JP2007271514A - Angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、角速度センサに関し、特に、電磁駆動方式の角速度センサに関するものである。 The present invention relates to an angular velocity sensor, and more particularly to an electromagnetically driven angular velocity sensor.
角速度を検出する方法のひとつとして、振動する物体に加わるコリオリ力を検出する方法がある。この検出原理による角速度センサとしては、例えば、主な構成部分としてフレームと、振動質量体と、質量体(以下、検出質量体と称する)とを有する角速度センサが知られている(例えば、特許文献1参照)。 One method for detecting angular velocity is a method for detecting Coriolis force applied to a vibrating object. As an angular velocity sensor based on this detection principle, for example, an angular velocity sensor having a frame, a vibration mass body, and a mass body (hereinafter referred to as a detection mass body) as main components is known (for example, Patent Documents). 1).
この特許文献1においては、振動質量体は4つのウェブを介してフレームに一定の方向(第1の方向)で変位可能に結合されている。検出質量体は、振動質量体に不動に結合されたブロックに可撓ビームを介して結合されており、これによりブロックに対して第2の方向に変位可能に配置されている。そして、検出質量体の変位により生じる櫛歯電極間の静電容量の変化を測定することにより、作用するコリオリ力の検出が行なわれる。
In
また、特許文献1には、1つのフレーム内に、上記の振動質量体と検出質量体とが2個配置された構成も開示されている。これら2個の振動質量体に互いに逆相の振動が与えられ、双方の測定信号の差形成が行なわれることにより、加速度等の外乱がフィルタリング除去される。
振動質量体を振動駆動させる方式としては、例えば電磁駆動方式(例えば、特許文献2参照)や静電駆動方式(例えば、特許文献3参照)がある。電磁駆動方式は、磁界の下での電流に作用するローレンツ力を振動の駆動力に用いる方式である。静電駆動方式は、電極間に電圧を印加した場合に作用する静電力を振動の駆動力に用いる方式である。その具体的な機構としては、例えば2個の櫛歯電極を有し電極同士が噛み合うように対向して配置された櫛歯型静電駆動機構などがある。2個の櫛歯電極の間に電圧が印加され、それにより電極間に作用する静電力が駆動力として用いられる。 Examples of a method for vibrating the vibrating mass body include an electromagnetic driving method (for example, see Patent Document 2) and an electrostatic driving method (for example, see Patent Document 3). The electromagnetic driving method is a method in which Lorentz force acting on a current under a magnetic field is used as a driving force for vibration. The electrostatic drive method is a method in which an electrostatic force that acts when a voltage is applied between electrodes is used as a driving force for vibration. As a specific mechanism, there is, for example, a comb-type electrostatic drive mechanism that has two comb-shaped electrodes and is disposed so as to face each other so that the electrodes mesh with each other. A voltage is applied between the two comb electrodes, and an electrostatic force acting between the electrodes is used as a driving force.
近年、これら角速度センサの小型化のために、その製造に半導体プロセス技術が用いられてきている(例えば、特許文献3参照)。精度のよい角速度センサを製造するためには、角速度センサの各構成部分が精度よく加工される必要がある。しかしながら、半導体プロセス技術による加工は、例えば、MEMSに用いられる一般的設備の場合、厚み方向で±10%程度、数μmのパターン幅で±10%程度、パターン合せ精度は±0.5μm程度といった製造ばらつきを有する。例えば、固定部材に対して振動質量体を支持する部材である支持ばねが設計通りに加工されないと、設計上想定していた振動質量体の振動方位と実際の振動方位との間にずれが生じてしまう。また、加工精度が十分高くても、設計上の都合で、不必要な方向の振動を副次的に励起してしまうこともある。これらの望ましくない方向の振動は漏れ振動と呼ばれる。 In recent years, in order to reduce the size of these angular velocity sensors, semiconductor process technology has been used for the manufacture thereof (for example, see Patent Document 3). In order to manufacture an angular velocity sensor with high accuracy, each component of the angular velocity sensor needs to be processed with high accuracy. However, processing by semiconductor process technology is, for example, about ± 10% in the thickness direction, about ± 10% in the pattern width of several μm, and pattern alignment accuracy is about ± 0.5 μm in the case of general equipment used for MEMS. There are manufacturing variations. For example, if the support spring, which is a member that supports the vibration mass body with respect to the fixed member, is not processed as designed, a deviation occurs between the vibration orientation of the vibration mass body assumed in the design and the actual vibration orientation. End up. Even if the machining accuracy is sufficiently high, vibration in an unnecessary direction may be secondarily excited for design reasons. These undesirable directions of vibration are called leakage vibrations.
コリオリ力が存在しない環境下では、理想的には検出質量体は単純に第1の方向に振動するべきものである。しかし、漏れ振動がある場合、その影響によりコリオリ力が存在しなくても検出質量体が第2の方向に沿って変位することになる。したがって、漏れ振動は角速度センサが検出誤差を生じる要因となる。角速度センサの精度を向上させるために、この漏れ振動を抑制することが必要となる。 In an environment where no Coriolis force is present, ideally the detection mass should simply vibrate in the first direction. However, when there is leakage vibration, the detection mass body is displaced along the second direction even if there is no Coriolis force due to the influence. Therefore, the leakage vibration becomes a factor causing the detection error of the angular velocity sensor. In order to improve the accuracy of the angular velocity sensor, it is necessary to suppress this leakage vibration.
この抑制手段として、例えば特許文献3には、(1)固定電極と可動電極とを追加した構成、(2)吸振ビームと吸振マスとからなる吸振器を追加した構成、(3)空気抵抗により漏れ振動を抑制するための複数枚の羽根を追加した構成、(4)気体の粘性抵抗により漏れ振動を抑制するための制振子を追加した構成が開示されている。 As this suppression means, for example, Patent Document 3 includes (1) a configuration in which a fixed electrode and a movable electrode are added, (2) a configuration in which a vibration absorber made up of a vibration absorbing beam and a vibration absorbing mass is added, and (3) air resistance. A configuration in which a plurality of blades for suppressing leakage vibration is added, and (4) a configuration in which a damper for suppressing leakage vibration due to gas viscous resistance is added.
また、非特許文献1には、櫛歯電極の隣り合う櫛歯の間に電圧を印加することで生じる静電力により漏れ振動を抑制することも提案されている。
しかし、上述した漏れ振動抑制手段では構造が複雑になるという問題がある。以下そのことを説明する。 However, the above-described leakage vibration suppressing means has a problem that the structure becomes complicated. This will be described below.
まず特許文献3記載の漏れ振動抑制手段についてであるが、固定電極と可動電極とを設ける構成をとる場合、固定部側と可動部側との各々に電極が必要となり、角速度センサの構造が複雑となる。また、吸振ビームや吸振マスを設ける構成、複数枚の羽根を設ける構成、および気体の粘性抵抗を利用する制振子を設ける構成のいずれの場合も、複雑な構造物が必要となるので、角速度センサの構造が複雑となる。 First, regarding the leakage vibration suppressing means described in Patent Document 3, when a configuration in which a fixed electrode and a movable electrode are provided, an electrode is required on each of the fixed portion side and the movable portion side, and the structure of the angular velocity sensor is complicated. It becomes. In addition, a complicated structure is required in any of a configuration in which a vibration absorbing beam and a vibration absorbing mass are provided, a configuration in which a plurality of blades are provided, and a configuration in which a damper that uses gas viscous resistance is provided. The structure becomes complicated.
また、上述した非特許文献1記載の漏れ振動抑制手段は、隣り合う櫛歯電極の櫛歯を電気的に独立して制御できるように形成する必要がある。このため、この構成においても、角速度センサの構造が複雑となる。
Further, the leakage vibration suppressing means described in
また、電磁駆動方式では、マスク合わせ誤差により漏れ振動が発生するという問題がある。以下、そのことを説明する。 Further, the electromagnetic drive method has a problem that leakage vibration occurs due to a mask alignment error. This will be described below.
電磁駆動方式では、構造体(振動質量体、検出質量体等)と駆動配線とが別工程で形成される。このため、構造体形成用マスクと駆動配線形成用マスクとの間でマスク合わせ誤差が生じる。これにより、振動質量体の駆動振動方向と駆動力が発生する方向とにずれが生じ、このずれにより漏れ振動が生じる。この漏れ振動を抑制するために上記の静電駆動方式における抑制手段の適用が考えられる。しかし、静電駆動方式では,構造体と駆動機構とが同一マスクを用いて形成される。このため、静電駆動方式ではマスク合わせ誤差に基づく漏れ振動は生じない。よって、静電駆動方式における各種の抑制手段を単純に電磁駆動方式に適用しても、振動質量体の駆動方向と駆動力発生方向とのずれに基づく漏れ振動を直接抑制することは困難である。 In the electromagnetic drive system, the structure (vibrating mass body, detection mass body, etc.) and the drive wiring are formed in separate steps. For this reason, a mask alignment error occurs between the structure forming mask and the drive wiring forming mask. As a result, a deviation occurs between the driving vibration direction of the vibrating mass and the direction in which the driving force is generated, and leakage vibration is caused by this deviation. In order to suppress this leakage vibration, application of the suppression means in the electrostatic drive system is conceivable. However, in the electrostatic drive system, the structure and the drive mechanism are formed using the same mask. For this reason, leakage vibration based on mask alignment error does not occur in the electrostatic drive method. Therefore, even if various suppression means in the electrostatic drive system are simply applied to the electromagnetic drive system, it is difficult to directly suppress the leakage vibration based on the deviation between the driving direction of the vibrating mass body and the driving force generation direction. .
また、上記の特許文献3記載の漏れ振動抑制手段は、角速度センサの厚み方向の漏れ振動を抑制する手段であって、面内方向の漏れ振動を直接抑制することはできない。これは、検出される角速度が角速度センサの厚み方向である場合の課題であり、測定対象となるコリオリ力が角速度センサの面内方向となる場合は、面内方向の漏れ振動の抑制が特に重要である。 Further, the leakage vibration suppressing means described in Patent Document 3 is a means for suppressing leakage vibration in the thickness direction of the angular velocity sensor, and cannot directly suppress leakage vibration in the in-plane direction. This is a problem when the detected angular velocity is the thickness direction of the angular velocity sensor, and when the Coriolis force to be measured is in the in-plane direction of the angular velocity sensor, it is particularly important to suppress leakage vibration in the in-plane direction. It is.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、構造が簡易で、かつマスク合わせ誤差による漏れ振動を確実に抑制できる角速度センサを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that has a simple structure and can reliably suppress leakage vibration due to mask alignment error.
本発明の角速度センサは、コリオリ力を検出する電磁駆動式角速度センサであって、固定部材と、固定部材に対して第1の方向に変位可能なように固定部材に支持された振動質量体と、振動質量体に対して第1の方向に交差する第2の方向に変位可能なように振動質量体に支持された検出質量体と、振動質量体に形成されかつローレンツ力により振動質量体を第1の方向に変位させるための駆動配線と、振動質量体に形成され第1の方向に延在する変位調整配線とを有している。 An angular velocity sensor according to the present invention is an electromagnetically driven angular velocity sensor that detects a Coriolis force, a fixed member, and a vibrating mass supported by the fixed member so as to be displaceable in a first direction with respect to the fixed member. A detection mass body supported by the vibration mass body so as to be displaceable in a second direction intersecting the first direction with respect to the vibration mass body, and the vibration mass body formed by the Lorentz force Drive wiring for displacing in the first direction and displacement adjustment wiring formed on the vibrating mass body and extending in the first direction are included.
本発明の角速度センサは、電磁駆動方式であり、磁界中で駆動配線に電流を流すことによりローレンツ力を生じさせて、振動質量体を第1の方向に変位させるものである。この磁界下で変位調整配線に電流を流すことにより、上記と同様に、ローレンツ力を生じさせて第1の方向に交差する第2の方向に振動質量体を変位させることができる。 The angular velocity sensor of the present invention is of an electromagnetic drive type, and generates a Lorentz force by causing a current to flow through a drive wiring in a magnetic field, thereby displacing a vibrating mass body in a first direction. By passing a current through the displacement adjustment wiring under this magnetic field, the Lorentz force can be generated and the vibrating mass body can be displaced in the second direction intersecting the first direction, as described above.
よって、変位調整配線に流す電流が調整されれば、振動質量体の第2の方向の変位量が調整される。この調整機能により、第2の方向の漏れ振動を抑制することができる。このように、電磁駆動方式で生じる磁界を利用しているため、振動質量体に変位調整配線を設けるだけで、漏れ振動を抑制することができる。 Therefore, if the current flowing through the displacement adjustment wiring is adjusted, the displacement amount of the vibration mass body in the second direction is adjusted. With this adjustment function, leakage vibration in the second direction can be suppressed. As described above, since the magnetic field generated by the electromagnetic drive system is used, leakage vibration can be suppressed only by providing the displacement adjustment wiring on the vibration mass body.
また、本発明の角速度センサは、角速度センサの面内方向の漏れ振動を直接抑制することができるという効果を有する。 In addition, the angular velocity sensor of the present invention has an effect that leakage vibration in the in-plane direction of the angular velocity sensor can be directly suppressed.
また、上述したように、本発明の変位調整配線は電磁駆動方式において元来存在する磁界を利用して漏れ振動を抑制するので、変位調整配線を振動質量体に設けるだけで漏れ振動を抑制することができる。これにより、従来の固定電極と可動電極とを設ける場合と異なり、固定部材の方にまで他の電極を付加する必要がなく構成が簡易である。また、従来のように複雑な構造物を付加する必要もなく、単純な変位調整配線を追加するだけであるため、この点でも構成を簡易なものとすることができる。また、従来のように隣り合う櫛歯同士を電気的に分離する必要もないので、この点においても構成が簡易である。 In addition, as described above, the displacement adjustment wiring according to the present invention suppresses leakage vibration by using a magnetic field that originally exists in the electromagnetic drive system, and therefore suppresses leakage vibration only by providing the displacement adjustment wiring on the vibration mass body. be able to. Thereby, unlike the case where the conventional fixed electrode and the movable electrode are provided, it is not necessary to add another electrode to the fixed member, and the configuration is simple. Further, since it is not necessary to add a complicated structure as in the prior art and only a simple displacement adjustment wiring is added, the configuration can be simplified in this respect as well. Further, since it is not necessary to electrically separate adjacent comb teeth as in the prior art, the configuration is simple in this respect as well.
また、本発明の電磁駆動方式の角速度センサは、その製造時のフォトリソグラフィ工程において、漏れ振動抑制手段である変位調整配線を電磁駆動のための手段である駆動配線と同一のマスクを用いて同時に形成可能である。このため、1枚のマスクパターンを変位調整配線と駆動配線とが直角になるように描画しておけば、両者はマスク合わせ誤差の影響を受けずに安定的に直角に形成される。よって、製造ばらつきの影響を受けずに、漏れ振動抑制のための力と駆動力とが直角とされる。これにより、制御性よくマスク合わせ誤差による漏れ振動を抑制することができる。 Also, the electromagnetically driven angular velocity sensor of the present invention can be used simultaneously in the photolithography process at the time of manufacturing by using the same mask as the displacement adjusting wiring as the leakage vibration suppressing means and the driving wiring as the means for electromagnetic driving. It can be formed. For this reason, if one mask pattern is drawn so that the displacement adjustment wiring and the drive wiring are at right angles, both are stably formed at right angles without being affected by the mask alignment error. Therefore, the force for suppressing the leakage vibration and the driving force are set at a right angle without being affected by manufacturing variations. Thereby, leakage vibration due to mask alignment error can be suppressed with good controllability.
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下の説明で用いる「変位」とは、振動による位置の変化分をいう。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that “displacement” used in the following description refers to a change in position due to vibration.
(実施の形態1)
最初に、図1〜3を用いて、本実施の形態の角速度センサの構成について説明する。
(Embodiment 1)
Initially, the structure of the angular velocity sensor of this Embodiment is demonstrated using FIGS. 1-3.
図1は、本発明の実施の形態1における角速度センサの構成を概略的に示す平面図である。図1を参照して、説明の便宜のため、座標軸X軸、Y軸、Z軸が導入されている。図1の紙面において、X軸は横方向、Y軸は縦方向、Z軸は垂直方向である。X軸は、振動質量体10が容易に変位可能な第1の方向に一致する。Y軸は、検出質量体11が振動質量体10に対して変位できる第2の方向に一致する。Z軸は、本実施の形態の角速度センサが測定対象とする角速度の回転軸方向に一致する。
FIG. 1 is a plan view schematically showing the configuration of the angular velocity sensor according to
本実施の形態の角速度センサ99は、2つの角速度センサ部98と固定部材4と連結ばね7とを有している。図1において左右に分かれて存在する2つの角速度センサ部98は、連結ばね7により左右対称に連結されている。角速度センサ部98と連結ばね7とは固定部材4上に形成されている。連結ばね7は、その下面に存在する固定部材4とは直接は固定されておらず、固定部材4の上に浮いている。この連結ばね7はX軸方向に弾性的に変形可能であるので、左右の角速度センサ部98の各々の振動質量体10はX方向に互いにほぼ同周波数、逆位相で振動できるようになる。
The
次に、角速度センサ部の構成について説明する。
角速度センサ部98は、支持ばね6と、振動質量体10と、検出ばね16と、検出質量体11と、1対の櫛歯電極部17a、17bと、駆動配線12と、モニタ配線14と、変位調整配線13とを有している。振動質量体10は、支持ばね6を介して固定部材4に支持されている。詳細は後述するが、支持ばね6は、固定部材4と一方端部でのみ固定されており、それ以外の部分は中空に浮いている。また支持ばね6の他方端部が振動質量体10につながっている。また支持ばね6はY軸方向およびZ軸方向には高い剛性を有し、全体としてX軸方向に弾性的に最も変形しやすい形状を有している。この支持ばね6の変形により、振動質量体10はほぼX軸方向に振動変位することになる。
Next, the configuration of the angular velocity sensor unit will be described.
The angular
検出質量体11は、検出ばね16を介して、振動質量体10に支持されている。検出質量体11は固定部材4とは直接は結合されず、固定部材4の上に浮いている。検出ばね16はX軸方向およびZ軸方向には高い剛性を有するが、Y軸方向には全体として弾性的に変形するものである。この異方的なばね特性により、振動質量体10と検出質量体11とはX軸方向にはほぼ一体となって運動するが、検出質量体11は振動質量体10に対してY軸方向にばね変形により相対的に変位し得る。
The
検出質量体11は、矩形のドーナツ形状を有しており、その内面にはY軸に垂直な電極面を有する櫛歯電極部17aが形成されている。
The
固定櫛歯電極部17bは、固定部材4上に固定されており、前述した検出質量体のドーナツ形状の穴の内部に配置されている。固定櫛歯電極部17bはY軸に垂直な電極面を有する櫛歯電極を備えている。この固定櫛歯電極部17bの櫛歯電極と、櫛歯電極部17aの櫛歯電極とは、双方の電極面同士が互いに対向するように配置されている。1対の櫛歯電極部17a、17bは、1個のコンデンサとしての機能を有する。図示が省略されているが、このコンデンサの静電容量を外部から検知するための、固定部材4に配置された電気的に絶縁された孤立パッドと固定櫛歯電極部17b間をワイヤーボンドで結線するなどにより電気的に取り出すための配線が設けられている。孤立パッドから図示しない外部制御基板へ電気的接続がなされる。
The fixed
振動質量体10の上面には駆動配線12が図1において太線で示すようにY軸方向に延在している。この駆動配線12に外部から電流を流すための補助的な配線が、図1の細線で示すように支持ばね6の上面に形成されている。また、左側の角速度センサ部98の駆動配線12と右側の角速度センサ部98の駆動配線12とは、図における中央上部の支持ばね6上面で補助的な配線により結線されている。その結果、ひとつの電流経路が形成され、電流経路の両端が図1における中央下部の支持ばね6の上面に存在する。この両端に電流が印加されると、電流は連結ばね7の周囲を回るように流れるため、左側の駆動配線12と右側の駆動配線12とでは逆方向の電流が流れる。
On the upper surface of the vibrating
また、振動質量体10の上面には、図1において太線で示すように、モニタ配線14がY軸方向に延在している。このモニタ配線14の端部からは、図1において細線で示すように、さらに補助的な配線が支持ばね6の上面を通って支持ばね6の端部にまで延びている。
Further, as shown by a thick line in FIG. 1, the
さらに、振動質量体10の上面には、図1において太線で示すように、変位調整配線13がX軸方向に延在している。この変位調整配線13からは、図1において細線で示すように、さらに補助的な配線が支持ばね6の上面を通って支持ばね6の端部にまで延びている。
Further, as shown by a thick line in FIG. 1, a
図2は、図1のII−II線における概略的な断面図であり、本発明の実施の形態1における角速度センサの構成を概略的に示すものである。図2を参照して、固定部材4に支持ばね6の一部がアンカー領域5において固定されている。ここでアンカー領域とは、固定部材4とその上面に存在する他の部分とが固定されている領域を指す。支持ばね6のアンカー領域5以外の部分は中空に浮いている。振動質量体10と検出質量体11と連結ばね7とは固定部材4から浮いている。固定櫛歯電極部17bは固定部材4にアンカー領域5で固定されている。モニタ配線14と駆動配線12とは振動質量体10の上面に形成されている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1, and schematically shows the configuration of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention. With reference to FIG. 2, a part of the
また、駆動配線12、モニタ配線14、変位調整配線13とも、支持ばね6上を通る補助的な配線により、支持ばね6の内で固定部材4に固定されている短部表面に設けられたパッド(図示せず)に導かれ、このパッドから外部制御基板へ電気的接続がなされる。なお、断面図では、補助的な配線およびパッドは省略されている。
In addition, the
図3は、本発明の実施の形態1におけるアンカー領域を概略的に示す説明図である。図3を参照して、各々の支持ばね6は、一方の端部はアンカー領域5とされており、固定部材4に固定されている。もう一方の端部は振動質量体10とつながっている。支持ばね6はアンカー領域(ハッチングを付した部分)5以外の部分は固定部材から浮いており、この浮いている部分がばねとして機能する。固定櫛歯電極部17bはアンカー領域5に配置されており、固定部材4に固定されている。なお、図3における要素であって図1と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing an anchor region in the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, each
次に、図4を用いて、本実施の形態の角速度センサの使用環境を説明する。
図4は、本発明の実施の形態1における角速度センサの使用環境を概略的に示す断面図である。図4を参照して、本実施の形態の角速度センサ99は、ベース43上に載置される。角速度センサ99の周囲はパッケージ40により覆われる。
Next, the use environment of the angular velocity sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing an environment in which the angular velocity sensor according to
永久磁石41がパッケージ40の内面に付されており、これにより角速度センサ99に一様磁界が印加される。磁界の方向42は、角速度センサ99の主面に垂直であり、図1におけるZ軸の方向に相当する。なお、磁界のZ軸方向の成分の正負は任意である。また、永久磁石の代わりに電磁石が用いられてもよい。
A
図4においては、簡略的にリード線44が2本だけ描かれているが、実際は必要な本数だけリード線44が延びている。このリード線44の一方の端部は、角速度センサ99において、アンカー領域5に対応する支持ばね6の端部上に形成された駆動配線12、モニタ配線14、変位調整配線13などのパッドや、低抵抗シリコンを用いてシリコン自体を導体として固定部材4に固定されている領域のシリコン面から接続がなされる検出用の可動櫛歯電極側配線パッドや、固定櫛歯電極部17bからワイヤーボンドで取り出された孤立パッドなどと接続されている。また、このリード線44の他方の端部は、図示されていない制御装置に接続されている。この制御装置は、駆動配線12および変位調整配線13に電流を印加する機能と、モニタ配線14に生じる誘導起電力を測定する機能と、検出質量体のY軸方向の変位を検出するために静電容量を測定する機能とを有している。
In FIG. 4, only two
続いて、図1を用いて、本実施の形態の角速度センサの角速度の測定原理について説明する。 Then, the measurement principle of the angular velocity of the angular velocity sensor of this Embodiment is demonstrated using FIG.
図1を参照して、Y軸方向に延在する駆動配線12に交流電流が印加される。すると、Z軸方向には磁石により一様磁界が印加されているため、駆動配線12にはX軸方向のローレンツ力が作用する。ローレンツ力は、前述した交流電流に応じて時間的に振動する成分となる。よって、駆動配線12が付された振動質量体10には、X軸方向に振動する力が加わる。ここで、振動質量体10は支持ばね6によってX軸方向に変位可能に懸架されているため、振動質量体10はX軸方向に振動的に変位する。この変位に応じて、振動質量体10上に設けられたZ軸方向の一様磁界下にあるモニタ配線14には誘導起電力が生じる。この誘導起電力が制御装置によりモニタされることで、振動質量体の振動の振幅が検知される。この検知結果を参照して駆動配線12の電流値が調整されることにより、振動質量体10を所望の振幅で振動させることができる。
Referring to FIG. 1, an alternating current is applied to drive
図1を参照して、左側の角速度センサ部98の駆動配線12と右側の角速度センサ部98の駆動配線12とは、電流方向が逆向きに流れるように補助的な配線で結線されている。よって、作用するローレンツ力は、左側の角速度センサ部98の駆動配線12と右側の角速度センサ部98の駆動配線12とでは方向が逆になる。この結果、各々の駆動配線12が付された振動質量体10にはX軸に沿って逆向きの力が作用する。ここで、各々の振動質量体10は支持ばね6によりX軸に沿って振動変位が可能なように支持されているため、各々の振動質量体10はX軸に沿って逆位相で振動する。さらに、隣り合う角速度センサ部98が連結ばね7によりX軸方向に相対的に変位可能なように連結されているため、この振動が安定化される。また、支持ばね7の中心位置に仮想されるX軸に垂直な面に対して、支持ばね7により連結されている2つの角速度センサ部98は対称形状の構造を有しているため、この左右の振動質量体10がほぼ同じ周波数、逆位相で振動が安定化される。
Referring to FIG. 1, the
検出質量体11は、固定部材4からは独立していて、検出ばね16を介して振動質量体10により懸架されている。検出ばね16はX軸方向には高い剛性を有するため、振動質量体10がX軸方向に振動することにともない検出質量体11もX軸方向に振動する。
The
Z軸周りの角速度が角速度センサ99に加わると、X軸方向に振動する検出質量体11にはこの角速度に応じたY軸方向のコリオリ力が加わる。前述した検出ばね16は、Y軸方向には全体として容易に弾性的に変形するものであるため、検出質量体11はY軸方向に作用するコリオリ力に応じて振動的に変位する。これにともない、矩形状のドーナツ形状を有する検出質量体11の内周面に備えられた櫛歯電極部17aもY軸方向に振動する。
When an angular velocity around the Z axis is applied to the
一方、検出質量体11のドーナツ状の穴部分に囲まれた領域のさらに内側に設けられた固定櫛歯電極部17bは固定部材4に固定されている。よって、固定櫛歯電極部17bに備えられた櫛歯電極は固定部材4に対して位置的に固定された状態である。そして、櫛歯電極部17aに備えられた櫛歯電極と固定櫛歯電極部17bに備えられた櫛歯電極とから構成されるコンデンサは、検出質量体11のY軸方向の振動にともないその電極間距離が変動するため、その静電容量も変動する。したがって、この静電容量を制御装置が測定することにより、検出質量体11のY軸方向の振動的な変位を知ることができる。この変位は、Z軸方向の角速度に起因したY軸方向のコリオリ力に対応しているため、Z軸方向の角速度を知ることができる。
On the other hand, the fixed
上述した角速度センサの測定原理の説明は、理想的な状態についてのものである。実際の角速度センサにおいては、製造上または設計上の問題により、漏れ振動の影響を受ける。以下にこの漏れ振動について説明する。 The above description of the measurement principle of the angular velocity sensor is for an ideal state. An actual angular velocity sensor is affected by leakage vibration due to manufacturing or design problems. This leakage vibration will be described below.
まず、一般に振動質量体や支持ばねが、図1に示した座標軸X、Y、Zに相当する3軸に対して対称に加工できていないときには、漏れ振動が発生し得る。 First, in general, when the vibration mass body and the support spring are not processed symmetrically with respect to the three axes corresponding to the coordinate axes X, Y, and Z shown in FIG. 1, leakage vibration may occur.
さらに、電磁駆動方式に特有の漏れ振動も存在する。図1および図2を用いてこの点について述べる。図1を参照して、まず電磁駆動方式の角速度センサにおける製造上の問題により生じる漏れ振動の例について説明する。振動質量体10の上面には駆動配線12が設けられている。本発明の角速度センサの製造方法の詳細は後述するが、振動質量体10と駆動配線12とは、別個のフォトリソグラフィ工程を経て形成されている。よって、振動質量体10と駆動配線12との間では、マスク合わせ誤差が生じ得る。振動質量体10の延在方向が座標軸の基準とされた場合、マスク合わせに角度の誤差があると、駆動配線12は厳密にはY軸方向からずれて延在することになる。その結果、駆動配線12を流れる電流の電流ベクトルは、Y軸方向の成分が主ではあるが、X軸方向の成分も若干有することとなる。このX軸方向の電流成分は、Z軸方向の磁界の下、Y軸方向のローレンツ力を発生させる。このため、振動質量体10は主にはX軸方向に振動するものの、Y軸方向にもわずかに振動する。これが漏れ振動現象のひとつである。この振動質量体10のY軸方向の漏れ振動は、検出ばね16を介して検出質量体11に伝達される。この影響により、コリオリ力が存在しなくても検出質量体11がY軸方向に振動してしまう。このため、角速度がゼロの下でも、あたかも角速度が存在するかのように、対向する櫛歯電極で構成されるコンデンサの静電容量が振動的に変化してしまう。
Furthermore, there are also leakage vibrations specific to the electromagnetic drive system. This point will be described with reference to FIGS. With reference to FIG. 1, an example of leakage vibration caused by a manufacturing problem in an electromagnetically driven angular velocity sensor will be described first. A
一方、静電駆動方式の場合は、電磁駆動方式と異なり、上述したマスク合わせ誤差に起因する漏れ振動は通常問題とならない。例えば、櫛歯電極間の静電力を利用して振動を発生させる静電駆動方式の角速度センサの場合、その製造においては、振動質量体などの構造体と静電駆動力を発生させるための櫛歯電極の構造体とは一体のものであるため、同一のマスクを用いて同時にパターニングがなされる。このため、マスク合わせ誤差を考える必要がない。 On the other hand, in the case of the electrostatic drive method, unlike the electromagnetic drive method, the leakage vibration caused by the mask alignment error described above does not usually cause a problem. For example, in the case of an electrostatic drive type angular velocity sensor that generates vibration using electrostatic force between comb-teeth electrodes, a structure for generating an electrostatic drive force and a structure such as a vibration mass body are used in the manufacture thereof. Since the tooth electrode structure is integral, patterning is simultaneously performed using the same mask. For this reason, it is not necessary to consider a mask alignment error.
なお、製造上の問題に起因する漏れ振動の原因は、上述したもの以外にも、エッチング工程のばらつきによる設計形状からのずれによる場合もある。この設計形状からのずれによる漏れ振動の発生は、駆動方式を問わず発生し得るものである。 In addition to the above, the cause of leakage vibration due to manufacturing problems may be due to deviation from the design shape due to variations in the etching process. The occurrence of leakage vibration due to deviation from the design shape can occur regardless of the drive system.
図2を参照して、続いて、電磁駆動方式の角速度センサにおける設計上の問題により生じる漏れ振動の例について説明する。駆動配線12は振動質量体10の上面に形成されている。このため、駆動配線12に作用するローレンツ力により、振動質量体10の駆動配線が付された部分である上面部分にX軸方向の力が作用する。振動質量体10の重心点よりもローレンツ力の作用点はZ軸方向にずれており、またローレンツ力はX軸方向に作用するため、Y軸方向の回転モーメントが生じる。この回転モーメントは振動質量体10の純粋なX軸方向の並進振動を乱し、漏れ振動の発生原因となる。
Next, an example of leakage vibration caused by a design problem in an electromagnetically driven angular velocity sensor will be described with reference to FIG. The
次に、本実施の形態の角速度センサにおける漏れ振動の抑制手段について、図1、2、5を用いて説明する。 Next, a means for suppressing leakage vibration in the angular velocity sensor of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図1、2を参照して、振動質量体10の上面にはX軸方向に延在する変位調整配線13が設けられている。この変位調整配線13には、補助的な配線を介して制御装置から電流が印加される。この構成によれば、変位調整配線13に任意の電流が流されることにより、Z軸方向の磁場の下、変位調整配線13にY軸方向の任意の大きさのローレンツ力を作用させることができる。このY軸方向のローレンツ力を最適な大きさで加えることにより、振動質量体10のY軸方向の漏れ振動を最大限抑制することができる。
Referring to FIGS. 1 and 2, a
例えば、Z軸周りの角速度がゼロのときの検出質量体11のY軸方向の変位がゼロもしくは最小となるようにすれば、漏れ振動を抑制することができる。検出質量体11のY軸方向の変位は櫛歯電極からなるコンデンサの静電容量により検知されるので、この静電容量の振動がゼロもしくは最小となるようにすればよい。
For example, if the displacement in the Y-axis direction of the
図5は、本発明の実施の形態1における角速度センサに印加される電流の一例を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing an example of current applied to the angular velocity sensor according to
図5を参照して、変位調整配線13に印加される電流の一例を示す。駆動電流62と逆位相の電流が変位調整電流63として変位調整配線13に印加される。変位調整電流63の振幅は漏れ振動が最小となるように調整される。なお、図5は一例として示したものであり、その位相については、逆位相ではなく同位相もしくはその他の最適な位相差となることもある。また、その振幅については、実際の素子の構造や、製造時におけるフォトリソグラフィ工程のマスク合わせ誤差の程度や、エッチング加工時のばらつきによる設計寸法からのずれの程度などに応じて最適化される。
With reference to FIG. 5, an example of the current applied to the
続いて、本実施の形態における漏れ振動抑制機構の特徴について、図6〜8を用いて説明する。本実施の形態における漏れ振動抑制機構である変位調整配線13は、駆動配線12と同一のマスクによりパターニングされ得る。その特徴による作用効果を明確化するため、漏れ振動抑制機構が、振動質量体10や支持ばね6などと同時に形成される櫛歯電極である場合も比較例として示される。
Next, features of the leakage vibration suppressing mechanism in the present embodiment will be described with reference to FIGS. The
図6は、電磁駆動方式の角速度センサの構造体の座標系と駆動の座標系とを示す説明図である。なお、図6においては、説明に不必要な構成要素は割愛してある。図6を参照して、図の上部には角速度センサの主な構成が模式的に描かれており、図の下部には各構成の角度関係を示すための座標系が描かれている。この座標系においては、振動質量体10や支持ばね6などの構造体を基準とした座標軸を有する構造体の座標系71を実線で示し、駆動配線12の延在方向に沿った方向の座標軸を有する駆動の座標系72を破線で示している。構造体形成マスクと駆動配線形成用マスクとにマスク合わせ誤差が生じた場合、駆動配線12は座標系71のY軸に正確に沿わず、所定の誤差θだけずれて形成される。駆動配線12に電流を流すことで生じるローレンツ力(電磁駆動力)は、駆動配線12の延在方向に直交方向に作用する。このため、このローレンツ力は図中矢印73で示すように構造体の座標軸71のX軸から角度θだけずれることになる。これにより、矢印73で示すローレンツ力のベクトルは、構造体の座標系71のX軸方向の成分とY軸方向の成分との和となり、Y軸方向の成分を含む。このため、駆動配線12のローレンツ力が生じた場合、振動質量体10は構造体の座標系71のY軸方向に漏れ振動することになる。
FIG. 6 is an explanatory view showing a coordinate system of a structure of an angular velocity sensor of an electromagnetic drive system and a drive coordinate system. In FIG. 6, components unnecessary for explanation are omitted. Referring to FIG. 6, the main configuration of the angular velocity sensor is schematically drawn at the top of the diagram, and the coordinate system for showing the angular relationship of each configuration is drawn at the bottom of the diagram. In this coordinate system, a coordinate
図7は、図6に示した電磁駆動方式の角速度センサに対して、非特許文献1の漏れ振動抑制手段を単純に適用した場合における、漏れ振動抑制力と電磁駆動力との方位関係を示す説明図である。なお、説明に不必要な構成要素は割愛してある。図7を参照して、非特許文献1の漏れ振動抑制手段として、1対の櫛歯電極30、31が設けられている。一対の櫛歯電極30、31のうち質量体側櫛歯30は振動質量体10に取り付けられており、固定部材側櫛歯31は固定部材4に取り付けられている。また、1対の櫛歯電極30、31は、双方の電極面が互いに対向するように配置されている。
FIG. 7 shows the azimuth relationship between the leakage vibration suppressing force and the electromagnetic driving force when the leakage vibration suppressing means of
この1対の櫛歯電極30、31によって生じる漏れ振動抑制力は、1対の櫛歯電極30、31の互いに対向する電極面間で生じる静電力によって与えられる。このため、この漏れ振動抑制力は図中矢印74で示す方向、つまり構造体の座標系71のY軸方向に作用する。漏れ振動を抑制するために電磁駆動力の構造体の座標系71におけるY軸方向の成分を打ち消すように漏れ振動抑制手段を機能させる場合、合力76は、電磁駆動力73よりも絶対値が小さくなる。この状態では所望の振動振幅を得られないため、駆動配線12に流れる電流が調整され、電磁駆動力が大きくされる。すると、その増分に対応してY軸方向の漏れ振動成分も大きなものとなる。このため、電磁駆動力と漏れ振動抑制力の最適値を設定する制御が発散する傾向があり、制御に困難が生じる。なお、図7においては図示を簡略化するため振動質量体10から延びる櫛歯である質量体側櫛歯30は1個しか描かれていないが、この個数は任意である。また、質量体側櫛歯30の個数に対応して固定部材側櫛歯31の個数も増やせばよい。図6と同一の符号が付された部分については同一の内容を示しており、説明を省略する。
The leakage vibration suppression force generated by the pair of
図8は、本発明の実施の形態1における漏れ振動抑制力と電磁駆動力との方位関係を示す説明図である。なお、説明に不必要な構成要素は割愛してある。図8を参照して、図6の角速度センサに対して、電磁式の漏れ振動抑制手段の機構である変位調整配線13が付加されている。角速度センサの製造において、変位調整配線13は駆動配線12と同時に形成される。よって、変位調整配線13と駆動配線12との相対的な位置関係はマスク合わせ誤差の影響を受けない。このため、変位調整配線13に作用するローレンツ力の方向と駆動配線12に作用するローレンツ力の方向との直交関係は、製造ばらつきの影響を受けず、常に直交関係を保つことができる。よって、駆動の座標系72の一方の座標軸方向に電磁駆動力73をとると、直交するもう一方の座標軸の方向が電磁式の漏れ振動抑制力75の方向と一致する。一方で、駆動配線12および変位調整配線13のフォトリソグラフィ工程と、振動質量体10や支持ばね6などの構造体のフォトリソグラフィ工程とは別個であるため、角度θ分だけマスク合わせ誤差が生じうる。ここで、電磁駆動力73の構造体の座標系71におけるY軸成分を打ち消すように電磁式の漏れ振動抑制力75の大きさが設定されると、その合力76は電磁駆動力73よりも絶対値が大きくなる。この状態では振動振幅が当初よりも大きくなるので、その補正のため駆動配線12に流される電流が低減され、電磁駆動力が小さくされる。すると、それに対応してY軸方向の漏れ振動成分が小さくなるので、変位調整配線13に流される電流を小さくできる。このため、図7の場合とは対照的に、電磁駆動力73および漏れ振動抑制力75の最適値の組み合わせが設定される制御が収束する傾向がある。よって、本実施の形態によれば、漏れ振動を効率よく修正することができる。図6、7と同一の符号が付された部分については同一の内容を示しており、説明を省略する。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the orientation relationship between the leakage vibration suppressing force and the electromagnetic driving force in the first embodiment of the present invention. Components that are unnecessary for the description are omitted. Referring to FIG. 8,
また、本実施の形態によれば、漏れ振動抑制手段である変位調整配線13は単純な配線パターンである。その構造が単純であるため、製造がしやすく、制御性もよい。また、変位調整配線13は駆動配線12と同時に形成できる利点もある。
Further, according to the present embodiment, the
(実施の形態2)
図9は、本発明の実施の形態2における角速度センサの構成を概略的に示す平面図である。駆動配線12以外の構成は、図1に示したものと同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。実施の形態1との相違は、ひとつの振動質量体10が複数の駆動配線12を備えていることである。図9を参照して、実施の形態1と異なり、駆動配線12は、ひとつの振動質量体10に対して上下に対称に2本形成されている。また、連結ばね7の上面には左右の駆動配線を電気的に連結するための補助的な配線が設けられている。
(Embodiment 2)
FIG. 9 is a plan view schematically showing the configuration of the angular velocity sensor according to Embodiment 2 of the present invention. Since the configuration other than the
実施の形態1においては電流経路は1つであったが、本実施の形態においては電流経路が2つ存在する。2つの電流経路に同一の電流が流され、かつひとつの振動質量体10に付された2つの駆動配線12には同一方向の電流が流されるように電流の向きが選択されれば、振動質量体10に作用するローレンツ力は実質的に実施の形態1と同様となる。よって、この場合、振動質量体10は実施の形態1と同様に駆動される。本実施の形態の特徴は、さらに2つの電流経路に流す電流に差異を設けることができる点である。図9を参照して、振動質量体10の上部が下部に比してX軸方向に大きく振動するような場合は、上部の駆動配線12に流れる電流が、下部の駆動配線12に流れる電流よりも小さくなるように調整される。すると振動質量体10の上部に働く駆動力が、下部に働く駆動力に比して小さくなる。この作用を用いて、振動質量体がX軸方向に理想的な並進運動をするように調整される。これにより、漏れ振動が抑制され、角速度センサの精度を高める効果が得られる。
Although the number of current paths is one in the first embodiment, there are two current paths in the present embodiment. If the direction of the current is selected so that the same current flows through the two current paths and the current in the same direction flows through the two
(実施の形態3)
図10は、本発明の実施の形態3における角速度センサの構成を概略的に示す断面である。駆動配線12およびモニタ配線14以外の構成は、図2に示したものと同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。図10を参照して、実施の形態1との相違は、ひとつの振動質量体10が表裏両面に上下対称の配置で駆動配線12とモニタ配線14とを備えていることである。
(Embodiment 3)
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the angular velocity sensor according to Embodiment 3 of the present invention. Since the configuration other than the
実施の形態1、2においては、設計上、駆動配線12が振動質量体10の上面にのみ存在する。このため、駆動配線12に作用するローレンツ力により、振動質量体10の駆動配線が付された部分である上面部分にX軸方向の力が作用する。振動質量体10の重心点よりもローレンツ力の作用点はZ軸にずれており、またローレンツ力はX軸方向に作用するため、Y軸方向の回転モーメントが生じる。この回転モーメントは振動質量体10の純粋な横方向の振動を乱し、漏れ振動の発生原因となる。一方、本実施の形態においては、表裏の駆動配線12に同一かつ同方向の電流が流されれば、表裏に作用する回転モーメントが相殺され、Z軸方向の漏れ振動が抑制される。この結果、対処が必要な漏れ振動は主にY軸方向のものとなるので、実施の形態1、2で説明した変位調整配線13への電流印加によるY軸方向のローレンツ力により効果的に漏れ振動を抑制することが可能となる。
In the first and second embodiments, the
さらに、表裏の駆動配線12に流れる電流に差異を設けることも可能である。任意の差異を設けることにより、振動質量体に加わるY軸周りの回転モーメントを調整することができる。振動質量体10が望ましくないY軸周りの回転振動をしている場合、この調整作用により、回転を打ち消すことが可能となる。この結果、振動質量体10の漏れ振動を抑制することができるため、角速度センサの精度が向上する。
Further, it is possible to provide a difference in the current flowing through the driving
本実施の形態においては、モニタ配線14も表裏両面に形成されている。これにより、上下方向の重量バランスの対称性およびモニタ配線が磁界から受ける力の対称性が増すため、Z軸方向の漏れ振動を抑制することができる。この結果、漏れ振動は主にY軸方向のものとなるので、実施の形態1、2で説明した変位調整配線13への電流印加によるY軸方向のローレンツ力により効果的に抑制することが可能となる。
In the present embodiment, the
なお、本実施の形態においては、駆動配線12とモニタ配線14との両方が表裏両面に形成されているが、どちらか片方のみが表裏両面にある構成としても一定の効果を得ることができる。
In the present embodiment, both the
次に、本実施の形態の角速度センサの製造方法について、図11〜13を用いて説明する。 Next, the manufacturing method of the angular velocity sensor of this Embodiment is demonstrated using FIGS.
図11は、本発明の実施の形態3における角速度センサの製造方法の第1工程を概略的に示す断面図である。図11を参照して、固定部材4に振動質量体などを中空支持できるようにするための空隙となる窪みが形成される。固定部材4としては、例えばガラス基板を用いることができる。一方、シリコン基板53の裏面には、薄膜形成技術により裏面側の駆動配線12および裏面側のモニタ配線14が形成される。また、図示しないが、シリコン基板53と駆動配線12との間、およびシリコン基板53とモニタ配線14との間は電気的絶縁性が付与されている。絶縁性の付与は、絶縁膜を形成したり、シリコンの表面を酸化させたりすることにより行なうことができる。
FIG. 11 is a cross sectional view schematically showing a first step of the method of manufacturing the angular velocity sensor in the third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11, the fixing
図12は、本発明の実施の形態3における角速度センサの製造方法の第2工程を概略的に示す断面図である。図12を参照して、固定部材4とシリコン基板53とが張り合わされる。張り合わせは、例えば陽極接合により行なうことができる。その後、シリコン基板53が所定の厚みに研削、研磨加工される。次に、シリコン基板53の表側に、薄膜形成技術により表面側の駆動配線12および表面側のモニタ配線14が形成される。また、図示されていないが、シリコン基板53の表側に、変位調整配線13や外部との電気的接続に必要となるワイヤボンドパッドなども形成される。具体的には、例えば、シリコン基板53との電気的絶縁性が確保された上で、シリコン基板53上にAl−Si合金膜が成膜される。この合金膜が半導体プロセス技術により所望の形状にパターニングされる。
FIG. 12 is a cross sectional view schematically showing a second step of the method of manufacturing the angular velocity sensor according to Embodiment 3 of the present invention. Referring to FIG. 12, fixing
なお、各櫛歯電極は低抵抗シリコン基板を異方性エッチングして形成された櫛歯構造体の対向する垂直なエッチング面を電極とし、シリコン自体をも配線材料として使用されている。固定部材4上で、他の配線部材と電気絶縁された状態で、シリコン表面の絶縁膜を開口し、センサ素子外への取り出しのための図示しない可動櫛歯電極側配線パッドが形成されている。一方、固定櫛歯電極部17b側は、その櫛歯を固定している根元の部位と固定部材4に配置した電気的に絶縁された図示しない孤立パッドとがワイヤーボンド配線され、さらにその孤立パッドからセンサ素子外へと配線されている。
In addition, each comb-tooth electrode uses the perpendicular etching surface which opposes the comb-tooth structure formed by anisotropically etching the low resistance silicon substrate as an electrode, and silicon itself is also used as a wiring material. On the fixed
図13は、本発明の実施の形態3における角速度センサの製造方法の第3工程を概略的に示す断面図である。図13を参照して、レジストマスク54がフォトリソグラフィ技術により形成される。マスクパターンは、支持ばね6、連結ばね7、振動質量体10、検出質量体11などの形状に対応している。続いて、例えばICP−RIE (Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching) によるシリコン異方性深堀り加工技術により、異方性よくシリコン基板53がエッチングされる。その後、レジストが除去される。
FIG. 13 is a cross sectional view schematically showing a third step of the method of manufacturing the angular velocity sensor according to Embodiment 3 of the present invention. Referring to FIG. 13, a resist
以上により、図10に示す本実施の形態の角速度センサが完成される。
なお、本実施の形態においては、シリコン基板53を用いたが、本発明はこれに限るものではなく、他の材料の基板を用いてもよい。
Thus, the angular velocity sensor of the present embodiment shown in FIG. 10 is completed.
Although the
また、本実施の形態においては、固定部材4とシリコン基板53との張り合わせに陽極接合を用いたが、本発明はこれに限るものではない。低融点ガラスや共晶メタルに関する技術も用いることができる。
Further, in this embodiment, anodic bonding is used for bonding the fixing
また、本実施の形態においては、固定部材4を陽極接合可能なガラスとしたが、別の基板接合方法を用いれば、材質をガラスに限るものではなく、例えばシリコンでもよい。
In the present embodiment, the fixing
(実施の形態4)
図14は、本発明の実施の形態4における角速度センサの構成を概略的に示す断面図である。駆動配線12およびモニタ配線14以外は、実施の形態3における図10に示したものと同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。図14を参照して、実施の形態3との相違は、駆動配線12およびモニタ配線14が、振動質量体10に埋め込まれている点である。
(Embodiment 4)
FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of the angular velocity sensor according to
実施の形態1、2においては、設計上、駆動配線12が振動質量体10の上面にしか存在しない。このため、駆動配線12に作用するローレンツ力により、振動質量体10の駆動配線が付された部分である上面部分に横方向の力が作用する。振動質量体10の重心点よりもローレンツ力の作用点は上にずれており、またローレンツ力は横方向に作用するため、回転モーメントが生じる。この回転モーメントは振動質量体10の純粋な横方向の振動を乱し、漏れ振動の発生原因となる。
In the first and second embodiments, the
一方、本実施の形態においては、駆動配線12が埋め込まれているため、振動質量体10の重心とローレンツ力の作用点とを結ぶ線の方向が、ローレンツ力の方向と同一方向となるようにすることができる。よってY軸周りの回転モーメントが発生しないので、Z軸方向の漏れ振動を抑制することができる。この結果、漏れ振動は主にY軸方向のものとなるので、実施の形態1、2で説明した変位調整配線13への電流印加によるY軸方向のローレンツ力により効果的に抑制することが可能となる。
On the other hand, in the present embodiment, since the
本実施の形態においては、モニタ配線14も埋め込まれている。これにより、上下方向の重量バランスの対称性およびモニタ配線が磁界から受ける力の対称性が増すため、Z軸方向の漏れ振動を抑制することができる。この結果、漏れ振動は主にY軸方向のものとなるので、実施の形態1、2で説明した変位調整配線13への電流印加によるY軸方向のローレンツ力により効果的に抑制することが可能となる。
In the present embodiment, the
次に、本実施の形態の角速度センサの製造方法について説明する。まず、例えばシリコン基板に、駆動配線12やモニタ配線14を埋め込むための溝が形成される。次に、絶縁層が形成され、続いて、例えば銅のような導電性材料が成膜される。次に、表面の平坦化がなされる。こうして得られた導電性材料のパターンが埋め込まれたシリコン基板が、埋め込み面を下面として図12におけるのシリコン基板53の代わりに固定部材4と張り合わされる。その後は実施の形態3と同様の工程を経て、本実施の形態の角速度センサが得られる。
Next, a method for manufacturing the angular velocity sensor according to the present embodiment will be described. First, for example, a groove for embedding the
本実施の形態のように厚み方向に貫通した溝に配線が埋め込まれた構成とすれば、シリコン基板53に覆われて存在する配線がないので、給電をシリコン基板表面からのみ行なえばよいという利点がある。
If the wiring is embedded in the groove penetrating in the thickness direction as in the present embodiment, there is no wiring that is covered with the
なお、本実施の形態においては、駆動配線12およびモニタ配線14が共に埋め込まれているが、どちらか一方が埋め込まれた構成であっても、一定の効果が得られる。
In the present embodiment, both the
また、本実施の形態においては、厚み方向に貫通した溝に駆動配線12やモニタ配線14が埋め込まれた構成を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、その一部が埋め込まれていれば、回転モーメントの発生を低減することが可能となる。また表裏両面に厚み方向に貫通していない溝を設けて、両面の溝に駆動配線12やモニタ配線14が埋め込まれた構成としても、回転モーメントの発生を低減することができる。
Further, in the present embodiment, the configuration in which the
(実施の形態5)
図15は、本発明の実施の形態5における角速度センサの構成を概略的に示す断面図である。図15を参照して、各々の振動質量体10の上下に変位センサ15が設けられている点以外は、実施の形態1における図1に示したものと同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Embodiment 5)
FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of the angular velocity sensor according to the fifth embodiment of the present invention. Referring to FIG. 15, except that
実施の形態1において説明したように、検出質量体11の矩形状のドーナツ形状の穴の部分には、櫛歯電極部17aと固定櫛歯電極部17bとが設けられ、静電容量の変化により検出質量体11のY軸方向の変位が検出される。本実施の形態においては、これと同様のY軸方向の変位検出機構である変位センサ15が、さらに振動質量体10にも設けられている。すなわち、図15における振動質量体10の図における上側と下側には、矩形上の穴が設けられており、その中に、固定櫛歯電極部17bが形成されている。固定櫛歯電極部17bは下面の固定部材4に固定されており、外周にはY軸に垂直な電極面を有する櫛歯電極が形成されている。また、振動質量体10の穴の内周表面にもY軸と垂直な電極面を有する櫛歯電極部17aが設けられている。櫛歯電極部17aと固定櫛歯電極部17bとは噛み合うように配置されている。櫛歯電極間には静電容量が生じ、この静電容量を測定することにより、振動質量体10のY軸方向の変位を知ることができる。
As described in the first embodiment, the rectangular donut-shaped hole portion of the
この構成によれば、コリオリ力により変位する検出ばね16に対し、振動質量体10のY軸方向の剛性は十分に高いので、変位センサ15により、振動質量体10のY軸方向の漏れ振動を常時検出することができる。よって、この常時検出に基づき、漏れ振動をゼロもしくは最小化するように変位調整配線13に流される電流が制御されることで、より精度の高い角速度検出を行なうことが可能となる。
According to this configuration, the rigidity of the
なお、変位センサ15として、本実施の形態においては対向する櫛歯電極からなるコンデンサを用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、振動質量体10のY軸方向の変位を検知できるセンサであればよい。
In this embodiment, a capacitor composed of opposing comb electrodes is used as the
今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。 Each embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、電磁駆動方式の角速度センサに特に有利に適用され得る。 The present invention can be applied particularly advantageously to an electromagnetically driven angular velocity sensor.
1 第1の方向、2 第2の方向、3 第3の方向、4 固定部材、5 アンカー領域、6 支持ばね、7 連結ばね、10 振動質量体、11 検出質量体、12 駆動配線、13 変位調整配線、14 モニタ配線、15 変位センサ、17a 櫛歯電極部、17b 固定櫛歯電極部、30 質量体側櫛歯、31 固定部材側櫛歯、40 パッケージ、41 永久磁石、42 磁界の方向、43 ベース、44 リード線、53 シリコン基板、54 レジストマスク、71 構造体の座標系、72 駆動の座標系、73 電磁駆動力、74 比較例の漏れ振動抑制力、75 電磁式の漏れ振動抑制力、76 合力、98 角速度センサ部、99 角速度センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
固定部材と、
前記固定部材に対して第1の方向に変位可能なように前記固定部材に支持された振動質量体と、
前記振動質量体に対して前記第1の方向に交差する第2の方向に変位可能なように前記振動質量体に支持された検出質量体と、
前記振動質量体に形成され、かつローレンツ力により前記振動質量体を前記第1の方向に変位させるための駆動配線と、
前記振動質量体に形成され、前記第1の方向に延在する変位調整配線とを備えた、角速度センサ。 An electromagnetically driven angular velocity sensor that detects Coriolis force,
A fixing member;
A vibrating mass supported by the fixing member so as to be displaceable in a first direction with respect to the fixing member;
A detection mass body supported by the vibration mass body so as to be displaceable in a second direction intersecting the first direction with respect to the vibration mass body;
Drive wiring formed on the vibrating mass and for displacing the vibrating mass in the first direction by Lorentz force;
An angular velocity sensor comprising a displacement adjustment wiring formed on the vibration mass body and extending in the first direction.
前記角速度センサ部の各々の前記第1の方向が揃っており、隣りあう前記角速度センサ部の前記振動質量体同士が前記第1の方向に変位可能になるように前記振動質量体同士を連結する連結ばねをさらに備えた、請求項1〜9のいずれかに記載の角速度センサ。 A pair of angular velocity sensor units each including the vibration mass body, the detection mass body, the drive wiring, and the displacement adjustment wiring;
The first mass directions of the angular velocity sensor portions are aligned, and the vibration mass bodies are connected to each other so that the vibration mass bodies of the adjacent angular velocity sensor portions can be displaced in the first direction. The angular velocity sensor according to claim 1, further comprising a connection spring.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102419150A (en) * | 2011-09-01 | 2012-04-18 | 泰安科大洛赛尔传感技术有限公司 | Vibrating string type displacement sensor and working method thereof |
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2006
- 2006-03-31 JP JP2006099119A patent/JP2007271514A/en not_active Withdrawn
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