JP2013108929A - Vibration type gyro with high accuracy - Google Patents

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Akitaka Uchimura
明高 内村
Masahiro Tsugai
政広 番
Shuji Nakashita
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration type gyro including a structure capable of reducing a bias output by correcting a quadrature error.SOLUTION: In a vibration type gyro, a Y direction component can be electrically detected as a quadrature error because capacitance between a drive mass body 6 and a fixed electrode 24 varies when the Y direction component is included in drive vibration. Since an initial capacitance between the drive mass body 6 and the fixed electrode 24 is different from an initial capacitance between electrodes for angular velocity detection, and a magnitude of each quadrature error is also different from each other, an output signal from which a quadrature error is subtracted can be obtained by converting respective capacitance variations into voltages by a C-V conversion circuit, adjusting the voltages by a variable amplifier so as to make the amplitudes of the voltages equal, making respective phases equal, and outputting the difference.

Description

本発明は、MEMS技術等によって製造された振動型ジャイロに関し、特には、漏れ出力を補償することにより高精度化が図られた振動型ジャイロに関する。   The present invention relates to a vibration type gyro manufactured by MEMS technology or the like, and more particularly, to a vibration type gyro in which high accuracy is achieved by compensating for leakage output.

1990年代から急速に発展したいわゆるマイクロマシニング技術によって、例えば、絶縁膜を有するシリコン基板やガラス基板上に接合されたバルクシリコンウェハを、湿式エッチングやドライエッチング等の化学的なエッチングにより処理し、メカニカルなセンサ構造体を形成して、一度のプロセスで大量のセンサ構造を製造する手法が確立されている。このような微小電気機械システム(MEMS)技術によるセンサとしては、加速度センサ及び振動型ジャイロ等があり、例えば自動車、慣性ナビゲーション、デジタルカメラ、ゲーム機他、多くの分野において利用されている。   By so-called micromachining technology developed rapidly since the 1990s, for example, a bulk silicon wafer bonded on a silicon substrate or glass substrate having an insulating film is processed by chemical etching such as wet etching or dry etching, and mechanical A technique has been established for forming a large number of sensor structures in a single process by forming a simple sensor structure. Sensors based on such micro electro mechanical system (MEMS) technology include acceleration sensors and vibration-type gyros, and are used in many fields such as automobiles, inertial navigation, digital cameras, game machines, and the like.

容量検出型のMEMSジャイロでは、固定部から梁を介して支持された可動部に駆動力を与え、基板面に平行な一方向に振動させている。ここで角速度が入力されると、可動部に含まれる角速度検出用の可動電極がコリオリ力によって駆動方向と垂直な方向に変位し、可動電極と基板に設けた固定電極との間隔が入力加速度の大きさに応じて変化する。このときの電極間の静電容量変化を検出し、センサ出力とする。   In the capacitance detection type MEMS gyro, a driving force is applied from a fixed part to a movable part supported via a beam, and the movable part is vibrated in one direction parallel to the substrate surface. When the angular velocity is input here, the movable electrode for detecting the angular velocity included in the movable portion is displaced in the direction perpendicular to the driving direction by the Coriolis force, and the distance between the movable electrode and the fixed electrode provided on the substrate is the input acceleration. It changes depending on the size. The change in capacitance between the electrodes at this time is detected and used as a sensor output.

容量検出型のMEMSジャイロの構造として、可動部をいわゆるダブルジンバル型としたものがある。これは、固定部から駆動用の駆動質量体を弾性の梁を介して支持し、該駆動質量体から検出質量体及び角速度検出用の可動電極を、異なる梁を介して支持するものである。この構造の特徴として、検出質量体が駆動質量体と同じ動きで振動することが挙げられる。   As a structure of the capacitance detection type MEMS gyro, there is a structure in which a movable part is a so-called double gimbal type. In this configuration, a driving mass body for driving is supported from a fixed portion via an elastic beam, and a detection mass body and a movable electrode for detecting angular velocity are supported from the driving mass body via different beams. A feature of this structure is that the detection mass body vibrates with the same movement as the drive mass body.

例えば特許文献1には、方形のフレーム3を有する回転角速度センサが開示されており、ここでは、フレーム3内に振動質量体1が配置され、この振動質量体1は4つのウエブ4を介してフレーム3に一定の方向に変位可能に結合される、とされている。   For example, Patent Document 1 discloses a rotational angular velocity sensor having a rectangular frame 3. Here, a vibrating mass body 1 is disposed in the frame 3, and the vibrating mass body 1 is interposed via four webs 4. The frame 3 is coupled to be displaceable in a certain direction.

特開2007−101553号公報JP 2007-101553 A

駆動質量体の駆動振動は、理想的には検出方向と垂直であり、角速度入力がない限り可動電極は検出方向には変位しない。しかしながら、製造プロセスにおいて生じる構造の非対称性や、駆動力にはいくらかの検出方向成分が含まれることにより、可動電極が検出方向に変位し、角速度入力がないにも関わらず容量変化が出力されてしまうことがある。これをクワドラチャーエラー(漏れ出力)といい、角速度が入力されないときの出力であるバイアス出力を発生させ、ジャイロの不安定性を招く。   The driving vibration of the driving mass is ideally perpendicular to the detection direction, and the movable electrode is not displaced in the detection direction unless there is an angular velocity input. However, due to the asymmetry of the structure that occurs in the manufacturing process and the driving force including some components in the detection direction, the movable electrode is displaced in the detection direction, and the capacitance change is output despite no angular velocity input. May end up. This is called a quadrature error (leakage output), which generates a bias output that is an output when no angular velocity is input, leading to instability of the gyro.

そこで本発明は、上記クワドラチャーエラーを補正してバイアス出力を低減できる構造を備えた振動型ジャイロを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a vibrating gyroscope having a structure capable of correcting the quadrature error and reducing the bias output.

上記目的を達成するために、本願第1の発明は、支持基板に設けられた固定部と、第1の支持梁を介して前記固定部に支持され、平面内のX方向に駆動振動するように構成された駆動質量体と、第2の支持梁を介して前記駆動質量体に支持され、前記平面内でありかつX方向に直交するY方向に振動可能に構成された検出質量体と、前記検出質量体に設けられた角速度検出用の可動電極と、前記可動電極に対向配置するように前記支持基板に設けられた検出用固定電極と、を有し、X方向及びY方向の双方に直交するZ方向の軸線回りの角速度により発生するコリオリ力によって前記検出質量体がY方向に変位する振動型ジャイロにおいて、前記駆動質量体に対して一定の間隔を空けて配置され、前記駆動質量体との間の静電容量が前記駆動質量体のY方向の変位によってのみ変化するように構成されたモニタ用固定電極を有し、前記駆動質量体の駆動振動にY方向成分が含まれている場合、前記駆動質量体と前記モニタ用固定電極との間に発生する静電容量の変化をモニタ信号として出力する、振動型ジャイロを提供する。   In order to achieve the above object, the first invention of the present application is supported by the fixing portion via the fixing portion provided on the support substrate and the first support beam, and is driven to vibrate in the X direction in the plane. A driving mass body configured to be supported by the driving mass body via a second support beam and configured to be able to vibrate in the Y direction within the plane and perpendicular to the X direction; A movable electrode for detecting angular velocity provided on the detection mass body, and a fixed electrode for detection provided on the support substrate so as to be opposed to the movable electrode, both in the X direction and in the Y direction. In a vibrating gyroscope in which the detection mass body is displaced in the Y direction by a Coriolis force generated by an angular velocity around an orthogonal Z-direction axis, the drive mass body is arranged at a certain interval with respect to the drive mass body. The capacitance between When the monitor fixed electrode is configured to be changed only by the displacement of the mass body in the Y direction, and the drive vibration of the drive mass body includes a Y direction component, the drive mass body and the monitor Provided is a vibration type gyro that outputs a change in capacitance generated between a fixed electrode and a fixed electrode as a monitor signal.

第2の発明は、第1の発明において、前記駆動質量体と前記モニタ用固定電極との間の静電容量と、前記検出質量体の前記可動電極と前記検出用固定電極との間の静電容量とが同一となり、Y方向の変化についての容量変化の符号が逆となるように前記モニタ用固定電極が配置され、前記モニタ用固定電極と前記検出用固定電極とが電気的に接続される、振動型ジャイロを提供する。   According to a second invention, in the first invention, a capacitance between the drive mass body and the fixed electrode for monitoring, and a static electricity between the movable electrode and the fixed electrode for detection of the detection mass body. The monitor fixed electrode is arranged so that the capacitance is the same and the sign of the capacitance change with respect to the change in the Y direction is reversed, and the monitor fixed electrode and the detection fixed electrode are electrically connected. Provide a vibrating gyroscope.

第3の発明は、第1の発明において、前記駆動質量体に対して一定の間隔を空けて配置され、前記駆動質量体との間に静電容量を有し、電圧を印加されることで静電気力を発生し、該静電気力によって前記駆動質量体をY方向に変位させるように構成された検出方向駆動用電極をさらに有する、振動型ジャイロを提供する。   According to a third invention, in the first invention, the driving mass body is arranged at a certain distance from the driving mass body, has a capacitance between the driving mass body, and is applied with a voltage. A vibrating gyroscope further comprising a detection direction drive electrode configured to generate an electrostatic force and displace the drive mass body in the Y direction by the electrostatic force.

第4の発明は、第1の発明において、前記振動型ジャイロを並べた状態で2組有し、前記2組の駆動質量体が、互いに逆相で振動する振動モードを有するように、X方向に弾性を有する連結梁によって互いに連結される、振動型ジャイロを提供する。   According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the vibration gyroscopes are arranged in two pairs, and the two sets of drive mass bodies have vibration modes that vibrate in opposite phases to each other in the X direction. A vibrating gyroscope connected to each other by a connecting beam having elasticity is provided.

第5の発明は、第1又は第4の発明において、前記駆動質量体と前記モニタ用固定電極との間の静電容量の変化と、前記検出質量体の前記可動電極と前記検出用固定電極との間の静電容量の変化とを、C−V変換回路を用いてそれぞれ電圧に変換し、可変アンプを用いて、変換された2つの電圧の振幅が一致するように、該2つの電圧の一方又は双方を調整し、振幅が調整された2つの電圧の差分を、位相を一致させて出力するように構成された、振動型ジャイロを提供する。   According to a fifth invention, in the first or fourth invention, a change in capacitance between the drive mass body and the fixed electrode for monitoring, the movable electrode of the detection mass body, and the fixed electrode for detection The change in capacitance between the two voltages is converted into a voltage using a CV conversion circuit, and the two voltages are converted using a variable amplifier so that the amplitudes of the two converted voltages match. A vibrating gyroscope is provided that is configured to output a difference between two voltages having adjusted amplitudes by adjusting one or both of them in phase.

本発明によれば、振動型ジャイロにおいて発生する駆動振動による検出変位(クワドラチャーエラー)を、駆動質量体においても検出することができる。本願発明では駆動質量体と検出質量体は駆動振動によって同じ動きをするので、駆動質量体において検出されたエラー信号を用いて、センサ出力からクワドラチャーエラーを分離させることができ、不要なバイアス出力を低減して安定性向上を図ることができる。   According to the present invention, a detected displacement (quadrature error) due to drive vibration generated in a vibration type gyro can be detected also in a drive mass body. In the present invention, since the driving mass body and the detection mass body move in the same manner due to the driving vibration, the quadrature error can be separated from the sensor output by using the error signal detected in the driving mass body, and unnecessary bias output. To improve stability.

本発明の第1の実施形態に係る振動型ジャイロを示す平面図である。1 is a plan view showing a vibrating gyroscope according to a first embodiment of the present invention. 図1のジャイロのII−II線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the II-II line of the gyro of FIG. 図1のジャイロのIII−III線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the III-III line of the gyro of FIG. 本発明の第2の実施形態に係る振動型ジャイロを示す平面図である。It is a top view which shows the vibration-type gyro which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る振動型ジャイロを示す平面図である。It is a top view which shows the vibration-type gyro which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4及び第5の実施形態に係る振動型ジャイロを示す平面図である。It is a top view which shows the vibrating gyroscope which concerns on the 4th and 5th embodiment of this invention.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る振動型MEMSジャイロ1の基本構造を示す平面図であり、図2及び図3はそれぞれ、図1のII−II線及びIII−III線に沿った切断面を示す断面図である。基本的にこのMEMSジャイロは、基板に支持された可動部を基板に水平な面内で振動させ、基板面と垂直な軸回りの角速度が入力されたときに、基板の水平面内に作用するコリオリ力による変位を検出するようにしたものである。   FIG. 1 is a plan view showing a basic structure of a vibrating MEMS gyroscope 1 according to the first embodiment of the present invention. FIGS. 2 and 3 are respectively taken along lines II-II and III-III in FIG. It is sectional drawing which shows the cut surface along. Basically, this MEMS gyro vibrates a movable part supported by a substrate in a plane parallel to the substrate, and when an angular velocity about an axis perpendicular to the substrate surface is input, the Coriolis that acts in the horizontal plane of the substrate. The displacement due to force is detected.

図2及び図3からわかるように、本実施形態は、単結晶シリコン基板100と絶縁材料であるガラス等の支持基板102とを陽極接合した接合基板に、マイクロマシニング技術によって微細加工を施して形成される。支持基板102の一部にはキャビティが予め加工されており、その加工箇所においてはシリコン基板100は支持基板102と接合されず、支持基板102に対して自由度を持つ構造体となっている。   As can be seen from FIGS. 2 and 3, the present embodiment is formed by performing micromachining on a bonded substrate obtained by anodically bonding a single crystal silicon substrate 100 and a support substrate 102 such as glass as an insulating material by a micromachining technique. Is done. A cavity is processed in advance in a part of the support substrate 102, and the silicon substrate 100 is not bonded to the support substrate 102 in the processed portion, and is a structure having a degree of freedom with respect to the support substrate 102.

図1に示すように、支持基板102とシリコン基板100とが接合している部分に相当する(図示例では4つの)固定部2に、(図示例では4つの)第1の支持梁4を介して、略矩形の駆動質量体6が支持される。第1の支持梁4は、駆動質量体6が基板面内のX方向(図1では左右方向)に振動できるように、X方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成されている。駆動質量体6の内部には、(図示例では4つの)第2の支持梁8を介して略矩形の検出質量体10が支持される。第2の支持梁8は、検出質量体10が基板面内のY方向(図1では上下方向)に振動できるように、Y方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成されている。   As shown in FIG. 1, the first support beams 4 (four in the illustrated example) are attached to the fixing portions 2 (four in the illustrated example) corresponding to the portion where the support substrate 102 and the silicon substrate 100 are joined. The substantially rectangular drive mass body 6 is supported through the gap. The first support beam 4 is configured such that the rigidity in the X direction is lower than the rigidity in the other direction so that the drive mass body 6 can vibrate in the X direction (left and right direction in FIG. 1) within the substrate surface. Yes. Inside the drive mass body 6, a substantially rectangular detection mass body 10 is supported via second support beams 8 (four in the illustrated example). The second support beam 8 is configured such that the rigidity in the Y direction is lower than the rigidity in the other direction so that the detection mass body 10 can vibrate in the Y direction (vertical direction in FIG. 1) within the substrate surface. Yes.

駆動質量体6には櫛歯状の突起部12が設けられており、これに対向するように駆動用櫛歯電極14と、駆動モニタ用櫛歯電極16とが支持基板102に配置されている。櫛歯同士の間隔は等間隔となっており、また突起部12と、櫛歯電極14及び16とは、空間及び支持基板102を介して絶縁されている。   The driving mass body 6 is provided with a comb-like protrusion 12, and a driving comb electrode 14 and a driving monitoring comb electrode 16 are arranged on the support substrate 102 so as to face the protrusion 12. . The intervals between the comb teeth are equal, and the protrusion 12 and the comb electrodes 14 and 16 are insulated via the space and the support substrate 102.

検出質量体10にも櫛歯状の突起部18が設けられており、これに対向するように検出用櫛歯電極20が支持基板102に配置されている。図1に示すように、櫛歯同士の間隔は等間隔ではなく、狭い部分と広い部分とが交番的となるように突起部18及び検出用櫛歯電極20が配置されている。また突起部18と検出用櫛歯電極20とは、空間及び支持基板を介して絶縁されている。   The detection mass body 10 is also provided with a comb-like protrusion 18, and a detection comb-tooth electrode 20 is disposed on the support substrate 102 so as to face the protrusion 18. As shown in FIG. 1, the intervals between the comb teeth are not equal, and the protrusions 18 and the detection comb electrodes 20 are arranged so that the narrow portion and the wide portion are alternating. Further, the protrusion 18 and the detection comb electrode 20 are insulated via a space and a support substrate.

また支持基板102には、駆動質量体6の、Y方向に対向する端部の一方(図示例では上端部22)から離隔したモニタ用固定電極24が設けられている。この固定電極24と駆動質量体6とは、空間及び支持基板102を介して絶縁されている。   In addition, the support substrate 102 is provided with a monitor fixed electrode 24 that is separated from one end (the upper end 22 in the illustrated example) of the driving mass body 6 facing the Y direction. The fixed electrode 24 and the driving mass body 6 are insulated via the space and the support substrate 102.

上述のように構成された振動型ジャイロは、以下のようなマイクロマシニングプロセスを適用して作製することができる。   The vibratory gyro configured as described above can be manufactured by applying the following micromachining process.

先ず、ガラス等の支持基板とジャイロの可動部材との間に所定の間隙が形成されるように、ウエットエッチングを行う。このとき、エッチングされてはいけない領域として、間隙を形成する部分以外については、半導体フォトリソグラフィ技術等を適用して、例えばレジストマスクを予め形成することで保護する。   First, wet etching is performed so that a predetermined gap is formed between a supporting substrate such as glass and the movable member of the gyro. At this time, as a region that should not be etched, a portion other than a portion where a gap is formed is protected by applying a semiconductor photolithography technique or the like, for example, by forming a resist mask in advance.

次に、支持基板とシリコン基板とを陽極接合手法等により接合する。接合した基板に対して、シリコン基板側から研磨を行い、該シリコン基板を所定の厚さにするとともに、ボンディング用パッドとして必要とされる領域に、Cr&Au等の導電性メタルの選択的スパッタリングを行い、電極パッド(図示せず)を形成する。さらに、接合されたシリコン基板の表面側(研磨側)に、フォトレジスト等のマスク材料を利用して、図1の平面図で示されるような構造体のレジストパターンを、フォトリソグラフィ技術を利用して作製する。この場合も、エッチングされてはいけない領域がレジストマスクにより保護される。   Next, the support substrate and the silicon substrate are bonded by an anodic bonding method or the like. The bonded substrate is polished from the silicon substrate side so that the silicon substrate has a predetermined thickness, and selective sputtering of a conductive metal such as Cr & Au is performed in an area required as a bonding pad. Then, an electrode pad (not shown) is formed. Further, using a mask material such as photoresist on the surface side (polished side) of the bonded silicon substrate, a resist pattern of a structure as shown in the plan view of FIG. 1 is applied using photolithography technology. To make. Also in this case, the region that should not be etched is protected by the resist mask.

次に、RIE装置等を利用したドライエッチングにより、シリコン基板の厚さ方向に貫通エッチングを行う。以上のようなマイクロマシニング技術を適用した製造プロセスにより、振動型ジャイロの基本構造を作製することができる。   Next, through etching is performed in the thickness direction of the silicon substrate by dry etching using an RIE apparatus or the like. The basic structure of the vibrating gyroscope can be manufactured by the manufacturing process to which the micromachining technology as described above is applied.

次に、振動型ジャイロの動作について説明する。例えば、X軸方向に速度Vxで振動する質量Mの検出質量体に、X軸及びY軸の双方に直交するZ軸回りの回転(回転角速度Ωz)が加わった場合に生じるY軸方向のコリオリ力cの絶対量は、
Fc=2MVxΩz
で表される。このため、コリオリ力Fcによる該検出質量体の変位を検出することで角速度を検出する振動型ジャイロでは、駆動質量体を速度Vxで励振させる必要がある。このための方式として、例えば静電力によるコームドライブ方式が利用される。
Next, the operation of the vibration type gyro will be described. For example, Coriolis in the Y-axis direction that occurs when rotation about the Z-axis (rotational angular velocity Ωz) perpendicular to both the X-axis and the Y-axis is applied to the detection mass body of the mass M that vibrates at the speed Vx in the X-axis direction. The absolute amount of force c is
Fc = 2MVxΩz
It is represented by For this reason, in the vibration type gyro that detects the angular velocity by detecting the displacement of the detection mass body due to the Coriolis force Fc, it is necessary to excite the drive mass body at the velocity Vx. As a method for this, for example, a comb drive method using an electrostatic force is used.

駆動用櫛歯電極14と、櫛歯状の突起部12を含む駆動質量体6との間に、DC電圧VDCとAC電圧VACとの和を印加すると、VACの電圧周期と等しい駆動力が発生する。駆動質量体6は、X方向に低い剛性を持つ第1の支持梁4により支持されたいわゆるバネマス構造であるため、X方向に振動する振動モードを有する。従って、VACの周波数をこの振動モードの周波数と一致させることで、駆動質量体6は共振によって振動する。一方検出質量体10は、駆動質量体6に支持されており、かつ駆動質量体6に対してX方向には動き難い構造となっているため、基本的には駆動質量体6と一体となって駆動振動する。この振動の速度Vxは、モニタ用櫛歯電極16により、静電容量変化として電気回路を通じて検出され、駆動振動の制御に利用される。 When the sum of the DC voltage V DC and the AC voltage V AC is applied between the driving comb electrode 14 and the driving mass body 6 including the comb-shaped protrusions 12, the driving is equal to the voltage cycle of V AC. Force is generated. Since the drive mass body 6 is a so-called spring mass structure supported by the first support beam 4 having low rigidity in the X direction, it has a vibration mode that vibrates in the X direction. Therefore, the drive mass body 6 vibrates by resonance by matching the frequency of VAC with the frequency of this vibration mode. On the other hand, the detection mass body 10 is supported by the driving mass body 6 and has a structure that is difficult to move in the X direction with respect to the driving mass body 6. Drive vibration. The vibration speed Vx is detected as an electrostatic capacitance change by the monitoring comb-teeth electrode 16 through an electric circuit, and is used for controlling the drive vibration.

上述の駆動方式は静電駆動方式と呼ばれるものであるが、電磁駆動方式も適用可能であり、その場合の構造及び動作原理を以下に簡単に説明する。固定部2の1つから第1の支持梁4の1つを通り、駆動質量体6のY軸に平行な一辺を通り、別の第1の支持梁4を通って別の固定部2まで、シリコン基板の表面にシリコン基板と絶縁膜を介して絶縁された金属配線膜を配置する。シリコン基板及び金属配線膜に平行に、一定距離離して永久磁石を配置し、金属配線膜に垂直な磁界が作用するようにする。このとき、金属配線膜に電流を流すことで、金属配線膜にローレンツ力が発生する。このローレンツ力はX方向に発生するので、金属配線膜に流す電流を駆動振動モードと等しい周波数のAC電流とすることにより、駆動質量体6を共振によって振動させることができる。   Although the above-described driving method is called an electrostatic driving method, an electromagnetic driving method can also be applied, and the structure and operation principle in that case will be briefly described below. From one of the fixed parts 2, through one of the first support beams 4, through one side parallel to the Y axis of the driving mass 6, to another fixed part 2 through another first support beam 4 A metal wiring film insulated from the silicon substrate via an insulating film is disposed on the surface of the silicon substrate. Permanent magnets are arranged in parallel to the silicon substrate and the metal wiring film at a predetermined distance so that a perpendicular magnetic field acts on the metal wiring film. At this time, a Lorentz force is generated in the metal wiring film by passing a current through the metal wiring film. Since the Lorentz force is generated in the X direction, the driving mass body 6 can be vibrated by resonance by setting the current flowing through the metal wiring film to an AC current having the same frequency as that of the driving vibration mode.

駆動質量体6及び検出質量体10が上記のようにX方向に振動しているときに、角速度Ωzが図1の紙面に垂直な方向(Z方向)に作用すると、駆動質量体6及び検出質量体10にはコリオリ力Fcが生じる。駆動質量体6はY方向には動き難い構造で支持されているためY方向には殆ど変位しないが、検出質量体10はY方向に動きやすく支持されているので、コリオリ力によって変位振動する。この結果、検出質量体10に設けた櫛歯状の突起部18と、検出用固定櫛歯電極20との間の静電容量が変化し、これを電気的に読み出すことで、角速度Ωzを検出することができる。   When the driving mass body 6 and the detection mass body 10 vibrate in the X direction as described above, if the angular velocity Ωz acts in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1 (Z direction), the driving mass body 6 and the detection mass body. The body 10 has a Coriolis force Fc. Since the drive mass body 6 is supported by a structure that is difficult to move in the Y direction, the drive mass body 6 is hardly displaced in the Y direction. However, since the detection mass body 10 is supported so as to move easily in the Y direction, it is displaced and vibrated by Coriolis force. As a result, the electrostatic capacitance between the comb-shaped protrusion 18 provided on the detection mass body 10 and the detection fixed comb electrode 20 changes, and the angular velocity Ωz is detected by electrically reading this. can do.

理想的には、検出される静電容量の変化は、角速度が入力されたときのみ発生するが、他の要因で検出質量体10にY方向の変位が生じた場合にも静電容量は変化する。例えば、駆動質量体6を支持する4つの第1の支持梁4に製造ばらつきがあれば、駆動振動にY方向成分が含まれることになる。また検出質量体10は駆動質量体6に対して駆動方向(X方向)には高い剛性で支持されているので、駆動質量体6と一体に振動する。従って駆動振動にY方向成分が含まれると、検出質量体10はY方向に変位することになり、エラー成分となる容量変化が発生する。   Ideally, the detected capacitance changes only when an angular velocity is input, but the capacitance also changes when the detection mass 10 is displaced in the Y direction due to other factors. To do. For example, if there are manufacturing variations in the four first support beams 4 that support the drive mass body 6, the Y direction component is included in the drive vibration. Further, since the detection mass body 10 is supported with high rigidity in the driving direction (X direction) with respect to the driving mass body 6, it vibrates integrally with the driving mass body 6. Therefore, when the Y direction component is included in the drive vibration, the detection mass body 10 is displaced in the Y direction, and a capacitance change that becomes an error component occurs.

ここで、駆動振動にY方向成分が含まれる場合、駆動質量体6と上述のモニタ用固定電極24との間の静電容量が変化するので、当該Y方向成分をクワドラチャーエラーとして電気的に検出することができる。駆動質量体6と固定電極24との間の初期容量は、角速度検出用の電極の初期容量とは異なる大きさであり、クワドラチャーエラーの大きさも異なる。そこで、それぞれの容量変化をC−V変換回路で電圧に変換し、電圧の振幅が一致するように可変アンプで一方又は双方の電圧を調整し、位相を一致させて差分を出力すれば、クワドラチャーエラーが差し引かれた出力信号を得ることができる。このようにして、バイアス出力を低減でき、ジャイロの安定性を高めることができる。   Here, when the Y direction component is included in the drive vibration, the capacitance between the drive mass body 6 and the monitor fixed electrode 24 changes, so that the Y direction component is electrically used as a quadrature error. Can be detected. The initial capacity between the driving mass 6 and the fixed electrode 24 is different from the initial capacity of the electrode for detecting the angular velocity, and the size of the quadrature error is also different. Therefore, each capacitance change is converted into a voltage by a CV conversion circuit, one or both voltages are adjusted by a variable amplifier so that the amplitudes of the voltages match, and a phase difference is output to output a difference. An output signal from which the char error has been subtracted can be obtained. In this way, the bias output can be reduced and the stability of the gyro can be increased.

次に、本発明の第2の実施形態を図4を参照しつつ説明する。第2の実施形態は、概して、第1の実施形態に係るジャイロ構造を2つX方向に並べ、両ジャイロ構造を中央の連結ばね26によって互いに連結した構造を有する。左右の駆動質量体6a及び6bは、連結ばね26で連結されることにより、互いにX方向に接離する、いわゆる逆相振動の振動モードを有する。左右の駆動質量体6a及び6bをそれぞれ駆動させるための駆動用櫛歯電極14a及び14bに、上記振動モードと同じ周波数の駆動信号を印加することにより、駆動質量体6a及び6bを逆相振動させることができる。なお図1の実施形態のものと同等の機能を有する部材については、左側の構造においては「a」、右側の構造においては「b」を参照符号に付記し、詳細な説明は省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The second embodiment generally has a structure in which two gyro structures according to the first embodiment are arranged in the X direction, and both gyro structures are connected to each other by a central connection spring 26. The left and right drive mass bodies 6a and 6b are connected by a connecting spring 26, thereby having a so-called reverse-phase vibration mode in which they are brought into contact with and separated from each other in the X direction. The drive mass bodies 6a and 6b are vibrated in reverse phase by applying a drive signal having the same frequency as the vibration mode to the drive comb electrodes 14a and 14b for driving the left and right drive mass bodies 6a and 6b, respectively. be able to. In addition, about the member which has a function equivalent to the thing of embodiment of FIG. 1, "a" is attached to a left structure, "b" is attached to a right structure, and detailed description is abbreviate | omitted.

左右の駆動質量体6a及び6bが上述のように逆相振動する場合に、角速度Ωzが図4の紙面に垂直な方向(Z方向)に作用すると、左右の駆動質量体6a及び6bにおいてそれぞれ第2の支持梁8a及び8bに支持されている検出質量体10a及び10bには、逆相のコリオリ力Fcが生じ、検出質量体10a及び10bはY方向に変位する。   When the left and right driving mass bodies 6a and 6b vibrate in reverse phase as described above, if the angular velocity Ωz acts in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 4 (Z direction), the left and right driving mass bodies 6a and 6b respectively The detection mass bodies 10a and 10b supported by the second support beams 8a and 8b generate a reverse phase Coriolis force Fc, and the detection mass bodies 10a and 10b are displaced in the Y direction.

しかし、ここで任意の方向の加速度が入力されると、角速度検出用の電極に容量変化が生じ、誤検出となる。そこで、第1の実施形態で説明したのと同様に、左右それぞれおいてクワドラチャーエラーを求めてこれを差し引き、さらに左右の出力信号を差動で検出することにより、加速度による出力を差し引くことができる。なお第1の実施形態でのC−V変換回路や可変アンプによる処理は、本実施形態にも適用可能である。   However, if acceleration in any direction is input here, capacitance change occurs in the electrode for detecting angular velocity, resulting in erroneous detection. Therefore, as described in the first embodiment, the quadrature error is obtained on each of the left and right sides, and this is subtracted, and the output due to acceleration can be subtracted by detecting the left and right output signals differentially. it can. Note that the processing by the CV conversion circuit and the variable amplifier in the first embodiment can also be applied to this embodiment.

次に、本発明の第3の実施形態を図5を参照しつつ説明する。なお図1の実施形態のものと同等の機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。第1の実施形態では、角速度検出用電極(櫛歯電極18及び20)における容量変化と、駆動質量体6の検出方向のモニタ用固定電極24における容量変化とが、同相で現れる構造となっているが、第3の実施形態ではこれが逆相となるような構造を有する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, about the member which has a function equivalent to the thing of embodiment of FIG. 1, the same referential mark is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted. In the first embodiment, the capacitance change in the angular velocity detection electrodes (comb electrodes 18 and 20) and the capacitance change in the monitor fixed electrode 24 in the detection direction of the driving mass 6 appear in the same phase. However, the third embodiment has a structure in which the phase is reversed.

具体的には第3の実施形態は、基本的には第1の実施形態と同等のバネマス構造を有するが、第1の実施形態におけるモニタ用固定電極24に相当するモニタ用固定電極28を、図5に示すように、X軸を基準として線対称となる位置に移動させた構造となっている。角速度検出用の櫛歯電極18及び20の初期容量と、固定電極28と駆動質量体6との初期容量とは同じ大きさとなっている。また固定電極28と検出用櫛歯電極20とは、ワイヤボンディング等の手段によって電気的に接続されている。   Specifically, the third embodiment basically has a spring mass structure equivalent to that of the first embodiment, but the monitor fixed electrode 28 corresponding to the monitor fixed electrode 24 in the first embodiment is As shown in FIG. 5, the structure is moved to a line-symmetric position with respect to the X axis. The initial capacity of the comb-teeth electrodes 18 and 20 for detecting the angular velocity and the initial capacity of the fixed electrode 28 and the driving mass body 6 are the same. The fixed electrode 28 and the detection comb electrode 20 are electrically connected by means such as wire bonding.

第3の実施形態において、図5の+Y方向に駆動質量体6が変位した場合、検出質量体10も同様に+Y方向に変位し、櫛歯電極18と20の間隔は小さくなり、両電極間の静電容量は増加する。一方、モニタ用固定電極28と駆動質量体6との間隔は広がるので、固定電極28と駆動質量体6との間の静電容量は減少する。ここで櫛歯電極18及び20間の初期容量と、固定電極28と駆動質量体6との間の初期容量は同じであり、かつそれらの容量変化は逆相となっている。さらに、固定電極28と検出用櫛歯電極20とは電気的に接続されているので、駆動質量体6がY方向に変位したときの容量変化の合計は相殺又は大きく低減され、結果としてクワドラチャーエラーを抑制することができる。   In the third embodiment, when the drive mass body 6 is displaced in the + Y direction in FIG. 5, the detection mass body 10 is similarly displaced in the + Y direction, and the interval between the comb electrodes 18 and 20 is reduced, so that the distance between both electrodes is reduced. The capacitance of increases. On the other hand, since the interval between the monitor fixed electrode 28 and the drive mass body 6 is widened, the capacitance between the fixed electrode 28 and the drive mass body 6 is reduced. Here, the initial capacity between the comb electrodes 18 and 20 and the initial capacity between the fixed electrode 28 and the driving mass body 6 are the same, and their capacity changes are in opposite phases. Furthermore, since the fixed electrode 28 and the comb electrode 20 for detection are electrically connected, the total capacity change when the driving mass body 6 is displaced in the Y direction is offset or greatly reduced, resulting in a quadrature Errors can be suppressed.

次に、本発明の第4の実施形態を図6を参照しつつ説明する。第4の実施形態は概して、駆動質量体に静電気力を付与する手段を第1の実施形態に付加した構造を有する。なお図1の実施形態のものと同等の機能を有する部材については、同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fourth embodiment generally has a structure in which means for applying an electrostatic force to the driving mass is added to the first embodiment. In addition, about the member which has a function equivalent to the thing of embodiment of FIG. 1, the same referential mark is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted.

図6に示すように、駆動質量体6の下方、具体的にはモニタ用固定電極24とX軸について概ね線対称となる位置に、検出方向駆動用固定電極30を配置する。駆動質量体6と固定電極30とは一定の間隔を有して互いに絶縁されており、駆動質量体6と固定電極30との間は静電容量をもつ。   As shown in FIG. 6, the detection direction driving fixed electrode 30 is disposed below the driving mass body 6, specifically, at a position that is substantially line-symmetric with respect to the monitoring fixed electrode 24 and the X axis. The driving mass body 6 and the fixed electrode 30 are insulated from each other with a certain distance, and the driving mass body 6 and the fixed electrode 30 have a capacitance.

ここで、検出方向駆動用電極30にDC電圧及びAC電圧を印加すると、駆動質量体6に対して静電気力が発生し、AC電圧の周波数で振動させることができる。つまり、第1の実施形態で説明したように固定電極24によってクワドラチャーエラーを監視しながら、AC電圧の大きさ及び位相を調整することにより、クワドラチャーエラーが極小となる条件を求めることができる。   Here, when a DC voltage and an AC voltage are applied to the detection direction driving electrode 30, an electrostatic force is generated on the driving mass body 6 and can be vibrated at the frequency of the AC voltage. That is, as described in the first embodiment, the condition for minimizing the quadrature error can be obtained by adjusting the magnitude and phase of the AC voltage while monitoring the quadrature error by the fixed electrode 24. .

次に説明する第5の実施形態は、構造的には第4の実施形態と同等であるが、動作方式が異なる。先ず検出方向駆動用固定電極30にDC電圧及びAC電圧を印加し、駆動質量体6をY方向に振動させる。この振動は正弦波振動であり、その振幅は、通常の駆動振動時に発生するクワドラチャーエラーを大きく上回る大きさとし、また固定電極24によってモニタすることで振幅の制御が可能である。   The fifth embodiment to be described next is structurally equivalent to the fourth embodiment, but the operation method is different. First, a DC voltage and an AC voltage are applied to the detection direction driving fixed electrode 30 to vibrate the driving mass body 6 in the Y direction. This vibration is a sine wave vibration, the amplitude of which greatly exceeds the quadrature error that occurs during normal driving vibration, and the amplitude can be controlled by monitoring with the fixed electrode 24.

一方、角速度検出用電極20にも同様の正弦波振動が与えられ、ここでの静電容量変化を検出する。この静電容量変化と角速度による変位とは、正弦波振動に重畳して現れるので、第1の実施形態で説明したような信号処理によって正弦波振動をセンサ出力から差し引くことにより、エラー成分が大幅に低減された角速度信号を検出できるようになる。   On the other hand, a similar sinusoidal vibration is also applied to the angular velocity detection electrode 20, and the capacitance change is detected here. Since the capacitance change and the displacement due to the angular velocity appear superimposed on the sine wave vibration, the error component is greatly increased by subtracting the sine wave vibration from the sensor output by the signal processing as described in the first embodiment. It becomes possible to detect the angular velocity signal reduced to a minimum.

本願発明は、検出質量体の可動電極が駆動質量体と同じ駆動振動をし、そのとき検出される出力がクワドラチャーエラーに相当することを利用する。すなわち、駆動質量体の検出方向変位を容量変化として出力すれば、該出力もクワドラチャーエラーとみなすことができる。従って駆動質量体と対向するようにモニタ用固定電極を設けることにより、駆動質量体の容量変化、すなわちクワドラチャーエラーを検出できるようになる。   The present invention utilizes the fact that the movable electrode of the detection mass body performs the same drive vibration as the drive mass body, and the output detected at this time corresponds to a quadrature error. That is, if the displacement in the detection direction of the driving mass is output as a change in capacity, the output can also be regarded as a quadrature error. Therefore, by providing the fixed electrode for monitoring so as to face the driving mass body, it becomes possible to detect a change in the capacity of the driving mass body, that is, a quadrature error.

上述のように、検出質量体の可動電極と検出用櫛歯電極との間の初期容量と、駆動質量体とモニタ用固定電極との間の初期容量とを同一とする場合と、異なるようにする場合とが考えられる。前者の場合は、それらの容量変化の符号が逆となるようにモニタ用固定電極を配置し、該固定電極と検出用櫛歯固定電極とを電気的に接続しておくことにより、出力されるクワドラチャーエラーを常時ゼロとすることができ、角速度による容量変化による出力のみを検出できるようになる。   As described above, the initial capacity between the movable electrode of the detection mass body and the comb electrode for detection is the same as the case where the initial capacity between the drive mass body and the fixed electrode for monitoring is the same. It may be the case. In the former case, the fixed electrode for monitoring is arranged so that the signs of the capacitance changes are reversed, and the fixed electrode and the detection comb fixed electrode are electrically connected to output. The quadrature error can always be zero, and only the output due to the capacitance change due to the angular velocity can be detected.

一方、後者の場合は、出力されたクワドラチャーエラーをアンプ回路等によって同じ値となるように調整して差し引くことで、角速度による容量変化による出力のみを検出できるようになる。但しこの方法は前者の場合にも適用できる。   On the other hand, in the latter case, by adjusting and subtracting the output quadrature error so as to be the same value by an amplifier circuit or the like, it becomes possible to detect only the output due to the capacitance change due to the angular velocity. However, this method can also be applied to the former case.

また駆動質量体に対し、外部から検出方向の力を加えて振動させることで、クワドラチャーエラーを角速度による出力と同等又はそれ以上の信号を得ることができ、回路による切り分けや増幅、差し引き等の処理も容易になる。   Moreover, by applying a force in the detection direction from the outside to the drive mass body and vibrating it, it is possible to obtain a signal that is equal to or higher than the quadrature error output due to the angular velocity, such as separation, amplification, subtraction, etc. Processing becomes easy.

2 基板
6 駆動質量体
10 検出質量体
14 駆動用櫛歯電極
16 駆動モニタ用櫛歯電極
20 検出モニタ用櫛歯電極
24、28 モニタ用固定電極
30 検出方向駆動用固定電極
2 Substrate 6 Driving Mass 10 Detection Mass 14 Driving Comb Electrode 16 Driving Monitoring Comb Electrode 20 Detection Monitoring Comb Electrode 24, 28 Monitoring Fixed Electrode 30 Detection Direction Driving Fixed Electrode

Claims (5)

支持基板に設けられた固定部と、
第1の支持梁を介して前記固定部に支持され、平面内のX方向に駆動振動するように構成された駆動質量体と、
第2の支持梁を介して前記駆動質量体に支持され、前記平面内でありかつX方向に直交するY方向に振動可能に構成された検出質量体と、
前記検出質量体に設けられた角速度検出用の可動電極と、
前記可動電極に対向配置するように前記支持基板に設けられた検出用固定電極と、を有し、
X方向及びY方向の双方に直交するZ方向の軸線回りの角速度により発生するコリオリ力によって前記検出質量体がY方向に変位する振動型ジャイロにおいて、
前記駆動質量体に対して一定の間隔を空けて配置され、前記駆動質量体との間の静電容量が前記駆動質量体のY方向の変位によってのみ変化するように構成されたモニタ用固定電極を有し、
前記駆動質量体の駆動振動にY方向成分が含まれている場合、前記駆動質量体と前記モニタ用固定電極との間に発生する静電容量の変化をモニタ信号として出力する、振動型ジャイロ。
A fixing portion provided on the support substrate;
A driving mass supported by the fixed portion via a first support beam and configured to drive and vibrate in the X direction in a plane;
A detection mass body supported by the drive mass body via a second support beam and configured to vibrate in the Y direction within the plane and perpendicular to the X direction;
A movable electrode for angular velocity detection provided on the detection mass body;
A fixed electrode for detection provided on the support substrate so as to be opposed to the movable electrode,
In the vibration type gyro in which the detection mass body is displaced in the Y direction by the Coriolis force generated by the angular velocity around the axis in the Z direction orthogonal to both the X direction and the Y direction,
Fixed electrode for monitoring, which is arranged at a certain interval with respect to the driving mass body, and is configured such that the capacitance between the driving mass body and the driving mass body changes only by displacement in the Y direction of the driving mass body. Have
A vibration-type gyro that outputs a change in capacitance generated between the drive mass body and the monitor fixed electrode as a monitor signal when the drive vibration of the drive mass body includes a Y-direction component.
前記駆動質量体と前記モニタ用固定電極との間の静電容量と、前記検出質量体の前記可動電極と前記検出用固定電極との間の静電容量とが同一となり、Y方向の変化についての容量変化の符号が逆となるように前記モニタ用固定電極が配置され、前記モニタ用固定電極と前記検出用固定電極とが電気的に接続される、請求項1に記載の振動型ジャイロ。   Regarding the change in the Y direction, the electrostatic capacity between the drive mass body and the fixed electrode for monitoring is the same as the electrostatic capacity between the movable electrode of the detection mass body and the fixed electrode for detection. The vibrating gyroscope according to claim 1, wherein the monitor fixed electrode is disposed so that a sign of capacitance change of the monitor is reversed, and the monitor fixed electrode and the detection fixed electrode are electrically connected. 前記駆動質量体に対して一定の間隔を空けて配置され、前記駆動質量体との間に静電容量を有し、電圧を印加されることで静電気力を発生し、該静電気力によって前記駆動質量体をY方向に変位させるように構成された検出方向駆動用電極をさらに有する、請求項1に記載の振動型ジャイロ。   The drive mass body is arranged at a certain interval, has a capacitance between the drive mass body and generates an electrostatic force when a voltage is applied, and the drive is performed by the electrostatic force. The vibrating gyroscope according to claim 1, further comprising a detection direction driving electrode configured to displace the mass body in the Y direction. 前記振動型ジャイロを並べた状態で2組有し、前記2組の駆動質量体が、互いに逆相で振動する振動モードを有するように、X方向に弾性を有する連結梁によって互いに連結される、請求項1に記載の振動型ジャイロ。   The vibrating gyroscopes are arranged in two rows and are connected to each other by a connecting beam having elasticity in the X direction so that the two sets of driving mass bodies have vibration modes that vibrate in mutually opposite phases. The vibrating gyroscope according to claim 1. 前記駆動質量体と前記モニタ用固定電極との間の静電容量の変化と、前記検出質量体の前記可動電極と前記検出用固定電極との間の静電容量の変化とを、C−V変換回路を用いてそれぞれ電圧に変換し、
可変アンプを用いて、変換された2つの電圧の振幅が一致するように、該2つの電圧の一方又は双方を調整し、
振幅が調整された2つの電圧の差分を、位相を一致させて出力するように構成された、請求項1又は4に記載の振動型ジャイロ。
A change in capacitance between the driving mass body and the fixed electrode for monitoring and a change in capacitance between the movable electrode of the detection mass body and the fixed electrode for detection are expressed as CV. Convert each into voltage using the conversion circuit,
Using a variable amplifier, adjust one or both of the two voltages so that the amplitudes of the two converted voltages match,
The vibratory gyroscope according to claim 1 or 4, wherein a difference between two voltages whose amplitudes are adjusted is configured to output a difference in phase.
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