JPH0942973A - Angle speed sensor - Google Patents

Angle speed sensor

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JPH0942973A
JPH0942973A JP7196404A JP19640495A JPH0942973A JP H0942973 A JPH0942973 A JP H0942973A JP 7196404 A JP7196404 A JP 7196404A JP 19640495 A JP19640495 A JP 19640495A JP H0942973 A JPH0942973 A JP H0942973A
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axis
angular velocity
mass
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drive
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Takeshi Mitamura
健 三田村
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide at low-cost a small and light angle speed sensor with high sensitivity, high precision and hardly influenced with disturbance acceleration and other noise by mass-producing by a semiconductor technique. SOLUTION: An angle speed sensor comprises a base plate, a vibration mass 14 isolatedly formed on the main face of the base to vibrate toward the first and second axes crossing each other, at least two supports 16 supporting the vibration mass 14, arranged in symmetry with the first and second axes and having an equal spring constant to both axes, a driving means for a driving electrode 13 fixed to the base to drive the vibration mass 14 toward the first axis and a detecting means for a detecting electrode 15 fixed to the base to detect the displacement of the vibration mass 14 toward the second axis. The vibration mass 14 and the supports 16 are held at a common potential and the driving electrode 13 is divided to apply plural voltage values thereto, so that Coriolis force, generated toward the second axis when the vibration mass 14 being vibrated toward the first axis is rotated around the third axis perpendicular to the main face of the base, is detected to measure an angle speed around the third axis.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、小形軽量で量産性
に富み、しかも高精度な角速度センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a small, lightweight, highly mass-producible and highly accurate angular velocity sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の角速度センサとしては、例えば、
図30に示すような第1従来例がある。図中、2はエン
リバなどの恒弾性金属で形成された正方形断面を有する
振動子で、支持部3で支持されている。振動子の側面に
は駆動用圧電素子4と検出用圧電素子1が固定されてい
る。駆動用圧電素子4にx軸方向の共振周波数を有する
交流電圧を印加し、これを歪ませることにより振動子を
図中x軸方向に駆動し振動させる。この状態で、図のz
軸方向の回りに振動子を角速度Ωで回転させると、図の
y軸方向にコリオリ力が発生する。振動子全体で発生す
るコリオリ力Fc(t)は、下記(1)式で表わせる。
2. Description of the Related Art As a conventional angular velocity sensor, for example,
There is a first conventional example as shown in FIG. In the figure, reference numeral 2 is a vibrator having a square cross section formed of a constant elastic metal such as enriver, and is supported by a supporting portion 3. The driving piezoelectric element 4 and the detecting piezoelectric element 1 are fixed to the side surface of the vibrator. An AC voltage having a resonance frequency in the x-axis direction is applied to the driving piezoelectric element 4, and by distorting the AC voltage, the vibrator is driven in the x-axis direction in the drawing to vibrate. In this state, z
When the oscillator is rotated around the axial direction at an angular velocity Ω, Coriolis force is generated in the y-axis direction in the figure. The Coriolis force Fc (t) generated in the entire vibrator can be expressed by the following equation (1).

【0003】 Fc(t)=2・Ω・∫dm(r)・Vm(r,t) ……(1) ここで、Vm(r,t)は振動子を駆動することにより
発生する質量dm(r)を有する微小部分のx軸方向の
速度である。積分範囲は振動子全体である。発生したコ
リオリ力により振動子はy軸方向に撓み、この撓みによ
り発生する歪を検出用圧電素子1により検出する。
(1)式から、より大きいコリオリ力を発生させるため
には、a:振動子の質量を大きくする、b:共振周波数
で駆動を行い、Vmを大きくする、c:駆動軸と検出軸
の共振周波数を一致させ、検出軸での変位を大きくす
る、ことが有効であることが判る、また、発生したコリ
オリ力を精度よく検出するには、d:振動子の振動振幅
を一定に保つことが必要である。しかし、上記のような
第1従来例の角速度センサには、a:振動子及び支持部
を機械加工して作成するため、小型化に限度がある、
b:振動子の各軸方向の共振周波数の調整が困難で、機
械的調整コストが嵩む、などの問題点があった。
Fc (t) = 2 · Ω · ∫dm (r) · Vm (r, t) (1) where Vm (r, t) is a mass dm generated by driving the vibrator. It is the velocity in the x-axis direction of the minute portion having (r). The integration range is the whole oscillator. The oscillator is bent in the y-axis direction by the generated Coriolis force, and the strain generated by this bending is detected by the detection piezoelectric element 1.
From equation (1), in order to generate a larger Coriolis force, a: increase the mass of the oscillator, b: drive at the resonance frequency and increase Vm, c: resonance of the drive axis and the detection axis. It can be seen that it is effective to match the frequencies and increase the displacement on the detection axis. To detect the generated Coriolis force with high accuracy, d: keep the vibration amplitude of the oscillator constant. is necessary. However, in the angular velocity sensor of the first conventional example as described above, a: a vibrator and a supporting portion are machined to be manufactured, and therefore there is a limit to miniaturization.
b: There was a problem that it was difficult to adjust the resonance frequency of each axis of the vibrator, and the mechanical adjustment cost increased.

【0004】以上のような問題点を解消するために、特
開平5−248872号公報に図31及び図32(図3
1のA−A’断面図)に示すような角速度センサが開示
されている。以下、その構成を図面を用いて説明する。
この第2従来例では、振動子はシリコン等よりなる基板
12上に構成されている。振動系は振動質量10、中間
支持部11および支持部8で構成されている。振動質量
10、中間支持部11及び支持部8は、例えばポリシリ
コン層により形成されている。支持部8はアンカー部7
によりシリコン基板12に固定されていおり、導電性パ
ターンにより電気的に接続されている。また、5は固定
部である。電気配線は図面の簡略化のために図示しな
い。中間支持部11はアンカー部7の中間に支持部8に
より支持されている。振動質量10は、振動質量を中心
にx,y軸方向に十字状に配置された支持部8により支
持されている。中間支持部11の側面には静電引力で振
動質量10をx軸方向に駆動するための駆動電極6が1
対形成されている。中間支持部のもう一組の側面にはy
軸方向のコリオリ力による変位を検出するための検出電
極9が形成されている。
In order to solve the above problems, Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-248872 (1993) discloses FIGS. 31 and 32 (FIG. 3).
The angular velocity sensor as shown in FIG. The configuration will be described below with reference to the drawings.
In the second conventional example, the vibrator is formed on the substrate 12 made of silicon or the like. The vibrating system includes a vibrating mass 10, an intermediate support portion 11 and a support portion 8. The vibrating mass 10, the intermediate support portion 11 and the support portion 8 are formed of, for example, a polysilicon layer. The support part 8 is the anchor part 7.
Are fixed to the silicon substrate 12 by means of and are electrically connected by a conductive pattern. Further, 5 is a fixed part. The electrical wiring is not shown in order to simplify the drawing. The intermediate support 11 is supported by the support 8 in the middle of the anchor 7. The vibrating mass 10 is supported by a supporting portion 8 arranged in a cross shape in the x- and y-axis directions around the vibrating mass. A drive electrode 6 for driving the vibrating mass 10 in the x-axis direction by electrostatic attraction is provided on the side surface of the intermediate support portion 11.
Is paired. Y on the other side of the middle support
A detection electrode 9 for detecting the displacement due to the Coriolis force in the axial direction is formed.

【0005】次に、上記第2従来例の動作について説明
する。振動系は一対の駆動電極6にそれぞれ駆動電圧V
p+vd・sinωt、Vp−vd・sinωtを印加
し、静電引力により駆動させる。但し、Vpは直流バイ
アス電源、vd・sinωtは駆動用交流電源圧であ
る。駆動周波数ωは振動系のx軸方向の共振周波数と一
致するようにしてある。この状態で振動質量、中間支持
部および支持部より構成される振動系をz軸方向の回り
に角速度Ωで回転させると、振動系にはy軸方向にコリ
オリ力が発生する。発生するコリオリ力は下記(2)式
で表わされる。
Next, the operation of the second conventional example will be described. The vibration system applies a driving voltage V to each of the pair of driving electrodes 6.
P + vd · sin ωt and Vp−vd · sin ωt are applied and driven by electrostatic attraction. However, Vp is a DC bias power supply, and vd · sinωt is a driving AC power supply pressure. The drive frequency ω is designed to match the resonance frequency of the vibration system in the x-axis direction. In this state, when the vibrating system composed of the vibrating mass, the intermediate supporting portion and the supporting portion is rotated at the angular velocity Ω around the z-axis direction, Coriolis force is generated in the y-axis direction in the vibrating system. The generated Coriolis force is expressed by the following equation (2).

【0006】 Fc(t)≒2・m・Vm(t)・Ω ……(2) ここで、mは振動質量10の質量、Vm(t)は静電引
力により駆動されて振動する振動質量10の速さであ
る。但し、中間支持部の質量は振動質量に比べ充分小さ
いと仮定した。したがって、検出電極9の間の静電容量
値から角速度Ωを検出できる。
Fc (t) ≈2 · m · Vm (t) · Ω (2) where m is the mass of the oscillating mass 10 and Vm (t) is the oscillating mass oscillated by being driven by electrostatic attraction. 10 speeds. However, it was assumed that the mass of the intermediate support part was sufficiently smaller than the vibration mass. Therefore, the angular velocity Ω can be detected from the capacitance value between the detection electrodes 9.

【0007】上記のような構成によって第2従来例では
第1従来例についての既述の問題点に対して、a:半導
体製造技術により、小型かつ安価な角速度センサの実現
が可能である(第1従来例の問題点aに対して)、b:
振動系をポリシリコン層で形成した平面構造に構成し駆
動および検出方向は基板平面に対して平行方向であるた
め、3次元的な構造が不要であり、構造が簡素化出来る
(第1従来例の問題点aに対して)、c:振動系をポリ
シリコン層で形成した平面構造とし、かつ駆動及び検出
両方向に対して対称形状としたため両方向の共振周波数
が一致し感度が向上する(第1従来例の問題点bに対し
て)、d:駆動および検出方向ともに基板平面に対して
平行方向であるので、支持部の断面形状に対する駆動軸
および検出軸方向の共振周波数の依存性は同等であり、
プロセスのバラツキよる両方向の共振周波数の相対値変
化はない(第1従来例の問題点bに対して)、e:駆動
軸及び検出軸ともに基板平面に対して平行方向であり、
振動状態に於て空気粘性の影響が少なくなり、共振時の
Q値が大きくなり検出感度が向上する、などの効果や利
点が得られる。
With the above-mentioned structure, in the second conventional example, in contrast to the above-mentioned problems of the first conventional example, a: a semiconductor manufacturing technique can realize a small and inexpensive angular velocity sensor (the first conventional example). 1 against the problem a of the conventional example), b:
Since the vibration system has a planar structure formed of a polysilicon layer and the driving and detecting directions are parallel to the substrate plane, a three-dimensional structure is unnecessary and the structure can be simplified (first conventional example). C): c: Since the vibration system has a planar structure formed of a polysilicon layer and has a symmetrical shape with respect to both drive and detection directions, the resonance frequencies in both directions match and the sensitivity is improved (first In contrast to the problem b of the conventional example), d: Since the drive and detection directions are parallel to the substrate plane, the dependence of the resonant frequency in the drive axis and detection axis directions on the cross-sectional shape of the support is equal. Yes,
There is no change in the relative value of the resonance frequency in both directions due to process variations (against the problem b of the first conventional example), e: both the drive axis and the detection axis are parallel to the substrate plane,
In the vibration state, the effect of air viscosity is reduced, the Q value at the time of resonance is increased, and the detection sensitivity is improved.

【0008】しかし、この第2従来例には、振動質量が
一方向のみに変位可能な支持部により支持されているた
め、a:振動質量はy軸方向に延びた支持部一対を介し
て中間支持部に接続されているため、x軸方向の駆動時
に、両側の中間支持部と共に支持部により振動質量の方
向に引き込まれる(図33参照)、この結果、中間支持
部11は静止位置よりもそれぞれ振動質量方向にオフセ
ットした位置を中心に駆動周波数の倍周波数でy軸方向
に振動することになり、検出方向と駆動方向とで振動モ
ードに差異が生じ、角速度の高精度測定に必要な振動質
量の振動制御が困難になる、また、この左右の振動に支
持部の製造バラツキ等に起因する差が生じれば、駆動振
動誘起の出力信号が発生し、検出信号のS/N比の低下
をもたらす、b:駆動及び検出方向は等しい共振周波数
を有するため、支持部の製造バラツキ等で生じる構造の
非対称性に起因する駆動力の検出方向成分により検出軸
方向に共振する可能性があるが、この第2従来例の場
合、この駆動誘起振動を制御できず、出力信号として検
出し、測定精度が低下する可能性がある、などのような
問題点がある。
However, in the second conventional example, since the vibrating mass is supported by the supporting portion which can be displaced only in one direction, a: the vibrating mass is intermediate through the pair of supporting portions extending in the y-axis direction. Since it is connected to the support part, when it is driven in the x-axis direction, it is drawn in the direction of the oscillating mass by the support part together with the intermediate support parts on both sides (see FIG. 33), and as a result, the intermediate support part 11 is more than the rest position. Each of them vibrates in the y-axis direction at a frequency double the driving frequency centering on the position offset in the oscillating mass direction, which causes a difference in the vibration mode between the detection direction and the driving direction, which is the vibration necessary for highly accurate measurement of the angular velocity. It becomes difficult to control the vibration of the mass, and if there is a difference in the left and right vibrations due to manufacturing variations of the support part, etc., a drive vibration-induced output signal is generated, and the S / N ratio of the detection signal decreases. , B: Since the motion direction and the detection direction have the same resonance frequency, there is a possibility that the detection direction component of the driving force may resonate in the detection axis direction due to the asymmetry of the structure caused by the manufacturing variation of the support portion. In the case of the example, there is a problem that the drive-induced vibration cannot be controlled, is detected as an output signal, and the measurement accuracy may decrease.

【0009】また、やはり半導体製造技術を利用した角
速度センサが特開平5−312576号公報に開示され
ている。この第3従来例を図34、図35(図34のA
−A’断面図)により説明する。図中、63と65はシ
リコン基板で、64は酸化膜である。シリコン基板65
に酸化膜64を形成させた後、これをパターニングして
シリコン基板63と直接接合法を用いて両者を接合させ
てから、シリコン基板63を所定の厚さまで研磨する。
59は半導体製造技術を用い、シリコン基板63をエッ
チングして形成した溝部である。この溝部59によりこ
れから説明する振動質量、第1、第2支持部およびフレ
ーム部を形成している。61は振動質量で、第1支持部
60により支持されている。第1支持部60の振動質量
61との接続部に反対の側はフレーム部57に接続され
て接続部を形成している。フレーム部57は第2支持部
56で支持されている。フレーム部57には静電引力で
振動質量61をx軸方向に駆動して振動させるための櫛
歯電極62が構成されている。振動質量61のコリオリ
力による変位を検出するために、第1支持部60のフレ
ーム部57との接続部付近に各支持部毎に2本平行に配
置されたピエゾ抵抗55により構成した抵抗ブリッジ
が、また振動質量61とフレーム部57に検出電極58
が構成されている(電気的配線の詳細は図面の簡略化の
ため省略した)。
An angular velocity sensor that also utilizes semiconductor manufacturing technology is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 315576/1993. This third conventional example is shown in FIGS. 34 and 35 (A in FIG. 34).
-A 'sectional view). In the figure, 63 and 65 are silicon substrates, and 64 is an oxide film. Silicon substrate 65
After the oxide film 64 is formed on the substrate, the oxide film 64 is patterned and bonded to the silicon substrate 63 by the direct bonding method, and then the silicon substrate 63 is polished to a predetermined thickness.
Reference numeral 59 is a groove formed by etching the silicon substrate 63 using a semiconductor manufacturing technique. The groove portion 59 forms the oscillating mass, the first and second support portions, and the frame portion which will be described below. Reference numeral 61 denotes an oscillating mass, which is supported by the first support portion 60. The side of the first support portion 60 opposite to the connection portion with the vibration mass 61 is connected to the frame portion 57 to form a connection portion. The frame portion 57 is supported by the second support portion 56. A comb-teeth electrode 62 for driving and vibrating the vibrating mass 61 in the x-axis direction by electrostatic attraction is formed in the frame portion 57. In order to detect the displacement of the oscillating mass 61 due to the Coriolis force, a resistance bridge composed of two piezoresistors 55 arranged in parallel for each support part is provided near the connection part of the first support part 60 with the frame part 57. In addition, the vibrating mass 61 and the detection electrode 58 on the frame 57
Is configured (details of electrical wiring are omitted for simplification of the drawing).

【0010】第2支持部56で支持されているフレーム
部57は櫛歯電極62に電圧を印加することによりx軸
方向に静電引力により駆動される(電気的配線の詳細は
図面の簡略化のため省略した)。この状態で基板平面に
垂直なz軸方向の回りに全体を角速度Ωで回転させる
と、既に説明した(2)式で表わしたのと同様なコリオ
リ力がy軸方向に発生する。発生したコリオリ力による
振動質量61のy軸方向の変位は、上記上記ピエゾ抵抗
55の抵抗差、または上記検出電極58間の電気容量変
化として検出される。
The frame portion 57 supported by the second support portion 56 is driven by electrostatic attraction in the x-axis direction by applying a voltage to the comb-teeth electrode 62 (details of electrical wiring are simplified in the drawing). Omitted for). In this state, when the whole body is rotated around the z-axis direction perpendicular to the substrate plane at an angular velocity Ω, a Coriolis force similar to that already expressed by the equation (2) is generated in the y-axis direction. The displacement of the vibrating mass 61 in the y-axis direction due to the generated Coriolis force is detected as a resistance difference of the piezoresistor 55 or a change in electric capacitance between the detection electrodes 58.

【0011】上記第3従来例では、a:半導体技術を利
用しているので小形で安価な角速度センサが実現でき
る、b:駆動軸もコリオリ力検出軸も共に基板平面に対
して平行なので、駆動軸および検出軸方向の共振周波数
を平面構造で決定できる、c:駆動軸および検出軸とも
に基板平面に対して平行なので、振動状態において空気
粘性の影響が少なくなり、共振時のQ値が大きくなり検
出感度が向上する、などの利点が得られる。しかし、第
3従来例では、半導体で振動質量を構成したので、
(2)式における質量mが小さく、発生するコリオリ力
は微小であり、ピエゾ抵抗55で構成した抵抗ブリッジ
では実際上は測定不可能で、検出電極58の静電容量変
化により振動質量の変位を測定する必要がある。しか
し、検出電極58は振動質量61とフレーム57の側面
に形成させたため、対向面積が小さく静電容量値を十分
確保できない。その結果、振動質量の変位を測定する際
に、S/N比を十分確保できないという問題点が生じて
いる。また、振動質量を駆動するための櫛歯電極62に
おいても、十分な対向面積を確保することが困難で、十
分な駆動振幅を得られないという問題点もあった。ま
た、発生するコリオリ力による振動質量61の変位を検
出するピエゾ抵抗55または振動質量のフレーム部57
に対する変位を検出する検出電極58と、櫛歯電極62
への支持部を介した電気的接続と、上記各部への電気的
分離とが必要であり、支持部および駆動電極の微細化が
困難である、という問題もあった。さらに、上記の電気
的接続にAl等の金属を用いた場合、支持部を形成する
構造体であるシリコンや絶縁膜との間に熱膨張係数の差
が生じるので、発生する熱応力によって構造体に反り等
を生じ、出力がオフセットするおそれがあると共に、支
持部の大幅変形によって上記金属部に塑性変形を生じ、
それによって出力に経時劣化を生じるおそれもある、と
いう問題点もあった。
In the third conventional example, since a: semiconductor technology is used, a small and inexpensive angular velocity sensor can be realized. B: Both the drive axis and the Coriolis force detection axis are parallel to the substrate plane. The resonance frequency in the axis and detection axis directions can be determined by a planar structure. C: Since both the drive axis and the detection axis are parallel to the substrate plane, the influence of air viscosity is reduced in the vibrating state, and the Q value at resonance increases. Advantages such as improved detection sensitivity can be obtained. However, in the third conventional example, since the oscillating mass is made of semiconductor,
The mass m in the equation (2) is small, and the generated Coriolis force is very small. Therefore, it is practically impossible to measure with the resistance bridge composed of the piezoresistor 55, and the displacement of the oscillating mass is changed by the capacitance change of the detection electrode 58. Need to measure. However, since the detection electrode 58 is formed on the side surface of the vibrating mass 61 and the frame 57, the facing area is small and the capacitance value cannot be sufficiently secured. As a result, there is a problem that the S / N ratio cannot be sufficiently secured when measuring the displacement of the vibrating mass. Further, also in the comb-teeth electrode 62 for driving the vibrating mass, it is difficult to secure a sufficient facing area, and there is a problem that a sufficient drive amplitude cannot be obtained. Further, the piezoresistor 55 for detecting the displacement of the vibrating mass 61 due to the generated Coriolis force or the frame portion 57 of the vibrating mass.
Detection electrode 58 for detecting displacement with respect to
There is also a problem that it is difficult to miniaturize the supporting portion and the drive electrode because it is necessary to electrically connect the supporting portion and the driving electrode through the supporting portion and to electrically separate the above portions. Furthermore, when a metal such as Al is used for the above electrical connection, a difference in thermal expansion coefficient occurs between silicon and the insulating film, which is the structure forming the support portion, and therefore the structural stress is generated by the structural body. There is a risk that the output will be offset due to warpage, etc., and plastic deformation will occur in the metal part due to the large deformation of the support part,
There is also a problem in that the output may deteriorate over time.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
の上記のような種々の問題点を解消し、小形軽量で、正
確な検出結果が得られ、しかも量産性に富んだ、角速度
センサを提供することを課題とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned various problems of the prior art, is compact and lightweight, can obtain accurate detection results, and is highly mass-producible. The challenge is to provide.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明においては、基板と、基板の主面上に形成され
基板主面内の互いに直交する第1軸方向と第2軸方向と
に振動する振動質量と、一端が振動質量に他端が基板に
固定されて振動質量を支持し第1軸および第2軸方向に
対称に配置され両軸の方向に等しいバネ定数を有する少
なくとも2つの支持部と、基板に固定され振動質量を第
1軸方向に駆動する駆動電極および駆動手段と、基板に
固定され振動質量の第2軸方向の変位を検出する検出電
極および検出手段とにより構成され、振動質量と支持部
を共通電位に保持し、駆動電極を複数の値の電圧を印加
できるように分割し、振動質量を第1軸方向に駆動して
振動させながら基板の主面に垂直な第3軸の回りに回転
させたとき第2軸方向に生ずるコリオリの力を検出する
ことにより第3軸の回りの回転角速度を測定するように
した。
In order to solve the above problems, in the present invention, a substrate and a first axial direction and a second axial direction which are formed on the main surface of the substrate and are orthogonal to each other in the main surface of the substrate are provided. An oscillating mass that vibrates in the direction of at least 2 and has one end fixed to the oscillating mass and the other end fixed to the substrate to support the oscillating mass and are symmetrically arranged in the directions of the first axis and the second axis and having a spring constant equal to both axes. One support part, a drive electrode fixed to the substrate and driving the oscillating mass in the first axis direction, and a driving means, and a detection electrode fixed to the substrate and detecting means for detecting displacement of the oscillating mass in the second axis direction and the detecting means. The vibrating mass and the supporting part are held at a common potential, the driving electrodes are divided so that voltages of multiple values can be applied, and the vibrating mass is driven in the first axis direction to vibrate while being perpendicular to the main surface of the substrate. The second axis when rotated around the third axis Around a rotational angular velocity of the third shaft has to be measured by detecting the Coriolis force generated in the direction.

【0014】また、上記のように、第1軸方向に駆動す
る駆動電極と、第2軸方向の変位を検出する検出電極
を、別個に設置する代わりに、電気的に独立した2つの
電極で構成された対向電極を用いる点は同様であるが、
これら2電極に同時に駆動電圧V1、V2を印加して対
向電極間に生ずる静電引力により第1軸方向に駆動さ
せ、対向電極を構成する2つの固定電極と振動質量側電
極間の静電容量をそれぞれC1、C2とするとき、C1
とC2の和より振動質量の第1軸方向の駆動振幅に関す
る情報を、C1とC2の差より振動質量のコリオリ力に
よる第2軸方向の変位に関する情報を検出することに
し、1種類の電極を駆動とコリオリ力検出に兼用するよ
うにしても良い。
Further, as described above, instead of separately disposing the drive electrode for driving in the first axis direction and the detection electrode for detecting the displacement in the second axis direction, two electrically independent electrodes are used. It is similar in that it uses a counter electrode constructed,
Driving voltages V1 and V2 are simultaneously applied to these two electrodes to drive them in the first axis direction by an electrostatic attractive force generated between the opposing electrodes, and electrostatic capacitance between the two fixed electrodes constituting the opposing electrodes and the vibrating mass side electrode. Let C1 and C2 respectively be C1
The information on the drive amplitude of the oscillating mass in the first axis direction is detected from the sum of C2 and C2, and the information on the displacement in the second axis direction due to the Coriolis force of the oscillating mass is detected from the difference between C1 and C2. The driving and the Coriolis force detection may be combined.

【0015】[0015]

【作用】駆動電極を複数の値の電圧をそれぞれ独立して
印加できるように分割したので、製造プロセス中に振動
質量や支持部が、たとえ第1軸方向について非対称に形
成されたとしても問題が生じないようにすることができ
る。
Since the drive electrodes are divided so that a plurality of voltages can be independently applied, there is a problem even if the vibrating mass and the supporting portion are formed asymmetrically in the first axis direction during the manufacturing process. You can prevent it from happening.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
いて更に詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the embodiments.

【0017】第1の実施の形態:第1の実施の形態を図
1および図2(図1のB−B’断面図)によって説明す
る。本実施の形態は請求項(1)、(2)、(4)〜
(15)に対応する。まず基本構成を説明する。14は
薄膜構造材で形成された振動質量である。振動質量14
は、四隅において、同じく薄膜構造材で形成され、x
(第1軸)、y(第2軸)両軸方向に等しいバネ定数を
有する支持部16に接続されている。なお、図中、支持
部は模式的に示してある。支持部16は、図示のように
x、y両軸に対して対称に配置されている。支持部の他
端は固定部17において基板に固定されると共に、導電
材と電気的にも接続されている(図面の簡略化のため配
線は図示してない)。振動質量14の側面には櫛歯状の
電極が複数形成されており、固定部17に接続された櫛
歯状対向電極との間で、静電引力により振動質量14を
x軸方向に駆動するための駆動電極対13を形成してい
る。駆動電極対13の部分を拡大して図5(a)に示し
てある。基板に固定した櫛歯状駆動電極は、振動質量側
の櫛歯状駆動電極の右側に対向する電極21と左側に対
向する電極20とにより構成されており、それぞれ独立
に駆動電圧が印加できるようになっている。さらに、振
動質量14の側面には櫛歯状の電極が複数形成されてお
り(図面では一組のみを図示した)、固定部17に接続
された櫛歯状対向電極との間の静電容量値の変化によ
り、振動質量14のy軸方向の変位を検出するための検
出電極対15を形成している。検出電極対の拡大図を図
6に示す。この場合の各櫛歯電極の配置は図6に示すよ
うに、各対向櫛歯電極対が互いに干渉しないようにd1
<<d2となっている。
First Embodiment: A first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2 (cross-sectional view taken along the line BB 'in FIG. 1). The present embodiment includes claims (1), (2) and (4).
Corresponds to (15). First, the basic configuration will be described. Reference numeral 14 is an oscillating mass made of a thin film structural material. Vibration mass 14
Are also formed of thin film structural material at the four corners, and x
It is connected to the support portion 16 having the same spring constant in both the (first axis) and y (second axis) axial directions. In addition, in the figure, the supporting portion is schematically shown. The supporting portions 16 are arranged symmetrically with respect to both the x and y axes as shown in the figure. The other end of the supporting portion is fixed to the substrate at the fixing portion 17 and is electrically connected to the conductive material (the wiring is not shown for simplification of the drawing). A plurality of comb-teeth-shaped electrodes are formed on the side surface of the vibrating mass 14, and the vibrating mass 14 is driven in the x-axis direction by electrostatic attraction between the comb-teeth-shaped electrodes connected to the fixed portion 17. Drive electrode pair 13 for forming. The portion of the drive electrode pair 13 is enlarged and shown in FIG. The comb-shaped drive electrode fixed to the substrate is composed of an electrode 21 facing the right side and an electrode 20 facing the left side of the comb-shaped drive electrode on the vibrating mass side, so that a drive voltage can be applied to each independently. It has become. Further, a plurality of comb-teeth-shaped electrodes are formed on the side surface of the vibrating mass 14 (only one set is shown in the drawing), and a capacitance between the comb-teeth-shaped counter electrode connected to the fixed portion 17 is formed. The change in the value forms the detection electrode pair 15 for detecting the displacement of the vibrating mass 14 in the y-axis direction. An enlarged view of the detection electrode pair is shown in FIG. The arrangement of the comb-teeth electrodes in this case is, as shown in FIG. 6, d1 so that the opposing comb-teeth electrode pairs do not interfere with each other.
<< d2.

【0018】次に本実施の形態の支持部を詳細に説明す
る。x、y両軸方向に等しいバネ定数を有する支持部
は、図中x−y平面内で変位変形可能であり、x軸とy
軸のなす角を2等分する軸方向に対称な構造とすること
により実現可能である。いくつかの例を図14、図15
に示してある。図14には1つの構造要素により対称構
造を実現した例が示してある。x、y軸のなす角を2等
分する方向に対称軸を設定しているため、x軸およびy
軸方向への構造体の変形のモードが等しくなり両軸方向
に等しいバネ定数を有する。図15には複数の構造要素
により対称構造を実現した例を示してある。x、y軸の
なす角を2等分する方向に対称軸を設定しているためx
およびy軸方向への構造体の変形のモードが等しくなり
両軸方向に等しいバネ定数を有する。図14に示した例
に比べて、構造要素の増減によりバネ定数の設計変更が
容易であるという効果が得られる。
Next, the support portion of this embodiment will be described in detail. The supporting portion having the same spring constant in both the x and y axis directions can be displaced and deformed in the xy plane in the figure, and the x axis and the y axis can be deformed.
It can be realized by using a structure symmetrical in the axial direction that divides the angle formed by the axes into two equal parts. Some examples are shown in FIGS.
It is shown in FIG. 14 shows an example in which a symmetric structure is realized by one structural element. Since the symmetry axis is set in a direction that divides the angle formed by the x and y axes into two equal parts, the x axis and the y axis
The modes of deformation of the structure in the axial direction are equalized, and the spring constants are equal in both axial directions. FIG. 15 shows an example in which a symmetric structure is realized by a plurality of structural elements. Since the symmetry axis is set in a direction that divides the angle formed by the x and y axes into two equal parts, x
And the modes of deformation of the structure in the y-axis direction become equal, and have the same spring constant in both axial directions. Compared with the example shown in FIG. 14, the effect that the design change of the spring constant can be easily made by increasing or decreasing the structural elements is obtained.

【0019】作成プロセスは複数種類あるが、それらに
ついて説明する。 1.ポリシリコンが構造材である場合の作成プロセスの
例を図8に示す。 (a)高濃度拡散層22を形成後、シリコン基板を酸化
して酸化膜24を形成させ、酸化膜24上に窒化シリコ
ン膜23を全面に堆積する。 (b)PSG等のパッシベーション膜27を全面に堆積
させる。高濃度拡散層まで達するコンタクトホールを形
成後、ポリシリコン膜25を堆積させ、必要ならば不純
物の拡散を行った後、ポリシリコン膜をパターニングす
る。 (c)高濃度拡散層まで達するコンタクトホールを形成
後、金属配線26を堆積させ、パターニングする。 (d)PSG等のパッシベーション膜27を全面堆積さ
せ、これをパターニングした後、金属配線及び周辺回路
部保護のために窒化シリコン膜28を堆積しパターニン
グする。 (e)弗酸系の溶液を用いて犠牲層であるPSG等のパ
ッシベーション膜を除去し、ポリシリコンの構造材を形
成する。なお、上記の説明では省略したが、同一基板上
に周辺回路部をも集積することにより、微小な信号処理
が可能になるばかりではなく、センサの小型化、低コス
ト化にも有利となる。
There are a plurality of types of creation processes, which will be described below. 1. An example of the fabrication process when polysilicon is the structural material is shown in FIG. (A) After forming the high-concentration diffusion layer 22, the silicon substrate is oxidized to form the oxide film 24, and the silicon nitride film 23 is deposited on the entire surface of the oxide film 24. (B) A passivation film 27 such as PSG is deposited on the entire surface. After forming a contact hole reaching the high concentration diffusion layer, a polysilicon film 25 is deposited, impurities are diffused if necessary, and then the polysilicon film is patterned. (C) After forming a contact hole reaching the high-concentration diffusion layer, a metal wiring 26 is deposited and patterned. (D) A passivation film 27 such as PSG is deposited on the entire surface, patterned, and then a silicon nitride film 28 is deposited and patterned for protection of metal wiring and peripheral circuits. (E) A passivation film such as PSG, which is a sacrificial layer, is removed using a hydrofluoric acid-based solution to form a polysilicon structural material. Although omitted in the above description, by integrating the peripheral circuit section on the same substrate, not only fine signal processing becomes possible, but it is also advantageous for downsizing and cost reduction of the sensor.

【0020】2.SOI層が構造材である場合の作成プ
ロセスの例を図9に示す。本作成プロセスでは、第1シ
リコン基板を酸化させ、酸化膜を介して第2シリコン基
板と直接接合法を用いて接合させてから、第2シリコン
基板を所定の厚さに研磨したSOI基板を用いる。 (a)SOI層に高濃度拡散層29を形成させた後、酸
化を行い酸化膜24で全面を覆う。 (b)PSG等のパッシベーション膜30を全面に堆積
後、高濃度拡散層29に到達するコンタクトホールを形
成する。その後、全面に配線となる金属を堆積させ、パ
ターニングを行い、金属配線26を形成する。 (c)全面に再度PSG等のパッシベーション膜30を
堆積させた後、パッシベーション膜30及び酸化膜24
のパターニングを行う。 (d)窒化シリコン膜23を全面に堆積後、パターニン
グを行い、金属配線および周辺回路部の保護膜を形成す
る。その後、RIE等の技術を用い、SOI層に溝部3
1を形成する。
2. An example of the manufacturing process when the SOI layer is a structural material is shown in FIG. In this manufacturing process, the first silicon substrate is oxidized and bonded to the second silicon substrate through the oxide film by the direct bonding method, and then the second silicon substrate is polished to a predetermined thickness, and the SOI substrate is used. . (A) After forming the high-concentration diffusion layer 29 in the SOI layer, it is oxidized to cover the entire surface with the oxide film 24. (B) After depositing a passivation film 30 such as PSG on the entire surface, a contact hole reaching the high concentration diffusion layer 29 is formed. After that, a metal to be a wiring is deposited on the entire surface and patterned to form a metal wiring 26. (C) After depositing the passivation film 30 such as PSG again on the entire surface, the passivation film 30 and the oxide film 24
Is performed. (D) After depositing the silicon nitride film 23 on the entire surface, patterning is performed to form a protective film for the metal wiring and the peripheral circuit portion. After that, a groove 3 is formed in the SOI layer by using a technique such as RIE.
Form one.

【0021】(e)SOI層下の酸化膜を犠牲層とし
て、弗酸系の溶液で除去し振動質量及び支持部を形成す
る。なお、上記の説明では省略したが、同一基板上に周
辺回路部も集積することにより微小な信号処理が可能に
なるばかりではなく、センサの小型化、低コスト化にも
有利となる。
(E) Using the oxide film under the SOI layer as a sacrifice layer, it is removed with a hydrofluoric acid-based solution to form a vibrating mass and a supporting portion. Although omitted in the above description, by integrating the peripheral circuit section on the same substrate, not only fine signal processing becomes possible, but it is also advantageous for downsizing and cost reduction of the sensor.

【0022】3.鍍金金属が構造材の場合の作成プロセ
スの例を図10に示す。 (a)まずシリコン基板に高濃度拡散層22を形成さ
せ、酸化膜24を全面に形成させる。その後、パッシベ
ーション膜として窒化シリコン膜23を全面に堆積す
る。 (b)金属膜全面堆積とパターニング、PSG等のパッ
シベーション膜の全面堆積、金属膜配線へのコンタクト
ホール形成、金属膜全面堆積とパターニング、PSG等
のパッシベーション膜の全面堆積とパターニング、金属
配線および周辺回路部保護のための窒化シリコン膜の全
面堆積とパターニングを行う。 (c)犠牲層としての鍍金法による金属膜33の堆積と
パターニング、構造材として鍍金法による金属膜32の
堆積とパターニングを行う。 (d)酸系の溶液を用いて犠牲層金属膜33を除去し、
振動質量及び各支持部を構成する。なお、上記の説明で
は省略したが、同一基板上に周辺回路部も集積すること
により、微小な信号処理が可能になるばかりではなくセ
ンサの小型化、低コスト化にも有利となる。
3. FIG. 10 shows an example of a manufacturing process when the plated metal is a structural material. (A) First, a high concentration diffusion layer 22 is formed on a silicon substrate, and an oxide film 24 is formed on the entire surface. After that, a silicon nitride film 23 is deposited on the entire surface as a passivation film. (B) Metal film overall deposition and patterning, PSG or other passivation film overall deposition, formation of contact holes in metal film wiring, metal film overall deposition and patterning, PSG or other passivation film overall deposition and patterning, metal wiring and surroundings A silicon nitride film for protecting the circuit portion is blanket deposited and patterned. (C) Depositing and patterning the metal film 33 as a sacrifice layer by a plating method, and depositing and patterning the metal film 32 as a structural material by a plating method. (D) The sacrificial layer metal film 33 is removed using an acid-based solution,
An oscillating mass and each support part are comprised. Although omitted in the above description, by integrating the peripheral circuit portion on the same substrate, not only fine signal processing becomes possible, but also it is advantageous for downsizing and cost reduction of the sensor.

【0023】次に本実施の形態の動作について説明す
る。振動質量の駆動及び信号の検出回路の一例を図11
に示す。振動質量14の電位Vmに対して、所定の駆動
電圧を駆動電極端Td1、Td2に交互に印加することによ
り支持部16に支持された振動質量14をx軸方向に駆
動して振動させる。振動質量のx軸方向の共振周波数f
xrは、振動質量の質量と振動質量の四隅に接続された
支持部のx軸方向のバネ定数で決まる。従って、34の
駆動電源OSC1の印加周波数を電気的に調整すること
により容易に共振状態を実現できる。
Next, the operation of this embodiment will be described. FIG. 11 shows an example of a vibrating mass drive and signal detection circuit.
Shown in By applying a predetermined drive voltage to the drive electrode ends Td1 and Td2 alternately with respect to the potential Vm of the vibrating mass 14, the vibrating mass 14 supported by the support portion 16 is driven in the x-axis direction to vibrate. Resonance frequency f of the vibrating mass in the x-axis direction
xr is determined by the mass of the oscillating mass and the spring constant in the x-axis direction of the support connected to the four corners of the oscillating mass. Therefore, the resonance state can be easily realized by electrically adjusting the applied frequency of the driving power source OSC1 of 34.

【0024】精度の良いコリオリ力の測定には振動質量
を一定周波数、一定振幅で駆動することが必要である。
振動周波数は駆動周波数と一致するので、OSC1の周
波数を一定に保持すればよい。一定振幅制御のためには
例えば図11のような構成にすればよい。各駆動電極端
Td1、Td2と駆動電源の間に参照電気容量Cr2を直列
に接続する。電気容量のインピーダンスは下記(3)式
のように表わされるの Zc=1/jωC ……(3) で、Cr2を各駆動電極端と振動質量との間の電気容量
Cd1、Cd2より充分大きくすれば、駆動電圧のCr
2に於ける損失は殆ど無視できる。実際上のCd1、C
d2の値はpF程度であるので、同一基板上においても
Cr2の実現は容易である。参照電気容量Cr2を介し
て駆動電圧D、D ̄(Dの論理否定を表わすものとす
る)を印加した時に、各駆動電極端Td1、Td2の電位を
バッファ38を介して取り出し、その差を復調器37で
駆動電源OSC1の駆動周波数に同期して検出すれば振
動質量の振動振幅に関する情報が得られる。従って得ら
れた振幅情報が所定値になるように駆動電源OSC1に
ネガティブフィードバックをかけることにより、振動質
量の一定振幅駆動が可能となる。作成プロセス時に、支
持部に発生する残留応力のバラツキにより駆動電極の電
極間ギャップにバラツキが発生する可能性がある。例え
ば、図4(a)に示すのは理想的な状態でd3=d4で
ある。この場合にはy軸方向の静電引力は打ち消し合
い、振動質量14に発生する駆動力はx軸方向のみであ
る。しかし、前述の理由により図4(b)に示すように
d3≠d4の状態が発生すると、理想状態からのギャッ
プの偏差がδ(d3−d4=2*δ)の場合、x軸方向
の駆動力は理想状態と同一であるが、y軸方向に駆動電
極一対当り下記(4)式で表わされる静電引力が発生す
る。
In order to measure the Coriolis force with high accuracy, it is necessary to drive the vibrating mass at a constant frequency and a constant amplitude.
Since the vibration frequency matches the drive frequency, the frequency of OSC1 may be kept constant. For the constant amplitude control, for example, the configuration shown in FIG. 11 may be used. The reference capacitance Cr2 is connected in series between the drive electrode ends Td1 and Td2 and the drive power source. The impedance of the electric capacitance is expressed by the following equation (3): Zc = 1 / jωC (3), and Cr2 is sufficiently larger than the electric capacitances Cd1 and Cd2 between each drive electrode end and the oscillating mass. For example, drive voltage Cr
The loss in 2 is almost negligible. Actual Cd1, C
Since the value of d2 is about pF, it is easy to realize Cr2 even on the same substrate. When drive voltages D and D (representing the logical NOT of D) are applied via the reference capacitance Cr2, the potentials at the drive electrode terminals Td1 and Td2 are taken out via the buffer 38 and the difference is demodulated. If the detector 37 detects it in synchronization with the driving frequency of the driving power source OSC1, information about the vibration amplitude of the vibrating mass can be obtained. Therefore, by applying negative feedback to the driving power source OSC1 so that the obtained amplitude information has a predetermined value, it is possible to drive the vibrating mass at a constant amplitude. There is a possibility that the inter-electrode gap of the drive electrodes may vary due to the variation of the residual stress generated in the supporting portion during the manufacturing process. For example, in the ideal state shown in FIG. 4A, d3 = d4. In this case, the electrostatic attractive forces in the y-axis direction cancel each other out, and the driving force generated in the vibrating mass 14 is only in the x-axis direction. However, if the state of d3 ≠ d4 occurs as shown in FIG. 4B for the reason described above, when the deviation of the gap from the ideal state is δ (d3-d4 = 2 * δ), the drive in the x-axis direction is performed. The force is the same as in the ideal state, but an electrostatic attractive force represented by the following formula (4) is generated in the y-axis direction per pair of drive electrodes.

【0025】 Fy=ε0・(L・t)/d0 2・Vd2・4・(δ/d0)…(4) 但し、 ε0:誘電率 L:駆動電極対向長 t:駆動電極厚 d0:理想状態での電極間ギャップ Vd:駆動電圧 する。(4)式で表わされる静電引力は駆動軸方向の共
振周波数を有する。本実施の形態構造の場合、駆動軸と
共振軸の共振周波数は一致するので、前記静電引力によ
り検出軸方向の振動を誘起し、出力に好ましからざる信
号を発生する可能性がある。
Fy = ε 0 · (L · t) / d 0 2 · Vd 2 · 4 · (δ / d 0 ) ... (4) where ε 0 : dielectric constant L: drive electrode facing length t: drive electrode Thickness d 0 : gap between electrodes in ideal state Vd: drive voltage The electrostatic attractive force represented by the equation (4) has a resonance frequency in the drive axis direction. In the case of the structure of the present embodiment, since the resonance frequencies of the drive shaft and the resonance shaft match, there is a possibility that the electrostatic attraction may induce vibration in the direction of the detection axis and generate an unwanted signal in the output.

【0026】しかし、図5に示すような方法により駆動
力配分を調整し、ギャップバラツキの影響を除去するこ
とが出来る。図5(a)は駆動電極部の拡大模式図で、
基板に固定した駆動電極を、振動質量側電極の右側に対
向する電極21と左側に対向する電極20とに分割して
構成してあることを示す。ギャップバラツキが発生した
場合、図5(b)に示すように、電極20及び21に印
加する駆動電圧を調整抵抗Rtを用いて調整し、駆動電
圧により誘起された検出軸方向の振動を抑制することが
できる。
However, the driving force distribution can be adjusted by the method shown in FIG. 5 to eliminate the influence of the gap variation. FIG. 5A is an enlarged schematic view of the drive electrode portion,
It is shown that the drive electrode fixed to the substrate is divided into an electrode 21 facing the right side and an electrode 20 facing the left side of the vibrating mass side electrode. When a gap variation occurs, as shown in FIG. 5B, the drive voltage applied to the electrodes 20 and 21 is adjusted using the adjustment resistor Rt, and the vibration in the detection axis direction induced by the drive voltage is suppressed. be able to.

【0027】振動質量を一定振幅で振動させている状態
で、図1に示すz軸の回りに角速度Ωで回転させると、
y軸方向に下記(2)式で示すコリオリ力が発生する。 Fc(t)≒2・m・Vm(t)・Ω ……(2) ここで、mは振動質量の質量、Vm(t)は振動質量の
x軸方向の速さである。三角関数波状の駆動力を印加し
振動質量が共振周波数fxrで振動している場合、振動
質量のx軸方向の変位は駆動力に比べπ/2位相が遅れ
ている。従って振動質量の変位の微分量であるVm
(t)及びそれに比例するy軸方向のコリオリ力Fc
(t)は駆動力と同一周波数及び同一位相の変化をす
る。従って、支持部で支持された振動質量のy軸方向に
対する共振周波数fyrを駆動軸であるx軸方向の共振
周波数fxrと一致させればコリオリ力によるy軸方向
の変位を大きくすることができる。
When the vibrating mass is vibrated with a constant amplitude, when it is rotated around the z axis shown in FIG. 1 at an angular velocity Ω,
Coriolis force shown by the following equation (2) is generated in the y-axis direction. Fc (t) ≈2 · m · Vm (t) · Ω (2) where m is the mass of the oscillating mass and Vm (t) is the speed of the oscillating mass in the x-axis direction. When a vibrating mass vibrates at the resonance frequency fxr by applying a trigonometric wave-like driving force, the displacement of the vibrating mass in the x-axis direction is delayed by π / 2 phase with respect to the driving force. Therefore, Vm which is the differential amount of displacement of the oscillating mass
(T) and the Coriolis force Fc in the y-axis direction proportional thereto
(T) changes at the same frequency and the same phase as the driving force. Therefore, if the resonance frequency fyr in the y-axis direction of the vibrating mass supported by the support portion matches the resonance frequency fxr in the x-axis direction which is the drive shaft, the displacement in the y-axis direction due to the Coriolis force can be increased.

【0028】本実施の形態の場合、振動質量を4本の、
x,y平面内で変位変形可能で、x軸とy軸のなす角を
2等分する軸方向に対称な構造を有し、そのことにより
x、y両軸方向に等しいバネ定数を有する、支持部で支
持しているため、y軸方向の共振周波数fyrはx軸方
向の共振周波数fxrと一致する。1つの支持部では
x、y軸の正負方向でそれぞれバネ定数が若干異なる場
合もあり得るが、本実施の形態の場合のように、振動質
量を支持する支持部を、xおよびy軸に対して対称に配
置することにより、上記の影響を除去できる。また、両
方向おける振動モードも同一化できる(但し、y軸方向
の変位は駆動力であるコリオリ力よりπ/2位相がずれ
る)。
In the case of the present embodiment, four vibration masses are used,
It has a structure that is displaceable and deformable in the x and y planes and that is symmetrical in the axial direction that bisects the angle formed by the x axis and the y axis, and thus has the same spring constant in both the x and y axis directions. Since it is supported by the supporting portion, the resonance frequency fyr in the y-axis direction matches the resonance frequency fxr in the x-axis direction. The spring constant may be slightly different in each of the positive and negative directions of the x and y axes in one support part. However, as in the case of the present embodiment, the support part supporting the vibrating mass is provided with respect to the x and y axes. By arranging them symmetrically, the above influence can be eliminated. Also, the vibration modes in both directions can be made the same (however, the displacement in the y-axis direction is shifted by π / 2 phase from the Coriolis force which is the driving force).

【0029】本実施の形態のように、振動質量、支持部
及び櫛歯電極の構造が所定の厚さを有する薄膜によって
構成される場合、各部材の質量は構造材の密度とx、y
平面に於ける面積によって決定される。また、支持部の
x軸及びy軸方向のバネ定数は支持部材の剛性率とx、
y平面に於ける形状及び断面形状すなわち断面2次モー
メントによってのみ決定される。従ってx、y両軸方向
の共振周波数を構造材の厚さ及びx、y平面の構造設計
により決定することができる。製造プロセスのばらつき
により構造材の厚さ、長さ及び図7に示すような断面形
状の偏差が生じた場合、各軸方向の共振周波数の変化は
x、y軸方向については下記の(5)、z軸方向につい
ては下記(6)式のように表わされる。
When the structure of the vibrating mass, the supporting portion and the comb-teeth electrode is constituted by a thin film having a predetermined thickness as in the present embodiment, the mass of each member is the density of the structural material and x, y.
Determined by the area in the plane. In addition, the spring constants of the support portion in the x-axis and y-axis directions are the rigidity ratio of the support member and x,
It is determined only by the shape and cross-sectional shape in the y-plane, ie the geometrical moment of inertia. Therefore, the resonant frequencies in both the x and y axis directions can be determined by the thickness of the structural material and the structural design of the x and y planes. When variations in the thickness and length of the structural material and the cross-sectional shape as shown in FIG. 7 occur due to variations in the manufacturing process, the change in the resonance frequency in each axial direction is as follows (5) in the x and y axis directions. , Z-axis direction is expressed by the following equation (6).

【0030】 Δf/fx,y=−(3/4)×δ−(5/2)×(ΔL/L) …(5) Δf/fz=−Δt/t−(1/4)×δ−(5/2)×(ΔL/L)…(6) 但し δ=(b−a)/b:支持部の断面形状変化 Δt/t :構造材の厚さの偏差 ΔL/L :構造材の長さの偏差 従って、(5)式から判るように、偏差が同一角速度セ
ンサ内にて一定であれば、x、y軸方向の共振周波数の
絶対値は変化しても相対値は変化しないので、駆動電源
OSC1の駆動周波数の調整のみで高感度化が可能であ
る。
Δf / fx, y = − (3/4) × δ− (5/2) × (ΔL / L) (5) Δf / fz = −Δt / t− (1/4) × δ− (5/2) × (ΔL / L) (6) where δ = (b−a) / b: Change in cross-sectional shape of the supporting portion Δt / t: Deviation in thickness of structural material ΔL / L: Of structural material Therefore, as can be seen from the equation (5), if the deviation is constant within the same angular velocity sensor, the relative value does not change even if the absolute values of the resonance frequencies in the x and y axis directions change. The sensitivity can be increased only by adjusting the drive frequency of the drive power supply OSC1.

【0031】(2)式で示されるコリオリ力による検出
電極対の電気容量変化の検出は例えば図11に示すよう
に行えばよい。各検出電極端Vs1、Vs2と、34の
駆動電源OSC1より充分高い周波数を有する35の検
出電源OSC2との間に、各検出電極と振動質量側電極
との間の電気容量にほぼ等しい参照電気容量Cr1を直
列に接続する。参照電気容量Cr1を介して検出電圧C
を印加した時に、各検出電極端Vs1、Vs2の電位の
差を、バッファ38介して、復調器37によって、35
の検出電源OSC2の駆動周波数に同期して検出すれ
ば、34の駆動電源OSC1の周波数で変化するコリオ
リ力によるy軸方向の変位量が得られる。従って、図1
1に示すように、再度OSC1の駆動周波数に同期して
信号を処理すればy軸方向の変位量に対応したDC信号
が得られる。
The change in the capacitance of the detection electrode pair due to the Coriolis force expressed by the equation (2) may be detected, for example, as shown in FIG. A reference capacitance substantially equal to the capacitance between each detection electrode and the oscillating mass side electrode between each detection electrode end Vs1, Vs2 and 35 detection power supply OSC2 having a frequency sufficiently higher than the driving power supply OSC1 of 34. Cr1 is connected in series. Detection voltage C via the reference capacitance Cr1
Is applied, the difference between the potentials of the detection electrode ends Vs1 and Vs2 is detected by the demodulator 37 via the buffer 38.
If the detection is performed in synchronization with the drive frequency of the detection power supply OSC2, the displacement amount in the y-axis direction due to the Coriolis force changing at the frequency of the drive power supply OSC1 of 34 can be obtained. Therefore, FIG.
As shown in FIG. 1, if the signal is processed again in synchronization with the driving frequency of the OSC1, a DC signal corresponding to the displacement amount in the y-axis direction can be obtained.

【0032】また、他の検出方法の一例を図12に示
す。図11の場合と同様に参照電気容量Cr1を介して
各検出電極端に検出電圧Cを印加した時に、各検出電極
端Vs1、Vs2の電位の差を、バッファ38を介し
て、復調器37によって、検出電源OSC2の駆動周波
数に同期して検出すれば、駆動電源OSC1の周波数で
変化するコリオリ力によるy軸方向の変位量が得られ
る。こうして得られた信号をピークホールド回路39に
入力して最大信号を検出すれば、コリオリ力によるy軸
方向の変位量に対応したDC信号が得られる。
An example of another detection method is shown in FIG. As in the case of FIG. 11, when the detection voltage C is applied to each detection electrode end via the reference capacitance Cr1, the potential difference between the detection electrode ends Vs1 and Vs2 is detected by the demodulator 37 via the buffer 38. If the detection is performed in synchronization with the drive frequency of the detection power source OSC2, the displacement amount in the y-axis direction due to the Coriolis force that changes with the frequency of the drive power source OSC1 can be obtained. By inputting the signal thus obtained to the peak hold circuit 39 and detecting the maximum signal, a DC signal corresponding to the amount of displacement in the y-axis direction due to the Coriolis force is obtained.

【0033】また、更に他の検出方法の一例を図13に
示す。図11の場合と同様に、参照電気容量Cr1を介
して各検出電極端Vs1、Vs2に検出電圧Cを印加す
る。この場合、検出電圧源OSC3は駆動電源OSC1
と同一の周波数を有し、かつOSC1に対して位相差δ
を有するものとする。動作状態において、駆動力による
x軸方向の変位と、コリオリ力によるy軸方向の変位と
の間にはある位相差が生じる。従って、OSC3を調整
してOSC1との位相差を調整し、各検出電極端Vs
1、Vs2の電位を、バッファ38を介して、復調器3
7によって、検出電源OSC3(周波数はOSC1に等
しく位相のみ異なる)40の周波数に同期して検出し、
その差を採れば、コリオリ力によるy軸方向の変位量に
対応したDC信号が得られる。
FIG. 13 shows an example of still another detection method. As in the case of FIG. 11, the detection voltage C is applied to each of the detection electrode ends Vs1 and Vs2 via the reference capacitance Cr1. In this case, the detected voltage source OSC3 is the drive power source OSC1.
Has the same frequency as and has a phase difference δ with respect to OSC1.
Shall have. In the operating state, there is a certain phase difference between the displacement in the x-axis direction due to the driving force and the displacement in the y-axis direction due to the Coriolis force. Therefore, the OSC3 is adjusted to adjust the phase difference with the OSC1, and each detection electrode end Vs is adjusted.
The potentials of 1 and Vs2 are supplied to the demodulator 3 via the buffer 38.
7 detects in synchronization with the frequency of the detection power supply OSC3 (frequency is equal to OSC1 and differs only in phase) 40,
If the difference is taken, a DC signal corresponding to the amount of displacement in the y-axis direction due to the Coriolis force can be obtained.

【0034】DC的なx軸方向の外乱加速度入力は、振
動質量の振動振幅の変化として出力に影響を与える。こ
の影響は振動振幅を監視し、これを一定にするような図
11、図12、図13に示したような構成をとることに
より除去することができる。
The DC-like disturbance acceleration input in the x-axis direction affects the output as a change in the vibration amplitude of the vibrating mass. This effect can be eliminated by monitoring the vibration amplitude and taking the configuration shown in FIGS. 11, 12, and 13 so as to keep it constant.

【0035】DC的なz軸方向の外乱加速度入力は、振
動質量の振動振幅の変化および検出電極の対向面積の変
化として出力に影響を与える。振動振幅の変化による影
響はx軸方向の場合と同じ手法で除去できる。検出電極
の対向面積の変化による出力への影響は、検出電極対の
差動容量を検出する図11、図12、図13のような回
路構成により除去できる。
The DC-like disturbance acceleration input in the z-axis direction affects the output as a change in the vibration amplitude of the vibrating mass and a change in the facing area of the detection electrode. The influence of the change in the vibration amplitude can be removed by the same method as in the x-axis direction. The influence on the output due to the change in the facing area of the detection electrodes can be eliminated by the circuit configuration as shown in FIGS. 11, 12 and 13 which detects the differential capacitance of the detection electrode pair.

【0036】DC的なy軸方向の外乱加速度入力は、本
実施の形態のような角速度センサ1対を並べて設置し、
それぞれの振動質量を逆位相で駆動し、角速度センサ1
対それぞれの出力の差を採ることによって除去すること
ができ、一層精度の高い角速度検出を行うことができ
る。また、角速度センサそれぞれの出力の和を採ること
により、検出軸方向(y軸方向)のDC的な外来加速度
入力を検出できる。
For DC-like disturbance acceleration input in the y-axis direction, a pair of angular velocity sensors as in this embodiment are installed side by side,
The respective oscillating masses are driven in opposite phases, and the angular velocity sensor 1
It can be eliminated by taking the difference between the outputs of each pair, and the angular velocity can be detected with higher accuracy. Further, by taking the sum of the outputs of the angular velocity sensors, it is possible to detect a DC external acceleration input in the detection axis direction (y-axis direction).

【0037】とくに、x、y軸方向のAC的な外乱加速
度入力にさらされると、x軸方向及びy軸方向に共振に
よる振動が誘起され出力に影響を蒙るが、各軸方向の共
振周波数を充分高く設計すれば、センサの実装構造によ
り、ローパスフィルタを構成して、AC的外乱加速度入
力を抑制することができる。
Particularly, when exposed to an AC disturbance acceleration input in the x- and y-axis directions, vibration due to resonance is induced in the x-axis direction and the y-axis direction to affect the output, but the resonance frequency in each axis direction is affected. If it is designed sufficiently high, a low-pass filter can be configured by the mounting structure of the sensor to suppress AC-like disturbance acceleration input.

【0038】本実施の形態を説明する図面では、角速度
検出部のみを図示したが、図11、図12、図13に示
すような、検出部全体の駆動および信号処理回路を同一
基板上に形成すれば、角速度を検出して発生した微小な
信号を処理回路に入力する間に混入する外来ノイズの影
響を大幅に減少できる。また、参照電気容量Cr1対、
Cr2対の電気容量のペア性を向上させることができ、
駆動力及び出力信号のオフセットを低減することが出来
る。
Although only the angular velocity detector is shown in the drawings for explaining the present embodiment, the drive and signal processing circuits for the entire detector as shown in FIGS. 11, 12 and 13 are formed on the same substrate. By doing so, it is possible to greatly reduce the influence of external noise mixed while inputting a minute signal generated by detecting the angular velocity to the processing circuit. Also, the reference capacitance Cr1 pair,
It is possible to improve the pairing of the electric capacity of the Cr2 pair,
The driving force and the offset of the output signal can be reduced.

【0039】本第1の実施の形態の効果を述べると下記
の如くである。 a:駆動軸及び検出軸方向に等しいバネ定数を有する支
持部を、上記2軸の方向に対して対称に配置して、振動
質量を支持したため、上記2軸方向の共振周波数及び振
動モードが一致し角速度の高精度測定が可能である。 b:振動質量に対向し、これを静電引力で駆動する駆動
電極を分割し、独立して駆動電圧を印加できる構成とし
たため、駆動振動を高精度に制御することができる。 c:平面方向に駆動、振動させ、平面方向に検出するの
で、駆動軸及び検出軸の相対的な共振周波数の設計が容
易である。 d:平面構造を有する振動質量が、基板平面に平行に振
動するので、共振時に高いQ値が得られる。 e:平面方向に駆動、振動させ、平面方向に検出するの
で、2次元的に電極を構成でき構造が簡単になる。 f:半導体作成技術を用いて角速度センサを実現したの
で、小型化、軽量化及び低コスト化が可能で、均一な特
性を有するセンサの大量生産に対応できる。 g:センサ特性を2次元の構造のみで設計できる。 h:静電引力駆動、静電容量検出を用いることにより、
振動質量及び各支持部を同一電位にする事ができ、電気
的配線が容易である。 i:静電引力駆動、静電容量検出を用いることにより、
振動質量および各支持部を同一電位にする事ができるの
で、各支持部上の金属、ポリシリコンまたは高濃度拡散
層による電気的配線が不要となり各構造部材の熱膨張係
数差に起因する出力への悪影響を除去できる。 j:静電引力駆動、静電容量検出を用いることにより、
振動質量及び各支持部を同一電位にする事ができるので
各支持部上の金属、ポリシリコンまたは高濃度拡散層に
よる電気的配線が不要であり、各支持部上に金属配線を
用いた場合に、金属配線の塑性変形によって発生する恐
れのあるオフセットまたはヒステリシスを除去できる。 k:振動質量を直接駆動しているので、振動質量の振動
振幅の一層高精度な制御が可能である。 l:表面形マイクロストラクチャにより振動質量及び支
持部を形成したため、機械系の共振周波数を高く設計す
ることが可能である。従って、センサの実装構造により
AC的な外乱加速度入力に対するローパスフィルタを構
成すれば、AC的な外乱加速度入力による出力への悪影
響を除去できる。 m:振動振幅の監視用電極を用いることなく、振動振幅
の一定制御が可能である。 n:駆動による振動振幅の一定制御と検出容量の差動容
量検出により、振動振幅の駆動軸及び角速度入力軸に対
するDC的な外乱加速度入力の、出力への悪影響を除去
できる。 o:振動質量を逆位相で駆動する角速度センサ1対を用
い、それぞれの出力の差を採ることにより、検出軸方向
のDC的な外乱加速度入力の、出力に対する悪影響を除
去でき、一層精度の高い角速度検出を行うことが出来
る。 p:振動質量を逆位相で駆動する角速度センサ1対を用
い、それぞれの出力の和を採ることにより検出軸方向の
加速度の検出を行うことが出来る。 q:検出部、検出部の駆動回路及び信号処理回路を同一
基板上に形成すれば、微小な発生信号を処理回路に入力
する間に混入する外来ノイズの影響を大幅に減少でき
る。また、参照電気容量Cr1対、Cr2対の電気容量
のペア性を向上することができ、駆動力及び出力信号の
オフセットを低減することが出来る。 r:ACサーボ機構を付加し、フィードバック量を出力
信号とする事により、更に高感度化が可能である。 第2の実施の形態:本発明の第2の実施の形態を図3に
よって説明する。本実施の形態は請求項1、3〜15に
対応する。基本構成は図3に示す通りで、それぞれx,
y両軸方向に等しいバネ定数を有し、x、y平面内で変
位変形可能な複数の弾性構造体を、x軸とy軸のなす角
を2等分する軸方向に対称に、支持部18として配置す
ることにより実現可能である。2つの例を図16に示
す。また、複数の弾性構造体それぞれは、図14、図1
5に示したものでもよい。これらの図において、14は
振動質量、17は固定部、18は支持部である。x軸、
y軸のなす角を2等分する方向に対称軸を設定している
ため、x軸およびy軸方向への構造体の変形のモードが
等しくなり両軸方向に等しいバネ定数を有する。
The effects of the first embodiment will be described below. a: Since the vibrating mass is supported by arranging the support portions having the same spring constants in the drive axis and the detection axis directions symmetrically with respect to the directions of the two axes, the resonance frequency and the vibration mode in the two axis directions are equal to each other. Highly accurate measurement of angular velocity is possible. b: Since the drive electrode that opposes the oscillating mass and drives it by electrostatic attraction is divided and the drive voltage can be independently applied, the drive vibration can be controlled with high accuracy. c: Driving and vibrating in the plane direction and detecting in the plane direction, it is easy to design the relative resonance frequency of the drive shaft and the detection shaft. d: Since the vibrating mass having a planar structure vibrates in parallel to the substrate plane, a high Q value is obtained at resonance. e: Driving and vibrating in the plane direction and detection in the plane direction, the electrodes can be configured two-dimensionally and the structure is simplified. f: Since the angular velocity sensor is realized by using the semiconductor manufacturing technology, it is possible to reduce the size, the weight, and the cost, and it is possible to correspond to the mass production of the sensor having uniform characteristics. g: The sensor characteristics can be designed only with a two-dimensional structure. h: By using electrostatic attraction drive and electrostatic capacitance detection,
The vibrating mass and each supporting portion can have the same potential, and electrical wiring is easy. i: By using electrostatic attraction drive and electrostatic capacitance detection,
Since the oscillating mass and each support can be set to the same potential, electrical wiring by metal, polysilicon, or high-concentration diffusion layer on each support is not required, and output due to difference in thermal expansion coefficient of each structural member The adverse effect of can be eliminated. j: By using electrostatic attraction drive and electrostatic capacitance detection,
Since the vibrating mass and each support can be set to the same potential, electrical wiring by metal, polysilicon, or high-concentration diffusion layer on each support is unnecessary, and when metal wiring is used on each support The offset or hysteresis that may occur due to the plastic deformation of the metal wiring can be eliminated. k: Since the vibrating mass is directly driven, the vibration amplitude of the vibrating mass can be controlled with higher accuracy. l: Since the vibrating mass and the supporting portion are formed by the surface type microstructure, the resonance frequency of the mechanical system can be designed to be high. Therefore, if the low-pass filter for the AC-like disturbance acceleration input is configured by the mounting structure of the sensor, it is possible to eliminate the adverse effect on the output due to the AC-like disturbance acceleration input. m: Constant control of vibration amplitude is possible without using electrodes for monitoring vibration amplitude. n: By the constant control of the vibration amplitude by driving and the detection of the differential capacitance of the detection capacitance, it is possible to remove the adverse effect on the output of the DC-based disturbance acceleration input to the drive axis and the angular velocity input axis of the vibration amplitude. o: By using a pair of angular velocity sensors that drive the oscillating mass in opposite phases, and by taking the difference between the outputs, it is possible to eliminate the adverse effect of the DC-like disturbance acceleration input in the detection axis direction on the output, and to achieve higher accuracy. It is possible to detect angular velocity. p: A pair of angular velocity sensors that drive the oscillating mass in opposite phases are used, and the acceleration in the detection axis direction can be detected by taking the sum of the respective outputs. q: If the detection unit, the drive circuit of the detection unit, and the signal processing circuit are formed on the same substrate, the influence of external noise mixed while inputting a minute generated signal to the processing circuit can be significantly reduced. Also, the pairing of the reference capacitances Cr1 and Cr2 can be improved, and the driving force and the offset of the output signal can be reduced. By adding an r: AC servo mechanism and using the feedback amount as an output signal, higher sensitivity can be achieved. Second Embodiment: A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The present embodiment corresponds to claims 1, 3 to 15. The basic configuration is as shown in FIG. 3, where x,
A plurality of elastic structures that have the same spring constants in both y-axis directions and can be displaced and deformed in the x- and y-planes are symmetrically supported in the axial direction that bisects the angle between the x-axis and the y-axis. It can be realized by arranging as 18. Two examples are shown in FIG. In addition, each of the plurality of elastic structures is illustrated in FIGS.
5 may be used. In these figures, 14 is an oscillating mass, 17 is a fixed part, and 18 is a support part. x-axis,
Since the axis of symmetry is set in a direction that bisects the angle formed by the y-axis, the modes of deformation of the structure in the x-axis direction and the y-axis direction are equal, and the spring constants are equal in both axial directions.

【0040】作成するための製造工程は、第1の実施の
形態の場合と同様である。また、第1の実施の形態と同
様に作用するが、本第2の実施の形態の場合、振動質量
を、xy平面内で変位変形可能で、それぞれx,y両軸
方向に等しいバネ定数を有する複数の弾性構造体を、そ
れぞれ、x軸、y軸方向のなす角を2等分する方向に対
称に組合せて配置した支持部で支持しているため、y軸
方向の共振周波数fyrはx軸方向の共振周波数fxr
と一致する。1つの支持部ではx、y軸の正負方向でそ
れぞれバネ定数が若干異なる場合もあり得るが、本実施
の形態のように、振動質量を支持する支持部を、x軸お
よびy軸にに対して対称に、配置することによって、上
記のような影響を除去できる。また、両方向における振
動モードも同一化できる(但し、y軸方向の変位は駆動
力であるコリオリ力よりπ/2だけ位相がずれる)。第
2の実施の形態でも第1の実施の形態と同様な効果が得
られる。
The manufacturing process for producing is the same as in the case of the first embodiment. Further, although it operates in the same manner as in the first embodiment, in the case of the second embodiment, the oscillating mass can be displaced and deformed in the xy plane, and the same spring constant can be obtained in both the x and y axial directions. Since the plurality of elastic structures that are provided are respectively supported by the support portions that are symmetrically arranged in a direction that bisects the angle formed by the x-axis direction and the y-axis direction, the resonance frequency fyr in the y-axis direction is x. Axial resonance frequency fxr
Matches There may be cases where the spring constants of the one support part are slightly different in the positive and negative directions of the x and y axes, but as in the present embodiment, the support part that supports the oscillating mass is different from the x and y axes. By arranging them symmetrically, the above influence can be eliminated. Further, the vibration modes in both directions can be made the same (however, the displacement in the y-axis direction is out of phase by π / 2 from the Coriolis force which is the driving force). The same effects as those of the first embodiment can be obtained in the second embodiment.

【0041】第3の実施の形態:本第3の実施の形態で
は、既述の第1、第2の実施の形態とは異なって、振動
質量の側方に配置する電極は1種類だけで、x軸方向駆
動用とか、コリオリ力によるy軸方向変位検出用とかの
区別はない。但し、電極間間隙の不同に対処するため
に、固定電極をそれぞれ異なる電位を印加できる2組に
分割することは第1、第2の実施の形態の場合と同様で
ある。
Third Embodiment: In the third embodiment, unlike the above-described first and second embodiments, only one type of electrode is arranged on the side of the vibrating mass. There is no distinction between x-axis driving and y-axis displacement detection by Coriolis force. However, in order to deal with the difference in the gap between the electrodes, the fixed electrode is divided into two groups to which different potentials can be applied, as in the first and second embodiments.

【0042】本第3の実施の形態について、まず、振動
質量側電極と固定側電極とで構成される櫛歯電極対の状
態を図17、図18により説明する。これらの図は薄膜
構造材で形成された角速度センサの振動質量と対向(固
定)電極部の平面模式図を示す。図中、66は振動質量
で、後述するような支持部により支持(図面の簡略化の
ため図示せず)されている。また振動質量は支持部を介
して共通電位に接続されている。70は振動質量の側面
より延設した櫛歯電極である。櫛歯電極70では、それ
ぞれ対向電極が所定の電極間間隙を隔てて対向してい
る。図17では1本の櫛歯電極70の両側面にそれぞれ
対向電極68、69が対向している。図18では1本の
櫛歯電極70の一方の側面に対向電極68または69が
対向して対を構成している。対向電極68、69は接続
部67において引き出し電極71に接続されて周辺回路
に接続されている(周辺回路は図面の簡略のため図示せ
ず)。対向電極68、69は電気的に独立しており、そ
れぞれ振動質量間で静電容量を構成している。図示した
ような振動質量および対向電極は公知の技術により結晶
シリコン又は多結晶シリコン等を用いて作成可能であ
る。通常振動質量および対向電極の厚さは数μm程度で
ある。
Regarding the third embodiment, first, the state of the comb-teeth electrode pair composed of the vibrating mass side electrode and the fixed side electrode will be described with reference to FIGS. 17 and 18. These figures are schematic plan views of the oscillating mass of the angular velocity sensor formed of the thin film structural material and the facing (fixed) electrode portion. In the figure, reference numeral 66 denotes an oscillating mass, which is supported (not shown for simplification of the drawing) by a supporting portion described later. The oscillating mass is also connected to the common potential via the support. 70 is a comb-tooth electrode extending from the side surface of the vibrating mass. In the comb-teeth electrode 70, the counter electrodes face each other with a predetermined gap between the electrodes. In FIG. 17, counter electrodes 68 and 69 are opposed to both side surfaces of one comb-tooth electrode 70, respectively. In FIG. 18, the counter electrode 68 or 69 faces one side surface of one comb-tooth electrode 70 to form a pair. The counter electrodes 68 and 69 are connected to the extraction electrode 71 at the connection portion 67 and are connected to the peripheral circuit (the peripheral circuit is not shown for simplification of the drawing). The counter electrodes 68 and 69 are electrically independent, and each constitutes a capacitance between the oscillating masses. The oscillating mass and the counter electrode as shown in the drawing can be made by using a known technique using crystalline silicon or polycrystalline silicon. Generally, the thickness of the vibrating mass and the counter electrode is about several μm.

【0043】図19および図20に振動質量の支持方法
の概略平面図を示す(これらの図には図17に示した対
向電極構造を示したが、図18に示した対向電極でも同
様に実現できる)。図19で72は薄膜構造材で形成さ
れた振動質量である。振動質量72は四隅において、同
じく薄膜構造材で形成され、x、y両軸方向に等しいバ
ネ定数を有する支持部73に接続されている(支持部は
模式的に示した)。支持部はx、y両軸に対して対称に
配置されている。支持部の他端は固定部74において基
板に固定されると共に、導電材と電気的にも接続されて
いる(図面の簡略化のため配線は図示せず)。振動質量
はx、y両軸方向に等しいバネ定数を有する支持部73
によって支持されているため、x、y両軸方向に変位可
能で、かつ同じ共振周波数を有する。破線で囲まれた部
分75は電極部である。図20で支持部76は、図中
x、y平面内で変位可能な複数の弾性構造体を、それぞ
れ、x軸、y軸方向に、x軸とy軸のなす角を2等分す
る方向に対称に配置して構成されている。x、y軸のな
す角を2等分する方向に対称軸を設定しているため、支
持部76は両軸方向に等しいバネ定数を有する。支持さ
れた振動質量72はx軸およびy軸方向に変位可能で、
かつ同じ共振周波数を有する。
FIGS. 19 and 20 are schematic plan views of the method for supporting the oscillating mass (these figures show the counter electrode structure shown in FIG. 17, but the counter electrode shown in FIG. 18 also realizes the same. it can). In FIG. 19, 72 is an oscillating mass formed of a thin film structural material. The vibrating mass 72 is also formed of a thin film structural material at the four corners, and is connected to a support portion 73 having the same spring constant in both the x and y axis directions (the support portion is shown schematically). The support portions are arranged symmetrically with respect to both x and y axes. The other end of the supporting portion is fixed to the substrate at the fixing portion 74 and is electrically connected to the conductive material (the wiring is not shown for simplification of the drawing). The oscillating mass is a support portion 73 having a spring constant equal to both x and y axes.
Since it is supported by, it can be displaced in both the x and y axis directions and has the same resonance frequency. A portion 75 surrounded by a broken line is an electrode portion. In FIG. 20, the support portion 76 is a direction in which a plurality of elastic structures that are displaceable in the x and y planes are divided into two equal parts in the x-axis and y-axis directions, respectively. Are arranged symmetrically. Since the axis of symmetry is set in a direction that bisects the angle formed by the x and y axes, the support portion 76 has the same spring constant in both axial directions. The supported oscillating mass 72 is displaceable in the x-axis and y-axis directions,
And have the same resonance frequency.

【0044】次に、検出回路の構成を図21によって説
明する。この図では、さきに図19、図20に示した対
向電極端子R1,R2,L1,L2と振動質量間の静電
容量を、それぞれCR1,CR2,CL1,CL2とし
た。破線で囲まれた部分77は振動質量を表わし、CR
1,CR2,CL1,CL2の接続されたノードが振動
質量の電位を表わし、支持部を介してこれを共通電位に
接続している。対向電極端子R1,R2,L1,L2
は、それぞれほぼ等しいDCバイアス値VR1,VR
2,VL1,VL2に保持されている。さらに対向電極
端子R1,R2,L1,L2には、それぞれ参照電気容
量Cref79が接続されており、CR1,CR2,CL
1,CL2には参照電気容量Crefを介して駆動電圧V
1,V2,V1 ̄,V2 ̄が印加されている。なお、7
8は検出電気容量である。従って対向電極端子R1,R
2,L1,L2には、それぞれ、DCバイアス値VR
1,VR2,VL1,VL2と参照電気容量Crefを介
しての駆動電圧V1,V2,V1 ̄,V2 ̄の和が印加
される。対向電極端子R1,R2,L1,L2の電圧
は、バッファ80に入力されインピーダンス変換を行っ
た後、信号処理を行う。図21では図面を簡単にするた
め省略したが、実際には図25に示すように、参照容量
とCR1,CR2,CL1,CL2それぞれに平行に抵
抗を接続して出力電圧のDCバイアス値を安定化させて
いる(図25では4つの容量のうちの1つで模式的に示
した)。
Next, the structure of the detection circuit will be described with reference to FIG. In this figure, the capacitances between the counter electrode terminals R1, R2, L1, L2 and the oscillating mass shown in FIGS. 19 and 20 are CR1, CR2, CL1, CL2, respectively. A portion 77 surrounded by a broken line represents the vibration mass, and CR
The node to which 1, CR2, CL1 and CL2 are connected represents the potential of the oscillating mass, which is connected to the common potential via the support. Counter electrode terminals R1, R2, L1, L2
Are substantially equal DC bias values VR1 and VR, respectively.
2, VL1 and VL2. Further, reference electric capacitances Cref79 are connected to the counter electrode terminals R1, R2, L1, L2, respectively, and CR1, CR2, CL
1 and CL2 are driven by a drive voltage V via a reference capacitance Cref.
1, V2, V1 and V2 are applied. In addition, 7
Reference numeral 8 is a detected capacitance. Therefore, the counter electrode terminals R1, R
DC bias value VR is applied to each of 2, L1 and L2.
1, VR2, VL1, VL2 and the sum of the driving voltages V1, V2, V1 —, V2 — via the reference capacitance Cref are applied. The voltages of the counter electrode terminals R1, R2, L1 and L2 are input to the buffer 80 and subjected to impedance conversion, and then signal processing is performed. Although omitted in FIG. 21 for simplification of the drawing, actually, as shown in FIG. 25, resistors are connected in parallel to the reference capacitor and CR1, CR2, CL1, CL2 to stabilize the DC bias value of the output voltage. (Fig. 25 schematically shows one of the four capacities).

【0045】R1とR2、及びL1とL2の電圧は加算
器81で加算されたのち、減算器82で差を求め、これ
をハイパスフィルタ89を介して復調器83に入力す
る。復調器83で発振器86と同期検出を行ったのち、
ローパスフィルタ84を経て、一部は振動質量の自励発
振のために発振器85に帰還され、もう一部は再度復調
器83に入力され、今度は発振器85と同期検出を行っ
たのち、ローパスフィルタ84を経て振動質量の振幅情
報として制御回路87に入力される。制御回路87から
は角速度に比例した出力と、発振器85に同期した電圧
信号が出力される。発振器85に同期した電圧信号は、
一部はインバータ88に入力した後に、一部はそのまま
で、加算器81に入力され、それぞれの信号は発振器8
6の出力と加算され、それらの出力は参照電気容量Cre
fに印加され振動質量を駆動する。L1とR1及びL2
とR2の電圧は加算器81で加算されたのち、減算器8
2で差を求め、これをハイパスフィルタ89を介して復
調器83に入力し、今度は発振器86と同期検出を行っ
たのち、ローパスフィルタ84を経て振動質量のコリオ
リ力による変位情報として制御回路87に入力する。
The voltages of R1 and R2 and the voltages of L1 and L2 are added by the adder 81, then the difference is obtained by the subtractor 82, and the difference is input to the demodulator 83 via the high pass filter 89. After detecting the synchronization with the oscillator 86 by the demodulator 83,
After passing through the low-pass filter 84, a part is fed back to the oscillator 85 for self-oscillation of the oscillating mass, and another part is input again to the demodulator 83. This time, after performing synchronous detection with the oscillator 85, the low-pass filter It is input to the control circuit 87 via 84 as amplitude information of the oscillating mass. The control circuit 87 outputs an output proportional to the angular velocity and a voltage signal synchronized with the oscillator 85. The voltage signal synchronized with the oscillator 85 is
After a part of the signal is input to the inverter 88, a part of the signal is input as it is to the adder 81.
6 output, and those outputs are added to the reference capacitance Cre.
Applied to f to drive the oscillating mass. L1 and R1 and L2
And the voltage of R2 are added by the adder 81, and then the subtractor 8
The difference is obtained by 2, and this is input to the demodulator 83 via the high-pass filter 89, this time synchronous detection is performed with the oscillator 86, and then the control circuit 87 as the displacement information by the Coriolis force of the oscillating mass via the low-pass filter 84. To enter.

【0046】制御回路87は、例えば図26に示すよう
にして実現する。変位情報と振幅情報は、それぞれ演算
器91に入力される。演算器91において、変位情報は
零レベルからの偏差に、振幅情報は設定した参照レベル
との偏差に応じた駆動電圧の変調量を演算する。図中で
変調量は、変位情報に対してはa、振幅情報に関しては
bと示した。変調量aは増幅器93を介して入力した角
速度として出力される。さらに変調量aは一部はそのま
ま、もう一部はインバータ88で符号を反転した後、加
算器81で変調量bと加算されて、駆動電圧の変調量Δ
1、Δ2が算出される。すなわち Δ1=a+b ……(7) Δ2=−a+b ……(8) である。算出された変調量Δ1、Δ2は振幅変調器92に
入力され、発振器85の振幅をそれぞれに応じて変調
し、駆動電圧Vd1、Vd2を出力する。
The control circuit 87 is realized, for example, as shown in FIG. The displacement information and the amplitude information are input to the calculator 91, respectively. The calculator 91 calculates the modulation amount of the drive voltage according to the deviation from the zero level as the displacement information and the deviation from the set reference level as the amplitude information. In the figure, the modulation amount is indicated by a for displacement information and b for amplitude information. The modulation amount a is output as the angular velocity input via the amplifier 93. Further, a part of the modulation amount a remains as it is, and the other part has its sign inverted by the inverter 88, and then added with the modulation amount b by the adder 81 to obtain the modulation amount Δ of the driving voltage.
1 and Δ 2 are calculated. That is, Δ 1 = a + b (7) Δ 2 = −a + b (8) The calculated modulation amounts Δ 1 and Δ 2 are input to the amplitude modulator 92, which modulates the amplitude of the oscillator 85 according to the amplitudes and outputs drive voltages Vd1 and Vd2.

【0047】図21に戻り、復調器83における発振器
86による同期検出は、図23に示すようにPLL素子
89を用いて信号の周波数を検知して、その周波数で同
期検出を行うホモダイン方式で検出を行っても良い。ま
た、復調器83において発振器85で同期検出した信号
をそれぞれ振幅情報、変位情報として制御回路87に入
力しているが、これは復調器を積分回路に置き換えても
良い。
Returning to FIG. 21, the synchronization detection by the oscillator 86 in the demodulator 83 is performed by the homodyne method in which the frequency of the signal is detected by using the PLL element 89 as shown in FIG. You may go. Further, the signals synchronously detected by the oscillator 85 in the demodulator 83 are input to the control circuit 87 as amplitude information and displacement information, respectively, but the demodulator may be replaced with an integrating circuit.

【0048】次に振動質量の駆動について上記回路の作
用を説明する。参照電気容量Crefを介して対向電極R
1,R2,L1,L2に電圧Vを印加すると、振動質量
の駆動軸方向に下記(9)式で示すような静電引力Fd
が発生する。
Next, the operation of the above circuit for driving the oscillating mass will be described. Counter electrode R via reference capacitance Cref
When a voltage V is applied to 1, R2, L1 and L2, an electrostatic attractive force Fd as shown in the following formula (9) is applied in the drive axis direction of the oscillating mass.
Occurs.

【0049】 Fd=−n/2・ε0・t/d0・V2 ……(9) 但し、 n;振動質量の櫛歯電極に対向する電極数 ε0;誘電率 t;櫛歯電極の厚さ d0;電極間隔 を表わし、負符号は電極の重なりが増えるように駆動力
が発生することを示す。電気容量のインピーダンスは既
述の下記(3)式 ZC=1/jωC ……(3) のように表わされるので、図21に示すように参照容量
Crefを介して振動質量にACの駆動電圧を印加した場
合、振動質量と対向電極間の電気容量CR1,CL1,
CR2,CL2に印加されるACの駆動電圧は下記(1
0)式のように表わされる。
Fd = −n / 2 · ε 0 · t / d 0 · V 2 (9) However, n: the number of electrodes facing the comb-teeth electrode of the oscillating mass ε 0 ; permittivity t; comb-teeth electrode Thickness d 0 ; represents the electrode interval, and the negative sign indicates that the driving force is generated so that the overlapping of the electrodes increases. Since the impedance of the electric capacitance is expressed as the above-mentioned formula (3) Z C = 1 / jωC (3), the driving voltage of AC is applied to the oscillating mass via the reference capacitance Cref as shown in FIG. Is applied, the capacitance between the vibrating mass and the counter electrodes CR1, CL1,
The AC drive voltage applied to CR2 and CL2 is (1)
It is expressed as in equation (0).

【0050】 V=1/(CS/Cref+1)×V〜drive ……(10) 但し V;振動質量と対向電極間の電気容量CR1,
CL1,CR2,CL2に 印加されるACの
駆動電圧 V〜drive;電気容量Crefを介して印加する駆動電圧V
1,V2,V1 ̄, V2 ̄ CS;振動質量と対向電極間の電気容量CR1,CL
1,CR2,CL2 従って、Crefを振動質量と対向電極間の電気容量CR
1,CL1,CR2,CL2より十分大きくすれば駆動
電圧のCrefにおける損失は殆ど無視できる。また、駆
動して振動させることにより電気容量CR1,CL1,
CR2,CL2が変化しても印加されるACの駆動電圧
は、電気容量Crefを介した駆動電圧V1,V2,V1
 ̄,V2 ̄に比例する。実際上のCR1,CL1,CR
2,CL2の値はpF程度であるので、同一基板上にお
いてもCrefの実現は容易である。 駆動電圧としては
図24に示すように、振動質量の共振周波数と一致した
周期を有する発振器85と、発振器85(OSC1,振
幅;vd)より十分高い周波数で且つ出力振幅の小さい
発振器86(OSC2,s振幅;vc)の出力の和を用
いる。より具体的には図21において、発振器85(O
SC1)の出力を制御回路87に入力し、加算器81に
より制御回路87の出力に発振器86(OSC2)の出
力を加算した和を発生させている。発生した駆動電圧V
1,V2は参照容量Crefを介して、図19、図20に
おけるR1,R2に、V1 ̄,V2 ̄は参照容量Cref
を介して、図19、図20におけるL1,L2に印加す
る。V1,V2とV1 ̄,V2 ̄では発振器85(OS
C1)の出力が逆位相である。R1,R2及びL1,L
2に印加される(9)式における電圧は、それぞれのD
Cバイアスと参照容量Crefを介して印加されるAC電
圧V1,V2,V1 ̄,V2 ̄の和すなわち(11)、
(12)式に示すようになる。
V ˜ = 1 / (C S / Cref + 1) × V ˜drive (10) where V ˜ ; electric capacity CR1, between the oscillating mass and the counter electrode
CL1, CR2, AC driving voltage CL2 is applied to the V ~drive; driving voltage is applied via the capacitance Cref V
1, V2, V1  ̄, V2  ̄ C S ; capacitance between the vibrating mass and the counter electrode CR1, CL
1, CR2, CL2 Therefore, Cref is the capacitance between the vibrating mass and the counter electrode CR
If it is made sufficiently larger than 1, CL1, CR2, CL2, the loss in the drive voltage Cref can be almost ignored. Further, by driving and vibrating, the electric capacitances CR1, CL1,
Even if CR2 and CL2 change, the applied AC drive voltage is the drive voltage V1, V2, V1 via the electric capacitance Cref.
Proportional to  ̄, V2  ̄. Actual CR1, CL1, CR
Since the values of 2 and CL2 are about pF, it is easy to realize Cref even on the same substrate. As the drive voltage, as shown in FIG. 24, an oscillator 85 having a period that matches the resonance frequency of the oscillating mass, and an oscillator 86 (OSC2, which has a frequency sufficiently higher than the oscillator 85 (OSC1, amplitude; vd) and a small output amplitude). The sum of the outputs of s amplitude; vc) is used. More specifically, in FIG. 21, the oscillator 85 (O
The output of SC1) is input to the control circuit 87, and the adder 81 generates the sum of the output of the control circuit 87 and the output of the oscillator 86 (OSC2). Drive voltage V generated
1 and V2 are connected to R1 and R2 in FIGS. 19 and 20 via the reference capacitance Cref, and V1 and V2 are reference capacitance Cref.
Is applied to L1 and L2 in FIG. 19 and FIG. For V1, V2 and V1 and V2, oscillator 85 (OS
The output of C1) is in antiphase. R1, R2 and L1, L
The voltage in equation (9) applied to 2 is
The sum of the AC voltages V1, V2, V1 and V2 applied via the C bias and the reference capacitance Cref, that is, (11),
It becomes as shown in Expression (12).

【0051】 V1,V2=Vbias+vd・sinω1t+vc・sinω2t ……(11) V1 ̄,V2 ̄=Vbias−vd・sinω1t+vc・sinω2t …(12) 但し、Vbias;対向電極端子R1,R2,L1,L2の
DCバイアス電圧 ω1;発振器85(OSC1)の発振周波数 vd;発振器85(OSC1)の出力振幅 ω2;発振器86(OSC2)の発振周波数 vc;発振器86(OSC2)の出力振幅 (11)、(12)式を(9)式に代入して得られる静
電引力はR1及びR2とL1及びL2で逆方向となり、
結局振動質量には下記(13)式のように表わされる静
電駆動力が発生する。
V 1 , V 2 = V bias + vd · sin ω 1 t + vc · sin ω 2 t (11) V 1 −, V 2 − = V bias −vd · sin ω 1 t + vc · sin ω 2 t (12) However, V bias ; DC bias voltage of counter electrode terminals R1, R2, L1, L2 ω 1 ; oscillation frequency of oscillator 85 (OSC1) vd; output amplitude of oscillator 85 (OSC1) ω 2 ; oscillation frequency of oscillator 86 (OSC2) vc; oscillator 86 Output amplitude of (OSC2) The electrostatic attractive force obtained by substituting the equations (11) and (12) into the equation (9) is the opposite direction between R1 and R2 and L1 and L2.
Eventually, an electrostatic driving force represented by the following formula (13) is generated in the vibrating mass.

【0052】 Fdrive∝Vbias・vd・sinω1t+vd・vc・sinω1t・sinω2t ……(13) 第2項は、vd≫vcであれば無視できる。さらにω1
より十分高い周波数を有するのでω1付近に共振周波数
を有する振動系に影響を与えない。従って振動質量はω
1で振動する。
F drive ∝V bias · vd · sin ω 1 t + vd · vc · sin ω 1 t · sin ω 2 t (13) The second term can be ignored if vd >> vc. Furthermore ω 1
Since it has a sufficiently higher frequency, it does not affect the vibration system having a resonance frequency near ω 1 . Therefore, the oscillating mass is ω
Vibrates at 1 .

【0053】対向電極端子R1,R2,L1,L2と振
動質量間の静電容量をCS、静止時の櫛歯電極の重なり
をL、櫛歯電極間隔をdとすると、振動質量のx軸方向
駆動およびコリオリ力によるy軸方向変位によるCS
変化は下記(14)式のように表わされる。
Assuming that the capacitance between the counter electrode terminals R1, R2, L1 and L2 and the vibrating mass is C S , the comb-teeth electrode overlap at rest is L, and the comb-teeth electrode interval is d, the x-axis of the vibrating mass is shown. The change in C S due to the direction drive and the y-axis displacement due to the Coriolis force is expressed by the following equation (14).

【0054】 CS=Cs0(1+x/L)/(1+y/d) ……(14) 但し、Cs0;静止時の静電容量 参照容量を介して発振器85(OSC1)の出力vdと
発振器86(OSC2)の出力vcの和を、図21の検
出回路に示すように対向電極に印加した際の対向電極端
子R1,R2,L1,L2のAC電圧VR1,V
2,VL1,VL1は、(10)式に(14)式を
代入して、それぞれ、下記(15)〜(18)式に示す
ようになる。但し、x/L及びy/dの1次項のみで展
開した。
C S = Cs 0 (1 + x / L) / (1 + y / d) (14) Where, Cs 0 : Capacitance at rest Output vd of oscillator 85 (OSC 1) and oscillator via reference capacitance AC voltage V to R1, V to R of counter electrode terminals R1, R2, L1 and L2 when the sum of the output vc of 86 (OSC2) is applied to the counter electrode as shown in the detection circuit of FIG.
2, V to L1 and V to L1 are as shown in the following equations (15) to (18) by substituting the equation (14) into the equation (10). However, only the first-order terms of x / L and y / d were developed.

【0055】 VR1=1/B・(1−A・x/L+A・y/d)・(vd+vc)…(15) VR2=1/B・(1−A・x/L−A・y/d)・(vd+vc)…(16) VL1=1/B・(1+A・x/L+A・y/d)・(−vd+vc)…(17) VL2=1/B・(1+A・x/L−A・y/d)・(−vd+vc)…(18) 但し、A=(Cs0/Cr)/((Cs0/Cr)+1) B=(Cs0/Cr)+1 Cr;参照容量 振動質量の駆動による変位xは以下のように求める。V
R1とVR2及びVL1とVL2の電圧はバッファ80
でインピーダンス変換してから、加算器81で加算され
た後、減算器82で差を求める。その結果は下記(1
9)式のように示される。
V to R1 = 1 / B · (1-A · x / L + A · y / d) · (vd + vc) (15) V to R2 = 1 / B · (1-A · x / LA) -Y / d)-(vd + vc) ... (16) V - L1 = 1 / B- (1 + A-x / L + A-y / d)-(-vd + vc) - (17) V - L2 = 1 / B- ( 1 + A · x / L- A · y / d) · (-vd + vc) ... (18) where, A = (Cs 0 / Cr ) / ((Cs 0 / Cr) +1) B = (Cs 0 / Cr) +1 Cr: Reference capacitance Displacement x due to driving of the oscillating mass is obtained as follows. V
The voltages of R1 and VR2 and VL1 and VL2 are stored in the buffer 80.
After impedance conversion is performed in step S1, the adder 81 adds the values, and the subtracter 82 determines the difference. The result is (1
It is shown like a formula (9).

【0056】 (VR1+VR2)−(VL1+VL2)=4/B・(vd−A・x/L・vc) …(19) 第1項はハイパスフィルタ89を介して除去した後、復
調器83に入力する。復調器83で発振器86と同期検
出を行った後、ローパスフィルタ84で平滑化を行う。
平滑化された信号は発振器85(OSC1)と同じ周波
数を有し、振幅は振動質量の駆動振幅に比例した信号で
ある。この信号は自励発振のため発振器85(OSC
1)に帰還させる。同時にAGC機能実現のため再度復
調器83で発振器85と同期検出を行った後、ローパス
フィルタ84で平滑化を行った後、駆動電圧V1、V2
の振幅を制御する制御回路87に入力する。
(VR1 + VR2) − (VL1 + VL2) = 4 / B · (vd−A · x / L · vc) (19) The first term is input to the demodulator 83 after being removed via the high-pass filter 89. . After the demodulator 83 detects synchronization with the oscillator 86, the low-pass filter 84 smoothes the signal.
The smoothed signal has the same frequency as the oscillator 85 (OSC1), and the amplitude is a signal proportional to the driving amplitude of the oscillating mass. This signal is an oscillator 85 (OSC
Return to 1). At the same time, in order to realize the AGC function, the demodulator 83 again detects the synchronization with the oscillator 85, smoothes it with the low-pass filter 84, and then drives the drive voltages V1 and V2.
Input to the control circuit 87 that controls the amplitude of the.

【0057】振動質量のコリオリ力による変位yは以下
のように求める。発生するコリオリ力は、既述の(2)
式に示すように振動質量の振動速度に比例するため、本
第3の実施の形態の場合、発振器85(OSC1)と同
じ周波数で、振幅はコリオリ力による変位に比例した信
号となる。
The displacement y of the oscillating mass due to the Coriolis force is determined as follows. The Coriolis force generated is as described in (2) above.
Since it is proportional to the vibration velocity of the vibrating mass as shown in the equation, in the case of the third embodiment, the amplitude is a signal proportional to the displacement due to the Coriolis force at the same frequency as the oscillator 85 (OSC1).

【0058】VR1とVL1及びVR2とVL2の電圧
をバッファ80でインピーダンス変換した後、加算器8
1で加算し減算器82で差を求める。その結果は下記
(20)式のように示される。 (VR1+VL1)−(VR2+VL2)=4A/B・y/d・vc…(20) これをハイパスフィルタ89を介して復調器83に入力
する。復調器83で発振器86と同期検出を行った後、
ローパスフィルタ84で平滑化を行う。平滑化された信
号は発振器85(OSC1)と同じ周波数で、振幅はコ
リオリ力による変位に比例した信号となる。再度復調器
83に入力し、今度は発振器85と同期検出を行った
後、ローパスフィルタ84で平滑化を行う。平滑化され
た信号はコリオリ力による振動質量の変位に比例した信
号となり、駆動電圧V1、V2の変調のため制御回路8
7に入力される。復調器83における発振器86による
同期検出において、図23に示すようにPLL素子89
を用いて信号の周波数を検知して、その周波数で同期検
出を行うホモダイン検出を行うことにより高精度な復調
が可能となる。
After impedance conversion of the voltages of VR1 and VL1 and VR2 and VL2 by the buffer 80, the adder 8
1 is added and the subtractor 82 calculates the difference. The result is shown by the following equation (20). (VR1 + VL1) − (VR2 + VL2) = 4A / B · y / d · vc (20) This is input to the demodulator 83 via the high-pass filter 89. After detecting the synchronization with the oscillator 86 by the demodulator 83,
Smoothing is performed by the low pass filter 84. The smoothed signal has the same frequency as the oscillator 85 (OSC1), and the amplitude becomes a signal proportional to the displacement due to the Coriolis force. The signal is input again to the demodulator 83, this time the synchronization with the oscillator 85 is detected, and then smoothing is performed by the low-pass filter 84. The smoothed signal becomes a signal proportional to the displacement of the oscillating mass due to the Coriolis force, and the control circuit 8 for modulating the drive voltages V1 and V2.
7 is input. In the synchronization detection by the oscillator 86 in the demodulator 83, as shown in FIG.
High-accuracy demodulation is possible by detecting the frequency of the signal by using and performing homodyne detection that performs synchronous detection at that frequency.

【0059】制御回路87における駆動電圧V1,V2
の変調は下記のように行われる。参照容量Crefを介し
た駆動電圧の印加により、振動質量と対向電極間には、
図17、図18のコリオリ力検出軸方向に下記(2
1)、(22)式で示すような静電引力が発生する。そ
の方向は電極間間隙を狭める方向である。
Drive voltages V1 and V2 in the control circuit 87
Is modulated as follows. By applying a drive voltage via the reference capacitance Cref, between the vibrating mass and the counter electrode,
In the direction of the Coriolis force detection axis in FIGS.
An electrostatic attractive force as shown by the equations (1) and (22) is generated. That direction is the direction in which the gap between the electrodes is narrowed.

【0060】 Fs1=ε0m・Lt/(d02・(CV12 ……(21) Fs2=ε0m・Lt/(d02・(CV22 ……(22) 但し、m;対向電極対数 C;参照容量Crefによる駆動電圧降下を表わす係数 ε0;誘電率 L;電極の対向する長さ t;電極の厚さ 駆動電圧をV1=V0 1(1+Δ1)、V2=V0 2(1+
Δ2)と変調して、発生したコリオリ力Fcを打ち消す
には下記(23)式の関係を満足すれば良い。
Fs 1 = ε 0 m · Lt / (d 0 ) 2 · (CV 1 ) 2 (21) Fs 2 = ε 0 m · Lt / (d 0 ) 2 · (CV 2 ) 2 …… (22) where m is the number of pairs of counter electrodes C is a coefficient representing the driving voltage drop due to the reference capacitance Cref, ε 0 is the dielectric constant L, the length of the electrodes facing each other t is the thickness of the electrodes, and the driving voltage is V 1 = V 0 1. (1 + Δ 1 ), V 2 = V 0 2 (1+
In order to cancel the generated Coriolis force Fc by modulating with Δ 2 ), the relationship of the following equation (23) should be satisfied.

【0061】 Fc=F1 S−F2 S≒ε0m・(CV02/d2・(Δ1−Δ2) ……(23) 但し、簡単のためV0=V0 1=V0 2とした。このときに
振動質量に印加される駆動力は同様に下記(24)式の
ように表わせる。 Fd≒ε0mt・(CV02/d・{1+(Δ1+Δ2)} ……(24) 従って、(7)、(8)式に示したように駆動電圧を変
調し、逆符号で且つ絶対値の等しい変調±aを印加する
ことにより、下記(25)式のように振動質量の駆動振
幅に影響を与えることなく、発生するコリオリ力を補償
することが出来る。
Fc = F 1 S −F 2 S ≈ε 0 m · (CV 0 ) 2 / d 2 · (Δ 1 −Δ 2 ) ... (23) However, for simplicity, V 0 = V 0 1 = It was the V 0 2. The driving force applied to the oscillating mass at this time can be similarly expressed by the following equation (24). Fd≈ε 0 mt · (CV 0 ) 2 / d · {1+ (Δ 1 + Δ 2 )} (24) Therefore, the drive voltage is modulated as shown in the equations (7) and (8), and the inverse By applying the modulation ± a having the same sign and the same absolute value, it is possible to compensate the generated Coriolis force without affecting the drive amplitude of the vibrating mass as in the following formula (25).

【0062】 Fc≒ε0m・(CV02/d2・2a ……(25) また、振動質量の駆動振幅に外乱入力等により変化が発
生した場合は、(7)、(8)式に示したように駆動電
圧を変調し、絶対値が等しく同符号の変調bを印加する
ことにより、下記(26)式のように振動質量に検出軸
方向の静電引力を発生することなく、駆動力を変化さ
せ、振幅を制御できる。
Fc≈ε 0 m · (CV 0 ) 2 / d 2 · 2a (25) When the driving amplitude of the oscillating mass changes due to disturbance input, etc., (7), (8) By modulating the drive voltage as shown in the equation and applying the modulation b having the same absolute value and the same sign, the electrostatic mass in the detection axis direction is not generated in the vibrating mass as in the following equation (26). , The driving force can be changed and the amplitude can be controlled.

【0063】 Fd≒ε0mt・(CV02/d・{1+2b} ……(26) 制御回路87においては、振動質量の振幅情報とコリオ
リ力による変位情報を同時に入力することにより、先述
の駆動電圧変調を行い、駆動振幅の均一化とコリオリ力
の補償を同時に実現でき、簡易な構造の角速度センサに
より高精度な検出が可能となる。
Fd≈ε 0 mt · (CV 0 ) 2 / d · {1 + 2b} (26) In the control circuit 87, the amplitude information of the oscillating mass and the displacement information due to the Coriolis force are input at the same time. The drive voltage modulation can be performed to realize uniform drive amplitude and compensation of Coriolis force at the same time, and the angular velocity sensor with a simple structure enables highly accurate detection.

【0064】上記第3の実施の形態では下記のような効
果が得られる。 a:検出電極と駆動電極を共用し、振動質量の駆動とコ
リオリ力による変位の測定を同時に行えるため、振動質
量に対向する電極の電位、容量を効率良く確保できる。 b:振動質量に対向する電極を2つに分割し、それぞれ
独立に電圧を印加できるようにしたので、振動質量の駆
動振幅の一定化と発生するコリオリ力の補償が同時に実
現できる。 c:駆動電圧によりコリオリ力を補償するため角速度の
測定範囲が拡大する。 d:駆動電圧によりコリオリ力を補償するため、振動質
量は検出軸方向には振動しない。従って、一層高精度な
角速度測定が可能である。
The following effects can be obtained in the third embodiment. a: Since the detection electrode and the drive electrode are shared and the driving of the oscillating mass and the measurement of the displacement due to the Coriolis force can be performed at the same time, the potential and capacitance of the electrode facing the oscillating mass can be efficiently secured. b: Since the electrodes facing the vibrating mass are divided into two and voltage can be independently applied to each of them, the drive amplitude of the vibrating mass can be made constant and the Coriolis force generated can be compensated at the same time. c: The measurement range of angular velocity is expanded because the Coriolis force is compensated by the drive voltage. d: Since the Coriolis force is compensated by the drive voltage, the vibrating mass does not vibrate in the detection axis direction. Therefore, more accurate angular velocity measurement is possible.

【0065】第4の実施の形態:本実施の形態は請求項
19に関する。角速度センサの構成は第3の実施の形態
の場合と同一である。本実施の形態の検出回路構成を図
22に示す。第3の実施の形態(図21)と差異のある
部分だけを述べる。本実施の形態では、復調器83にお
ける発振器86(OSC2)と同期した検出の後、ロー
パスフィルタを介して波形整形をした信号をそれぞれ変
位情報と振幅情報として制御回路87に入力する。制御
回路からの出力Vd1及びVd2は、一部はそのまま、もう
一部はインバータ88を介して理想ダイオード回路90
に入力する。理想ダイオード回路90の出力に発振器8
6(OSC2)の出力を加算して駆動電圧V1,V2,
V1 ̄,V2 ̄として参照容量79を介して振動質量に
印加される。
Fourth Embodiment: This embodiment relates to claim 19. The configuration of the angular velocity sensor is the same as that of the third embodiment. The configuration of the detection circuit of this embodiment is shown in FIG. Only parts that are different from the third embodiment (FIG. 21) will be described. In the present embodiment, after detection in synchronization with the oscillator 86 (OSC2) in the demodulator 83, the signals whose waveforms have been shaped through the low pass filter are input to the control circuit 87 as displacement information and amplitude information, respectively. The outputs Vd1 and Vd2 from the control circuit are partially unchanged, and the other part is passed through the inverter 88 to the ideal diode circuit 90.
To enter. The oscillator 8 is provided at the output of the ideal diode circuit 90.
6 (OSC2) outputs are added to drive voltages V1, V2,
V1 and V2 are applied to the oscillating mass through the reference capacitor 79.

【0066】参照容量79を介して印加される駆動電圧
V1,V2,V1 ̄,V2 ̄を、図28に示す。駆動電
圧は、駆動力発生のための電圧vdと、振動質量の振幅
およびvdに比べて十分振幅の小さい、コリオリ力によ
る変位読み出しのための電圧vcによって構成される。
vdは発振器85(OSC1)のインバータ88及び理
想ダイオード回路90を介した出力である。vcは発振
器86(OSC2)の出力である。vcは図28(a)
に示すような単極性パルスであっても、図28(b)に
示すような両極性パルスであっても良い。vdとvcは
交互に印加される。図中で、vdとvc印加の中間に電
圧が印加されない時間帯を設けたが、この時間帯は無く
ても本質的な機能は同等である。vdはV1,V2とV
1 ̄,V2 ̄で逆位相で印加される。vcはvdが印加
されていない時間帯τに、V1,V2とV1 ̄,V2 ̄
に同時に印加される。vdの印加により既述の(9)式
に従って発生する静電引力により振動質量は発振器85
(OSC1)と同じ周波数で加振される。読み出し電圧
vcはV1,V2とV1 ̄,V2 ̄に同時に印加される
ため、コリオリ力により振動質量が変位しなければvc
により発生する静電引力は打ち消し合う。また、vcは
vdに比べて十分振幅が小さいので、振動質量が変位し
ても発生する静電引力は無視できる。
FIG. 28 shows the drive voltages V1, V2, V1 and V2 applied via the reference capacitor 79. The driving voltage is composed of a voltage vd for generating a driving force and a voltage vc for reading displacement by Coriolis force, which has a sufficiently smaller amplitude than the amplitude of the oscillating mass and vd.
vd is an output through the inverter 88 of the oscillator 85 (OSC1) and the ideal diode circuit 90. vc is the output of the oscillator 86 (OSC2). vc is shown in FIG.
28B or a bipolar pulse as shown in FIG. 28B. vd and vc are applied alternately. In the figure, a time zone in which no voltage is applied is provided between vd and vc application, but the essential functions are the same even if this time zone is not provided. vd is V1, V2 and V
It is applied in opposite phase at 1 and V2. vc is V1, V2 and V1  ̄, V2  ̄ in the time period τ when vd is not applied.
Are applied simultaneously. The oscillating mass is generated by the oscillator 85 by the electrostatic attractive force generated by the application of vd according to the above-mentioned equation (9).
It is excited at the same frequency as (OSC1). The read voltage vc is applied to V1, V2 and V1  ̄, V2  ̄ at the same time, so if the vibrating mass is not displaced by the Coriolis force, vc
The electrostatic attractive forces generated by the two cancel each other out. Further, since vc has a sufficiently smaller amplitude than vd, the electrostatic attractive force generated even when the vibrating mass is displaced can be ignored.

【0067】図22に示すように、バッファ80を介し
て、対向電極端子R1,R2,L1,L2の電圧の、和
と差を求める。さらに、この信号を発振器86(OSC
2)との同期検出により、第3の実施の形態の場合と同
様に振動質量の駆動による振幅とコリオリ力による変位
の情報が得られる。その後の処理は第3の実施の形態の
場合と同様なので省略する。
As shown in FIG. 22, the sum and the difference of the voltages of the counter electrode terminals R1, R2, L1 and L2 are obtained via the buffer 80. Furthermore, this signal is sent to the oscillator 86 (OSC
By synchronous detection with 2), information on the amplitude due to the driving of the oscillating mass and the displacement due to the Coriolis force can be obtained as in the case of the third embodiment. Subsequent processing is the same as that of the third embodiment, and will be omitted.

【0068】第4の実施の形態では、第3の実施の形態
の効果に加えて下記のような効果がある。 a:発振器86(OSC2)による同期検出だけで変位
情報および振幅情報が得られるため、信号処理回路が簡
素化できる。 第5の実施の形態:本実施の形態は、特に請求項20に
関する。角速度センサの構成は第3の実施の形態と同一
である。本実施の形態の検出回路構成を図27に示す。
第4の実施の形態(図22)と差異のある部分だけを述
べる。本第5の実施の形態では振動質量の電位Vmは、
発振器86(OSC2)に接続されている。制御回路か
らの出力Vd1およびVd2は、一部はそのまま、もう一部
はインバータ88を介して出力され、駆動電圧V1,V
2,V1 ̄,V2 ̄として参照容量79を介して振動質
量に印加される。
The fourth embodiment has the following effects in addition to the effects of the third embodiment. a: Since the displacement information and the amplitude information are obtained only by the synchronous detection by the oscillator 86 (OSC2), the signal processing circuit can be simplified. Fifth Embodiment: This embodiment particularly relates to claim 20. The configuration of the angular velocity sensor is the same as that of the third embodiment. The detection circuit configuration of this embodiment is shown in FIG.
Only parts different from the fourth embodiment (FIG. 22) will be described. In the fifth embodiment, the potential Vm of the oscillating mass is
It is connected to the oscillator 86 (OSC2). Outputs Vd1 and Vd2 from the control circuit are partially output as they are and the other is output through the inverter 88, and drive voltages V1 and Vd are output.
2, V1 and V2 are applied to the oscillating mass via the reference capacitor 79.

【0069】参照容量79を介して印加される駆動電圧
V1,V2,V1 ̄,V2 ̄を、図29に示す。駆動電
圧は駆動力発生のための電圧vdにより構成される。v
dは発振器85(OSC1)の(一部はインバータ88
を介した)出力である。vdはV1,V2とV1 ̄,V
2 ̄で逆位相で、かつvdが印加されていない時間帯τ
が存在するように印加される。vcはvdに比べて十分
に振幅の小さい発振器86(OSC2)の出力であり、
時間帯τ内に振動質量に印加される。vcは図28
(a)に示すような単極パルスであっても、図28
(b)に示すような両極パルスであっても良い。vdの
印加により既出の(9)式に従って発生する静電引力に
より振動質量は発振器85(OSC1)と同じ周波数で
加振される。読み出し電圧vcは、時間帯τ内に振動質
量に印加される。コリオリ力により振動質量が変位しな
ければvcにより発生する静電引力は打ち消し合う。ま
たvcはvdに比べて十分に振幅が小さいので、振動質
量が変位しても発生する静電引力は無視できる。
The drive voltages V1, V2, V1 and V2 applied through the reference capacitor 79 are shown in FIG. The driving voltage is composed of the voltage vd for generating the driving force. v
d is the oscillator 85 (OSC1)
Output). vd is V1, V2 and V1  ̄, V
Time period τ in which the phase is opposite by 2 and vd is not applied.
To be present. vc is the output of the oscillator 86 (OSC2) whose amplitude is sufficiently smaller than vd,
Applied to the oscillating mass within time zone τ. vc is FIG.
Even with a unipolar pulse as shown in FIG.
It may be a bipolar pulse as shown in (b). The oscillating mass is oscillated at the same frequency as the oscillator 85 (OSC1) by the electrostatic attractive force generated by the application of vd according to the equation (9). The read voltage vc is applied to the oscillating mass within the time period τ. If the vibrating mass is not displaced by the Coriolis force, the electrostatic attractive forces generated by vc cancel each other out. Since vc has a sufficiently smaller amplitude than vd, the electrostatic attractive force generated even when the vibrating mass is displaced can be ignored.

【0070】図27に示すように、バッファ80を介し
て、対向電極端子R1,R2,L1,L2の電圧の和と
差を求める。さらに、これらの信号から、発振器86
(OSC2)との同期検出により第3の実施の形態の場
合と同様に、振動質量の駆動による振幅とコリオリ力に
よる変位の情報とが得られる。その後の処理は第3の実
施の形態の場合と同様なので説明を省略する。第5の実
施の形態の効果は第4の実施の形態の効果と同等であ
る。
As shown in FIG. 27, the sum and difference of the voltages of the counter electrode terminals R1, R2, L1 and L2 are obtained via the buffer 80. Furthermore, from these signals, the oscillator 86
By the synchronization detection with (OSC2), the amplitude due to the driving of the oscillating mass and the displacement information due to the Coriolis force can be obtained as in the case of the third embodiment. Subsequent processing is the same as in the case of the third embodiment, so description will be omitted. The effect of the fifth embodiment is equivalent to the effect of the fourth embodiment.

【0071】[0071]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体技術を用いて製作するので、高感度、高精度、外乱
加速度その他のノイズの影響を受け難く、しかも小形、
軽量な角速度センサを、低原価で、容易に量産できると
いう効果が得られる。なお、既に個々の実施の形態につ
いて細部にわたって効果を述べてある。
As described above, according to the present invention, since it is manufactured by using the semiconductor technology, it is highly sensitive, highly accurate, is not easily affected by noise such as disturbance acceleration, and is small in size.
The effect that the lightweight angular velocity sensor can be easily mass-produced at low cost can be obtained. Note that the effects have already been described in detail for each embodiment.

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

【図1】第1の実施の形態の模式的平面図である。FIG. 1 is a schematic plan view of a first embodiment.

【図2】第1の実施の形態の模式的側断面図である。FIG. 2 is a schematic side sectional view of the first embodiment.

【図3】第2の実施の形態の模式的平面図である。FIG. 3 is a schematic plan view of a second embodiment.

【図4】振動質量と固定部との間に形成された対向電極
の間隙不同の駆動力への影響とその軽減手段を説明する
ための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining an influence on a driving force of a non-uniform gap of a counter electrode formed between an oscillating mass and a fixed portion, and a means for reducing the influence.

【図5】振動質量と固定部との間に形成された対向電極
の間隙不同の駆動力への影響を軽減するために固定部側
電極を独立して電圧を印加できる2組に分割したことを
説明する図である。
FIG. 5 shows that the electrodes on the fixed portion are divided into two sets to which a voltage can be independently applied in order to reduce the influence on the driving force due to the gap between the counter electrodes formed between the vibrating mass and the fixed portion. It is a figure explaining.

【図6】コリオリ力によるy軸方向変位を検出するため
の検出電極対の拡大平面図である。
FIG. 6 is an enlarged plan view of a detection electrode pair for detecting y-axis direction displacement due to Coriolis force.

【図7】製造プロセスのバラつきによりの実施の形態の
構造材の断面形状に生じた偏差の例を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an example of deviation caused in the cross-sectional shape of the structural material according to the embodiment due to variations in the manufacturing process.

【図8】ポリシリコンが構造材である場合の作成プロセ
スについて説明する図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a manufacturing process when polysilicon is a structural material.

【図9】SOI層が構造材である場合の作成プロセスに
ついて説明する図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a manufacturing process when the SOI layer is a structural material.

【図10】鍍金金属が構造材である場合の作成プロセス
について説明する図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating a manufacturing process when a plated metal is a structural material.

【図11】第1の実施の形態において、振動質量の駆動
および信号の検出回路の一例を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing an example of a vibrating mass drive and signal detection circuit in the first embodiment.

【図12】第1の実施の形態において、振動質量の駆動
および信号の検出回路の一例を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing an example of a vibrating mass drive and signal detection circuit in the first embodiment.

【図13】第1の実施の形態において、振動質量の駆動
および信号の検出回路の一例を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing an example of a vibrating mass drive and signal detection circuit in the first embodiment.

【図14】第1の実施の形態において、x軸とy軸のな
す角を2等分する軸方向に対称な構造の支持部を1つの
構造要素により実現した例を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing an example in which a single structural element realizes an axially symmetric support portion that bisects the angle formed by the x-axis and the y-axis in the first embodiment.

【図15】第1の実施の形態において、x軸とy軸のな
す角を2等分する軸方向に対称な構造の支持部を複数の
構造要素により実現した例を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing an example in which a plurality of structural elements realize a support portion having a structure that is symmetrical in the axial direction and divides the angle between the x-axis and the y-axis into two equal parts in the first embodiment.

【図16】第2の実施の形態において、複数の弾性構造
体をx軸とy軸のなす角を2等分する軸方向に対称に配
置した例を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing an example in which a plurality of elastic structures are symmetrically arranged in an axial direction that bisects an angle formed by an x axis and ay axis in the second embodiment.

【図17】第3の実施の形態における、振動質量側電極
と固定側電極とで構成される櫛歯電極対の状態を説明す
る平面図である。
FIG. 17 is a plan view illustrating a state of a comb-teeth electrode pair including an oscillating mass side electrode and a fixed side electrode in the third embodiment.

【図18】第3の実施の形態における、振動質量側電極
と固定側電極とで構成される更に簡単な櫛歯電極対の状
態を説明する平面図である。
FIG. 18 is a plan view illustrating a state of a further simple comb-teeth electrode pair including an oscillating mass side electrode and a fixed side electrode in the third embodiment.

【図19】第3の実施の形態における、簡単な支持部材
を用いた振動質量の支持方法を説明するための概略平面
図である。
FIG. 19 is a schematic plan view for explaining a method of supporting an oscillating mass using a simple supporting member according to the third embodiment.

【図20】第3の実施の形態における、複数の弾性構造
体を用いた振動質量の支持方法を説明するための概略平
面図である。
FIG. 20 is a schematic plan view for explaining a vibrating mass supporting method using a plurality of elastic structures in the third embodiment.

【図21】第3の実施の形態における角速度検出回路の
構成を説明する図である。
FIG. 21 is a diagram illustrating a configuration of an angular velocity detection circuit according to a third embodiment.

【図22】第4の実施の形態における角速度検出回路の
構成を説明する図である。
FIG. 22 is a diagram illustrating a configuration of an angular velocity detection circuit according to a fourth embodiment.

【図23】角速度検出回路に、PLL素子を用いて信号
の周波数を検知し、その周波数で同期検出を行うホモダ
イン方式を用いた場合の回路の例を示す図である。
FIG. 23 is a diagram showing an example of a circuit in the case where a homodyne system in which a frequency of a signal is detected by using a PLL element in the angular velocity detection circuit and synchronization detection is performed at the frequency is used.

【図24】第3の実施の形態において、振動質量の共振
周波数に等しい周期を有する発振器と、それより周波数
が充分高く振幅の小さい発振器とにより、対向電極間に
印加している駆動電圧を説明する図である。
FIG. 24 illustrates the driving voltage applied between the opposing electrodes by the oscillator having the period equal to the resonance frequency of the oscillating mass and the oscillator having a sufficiently higher frequency and a smaller amplitude in the third embodiment. FIG.

【図25】第3の実施の形態において、参照容量や、対
向電極端子と振動質量間の静電容量に、それぞれ平行に
抵抗を接続して、出力電圧のDCバイアス値を安定化さ
せている検出電極回路を説明する図である。
FIG. 25 In the third embodiment, resistors are connected in parallel to the reference capacitor and the electrostatic capacitance between the counter electrode terminal and the oscillating mass to stabilize the DC bias value of the output voltage. It is a figure explaining a detection electrode circuit.

【図26】図21に示した角速度検出回路に用いる制御
回路の構成例を示す図である。
FIG. 26 is a diagram showing a configuration example of a control circuit used in the angular velocity detection circuit shown in FIG. 21.

【図27】第5の実施の形態における角速度検出回路の
構成を説明する図である。
FIG. 27 is a diagram illustrating a configuration of an angular velocity detection circuit according to a fifth embodiment.

【図28】第4の実施の形態において、参照容量を介し
て対向電極間に印加される駆動電圧を説明する図であ
る。
FIG. 28 is a diagram illustrating a drive voltage applied between opposing electrodes via a reference capacitor in the fourth embodiment.

【図29】第5の実施の形態において、参照容量を介し
て対向電極間に印加される駆動電圧を説明する図であ
る。
FIG. 29 is a diagram illustrating a drive voltage applied between opposing electrodes via a reference capacitor in the fifth embodiment.

【図30】角速度センサの第1従来例の斜視図である。FIG. 30 is a perspective view of a first conventional example of an angular velocity sensor.

【図31】角速度センサの第2従来例の平面図である。FIG. 31 is a plan view of a second conventional example of the angular velocity sensor.

【図32】角速度センサの第2従来例の側断面図であ
る。
FIG. 32 is a side sectional view of a second conventional example of the angular velocity sensor.

【図33】第2従来例で不具合が発生することを説明す
るための図面である。
FIG. 33 is a diagram for explaining that a problem occurs in the second conventional example.

【図34】角速度センサの第3従来例の平面図である。FIG. 34 is a plan view of a third conventional example of the angular velocity sensor.

【図35】角速度センサの第3従来例の側断面図であ
る。
FIG. 35 is a side sectional view of a third conventional example of the angular velocity sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…検出用圧電素子 2…振動子 3…支持部 4…駆動用圧電
素子 5…固定部 6…駆動電極 7…アンカー部 8…支持部 9…検出電極 10…振動質量 11…中間支持部 12…シリコン
基板 13…駆動電極対 14…振動質量 15…検出電極対 16…支持部 17…固定部 18…支持部 19…駆動電極 20…振動質量側電極の左側に対向する基板に固定した
駆動電極 21…振動質量側電極の右側に対向する基板に固定した
駆動電極 22…高濃度拡散層 23…窒化シリ
コン膜 24…酸化膜 25…ポリシリ
コン膜 26…金属配線 27…パッシベ
ーション膜 28…窒化シリコン膜 29…高濃度拡
散層 30…パッシベーション膜 31…溝部 32…鍍金金属膜 33…犠牲層金
属膜 34…駆動電源OSC1 35…検出電源
OSC2 36…増幅器 37…復調器 38…バッファ 39…ピークホ
ールド回路 40…検出電圧源OSC3 66…振動質量 67…接続部 68…対向電極 69…対向電極 70…櫛歯電極 71…引き出し電極 72…振動質量 73…支持部 74…固定部 75…電極部 76…支持部 77…振動質量 78…検出電気
容量 79…参照電気容量Cref 80…バッファ 81…加算器 82…減算器 83…復調器 84…ローパス
フィルタ 85…発振器OSC1 86…発振器O
SC2 87…制御回路 88…インバー
タ 89…ハイパスフィルタ 90…理想ダイ
オード回路 91…演算器 92…振幅変調
器 93…増幅器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric element for detection 2 ... Oscillator 3 ... Support part 4 ... Piezoelectric element for drive 5 ... Fixed part 6 ... Drive electrode 7 ... Anchor part 8 ... Support part 9 ... Detection electrode 10 ... Oscillating mass 11 ... Intermediate support part 12 ... Silicon substrate 13 ... Driving electrode pair 14 ... Oscillating mass 15 ... Detection electrode pair 16 ... Supporting portion 17 ... Fixing portion 18 ... Supporting portion 19 ... Driving electrode 20 ... Driving electrode fixed to the substrate facing the left side of the vibrating mass side electrode 21 ... Drive electrode fixed to the substrate facing the right side of the oscillating mass side electrode 22 ... High concentration diffusion layer 23 ... Silicon nitride film 24 ... Oxide film 25 ... Polysilicon film 26 ... Metal wiring 27 ... Passivation film 28 ... Silicon nitride film 29 ... High concentration diffusion layer 30 ... Passivation film 31 ... Groove 32 ... Plating metal film 33 ... Sacrificial layer metal film 34 ... Driving power supply OSC1 35 ... Detection power supply OSC2 36 ... Amplification 37 ... Demodulator 38 ... Buffer 39 ... Peak hold circuit 40 ... Detection voltage source OSC3 66 ... Oscillating mass 67 ... Connection part 68 ... Counter electrode 69 ... Counter electrode 70 ... Comb-shaped electrode 71 ... Extraction electrode 72 ... Oscillating mass 73 ... Support Part 74 ... Fixed part 75 ... Electrode part 76 ... Support part 77 ... Vibrating mass 78 ... Detected capacitance 79 ... Reference capacitance Cref 80 ... Buffer 81 ... Adder 82 ... Subtractor 83 ... Demodulator 84 ... Low-pass filter 85 ... Oscillator OSC1 86 ... Oscillator O
SC2 87 ... Control circuit 88 ... Inverter 89 ... High pass filter 90 ... Ideal diode circuit 91 ... Arithmetic unit 92 ... Amplitude modulator 93 ... Amplifier

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板と、基板主面上に隔離して形成され基
板主面内の互いに直交する第1軸と第2軸の方向に振動
する振動質量と、一端が振動質量に他端が基板に固定さ
れて振動質量を支持し第1軸と第2軸の方向に対称に配
置され両軸の方向に等しいバネ定数を有する少なくとも
2つの支持部と、基板に固定され振動質量を第1軸方向
に駆動する駆動電極および駆動手段と、基板に固定され
振動質量の第2軸方向の変位を検出する検出電極および
検出手段とにより構成され、振動質量と支持部を共通電
位に保持し、駆動電極を複数の値の電圧を印加できるよ
うに分割し、振動質量を第1軸方向に駆動して振動させ
ながら基板の主面に垂直な第3軸の回りに回転させたと
き第2軸方向に生ずるコリオリ力を検出することにより
第3軸の回りの角速度を測定するようにしたことを特徴
とする角速度センサ。
1. A substrate, an oscillating mass which is formed separately on the main surface of the substrate and oscillates in directions of a first axis and a second axis which are orthogonal to each other in the main surface of the substrate; At least two supporting portions fixed to the substrate to support the oscillating mass and symmetrically arranged in the directions of the first axis and the second axis and having equal spring constants in the directions of both axes; A drive electrode and a driving unit that are driven in the axial direction, and a detection electrode that is fixed to the substrate and that detects displacement of the vibrating mass in the second axial direction and a detecting unit, hold the vibrating mass and the supporting unit at a common potential, The drive electrode is divided so as to apply a plurality of values of voltage, and when the oscillating mass is driven around the third axis perpendicular to the main surface of the substrate while vibrating by driving in the first axis direction, the second axis By detecting the Coriolis force generated in the direction, the angle around the third axis An angular velocity sensor being characterized in that so as to measure degrees.
【請求項2】支持部は、基板主面内で変位変形可能で、
基板主面内の第1軸と第2軸のなす角を2等分する軸に
対称な構造を有し、第1軸および第2軸方向に相等しい
バネ定数を有することを特徴とする請求項1記載の角速
度センサ。
2. The support portion is displaceable and deformable within the main surface of the substrate,
A structure having a symmetrical structure with respect to an axis that bisects an angle formed by the first axis and the second axis in the main surface of the substrate, and has equal spring constants in the directions of the first axis and the second axis. The angular velocity sensor according to Item 1.
【請求項3】支持部は、基板主面内で変位変形可能な複
数の弾性構造体を、それぞれ、基板主面内の第1軸と第
2軸のなす角を2等分する軸に対称に配置し、第1軸お
よび第2軸方向に相等しいバネ定数を有するように構成
したことを特徴とする請求項2記載の角速度センサ。
3. The support portion is configured such that a plurality of elastic structures that can be displaced and deformed in the main surface of the substrate are symmetrical with respect to an axis that bisects an angle between the first axis and the second axis in the main surface of the substrate. 3. The angular velocity sensor according to claim 2, wherein the angular velocity sensor is arranged in the first axial direction and the second axial direction and has the same spring constant in the first and second axial directions.
【請求項4】駆動用電極は振動質量の側面に対向して第
1軸の正および負の方向に駆動力を発生するように配置
された1対の電極であって、振動質量および支持部の共
通電位に接続された2つの電気容量の端子であることを
特徴とする請求項1記載の角速度センサ。
4. The driving electrode is a pair of electrodes arranged so as to face a side surface of the vibrating mass and generate a driving force in the positive and negative directions of the first axis. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the angular velocity sensor is a terminal of two electric capacitances connected to the common potential of.
【請求項5】コリオリ力の検出電極は振動質量の側面に
対向して第2軸の正および負の方向の変位を検出するよ
うに配置された1対の電極であって、振動質量及び支持
部の共通電位に接続された2つの電気容量の端子である
ことを特徴とする請求項1記載の角速度センサ。
5. The Coriolis force detecting electrodes are a pair of electrodes arranged so as to face the side surface of the oscillating mass and to detect the displacement of the second axis in the positive and negative directions. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the angular velocity sensor is two terminals of electric capacity connected to a common potential of the section.
【請求項6】振動質量の駆動状態での振動の振幅を検出
し、振動の振幅を一定に制御する手段を備えていること
を特徴とする請求項4記載の角速度センサ。
6. The angular velocity sensor according to claim 4, further comprising means for detecting an amplitude of vibration of the vibrating mass in a driven state and controlling the amplitude of the vibration to be constant.
【請求項7】検出電極端それぞれに参照電気容量を接続
し、参照電気容量を介して検出電極に読み出し信号を入
力し、検出電極端それぞれに発生する信号より振動質量
の第2軸方向の変位を検出することを特徴とする請求項
5記載の角速度センサ。
7. A reference capacitance is connected to each of the detection electrode ends, a read signal is input to the detection electrode via the reference capacitance, and the displacement of the oscillating mass in the second axis direction from the signal generated at each of the detection electrode ends. The angular velocity sensor according to claim 5, wherein
【請求項8】振動質量の第1軸方向の駆動電極端それぞ
れに参照電気容量を接続し、参照電気容量を介して駆動
電極に駆動電圧を入力し、検出電極端それぞれに発生す
る電圧により駆動振幅を検出し、検出電極に発生した電
圧により駆動電圧を制御し、駆動振幅を一定に制御する
ことを特徴とする請求項6記載の角速度センサ。
8. A reference electric capacity is connected to each drive electrode end of the oscillating mass in the first axis direction, a drive voltage is input to the drive electrode via the reference electric capacity, and driven by a voltage generated at each detection electrode end. 7. The angular velocity sensor according to claim 6, wherein the amplitude is detected, the drive voltage is controlled by the voltage generated in the detection electrode, and the drive amplitude is controlled to be constant.
【請求項9】振動質量および支持部は堆積させたポリシ
リコンで構成させ、基板は半導体基板で構成させたこと
を特徴とする請求項1記載の角速度センサ。
9. The angular velocity sensor as claimed in claim 1, wherein the vibrating mass and the supporting portion are made of deposited polysilicon, and the substrate is made of a semiconductor substrate.
【請求項10】振動質量の駆動手段および振動質量の変
位の検出手段が同一半導体基板上に集積されていること
を特徴とする請求項9記載の角速度センサ。
10. The angular velocity sensor according to claim 9, wherein the vibrating mass driving means and the vibrating mass displacement detecting means are integrated on the same semiconductor substrate.
【請求項11】振動質量、支持部および基板は半導体基
板で構成されていることを特徴とする請求項1記載の角
速度センサ。
11. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the vibrating mass, the supporting portion and the substrate are made of a semiconductor substrate.
【請求項12】振動質量および支持部は鍍金法により堆
積した金属で構成され、基板は半導体基板で構成されて
いることを特徴とする請求項1記載の角速度センサ。
12. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the vibrating mass and the supporting portion are made of metal deposited by a plating method, and the substrate is made of a semiconductor substrate.
【請求項13】振動質量の駆動手段および振動質量の変
位の検出手段が同一半導体基板上に集積されていること
を特徴とする請求項11または12記載の角速度セン
サ。
13. The angular velocity sensor according to claim 11, wherein the vibrating mass driving means and the vibrating mass displacement detecting means are integrated on the same semiconductor substrate.
【請求項14】請求項1記載の角速度センサ1対を備
え、それぞれの振動質量を第1軸方向に逆位相で駆動
し、検出された第2軸方向出力の差により第3軸の回り
の角速度を測定し、かつ、検出された第2軸方向出力の
和により第2軸方向の加速度を測定することを特徴とす
る角速度センサ。
14. A pair of angular velocity sensors according to claim 1, wherein the respective oscillating masses are driven in opposite phases in the first axis direction, and the difference between the detected outputs in the second axis direction causes the oscillating mass to rotate around the third axis. An angular velocity sensor characterized by measuring an angular velocity and measuring an acceleration in the second axis direction by a sum of detected second axis direction outputs.
【請求項15】請求項1記載の角速度センサにおいて、
駆動電極は電気的に独立した少なくとも4つの電極で構
成された対向電極であって、これら4つの電極のうち少
なくとも2つの電極に同時に駆動電圧V1、V2を印加
して対向電極間に生ずる静電引力により第1軸方向に駆
動させ、対向電極を構成する電極のうち少なくとも2つ
の電極と振動質量間の静電容量をそれぞれC1、C2と
するとき、C1とC2の和より振動質量の第1軸方向の
駆動振幅に関する情報を、C1とC2の差より振動質量
のコリオリ力による第2軸方向の変位に関する情報を検
出することを特徴とする角速度センサ。
15. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein
The drive electrode is a counter electrode composed of at least four electrodes that are electrically independent of each other, and the drive voltages V1 and V2 are applied to at least two electrodes of these four electrodes at the same time to generate electrostatic charges between the counter electrodes. When the electrostatic capacities between the vibrating mass and at least two of the electrodes forming the counter electrode are driven by the attractive force to be C1 and C2, respectively, the sum of C1 and C2 gives the first vibrating mass. An angular velocity sensor, which detects information about an axial drive amplitude and information about a displacement in a second axial direction due to a Coriolis force of an oscillating mass from a difference between C1 and C2.
【請求項16】対向電極を構成する電極のうち少なくと
も2つの電極と振動質量間の静電容量をそれぞれC1、
C2として、C1とC2の差より振動質量のコリオリ力
による第2軸方向の変位に関する情報を検出し、得られ
た情報より振動質量の電位に対して対向電極を構成する
電極のうち少なくとも2つの電極に同時に印加する駆動
電圧V1、V2の振幅をそれぞれ調整し、振動質量に発
生するコリオリ力を打ち消す制御機構を備えたことを特
徴とする請求項15記載の角速度センサ。
16. Capacitance between at least two electrodes constituting the counter electrode and the oscillating mass is C1, respectively.
As C2, information on the displacement of the vibrating mass in the second axis direction due to the Coriolis force is detected from the difference between C1 and C2, and at least two of the electrodes forming the counter electrode with respect to the potential of the vibrating mass are detected from the obtained information. The angular velocity sensor according to claim 15, further comprising a control mechanism that adjusts the amplitudes of the driving voltages V1 and V2 that are simultaneously applied to the electrodes to cancel the Coriolis force generated in the vibrating mass.
【請求項17】対向電極を構成する電極のうち少なくと
も2つの電極と振動質量間の静電容量をそれぞれC1、
C2として、C1とC2の和より振動質量の第1軸方向
の駆動振幅に関する情報を検出し、得られた情報より振
動質量の電位に対して対向電極を構成する電極のうち少
なくとも2つの電極に同時に印加する駆動電圧V1、V
2の振幅をそれぞれ調整して、振動質量の駆動振幅を一
定にする制御機構を備えたことを特徴とする請求項15
または16記載の角速度センサ。
17. A capacitance between at least two electrodes constituting an opposing electrode and an oscillating mass is C1, respectively.
As C2, information on the drive amplitude of the oscillating mass in the first axis direction is detected from the sum of C1 and C2, and at least two of the electrodes forming the counter electrode with respect to the potential of the oscillating mass are detected from the obtained information. Drive voltages V1 and V applied simultaneously
16. A control mechanism is provided which adjusts the amplitudes of 2 respectively to make the drive amplitude of the oscillating mass constant.
Or the angular velocity sensor described in 16.
【請求項18】振動質量に対する駆動電圧は、第1周波
数で時間的に変動する電圧と、第1周波数より高周波の
第2周波数で時間的に変動する電圧の加算信号であっ
て、対向電極を構成する電極のうち少なくとも2つの電
極にそれぞれ参照電気容量Crefを接続し、参照電気容
量Crefを介して対向電極に駆動電圧を印加し、参照電
気容量Crefと対向電極を構成する電極のうち少なくと
も2つの電極とのそれぞれの接続点の電位を、上記第2
周波数および第1周波数と同期して検出することによ
り、対向電極を構成する電極のうち少なくとも2つの電
極と振動質量間の静電容量C1、C2の測定を行うこと
を特徴とする請求項15〜17の何れか1項に記載の角
速度センサ。
18. The drive voltage for the oscillating mass is a sum signal of a voltage that temporally fluctuates at the first frequency and a voltage that temporally fluctuates at a second frequency higher than the first frequency, and At least two of the electrodes constituting the reference electric capacitance Cref are connected to each other, a drive voltage is applied to the counter electrode via the reference capacitance Cref, and at least two of the electrodes forming the reference electric capacitance Cref and the counter electrode are applied. The potential of each connection point with two electrodes is
The electrostatic capacitances C1 and C2 between at least two electrodes constituting the counter electrode and the oscillating mass are measured by performing the detection in synchronization with the frequency and the first frequency. 17. The angular velocity sensor according to any one of 17.
【請求項19】振動質量の駆動電圧は、第1周波数で時
間的に変動し、かつ電圧を印加しない第1時間帯を備
え、さらに第1時間帯にキャリア電圧を印加する電圧で
あって、対向電極を構成する電極のうち少なくとも2つ
の電極にそれぞれ参照電気容量Crefを接続し、参照電
気容量Crefを介して対向電極に駆動電圧を印加し、参
照電気容量Crefと対向電極を構成する電極のうち少な
くとも2つの電極とのそれぞれの接続点の電位を、上記
キャリア電圧と同期して検出することにより、対向電極
を構成する電極のうち少なくとも2つの電極と振動質量
間の静電容量C1、C2の測定を行うことを特徴とする
請求項15〜17の何れか1項に記載の角速度センサ。
19. A driving voltage for an oscillating mass, which is a voltage that temporally fluctuates at a first frequency and has a first time zone in which no voltage is applied, and further applies a carrier voltage in the first time zone, Reference electric capacitance Cref is connected to at least two electrodes of the electrodes forming the counter electrode, and a drive voltage is applied to the counter electrode via the reference electric capacitance Cref. Capacitances C1 and C2 between at least two of the electrodes forming the counter electrode and the oscillating mass are detected by detecting the potentials of the respective connection points with at least two of them in synchronization with the carrier voltage. The angular velocity sensor according to any one of claims 15 to 17, characterized in that:
【請求項20】振動質量の駆動電圧は、第1周波数で時
間的に変動し、かつ電圧を印加しない第1時間帯を備え
た電圧であって、対向電極を構成する電極のうち少なく
とも2つの電極にそれぞれ参照電気容量Crefを接続
し、参照電気容量Crefを介して対向電極に駆動電圧を
印加し、第1時間帯に振動質量にキャリア電圧を印加
し、参照電気容量Crefと対向電極を構成する電極のう
ち少なくとも2つの電極とのそれぞれの接続点の電位
を、上記キャリア電圧と同期して検出することにより、
対向電極を構成する電極のうち少なくとも2つの電極と
振動質量間の静電容量C1、C2の測定を行うことを特
徴とする請求項15〜17の何れか1項に記載の角速度
センサ。
20. The driving voltage for the oscillating mass is a voltage that varies with time at a first frequency and has a first time zone in which no voltage is applied, and at least two of the electrodes forming the counter electrode are provided. A reference electric capacity Cref is connected to each electrode, a drive voltage is applied to the counter electrode via the reference electric capacity Cref, and a carrier voltage is applied to the oscillating mass in the first time zone to form the reference electric capacity Cref and the counter electrode. By detecting the potential of each connection point with at least two of the electrodes to be synchronized with the carrier voltage,
The angular velocity sensor according to any one of claims 15 to 17, wherein capacitances C1 and C2 between at least two electrodes constituting the counter electrode and the oscillating mass are measured.
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