JPH10185582A - 角速度センサおよびその加振方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 加振装置を設けることなく，しかも２軸のま
わりの角速度を一つの角速度センサによって検出する。 【解決手段】 振動型角速度センサ30は，ダイヤフラム
部20と，支持部21と，錘部22とから構成される。ダイヤ
フラム部20は外部から与えられる音波または振動によっ
て加振される。ダイヤフラム部20をＺ方向に共振振動さ
せた状態で振動型角速度センサにＸ軸まわりの角速度が
加えると，錘部22には角速度に比例するＹ方向の力が生
じ，Ｚ方向の共振振動と同期するようにしてＹ方向に振
動する。同様に，Ｙ軸まわりの角速度が加えると，錘部
22には角速度に比例するＸ方向の力が生じ，Ｚ方向の共
振振動と同期するようにしてＸ方向に振動する。ダイヤ
フラム部20にはＸ方向またはＹ方向の振動により生じた
ひずみがひずみ検出素子13によって検出されその出力に
基づいて，Ｘ軸まわり，Ｙ軸まわりの角速度の向きおよ
び大きさとが検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】この発明は角速度センサおよびその加振方
法に関する。

【０００２】

【従来技術】図８は，従来の振動型角速度センサ装置を
示す斜視図である。

【０００３】振動子50は，一方向にのびる固定部51と固
定部51と直交する方向にのび，かつ固定部51に結合した
はり部52とから構成されている。これらの固定部51とは
り部52とは，たとえばシリコンにより一体的に形成され
る。はり部52を支持する固定部51はガラス基板53に固定
される。ガラス基板53のはり部52に対向する部分には凹
部が形成されている。ガラス基板53に形成された凹部の
底面には全体にわたって固定電極54が設けられている。
はり部52はシリコンによって形成されているので，導電
性を有し可動電極を構成する。はり部52の下面と固定電
極54との間には間隙があり，これらのはり部52の下面と
固定電極54とによってコンデンサが構成される。

【０００４】ガラス基板53上にはまた，加振用固定電極
58A および58B が，はり部52の長手方向に沿うようには
り部52の両側にそれぞれ設けられている。はり部52と，
加振用固定電極58A および58B との間にもそれぞれ間隙
が設けられている。はり部52の一側面と加振用固定電極
58A およびはり部52の他側面と加振用固定電極58B もま
たそれぞれコンデンサを構成する。

【０００５】ガラス基板53にはまた加振装置57が設けら
れている。上述したガラス基板53，振動子50，固定電極
54，加振用固定電極58A ，58B および加振装置57によっ
て角速度センサ60が構成される。

【０００６】はり部52の長手方向をＸ方向とし，固定部
51の長手方向をＹ方向とする。Ｘ方向およびＹ方向の両
方に垂直な方向をＺ方向とする。はり部52はＹ方向とＺ
方向に振動する。

【０００７】ガラス基板53の側面に設けられた加振装置
57により，振動子50にははり部52の共振周波数と等しい
周波数をもつＹ方向の振動が加えられる。これによりは
り部52がＹ方向に共振振動する。はり部52が可動電極を
構成しているので，はり部52のＹ方向の振動によっては
り部52とその両側の加振用電極58A および58B との間の
静電容量が変化する。これらの電極間の静電容量の変化
に基づいて，はり部52の振動周波数が検知される。検出
される振動周波数は，はり部がその共振周波数で振動す
るように加振装置57の振動周波数を制御することに用い
られるとともに，角速度算出のパラメータとして用いら
れる。

【０００８】振動子50のはり部52を加振装置57によって
振動させた状態で，振動型角速度センサ60の全体をＸ軸
のまわりに回転させると，はり部52はＺ方向にも振動す
る。このＺ方向の振動はコリオリ力によるものである。
はり部52のＺ方向への振動によって，はり部（可動電
極）52と固定電極54との間の静電容量が変化する。この
静電容量の変化およびはり部の振動周波数に基づいて，
Ｘ軸まわりの角速度の向きおよび大きさが検出される。

【０００９】このような従来の振動型角速度センサを用
いて角速度を求めるためには，その振動子を加振して振
動子を振動（一般的には共振）させること必要である。
したがって，従来の振動型角速度センサを含む角速度検
出装置には，振動子を加振するための加振装置が必要不
可欠であった。このため角速度検出装置の全体の寸法が
大きくなり小型化が困難である。

【００１０】さらに，従来の単体の振動型角速度センサ
は互いに直交するＸ，ＹおよびＺ方向の３方向のうち１
の方向を軸とした回転の角速度のみを検出するものであ
る。このため，２次元方向の角速度（２つの直交する軸
を中心とする回転の角速度）を求めるためには２台の角
速度センサが，３次元方向の角速度を求めるためには３
台の角速度センサが必要となり，角速度検出装置はさら
に大型化してしまう。

【００１１】

【発明の開示】この発明は加振装置を備える必要がな
く，したがって小型化された角速度センサを提供するこ
とを目的とする。

【００１２】この発明はまた，ダイヤフラム部の法線と
直交する２つの異なる軸まわりの角速度を一つの角速度
センサによって検出することを目的とする。

【００１３】この発明による角速度センサの加振方法
は，角速度センサをダイヤフラム部と，このダイヤフラ
ム部の全周囲を支持する支持部と，ダイヤフラム部に設
けられた錘部と，ダイヤフラム部に設けられた歪／応力
検出素子によって構成し，この角速度センサをダイヤフ
ラム部を加振する音波が伝播する場所または振動体上に
配置するものである。

【００１４】周囲が支持された薄いダイヤフラムが用い
られ，このダイヤフラムには錘部が設けられているの
で，空気振動のような微小な振動であっても，機械的な
振動であっても，ダイヤフラムを加振することができ
る。加振装置を必要としないため，振動型角速度センサ
を用いたセンサ装置の小型化を図ることができ，装置の
生産コストを下げることができる。

【００１５】この発明による角速度センサは，ダイヤフ
ラム部と，このダイヤフラム部の全周囲を支持する支持
部と，ダイヤフラム部に設けられた錘部と，ダイヤフラ
ム部に設けられた歪／応力検出素子とから構成され，上
記歪／応力検出素子がダイヤフラム部の法線と直交する
２つの異なる軸に沿いかつダイヤフラム部の面内に平行
な振動成分を検出するように配置されているものであ
る。

【００１６】一実施態様では，錘部がダイヤフラム部の
中心に設けられ，ダイヤフラムの形状が上記の２つの異
なる軸に関して線対称である。

【００１７】ダイヤフラムは上述のように外部から与え
られる音波または振動により加振される。この振動方向
に垂直でかつ上記の２つの軸のいずれかに直交する軸ま
わりの回転が与えられると，上記の２つの軸のいずれか
の上であってかつダイヤフラムの平面に平行な振動成分
が生じる。この振動成分が歪／応力検出素子によって検
出され，この検出信号に基づいて，与えられる回転の角
速度が得られる。

【００１８】このようにしてこの発明によると，２軸ま
わりの角速度のそれぞれについて，その向きと大きさと
を検出することができる。複数の角速度センサを用いる
ことなく，単体の角速度センサによって２軸まわりの角
速度の向きと大きさを検出できる。したがってセンサ装
置の小型化を図ることができる。１軸まわりの角速度を
検出できるのは，いうまでもない。

【００１９】好ましくは，上記薄膜部を円形にするとよ
い。円形の薄膜部は加えられる角速度に対する変形の応
答性が高いので，角速度の検出の感度を向上させること
ができる。

【００２０】一実施態様では歪／応力検出素子はピエゾ
素子または圧電素子である。

【００２１】

【実施例】図１は振動型角速度センサを示す斜視図であ
る。図２は図１のII-II 線にそう断面図である。図２に
おいて作図の便宜上および分かりやすくするために，ダ
イヤフラムを構成する窒化膜および各ひずみ検出部を構
成する部材の肉厚が厚めに強調して描かれている。この
ことは後に説明する図５および図６におけるセンサの断
面図においても同様である。

【００２２】振動型角速度センサ30は，正方形のダイヤ
フラム部20と，ダイヤフラム部20をその全周にわたって
支持する支持部21と，ダイヤフラム部20の中央部分に位
置しその下面に接合された錘部22とから構成されてい
る。支持部21は正方形の枠体である。支持部21と錘部22
は，たとえばシリコンにより形成されている。支持部21
上およびその内部の全面にわたって窒化膜11（たとえば
SiN 膜）が設けられ，この窒化膜11の支持部21の内側に
存在する部分がダイヤフラム部20を構成している。窒化
膜11は後述するようにシリコン基板上にSiN を堆積する
ことにより，またはシリコン基板の表面を窒化すること
により形成される。

【００２３】支持部21は一般にステム（パッケージ）内
に収められて固定され，または回路基板上に固定され
る。このとき錘部22はステムの底面から離れている。振
動型角速度センサ30が収められたステムは，ロボット・
アーム，ビデオ・カメラ，自動車，その他の工作機械，
機材等の角速度を検出すべき物体に固定される。

【００２４】振動型角速度センサ30の表面には，各辺の
中央部分にひずみ検出部40a ，40b，40c および40d が
それぞれ設けられている。ひずみ検出部40a ，40b ，40
c および40d はそれぞれひずみ検出素子13を含む。ひず
み検出素子13は，ダイヤフラム部20の周辺であって，か
つ各辺の中央部分の上に設けられている。ひずみ検出素
子13はダイヤフラム20の周辺から中央部に向ってのび，
直角に屈曲して，再びダイヤフラム部20の周辺に戻る形
状である。ひずみ検出素子13はたとえばピエゾ抵抗素子
である。この場合には，ダイヤフラム部12の変形によっ
てひずみ検出素子13の抵抗値が変化する。ひずみ検出素
子13の両端は配線パターン14を通して，支持部21上に形
成されたボンディング・パッド15にそれぞれ接続され，
さらにボンディング・パッド15にボンディングされたワ
イヤを通して，角速度検出回路（図示略）に接続され
る。配線パターン14上は保護膜16（例えば酸化アルミニ
ウム）によって覆われている。

【００２５】ひずみ検出素子13には，圧電素子を用いて
もよい。圧電素子（たとえば圧電薄膜層）の材料にはPZ
T （チタン酸ジルコン酸鉛），BaTiO₃（チタン酸バリウ
ム）などが用いられる。ダイヤフラム部12の変形によっ
て圧電素子には電圧が誘起される。

【００２６】図３は振動型角速度センサのダイヤフラム
部の振動の状態を模式的に示すものである。

【００２７】角速度センサのダイヤフラム部を加振する
方法には種々のものがある。その一つは，音波によるも
のである。工作機械，車両のエンジン等の騒音が空気中
を伝播してダイヤフラム部20を振動させる（図３(A) 参
照）。振動型角速度センサ30のダイヤフラム部20は薄い
弾性を有する窒化膜11により形成されているので空気振
動のような微小な振動の伝播によって振動を生じる。も
う一つは，振動による加振である。この場合には角速度
センサ30は振動源（工作機械のモータ，車両のエンジ
ン）の上に直接に固定されるか，または振動源による振
動が伝播する部材上に固定される（図３(B) 参照）。

【００２８】ダイヤフラム部20はその下面の中央部分に
錘部22が設けられているので，外部から振動が加わると
ダイヤフラム面にほぼ垂直な方向に振動する。ダイヤフ
ラム部20の固有の振動数（共振周波数）と，ダイヤフラ
ム部20に伝わる空気振動や機械的振動の振動数（周波
数）とが一致すると，ダイヤフラム部20は共振振動す
る。

【００２９】ダイヤフラム部20の共振周波数は，ダイヤ
フラム部20の面の大きさ，ダイヤフラム部20に用いられ
ている窒化膜の膜厚，またはその張力（膜のはり具合）
等を変化させることによって調節することができる。モ
ータやエンジンからの音波，またはそれらによる振動の
周波数帯に対応する共振周波数をもつようにダイヤフラ
ム部20が設計される。

【００３０】ひずみ検出部40a とひずみ検出部40b を結
ぶ方向をＸ方向とする。ひずみ検出部40c とひずみ検出
部40d を結ぶ方向をＹ方向とする。Ｘ方向およびＹ方向
に直交する方向をＺ方向とする。

【００３１】図４は振動型角速度センサにＸ軸まわりの
角速度が加えられている状態を模式的に示すものであ
る。

【００３２】ダイヤフラム部20をＺ方向に共振振動させ
た状態で振動型角速度センサ30にＸ方向を軸とする（Ｘ
軸まわりの）角速度が加わると，錘部22には加えられた
角速度に比例するＹ方向の力（コリオリ力）が生じる。

【００３３】ダイヤフラム部20は伸縮性を有するので錘
部22はＹ方向に振動し，この振動はＺ方向の共振振動と
同期する。ダイヤフラム部22には錘部22の振動に対応し
てひずみが生じる。

【００３４】錘部22に働くＹ方向へのコリオリ力は，主
に，ダイヤフラム部20のＹ方向に沿って形成されている
ひずみ検出部40c とひずみ検出部40d とによって検出さ
れる。検出されたコリオリ力の方向および大きさに基づ
いて，振動型角速度センサ30のＸ軸まわりの角速度の向
きおよび大きさを算出することができる。

【００３５】同様に，ダイヤフラム部20をＺ方向に共振
振動させた状態で振動型角速度センサ30にＹ方向を軸と
する（Ｙ軸まわりの）角速度が加わると，錘部22には角
速度に比例するＸ方向の力（コリオリ力）が生じ，Ｚ方
向の共振振動と同期してＸ方向に振動する。

【００３６】錘部22に働くＸ方向へのコリオリ力は，主
に，ダイヤフラム部20のＸ方向に沿って形成されている
ひずみ検出部40a とひずみ検出部40b とによって検出さ
れる。検出されたコリオリ力の方向および大きさに基づ
いて，振動型角速度センサ30のＹ軸まわりの角速度の向
きおよび大きさを算出することができる。

【００３７】このようにして，振動型角速度センサ30は
Ｘ軸まわりの角速度の向きおよび大きさと，Ｙ軸まわり
の角速度の向きおよび大きさとを一つの角速度センサに
よって検出することができる。

【００３８】Ｘ軸まわりの角速度によって，Ｘ軸に沿っ
て形成されているひずみ検出部40aおよびひずみ検出部4
0b から取り出される電気信号も若干変化することがあ
りうるが，これを無視してもよいし，またはあらかじめ
種々の大きさの角速度を与えてシミュレーションしてお
き，そのシミュレーション結果を考慮して最終的な値を
算出するようにすることもできる。Ｙ軸のまわりの角速
度によるひずみ検出部40c ，40d への影響も同じように
対処することができる。

【００３９】図５および図６は，図１および図２に示す
振動型角速度センサの製造工程を示すものである。

【００４０】シリコン基板10が用意され，シリコン基板
10の上面と下面とに窒化膜（SiN 膜）11を堆積させる
（図５(A) ），またはシリコン基板10の表面を窒化させ
る。シリコン基板10の上面に堆積された窒化膜11は振動
型角速度センサのダイヤフラム部20を構成するものであ
る。一方，下面に堆積された窒化膜11はシリコン基板10
のエッチングのためのマスクになる。

【００４１】窒化膜11が堆積されたシリコン基板10の上
面において，ダイヤフラム部20が形成されるべき部分の
周辺部に相当する位置に，４つのひずみ検出素子13を設
ける（図５(B) ）。

【００４２】これらの４つのひずみ検出素子13の各端部
に一部が重なり，かつ支持部21となるべき部分の方向に
のびるように配線パターン14およびボンディング・パッ
ド15を形成する（図５(C) ）。

【００４３】ボンディング・パッド15の中央部を除い
て，ひずみ検出素子13の一部，配線パターン14およびボ
ンディング・パッド15から窒化膜の端に達する部分の上
に保護層16を堆積する（図５(D) ）。保護層16には，た
とえば酸化アルミニウムが用いられ，配線パターン14の
断線を防止する。振動型加速度センサを実装するときに
は，この保護層16が堆積されていないボンディング・パ
ッド15の中央部分にワイヤがボンディングされる。この
ワイヤを通してひずみ検出素子13と角速度検出回路（図
示略）とが電気的に接続される。

【００４４】エッチングのマスクとして，シリコン基板
10の上面に窒化膜11a をさらに堆積させる（図６(A)
）。

【００４５】シリコン基板10の下面に堆積された窒化膜
11のうち，錘部22を形成すべき部分の窒化膜11を除去
し，等方性エッチングを行う。これによって，窒化膜11
を除去した部分のシリコン基板10が途中まで垂直に削り
取られる（図６(B) ）。

【００４６】等方性エッチングにより形成された凹部内
（錘部22が形成される部分）に再び窒化膜11を堆積す
る。その後，ダイヤフラム部20を形成すべき領域の窒化
膜11を除去し，異方性エッチングを行う。これによっ
て，シリコン基板10がその下面からメサ状に削り取ら
れ，窒化膜11によるダイヤフラム部20が形成される（図
６(C) ）。

【００４７】最後にシリコン基板の上面に堆積されてい
る窒化膜11a を除去する（図６(D)）。

【００４８】図５(A)〜(D)および図６(A)〜(D)に示す振
動型角速度センサ30の製造工程において，１枚のウエハ
内に，一度に多数個の同一の振動型角速度センサを規則
的に配列させて形成することができる。このウエハをダ
イシングによって分割すると，個々の振動型角速度セン
サ30が完成する。

【００４９】図７は，振動型角速度センサの他の例を示
す斜視図である。図１に示すものと同一のものには同一
符号を付し，重複説明を避ける。

【００５０】振動型角速度センサ30A が，図１に示す振
動型加速度センサ30と異なる点は窒化膜によって形成さ
れたダイヤフラム部の形状が円である点である。ひずみ
検出部40a とひずみ検出部40b とを結ぶ方向とひずみ検
出部40c とひずみ検出部40dとを結ぶ方向は錘部22の中
心を通るが必ずしも直交しなくてもよい。直角以外のあ
る角度で交差する２つの軸のまわりの角速度の検出も可
能となる。

【００５１】円形のダイヤフラム部20A はその全周が均
一に支持部21A に支持されているので，Ｘ方向の振動
も，Ｙ方向の振動も，加えられる角速度に対する応答性
が高く，振幅も大きい。このため，加えられる角速度に
対する感度がよく，微小な角速度の変化も検出すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】振動型角速度センサの斜視図である。

【図２】図１に示すII-II 線にそう断面図である。

【図３】(A)および(B)は振動型角速度センサを加振する
様子を示す模式図である。

【図４】Ｘ方向を軸に回転する振動型角速度センサを模
式的に示すものである。

【図５】(A)，(B)，(C)および(D)は振動型角速度センサ
の製造工程を示す。

【図６】(A)，(B)，(C)および(D)は振動型角速度センサ
の製造工程を示す。

【図７】振動型角速度センサの他の実施例を示す斜視図
である。

【図８】従来の振動型角速度センサの斜視図である。

【符号の説明】

13 ひずみ検出素子 14 配線パターン 15 ボンディング・パッド 16 保護層 20，20A ダイヤフラム部 21 支持部 22 錘部 30，30A 振動型角速度センサ 40a，40b，40c，40d ひずみ検出部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイヤフラム部と，このダイヤフラム部
   の全周囲を支持する支持部と，ダイヤフラム部に設けら
   れた錘部と，ダイヤフラム部に設けられた歪／応力検出
   素子とから構成され，上記歪／応力検出素子がダイヤフ
   ラム部の法線と直交する２つの異なる軸に沿いかつダイ
   ヤフラム部の面内に平行な振動成分を検出するように配
   置されている，角速度センサ。
2. 【請求項２】 錘部がダイヤフラム部の中心に設けら
   れ，ダイヤフラムの形状が上記の２つの異なる軸に関し
   て線対称である，請求項１に記載の角速度センサ。
3. 【請求項３】 角速度センサをダイヤフラム部と，この
   ダイヤフラム部の全周囲を支持する支持部と，ダイヤフ
   ラム部に設けられた錘部と，ダイヤフラム部に設けられ
   た歪／応力検出素子によって構成し，この角速度センサ
   をダイヤフラム部を加振する音波が伝播する場所または
   振動体上に配置する，角速度センサの加振方法。