JPH10132571A - 角速度センサ - Google Patents
角速度センサInfo
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- JPH10132571A JPH10132571A JP8283797A JP28379796A JPH10132571A JP H10132571 A JPH10132571 A JP H10132571A JP 8283797 A JP8283797 A JP 8283797A JP 28379796 A JP28379796 A JP 28379796A JP H10132571 A JPH10132571 A JP H10132571A
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Abstract
および検出の引き出し端子を容易に形成することのでき
る角速度センサを提供する。 【解決手段】導電性のリング10が、圧電作用により歪
む複数個の圧電型支持梁部材11〜18によりその外周
側面を支持され、これらの圧電型支持梁部材11〜18
の幾つかの部材により、前記リングを圧電的に駆動して
半径方向に振動させ、コリオリ力に基づく前記リングの
振動変位を、前記複数個の圧電型支持梁部材の残りの部
材により圧電的に検出して角速度を求める。
Description
どの駆動構造または検出構造を有する機械式のリング型
角速度センサに関する。
12575号公報に掲載されているものを図18および
図19に示す。この角速度センサは、8個の半円形状の
スポーク61が外側の導電性リング62を中心のハブ6
3に連結した構造よるなる。ハブ63は基板64に支持
されて、リング62およびスポーク61を振動可能に基
板64から離間している。そして、リング62の周囲に
は、間隔を置いて複数個の電極65が配置されている。
この複数個の電極65のうち、駆動用の電極65とリン
グ62との間に電圧を印加して静電力によりリング62
に半径方向に伸縮する楕円運動を起こさせ、ハブ63を
中心とした回転に伴うコリオリ力により変形したリング
62と検出用の電極65との間に発生する静電容量の変
化を電圧あるいは電流に変換して角速度が検出される。
角速度センサは、導電性リング62をスポーク61を介
してその中心に位置するハブ63により支持する構造に
なっているので、導電性リング62に電位を与えるため
には、ハブ63から電圧を供給しなければならない。そ
のため、ハブ63と基板64との接合部は導電性でなけ
ればならず、そして基板64上には、ハブ63からの引
き出し用の配線パターンを形成しておかなければならな
い。そのため、採用する半導体加工プロセスが限定され
ることになる。
合、また、検出を抵抗ゲージで行う場合、入出力用の配
線を必要とするが、リング62およびハブ63がニッケ
ルメッキ仕上げとなっているので、これはできなくなっ
てしまう。したがって、設計の自由度が小さく、ごく限
られた材料やプロセスでしか形成することができない。
持することにより、駆動および検出の引き出し端子を容
易に形成することができ、圧電作用、静電作用およびこ
れらをミックスして駆動と検出に用いることのできる角
速度センサを提供することを目的とする。
は、導電性のリングが、支持梁部材によりそのリングの
外側から支持され、駆動手段により、前記リングを半径
方向に振動させ、コリオリ力に基づく前記リングの振動
変位を、検出手段で検出して角速度を求めるものであ
る。
るので、駆動および検出の引き出し端子を容易に形成す
ることができ、また圧電作用、静電作用等を利用して駆
動と検出を行うので、最適の駆動手段および検出手段を
選択することができ、そのため材料および製造プロセス
の選択の幅が広く、設計の自由度が向上する。
たは検出手段を構成する前記支持梁部材が、基板に固定
された固定部と、この固定部に一端が結合された対向す
る2つの基部梁片と、この二つの基部梁片の他端にそれ
ぞれ結合された中央梁片と、この中央梁片に結合された
接合梁片とからなり、この支持梁部材の前記基部梁片の
上端部に、その長手方向に平行しかつ間隙を置いて、一
対の圧電振動子が形成された圧電型支持梁部材の構造よ
りなるものである。
は、その支持梁部材に形成した圧電振動子が逆圧電効果
によりリングを駆動する。このリングの強制駆動(振
動)を説明するにあたって、簡明化のため、直交するX
YZ軸の座標を導入する。座標の原点に中心を有するリ
ングが配置され、該リングを介してX軸、Y軸、±45
゜線上にそれぞれ対向する圧電型支持梁部材が合計8個
配置されているものとする。
置された圧電型支持梁部材に駆動電圧を印加して、プラ
ス側の圧電型支持梁部材には、2象限から1象限方向へ
の変位動作をさせる。また、マイナス側に配置された圧
電型支持梁部材には、4象限から3象限方向への変位動
作をさせる。
された圧電型支持梁部材に駆動電圧を印加して、プラス
側に配置された圧電型支持梁部材には、4象限から1象
限方向への変位動作をさせる。また、マイナス側に配置
された圧電型支持梁部材には、3象限から4象限方向へ
の変位動作をさせる。
材に同時に行なわせる。すると、リングは楕円形状に歪
み、その長軸が+45゜、短軸は−45゜線上にくる。
位動作を逆方向へ行なわせる。すると、リングは楕円形
状に歪み、その長軸が−45゜、短軸が+45゜線上に
くる。
材に交番電圧を印加して、リングが上記のような振動を
しているときに、この角速度センサ(リング)がZ軸を
中心にして回転したとすると、コリオリ力に基づく慣性
のため、長軸または短軸の位置が強制振動とは±45゜
推移した0゜と90゜の位置にくる。
た他の4個の検出を受け持つ圧電型支持梁部材は、この
コリオリ力に基づくリングの変位のため、それらに設け
た圧電振動子には電圧が発生し、コリオリ力に基づく角
速度を検出することができる この発明は、支持梁部材の一つの基部梁片の上端部に設
けた一対の圧電振動子のうち、例えば外側の振動子がそ
の長さ方向に伸びるとき、内側の振動子はその長さ方向
に縮むので、該基部梁片は内側に屈曲振動をする。ま
た、対向する他の基部梁片は、これと逆の動作をして、
外側の振動子がその長さ方向に縮み、内側の振動子がそ
の長さ方向に伸びるので、該支持梁部材は固定部を起点
にして屈曲振動をする。また、コリオリ力によるリング
の振動の変位は、接合梁片および中央梁片を介して基部
梁片に伝達されて、これを圧電振動子が電圧に変換し
て、角速度を検出する。
振動子に正負の電圧を異極性で交互に印加することによ
り、支持梁部材に屈曲振動をさせることができる。これ
により、リングを接線方向に変位させることができる。
たは検出手段の前記支持梁部材が、基板に固定された固
定部と、この固定部に一端が結合された基部梁片と、こ
の基部梁片の他端に一端を結合された中央梁片と、この
中央梁片の他端に一端を結合された接合梁片とよりな
り、この支持梁部材の前記基部梁片の上端部に、その長
手方向に平行しかつ間隙を置いて、一対の圧電振動子が
形成された圧電型支持梁部材の構造よりなるものであ
る。
の作用を有するので、請求項2の記載を援用する。
たは検出手段の前記支持梁部材が、基板に固定された固
定部と、この固定部に一端が結合された対向する2つの
基部梁片と、この二つの基部梁片の他端にそれぞれ結合
された中央梁片と、この中央梁片に結合された接合梁片
とからなり、この支持梁部材の中央梁片の内側に、該中
央梁片との間にコンデンサを形成する静電電極を設けた
静電型支持梁部材の構造よりなるものである。
部材と静電電極とでコンデンサを形成し、該支持梁部材
と静電電極との間に電圧を印加して、その静電力により
支持梁部材に結合したリングを駆動する。この電圧の印
加を、例えばX軸上に配置された静電型支持梁部材とY
軸上に配置された静電型支持梁部材とに交互に行うと、
リングはX軸とY軸に長軸または短軸をもつ楕円運動を
するようになる。
極と支持梁部材の中央梁片との間に駆動電圧を印加する
と、可動の中央梁片は静電力により静電電極の方へ吸引
される。そして、この中央梁片が接合梁片を介して結合
しているリングも、静電電極の方に同様に引っ張られ
る。この静電型支持梁部材のリングの反対側には、対向
する静電型支持梁部材があって、同様の動作をするの
で、リングは半径方向に伸長して楕円形状に変位するこ
とになる。この電圧の印加を直交する静電型支持梁部材
間で交互に行うと、リングは半径方向に伸縮した楕円運
動をして、その長軸と短軸が90゜の位相差をもって交
互に入れ代わることになる。
と、中央梁片も変位して、中央梁片と静電電極との間の
容量が変化して、この容量の変化により角速度を検出す
ることができる。
形状のリングの長軸または短軸は、±45゜推移して、
±45゜線上に配置された検出用の静電型支持梁部材の
位置にきて、その容量が変化することになる。このよう
に、リングの振動の変位を支持梁部材と静電電極間の容
量変化として検出して角速度を求めるこたができる。請
求項5に記載の発明は、前記駆動手段または検出手段
が、前記リングの外周側面の近傍に、該リングとの間に
コンデンサを形成する静電電極を設けた静電型電極部材
の構造よりなるものである。
外側近傍に設けた静電電極よりなる。このリングと静電
電極により、コンデンサを形成し、これらの間に電圧を
印加して、静電力によりリングを直接駆動する。この電
圧の印加を直交する静電型電極部材間で交互に行わせる
と、リングは90゜の位相差をもって楕円運動をするよ
うになる。また、コリオリ力に基づくリングの振動の変
位を、該リングと静電電極との間の容量変化として検出
して角速度を求める。
した場合には、リングの接近または離間による静電電極
とリングとの間の容量の変化を検出して角速度を検出す
るすることができる。
第1実施例について図1を参照して説明する。10は
0.01〜0.02Ω・cmの低抵抗のシリコンよりな
る円筒状のリングで、弾性を有し、半径方向に振動可能
である。11〜18はリング10と同一材料よりなる圧
電型支持梁部材で、全部で8個よりなり、リング10の
外側面に45゜間隔で結合されている。これらの圧電型
支持梁部材11〜18は、リング10を自由振動可能に
支持する形状を有する。
ついて図2を参照して説明するが、この圧電型支持梁部
材11〜18は、みな同一構造をしているので、圧電型
支持梁部材11を代表例にとり拡大して説明する。
に固定されている。この固定部2a、2bの表面にはシ
リコン酸化膜(点集合部)4’が形成されている。な
お、この2つの固定部2a、2bは一つに結合したもの
でもよい。3は支持梁で、基板面から離れて設けられ、
かつ、基板面と平行な方向に固定部2a、2bを中心に
して変位可能で、固定部2a、2bに一端が結合されて
平行する二つの基部梁片3a、3bと、この二つの基部
梁片3a、3bの他端を連結する中央梁片3cと、この
中央梁片3cの中央部に結合され、基部梁片3a、3b
と反対方向に延びた接合梁片3dと、よりなる。
定部2a、2bとの結合近傍には、PZT(チタンサン
ジルコンサン鉛)、ZnO(酸化亜鉛)などよりなる一
対の帯状の圧電膜(破線部)4、4が、基部梁片3a、
3bの長手方向に平行し且つ間隙gをおいて形成されて
いる。そして、この一対の圧電膜4、4の上には電極5
a、5bが形成されて、それぞれ屈曲型圧電振動子5
a’、5b’を形成している。この一対の電極5a、5
bは酸化膜4’により固定部2a、2bから絶縁されて
固定部2a、2bの端部まで導出されている。
いて図3を参照して説明する。固定部2a、2bをグラ
ンド電位(0V)にして、圧電振動子5a’、5b’の
電極5a、5bにプラス(+)とマイナス(−)の電圧
をそれぞれ印加する。すると、圧電振動子5a’はその
長さ方向に縮み、圧電振動子5b’はその長さ方向に伸
びるで、支持梁3は固定部2a、2bを支点にして、電
圧印加前の実線の位置から破線で示すように水平面方向
に変位する。
梁3は固定部2a、2bを支点にして、電圧印加前の実
線の位置から一点鎖線で示すように水平面方向に変位す
る。このように、支持梁部材11に電圧を与えて、これ
が歪む現象は逆圧電効果といわれ、反対に支持梁部材1
1に歪みを与えて、これに電圧が発生する現象は圧電効
果といわれている。本実施例においては、逆圧電効果は
駆動に利用し、圧電効果は角速度の検出に利用する。
て、基部梁片3a、3bは圧電作用により屈曲するが、
中央梁片3cは直線のままで、また接合片3dも直線の
ままである。
ついて説明する。図4に示すように、本実施例の角速度
センサの模式平面図にXYZの直交座標を導入して説明
する。リング10の中心が座標の原点にあり、X軸線
上、Y軸線上および原点を通る±45゜線上に、それぞ
れ圧電型支持梁部材11〜18が配置されているものと
する。
線上に配置された圧電形支持梁部材11、15、13、
17の圧電振動子5a’、5b’に電圧を印加して、支
持梁3を実線矢印で示すように、接線方向(X軸および
Y軸方向)に変位させる。そうすると、楕円形状に変位
したリング10の長軸が−45゜線上に現れる。つぎ
に、印加電圧の極性を逆にして、支持梁3を破線で示す
ように逆方向に変位させる。すると、楕円形状に変位し
たリング10の長軸が+45゜線上に現れる。このよう
に、圧電形支持梁部材11、15、13、17の圧電振
動子5a’、5b’に交番電圧を印加して、リング10
に半径方向に変位して実線と破線で示すような楕円運動
(振動)をさせる。
ように、強制振動をさせられているときに、本実施例の
加速度センサが、図4に示すように、紙面に垂直なZ軸
を中心にして回転したとすると、図6に示すように、コ
リオリ力に基づく振動が励起されて、長軸および短軸が
±45゜推移した楕円振動が現れる。そして、±45゜
線上に配置されている圧電形支持梁部材18、14、1
2、16の支持梁3が接線方向に振動するようになり、
この振動による歪は、それらの圧電振動子5a’、5
b’から電圧として検出される。
8を用いて、圧電駆動、圧電検出により、コリオリ力を
利用して角速度を検知するものである。
例について説明する。第1実施例が圧電型支持梁部材を
使用して圧電作用による駆動と検出を行うのに対し、本
実施例は、静電型支持梁部材を使用して、静電作用によ
り駆動と検出を行うものである。図7において、20は
導電性のリングで、その外周側面には、静電型支持梁部
材21〜28が45゜間隔で結合されている。第1実施
例と同様に、XYZの直交座標を用いて表すと、リング
20はその中心が座標の原点にあり、静電型支持梁部材
21〜28はX軸線上と、Y軸線上と、±45゜線上に
配置されている。これらの静電型支持梁部材21〜28
は皆同一の構造をしているので、代表例として支持梁部
材21について図8を参照し、拡大して説明する。
ない基板に固定されている。7は支持梁で、基板面から
離れて設けられ、かつ、基板面と平行な方向に固定部6
a、6bを中心にして変位可能で、固定部6a、6bに
一端が結合されて平行する二つの基部梁片7a、7b
と、この二つの基部梁片7a、7bの他端を連結する中
央梁片7cと、この中央梁片7cの中央部に一端が結合
され、基部梁片7a、7bと反対方向に延び、他端がリ
ング20の外周側面に結合した接合梁片7dと、よりな
る。
は、静電電極8が該中央梁片7cと間隙を置いて基板に
設けられている。この静電電極8と中央梁片7cとはコ
ンデンサを形成することになる。
び図10を参照して説明する。Y軸線上にリング20を
介し対向して配置された静電型支持梁部材21と25に
おいて、それらの中央梁片7cと静電電極8との間に、
直流電圧をそれぞれ印加して、その静電力により中央梁
片7cを静電電極8側に吸引する。すると、リング20
も、接合梁片7dを介して中央梁片7cに連結している
ので、静電電極8側に引っ張られて、楕円形状に歪む。
にリング20を介して対向して配置された静電型支持梁
部材23と27に直流電圧を印加して、その静電力によ
り中央梁片7cを静電電極8側に吸引する。すると、リ
ング20も、接合梁片7dを介して中央梁片7cに連結
しているので、静電電極8側に引っ張られて、楕円形状
に歪む。
向に、長軸または短軸を交互させて楕円運動(振動)を
しているときに、紙面に直交するZ軸を中心にして回転
すると、コリオリ力により当初の強制振動とは±45゜
軸の推移した楕円振動が生じるようになる。そして、±
45゜線上に配置された静電型支持梁部材28、24お
よび22、26に、楕円(リング)の長軸または短軸が
交互に現れるようになる。
のリング20に接合梁片を介して結合している中央梁片
7cが、静電電極8に接近したり離れたりして、中央梁
片7cと静電電極8との間に形成される容量が変化する
ことになる。この容量の変化を電圧あるいは電流に変換
してコリオリ力を利用して回転角度を求める。
例について図11を参照して説明する。この実施例は、
第2実施例において、角速度検出用の静電型支持梁部材
22、24、26、28の代わりに、静電型電極構造部
材として静電力利用の静電電極8’を、支持梁7の中に
形成せず、リング20の外周側面の近傍に単独に配置し
たものである。本実施例においては、静電力利用の静電
電極8と8’は、いづれを駆動電極にしてもよいし、ま
た、いづれを検出電極にしてもよい。また、本実施例に
おいては、静電型支持梁部材21、23、25、27の
代わりに、圧電型支持梁部材としてもよい。本実施例の
動作は、第2実施例の動作とほぼ同様である。
例について図12を参照して説明する。本実施例におい
ては、圧電型支持梁部材31、33、35、37の支持
梁部材が、図2に示す支持梁部材から、固定部2bと、
基部梁片3bと、中央梁片3cの半分とを除外したよう
な構造をしている。即ち、この圧電型支持梁部材31、
33、35、37は、図示しない基板に固定部2aが固
定され、この固定部2aに基部梁片3aの一端が結合さ
れ、この基部梁片3aの他端に中央梁片3c’の一端が
結合され、この中央梁片3c’の他端に基部梁片3aと
反対方向に伸びる接合梁片3dの一端が結合されてい
る。そして基部梁片3aには、図2に示す振動子5
a’、5b’が設けられている。静電電極8’は、第3
実施例のものと同様の構造で、同様の動作をする。本実
施例においては、静電型電極構造部材(静電電極8’)
と、圧電型支持梁部材31、33、35、37とは、い
づれを駆動用にしてもよいし、また、いづれを検出用に
してもよい。また、基部梁片3a、中央梁片3c’およ
び接合梁片3dは、直角に結合せず、これらの全体が湾
曲して2次元方向に変位可能な構造であればよい。
く回転角速度の検出構造は、圧電作用を利用したもの、
および静電作用を利用したものについて説明したが、抵
抗歪ゲージを利用したものでもよい。
中に、静電電極を形成して圧電静電兼用型支持梁部材を
構成して、この一つの支持梁部材で、駆動と検出を行う
ようにしてもよい。
について、図13〜図17を参照して説明する。図1お
よび図2に示す圧電型支持梁部材を採用している第1実
施例の製造方法について説明する。これらの図は、図1
におけるX−X線断面によるものである。
コン層51、同じく2μmのシリコン酸化膜52、同じ
く500μmの単結晶のシリコン層53の3層構造より
なるSOI(Silicon On Isulator )基板を用意する。
に、ウエット酸化あるいは熱酸化によりシリコン酸化膜
を形成し、このシリコン酸化膜を、フォトリソグラフィ
工程およびBHF(バファフッ酸)を用いたエッチング
工程を経て、固定部2a、2bとなるポリシリコン層5
1の上にシリコン酸化膜4’を形成する。また、PZT
(チタン酸ジルコン酸鉛)などの圧電膜を、シリコン酸
化膜4’および露出しているポリシリコン層51の上に
スパッリングにより形成する。そして、この圧電膜を、
フォトリソグラフィ工程および塩酸等を用いたエッチン
グ工程を経て、圧電膜4を形成する。
を含むポリシリコン層51上の全面にアルミニュームな
どの金属を蒸着し、この金属を、フォトリソグラフィ工
程を経て、温リン酸水溶液に浸漬してエッチングし、電
極5a(5b)を形成する。図15において、図1に示
すような、リング10および圧電型支持梁部材11〜1
8の形状のレジストマスク54を形成し、このレジスト
マスク54を使用し、6ふっ化硫黄ガス(SF6 )を用
いたRIE(リアクチフ゛・イオン・エッチンク゛ )により、低抵抗層5
1をシリコン酸化膜52が露出するまで垂直加工する。
4を用いて、リング10および支持梁3(基部梁片3
a、3b、中央梁片3cおよび接合梁片3d)の下のシ
リコン酸化膜52を、BHF(バファフッ酸)エッチン
グ液に浸漬して除去し、その後に、間隙g1を形成す
る。
去して、図1に示すような形状の角速度センサを製造す
る。
より振動リングをその外周側面で支持するので、駆動お
よび検出の引き出し端子を容易に形成することができ、
また圧電作用、静電作用等を利用して駆動と検出を行う
ので、最適の駆動手段および検出手段を選択することが
でき、そのため材料および製造プロセスの選択の幅が広
く、設計の自由度が向上する。
材が、リングの支持機能に加えるに、リングの駆動機能
および角速度の検出機能を備えているので、駆動用と検
出用を兼用できることになる。
の発明の効果を有し、簡易構造の支持梁を構成すること
ができる。
材が、リングの支持機能に加えるに、リングの駆動機能
および角速度の検出機能を備えているので、駆動用と検
出用を兼用できることになる。
梁部材が、構造簡単で設置場所を余りとらないので、上
記リングの支持機能を有する支持梁部材と合わせて用い
ることにより、小型な角速度センサを得ることができ
る。
造の斜視図
拡大構造図
動作説明図
造を示す模式図
拡大構造図
図
構造を示す模式図
構造を示す模式図
1のX−X線断面において示すもので、特にSOI基板
を用意する工程図
に電極を形成する工程図
持梁部材の形状にレジストパターンを形成し、このレジ
ストパターンをマスクとして低抵抗層を垂直エッチング
する工程図
ン酸化膜をエッチング除去する工程図
図
Claims (5)
- 【請求項1】 導電性のリングが、支持梁部材によりそ
のリングの外側から支持され、駆動手段により、前記リ
ングを半径方向に振動させ、コリオリ力に基づく前記リ
ングの振動変位を、検出手段で検出して角速度を求める
ことを特徴とする角速度センサ。 - 【請求項2】 前記駆動手段または検出手段は、前記支
持梁部材が、基板に固定された固定部と、この固定部に
一端が結合された対向する2つの基部梁片と、この二つ
の基部梁片の他端にそれぞれ結合された中央梁片と、こ
の中央梁片に結合された接合梁片とからなり、この支持
梁部材の前記基部梁片の上端部に、その長手方向に平行
しかつ間隙を置いて、一対の圧電振動子が形成された圧
電型支持梁部材の構造よりなることを特徴とする請求項
1に記載の角速度センサ。 - 【請求項3】 前記駆動手段または検出手段は、前記支
持梁部材が、基板に固定された固定部と、この固定部に
一端が結合された基部梁片と、この基部梁片の他端に一
端を結合された中央梁片と、この中央梁片の他端に一端
を結合された接合梁片とよりなり、この支持梁部材の前
記基部梁片の上端部に、その長手方向に平行しかつ間隙
を置いて、一対の圧電振動子が形成された圧電型支持梁
部材の構造よりなることを特徴とする請求項1に記載の
角速度センサ。 - 【請求項4】 前記駆動手段または検出手段は、前記支
持梁部材が、基板に固定された固定部と、この固定部に
一端が結合された対向する2つの基部梁片と、この二つ
の基部梁片の他端にそれぞれ結合された中央梁片と、こ
の中央梁片に結合された接合梁片とからなり、この支持
梁部材の中央梁片の内側に、該中央梁片との間にコンデ
ンサを形成する静電電極を設けた静電型支持梁部材の構
造よりなることを特徴とする請求項1に記載の角速度セ
ンサ。 - 【請求項5】 前記駆動手段または検出手段は、前記リ
ングの外周側面の近傍に、該リングとの間にコンデンサ
を形成する静電電極を設けた静電型電極部材の構造より
なることを特徴とする請求項1に記載の角速度センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8283797A JPH10132571A (ja) | 1996-10-25 | 1996-10-25 | 角速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
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- 1996-10-25 JP JP8283797A patent/JPH10132571A/ja active Pending
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