JPH06174739A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 量産性に優れ、微小型で高精度な角速度セン
サを提供する。 【構成】 半導体基板３を用いて、直交する第１の梁１
と第２の梁２を交差固定部18を中心として第１の梁１の
両サイド表面に振動励振器５ａ，５ｂを、第２の梁２の
両サイド表面に振動検出器６ａ，６ｂをそれぞれ形成
し、さらに交差固定部18の裏面側に振動子４を形成す
る。これらの部分１，２，５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，４
は全て半導体微細加工にて形成できるので角速度センサ
を高精度に微小化できる。振動励振器５に交流信号を加
えて梁１を二次モードで振動させ、この状態で角速度セ
ンサが紙面に直交する軸周りに回転すると梁２が撓み振
動検出器６に歪みが生じ、この歪みによる検出器６ａ，
６ｂ間の電圧差を角速度信号として出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動体の角速度検出を
行う角速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、角速度センサとして一般的に知ら
れているものが図５と図６に示されている。図６に示す
ものは、正四角柱体の振動子４の側面に励振用圧電素子
５ａと５ｂを対向させ、検出用圧電素子６ａと６ｂとを
対向させて貼付している。励振用圧電素子５で振動子４
を振動させ、この状態で振動子４がＺ軸周りに回転する
と、励振方向と直角方向にコリオリの力が発生する。こ
のコリオリの力と前記励振方向の力との合力が検出用圧
電素子６ａ，６ｂに作用して、一方は伸ばされ、他方は
縮められる。この圧電素子６ａ，６ｂに発生する電圧の
差を角速度の検出信号として出力する。

【０００３】図６に示すものは、特開昭６１−１１４１
２３号公報に開示されているもので、シリコン等の半導
体基板３に半導体微細加工技術を用いて四角柱状の振動
子４、固定部14ａ，14ｂを形成し、この固定部14はガラ
ス材等の台13の上に貼付され、振動子４は振動自在とな
るよう浮遊状態となっている。振動励振器を含む電極部
品15や振動検出器を含む電極部品16が前記振動子４の近
傍に配設されている。これら電極部品15と16は、半導体
基板を図示のような形状に形成し、振動子４に対向する
面にそれぞれの電極（図示せず）を直交させて貼付する
ことによって形成されている。

【０００４】前記図６の従来例では、励振用圧電素子５
や検出用圧電素子６は電圧の変化を利用して振動励振や
角速度の検出を行っていたが、図５の従来例では、電極
部品15，16に生ずる静電力や静電容量の変化を利用して
振動励振や角速度の検出を行う。角速度の検出動作は前
記同様の原理で行う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示す角速度センサの場合は、機械加工で作製するため高
精度の加工が難しく、振動子４を寸法精度良く正四角柱
に形成できなかったり、各圧電素子５，６の位置がずれ
て貼付されることも多かった。このような場合には、静
止状態でも振動子４に励振信号が加えられると検出用圧
電素子６ａと６ｂとの電圧が零とならず、もれ出力が検
出されるため、ドリフトが発生し、Ｓ／Ｎ比が低下する
という問題があった。このようなもれ出力を低減させ、
高感度で低ドリフトな角速度センサに製作するために
は、振動子を高精度に機械加工し、精密な組み立て調整
を行わねばならず、その結果、製造工程に多大な労力を
必要とし、高コストなものとなった。また、この角速度
センサは、機械加工で作製されるため、組み立て技術の
制約により小型化が難しいという問題もあった。

【０００６】また、図５に示す角速度センサの場合に
は、半導体微細加工技術を用いて作製するので、図６に
示すものに比べて格段に小型化され、寸法精度良く高精
度に作製されるが、次のような問題があった。すなわ
ち、この角速度センサは、振動励振器としての電極部品
15の電極と振動検出器としての電極部品16の電極とを直
交させ、かつ、これら電極部品15，16の各電極は振動子
４に対向させて配設しなければならないため、各素子1
5，16，４は三次元形状となり、全部の素子15，16，４
を半導体加工技術で作製することが困難であった。

【０００７】そこで、電極部品15と16を別工程で形成し
た後、それぞれの電極が直交するよう電極部品15と16を
振動子４の近傍に配設するという面倒な組み立て作業が
最終工程で必要となった。したがって、量産性が低く、
高コストになるという問題を生じた。

【０００８】また、この従来例では、台13上に、以上の
ように形成された各部分４，14，15，16を搭載している
ので、センサ全体の微小化が難しく、一層の微小化が望
まれていた。

【０００９】本発明は上記従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、量産性に優れ、微小
型で高精度な角速度センサを提供することにある。

【００１０】

【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、次のように構成されている。すなわち、本
発明の角速度センサは、基板上に両端固定の第１の梁と
第２の梁とが直角に交差して形成され、第１の梁と第２
の梁との交差固定部には振動子が設けられ、第１の梁と
第２の梁との少なくとも一方側には梁を励振して振動子
を振動させる振動励振器が設けられており、第１の梁と
第２の梁の少なくとも他方側には角速度によって振動子
に発生する振動を検出する振動検出器が設けられている
ことを特徴として構成されている。

【００１１】

【作用】第１の梁と第２の梁が直交して形成され、その
交差固定部に振動子が設けられているので、振動励振器
が設けられている一方の梁が振動励振器からの励振信号
により振動し、この状態で、例えば、両梁に直交する軸
周りに回転すると、振動子にコリオリの力が発生し、こ
の力方向に振動子が振動し、この振動は振動検出器が設
けられている梁に伝わり、この振動を振動検出器が検出
して角速度信号として出力する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１には、本発明に係る角速度センサの一実施例
の構成図が示されている。

【００１３】同図において、シリコン等の半導体基板３
には、正方形の穴Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆが開口され、同一長さ
の第１の梁１と第２の梁２とが直交状態で形成されてい
る。両梁１，２の交差固定部18の裏側には同図の（ｂ）
に示すように振動子４が突出形成されている。交差固定
部18を中心として第１の梁１の両サイド表面側には振動
励振器５ａ，５ｂが、第２の梁２の両サイド表面側には
振動検出器６ａ，６ｂが配設されている。これら振動励
振器５ａ，５ｂや振動検出器６ａ，６ｂは、電極７ａと
７ｂの間に酸化亜鉛薄膜８を挟んだ形状の圧電素子とし
て形成されている。基板３の裏面外周囲側には基台３ａ
が前記振動子４よりも高く形成され、角速度センサの支
持部となっている。

【００１４】上記構成による本実施例の角速度センサの
製造工程が図３に示されている。同図の左側列には図１
のＡ−Ａ断面部の製造工程が、右側列には図１のＢ−Ｂ
断面部の製造工程が示されている。まず、シリコンウェ
ハ等の半導体基板３の両面に図３の（ａ）に示すように
酸化シリコン膜９を熱酸化等により形成する。次に、振
動励振器５や振動検出器６形成部分の４個所に同図の
（ｂ）に示すように電極７ａの上部に圧電薄膜としての
酸化亜鉛薄膜８を、この薄膜８の上部に電極８ｂをそれ
ぞれスパッタ処理等により形成する。

【００１５】次に、同図の（ｃ）のように、上記圧電素
子５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂを配設した基板３の表面にマ
スクとしてのレジスト17を塗布し、同図の（ｄ）のよう
にドライエッチングにより穴Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆに相当する
部分を梁１，２の厚さに相当するｈだけ除去する。次
に、レジスト17を除去し、同図の（ｅ）に示すように、
基板３の表面に酸化シリコン等の保護膜10をプラズマＣ
ＶＤ処理等により形成し、基板３の裏面に振動子４と基
台３ａを形成するために必要なマスクとしての酸化シリ
コン９を残して、あとはエッチング除去する。次に、基
板３の裏面より水酸化カリウム等のエッチング液で前記
ドライエッチングした深さｈまで異方性エッチングを行
い、同図の（ｆ）に示すような振動子４、基台３ａ、梁
１と２を形成する。

【００１６】本実施例はこのように構成されており、次
に、角速度の検出動作を図２を用いて説明する。振動励
振器５ａと５ｂにそれぞれ180 °の位相差を持った交流
電圧としての励振信号が加えられると、第１の梁１が図
示のＧ，Ｇ′のように二次モードで振動し、振動子４は
交差固定部18を支点として梁１の軸長方向に振れる。こ
の状態で、この角速度センサをＺ軸周りに回転すると、
振動子４に励振方向と直角方向にコリオリの力が発生し
て振動子４がこの力の方向に振動し、この振動が第２の
梁２に伝わり、同図の（ｂ）に示すように、梁２が図示
のＨ，Ｈ′で示すように二次モードで振動する。この振
動により、梁２に設けられている振動検出器６ａ，６ｂ
の各圧電薄膜８に互いに反対の歪みが生じ、この振動検
出器６ａ，６ｂ間に生じた電圧の差が角速度の検出信号
として出力される。

【００１７】本実施例によれば、角速度センサの各部
分、すなわち、振動子４、振動励振器５、振動検出器６
や梁１，２等を全て半導体微細加工技術を用いて形成で
きる。したがって、角速度センサを高精度に、かつ、微
小型に形成できる。また、従来例のように電極部品15，
16を半導体基板３に組み立て貼付する必要はないので、
作業が省労力化されて、量産化に適したものとなる。し
たがって、低コスト化が図られる。

【００１８】さらに、振動励振器５と振動検出器６は直
角方向に離れた位置に配設されるので、従来のように振
動励振器５と振動検出器６とを同一の振動子４に配設し
たものに比べて振動検出器６に作用するコリオリの力を
ドリフトやノイズ等の他の影響から分離して検出するこ
とができ、角速度信号を高精度に検出できる。

【００１９】さらに、角速度の検出は振動検出器６ａと
６ｂとの電圧の差を利用して行われるので、温度の変化
が生じてもこの温度変化による振動検出器６ａ，６ｂへ
の影響が打ち消されるため温度補償されて、温度変化の
悪影響を受けないものとなる。

【００２０】上記実施例では、振動励振器５に二次モー
ドの交流信号を加えた例で説明したが、第１の梁１が、
図４のＪ，Ｊ′に示すように一次モードで振動するよう
な信号を振動励振器５に加えてもよい。この場合には、
振動子４は一次モードで上下に移動し、この状態でＹ軸
方向に角速度センサを回転させると、第２の梁２の方向
にコリオリの力が発生し、梁２が伸縮変形して振動検出
器６ａ，６ｂ間に電圧の差が生ずる。この電圧の差をＹ
軸周りの角速度の検出信号として出力する。Ｘ軸周りの
角速度も第２の梁２に設けられる振動励振器５ａ，５ｂ
により振動子４を励振させ、第１の梁１に設けられる振
動検出器６ａ，６ｂにより検出することによって同様に
検出できる。

【００２１】また、第１の梁１と第２の梁２に設ける圧
電素子５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂをそれぞれ振動励振器と
振動検出器との機能を兼備させることにより、Ｙ軸およ
びＸ軸周りの角速度の検出が同時にできる。

【００２２】なお、本発明は上記各実施例に限定される
ことはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上
記実施例では第１の梁１と第２の梁２とを同一寸法にて
形成したが、異なる寸法にて形成してもよい。また、半
導体基板３としてシリコン材を使用したが、水晶などの
他の単結晶基板を用いてもよい。

【００２３】さらに、振動子４や基台３ａの形状は仕様
に応じて変化し得る。

【００２４】さらに、圧電素子５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ
に酸化亜鉛薄膜８を用いて形成したが、その他の材料、
例えば、セラミック圧電材料を用いて形成してもよい。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、直交する第１の梁と第
２の梁の交差固定部に振動子が設けられ、前記各梁に振
動励振器や振動検出器が設けられるよう構成したので、
半導体微細加工技術を用いて以上各梁、振動子、振動励
振器、振動検出器等の部分全てが形成できる。したがっ
て、本発明の角速度センサは高精度に微小化できる。

【００２６】また、従来のように面倒な組み立て作業が
なく、全て半導体微細加工工程で形成されるため、量産
化が図られ、低コスト化される。

【００２７】さらに、振動励振器５と振動検出器６はそ
れぞれ別の梁１又は２に配設されるため、従来のように
振動励振器５と振動検出器６とを同じ振動子４に配設し
たものに比べて、振動検出器６に作用するコリオリの力
をドリフトやノイズ等の他の影響から分離して検出する
ことができるので、角速度信号を一層高精度に検出でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る角速度センサの一実施例を示す構
成図である。

【図２】同実施例の角速度検出動作の説明図である。

【図３】同実施例の製造工程を示す説明図である。

【図４】角速度センサに一次モードの励振信号を加えた
ときの検出動作の説明図である。

【図５】半導体基板上に設けた角速度センサの従来例を
示す説明図である。

【図６】正四角柱振動子を用いた角速度センサの従来例
を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 第１の梁 ２ 第２の梁 ３ 基板 ４ 振動子 ５ａ，５ｂ 振動励振器 ６ａ，６ｂ 振動検出器 18 交差固定部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に両端固定の第１の梁と第２の梁
   とが直角に交差して形成され、第１の梁と第２の梁との
   交差固定部には振動子が設けられ、第１の梁と第２の梁
   との少なくとも一方側には梁を励振して振動子を振動さ
   せる振動励振器が設けられており、第１の梁と第２の梁
   の少なくとも他方側には角速度によって振動子に発生す
   る振動を検出する振動検出器が設けられている角速度セ
   ンサ。