504は振動片
2501および2502にそれぞれ取り付けられ、25
12および2513の結合部材を図中X方向に振動させ
る駆動用圧電素子であり、2505および2506は駆
動用圧電素子2503および2504で振動する振動片
2501および2502の実際の振動をモニターするモ
ニター用圧電素子であり、2509および2510は結
合部2512および2513に取り付けられた検出用振
動片であり、2509および2510は検出用振動片2
509および2510に取り付けられた角速度を検出す
るための検出用圧電素子である。なお、結合部251
2、2513と検出用振動片2509、2510、固定
された振動片2501、2502の間の固定はエポキシ
系接着剤に代表される樹脂系接着剤、低融点金属、低融
点ガラス、あるいはこれらの混合物による接着剤を用い
て固定する技術が提案されている。
【0006】この振動ジャイロにおいて、振動片250
1および2502を共振周波数ω1でX方向に互いに逆
向きに振動している状態にしておいて基部2511がた
とえばZ軸の回りに角速度Ωで回動されたと仮定する
と、検出用振動片2512および2513には角速度Ω
に比例したコリオリの力FcがY軸方向に作用する。こ
の時、X方向に振動中の振動片2501および2502
のX方向速度vは振幅をA、時間をtとすると次式で表
される。
1および2502を共振周波数ω1でX方向に互いに逆
向きに振動している状態にしておいて基部2511がた
とえばZ軸の回りに角速度Ωで回動されたと仮定する
と、検出用振動片2512および2513には角速度Ω
に比例したコリオリの力FcがY軸方向に作用する。こ
の時、X方向に振動中の振動片2501および2502
のX方向速度vは振幅をA、時間をtとすると次式で表
される。
【0007】 v=A・ω1・cosω1t (a) ここで、ω1は振動片2501および2502の共振周
波数である。
波数である。
【0008】ここで検出用振動片2509および251
0の質量をMとするとコリオリの力Fcは次式で表され
る。
0の質量をMとするとコリオリの力Fcは次式で表され
る。
【0009】 Fc=2・A・M・Ω・ω1・cosω1t (b) (b)式で明らかなように、コリオリの力Fcが作用し
た時に検出用振動片2512および2513はY軸方向
に振動し、その振幅は角速度Ωに比例するので検出用振
動片2509および2510の振幅を検出することによ
り角速度Ωを求めることができる。
た時に検出用振動片2512および2513はY軸方向
に振動し、その振幅は角速度Ωに比例するので検出用振
動片2509および2510の振幅を検出することによ
り角速度Ωを求めることができる。
【0010】しかしながら、上記振動ジャイロは、小型
機器に搭載するのには大きさ、コストの点で十分ではな
かった。そこで、これらの問題を解決する手段として、
振動子、検出部等をシリコン基板をエッチング加工する
ことにより作製する方法が提案されている。この方法に
よれば、微小部分を高精度に加工することが可能なた
め、センサの感度を低下させることなく、小型化を達成
することが期待できる。
機器に搭載するのには大きさ、コストの点で十分ではな
かった。そこで、これらの問題を解決する手段として、
振動子、検出部等をシリコン基板をエッチング加工する
ことにより作製する方法が提案されている。この方法に
よれば、微小部分を高精度に加工することが可能なた
め、センサの感度を低下させることなく、小型化を達成
することが期待できる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、振動ジ
ャイロは駒の原理を利用した機械的機構から成るジャイ
ロに比べ大きさが小さく、コストも小さいという特徴を
有している。しかしながら、小型機器においては大き
さ、コストの点においてもまだ十分なものではない。
ャイロは駒の原理を利用した機械的機構から成るジャイ
ロに比べ大きさが小さく、コストも小さいという特徴を
有している。しかしながら、小型機器においては大き
さ、コストの点においてもまだ十分なものではない。
【0012】これは、大きさの点については、センササ
イズを小さくすると加工技術に起因するサイズ誤差の影
響、貼り合わせの影響等を強く受け感度が低下すること
による。
イズを小さくすると加工技術に起因するサイズ誤差の影
響、貼り合わせの影響等を強く受け感度が低下すること
による。
【0013】貼り合わせの影響としては、以下の様なも
のがある。
のがある。
【0014】低融点金属、低融点ガラス、接着剤等接着
部材が液状状態において位置合わせ行い接着する方法で
は、接着部材が液状であるために高い精度で貼り合わせ
ることが困難であり、高精度な接着ができない。また、
樹脂系接着剤を用いる方法では、接着剤の剛性が低く振
動を吸収しやすいために、例えば振動ジャイロデバイス
の様な振動を伝達・検出するデバイスにおいては、振動
の伝達効率の低下をまねきさらに耐久性が低いためデバ
イスの信頼性が低下する。さらに接着剤を用いる方法で
は接着剤が熱的安定性に乏しいため、接着後には高温に
できないというプロセス上の制約やデバイスとしての使
用温度制限を受ける。
部材が液状状態において位置合わせ行い接着する方法で
は、接着部材が液状であるために高い精度で貼り合わせ
ることが困難であり、高精度な接着ができない。また、
樹脂系接着剤を用いる方法では、接着剤の剛性が低く振
動を吸収しやすいために、例えば振動ジャイロデバイス
の様な振動を伝達・検出するデバイスにおいては、振動
の伝達効率の低下をまねきさらに耐久性が低いためデバ
イスの信頼性が低下する。さらに接着剤を用いる方法で
は接着剤が熱的安定性に乏しいため、接着後には高温に
できないというプロセス上の制約やデバイスとしての使
用温度制限を受ける。
【0015】また、コストの点においては、従来の機械
加工法では同時に多数個の素子加工が行いにくいという
問題点があった。
加工法では同時に多数個の素子加工が行いにくいという
問題点があった。
【0016】更なる小型化を阻む原因としては、センサ
サイズの低下に伴い角速度により生ずるコリオリ力が小
さくなるために感度が低下してしまうことが挙げられ
る。従来の歪センサは、感度の点において検出能力が十
分でないためセンサを小型化すると感度が低下し、用途
が限られてしまう問題があった。ここで、歪量に対して
感度の高いセンサとして、例えば積層型圧電体素子が知
られているが、フォトリソグラフィ等の加工精度の高い
加工方法を適用することはできず、また大きさを小さく
することができなかった。
サイズの低下に伴い角速度により生ずるコリオリ力が小
さくなるために感度が低下してしまうことが挙げられ
る。従来の歪センサは、感度の点において検出能力が十
分でないためセンサを小型化すると感度が低下し、用途
が限られてしまう問題があった。ここで、歪量に対して
感度の高いセンサとして、例えば積層型圧電体素子が知
られているが、フォトリソグラフィ等の加工精度の高い
加工方法を適用することはできず、また大きさを小さく
することができなかった。
【0017】このように、センサの小型化が望まれてい
るが、一方、前記式(b)に示したように、コリオリ力
は、検出部の質量Mに比例するため、出力を大きくする
ためには検出部の質量Mをある程度大きくする必要があ
る。従って、センサのサイズを10ミリ角〜20ミリ角
の大きさにすると、検出部の厚みは1mm程度は必要と
なる。しかしながら、エッチング加工により振動子等を
形成する方法では、厚さ1mm程度の構造体を得るため
には、エッチングに数時間の時間を要し、生産性が良く
ないという問題点があった。また、エッチング時間が長
くなると、サイドエッチングや、コーナー部でのエッチ
ングが進行し、加工精度が悪くなるという問題点があっ
た。
るが、一方、前記式(b)に示したように、コリオリ力
は、検出部の質量Mに比例するため、出力を大きくする
ためには検出部の質量Mをある程度大きくする必要があ
る。従って、センサのサイズを10ミリ角〜20ミリ角
の大きさにすると、検出部の厚みは1mm程度は必要と
なる。しかしながら、エッチング加工により振動子等を
形成する方法では、厚さ1mm程度の構造体を得るため
には、エッチングに数時間の時間を要し、生産性が良く
ないという問題点があった。また、エッチング時間が長
くなると、サイドエッチングや、コーナー部でのエッチ
ングが進行し、加工精度が悪くなるという問題点があっ
た。
【0018】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点を解決するためになされたものであって、その
目的は、高性能(高感度)な小型かつ低コストの振動ジ
ャイロ方式の角速度センサを実現することである。
る問題点を解決するためになされたものであって、その
目的は、高性能(高感度)な小型かつ低コストの振動ジ
ャイロ方式の角速度センサを実現することである。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明の角速度センサ
は、平板の一部をエッチング除去してなる重り部と、該
重り部と前記平板とを接続する検出用梁部と、前記重り
部および検出用梁部の角速度によって生じたコリオリ力
を受けて検出用梁部が面内方向に歪変形する変形量を検
知する手段とを有する第1の平板部と、圧電素子から成
る第2の平板部と、前記第1の平板部の一端と第2の平
板部の一端とを各面内方向が略平行となるように結合さ
せる結合部と、前記第2の平板部の他端が固定された基
台部と、を有し、前記第1の平板部と第2の平板部とが
結合部を介してコの字型に結合され、また、前記圧電素
子で第2の平板部を振動させることによって前記第1の
平板部を面内方向と略直交する方向に振動させることを
特徴とする。
は、平板の一部をエッチング除去してなる重り部と、該
重り部と前記平板とを接続する検出用梁部と、前記重り
部および検出用梁部の角速度によって生じたコリオリ力
を受けて検出用梁部が面内方向に歪変形する変形量を検
知する手段とを有する第1の平板部と、圧電素子から成
る第2の平板部と、前記第1の平板部の一端と第2の平
板部の一端とを各面内方向が略平行となるように結合さ
せる結合部と、前記第2の平板部の他端が固定された基
台部と、を有し、前記第1の平板部と第2の平板部とが
結合部を介してコの字型に結合され、また、前記圧電素
子で第2の平板部を振動させることによって前記第1の
平板部を面内方向と略直交する方向に振動させることを
特徴とする。
【0020】この場合、前記重り部および梁部が第1の
平板部に複数個形成されていることとしてもよい。
平板部に複数個形成されていることとしてもよい。
【0021】また、前記コリオリ力により歪を発生させ
る検出用梁部がシリコン単結晶基板をエッチングするこ
とによって形成されていることとしてもよい。
る検出用梁部がシリコン単結晶基板をエッチングするこ
とによって形成されていることとしてもよい。
【0022】また、前記第1の平板部が感光性ガラスで
構成されることとしてもよい。
構成されることとしてもよい。
【0023】また、前記第1の平板部と結合部との間お
よび第2の平板部と結合部との間のうちの少なくとも一
方が陽極接合法を用いて接着されていることとしてもよ
い。
よび第2の平板部と結合部との間のうちの少なくとも一
方が陽極接合法を用いて接着されていることとしてもよ
い。
【0024】また、前記第1の平板部と結合部との間お
よび第2の平板部と結合部との間のうちの少なくとも一
方が炭酸ガスレーザー光照射下での陽極接合法を用いて
接着されていることとしてもよい。
よび第2の平板部と結合部との間のうちの少なくとも一
方が炭酸ガスレーザー光照射下での陽極接合法を用いて
接着されていることとしてもよい。
【0025】また、前記結合部が第1の平板をエッチン
グ加工することにより形成されていることとしてもよ
い。
グ加工することにより形成されていることとしてもよ
い。
【0026】また、前記第1の平板部を駆動させる第2
の平板部の駆動機構が少なくとも第1の平板部を保持す
る二つ以上の梁を有するヒンジばね構造であることとし
てもよい。
の平板部の駆動機構が少なくとも第1の平板部を保持す
る二つ以上の梁を有するヒンジばね構造であることとし
てもよい。
【0027】また、前記歪量を検出する手段が該検出用
梁部上面部の歪の中立面の両側に形成された一対の圧電
素子の出力差により検出するものであることとしてもよ
い。
梁部上面部の歪の中立面の両側に形成された一対の圧電
素子の出力差により検出するものであることとしてもよ
い。
【0028】また、前記歪量を検出する手段が該検出用
梁部上面部の歪の中立面の両側に形成された一対のピエ
ゾ抵抗素子の出力差により検出するものであることとし
てもよい。
梁部上面部の歪の中立面の両側に形成された一対のピエ
ゾ抵抗素子の出力差により検出するものであることとし
てもよい。
【0029】また、角速度センサが少なくとも二つ以上
積層されてなることとしてもよく、前記二つ以上の角速
度センサの内、一対の角速度センサの振動が逆位相であ
り、この時に得られる各々の角速度センサからの角速度
信号出力の差をとることにより角速度信号を得ることと
してもよい。
積層されてなることとしてもよく、前記二つ以上の角速
度センサの内、一対の角速度センサの振動が逆位相であ
り、この時に得られる各々の角速度センサからの角速度
信号出力の差をとることにより角速度信号を得ることと
してもよい。
【0030】また、前記角速度センサが真空封入されて
いることとしてもよい。
いることとしてもよい。
【0031】さらに、前記第1の平板部に形成される検
出用梁部の検知方向の固有振動数が第1の平板部に形成
される振動機構の固有振動数と概ね同じ周波数であるこ
ととしてもよい。
出用梁部の検知方向の固有振動数が第1の平板部に形成
される振動機構の固有振動数と概ね同じ周波数であるこ
ととしてもよい。
【0032】
【作用】本発明の第1の構成による角速度センサは、検
出部が形成される第1の平板部と、この第1の平板部の
面内方向に対して略直交する上下方向に振動させる駆動
機構および駆動源を有する第2の平板部と、これら第1
の平板部と第2の平板部を各々の端部で結合させる結合
部により構成される。この第1の平板部にはエッチング
により角速度によりコリオリ力を受ける重り部およびこ
の重り部を平板部に保持し重り部および梁部がコリオリ
力を受けた時に平面内方向にたわみ変形する梁部を形成
し、この梁部がたわみ変形して歪む際の中立面に相対し
て平板上両側にそれぞれ設けられた歪量を検出する等価
な検出手段、そしてこの各々の検出手段の出力の差によ
り歪量を検出してコリオリ力を求めて角速度を得る。
出部が形成される第1の平板部と、この第1の平板部の
面内方向に対して略直交する上下方向に振動させる駆動
機構および駆動源を有する第2の平板部と、これら第1
の平板部と第2の平板部を各々の端部で結合させる結合
部により構成される。この第1の平板部にはエッチング
により角速度によりコリオリ力を受ける重り部およびこ
の重り部を平板部に保持し重り部および梁部がコリオリ
力を受けた時に平面内方向にたわみ変形する梁部を形成
し、この梁部がたわみ変形して歪む際の中立面に相対し
て平板上両側にそれぞれ設けられた歪量を検出する等価
な検出手段、そしてこの各々の検出手段の出力の差によ
り歪量を検出してコリオリ力を求めて角速度を得る。
【0033】本発明による第1の平板部材料としては、
シリコン単結晶、推奨、感光性ガラス等フォトリソグラ
フィー法を用いエッチング可能な材料を用いることがで
きる。フォトリソグラフィー法は、高い精度を有するエ
ッチングプロセスの適用が可能なため寸法精度の高い形
状加工が可能であり、小型でも高い感度を有する検出部
の形成が可能と成った。さらに、本発明においては、第
2の平板部を構成する駆動源として燒結PZT(ジルコ
ンチタン酸鉛)を用いており、高い駆動力を基に大きい
振動量を安定して得ることができ制御性の高い振動を実
現できる。このため、本発明の第1の構成による角速度
センサは小型でも高いセンシング感度が得られる。
シリコン単結晶、推奨、感光性ガラス等フォトリソグラ
フィー法を用いエッチング可能な材料を用いることがで
きる。フォトリソグラフィー法は、高い精度を有するエ
ッチングプロセスの適用が可能なため寸法精度の高い形
状加工が可能であり、小型でも高い感度を有する検出部
の形成が可能と成った。さらに、本発明においては、第
2の平板部を構成する駆動源として燒結PZT(ジルコ
ンチタン酸鉛)を用いており、高い駆動力を基に大きい
振動量を安定して得ることができ制御性の高い振動を実
現できる。このため、本発明の第1の構成による角速度
センサは小型でも高いセンシング感度が得られる。
【0034】また、結合部において平板部との間の接着
を陽極接合または光照射下における陽極接合を用いて行
うことも高い感度を得るために有効である。第1の平板
部と第2の平板部の接着部においては、これらの方法に
より精密な接着が可能であり、振動の伝達ロスの少ない
効率の高い駆動を実現している。また、接着時における
接着層のゆがみ等を妨げるとともに接着剤を用いる方法
に比べ高寿命、高信頼性が得られる。また、熱的安定性
が高いためセンサ作製時における200℃以上の高温プ
ロセスにも耐えることが可能である。
を陽極接合または光照射下における陽極接合を用いて行
うことも高い感度を得るために有効である。第1の平板
部と第2の平板部の接着部においては、これらの方法に
より精密な接着が可能であり、振動の伝達ロスの少ない
効率の高い駆動を実現している。また、接着時における
接着層のゆがみ等を妨げるとともに接着剤を用いる方法
に比べ高寿命、高信頼性が得られる。また、熱的安定性
が高いためセンサ作製時における200℃以上の高温プ
ロセスにも耐えることが可能である。
【0035】また、本発明において、第1の平板部と第
2の平板部を結合部を介してコの字型に積層することに
より長さ方向の短いセンサの実現も可能である。
2の平板部を結合部を介してコの字型に積層することに
より長さ方向の短いセンサの実現も可能である。
【0036】また、第1の平板部に検出用の複数の重り
部および梁部をそれぞれ異なった角度で形成することに
より多軸の検知も可能である。
部および梁部をそれぞれ異なった角度で形成することに
より多軸の検知も可能である。
【0037】本発明の角速度センサにおける積層圧電体
は、エッチング加工可能な基板上に絶縁層を形成し(あ
るいは基板自体が絶縁体である場合には絶縁層は省略で
きる)、さらにその上に形成し溝を有する電極層中に圧
電体層を形成、この圧電体層を分極処理することにより
作製される。検出用梁部を形成する平板部材料として
は、シリコン単結晶、水晶、感光性ガラス等フォトリソ
グラフィ法を用いエッチング可能な材料を用いることが
できる。フォトリソグラフィ法は、高い精度を有するエ
ッチングプロセスの適用が可能なため寸法精度の高い形
状加工が可能である。また、絶縁層としては酸化シリコ
ンをシリコンの熱酸化により形成する方法や、酸化シリ
コン膜、窒化シリコン膜、PSG(Phospho S
ilicate Glass)等を各種成膜法を用いて
形成することが可能である。電極層としては、金、白
金、タングステン等の高融点金属材をマスク蒸着法、リ
フトオフ法等を用いて所望の溝パターンをもって形成さ
せることができる。さらに、別の方法としては絶縁膜上
に膜の堆積時または堆積後に拡散法を用いてボロン、リ
等の不純物を加え導電性を付与する方法やノンドープ高
抵抗ポリシリコン膜にイオン注入法を用いて低抵抗化す
る方法を用い低抵抗ポリシリコン膜を形成し、所望のパ
ターンに一部をエッチング除去することにより電極部お
よび溝部を形成する方法である。また、圧電体材料とし
ては分極処理によりその分極方向が制御できるPZT等
を用いることができ、圧電体の形成方法としては、圧電
体原料とバインダーを混合したものをスクリーン印刷す
る方法やゾルゲル法、スパッタ法やMOCVD法などの
真空成膜法の適用が可能である。
は、エッチング加工可能な基板上に絶縁層を形成し(あ
るいは基板自体が絶縁体である場合には絶縁層は省略で
きる)、さらにその上に形成し溝を有する電極層中に圧
電体層を形成、この圧電体層を分極処理することにより
作製される。検出用梁部を形成する平板部材料として
は、シリコン単結晶、水晶、感光性ガラス等フォトリソ
グラフィ法を用いエッチング可能な材料を用いることが
できる。フォトリソグラフィ法は、高い精度を有するエ
ッチングプロセスの適用が可能なため寸法精度の高い形
状加工が可能である。また、絶縁層としては酸化シリコ
ンをシリコンの熱酸化により形成する方法や、酸化シリ
コン膜、窒化シリコン膜、PSG(Phospho S
ilicate Glass)等を各種成膜法を用いて
形成することが可能である。電極層としては、金、白
金、タングステン等の高融点金属材をマスク蒸着法、リ
フトオフ法等を用いて所望の溝パターンをもって形成さ
せることができる。さらに、別の方法としては絶縁膜上
に膜の堆積時または堆積後に拡散法を用いてボロン、リ
等の不純物を加え導電性を付与する方法やノンドープ高
抵抗ポリシリコン膜にイオン注入法を用いて低抵抗化す
る方法を用い低抵抗ポリシリコン膜を形成し、所望のパ
ターンに一部をエッチング除去することにより電極部お
よび溝部を形成する方法である。また、圧電体材料とし
ては分極処理によりその分極方向が制御できるPZT等
を用いることができ、圧電体の形成方法としては、圧電
体原料とバインダーを混合したものをスクリーン印刷す
る方法やゾルゲル法、スパッタ法やMOCVD法などの
真空成膜法の適用が可能である。
【0038】また、平板部に検出用の複数の重り部およ
び梁部をそれぞれ異なった角度で形成することにより高
い感度での多軸の検知も可能である。
び梁部をそれぞれ異なった角度で形成することにより高
い感度での多軸の検知も可能である。
【実施例】以下、図に示す実施例に基づいて本発明をよ
り詳細に説明するが本発明はこれに限定されるものでは
ない。
り詳細に説明するが本発明はこれに限定されるものでは
ない。
【0039】(実施例1−1) 図1から図7は、本発明の角速度センサの第1の実施例
を示すものであり、図1は本実施例の角速度センサの構
造図、図2は図1の本実施例の角速度センサにおける検
出部の上面の拡大図、図3は第2の平板部の形成方法を
示す工程図、図4は本実施例の角速度センサの断面図、
図5は第2の平板部と結合部を陽極接合する際の説明
図、図6は第1の平板部と結合部を陽極接合する際の説
明図、図7は本実施例の変形例を示す図、図8は本実施
例の角速度センサをカメラの手ブレ抑制システムに適用
した場合のシステム図を示している。
を示すものであり、図1は本実施例の角速度センサの構
造図、図2は図1の本実施例の角速度センサにおける検
出部の上面の拡大図、図3は第2の平板部の形成方法を
示す工程図、図4は本実施例の角速度センサの断面図、
図5は第2の平板部と結合部を陽極接合する際の説明
図、図6は第1の平板部と結合部を陽極接合する際の説
明図、図7は本実施例の変形例を示す図、図8は本実施
例の角速度センサをカメラの手ブレ抑制システムに適用
した場合のシステム図を示している。
【0040】図1から図6において、101は単結晶シ
リコンにより構成される第1の平板部、102,103
はそれぞれ第1の平板部101に形成された梁部と重り
部、104は第1の平板部101をエッチング除去して
形成した空隙部、105はPZT(チタン酸ジルコン酸
鉛)で構成されるバイモルフ型駆動素子により成る第2
の平板部、106は第1の平板部101と第2の平板部
105を結合する結合部、107は第2の平板部105
を保持する基台部、108は励振方向、109は検知す
る角速度方向、110はコリオリ力の検知方向、201
は検知用圧電素子、202は検知用圧電素子201の引
出し電極部を構成する下方電極、203は検知用圧電素
子201の引出し電極部を構成する上方電極、204は
梁102の歪の中立面、301は単結晶シリコン基板、
302は窒化シリコン膜、303は梁部102および重
り部103を形成するためのエッチング部、304はシ
リコン(111)面、305は垂直エッチング面、50
1,502は第2の平板部を構成するバイモルフの駆動
用電極、503はシム板、504,505はPZT、5
06,602は酸化シリコン膜、507は負電位印加電
極探針、508は正電位印加電極探針、601は陽極接
合用電極、800は補正光学系、801は光軸中心、8
01P,801Yは各々カメラの縦ブレ、横ブレ方向、
802はレンズ鏡筒、803P,803Yは本実施例で
説明した角速度センサ、804Pおよび804Yは角速
度検知方向、805Pおよび805Yは積分回路、80
6は固定レンズの一部、807Pおよび807Yは補正
光学系駆動部、808Pおよび808Yは補正光学系位
置センサ、809は像面である。
リコンにより構成される第1の平板部、102,103
はそれぞれ第1の平板部101に形成された梁部と重り
部、104は第1の平板部101をエッチング除去して
形成した空隙部、105はPZT(チタン酸ジルコン酸
鉛)で構成されるバイモルフ型駆動素子により成る第2
の平板部、106は第1の平板部101と第2の平板部
105を結合する結合部、107は第2の平板部105
を保持する基台部、108は励振方向、109は検知す
る角速度方向、110はコリオリ力の検知方向、201
は検知用圧電素子、202は検知用圧電素子201の引
出し電極部を構成する下方電極、203は検知用圧電素
子201の引出し電極部を構成する上方電極、204は
梁102の歪の中立面、301は単結晶シリコン基板、
302は窒化シリコン膜、303は梁部102および重
り部103を形成するためのエッチング部、304はシ
リコン(111)面、305は垂直エッチング面、50
1,502は第2の平板部を構成するバイモルフの駆動
用電極、503はシム板、504,505はPZT、5
06,602は酸化シリコン膜、507は負電位印加電
極探針、508は正電位印加電極探針、601は陽極接
合用電極、800は補正光学系、801は光軸中心、8
01P,801Yは各々カメラの縦ブレ、横ブレ方向、
802はレンズ鏡筒、803P,803Yは本実施例で
説明した角速度センサ、804Pおよび804Yは角速
度検知方向、805Pおよび805Yは積分回路、80
6は固定レンズの一部、807Pおよび807Yは補正
光学系駆動部、808Pおよび808Yは補正光学系位
置センサ、809は像面である。
【0041】最初に、図1と図2を用いて本実施例の角
速度センサの基本構成について説明する。
速度センサの基本構成について説明する。
【0042】本実施例においては第2の平板部105の
バイモルフ型駆動素子に一定電圧の交流を印加すること
により結合部106を介して第1の平板部101を矢印
108の方向に振動させる。角速度109がこの振動し
ている第1の平板部101に加わると、検知部である重
り部103および梁部104はコリオリ力検知方向11
0の方向にコリオリ力を受け、梁部102は同方向にた
わみ変形する。この時の歪量が梁の中立面204の両側
に形成した検知用圧電体201を用いて検出される。
バイモルフ型駆動素子に一定電圧の交流を印加すること
により結合部106を介して第1の平板部101を矢印
108の方向に振動させる。角速度109がこの振動し
ている第1の平板部101に加わると、検知部である重
り部103および梁部104はコリオリ力検知方向11
0の方向にコリオリ力を受け、梁部102は同方向にた
わみ変形する。この時の歪量が梁の中立面204の両側
に形成した検知用圧電体201を用いて検出される。
【0043】なお、本実施例において、駆動周波数は1
5kHzとし、入力電圧は±5Vとした。
5kHzとし、入力電圧は±5Vとした。
【0044】また、本実施例において、第1の平板部1
01は1mm厚の<100>方位のn型単結晶シリコン
基板により構成されており、検知用梁部102および重
り部103は、異方性エッチングによって空隙部104
が設けられて一体的に形成されている。また、結合部1
06と第1の平板部101、第2の平板部105は後述
する陽極接合法を用いて接着した。なお、本実施例にお
いては基台部107もシリコン材とし、第2の平板部1
05とも陽極接合法を用いて接着した。
01は1mm厚の<100>方位のn型単結晶シリコン
基板により構成されており、検知用梁部102および重
り部103は、異方性エッチングによって空隙部104
が設けられて一体的に形成されている。また、結合部1
06と第1の平板部101、第2の平板部105は後述
する陽極接合法を用いて接着した。なお、本実施例にお
いては基台部107もシリコン材とし、第2の平板部1
05とも陽極接合法を用いて接着した。
【0045】次に、この角速度センサの作製方法につい
て、図3,図4,図5,図6を用いて詳細に説明する。
て、図3,図4,図5,図6を用いて詳細に説明する。
【0046】図3(a)において、単結晶基板301に
所望の窒化シリコン膜をジクロロシランおよびアンモニ
アガスを原料としたLPCVD成膜法を用いて0.2μ
mの厚さに堆積させた。次に、両面マスクアライナー装
置を用いたフォトリソグラフィ法により基板両面の検出
部の重り部103、検出用梁部102を形成するための
エッチング部303上の窒化シリコン膜を除去した。な
お、窒化シリコン膜の除去は四フッ化炭素を用いた反応
性イオンエッチング法により行った。この基板を約11
0°に加熱した水酸化カリウム水溶液で所望時間エッチ
ングを行い、図3(c)に示す状態を得た。ここで、シ
リコンの(111)結晶面304は結晶面によるエッチ
ング速度の違いにより出現する。また、本実施例では、
エッチング溶液として水酸化カリウム水溶液を用いた
が、ヒドラジン、アンモニア、テトラメチルアンモニウ
ムオキサイド等のシリコンの異方性エッチングを示すエ
ッチング液を用いることができる。図3(d)は、所望
時間エッチングを行い垂直エッチング面305が形成し
た状態である。
所望の窒化シリコン膜をジクロロシランおよびアンモニ
アガスを原料としたLPCVD成膜法を用いて0.2μ
mの厚さに堆積させた。次に、両面マスクアライナー装
置を用いたフォトリソグラフィ法により基板両面の検出
部の重り部103、検出用梁部102を形成するための
エッチング部303上の窒化シリコン膜を除去した。な
お、窒化シリコン膜の除去は四フッ化炭素を用いた反応
性イオンエッチング法により行った。この基板を約11
0°に加熱した水酸化カリウム水溶液で所望時間エッチ
ングを行い、図3(c)に示す状態を得た。ここで、シ
リコンの(111)結晶面304は結晶面によるエッチ
ング速度の違いにより出現する。また、本実施例では、
エッチング溶液として水酸化カリウム水溶液を用いた
が、ヒドラジン、アンモニア、テトラメチルアンモニウ
ムオキサイド等のシリコンの異方性エッチングを示すエ
ッチング液を用いることができる。図3(d)は、所望
時間エッチングを行い垂直エッチング面305が形成し
た状態である。
【0047】次に、図4に示す様に、この第1の平板部
101および第2の平板部105と結合部106、第2
の平板部105と基台部107とを陽極接合したのち検
出圧電体用下方電極202、圧電体201、検出用圧電
体上方電極203を形成して角速度センサを作製した。
なお、電極部は金により構成し真空蒸着法を用い、圧電
体は酸化亜鉛により構成しスパッタ法を用いそれぞれ作
製した。
101および第2の平板部105と結合部106、第2
の平板部105と基台部107とを陽極接合したのち検
出圧電体用下方電極202、圧電体201、検出用圧電
体上方電極203を形成して角速度センサを作製した。
なお、電極部は金により構成し真空蒸着法を用い、圧電
体は酸化亜鉛により構成しスパッタ法を用いそれぞれ作
製した。
【0048】ここで、図5と図6を用いて本実施例に用
いた陽極接合法について説明する。励振用電極501,
502、シム板503、PZT燒結体504,505に
より構成される第2の平板部と結合部106の陽極接合
は図5によって示される。
いた陽極接合法について説明する。励振用電極501,
502、シム板503、PZT燒結体504,505に
より構成される第2の平板部と結合部106の陽極接合
は図5によって示される。
【0049】図5において、第2の平板部上の結合部1
06と接する部分に酸化シリコン層506を形成する。
次に、この酸化シリコン層506とシリコンにより構成
される結合部106を密着し、電圧印加用電極探針50
8と507を用いて電圧を印加した陽極接合を行った。
なお、陽極接合において、温度を380°とし、結合部
106側を正電位、励振用電極501側を負電位として
400Vを10分間印加して行った。
06と接する部分に酸化シリコン層506を形成する。
次に、この酸化シリコン層506とシリコンにより構成
される結合部106を密着し、電圧印加用電極探針50
8と507を用いて電圧を印加した陽極接合を行った。
なお、陽極接合において、温度を380°とし、結合部
106側を正電位、励振用電極501側を負電位として
400Vを10分間印加して行った。
【0050】次に、第1の平板部101と結合部106
との接着について図6を用いて説明する。図6におい
て、第1の平板部101上の結合部106と接する部分
に酸化シリコン層602を形成する。次に、結合部10
6上にアルミニウム電極である陽極接合用電極601を
形成して互いに密着させた後、第2の平板部と結合部1
06の陽極接合と同じ条件で接合を行った。さらに、同
様に基台部107と第2の平板部とを同様な方法を用い
て接着した。
との接着について図6を用いて説明する。図6におい
て、第1の平板部101上の結合部106と接する部分
に酸化シリコン層602を形成する。次に、結合部10
6上にアルミニウム電極である陽極接合用電極601を
形成して互いに密着させた後、第2の平板部と結合部1
06の陽極接合と同じ条件で接合を行った。さらに、同
様に基台部107と第2の平板部とを同様な方法を用い
て接着した。
【0051】なお、本実施例においては酸化シリコンは
スパッタ法、アルミニウム電極は真空蒸着法を用いて形
成したが、それぞれゾルゲル法、スクリーン印刷法等の
他の形成方法も適用することが可能である。また、陽極
接合においては380°の温度を使用したが、第2の平
板部におけるPZT燒結体504,505とシム板との
接着をエポキシ樹脂等の低融点材料を用いている場合に
は、陽極接合時に光を陽極接合部近傍のみに照射して行
うことにより低融点材料による接着部の劣化を防ぐこと
が可能である。
スパッタ法、アルミニウム電極は真空蒸着法を用いて形
成したが、それぞれゾルゲル法、スクリーン印刷法等の
他の形成方法も適用することが可能である。また、陽極
接合においては380°の温度を使用したが、第2の平
板部におけるPZT燒結体504,505とシム板との
接着をエポキシ樹脂等の低融点材料を用いている場合に
は、陽極接合時に光を陽極接合部近傍のみに照射して行
うことにより低融点材料による接着部の劣化を防ぐこと
が可能である。
【0052】本実施例の構成において、エポキシ樹脂に
よる接着法が用いられている第2の平板部を用い、炭酸
レーザーを陽極接合部近傍のみに照射し熱的加熱をする
事なく陽極接合を行ったところエポキシ樹脂部の劣化が
なく、かつ通常の陽極接合と同様の接着が行えた。ま
た、光照射による陽極接合法は接合材料の温度上昇が小
さいため熱膨張係数の異種材料の接合に有効である。
よる接着法が用いられている第2の平板部を用い、炭酸
レーザーを陽極接合部近傍のみに照射し熱的加熱をする
事なく陽極接合を行ったところエポキシ樹脂部の劣化が
なく、かつ通常の陽極接合と同様の接着が行えた。ま
た、光照射による陽極接合法は接合材料の温度上昇が小
さいため熱膨張係数の異種材料の接合に有効である。
【0053】また、陽極接合後に第2の平板部の低融点
材料による接着を行って第2の平板部を形成する方法を
用いれば、低融点材料による接着を用いた第2の平板部
をもつ構成のセンサに対しても通常の陽極接合法を適用
することが可能である。
材料による接着を行って第2の平板部を形成する方法を
用いれば、低融点材料による接着を用いた第2の平板部
をもつ構成のセンサに対しても通常の陽極接合法を適用
することが可能である。
【0054】なお、本実施例においてはセンサ部の外寸
は10×7mmとし、第1の平板部101および第2の
平板部105の厚みはいずれも1mm、結合部106の
厚みは500μmとした。
は10×7mmとし、第1の平板部101および第2の
平板部105の厚みはいずれも1mm、結合部106の
厚みは500μmとした。
【0055】上記構成において、図2における二つの検
出用圧電体の出力信号の差を検出したところ良好に角速
度を検出することができ、1°/secの角速度におい
て0.1mVの出力を得た。
出用圧電体の出力信号の差を検出したところ良好に角速
度を検出することができ、1°/secの角速度におい
て0.1mVの出力を得た。
【0056】本実施例の角速度センサにおいては、薄い
ふたつの平板を結合部を介してコの字型に積層している
ためセンサ長の小さいセンサを提供できる効果がある。
ふたつの平板を結合部を介してコの字型に積層している
ためセンサ長の小さいセンサを提供できる効果がある。
【0057】図7は、本実施例の角速度センサの他の実
施形態であり、ふたつの等価なセンサを基台部107を
介して積層してある。この等価なセンサ部を逆位相で励
振させ二つのセンサ出力の差をとる方法により、重力・
ショック等の外乱の影響を小さくし感度の高い角速度セ
ンサの提供が可能である。
施形態であり、ふたつの等価なセンサを基台部107を
介して積層してある。この等価なセンサ部を逆位相で励
振させ二つのセンサ出力の差をとる方法により、重力・
ショック等の外乱の影響を小さくし感度の高い角速度セ
ンサの提供が可能である。
【0058】また、上述した本実施例の角速度センサに
おいてさらに特性向上を計ることもできる。センサ内部
を減圧状態もしくは真空封入として角速度センサを構成
すると、振動の電気機械変換特性が向上し、10倍〜1
00倍程度の感度向上が可能となる。さらに、この場合
には空気を介在した温度変化の影響を受けにくくなるた
めセンサ出力の熱的安定化が計れる。また、第1の平板
部に形成される検出用梁部の検知方向の固有新同数を第
2の平板部に形成される振動機構の固有振動数を略同じ
周波数にすることにより検出用梁部102の歪量を大き
くすることができ検出感度を高めることが可能である。
おいてさらに特性向上を計ることもできる。センサ内部
を減圧状態もしくは真空封入として角速度センサを構成
すると、振動の電気機械変換特性が向上し、10倍〜1
00倍程度の感度向上が可能となる。さらに、この場合
には空気を介在した温度変化の影響を受けにくくなるた
めセンサ出力の熱的安定化が計れる。また、第1の平板
部に形成される検出用梁部の検知方向の固有新同数を第
2の平板部に形成される振動機構の固有振動数を略同じ
周波数にすることにより検出用梁部102の歪量を大き
くすることができ検出感度を高めることが可能である。
【0059】さらに、本実施例で駆動回路部の一部をC
MOS構成としセンサを形成するシリコン基板内に回路
を形成することも可能である。この場合には、回路構成
部における小型化によるシステムのさらなる小型化が可
能である。
MOS構成としセンサを形成するシリコン基板内に回路
を形成することも可能である。この場合には、回路構成
部における小型化によるシステムのさらなる小型化が可
能である。
【0060】このような特性を有する角速度センサ80
3P,803Yを用いた図8に示されるカメラの手ブレ
抑制システムについて説明する。
3P,803Yを用いた図8に示されるカメラの手ブレ
抑制システムについて説明する。
【0061】レンズ鏡筒802内には、画像光が通過す
る固定レンズ806とともに手ブレを補正するための補
正光学系800が設けられている。
る固定レンズ806とともに手ブレを補正するための補
正光学系800が設けられている。
【0062】画像光の光軸中心801に関する縦ブレ方
向801Pおよび横ブレ方向801Yについて発生した
手ブレは、角速度検知方向804P,804Yへの角速
度として現れ、角速度センサ803P,803Yにより
検出される。角速度センサ803P,803Yの各出力
は補正のために設けられた積分回路805P,805Y
および加算器をそれぞれ介した後に補正光学系駆動部8
07P,807Yに入力される。各補正光学系駆動部8
07P,807Yは各入力に応じて補正光学系800を
移動させる。補正光学系800の移動は、補正光学計位
置センサ808P,808Yにより検出され、該検出内
容を示す出力が負入力として前述した加算器に入力さ
れ、補正光学系800に対するフィードバック制御がな
される。これにより、像面809には手ブレの発生に関
わらずに適正な画像が結像する。
向801Pおよび横ブレ方向801Yについて発生した
手ブレは、角速度検知方向804P,804Yへの角速
度として現れ、角速度センサ803P,803Yにより
検出される。角速度センサ803P,803Yの各出力
は補正のために設けられた積分回路805P,805Y
および加算器をそれぞれ介した後に補正光学系駆動部8
07P,807Yに入力される。各補正光学系駆動部8
07P,807Yは各入力に応じて補正光学系800を
移動させる。補正光学系800の移動は、補正光学計位
置センサ808P,808Yにより検出され、該検出内
容を示す出力が負入力として前述した加算器に入力さ
れ、補正光学系800に対するフィードバック制御がな
される。これにより、像面809には手ブレの発生に関
わらずに適正な画像が結像する。
【0063】上記の手ブレ抑制システムを備えたカメラ
は、本発明の角速度センサを用いたため、小型に構成す
ることができた。
は、本発明の角速度センサを用いたため、小型に構成す
ることができた。
【0064】(実施例1−2) 次に、図9と図10を用いて、本発明の第2の実施例を
詳細に説明する。本実施例は、結合部を第1の平板部材
料からエッチングにより形成することを特徴とするもの
で、梁部および重り部等の基本構成は実施例1−1と同
じである。
詳細に説明する。本実施例は、結合部を第1の平板部材
料からエッチングにより形成することを特徴とするもの
で、梁部および重り部等の基本構成は実施例1−1と同
じである。
【0065】図9において、901は単結晶シリコン基
板、902は窒化シリコン膜、903は梁部および重り
部を形成するためのエッチング部、904はシリコン
(111)面、905はエッチング面、906は垂直エ
ッチング面、907は結合部、1001は検知用圧電素
子、1002は検出用圧電体1001の引出し電極部を
構成する下方電極。1003は検出用圧電体1001の
引出し電極部を構成する上方電極である。
板、902は窒化シリコン膜、903は梁部および重り
部を形成するためのエッチング部、904はシリコン
(111)面、905はエッチング面、906は垂直エ
ッチング面、907は結合部、1001は検知用圧電素
子、1002は検出用圧電体1001の引出し電極部を
構成する下方電極。1003は検出用圧電体1001の
引出し電極部を構成する上方電極である。
【0066】また、本実施例においては、第1の平板部
101は1.3mm厚の<100>方位のn型単結晶シ
リコン基板により構成され、検知用梁部および重り部
は、実施例1−1と同様の異方性エッチング法により一
体的に形成している。また、本実施例においては結合部
1006は第1の平板部と一体的に形成されている。
101は1.3mm厚の<100>方位のn型単結晶シ
リコン基板により構成され、検知用梁部および重り部
は、実施例1−1と同様の異方性エッチング法により一
体的に形成している。また、本実施例においては結合部
1006は第1の平板部と一体的に形成されている。
【0067】次に、この角速度センサの作製方法につい
て、図9および、図10を用いて説明する。
て、図9および、図10を用いて説明する。
【0068】図9(a)から図9(b)にかけての工程
は、実施例1−1と同様な方法を用いているため、説明
は省略する。
は、実施例1−1と同様な方法を用いているため、説明
は省略する。
【0069】図9(c)に示す状態において、所望のエ
ッチング時間エッチングを停止し、下方の窒化シリコン
膜のうち結合部との結合部以外を除去してエッチング面
905を形成する。このあと、水酸化カリウム水溶液に
よるエッチングを再開して図9(d)に示す結合部90
7を同一基板から一体形成する。
ッチング時間エッチングを停止し、下方の窒化シリコン
膜のうち結合部との結合部以外を除去してエッチング面
905を形成する。このあと、水酸化カリウム水溶液に
よるエッチングを再開して図9(d)に示す結合部90
7を同一基板から一体形成する。
【0070】本実施例においては、垂直エッチング面9
06が出現する時間と結合部907の厚みが300μm
となる時間を一致させることにより第1の平板部の厚み
を実施例1−1と同様に1mmとした。図10は、本実
施例の第1の平板部と第2の平板部を実施例1−1と同
様の方法により陽極接合させて作製した角速度センサの
断面図であり、本実施例の角速度センサにおいても実施
例1−1と同様の効果が得られた。
06が出現する時間と結合部907の厚みが300μm
となる時間を一致させることにより第1の平板部の厚み
を実施例1−1と同様に1mmとした。図10は、本実
施例の第1の平板部と第2の平板部を実施例1−1と同
様の方法により陽極接合させて作製した角速度センサの
断面図であり、本実施例の角速度センサにおいても実施
例1−1と同様の効果が得られた。
【0071】なお、本実施例においては結合部907が
シリコン基板901をエッチングすることにより一体形
成されているため、フォトリソグラフィー法を用いた高
い精度での加工が可能である。また、陽極接合部箇所が
少ないため工程の簡略化が計れる効果がある。 (実施例1−3) 次に、図11を用いて本発明の第3の実施例を説明す
る。
シリコン基板901をエッチングすることにより一体形
成されているため、フォトリソグラフィー法を用いた高
い精度での加工が可能である。また、陽極接合部箇所が
少ないため工程の簡略化が計れる効果がある。 (実施例1−3) 次に、図11を用いて本発明の第3の実施例を説明す
る。
【0072】図11において、1101は感光性ガラス
で構成される第1の平板部、1102,1103はそれ
ぞれ第1の平板部1101に形成された梁部と重り部、
1104は第1の平板部1101をエッチング除去して
形成した空隙部、1105はシリコン単結晶基板の一部
をエッチング除去してヒンジバネ構造とした第2の平板
部、1106は第2の平板部に形成された第1の平板部
1101と第2の平板部1105を結合する結合部、1
107は第2の平板部をエッチング除去した空隙部、1
108はPZTで構成された励振素子、1109は検知
用圧電体である。
で構成される第1の平板部、1102,1103はそれ
ぞれ第1の平板部1101に形成された梁部と重り部、
1104は第1の平板部1101をエッチング除去して
形成した空隙部、1105はシリコン単結晶基板の一部
をエッチング除去してヒンジバネ構造とした第2の平板
部、1106は第2の平板部に形成された第1の平板部
1101と第2の平板部1105を結合する結合部、1
107は第2の平板部をエッチング除去した空隙部、1
108はPZTで構成された励振素子、1109は検知
用圧電体である。
【0073】本実施例の角速度センサにおいて、第2の
平板部1105の平板の厚みは1mmで構成されるが、
駆動用励振素子1108が接着されているヒンジ梁部の
みは厚さが250μmとなるようにシリコンをエッチン
グし、紙面に対して垂直な方向に励振する構造とした。
また、本実施例においては、駆動用の励振素子1108
の厚みを250μmとし、検知用圧電素子にはスパッタ
法で形成した酸化亜鉛を用いた。なお、第1の平板部1
101には1mm厚のPEG3感光性ガラス〔HOYA
(株)製〕を用いた。検出部の形成は以下のように行っ
た。
平板部1105の平板の厚みは1mmで構成されるが、
駆動用励振素子1108が接着されているヒンジ梁部の
みは厚さが250μmとなるようにシリコンをエッチン
グし、紙面に対して垂直な方向に励振する構造とした。
また、本実施例においては、駆動用の励振素子1108
の厚みを250μmとし、検知用圧電素子にはスパッタ
法で形成した酸化亜鉛を用いた。なお、第1の平板部1
101には1mm厚のPEG3感光性ガラス〔HOYA
(株)製〕を用いた。検出部の形成は以下のように行っ
た。
【0074】まず、ホトレジスト材を感光性ガラス基板
1101表面にスピン塗布法により形成し、検出用梁部
1102および重り部1103の形状にパターニングし
て光マスク部として紫外線照射を行った。マスク材を取
り除いた後、熱処理による現像を行い、さらにその後、
紫外線を照射して未露光部を露光した。この後、10%
フッ化水素酸溶液でエッチングを行い空隙部1104を
形成した。
1101表面にスピン塗布法により形成し、検出用梁部
1102および重り部1103の形状にパターニングし
て光マスク部として紫外線照射を行った。マスク材を取
り除いた後、熱処理による現像を行い、さらにその後、
紫外線を照射して未露光部を露光した。この後、10%
フッ化水素酸溶液でエッチングを行い空隙部1104を
形成した。
【0075】次に、第1の平板部1101と第2の平板
部1105を第1の平板側を負電位、第2の平板側を正
電位とした通常の陽極接合法により接合する。この後、
検出部用電極(図示せず)としてクロムを下地電極とす
る金電極、検出用圧電素子1109として酸化亜鉛膜お
よび酸化亜鉛膜上の金電極(図示せず)、検出部用引出
し電極(図示せず)をスパッタ法を用いてそれぞれ形成
し角速度センサを形成する。また、励振素子1108と
第2の平板部1105との接着は、電極層および酸化シ
リコ層を形成して実施例1−1と同様の方法で光照射下
での陽極接合法により行った。
部1105を第1の平板側を負電位、第2の平板側を正
電位とした通常の陽極接合法により接合する。この後、
検出部用電極(図示せず)としてクロムを下地電極とす
る金電極、検出用圧電素子1109として酸化亜鉛膜お
よび酸化亜鉛膜上の金電極(図示せず)、検出部用引出
し電極(図示せず)をスパッタ法を用いてそれぞれ形成
し角速度センサを形成する。また、励振素子1108と
第2の平板部1105との接着は、電極層および酸化シ
リコ層を形成して実施例1−1と同様の方法で光照射下
での陽極接合法により行った。
【0076】上記構成において、二つの検出用圧電素子
1109のたわみ変形に伴う出力電圧の差信号を、検出
したところ二つの軸方向に対して良好に角速度を検出す
ることができる。
1109のたわみ変形に伴う出力電圧の差信号を、検出
したところ二つの軸方向に対して良好に角速度を検出す
ることができる。
【0077】また、本実施例における検出部は、二つの
梁部1102によって構成されているためにねじれが生
じにくい構造となり、大きな角速度を検出する場合に有
利なものとなった。
梁部1102によって構成されているためにねじれが生
じにくい構造となり、大きな角速度を検出する場合に有
利なものとなった。
【0078】また、両側から4つの梁部によって重り部
を構成する形態も可能である。この場合には紙面に対し
て上下方向の振動が起きにくい構造となり、上下振動の
激しいところでの用途に適するものとなる。
を構成する形態も可能である。この場合には紙面に対し
て上下方向の振動が起きにくい構造となり、上下振動の
激しいところでの用途に適するものとなる。
【0079】さらに、必要に応じて検出用梁部の形状お
よび数を変えることが可能である。さらに、第2の平板
部に構成されるヒンジ梁構造についても梁の数が四つに
なるもの等の適用が可能である。
よび数を変えることが可能である。さらに、第2の平板
部に構成されるヒンジ梁構造についても梁の数が四つに
なるもの等の適用が可能である。
【0080】また、本実施例では、コリオリ力の検出を
行うための検出部の梁の歪検出を酸化亜鉛圧電体を用い
て行ったが、PZT燒結体をはじめとする他の圧電体、
金属抵抗素子、ピエゾ抵抗素子等の歪検出手段を同様に
適用することが可能である。特に、ピエゾ抵抗素子はイ
オン注入法等の半導体プロセスを用いて形成することが
可能であり高い精度で素子を形成することが可能であ
る。
行うための検出部の梁の歪検出を酸化亜鉛圧電体を用い
て行ったが、PZT燒結体をはじめとする他の圧電体、
金属抵抗素子、ピエゾ抵抗素子等の歪検出手段を同様に
適用することが可能である。特に、ピエゾ抵抗素子はイ
オン注入法等の半導体プロセスを用いて形成することが
可能であり高い精度で素子を形成することが可能であ
る。
【0081】また、本実施例の角速度検知方向は2方向
としたが、さらに必要に応じて任意の方向に検出軸を有
するセンサが同様な方法により形成可能である。これら
は、例えばロボットアーム等の複雑な動きを有する装置
の制御用センサとして用いることも可能である。
としたが、さらに必要に応じて任意の方向に検出軸を有
するセンサが同様な方法により形成可能である。これら
は、例えばロボットアーム等の複雑な動きを有する装置
の制御用センサとして用いることも可能である。
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、以下に記載するような効果を奏する。
いるので、以下に記載するような効果を奏する。
【0082】検出部の形成において高い加工精度を有す
るフォトリソグラフィー法およびエッチング法を用いて
行っており、加工誤差の低減による検出感度の向上を図
ることができる効果がある。
るフォトリソグラフィー法およびエッチング法を用いて
行っており、加工誤差の低減による検出感度の向上を図
ることができる効果がある。
【0083】また、検出部を平板構造とし、結合部を介
して駆動部の設けられた平板部と陽極接合法あるいは光
照射下における陽極接合法により精度の高いかつ力の伝
達効率の高い結合を可能とした。この結果、センササイ
ズを大幅に小さくする効果が得られた。また、フォトリ
ソグラフィー法およびエッチング法は同時に多数個の素
子製造が可能であり、センササイズが小さくなることに
よる原料材の量の減少効果も含め工業的に優れた低コス
トのセンサの提供を可能にする効果がある。
して駆動部の設けられた平板部と陽極接合法あるいは光
照射下における陽極接合法により精度の高いかつ力の伝
達効率の高い結合を可能とした。この結果、センササイ
ズを大幅に小さくする効果が得られた。また、フォトリ
ソグラフィー法およびエッチング法は同時に多数個の素
子製造が可能であり、センササイズが小さくなることに
よる原料材の量の減少効果も含め工業的に優れた低コス
トのセンサの提供を可能にする効果がある。
【図1】本発明の一実施例の構造図である。
【図2】図1に示した実施例における検出部の上面の拡
大図である。
大図である。
【図3】(a)〜(d)のそれぞれは、図1に示した実
施例における第2の平板部の形成方法を示す工程図であ
る。
施例における第2の平板部の形成方法を示す工程図であ
る。
【図4】図1に示した実施例の断面図である。
【図5】図1に示した実施例における第2の平板部と結
合部を陽極接合する際の説明図である。
合部を陽極接合する際の説明図である。
【図6】図1に示した実施例における第1の平板部と結
合部を陽極接合する際の説明図である。
合部を陽極接合する際の説明図である。
【図7】図1に示した実施例における変形例を示す図で
ある。
ある。
【図8】図1に示した実施例をカメラの手ブレ抑制シス
テムに適用した場合のシステム図である。
テムに適用した場合のシステム図である。
【図9】(a)〜(d)のそれぞれは、本発明の第2の
実施例の要部の形成方法を示す工程図である。
実施例の要部の形成方法を示す工程図である。
【図10】本発明の第2の実施例の構造を示す断面図で
ある。
ある。
【図11】本発明の第3の実施例の構造を示す平面図で
ある。
ある。
【図12】従来例の構成を示す図である。
101,1101 第1の平板部 102,1102 梁部 103,1103 重り部 104,1104,1107 空隙部 105,1105 第2の平板部 106,907,1106 結合部 107 基台部 108 励振方向 109 角速度方向 110 検知方向 201 検知用圧電素子 202 下方電極 203 上方電極 204 歪の中立面 301 単結晶シリコン膜 302,902 窒化シリコン膜 303,903 エッチング部 304,904 シリコン(111)面 305,906 垂直エッチング面 501,502 駆動用電極 503 シム板 504,505 PZT 506,602 酸化シリコン膜 507 負電位印加電極探針 508 正電位印加電極探針 601 陽極接合用電極 801 光軸中心 801P 縦ブレ方向 801Y 横ブレ方向 802 レンズ鏡筒 803P,803Y 角速度センサ 804P,804Y 角速度検知方向 805P,805Y 積分回路 806 固定レンズ 807P,807Y 補正光学系駆動部 808P,808Y 補正光学系位置センサ 809 像面 901 単結晶シリコン基板 905 エッチング面 1108 励振素子 1109 検知用圧電体
フロントページの続き (72)発明者 田村 美樹 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 井阪 和夫 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−248264(JP,A) 特開 平4−72679(JP,A) 特開 昭57−160067(JP,A) 特開 昭61−139719(JP,A) 特開 昭63−172915(JP,A) 特開 平4−296657(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 19/56 G01P 9/04
Claims (14)
- 【請求項1】 平板の一部をエッチング除去してなる重
り部と、該重り部と前記平板とを接続する検出用梁部
と、前記重り部および検出用梁部の角速度によって生じ
たコリオリ力を受けて検出用梁部が面内方向に歪変形す
る変形量を検知する手段とを有する第1の平板部と、 圧電素子から成る第2の平板部と、 前記第1の平板部の一端と第2の平板部の一端とを各面
内方向が略平行となるように結合させる結合部と、 前記第2の平板部の他端が固定された基台部と、 を有し、前記第1の平板部と第2の平板部とが結合部を
介してコの字型に結合され、また、前記圧電素子で第2
の平板部を振動させることによって前記第1の平板部を
面内方向と略直交する方向に振動させることを特徴とす
る角速度センサ。 - 【請求項2】 前記重り部および梁部が第1の平板部に
複数個形成されていることを特徴とする請求項1記載の
角速度センサ。 - 【請求項3】 前記コリオリ力により歪を発生させる検
出用梁部がシリコン単結晶基板をエッチングすることに
よって形成されていることを特徴とする請求項1記載の
角速度センサ。 - 【請求項4】 前記第1の平板部が感光性ガラスで構成
されることを特徴とする請求項1記載の角速度センサ。 - 【請求項5】 前記第1の平板部と結合部との間および
第2の平板部と結合部との間のうちの少なくとも一方が
陽極接合法を用いて接着されていることを特徴とする請
求項1記載の角速度センサ。 - 【請求項6】 前記第1の平板部と結合部との間および
第2の平板部と結合部との間のうちの少なくとも一方が
炭酸ガスレーザー光照射下での陽極接合法を用いて接着
されていることを特徴とする請求項1記載の角速度セン
サ。 - 【請求項7】 前記結合部が第1の平板をエッチング加
工することにより形成されていることを特徴とする請求
項1記載の角速度センサ。 - 【請求項8】 前記第1の平板部を駆動させる第2の平
板部の駆動機構が少なくとも第1の平板部を保持する二
つ以上の梁を有するヒンジばね構造であることを特徴と
する請求項1記載の角速度センサ。 - 【請求項9】 前記歪量を検出する手段が該検出用梁部
上面部の歪の中立面の両側に形成された一対の圧電素子
の出力差により検出するものであることを特徴とする請
求項1記載の角速度センサ。 - 【請求項10】 前記歪量を検出する手段が該検出用梁
部上面部の歪の中立面の両側に形成された一対のピエゾ
抵抗素子の出力差により検出するものであることを特徴
とする請求項1記載の角速度センサ。 - 【請求項11】 請求項1記載の角速度センサが少なく
とも二つ以上積層されてなることを特徴とする角速度セ
ンサ。 - 【請求項12】 前記二つ以上の角速度センサの内、一
対の角速度センサの振動が逆位相であり、この時に得ら
れる各々の角速度センサからの角速度信号出力の差をと
ることにより角速度信号を得ることを特徴とする請求項
11記載の角速度センサ。 - 【請求項13】 前記角速度センサが真空封入されてい
ることを特徴とする請求項1記載の角速度センサ。 - 【請求項14】 前記第1の平板部に形成される検出用
梁部の検知方向の固有振動数が第1の平板部に形成され
る振動機構の固有振動数と概ね同じ周波数であることを
特徴とする請求項1記載の角速度センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31053192A JP3155380B2 (ja) | 1992-11-19 | 1992-11-19 | 角速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP31053192A JP3155380B2 (ja) | 1992-11-19 | 1992-11-19 | 角速度センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06160099A JPH06160099A (ja) | 1994-06-07 |
JP3155380B2 true JP3155380B2 (ja) | 2001-04-09 |
Family
ID=18006360
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP31053192A Expired - Fee Related JP3155380B2 (ja) | 1992-11-19 | 1992-11-19 | 角速度センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3155380B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000199714A (ja) * | 1999-01-06 | 2000-07-18 | Murata Mfg Co Ltd | 角速度センサ |
-
1992
- 1992-11-19 JP JP31053192A patent/JP3155380B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH06160099A (ja) | 1994-06-07 |
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