JPH0634375A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 静止状態における洩れ出力を低減し、角速度
の検出精度や信頼性等を向上する。 【構成】 片持梁１３に幅方向に離間して各圧電体１
５，１５を設けると共に、各圧電体１５により静止状態
で片持梁１３を振動させ、片持梁１３の変位量を左，右
のピエゾ抵抗素子１６からの検出信号の差分ΔＶ（＝Ｖ
Ｌ−ＶＲ）によって検査し、この検査結果に基づき、各
圧電体１５に印加する交流電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を調整するこ
とにより、各圧電体１５の変形力（振動力）を片持梁１
３の幅方向たる左，右方向でバランスさせるポテンショ
メータ１８を設ける構成とした。これにより、ポテンシ
ョメータ１８の摺動子１８Ａの位置を各ピエゾ抵抗素子
１６からの検出信号の差分ΔＶに基づいて調節し、静止
状態において、片持梁１３を左，右方向に傾けることな
く上，下方向に振動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば車両等の回転方
向，姿勢等を検出するのに用いて好適な角速度センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、車両等の回転方向を検出するの
に用いられる角速度センサは、基板と、基端側が該基板
に固定され先端側が自由端となった片持梁と、該片持梁
に設けられ、電極を介して伝達された制御信号により該
片持梁を振動させる振動発生部と、前記片持梁の変位量
を検出する変位量検出部とから構成され、前記振動発生
部に静電力を利用し、前記変位量検出部にピエゾ抵抗素
子を用いたものが例えば特公平３−７４９２６号公報等
によって知られている。

【０００３】そこで、図１４および図１５に従来技術に
よる角速度センサとして、特公平３−７４９２６号公報
に記載の半導体回転センサを例に挙げて示す。

【０００４】図において、１はシリコン材料からなる基
板を示し、該基板１は、図１５にも示す如く、下側に位
置する下側基板１Ａと、該下側基板１Ａ上に形成された
上側基板１Ｂとから大略構成され、該各基板１Ａ，１Ｂ
間には後述する片持梁２の振動を許す空間１Ｃが形成さ
れている。また、該上側基板１Ｂの上面側には酸化膜１
Ｄが形成されている。

【０００５】２は基板１の上側基板１Ｂにエッチング技
術等を用いて一体形成された片持梁を示し、該片持梁２
は、その基端２Ａ側が上側基板１Ｂに固定された固定端
となり、その先端２Ｂ側が基板１に対して垂直な上，下
方向に振動可能な自由端となっている。また、該片持梁
２の基端２Ａ側には、幅方向の中心に位置して長手方向
に伸びる角形状のスリット３が穿設されている。

【０００６】４は片持梁２の先端２Ｂ側上面に形成され
た振動発生部としての電極を示し、該電極４は所定の周
波数信号を発振する発振回路５と接続されている。そし
て、発振回路５から制御信号としての周波数信号が電極
４を介して片持梁２に印加されると、該片持梁２は静電
力により上，下方向に振動するようになっている。

【０００７】６，６はスリット３の左，右に位置して片
持梁２の基端２Ａ側に設けられた変位量検出部としての
ピエゾ抵抗素子を示し、該各ピエゾ抵抗素子６は、基板
１の回転時に片持梁２に生じる応力を抵抗値変化として
検出し、この検出信号を後述の信号処理回路７に出力す
るものである。

【０００８】７は各ピエゾ抵抗素子６に接続された信号
処理回路を示し、該信号処理回路７は、各ピエゾ抵抗素
子６からの検出信号を電圧信号に変換し、両者の差分を
角速度検出信号として外部のコントロールユニット（図
示せず）等に出力するものである。

【０００９】従来技術による角速度センサは上述の如き
構成を有するもので、次に、その製造方法について説明
する。まず、基板１の上面を酸化して酸化膜１Ｄを形成
した後、該酸化膜１Ｄをマスクとして基板１の上面にホ
ウ素等のＰ型不純物を拡散し、各ピエゾ抵抗素子６を形
成する。次に、エッチング技術により酸化膜１Ｄの一部
を除去して窓を開け、この窓内に金合金等の導電性材料
を蒸着，スパッタ等により付着せしめ、電極４を形成す
る。最後に、基板１に電解エッチングを施して片持梁２
を形成し、角速度センサを製造する。

【００１０】このようにして製造された角速度センサ
は、発振回路５から電極４を介して所定の周波数信号を
印加すると静電力が発生し、これにより、片持梁２の先
端２Ｂは例えば自身の共振周波数で基板１に対して垂直
な上，下方向に振動する。そして、この状態で、基板１
に回転軸Ｏ−Ｏを中心とする回転力Ｔが加わると、コリ
オリの力によって片持梁２によじれ（応力）が生じ、こ
の回転によるよじれは、スリットの左，右に圧縮応力，
引張応力としてそれぞれ表われる。

【００１１】これにより、各ピエゾ抵抗素子６は、これ
ら圧縮応力，引張応力に応じた信号を出力し、信号処理
回路７は該各ピエゾ抵抗素子６からの検出信号を電圧信
号に変換し、両者の差分を回転力Ｔの角速度検出信号と
して外部のコントロールユニット等に出力する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術による角速度センサでは、シリコン材料からなる
基板１にエッチング技術等の半導体微細加工技術を用い
て片持梁２，電極４，各ピエゾ抵抗素子６を一体形成し
ているから、生産性を高めつつ小型化を図ることができ
る。しかし、片持梁２や電極４等を基板１に一体形成し
ているから、これら片持梁２，電極４等の形状や取付位
置等の微調整によって静電力（振動力）の補正を行うこ
とができず、電極４による静電力を片持梁２の幅方向に
対してバランスさせることができない。

【００１３】このため、上述した従来技術によるもので
は、回転力Ｔが加わっていない静止状態（無回転状態）
において、発振回路５から電極４に周波数信号を印加
し、片持梁２を上，下方向に振動させると、回転力Ｔが
加えられていないにも拘らず、該片持梁２が幅方向であ
る左，右方向に傾いてよじれが生じ、各ピエゾ抵抗素子
６からの検出信号が不一致となって、信号処理回路７に
洩れ出力が生じるという問題がある。

【００１４】即ち、従来技術によるものでは、片持梁２
や電極４の寸法，厚み等の製造誤差によって、片持梁２
に生じる静電力が左，右方向で相違するため、静止状態
においても片持梁２が左，右に傾いてよじれが生じ、こ
れにより、洩れ出力が発生してＳ／Ｎ比が低下し、角速
度の検出精度や信頼性等が大幅に低下するという問題が
ある。

【００１５】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、静止状態における洩れ出力を効果的に低
減し、角速度の検出精度や信頼性等を向上できるように
した角速度センサを提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明が採用する構成は、基板と、基端側が該
基板に固定され先端側が自由端となった片持梁と、該片
持梁に設けられ、電極を介して伝達された制御信号によ
り該片持梁をそれぞれ振動させる複数の振動発生部と、
前記片持梁の変位量を検出する変位量検出部と、該変位
量検出部からの検出信号に基づき、前記各振動発生部の
振動力を前記片持梁の幅方向に対してバランスさせる振
動力調整手段とからなる。

【００１７】

【作用】振動力調整手段によって、各振動発生部による
振動力は片持梁の幅方向に対してバランスするから、静
止状態において各振動発生部に制御信号を印加し、該各
振動発生部によって片持梁を振動させると、該片持梁は
幅方向に傾くことなく振動し、変位量検出部により検出
される片持梁の変位量が零となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図１３に
基づいて説明する。なお、実施例では、上述した図１４
および図１５に示す従来技術と同一の構成要素に同一の
符号を付し、その説明を省略する。

【００１９】図中、１１は本実施例による角速度センサ
のセンサ本体を示し、該センサ本体１１は図２に示す如
く、後述の発振回路１７および信号処理回路２１と共に
角速度センサを構成している。

【００２０】１２はセンサ本体１１を構成する基板を示
し、該基板１２は従来技術で述べた基板１とほぼ同様に
シリコン材料から形成され、下側基板１２Ａと、上側基
板１２Ｂと、該各基板１２Ａ，１２Ｂ間に形成された空
間１２Ｃとから構成されている。しかし、本実施例によ
る上側基板１２Ｂの上，下両面側には酸化膜１２Ｄ，１
２Ｄが形成されている。

【００２１】１３は基板１２の上側基板１２Ｂにエッチ
ング技術等を用いて一体形成された片持梁を示し、該片
持梁１３は、従来技術で述べた片持梁２とほぼ同様に、
その基端１３Ａ側が上側基板１２Ｂに固定された固定端
となり、その先端１３Ｂ側が基板１２に対して垂直な
上，下方向に振動可能な自由端となり、基端１３Ａ側に
は幅方向の中心に位置して長手方向に伸びる角形状のス
リット１４が形成されている。しかし、本実施例による
片持梁１３の上面側には基板１２の酸化膜１２Ｄを介し
て後述の圧電体１５，１５が設けられている。

【００２２】１５，１５は片持梁１３の上面側に幅方向
に離間して設けられた振動発生部としての２個の圧電体
を示し、該各圧電体１５は、片持梁１３の上面側に酸化
膜１２Ｄを介して設けられた下側電極１５Ａと、該下側
電極１５Ａの上面側に設けられた酸化亜鉛等の圧電材料
からなる圧電膜１５Ｂと、該圧電膜１５Ｂの上面側に設
けられた上側電極１５Ｃとから構成されている。また、
該各圧電体１５は、各電極１５Ａ，１５Ｃを介して制御
信号としての所定の周波数信号（交流電圧）を出力する
発振回路１７に接続されている。そして、該各圧電体１
５は、発振回路１７から所定の周波数信号が印加される
と変形し、この変形力（振動力）により片持梁１３を
上，下方向に振動させるものである。

【００２３】１６，１６はスリット１４の左，右に位置
して片持梁１３の基端１３Ａ側に設けられた変位量検出
部としてのピエゾ抵抗素子を示し、該各ピエゾ抵抗素子
１６は、基板１２の回転時に片持梁１３に生じる応力を
抵抗値変化として検出し、この検出信号を信号処理回路
２１に出力するものである。

【００２４】１７は各圧電体１５に制御信号としての所
定の周波数信号を印加する発振回路、１８は該発振回路
１７と各圧電体１５との間に設けられた振動力調整手段
としてのポテンショメータをそれぞれ示し、該ポテンシ
ョメータ１８は、図３に示す如く、その両端部がリード
線１９，１９を介して各圧電体１５の下側電極１５Ａお
よび発振回路１７に接続され、その摺動子１８Ａがリー
ド線２０，２０を介して各圧電体１５の上側電極１５Ｃ
に接続されている。そして、該ポテンショメータ１８
は、後述の如く、各ピエゾ抵抗素子１６からの洩れ出力
に応じて、その摺動子１８Ａの位置が定められ、これに
より、発振回路１７からの交流電圧を分圧し、左，右の
圧電体１５に印加する交流電圧Ｖ1 ，Ｖ2 をそれぞれ調
節するものである。

【００２５】２１は各ピエゾ抵抗素子１６に接続された
信号処理回路を示し、該信号処理回路２１は、左，右の
ピエゾ抵抗素子１６からの検出信号ＶＬ，ＶＲを電圧信
号に変換し、両者の差分を角速度検出信号ΔＶ（＝ＶＬ
−ＶＲ）として後述のコントロールユニット２２に出力
するものである。

【００２６】図１０において、２２はＣＰＵ等からマイ
クロコンピュータとして構成されたコントロールユニッ
トを示し、該コントロールユニット２２は後述の如くポ
テンショメータ１８の初期設定に用いられるもので、そ
の入力側に信号処理回路２１が接続され、その出力側に
はポテンショメータ１８の摺動子１８Ａの位置を調節す
べく、サーボモータ，歯車（いずれも図示せず）等から
構成された調節部２３が接続されている。また、該コン
トロールユニット２２のＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる記憶
回路内には記憶エリア２２Ａが形成され、該記憶エリア
２２Ａには図１１に示すプログラムと基準値α等とが記
憶されている。

【００２７】ここで、前記基準値αは、静止状態におけ
る片持梁１３の変位量が実質的に零となったか否かの判
定に用いられるものである。

【００２８】本実施例による角速度センサは上述の如き
構成を有するもので、次に、その製造方法について図４
ないし図１２を参照しつつ説明する。

【００２９】まず、図４に示す酸化膜形成工程では、例
えば熱酸化法等の手段を用いて、単結晶シリコン材料か
らなる基板１２の上側基板１２Ｂの上，下両面側に酸化
膜１２Ｄを形成する。

【００３０】次に、図５に示すピエゾ抵抗素子形成工程
では、酸化膜形成工程で上側基板１２Ｂの上面側に形成
された酸化膜１２Ｄの一部を除去し、該酸化膜１２Ｄを
マスクとして上側基板１２Ｂにホウ素等のＰ型不純物を
注入，拡散し、各ピエゾ抵抗素子１６を形成する。

【００３１】そして、図６に示す圧電体形成工程では、
各ピエゾ抵抗素子１６に抵抗用電極（図示せず）を形成
すると共に、各圧電体１５の下側電極１５Ａを蒸着，ス
パッタ等の技術を用いて形成し、該下側電極１５Ａの上
面側に、酸化亜鉛等の圧電材料からなる圧電膜１５Ｂ
と、該圧電膜１５Ｂ上に位置する上側電極１５Ｃとを形
成することにより、各圧電体１５を形成する。

【００３２】次に、図７に示す溝形成工程では、上側基
板１２Ｂの表面にレジスト（図示せず）を塗布し、該レ
ジストをマスクとして、酸化膜１２Ｄおよび上側基板１
２Ｂの一部を所定の深さまでドライエッチングすること
により、将来スリット１４となる溝２４と、片持梁１３
を形どる他の溝２５とを形成する。

【００３３】さらに、図８に示す片持梁形成工程では、
前記溝形成工程で用いたレジストを除去し、上側基板１
２Ｂの上面側をワックス等で保護した後、上側基板１２
Ｂの下面側をＫＯＨ等のエッチング液を用いて電解エッ
チングすることにより、空間１２Ｃを形成して前記各溝
２４，２５を貫通せしめ、片持梁１３とスリット１４と
を形成する。

【００３４】そして、図９に示す接合工程では、このよ
うにして片持梁１３，各圧電体１５，各ピエゾ抵抗素子
１６等が形成された上側基板１２Ｂの下側に、別工程で
形成された下側基板１２Ａを陽極接合技術等を用いて接
合し、センサ本体１１を形成する。

【００３５】最後に、ポテンショメータ１８の初期設定
を行う振動力調整工程について、図１０ないし図１２に
基づき説明する。

【００３６】まず、図１１に示すステップ１では、前記
接合工程で形成されたセンサ本体１１を振動力調整ステ
ージに搬送してセットし、調節部２３をポテンショメー
タ１８に接続すると共に、該ポテンショメータ１８の摺
動子１８Ａを中点に位置させる。

【００３７】次に、ステップ２では、センサ本体１１に
回転力Ｔを加えない静止状態において、発振回路１７か
ら各圧電体１５に各電極１５Ａ，１５Ｃ，ポテンショメ
ータ１８等を介して周波数信号（交流電圧Ｖ1 ＝Ｖ2 ）
を印加することにより、該各圧電体１５の変形力によっ
て片持梁１３を上，下方向に振動させる。

【００３８】そして、ステップ３では、信号処理回路２
１を介して左，右のピエゾ抵抗素子１６，１６からの検
出信号の差分ΔＶを読込み、ステップ４では、この信号
処理回路２１からの検出信号ΔＶと記憶エリア２２Ａ内
に予め記憶された基準値αとを比較する。

【００３９】このステップ４で「ΔＶ＜α」と判定した
場合は、左側のピエゾ抵抗素子１６からの検出信号ＶＬ
よりも右側のピエゾ抵抗素子１６からの検出信号ＶＲの
方が大きく、片持梁１３が幅方向右側に傾いて振動して
いるときだから、ステップ５に移る。そして、このステ
ップ５では、調節部２３によりポテンショメータ１８の
摺動子１８Ａを中点から右側に所定量だけ移動させ、右
側の圧電体１５に印加される交流電圧Ｖ2 を低下させる
と共に、左側の圧電体１５に印加する交流電圧Ｖ1 を増
大させて前記ステップ３に戻る。

【００４０】また、前記ステップ４で「ΔＶ＞α」と判
定したときは、左側のピエゾ抵抗素子１６からの検出信
号ＶＬの方が右側のピエゾ抵抗素子１６からの検出信号
ＶＲよりも大きく、片持梁１３が幅方向左側に傾いて変
位しているときだから、ステップ６に移り、調節部２３
によりポテンショメータ１８の摺動子１８Ａを中点から
左側に所定量だけ移動させ、左側の圧電体１５に印加さ
れる交流電圧Ｖ1 を低下させると共に、右側の圧電体１
５に印加する交流電圧Ｖ2 を増大させてステップ３に戻
る。

【００４１】このように、ステップ３〜６までを繰返す
ことにより、左，右の圧電体１５に印加される発振回路
１７からの交流電圧Ｖ1 ，Ｖ2 は、図１２に示す如く、
ポテンショメータ１８により調節され、これにより、各
圧電体１５に発生する変形力が左，右方向でバランス
し、片持梁１３が左，右に傾くことなく、上，下方向に
振動するようになる。

【００４２】即ち、図１２において、縦軸に左，右のピ
エゾ抵抗素子１６，１６からの検出信号の差分ΔＶをと
り、横軸に各圧電体１５の印加電圧比（Ｖ1 ／Ｖ1 ＋Ｖ
2 ）をとった場合、ポテンショメータ１８から左，右の
圧電体１５に印加される交流電圧Ｖ1 ，Ｖ2 が等しいと
き（ポテンショメータ１８の摺動子１８Ａが中点に位置
するとき）は、印加電圧比がＯ．５であり、この場合に
は、センサ本体１１の製造誤差に起因してＶαの洩れ出
力が発生する。

【００４３】そこで、上述の如く、例えばポテンショメ
ータ１８を右側に移動させて左側の圧電体１５に加える
交流電圧Ｖ1 を増加せしめると共に、右側の圧電体１５
に加える交流電圧Ｖ2 を減少せしめ、印加電圧比を調整
する。これにより、印加電圧比がある値に達すると、該
各圧電体１５の変形力が左，右でバランスするようにな
り、洩れ出力が零となる。

【００４４】そして、前記ステップ４で「ΔＶ＝α」と
判定した場合は、前述の如く、ポテンショメータ１８の
摺動子１８Ａの位置を調整することによって、各圧電体
１５の変形力が左，右方向でバランスし、片持梁１３が
左，右に傾くことなく上，下方向に振動しているときだ
から、プログラムを終了する。

【００４５】本実施例による角速度センサはこのように
して製造されるもので、片持梁１３の変位量によって角
速度を検出するという基本的な作動については、従来技
術によるものと格別差異はない。

【００４６】然るに、本実施例では、片持梁１３の上面
側に幅方向に離間して各圧電体１５，１５を設けると共
に、該各圧電体１５によって静止状態で片持梁１３を振
動させ、該片持梁１３の変位量を左，右のピエゾ抵抗素
子１６からの検出信号の差分ΔＶ（＝ＶＬ−ＶＲ）によ
って検査し、この検査結果に基づき、各圧電体１５に印
加する交流電圧を調整することにより、各圧電体１５の
変形力（振動力）を片持梁１３の幅方向たる左，右方向
でバランスさせるポテンショメータ１８を設ける構成と
したから、センサ本体１１の製造後に各圧電体１５の変
形力の調整を行うことができ、該センサ本体１１に回転
力Ｔが加わっていない静止状態において、片持梁１３を
左，右方向に傾けることなく上，下方向に振動させるこ
とができる。

【００４７】この結果、静止状態において、信号処理回
路２１からの洩れ出力を効果的に低減することができ、
Ｓ／Ｎ比を高めて、角速度の検出精度や信頼性等を大幅
に向上することができる。

【００４８】また、本実施例では、振動発生部に各圧電
体１５を用いる構成であるから、従来技術で述べた静電
力による振動発生部（電極４）に比較して、精度よく片
持梁１３を上，下方向に振動させることができ、制御性
や信頼性等を大幅に向上することができる。

【００４９】なお、前記実施例では、振動発生部として
左，右に離間した２個の圧電体１５を用いる場合を例に
挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、例えば図１
３に示す変形例の如く、片持梁１３′に従来技術による
振動発生部としての電極４とほぼ同様の電極３１，３１
（片側のみ図示）を幅方向に離間して設け、該各電極３
１に印加する交流電圧をポテンショメータ１８′により
調節する構成としてもよい。

【００５０】また、前記実施例では、酸化亜鉛等の圧電
材料から各圧電体１５を形成するものと述べたが、例え
ばＰＺＴ等の他の圧電材料を用いてもよい。

【００５１】さらに、前記実施例では、変位量検出部と
してＰ型不純物を拡散してなる拡散抵抗型のピエゾ抵抗
素子１６，１６を用いるものとして述べたが、これに替
えて、例えば電界効果型トランジスタのピエゾ抵抗効果
を利用してもよい。

【００５２】さらにまた、前記実施例では、片持梁１３
の幅方向に離間して２個の圧電体１５を設ける場合を例
示したが、本発明はこれに限らず、例えば４個，６個
等、多数の偶数個の圧電体を片持梁に幅方向に離間して
設けてもよい。

【００５３】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、基
板と、基端側が該基板に固定され先端側が自由端となっ
た片持梁と、該片持梁に設けられ、電極を介して伝達さ
れた制御信号により該片持梁をそれぞれ振動させる複数
の振動発生部と、前記片持梁の変位量を検出する変位量
検出部と、該変位量検出部からの検出信号に基づき、前
記各振動発生部の振動力を前記片持梁の幅方向に対して
バランスさせる振動力調整手段とによって構成したか
ら、静止状態において各振動発生部に制御信号を印加
し、該各振動発生部によって片持梁を振動させると、該
片持梁は幅方向に傾くことなく振動し、変位量検出部に
より検出される片持梁の変位量が零となる。この結果、
静止状態において、変位量検出部からの洩れ出力を効果
的に低減でき、Ｓ／Ｎ比を高めて、角速度の検出精度や
信頼性等を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による角速度センサを示す平面
図である。

【図２】図１中の矢示II−II方向断面図である。

【図３】図１中の矢示III −III 方向断面図である。

【図４】酸化膜形成工程を示す縦断面図である。

【図５】図４による酸化膜形成工程に続くピエゾ抵抗素
子形成工程を示す縦断面図である。

【図６】図５によるピエゾ抵抗素子形成工程に続く圧電
体形成工程を示す縦断面図である。

【図７】図６による圧電体形成工程に続く溝形成工程を
示す縦断面図である。

【図８】図７による溝形成工程に続く片持梁形成工程を
示す縦断面図である。

【図９】図８による片持梁形成工程に続く接合工程を示
す縦断面図である。

【図１０】振動力調整工程を示す平面図である。

【図１１】振動力調整処理を示す流れ図である。

【図１２】ポテンショメータによる各圧電体への印加電
圧比と洩れ出力との関係を示す説明図である。

【図１３】本発明の変形例による角速度センサを示す図
２と同様の断面図である。

【図１４】従来技術による角速度センサの平面図であ
る。

【図１５】図１４中の矢示XV−XV方向断面図である。

【符号の説明】

１２，１２′ 基板 １３，１３′ 片持梁 １５ 圧電体（振動発生部） １６，１６′ ピエゾ抵抗素子（変位量検出部） １８，１８′ ポテンショメータ（振動力調整手段） ３１ 電極（振動発生部）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、基端側が該基板に固定され先端
   側が自由端となった片持梁と、該片持梁に設けられ、電
   極を介して伝達された制御信号により該片持梁をそれぞ
   れ振動させる複数の振動発生部と、前記片持梁の変位量
   を検出する変位量検出部と、該変位量検出部からの検出
   信号に基づき、前記各振動発生部の振動力を前記片持梁
   の幅方向に対してバランスさせる振動力調整手段とから
   構成してなる角速度センサ。