JPH095354A

JPH095354A - センサー

Info

Publication number: JPH095354A
Application number: JP7178203A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Kubota; 智之久保田
Original assignee: Texas Instruments Japan Ltd
Current assignee: Texas Instruments Japan Ltd
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1995-06-21
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】小型、高性能の角速度センサーと加速度セン
サーを提供する。【構成】角速度センサー12の有する電極部材10に第１
及び第２の可動電極8a、8bを設け、本体33に第１及び第
２の駆動電極9a、9bを設け、前記第１及び第２の可動電
極8a、8bを振動させ、コリオリの力によって前記可動電
極8aと前記駆動電極9aとで構成するキャパシタンスと前
記可動電極8bと前記駆動電極8bとで構成されるキャパシ
タンスを変化させ、２つのキャパシタンスの差から角速
度を求める。温度変動の影響が少ない測定を行うことが
できる。なお、コリオリの力が加わっていないときのキ
ャパシタンスとの差から角速度を求めてもよい。また、
マス部の大きさが異なり、感度の異なるセンサー本体を
複数個一つの基板上に設けて加速度センサーを構成する
こともできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、測定対象物の移動状況
を検出する装置にかかり、特に角速度を検出する角速度
センサーと加速度を検出する加速度センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】角速度センサーは、主として船舶、航空
機、ロケット等の航行や姿勢制御用に使用されて近年発
達してきており、特に最近は、自動車の車体制御やナビ
ゲーションシステムの他、カメラの手振れ防止等の目的
にも使用されるようになってきた。そのため、比較的低
精度であっても、小型・低価格なものが求められるよう
になり、その要求に応じて、主として圧電振動型ジャイ
ロと呼ばれる方式の何種類かのセンサーが製品化されつ
つある。

【０００３】その基本原理を説明すると、圧電振動型ジ
ャイロの振動子には駆動側と検出側に圧電体が利用され
ており、圧電振動型ジャイロが取り付けられた移動体が
回転移動すると、駆動側の圧電体の振動方向と直交する
方向にコリオリの力が生じ、このコリオリの力によって
検出側の圧電体に起電力が発生する。従って、その大き
さを測定して回転移動の角速度を求めることができる。
このような従来技術の圧電振動型ジャイロには、構造的
には大きく分けて、駆動側と検出側の共振周波数を一致
させる音片型と、一致させない音叉型とに分類できると
言われている。

【０００４】音片型と音叉型のいずれの圧電振動型ジャ
イロについても、それぞれに工夫、改良の努力が続けら
れているが、特に音片型に関しては、構造が簡単であっ
て低コストで作成でき、また、小型化も可能である等の
メリットがあり、進歩が著しい分野である。

【０００５】このような従来技術の圧電振動型ジャイロ
の一例を、図面を用いて簡単に説明すると、図７(ａ)に
おいて、１０２は音片型ジャイロスコープであり、該音
片型ジャイロスコープ１０２の有する直方体形状の金属
体１０３の直角を成す２側面に圧電体１０４₁、１０４₂
が設けられている。従って、該音片型ジャイロスコープ
１０２が取り付けられる移動体の回転軸１０５をＺ軸と
した場合、前記圧電体１０４₁、１０４₂の振動面は、そ
れぞれＸ軸とＹ軸を法線とするように配置されているこ
とになる。

【０００６】前記圧電体１０４₁に交流電圧を印加し
て、同図(ｂ)のようにＸ軸方向に振動させた場合、前記
移動体が回転移動すると振動方向に直交するＹ軸の方向
にコリオリの力が発生する。そのコリオリの力によっ
て、前記検出側の前記圧電体１０４₂に、前記圧電体１
０４₁の振動と同期した周期で、コリオリの力の大きさ
に応じた振幅の振動が発生する。

【０００７】従って、その同期振動により生じた前記圧
電体１０４₂の起電力の大きさを検出して角速度の大き
さを求めることができる。このように、金属体に設けら
れた圧電体に生じた起電力の大きさを検出するという点
では、音片型ジャイロスコープも音叉型ジャイロスコー
プも原理的に共通する技術である。

【０００８】この場合、前記駆動側の圧電体１０４₁で
作ることができる振動は微小であり、その微小な振動で
前記金属体１０３を効率よく振動させる必要がある。そ
のため、振動の周波数を前記金属体１０３の共振周波数
と一致させることが行われている。

【０００９】ところが、圧電振動型ジャイロスコープの
周囲の温度が変動した場合には、前記金属体１０３の共
振周波数が変化してしまう。また、前記圧電体１０４₁
の振動周波数が変化することもあり、共振が得られなく
なってしまう。その結果、検出感度が劣化する等の問題
があった。また、金属体１０３の振動を妨げないよう
に、金属体１０３をセンサー・パッケージにマウントし
なければならないため、該金属体１０３を強固に固定す
ることができず、そのため耐衝撃性に劣るという欠点が
あった。特に、自動車の車体制御に使用する場合等、角
速度センサーの故障が安全性に重大な影響を与えるアプ
リケーション分野には使用し難く、その解決が望まれて
いた。

【００１０】このような自動車のアプリケーション分野
では、ＡＢＳの制御やトラクションコントロールを行う
必要から、角速度センサーの他に加速度センサーも要求
されており、そのため従来技術では、図８に示すような
シリコンマイクロマシンの容量型加速度センサー２０２
が用いられてきた。

【００１１】この容量型加速度センサー２０２を簡単に
説明すると、該容量型加速度センサー２０２は、板状の
パイレックスガラスから成るベース２０５と、シリコン
基板のエッチングにより作製されたマス・プレート２０
６と、板状のパイレックスガラス裏面に凹部が設けられ
たキャップ２０７との３つの部材を有している。

【００１２】前記マス・プレート２０６の内部には、マ
ス部(重り)２１１が厚みの薄い橋梁部２１２によって首
振り自在に支持されており、該マス部２１１の表面に
は、金属薄膜から成る電極２０４₁が設けられ、また、
前記キャップ２０７の裏面凹部の底面には、金属薄膜か
ら成る電極２０４₂が成膜されている。

【００１３】この容量型加速度センサー２０２は、前記
ベース２０５上に前記マス・プレート２０６が配置さ
れ、該マス・プレート２０６上に、前記電極２０４₁と
前記電極２０４₂とが対向するように前記キャップ２０
７が配置され、ガラス側を陰極として加熱しながら電圧
を印加する陽極接合法によって前記ベース２０５と前記
マス・プレート２０６と前記キャップ２０７とがこの順
で接合されて形成されている。

【００１４】この容量型加速度センサー２０２に加速度
が加わると、その大きさに応じて前記マス部２１１が変
位する結果、前記２つの電極２０４₁、２０４₂間の距離
が変化するため、前記２つの電極２０４₁、２０４₂によ
って形成されるコンデンサーのキャパシタンスが変化す
る。従って、それを検出して加速度の大きさを測定する
ことが可能となる。

【００１５】しかしながら前記従来技術の容量型加速度
センサー２０２の検出感度は、前記マス部２１１を支え
る橋梁部２１２の厚みや幅を変えることで調整されてお
り、異なる検出感度のセンサーを作るためには、橋梁部
２１２を作成する際のエッチング時間などのプロセス条
件を変えることが必要とされていた。

【００１６】他方、加速度の検出感度については、例え
ば自動車のエアバッグを制御するためには、衝突の際に
発生する５０Ｇ程度の大きな加速度を検出できる大Ｇセ
ンサーが必要となるが、同時に、ＡＢＳやトラクション
コントロール等の車体制御のためには、通常運転で生じ
る２Ｇ程度の小さな加速度を検出できる低Ｇセンサーも
必要となってくる。

【００１７】ところが、前記容量型加速度センサー２０
２では、同じエッチング条件では異なる検出感度のセン
サーを製造できない。そのため、検出感度毎にエッチン
グ条件を変える等、検出すべき加速度の大きさに対応し
たプロセス条件で別々に製造されており、異なる感度の
加速度センサーを複合化することができなかった。

【００１８】そのため、異なるプロセスで製造された加
速度センサーを複数個用いざるを得ず、コスト面や実装
上で不利、不都合が多かった。また、エアバッグシステ
ムやプラント設備等のように、故障が特に許されず、フ
ォールトトラレント機能を要求される用途には用いるこ
とができず、その解決が望まれている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の不都合を解決するもので、その目的は、温度変化に
よる影響が少なく、検出感度の優れた信頼性の高い角速
度センサーを提供することにある。本発明の他の目的
は、耐衝撃性に優れた角速度センサーを提供することに
ある。本発明の他の目的は、コリオリの力によってキャ
パシタンス変化を伴う新規な角速度センサーを提供する
ことにある。

【００２０】第２に、本発明の他の目的は、複数の異な
る感度を有する加速度センサーを提供することにある。
本発明の他の目的は、複数個の感度の異なる加速度セン
サーを同一プロセスにおいて同時に製造可能な方法を提
供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項１記載の発明は、角速度センサーであって、第
１の面上に設けられた第１の固定電極と、第２の面上に
設けられた第２の固定電極とを有する本体と、前記第１
及び第２の固定電極にそれぞれ対向する第１及び第２の
可動電極を有する電極部材と、前記第１の可動電極を振
動させる振動手段と、前記第１の可動電極の振動時に、
前記第２の固定電極と前記第２の可動電極とによって構
成されるキャパシタンスを検出する検出手段とを備えた
ことを特徴とし、

【００２２】請求項２記載の発明は、角速度センサーで
あって、第１の面上に設けられた第１の駆動電極及び第
１の検出電極と、第２の面上に設けられた第２の駆動電
極及び第２の検出電極とを有する本体と、前記第１及び
第２の駆動電極と、第１及び第２の検出電極とにそれぞ
れ対向する第１及び第２の駆動側可動電極と、第１及び
第２の検出側可動電極とを有する電極部材と、前記第１
及び第２の駆動側可動電極を振動させる振動手段と、前
記第１及び第２の駆動側可動電極の振動時に、前記第１
及び第２の検出電極と前記第１及び第２の検出側可動電
極によってそれぞれ構成されるキャパシタンスを検出す
る検出手段を有することを特徴とし、

【００２３】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２のいずれか１項記載の角速度センサーであって、前
記本体の第１の面と第２の面とは、互いに直角をなすこ
とを特徴とする。

【００２４】また、請求項４記載の発明は、半導体基板
上に形成された複数のセンサー本体を有する加速度セン
サーであって、前記各センサー本体は、加速度に応じて
キャパシタンスを変化させるマス部を有し、少なくとも
２つのセンサー本体の前記マス部の大きさが異なること
を特徴とする。

【００２５】

【作用】まず、本発明の角速度センサーを説明する。一
般に、回転軸線と垂直に交わる平面内において、振動速
度ｖで振動している質量ｍの物体が、前記回転軸線回り
に角速度ωで回転移動した場合には、ｆ_c ＝２・ｍ・ｖ・ω で表されるコリオリの力ｆ_cが加わえられることが知ら
れている。

【００２６】そのコリオリの力ｆ_cの向きは、振動の方
向と直角なので、本発明の角速度センサーでは、電極の
担体となる本体の第１の面上に第１の固定電極を設け、
第２の面上に第２の固定電極を設け、電極部材に設けら
れた第１及び第２の可動電極を前記第１及び第２の固定
電極にそれぞれ対向させると、２つの可変容量型の平行
平板コンデンサーを構成させ、前記第１及び第２の可動
電極が一体に動くようにして前記第１の可動電極を振動
させると、前記第２の可動電極は、前記コリオリの力ｆ
_cが加わった場合に、前記第２の固定電極と前記第２の
可動電極とによって構成される平行平板型コンデンサー
のキャパシタンスを変化させるように振動する。

【００２７】前記コリオリの力ｆ_cが加わっていないと
きと比べ、加わったときのキャパシタンスの大きさは回
転の向きと回転速度で決まる。即ち、回転移動していな
いときのキャパシタンスとの差ΔＣ₁の符号は回転の向
きで決まり、大きさはコリオリの力の大きさに比例(｜
ΔＣ₁｜ ∝ ｆ_c)する。

【００２８】また、電極担体となる本体の第１の面上に
第１の駆動電極と第１の検出電極とを設け、また、第２
の面上に第２の駆動電極と第２の検出電極とを設け、更
に、電極部材の有する第１及び第２の駆動側可動電極
と、第１及び第２の検出側可動電極とを、前記第１及び
第２の駆動電極と、第１及び第２の検出電極とにそれぞ
れ対向させ、前記第１及び第２の駆動側可動電極を振動
させると、前記電極部材にコリオリの力が加わったとき
に、前記第１及び第２の検出電極と前記第１及び第２の
検出側可動電極によってそれぞれ構成されるキャパシタ
ンスの大きさにΔＣ₂の差が生じる。このΔＣ₂の符号は
回転の向きで決まり、その大きさは加えられたコリオリ
の力の大きさに比例(｜ΔＣ₂｜ ∝ ｆ_c)する。

【００２９】従って、前記キャパシタンス差ΔＣ₁、Δ
Ｃ₂を検出すれば、前記コリオリの力ｆ_cを求めることが
でき、また、前記各可動電極のバネ定数から角速度ωを
算出することができる。

【００３０】その際、前記本体の第１の面と第２の面と
が、互いに直角に交わるようにしておくと、前記キャパ
シタンス差ΔＣ₁、ΔＣ₂から前記角速度ωを算出しやす
くなって都合がよい。

【００３１】次に、本発明の加速度センサーを説明す
る。加速度に応じてキャパシタンスを変化させるマス部
を有するセンサー本体を半導体基板上に形成して加速度
センサーを構成すると、加速度が加わった場合に前記マ
ス部変位し、キャパシタンスが変化するので、そのキャ
パシタンス変化を検出すれば加速度を求めることが可能
となる。

【００３２】その際、少なくとも２つのセンサー本体を
一つの半導体基板上に設け、各センサー本体の前記マス
部の大きさを異ならせておくと、異なる感度のセンサー
本体を同一基板上に形成できるので、加速度センサーの
検出範囲を広げることができる。

【００３３】

【実施例】本発明の角速度センサーの実施例を図面を用
いて説明する。図１において、１２は本発明の第１の実
施例の角速度センサーであり、大きく分けて金属ビーム
と呼ばれる電極部材１０と、セラミックから成り、電極
担体として用いられる本体１３の２つの部材から構成さ
れている。

【００３４】前記電極部材１０は金属板が直角に折り曲
げられ、互いに垂直に交わる左側板２５aと右側板２５
ｂとを有している。前記本体１３は三角直柱体形状を成
しており、その底面２０₁、２０₂は直角二等辺三角形形
状であり、３つの側面は、互いに垂直に交わる第１の面
２３a、第２の面２３bと、その両方と４５°で交わる底
側面２３cとから構成されている。また、前記第１の面
２３aと前記第２の面２３bには、同じ厚みｄのセラミッ
ク小片から成るスペーサー１５a、１５bが、長手方向の
同じ端にそれぞれ設けられている。

【００３５】この角速度センサー１２を、前記電極部材
１０と前記本体１３とを分離させた状態で説明すると、
図１(ｂ)は、前記電極部材１０を前記スペーサー１５a
に取り付ける前の状態を左側から見た図であり、同図
(ｃ)は右側から見た図である。

【００３６】同図(ｂ)、(ｃ)において、前記左側板２５
aと前記右側板２５bはエッチング加工によって、長手方
向の同じ端に取付部２２a、２２bが形成され、他端に
は、第１の駆動側可動電極８aと第２の駆動側可動電極
８bとが形成され、その間に第１の検出側可動電極１８a
と第２の検出側可動電極１８bとが形成されるととも
に、そのエッチング加工で同時に形成された幅の狭い腕
長の橋梁部２１a、２１bによって、前記第１及び第２の
駆動側可動電極８a、８bは前記取付部２２a、２２bにそ
れぞれ接続されており、橋梁部１６a、１６bによって、
前記第１及び第２の検出側可動電極１８a、１８bは前記
第１と第２の駆動側可動電極８a、８bにそれぞれ接続さ
れている。従って、前記第１及び第２の駆動側可動電極
８a、８bが振動したときには、前記第１及び第２の検出
側可動電極１８a、１８bとは、その振動と同期して、一
体に振動できるように構成されている。

【００３７】前記第１と第２の面２３a、２３bの長手方
向端部のうち、前記スペーサー１５a、１５bが設けられ
た位置とは反対の端部には、互いに電気的に接続された
第１及び第２の駆動電極９a、９bがそれぞれ成膜されて
いる。前記第１の駆動電極９aと前記スペーサー１５aと
の間には、第１の検出電極１４aが成膜され、前記第２
の駆動電極９bと前記スペーサー１５bとの間には、第２
の検出電極１４bが成膜されている。各電極にはリード
が設けられ、図示しないキャパシタンス検出回路を有す
る測定回路と電気的に接続できるように構成されてい
る。

【００３８】前記電極部材１０と前記本体１３のうち、
前記取付部２２a、２２bを前記スペーサー１５a、１５b
に密着配置させると、前記第１の検出側可動電極１８a
と前記第１の検出電極１４aが対向配置され、前記第２
の検出側可動電極１８bと前記第２の検出電極１４bが対
向配置され、前記第１の駆動側可動電極８aと前記第１
の駆動電極９aが対向配置され、前記第２の駆動側可動
電極８bと前記第２の駆動電極９bが対向配置され、各電
極は前記スペーサー１５a、１５bの厚みｄの間隔を存し
て位置するように構成されている。

【００３９】そして、前記第１の検出電極１４aと前記
第２の検出電極１４bは互いに絶縁されており、更に、
前記第１の駆動電極９a、及び前記第２の駆動電極９bと
も電気的に絶縁されているので、前記第１の検出側可動
電極１８aと前記第１の検出電極１４aとで平行平板型の
コンデンサー１７aが形成され、また、前記第２の検出
側可動電極１８bと前記第２の検出電極１４bとで平行平
板型のコンデンサー１７bが形成される。

【００４０】２つの平行平板型のコンデンサー１７a、
１７bのキャパシタンスは等しくなるようにされてお
り、また、前記第１の駆動側可動電極８aと前記第１の
駆動電極９a、前記第２の駆動側可動電極８bと前記第２
の駆動電極９bによって形成される２つの平行平板型の
コンデンサーのキャパシタンスも等しくされている。

【００４１】前記取付部２２a、２２bを前記スペーサー
１５a、１５bに固定されており、前記第１及び第２の駆
動側可動電極８a、８bは電気的に接地されており、前記
第１の駆動電極９aと前記第２の駆動電極９bに電圧が印
加され、それにより発生する静電吸引力によって前記第
１及び第２の駆動側可動電極８a、８bが、それぞれ前記
第１の駆動電極９aと前記第２の駆動電極９bに引きつけ
られるように構成されている。

【００４２】前記第１及び第２の駆動電極９a、９bには
一定の周波数で一定の大きさの交流電圧が印加され、前
記第１及び第２の駆動側可動電極８a、８bが一定方向に
振動させられており、その振動に同期して、前記第１及
び第２の検出側可動電極１８a、１８bが一つの振動方向
に振動させられている。

【００４３】このとき、該角速度センサー１２が回転移
動しておらず、角速度を有していなければ、前記電極部
材１０に加わる力は前記静電吸引力だけなので、図２
(ａ)に示すように、前記第１及び第２の検出側可動電極
１８a、１８bの振動方向３０は、前記底側面２３cの垂
線である振動軸２８(この振動軸２８は、前記第１の面
２３aと前記第２の面２３bの各々と４５度の角度で交わ
る)と同じ方向である。このときの前記コンデンサー１
７a、１７bのキャパシタンスをそれぞれＣa、Ｃbとすれ
ば、前記コンデンサー１７a、１７bのキャパシタンスの
大きさは同期して変動するので、Ｃa − Ｃb ＝０である。

【００４４】一方、該角速度センサー１２が回転移動し
た場合には、コリオリの力が発生し、前記電極部材１０
に加わる力は、そのコリオリの力と前記静電吸引力の合
成力となる。ここで、説明を簡単にするために、該角速
度センサー１２が前記２つのコンデンサー１７a、１７b
のいずれの電極に対しても平行な回転軸線２９を中心と
して回転移動した場合を例にとると、前記角速度センサ
ー１２には前記振動軸２８及び前記回転軸線２９の両方
に垂直な方向にコリオリの力が発生し、前記振動方向３
０が回転される。この場合、同図(ｂ)に示すように、前
記角速度センサー１２が図面反時計回りに回転移動すれ
ば、振動方向は図面時計回りに回転され、結果として前
記電極部材１０は斜めの振動方向３１に沿って振動する
ようになる。そのため、前記２つのコンデンサー１７
a、１７bのキャパシタンスに差が生じるようになる。即
ち、コリオリの力が加えられているときの前記角速度検
出コンデンサー１７a、１７bのキャパシタンスを、それ
ぞれＣa’、Ｃb’とすると、 ΔＣ＝Ｃa’ − Ｃb’ なるキャパシタンス差ΔＣが発生する。

【００４５】このキャパシタンス差ΔＣを図示しない測
定回路で検出し、静止状態での前記コンデンサー１７
a、１７bのキャパシタンスの大きさや、電極間距離(前
記スペーサー１５a、１５bの厚み)ｄ、印加電圧の大き
さ、または周波数や、金属ビームの弾性係数等の諸定数
から前記コリオリの力を算出することができ、それによ
って角速度を求めることができる。この角速度センサー
１２では、その算出に際して２つのキャパシタンスの差
から角速度を求めるので、温度変動の影響を消去するこ
とができ、高精度で角速度の検出を行うことができる。

【００４６】なお、前記電極部材１０の上に、適当な間
隔をあけてストッパーを配置し、そのストッパーと前記
本体１３とで前記第１及び第２の検出側可動電極１８
a、１８bを挟むようにすれば、該角速度センサー１２に
大きな衝撃が加わった場合でも、前記第１及び第２の検
出側可動電極１８a、１８bは破損しなくなるので、より
高い耐衝撃性を持った角速度センサーを構成することが
可能となる。

【００４７】次に、本発明の第２の実施例の角速度セン
サーを説明する。図３(ａ)において、この角速度センサ
ー３２も、大きく分けて、金属板が直角に曲げられた電
極部材４０と、三角直柱体形状をし、互いに垂直に交わ
る第１の面４３aと第２の面４３bと、底面４３cの３つ
の側面を有する本体の２つの部材から構成されている。

【００４８】前記第１及び第２の面４３a、４３bには、
第１または第２の固定電極３４、４４がそれぞれ成膜さ
れ、前記第１の面４３aの長手方向の一端にはセラミッ
クから成り、厚みがｆ₁のスペーサー３５が設けられて
いる。

【００４９】前記電極部材４０と前記本体３３とを分離
させた図３(ｂ)、(ｃ)において、前記電極部材４０も前
記電極部材１０と同様にエッチング加工が施されてお
り、互いに直角に交わる第１及び第２の可動電極３８、
４８と取付部４２が形成され、同時に形成された幅の狭
い梁部４１によって、前記第１の可動電極３８が前記取
付部４２に接続されている。

【００５０】前記取付部４２は前記スペーサー３５に固
定されており、前記第１の固定電極３４と前記第１の可
動電極３８とが前記スペーサー３５の厚みｆ₁だけ離れ
て平行に配置されるとともに、前記第２の固定電極４４
と前記第２の可動電極４８とが間隔ｆ₂だけ離れて平行
に配置されている。

【００５１】前記第１及び第２の可動電極３８、４８は
接地され、前記第１の固定電極３４は振動手段である交
流電源に接続されて所定周波数で振動されており、前記
第２の固定電極４４はキャパシタンス測定回路を有する
検出手段に接続され、該第２の固定電極４４と前記第２
の可動電極４８とが作るキャパシタンスが検出できるよ
うに構成されている。

【００５２】この加速度センサー３２の動作状態を、前
記第１の固定電極３４の法線をＹ軸にとり、前記第２の
固定電極の法線をＸ軸にとって説明すると、該加速度セ
ンサー３２の有する角速度がゼロのときは、図４(ａ)、
(ｂ)に示すように、前記第１の可動電極３８は前記振動
手段によってＹ軸方向に振動され、それと一緒に前記第
２の可動電極４８もＹ軸方向に振動される。従って、前
記第２の固定電極４４と前記第２の可動電極４８との間
の距離ｆ₂は変化せず、キャパシタンスも変化しない。

【００５３】他方、この加速度センサー３２が角速度を
有している場合には、Ｙ軸と直角なＸ軸方向にコリオリ
の力が加わるので、前記第１及び第２の可動電極３８、
４８は、図５(ａ)、(ｂ)に示すように、斜め方向に振動
するようになる。従って、前記第２の固定電極４４と前
記第２の可動電極４８とによって構成されるキャパシタ
ンスは角速度がゼロの時とは異なる値となるので、その
キャパシタンスを検出手段により検出すれば、前記加速
度センサー３２が配置されている移動体の角速度を求め
ることが可能となる。該加速度センサー３２では、上述
の加速度センサー１２よりも構造が簡単であり、検出回
路も簡単で済むので、低コストである。

【００５４】次に、本発明の加速度センサーを図面を用
いて説明する。図６(ａ)、(ｂ)において、４２は本発明
の一実施例の加速度センサーであり、図６(ａ)はその上
面図、同図(ｂ)はそのＩ-Ｉ断面図である。

【００５５】該加速度センサー４２には、シリコン単結
晶から成るシリコン基板５１上に二酸化シリコン等で構
成される絶縁膜と、その上にポリシリコンが一定の厚み
に堆積されて形成されたシリコン層とから成るＳＯＩ構
造基板が用いられている。

【００５６】本実施例は、半導体構造の加速度センサー
を採用することにより、複数個の感度の異なるセンサー
本体を、同一プロセスで同時に形成できる。つまり、セ
ンサー本体のマス部や梁部を形成するためのマスク・パ
ターンを個々のセンサー本体毎に変えることによって、
一つの加速度センサーの中に、同じプロセスで同時に複
数の感度のセンサー本体を形成することができるもので
あり、該加速度センサー４２は、そのＳＯＩ構造基板の
所望部分がエッチングされて形成されたシリコンマイク
ロマシーンであり、低Ｇ用加速度検出用のセンサー本体
５３と高Ｇ用加速度検出用のセンサー本体６３の、感度
の異なる２つの加速度検出用のセンサー本体を有してい
る。

【００５７】前記低Ｇ用加速度検出用のセンサー本体５
３と前記高Ｇ用加速度検出用のセンサー本体６３とは、
前記堆積されたシリコン層から構成され、該シリコン層
底面下の前記絶縁膜がエッチング除去されたマス部５
９、６９と、梁部５７₁〜５７₄、６７₁〜６７₄と、前記
堆積されたシリコン層とその底面下に残された前記絶縁
膜５８₁〜５８₄、６８₁〜６８₄とで構成された支持部５
４₁〜５４₄、６４₁〜６４₄とをぞれぞれ有しており、前
記マス部５９、６９は正方形形状に形成され、前記各梁
部５７₁〜５７₄、６７₁〜６７₄が前記マス部５９、６９
を中心として卍形状になるように形成・配置されてお
り、各梁部５７₁〜５７₄、６７₁〜６７₄の両端は、それ
ぞれ前記支持部５４₁〜５４₄、６４₁〜６４₄と前記マス
部５９、６９の各４辺に一体に形成されている。

【００５８】前記低Ｇ用加速度検出用のセンサー本体５
３のマス部５９の面積は、前記高Ｇ用加速度検出用のセ
ンサー本体６３のマス部６９の面積よりも大きくされ、
それにより重量が重くされており、また、前記低Ｇ用加
速度検出用のセンサー本体５３の梁部５７₁〜５７₄の幅
は、前記高Ｇ用加速度検出用のセンサー本体６３の梁部
６７₁〜６７₄の幅よりも狭くされ、且つ長さも長くさ
れ、それによって前記梁部５７₁〜５７₄のバネ定数の大
きさは、前記梁部６７₁〜６７₄のバネ定数の大きさより
も小さくされている。

【００５９】従って、前記低Ｇ用加速度検出用のセンサ
ー本体５３が有する前記マス部５９は小さな加速度でも
大きく変位するのに対し、前記高Ｇ用加速度検出用のセ
ンサー本体６３が有する前記マス部６９は大きな加速度
でなければ変位せず、しかも、前記マス部５９の変位が
飽和する程の大きな加速度が加わった場合でも飽和せず
に変位することができる。

【００６０】従って、この加速度検出センサー４２を用
い、前記マス部５９と前記シリコン基板５１とで形成さ
れるコンデンサー５３のキャパシタンス変化と、前記マ
ス部６９と前記シリコン基板５１とで形成されるコンデ
ンサー６３のキャパシタンス変化を測定すれば、低加速
度でも高加速度でも精度よく検出することができる。

【００６１】上記加速度センサー４２では、一つのシリ
コン基板５１上に感度の異なる２つの加速度検出コンデ
ンサーを形成したが、３つ以上の感度の異なる加速度検
出コンデンサーを形成してもよい。

【００６２】また、梁部の長さと幅とを調節することで
梁部のばね定数を調節するとともに、マス部の面積を変
えて重量を変えていたが、梁部の長、幅、マス部の面積
のいずれか１つ、又はいずれか２つを変えることで検出
感度を異ならせてもよい。

【００６３】また、上記実施例は平面卍形状の加速度セ
ンサーについて説明したが、形状はそれに限定されるも
のでないことは言うまでもない。

【００６４】なお、一つの基板上に同じ感度のセンサー
本体を複数個形成した場合には、一つのセンサー本体が
壊れても、他のセンサー本体でキャパシタンス変化を測
定できるので、高信頼性の加速度センサーを構成するこ
とができる。特に一つのシリコン基板上に同じ感度の加
速度検出コンデンサーを３つ以上形成すれば、フォール
ト・トラレント機能を持たせることができるので、例え
ば、車両のエアバッグ・システムのように故障が許され
ない用途や、工場のプラント設備のように保守・点検が
困難な場所に取り付ける用途に用いることができる。

【００６５】

【発明の効果】本発明の角速度センサーによれば、圧電
素子を用いる必要がなく、簡単な構造で温度変化の影響
を受けずに角速度を測定をすることができる。また、耐
衝撃性に優れているので安全性を重視する分野にも用い
ることができ、更にはキャパシタンス変化を検出するの
で信号処理に既存のＩＣを使用することができる。

【００６６】本発明の加速度センサーによれば、一つの
加速度センサーで異なる範囲の加速度を検出することが
できるので、低コストで実装面積が少なくて済む。ま
た、一つの加速度センサーから二系統以上の出力を取り
出せるので、一つの系統の出力で制御対象の大まかな管
理をし、他の系統の出力で制御対象を厳密に制御するこ
とが可能となる。また、キャパシタンス変化を検出する
ので、信号処理に既存のＩＣを用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(ａ)本発明の第１の実施例の角速度センサーの
正面図 (ｂ)その加速度センサーの金属ビームと電極担
体とを分離させたときの左斜視図 (ｃ)その右斜視図

【図２】(ａ)、(ｂ)本発明の第１の実施例の角速度セン
サーの振動状態を説明するための図

【図３】(ａ)本発明の第２の実施例の角速度センサーの
正面図 (ｂ)その加速度センサーの金属ビームと電極担
体とを分離させたときの左斜視図 (ｃ)その右斜視図

【図４】(ａ)、(ｂ)本発明の第２の実施例の角速度セン
サーが回転移動していないときの振動状態を説明するた
めの図

【図５】(ａ)、(ｂ)本発明の第２の実施例の角速度セン
サーが回転移動をしているときの振動状態を説明するた
めの図

【図６】(ａ)本発明の一実施例の加速度センサーの上面
図 (ｂ)そのＩ−Ｉ線断面図

【図７】(ａ)従来技術の角速度センサーの一例 (ｂ)そ
の圧電体の振動を説明するための図

【図８】従来技術の加速度センサーの一例

【符号の説明】

８a…第１の駆動側可動電極８b…第２の駆動側可動
電極９a…第１の駆動電極９b…第２の駆動電極
１０…電極部材１２、３２…角速度センサー
１３…本体１４a…第１の検出電極１４b…第
２の検出電極１８a…第１の検出側可動電極１８b…第２の検出側
可動電極２３a、４３a…第１の面２３b、４３b
…第２の面３３…本体３４…第１の固定電極
３８…第１の可動電極４０…電極部材４２…
加速度センサー４４…第２の固定電極４８…第
２の可動電極５３、６３…センサー本体５９、
６９…マス部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の面上に設けられた第１の固定電極
と、第２の面上に設けられた第２の固定電極とを有する
本体と、前記第１及び第２の固定電極にそれぞれ対向する第１及
び第２の可動電極を有する電極部材と、前記第１の可動電極を振動させる振動手段と、前記第１の可動電極の振動時に、前記第２の固定電極と
前記第２の可動電極とによって構成されるキャパシタン
スを検出する検出手段とを備えた角速度センサー。
【請求項２】第１の面上に設けられた第１の駆動電極
及び第１の検出電極と、第２の面上に設けられた第２の
駆動電極及び第２の検出電極とを有する本体と、前記第１及び第２の駆動電極と、第１及び第２の検出電
極とにそれぞれ対向する第１及び第２の駆動側可動電極
と、第１及び第２の検出側可動電極とを有する電極部材
と、前記第１及び第２の駆動側可動電極を振動させる振動手
段と、前記第１及び第２の駆動側可動電極の振動時に、前記第
１及び第２の検出電極と前記第１及び第２の検出側可動
電極によってそれぞれ構成されるキャパシタンスを検出
する検出手段を有する角速度センサー。
【請求項３】前記本体の第１の面と第２の面とは、互
いに直角をなすことを特徴とする請求項１又は請求項２
のいずれか１項記載の角速度センサー。
【請求項４】半導体基板上に形成された複数のセンサ
ー本体を有する加速度センサーであって、前記各センサ
ー本体は、加速度に応じてキャパシタンスを変化させる
マス部を有し、少なくとも２つのセンサー本体の前記マ
ス部の大きさが異なることを特徴とする加速度センサ
ー。