JP2017122679A - Gyro element and angular velocity sensor using the same - Google Patents

Gyro element and angular velocity sensor using the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact angular velocity sensor which has a support method that would not have a low-order natural mode in a low-frequency region, and with which it is possible to prevent external vibration from propagating to an angular velocity detection element and support the angular velocity detection element without obstructing detection vibration, the angular velocity detection element, a support beam, and a stationary part being collectively fabricatable by MEMS machining.SOLUTION: Drive arm-side support beams 5 and detection arm-side support beams 6 are extended, with a base part 7 as a point of reference, so that an angle formed by the extension directions of the support beams 5 and an angle formed by the extension directions of the support beams 6 are 80 degrees or less, and are connected to the stationary parts 4, whereby it is possible to realize a gyro element 2 having a support method that would not have a low-order natural mode in a low-frequency region. Vibration occurring to an angular velocity detection element can be suppressed by the support beams, and it is possible to prevent external vibration from propagating to the angular velocity detection element.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、圧電振動型ヨーレートセンサに代表されるジャイロ素子に関するものである。 The present invention relates to a gyro element represented by a piezoelectric vibration type yaw rate sensor.

近年、圧電素子を用いた微小振動を検出するデバイスが多く活用されている。その一つとして、例えば、振動する質量体に回転が加えられた際に生じるコリオリ力に起因して発生する非常に微弱な振動や変位を、圧電素子を介して検出することにより、各方向における回転動作、すなわち、回転角速度を検知、測定することが可能な圧電振動型ヨーレートセンサや、ジャイロセンサなどのジャイロ素子が挙げられる。このうち、長寿命、低価格且つ、小型、軽量のジャイロ素子として、基部を挟んで対向する複数の振動腕を有する角速度検出素子を備え、一方の振動腕、すなわち、駆動腕を平面内で駆動させ、コリオリ力によってその駆動方向と直交する方向へ生じた振動・変位を、他方の振動腕、すなわち、検出腕にて検知するH型ジャイロ素子が提案され又は実用化されている。コリオリ力の検出のために選択した検出振動モードの共振周波数に近い周波数にて駆動腕を駆動させると、駆動振動に対して駆動腕及び検出腕の双方が揺れやすい構成となり、より大きな検出信号を得ることが可能であり、ジャイロ素子自体の感度が向上することが経験上確認されている。またH型形状をしたH型角速度検出素子は検出振動モードを2つ有するため、安定して高感度を実現するのに適した形状である。 In recent years, many devices that detect minute vibrations using piezoelectric elements have been utilized. As one of them, for example, by detecting very weak vibration and displacement caused by Coriolis force generated when rotation is applied to the vibrating mass body through the piezoelectric element, Examples thereof include a gyro element such as a piezoelectric vibration type yaw rate sensor or a gyro sensor that can detect and measure a rotational operation, that is, a rotational angular velocity. Among them, as a long-life, low-cost, small and lightweight gyro element, it is equipped with an angular velocity detection element having a plurality of vibrating arms facing each other across the base, and one vibrating arm, that is, the driving arm is driven in a plane. An H-type gyro element that detects vibration / displacement generated in the direction orthogonal to the driving direction by Coriolis force by the other vibrating arm, that is, a detection arm has been proposed or put into practical use. When the drive arm is driven at a frequency close to the resonance frequency of the detection vibration mode selected for detecting the Coriolis force, both the drive arm and the detection arm are likely to swing with respect to the drive vibration, and a larger detection signal is generated. It has been confirmed from experience that the sensitivity of the gyro element itself can be improved. In addition, since the H-shaped angular velocity detecting element having an H-shaped shape has two detection vibration modes, it is a shape suitable for stably realizing high sensitivity.

極めて小型で高感度なジャイロ素子を実現するには、各振動腕の共振周波数を利用し大きな変位を得ることが必要となる。また、例えば、自動車の姿勢挙動の検知に使われるジャイロ素子では、耐振動特性、耐衝撃特性にも高い性能が要求される。 In order to realize an extremely small and highly sensitive gyro element, it is necessary to obtain a large displacement using the resonance frequency of each vibrating arm. In addition, for example, a gyro element used for detecting the attitude behavior of an automobile is required to have high performance in terms of vibration resistance and impact resistance.

角速度検出素子は、コリオリ力を得るための励振振動と、コリオリ力を検知する検知振動の、少なくとも2つの直交する振動モードが働き、複雑に振動する。これらの角速度検出素子の振動は、本来閉じた系の中で振動することが望ましいが、実際の角速度検出素子では加工の非対称性などによって生じる漏れ振動や、励振・検知に使用する振動モードのモード形状によっては、角速度検出素子の振動が素子の外部へ漏れることや、素子の外部の振動が角速度検出素子に伝わることが避けられない。外部への振動を低減するために、シリコーンゴムなどの低剛性材料で支持をすれば、外部から印加される不要振動に対する耐振動特性の悪化や耐衝撃性能の悪化を生じることとなる。またジャイロ素子を自動車の姿勢挙動の検知に用いる場合、外部から印加される振動は数Hzから数10kHzという周波数域で存在する。ジャイロ素子がこれらの周波数範囲に共振モードを持つと、外部振動によって角速度検出素子に不要振動が生じ、精度の低下につながる。たとえば検出振動モードの共振点に近い周波数を持った外部振動が角速度検出素子に印加されれば、たとえ角速度がない状態でも角速度検出素子は検出モードで振動し、角速度を誤検出してしまう。そのため外部で生じるであろう周波数範囲付近に素子自体が共振点を持たないことが必要である。しかしながら、角速度検出素子の支持方法によってはこの周波数範囲に共振点を有することとなる。例えば、低弾性率のカンチレバーなどにより支持された大質量体などからなる構造体では低次の固有モードが低くなることがわかっている。かといって支持構造体の弾性率を大きくするために単純に太く厚い梁で支持しようものなら、角速度検出素子の駆動振動モード及び検出振動モードが支持構造体により抑制され、振動振幅が小さくなり、結果角速度検出素子の感度が下がるといった特性の悪化が生じる。またこの場合、外部からの振動の影響も受けやすくなってしまう。外部の振動によるセンサ特性の悪化を防ぐために角速度検出素子の支持方法を工夫しても、構造的に複雑化した場合、工程数の増加やコスト増などの問題が生じる。そのため外部の振動に強い支持方法を、簡便に実現する方法が望まれている。 The angular velocity detecting element vibrates in a complicated manner by acting at least two orthogonal vibration modes of an excitation vibration for obtaining a Coriolis force and a detection vibration for detecting the Coriolis force. It is desirable that the vibrations of these angular velocity detection elements are originally vibrated in a closed system. However, in actual angular velocity detection elements, there are leakage vibrations caused by machining asymmetry, etc., and vibration mode modes used for excitation and detection. Depending on the shape, it is unavoidable that the vibration of the angular velocity detection element leaks to the outside of the element, or the vibration outside the element is transmitted to the angular velocity detection element. If the material is supported by a low-rigidity material such as silicone rubber in order to reduce external vibrations, the vibration-resistant characteristics against the unnecessary vibration applied from the outside and the shock-resistant performance are deteriorated. When the gyro element is used for detecting the attitude behavior of an automobile, vibration applied from the outside exists in a frequency range of several Hz to several tens kHz. When the gyro element has a resonance mode in these frequency ranges, unnecessary vibration occurs in the angular velocity detection element due to external vibration, leading to a decrease in accuracy. For example, if an external vibration having a frequency close to the resonance point of the detection vibration mode is applied to the angular velocity detection element, the angular velocity detection element vibrates in the detection mode even if there is no angular velocity, and the angular velocity is erroneously detected. Therefore, it is necessary that the element itself does not have a resonance point in the vicinity of a frequency range that will be generated outside. However, depending on the method of supporting the angular velocity detecting element, a resonance point is provided in this frequency range. For example, it has been found that a low-order eigenmode is low in a structure including a large mass supported by a cantilever having a low elastic modulus. However, if the support structure is simply supported by a thick and thick beam to increase the elastic modulus of the support structure, the drive vibration mode and the detection vibration mode of the angular velocity detection element are suppressed by the support structure, and the vibration amplitude is reduced. As a result, the characteristics of the angular velocity detecting element are deteriorated. In this case, it is also easily affected by external vibration. Even if the method of supporting the angular velocity detection element is devised to prevent deterioration of sensor characteristics due to external vibration, problems such as an increase in the number of processes and an increase in cost occur when the structure is complicated. Therefore, a method for easily realizing a support method that is resistant to external vibration is desired.

特許文献1には、従来の、H型ジャイロ素子の一例が示されている。H型の振動腕があり、振動腕には、励振するための駆動腕と、振動したときの振動状態を検出するための検出腕がある。振動腕を支持する支持梁があり、駆動腕2本と検出腕2本とからなる4本の振動腕がこの支持梁より突出してH字状に備えられている。支持梁を固定、支持するのが連結片であり、振動腕が振動する際の支持梁の歪み度合いを検出している歪み検出手段を有している。 Patent Document 1 shows an example of a conventional H-type gyro element. There is an H-shaped vibrating arm, and there are a driving arm for exciting and a detecting arm for detecting a vibration state when vibrating. There is a support beam that supports the vibrating arm, and four vibrating arms including two drive arms and two detection arms are provided in an H shape so as to protrude from the support beam. The connecting piece fixes and supports the support beam, and has strain detection means for detecting the degree of strain of the support beam when the vibrating arm vibrates.

上記のように構成された従来のH型ジャイロ素子について、その動作について説明する。まず、振動腕の長手方向と直交する方向の軸であるX軸に沿って一方の側の励振するための駆動腕を振動させると、振動状態を検出するための検出腕はX軸と直交するZ軸方向に沿って振動したときの振動状態を検出する。このとき、支持梁に設けられた歪み検出手段が支持梁の歪み度合いを検出する。この歪み検出手段は支持梁における連結片の突出部分の両側に配設されるという技術が、特許文献1には、開示されている。 The operation of the conventional H-type gyro element configured as described above will be described. First, when the driving arm for exciting one side is vibrated along the X axis which is an axis perpendicular to the longitudinal direction of the vibrating arm, the detection arm for detecting the vibration state is orthogonal to the X axis. A vibration state when vibrating along the Z-axis direction is detected. At this time, strain detection means provided on the support beam detects the degree of strain of the support beam. Patent Document 1 discloses a technique in which the strain detection means is disposed on both sides of the protruding portion of the connecting piece in the support beam.

特許文献2には、音叉型振動子を搭載したパッケージの角速度センサの一例が示されている。パッケージには、電子部品と何らかの部材を介して、もしくは、直接取り付けられた音叉型振動子が搭載されている。音叉型振動子が振動すると,パッケージへと伝達し、外部への振動漏れが生じるおそれがある。特にパッケージの材料にセラミックス等の軽量なものを使用したときには、振動漏れによって、音叉型振動子の特性が安定しないという問題が生じることが指摘されている。特許文献2においては、この解決手段として、音叉型振動子の幅方向がパッケージの長辺方向となるように音叉型振動子をパッケージに配置し、音叉型振動子をパッケージに保持したときの慣性を大きくする技術が開示されている。 Patent Document 2 shows an example of an angular velocity sensor of a package on which a tuning fork vibrator is mounted. The package is mounted with a tuning fork vibrator that is attached directly or via an electronic component and some member. When the tuning fork vibrator vibrates, it is transmitted to the package, and vibration leakage to the outside may occur. In particular, it has been pointed out that when a lightweight material such as ceramics is used as a package material, there is a problem that the characteristics of the tuning fork vibrator are not stable due to vibration leakage. In Patent Document 2, as a means for solving this problem, inertia when a tuning fork vibrator is arranged in a package so that the width direction of the tuning fork vibrator is in the long side direction of the package and the tuning fork vibrator is held in the package is disclosed. A technique for increasing the size is disclosed.

特許文献3には、音叉型振動子を搭載する支持部と、支持部と実装部とを接続する防振部から構成された角速度センサの一例が示されている。振動子を有する角速度センサにおいては、振動子の振動がその他の部品を通じ外部に漏れてしまう。このため、角速度センサをシステム等に実装した場合、振動状態が変化し、振動子の特性が変化してしまうことがある。特許文献3においては、音叉型振動子が振動すると支持部のおもりの慣性モーメントにより振動子の振動が低減される。さらに、この支持部を防振部と呼ぶシリコーンゴム等の低剛性部材にて保持することで外部振動漏れの防止と外部の振動の振動子への影響を低減させる方法が開示されている。 Patent Document 3 shows an example of an angular velocity sensor that includes a support portion on which a tuning fork vibrator is mounted, and a vibration isolation portion that connects the support portion and the mounting portion. In an angular velocity sensor having a vibrator, the vibration of the vibrator leaks to the outside through other components. For this reason, when the angular velocity sensor is mounted on a system or the like, the vibration state may change, and the characteristics of the vibrator may change. In Patent Document 3, when the tuning fork vibrator vibrates, the vibration of the vibrator is reduced by the moment of inertia of the weight of the support portion. Furthermore, a method for preventing external vibration leakage and reducing the influence of external vibration on the vibrator is disclosed by holding the support portion with a low-rigidity member such as silicone rubber called a vibration isolation portion.

特開平8−334332号公報JP-A-8-334332 特開2007−71672号公報JP 2007-71672 A 特開2008−8634号公報JP 2008-8634 A

しかしながら、特許文献1の従来の構成では、連結部を基点に駆動腕及び検出腕の各腕の間を支持腕が通る形状となっており、駆動腕や検出腕以上に支持梁が長くなってしまい、素子が持つ低次の固有モードの周波数が下がることで、結果的に外部の振動に弱い構造になっている。また駆動腕及び検出腕の間を支持梁が通る形状になっていることから、振動腕の振動方向に支持梁が存在することとなり、振動腕の振動方向の寸法が増大する要因になる。寸法の増大により素子の小型化が制限され、省スペース、及び、低価格化が阻害される。 However, in the conventional configuration of Patent Document 1, the support arm passes between the drive arm and the detection arm with the connecting portion as a base point, and the support beam is longer than the drive arm and the detection arm. As a result, the frequency of the low-order eigenmode of the element decreases, resulting in a structure that is vulnerable to external vibration. In addition, since the support beam passes between the drive arm and the detection arm, the support beam exists in the vibration direction of the vibration arm, which increases the size of the vibration arm in the vibration direction. The increase in size limits the miniaturization of the element, and hinders space saving and cost reduction.

特許文献2の従来の構成では、振動子の幅方向をパッケージの長辺方向と合わせることで慣性を大きくし、振動子の振動を外部に漏れにくくしているが、振動子の振動は直接パッケージへ伝わることから効果が限定的になる問題点を有している。また、素子の方向で検知する方向が決まるため、角速度検出素子の配置による制限が生じる問題点も有している。 In the conventional configuration of Patent Document 2, the inertia is increased by aligning the width direction of the vibrator with the long side direction of the package, and the vibration of the vibrator is hardly leaked to the outside. It has a problem that the effect is limited because it is transmitted to. In addition, since the direction of detection is determined by the direction of the element, there is a problem that the restriction due to the arrangement of the angular velocity detection element occurs.

特許文献3の従来の構成では、振動子を載せた重い支持部をシリコーンゴム部材で保持する構造のため、低次の固有モードの周波数が低くなる問題点を有している。シリコーンゴムによる固定は高さなどの組立て寸法の安定性確保が難しく、製造の管理に負荷が生じる。周囲の温度変化に対して体積変化を起こしやすく、角速度センサの特性変化を生じやすい。さらに、シリコーンゴムは低剛性のために外部から加わる振動が角速度検出素子に対して悪影響を及ぼすことも懸念される。 The conventional configuration of Patent Document 3 has a problem that the frequency of the low-order eigenmode is lowered because the heavy support portion on which the vibrator is placed is held by the silicone rubber member. Fixing with silicone rubber makes it difficult to ensure the stability of assembly dimensions such as height, and this places a burden on manufacturing management. It is easy to cause a volume change with respect to the ambient temperature change, and to easily change the characteristic of the angular velocity sensor. Furthermore, since silicone rubber has low rigidity, there is a concern that vibration applied from the outside may adversely affect the angular velocity detecting element.

本発明は、以上の点を考慮してなされたもので、低次の固有モードを低い周波数域に持つことがない支持方法を有するジャイロ素子及び角速度センサを実現することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and an object of the present invention is to realize a gyro element and an angular velocity sensor having a support method that does not have a low-order eigenmode in a low frequency range.

基部と、1対の駆動腕と、1対の検出腕、を有する検出素子と、1対の駆動腕側支持梁と、1対の検出腕側支持梁、を介して前記検出素子を固定する固定部とを有するジャイロ素子であって、
前記1対の前記駆動腕と前記1対の前記検出腕は、前記基部を基点として、互いに、反対向きに前記検出素子の長手方向に延伸しており、
前記1対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度、及び、前記1対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度が80度以下となるように、前記基部を基点に延伸していることを特徴とするジャイロ素子である。
The detection element is fixed via a detection element having a base, a pair of drive arms, a pair of detection arms, a pair of drive arm side support beams, and a pair of detection arm side support beams. A gyro element having a fixed portion,
The pair of drive arms and the pair of detection arms extend in the longitudinal direction of the detection element in directions opposite to each other with the base as a base point,
The base portion is extended from the base point so that the angle formed by the extending direction of the pair of driving arm side support beams and the angle formed by the extending direction of the pair of detection arm side support beams are 80 degrees or less. It is a gyro element characterized by having.

このように、前記駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度、及び、前記検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度が80度以下となるように、前記基部を基点に延伸し、前記固定部に接続されることにより、低次の固有モードを低い周波数域に持つことがない支持方法を有するジャイロ素子を実現できる。 In this way, the base arm is extended to the base point so that the angle formed by the extending direction of the drive arm side support beam and the angle formed by the extending direction of the detection arm side support beam is 80 degrees or less, and the fixing is performed. By connecting to the unit, it is possible to realize a gyro element having a support method that does not have a low-order eigenmode in a low frequency range.

また本発明は、前記検出素子と1対の前記駆動腕側支持梁と1対の前記検出腕側支持梁は、1対の前記駆動腕と1対の前記検出腕が延伸する長手方向に平行である、前記検出素子の中心軸に対し、線対称であることを特徴とする請求項1に記載のジャイロ素子としてもよい。   In the present invention, the detection element, the pair of drive arm side support beams, and the pair of detection arm side support beams are parallel to a longitudinal direction in which the pair of drive arms and the pair of detection arms extend. The gyro element according to claim 1, wherein the gyro element is line-symmetric with respect to a central axis of the detection element.

このような構成にすることによって、振動が外部へ漏れることを防ぐ支持方法を有するジャイロ素子を小型に実現できる。 With such a configuration, a gyro element having a support method for preventing vibration from leaking to the outside can be realized in a small size.

前記駆動腕側支持梁、及び前記検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅が100μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のジャイロ素子としてもよい。 3. The gyro element according to claim 1, wherein a width in a direction perpendicular to an extending direction of the driving arm side support beam and the detection arm side support beam is 100 μm or less.

このような構成にすることによって、細く長い支持梁を介して角速度検出素子を保持することによって角速度検出素子の、検知振動を妨げずに角速度検出素子を支持できる。 With such a configuration, the angular velocity detection element can be supported without hindering the detection vibration of the angular velocity detection element by holding the angular velocity detection element via a thin and long support beam.

また本発明は、前記検出素子と、1対の前記駆動腕側支持梁と1対の前記検出腕側支持梁と、前記固定部は、半導体リソグラフィ技術により半導体基板を加工して作られることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のジャイロ素子としてもよい。 According to the present invention, the detection element, the pair of driving arm side support beams, the pair of detection arm side support beams, and the fixing portion are formed by processing a semiconductor substrate by a semiconductor lithography technique. It is good also as a gyro element in any one of Claim 1 to 3 characterized by the above-mentioned.

このような構成にすることで、角速度検出素子と支持梁と固定部とを一括してMEMS加工により作製可能となり、センサの作製が容易となる。 With such a configuration, the angular velocity detection element, the support beam, and the fixed portion can be manufactured together by MEMS processing, and the sensor can be easily manufactured.

また本発明は、請求項1から4のいずれかに記載のジャイロ素子と、前記ジャイロ素子を固定するパッケージとを備えた角速度センサであって、前記ジャイロ素子の前記検出素子は、前記固定部によって前記パッケージに固定されていることを特徴とする角速度センサとしてもよい。   Moreover, this invention is an angular velocity sensor provided with the gyro element in any one of Claim 1 to 4, and the package which fixes the said gyro element, Comprising: The said detection element of the said gyro element is the said fixing | fixed part. An angular velocity sensor may be fixed to the package.

このような構成にすることで、低次の固有モードを低い周波数域に持つことがないジャイロ素子を有する角速度センサを実現できる。 With such a configuration, an angular velocity sensor having a gyro element that does not have a low-order eigenmode in a low frequency range can be realized.

低次の固有モードを低い周波数域に持つことがない支持方法を有し、角速度検出素子へ外部の振動が伝わることを防ぐことができ、検知振動を妨げずに角速度検出素子を支持できる、角速度検出素子と支持梁と固定部を一括してMEMS加工により作製可能な、小型のジャイロ素子を提供することができる。 An angular velocity that has a support method that does not have a low-order eigenmode in a low frequency range, can prevent external vibration from being transmitted to the angular velocity detection element, and can support the angular velocity detection element without interfering with the detected vibration. It is possible to provide a small-sized gyro element in which the detection element, the support beam, and the fixed portion can be collectively manufactured by MEMS processing.

第1実施形態の角速度センサを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the angular velocity sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態のジャイロ素子を示す平面図である。It is a top view which shows the gyro element of 1st Embodiment. 1対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度、及び、1対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の低次の共振周波数がどのように変化するかを調べたシミュレーション値を示す図である。When the angle formed by the extending direction of the pair of drive arm side support beams and the angle formed by the extending direction of the pair of detection arm side support beams are varied as parameters, which of the low-order resonance frequencies of the angular velocity detecting element is determined? It is a figure which shows the simulation value which investigated how it changed. 駆動腕側支持梁、及び検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の感度がどのように変化するかを調べたシミュレーション値を示す図である。It is a figure showing the simulation value which investigated how the sensitivity of the angular velocity detection element changes when the width in the direction perpendicular to the extending direction of the drive arm side support beam and the detection arm side support beam is changed as a parameter. is there. 駆動腕側支持梁と、検出腕側支持梁の間の距離をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の低次の共振周波数がどのように変化するか調べたシミュレーション値を示す図である。It is a figure which shows the simulation value which investigated how the low-order resonance frequency of an angular velocity detection element changed, when changing the distance between a drive arm side support beam and a detection arm side support beam as a parameter. 第2実施形態の角速度センサを示す分解図である。It is an exploded view which shows the angular velocity sensor of 2nd Embodiment. 第2実施形態の角速度センサの変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the angular velocity sensor of 2nd Embodiment.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。実施形態について、図を用いて説明する。これらの図においては形状を分かりやすくするために、電極、及び、配線部を省略している。当然ながら、実際のセンサではこれらが必要になる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined. Embodiments will be described with reference to the drawings. In these drawings, electrodes and wiring portions are omitted for easy understanding of the shape. Of course, these are necessary for actual sensors.

(実施形態1)
図1は実施形態1の圧電振動型の角速度センサ1の斜視図であり、図1において、角速度センサ1は、1対の駆動腕8と、1対の検出腕9、を備えている角速度検出素子3と、1対の駆動腕側支持梁5と、1対の検出腕側支持梁6、を介して角速度検出素子3を固定する固定部4と、ジャイロ素子2を保持するためのパッケージ、を備えている。図示はしていないが、角速度センサ1は角速度を検知するシステムを構成する1つの部品であり、多くの場合において、周囲の回路部品と共に回路基板に実装されて使われる。実施形態においては、この回路基板のことを外部回路基板と呼ぶこととする。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view of a piezoelectric vibration type angular velocity sensor 1 according to the first embodiment. In FIG. 1, the angular velocity sensor 1 includes a pair of drive arms 8 and a pair of detection arms 9. A fixing portion 4 for fixing the angular velocity detection element 3 via the element 3, a pair of driving arm side support beams 5, and a pair of detection arm side support beams 6; a package for holding the gyro element 2; It has. Although not shown, the angular velocity sensor 1 is one component that constitutes a system for detecting the angular velocity. In many cases, the angular velocity sensor 1 is used by being mounted on a circuit board together with surrounding circuit components. In the embodiment, this circuit board is referred to as an external circuit board.

コリオリ力によって角速度の検出を行う角速度検出素子3の形状としては、略U字形状、略H字形状をした音叉型などが挙げられる。特に、H字形状をしたH型角速度検出素子は高感度かつ低ノイズを実現するのに適した形状である。駆動腕側支持梁5、及び検出腕側支持梁6は、角速度検出素子3の振動腕の動きを阻害しないように最適化されている。 Examples of the shape of the angular velocity detecting element 3 that detects the angular velocity by the Coriolis force include a tuning fork type having a substantially U shape and a substantially H shape. In particular, the H-shaped angular velocity detecting element having an H shape is a shape suitable for realizing high sensitivity and low noise. The drive arm side support beam 5 and the detection arm side support beam 6 are optimized so as not to hinder the movement of the vibrating arm of the angular velocity detection element 3.

図1において、角速度検出素子3は、中央に位置する基部7と、基部7を挟んで所定の一方向に延びる1対の駆動腕8、及び、駆動腕8とは反対方向に延びる1対の検出腕9を備えている。基部7、駆動腕8、検出腕9から構成される角速度検出素子3は、共通の材料、例えばSiや水晶からなり、一般的なSi等からなるウエハのパターニング加工(半導体加工)によって一体に又は一括で形成され得る。 In FIG. 1, the angular velocity detecting element 3 includes a base portion 7 located at the center, a pair of driving arms 8 extending in a predetermined direction across the base portion 7, and a pair of driving arms 8 extending in the opposite direction to the driving arms 8. A detection arm 9 is provided. The angular velocity detection element 3 including the base 7, the drive arm 8, and the detection arm 9 is made of a common material, for example, Si or quartz, and is integrated with a wafer patterning process (semiconductor process) made of general Si or the like. It can be formed in a lump.

駆動腕8、及び、検出腕9は、振動腕であり、駆動腕8には、形状をわかりやすくするため図示はしていないが、振動可能にするための圧電素子が設けられている。圧電素子に対して電気的な信号が入出力されて、振動可能な構成となっている。図1のように、角速度検出素子3の保持方向は、検出対象となる図1に示す中心軸10の方向に角速度検出素子3の長手方向が合致するように選択されている。中心軸10は、角速度検出素子3と固定部4、駆動腕側支持梁5、検出腕側支持梁6、すなわちジャイロ素子2の回転の中心であって、1対の駆動腕8と1対の検出腕9が延伸する長手方向に平行であって、角速度検出素子3を長手方向に線対称とする軸である。 The drive arm 8 and the detection arm 9 are vibration arms, and the drive arm 8 is provided with a piezoelectric element that enables vibration, although not shown in order to make the shape easy to understand. An electric signal is input to and output from the piezoelectric element, and the piezoelectric element can vibrate. As shown in FIG. 1, the holding direction of the angular velocity detecting element 3 is selected so that the longitudinal direction of the angular velocity detecting element 3 matches the direction of the central axis 10 shown in FIG. The central axis 10 is the center of rotation of the angular velocity detection element 3 and the fixed portion 4, the drive arm side support beam 5, the detection arm side support beam 6, that is, the gyro element 2, and a pair of drive arms 8 and a pair. This is an axis that is parallel to the longitudinal direction in which the detection arm 9 extends and that makes the angular velocity detection element 3 line-symmetric with respect to the longitudinal direction.

角速度センサ1は、駆動腕8を初期的に励振させる駆動振動モードと、その駆動振動の向きと直交し、検出腕9にて角速度を検知する検出振動モードとで動作する。H型角速度検出素子は検出振動モードを2つ有する。即ち、駆動腕8と検出腕9が逆位相で振動する第1検出振動モード、と、駆動腕8と検出腕9が同位相で振動する第2検出振動モードである。これら2つの検出振動モードを有することで、感度が安定し、検出振動モードが1つの場合に比べ、高感度が実現される。駆動腕8と検出腕9は基部7を介して互いに結合され、また基部は支持梁5,6を介して固定部4に結合される。2つの検出振動モードによる振動を妨げないよう、基部は小さいことが望ましく、また支持部は基部を柔軟に支持することが望まれる。駆動腕側支持梁5、及び、検出腕側支持梁6、は幅が小さく長手方向に長く伸びた形状を有する。このようにすることによって、2つの検出振動モードを妨げないように、角速度検出素子3を固定することができる。 The angular velocity sensor 1 operates in a drive vibration mode in which the drive arm 8 is initially excited and a detection vibration mode in which the detection arm 9 detects the angular velocity orthogonal to the direction of the drive vibration. The H-type angular velocity detection element has two detection vibration modes. That is, there are a first detection vibration mode in which the drive arm 8 and the detection arm 9 vibrate in opposite phases, and a second detection vibration mode in which the drive arm 8 and the detection arm 9 vibrate in the same phase. By having these two detection vibration modes, the sensitivity is stable, and high sensitivity is realized as compared with the case of one detection vibration mode. The drive arm 8 and the detection arm 9 are coupled to each other via the base portion 7, and the base portion is coupled to the fixed portion 4 via the support beams 5 and 6. It is desirable that the base is small so that the vibration by the two detection vibration modes is not hindered, and that the support portion flexibly supports the base. The drive arm side support beam 5 and the detection arm side support beam 6 have a shape with a small width and a long length in the longitudinal direction. By doing so, the angular velocity detection element 3 can be fixed so as not to disturb the two detection vibration modes.

また、支持梁を基部から外側へ放射状に広がるように構成することで、厚み方向に並進運動したり、駆動腕と検出腕が厚み方向に逆相で振動したりするような、低次の固有モードの周波数が低くならないようにしている。 In addition, by constructing the support beam so that it spreads radially outward from the base, it is possible to translate in the thickness direction, or to cause the drive arm and the detection arm to vibrate in opposite phases in the thickness direction. The frequency of the mode is not lowered.

図1において、角速度検出素子1は、Siなどの半導体材料により構成される。支持梁は、例えば、断面が長方形の角柱形状などが使用でき、特に角柱形状は厚み方向、すなわち、Z軸方向の振動の剛性と、幅方向、すなわち、X軸方向の振動の剛性、を明確に分けることができる点から好ましい。一例として耐衝撃性の点から、厚み方向への剛性を維持したまま幅方向にはある程度の自由度を持たせたい場合、厚み方向の寸法を大きく、幅方向の寸法を狭めに構成すればよい。 In FIG. 1, the angular velocity detecting element 1 is made of a semiconductor material such as Si. For example, the support beam can be a prismatic shape having a rectangular cross section, and the prism shape is particularly clear in the thickness direction, that is, in the Z-axis direction, and in the width direction, that is, in the X-axis direction. It is preferable because it can be divided into two types. As an example, from the point of impact resistance, if you want to have a certain degree of freedom in the width direction while maintaining rigidity in the thickness direction, you can configure a larger size in the thickness direction and a smaller size in the width direction. .

図3に1対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度、及び、1対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の低次の固有モードの周波数がどのように変化するかを調べたシミュレーション値を示す。ここで、1対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度100と、1対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度200は図2で示される角度を指す。   When the angle between the extension direction of the pair of drive arm side support beams and the angle between the extension direction of the pair of detection arm side support beams are varied as parameters in FIG. The simulation value which investigated how the frequency of a mode changes is shown. Here, an angle 100 formed by the extending direction of the pair of driving arm side support beams and an angle 200 formed by the extending direction of the pair of detection arm side support beams indicate the angles shown in FIG.

1対の駆動腕側支持梁の延伸方向の成す角度、及び、1対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度が小さいときに、角速度検出素子の低次の固有モードの周波数が大きくなる傾向が見られた。これは1対の駆動腕と1対の検出腕が厚み方向に逆相で振動するような低次の固有モードに対し、これを抑制する形状となるからであると考えられる。1対の駆動腕と1対の検出腕が厚み方向に逆相で振動するような固有モードでは、駆動腕側支持梁及び検出腕側支持梁の、Y−Z平面における断面2次極モーメントが大きいほど、固有モードの周波数が大きくなる。Y−Z平面における、駆動腕側支持梁及び検出腕側支持梁の断面2次極モーメントは、Y方向の寸法の大きさに比例して大きくなるため、実施形態1のように角度100及び角度200が小さくなる
、即ち素子の長手方向両側に駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁が大きく広がるような構成が耐振動性の向上に有効である。
When the angle formed by the extending direction of the pair of driving arm side support beams and the angle formed by the extending direction of the pair of detection arm side support beams are small, the frequency of the low-order eigenmode of the angular velocity detecting element increases. There was a trend. This is considered to be because the shape of the pair of driving arms and the pair of detection arms is such that the low-order eigenmodes that vibrate in opposite phases in the thickness direction are suppressed. In the eigenmode in which the pair of drive arms and the pair of detection arms vibrate in the opposite phases in the thickness direction, the secondary secondary moments in the YZ plane of the drive arm side support beam and the detection arm side support beam are The larger the frequency, the larger the frequency of the eigenmode. In the YZ plane, the cross-sectional secondary pole moments of the drive arm side support beam and the detection arm side support beam increase in proportion to the size of the dimension in the Y direction. A configuration in which the driving arm side support beam and the detection arm side support beam spread widely on both sides in the longitudinal direction of the element is effective in improving vibration resistance.

角速度検出素子に必要な特性に耐振動性があり、低い周波数帯に共振周波数を持たないことが必要である。一般に必要とされる周波数の耐振動性能として20kHz以下に共振周波数を持たないことが求められている。シミュレーションの結果からも1対の駆動腕側支持梁の延伸方向の成す角度、及び、1対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度が概80度以下であるとき、低次の共振周波数が20kHz以上となることが示されており、この結果からも本形態が耐振動性向上に効果的であることが明らかである。80度以上では共振周波数が大きく低下する傾向にあり、このシミュレーション結果が示すように支持梁のなす角度は80度以下、さらに言えばより小さい角度である方が、角速度検出素子の構成として望ましい。 The characteristic required for the angular velocity detecting element is vibration resistance, and it is necessary not to have a resonance frequency in a low frequency band. In general, vibration resistance performance of a required frequency is required to have no resonance frequency below 20 kHz. From the simulation results, when the angle formed by the extending direction of the pair of driving arm side support beams and the angle formed by the extending direction of the pair of detection arm side support beams are approximately 80 degrees or less, the low-order resonance frequency Is 20 kHz or more, and it is clear from this result that this embodiment is effective in improving vibration resistance. When the angle is 80 degrees or more, the resonance frequency tends to decrease greatly, and as shown in the simulation results, the angle formed by the support beam is 80 degrees or less, more preferably a smaller angle, as the configuration of the angular velocity detecting element.

ただ、素子形状の制約などから、設計可能な角度は制限される。実施形態の形状においては、駆動腕と検出腕が基部を基点として、互いに、反対向きに角速度検出素子の長手方向に延伸しており、駆動腕はコリオリ力を励起する振動を、ジャイロ素子平面の面内方向で生じ、この振動振幅によっては取りうる梁の角度が制限される。駆動腕と支持梁の干渉を防ぐため、予想される腕の振動振幅に対して50μm以上は余裕をもたせて素子と支持梁を構成することが望ましい。 However, the designable angle is limited due to restrictions on the element shape. In the shape of the embodiment, the drive arm and the detection arm are extended in the longitudinal direction of the angular velocity detection element in opposite directions with the base as the base point, and the drive arm exhibits vibrations that excite Coriolis force on the gyro element plane. This occurs in the in-plane direction, and this vibration amplitude limits the possible beam angle. In order to prevent the drive arm and the support beam from interfering with each other, it is desirable to configure the element and the support beam with a margin of 50 μm or more with respect to the expected vibration amplitude of the arm.

音叉型やH型のジャイロ素子では基部と、基部を基点として延伸する振動腕という構成をなしており、振動腕の振動振幅は基部から離れた部分ほど大きくなる特徴がある。本形態のように基部から延伸する支持梁によって角速度検出素子を保持する場合、支持梁が固定部へ延伸するほど振動腕から離れる方向に伸長するという特徴を有するため、振動腕の可動範囲外かつジャイロ素子の占有面積が小さくなるように支持梁が構成されるため、ジャイロ素子の小型化の観点からも本形態が有効である。 A tuning fork-type or H-type gyro element has a configuration of a base and a vibrating arm extending from the base, and the vibration amplitude of the vibrating arm increases as the part is further away from the base. When the angular velocity detection element is held by the support beam extending from the base as in the present embodiment, the support beam extends in the direction away from the vibrating arm as it extends to the fixed portion, and therefore the movable arm is out of the movable range and Since the support beam is configured to reduce the occupied area of the gyro element, this embodiment is effective from the viewpoint of downsizing the gyro element.

図4に駆動腕側支持梁、及び検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の感度がどのように変化するかを調べたシミュレーション値を示す。ここで、駆動腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅300と、検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅400は図2で示される寸法を指す。   FIG. 4 shows simulation values for examining how the sensitivity of the angular velocity detection element changes when the width in the direction perpendicular to the extending direction of the drive arm side support beam and the detection arm side support beam is changed as a parameter. Show. Here, the width 300 in the direction perpendicular to the extending direction of the drive arm side support beam and the width 400 in the direction perpendicular to the extending direction of the detection arm side support beam indicate the dimensions shown in FIG.

支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅を大きくすると、感度が低下する傾向が見られた。これは支持梁の幅を大きくすることで梁の剛性が高くなり、検出振動モードが抑制されたためと考えられる。支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅が細いほど、角速度検出素子の検出振動モードが抑制されることがないので高感度が期待できるが、加工プロセスによる幅寸法の制限や機械的に必要とされる剛性、低次の共振周波数との関係上、素子に必要とされる環境や要求性能などの使用条件に合わせて適宜構造の最適化を行う必要がある。例えば、角速度に対する感度は一般に1μV/°/sec以上であることが望ましいが、このとき支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅は100μm以下であることが望ましい。 When the width of the supporting beam in the direction perpendicular to the extending direction was increased, the sensitivity tended to decrease. This is considered to be because the rigidity of the beam is increased by increasing the width of the support beam, and the detection vibration mode is suppressed. The narrower the width in the direction perpendicular to the extending direction of the support beam, the higher the sensitivity can be expected because the detection vibration mode of the angular velocity detection element is not suppressed. In view of the relationship between the rigidity and the low-order resonance frequency, it is necessary to appropriately optimize the structure in accordance with the usage conditions such as the environment and required performance required for the element. For example, the sensitivity to the angular velocity is generally desirably 1 μV / ° / sec or more, and at this time, the width in the direction perpendicular to the extending direction of the support beam is desirably 100 μm or less.

図5に駆動腕側支持梁と、検出腕側支持梁の間の距離をパラメータとして可変したときに、角速度検出素子の低次の共振周波数がどのように変化するか調べたシミュレーション値を示す。ここで、駆動腕側支持梁と、検出腕側支持梁の間の距離500は図2で示される寸法を指す。   FIG. 5 shows simulation values for examining how the low-order resonance frequency of the angular velocity detection element changes when the distance between the drive arm side support beam and the detection arm side support beam is varied as a parameter. Here, the distance 500 between the drive arm side support beam and the detection arm side support beam indicates the dimension shown in FIG.

駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁の間の長さ、を大きくすると低次の固有モードの周波数が上昇する。これは4本の支持梁が、1対の駆動腕と1対の検出腕が厚み方向に逆相で振動するような低次モードに対し、これを抑制する形状となるからであり、駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁の間の長さが大きいことが耐振動性能の観点から望まれる。ただし、駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁の間の長さが大きいとジャイロ素子の小型化を阻害するため、素子に必要とされるサイズや要求性能など、使用条件に合わせて形状設計をすることが必要である。例えば、支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅が100μm、かつ梁のなす角度が80度、かつ駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁の間の長さが0mm、つまり駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁が互いに交わらないよう基部で接する形で配置され、このときの低次の固有モードの共振周波数が20kHz以上であれば、素子の小型化を考え、駆動腕側支持梁と検出腕側支持梁の間の長さを大きくとることは避けることが望ましい。 Increasing the length between the drive arm side support beam and the detection arm side support beam increases the frequency of the low-order eigenmode. This is because the four support beams have a shape that suppresses a low-order mode in which a pair of drive arms and a pair of detection arms vibrate in opposite phases in the thickness direction. A large length between the side support beam and the detection arm side support beam is desired from the viewpoint of vibration resistance. However, if the length between the drive arm side support beam and the detection arm side support beam is large, the gyro element will be reduced in size, so the shape design according to the usage conditions such as the required size and required performance of the element It is necessary to do. For example, the width in the direction perpendicular to the extending direction of the support beam is 100 μm, the angle between the beams is 80 degrees, and the length between the drive arm side support beam and the detection arm side support beam is 0 mm, that is, the drive arm side support If the beam and the detection arm side support beam are arranged in contact with each other at the base so as not to cross each other, and the resonance frequency of the low-order eigenmode is 20 kHz or more at this time, the drive arm side support beam is considered for miniaturization of the element. It is desirable to avoid increasing the length between the support arm and the detection arm side support beam.

(実施形態2)
図6は実施形態2の圧電振動型の角速度センサの分解図であり、第1キャップ層1と、第1スペーサ層2と、ジャイロ素子3と、第2スペーサ層4と、第2キャップ層5、からなり、ジャイロ素子3をパッケージングすることが可能である。キャップ層1とスペーサ層2、もしくはキャップ層5とスペーサ層4は一つの構造体になっていてもよい。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is an exploded view of the piezoelectric vibration type angular velocity sensor according to the second embodiment. The first cap layer 1, the first spacer layer 2, the gyro element 3, the second spacer layer 4, and the second cap layer 5 are illustrated. , And the gyro element 3 can be packaged. The cap layer 1 and the spacer layer 2 or the cap layer 5 and the spacer layer 4 may be a single structure.

キャップ層と、スペーサ層と、ジャイロ素子はマイクロマシニング技術により同一プロセスで一体に作製可能である。パッケージに必要な特性として高い機械的性能が求められるため、キャップ層1と、スペーサ層2にはSiやSiO2などの半導体、ステンレスなどの金属、セラミクスなどの誘電体材料からなることが考えられる。SOI基板などの多層基板を用いて構造体を形成することも考えられる。また応力による反りなどの変形を防止するため、各層の線膨張係数は同じか、近い値であることが望ましい。 The cap layer, the spacer layer, and the gyro element can be integrally manufactured by the same process by micromachining technology. Since high mechanical performance is required as a characteristic required for the package, the cap layer 1 and the spacer layer 2 may be made of a semiconductor such as Si or SiO2, a metal such as stainless steel, or a dielectric material such as ceramics. It is also conceivable to form a structure using a multilayer substrate such as an SOI substrate. Further, in order to prevent deformation such as warping due to stress, the linear expansion coefficient of each layer is desirably the same or close to each other.

図7は実施形態2の圧電振動型の角速度センサの変形例の断面図であり、ジャイロ素子を含むデバイス層21と、スペーサ層22と、キャップ層23と、スペーサ層を含むキャップ層24と、ジャイロ素子を駆動する駆動機構25からなる角速度センサの一つの例である。駆動機構25は例えば圧電素子などが考えられる。 FIG. 7 is a cross-sectional view of a modification of the piezoelectric vibration type angular velocity sensor according to the second embodiment. The device layer 21 includes a gyro element, the spacer layer 22, the cap layer 23, and the cap layer 24 includes a spacer layer. This is an example of an angular velocity sensor including a drive mechanism 25 that drives a gyro element. The drive mechanism 25 may be a piezoelectric element, for example.

実施形態の形状はマイクロマシニング技術で作製可能である。ジャイロ素子の振動腕がジャイロ素子平面と垂直方向に振動するため、振動腕とキャップ層が干渉しないようジャイロ素子を構成する必要がある。キャップ層のデバイス層に対向する面は、デバイス層の振動腕から、予想される振動振幅の5μm以上は離れていることが望ましい。またデバイス層1と、スペーサ層2と、キャップ層3と、スペーサ層を含むキャップ層4からなる、空乏内を必要雰囲気に調整することも容易に可能である。スペーサ層を含むキャップ層4と、キャップ層3と、スペーサ層2、をデバイス層1に接合する際の雰囲気状態が内部に保たれるため、所望の雰囲気に空乏内を調整することができる。 The shape of the embodiment can be manufactured by a micromachining technique. Since the vibrating arm of the gyro element vibrates in a direction perpendicular to the gyro element plane, it is necessary to configure the gyro element so that the vibrating arm and the cap layer do not interfere with each other. It is desirable that the surface of the cap layer facing the device layer is separated from the vibration arm of the device layer by an expected vibration amplitude of 5 μm or more. It is also possible to easily adjust the inside of the depletion composed of the device layer 1, the spacer layer 2, the cap layer 3, and the cap layer 4 including the spacer layer to a necessary atmosphere. Since the atmosphere state when the cap layer 4 including the spacer layer, the cap layer 3, and the spacer layer 2 are bonded to the device layer 1 is maintained inside, the inside of the depletion can be adjusted to a desired atmosphere.

ハンドリングの観点からも、キャップ層、スペーサ層、デバイス層から構成される角速度センサは望ましい。近年MEMSデバイスの小型化、低価格化を目的とした高集積化とともに、ウエハサイズの大口径化が進行している。大口径化したウエハは加工中にハンドリングする際、わずかな応力や外力、自重などで破損する危険があり、薄い基板を必要とするデバイスであればなおのこと、最終製品に加工されるまで破損無きようウエハを搬送することは至難の業である。レジストやハンドリング用ウエハなどの保持部材で固定し強度を高めても、成膜や、剥離の工程で不良が出るなどの問題が考えられる。SOI基板などの多層基板はハンドリング層と呼ばれる層を備えているため構造的に強固であり、さらにハンドリング層もそのままパッケージ部材として利用するので剥離の必要もなく、工程の増加や歩留まりの低下もつながらない。 From the viewpoint of handling, an angular velocity sensor composed of a cap layer, a spacer layer, and a device layer is desirable. In recent years, along with high integration for the purpose of reducing the size and cost of MEMS devices, the wafer size has been increased. When handling large-diameter wafers during processing, there is a risk of damage due to slight stress, external force, dead weight, etc. Even if the device requires a thin substrate, it should not be damaged until it is processed into a final product. Transporting wafers is a difficult task. Even if it is fixed with a holding member such as a resist or a handling wafer and the strength is increased, there may be a problem that a defect occurs in the film forming or peeling process. A multilayer substrate such as an SOI substrate is structurally strong because it includes a layer called a handling layer. Further, since the handling layer is also used as a package member as it is, there is no need for peeling, and there is no increase in the process or reduction in yield. .

素子の小型化と高精度化のため、角速度センサとセンサ制御回路は隣接してあることが望ましい。角速度センサは制御回路に接続して駆動腕の振動及び角速度検出を行うが、角速度センサと制御回路を結線するための導線が長いほどノイズが大きく発生し、測定精度が低下する。回路の直上に素子を配置するか、もしくは平面内で隣り合って配置することが望ましい。 In order to reduce the size and increase the accuracy of the element, it is desirable that the angular velocity sensor and the sensor control circuit are adjacent to each other. The angular velocity sensor is connected to the control circuit to detect the vibration and angular velocity of the driving arm. However, the longer the lead wire for connecting the angular velocity sensor and the control circuit, the more noise is generated and the measurement accuracy is lowered. It is desirable to arrange the elements directly above the circuit or to arrange them adjacent to each other in a plane.

本発明に係わる角速度センサは、自動車、カーナビゲーション、手ぶれ防止カメラ、産業機器等の物質の回転による角速度を検出する用途に利用できる。 The angular velocity sensor according to the present invention can be used for applications that detect angular velocities caused by rotation of substances such as automobiles, car navigation, camera shake prevention cameras, and industrial equipment.

1 角速度センサ
2、13、21 ジャイロ素子
3 角速度検出素子
4 固定部
5 駆動腕側支持梁
6 検出腕側支持梁
7 基部
8 駆動腕
9 検出腕
10 回転の中心軸
11、23 第1キャップ層
12、22 第1スペーサ層
14 第2スペーサ層
15、24 第2キャップ層
25 駆動機構
100 1対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度
200 1対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度
300 駆動腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅
400 検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅
500 駆動腕側支持梁と、検出腕側支持梁の間の距離
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Angular velocity sensor 2, 13, 21 Gyro element 3 Angular velocity detection element 4 Fixed part 5 Drive arm side support beam 6 Detection arm side support beam 7 Base 8 Drive arm 9 Detection arm 10 Center axis of rotation 11, 23 First cap layer 12 , 22 First spacer layer 14 Second spacer layer 15, 24 Second cap layer 25 Drive mechanism 100 Angle formed by extending direction of one pair of driving arm side support beams 200 Formed by extending direction of one pair of detection arm side support beams Angle 300 Width in the direction perpendicular to the extension direction of the drive arm side support beam 400 Width in the direction perpendicular to the extension direction of the detection arm side support beam 500 Distance between the drive arm side support beam and the detection arm side support beam

Claims (5)

基部と、1対の駆動腕と、1対の検出腕、を有する検出素子と、1対の駆動腕側支持梁と、1対の検出腕側支持梁、を介して前記検出素子を固定する固定部とを有するジャイロ素子であって、
前記1対の前記駆動腕と前記1対の前記検出腕は、前記基部を基点として、互いに、反対向きに前記検出素子の長手方向に延伸しており、
前記1対の駆動腕側支持梁の延伸方向のなす角度、及び、前記1対の検出腕側支持梁の延伸方向のなす角度が80度以下となるように、前記基部を基点に延伸していることを特徴とするジャイロ素子。
The detection element is fixed via a detection element having a base, a pair of drive arms, a pair of detection arms, a pair of drive arm side support beams, and a pair of detection arm side support beams. A gyro element having a fixed portion,
The pair of drive arms and the pair of detection arms extend in the longitudinal direction of the detection element in directions opposite to each other with the base as a base point,
The base portion is extended from the base point so that the angle formed by the extending direction of the pair of driving arm side support beams and the angle formed by the extending direction of the pair of detection arm side support beams are 80 degrees or less. A gyro element characterized by comprising:
前記検出素子と1対の前記駆動腕側支持梁と1対の前記検出腕側支持梁は、1対の前記駆動腕と1対の前記検出腕が延伸する長手方向に平行である、前記検出素子の中心軸に対し、線対称であることを特徴とする請求項1に記載のジャイロ素子。   The detection element, the pair of drive arm side support beams, and the pair of detection arm side support beams are parallel to a longitudinal direction in which the pair of drive arms and the pair of detection arms extend. The gyro element according to claim 1, wherein the gyro element is line symmetric with respect to a central axis of the element. 前記駆動腕側支持梁、及び前記検出腕側支持梁の延伸方向と垂直な方向の幅が100μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のジャイロ素子。   3. The gyro element according to claim 1, wherein a width in a direction perpendicular to an extending direction of the drive arm side support beam and the detection arm side support beam is 100 μm or less. 前記検出素子と、1対の前記駆動腕側支持梁と1対の前記検出腕側支持梁と、前記固定部は、半導体リソグラフィ技術により半導体基板を加工して作られることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のジャイロ素子。   The detection element, the pair of driving arm side support beams, the pair of detection arm side support beams, and the fixing portion are formed by processing a semiconductor substrate by a semiconductor lithography technique. The gyro element according to any one of 1 to 3. 請求項1から4のいずれかに記載のジャイロ素子と、前記ジャイロ素子を固定するパッケージとを備えた角速度センサであって、前記ジャイロ素子の前記検出素子は、前記固定部によって前記パッケージに固定されていることを特徴とする角速度センサ。   An angular velocity sensor comprising the gyro element according to claim 1 and a package for fixing the gyro element, wherein the detection element of the gyro element is fixed to the package by the fixing portion. An angular velocity sensor.
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