JPH07239339A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複雑で面倒な組立作業も必要のない、極めて
小型で高精度の角速度センサを提供する。 【構成】 センサ基板11にＹ軸方向に振動する第１の振
動体10とＸ軸方向に振動する第２の振動体16とＺ軸方向
に振動する第３の振動体17を形成する。また、第１の振
動体10をＹ軸方向に振動させるための櫛形電極９Ａ，９
Ｂからなる振動励振器14と第２の振動体16のＸ軸方向の
大きさを測定する第１の振動検出器15と第３の振動体17
のＺ軸方向の振動の大きさを静電容量を測定することで
検出する第２の振動検出器22を設ける。これにより、セ
ンサのＸ軸回りの角速度とＺ軸回りの角速度を検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車等に用いられる
角速度センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４には、従来の２軸回りの角速度を検
出する角速度センサが示されている。この角速度センサ
１は、Ｈ形形状の振動体２Ａ，２Ｂを直交させて１本の
支持棒３に固定したもので、このＨ形形状の振動体２Ａ
の側面には励振用の圧電素子４が張り付けられており、
振動体２Ｂの側面には励振用圧電素子５が張り付けられ
ている。また、支持棒３の一方側の側面には検出用圧電
素子６が張り付けられ、この面に直角な面には検出用圧
電素子７が張り付けられている。

【０００３】前記、振動体２Ａの励振用圧電素子４に交
流電圧を加えて励振用圧電素子４をＸ軸方向に振動させ
る。それにより、振動体２Ａは音叉の振動を起こす。こ
の状態で、例えば、センサをＺ軸回りに角速度がかかる
と、回転軸方向（Ｚ軸方向）と振動方向（Ｘ軸方向）に
共に直交する方向（Ｙ軸方向）にコリオリの力が働い
て、支持棒３に張り付けた検出用圧電素子６にその力が
加わり、圧電素子６は歪を発生する。この歪の大きさの
電気信号を検出することにより、Ｚ軸回りの角速度を検
知することができる。また、振動体２Ｂの励振用圧電素
子５をＹ軸方向に振動し、このセンサをＸ軸回りに角速
度がかかると、Ｚ軸方向にコリオリ力が発生し、この力
が支持棒３の検出用圧電素子６に加わり、圧電素子６は
歪を発生する。この歪の大きさの電気信号を検出するこ
とにより、Ｚ軸回りの角速度を検知することができる。
これにより、Ｙ軸回りとＺ軸回りの２軸回りの角速度を
検知する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記振
動体２Ａ，２Ｂおよび支持棒３は機械加工によって形成
されており、構造が複雑で、溶接やねじ止め等の組立作
業によって組み立てるために、高精度にセンサ１を作製
することは非常に困難であった。

【０００５】また、従来のＨ形形状の振動体を有する角
速度センサは、機械加工のためにどうしても大型化が余
儀なくされる。そこで、この角速度センサを小型化しよ
うとして半導体微細加工技術を利用しようとしても、こ
の半導体微細加工技術では支持棒３の直角な２面に同時
に圧電素子６，７を形成することは極めて困難であり、
Ｈ形形状の角速度センサの小型化は極めて難しいという
問題があった。

【０００６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、複雑な組立作業も必要の
ない高精度の極めて小型で２軸方向の角速度が検出でき
る角速度センサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、次のように構成されている。すなわち、
本発明の角速度センサは、センサ基板に基板面内方向に
振動する第１の振動体が形成され、この第１の振動体に
は、センサ基板の第１の回転軸方向および前記第１の振
動体の振動方向に共に直交する方向に振動する第２の振
動体と、前記第１の回転軸方向と異なる第２の回転軸の
方向および前記第１の振動体の振動方向に共に直交する
方向に振動する第３の振動体とが設けられており、前記
第１の振動体の振動励振器と、第２の振動体の振動の大
きさを検出する第１の振動検出器と、第３の振動体の振
動の大きさを検出する第２の振動検出器とが設けられて
いることを特徴として構成されている。

【０００８】

【作用】第１の振動体の振動励振器を駆動して、第１の
振動体を所定の方向に振動する。この状態でセンサ基板
を第１の軸回りに角速度がかかると、この回転軸方向お
よび第１の振動体の振動方向に共に直交する方向にコリ
オリ力が働き、第２の振動体にコリオリ力の方向の振動
が加えられ、第２の振動体はコリオリ力の方向に振動す
る。次に、第１の回転軸と異なる第２の軸回りに角速度
がかかると、この第２の回転軸方向と、第１の振動体の
振動方向に共に直交する方向にコリオリ力が働き、第３
の振動体にコリオリ力の方向の振動が加えられ、第３の
振動体はコリオリ力の方向に振動する。前記第２の振動
体の振動の大きさを第１の振動検出器によって測定し
て、第１の回転軸回りの角速度を検出し、第３の振動体
の振動の大きさを第２の振動検出器で測定することで、
第２の回転軸回りの角速度を検出する。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１には、本実施例の角速度センサが示されてい
る。本実施例は、シリコンの半導体微細加工の技術を利
用して２軸回りの角速度を検出する角速度センサ20を形
成したものである。図１において、四角形状のシリコン
材等のセンサ基板11上には、隙間８を介してポリシリコ
ン等の上側基板13が酸化膜等の支持枠12によって支持さ
れている。この上側基板13には第１の振動体10が形成さ
れており、この第１の振動体10には、センサ基板11の第
１の回転軸方向（例えばＺ軸方向）および前記第１の振
動体10の振動方向（Ｙ軸方向）に共に直交する方向（Ｘ
軸方向）に振動し、かつ、第１の振動体10と共振周波数
が同じである第２の振動体16と、前記第１の回転軸方向
（Ｚ軸方向）と異なる第２の回転軸方向（例えばＸ軸方
向）と第１の振動体10の振動方向（Ｙ軸方向）に共に直
交する方向（Ｚ軸方向）に振動し、かつ、第１の振動体
10と共振周波数が同じである第３の振動体17が半導体微
細加工技術によって形成されている。

【００１０】また、上側基板13の左右端縁部には、内側
に向かって複数の凹凸が突出した櫛形電極９Ａが固定配
置されており、この櫛形電極９Ａに対向する位置の第１
の振動体10側には、この櫛形電極９Ａと噛み合う状態の
可動用の櫛形電極９Ｂが隙間を介して配置され、櫛形電
極９Ａ，９Ｂが第１の振動体10の振動励振器14として機
能している。この櫛形電極９Ａ，９Ｂに交流電圧を印加
すると、第１の振動体10は櫛形電極９Ａ，９Ｂで発生す
る静電力によってＹ軸方向に振動する構成となってい
る。Ｓｉ基板上に形成した素子に対しては、このような
櫛形電極を用いることで比較的大きな振幅で振動させる
ことができ、角速度センサとしての感度を向上できる。

【００１１】また、第２の振動体16の両側（図１の
（ａ）の紙面の前後方向）には、第２の振動体16側に可
動用櫛形電極19Ｂが、この櫛形電極19Ｂに対向する位置
の第１の振動体10側には櫛形電極19Ａが前記櫛形電極19
Ｂと噛み合う状態で隙間を介して配置され、この櫛形電
極19Ａ，19Ｂが第２の振動体16の振動の大きさを検出す
る第１の振動検出器15として機能している。

【００１２】さらに、図１の（ｂ）に示されるように、
第３の振動体17の下側には隙間21を介して、例えば、ボ
ロンやリン等をドープした導電性の電極18が設けられ、
この導電性電極18が第３の振動体17のＺ軸方向の振動の
大きさを検出する第２の振動検出器22として機能してい
る。この第２の振動検出器22は第３の振動体17と導電性
電極18間の静電容量の変化を測定することで、第３の振
動体のＺ軸方向の振動の大きさを検知するものである。

【００１３】さらに、センサ基板11や上側基板13の適宜
の位置に必要数の導体パターンが形成されており、この
導体パターンによって櫛形電極９Ａ，９Ｂには図示しな
い電源等の駆動部から交流電流が印加されるようになっ
ている。また、櫛形電極19Ａ，19Ｂや第３の振動体17と
導電性電極18も導体パターンを介して外部の図示しない
パッドに接続され、これら導体パターンを介して各振動
体の検出信号が取り出されるようになっている。

【００１４】次に、本実施例の角速度センサ20の角速度
の検出動作を図１〜図３に基づいて説明する。まず、図
示しない駆動部を駆動して櫛形電極９Ａ，９Ｂに交流電
圧を印加して静電引力により第１の振動体10をＹ軸方向
（図１の（ａ）の紙面の左右方向）に振動させる。この
状態で、センサ基板がＺ軸回りに角速度がかかると、図
２に示すように、回転軸（Ｚ軸）方向および第１の振動
体10の振動方向（Ｙ軸方向）に共に直交する方向（Ｘ軸
方向）にコリオリの力が発生し、第２の振動体16にコリ
オリ力の方向の振動が加えられ、第２の振動体16がＸ軸
方向に振動する。このコリオリ力による第２の振動体16
のＸ軸方向の振動の大きさを第１の振動検出器15の櫛形
電極19Ａ，19Ｂにより静電容量の変化で測定し、Ｚ軸回
りの角速度を検出する。

【００１５】また、Ｘ軸回りに角速度がかかると、図３
に示されるように、回転軸（Ｘ軸）方向および第１の振
動体10の振動方向（Ｙ軸方向）に共に直交する方向（Ｚ
軸方向）のコリオリの力が発生し、第３の振動体17にコ
リオリ力の方向の振動が加えられ、第３の振動体17がＺ
軸方向に振動する。このコリオリ力による第３の振動体
17のＺ軸方向の振動の大きさを、図１の（ｂ）に示すよ
うに、第３の振動体17のＺ軸方向の振動変化を第３の振
動体17と電極18間に静電容量変化として捉え、第２の振
動検出器22によって容量変化を測定し、その測定値から
Ｘ軸回りの角速度を検出する。このようにして、本実施
例の角速度センサ20はＸ軸回りの角速度とＺ軸回りの角
速度の２軸回りの角速度を検出するものである。

【００１６】本実施例によれば、半導体微細加工技術を
利用してセンサ基板に２軸回りの角速度センサを形成す
る構成としたので、従来のように、Ｈ形形状の振動体を
溶接やねじ止め等の面倒な組立作業を行う必要がない。

【００１７】また、本実施例の角速度センサは、従来の
ように、機械加工の必要がなく、半導体微細加工技術を
利用して作製するので、超小型で、コストも安く、量産
性に優れている。

【００１８】本発明は上記実施例に限定されることはな
く、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記実施例
では、第２の振動体16および第３の振動体17の振動検出
を静電容量を測定することにより検出したが、例えば、
振動体16，17の梁の付け根部分等に圧電膜を形成して圧
電効果を利用した検出方法を用いてもよく、振動体の振
動の大きさを測定できる方法ならば、その検出方法は問
わない。

【００１９】また、上記実施例では、３つの振動体10，
16，17を両端固定の形状としたが、全部片持ち形状とし
てもよく、一部を片持ち、残りを両端固定としてもよ
く、その組合せ方法は問わない。

【００２０】さらに、上記実施例では、センサ基板の回
転軸をＸ軸とＺ軸の直交２軸に取ったが、回転軸を交叉
軸の２軸としてもよい。この場合は、従来例に比べて軸
方向の検出が分別しているため、混在の振動がなく、検
出感度や検出精度は格段にアップし、検出性能の良いも
のとなる。前記、振動体10、振動体16、振動体17は同じ
共振周波数で振動するとしたが、３つの振動体の共振周
波数をそれぞれ、多少ずらしてもよい。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、半導体微細加工技術を利用し
て、センサ基板に２軸回りの角速度センサを形成する構
成としたので、従来のように、Ｈ形形状の振動体を溶接
やねじ止め等の面倒な組立作業を行う必要がない。

【００２２】また、本発明の角速度センサは、従来のよ
うに、機械加工の必要がなく、半導体微細加工技術を利
用して作製するので、超小型で、コストが安く、量産性
に優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の角速度センサの説明図である。

【図２】本実施例に角速度センサをＺ軸を回転軸として
回転したときの角速度検出動作の説明図である。

【図３】本実施例の角速度センサをＸ軸を回転軸として
回転したときの角速度検出動作の説明図である。

【図４】従来の２軸回りの角速度を検出する角速度セン
サの説明図である。

【符号の説明】

10 第１の振動体 14 第１の振動体の振動励振器 15 第１の振動検出器 16 第２の振動体 17 第３の振動体 22 第２の振動検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 友保 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 (72)発明者 田中 克彦 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサ基板に基板面内方向に振動する第
   １の振動体が形成され、この第１の振動体には、センサ
   基板の第１の回転軸方向および前記第１の振動体の振動
   方向に共に直交する方向に振動する第２の振動体と、前
   記第１の回転軸方向と異なる第２の回転軸の方向および
   前記第１の振動体の振動方向に共に直交する方向に振動
   する第３の振動体とが設けられており、前記第１の振動
   体の振動励振器と、第２の振動体の振動の大きさを検出
   する第１の振動検出器と、第３の振動体の振動の大きさ
   を検出する第２の振動検出器とが設けられている角速度
   センサ。