JP5301767B2 - Inertial sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect acceleration in an excitation direction simultaneously with angular velocity of one shaft and acceleration in a detection direction, in one inertial sensor. <P>SOLUTION: An excitation-direction acceleration detection part 8 is arranged on objects vibrating in the excitation direction in phases opposite to each other, for instance, right and left mass parts 3 by interposing elastic bodies 25. Thereby, when acceleration is applied in the excitation direction, the right and left mass parts 3 normally vibrating at the same amplitude and in phases opposite to each other resultantly have amounts of displacements in the same phase, and acceleration in the excitation direction can be detected by detecting the amounts of displacements in the same phase as a change of capacitance by the excitation-direction acceleration detection part 8. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、慣性センサ技術に関し、特に、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術により製造されるMEMS慣性センサに適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to an inertial sensor technology, and more particularly to a technology effective when applied to a MEMS inertial sensor manufactured by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
従来の慣性センサの一例を図13に示す。この慣性センサでは、質量部500が梁501を介して支持部502で基板に固定されている。左右の質量部500は、励振部503によりX軸方向に逆位相で振動し、Y軸回りの角速度またはZ方向(検出方向)の加速度が印加されたとき、Z軸方向に変位する。このZ軸方向の変位量を、印加された角速度または加速度として検出部504で検出する。   An example of a conventional inertial sensor is shown in FIG. In this inertial sensor, the mass unit 500 is fixed to the substrate by the support unit 502 via the beam 501. The left and right mass units 500 vibrate in the opposite phase in the X-axis direction by the excitation unit 503, and are displaced in the Z-axis direction when an angular velocity around the Y-axis or an acceleration in the Z direction (detection direction) is applied. The amount of displacement in the Z-axis direction is detected by the detection unit 504 as the applied angular velocity or acceleration.
この種の慣性センサの励振部503は、その固定電極部と可動電極部とが櫛歯が噛み合う形で配置された容量素子から構成され、固定電極部と可動電極部との間に直流のバイアス電圧と共に適切な位相差をもつ交流の励振信号を印加することによって、固定電極部と可動電極部との間に静電引力を交互に発生し、左右の質量部500を互いに逆位相で振動させるものである。   The excitation unit 503 of this type of inertial sensor includes a capacitive element in which the fixed electrode portion and the movable electrode portion are arranged so that the comb teeth mesh with each other, and a DC bias is provided between the fixed electrode portion and the movable electrode portion. By applying an AC excitation signal having an appropriate phase difference together with the voltage, electrostatic attraction is alternately generated between the fixed electrode portion and the movable electrode portion, and the left and right mass portions 500 are vibrated in opposite phases. Is.
また、検出部504は、前記質量部500を可動電極とし、その可動電極部と対向するように前記基板側に固定電極を配置し、質量部500のZ方向への変位量を静電容量の変化として検出することにより、角速度または加速度に応じた検出信号を出力するものである。   In addition, the detection unit 504 uses the mass unit 500 as a movable electrode, disposes a fixed electrode on the substrate side so as to face the movable electrode unit, and determines the displacement amount of the mass unit 500 in the Z direction as a capacitance. By detecting it as a change, a detection signal corresponding to the angular velocity or acceleration is output.
ここで、左右の質量部500は互いに逆位相で振動しているため、Y軸回りの角速度が印加されたときには、コリオリ力によるZ軸方向への変位量も逆位相になる。しかし、Z軸方向の加速度が印加された場合には、X軸方向の振動とは関係なく同位相でZ軸方向に変位する。従って、二つの質量部から検出された夫々の容量変化信号を足し算することで印加された加速度が測定可能となる。また、夫々の容量変化信号を引き算することで加速度成分を除去することができ、印加された角速度を測定することができる。   Here, since the left and right mass parts 500 vibrate in mutually opposite phases, when an angular velocity around the Y axis is applied, the amount of displacement in the Z axis direction due to the Coriolis force also has an opposite phase. However, when an acceleration in the Z-axis direction is applied, it is displaced in the Z-axis direction at the same phase regardless of the vibration in the X-axis direction. Accordingly, the applied acceleration can be measured by adding the respective capacitance change signals detected from the two mass parts. Also, the acceleration component can be removed by subtracting the respective capacitance change signals, and the applied angular velocity can be measured.
例えば特開2004−4119号公報(特許文献1)の明細書に基づき既に公知の角速度センサは、基板上に配置した一対の質量部を互いに逆位相で振動させることにより、2つの質量部から夫々検出されたヨーレートの差動を検出する際、精度良く加速度成分が除去できる構成としている。   For example, an angular velocity sensor that is already known based on the specification of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-4119 (Patent Document 1) causes a pair of mass parts arranged on a substrate to vibrate in mutually opposite phases, so that two mass parts are respectively detected. When detecting the differential of the detected yaw rate, the acceleration component can be accurately removed.
また、例えば特許第3512004号(特許文献2)に基づき既に公知の力学量検出装置は、基板上に配置した一対の質量部を互いに逆位相で振動(音叉振動)させることにより、2つの質量部から夫々検出された信号の位相の違いを比較することで、印加された角速度と検出方向に働く加速度が分離できる構成としている。   Further, for example, a known mechanical quantity detection device based on Japanese Patent No. 351004 (Patent Document 2) causes two mass parts to vibrate by vibrating a pair of mass parts arranged on a substrate in mutually opposite phases (tuning fork vibration). By comparing the difference in the phase of the signals detected from each, the applied angular velocity and the acceleration acting in the detection direction can be separated.
また、例えば特表2004−518969号公報(特許文献3)に記載された角速度センサは、励振素子、コリオリ素子、検出素子の三つの素子で構成され、励振素子は励振方向には柔らかく、検出方向には硬い梁で支持され、励振方向には動き易く、検出方向には動き難い構造になっている。
特開2004−4119号公報 特許第3512004号 特表2004−518969号公報
Further, for example, the angular velocity sensor described in JP-T-2004-518969 (Patent Document 3) is composed of three elements of an excitation element, a Coriolis element, and a detection element, and the excitation element is soft in the excitation direction and is in the detection direction. Is supported by a hard beam, and is movable in the excitation direction and difficult to move in the detection direction.
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-4119 Japanese Patent No. 351004 JP-T-2004-518969
ところで、本発明者が検討した、慣性センサでは、いずれも検出方向においては角速度と同時に検出方向の加速度も測定または区別することができるものの、同時に励振方向の加速度を測定できるものはない。   By the way, none of the inertial sensors studied by the present inventors can measure or distinguish the acceleration in the detection direction as well as the angular velocity in the detection direction, but none of them can measure the acceleration in the excitation direction at the same time.
そのため、角速度と共に励振方向の加速度を測定する必要がある場合には、角速度センサとは別途、加速度センサを併用する必要がある。すると、角速度センサと加速度センサを基板上に形成する必要があるので、慣性センサの小型化を達成できない問題点がある。   Therefore, when it is necessary to measure the acceleration in the excitation direction together with the angular velocity, it is necessary to use an acceleration sensor separately from the angular velocity sensor. Then, since it is necessary to form an angular velocity sensor and an acceleration sensor on a board | substrate, there exists a problem which cannot achieve size reduction of an inertial sensor.
また、励振方向に印加される加速度は梁の線形性を悪化させるなど、慣性センサの性能にも悪影響を及ぼす問題点がある。すなわち、励振方向の加速度を同時に検出することができないため、励振方向の加速度による質量部の偏りなどによる変位誤差を補正することができない。このため、安定した励振方向の振動を維持することが困難となり、角速度の検出精度が劣化する問題点がある。   In addition, there is a problem that the acceleration applied in the excitation direction adversely affects the performance of the inertial sensor, for example, the linearity of the beam is deteriorated. That is, since the acceleration in the excitation direction cannot be detected at the same time, it is not possible to correct the displacement error due to the mass part bias due to the acceleration in the excitation direction. For this reason, it is difficult to maintain vibration in a stable excitation direction, and there is a problem in that the accuracy of detecting the angular velocity is deteriorated.
そこで、本発明の目的は、角速度と、角速度を検出する検出方向の加速度は勿論、励振方向の加速度も同時に測定できる技術を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a technique capable of simultaneously measuring the acceleration in the excitation direction as well as the angular velocity and the acceleration in the detection direction for detecting the angular velocity.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
本発明による慣性センサは、(a)主面を有する基板と、(b)前記基板の主面上の第1方向に沿って配置された第1センサユニットおよび第2センサユニットを備え、前記第1センサユニットおよび前記第2センサユニットのそれぞれは、(b1)前記第1方向である励振方向に振動する励振素子と、(b2)前記励振素子を前記励振方向に振動させる励振部とを有し、前記第1センサユニットの励振素子と前記第2センサユニットの励振素子とは逆位相で振動し、(c)さらに、前記第1センサユニットの励振素子と前記第2センサユニットの励振素子に弾性体を介して接続され、前記励振方向の加速度を検出する励振方向加速度検出部を備えることを特徴とする。   An inertial sensor according to the present invention includes: (a) a substrate having a main surface; and (b) a first sensor unit and a second sensor unit arranged along a first direction on the main surface of the substrate. Each of the one sensor unit and the second sensor unit includes (b1) an excitation element that vibrates in the excitation direction that is the first direction, and (b2) an excitation unit that vibrates the excitation element in the excitation direction. The excitation element of the first sensor unit and the excitation element of the second sensor unit vibrate in opposite phases, and (c) is elastic to the excitation element of the first sensor unit and the excitation element of the second sensor unit. An excitation direction acceleration detection unit connected through a body and detecting acceleration in the excitation direction is provided.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
すなわち、慣性センサにおいて、逆位相で振動している複数の質量部(励振素子)の間に弾性体を介して接続された励振方向加速度検出部を設け、複数の質量部における同位相の変位量から励振方向の加速度が検出できる。このため、角速度とその角速度を検出する検出方向の加速度とともに、角速度を測るための基本振動を引き起こす励振方向の加速度も同時に測定することができる。   That is, in the inertial sensor, an excitation direction acceleration detection unit connected via an elastic body is provided between a plurality of mass units (excitation elements) vibrating in opposite phases, and the displacement amount of the same phase in the plurality of mass units Thus, the acceleration in the excitation direction can be detected. For this reason, the acceleration in the excitation direction that causes the fundamental vibration for measuring the angular velocity can be measured simultaneously with the angular velocity and the acceleration in the detection direction for detecting the angular velocity.
また、励振方向の加速度を測定または識別することができるので、その加速度により生じる質量部の偏りなどによる変位誤差を補正することができ、外乱に強く、いつも安定した励振振動を維持させることができるため、角速度の検出精度を向上させることができる。   In addition, since the acceleration in the excitation direction can be measured or identified, it is possible to correct a displacement error due to the mass part bias caused by the acceleration, and to maintain stable excitation vibration that is resistant to disturbances and always stable. Therefore, the detection accuracy of angular velocity can be improved.
以下の実施の形態においては、複数の実施の形態に分けて説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細説明、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合や原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合や原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、数値および範囲についても同様である。また、本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   In the following embodiments, the description will be divided into a plurality of embodiments, but unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other, and one is a modification of some or all of the other, detailed description There is a relationship such as supplementary explanation. Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), particularly when clearly indicated or in principle limited to a specific number, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc. of components, etc., the shape is substantially the same unless otherwise specified or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to numerical values and ranges. Also, components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof is omitted as much as possible. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
本実施の形態1の慣性センサは、加速度、角速度(ジャイロ)等のような物体の慣性により現れる物理量を測定するセンサである。本実施の形態1では、角速度と加速度(検出方向の加速度および励振方向の加速度)とを同時に測定可能な慣性センサを例に挙げて説明する。
(Embodiment 1)
The inertial sensor of the first embodiment is a sensor that measures a physical quantity that appears due to the inertia of an object such as acceleration, angular velocity (gyro), and the like. In the first embodiment, an inertial sensor capable of simultaneously measuring angular velocity and acceleration (acceleration in the detection direction and acceleration in the excitation direction) will be described as an example.
まず、慣性センサの基本原理について説明する。ある第1方向(励振方向)に振動する重さmの質量部(励振素子)に励振方向(励振軸)と直交する軸の周りに角速度Ωが印加されたとき、下記の数式1に示すコリオリ力が、励振軸と角速度が印加された軸とに直交する検出方向(検出軸)に発生する。慣性センサは、このコリオリ力により質量部が検出方向に変位する原理を用いて角速度Ωを検出する。すなわち、角速度が大きくなるとコリオリ力が大きくなり、このコリオリ力の大きさに対応して検出方向に変位する量が異なる。したがって、検出方向の変位量を検出することによって角速度を測定することができる。コリオリ力による質量部の変位量を数式3に示す。また、検出方向の加速度が印加された場合の質量部の変位量を数式4に示す。質量部の変位量を、例えば静電容量変化が検出できる容量素子からなる検出部を用いて、印加された加速度と角速度の値として出力することができる。   First, the basic principle of the inertial sensor will be described. When an angular velocity Ω is applied around an axis orthogonal to the excitation direction (excitation axis) to a mass part (excitation element) having a weight m that vibrates in a certain first direction (excitation direction), A force is generated in a detection direction (detection axis) perpendicular to the excitation axis and the axis to which the angular velocity is applied. The inertial sensor detects the angular velocity Ω using the principle that the mass portion is displaced in the detection direction by the Coriolis force. That is, as the angular velocity increases, the Coriolis force increases, and the amount of displacement in the detection direction differs according to the magnitude of this Coriolis force. Therefore, the angular velocity can be measured by detecting the amount of displacement in the detection direction. The amount of displacement of the mass portion due to the Coriolis force is shown in Equation 3. Also, the displacement amount of the mass part when the acceleration in the detection direction is applied is shown in Formula 4. The displacement amount of the mass part can be output as the value of the applied acceleration and angular velocity using, for example, a detection unit including a capacitive element that can detect a change in capacitance.
Fc=2mΩv・・・数式1
但し、Fcはコリオリ力、mは質量部の質量、Ωは角速度、vは質量部の励振方向への速度である。ここで、速度vは、励振方向の変位量yの一階微分であり、数式2として定義されている。
Fc = 2 mΩv Equation 1
Where Fc is the Coriolis force, m is the mass of the mass part, Ω is the angular velocity, and v is the velocity of the mass part in the excitation direction. Here, the velocity v is the first derivative of the displacement amount y in the excitation direction, and is defined as Equation 2.
v=y′=Awcos(wt)・・・数式2
但し、yは励振方向の変位量、Aは励振方向の振幅の最大値、wは励振方向の角振動数である。
v = y ′ = Awcos (wt) Equation 2
Where y is the displacement amount in the excitation direction, A is the maximum amplitude value in the excitation direction, and w is the angular frequency in the excitation direction.
x=Qs(Fc/ksense)・・・数式3
但し、xはコリオリ力による質量部の検出方向への変位量、Qsは検出方向への品質係数、ksenseは検出方向のバネ定数である。
x = Qs (Fc / ksense) Equation 3
Where x is the amount of displacement of the mass portion in the detection direction due to Coriolis force, Qs is the quality factor in the detection direction, and ksense is the spring constant in the detection direction.
x=A(ma/ksense)・・・数式4
但し、xは印加された加速度による質量部の検出方向への変位量、aは加速度、Aは空気などの減衰による影響を含む定数である。
x = A (ma / ksense) Equation 4
However, x is the amount of displacement of the mass part in the detection direction due to the applied acceleration, a is the acceleration, and A is a constant including the influence of attenuation of air or the like.
まず、角速度Ωの検出方法を上述した数式1〜数式3により説明する。数式1よりコリオリ力Fcは、質量部の質量mと角速度Ωと励振方向の速度vによって規定されていることがわかる。したがって、角速度Ωは、コリオリ力Fc、質量部の質量mおよび励振方向の速度vがわかれば検出することができる。ここで、質量部の質量mは既知である。そして、励振方向の速度vは、数式2で示すように、励振方向の変位量yの一階微分であり、励振方向の振動は既知の基準振動であるので、励振方向の速度vもわかることになる。次に、コリオリ力Fcであるが、このコリオリ力Fcは、数式3の関係を満たしている。数式3のうち、検出方向への品質係数Qsおよび検出方向のバネ定数は定数であるので、検出方向の変位量xがわかればコリオリ力Fcを求めることができる。このことから、検出方向の変位量xを測定できれば、数式3よりコリオリ力Fcがわかり、コリオリ力Fcがわかれば数式1より角速度Ωがわかることになる。つまり、検出方向の変位量xを測定することによって、角速度Ωを求めることができる。検出方向の変位量xを測定するには、例えば、櫛歯状に配置された容量素子を用い、容量素子を形成する電極間距離を検出方向の変位量xの変化に対応させて変化するように構成することにより、検出方向の変位量xを容量素子の静電容量の変化として求めることができる。このようにして角速度Ωを測定することができる。   First, a method for detecting the angular velocity Ω will be described with reference to Equations 1 to 3 described above. From Equation 1, it can be seen that the Coriolis force Fc is defined by the mass m of the mass part, the angular velocity Ω, and the velocity v in the excitation direction. Therefore, the angular velocity Ω can be detected if the Coriolis force Fc, the mass m of the mass part, and the velocity v in the excitation direction are known. Here, the mass m of the mass part is known. The speed v in the excitation direction is the first derivative of the displacement amount y in the excitation direction as shown in Equation 2, and the vibration in the excitation direction is a known reference vibration, so that the speed v in the excitation direction can also be known. become. Next, regarding the Coriolis force Fc, this Coriolis force Fc satisfies the relationship of Equation 3. In Equation 3, since the quality factor Qs in the detection direction and the spring constant in the detection direction are constants, the Coriolis force Fc can be obtained if the displacement amount x in the detection direction is known. From this, if the displacement amount x in the detection direction can be measured, the Coriolis force Fc can be found from Equation 3, and if the Coriolis force Fc is known, the angular velocity Ω can be found from Equation 1. That is, the angular velocity Ω can be obtained by measuring the displacement amount x in the detection direction. In order to measure the displacement amount x in the detection direction, for example, a capacitance element arranged in a comb shape is used, and the distance between the electrodes forming the capacitance element is changed in accordance with the change in the displacement amount x in the detection direction. With this configuration, the displacement amount x in the detection direction can be obtained as a change in the capacitance of the capacitive element. In this way, the angular velocity Ω can be measured.
次に、検出方向の加速度を検出する方法について数式4を用いて説明する。数式4に示すように、印加された加速度aによる質量部の検出方向への変位量xは、検出方向の加速度aと比例関係にあることがわかる。したがって、検出方向への変位量xを測定すれば検出方向の加速度を検出することができる。検出方向への変位量xは上述したように容量素子の静電容量変化から求めることができる。   Next, a method for detecting the acceleration in the detection direction will be described using Equation 4. As shown in Equation 4, the displacement amount x in the detection direction of the mass part due to the applied acceleration a is found to be proportional to the acceleration a in the detection direction. Therefore, if the displacement amount x in the detection direction is measured, the acceleration in the detection direction can be detected. The displacement amount x in the detection direction can be obtained from the capacitance change of the capacitive element as described above.
続いて、励振方向の加速度を検出する方法であるが、この方法は、検出方向の加速度を検出する方法と同様にして求めることができる。すなわち、励振方向の変位量と励振方向の加速度とは比例関係があるので、励振方向の変位量を測定することにより、励振方向の加速度を求めることができる。励振方向の変位量も上述したように容量素子の静電容量変化から求めることができる。   Next, a method of detecting acceleration in the excitation direction is possible. This method can be obtained in the same manner as the method of detecting acceleration in the detection direction. That is, since the displacement amount in the excitation direction and the acceleration in the excitation direction have a proportional relationship, the acceleration in the excitation direction can be obtained by measuring the displacement amount in the excitation direction. The displacement amount in the excitation direction can also be obtained from the capacitance change of the capacitive element as described above.
以上のことから、角速度、検出方向の加速度および励振方向の加速度をそれぞれ原理的に求めることができることがわかる。本実施の形態1では、上述した角速度、検出方向の加速度および励振方向の加速度を同時に求めることができる慣性センサについて説明する。つまり、本発明の特徴の1つは、慣性センサにおいて、角速度、検出方向の加速度および励振方向の加速度を同時に求めることができることにある。   From the above, it can be seen that the angular velocity, the acceleration in the detection direction, and the acceleration in the excitation direction can be obtained in principle. In the first embodiment, an inertial sensor capable of simultaneously obtaining the above-described angular velocity, acceleration in the detection direction, and acceleration in the excitation direction will be described. That is, one of the features of the present invention is that the inertial sensor can simultaneously determine the angular velocity, the acceleration in the detection direction, and the acceleration in the excitation direction.
図1は、本実施の形態1における慣性センサの構成を模式的に示す図である。図1を用いて、本実施の形態1における慣性センサを簡単に説明する。図1に示すように、基板2上には、支持部26が設けられている。そして、支持部26間には、Y軸方向(第1方向)に沿って2つの質量部(励振素子)3が設けられており、それぞれの質量部3の一方側は、弾性体25を介して支持部26に接続されている。左右の2つの質量部3のそれぞれを含むようにセンサユニットが形成されている。例えば、左側の質量部3を含むセンサユニットを第1センサユニットと呼び、右側の質量部3を含むセンサユニットを第2センサユニットと呼ぶ。この第1センサユニットおよび第2センサユニットのそれぞれには、質量部3を励振方向に振動させる励振部(図示せず)が設けられている。この励振部は、例えば容量素子による静電引力を利用して質量部3を励振方向に振動させる構造をしている。また、それぞれの質量部3の間には、弾性体25を介して励振方向加速度検出部8が設けられている。すなわち、第1センサユニットと第2センサユニットの間には、励振方向加速度検出部8が形成されている。励振方向加速度検出部8には、可動電極8bが形成されている。この可動電極8bは、固定部8cに設けられた固定電極8aと容量素子を形成している。すなわち、可動電極8bと固定電極8aが櫛歯状に配置されて容量素子を形成している。このように構成された本実施の形態1における慣性センサにおいて、質量部3は、励振方向(Y軸方向)に振動することができるようになっている。同様に、励振方向加速度検出部8も励振方向(Y軸方向)に振動できるようになっている。さらに、図1には図示しないが、質量部3の内部には、コリオリ素子が形成されており、このコリオリ素子は、励振方向(Y軸方向)および検出方向(X軸方向)に変位できるようになっている。そして、コリオリ素子の検出方向の変位量を検出する検出部も形成されている。この検出部も櫛歯状に配置された容量素子から形成されている。   FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the inertial sensor according to the first embodiment. The inertial sensor according to the first embodiment will be briefly described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, a support portion 26 is provided on the substrate 2. And between the support parts 26, the two mass parts (excitation element) 3 are provided along the Y-axis direction (1st direction), and the one side of each mass part 3 is via the elastic body 25. As shown in FIG. And connected to the support portion 26. The sensor unit is formed so as to include each of the two left and right mass portions 3. For example, a sensor unit including the left mass unit 3 is referred to as a first sensor unit, and a sensor unit including the right mass unit 3 is referred to as a second sensor unit. Each of the first sensor unit and the second sensor unit is provided with an excitation unit (not shown) that vibrates the mass unit 3 in the excitation direction. This excitation part has the structure which vibrates the mass part 3 in an excitation direction using the electrostatic attraction by a capacitive element, for example. An excitation direction acceleration detection unit 8 is provided between the mass units 3 via the elastic body 25. That is, the excitation direction acceleration detection unit 8 is formed between the first sensor unit and the second sensor unit. In the excitation direction acceleration detector 8, a movable electrode 8b is formed. The movable electrode 8b forms a capacitive element with the fixed electrode 8a provided on the fixed portion 8c. That is, the movable electrode 8b and the fixed electrode 8a are arranged in a comb shape to form a capacitive element. In the inertial sensor according to the first embodiment configured as described above, the mass unit 3 can vibrate in the excitation direction (Y-axis direction). Similarly, the excitation direction acceleration detector 8 can also vibrate in the excitation direction (Y-axis direction). Further, although not shown in FIG. 1, a Coriolis element is formed inside the mass portion 3, and this Coriolis element can be displaced in the excitation direction (Y-axis direction) and the detection direction (X-axis direction). It has become. And the detection part which detects the displacement amount of the detection direction of a Coriolis element is also formed. This detection part is also formed from a capacitive element arranged in a comb shape.
本実施の形態1における慣性センサは上記のように構成されており、以下にその動作について説明する。まず、本発明の特徴の1つである励振方向の加速度を検出する動作について説明する。   The inertial sensor in the first embodiment is configured as described above, and the operation thereof will be described below. First, an operation for detecting acceleration in the excitation direction, which is one of the features of the present invention, will be described.
まず、左右の質量部3は、互いに逆位相で励振方向(Y軸方向)に振動している。左右の質量部3が互いに逆位相で励振方向(Y軸方向)に振動しているので、左右の質量部3の間に弾性体25を介して接続されている励振方向加速度検出部8では、励振方向(Y軸方向)の加速度が印加されていない場合、左右の質量部3の変位量が打ち消される。このため、励振方向加速度検出部8は停止状態を保持する。なお、左右の質量部3の変位量にばらつきがある場合には、その差分だけ励振方向加速度検出部8は振動することになるが、常に一定量であるため、補正して停止させることが可能である。励振方向加速度検出部8は、停止状態を保持するため、可動電極8bと固定電極8aとの距離は変化せず、容量素子の静電容量の変化はない。したがって、励振方向の変位量はゼロとなり励振方向の加速度はゼロとして検出される。   First, the left and right mass parts 3 vibrate in the excitation direction (Y-axis direction) in opposite phases. Since the left and right mass units 3 vibrate in the excitation direction (Y-axis direction) in opposite phases, the excitation direction acceleration detection unit 8 connected via the elastic body 25 between the left and right mass units 3 When no acceleration in the excitation direction (Y-axis direction) is applied, the amount of displacement of the left and right mass portions 3 is canceled out. For this reason, the excitation direction acceleration detection part 8 maintains a stop state. If there is a variation in the amount of displacement of the left and right mass portions 3, the excitation direction acceleration detecting portion 8 vibrates by the difference, but since it is always a constant amount, it can be corrected and stopped. It is. Since the excitation direction acceleration detection unit 8 maintains the stopped state, the distance between the movable electrode 8b and the fixed electrode 8a does not change, and the capacitance of the capacitive element does not change. Therefore, the displacement amount in the excitation direction is zero, and the acceleration in the excitation direction is detected as zero.
続いて、励振方向(Y軸方向)に加速度が印加されると、左右の質量部3は同じ方向に変位する。つまり、左右の質量部3は同位相で変位する。この変位量は、質量部3に同位相で印加された加速度の大きさに比例した量となる。このときの変位量は互いに同位相であるので、励振方向加速度検出部8においても打ち消されず、励振方向加速度検出部8の可動電極8bが変位する。したがって、可動電極8bと固定電極8aとの間の距離が変化することになる。このため、可動電極8bと固定電極8aからなる容量素子の静電容量が変化する。この容量素子の静電容量の変化を測定することで、励振方向加速度検出部8の変位量を求めることができるので、最終的に励振方向に印加された加速度を求めることができる。   Subsequently, when acceleration is applied in the excitation direction (Y-axis direction), the left and right mass portions 3 are displaced in the same direction. That is, the left and right mass portions 3 are displaced in the same phase. This amount of displacement is proportional to the magnitude of acceleration applied to the mass part 3 in the same phase. Since the displacement amounts at this time are in phase with each other, they are not canceled out by the excitation direction acceleration detection unit 8 and the movable electrode 8b of the excitation direction acceleration detection unit 8 is displaced. Therefore, the distance between the movable electrode 8b and the fixed electrode 8a changes. For this reason, the capacitance of the capacitive element composed of the movable electrode 8b and the fixed electrode 8a changes. By measuring the change in the capacitance of the capacitive element, the displacement amount of the excitation direction acceleration detector 8 can be obtained, so that the acceleration finally applied in the excitation direction can be obtained.
このように本実施の形態1の特徴の1つは、互いに逆位相で励振方向(Y軸方向)に振動している質量部3に弾性体25を介して励振方向加速度検出部8を設けたことにある。つまり、逆位相で振動している質量部3に励振方向加速度検出部8を接続することにより、励振方向(Y軸方向)に加速度が印加されていない場合には、励振方向加速度検出部8はせず、励振方向(Y軸方向)に加速度が印加されている場合には、励振方向加速度検出部8が変位することを利用している。これにより、逆位相で励振方向(Y軸方向)に振動している質量部3を有する慣性センサにおいて、励振方向(Y軸方向)の加速度を検出することができるのである。   As described above, one of the features of the first embodiment is that the excitation direction acceleration detection unit 8 is provided through the elastic body 25 in the mass unit 3 oscillating in the excitation direction (Y-axis direction) in mutually opposite phases. There is. That is, by connecting the excitation direction acceleration detection unit 8 to the mass unit 3 vibrating in the opposite phase, when no acceleration is applied in the excitation direction (Y-axis direction), the excitation direction acceleration detection unit 8 is Instead, when acceleration is applied in the excitation direction (Y-axis direction), the fact that the excitation direction acceleration detector 8 is displaced is utilized. Thereby, in the inertial sensor having the mass part 3 that vibrates in the excitation direction (Y-axis direction) with an opposite phase, the acceleration in the excitation direction (Y-axis direction) can be detected.
次に、本実施の形態1における慣性センサで角速度を検出する動作について説明する。まず、左右のコリオリ素子は、互いに逆位相で励振方向に振動している。この状態で励振方向(Y軸方向)と検出方向(X軸方向)との垂直な方向に中心軸をもつ回転をさせたとする。すると、左右のコリオリ素子は、コリオリ力によって検出方向(X軸方向)に変位する。この検出方向(X軸方向)の変位量は角速度の大きさに依存している。この検出方向(X軸方向)の変位量を、例えば、櫛歯状の容量素子から形成される検出部で静電容量の変化として検出することにより、角速度を検出することができる。   Next, the operation of detecting the angular velocity with the inertial sensor in the first embodiment will be described. First, the left and right Coriolis elements vibrate in the excitation direction with opposite phases. In this state, it is assumed that the rotation having the central axis in the direction perpendicular to the excitation direction (Y-axis direction) and the detection direction (X-axis direction) is performed. Then, the left and right Coriolis elements are displaced in the detection direction (X-axis direction) by Coriolis force. The amount of displacement in the detection direction (X-axis direction) depends on the magnitude of the angular velocity. The angular velocity can be detected by detecting the amount of displacement in the detection direction (X-axis direction) as, for example, a change in capacitance by a detection unit formed of a comb-like capacitive element.
続いて、本実施の形態1における慣性センサで検出方向(X軸方向)の加速度を検出する動作について説明する。検出方向(X軸方向)に加速度が印加されると、左右のコリオリ素子が検出方向(X軸方向)に変位する。この変位量を、例えば、櫛歯状の容量素子から形成される検出部で静電容量の変化として検出することにより、検出方向(X軸方向)の加速度を検出することができる。   Next, an operation for detecting the acceleration in the detection direction (X-axis direction) with the inertial sensor according to the first embodiment will be described. When acceleration is applied in the detection direction (X-axis direction), the left and right Coriolis elements are displaced in the detection direction (X-axis direction). By detecting this amount of displacement as, for example, a change in capacitance with a detection unit formed of a comb-like capacitive element, acceleration in the detection direction (X-axis direction) can be detected.
ここで、励振方向(Y軸方向)と検出方向(X軸方向)との垂直な方向に中心軸をもつ回転運動と、検出方向(X軸方向)の加速度が同時に印加されたとする。すると、回転運動によるコリオリ力によってコリオリ素子は検出方向(X軸方向)に変位するとともに、検出方向の加速度によってもコリオリ素子は、検出方向(X軸方向)に変位する。したがって、検出方向(X軸方向)の変位量を測定しただけでは、回転運動による変位量と検出方向(X軸方向)に印加された加速度による変位量とを分離することができない。つまり、角速度と検出方向(X軸方向)の加速度を求めることができない。そこで、左右の質量部3に接続されているコリオリ素子を励振方向(Y軸方向)に逆位相で振動させているのである。左右のコリオリ素子を励振方向(Y軸方向)に逆位相で振動させた場合、コリオリ力による検出方向(X軸方向)の変位量は左右のコリオリ素子によって逆になる。これに対し、検出方向(X軸方向)に印加された加速度によるコリオリ素子の検出方向(X軸方向)の変位量は同位相になる。この相違を利用して、左右のコリオリ素子の検出方向(X軸方向)の変位量の差分をとると、同位相の変位量は打ち消されコリオリ力による逆位相の変位量だけを抽出することができる。したがって、左右のコリオリ素子の検出方向(X軸方向)の変位量の差分を取ることにより、回転運動における角速度を検出することができる。一方、左右のコリオリ素子の検出方向(X軸方向)の変位量を加算することにより、逆位相の変位量は打ち消され、同位相の変位量だけを抽出することができる。このため、左右のコリオリ素子の検出方向(X軸方向)の変位量を加算することにより、検出方向(X軸方向)の加速度を検出することができる。   Here, it is assumed that the rotational motion having the central axis in the direction perpendicular to the excitation direction (Y-axis direction) and the detection direction (X-axis direction) and the acceleration in the detection direction (X-axis direction) are simultaneously applied. Then, the Coriolis element is displaced in the detection direction (X-axis direction) by the Coriolis force due to the rotational motion, and the Coriolis element is also displaced in the detection direction (X-axis direction) by the acceleration in the detection direction. Therefore, only by measuring the displacement amount in the detection direction (X-axis direction), it is not possible to separate the displacement amount due to the rotational motion and the displacement amount due to the acceleration applied in the detection direction (X-axis direction). That is, the angular velocity and the acceleration in the detection direction (X-axis direction) cannot be obtained. Therefore, the Coriolis elements connected to the left and right mass portions 3 are vibrated in the opposite phase in the excitation direction (Y-axis direction). When the left and right Coriolis elements are vibrated in opposite phases in the excitation direction (Y-axis direction), the amount of displacement in the detection direction (X-axis direction) due to the Coriolis force is reversed by the left and right Coriolis elements. In contrast, the amount of displacement in the detection direction (X-axis direction) of the Coriolis element due to the acceleration applied in the detection direction (X-axis direction) has the same phase. Using this difference, if the difference between the displacement amounts in the detection direction (X-axis direction) of the left and right Coriolis elements is taken, the displacement amount in the same phase is canceled and only the displacement amount in the opposite phase due to the Coriolis force can be extracted. it can. Therefore, the angular velocity in the rotational motion can be detected by taking the difference between the displacement amounts in the detection direction (X-axis direction) of the left and right Coriolis elements. On the other hand, by adding the displacement amounts in the detection direction (X-axis direction) of the left and right Coriolis elements, the displacement amount in the opposite phase is canceled, and only the displacement amount in the same phase can be extracted. For this reason, the acceleration of a detection direction (X-axis direction) is detectable by adding the displacement amount of the detection direction (X-axis direction) of a left and right Coriolis element.
以上のようにして、本実施の形態1における慣性センサによれば、一つの慣性センサで角速度、検出方向(X軸方向)の加速度および励振方向(Y軸方向)の加速度を同時に検出することができることがわかる。つまり、逆位相で振動している複数の質量部(励振素子)の間に弾性体を介して接続された励振方向加速度検出部を設け、複数の質量部における同位相の変位量から励振方向の加速度が検出できる。このため、角速度とその角速度を検出する検出方向の加速度とともに、角速度を測るための基本振動を引き起こす励振方向の加速度も同時に測定することができる。したがって、角速度と検出方向(X軸方向)の加速度を測定する慣性センサと励振方向(Y軸方向)の加速度を測定する慣性センサを別々に設ける必要がないので、慣性センサの小型化を図ることができる。   As described above, according to the inertial sensor in the first embodiment, it is possible to simultaneously detect the angular velocity, the acceleration in the detection direction (X-axis direction), and the acceleration in the excitation direction (Y-axis direction) with one inertial sensor. I understand that I can do it. In other words, an excitation direction acceleration detection unit connected via an elastic body is provided between a plurality of mass parts (excitation elements) that vibrate in opposite phases, and the displacement direction of the plurality of mass parts is determined in the excitation direction. Acceleration can be detected. For this reason, the acceleration in the excitation direction that causes the fundamental vibration for measuring the angular velocity can be measured simultaneously with the angular velocity and the acceleration in the detection direction for detecting the angular velocity. Therefore, it is not necessary to separately provide an inertial sensor that measures acceleration in the angular velocity and detection direction (X-axis direction) and an inertial sensor that measures acceleration in the excitation direction (Y-axis direction). Can do.
また、励振方向(Y軸方向)の加速度を測定または識別することができるので、その加速度により生じる質量部の偏りなどによる変位誤差を補正することができ、外乱に強く、いつも安定した励振振動を維持させることができるため、角速度の検出精度を向上させることができる。   In addition, since the acceleration in the excitation direction (Y-axis direction) can be measured or identified, it is possible to correct the displacement error due to the mass part bias caused by the acceleration, which is resistant to disturbances and always provides stable excitation vibration. Since it can be maintained, the detection accuracy of the angular velocity can be improved.
次に、本実施の形態1における慣性センサの具体的な構成の一例について図面を参照しながら説明する。図2は本実施の形態1における慣性センサの一例を示す平面図、図3は図2のx1−x1線における断面図を示している。なお、図2では図面を見易くするため封止キャップを取り外して示している。また、図2のY軸方向は第1方向を示し、X軸方向は第1方向(Y軸方向)に直交する第2方向を示している。   Next, an example of a specific configuration of the inertial sensor according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a plan view illustrating an example of the inertial sensor according to the first embodiment, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line x1-x1 in FIG. In FIG. 2, the sealing cap is removed to make the drawing easier to see. 2 indicates the first direction, and the X-axis direction indicates a second direction orthogonal to the first direction (Y-axis direction).
図3に示すように、慣性センサ1Aを構成する基板2は、厚さ方向に沿って互いに反対側に位置する第1主面(表面)および第2主面(裏面)を有している。基板2の第1主面および第2主面の平面形状は、例えば矩形状に形成されており、その面積は、例えば12mmである。この基板2としては、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板が使用されている。すなわち、基板2は、支持基板2a上に絶縁層2bを介して活性層2cを有する構成とされている。支持基板2aは、例えばシリコン(Si)により形成され、絶縁層2bは、例えば酸化シリコン(SiO)により形成されている。そして、活性層2cは、例えば導電性シリコンにより形成されている。支持基板2aと絶縁層2bとを合わせた膜厚は、例えば数十〜数百μm、活性層2cの厚さは、例えば数〜数十μmである。ただし、基板2はSOI基板に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば表面MEMS技術を用いた導電性ポリシリコン、または、例えばニッケル(Ni)などのめっき金属を活性層2cとして使用してもよい。基板2としては、通常のシリコン単結晶からなる半導体基板を用いることもできる。 As shown in FIG. 3, the substrate 2 constituting the inertial sensor 1 </ b> A has a first main surface (front surface) and a second main surface (back surface) located on opposite sides along the thickness direction. The planar shape of the 1st main surface and the 2nd main surface of the board | substrate 2 is formed in the rectangular shape, for example, The area is 12 mm < 2 >, for example. For example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate is used as the substrate 2. That is, the substrate 2 is configured to have the active layer 2c on the support substrate 2a via the insulating layer 2b. The support substrate 2a is made of, for example, silicon (Si), and the insulating layer 2b is made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ). The active layer 2c is made of, for example, conductive silicon. The total thickness of the support substrate 2a and the insulating layer 2b is, for example, several tens to several hundreds of micrometers, and the thickness of the active layer 2c is, for example, several to several tens of micrometers. However, the substrate 2 is not limited to the SOI substrate and can be variously changed. For example, conductive polysilicon using surface MEMS technology or plating metal such as nickel (Ni) is used as the active layer 2c. May be. As the substrate 2, a normal semiconductor substrate made of silicon single crystal can also be used.
この基板2の第1主面の外周には、外周壁Wが形成されている。この外周壁Wは、絶縁層2bとその上に形成されている活性層2cとの積層体で形成されている。そして、この基板2の第1主面の外周壁Wで囲まれた領域には、2つのセンサユニットSUA1とSUA2が形成されている(図2参照)。この2つのセンサユニットSUA1、SUA2は、基板2の第1方向(Y軸方向)に延びる第1軸上に、左右対称に並んで配置されている。本実施の形態1では、この2つのセンサユニットSUA1、SUA2を互いに逆位相で振動させるようになっている。つまり、2つのセンサユニットSUA1、SUA2は、第1方向(Y軸方向)に逆位相で振動している。   An outer peripheral wall W is formed on the outer periphery of the first main surface of the substrate 2. The outer peripheral wall W is formed of a laminate of an insulating layer 2b and an active layer 2c formed thereon. Two sensor units SUA1 and SUA2 are formed in a region surrounded by the outer peripheral wall W of the first main surface of the substrate 2 (see FIG. 2). The two sensor units SUA1 and SUA2 are arranged side by side symmetrically on a first axis extending in the first direction (Y-axis direction) of the substrate 2. In the first embodiment, the two sensor units SUA1 and SUA2 are vibrated in opposite phases. That is, the two sensor units SUA1 and SUA2 vibrate in the first phase (Y-axis direction) with opposite phases.
それぞれのセンサユニットSUA1、SUA2は、図2に示すように、励振素子(質量部)5と、励振手段(励振部)6と、励振方向振幅モニタ手段7と、励振方向加速度検出部8と、励振方向加速度サーボ手段9と、励振方向共振周波数チューニング手段10を有している。さらに、コリオリ素子11と、検出素子12と、検出手段(検出部)13(13−1〜13−4)と、角速度サーボ手段14と、検出方向加速度サーボ手段15と、検出方向共振周波数チューニング手段16と梁(弾性体)17a〜17gとを有している。   As shown in FIG. 2, each of the sensor units SUA1 and SUA2 includes an excitation element (mass part) 5, an excitation means (excitation part) 6, an excitation direction amplitude monitor means 7, an excitation direction acceleration detection part 8, Excitation direction acceleration servo means 9 and excitation direction resonance frequency tuning means 10 are provided. Further, the Coriolis element 11, the detection element 12, the detection means (detection unit) 13 (13-1 to 13-4), the angular velocity servo means 14, the detection direction acceleration servo means 15, and the detection direction resonance frequency tuning means. 16 and beams (elastic bodies) 17a to 17g.
励振素子5は、活性層2cを平面略枠状にパターニングすることにより形成されている。この励振素子5は、その下層の絶縁層2bが除去されて支持基板2aから離れた状態、すなわち、浮いた状態で基板2の第1主面上に配置されている。そして、この励振素子5は、基板2の第1主面に沿って励振方向(第1方向、Y軸方向)のみに変位するように配置されている。この励振素子5は、後述するコリオリ素子11を励振方向(第1方向、Y軸方向)に振動させるために必要なものであるため、励振素子5自体が変形しない程度の剛性でよく、コリオリ力による励振素子5の検出方向(第2方向、X軸方向)への変位量を極力小さくするため、質量が小さくなるよう設計されている。このような励振素子5は、その外周の4隅近傍に一体的に接続された梁17aと、励振素子5をそれぞれの振動エネルギーが互いに漏れこみ、音叉として作用させる目的で設計し、配置した梁17b、17cを介してそれぞれ支持部18aと18bに接続されている。   The excitation element 5 is formed by patterning the active layer 2c into a substantially planar frame shape. The excitation element 5 is disposed on the first main surface of the substrate 2 in a state where the lower insulating layer 2b is removed and separated from the support substrate 2a, that is, in a floating state. The excitation element 5 is disposed along the first main surface of the substrate 2 so as to be displaced only in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). Since this excitation element 5 is necessary for vibrating a Coriolis element 11 described later in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), the excitation element 5 itself may be rigid enough to prevent deformation, and Coriolis force. In order to minimize the amount of displacement of the excitation element 5 in the detection direction (second direction, X-axis direction) by the design, the mass is designed to be small. Such an excitation element 5 is designed and arranged with the beam 17a integrally connected in the vicinity of the four corners of the outer periphery thereof and the excitation element 5 for the purpose of causing the vibration energy to leak into each other and acting as a tuning fork. They are connected to the support portions 18a and 18b via 17b and 17c, respectively.
梁17a、17b、17cは、活性層2cを励振素子5のパターンよりも細くパターニングすることにより形成されており、その下層の絶縁層2bが除去されて励振素子5と同様に浮いた状態で基板2の第1主面上に配置されている。この梁17aと17bは、その平面形状が検出方向(第2方向、X軸方向)には相対的に長く、励振方向(第1方向、Y軸方向)には相対的に短い形状となっており、板バネとしての機能を有している。   The beams 17a, 17b, and 17c are formed by patterning the active layer 2c so as to be narrower than the pattern of the excitation element 5. The insulating layer 2b under the active layer 2c is removed and the substrate is floated in the same manner as the excitation element 5. 2 on the first main surface. The beams 17a and 17b have a relatively long planar shape in the detection direction (second direction, X-axis direction) and a relatively short shape in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). And has a function as a leaf spring.
ただし、この梁17aと梁17bは、励振方向(第1方向、Y軸方向)には柔らかく、検出方向(第2方向、X軸方向)には励振方向(第1方向、Y軸方向)の剛性に比べて硬い構成とされており、励振素子5が、励振方向(第1方向、Y軸方向)のみに振動するように配置されている。梁17bの一端は励振素子5に接続され、もう一端は梁17cに接続されている。   However, the beams 17a and 17b are soft in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) and in the detection direction (second direction, X-axis direction) in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). The excitation element 5 is arranged to vibrate only in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). One end of the beam 17b is connected to the excitation element 5, and the other end is connected to the beam 17c.
梁17cは、励振方向(第1方向、Y軸方向)に長い形状で形成され、梁17bが接続されている。この梁17cは、励振素子5が互いに逆位相で振動するとき、梁17bに引っ張られ、検出方向(第2方向、X軸方向)に変位する。すなわち、梁17cは、励振素子5の振動エネルギーが互いに漏れこむ道としての役割をし、その結果、励振素子5は安定して逆位相を保ちながら振動することができる。つまり、安定した音叉振動をすることになる。   The beam 17c is formed in a long shape in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), and the beam 17b is connected thereto. The beam 17c is pulled by the beam 17b and displaced in the detection direction (second direction, X-axis direction) when the excitation elements 5 vibrate in opposite phases. That is, the beam 17c serves as a path through which the vibration energy of the excitation element 5 leaks to each other. As a result, the excitation element 5 can vibrate while stably maintaining the opposite phase. That is, a stable tuning fork vibration is generated.
支持部18aは、励振素子5の外周の8箇所に設置されている。この支持部18aは、活性層2cおよび絶縁層2bの積層パターンで形成されており、基板2の支持基板2aにしっかりと接合され固定されている。ここで、支持部18aは、懸架物である梁17aおよび励振素子5に電気信号を与える電極としての機能を有している。   The support portions 18 a are installed at eight locations on the outer periphery of the excitation element 5. The support portion 18a is formed by a laminated pattern of the active layer 2c and the insulating layer 2b, and is firmly bonded and fixed to the support substrate 2a of the substrate 2. Here, the support portion 18a has a function as an electrode for supplying an electric signal to the beam 17a and the excitation element 5 which are suspended.
支持部18bは、センサユニットSUA1とSUA2の間に配置されている。この支持部18bは、活性層2cおよび絶縁層2bの積層パターンで形成されており、基板2の支持基板2aにしっかりと接合され固定されている。このように、センサユニットSUA1の励振素子5とセンサユニットSUA2の励振素子5は、互いに梁17b、17cによって接続されており、この梁17b、17cは基板2に固定されている支持部18bに接続されている。ここで、支持部18bは、本実施の形態1では基板2に固定されているが、原理上基板2から浮いていても本発明の効果を得ることができる。また、励振素子5の振動エネルギーが互いに漏れこむ道としての役割をしている梁17cは、図4に示しているように単純折り返し梁に構成しても本発明の効果を得ることができる。図4に示すように、梁17bおよび梁17cを支持部に固定しなくても本実施の形態1と同様の効果をえることができる。つまり、センサユニットSUA1とセンサユニットSUA2の励振素子5間を接続する梁17bおよび梁17cは、支持部18bを介して基板2に固定されていてもよいし、基板2に固定されていなくてもよい。   The support portion 18b is disposed between the sensor units SUA1 and SUA2. The support portion 18b is formed in a laminated pattern of the active layer 2c and the insulating layer 2b, and is firmly bonded and fixed to the support substrate 2a of the substrate 2. In this way, the excitation element 5 of the sensor unit SUA1 and the excitation element 5 of the sensor unit SUA2 are connected to each other by the beams 17b and 17c, and the beams 17b and 17c are connected to the support portion 18b fixed to the substrate 2. Has been. Here, the support portion 18b is fixed to the substrate 2 in the first embodiment, but the effect of the present invention can be obtained even if it floats from the substrate 2 in principle. Further, even if the beam 17c serving as a path through which the vibration energy of the excitation element 5 leaks is formed as a simple folded beam as shown in FIG. 4, the effect of the present invention can be obtained. As shown in FIG. 4, the same effect as in the first embodiment can be obtained without fixing the beam 17b and the beam 17c to the support portion. That is, the beam 17b and the beam 17c connecting the excitation elements 5 of the sensor unit SUA1 and the sensor unit SUA2 may be fixed to the substrate 2 via the support portion 18b or may not be fixed to the substrate 2. Good.
次に、各センサユニットSUA1、SUA2の励振手段6は、各センサユニットSUA1、SUA2の励振素子5を励振方向(第1方向、Y軸方向)に沿って互いに逆位相で振動させるための手段であり、励振素子5の励振方向(第1方向、Y軸方向)の両端辺側の4つの角部近傍に配置されている。この励振手段6は、静電式の櫛歯形駆動装置により形成されている。すなわち、励振手段6は、複数の可動電極6aと、複数の固定電極6bとが、噛み合うように検出方向(第2方向、X軸方向)に沿って交互に配置されることで構成されている。   Next, the excitation means 6 of each sensor unit SUA1, SUA2 is means for causing the excitation elements 5 of each sensor unit SUA1, SUA2 to vibrate in mutually opposite phases along the excitation direction (first direction, Y-axis direction). Yes, it is disposed in the vicinity of the four corners on both sides of the excitation element 5 in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). The excitation means 6 is formed by an electrostatic comb tooth drive. That is, the excitation means 6 is configured by alternately arranging a plurality of movable electrodes 6a and a plurality of fixed electrodes 6b along the detection direction (second direction, X-axis direction) so as to be engaged with each other. .
励振手段6の固定電極6bは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。固定電極6bは、その活性層2cが支持部18cの活性層2cと一体的に形成されており、支持部18cに接続されて基板2に固定されている。支持部18cは、励振素子5の励振方向(第1方向、Y軸方向)の外周に設置されている。この支持部18cは、活性層2cおよび絶縁層2bの積層パターンにより形成されており、基板2の支持基板2aにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部18cは、固定電極6bに電気信号を与える電極としての機能を有している。   The fixed electrode 6b of the excitation means 6 is formed by patterning the active layer 2c. The fixed electrode 6b has an active layer 2c formed integrally with the active layer 2c of the support portion 18c, and is fixed to the substrate 2 by being connected to the support portion 18c. The support portion 18c is installed on the outer periphery of the excitation element 5 in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). The support portion 18c is formed by a laminated pattern of the active layer 2c and the insulating layer 2b, and is firmly bonded and fixed to the support substrate 2a of the substrate 2. Here, the support portion 18c has a function as an electrode that gives an electric signal to the fixed electrode 6b.
一方、励振手段6の可動電極6aは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この可動電極6aの下層の絶縁層2bは除去されており、基板2の第1主面上に浮いた状態で配置されている。また、この可動電極6aは、その活性層2cが励振素子5と一体的に形成され接続されており、励振素子5に接続されて励振素子5と共に変位するようになっている。このような構成の励振手段6は、固定電極6bと可動電極6aとの間に交流の励振信号を直流のバイアス電圧とともに印加することによって、固定電極6bと可動電極6aの間に静電引力を交互に発生し、各センサユニットSUA1、SUA2の励振素子5を励振方向(第1方向、Y軸方向)に互いに逆位相で振動させるようになっている。   On the other hand, the movable electrode 6a of the excitation means 6 is formed by patterning the active layer 2c. The insulating layer 2b under the movable electrode 6a is removed, and is arranged in a floating state on the first main surface of the substrate 2. The movable electrode 6 a has an active layer 2 c formed integrally with the excitation element 5 and connected thereto, and is connected to the excitation element 5 so as to be displaced together with the excitation element 5. The excitation means 6 having such a configuration applies an electrostatic excitation signal together with a DC bias voltage between the fixed electrode 6b and the movable electrode 6a, thereby generating an electrostatic attractive force between the fixed electrode 6b and the movable electrode 6a. It occurs alternately, and the excitation elements 5 of the sensor units SUA1 and SUA2 are vibrated in mutually opposite phases in the excitation direction (first direction, Y-axis direction).
図5は、このような励振手段6を駆動させる駆動回路を示している。なお、図5では、励振手段6をコンデンサで示し、支持部18a、18cを配線で示し、本図における等価回路として同一の符号を付す。また、符号Vbiasは、励振手段6に印加する直流のバイアス電圧であり、符号Vdriveは、励振手段6に印加する交流の励振信号である。この交流の励振信号を適切に印加することにより、センサユニットSUA1、SUA2の励振素子5を逆位相で振動させることが可能となっている。 FIG. 5 shows a drive circuit for driving such excitation means 6. In FIG. 5, the excitation means 6 is indicated by a capacitor, the support portions 18a and 18c are indicated by wires, and the same reference numerals are given as equivalent circuits in this figure. Reference sign V bias is a direct current bias voltage applied to the excitation means 6, and reference sign V drive is an alternating current excitation signal applied to the excitation means 6. By appropriately applying this AC excitation signal, the excitation elements 5 of the sensor units SUA1 and SUA2 can be vibrated in opposite phases.
ここで、励振素子5は励振方向(第1方向、Y軸方向)にしか振動しないため、原理的に励振手段6の固定電極6bと可動電極6aとの間隔を励振方向(第1方向、Y軸方向)と検出方向(第2方向、X軸方向)の振動結合がある場合に比べ狭くとることができる。したがって、本実施の形態1における慣性センサ1Aによれば、励振エネルギーの利用効率を高めることができる。   Here, since the excitation element 5 vibrates only in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), in principle, the interval between the fixed electrode 6b and the movable electrode 6a of the excitation means 6 is set to the excitation direction (first direction, Y-axis). (Axial direction) and detection direction (second direction, X-axis direction) can be narrower than when there is vibration coupling. Therefore, according to the inertial sensor 1A in the first embodiment, the use efficiency of the excitation energy can be increased.
励振方向振幅モニタ手段7は、励振素子5の振動状態(例えば励振方向(第1方向、Y軸方向)の振幅)をモニタするための手段であり、励振素子5の励振方向(第1方向、Y軸方向)と直交する方向(第2方向、X軸方向)の両端辺の中央近傍に配置されている。この励振方向振幅モニタ手段7は、複数の固定電極7aと、複数の可動電極7bとが、噛み合うように励振方向と直交する方向(第2方向、X軸方向)に沿って交互に配置されることで構成されている。   The excitation direction amplitude monitoring means 7 is a means for monitoring the vibration state of the excitation element 5 (for example, the amplitude in the excitation direction (first direction, Y-axis direction)). The excitation direction of the excitation element 5 (first direction, It is arranged in the vicinity of the center of both ends in the direction (second direction, X-axis direction) orthogonal to the Y-axis direction. The excitation direction amplitude monitor means 7 is alternately arranged along a direction (second direction, X-axis direction) orthogonal to the excitation direction so that the plurality of fixed electrodes 7a and the plurality of movable electrodes 7b are engaged with each other. It is composed of that.
励振方向振幅モニタ手段7は、励振素子5の励振方向(第1方向、Y軸方向)における振動振幅を監視する機能を有している。そして、励振方向振幅モニタ手段7の測定結果に基づき励振方向(第1方向、Y軸方向)の振動振幅を一定に保つ役割を有している。すなわち、励振方向振幅モニタ手段7で計測された振幅に基づき、上述した励振手段6による励振素子5の振動を調整したり、後述する励振方向共振周波数チューニング手段10に測定結果をフィードバックすることにより共振のずれを補正することが行なわれる。   The excitation direction amplitude monitor means 7 has a function of monitoring the vibration amplitude of the excitation element 5 in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). The vibration amplitude in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) is kept constant based on the measurement result of the excitation direction amplitude monitor means 7. That is, based on the amplitude measured by the excitation direction amplitude monitor means 7, the vibration of the excitation element 5 by the excitation means 6 described above is adjusted, or the measurement result is fed back to the excitation direction resonance frequency tuning means 10 to be described later to resonate. The deviation is corrected.
励振方向振幅モニタ手段7の固定電極7aは、上記活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この固定電極7aは、支持部18dの活性層2cと一体的に形成されており、支持部18dに接続されて基板2に固定されている。この支持部18dは、活性層2cおよび絶縁層2bの積層パターンにより形成されており、基板2の支持基板2aにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部18dは、固定電極7aに電気信号を与える電極としての機能を有している。   The fixed electrode 7a of the excitation direction amplitude monitor means 7 is formed by patterning the active layer 2c. The fixed electrode 7a is formed integrally with the active layer 2c of the support portion 18d, and is fixed to the substrate 2 by being connected to the support portion 18d. The support portion 18d is formed by a laminated pattern of the active layer 2c and the insulating layer 2b, and is firmly bonded and fixed to the support substrate 2a of the substrate 2. Here, the support portion 18d has a function as an electrode that gives an electric signal to the fixed electrode 7a.
一方、励振方向振幅モニタ手段7の可動電極7bは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この可動電極7bは、その下層の絶縁層2bが除去されて基板2の第1主面上に浮いた状態で配置されている。この可動電極7bは、その活性層2cが励振素子5の活性層2cと一体的に形成され接続されており、励振素子5に接続されて固定されている。このような構成の励振方向振幅モニタ手段7は、励振素子5の振動状態を固定電極7aと可動電極7bとの対向面間の静電容量の変化によって検出することによりモニタし、そのモニタ信号を出力するようになっている。   On the other hand, the movable electrode 7b of the excitation direction amplitude monitor means 7 is formed by patterning the active layer 2c. The movable electrode 7b is arranged in a state where it floats on the first main surface of the substrate 2 with the insulating layer 2b below it being removed. The movable electrode 7b has an active layer 2c integrally formed and connected to the active layer 2c of the excitation element 5, and is connected and fixed to the excitation element 5. The excitation direction amplitude monitor means 7 having such a configuration monitors the vibration state of the excitation element 5 by detecting the change in capacitance between the opposed surfaces of the fixed electrode 7a and the movable electrode 7b, and the monitor signal is monitored. It is designed to output.
図6は、このような励振方向振幅モニタ手段7で得られたモニタ信号を検出する検出回路を示している。なお、図6では、励振方向振幅モニタ手段7をコンデンサで示し、支持部18a、18dを配線で示し、本図における等価回路として同一の符号を付す。また、符号OPはオペアンプ、符号AmDは振幅検出回路、符号Cは参照容量、符号VbiasはオペアンプOPに印加するバイアス電圧、符号Voutは出力電圧である。 FIG. 6 shows a detection circuit for detecting the monitor signal obtained by such excitation direction amplitude monitor means 7. In FIG. 6, the excitation direction amplitude monitor means 7 is indicated by a capacitor, the support portions 18a and 18d are indicated by wirings, and the same reference numerals are given as equivalent circuits in this figure. Further, reference numeral OP is an operational amplifier, reference numeral AmD the amplitude detection circuit, the code C R reference capacitor, numeral V bias is the bias voltage applied to the operational amplifier OP, the sign Vout is the output voltage.
ここで、励振素子5が励振方向(第1方向、Y軸方向)に変位することにより、励振方向振幅モニタ手段7の静電容量がΔCだけ変動したとする。励振方向振幅モニタ手段7にかかる電圧はオペアンプOPにより常にVbiasであるため、静電容量の変化によって電荷ΔQ=ΔC・Vbiasが励振方向振幅モニタ手段7に流れ込む必要がある。この電荷は参照容量Cから流れ出す電荷と等しくなるため、参照容量Cの電圧は(ΔC/C)Vbiasだけ変動する。よって、出力電圧VoutはVout=(1+ΔC/C)Vbiasとなる。この出力結果を、励振素子5を振動させる励振手段6や励振方向共振周波数チューニング手段10にフィードバックすることにより、安定した励振方向の振動を得ることができる。 Here, it is assumed that the capacitance of the excitation direction amplitude monitoring unit 7 varies by ΔC due to the displacement of the excitation element 5 in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). Since the voltage applied to the excitation direction amplitude monitoring means 7 is always V bias by the operational amplifier OP, the charge ΔQ = ΔC · V bias needs to flow into the excitation direction amplitude monitoring means 7 due to the change in capacitance. This charge to become equal to the charge flowing out of the reference capacitor C R, the voltage of the reference capacitor C R is varied by (ΔC / C R) V bias . Therefore, the output voltage Vout is Vout = (1 + ΔC / C R ) V bias . The output result is fed back to the excitation means 6 that vibrates the excitation element 5 and the excitation direction resonance frequency tuning means 10, whereby stable vibration in the excitation direction can be obtained.
また、各センサユニットSUA1、SUA2の励振方向振幅モニタ手段7からの信号を演算処理することで、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度を検出することもできる。たとえば、各センサユニットSUA1、SUA2の励振方向の+方向に配置されている励振方向振幅モニタ手段7の静電容量変化値の和と−方向に配置されている励振方向振幅モニタ手段7の静電容量変化値の和との差分をとることで、励振素子5の逆相振動による静電容量の変化はキャンセルされ、励振方向に印加された同相振動(加速度)に比例した出力を得ることができる。   Further, the acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) can also be detected by processing the signals from the excitation direction amplitude monitor means 7 of each sensor unit SUA1, SUA2. For example, the sum of the capacitance change values of the excitation direction amplitude monitor means 7 arranged in the + direction of the excitation direction of each sensor unit SUA1, SUA2 and the electrostatic capacitance of the excitation direction amplitude monitor means 7 arranged in the-direction. By taking the difference from the sum of the capacitance change values, the change in capacitance due to the anti-phase vibration of the excitation element 5 is canceled, and an output proportional to the in-phase vibration (acceleration) applied in the excitation direction can be obtained. .
しかし、この方法では、励振方向(第1方向、Y軸方向)に並行に固定電極7aと可動電極7bが設置されている櫛歯型電極では、加速度の検出に十分な静電容量の変化を得るために電極の規模を大きくする必要がある。また、励振方向(第1方向、Y軸方向)に垂直に固定電極7aと可動電極7bが設置されている並行平板型電極では、固定電極7aと可動電極7bの間隔を励振素子5の逆相振動の振幅以上にする必要があり、加速度の検出に十分な静電容量の変化を得るためには上記した櫛歯型電極よりは小さいが、規模の大きい電極が必要となる。また、並行平板型の電極は可動電極7bと固定電極7a間の粘性流体(空気)の粘性が励振素子5の逆相の振動を邪魔し、必要とする振幅を得るには、櫛歯型の電極に比べ、高い駆動電圧が必要となる。   However, in this method, the comb-shaped electrode in which the fixed electrode 7a and the movable electrode 7b are installed in parallel with the excitation direction (first direction, Y-axis direction) does not change the capacitance sufficient for acceleration detection. In order to obtain, it is necessary to enlarge the scale of the electrode. Further, in the parallel plate type electrode in which the fixed electrode 7a and the movable electrode 7b are installed perpendicular to the excitation direction (first direction, Y-axis direction), the interval between the fixed electrode 7a and the movable electrode 7b is set to the opposite phase of the excitation element 5. In order to obtain a change in capacitance sufficient to detect acceleration, it is necessary to use an electrode having a large scale, although it is smaller than the above-mentioned comb-shaped electrode. In addition, the parallel plate type electrode has a comb-teeth shape in order that the viscosity of the viscous fluid (air) between the movable electrode 7b and the fixed electrode 7a interferes with the reverse-phase vibration of the excitation element 5 to obtain the required amplitude. A high drive voltage is required compared to the electrodes.
次に、励振方向加速度検出部8は、励振方向に印加された加速度を検出するためのものであり、励振素子5と弾性体17dを介して接続され、励振素子5の間に配置されている。この励振方向加速度検出部8は、複数の固定電極8aと、複数の可動電極8bとが、噛み合うように励振方向(第1方向、Y軸方向)に沿って交互に配置されることで構成されている。   Next, the excitation direction acceleration detection unit 8 is for detecting acceleration applied in the excitation direction, and is connected to the excitation element 5 via the elastic body 17d and disposed between the excitation elements 5. . The excitation direction acceleration detector 8 is configured by alternately arranging a plurality of fixed electrodes 8a and a plurality of movable electrodes 8b along the excitation direction (first direction, Y-axis direction) so as to be engaged with each other. ing.
励振方向加速度検出部8の固定電極8aは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この固定電極8aは、支持部18eの活性層2cと一体的に形成されており、支持部18eに接続されて基板2に固定されている。この支持部18eは、活性層2cおよび絶縁層2bの積層パターンにより形成されており、基板2の支持基板2aにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部18eは、固定電極8aに電気信号を与える電極としての機能を有している。   The fixed electrode 8a of the excitation direction acceleration detector 8 is formed by patterning the active layer 2c. The fixed electrode 8a is formed integrally with the active layer 2c of the support portion 18e, and is fixed to the substrate 2 by being connected to the support portion 18e. The support portion 18e is formed by a laminated pattern of the active layer 2c and the insulating layer 2b, and is firmly bonded and fixed to the support substrate 2a of the substrate 2. Here, the support portion 18e has a function as an electrode that gives an electric signal to the fixed electrode 8a.
一方、励振方向加速度検出部8の可動電極8bは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この可動電極8bは、その下層の絶縁層2bは除去されて基板2の第1主面上に浮いた状態で配置されている。この可動電極8bは、その活性層2cが励振素子5の活性層2cと励振方向(第1方向、Y軸方向)に柔らかい梁17dを介して接続されている。このような構成の励振方向加速度検出部8は、励振素子5が同じ振幅で逆位相に振動しているときには変位せず、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度の印加により、励振素子5が同位相で振動する時には、その動きに追従し変位する。この振動状態を固定電極8aと可動電極8bとの対向面間の静電容量の変化によって検出し、その検出信号を励振方向の加速度として出力するようになっている。可動電極8bは、可動電極8b自体が変形しない程度の剛性でよく、可動電極8bそのものの慣性力による加速度応答の位相遅延を極力小さくするため、質量が小さくなるよう設計されている。   On the other hand, the movable electrode 8b of the excitation direction acceleration detector 8 is formed by patterning the active layer 2c. The movable electrode 8b is arranged in a state where it floats on the first main surface of the substrate 2 with the insulating layer 2b below the movable electrode 8b removed. The movable electrode 8b has an active layer 2c connected to the active layer 2c of the excitation element 5 in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) via a soft beam 17d. The excitation direction acceleration detector 8 having such a configuration is not displaced when the excitation element 5 vibrates in the opposite phase with the same amplitude, and is excited by applying acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). When the element 5 vibrates in the same phase, it follows the movement and is displaced. This vibration state is detected by a change in capacitance between the opposed surfaces of the fixed electrode 8a and the movable electrode 8b, and the detection signal is output as an acceleration in the excitation direction. The movable electrode 8b may be rigid to such an extent that the movable electrode 8b itself is not deformed, and is designed to reduce the mass in order to minimize the phase delay of the acceleration response due to the inertial force of the movable electrode 8b itself.
本実施の形態1における慣性センサ1Aの特徴の1つは、励振方向加速度検出部8を互いに逆位相で励振方向(第1方向、Y軸方向)に振動する励振素子5に梁17dを介して接続したことにある。このように励振方向加速度検出部8を設けることにより、励振素子5を互いに逆位相で振動させながら、励振方向の加速度を検出することができるのである。つまり、励振方向(第1方向、Y軸方向)に加速度が印加されていない場合、励振方向加速度検出部8には、左右の励振素子5から互いに逆位相の振動が加えられるので、互いの振動が打ち消され、励振方向加速度検出部8を構成する容量素子の間隔が変化することはない。このため、励振方向加速度検出部8では、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度は検出されない。一方、励振方向(第1方向、Y軸方向)に加速度が印加されると、左右の励振素子5は同位相で変化する。したがって、左右の励振素子5が同位相で変位するため、左右の励振素子5に接続されている励振方向加速度検出部8も変位する。このため、励振方向加速度検出部8を構成する容量素子の間隔が変わり、容量素子の静電容量が変化する。この静電容量の変化を検出することにより、励振方向の加速度を検出することができる。このように本実施の形態1によれば、励振方向の加速度によって左右の励振素子5が同位相で変化する点および互いに逆位相で振動している励振素子に接続しても励振方向の加速度が印加されていない場合には、励振方向に同位相の変位量がないことに着目して、励振方向加速度検出部8を設けている点に特徴があることがわかる。   One of the features of the inertial sensor 1A in the first embodiment is that the excitation direction acceleration detector 8 vibrates in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) in opposite phases with each other via the beam 17d. Being connected. By providing the excitation direction acceleration detection unit 8 in this way, it is possible to detect the acceleration in the excitation direction while causing the excitation elements 5 to vibrate in mutually opposite phases. That is, when no acceleration is applied in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), vibrations in opposite phases are applied to the excitation direction acceleration detection unit 8 from the left and right excitation elements 5, so Is canceled out, and the interval between the capacitive elements constituting the excitation direction acceleration detector 8 does not change. For this reason, the excitation direction acceleration detector 8 does not detect acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). On the other hand, when acceleration is applied in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), the left and right excitation elements 5 change in phase. Accordingly, since the left and right excitation elements 5 are displaced in the same phase, the excitation direction acceleration detection unit 8 connected to the left and right excitation elements 5 is also displaced. For this reason, the space | interval of the capacitive element which comprises the excitation direction acceleration detection part 8 changes, and the electrostatic capacitance of a capacitive element changes. By detecting this change in capacitance, the acceleration in the excitation direction can be detected. As described above, according to the first embodiment, even if the left and right excitation elements 5 change in phase due to the acceleration in the excitation direction and the excitation elements that vibrate in opposite phases are connected to each other, the acceleration in the excitation direction is increased. When no voltage is applied, it is understood that there is a feature that the excitation direction acceleration detecting unit 8 is provided, focusing on the fact that there is no in-phase displacement in the excitation direction.
続いて、本実施の形態1における慣性センサに設けた励振方向加速度検出部8のさらなる利点について説明する。励振方向(第1方向、Y軸方向)の変位量と励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度との間には、数式5に示す関係がある。   Next, further advantages of the excitation direction acceleration detection unit 8 provided in the inertial sensor according to the first embodiment will be described. There is a relationship shown in Equation 5 between the displacement amount in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) and the acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction).
y=ma/kdrive・・・数式5
但し、yは励振方向(第1方向、Y軸方向)の変位量、aは励振方向(第1方向、Y軸方向)に印加された加速度、kdriveは励振方向(第1方向、Y軸方向)のバネ定数、mは励振素子5と、励振素子5の中に配置されているコリオリ素子11と、励振方向加速度検出部8の可動電極8bの質量の合計である。
y = ma / kdrive... Formula 5
Where y is the amount of displacement in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), a is the acceleration applied in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), and kdrive is the excitation direction (first direction, Y-axis direction). The spring constant m) is the sum of the mass of the excitation element 5, the Coriolis element 11 disposed in the excitation element 5, and the movable electrode 8b of the excitation direction acceleration detector 8.
さらに、kdriveは数式6で示す関係を満たしている。   Further, kdrive satisfies the relationship expressed by Equation 6.
kdrive=(Ebh/L)・・・数式6
但し、Eは梁の縦弾性係数、bは梁の厚さ(活性層2cの厚さ)、hは梁の幅、Lは梁の長さを示している。
kdrive = (Ebh 3 / L 3 ) Equation 6
Where E is the longitudinal elastic modulus of the beam, b is the thickness of the beam (thickness of the active layer 2c), h is the width of the beam, and L is the length of the beam.
上述した数式5および数式6から、励振方向(第1方向、Y軸方向)に印加された加速度aを精度良く測定するためには、質量mを大きくし、バネ定数kdriveを小さくする必要がある。   From Equation 5 and Equation 6 above, in order to accurately measure the acceleration a applied in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), it is necessary to increase the mass m and decrease the spring constant kdrive. .
例えば、図7に示しているように、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度を測定する目的で、小型の励振方向加速度検出部8を励振素子5に接続せず、支持部18fに梁17dを介して接続し、基板2に固定したとする。この場合、数式5に示すmの値は励振方向加速度検出部8の可動電極8bのみの質量となる。この可動電極8bのみの質量だけでは小さいので、必要とする感度を得るためにはバネ定数kdriveを小さくするしかない。しかし、数式6から、バネ定数kdriveを小さくするためには、梁17dの幅を狭くするか、梁17dの長さを長くする必要がある。ところが梁17dの幅は加工の制約上、狭くするには限界がある。また、梁17dの幅を狭くすると外部からの衝撃により、壊れやすくなる。また、梁17dの長さを長くするのは小型化の面で好ましくない。このように単に励振方向加速度検出部8を設けただけでは、感度と強度を両立させることが難しい。   For example, as shown in FIG. 7, for the purpose of measuring the acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), the small excitation direction acceleration detector 8 is not connected to the excitation element 5, and the support 18f. Are connected to each other via a beam 17d and fixed to the substrate 2. In this case, the value of m shown in Equation 5 is the mass of only the movable electrode 8b of the excitation direction acceleration detector 8. Since only the mass of the movable electrode 8b is small, the spring constant kdrive can only be reduced to obtain the required sensitivity. However, from Equation 6, in order to reduce the spring constant kdrive, it is necessary to reduce the width of the beam 17d or increase the length of the beam 17d. However, the width of the beam 17d is limited due to processing limitations. Further, if the width of the beam 17d is narrowed, it is easily broken by an external impact. In addition, it is not preferable to increase the length of the beam 17d in terms of miniaturization. Thus, it is difficult to achieve both sensitivity and strength simply by providing the excitation direction acceleration detector 8.
そこで、本実施の形態1では、図2に示すように、励振方向加速度検出部8を梁17dで励振素子5に接続させている。この場合、励振方向加速度検出部8では、数式5のmとして、可動電極8bの他に励振素子5と、コリオリ素子11の質量が含まれているので、質量を大きくすることができる。すなわち、質量を大きくすることができるので、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度の検出感度を向上させることができる。さらに、質量を大きくすることにより充分な検出感度を得ることができるため、バネ定数kdriveを小さくする必要がない。したがって、梁の強度を保持することができる。さらに、梁17dの加工上の制約が少なく、小型化にも有利である。このように本実施の形態1における慣性センサによれば、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度を感度よく検出することができるとともに、梁の強度を保持することができる。さらに、励振方向加速度検出部8を形成した慣性センサ1Aの小型化を実現できる。   Therefore, in the first embodiment, as shown in FIG. 2, the excitation direction acceleration detector 8 is connected to the excitation element 5 by a beam 17d. In this case, in the excitation direction acceleration detection unit 8, since the mass of the excitation element 5 and the Coriolis element 11 is included in addition to the movable electrode 8b as m in Equation 5, the mass can be increased. That is, since the mass can be increased, the detection sensitivity of the acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) can be improved. Furthermore, since sufficient detection sensitivity can be obtained by increasing the mass, it is not necessary to reduce the spring constant kdrive. Therefore, the strength of the beam can be maintained. Furthermore, there are few restrictions on the processing of the beam 17d, which is advantageous for downsizing. As described above, according to the inertial sensor in the first embodiment, acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) can be detected with high sensitivity, and the strength of the beam can be maintained. Further, it is possible to reduce the size of the inertial sensor 1A in which the excitation direction acceleration detector 8 is formed.
なお、励振方向加速度検出部8は、逆位相で振動する励振素子5に接続することに制限されることはなく、例えば、梁17bなどの励振方向(第1方向、Y軸方向)に逆位相で振動している構造体に接続されていれば、逆位相で振動する励振素子5に接続する場合と同様の効果を得ることができる。   The excitation direction acceleration detection unit 8 is not limited to being connected to the excitation element 5 that vibrates in the opposite phase, and is, for example, in the opposite phase in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) of the beam 17b or the like. If it is connected to the structure that vibrates in the same manner, it is possible to obtain the same effect as in the case of connection to the excitation element 5 that vibrates in the opposite phase.
また、励振方向(第1方向、Y軸方向)に逆位相で振動している部分でなくても、図8に示しているように、励振素子5の逆位相振動の節になる部分、例えば梁17cと17cの間に直接又は梁17dを介して接続されても本発明の効果は得られる。すなわち、図8に示すように、逆位相で振動する励振素子5間の接続を梁17b、17cによって行なうと、梁17bおよび梁17cには常に振動しない節が存在する。この節は、励振方向(第1方向、Y軸方向)に加速度が印加されていない場合には変位しない。一方、励振方向(第1方向、Y軸方向)に加速度が印加されると節の位置も変化する。したがって、節の位置に励振方向加速度検出部8を設けることにより、励振方向加速度検出部8を互いに逆位相で振動する励振素子5に接続した場合と同様に励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度を検出すことができる。   Further, as shown in FIG. 8, a portion that becomes a node of antiphase vibration of the excitation element 5, for example, not a portion oscillating in an antiphase in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), for example, The effect of the present invention can be obtained even if the beams 17c and 17c are connected directly or via the beam 17d. That is, as shown in FIG. 8, when the connection between the excitation elements 5 that vibrate in opposite phases is performed by the beams 17b and 17c, there are always nodes that do not vibrate in the beams 17b and 17c. This node is not displaced when no acceleration is applied in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). On the other hand, when acceleration is applied in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), the position of the node also changes. Accordingly, by providing the excitation direction acceleration detection unit 8 at the node position, the excitation direction (first direction, Y-axis direction) is the same as when the excitation direction acceleration detection unit 8 is connected to the excitation elements 5 that vibrate in mutually opposite phases. ) Acceleration can be detected.
また、節になる部分に配置することによって、励振方向加速度検出部8の固定電極8aと可動電極8bの間隔を励振素子5の逆位相振幅より狭くすることができるため、励振方向振幅モニタ手段7を用いて励振方向の加速度を検出する方法より、より小さい規模の電極で高感度の測定が可能となる。   Further, since the gap between the fixed electrode 8a and the movable electrode 8b of the excitation direction acceleration detector 8 can be made narrower than the antiphase amplitude of the excitation element 5 by arranging it at the node portion, the excitation direction amplitude monitor means 7 High-sensitivity measurement can be performed with a smaller-scale electrode than the method of detecting the acceleration in the excitation direction using the.
さらに、節になる部分に配置することによって、励振方向加速度検出部8の固定電極8aと可動電極8bを励振方向(第1方向、Y軸方向)と垂直に設けた並行平板型にしても、固定電極8aと可動電極8bの間の粘性流体の粘性が励振素子5の逆位相振動を邪魔することはない。そのため、励振方向加速度検出部8を設置することで、励振エネルギーを損することなく、逆相振幅に影響することもない。   Furthermore, by arranging in a portion that becomes a node, the fixed electrode 8a and the movable electrode 8b of the excitation direction acceleration detection unit 8 can be made into a parallel plate type provided perpendicular to the excitation direction (first direction, Y-axis direction). The viscosity of the viscous fluid between the fixed electrode 8a and the movable electrode 8b does not disturb the antiphase vibration of the excitation element 5. Therefore, by installing the excitation direction acceleration detector 8, the excitation energy is not lost and the negative phase amplitude is not affected.
さらに、励振方向加速度検出部8は、1個である必要もなく、図9で示しているように複数個あっても良い。この場合は、それぞれの励振方向加速度検出部8−1と8−2の静電容量の変化を比較し、差動をとることで、加速度を検出することが可能になる。すなわち、図9に示すように、左右の励振素子5の間に複数の励振方向加速度検出部8−1、8−2を設けてもよい。この場合、左側の励振方向加速度検出部8−1は可動電極8−1bおよび固定部8−1cに固定された固定電極8−1aを有している。同様に、右側の励振方向加速度検出部8−2も可動電極8−2bおよび固定部8−2cに固定された固定電極8−2aを有している。   Further, the excitation direction acceleration detection unit 8 does not have to be one, and may be plural as shown in FIG. In this case, it is possible to detect the acceleration by comparing the capacitance changes of the excitation direction acceleration detectors 8-1 and 8-2 and taking the differential. That is, as shown in FIG. 9, a plurality of excitation direction acceleration detectors 8-1 and 8-2 may be provided between the left and right excitation elements 5. In this case, the left excitation direction acceleration detection unit 8-1 has a movable electrode 8-1b and a fixed electrode 8-1a fixed to the fixed unit 8-1c. Similarly, the right excitation direction acceleration detector 8-2 also has a movable electrode 8-2b and a fixed electrode 8-2a fixed to the fixed portion 8-2c.
次に、励振方向加速度サーボ手段9は、励振素子5に印加された加速度による振幅を常にゼロになるように、励振方向加速度検出部8で検知された加速度による検出変位量(同位相の変位)に応じてリバランス力を発生し、アクティブに制御する手段であり、励振手段6と対向して配置されている。この励振方向加速度サーボ手段9は、複数の固定電極9aと、複数の可動電極9bとが、噛み合うように検出方向(第2方向、X軸方向)に沿って交互に配置されることで構成されている。また、リバランス力は励振方向加速度サーボ手段9の複数の固定電極9aと、複数の可動電極9bの間にバイアス電圧を印加することで発生させる。したがって、このバイアス電圧そのものを出力することで印加された加速度を測定することも可能である。   Next, the excitation direction acceleration servo means 9 detects the amount of displacement detected by the acceleration detected by the excitation direction acceleration detector 8 (in-phase displacement) so that the amplitude due to the acceleration applied to the excitation element 5 is always zero. Accordingly, the rebalancing force is generated in response to the active control, and is actively controlled, and is disposed opposite to the excitation means 6. The excitation direction acceleration servo means 9 is configured by alternately arranging a plurality of fixed electrodes 9a and a plurality of movable electrodes 9b along the detection direction (second direction, X-axis direction) so as to engage with each other. ing. The rebalancing force is generated by applying a bias voltage between the plurality of fixed electrodes 9a and the plurality of movable electrodes 9b of the excitation direction acceleration servo means 9. Therefore, it is possible to measure the applied acceleration by outputting the bias voltage itself.
励振方向加速度検出部8は、固定電極8aと可動電極8bより構成される容量素子を含んでおり、励振方向(第1方向、Y軸方向)に加速度が生じたとき、固定電極8aと可動電極8bとの距離が変化するようになっている。そして、固定電極8aと可動電極8b間の距離に応じて容量素子の静電容量が変化することを利用して励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度を検出する構造となっている。つまり、励振方向(第1方向、Y軸方向)に加速度が発生すると、励振方向加速度検出部8の可動電極8bが変位することにより、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度を検出する。励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度が大きくなると可動電極8bの変位量も大きくなる。可動電極8bは梁に接続されており、梁の変位量に応じて可動電極8bが変位するが、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度が大きくなると、可動電極8bに接続されている梁の変位量も大きくなる。励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度が小さいうちは、梁の変位量の線形性が保たれるが、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度が大きくなると、梁の変位量の線形性が保持されにくくなり、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度の検出感度が変化してしまう。また、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度を検出できるダイナミックレンジを広く取ろうとすると、大きな加速度が印加されても可動電極8bが固定電極8aに接触しないように可動電極8bと固定電極8aとの間の距離を大きくする必要がある。可動電極8bと固定電極8aとの距離が狭いほど加速度の検出感度が向上するので、可動電極8bと固定電極8aの距離を広げると加速度の検出感度が低下してしまう。   The excitation direction acceleration detector 8 includes a capacitive element composed of a fixed electrode 8a and a movable electrode 8b, and when acceleration occurs in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), the fixed electrode 8a and the movable electrode The distance to 8b changes. And it has the structure which detects the acceleration of an excitation direction (1st direction, Y-axis direction) using the electrostatic capacitance of a capacitive element changing according to the distance between the fixed electrode 8a and the movable electrode 8b. . That is, when acceleration is generated in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), the movable electrode 8b of the excitation-direction acceleration detector 8 is displaced to detect acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). To do. When the acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) increases, the displacement amount of the movable electrode 8b also increases. The movable electrode 8b is connected to the beam, and the movable electrode 8b is displaced according to the amount of displacement of the beam. When the acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) increases, the movable electrode 8b is connected to the movable electrode 8b. The displacement of the beam is also increased. While the acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) is small, the linearity of the displacement of the beam is maintained, but when the acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) is large, the beam It becomes difficult to maintain the linearity of the displacement, and the detection sensitivity of the acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) changes. In addition, when an attempt is made to widen the dynamic range in which acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) can be detected, the movable electrode 8b is fixed to the movable electrode 8b so that the movable electrode 8b does not contact the fixed electrode 8a even when a large acceleration is applied. It is necessary to increase the distance between the electrodes 8a. As the distance between the movable electrode 8b and the fixed electrode 8a is narrower, the acceleration detection sensitivity is improved. Therefore, if the distance between the movable electrode 8b and the fixed electrode 8a is increased, the acceleration detection sensitivity is lowered.
そこで、本実施の形態1では励振方向加速度サーボ手段9を設けている。この励振方向加速度サーボ手段9は、励振方向加速度検出部8の検出結果に基づいて、励振方向加速度検出部8の可動電極8bの変位量をゼロにするようにリバランス力を発生するようになっている。すなわち、励振方向加速度サーボ手段9は、励振方向加速度検出部8の可動電極8bの変位量をリバランス力によって強制的になくすようにしている。つまり、励振方向加速度サーボ手段9により、可動電極8bの変位量を間接的にリバランス力の大きさとして励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度を検出するものである。可動電極8bの変位量に応じて可動電極8bの変位量を相殺するリバランス力は変化するので、リバランス力を測定することにより、励振方向(第1方向、Y軸方向)にどれくらいの加速度が印加されているかを検出することができる。   Therefore, in the first embodiment, the excitation direction acceleration servo means 9 is provided. The excitation direction acceleration servo means 9 generates a rebalancing force based on the detection result of the excitation direction acceleration detection unit 8 so that the displacement amount of the movable electrode 8b of the excitation direction acceleration detection unit 8 becomes zero. ing. That is, the excitation direction acceleration servo means 9 forcibly eliminates the displacement amount of the movable electrode 8b of the excitation direction acceleration detector 8 by the rebalance force. That is, the acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) is detected by the excitation direction acceleration servo means 9 with the amount of displacement of the movable electrode 8b indirectly as the rebalance force. Since the rebalance force that cancels the displacement amount of the movable electrode 8b changes according to the displacement amount of the movable electrode 8b, the acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) is measured by measuring the rebalance force. Can be detected.
この励振方向加速度サーボ手段9を設けることにより、以下の効果が得られる。すなわち、励振方向(第1方向、Y軸方向)の加速度が印加された場合であっても、リバランス力によって可動電極8bの変位量が発生しないので、可動電極8bに接続している梁に負担がかからない。このため、梁の線形性が良好であり安定して加速度を検出することができる。また、可動電極8bの変位量が発生しないので、固定電極8aと可動電極8bとの間の距離を狭くすることができる。つまり、固定電極8aと可動電極8bとの間の距離を狭くしても、大きな加速度が印加された場合に接触することを防止できる。したがって、固定電極8aと可動電極8bの間の距離を狭くすることが可能となり、加速度の検出感度を向上させることができる。一方で加速度の検出範囲(ダイナミックレンジ)を確保することもできる。なお、本実施の形態1では、励振方向加速度サーボ手段9を設けたが、設けなくてもよい。つまり、励振方向加速度検出部8の可動電極8bの変位量により直接的に加速度を検出してもよい。   By providing this excitation direction acceleration servo means 9, the following effects can be obtained. That is, even when acceleration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) is applied, the amount of displacement of the movable electrode 8b does not occur due to the rebalance force, so the beam connected to the movable electrode 8b There is no burden. For this reason, the linearity of the beam is good, and the acceleration can be detected stably. Moreover, since the displacement amount of the movable electrode 8b does not occur, the distance between the fixed electrode 8a and the movable electrode 8b can be reduced. That is, even when the distance between the fixed electrode 8a and the movable electrode 8b is narrowed, it is possible to prevent contact when a large acceleration is applied. Therefore, the distance between the fixed electrode 8a and the movable electrode 8b can be reduced, and the acceleration detection sensitivity can be improved. On the other hand, an acceleration detection range (dynamic range) can be secured. In the first embodiment, the excitation direction acceleration servo means 9 is provided, but it may not be provided. That is, the acceleration may be directly detected from the displacement amount of the movable electrode 8b of the excitation direction acceleration detector 8.
励振方向加速度サーボ手段9の固定電極9aは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。固定電極9aはその活性層2cが支持部18gの活性層2cと一体的に形成されており、支持部18gに接続されて基板2に固定されている。支持部18gは、キャップ(MCP)封止後の配線取り出しを考慮し、励振素子5の外側であって、外周壁Wの内側に配置されている。この支持部18gは、活性層2cおよび絶縁層2bの積層パターンにより形成されており、基板2の支持基板2aにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部18gは、固定電極9aに電気信号を与える電極と、センサユニット内部での配線としての機能を有している。   The fixed electrode 9a of the excitation direction acceleration servo means 9 is formed by patterning the active layer 2c. The active layer 2c of the fixed electrode 9a is formed integrally with the active layer 2c of the support portion 18g, and is connected to the support portion 18g and fixed to the substrate 2. The support portion 18g is disposed outside the excitation element 5 and inside the outer peripheral wall W in consideration of wiring removal after cap (MCP) sealing. The support portion 18g is formed by a laminated pattern of the active layer 2c and the insulating layer 2b, and is firmly bonded and fixed to the support substrate 2a of the substrate 2. Here, the support portion 18g has a function as an electrode for supplying an electric signal to the fixed electrode 9a and a wiring inside the sensor unit.
一方、励振方向加速度サーボ手段9の可動電極9bは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この可動電極9bは、その下層の絶縁層2bが除去されて、基板2の第1主面上に浮いた状態で配置されている。可動電極9bは、その活性層2cが励振素子5の活性層2cと一体的に形成され接続されており、励振素子5に接続されている。   On the other hand, the movable electrode 9b of the excitation direction acceleration servo means 9 is formed by patterning the active layer 2c. The movable electrode 9b is arranged in a state of being floated on the first main surface of the substrate 2 with the insulating layer 2b below the movable electrode 9b removed. The movable electrode 9 b has an active layer 2 c formed and connected integrally with the active layer 2 c of the excitation element 5, and is connected to the excitation element 5.
次に、励振方向共振周波数チューニング手段10は、周囲温度変化や真空度の変化、または、加工ばらつきにより発生する励振素子5の共振周波数のばらつきをアクティブに制御するためのものであり、励振素子5の検出方向(第2方向、X軸方向)端面の外側に配置されている。この励振方向共振周波数チューニング手段10は、複数の固定電極10aと、複数の可動電極10bとが、噛み合うように励振方向(第1方向、Y軸方向)に沿って交互に配置されることで構成されている。   Next, the excitation direction resonance frequency tuning means 10 is for actively controlling the variation of the resonance frequency of the excitation element 5 caused by the change in ambient temperature, the degree of vacuum, or the processing variation. In the detection direction (second direction, X-axis direction). This excitation direction resonance frequency tuning means 10 is configured by alternately arranging a plurality of fixed electrodes 10a and a plurality of movable electrodes 10b along the excitation direction (first direction, Y-axis direction) so as to engage with each other. Has been.
励振素子5は励振手段6により励振方向(第1方向、Y軸方向)に振動するように構成されているが、この振動を安定して維持するために励振素子5を共振点で振動させる必要がある。しかし、慣性センサ1Aの周囲の温度が変化すると、励振素子5の振動が共振点からずれる。励振素子5の振動が共振点からずれると、振動の振幅が急激に小さくなるため、振動を安定して維持することが困難となる。そこで、本実施の形態1における慣性センサ1Aでは、励振方向共振周波数チューニング手段10を設けている。この励振方向共振周波数チューニング手段10によれば、励振素子5の振動が共振点からずれると、そのずれを補正して励振素子5の振動が共振点で行なうように調整することができる。したがって、励振素子5の励振方向(第1方向、Y軸方向)の振動を安定して維持することができる。   The excitation element 5 is configured to vibrate in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) by the excitation means 6, but it is necessary to vibrate the excitation element 5 at the resonance point in order to stably maintain this vibration. There is. However, when the temperature around the inertial sensor 1A changes, the vibration of the excitation element 5 deviates from the resonance point. When the vibration of the excitation element 5 deviates from the resonance point, the amplitude of the vibration decreases rapidly, and it becomes difficult to stably maintain the vibration. Therefore, in the inertial sensor 1A according to the first embodiment, the excitation direction resonance frequency tuning means 10 is provided. According to this excitation direction resonance frequency tuning means 10, when the vibration of the excitation element 5 deviates from the resonance point, the deviation can be corrected so that the vibration of the excitation element 5 is performed at the resonance point. Therefore, it is possible to stably maintain the vibration of the excitation element 5 in the excitation direction (first direction, Y-axis direction).
励振方向共振周波数チューニング手段10の固定電極10aは、上記活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この固定電極10aは、その活性層2cが支持部18hの活性層2cと一体的に形成されており、支持部18hに接続されて基板2に固定されている。支持部18hは、活性層2cおよび絶縁層2bの積層パターンにより形成されており、基板2の支持基板2aにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部18hは固定電極10aに電気信号を与える電極としての機能を有している。   The fixed electrode 10a of the excitation direction resonance frequency tuning means 10 is formed by patterning the active layer 2c. The fixed electrode 10a has an active layer 2c formed integrally with the active layer 2c of the support portion 18h, and is fixed to the substrate 2 by being connected to the support portion 18h. The support portion 18h is formed by a laminated pattern of the active layer 2c and the insulating layer 2b, and is firmly bonded and fixed to the support substrate 2a of the substrate 2. Here, the support portion 18h has a function as an electrode for giving an electric signal to the fixed electrode 10a.
一方、励振方向共振周波数チューニング手段10の可動電極10bは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この可動電極10bの下層の絶縁層2bは除去されており、可動電極10bは、基板2の第1主面上に浮いた状態で配置されている。可動電極10bは、その活性層2cが励振素子5の活性層2cと一体的に形成され接続されており、励振素子5に接続されて固定されている。   On the other hand, the movable electrode 10b of the excitation direction resonance frequency tuning means 10 is formed by patterning the active layer 2c. The insulating layer 2b under the movable electrode 10b is removed, and the movable electrode 10b is arranged in a floating state on the first main surface of the substrate 2. The movable electrode 10b has an active layer 2c integrally formed with and connected to the active layer 2c of the excitation element 5, and is connected and fixed to the excitation element 5.
続いて、励振素子5の内側には、コリオリ素子11が配置されている。このコリオリ素子11は、活性層2cを平面略枠状にパターニングすることにより形成されている。このコリオリ素子11もその下層の絶縁層2bが除去され浮いた状態で基板2の第1主面上に配置されている。このコリオリ素子11は、励振方向(第1方向、Y軸方向)にも検出方向(第2方向、X軸方向)にも変位できるように設計されている。そして、コリオリ素子11も基板2の第1主面に沿って振動する。このようなコリオリ素子11は、梁17eを介して励振素子5に接続されている。これにより、コリオリ素子11は、励振素子5と同振幅かつ同位相で励振方向(第1方向、Y軸方向)に振動するようになっている。そして、コリオリ素子11は、Z軸回りの角速度が印加されたときはコリオリ力により検出方向(第2方向、X軸方向)へ変位する。すなわち、コリオリ素子11の質量が数式1のmとなる。したがって、高感度化を実現するためにコリオリ素子11は大質量になるように設計されている。   Subsequently, a Coriolis element 11 is disposed inside the excitation element 5. The Coriolis element 11 is formed by patterning the active layer 2c into a plane substantially frame shape. The Coriolis element 11 is also disposed on the first main surface of the substrate 2 in a state where the underlying insulating layer 2b is removed and floated. The Coriolis element 11 is designed so that it can be displaced both in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) and in the detection direction (second direction, X-axis direction). The Coriolis element 11 also vibrates along the first main surface of the substrate 2. Such a Coriolis element 11 is connected to the excitation element 5 through a beam 17e. Thus, the Coriolis element 11 vibrates in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) with the same amplitude and phase as the excitation element 5. When the angular velocity around the Z-axis is applied, the Coriolis element 11 is displaced in the detection direction (second direction, X-axis direction) by Coriolis force. That is, the mass of the Coriolis element 11 is m in Equation 1. Therefore, the Coriolis element 11 is designed to have a large mass in order to achieve high sensitivity.
左右の励振素子5の内部にそれぞれコリオリ素子11が配置され、それぞれのコリオリ素子11は左右の励振素子5と同様に互いに逆位相で励振方向(第1方向、Y軸方向)に振動している。このため、Z軸周りの角速度が印加されたときコリオリ力によって左右のコリオリ素子11は検出方向(第2方向、X軸方向)に変位する。左右のコリオリ素子11は励振方向(第1方向、Y軸方向)に逆位相で振動しているため、コリオリ力による検出方向(第2方向、X軸方向)の変位量は逆位相となる。   The Coriolis elements 11 are respectively arranged inside the left and right excitation elements 5, and the respective Coriolis elements 11 vibrate in the excitation directions (first direction and Y-axis direction) in opposite phases as in the left and right excitation elements 5. . For this reason, when an angular velocity around the Z-axis is applied, the left and right Coriolis elements 11 are displaced in the detection direction (second direction, X-axis direction) by the Coriolis force. Since the left and right Coriolis elements 11 vibrate in the opposite phase in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), the amount of displacement in the detection direction (second direction, X-axis direction) due to Coriolis force is in the opposite phase.
梁17eは、活性層2cをコリオリ素子11のパターンよりも細くパターニングすることにより形成されており(すなわち、梁17eは励振素子5およびコリオリ素子11の活性層2cと一体的に形成されており)、その下層の絶縁層2bが除去されて励振素子5やコリオリ素子11と同様に浮いた状態で基板2の第1主面上に配置されている。この梁17eは、励振方向(第1方向、Y軸方向)に直線状に延びる相対的に長い部分と、これに直交する検出方向(第2方向、X軸方向)に直線状に延びる相対的に短い部分とを有している。この相対的に長い部分の両端は、励振素子5の内周に接続されている。また、相対的に短い部分の一端は、相対的に長い部分の長手方向中央に接続され、他端はコリオリ素子11の検出方向(第2方向、X軸方向)の端辺の中央に接続されている。この梁17eも板バネとしての機能を有している。ただし、この梁17eは、励振方向(第1方向、Y軸方向)には硬く、検出方向(第2方向、X軸方向)には励振方向(第1方向、Y軸方向)の剛性に比べて柔らかい構成とされている。このため、励振素子5の励振方向(第1方向、Y軸方向)の振動はそのままコリオリ素子11に伝わるが、コリオリ素子11の検出方向(第2方向、X軸方向)の振動は吸収され、励振素子5に伝わらないようになっている。   The beam 17e is formed by patterning the active layer 2c to be thinner than the pattern of the Coriolis element 11 (that is, the beam 17e is formed integrally with the excitation element 5 and the active layer 2c of the Coriolis element 11). The lower insulating layer 2b is removed and arranged on the first main surface of the substrate 2 in a floating state in the same manner as the excitation element 5 and the Coriolis element 11. The beam 17e has a relatively long portion extending linearly in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) and a relative extension extending linearly in the detection direction (second direction, X-axis direction) perpendicular thereto. And a short part. Both ends of this relatively long portion are connected to the inner periphery of the excitation element 5. In addition, one end of the relatively short portion is connected to the center in the longitudinal direction of the relatively long portion, and the other end is connected to the center of the edge in the detection direction (second direction, X-axis direction) of the Coriolis element 11. ing. This beam 17e also has a function as a leaf spring. However, the beam 17e is hard in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), and compared with the rigidity in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) in the detection direction (second direction, X-axis direction). The structure is soft. For this reason, vibration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) of the excitation element 5 is transmitted to the Coriolis element 11 as it is, but vibration in the detection direction (second direction, X-axis direction) of the Coriolis element 11 is absorbed, The excitation element 5 is not transmitted.
このようなコリオリ素子11の内側には、検出素子12が配置されている。この検出素子12は、活性層2cを平面略枠状にパターニングすることにより形成されている。この検出素子12もその下層の絶縁層2bが除去され浮いた状態で基板2の第1主面上に配置されている。この検出素子12は、梁17fを介してコリオリ素子11に接続され、梁17gを介して支持部18iに接続され基板2に固定されている。これにより、検出素子12は、コリオリ素子11の検出方向(第2方向、X軸方向)の振動と同振幅かつ同位相で振動するようになっている。また、検出素子12も基板2の第1主面に沿って振動する。   The detection element 12 is disposed inside the Coriolis element 11. The detection element 12 is formed by patterning the active layer 2c into a substantially planar frame shape. The detection element 12 is also disposed on the first main surface of the substrate 2 in a state where the insulating layer 2b below the detection element 12 is removed and floated. This detection element 12 is connected to the Coriolis element 11 via a beam 17f, and connected to a support portion 18i via a beam 17g and fixed to the substrate 2. Accordingly, the detection element 12 vibrates with the same amplitude and the same phase as the vibration of the Coriolis element 11 in the detection direction (second direction, X-axis direction). In addition, the detection element 12 also vibrates along the first main surface of the substrate 2.
梁17fは、活性層2cをコリオリ素子11や検出素子12のパターンよりも細くパターニングすることにより形成されており(すなわち、梁17fは励振素子5およびコリオリ素子11の活性層2cと一体的に形成されており)、その下層の絶縁層2bが除去されて励振素子5等と同様に浮いた状態で基板2の第1主面上に配置されている。   The beam 17f is formed by patterning the active layer 2c to be thinner than the pattern of the Coriolis element 11 and the detection element 12 (that is, the beam 17f is formed integrally with the excitation layer 5 and the active layer 2c of the Coriolis element 11). The lower insulating layer 2b is removed, and is disposed on the first main surface of the substrate 2 in a floating state like the excitation element 5 and the like.
この梁17fは、検出方向(第2方向、X軸方向)に直線状に延びる相対的に長い部分と、これに直交する励振方向(第1方向、Y軸方向)に直線状に延びる相対的に短い部分とを有している。この梁17fの相対的に長い部分の両端は、コリオリ素子11の内周に接続されている。また、梁17fの相対的に短い部分の一端は、相対的に長い部分の長手方向中央に接続され、他端は、検出素子12の励振方向(第1方向、Y軸方向)の端辺に接続されている。この梁17fも板バネとしての機能を有している。ただし、この梁17fは、励振方向(第1方向、Y軸方向)には柔らかく、検出方向(第2方向、X軸方向)には励振方向(第1方向、Y軸方向)の剛性に比べて硬い構成とされている。このため、コリオリ素子11の検出方向(第2方向、X軸方向)の振動はそのまま検出素子12に伝わるが、励振方向(第1方向、Y軸方向)の振動は吸収されるようになっている。つまり、検出素子12は検出方向(第2方向、X軸方向)にだけ変位するようになっている。   The beam 17f has a relatively long portion extending linearly in the detection direction (second direction, X-axis direction) and a relative extension extending linearly in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) perpendicular thereto. And a short part. Both ends of a relatively long portion of the beam 17f are connected to the inner periphery of the Coriolis element 11. Also, one end of the relatively short portion of the beam 17f is connected to the center in the longitudinal direction of the relatively long portion, and the other end is on the edge of the detection element 12 in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). It is connected. This beam 17f also has a function as a leaf spring. However, the beam 17f is soft in the excitation direction (first direction, Y-axis direction), and compared with the rigidity in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) in the detection direction (second direction, X-axis direction). It has a hard structure. Therefore, the vibration in the detection direction (second direction, X-axis direction) of the Coriolis element 11 is transmitted to the detection element 12 as it is, but the vibration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) is absorbed. Yes. That is, the detection element 12 is displaced only in the detection direction (second direction, X-axis direction).
また、梁17gは、励振方向(第1方向、Y軸方向)に直線状に延びる相対的に長い部分と、これに直交する検出方向(第2方向、X軸方向)に直線状に延びる相対的に短い部分とを有している。この梁17gの相対的に短い部分の両端は、検出素子12の外周に接続されている。また、梁17gの相対的に長い部分の一端は、相対的に短い部分の長手方向の一端に接続され、他端は、検出素子12の検出方向(第2方向、X軸方向)の中央近傍で支持部18iに接続され基板2に固定されている。この梁17gも板バネとしての機能を有している。ただし、この梁17gは、検出方向(第2方向、X軸方向)には柔らかく、励振方向(第1方向、Y軸方向)には励振方向(第2方向、X軸方向)の剛性に比べて硬い構成とされている。このため、コリオリ素子11の検出方向(第2方向、X軸方向)の振動はそのまま検出素子12に伝わるが、励振方向(第1方向、Y軸方向)の振動は梁17gに吸収されるようになっている。したがって、検出素子12は、検出素子12自体が変形しない程度の剛性があれば良く、検出感度の向上や必要でない信号の発生を防ぐため、質量が小さくなるよう設計されている。   The beam 17g has a relatively long portion extending linearly in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) and a relative extension extending linearly in the detection direction (second direction, X-axis direction) perpendicular thereto. Short part. Both ends of a relatively short portion of the beam 17g are connected to the outer periphery of the detection element 12. One end of the relatively long portion of the beam 17g is connected to one end in the longitudinal direction of the relatively short portion, and the other end is near the center of the detection direction of the detection element 12 (second direction, X-axis direction). And is fixed to the substrate 2 by being connected to the support portion 18i. This beam 17g also has a function as a leaf spring. However, the beam 17g is soft in the detection direction (second direction, X-axis direction), and compared with the rigidity in the excitation direction (second direction, X-axis direction) in the excitation direction (first direction, Y-axis direction). It has a hard structure. Therefore, the vibration in the detection direction (second direction, X-axis direction) of the Coriolis element 11 is directly transmitted to the detection element 12, but the vibration in the excitation direction (first direction, Y-axis direction) is absorbed by the beam 17g. It has become. Therefore, the detection element 12 only needs to be rigid to the extent that the detection element 12 itself is not deformed, and the mass is designed to be small in order to improve detection sensitivity and prevent generation of unnecessary signals.
次に、検出手段13(13−1〜13−4)は、検出素子12の内側に配置されている。この検出手段13−1〜13−4は、櫛歯形検知装置により形成されている。すなわち、検出手段13−1〜13−4は、複数の固定電極13aと、複数の可動電極13bとが、噛み合うように検出方向(第2方向、X軸方向)に沿って交互に配置されることで構成されている。この検出手段13−1〜13−4では、検出方向(第2方向、X軸方向)の加速度または角速度により検出素子12が検出方向(第2方向、X軸方向)に変位したときに検出電極間(固定電極13aと可動電極13bとの間)の静電容量の変化として変位量を検出する。すなわち、検出素子12の検出方向(第2方向、X軸方向)の変位量により固定電極13aと可動電極13bとが互いに近づいたり、遠ざかったりすることで変化する静電容量の変化を検出する。   Next, the detection means 13 (13-1 to 13-4) is disposed inside the detection element 12. The detection units 13-1 to 13-4 are formed by a comb-shaped detector. That is, the detection means 13-1 to 13-4 are alternately arranged along the detection direction (second direction, X-axis direction) so that the plurality of fixed electrodes 13a and the plurality of movable electrodes 13b are engaged with each other. It is composed of that. In the detection means 13-1 to 13-4, when the detection element 12 is displaced in the detection direction (second direction, X-axis direction) by the acceleration or angular velocity in the detection direction (second direction, X-axis direction), the detection electrode A displacement amount is detected as a change in capacitance between the fixed electrode 13a and the movable electrode 13b. That is, a change in electrostatic capacitance that changes as the fixed electrode 13a and the movable electrode 13b move toward or away from each other is detected based on the amount of displacement of the detection element 12 in the detection direction (second direction, X-axis direction).
検出手段13−1〜13−4の固定電極13aは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この固定電極13aは、その活性層2cが支持部18jの活性層2cと一体的に形成されており、支持部18jに接続されて基板2に固定されている。支持部18jは、各センサユニットSUA1、SUA2の外周に配置されている。この支持部18jは、活性層2cおよび絶縁層2bをパターニングすることにより形成されており、基板2の支持基板2aにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部18jは、固定電極13aに電気信号を与える電極と配線としての機能を有している。   The fixed electrodes 13a of the detection means 13-1 to 13-4 are formed by patterning the active layer 2c. The fixed electrode 13a has an active layer 2c formed integrally with the active layer 2c of the support portion 18j, and is fixed to the substrate 2 by being connected to the support portion 18j. The support portion 18j is disposed on the outer periphery of each sensor unit SUA1, SUA2. The support portion 18j is formed by patterning the active layer 2c and the insulating layer 2b, and is firmly bonded and fixed to the support substrate 2a of the substrate 2. Here, the support portion 18j functions as an electrode for supplying an electric signal to the fixed electrode 13a and a wiring.
一方、検出手段13−1〜13−4の可動電極13bは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この可動電極13bの下層の絶縁層2bは除去されており、可動電極13bは、基板2の第1主面上に浮いた状態で配置されている。可動電極13bは、その活性層2cが検出素子12の活性層2cと一体的に形成され接続されており、検出素子12に接続されている。このような構成の検出手段13−1〜13−4は、検出素子12の振動状態を固定電極13aと可動電極13bとの対向面間の静電容量の変化によって検出し、その検出信号を検出方向(第2方向、X軸方向)の加速度または角速度の測定結果として出力するようになっている。   On the other hand, the movable electrode 13b of the detection means 13-1 to 13-4 is formed by patterning the active layer 2c. The insulating layer 2b under the movable electrode 13b is removed, and the movable electrode 13b is arranged in a floating state on the first main surface of the substrate 2. The movable electrode 13 b has an active layer 2 c formed integrally with and connected to the active layer 2 c of the detection element 12, and is connected to the detection element 12. The detection means 13-1 to 13-4 having such a configuration detect the vibration state of the detection element 12 by a change in electrostatic capacitance between the opposed surfaces of the fixed electrode 13a and the movable electrode 13b, and detect the detection signal. The acceleration or angular velocity measurement result in the direction (second direction, X-axis direction) is output.
図10は、このような検出手段13−1〜13−4で得られた静電容量の変化から、検出方向(第2方向、X軸方向)の加速度と角速度の値を検出する方法を概略的に示している。符号OPはオペアンプである。すなわち、検出手段13−1と検出手段13−4の容量を足した値と検出手段13−2と検出手段13−3を足した値の差分をとることで、印加された角速度が検出できるようになっている。また、検出手段13−1と検出手段13−2を足した値と検出手段13−3と検出手段13−4を足した値の差分をとることで、検出方向(第2方向、X軸方向)に印加された加速度が検出できるようになっている。つまり、Z軸回りの角速度が印加された場合にコリオリ力が発生するが、このコリオリ力によってコリオリ素子11が検出方向(第2方向、X軸方向)に変位する。左右のコリオリ素子11は、励振方向(第1方向、Y軸方向)に逆位相で振動しているため、コリオリ力による検出方向(第2方向、X軸方向)の変位量は左右のコリオリ素子11で逆位相になる。このため、左右の検出素子12の検出方向(第2方向、X軸方向)の変位量も逆位相となる。したがって、検出手段13−1と検出手段13−4の容量を足した値と検出手段13−2と検出手段13−3を足した値の差分をとることで、印加された角速度が検出することができる。一方、検出方向(第2方向、X軸方向)の加速度が印加された場合、左右のコリオリ素子11は検出方向(第2方向、X軸方向)に同位相で変位する。このため、左右の検出素子12も検出方向(第2方向、X軸方向)に同位相で変化する。したがって、検出手段13−1と検出手段13−2を足した値と検出手段13−3と検出手段13−4を足した値の差分をとることで、検出方向(第2方向、X軸方向)に印加された加速度を検出することができる。   FIG. 10 schematically shows a method of detecting acceleration and angular velocity values in the detection direction (second direction, X-axis direction) from the change in capacitance obtained by such detection means 13-1 to 13-4. Is shown. The symbol OP is an operational amplifier. That is, the applied angular velocity can be detected by taking the difference between the value obtained by adding the capacities of the detection means 13-1 and the detection means 13-4 and the value obtained by adding the detection means 13-2 and the detection means 13-3. It has become. Further, by taking the difference between the value obtained by adding the detection means 13-1 and the detection means 13-2 and the value obtained by adding the detection means 13-3 and the detection means 13-4, the detection direction (second direction, X-axis direction) is obtained. ) Can be detected. That is, when an angular velocity around the Z axis is applied, a Coriolis force is generated, and the Coriolis element 11 is displaced in the detection direction (second direction, X axis direction) by this Coriolis force. Since the left and right Coriolis elements 11 vibrate in opposite phases to the excitation direction (first direction, Y-axis direction), the amount of displacement in the detection direction (second direction, X-axis direction) due to Coriolis force is the left and right Coriolis elements. 11 is the opposite phase. For this reason, the amount of displacement in the detection direction (second direction, X-axis direction) of the left and right detection elements 12 also has an opposite phase. Therefore, the applied angular velocity is detected by taking the difference between the value obtained by adding the capacities of the detection means 13-1 and the detection means 13-4 and the value obtained by adding the detection means 13-2 and the detection means 13-3. Can do. On the other hand, when acceleration in the detection direction (second direction, X-axis direction) is applied, the left and right Coriolis elements 11 are displaced in phase in the detection direction (second direction, X-axis direction). For this reason, the left and right detection elements 12 also change in the same phase in the detection direction (second direction, X-axis direction). Therefore, by taking the difference between the value obtained by adding the detection means 13-1 and the detection means 13-2 and the value obtained by adding the detection means 13-3 and the detection means 13-4, the detection direction (second direction, X-axis direction) is obtained. ) Can be detected.
このように本実施の形態1による慣性センサ1Aによれば、一つの慣性センサで角速度、検出方向(X軸方向)の加速度および励振方向(Y軸方向)の加速度を同時に検出することができることがわかる。つまり、逆位相で振動している複数の励振素子5の間に弾性体を介して接続された励振方向加速度検出部8を設け、複数の励振素子5における同位相の変位量から励振方向の加速度が検出できる。このため、角速度とその角速度を検出する検出方向の加速度とともに、角速度を測るための基本振動を引き起こす励振方向の加速度も同時に測定することができる。したがって、角速度と検出方向(X軸方向)の加速度を測定する慣性センサと励振方向(Y軸方向)の加速度を測定する慣性センサを別々に設ける必要がないので、慣性センサの小型化を図ることができる。   As described above, according to the inertial sensor 1A according to the first embodiment, it is possible to simultaneously detect the angular velocity, the acceleration in the detection direction (X-axis direction), and the acceleration in the excitation direction (Y-axis direction) with one inertial sensor. Recognize. That is, an excitation direction acceleration detector 8 connected via an elastic body is provided between a plurality of excitation elements 5 that vibrate in opposite phases, and the acceleration in the excitation direction is determined from the amount of displacement in the same phase in the plurality of excitation elements 5. Can be detected. For this reason, the acceleration in the excitation direction that causes the fundamental vibration for measuring the angular velocity can be measured simultaneously with the angular velocity and the acceleration in the detection direction for detecting the angular velocity. Therefore, it is not necessary to separately provide an inertial sensor that measures acceleration in the angular velocity and detection direction (X-axis direction) and an inertial sensor that measures acceleration in the excitation direction (Y-axis direction). Can do.
また、励振方向(Y軸方向)の加速度を測定または識別することができるので、その加速度により生じる質量部の偏りなどによる変位誤差を補正することができ、外乱に強く、いつも安定した励振振動を維持させることができるため、角速度の検出精度を向上させることができる。   In addition, since the acceleration in the excitation direction (Y-axis direction) can be measured or identified, it is possible to correct the displacement error due to the mass part bias caused by the acceleration, which is resistant to disturbances and always provides stable excitation vibration. Since it can be maintained, the detection accuracy of the angular velocity can be improved.
検出素子12は、検出方向(第2方向、X軸方向)にしか振動しないので、原理的には検出手段13−1〜13−4の固定電極13aと可動電極13bとの対向面の面積を、励振方向と検出方向との振動結合がある技術に比べ広くとることができる。このため、慣性センサ1Aの感度や安定度を向上させることができる。   Since the detection element 12 vibrates only in the detection direction (second direction, X-axis direction), in principle, the area of the opposing surface between the fixed electrode 13a and the movable electrode 13b of the detection means 13-1 to 13-4 is determined. In comparison with a technique in which the excitation direction and the detection direction have a vibration coupling, it can be widely used. For this reason, the sensitivity and stability of the inertial sensor 1A can be improved.
次に、角速度サーボ手段14は、検出素子12に印加された角速度による振幅(逆位相の振幅)を常にゼロになるように、検出手段13から検知された検出変位量に応じてリバランス力を発生し、アクティブに制御する手段であり、検出素子12の内側に配置されている。すなわち、角速度サーボ手段14は、上述した励振方向加速度サーボ手段9と同等の機能を有している。この角速度サーボ手段14は、複数の固定電極14aと、複数の可動電極14bとが、噛み合うように検出方向(第2方向、X軸方向)に沿って交互に配置されることで構成されている。   Next, the angular velocity servo means 14 applies the rebalancing force according to the detected displacement amount detected from the detection means 13 so that the amplitude due to the angular velocity applied to the detection element 12 (the amplitude of the opposite phase) is always zero. It is a means for generating and actively controlling, and is disposed inside the detection element 12. That is, the angular velocity servo means 14 has a function equivalent to that of the excitation direction acceleration servo means 9 described above. The angular velocity servo means 14 is configured by alternately arranging a plurality of fixed electrodes 14a and a plurality of movable electrodes 14b along the detection direction (second direction, X-axis direction) so as to engage with each other. .
角速度サーボ手段14の固定電極14aは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この固定電極14aはその活性層2cが支持部18kの活性層2cと一体的に形成されており、支持部18kに接続されて基板2に固定されている。支持部18kは、キャップ(MCP)封止後の配線取り出しを考慮し、励振素子5の外側であって、外周壁Wの内側に配置されている。この支持部18kは、活性層2cおよび絶縁層2bの積層パターンにより形成されており、基板2の支持基板2aにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部18kは、固定電極14aに電気信号を与える電極と、センサユニットSUA1、SUA2内部での配線としての機能を有している。   The fixed electrode 14a of the angular velocity servo means 14 is formed by patterning the active layer 2c. The fixed electrode 14a has an active layer 2c integrally formed with the active layer 2c of the support portion 18k, and is fixed to the substrate 2 by being connected to the support portion 18k. The support portion 18k is disposed outside the excitation element 5 and inside the outer peripheral wall W in consideration of wiring removal after cap (MCP) sealing. The support portion 18k is formed by a laminated pattern of the active layer 2c and the insulating layer 2b, and is firmly bonded and fixed to the support substrate 2a of the substrate 2. Here, the support portion 18k has a function as an electrode for supplying an electric signal to the fixed electrode 14a and wiring inside the sensor units SUA1 and SUA2.
検出方向加速度サーボ手段15は、検出素子12に印加された加速度による振幅を常にゼロになるように、検出手段13から検知された加速度による検出変位量(同位相の変位量)に応じてリバランス力を発生し、アクティブに制御する手段であり、検出素子12の内側に配置されている。すなわち、検出方向加速度サーボ手段15は、上述した励振方向加速度サーボ手段9と同等の機能を有している。この検出方向加速度サーボ手段15は、複数の固定電極15aと、複数の可動電極15bとが、噛み合うように検出方向(第2方向、X軸方向)に沿って交互に配置されることで構成されている。また、リバランス力は検出方向加速度サーボ手段15の複数の固定電極15aと、複数の可動電極15bの間にバイアス電圧を印加することで発生させる。したがって、このバイアス電圧そのものを出力することで印加された加速度を測定するようになっている。   The detection direction acceleration servo means 15 rebalances according to the detected displacement amount (displacement amount of the same phase) by the acceleration detected from the detection means 13 so that the amplitude due to the acceleration applied to the detection element 12 is always zero. It is a means for generating force and actively controlling it, and is arranged inside the detection element 12. That is, the detection direction acceleration servo means 15 has the same function as the excitation direction acceleration servo means 9 described above. This detection direction acceleration servo means 15 is configured by alternately arranging a plurality of fixed electrodes 15a and a plurality of movable electrodes 15b along the detection direction (second direction, X-axis direction) so as to engage with each other. ing. The rebalancing force is generated by applying a bias voltage between the plurality of fixed electrodes 15a and the plurality of movable electrodes 15b of the detection direction acceleration servo means 15. Therefore, the applied acceleration is measured by outputting the bias voltage itself.
検出方向加速度サーボ手段15の固定電極15aは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この固定電極15aはその活性層2cが支持部18lの活性層2cと一体的に形成されており、支持部18lに接続されて基板2に固定されている。支持部18lは、キャップ(MCP)封止後の配線取り出しを考慮し、励振素子5の外側であって、外周壁Wの内側に配置されている。この支持部18lは、活性層2cおよび絶縁層2bの積層パターンにより形成されており、基板2の支持基板2aにしっかりと接合され固定されている。ここでは支持部18lは、固定電極15aに電気信号を与える電極と、センサユニットSUA1、SUA2内部での配線としての機能を有している。   The fixed electrode 15a of the detection direction acceleration servo means 15 is formed by patterning the active layer 2c. The fixed electrode 15a has an active layer 2c formed integrally with the active layer 2c of the support portion 18l, and is fixed to the substrate 2 by being connected to the support portion 18l. The support portion 18l is arranged outside the excitation element 5 and inside the outer peripheral wall W in consideration of wiring extraction after sealing the cap (MCP). The support portion 18l is formed by a laminated pattern of the active layer 2c and the insulating layer 2b, and is firmly bonded and fixed to the support substrate 2a of the substrate 2. Here, the support portion 18l has a function as an electrode for supplying an electric signal to the fixed electrode 15a and a wiring inside the sensor units SUA1 and SUA2.
一方、角速度サーボ手段14および検出方向加速度サーボ手段15の可動電極14b、15bは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この可動電極14b、15bは、その下層の絶縁層2bが除去されて、基板2の第1主面上に浮いた状態で配置されている。可動電極14b、15bは、その活性層2cが検出素子12の活性層2cと一体的に形成され接続されており、検出素子12に接続されている。   On the other hand, the movable electrodes 14b and 15b of the angular velocity servo means 14 and the detection direction acceleration servo means 15 are formed by patterning the active layer 2c. The movable electrodes 14 b and 15 b are arranged in a state of being floated on the first main surface of the substrate 2 with the underlying insulating layer 2 b removed. The movable electrodes 14 b and 15 b have the active layer 2 c formed and connected integrally with the active layer 2 c of the detection element 12, and are connected to the detection element 12.
次に、検出方向共振周波数チューニング手段16は、検出素子12の共振周波数をアクティブに制御するためのものであり、検出素子12の内側に配置されている。この検出方向共振周波数チューニング手段16は、上述した励振方向共振周波数チューニング手段10と同等の機能を有している。検出方向共振周波数チューニング手段16は、複数の固定電極16aと、複数の可動電極16bとが、噛み合うように検出方向(第2方向、X軸方向)に沿って交互に配置されることで構成されている。   Next, the detection direction resonance frequency tuning means 16 is for actively controlling the resonance frequency of the detection element 12, and is arranged inside the detection element 12. The detection direction resonance frequency tuning means 16 has the same function as the excitation direction resonance frequency tuning means 10 described above. The detection direction resonance frequency tuning means 16 is configured by alternately arranging a plurality of fixed electrodes 16a and a plurality of movable electrodes 16b along the detection direction (second direction, X-axis direction) so as to engage with each other. ing.
検出方向共振周波数チューニング手段16の固定電極16aは、上記活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この固定電極16aは、その活性層2cが支持部18mの活性層2cと一体的に形成されており、支持部18mに接続されて基板2に固定されている。支持部18mは、上記活性層2cおよび上記絶縁層2bの積層パターンにより形成されており、基板2の支持基板2aにしっかりと接合され固定されている。ここで支持部18mは、固定電極16aに電気信号を与える電極としての機能を有している。   The fixed electrode 16a of the detection direction resonance frequency tuning means 16 is formed by patterning the active layer 2c. The fixed electrode 16a has an active layer 2c formed integrally with the active layer 2c of the support portion 18m, and is fixed to the substrate 2 by being connected to the support portion 18m. The support portion 18m is formed by a laminated pattern of the active layer 2c and the insulating layer 2b, and is firmly bonded and fixed to the support substrate 2a of the substrate 2. Here, the support portion 18m has a function as an electrode that gives an electric signal to the fixed electrode 16a.
一方、検出方向共振周波数チューニング手段16の可動電極16bは、活性層2cをパターニングすることにより形成されている。この可動電極16bの下層の絶縁層2bは除去されており、可動電極16bは、基板2の第1主面上に浮いた状態で配置されている。可動電極16bは、その活性層2cが検出素子12の活性層2cと一体的に形成され接続されており、検出素子12に接続されて固定されている。   On the other hand, the movable electrode 16b of the detection direction resonance frequency tuning means 16 is formed by patterning the active layer 2c. The insulating layer 2b under the movable electrode 16b is removed, and the movable electrode 16b is arranged in a floating state on the first main surface of the substrate 2. The active layer 2c of the movable electrode 16b is integrally formed and connected to the active layer 2c of the detection element 12, and is connected and fixed to the detection element 12.
このような基板2の第1主面上には、封止キャップMCPが陽極接合されている。これにより、センサユニットSUA1、SUA2は、その可動部分が適切な圧力雰囲気中に設置されるように封止されている。封止キャップMCPは、例えばパイレクスガラスからなり、その上下面を貫通するように複数の電極19が設けられている(図3参照)。この電極19は慣性センサ1Aの外部から内部のセンサユニットSUA1、SUA2に所望の電気信号を供給する電極であり、上記支持部18a〜18mに電気的に接続されている。   A sealing cap MCP is anodically bonded on the first main surface of the substrate 2. Thereby, sensor unit SUA1 and SUA2 are sealed so that the movable part may be installed in an appropriate pressure atmosphere. The sealing cap MCP is made of, for example, Pyrex glass, and a plurality of electrodes 19 are provided so as to penetrate the upper and lower surfaces (see FIG. 3). The electrode 19 is an electrode for supplying a desired electric signal from the outside of the inertial sensor 1A to the internal sensor units SUA1 and SUA2, and is electrically connected to the support portions 18a to 18m.
ただし、封止構成は、陽極接合による封止構成に限定されるものではなく種々変更可能である。例えば封止キャップMCPを接着材により基板2に接合しても良い。また、ワイヤボンディング後、センサユニットSUA1、SUA2全体をパッケージに入れ封止してもよい。また、基板2上に励振手段6、検出手段13などの制御回路を混載した状態でパッケージングしてもよい。また、センサユニットSUA1、SUA2に所望の電気信号を供給するための電極を基板2の第2主面側(裏面側)からとるようにしてもよい。あるいは、センサユニットSUA1、SUA2上に化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD)法やスパッタリング法等を用いて封止薄膜を形成することによりセンサユニットSUA1、SUA2を封止してもよい。   However, the sealing configuration is not limited to the sealing configuration by anodic bonding, and can be variously changed. For example, the sealing cap MCP may be bonded to the substrate 2 with an adhesive. Further, after wire bonding, the entire sensor units SUA1 and SUA2 may be sealed in a package. Alternatively, the control circuit such as the excitation unit 6 and the detection unit 13 may be packaged on the substrate 2 in a mixed state. Further, an electrode for supplying a desired electric signal to the sensor units SUA1 and SUA2 may be taken from the second main surface side (back surface side) of the substrate 2. Alternatively, the sensor units SUA1 and SUA2 may be sealed by forming a sealing thin film on the sensor units SUA1 and SUA2 by using a chemical vapor deposition (CVD) method, a sputtering method, or the like.
(実施の形態2)
本実施の形態2においては、慣性センサのコリオリ素子と検出素子とを一体化した例を説明する。図11は本実施の形態2の慣性センサ1Cの一例を示す平面図である。なお、図11では図面を見易くするため封止キャップを省略している。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, an example in which a Coriolis element and a detection element of an inertial sensor are integrated will be described. FIG. 11 is a plan view showing an example of the inertial sensor 1C of the second embodiment. In FIG. 11, the sealing cap is omitted for easy understanding of the drawing.
本実施の形態2では、センサユニットSUA1、SUA2の励振素子5の内側において、励振素子5の内側に素子20が配置されている。素子20は、コリオリ素子11と検出素子12とを一体化したもので、コリオリ素子11および検出素子12の両方の機能を有している。この素子20は、梁17eを介して励振素子5に接続されて支持され、その活性層2cを平面略枠状にパターニングすることにより形成されている。そして、その下層の絶縁層2bが除去されて基板2の第1主面上に浮いた状態で配置されている。   In the second embodiment, the element 20 is arranged inside the excitation element 5 inside the excitation element 5 of the sensor units SUA1 and SUA2. The element 20 is obtained by integrating the Coriolis element 11 and the detection element 12 and has both functions of the Coriolis element 11 and the detection element 12. The element 20 is connected to and supported by the excitation element 5 via a beam 17e, and is formed by patterning the active layer 2c in a plane substantially frame shape. Then, the lower insulating layer 2 b is removed, and the insulating layer 2 b is arranged in a floating state on the first main surface of the substrate 2.
検出手段13−1〜13−4は、検出方向(第2方向、X軸方向)の加速度または角速度により素子20が検出方向(第2方向、X軸方向)に変位したときに、その変位量を検出するものである。素子20の内周には、上記検出手段13の可動電極13bが素子20の活性層2cと一体的に形成され接続されている。   When the element 20 is displaced in the detection direction (second direction, X-axis direction) by the acceleration or angular velocity in the detection direction (second direction, X-axis direction), the detection means 13-1 to 13-4 are displaced. Is detected. On the inner periphery of the element 20, the movable electrode 13 b of the detection means 13 is integrally formed and connected to the active layer 2 c of the element 20.
角速度サーボ手段14と検出方向加速度サーボ手段15は、素子20の検出方向(第2方向、X軸方向)の振幅を常にゼロになるように、アクティブに制御するものである。検出方向(第2方向、X軸方向)の両端側において素子の内周には、角速度サーボ手段14および検出方向加速度サーボ手段15の可動電極14b、15bが素子20の活性層2cと一体的に形成され接続されている。これ以外の構成は前記実施の形態1と同じである。   The angular velocity servo means 14 and the detection direction acceleration servo means 15 are actively controlled so that the amplitude of the element 20 in the detection direction (second direction, X-axis direction) is always zero. At both ends of the detection direction (second direction, X-axis direction), the movable electrodes 14b and 15b of the angular velocity servo means 14 and the detection direction acceleration servo means 15 are integrated with the active layer 2c of the element 20 at the inner periphery of the element. Formed and connected. The other configuration is the same as that of the first embodiment.
本実施の形態2では、前記実施の形態1で得られた効果の他に、以下の効果を得ることができる。すなわち、コリオリ素子と検出素子とを一体化したことにより、センサユニットSUA1、SUA2の形成を容易にすることができる。また、コリオリ素子と検出素子とを一体化したことにより、慣性センサ1Cを小型化することができる。なお、図11では、図4の構成をベースとして発明効果を説明しているが、図2あるいは図8の構成に関しても同じ効果が得られる。   In the second embodiment, in addition to the effects obtained in the first embodiment, the following effects can be obtained. In other words, the sensor units SUA1 and SUA2 can be easily formed by integrating the Coriolis element and the detection element. Moreover, the inertial sensor 1C can be reduced in size by integrating the Coriolis element and the detection element. In FIG. 11, the invention effect is described based on the configuration of FIG. 4, but the same effect can be obtained with the configuration of FIG. 2 or FIG.
(実施の形態3)
本実施の形態3においては、前記実施の形態1、2の慣性センサ1A、1Cの適用例について説明する。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, application examples of the inertial sensors 1A and 1C of the first and second embodiments will be described.
図12は、慣性センサ1Aあるいは慣性センサ1Cを自動車の横滑り防止装置に適用した場合の一例を示している。符号30は車両、31はコントロールユニット(制御装置)、32は運転者が操作するステアリング、33はステアリング32の操作量を検出する蛇角センサ、34はタイヤ、35は各々のタイヤの回転速度を検出する回転センサ、36はブレーキである。コントロールユニット31には、慣性センサ1Aあるいは慣性センサ1Cが含まれている。   FIG. 12 shows an example in which the inertial sensor 1A or the inertial sensor 1C is applied to an automobile skid prevention device. Reference numeral 30 is a vehicle, 31 is a control unit (control device), 32 is a steering operated by a driver, 33 is a snake angle sensor that detects an operation amount of the steering 32, 34 is a tire, and 35 is a rotation speed of each tire. The rotation sensor 36 to detect is a brake. The control unit 31 includes an inertial sensor 1A or an inertial sensor 1C.
まず、車両30の運転者は、意図する方向に車両を向けるため、ステアリング32を操作する。すると、ステアリング32の操作量は蛇角センサ33で検出され、その検出信号はコントロールユニット(制御装置)31に入力される。また、車両30の速さは回転センサ35で検出され、その検出信号はコントロールユニット(制御装置)31に入力される。ここで、車両30が雪道などで横滑りを起こし、運転者の意図に反してスピンし始めると、コントロールユニット(制御装置)31は,ステアリング32の操作量と車両の速さとから計算される車両30の運動(角速度および加速度)と、本実施の形態の慣性センサ1Aあるいは慣性センサ1Cから検出される実際の車両30の運動(角速度および加速度)との違いを検出し、横滑りが起き難くなるようにブレーキ36を制御する。   First, the driver of the vehicle 30 operates the steering 32 to direct the vehicle in the intended direction. Then, the operation amount of the steering wheel 32 is detected by the horn angle sensor 33, and the detection signal is input to the control unit (control device) 31. The speed of the vehicle 30 is detected by the rotation sensor 35, and the detection signal is input to the control unit (control device) 31. Here, when the vehicle 30 skids on a snowy road and starts to spin against the driver's intention, the control unit (control device) 31 calculates the vehicle calculated from the operation amount of the steering 32 and the vehicle speed. The difference between the 30 movements (angular velocity and acceleration) and the actual movement (angular velocity and acceleration) of the vehicle 30 detected from the inertial sensor 1A or the inertial sensor 1C according to the present embodiment is detected, so that skidding is less likely to occur. The brake 36 is controlled.
本実施の形態によれば、上述したように慣性センサ1Aあるいは慣性センサ1Cの安定性、感度および信頼性を向上させることができる。このため、より高い制御を実現でき、車両30をより安全な状態に誘導することができる。   According to the present embodiment, as described above, the stability, sensitivity, and reliability of the inertial sensor 1A or the inertial sensor 1C can be improved. For this reason, higher control can be realized and the vehicle 30 can be guided to a safer state.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野である自動車の横滑り防止装置に適用した場合について説明したが、それに限定されるものではなく種々適用可能である。例えば、自動車のエアバックの衝突検知装置やカーナビゲーションのような自動車の他の装置に適用できる他、ロボットの姿勢や運動状態を測定するセンサや携帯電話の姿勢認識用センサ、ノート型のパーソナルコンピュータおよびデジタルカメラ等のような携帯型電子機器の姿勢制御、例えば手ぶれ補正、落下検知等に使用するセンサにも適用できる。   In the above description, the case where the invention made mainly by the present inventor is applied to an automobile skid prevention device, which is a field of use as a background, has been described. However, the present invention is not limited to this and can be applied in various ways. For example, it can be applied to other automobile devices such as automobile airbag collision detection devices and car navigation systems, sensors for measuring the posture and motion state of robots, posture recognition sensors for mobile phones, and notebook personal computers. It can also be applied to sensors used for attitude control of portable electronic devices such as digital cameras, for example, camera shake correction, drop detection, and the like.
本発明は、MEMS慣性センサの製造業に幅広く適用できる。   The present invention can be widely applied to the manufacturing industry of MEMS inertial sensors.
本発明の基本概念を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the basic concept of this invention. 本発明の実施の形態1における慣性センサの一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the inertial sensor in Embodiment 1 of this invention. 図2のx1−x1線における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line x1-x1 in FIG. 実施の形態1の変形例における慣性センサの一例を示す平面図である。FIG. 9 is a plan view showing an example of an inertial sensor in a modification of the first embodiment. 慣性センサにおける励振回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the excitation circuit in an inertial sensor. 慣性センサの励振方向における振幅検出回路(モニタ回路)を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the amplitude detection circuit (monitor circuit) in the excitation direction of an inertial sensor. 本発明者らが検討した慣性センサの一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the inertial sensor which the present inventors examined. 実施の形態1の変形例における慣性センサの一例を示す平面図である。FIG. 9 is a plan view showing an example of an inertial sensor in a modification of the first embodiment. 励振方向加速度検出部を複数設けた慣性センサの基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the inertial sensor which provided multiple excitation direction acceleration detection parts. 慣性センサにおける検出回路の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the detection circuit in an inertial sensor. 実施の形態2における慣性センサの一例を示す平面図である。6 is a plan view showing an example of an inertial sensor in a second embodiment. FIG. 実施の形態3における慣性センサを自動車の横滑り防止装置に適用した例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which applied the inertial sensor in Embodiment 3 to the skid prevention apparatus of a motor vehicle. 本発明者らが検討した慣性センサの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the inertial sensor which the present inventors examined.
符号の説明Explanation of symbols
1A、1C 慣性センサ
2 基板
2a 支持基板
2b 絶縁層
2c 活性層
3 質量部
5 励振素子
6 励振手段
6a 可動電極
6b 固定電極
7 励振方向振幅モニタ手段
7a 固定電極
7b 可動電極
8 励振方向加速度検出部
8a 固定電極
8b 可動電極
8c 固定部
8−1、8−2 励振方向加速度検出部
8−1a、8−2a 固定電極
8−1b、8−2b 可動電極
8−1c、8−2c 固定部
9 励振方向加速度サーボ手段
9a 固定電極
9b 可動電極
10 励振方向共振周波数チューニング手段
10a 固定電極
10b 可動電極
11 コリオリ素子
12 検出素子
13(13−1〜13−4) 検出手段
13a 固定電極
13b 可動電極
14 角速度サーボ手段
14a 固定電極
14b 可動電極
15 検出方向加速度サーボ手段
15a 固定電極
15b 可動電極
16 検出方向共振周波数チューニング手段
16a 固定電極
16b 可動電極
17a〜17g 梁
18a〜18m 支持部
19 電極
20 素子
25 弾性体
26 支持部
30 車両
31 コントロールユニット
32 ステアリング
33 蛇角センサ
34 タイヤ
35 回転センサ
36 ブレーキ
500 質量部
501 梁
502 支持部
503 励振部
504 検出部
W 外周壁
SUA1、SUA2 センサユニット
MCP 封止キャップ
1A, 1C Inertial sensor 2 Substrate 2a Support substrate 2b Insulating layer 2c Active layer 3 Mass part 5 Excitation element 6 Excitation means 6a Movable electrode 6b Fixed electrode 7 Excitation direction amplitude monitor means 7a Fixed electrode 7b Movable electrode 8 Excitation direction acceleration detection part 8a Fixed electrode 8b Movable electrode 8c Fixed part 8-1, 8-2 Excitation direction acceleration detector 8-1a, 8-2a Fixed electrode 8-1b, 8-2b Movable electrode 8-1c, 8-2c Fixed part 9 Excitation direction Acceleration servo means 9a Fixed electrode 9b Movable electrode 10 Excitation direction resonance frequency tuning means 10a Fixed electrode 10b Movable electrode 11 Coriolis element 12 Detection element 13 (13-1 to 13-4) Detection means 13a Fixed electrode 13b Movable electrode 14 Angular velocity servo means 14a Fixed electrode 14b Movable electrode 15 Detecting direction acceleration servo means 15a Fixed electricity Electrode 15b Movable electrode 16 Detection direction resonance frequency tuning means 16a Fixed electrode 16b Movable electrode 17a-17g Beam 18a-18m Supporting part 19 Electrode 20 Element 25 Elastic body 26 Supporting part 30 Vehicle 31 Control unit 32 Steering 33 Serpentine angle sensor 34 Tire 35 Rotation sensor 36 Brake 500 Mass part 501 Beam 502 Support part 503 Excitation part 504 Detection part W Outer peripheral wall SUA1, SUA2 Sensor unit MCP Sealing cap

Claims (20)

  1. 主面を有する基板と、
    前記主面に平行な第1方向の剛性より前記第1方向と交差する第2方向の剛性が高い第1弾性体を介して前記基板に接続される第1励振素子と、
    前記第1方向の剛性より前記第2方向の剛性が低い第2弾性体を介して前記第1励振素子に接続される第1コリオリ素子と、
    前記第1励振素子を前記第1方向に振動させる第1励振部と、
    前記第1方向の剛性より前記第2方向の剛性が高い第3弾性体を介して前記基板に接続される第2励振素子と、
    前記第1方向の剛性より前記第2方向の剛性が低い第4弾性体を介して前記第2励振素子に接続される第2コリオリ素子と、
    前記第2励振素子を前記第1方向に振動させる第2励振部と、
    第5弾性体を介して前記第1励振素子と接続され、第6弾性体を介して前記第2励振素子と接続される励振方向加速度検出部と、を有し、
    前記第1励振部と前記第2励振部とは、前記第1励振素子と前記第2励振素子を前記第1方向に互いに逆位相で振動させ
    前記励振方向加速度検出部は、前記第1励振部による前記第1励振素子の前記第1方向への振動に基づく変位と、前記第2励振部による前記第2励振素子の前記第1方向への振動に基づく変位とが相殺する位置に配置され、
    前記励振方向加速度検出部は、外部から印加される前記第1方向の加速度に基づく変位量であって、前記第1励振素子と前記第2励振素子の前記第1方向における同位相の変位量を検出することにより、前記第1方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
    A substrate having a main surface;
    A first excitation element connected to the substrate via a first elastic body having higher rigidity in a second direction intersecting the first direction than rigidity in a first direction parallel to the main surface;
    A first Coriolis element connected to the first excitation element via a second elastic body whose rigidity in the second direction is lower than the rigidity in the first direction;
    A first excitation unit that vibrates the first excitation element in the first direction;
    A second excitation element connected to the substrate via a third elastic body having a rigidity in the second direction higher than the rigidity in the first direction;
    A second Coriolis element connected to the second excitation element via a fourth elastic body having a rigidity in the second direction lower than the rigidity in the first direction;
    A second excitation unit that vibrates the second excitation element in the first direction;
    An excitation direction acceleration detector connected to the first excitation element via a fifth elastic body and connected to the second excitation element via a sixth elastic body,
    The first excitation unit and the second excitation unit vibrate the first excitation element and the second excitation element in mutually opposite phases in the first direction ,
    The excitation direction acceleration detection unit includes a displacement based on the vibration of the first excitation element in the first direction by the first excitation unit, and the second excitation element in the first direction by the second excitation unit. Placed at a position where the displacement based on vibration cancels,
    The excitation direction acceleration detecting unit is a displacement amount based on the acceleration in the first direction applied from the outside, and calculates a displacement amount in the first phase of the first excitation element and the second excitation element in the first direction. by detecting, inertial sensor characterized that you detect the acceleration in the first direction.
  2. 請求項記載の慣性センサであって、
    前記励振方向加速度検出部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子の容量変化に基づいて前記第1方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 1 ,
    The excitation direction acceleration detecting unit is formed of a capacitive element arranged in a comb shape, and detects an acceleration in the first direction based on a capacitance change of the capacitive element.
  3. 請求項1記載の慣性センサであって、
    前記第1励振部および前記第2励振部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子に加わる静電引力に基づいて、前記第1励振素子および前記第2励振素子を前記第1方向に振動させることを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 1,
    The first excitation unit and the second excitation unit are formed of capacitive elements arranged in a comb-teeth shape, and the first excitation element and the second excitation element are arranged based on electrostatic attraction applied to the capacitive element. An inertial sensor that vibrates in the first direction.
  4. 請求項1記載の慣性センサであって、
    前記励振方向加速度検出部は、複数個形成されていることを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 1,
    The inertial sensor according to claim 1, wherein a plurality of the excitation direction acceleration detectors are formed.
  5. 請求項1記載の慣性センサであって、
    前記第1励振素子と前記第2励振素子とを接続する弾性体が前記基板に固定されていることを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 1,
    An inertial sensor, wherein an elastic body connecting the first excitation element and the second excitation element is fixed to the substrate.
  6. 請求項1記載の慣性センサであって、
    前記第1励振素子と前記第2励振素子とを接続する弾性体が前記基板に固定されていないことを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 1,
    An inertial sensor, wherein an elastic body connecting the first excitation element and the second excitation element is not fixed to the substrate.
  7. 請求項1記載の慣性センサであって、
    前記第1コリオリ素子の前記第2方向への振動に基づいて前記第2方向の変位量を検出する第1検出部と、
    前記第2コリオリ素子の前記第2方向への振動に基づいて前記第2方向の変位量を検出する第2検出部と、を有することを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 1,
    A first detection unit for detecting a displacement amount in the second direction based on vibration in the second direction of the first Coriolis element;
    An inertial sensor comprising: a second detection unit configured to detect a displacement amount in the second direction based on vibration of the second Coriolis element in the second direction.
  8. 請求項記載の慣性センサであって、
    前記第1検出部および前記第2検出部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子の容量変化に基づいて前記第2方向の変位量を検出することを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 7 ,
    The first detection unit and the second detection unit are formed of capacitive elements arranged in a comb shape, and detect a displacement amount in the second direction based on a capacitance change of the capacitive element. Inertial sensor.
  9. 請求項記載の慣性センサであって、
    前記第1検出部で検出された前記第2方向の変位量と、前記第2検出部で検出された前記第2方向の変位量に基づいて、角速度と前記第2方向の加速度とを検出することを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 7 ,
    An angular velocity and an acceleration in the second direction are detected based on the displacement amount in the second direction detected by the first detection unit and the displacement amount in the second direction detected by the second detection unit. An inertial sensor characterized by that.
  10. 請求項1記載の慣性センサであって、
    前記第1コリオリ素子に接続され、前記第1コリオリ素子の前記第2方向の振動と同位相で前記第2方向に振動する第1検出素子と、
    前記第1検出素子の前記第2方向への振動に基づいて前記第2方向の変位量を検出する第1検出部と、
    前記第2コリオリ素子に接続され、前記第2コリオリ素子の前記第2方向の振動と同位相で前記第2方向に振動する第2検出素子と、
    前記第2検出素子の前記第2方向への振動に基づいて前記第2方向の変位量を検出する第2検出部と、を有することを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 1,
    A first detection element connected to the first Coriolis element and vibrating in the second direction in phase with the vibration of the first Coriolis element in the second direction;
    A first detection unit that detects a displacement amount in the second direction based on vibration of the first detection element in the second direction;
    A second sensing element connected to the second Coriolis element and oscillating in the second direction in phase with the vibration of the second Coriolis element in the second direction;
    An inertial sensor comprising: a second detection unit configured to detect a displacement amount in the second direction based on vibration of the second detection element in the second direction.
  11. 請求項10記載の慣性センサであって、
    前記第1検出部および第2検出部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子の容量変化に基づいて前記第2方向の変位量を検出することを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 10 ,
    The first detection unit and the second detection unit are formed of capacitive elements arranged in a comb shape, and detect a displacement amount in the second direction based on a capacitance change of the capacitive element. Sensor.
  12. 請求項10記載の慣性センサであって、
    前記第1検出部で検出された前記第2方向の変位量と、前記第2検出部で検出された前記第2方向の変位量に基づいて、角速度と前記第2方向の加速度とを検出することを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 10 ,
    An angular velocity and an acceleration in the second direction are detected based on the displacement amount in the second direction detected by the first detection unit and the displacement amount in the second direction detected by the second detection unit. An inertial sensor characterized by that.
  13. 請求項1記載の慣性センサであって、
    前記基板は、SOI基板であることを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 1,
    The inertial sensor, wherein the substrate is an SOI substrate.
  14. 請求項1記載の慣性センサであって、
    前記第1励振素子、前記第1コリオリ素子、前記第1励振部、前記第2励振素子、前記第2コリオリ素子および前記第2励振部は、導電性シリコン、導電性ポリシリコンあるいは金属から形成されていることを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 1,
    The first excitation element, the first Coriolis element, the first excitation part, the second excitation element, the second Coriolis element, and the second excitation part are made of conductive silicon, conductive polysilicon, or metal. An inertial sensor characterized by
  15. 主面を有する基板と、
    前記主面に平行な第1方向の剛性より前記第1方向と交差する第2方向の剛性が高い第1弾性体を介して前記基板に接続される第1励振素子と、
    前記第1方向の剛性より前記第2方向の剛性が低い第2弾性体を介して前記第1励振素子に接続される第1コリオリ素子と、
    前記第1励振素子を前記第1方向に振動させる第1励振部と、
    前記第1励振素子と同位相で振動する第1構造体と、
    前記第1方向の剛性より前記第2方向の剛性が高い第3弾性体を介して前記基板に接続される第2励振素子と、
    前記第1方向の剛性より前記第2方向の剛性が低い第4弾性体を介して前記第2励振素子に接続される第2コリオリ素子と、
    前記第2励振素子を前記第1方向に振動させる第2励振部と、
    前記第2励振素子と同位相で振動する第2構造体と、
    前記第1構造体と前記第2構造体との間に接続される励振方向加速度検出部と、を有し、
    前記第1励振部と前記第2励振部とは、前記第1励振素子と前記第2励振素子を前記第1方向に互いに逆位相で振動させ
    前記励振方向加速度検出部は、前記第1励振部による前記第1励振素子の前記第1方向への振動と同位相で振動する前記第1構造体に基づく変位と、前記第2励振部による前記第2励振素子の前記第1方向への振動と同位相で振動する前記第2構造体に基づく変位とが相殺する位置に配置され、
    前記励振方向加速度検出部は、外部から印加される前記第1方向の加速度に基づく変位量であって、前記第1構造体と前記第2構造体の前記第1方向における同位相の変位量を検出することにより、前記第1方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
    A substrate having a main surface;
    A first excitation element connected to the substrate via a first elastic body having higher rigidity in a second direction intersecting the first direction than rigidity in a first direction parallel to the main surface;
    A first Coriolis element connected to the first excitation element via a second elastic body whose rigidity in the second direction is lower than the rigidity in the first direction;
    A first excitation unit that vibrates the first excitation element in the first direction;
    A first structure that vibrates in phase with the first excitation element;
    A second excitation element connected to the substrate via a third elastic body having a rigidity in the second direction higher than the rigidity in the first direction;
    A second Coriolis element connected to the second excitation element via a fourth elastic body having a rigidity in the second direction lower than the rigidity in the first direction;
    A second excitation unit that vibrates the second excitation element in the first direction;
    A second structure that vibrates in phase with the second excitation element;
    An excitation direction acceleration detector connected between the first structure and the second structure,
    The first excitation unit and the second excitation unit vibrate the first excitation element and the second excitation element in mutually opposite phases in the first direction ,
    The excitation direction acceleration detection unit includes a displacement based on the first structure that vibrates in the same phase as a vibration of the first excitation element in the first direction by the first excitation unit, and the second excitation unit The second excitation element is disposed at a position where the displacement based on the second structure that vibrates in the same phase as the vibration in the first direction cancels.
    The excitation direction acceleration detection unit is a displacement amount based on the acceleration in the first direction applied from the outside, and the displacement amount in the same phase in the first direction of the first structure body and the second structure body. by detecting, inertial sensor characterized that you detect the acceleration in the first direction.
  16. 請求項15記載の慣性センサであって、
    前記励振方向加速度検出部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子の容量変化に基づいて前記第1方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 15 ,
    The excitation direction acceleration detecting unit is formed of a capacitive element arranged in a comb shape, and detects an acceleration in the first direction based on a capacitance change of the capacitive element.
  17. 主面を有する基板と、
    前記主面に平行な第1方向の剛性より前記第1方向と交差する第2方向の剛性が高い第1弾性体を介して前記基板に接続される第1励振素子と、
    前記第1方向の剛性より前記第2方向の剛性が低い第2弾性体を介して前記第1励振素子に接続される第1コリオリ素子と、
    前記第1励振素子を前記第1方向に振動させる第1励振部と、
    前記第1方向の剛性より前記第2方向の剛性が高い第3弾性体を介して前記基板に接続される第2励振素子と、
    前記第1方向の剛性より前記第2方向の剛性が低い第4弾性体を介して前記第2励振素子に接続される第2コリオリ素子と、
    前記第2励振素子を前記第1方向に振動させる第2励振部と、
    前記第1方向の加速度を検出する励振方向加速度検出部と、を有し、
    前記第1励振素子と前記第2励振素子は、弾性体を介して接続され、
    前記第1励振部と前記第2励振部とは、前記第1励振素子と前記第2励振素子を前記第1方向に互いに逆位相で振動させ、
    前記励振方向加速度検出部は、前記弾性体の節に接続され
    前記弾性体の節は、前記第1励振部による前記第1励振素子の前記第1方向への振動に基づく前記弾性体の変位と、前記第2励振部による前記第2励振素子の前記第1方向への振動に基づく前記弾性体の変位とが相殺する位置であり、
    前記励振方向加速度検出部は、外部から印加される前記第1方向の加速度に基づく変位量であって、前記第1励振素子と前記第2励振素子の前記第1方向における同位相の変位量を検出することにより、前記第1方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
    A substrate having a main surface;
    A first excitation element connected to the substrate via a first elastic body having higher rigidity in a second direction intersecting the first direction than rigidity in a first direction parallel to the main surface;
    A first Coriolis element connected to the first excitation element via a second elastic body whose rigidity in the second direction is lower than the rigidity in the first direction;
    A first excitation unit that vibrates the first excitation element in the first direction;
    A second excitation element connected to the substrate via a third elastic body having a rigidity in the second direction higher than the rigidity in the first direction;
    A second Coriolis element connected to the second excitation element via a fourth elastic body having a rigidity in the second direction lower than the rigidity in the first direction;
    A second excitation unit that vibrates the second excitation element in the first direction;
    An excitation direction acceleration detector for detecting the acceleration in the first direction,
    The first excitation element and the second excitation element are connected via an elastic body,
    The first excitation unit and the second excitation unit vibrate the first excitation element and the second excitation element in mutually opposite phases in the first direction,
    The excitation direction acceleration detection unit is connected to a node of the elastic body ,
    The node of the elastic body includes the displacement of the elastic body based on the vibration of the first excitation element in the first direction by the first excitation unit, and the first excitation element of the second excitation element by the second excitation unit. A position where the displacement of the elastic body based on vibration in a direction cancels,
    The excitation direction acceleration detecting unit is a displacement amount based on the acceleration in the first direction applied from the outside, and calculates a displacement amount in the first phase of the first excitation element and the second excitation element in the first direction. by detecting, inertial sensor characterized that you detect the acceleration in the first direction.
  18. 請求項17記載の慣性センサであって、
    前記励振方向加速度検出部は、前記弾性体の節の位置が前記第1方向に変位することを検出することにより、前記第1方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 17 ,
    The inertial sensor according to claim 1, wherein the excitation direction acceleration detecting unit detects the acceleration in the first direction by detecting that the position of the node of the elastic body is displaced in the first direction.
  19. 請求項18記載の慣性センサであって、
    前記励振方向加速度検出部は、櫛歯状に配置された容量素子から形成され、前記容量素子の容量変化に基づいて前記第1方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 18 , wherein
    The excitation direction acceleration detecting unit is formed of a capacitive element arranged in a comb shape, and detects an acceleration in the first direction based on a capacitance change of the capacitive element.
  20. 請求項1記載の慣性センサであって、
    前記励振方向加速度検出部は、前記第1励振素子と前記第2励振素子の前記第1方向における同位相の変位量を検出することにより、前記第1方向の加速度を検出し、
    さらに、前記慣性センサは、
    前記第1コリオリ素子の前記第2方向への振動に基づいて、前記第2方向の変位量を検出する第1検出部と、
    前記第2コリオリ素子の前記第2方向への振動に基づいて、前記第2方向の変位量を検出する第2検出部と、を有し、
    前記第1検出部で検出された前記第2方向の変位量と、前記第2検出部で検出された前記第2方向の変位量との差分に基づいて、角速度を検出し、
    前記第1検出部で検出された前記第2方向の変位量と、前記第2検出部で検出された前記第2方向の変位量との加算に基づいて、前記第2方向の加速度を検出することを特徴とする慣性センサ。
    The inertial sensor according to claim 1,
    The excitation direction acceleration detection unit detects an acceleration in the first direction by detecting a displacement amount of the same phase in the first direction of the first excitation element and the second excitation element,
    Furthermore, the inertial sensor includes:
    A first detector that detects a displacement amount in the second direction based on vibration of the first Coriolis element in the second direction;
    A second detector that detects a displacement amount in the second direction based on vibration in the second direction of the second Coriolis element;
    Detecting an angular velocity based on a difference between the displacement amount in the second direction detected by the first detection unit and the displacement amount in the second direction detected by the second detection unit;
    The acceleration in the second direction is detected based on the addition of the displacement amount in the second direction detected by the first detection unit and the displacement amount in the second direction detected by the second detection unit. An inertial sensor characterized by that.
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