JP3230331B2 - Angular velocity sensor - Google Patents
Angular velocity sensorInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、回転体の角速度の検出
測定を行う角速度センサに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity sensor for detecting and measuring the angular velocity of a rotating body.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来の角速度センサの一般的な構成が図
５と図６に示されている。図５に示す第１の従来例は、
音叉型振動子１の板状振動子１ａ，１ｂの外側面に駆動
用圧電素子２ａ，２ｂが配設されており、音叉型振動子
の底部１ｃには検出部３が突設されており、この検出部
３の両側面にはマグネットや電極などによる角速度の検
出手段４が配設されている。この角速度センサによれ
ば、駆動用圧電素子２ａ，２ｂに励振信号が加わり、板
状振動子１ａ，１ｂがそれぞれ図示の矢印Ｖ1 ，Ｖ2 の
ような逆方向で同じ大きさに振動し、この状態でＺ軸周
りに音叉型振動子１を回転させると、互いに逆向きの図
示Ｆ1 とＦ2 の方向、すなわち、振動方向に直交し、か
つ、回転軸（Ｚ軸）に直交する方向に慣性力（コリオリ
力）が発生する。この逆向きのコリオリ力によるトルク
が音叉型振動子１に働いて、音叉型振動子１は捩れ振動
を起こし、この捩れ振動の振幅の大きさを検出手段４に
より検出して、これを角速度信号として出力するもので
ある。2. Description of the Related Art A general structure of a conventional angular velocity sensor is shown in FIGS. The first conventional example shown in FIG.
Driving piezoelectric elements 2a and 2b are provided on the outer surfaces of the plate-shaped vibrators 1a and 1b of the tuning fork vibrator 1, and a detecting portion 3 is protruded from a bottom 1c of the tuning fork vibrator. Angular velocity detecting means 4 using magnets, electrodes, and the like are provided on both side surfaces of the detecting unit 3. According to the angular velocity sensor, the driving piezoelectric elements 2a, 2b to join the excitation signal, a plate-like oscillators 1a, 1b to vibrate the same size in the opposite direction as the arrow V 1, V 2 shown respectively, When the tuning fork type vibrator 1 is rotated around the Z axis in this state, the directions of the illustrated F 1 and F 2 are opposite to each other, that is, the direction orthogonal to the vibration direction and orthogonal to the rotation axis (Z axis). Generates an inertial force (Coriolis force). The torque due to the Coriolis force in the opposite direction acts on the tuning-fork type vibrator 1, causing the tuning-fork type vibrator 1 to generate torsional vibration. Is output.
【０００３】しかし、この第１の従来例のものは、機械
加工によって作製されるため、微細加工が行えず、検出
精度が悪く、また、大型なものであった。一方、図６に
示す第２の従来例のものは、これらの欠点を改良しよう
としたものであり、文献（PROCEEDING FOR MICRO ELECT
RO MECHANICAL SYSTEMS Feb.７−10,1993 ）等で知られ
ている。同図に示す角速度センサはシリコン基板等の半
導体基板を用いて半導体微細加工技術により形成されて
いる。基板25上の中央部には固定電極５が形成されてお
り、この固定電極５の左右両側には音叉状振動子の振動
板７，８が浮遊状態で配設されており、基板25と、この
基板25から浮遊している振動板７，８の各浮遊空間を挟
んだ対向面には電極（図示せず）が配設されている。振
動板７，８には、複数の穴９が開口されており、各振動
板７，８の左右両側に櫛形電極10ａ，10ｂ，11ａ，11ｂ
が突設形成されており、固定電極５にも櫛形電極５ａ，
５ｂが形成されており、この櫛形電極５ａ，５ｂは振動
板７，８の櫛形電極10ａ，11ａと僅かな間隙を介するよ
う形成されている。固定電極５の櫛形電極５ａ，５ｂ
と、振動板７，８の櫛形電極10ａ，11ａ間に振動駆動信
号が加わり、振動板７，８がそれぞれ図示のＶ1 ，Ｖ2
のように逆方向で同じ大きさに振動し、この状態でＹ軸
周りに回転すると、振動板７には図示のＦ2 方向に、ま
た、振動板８には図示のＦ1 方向にそれぞれ振動方向お
よびＹ軸に直交するように慣性力（コリオリ力）が発生
する。この逆向きのコリオリ力によって振動板７，８に
捩れ振動が生じ、この捩れ振動の振幅変化を基板25と振
動板７，８に対向配設された電極間の静電容量の変化と
して検出し、これを角速度の検出信号として出力するも
のである。However, since the first conventional example is manufactured by machining, fine processing cannot be performed, the detection accuracy is poor, and the device is large. On the other hand, the second conventional example shown in FIG. 6 is intended to improve these disadvantages and is described in the literature (PROCEEDING FOR MICRO ELECT
RO MECHANICAL SYSTEMS Feb. 7-10, 1993). The angular velocity sensor shown in the figure is formed by a semiconductor fine processing technique using a semiconductor substrate such as a silicon substrate. A fixed electrode 5 is formed at a central portion on the substrate 25, and diaphragms 7 and 8 of a tuning fork vibrator are disposed on both left and right sides of the fixed electrode 5 in a floating state. Electrodes (not shown) are provided on opposing surfaces of the diaphragms 7 and 8 floating from the substrate 25 across the respective floating spaces. A plurality of holes 9 are opened in the diaphragms 7 and 8, and comb-shaped electrodes 10a, 10b, 11a and 11b are provided on both left and right sides of the respective diaphragms 7 and 8.
Are formed in a protruding manner, and the fixed electrode 5 also has a comb-shaped electrode 5a,
5b are formed, and the comb-shaped electrodes 5a, 5b are formed so as to be slightly spaced from the comb-shaped electrodes 10a, 11a of the diaphragms 7, 8. Comb electrodes 5a, 5b of fixed electrode 5
And a vibration driving signal is applied between the comb-shaped electrodes 10a and 11a of the diaphragms 7 and 8, and the diaphragms 7 and 8 are respectively driven by V 1 and V 2 shown in the figure.
Oscillating the same size in the opposite direction as, when rotated in this state about the Y axis, F the two directions shown in the vibration plate 7, also, the vibration each of F 1 direction shown in the vibrating plate 8 An inertial force (Coriolis force) is generated so as to be orthogonal to the direction and the Y axis. Due to the Coriolis force in the opposite direction, torsional vibration occurs in the diaphragms 7 and 8, and the change in the amplitude of the torsional vibration is detected as a change in the capacitance between the substrate 25 and the electrodes disposed opposite to the diaphragms 7 and 8. Are output as angular velocity detection signals.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】このように、第２の従
来例によれば、微細加工技術を用いて製作されるため、
第１の従来例に比べて非常に加工精度よく小型化され
る。しかし、小型化に伴い、角速度検出の際にコリオリ
力が低下するため、検出信号の大きさが小さくなり、角
速度検出の分解能が悪くなる。この角速度検出の分解能
を高めるためには、振動板７，８の音叉振動と捩れ振動
とが共振、すなわち、音叉固有振動周波数と捩れ固有振
動周波数とが一致するよう調整すればよい。一方、この
ような半導体角速度センサは、半導体の優れた機械特性
から高いＱ値をもたせることが可能であり、音叉固有振
動周波数と捩れ固有振動周波数とが常に一致するよう角
速度センサが作製された場合には、この角速度センサは
高分解能な検出を行うことができる。しかしながら、振
動板７，８の音叉固有振動周波数と捩れ固有振動周波数
とを一致させるよう角速度センサを作製することは加工
精度上、大変難しく不可能に近いものであった。このよ
うに、振動板７，８の音叉固有振動周波数と捩れ固有振
動周波数とが不一致となる場合には、動作点がずれ、Ｑ
値が高いので共振レベルが急低下して検出精度が著しく
低下してしまうという問題があった。As described above, according to the second conventional example, since it is manufactured using the fine processing technique,
Compared with the first conventional example, downsizing is achieved with extremely high processing accuracy. However, as the size is reduced, the Coriolis force is reduced at the time of detecting the angular velocity, so that the magnitude of the detection signal is reduced and the resolution of the angular velocity detection is deteriorated. In order to increase the resolution of the angular velocity detection, the tuning fork vibration and the torsional vibration of the diaphragms 7 and 8 may be adjusted so as to resonate, that is, the tuning fork natural vibration frequency and the torsional natural vibration frequency match. On the other hand, such a semiconductor angular velocity sensor can have a high Q value due to the excellent mechanical characteristics of the semiconductor, and when the angular velocity sensor is manufactured so that the tuning fork natural vibration frequency always coincides with the torsional natural vibration frequency. Thus, the angular velocity sensor can perform high-resolution detection. However, it is very difficult and almost impossible to fabricate an angular velocity sensor so that the tuning fork natural vibration frequency and the torsional natural vibration frequency of the diaphragms 7 and 8 coincide with each other. As described above, if the tuning fork natural vibration frequency of the diaphragms 7 and 8 does not match the torsional natural vibration frequency, the operating point shifts and Q
Since the value is high, there is a problem that the resonance level sharply decreases and the detection accuracy is significantly reduced.
【０００５】また、機械加工によって作製される図５に
示されるような角速度センサでは、音叉固有振動周波数
と捩れ固有振動周波数とが一致するように作製すること
はより困難であり、検出精度のよい角速度センサを得る
ことが難しかった。Further, in an angular velocity sensor manufactured by machining as shown in FIG. 5, it is more difficult to manufacture the angular velocity sensor so that the tuning fork natural vibration frequency coincides with the torsional natural vibration frequency, and the detection accuracy is high. It was difficult to obtain an angular velocity sensor.
【０００６】本発明は、上記従来の課題を解決するため
になされたものであり、その目的は、作製上のばらつき
等により音叉固有振動周波数と捩れ固有振動周波数に不
一致が生じても、この不一致の影響を受けず検出精度の
よい角速度センサを提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a method for adjusting the natural frequency of a tuning fork and the natural frequency of torsion even if the natural frequency of the tuning fork is inconsistent due to manufacturing variations. To provide an angular velocity sensor with good detection accuracy without being affected by the above.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、次のように構成されている。すなわち、
本発明の角速度センサは、駆動入力によって振動する第
１の振動子と、角速度による第１の振動子のコリオリ力
を受けて振動する第２の振動子と、第１の振動子と第２
の振動子の少くとも一方側の振動数を可変制御して第１
の振動子と第２の振動子の固有振動周波数を合わせる振
動調整手段とを有し、前記第１の振動子は音叉振動子に
よって構成され、第２の振動子は第１の振動子のコリオ
リ力によって捩れ振動を行う捩れ振動子によって構成さ
れ、音叉振動子の両端は板ばね部を介して捩れ振動子に
連結固定されており、この板ばね部を含む音叉振動子と
捩れ振動子の連結周辺領域内に振動調整手段が設けら
れ、この振動調整手段は電気的に制御可能な歪みを発生
する歪み発生機構によって形成されていることを特徴と
して構成されており、また、駆動入力によって振動する
第１の振動子と、角速度による第１の振動子のコリオリ
力を受けて振動する第２の振動子と、第１の振動子と第
２の振動子の少くとも一方側の振動数を可変制御して第
１の振動子と第２の振動子の固有振動周波数を合わせる
振動調整手段とを有し、前記第１の振動子と第２の振動
子は半導体基板上に半導体微細加工技術を用いて形成さ
れており、前記第１の振動子は音叉振動子によって構成
され、第２の振動子は第１の振動子のコリオリ力によっ
て捩れ振動を行う捩れ振動子によって構成され、音叉振
動子の両端は板ばね部を介して捩れ振動子に連結固定さ
れており、この板ばね部を含む音叉振動子と捩れ振動子
の連結周辺領域内に振動調整手段が設けられ、この振動
調整手段は電気的に制御可能な歪みを発生する歪み発生
機構によって形成されていること、前記歪み発生機構は
圧電素子によって構成されていることも本発明の特徴的
な構成とされている。The present invention is configured as follows to achieve the above object. That is,
An angular velocity sensor according to the present invention includes a first vibrator that vibrates in response to a drive input, a second vibrator that vibrates by receiving a Coriolis force of the first vibrator due to an angular velocity, a first vibrator, and a second vibrator.
The frequency of at least one side of the vibrator is variably controlled so that the first
It has a vibration adjusting means to adjust the oscillator and the natural vibration frequency of the second oscillator, the first oscillator to the tuning fork vibrator
And the second vibrator is a colloid of the first vibrator.
It is composed of a torsional vibrator that performs torsional vibration by re-force.
The two ends of the tuning fork vibrator are connected to a torsional vibrator through a leaf spring.
It is connected and fixed, and the tuning fork vibrator including this leaf spring
Vibration adjusting means is provided in the area around the connection of the torsional vibrator.
This vibration adjustment means generates electrically controllable distortion.
Is configured as a feature that you have been formed by the strain generating mechanism, also vibrates by the driving input
A first vibrator and Coriolis of the first vibrator by angular velocity
A second vibrator that vibrates under a force;
By variably controlling the frequency of at least one side of the second vibrator,
Match the natural vibration frequencies of the first vibrator and the second vibrator
A vibration adjusting unit, wherein the first vibrator and the second vibration
Is formed on a semiconductor substrate using semiconductor microfabrication technology.
And the first vibrator is constituted by a tuning fork vibrator.
The second vibrator is driven by the Coriolis force of the first vibrator.
Composed of a torsional vibrator that performs torsional vibration
Both ends of the rotor are connected and fixed to the torsional vibrator via leaf springs.
Tuning fork vibrator and torsional vibrator including this leaf spring
A vibration adjusting means is provided in the connection peripheral area of
The adjusting means generates an electrically controllable distortion.
It is a characteristic feature of the present invention that it is formed by a mechanism, and that the distortion generating mechanism is formed by a piezoelectric element.
【０００８】[0008]
【作用】第１の振動子が駆動入力により振動し、この状
態で角速度を受けると角速度の回転軸と振動方向にそれ
ぞれ直交するように、コリオリ力が生じ、このコリオリ
力により第２の振動子は振動する。この第２の振動子の
振動振幅の大きさを検出して、これを角速度の検出信号
として出力する。振動調整手段により、第１の振動子と
第２の振動子の固有振動周波数とが常に一致するよう制
御されているので、各振動子は共振し、角速度の検出が
高感度で行われる。When the first vibrator is vibrated by a drive input and receives an angular velocity in this state, a Coriolis force is generated so as to be orthogonal to the rotational axis of the angular velocity and the vibration direction, and the second vibrator is generated by the Coriolis force. Vibrates. The magnitude of the vibration amplitude of the second vibrator is detected and output as a detection signal of the angular velocity. Since the natural vibration frequency of the first vibrator and the second vibrator is always controlled by the vibration adjusting means, each vibrator resonates, and the angular velocity is detected with high sensitivity.
【０００９】また、このような構成の角速度センサを半
導体基板上に半導体微細加工技術を用いて形成したもの
にあっては、Ｑ値が高い角速度センサが作製され、この
場合には検出分解能はさらに高められる。In the case where an angular velocity sensor having such a configuration is formed on a semiconductor substrate by using a semiconductor fine processing technique, an angular velocity sensor having a high Q value is manufactured. In this case, the detection resolution is further increased. Enhanced.
【００１０】[0010]
【実施例】以下、本実施例の基本構成を図面に基づいて
説明する。図１には、本発明に係る角速度センサの基本
的な一構成が示されている。この角速度センサは、固定
枠14ｃの内側に枠状の捩れ振動子13が、さらにその内側
には音叉振動子12が形成されている。この音叉振動子12
は、おもり部17ａ，17ｂと、このおもり部17ａ，17ｂを
連結支持する板ばね部39と板部38ａ，38ｂとを有して構
成されている。音叉振動子12の中央、つまり、おもり部
17ａ，17ｂ間には固定駆動電極18が配設され、おもり部
17ａ，17ｂと固定電極18との各対向面には電極（図示せ
ず）が形成されている。音叉振動子12は板ばね部16ａ，
16ｂを介して捩れ振動子13に連結され、捩れ振動子13は
連結部19ａ，19ｂを介して固定枠14ｃに連結されてい
る。また、板ばね部16ａ，16ｂの上面には振動調整手段
としての圧電素子15ａ，15ｂが配設されており、この圧
電素子15ａ，15ｂは、電圧が印加されると縮んで変形歪
みを生ずるという歪発生機構としての機能を有してい
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The basic structure of this embodiment will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows one basic configuration of the angular velocity sensor according to the present invention. In this angular velocity sensor, a frame-shaped torsional vibrator 13 is formed inside a fixed frame 14c, and a tuning fork vibrator 12 is formed further inside. This tuning fork vibrator 12
Is composed of weight portions 17a, 17b, a leaf spring portion 39 for connecting and supporting the weight portions 17a, 17b, and plate portions 38a, 38b. The center of the tuning fork vibrator 12, that is, the weight
A fixed drive electrode 18 is provided between 17a and 17b,
Electrodes (not shown) are formed on the opposing surfaces of the fixed electrodes 18 and 17a and 17b. The tuning fork vibrator 12 has a leaf spring portion 16a,
The torsional vibrator 13 is connected to the fixed frame 14c via connecting portions 19a and 19b. Further, piezoelectric elements 15a and 15b as vibration adjusting means are disposed on the upper surfaces of the leaf spring portions 16a and 16b, and the piezoelectric elements 15a and 15b are contracted when a voltage is applied to cause deformation distortion. It has a function as a strain generation mechanism.
【００１１】一方、捩れ振動子13表面には、電極パター
ン（図示せず）が形成されており、さらに、この電極パ
ターンに対向する上部固定側（図示せず）に固定検出電
極が形成されて角速度センサが構成されている。On the other hand, an electrode pattern (not shown) is formed on the surface of the torsional vibrator 13, and a fixed detection electrode is formed on an upper fixed side (not shown) facing the electrode pattern. An angular velocity sensor is configured.
【００１２】このような構成の角速度センサにおいて
は、固定駆動電極18と音叉振動子12に駆動入力としての
交流電圧等を加えると、固定駆動電極18と音叉振動子12
との間に静電力が発生し、音叉振動子12のおもり部17
ａ，17ｂは同図の（ｂ）に示すように図示の矢印Ｖ1 ，
Ｖ2 のように反対方向で同じ大きさに振動する。この状
態で音叉軸周りに角速度センサが回転すると、図示のＦ
1 ，Ｆ2 方向のように互いに逆方向で、振動方向および
音叉軸方向とは直角方向にコリオリ力が発生する。この
逆方向のコリオリ力Ｆ1 ，Ｆ2 により、捩れ振動子13は
捩れ振動を起こす。In the angular velocity sensor having such a configuration, when an AC voltage or the like as a drive input is applied to the fixed drive electrode 18 and the tuning fork vibrator 12, the fixed drive electrode 18 and the tuning fork vibrator 12
Between the weight fork vibrator 12 and the weight 17
a, 17b are arrows V 1 , shown in FIG.
Oscillating the same size in the opposite direction as V 2. When the angular velocity sensor rotates about the tuning fork axis in this state, the F
1, in the opposite directions as F 2 direction, the vibration direction and the tuning fork axis Coriolis force is generated in the perpendicular direction. Due to the Coriolis forces F 1 and F 2 in the opposite directions, the torsional vibrator 13 generates torsional vibration.
【００１３】一方、音叉振動子12と捩れ振動子13の各固
有振動周波数が常に一致するよう、圧電素子15ａ，15ｂ
に電圧が印加されている。電圧が印加されると圧電素子
15ａ，15ｂは縮み変形歪みを起こし、その結果、板ばね
部16ａ，16ｂが撓み、音叉振動子のおもり17ａ，17ｂを
支える板ばね部19に引っ張り応力が働き、音叉振動子12
の固有振動周波数は捩れ振動子13のそれに等しくなるま
で高められる。（通常、角速度センサ作製時には音叉振
動子12の固有振動周波数は捩れ振動子13のそれよりも若
干低く形成されている。）したがって、音叉振動子12と
捩れ振動子13とは常に共振状態にあり、捩れ振動子13の
捩れ振動の振幅は常に最大の振幅状態で起こる。この捩
れ振動の振幅の変化は角速度の変化に対応しており、捩
れ振動の振幅を、捩れ振動子13の電極パターンとこれに
対向する固定検出電極間の静電容量の変化として検出
し、これを角速度の検出信号として出力する。On the other hand, the piezoelectric elements 15a, 15b are so set that the natural vibration frequencies of the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 always coincide.
Is applied. Piezoelectric element when voltage is applied
15a and 15b undergo shrinkage deformation distortion, and as a result, the plate spring portions 16a and 16b bend, and a tensile stress acts on the plate spring portion 19 supporting the weights 17a and 17b of the tuning fork vibrator.
Is increased until it becomes equal to that of the torsional vibrator 13. (Normally, when the angular velocity sensor is manufactured, the natural vibration frequency of the tuning fork vibrator 12 is formed slightly lower than that of the torsional vibrator 13.) Therefore, the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 are always in a resonance state. The amplitude of the torsional vibration of the torsional vibrator 13 always occurs in the maximum amplitude state. The change in the amplitude of the torsional vibration corresponds to the change in the angular velocity, and the amplitude of the torsional vibration is detected as a change in the capacitance between the electrode pattern of the torsional vibrator 13 and the fixed detection electrode opposed thereto. Is output as an angular velocity detection signal.
【００１４】このように構成される角速度センサは、音
叉振動子12と捩れ振動子13との各固有振動周波数が常に
一致して各振動子12，13が常に共振しているので、動作
点が高い共振レベルとなり、角速度の検出信号は常に最
大の状態で出力され、検出精度は高くなる。In the angular velocity sensor configured as described above, the natural vibration frequencies of the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 always coincide, and the vibrators 12, 13 always resonate. The resonance level is high, the angular velocity detection signal is always output in the maximum state, and the detection accuracy is increased.
【００１５】次に、以上のような基本構成をもつ角速度
センサの具体的な実施例を図２を用いて説明する。本実
施例の角速度センサは、シリコン基板等の半導体基板を
利用して半導体微細加工技術によって形成されている。
シリコン基板14表面には、ボロンを拡散させたポリシリ
コンよりなる固定枠14ｃ部分と固定駆動電極18部分とを
残して凹部26が形成されている。この凹部26には固定駆
動電極18を囲むように、音叉振動子12が、また、この音
叉振動子12を囲むように、捩れ振動子13がそれぞれ浮遊
状態で形成されている。音叉振動子12は板ばね部16ａ，
16ｂを介して捩れ振動子13に、捩れ振動子13は連結部19
ａ，19ｂを介して固定枠14ｃに連結されている。これら
音叉振動子12と捩れ振動子13もボロンを拡散させたポリ
シリコンよりなり、低抵抗に形成されている。Next, a specific embodiment of the angular velocity sensor having the above basic configuration will be described with reference to FIG. The angular velocity sensor according to the present embodiment is formed by a semiconductor fine processing technique using a semiconductor substrate such as a silicon substrate.
A concave portion 26 is formed on the surface of the silicon substrate 14 except for a fixed frame 14c portion made of polysilicon in which boron is diffused and a fixed drive electrode 18 portion. In the concave portion 26, the tuning fork vibrator 12 is formed so as to surround the fixed drive electrode 18, and the torsional vibrator 13 is formed in a floating state so as to surround the tuning fork vibrator 12. The tuning fork vibrator 12 has a leaf spring portion 16a,
16b to the torsional vibrator 13 and the torsional vibrator 13
a and 19b are connected to the fixed frame 14c. The tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 are also made of polysilicon in which boron is diffused, and are formed with low resistance.
【００１６】音叉振動子12は、おもり部17ａ，17ｂと、
振動板部37ａ，37ｂ，37ｃ，37ｄと基部27ａ，27ｂとよ
り構成されており、おもり部17ａ，17ｂは、固定駆動電
極18に対向配置されており、振動板部37ａ，37ｂ，37
ｃ，37ｄと基部27ａ，27ｂとを介して板ばね部16ａ，16
ｂに連結されている。The tuning fork vibrator 12 includes weight portions 17a and 17b,
The diaphragms 37a, 37b, 37c, 37d and the bases 27a, 27b are provided, and the weights 17a, 17b are arranged to face the fixed drive electrode 18, and the diaphragms 37a, 37b, 37
c, 37d and the leaf springs 16a, 16b via the bases 27a, 27b.
b.
【００１７】基部27ａ，27ｂ上の振動板部37ａ，37ｂ，
37ｃ，37ｄに連結する周辺領域には振動調整手段として
の圧電素子15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄが配設されている。
この圧電素子15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄは、チタン酸ジル
コン酸鉛（ＰＺＴ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電薄膜
28の上部と下部に金属電極29ａ，29ｂを配設して形成さ
れている。The diaphragm portions 37a, 37b on the base portions 27a, 27b,
Piezoelectric elements 15a, 15b, 15c and 15d as vibration adjusting means are provided in a peripheral area connected to 37c and 37d.
The piezoelectric elements 15a, 15b, 15c and 15d are made of a piezoelectric thin film of lead zirconate titanate (PZT) or zinc oxide (ZnO).
Metal electrodes 29a and 29b are provided on the upper and lower portions of the metal layer 28.
【００１８】一方、捩れ振動子13上には検出電極23が、
また、捩れ振動子13と板ばね部16ａ，16ｂと連結部19
ａ，19ｂ上の所望領域に所要数のリードパターンが、酸
化シリコン（ＳｉＯ）等の絶縁層22を介して形成されて
いる。このリードパターンは、音叉振動子12や圧電素子
15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄや検出電極23等より引き出され
ている。On the other hand, a detection electrode 23 is provided on the torsional vibrator 13.
Further, the torsional vibrator 13, the leaf springs 16a, 16b and the connecting portion 19
A required number of lead patterns are formed in desired regions on a and 19b via an insulating layer 22 such as silicon oxide (SiO). This lead pattern is used for tuning fork vibrator 12 or piezoelectric element.
15a, 15b, 15c, 15d, the detection electrode 23 and the like.
【００１９】また、これら固定駆動電極18、音叉振動子
12、捩れ振動子13、固定枠14ｃ等の上部全面には、ガラ
ス基板20が配設されており、このガラス基板20は、固定
駆動電極18と、固定枠14ｃとに陽極接合方法等により接
合固定されている。このガラス基板20には、捩れ振動子
13上の検出電極23と対向する位置に、アルミニウム等に
より電極24が形成されており、角速度を受けたときに発
生する捩れ振動によって変化する捩れ振動子13の検出電
極23と、ガラス基板20の電極24間の静電容量を角速度信
号として検出する。さらに、ガラス基板20には、固定駆
動電極18と捩れ振動子13に対向位置する箇所、および、
その他必要箇所に、適当数の電極取出口21が開口されて
おり、この電極取出口21を利用して固定駆動電極18は駆
動回路（図示せず）等に、また、捩れ振動子13の検出電
極23とガラス基板20の電極24とは信号検出回路（図示せ
ず）等に接続され、その他所望の箇所に必要な電気的接
続が施されて、本実施例の角速度センサが構成されてい
る。The fixed drive electrode 18, the tuning fork vibrator
12, a glass substrate 20 is provided on the entire upper surface of the torsional vibrator 13, the fixed frame 14c, and the like, and the glass substrate 20 is bonded to the fixed drive electrode 18 and the fixed frame 14c by an anodic bonding method or the like. Fixed. The glass substrate 20 has a torsional vibrator
An electrode 24 made of aluminum or the like is formed at a position facing the detection electrode 23 on 13, and the detection electrode 23 of the torsional vibrator 13, which is changed by torsional vibration generated when receiving an angular velocity, and the glass substrate 20. The capacitance between the electrodes 24 is detected as an angular velocity signal. Further, on the glass substrate 20, a portion opposed to the fixed drive electrode 18 and the torsional vibrator 13, and
In addition, an appropriate number of electrode outlets 21 are opened at necessary places, and the fixed drive electrodes 18 are used for driving circuits (not shown) and the like and for detecting the torsional vibrator 13 using the electrode outlets 21. The electrode 23 and the electrode 24 of the glass substrate 20 are connected to a signal detection circuit (not shown) or the like, and necessary electrical connections are made at other desired locations to constitute the angular velocity sensor of the present embodiment. .
【００２０】この角速度センサにおいて、振動調節手段
としての圧電素子15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄには電圧印加
制御回路（図示せず）が接続されている。すなわち、圧
電素子15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄは、電圧が印加されると
電圧の正負に拘らず上側もしくは下側に反り状態の歪み
を生じ、圧電素子15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄを配設してい
る基部27ａ，27ｂに連結する振動板部37ａ，37ｂに引っ
張り応力が働く。その結果、音叉振動子12の固有振動周
波数は高くなる。したがって、圧電素子15ａ，15ｂ，15
ｃ，15ｄは電圧が印加されると、常に音叉振動子12の固
有振動周波数を高める方向に作用するので、音叉振動子
12の固有振動周波数を捩れ振動子13のそれに合わせるた
めに、通常、角速度センサの作製時には、音叉振動子12
の固有振動周波数は捩れ振動子13のそれよりも若干低く
形成されている。一方、音叉振動子12の固有振動周波数
と捩れ振動子13のそれとが一致して、音叉振動子12と捩
れ振動子13とが共振するような圧電素子15ａ，15ｂ，15
ｃ，15ｄの印加電圧（Ｅ）を実験等により求めておき、
電圧印加制御回路は、常にこの一定の電圧（Ｅ）が圧電
素子15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄに加わるよう制御してい
る。つまり、音叉振動子12と捩れ振動子13とは共振状態
となるよう制御されている。なお、この電圧印加制御回
路は前記ガラス基板20に設けた電極取出口21に接続さ
れ、圧電素子15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄに一定の電圧
（Ｅ）を供給している。In this angular velocity sensor, a voltage application control circuit (not shown) is connected to the piezoelectric elements 15a, 15b, 15c and 15d as vibration adjusting means. That is, when a voltage is applied, the piezoelectric elements 15a, 15b, 15c, and 15d warp upward or downward regardless of the polarity of the voltage, and the piezoelectric elements 15a, 15b, 15c, and 15d are disposed. Tensile stress acts on the diaphragm portions 37a, 37b connected to the base portions 27a, 27b. As a result, the natural vibration frequency of the tuning fork vibrator 12 increases. Therefore, the piezoelectric elements 15a, 15b, 15
When voltage is applied, c and 15d always act to increase the natural vibration frequency of the tuning fork vibrator 12, so that the tuning fork vibrator 12
In order to match the natural vibration frequency of the torsional vibrator 13 with that of the torsional vibrator 13, the tuning fork vibrator 12
Is formed to be slightly lower than that of the torsional vibrator 13. On the other hand, the piezoelectric elements 15a, 15b, and 15 are arranged such that the natural vibration frequency of the tuning fork vibrator 12 matches that of the torsional vibrator 13, and the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 resonate.
The applied voltages (E) of c and 15d are obtained by experiments and the like,
The voltage application control circuit controls so that the constant voltage (E) is always applied to the piezoelectric elements 15a, 15b, 15c, and 15d. That is, the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 are controlled to be in a resonance state. This voltage application control circuit is connected to an electrode outlet 21 provided on the glass substrate 20, and supplies a constant voltage (E) to the piezoelectric elements 15a, 15b, 15c and 15d.
【００２１】次に、以上のように構成される角速度セン
サの製作工程を図３を用いて説明する。この角速度セン
サは１枚の単結晶シリコンウエハ上に作製される複数チ
ップのうちの１チップとして半導体微細加工技術を用い
て形成され、これらのチップは単結晶シリコンウエハ上
に複数形成されている。図３に示すものは１チップに形
成される角速度センサの図２に示すもののＤ−Ｄ′断面
部分を示している。同図の（ａ）では、単結晶シリコン
よりなる基板14表面の、図２の凹部26に相当する位置に
約２μｍ程度の窪み32をエッチング等により形成する。
次に、同図の（ｂ）では、ＰＳＧ（Phosho-Silicate Gl
ass ）膜を全面に成膜した後、窪み32部分だけにＰＳＧ
膜が残るようレジスト等をマスクにしてパターニングす
る。次に、同図の（ｃ）では、ボロン等を拡散させて低
抵抗にしたポリシリコン層34を約５μｍ程度全面にＣＶ
Ｄ（Chemical Vapor Deposition ）法等により積層形成
する。その後、捩れ振動子13、連結部19ａ，19ｂ、板ば
ね部16ａ，16ｂ上の所望領域のリードパターン形成部分
と検出電極23形成部分に、酸化シリコン等の絶縁層22を
形成する。次に、この絶縁層22形成部分と、のちに圧電
素子15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄとなる部分に金属電極とし
てのアルミニウム薄膜35を製膜して、検出電極23と、所
要数のリードパターンと、圧電素子15ａ，15ｂ，15ｃ，
15ｄの下部電極29ａとを形成する。Next, a manufacturing process of the angular velocity sensor configured as described above will be described with reference to FIG. This angular velocity sensor is formed using a semiconductor fine processing technique as one of a plurality of chips manufactured on one single crystal silicon wafer, and a plurality of these chips are formed on the single crystal silicon wafer. FIG. 3 shows a section of the angular velocity sensor formed on one chip taken along the line DD 'shown in FIG. 2A, a recess 32 of about 2 μm is formed by etching or the like at a position corresponding to the concave portion 26 of FIG. 2 on the surface of the substrate 14 made of single crystal silicon.
Next, in (b) of the figure, PSG (Phosho-Silicate Gl
ass) After the film is formed on the entire surface, PSG
Patterning is performed using a resist or the like as a mask so that the film remains. Next, in FIG. 3C, a polysilicon layer 34 having a low resistance by diffusing boron or the like is applied over the entire surface of about 5 μm to CV.
The layers are formed by a D (Chemical Vapor Deposition) method or the like. Thereafter, an insulating layer 22 of silicon oxide or the like is formed on the lead pattern formation portion and the detection electrode 23 formation portion of the desired region on the torsional vibrator 13, the connecting portions 19a and 19b, and the plate spring portions 16a and 16b. Next, an aluminum thin film 35 as a metal electrode is formed on a portion where the insulating layer 22 is to be formed and a portion which will be the piezoelectric elements 15a, 15b, 15c and 15d later, and the detection electrode 23 and a required number of lead patterns are formed. , Piezoelectric elements 15a, 15b, 15c,
A 15d lower electrode 29a is formed.
【００２２】次に、同図の（ｄ）では、圧電素子15ａ，
15ｂ，15ｃ，15ｄの下部電極29ａ上に、酸化亜鉛等の圧
電薄膜28を形成し、さらにその上にアルミニウム薄膜35
を製膜して上部電極29ｂを形成することにより、圧電素
子15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄが構成される。次に、同図の
（ｅ）では、レジスト等をマスクとしてＲＩＥ（Reacti
ve Ion Etching）等のドライエッチング技術により、ポ
リシリコン層34を音叉振動子12、捩れ振動子13、固定駆
動電極18、連結部19ａ，19ｂ、板ばね部16ａ，16ｂのそ
れぞれの形状に加工する。また、これら音叉振動子12等
の側面が、基板14に対して垂直となるようＲＩＥ等のエ
ッチング工程で、基板14の温度を低温にすることが望ま
しい。その後、弗酸等のエッチング液で前記ＰＳＧ膜33
をエッチングして除去し、音叉振動子12、捩れ振動子1
3、連結部19ａ，19ｂ、板ばね部16ａ，16ｂを基板14か
ら浮いた状態にする。Next, in FIG. 3D, the piezoelectric elements 15a,
A piezoelectric thin film 28 of zinc oxide or the like is formed on the lower electrodes 29a of 15b, 15c and 15d, and an aluminum thin film 35 is further formed thereon.
Is formed to form the upper electrode 29b, whereby the piezoelectric elements 15a, 15b, 15c, and 15d are formed. Next, in (e) of the figure, RIE (Reacti
The polysilicon layer 34 is processed into the respective shapes of the tuning fork vibrator 12, the torsional vibrator 13, the fixed drive electrode 18, the connecting portions 19a and 19b, and the leaf spring portions 16a and 16b by a dry etching technique such as ve ion etching. . In addition, it is desirable to lower the temperature of the substrate 14 in an etching process such as RIE so that the side surfaces of the tuning fork vibrator 12 and the like are perpendicular to the substrate 14. Thereafter, the PSG film 33 is etched with an etchant such as hydrofluoric acid.
By etching, tuning fork vibrator 12, torsional vibrator 1
3. The connecting portions 19a and 19b and the leaf spring portions 16a and 16b are floated from the substrate 14.
【００２３】次に、同図の（ｆ）では、前記同図の
（ｇ）に示す状態の上部全面にガラス基板20を載せる。
このガラス基板20面には捩れ振動子13の検出電極23と対
向する位置に、アルミニウム等に電極24が形成され、さ
らに、このガラス基板20には固定駆動電極18と捩れ振動
子13に対向する位置や必要な箇所に適当数の電極取出口
21が開口されている。Next, in (f) of the figure, the glass substrate 20 is placed on the entire upper surface of the state shown in (g) of the figure.
On the surface of the glass substrate 20, an electrode 24 is formed of aluminum or the like at a position facing the detection electrode 23 of the torsional vibrator 13, and further, the glass substrate 20 faces the fixed drive electrode 18 and the torsional vibrator 13. Appropriate number of electrode outlets at locations and where needed
21 is open.
【００２４】次に、このガラス基板20を固定枠14ｃと固
定駆動電極18部分に陽極接合等により接合固定する。そ
の結果、捩れ振動子13とガラス基板20との間には約１μ
ｍ程度の間隙ができる。Next, the glass substrate 20 is bonded and fixed to the fixed frame 14c and the fixed drive electrode 18 by anodic bonding or the like. As a result, the distance between the torsional vibrator 13 and the glass substrate 20 is about 1 μm.
A gap of about m is formed.
【００２５】次に、同図の（ｇ）では、以上のようにシ
リコンウエハ上に複数形成した角速度センサのチップを
１チップずつ切断し、その後、ガラス基板20の電極取出
口21を利用して、半田36等により固定駆動電極18やガラ
ス基板20の電極24等の所望の箇所のそれぞれにリード線
35が接続固定され、駆動回路や信号検出回路等の所望の
回路に接続され、角速度センサが作製される。Next, in FIG. 3G, a plurality of chips of the angular velocity sensor formed on the silicon wafer as described above are cut one by one, and thereafter, the electrodes 21 of the glass substrate 20 are used. , Solder 36, etc., lead wires to desired locations such as the fixed drive electrode 18 and the electrode 24 of the glass substrate 20, etc.
35 is connected and fixed, and connected to a desired circuit such as a drive circuit and a signal detection circuit, and an angular velocity sensor is manufactured.
【００２６】以上の製造工程において、同図の（ｆ）と
（ｇ）に示される工程段階で減圧雰囲気中で製造を行う
と、内部が減圧雰囲気になり、音叉振動子12と捩れ振動
子13のＱ値が高くなり、角速度センサを高分解能にする
ことができる。In the above-described manufacturing process, if the manufacturing is performed in a reduced pressure atmosphere in the process steps shown in (f) and (g) of the same figure, the inside becomes a reduced pressure atmosphere, and the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 Is increased, and the angular velocity sensor can have a high resolution.
【００２７】次に、以上のように構成される角速度セン
サの角速度の検出動作を図４に示す斜視図を用いて説明
する。同図において、固定駆動電極18と音叉振動子12に
駆動入力としての交流電圧が加わると、低抵抗に形成さ
れている音叉振動子12と固定駆動電極18との間に静電力
が発生し、音叉振動子12のおもり部17ａ，17ｂは、例え
ば図示の矢印Ｖ1 ，Ｖ2 方向のような反対向きに振動
し、この状態で角速度を受けて音叉軸周りに回転する
と、おもり部17ａ，17ｂに図示の矢印Ｆ1 ，Ｆ2 方向の
ような音叉軸および振動方向に直交する逆向きのコリオ
リ力が発生する。このコリオリ力が捩れ振動子13に作用
して、捩れ振動子13は捩れ振動を起こす。Next, the operation of detecting the angular velocity of the angular velocity sensor configured as described above will be described with reference to the perspective view shown in FIG. In the figure, when an AC voltage as a drive input is applied to the fixed drive electrode 18 and the tuning fork vibrator 12, an electrostatic force is generated between the tuning fork vibrator 12 and the fixed drive electrode 18 formed with low resistance, weight portion 17a of the tuning fork vibrator 12, 17b, for example oscillates in an arrow V 1, V 2 directions opposite as shown, when rotated about the tuning fork shaft receiving angular in this state, the weight portion 17a, 17b A Coriolis force is generated in the direction opposite to the tuning fork axis and the vibration direction, such as the directions of arrows F 1 and F 2 shown in FIG. This Coriolis force acts on the torsional vibrator 13, and the torsional vibrator 13 generates torsional vibration.
【００２８】一方、音叉振動子12と捩れ振動子13の各固
有振動周波数が一致するよう圧電素子15ａ，15ｂ，15
ｃ，15ｄには、常に電圧印加制御回路により電圧（Ｅ）
が印加されている。そのため、音叉振動子12と捩れ振動
子13とは常に共振状態にあり、捩れ振動子13に発生する
捩れ振動は、最大の振幅状態で起こる。On the other hand, the piezoelectric elements 15a, 15b, and 15 are so adjusted that the natural vibration frequencies of the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 match.
The voltage (E) is always applied to c and 15d by the voltage application control circuit.
Is applied. Therefore, the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 are always in a resonance state, and the torsional vibration generated in the torsional vibrator 13 occurs in the maximum amplitude state.
【００２９】この捩れ振動子13の捩れ振動により、捩れ
振動子13に形成されている検出電極23とガラス基板20に
形成されている電極24との間の静電容量が変化する。こ
の静電容量の大きさを角速度の検出信号として取り出
す。Due to the torsional vibration of the torsional vibrator 13, the capacitance between the detection electrode 23 formed on the torsional vibrator 13 and the electrode 24 formed on the glass substrate 20 changes. The magnitude of the capacitance is extracted as a detection signal of the angular velocity.
【００３０】したがって、本実施例によれば、前記基本
構成の場合と同様に、音叉振動子12と捩れ振動子13とは
常に共振するよう制御されているので、捩れ振動は最大
の振幅状態となり、角速度の検出信号は常に最大の状態
で出力され、検出精度は非常によくなる。Therefore, according to the present embodiment, the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 are controlled so as to always resonate, as in the case of the basic configuration, so that the torsional vibration is in the maximum amplitude state. In addition, the angular velocity detection signal is always output in the maximum state, and the detection accuracy becomes very good.
【００３１】また、角速度センサは半導体基板を利用し
て半導体微細加工技術によって形成されているので、加
工精度よく、小型に、また、機械特性のＱ値を高く形成
できる。Further, since the angular velocity sensor is formed by semiconductor fine processing technology using a semiconductor substrate, it can be formed with high processing accuracy, small size, and high Q value of mechanical characteristics.
【００３２】さらに、角速度センサがこのように小型化
されることによって、おもり17ａ，17ｂに発生するコリ
オリ力の低下による検出精度の低下や、また、機械特性
のＱ値が高く作製される場合における音叉振動子12と捩
れ振動子13の各固有振動周波数のばらつきによる検出分
解能の急低下は、本実施例によれば、各振動子12と13を
常に共振するようにして捩れ振動の振幅を最大にするよ
う圧電素子に電圧（Ｅ）を印加しているので、角速度セ
ンサは小型化されたり、角振動子12，13の各固有振動周
波数にばらつきがあっても、検出精度や検出分解能は非
常に優れたものにできる。Further, since the angular velocity sensor is miniaturized in this way, the detection accuracy is lowered due to the reduction of the Coriolis force generated in the weights 17a and 17b, and the Q value of the mechanical characteristics is increased. According to the present embodiment, the sudden decrease in the detection resolution due to the variation in the natural vibration frequencies of the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 is such that the vibrators 12 and 13 always resonate to maximize the amplitude of the torsional vibration. The voltage (E) is applied to the piezoelectric element so that the angular velocity sensor is downsized, and even if the natural vibration frequencies of the angular oscillators 12 and 13 vary, the detection accuracy and the detection resolution are extremely high. Can be excellent.
【００３３】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、振動
調整手段として圧電素子15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄの歪変
形を利用した歪み発生機構によって構成したが、音叉振
動子12と捩れ振動子13との固有振動周波数を常に等しく
なるよう制御できるものであれば、その他の機構によっ
て振動調整手段を構成してもよい。The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can take various embodiments. For example, the vibration adjusting means is constituted by a distortion generating mechanism using the distortion deformation of the piezoelectric elements 15a, 15b, 15c, 15d. However, it is possible to control the natural vibration frequency of the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 to be always equal. Any other mechanism may be used to constitute the vibration adjusting means.
【００３４】また、歪み発生機構として圧電素子15ａ，
15ｂ，15ｃ，15ｄを用いたが、歪み変化が制御できるも
のであればその他の素子を用いてもよい。さらに、上記
実施例では、音叉振動子12と捩れ振動子13との固有振動
周波数がずれたとき、音叉振動子12の固有振動周波数を
調節して捩れ振動子13のそれと等しくなるように構成し
たが、捩れ振動子13の固有振動周波数を調節して音叉振
動子12のそれと等しくなるようにしてもよい。この場
合、振動調整手段として圧電素子を用いたときには、角
速度センサ作製時の音叉振動子12の固有振動周波数を、
上記実施例とは逆に、捩れ振動子13のそれよりも高く形
成することになる。また、上記実施例では、音叉振動子
12を捩れ振動子13の内側に形成したが、捩れ振動子13の
外側に形成してもよい。Further, the piezoelectric element 15a,
Although 15b, 15c and 15d are used, other elements may be used as long as the change in distortion can be controlled. Furthermore, in the above embodiment, when the natural vibration frequency of the tuning fork vibrator 12 and the torsional vibrator 13 are shifted, the natural vibration frequency of the tuning fork vibrator 12 is adjusted to be equal to that of the torsional vibrator 13. However, the natural vibration frequency of the torsional vibrator 13 may be adjusted to be equal to that of the tuning fork vibrator 12. In this case, when a piezoelectric element is used as the vibration adjusting means, the natural vibration frequency of the tuning fork vibrator 12 at the time of manufacturing the angular velocity sensor,
Contrary to the above embodiment, the torsional vibrator 13 is formed higher than that. In the above embodiment, the tuning fork vibrator
Although 12 is formed inside the torsional vibrator 13, it may be formed outside the torsional vibrator 13.
【００３５】さらに、検出電極23や電極24をアルミニウ
ムにより形成したが、他の導体金属にて形成してもよ
い。Further, although the detection electrode 23 and the electrode 24 are formed of aluminum, they may be formed of another conductive metal.
【００３６】さらに、基板14とガラス基板20とを陽極接
合方法により接合固定したが、共晶接合等、他の接合方
法によって行ってもよい。Further, although the substrate 14 and the glass substrate 20 are bonded and fixed by the anodic bonding method, the bonding may be performed by another bonding method such as eutectic bonding.
【００３７】さらに、固定電極18、音叉振動子12等を、
ボロン等を拡散させたポリシリコンにより低抵抗に形成
して、それ自身電極として機能させたが、それぞれに金
属層等を蒸着し、これを電極としてもよく、その他の方
法により行ってもよい。Further, the fixed electrode 18, the tuning fork vibrator 12, etc.
Although a low resistance is formed by polysilicon in which boron or the like is diffused and the electrode itself functions as an electrode, a metal layer or the like may be vapor-deposited on each of them, and this may be used as an electrode, or another method may be used.
【００３８】さらに、上記実施例では、第１の振動子を
音叉振動子12として、第２の振動子を捩れ振動子13とし
て構成したが、第１の振動子のコリオリ力を受けて第２
の振動子が振動するような構成であれば、どのような構
成でもよい。Further, in the above-described embodiment, the first vibrator is configured as the tuning fork vibrator 12 and the second vibrator is configured as the torsional vibrator 13. However, the second vibrator receives the Coriolis force of the first vibrator.
Any structure may be used as long as the vibrator vibrates.
【００３９】[0039]
【発明の効果】本発明は、振動調整手段により、第１の
振動子と第２の振動子の固有振動周波数が常に等しくな
るよう制御しているので、角速度センサ作製時に両振動
子の固有振動周波数が不一致となっても各固有振動周波
数が一致するよう制御されるため、第１の振動子と第２
の振動子とは常に共振し、第２の振動子に発生する振動
は最大振幅状態となる。したがって、角速度センサから
出力する角速度検出信号は、各角速度に対して常に最大
の振幅状態で出力され、角速度センサの検出精度は極め
て優れたものとなる。According to the present invention, the natural vibration frequencies of the first and second vibrators are controlled by the vibration adjusting means so that the natural vibration frequencies of both vibrators are always equal to each other. Even if the frequencies do not match, each natural vibration frequency is controlled so as to match.
Vibrator always resonates, and the vibration generated in the second vibrator is in the maximum amplitude state. Therefore, the angular velocity detection signal output from the angular velocity sensor is always output in the maximum amplitude state for each angular velocity, and the detection accuracy of the angular velocity sensor is extremely excellent.
【００４０】また、本発明の角速度センサを半導体基板
を利用して半導体微細加工技術によって形成した場合に
は、角速度センサを小型に、加工精度よく、また、機械
特性のＱ値を高く形成できる。Further, when the angular velocity sensor of the present invention is formed by a semiconductor fine processing technique using a semiconductor substrate, the angular velocity sensor can be formed small, with high processing accuracy, and with a high Q value of mechanical characteristics.
【００４１】さらに、このように、角速度センサを小型
に形成した場合には、一般に第１の振動子に発生するコ
リオリ力は減少して検出感度が低下するが、本発明は、
前記のように、振動調整手段によって常に角速度の検出
信号の出力が最大となるよう制御されるので、コリオリ
力の減少分は補償されることになり、常に検出精度は優
れたものとなり、高分解能が達成される。Further, when the angular velocity sensor is formed in a small size as described above, the Coriolis force generated in the first vibrator generally decreases to lower the detection sensitivity.
As described above, since the output of the angular velocity detection signal is always controlled to be maximum by the vibration adjusting means, the decrease in the Coriolis force is compensated, and the detection accuracy is always excellent, and the high resolution Is achieved.
【図１】本発明の角速度センサの基本構成の一例を示す
説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an example of a basic configuration of an angular velocity sensor according to the present invention.
【図２】本発明の角速度センサの一実施例を示す構成図
である。FIG. 2 is a configuration diagram showing one embodiment of an angular velocity sensor of the present invention.
【図３】同実施例の製造工程図である。FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the embodiment.
【図４】同実施例の角速度検出動作を示す斜視図であ
る。FIG. 4 is a perspective view showing an angular velocity detecting operation of the embodiment.
【図５】従来の角速度センサを示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory view showing a conventional angular velocity sensor.
【図６】半導体基板上に作製した角速度センサの従来例
を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory view showing a conventional example of an angular velocity sensor manufactured on a semiconductor substrate.
12 音叉振動子（第１の振動子） 13 捩れ振動子（第２の振動子） 15ａ，15ｂ，15ｃ，15ｄ 圧電素子（振動調整手段とし
ての歪み発生機構） 16ａ，16ｂ 板ばね部12 Tuning fork vibrator (first vibrator) 13 Torsional vibrator (second vibrator) 15a, 15b, 15c, 15d Piezoelectric element (strain generating mechanism as vibration adjusting means) 16a, 16b
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 友保 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 (72)発明者 厚地 健一 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 (56)参考文献 特開 昭59−60210（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−190784（ＪＰ，Ａ) 国際公開93／5401（ＷＯ，Ａ１) 国際公開91／14285（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Tomoho Hasegawa 2-26-10 Tenjin, Nagaokakyo-shi, Kyoto Inside Murata Manufacturing Co., Ltd. (72) Kenichi Atsuchi 2-26-10 Tenjin, Nagaokakyo-shi, Kyoto In Murata Manufacturing Co., Ltd. (56) References JP-A-59-60210 (JP, A) JP-A-7-190784 (JP, A) International Publication 93/5401 (WO, A1) International Publication 91/14285 (WO , A1) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01C 19/56 G01P 9/04
Claims (3)
と、角速度による第１の振動子のコリオリ力を受けて振
動する第２の振動子と、第１の振動子と第２の振動子の
少くとも一方側の振動数を可変制御して第１の振動子と
第２の振動子の固有振動周波数を合わせる振動調整手段
とを有し、前記第１の振動子は音叉振動子によって構成
され、第２の振動子は第１の振動子のコリオリ力によっ
て捩れ振動を行う捩れ振動子によって構成され、音叉振
動子の両端は板ばね部を介して捩れ振動子に連結固定さ
れており、この板ばね部を含む音叉振動子と捩れ振動子
の連結周辺領域内に振動調整手段が設けられ、この振動
調整手段は電気的に制御可能な歪みを発生する歪み発生
機構によって形成されている角速度センサ。1. A first vibrator vibrating by a drive input, a second vibrator vibrating by receiving a Coriolis force of the first vibrator by an angular velocity, a first vibrator and a second vibrator. at least the frequency of one side have a vibration adjusting means for matching the natural vibration frequency of the variable control to the first vibrator and the second vibrator, the first transducer configured with a tuning fork vibrator of
The second vibrator is driven by the Coriolis force of the first vibrator.
Composed of a torsional vibrator that performs torsional vibration
Both ends of the rotor are connected and fixed to the torsional vibrator via leaf springs.
Tuning fork vibrator and torsional vibrator including this leaf spring part
A vibration adjusting means is provided in the connection peripheral area of
The adjusting means generates an electrically controllable distortion.
An angular velocity sensor that is formed by the mechanism.
と、角速度による第１の振動子のコリオリ力を受けて振
動する第２の振動子と、第１の振動子と第２の振動子の
少くとも一方側の振動数を可変制御して第１の振動子と
第２の振動子の固有振動周波数を合わせる振動調整手段
とを有し、前記第１の振動子と第２の振動子は半導体基
板上に半導体微細加工技術を用いて形成されており、前
記第１の振動子は音叉振動子によって構成され、第２の
振動子は第１の振動子のコリオリ力によって捩れ振動を
行う捩れ振動子によって構成され、音叉振動子の両端は
板ばね部を介して捩れ振動子に連結固定されており、こ
の板ばね部を含む音叉振動子と捩れ振動子の連結周辺領
域内に振動調整手段が設けられ、この振動調整手段は電
気的に制御可能な歪みを発生する歪み発生機構によって
形成されている角速度センサ。2. A first vibrator oscillated by a drive input.
Of the first vibrator due to the angular velocity
Moving second vibrator, and the first vibrator and the second vibrator
At least one of the frequencies is variably controlled so that the first oscillator
Vibration adjusting means for adjusting the natural vibration frequency of the second vibrator
Has the door, the first vibrator and the second vibrator is formed by using a semiconductor microfabrication technology on a semiconductor substrate, before
The first vibrator is constituted by a tuning fork vibrator,
The vibrator generates torsional vibration by Coriolis force of the first vibrator
Torsion vibrator, and both ends of the tuning fork vibrator
It is connected and fixed to the torsional vibrator via a leaf spring
Around the connection between the tuning fork vibrator and the torsional vibrator including the leaf spring
Vibration adjustment means is provided in the area, and the vibration adjustment means
With a strain generation mechanism that generates strain that can be controlled pneumatically
The formed angular velocity sensor.
れている請求項１又は請求項２記載の角速度センサ。3. The distortion generating mechanism is constituted by a piezoelectric element.
The angular velocity sensor according to claim 1 or 2, wherein
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| JP11390993A JP3230331B2 (en) | 1993-04-16 | 1993-04-16 | Angular velocity sensor |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP11390993A JP3230331B2 (en) | 1993-04-16 | 1993-04-16 | Angular velocity sensor |
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| JPH06300569A JPH06300569A (en) | 1994-10-28 |
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|---|---|---|---|---|
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