JPH1089968A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動変位が大きく、回転角速度に対するコリ
オリ力の検出感度の高い角速度センサを提供する。 【解決手段】基板１の中空部１ａに、対向して配置され
た一対の外側支持梁３ａ、３ｂを介して支持された外側
振動枠体４と、外側振動枠体４の内側４ｅに、対向して
配置された一対の内側支持梁５ａ、５ｂを介して支持さ
れた内側振動体６とを備え、外側支持梁３ａ、３ｂおよ
び内側支持梁５ａ、５ｂは、それらの梁軸を通る垂直面
の両側に各層電極が２分割されて圧電体の内部および表
裏面に配置された多層電極構造よりなることを特徴とす
る角速度センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動物体などに搭
載されて、その回転角速度を検出する角速度センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の角速度センサとして、特
開昭６０−２１３８１４号公報に記載されているものを
図２１に示す。３１はシリコンよりなる基板で、その中
央部に凹部３１ａが形成され、この凹部３１ａを除いた
上端面には、シリコンの酸化膜３２が枠型に形成されて
いる。この枠型の酸化膜３２の対向する枠辺３２ａ、３
２ｂの内側縁中央部から、一対の外側支持梁３３ａ、３
３ｂが凹部３１ａの中心部に向けて伸びている。

【０００３】外側枠体３４は、枠辺３４ａ、３４ｂ、３
４ｃ、３４ｄを有する４角形の枠体に形成されいる。外
側支持梁３３ａ、３３ｂの先端は、外側振動枠体３４の
一つの対向する枠辺３４ａ、３４ｂの外側縁中央部にそ
れぞれ結合している。この外側振動枠体３４のもう一つ
の対向する枠辺３４ｃ、３４ｄの内側縁中央部から一対
の内側支持梁３５ａ、３５ｂが凹部３１ａの中心部に向
けて伸び、矩形板状の内側振動体３６にそれぞれ結合し
ている。

【０００４】これらの一対の外側支持梁３３ａ、３３
ｂ、外側振動枠体３４、一対の内側支持梁３５ａ、３５
ｂおよび内側振動体３６はシリコンの酸化膜より形成さ
れ、基板３１の凹部３１ａに自由振動可能に支持されて
いる。また、一対の外側支持梁３３ａ、３３ｂと一対の
内側支持梁３５ａ、３５ｂとは、直交するように配置さ
れ、それらの梁の中心軸を中心にして捩じれ振動するよ
うになっている。

【０００５】外側振動枠体３４の枠辺３４ｃ、３４ｄ上
には細長い駆動電極３７ａ、３７ｂがそれぞれ形成され
ている。また、内側振動体３６の内側支持梁３５ａ、３
５ｂと同じ方向の辺３６ａ、３６ｂ上には、細長い検出
電極３８ａ、３８ｂがそれぞれ形成されている。更に、
内側振動体３６の上で、一対の内側支持梁３５ａ、３５
ｂを結ぶ線上に、負荷質量を与える角柱状の重り３９が
形成されている。

【０００６】駆動電極３７ａ、３７ｂとこれらの駆動電
極３７ａ、３７ｂがそれぞれ対向するシリコン基板３１
の凹部３１ａの底面との間には、内側振動体３６のシリ
コン酸化膜と空気を誘電体とするコンデンサが形成され
る。同様に、検出電極３８ａ、３８ｂとこれらの検出電
極３８ａ、３８ｂがそれぞれ対向するシリコン基板３１
の凹部３１ａの底面との間にも、内側振動体３６のシリ
コン酸化膜と空気を誘電体とするコンデンサが形成され
る。

【０００７】従来の角速度センサ３０は、以上のような
構造よりなり、つぎにその動作について説明する。駆動
電極３７ａとシリコン基板３１との間および駆動電極３
７ｂとシリコン基板３１との間に、それぞれ電位の異な
る電圧、例えば、０Ｖと１０Ｖの電圧を交互に印加す
る。すると、駆動電極３７ａと駆動電極３７ｂとが静電
力により交互に凹部３１の底面側に吸引されて、外側振
動枠体３４（内側振動体３６）は一対の外側支持梁３３
ａ、３３ｂを軸にしてシーソーのように振動する。この
とき、一対の外側支持梁３３ａ、３３ｂには、捩れ振動
が発生する。

【０００８】このように、外側振動枠体３４（内側振動
体３６）が振動しているときに、角速度センサ３０が内
側振動体３６の中心に位置する垂直軸Ｚを中心にして角
速度ωで回転すると、コリオリ力により内側振動体３６
が一対の内側支持梁３５ａ、３５ｂを軸にしてシーソー
のように振動をはじめ、検出電極３８ａ、３８ｂが交互
に凹部３１ｂの底面側に接近するようになる。凹部３１
ａの底面に接近した検出電極３８ａまたは検出電極３８
ｂからは、大きな静電容量の変化が得られる。この静電
容量の変化は、角速度センサ３０の回転角速度ωに比例
するので、この静電容量の変化を電圧あるいは電流に変
換して回転角速度を検出し、この回転角速度を積分して
角速度センサ３０を搭載している慣性体の回転角度を知
ることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
角速度センサにおいては、駆動においては、一対の外側
支持梁３３ａ、３３ｂの捩じれ振動を利用し、検出にお
いては、一対の内側支持梁３５ａ、３５ｂの捩じれ振動
を利用している。特に、検出においては、一対の内側支
持梁３５ａ、３５ｂを結ぶ軸線の近傍に検出電極３８
ａ、３８ｂを設けたのでは容量変化が小さく、この軸線
からできる限り離れた辺３６ａ、３６ｂに検出電極３８
ａ、３８ｂを設ける必要があるが、内側振動体３６の寸
法制約のため、検出感度を上げることができなかった。
また、コリオリ力の検出感度を高めるにあたり、一対の
外側支持梁３３ａ、３３ｂの捩じれ振動の変位を大きく
するため、駆動電極３７ａ、３７ｂと凹部３１ａの底面
との距離を大きくしているが、これらの駆動電極３７
ａ、３７ｂと同一平面に形成されている検出電極３８
ａ、３８ｂと凹部３１ａの底面との距離も大きくなり、
コリオリ力による容量変化が小さくなって、検出感度が
低下していた。

【００１０】そこで、本発明は、駆動変位が大きく、回
転角速度に対するコリオリ力の検出感度の高い角速度セ
ンサを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、下記の解決手段を採ることを特徴とす
る。請求項１に記載の発明は、基板の中空部に、対向し
て配置された一対の外側支持梁を介して支持された外側
振動枠体と、前記外側振動枠体の内側に、対向して配置
された一対の内側支持梁を介して支持された内側振動体
とを備え、前記外側支持梁および内側支持梁は、各層電
極がそれらの圧電体膜の内部および表裏面であって、そ
れらの梁の中心軸を通る垂直面の両側に分割されて配置
された多層電極構造よりなるものである。

【００１２】この発明は、駆動用の外側支持梁におい
て、対向する層電極に形成される振動領域が、梁軸に直
交する断面に複数個形成され、垂直方向に同じ向きに分
極されている。外側支持梁の前記断面の対角に位置する
振動領域の駆動電界の方向を同一にして伸縮を同一に
し、かつ、一つの対角ともう一つの対角に配置された振
動領域の駆動電界の方向および伸縮を逆にしている。こ
れにより、駆動用の外側支持梁は、捩じれ振動を行い、
外側振動枠体（内側振動体）にシーソー運動（振動）を
起こさせる。

【００１３】一方、検出用の内側支持梁も、外側支持梁
と同様の構造を有しているので、内側支持梁に内側振動
体からコリオリ力に基づく捩じれ振動が与えられると、
前記断面の対角に位置する振動領域に同方向の電界が発
生し、かつ、一つの対角ともう一つの対角に配置された
振動領域の電界が逆になり、内側支持梁の各層電極は、
正相と逆相の電圧を生じることになる。この正相と逆相
の電圧を差動増幅して角速度を検出することができる。

【００１４】上記説明においては、便宜上、外側支持梁
を駆動用に、内側支持梁を検出用に説明したが、この逆
であってもよい。

【００１５】請求項２に記載の発明は、基板の中空部
に、対向して配置された一対の支持梁を介して支持され
た振動体を備え、前記支持梁は、各層電極がそれらの圧
電体膜の内部および表裏面であって、それらの梁の中心
軸を通る垂直面の両側に分割されて配置された多層電極
構造よりなり、一つの支持梁は水平方向もしくは垂直方
向に振動する駆動用であり、他の支持梁は垂直方向もし
くは水平方向に振動する検出用である。

【００１６】この発明は、一対の支持梁を駆動用と検出
用に用いている。駆動用の支持梁は、梁軸を通る垂直面
の左側における上層または下層の振動領域と右側におけ
る上層または下層の振動領域に逆方向の電界を印加す
る。すると、この支持梁は、振動体を水平方向に振動さ
せることになる。このように、振動体が水平方向に振動
しているときに、本発明の加速度センサが一対の支持梁
を中心にして回転すると、この振動体にコリオリ力が作
用して、振動体が垂直方向に振動するようになる。そし
て、検出用の支持梁には、上層振動領域と下層振動領域
に、逆方向の電界が生じ、上層電極と下層電極から同極
性の電圧が、中層電極から逆極性の電圧がそれぞれ取り
出される。これを差動増幅して、角速度を検出すること
ができる。請求項３記載の発明は、前記支持梁の表裏面
および中層電極間並びに外側振動枠体、内側振動体およ
び振動体の内部に酸化膜が形成されているものである。

【００１７】この発明は、酸化膜が補強材となって反り
が防止される。また、酸化膜は圧電体よりは材料的にＱ
が高いので、振動体の中層に酸化膜を形成することによ
り屈曲振動の変位が大きくなる。更に、酸化膜は酸化亜
鉛とは温度に対する周波数特性が逆になっているので、
温度変化による機械的共振周波数の変化が相殺される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、図１を参照して、本発明
の第１実施例に係る角速度センサ１０について説明す
る。１はシリコンよりなる基板で、中央部に中空部１ａ
を有し、枠型に形成されている。この枠型の基板１の上
には、シリコン酸化膜が設けられ、その上に酸化亜鉛
（ＺｎＯ）が設けられ更にその上にシリコン酸化膜が設
けられて枠２を形成している。

【００１９】この枠２の対向する枠辺２ａ、２ｂの内側
縁中央部から、一対の外側支持梁３ａ、３ｂが中空部１
ａの中心部に向けて伸び、外側振動枠体４の一つの対向
する枠辺４ａ、４ｂの外側縁中央部にそれぞれ結合して
いる。この外側振動枠体４のもう一つの対向する枠辺４
ｃ、４ｄの内側縁中央部から一対の内側支持梁５ａ、５
ｂが貫通孔１ａの中心部に向けて伸び、矩形板状の内側
振動体６の対向する外側縁中央部にそれぞれ結合してい
る。この一対の内側支持梁５ａ、５ｂおよび内側振動体
６は、外側振動枠体４の内側（貫通孔）４ｅの中に形成
されてる。

【００２０】一対の外側支持梁３ａ、３ｂと一対の内側
支持梁５ａ、５ｂとは、直交する如く配置され、それぞ
れ捩じれ振動をするようになっている。

【００２１】そして、一対の外側支持梁３ａ、３ｂを軸
にして捩じれ振動をする外側振動枠体４の機械的共振周
波数と、一対の内側支持梁５ａ、５ｂを軸に捩じれ振動
をする内側振動体６の機械的共振周波数とは、一致また
は近似するように設定している。この設定は、つぎのよ
うに行う。即ち、外側支持梁ａ、３ｂおよび内側支持梁
５ａ、５ｂの幅を広げて機械的共振周波数を上げ、或い
は幅を狭めて機械的共振周波数を下げる。また、外側支
持梁ａ、３ｂおよび内側支持梁５ａ、５ｂの厚みを厚く
して機械的共振周波数を上げ、或いは厚みを薄くして機
械的共振周波数を下げる。また、内側振動体６の質量を
大きくして機械的共振周波数を下げ、また質量を小さく
して機械的共振周波数を上げる。

【００２２】このように、外側振動枠体４と内側振動体
６の機械的共振周波数が一致または近似すると、それら
の機械的Ｑの最大値も一致または近似するようになり、
内側振動体６の変位も大きくなって、検出の出力が大き
くなる。

【００２３】外側振動枠体４、一対の外側支持梁３ａ、
３ｂ、内側振動体６および一対の内側支持梁５ａ、５ｂ
は、薄膜技術または厚膜多層技術を用いて、例えば酸化
亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）など
の圧電材料により一体に形成される。

【００２４】つぎに、外側支持梁３ａ、３ｂおよび内側
支持梁５ａ、５ｂの構造について説明するが、これらは
みな同一構造をしているので、外側支持梁３ａを代表例
にとり、基板１および外側振動枠体４から切り離して、
その斜視図を図２に、断面形態図を図３に示す。

【００２５】外側支持梁３ａは３層電極構造よりなる。
これらの各層電極は、外側支持梁３ａの梁の中心軸ｊを
通る垂直面Ｂに対し面対称に両側に分割配置されて、上
層電極ｄ１、ｄ２、中層電極ｄ３、ｄ４、下層電極ｄ
５、ｄ６よりなる。外側支持梁３ａは、例えば、酸化亜
鉛（ＺｎＯ）からなる圧電体膜で、中層電極ｄ３、ｄ４
はこの圧電体膜の中に埋設され、上層電極ｄ１、ｄ２お
よび下層電極ｄ５、ｄ６は圧電体膜の上層表面および下
層表面にそれぞれ形成される。

【００２６】そして、上層電極ｄ１、ｄ２と中層電極ｄ
３、ｄ４により、振動領域ｒ１、ｒ２がそれぞれ形成さ
れる。また、中層電極ｄ３、ｄ４と下層電極ｄ５、ｄ６
により、振動領域ｒ３、ｒ４がそれぞれ形成される。

【００２７】これらの振動領域ｒ１〜ｒ４は、図３に実
線矢印で示すように、下層電極ｄ５、ｄ６から中層電極
ｄ３、ｄ４へ、および中層電極ｄ３、ｄ４から上層電極
ｄ１、ｄ２と同方向（垂直方向）に分極される。

【００２８】なお、各層電極ｄ１〜ｄ６には、図示しな
いが、外部へ通じる配線パターンが形成される。

【００２９】つぎに、本実施例の角速度センサ１０の動
作について説明する。本実施例においては、図１に示す
ように、一対の外側支持梁３ａ、３ｂを駆動用に使用
し、一対の内側支持梁５ａ、５ｂを検出用に使用してい
る。駆動用の外側支持梁３ａにおいて、図３に破線矢印
で示すように、上層電極ｄ２、中層電極ｄ３、下層電極
ｄ６に、１〜１０ｋＨｚの交流電圧を印加する。また、
この印加と同時に、この交流電圧に対し位相の１８０゜
異なる同一周波数の電圧を、上層電極ｄ１、中層電極ｄ
４、下層電極ｄ５に印加する。

【００３０】すると、外側支持梁３ａは、分極方向と駆
動電界方向が同方向となり振動領域ｒ１、ｒ４は伸び、
逆方向となる振動領域ｒ２、ｒ３は縮んで、一点鎖線矢
印で示すように、捩じれ振動をする。また、１８０゜位
相が進んで、駆動電圧の方向が破線矢印と反対方向にな
ると、外側支持梁３ａは、二点鎖線矢印で示すように、
捩じれ振動をすることになる。

【００３１】一方、もう一つの駆動用の外側支持梁３ｂ
の各層電極ｄ１〜ｄ６には、外側支持梁３ａに印加した
位相の交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加するので、
図３において、外側支持梁３ａは一点鎖線で示すような
捩じれ振動をし、外側支持梁３ｂは二点鎖線で示すよう
な捩じれ振動をする。図１においては、これらの一対の
外側支持梁３ａ、３ｂは、対向して配置されているの
で、それらの梁軸（Ｙ軸）を中心にして同方向の捩じれ
振動をする。この捩じれ振動は、外側振動枠体４（内側
振動体６）にシーソー運動（振動）をさせることにな
る。

【００３２】このように角速度センサ１０の外側振動枠
体４（内側振動体６）がシーソー運動（振動）をしてい
るときに、角速度センサ１０がその基板面と垂直なＺ軸
を中心にして矢印で示すように角速度ωで回転したとす
ると、内側振動体６はコリオリ力を受けて、一対の内側
支持梁５ａ、５ｂの梁軸を通るＸ軸を中心にしてシーソ
ー運動（振動）をするようになる。この振動は一対の内
側支持梁５ａ、５ｂに伝達して、この一対の内側支持梁
５ａ、５ｂは、図３に示すように、捩じれ振動をするよ
うになる。すると、一対の内側支持梁５ａ、５ｂは、一
点鎖線の捩じれ振動の半サイクルにおいて、対角に位置
する振動領域ｒ１、ｒ４には引っ張り応力が生じ、もう
一つの対角に位置する振動領域ｒ２、ｒ３には圧縮応力
が生じ、電極ｄ２、ｄ３、ｄ６に正極性（＋）の電圧
が、電極ｄ１、ｄ４、ｄ５には負極性（−）の電圧が、
発生する。捩れ振動のつぎの半サイクルにおいては、引
っ張り応力および圧縮応力は逆になり、発生する極性の
電圧も逆になる。正極性の電圧と負極性の電圧を差動増
幅して、角速度センサ１０の角速度ωを検出し、これを
積分してＺ軸を中心とする回転角度を知ることができ
る。

【００３３】つぎに、図４を参照して、本発明の第２実
施例の角速度センサ２０について説明する。１１は中央
部に矩形状の中空部（貫通孔）１１ａを有する基板で、
枠型に形成されている。この枠型の基板１１の上には、
シリコン酸化膜が設けられ、その上に酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）膜が設けられ更にその上にシリコン酸化膜が設けら
れて枠１２を形成している。

【００３４】この枠１２の対向する枠辺１２ａ、１２ｂ
の内側縁中央部から、一対の支持梁１３ａ、１３ｂが中
空部１１ａの中心部に向けて伸び、矩形板状の振動体１
４の対向する外側縁中央部にそれぞれ結合している。

【００３５】一対の支持梁１３ａ、１３ｂは、その断面
が図５に示されるが、図３に示す第１実施例のものと同
一構造をしているので、図３と同一番号を付してその説
明を援用する。

【００３６】駆動用の支持梁１３ａは水平振動をし、検
出用の支持梁１３ｂは垂直方向の振動をする。この水平
方向の振動と垂直方向の振動の機械的共振周波数を等し
く又は近似させて検出感度を上げるため、つぎのような
調整を行う。即ち、駆動用支持梁１３ａの幅を広げて機
械的共振周波数を上げ、或いは幅を狭めて機械的共振周
波数を下げる。検出用支持梁１３ｂの厚みを厚くして機
械的共振周波数を上げ、或いは厚みを薄くして機械的共
振周波数を下げる。また、振動体１４の質量を大きくし
て機械的共振周波数を下げ、或いは質量を小さくして機
械的共振周波数を上げる。なお、上記実施例において
は、駆動用の支持梁１３ａに水平振動をさせ、検出用の
支持梁１３ｂに垂直方向の振動をさせたが、この逆の振
動をさせてもよい。

【００３７】つぎに、第２実施例の角速度センサ２０の
動作について説明する。図５において、駆動用支持梁１
３ａの垂直面Ｂの左側における上層電極ｄ２と下層電極
ｄ６に１〜１０ｋＨｚの交流電圧を印加する。同時に、
垂直面Ｂの右側面における上層電極ｄ１と下層電極ｄ５
にもこの交流電圧に対し１８０゜位相の異なる電圧を印
加する。なお、中層電極ｄ３、ｄ４には、電圧は印加し
ないが、グランドに接続してもよい。本実施例におい
て、駆動用支持梁１３ａの中層電極ｄ３、ｄ４は不必要
であるが、検出用支持梁１３ｂと共用するため、敢えて
残している。

【００３８】そして、交流電圧の半サイクルにおいて、
上層電極ｄ１、ｄ２、下層電極ｄ５、ｄ６が図５に示す
極性となって、振動領域ｒ１、ｒ３に分極方向と同一方
向の破線矢印で示すような駆動電界が生じ、振動領域ｒ
２、ｒ４に分極方向と逆方向の破線矢印で示すような駆
動電界が生じたとする。すると、分極方向と駆動電界が
同一方向の振動領域ｒ１、ｒ３は伸長し、分極方向と駆
動電界が逆方向の振動領域ｒ２、ｒ４は縮小する。その
結果、図６に示すように、基部を枠１２に固定されてい
る駆動用支持梁１３ａは、破線で示すように、振動体１
４を右側に変位させることになる。駆動交流電圧がつぎ
の半サイクルになると、各層電極ｄ１、ｄ２、ｄ５、ｄ
６の極性は逆になり、振動領域ｒ１〜ｒ４の伸縮も逆に
なり、駆動用支持梁１３ａは、図６に実線で示すよう
に、左側に振動体１４を変位させることになる。このよ
うにして、振動体１４は、図４に破線矢印で示すよう
に、Ｘ軸方向に振動することになる。

【００３９】上述のように、交流電圧により振動体１４
が振動しているときに、角速度センサ２０が基板１１の
Ｙ軸を軸にして角速度ωで回転したとする。すると、コ
リオリ力が作用して、振動体１４は実線矢印で示すよう
に、Ｚ軸の垂直方向に振動するようになる。この振動体
１４の振動は、振動体１４が結合している検出用支持梁
１３ｂに伝達して、図７に示すように、一端固定の片持
梁構造のように検出用支持梁１３ｂの先端部を上下に屈
曲振動させる。実線矢印方向（上方向）の屈曲振動が検
出用支持梁１３ｂに作用したとき、検出用支持梁１３ｂ
には、図８に示すように、上側の振動領域ｒ１、ｒ２に
圧縮応力が発生し、下側の振動領域ｒ３、ｒ４に引っ張
り応力が発生する。そして、電界も破線矢印のように生
じて、上層電極ｄ１、ｄ２と下層電極ｄ５、ｄ６に正極
性（＋）の電圧が、中層電極ｄ３、ｄ４に負極性（−）
の電圧が発生する。

【００４０】また、この反対に、破線矢印方向（下方
向）の屈曲振動が検出用支持梁１３ｂに作用したとき
は、発生する応力も電圧の極性も反対になる。

【００４１】このように正極性と逆極性で発生する電圧
を差動増幅して、角速度センサ２０の角速度ωを検出
し、これを積分してＹ軸を中心とする回転角度を知るこ
とができる。

【００４２】（製造方法１）つぎに、本発明の製造方法
について説明するが、第１実施例と第２実施例とはその
製法は同じであるので、簡単な形状の第２実施例の製造
方法について、図９〜図１６を参照して説明する。

【００４３】図９において、シリコン基板１１の表面に
ウエット酸化で０．５〜１μｍの酸化膜ｓ１を形成す
る。ついで、アルミニュウム、金／クロム等の金属をス
パッタリング、蒸着などの手法を用いて、支持梁１３
ａ、１３ｂ（図４、図５参照）の下層電極ｄ５、ｄ６を
形成する。

【００４４】つぎに、図１０において、シリコン基板１
１に形成した酸化膜ｓ１および下層電極ｄ５、ｄ６の上
に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコンサン鉛（Ｐ
ＺＴ）などの下層の圧電膜ｚ１をスパッタリングにより
１〜１０μｍの厚みに形成する。

【００４５】つぎに、図１１において、中空部１２ａを
形成するため、この中空部１２ａに相応する部分の圧電
膜ｚ１を、レジストをマスクとして塩酸、硝酸などの酸
でウエットエンチングするか、またはＲＩＥ（反応性イ
オンエッチング）によりドライエッチングして除去す
る。後に残った圧電膜ｚ１により、支持梁１３ａ、１３
ｂの振動領域ｒ３、ｒ４（図５参照）が形成され、また
枠１２（図４参照）および振動体１４の下層膜が形成さ
れる。

【００４６】つぎに、図１２において、レジストをマス
クとして、中層電極ｄ３、ｄ４をアルミニュウム、金／
クロム等の金属をスパッタリング、蒸着などで形成す
る。

【００４７】つぎに、図１３において、シリコン基板１
１上に成層した圧電膜ｚ１および中層電極ｄ３、ｄ４の
上に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコンサン鉛
（ＰＺＴ）などの上層の圧電膜ｚ２をスパッタリングに
より１〜１０μｍの厚みに形成する。そして、中空部１
２ａの圧電膜ｚ２を、レジストをマスクとして塩酸、硝
酸などの酸でウエットエンチングするか、またはＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）によりドライエッチングし
て除去する。後に残った圧電膜ｚ２により、支持梁１３
ａ、１３ｂの振動領域ｒ１、ｒ２（図５参照）が形成さ
れ、また枠１２（図４参照）および振動体１４の上層膜
が形成される。

【００４８】つぎに、図１４において、上層電極ｄ１、
ｄ２を図９および図１２の工程と同様な方法により形成
する。

【００４９】つぎに、図１５において、基板１１上に成
層した圧電膜ｚ２および上層電極ｄ１、ｄ２の上に酸化
膜ｓ２を、スパッタリング、ＣＶＤ（化学成長法）によ
り約１μｍ程度形成する。この後、中空部１２ａの酸化
膜ｓ２、ｓ１を、レジストをマスクとしてエッチング除
去する。なお、酸化膜ｓ１は初期の工程で除去してもよ
い。

【００５０】つぎに、図１６に示すように、基板１１の
中央部を、基板１１の裏面に枠型に形成した酸化膜ｓ３
をマスクとして、ＴＭＡＨ（テトラ・メチル・アンモニュウム・ハイト゛ロオキサ
イト゛）などのエッチング液でウエットエッチングして、
振動体１２および支持梁１３ａ、１３ｂの下に、これら
が自由振動できる空間１１ａを形成し、ついで酸化膜ｓ
３をエッチング除去して角速度センサ２０を完成する。

【００５１】なお、図５に示す外側支持梁１３ａ（１３
ｂ）の中層電極ｄ３、ｄ４を、図１７に示すように、中
層電極ｄ３とｄ３’、中層電極ｄ４とｄ４’にそれぞれ
上下に２分割して、これらの中層電極ｄ３とｄ３’の間
および中層電極ｄ４とｄ４’の間にシリコン酸化膜、シ
リコン窒化膜などの酸化膜ｓ４を形成してもよい。同様
に、図１図および図４において、外側振動枠体４、内側
振動体６、振動体１４の圧電膜ｚ１とｚ２の間にも酸化
膜ｓ４を形成してもよい。これにより、外側振動枠体
４、内側振動体６、振動体１４および支持梁３ａ、３
ｂ、５ａ、５ｂ、１３ａ、１３ｂが補強されて反りが防
止される。また、シリコン酸化膜は酸化亜鉛膜よりは材
料的に機械的Ｑが高いので、振動体の上層または下層よ
りは中層に厚く形成されているほうが、屈曲振動の変位
が大きくなる。更に、シリコン酸化膜は酸化亜鉛膜とは
温度に対する周波数特性が逆になっているので、温度変
化による機械的共振周波数の変化が相殺される。

【００５２】（製造方法２）つぎに、本発明の角速度セ
ンサの他の製造方法について図１８〜図２０を参照して
説明する。図１８において、ＰＺＴ基板２１の表面と裏
面の対向する位置に、支持梁１３ａ、１３ｂの分割電極
ｄ７、ｄ８をアルミニュウム、金／クロム等の金属によ
りスパッタリング、蒸着などで形成する。なお、ＰＺＴ
基板２１の両面の分割電極ｄ７（ｄ８）、ｄ７（ｄ８）
間は、それぞれ分極が施される。

【００５３】図１９において、ＰＺＴ基板２１の中央部
をレーザまたはウエットエッチング加工して、振動体２
２およびこの振動体２２をその両側面から支える支持梁
２３ａ、２３ｂを形成する。エッチング除去された部分
が中空部２１ａとなる。このように加工された基板２１
を２枚、図２０に示すように、電極ｄ７、ｄ７同志およ
び電極ｄ８、ｄ８同志を重ねて絶縁性接着剤で貼り合わ
せて、上層電極ｄ７ａ、中層電極ｄ７ｂおよび下層電極
ｄ７ｃよりなる角速度センサを完成する。支持梁２３ａ
が駆動用となり、支持梁２３ｂが検出用となる。なお、
絶縁性接着剤で貼り合わさせて導通のない中層電極ｄ７
ｂの電極ｄ７同志、ｄ８同志は、外部で配線パターンに
より接続される。

【００５４】上記各実施例においては、支持梁は３層電
極構造のものを示したが、多層電極構造のものでもよ
い。

【００５５】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、各層電極が梁軸
を通る垂直面の両側に分割された多層構造の捩じれ振動
をする支持梁を駆動用および検出用に用い、これらの駆
動用支持梁および検出用支持梁の機械的共振周波数を合
わせているので、駆動変位が大きく、且つ、回転角速度
に対するコリオリ力の検出感度が高くなる。また、駆動
および検出を圧電支持梁を用いて行い、従来例のように
基板との間の静電容量を取る必要がないので、振動部を
基板から離すことができ、大きな駆動変位、検出変位を
とることができる。

【００５６】請求項２記載の発明は、駆動用支持梁が水
平方向振動をし、検出用支持梁が、コリオリ力に基づく
垂直方向振動を検出するようになっており、これらの水
平方向振動および垂直方向振動の機械的共振周波数を合
わせているので、駆動変位が大きく、且つ、回転角速度
に対するコリオリ力の検出感度が高くなる。

【００５７】また、この発明は、一対の駆動用支持梁と
検出用支持梁とが、一軸に配置されているので、構造が
簡単となる。

【００５８】請求項３記載の発明は、酸化膜が補強材と
して表裏面および中層電極間に設けられているので、反
りが防止され、機械的Ｑが向上して屈曲振動が大きくな
り、温度変化による機械的共振周波数の変化も防止され
て、検出感度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の角速度センサの第１実施例の斜視図

【図２】 図１に示す外側支持梁の斜視図

【図３】 図２に示す外側支持梁のｘ１−ｘ１線断面形
態図

【図４】 本発明の角速度センサの第２実施例の斜視図

【図５】 図４に示す駆動用支持梁の分極方向および駆
動電界方向を示す断面形態図

【図６】 図４に示す駆動用支持梁の振動の形態図

【図７】 図４に示す検出用支持梁の振動の形態図

【図８】 図４に示す検出用支持梁の分極方向および検
出電界方向を示す断面形態図

【図９】 本発明の角速度センサの一つの製造工程を示
すもので、基板に設けた酸化膜上に下層電極を形成する
工程図

【図１０】 同じく、下層の圧電膜を形成する工程図

【図１１】 同じく、不要部分の圧電膜をエッチング除
去する工程図

【図１２】 同じく、中層電極を形成する工程図

【図１３】 同じく、上層の圧電膜を形成し、不要な部
分の圧電膜を除去する工程図

【図１４】 同じく、上層電極を形成する工程図

【図１５】 同じく、酸化膜を形成し、不要な部分の酸
化膜を除去する工程図

【図１６】 同じく、基板の裏面中央部をエッチング除
去する工程図

【図１７】 他の支持梁の断面形態図

【図１８】 本発明の角速度センサの他の製造工程を示
すもので、ＰＺＴ基板の両面の対向部位に、駆動用支持
梁と検出用支持梁の分割電極を設ける工程図

【図１９】 同じく、ＰＺＴ基板の中央部に振動体と支
持梁を形成する工程図

【図２０】 同じく、図１９に示す形状に加工されたＰ
ＺＴ基板を２枚貼り合わせる工程図

【図２１】 従来の角速度センサの斜視図

【符号の説明】

１、１１ 基板 １ａ、１１ａ、２１ａ 中空部 ２、１２ 枠 ２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ 枠辺 ３ａ、３ｂ 外側支持
梁 ４ 外側振動
枠体 ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 枠辺 ４ｅ 内側 ５ａ、５ｂ 内側支持
梁 ６ 内側振動
体 １３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ 支持梁 １４、２２ 振動体 ｒ１〜ｒ４ 振動領域 １０、２０ 角速度セ
ンサ ｓ１、ｓ２ 酸化膜 ｚ１、ｚ２ 酸化亜鉛 ｄ１、ｄ２、ｄ７ａ 上層電極 ｄ３、ｄ４、ｄ７ｂ 中層電極 ｄ５、ｄ６ ｄ７ｃ 下層電極 ｄ７、ｄ８ 分割電極 ２１ ＰＺＴ基
板 ｊ 中心軸

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の中空部に、対向して配置された一
   対の外側支持梁を介して支持された外側振動枠体と、前
   記外側振動枠体の内側に、対向して配置された一対の内
   側支持梁を介して支持された内側振動体とを備え、 前記外側支持梁および内側支持梁は、各層電極がそれら
   の圧電体膜の内部および表裏面であって、それらの梁の
   中心軸を通る垂直面の両側に分割されて配置された多層
   電極構造よりなることを特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 基板の中空部に、対向して配置された一
   対の支持梁を介して支持された振動体を備え、 前記支持梁は、各層電極がそれらの圧電体膜の内部およ
   び表裏面であって、それらの梁の中心軸を通る垂直面の
   両側に分割されて配置された多層電極構造よりなり、一
   つの支持梁は水平方向もしくは垂直方向に振動する駆動
   用であり、他の支持梁は垂直方向もしくは水平方向に振
   動する検出用であることを特徴とする角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記支持梁の表裏面および中層電極間並
   びに外側振動枠体、内側振動体および振動体の内部に酸
   化膜が形成されていることを特徴とする請求項１または
   請求項２記載の角速度センサ。