JP2005055377A - Speed detection system - Google Patents

Speed detection system Download PDF

Info

Publication number
JP2005055377A
JP2005055377A JP2003288415A JP2003288415A JP2005055377A JP 2005055377 A JP2005055377 A JP 2005055377A JP 2003288415 A JP2003288415 A JP 2003288415A JP 2003288415 A JP2003288415 A JP 2003288415A JP 2005055377 A JP2005055377 A JP 2005055377A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
axis
vibration
speed detection
vibrating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Abandoned
Application number
JP2003288415A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Kinoshita
隆 木下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2003288415A priority Critical patent/JP2005055377A/en
Publication of JP2005055377A publication Critical patent/JP2005055377A/en
Abandoned legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a speed detection device capable of miniaturizing the occupancy area of the speed detection device for detecting two axial angular velocity. <P>SOLUTION: A 1st vibration electrode 3 and a 2nd vibration electrode 4 arranged along the normal line of the device substrate (Z axis) are vibrated mutually in reverse phase in a direction of Z axis, while being supported on the device substrate displaceably in X axis and Y axis directions. At the same height in Z axis of the 1st vibration electrode 3 and in a positive X axis direction, a 1st X axis electrode 5 is arranged, and in a positive Y direction, a 1st Y axis electrode 7 is arranged. At the same height in Z axis of the 2nd vibration electrode 4 and in the negative X axis direction, a 2nd X axis electrode 6 is arranged, and in the negative Y direction, a 2nd Y axis electrode 8 is arranged. The force acting in the X axis direction is detected from the capacitance between the 1st vibration electrode 3 to the 1st X axis electrode 5, and the capacitance between the 2nd vibration electrode 4 to the 2nd X axis electrode 6. The force acting in Y axis direction is detected from the capacitance between the 1st vibration electrode 3 to the 1st Y axis electrode 7, and the capacitance between the 2nd vibration electrode 4 to the 2nd Y axis electrode 8. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は速度検出装置に関し、特には振動ジャイロを用いた速度検出装置に関する。   The present invention relates to a speed detection device, and more particularly to a speed detection device using a vibration gyro.

カーナビゲーションシステムにおける車両の姿勢制御や進行方向の算出、さらにはハンディカメラにおける手ぶれ防止などには、加速度および角速度を検出する速度検出装置が用いられている。この速度検出装置には、内部雑音や不規則に加わる加速度などの環境擾乱に左右されずに、安定して角速度成分または加速度成分のみを分離検出することが望まれている。   A speed detection device that detects acceleration and angular velocity is used for controlling the posture of a vehicle in a car navigation system, calculating a traveling direction, and preventing camera shake in a handy camera. This speed detection device is desired to stably detect and detect only the angular velocity component or the acceleration component without being affected by environmental disturbances such as internal noise and irregular acceleration.

このような速度検出装置には様々な種類が有るが、マイクロマシン技術を適用した超小型の速度検出装置には振動ジャイロが用いられている。振動ジャイロを用いた速度検出装置は、振動体と、振動体を電気的に振動させる駆動電極部と、振動体の変位を静電的に検出する一対の検出電極部とを備えている。これらの検出電極部は、振動体の振動方向に対して所定方向から当該振動体を挟んで配置され、検出電極部からは、互いに180°位相の異なる2つの信号が出力される構成となっている。   There are various types of such speed detection devices, and a vibrating gyroscope is used for an ultra-compact speed detection device to which micromachine technology is applied. A speed detection device using a vibrating gyroscope includes a vibrating body, a drive electrode unit that electrically vibrates the vibrating body, and a pair of detection electrode units that electrostatically detect displacement of the vibrating body. These detection electrode portions are arranged with the vibrating body sandwiched from a predetermined direction with respect to the vibration direction of the vibrating body, and the detection electrode portion outputs two signals that are 180 ° out of phase with each other. Yes.

このような構成の速度検出装置においては、駆動電極部に駆動回路から一定の周波数および一定の振幅を有する駆動信号を加えることで、振動体に駆動力Feを与えて固有の振動周波数で機械振動させておく。この状態において、振動体に加速度または角速度が与えられると、振動体が変位し、検出電極部に静電容量の変化が現れる。この際、加速度が与えられたの場合は、振動体は加速力Fkの方向に変位するため、駆動力Feと加速力Fkとを合成した振動ベクトルで振動する。一方、角速度が与えられた場合は、振動体はコリオリ力Fcの生じた方向に変位するため、駆動力Feとコリオリ力Fcとを合成した振動ベクトルで振動する。そして、加速度と角速度が同時に発生した場合には、これらの合成ベクトル振動となる。   In the speed detection device having such a configuration, by applying a driving signal having a constant frequency and a constant amplitude from the driving circuit to the driving electrode unit, a driving force Fe is applied to the vibrating body to cause mechanical vibration at a specific vibration frequency. Let me. In this state, when acceleration or angular velocity is applied to the vibrating body, the vibrating body is displaced, and a change in capacitance appears in the detection electrode portion. At this time, when acceleration is given, the vibrating body is displaced in the direction of the acceleration force Fk, and therefore vibrates with a vibration vector obtained by combining the driving force Fe and the acceleration force Fk. On the other hand, when the angular velocity is given, the vibrating body is displaced in the direction in which the Coriolis force Fc is generated, and thus vibrates with a vibration vector obtained by combining the driving force Fe and the Coriolis force Fc. When acceleration and angular velocity occur simultaneously, these combined vector vibrations are obtained.

このため、この検出電極部には、振動体に作用する加速度により発生する信号成分を除去する加速度信号成分除去回路を設けることにより、角速度による信号成分のみが検出される構成となっている(以上、下記特許文献1参照)。   For this reason, the detection electrode unit is provided with an acceleration signal component removal circuit that removes a signal component generated by the acceleration acting on the vibrating body, so that only the signal component due to the angular velocity is detected. , See Patent Document 1 below).

特開2001−183137号公報(図1、図6、第2頁−第4頁参照)Japanese Patent Laid-Open No. 2001-183137 (see FIGS. 1 and 6, pages 2 to 4)

しかしながら、上述した構成の速度検出装置においては、検出電極部が配置されている軸方向に対応する方向の角速度成分のみが検出されるため、2軸の角速度を検出するためには、検出電極部の配置方向が異なる2つの速度電出装置を、同一の装置基板上に配置しなければならない。したがって、速度検出装置の占有面積が増大し、当該速度検出装置が設けられるハンディカメラなどの携帯機器のさらなる小型化が妨げられている。また、角速度と加速度とを分離するための分離回路を設けていることも、速度検出装置の専有面積を増大させる要因となっている。   However, in the velocity detection device having the above-described configuration, only the angular velocity component in the direction corresponding to the axial direction in which the detection electrode unit is disposed is detected. Therefore, in order to detect the biaxial angular velocity, the detection electrode unit Two velocity output devices with different arrangement directions must be arranged on the same device substrate. Therefore, the area occupied by the speed detection device is increased, and further miniaturization of a portable device such as a handy camera provided with the speed detection device is prevented. Also, the provision of a separation circuit for separating the angular velocity and the acceleration is a factor that increases the area occupied by the velocity detection device.

そこで本発明は、2軸の角速度を検出する速度検出装置において、専有面積の縮小化が可能な速度検出装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a speed detection device capable of reducing the area occupied by a speed detection device that detects a biaxial angular velocity.

このような目的を達成するための本発明の速度検出装置は、第1振動電極および第2振動電極と、第1検出電極と、第2検出電極とを備えている。このうち、第1振動電極および第2振動電極は、装置基板の法線となる第1の軸に沿って当該装置基板の上方に配置されている。これらの第1振動電極および第2振動電極は、互いに逆位相で当該第1の軸方向に振動すると共に、当該第1の軸と直交する第2の軸方向に変位可能な状態で当該装置基板に支持されている。また、第1検出電極は、第1振動電極と第1の軸上における同一高さで、かつ当該第1振動電極との間に所定間隔を保った状態で、前記第2の軸の正方向に配置されている。一方、第2検出電極は、第2振動電極と第1の軸上における同一高さで、かつ当該第2振動電極との間に所定間隔を保った状態で、前記第2の軸の負方向に配置されている。このような配置状態において、第1振動電極−第1検出電極間の静電容量と、第2振動電極−第2検出電極間の静電容量とによって、第2の軸方向に加わる力を検出する構成となっている。   In order to achieve such an object, the speed detection device of the present invention includes a first vibration electrode, a second vibration electrode, a first detection electrode, and a second detection electrode. Among these, the first vibration electrode and the second vibration electrode are disposed above the device substrate along a first axis that is a normal line of the device substrate. The first vibration electrode and the second vibration electrode vibrate in the first axial direction in opposite phases and are displaceable in the second axial direction orthogonal to the first axis. It is supported by. The first detection electrode has the same height as the first vibration electrode and the first axis, and a predetermined distance between the first detection electrode and the first vibration electrode. Is arranged. On the other hand, the second detection electrode has the same height on the first axis as that of the second vibration electrode and a predetermined interval between the second vibration electrode and the negative direction of the second axis. Is arranged. In such an arrangement state, the force applied in the second axial direction is detected by the capacitance between the first vibration electrode and the first detection electrode and the capacitance between the second vibration electrode and the second detection electrode. It is the composition to do.

このような構成の速度検出装置では、互いに逆位相で第1の軸方向に振動する第1振動電極と第2振動電極とに、当該第1の軸方と直交する第2の軸方向の力が加わった場合、この力が加速度であれば第1振動電極および第2振動電極は第2の軸の同一方向に同一の大きさで変位する。このため、第1振動電極−第1検出電極間の静電容量と、第2振動電極−第2検出電極間の静電容量とを直列で合成した合成容量が変化することはない。   In the speed detection device having such a configuration, a force in the second axial direction orthogonal to the first axial direction is applied to the first vibrating electrode and the second vibrating electrode that vibrate in the first axial direction in opposite phases to each other. If the force is acceleration, the first vibrating electrode and the second vibrating electrode are displaced with the same magnitude in the same direction of the second axis. Therefore, the combined capacitance obtained by combining the capacitance between the first vibrating electrode and the first detection electrode and the capacitance between the second vibrating electrode and the second detection electrode in series does not change.

これに対して、第1の軸方と直交する第2の軸方向に加わった力が角速度によるコリオリ力であれば、第1振動電極および第2振動電極は第2の軸の反対方向に同一の大きさで変位する。このため、第1振動電極−第1検出電極間の静電容量と、第2振動電極−第2検出電極間の静電容量とを直列で合成した合成容量は、第1振動電極および第2振動電極の変位に応じて変化する。   On the other hand, if the force applied in the second axial direction orthogonal to the first axial direction is the Coriolis force due to the angular velocity, the first vibrating electrode and the second vibrating electrode are the same in the opposite direction of the second axis. Displace with the size of. Therefore, the combined capacitance obtained by combining the capacitance between the first vibration electrode and the first detection electrode and the capacitance between the second vibration electrode and the second detection electrode in series is the first vibration electrode and the second detection electrode. It changes according to the displacement of the vibrating electrode.

したがって、角速度によって生じるコリオリ力のみを、加速度から分離して得ることができる。そして、第1検出電極および第2検出電極を、互いに直交する2本の第2の軸に沿って2組配置することにより、2軸のコリオリ力を得ることができる。   Therefore, only the Coriolis force generated by the angular velocity can be obtained separately from the acceleration. A two-axis Coriolis force can be obtained by arranging two sets of the first detection electrode and the second detection electrode along two second axes orthogonal to each other.

また、第1振動電極および第2振動電極は、装置基板の法線となる第1の軸に沿って配置されているため、これらの第1振動電極および第2振動電極は当該装置基板の上方に重ねて配置されることになり、2軸の速度検出装置の専有面積が1軸の速度検出装置と同程度になる。   In addition, since the first vibration electrode and the second vibration electrode are disposed along the first axis that is the normal line of the device substrate, the first vibration electrode and the second vibration electrode are located above the device substrate. Thus, the area occupied by the two-axis speed detection device is almost the same as that of the one-axis speed detection device.

以上説明したように本発明の速度検出装置によれば、加速度を分離するための分離回路を設けることなく2軸の角速度を検出することができ、しかも2つの振動電極を、装置基板の法線に沿って配置した構成としたことにより、2軸の角速を検出するための速度検出装置の専有面積を縮小することができ、この速度検出装置が用いられるハンディカメラなどの携帯装置の小型化を図ることが可能になる。   As described above, according to the speed detection device of the present invention, the biaxial angular velocity can be detected without providing a separation circuit for separating the acceleration, and the two vibration electrodes are connected to the normal line of the device substrate. The area occupied by the speed detection device for detecting the biaxial angular velocity can be reduced, and the portable device such as a handy camera using the speed detection device can be downsized. Can be achieved.

以下、本発明の速度検出装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Embodiments of the speed detection device of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

<速度検出装置の構成>
図1は実施形態の速度検出装置の構成を示す模式図であり、図2は図1のX軸方向(Y軸方向)の断面図である。尚、図2においては、Y軸方向の断面における部材の符号をかっこ付きで示している。
<Configuration of speed detection device>
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a speed detection device according to the embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view in the X-axis direction (Y-axis direction) of FIG. In FIG. 2, reference numerals of members in the cross section in the Y-axis direction are shown with parentheses.

これらの図に示す速度検出装置は、振動ジャイロを用いた速度検出装置であり、例えば角速度を検出するために用いられる。この速度検出装置は、例えば単結晶シリコンからなる装置基板1(図2のみに図示)上に形成されており、装置基板1の法線となる第1の軸(Z軸)に沿って配置された第1振動電極3および第2振動電極4、各振動電極3,4のX軸方向に配置された第1検出電極5および第2検出電極6(以下、第1X軸電極5および第2X軸電極6と記す)、さらに各振動電極3,4のY軸方向に配置された第1検出電極7および第2検出電極8(以下、第1Y軸電極7および第2Y軸電極8と記す)を備えている。   The speed detection apparatus shown in these drawings is a speed detection apparatus using a vibrating gyroscope, and is used, for example, to detect an angular velocity. This speed detection device is formed on a device substrate 1 made of, for example, single crystal silicon (shown only in FIG. 2), and is arranged along a first axis (Z axis) that is a normal line of the device substrate 1. The first detection electrode 5 and the second detection electrode 6 (hereinafter referred to as the first X-axis electrode 5 and the second X-axis) arranged in the X-axis direction of each of the vibration electrodes 3 and 4. In addition, a first detection electrode 7 and a second detection electrode 8 (hereinafter referred to as a first Y-axis electrode 7 and a second Y-axis electrode 8) arranged in the Y-axis direction of each vibration electrode 3, 4. I have.

このうち、第1振動電極3および第2振動電極4は、装置基板1側から第1振動電極3、第2振動電極4の順に配置されている。これらの第1振動電極3および第2振動電極4は、略正方形の平板状の振動部3a,4aと、振動部3a,4aの四つの角部から4方向に延設された配線3b,4bとによって構成されている。そして、装置基板1の法線であるZ軸に沿って振動部3a,4aが互いに間隔を保って同方向に配置されるように、配線3b,4bを介して装置基板1に支持されている。   Among these, the first vibration electrode 3 and the second vibration electrode 4 are arranged in the order of the first vibration electrode 3 and the second vibration electrode 4 from the device substrate 1 side. The first vibrating electrode 3 and the second vibrating electrode 4 include a substantially square plate-like vibrating portion 3a, 4a and wirings 3b, 4b extending in four directions from the four corners of the vibrating portions 3a, 4a. And is composed of. The vibrating portions 3a and 4a are supported on the device substrate 1 via the wirings 3b and 4b so that the vibrating portions 3a and 4a are arranged in the same direction at intervals along the Z axis that is the normal line of the device substrate 1. .

配線3b,4bによって支持された状態において、振動部3a,4aは、Z軸方向に逆位相に振動自在であり、かつZ軸と垂直なX軸およびY軸(すなわち第2の軸)方向に変位可能となっている。これらの、各振動部3a,4aは、配線3b,4bから供給される交流の駆動電圧により、互いに逆位相でZ軸方向に振動する構成となっており、配線3b,4bは絶縁状態に保たれていることとする。   In the state supported by the wirings 3b and 4b, the vibrating portions 3a and 4a can vibrate in the opposite phase in the Z-axis direction and in the X-axis and Y-axis (that is, second axis) directions perpendicular to the Z-axis. Displaceable. Each of the vibrating portions 3a and 4a is configured to vibrate in the Z-axis direction in opposite phases with the alternating drive voltage supplied from the wirings 3b and 4b. The wirings 3b and 4b are kept in an insulated state. Suppose that you are leaning.

また、第1X軸電極5は、第1振動電極3とZ軸上における同一高さで、かつ第1振動電極3との間に所定間隔dx(図2参照)を保った状態で、第1振動電極3に対してX軸の正方向に配置されている。この第1X軸電極5は、例えば装置基板1上に立設させた支柱5a上に支持されており、X軸方向の一端側が、第1振動電極3aの側端に所定間隔dxを保って配置されることで、第1振動電極3と共に容量素子1xを構成している。そして、通常状態においての第1振動電極3のZ軸方向の振動によらず、容量素子1xの容量C1xが一定に保たれるように、第1振動電極3がZ軸方向に振動した場合であっても第1振動電極3の膜厚の範囲内に第1X軸電極5の膜厚範囲が収まるように、第1X軸電極5の膜厚が設定されていることとする。   In addition, the first X-axis electrode 5 has the same height on the Z-axis as the first vibrating electrode 3 and a predetermined distance dx (see FIG. 2) between the first vibrating electrode 3 and the first X-axis electrode 5. It is arranged in the positive direction of the X axis with respect to the vibrating electrode 3. The first X-axis electrode 5 is supported on, for example, a support column 5a erected on the device substrate 1, and one end side in the X-axis direction is arranged at a predetermined interval dx on the side end of the first vibration electrode 3a. As a result, the capacitive element 1 x is configured together with the first vibrating electrode 3. The first vibrating electrode 3 vibrates in the Z-axis direction so that the capacitance C1x of the capacitive element 1x is kept constant regardless of the vibration of the first vibrating electrode 3 in the normal state in the Z-axis direction. It is assumed that the film thickness of the first X-axis electrode 5 is set so that the film thickness range of the first X-axis electrode 5 is within the film thickness range of the first vibrating electrode 3.

一方、第2X軸電極6は、第2振動電極4とZ軸上における同一高さで、かつ第2振動電極4との間に所定間隔dx(図2参照)を保った状態で、第2振動電極4に対してX軸の負方向に配置されている。この第2X軸電極6も、第1X軸電極5と同様に例えば装置基板1上に立設させた支柱6a上に支持され、第2振動電極4と共に容量素子2xを構成している。この容量素子2xは、上述した容量素子1xと同様の構成であると共に、容量素子1xと直列に接続されており、その合成容量が検出される構成となっている。   On the other hand, the second X-axis electrode 6 has the same height on the Z-axis as the second vibration electrode 4 and a predetermined distance dx (see FIG. 2) between the second vibration electrode 4 and the second X-axis electrode 6. It is arranged in the negative direction of the X axis with respect to the vibrating electrode 4. Similarly to the first X-axis electrode 5, the second X-axis electrode 6 is also supported, for example, on a column 6a erected on the apparatus substrate 1, and constitutes a capacitive element 2x together with the second vibration electrode 4. The capacitive element 2x has a configuration similar to that of the capacitive element 1x described above and is connected in series with the capacitive element 1x so that the combined capacitance is detected.

尚、容量素子1xと容量素子2xとは、第1振動電極3および第2振動電極4がX軸方向に変位しない通常状態において同一容量であることとする。また、容量素子1x,2xにおける対向電極間の間隔dx±δが同一である場合、容量素子1xの容量C1xと容量素子2xの容量C2xの容量の変化量が同一となるように構成されていることとする。したがって、通常状態においての第1振動電極3と第1X軸電極5との間の所定間隔dxと、第2振動電極4と第2X軸電極6との間の所定間隔dxとは同一であることとする。また、容量素子1xと容量素子2xとは、電極間の誘電率εが等しく、かつ電極間の対向面積Sが等しく構成され、通常状態における各容量はC1x=C2x=εS/dxであることとする。   Note that the capacitive element 1x and the capacitive element 2x have the same capacitance in a normal state where the first vibrating electrode 3 and the second vibrating electrode 4 are not displaced in the X-axis direction. Further, when the distances dx ± δ between the opposing electrodes in the capacitive elements 1x and 2x are the same, the amount of change in the capacitance of the capacitance C1x of the capacitive element 1x and the capacitance C2x of the capacitive element 2x is configured to be the same. I will do it. Accordingly, the predetermined distance dx between the first vibrating electrode 3 and the first X-axis electrode 5 and the predetermined distance dx between the second vibrating electrode 4 and the second X-axis electrode 6 in the normal state are the same. And Further, the capacitive element 1x and the capacitive element 2x are configured to have the same dielectric constant ε between the electrodes and the same facing area S between the electrodes, and each capacitance in a normal state is C1x = C2x = εS / dx. To do.

そして、第1Y軸電極7と第2Y軸電極8とは、それぞれが第1振動電極3および第2振動電極4のY軸方向に配置されていること以外は、第1X軸電極5および第2X軸電極6と同様の構成であり、第1X軸電極5および第2X軸電極6の説明におけるXをYと読み替えた構成であることとする。また、これらの第1Y軸電極7と第1振動電極3との間の容量素子1y、および第2Y軸電極8と第2振動電極4との間の容量素子2yも、容量素子1xと容量素子2xと同様の構成であり、通常状態における各容量はC1y=C2y=εS/dyであることとする。   The first Y-axis electrode 7 and the second Y-axis electrode 8 are arranged in the Y-axis direction of the first vibrating electrode 3 and the second vibrating electrode 4, respectively. The configuration is the same as that of the shaft electrode 6, and X is replaced with Y in the description of the first X-axis electrode 5 and the second X-axis electrode 6. The capacitive element 1y between the first Y-axis electrode 7 and the first vibrating electrode 3 and the capacitive element 2y between the second Y-axis electrode 8 and the second vibrating electrode 4 are also the capacitive element 1x and the capacitive element. The configuration is the same as 2x, and the respective capacities in the normal state are C1y = C2y = εS / dy.

<速度検出装置の作動>
次に、このように構成された速度検出装置の作動を、図3の断面模式図を用いて説明する。尚、ここでは、速度検出装置のX軸方向の作動を説明するが、Y軸方向の作動も同様であることとする。
<Operation of speed detection device>
Next, the operation of the speed detecting device configured as described above will be described with reference to a schematic cross-sectional view of FIG. Here, the operation of the speed detection device in the X-axis direction will be described, but the operation in the Y-axis direction is the same.

先ず、図3(1)に示すように、この速度検出装置は、通常状態において、第1振動電極3と第2振動電極4とが、互いに逆位相でZ軸方向に振動した状態となっている。この通常状態においては、容量素子1x,2xの各容量は、C1x=C2x=εS/dxであり、直列に接続されたこれらの合成容量Cxは、1/Cx=1/C1x+1/C2x=dx/εS+dx/εS=2dx/εSとなっている。   First, as shown in FIG. 3A, in the normal state, the speed detecting device is in a state where the first vibrating electrode 3 and the second vibrating electrode 4 vibrate in the Z-axis direction in opposite phases. Yes. In this normal state, the capacitances of the capacitive elements 1x and 2x are C1x = C2x = εS / dx, and the combined capacitance Cx connected in series is 1 / Cx = 1 / C1x + 1 / C2x = dx / εS + dx / εS = 2dx / εS.

このような状態において、速度検出装置にX軸方向の力が加わった場合、この力が加速度による加速力Faであれば、図3(2)に示すように、第1振動電極3および第2振動電極4には、X軸の同一方向(例えば負の方向)に同一の大きさの加速力Faが加わる。このため、第1振動電極3および第2振動電極4は、X軸の負の方向に同一の大きさδで変位する。   In such a state, when a force in the X-axis direction is applied to the speed detection device, if this force is an acceleration force Fa due to acceleration, the first vibrating electrode 3 and the second vibration electrode 3 as shown in FIG. The oscillating electrode 4 is applied with an acceleration force Fa having the same magnitude in the same direction of the X axis (for example, in the negative direction). For this reason, the first vibrating electrode 3 and the second vibrating electrode 4 are displaced by the same magnitude δ in the negative direction of the X axis.

この場合、直列に接続された容量素子1xと容量素子2xとの合成容量Cxは、1/Cx=1/C1x+1/C2x=(dx+δ)/εS+(dx−δ)/εS=2dx/εSとなる。このため、通常状態の速度検出装置にx方向の加速力Faが加わった場合には、この加速力Faによる合成容量の変化が検出されることはない。   In this case, the combined capacitance Cx of the capacitive element 1x and the capacitive element 2x connected in series is 1 / Cx = 1 / C1x + 1 / C2x = (dx + δ) / εS + (dx−δ) / εS = 2dx / εS. . For this reason, when the acceleration force Fa in the x direction is applied to the speed detection device in the normal state, a change in the combined capacity due to the acceleration force Fa is not detected.

これに対して、図3(3)に示すように、速度検出装置に対して加わるX軸方向の力が、角速度Ωによるコリオリ力Fcであれば、互いに逆位相でZ軸方向に振動した状態となっている第1振動電極3および第2振動電極4には、X軸の逆方向に同一の大きさのコリオリ力Fcが加わる。このため、第1振動電極3および第2振動電極4は、X軸の逆方向に同一の大きさδで変位する。   On the other hand, as shown in FIG. 3 (3), if the force in the X-axis direction applied to the speed detection device is the Coriolis force Fc due to the angular velocity Ω, the state oscillates in the Z-axis direction in opposite phases. The first vibration electrode 3 and the second vibration electrode 4 are applied with a Coriolis force Fc having the same magnitude in the direction opposite to the X axis. For this reason, the first vibrating electrode 3 and the second vibrating electrode 4 are displaced by the same magnitude δ in the reverse direction of the X axis.

この場合、直列に接続された容量素子1xと容量素子2xとの合成容量Cxは、1/Cx=1/C1x+1/C2x=(dx−δ)/εS+(dx−δ)/εS=2(dx−δ)/εSとなる。このため、通常状態の速度検出装置に角速度によってX軸方向のコリオリ力Fcが加わった場合には、このコリオリ力Fcによる合成容量の変化が検出されることになる。尚、図3(3)の状態から、第1振動電極3および第2振動電極4が、振動によってZ軸の逆方向に変位した場合には、コリオリ力Fcによる第1振動電極3および第2振動電極4のX軸方向の変位が反転する。このため、容量素子1xと容量素子2xとの合成容量Cxは、1/Cx=1/C1x+1/C2x=(dx+δ)/εS+(dx+δ)/εS=2(dx+δ)/εSとなるため、やはり、このコリオリ力Fcによる合成容量の変化が検出されることになる。   In this case, the combined capacitance Cx of the capacitive element 1x and the capacitive element 2x connected in series is 1 / Cx = 1 / C1x + 1 / C2x = (dx−δ) / εS + (dx−δ) / εS = 2 (dx −δ) / εS. For this reason, when the Coriolis force Fc in the X-axis direction is applied to the speed detection device in the normal state by the angular velocity, a change in the combined capacity due to the Coriolis force Fc is detected. 3 (3), when the first vibrating electrode 3 and the second vibrating electrode 4 are displaced in the opposite direction of the Z-axis due to vibration, the first vibrating electrode 3 and the second vibrating electrode 3 caused by the Coriolis force Fc are used. The displacement in the X-axis direction of the vibrating electrode 4 is reversed. Therefore, the combined capacitance Cx of the capacitive element 1x and the capacitive element 2x is 1 / Cx = 1 / C1x + 1 / C2x = (dx + δ) / εS + (dx + δ) / εS = 2 (dx + δ) / εS. A change in the composite capacity due to this Coriolis force Fc is detected.

このため、速度検出装置にX軸方向の加速力Faおよびコリオリ力Fcが加わった場合、コリオリ力Fcによる容量変化のみが検出され、この値からY軸を中心とした回転の角速度を、加速度と分離した状態で得ることができる。   For this reason, when the acceleration force Fa and the Coriolis force Fc in the X-axis direction are applied to the speed detection device, only the capacity change due to the Coriolis force Fc is detected. From this value, the angular velocity of rotation around the Y axis is determined as the acceleration. It can be obtained in a separated state.

また、速度検出装置のY軸方向に加速力Faおよびコリオリ力Fcが加わった場合にも同様の検出が行われるため、X軸を中心とした回転の角速度を、擾乱加速度と分離した状態で得ることができる。   Since the same detection is performed when the acceleration force Fa and the Coriolis force Fc are applied in the Y-axis direction of the speed detection device, the angular velocity of rotation about the X-axis is obtained in a state separated from the disturbance acceleration. be able to.

以上のように、本実施形態の速度検出装置は、加速度を分離するための分離回路を設けることなく2軸の角速度を検出することが可能になる。また、第1振動電極3および第2振動電極4を、装置基板の法線となるZ軸に沿って配置したことにより、1素子で2軸の速度検出を行うことが可能になり、2軸の角速を検出するための速度検出装置の専有面積を縮小することができる。この結果、この速度検出装置が用いられるハンディカメラなどの携帯装置の小型化を図ることが可能になる。   As described above, the velocity detection device of the present embodiment can detect the biaxial angular velocity without providing a separation circuit for separating acceleration. Further, by arranging the first vibrating electrode 3 and the second vibrating electrode 4 along the Z-axis that is the normal line of the apparatus substrate, it is possible to detect the speed of two axes with one element. It is possible to reduce the area occupied by the speed detection device for detecting the angular speed. As a result, it is possible to reduce the size of a portable device such as a handy camera in which this speed detection device is used.

<速度検出装置の製造方法>
次に、このような速度検出装置の製造方法を、図4の平面模式図を参照しつつ、図5,図6の断面工程図に基づいて説明する。尚、図4は、図1を上方から見た平面模式図であり、図5,図6の各図は、図4におけるA−A’断面とB−B’断面に相当する。
<Method for Manufacturing Speed Detection Device>
Next, a method of manufacturing such a speed detection device will be described based on the sectional process diagrams of FIGS. 5 and 6 with reference to the schematic plan view of FIG. 4 is a schematic plan view of FIG. 1 as viewed from above. Each of FIGS. 5 and 6 corresponds to the AA ′ cross section and the BB ′ cross section in FIG. 4.

先ず、図5(1)に示すように、単結晶シリコンからなる装置基板1上に窒化シリコン膜101、酸化シリコン膜102をこの順に成膜する。   First, as shown in FIG. 5A, a silicon nitride film 101 and a silicon oxide film 102 are formed in this order on the device substrate 1 made of single crystal silicon.

次に、図5(2)に示すように、第1X軸電極5および第2X軸電極6を支持する支柱が形成される2つの孔102x(A−A’断面参照)と、第1振動電極3を支持する支柱が形成される4つの孔102aと、第1Y軸電極7および第2Y軸電極8を支持する支柱が形成される2つの孔102y(B−B’断面参照)とを、酸化シリコン膜102に形成する。   Next, as shown in FIG. 5 (2), two holes 102x (refer to the AA ′ cross section) in which pillars supporting the first X-axis electrode 5 and the second X-axis electrode 6 are formed, and the first vibrating electrode 4 holes 102a in which pillars supporting 3 are formed, and two holes 102y in which pillars supporting the first Y-axis electrode 7 and the second Y-axis electrode 8 are formed (see the BB ′ cross section) are oxidized. Formed on the silicon film 102.

このうち、4つの孔102aはX軸,Y軸方向に沿った辺を有する略正方形の各頂点に配置され、X軸方向に沿って配置された2つの孔102a間に孔102yが配置され、Y軸方向に沿って配置された2つの孔102a間に孔102xが配置される。   Among these, the four holes 102a are arranged at the apexes of a substantially square having sides along the X-axis and Y-axis directions, and the hole 102y is arranged between the two holes 102a arranged along the X-axis direction, A hole 102x is arranged between two holes 102a arranged along the Y-axis direction.

その後、特に、2つの孔102xのうちの1つの開口上部をX軸方向の中央側に向かって広げる(A−A’断面のC部)。また同様に、ここでの図示は省略したが、2つの孔102yのうちの1つの開口上部をY軸方向の中央部に向かって広げる。   After that, in particular, the upper opening of one of the two holes 102x is expanded toward the center side in the X-axis direction (C portion of the A-A ′ cross section). Similarly, although not shown here, the upper part of one of the two holes 102y is expanded toward the center in the Y-axis direction.

次に、図5(3)に示すように、ポリシリコン膜の成膜とCMP研磨により、孔102a,102x,102y内にポリシリコン膜を埋め込んでなる支柱103a,103x,103yを形成すると共に、孔102x,102yの開口を広げた部分Cに、支柱103x,103yで支持された第1X軸電極5および第1Y軸電極(7)を形成する。尚、第1Y軸電極(7)の図示は省略している。また、支柱103xは、先に図2を用いて説明した支柱5aに相当する。同様に、第1Y軸電極(7)を支持する側の支柱103yは、先に図2を用いて説明した支柱(7a)に相当する。   Next, as shown in FIG. 5 (3), the pillars 103a, 103x, 103y in which the polysilicon film is embedded in the holes 102a, 102x, 102y are formed by forming the polysilicon film and CMP polishing, The first X-axis electrode 5 and the first Y-axis electrode (7) supported by the pillars 103x and 103y are formed in the portion C where the openings of the holes 102x and 102y are widened. The first Y-axis electrode (7) is not shown. Moreover, the support | pillar 103x is corresponded to the support | pillar 5a demonstrated previously using FIG. Similarly, the column 103y on the side supporting the first Y-axis electrode (7) corresponds to the column (7a) described above with reference to FIG.

次いで、図5(4)に示すように、全体を酸化シリコン膜104で覆った後、第1振動電極の形成位置に対応させて、酸化シリコン膜102,104に所定深さの凹部104aを形成する。この凹部104aは、第1振動電極を支持するための4本の支柱103aに挟まれた中央部を矩形形状に掘り下げ、この矩形形状の4隅から4本の支柱103aの上部に達する配線溝が形成されることとする。尚、この凹部104aは、4本の支柱103aの上面のみを露出させる状態で形成され、支柱103x,103y,第1X軸電極5および第1Y軸電極(7)が酸化シリコン102,104から露出することのないように形成されることとする。また、この凹部104aは、第1X軸電極5および第1Y軸電極(7)よりも深いこととする。   Next, as shown in FIG. 5D, after the whole is covered with the silicon oxide film 104, a recess 104a having a predetermined depth is formed in the silicon oxide films 102 and 104 in correspondence with the formation position of the first vibration electrode. To do. The concave portion 104a has a central portion sandwiched between the four support pillars 103a for supporting the first vibration electrode, and a wiring groove reaching the upper part of the four support pillars 103a from the four corners of the rectangular shape. It will be formed. The recess 104a is formed with only the upper surfaces of the four columns 103a exposed, and the columns 103x and 103y, the first X-axis electrode 5 and the first Y-axis electrode (7) are exposed from the silicon oxides 102 and 104. It will be formed so that it will not occur. The recess 104a is deeper than the first X-axis electrode 5 and the first Y-axis electrode (7).

次に、図6(5)に示すように、ポリシリコン膜の成膜とCMP研磨により、凹部104a内にポリシリコン膜を埋め込み、4本の支柱103aで支持された第1振動電極3(振動部3a,配線3b)を形成する。   Next, as shown in FIG. 6 (5), the polysilicon film is embedded in the recess 104a by the polysilicon film formation and CMP polishing, and the first vibrating electrode 3 (vibration) supported by the four columns 103a. Part 3a and wiring 3b) are formed.

その後、図6(6)に示すように、エッチングによって装置基板1上の酸化シリコン膜(102,104)を除去する。これにより、4本の支柱103aで支持された第1振動電極3の下部に空間部aを形成する。また、第1振動電極3の振動部3aと第1X軸電極5とからなる容量素子C1xを形成し、同様に第1振動電極3の振動部3aと第1Y軸電極(7)とからなる容量素子(C1y)を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 6 (6), the silicon oxide films (102, 104) on the device substrate 1 are removed by etching. Thereby, the space part a is formed in the lower part of the 1st vibration electrode 3 supported by the four support | pillars 103a. Further, a capacitive element C1x composed of the vibrating portion 3a of the first vibrating electrode 3 and the first X-axis electrode 5 is formed, and similarly, a capacitance formed of the vibrating portion 3a of the first vibrating electrode 3 and the first Y-axis electrode (7). An element (C1y) is formed.

一方、以上の一連の工程で形成された同一のセット106をもう一つ用意し、これを第2振動電極側とする。   On the other hand, another identical set 106 formed by the above series of steps is prepared, and this is set as the second vibrating electrode side.

そして、図6(7)に示すように、これらの2つのセット106,106を、第1振動電極3および第2駆動電極4を対向させて配置し、ガラスのような絶縁物で構成されたリング状のスペーサ107を介してこれらの2つのセット106,106を接着させる。尚、高さ調節が困難な倍には、スペーサ粒子を分散させた絶縁性の接着剤によって2つのセット106,106を接着しても良い。これにより、第2駆動電極4側の第2X軸電極6は、支柱103xとスペーサ107によって装置基板1に支持されることになる。このため、支柱103xとスペーサ107とが、先に図2を用いて説明した支柱6aに相当する。同様に、断面図での図示は省略した第2Y軸電極(8)は、支柱103yおよびスペーサ107によって装置基板1に支持されることになる。このため、これらの支柱103yおよびスペーサ107が、先に図2を用いて説明した支柱(8a)に相当する。   Then, as shown in FIG. 6 (7), these two sets 106 and 106 are arranged with the first vibrating electrode 3 and the second drive electrode 4 facing each other, and are made of an insulating material such as glass. These two sets 106 and 106 are bonded via a ring-shaped spacer 107. In addition, when the height adjustment is difficult, the two sets 106 and 106 may be bonded by an insulating adhesive in which spacer particles are dispersed. As a result, the second X-axis electrode 6 on the second drive electrode 4 side is supported on the device substrate 1 by the support column 103 x and the spacer 107. For this reason, the support | pillar 103x and the spacer 107 are equivalent to the support | pillar 6a demonstrated previously using FIG. Similarly, the second Y-axis electrode (8) not shown in the cross-sectional view is supported on the device substrate 1 by the support column 103y and the spacer 107. For this reason, these support | pillar 103y and the spacer 107 correspond to the support | pillar (8a) demonstrated previously using FIG.

以上により、図1および図2を用いて説明した構成の速度検出装置を得ることができる。   As described above, the speed detection device having the configuration described with reference to FIGS. 1 and 2 can be obtained.

尚、以上説明した製造方法は、あくまでも一例であり、本発明の速度検出装置は、このような製造方法によって限定されることはない。   In addition, the manufacturing method demonstrated above is an example to the last, and the speed detection apparatus of this invention is not limited by such a manufacturing method.

また、以上の実施形態においては、加速度に対して角速度を分離検出する構成の速度検出装置の構成を説明した。しかしながら、本発明は、容量素子の接続状態やこの容量素子に分離回路を接続させることにより、角速度に対して加速度を分離する構成の速度検出装置に適用することもできる。この場合であっても、2軸の加速度を検出するための振動電極が装置基板の法線に沿って重ねて配置されるため、装置の専有面積の縮小化を図ることが可能である。   Moreover, in the above embodiment, the structure of the speed detection apparatus of the structure which isolate | separates and detects an angular velocity with respect to acceleration was demonstrated. However, the present invention can also be applied to a speed detection device configured to separate acceleration from angular velocity by connecting a capacitive element and connecting a separation circuit to the capacitive element. Even in this case, since the vibration electrodes for detecting the biaxial acceleration are disposed so as to overlap along the normal line of the device substrate, it is possible to reduce the area occupied by the device.

実施形態の速度検出装置の構成図である。It is a block diagram of the speed detection apparatus of embodiment. 図1のX方向(Y方向)断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view in the X direction (Y direction) of FIG. 1. 速度検出装置の作動を説明する断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram explaining the action | operation of a speed detection apparatus. 速度検出装置の製造方法を説明する平面模式図である。It is a plane schematic diagram explaining the manufacturing method of a speed detection apparatus. 速度検出装置の製造方法を示す断面工程図(その1)である。It is sectional process drawing (the 1) which shows the manufacturing method of a speed detection apparatus. 速度検出装置の製造方法を示す断面工程図(その2)である。It is sectional process drawing (the 2) which shows the manufacturing method of a speed detection apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1…装置基板、3…第1振動電極、4…第2振動電極、5…第1X軸電極(X軸方向の第1検出電極)、6…第2X軸電極(X軸方向の第2検出電極)、7…第1Y軸電極(Y軸方向の第1検出電極)、8…第2Y軸電極(Y軸方向の第2検出電極)、1x,2x,1y,2y…容量素子、dx,dy…所定間隔、Fc…コリオリ力   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Device substrate, 3 ... 1st vibration electrode, 4 ... 2nd vibration electrode, 5 ... 1st X-axis electrode (1st detection electrode of X-axis direction), 6 ... 2nd X-axis electrode (2nd detection of X-axis direction) Electrode), 7 ... first Y-axis electrode (first detection electrode in the Y-axis direction), 8 ... second Y-axis electrode (second detection electrode in the Y-axis direction), 1x, 2x, 1y, 2y ... capacitance element, dx, dy ... predetermined interval, Fc ... Coriolis force

Claims (3)

装置基板の法線となる第1の軸に沿って当該装置基板の上方に配置され、互いに逆位相で当該第1の軸方向に振動すると共に、当該第1の軸と直交する第2の軸方向に変位可能な状態で当該装置基板に支持された第1振動電極および第2振動電極と、
前記第1振動電極と前記第1の軸上の同一高さで、当該第1振動電極との間に所定間隔を保った状態で前記第2の軸の正方向に配置された第1検出電極と、
前記第2振動電極と前記第1の軸上の同一高さで、当該第2振動電極との間に所定間隔を保った状態で前記第2の軸の負方向に配置された第2検出電極とを備え、
前記第1振動電極−前記第1検出電極間の静電容量と、前記第2振動電極−前記第2検出電極間の静電容量とによって、前記第2の軸方向に加わる力を検出する
ことを特徴とする速度検出装置。
A second axis that is arranged above the apparatus substrate along a first axis that is a normal line of the apparatus substrate, vibrates in the first axis direction in opposite phases, and is orthogonal to the first axis A first vibration electrode and a second vibration electrode supported on the device substrate in a state displaceable in a direction;
A first detection electrode disposed in the positive direction of the second axis at the same height on the first axis and the first vibration electrode with a predetermined distance between the first vibration electrode and the first vibration electrode When,
A second detection electrode disposed in the negative direction of the second axis at the same height on the first axis with a predetermined distance between the second vibration electrode and the second vibration electrode And
Detecting a force applied in the second axial direction by a capacitance between the first vibration electrode and the first detection electrode and a capacitance between the second vibration electrode and the second detection electrode. A speed detection device characterized by the above.
請求項1記載の速度検出装置において、
前記第1振動電極と第1検出電極とで構成される容量素子と、前記第2振動電極と第2検出電極とで構成される容量素子とが直列に接続されており、当該2つの容量素子の合成容量の変化によって前記第2の軸方向に加わるコリオリ力を検出する
ことを特徴とする速度検出装置。
The speed detection device according to claim 1,
A capacitive element composed of the first vibration electrode and the first detection electrode and a capacitive element composed of the second vibration electrode and the second detection electrode are connected in series, and the two capacitive elements A speed detection apparatus that detects a Coriolis force applied in the second axial direction due to a change in the combined capacity of the first and second axes.
請求項1記載の速度検出装置において、
前記第1検出電極および第2検出電極は、互いに直交する2本の第2の軸に沿って2組配置されている
ことを特徴とする速度検出装置。
The speed detection device according to claim 1,
Two sets of the first detection electrode and the second detection electrode are arranged along two second axes that are orthogonal to each other.
JP2003288415A 2003-08-07 2003-08-07 Speed detection system Abandoned JP2005055377A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003288415A JP2005055377A (en) 2003-08-07 2003-08-07 Speed detection system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003288415A JP2005055377A (en) 2003-08-07 2003-08-07 Speed detection system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005055377A true JP2005055377A (en) 2005-03-03

Family

ID=34367073

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003288415A Abandoned JP2005055377A (en) 2003-08-07 2003-08-07 Speed detection system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005055377A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009520950A (en) * 2005-11-18 2009-05-28 インベンセンス インコーポレイテッド XY-axis double mass tuning fork gyroscope manufacturing method by vertically integrated electronic equipment and wafer scale hermetic sealing
JP2011237393A (en) * 2010-05-13 2011-11-24 Toyota Central R&D Labs Inc Movable body, two axis angular velocity sensor, and three axis acceleration sensor
KR101163939B1 (en) 2010-12-03 2012-07-09 현대자동차주식회사 Z-axis acceleration sensor
JP2014032200A (en) * 2013-09-12 2014-02-20 Toyota Central R&D Labs Inc Mems sensor

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009520950A (en) * 2005-11-18 2009-05-28 インベンセンス インコーポレイテッド XY-axis double mass tuning fork gyroscope manufacturing method by vertically integrated electronic equipment and wafer scale hermetic sealing
JP2011237393A (en) * 2010-05-13 2011-11-24 Toyota Central R&D Labs Inc Movable body, two axis angular velocity sensor, and three axis acceleration sensor
KR101163939B1 (en) 2010-12-03 2012-07-09 현대자동차주식회사 Z-axis acceleration sensor
JP2014032200A (en) * 2013-09-12 2014-02-20 Toyota Central R&D Labs Inc Mems sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6952965B2 (en) Vertical MEMS gyroscope by horizontal driving
JP4353087B2 (en) Rotational vibration type angular velocity sensor
US7513155B2 (en) Inertial sensor
US20060010978A1 (en) MEMS gyroscope having coupling springs
US10036635B2 (en) Multi-axis MEMS rate sensor device
KR101365096B1 (en) Physical quantity sensor and electronic apparatus
WO2011158348A1 (en) Composite sensor
JP2000161962A (en) Displacement sensor and its manufacture
US20050217372A1 (en) Physical quantity sensor having angular speed sensor and acceleration sensor
JP2007033330A (en) Angular velocity sensor
JP2002296038A (en) Angular velocity sensor
JP2000180175A (en) Multi-axial-detection-type angular velocity and acceleration sensor
JP2005055377A (en) Speed detection system
JP2005519296A (en) Noise source for starting MEMS gyroscope
JP4983107B2 (en) Inertial sensor and method of manufacturing inertial sensor
JP4292746B2 (en) Angular velocity sensor
JP4466283B2 (en) Gyro sensor
JP2002243450A (en) Angular velocity sensor, acceleration sensor and angular velocity/acceleration sensor
JPH11230760A (en) Semiconductor vibration gyro sensor
WO2018092449A1 (en) Gyro sensor and electronic device
KR100231715B1 (en) Planer vibratory microgyroscope
JP6702053B2 (en) Gyro sensor and electronic equipment
JPWO2018016190A1 (en) Gyro sensor, signal processing device, electronic device, and control method of gyro sensor
JP2008128879A (en) Angular velocity sensor
US20130255376A1 (en) Inertial sensor and measuring method for measuring angular velocity using the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060512

A762 Written abandonment of application

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A762

Effective date: 20080228