JP2002013931A - Beam structure for angular velocity/acceleration sensor - Google Patents

Beam structure for angular velocity/acceleration sensor

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JP2002013931A
JP2002013931A JP2000196072A JP2000196072A JP2002013931A JP 2002013931 A JP2002013931 A JP 2002013931A JP 2000196072 A JP2000196072 A JP 2000196072A JP 2000196072 A JP2000196072 A JP 2000196072A JP 2002013931 A JP2002013931 A JP 2002013931A
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JP
Japan
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weight
angular velocity
electrode
vibration
driving
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Application number
JP2000196072A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsuhiro Yamashita
光洋 山下
Toru Okauchi
亨 岡内
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a beam structure for an angular velocity/acceleration sensor resisting to disturbance and having high sensitivity. SOLUTION: Bent head top parts of a double-supported ring-shaped plate spring type drive beam are linked to each other to suppress any detection modes other than a drive vibration mode, thereby enhancing the linearity of vibration when it is driven with a large amplitude. Plate springs are rotation- symmetrically disposed into a spiral form and used as a detection beam, thereby lowering disturbance sensitivity in directions other than a detection axis.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車両の姿勢
制御、進行方位算出などに用いられる角速度センサ及び
加速度センサの梁構造に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a beam structure of an angular velocity sensor and an acceleration sensor used, for example, for controlling the attitude of a vehicle and calculating a traveling direction.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、角速度を検出するセンサとして様
々なジャイロスコープ(以下、ジャイロと略称する)が
開発されている。その種類は大まかに機械式のコマジャ
イロ、流体式のガスレートジャイロ、音片・音叉の振動
を用いる振動ジャイロ、光学式の光ファイバジャイロと
リングレーザージャイロに分類される。光学式のジャイ
ロはサニャック効果、それ以外のものは回転体の角運動
量保存則の表れであるコリオリ力を用いて角速度の検出
を行っており、使用用途により精度と価格、寸法等が勘
案され使用センサが選択されている。
2. Description of the Related Art Various gyroscopes (hereinafter abbreviated as gyroscopes) have been developed as sensors for detecting angular velocity. The types are roughly classified into a mechanical gyroscope, a fluid gas gyroscope, a vibrating gyroscope using vibration of a tuning element and a tuning fork, an optical fiber gyroscope and a ring laser gyroscope. The optical gyro detects the Sagnac effect, and the others detect the angular velocity using the Coriolis force, which is a manifestation of the law of conservation of angular momentum of the rotating body. Sensor is selected.

【0003】上記振動ジャイロ式の角速度センサとして
は、例えば特開昭61−77712号公報に示されてい
る。図7はこの従来の振動式角速度センサの基本原理の
説明図であり、701、702が検出用素子、703、
704が励振用素子を示す。
A vibration gyro-type angular velocity sensor is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-77712. FIG. 7 is an explanatory view of the basic principle of this conventional vibration type angular velocity sensor, in which reference numerals 701 and 702 denote detection elements, 703,
Reference numeral 704 denotes an excitation element.

【0004】各々の素子は例えば圧電バイモルフにより
構成されており、励振用素子と検出用素子が二組で音叉
を形成する。角速度は、音叉の根元に近い励振用素子に
交流電圧を加えて検出用素子を屈曲振動させ、検出用素
子の面に垂直に加わるコリオリ力を圧電効果を用いて検
出する方式となっている。
Each element is constituted by, for example, a piezoelectric bimorph, and a tuning fork is formed by two sets of an exciting element and a detecting element. The angular velocity is a method in which an AC voltage is applied to an excitation element near the base of the tuning fork to cause the detection element to bend and vibrate, and a Coriolis force applied perpendicular to the surface of the detection element is detected by using a piezoelectric effect.

【0005】さらに近年、単結晶シリコンや水晶などの
素材にマイクロマシニング微細加工技術を適用して形成
した超小型な角速度センサの開発も進められている。
In recent years, the development of ultra-small angular velocity sensors formed by applying micromachining micromachining technology to materials such as single crystal silicon and quartz has been advanced.

【0006】例えば特表平9-511571号公報の「マイクロ
メカニカルのシリコン・オン・ガラス音叉ジャイロスコ
ープの製造方法」、特表平10-267667号公報の「振動構
造ジャイロスコープ」、U.S.Patent 5,392,650 Microma
chined Accelerometer Gyroscope, U.S.Patent 4,750,3
64 Angular Velocity and Acceleration Sensor, U.S.P
atent 5,392,650 Micromachined Accelerometer Gyrosc
ope等にその例が記載されている。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-511571 discloses a "method of manufacturing a micro-mechanical silicon-on-glass tuning fork gyroscope", Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-267667, "Vibrating structure gyroscope", US Patent 5,392,650 Microma
chined Accelerometer Gyroscope, USPatent 4,750,3
64 Angular Velocity and Acceleration Sensor, USP
atent 5,392,650 Micromachined Accelerometer Gyrosc
An example is described in ope and the like.

【0007】自動車用途としてはシャシー系の制御やナ
ビゲーションシステムの方位算出等に用いられるが、検
出されるのはヨー、ロール、ピッチと三種類ある車体の
回転運動の中で、特にヨー方向(鉛直線を中心とする大
地に水平な面内での回転)の角速度(すなわちヨーレー
ト)であることが多い。
For automobile use, it is used for control of a chassis system and calculation of the direction of a navigation system. However, the detected yaw, roll, and pitch are three types of rotational movements of a vehicle body, particularly in the yaw direction (vertical direction). Often, it is the angular velocity (i.e., the yaw rate) of a rotation about a line in a plane horizontal to the ground.

【0008】検出目的は、例えば四輪操舵(4WS)の
様なシャシー制御の場合にはヨーレートを制御システム
側に車両の姿勢情報の一つとしてフィードバックし姿勢
制御性能を向上させることであり、またナビゲーション
システム用の場合にはヨーレートを時間積分することに
よって車両の旋回角度を算出することにある。なお、通
常車載用として使用される角速度センサは廉価版の圧電
振動ジャイロである。また、光ジャイロは高精度車載用
センサとして実用化された例がある。
The purpose of detection is to improve the attitude control performance by feeding back the yaw rate to the control system as one of the attitude information of the vehicle in the case of chassis control such as four-wheel steering (4WS). In the case of a navigation system, the turning angle of the vehicle is calculated by time-integrating the yaw rate. The angular velocity sensor usually used for a vehicle is a low-cost piezoelectric vibrating gyroscope. Further, there is an example in which an optical gyro has been put to practical use as a high-precision in-vehicle sensor.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】車載機器やビデオカメ
ラ・デジタルスチルカメラ等各種民生機器に搭載するに
は電子部品の小型化が常に求められており、そのため加
速度、角速度を計測する慣性センサにもマイクロマシニ
ング微細加工技術を適用することが試みられてきた。
In order to mount electronic components on various consumer devices such as in-vehicle devices, video cameras, digital still cameras, etc., it is always required to reduce the size of electronic components. Therefore, inertial sensors for measuring acceleration and angular velocity are required. Attempts have been made to apply micromachining microfabrication techniques.

【0010】しかしながら、小型化と高感度化/分解能
の確保は相反する課題であり、小型化による感度低下は
大きな課題であった。
However, miniaturization and enhancement of sensitivity / enhancement of resolution are contradictory issues, and reduction in sensitivity due to miniaturization has been a major issue.

【0011】本発明では、上記の様な課題を考慮し、小
型化と感度維持の両立が可能な慣性センサの梁構造を提
供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a beam structure of an inertial sensor capable of achieving both miniaturization and maintaining sensitivity in consideration of the above problems.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、例えば、一個の錘からなる音片型角速度セン
サにおいて、駆動梁は前記錘を駆動方向の一端から支持
する第一の梁部と、反対側の一端から支持する第二の梁
部、さらに前記第一と第二の梁部を連結する第三の連結
部から構成され、第一及び第二の梁部は駆動方向と垂直
な板バネの組み合わせにより駆動方向と垂直な方向に凸
な屈曲部を各々二カ所ずつ有し環状に構成され、かつ第
三の連結部は第一及び第二の梁部の屈曲頭頂部を連結す
ることを特徴とする角速度センサの駆動梁構造である。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention relates to, for example, a sound beam type angular velocity sensor comprising a single weight, wherein a driving beam is a first beam supporting the weight from one end in a driving direction. Part, a second beam portion supported from one end on the opposite side, and further comprises a third connection portion connecting the first and second beam portions, the first and second beam portions are in the drive direction A combination of vertical leaf springs is formed in an annular shape having two bent portions each protruding in the direction perpendicular to the driving direction, and the third connecting portion is formed by bending the top of the first and second beams. A driving beam structure of an angular velocity sensor characterized by being connected.

【0013】また、第二の手段として、例えば、錘と梁
とフレームと電極からなる角速度センサにおいて、錘と
梁とフレームは同一面内に、また電極は錘と相対して平
行に配置され、梁は錘とその周辺部に位置するフレーム
を直線的に結合する複数の板バネからなり、板バネは錘
内の一点とフレームの各部を結ぶ直線と所定の角度を有
し回転対称で複数個配置され、かつ板バネ構成の梁のね
じり振動による錘の電極と垂直な方向への振動モードを
角速度の検出振動に用いることを特徴とする角速度セン
サの梁構造である。
[0013] As a second means, for example, in an angular velocity sensor comprising a weight, a beam, a frame, and an electrode, the weight, the beam, and the frame are arranged in the same plane, and the electrode is arranged in parallel with the weight. The beam is composed of a plurality of leaf springs that linearly couple the weight and a frame located around the weight, and the leaf spring has a predetermined angle with a straight line connecting a point in the weight and each part of the frame, and has a predetermined angle and is rotationally symmetric. A beam structure of an angular velocity sensor, wherein a vibration mode in a direction perpendicular to an electrode of a weight due to torsional vibration of a beam having a leaf spring configuration is used for angular velocity detection vibration.

【0014】さらに第三の手段として、例えば、錘と梁
とフレームと電極からなる加速度センサにおいて、錘と
梁とフレームは同一面内に、また電極は錘と相対して平
行に配置され、梁は錘とその周辺部に位置するフレーム
を直線的に結合する複数の板バネからなり、板バネは錘
内の一点とフレームの各部を結ぶ直線と所定の角度を有
し回転対称で複数個配置され、かつ板バネ構成の梁のね
じり振動による錘の電極と垂直な方向への振動モードを
加速度の検出振動に用いることを特徴とする加速度セン
サの梁構造である。
Further, as a third means, for example, in an acceleration sensor comprising a weight, a beam, a frame, and an electrode, the weight, the beam, and the frame are arranged in the same plane, and the electrode is arranged in parallel with the weight. Is composed of a plurality of leaf springs that linearly couple the weight and a frame located at the periphery thereof. A beam structure of the acceleration sensor, wherein a vibration mode in a direction perpendicular to the electrode of the weight due to torsional vibration of the beam having the leaf spring structure is used for detecting vibration of acceleration.

【0015】第一の手段によれば、駆動梁を環状板バネ
構成とし駆動方向の動きに対する梁の柔らかさを確保し
た上で左右二つの駆動梁を屈曲頭頂部で連結しているた
め、角速度センサの駆動振動の検出振動方向へのぶれを
抑制することができ、角速度の駆動振動誤差に基づく検
出誤差を十分小さくすることが可能になる。
According to the first means, since the driving beam is constituted by an annular leaf spring and the beam is soft against movement in the driving direction and the left and right driving beams are connected at the bent top, the angular velocity is increased. It is possible to suppress the fluctuation of the driving vibration of the sensor in the detection vibration direction, and it is possible to sufficiently reduce the detection error based on the driving vibration error of the angular velocity.

【0016】また、第二及び第三の手段によれば、角速
度・加速度等の慣性力を検出する錘を直線的な板バネの
回転対称複数配置により錘を支持するため、錘を含む面
内での外乱入力に対してバネが非常に硬くなり外乱の影
響を抑制し易くなる。このため、角速度・加速度の検出
誤差を十分に小さくすることが可能になる。
According to the second and third means, the weight for detecting inertial force such as angular velocity and acceleration is supported by a plurality of linearly symmetrically arranged leaf springs in a rotationally symmetric manner. The spring becomes very hard with respect to the disturbance input at step (1), and the influence of the disturbance is easily suppressed. For this reason, it is possible to sufficiently reduce the angular velocity / acceleration detection error.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0018】(実施の形態1)本発明の実施の形態1の
角速度センサのシリコン構造体の概略構成図を図1に、
また電極構造の概略構成図を図2に示す。この実施の形
態1により、角速度センサで直線性の高い大振幅駆動が
可能になるだけでなく、慣性力検出に対する基板面内の
外乱の影響を小さくする角速度センサが実現できる。
Embodiment 1 FIG. 1 is a schematic structural view of a silicon structure of an angular velocity sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of the electrode structure. According to the first embodiment, not only the angular velocity sensor can perform high-amplitude driving with high linearity but also an angular velocity sensor that reduces the influence of disturbance in the substrate surface on inertial force detection can be realized.

【0019】図1(a)において100はSOI基板で
あり、シリコン活性層とSiO2からなる絶縁層、シリ
コン支持層の三層構成をとる。この中で、角速度センサ
構造体作成用に用いるのは活性層であり、例えば、本例
では50μm程度の厚みをもちn形不純物の濃度が高く
抵抗率が低いn+基板で面方位(100)の単結晶シリ
コン層とする。一方、支持層はSOI基板を破損せず取
り扱える最低限の強度を保証する厚さがあれば良く、本
例では400μmの厚みをもつシリコン単結晶層とす
る。また、絶縁層は2μm程度の厚みの酸化膜とする。
In FIG. 1A, an SOI substrate 100 has a three-layer structure of a silicon active layer, an insulating layer made of SiO 2 , and a silicon support layer. Among them, an active layer is used for forming the angular velocity sensor structure. For example, in this example, an n + substrate having a thickness of about 50 μm, a high concentration of n-type impurities and a low resistivity has a plane orientation of (100) Of a single-crystal silicon layer. On the other hand, the support layer only needs to have a thickness that guarantees the minimum strength that can handle the SOI substrate without being damaged. In this example, the support layer is a silicon single crystal layer having a thickness of 400 μm. The insulating layer is an oxide film having a thickness of about 2 μm.

【0020】角速度センサの主要部となるシリコン振動
体は、SOI基板100の中心部にドライエッチング技
術(反応性イオンエッチング、略称RIE)とウェット
結晶異方性エッチング技術(エッチャント:KOH(水
酸化カリウム)/TMAH(水酸化テトラメチルアンモ
ニウム)を併用して形成する。ここで、101が錘、
102a、102b、102c、102dが検出梁、1
03a、103bが駆動部、104a、104b、10
4c、104dが駆動梁、105a、105bが駆動梁
連結部、106a、106bがモニター電極を示してお
り、これらの部位は活性層で形成されるとともに裏面の
絶縁層及び支持層は除去され振動可能な状態に置かれて
いるものとする。
A silicon vibrator serving as a main part of the angular velocity sensor is provided with a dry etching technique (reactive ion etching, abbreviated as RIE) and a wet crystal anisotropic etching technique (etchant: KOH (potassium hydroxide)) at the center of the SOI substrate 100. ) / TMAH (tetramethylammonium hydroxide) ) . Here, 101 is a weight,
102a, 102b, 102c, 102d are detection beams, 1
03a and 103b are driving units, 104a, 104b and 10
Reference numerals 4c and 104d denote driving beams, 105a and 105b denote driving beam connecting portions, and 106a and 106b denote monitor electrodes. These portions are formed of an active layer, and an insulating layer and a supporting layer on a back surface are removed and the portion can be vibrated. It is assumed that it has been placed in an appropriate state.

【0021】111から115が、SOI基板100の
周辺部で構成されるフレームの活性層面に形成されたシ
リコン電極で、111a、111bが駆動電極、112
が検出電極、113及び114aから114dがGND
電極、115a,115bがモニター電極を示す。フレ
ーム部では、裏面のシリコン支持層及び絶縁層は除去さ
れておらず十分な強度を有しており、かつ111から1
15の各電極は各々絶縁されているものとする。なお、
シリコン振動体の駆動梁104はフレーム部のGND電
極114と物理的かつ電気的に連続して繋がっており、
またモニター電極106と115も同様の関係を有す
る。
Reference numerals 111 to 115 denote silicon electrodes formed on the active layer surface of the frame constituted by the periphery of the SOI substrate 100; 111a and 111b denote drive electrodes;
Is the detection electrode, and 113 and 114a to 114d are GND
The electrodes 115a and 115b indicate monitor electrodes. In the frame portion, the silicon support layer and the insulating layer on the back surface have not been removed and have sufficient strength.
It is assumed that each of the 15 electrodes is insulated. In addition,
The driving beam 104 of the silicon vibrator is physically and electrically continuously connected to the GND electrode 114 of the frame portion.
The monitor electrodes 106 and 115 have the same relationship.

【0022】ところで、シリコン振動体はフレーム部上
のシリコン電極群よりも表面が低くなっている。これ
は、振動体が電極にあたらず自由な状態で振動できるた
めの処置であり、通常2から5μm程度のギャップ間隔
でウェットエッチング手法で形成している。なお、この
エッチングギャップはガラス上の金属電極とシリコンと
のギャップ量を決めている。
The surface of the silicon vibrator is lower than the surface of the silicon electrode group on the frame portion. This is a measure for allowing the vibrating body to vibrate in a free state without hitting the electrode, and is usually formed by a wet etching method with a gap interval of about 2 to 5 μm. The etching gap determines the gap between the metal electrode on the glass and silicon.

【0023】また、振動体自体はRIEにより垂直異方
性を有して加工されるので、側面は全て基板に垂直な面
から構成される。よって、検出梁102及び駆動梁10
4は基板面に垂直な板バネの複合により形成されること
になる。検出梁は、渦巻型に配置された四本の板バネの
複合体で形成されており、全ての梁がねじれ振動を起こ
して錘101が基板に垂直な方向に振動する様に動作す
る。
Further, since the vibrating body itself is processed by RIE so as to have a perpendicular anisotropy, all side surfaces are constituted by surfaces perpendicular to the substrate. Therefore, the detection beam 102 and the driving beam 10
4 is formed by a combination of leaf springs perpendicular to the substrate surface. The detection beam is formed of a composite of four leaf springs arranged in a spiral shape, and operates so that all beams generate torsional vibration and the weight 101 vibrates in a direction perpendicular to the substrate.

【0024】また、駆動梁104は左右で各々四本の板
バネにより環状構成をとっているが、各々の頭頂部で駆
動梁連結部105により連結されて一体構成をとってい
る。このため、低次振動モードでは駆動梁頭頂部の間隔
が制限されるため左右方向への駆動振動振動モードだけ
が残る。駆動部103は、一定間隔で長方形断面を持つ
梁が駆動方向に並ぶ構成になっており、後で述べる駆動
電極と組になりシリコン振動体を左右に駆動する働きを
有する。
The drive beam 104 has an annular configuration with four leaf springs on the left and right sides, respectively, and is integrated by a drive beam connection portion 105 at the top of each head. For this reason, in the low-order vibration mode, the distance between the tops of the driving beams is limited, so that only the left-right driving vibration mode remains. The driving section 103 has a configuration in which beams having a rectangular cross section are arranged at regular intervals in the driving direction, and has a function of driving the silicon vibrator to the left and right in pairs with driving electrodes described later.

【0025】次に、図2はガラス基板上に形成された金
属電極パターンを示しているが、金属電極は4種類あ
り、201a,201bが駆動電極、202が検出電
極、203がGND電極であり、ここではシリコンと熱
膨張率が非常に近いガラス(例えばコーニング社のホウ
ケイ酸ガラス、パイレックス(登録商標)#7740)
上にAu/Crスパッタ膜で形成している。そのスパッ
タ膜を、Au/Cr各々のエッチャントでエッチングす
ることで所望の形状をパターニングしている。
FIG. 2 shows a metal electrode pattern formed on a glass substrate. There are four types of metal electrodes, 201a and 201b are drive electrodes, 202 is a detection electrode, and 203 is a GND electrode. Here, glass having a coefficient of thermal expansion very similar to that of silicon (for example, borosilicate glass from Corning, Pyrex (registered trademark) # 7740)
An Au / Cr sputtered film is formed thereon. A desired shape is patterned by etching the sputtered film with an etchant of Au / Cr.

【0026】ここで、図3にガラス側からみた角速度セ
ンササンプルの構造を示す。図3において、301はガ
ラス基板、302がSOI基板、303がアルミ電極を
示す。ガラス基板301は、SOI基板302の活性層
に形成されたシリコン振動体を覆うだけでなく、陽極接
合によって図2に示したガラス電極をフレーム部のシリ
コン電極に挟み込む役目も担っている。最後に、各シリ
コン電極上に形成されるアルミ電極303はボンディン
グによる配線工程のために形成してある。
FIG. 3 shows the structure of the angular velocity sensor sample as viewed from the glass side. 3, reference numeral 301 denotes a glass substrate, 302 denotes an SOI substrate, and 303 denotes an aluminum electrode. The glass substrate 301 not only covers the silicon vibrator formed on the active layer of the SOI substrate 302, but also has a role of sandwiching the glass electrode shown in FIG. 2 between the silicon electrodes of the frame portion by anodic bonding. Finally, an aluminum electrode 303 formed on each silicon electrode is formed for a wiring process by bonding.

【0027】以上の様に構成された本実施の形態の角速
度センサの製作プロセスについて、再度簡単に説明す
る。
The manufacturing process of the angular velocity sensor according to the present embodiment configured as described above will be briefly described again.

【0028】まず、シリコンプロセスでは酸化膜を形成
し、シリコン活性層側にフォトリソグラフィ技術を用い
てギャップ形成用酸化膜マスクを形成して、所定の深さ
までウェットエッチングを行う。次に、SOI基板の裏
面からRIE加工を行う。このとき、マスクには粘度が
高い厚いレジストを用いても良いし、酸化膜をマスクに
しても良いが、どちらの場合もエッチング面からは酸化
膜を除去する必要がある。その後で、露出した絶縁層及
び活性層表面の酸化膜を弗酸もしくはバッファード弗酸
を用いて除去した後、表面にレジストで振動体及びシリ
コン電極形成用のマスクを形成し、RIE加工で振動体
等を形成する。なお、RIE加工にはSF6等のガスを
用いており、エッチングレートは2〜4μm/min.
程度の値となる。
First, in the silicon process, an oxide film is formed, an oxide film mask for forming a gap is formed on the silicon active layer side using photolithography, and wet etching is performed to a predetermined depth. Next, RIE processing is performed from the back surface of the SOI substrate. At this time, a thick resist having a high viscosity may be used as the mask, or an oxide film may be used as a mask. In either case, it is necessary to remove the oxide film from the etched surface. Then, after removing the exposed oxide film on the surface of the insulating layer and the active layer using hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid, a vibrator and a mask for forming a silicon electrode are formed on the surface with a resist, and vibrating by RIE processing. Form a body and the like. Note that a gas such as SF6 is used for the RIE processing, and the etching rate is 2 to 4 μm / min.
Value of the order.

【0029】振動体・電極などの形成が終了すれば、ス
テンシルマスクを用いてアルミ電極を形成する。これ
で、SOI基板側の加工が終了する。
After the formation of the vibrator and the electrodes is completed, an aluminum electrode is formed using a stencil mask. This completes the processing on the SOI substrate side.

【0030】ガラスプロセスでは、まずガラス基板上に
Au/Cr膜をスパッタで形成する。なお、電極材料は
陽極接合温度まで耐えられ、かつシリコン層との接触抵
抗を考慮して選んであり、Pt/Tiでも良いし、他の
組成であっても何ら問題ない。電極のパターンニングは
リフトオフでもエッチングでも良いが、本例ではエッチ
ングによる手法を採用するものとする。この場合、電極
形状をレジストでパターンニングした後、表面のAu膜
・Cr膜と順次エッチングを進めパターンを作成してゆ
くことになる。
In the glass process, first, an Au / Cr film is formed on a glass substrate by sputtering. In addition, the electrode material is selected in consideration of the contact resistance with the silicon layer, which can withstand the anodic bonding temperature, and may be Pt / Ti or other composition without any problem. The patterning of the electrode may be lift-off or etching, but in this example, a technique by etching is adopted. In this case, after patterning the electrode shape with a resist, the Au film and the Cr film on the surface are sequentially etched to form a pattern.

【0031】最後に、ガラスとSOI基板を陽極接合で
接合することで、角速度センサ構造体は完成する。
Finally, the angular velocity sensor structure is completed by bonding the glass and the SOI substrate by anodic bonding.

【0032】以上の様に構成された本実施の形態の角速
度センサについて、以下にその動作原理を簡単に説明す
る。
The operation principle of the angular velocity sensor according to the present embodiment configured as described above will be briefly described below.

【0033】本実施の形態で説明する角速度センサの駆
動方法は、U.S.Patent 4,750,364 Angular Velocity an
d Acceleration Sensor, U.S.Patent 5,392,650 Microm
achined Accelerometer Gyroscope等に示された、シリ
コン基板と平行な電極を振動体のエッジ部を跨ぐように
配置し、共振のQファクタを利用しながら静電気力で振
動体を電極に平行に駆動する手法の一例である。便宜
上、以下では本駆動方式を平行平板静電駆動と呼ぶもの
とする。通常、エッジだけでは錘を十分に駆動すること
が難しいため、U.S.Patent 5,392,650で示される様に駆
動力を生み出すエッジ部を錘の一部に貫通部とか穴部を
形成することで増やし、そのエッジ部も駆動に利用して
駆動力を稼いでいる。
The driving method of the angular velocity sensor described in the present embodiment is described in US Pat. No. 4,750,364 Angular Velocity an
d Acceleration Sensor, USPatent 5,392,650 Microm
achined Accelerometer A method of driving the vibrator parallel to the electrodes by electrostatic force while using the Q factor of the resonance by arranging electrodes parallel to the silicon substrate so as to straddle the edge of the vibrator as shown in Gyroscope etc. This is an example. For convenience, this driving method is hereinafter referred to as parallel plate electrostatic driving. Normally, it is difficult to drive the weight sufficiently with the edge alone.Therefore, as shown in US Patent 5,392,650, the number of edges that generate driving force is increased by forming a penetrating portion or hole in a part of the weight, and the edge portion is increased. It is also used for driving to earn the driving force.

【0034】また、この他に平行平板静電駆動方式のも
のとして、長尾他「シリコン振動型角速度センサ(日本
電気学会論文誌E 118巻3号)」とか特願平11−
367645等で示される様にシリコン振動体と片側の
電極だけで駆動を行う例もある(以後、片側平行平板静
電駆動と呼称する)。
In addition, as a parallel plate electrostatic drive type, Nagao et al., "Silicon Vibration Type Angular Velocity Sensor (IEEJ Transactions No. E, Vol. 118, No. 3)" or Japanese Patent Application No. Hei 11-113, No.
There is also an example in which the driving is performed only by the silicon vibrating body and the electrode on one side as shown by 367645 (hereinafter, referred to as a one-sided parallel plate electrostatic drive).

【0035】図2に示す電極とシリコン振動体の関係
を、基板表面に垂直で駆動方向を含む面内の断面でモデ
ル化した様子を図4に示す。結局、振動体の駆動に左右
駆動部の梁のエッジを覆うように設置された駆動電極に
駆動電圧を印加することで行い、コリオリ力の検出は錘
と検出電極との微小容量変化により行っていることにな
る。図4からもわかるように、駆動振動の直線性は重要
であり、検出方向へのぶれは即座にノイズの増加/感度
低下に直結することになる。
FIG. 4 shows a model of the relationship between the electrodes and the silicon vibrator shown in FIG. 2 in a section in a plane perpendicular to the substrate surface and including the driving direction. Eventually, the driving of the vibrator is performed by applying a driving voltage to the driving electrodes installed so as to cover the edges of the beams of the left and right driving units, and the Coriolis force is detected by a minute change in the capacitance between the weight and the detecting electrode. Will be. As can be seen from FIG. 4, the linearity of the driving vibration is important, and the fluctuation in the detection direction immediately leads to an increase in noise / a decrease in sensitivity.

【0036】角速度センサ用の駆動梁としては、色々な
形状が報告されている。特に重要なのは線形大振幅駆動
が可能という点であり、そのため直線的な一本の板バネ
で振動体を支持するのではなく、よりフレキシビリティ
を持たせるためほとんどの場合屈曲部を導入している。
図5(c)の様な形状がその代表である。
Various shapes have been reported for the drive beam for the angular velocity sensor. What is particularly important is that linear large-amplitude drive is possible, so instead of supporting the vibrating body with a single linear leaf spring, a bent part is introduced in most cases for more flexibility. .
The shape as shown in FIG. 5C is a typical example.

【0037】図5は、中心錘周辺固定タイプの音片型角
速度センサ用振動体の構造の中で駆動梁部のみ抜き出し
表示をしたものであり、(c)では錘を左右両端から支
持する従来型の両端支持駆動梁方式で、特に各々の梁を
環状複合板バネで形成することで駆動方向(この場合は
左右方向)に対する駆動梁としての柔らかさを確保して
いる。この構造でも大振幅駆動は可能であるが、ともす
れば比較的低い共振周波数に低次の梁回転モードやねじ
れ振動モードが現れやすくなり、大振幅駆動時に振動の
直線性が確保できないことがあった。
FIG. 5 shows a structure in which a driving beam portion is extracted and displayed only in the structure of a vibrating body for a sound piece type angular velocity sensor of a fixed type around a center weight, and FIG. Driving beams are used at both ends of the mold. In particular, each beam is formed of an annular composite leaf spring to ensure the softness of the driving beam in the driving direction (in this case, the left-right direction). Although large-amplitude driving is possible with this structure, low-order beam rotation modes and torsional vibration modes tend to appear at relatively low resonance frequencies, and linearity of vibration cannot be ensured during large-amplitude driving. Was.

【0038】この課題に対し、本実施の形態では左右の
駆動梁の屈曲頭頂部を板バネ形式の硬い梁で連結する対
策をとる。図5(a)、(b)はその例であり、図5
(a)では、図5(c)の左右の環状複合板バネの屈曲
頭頂部をねじれ剛性の高い断面直方体の直線的な梁で結
合する構造をとる。また図5(b)では、図5(a)の
連結部を複合板バネ構造に置き換えることで、ねじれ剛
性を保持したまま連結部の質量を低減しており、駆動に
直接寄与しない無効質量の低減を計っている。これらの
手法により、駆動梁のねじれに対する強度が増加し、か
つ駆動振動モードには何ら影響を与えずに不要振動を高
次に追いやることができ容易に除去可能となる。
In order to solve this problem, the present embodiment takes measures to connect the bent tops of the left and right drive beams with hard beams of a leaf spring type. FIGS. 5A and 5B are examples of such a case.
FIG. 5A shows a structure in which the bent tops of the left and right annular composite leaf springs shown in FIG. 5C are connected by linear beams having a rectangular parallelepiped section having high torsional rigidity. In FIG. 5B, the mass of the coupling portion is reduced while maintaining the torsional rigidity by replacing the coupling portion of FIG. 5A with a composite leaf spring structure, and the ineffective mass that does not directly contribute to driving is reduced. We are trying to reduce it. By these methods, the strength of the drive beam against torsion is increased, and unnecessary vibrations can be driven to a higher order without affecting the drive vibration mode, and can be easily removed.

【0039】また、検出梁の構成も色々なものが報告さ
れているが、基本的には板バネの屈曲振動を利用するも
のが大変多い。このとき、基板に平行な板バネを用いれ
ば、基板面内の外乱に対して強くなるが、梁をRIEで
一括加工できないためプロセスコストがかさむ。また、
基板に垂直な板バネを用いる基板面内方向の外乱に弱い
という課題を有していた。
Although various configurations of the detection beam have been reported, basically, many of them utilize the bending vibration of a leaf spring. At this time, if a plate spring parallel to the substrate is used, it is strong against disturbance in the substrate plane, but the process cost increases because the beams cannot be processed by RIE at once. Also,
There has been a problem that it is weak against disturbance in the in-plane direction of the substrate using a leaf spring perpendicular to the substrate.

【0040】この課題に対して、本実施の形態では基板
に垂直な板バネを錘に対して回転対称で配置し、各梁の
ねじれ振動で基板面内に垂直な角速度を検出する対策を
とる。図1(a)は、90度単位で回転対称な場合の一
例である。この手法をとれば、角速度検出方向の振動モ
ードは確保した上で、基板面に平行な方向の外乱に対し
て錘が動く振動モードは低次共振では存在せず非常に硬
いバネ性を有する。そのため外乱に対する感度が著しく
押さえられる。
To cope with this problem, in the present embodiment, a leaf spring perpendicular to the substrate is arranged rotationally symmetrically with respect to the weight, and a measure is taken to detect the angular velocity perpendicular to the substrate surface by the torsional vibration of each beam. . FIG. 1A shows an example of a case where the image is rotationally symmetric in units of 90 degrees. According to this method, a vibration mode in the angular velocity detection direction is secured, and a vibration mode in which the weight moves in response to a disturbance in a direction parallel to the substrate surface does not exist in low-order resonance and has a very hard spring property. Therefore, the sensitivity to disturbance is remarkably suppressed.

【0041】なお、図1(b)が45度単位で回転対称
に8本の梁を配置した場合を示しているが、梁の本数を
増やすほど外乱に対する強度は強くなる。それから、梁
は直線的な板バネでなくてもよく、その場合は図1
(b)の錘と検出梁が図6(b)の様になる。また、錘
の形状は角速度検出軸に対して回転対称であれば良く、
検出軸に垂直な断面では図1(b)の様に円形でも良い
し、図6(a)の様に多角形であっても良い。
FIG. 1B shows a case in which eight beams are arranged rotationally symmetrically in units of 45 degrees, but the strength against disturbance increases as the number of beams increases. Then, the beam does not have to be a straight leaf spring, in which case FIG.
The weight and the detection beam in (b) are as shown in FIG. Also, the shape of the weight only needs to be rotationally symmetric with respect to the angular velocity detection axis,
The cross section perpendicular to the detection axis may be circular as shown in FIG. 1B or polygonal as shown in FIG.

【0042】さらに、加速度センサでも同様のことが成
り立ち、基板に垂直な方向の加速度を検出する加速度セ
ンサで板バネを渦巻き状に回転対称配置することで、検
出軸以外の加速度感度を低減することが可能になる。
Further, the same holds true for an acceleration sensor, and the acceleration sensor for detecting acceleration in a direction perpendicular to the substrate is arranged in a spirally rotationally symmetric manner with a leaf spring to reduce the acceleration sensitivity other than the detection axis. Becomes possible.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上説明した様に本発明によれば、振動
型角速度センサにおいて、駆動振動の検出方向へのぶれ
を押さえることができ、振動ぶれによる誤差を低減して
S/N比を向上させることができる。また、角速度及び
加速度の検出方向に垂直な面内の外乱に対する変動を著
しく抑制できるため、これも感度安定性に著しく寄与す
る。よって、その実用的効果は大きい。
As described above, according to the present invention, in the vibration type angular velocity sensor, it is possible to suppress the vibration in the detection direction of the driving vibration, reduce the error due to the vibration, and improve the S / N ratio. Can be done. Further, since fluctuations in disturbances in a plane perpendicular to the detection directions of the angular velocity and the acceleration can be significantly suppressed, this also significantly contributes to sensitivity stability. Therefore, the practical effect is great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)本発明の実施の形態1の角速度センサの
シリコン基板の概略構成図 (b)45度単位で回転対称に8本の梁を配置した場合
の概略構成図
FIG. 1A is a schematic configuration diagram of a silicon substrate of an angular velocity sensor according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1B is a schematic configuration diagram in a case where eight beams are arranged rotationally symmetrically in units of 45 degrees.

【図2】本発明の実施の形態1の角速度センサの電極構
造の概略構成図
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an electrode structure of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の形態1の角速度センサのガラス
基板側からみた全体構成図
FIG. 3 is an overall configuration diagram of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention as viewed from the glass substrate side;

【図4】本発明の実施の形態1の角速度センサの駆動検
出方法の説明図
FIG. 4 is an explanatory diagram of a drive detection method of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図5】(a)〜(c)は、本発明の実施の形態1の角
速度センサと従来例の駆動梁の構成比較図
5A to 5C are configuration comparison diagrams of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention and a driving beam according to a conventional example.

【図6】(a)、(b)は本発明の実施の形態1の角速
度センサの錘と検出梁の構成例の概略説明図
FIGS. 6A and 6B are schematic explanatory diagrams of a configuration example of a weight and a detection beam of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図7】従来例の音叉形振動ジャイロの振動体の概略構
成図
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a vibrating body of a conventional tuning-fork type vibrating gyroscope.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100,302 シリコン基板 101 錘 102a,102b,102c,102d 検出梁 103a,103b,802 駆動部 104a,104b,104c,104d 駆動梁 105a,105b 駆動梁連結部 106a,106b,115a,115b モニター電
極 111a,111b,201a,201b 駆動電極 112,202 検出電極 113,114a,114b,114c,114d,2
03 GND電極 301 ガラス基板 303 アルミ電極 701,702 検出用素子 703,704 励振用素子
100, 302 Silicon substrate 101 Weights 102a, 102b, 102c, 102d Detection beams 103a, 103b, 802 Driving units 104a, 104b, 104c, 104d Driving beams 105a, 105b Driving beam coupling units 106a, 106b, 115a, 115b Monitor electrodes 111a, 111b, 201a, 201b Driving electrodes 112, 202 Detection electrodes 113, 114a, 114b, 114c, 114d, 2
03 GND electrode 301 Glass substrate 303 Aluminum electrode 701, 702 Detection element 703, 704 Excitation element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F105 AA02 BB02 BB13 CC01 CD02 CD06 4M112 AA02 BA07 CA24 CA26 DA03 DA04 DA09 DA18 EA03 EA06 EA13  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2F105 AA02 BB02 BB13 CC01 CD02 CD06 4M112 AA02 BA07 CA24 CA26 DA03 DA04 DA09 DA18 EA03 EA06 EA13

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一個の錘からなる音片型角速度センサに
おいて、 駆動梁は前記錘を駆動方向の一端から支持する第一の梁
部と、反対側の一端から支持する第二の梁部、さらに前
記第一と第二の梁部を連結する第三の連結部から構成さ
れ、 前記第一及び第二の梁部は駆動方向と垂直な板バネの組
み合わせにより駆動方向と垂直な方向に凸な屈曲部を各
々二カ所ずつ有し環状に構成され、かつ前記第三の連結
部は前記第一及び第二の梁部の屈曲頭頂部を連結するこ
とを特徴とする角速度センサの駆動梁構造。
1. A resonating angular velocity sensor comprising a single weight, wherein the driving beam has a first beam supporting the weight from one end in a driving direction, a second beam supporting the weight from an opposite end, Further, the first and second beam portions are configured by a third connecting portion that connects the first and second beam portions, and the first and second beam portions are projected in a direction perpendicular to the driving direction by a combination of leaf springs perpendicular to the driving direction. A driving beam structure for an angular velocity sensor, wherein the driving beam structure is formed in an annular shape having two bent portions each, and the third connecting portion connects the bent top portions of the first and second beam portions. .
【請求項2】 錘と梁とフレームと電極からなる角速度
センサにおいて、 前記錘と前記梁と前記フレームは同一面内に、また前記
電極は前記錘と相対して平行に配置され、 前記梁は前記錘とその周辺部に位置するフレームを直線
的に結合する複数の板バネからなり、前記板バネは前記
錘内の一点と前記フレームの各部を結ぶ直線と所定の角
度を有し回転対称で複数個配置され、 かつ板バネ構成の前記梁のねじり振動による前記錘の前
記電極と垂直な方向への振動モードを角速度の検出振動
に用いることを特徴とする角速度センサの梁構造。
2. An angular velocity sensor comprising a weight, a beam, a frame, and an electrode, wherein the weight, the beam, and the frame are arranged in the same plane, and the electrode is arranged parallel to the weight. It consists of a plurality of leaf springs that linearly couple the weight and a frame located at the periphery thereof, and the leaf spring has a predetermined angle with a straight line connecting a point in the weight and each part of the frame and is rotationally symmetric. A beam structure for an angular velocity sensor, wherein a plurality of vibration modes in a direction perpendicular to the electrode of the weight due to torsional vibration of the beam having a leaf spring configuration are used for angular velocity detection vibration.
【請求項3】 梁は錘とその周辺部に位置するフレーム
を曲線的に結合する板バネからなり、前記板バネは前記
錘内の一点に関して回転対称で複数個配置され、かつ板
バネ構成の前記梁のねじり振動による前記錘の前記電極
と垂直な方向への振動モードを角速度の検出振動に用い
ることを特徴とする請求項2記載の角速度センサの梁構
造。
3. The beam is composed of a leaf spring that curvesly connects a weight and a frame located around the weight, wherein a plurality of the leaf springs are arranged rotationally symmetrically with respect to one point in the weight. The beam structure of the angular velocity sensor according to claim 2, wherein a vibration mode of the weight in a direction perpendicular to the electrode due to torsional vibration of the beam is used for angular velocity detection vibration.
【請求項4】 錘と梁とフレームと電極からなる加速度
センサにおいて、 前記錘と前記梁と前記フレームは同一面内に、また前記
電極は前記錘と相対して平行に配置され、 前記梁は前記錘とその周辺部に位置するフレームを直線
的に結合する複数の板バネからなり、前記板バネは前記
錘内の一点と前記フレームの各部を結ぶ直線と所定の角
度を有し回転対称で複数個配置され、 かつ板バネ構成の前記梁のねじり振動による前記錘の前
記電極と垂直な方向への振動モードを加速度の検出振動
に用いることを特徴とする加速度センサの梁構造。
4. An acceleration sensor comprising a weight, a beam, a frame, and an electrode, wherein the weight, the beam, and the frame are arranged in the same plane, and the electrode is arranged in parallel with the weight, and the beam is It consists of a plurality of leaf springs that linearly couple the weight and a frame located at the periphery thereof, and the leaf spring has a predetermined angle with a straight line connecting a point in the weight and each part of the frame and is rotationally symmetric. A beam structure of an acceleration sensor, wherein a plurality of vibration modes in a direction perpendicular to the electrode of the weight due to torsional vibration of the beam having a leaf spring configuration are used for acceleration detection vibration.
【請求項5】 梁は錘とその周辺部に位置するフレーム
を曲線的に結合する板バネからなり、前記板バネは前記
錘内の一点に関して回転対称で複数個配置され、かつ板
バネ構成の前記梁のねじり振動による前記錘の前記電極
と垂直な方向への振動モードを加速度の検出振動に用い
ることを特徴とする請求項4記載の加速度センサの梁構
造。
5. The beam is composed of a leaf spring for curvilinearly connecting a weight and a frame located at the periphery thereof, wherein a plurality of said leaf springs are arranged rotationally symmetrically with respect to one point in said weight, and have a leaf spring configuration. The beam structure of an acceleration sensor according to claim 4, wherein a vibration mode of the weight in a direction perpendicular to the electrode due to torsional vibration of the beam is used for acceleration detection vibration.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2004012326A (en) * 2002-06-07 2004-01-15 Hiroaki Niitsuma Physical quantity detector and its manufacturing method
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