JP3800238B2 - 角速度センサ及び角速度検出方法 - Google Patents

Description

この発明は、角速度や加速度等の力学量を検出するための力学量センサに関するものである。

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。

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。

そこで、この発明は、新規な構造の力学量センサを提供することにある。

請求項１に係る発明は、基板（１）に第１の梁（３，４，５，６）を介して支持され、前記基板の表面に平行な第１の所定方向（Ｘ）に変位可能な中間支持体（７）と、この中間支持体に第２の梁（８，９，１０，１１）を介して支持され、前記基板の表面に平行であって前記第１の所定方向に対して垂直な第２の所定方向（Ｙ）に変位可能な錘（１２）と、前記錘を前記第２の所定方向に振動させる振動手段（１９，２０）と、前記中間支持体の前記第１の所定方向に沿った変位量を検出する検出手段（１３，１４，１５，１６）とを備える角速度センサをその要旨としている。

請求項２に係る発明は、基板（１）に一端が固定され、厚さが幅よりも大きい複数の第１の梁（３，４，５，６）と、該第１の梁の他端に連結支持され、前記基板の表面に平行な第１の所定方向（Ｘ）に変位可能な中間支持体（７）と、この中間支持体に一端が接続され、厚さが幅よりも大きい複数の第２の梁（８，９，１０，１１）と、該第２の梁の他端に連結支持され、前記基板の表面に平行であって前記第１の所定方向に対して垂直な第２の所定方向（Ｙ）に変位可能な錘（１２）と、前記錘を前記第２の所定方向に振動させる振動手段（１９，２０）と、角速度の作用に伴う前記中間支持体の前記第１の所定方向に沿った変位量を検出する検出手段（１３，１４，１５，１６）とを備える角速度センサをその要旨としている。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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、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。

尚、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば、前記実施例では錘１２を両持ち梁タイプとしたが、図７，８に示すように片持ち梁としてもよい。つまり、基板２４の凹部２５内の側壁に第１の梁２６，２７を延設し、その第１の梁２６，２７に中間支持体２８を設け、この中間支持体２８に片持ち梁としての第２の梁２９，３０を延設し、第２の梁２９，３０に錘３１を設ける。又、錘３１の側壁に電極３２を形成するとともに対向する凹部２５の内壁に電極３３を形成する。さらに、錘３１の側壁に電極３４，３５を形成するとともに対向する凹部２５の内壁に電極３６，３７を形成している。

又、中間支持体は前記実施例では枠状としたが、図７に示すように、中間支持体２８は枠状に限ることはない。つまり、図７に示すように、長方形状としてもよい。

さらに、角速度センサの他にも、２次元加速度センサとしてもよい。つまり、図１において、Ｘ軸の加速度を対向電極１３，１５及び対向電極１４，１６にてコンデンサ容量変化として測定するとともに、Ｙ軸の加速度を対向電極１７，１９及び対向電極１８，２０にてコンデンサ容量変化として測定するようにしてもよい。

以上詳述したようにこの発明によれば、新規な構造の力学量センサとすることができる優れた効果を発揮する。

実施例の角速度センサの平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 角速度センサの製造工程を示す断面図である。 角速度センサの製造工程を示す断面図である。 角速度センサの製造工程を示す断面図である。 角速度センサの製造工程を示す平面図である。 別例の角速度センサの平面図である。 図７のＢ−Ｂ断面図である。

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 (8)

1. 基板（１）に第１の梁（３，４，５，６）を介して支持され、前記基板の表面に平行な第１の所定方向（Ｘ）に変位可能な中間支持体（７）と、
   この中間支持体に第２の梁（８，９，１０，１１）を介して支持され、前記基板の表面に平行であって前記第１の所定方向に対して垂直な第２の所定方向（Ｙ）に変位可能な錘（１２）と、
   前記錘を前記第２の所定方向に振動させる振動手段（１９，２０）と、
   前記中間支持体の前記第１の所定方向に沿った変位量を検出する検出手段（１３，１４，１５，１６）と
   を備えることを特徴とする角速度センサ。
2. 基板（１）に一端が固定され、厚さが幅よりも大きい複数の第１の梁（３，４，５，６）と、
   該第１の梁の他端に連結支持され、前記基板の表面に平行な第１の所定方向（Ｘ）に変位可能な中間支持体（７）と、
   この中間支持体に一端が接続され、厚さが幅よりも大きい複数の第２の梁（８，９，１０，１１）と、
   該第２の梁の他端に連結支持され、前記基板の表面に平行であって前記第１の所定方向に対して垂直な第２の所定方向（Ｙ）に変位可能な錘（１２）と、
   前記錘を前記第２の所定方向に振動させる振動手段（１９，２０）と、
   角速度の作用に伴う前記中間支持体の前記第１の所定方向に沿った変位量を検出する検出手段（１３，１４，１５，１６）と
   を備えることを特徴とする角速度センサ。
3. 基板（１）に接続され、該基板の表面に平行な第１の所定方向（Ｘ）に撓み可能に設けられた第１の梁（３，４，５，６）と、
   該第１の梁に中間支持体（７）を介して接続され、前記基板の表面に平行であって前記第１の所定方向に対して垂直な第２の所定方向（Ｙ）に撓み可能に設けられた第２の梁（８，９，１０，１１）と、
   該第２の梁に接続され、前記第１及び第２の梁を介して前記基板の表面に平行な平面内で変位可能な錘（１２）と、
   前記錘に対し、前記第２の所定方向に沿う振動を発生させる振動手段（１９，２０）と、
   前記錘に作用するコリオリ力を、前記中間支持体の前記第１の所定方向に沿った変位量により検出する検出手段（１３，１４，１５，１６）と
   を備えることを特徴とする角速度センサ。
4. 前記振動手段は、前記錘の一部に設けられた対向電極を一方の電極とする励振用コンデンサからなり、該励振用コンデンサで発生する静電気力により前記錘を振動させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の角速度センサ。
5. 前記検出手段は、前記中間支持体の一部に設けられた対向電極を一方の電極とする検出用コンデンサからなり、該検出用コンデンサの容量変化により前記角速度を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の角速度センサ。
6. 基板（１）と、該基板に第１の梁（３，４，５，６）を介して支持され、前記基板の表面に平行な第１の所定方向（Ｘ）に変位可能な中間支持体（７）と、この中間支持体に第２の梁（８，９，１０，１１）を介して支持され、前記基板の表面に平行であって前記第１の所定方向に対して垂直な第２の所定方向（Ｙ）に変位可能な錘（１２）と、前記錘を振動させる振動手段（１９，２０）と、前記中間支持体の変位量を検出する検出手段（１３，１４，１５，１６）とを備えた角速度センサの角速度検出方法であって、
   振動手段（１９，２０）により、前記錘を前記第２の所定方向に振動させ、
   角速度の作用に伴って前記錘に作用するコリオリ力を、前記検出手段により、前記中間支持体の前記第１の所定方向に沿った変位量に基づき検出することを特徴とする角速度検出方法。
7. 前記錘の一部に設けられた対向電極を一方の電極とする励振用コンデンサを有し、該励振用コンデンサで発生する静電気力により前記錘を振動させることを特徴とする請求項６記載の角速度検出方法。
8. 前記中間支持体の一部に設けられた対向電極を一方の電極とする検出用コンデンサを有し、該検出用コンデンサの容量変化により前記角速度を検出することを特徴とする請求項６又は請求項７記載の角速度検出方法。

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