JP4292746B2

JP4292746B2 - Angular velocity sensor

Info

Publication number: JP4292746B2
Application number: JP2002037872A
Authority: JP
Inventors: 青　　建一; 祐史樋口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: JP2003240557A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定軸回りの角速度が入力されたときにコリオリ力によって発生する振動子の振動に基づいて角速度を検出する角速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の角速度センサでは、例えば、平面内にて第１の軸方向へ振動子を駆動振動させ、当該平面に垂直な軸回りに角速度が印加されると、振動子には、コリオリ力によって該平面にて第１の軸方向（駆動振動方向）とは直交する第２の軸方向への振動が発生する。
【０００３】
そして、振動子の周囲に検出電極を設け、この第２の軸方向への振動に伴う、振動子と検出電極との間の静電容量変化に基づいて角速度を検出するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の角速度センサでは、第２の軸方向に外部から加速度が加わったときにおいても、この加速度によって振動子が第２の軸方向に変位する。そのため、このような加速度による容量変化も角速度によるものとして検出する。
【０００５】
即ち、角速度が０のときであっても、第２の軸方向に加速度が加わったときには、振動子の変位量を検出してしまい、この加速度による振動子の変位量がノイズとして加わってしまうため、角速度の検出精度が低下するという問題がある。
【０００６】
このような直線方向振動である加速度に対する出力（耐加速度感度）を低減するために、防振ゴムを用いて加速度による振動を減衰させたり、２個以上の振動子を用いて加速度によって発生する出力を差動検出してキャンセルする方法が用いられている。しかしながら、防振ゴムや２個の振動子を用いる方法では、構成点数が増大するなど、センサの小型化や低コスト化のためには好ましくない。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、防振ゴムを用いることなく単一の振動子にて加速度による出力をキャンセルすることのできる角速度センサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、平面形状が環状であって平面内にて駆動振動可能な振動子（３０）と、振動子を支持する支持基板（２０）とを備え、振動子は、駆動振動時には、その図心（Ｂ）を中心としてｙ軸方向に伸縮するように変位することにより、振動子のうち前記ｙ軸方向に沿って突出する一方の部位（８１、８２）と他方の部位（８３、８４）とが逆相に振動するようになっており、駆動振動のもと、平面に垂直なｚ軸回りに角速度（Ω）が印加されたときに、一方の部位と他方の部位はコリオリ力によって、平面内にてｙ軸と直交するｘ軸に沿って逆相に振動し、振動子は図心を中心に回転振動するようになっており、支持基板は、枠状のものであり、振動子は、平面形状が八角形の環状であって、支持基板の内周側に位置し、外周に一体に連結された４つの梁部（４０）を介して支持基板に支持され、各梁部は、平面円環状を有し、ｘ軸方向およびｙ軸方向に自由度を持つものであって、前記図心を中心にして支持基板の四隅部へ延びるように対称的に配置されており、振動子の一方の部位に対してｘ軸方向に隔てて対向する第１の検出部（７１、７２）が設けられ、振動子の他方の部位に対してｘ軸方向に隔てて対向する第２の検出部（７３、７４）が設けられており、角速度が印加されたときに、一方の部位と第１の検出部との間の第１の容量変化と、他方の部位と第２の検出部との間の第２の容量変化とを差動検出することにより角速度を求めるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
それによれば、駆動振動時には、環状の振動子（３０）は、その図心（Ｂ）を中心としてｙ軸方向に伸びたり縮んだりすることにより、振動子のうちｙ軸方向に沿って突出する一方の部位（８１、８２）と他方の部位（８３、８４）とは、逆相に振動する(図４（ａ）参照）。
【００１０】
そして、駆動振動のもとでｚ軸回りに角速度（Ω）が印加された時には、コリオリ力により振動子の一方の部位（８１、８２）と他方の部位（８３、８４）は、平面内にてｙ軸と直交するｘ軸に沿って互いに逆相に振動し、振動子（３０）は図心（Ｂ）を中心に回転振動する（図４（ｂ）参照）。
【００１１】
そのため、この角速度印加時には、一方の部位（８１、８２）と第１の検出部（７１、７２）との間の第１の容量変化が増加（＋２ΔＣ）の場合、他方の部位（８３、８４）と第２の検出部（７３、７４）との間の第２の容量変化は減少（−２ΔＣ）となる。そこで、これら第１および第２の両容量変化を差動検出することで角速度を求めることができる。
【００１２】
ここで、上述のように、コリオリ力により振動子の一方の部位（８１、８２）と他方の部位（８３、８４）はｘ軸方向に互いに逆相に振動することに対し、上記第１の容量変化と上記第２の容量変化とは増減方向が逆になっている。このような構成に対しては、センサ出力に影響するｘ軸方向に加速度が印加された場合、当該加速度による第１の容量変化（−２ΔＣｇ）と第２の容量変化（−２ΔＣｇ）は増減方向が同じになる。
【００１３】
そこで、当該加速度による第１の容量変化と第２の容量変化は、第１および第２の両容量変化を差動検出することで実質的にキャンセルされる。よって、本発明によれば、防振ゴムを用いることなく単一の振動子にて加速度による出力をキャンセルすることのできる角速度センサを提供することができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明のように、振動子（３０）を駆動させる駆動手段（５１、５２）は、振動子との間の静電容量を変化させることにより振動子を駆動させるものにできる。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る角速度センサＳ１の概略平面図であり、図２は図１中のＡ−Ａ線に沿った概略断面構成を示す図である。この角速度センサＳ１は、半導体基板等に周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成される。
【００１８】
本例の角速度センサＳ１を構成する基板は、図２に示す様に、第１の半導体基板としての第１シリコン基板１１上に絶縁層としての酸化膜１３を介して第２の半導体基板としての第２シリコン基板１２を貼り合わせてなる矩形状のＳＯＩ（シリコン−オン−インシュレータ）基板１０である。
【００１９】
ＳＯＩ基板１０において、第２シリコン基板１２には、エッチング加工等を施すことにより溝１５が形成され、当該溝１５によって当該第２シリコン基板１２を、周辺部側に位置する枠状の基部２０と、この基部２０の内周側に位置して可動する振動子３０とに区画している。
【００２０】
また、振動子３０に対応した部分においては、第１シリコン基板１１及び酸化膜１３は除去されており、開口部（本例では矩形状）１４が形成されている。そして、基部２０は、この開口部１４の縁部にて酸化膜１３を介して第１シリコン基板１１に支持されている。この開口部１４は、ＳＯＩ基板１０を第１シリコン基板１１側から異方性エッチングする等により形成することができる。
【００２１】
ここで、図１に示す平面において、矩形状のＳＯＩ基板１０の左右方向に沿った辺に平行な方向をｘ軸とし、ＳＯＩ基板１０の上下方向に沿った辺に平行な方向すなわちｘ軸に直交する方向をｙ軸とする。そして、これらｘ軸およびｙ軸に垂直な方向すなわち図１の紙面垂直方向をｚ軸とする。
【００２２】
図１に示すように、振動子３０は平面形状が環状であり、本例では八角形の環状をなしている。この振動子３０は、その外周に一体に連結された４つの梁部４０を介して支持基板としての基部２０に支持されている。各梁部４０は、図１中、黒丸にて示す図心Ｂを中心にして基部２０の四隅部へ延びるように対称的に配置されている。
【００２３】
各梁部４０はｘ軸方向およびｙ軸方向に自由度を持つものであり、限定するものではないが、図１に示す例では、各梁部４０は、直線部の中間に平面円環状もしくは平面楕円環状の環部を有する形状を有している。この梁部４０により、振動子３０は、ｘ軸方向およびｙ軸方向へ振動可能となっている。
【００２４】
また、第２シリコン基板１２のうち、振動子３０におけるｘ軸方向に沿った両端部の外側には、開口部１４の縁部に支持された櫛歯状の駆動電極５１、５２が、振動子３０に対向して形成されている。そして、駆動電極５１、５２は、対向する振動子３０から突出する櫛歯部（駆動用櫛歯部）６１、６２に対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。
【００２５】
ここで、各駆動電極５１、５２には、図示しない外部回路とワイヤボンディング等により電気的に接続するためのパッド（駆動電極用パッド）５１ａ、５２ａがアルミ等により形成されている。
【００２６】
これら駆動電極５１、５２および駆動用櫛歯部６１、６２は、駆動信号の印加によって当該両者５１と６１、５２と６２間の静電容量ＣＤ１、ＣＤ２を変化させるようになっている。それにより、駆動電極５１、５２と駆動用櫛歯部６１、６２とが近づいたり離れたりするように静電力が作用し、振動子３０がｘ軸方向およびｙ軸方向へ伸縮して駆動振動するようになっている。
【００２７】
また、第２シリコン基板１２のうち、振動子３０におけるｙ軸方向に沿った両端部の外側には、開口部１４の縁部に支持された櫛歯状の検出電極７１、７２、７３、７４が、振動子３０に対向して形成されている。そして、検出電極７１〜７４は、対向する振動子３０から突出する櫛歯部（検出用櫛歯部）８１、８２、８３、８４に対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。
【００２８】
これら検出電極７１〜７４は、振動子３０におけるｙ軸方向に沿った両端部としての検出用櫛歯部８１〜８４に対して、ｘ軸方向に隔てて対向している。そして、図１に示すように、それぞれの対向間隔に検出容量である各容量ＣＳ１１、ＣＳ１２、ＣＳ１３、ＣＳ１４が形成されている。
【００２９】
ここで、これら検出電極７１〜７４において、振動子３０におけるｙ軸方向に沿った両端部のうち一方の端部である検出用櫛歯部８１、８２（図１中、上側）に対向するものを第１の検出電極（第１の検出部）７１、７２とし、振動子３０におけるｙ軸方向に沿った両端部のうち他方の端部である検出用櫛歯部８３、８４（図１中、下側）に対向するものを第２の検出電極（第２の検出部）７３、７４とする。
【００３０】
また、第１の検出電極７１、７２は、隣り合う２つの検出電極７１と７２からなり、一方の第１の検出電極７１における検出容量（一方の第１の検出容量）ＣＳ１１と他方の第１の検出電極７２における検出容量（他方の第１の検出容量）ＣＳ１２とは、振動子３０のｘ軸方向の変位に対し、増減方向が逆である。
【００３１】
また、第２の検出電極７３、７４も、隣り合う２つの検出電極７３と７４からなり、一方の第２の検出電極７３における検出容量（一方の第２の検出容量）ＣＳ２１と他方の第２の検出電極７４における検出容量（他方の第２の検出容量）ＣＳ２２とは、振動子３０のｘ軸方向の変位に対し、増減方向が逆である。
【００３２】
ここで、各検出電極７１〜７４には、図示しない上記外部回路とワイヤボンディング等により電気的に接続されるためのパッド（検出電極用パッド）７１ａ、７２ａ、７３ａ、７４ａがアルミ等により形成されている。
【００３３】
また、梁部４０が連結され振動子３０を支持している部分の基部（振動子支持部）２０は、その周囲の基部２０とは溝１５を介して電気的に絶縁されており、この振動子支持部としての基部２０には、振動子３０を所定電位に維持するための振動子電位用パッド３０ａがアルミ等により形成されている。
【００３４】
また、上記した振動子支持部、駆動電極５１、５２、および検出電極７１〜７４以外の基部２０は、第２シリコン基板１２に形成された上記溝１５により互いに電気的に絶縁されており、この部分の基部２０には、該基部２０を基準電位にするための基準電位用パッド２０ａがアルミ等により形成されている。これら振動子電位用パッド２０ａや基準電位用パッド３０ａも図示しない上記外部回路とワイヤボンディング等により電気的に接続される。
【００３５】
また、図３は、上記角速度センサＳ１の検出回路図である。一方の駆動電極５１と駆動用櫛歯部６１との間に容量ＣＤ１が形成されており、他方の駆動電極５２と駆動用櫛歯部６２との間に容量ＣＤ２が形成されている。
【００３６】
一方の第１の検出用電極７１とこれに対向する検出用櫛歯部８１との間に一方の第１の検出容量ＣＳ１１が形成されており、他方の第１の検出用電極７２とこれに対向する検出用櫛歯部８２との間に他方の第１の検出容量ＣＳ１２が形成されている。
【００３７】
また、一方の第２の検出用電極７３とこれに対向する検出用櫛歯部８３との間に一方の第２の検出容量ＣＳ２１が形成されており、他方の第２の検出用電極７４とこれに対向する検出用櫛歯部８４との間に他方の第２の検出容量ＣＳ２２が形成されている。
【００３８】
これら各容量により、図３に示すような等価回路が形成される。ここで、電位Ｖｋは、振動子電位用パッド３０ａを介して振動子３０に印加されるもので、作動中、振動子３０は所定電位Ｖｋに維持される。また、電位Ｖｆｒは、基準電位用パッド２０ａを介して基部２０に印加されるもので、作動中、基部２０は基準電位Ｖｆｒに維持される。
【００３９】
また、駆動信号Ｖａｃは、駆動電極用パッド５１ａ、５２ａを介して駆動電極５１、５２に印加される交流電圧であり、両駆動電極５１、５２において同相である。
【００４０】
また、一方の第１の検出用電極７１（一方の第１の検出容量ＣＳ１１）に対応する検出電極用パッド７１ａには、容量を電圧に変換するためのチャージアンプ９１が電気的に接続されており、他方の第１の検出用電極７２（他方の第１の検出容量ＣＳ１２）に対応する検出電極用パッド７２ａには、同じくチャージアンプ９２が電気的に接続形成されている。
【００４１】
また、一方の第２の検出用電極７３（一方の第２の検出容量ＣＳ２１）に対応する検出電極用パッド７３ａには、チャージアンプ９３が電気的に接続されており、他方の第２の検出用電極７４（他方の第２の検出容量ＣＳ２２）に対応する検出電極用パッド７４ａには、チャージアンプ９４が電気的に接続形成されている。なお、容量Ｃｆは、これらチャージアンプ９１〜９４の帰還容量である。
【００４２】
さらに、チャージアンプ９１と９２との電圧は差動アンプ１０１にて差動がとられ、チャージアンプ９３と９４との電圧は差動アンプ１０２にて差動がとられるようになっている。そして、これら前段の両差動アンプ１０１と１０２からの電圧は、後段の差動アンプ１０３にて差動がとられ出力されるようになっている。
【００４３】
なお、本例では、第１の検出電極（第１の検出部）７１、７２および第２の検出電極（第２の検出部）７３、７４の各々は、検出容量の増減の異なる２つの検出電極から構成されているが、これは、駆動信号Ｖａｃの回り込みによる検出ノイズを低減するためである。
【００４４】
酸化膜１３を介して第１シリコン基板１１と第２シリコン基板１２との間には寄生容量が存在する。この寄生容量等の存在により、検出電極からの検出信号には、駆動信号が回り込んだ信号（回り込み駆動信号）がノイズとして乗ってくる。
【００４５】
その点、本例では、第１および第２の各検出電極７１〜７４を、それぞれ検出容量の増減の異なる２つの検出電極７１と７２、７３と７４から構成し、第１および第２の検出電極７１〜７４のそれぞれにおいて２つの検出電極からの信号の差動をとることにより、この回り込み信号をキャンセルすることができ、好ましい。
【００４６】
このような駆動信号の回り込みによるノイズが、さほど影響しない場合には、第１の検出電極および第２の検出電極の各々は、一つずつの検出電極でも良い。例えば、一方の第１の検出電極７１と一方の第２の検出電極７３とにより構成しても良い。
【００４７】
次に、上記構成を有する角速度センサＳ１の作動について、上記図３および図４の作動説明図を参照して述べる。なお、図４では、振動子３０における各櫛歯形状は省略してある。
【００４８】
まず、上記図示しない外部回路から駆動電極用パッド５１ａ、５２ａを介して駆動電極５１、５２に駆動信号（正弦波電圧等）Ｖａｃを印加することにより、駆動用櫛歯部６１、６２と駆動電極５１、５２との間に静電気力を発生させる。
【００４９】
それにより、図４（ａ）中の実線形状に示すように、梁部４０の弾性力によって振動子３０がへ駆動振動する。この駆動振動においては、振動子３０はその図心Ｂを中心としてｘ軸方向およびｙ軸方向に伸縮するように変位する。それにより、振動子３０のうちｙ軸方向に沿った一方の端部８１、８２と他方の端部８３、８４とが、ｙ軸に沿って逆相に振動する。
【００５０】
この振動子３０の駆動振動のもとｚ軸回りに角速度Ωが印加されると、振動子３０にはｘ軸方向にコリオリ力が印加され、図４（ｂ）中、実線と破線とで示すように、振動子３０のうちｙ軸方向に沿った一方の端部８１、８２と他方の端部８３、８４とは、梁部４０の弾性力によって、ｘ軸に沿って互いに逆相に振動する（検出振動）。
【００５１】
この検出振動においては、実際には振動子３０は図心Ｂを中心に回転振動をするものであり、このような回転振動によって、振動子３０のうちｙ軸方向に沿った一方の端部８１、８２と他方の端部８３、８４とは、ｘ軸に沿った方向へ振動するものとなっている。
【００５２】
そして、この検出振動によって、検出電極７１〜７４と検出用櫛歯部８１〜８４との櫛歯間の容量ＣＳ１１、ＣＳ１２、ＣＳ２１、ＣＳ２２が変化するため、この容量変化を検出することにより、角速度Ωの大きさを求めることができる。
【００５３】
例えば、図４（ｂ）において、振動子３０のうちｙ軸方向に沿った一方の端部８１、８２がｘ軸に沿って左方向へ変位し、同時に他方の端部８３、８４がｘ軸に沿って右方向へ変位した瞬間を考える（図４（ｂ）中の破線形状を参照）。
【００５４】
この場合、上記図１からわかるように、一方の第１の検出容量ＣＳ１１は増加し、他方の第１の検出容量ＣＳ１２は減少する。また、一方の第２の検出容量ＣＳ２１は減少し、他方の第２の検出容量ＣＳ２２は増加する。ここで、各検出容量の増減分をΔＣとする。
【００５５】
そして、第１の検出電極７１、７２からは、チャージアンプ９１と９２との差動がとられるため、単純には＋２ΔＣ分の出力が得られ、いっぽう第２の検出電極７３、７４からは、チャージアンプ９３と９４との差動がとられるため、単純には−２ΔＣ分の出力が得られる。
【００５６】
このように結果的に、角速度印加時には、一方の端部８１、８２と第１の検出電極７１、７２との間の第１の容量変化が増加（＋２ΔＣ）の場合、他方の端部８３、８４と第２の検出電極７３、７４との間の第２の容量変化は減少（−２ΔＣ）となる。そして、これら両出力が後段の差動アンプ１０３にて差動がとられ、単純には４ΔＣ分の容量変化に相当する出力すなわち角速度Ωに基づいたセンサ出力が得られる。
【００５７】
また、上述したように、第１の検出電極、第２の検出電極の各々が、一つずつの検出電極、例えば、一方の第１の検出電極７１、一方の第２の検出電極７３により構成される場合も同様に角速度検出を行うことができる。この場合、上記図３に示す検出回路において、他方の第１および第２の検出電極７２、７３、検出容量ＣＳ１２、ＣＳ２２、チャージアンプ９２、９４および前段の差動アンプ１０１、１０２が無い場合に相当する。
【００５８】
そして、この場合も、図４（ｂ）においてｘ軸に沿って、振動子３０の一方の端部８１、８２が左方向へ、他方の端部８３、８４が右方向へ変位した瞬間を考えると、一方の第１の検出容量ＣＳ１１は増加し、また、一方の第２の検出容量ＣＳ２１は減少する。
【００５９】
そして、チャージアンプ９１、９３および差動アンプ１０３を介して、第１の検出電極７１の検出容量変化と第２の検出電極７３の検出容量変化との差分（単純には２ΔＣ）に応じた出力が、角速度Ωに基づいたセンサ出力として得られる。
【００６０】
このようにして本実施形態の角速度センサＳ１によれば、角速度Ωが印加されたときに、振動子３０のうちｙ軸方向に沿った一方の端部８１、８２と他方の端部８３、８４とが逆相にて検出振動するため、一方の端部８１、８２と第１の検出電極７１、７２との間の第１の容量変化と、他方の端部８３、８４と第２の検出電極７３、７４との間の第２の容量変化とを差動検出することにより角速度Ωを求めることができる。
【００６１】
ここで、角速度センサＳ１に対して、ｘ軸方向の加速度が印加された場合を考える。例えば、図４（ｂ）においてｘ軸に沿って右方向の加速度が印加されたとする。すると、各検出容量ＣＳ１１、ＣＳ１２、ＣＳ２１、ＣＳ２２には、当該加速度による容量変化ΔＣｇが、それぞれ、−ΔＣｇ、＋ΔＣｇ、−ΔＣｇ、＋ΔＣｇとして発生する。
【００６２】
この加速度による、第１の検出電極７１、７２側の第１の容量変化および第２の検出電極７３、７４側の第２の容量変化は、ともに−２ΔＣｇと同じ（同符号）である。そして、これら第１および第２の容量変化の差動出力がとられるため、加速度による容量変化分はキャンセルされる。
【００６３】
こうして、加速度による出力をキャンセルした角速度出力が得られる。なお、このことは、第１の検出電極、第２の検出電極の各々が、一つずつの検出電極により構成される場合も同様に実現できることは明らかである。
【００６４】
以上のように、本実施形態によれば、防振ゴムを用いることなく単一の振動子にて加速度による出力をキャンセルすることのできる角速度センサを提供することができる。
【００６５】
なお、平面環状の振動子としては、上記八角形に限らず、六角形環状、その他の多角形環状、円環状であっても良い。要は、図心を中心としてｙ軸方向に伸縮するように変位することにより、振動子のうちｙ軸方向に沿った一方の部位と他方の部位とが逆相に振動するようなものであれば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る角速度センサの概略平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ概略断面図である。
【図３】図１に示す角速度センサの検出回路図である。
【図４】図１に示す角速度センサの作動説明図である。
【符号の説明】
２０…基部、３０…振動子、４０…梁部、５１、５２…駆動電極、
７１…一方の第１の検出電極、７２…他方の第１の検出電極、
７３…一方の第２の検出電極、７４…他方の第２の検出電極、
８１、８２、８３、８４…検出用櫛歯部、Ｂ…振動子の図心、Ω…角速度。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an angular velocity sensor that detects an angular velocity based on vibration of a vibrator generated by Coriolis force when an angular velocity about a predetermined axis is input.
[0002]
[Prior art]
In this type of angular velocity sensor, for example, when a vibrator is driven and vibrated in a first axial direction in a plane and an angular velocity is applied around an axis perpendicular to the plane, the vibrator is subjected to the Coriolis force. Vibration in the second axial direction perpendicular to the first axial direction (drive vibration direction) occurs on the plane.
[0003]
A detection electrode is provided around the vibrator, and an angular velocity is detected based on a change in capacitance between the vibrator and the detection electrode accompanying the vibration in the second axial direction.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional angular velocity sensor described above, even when an acceleration is applied from the outside in the second axial direction, the vibrator is displaced in the second axial direction by this acceleration. Therefore, such a change in capacitance due to acceleration is also detected as being due to angular velocity.
[0005]
That is, even when the angular velocity is 0, when acceleration is applied in the second axial direction, the displacement amount of the vibrator is detected, and the displacement amount of the vibrator due to this acceleration is added as noise. There is a problem that the detection accuracy of the angular velocity is lowered.
[0006]
In order to reduce the output (acceleration resistance sensitivity) with respect to the acceleration which is such a linear vibration, the vibration caused by the acceleration is attenuated using an anti-vibration rubber, or the output generated by the acceleration using two or more vibrators. A method of canceling by differential detection is used. However, the method using the anti-vibration rubber and the two vibrators is not preferable for reducing the size and cost of the sensor, for example, increasing the number of components.
[0007]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an angular velocity sensor capable of canceling output due to acceleration with a single vibrator without using a vibration isolating rubber.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a vibrator (30) having an annular planar shape and capable of driving vibration in the plane, and a support substrate (20) for supporting the vibrator. The vibrator is displaced so as to expand and contract in the y-axis direction around the centroid (B) at the time of driving vibration, so that one of the vibrators projecting along the y-axis direction (81 82) and the other part (83, 84) vibrate in opposite phases, and when an angular velocity (Ω) is applied around the z-axis perpendicular to the plane under drive vibration, the one site and the other sites Coriolis force vibrates in opposite phase along the x-axis perpendicular to the y-axis in the plane, the oscillator is adapted to rotational vibration about the centroid, the support The substrate has a frame shape, and the vibrator has an octagonal planar shape, and is supported. Located on the inner peripheral side of the substrate and supported by the support substrate via four beam portions (40) integrally connected to the outer periphery, each beam portion has a planar annular shape, and is in the x-axis direction and the y-axis direction. It has a degree of freedom in the direction, and is symmetrically arranged so as to extend to the four corners of the support substrate with the centroid as the center, and is separated from one part of the vibrator in the x-axis direction. Opposing first detection portions (71, 72) are provided, and second detection portions (73, 74) are provided opposite to the other part of the vibrator in the x-axis direction, and angular velocity is provided. Is applied, a first capacitance change between one part and the first detection unit and a second capacitance change between the other part and the second detection unit are differentially detected. Thus, the angular velocity is obtained.
[0009]
According to this, at the time of driving vibration, the annular vibrator (30) projects along the y-axis direction of the vibrator by extending or shrinking in the y-axis direction around the centroid (B). One part (81, 82) and the other part (83, 84) vibrate in opposite phases (see FIG. 4 (a)).
[0010]
When an angular velocity (Ω) is applied around the z-axis under driving vibration, one part (81, 82) and the other part (83, 84) of the vibrator are in a plane due to Coriolis force. Thus, they vibrate in opposite phases along the x-axis orthogonal to the y-axis, and the vibrator (30) rotates and vibrates around the centroid (B) (see FIG. 4B).
[0011]
Therefore, when this angular velocity is applied, if the first capacitance change between one part (81, 82) and the first detection unit (71, 72) is increased (+ 2ΔC), the other part (83, 84) ) And the second detection unit (73, 74) decreases (−2ΔC). Therefore, the angular velocity can be obtained by differentially detecting both the first and second capacitance changes.
[0012]
Here, as described above, the first part (81, 82) and the other part (83, 84) of the vibrator vibrate in opposite phases in the x-axis direction due to the Coriolis force. The increase / decrease direction of the capacitance change and the second capacitance change are reversed. For such a configuration, when acceleration is applied in the x-axis direction that affects the sensor output, the first capacitance change (−2ΔCg) and the second capacitance change (−2ΔCg) due to the acceleration are increased or decreased. Are the same.
[0013]
Therefore, the first capacitance change and the second capacitance change due to the acceleration are substantially canceled by differentially detecting both the first and second capacitance changes. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an angular velocity sensor capable of canceling output due to acceleration with a single vibrator without using a vibration isolating rubber.
[0014]
Further, as in the invention described in claim 2, the driving means (51, 52) for driving the vibrator (30) drives the vibrator by changing a capacitance between the vibrator and the vibrator (30). Can be.
[0016]
In addition, the code | symbol in the parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. FIG. 1 is a schematic plan view of an angular velocity sensor S1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a schematic cross-sectional configuration along the line AA in FIG. The angular velocity sensor S1 is formed by performing known micromachining on a semiconductor substrate or the like.
[0018]
As shown in FIG. 2, the substrate constituting the angular velocity sensor S <b> 1 of this example is formed as a second semiconductor substrate through an oxide film 13 as an insulating layer on a first silicon substrate 11 as a first semiconductor substrate. This is a rectangular SOI (silicon-on-insulator) substrate 10 formed by bonding a second silicon substrate 12 together.
[0019]
In the SOI substrate 10, a groove 15 is formed in the second silicon substrate 12 by performing an etching process or the like, and the second silicon substrate 12 is formed by the groove 15 with a frame-shaped base 20 positioned on the peripheral side. , And is divided into a movable vibrator 30 located on the inner peripheral side of the base portion 20.
[0020]
In the portion corresponding to the vibrator 30, the first silicon substrate 11 and the oxide film 13 are removed, and an opening (in this example, a rectangular shape) 14 is formed. The base 20 is supported by the first silicon substrate 11 via the oxide film 13 at the edge of the opening 14. The opening 14 can be formed by anisotropically etching the SOI substrate 10 from the first silicon substrate 11 side.
[0021]
Here, in the plane shown in FIG. 1, the direction parallel to the side along the left-right direction of the rectangular SOI substrate 10 is the x-axis, and the direction parallel to the side along the vertical direction of the SOI substrate 10 is the x-axis. An orthogonal direction is taken as a y-axis. A direction perpendicular to the x-axis and y-axis, that is, a direction perpendicular to the paper surface of FIG.
[0022]
As shown in FIG. 1, the vibrator 30 has an annular shape in plan view, and in this example, has an octagonal annular shape. The vibrator 30 is supported by a base portion 20 as a support substrate via four beam portions 40 integrally connected to the outer periphery thereof. Each beam part 40 is symmetrically disposed so as to extend to the four corners of the base part 20 with the centroid B indicated by a black circle in FIG. 1 as the center.
[0023]
Each beam portion 40 has a degree of freedom in the x-axis direction and the y-axis direction, and is not limited, but in the example shown in FIG. 1, each beam portion 40 has a planar annular shape in the middle of the straight portion. It has a shape having a planar elliptical annular portion. With this beam portion 40, the vibrator 30 can vibrate in the x-axis direction and the y-axis direction.
[0024]
Further, comb-shaped drive electrodes 51 and 52 supported by the edge of the opening 14 are provided on the outer sides of both ends of the second silicon substrate 12 along the x-axis direction of the vibrator 30. 30 is formed to face. The drive electrodes 51 and 52 are disposed so as to face each other with respect to comb teeth (driving comb teeth) 61 and 62 protruding from the opposing vibrator 30 so that the respective comb teeth mesh with each other.
[0025]
Here, pads (drive electrode pads) 51a and 52a for electrically connecting to an external circuit (not shown) by wire bonding or the like are formed on the drive electrodes 51 and 52 from aluminum or the like.
[0026]
The drive electrodes 51 and 52 and the drive comb teeth 61 and 62 are configured to change the capacitances CD1 and CD2 between the drive electrodes 51 and 52 and the drive combs 61 and 62 by applying a drive signal. As a result, an electrostatic force acts so that the drive electrodes 51 and 52 and the comb teeth 61 and 62 for driving approach or leave, and the vibrator 30 expands and contracts in the x-axis direction and the y-axis direction to drive and vibrate. It is like that.
[0027]
Further, in the second silicon substrate 12, comb-shaped detection electrodes 71, 72, 73, 74 supported on the edge of the opening 14 are provided outside the both ends of the vibrator 30 along the y-axis direction. Is formed to face the vibrator 30. The detection electrodes 71 to 74 are arranged so as to face each other with respect to comb teeth (detection comb teeth) 81, 82, 83, 84 protruding from the opposing vibrator 30 so that the respective comb teeth mesh with each other. ing.
[0028]
These detection electrodes 71 to 74 are opposed to the detection comb tooth portions 81 to 84 as both end portions along the y-axis direction in the vibrator 30 with a separation in the x-axis direction. And as shown in FIG. 1, each capacity | capacitance CS11, CS12, CS13, CS14 which is a detection capacity | capacitance is formed in each opposing space | interval.
[0029]
Here, in these detection electrodes 71 to 74, those facing the detection comb teeth 81 and 82 (upper side in FIG. 1) which is one of the both ends along the y-axis direction of the vibrator 30. Are first detection electrodes (first detection portions) 71 and 72, and detection comb teeth portions 83 and 84 (in FIG. 1) which are the other end portions of both ends of the vibrator 30 along the y-axis direction. , Lower side) are second detection electrodes (second detection units) 73 and 74.
[0030]
The first detection electrodes 71 and 72 are composed of two adjacent detection electrodes 71 and 72, and the detection capacitance (one first detection capacitance) CS11 in one first detection electrode 71 and the other first detection electrode 71. The detection capacitance (the other first detection capacitance) CS12 of the first detection electrode 72 is opposite to the displacement in the x-axis direction of the transducer 30 in the increasing / decreasing direction.
[0031]
The second detection electrodes 73 and 74 are also composed of two adjacent detection electrodes 73 and 74, and the detection capacitance (one second detection capacitance) CS21 in one second detection electrode 73 and the second second detection electrode 73. The detection capacitance of the detection electrode 74 (the other second detection capacitance) CS22 has an increase / decrease direction opposite to the displacement of the vibrator 30 in the x-axis direction.
[0032]
Here, on each of the detection electrodes 71 to 74, pads (detection electrode pads) 71a, 72a, 73a, 74a to be electrically connected to the external circuit (not shown) by wire bonding or the like are formed of aluminum or the like. ing.
[0033]
Further, the base portion (vibrator support portion) 20 where the beam portion 40 is connected to support the vibrator 30 is electrically insulated from the surrounding base portion 20 via the groove 15, and this vibration A vibrator potential pad 30a for maintaining the vibrator 30 at a predetermined potential is formed of aluminum or the like on the base portion 20 serving as a child support portion.
[0034]
Further, the base portion 20 other than the vibrator support portion, the drive electrodes 51 and 52, and the detection electrodes 71 to 74 are electrically insulated from each other by the groove 15 formed in the second silicon substrate 12. A reference potential pad 20a for setting the base portion 20 to a reference potential is formed of aluminum or the like on the base portion 20 of the portion. The vibrator potential pad 20a and the reference potential pad 30a are also electrically connected to the external circuit (not shown) by wire bonding or the like.
[0035]
FIG. 3 is a detection circuit diagram of the angular velocity sensor S1. A capacitor CD1 is formed between one drive electrode 51 and the driving comb portion 61, and a capacitor CD2 is formed between the other drive electrode 52 and the driving comb portion 62.
[0036]
One first detection capacitor CS11 is formed between one first detection electrode 71 and the detection comb-tooth portion 81 opposed to the first detection electrode 71, and the other first detection electrode 72 and The other first detection capacitor CS12 is formed between the opposing detection comb teeth 82.
[0037]
In addition, one second detection capacitor CS21 is formed between one second detection electrode 73 and the detection comb tooth 83 facing the second detection electrode 73, and the other second detection electrode 74 The other second detection capacitor CS <b> 22 is formed between the detection comb tooth portion 84 and the detection comb tooth portion 84.
[0038]
Each of these capacitors forms an equivalent circuit as shown in FIG. Here, the potential Vk is applied to the vibrator 30 via the vibrator potential pad 30a, and the vibrator 30 is maintained at the predetermined potential Vk during operation. The potential Vfr is applied to the base 20 via the reference potential pad 20a, and the base 20 is maintained at the reference potential Vfr during operation.
[0039]
The drive signal Vac is an AC voltage applied to the drive electrodes 51 and 52 via the drive electrode pads 51 a and 52 a, and is in phase with the drive electrodes 51 and 52.
[0040]
A charge amplifier 91 for converting a capacitance into a voltage is electrically connected to a detection electrode pad 71a corresponding to one first detection electrode 71 (one first detection capacitor CS11). Similarly, the charge amplifier 92 is electrically connected to the detection electrode pad 72a corresponding to the other first detection electrode 72 (the other first detection capacitor CS12).
[0041]
In addition, a charge amplifier 93 is electrically connected to the detection electrode pad 73a corresponding to one second detection electrode 73 (one second detection capacitor CS21), and the other second detection electrode. A charge amplifier 94 is electrically connected to the detection electrode pad 74a corresponding to the electrode 74 (the other second detection capacitor CS22). The capacitor Cf is a feedback capacitor of the charge amplifiers 91 to 94.
[0042]
Further, the voltage between the charge amplifiers 91 and 92 is differentiated by the differential amplifier 101, and the voltage between the charge amplifiers 93 and 94 is differentiated by the differential amplifier 102. The voltages from the differential amplifiers 101 and 102 in the preceding stage are differentially output by the differential amplifier 103 in the subsequent stage and output.
[0043]
In this example, each of the first detection electrodes (first detection units) 71 and 72 and the second detection electrodes (second detection units) 73 and 74 includes two detections with different detection capacities. This is composed of electrodes in order to reduce detection noise due to the wraparound of the drive signal Vac.
[0044]
Parasitic capacitance exists between the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 12 via the oxide film 13. Due to the presence of this parasitic capacitance or the like, a signal (a sneak drive signal) that the drive signal wraps around is added as noise to the detection signal from the detection electrode.
[0045]
In this regard, in the present example, each of the first and second detection electrodes 71 to 74 is constituted by two detection electrodes 71 and 72, 73 and 74 having different detection capacitances, and the first and second detection electrodes. This sneak signal can be canceled by taking the differential of the signals from the two detection electrodes in each of the electrodes 71 to 74, which is preferable.
[0046]
When the noise due to the wraparound of the driving signal does not affect so much, each of the first detection electrode and the second detection electrode may be one detection electrode. For example, one first detection electrode 71 and one second detection electrode 73 may be used.
[0047]
Next, the operation of the angular velocity sensor S1 having the above configuration will be described with reference to the operation explanatory diagrams of FIGS. In FIG. 4, each comb shape in the vibrator 30 is omitted.
[0048]
First, by applying a drive signal (sine wave voltage or the like) Vac from the external circuit (not shown) to the drive electrodes 51, 52 via the drive electrode pads 51a, 52a, the drive comb-tooth portions 61, 62 and the drive electrodes An electrostatic force is generated between 51 and 52.
[0049]
Thereby, as shown by the solid line shape in FIG. 4A, the vibrator 30 is driven to vibrate by the elastic force of the beam portion 40. In this drive vibration, the vibrator 30 is displaced so as to expand and contract in the x-axis direction and the y-axis direction around the centroid B. As a result, one end 81, 82 along the y-axis direction and the other end 83, 84 of the vibrator 30 vibrate in opposite phases along the y-axis.
[0050]
When an angular velocity Ω is applied around the z axis under the driving vibration of the vibrator 30, a Coriolis force is applied to the vibrator 30 in the x-axis direction, which is indicated by a solid line and a broken line in FIG. As described above, one end portion 81 and 82 and the other end portion 83 and 84 along the y-axis direction of the vibrator 30 vibrate in opposite phases along the x-axis by the elastic force of the beam portion 40. (Detection vibration).
[0051]
In this detected vibration, the vibrator 30 actually oscillates around the centroid B, and due to such rotational vibration, one end 81 along the y-axis direction of the vibrator 30. 82 and the other end 83, 84 vibrate in the direction along the x-axis.
[0052]
The capacitances CS11, CS12, CS21, and CS22 between the comb teeth of the detection electrodes 71 to 74 and the detection comb teeth portions 81 to 84 are changed by the detection vibration. Therefore, the angular velocity is detected by detecting the capacitance change. The magnitude of Ω can be obtained.
[0053]
For example, in FIG. 4B, one end 81, 82 along the y-axis direction of the vibrator 30 is displaced leftward along the x-axis, and at the same time, the other end 83, 84 is moved along the x-axis. Consider the moment of displacement to the right along (see the broken line shape in FIG. 4B).
[0054]
In this case, as can be seen from FIG. 1, the first detection capacitor CS11 increases and the other first detection capacitor CS12 decreases. In addition, one second detection capacitor CS21 decreases and the other second detection capacitor CS22 increases. Here, the increase / decrease amount of each detection capacity is defined as ΔC.
[0055]
Since the differential between the charge amplifiers 91 and 92 is obtained from the first detection electrodes 71 and 72, an output of + 2ΔC is simply obtained. On the other hand, from the second detection electrodes 73 and 74, Since the differential between the charge amplifiers 93 and 94 is taken, an output of −2ΔC is simply obtained.
[0056]
As a result, when the angular velocity is applied, when the first capacitance change between the one end 81, 82 and the first detection electrode 71, 72 is increased (+ 2ΔC), the other end 83, The second capacitance change between the second detection electrode 73 and the second detection electrode 74 is reduced (−2ΔC). These outputs are differentiated by the differential amplifier 103 at the subsequent stage, and an output corresponding to a capacitance change of 4ΔC, that is, a sensor output based on the angular velocity Ω is obtained simply.
[0057]
Further, as described above, each of the first detection electrode and the second detection electrode is constituted by one detection electrode, for example, one first detection electrode 71 and one second detection electrode 73. In this case, the angular velocity can be detected similarly. In this case, in the detection circuit shown in FIG. 3, when the other first and second detection electrodes 72 and 73, detection capacitors CS12 and CS22, charge amplifiers 92 and 94, and differential amplifiers 101 and 102 in the previous stage are not provided. Equivalent to.
[0058]
In this case also, consider the moment when one end 81, 82 of the vibrator 30 is displaced leftward and the other end 83, 84 is displaced rightward along the x-axis in FIG. Then, one first detection capacitor CS11 increases, and one second detection capacitor CS21 decreases.
[0059]
Then, output corresponding to the difference (simply 2ΔC) between the detection capacitance change of the first detection electrode 71 and the detection capacitance change of the second detection electrode 73 via the charge amplifiers 91 and 93 and the differential amplifier 103. Is obtained as a sensor output based on the angular velocity Ω.
[0060]
Thus, according to the angular velocity sensor S1 of the present embodiment, when the angular velocity Ω is applied, one end portion 81, 82 and the other end portion 83, 84 of the vibrator 30 along the y-axis direction. Are detected and oscillated in opposite phases, so that the first capacitance change between one end 81, 82 and the first detection electrode 71, 72, and the other end 83, 84 and the second detection. The angular velocity Ω can be obtained by differential detection of the second capacitance change between the electrodes 73 and 74.
[0061]
Here, consider a case where acceleration in the x-axis direction is applied to the angular velocity sensor S1. For example, assume that acceleration in the right direction is applied along the x-axis in FIG. Then, in each of the detection capacitors CS11, CS12, CS21, and CS22, a capacitance change ΔCg due to the acceleration is generated as −ΔCg, + ΔCg, −ΔCg, and + ΔCg, respectively.
[0062]
The first capacitance change on the first detection electrodes 71 and 72 side and the second capacitance change on the second detection electrodes 73 and 74 side due to this acceleration are both the same (same sign) as −2ΔCg. Since the differential output of the first and second capacitance changes is taken, the capacitance change due to acceleration is canceled.
[0063]
Thus, an angular velocity output in which the output due to acceleration is canceled is obtained. It is obvious that this can be similarly realized when each of the first detection electrode and the second detection electrode is constituted by one detection electrode.
[0064]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide an angular velocity sensor capable of canceling an output due to acceleration with a single vibrator without using a vibration isolating rubber.
[0065]
The planar annular vibrator is not limited to the octagonal shape, but may be a hexagonal annular shape, other polygonal annular shapes, or an annular shape. The point is that one part of the vibrator along the y-axis direction and the other part vibrate in opposite phases by being displaced so as to expand and contract in the y-axis direction around the centroid. It ’s fine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
FIG. 3 is a detection circuit diagram of the angular velocity sensor shown in FIG. 1;
4 is an operation explanatory diagram of the angular velocity sensor shown in FIG. 1. FIG.
[Explanation of symbols]
20 ... base, 30 ... vibrator, 40 ... beam, 51, 52 ... drive electrode,
71 ... one first detection electrode, 72 ... the other first detection electrode,
73 ... one second detection electrode, 74 ... the other second detection electrode,
81, 82, 83, 84... Comb teeth for detection, B.

Claims

A vibrator (30) having an annular planar shape and capable of being driven to vibrate in the plane; and a support substrate (20) for supporting the vibrator ;
The vibrator is displaced so as to expand and contract in the y-axis direction around the centroid (B) at the time of the drive vibration, so that one portion of the vibrator protruding along the y-axis direction ( 81, 82) and the other part (83, 84) vibrate in opposite phases,
Under the driving vibration, when an angular velocity (Ω) is applied around the z-axis perpendicular to the plane, the one part and the other part are caused to correlate with the y-axis within the plane by Coriolis force. It vibrates in antiphase along the orthogonal x-axis, and the vibrator rotates and vibrates around the centroid,
The support substrate is frame-shaped,
The vibrator has an octagonal planar shape and is supported on the support substrate via four beam portions (40) that are located on the inner peripheral side of the support substrate and integrally connected to the outer periphery. Each beam portion has a planar annular shape and has a degree of freedom in the x-axis direction and the y-axis direction, and extends to the four corners of the support substrate with the centroid as a center. Are arranged symmetrically,
A first detector (71, 72) is provided opposite to the one part of the vibrator in the x-axis direction;
A second detection unit (73, 74) is provided opposite to the other part of the vibrator in the x-axis direction;
When the angular velocity is applied, a first capacitance change between the one site and the first detection unit, and a second capacitance between the other site and the second detection unit An angular velocity sensor characterized in that the angular velocity is obtained by differentially detecting a change.

The drive means (51, 52) for driving the vibrator (30) drives the vibrator by changing a capacitance between the vibrator and the vibrator (30). An angular velocity sensor described in 1.