JP3306965B2 - Vibration type angular velocity sensor - Google Patents

Vibration type angular velocity sensor

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JP3306965B2
JP3306965B2 JP05022093A JP5022093A JP3306965B2 JP 3306965 B2 JP3306965 B2 JP 3306965B2 JP 05022093 A JP05022093 A JP 05022093A JP 5022093 A JP5022093 A JP 5022093A JP 3306965 B2 JP3306965 B2 JP 3306965B2
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vibrating
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浩史 川合
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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、例えば車両等の転回方
向,姿勢等を検出するのに用いて好適な振動型角速度セ
ンサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vibration type angular velocity sensor suitable for detecting a turning direction and a posture of a vehicle or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、車両等の転回方向を検出するの
に用いられる振動型角速度センサとしては、高速回転体
を利用するものや光ファイバを用いるものがよく知られ
ているが、これらは大型で高価なものとなってしまって
いる。
2. Description of the Related Art In general, as a vibration type angular velocity sensor used for detecting a turning direction of a vehicle or the like, a sensor using a high-speed rotating body or a sensor using an optical fiber is well known. It has become expensive.

【0003】このため、最近では圧電材料等を用いて、
コリオリの力を利用した角速度に比例した出力を検出す
る振動型の角速度センサが多く使用されるようになって
きている。
For this reason, recently, using a piezoelectric material or the like,
2. Description of the Related Art A vibration type angular velocity sensor that detects an output proportional to an angular velocity using a Coriolis force is increasingly used.

【0004】例えば、アメリカ特許第4,699,00
6号明細書に示すような半導体プロセス技術を用いたね
じり振動型の角速度センサの提案がなされている。
For example, US Pat. No. 4,699,00
A torsional vibration type angular velocity sensor using a semiconductor process technology as shown in the specification of Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 6-106 is proposed.

【0005】このねじり振動型の角速度センサは、基板
に支持梁を介してY軸方向に支持された振動片を、Y軸
を回動軸として回動するように励振させ、Z軸方向に角
速度が加わると、振動片内にX軸方向に支持梁を介して
支持された検出片がコリオリの力でX軸を回動中心とし
て回動する。そして、該検出片と固定電極との間の離間
寸法(検出片の変位)を検出することで、角速度を検出
するものである。
This torsional vibration type angular velocity sensor excites a vibrating piece supported on a substrate via a support beam in the Y-axis direction so as to rotate about the Y-axis as a rotation axis, and the angular velocity in the Z-axis direction. Is applied, the detection piece supported in the vibrating piece in the X-axis direction via the support beam rotates around the X-axis by the Coriolis force. Then, the angular velocity is detected by detecting a separation dimension (displacement of the detection piece) between the detection piece and the fixed electrode.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来技術による角速度センサにおいては、検出片および振
動片の回動方向の回動中心はX軸およびY軸であり、回
動中心は基板に対して水平となっている。これにより、
検出片および振動片は基板に対してZ軸方向(鉛直方
向)に変位することとなり、電極配置の構造が非常に複
雑になるという問題がある。
In the angular velocity sensor according to the prior art described above, the center of rotation of the detecting piece and the vibrating piece in the direction of rotation is the X axis and the Y axis, and the center of rotation is relative to the substrate. It is horizontal. This allows
The detecting piece and the vibrating piece are displaced in the Z-axis direction (vertical direction) with respect to the substrate, and there is a problem that the structure of the electrode arrangement becomes very complicated.

【0007】さらに、振動片の回動軸が基板に対して水
平であるから、気体中で検出を行なう場合には、空気の
粘性抵抗を受けて振動片を一定周期で回動させることが
できなくなる。これにより、検出片に作用するコリオリ
の力が変動し、該検出片の変位を正確に検出できず、角
速度を高精度で検出することができないという問題があ
る。
Further, since the rotation axis of the vibrating reed is horizontal with respect to the substrate, when the detection is performed in a gas, the vibrating reed can be rotated at a constant period due to the viscous resistance of air. Disappears. As a result, the Coriolis force acting on the detection piece fluctuates, so that the displacement of the detection piece cannot be accurately detected, and the angular velocity cannot be detected with high accuracy.

【0008】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明は振動片を空気の粘性抵抗をなく
して振動させることで、角速度の高精度検出を行ないう
る振動型角速度センサを提供することを目的としてい
る。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and the present invention provides a vibration type angular velocity sensor capable of detecting angular velocity with high accuracy by vibrating a vibrating piece without viscous resistance of air. It is intended to provide.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために請求項1の発明が採用する構成は、水平方向に直
交するX軸とY軸を有する基板と、該基板の表面に設け
られた複数の振動片固定部と、該各振動片固定部に基端
側が固定された複数の支持梁と、該各支持梁を介して前
記複数の振動片固定部間に基板から離間した状態で支持
された振動片と、前記基板に対して垂直な該振動片の中
心軸(Z軸)を回動中心として正,逆方向に静電引力に
よって回動振動させる励振手段と、前記基板に対して水
平なX軸を中心として角速度が作用し、前記Y軸を回動
中心として回動するときの前記振動片の鉛直方向(Z軸
方向)の変位量を検出する変位量検出手段とから構成し
たことにある。また、請求項2の発明は、水平方向に直
交するX軸とY軸を有する基板と、該基板の表面に設け
られた第1および第2の振動片固定部と、該第1および
第2の振動片固定部に基端側が固定された第1および第
2の支持梁と、該第1および第2の支持梁を介して前記
第1および第2の振動片固定部間に基板から離間した状
態で支持された振動片と、前記基板に対して垂直な該振
動片の中心軸(Z軸)を回動中心として正,逆方向に静
電引力によって回動振動させる励振手段と、前記基板に
対して水平なX軸を中心として角速度が作用し、前記Y
軸を回動中心として回動するときの前記振動片の鉛直方
(Z軸方向)の変位量を検出する変位量検出手段とか
ら構成している。
In order to solve the above-mentioned problems, the structure adopted by the invention of claim 1 is a structure which is straight in a horizontal direction.
A substrate having an intersecting X-axis and a Y-axis, a plurality of vibrating bar fixing portions provided on the surface of the substrate, a plurality of support beams having a base end fixed to each of the vibrating bar fixing portions; A vibrating reed supported between the plurality of vibrating reed fixing portions via a beam in a state separated from the substrate; and a positive and negative center of rotation about a central axis (Z axis) of the vibrating reed perpendicular to the substrate . an excitation means for rotating vibration by electrostatic attraction in the reverse direction, the water to the substrate
Angular velocity acts around the flat X axis, turning the Y axis
Vertical direction of the vibrating reed when rotating about the center (Z axis
And a displacement amount detecting means for detecting the displacement amount in the direction (1) . The invention according to claim 2 is characterized in that
A substrate having an intersecting X-axis and a Y-axis; first and second vibrating bar fixing portions provided on the surface of the substrate; and a base end fixed to the first and second vibrating bar fixing portions. A first and a second support beam, a vibrator element supported between the first and second vibrator element fixing portions via the first and second support beams while being separated from the substrate, and the substrate An exciting means for rotating and vibrating by electrostatic attraction in forward and reverse directions about a center axis (Z axis) of the vibrating reed perpendicular to the substrate;
The angular velocity acts on the horizontal X axis,
And a displacement detecting means for detecting a displacement of the vibrating reed in a vertical direction (Z-axis direction) when the vibrating piece rotates about an axis .

【0010】また、請求項3の発明は、水平方向に直交
するX軸とY軸を有する基板と、該基板の表面に設けら
れた複数の振動片固定部と、該各振動片固定部に基端側
が固定された弧状をなす複数の支持梁と、該各支持梁を
介して前記複数の振動片固定部間に前記基板から離間し
た状態で支持された振動片と、前記基板に対して垂直な
該振動片の中心軸(Z軸)を回動中心として正,逆方向
に回動振動させる励振手段と、前記基板に対して水平な
X軸を中心として角速度が作用し、前記Y軸を回動中心
として回動するときの前記振動片の鉛直方向(Z軸方
向)の変位量を検出する変位量検出手段とから構成して
いる。また、請求項4の発明は、水平方向に直交するX
軸とY軸を有する基板と、該基板の表面に設けられた第
1および第2の振動片固定部と、該第1および第2の振
動片固定部に基端側が固定された弧状をなす第1および
第2の支持梁と、該第1および第2の支持梁を介して前
記第1および第2の振動片固定部間に前記基板から離間
した状態で支持された振動片と、前記基板に対して垂直
該振動片の中心軸(Z軸)を回動中心として正,逆方
向に回動振動させる励振手段と、前記基板に対して水平
な前記振動片のY軸を回動中心として回動するときの
記振動片の鉛直方向(Z軸方向)の変位量を検出する変
位量検出手段とから構成している。さらに、請求項5の
発明は、基板,振動片および支持梁をシリコンにより形
成したことにある。
Further, the invention according to claim 3 is orthogonal to the horizontal direction.
A substrate having an X-axis and a Y-axis, a plurality of vibrating bar fixing portions provided on the surface of the substrate, a plurality of arc-shaped support beams having a base end fixed to each of the vibrating bar fixing portions, A vibrating reed supported between the plurality of vibrating reed fixing portions via the respective support beams while being separated from the substrate; and a central axis (Z axis) of the vibrating reed perpendicular to the substrate. positive as the pivot center, and excitation means for rotating vibrate in opposite directions, horizontal to the substrate
Angular velocity acts around the X axis, and the Y axis rotates around
Vertical direction of the vibrating reed when rotating (Z axis direction
And the displacement amount detecting means for detecting the displacement amount in the direction (1) . The invention according to claim 4 is characterized in that X
A substrate having an axis and a Y-axis; first and second vibrating bar fixing portions provided on the surface of the substrate; and an arc-shaped base end fixed to the first and second vibrating bar fixing portions. first and second support beams, and supported resonator element via the first and second support beams state spaced from the substrate between the first and second vibrating bars fixed portion, wherein Perpendicular to substrate
A positive central axis of the vibrating piece (Z-axis) as a rotation center, and exciting means for rotating vibrate in opposite directions, horizontal to the substrate
And a displacement amount detecting means for detecting a displacement amount of the vibrating piece in the vertical direction (Z-axis direction) when the vibrating piece rotates about the Y axis . Furthermore, the invention of claim 5 resides in that the substrate, the resonator element and the support beam are formed of silicon.

【0011】[0011]

【作用】上記構成により、請求項1の発明では、複数の
支持梁によって振動片が鉛直方向に対して変位するのを
防ぎつつ、励振手段により静電引力を作用させ、基板に
対して垂直な振動片の中心軸(Z軸)を回動中心として
回動させる。この状態で、センサ全体に基板に対して水
平なX軸を中心として角速度が加わると、振動片にコリ
オリの力が作用し、基板に対して水平なY軸を回動中心
として振動片が回動して鉛直方向(Z軸方向)に変位す
る。そして、この振動片の変位量を変位量検出手段で検
出することにより、センサ全体に加わる角速度を検出す
ることができる。また、請求項2の発明では、第1,第
2の支持梁によって振動片が鉛直方向に対して変位する
のを防ぎつつ、励振手段により静電引力を作用させ、
板に対して垂直な振動片の中心軸(Z軸)を回動中心と
して回動させる。この状態で基板に対して水平なX軸を
中心として角速度が加わると、基板に対して水平なY軸
を回動中心として振動片は回動し、鉛直方向に変位す
る。このため、振動片の鉛直方向(Z軸方向)の変位量
を変位量検出手段で検出することにより、センサ全体に
加わる角速度を検出することができる。
According to the above construction, in the first aspect of the present invention, the vibrating reed is prevented from being displaced in the vertical direction by the plurality of support beams, and an electrostatic attraction is applied by the excitation means to apply a force to the substrate.
The vibrating reed is rotated about the center axis (Z axis) of the vibrating reed perpendicular to the revolving piece. In this state, the water to the substrate throughout the sensor
When an angular velocity is applied about the flat X axis , Coriolis force acts on the vibrating piece, and the Y axis, which is horizontal to the substrate, is
As a result, the resonator element rotates and is displaced in the vertical direction (Z-axis direction) . The angular velocity applied to the entire sensor can be detected by detecting the amount of displacement of the vibrating reed by the displacement amount detecting means. Further, in the invention of claim 2, first, while preventing the resonator element is displaced with respect to the vertical direction by the second supporting beams, by the action of electrostatic attraction by the excitation means, group
The vibrating reed is rotated about the center axis (Z axis) of the vibrating reed perpendicular to the plate . In this state, the X axis horizontal to the substrate
When the angular velocity is applied as the center, the horizontal Y axis
The resonator element rotates around the center of rotation, and displaces in the vertical direction.
You. Therefore, the angular velocity applied to the entire sensor can be detected by detecting the amount of displacement of the resonator element in the vertical direction (Z-axis direction) by the displacement amount detecting means.

【0012】請求項3の発明では、弧状をなす複数の支
持梁によって振動片が鉛直方向に対して変位するのを防
ぎつつ、励振手段により基板に対して垂直な振動片の中
心軸(Z軸)を回動中心として回動させる。この状態
で、センサ全体に基板に対して水平なX軸を中心として
角速度が加わると、振動片にコリオリの力が作用し、
板に対して水平なY軸を回動中心として振動片は回動
し、鉛直方向(Z軸方向)に変位する。そして、この振
動片の変位量を変位量検出手段で検出することにより、
センサ全体に加わる角速度を検出することができる。ま
た、請求項4の発明では、弧状をなす第1,第2の支持
梁によって振動片が鉛直方向に対して変位するのを防ぎ
つつ、励振手段により基板に対して垂直な振動片の中心
(Z軸)を回動中心として回動させる。この状態で
板に対して水平なX軸を中心として角速度が加わると、
基板に対して水平なY軸を回動中心として振動片は回動
し、鉛直方向(Z軸方向)に変位する。このため、振動
片の鉛直方向の変位量を変位量検出手段で検出すること
により、センサ全体に加わる角速度を検出することがで
きる。さらに、請求項5の発明では、シリコンで振動片
および支持梁を形成することで、エッチング技術等の半
導体加工技術を利用でき、該振動片および支持梁の形成
を容易に行なうことができる。
According to the third aspect of the invention, while the vibrating reed is prevented from being displaced in the vertical direction by the plurality of arcuate supporting beams, the center axis (Z-axis) of the vibrating reed is perpendicular to the substrate by the excitation means. ) Is rotated about the center of rotation. In this state, when <br/> angular velocity is applied around the horizontal X-axis with respect to the substrate throughout the sensor, Coriolis force acts on the vibrating element, group
Resonator element as the pivot about a horizontal axis Y plate rotated
Then, it is displaced in the vertical direction (Z-axis direction) . Then, by detecting the displacement amount of the vibrating reed by the displacement amount detecting means,
The angular velocity applied to the entire sensor can be detected. In the invention according to claim 4, the vibrating reed is prevented from being displaced in the vertical direction by the arcuate first and second support beams, and the central axis of the vibrating reed is perpendicular to the substrate by the excitation means. (Z axis) is rotated about the rotation center. Based in this state
When an angular velocity is applied around the X axis that is horizontal to the plate,
The vibrating bar rotates around the Y axis that is horizontal to the substrate
Then, it is displaced in the vertical direction (Z-axis direction). Therefore, the angular velocity applied to the entire sensor can be detected by detecting the vertical displacement of the resonator element by the displacement detector. According to the fifth aspect of the present invention, since the vibrating reed and the supporting beam are formed of silicon, a semiconductor processing technique such as an etching technique can be used, and the vibrating reed and the supporting beam can be easily formed.

【0013】[0013]

【実施例】以下、本発明の実施例を図1ないし図9に基
づき説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0014】図中、1は単結晶シリコン材料からなる基
板を示し、該基板1上には後述する検出用固定電極8,
8が形成され、絶縁層となる酸化膜2を介して振動片固
定部5,5、回動用電極6,6および振動片3等が設け
られている。なお、便宜上図1に示す回動中心Oに対し
て紙面の左,右方向がX軸、上,下方向がY軸、さらに
図2に示す紙面の上,下方向がZ軸となっている。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a substrate made of a single-crystal silicon material.
8 are provided, and the vibrating bar fixing portions 5 and 5, the rotating electrodes 6 and 6, the vibrating bar 3 and the like are provided via the oxide film 2 serving as an insulating layer. For convenience, the left and right directions of the paper with respect to the rotation center O shown in FIG. 1 are the X axis, the upper and lower directions are the Y axis, and the upper and lower directions of the paper shown in FIG. 2 are the Z axis. .

【0015】3は基板1から離間して設けられた振動片
を示し、該振動片3はポリシリコンにより円板状に形成
され、その中心が回動中心Oとなり、図1に示すように
紙面の上,下方向(Y軸方向)に支持腕部3A,3Bが
突出形成されている。
Reference numeral 3 denotes a vibrating reed provided apart from the substrate 1, and the vibrating reed 3 is formed in a disc shape by polysilicon, and its center is a rotation center O. As shown in FIG. The support arms 3A and 3B are formed to project upward and downward (Y-axis direction).

【0016】4,4は支持梁を示し、該各支持梁4は半
円の円弧状に形成され、基端側が振動片固定部5,5に
固定され、先端側が前記振動片3の支持腕部3A,3B
にそれぞれ固定されている。また、該各支持梁4は図1
に示すようにY軸に対して、上側に位置した振動片3の
支持腕部3Aは下側の振動片固定部5に、下側に位置し
た振動片3の支持腕部3Bは上側の振動片固定部5にそ
れぞれ固定されている。そして、前記振動片3,各支持
梁4および各振動片固定部5はポリシリコンにより一体
形成されている。
Reference numerals 4 and 4 denote support beams. Each of the support beams 4 is formed in a semicircular arc shape, and the base end side is fixed to the vibrating bar fixing portions 5 and 5, and the distal end side is the supporting arm of the vibrating bar 3. Parts 3A, 3B
Respectively. Each of the support beams 4 is shown in FIG.
As shown in the figure, the supporting arm 3A of the vibrating reed 3 located on the upper side with respect to the Y axis is located on the lower vibrating reed fixing part 5, and the supporting arm 3B of the vibrating reed 3 located on the lower side is located on the upper side. Each is fixed to one piece fixing portion 5. The vibrating reed 3, each supporting beam 4, and each vibrating reed fixing portion 5 are integrally formed of polysilicon.

【0017】6,6は基板1上に形成された励振手段と
しての一対の回動用電極を示し、該各回動用電極6は前
記振動片3のX軸方向の両側に位置して配設され、前記
振動片3と対向する面が円弧状に形成されている。ま
た、該各回動用電極6と振動片固定部5との間には発振
回路7から所定の励起周波数の正弦波(またはパルス
波)が入力されるようになっている。なお、前記所定の
励起周波数は、前記各支持梁4の長さ,幅,厚さから求
められる弾性率により設定される振動片3の共振周波数
と実質的に一致するようになっている。
Reference numerals 6 and 6 denote a pair of rotating electrodes as excitation means formed on the substrate 1. The rotating electrodes 6 are disposed on both sides of the vibrating piece 3 in the X-axis direction. The surface facing the vibrating reed 3 is formed in an arc shape. A sine wave (or pulse wave) having a predetermined excitation frequency is input from the oscillation circuit 7 between each of the rotating electrodes 6 and the vibrating bar fixing portion 5. Note that the predetermined excitation frequency substantially matches the resonance frequency of the vibrating reed 3 set by the elastic modulus obtained from the length, width, and thickness of each of the support beams 4.

【0018】8,8は基板1にリンを拡散することによ
り形成された変位量検出手段としての検出用固定電極を
示し、該各検出用固定電極8は図4に示すように、半円
状の検出部8Aと、該検出部8Aから検出信号を導出す
るパターン8Bと、該パターン8Bからの検出信号を外
部に導出する取出部8Cとからなり、前記各検出部8A
と振動片3との離間寸法d1 ,d2 (図3、参照)を静
電容量C1 ,C2 として検出するようになっている。ま
た、各検出部8A,8Aは前記振動片3と対応する位置
に形成され、該各検出部8Aを合わせた大きさは前記振
動片3の円形とほぼ同じ大きさになるように形成されて
いる。
Reference numerals 8, 8 denote fixed electrodes for detection as displacement detecting means formed by diffusing phosphorus into the substrate 1. Each of the fixed electrodes for detection 8 has a semicircular shape as shown in FIG. , A pattern 8B for deriving a detection signal from the detection unit 8A, and an extraction unit 8C for deriving a detection signal from the pattern 8B to the outside.
The distances d1 and d2 (see FIG. 3) between the probe and the resonator element 3 are detected as capacitances C1 and C2. Each of the detecting portions 8A, 8A is formed at a position corresponding to the vibrating piece 3, and the combined size of the respective detecting portions 8A is formed so as to be substantially the same size as the circle of the vibrating piece 3. I have.

【0019】本実施例による振動型角速度センサは上述
の如く構成されるが、次にその製造方法について図6な
いし図9を参照しつつ、単結晶シリコンを用いた場合を
例に挙げ説明する。
The vibration type angular velocity sensor according to the present embodiment is constructed as described above. Next, a method of manufacturing the same will be described with reference to FIGS.

【0020】まず、図6に示す酸化膜2の形成工程で
は、単結晶シリコン材料からなる基板1に各検出用固定
電極8をパターニングし、リンを拡散させて拡散層とし
て各検出用固定電極8を形成した後に、例えば熱酸化法
等の手段を用いて、基板1の上面側に酸化膜2を形成す
る。
First, in the step of forming the oxide film 2 shown in FIG. 6, each fixed electrode 8 for detection is patterned on the substrate 1 made of a single crystal silicon material, and phosphorus is diffused to form each fixed electrode 8 for detection as a diffusion layer. Is formed, an oxide film 2 is formed on the upper surface side of the substrate 1 by using, for example, a thermal oxidation method.

【0021】次に、図7に示す犠牲層9の形成工程で
は、厚さd1 (d1 =d2 )のリンガラスにより形成さ
れた犠牲層9をCVD法で形成する。
Next, in the step of forming the sacrifice layer 9 shown in FIG. 7, the sacrifice layer 9 made of phosphorus glass having a thickness d1 (d1 = d2) is formed by the CVD method.

【0022】さらに、図8に示す振動片3,各支持梁
4,各振動片固定部5および各回動用電極6の形成工程
では、CVD法によりポリシリコンを形成した後に、R
IE(反応性イオンエッチング)を用いてパターニング
する。なお、このとき導電性を向上させるために、ポリ
シリコンにはリンまたはボロン等の不純物を拡散させて
いる。
Further, in the step of forming the vibrating piece 3, each supporting beam 4, each vibrating piece fixing portion 5 and each rotating electrode 6 shown in FIG.
Patterning is performed using IE (Reactive Ion Etching). At this time, in order to improve conductivity, impurities such as phosphorus or boron are diffused in the polysilicon.

【0023】最後に、図9に示す犠牲層9の除去工程で
は、犠牲層9およびその部分の酸化膜2をHF水溶液等
でエッチングして、振動片3および各支持梁4と基板1
との空間を形成する。
Finally, in the step of removing the sacrifice layer 9 shown in FIG. 9, the sacrifice layer 9 and the oxide film 2 at that portion are etched with an HF aqueous solution or the like, so that the resonator element 3 and each support beam 4 and the substrate 1 are removed.
And form a space.

【0024】次に、本実施例による振動型角速度センサ
の検出動作について説明する。
Next, the detection operation of the vibration type angular velocity sensor according to the present embodiment will be described.

【0025】まず、回動用電極6,6と振動片固定部
5,5との間に発振回路7から所定の励起周波数の正弦
波が入力されると、各回動用電極6と各支持梁4との間
には、所定の励起周波数に応じて静電引力が発生し、該
各支持梁4は回動用電極6,6に矢示Bのように順次引
張られる。これにより、振動片3の支持腕部3A,3B
が矢示A方向の正逆の回動が繰り返され、該振動片3は
回動中心Oに対する回動振動を行なう。なお、このとき
回動中心OはX,Y軸方向は勿論Z軸方向にも移動しな
いものとする。
First, when a sine wave having a predetermined excitation frequency is input from the oscillation circuit 7 between the rotating electrodes 6 and 6 and the vibrating bar fixing portions 5 and 5, the rotating electrodes 6 and the supporting beams 4 During this period, an electrostatic attraction is generated according to a predetermined excitation frequency, and each of the support beams 4 is sequentially pulled as shown by arrow B on the rotating electrodes 6 and 6. Thereby, the support arms 3A, 3B of the vibrating reed 3
Are repeated in the forward and reverse directions in the direction of arrow A, and the vibrating reed 3 performs rotational vibration about the rotational center O. At this time, it is assumed that the rotation center O does not move not only in the X and Y axis directions but also in the Z axis direction.

【0026】ここで、図2に示すようにX軸を回動中心
とする角速度Cがセンサ全体に加わると、コリオリの力
によって、図3の矢示Dに示すようなY軸に対する力が
ねじれ力となって振動片3に作用する。これにより、各
検出用固定電極8の検出部8Aと振動片3とのそれぞれ
の離間寸法d1 ,d2 が変位し、これに伴って振動片3
と各検出用固定電極8の検出部8Aとの間の静電容量C
1 ,C2 も変化する。そして、この静電容量C1 ,C2
の変化を各検出用固定電極8の取出部8Cと振動片固定
部5から検出し、外部に接続された図示しない差動回路
等により信号処理することで、矢示C方向に加わった角
速度に対応した出力を得ることができる。
Here, as shown in FIG. 2, when an angular velocity C about the X axis as the rotation center is applied to the entire sensor, the force on the Y axis as shown by arrow D in FIG. The force acts on the resonator element 3 as a force . As a result, the distances d1 and d2 between the detecting portion 8A of each fixed electrode 8 for detection and the vibrating reed 3 are displaced.
And the capacitance C between the detection portion 8A of each fixed electrode 8 for detection
1 and C2 also change. Then, the capacitances C1, C2
Is detected from the extraction portion 8C of each detection fixed electrode 8 and the vibrating bar fixing portion 5 and subjected to signal processing by a differential circuit or the like (not shown) connected to the outside, so that the angular velocity applied in the direction of arrow C is reduced. A corresponding output can be obtained.

【0027】然るに、本実施例によれば、振動片3の回
動振動状態では、Z軸方向に対して変位しないから、気
体中の粘性抵抗を受けることなく、振動片3の回動振動
を一定周期で行なうことができる。これにより、X軸を
回動中心に加わった角速度Cに対する振動片3のY軸を
回動中心とする矢示D方向に作用するコリオリの力の変
動をなくし、角速度Cの高精度検出を行なうことができ
る。
However, according to the present embodiment, the vibrating piece 3 does not displace in the Z-axis direction when the vibrating piece 3 is rotated and vibrated. It can be performed at a constant cycle. Thus, the Coriolis force acting on the vibrating reed 3 in the direction indicated by the arrow D about the Y axis as the rotation center with respect to the angular velocity C applied to the X axis as the rotation center is eliminated, and the angular velocity C is detected with high accuracy. be able to.

【0028】さらに、構造が単純で、かつ製造工程にお
いてはシリコンのエッチング等の半導体加工技術を利用
して形成することができるため、同時に多数個の振動型
角速度センサを製造でき、小型で製造コストの安い振動
型角速度センサを製造することができる。
Further, since the structure is simple, and it can be formed by using a semiconductor processing technique such as silicon etching in the manufacturing process, a large number of vibration angular velocity sensors can be manufactured at the same time. Inexpensive vibration type angular velocity sensor can be manufactured.

【0029】なお、前記実施例では、振動片3を円板状
に形成したが、この形状は円形に限らず、四角形,五角
形等でもよく、さらに振動片3に対向して基板1に形成
される検出用固定電極8の検出部8Aの形状も振動片3
と同形にする必要もなく、要は振動片3と基板1との離
間寸法を検出するものであればよい。さらに、この離間
寸法もY軸を回動中心として回動する振動片3の離間距
離を検出するものであるから、一方のみの離間寸法を検
出するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the vibrating reed 3 is formed in a disk shape. However, the shape is not limited to a circle, but may be a quadrangle, a pentagon, or the like. The shape of the detecting portion 8A of the fixed electrode 8 for detection
It is not necessary to have the same shape as that described above, and what is necessary is just to detect the distance between the resonator element 3 and the substrate 1. Further, since this separation dimension also detects the separation distance of the vibrating reed 3 that rotates about the Y axis as the rotation center, only one of the separation dimensions may be detected.

【0030】また、励振手段は回動用電極6,6を設
け、振動片3と該各回動用電極6との間に静電引力を発
生させて回動振動させるようにしたが、励振手段はこれ
に限らず、支持梁に圧電素子や抵抗体を用いて、この支
持梁の熱膨張効果等を用いて振動片3を回動振動させる
ようにしてもよい。
Further, the exciting means is provided with the rotating electrodes 6 and 6 so as to generate an electrostatic attraction between the vibrating piece 3 and each of the rotating electrodes 6 so as to rotate and vibrate. The present invention is not limited to this, and a piezoelectric element or a resistor may be used for the support beam, and the vibrating piece 3 may be rotated and vibrated using the thermal expansion effect of the support beam.

【0031】さらに、振動片3の変位量検出手段におい
ても、基板1と該振動片3との離間寸法を検出用固定電
極8,8と振動片3との静電容量の変化として検出した
が、支持梁4,4または振動片3の支持腕部3A,3B
にピエゾ抵抗素子や圧電素子等を設けることにより、振
動片3のねじれを検出するようにしてもよい。
Further, also in the displacement amount detecting means of the vibrating reed 3, the distance between the substrate 1 and the vibrating reed 3 is detected as a change in capacitance between the detection fixed electrodes 8, 8 and the vibrating reed 3. , Support beams 4 and 4 or support arms 3A and 3B of vibrating piece 3
A torsion of the resonator element 3 may be detected by providing a piezoresistive element, a piezoelectric element, or the like in the first embodiment.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上詳述した如く、請求項1の発明によ
れば、基板上に複数の支持梁を介して支持された振動片
を、励振手段の静電引力によりその中心軸(Z軸)を回
動中心として正,逆方向に回動振動させ、X軸を中心と
して角速度が作用してY軸を回動中心として回動すると
きの振動片の鉛直方向(Z軸方向)の変位量を変位量検
出手段により検出する構成としたから、複数の支持梁に
よって鉛直方向に対する変位を防ぎつつ、振動片の励振
を回動振動させることができる。このため、気体の粘性
抵抗の影響をなくし一定周期で振動片を回動振動させる
ことができ、センサ全体に加わる角速度を振動片の変位
として高精度に検出することができる。また、請求項2
の発明によれば、第1,第2の支持梁を介して第1,第
2の振動片固定部の中央に振動片を支持したから、第
1,第2の支持梁によって鉛直方向に対する変位を防ぎ
つつ、励振手段の静電引力によって第1,第2の振動片
固定部の中央で振動片の励振を回動振動させることがで
き、気体の粘性抵抗の影響をなくすことができる。
As described above in detail, according to the first aspect of the present invention, the vibrating reed supported on the substrate via the plurality of supporting beams is moved by the central axis (Z axis) by the electrostatic attraction of the exciting means. ) positive as a rotation center, in the opposite direction by rotating vibration, and about the X axis
And the angular velocity acts to rotate about the Y axis as the center of rotation.
Because it was configured to detect the displacement amount detecting means for displacement in the vertical direction (Z axis direction) of the Kino resonator element, while preventing displacement with respect to the vertical direction by a plurality of support beams, rotating vibration excitation of the vibrating element be able to. For this reason, the vibrating reed can be rotated and vibrated at a constant period without the influence of the viscous resistance of the gas, and the angular velocity applied to the entire sensor can be detected with high accuracy as the displacement of the vibrating reed. Claim 2
According to the invention, since the resonator element is supported at the center of the first and second resonator element fixing portions via the first and second support beams, the displacement in the vertical direction is achieved by the first and second support beams. In addition, the vibration of the vibrating piece can be rotated and vibrated at the center of the first and second vibrating piece fixing portions by the electrostatic attraction of the exciting means while preventing the influence of the viscous resistance of the gas.

【0033】請求項3の発明によれば、基板上に弧状を
なす複数の支持梁を介して支持された振動片を、励振手
段によりその中心軸(Z軸)を回動中心として正,逆方
向に回動振動させ、X軸を中心として角速度が作用して
Y軸を回動中心として回動するときの振動片の鉛直方向
(Z軸方向)の変位量を変位量検出手段により検出する
構成としたから、複数の支持梁によって鉛直方向に対す
る変位を防ぎつつ、振動片の励振を回動振動させること
ができる。このため、気体の粘性抵抗の影響をなくし一
定周期で振動片を回動振動させることができ、センサ全
体に加わる角速度を振動片の変位として高精度に検出す
ることができる。また、請求項4の発明によれば、弧状
をなす第1,第2の支持梁を介して第1,第2の振動片
固定部の中央に振動片を支持したから、第1,第2の支
持梁によって鉛直方向に対する変位を防ぎつつ、第1,
第2の振動片固定部の中央で振動片の励振を回動振動さ
せることができ、気体の粘性抵抗の影響をなくすことが
できる。さらに、請求項5の発明によれば、基板,支持
梁および振動片をシリコンで形成することにより、シリ
コンのエッチング技術等により、簡単な工程で振動型角
速度センサを製造することができ、生産性の向上および
コストダウンを図ることができる。
According to the third aspect of the present invention, the vibrating piece supported on the substrate via the plurality of arc-shaped support beams is forwardly and reversely rotated about the center axis (Z axis) by the excitation means. In the direction of rotation , the angular velocity acts around the X axis
The vertical direction of the vibrating bar when rotating around the Y axis
Since the displacement amount in the (Z-axis direction) is detected by the displacement amount detecting means, the vibration of the resonator element can be rotated and vibrated while the displacement in the vertical direction is prevented by the plurality of support beams. For this reason, the vibrating reed can be rotated and vibrated at a constant period without the influence of the viscous resistance of the gas, and the angular velocity applied to the entire sensor can be detected with high accuracy as the displacement of the vibrating reed. According to the fourth aspect of the present invention, since the vibrating piece is supported at the center of the first and second vibrating piece fixing portions via the first and second arc-shaped support beams, the first and second vibrating pieces are supported. The first and second support beams prevent displacement in the vertical direction.
Excitation of the vibrating reed can be rotationally vibrated at the center of the second vibrating reed fixing portion, and the influence of the viscous resistance of the gas can be eliminated. Furthermore, according to the fifth aspect of the present invention, since the substrate, the supporting beam and the vibrating piece are formed of silicon, the vibration type angular velocity sensor can be manufactured in a simple process by a silicon etching technique or the like, and the productivity is improved. And cost reduction.

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

【図1】本発明の実施例による振動型角速度センサを示
す正面図である。
FIG. 1 is a front view showing a vibration type angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1中の矢示II−II方向からみた断面図であ
る。
FIG. 2 is a cross-sectional view as seen from the direction of arrows II-II in FIG.

【図3】図1中の矢示III −III 方向からみた断面図で
ある。
FIG. 3 is a cross-sectional view as seen from a direction indicated by arrows III-III in FIG.

【図4】図1中の振動片等を取り除いた状態を示す基板
の正面図である。
FIG. 4 is a front view of the substrate showing a state where a resonator element and the like in FIG. 1 are removed.

【図5】図4中の矢示V−V方向からみた断面図であ
る。
FIG. 5 is a cross-sectional view as seen from a direction indicated by arrows VV in FIG. 4;

【図6】検出用固定電極および酸化膜の形成工程を示す
断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a process for forming a fixed electrode for detection and an oxide film.

【図7】犠牲層の形成工程を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a step of forming a sacrificial layer.

【図8】振動片,支持梁,振動片固定部および回動用電
極の形成工程を示す断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a process of forming a vibrating reed, a support beam, a vibrating reed fixing portion, and a rotating electrode.

【図9】犠牲層の除去工程を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a step of removing a sacrifice layer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 酸化膜 3 振動片 4 支持梁 6 回動用電極 7 発振回路 8 検出用固定電極 O 回動中心 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Oxide film 3 Vibrating piece 4 Support beam 6 Rotating electrode 7 Oscillation circuit 8 Detection fixed electrode O Rotation center

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 水平方向に直交するX軸とY軸を有する
基板と、該基板の表面に設けられた複数の振動片固定部
と、該各振動片固定部に基端側が固定された複数の支持
梁と、該各支持梁を介して前記複数の振動片固定部間に
前記基板から離間した状態で支持された振動片と、前記
基板に対して垂直な該振動片の中心軸(Z軸)を回動中
心として正,逆方向に静電引力によって回動振動させる
励振手段と、前記基板に対して水平なX軸を中心として
角速度が作用し、前記Y軸を回動中心として回動すると
きの前記振動片の鉛直方向(Z軸方向)の変位量を検出
する変位量検出手段とから構成してなる振動型角速度セ
ンサ。
A substrate having an X axis and a Y axis orthogonal to a horizontal direction, a plurality of vibrating bar fixing portions provided on the surface of the substrate, and a base end side of each of the vibrating bar fixing portions. a fixed plurality of support beams, and supported resonator element in a state of being separated from the substrate between the plurality of vibrating piece fixing portion through a respective support beam, said
Exciting means for rotating and vibrating in the forward and reverse directions by electrostatic attraction about a center axis (Z axis) of the resonator element perpendicular to the substrate as a rotation center, and about an X axis horizontal to the substrate.
When angular velocity acts and turns around the Y axis,
And a displacement amount detecting means for detecting a displacement amount of the vibrating piece in a vertical direction (Z-axis direction) .
【請求項2】 水平方向に直交するX軸とY軸を有する
基板と、該基板の表面に設けられた第1および第2の振
動片固定部と、該第1および第2の振動片固定部に基端
側が固定された第1および第2の支持梁と、該第1およ
び第2の支持梁を介して前記第1および第2の振動片固
定部間に前記基板から離間した状態で支持された振動片
と、前記基板に対して垂直な該振動片の中心軸(Z軸)
を回動中心として正,逆方向に静電引力によって回動振
動させる励振手段と、前記基板に対して水平なX軸を中
心として角速度が作用し、前記Y軸を回動中心として回
動するときの前記振動片の鉛直方向(Z軸方向)の変位
量を検出する変位量検出手段とから構成してなる振動型
角速度センサ。
2. A substrate having an X axis and a Y axis orthogonal to a horizontal direction, first and second vibrating piece fixing portions provided on a surface of the substrate, and the first and second vibrating piece fixing portions. A first and a second support beam, the base ends of which are fixed to the vibrating bar fixing portion, and the substrate between the first and second vibrating bar fixing portions via the first and second supporting beams. A vibrating piece supported in a spaced state, and a center axis (Z axis) of the vibrating piece perpendicular to the substrate
Excitation means for rotating and vibrating in the forward and reverse directions by electrostatic attraction about a rotation center, and an X-axis which is horizontal to the substrate.
Angular velocity acts as a center, and the Y axis rotates around the center of rotation.
A vibration type angular velocity sensor comprising: a displacement amount detecting means for detecting a displacement amount of the vibrating piece in a vertical direction (Z-axis direction) when moving .
【請求項3】 水平方向に直交するX軸とY軸を有する
基板と、該基板の表面に設けられた複数の振動片固定部
と、該各振動片固定部に基端側が固定された弧状をなす
複数の支持梁と、該各支持梁を介して前記複数の振動片
固定部間に前記基板から離間した状態で支持された振動
片と、前記基板に対して垂直な該振動片の中心軸(Z
軸)を回動中心として正,逆方向に回動振動させる励振
手段と、前記基板に対して水平なX軸を中心として角速
度が作用し、前記Y軸を回動中心として回動するときの
前記振動片の鉛直方向(Z軸方向)の変位量を検出する
変位量検出手段とから構成してなる振動型角速度セン
サ。
3. A substrate having an X axis and a Y axis orthogonal to a horizontal direction, a plurality of vibrating bar fixing portions provided on a surface of the substrate, and a base end side of each of the vibrating bar fixing portions. A plurality of fixed arc-shaped support beams, a vibrating piece supported in a state separated from the substrate between the plurality of vibrating piece fixing portions via the respective support beams, and a plurality of the vibrating pieces perpendicular to the substrate. The center axis of the resonator element (Z
( Excitation means ) for rotating and vibrating in the forward and reverse directions about a rotation center, and an angular velocity about the X axis which is horizontal to the substrate.
And a displacement amount detecting means for detecting a displacement amount of the vibrating piece in a vertical direction (Z-axis direction) when the vibrating piece rotates about the Y axis. Type angular velocity sensor.
【請求項4】 水平方向に直交するX軸とY軸を有する
基板と、該基板の表面に設けられた第1および第2の振
動片固定部と、該第1および第2の振動片固定部に基端
側が固定された弧状をなす第1および第2の支持梁と、
該第1および第2の支持梁を介して前記第1および第2
の振動片固定部間に前記基板から離間した状態で支持さ
れた振動片と、前記基板に対して垂直な該振動片の中心
(Z軸)を回動中心として正,逆方向に回動振動させ
る励振手段と、前記基板に対して水平なX軸を中心とし
て角速度が作用し、前記Y軸を回動中心として回動する
ときの前記振動片の鉛直方向(Z軸方向)の変位量を検
出する変位量検出手段とから構成してなる振動型角速度
センサ。
4. A substrate having an X axis and a Y axis orthogonal to a horizontal direction, first and second vibrating piece fixing portions provided on a surface of the substrate, and the first and second vibrating piece fixing portions. First and second arc-shaped support beams whose base ends are fixed to the vibrating piece fixing portion of
The first and second support beams are provided via the first and second support beams.
A vibrating reed supported between the vibrating reed fixing portions of the vibrating reed in a state separated from the substrate, and pivoting in the forward and reverse directions about a central axis (Z axis) of the resonating reed perpendicular to the substrate. Exciting means for vibrating, and centering on the X axis horizontal to the substrate
Angular velocity acts to rotate around the Y axis
And a displacement amount detecting means for detecting a displacement amount of the vibrating piece in a vertical direction (Z-axis direction) .
【請求項5】 前記基板,振動片および支持梁はシリコ
ンにより形成してなる請求項1,2,3または4記載の
振動型角速度センサ。
5. The vibration type angular velocity sensor according to claim 1, wherein the substrate, the resonator element and the support beam are formed of silicon.
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