JPH10232133A - 励振動型角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の励振動型角速度センサでは半導体基板上
に圧電素子を形成することで振動子の励振及び振動状態
の検出を行っていた。このため、圧電素子の特性のバラ
ツキに起因してセンサ特性のバラツキを生じ、センサ精
度の劣化をもたらす原因となっていた。また、圧電素子
として圧電材料を厚く形成しなければならないことか
ら、従来の励振型角速度センサの製造に長時間を要する
原因となっていた。 【解決手段】励振型角速度センサにおいて振動子の励振
用の発光素子、振動子の振動状態検出用の発光素子、振
動状態検出用の発光素子に対応する受光素子を具備し、
これらにより振動子の励振、振動状態の検出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は励振動型角速度セン
サに関し、特に励振、振動状態検出を光子で行う励振動
型角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、励振動型角速度センサとして半導
体基板で振動子を構成するセンサが用いられている。図
１３に従来方式の励振動型角速度センサの斜視図を示
す。振動子１、固定子２、及び振動子１と固定子２を繋
ぐ支持体３が半導体基板より一体的に形成される。半導
体基板としては、例えばＳｉの平面基板を用い、異方性
エッチングにより振動子１、固定子２、支持体３が形成
される。基板として広いＳｉ基板を用い、多数組の振動
子１、固定子２、支持体３を同時に形成しその後一組ず
つ切り離せば多数のセンサを効率よく形成できる。ここ
で、図１３に示すように、半導体基板の平面上に沿って
Ｘ−Ｙ軸を、半導体基板の厚み方向にＺ軸をとる。振動
子１はＸ軸方向に長軸をもつ角柱の形状をしており、そ
の形状は図１０においては６角柱であるが、他の形状、
例えば４角柱であっても差し支えない。さらに、図１３
のＹ軸に平行なラインＡ−Ａにそった断面を図１４に示
す。図１３、１４から判るように、振動子１の表面上に
駆動用圧電素子１１、検出用圧電素子１３，１５が形成
される。これら圧電素子は通例、強誘電体たとえばＺｎ
Ｏ、ＰＬＺＴから構成される。駆動用圧電素子１１，検
出用圧電素子１３，１５には電圧印可のためにそれぞれ
駆動用圧電素子電極１２，検出用圧電素子電極１４，１
６が形成され、これら電極は多くの場合、金属たとえば
Ａｕ，Ａｌから構成される。

【０００３】図示はしていないが、駆動用圧電素子電極
１２には発振回路が、検出用圧電素子電極１４，１６に
は検出回路が接続されている。発振回路が発生する周期
的に変化する電圧によって駆動用圧電素子１１はＺ軸方
向に周期的伸縮を行い、その結果振動子１に支持体３の
接続部分を支点として、Ｚ軸方向の屈曲振動が励起され
る。ここで、Ｘ軸方向を回転軸とする角速度Ωの回転運
動が半導体基板を通じ、振動子１に加えられたとする。
このとき、振動子１に対しＹ軸方向にコリオリ力Ｆが生
じる。この結果、振動子１は支持体３との接続部分を支
点として、Ｙ軸方向にも屈曲振動することになる。この
Ｙ軸方向の振動の強度が角速度Ωに比例することから、
検出用圧電素子１３，１５でＹ軸方向の振動を検出する
ことにより角速度Ωを測定できることになる。なお、図
１３、１４で振動子１の断面形状が６角形である関係か
ら、検出用圧電素子１３，１５は振動子のＹ軸方向及び
Ｚ軸方向に対してそれぞれ角度を持った面に設けられて
いる。この結果、検出用圧電素子１３，１５はＹ軸方向
の振動のみならずＺ軸方向の振動モニタをも兼用するこ
ととなる。検出用圧電素子電極１４，１６にあらわれる
電圧を検出回路で演算することでＺ軸方向の励起振動、
Ｙ軸方法のコリオリ力による振動を同時に検出できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように従来
の励振動型角速度センサでは半導体基板上に圧電素子を
形成することで振動子の励振及び振動状態の検出を行っ
ていた。しかし、圧電素子の特性を均一にそろえるのは
容易では無かった。圧電素子の特性をそろえるには、圧
電素子の厚さ等の形状をそろえ、さらに圧電素子を構成
する強誘電体材料自体の特性をも揃えなければならな
い。特に強誘電体材料は特性、例えば圧電特性、温度特
性を揃えるのが困難な材料であり、例えば同一のプロセ
スで同時に作成した検出用圧電素子１３，１５の間です
ら、特性の不一致が生じがちである。その結果センサ特
性、例えば出力バイアス、バイアススタビリティ、リニ
アリティ等のバラツキをもたらし、ひいてはセンサ精度
の劣化をもたらす原因となっていた。また、圧電素子と
して圧電材料を厚く形成しなければならないことから、
従来の励振型角速度センサの製造に長時間を要する原因
となっていた。

【０００５】本発明では圧電素子を不要とし、圧電材料
のバラツキに起因するセンサ特性のバラツキ、精度の劣
化を防止することを目的とする。また、本発明は圧電材
料の厚膜の形成を不要とし、製造時間の短縮を図ること
をも目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願発明では励振動型角
速度センサにおいて、振動子の励振用の発光子、振動子
の振動状態検出用の発光子、振動状態検出用の発光子に
対応する受光子を具備する。

【０００７】

【作用】本願発明では、振動子の振動励起、振動状態検
出に圧電素子を用いず、光により非接触で行う。このた
め、特性の不安定な圧電材料を使用することがなく、圧
電材料を長時間かけて成膜する必要もない。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施例を図１に示
す。振動子１、固定子２、及び振動子１と固定子２を繋
ぐ支持体３が半導体基板より一体的に形成される。振動
子１はそのＸ軸方向の２個所において支持体３により固
定子２に接続されている。この形成は、半導体基板の異
方性エッチングにより行い、多数組の振動子１、固定子
２、支持体３を同時に形成することが容易にできる。半
導体としては例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓを用いる。基板が
ＧａＡｓの場合、例えばＡｌＧａＡｓを成膜してパター
ニングしＧａＡｓ基板のエッチストップ層として用いて
基板のエッチングを行う。ここで、半導体基板の平面上
に沿ってＸ軸、Ｙ軸を、半導体基板の厚み方向にＺ軸を
とる。振動子１はＸ軸方向に長軸をもつ角柱の形状をし
ている。ここで、振動子１の形状は４角柱であるが、他
の形状、例えば６角柱であっても差し支えなく、角柱の
断面が必ずしも一定の形状でなくともよい。

【０００９】固定子２上に励振用発光子４、モニタ用発
光子８、モニタ用受光子１０、検出用発光子５，検出用
受光子７が設置される。振動子１には、Ｙ軸方向の側面
にモニタ用発光子８の照射光を反射するためのモニタ用
反射面９、Ｘ軸方向の端面に検出用発光子５の照射光を
反射するための検出用反射面６、がそれぞれ設けられ
る。励振用発光子４はモニタ用反射面９と対向する振動
子１の面の中央部に対向して、Ｙ軸方向に光が照射可能
なように、固定子２上に設置されている。この結果、励
振用発光子４とモニタ用発光子８は振動子１のＹ軸方向
のそれぞれ異なる面に対して光を照射している。ここ
で、モニタ用反射面９の設置された振動子１の側面に対
向して励振用発光子４を設置し、励振用発光子４とモニ
タ用発光子８が振動子１のＹ軸方向の同一側面に対して
光を照射するように構成することも可能であり、センサ
をより小型化することが可能となる。このときには、こ
の側面における、励振用発光子４とモニタ用発光子８か
らの光がそれぞれ照射される位置、がそれぞれ異なるよ
うに振動子１の同一側面に対して光を照射する。この場
合、その側面のうち励振用発光子４からの光が照射され
る部分についてはモニタ用反射面９を設置しないほう
が、後述の光による励振を効率よく行う上で好ましい。
本実施例では、固定子２に溝を形成して励振用発光子４
を設置しており、照射光が振動子１の側面上に効率よく
照射されるようにしている。励振用発光子４は例えばＬ
ＥＤや半導体レーザーダイオード（ＬＤ）を用いる。そ
して、図１には図示していないが、励振用発光子４は発
振回路２２により周期的に駆動される。その結果、振動
子１の１側面に周期的に光が照射される。光の周期的照
射によって、振動子１に周期的な熱歪みがＹ軸方向にそ
って作用する。かくして、振動子１は支持体３との結合
部を支点としてＹ軸方向に屈曲振動することになる。こ
こで、駆動の周期を振動子１の固有周波数に設定すれば
大きな励振を引き起こすことができ、高感度な角速度の
検出が可能となる。

【００１０】さらに、モニタ用発光子８、モニタ用受光
子１０によって励起された振動がモニタされる。モニタ
用発光子８、モニタ用受光子１０はそれぞれＸ軸方向に
角度をつけて固定子２上に設置されている。モニタ用発
光子８から振動子１に照射された光はモニタ用反射面９
によって反射され、モニタ用受光子１０により受光され
る。ここで、モニタ用発光子８、モニタ用受光子１０は
固定子２に形成した溝に設置されており、効率よく光を
利用できるようになっている。振動子１の振動により、
モニタ用反射面９はＹ軸方向に振動する。このため、モ
ニタ用受光子１０に入射する光量が変化し、振動子１の
振動状態をモニタできる。モニタ用反射面９をＹ軸方向
に垂直に設定しておけば、角速度の入力により生じるＺ
軸方向の振動がモニタ用受光子１０に入射する光量の変
化として現れず、精度良くＹ軸方向の励振状態を検出で
きる。ここで、この励振状態出力をもちいて励振用発光
子４の駆動制御をおこなうことができる。これを図２に
しめす。モニタ用受光子１０からの出力を検出回路２１
で処理し、Ｙ軸方向の励振状態を検出している。検出回
路２１からの励振状態出力により励振用発光子４を駆動
する発振回路２２を制御し、振動子１の励振のための光
照射を行う。励振用発光子４とモニタ用受光子１０は振
動子１を介して、その励振、モニタとしてつながってい
る。即ち、モニタ用受光素子１０、検出回路２１、発振
回路２２、励振用発光子４は全体として、正のフィード
バックループを形成する。この結果、励振される振動子
１の振幅が常に最大になるように保たれ、自動的に振動
子１の固有振動数に対応した周波数で、励振用発光子４
の駆動がなされることになる。

【００１１】Ｘ軸方向の角速度入力により振動子１に生
じたＺ軸方向の振動を、検出用発光子５、検出用受光子
７により検出する。検出用発光子５、検出用受光子７は
振動子１のＸ軸方向の端面に対向し、それぞれＹ軸方向
に角度をもって設置されており、検出用発光子５から発
した光が振動子１の端面に設けられた検出用反射面６に
より反射され、検出用受光子７に到達するようになって
いる。ここで、検出用発光子５、検出用発光子５は固定
子２に形成した溝に設置されており、効率よく光を利用
できる 振動子１にＸ軸を軸方向とする角速度の入力が加わる
と、振動子１は支持体３との接続部を支点として、励振
によるＹ軸方向の屈曲振動とコリオリ力によるＺ軸方向
の屈曲振動の合成振動をなす。このため、検出用反射面
６はＸ軸回りに角度をもって回転する楕円状の振動をし
ている。従い、検出用受光子７に入射する光量はＹ軸、
Ｚ軸双方の振動を反映することになる。角速度を検出す
るには、この出力からＹ軸方向の振動成分のみを抽出す
る必要がある。これには、Ｚ軸方向の振動がＹ軸方向の
振動に対し＋９０゜もしくは−９０゜位相がずれている
ことを利用できる。この詳しい説明は省略するが、Ｚ軸
方向の振動が、Ｘ軸方向の励振振動と入力角速度に起因
するコリオリ力により引き起こされることによるもので
ある。よって、モニタ用受光子１０の出力により検出し
たＹ軸方向の振動を基準として、これから＋−９０゜位
相の異なる成分を検出用受光子７の出力より抽出するこ
とで、Ｙ軸方向の振動を検出できる。

【００１２】本発明の第２の実施例を模式的に図３に示
す。図３は検出用発光子５と検出用受光子７が固定子２
の同一平面上にはなく、Ｚ軸方向にそれぞれずらしてあ
る点、及び検出用反射面６がＺ軸方向の傾き成分を持つ
ように設置されている点で図１と異なる。その他の点
は、図１と同様なので説明は省略する。このように配置
することで、Ｚ軸方向の振動が検出用受光子７に入射す
る光量の変化としてより大きく検出できる。即ち、角速
度の検出をより高感度に行える。

【００１３】図４は本発明の第３の実施例を模式的に表
わしたものである。また、図４のラインＡ−Ａに沿った
断面を図５に示す。この実施例ではモニタ用発光子８、
検出用発光子５は内部共振器を有する光源、例えば半導
体レーザー（ＬＤ）である。そして、モニタ用発光子８
はモニタ用反射面９と対向して固定子２上に設置され、
発光子８の発光端面とモニタ用反射面９の間で外部共振
器を構成する。また、検出用発光子５は検出用反射面６
に対向するように固定子２上に設置され、検出用発光子
５の発光端面と検出用反射面６の間で外部共振器を構成
する。一方、モニタ用受光子１０、検出用受光子７は、
モニタ用発光子８、検出用発光子５にそれぞれ対向し
て、モニタ用反射面９、検出用反射面６それぞれの反対
側に配置され、モニタ用発光子８、検出用発光子５から
発する光をそれぞれ直接受光できるようになっている。
ここで、励振用発光子４、モニタ用発光子８、モニタ用
受光子１０、検出用発光子５、検出用受光子７はいずれ
も、固定子２上に形成された溝に設置され、光を効率良
く利用できるようになっている。振動子１の励振は実施
例１，２と同様に励振用発光子４からの周期的発光によ
り行われる。Ｙ軸方向の励振状態モニタは、検出用発光
子５の発光端面と検出用反射面６との間の外部共振器長
の変化により、モニタ用発光子８の発光強度が変化する
ことを利用して行われる。これを、図６に示す。図６の
グラフにおいて、横軸はモニタ用発光子８の端面と検出
用反射面６の間で構成される外部共振器長を、縦軸は検
出用発光子５の出力を、それぞれ表わす。モニタ用発光
子８の端面と検出用反射面６の間で構成される外部共振
器長が変化すると、モニタ用発光子８の光出力は発光波
長λの１／２で周期的変動をしている。これは、外部共
振器長により、モニタ用発光子８内の内部共振器の共振
と外部共振器の共振が打ち消しあうか、強め合うかの干
渉関係が変動することによる。そして、外部共振器長の
変動範囲を出力振動の周期の１／２、例えば図６のΔｈ
の範囲とすれば、外部共振器長と光出力は１対１に対応
することとなる。このようにして、振動子１のＹ軸方向
の振動を、モニタ用受光子１０に入射するモニタ用発光
子８の光出力として検出できることになる。

【００１４】振動子１のＺ軸方向の振動の検出も、検出
用発光子５の光出力を検出用受光子７で受光することで
行う。検出用反射面６はＹ軸方向とＺ軸方向の合成振動
の結果、Ｘ軸の回りに角度をもって回転する楕円状の運
動をしていることは、実施例１で述べた。これから、検
出用発光子５の端面と検出用反射面６で構成される外部
共振器の長さの変動、及び検出用反射面６の角度変化に
よる検出用発光子５への反射戻り光量の変動が生じる。
その結果、検出用発光子５の光出力は、Ｙ軸方向とＺ軸
方向の振動の双方を反映して変動する。これから、実施
例１で述べたように、Ｚ軸方向のコリオリ力による振動
がＹ軸方向の振動と＋−９０゜の位相差を持つことを利
用して、Ｚ軸方向の振動成分を抽出できる。

【００１５】この第３の実施例において実施例２の如
く、検出用反射面６をＺ軸に対して斜めに振動子１に設
置することもできる。このときには、検出用発光子５を
斜めになった検出用反射面６の方向に合わせて対向する
必要がある。このようにすれば、Ｚ軸方向の振動の検出
感度を増大することができる。

【００１６】本発明の第４の実施例を図７に示す。ここ
では、振動子１と固定子２の間に支持体３は介在せず振
動子１の端面で直接に固定子２と結合している点で実施
例３と異なり、振動子１は片持ち梁となる。ここで、図
７にかえて図８の構成を採っても同様の振動子１の片持
ち梁構造となる。図８のＡ−Ａにそった断面を図９に示
す。ここでは、固定子２が振動子１のＺ軸方向に抜けた
構造をとっておらず、振動子１と固定子２を構成する半
導体基板のＺ軸方向の１面に可動構造たる振動子１が形
成された、いわゆる表面マイクロマシーニング構造とな
っている。このときには、半導体基板の厚さが十分厚け
れば、その厚さによらず、振動子１の厚さを自由に形成
できる利点があり、センサの製造の容易性につながる。
このような表面マイクロマシーニング構造の形成は、種
々の方法で行えることが知られている。例えば、イオン
打ち込みを用いて基板内部にエッチング容易な層を作る
技術、を利用できる。振動子１が片持ち梁構造となって
いることで、以下の利点が生じる。実施例３が支持体３
との結合部を支点として振動していたのに対し、固定子
２との結合部を支点として振動することになり、振動子
１の端面と振動の支点の距離が大きくなる。このため、
検出用反射面６の振動の振れ幅を大きくし、振動の検出
感度を向上するのに寄与する。但し、この相違は測定原
理からして本質的なものではない。従い、本実施例にお
いて実施例３に示す支持体３を用いる構成とすることも
できる。本明細書中のすべての実施例において、支持体
３を用いる構成あるいは支持体３を用いない構成のいず
れをも適宜に採用できる。本実施例ではモニタ用発光子
８を省略して、励振用発光子４がモニタ用発光子８を兼
ねるとともに、励振用発光子４端面とモニタ用反射面９
の間に外部共振器を構成している点も実施例３と異な
る。この結果、実施例３に対しセンサの小型化を図れ
る。励振用発光子４には内部共振器を有する、例えばＬ
Ｄを用いる。そして、励振用発光子４が周期的に駆動さ
れ、振動子１の励振を行う。ここで振動子１のＹ軸方向
の振動を検出するには、励振用発光子４に加えられる駆
動力と励振用発光子４の光出力の双方をモニタすること
で行う。即ち、励振用発光子４の光出力はこれに加えら
れる駆動力と外部共振器長の関数であるから、励振用発
光子４に加えられる駆動力が判れば、外部共振器長を求
められるからである。他の点は実施例３と本質的に異な
るところはないので説明を省略する。

【００１７】本発明の第５の実施例の模式図を図１０に
示し、図１０のラインＡ−Ａに沿った断面を図１１に示
す。原理的には第３の実施例に対応するものであるが、
励振用発光子４、モニタ用発光子８モニタ用受光子１
０、検出用発光子７、検出用受光子７を振動子１、固定
子２と一体的に半導体基板より形成した点が相違する。
この形成は例えば、半導体基板のエッチングにより振動
子１と固定子２を形成した後に、振動子１、固定子２上
に半導体技術を用いて発光部、受光部を形成すること、
で容易に行いうる。この実施例では、１体マスクを用い
て発光子１、５、８と受光子７、８を同時に形成するこ
とで、アライメントを形成と同時に行いうる。この結
果、製作工程の簡略化、歩留まりの向上に寄与する。

【００１８】本発明の第６の実施例の模式図を図１２に
示す。この例では、検出用発光子５は固定子２上にな
く、検出用受光子７と対向するように、振動子１の端面
に形成され、検出用発光子５の放射光が検出用受光子７
へ直接入射する点、及び検出用反射面６は設けていない
点が、第５の実施例と異なる。ここで、検出用発光子５
はＬＤ内部共振器を必要とせず、ＬＤであることを要し
ない点も第５の実施例と異なる。これらの相違から、Ｚ
軸方向の振動検出方法が第５の実施例と異なる。振動子
１の端面が楕円状に振動することは再三述べたが、この
振動により検出用発光子５から放射される光の角度が検
出用受光子７に対して変化する。即ち、検出用受光子７
へ入射する光の光量は、振動子１の振動に対応する。そ
して、この光量変化に起因する検出用受光子７の出力変
動から、他の実施例と同様に、Ｚ軸方向の振動成分抽出
を行うことで、角速度を検出できる。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明により、圧電素子を
用いない励振動型角速度センサを提供することが可能と
なる。その結果、圧電材料のバラツキに起因するセンサ
特性のバラツキ、精度の劣化を防止することができる。
また、圧電材料の厚膜の形成を不要とし、製造時間の短
縮を図れる効果をも有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明においてモニタ用受光子の出力を用い
て、励振用発光子を制御するためのブロック図である。

【図３】本発明の第２の実施例を示す斜視図である。

【図４】本発明の第３の実施例を示す斜視図である。

【図５】本発明の第３の実施例を示す断面図である。

【図６】内部共振器と外部共振器をともに有する発光子
において、外部共振器長と発光子の光出力の関係をしめ
すグラフである。

【図７】本発明の第４の実施例を示す斜視図である。

【図８】本発明の第４の実施例の変形例を示す斜視図で
ある。

【図９】本発明の第４の実施例の変形例を示す断面図で
ある。

【図１０】本発明の第５の実施例を示す斜視図である。

【図１１】本発明の第５の実施例を示す断面図である。

【図１２】本発明の第６の実施例を示す斜視図である。

【図１３】従来方式の励振型角速度センサを示す斜視図
である。

【図１４】従来方式の励振型角速度センサを示す断面図
である。

【符号の説明】 １：振動子 ２：固定子 ３：支持体 ４：励振用発光子 ５：検出用発光子 ６：検出用反射面 ７：検出用受光子 ８：モニタ用発光子 ９：モニタ用反射面 １０：モニタ用受光子 １１：駆動用圧電素子 １２：駆動用圧電素子電極 １３：検出用圧電素子 １４：検出用圧電素子電極 １５：検出用圧電素子 １６：検出用圧電素子電極 ２１：検出回路 ２２：発振回路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動子、 及び前記振動子を支持する固定子、 を一体に形成してなる半導体基板、を有する励振動型角
   速度センサにおいて、 前記振動子の励振用の発光子を具備し、 さらに、前記振動子の振動状態検出用の発光子、 前記振動状態検出用の発光子に対応する受光子、 を一組以上具備する、ことを特徴とする励振動型角速度
   センサ
2. 【請求項２】請求項１に記載の励振動型角速度センサに
   おいて、 振動状態検出用の発光子から放射される光を反射する反
   射面を振動子上に設け、 振動状態検出用の受光子を前記反射面から反射される光
   を受ける受光子とする、 ことを特徴とする励振動型角速度センサ
3. 【請求項３】請求項１に記載の励振動型角速度センサに
   おいて、 振動状態検出用の発光子から放射される光を反射する反
   射面を振動子上に設け、 振動状態検出用の発光子を前記反射面に対向して配し、 受光子を前記振動状態検出用の発光子から放射される光
   を受ける受光子とする、 ことを特徴とする励振動型角速度センサ
4. 【請求項４】請求項１に記載の励振動型角速度センサに
   おいて、 振動状態検出用の発光子を振動子上に設け、 受光子を上記の振動状態検出用の発光子から放射される
   光を受ける受光子とする、 ことを特徴とする励振動型角速度センサ
5. 【請求項５】請求項１乃至４に記載の励振動型角速度セ
   ンサにおいて、受光子の出力により励振用の発光子を制
   御する、 ことを特徴とする励振動型角速度センサ
6. 【請求項６】請求項５に記載の励振動型角速度センサに
   おいて、 発光子、受光子の少なくとも一つを半導体基板と同一の
   半導体材料より構成した、 ことを特徴とする励振動型角速度センサ