JP3312227B2 - ガス式角速度センサ - Google Patents

ガス式角速度センサ

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JP3312227B2 JP06431894A JP6431894A JP3312227B2 JP 3312227 B2 JP3312227 B2 JP 3312227B2 JP 06431894 A JP06431894 A JP 06431894A JP 6431894 A JP6431894 A JP 6431894A JP 3312227 B2 JP3312227 B2 JP 3312227B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、センサ本体に角速度が
作用したときのガス通路内におけるガス流の偏向状態
を、ガス通路内に設けられた一対の感熱抵抗素子の抵抗
値の変化としてとらえるようにしたガス式角速度センサ
に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、センサ本体に加わる角速度を検
出するガス式角速度センサとしては、ポンプを駆動する
ことにより、センサ本体におけるノズル孔からガス通路
内に左右一対に設けられた感熱抵抗素子からなるヒート
ワイヤ対に向けてガスを噴出させておき、センサ本体に
角速度運動が加わってガス通路内を流れるガス流が左右
方向に偏向したときに、ヒートワイヤ対に生じた各感熱
出力の差に応じた検出信号を、その各ヒートワイヤと一
対の基準抵抗素子とが各枝路に設けられた角速度検出用
のブリッジ回路から不平衡出力としてどり出して、その
ときセンサ本体に作用している角速度を検出するように
している。
【０００３】このようなガス式角速度センサでは、それ
がセンサ本体におけるガス流の偏向状態を感熱抵抗素子
対の抵抗値の変化によってとらえるものであるために、
ガス流量が変動すると角速度の検出感度が変化してしま
うことになる。
【０００４】また、最近、ノズル孔、ガス通路およびそ
のガス通路内に−対に設けられるヒートワイヤからなる
センサ本体が、半導体基板を用いたＩＣ製造技術による
マイクロマシニング加工によって形成されたものが開発
されているが、このようなセンサ本体が超小形のものに
あっては、特に、ガス通路を流れるガスの流量の微少な
変化によっても検出感度が大きく変化してしまう。
【０００５】そのため、従来では、ノズル孔の部分に感
熱抵抗素子としてのフローセンサを別途に設けて、ノズ
ル孔から噴出されるガスの流量を検出し、その検出され
たガスの流量が常に一定になるようにポンプの駆動制御
を行わせるようにしている（特開平５−２０２６号公報
参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、フローセンサによってガス流量を検出しながらポ
ンプの駆動制御を行わせるのでは、センサ本体側にフロ
ーセンサを別途に設ける必要があり、その構成が複雑に
なってしまうことである。
【０００７】また、ガス流量の変化に対する検出感度の
特性は温度によっても変化するものであり、フローセン
サによってガス流量を検出してその流量制御を行わせる
だけでは検出感度の安定化には不充分であり、ガス流量
の制御をなす際に温度補償を行わせる必要がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、センサ本体側
にフローセンサを別途設けることなく、角速度検出用の
ヒートワイヤ対をフローセンサとしても利用できるよう
にするとともに、温度補償をも行わせることができるよ
うにするべく、角速度検出用ブリッジ回路にその電源に
対して温度補償回路を直列に接続するとともに、その各
回路に一対の基準抵抗素子が直列接続されている回路を
並列に接続して、角速度検出用ブリッジ回路，温度補償
回路および前記一対の基準抵抗素子が各枝路に設けられ
た流量制御用ブリッジ回路を形成して、その流量制御用
ブリッジ回路（１４）の出力に応じてガス流量を制御す
るようにし、その温度補償回路を感熱抵抗素子と基準抵
抗素子との並列または直列回路としたことを特徴として
いる。
【０００９】
【実施例】図１ないし図３は、ガス式角速度センサにお
ける半導体基板のマイクロマシニング加工によって形成
された超小形のセンサ本体の一般的な構成を示してい
る。
【００１０】ここでは、それぞれ半導体基板にノズル孔
３を形成する半孔３１とそれにつながるガス通路４を形
成する半溝４１とがエッチングによって形成された下側
半導体基板１と上側半導体基板２とを、それぞれの半孔
３１および半溝４１をつき合せるように重ね、両者を接
着させることによって、ノズル孔３およびガス通路４が
形成されている。
【００１１】そして、下側半導体基板１にはガス通路４
にかかる橋梁部６が形成され、その橋梁部６の上面には
一対のヒートワイヤ５１，５２がパターン成形されてい
る。
【００１２】図中、７は、一対のヒートワイヤ５１，５
２の両側における下側半導体基板１上にパターン形成さ
れた電極部である。
【００１３】また、図４はガス式角速度センサにおける
角速度検出回路部の構成を示すもので、センサ本体側の
ヒートワイヤ５１，５２とセンサ本体の外部に設けられ
る一対の基準抵抗素子としてのコールドワイヤ８１，８
２とが各枝路に設けられて定電流源９が接続された角速
度検出用ブリッジ回路１０と、そのブリッジ回路１０の
出力電圧Ｖｒを増幅する増幅器４１とからなっている。
【００１４】このように構成されたガス式角速度センサ
では、図示しないマイクロポンプによってＮ２やＡｒな
どの不活性ガスがセンサ本体のノズル孔３から層流とし
てガス通路４内における左右一対に設けられたヒートワ
イヤ対５１，５２に向けて送り込まれ、センサ本体に角
速度運動が加わってガス通路４内を流れるガス流が左右
方向に偏向したときに、一対のヒートワイヤ５１，５２
に生じた各感熱出力の差に応じた検出信号が角速度検出
用ブリッジ回路１０から不平衡出力としてとり出され
る。
【００１５】しかして、このようなガス式角速度センサ
では、前述したように、それがセンサ本体におけるガス
流の偏向状態を一対に設けられるヒートセンサ５１，５
２の抵抗値の変化によってとらえるものであるために、
図５に示すように、ガス流量が変動すると角速度の検出
感度が変化してしまう。
【００１６】また、図５に示すように、ガス流量の変化
に対する検出感度の特性は温度によっても変化し、例え
ば、ガス流量の動作点ｆに対して、温度が２５℃から８
０℃に変化すると検出感度がΔＳだけ変化してしまう。
【００１７】そのため、本発明では、基本的に、センサ
の温度をガス通路４内を流れるガスに影響されずに検出
できるような位置に温度補償用のヒートワイヤ１２１を
設けたうえで（図２参照）、図６に示すように、角速度
検出用ブリッジ回路１０に、電源９に対してそのヒート
ワイヤ１２１を直列に接続するとともに、その角速度検
出用ブリッジ回路１０とヒートワイヤ１２１とが直列に
接続された回路に対して、一対の基準抵抗素子としての
コールドワイヤ１３１，１３２が直列接続されている回
路を並列に接続して、角速度検出用ブリッジ回路１０，
温度補償用のヒートワイヤ１２１およびコールドワイヤ
１３１，１３２が各枝路に設けられた二重ブリッジ構造
による流量制御用ブリッジ回路１４′を形成するように
している。
【００１８】そして、その流量制御用ブリッジ回路１
４′の出力Ｖｆをガス流量の検出信号としてガス流量制
御回路１５に与え、そこで検出されたガス流量が常に一
定の値となるようにガス通路４内にガスを噴出させるマ
イクロポンプ１６の駆動制御を行わせるようにしてい
る。
【００１９】ここで、温度補償用のヒートワイヤ１２１
としては、センサの温度をガス通路４内を流れるガスに
影響されずに検出できるような位置、例えば、図２に示
すように、下側半導体基板１の片側に形成された溝１７
にかかる橋梁部１８上に形成される。
【００２０】なお、センサ本体およびマイクロポンプを
加圧ガスが封入されたケース内に入れて、マイクロポン
プにより加圧ガスをセンサ本体に楯環させるようにする
場合には、ガス通路４内における気圧と溝１７内の気圧
とを同じにするために、溝１７を外部に通気させる開口
を設けるようにするのがよい。
【００２１】このように構成された流量制御用ブリッジ
回路１４′にあっては、角速度検出用ブリッジ回路１０
自体がフローセンサとして用いられることになる。
【００２２】その際、温度変化によって角速度の検出感
度が変動することがないようにするためには、角速度検
出用ブリッジ回路１０の合成抵抗ＲＢと温度補償用のヒ
ートワイヤ１０１の抵抗Ｒｔｈとの各温度抵抗係数を合
致させて、図７に示すように、ガス流量に対する角速度
の検出感度の特性が温度が変化しても変わることなく、
ガス流量の動作点ｆに対して常に検出感度が一定となる
ようにする必要がある。
【００２３】角速度検出用ブリッジ回路１０の合成抵抗
ＲＢは、角速度検出用のヒートワイヤ５１，５２の直列
抵抗をＲｈｗ、コールドワイヤ８１，８２の直列抵抗を
Ｒｃｗとすると、次式によって与えられる。 ＲＢ＝Ｒｃｗ・Ｒｈｗ／（Ｒｃｗ＋Ｒｈｗ） …（１）
【００２４】ここで、流量制御用ブリッジ回路１４′に
おけるコールドワイヤ１３１，１３２の直列抵抗をＲｒ
ｅｆとすると、ＲＢ＜＜Ｒｒｅｆとなる。したがって、
その流量制御用ブリッジ回路１４′に流れる電流Ｉ＝Ｉ
Ｂ＋Ｉｒｅｆにあって、ＩＢ＞＞Ｉｒｅｆの関係とな
る。
【００２５】いま、角速度検出用ブリッジ回路１０と温
度補償用のヒートワイヤ１２１とが回路的に独立してい
れば、その温度補償用のヒートワイヤ１２１の温度抵抗
係数の調整はそのヒートワイヤ１２１に流す電流を変え
てその温度を必要な値にすることで実現される。
【００２６】しかし、図６に示すような流量制御用ブリ
ッジ回路１４′の構成をとる場合には、角速度検出用ブ
リッジ回路１０の合成抵抗ＲＢと温度補償用のヒートワ
イヤ１２１の抵抗Ｒｔｈとの各温度抵抗係数が異なるた
めに、図８に示すように、それらに共通に流れる電流Ｉ
Ｂに対する温度抵抗係数の特性に差異を生じてしまう。
【００２７】したがって、両者の温度抵抗係数を合致さ
せるためには、両特性が交わる点における所定の電流値
でしか達成することができなくなり、ある設計値でガス
式角速度センサを構成する場合、感度調整のために角速
度検出用ブリッジ回路１０に供給する電流ＩＢを変える
ことが困難になってしまう。
【００２８】そこで、特に本発明では、図９に示すよう
に、流量制御用ブリッジ回路１４にあって、温度補償用
のヒートワイヤ１２１と並列に基準抵抗素子としてのコ
ールドワイヤ１２２を接続した温度補償回路１２を設け
るようにしている。
【００２９】そのコールドワイヤ１２２は、ヒートワイ
ヤ１２１と同一材料（例えばＰｔ）をもって、ヒートワ
イヤ１２１のパターン成形と同一のプロセスによって成
形される。
【００３０】このように、ヒートワイヤ１２１とコール
ドワイヤ１２２とが並列に接続された温度補償回路１２
を設けることにより、ヒートワイヤ１２１とコールドワ
イヤ１２２との抵抗比を任意に選定することで、その温
度補償回路１２に流す電流に依存せずに温度抵抗係数を
設定することができるようになる。その設定できる範囲
としては、ヒートワイヤ１２１に流れる電流におけるヒ
ートワイヤ１２１の温度抵抗係数からコールドワイヤ１
２２の温度抵抗係数の範囲になる。
【００３１】そして、温度補償回路１２が角速度検出用
ブリッジ回路１０と同様の構成になったので、図１０に
示すように、それらに共通に流れる電流ＩＢに対する抵
抗温度係数の特性が角速度検出用ブリッジ回路１０と温
度補償回路１２とで同じになる。
【００３２】したがって、電流ＩＢを変えることによっ
て温度補償用ブリッジ回路１４における抵抗温度係数を
自在に変化させることができるようになり、温度補償を
行いながら、流量制御用ブリッジ回路１４の出力Ｖｆが
ガス流量の検出信号としてガス流量制御回路１５に与え
られて、検出されたガス流量が一定になるようにマイク
ロポンプ１６の駆動制御がなされて感度調整が適切に行
われることになる。
【００３３】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、図１１に示すように、温度補償回路１２と
して、感熱抵抗素子１２１と基準抵抗素子１２２とを直
列に接続した回路を用いるようにしてもよい。
【００３４】また、本発明は、ヒートワイヤとコールド
ワイヤとを用いて基準抵抗素子とともにブリッジ回路を
組んで、センサ本体に加速度などの運動量が作用したと
きの熱の分布状態の変化をそのブリッジ回路の不平衡出
力としてとり出すようにしたセンサにあっても、同様に
適用が可能である。
【００３５】さらに、本発明は、流量制御用ブリッジ回
路１４を二重ブリッジ構造とすることなく、角度検出用
ブリッジ回路１０と温度保障回路１２とを直列に接続し
たうえで、その接続点に中点電位に相当する基準電圧を
別に印加するようにしてもよい。
【００３６】
【発明の効果】以上、本発明によりガス式角速度センサ
にあっては、角速度検出用ブリッジ回路にその電源に対
して温度補償回路を直列に接続するとともに、その各回
路に一対の基準抵抗素子が直列接続されている回路を並
列に接続して、角速度検出用ブリッジ回路，温度補償回
路および２つの基準抵抗素子が各枝路に設けられた二重
ブリッジ構造による流量制御用ブリッジ回路を形成し、
その流量制御用ブリッジ回路の出力に応じてガス流量を
制御するようにしたうえで、特に、温度補償回路を、感
熱抵抗素子とガス通路の外部に設けられた基準抵抗素子
との並列または直列回路としたもので、センサ本体側に
フローセンサを別途設けることなく、角速度検出用のヒ
ートワイヤ対をフローセンサとしても利用できるように
するとともに、温度補償をも行わせることができ、ガス
流量の制御を精度良くなして、角速度の検出感度の安定
化を最適に図ることができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】角速度センサにおけるセンサ本体の構成例を示
す斜視図である。
【図２】図１に示すセンサ本体の下側半導体基板の平面
図である。
【図３】図１に示すセンサ本体の正断面図である。
【図４】ガス式角速度センサにおける角速度検出回路部
の構成を示す図である。
【図５】ガス流量の変化に対する角速度の検出感度の特
性の一例を示す図である。
【図６】ガス流量制御用の回路部分の基本的な構成を示
す図である。
【図７】ガス流量の変化に対する角速度の検出感度の特
性の他の例を示す図である。
【図８】図６の回路におけるブリッジ電流ＩＢに対する
ブリッジ抵抗Ｒ とヒートワイヤ抵抗Ｒｔｈとの各温度
抵抗係数特性の一例を示す図である。
【図９】本発明によるガス流量制御用の回路部分の構成
を示す図である。
【図１０】図１０の回路におけるブリッジ電流ＩＢに対
するブリッジ抵抗ＲＢと温度補償回路の抵抗との各温度
抵抗係数特性の一例を示す図である。
【図１１】本発明によるガス流量制御用の回路部分の他
の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 下側半導体基板 ２ 上側半導体基板 ３ ノズル孔 ４ ガス通路 ５１ ヒートワイヤ（感熱抵抗素子） ５２ ヒートワイヤ（感熱抵抗素子） ８１ コールドワイヤ（基準抵抗素子） ８２ コールドワイヤ（基準抵抗素子） ９ 定電流源 １０ 角速度検出用ブリッジ回路 １１ 増幅器 １２ 温度補償回路 １４ 流量制御用ブリッジ回路 １５ ガス流量制御回路 １６ マイクロポンプ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−96075（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−2026（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−180459（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−180460（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−81269（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−54475（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−17559（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 9/00 G01C 19/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ポンプの駆動によりセンサ本体における
    ノズル孔からガス通路内にガスを噴出して、ガス通路の
    内部に左右一対に設けられた感熱抵抗素子（５１，５
    ２）に向けてガス流を生じさせておき、センサ本体の左
    右方向に角速度が加わったときにガス流が偏向して各感
    熱抵抗素子（５１，５２）の抵抗値が変化した状態を、
    各感熱抵抗素子（５１，５２）とガス通路の外部に設け
    られた一対の基準抵抗素子（８１，８２）とが各枝路に
    設けられた角速度検出用ブリッジ回路（１０）における
    不平衡出力としてとり出すようにしたガス式角速度セン
    サにおいて、角速度検出用ブリッジ回路（１０）にその
    電源に対して温度補償回路（１２）を直列に接続すると
    ともに、その各回路に一対の基準抵抗素子（１３１，１
    ３２）が直列接続されている回路を並列に接続して、角
    速度検出用ブリッジ回路（１０），温度補償回路（１
    ２）および基準抵抗素子（１３１，１３２）が各枝路に
    設けられた流量制御用ブリッジ回路（１４）を形成し
    て、その流量制御用ブリッジ回路（１４）の出力に応じ
    てガス流量を制御するようにし、その温度補償回路（１
    ２）を感熱抵抗素子（１２１）と基準抵抗素子（１２
    ２）との並列または直列回路としたことを特徴とするガ
    ス式角速度センサ。
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