JPH0783667A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】小型・軽量化が図れ、低コストで高精度の角速
度センサを提供することにある。 【構成】角速度センサ１０は、基板１１に回転振動可能
に支持された外側ジンバル１２とこの外側ジンバル１２
に回転振動可能に支持された内側ジンバル１３とから形
成された平面ジンバル構造と、前記基板１１に固定さ
れ、前記外側ジンバル１２に回転振動を励起させる少な
くとも１つの振動励起手段１７とを備え、前記内側ジン
バル１３に発生するコリオリ力を検出する少なくとも１
つの変位検出手段２０を、前記内側ジンバルを支える梁
に設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ジャイロスコープ等に
利用され、慣性誘導装置や姿勢検出装置等に用いられる
角速度センサに係り、特に振動体に付与された角速度に
応じて発生するコリオリ力による振動体の変位量から角
速度を検出する振動型角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】角速度センサはジャイロスコープ等に利
用され、航空機、飛翔体等の各種航行体の慣性誘導装置
（ＩＮＳ）、姿勢制御装置（ＩＲＳ，ＡＨＲＳ）の最重
要構成品として、また各種照準装置の安定化のために基
本要素として各分野に広く応用されている。最近では、
比較的小型で安価な圧電振動型のジャイロが、ビデオ・
ムービーの手振れ補正や自動車のナビゲーションシステ
ム等に使用されている。

【０００３】この種の角速度センサを用いた従来の圧電
振動型ジャイロは、図５に示す構造を有する。

【０００４】この圧電振動型ジャイロは、基台１に四角
柱状金属片２が、振動を妨げない位置に設けられたワイ
ヤ３により支持されて振動ビーム４が構成され、上記金
属片２に駆動用圧電板５と検出用圧電板６とが接着され
る。

【０００５】従来の圧電振動型ジャイロは、Ｘ方向の屈
曲振動の共振周波数ｆx とＹ方向の共振周波数ｆy は等
しくなるように設定されており、駆動用圧電板５に共振
周波数と等しい周波数の電圧を印加すると振動ビーム４
はＸ方向に共振する。

【０００６】この共振状態で圧電振動型ジャイロにＺ軸
廻りに回転角速度Ω0 が加わると振動方向に直角なＹ方
向にコリオリの力が生じ、振動ビーム４はＹ方向にも共
振する。この共振振動の大きさを検出用圧電板６により
検出することで回転角速度Ω0 を算出することができ、
この回転角速度を積分することにより回転角が得られ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この種の圧電振動型ジ
ャイロの構造は、Ｘ方向の屈曲振動の共振周波数ｆx と
Ｙ方向の共振周波数ｆy が等しくなるように設定し、組
み立てなけれならず、高精度な加工や組立が要求され
る。しかし、圧電振動型ジャイロを高精度に加工し、組
立を行なうことは困難性が伴い、精度的に不充分であ
る。

【０００８】また、従来の圧電振動型ジャイロでは、振
動数や振動数成分等の出力特性が検出センサ毎にバラツ
キ、個々の検出センサについて個別調整を行なう必要が
あり、量産に適していなかった。

【０００９】さらに、従来の圧電振動型ジャイロは、機
械式に較べれば小型・軽量であるものの、機械加工によ
り成形した金属片に圧電板を接着して構成するために、
小型・軽量化には限界があり、小型移動体への適用は極
めて困難であった。

【００１０】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、小型・軽量化が図れ、低コストで高精度の角
速度センサを提供することを目的とする。

【００１１】本発明の他の目的は、個別の調整を不要と
し、量産に適し、加工や組立コストの低減を図ることが
できる角速度センサを提供するにある。

【００１２】本発明のさらに他の目的は、慣性誘導装置
や姿勢検出装置等に備えられる振動型ジャイロに応用で
きる角速度センサを提供するにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る角速度セン
サは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載
したように、基板に回転振動可能に支持された外側ジン
バルとこの外側ジンバルに回転振動可能に支持された内
側ジンバルとから形成された平面ジンバル構造と、前記
基板に固定され、外側ジンバルに回転振動を励起させる
少なくとも１つの振動励起手段とを備え、前記内側ジン
バルに発生するコリオリ力を検出する少なくとも１つの
変位検出手段を、前記内側ジンバルを支える梁に設けた
ことを特徴とするものである。

【００１４】

【作用】本発明に係る角速度センサは、外側ジンバルと
内側ジンバルとを平面ジンバル構造に形成したので、こ
の平面ジンバル構造を半導体プロセスにより一連の製造
プロセスで形成することができ、大幅な小型・軽量化が
可能となり、低コスト化を図ることができる。

【００１５】また、平面ジンバル構造は、基板上に異方
性エッチング処理により一体形成することができ、この
平面ジンバルの外側ジンバルに振動励起手段により回転
振動を励起させ、内側ジンバルに発生するコリオリ力に
よる変位を変位検出手段で検出したので、この変位検出
手段により振動体の角速度を正確かつ迅速に検出でき
る。

【００１６】さらに、角速度センサを平面ジンバル構造
を半導体プロセスで製造できるので、量産に適したもの
となり、振動励起手段としての圧電バイモルフや変位検
出手段としての半導体センサも平面ジンバルに一体に造
り込めるので、さらに小型・軽量化が可能となり、加工
・組立コストの低減が図れ、高精度の角速度センサを提
供できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明に係る角速度センサの一実施例
について添付図面を参照して説明する。

【００１８】図１は、本発明に係る圧電振動型角速度セ
ンサ１０の一例を示すものであり、この角速度センサ１
０はシリコン（Ｓｉ）等からなる半導体基板１１を有す
る。この基板１１は異方性エッチング等により加工処理
して矩形リング状の外側ジンバル１２と慣性質量となる
内側ジンバル１３とを備えた平面ジンバル構造に構成さ
れる。

【００１９】外側ジンバル１２は基板１１に対をなす支
持梁１４，１４によりその中心軸Ｂ−Ｂ（Ｘ軸）廻りに
回転振動可能に一体に支持される。また、内側ジンバル
１３は外側ジンバル１２に対し対をなす支持梁１５，１
５によりその中心軸Ａ−Ａ（Ｙ軸）廻りに回転振動可能
に一体に支持される。外側ジンバル１２を支持する支持
梁１４，１４は内側ジンバル１３を支持する支持梁１
５，１５に対して好ましくは直交する位置に設けられ
る。

【００２０】一方、基板１１と外側ジンバル１２とをブ
リッジするように振動励起手段として対をなす圧電バイ
モルフ１７が設けられる。

【００２１】この圧電バイモルフ１７は外側ジンバル１
２にＢ−Ｂ線廻りに回転振動を付与するもので、ＺｎＯ
スパッタ膜とＡｕ電極膜等の薄膜プロセスで構成され、
一端は基板１１側に固定され、他端は外側ジンバル１２
と重ね合さるようにＸ軸と平行な端縁を備えている。圧
電バイモルフ１７の他端は、外側ジンバル１２に機械的
に固定しなくてもよい。また、圧電バイモルフ１７は外
側ジンバル１２の回転振動を阻害しない薄膜のブリッジ
梁１８上に形成しても、ブリッジ梁を必要とせず直接ブ
リッジさせてもよい。

【００２２】内側ジンバル１３は外側ジンバル１２に対
しＹ軸に平行な支持梁１５，１５廻りに回転振動自在に
支持される一方、内側ジンバル１３と外側ジンバル１２
との間にはＸ軸に平行な対をなす薄膜のブリッジ梁１
９，１９が一体に成形され、このブリッジ梁１９，１９
の表面に変位検出手段としての歪ゲージ２０，２０が対
をなして形成される。対をなす歪ゲージ２０，２０は、
圧電バイモルフ１７と直交する位置に配置される。歪ゲ
ージ２０は必ずしも２個形成する必要がなく、いずれか
一方だけに設けてもよい。ブリッジ梁１９，１９は内側
ジンバル１３のＢ−Ｂ線廻りの回転振動を阻害しないよ
うに充分な薄膜に形成される。

【００２３】次に、角速度センサ１０の作用を説明す
る。

【００２４】図１および図２（Ａ）に示すように、角速
度センサ１０の振動励起手段を構成する圧電バイモルフ
１７，１７に交流電圧を印加し、平面ジンバル構造の外
側ジンバル１２に鎖線で示すように、Ｘ軸に平行なＢ−
Ｂ線廻りの回転振動を励起させる。この回転振動の励起
により、内側ジンバル１３も支持梁１５，１５により結
合しているので、同じ方向に回転振動する。

【００２５】この回転振動励起状態で、角速度センサ１
０にＺ軸廻りの角速度Ω0 が加わると、図２（Ｂ）に示
すように、内側ジンバル１３にコリオリ力が作用する。
コリオリ力は、圧電バイモルフ１７，１７により誘起さ
れた振動方向に直角な方向に働き、内側ジンバル１３は
鎖線で示すように、Ｙ軸に平行なＡ−Ａ線廻りに回転振
動する。この振動の大きさは角速度Ω0 に比例するの
で、変位検出手段である歪ゲージ２０，２０により歪量
（内側ジンバル１３と外側ジンバル１２との相対変位
量）を検出することで、角速度Ω0 を測定することがで
きる。

【００２６】なお、外側ジンバル１２に対し内側ジンバ
ル１３を圧電バイモルフ１７で支持し、内側ジンバル１
３に発生するコリオリ力を、内側ジンバル１３を支持す
るように形成された圧電バイモルフ１７の圧電効果によ
り検出してもよい。

【００２７】次に、本発明に係る角速度センサ１０を半
導体プロセスである一連の製造プロセスを用いて製造す
る方法を説明する。

【００２８】図４は半導体プロセスを用いて角速度セン
サを作製する最も単純な製造プロセスを示したものであ
る。

【００２９】角速度センサ１０を製造するには、半導体
基板であるＳｉ基板１１をステップ（１）に示すように
用意する。続いて、ステップ（２）でＳｉ基板１１に熱
酸化を施し、基板表面に酸化膜２２を形成する。

【００３０】酸化膜２２形成後の、角速度センサ１０の
製造プロセスを図中のＸ断面（Ｂ−Ｂ線に沿う断面）と
Ｙ断面（Ａ−Ａ線に沿う断面）に分けて説明する。

【００３１】初めに、角速度センサ１０のＹ断面（図２
（Ａ）参照）について説明する。

【００３２】ステップ（３ａ）に示すように、Ｓｉ基板
１１の表面に形成された酸化膜２２にパターニングを行
なう。パターニングは、Ｓｉ基板１１に平面ジンバル形
状を形成するために、エッチング処理ににより、マスク
と質量支持部を形成するものである。Ｓｉ基板１１の酸
化膜２２のパターニングには、フォトリソグラフィとド
ライあるいはウェットエッチングを使用する。

【００３３】次に、ステップ（４ａ）に示すように、Ｓ
ｉ基板１１の酸化膜２２上の所定位置に振動励起手段と
しての圧電バイモルフ１７を形成する。圧電バイモルフ
１７は、圧電体ＺｎＯ薄膜２３を酸化膜２２上にスパッ
タ等により形成し、この薄膜２３上に内部電極層を構成
するＡｕ等の金属薄膜２４をスパッタ等により同様に形
成し、金属薄膜２４上に圧電体薄膜２５を形成し、パタ
ーニングすることで構成される。

【００３４】その際、圧電バイモルフ１７の両主面に電
極と配線を行なうために、また、内部電極層２４から配
線を行なうために金属膜を形成し、パターニングを行な
う必要がある。圧電バイモルフ１７の代りに圧電ユニモ
ルフや熱によるバイメタル構造を使用してもよい。バイ
メタル構造は、例えばＳｉあるいはＳｉ酸化薄膜上にNi
−Ｃｒ等の抵抗発熱体薄膜を形成し、パターニング，配
線をすることにより形成できる。

【００３５】次に、角速度センサ１０のＸ断面（図２
（Ｂ）参照）について説明する。

【００３６】角速度センサ１０のＹ断面同様、Ｓｉ基板
１１の酸化膜２２をステップ（３ｂ）に示すようにパタ
ーニングした後、ステップ（４ｂ）で示すように、所定
位置に変位検出手段としての歪ゲージ２０を形成する。
歪ゲージ２０は例えば多結晶Ｓｉ薄膜２７を成膜パター
ニングし、Ｓｉ薄膜２７上にＳｉＮ等の保護膜２８を成
膜パターニングして形成する。歪ゲージ２０には配線の
ために金属膜の成膜とパターニングが必要であるが、図
示は省略する。

【００３７】最後に、ステップ（５ａ）およびステップ
（５ｂ）に示すようにＫＯＨ等のエッチング液を用いて
平面ジンバル構造に形成してステップ（６）で示す角速
度センサ１０が一連の製造プロセスで構成される。

【００３８】この角速度センサ１０の製造プロセスであ
る半導体プロセスでは、電気配線のための複雑な金属膜
の成膜パターニングプロセスが必要であるが、この成膜
パターニングプロセスの詳細な説明は省略する。角速度
センサ１０には、検出回路等の周辺回路も一体に形成さ
れるが、図示は省略する。

【００３９】完成した角速度センサ１０は、パッケージ
ングして使用される。

【００４０】パッケージングは、初めに角速度センサ１
０を電極端子を有する金属あるいはセラミック台座（図
示せず）にセットして、半導体基板１１部分を接着等に
より固定する。次に、角速度センサ１０の入出力電極と
金属あるいはセラミック台座の電極端子をボンディング
等により接続する。

【００４１】最後に金属あるいはセラミック台座に上蓋
を被せてシーリングする。角速度センサ１０の要求特性
に応じて慣性質量（内側ジンバル）のダンピングを調整
するために、センサ内部を減圧し、真空とするか、ある
いはオイル充填等を行なう。角速度センサ１０の使用環
境によってはパッケージングをせず、センサチップのま
まで使用する場合もある。

【００４２】この角速度センサ１０においては、半導体
基板１１、外側ジンバル１２および内側ジンバル１３，
支持梁１４，１５および変位検出手段としての歪ゲージ
２０を半導体プロセスにより同一の半導体にセンサチッ
プとして構成することができ、さらに、同一のセンサチ
ップ上に集積化でき、駆動回路（振動励起手段）等の周
辺回路も一体に造り込めるので、より一層小型・軽量化
を図ることができる。角速度センサ１０は半導体プロセ
ス（Ｓｉプロセス）で製造できるので、量産に適してお
り、一連の製造プロセスで製作できるので、加工・組立
コストを下げることができる。

【００４３】なお、角速度センサ１０の振動励起手段と
して圧電バイモルフを用いた例を示したが、この圧電バ
イモルフに代えて圧電ユニモルフや熱によるバイメタル
を用いてもよい。また、圧電バイモルフ１０の外側ジン
バル側および歪ゲージを形成したブリッジ梁の一側は、
ジンバルに固定せず重なっているだけでもよい。さら
に、圧電バイモルフ１７や歪ゲージ２０を形成したブリ
ッジ梁１８，１９は、必ずしも対をなして形成する必要
がなく、各々１つずつでも、あるいは複数個ずつであっ
てもよい。また、圧電バイモルフ１７と歪ゲージ２０と
を直交させる位置に必ずしも配置する必要がなく、所要
の角度をなして設けるようにすればよい。さらに、平面
ジンバルを構成する外側ジンバル１２と内側ジンバル１
３を矩形リング状に構成した例を示したが、同心円状の
円形リング構造であっても、楕円リング構造であっても
よい。

【００４４】図５は本発明に係る角速度センサの他の実
施例を示すものである。

【００４５】この実施例に示された角速度センサ１０Ａ
は、振動励起手段である圧電バイモルフ（圧電ユニモル
フ，熱によるバイメタルでもよい。）１７と変位検出手
段である捩り検出ゲージ３０とを共通軸を有するよう
に、直列配置構造としたものである。

【００４６】変位検出手段３０は外側ジンバル１２と内
側ジンバル１３との間の支持梁１５，１５に形成され、
支持梁１５，１５の捩れ角を検出することにより、捩れ
角の大きさに比例する角速度Ω0 を測定できるようにな
っている。

【００４７】図４に示した角速度センサ１０Ａの他の構
成は、図１に示す角速度センサ１０と、実質的に異なら
ないので、同一符号を付して説明を省略する。その際、
角速度センサ１０Ａには外側ジンバル１２と内側ジンバ
ル１３との間に掛け渡されるブリッジ梁やこのブリッジ
梁に形成される歪ゲージは必ずしも必要としない。

【００４８】

【発明の効果】以上に述べたように本発明に係る角速度
センサは、外側ジンバルと内側ジンバルとを平面ジンバ
ル構造に構成したので、半導体プロセスにより製造する
ことができ、大幅な小型・軽量化が可能となり、低コス
ト化を図ることができる。

【００４９】また、角速度センサはエッチング処理によ
り平面ジンバル構造を一体成形でき、半導体プロセスの
一連の製造プロセスで製造できるので、量産に適したも
のとなり、小型・軽量化しても高精度に製造できる。

【００５０】さらに、この角速度センサは、平面ジンバ
ル構造の外側ジンバルに振動励起手段により回転振動を
励起させ、内側ジンバルに発生するコリオリ力による変
位を変位検出手段で検出したので、この変位の大きさを
検出することにより、振動体の角速度を正確かつ迅速に
測定できる。

【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概略的
に示す斜視図。

【図２】（Ａ）および（Ｂ）は本発明に係る角速度セン
サの動作状態を説明するもので、図１のＡ−Ａ線および
Ｂ−Ｂ線に沿う断面図。

【図３】本発明に係る角速度センサの製造プロセスを説
明する工程図。

【図４】本発明に係る角速度センサの他の実施例を示す
斜視図。

【図５】従来の角速度センサである圧電振動型ジャイロ
を示す斜視図。

【符号の説明】

１０，１０Ａ 角速度センサ １１ 基板 １２ 外側ジンバル １３ 内側ジンバル １４，１５ 支持梁 １７ 圧電バイモルフ（振動励起手段） １８，１９ ブリッジ梁 ２０ 歪ゲージ（変位検出手段） ２２ 酸化膜 ３０ 捩り検出ゲージ（変位検出手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板に回転振動可能に支持された外側ジ
   ンバルとこの外側ジンバルに回転振動可能に支持された
   内側ジンバルとから形成された平面ジンバル構造と、前
   記基板に固定され、外側ジンバルに回転振動を励起させ
   る少なくとも１つの振動励起手段とを備え、前記内側ジ
   ンバルに発生するコリオリ力を検出する少なくとも１つ
   の変位検出手段を、前記内側ジンバルを支える梁に設け
   たことを特徴とする角速度センサ。