JPH0743166A - 角速度センサ - Google Patents
角速度センサInfo
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- JPH0743166A JPH0743166A JP5204568A JP20456893A JPH0743166A JP H0743166 A JPH0743166 A JP H0743166A JP 5204568 A JP5204568 A JP 5204568A JP 20456893 A JP20456893 A JP 20456893A JP H0743166 A JPH0743166 A JP H0743166A
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Abstract
要とせず、検出感度が良好で、かつ、極めて小型の角速
度センサを提供する。 【構成】 シリコン基板1に両端固定の振動梁10を形成
する。この振動梁10の梁端固定の一方側の付け根領域18
に空隙3を設ける。この空隙3の幅を振動梁10の振動方
向と直交する方向に可変調整する空隙幅調整手段20を付
け根領域18に設ける。この空隙幅を調整することで、振
動梁10の共振周波数に調整する。これにより、センサ間
にばらつきを生ずることなく高感度、かつ、高精度の角
速度検出が可能となる。
Description
するものである。
されている。この音叉型角速度センサは矩形板状の駆動
用弾性体12A,12Bと2枚の矩形板状の圧電素子を分極
状態を互い違いにして張りつけたバイモルフ素子として
の検知用弾性体11A,11Bとを有している。駆動用弾性
体12A,12Bの一端側は検知用弾性体11A,11Bの一端
側とジョイント14により直交接合されており、駆動用弾
性体12A,12Bの他端側は電極ブロック13に接続されて
いる。また、検知用弾性体11A,11Bは隙間7を介して
並立配置されている。
弾性体12A,12Bを左右方向に振動させ、センサをZ軸
を中心にして回転させると、図5の(a)の紙面に垂直
方向にコリオリ力が発生し、このコリオリ力が検知用弾
性体11A,11Bに加わる。このコリオリ力によって検知
用弾性体はコリオリ力の発生方向に振動して歪を発生す
る。この歪の大きさに対応する電気信号を測定すること
で角速度の大きさを検知するものである。
めるためには検知用弾性体11A,11Bに与える速度(振
幅速度)Vを速める必要があり、振動素子としての検知
用弾性体に大振幅駆動が要求される。また、角速度に対
する感度を一定に保つためには、速度Vが一定でなけれ
ばならない。そのためには、一定の周波数で共振し、し
かも一定振幅の検知用弾性体を製造することが必要であ
る。ところが、左右の検知用弾性体11A,11Bの形状寸
法や質量を完全に等しく作製することは困難であり、量
産を考慮すれば殆ど不可能に近い。その結果、左右検知
用弾性体11A,11Bの不整合、センサ間の共振周波数、
共振インピーダンス等の相違による感度のばらつきや使
用環境によるノイズによって特性にばらつきを生ずると
いう問題がある。このような問題を解決するために、検
知用弾性体11A,11Bの自由端17を紫外線、レーザ、サ
ンドブラスト等を用いて切断、研磨し、検知用弾性体11
A,11Bの共振周波数を調整する方法が採られていた。
コンのマイクロマシニング技術(例えば、シリコンの異
方性エッチング技術等)の進歩によって、微細な振動型
センサが盛んに作製されるようになった。前記従来の振
動型角速度センサは、その素子(検知用弾性体)が大き
いことから、レーザによるトリミングや紫外線によるス
ポット照射による加工が可能であったが、シリコンのマ
イクロマシニング技術を応用して作製した微細な振動型
センサでは、レーザや紫外線照射等でトリミング加工を
行うことは極めて困難である。すなわち、この微細な振
動型センサのトリミング領域(数100 μm)に対して、
レーザビームのスポット径が10〜数10μmと大きく、所
望の共振周波数を得るために必要な微小のトリミング調
整部分をトリミングしようとしても、レーザビームのス
ポット径が微小のトリミング調整部分よりも大きすぎて
トリミングし過ぎてしまい、所望の共振周波数を得るた
めのトリミングの調整ができず、所望の形状、寸法や重
量に調整することは殆ど不可能である。したがって、検
知用弾性体の共振周波数を一定の値に調整することは極
めて困難であった。
たものであり、その目的は、レーザや紫外線照射等のト
リミング加工を行う必要がなく、検知感度が良好で、か
つ、極めて小型の角速度センサを提供することにある。
成するために、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、振動梁の振動方向とセンサ回
転軸方向に直交する方向にコリオリ力を発生させ、この
コリオリ力の大きさに基づいて角速度を検出する角速度
センサであって、基板に両端固定の振動梁が形成され、
この振動梁の両端固定の付け根領域の少なくとも一方側
に空隙が設けられるとともに、前記振動梁の振動方向と
直交する方向の前記空隙の幅を可変調整する空隙幅調整
手段が設けられていることを特徴として構成されてい
る。
方側に空隙を設ける。この空隙の幅を空隙幅調整手段に
よって前記振動梁の振動方向と直交する方向に可変調整
する。例えば、空隙幅を狭めると振動梁の周波数を高め
る方向となる。これにより、振動梁の所望の共振周波数
に調整し、角速度センサの感度を高める。
する。図1には本実施例の振動型角速度センサが示され
ている。本実施例の振動型角速度センサはシリコンのマ
イクロマシニング技術等を利用して作製した微細な素子
の角速度センサである。図1においてシリコン基板1上
にはポリシリコン膜2が形成され、このポリシリコン膜
2を例えば、シリコンの異方性ドライエッチング等によ
りシリコン基板1の両端固定の振動梁10が形成される。
外側に向かって櫛形電極9Bが形成されており、一方、
シリコン基板1に固定されているポリシリコン膜2の左
右両側には前記櫛形電極9Bと対向する位置に横方向の
内側に向かって櫛形電極9Aが櫛形電極9Bと噛み合う
状態で配置されている。これら櫛形電極9A,9Bには
駆動用導体層5A,5Bが接続されており、導体パター
ン層8A,8Bを介して外部の電極パッド(図示せず)
に接続されている。前記駆動用導体層5A,5Bに交流
電圧を印加すると、櫛形電極9A,9B間に静電力が発
生し、この静電力により振動梁10は矢印の横方向に振動
するようになっている。
一方側には一対の空隙3が設けられている。この空隙3
は図2に示されるように空隙のギャップがdで深さがL
の穴によって構成されており、この穴3の対向面には面
積Sの電極が形成されている。また、空隙3の形状は上
記形状に限定されることはなく、例えば、図3に示され
るような形状でもよい。すなわち、この空隙3の形状は
穴形状の対向面に凹凸を設けて櫛形形状としたもので、
この櫛形形状の対向面を電極として対向面積を増大した
ものである。前記空隙3を挟んで導体層4が形成されて
おり、この導体層4は導体パターン6を介して外部に設
けられた電極パッド(図示せず)に接続されている。ま
た、付け根領域18には振動梁10の振動方向と直交する方
向(図1の(a)に示される紙面では前後方向)の空隙
3の幅を可変調整する空隙幅調整手段20が設けられてい
る。
と、この対向電極に直流電圧を加える図示しない駆動部
と、導体層4と導体パターン6とを有しており、駆動部
を駆動して駆動導体層4を介して空隙3の対向電極に直
流電圧を印加し、空隙3の間隔dに静電引力により変位
を生じさせ、その変位を調整する構成となっている。
空隙3の場合には、この空隙3の対向電極に直流電圧を
印加すると、発生する力(静電引力)Fは次式で表され
る。
プ、εは誘電率、Sは空隙3の対向面積を表す。この式
により振動梁10に加える力をさらに強くし、周波数調整
域を大きくするには、空隙3のギャップdを狭くする
か、対向電極面積を大きくすればよい。この電極面積を
大きくする方法としては、例えば、図3に示すように櫛
形電極を用いることが考えられる。このときの発生する
力Fは、
す。このように電極面積の大きい櫛形形状の電極にする
ことにより静電引力Fを大きくすることができる。
梁10の上側には隙間19を介して電極16が設けられるか、
あるいは振動梁10の下側の対向面のシリコン基板1上に
隙間19を介して電極16が設けられる。この電極16を利用
し、振動梁10のA−B方向の振幅の大きさを電極16と振
動梁10間の容量変化を測定することによって角速度を検
知するものである。
度等の原因により振動梁10の共振周波数が所望の周波数
からずれることが度々発生する。振動梁10の振動が共振
状態ならば、構造的に起因するQ(Quality F
actor)の値により振幅が飛躍的に増幅されるが、
周波数がずれると増幅が殆どされず、振動梁10の感度も
著しく低下する。そこで、感度低下がないように本実施
例では、空隙3の対向電極に直流電圧を印加し、空隙3
の変位量を調整して予め設計段階で設定した周波数で振
動梁10の振幅を最大の共振周波数になるように空隙幅調
整手段20によって調整する構成となっている。
図1〜図2に基づいて説明する。まず、振動梁10の両側
の櫛形電極9A,9Bに交流電圧を印加し、振動梁10を
予め、設計段階で設定した共振周波数で共振させる。次
いで、空隙幅調整手段20を駆動し、導体層4を介して空
隙3の対向電極間に直流電圧を印加し、空隙3に静電引
力を与えると、空隙3はその静電引力によって空間を狭
める。これにより振動梁10の付け根領域18に力が加わ
り、この力が振動梁10に対する張力となる。この張力に
よって振動梁10は長さ方向(図1の(a)の紙面では前
後方向)に変位し、振動梁10の振幅の大きさを変化させ
る。この振動梁10の振幅の大きさをモニターしながら、
印加電圧を調整し、振動梁10の振幅が最大となったとき
を予め設計段階で設定した共振周波数の状態と判断し、
そのとき印加電圧を共振周波数調整電圧として設定す
る。
向に振動し、このセンサを図1の(a)のZ軸を回転軸
として回転させると、回転軸方向と振動方向(横方向)
に共に直交する方向(図1の(a)では紙面に垂直方
向)に働くコリオリ力が振動梁10に加えられ、振動梁10
はコリオリ力の方向に変位する。このときの振動梁10の
コリオリ力による変位を図1の(b)に示すように振動
梁10と電極16間の静電容量を測定することにより角速度
を検出するものである。
一方側の付け根領域18に空隙3を設け、振動梁10の振動
方向と直交する方向に空隙3の幅を可変調整する空隙幅
調整手段20を設けたので、空隙幅を調整することで、振
動梁10の所望の共振周波数を得ることができ、この角速
度センサはその作製プロセスにおいて生じた誤差や使用
環境の変化にとらわれることがなく、また、センサ間に
ばらつきもなく高精度化、かつ、高感度の角速度検出が
可能となる。
く、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記実施例
では、空隙3の変位を電極間の静電引力によって行った
が、図4に示されるように、空隙3上に掛け渡して圧電
素子15を配置し、この圧電素子15の圧電効果によって空
隙3に変位を起こさせてもよい。
片側の固定部の付け根領域18に設けたが、この空隙3を
両固定部の付け根領域18に設けてもよい。この場合、空
隙幅調整手段20は両固定部の付け根領域18に設けること
となる。
域の少なくとも一方側に空隙を設け、振動梁の振動方向
と直交する方向に空隙幅を可変調整する空隙幅調整手段
を設けたので、空隙幅を調整することにより、シリコン
マイクロマシニング技術で作製した微細な振動型角速度
センサであっても所望の共振周波数に調整することがで
き、この振動型角速度センサはその製造プロセスにおい
て生じた誤差や使用環境の変化にとらわれることがな
く、また、センサ間にばらつきもなく高感度、かつ、高
精度の角速度検出が可能となる。
る。
である。
説明図である。
調整手段の説明図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 振動梁の振動方向とセンサ回転軸方向に
直交する方向にコリオリ力を発生させ、このコリオリ力
の大きさに基づいて角速度を検出する角速度センサであ
って、基板に両端固定の振動梁が形成され、この振動梁
の両端固定の付け根領域の少なくとも一方側に空隙が設
けられるとともに、前記振動梁の振動方向と直交する方
向の前記空隙の幅を可変調整する空隙幅調整手段が設け
られている角速度センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20456893A JP3230347B2 (ja) | 1993-07-27 | 1993-07-27 | 角速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20456893A JP3230347B2 (ja) | 1993-07-27 | 1993-07-27 | 角速度センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0743166A true JPH0743166A (ja) | 1995-02-10 |
JP3230347B2 JP3230347B2 (ja) | 2001-11-19 |
Family
ID=16492629
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20456893A Expired - Lifetime JP3230347B2 (ja) | 1993-07-27 | 1993-07-27 | 角速度センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3230347B2 (ja) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5918280A (en) * | 1996-07-29 | 1999-06-29 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | Angular rate sensing device |
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Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08111047A (ja) | 1994-10-12 | 1996-04-30 | Hitachi Ltd | 磁気記録再生装置 |
-
1993
- 1993-07-27 JP JP20456893A patent/JP3230347B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
---|---|
JP3230347B2 (ja) | 2001-11-19 |
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