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技術 ジャイロセンサー、電子機器、及び移動体

出願人 セイコーエプソン株式会社
発明者 古畑誠
出願日 2013年3月4日 (7年9ヶ月経過) 出願番号 2013-042165
公開日 2014年9月18日 (6年3ヶ月経過) 公開番号 2014-169934
状態 特許登録済
技術分野 マイクロマシン ジャイロスコープ 圧力センサ
主要キーワード 物性条件 連結バネ 物理プロセス 逆相モード 同相モード カンチレバ 可動構造体 MEMSジャイロ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (17)

課題

振動モードに対する同相モードの影響を抑制することができるジャイロセンサー等を提供する。

解決手段

本発明に係るジャイロセンサーは、振動体と、第1軸に沿う方向に延出し、固定部及び前記振動体と接続している第1バネ構造部と、前記振動体を励振する駆動部と、前記振動体に設けられている検出部と、を含み、前記振動体は、平面視において、前記第1軸に沿う方向において並設され、互いに逆相駆動振動する第1及び第2振動部と、前記第1軸に沿う方向に延出し、前記第1及び前記第2振動部と接続している第2バネ構造部と、を有し、前記第1バネ構造部の第1バネ定数K1は、前記第2バネ構造部の両端からの長さを2等分する中間点から、前記第2バネ構造部の一端における第2バネ定数K2よりも小さい。

概要

背景

近年、例えばシリコンMEMS(Micro Electro Mechanical
System)技術を用いて角速度を検出するジャイロセンサー静電容量型MEMSジャイロセンサー素子)が開発されている。例えば特許文献1には、2つの振動体可動構造体)がバネによって連結され、該振動体が振動音叉振動ともいう)する駆動系を備えたジャイロセンサーが開示されている。

このようなジャイロセンサーを製造する場合、例えば、ウェットエッチング等の微細加工技術を用い、製造用基台上に設けられたシリコン基板から、支持用のバネと連結用のバネとが設けられた振動体からなるシリコン構造体を個別に準備する。次に、連結用のバネを互いに接続することで、上記構造を備えたジャイロセンサーを製造することができる。

概要

振動モードに対する同相モードの影響を抑制することができるジャイロセンサー等を提供する。本発明に係るジャイロセンサーは、振動体と、第1軸に沿う方向に延出し、固定部及び前記振動体と接続している第1バネ構造部と、前記振動体を励振する駆動部と、前記振動体に設けられている検出部と、を含み、前記振動体は、平面視において、前記第1軸に沿う方向において並設され、互いに逆相駆動振動する第1及び第2振動部と、前記第1軸に沿う方向に延出し、前記第1及び前記第2振動部と接続している第2バネ構造部と、を有し、前記第1バネ構造部の第1バネ定数K1は、前記第2バネ構造部の両端からの長さを2等分する中間点から、前記第2バネ構造部の一端における第2バネ定数K2よりも小さい。

目的

本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、振動モードに対する同相モードの影響を抑制することができるジャイロセンサーを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

振動体と、第1軸に沿う方向に延出し、固定部及び前記振動体と接続している第1バネ構造部と、前記振動体を励振する駆動部と、前記振動体に設けられている検出部と、を含み、前記振動体は、平面視において、前記第1軸に沿う方向において並設され、互いに逆相駆動振動する第1及び第2振動部と、前記第1軸に沿う方向に延出し、前記第1及び前記第2振動部と接続している第2バネ構造部と、を有し、前記第1バネ構造部の第1バネ定数K1は、前記第2バネ構造部の両端からの長さを2等分する中間点から、前記第2バネ構造部の一端における第2バネ定数K2よりも小さい、ジャイロセンサー

請求項2

請求項1において、前記第1バネ構造部の両端からの長さは、前記第2バネ構造部の前記一端から前記中間点までの長さよりも長い、ジャイロセンサー。

請求項3

請求項1または2において、前記第1バネ構造部の幅は、前記第2バネ構造部の幅よりも小さい、ジャイロセンサー。

請求項4

請求項1から3のいずれか1項において、前記第1バネ構造部及び前記第2バネ構造部は、前記第1軸と直交する第2軸に沿う方向に往復しながら前記第1軸に沿う方向に延出する構造を有し、前記第1バネ構造部の前記第2軸に沿う方向における長さは、前記第2バネ構造部の前記第2軸に沿う方向における長さよりも長い、ジャイロセンサー。

請求項5

請求項4において、前記第1バネ構造の前記第2軸に沿う方向に延出する回数は、前記第2バネ構造の前記第2軸に沿う方向に延出する回数の半分よりも多い、ジャイロセンサー。

請求項6

請求項1から5のいずれか1項において、前記第2バネ定数K2の前記第1バネ定数K1に対する比率γ(K2/K1)は、2以上、4096以下である、ジャイロセンサー。

請求項7

請求項1から6のいずれか1項に記載のジャイロセンサーを含む、電子機器

請求項8

請求項1から6のいずれか1項に記載のジャイロセンサーを含む、移動体

技術分野

0001

本発明は、ジャイロセンサー電子機器、及び移動体に関する。

背景技術

0002

近年、例えばシリコンMEMS(Micro Electro Mechanical
System)技術を用いて角速度を検出するジャイロセンサー(静電容量型MEMSジャイロセンサー素子)が開発されている。例えば特許文献1には、2つの振動体可動構造体)がバネによって連結され、該振動体が振動音叉振動ともいう)する駆動系を備えたジャイロセンサーが開示されている。

0003

このようなジャイロセンサーを製造する場合、例えば、ウェットエッチング等の微細加工技術を用い、製造用基台上に設けられたシリコン基板から、支持用のバネと連結用のバネとが設けられた振動体からなるシリコン構造体を個別に準備する。次に、連結用のバネを互いに接続することで、上記構造を備えたジャイロセンサーを製造することができる。

先行技術

0004

特表2006−515928号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、上記のようなMEMSデバイス製造プロセスでは、それぞれの駆動系を全く同一の形状に製造することは実質的に困難である。また、2つの振動体(可動構造体)がバネによって連結された形態を一体的に製造する場合であっても、化学又は物理プロセス条件を常に均一に保つことはできないため、それぞれの駆動系が全く同一で完全に対称となる形状に製造することは実質的に困難である。したがって、それぞれの振動体には微少な寸法誤差が発生する場合がある。2つの振動体の固有周波数には寸法誤差に起因した微少な差異が生じた場合、駆動モードの振動周波数が分離し、逆相モードに加えて、好ましくない同相モードが形成される。ここで、逆相とは、2つの振動体が互いに遠ざかるように動く又は互いに近づくように動くことをいい、同相とは、2つの振動体が同じ方向に動くことをいう。好ましくない同相モードの周波数が逆相モードの周波数と近い場合、ジャイロセンサーの信頼性が低下する恐れがある。

0006

本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、振動モードに対する同相モードの影響を抑制することができるジャイロセンサーを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、上記のジャイロセンサーを有する電子機器及び移動体を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

0008

[適用例1]
本適用例に係るジャイロセンサーは、
振動体と、
第1軸に沿う方向に延出し、固定部及び前記振動体と接続している第1バネ構造部と、
前記振動体を励振する駆動部と、
前記振動体に設けられている検出部と、
を含み、
前記振動体は、平面視において、
前記第1軸に沿う方向において並設され、互いに逆相で駆動振動する第1及び第2振動部と、
前記第1軸に沿う方向に延出し、前記第1及び前記第2振動部と接続している第2バネ構造部と、
を有し、
前記第1バネ構造部の第1バネ定数K1は、前記第2バネ構造部の両端からの長さを2等分する中間点から、前記第2バネ構造部の一端における第2バネ定数K2よりも小さい。

0009

本適用例に係るジャイロセンサーによれば、前記第1バネ構造部の第1バネ定数K1は、前記第2バネ構造部の両端からの長さを2等分する中間点から、前記第2バネ構造部の一端における第2バネ定数K2よりも小さい。換言すれば、振動体がより柔らかい第1バネ部(第2バネ定数K2よりも相対的に小さい第1バネ定数K1を有する第1バネ部)で支持されるジャイロセンサーを設計することができる。このようなジャイロセンサーによれば、振動モードに対する同相モードの影響を抑制することができる。したがって、信頼性が向上したジャイロセンサーを提供することができる。

0010

なお、本発明に係る記載では、「平面視」という文言を、「基体のジャイロセンサーが設けられる基面法線方向から見た平面視」を意味する文言として用いる。

0011

[適用例2]
本適用例に係るジャイロセンサーにおいて、
前記第1バネ構造部の両端からの長さは、前記第2バネ構造部の前記一端から前記中間点までの長さよりも長くてもよい。

0012

[適用例3]
本適用例に係るジャイロセンサーにおいて、
前記第1バネ構造部の幅は、前記第2バネ構造部の幅よりも小さくてもよい。

0013

[適用例4]
本適用例に係るジャイロセンサーにおいて、
前記第1バネ構造部及び前記第2バネ構造部は、前記第1軸と直交する第2軸に沿う方向に往復しながら前記第1軸に沿う方向に延出する構造を有し、
前記第1バネ構造部の前記第2軸に沿う方向における長さは、前記第2バネ構造部の前記第2軸に沿う方向における長さよりも長くてもよい。

0014

[適用例5]
本適用例に係るジャイロセンサーにおいて、
前記第1バネ構造の前記第2軸に沿う方向に延出する回数は、前記第2バネ構造の前記第2軸に沿う方向に延出する回数の半分よりも多くてもよい。

0015

[適用例6]
本適用例に係るジャイロセンサーにおいて、
前記第2バネ定数K2の前記第1バネ定数K1に対する比率γ(K2/K1)は、2以上、4096以下であってもよい。

0016

[適用例7]
本適用例に係る電子機器は、本適用例に係るジャイロセンサーを含む。

0017

[適用例8]
本適用例に係る移動体は、本適用例に係るジャイロセンサーを含む。

図面の簡単な説明

0018

本実施形態に係るジャイロセンサーを模式的に示す平面図。
本実施形態に係るジャイロセンサーを模式的に示す断面図。
本実施形態に係るジャイロセンサーを模式的に示す平面図。
本実施形態に係るジャイロセンサーの要部を模式的に示す平面図。
本実施形態に係るジャイロセンサーの動作を説明する平面図。
本実施形態に係るジャイロセンサーの動作を説明する平面図。
本実施形態に係るジャイロセンサーの動作を説明する平面図。
本実施形態に係るジャイロセンサーの動作を説明する平面図。
比較例に係るシミュレーション結果を示す図。
実施例に係るシミュレーション結果を示す図。
本実施形態に係るジャイロセンサーの製造工程を模式的に示す断面図。
本実施形態に係るジャイロセンサーの製造工程を模式的に示す断面図。
電子機器を模式的に示す斜視図。
電子機器を模式的に示す斜視図。
電子機器を模式的に示す斜視図。
移動体を模式的に示す上視図。

実施例

0019

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

0020

1.ジャイロセンサー
[本実施形態に係るジャイロセンサーの構成]
まず、本実施形態に係るジャイロセンサーについて、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係るジャイロセンサー100の一例を模式的に示す平面図である。図2は、本実施形態に係るジャイロセンサー100を模式的に示す図1のII−II線断面図である。図3は、本実施形態に係るジャイロセンサー100のその他の一例を模式的に示す平面図である。なお、図1〜3では、互いに直交する3つの軸として、X軸(第1軸)、Y軸(第2軸)、Z軸(第3軸)を図示している。

0021

本実施形態に係るジャイロセンサー100は、MEMS(Micro−Electro−Mechanical System)プロセスで製造されるデバイスである。換言すれば、ジャイロセンサー100は、シリコン基板から半導体プロセス等の微細加工技術を用いて形成されたジャイロセンサーである。

0022

ジャイロセンサー100は、図1及び図2に示すように、基体10と、振動体20と、第1バネ部30と、第2バネ部36と、駆動部40と、検出部50と、を含むことができる。ジャイロセンサー100では、検出部50が、Z軸回りの角速度を検出するジャイロセンサー素子(静電容量型MEMSジャイロセンサー素子)である。なお、便宜上、図1では、基体10及び蓋体80を透視して図示している。

0023

基体10の材質は、例えば、ガラス、シリコンである。基体10は、図2に示すように、第1面11と、第1面11と反対側の第2面12と、を有している。第1面11には、凹部14が設けられている。凹部14の上方には、間隙を介して、振動体20、第1バネ部30、第2バネ部36が設けられている。凹部14によって、振動体20は、基体10に妨害されることなく、所望の方向に可動することができる。凹部14の平面形状(Z軸方向から見たときの形状)は、特に限定されないが、図1に示す例では、長方形である。凹部14は、例えば、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術によって形成される。

0024

基体10は、固定部15を有する。図1及び図2に示すように、固定部15は、振動体20の形態に応じて、第1面11に適宜設けられる領域である。

0025

固定部15は、振動体20を支持する第1バネ部30の一端が固定(接合)され、該第1バネ部30を介して振動体20を支持する部分である。図1及び2に示すように、固定部15は、X軸方向において振動体20を挟むように配置されていてもよい。

0026

固定部15の第1面11(基体10)と、後述される第1バネ部30、駆動用固定電極部42、検出用固定電極54等と、の固定(接合)方法は、特に限定されないが、例えば、基体10の材質がガラスであり、振動体20等の材質がシリコンである場合は、陽極接合を適用することができる。

0027

振動体20は、図2に示すように、基体10及び蓋体80によって囲まれるキャビティー82に収容されている。振動体20は、基体10の上方に間隙(凹部14)を介して設けられている。振動体20は、基体10の第1面11に(基体10上に)第1バネ部30を介して支持される。振動体20は、図1に示すように、第1及び第2振動部21、22を有し、第1及び第2振動部21、22は第2バネ部36によって連結されている。

0028

第1振動部21及び第2振動部22は、第1バネ部30を介して固定部15によって、支持されており、基体10と離間して配置されている。より具体的には、基体10の上方に間隙(凹部14)を介して、第1振動部21及び第2振動部22が設けられている。第1振動部21及び第2振動部22は、例えば、フレーム状の形状(升形状)を有することができる。第1振動部21及び第2振動部22は、Y軸に沿った軸を中心とし、対称となる形状であってもよい。第1振動部21及び第2振動部22は、X軸に沿う方向において並設され、第2バネ部36によって連結されている。

0029

第1バネ部30は、振動体20を支持する支持バネ部であって、X軸方向に振動体20を変位し得るように構成されている。より具体的には、第1バネ部30は、固定部15から振動体20(第1振動部21又は第2振動部22)までX軸に沿う方向に延出し、Y軸方向に往復しながらX軸方向に延出する形状を有している。具体的には、第1バネ部30の一端は、固定部15(基体10の第1面11)に接合(固定)されている。また、第1バネ部30の他端は、振動部20(第1振動部21又は第2振動部22)に接合(固定)されている。図1の一例では、第1バネ部30は、振動体20をX軸方向において挟むように、2つ設けられている。また、後述される図3の一例では4つ設けられている。

0030

第2バネ部36は、第1振動部21及び第2振動部22を連結する連結バネ部であって、第1振動部21及び第2振動部22をX軸方向において変位し得るように構成されている。より具体的には、第2バネ部36は、第1振動部21及び第2振動部22の間においてX軸に沿う方向に延出し、Y軸方向に往復しながらX軸方向に延出する形状を有している。これにより、第1振動部21及び第2振動部22は、X軸方向において互いに逆相で振動することができる。

0031

振動体20(第1及び第2振動部21、22)、第1バネ部30、及び第2バネ部36の材質は、例えば、リンボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。振動体20(第1及び第2振動部21、22)、第1バネ部30、及び第2バネ部36は、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術によって加工することにより形成される。振動体20(第1及び第2振動部21、22)、第1バネ部30、及び第2バネ部36は、シリコン基板から一体的に形成されてもよい。また、シリコン基板から個別に部品を形成し、接続することで形成してもよい。

0032

また、本実施形態に係るジャイロセンサー100において、第1バネ部30及び第2バネ部36が設けられる数は図1に示す形態に限定されない。

0033

図3に示されるように、ジャイロセンサー100には、第1及び第2振動部21、22を連結している第2バネ部36が2つ設けられていてもよい。また、図示の例では、第1バネ部30は、振動体20において、4つ設けられていてもよい。

0034

具体的には、第1バネ部30は、X軸方向において中央の第2バネ部36と対向するように、第1振動部21に2つ設けられていてもよい。また、第1バネ部30は、X軸方向において中央の第2バネ部36と対向するように、第2振動部22に2つ設けられていてもよい。これにより、振動体20は、第1バネ部30を介して4つの固定部15により支持されている。

0035

また、図示はされないが、第1振動部21及び第2振動部22に、X軸方向において互いに対向するように、3組の第1バネ部30及び第2バネ部36が設けられていてもよい。

0036

なお、本実施形態に係るジャイロセンサー100の第1バネ部30及び第2バネ部36の詳細な構造については後述される。

0037

駆動部40は、振動体20の第1振動部21又は第2振動部22を励振することができる機構を有する。なお、駆動部40の構成及び数は、第1振動部21又は第2振動部22を励振することができる限り、特に限定されない。

0038

例えば、駆動部40は、振動体20に直接設けられていてもよい。図1に示すように、振動体20の外側に接続された駆動用可動電極部41と、該駆動用可動電極部41と所定の距離を介して対向配置された駆動用固定電極部42から構成されていてもよい。また、図示はされないが、駆動部40は、振動体20に直接接続せずに静電気力等によって振動体20を励振する機構を有し、振動体20の外側に配置されていてもよい。

0039

駆動用可動電極部41は、第1振動部21及び第2振動部22に接続されて複数設けられていてもよい。図示の例では、駆動用可動電極部41は、第1、第2振動部21、22から+Y方向(又はY方向)に延出している幹部と、該基部から+X方向及びX方向に延出している複数の枝部と、を有する櫛歯状電極であってもよい。

0040

駆動用固定電極部42は、駆動用可動電極部41の外側に配置されている。駆動用固定電極部42は、基体10の第1面11に接合(固定)されている。図示の例では、駆動用固定電極部42は、複数設けられ、駆動用可動電極部41を介して、対向配置されている。駆動用可動電極部41が櫛歯状の形状を有する場合、駆動用固定電極部42の形状は、駆動用可動電極部41に対応した櫛歯状電極であってもよい。

0041

駆動用可動電極部41及び駆動用固定電極部42は、図示しない電源電気的に接続されている。駆動用可動電極部41及び駆動用固定電極部42に電圧印加されると、駆動用可動電極部41と駆動用固定電極部42との間に静電力を発生させることができる。これにより、第1バネ部30をX軸に沿って伸縮させることができ、振動部20をX軸に沿って振動させることができる。

0042

駆動部40の材質は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。駆動部40は、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術によって振動体20と共に一体的に加工することにより形成される。

0043

検出部50は、振動体20に連結されている。図示の例では、検出部50は、第1振動部21及び第2振動部22の内側に、それぞれが設けられている。検出部50は、検出用支持部51と、検出用バネ部52と、検出用可動電極部53と、検出用固定電極部54と、を有することができる。なお、図示はしないが、検出部50は、振動体20に連結されていれば、第1振動部21及び第2振動部22の外側に配置されていてもよい。

0044

検出用支持部51の形状は環状の形状であれば特に限定されない。検出用支持部51は、例えば、フレーム状の形状を有している。

0045

検出用バネ部52は、検出用支持部51の外側に配置されている。検出用バネ部52は、検出用支持部51と振動体20(第1振動部21又は第2振動部22)とを接続している。より具体的には、検出用バネ部52の一端は、検出用支持部51に接続されている。検出用バネ部52の他端は、振動体20(第1振動部21又は第2振動部22)に接続されている。検出用バネ部52は、Y軸方向に検出用支持部51を変位し得るように構成されている。より具体的には、検出用バネ部52は、X軸方向に往復しながらY軸方向に延出する形状を有している。

0046

検出用可動電極部53は、検出用支持部51の内側に、検出用支持部51に接続されて配置されている。図示の例では、検出用可動電極部53は、X軸に沿って延出している。

0047

検出用固定電極部54は、検出用支持部51の内側に配置されている。検出用固定電極部54は、基体10の第1面11に接合(固定)されている。図示の例では、検出用固定電極部54は、複数設けられ、検出用可動電極部53を介して、対向配置されている。

0048

検出部50の材質は、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されたシリコンである。検出部50は、例えば、シリコン基板(図示せず)を、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術によって振動体20と共に一体的に加工することにより形成される。

0049

蓋体80は、基体10上に設けられている。基体10及び蓋体80は、図2に示すように、パッケージを構成することができる。基体10及び蓋体80は、キャビティー82を形成することができ、キャビティー82に振動体20を収容することができる。例えば、図2に示す基体10と蓋体80との間は、接着部材等によって埋められていてもよく、この場合、キャビティー82は、例えば、不活性ガス(例えば窒素ガス雰囲気、又は真空雰囲気密閉されていてもよい。

0050

蓋体80の材質は、例えば、シリコン、ガラスである。蓋体80と基体10との接合方法は、特に限定されないが、例えば、基体10の材質がガラスであり、蓋体80の材質が
シリコンである場合は、基体10と蓋体80とは、陽極接合されることができる。

0051

次に、本実施形態に係るジャイロセンサー100の第1バネ部30及び第2バネ部36の詳細な構造について図面を参照しながら説明する。図4は第1バネ部30及び第2バネ部36を模式的に説明するための平面図である。

0052

第1バネ部30は、図4(A)に示されるように、X軸方向に沿う方向に延出する第1バネ構造部31と、第1バネ構造部31を固定部15及び振動体20にそれぞれ接続している第1接続部32と、を備える。具体的には、第1バネ構造部31の一端は、第1接続部32を介して固定部15に固定され、第1バネ構造部31の他端は、第1接続部32を介して振動体20(第1振動部21又は第2振動部22)に接続される。

0053

第1バネ構造部31は、第1バネ部30において、実質的にX軸方向に伸縮することができる部分であり、バネ機構を構成する部分である。第1バネ構造部31のバネ機構は、半導体プロセス等の微細加工技術を用いて形成することができ、X軸方向に伸縮することができる限り、特に限定されない。

0054

図示されるように、第1バネ構造部31は、X軸に沿う方向に延出し、Y軸方向に往復しながらX軸方向に延出する形状(蛇行形状)を有している折り畳みビーム型のバネ構造(folded beam suspension)であってもよい。具体的には、図4(A)に示すように、第1バネ構造部31は、Y軸方向に延出する延出部31aとX軸方向に延出する延出31bとが交互に連続するバネ構造を有していてもよい。

0055

ここで、第1バネ構造部31の構成部材の合計の長さをL1とし、伸縮するX軸方向と直交するY軸方向における長さをL2とする。図示される形態においては、延出部31aと延出部31bの合計の長さ(点P1から点P2までの長さ)がL1となり、Y軸方向に延出する延出部31aの長さがL2となる。

0056

第1バネ構造部31が図4(A)に示される折り畳みビーム型のバネ構造である場合、第1バネ構造部31の第1バネ定数K1は、長さL2のカンチレバーのバネ定数kcantL2が直列に配置される場合のバネ定数として考えることができる。長さL2、厚みh、幅wであるビームからなるカンチレバーのバネ定数kcantL2は下式[数1]により規定される。なお、下式[数1]におけるEは部材固有ヤング率である。

0057

第1バネ構造部31において含まれる延出部31aの数をn1とした場合(図示の例ではn1=12)、折り畳みビーム型のバネ構造である第1バネ構造部31の第1バネ定数K1は、下式[数2]により規定される。

0058

次に、第2バネ部36は、図4(B)に示されるように、X軸方向に沿う方向に延出する第2バネ構造部37と、第2バネ構造部37を第1振動部21及び第2振動部22にそれぞれ接続している第2接続部38と、を備える。具体的には、第2バネ構造部37の一端は、第2接続部38を介して第1振動部21に接続され、第2バネ構造部37の他端は、第2接続部38を介して第2振動部22に接続される。

0059

第2バネ構造部37は、第2バネ部36において、実質的にX軸方向に伸縮することができる部分であり、バネ機構を構成する部分である。第2バネ構造部37のバネ機構は、半導体プロセス等の微細加工技術を用いて形成することができ、X軸方向に伸縮することができる限り、特に限定されない。

0060

図示されるように、第2バネ構造部37は、X軸に沿う方向に延出し、Y軸方向に往復しながらX軸方向に延出する形状(蛇行形状)を有している折り畳みビーム型のバネ構造(folded beam suspension)であってもよい。具体的には、図4(B)に示すように、第2バネ構造部37は、Y軸方向に延出する延出部37aとX軸方向に延出する延出部37bとが交互に連続するバネ構造を有していてもよい。

0061

ここで、第2バネ構造部37の構成部材の合計の長さをL3とし、伸縮するX軸方向と直交するY軸方向における長さをL4とする。図示される形態においては、延出部37aと延出部37bの合計の長さ(点P3から点P4までの長さ)がL3となり、Y軸方向に延出する延出部37aの長さがL4となる。

0062

また、図4(B)に示すように、第2バネ構造部37の両端(P3及びP4)からの長さL3を2等分するポイントを中間点Mとする。また、第2バネ構造部37の両端からの長さを2等分する中間点Mから、第2バネ構造部37の一端(P3又はP4)におけるバネ定数を第2バネ定数K2とする。

0063

第2バネ構造部37が図4(B)に示される折り畳みビーム型のバネ構造である場合、上述の第2バネ定数K2は、長さL4のカンチレバーのバネ定数kcantL4が直列に配置される場合のバネ定数として考えることができる。長さL4、厚みh、幅wであるビームからなるカンチレバーのバネ定数kcantL4は下式[数3]により規定される。なお、下記[数3]におけるEは部材のヤング率である。

0064

中間点Mから第2バネ構造部37の一端(P3又はP4)において含まれる延出部37aの数をn2とした場合(図示の例ではn2=6)、第2バネ構造部37の両端からの長さを2等分する中間点Mから第2バネ構造部37の一端における第2バネ定数K2は、下式[数4]により規定される。

0065

本実施形態に係るジャイロセンサー100において、第1バネ構造部31の第1バネ定数K1は、第2バネ構造部37の両端からの長さを2等分する中間点Mから、第2バネ構造部37の一端(P3又はP4)における第2バネ定数K2よりも小さい。したがって、ジャイロセンサー100の第1バネ部30及び第2バネ部36は、下式[数5]を満たすように設計される。

0066

第1バネ部30の第1バネ定数K1が第2バネ定数K2よりも小さくなるように設計することで、振動モードに対する同相モードの影響を抑制することができ、信頼性が向上し
たジャイロセンサーを提供することができる。その詳細は後述される。

0067

上式[数5]を満たすための第1バネ構造部31及び第2バネ構造部37の具体的な設計手段としては、例えば、以下の手段を採用することができる。

0068

例えば、第1バネ構造部31の両端からの長さL1が第2バネ構造部37の一端から中間点Mまでの長さ(L3/2)よりも長く設計してもよい。換言すれば、第1バネ構造部31のY軸方向に往復する回数(延出する回数であって、ターン数ともいう)が、第2バネ構造部37の一端から中間点MにおけるY軸方向に往復する回数(延出する回数であって、ターン数ともいう)よりも多くなるように設計してもよい。

0069

また、例えば、図4(A)及び図4(B)に示すように、第1バネ構造部31の幅をW1とし、第2バネ構造部37の幅をW2としたとき、第1バネ構造部31の幅W1は、第2バネ構造部の幅W2よりも小さくなるように設計してもよい。

0070

また、例えば、第1バネ構造部31の厚みは、第2バネ構造部の厚みよりも小さくてもよい(図示せず)。しかしながら、実質的に均一な厚みを有するシリコン基板から半導体プロセス等の微細加工技術を用いて形成する場合、第1バネ構造部31の厚みと、第2バネ構造部の厚みとを異ならせるよりも、第1バネ構造部31の幅をW1と、第2バネ構造部37の幅をW2とを異ならせる方がプロセス上、より簡便である。また、上記の[数1]及び[数3]から、厚みhを変更するよりも、幅wを変更することにより、より効果的に第2バネ定数K2の第1バネ定数K1に対する比率を大きくすることができる。

0071

また、例えば、第1バネ構造部31のY軸に沿う方向における長さL2(延出部31aの長さ)は、第2バネ構造部37のY軸に沿う方向における長さL4(延出部37aの長さ)よりも長くなるように設計してもよい。

0072

ここで、ジャイロセンサー100は、MEMSプロセスで製造されるデバイスである。換言すれば、ジャイロセンサー100は、実質的に均一な厚みを有するシリコン基板から半導体プロセス等の微細加工技術を用いて形成されたジャイロセンサーである。したがって、ジャイロセンサー100を構成する第1バネ構造部31及び第2バネ構造部37の寸法を決定する際、微細加工技術で用いられるフォトマスクシリコンウエハのサイズなど、MEMSプロセス条件デザインルール等の製造上の制約が発生する。

0073

本実施形態に係るジャイロセンサー100において、第2バネ定数K2の第1バネ定数K1に対する比率γ(K2/K1)は、2以上、4096以下であってもよい。これにより、MEMSプロセス条件やデザインルール等の製造上の制約を考慮し、かつ、信頼性が向上したジャイロセンサー100を提供することができる。以下、その理由を具体的に説明する。

0074

微細加工技術を考慮して、MEMSジャイロセンサー(例えば、800×400〜1000×500μm2サイズ)を設計する場合、第1バネ構造部31及び第2バネ構造部37の寸法は、幅を、4μmとし、Y軸方向に延出する延出部31a、37aの長さ(L2及びL4)を、100μmとすることができる。また、第1バネ構造部31のY軸方向に往復する回数(延出する回数であって、ターン数ともいう)と、第2バネ構造部37の一端から中間点MにおけるY軸方向に往復する回数(延出する回数であって、ターン数ともいう)を、例えば3回とすることができる。換言すれば、第1バネ構造部31において含まれる延出部31aの数n1と、中間点Mから第2バネ構造部37の一端(P3又はP4)において含まれる延出部37aの数n2を、例えば6とすることができる。

0075

まず、第2バネ定数K2の第1バネ定数K1に対する比率γ(K2/K1)が2となる場合を以下に説明する。

0076

このようなデバイスにおいて、第1バネ構造部31の両端からの長さL1が第2バネ構造部37の一端から中間点Mまでの長さ(L3/2)よりも長くなるように設計する場合、シリコン材料剛性等やパッケージ等のデザインルールを考慮し、第2バネ構造部37の一端から中間点MにおけるY軸方向に往復する回数(延出する回数であって、ターン数ともいう)を3回とし、第1バネ構造部31のY軸方向に往復する回数(延出する回数であって、ターン数ともいう)を最大6回としてもよい。これにより、第1バネ構造部31において含まれる延出部31aの数n1は6から12とすることができる。

0077

このとき、Y軸方向に延出する延出部31a、37aの長さは同じであり、第1バネ構造部31の幅W1は、第2バネ構造部の幅W2と同じである。したがって、上記の[数1]ないし[数4]から、第2バネ定数K2の第1バネ定数K1に対する比率γ(K2/K1)を2とすることができる。

0078

次に、第2バネ定数K2の第1バネ定数K1に対する比率γ(K2/K1)が4096となる場合を以下に説明する。

0079

このようなデバイスにおいて、まず、第1バネ構造部31の幅W1は、第2バネ構造部の幅W2よりも小さくなるように設計することができる。このような場合、シリコン材料の剛性等やパッケージ等のデザインルールを考慮し、第1バネ構造部31の幅W1は、4分の1である1μmまで小さくすることができる。

0080

第1バネ構造部31の幅W1は、1μmまで小さくした場合、第1バネ構造部31の設計上、X軸方向において使用できるスペースが増加し、第1バネ構造部31のY軸方向に往復する回数(延出する回数であって、ターン数ともいう)を、4μm幅における最大6回から4倍の24回とすることができる。これにより、第1バネ構造部31において含まれる延出部31aの数n1は、6から8倍である48となる。

0081

また、このようなデバイスにおいて、第1バネ構造部31のY軸に沿う方向における長さL2(延出部31aの長さ)は、第2バネ構造部37のY軸に沿う方向における長さL4(延出部37aの長さ)よりも長くなるように設計することができる。シリコン材料の剛性等やパッケージ等のデザインルールを考慮し、延出部31aの長さL2を、100μmから最大2倍である200μmとすることができる。

0082

以上の条件下においてMEMSジャイロセンサーを設計した場合、上記の[数1]ないし[数4]から、第2バネ定数K2の第1バネ定数K1に対する比率γ(K2/K1)の最大値は、4096(=43×8×23)と規定することができる。

0083

本実施形態に係るジャイロセンサー100は、例えば、以下の特徴を有する。

0084

ジャイロセンサー100によれば、第1バネ構造部31の第1バネ定数K1は、第2バネ構造部37の両端からの長さを2等分する中間点Mから、第2バネ構造部37の一端における第2バネ定数K2よりも小さい。換言すれば、振動体20がより柔らかい第1バネ部30(第2バネ定数K2よりも相対的に小さい第1バネ定数K1を有する第1バネ部30)で支持されるジャイロセンサー100を設計することができる。このようなジャイロセンサー100によれば、振動モードに対する同相モードの影響を抑制することができる。したがって、信頼性が向上したジャイロセンサーを提供することができる。

0085

2.ジャイロセンサーの動作
次に、ジャイロセンサー100の動作について、図面を参照しながら説明する。図5図8はジャイロセンサー100の動作を模式的に説明するための図である。ここで、図5図8ではジャイロセンサー101の形態でもって本発明に係るジャイロセンサーの動作を例示する。なお、図5図8では、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸、Z軸を図示している。また、便宜上、図5図8では、ジャイロセンサー100の各構成を、簡略化して図示している。

0086

前述のように、ジャイロセンサー100の振動モードでは、第1振動部21と第2振動部22は、駆動部40により励振され、互いに逆相(逆位相)で駆動振動することができる。より具体的には、第1振動部21に設けられた駆動用可動電極部41と駆動用固定電極部42との間に第1交番電圧を印加し、第2振動部22の駆動用可動電極部41と駆動用固定電極部42との間に第1交番電圧と位相が180度ずれた第2交番電圧を印加する。これにより、第1振動部21及び第2振動部22を、互いに逆相(逆位相)でかつ所定の周波数で、X軸に沿って振動させることができる。すなわち、X軸に沿って互いに連結された第1振動部21及び第2振動部22は、X軸に沿って、互いに逆相で振動する。すなわち、第1振動部21及び第2振動部22は、X軸に沿って、互いに反対方向に変位する。

0087

図5に示す例では、第1振動部21は、α1方向(−X軸方向)に変位し、第2振動部22は、α1方向と反対方向のα2方向(+X軸方向)に変位している。図6に示す例では、第1振動部21は、α2方向に変位し、第2振動部22は、α1方向に変位している。

0088

なお、検出部50の振動体20(第1振動部21、第2振動部22)に連結されている部分は、振動体20(第1振動部21、第2振動部22)の振動に伴い、X軸に沿って変位する。

0089

図7及び図8に示すように、第1振動部21、第2振動部22がX軸に沿って振動を行っている状態で、ジャイロセンサー100にZ軸回りの角速度ωが加わると、コリオリの力が働き、検出部50は、Y軸に沿って変位する。すなわち、第1振動部21に連結された第1検出部50a、及び第2振動部22に連結された第2検出部50bは、Y軸に沿って、互いに反対方向に変位する。図7に示す例では、第1検出部50aは、β1方向に変位し、第2検出部50bは、β1方向と反対方向のβ2方向に変位している。図8に示す例では、第1検出部50aは、β2方向に変位し、第2検出部50bは、β1方向に変位している。

0090

検出部50a、50bがY軸に沿って変位することにより、検出用可動電極部53と検出用固定電極部54との間の距離Lは、変化する。そのため、検出用可動電極部53と検出用固定電極部54との間の静電容量は、変化する。ジャイロセンサー100では、検出用可動電極部53及び検出用固定電極部54に電圧を印加することにより、検出用可動電極部53と検出用固定電極部54との間の静電容量の変化量を検出し、Z軸回りの角速度ωを求めることができる。

0091

ジャイロセンサー100によれば、振動モードにおいて、同相モードの影響を低減することができる。これにより、ジャイロセンサーが所望の振動周波数を達成することができ、ジャイロセンサーの信頼性を向上させることができる。詳細は後述される。

0092

3.実施例
次に、実施例に係るシミュレーション結果ついて説明する。シミュレーションは、有限
要素法により振動周波数を算出した。本実施例に係るシミュレーションのベースモデルとして、図3に係るジャイロセンサー100の形態のように第1バネ部30が4つ、第2バネ部が2つ設けられ、振動体20が音叉振動する駆動系を備えたモデルを採用した。構成部材の物性条件としては、ヤング率130.18GPa、断面積50μm2とした。

0093

第1バネ部30と第2バネ部36の寸法としては、幅W1、W2をそれぞれ4μmとし、Y軸方向に延出する延出部31a、37aの長さ(L2及びL4)をそれぞれ100μmとした。また、実際のジャイロセンサーのバネ部等の各部材は、形状(寸法)において、製造過程から不可避に発生するばらつき(誤差)を有している。したがって、本実施例においては、第1振動部21に接続されている第1バネ部30と、第2振動部22に接続されている第1バネ部30と、の間に0.17μmの寸法誤差を設けた。

0094

[比較例]
比較例では、前述の条件下において、第1バネ構造部31の第1バネ定数K1と、第2バネ構造部37の両端からの長さを2等分する中間点Mから、第2バネ構造部37の一端における第2バネ定数K2とが等しくなる条件を設定し、同相モードと逆相モードの周波数を測定するシミュレーションを行った。具体的には、各第1バネ部30が3ターン(3回の折り返し)、第2バネ部36が6ターン(第2バネ構造部37の両端からの長さを2等分する中間点Mから、第2バネ構造部37の一端において、3回の折り返し)の形態であった。

0095

図9は、比較例に係るシミュレーション結果を示す図である。横軸は周波数(Hz)であり、縦軸変位量dBm)である。図9の上図の縦軸のスケールは、絶対値であり、下図の縦軸は、変位量を対数変換した対数スケールである。図9に示されるように、比較例における同相モードと逆相モードの周波数の差Δfは0.47kHzであった。

0096

[実施例]
実施例では、第1バネ構造部31の第1バネ定数K1が、第2バネ構造部37の両端からの長さを2等分する中間点Mから、第2バネ構造部37の一端における第2バネ定数K2よりも小さくなる条件を設定し、同相モードと逆相モードの周波数を測定するシミュレーションを行った。具体的には、各第1バネ部30が6ターン(6回の折り返し)、第2バネ部36が6ターン(第2バネ構造部37の両端からの長さを2等分する中間点Mから、第2バネ構造部37の一端において、3回の折り返し)の形態であった。したがって、第2バネ定数K2の第1バネ定数K1に対する比率γ(K2/K1)が2となる条件で実施例に係るシミュレーションを行った。

0097

図10は、実施例に係るシミュレーション結果を示す図である。横軸は周波数(Hz)であり、縦軸は変位量(dBm)である。図10の上図の縦軸のスケールは、絶対値であり、下図の縦軸は、変位量を対数変換した対数スケールである。図10に示されるように、比較例における同相モードと逆相モードの周波数の差Δfは0.55kHzであった。

0098

図9及び図10から、比較例と比べ実施例においては、第1バネ構造部31の第1バネ定数K1を、第2バネ構造部37の両端からの長さを2等分する中間点Mから、第2バネ構造部37の一端における第2バネ定数K2よりも小さくすることにより、同相モードと逆相モードの周波数の差Δfを0.08kHzだけ引き離すことができた。換言すれば、逆相モードの周波数から同相モードの周波数を離すことができた。したがって、本発明によれば、駆動系の振動モードに対する同相モードの影響を抑制することができることが確認された。

0099

4.ジャイロセンサーの製造方法
次に、本実施形態に係るジャイロセンサーの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図11及び図12は、本実施形態に係るジャイロセンサー100の製造工程を模式的に示す断面図であって、図2に対応している。

0100

図11に示すように、基板10の第1面11に、凹部14を形成する。このとき、凹部14の周囲に溝部(図示せず)を形成することができる。凹部14、溝部は、例えば、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により形成される。これにより、第1面11に凹部14が設けられている基板10を用意することができる。

0101

次に、図示はされないが、凹部14内を含む基板10上に駆動部40や検出部50を構成するための配線を形成することができる。配線は、例えば、スパッタ法CVD(Chemical Vapor Deposition)法などによって成膜された後、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術によってパターニングされることによって形成される。

0102

図12に示すように、基板10上に振動体20、第1バネ部30等を形成する。より具体的には、シリコン基板(図示せず)を基板10の第1面11に載置(接合)し、該シリコン基板を薄膜化させた後にパターニングすることにより形成される。パターニングは、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術によって行われる。シリコン基板と基板10の接合は、例えば、陽極接合によって行われる。

0103

本工程において、第1面11上に駆動用固定電極部42、検出用固定電極54等を形成し、駆動部40、検出部50を形成することができる。

0104

図2に示すように、基板10及び蓋体80を接合して、基板10及び蓋体80によって囲まれるキャビティー82に振動体20を収容する。基板10と蓋体80との接合は、例えば、陽極接合によって行われる。

0105

以上の工程により、ジャイロセンサー100を製造することができる。

0106

5.電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る電子機器は、本発明に係るジャイロセンサーを含む。以下では、本発明に係るジャイロセンサーとして、ジャイロセンサー100を含む電子機器について、説明する。

0107

図13は、本実施形態に係る電子機器として、モバイル型(又はノート型)のパーソナルコンピューター1100を模式的に示す斜視図である。

0108

図13に示すように、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部1108を有する表示ユニット1106と、により構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。

0109

このようなパーソナルコンピューター1100には、ジャイロセンサー100が内蔵されている。

0110

図14は、本実施形態に係る電子機器として、携帯電話機(PHSも含む)1200を模式的に示す斜視図である。

0111

図14に示すように、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口12
04及び送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部1208が配置されている。

0112

このような携帯電話機1200には、ジャイロセンサー100が内蔵されている。

0113

図15は、本実施形態に係る電子機器として、デジタルスチルカメラ1300を模式的に示す斜視図である。なお、図15には、外部機器との接続についても簡易的に示している。

0114

ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルム感光するのに対し、デジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号画像信号)を生成する。

0115

デジタルスチルカメラ1300におけるケースボディー)1302の背面には、表示部1310が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部1310は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。

0116

また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。

0117

撮影者が表示部1310に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。

0118

また、このデジタルスチルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用入出力端子1314とが設けられている。そして、ビデオ信号出力端子1312には、テレビモニター1430が、データ通信用の入出力端子1314には、パーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。

0119

このようなデジタルスチルカメラ1300には、ジャイロセンサー100が内蔵されている。

0120

以上のような電子機器1100、1200、1300は、2つの振動体が逆相で振動する駆動系において、信頼性が向上したジャイロセンサー100を有することができる。

0121

なお、上記ジャイロセンサー100を備えた電子機器は、図13に示すパーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、図14に示す携帯電話機、図15に示すデジタルスチルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビビデオカメラヘッドマウントディスプレイビデオテープレコーダー、各種ナビゲーション装置ページャー電子手帳通信機能付も含む)、電子辞書電卓電子ゲーム機器、ワードプロセッサーワークステーションテレビ電話防犯用テレビモニター、電子双眼鏡POS端末医療機器(例えば電子体温計血圧計血糖計、心電図計測装置超音波診断装置電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器計器類(例えば、車両、航空機ロケット船舶の計器類)、ロボット人体などの姿勢制御フライトシミュレーターなどに適用することができる。

0122

6.移動体
図16は、本実施形態の移動体の一例を示す図(上面図)である。図16に示す移動体1500は、本発明に係るジャイロセンサー100を含んで構成されている。なお、本実施形態の移動体は、図16の構成要素(各部)の一部を省略又は変更してもよいし、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

0123

このような移動体1500には、ナビゲーションシステム等においてジャイロセンサーが搭載されるが、移動体の移動に必要な制御を行うため高い信頼性が要求される。

0124

移動体用のジャイロセンサーとして、本発明に係るジャイロセンサー100を適用することにより、高い信頼性を確保することができる。

0125

このような移動体1500としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車電気自動車も含む)、ジェット機ヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。

0126

上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態及び各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

0127

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

0128

10…基体、11…第1面、12…第2面、14…凹部、15…固定部、20…振動体、21…第1振動部、22…第2振動部、30…第1バネ部、31…第1バネ構造部、31a…延出部、31b…延出部、32…第1接続部、36…第2バネ部、37…第2バネ構造部、37a…延出部、37b…延出部、38…第2接続部、40…駆動部、41…駆動用可動電極部、42…駆動用固定電極部、50…検出部、51…検出用支持部、52…検出用バネ部、53…検出用可動電極部、54…検出用固定電極部、80…蓋体、82…キャビティー、100…ジャイロセンサー、1100…パーソナルコンピューター、1102…キーボード、1104…本体部、1106…表示ユニット、1108…表示部、1200…携帯電話機、1202…操作ボタン、1204…受話口、1206…送話口、1208…表示部、1300…デジタルスチルカメラ、1302…ケース、1304…ユニット、1306…シャッターボタン、1308…メモリー、1310…表示部、1312…ビデオ信号出力端子、1314…入出力端子、1430…テレビモニター、1440…パーソナルコンピューター、1500…移動体。

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