JPH08304441A - 角速度センサ - Google Patents
角速度センサInfo
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- JPH08304441A JPH08304441A JP7132921A JP13292195A JPH08304441A JP H08304441 A JPH08304441 A JP H08304441A JP 7132921 A JP7132921 A JP 7132921A JP 13292195 A JP13292195 A JP 13292195A JP H08304441 A JPH08304441 A JP H08304441A
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- Japan
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- vibrators
- vibrator
- velocity sensor
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 センサ機能の低下を来すことなく、高精度な
角速度検出を行う。 【構成】 単一の半導体層3の複数領域を導電型pとな
して、その基部31の両端より、角速度を受けて変位す
る振動子5A,5Bを左右一対延出させて音叉型振動子
となす。基部31の中央には導電型nで逆バイアス状態
とされた半導体層による電気絶縁層37を形成する。振
動子5A,5Bに対して所定導電型の半導体基板1を対
向させ、各振動子5A,5Bの先端321,331と半
導体基板1との間にそれぞれ形成されるコンデンサの静
電容量変化により角速度の大きさを検出する。
角速度検出を行う。 【構成】 単一の半導体層3の複数領域を導電型pとな
して、その基部31の両端より、角速度を受けて変位す
る振動子5A,5Bを左右一対延出させて音叉型振動子
となす。基部31の中央には導電型nで逆バイアス状態
とされた半導体層による電気絶縁層37を形成する。振
動子5A,5Bに対して所定導電型の半導体基板1を対
向させ、各振動子5A,5Bの先端321,331と半
導体基板1との間にそれぞれ形成されるコンデンサの静
電容量変化により角速度の大きさを検出する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は角速度センサに関し、特
に振動子型角速度センサの構造改良に関する。
に振動子型角速度センサの構造改良に関する。
【0002】
【従来の技術】振動子型角速度センサは通常、片持ち梁
状の振動子を有し、該振動子が角速度の作用により変位
した時の変位量を検出して、角速度の大きさを知るもの
である。かかる角速度センサにおいて、振動子の変位量
を電気信号で得ようとすると、歪みゲ−ジの如き変位量
センサや、該センサから信号を外部へ導出するリ−ド線
等を振動子に設ける必要がある。ところで、角速度以外
の上下振動等の外乱を良好にキャンセルして高精度の検
出を行うことが可能な、いわゆる音叉型の角速度センサ
が注目されており、これは回転中心に対して対象位置に
片持ち梁状の振動子をそれぞれ配し、これら振動子を基
端で連結して全体を略U字形の音叉型とする。この場合
には。左右の各振動子からそれぞれ独立に変位量に応じ
た信号を得る必要があるため、各振動子に上記変位量セ
ンサやリ−ド線等を設けるのに加えて、左右の振動子を
電気的に絶縁するための絶縁材を設置する必要もある。
状の振動子を有し、該振動子が角速度の作用により変位
した時の変位量を検出して、角速度の大きさを知るもの
である。かかる角速度センサにおいて、振動子の変位量
を電気信号で得ようとすると、歪みゲ−ジの如き変位量
センサや、該センサから信号を外部へ導出するリ−ド線
等を振動子に設ける必要がある。ところで、角速度以外
の上下振動等の外乱を良好にキャンセルして高精度の検
出を行うことが可能な、いわゆる音叉型の角速度センサ
が注目されており、これは回転中心に対して対象位置に
片持ち梁状の振動子をそれぞれ配し、これら振動子を基
端で連結して全体を略U字形の音叉型とする。この場合
には。左右の各振動子からそれぞれ独立に変位量に応じ
た信号を得る必要があるため、各振動子に上記変位量セ
ンサやリ−ド線等を設けるのに加えて、左右の振動子を
電気的に絶縁するための絶縁材を設置する必要もある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記振動子型角速度セ
ンサの良好な作動を保証するためには、振動子の振動倍
率(Q値)を高く維持する必要があり、このためには振
動子の振動損失を可及的に小さくすることを要する。こ
の振動損失は,振動子の可動部を構成する材料の振動内
部損失に依存するとともに、振動子可動部を構成する部
品の接合部で大きく現れる。さらに、上記振動内部損失
は、材料が本来有する損失の他に、組織の変化等によっ
ても生じる。
ンサの良好な作動を保証するためには、振動子の振動倍
率(Q値)を高く維持する必要があり、このためには振
動子の振動損失を可及的に小さくすることを要する。こ
の振動損失は,振動子の可動部を構成する材料の振動内
部損失に依存するとともに、振動子可動部を構成する部
品の接合部で大きく現れる。さらに、上記振動内部損失
は、材料が本来有する損失の他に、組織の変化等によっ
ても生じる。
【0004】ここにおいて、従来の角速度センサでは、
上述の如く、振動子に変位量センサやリ−ド線等の別部
品を接合し、また、特に音叉型のものでは絶縁材設置部
で材料組成が変化する等によって、振動子型角速度セン
サの本来の性能が発揮されないという問題がある。
上述の如く、振動子に変位量センサやリ−ド線等の別部
品を接合し、また、特に音叉型のものでは絶縁材設置部
で材料組成が変化する等によって、振動子型角速度セン
サの本来の性能が発揮されないという問題がある。
【0005】本発明はかかる課題を解決するもので、セ
ンサ機能の低下を来すことなく、高精度な角速度検出を
行うことが可能な角速度センサを提供することを目的と
する。
ンサ機能の低下を来すことなく、高精度な角速度検出を
行うことが可能な角速度センサを提供することを目的と
する。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の構成で
は、単一の半導体層3の複数領域を所定の導電型となし
て、これら領域に角速度を受けて変位する振動子5A,
5Bをそれぞれ形成し、かつ上記各振動子5A,5Bの
境界域にはこれら振動子5A,5Bを分離すべく上記半
導体層3に電気絶縁層37を形成する。
は、単一の半導体層3の複数領域を所定の導電型となし
て、これら領域に角速度を受けて変位する振動子5A,
5Bをそれぞれ形成し、かつ上記各振動子5A,5Bの
境界域にはこれら振動子5A,5Bを分離すべく上記半
導体層3に電気絶縁層37を形成する。
【0007】本発明の第2の構成では、上記電気絶縁層
37を、不純物をド−プしない半導体層で構成する。
37を、不純物をド−プしない半導体層で構成する。
【0008】本発明の第3の構成では、上記電気絶縁層
37を、上記振動体5A,5Bとは異なる導電型で逆バ
イアス状態とされた半導体層で構成する。
37を、上記振動体5A,5Bとは異なる導電型で逆バ
イアス状態とされた半導体層で構成する。
【0009】本発明の第4の構成では、上記複数の振動
子5A,5Bに対して所定導電型の単一の半導体基板1
を対向させて、各振動子5A,5Bと半導体基板1との
間にそれぞれ形成されるコンデンサC1,C2の静電容
量変化により角速度の大きさを検出する。
子5A,5Bに対して所定導電型の単一の半導体基板1
を対向させて、各振動子5A,5Bと半導体基板1との
間にそれぞれ形成されるコンデンサC1,C2の静電容
量変化により角速度の大きさを検出する。
【0010】本発明の第5の構成では、基部31の両端
より上記振動子5A,5Bを左右一対延出させて音叉型
振動子となし、上記基部31の中央に上記電気絶縁層3
7を形成する。
より上記振動子5A,5Bを左右一対延出させて音叉型
振動子となし、上記基部31の中央に上記電気絶縁層3
7を形成する。
【0011】
【作用】上記第1の構成においては、所定の導電型の半
導体により構成される各振動子は、それ自体が電極とな
り、リ−ド線となる。したがって、各振動子に対向する
固定電極を設ければ、振動子と固定電極との間の静電容
量によって振動子の変位量を知ることができ、別体の変
位量センサやリ−ド線を振動子に付加する必要がないか
ら、振動子のQ値の低下が避けられる。また、各振動子
の電気的分離を、半導体層に電気絶縁層を形成すること
により行っているから、振動子と電気絶縁層が均質な一
体の半導体層に形成される。したがって、従来の如き絶
縁材の接合等による組成変化を生じることはなく、これ
によっても振動子のQ値の低下が防止される。
導体により構成される各振動子は、それ自体が電極とな
り、リ−ド線となる。したがって、各振動子に対向する
固定電極を設ければ、振動子と固定電極との間の静電容
量によって振動子の変位量を知ることができ、別体の変
位量センサやリ−ド線を振動子に付加する必要がないか
ら、振動子のQ値の低下が避けられる。また、各振動子
の電気的分離を、半導体層に電気絶縁層を形成すること
により行っているから、振動子と電気絶縁層が均質な一
体の半導体層に形成される。したがって、従来の如き絶
縁材の接合等による組成変化を生じることはなく、これ
によっても振動子のQ値の低下が防止される。
【0012】上記第2および第3の構成によれば、半導
体層の機械的性質を全く損なうことなく、電気絶縁層を
簡易に形成することができる。
体層の機械的性質を全く損なうことなく、電気絶縁層を
簡易に形成することができる。
【0013】上記第4の構成においては、所定導電型の
単一の半導体基板との間にそれぞれ形成されるコンデン
サの容量変化により、簡易な構造で角速度の大きさを正
確に知ることができる。
単一の半導体基板との間にそれぞれ形成されるコンデン
サの容量変化により、簡易な構造で角速度の大きさを正
確に知ることができる。
【0014】上記第5の構成においては、音叉型振動子
となすことにより振動時のエネルギ−の散逸が防止さ
れ、振動子自体が小型となる。
となすことにより振動時のエネルギ−の散逸が防止さ
れ、振動子自体が小型となる。
【0015】
【実施例】図1、図2には本発明を音叉型角速度センサ
に適用した一例を示し、図1は角速度センサの破断斜視
図、図2はその水平断面図である。図において、長方形
状をなす厚肉のシリコン(Si)単結晶基板1上には、
その左右の長辺と一方の短辺に沿って平面視(図2)で
略コ字形に絶縁酸化膜(SiO2 )2が形成され、かか
る絶縁酸化膜2上にさらにSi単結晶層3が形成されて
いる(図3参照)。単結晶層3は一部が短辺の中央から
上記基板1の上方をこれと小間隙dをなして水平方向へ
延出し(図4参照)、この延出部は、広幅の基部31と
その左右端からそれぞれ前方(図2の右方)へ延びる狭
幅の脚部32,33とを有して、平面視で音叉の形状を
している。各脚部32,33の先端321,331は再
び広幅となって矩形の板状をなし、先端側縁に形成され
た複数の歯形322,332が、基板1長辺に沿って延
びる単結晶層の内側縁の一部に形成された複数の歯形3
61,371の間に近接進入している。以上の構造は、
単結晶基板1上に酸化膜2および単結晶層3を形成し、
所定部をエッチングする等により容易に製造できる。
に適用した一例を示し、図1は角速度センサの破断斜視
図、図2はその水平断面図である。図において、長方形
状をなす厚肉のシリコン(Si)単結晶基板1上には、
その左右の長辺と一方の短辺に沿って平面視(図2)で
略コ字形に絶縁酸化膜(SiO2 )2が形成され、かか
る絶縁酸化膜2上にさらにSi単結晶層3が形成されて
いる(図3参照)。単結晶層3は一部が短辺の中央から
上記基板1の上方をこれと小間隙dをなして水平方向へ
延出し(図4参照)、この延出部は、広幅の基部31と
その左右端からそれぞれ前方(図2の右方)へ延びる狭
幅の脚部32,33とを有して、平面視で音叉の形状を
している。各脚部32,33の先端321,331は再
び広幅となって矩形の板状をなし、先端側縁に形成され
た複数の歯形322,332が、基板1長辺に沿って延
びる単結晶層の内側縁の一部に形成された複数の歯形3
61,371の間に近接進入している。以上の構造は、
単結晶基板1上に酸化膜2および単結晶層3を形成し、
所定部をエッチングする等により容易に製造できる。
【0016】上記単結晶層3は図2に異なる方向の斜線
で示したように、不純物拡散によって所定の領域がpな
いしnの導電型となっている。すなわち、基板1の左右
(図の上下)の長辺に沿う領域はn型の給電路34,3
5となっており、その一端に形成した電極41,44を
介して後述の電源に接続される。また、単結晶層3の音
叉型状の延出部は、左右の各脚部32,33とその先端
321、331および脚部32,33に通じる基部31
がn型とされて、それぞれ脚部32,33を可動部とす
る片持ち梁状の振動子5A,5Bとなっている。単結晶
層3の基板1短辺に沿う領域は、各振動子5A,5Bの
基部31に通じる部分が同じくn型となって、ここに信
号取り出し用の電極42、43がそれぞれ形成されてい
る。そして、上記各給電路34,35と各振動子5A,
5Bの間の境界域36,37,38はp型とされるとと
もに、これら境界域36〜38に形成した電極45,4
6,47によりア−スされており、正電位の上記給電路
34,35および振動子5A,5Bに対して逆バイアス
された電気絶縁層となっている。なお、上記基板1は不
純物拡散によりn型ないしp型とされてア−スに接続さ
れている。
で示したように、不純物拡散によって所定の領域がpな
いしnの導電型となっている。すなわち、基板1の左右
(図の上下)の長辺に沿う領域はn型の給電路34,3
5となっており、その一端に形成した電極41,44を
介して後述の電源に接続される。また、単結晶層3の音
叉型状の延出部は、左右の各脚部32,33とその先端
321、331および脚部32,33に通じる基部31
がn型とされて、それぞれ脚部32,33を可動部とす
る片持ち梁状の振動子5A,5Bとなっている。単結晶
層3の基板1短辺に沿う領域は、各振動子5A,5Bの
基部31に通じる部分が同じくn型となって、ここに信
号取り出し用の電極42、43がそれぞれ形成されてい
る。そして、上記各給電路34,35と各振動子5A,
5Bの間の境界域36,37,38はp型とされるとと
もに、これら境界域36〜38に形成した電極45,4
6,47によりア−スされており、正電位の上記給電路
34,35および振動子5A,5Bに対して逆バイアス
された電気絶縁層となっている。なお、上記基板1は不
純物拡散によりn型ないしp型とされてア−スに接続さ
れている。
【0017】図5には上記構造の角速度センサの配線図
を示す。図において、左右の振動子5A,5Bはコンデ
ンサC3,C4を介してパルス電源6に接続されてい
る。これら各コンデンサC3,C4は、振動子5A,5
B先端の歯形対向部(図2のA部)に生じる静電容量に
よるものである。また、振動子5A,5Bの各先端32
1,331と基板1との間にも静電容量によるコンデン
サC1,C2が形成される。上記歯形対向部は静電アク
チュエ−タとして機能する。すなわち、パルス電圧が印
加されると各振動子先端321,331はこれに近接す
る給電路34,35方向へ周期的に吸引されて、図1の
,矢印で示す如く水平面内で互いに逆方向へ振動す
る。この状態で、左右の振動子5A,5Bの中間面内に
回転軸を有する角速度(矢印)が入力すると、コリオ
リ力の作用により各振動子5A,5Bの先端321,3
31は周期的に基板1に接近しあるいは離間する振動を
生じ、これに応じて上記コンデンサC1,C2の容量が
相反的に大小変化する。基板1に対する振動子5A,5
Bの相対振動変位は角速度に応じて大きくなるから、上
記コンデンサC1,C2の容量変化の大きさは角速度に
応じたものとなる。
を示す。図において、左右の振動子5A,5Bはコンデ
ンサC3,C4を介してパルス電源6に接続されてい
る。これら各コンデンサC3,C4は、振動子5A,5
B先端の歯形対向部(図2のA部)に生じる静電容量に
よるものである。また、振動子5A,5Bの各先端32
1,331と基板1との間にも静電容量によるコンデン
サC1,C2が形成される。上記歯形対向部は静電アク
チュエ−タとして機能する。すなわち、パルス電圧が印
加されると各振動子先端321,331はこれに近接す
る給電路34,35方向へ周期的に吸引されて、図1の
,矢印で示す如く水平面内で互いに逆方向へ振動す
る。この状態で、左右の振動子5A,5Bの中間面内に
回転軸を有する角速度(矢印)が入力すると、コリオ
リ力の作用により各振動子5A,5Bの先端321,3
31は周期的に基板1に接近しあるいは離間する振動を
生じ、これに応じて上記コンデンサC1,C2の容量が
相反的に大小変化する。基板1に対する振動子5A,5
Bの相対振動変位は角速度に応じて大きくなるから、上
記コンデンサC1,C2の容量変化の大きさは角速度に
応じたものとなる。
【0018】図6には角速度センサの電気等価回路を示
す。各コンデンサC1〜C4によりパルス電源6に接続
されたブリッジ回路が構成されており、信号取り出し電
極42,43からは角速度に応じた大きさのパルス電圧
出力が得られる。なお、角速度以外の重力加速度や振動
力が作用した場合には左右の振動子5A,5Bは同方向
へ変位するから、この時の静電容量C1,C2の変化は
ブリッジ回路で互いにキャンセルされて出力には現れな
い。
す。各コンデンサC1〜C4によりパルス電源6に接続
されたブリッジ回路が構成されており、信号取り出し電
極42,43からは角速度に応じた大きさのパルス電圧
出力が得られる。なお、角速度以外の重力加速度や振動
力が作用した場合には左右の振動子5A,5Bは同方向
へ変位するから、この時の静電容量C1,C2の変化は
ブリッジ回路で互いにキャンセルされて出力には現れな
い。
【0019】以上の如く、本実施例によれば、一体の半
導体層3に一対の音叉型振動子5A,5Bを形成して、
これらをpn逆接合の電気絶縁層37で分離したから異
種材料の接合部が存在しないとともに、所定の導電型と
した各振動子5A,5Bはそれ自体が電極およびリ−ド
線を兼ねているから異種部品を取り付けることも不要で
あり、この結果、振動子5A,5BのQ値は高く維持さ
れて高精度の角速度検出が可能である。特に可動の振動
子5A,5B側を絶縁分離したから、各振動子5A,5
Bに対向してコンデンサC1,C2を形成する基板1側
での絶縁分離は不要であり、絶縁分離やリ−ド部形成の
ための精密な加工を厚肉の基板1に施す必要がないから
製造の手間が大幅に軽減される。
導体層3に一対の音叉型振動子5A,5Bを形成して、
これらをpn逆接合の電気絶縁層37で分離したから異
種材料の接合部が存在しないとともに、所定の導電型と
した各振動子5A,5Bはそれ自体が電極およびリ−ド
線を兼ねているから異種部品を取り付けることも不要で
あり、この結果、振動子5A,5BのQ値は高く維持さ
れて高精度の角速度検出が可能である。特に可動の振動
子5A,5B側を絶縁分離したから、各振動子5A,5
Bに対向してコンデンサC1,C2を形成する基板1側
での絶縁分離は不要であり、絶縁分離やリ−ド部形成の
ための精密な加工を厚肉の基板1に施す必要がないから
製造の手間が大幅に軽減される。
【0020】なお、上記実施例において、給電部と振動
子をn型とし、電気絶縁層をp型としたが、両者の電位
の高低が逆になる場合には前者をp型、後者をn型にす
る。また、逆バイアスにより電気絶縁層を形成するのに
代えて、この領域を不純物ノンド−プの電気絶縁層(1
層)としても良い
子をn型とし、電気絶縁層をp型としたが、両者の電位
の高低が逆になる場合には前者をp型、後者をn型にす
る。また、逆バイアスにより電気絶縁層を形成するのに
代えて、この領域を不純物ノンド−プの電気絶縁層(1
層)としても良い
【0021】上記実施例ではコリオリ力を受けた振動子
の変位による静電容量変化を検出しているが、コリオリ
力を相殺するような方向の静電気力を振動子に与えて静
電容量を一定に保つサ−ボフィ−ドバック系として、こ
の時の駆動出力変化を検出するようにしても良い。さら
には、振動子先端をゲ−トとするMISトランジスタや
SITトランジスタを形成し、振動子先端の変位に伴う
チャンネル電流の変化を検出するようにもできる
の変位による静電容量変化を検出しているが、コリオリ
力を相殺するような方向の静電気力を振動子に与えて静
電容量を一定に保つサ−ボフィ−ドバック系として、こ
の時の駆動出力変化を検出するようにしても良い。さら
には、振動子先端をゲ−トとするMISトランジスタや
SITトランジスタを形成し、振動子先端の変位に伴う
チャンネル電流の変化を検出するようにもできる
【0022】なお、本発明は上記実施例の音叉型に限ら
ず、振動子を使用した角速度センサに広く適用すること
ができる。
ず、振動子を使用した角速度センサに広く適用すること
ができる。
【0023】
【発明の効果】以上の如く、本発明の角速度センサによ
れば、単一の半導体層を電気絶縁層で分離して複数の振
動子を形成するようにしたから、振動子のQ値を低下さ
せることなく精度の良い角速度の検出が可能である。
れば、単一の半導体層を電気絶縁層で分離して複数の振
動子を形成するようにしたから、振動子のQ値を低下さ
せることなく精度の良い角速度の検出が可能である。
【図1】本発明の一実施例を示す角速度センサの破断斜
視図である。
視図である。
【図2】角速度センサの水平断面図である。
【図3】図2のIII −III 線に沿う断面図である。
【図4】図3のIV−IV線に沿う断面図である。
【図5】角速度センサの電気配線図である。
【図6】角速度センサの等価回路図である。
1 半導体基板 2 絶縁膜 3 半導体層 31 基部 37 電気絶縁層 5A,5B 振動子 C1,C2 コンデンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 頼永 宗男 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 吉野 好 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 三浦 和彦 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電 装株式会社内
Claims (5)
- 【請求項1】 単一の半導体層の複数領域を所定の導電
型となして、これら領域に角速度を受けて変位する振動
子をそれぞれ形成し、かつ上記各振動子の境界域にはこ
れら振動子を分離すべく上記半導体層に電気絶縁層を形
成したことを特徴とする角速度センサ。 - 【請求項2】 上記電気絶縁層を、不純物をド−プしな
い半導体層で構成した請求項1記載の角速度センサ。 - 【請求項3】 上記電気絶縁層を、上記振動体とは異な
る導電型で逆バイアス状態とされた半導体層で構成した
請求項1記載の角速度センサ。 - 【請求項4】 上記複数の振動子に対して所定導電型の
単一の半導体基板を対向させて、各振動子と半導体基板
との間にそれぞれ形成されるコンデンサの静電容量変化
により角速度の大きさを検出する請求項1ないし3のい
ずれかに記載の角速度センサ。 - 【請求項5】 基部の両端より上記振動子を左右一対延
出させて音叉型振動子となし、上記基部の中央に上記電
気絶縁層を形成した請求項1ないし4のいずれかに記載
の角速度センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7132921A JPH08304441A (ja) | 1995-05-02 | 1995-05-02 | 角速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7132921A JPH08304441A (ja) | 1995-05-02 | 1995-05-02 | 角速度センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08304441A true JPH08304441A (ja) | 1996-11-22 |
Family
ID=15092630
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7132921A Pending JPH08304441A (ja) | 1995-05-02 | 1995-05-02 | 角速度センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH08304441A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009074860A (ja) * | 2007-09-19 | 2009-04-09 | Aoi Electronics Co Ltd | 角速度センサ素子および角速度検出装置 |
-
1995
- 1995-05-02 JP JP7132921A patent/JPH08304441A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009074860A (ja) * | 2007-09-19 | 2009-04-09 | Aoi Electronics Co Ltd | 角速度センサ素子および角速度検出装置 |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
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A02 | Decision of refusal |
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