JP2007316037A - Angular velocity sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-cost angular velocity sensor which can be easily produced by MEMS process, and can made primary vibrations change into the outside of the same plane as a ring part. <P>SOLUTION: The ring part 11 and a drive electrode 3 are arranged within substantially the same plane, and a voltage applied to the drive electrode 3 is set the voltage value, based on the proper frequency of the ring part 11, then the ring part 11 is vibrated in three dimensions. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング部を有する振動子が形成された半導体基板を備える角速度センサに関する。   The present invention relates to an angular velocity sensor including a semiconductor substrate on which a vibrator having a ring portion whose vibration state changes according to an angular velocity of a detection target.

近年、低コスト化及び小型化を図ることを目的とした角速度センサとして、半導体製造プロセス等における技術を応用して種々の機械要素の小型化を実現するMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いてシリコンウエハに振動子を形成する角速度センサが開発されている(例えば、特許文献1)。   In recent years, as an angular velocity sensor aiming at cost reduction and miniaturization, using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology that realizes miniaturization of various mechanical elements by applying technology in the semiconductor manufacturing process etc. An angular velocity sensor for forming a vibrator on a silicon wafer has been developed (for example, Patent Document 1).

図6は特許文献1における振動子近傍の部分側方断面図である。特許文献1の角速度センサにおいては、リング部110を有する振動子がリング部110の中心にある支持体120と梁部(図示せず)により接続されて、支持体層20上に支持されている。そして、リング部110近傍に設けられた駆動電極40とリング部110との間に駆動電圧を印加してその静電力により、所定の振動状態(一次振動)を作り出す一方、検出対象の角速度に応じてコリオリ力により振動状態が変化し、この変化した振動状態(二次振動)をリング部110近傍に設けられた二次振動検出電極30から検出することにより、検出対象の角速度を算出可能に構成されている。   FIG. 6 is a partial side sectional view of the vicinity of the vibrator in Patent Document 1. In the angular velocity sensor of Patent Document 1, a vibrator having a ring part 110 is connected to a support body 120 at the center of the ring part 110 by a beam part (not shown) and supported on the support body layer 20. . Then, a drive voltage is applied between the drive electrode 40 provided in the vicinity of the ring part 110 and the ring part 110, and a predetermined vibration state (primary vibration) is created by the electrostatic force, while depending on the angular velocity of the detection target. The vibration state is changed by the Coriolis force, and this changed vibration state (secondary vibration) is detected from the secondary vibration detection electrode 30 provided in the vicinity of the ring portion 110, so that the angular velocity of the detection target can be calculated. Has been.

ここで、特許文献1においては、2本の軸のそれぞれの軸回りについての角速度を同時に検出可能に構成すべく、一次振動をリング部110と同一平面外に変位させる(3次元的に変位させる)。このために、特許文献1においては、駆動電極40をリング部110の下方であって支持体層20上に形成した立体構造を採用している。
国際公開第99/47891号パンフレット
Here, in Patent Document 1, the primary vibration is displaced out of the same plane as the ring part 110 (three-dimensionally displaced) so that the angular velocities about the two axes can be detected simultaneously. ). For this reason, Patent Document 1 adopts a three-dimensional structure in which the drive electrode 40 is formed on the support layer 20 below the ring portion 110.
WO99 / 47891 pamphlet

しかしながら、上記構成によれば、駆動電極40を作製するプロセスの追加や、SOIウェハなどの高価な基板材料を用いる必要があり、2次元的にレイアウトされた機構を作製することが得意なMEMSプロセスに適用しにくく、大きなコストダウンは望めないという問題があった。   However, according to the above configuration, it is necessary to add a process for manufacturing the drive electrode 40 and to use an expensive substrate material such as an SOI wafer, and it is good at manufacturing a two-dimensional layout mechanism. There is a problem that it is difficult to apply to the system and a large cost reduction cannot be expected.

本発明はかかる従来技術に鑑みなされたものであり、2次元的にレイアウトされた主要機構によって一次振動をリング部と同一平面外に変化させることができ、MEMSプロセスによって容易かつ安価に作製することができる角速度センサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the prior art, and the primary vibration can be changed out of the same plane as the ring portion by the main mechanism laid out two-dimensionally, and can be easily and inexpensively manufactured by the MEMS process. An object of the present invention is to provide an angular velocity sensor capable of

本発明に係る角速度センサは、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング部を有する振動子が形成された半導体基板を備える角速度センサであって、振動子に対して静電駆動させることにより一次振動を生じさせる駆動電極と、一次振動に基づいた二次振動により、振動子との間で変化した静電容量を検出する二次振動検出電極とを具備し、駆動電極および二次振動検出電極は、リング部と略同一平面上に配置され、リング部に固有の振動数に基づいた交流電圧を駆動電極に印加することにより、一次振動としてリング部を3次元に振動させるとともに、前記平面内におけるリング部および二次振動検出電極間の距離の変化を前記静電容量の変化として二次振動検出電極から検出することにより角速度を検出することを特徴とするものである。   An angular velocity sensor according to the present invention is an angular velocity sensor including a semiconductor substrate on which a vibrator having a ring portion whose vibration state changes according to an angular velocity of a detection target is formed, and electrostatically drives the vibrator. And a secondary vibration detection electrode for detecting the capacitance changed between the vibrator and the vibrator by the secondary vibration based on the primary vibration. The detection electrode is disposed on substantially the same plane as the ring portion, and by applying an alternating voltage based on a frequency unique to the ring portion to the drive electrode, the ring portion is vibrated three-dimensionally as primary vibration, An angular velocity is detected by detecting a change in the distance between the ring portion and the secondary vibration detection electrode in a plane from the secondary vibration detection electrode as a change in the capacitance. Than is.

上記構成の角速度センサによれば、半導体基板にリング部を有する振動子が形成される。このリング部は、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化する。   According to the angular velocity sensor having the above configuration, the vibrator having the ring portion is formed on the semiconductor substrate. This ring portion changes its vibration state according to the angular velocity of the detection target.

この振動状態の変化を検出するべく、駆動電極および二次振動検出電極がリング部と略同一平面上に配置される。まず、駆動電極により、リング部を静電駆動して一次振動を生じさせる。一次振動が生じた状態で検出対象において所定の軸方向に角速度が生じるとコリオリ力が生じて、二次振動が励起される。一方、二次振動検出電極を用いて、検出対象の角速度に応じて変化した振動状態である二次振動を検出すべく、振動子と二次振動検出電極との間で変化した静電容量を検出する。こうして、検出した静電容量変化により、検出対象の角速度が検出される(算出可能となる)。二次振動は、リング部と略同一平面内に振動する成分であるため、当該平面内におけるリング部および二次振動検出電極間の距離の変化を二次振動検出電極から検出することで、振動状態の変化による静電容量の変化を検出することができる。   In order to detect the change in the vibration state, the drive electrode and the secondary vibration detection electrode are disposed on substantially the same plane as the ring portion. First, the ring electrode is electrostatically driven by the drive electrode to generate primary vibration. When an angular velocity is generated in a predetermined axial direction in the detection target in a state where primary vibration has occurred, Coriolis force is generated and secondary vibration is excited. On the other hand, using the secondary vibration detection electrode, in order to detect the secondary vibration, which is a vibration state changed according to the angular velocity of the detection target, the capacitance changed between the vibrator and the secondary vibration detection electrode is changed. To detect. Thus, the angular velocity of the detection target is detected (can be calculated) based on the detected capacitance change. Since the secondary vibration is a component that vibrates in substantially the same plane as the ring portion, the vibration is detected by detecting the change in the distance between the ring portion and the secondary vibration detection electrode in the plane from the secondary vibration detection electrode. A change in capacitance due to a change in state can be detected.

ここで、リング部の一次振動を3次元に振動させる(リング部と同一平面外に変位させる)ために、発明者は、駆動電極に印加する電圧をリング部に固有の振動数に基づいた周波数の交流電圧値とすることで、リング部と駆動電極とが略同一平面内に配置された場合であっても当該交流電圧による共振により、リング部を3次元に振動させることができることを見出した。   Here, in order to vibrate the primary vibration of the ring part three-dimensionally (displace it out of the same plane as the ring part), the inventor determines the frequency applied to the drive electrode based on the frequency unique to the ring part. It was found that the ring part can be vibrated three-dimensionally by resonance due to the AC voltage even when the ring part and the drive electrode are arranged in substantially the same plane. .

理論上、完全に同一平面に構成されたリング部と駆動電極には、3次元方向の振動を励起する平面に鉛直な方向の力ベクトルは発生しない。しかし、実際に製作されたデバイスは、必ず存在する加工誤差などによって、鉛直方向に力が発生し、振動が始まる。一度、振動を始めると、駆動電極とリング部の対向面にはズレが生じるため、十分な駆動力が得られる。   Theoretically, the force vector in the direction perpendicular to the plane that excites the vibration in the three-dimensional direction is not generated in the ring portion and the drive electrode that are configured completely on the same plane. However, devices that are actually manufactured generate forces in the vertical direction due to processing errors that exist, and vibrations start. Once vibration is started, the driving electrode and the ring face are displaced from each other, so that a sufficient driving force can be obtained.

したがって、上記振動状態の変化を検出する構成要素であるリング部、駆動電極および二次振動検出電極を略同一平面内に配置した上で、一次振動をリング部と同一平面外に変化させることができる。しかも、3次元に振動可能な角速度センサを二次元的に構成することにより、角速度センサの作製においてMEMSプロセスを容易に適用することができ、より安価に作製することができる。   Therefore, it is possible to change the primary vibration out of the same plane as the ring part after arranging the ring part, the drive electrode and the secondary vibration detection electrode, which are the components for detecting the change of the vibration state, in substantially the same plane. it can. In addition, by forming the angular velocity sensor capable of three-dimensional vibration in two dimensions, the MEMS process can be easily applied in the production of the angular velocity sensor, and can be produced at a lower cost.

なお、駆動に用いる交流電圧の周波数は、リング部の一次振動の固有振動数の2倍以上に設定されることが好ましい。   In addition, it is preferable that the frequency of the alternating voltage used for a drive is set to 2 times or more of the natural frequency of the primary vibration of a ring part.

リング部と駆動電極とが同一平面上に配置された場合、リング部の一次振動の一周期の間に、リング部と駆動電極の距離(もしくは対向面積)の変化が2周期分、発生する。さらに、リング部と駆動電極との間に働く静電引力が、弾性作用としても機能するため、電圧を印加すると、リング部の固有振動数が高めに移行してしまう。したがって、駆動電圧を固有振動数の2倍以上に設定した方が、共振を生じさせ易い。さらには、静電引力による弾性定数の変化は、非線形(変位量によって変化する)であり、共振のピーク周波数よりも低周波数側では、振動が不安定になることがあるため、駆動周波数を高周波数側に設定するのが好ましい。   When the ring portion and the drive electrode are arranged on the same plane, a change in the distance (or the facing area) between the ring portion and the drive electrode occurs for two cycles during one cycle of the primary vibration of the ring portion. Furthermore, since the electrostatic attractive force acting between the ring part and the drive electrode functions as an elastic action, when a voltage is applied, the natural frequency of the ring part shifts to a higher level. Therefore, resonance is more likely to occur when the drive voltage is set to be twice or more the natural frequency. Furthermore, the change in elastic constant due to electrostatic attraction is non-linear (changes depending on the amount of displacement), and vibration may become unstable at a frequency lower than the resonance peak frequency. It is preferable to set the frequency side.

好ましくは、駆動電極または二次振動検出電極のいずれか一方がリング部の内側に設けられ、駆動電極または二次振動検出電極のいずれか他方がリング部の外側に設けられるように構成される。   Preferably, either the drive electrode or the secondary vibration detection electrode is provided inside the ring part, and the other of the drive electrode or the secondary vibration detection electrode is provided outside the ring part.

この場合、駆動電極がリング部の内側に設けられ、二次振動検出電極がリング部の外側に設けられる。あるいは、駆動電極がリング部の外側に設けられ、二次振動検出電極がリング部の内側に設けられる。   In this case, the drive electrode is provided inside the ring portion, and the secondary vibration detection electrode is provided outside the ring portion. Alternatively, the drive electrode is provided outside the ring portion, and the secondary vibration detection electrode is provided inside the ring portion.

したがって、リング部と同一面内かつリング部の両側に駆動電極および二次振動検出電極が設けられるため、空間効率よく電極を配置することができる。しかも駆動電極と二次振動検出電極とをリング部の内側または外側にそれぞれ分けて配置することにより、各電極間の静電容量型の結合(クロストーク)を起こり難くすることができる。したがって、駆動電極においては、より安定な一次振動を生成することができ、二次振動検出電極においては、より高感度かつ高精度に二次振動を検出することができる。   Therefore, since the drive electrode and the secondary vibration detection electrode are provided in the same plane as the ring portion and on both sides of the ring portion, the electrodes can be arranged efficiently in space. In addition, by disposing the drive electrode and the secondary vibration detection electrode separately on the inner side or the outer side of the ring portion, it is possible to make it difficult to cause capacitive coupling (crosstalk) between the electrodes. Therefore, a more stable primary vibration can be generated in the drive electrode, and a secondary vibration can be detected with higher sensitivity and accuracy in the secondary vibration detection electrode.

さらに好ましくは、駆動電極は、リング部の一次振動における前記平面に垂直な方向の変位量が最大となる位置の近傍に設けられるように構成される。   More preferably, the drive electrode is configured to be provided in the vicinity of a position where the amount of displacement in the direction perpendicular to the plane in the primary vibration of the ring portion is maximum.

この場合、駆動電極に印加される電圧により一次振動が生じた際、駆動電極の近傍に位置するリング部において、当該一次振動によるリング部の平面に垂直な方向の変位量が最大となる。   In this case, when primary vibration is generated by the voltage applied to the drive electrode, the amount of displacement in the direction perpendicular to the plane of the ring portion due to the primary vibration is maximized in the ring portion located in the vicinity of the drive electrode.

このように、駆動電極の近傍においてリング部の3次元方向の変位量が最大となるため、リング部における一次振動をよりエネルギー効率よく生成することができる。   As described above, since the displacement amount in the three-dimensional direction of the ring portion is maximized in the vicinity of the drive electrode, the primary vibration in the ring portion can be generated more efficiently.

さらに好ましくは、二次振動検出電極は、リング部の二次振動における前記平面に平行な方向の変位量が最大となる位置の近傍に設けられるように構成される。   More preferably, the secondary vibration detection electrode is configured to be provided in the vicinity of a position where the amount of displacement in the direction parallel to the plane in the secondary vibration of the ring portion is maximum.

この場合、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化して二次振動が生じたときに、リング部を含む平面に平行な方向のリング部の変位量が最大となる位置に二次振動検出電極が予め配置される。   In this case, when the vibration state changes according to the angular velocity of the detection target and secondary vibration occurs, the secondary vibration is detected at a position where the amount of displacement of the ring portion in the direction parallel to the plane including the ring portion is maximum. Electrodes are pre-arranged.

したがって、二次振動検出電極の近傍においてリング部を含む平面に平行な方向のリング部の変位量が最大となるため、リング部における二次振動をより高感度に検出することができる。   Therefore, since the displacement amount of the ring part in the direction parallel to the plane including the ring part is maximized in the vicinity of the secondary vibration detection electrode, the secondary vibration in the ring part can be detected with higher sensitivity.

さらに好ましくは、駆動電極による一次振動を検出する一次振動検出電極を具備するように構成される。   More preferably, it is configured to include a primary vibration detection electrode that detects primary vibration caused by the drive electrode.

この場合、一次振動検出電極により、駆動電極によりリング部に生じた一次振動(による振動子と一次振動検出電極との間の静電容量変化)が検出される。   In this case, the primary vibration detection electrode detects the primary vibration (change in capacitance between the vibrator and the primary vibration detection electrode) generated in the ring portion by the drive electrode.

ここで、リング部の振動は、温度等の周囲の環境の変化により振動の固有振動数が変化したり、振動子雰囲気の粘性が変化して振動の振幅値が変化する可能性がある。したがって、リング部の一次振動を安定にするためには、上記固有振動数の変化や振幅の変化に応じて駆動電極に印加する電圧を変化させる必要が生じる。そこで、一次振動検出電極によりリング部に生じた一次振動を検出することにより、駆動電極に対してフィードバックをかけることが可能となり、温度等の周囲の環境の変化に関わらず、リング部における一次振動をより安定的に生成することができる。   Here, the vibration of the ring portion may change the natural frequency of the vibration due to a change in the surrounding environment such as temperature, or may change the amplitude value of the vibration due to a change in the viscosity of the vibrator atmosphere. Therefore, in order to stabilize the primary vibration of the ring portion, it is necessary to change the voltage applied to the drive electrode in accordance with the change in the natural frequency and the change in the amplitude. Therefore, by detecting the primary vibration generated in the ring part by the primary vibration detection electrode, it becomes possible to apply feedback to the drive electrode, and the primary vibration in the ring part regardless of changes in the surrounding environment such as temperature. Can be generated more stably.

さらに好ましくは、二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる振動抑制電極を具備し、振動抑制電極に印加した電圧を前記二次振動の静電容量変化の代わりに検出することにより角速度を検出するように構成される。   More preferably, a vibration suppression electrode that applies an electrostatic attraction to the vibrator so as to cancel a change in capacitance detected from the secondary vibration detection electrode is provided, and a voltage applied to the vibration suppression electrode is applied to the secondary vibration detection electrode. The angular velocity is detected by detecting instead of the capacitance change of vibration.

この場合、リング部の二次振動により二次振動検出電極から検出された静電容量に基づいて、この変化を打ち消すような振動を生じさせるべく、振動抑制電極に所定の電圧が印加される。そして、振動抑制電極に印加された電圧が二次振動の静電容量変化の代わりに検出されることにより角速度が検出される。   In this case, based on the electrostatic capacitance detected from the secondary vibration detection electrode by the secondary vibration of the ring portion, a predetermined voltage is applied to the vibration suppression electrode so as to generate a vibration that cancels this change. Then, the angular velocity is detected by detecting the voltage applied to the vibration suppression electrode instead of the capacitance change of the secondary vibration.

ここで、リング部において二次振動が生じた場合、当該二次振動と検出対象の角速度との間で一次振動との間で生じたのとは別のコリオリ力が生じ得る。このような別のコリオリ力は、二次振動検出の外乱となり得るので発生しないことが好ましい。そこで、振動抑制電極に所定の電圧を印加することにより、二次振動の発生を打ち消すとともに、当該打ち消すための振動抑制電極に印加した電圧を二次振動の静電容量変化の代わりに検出する。つまり、振動抑制電極に働く静電引力を用いて一次振動により生じたコリオリ力を打ち消すことにより、二次振動を現実に発生させることなく二次振動を励起させるコリオリ力の大きさ(角速度の大きさ)を検出することができる。したがって、外乱の発生を取り除きつつ、角速度をより高精度に検出することができる。   Here, when the secondary vibration is generated in the ring portion, a Coriolis force different from that generated between the secondary vibration and the primary vibration between the angular velocity of the detection target may be generated. Such another Coriolis force is preferably not generated because it can be a disturbance of secondary vibration detection. Therefore, by applying a predetermined voltage to the vibration suppression electrode, the generation of the secondary vibration is canceled, and the voltage applied to the vibration suppression electrode for canceling is detected instead of the capacitance change of the secondary vibration. In other words, by canceling the Coriolis force generated by the primary vibration using the electrostatic attraction acting on the vibration suppression electrode, the magnitude of the Coriolis force (extensive angular velocity) that excites the secondary vibration without actually generating the secondary vibration. ) Can be detected. Therefore, the angular velocity can be detected with higher accuracy while eliminating the occurrence of disturbance.

さらに好ましくは、振動子は、リング部の中心部で一端が支持され、他端がリング部に接続される複数の梁部を有し、梁部は、振動子の一次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数設けられ、隣り合う梁部の略中間であって、リング部の内側または外側に駆動電極が設けられるように構成される。   More preferably, the vibrator has a plurality of beam portions, one end of which is supported at the center of the ring portion and the other end connected to the ring portion, and the beam portion is a mode of a vibration mode in the primary vibration of the vibrator. The number of orders is twice as many as the order, and the drive electrodes are provided approximately in the middle of adjacent beam portions and inside or outside the ring portion.

この場合、振動子は、梁部のリング部の中心部側の一端で支持され、他端がリング部に接続されている。梁部は、振動子の一次振動における振動モード(cos2θ、cos3θ、…cosnθモード)のモード次数(2,3,…,n)の2倍の個数(4,6,…,2n)設けられる。また、駆動電極は、梁部の略中間かつリング部の内側または外側に設けられる。   In this case, the vibrator is supported at one end on the center side of the ring portion of the beam portion, and the other end is connected to the ring portion. The beam portion is provided with a number (4, 6,..., 2n) which is twice the mode order (2, 3,..., N) of the vibration mode (cos 2θ, cos 3θ,... Cosn θ mode) in the primary vibration of the vibrator. The drive electrode is provided substantially in the middle of the beam portion and inside or outside the ring portion.

ここで、リング部の平面外に振動する一次振動においては、リング部の平面に垂直な方向の変位量が最大となる位置が一次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数、リング部の周方向に等間隔に発生する。一方、同様にリング部の平面に垂直な方向の変位量が最小となる位置がこの数と同数、リング部の周方向に等間隔に発生する。また、変位量が最大となる位置と変位量が最小となる位置とは、リング部の周方向に交互に等間隔に発生する。   Here, in the primary vibration that vibrates out of the plane of the ring portion, the position where the amount of displacement in the direction perpendicular to the plane of the ring portion is the maximum is twice the mode order of the vibration mode in the primary vibration, It occurs at equal intervals in the circumferential direction. On the other hand, the positions where the amount of displacement in the direction perpendicular to the plane of the ring portion is the same as this number are generated at equal intervals in the circumferential direction of the ring portion. Further, the position where the displacement amount is maximum and the position where the displacement amount is minimum occur alternately at equal intervals in the circumferential direction of the ring portion.

したがって、梁部(および駆動電極)の数を上記振動モードのモード次数の2倍とし、隣り合う梁部の略中央に駆動電極を設けることにより、駆動電極を一次振動による変位量が最大となる位置に配置することが可能となるとともに、梁部を一次振動による変位量が最小となる位置に配置することが可能となる。駆動電極を一次振動による変位量が最大となる位置に配置することにより、駆動電極による一次振動をより安定化させることができるとともに、梁部を一次振動による変位量が最小となる位置に配置することにより、梁部の変形(捻れ)を小さくして振動子の耐久性を向上させることができるとともに、梁部の存在による一次振動への影響を最小限にすることができる。   Therefore, the number of beams (and drive electrodes) is twice the mode order of the vibration mode, and the drive electrode is provided at the approximate center of the adjacent beam portions, so that the displacement of the drive electrode due to the primary vibration is maximized. It becomes possible to arrange at the position, and it becomes possible to arrange the beam portion at the position where the amount of displacement due to the primary vibration is minimized. By disposing the drive electrode at a position where the displacement due to the primary vibration is maximized, the primary vibration due to the drive electrode can be further stabilized, and the beam portion is disposed at a position where the displacement due to the primary vibration is minimized. As a result, the deformation (twist) of the beam portion can be reduced to improve the durability of the vibrator, and the influence on the primary vibration due to the presence of the beam portion can be minimized.

また、好ましくは、二次振動検出電極は、前記平面内の直交する第1軸および第2軸のそれぞれについて、第1軸の軸回りに作用する角速度による二次振動を検出する第1軸二次振動検出電極と、第2軸の軸回りに作用する角速度による二次振動を検出する第2軸二次振動検出電極とを具備するように構成される。   Preferably, the secondary vibration detection electrode detects a secondary vibration caused by an angular velocity acting around the axis of the first axis for each of the first axis and the second axis orthogonal to each other in the plane. A secondary vibration detection electrode and a second-axis secondary vibration detection electrode for detecting secondary vibration due to an angular velocity acting around the second axis are configured.

この場合、第1軸二次振動検出電極により、検出対象における所定の第1軸の軸回りに作用する角速度による静電容量変化が検出され、第2軸二次振動検出電極により、検出対象における第1軸に直交する第2軸の軸回りに作用する角速度による静電容量変化が検出される。   In this case, the first axis secondary vibration detection electrode detects a change in capacitance due to the angular velocity acting around the predetermined first axis in the detection target, and the second axis secondary vibration detection electrode detects in the detection target. A change in capacitance due to the angular velocity acting around the second axis orthogonal to the first axis is detected.

したがって、検出対象における直交する2つの軸回りに作用する角速度をそれぞれ同時に検出することができる。   Therefore, angular velocities acting around two orthogonal axes in the detection target can be detected simultaneously.

さらに好ましくは、駆動電極は、振動子の一次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数設けられ、第1軸二次振動検出電極および第2軸二次振動検出電極のそれぞれは、振動子の二次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数設けられるように構成される。   More preferably, the number of drive electrodes is twice as many as the mode order of the vibration mode in the primary vibration of the vibrator, and each of the first-axis secondary vibration detection electrode and the second-axis secondary vibration detection electrode is a vibrator. The number of vibration modes in the secondary vibration is twice as many as the mode order.

この場合、駆動電極が振動子の一次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数設けられ、第1軸二次振動検出電極および第2軸二次振動検出電極のそれぞれは、振動子の二次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数設けられる。   In this case, the number of drive electrodes is twice as many as the mode order of the vibration mode in the primary vibration of the vibrator, and each of the first-axis secondary vibration detection electrode and the second-axis secondary vibration detection electrode is the second of the vibrator. Two times the mode order of the vibration mode in the secondary vibration is provided.

ここで、リング部の平面外に振動する一次振動においては、リング部の平面に垂直な方向の変位量が最大となる位置が一次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数、リング部の周方向に等間隔に発生する。同様に、リング部の平面内に振動する二次振動においては、第1軸の軸回りに作用する角速度による二次振動および第2軸の軸回りに作用する角速度による二次振動のそれぞれについて、リング部の平面に平行な方向の変位量が最大となる位置が二次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数、リング部の周方向に等間隔に発生する。   Here, in the primary vibration that vibrates out of the plane of the ring portion, the position where the amount of displacement in the direction perpendicular to the plane of the ring portion is the maximum is twice the mode order of the vibration mode in the primary vibration, It occurs at equal intervals in the circumferential direction. Similarly, in the secondary vibration that vibrates in the plane of the ring portion, each of the secondary vibration due to the angular velocity acting around the axis of the first axis and the secondary vibration due to the angular velocity acting around the axis of the second axis, The position where the amount of displacement in the direction parallel to the plane of the ring portion is maximized is twice as many as the mode order of the vibration mode in the secondary vibration and is equally spaced in the circumferential direction of the ring portion.

したがって、駆動電極を一次振動の振動モードのモード次数の2倍とすることにより、リング部において一次振動による変位量が最大となるすべての位置に駆動電極を配置することが可能となるため、駆動電極による一次振動をよりエネルギー効率よく発生させることができる。また、第1軸および第2軸に関するそれぞれの二次振動検出電極をそれぞれ二次振動の振動モードのモード次数の2倍とすることにより、リング部において二次振動による変位量が最大となるすべての位置に第1軸および第2軸二次振動検出電極をそれぞれ配置することが可能となるため、二次振動の静電容量変化をより高感度かつ高精度に検出することができる。   Therefore, by setting the drive electrode to twice the mode order of the vibration mode of the primary vibration, it becomes possible to place the drive electrode at all positions where the amount of displacement due to the primary vibration is maximum in the ring part. The primary vibration caused by the electrode can be generated more efficiently. In addition, by setting each secondary vibration detection electrode for the first axis and the second axis to be twice the mode order of the vibration mode of the secondary vibration, all the displacement amount due to the secondary vibration in the ring part is maximized. Since the first-axis and second-axis secondary vibration detection electrodes can be respectively disposed at the positions, it is possible to detect the change in electrostatic capacitance of the secondary vibration with higher sensitivity and higher accuracy.

さらに好ましくは、第1軸二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる第1軸振動抑制電極と、第2軸二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる第2軸振動抑制電極とを具備し、第1軸振動抑制電極および第2軸振動抑制電極にそれぞれ印加した電圧に基づいて各軸の角速度を検出するように構成される。   More preferably, a first-axis vibration suppression electrode that applies an electrostatic attraction to the vibrator so as to cancel a change in capacitance detected from the first-axis secondary vibration detection electrode, and a second-axis secondary vibration detection A second-axis vibration suppression electrode that applies an electrostatic attractive force to the vibrator so as to cancel a change in capacitance detected from the electrode, and the first-axis vibration suppression electrode and the second-axis vibration suppression electrode are respectively provided. The angular velocity of each axis is detected based on the applied voltage.

この場合、第1軸および第2軸に関する二次振動のぞれぞれに対し、第1軸および第2軸振動抑制電極により、第1軸および第2軸二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる。   In this case, each of the secondary vibrations related to the first axis and the second axis was detected from the first axis and the second axis secondary vibration detection electrode by the first axis and the second axis vibration suppression electrode. An electrostatic attraction is applied to the vibrator so as to cancel the change in capacitance.

第1軸および第2軸振動抑制電極のそれぞれに独立した所定の交流電圧を印加することにより、第1軸の軸回りおよび第2軸の軸回りのそれぞれに作用する二次振動の発生を打ち消すとともに、当該打ち消すための振動抑制電極に印加した電圧が、発生したコリオリ力の大きさとして、二次振動の静電容量変化の代わりに検出されることにより各軸の角速度が検出される。したがって、外乱の発生を取り除きつつ、直交する2つの軸についての角速度をより高精度に検出することができる。   By applying a predetermined independent AC voltage to each of the first axis and the second axis vibration suppression electrode, the generation of secondary vibrations acting around the first axis and the second axis is canceled. At the same time, the voltage applied to the vibration suppression electrode for canceling out is detected as the magnitude of the generated Coriolis force instead of the capacitance change of the secondary vibration, whereby the angular velocity of each axis is detected. Therefore, it is possible to detect the angular velocities about two orthogonal axes with higher accuracy while eliminating the occurrence of disturbance.

さらに好ましくは、前記駆動電極のうち、半分を一次振動検出電極として用い、前記第1軸二次振動検出電極および第2軸二次振動検出電極のうち、それぞれ半分を第1軸振動抑制電極および第2軸振動抑制電極としてそれぞれ用いるように構成される。   More preferably, half of the drive electrodes are used as primary vibration detection electrodes, and half of the first-axis secondary vibration detection electrode and the second-axis secondary vibration detection electrode are used as first-axis vibration suppression electrodes and It is configured to be used as a second axis vibration suppression electrode.

この場合、それぞれの電極がそれぞれの電極の効果を最大限に発揮する位置にもれなく配置される。したがって、各電極における効果を互いに阻害することなく効果的に各電極を配置することができる。   In this case, the respective electrodes are arranged in a position where the effects of the respective electrodes can be maximized. Therefore, each electrode can be arranged effectively without interfering with the effect of each electrode.

また、好ましくは、リング部に直流電圧を印加可能に構成される。   Moreover, it is preferable that a DC voltage can be applied to the ring portion.

この場合、リング部に直流電圧が印加される。リング部に直流電圧を印加した状態で駆動電極により交流電圧を印加してリング部を静電駆動させると、小さい交流電圧でも大きな静電力を発生させることができる。ここで、駆動電極に印加する交流電圧が大きいと、駆動電極と二次振動検出電極側とが静電誘導によって電気的に統合してしまうクロストーク現象が生じ易くなり、ノイズの原因となって、高精度な検出を阻害してしまう。したがって、リング部に直流電圧を印加することにより、小さい交流電圧で有効な静電力を発生させつつ、二次振動のより高精度な検出を行うことができる。   In this case, a DC voltage is applied to the ring part. When an AC voltage is applied by a drive electrode while a DC voltage is applied to the ring portion to electrostatically drive the ring portion, a large electrostatic force can be generated even with a small AC voltage. Here, if the AC voltage applied to the drive electrode is large, a crosstalk phenomenon in which the drive electrode and the secondary vibration detection electrode side are electrically integrated by electrostatic induction is likely to occur, causing noise. This hinders high-precision detection. Therefore, by applying a DC voltage to the ring portion, it is possible to detect secondary vibration with higher accuracy while generating an effective electrostatic force with a small AC voltage.

本発明に係る角速度センサによれば、上記振動状態の変化を検出する構成要素であるリング部、駆動電極および二次振動検出電極を略同一平面内に配置した上で、一次振動をリング部と同一平面外に変化させることができる。しかも、3次元に振動可能な角速度センサを二次元的に構成することにより、角速度センサの作製においてMEMSプロセスを容易に適用することができ、より安価に作製することができる。   According to the angular velocity sensor of the present invention, the ring part, the drive electrode, and the secondary vibration detection electrode, which are the components for detecting the change in the vibration state, are arranged in substantially the same plane, and then the primary vibration is the ring part. It can be changed out of the same plane. In addition, by forming the angular velocity sensor capable of three-dimensional vibration in two dimensions, the MEMS process can be easily applied in the production of the angular velocity sensor, and can be produced at a lower cost.

以下、本発明に係る角速度センサの好ましい実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。図1は本発明に係る第1実施形態における角速度センサの概略図である。図1(a)は平面図であり、図1(b)は図1(a)のA−A断面図である。なお、本実施形態においては、振動子の一次振動の振動モードとして平面外cos2θモードを採用し、対応する二次振動の振動モードの1つである平面内cos3θモードにおける振動子の状態変化を検出する構成としているが、他の平面外の振動モードも適宜採用可能である。   Hereinafter, a preferred embodiment of an angular velocity sensor according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic view of an angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. In this embodiment, the out-of-plane cos 2θ mode is adopted as the vibration mode of the primary vibration of the vibrator, and the state change of the vibrator in the in-plane cos 3θ mode, which is one of the corresponding vibration modes of the secondary vibration, is detected. However, other out-of-plane vibration modes can be employed as appropriate.

本発明に係る角速度センサは、図1に示すように、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング部11を有する振動子1が形成された半導体基板2を備える角速度センサであって、振動子1に対して静電駆動させることにより一次振動を生じさせる駆動電極3と、一次振動に基づいた二次振動により、振動子1との間で変化した静電容量を検出する二次振動検出電極4とを具備し、駆動電極3および二次振動検出電極4は、リング部11と略同一平面上に配置され、リング部11に固有の振動数に基づいた交流電圧を駆動電極3に印加することにより、一次振動としてリング部11を3次元に振動させるとともに、前記平面内におけるリング部11および二次振動検出電極4間の距離の変化を前記静電容量の変化として二次振動検出電極4から検出することにより角速度を検出することを特徴とするものである。   As shown in FIG. 1, the angular velocity sensor according to the present invention is an angular velocity sensor including a semiconductor substrate 2 on which a vibrator 1 having a ring portion 11 in which a vibration state changes according to an angular velocity of a detection target, A secondary vibration that detects a change in capacitance between the drive electrode 3 that generates a primary vibration by electrostatically driving the vibrator 1 and a secondary vibration based on the primary vibration and the vibrator 1. The drive electrode 3 and the secondary vibration detection electrode 4 are arranged on substantially the same plane as the ring portion 11, and an AC voltage based on the frequency unique to the ring portion 11 is applied to the drive electrode 3. When applied, the ring portion 11 is vibrated three-dimensionally as a primary vibration, and a change in the distance between the ring portion 11 and the secondary vibration detection electrode 4 in the plane is detected as a change in the electrostatic capacitance. It is characterized in detecting the angular velocity by detecting the pole 4.

上記構成の角速度センサによれば、半導体基板2にリング部11を有する振動子1が形成される。このリング部11は、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化する。   According to the angular velocity sensor having the above configuration, the vibrator 1 having the ring portion 11 is formed on the semiconductor substrate 2. The vibration state of the ring unit 11 changes according to the angular velocity of the detection target.

この振動状態の変化を検出するべく、駆動電極3および二次振動検出電極4がリング部11と略同一平面上に配置される。まず、駆動電極3により、リング部11を静電駆動して一次振動を生じさせる。一次振動が生じた状態で検出対象において所定の軸方向に角速度が生じるとコリオリ力が生じて、二次振動が励起される。一方、二次振動検出電極4を用いて、検出対象の角速度に応じて変化した振動状態である二次振動を検出すべく、振動子1と二次振動検出電極4との間で変化した静電容量を検出する。こうして、検出した静電容量変化より、検出対象の角速度が検出される(算出可能となる)。二次振動は、リング部11と略同一平面内に振動する成分であるため、当該平面内におけるリング部11および二次振動検出電極4間の距離の変化を二次振動検出電極4から検出することで、振動状態の変化による静電容量の変化を検出することができる。   In order to detect the change in the vibration state, the drive electrode 3 and the secondary vibration detection electrode 4 are disposed on substantially the same plane as the ring portion 11. First, the ring 11 is electrostatically driven by the drive electrode 3 to generate primary vibration. When an angular velocity is generated in a predetermined axial direction in the detection target in a state where primary vibration has occurred, Coriolis force is generated and secondary vibration is excited. On the other hand, the static vibration changed between the vibrator 1 and the secondary vibration detection electrode 4 in order to detect the secondary vibration, which is a vibration state changed according to the angular velocity of the detection object, using the secondary vibration detection electrode 4. Detect capacitance. In this way, the angular velocity of the detection target is detected (can be calculated) from the detected capacitance change. Since the secondary vibration is a component that vibrates in substantially the same plane as the ring portion 11, a change in the distance between the ring portion 11 and the secondary vibration detection electrode 4 in the plane is detected from the secondary vibration detection electrode 4. Thus, a change in capacitance due to a change in vibration state can be detected.

ここで、リング部11の一次振動を3次元に振動させる(リング部11と同一平面外に変位させる)ために、発明者は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用し、駆動電極3に印加する電圧をリング部11に固有の振動数に基づいた電圧値とすることで、リング部11と駆動電極3とが略同一平面内に配置された場合であってもリング部11を3次元に振動させることができることを見出した。   Here, in order to vibrate the primary vibration of the ring part 11 three-dimensionally (displace it out of the same plane as the ring part 11), the inventor uses MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology to apply to the drive electrode 3. By setting the voltage to be applied to a voltage value based on the frequency unique to the ring part 11, the ring part 11 is three-dimensionally arranged even when the ring part 11 and the drive electrode 3 are arranged in substantially the same plane. It was found that it can be vibrated.

理論上、完全に同一平面に構成されたリング部11と駆動電極3には、3次元方向の振動を励起する平面に鉛直な方向の力ベクトルは発生しない。しかし、実際に製作されたデバイスは、必ず存在する加工誤差などによって、鉛直方向に力が発生し、振動が始まる。一度、振動を始めると、駆動電極と3リング部11の対向面にはズレが生じるため、十分な駆動力が得られる。   Theoretically, in the ring portion 11 and the drive electrode 3 that are configured completely on the same plane, a force vector in a direction perpendicular to the plane that excites vibration in the three-dimensional direction is not generated. However, devices that are actually manufactured generate forces in the vertical direction due to processing errors that exist, and vibrations start. Once the vibration is started, the driving electrode and the 3-ring portion 11 are displaced from each other so that a sufficient driving force can be obtained.

したがって、上記振動状態の変化を検出する構成要素であるリング部11、駆動電極3および二次振動検出電極4を略同一平面内に配置した上で、一次振動をリング部11と同一平面外に変化させることができる。しかも、主要な構成機構が2次元的に配置されているので、MEMSプロセスで容易に製作でき、安価な角速度センサを提供できる。以下、各構成についてより詳しく説明する。   Therefore, after arranging the ring part 11, the drive electrode 3 and the secondary vibration detection electrode 4 which are the components for detecting the change of the vibration state in substantially the same plane, the primary vibration is out of the same plane as the ring part 11. Can be changed. In addition, since the main configuration mechanism is two-dimensionally arranged, it can be easily manufactured by the MEMS process, and an inexpensive angular velocity sensor can be provided. Hereinafter, each configuration will be described in more detail.

本実施形態においては、図1(b)に示すように、ガラス基板5上に、MEMS技術により振動子1や各電極が形成されたシリコン等の半導体基板2が陽極接合により貼着されている。なお、図示しないが、半導体基板2の上面に同様のガラス基板を貼着することにより、振動子1を低圧に封止することとしてもよい。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1B, a semiconductor substrate 2 made of silicon or the like on which a vibrator 1 and each electrode are formed by a MEMS technique is attached on a glass substrate 5 by anodic bonding. . Although not shown, the vibrator 1 may be sealed at a low pressure by attaching a similar glass substrate to the upper surface of the semiconductor substrate 2.

この半導体基板2をMEMS技術を用いてエッチングすることにより、振動子1を形成する。振動子1は、リング部11の中心部の支持部12により、一端がガラス基板5上に支持され、他端がリング部11に接続される複数の梁部13を有し、梁部13は、振動子1の一次振動における振動モードcos2θのモード次数n=2の2倍の個数、すなわち4個、等間隔に設けられている。すなわち、梁部13とリング部11との接続点は、リング部11の周方向に45°ずつ離間して設けられている。振動子1の構成要素であるリング部11、支持部12および梁部13をともに同一材料で作製することにより、製造コストが低く抑えられ、また、MEMS技術の導入が容易であり、微細な構造でも高精度かつ容易に製造することができる。なお、リング部11およびリング部11に連れて揺動し得る梁部13の揺動を阻害しないようにするため、当該リング部11および梁部13の下方(上方にガラス基板がある場合は上方も)がガラス基板5と接触しないように、ガラス基板5表面の該当部分にサンドブラスト加工による凹部(切り欠き部)51が設けられる。   The vibrator 1 is formed by etching the semiconductor substrate 2 using the MEMS technology. The vibrator 1 includes a plurality of beam portions 13 having one end supported on the glass substrate 5 by the support portion 12 at the center of the ring portion 11 and the other end connected to the ring portion 11. The number of modes of the vibration mode cos 2θ in the primary vibration of the vibrator 1 is twice as many as the mode order n = 2, that is, four are provided at equal intervals. That is, the connection points between the beam portion 13 and the ring portion 11 are provided 45 ° apart from each other in the circumferential direction of the ring portion 11. Manufacturing the ring part 11, the support part 12, and the beam part 13, which are constituent elements of the vibrator 1, from the same material, the manufacturing cost can be kept low, the introduction of MEMS technology is easy, and the fine structure However, it can be manufactured with high accuracy and ease. In addition, in order not to disturb the swing of the ring portion 11 and the beam portion 13 that can swing with the ring portion 11, the ring portion 11 and the beam portion 13 are below (if there is a glass substrate above, the upper side ) Is not provided in contact with the glass substrate 5, and a concave portion (notch portion) 51 by sandblasting is provided in a corresponding portion of the surface of the glass substrate 5.

駆動電極3は、図1(a)に示すように、静止状態における隣り合う梁部13の略中間であって、リング部11の内側に駆動電極3が等間隔に設けられるように構成される。すなわち、本実施形態においては、駆動電極3も振動子1の一次振動における振動モードcos2θのモード次数n=2の2倍の個数、すなわち4個、リング部11の周方向に沿って内側に設けられている。駆動電極3は、リング部11と同時に、同じ半導体基板2をエッチングして作製されるため、半導体基板2に形成された振動子1と同一平面内に設けられる。後述するその他の各電極についても同様である。   As shown in FIG. 1A, the drive electrode 3 is configured so that the drive electrodes 3 are provided at regular intervals inside the ring portion 11 in the middle of the adjacent beam portions 13 in a stationary state. . That is, in the present embodiment, the drive electrodes 3 are also provided on the inner side along the circumferential direction of the ring portion 11, that is, four times the number of mode orders n = 2 of the vibration mode cos 2θ in the primary vibration of the vibrator 1. It has been. Since the drive electrode 3 is manufactured by etching the same semiconductor substrate 2 simultaneously with the ring portion 11, the drive electrode 3 is provided in the same plane as the vibrator 1 formed on the semiconductor substrate 2. The same applies to other electrodes described later.

図2は図1の角速度センサにおける振動態様を示す図である。図2(a)は一次振動である平面外cos2θモードを示すy−z平面図およびx−y平面図であり、図2(b)はx軸回りの角速度が生じた際の二次振動である平面内cos3θモードを示すx−y平面図であり、図2(c)はy軸回りの角速度が生じた際の二次振動である平面内cos3θモードを示すx−y平面図である。破線部は静止状態のリング部11を示し、太線部は各振動状態のリング部11を示す。   FIG. 2 is a diagram showing a vibration mode in the angular velocity sensor of FIG. 2A is a yz plan view and an xy plan view showing an out-of-plane cos 2θ mode which is a primary vibration, and FIG. 2B is a secondary vibration when an angular velocity around the x axis is generated. FIG. 2C is an xy plan view showing a certain in-plane cos 3θ mode, and FIG. 2C is an xy plan view showing an in-plane cos 3θ mode that is a secondary vibration when an angular velocity around the y axis is generated. The broken line portion indicates the ring portion 11 in a stationary state, and the thick line portion indicates the ring portion 11 in each vibration state.

図2(a)に示すように、リング部11の平面外に振動する一次振動においては、リング部11の平面に垂直な方向の変位量が最大となる位置が一次振動における振動モードcos2θのモード次数2の2倍の個数、すなわち4つずつリング部11の周方向に等間隔(45°間隔)に発生する。図2(a)において、x軸およびy軸上にそれぞれ2箇所ずつ最大の変位点Pdが存在する。一方、同様にリング部11の平面に垂直な方向の変位量が最小となる位置がこの数と同数、リング部11の周方向に等間隔に発生する。また、変位量が最大となる位置と変位量が最小となる位置とは、リング部の周方向に交互に等間隔に発生する(図2(a)において変位量が最大となる位置はy=±x上にそれぞれ2箇所ずつ)。   As shown in FIG. 2A, in the primary vibration that vibrates out of the plane of the ring portion 11, the position where the displacement amount in the direction perpendicular to the plane of the ring portion 11 is the maximum is the mode of the vibration mode cos2θ in the primary vibration. The number of occurrences is twice the number of orders 2, that is, four each in the circumferential direction of the ring portion 11 at regular intervals (45 ° intervals). In FIG. 2A, there are two maximum displacement points Pd on the x-axis and y-axis, respectively. On the other hand, the positions where the amount of displacement in the direction perpendicular to the plane of the ring portion 11 is minimized occur at equal intervals in the circumferential direction of the ring portion 11. Further, the position where the displacement amount is maximum and the position where the displacement amount is minimum occur alternately at equal intervals in the circumferential direction of the ring portion (the position where the displacement amount is maximum in FIG. 2A is y = 2 points each on ± x).

したがって、梁部13の数および駆動電極3の数を上記振動モードcos2θのモード次数2の2倍とした上で、隣り合う梁部13の略中央に駆動電極3を設けることにより、駆動電極3を一次振動による変位量が最大となる位置に配置することが可能となるとともに、梁部13を一次振動による変位量が最小となる位置に配置することが可能となる。駆動電極3を一次振動による変位量が最大となる位置に配置することにより、駆動電極3による一次振動をよりエネルギー効率よく励起させることができるとともに、梁部13を一次振動による変位量が最小となる位置に配置することにより、梁部13の変形を小さくして振動子1の耐久性を向上させることができるとともに、梁部13の存在による一次振動への影響を最小限にすることができる。   Accordingly, the number of the beam portions 13 and the number of the drive electrodes 3 are set to be twice the mode order 2 of the vibration mode cos 2θ, and the drive electrodes 3 are provided at the approximate center of the adjacent beam portions 13. Can be disposed at a position where the amount of displacement due to the primary vibration is maximized, and the beam portion 13 can be disposed at a position where the amount of displacement due to the primary vibration is minimized. By disposing the drive electrode 3 at a position where the amount of displacement due to the primary vibration is maximized, the primary vibration due to the drive electrode 3 can be excited more efficiently and the amount of displacement due to the primary vibration can be minimized. By disposing at the position, the deformation of the beam portion 13 can be reduced, the durability of the vibrator 1 can be improved, and the influence on the primary vibration due to the presence of the beam portion 13 can be minimized. .

一方、二次振動検出電極4は、リング部11の外側に設けられる。つまり、本実施形態においては、駆動電極3がリング部11の内側に設けられ、二次振動検出電極4がリング部11の外側に設けられる。   On the other hand, the secondary vibration detection electrode 4 is provided outside the ring portion 11. That is, in the present embodiment, the drive electrode 3 is provided inside the ring portion 11, and the secondary vibration detection electrode 4 is provided outside the ring portion 11.

したがって、リング部11と同一面内のリング部11の両側に駆動電極3および二次振動検出電極4が設けられるため、空間効率よく電極を配置することができる。しかも駆動電極3と二次振動検出電極4とをリング部11の内側または外側にそれぞれ分けて配置することにより、駆動電極3においては、より安定な一次振動を生成することができ、二次振動検出電極4においては、より高感度かつ高精度に二次振動を検出することができる。なお、駆動電極3をリング部11の外側に設け、二次振動検出電極4をリング部11の内側に設けてもよい。   Therefore, since the drive electrode 3 and the secondary vibration detection electrode 4 are provided on both sides of the ring part 11 in the same plane as the ring part 11, the electrodes can be arranged with high space efficiency. In addition, by arranging the drive electrode 3 and the secondary vibration detection electrode 4 separately on the inside or the outside of the ring portion 11, the drive electrode 3 can generate a more stable primary vibration, and the secondary vibration. The detection electrode 4 can detect the secondary vibration with higher sensitivity and higher accuracy. The drive electrode 3 may be provided outside the ring portion 11 and the secondary vibration detection electrode 4 may be provided inside the ring portion 11.

ここで、図2(a)において、x軸回りに作用する角速度Ωxが生じた場合と、y軸回りに作用する角速度Ωyが生じた場合とでは、作用するコリオリ力が異なるため、図2(b)および図2(c)に示すように、二次振動はいずれもx−y平面内であるが、その振動方向はそれぞれ異なり、かつ、それぞれ独立である。   Here, in FIG. 2A, when the angular velocity Ωx acting around the x axis is generated and when the angular velocity Ωy acting around the y axis is generated, the acting Coriolis force is different. As shown in b) and FIG. 2C, the secondary vibrations are both in the xy plane, but their vibration directions are different and independent.

したがって、本実施形態において、二次振動検出電極4は、前記平面内の直交する第1軸であるx軸および第2軸であるy軸のそれぞれについて、x軸の軸回りに作用する角速度Ωxによる二次振動を検出するx軸二次振動検出電極(第1軸二次振動検出電極)41と、y軸の軸回りに作用する角速度Ωyによる二次振動を検出するy軸二次振動検出電極(第2軸二次振動検出電極)42とを具備するように構成される。   Therefore, in the present embodiment, the secondary vibration detection electrode 4 has an angular velocity Ωx acting around the x-axis about each of the x-axis that is the first axis orthogonal to the plane and the y-axis that is the second axis in the plane. X-axis secondary vibration detection electrode (first-axis secondary vibration detection electrode) 41 for detecting secondary vibration due to, and y-axis secondary vibration detection for detecting secondary vibration due to angular velocity Ωy acting around the y-axis axis And an electrode (second axis secondary vibration detection electrode) 42.

この場合、x軸二次振動検出電極41により、図2(b)に示すような、検出対象におけるx軸回りに作用する角速度Ωxによる静電容量変化が検出され、y軸二次振動検出電極42により、検出対象におけるx軸に直交するy軸回りに作用する角速度Ωyによる静電容量変化が検出される。   In this case, the x-axis secondary vibration detection electrode 41 detects a change in capacitance due to the angular velocity Ωx acting around the x-axis in the detection target as shown in FIG. 42 detects a change in capacitance due to the angular velocity Ωy acting around the y-axis orthogonal to the x-axis in the detection target.

したがって、検出対象における直交する2つの軸回りに作用する角速度Ωx,Ωyをそれぞれ同時に検出することができる。   Therefore, the angular velocities Ωx and Ωy acting around two orthogonal axes in the detection target can be detected simultaneously.

さらに、x軸二次振動検出電極41およびy軸二次振動検出電極42のそれぞれは、振動子1の二次振動における振動モードcos3θのモード次数3の2倍の個数、すなわち6個ずつ設けられるように構成され、x軸およびy軸二次振動検出電極41,42のそれぞれは、リング部の二次振動における前記平面に平行な方向の変位量が最大となる位置の近傍に設けられるように構成される。   Further, each of the x-axis secondary vibration detection electrode 41 and the y-axis secondary vibration detection electrode 42 is provided twice as many as the mode order 3 of the vibration mode cos3θ in the secondary vibration of the vibrator 1, that is, six. Each of the x-axis and y-axis secondary vibration detection electrodes 41 and 42 is provided in the vicinity of a position where the amount of displacement in the direction parallel to the plane in the secondary vibration of the ring portion is maximum. Composed.

ここで、リング部11の平面内に振動する二次振動においては、x軸回りに作用する角速度Ωxによる二次振動およびy軸回りに作用する角速度Ωyによる二次振動のそれぞれについて、リング部11の平面に平行な方向の変位量が最大となる位置が二次振動における振動モードcos3θのモード次数3の2倍の個数、すなわち6個ずつリング部11の周方向に等間隔に発生する。   Here, in the secondary vibration that oscillates in the plane of the ring portion 11, each of the secondary vibration caused by the angular velocity Ωx acting around the x axis and the secondary vibration caused by the angular velocity Ωy acting around the y axis, respectively. The positions where the amount of displacement in the direction parallel to the plane is maximum occur twice as many as the mode order 3 of the vibration mode cos3θ in the secondary vibration, that is, six at regular intervals in the circumferential direction of the ring portion 11.

より具体的に説明すると、図2(a)の一次振動において、x軸回りの角速度Ωxが生じた場合、図2(b)に示すように、y軸上の2点と、当該2点からリング部11の周方向に60°間隔で離間した位置に最大の変位点Pxが存在する。同様に、図2(a)の一次振動において、y軸回りの角速度Ωyが生じた場合、図2(c)に示すように、x軸上の2点と、当該2点からリング部11の周方向に60°間隔で離間した位置に最大の変位点Pyが存在する。したがって、本実施形態においては、変位点Pxの径方向外側にx軸二次振動検出電極41を配置し、変位点Pyの径方向外側にy軸二次振動検出電極42を配置している。   More specifically, when an angular velocity Ωx around the x-axis occurs in the primary vibration of FIG. 2A, as shown in FIG. 2B, two points on the y-axis and the two points The maximum displacement point Px exists at a position spaced apart by 60 ° in the circumferential direction of the ring portion 11. Similarly, in the primary vibration of FIG. 2A, when an angular velocity Ωy about the y-axis occurs, as shown in FIG. 2C, two points on the x-axis and the two points from the two points The maximum displacement points Py exist at positions spaced apart at 60 ° intervals in the circumferential direction. Therefore, in the present embodiment, the x-axis secondary vibration detection electrode 41 is disposed on the radially outer side of the displacement point Px, and the y-axis secondary vibration detection electrode 42 is disposed on the radially outer side of the displacement point Py.

このように、x軸およびy軸に関するそれぞれの二次振動検出電極41,42をそれぞれ二次振動の振動モードcos3θのモード次数3の2倍とすることにより、リング部11において二次振動による変位量が最大となるすべての位置(変位点)Px,Pyにx軸およびy軸二次振動検出電極41,42をそれぞれ配置することが可能となるため、二次振動の静電容量変化をより高感度かつ高精度に検出することができる。   As described above, the secondary vibration detection electrodes 41 and 42 with respect to the x-axis and the y-axis are respectively set to twice the mode order 3 of the vibration mode cos3θ of the secondary vibration, whereby the ring portion 11 is displaced by the secondary vibration. Since the x-axis and y-axis secondary vibration detection electrodes 41 and 42 can be arranged at all the positions (displacement points) Px and Py where the amount is maximum, respectively, the capacitance change of the secondary vibration can be further reduced. It can be detected with high sensitivity and high accuracy.

図3は図1の角速度センサの配線図である。なお、図3においては理解容易のためx軸二次振動検出電極41についての配線は省略してあるが、y軸二次振動検出電極42についての配線と同様に実現できる。   FIG. 3 is a wiring diagram of the angular velocity sensor of FIG. In FIG. 3, the wiring for the x-axis secondary vibration detection electrode 41 is omitted for easy understanding, but can be realized in the same manner as the wiring for the y-axis secondary vibration detection electrode 42.

まず、駆動電極3に駆動電極3とリング部11との間に一次振動のための駆動電圧を印加するための交流電源7が接続されている。また、(y軸)二次振動検出電極4(42)には、検出アンプ8が接続されている。一方、振動子1のリング部11には、支持体12および梁部13を介して直流電源6が接続され、リング部11に直流電圧が印加される。これにより、振動子1側は、検出アンプ8により接地された二次振動検出側に対して直流電圧分だけ高電位となっている。   First, an AC power supply 7 for applying a drive voltage for primary vibration is connected between the drive electrode 3 and the ring portion 11. A detection amplifier 8 is connected to the (y-axis) secondary vibration detection electrode 4 (42). On the other hand, a DC power source 6 is connected to the ring portion 11 of the vibrator 1 via a support 12 and a beam portion 13, and a DC voltage is applied to the ring portion 11. As a result, the vibrator 1 side is at a higher potential than the secondary vibration detection side grounded by the detection amplifier 8 by a DC voltage.

この状態で、駆動電極3に交流電源7から電圧を印加して一次振動を生じさせておく。この状態で、検出対象の角速度に応じて振動状態が変化し、図2(c)に示すような二次振動が生じると、リング部11と二次振動検出電極4との間の距離が変位する。したがって、静電容量Cが変化する。静電容量Cの変化(dC/dt)は、検出される電流値(I=dQ/dt)に比例する(dQ/dt=VdC/dt Vは振動子1と二次振動検出電極4との電位差)。したがって、検出アンプ8では、二次振動検出電極4に流れる交流電流値を交流電圧値に変換して出力している。   In this state, a voltage is applied from the AC power supply 7 to the drive electrode 3 to cause primary vibration. In this state, when the vibration state changes according to the angular velocity of the detection target and secondary vibration as shown in FIG. 2C occurs, the distance between the ring portion 11 and the secondary vibration detection electrode 4 is displaced. To do. Accordingly, the capacitance C changes. The change in capacitance C (dC / dt) is proportional to the detected current value (I = dQ / dt) (dQ / dt = VdC / dt V is the difference between the vibrator 1 and the secondary vibration detection electrode 4. Potential difference). Therefore, the detection amplifier 8 converts the alternating current value flowing through the secondary vibration detection electrode 4 into an alternating voltage value and outputs it.

なお、本実施形態においては、二次振動検出電極4は二次振動の最大変位点Pyの6箇所すべてに設けられているが、図2(c)に示すように、隣り合う変位点Pyは互いに逆相となるため、配線においても、図3に示すように、検出される二次振動が同相の電極同士を同じ検出アンプ8に接続する。ここでは、検出アンプ8をy軸二次振動検出電極41に対して2個(x軸系も含めると計4個)備え、y軸二次振動検出電極42(またはx軸二次振動検出電極41)に関して隣り合うy軸二次振動検出電極42(またはx軸二次振動検出電極41)同士は互いに異なる検出アンプ8に接続される。したがって、それぞれの二次振動検出電極4から検出された同相の検出電流がそれぞれの検出アンプ8で足し合わされた上で交流電圧に変換される。ここで、一方の検出アンプ8から出力された交流電圧と他方の検出アンプ8から出力された交流電圧とは、位相が反転したものとなっている。したがって、いずれか一方の出力を反転回路9により反転させて加算することにより、すべての二次振動検出電極4から検出された静電容量変化をすべて有効に加算することができる。これにより、二次振動検出電極4における検出感度を高くすることができ、高精度かつ安定な検出を行うことができる。   In the present embodiment, the secondary vibration detection electrodes 4 are provided at all six positions of the maximum displacement point Py of the secondary vibration. However, as shown in FIG. Since the phases are opposite to each other, also in the wiring, as shown in FIG. 3, the electrodes having the same phase in the detected secondary vibration are connected to the same detection amplifier 8. Here, two detection amplifiers 8 are provided for the y-axis secondary vibration detection electrode 41 (four in total including the x-axis system), and the y-axis secondary vibration detection electrode 42 (or the x-axis secondary vibration detection electrode). 41) adjacent y-axis secondary vibration detection electrodes 42 (or x-axis secondary vibration detection electrodes 41) are connected to different detection amplifiers 8. Therefore, in-phase detection currents detected from the respective secondary vibration detection electrodes 4 are added by the respective detection amplifiers 8 and then converted into AC voltages. Here, the AC voltage output from one detection amplifier 8 and the AC voltage output from the other detection amplifier 8 are inverted in phase. Therefore, by inverting any one of the outputs by the inverting circuit 9 and adding, all the capacitance changes detected from all the secondary vibration detection electrodes 4 can be effectively added. Thereby, the detection sensitivity in the secondary vibration detection electrode 4 can be made high, and highly accurate and stable detection can be performed.

ここで、リング部11に直流電圧を印加することは、上記検出アンプ8における電流検出に利用できるだけでなく、小さい交流電圧でも大きな静電力を発生させることができるという利点がある。ここで、駆動電極3に印加する交流電圧が大きいと、駆動電極3と二次振動検出電極4側とが静電誘導によって電気的に統合してしまうクロストーク現象が生じ易くなり、ノイズの原因となって、高精度な検出を阻害してしまう。したがって、リング部に直流電圧を印加することにより、小さい交流電圧で有効な静電力を発生させつつ、二次振動のより高精度な検出を行うことができる。   Here, applying a DC voltage to the ring portion 11 has an advantage that not only can it be used for current detection in the detection amplifier 8, but also a large electrostatic force can be generated even with a small AC voltage. Here, if the AC voltage applied to the drive electrode 3 is large, the crosstalk phenomenon that the drive electrode 3 and the secondary vibration detection electrode 4 side are electrically integrated by electrostatic induction is likely to occur, and the cause of the noise Thus, high-precision detection is hindered. Therefore, by applying a DC voltage to the ring portion, it is possible to detect secondary vibration with higher accuracy while generating an effective electrostatic force with a small AC voltage.

なお、駆動に用いる交流電圧の周波数は、リング部11の一次振動の固有振動数の2倍以上に設定されることが好ましい。   In addition, it is preferable that the frequency of the alternating voltage used for a drive is set to 2 times or more of the natural frequency of the primary vibration of the ring part 11.

リング部11と駆動電極3とが同一平面上に配置された場合、リング部11の一次振動の一周期の間に、リング部11と駆動電極3の距離(もしくは対向面積)の変化が2周期分、発生する。さらに、リング部11と駆動電極3との間に働く静電引力が、弾性作用としても機能するため、電圧を印加すると、リング部11の固有振動数が高めに移行してしまう。したがって、駆動電圧3を固有振動数の2倍以上に設定した方が、共振を生じさせ易い。さらには、静電引力による弾性定数の変化は、非線形(変位量によって変化する)であり、共振のピーク周波数よりも低周波数側では、振動が不安定になることがあるため、駆動周波数を高周波数側に設定するのが好ましい。   When the ring part 11 and the drive electrode 3 are arranged on the same plane, the change in the distance (or the facing area) between the ring part 11 and the drive electrode 3 is 2 periods during one period of the primary vibration of the ring part 11. Occurs for minutes. Furthermore, since the electrostatic attractive force acting between the ring part 11 and the drive electrode 3 also functions as an elastic action, when a voltage is applied, the natural frequency of the ring part 11 shifts to a higher level. Therefore, resonance is more likely to occur when the drive voltage 3 is set to be twice or more the natural frequency. Furthermore, the change in elastic constant due to electrostatic attraction is non-linear (changes depending on the amount of displacement), and vibration may become unstable at a frequency lower than the resonance peak frequency. It is preferable to set the frequency side.

また、二次振動検出電極4は、一次振動での容量変化も検出してしまうが、一次振動での容量変化は、二次振動検出電極4とリング部11が同一平面上に設置されているため、一次振動の振動周波数および二次振動の振動周波数の2倍の周波数で発生する。したがって、ローパスフィルタ等を用いることにより、容易に分離して、二次振動による信号のみを取り出すことができる。   The secondary vibration detection electrode 4 also detects a change in capacitance due to the primary vibration, but the change in capacitance due to the primary vibration is caused by the secondary vibration detection electrode 4 and the ring portion 11 being installed on the same plane. Therefore, the vibration is generated at a frequency twice the vibration frequency of the primary vibration and the vibration frequency of the secondary vibration. Therefore, by using a low-pass filter or the like, it is possible to easily separate and extract only the signal due to the secondary vibration.

続いて、本発明の第2実施形態について説明する。図4は本発明に係る第2実施形態における角速度センサを示す平面図である。第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。なお、配線図についても第1実施形態に準じたものである。   Subsequently, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a plan view showing an angular velocity sensor according to the second embodiment of the present invention. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The wiring diagram also conforms to the first embodiment.

本実施形態が第1実施形態と異なる点は、第1実施形態における駆動電極3のうち、半分を駆動電極3による一次振動を検出する一次振動検出電極31として用い、前記x軸二次振動検出電極41およびy軸二次振動検出電極42のうち、それぞれ半分をx軸二次振動検出電極41から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子1に対して静電引力を働かせるx軸振動抑制電極(第1軸振動抑制電極)411およびy軸二次振動検出電極42から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子1に対して静電引力を働かせるy軸振動抑制電極(第2軸振動抑制電極)421としてそれぞれ用いるように構成される。   This embodiment differs from the first embodiment in that half of the drive electrodes 3 in the first embodiment are used as the primary vibration detection electrode 31 for detecting the primary vibration by the drive electrode 3 and the x-axis secondary vibration detection. Of the electrode 41 and the y-axis secondary vibration detection electrode 42, half of each of the electrodes 41 and the y-axis secondary vibration detection electrode 42 applies an electrostatic attractive force to the vibrator 1 so as to cancel the change in capacitance detected from the x-axis secondary vibration detection electrode 41. Y-axis vibration suppression that applies electrostatic attraction to the vibrator 1 so as to cancel the change in capacitance detected from the axial vibration suppression electrode (first axis vibration suppression electrode) 411 and the y-axis secondary vibration detection electrode 42 Each electrode is configured to be used as an electrode (second axis vibration suppression electrode) 421.

一次振動検出電極31は、駆動電極3により生じた一次振動を検出する電極である。検出の方法は、二次振動検出電極4と同様である。したがって、上記駆動電極3について説明したように、一次振動による変位が最大となる変位点(図2(a)の変位点Pd)のいずれかに配置されることが好ましい。本実施形態においては、2つの駆動電極3が対向し、2つの一次振動検出電極31が対向するように、x軸上に一次振動検出電極31が配置され、y軸上に駆動電極3が配置される。   The primary vibration detection electrode 31 is an electrode that detects primary vibration generated by the drive electrode 3. The detection method is the same as that of the secondary vibration detection electrode 4. Therefore, as described for the drive electrode 3, it is preferable that the drive electrode 3 be disposed at any one of the displacement points (displacement point Pd in FIG. 2A) where the displacement due to the primary vibration becomes maximum. In the present embodiment, the primary vibration detection electrode 31 is disposed on the x axis and the drive electrode 3 is disposed on the y axis so that the two drive electrodes 3 face each other and the two primary vibration detection electrodes 31 face each other. Is done.

また、振動抑制電極411,421は、二次振動検出電極41,42から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子1に対して静電駆動させる電極である。静電駆動の方法は、駆動電極3と同様である。したがって、上記二次振動検出電極41,42について説明したように、二次振動による変位が最大となる変位点(x軸回りの角速度Ωxについて図2(b)の変位点Px、y軸回りの角速度Ωyについて図2(c)の変位点Py)のいずれかに配置されることが好ましい。本実施形態においては、x軸二次振動検出電極41、y軸二次振動検出電極42のそれぞれについて、第1実施形態において使用した検出アンプ8のいずれか一方に接続された二次振動検出電極41の一組(x軸、y軸についてそれぞれ3個ずつ)を振動抑制電極411,421として用いる。   The vibration suppression electrodes 411 and 421 are electrodes that electrostatically drive the vibrator 1 so as to cancel the change in electrostatic capacitance detected from the secondary vibration detection electrodes 41 and 42. The method of electrostatic driving is the same as that of the driving electrode 3. Therefore, as described for the secondary vibration detection electrodes 41 and 42, the displacement point at which the displacement due to the secondary vibration becomes maximum (the angular velocity Ωx around the x axis is about the displacement points Px and y around the y axis in FIG. 2B). The angular velocity Ωy is preferably arranged at any one of the displacement points Py) in FIG. In this embodiment, each of the x-axis secondary vibration detection electrode 41 and the y-axis secondary vibration detection electrode 42 is connected to one of the detection amplifiers 8 used in the first embodiment. One set of 41 (three for each of the x-axis and y-axis) is used as the vibration suppression electrodes 411 and 421.

このように、すべての電極を均等に配置することにより、駆動電極3、一次振動検出電極31、二次振動検出電極4(41,42)および振動抑制電極411,421のそれぞれの電極がそれぞれの電極の効果を最大限に発揮する位置にもれなく配置される。したがって、各電極における効果を互いに阻害することなく効果的に各電極を配置することができる。   Thus, by arranging all the electrodes equally, each electrode of the drive electrode 3, the primary vibration detection electrode 31, the secondary vibration detection electrode 4 (41, 42), and the vibration suppression electrodes 411, 421 can be changed. Arranged in a position that maximizes the electrode effect. Therefore, each electrode can be arranged effectively without interfering with the effect of each electrode.

ここで、一次振動検出電極31を設けることにより、駆動電極3によりリング部11に生じた一次振動(による振動子1と一次振動検出電極31との間の静電容量変化)が検出される。   Here, by providing the primary vibration detection electrode 31, primary vibration (change in electrostatic capacitance between the vibrator 1 and the primary vibration detection electrode 31) generated in the ring portion 11 by the drive electrode 3 is detected.

リング部11の振動は、温度等の周囲の環境の変化により振動の固有振動数が変化する可能性がある。したがって、リング部11の一次振動を安定にするためには、上記固有振動数の変化に応じて駆動電極3に印加する交流電圧を変化させる必要が生じる。そこで、一次振動検出電極31によりリング部11に生じた一次振動を検出することにより、駆動電極3に対してフィードバックをかけることが可能となり、温度等の周囲の環境の変化に関わらず、リング部11における一次振動をより安定的に生成することができる。   The vibration of the ring portion 11 may change its natural frequency due to changes in the surrounding environment such as temperature. Therefore, in order to stabilize the primary vibration of the ring portion 11, it is necessary to change the AC voltage applied to the drive electrode 3 in accordance with the change in the natural frequency. Therefore, it is possible to apply feedback to the drive electrode 3 by detecting the primary vibration generated in the ring portion 11 by the primary vibration detection electrode 31, and the ring portion regardless of changes in the surrounding environment such as temperature. 11 can be generated more stably.

また、振動抑制電極411,421を設け、リング部11の二次振動により二次振動検出電極41,42から検出された静電容量に基づいて、この変化を打ち消すような静電引力を働かせるべく、振動抑制電極411,421に所定の交流電圧が印加される。そして、振動抑制電極411,421に印加された交流電圧が発生したコリオリ力の大きさとして、二次振動の静電容量変化の代わりに検出されることにより各軸の角速度が検出される。   Further, vibration suppression electrodes 411 and 421 are provided so that an electrostatic attraction force that cancels this change is applied based on the electrostatic capacitance detected from the secondary vibration detection electrodes 41 and 42 by the secondary vibration of the ring portion 11. A predetermined alternating voltage is applied to the vibration suppression electrodes 411 and 421. And the angular velocity of each axis | shaft is detected by detecting instead of the electrostatic capacitance change of a secondary vibration as a magnitude | size of the Coriolis force which the alternating voltage applied to the vibration suppression electrodes 411 and 421 generate | occur | produced.

ここで、リング部11において二次振動が生じた場合、当該二次振動と検出対象の角速度との間で一次振動との間で生じたのとは別のコリオリ力が生じ得る。このような別のコリオリ力は、二次振動検出の外乱となり得るので発生しないことが好ましい。そこで、振動抑制電極411,421のそれぞれに独立した所定の交流電圧を印加することにより、x軸回りおよびy軸回りのそれぞれに作用する二次振動の発生を打ち消すとともに、当該打ち消すための振動抑制電極411,421に印加した交流電圧を二次振動を発生させるコリオリ力の大きさとして検出する。したがって、外乱の発生を取り除きつつ、直交する2つの軸についての角速度をより高精度に検出することができる。   Here, when a secondary vibration is generated in the ring portion 11, a Coriolis force different from that generated between the secondary vibration and the primary vibration between the angular velocity of the detection target may be generated. Such another Coriolis force is preferably not generated because it can be a disturbance of secondary vibration detection. Therefore, by applying a predetermined independent AC voltage to each of the vibration suppression electrodes 411 and 421, the occurrence of secondary vibrations acting around the x-axis and the y-axis is canceled and vibration suppression for canceling the vibration is performed. The AC voltage applied to the electrodes 411 and 421 is detected as the magnitude of the Coriolis force that generates the secondary vibration. Therefore, it is possible to detect the angular velocities about two orthogonal axes with higher accuracy while eliminating the occurrence of disturbance.

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。特に、各電極の大きさ、数および配置態様や一次振動および対応する二次振動の振動モードの選択(平面外一次振動のモード次数n(n≧2)に対してn−1またはn+1のいずれかのモード次数を有する平面内二次振動を選択可能)等は、検出対象や検出環境等に応じて適宜採用可能である。   The embodiment according to the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements, changes, and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. In particular, the size, number and arrangement of each electrode and the selection of the vibration mode of the primary vibration and the corresponding secondary vibration (either n−1 or n + 1 for the mode order n (n ≧ 2) of the out-of-plane primary vibration) Can be selected as appropriate according to the detection target, detection environment, and the like.

また、本実施形態においては、リング部11がリング部11の内側にある支持部12により梁部13を介して支持される構成について説明したが、これに限られず、リング部11の外側に支持部を設けて、当該支持部とリング部とを梁部により接続することにより、リング部11が外側から支持される構成としてもよい。   Further, in the present embodiment, the configuration in which the ring portion 11 is supported via the beam portion 13 by the support portion 12 inside the ring portion 11 has been described, but is not limited thereto, and is supported outside the ring portion 11. It is good also as a structure by which a ring part 11 is supported from an outer side by providing a part and connecting the said support part and ring part by a beam part.

また、本実施形態においては、梁部13が振動モードcos2θのモード次数2の2倍設けられる構成について説明したが、これに限られず、例えば、梁部が2本1組で構成され、支持部12側の端部は、いずれも駆動電極3に対向する位置に取り付けられ、リング部11側の端部は、駆動電極3の両脇に1本ずつ位置するように取り付けられる。図5は図1の角速度センサの変形例を示す概略図である。図5においては図1の梁部13の代わりに2本1組の梁部13’が取り付けられている点のみが異なる。これにより、時計回りまたは反時計回りのいずれのコリオリ力が生じた場合であっても、梁部13’ひいてはリング部11にかかる応力が回転方向によって変化せず、より高精度に角速度を検出することができる。   In the present embodiment, the configuration in which the beam portion 13 is provided twice the mode order 2 of the vibration mode cos 2θ has been described. However, the present invention is not limited to this. The end portions on the 12 side are all attached at positions facing the drive electrode 3, and the end portions on the ring portion 11 side are attached so that one end is located on both sides of the drive electrode 3. FIG. 5 is a schematic view showing a modification of the angular velocity sensor of FIG. FIG. 5 differs only in that a pair of two beam portions 13 'are attached instead of the beam portion 13 of FIG. As a result, regardless of whether clockwise or counterclockwise Coriolis force is generated, the stress applied to the beam portion 13 ′ and thus the ring portion 11 does not change depending on the rotation direction, and the angular velocity is detected with higher accuracy. be able to.

本発明に係る第1実施形態における角速度センサの概略図である。It is the schematic of the angular velocity sensor in 1st Embodiment which concerns on this invention. 図1の角速度センサにおける振動態様を示す図である。It is a figure which shows the vibration aspect in the angular velocity sensor of FIG. 図1の角速度センサの配線図である。It is a wiring diagram of the angular velocity sensor of FIG. 本発明に係る第2実施形態における角速度センサを示す平面図である。It is a top view which shows the angular velocity sensor in 2nd Embodiment which concerns on this invention. 図1の角速度センサの変形例を示す概略図である。It is the schematic which shows the modification of the angular velocity sensor of FIG. 特許文献1における振動子近傍の部分側方断面図である。10 is a partial side cross-sectional view in the vicinity of a vibrator in Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 振動子
2 半導体基板
3 駆動電極
4 二次振動検出電極
11 リング部
13 梁部
31 一次振動検出電極
41 x軸二次振動検出電極(第1軸二次振動検出電極)
42 y軸二次振動検出電極(第2軸二次振動検出電極)
Pd,Px,Py 最大変位点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibrator 2 Semiconductor substrate 3 Drive electrode 4 Secondary vibration detection electrode 11 Ring part 13 Beam part 31 Primary vibration detection electrode 41 X-axis secondary vibration detection electrode (1st axis secondary vibration detection electrode)
42 y-axis secondary vibration detection electrode (second-axis secondary vibration detection electrode)
Pd, Px, Py Maximum displacement point

Claims (12)

検出対象の角速度に応じて振動状態が変化するリング部を有する振動子が形成された半導体基板を備える角速度センサであって、
振動子に対して静電駆動させることにより一次振動を生じさせる駆動電極と、
一次振動に基づいた二次振動により、振動子との間で変化した静電容量を検出する二次振動検出電極とを具備し、
駆動電極および二次振動検出電極は、リング部と略同一平面上に配置され、
リング部に固有の振動数に基づいた交流電圧を駆動電極に印加することにより、一次振動としてリング部を3次元に振動させるとともに、前記平面内におけるリング部および二次振動検出電極間の距離の変化を前記静電容量の変化として二次振動検出電極から検出することにより角速度を検出することを特徴とする角速度センサ。
An angular velocity sensor including a semiconductor substrate on which a vibrator having a ring portion whose vibration state changes according to an angular velocity of a detection target is formed,
A drive electrode for generating primary vibration by electrostatically driving the vibrator;
A secondary vibration detection electrode for detecting a capacitance changed between the vibrator and the secondary vibration based on the primary vibration;
The drive electrode and the secondary vibration detection electrode are disposed on substantially the same plane as the ring portion,
By applying an alternating voltage based on the natural frequency of the ring part to the drive electrode, the ring part is vibrated three-dimensionally as primary vibration, and the distance between the ring part and the secondary vibration detection electrode in the plane is An angular velocity sensor that detects an angular velocity by detecting a change from the secondary vibration detection electrode as a change in capacitance.
駆動電極または二次振動検出電極のいずれか一方がリング部の内側に設けられ、駆動電極または二次振動検出電極のいずれか他方がリング部の外側に設けられることを特徴とする請求項1記載の角速度センサ。   The drive electrode or the secondary vibration detection electrode is provided inside the ring portion, and the other of the drive electrode or the secondary vibration detection electrode is provided outside the ring portion. Angular velocity sensor. 駆動電極は、リング部の一次振動における前記平面に垂直な方向の変位量が最大となる位置の近傍に設けられることを特徴とする請求項1または2記載の角速度センサ。   3. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the drive electrode is provided in a vicinity of a position where a displacement amount in a direction perpendicular to the plane in the primary vibration of the ring portion is maximized. 4. 二次振動検出電極は、リング部の二次振動における前記平面に平行な方向の変位量が最大となる位置の近傍に設けられることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の角速度センサ。   The angular velocity according to any one of claims 1 to 3, wherein the secondary vibration detection electrode is provided in the vicinity of a position where a displacement amount in a direction parallel to the plane in the secondary vibration of the ring portion is maximized. Sensor. 駆動電極による一次振動を検出する一次振動検出電極を具備することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の角速度センサ。   The angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 4, further comprising a primary vibration detection electrode that detects primary vibration caused by the drive electrode. 二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる振動抑制電極を具備し、
振動抑制電極に印加した電圧を前記二次振動の静電容量変化の代わりに検出することにより角速度を検出することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の角速度センサ。
Comprising a vibration suppression electrode that applies an electrostatic attraction to the vibrator so as to cancel the change in capacitance detected from the secondary vibration detection electrode;
The angular velocity sensor according to claim 1, wherein an angular velocity is detected by detecting a voltage applied to a vibration suppressing electrode instead of a change in capacitance of the secondary vibration.
振動子は、リング部の中心部で一端が支持され、他端がリング部に接続される複数の梁部を有し、
梁部は、振動子の一次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数設けられ、
隣り合う梁部の略中間であって、リング部の内側または外側に駆動電極が設けられることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の角速度センサ。
The vibrator has a plurality of beam portions in which one end is supported at the center of the ring portion and the other end is connected to the ring portion,
The number of beam portions is twice the mode order of the vibration mode in the primary vibration of the vibrator,
The angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein a drive electrode is provided substantially in the middle of adjacent beam portions and inside or outside the ring portion.
二次振動検出電極は、前記平面内の直交する第1軸および第2軸のそれぞれについて、第1軸の軸回りに作用する角速度による二次振動を検出する第1軸二次振動検出電極と、第2軸の軸回りに作用する角速度による二次振動を検出する第2軸二次振動検出電極とを具備することを特徴とする請求項1記載の角速度センサ。   The secondary vibration detection electrode includes a first axis secondary vibration detection electrode for detecting secondary vibration due to an angular velocity acting around the axis of the first axis for each of the first axis and the second axis orthogonal to each other in the plane. The angular velocity sensor according to claim 1, further comprising a second-axis secondary vibration detection electrode that detects secondary vibration caused by an angular velocity acting about the axis of the second axis. 駆動電極は、振動子の一次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数設けられ、
第1軸二次振動検出電極および第2軸二次振動検出電極のそれぞれは、振動子の二次振動における振動モードのモード次数の2倍の個数設けられることを特徴とする請求項8記載の角速度センサ。
The number of drive electrodes is twice as many as the mode order of the vibration mode in the primary vibration of the vibrator,
9. The number of each of the first-axis secondary vibration detection electrode and the second-axis secondary vibration detection electrode is twice as many as the mode order of the vibration mode in the secondary vibration of the vibrator. Angular velocity sensor.
第1軸二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる第1軸振動抑制電極と、
第2軸二次振動検出電極から検出された静電容量の変化を打ち消すように振動子に対して静電引力を働かせる第2軸振動抑制電極とを具備し、
第1軸振動抑制電極および第2軸振動抑制電極にそれぞれ印加した電圧に基づいて各軸の角速度を検出することを特徴とする請求項9記載の角速度センサ。
A first axis vibration suppression electrode that applies an electrostatic attraction to the vibrator so as to cancel the change in capacitance detected from the first axis secondary vibration detection electrode;
A second-axis vibration suppression electrode that exerts an electrostatic attraction on the vibrator so as to cancel the change in capacitance detected from the second-axis secondary vibration detection electrode;
The angular velocity sensor according to claim 9, wherein an angular velocity of each axis is detected based on a voltage applied to each of the first axis vibration suppression electrode and the second axis vibration suppression electrode.
前記駆動電極のうち、半分を一次振動検出電極として用い、前記第1軸二次振動検出電極および第2軸二次振動検出電極のうち、それぞれ半分を第1軸振動抑制電極および第2軸振動抑制電極としてそれぞれ用いることを特徴とする請求項10記載の角速度センサ。   Half of the drive electrodes are used as primary vibration detection electrodes, and half of the first-axis secondary vibration detection electrodes and second-axis secondary vibration detection electrodes are respectively used as first-axis vibration suppression electrodes and second-axis vibrations. The angular velocity sensor according to claim 10, wherein each angular velocity sensor is used as a suppression electrode. リング部に直流電圧を印加可能に構成されることを特徴とする請求項1〜11記載の角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 1, wherein a DC voltage can be applied to the ring portion.
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