JP3669713B2 - 角速度センサ - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は、角速度を検出するための角速度センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、コリオリの力を利用してヨーレイトを検出するものとしては、圧電素子を使用した音叉型・音片型がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、複雑な形状の機械加工及び圧電素子の貼り付けが必要であり、小型化・低コスト化・高精度化が難しいという問題点がある。
【0004】
そこで、この発明は、新規な構造の角速度センサを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この発明は、半導体層で形成された固定部に対し複数の第1の梁を設け、その第1の梁に可動する四角枠の中間支持体を設け、この中間支持体に第2の梁を設け、該第2の梁に前記中間支持体の可動方向に対して垂直に励振される錘を設け、力学量に伴う前記錘の動きを容量検出する角速度センサにおいて、前記中間支持体に対向する2辺の各1辺には、複数の前記第1の梁がそれぞれ延設し、前記第1の梁及び第2の梁は、厚さが幅よりも大きく、前記中間支持体及び前記錘は平面に平行な方向に可動することを特徴とする角速度センサを要旨とするものである。
【0006】
【作用】
第1の梁あるいは第2の梁が変形することにより錘が可動状態となっている。そして、角速度に伴う錘の動きが検出されて角速度が検出される。
【0007】
【実施例】
以下、この発明を角速度センサに具体化した一実施例を図面に従って説明する。
【0008】
図1には、本実施例の角速度センサの平面図を示し、図2には、図1のA−A断面を示す。
基板1は単結晶シリコン基板よりなり、数mm角、厚さ200〜500μm程度のものである。この基板1の中央部分には長方形状の凹部2が形成されている。この凹部2内の側壁には第1の梁3,4,5,6が図1において上下方向(Y軸)に延設されている。
【0009】
又、凹部2内には四角枠状の中間支持体7が配置され、この中間支持体7は第1の梁3,4,5,6の他端に連結支持されている。四角枠状の中間支持体7の内壁には第2の梁8,9,10,11が図1において左右方向(X軸)に延設されている。中間支持体7の内方には錘12が配置され、この錘12は第2の梁8,9,10,11の他端に連結支持されている。
【0010】
又、図2に示すように、第1の梁3,4,5,6と中間支持体7と第2の梁8,9,10,11と錘12とは、凹部2の底面との間に所定のギャップ(空間)が形成されている。
【0011】
尚、第1及び第2の梁3〜6,8〜11は、幅数μm、厚さ10〜50μmとなっている。又、中間支持体7は幅が数10μmにて枠状に形成され、厚さ10〜50μmとなっている。又、錘12は、縦・横の寸法が数100μmで厚さ10〜50μmの直方体よりなっている。
【0012】
図1での中間支持体7の外面における左右の側壁には電極13,14が形成され、電極13,14と相対向する凹部2の内壁には電極15,16が形成されている。よって、電極13,15により対向電極が構成されるとともに、電極14,16により対向電極が構成されている。
【0013】
又、図1での中間支持体7における上下の内壁には電極17,18が形成され、電極17,18と相対向する錘12の側壁には電極19,20が形成されている。よって、電極17,19により対向電極が構成されるとともに、電極18,20により対向電極が構成されている。
【0014】
又、第1及び第2の梁3〜6,8〜11と中間支持体7と錘12とは、後述するように、犠牲層エッチングを用いた基板1の表面マイクロマシニング技術によって作成される。
【0015】
次に、角速度センサの製造工程を図3,4,5を用いて説明する。
図3に示すように、単結晶シリコン基板21を用意し、その基板21の表面に数μm〜10μmのp型拡散層を形成する。その後、単結晶シリコン基板21上に10〜50μmのn型エピタキシャル層22を成長させる。このとき、p型埋め込み層23が形成される。このp型埋め込み層23の形成領域を図6にて示す。
【0016】
そして、図4に示すように、RIEによりn型エピタキシャル層23に対し図6に示すようなパターンのトレンチ24を形成する。さらに、図5に示すように、電気化学エッチングにより選択的にp型埋め込み層23を除去する(犠牲層エッチング)。
【0017】
このように製造された角速度センサにおいては、次のような動作をする。
まず、図1の対向電極17,19及び対向電極18,20に交流電圧を印加して、静電気力により図1での上下方向(Y軸)に錘12を振動(励振)させる。つまり、第2の梁8〜11の撓みによりY軸方向への変位が可能である。
【0018】
そして、図1の紙面に直交する軸に回転角速度(ヨーレイト;Ω)が加わると、もとの振動(Y軸)に対し直角方向、即ち、図1の左右方向(X軸)にコリオリ力が発生する。このとき、錘12の質量をm、図1の紙面に直交する軸の回りヨーレイトをΩ、励振による錘12の速度をvとすると、錘12にはX方向にF=2mvΩのコリオリ力が働く。
【0019】
錘12は中間支持体7に対してはX方向に変位できないが、コリオリ力は第2の梁8〜11を介して中間支持体7に伝わる。そして、中間支持体7は第1の梁3〜6の撓みによってX方向に変位可能である。この中間支持体7の変位量はほぼコリオリ力に比例するものである。このコリオリ力による錘12の変位が対向電極13,15及び対向電極14,16により容量変化として検出される。この容量変化に基づいて回転角速度(ヨーレイト;Ω)が検出される。
【0020】
尚、錘12の変位量の測定方法としては、他にもコンデンサ(対向電極13,15及び対向電極14,16)の容量変化、即ち、中間支持体7のX方向変位が「0」になるようにコンデンサにかける電圧をサーボ制御し、その印加電圧によりコリオリ力を求めるようにしてもよい。
【0021】
このように本実施例では、基板1(固定部)に対し第1の梁3,4,5,6を延設し、その第1の梁3,4,5,6に可動する中間支持体7を設け、この中間支持体7に第1の梁3,4,5,6にほぼ直交する方向に延びる第2の梁8,9,10,11を延設し、同第2の梁8,9,10,11に錘12を設け、第1の梁3,4,5,6及び第2の梁8,9,10,11は、厚さが幅よりも大きくし、対向電極17,19及び対向電極18,20を励振用電極(励振用コンデンサ)とするとともに対向電極13,15及び対向電極14,16を角速度検出用電極(検出用コンデンサ)とし、角速度の印加に伴う錘12の動きを検出するようにした。このように、マイクロ加工が可能な平面状態で2次元的に変位可能な錘12を有する梁構造となり、新規な構造の角速度センサとなる。
【0025】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明によれば、新規な構造の角速度センサとすることができる優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の角速度センサの平面図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】角速度センサの製造工程を示す断面図である。
【図4】角速度センサの製造工程を示す断面図である。
【図5】角速度センサの製造工程を示す断面図である。
【図6】角速度センサの製造工程を示す平面図である。
【符号の説明】
1 固定部としての基板
3,4,5,6 第1の梁
7 中間支持体
8,9,10,11 第2の梁
12 錘
Claims (5)
- 半導体層で形成された固定部に対し複数の第1の梁を設け、その第1の梁に可動する四角枠の中間支持体を設け、この中間支持体に第2の梁を設け、該第2の梁に前記中間支持体の可動方向に対して垂直に励振される錘を設け、力学量に伴う前記錘の動きを容量検出する角速度センサにおいて、
前記中間支持体に対向する2辺の各1辺には、複数の前記第1の梁がそれぞれ延設し、
前記第1の梁及び第2の梁は、厚さが幅よりも大きく、
前記中間支持体及び前記錘は平面に平行な方向に可動することを特徴とする角速度センサ。 - 全体構造が前記中間支持体の可動軸及び前記錘の可動軸に対称であることを特徴とする請求項1記載の角速度センサ。
- 前記第1の梁、中間支持体、第2の梁、錘の全てが同じ厚さであることを特徴とする請求項1又は2記載の角速度センサ。
- 前記第1の梁、中間支持体、第2の梁、錘の厚さは10〜50μmであることを特徴とする請求項3記載の角速度センサ。
- 前記中間支持体及び前記錘は同一平面上に形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載の角速度センサ。
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