JPH07159176A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生産性に優れ、安価で性能の安定したセンサ
を提供する。 【構成】 センサには半導体基板３１の異方性エッチン
グにより形成された、枠部２１と、可動部（振動部）２
５と、これら両部の間を一体に連結する複数のフレクチ
ャ部２６とが備えられる。フレクチャ部２６に形成され
た複数のピエゾ抵抗素子２２によりブリッジ回路が構成
される。フレクチャ部２６の屈曲状態に応じた歪成分に
より生ずるピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化をブリッジ回
路出力として取り出し、入力角速度を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、飛行体、車両、ロボッ
ト、人体などの位置、姿勢観測／制御などに利用できる
角速度センサに関し、特に小型かつ安価に作製すること
に適した角速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動型角速度センサ１は、図７に
示すようなビーム型のものと、図８に示すような音叉型
のものがある。 ビーム型の場合 代表的なものとして図７のように振動子２とそれを支持
する支持部材３とＸ軸に垂直に設けた駆動用の圧電素子
６ａ及びその対面の駆動状態のモニター用の圧電素子６
ｂとＹ軸に垂直な面に設けた検出用の圧電素子６ｃによ
り構成される。圧電素子６（６ａ，６ｂ，６ｃ）は圧電
体４（４ａ，４ｂ，４ｃ）の表面に電極５（５ａ，５
ｂ，５ｃ）を形成したものである。

【０００３】振動子２をＸ軸方向に屈曲振動させている
時（理想的には、直線振動）、Ｚ軸方向にΩの入力角速
度があった場合、Ｙ軸方向にコリオリ力（Ｆ＝−２ｍＶ
Ω；ｍは振動子の質量，Ｖは振動速度）を受け、屈曲振
動はＸ軸及びＹ軸方向の合成振動となり、楕円状にビー
ム変位を起こす。このときの振動子２のＹ軸に垂直な面
の歪（応力）を検出することによってコリオリ力、即ち
入力角速度Ωに比例した出力が得られる。 なお、振動
子用のビーム７の材質は、エリンバーや石英などの高弾
性材を用い、支持部材３にピアノ線などのワイヤーを用
い、圧電体４として圧電セラミックを使用する。図９
に、ビーム７が駆動されてＸ軸方向に屈曲振動をしてい
るときに、入力角速度ΩがＺ軸方向に加えられた場合の
変位（振動）状態を示してある。

【０００４】 音叉型の場合 代表的なものとして図８のように音叉型の振動子２とそ
の各振動片上に駆動用圧電素子６ａ及びモニター用圧電
素子６ｂを有し、音叉８の振動方向と同一方向に屈曲可
能な板状の支持部材９とその上の検出用の圧電素子６ｃ
を有する構造により形成される。

【０００５】図１０に示すように音叉８の振動に対して
垂直方向（Ｚ軸方向）に入力角速度Ωが入った場合、音
叉８の各振動片の振動方向が互いに逆向きであるため、
音叉８を支持する前記支持部材９に曲げモーメントが発
生し、支持部材９を屈曲させ、そのときの支持部材９上
の歪（応力）を圧電素子６ｃで検出することによって入
力角速度Ωに比例した出力が得られる。音叉８が駆動さ
れてＸ軸方向に振動しているときに、入力角速度ΩがＺ
軸方向に加えられた場合の変位（振動）状態を図１０に
示してある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の角速度センサ１は、ビーム型／音叉型と大きく２つ
のタイプがある。ビーム型の場合には支持部材３と振動
子２とを各々別々に作製し、スポット溶接あるいは接着
などによって組立てる必要があった。また、圧電素子６
もビーム作製後接着等により張り付けるなどの工程が必
要であり、複数個同時に作製しづらいという欠点があっ
た。

【０００７】音叉型の場合にも、圧電素子６の張り付け
などの組立てや音叉８の加工が３次元であるため複数個
を同時に作製しづらく、個別に調整が必要であるなどの
欠点があった。また、検出用の素子６ｃを振動面に対し
て垂直な方向へ配置する必要があり、作製が煩雑となる
欠点があった。

【０００８】本発明は、従来の欠点を除去し、個別に組
み立てることなく、複数個を同時に精度よく作製でき
る、つまり生産性に優れ、安価で性能の安定した角速度
センサを提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明のセンサは、半
導体基板を異方性エッチングによって形成した振動子を
用いる。該振動子の可動部は、片側が半導体基板の枠部
と接続されている２つ以上のフレクチャ部で支持され
る。該フレクチャ部に複数のピエソ抵抗素子が形成さ
れ、フレクチャ部の屈曲状態に応じた歪成分を該素子の
抵抗変化分としてブリッジ出力によって取り出す。この
ようなセンサは半導体基板（ウェハ）上に同時に複数個
作製することができ、また振動方向に垂直な面への加工
を省くことができる。

【００１０】半導体基板に対する異方性エッチングは精
度よく加工できるため、それぞれのセンサのばらつきを
抑えることができ、量産に適する。

【００１１】

【実施例】次に本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。図１は角速度センサチップの断面模式図であり、
図２はシリコンチップ図である。図２のシリコンチップ
３１が接着層３２を介して上下のストッパ３０で挟持さ
れる。このとき、ストッパ３０とシリコンチップ３１の
間に電圧を加えることによって静電気力が働き、シリコ
ン中央の振動部（可動部）２５を図中にて上下の方向に
変位振動させる。このとき、入力角速度Ωが振動方向に
対して垂直方向に加わった場合、図３に示すように、可
動部２５の重心が上下方向に対して直線振動していたも
のが、楕円（回転楕円体）を描くように変位振動を行
う。そのため、可動部２５の全体としては振動数に対応
した傾き変化を伴う動きを生じる。このとき、枠部２１
と可動部を接続しているフレクチャ部２６には、可動部
２５の傾きに応じた応力（歪）が発生する。

【００１２】各フレクチャ部２６上に配置したピエゾ抵
抗素子２２をブリッジ接続し、可動部２５の３つの自由
度、即ち、Ｘ軸方向の変位、Ｙ軸に対する傾き、
Ｚ軸に対する傾きのうち１つのみを最大出力とし、他の
２つの自由度の出力を打ち消し合うように構成すること
ができ、３つのブリッジによって可動部２５の運動状態
を検知することができる。この３つのブリッジのうち１
つは駆動による変位成分を出力し駆動のモニターとして
使用し、他の２つのブリッジ出力を合成することによっ
て、振動方向に垂直な成分の入力角速度を求めることが
できる。

【００１３】図４〜図６は他の実施例であり、図４が圧
電素子で駆動するタイプで、図５が片持ち支持のタイ
プ、図６が配線の一部分を渦状にしてコイルを形成する
ことによって磁界を発生して駆動するタイプで、シーソ
ー型の振動に働くコリオリ力を検知している。

【００１４】

【発明の効果】この発明の角速度センサは、半導体基板
を異方性エッチングによって形成した振動子を用い、そ
の振動子の可動部２５は、片側が枠部２１と接続されて
いる２つ以上のフレクチャ部２６で支持される。該フレ
クチャ部２６に複数のピエソ抵抗素子２２が形成され、
フレクチャ部２６の屈曲状態に応じた歪成分を該素子の
抵抗変化分としてブリッジ出力によって取り出す構造と
することによって、半導体基板（ウェハ）上に同時に複
数の角速度センサを作製することができ、また振動方向
に垂直な面への加工を省くことができる。

【００１５】半導体基板に対する異方性エッチングは精
度よく加工できるため、それぞれのセンサのばらつきを
抑えることができ、量産に適する。また、半導体基板の
表面側にのみ配線（電極）２３を形成して出力を取り出
す構造であるため、作製プロセスが簡単になると共に作
製精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す原理的な断面図。

【図２】図１のシリコンチップ３１の概略を示す図で、
Ａは平面図、Ｂは断面図、Ｃは底面図。

【図３】図１の実施例が上下方向（Ｘ軸方向）に屈曲振
動をしている時に、入力角速度ΩがＺ軸方向に加えられ
た場合の振動状態を示す原理図。

【図４】この発明の他の実施例（圧電素子により駆動さ
れるタイプ）を示す平面図。

【図５】この発明の他の実施例（可動部がフレクチャ部
により片持ち支持されるタイプ）を示す平面図。

【図６】この発明の他の実施例（コイルの磁界により駆
動するタイプ）を示す平面図。

【図７】従来のビーム型角速度センサを示す図で、Ａは
斜視図、Ｂは断面図。

【図８】従来の音叉型角速度センサを示す図で、Ａは斜
視図、Ｂは平面図。

【図９】図７のビーム型角速度センサの振動モードを示
す原理図。

【図１０】図８の音叉型角速度センサの振動モードを示
す原理図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の異方性エッチングにより形
   成された、枠部と、可動部（振動部）と、これら両部の
   間を一体に連結する複数のフレクャ部とを有し、 そのフレクチャ部に設けられた複数のピエゾ抵抗素子に
   よりブリッジ回路が構成され、前記フレクチャ部の屈曲
   状態に応じた歪成分により生じる前記ピエゾ抵抗素子の
   抵抗値の変化を前記ブリッジ回路出力として取り出し、
   この出力により入力角速度を検出する角速度センサ。