KR100881486B1 - 각속도 센서 - Google Patents

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시게오 나까무라
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히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 진동형 각속도 센서에 있어서 감도 향상을 도모하는 것이다.
평면 형상으로 구성되고, 상기 평면 내의 제1 축 주위의 각속도를 검출하는 센서 소자이며, 상기 평면 내이고 또한 상기 제1 축에 수직인 제2 축 방향의 회전축 주위에 회전 가능하게 지지된 회전 진동체와, 상기 회전 진동체를 회전 진동시키는 진동 발생 수단과, 상기 회전 진동체의 내부에 상기 회전축을 경계로 좌우로 분리되어 배치되고, 상기 제2 축 방향으로 변위 가능하게 지지된 제1 검출 진동자 및 제2 검출 진동자를 갖고, 상기 제1 및 제2 검출 진동자 각각에 대해 코리올리힘에 의한 상기 제2 축 방향의 진동을 검출하는 제1 검출부 및 제2 검출부를, 상기 제1 및 제2 검출 진동자보다도 상기 회전축에 가깝게 배치한다.
각속도 센서, 지지 기판, 소자 기판, 배선 기판, 회전 진동체

Description

각속도 센서 {ANGULAR RATE SENSOR}
도1은 본 발명의 제1 실시예의 각속도 센서의 단면 모식도.
도2는 제1 실시예의 각속도 센서의 소자 기판의 구조를 도시하는 평면 모식도.
도3은 회전 진동체의 구동 방법의 일례를 설명하는 단면 모식도.
도4는 검출 회로의 구성의 일례를 도시하는 모식도.
도5는 제어 IC와 조합한 각속도 센서 모듈의 구성의 일례를 도시하는 단면 모식도.
도6은 제2 실시예인 2축 주위의 각속도 검출을 실현하는 모듈 구성의 일례를 도시하는 모식도.
도7은 제3 실시예의 각속도 센서의 소자 기판의 구조를 도시하는 평면 모식도.
도8은 제4 실시예의 각속도 센서의 소자 기판의 구조를 도시하는 평면 모식도.
도9는 제5 실시예의 각속도 센서의 소자 기판의 구조를 도시하는 평면 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 각속도 센서
2 : 지지 기판
3 : 소자 기판
4 : 배선 기판
10 : 회전 진동체
11 : 횡단 프레임
12 : 회전축
13 : 지지 들보
14 : 비틀림 들보
15 : 앵커
20 : 제1 검출 진동자
21 : 제1 구동 평면 전극
22 : 제1 구동부
23 : 제1 가동측 구동 빗살 무늬 전극
24 : 제1 구동 빗살 무늬 지지체
25 : 제1 고정측 구동 빗살 무늬 전극
26 : 제1 검출부
27 : 제1 가동측 검출 빗살 무늬 전극
28 : 제1 검출 빗살 무늬 지지체
29 : 제1 고정측 검출 빗살 무늬 전극
30 : 제2 검출 진동자
31 : 제2 구동 평면 전극
32 : 제2 구동부
33 : 제2 가동측 구동 빗살 무늬 전극
34 : 제2 구동 빗살 무늬 지지체
35 : 제2 고정측 구동 빗살 무늬 전극
36 : 제2 검출부
37 : 제2 가동측 검출 빗살 무늬 전극
38 : 제2 검출 빗살 무늬 지지체
39 : 제2 고정측 검출 빗살 무늬 전극
43 : 감산기
44 : 각속도 검출 회로
45 : 가산기
46 : 가속도 검출 회로
50, 53 : 기판
51 : 절연막
52 : 측벽부
54 : 절연막
55 : 표층 절연막
56 : 제1 접합 부재
57 : 제2 접합 부재
58 : 캐비티
59 : 제1 전기 접속 패드
60 : 제2 전기 접속 패드
61 : 배선 패드
62 : 배선
63, 73 : 외부 전기 접속 패드
70 : 각속도 센서 모듈
71 : 제어 IC
72 : 접착층
74 : 와이어
75 : 제1 센서 유닛
76 : 제2 센서 유닛
[문헌 1] 일본 특허 공개 제2000-74676호 공보
[문헌 2] 일본 특허 공표 제2003-509670호 공보
본 발명은 각속도를 검출하는 소형 센서에 관한 것이다.
각속도 센서(자이로 센서)를 실현하는 기술로서, 최근 MEMS(마이크로일렉트로메카니컬시스템)의 분야에 있어서, 실리콘 기판 등을 재료로 하여 반도체 제조 기술을 응용하여 대량 생산 가능하며 소형의 가속도 센서를 제조하는 연구가 왕성하게 이루어지고 있다.
상기 기술에서 주된 것은 진동 자이로라 불리고, 측정하는 각속도의 회전축 방향을 제1 축이라 하면, 제1 축에 수직인 제2 축 방향으로 진동자를 진동시켜 두고(구동 진동), 각속도에 비례하여 제1 축과 제2 축의 양쪽에 수직인 제3 축 방향으로 발생하는 코리올리힘에 의한 진동(검출 진동)을 검출한다는 것이다.
상기 검출 진동은 매우 작기 때문에, 정밀도 좋게 검출하기 위해서는 다양한 고안을 요한다. 검출 진동은 구동 진동 진폭에 비례하므로, 공진점에서 구동함으로써 구동 진폭을 크게 하고, 또한 검출의 공진 주파수를 구동측과 일치시킴으로써 검출 진동의 진폭을 크게 하는 등의 고안으로 되어 있다. 또한, 검출 진동과 같은 방향의 가속도가 가해지면, 검출 진동과 같은 방향으로 변위하여 원하는 진동으로 분리할 수 없으므로, 그것이 노이즈가 된다는 과제가 있다.
종래의 각속도 센서로서 일본 특허 공개 제2000-74676호 공보에 기재되는 것이다. 이 각속도 센서는 동일 구조의 센서 소자를 2개 나열하고, 2개의 진동자를 역상으로 진동시킨다. 그렇게 하면, 검출 진동도 역상이 되고, 한쪽에서 가속도에 의한 변위는 동상(同相)이므로, 2개의 진동자의 검출 신호의 차분을 취함으로써 가속도 성분을 캔슬하는 것이다.
또한, 종래의 각속도 센서로서 일본 특허 공표 제2003-509670호 공보에 기재 된 것이다. 이 각속도 센서는 원판 형상의 진동자를 비틀림 들보를 회전 중심으로 하여 회전 진동시킴으로써 구동 진동을 부여하고, 진동자에 관한 코리올리힘을 검출용 진동자의 회전으로 변환하여 검출한다. 이 검출 진동자는 회전 방향 이외의 방향으로는 변위하기 어렵게 구성하고, 원하는 각속도 이외의 방향의 각속도 및 가속도에 대해 반응하기 어렵게 하여 노이즈를 억제하고자 하는 것이다.
일본 특허 공개 제2000-74676호 공보에 기재되어 있는 차동 검출의 방식에 있어서 정밀도 좋게 검출하기 위해서는 2개의 진동자를 동기하여 구동하고, 또한 양자의 검출 감도가 일치하고 있을 필요가 있지만, 가공 정밀도 등의 과제로부터 양쪽 진동자의 공진 주파수를 일치시키는 것이 어렵다는 과제가 있다. 일본 특허 공개 제2000-74676호 공보의 각속도 센서에서는 정전력을 인가하여 공진 주파수를 조정하기 위한 다른 기구를 마련함으로써 상기 과제를 해결한다. 그러나, 공진 주파수 조정 기구의 추가에 의해 구성 및 제어가 복잡하므로, 구조의 간략화 및 제어의 용이화의 점에서 개량의 여지가 있다.
또한, 일본 특허 공표 제2003-509670호 공보의 각속도 센서에서는 원판 형상 진동자의 회전축에 평행한 방향으로 작용하는 코리올리힘을 회전축과 수직인 축 주위의 검출 진동 토크로서 이용하기 때문에, 코리올리힘 성분의 모두가 검출 진동 토크에 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 검출 감도의 점에서 개량의 여지가 있다.
본 발명의 목적은 검출 진동의 진폭을 크게 하고, 또한 가속도 성분 등에 기인하는 노이즈도 저감하여 높은 검출 감도를 갖는 각속도 센서를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,
평면 형상으로 구성되고, 상기 평면 내의 제1 축 주위의 각속도를 검출하는 센서 소자이며,
상기 평면 내이고 또한 상기 제1 축에 수직인 제2 축 방향의 회전축 주위에 회전 가능하게 지지된 회전 진동체와,
상기 회전 진동체를 회전 진동시키는 진동 발생 수단과,
상기 회전 진동체의 내부에, 상기 회전축을 경계로 좌우로 분리되어 배치되고, 상기 제2 축 방향으로 변위 가능하게 지지된 제1 검출 진동자 및 제2 검출 진동자를 갖고,
상기 제1 및 제2 검출 진동자 각각에 대해, 코리올리힘에 의한 상기 제2 축 방향의 진동을 검출하는 제1 검출부 및 제2 검출부를, 상기 제1 및 제2 검출 진동자보다도 상기 회전축에 가깝게 배치한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 복수의 실시예에 대해 도면을 이용하여 설명한다. 각 실시예의 도면에 있어서의 동일 부호는 동일물 또는 상당물을 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예의 각속도 센서에 대해 도1 내지 도3을 이용하여 설명한다. 도1은 본 실시예의 단면 모식도를, 도2는 본 실시예의 소자 기판의 평면 모식도를 나타낸다.
도1에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 각속도 센서(1)는 지지 기판(2), 소자 기판(3), 배선 기판(4)의 3층으로 구성되어 있다. 센서의 가동부는 소자 기판(3) 내에 형성되어 있고, 소자 기판(3) 내의 구조는 지지 기판(2)에 접합하여 고정된 부분과, 지지 기판(2)으로부터 떨어져 소자 기판(3) 내에서 변위 가능하게 지지된 부분이 있다.
소자 기판(3)의 구조를 도2를 이용하여 설명한다. 이하의 설명에서는 지면 좌우측 방향을 x 방향, 상하 방향을 y 방향, 지면에 수직의 방향을 z 방향으로서 설명한다. 이하에 설명하는 구성으로, x 방향의 축 주위의 각속도를 검출하는 각속도 센서를 실현한다. 회전 진동체(10)는 x 방향으로 긴 2개의 횡단 프레임(11)과, 회전축(12)을 경계로 좌우로 분리되어 배치되는 제1 검출 진동자(20) 및 제2 검출 진동자(30)로 구성되고, 제1 및 제2 검출 진동자는 각각 2개씩의 지지 들보(13)에 의해 횡단 프레임(11)에 지지되어 있고, 또한 횡단 프레임(11)은 회전축(12)에 따라 배치된 2개의 비틀림 들보(14)에 의해, 앵커(15)에 접속되어 있다. 앵커(15)는 부분적으로 지지 기판(2)에 접합되어 있기 때문에 고정되어 있고, 비틀림 들보(14), 횡단 프레임(11), 지지 들보(13), 제1 검출 진동자(20) 및 제2 검출 진동자(30)는 지지 기판(2)으로부터 떨어져 있어 변위 가능하다. 회전 진동체(10)는 비틀림 들보(14)가 비틀어짐으로써 회전축(12) 주위에 회전 가능하고, 제1 및 제2 검출 진동자(20, 30)는 지지 들보(13)가 구부러짐으로써 y 방향으로 변위 가능하게 되어 있다.
회전 진동체(10)의 구동 수단으로서, 도2에 도시한 바와 같이 배선 기판(4) 상에 제1 구동 평면 전극(21) 및 제2 구동 평면 전극(31)을 갖는다. 소자 기판(3)은, 예를 들어 불순물 주입에 의해 도전성을 향상시킨 실리콘 기판 등이 이용되어 도전성을 갖는다. 회전 진동체(10)를 등전위로 유지하고, 제1 및 제2 구동 평면 전극(21, 31)에 교대로 회전 진동체의 전위차를 부여함으로써, 회전 진동체(10) 사이에 정전 흡인력을 발생시켜 회전 진동체(10)를 회전축(12) 주위에 진동시킬 수 있다. 또한, 구동력을 향상시키기 위해, 도1에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 검출 진동자(20, 30)의 외측에 제1 구동부(22) 및 제2 구동부(32)를 마련해도 좋다. 제1 구동부(22)는 제1 검출 진동자(20)에 접속된 복수의 제1 가동측 구동 빗살 무늬 전극(23)과, 지지 기판(2)에 부분적으로 접합하는 제1 구동 빗살 무늬 지지체(24)에 접속된 복수의 제1 고정측 구동 빗살 무늬 전극(25)이 교대로 배열되어 이루어진다. 제2 구동부(32)도 마찬가지로, 제2 검출 진동자(30)에 접속된 복수의 제2 가동측 구동 빗살 무늬 전극(33)과, 지지 기판(2)에 부분적으로 접합하는 제2 구동 빗살 무늬 지지체(34)에 접속된 복수의 제2 고정측 구동 빗살 무늬 전극(35)이 교대로 배열되어 이루어진다. 도3의 단면 모식도에 도시한 바와 같이 회전 진동체(10)가 기울어지고, 제1 가동측 구동 빗살 무늬 전극(23) 또는 제2 가동측 구동 빗살 무늬 전극(33)과 제1 고정측 구동 빗살 무늬 전극(25) 또는 제2 고정측 구동 빗살 무늬 전극(35)이 z 방향으로 어긋난 타이밍에서 양자에 전위차를 부여함으로써, 정전 흡인력을 발생시켜 회전 진동체(10)의 기울기의 복귀하는 힘을 발생시킨다. 상기 제1 및 제2 구동 평면 전극(21, 31) 및 빗살 무늬 전극을 갖는 제1 및 제2 구동부(22, 32)를 연동하여 제어함으로써, 작은 전력으로 큰 구동 진동을 얻는 것이 가능하다.
검출 진동자의 진동을 감지하는 수단으로서, 도2에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 검출자(20, 30)에 대해, 각각 제1 검출부(26) 및 제2 검출부(36)를 갖는다. 제1 및 제2 검출부(26, 36)는 제1 및 제2 검출 진동자(20, 30)보다도 회전축(12)으로 보아 가까운 위치에 배치된다. 본 실시예에서는 회전축(12)을 대칭축으로 하여 좌우 대칭의 구성으로 되어 있다. 제1 검출부(26)는 제1 검출 진동자(20)에 접속된 복수의 제1 가동측 검출 빗살 무늬 전극(27)과, 지지 기판(2)에 부분적으로 접합하는 제1 검출 빗살 무늬 지지체(28)에 접속된 복수의 제1 고정측 검출 빗살 무늬 전극(29)이 교대로 배열되어 이루어진다. 마찬가지로, 제2 검출부(36)는 제2 검출 진동자(30)에 접속된 복수의 제2 가동측 검출 빗살 무늬 전극(37)과, 지지 기판(2)에 부분적으로 접합하는 제2 검출 빗살 무늬 지지체(38)에 접속된 복수의 제2 고정측 검출 빗살 무늬 전극(39)이 교대로 배열되어 이루어진다. 상기 제1 및 제2 검출부(26, 36)에서는 검출 진동자의 y 방향의 변위에 추종하여 가동측 검출 빗살 무늬 전극도 변위하고, 고정측 검출 빗살 무늬 전극 사이의 갭이 변화되고, 그에 수반하는 정전용량 변화를 검출한다. 회전 진동체(10)의 회전 진동에 수반하여, 제1 검출 진동자(20)와 제2 검출 진동자(30)는 z 방향으로 서로 역상으로 진동하고 있으므로, x 방향의 검출 축 주위의 각속도에 의해 발생하는 코리올리힘에 의한 y 방향의 진동도 제1 및 제2 검출 진동자(20, 30)에 의해 서로 역상이 된다. 따라서, 제1 및 제2 검출부(26, 36)에서는 한쪽의 정전용량이 증가되고, 다른 쪽은 감소하게 된다. 여기서, 본 실시예의 각속도 센서에 y 방향의 가속도가 가해진 경우를 생각하면, 제1 및 제2 검출 진동자(20, 30)는 같은 방향으로 변위하고, 검출부의 정전용량 변화도 동시에 증가 또는 감소한다. 따라서, 제1 및 제2 검출부(26, 36)의 검출 신호의 차분을 취함으로써, 가속도에 의한 동상의 검출 신호는 캔슬되고, 각속도의 역상의 검출 신호는 2배가 되므로 가속도의 노이즈를 제거하여 원하는 각속도 검출 감도를 2배로 할 수 있다. 또한, 반대로 검출 신호의 가산을 취함으로써, X축 주위의 각속도를 캔슬하고, y 방향의 가속도를 검출할 수도 있다. 본 발명에서는 제1 및 제2 검출 진동자(20, 30)의 z 방향 진동이 하나의 회전 진동체(10)의 회전 진동에 의해 부여되므로, 제1 및 제2 검출 진동자(20, 30)의 진폭은 일치하고, 위상은 역전하는 것이 구조적으로 보증되고, 양자의 차동(差動)에 의한 검출의 감도를 높게 할 수 있다. 상기 검출부의 구성을 도4를 이용하여 설명하면 제1 및 제2 검출부(26, 36)로부터 인출된 신호는 감산기(43)에 접속하여 차분이 취해지고, 그 출력이 각속도 검출 회로(44)에 입력되어 각속도 검출 신호를 얻을 수 있다. 또한, 제1 및 제2 검출부(26, 36)로부터 인출된 신호는 가산기(45)에도 접속하여 가산되고, 그 출력이 가속도 검출 회로(46)에 입력되어 가속도 검출 신호를 얻을 수 있다.
본 발명은 검출 진동자의 z 방향 진동이 회전 진동에 의해 부여되는 구성에 있어서, 제1 및 제2 검출부(26, 36)가 제1 및 제2 검출 진동자(20, 30)보다도 회전축(12)에 가까운 측에 배치되는 점이 특징적이다. 검출 진동자는 회전축으로부터의 거리가 길기 때문에, 동일한 회전 진동체의 회전 각도 진폭에서도 검출 진동자의 z 방향 진동 진폭이 크다. 코리올리힘은 진동자의 속도에 비례하기 때문에, 주파수가 일정하면 진동 진폭이 클수록 커지므로 검출 감도를 높일 수 있다. 한편으로 검출부의 가동측 검출 빗살 무늬 전극은 회전축으로부터의 거리가 짧기 때문에, z 방향 진동 진폭이 작게 억제된다. 검출은 y 방향의 미소한 변위를 파악할 필요가 있고, z 방향의 큰 구동 진동은 노이즈의 원인이 되기 쉽기 때문에, 본 발명에서는 z 방향 진동 진폭을 작게 할 수 있으므로 노이즈의 저감에 효과가 있다.
또한, 도2에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 검출부(26, 36)는 빗살 무늬 전극의 한쪽을 부분적으로 돌출한 구조로 해도 좋다. 예를 들어, 본 실시예와 같이 제1 및 제2 고정측 검출 빗살 무늬 전극(29, 39)의 일부를, 쌍을 이루는 제1 및 제2 가동측 검출 빗살 무늬 전극(27, 37)의 측으로 부분적으로 돌출한 구조로 한다. 고정측 검출 빗살 무늬 전극의 돌출부의 단부(40)는 가동측 검출 빗살 무늬 전극의 단부(41)보다도 내측으로 오도록 하여 돌출부가 전부 가동측 검출 빗살 무늬 전극에 대면하도록 한다. 이러한 구조는 x 방향 가속도에 의한 검출 신호를 캔슬하는 데 유효하다. 본 실시예의 각속도 센서에 x 방향 가속도가 가해지면, 비틀림 들보(14)는 x 방향 변위에 대한 강성이 비교적 작기 때문에, 회전 진동체(10)가 x 방향으로 변위하고, 제1 및 제2 검출 진동자(20, 30)도 x 방향과 같은 방향으로 변위한다. 그렇게 하면, 검출부의 빗살 무늬 전극은 슬라이드하여 대면하는 면적이 변화되므로 정전용량 변화가 발생된다. 이 정전용량 변화는 제1, 제2 검출부(26, 36)로 서로 역상이 되기 때문에, 원하는 각속도 검출 신호와 마찬가지로 차동 검출에 의해 캔슬되지 않은 성분이다. 따라서, 상기한 바와 같은 돌출부를 갖는 구조로서, 가동측 검출 빗살 무늬 전극이 x 방향으로 슬라이드 해도 근접하여 대면하는 면적이 변화되지 않도록 함으로써 x 방향 가속도에 기인하는 노이즈를 제거할 수 있다.
소자 기판의 회전 진동체의 두께는 수십 내지 수백 마이크론 정도로 형성하고, 지지 들보(13)나 비틀림 들보(14)는 유연성을 부여하기 때문에 수마이크론의 폭으로 형성하고, 들보의 단면은 평면 방향에 대해 수직 방향으로 종횡비가 높은 형상이 된다. 이러한 들보 단면 형상은 MEMS 기술을 이용한 종래의 각속도 센서에서도 마찬가지이다. 그러나, 진동자를 z 방향으로 진동시킬 경우, z 방향으로 종횡비가 큰 지지 들보에서는 진동 방향의 강성이 높기 때문에, 들보를 길게 하는 등으로 하여 강성을 내려야만 하고, 그렇게 하면 평면 방향의 강성이 보다 저하되어 바람직하지 않은 평면 방향의 변위가 쉽게 나오게 된다. 본 발명에서는 z 방향의 진동을 들보 비틀림에 의해 부여하고 있고, z 방향으로 종횡비가 높은 들보 비틀림 방향의 강성이 낮으므로, 짧아도 필요한 유연성을 쉽게 얻는다는 특징이 있다.
또한, 본 실시예의 회전 진동체(10)는 중앙의 1 부위의 앵커(15)로 지지 기판(2)에 접합되어 있는 것도 특징이다. 복수의 지지 들보를 통해 복수의 앵커에 지지된 종래의 각속도 센서에서는 외력 등에 의해 센서 전체에 휘어짐이 발생되면, 지지 들보에 인장이나 압축의 응력이 가해지고, 지지 들보의 강성이 변화되어 공진 주파수가 변화되는 과제가 있었다. 본 실시예에서는 1 부위의 앵커로 지지되어 있기 때문에, 그러한 문제가 없다.
단면 구조의 상세에 대해 도1을 이용하여 더 설명한다. 지지 기판(2)은, 예를 들어 실리콘을 재료로 한 기판(50)을 이용하고, 소자 기판(3)과의 접합면측에 실리콘을 열산화하는 등으로 하여 절연막(51)을 형성한다. 소자 기판(3)의 앵커(15), 제1 및 제2 구동 빗살 무늬 지지체(24, 34), 제1 및 제2 검출 빗살 무늬 지지체(27, 37)는 상기 절연막(51)을 통해 지지 기판(2)에 적어도 일부분이 접합되어 있다. 또한, 소자 기판(3)은 외주를 둘러싸는 측벽부(52)를 갖고, 이것도 지지 기판(2)에 접합되어 있다. 배선 기판(4)은, 예를 들어 실리콘 기판을 재료로 한 기판(53)을 이용하고, 소자 기판(3)과 마주 보는 면측에 실리콘을 열산화하는 등으로 하여 절연막(54)을 형성하고 있고, 그 위에 제1 및 제2 구동 평면 전극(21, 31)을 포함하는 배선 및 전극의 패턴이 형성되어 있다. 그 위에, 예를 들어 실리콘 질화막 등을 이용한 표층 절연막(55)을 형성한다. 배선 기판(4)은 소자 기판(3)의 측벽부(52)에 있어서 소자 기판(3)과 접합된다. 접합 방법으로서는, 예를 들어 배선 기판(4)측의 표층 절연막(55) 상에 제1 접합 부재(56)를, 소자 기판(3)측의 측벽부(52) 상에 제2 접합 부재(57)를 형성해 두고, 양자를 열압착함으로써 접합할 수 있다. 제1 및 제2 접합 부재(56, 57)에는, 예를 들어 금-주석 화합물을 이용할 수 있다. 이상과 같이 하여, 지지 기판(2), 배선 기판(4) 및 측벽부(52)에 의해 둘러싸여진 폐쇄 공간을 형성할 수 있어 내부를 감압함으로써 공기 저항을 저감하고, 진동의 진폭을 크게 하여 검출 감도를 높게 할 수 있다.
회전 진동체(10)는 회전 진동함으로써 z 방향으로 변위하기 위해, 지지 기판(2) 및 배선 기판(4)에 부딪치지 않는 정도에 회전 진동체(10)의 상하로 공간을 갖는다. 본 실시예에 있어서는 지지 기판(2)측은 지지 기판(2)의 절연막(51) 및 기판(50)을 부분적으로 제거한 캐비티(58)를 형성하여 그 공간을 부여한다. 회전 진동체(10)의 z 방향 최대 변위가 절연막(51)의 두께보다 클 경우는 이러한 대책이 필요하다. 그 경우라도, 회전축(12)으로부터 가까운 영역에서 z 방향 변위가 절연 막(51)의 두께보다 작은 부분에서는 절연막(51)을 제거하는 것만으로 대응할 수도 있다. 예를 들어, 비틀림 들보(14)의 바로 아래 등은 절연막(51)의 제거만으로 대응 가능하다. 배선 기판(4)측의 공간은 소자 기판(3)에 있어서 측벽부(52)가 회전 진동체(10)보다도 돌출되도록 형성함으로써 부여한다. 이러한 형상은, 예를 들어 소자 기판에 대해 돌출부 이외의 부분을 우선 드라이 에칭으로 제거한 후, 스프레이 도포 등의 방법으로 마스크가 되는 레지스트를 도포하고, 회전 진동체 등의 형상을 패터닝하여 다시 드라이 에칭으로 가공하는 방법을 이용할 수 있다.
소자 기판(3) 내의 각 부의 외부와의 전기 접속은, 예를 들어 이하와 같이 실현된다. 소자 기판(3)에서는 회전 진동체(10), 제1 구동 빗살 무늬 지지체(24), 제2 구동 빗살 무늬 지지체(34), 제1 검출 빗살 무늬 지지체(28), 제2 검출 빗살 무늬 지지체(38)는 각각 분리되어 있고, 절연막(51)을 통해 지지 기판(2)에 접합되어 있으므로, 서로 전기적으로 분리되어 있다. 각각에 외부로부터 급전하기 때문에, 도1 및 도2에 도시한 바와 같이 앵커(15), 제1 및 제2 구동 빗살 무늬 지지체(24, 34), 제1 및 제2 검출 빗살 무늬 지지체(28, 38) 상에 각각 제1 전기 접속 패드(59)를 갖고, 대면하는 배선 기판(4) 상에도 마찬가지로 제2 전기 접속 패드(60)를 형성하고, 양자를 접합함으로써 전기적 접속을 얻는다. 제1 및 제2 전기 접속 패드(59, 60)는 상기 제1 및 제2 접합 부재(56, 57)와 마찬가지로 금-주석 화합물로 형성하고, 동시에 열압착에 의해 접합할 수 있다. 제2 전기 접속 패드(60)의 바로 아래에는 표층 절연막(55)에 개구부를 형성하고 있고, 절연막(54) 상에 형성되어 있는 배선 패드(61)로부터 배선(62)을 통해, 측벽부(52)의 외측에 배치된 외부 전기 접속 패드(63)까지 전기적으로 접합된다. 또한, 제1 및 제2 구동 평면 전극(21, 31)에 대해서도 측벽의 외측의 외부 전기 접속 패드까지 배선을 통해 인출된다. 이와 같이 하여, 외부 전기 접속 패드(63)를 통해, 예를 들어 앵커(15)와 제1 구동 빗살 무늬 지지체(24) 사이에 전위차를 부여함으로써 제1 구동부(22)에 구동력을 발생시키고, 또한 앵커(15)와 제1 검출 빗살 무늬 지지체(28) 사이의 정전용량 변화를 검출함으로써 제1 검출부(26)의 신호를 검출할 수 있다.
각속도 센서로서 기능하기 위해서는, 진동자의 구동의 제어나 미소한 정전용량 변화의 검출 등을 담당하는 제어부가 필요하다. 상기 제어부에는 전술한 검출을 위한 감산기(43), 각속도 검출 회로(44), 가산기(45), 가속도 검출 회로(46)도 포함한다. 상기 제어부를 포함하는 각속도 센서 모듈(70)을, 예를 들어 도5에 도시한 바와 같이 구성할 수 있다. 제어부에 상당하는 제어 IC(71)의 접착층(72)을 통해 지지 기판(2)의 소자 기판(3)과는 반대 면에 접속하고, 제어 IC(71) 표면의 외부 전기 접속 패드(73)와, 배선 기판(4)의 외부 전기 접속 패드(63) 사이를 와이어 본딩 등의 수단으로, 와이어(74)를 이용하여 접속할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 배선 기판(4)에 제작해도 좋다. 그렇게 함으로써, 상기 제어 IC(71)를 별도로 마련할 필요가 없지만, 보다 소형의 센서를 실현할 수 있다. 또한, 제어부를 지지 기판(2)의 소자 기판(3)과는 반대 면의 표면에 제작하는 등으로 해도 좋다.
본 발명의 제2 실시예는, 제1 실시예에서 설명한 각속도 센서의 구조를 2개 배열하고, 2축의 각속도 검출을 가능하게 한 예를 나타낸다. 도6에 도시한 바와 같이 제1 센서 유닛(75)에 의해 X축 주위의 각속도를, 제2 센서 유닛(76)에 의해 y 축 주위의 각속도를 검출할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 제1 및 제2 검출부의 검출 신호의 가산을 취함으로써, 제1 센서 유닛(75)에 의해 y 방향의 가속도를 제2 센서 유닛(76)에 의해 x 방향의 가속도를 검출할 수도 있다.
다음에, 소자 기판 내의 구조가 다른 실시예에 대해 설명한다.
본 발명의 제3 실시예의 각속도 센서에 대해 도7을 이용하여 설명한다. 도2에 도시한 제1 실시예와 다른 것은 회전 진동체의 구조이다. 본 실시예의 회전 진동체(80)는 비틀림 들보(14)에 접합하고, x 방향으로 신장하는 2개의 제1 프레임(81)과, 제1 프레임(81)에 접합하고, y 방향으로 신장하는 2개의 제2 프레임(82)을 갖는다. 제1 구동부(22)의 제1 가동측 구동 빗살 무늬 전극(23)은 제2 프레임(82)의 회전축(12)과 반대측에 접합되어 있고, 검출 진동자(83)가 지지 들보(84)를 통해, 제2 프레임(82)의 회전축(12)의 측에 접합되어 있다. 지지 들보(84)는 검출 진동자(83)가 y 방향으로 변위할 수 있게 유연성을 갖고 있다. 본 실시예에서는, y 방향의 코리올리힘이 검출 진동자(83)에 가해짐으로써 검출 진동자(83)는 지지 들보(84)의 제2 프레임(82)측의 지지점을 중심으로 하여 회전하도록 변위하기 때문에, 제1 가동측 검출 빗살 무늬 전극(27)의 y 방향의 변위를 검출 진동자(83)가 y 방향으로 평행하게 변위하는 경우와 비교하여 확대할 수 있다. 따라서, 검출의 감도를 높이는 효과가 있다. 또한, 코리올리힘에 대해 제2 프레임(82)은 거의 변위하지 않으므로, 제1 가동측 구동 빗살 무늬 전극(23)도 y 방향으로 변위하기 어렵고, 제1 가동측 구동 빗살 무늬 전극(23)과 제1 고정측 구동 빗살 무늬 전극(25)의 y 방향 갭이 변화되기 어렵기 때문에, 구동을 쉽게 안정화시키기 특징이 있다.
본 발명의 제4 실시예의 각속도 센서에 대해 도8을 이용하여 설명한다. 도2에 도시한 제1 실시예와 다른 것은 좌우의 검출 진동체를 각각 y 방향으로 2 분할한 점이다. 회전축(12)을 중심으로 좌우 대칭으로 배치하는 것은 마찬가지이므로, 한쪽만 설명한다. 회전 진동체(90)는 중앙에 있어서 x 방향으로 신장하는 프레임(91)을 갖고, y 방향으로 양쪽에 신장하는 비틀림 들보(92)에 지지되고, 비틀림 들보(92)의 타단부는 지지 기판(2)에 부분적으로 접합하는 앵커(93)에 접속되어 있다. 제1 검출 진동자(94) 및 제2 검출 진동자(95)가 프레임(91)의 양쪽에 지지 들보(96)를 통해 접합되고, y 방향으로 변위 가능하게 지지되어 있다. 제1 검출 진동자(94)에는 회전축 측에 제1 가동측 검출 빗살 무늬 전극(97)이 접합되고, 지지 기판(3)에 부분적으로 접합된 제1 검출 빗살 무늬 고정 부재(98)에 접합하는 제1 고정측 검출 빗살 무늬 전극(99)과 마주 보고 제1 검출부(100)를 구성한다. 마찬가지로, 제2 검출 진동자(95)에는 회전축 측에 제2 가동측 검출 빗살 무늬 전극(101)이 접합되고, 지지 기판(2)에 부분적으로 접합된 제2 검출 빗살 무늬 고정 부재(102)에 접합하는 제2 고정측 검출 빗살 무늬 전극(103)과 마주 보고 제2 검출부(104)를 구성한다. 제1 및 제2 검출 진동자(94, 95)와 프레임(91)의, 회전축(12)으로부터 먼 측에는 제1 실시예와 같이 구동부(22)를 형성한다. 제1 실시예에 있어서는 앵커(15)와, 제1 및 제2 검출 빗살 무늬 지지체(28, 38)가 회전 진동체(10)에 둘러싸여져 있기 때문에, 소자 기판(3) 내에 있어서는 전기 접속 패드(57)를 회전 진동체(10)의 외측으로 인출할 수 없는 데 반해, 본 실시예에서는 회전 진동체(90)의 외측으로 인출할 수 있으므로, 전기 접속 패드(57)의 배치의 자유도가 높아진다.
본 발명의 제5 실시예의 각속도 센서에 대해 도9를 이용하여 설명한다. 본 실시예는 제4 실시예에서 도시한 검출 진동자를 2 분할한 구성에 있어서, 제3 실시예의 특징을 부여한 것이다. 도9에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 회전 진동체(110)는 프레임(111)이 검출 진동자의 회전축과 반대측에도 y 방향으로 신장한 H형 형상을 하고 있고, 제1 가동측 구동 빗살 무늬 전극(23)은 모두가 프레임(111)에 접속하고 있다. 제1 검출 진동자(112) 및 제2 검출 진동자(113)는 지지 들보(114)를 통해 프레임(111)에 접속하고 있다. 본 실시예에서는 코리올리힘에 대해 y 방향으로 변위하기 어려운 프레임(111)에 제1 가동측 구동 빗살 무늬 전극(23)이 접속되어 있으므로, 제1 가동측 구동 빗살 무늬 전극(23)과 제2 고정측 구동 빗살 무늬 전극(25)의 y 방향 갭이 변화되기 어렵기 때문에, 구동을 쉽게 안정화시키기 특징이 있다.
본 발명의 각속도 센서에 의해, 회전 진동체가 회전축 주위에 회전 진동함으로써 제1 검출 진동체 및 제2 검출 진동체는 센서 소자의 평면에 수직인 제3 축 방향으로 서로 역상으로 진동하고, 제2 축 방향의 검출 진동도 역상이 되므로, 제1 및 제2 검출부의 검출 신호의 차분을 취함으로써 제2 축 방향의 가속도에 의한 동상의 검출 신호를 캔슬할 수 있어 노이즈를 작게 할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 검출 진동자는 하나의 회전 진동체 내에 설치되고, 제3 축 방향의 구동 진동은 회 전 진동체의 진동에 의해 부여되므로 양자 진동의 진폭은 일치하고, 위상도 역전하는 것이 구조적으로 보증된다. 회전 진동체를 공진 주파수로 구동함으로써, 진폭이 일치하고 또한 큰 진동을 얻을 수 있음으로써 검출 진동도 크게 할 수 있어 높은 감도를 얻을 수 있다. 또한, 회전축으로부터 보아 검출 진동자를 멀게, 검출부를 가깝게 배치함으로써, 같은 회전각 진폭에서도 검출 진동자쪽이 진폭을 크게 함으로써 감도를 향상시킬 수 있고, 또한 검출부의 구동 진폭(제3 축 방향의 진동 진폭)을 작게 할 수 있으므로, 제2 축 방향의 검출 진동의 검출에 부여하는 구동 진동의 영향을 작게 할 수 있어 노이즈를 저감할 수 있다.

Claims (11)

  1. 평면 형상으로 구성되고, 상기 평면 내의 제1 축 주위의 각속도를 검출하는 각속도 센서이며,
    상기 평면 내이고 또한 상기 제1 축에 수직인 제2 축 방향의 회전축 주위에 회전 가능하게 지지된 회전 진동체와,
    상기 회전 진동체를 회전 진동시키는 진동 발생 수단과,
    상기 회전 진동체의 내부에, 상기 회전축을 경계로 좌우로 분리되어 배치되고, 상기 제2 축 방향으로 변위 가능하게 지지된 제1 검출 진동자 및 제2 검출 진동자를 갖고,
    상기 제1 및 제2 검출 진동자 각각에 대해, 코리올리힘에 의한 상기 제2 축 방향의 진동을 검출하는 제1 검출부 및 제2 검출부를, 상기 제1 및 제2 검출 진동자보다도 상기 회전축에 가깝게 배치하고,
    상기 제1 및 제2 검출부는 상기 제1 및 제2 검출 진동자에 접합된 복수의 가동측 검출 빗살 무늬 전극과, 그와 쌍을 이루어 측면의 일부가 상기 가동측 검출 빗살 무늬 전극과 대향하도록 고정된 복수의 고정측 검출 빗살 무늬 전극으로 이루어지고, 상기 가동측 검출 빗살 무늬 전극과 상기 고정측 검출 빗살 무늬 전극의 갭 변화에 의한 정전용량 변화를 검출 수단으로 하고,
    상기 가동측 검출 빗살 무늬 전극과 상기 고정측 검출 빗살 무늬 전극의 마주 보는 면의 어느 한 쪽에 있어서, 부분적으로 다른 쪽을 향해 돌출된 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 돌출된 부분은 전부 상기 가동측 검출 빗살 무늬 전극 또는 상기 고정측 검출 빗살 무늬 전극과 평행하게 대면하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 검출부와 상기 제2 검출부에 역상으로 검출되는 검출 신호의 차분에 의해, 상기 제1 축 주위의 각속도를 검출하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 검출부와 상기 제2 검출부에 동상(同相)으로 검출되는 검출 신호의 가산에 의해, 상기 제2 축 방향의 가속도를 검출하는 가속도 센서 기능을 갖는 각속도 센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 진동 발생 수단은 상기 제1 검출 진동자로부터 보아 상기 회전축과 반대측에 배치되고, 상기 회전 진동체에 상기 평면에 수직인 방향의 힘을 부여하는 제1 구동 수단과, 상기 제2 검출 진동자로부터 보아 상기 회전축과 반대측에 배치되고, 상기 회전 진동체에 상기 평면에 수직인 방향의 힘을 부여하는 제2 구동 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 진동 발생 수단은 상기 제1 검출 진동자의 상기 평면에 평행한 면에 면하여 한쪽 혹은 양쪽에 배치되고, 상기 회전 진동체에 상기 평면에 수직인 방향으로 힘을 부여하는 제3 구동 수단과, 상기 제2 검출 진동자의 상기 평면에 평행한 면에 면하여 한쪽 혹은 양쪽에 배치되고, 상기 회전 진동체에 상기 평면에 수직인 방향으로 힘을 부여하는 제4 구동 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 구동 수단은 상기 회전 진동체에 접합된 복수의 가동측 구동 빗살 무늬 전극과, 측면의 일부가 상기 가동측 구동 빗살 무늬 전극과 대향하도록 고정된 복수의 고정측 구동 빗살 무늬 전극으로 이루어지고, 상기 가동측 구동 빗살 무늬 전극과 상기 고정측 구동 빗살 무늬 전극 사이에 전위차를 부여하여 구동력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제3 및 제4 구동 수단은 상기 제1 검출 진동자의 상기 평면과 평행한 면과 적어도 일부가 갭을 통해 마주 보도록 배치된 제1 구동 평면 전극과, 상기 제2 검출 진동자의 상기 평면과 평행한 면과 적어도 일부가 갭을 통해 마주 보도록 배치된 제2 구동 평면 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  9. 제1 센서 유닛 및 제2 센서 유닛은 평면 형상으로 구성되고, 상기 평면 내의 제1 축 주위의 각속도를 검출하는 각속도 센서를 갖고, 이 각속도 센서는 상기 평면 내이고, 또한 상기 제1 축에 수직인 제2 축 방향의 회전축 주위에 회전 가능하게 지지된 회전 진동체와, 상기 회전 진동체를 회전 진동시키는 진동 발생 수단과, 상기 회전 진동체의 내부에 상기 회전축을 경계로 좌우로 나누어 배치되고, 상기 제2 축의 방향으로 변위 가능하게 지지된 제1 검출 진동자 및 제2 검출 진동자를 갖고, 상기 제1 및 제2 검출 진동자 각각에 대해, 코리올리힘에 의한 상기 제2 축 방향의 진동을 검출하는 제1 검출부 및 제2 검출부를 상기 제1 및 제2 검출 진동자보다도 상기 회전축에 가깝게 배치한 것이고, 상기 제1 센서 유닛 및 상기 제2 센서 유닛은 서로 90도 회전하여 배치하고, 상기 제1 센서 유닛에 의해 상기 제1 축 주위의 각속도를, 상기 제2 센서 유닛에 의해 상기 제2 축 주위의 각속도를 검출하는 다축 검출형 각속도 센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 센서 유닛에 의해 상기 제2 축 방향의 가속도를, 상기 제2 센서 유닛에 의해 상기 제1 축 방향의 가속도를 검출하는 것을 특징으로 하는 가속도 검출 기능을 갖는 다축 검출형 각속도 센서.
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