JP3262082B2 - Vibrating angular velocity detector - Google Patents

Vibrating angular velocity detector

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JP3262082B2
JP3262082B2 JP29077498A JP29077498A JP3262082B2 JP 3262082 B2 JP3262082 B2 JP 3262082B2 JP 29077498 A JP29077498 A JP 29077498A JP 29077498 A JP29077498 A JP 29077498A JP 3262082 B2 JP3262082 B2 JP 3262082B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体の微細加工によ
り形成され、角速度を振動子に生起されるコリオリ力に
関連して検出するようにした角速度検出器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity detector which is formed by fine processing of a semiconductor and detects an angular velocity in relation to a Coriolis force generated in a vibrator.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種の角速度検出器としては、
特開平7−43166号、特開平7−174569号記
載の検出器が知られている。この技術は、振動体を1軸
方向に伸びたビームで支持することで、振動体をビーム
の軸に垂直な方向に振動可能にしている。そして、振動
体を基板面に平行な面上でビーム軸に垂直な方向、即
ち、励振軸方向に振動させ、基板に垂直な方向、即ち、
検出軸方向に生起するコリオリ力に関連した値を検出す
ることで、ビーム軸の回りの角速度を検出するようにし
ている。1軸方向のビームで振動子を支える場合には、
そのビームは励振軸及び検出軸の両方向に振動可能であ
るために、励振成分が容易に検出軸方向に現れ、角速度
の検出誤差を生じる原因となっている。又、検出軸が基
板に垂直な方向であるために、基板に垂直な方向に沿っ
て、検出電極を配設する必要がある。即ち、基板、電
極、振動子、電極を間隙を設けて多層化する必要があ
り、加工工程が複雑となる。
2. Description of the Related Art Conventionally, as this kind of angular velocity detector,
The detectors described in JP-A-7-43166 and JP-A-7-174569 are known. In this technique, a vibrating body is supported by a beam extending in one axial direction, thereby enabling the vibrating body to vibrate in a direction perpendicular to the axis of the beam. Then, the vibrator is oscillated in a direction perpendicular to the beam axis on a plane parallel to the substrate surface, that is, in the direction of the excitation axis, and in a direction perpendicular to the substrate, that is,
The angular velocity around the beam axis is detected by detecting a value related to the Coriolis force generated in the detection axis direction. When supporting the vibrator with a uniaxial beam,
Since the beam can oscillate in both directions of the excitation axis and the detection axis, an excitation component easily appears in the direction of the detection axis, causing a detection error of angular velocity. Further, since the detection axis is in the direction perpendicular to the substrate, it is necessary to dispose the detection electrodes along the direction perpendicular to the substrate. That is, it is necessary to provide a substrate, an electrode, a vibrator, and an electrode to form a multilayer by providing a gap, which complicates a processing step.

【0003】そこで、本発明者らは、特願平8−334337
号のように、励振軸と検出軸とが基板面上に存在する
角速度検出器を発明した。その構造は、図17、図18
に示されている。紙面が基板面であり、基板面に垂直な
方向にz軸、基板面上に図のようにx軸、y軸をとる。
この検出器ではz軸の回りの角速度ωが検出され、x軸
が励振軸、y軸が検出軸である。マス部10の両側には
ビーム21、22、23、24がx軸方向に延設されて
いる。これらのビーム21、22、23、24の他端は
y軸方向に伸びたビーム31、32、33、34に接続
されている。そして、ビーム31、33の他端はx軸方
向に伸びたフレーム41に接続され、ビーム32、34
の他端はx軸方向に伸びたフレーム42に接続されてい
る。さらに、これらのフレーム41、42を支持するた
めに、一端が基板に固定されたビーム35、36、3
7、38が設けられている。このような構造により、ビ
ーム31、32、33、34、35、36、37、38
は、x軸方向に屈曲可能であるために、マス部10とビ
ーム21、22、23、24から成る浮上体はx軸方向
に容易に振動する。しかし、ビーム31、32、33、
34、35、36、37、38はy軸方向に伸びている
ために、y軸方向の剛性は大きく、y軸方向の振動は大
きく抑制される。一方、ビーム21、22、23、24
はx軸方向に伸びているので、y軸方向には極めて屈曲
し易い。このため、マス部10にy軸方向に振動するコ
リオリ力が作用すると、マス部10は容易にy軸方向に
振動する。
[0003] The inventors of the present invention have proposed in Japanese Patent Application No. 8-334337.
As described above, the inventors invented an angular velocity detector in which the excitation axis and the detection axis exist on the substrate surface. The structure is shown in FIGS.
Is shown in The paper surface is the substrate surface, and the z-axis is taken in a direction perpendicular to the substrate surface, and the x-axis and y-axis are taken on the substrate surface as shown in the figure.
This detector detects the angular velocity ω around the z axis, the x axis is the excitation axis, and the y axis is the detection axis. Beams 21, 22, 23, and 24 are provided on both sides of the mass section 10 so as to extend in the x-axis direction. The other ends of these beams 21, 22, 23, 24 are connected to beams 31, 32, 33, 34 extending in the y-axis direction. The other ends of the beams 31 and 33 are connected to a frame 41 extending in the x-axis direction.
Is connected to a frame 42 extending in the x-axis direction. Further, in order to support these frames 41, 42, beams 35, 36, 3 fixed at one end to a substrate are provided.
7, 38 are provided. With such a structure, the beams 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38
Is capable of bending in the x-axis direction, so that the floating body composed of the mass portion 10 and the beams 21, 22, 23, and 24 easily vibrates in the x-axis direction. However, beams 31, 32, 33,
Since 34, 35, 36, 37, and 38 extend in the y-axis direction, the rigidity in the y-axis direction is large, and the vibration in the y-axis direction is greatly suppressed. On the other hand, beams 21, 22, 23, 24
Is very easily bent in the y-axis direction because it extends in the x-axis direction. Therefore, when a Coriolis force that vibrates in the y-axis direction acts on the mass section 10, the mass section 10 easily vibrates in the y-axis direction.

【0004】x軸方向の励振は、励振電極である固定櫛
歯電極74に交流電圧を印加して、固定櫛歯電極74と
噛み合った可動櫛歯電極73との間に交流の静電力を発
生させることにより行われる。この時、励振検出電極で
ある固定櫛歯電極76と可動櫛歯電極75との間の静電
容量を検出することで励振の変位が検出され、振幅が一
定となるようにフィードバック制御されている。y軸方
向の振動成分は検出電極を構成する可動櫛歯電極81と
固定櫛歯電極82、83間の静電容量、可動櫛歯電極8
4と固定櫛歯電極85、86間の静電容量の変化により
検出される。
In the excitation in the x-axis direction, an AC voltage is applied to a fixed comb electrode 74 which is an excitation electrode to generate an AC electrostatic force between the fixed comb electrode 74 and the movable comb electrode 73 engaged with the fixed comb electrode 74. This is done by letting At this time, the displacement of the excitation is detected by detecting the capacitance between the fixed comb electrode 76 and the movable comb electrode 75 which are the excitation detection electrodes, and the feedback control is performed so that the amplitude becomes constant. . The vibration component in the y-axis direction is the capacitance between the movable comb electrode 81 and the fixed comb electrodes 82 and 83 constituting the detection electrode, and the movable comb electrode 8
4 and a change in capacitance between the fixed comb electrodes 85 and 86.

【0005】このような構造により、x軸方向の励振成
分がy軸方向に漏れず、y軸方向にマス部10に作用す
るコリオリ力に対して敏感に応答させることができる。
本願発明者らは、このような検出精度の高い、励振軸と
検出軸とが基板面上に存在する角速度検出器を提案して
いる。
[0005] With such a structure, the excitation component in the x-axis direction does not leak in the y-axis direction, and the response can be made sensitive to Coriolis force acting on the mass section 10 in the y-axis direction.
The present inventors have proposed an angular velocity detector having such a high detection accuracy, in which the excitation axis and the detection axis exist on the substrate surface.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記の角速度検出器で
は、検出電極である固定櫛歯電極82、83、85、8
6に対して配線をする必要がある。しかし、可動電極7
3、75がy軸方向に変位しないようにy軸方向の剛性
を高めるために、フレーム41、42をx軸方向に配設
している。このため、これらのフレーム41、42が障
害となり、配線を基板上に蒸着又は配線層により形成す
ることができない。そこで、フレーム41、42をまた
ぐように、リード線101、102、103、104を
パッド111、112、113、114に対してボンデ
ィングする必要があった。つまり、高度なボンディング
作業が介在するために、製造効率が悪いという問題があ
った。
In the angular velocity detector described above, the fixed comb electrodes 82, 83, 85, and 8 serving as detection electrodes are provided.
6 needs to be wired. However, the movable electrode 7
In order to increase the rigidity in the y-axis direction so that the members 3 and 75 are not displaced in the y-axis direction, the frames 41 and 42 are arranged in the x-axis direction. For this reason, these frames 41 and 42 become obstacles, and wiring cannot be formed on a substrate by vapor deposition or a wiring layer. Therefore, it is necessary to bond the lead wires 101, 102, 103, 104 to the pads 111, 112, 113, 114 so as to straddle the frames 41, 42. That is, there is a problem that the manufacturing efficiency is poor due to the presence of an advanced bonding operation.

【0007】又、角速度検出器の感度を向上させるため
には、マス部10の振動のQ値を大きくする必要があ
る。このためには、これらの機能素子部を真空環境に置
くことが良く、図19、20に示すように、シリコン基
板1を上から導電性材料のキャップ91で覆い、内部空
間を真空としている。しかし、内部空間でリード線10
1、102、103、104がキャップ91に対して接
触しないように配慮する必要があり、パッケージング工
程の作業性が良くないという問題がある。又、空間配線
を設けた場合には、リード線自体に慣性力が作用し、リ
ード線が断線する可能性があり、信頼性に問題がある。
In order to improve the sensitivity of the angular velocity detector, it is necessary to increase the Q value of the vibration of the mass section 10. For this purpose, these functional element portions are preferably placed in a vacuum environment. As shown in FIGS. 19 and 20, the silicon substrate 1 is covered from above with a cap 91 made of a conductive material, and the internal space is evacuated. However, lead wire 10
It is necessary to take care that 1, 102, 103, and 104 do not contact the cap 91, and there is a problem that workability in the packaging process is not good. Further, when the space wiring is provided, an inertial force acts on the lead wire itself, and the lead wire may be disconnected, which causes a problem in reliability.

【0008】上記の問題を解決するために、フレーム4
1、42をなくして、一端が基板1に固定されたフォー
ルデッドビームだけで可動櫛歯電極73、75やマス部
10を支持することが考えられる。しかし、このビーム
構造により可動櫛歯電極73、75がx軸方向と、y軸
方向により等価的にバネで基板1に支持されていると見
なした場合に、x軸方向のバネ定数は小さくできるが、
y軸方向のバネ定数も小さくなるという問題がある。ま
た、可動櫛歯電極73の1つの歯とその両側に存在する
固定櫛歯電極74の歯との間隔が、製造精度の限界によ
り完全には等しくならない。この結果、x軸方向に励振
するとき、可動櫛歯電極73にはy軸方向にも力が働
き、y軸方向にも振動する。y軸方向に容易に振動し易
いと、図21に示すように、ビーム31、32、35、
36が変形し、可動櫛歯電極73が基板面上で楕円運動
をすることになり、極端な場合には、可動櫛歯電極73
と固定櫛歯電極74とが接触するという問題がある。
[0008] To solve the above problem, the frame 4
It is conceivable that the movable comb electrodes 73 and 75 and the mass portion 10 are supported only by the folded beam having one end fixed to the substrate 1 without the reference numerals 1 and 42. However, when it is considered that the movable comb electrodes 73 and 75 are equivalently supported on the substrate 1 by the spring in the x-axis direction and the y-axis direction by this beam structure, the spring constant in the x-axis direction is small. You can,
There is a problem that the spring constant in the y-axis direction is also reduced. Further, the distance between one tooth of the movable comb electrode 73 and the teeth of the fixed comb electrode 74 located on both sides of the movable comb electrode 73 is not completely equal due to the limitation of manufacturing accuracy. As a result, when exciting in the x-axis direction, a force acts on the movable comb electrode 73 also in the y-axis direction and vibrates in the y-axis direction. When it is easy to vibrate in the y-axis direction, the beams 31, 32, 35,
36 is deformed, and the movable comb electrode 73 makes an elliptical motion on the substrate surface. In an extreme case, the movable comb electrode 73
And the fixed comb electrode 74 come into contact with each other.

【0009】上記構造の角速度検出器においては、可動
櫛歯電極73、75はx軸方向には容易に変位し得る
が、y軸方向には容易に変位しないビーム構造とするこ
とが必要である。そこで、本発明の目的は、角速度検出
器において、励振軸方向には容易に変位でき、検出軸方
向には容易に変位しないビーム構造を得ることにより、
検出精度を向上させることである。又、他の目的は、検
出電極に対する配線も基板上の蒸着又は配線層により実
現することで、製品の品質を向上させると共に製造を容
易とすることである。さらに、他の目的は、キャップを
有した角速度検出器において、検出電極に対する配線を
蒸着又は積層とすることで、製造を容易にすることであ
る。
In the angular velocity detector having the above-described structure, the movable comb electrodes 73 and 75 need to have a beam structure which can be easily displaced in the x-axis direction but not easily displaced in the y-axis direction. . Therefore, an object of the present invention is to obtain a beam structure that can be easily displaced in the direction of the excitation axis and not easily displaced in the direction of the detection axis in the angular velocity detector.
It is to improve the detection accuracy. Another object of the present invention is to improve the quality of the product and to facilitate the production by realizing the wiring for the detection electrode by vapor deposition or a wiring layer on the substrate. Still another object is to facilitate the manufacture of the angular velocity detector having the cap by depositing or laminating the wiring for the detection electrode.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の請求項1に記載の発明の構成は、基板面上にx軸、x
軸に垂直にy軸をとり、基板面に垂直にz軸をとると
き、基板に対して振動可能に配設されたマス部をx軸方
向に励振させ、z軸の回りの角速度をy軸方向に発生す
るコリオリ力に関連する物理量を検出することで、角速
度を検出する振動式角速度検出器において、マス部の両
側からx軸方向に延設された第1支持ビームと、第1支
持ビームの他端から延設されy軸方向に伸びた自由ビー
ムと、この任意の1つの自由ビームについて、その自由
ビームに平行に所定間隔を隔て設けられ、第1支持ビー
ムに近い方の端部が基板に固定された少なくとも2本の
固定ビームと、固定ビームの他端と自由ビームの一端と
を接続し、x軸方向に伸びたリンクとから成る第2支持
ビームとを備えたことを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an image forming apparatus, comprising: an x-axis;
When the y-axis is taken perpendicular to the axis and the z-axis is taken perpendicular to the substrate surface, a mass portion oscillated with respect to the substrate is excited in the x-axis direction, and the angular velocity around the z-axis is taken as the y-axis. A first supporting beam extending in the x-axis direction from both sides of a mass portion in a vibrating angular velocity detector that detects an angular velocity by detecting a physical quantity related to a Coriolis force generated in the first direction; A free beam extending from the other end of the free beam and extending in the y-axis direction, and an arbitrary one of the free beams are provided at a predetermined interval in parallel with the free beam, and an end closer to the first support beam is provided. At least two fixed beams fixed to the substrate, and a second support beam comprising a link connecting the other end of the fixed beam and one end of the free beam and extending in the x-axis direction. I do.

【0011】また、請求項2に記載の発明の構成は、請
求項1に記載の発明の構成において、第1支持ビームの
他端から延設されy軸方向に伸びた自由ビームを、所定
の間隔を隔てて互いに平行な2本以上の自由ビームの組
としたことを特徴とする。尚この際、第1支持ビームの
他端とは、2本以上の自由ビームの組に所定の間隔をも
たせるため、「端点」の意味ではなく、「端の近傍」を
意味するものとする。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the free beam extending from the other end of the first support beam and extending in the y-axis direction is provided at a predetermined position. It is characterized in that it is a set of two or more free beams parallel to each other at intervals. In this case, the other end of the first support beam does not mean “end point” but means “near the end” in order to provide a predetermined interval between two or more sets of free beams.

【0012】[0012]

【発明の作用及び効果】請求項1に記載の発明の構成に
おいて、各自由ビームはこれと平行な少なくとも2本の
固定ビームで支持されている。よって、自由ビーム、固
定ビームは励振方向であるx軸方向に直角(y軸に平
行)に配設されているので、励振方向には容易に屈曲で
きる。しかし、自由ビームと固定ビームはy軸方向に伸
びているため、y軸方向への屈曲は抑制される。又、第
1支持ビームはx軸方向に伸びているので、y軸方向に
は容易に屈曲でき、検出軸であるy軸方向へのマス部が
変位でき、コリオリ力に関連する物理量を検出すること
ができる。このようにして、自由ビームをx軸方向にの
み容易に変位でき、y軸方向への変位は極めて困難とす
ることができるため、角速度検出器の検出精度を向上さ
せることができる。リンクは少なくとも2本の固定ビー
ムの一端と自由ビームの一端とを接続しているだけであ
り、第1支持ビームの全長に渡り平行に配設されてはい
ない。この結果、y軸方向のマス部の変位を検出するた
めの検出電極に対する配線を基板上の蒸着又は積層で形
成することができ、製造工程が簡略化される。さらに、
真空封止のためのキャップを用いた検出器において、空
間配線を必要としないことから、製品の信頼性が向上す
ると共に製造工程が簡略化される。
According to the first aspect of the present invention, each free beam is supported by at least two fixed beams parallel thereto. Therefore, since the free beam and the fixed beam are arranged at right angles (parallel to the y-axis) in the x-axis direction, which is the excitation direction, they can be easily bent in the excitation direction. However, since the free beam and the fixed beam extend in the y-axis direction, bending in the y-axis direction is suppressed. Also, since the first support beam extends in the x-axis direction, it can be easily bent in the y-axis direction, the mass in the y-axis direction, which is the detection axis, can be displaced, and the physical quantity related to the Coriolis force is detected. be able to. In this way, the free beam can be easily displaced only in the x-axis direction and the displacement in the y-axis direction can be extremely difficult, so that the detection accuracy of the angular velocity detector can be improved. The link only connects one end of the at least two fixed beams and one end of the free beam, and is not arranged parallel to the entire length of the first support beam. As a result, the wiring for the detection electrode for detecting the displacement of the mass portion in the y-axis direction can be formed by vapor deposition or lamination on the substrate, and the manufacturing process is simplified. further,
Since a detector using a cap for vacuum sealing does not require spatial wiring, the reliability of the product is improved and the manufacturing process is simplified.

【0013】また、請求項2に記載の発明の構成におい
て、所定の間隔を隔てて互いに平行に伸びた2本以上の
自由ビームの各組は、これらと平行な少なくとも2本の
固定ビームで支持されている。よって、請求項1に記載
の発明と同様に、自由ビームをx軸方向にのみ容易に変
位でき、y軸方向への変位は極めて困難とすることがで
きるため、角速度検出器の検出精度を向上させることが
できる。更に、第1支持ビームの端の近傍、2本以上の
自由ビームの組、及びリンクとで角柱状の構造を持たせ
ることで、マス部の重心回りの回動を著しく抑えること
ができる。また、リンクは第1支持ビームの全長に渡り
平行に配設されてはいないので、y軸方向のマス部の変
位を検出するための検出電極に対する配線を基板上の蒸
着又は積層で形成することができ、製造工程が簡略化さ
れ、真空封止のためのキャップを用いた検出器におい
て、空間配線を必要としないことから、製品の信頼性が
向上すると共に製造工程が簡略化される。
Further, in the configuration of the present invention, each set of two or more free beams extending parallel to each other at a predetermined interval is supported by at least two fixed beams parallel to these. Have been. Therefore, similarly to the first aspect, the free beam can be easily displaced only in the x-axis direction and the displacement in the y-axis direction can be made extremely difficult, so that the detection accuracy of the angular velocity detector is improved. Can be done. Furthermore, by providing a prismatic structure in the vicinity of the end of the first support beam, a set of two or more free beams, and a link, it is possible to significantly suppress the rotation of the mass section around the center of gravity. Also, since the link is not arranged in parallel over the entire length of the first support beam, the wiring for the detection electrode for detecting the displacement of the mass portion in the y-axis direction should be formed by vapor deposition or lamination on the substrate. Since the manufacturing process is simplified, and a detector using a cap for vacuum sealing does not require a space wiring, the reliability of the product is improved and the manufacturing process is simplified.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。図1は本発明の具体的な第1実施例
にかかる角速度検出器100の平面図であり、図2はそ
の断面図である。図1において、紙面が基板面であり、
基板面に垂直な方向にz軸、基板面上に図のようにx
軸、y軸をとる。この検出器100ではz軸の回りの角
速度ωが検出され、x軸が励振軸、y軸が検出軸であ
る。マス部10の+x軸方向の側10aには、第1支持
ビームを構成するビーム21、22が+x軸方向に延設
されており、マス部10の−x軸方向の側10bには、
第1支持ビームを構成するビーム23、24が−x軸方
向に延設されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described based on specific embodiments. FIG. 1 is a plan view of an angular velocity detector 100 according to a first specific example of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view thereof. In FIG. 1, the paper surface is the substrate surface,
Z-axis in the direction perpendicular to the substrate surface, x on the substrate surface as shown
Axis, y axis. The detector 100 detects an angular velocity ω around the z axis, the x axis is the excitation axis, and the y axis is the detection axis. On the side 10a in the + x-axis direction of the mass portion 10, beams 21 and 22 constituting the first support beam are extended in the + x-axis direction. On the side 10b in the -x-axis direction of the mass portion 10,
Beams 23 and 24 constituting the first support beam extend in the −x-axis direction.

【0015】次に、第2支持ビームについて説明する。
第2支持ビームは自由ビームと固定ビームとそれらを連
結するリンクで構成されている。ビーム21、22の他
端21a、22aは、y軸方向に伸びた自由ビーム3
1、32に接続されている。同様に、ビーム23、24
の他端23a、24aは、y軸方向に伸びた自由ビーム
33、34に接続されている。自由ビーム31、32の
一端31a、32aは、それぞれ、リンク41、42に
その中央部で固定されており、自由ビーム33、34の
一端33a、34aは、それぞれ、リンク43、44に
その中央部で固定されている。
Next, the second support beam will be described.
The second support beam is composed of a free beam, a fixed beam, and a link connecting them. The other ends 21a and 22a of the beams 21 and 22 are free beams 3 extending in the y-axis direction.
1, 32. Similarly, beams 23, 24
Are connected to free beams 33 and 34 extending in the y-axis direction. One ends 31a, 32a of the free beams 31, 32 are fixed to links 41, 42, respectively, at the center thereof, and one ends 33a, 34a of the free beams 33, 34 are respectively connected to the links 43, 44, at the center thereof. It is fixed at.

【0016】又、リンク41の両端41a、41bから
は、それぞれ、固定ビーム511、512が、+y軸方
向に延設されており、それらの固定ビーム511、51
2の一端はアンカー部611、612によりシリコン基
板1に固定されている。同様に、リンク42の両端42
a、42bからは、それぞれ、固定ビーム521、52
2が、−y軸方向に延設されており、それらの固定ビー
ム521、522の一端はアンカー部621、622に
よりシリコン基板1に固定されている。同様に、リンク
43の両端43a、43bからは、それぞれ、固定ビー
ム531、532が、+y軸方向に延設されており、そ
れらの固定ビーム531、532の一端はアンカー部6
31、632によりシリコン基板1に固定されている。
同様に、リンク44の両端44a、44bからは、それ
ぞれ、固定ビーム541、542が、−y軸方向に延設
されており、それらの固定ビーム541、542の一端
はアンカー部641、642によりシリコン基板1に固
定されている。
Fixed beams 511 and 512 extend from both ends 41a and 41b of the link 41 in the + y-axis direction, respectively.
One end of 2 is fixed to the silicon substrate 1 by anchor portions 611 and 612. Similarly, both ends 42 of the link 42
a, 42b, respectively, fixed beams 521, 52
2 extend in the −y-axis direction, and one ends of the fixed beams 521 and 522 are fixed to the silicon substrate 1 by anchor portions 621 and 622. Similarly, from both ends 43a and 43b of the link 43, fixed beams 531 and 532 extend in the + y-axis direction, respectively, and one ends of the fixed beams 531 and 532 are connected to the anchor portion 6 respectively.
It is fixed to the silicon substrate 1 by 31 and 632.
Similarly, from both ends 44a and 44b of the link 44, fixed beams 541 and 542 are respectively extended in the −y-axis direction, and one ends of the fixed beams 541 and 542 are formed by anchor portions 641 and 642 by silicon. It is fixed to the substrate 1.

【0017】又、ビーム21、22の端部21a、22
aは、y軸方向に伸びたリンク71で接続され、ビーム
23、24の端部23a、24aは、y軸方向に伸びた
リンク72で接続されている。リンク71には歯がx軸
方向に伸び、y軸方向に沿って可動櫛歯電極73が形成
されている。そして、その可動櫛歯電極73に噛み合う
ように固定櫛歯電極74がシリコン基板1に固定されて
いる。この可動櫛歯電極73と固定櫛歯電極74とで励
振電極が構成される。同様に、リンク72には歯が−x
軸方向に伸び、y軸方向に沿って可動櫛歯電極75が形
成されている。そして、その可動櫛歯電極75に噛み合
うように固定櫛歯電極76がシリコン基板1に固定され
ている。この可動櫛歯電極75と固定櫛歯電極76とで
励振検出電極が構成される。そして、固定櫛歯電極74
に配線層77が接続され、固定櫛歯電極76に配線層7
8が接続されている。
Also, the ends 21a, 22 of the beams 21, 22
a is connected by a link 71 extending in the y-axis direction, and ends 23a and 24a of the beams 23 and 24 are connected by a link 72 extending in the y-axis direction. The link 71 has teeth extending in the x-axis direction and a movable comb electrode 73 formed along the y-axis direction. A fixed comb electrode 74 is fixed to the silicon substrate 1 so as to mesh with the movable comb electrode 73. The movable comb electrode 73 and the fixed comb electrode 74 constitute an excitation electrode. Similarly, the link 72 has -x
A movable comb electrode 75 extends in the axial direction and extends in the y-axis direction. A fixed comb electrode 76 is fixed to the silicon substrate 1 so as to mesh with the movable comb electrode 75. The movable comb electrode 75 and the fixed comb electrode 76 constitute an excitation detection electrode. Then, the fixed comb electrode 74
Is connected to the wiring layer 77, and the fixed comb-tooth electrode 76 is connected to the wiring layer 7.
8 are connected.

【0018】又、マス部10の+y軸側の端部10cに
は歯が±x軸方向に伸び+y軸方向に沿って可動櫛歯電
極81が配設されており、その可動櫛歯電極81の両側
の歯と噛み合うように、固定櫛歯電極82、83がシリ
コン基板1に固定されている。同様に、マス部10の−
y軸側の端部10dには歯が±x軸方向に伸び−y軸方
向に沿って可動櫛歯電極84が配設されており、その可
動櫛歯電極84の両側の歯と噛み合うように、固定櫛歯
電極85、86がシリコン基板1に固定されている。可
動櫛歯電極81と固定櫛歯電極82、83、及び、可動
櫛歯電極84と固定櫛歯電極85、86とで角速度検出
電極が構成されている。又、固定櫛歯電極82、83
に、それぞれ、配線層87、88が接続され、固定櫛歯
電極85、86に、それぞれ、配線層89、90が接続
されている。
A movable comb electrode 81 is provided at the end 10c of the mass section 10 on the + y axis side along the + x axis direction and extends along the + y axis direction. Fixed comb electrodes 82 and 83 are fixed to the silicon substrate 1 so as to mesh with the teeth on both sides of the silicon substrate 1. Similarly,-of the mass portion 10
At the end 10d on the y-axis side, movable comb-teeth electrodes 84 are disposed along the -x-axis direction with teeth extending in the ± x-axis direction, and are engaged with teeth on both sides of the movable comb-teeth electrode 84. The fixed comb electrodes 85 and 86 are fixed to the silicon substrate 1. The movable comb electrode 81 and the fixed comb electrodes 82 and 83 and the movable comb electrode 84 and the fixed comb electrodes 85 and 86 constitute an angular velocity detection electrode. In addition, fixed comb electrodes 82 and 83
Are connected to wiring layers 87 and 88, respectively, and fixed comb electrodes 85 and 86 are connected to wiring layers 89 and 90, respectively.

【0019】そして、上記構造の基板1は、角型のキャ
ップ91により蓋されている。尚、上記の構造におい
て、マス部10は格子状に、リンク41、42、43、
44、71、72は梯子状に形成されており、下部の層
のエッチングを容易にしている。マス部10、ビーム2
1、22、23、24、自由ビーム31、32、33、
34、リンク41、42、43、44、71、72、可
動櫛歯電極73、75、81、84、固定ビーム51
1、512、521、522、531、532、54
1、542(これらで構成される部分を「浮上部A1」と
いう)と基板1との間には空隙が存在し、浮上部A1は基
板1に対して浮上して支持されている。マス部10に連
続して形成された浮上部は、アンカー部611、61
2、621、622、631、632、641、642
でのみ基板1に固定され、基板1に対して浮上して支持
されている。又、可動櫛歯電極73と固定櫛歯電極74
との大きさの関係は図3に示されている。他の可動櫛歯
電極75と固定櫛歯電極76との関係も図3に示す関係
と同一である。同様に、角速度検出電極を構成する可動
櫛歯電極81と固定櫛歯電極82、83、及び、可動櫛
歯電極84と固定櫛歯電極85、86の関係も図3に示
す関係とほぼ同様である。
The substrate 1 having the above structure is covered with a square cap 91. In the above-described structure, the mass portion 10 is formed in a lattice shape with the links 41, 42, 43,
44, 71, and 72 are formed in a ladder shape to facilitate etching of the lower layer. Mass part 10, beam 2
1, 22, 23, 24, free beams 31, 32, 33,
34, links 41, 42, 43, 44, 71, 72, movable comb electrodes 73, 75, 81, 84, fixed beam 51
1, 512, 521, 522, 531, 532, 54
1,542 voids exist between the substrate 1 (referred to as "floating unit A 1 'the portion constituted with these), floating unit A 1 is supported by levitation with respect to the substrate 1. The floating portions formed continuously with the mass portion 10 are anchor portions 611 and 61.
2,621,622,631,632,641,642
Is fixed to the substrate 1 only, and is floated and supported with respect to the substrate 1. Also, the movable comb electrode 73 and the fixed comb electrode 74
Is shown in FIG. The relationship between the other movable comb electrodes 75 and the fixed comb electrodes 76 is the same as that shown in FIG. Similarly, the relationship between the movable comb electrode 81 and the fixed comb electrodes 82 and 83 and the relationship between the movable comb electrode 84 and the fixed comb electrodes 85 and 86 that constitute the angular velocity detecting electrode is almost the same as the relationship shown in FIG. is there.

【0020】上記構造の角速度検出器100は、次のよ
うに製造される。この製造方法は、半導体の微細加工技
術により製造され、公知の技術である。図4(a)に示
すように、シリコン基板1の上にシリコン酸化膜2を形
成し、このシリコン膜2の上に、不純物を添加して導電
性を持たせたシリコン層3を形成する。次に、シリコン
層3の上にアルミニウムを蒸着して、図4(b)に示す
ように、フォトリソグラフにより所定形状にパターニン
グして、配線層77、78、87、89(以上、図
1)、88、90(図1、図4)を形成する。
The angular velocity detector 100 having the above structure is manufactured as follows. This manufacturing method is manufactured by a semiconductor fine processing technology and is a known technology. As shown in FIG. 4A, a silicon oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1, and a silicon layer 3 having conductivity by adding an impurity is formed on the silicon oxide film 2. Next, aluminum is vapor-deposited on the silicon layer 3 and patterned into a predetermined shape by photolithography as shown in FIG. 4B to form wiring layers 77, 78, 87 and 89 (FIG. 1). , 88, 90 (FIGS. 1, 4).

【0021】次に、浮上部A1を形成するために、フォト
レジストをシリコン層3の表面に一様に塗布して、パタ
ーニングし、図4(c)に示すように、マスクパターン
7を形成する。次に、マスクパターン7をマスクとし
て、ウエットエッチングにより、シリコン層3をエッチ
ングし、シリコン層3を所望形状にパターニングする。
次に、犠牲層エッチング技術を用いて、浮上部A1の下部
のシリコン酸化膜2を除去する。この犠牲層エッチング
では、基板1をフッ酸溶液に浸すことで、シリコン酸化
膜2が除去される。この時、アンカー部611、61
2、621、622、632、642(以上、図1参
照)、631、641(図1及び図4(e))と配線層
77、78、87、88、89、90の面積は広く、そ
の下のシリコン酸化膜2は除去されず、浮上部A1と固定
櫛歯電極74、76、82、83、85、86の下部の
シリコン酸化膜2のみが除去される。このようにシリコ
ン層3の下部のシリコン酸化膜2の除去のために、フッ
酸液の浸透が容易なように、浮上部A1で面積の大きいマ
ス部10は多数の窓を有する格子状に形成され、リンク
41、42、43、44、71、72は多数の窓を有す
る梯子状に形成されている。マス部10においては、所
定の慣性質量が必要であるため、開口部の総合面積をあ
まり大きくすることはできない。よって、マス部10の
シリコン膜3の厚みと各窓の1辺の長さを同程度とす
る。
Next, in order to form a floating portion A 1, and uniformly applying a photoresist on the surface of the silicon layer 3 is patterned, as shown in FIG. 4 (c), a mask pattern 7 I do. Next, using the mask pattern 7 as a mask, the silicon layer 3 is etched by wet etching to pattern the silicon layer 3 into a desired shape.
Next, using the sacrificial layer etching technique, to remove the silicon oxide film 2 at the bottom of the floating unit A 1. In this sacrificial layer etching, the silicon oxide film 2 is removed by immersing the substrate 1 in a hydrofluoric acid solution. At this time, the anchor portions 611, 61
2, 621, 622, 632, 642 (above, see FIG. 1), 631, 641 (FIGS. 1 and 4 (e)) and the wiring layers 77, 78, 87, 88, 89, 90 have large areas. silicon oxide film 2 below is not removed, only the silicon oxide film 2 under the flying portion a 1 and the fixed comb electrodes 74,76,82,83,85,86 are removed. For this removal of the lower silicon oxide film 2 of the silicon layer 3, as is easy penetration of the hydrofluoric acid solution, floating unit A 1 larger mass portion 10 of the area in a grid pattern having a plurality of windows The links 41, 42, 43, 44, 71, 72 are formed in a ladder shape having a number of windows. Since the mass 10 requires a predetermined inertial mass, the total area of the opening cannot be made too large. Therefore, the thickness of the silicon film 3 of the mass portion 10 and the length of one side of each window are made substantially equal.

【0022】尚、基板1の材料は特に限定されない。シ
リコンの他、他の半導体、セラミックス、ガラス等を用
いることもできる。又、エッチング犠牲層としては、シ
リコン酸化膜の他、窒化シリコン膜、アルミナ等を用い
ることもできる。さらに、主として、浮上部A1を形成す
るための機能層としては、弾性があれば良く、単結晶、
多結晶のシリコンの他、ニッケル等の金属、他の弾性体
材料を用いることができる。シリコンを用いた場合に
は、シリコン膜3により、可動櫛歯電極73、75、8
1、84、固定櫛歯電極74、76、82、83、8
5、86を形成する関係上、電導率が大きい程望まし
く、ドナー、アクセプタ不純物を添加するのが望まし
い。さらに近年では、シリコン酸化膜2の犠牲層エッチ
ング技術としてフッ酸蒸気によるドライエッチング手法
も用いられており、マス部10と基板1とのスティッキ
ングに対処している。
The material of the substrate 1 is not particularly limited. In addition to silicon, other semiconductors, ceramics, glass, and the like can also be used. As the etching sacrificial layer, a silicon nitride film, alumina, or the like can be used in addition to the silicon oxide film. Further, mainly, the functional layer for forming the floating portion A1 only needs to have elasticity, and it may be a single crystal,
In addition to polycrystalline silicon, metals such as nickel and other elastic materials can be used. When silicon is used, the movable comb electrodes 73, 75, and 8 are formed by the silicon film 3.
1, 84, fixed comb-teeth electrodes 74, 76, 82, 83, 8
From the viewpoint of forming 5, 86, it is desirable that the electric conductivity is large, and it is desirable to add donor and acceptor impurities. Further, in recent years, a dry etching method using hydrofluoric acid vapor has also been used as a sacrificial layer etching technique for the silicon oxide film 2 to cope with sticking between the mass portion 10 and the substrate 1.

【0023】次に、上記の角速度検出器100の動作に
ついて説明する。励振電極の固定櫛歯電極74に交流電
圧を印加する。すると、固定櫛歯電極74と可動櫛歯電
極73との間に交流の静電力が作用し、浮上部A1はx軸
方向に振動する。即ち、図5に示すように、可動櫛歯電
極73が固定櫛歯電極74の側に吸引されると、マス部
10は+x軸側に変位する。この時、アンカー部61
1、612で直接、基板1に一端が固定された固定ビー
ム511、512と、アンカー部621、622で直
接、基板1に一端が固定された固定ビーム521、52
2とは−x軸方向に凸に湾曲し、自由ビーム31、32
は+x軸方向に凸に湾曲する。固定ビーム531、53
2と自由ビーム33の関係、固定ビーム541、542
と自由ビーム34の関係も同様である(図5の
(a))。
Next, the operation of the angular velocity detector 100 will be described. An AC voltage is applied to the fixed comb electrode 74 of the excitation electrode. Then, the electrostatic force of the alternating current between the fixed comb electrodes 74 and the movable comb electrodes 73 acts, floating unit A 1 is vibrated in the x-axis direction. That is, as shown in FIG. 5, when the movable comb electrode 73 is attracted to the fixed comb electrode 74, the mass portion 10 is displaced to the + x axis side. At this time, the anchor 61
1 and 612, fixed beams 511 and 512 having one ends fixed to the substrate 1 directly, and fixed beams 521 and 52 having one ends fixed to the substrate 1 directly by anchor portions 621 and 622.
2 is convexly curved in the −x axis direction, and free beams 31 and 32
Is convexly curved in the + x-axis direction. Fixed beams 531 and 53
2 and free beam 33, fixed beams 541 and 542
The same is true for the relationship between and the free beam 34 (FIG. 5A).

【0024】逆に、可動櫛歯電極73が固定櫛歯電極7
4から排斥されると、マス部10は−x軸側に変位す
る。この時、固定ビーム511、512と、固定ビーム
521、522とは+x軸方向に凸に湾曲し、自由ビー
ム31、32は−x軸方向に凸に湾曲する。固定ビーム
531、532と自由ビーム33の関係、固定ビーム5
41、542と自由ビーム34の関係も同様である(図
5の(b))。
Conversely, the movable comb electrode 73 is fixed to the fixed comb electrode 7.
When being rejected from 4, the mass unit 10 is displaced to the -x axis side. At this time, the fixed beams 511 and 512 and the fixed beams 521 and 522 are convexly curved in the + x axis direction, and the free beams 31 and 32 are convexly curved in the −x axis direction. Relationship between fixed beams 531 and 532 and free beam 33, fixed beam 5
The same applies to the relationship between 41 and 542 and the free beam 34 (FIG. 5B).

【0025】これらの固定ビーム511、512、52
1、522、531、532、541、542はx軸方
向に関する屈曲性は大きいが、y軸方向には剛性が高い
ため、リンク71、72はx軸方向には容易に変位する
が、y軸方向には容易に変位しない。このため、励振状
態において、固定櫛歯電極74と可動櫛歯電極73と、
及び、固定櫛歯電極76と可動櫛歯電極75との間隙は
変化せず、それらが接触することがない。
These fixed beams 511, 512, 52
1, 522, 531, 532, 541, and 542 have high flexibility in the x-axis direction, but have high rigidity in the y-axis direction. Therefore, the links 71 and 72 are easily displaced in the x-axis direction. Not easily displaced in the direction. Therefore, in the excited state, the fixed comb electrode 74 and the movable comb electrode 73
In addition, the gap between the fixed comb electrode 76 and the movable comb electrode 75 does not change, and they do not come into contact with each other.

【0026】このようなビーム構造により、マス部10
は容易にx軸方向に振動する。この振動の変位xをx=
0sinαtとすると(但し、αは励振電極に印加する電
圧の角周波数である。x0はx軸方向の振動の振幅であ
る。)、速度VxはVx=x0αcosαtとなる。この振動
状態で、z軸の回りに角速度ωが作用すると、マス部1
0にはy軸方向にコリオリ力Fが作用する。このコリオ
リ力Fは次式で得られる。
With such a beam structure, the mass 10
Vibrates easily in the x-axis direction. The displacement x of this vibration is x =
If x 0 sinαt (where α is the angular frequency of the voltage applied to the excitation electrode, x 0 is the amplitude of the vibration in the x-axis direction), then the velocity V x will be V x = x 0 αcosαt. In this vibration state, when the angular velocity ω acts around the z-axis, the mass 1
A Coriolis force F acts on 0 in the y-axis direction. This Coriolis force F is obtained by the following equation.

【0027】[0027]

【数1】 F=2mωVx =2mωx0αcosαt …(1) 但し、mはマス部10の質量である。F = 2mωV x = 2mωx 0 αcosαt (1) where m is the mass of the mass section 10.

【0028】よって、y軸方向にマス部10は(1)式
の力Fが作用し、そのy軸方向にx軸方向の振動数でも
って振動する。このy軸方向の振動変位を検出電極であ
る可動櫛歯電極81と固定櫛歯電極82、83、可動櫛
歯電極84と固定櫛歯電極85、86とのいずれか一
方、又は双方の静電容量の変化で検出することができ
る。このy軸の振動変位はコリオリ力Fが与えられた角
速度ωに比例するため、角速度ωの大きさに比例する。
リンク71、72はy軸方向に対しては固定されるの
で、第1ビーム21、22と、第1ビーム23、24と
が平行に±y軸方向に凸に湾曲し、可動櫛歯電極81、
84がy軸方向に容易に変位する。
Accordingly, the mass portion 10 is acted on in the y-axis direction by the force F of the formula (1), and vibrates in the y-axis direction at a frequency in the x-axis direction. The vibration displacement in the y-axis direction is detected by detecting the electrostatic force of one or both of the movable comb electrode 81 and the fixed comb electrodes 82 and 83, which are detection electrodes, and the movable comb electrode 84 and the fixed comb electrodes 85 and 86. It can be detected by a change in capacitance. Since the vibration displacement of the y-axis is proportional to the angular velocity ω given the Coriolis force F, it is proportional to the magnitude of the angular velocity ω.
Since the links 71 and 72 are fixed in the y-axis direction, the first beams 21 and 22 and the first beams 23 and 24 are curved in parallel and convexly in the ± y-axis direction, and the movable comb electrode 81 ,
84 is easily displaced in the y-axis direction.

【0029】励振検出電極である可動櫛歯電極75と固
定櫛歯電極76とによりx軸方向の変位が検出されるこ
とで、x軸方向の励振振幅x0を検出することができ
る。そして、その励振振幅x0が常に一定値となるよう
に、励振電極である固定電極74への印加電圧の大きさ
をフィードバック制御することで、マス部10のx軸方
向の励振振幅を常に一定にすることができる。
[0029] The movable comb electrodes 75 are excitation detecting electrodes and the fixed comb electrodes 76 by displacement in the x-axis direction is detected, it is possible to detect the excitation amplitude x 0 in the x-axis direction. As the excitation amplitude x 0 is always a constant value, the magnitude of the voltage applied to the fixed electrode 74 is excitation electrodes by feedback control, always constant excitation amplitude in the x-axis direction of the mass portion 10 Can be

【0030】又、上記の実施例では、y軸方向の変位を
検出電極である固定櫛歯電極85、86の出力の平均値
と固定櫛歯電極82、83の出力の平均値とのいずれか
一方、又は双方の容量変化により検出している。しか
し、固定櫛歯電極82、83の出力値の平均値からy軸
方向の変位を検出し、その変位が常に0となるように、
固定櫛歯電極85、86に電圧を印加して、その電圧の
振幅から角速度ωを検出するようにしても良い。即ち、
(1)式で表されるコリオリ力Fを相殺する外力をマス
部10に与えるように、固定櫛歯電極85、86に等価
な電圧を印加する。
In the above embodiment, the displacement in the y-axis direction is determined by using either the average value of the outputs of the fixed comb electrodes 85 and 86 as the detection electrodes or the average value of the outputs of the fixed comb electrodes 82 and 83. One or both capacitance changes are detected. However, the displacement in the y-axis direction is detected from the average value of the output values of the fixed comb electrodes 82 and 83, and the displacement is always zero.
A voltage may be applied to the fixed comb electrodes 85 and 86, and the angular velocity ω may be detected from the amplitude of the voltage. That is,
An equivalent voltage is applied to the fixed comb-teeth electrodes 85 and 86 so that an external force that cancels the Coriolis force F expressed by the equation (1) is applied to the mass unit 10.

【0031】このように、y軸方向の変位が0となる状
態で角速度ωを検出すれば、非線型誤差を排除すること
が可能となる。
As described above, if the angular velocity ω is detected in a state where the displacement in the y-axis direction is 0, it is possible to eliminate the non-linear error.

【0032】次に、第2実施例について説明する。第1
実施例の検出器100は、固定ビーム511、512が
リンク71に接続された自由ビーム31の両側に配設さ
れ、固定ビーム521、522が自由ビーム32の両側
に配設され、固定ビーム531、532が自由ビーム3
3の両側に配設され、固定ビーム541、542が自由
ビーム34の両側に配設されている。しかし、第2実施
例の検出器200は、図6に示すように、固定ビーム5
11、512が自由ビーム31に対して+x軸側の片側
に配設され、固定ビーム521、522が自由ビーム3
2の+x軸側の片側に配設されている。又、固定ビーム
531、532が自由ビーム33の−x軸側の片側に配
設され、固定ビーム541、542が自由ビーム34の
−x軸側の片側に配設されている。
Next, a second embodiment will be described. First
In the detector 100 of the embodiment, the fixed beams 511 and 512 are disposed on both sides of the free beam 31 connected to the link 71, and the fixed beams 521 and 522 are disposed on both sides of the free beam 32. 532 is the free beam 3
3 and fixed beams 541 and 542 are disposed on both sides of the free beam 34. However, the detector 200 of the second embodiment has a fixed beam 5 as shown in FIG.
11 and 512 are disposed on one side of the free beam 31 on the + x axis side, and the fixed beams 521 and 522 are
2 on one side of the + x-axis side. The fixed beams 531 and 532 are disposed on one side of the free beam 33 on the −x axis side, and the fixed beams 541 and 542 are disposed on one side of the free beam 34 on the −x axis side.

【0033】次に、第3実施例について説明する。第2
実施例の検出器200が、各固定ビームが自由ビームに
対してマス部10に遠い側(外側)に設けられているの
に対して、第3実施例の検出器300は、各固定ビーム
が自由ビームに対してマス部10に近い側(内側)に設
けられている。即ち、第3実施例の検出器300は、図
7に示すように、固定ビーム511、512が自由ビー
ム31に対して−x軸側の片側に配設され、固定ビーム
521、522が自由ビーム32の−x軸側の片側に配
設されている。又、固定ビーム531、532が自由ビ
ーム33の+x軸側の片側に配設され、固定ビーム54
1、542が自由ビーム34の+x軸側の片側に配設さ
れている。
Next, a third embodiment will be described. Second
In the detector 200 of the third embodiment, each fixed beam is provided on the side (outside) far from the mass unit 10 with respect to the free beam, whereas in the detector 300 of the third embodiment, each fixed beam is It is provided on the side (inside) near the mass section 10 with respect to the free beam. That is, in the detector 300 of the third embodiment, as shown in FIG. 7, the fixed beams 511 and 512 are disposed on one side on the −x-axis side with respect to the free beam 31, and the fixed beams 521 and 522 are 32 are disposed on one side on the -x axis side. In addition, fixed beams 531 and 532 are disposed on one side of the free beam 33 on the + x axis side,
1, 542 are disposed on one side of the free beam 34 on the + x-axis side.

【0034】次に、第1〜第3実施例の検出器の性能を
次のように評価した。この検出器において、検出精度を
向上させるには、x軸方向の励振振動がy軸方向に漏れ
ないことが必要となる。図8に示すように、可動櫛歯電
極73の1つの可動歯731に係るx軸方向の力を
x、y軸方向の力をgyとすると、各力gx、gyは次の
ように表現される。
Next, the performance of the detectors of the first to third embodiments was evaluated as follows. In this detector, in order to improve the detection accuracy, it is necessary that the excitation vibration in the x-axis direction does not leak in the y-axis direction. As shown in FIG. 8, assuming that the force in the x-axis direction of one movable tooth 731 of the movable comb electrode 73 is g x and the force in the y-axis direction is g y , the respective forces g x and g y are as follows. Is expressed as follows.

【0035】[0035]

【数2】 gx=εwE2/d …(2)G x = εwE 2 / d (2)

【数3】 gy=εwsE2〔1/2(d−y)2−1/2(d+y)2〕 …(3) 但し、εはギャップの誘電率、dはy軸方向の変位が0
の時の可動歯731と固定歯741、742との間隔、
yは変位、Eは印加電圧、wは可動歯731、固定歯7
41、742の厚さ、sは可動歯731と固定歯74
1、742とが重なっている部分のx軸方向の長さであ
る。櫛歯の数がnであるとき、リンク71に作用する力
x、Gyは、(2)式、(3)式のn倍となる。
G y = ε wsE 2 [1/2 (dy) 2 −1/2 (d + y) 2 ] (3) where ε is the dielectric constant of the gap, and d is the displacement in the y-axis direction is 0.
The distance between the movable teeth 731 and the fixed teeth 741 and 742 at the time of
y is displacement, E is applied voltage, w is movable tooth 731, fixed tooth 7
41, 742, the thickness s is the movable tooth 731 and the fixed tooth 74
1, 742 is the length of the overlapping portion in the x-axis direction. When the number of comb teeth is n, the forces G x and G y acting on the link 71 are n times the expressions (2) and (3).

【0036】図8においては、自由ビーム31、32、
33、34とリンク41、42、43、44と固定ビー
ム511、512、521、522、531、532、
541、542から成るフォールデッドビームは、その
x軸、y軸方向の変位姿態に関して、バネ定数kx、ky
を有したバネによりモデル化されている。リンク71に
作用するx軸方向の力Gx、y軸方向の力Gyを10-3
程度とした。この外力がリンク71に印加された時の各
ビームの変形の様子を有限要素法により解析した。そし
て、個別的に外力Gx、Gyを印加した場合のリンク71
のx軸方向の変位xとy軸方向の変位yを求めた。そし
て、x軸方向のバネ定数kxをkx=Gx/x、y軸方向
のバネ定数kyをky=Gy/yで求めた。第1実施例〜
第3実施例の角速度検出器におけるビームの変形の様子
を図11に示す。(a)、(b)が第1実施例、
(c)、(d)が第2実施例、(e)、(f)が第3実
施例のビーム構造を示している。そして、(a)、
(c)、(e)はリンク71の中央に外力Gxだけを印
加した場合、(b)、(d)、(f)はリンク71の中
央に外力Gyだけを印加した場合の変形姿態を示してい
る。
In FIG. 8, free beams 31, 32,
33, 34, links 41, 42, 43, 44 and fixed beams 511, 512, 521, 522, 531, 532,
The folded beam consisting of 541 and 542, the x-axis, the y-axis direction displacement figure, the spring constant k x, k y
Is modeled by a spring having The force G x in the x-axis direction and the force G y in the y-axis direction acting on the link 71 are 10 −3 N
Degree. The state of deformation of each beam when this external force was applied to the link 71 was analyzed by the finite element method. Then, the link 71 when external forces G x and G y are individually applied
The displacement x in the x-axis direction and the displacement y in the y-axis direction were determined. Then, the spring constant k x in the x -axis direction was determined by k x = G x / x, and the spring constant ky in the y- axis direction was determined by ky = G y / y. First embodiment-
FIG. 11 shows how the beam is deformed in the angular velocity detector of the third embodiment. (A) and (b) are the first embodiment,
(C) and (d) show the beam structure of the second embodiment, and (e) and (f) show the beam structure of the third embodiment. And (a),
(C), (e) the case of applying only the external force G x in the center of the link 71, (b), (d ), (f) is modified in the case of applying only the external force G y in the middle of the link 71 figure Is shown.

【0037】尚、このモデルにおいて、図1に示すよう
に、各ビームの幅eは3μm、長さLは233μm、厚
さw(図8、図4におけるシリコン層3の厚さ)は、1
0μm、第1支持ビーム21、22、23、24は長さ
203μm、幅2μm、マス部10の質量は3.6×1
-10kgとした。又、第1実施例については、図1に示
すように、固定ビーム511と512との間隔を2Hと
して、間隔Hを変化させた場合について、バネ定数
x、kyを演算した。又、第2実施例、第3実施例につ
いては、固定ビーム511、512、自由ビーム31の
それぞれの間隔がHである。y軸方向のバネ定数ky
x軸方向のバネ定数kxに対するバネ定数比Rが大きい
程、リンク71はx軸方向には容易に変位できるが、y
軸方向には変位し難いことを意味している。従って、バ
ネ定数比Rが大きい程、角速度検出器の特性は良い。こ
のモデルによる計算結果を図9に、計算結果のグラフを
図10に示す。
In this model, as shown in FIG. 1, the width e of each beam is 3 μm, the length L is 233 μm, and the thickness w (the thickness of the silicon layer 3 in FIGS. 8 and 4) is 1
0 μm, the first support beams 21, 22, 23, 24 have a length of 203 μm, a width of 2 μm, and a mass of the mass section 10 of 3.6 × 1
0 and -10 kg. Also, the first embodiment, as shown in FIG. 1, the distance between the fixed beam 511 and 512 as 2H, the case of changing the distance H, computed spring constant k x, a k y. In the second and third embodiments, the distance between the fixed beams 511 and 512 and the free beam 31 is H. As the spring constant ratio R of the spring constant ky in the y- axis direction to the spring constant k x in the x-axis direction increases, the link 71 can be easily displaced in the x-axis direction.
This means that it is difficult to displace in the axial direction. Therefore, the larger the spring constant ratio R, the better the characteristics of the angular velocity detector. FIG. 9 shows a calculation result by this model, and FIG. 10 shows a graph of the calculation result.

【0038】第1実施例の構造、即ち、固定ビームが自
由ビームの両側に存在する構造P3が、第2実施例、第
3実施例、即ち、2本の固定ビームが自由ビームの片側
に存在する構造P6、P7に比べて、特性が良いことが
理解される。しかし、第2、第3実施例の構造P6、P
7でも、x軸方向に伸びたフレームと自由ビームに対し
て片側に1本の固定ビームとを設けた構造P1、その構
造に対してフレームを設けない構造P2よりも、バネ定
数比Rは大きく特性が良いことが理解される。さらに、
第1実施例の構造において、間隔Hを100μm、20
0μmとした場合には、間隔Hを広くするとバネ定数比
Rが小さくなり、特性が悪くなることが理解される。
The structure P3 of the first embodiment, that is, the structure P3 in which the fixed beam exists on both sides of the free beam, is the second embodiment, the third embodiment, that is, the structure in which two fixed beams are present on one side of the free beam. It is understood that the characteristics are better than those of the structures P6 and P7. However, the structures P6, P6 of the second and third embodiments
7, the spring constant ratio R is larger than the structure P1 in which the frame extending in the x-axis direction and one fixed beam on one side with respect to the free beam and the structure P2 in which the frame is not provided with respect to the structure. It is understood that the characteristics are good. further,
In the structure of the first embodiment, the interval H is 100 μm, 20 μm.
In the case of 0 μm, it is understood that the spring constant ratio R decreases as the interval H increases, and the characteristics deteriorate.

【0039】図12は、本発明の具体的な第4実施例に
かかる角速度検出器1000の平面図である。角速度検
出器1000の構成中、角速度検出器100と同一の要
素には同一の符号が記されている。
FIG. 12 is a plan view of an angular velocity detector 1000 according to a fourth specific example of the present invention. In the configuration of the angular velocity detector 1000, the same elements as those of the angular velocity detector 100 are denoted by the same reference numerals.

【0040】図12において、紙面が基板面であり、基
板面に垂直な方向にz軸、基板面上に図のようにx軸、
y軸をとる。この検出器1000ではz軸の回りの角速
度ωが検出され、x軸が励振軸、y軸が検出軸である。
マス部10の+x軸方向の側10aには、第1支持ビー
ムを構成するビーム21、22が+x軸方向に延設され
ており、マス部10の−x軸方向の側10bには、第1
支持ビームを構成するビーム23、24が−x軸方向に
延設されている。
In FIG. 12, the paper surface is the substrate surface, the z-axis is in a direction perpendicular to the substrate surface, and the x-axis is on the substrate surface as shown in FIG.
Take the y-axis. The detector 1000 detects the angular velocity ω around the z axis, the x axis is the excitation axis, and the y axis is the detection axis.
Beams 21 and 22 constituting the first support beam extend in the + x-axis direction on the + x-axis direction side 10a of the mass section 10, and the −x-axis direction beam 10b of the mass section 10 extends in the −x axis direction. 1
Beams 23 and 24 constituting the support beam extend in the −x-axis direction.

【0041】次に、第2支持ビームについて説明する。
第2支持ビームは自由ビームと固定ビームとそれらを連
結するリンクで構成されている。ビーム21、22の他
端21a、22aは、y軸方向に伸びたリンク71で接
続され、ビーム23、24の他端23a、24aは、y
軸方向に伸びたリンク72で接続されている。リンク7
1、72は、x軸方向に所定の幅を持った構造である。
Next, the second support beam will be described.
The second support beam is composed of a free beam, a fixed beam, and a link connecting them. The other ends 21a and 22a of the beams 21 and 22 are connected by a link 71 extending in the y-axis direction, and the other ends 23a and 24a of the beams 23 and 24 are connected to y
They are connected by a link 72 extending in the axial direction. Link 7
Reference numerals 1 and 72 are structures having a predetermined width in the x-axis direction.

【0042】リンク71の、−y軸方向に面した幅を持
った端面は、互いに平行に所定の間隔を隔てて−y軸方
向に伸びた自由ビーム311、312に接続されてい
る。また、リンク71の、+y軸方向に面した幅を持っ
た端面は、互いに平行に所定の間隔を隔てて+y軸方向
に伸びた自由ビーム321、322に接続されている。
全く同様にリンク72の、−y軸方向、+y軸方向に面
した幅を持った端面は、それぞれ、互いに平行に所定の
間隔を隔てて−y軸方向、+y軸方向に伸びた自由ビー
ム331及び332、341及び342に接続されてい
る。
The end faces of the link 71 having a width facing the -y axis direction are connected to free beams 311 and 312 extending in the -y axis direction at predetermined intervals in parallel with each other. The end faces of the link 71 having a width facing the + y-axis direction are connected to free beams 321 and 322 extending in the + y-axis direction at predetermined intervals in parallel with each other.
Similarly, end faces of the link 72 having widths facing the -y axis direction and the + y axis direction are free beams 331 extending in the -y axis direction and the + y axis direction at predetermined intervals in parallel with each other. And 332, 341 and 342.

【0043】自由ビーム311、312の一端311
a、312aは、それぞれ、リンク41にその中央部近
傍で固定されている。全く同様に、自由ビーム321及
び322の一端321a及び322a、自由ビーム33
1及び332の一端331a及び332a、自由ビーム
341及び342の一端341a及び342aは、それ
ぞれ、リンク42、43、44にその中央部近傍で固定
されている。
One end 311 of the free beams 311 and 312
a and 312a are fixed to the link 41 near the center thereof, respectively. In exactly the same way, the ends 321a and 322a of the free beams 321 and 322, the free beam 33
One ends 331a and 332a of the first and third beams 332 and 341a and 342a of the free beams 341 and 342 are fixed to the links 42, 43 and 44, respectively, near the center thereof.

【0044】又、リンク41の両端41a、41bから
は、それぞれ、固定ビーム511、512が、+y軸方
向に延設されており、それらの固定ビーム511、51
2の一端はアンカー部611、612によりシリコン基
板1に固定されている。全く同様に、リンク42の両端
42a、42bからは、それぞれ、固定ビーム521、
522が、−y軸方向に延設されており、それらの固定
ビーム521、522の一端はアンカー部621、62
2によりシリコン基板1に固定されている。同様に、リ
ンク43の両端43a、43bからは、それぞれ、固定
ビーム531、532が、+y軸方向に延設されてお
り、それらの固定ビーム531、532の一端はアンカ
ー部631、632によりシリコン基板1に固定されて
いる。同様に、リンク44の両端44a、44bから
は、それぞれ、固定ビーム541、542が、−y軸方
向に延設されており、それらの固定ビーム541、54
2の一端はアンカー部641、642によりシリコン基
板1に固定されている。
From both ends 41a and 41b of the link 41, fixed beams 511 and 512 extend in the + y-axis direction, respectively.
One end of 2 is fixed to the silicon substrate 1 by anchor portions 611 and 612. Similarly, from both ends 42a, 42b of the link 42, fixed beams 521,
522 extend in the −y-axis direction, and one ends of the fixed beams 521 and 522 are connected to the anchor portions 621 and 62.
2 fixed to the silicon substrate 1. Similarly, fixed beams 531 and 532 extend in the + y-axis direction from both ends 43a and 43b of the link 43, respectively, and one ends of the fixed beams 531 and 532 are connected to the silicon substrate by anchor portions 631 and 632, respectively. Fixed to 1. Similarly, from both ends 44a and 44b of the link 44, fixed beams 541 and 542 extend in the −y axis direction, respectively.
One end of 2 is fixed to the silicon substrate 1 by anchor portions 641 and 642.

【0045】又、リンク71には歯がx軸方向に伸び、
y軸方向に沿って可動櫛歯電極73が形成されている。
そして、その可動櫛歯電極73に噛み合うように固定櫛
歯電極74がシリコン基板1に固定されている。この可
動櫛歯電極73と固定櫛歯電極74とで励振電極が構成
される。同様に、リンク72には歯が−x軸方向に伸
び、y軸方向に沿って可動櫛歯電極75が形成されてい
る。そして、その可動櫛歯電極75に噛み合うように固
定櫛歯電極76がシリコン基板1に固定されている。こ
の可動櫛歯電極75と固定櫛歯電極76とで励振検出電
極が構成される。そして、固定櫛歯電極74に配線層7
7が接続され、固定櫛歯電極76に配線層78が接続さ
れている。
The link 71 has teeth extending in the x-axis direction.
A movable comb electrode 73 is formed along the y-axis direction.
A fixed comb electrode 74 is fixed to the silicon substrate 1 so as to mesh with the movable comb electrode 73. The movable comb electrode 73 and the fixed comb electrode 74 constitute an excitation electrode. Similarly, the link 72 has teeth extending in the −x-axis direction, and the movable comb electrode 75 is formed along the y-axis direction. A fixed comb electrode 76 is fixed to the silicon substrate 1 so as to mesh with the movable comb electrode 75. The movable comb electrode 75 and the fixed comb electrode 76 constitute an excitation detection electrode. Then, the wiring layer 7 is provided on the fixed comb electrode 74.
7 is connected, and the wiring layer 78 is connected to the fixed comb electrode 76.

【0046】又、マス部10の+y軸側の端部10cに
は歯が±x軸方向に伸び+y軸方向に沿って可動櫛歯電
極81が配設されており、その可動櫛歯電極81の両側
の歯と噛み合うように、固定櫛歯電極82、83がシリ
コン基板1に固定されている。同様に、マス部10の−
y軸側の端部10dには歯が±x軸方向に伸び−y軸方
向に沿って可動櫛歯電極84が配設されており、その可
動櫛歯電極84の両側の歯と噛み合うように、固定櫛歯
電極85、86がシリコン基板1に固定されている。可
動櫛歯電極81と固定櫛歯電極82、83、及び、可動
櫛歯電極84と固定櫛歯電極85、86とで角速度検出
電極が構成されている。又、固定櫛歯電極82、83
に、それぞれ、配線層87、88が接続され、固定櫛歯
電極85、86に、それぞれ、配線層89、90が接続
されている。
A movable comb electrode 81 is provided at the end 10c on the + y-axis side of the mass section 10 along the + x-axis direction. Fixed comb electrodes 82 and 83 are fixed to the silicon substrate 1 so as to mesh with the teeth on both sides of the silicon substrate 1. Similarly,-of the mass portion 10
At the end 10d on the y-axis side, movable comb-teeth electrodes 84 are disposed along the -x-axis direction with teeth extending in the ± x-axis direction, and are engaged with teeth on both sides of the movable comb-teeth electrode 84. The fixed comb electrodes 85 and 86 are fixed to the silicon substrate 1. The movable comb electrode 81 and the fixed comb electrodes 82 and 83 and the movable comb electrode 84 and the fixed comb electrodes 85 and 86 constitute an angular velocity detection electrode. In addition, fixed comb electrodes 82 and 83
Are connected to wiring layers 87 and 88, respectively, and fixed comb electrodes 85 and 86 are connected to wiring layers 89 and 90, respectively.

【0047】そして、上記構造の基板1は、角型のキャ
ップにより蓋されている。尚、上記の構造において、マ
ス部10は格子状に、リンク41、42、43、44、
71、72は梯子状に形成されており、下部の層のエッ
チングを容易にしている。マス部10、ビーム21、2
2、23、24、自由ビーム311、312、321、
322、331、331、341、342、リンク4
1、42、43、44、71、72、可動櫛歯電極7
3、75、81、84、固定ビーム511、512、5
21、522、531、532、541、542(これ
らで構成される部分を「浮上部A2」という)と基板1と
の間には空隙が存在し、浮上部A2は基板1に対して浮上
して支持されている。マス部10に連続して形成された
浮上部は、アンカー部611、612、621、62
2、631、632、641、642でのみ基板1に固
定され、基板1に対して浮上して支持されている。
The substrate 1 having the above structure is covered with a square cap. In the above-described structure, the mass portion 10 is formed in a lattice shape with the links 41, 42, 43, 44,
Reference numerals 71 and 72 are formed in a ladder shape to facilitate etching of the lower layer. Mass part 10, beams 21, 2
2, 23, 24, free beams 311, 312, 321,
322, 331, 331, 341, 342, link 4
1, 42, 43, 44, 71, 72, movable comb electrode 7
3, 75, 81, 84, fixed beams 511, 512, 5
21, 522, 531, 532, 541, and 542 (the portion composed of these is referred to as a “floating part A 2 ”) and the substrate 1, and the floating part A 2 Floating and supported. The floating portions formed continuously with the mass portion 10 are anchor portions 611, 612, 621, and 62.
2, 631, 632, 641, and 642 are fixed to the substrate 1 and are floated and supported with respect to the substrate 1.

【0048】又、角速度検出器1000の可動櫛歯電極
73と固定櫛歯電極74との大きさの関係、可動櫛歯電
極75と固定櫛歯電極76との関係、角速度検出電極を
構成する可動櫛歯電極81と固定櫛歯電極82、83、
及び、可動櫛歯電極84と固定櫛歯電極85、86の関
係も図3に示す角速度検出器100の電極の関係とほぼ
同様である。
The relationship between the size of the movable comb electrode 73 and the fixed comb electrode 74 of the angular velocity detector 1000, the relationship between the movable comb electrode 75 and the fixed comb electrode 76, and the movable structure constituting the angular velocity detection electrode Comb electrode 81 and fixed comb electrodes 82, 83,
The relationship between the movable comb electrode 84 and the fixed comb electrodes 85 and 86 is substantially the same as the relationship between the electrodes of the angular velocity detector 100 shown in FIG.

【0049】上記構造の角速度検出器1000の製造方
法は、角速度検出器100の製造方法と全く同様であ
り、半導体の微細加工技術により製造される。
The method of manufacturing the angular velocity detector 1000 having the above structure is exactly the same as the method of manufacturing the angular velocity detector 100, and is manufactured by a semiconductor fine processing technique.

【0050】上記の角速度検出器1000の動作につい
ても、図5に示す角速度検出器100の動作とほぼ同様
である。即ち、図13の(a)、(b)に示す通り、励
振電極の固定櫛歯電極74に交流電圧を印加すると、固
定櫛歯電極74と可動櫛歯電極73との間に交流の静電
力が作用し、浮上部A2はx軸方向に振動する。
The operation of the angular velocity detector 1000 is almost the same as the operation of the angular velocity detector 100 shown in FIG. That is, as shown in FIGS. 13A and 13B, when an AC voltage is applied to the fixed comb electrode 74 of the excitation electrode, an AC electrostatic force is applied between the fixed comb electrode 74 and the movable comb electrode 73. There acts, floating unit a 2 is vibrated in the x-axis direction.

【0051】可動櫛歯電極73が固定櫛歯電極74の側
に吸引されると、マス部10は+x軸側に変位する。こ
の時、アンカー部611、612で直接、基板1に一端
が固定された固定ビーム511、512と、アンカー部
621、622で直接、基板1に一端が固定された固定
ビーム521、522とは−x軸方向に凸に湾曲し、自
由ビーム311及び312、321及び322は+x軸
方向に凸に湾曲する。固定ビーム531、532と自由
ビーム331、332の関係、固定ビーム541、54
2と自由ビーム341、342の関係も同様である(図
13の(a))。
When the movable comb electrode 73 is attracted to the fixed comb electrode 74, the mass 10 is displaced toward the + x axis. At this time, the fixed beams 511 and 512 whose one ends are directly fixed to the substrate 1 by the anchor portions 611 and 612 and the fixed beams 521 and 522 whose one ends are directly fixed to the substrate 1 by the anchor portions 621 and 622 are −. The free beams 311 and 312, 321 and 322 are convexly curved in the x-axis direction, and are convexly curved in the + x-axis direction. Relationship between fixed beams 531 and 532 and free beams 331 and 332, fixed beams 541 and 54
The same applies to the relationship between 2 and the free beams 341 and 342 (FIG. 13A).

【0052】逆に、可動櫛歯電極73が固定櫛歯電極7
4から排斥されると、マス部10は−x軸側に変位し、
固定ビーム511、512と、固定ビーム521、52
2とは+x軸方向に凸に湾曲し、自由ビーム311及び
312、321及び322は−x軸方向に凸に湾曲す
る。固定ビーム531、532と自由ビーム331、3
32の関係、固定ビーム541、542と自由ビーム3
41、342の関係も同様である(図13の(b))。
これらの固定ビーム511、512、521、522、
531、532、541、542はx軸方向に関する屈
曲性は大きいが、y軸方向には剛性が高いため、リンク
71、72はx軸方向には容易に変位するが、y軸方向
には容易に変位しない。このため、励振状態において、
固定櫛歯電極74と可動櫛歯電極73と、及び、固定櫛
歯電極76と可動櫛歯電極75との間隙は変化せず、そ
れらが接触することがない。
On the contrary, the movable comb electrode 73 is fixed to the fixed comb electrode 7.
4, the mass unit 10 is displaced toward the −x axis side,
Fixed beams 511 and 512 and fixed beams 521 and 52
2 is convexly curved in the + x axis direction, and the free beams 311 and 312, 321 and 322 are convexly curved in the −x axis direction. Fixed beams 531 and 532 and free beams 331 and 3
32, fixed beams 541 and 542 and free beam 3
The same applies to the relationship between 41 and 342 ((b) in FIG. 13).
These fixed beams 511, 512, 521, 522,
531, 532, 541, and 542 have high flexibility in the x-axis direction, but have high rigidity in the y-axis direction, so that the links 71 and 72 are easily displaced in the x-axis direction, but are easily displaced in the y-axis direction. Does not displace. Therefore, in the excitation state,
The gaps between the fixed comb electrode 74 and the movable comb electrode 73 and between the fixed comb electrode 76 and the movable comb electrode 75 do not change, and they do not come into contact with each other.

【0053】このようなビーム構造により、マス部10
は容易にx軸方向に振動し、この振動の変位xをx=x
0sinαtとすると(αは励振電極に印加する電圧の角周
波数、x0はx軸方向の振動の振幅)、速度VxはVx
0αcosαtとなる。この振動状態で、z軸の回りに角
速度ωが作用すると、マス部10にはy軸方向にコリオ
リ力Fが作用する。このように、角速度検出器1000
の動作原理は、前述の角速度検出器100の動作原理と
全く同様である。このような構造の角速度検出器100
0について、図12に「Gap」と示した、自由ビーム
311と312の間隔と、検出器の性能を前述の第1〜
第3実施例と同様に評価した。自由ビーム321と32
2の間隔、331と332の間隔、341と342の間
隔は自由ビーム311と312の間隔に等しくした。G
apが9.5、11.5、21.5μmのときのバネ定数kx、ky
と、マス部10の水平回動角θについて、計算結果の表
図を図14に、そのグラフを図15、16に示す。マス
部10の水平回動角θについては図11の(b)に示す
とおりである。比較のため、従来構造の角速度検出器、
及び第1実施例の角速度検出器100についても図14
に示した。
With such a beam structure, the mass 10
Easily vibrates in the x-axis direction, and the displacement x of this vibration is x = x
When 0 sinαt (α is the angular frequency of the voltage applied to the excitation electrodes, the amplitude of x 0 is the vibration in the x-axis direction), the speed V x is V x =
x 0 αcosαt. When an angular velocity ω acts around the z-axis in this vibration state, Coriolis force F acts on the mass portion 10 in the y-axis direction. Thus, the angular velocity detector 1000
Is exactly the same as the operation principle of the angular velocity detector 100 described above. Angular velocity detector 100 having such a structure
For 0, the gap between the free beams 311 and 312 and the performance of the detector indicated by “Gap” in FIG.
Evaluation was performed in the same manner as in the third example. Free beams 321 and 32
The interval between 2, 331 and 332, and the interval between 341 and 342 were made equal to the interval between the free beams 311 and 312. G
The spring constant k x when ap is 9.5,11.5,21.5μm, k y
FIG. 14 is a table showing calculation results of the horizontal rotation angle θ of the mass section 10, and FIGS. The horizontal rotation angle θ of the mass unit 10 is as shown in FIG. For comparison, a conventional angular velocity detector,
14 also shows the angular velocity detector 100 of the first embodiment.
It was shown to.

【0054】第1支持ビームは長さ175μm、幅2μ
m、それぞれの固定ビーム、自由ビームについては下記
の通りとし、これら以外の量については前述の図9のも
のと同様である。 (1)従来構造:固定ビーム35と自由ビーム31の長
さ209μm、幅3.5μm、固定ビーム35と自由ビ
ーム31の間隔36μm。 (2)第1実施例:固定ビーム511、512、自由ビ
ーム31の長さ203μm、幅3μm、固定ビーム51
1と固定ビーム512の間隔72μm。 (3)第4実施例:固定ビーム511、512、自由ビ
ーム311、312の長さ197μm、幅2.7μm、
固定ビーム511と固定ビーム512の間隔72μm。
The first support beam has a length of 175 μm and a width of 2 μm.
m, each fixed beam and free beam are as described below, and other amounts are the same as those in FIG. 9 described above. (1) Conventional structure: length of fixed beam 35 and free beam 31 is 209 μm, width is 3.5 μm, and distance between fixed beam 35 and free beam 31 is 36 μm. (2) First embodiment: fixed beams 511 and 512, free beam 31 length 203 μm, width 3 μm, fixed beam 51
The distance between 1 and the fixed beam 512 is 72 μm. (3) Fourth embodiment: fixed beams 511 and 512, free beams 311 and 312, length 197 μm, width 2.7 μm,
The distance between the fixed beam 511 and the fixed beam 512 is 72 μm.

【0055】図14から、角速度検出器1000は、従
来構造の角速度検出器及び第1実施例の角速度検出器1
00に比較し、バネ定数比Rが大きく、かつマス部の水
平回動角θが著しく小さいことが判る。また互いに平行
な2本の自由ビームの間隔Gapが9.5、11.5、21.5μ
mと大きくなるにしたがって、バネ定数比Rが大きくな
り、水平回動角θが小さくなることが判る。このことを
図15、図16で見ると、間隔Gapの増加に対して、
バネ定数比Rは一次関数的に増加するが、マス部の水平
回動角θはその減少割合が小さくなっていくことが判
る。
As shown in FIG. 14, the angular velocity detector 1000 has the conventional angular velocity detector and the angular velocity detector 1 of the first embodiment.
It can be seen that the spring constant ratio R is large and the horizontal rotation angle θ of the mass portion is extremely small as compared with 00. Also, the gap Gap between two parallel free beams is 9.5, 11.5, 21.5μ.
It can be seen that the spring constant ratio R increases and the horizontal rotation angle θ decreases as m increases. 15 and FIG. 16 show that, as the gap Gap increases,
It can be seen that the spring constant ratio R increases linearly, but the rate of decrease of the horizontal rotation angle θ of the mass decreases.

【0056】上記実施例では、固定ビームは2本とした
が、3本以上であっても良い。又、固定ビーム間の間隔
2Hは、第1実施例の型では狭い程特性が良いことが理
解される。図9の結果からは、H/Lが約0.3〜0.
4以下が望ましい。P4の場合がH/Lが0.43であ
る。以上詳述したように、本願発明は、ビームの長さ、
間隔、幅、厚さ等に特に限定されず、自由ビームを少な
くとも2本の固定ビームで折り返すように基板に支持す
るようにしたことを特徴とする。このビーム構造によ
り、マス部を支持する第1支持ビームを支持している自
由ビームはx軸方向には極めて変位し易く、y軸方向に
は変位し難くすることができる。よって、x軸方向の励
振成分がy軸方向である検出軸方向に漏れることがない
ため、角速度検出器の検出精度が向上する。
In the above embodiment, two fixed beams are used, but three or more fixed beams may be used. It is also understood that the smaller the distance 2H between the fixed beams is, the better the characteristics are in the mold of the first embodiment. From the results of FIG. 9, the H / L is about 0.3 to 0.1.
4 or less is desirable. In the case of P4, H / L is 0.43. As described in detail above, the present invention provides a beam length,
There is no particular limitation on the spacing, width, thickness, etc., and the free beam is supported on the substrate so as to be folded back by at least two fixed beams. With this beam structure, the free beam supporting the first support beam supporting the mass portion can be extremely easily displaced in the x-axis direction and hardly displaced in the y-axis direction. Therefore, since the excitation component in the x-axis direction does not leak in the detection axis direction, which is the y-axis direction, the detection accuracy of the angular velocity detector is improved.

【0057】また、自由ビームを1本の場合と比較し、
互いに平行な2本以上の自由ビームの組とすることで、
y軸方向のバネ定数を更に大きくし、マス部の水平回動
を著しく小さくすることができた。よって、x軸方向の
励振成分がy軸方向である検出軸方向に漏れることがな
いため、角速度検出器の検出精度が更に向上する。な
お、自由ビームを2本とする場合は、互いの間隔を広く
するほどマス部の水平回動を抑えることができるが、2
本の固定ビームの間隔との関係において、その0.1〜
0.3が好ましい。図14のGapが15.5μmのときは
0.22である。
Also, comparing with the case of one free beam,
By making a set of two or more free beams parallel to each other,
The spring constant in the y-axis direction was further increased, and the horizontal rotation of the mass portion was significantly reduced. Therefore, since the excitation component in the x-axis direction does not leak in the detection axis direction which is the y-axis direction, the detection accuracy of the angular velocity detector is further improved. When two free beams are used, the horizontal rotation of the mass can be suppressed by increasing the distance between the two beams.
In relation to the fixed beam spacing of the book,
0.3 is preferred. When Gap in FIG. 14 is 15.5 μm
0.22.

【0058】上記実施例では半導体材料を用いたものを
示したが、誘電体材料、とりわけ圧電体材料を用いても
よい。この場合、PZT、LiTaO3、LiNbO3、水晶、圧電
セラミックスが適している。
In the above embodiment, a semiconductor material is used. However, a dielectric material, in particular, a piezoelectric material may be used. In this case, PZT, LiTaO 3 , LiNbO 3 , quartz, and piezoelectric ceramics are suitable.

【0059】なお本発明においては、振動式角速度検出
器を基本とした実施例を挙げてその動作を説明したが、
本発明の第1の要部は、自由ビーム31とリンク41を
介して自由ビームに接続された固定ビーム511、51
2とにあり、y軸方向には難振動性とし、x軸方向に容
振動性としたことである。また、本発明の第2の要部
は、自由ビーム311及び312とリンク41を介して
自由ビームに接続された固定ビーム511、512とに
あり、y軸方向には難振動性とし、x軸方向に容振動性
とし、マス部10の水平回動を抑制したことである。よ
って、それらの要部のビーム構造は、必ずしも前記の振
動式角速度検出器に限定されず、以下に述べる各種の物
理量、化学量、または光学量を検出する一般的な振動式
センサとして適用、展開できる。
In the present invention, the operation has been described with reference to the embodiment based on the vibration type angular velocity detector.
The first essential part of the present invention is the fixed beams 511 and 51 connected to the free beam 31 and the free beam via the link 41.
2 that vibration is difficult in the y-axis direction and vibration resistance in the x-axis direction. The second essential part of the present invention is in the free beams 311 and 312 and the fixed beams 511 and 512 connected to the free beams via the link 41. That is, the horizontal direction rotation of the mass section 10 is suppressed by making the direction vibratory. Therefore, the beam structure of those main parts is not necessarily limited to the above-mentioned vibration type angular velocity detector, and is applied and developed as a general vibration type sensor for detecting various physical quantities, chemical quantities, or optical quantities described below. it can.

【0060】その第1候補として加速度量の検知が挙げ
られる。これは、x軸方向に一定振幅で励振される安定
な励振状態に対して、同方向の加速度が印加された時の
マス部の慣性力に起因したx軸方向へのマス部の移動に
よる振幅の変化量を、励振またはフィードバック電極の
容量変化として検知することで達成できる。第2の候補
として、マス部にガスが付着することで、その質量が変
化し、これによって励振の共振周波数が変化する原理を
応用した化学量センサ等への適用が挙げられる。第3の
候補として光学量のセンシングへの適用が挙げられる。
これは、例えば、マス部やビーム部への光学量の照射に
より変化する振動子の温度変化によって、同振動子の共
振周波数が変化するような原理を応用した適用例を意味
する。さらに第4の候補として、振動子に印加または伝
達される外力によって、その励振振幅や共振周波数が変
化する原理を応用した力あるいは圧力等の力学量の検知
システムへの適用が挙げられる。
The first candidate is detection of the amount of acceleration. This is because, for a stable excitation state in which excitation is performed at a constant amplitude in the x-axis direction, the amplitude due to the movement of the mass section in the x-axis direction due to the inertial force of the mass section when acceleration in the same direction is applied. Is detected as a change in capacitance of the excitation or feedback electrode. As a second candidate, application to a stoichiometric sensor or the like that applies the principle that the mass changes when a gas adheres to a mass portion and thereby the resonance frequency of excitation changes. A third candidate is an application to sensing of optical quantity.
This means, for example, an application example applying a principle in which the resonance frequency of the vibrator is changed by the temperature change of the vibrator that is changed by irradiating the mass portion or the beam portion with the optical amount. Further, as a fourth candidate, application to a system for detecting a dynamic quantity such as a force or a pressure, which applies a principle in which an excitation amplitude or a resonance frequency is changed by an external force applied or transmitted to a vibrator, may be mentioned.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の具体的な第1実施例に係る角速度検出
器の構成を示した平面図。
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an angular velocity detector according to a first specific example of the present invention.

【図2】第1実施例に係る角速度検出器の構成を示した
断面図。
FIG. 2 is a sectional view showing the configuration of the angular velocity detector according to the first embodiment.

【図3】可動櫛歯電極と固定櫛歯電極との関係を示した
説明図。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a relationship between a movable comb electrode and a fixed comb electrode.

【図4】第1実施例に係る角速度検出器の製造工程を示
した断面図。
FIG. 4 is a sectional view showing a manufacturing process of the angular velocity detector according to the first embodiment.

【図5】第1実施例に係る角速度検出器の変位の様子を
示した説明図。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state of displacement of the angular velocity detector according to the first embodiment.

【図6】第2実施例に係る角速度検出器の構成を示した
平面図。
FIG. 6 is a plan view showing a configuration of an angular velocity detector according to a second embodiment.

【図7】第3実施例に係る角速度検出器の構成を示した
平面図。
FIG. 7 is a plan view showing a configuration of an angular velocity detector according to a third embodiment.

【図8】励振電極である可動櫛歯電極と固定櫛歯電極と
ビームとの関係を等価的に示した説明図。
FIG. 8 is an explanatory diagram equivalently showing the relationship between a movable comb electrode, which is an excitation electrode, a fixed comb electrode, and a beam.

【図9】各ビーム構造に対するビーム構造のx軸方向、
y軸方向の変形の容易度を示すバネ定数比の計算値を示
した表図。
FIG. 9 shows the x-axis direction of the beam structure for each beam structure,
FIG. 10 is a table showing calculated values of a spring constant ratio indicating the degree of ease of deformation in the y-axis direction.

【図10】各ビーム構造に対するビーム構造のx軸方
向、y軸方向の変形の容易度を示すバネ定数比の計算値
を示したグラフ図。
FIG. 10 is a graph showing calculated values of spring constant ratios indicating the ease of deformation of the beam structure in the x-axis direction and the y-axis direction for each beam structure.

【図11】各ビーム構造に対するバネ定数比を演算する
場合において得られた変形姿態を示した説明図。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a deformed state obtained when calculating a spring constant ratio for each beam structure.

【図12】第4実施例に係る角速度検出器の構成を示し
た平面図。
FIG. 12 is a plan view showing a configuration of an angular velocity detector according to a fourth embodiment.

【図13】第4実施例に係る角速度検出器の変位の様子
を示した説明図。
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a state of displacement of an angular velocity detector according to a fourth embodiment.

【図14】各ビーム構造に対するビーム構造のx軸方
向、y軸方向の変形の容易度を示すバネ定数比、及びマ
ス部の水平回動角の計算値を示した表図。
FIG. 14 is a table showing calculated values of a spring constant ratio indicating the degree of ease of deformation of the beam structure in the x-axis direction and the y-axis direction for each beam structure, and a horizontal rotation angle of the mass portion.

【図15】各ビーム構造に対するビーム構造のx軸方
向、y軸方向の変形の容易度を示すバネ定数比の計算値
を示したグラフ図。
FIG. 15 is a graph showing calculated values of spring constant ratios indicating the ease of deformation of the beam structure in the x-axis direction and the y-axis direction for each beam structure.

【図16】各ビーム構造に対するビーム構造のマス部の
水平回動角の計算値を示したグラフ図。
FIG. 16 is a graph showing calculated values of the horizontal rotation angle of the mass portion of the beam structure for each beam structure.

【図17】従来の角速度検出器の構成を示した平面図。FIG. 17 is a plan view showing a configuration of a conventional angular velocity detector.

【図18】従来の角速度検出器の構成を示した断面図。FIG. 18 is a sectional view showing a configuration of a conventional angular velocity detector.

【図19】従来の他の角速度検出器の構成を示した平面
図。
FIG. 19 is a plan view showing the configuration of another conventional angular velocity detector.

【図20】従来の他の角速度検出器の構成を示した断面
図。
FIG. 20 is a sectional view showing the configuration of another conventional angular velocity detector.

【図21】フレームを除去した場合のビームの変形姿態
を示した説明図。
FIG. 21 is an explanatory view showing a deformed state of a beam when a frame is removed.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリコン基板 10…マス部 21、22、23、24…第1支持ビーム 31、32、33、34、311、312、321、3
22、331、332、341、342…自由ビーム 511、512、521、522、531、532、5
41、542…固定ビーム 41、42、43、44、71、72…リンク 73、75、81、84…可動櫛歯電極 74、76、82、83、85、86…固定櫛歯電極 611、612、621、622、631、632、6
41、642…アンカー部 87、88、89、90…配線層 91…キャップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate 10 ... Mass part 21, 22, 23, 24 ... 1st support beam 31, 32, 33, 34, 311, 312, 321, 3
22, 331, 332, 341, 342 ... Free beams 511, 512, 521, 522, 531, 532, 5
41, 542: fixed beam 41, 42, 43, 44, 71, 72: link 73, 75, 81, 84: movable comb electrode 74, 76, 82, 83, 85, 86: fixed comb electrode 611, 612 , 621, 622, 631, 632, 6
41, 642 ... anchor part 87, 88, 89, 90 ... wiring layer 91 ... cap

フロントページの続き (72)発明者 野々村 裕 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の1 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 平8−159776(JP,A) 特開 平8−152327(JP,A) 特開 平5−248872(JP,A) 特開 平9−318649(JP,A) 特表 平9−512106(JP,A)Continuation of the front page (72) Inventor Hiroshi Nonomura 41-1, Yokomichi, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture Inside Toyota Central Research Laboratory Co., Ltd. (56) References JP-A-8-159776 (JP, A) 8-152327 (JP, A) JP-A-5-248872 (JP, A) JP-A-9-318649 (JP, A) JP-A-9-512106 (JP, A)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板面上にx軸、x軸に垂直にy軸をと
り、基板面に垂直にz軸をとるとき、基板に対して振動
可能に配設されたマス部をx軸方向に励振させ、z軸の
回りの角速度をy軸方向に発生するコリオリ力に関連す
る物理量を検出することで、前記角速度を検出する振動
式角速度検出器において、前記マス部の両側から前記x
軸方向に延設された第1支持ビームと、前記第1支持ビ
ームの他端から延設され前記y軸方向に伸びた自由ビー
ムと、この任意の1つの自由ビームについて、その自由
ビームに平行に所定間隔を隔て設けられ、前記第1支持
ビームに近い方の端部が基板に固定された少なくとも2
本の固定ビームと、前記固定ビームの他端と前記自由ビ
ームの一端とを接続し、x軸方向に伸びたリンクとから
成る第2支持ビームと、を備えることを特徴とする振動
式角速度検出器。
1. An x-axis and a y-axis perpendicular to the x-axis on a substrate surface, and a z-axis perpendicular to the substrate surface. In a vibrating angular velocity detector that detects the angular velocity by detecting a physical quantity related to the Coriolis force that generates the angular velocity around the z-axis in the y-axis direction,
A first support beam extending in the axial direction, a free beam extending from the other end of the first support beam and extending in the y-axis direction, and any one of the free beams is parallel to the free beam. At least a predetermined distance from each other, and an end closer to the first support beam is fixed to the substrate.
A fixed beam, a second support beam connecting the other end of the fixed beam and one end of the free beam, and comprising a link extending in the x-axis direction. vessel.
【請求項2】 前記自由ビームを、前記第1支持ビーム
の他端から延設された、前記y軸方向に所定の間隔を隔
てて互いに平行に伸びた2本以上の自由ビームの組とし
たことを特徴とする請求項1に記載の振動式角速度検出
器。
2. The free beam is a set of two or more free beams extending from the other end of the first support beam and extending in parallel with each other at a predetermined interval in the y-axis direction. The vibration angular velocity detector according to claim 1, wherein:
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