JPH09325032A - 角速度センサ - Google Patents

角速度センサ

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JPH09325032A
JPH09325032A JP8163900A JP16390096A JPH09325032A JP H09325032 A JPH09325032 A JP H09325032A JP 8163900 A JP8163900 A JP 8163900A JP 16390096 A JP16390096 A JP 16390096A JP H09325032 A JPH09325032 A JP H09325032A
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JP
Japan
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angular velocity
velocity sensor
base plate
movable base
diaphragm
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Pending
Application number
JP8163900A
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English (en)
Inventor
Kazusuke Maenaka
一介 前中
Takio Kojima
多喜男 小島
Takuya Mizuno
卓也 水野
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 大気中で動作可能な新しい構造の多軸タイプ
の角速度センサを提供すること。 【構成】 中心軸回りに回転振動する可動台板を有する
架台と、前記可動台板の上に載置され、基板上に形成さ
れた少なくとも4枚の振動板を有する検出用デバイスと
から構成され、前記振動板が、前記中心軸に垂直な面上
で互いに直交する2本の軸上にそれぞれ2枚ずつ配置さ
れていることを特徴とする角速度センサ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転体の角速度の
測定を行なうための振動型の角速度センサ、特に多軸検
知型の角速度センサに関する。本発明の角速度センサ
は、例えば、車輌等の転回方式や姿勢の検出、ビデオカ
メラの手振れ検出などに利用される。
【0002】
【従来の技術】物体の角速度を検出するためのセンサと
して、従来より、圧電素子を用いた圧電振動型ジャイロ
(例えば、特開平5−240649号公報)が知られて
いる。これらは機械加工によって形成されており、構造
が複雑で組立精度が悪いため、検出精度も低く、小型化
が困難で生産性にも劣っていた。これらを改良するもの
として、半導体製造プロセスにおけるシリコンのマイク
ロマシニング技術を利用したマイクロ振動ジャイロが研
究されており、そのうち、多軸方向の角速度を検出する
ものとして、特開平7−239339号公報に開示の角
速度センサがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】多軸回りの角速度を検
出するためには、実質的に独立した振動部や検知部を有
した複数のセンサを1つのパッケージ内に収めた構造の
ため、構造が極めて複雑で、高精度に製作することが難
しいばかりか、角振動ジャイロの固有振動数を一致さ
せ、同一に駆動することは極めて困難であり、出力誤差
や製作の歩留まりが悪いものであった。また、特開平7
−239339号公報に開示の角速度センサでは、振動
や加速度といった外部からの外乱に対して、角速度を受
けた時の信号と同一の出力が出てしまうため、実際の使
用状態において誤差成分が大きくなってしまうという問
題がある。本発明は、かかる課題を解決するためになさ
れたものであり、大気中で動作可能な新しい構造の多軸
タイプの角速度センサを提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の角速度センサ
は、中心軸回りに回転振動する可動台板を有する架台
と、前記可動台板の上に載置され、基板上に形成された
少なくとも4枚の振動板を有する検出用デバイスとから
なる角速度センサであって、前記振動板が、前記中心軸
に垂直な面上で互いに直交する2本の軸上にそれぞれ2
枚ずつ配置されていることを特徴とする。
【0005】上記の角速度センサにおいて、1本の軸上
にある2枚の振動板が他の軸に対して互いに対向する位
置または向きで配置されていることは好ましい。また、
前記検出用デバイスが、振動板と基板との間の静電容量
を測定する電極を有することは好ましい。また、1本の
軸上で対向する2枚の振動板によりそれぞれ検出される
静電容量の差を用いて角速度を求めるようにしたことは
好ましい。また、前記角速度センサの架台が、可動台板
を回転振動させるための複数の圧電バイモルフを備える
こと、静電気力により可動台板を回転振動させるための
櫛形電極を備えることはそれぞれ好ましい。さらに、前
記振動板に孔が設けられていることも好ましい。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明の角速度センサの基本的構
造を図1に示す。本発明の角速度センサは、検出用デバ
イスとこれに回転振動を与えるための架台とから基本的
に構成される。検出用デバイスは、シリコン等の半導体
からなる基板上に、少なくとも4枚の振動板が形成され
ており、各振動板もシリコン等の半導体からなるととも
に、その一端が絶縁層を介して基板に固定された片持ち
梁状となっている。4枚の振動板は、前記架台の中心軸
に対して垂直な面上で互いに直交する2本の軸上にそれ
ぞれ2枚ずつ配置されている。また、各振動板の振動部
には、多数の貫通する孔が設けられてメッシュ状となっ
ており、空気の粘性抵抗の低減が図られている。
【0007】また、架台は、固定台板と可動台板とが複
数の圧電バイモルフを介して結合されており、前記圧電
バイモルフを可動台板に対して円周状に配置することに
より、可動台板が回転振動できるように構成されてい
る。また、回転振動を与える別の手段として、可動台板
をサポートスプリングによって固体台板に可動状態に保
持し、櫛形電極を構成する一組の電極のうちの一方を固
定台板側に設け、他方を可動台板側に設けて交流電圧を
印加させるようにしてもよい。
【0008】
【作用】本発明の角速度センサの動作原理を図2及び図
3に示す。検出用デバイスの中央のz軸回りの回転運動
すなわち検出用デバイスの振動板に対しx軸方向に振動
を与え、y軸周りの回転角速度を印加すると、コリオリ
力によりz軸方向の力を生ずる。このz軸方向の力によ
り同方向に振動板が変位し(図3)、振動板とこれに対
面する半導体基板との間の静電容量が変化する。このと
き、前記回転角速度の大きさに応じて前記静電容量が変
化するため、この静電容量の変化量を検出し、角速度に
換算することで角速度が求められる。
【0009】また、本発明の角速度センサでは、二組の
振動板が互いに直交して配置されているため、x軸周り
の角速度に対しても検出が可能であり、二軸の角速度測
定を行なうことができる。なお、対称に配置された振動
板を差動で駆動するため、振動板の変位の差を出力とす
れば、振動板に加わる加速度によるセンサ出力の低減が
可能である。1つの回転軸回りの角速度は、対向する2
枚の振動板の変位量の差(すなわち静電容量変化の差)
により得られ、これにより他の振動や加速度といった外
乱の影響を低減することができる。
【0010】振動板は1つの平面内に形成されるため、
フォトリソグラフィやエッチングといった半導体のマイ
クロマシニング技術を用いることによって容易に高精度
に形成することができ、各振動板の固有振動数も高精度
で一致させることができる。角速度検出に必要な振動
は、可動台板によりすべての振動板に同一に与えること
ができるため、固有振動数の不一致による出力誤差は大
幅に改善される。
【0011】複数の圧電バイモルフを用いて可動台板を
回転振動させることにより、検出用デバイスに容易に大
きな励振を与えることができるため、高いセンサ感度が
得られる。なお、圧電バイモルフには交流電圧が加えら
れており、検出感度を高めるため、架台励振周波数と振
動板の共振周波数は一致させている。
【0012】可動台板の駆動に櫛形電極を用いる場合
は、検出用デバイスのみでなく、架台を含めて全体をマ
イクロマシニング技術のみで製作することができるた
め、台板に圧電バイモルフを結合する組立工程等が不要
になる他、一層の小型化が可能になる。
【0013】
【実施例】以下に本発明の角速度センサの実施例につい
て説明する。 (1)検出用デバイスの作製 n−Si(膜厚5μm)/SiO2(同1μm)/n−
Si(同400μm)からなる三層構造のSOIウエハ
を用いて検出用デバイスを図5に示す加工プロセスによ
り作製した。まず、振動板となるウエハ表面のn−Si
層に対してボロン拡散処理を施し、このn−Si層の抵
抗率を下げた。その後、振動板パターンマスク用の酸化
膜を形成した。
【0014】次に、フォトリソグラフィにより前記酸化
膜上にパターニングを行なった後、水酸化テトラメチル
アンモニウム(TMAH)を用いて異方性エッチングを
行ない、振動板外部及び空気抵抗の低減用に振動板のメ
ッシュ孔を形成する。最後に、フッ酸(HF)を用いて
シリコンの前記メッシュ孔からのサイドエッチングを利
用して前記酸化膜を除去し、振動板を基板から浮かした
フローティング構造を形成する。パッケージングに先立
って、微小間隙を完全に確保するため、凍結乾燥処理を
行なった。得られた検出用デバイスの外観を図4に示
す。この検出用デバイスのサイズは8mm×8mm、振
動板のサイズは2mm×2mmである。
【0015】(2)架台の作製 架台の固定台板及び可動台板として直径10mmの円板
状のパイレックスガラス製板を用いた。3本の圧電バイ
モルフを固定台板及び可動台板の周縁に沿って垂直に配
置し固定して架台とした。圧電バイモルフの大きさは、
幅2mm×厚さ0.5mm×長さ10mmである。得ら
れた架台の外観を図6に示す。
【0016】(3)特性の評価 検出用デバイスのz軸方向の共振特性を図7に示す。作
製した検出用デバイスを励振し、振動板の変位による容
量変化を測定することにより、図7のような共振特性が
得られた。共振周波数は1.2488kHz、機械的Q
値は大気中で378、真空中で396の値が得られた。
大気中でも大きなQ値が得られた理由は、空気抵抗低減
用に設けた振動板のメッシュの効果によるものと考えら
れ、大気中でも動作が可能であることが確かめられた。
【0017】可動台板の回転共振特性を図8に示す。駆
動の共振周波数と、振動板の共振周波数をほぼ一致させ
ることができ、高い感度が得られる。共振時に架台の外
周で数十μmまでの振幅が確認できた。この値はレート
センサの励振として適切なものである。
【0018】この架台の可動台板の上面中央部に前述の
検出用デバイスを載置し、陽極接合により固着させて角
速度センサを完成させた。この角速度センサを用いた角
速度の検出は、以下のようにして行なう。まず、架台の
圧電バイモルフに交流電圧を加え、可動台板にz軸回り
の回転振動を与える。この回転振動は振動板に対しては
x軸方向の振動となる。この状態でy軸回りの角速度が
印加されると、振動板はコリオリ力によりz軸方向に変
形する。この変位を振動板と下部基板電極の間の静電容
量変化として取り出し、角速度の検出を行なう。この
時、対向する振動板の変位方向は逆になるため、2枚の
振動板の変位差を出力することにより、振動や加速度さ
らには温度変化といった外乱の影響が抑制される。この
ようにして、二軸回りの角速度を同時にかつ独立して検
知することができる。
【0019】図9は本発明の他の実施例の構成を示した
ものである。この例では、可動台板に回転振動を与える
機構として、櫛形電極を可動台板の周囲に複数配置し、
この櫛形電極に交流電圧を与えることで静電気力により
可動台板を回転振動させるものである。架台自体はアン
カーと呼ばれる固定端によりベース基板に固定されてい
る。この構造の場合、可動台板及び櫛形電極もシリコン
ウエハによって構成でき、センサ全体が半導体のマイク
ロマシニング技術により製作されている。
【0020】なお、上記の実施例では、振動板をシリコ
ンのウェットプロセスにより製作したが、これに限定さ
れるものではなく、CVD、PVD、メッキ等の手法に
より金属膜やポリシリコンで製作してもよい。また、振
動板の形状も片持ち梁だけでなく、両持ち梁や十字梁で
もよく、基板上面に対して上下に振動するものであれば
構わない。振動板の変位検出方法についても、静電容量
検出の他に、ビエゾ抵抗変化を検出する方式でも構わな
い。さらに、可動台板の駆動に関しても、圧電バイモル
フの数は3本より増やしてもよいし、例えば、それらの
うちの1本を振幅量帰還用素子とすることもできる。さ
らには、架台の材質をガラス以外に金属やシリコンを用
いることもできる。
【0021】
【発明の効果】本発明の角速度センサは、半導体のマイ
クロマシニング技術を用いて高精度に生産性よく製作可
能であり、二軸角速度を検出するのに非常にシンプルな
構成となっている。また、各振動板に作用する励振振動
は同一周波数であるため、各振動検出部の感度を一定に
することが可能で、センサの出力誤差も小さくできる。
さらに、圧電バイモルフで可動台板を回転振動させるこ
とで、非常に大きな励振振幅を容易に得ることができ、
センサ感度が向上する。また、対向する2枚の振動板の
変位量差から角速度を得るため、振動や加速度、温度変
化といった外乱からの影響を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の角速度センサの外観を示す斜視図。
【図2】本発明の角速度センサの測定原理を示す説明
図。
【図3】振動板の変位の状態を示す説明図
【図4】実施例の角速度センサを構成する検出用デバイ
スの外観を示す斜視図。
【図5】実施例の角速度センサを構成する検出用デバイ
スの製造工程を示す説明図。
【図6】実施例の角速度センサを構成する架台の構造を
示す斜視図。
【図7】実施例の角速度センサを構成する検出用デバイ
スの共振特性を示すグラフ。
【図8】実施例の角速度センサを構成する架台の回転共
振特性を示すグラフ。
【図9】他の実施例の角速度センサの構成を示す平面
図。
【符号の説明】
1:角速度センサ 2:検出用デバイス 3:基板 4:振動板 5:絶縁層 6:下部電極 7:架台 8:固定台板 9:可動台板 10:圧電バイモルフ 11:駆動電源 12:櫛形電極 13:サポートスプリング 14:アンカー 15:孔

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 中心軸回りに回転振動する可動台板を有
    する架台と、前記可動台板の上に載置され、基板上に形
    成された少なくとも4枚の振動板を有する検出用デバイ
    スとからなる角速度センサであって、前記振動板が、前
    記中心軸に垂直な面上で互いに直交する2本の軸上にそ
    れぞれ2枚ずつ配置されていることを特徴とする角速度
    センサ。
  2. 【請求項2】 1本の軸上にある2枚の振動板が他の軸
    に対して対向する位置または向きで配置されている前記
    請求項1に記載の角速度センサ。
  3. 【請求項3】 前記検出用デバイスが、振動板と基板と
    の間の静電容量を測定する電極を有する前記請求項1ま
    たは請求項2に記載の角速度センサ。
  4. 【請求項4】 1本の軸上で対向する2枚の振動板によ
    りそれぞれ検出される静電容量の差を用いて角速度を求
    めるようにした前記請求項3に記載の角速度センサ。
  5. 【請求項5】 前記架台が、可動台板を回転振動させる
    ための複数の圧電バイモルフを備える請求項1に記載の
    角速度センサ。
  6. 【請求項6】 前記架台が、静電気力により可動台板を
    回転振動させるための櫛形電極を備える前記請求項1に
    記載の角速度センサ。
  7. 【請求項7】 振動板に孔が設けられている前記請求項
    1に記載の角速度センサ。
JP8163900A 1996-06-03 1996-06-03 角速度センサ Pending JPH09325032A (ja)

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