JPH0329858A - ガス式角速度検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 挟先発狂 本発明は、検出器本体に作用する角速度を検出するガス
式角速度検出器に関する。

盗迷扶豊 一般に、ガス式角速度検出器は、第９図に示すように、
密閉したケーシング８内で、ノズル孔９からガス通路Ｉ
Ｑ内に一対のフローセンサ１１に向かってガス流を噴出
させておき、第１０図に示すように、検出器本体に角速
度ωが加わってガス流が中心線○−０からすれＥを生し
て一方に偏向したときに，フローセンサ１１における抵
抗温度係数の大きなタングステンなどからなるー・対の
ヒートワイヤ］１１．１１．２に生ずる感温出力の差を
とり出して、そのとき検出器本体に作用する角速度ωの
向きおよび大きさを検出するようにしている。

その一対のヒートワイヤ１１．１．１１．２は、ノズル
孔９およびガス通路１０の中心ｎｏ一〇に対して左右対
象となるように配設されており、検出器本体に横方向の
角速度ωが何ら作用しないときにはノズル孔９から噴出
されたガスがその中心線３ー ４ 〇一〇に沿ってまっすぐ流れて各ヒー１・ワイヤエＩ＋
，４１２に均等に当たり、その各ヒー１・ワイヤ＋１１
，］１２に対する放熱量を等しくしている。

したがって、このようなガス式角速度検出器を移動体に
搭載すれば，移動体の移動方向の変化量を求めることが
できるようになる。

第９図中、１４はノズル孔９からガス通路１０内に噴出
されるガス流を整流する整流孔であり、ノズル孔９を中
心として対称となるように、ノズル孔９の両側に少なく
とも２つの整流孔Ｉ４が設けられている。

しかしてこのようなガス式角速度検出器にあっては、検
出ｇ：＋本体に横方向の角速度ωが何ら作用しないとき
、ノズル孔９からガス通路１０内に噴出されるガス流が
ノズル孔９およびガス通路１０の中心線〇一〇に沿って
まっすぐ流れるようにノズル孔９およびガス通路１０を
形成する必要があり，その加工精度が検出精度にそのま
まつながるものとなっている。

従来、このようなカス式角速度検出器にあって、筒状の
アルミニウム素材を切削加工することによってノズル孔
９およびガス通路１０を形成するようにしている。

しかしこのようなノズル孔９およびガス通路１０の加工
手段をとるのでは、精密加工を必要とするために熟練を
要し、また製造時の歩留りが悪く，製品のばらつきを生
じて量産性が悪いものになっている。

また、このようなガス式角速度検出器では、そのフロー
センサＩＩにおける各ヒー１・ワイヤ１１１，１１２が
細いほどガス流の微少変位を感知できて角速度の検出感
度を高めることができるようになり、普通、各ヒー１へ
ワイヤ］　］．　１　，　　］．　１．　２が直径５μ
ｍ程度の細線に形成される。

従来の各ヒーｊ−ワイヤＩ．ＬＩ，１１．２は、第１１
図に示すように、それが予め細線に形成されて、基板１
６上に設けられた電極を兼ねる支柱１７間に張架されて
それぞれ設置されている。

しかし、ヒー１へワイヤＩＩＩ，１１２をそれぞれ予め
細線に形成するのでは、その製造上からしてワイヤ素材
の組成、結晶構造または抵抗温度特性などが不均一とな
ってしまう。

そのため、一対に設けられる各ヒー１・ワイヤＩＩ１，
１１２における抵抗温度特性を同一にそろえるのが難し
く、その特性がばらつくと、検出器本体に角速度ωが何
ら加わらないのにそのヒートワイヤ対に出力差を生ずる
ドリフト誤差を生じて検出精度の低下をまねいてしまう
。

また、ヒートワイヤ１１１．，１１２を支柱１７間に張
架して、通電し、発熱させると，そのストレスの影響を
受けて、時間の経過とともにヒー１・ワイヤ１１１，１
１２の抵抗温度特性が変化してしまうという問題がある
。

また従来では、ヒートワイヤ１１１，１１２を支柱１７
間に取り伺ける際、各ヒーＩ・ワイヤ１１１，１１２お
よび支柱１７にそれぞれに金メッキを施して、金ボンデ
イング手段によって取り付けるようにしている。

しかしこのようなヒートワイヤ１１１，１１２の取付手
段をとるのでは、ヒートワイヤｌ１１，１１２に金メッ
キが施されているために検出感度が低下してしまい、ま
たヒー１へワイヤ１１１，１１２に異種金属による熱起
電力が発生して検出精度の低下をきたしてしまう。

したがって従来では、ヒートワイヤ１１１，１１２を支
柱１７間に金ボンディング手段によって取り付けたうえ
で、酸化防止のために真空中または不活性ガス中でヒー
トワイヤ１１１，１１２を加熱するアニール処理をなし
て、それによりヒートワイヤ１１１，１１２を再結晶化
して組或を安定にさせるとともに、表面にメッキされた
金を蒸発させるようにしている。

また，従来のガス式角速度検出器では、第９図に示すよ
うに、ケーシング８の端部にダイアフラム式のボンブ１
２を設けて、そのボンプ１２によってケーシング８内に
とじ込められたガスを循環させなから流路ｌ３を通して
ノズル孔９に送って，ガス通路１０にガス流（層流）を
生じさせている。

しかしてこのようなガス式角速度検出器では、７ー 一８− ボンプ１２の部分が大きくなって、検出器全体が大形化
してしまっている。

また、ボンプｌ２の加工精度が悪くて動作むらがあった
りすると、ガス流を安定して生じさせることができなく
なり、ボンプ■２の加工精度が検出器の検出精度に影響
を及ぼすものとなっている。

さらに，従来のガス式角速度検出器では、第９図に示す
ように、ケーシング８の一端に、検出器本体とは別途に
回路基板１５を取り付けて、その回路基板１５上に前記
抵抗ブリッジ回路におけるヒー１・ワイヤ対を除く回路
部分および増幅回路を形成するようにしている。

しかし、検出器本体とは別途に回路基板Ｉ５を設けるの
では、検出器本体におけるヒートワイヤ対とその基板上
に形成された回路との間をリード線を用いてハンダ付け
などよって接続しなければならず、その接続部分におけ
る接触抵抗・の発生および異種金属の接合による熱起電
力の発生などが避けられないものとなり、それが角速度
の検出に影響して検出精度が低下してしまっている。

また従来では、一対に設けられる各ヒートワイヤ１１１
，１１２の抵抗温度特性の差異が否めず、そのため検出
器本体に角速度が何ら作用しないときにも検出器に出力
を生じてしまい、そのときの出力分をオフセットさせる
ようにしているが、ガス温度が変化するとそのオフセツ
１一値が変動してしまうので、検出器本体を恒温槽内に
設置するようにしている。

その際、前記回路が形成された回路基板をも同じ恒温槽
内に入れて温度ドリフ１・を抑制するようにしているが
、厳密には、検出器本体内部に設けられるヒートワイヤ
対とその外部に設けられる回路部分とが同一の温度環境
下にあるとはいえず、その温度環境の違いから温度ドリ
フｌ〜を生じて検出器の出力にノイズが混入してしまう
という問題がある。

旦剪 本発明は以上の点を考慮してなされたもので、加工精度
の良いノズル孔およびガス通路を容易に得ることができ
るようにしたガス式角速度検出器を提供するものである
。

また本発明は、アニール処理などの後処理を何ら要する
ことなく、組戒が安定し、かつ抵抗温度特性が均一なヒ
ートワイヤ対を容易に得ることができるようにしたガス
式角速度検出器を提供するものである。

また本発明は、小形で、加工精度の良いポンプを検出器
本体内に最適な状態で組み込んで、安定したガス流を効
率良く生じさせることができるようにしたガス式角速度
検出器を提供するものである。

さらに本発明は、ヒートワイヤ対と抵抗値が既知の基準
抵抗とによって形成される角速度を検出するための抵抗
ブリッジ回路およびその検出信号を増幅する増幅回路を
、検出器本体の内部に占積率良く、かつ角速度検出に何
ら支障をきたすことがないように最適な状態で設置して
、前述のりート接続の問題および温度ドリフトによるノ
イズ発生の問題を解決したガス式角速度検出器を提供す
るものである。

膚戎 本発明はその目的達戊のため、半導体製造技術を利用し
て、半導体基板をエッチングしたものを用いてノズル孔
およびガス通路を構成するようにしている。

また本発明は、半導体製造技術を用いて、凰板」二にヒ
ートワイヤの材料となる金属を蒸着したうえで、その金
属をエッチングしてフローセンサとしてのヒートワイヤ
対を形成するようにしている。

また本発明は、ＩＣ製造技術を利用して、ガス通路が形
成される半導対基板上に、ピエゾ素子を駆動源とするマ
イクロポンプ集積化して形成するようにしている。

さらに本発明は、ＩＣｗＩ．造技術を利用して、ガス通
路が形成される半導体基板に、抵抗ブリッジ回路および
増幅回路を集積化して形成するようにしている。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施例について詳
述する。

本発明によるガス式角速度検出器にあっては、一１１一 −１２ 第１図ないし第４図に示すように、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ｌ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
て、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を構戒するようにしている。

このように半導体製造技術を用いた半導体基板１，２の
エッチングによれば、サブミクロン単位の加工精度をも
って、かつ量産性良くノズル孔３およびガス通路４を構
戊することができるようになる。

したがって本発明によれば、従来のように熟練工による
一品生産によることなく、一度に大量の製品を歩留り良
く、しかも製品にばらつきのないものを容易に製造する
ことができるようになる。

しかして、加工精度の良いノズル孔３およびガス通路４
が得られることにより、検出器本体に角速度が何ら作用
しないとき，ガス通路４の中心線○−○に沿ってまっす
ぐ流れるガス流をノズル孔３から噴出させて、ガス式角
速度検出器の検出精度を有効に向上させることができる
。

また、本発明によれば、ノズル孔３およびガス通路４を
精度良く小形に加工することができるようになり、超小
型のガス式角速度検出器を実現することができるように
なる。

なお、ノズル孔３の両側に、特に図示しないが、必要に
応して、ガス通路４内に噴出されるガス流を整流する整
流孔（第６図参照）を、前述と同様に，下側基板１と上
側基板２とに整流孔の半孔をそれぞれエッチングするこ
とによって形成できることはいうまでもない。

この整流孔を設ける場合にあっても、それを一律に精度
良く加工することができることになる。

また本発明では、ガス通路４の一部をなす下側の半導体
基板ｌをエッチングしてガス通路４にかかるブリッジ部
６を形成し、そのブリッジ部６の上面に一対のヒートワ
イヤ５１．５２を形成させるようにしている。

なおその際、ブリッジ部６はガス通路４の高さのほぼ中
間位置にくるよう設けられる。

各ヒー１〜ワイヤ５１．５２は、ブリッジ部６の上面に
ヒートワイヤの材料となるタングステンまたは白金など
の金属を蒸着あるいは結晶成長などによって形成したう
えで、その形成された材料をエッチングし、トリミング
することによって所定のパターンをもって成形される。

その際、充分な長さをもってガス流を感度良く検知でき
るように、各ヒートワイヤ５１．５２の全長が長くなる
ようなパターンをもってそれぞれのヒートワイヤ５１．
５２が形成される。

第５図に，ヒートワイヤ５１．５２の他のパターン例を
示している。

また、そのブリッジ部６の両端側の基板１上には、ヒー
トワイヤ５１．，５２と同一材料による金属を蒸着し、
それをエッチングし、トリミングすることによって各ヒ
ートワイヤ５１．５２にそれぞれつながる電極部７が形
成されている。

しかして本発明によれば、半導体製造技術によリ、同時
プロセスで各ヒートワイヤ５１．５２を精密加工するこ
とができ、組或、結晶構造および抵抗温度特性などの点
でばらつきのない一対のヒートワイヤ５１．５２を容易
にかつ量産性良く得ることができるようになる。

また本発明によれば、ヒー１・ワイヤ５１．５２と電極
部７を同一金属によって一体化して形成することができ
るので、従来のようにヒートワイヤと電極部とを接続す
るための金ボンディング手段などをとる必要がなくなり
、そのため金などの異種金属が介在してヒートワイヤ５
１．５２の検出感度が低下したり、またヒートワイヤ５
１．５２に異種金属による熱起電力が発生して検出精度
の低下をきたすようなことがなくなる。

また、本発明では、ガス通路４内のヒートワイヤ５１．
５２の下流側の奥方における下側半導体基板■の部分に
、ピエゾ素子を駆動源とするマイクロボンブ１８を集積
化して形成するようにしている。

第６図に、マイクロポンプｌ８の一般的な構戊１５ −１６ 例を示している。

ここでは、ピエゾ素子１８１によって駆動されるダイア
フラム１８２を半導体（Ｓｉ）基板１ａをエノチングす
ることによって形成している。また、そのダイアフラム
１８２の上方に、半導体（Ｓｉ）基板１ｂを重ねること
によってポンプ室１８３を形成し、基板１ｂをエッチン
グすることによって吸入孔１８４および吐出孔１８５を
形成している。そして、吸入孔１８４の開口部分に吸入
弁１８６が、吐出孔１８５の開口部分に吐出弁１８７が
それぞれ形成されている。

このように本発明によれば、ガス通路４を形成する半導
体基板１部分に、ＩＣ製造技術を用いて、マイクロポン
プ１８を集積化して設けるようにしているので、小形で
、加工精度の良いポンプを検出器本体内に最適な状態で
組み込むことができる。

したがって、マイクロボンプ１８により安定したガス流
を効率良く生じさせて、検出器本体に作用する角速度を
精度良く検出することができるようになる。

また、大量の製品を歩留り良く、しかも製品にばらつき
のないものを容易に製造することができ、量産性に優れ
たものとなる。

さらに、本発明では第７図に示すように、半導体基板Ｉ
におけるガス通路４を形成する半溝４１の両側に、集積
回路１９．２０をそれぞれ形成するようにしている。

その集積回路１９．２０には、角速度を検出するための
抵抗ブリッジ回路におけるヒートワイヤ５１．５２を除
く回路部分と、抵抗ブリｙジ回路から出力される検出信
号を増幅する増幅回路とが集積化されて形成されている
。

なおその際、集積化された抵抗ブリッジ回路におけるヒ
ー１・ワイヤ５］，５２を除く回路部分と、ブリッジ部
６上に設けられる各ヒートワイヤ５　１，５２とが一体
になるように形成される。

図中、２１は集積回路１９．２０の形成時に同時に形成
された外部接続用端子であり、抵抗ブリッジ回路の電源
接続用または増幅回路から出力される角速度検出信号の
外部引出し用の端子とじて用いられる。

このように本発明によれば、カス通路４を形成する半導
体基板１に抵抗ブリッジ回路および増幅回路を集積化し
て形成するようにして−いるため、検出器本体の内部に
占積率良く、かつ角速度検出に何ら支障をきたすことが
ないように最適な状態で抵抗ブリッジ回路および増幅回
路を設置することができるものとなっている。

その際、抵抗ブリッジ回路における２つの枝路にそれぞ
れ設けられる基準抵抗を、ＩＣ製造技術によって高精度
な抵抗値を有するように形成することができる。また、
その各基準抵抗をガスの影響を受けない箇所に設置する
ことができる。

したがって、従来のように抵抗ブリッジ回路の一部を構
或するヒートワイヤ５］，５２と抵抗ブリッジ回路の他
の構或部分とのあいだ、および抵抗ブリッジ回路と増幅
回路とのあいだをそれぞれリード線によって接続するよ
うなことがなくなり、そのためリード線の接続部分にお
ける接触部分における接触抵抗および異種金属の接合に
よる熱起電力が生ずることがなくなって、角速度の検出
精度が向」こする。

また、ガス通路４」二に一対に設けられるヒー１〜ワイ
ヤ５１．５２と抵抗ブリッジ回路の他の構＋ａ部分およ
び増幅回路とが同じ温度環境下に設置されることになり
、その回路部分の温度ドリフ１−によるノイズの発生が
有効に軽減される。

第８図は、本発明によるガス式角速度検出器の実際の使
用状態を示している。

ここでは、ノズル孔３およびガス通路４が形１戊され、
ガス通路４内に一対のヒー１・ワイヤ５１，５２が設け
られ、かつガス通路４の奥方にマイクロポンプｌ８が組
み込まれた半導体基板１，２から検出器本体２２をガス
が封入されたケース２３内の台２４上に設置して、マイ
クロボンブｌ８を駆動することにより、ガスをケース２
３内に循環させながらノズル孔３からガス通路４にガス
を送り込んでガス流を生じさせるようにしている。

図中、２５は電源端子、２６は出力端子をそれぞれ示し
ている。

１９ ２０ このように本発明によれば、ガス式角速度検出器の全て
を半導体およびＩＣ製造技術によって形成することが可
能とない、小形で、加工精度の良いガス式角速度検出器
を量産性をもって得ることができる。

羞已邊 以」二、本発明によるガス式角速度検出器にあっては、
ノズル孔からヒートワイヤ列に向けてガス通路内に噴出
されたガス流に対して角速度が作用したときに生ずるガ
ス流の偏向にもとづいて、ヒトワイヤ対に生じた感温出
力の差に応した出力を生ずるガス式角速度検出器におい
て、それぞれ半導体基板にノズル孔を形成する半孔とガ
ス通路を形成する半溝とがエッチングによって形成され
た上側半導体基板と下側半導体基板とを、それぞれの半
孔および半溝をつき合せるように重ねることによってノ
ズル孔およびガス通路を構威したもので、加工精度の良
いノズル孔およびガス通路を容易に得ることができ、量
産性に優れるという利点を有している。

また本発明によるガス式角速度検出器にあっては、上側
または下側の半導体基板上にヒートワイヤ材料を形成し
たうえで、その材料をエッチングしてヒートワイヤ対を
形成するようにしたもので、組成、結晶構造が安定し、
かつ抵抗温度特性が均一なヒートワイヤ対を容易にかつ
量産性良く製造することができるという利点を有してい
る。

また本発明によるガス式角速度検出器にあっては、ガス
通路内の半導体基板部分に、ピエゾ素子を駆動源とする
マイクロポンプを集積化して形成するようにしたもので
、小型で、加工精度の良いポンプを検出器本体内に最適
な状態で組み込んで、安定したガス流を効率良く生じさ
せることができるという優れた利点を有している。

さらに本発明によるガス式角速度検出器にあっては、半
導体基板をエッチングすることによってガス通路を形成
するとともに、その半導体基板部分に、ヒー！〜ワイヤ
対と抵抗値が既知の抵抗とによって形成された角速度を
検出するための抵抗ブリッジ回路と、その検出信号を増
幅する増幅回路とをそれぞれ集積化して形成するように
したもので、その回路は成部分を検出器本体の内部に占
積率良く、かつ角速度検出に何ら支障をきたすことがな
いように最適な状態で設置することができ、従来のよう
にり−１・線接続による接触抵抗および異種金属の接合
による熱起電力が生ずることがなくなり、またその回路
構戊部分が同し温度環境下に設置されて、その回路構戒
部分の温度ドリフ１・によるノイズの発生が有効に軽減
されて、角速度の検出精度がＩＡＩ　」ニするという優
れた利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発り」の一実施例を示すカス式角速度検出器
の本体部分の斜視図、第２図はその検出器本体における
下側半導体基板の一構成例を示す平面図、第３図はその
下側半導体基板の部分的な斜視図、第４図は第１図のＡ
．　−　Ａ線に沿う断面図，第５図はヒートワイヤの他
のパターン例を示す図、第６図はマイクロポンプの一構
成例を示す正断面図、第７図は下側半導体県板の他の構
或を示す平面図、第８図は本発り」によるガス式角速度
検出器の全体構戊を示す斜視図、第９図は従来のガス式
角速度検出器を示す正断面図、第１０図はガス式角速度
検出器に角速度が加わったときのカス流の偏向状態を示
す図、第１１図は従来のガス式角速度検出器におけるフ
ローセンサの釧視図である。 １，２・・・半導体基板　３・・ノズル孔　４・・・ガ
ス通路　５１＋５２・　ヒー１〜ワイヤ　６　ブリッジ
部７・・・電極部　１８・・・マイクロポンプ　１９．
２０・集積回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ノズル孔からヒートワイヤ対に向けてガス通路内に
   噴出されたガス流に対して角速度が作用したときに生ず
   るガス流の偏向にもとづいて、ヒートワイヤ対に生じた
   感温出力の差に応じた出力を生ずるガス式角速度検出器
   において、それぞれ半導体基板にノイズ孔を形成する半
   孔とガス通路を形成する半溝とがエッチングによって形
   成された上側半導体基板と下側半導体基板とを、それぞ
   れの半孔および半溝をつき合せるように重ねることによ
   ってノズル孔およびガス通路を構成したことを特徴とす
   るガス式角速度検出器。 ２、上側または下側の半導体基板上にヒートワイヤ材料
   を形成したうえで、その材料をエッチングしてヒートワ
   イヤ対を成形するようにしたことを特徴とする前記第１
   項の記載によるガス式角速度検出器。 ３、蒸着によって半導体基板上にヒートワイヤ材料を形
   成したことを特徴とする前記第２項の記載によるガス式
   角速度検出器。 ４、結晶成長によって半導体基板上にヒートワイヤ材料
   を形成したことを特徴とする前記第２項の記載によるガ
   ス式角速度検出器。 ５、半導体基板をエッチングすることによってガス通路
   にかかるブリッジ部を形成し、そのブリッジ部にヒート
   ワイヤ対を形成するようにしたことを特徴とする前記第
   ２項の記載によるガス式角速度検出器。 ６、各ヒートワイヤ長を長くなるようなパターンをもっ
   てヒートワイヤ対を形成するようにしたことを特徴とす
   る前記第２項の記載によるガス式角速度検出器。 ７、ガス通路内の半導体基板部分に、ピエゾ素子を駆動
   源とするマイクロポンプを集積化して形成するようにし
   たことを特徴とする前記第１項または第２項の記載によ
   るガス式角速度検出器。 ８、ガス通路におけるガス流に対して、ヒートワイヤ対
   の下流側にマイクロポンプを形成したことを特徴とする
   前記第７項の記載によるガス式角速度検出器。 ９、ノズル孔からヒートワイヤ対に向けてガス通路内に
   噴出されたガス流に対して角速度が作用したときに生ず
   るガス流の偏向にもとづいて、各ヒートワイヤに生じた
   抵抗温度特性の変化の差に応じた信号を、そのヒートワ
   イヤ対と抵抗値が既知の抵抗とによって形成された抵抗
   ブリッジ回路を用いて検出し、その検出信号を増幅回路
   によって増幅して角速度に比例した出力信号を得るよう
   にしたガス式角速度検出器において、半導体基板をエッ
   チングすることによってガス通路を形成するとともに、
   その半導体基板部分に前記抵抗ブリッジ回路および増幅
   回路を集積化して形成するようにしたことを特徴とする
   ガス式角速度検出器。