JP2010008300A - Inertia sensor - Google Patents

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    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor for simultaneously detecting a yaw rate and acceleration in two axes within a substrate surface. <P>SOLUTION: The inertia sensor has an inertia sensor structure, having four in-plane vibrators in the same shape and ring beams in a structure being symmetrical with respect to a point for connecting the four in-plane vibrators that are arranged while being symmetrical with respect to a point. Concretely speaking, the inertia sensor has: the in-plane vibrators that are disposed on the extension line of two orthogonal axes at the same distance from a rotation center with the intersection of two orthogonal axes as a rotation center and supported movably in a direction parallel to a substrate surface, and have the same structure; and a link beam that mutually connects the vibrators movably in the directions of the two axes without any rotation in parallel with the substrate, has a structure that is symmetrical in respect to the rotation center, and is disposed in a region including the rotation center in a region for connecting the positions of the vibrators. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、基板上に形成された振動体を用いて、基板の厚み方向の軸周りに印加される角速度(ヨーレート)と、基板の面内方向に印加される2軸の加速度とを検出するための慣性センサに関する。   The present invention uses a vibrating body formed on a substrate to detect an angular velocity (yaw rate) applied around an axis in the thickness direction of the substrate and a biaxial acceleration applied in an in-plane direction of the substrate. It is related with the inertial sensor for.

x,y,z軸回りの角速度をそれぞれ検出できる、3軸の角速度センサを、特許文献1が開示している。特許文献1では、振動体が多角形の各辺に位置する場所に設置され、各々の振動体が梁で連結された一体構造が示されている。   Patent Document 1 discloses a triaxial angular velocity sensor that can detect angular velocities around the x, y, and z axes, respectively. Patent Document 1 shows an integrated structure in which a vibrating body is installed at a position located on each side of a polygon, and each vibrating body is connected by a beam.

梁で連結された振動体は、中央に配置されたポストのみで支持され、基板から浮いた状態にある。基板の厚み方向の軸(z軸)周りに印加される角速度を検出するための検出手段は、連結振動体の中央に位置し、印加角速度に対応したコリオリ力による変位を、連結された振動体の回転変位に伴う容量変化として検出する。   The vibrating bodies connected by the beams are supported only by the post disposed at the center and are in a state of floating from the substrate. The detecting means for detecting the angular velocity applied around the axis (z-axis) in the thickness direction of the substrate is located at the center of the coupled vibrating body, and the coupled vibrating bodies are displaced by the Coriolis force corresponding to the applied angular velocity. It is detected as a change in capacity associated with the rotational displacement of.

また、特許文献2では、基板面内の2軸の周りに印加された角速度を検出するため、振動体を用いた角速度センサ構造が示されている。本公知例では、印加角速度によって発生するコリオリ力を容易に検出するために、振動体同士がたわみスプリングにより連結されている。そして、一体化された構造が開示されている。この構造において、コリオリ力に対応した変位は、振動体の下部に形成された検出電極によって、容量変化として電気的に検出される。   Patent Document 2 discloses an angular velocity sensor structure using a vibrating body in order to detect angular velocities applied around two axes in the substrate surface. In this known example, in order to easily detect the Coriolis force generated by the applied angular velocity, the vibrating bodies are connected by a flexible spring. An integrated structure is disclosed. In this structure, the displacement corresponding to the Coriolis force is electrically detected as a capacitance change by the detection electrode formed at the lower part of the vibrating body.

特開平11−064002号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-064002 特開平07−218268号公報JP 07-218268 A

特許文献1および特許文献2に記載された角速度のセンサ構造は、例えば、基板面内の2軸周りのように、複数の軸周りに印加される角速度の検出を可能とする。しかしながら、基板の厚み方向の軸周りに印加される角速度(ヨーレート)と同時に基板の面内に印加される2軸の加速度とを検出するため、そのセンサ構造や手段に関しての記載はない。   The angular velocity sensor structure described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 enables detection of angular velocity applied around a plurality of axes, for example, around two axes in the substrate surface. However, since an angular velocity (yaw rate) applied around the substrate in the thickness direction of the substrate and a biaxial acceleration applied in the plane of the substrate are detected, there is no description regarding the sensor structure and means.

また、特許文献1に開示されたセンサは、梁で各振動板を連結し、センサの中央に位置するアンカーでのみ支持され、中空に浮いた状態である。このセンサ構造は、安定性に欠ける支持構造である。センサ外部からの衝撃力に対して、耐性が低い。外部からの衝撃力によって、振動板はそれを支持している基板に接触し、固着する可能性が高い。また、衝撃力が大きい場合、振動体を支持している基板に振動板が衝突し、振動板が壊れる可能性がある。   Further, the sensor disclosed in Patent Document 1 is a state in which each diaphragm is connected by a beam, supported only by an anchor located at the center of the sensor, and floated in a hollow state. This sensor structure is a support structure lacking in stability. Low resistance to impact force from outside the sensor. There is a high possibility that the diaphragm comes into contact with and adheres to the substrate supporting it due to an external impact force. Further, when the impact force is large, there is a possibility that the diaphragm collides with the substrate supporting the vibrating body, and the diaphragm is broken.

本発明の目的は、第一に、基板の厚み方向の軸周りに印加される角速度(ヨーレート)と基板の面内の2軸に印加される加速度とを同時に検出できる単一構造の慣性センサを提供することである。   An object of the present invention is to provide a single-structure inertial sensor that can simultaneously detect an angular velocity (yaw rate) applied around an axis in the thickness direction of a substrate and an acceleration applied to two axes in the plane of the substrate. Is to provide.

第二に、支持する基板に固着せず、外乱の衝撃に対して強い、すなわち、耐衝撃性が高い、慣性センサを提供することにある。   The second object is to provide an inertial sensor that is not fixed to a supporting substrate and is strong against the impact of disturbance, that is, has high impact resistance.

上記目的を達成するために、本発明における解決手段は、次のような手段である。   In order to achieve the above object, the solving means in the present invention is as follows.

第一の手段は、直交2軸の交差点を回転中心として、前記回転中心から同一の距離で、前記直交2軸の延長線上に配置され、基板面内方向に可動な状態で支持され、同一の構造を有する面内振動体と、前記基板の面内方向で回転することなく、前記2軸の方向に可動であるように前記振動体を互いに連結し、前記回転中心に点対称な構造を有し、前記振動体の位置を結んだ領域で、なおかつ前記回転中心を含む領域に配置された、リンクビームとを備えた慣性センサとすることである。   The first means is arranged on the extension line of the orthogonal two axes at the same distance from the rotation center with the intersection of the orthogonal two axes as the rotation center, and is supported in a movable state in the in-plane direction of the substrate. The in-plane vibrating body having a structure and the vibrating bodies are connected to each other so as to be movable in the direction of the two axes without rotating in the in-plane direction of the substrate, and have a point-symmetric structure about the rotation center. And an inertial sensor including a link beam arranged in a region connecting the positions of the vibrating bodies and in a region including the rotation center.

第二の手段は、上記第一の手段として記載した慣性センサにおいて、前記振動体は、前記直交2軸の方向に可動な第一の2自由度振動マスと、前記直交2軸のうち一方向にのみ可動であるように前記基板に支持された、駆動手段を含む1自由度第二,第三の駆動マスと、前記直交2軸のうち他方向にのみ可動であるように前記基板に支持された、検出手段を含む第四,第五の1自由度検出マスと、前記振動マスと前記駆動マスと前記検出マスとを連結した梁とからなり、前記第二,第三の駆動マスは、第一の軸に線対称の位置に置かれ、また前記第四,第五の検出マスは、第二の軸に線対称の位置に置かれ、前記第一の軸と前記第二の軸とは互いに直交し、直交点を含む領域に前記振動マスを配置した構成となる、前記面内振動体から成るように構成することがよい。   The second means is the inertial sensor described as the first means, wherein the vibrating body is a first two-degree-of-freedom vibration mass movable in the direction of the two orthogonal axes and one direction of the two orthogonal axes. The second and third drive masses with one degree of freedom including the driving means supported on the substrate so as to be movable only on the substrate, and supported on the substrate so as to be movable only in the other direction of the two orthogonal axes. A fourth and fifth one-degree-of-freedom detection mass including detection means, and a beam connecting the vibration mass, the drive mass, and the detection mass, and the second and third drive masses are The fourth and fifth detection masses are placed in line-symmetrical positions with respect to the second axis, and the first axis and the second axis are placed in line-symmetrical positions with respect to the first axis. Is composed of the in-plane vibrating body, which is configured to have the vibration mass arranged in a region perpendicular to each other and including the orthogonal point. Good be configured.

さらには、上記第二の手段に記述した慣性センサにおいて、前記振動マス,前記駆動マス,前記検出マスの面に在り、前記各マスを支持する基板に対向する面に、突起構造を設けた慣性センサとすることがよい。   Further, in the inertial sensor described in the second means, the inertial sensor is provided on the surface of the vibration mass, the drive mass, and the detection mass, and is provided with a protrusion structure on the surface facing the substrate that supports each mass. A sensor is preferable.

さらには、上記第一および第二の手段に記述した慣性センサにおいて、前記リンクビームは、前記駆動マスに連結された構造である慣性センサとすることがよい。   Furthermore, in the inertial sensor described in the first and second means, the link beam may be an inertial sensor having a structure connected to the drive mass.

本発明によれば、単一のセンサ構造で、基板の厚み方向の軸周りに印加される角速度(ヨーレート)と、基板の面内に印加される2軸の加速度を同時に検出することができる。   According to the present invention, the angular velocity (yaw rate) applied around the substrate in the thickness direction of the substrate and the biaxial acceleration applied in the plane of the substrate can be detected simultaneously with a single sensor structure.

以下では、本発明の慣性センサの実施例を、図面を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the inertial sensor of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明で開示する、慣性センサのコンセプトを示す概念図である。図1には、慣性センサを構成するセンサ素子である、振動体1a,1b,1c,1dが示されている。前記の各振動体は互いに同じ構成,構造である。振動体1aは、ばね2a,3aによって、振動体1bは、ばね2b,3bによって、振動体1cは、ばね2c,3cによって、振動体1dは、ばね2d,3dによって、面内の方向に振動可能な状態で支持されている。振動体1a,1b,1c,1dには、振動を発生する駆動手段(図示せず)、印加角速度に比例して発生するコリオリ力による変位、または印加加速度による変位を検出するための検出手段(図示せず)が、それぞれ形成されている。ばね3a,3b,3c,3dは、固定部となるアンカー部4に接続され、図1の矢印で示すように、振動体1aおよび振動体1bはx軸方向に振動可能であり、振動体1cおよび振動体1dはy軸方向に振動可能である。なお、ばね2a,2b,2c,2dの接続点5は、固定点にはなっていない。図1のように、振動体1aと1bの振動方向と、振動体1cと1dの振動方向とは、互いに直交している。振動を発生する駆動手段は、櫛歯電極を用いた静電引力を発生させる構造、圧電ひずみの力を利用した構造,電磁界を利用したローレンツ力を利用した構造であってよい。   FIG. 1 is a conceptual diagram showing the concept of an inertial sensor disclosed in the present invention. FIG. 1 shows vibrating bodies 1a, 1b, 1c, and 1d that are sensor elements constituting an inertial sensor. Each of the vibrators has the same configuration and structure. The vibrating body 1a is vibrated in the in-plane direction by the springs 2a and 3a, the vibrating body 1b is vibrated by the springs 2b and 3b, the vibrating body 1c is vibrated by the springs 2c and 3c, and the vibrating body 1d is vibrated by the springs 2d and 3d. Supported as possible. The vibrating bodies 1a, 1b, 1c, and 1d include a driving unit (not shown) that generates vibration, a detecting unit that detects displacement due to Coriolis force generated in proportion to the applied angular velocity, or displacement due to applied acceleration ( (Not shown) are respectively formed. The springs 3a, 3b, 3c, and 3d are connected to the anchor portion 4 serving as a fixed portion. As shown by arrows in FIG. 1, the vibrating body 1a and the vibrating body 1b can vibrate in the x-axis direction, and the vibrating body 1c The vibrating body 1d can vibrate in the y-axis direction. The connection point 5 of the springs 2a, 2b, 2c and 2d is not a fixed point. As shown in FIG. 1, the vibration directions of the vibrating bodies 1a and 1b and the vibration directions of the vibrating bodies 1c and 1d are orthogonal to each other. The driving means for generating vibration may have a structure for generating an electrostatic attractive force using a comb electrode, a structure using a piezoelectric strain force, or a structure using a Lorentz force using an electromagnetic field.

振動体1a,1b,1c,1dの具体的な駆動形態は、次のようになる。前提として、振動体1aと1bとは、互いに音叉振動する音叉振動体を構成する構成要素である。また、振動体1cと1dとは、互いに音叉振動する音叉振動体を構成する構成要素である。振動体1aと1bとから成る音叉振動体と、振動体1cと1dとから成る音叉振動体とは、互いに位相が反転、すなわち180度ずれている。具体的には、振動体1aがx軸の負方向,振動体1bがx軸の正方向に向かって動くとき、振動体1cがy軸の負方向,振動体1dがy軸の正方向に向かって動作する。逆に、振動体1aがx軸の正方向,振動体1bがx軸の負方向に向かって動くとき、振動体1cがy軸の正方向,振動体1dがy軸の負方向に向かって動作する。このような振動を実現するために、駆動手段は、力を各振動体に与える。なお、駆動手段は、振動体1a,1b,1c,1dを共振振動させるようにすることが望ましい。この場合に、振動振幅すなわち振動速さが最大になり、角速度に比例したコリオリ力による変位を、最大にすることが可能である。   Specific driving modes of the vibrators 1a, 1b, 1c, and 1d are as follows. As a premise, the vibrating bodies 1a and 1b are components constituting a tuning fork vibrating body that vibrates with each other. The vibrating bodies 1c and 1d are constituent elements that constitute a tuning fork vibrating body that vibrates with each other. The tuning fork vibrating body composed of the vibrating bodies 1a and 1b and the tuning fork vibrating body composed of the vibrating bodies 1c and 1d are inverted in phase, that is, shifted by 180 degrees. Specifically, when the vibrating body 1a moves in the negative x-axis direction and the vibrating body 1b moves in the positive x-axis direction, the vibrating body 1c moves in the negative y-axis direction and the vibrating body 1d moves in the positive y-axis direction. Work towards. Conversely, when the vibrating body 1a moves in the positive x-axis direction and the vibrating body 1b moves in the negative x-axis direction, the vibrating body 1c moves in the positive y-axis direction and the vibrating body 1d moves in the negative y-axis direction. Operate. In order to realize such vibration, the driving means applies a force to each vibrating body. Note that the driving means desirably causes the vibrating bodies 1a, 1b, 1c, and 1d to resonate and vibrate. In this case, the vibration amplitude, that is, the vibration speed is maximized, and the displacement due to the Coriolis force proportional to the angular velocity can be maximized.

このとき、各振動体に加工誤差に伴う、形状の個体差があった場合、各々の振動体の共振周波数は、厳密には一致しない。しかし、接続点5が4つのばね2a,2b,2c,2dと接続されているので、各振動体の振動が互いに干渉する。その結果、各振動体の振動は、同期して振動するようになる。すなわち、拘束されない接続点5があることで、このような個体差による振動誤差を吸収できる。図1に示す慣性センサは、この特長を備える。   At this time, if there is an individual difference in shape due to a processing error in each vibrator, the resonance frequencies of the vibrators do not exactly match. However, since the connection point 5 is connected to the four springs 2a, 2b, 2c, 2d, the vibrations of the vibrating bodies interfere with each other. As a result, the vibrations of the vibrators vibrate synchronously. That is, since there are unconstrained connection points 5, vibration errors due to such individual differences can be absorbed. The inertial sensor shown in FIG. 1 has this feature.

なお、振動体1aにおいて、x軸方向の共振周波数をωx,y軸方向の共振周波数をωyとする。x軸方向が振動体の振動方向であり、y軸方向が加速度による変位や、角速度に比例したコリオリ力による変位を検出する検出方向である。すなわち、振動方向に対して、検出方向は振動方向に直交する方向とする。このとき、振動方向の共振周波数ωxが検出方向の共振周波数ωyよりも小さいほうが好ましい。代表して振動体1aについて述べたが、他の振動体1b,1c,1dについても同様なことが言える。 In the vibrating body 1a, the resonance frequency in the x-axis direction is ω x , and the resonance frequency in the y-axis direction is ω y . The x-axis direction is the vibration direction of the vibrating body, and the y-axis direction is a detection direction for detecting displacement due to acceleration and displacement due to Coriolis force proportional to the angular velocity. That is, the detection direction is a direction orthogonal to the vibration direction with respect to the vibration direction. At this time, the resonance frequency ω x in the vibration direction is preferably smaller than the resonance frequency ω y in the detection direction. Although the vibration body 1a has been described as a representative, the same can be said for the other vibration bodies 1b, 1c, and 1d.

次に、図2は、図1で示したばね2a,2b,2c,2d,3a,3b,3c,3dを梁構造に置き換えた場合を示すコンセプト図である。具体的には、ばね3aは梁6に、接続点5を含むばね2a,2b,2c,2dは、リンクビーム7に置き換えることができる。ばね3b,3c,3dに関しては、振動体1aに付属したばね6と同様に、振動体1b,1c,1dに付属した梁として、それぞれ置き換えることができる。   Next, FIG. 2 is a conceptual diagram showing a case where the springs 2a, 2b, 2c, 2d, 3a, 3b, 3c, and 3d shown in FIG. 1 are replaced with a beam structure. Specifically, the spring 3 a can be replaced with the beam 6, and the springs 2 a, 2 b, 2 c, 2 d including the connection point 5 can be replaced with the link beam 7. The springs 3b, 3c, and 3d can be replaced as beams attached to the vibrating bodies 1b, 1c, and 1d, respectively, similarly to the spring 6 attached to the vibrating body 1a.

リンクビーム7は、振動体1a,1b,1c,1dを連結した点対称構造を持つ。振動体1a,1b,1c,1dを結んだ範囲の中に、リンクビーム7の点対称中心が位置する。この位置にリンクビーム7を形成することで、図1に示した慣性センサのコンセプトを満足できる。   The link beam 7 has a point-symmetric structure in which the vibrating bodies 1a, 1b, 1c, and 1d are connected. The point symmetry center of the link beam 7 is located in the range connecting the vibrating bodies 1a, 1b, 1c, 1d. By forming the link beam 7 at this position, the concept of the inertial sensor shown in FIG. 1 can be satisfied.

このリンクビーム7の構造は、振動体1a,1b,1c,1dを連結した点対称構造であればよい。図2に示したリンクビーム7の構造以外に、例えば、図3のリンクビーム7の形状や、図4のリンクビーム7の形状が考えられる。これ以外の構造でも、点対称な梁構造であればよい。   The link beam 7 may have a point-symmetric structure in which the vibrating bodies 1a, 1b, 1c, and 1d are connected. In addition to the structure of the link beam 7 shown in FIG. 2, for example, the shape of the link beam 7 of FIG. 3 and the shape of the link beam 7 of FIG. Any other structure may be used as long as it is a point-symmetric beam structure.

次に、面内の振動を可能とする、振動体1a,1b,1c,1dの具体的構造を説明する。ここでは、代表して、図5に示す振動体1aの構造を用いて説明する。   Next, a specific structure of the vibrating bodies 1a, 1b, 1c, and 1d that enables in-plane vibration will be described. Here, as a representative example, the structure of the vibrator 1a shown in FIG. 5 will be described.

慣性センサを構成する振動体1aは、振動を発生する駆動手段11a,11b,12a,12bを含む、1自由度の駆動マス8a,8bと、印加角速度に比例して発生するコリオリ力による変位、または印加加速度による変位を検出するための検出手段15a,15bを含む、1自由度の検出マス9a,9bと、2自由度の振動マス10、から構成される。駆動マス8a,8bは、屈曲梁13a,13bの構造とアンカー部14a,14bの形成位置から、x軸方向にのみ動作する。屈曲梁13a,13bの一端は、駆動マス8a,8bに接続されている。もう一端はアンカー部14a,14bに接続されている。一方、検出マス9a,9bは、屈曲梁16a,16bの構造とアンカー部17a,17bの形成位置から、y軸方向にのみ動作する。検出マス9a,9bはともに、4個の屈曲梁16a,16bによって接続,支持されている。その屈曲梁16a,16bの一端は、アンカー部17a,17bに接続されている。振動マス10には、駆動マス8a,8bに接続された屈曲梁18a,18bが接続されている。また、検出マス9a,9bに接続された直梁が接続されている。この梁構成により、振動マスはx軸およびy軸方向に動作することができる。   The vibrating body 1a constituting the inertial sensor includes a driving mass 8a, 8b having one degree of freedom including driving means 11a, 11b, 12a, 12b that generate vibrations, and displacement due to Coriolis force generated in proportion to the applied angular velocity. Alternatively, it includes detection masses 9a and 9b with one degree of freedom and detection masses 10 with two degrees of freedom including detection means 15a and 15b for detecting displacement due to applied acceleration. The drive masses 8a and 8b operate only in the x-axis direction from the structure of the bending beams 13a and 13b and the positions where the anchor portions 14a and 14b are formed. One ends of the bending beams 13a and 13b are connected to the driving masses 8a and 8b. The other end is connected to the anchor portions 14a and 14b. On the other hand, the detection masses 9a and 9b operate only in the y-axis direction from the structure of the bending beams 16a and 16b and the positions where the anchor portions 17a and 17b are formed. Both detection masses 9a and 9b are connected and supported by four bending beams 16a and 16b. One ends of the bending beams 16a and 16b are connected to the anchor portions 17a and 17b. Bending beams 18a and 18b connected to the drive masses 8a and 8b are connected to the vibration mass 10. Further, straight beams connected to the detection masses 9a and 9b are connected. This beam configuration allows the vibration mass to move in the x-axis and y-axis directions.

振動マス10は、駆動マス8a,8bと検出マス9a,9bに囲まれるように配置されている。また、駆動マス8aと8bとは、B−B′軸を線対称に配置され、一方、検出マス9a,9bとは、A−A′軸を線対称に配置されている。これらの線対称軸は互いに直交している。この直交点を含む領域に、振動マス10が形成されている。このように、振動体1aはシンメトリーな構造を備える。   The vibration mass 10 is disposed so as to be surrounded by the drive masses 8a and 8b and the detection masses 9a and 9b. The drive masses 8a and 8b are arranged symmetrically with respect to the BB ′ axis, while the detection masses 9a and 9b are arranged symmetrically with respect to the AA ′ axis. These line symmetry axes are orthogonal to each other. A vibration mass 10 is formed in a region including the orthogonal point. Thus, the vibrating body 1a has a symmetrical structure.

次に、図6は、図5に示す振動体1aのa−a′断面を示す断面構造図である。基板20は、アンカー部14a,14b,17a,17bが接続される基板である(図示せず)。振動マス10の下側の面には、同図のように、突起部19が形成されている。この突起の高さは数百ナノから数ミクロンで、幅はおよそ数ミクロンから数十ミクロンのサイズである。振動体1aを面内方向に振動させるために、基板20と振動体1a(図6では、振動マス10)とのギャップはおよそ1〜4μmである。また、振動マスの厚さは、ここでは、60μmとし、基板20の厚さは350μmとする。この各厚さは一例である。   Next, FIG. 6 is a cross-sectional structure diagram showing an aa ′ cross section of the vibrating body 1a shown in FIG. The board | substrate 20 is a board | substrate (not shown) to which the anchor parts 14a, 14b, 17a, and 17b are connected. A protrusion 19 is formed on the lower surface of the vibration mass 10 as shown in FIG. The height of the protrusion is several hundred nanometers to several microns, and the width is about several microns to several tens of microns. In order to vibrate the vibrating body 1a in the in-plane direction, the gap between the substrate 20 and the vibrating body 1a (the vibrating mass 10 in FIG. 6) is about 1 to 4 μm. Here, the thickness of the vibration mass is 60 μm, and the thickness of the substrate 20 is 350 μm. Each thickness is an example.

ここで、基板20の厚さ方向に外乱が加わった場合、振動自在な状態で支持された振動体1a、図6では振動マス10は、基板の厚み方向に加速度を受ける。加速度が大きい場合、振動マス10は基板20に接触する。突起部19が振動マス10にある場合は、それがない場合に比べて、接触する面積が極端に小さくなる。そのため、下地の基板20にスティック(固着)することが容易に回避することができる。なぜなら、接触面積が小さいほど表面力が小さくなり、スティックしにくくなるためである。突起部19は、いわばストッパーの役割を担う。したがって、突起部19が形成されていれば、振動体1aは、耐衝撃性が高く、外乱から保護された構造を持つと言える。なお、図示していないが、突起部19は、駆動マス8a,8bや検出マス9a,9bにも形成されている。   Here, when a disturbance is applied in the thickness direction of the substrate 20, the vibrating body 1 a supported in a freely vibrating state, in FIG. 6, the vibration mass 10 receives acceleration in the thickness direction of the substrate. When the acceleration is large, the vibration mass 10 contacts the substrate 20. When the protrusion 19 is on the vibration mass 10, the contact area is extremely small as compared to the case without the protrusion 19. Therefore, sticking (fixing) to the underlying substrate 20 can be easily avoided. This is because the smaller the contact area, the smaller the surface force and the harder it is to stick. The projection 19 plays a role of a stopper. Therefore, if the protrusion 19 is formed, it can be said that the vibrating body 1a has a high impact resistance and a structure protected from disturbance. Although not shown, the protrusion 19 is also formed on the drive masses 8a and 8b and the detection masses 9a and 9b.

図7は、図5に示した振動体1aと、その他の振動体1b,1c,1dとをリンクビーム7で連結した、慣性センサの構造を示す。このリンクビーム7の形状は、図2で示した。同図のように、リンクビーム7は、各振動体の駆動マス(図5で言えば駆動マス8b)に連結され、検出マスや振動マスには連結されていない。この構造のリンクビーム7は、加工誤差による形状の個体差が各振動体にあった場合でも、各振動体を同期して音叉振動させることができる。   FIG. 7 shows the structure of an inertial sensor in which the vibrating body 1 a shown in FIG. 5 and other vibrating bodies 1 b, 1 c, 1 d are connected by a link beam 7. The shape of the link beam 7 is shown in FIG. As shown in the figure, the link beam 7 is connected to the drive mass (drive mass 8b in FIG. 5) of each vibrator, and is not connected to the detection mass or the vibration mass. The link beam 7 having this structure can oscillate the tuning fork in synchronization with each vibrating body even when there are individual differences in shape due to processing errors.

図8は、図5に示した振動体1aと、その他の振動体1b,1c,1dとを、図3で示したリンクビーム7で連結した、別の構造を備える慣性センサを示す。図7の場合と同様に、リンクビーム7は、各振動体の駆動マス(図5で言えば駆動マス8b)に連結され、検出マスや振動マスには連結されていない。このように接続を行うことで、慣性センサを構成する振動体1a,1b,1c,1dの振動を同期させ、音叉振動を可能にできる。すなわち、各振動体の駆動マスの振動を同期させることができる。   FIG. 8 shows an inertial sensor having another structure in which the vibrating body 1a shown in FIG. 5 and the other vibrating bodies 1b, 1c, 1d are connected by the link beam 7 shown in FIG. As in the case of FIG. 7, the link beam 7 is connected to the drive mass (drive mass 8 b in FIG. 5) of each vibrator, and is not connected to the detection mass or the vibration mass. By connecting in this way, it is possible to synchronize the vibrations of the vibrating bodies 1a, 1b, 1c, and 1d that constitute the inertial sensor and to enable tuning fork vibration. That is, it is possible to synchronize the vibration of the driving mass of each vibrator.

次に、慣性センサを構成する振動体1a,1b,1c,1dを、同期振動させるための駆動電圧印加方法について、図9に示す振動体1aの場合を用いて説明する。他の振動体1b,1c,1dに関しても同様に考えることができる。   Next, a driving voltage application method for synchronously vibrating the vibrating bodies 1a, 1b, 1c, and 1d constituting the inertial sensor will be described using the case of the vibrating body 1a shown in FIG. The same applies to the other vibrators 1b, 1c, and 1d.

図のように、信号発生回路21から第一加振信号Vdc+V0sinωtと、第二加振信号Vdc−V0sinωtとの2つの信号が出力されている。ここで、VdcはDCバイアス電圧で、V0sinωtはAC電圧でその振幅はV0である。ここでのωには、振動体1aが共振周波数で駆動できる周波数を与える。この2つの信号は、電気配線にて、各駆動手段に結線される。具体的には、図5に示した番号に基づくと、第一加振信号は、駆動手段12a,11bに印加され、第二加振信号は、駆動手段11a,12bに印加される。なお、振動体1aはGNDに接続されている。 As shown in the figure, the signal generating circuit 21 outputs two signals, a first excitation signal V dc + V 0 sinωt and a second excitation signal V dc −V 0 sinωt. Here, V dc is a DC bias voltage, V 0 sinωt is an AC voltage, and its amplitude is V 0 . Here, ω is given a frequency at which the vibrating body 1a can be driven at the resonance frequency. These two signals are connected to each driving means by electric wiring. Specifically, based on the numbers shown in FIG. 5, the first excitation signal is applied to the drive means 12a and 11b, and the second excitation signal is applied to the drive means 11a and 12b. The vibrating body 1a is connected to GND.

図9を用いた以下の説明では、図5に示した番号と対比して説明を行う。   In the following description using FIG. 9, the description will be made in comparison with the numbers shown in FIG.

このとき、図9に示した時間チャートのように、電圧が印加される。時間t1では、第一加振信号の電圧が第二加振信号の電圧より高いので、駆動手段12a,11bに高い静電引力が発生し、振動体1aはx軸正方向に動作する。一方、時間t2では、第二加振信号の電圧が第一加振信号の電圧より高いので、駆動手段11a,11bに高い静電引力が発生し、振動体1aはx軸負方向に動作する。加振信号は正弦波なので、その周波数ω、すなわち、振動体1aの共振周波数でx軸方向に振動する。以上のような結線構成にて、振動体1aを面内方向に振動させることができる。ここで発生した振動は、リンクビーム7を介して他の振動体1b,1c,1dに伝達される。   At this time, a voltage is applied as shown in the time chart of FIG. At time t1, since the voltage of the first vibration signal is higher than the voltage of the second vibration signal, a high electrostatic attraction is generated in the drive units 12a and 11b, and the vibrating body 1a operates in the positive direction of the x axis. On the other hand, at time t2, since the voltage of the second vibration signal is higher than the voltage of the first vibration signal, a high electrostatic attraction is generated in the drive units 11a and 11b, and the vibrating body 1a operates in the negative direction of the x axis. . Since the excitation signal is a sine wave, it vibrates in the x-axis direction at the frequency ω, that is, the resonance frequency of the vibrating body 1a. With the connection configuration as described above, the vibrating body 1a can be vibrated in the in-plane direction. The vibration generated here is transmitted to the other vibrating bodies 1b, 1c, 1d via the link beam 7.

次に、z軸回りに角速度Ωが印加された場合に、振動体1aの容量変化を検出する方法に関して説明する。振動体1aが、定常的にx軸方向に振動しているとき、角速度Ωがz軸回りに印加されると、振動マス10にコリオリ力Fcが発生する。この力は、直梁を通して、検出マス9a,9bに伝達される。例えば、発生したコリオリ力Fcが、図9のように、y軸正方向に印加される場合、検出手段15aではその容量が低減し、検出手段15bではその容量が増加する。これは図9の検出手段15a,15bを構成する櫛歯のギャップの構成を見ると理解できる。すなわち、検出手段15aでは、印加コリオリ力Fcにより、その櫛歯のギャップは大きくなり、検出手段15bでは、その櫛歯のギャップは小さくなる。したがって、前者では容量が低減し、後者では容量が増大する。   Next, a method for detecting a change in capacitance of the vibrating body 1a when an angular velocity Ω is applied around the z axis will be described. When the vibrating body 1a is constantly oscillating in the x-axis direction, a Coriolis force Fc is generated in the vibrating mass 10 when the angular velocity Ω is applied around the z-axis. This force is transmitted to the detection masses 9a and 9b through the straight beam. For example, when the generated Coriolis force Fc is applied in the positive y-axis direction as shown in FIG. 9, the detection means 15a reduces its capacity, and the detection means 15b increases its capacity. This can be understood by looking at the structure of the gaps of the comb teeth constituting the detection means 15a, 15b in FIG. That is, in the detection means 15a, the comb tooth gap is increased by the applied Coriolis force Fc, and in the detection means 15b, the comb tooth gap is reduced. Therefore, the capacity is reduced in the former, and the capacity is increased in the latter.

このようにコリオリ力Fcにて発生した各検出手段での容量変化を、減算および容量/電圧変換回路22にて、減算し、容量―電圧(C−V)変換し、容量変化を電圧変化として、信号を取り出す。この際、初期の検出手段の容量をC0とし、初期ギャップをd0とし、コリオリ力Fcにて変化した容量変化をΔC、変位量をΔdとすると、図のように、ΔC=2C0(Δd/d0)の関係式が成立する。このようにして、コリオリ力Fcによる変位量を、容量―電圧変換回路22にて、電圧変化量ΔVとして検出することができる。 In this way, the capacitance change at each detection means generated by the Coriolis force Fc is subtracted by the subtraction / capacitance / voltage conversion circuit 22 to convert the capacitance-voltage (CV), and the capacitance change is regarded as a voltage change. , Take out the signal. At this time, assuming that the capacity of the initial detecting means is C 0 , the initial gap is d 0 , the capacity change caused by the Coriolis force Fc is ΔC, and the displacement is Δd, ΔC = 2C 0 ( The relational expression of Δd / d 0 is established. In this way, the displacement amount due to the Coriolis force Fc can be detected by the capacitance-voltage conversion circuit 22 as the voltage change amount ΔV.

次に、先の図7で説明した慣性センサを例にして、慣性センサの駆動方法について説明する。   Next, a method for driving the inertial sensor will be described using the inertial sensor described in FIG. 7 as an example.

図10において、信号発生回路21から第一加振信号Vdc+V0sinωtと、第二加振信号Vdc−V0sinωtとの2つの信号が出力されている。第二加振信号Vdc−V0sinωtの出力端子を(1)とし、第一加振信号Vdc+V0sinωtの出力端子を(2)とする。これらの出力端子は、同図内の各駆動手段に結線され、各信号が印加される。このとき、同図に示された時間チャートのように、電圧が印加される。ここで、図中の時間t1では、第一加振信号の電圧が第二加振信号の電圧より高いので、振動体1aはx軸負方向に、振動体1bはx軸正方向に、振動体1cはy軸負方向に、振動体1dはy軸正方向に動作する。一方、時間t2では、第二加振信号の電圧が第一加振信号の電圧より高いので、振動体1aはx軸正方向に、振動体1bはx軸負方向に、振動体1cはy軸正方向に、振動体1dはy軸負方向に動作する。加振信号は正弦波なので、その周波数ω、すなわち、各振動体の共振周波数でx軸方向、または、y軸方向に振動する。以上のような結線構成にて、各振動体を面内方向に振動させることができる。各振動体に形成された駆動手段で発生した力による振動はリンクビーム7を介して他の振動体に伝達される。各振動は互いに干渉、同調し、一つの振動を構成するようになる。リンクビーム7は、各振動体の振動を助長するために、振動体をいわばpush,pullするように動作させる。以上のような構成および電圧印加方法にて、リンクビーム7を介して慣性センサを駆動、振動させることができる。 In FIG. 10, the signal generating circuit 21 outputs two signals of a first excitation signal V dc + V 0 sinωt and a second excitation signal V dc −V 0 sinωt. The output terminal of the second excitation signal V dc -V 0 sinωt is (1), and the output terminal of the first excitation signal V dc + V 0 sinωt is (2). These output terminals are connected to each driving means in the figure, and each signal is applied. At this time, a voltage is applied as in the time chart shown in FIG. Here, at the time t1 in the figure, since the voltage of the first vibration signal is higher than the voltage of the second vibration signal, the vibration body 1a vibrates in the x-axis negative direction and the vibration body 1b vibrates in the x-axis positive direction. The body 1c operates in the y-axis negative direction, and the vibrating body 1d operates in the y-axis positive direction. On the other hand, at time t2, since the voltage of the second vibration signal is higher than the voltage of the first vibration signal, the vibrating body 1a is in the positive x-axis direction, the vibrating body 1b is in the negative x-axis direction, and the vibrating body 1c is y In the positive axis direction, the vibrating body 1d operates in the negative y-axis direction. Since the excitation signal is a sine wave, it vibrates in the x-axis direction or the y-axis direction at its frequency ω, that is, the resonance frequency of each vibrating body. With the connection configuration as described above, each vibrating body can be vibrated in the in-plane direction. Vibration due to the force generated by the driving means formed on each vibrating body is transmitted to other vibrating bodies via the link beam 7. Each vibration interferes with each other and tunes to form a single vibration. The link beam 7 is operated so as to push and pull the vibrating body in order to promote the vibration of each vibrating body. With the above configuration and voltage application method, the inertial sensor can be driven and vibrated via the link beam 7.

次に、慣性センサの角速度および加速度検出方法について、図11を用いて説明する。センサの駆動方法は、上記にて説明したので、ここでは割愛する。定常的に、センサは、x軸またはy軸方向に振動している状態とする。   Next, a method for detecting the angular velocity and acceleration of the inertial sensor will be described with reference to FIG. Since the driving method of the sensor has been described above, it is omitted here. The sensor is constantly oscillating in the x-axis or y-axis direction.

図11のように、各振動体を構成する検出マスにある、各検出手段にそれぞれ結線を施し、それらの出力を出力(3)〜(10)とする。これらの出力は、同図に示すように、減算および容量/電圧変換回路22へ入力する。その後、変換された電圧値は、差動増幅回路24または加算増幅回路25へ入力する。その後、同期検波回路23にて、信号発生回路21からの信号と同期検波され、角速度および加速度による変位成分含む検出信号が得られる。最後に、フィルタ26を通して、z軸回り角速度Ω(ヨーレート)、y軸方向加速度、そして、x軸方向加速度を示す検出信号を得ることができる。ここで示した回路ブロックを通して、単一構造の慣性センサにて、z軸回り角速度Ω(ヨーレート)と、x軸およびy軸方向の加速度(面内方向の加速度)とを、同時に検出することができる。   As shown in FIG. 11, each detection means in the detection mass constituting each vibrating body is connected to each other, and their outputs are output (3) to (10). These outputs are input to the subtraction and capacitance / voltage conversion circuit 22 as shown in FIG. Thereafter, the converted voltage value is input to the differential amplifier circuit 24 or the addition amplifier circuit 25. Thereafter, the synchronous detection circuit 23 performs synchronous detection with the signal from the signal generation circuit 21, and a detection signal including a displacement component due to angular velocity and acceleration is obtained. Finally, the detection signal indicating the z-axis angular velocity Ω (yaw rate), the y-axis direction acceleration, and the x-axis direction acceleration can be obtained through the filter 26. Through the circuit block shown here, a single-structure inertial sensor can simultaneously detect z-axis angular velocity Ω (yaw rate) and x-axis and y-axis acceleration (in-plane acceleration) simultaneously. it can.

以上の説明によれば、単一のセンサ構造で、基板の厚み方向の軸周りに印加される角速度(ヨーレート)と、基板の面内に印加される2軸の加速度を同時に検出することができる。   According to the above description, the angular velocity (yaw rate) applied around the substrate in the thickness direction of the substrate and the biaxial acceleration applied in the plane of the substrate can be detected simultaneously with a single sensor structure. .

また、センサを構成する複数の面内振動体に、加工誤差に基づく形状のばらつきがあった場合でも、固定点なしのメカニカルなリンクビームを備えているので、各振動体を積極的に同期振動させることができる。   In addition, even if there are variations in shape due to processing errors in the multiple in-plane vibrators that make up the sensor, a mechanical link beam with no fixed point is provided, so each vibrator is actively synchronized. Can be made.

さらに、センサの振動体にストッパーの役割をする突起構造を設けてあるので、外部からの衝撃によっても、それを支持する基板に固着することはない。また、外部からの衝撃力が大きくても、突起構造があるため、それがストッパーになり、振動体は保護される。   Furthermore, since the sensor vibrating body is provided with a projection structure that serves as a stopper, it is not fixed to the substrate that supports the protrusion even by an external impact. Even if the impact force from the outside is large, since there is a projection structure, it becomes a stopper, and the vibrating body is protected.

本発明で開示する慣性センサのコンセプトを示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the concept of the inertial sensor disclosed by this invention. 本発明で開示する慣性センサのコンセプトを、梁構造に置き換えた図である。It is the figure which replaced the concept of the inertial sensor disclosed by this invention with the beam structure. 別構造のリンクビームを備える、慣性センサのコンセプト構造図である。It is a conceptual structure figure of an inertial sensor provided with a link beam of another structure. 別構造のリンクビームを備える、慣性センサのコンセプト構造図である。It is a conceptual structure figure of an inertial sensor provided with a link beam of another structure. 面内の振動を可能とする振動体の具体的な構造を示す図である。It is a figure which shows the specific structure of the vibrating body which enables an in-plane vibration. 振動体のa−a′断面を示す断面構造図である。It is a cross-section figure which shows the aa 'cross section of a vibrating body. 慣性センサの構造図である。It is a structural diagram of an inertial sensor. リンクビームの構造が異なる、別構造の慣性センサの構造図である。FIG. 6 is a structural diagram of an inertial sensor having a different structure with a different link beam structure. 慣性センサを構成する振動体を振動させるため、駆動電圧印加方法と容量変化を検出する方法とを説明する図である。It is a figure explaining the drive voltage application method and the method of detecting a capacity | capacitance change in order to vibrate the vibrating body which comprises an inertial sensor. 慣性センサの駆動方法を説明する図である。It is a figure explaining the drive method of an inertial sensor. 慣性センサの角速度および加速度検出方法を説明する図である。It is a figure explaining the angular velocity and acceleration detection method of an inertial sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1a,1b,1c,1d 振動体
2a,2b,2c,2d,3a,3b,3c,3d ばね
4,14a,14b,17a,17b アンカー部
5 接続点
6 梁
7 リンクビーム
8a,8b 駆動マス
9a,9b 検出マス
10 振動マス
11a,11b,12a,12b 駆動手段
13a,13b,16a,16b,18a,18b 屈曲梁
15a,15b 検出手段
19 突起部
20 基板
21 信号発生回路
22 減算および容量/電圧変換回路
23 同期検波回路
24 差動増幅回路
25 加算増幅回路
26 フィルタ
1a, 1b, 1c, 1d Vibrators 2a, 2b, 2c, 2d, 3a, 3b, 3c, 3d Spring 4, 14a, 14b, 17a, 17b Anchor portion 5 Connection point 6 Beam 7 Link beam 8a, 8b Drive mass 9a , 9b Detection mass 10 Vibration mass 11a, 11b, 12a, 12b Drive means 13a, 13b, 16a, 16b, 18a, 18b Bending beam 15a, 15b Detection means 19 Protrusion 20 Substrate 21 Signal generation circuit 22 Subtraction and capacitance / voltage conversion Circuit 23 Synchronous detection circuit 24 Differential amplifier circuit 25 Summing amplifier circuit 26 Filter

Claims (4)

直交2軸の交差点を回転中心として、前記回転中心から同一の距離で、前記直交2軸の延長線上に配置され、基板面内方向に可動な状態で支持され、同一の構造を有する面内振動体と、前記基板の面内方向で回転することなく、前記2軸の方向に可動であるように前記振動体を互いに連結し、前記回転中心に点対称な構造を有し、前記振動体の位置を結んだ領域で、なおかつ前記回転中心を含む領域に配置された、リンクビームとを備えた慣性センサ。   An in-plane vibration having the same structure, which is arranged on the extension line of the orthogonal two axes at the same distance from the rotation center with the intersection of the orthogonal two axes as the rotation center, is supported in a movable state in the in-plane direction of the substrate. The vibrating bodies are connected to each other so as to be movable in the direction of the two axes without rotating in the in-plane direction of the substrate and the substrate, and has a point-symmetric structure with respect to the center of rotation. An inertial sensor comprising a link beam arranged in a region where the positions are connected and in a region including the rotation center. 前記振動体は、前記直交2軸の方向に可動な第一の2自由度振動マスと、前記直交2軸のうち一方向にのみ可動であるように前記基板に支持された、駆動手段を含む1自由度第二,第三の駆動マスと、前記直交2軸のうち他方向にのみ可動であるように前記基板に支持された、検出手段を含む第四,第五の1自由度検出マスと、前記振動マスと前記駆動マスと前記検出マスとを連結した梁とからなり、前記第二,第三の駆動マスは、第一の軸に線対称の位置に置かれ、また前記第四,第五の検出マスは、第二の軸に線対称の位置に置かれ、前記第一の軸と前記第二の軸とは互いに直交し、直交点を含む領域に前記振動マスを配置した構成となる、前記面内振動体からなる請求項1記載の慣性センサ。   The vibrator includes a first two-degree-of-freedom vibration mass movable in the direction of the two orthogonal axes, and a driving unit supported by the substrate so as to be movable only in one direction of the two orthogonal axes. Fourth and fifth one-degree-of-freedom detection masses including detection means supported by the substrate so as to be movable only in the other direction of the two orthogonal axes with the second and third driving masses with one degree of freedom. And a beam connecting the vibration mass, the drive mass, and the detection mass, and the second and third drive masses are placed in a line-symmetrical position with respect to the first axis, and the fourth The fifth detection mass is placed at a position symmetrical with respect to the second axis, the first axis and the second axis are orthogonal to each other, and the vibration mass is arranged in a region including the orthogonal point. The inertial sensor according to claim 1, comprising the in-plane vibrating body. 前記振動マス,前記駆動マス,前記検出マスの面に在り、前記各マスを支持する基板に対向する面に、突起構造を設けた請求項2記載の慣性センサ。   The inertial sensor according to claim 2, wherein a protrusion structure is provided on a surface of the vibration mass, the driving mass, and the detection mass and facing a substrate that supports each mass. 前記リンクビームは、前記駆動マスに連結された構造である請求項1,2記載の慣性センサ。   The inertial sensor according to claim 1, wherein the link beam has a structure connected to the drive mass.
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