【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、自動車の回転
角速度等の車両運動を検出する振動音叉型の角速度セン
サに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、自動車の回転角速度等を検出する
センサとしては、特開昭６１−７７７１２号公報に示す
圧電振動型（ワトソン型）の角速度センサがある。この
センサを図３に示す。
【０００３】図３において、１０１は駆動用圧電振動
子、１０２は検知用圧電振動子である。両方の圧電振動
子１０１，１０２は、２枚の圧電振動子を張り合せて形
成する。１０５は駆動用圧電振動子１０１に高電圧を印
加する交流駆動用電源、１０６は位相反転回路である。
このセンサでは、角速度により発生するコリオリ力が、
上記検知用圧電振動子を撓ませることによって、発生し
た電圧が検出できるようになっている。
【０００４】また、振動音叉型の角速度センサには、特
開昭６０−７３４１４号公報に示すものがある。このセ
ンサを図４のブロック線図に示す。
【０００５】図４において、Ｚは角速度Ａが与えられる
回転軸、１０８は一対に形成した音叉振動子、１１４は
コリオリ力検出部である。また、１２５は音叉振動子１
０８を振動させる発振器、１２６はコリオリ力検出部１
１４の出力信号を増幅するアンプ、１２７は同期整流回
路である。コリオリ力検出部１１４よりの交流信号は、
アンプ１２６で増幅され、同期整流回路１２７に導かれ
る。
【０００６】
【発明が解決しょうとする課題】しかし、図３のセンサ
では、駆動用圧電振動子１０１，検知用圧電振動子１０
２を水晶で形成し、駆動用圧電振動子１０１に高電圧を
印加する交流駆動用電源をセンサに（外付けして）接続
しなければならず、小型軽量化を図ることができないと
共に、低電圧では駆動させることができないため、おの
ずから用途上の制約等があった。
【０００７】また、このセンサでは、２つの圧電振動子
１０１，１０２の機械的不平衡が他方式に比べて、大き
く発生し、センサの精度を劣化させる等の不都合があっ
た。
【０００８】一方、図４のセンサでは、音叉振動子１０
８を振動させる発信器１２５、コリオリ力検出部１１４
の出力信号を増幅するアンプ１２６等が音叉振動子１０
８に（外付けして）接続されるために、外部ノイズ等を
取り込み易く、また小型軽量化を図ることができず、コ
ストが嵩む要因になっていた。
【０００９】そこで、本発明は、小型軽量で低コストに
なると共に、低電圧電源で作動できる振動音叉型の半導
体角速度センサを提供することを目的とするものであ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として、本発明は異方性エッチングにより基板に
形成する音叉と、該音叉の端部に配設した電極と、前記
基板面上に配設され前記音叉を加振する駆動回路と、前
記音叉を基板に保持する支持腕部に配設した応力変換素
子及び、応力変換素子で検出した応力に対応する信号を
増幅する増幅回路を前記基板面上に設けたものである。
【００１１】
【作 用】音叉を異方性エッチングにより基板に形成
すると共に、前記音叉の端部に電極を設けることによ
り、従来の角速度センサのような機械的不平衡等をなく
すことができ、また外部ノイズ等を検出しないようする
ことができる。
【００１２】そして、前記基板上に駆動回路を設けるこ
とにより、前記音叉を精度よく加振することができ、か
つ低電圧電源での作動を可能にする。
【００１３】一方、前記音叉を基板に保持する支持腕部
に応力変換素子を配設することにより、検出精度を向上
させることができ、また基板面上に増幅回路を配設する
ことにより、応力変換素子で検出した信号に外部ノイズ
がのらないようにし、増幅回路で外部ノイズのない計測
可能な信号に増幅することができる。
【００１４】
【実 施 例】次に、本発明の実施例を添付図面に基づ
いて説明する。図１は本発明角速度センサの一実施例の
斜視図である。なお、角速度センサは、車両の回転角速
度等の車両運動を検出するセンサで、以下の実施例にお
いては振動音叉型の角速度センサについて説明する。
【００１５】図１において、１は半導体基板、例えばシ
リコン（Ｓｉ）基板である。半導体基板１としては、本
実施例では、例えば、縦１０ｍｍ、横１５ｍｍ、高さ５
ｍｍのものを使用した。
【００１６】半導体基板１上には、異方性エッチングに
よる抜き落とし加工などの加工技術を用いて、音叉２が
形成され、音叉２の上部外側面には、昇圧回路３，３の
電極３と対向する位置にわずかな隙間をおいて電極２ａ
が設けられている。
【００１７】３，３は昇圧回路で、音叉２に対して半導
体基板１の上側面に２か所設けられており、音叉２を振
動させる駆動回路で、音叉２を精度よく加振でき、かつ
低電圧電源での作動を可能にする。昇圧回路３，３は、
本実施例では５Ｖの供給電圧を２０Ｖに昇圧させるもの
を使用している。
【００１８】そして、音叉２の支持腕部２ｂ間に相当す
る位置には、隙間部４を形成し、その隙間部４に応力変
換素子５が配設されている。
【００１９】応力変換素子５としては、半導体拡散抵
抗、薄膜ゲ−ジ抵抗（例えば、ＮｉＣｒＳｉ、ＣｒＳｉ
Ｏ）、圧電素子（ＺｎＯ）が利用される。
【００２０】応力変換素子５で検出したねじれの大きさ
に応じた信号は、増幅回路６で増幅されるので、応力変
換素子５で検出した信号を増幅回路６で計測可能な信号
に増幅することができる。
【００２１】なお、増幅回路６は、例えば、半導体基板
１上に厚膜抵抗体、コンデンサ・チップ、トランジスタ
・チップが組み込まれた厚膜ハイブリッド（混成）集積
回路等によって構成される。
【００２２】次に、本発明の実施例の検出原理について
図１及び図２に基づいて説明する。
【００２３】図１の音叉２には、電極２と昇圧回路３の
電極３ａ間には、静電力ｆが作用する。そして、昇圧回
路３に正弦波信号を印加することで音叉２が振動する。
平行板電極３ａ，３ａ間に電界Ｅを加えると、以下に示
す静電力ｆが働く。
ｆ＝−（１／２）εＥ2 Ｓ
なお、εは電極３ａと電極２ａとの間に介在する物質の
誘電率、Ｓは電極２ａの面積である。
【００２４】図２において、音叉振動方向８に振動する
音叉２にＺ軸を軸とする角速度１０が加えられると、コ
リオリ力９が音叉２に発生する。その結果、原点０にね
じれ１１が生じる。このねじれ１１により発生する応力
は、音叉支持腕部２ｂ間に形成した応力変換素子５で、
ねじれ１１の大きさに相当する電気信号に変換した後、
図１の増幅回路６で増幅する。以上から、ねじれ１１に
より発生する応力は、角速度に比例するので、センサ出
力の大きさから角速度を知ることができる。
【００２５】上記のように、本実施例によれば、半導体
角速度センサに昇圧回路３，３を設けることにより、低
電圧電源による作動を可能にすることができるようにな
る。
【００２６】また、本実施例では、半導体基板上に音叉
２、昇圧回路３，ゲ−ジ５及び増幅回路６を半導体技術
を応用して多数の角速度センサを形成することにより、
小型軽量化及び量産化することができる。
【００２７】
【発明の効果】上記のように、本発明によれば、同一半
導体基板上に音叉、駆動回路、応力変換素子及び増幅回
路を半導体技術により形成することにより、小型軽量化
することができると共に、低コストで量産することがで
きる。
【００２８】また、半導体基板上に昇圧回路を設けたこ
とにより、低電圧電源での作動が可能な角速度センサを
提供することができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration tuning fork type angular velocity sensor for detecting a vehicle motion such as a rotational angular velocity of an automobile. 2. Description of the Related Art Conventionally, as a sensor for detecting a rotational angular velocity of an automobile, there is a piezoelectric vibration type (Watson type) angular velocity sensor disclosed in JP-A-61-77712. This sensor is shown in FIG. In FIG. 3, 101 is a driving piezoelectric vibrator, and 102 is a detecting piezoelectric vibrator. Both piezoelectric vibrators 101 and 102 are formed by bonding two piezoelectric vibrators. Reference numeral 105 is an AC driving power source for applying a high voltage to the driving piezoelectric vibrator 101, and 106 is a phase inverting circuit.
With this sensor, the Coriolis force generated by the angular velocity is
The generated voltage can be detected by bending the detection piezoelectric vibrator. A vibration tuning fork type angular velocity sensor is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 60-73414. This sensor is shown in the block diagram of FIG. In FIG. 4, Z is a rotary shaft to which an angular velocity A is given, 108 is a pair of tuning fork vibrators, and 114 is a Coriolis force detecting section. Further, 125 is a tuning fork vibrator 1
An oscillator for vibrating 08, 126 is a Coriolis force detection unit 1
An amplifier 127 for amplifying the output signal of 14 is a synchronous rectification circuit. The AC signal from the Coriolis force detector 114 is
It is amplified by the amplifier 126 and guided to the synchronous rectification circuit 127. However, in the sensor shown in FIG. 3, the driving piezoelectric vibrator 101 and the detecting piezoelectric vibrator 10 are used.
2 must be formed of crystal, and an AC driving power source for applying a high voltage to the driving piezoelectric vibrator 101 must be connected (externally attached) to the sensor, which makes it impossible to reduce the size and weight and to reduce the size. Since it cannot be driven by a voltage, there are naturally restrictions on usage. Further, in this sensor, mechanical imbalance between the two piezoelectric vibrators 101 and 102 is larger than that in the other methods, and there is a disadvantage that the accuracy of the sensor is deteriorated. On the other hand, in the sensor of FIG. 4, the tuning fork vibrator 10
The oscillator 125 that vibrates 8 and the Coriolis force detection unit 114
The amplifier 126 that amplifies the output signal of the
Since it is connected to 8 (externally attached), it is easy to take in external noise and the like, and it is not possible to reduce the size and weight, which is a factor of increasing the cost. Therefore, an object of the present invention is to provide a vibration tuning fork type semiconductor angular velocity sensor which is small in size, light in weight and low in cost and can be operated by a low voltage power source. As a means for solving the above problems, the present invention provides a tuning fork formed on a substrate by anisotropic etching, an electrode arranged at the end of the tuning fork, and A drive circuit disposed on the surface of the substrate for vibrating the tuning fork, a stress conversion element disposed on a support arm portion that holds the tuning fork on the substrate, and a signal corresponding to the stress detected by the stress conversion element is amplified. An amplifier circuit is provided on the surface of the substrate. [Operation] By forming the tuning fork on the substrate by anisotropic etching and providing an electrode at the end of the tuning fork, mechanical imbalance and the like of the conventional angular velocity sensor can be eliminated, Further, it is possible to prevent external noise or the like from being detected. By providing a drive circuit on the substrate, the tuning fork can be vibrated with high precision and can be operated by a low voltage power source. On the other hand, by disposing the stress converting element in the supporting arm portion that holds the tuning fork on the substrate, the detection accuracy can be improved, and by disposing the amplifying circuit on the substrate surface, the stress can be reduced. It is possible to prevent external noise from being carried on the signal detected by the conversion element, and to amplify it into a measurable signal without external noise by the amplifier circuit. Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of the angular velocity sensor of the present invention. The angular velocity sensor is a sensor that detects a vehicle motion such as a rotational angular velocity of the vehicle. In the following embodiments, a vibration tuning fork type angular velocity sensor will be described. In FIG. 1, reference numeral 1 is a semiconductor substrate, for example, a silicon (Si) substrate. In this embodiment, the semiconductor substrate 1 is, for example, 10 mm in length, 15 mm in width, and 5 in height.
The thing of mm was used. A tuning fork 2 is formed on the semiconductor substrate 1 by using a processing technique such as a removal process by anisotropic etching. The tuning fork 2 has electrodes 3 of the booster circuits 3 and 3 on the upper outer surface thereof. Electrode 2a with a slight gap at the opposite position
Is provided. Reference numerals 3 and 3 denote booster circuits, which are provided at two places on the upper side surface of the semiconductor substrate 1 with respect to the tuning fork 2, and are drive circuits for vibrating the tuning fork 2 so that the tuning fork 2 can be accurately vibrated. Allows operation on low voltage power supplies. The booster circuits 3 and 3 are
In this embodiment, the one that boosts the supply voltage of 5V to 20V is used. A gap portion 4 is formed at a position corresponding to between the support arm portions 2b of the tuning fork 2, and the stress converting element 5 is arranged in the gap portion 4. As the stress converting element 5, a semiconductor diffusion resistance, a thin film gauge resistance (for example, NiCrSi, CrSi) is used.
O) and a piezoelectric element (ZnO) are used. Since the signal according to the magnitude of the twist detected by the stress conversion element 5 is amplified by the amplifier circuit 6, it is necessary to amplify the signal detected by the stress conversion element 5 into a signal measurable by the amplifier circuit 6. You can The amplifier circuit 6 is composed of, for example, a thick film hybrid (mixed) integrated circuit in which a thick film resistor, a capacitor chip, and a transistor chip are incorporated on the semiconductor substrate 1. Next, the principle of detection according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the tuning fork 2 of FIG. 1, an electrostatic force f acts between the electrode 2 and the electrode 3a of the booster circuit 3. Then, by applying a sine wave signal to the booster circuit 3, the tuning fork 2 vibrates.
When an electric field E is applied between the parallel plate electrodes 3a, 3a, the electrostatic force f shown below acts. f =-(1/2) εE 2 S Here, ε is the dielectric constant of the substance interposed between the electrodes 3a and 2a, and S is the area of the electrode 2a. In FIG. 2, when an angular velocity 10 about the Z axis is applied to the tuning fork 2 vibrating in the tuning fork vibration direction 8, Coriolis force 9 is generated in the tuning fork 2. As a result, a twist 11 is generated at the origin 0. The stress generated by the twist 11 is generated by the stress converting element 5 formed between the tuning fork supporting arm portions 2b.
After converting into an electric signal corresponding to the magnitude of the twist 11,
It is amplified by the amplifier circuit 6 of FIG. From the above, since the stress generated by the twist 11 is proportional to the angular velocity, the angular velocity can be known from the magnitude of the sensor output. As described above, according to the present embodiment, by providing the semiconductor angular velocity sensor with the booster circuits 3 and 3, it becomes possible to operate by the low voltage power source. In this embodiment, the tuning fork 2, the booster circuit 3, the gauge 5 and the amplifier circuit 6 are formed on a semiconductor substrate by applying semiconductor technology to form a large number of angular velocity sensors.
It can be made compact and lightweight and can be mass-produced. As described above, according to the present invention, the tuning fork, the driving circuit, the stress converting element and the amplifying circuit are formed on the same semiconductor substrate by the semiconductor technology, so that the size and weight can be reduced. In addition to being possible, it can be mass-produced at low cost. Further, by providing the booster circuit on the semiconductor substrate, it is possible to provide an angular velocity sensor which can be operated by a low voltage power source.
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明角速度センサの一実施例の斜視図
である。
【図２】図２は本発明の実施例の検出原理を示す説明図
である。
【図３】図３は従来の角速度センサの概要説明図であ
る。
【図４】第４図は従来の角速度センサのブロック図であ
る。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ 音叉
２ａ 電極
２ｂ 音叉支持腕部
３ 駆動回路
３ａ 電極
５ 応力変換素子
６ 増幅回路BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of an angular velocity sensor of the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the detection principle of the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic explanatory view of a conventional angular velocity sensor. FIG. 4 is a block diagram of a conventional angular velocity sensor. [Explanation of reference numerals] 1 semiconductor substrate 2 tuning fork 2a electrode 2b tuning fork support arm 3 drive circuit 3a electrode 5 stress conversion element 6 amplifier circuit