JPH10185582A - Angular velocity sensor and its vibration method - Google Patents

Angular velocity sensor and its vibration method

Info

Publication number
JPH10185582A
JPH10185582A JP8353924A JP35392496A JPH10185582A JP H10185582 A JPH10185582 A JP H10185582A JP 8353924 A JP8353924 A JP 8353924A JP 35392496 A JP35392496 A JP 35392496A JP H10185582 A JPH10185582 A JP H10185582A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
angular velocity
diaphragm
vibration
velocity sensor
strain
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP8353924A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Minoru Sakata
稔 坂田
Hiroshi Goto
博史 後藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Omron Corp
Original Assignee
Omron Corp
Omron Tateisi Electronics Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Omron Corp, Omron Tateisi Electronics Co filed Critical Omron Corp
Priority to JP8353924A priority Critical patent/JPH10185582A/en
Publication of JPH10185582A publication Critical patent/JPH10185582A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To-detect an angular velocity around two axes with a single angular velocity sensor without providing a vibrating device. SOLUTION: A vibration-type angular velocity sensor 30 is constituted of a diaphragm part 20, a support part 21, and a weight part 22. The diaphragm part 20 is vibrated by sound waves or vibration given externally. When an angular velocity around an X axis is applied to the vibration-type angular velocity sensor while the diaphragm part 20 is subjected to resonance vibration in Z direction, a force in Y direction that is proportional to the angular velocity is generated at the weight part 22, thus vibrating in Y direction in synchronization with the resonance vibration in Z direction. Similarly, when an angular velocity around Y axis is applied, a force in X direction that is proportional to the angular velocity is generated at the weight part 22, thus vibrating in X direction in synchronization with the resonance vibration in Z direction. A distortion generated due to the vibration in X direction or Y direction is detected by a distortion detection element 13 at the diaphragm part 20, and the direction and the size of the angular velocity around X axis and Y axis are detected based on the output.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【技術分野】この発明は角速度センサおよびその加振方
法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an angular velocity sensor and a method of exciting the same.

【0002】[0002]

【従来技術】図8は,従来の振動型角速度センサ装置を
示す斜視図である。
2. Description of the Related Art FIG. 8 is a perspective view showing a conventional vibration type angular velocity sensor device.

【0003】振動子50は,一方向にのびる固定部51と固
定部51と直交する方向にのび,かつ固定部51に結合した
はり部52とから構成されている。これらの固定部51とは
り部52とは,たとえばシリコンにより一体的に形成され
る。はり部52を支持する固定部51はガラス基板53に固定
される。ガラス基板53のはり部52に対向する部分には凹
部が形成されている。ガラス基板53に形成された凹部の
底面には全体にわたって固定電極54が設けられている。
はり部52はシリコンによって形成されているので,導電
性を有し可動電極を構成する。はり部52の下面と固定電
極54との間には間隙があり,これらのはり部52の下面と
固定電極54とによってコンデンサが構成される。
The vibrator 50 includes a fixed portion 51 extending in one direction and a beam portion 52 extending in a direction perpendicular to the fixed portion 51 and connected to the fixed portion 51. The fixing portion 51 and the beam portion 52 are integrally formed of, for example, silicon. The fixing part 51 supporting the beam part 52 is fixed to the glass substrate 53. A concave portion is formed in a portion of the glass substrate 53 facing the beam portion 52. A fixed electrode 54 is provided on the entire bottom surface of the concave portion formed in the glass substrate 53.
Since the beam 52 is made of silicon, it has conductivity and forms a movable electrode. There is a gap between the lower surface of the beam 52 and the fixed electrode 54, and a capacitor is formed by the lower surface of the beam 52 and the fixed electrode 54.

【0004】ガラス基板53上にはまた,加振用固定電極
58A および58B が,はり部52の長手方向に沿うようには
り部52の両側にそれぞれ設けられている。はり部52と,
加振用固定電極58A および58B との間にもそれぞれ間隙
が設けられている。はり部52の一側面と加振用固定電極
58A およびはり部52の他側面と加振用固定電極58B もま
たそれぞれコンデンサを構成する。
On the glass substrate 53, a fixed electrode for vibration is also provided.
58A and 58B are provided on both sides of the beam portion 52 along the longitudinal direction of the beam portion 52, respectively. Beam 52,
A gap is also provided between the excitation fixed electrodes 58A and 58B. One side of beam 52 and fixed electrode for vibration
58A, the other side surface of the beam portion 52, and the fixed electrode for vibration 58B also constitute capacitors.

【0005】ガラス基板53にはまた加振装置57が設けら
れている。上述したガラス基板53,振動子50,固定電極
54,加振用固定電極58A ,58B および加振装置57によっ
て角速度センサ60が構成される。
[0005] The glass substrate 53 is also provided with a vibration device 57. The above-mentioned glass substrate 53, vibrator 50, fixed electrode
The angular velocity sensor 60 is constituted by the vibration fixed electrodes 58A, 58B and the vibration device 57.

【0006】はり部52の長手方向をX方向とし,固定部
51の長手方向をY方向とする。X方向およびY方向の両
方に垂直な方向をZ方向とする。はり部52はY方向とZ
方向に振動する。
The longitudinal direction of the beam 52 is defined as the X direction,
The longitudinal direction of 51 is the Y direction. A direction perpendicular to both the X direction and the Y direction is defined as a Z direction. Beam 52 is in Y direction and Z
Vibrates in the direction.

【0007】ガラス基板53の側面に設けられた加振装置
57により,振動子50にははり部52の共振周波数と等しい
周波数をもつY方向の振動が加えられる。これによりは
り部52がY方向に共振振動する。はり部52が可動電極を
構成しているので,はり部52のY方向の振動によっては
り部52とその両側の加振用電極58A および58B との間の
静電容量が変化する。これらの電極間の静電容量の変化
に基づいて,はり部52の振動周波数が検知される。検出
される振動周波数は,はり部がその共振周波数で振動す
るように加振装置57の振動周波数を制御することに用い
られるとともに,角速度算出のパラメータとして用いら
れる。
A vibration device provided on the side surface of the glass substrate 53
Due to 57, vibration in the Y direction having a frequency equal to the resonance frequency of the beam portion 52 is applied to the vibrator 50. This causes the beam 52 to resonate and vibrate in the Y direction. Since the beam portion 52 forms a movable electrode, the capacitance between the beam portion 52 and the vibrating electrodes 58A and 58B on both sides of the beam portion 52 changes due to the vibration of the beam portion 52 in the Y direction. The vibration frequency of the beam 52 is detected based on the change in the capacitance between these electrodes. The detected vibration frequency is used to control the vibration frequency of the vibration device 57 so that the beam vibrates at the resonance frequency, and is used as a parameter for calculating the angular velocity.

【0008】振動子50のはり部52を加振装置57によって
振動させた状態で,振動型角速度センサ60の全体をX軸
のまわりに回転させると,はり部52はZ方向にも振動す
る。このZ方向の振動はコリオリ力によるものである。
はり部52のZ方向への振動によって,はり部(可動電
極)52と固定電極54との間の静電容量が変化する。この
静電容量の変化およびはり部の振動周波数に基づいて,
X軸まわりの角速度の向きおよび大きさが検出される。
When the entire vibration type angular velocity sensor 60 is rotated around the X axis while the beam portion 52 of the vibrator 50 is vibrated by the vibration device 57, the beam portion 52 also vibrates in the Z direction. This vibration in the Z direction is due to Coriolis force.
Due to the vibration of the beam 52 in the Z direction, the capacitance between the beam (movable electrode) 52 and the fixed electrode 54 changes. Based on this change in capacitance and the vibration frequency of the beam,
The direction and magnitude of the angular velocity about the X axis are detected.

【0009】このような従来の振動型角速度センサを用
いて角速度を求めるためには,その振動子を加振して振
動子を振動(一般的には共振)させること必要である。
したがって,従来の振動型角速度センサを含む角速度検
出装置には,振動子を加振するための加振装置が必要不
可欠であった。このため角速度検出装置の全体の寸法が
大きくなり小型化が困難である。
In order to obtain an angular velocity using such a conventional vibration type angular velocity sensor, it is necessary to vibrate the vibrator to cause the vibrator to vibrate (generally resonate).
Therefore, a vibration device for vibrating the vibrator was indispensable for the angular velocity detecting device including the conventional vibration type angular velocity sensor. For this reason, the overall size of the angular velocity detecting device becomes large, and it is difficult to reduce the size.

【0010】さらに,従来の単体の振動型角速度センサ
は互いに直交するX,YおよびZ方向の3方向のうち1
の方向を軸とした回転の角速度のみを検出するものであ
る。このため,2次元方向の角速度(2つの直交する軸
を中心とする回転の角速度)を求めるためには2台の角
速度センサが,3次元方向の角速度を求めるためには3
台の角速度センサが必要となり,角速度検出装置はさら
に大型化してしまう。
Further, a conventional single vibration type angular velocity sensor has one of three directions of X, Y and Z orthogonal to each other.
Is to detect only the angular velocity of rotation about the direction of. For this reason, two angular velocity sensors are required to determine an angular velocity in a two-dimensional direction (angular velocity of rotation about two orthogonal axes), and three angular velocity are required to determine an angular velocity in a three-dimensional direction.
An angular velocity sensor is required, and the angular velocity detecting device is further increased in size.

【0011】[0011]

【発明の開示】この発明は加振装置を備える必要がな
く,したがって小型化された角速度センサを提供するこ
とを目的とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an angular velocity sensor which does not require a vibrating device and is therefore miniaturized.

【0012】この発明はまた,ダイヤフラム部の法線と
直交する2つの異なる軸まわりの角速度を一つの角速度
センサによって検出することを目的とする。
Another object of the present invention is to detect angular velocities around two different axes orthogonal to the normal line of the diaphragm by one angular velocity sensor.

【0013】この発明による角速度センサの加振方法
は,角速度センサをダイヤフラム部と,このダイヤフラ
ム部の全周囲を支持する支持部と,ダイヤフラム部に設
けられた錘部と,ダイヤフラム部に設けられた歪/応力
検出素子によって構成し,この角速度センサをダイヤフ
ラム部を加振する音波が伝播する場所または振動体上に
配置するものである。
According to a method of exciting an angular velocity sensor according to the present invention, the angular velocity sensor is provided on a diaphragm, a support for supporting the entire periphery of the diaphragm, a weight provided on the diaphragm, and a diaphragm. The angular velocity sensor is constituted by a strain / stress detecting element, and this angular velocity sensor is arranged at a place where a sound wave for exciting the diaphragm propagates or on a vibrating body.

【0014】周囲が支持された薄いダイヤフラムが用い
られ,このダイヤフラムには錘部が設けられているの
で,空気振動のような微小な振動であっても,機械的な
振動であっても,ダイヤフラムを加振することができ
る。加振装置を必要としないため,振動型角速度センサ
を用いたセンサ装置の小型化を図ることができ,装置の
生産コストを下げることができる。
Since a thin diaphragm whose periphery is supported is used, and the diaphragm is provided with a weight portion, the diaphragm can be used regardless of minute vibration such as air vibration, mechanical vibration, or the like. Can be excited. Since no vibrating device is required, the size of the sensor device using the vibration type angular velocity sensor can be reduced, and the production cost of the device can be reduced.

【0015】この発明による角速度センサは,ダイヤフ
ラム部と,このダイヤフラム部の全周囲を支持する支持
部と,ダイヤフラム部に設けられた錘部と,ダイヤフラ
ム部に設けられた歪/応力検出素子とから構成され,上
記歪/応力検出素子がダイヤフラム部の法線と直交する
2つの異なる軸に沿いかつダイヤフラム部の面内に平行
な振動成分を検出するように配置されているものであ
る。
An angular velocity sensor according to the present invention comprises a diaphragm, a support for supporting the entire periphery of the diaphragm, a weight provided on the diaphragm, and a strain / stress detecting element provided on the diaphragm. The above-mentioned strain / stress detecting element is arranged so as to detect vibration components parallel to two different axes orthogonal to the normal line of the diaphragm portion and parallel to the plane of the diaphragm portion.

【0016】一実施態様では,錘部がダイヤフラム部の
中心に設けられ,ダイヤフラムの形状が上記の2つの異
なる軸に関して線対称である。
In one embodiment, the weight is provided at the center of the diaphragm, and the shape of the diaphragm is line-symmetric with respect to the two different axes.

【0017】ダイヤフラムは上述のように外部から与え
られる音波または振動により加振される。この振動方向
に垂直でかつ上記の2つの軸のいずれかに直交する軸ま
わりの回転が与えられると,上記の2つの軸のいずれか
の上であってかつダイヤフラムの平面に平行な振動成分
が生じる。この振動成分が歪/応力検出素子によって検
出され,この検出信号に基づいて,与えられる回転の角
速度が得られる。
The diaphragm is vibrated by sound waves or vibrations given from the outside as described above. Given a rotation about an axis perpendicular to this direction of vibration and orthogonal to one of the two axes, a vibration component on either of the two axes and parallel to the plane of the diaphragm Occurs. This vibration component is detected by the strain / stress detection element, and the given angular velocity of rotation is obtained based on the detection signal.

【0018】このようにしてこの発明によると,2軸ま
わりの角速度のそれぞれについて,その向きと大きさと
を検出することができる。複数の角速度センサを用いる
ことなく,単体の角速度センサによって2軸まわりの角
速度の向きと大きさを検出できる。したがってセンサ装
置の小型化を図ることができる。1軸まわりの角速度を
検出できるのは,いうまでもない。
Thus, according to the present invention, the direction and magnitude of each of the angular velocities around the two axes can be detected. The direction and magnitude of angular velocity around two axes can be detected by a single angular velocity sensor without using a plurality of angular velocity sensors. Therefore, the size of the sensor device can be reduced. It goes without saying that the angular velocity around one axis can be detected.

【0019】好ましくは,上記薄膜部を円形にするとよ
い。円形の薄膜部は加えられる角速度に対する変形の応
答性が高いので,角速度の検出の感度を向上させること
ができる。
Preferably, the thin film portion is circular. Since the circular thin film portion has high responsiveness of deformation to the applied angular velocity, the sensitivity of detecting the angular velocity can be improved.

【0020】一実施態様では歪/応力検出素子はピエゾ
素子または圧電素子である。
In one embodiment, the strain / stress detecting element is a piezo element or a piezoelectric element.

【0021】[0021]

【実施例】図1は振動型角速度センサを示す斜視図であ
る。図2は図1のII-II 線にそう断面図である。図2に
おいて作図の便宜上および分かりやすくするために,ダ
イヤフラムを構成する窒化膜および各ひずみ検出部を構
成する部材の肉厚が厚めに強調して描かれている。この
ことは後に説明する図5および図6におけるセンサの断
面図においても同様である。
FIG. 1 is a perspective view showing a vibration type angular velocity sensor. FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II of FIG. In FIG. 2, the thickness of the nitride film constituting the diaphragm and the members constituting each of the strain detection sections are emphasized to be thicker for the convenience of drawing and for easy understanding. This is the same in the cross-sectional views of the sensor in FIGS. 5 and 6 described later.

【0022】振動型角速度センサ30は,正方形のダイヤ
フラム部20と,ダイヤフラム部20をその全周にわたって
支持する支持部21と,ダイヤフラム部20の中央部分に位
置しその下面に接合された錘部22とから構成されてい
る。支持部21は正方形の枠体である。支持部21と錘部22
は,たとえばシリコンにより形成されている。支持部21
上およびその内部の全面にわたって窒化膜11(たとえば
SiN 膜)が設けられ,この窒化膜11の支持部21の内側に
存在する部分がダイヤフラム部20を構成している。窒化
膜11は後述するようにシリコン基板上にSiN を堆積する
ことにより,またはシリコン基板の表面を窒化すること
により形成される。
The vibration type angular velocity sensor 30 includes a square diaphragm portion 20, a support portion 21 for supporting the diaphragm portion 20 over the entire circumference thereof, and a weight portion 22 which is located at the center of the diaphragm portion 20 and is joined to the lower surface thereof. It is composed of The support 21 is a square frame. Support part 21 and weight part 22
Is formed of, for example, silicon. Support 21
The nitride film 11 (e.g.,
A portion of the nitride film 11 existing inside the support portion 21 constitutes the diaphragm portion 20. The nitride film 11 is formed by depositing SiN on a silicon substrate as described later or by nitriding the surface of the silicon substrate.

【0023】支持部21は一般にステム(パッケージ)内
に収められて固定され,または回路基板上に固定され
る。このとき錘部22はステムの底面から離れている。振
動型角速度センサ30が収められたステムは,ロボット・
アーム,ビデオ・カメラ,自動車,その他の工作機械,
機材等の角速度を検出すべき物体に固定される。
The support 21 is generally fixed and accommodated in a stem (package), or fixed on a circuit board. At this time, the weight 22 is separated from the bottom surface of the stem. The stem containing the vibration type angular velocity sensor 30 is
Arms, video cameras, automobiles, other machine tools,
It is fixed to the object whose angular velocity is to be detected, such as equipment.

【0024】振動型角速度センサ30の表面には,各辺の
中央部分にひずみ検出部40a ,40b,40c および40d が
それぞれ設けられている。ひずみ検出部40a ,40b ,40
c および40d はそれぞれひずみ検出素子13を含む。ひず
み検出素子13は,ダイヤフラム部20の周辺であって,か
つ各辺の中央部分の上に設けられている。ひずみ検出素
子13はダイヤフラム20の周辺から中央部に向ってのび,
直角に屈曲して,再びダイヤフラム部20の周辺に戻る形
状である。ひずみ検出素子13はたとえばピエゾ抵抗素子
である。この場合には,ダイヤフラム部12の変形によっ
てひずみ検出素子13の抵抗値が変化する。ひずみ検出素
子13の両端は配線パターン14を通して,支持部21上に形
成されたボンディング・パッド15にそれぞれ接続され,
さらにボンディング・パッド15にボンディングされたワ
イヤを通して,角速度検出回路(図示略)に接続され
る。配線パターン14上は保護膜16(例えば酸化アルミニ
ウム)によって覆われている。
On the surface of the vibration type angular velocity sensor 30, strain detecting sections 40a, 40b, 40c and 40d are provided at the center of each side. Strain detectors 40a, 40b, 40
c and 40d each include a strain detection element 13. The strain detecting element 13 is provided on the periphery of the diaphragm section 20 and on the center of each side. The strain detecting element 13 extends from the periphery of the diaphragm 20 toward the center,
The shape is bent at a right angle and returns to the periphery of the diaphragm portion 20 again. The strain detecting element 13 is, for example, a piezoresistive element. In this case, the resistance of the strain detecting element 13 changes due to the deformation of the diaphragm 12. Both ends of the strain detecting element 13 are connected to bonding pads 15 formed on the support 21 through a wiring pattern 14, respectively.
Further, it is connected to an angular velocity detection circuit (not shown) through a wire bonded to the bonding pad 15. The wiring pattern 14 is covered with a protective film 16 (for example, aluminum oxide).

【0025】ひずみ検出素子13には,圧電素子を用いて
もよい。圧電素子(たとえば圧電薄膜層)の材料にはPZ
T (チタン酸ジルコン酸鉛),BaTiO3(チタン酸バリウ
ム)などが用いられる。ダイヤフラム部12の変形によっ
て圧電素子には電圧が誘起される。
As the strain detecting element 13, a piezoelectric element may be used. PZ for the material of the piezoelectric element (for example, piezoelectric thin film layer)
T (lead zirconate titanate), BaTiO 3 (barium titanate) and the like are used. A voltage is induced in the piezoelectric element by the deformation of the diaphragm 12.

【0026】図3は振動型角速度センサのダイヤフラム
部の振動の状態を模式的に示すものである。
FIG. 3 schematically shows the vibration state of the diaphragm of the vibration type angular velocity sensor.

【0027】角速度センサのダイヤフラム部を加振する
方法には種々のものがある。その一つは,音波によるも
のである。工作機械,車両のエンジン等の騒音が空気中
を伝播してダイヤフラム部20を振動させる(図3(A) 参
照)。振動型角速度センサ30のダイヤフラム部20は薄い
弾性を有する窒化膜11により形成されているので空気振
動のような微小な振動の伝播によって振動を生じる。も
う一つは,振動による加振である。この場合には角速度
センサ30は振動源(工作機械のモータ,車両のエンジ
ン)の上に直接に固定されるか,または振動源による振
動が伝播する部材上に固定される(図3(B) 参照)。
There are various methods for exciting the diaphragm of the angular velocity sensor. One is by sound waves. Noise from a machine tool, a vehicle engine, or the like propagates in the air and vibrates the diaphragm section 20 (see FIG. 3A). Since the diaphragm section 20 of the vibration type angular velocity sensor 30 is formed of the nitride film 11 having a thin elasticity, vibration is generated by propagation of minute vibration such as air vibration. The other is vibration by vibration. In this case, the angular velocity sensor 30 is fixed directly on a vibration source (motor of a machine tool, engine of a vehicle) or on a member to which vibration by the vibration source propagates (FIG. 3B). reference).

【0028】ダイヤフラム部20はその下面の中央部分に
錘部22が設けられているので,外部から振動が加わると
ダイヤフラム面にほぼ垂直な方向に振動する。ダイヤフ
ラム部20の固有の振動数(共振周波数)と,ダイヤフラ
ム部20に伝わる空気振動や機械的振動の振動数(周波
数)とが一致すると,ダイヤフラム部20は共振振動す
る。
Since the weight of the diaphragm portion 20 is provided at the center of the lower surface thereof, the diaphragm portion 20 vibrates in a direction substantially perpendicular to the diaphragm surface when vibration is applied from the outside. When the inherent frequency (resonance frequency) of the diaphragm section 20 matches the frequency (frequency) of air vibration or mechanical vibration transmitted to the diaphragm section 20, the diaphragm section 20 resonates.

【0029】ダイヤフラム部20の共振周波数は,ダイヤ
フラム部20の面の大きさ,ダイヤフラム部20に用いられ
ている窒化膜の膜厚,またはその張力(膜のはり具合)
等を変化させることによって調節することができる。モ
ータやエンジンからの音波,またはそれらによる振動の
周波数帯に対応する共振周波数をもつようにダイヤフラ
ム部20が設計される。
The resonance frequency of the diaphragm portion 20 is determined by the size of the surface of the diaphragm portion 20, the thickness of the nitride film used for the diaphragm portion 20, or its tension (the degree of film adhesion).
And the like can be adjusted. The diaphragm section 20 is designed so as to have a resonance frequency corresponding to a frequency band of sound waves from a motor or an engine or vibrations caused by the sound waves.

【0030】ひずみ検出部40a とひずみ検出部40b を結
ぶ方向をX方向とする。ひずみ検出部40c とひずみ検出
部40d を結ぶ方向をY方向とする。X方向およびY方向
に直交する方向をZ方向とする。
The direction connecting the strain detectors 40a and 40b is defined as the X direction. The direction connecting the strain detectors 40c and 40d is defined as the Y direction. A direction orthogonal to the X direction and the Y direction is defined as a Z direction.

【0031】図4は振動型角速度センサにX軸まわりの
角速度が加えられている状態を模式的に示すものであ
る。
FIG. 4 schematically shows a state in which an angular velocity around the X axis is applied to the vibration type angular velocity sensor.

【0032】ダイヤフラム部20をZ方向に共振振動させ
た状態で振動型角速度センサ30にX方向を軸とする(X
軸まわりの)角速度が加わると,錘部22には加えられた
角速度に比例するY方向の力(コリオリ力)が生じる。
In a state where the diaphragm section 20 is vibrated in the Z-direction by resonance, the vibration-type angular velocity sensor 30 is set with the X-direction as an axis (X
When an angular velocity (around the axis) is applied, a force in the Y direction (Coriolis force) proportional to the applied angular velocity is generated in the weight portion 22.

【0033】ダイヤフラム部20は伸縮性を有するので錘
部22はY方向に振動し,この振動はZ方向の共振振動と
同期する。ダイヤフラム部22には錘部22の振動に対応し
てひずみが生じる。
Since the diaphragm portion 20 has elasticity, the weight portion 22 vibrates in the Y direction, and this vibration is synchronized with the resonance vibration in the Z direction. Strain occurs in the diaphragm portion 22 in accordance with the vibration of the weight portion 22.

【0034】錘部22に働くY方向へのコリオリ力は,主
に,ダイヤフラム部20のY方向に沿って形成されている
ひずみ検出部40c とひずみ検出部40d とによって検出さ
れる。検出されたコリオリ力の方向および大きさに基づ
いて,振動型角速度センサ30のX軸まわりの角速度の向
きおよび大きさを算出することができる。
The Coriolis force acting on the weight 22 in the Y direction is mainly detected by the strain detecting sections 40c and 40d formed along the Y direction of the diaphragm section 20. Based on the detected direction and magnitude of the Coriolis force, the direction and magnitude of the angular velocity of the vibration type angular velocity sensor 30 around the X axis can be calculated.

【0035】同様に,ダイヤフラム部20をZ方向に共振
振動させた状態で振動型角速度センサ30にY方向を軸と
する(Y軸まわりの)角速度が加わると,錘部22には角
速度に比例するX方向の力(コリオリ力)が生じ,Z方
向の共振振動と同期してX方向に振動する。
Similarly, when an angular velocity around the Y direction (around the Y axis) is applied to the vibration type angular velocity sensor 30 in a state where the diaphragm section 20 is resonated and vibrated in the Z direction, the weight section 22 is proportional to the angular velocity. X-direction force (Coriolis force) is generated, and vibrates in the X direction in synchronization with the resonance vibration in the Z direction.

【0036】錘部22に働くX方向へのコリオリ力は,主
に,ダイヤフラム部20のX方向に沿って形成されている
ひずみ検出部40a とひずみ検出部40b とによって検出さ
れる。検出されたコリオリ力の方向および大きさに基づ
いて,振動型角速度センサ30のY軸まわりの角速度の向
きおよび大きさを算出することができる。
The Coriolis force acting on the weight portion 22 in the X direction is mainly detected by the strain detecting portions 40a and 40b formed along the X direction of the diaphragm portion 20. Based on the direction and magnitude of the detected Coriolis force, the direction and magnitude of the angular velocity of the vibration type angular velocity sensor 30 around the Y axis can be calculated.

【0037】このようにして,振動型角速度センサ30は
X軸まわりの角速度の向きおよび大きさと,Y軸まわり
の角速度の向きおよび大きさとを一つの角速度センサに
よって検出することができる。
In this manner, the vibration type angular velocity sensor 30 can detect the direction and magnitude of the angular velocity around the X axis and the direction and magnitude of the angular velocity around the Y axis by one angular velocity sensor.

【0038】X軸まわりの角速度によって,X軸に沿っ
て形成されているひずみ検出部40aおよびひずみ検出部4
0b から取り出される電気信号も若干変化することがあ
りうるが,これを無視してもよいし,またはあらかじめ
種々の大きさの角速度を与えてシミュレーションしてお
き,そのシミュレーション結果を考慮して最終的な値を
算出するようにすることもできる。Y軸のまわりの角速
度によるひずみ検出部40c ,40d への影響も同じように
対処することができる。
According to the angular velocity around the X-axis, the strain detectors 40a and 4a formed along the X-axis
The electrical signal extracted from 0b may change slightly, but this can be ignored or the simulation can be performed by giving various angular velocities in advance, and the final Can be calculated. The influence on the strain detectors 40c and 40d due to the angular velocity around the Y axis can be dealt with in the same manner.

【0039】図5および図6は,図1および図2に示す
振動型角速度センサの製造工程を示すものである。
FIGS. 5 and 6 show the steps of manufacturing the vibration type angular velocity sensor shown in FIGS. 1 and 2. FIG.

【0040】シリコン基板10が用意され,シリコン基板
10の上面と下面とに窒化膜(SiN 膜)11を堆積させる
(図5(A) ),またはシリコン基板10の表面を窒化させ
る。シリコン基板10の上面に堆積された窒化膜11は振動
型角速度センサのダイヤフラム部20を構成するものであ
る。一方,下面に堆積された窒化膜11はシリコン基板10
のエッチングのためのマスクになる。
A silicon substrate 10 is prepared.
A nitride film (SiN film) 11 is deposited on the upper and lower surfaces of 10 (FIG. 5A), or the surface of the silicon substrate 10 is nitrided. The nitride film 11 deposited on the upper surface of the silicon substrate 10 constitutes the diaphragm section 20 of the vibration type angular velocity sensor. On the other hand, the nitride film 11 deposited on the lower surface
It becomes a mask for etching.

【0041】窒化膜11が堆積されたシリコン基板10の上
面において,ダイヤフラム部20が形成されるべき部分の
周辺部に相当する位置に,4つのひずみ検出素子13を設
ける(図5(B) )。
On the upper surface of the silicon substrate 10 on which the nitride film 11 is deposited, four strain detecting elements 13 are provided at positions corresponding to the periphery of the portion where the diaphragm portion 20 is to be formed (FIG. 5B). .

【0042】これらの4つのひずみ検出素子13の各端部
に一部が重なり,かつ支持部21となるべき部分の方向に
のびるように配線パターン14およびボンディング・パッ
ド15を形成する(図5(C) )。
A wiring pattern 14 and a bonding pad 15 are formed so as to partially overlap each of the ends of these four strain detecting elements 13 and extend in the direction of the part to be the support part 21 (FIG. 5 ( C)).

【0043】ボンディング・パッド15の中央部を除い
て,ひずみ検出素子13の一部,配線パターン14およびボ
ンディング・パッド15から窒化膜の端に達する部分の上
に保護層16を堆積する(図5(D) )。保護層16には,た
とえば酸化アルミニウムが用いられ,配線パターン14の
断線を防止する。振動型加速度センサを実装するときに
は,この保護層16が堆積されていないボンディング・パ
ッド15の中央部分にワイヤがボンディングされる。この
ワイヤを通してひずみ検出素子13と角速度検出回路(図
示略)とが電気的に接続される。
Except for the central part of the bonding pad 15, a protective layer 16 is deposited on a part of the strain detecting element 13, the wiring pattern 14, and the part extending from the bonding pad 15 to the end of the nitride film (FIG. 5). (D)). For example, aluminum oxide is used for the protection layer 16 to prevent the wiring pattern 14 from breaking. When mounting the vibration type acceleration sensor, a wire is bonded to the central portion of the bonding pad 15 where the protective layer 16 is not deposited. Through this wire, the strain detecting element 13 and an angular velocity detecting circuit (not shown) are electrically connected.

【0044】エッチングのマスクとして,シリコン基板
10の上面に窒化膜11a をさらに堆積させる(図6(A)
)。
A silicon substrate is used as an etching mask
Further, a nitride film 11a is deposited on the upper surface of FIG. 10 (FIG. 6 (A)
).

【0045】シリコン基板10の下面に堆積された窒化膜
11のうち,錘部22を形成すべき部分の窒化膜11を除去
し,等方性エッチングを行う。これによって,窒化膜11
を除去した部分のシリコン基板10が途中まで垂直に削り
取られる(図6(B) )。
Nitride film deposited on lower surface of silicon substrate 10
Of the portion 11, the nitride film 11 in the portion where the weight portion 22 is to be formed is removed, and isotropic etching is performed. As a result, the nitride film 11
The portion of the silicon substrate 10 from which is removed is vertically cut off halfway (FIG. 6B).

【0046】等方性エッチングにより形成された凹部内
(錘部22が形成される部分)に再び窒化膜11を堆積す
る。その後,ダイヤフラム部20を形成すべき領域の窒化
膜11を除去し,異方性エッチングを行う。これによっ
て,シリコン基板10がその下面からメサ状に削り取ら
れ,窒化膜11によるダイヤフラム部20が形成される(図
6(C) )。
The nitride film 11 is deposited again in the recess formed by the isotropic etching (the portion where the weight 22 is formed). Thereafter, the nitride film 11 in a region where the diaphragm section 20 is to be formed is removed, and anisotropic etching is performed. As a result, the silicon substrate 10 is shaved from the lower surface in a mesa shape, and a diaphragm portion 20 is formed by the nitride film 11 (FIG. 6C).

【0047】最後にシリコン基板の上面に堆積されてい
る窒化膜11a を除去する(図6(D))。
Finally, the nitride film 11a deposited on the upper surface of the silicon substrate is removed (FIG. 6D).

【0048】図5(A)〜(D)および図6(A)〜(D)に示す振
動型角速度センサ30の製造工程において,1枚のウエハ
内に,一度に多数個の同一の振動型角速度センサを規則
的に配列させて形成することができる。このウエハをダ
イシングによって分割すると,個々の振動型角速度セン
サ30が完成する。
In the manufacturing process of the vibration type angular velocity sensor 30 shown in FIGS. 5 (A) to 5 (D) and FIGS. 6 (A) to 6 (D), a large number of the same vibration type The angular velocity sensors can be formed by regularly arranging them. When this wafer is divided by dicing, individual vibration type angular velocity sensors 30 are completed.

【0049】図7は,振動型角速度センサの他の例を示
す斜視図である。図1に示すものと同一のものには同一
符号を付し,重複説明を避ける。
FIG. 7 is a perspective view showing another example of the vibration type angular velocity sensor. The same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be avoided.

【0050】振動型角速度センサ30A が,図1に示す振
動型加速度センサ30と異なる点は窒化膜によって形成さ
れたダイヤフラム部の形状が円である点である。ひずみ
検出部40a とひずみ検出部40b とを結ぶ方向とひずみ検
出部40c とひずみ検出部40dとを結ぶ方向は錘部22の中
心を通るが必ずしも直交しなくてもよい。直角以外のあ
る角度で交差する2つの軸のまわりの角速度の検出も可
能となる。
The vibration type angular velocity sensor 30A differs from the vibration type acceleration sensor 30 shown in FIG. 1 in that the diaphragm formed by a nitride film has a circular shape. The direction connecting the strain detectors 40a and 40b and the direction connecting the strain detectors 40c and 40d pass through the center of the weight 22, but need not necessarily be orthogonal. It is also possible to detect angular velocities around two axes that intersect at an angle other than a right angle.

【0051】円形のダイヤフラム部20A はその全周が均
一に支持部21A に支持されているので,X方向の振動
も,Y方向の振動も,加えられる角速度に対する応答性
が高く,振幅も大きい。このため,加えられる角速度に
対する感度がよく,微小な角速度の変化も検出すること
ができる。
Since the entire periphery of the circular diaphragm portion 20A is uniformly supported by the support portion 21A, both the vibration in the X direction and the vibration in the Y direction have a high response to the applied angular velocity and a large amplitude. For this reason, the sensitivity to the applied angular velocity is good, and a minute change in the angular velocity can be detected.

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

【図1】振動型角速度センサの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a vibration type angular velocity sensor.

【図2】図1に示すII-II 線にそう断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II shown in FIG.

【図3】(A)および(B)は振動型角速度センサを加振する
様子を示す模式図である。
FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams showing a state in which a vibration type angular velocity sensor is excited.

【図4】X方向を軸に回転する振動型角速度センサを模
式的に示すものである。
FIG. 4 schematically illustrates a vibration-type angular velocity sensor that rotates around an X direction.

【図5】(A),(B),(C)および(D)は振動型角速度センサ
の製造工程を示す。
5 (A), (B), (C) and (D) show manufacturing steps of a vibration type angular velocity sensor.

【図6】(A),(B),(C)および(D)は振動型角速度センサ
の製造工程を示す。
6 (A), (B), (C) and (D) show manufacturing steps of a vibration type angular velocity sensor.

【図7】振動型角速度センサの他の実施例を示す斜視図
である。
FIG. 7 is a perspective view showing another embodiment of the vibration type angular velocity sensor.

【図8】従来の振動型角速度センサの斜視図である。FIG. 8 is a perspective view of a conventional vibration type angular velocity sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

13 ひずみ検出素子 14 配線パターン 15 ボンディング・パッド 16 保護層 20,20A ダイヤフラム部 21 支持部 22 錘部 30,30A 振動型角速度センサ 40a,40b,40c,40d ひずみ検出部 13 Strain detecting element 14 Wiring pattern 15 Bonding pad 16 Protective layer 20, 20A Diaphragm 21 Support 22 Weight 30, 30A Vibration type angular velocity sensor 40a, 40b, 40c, 40d Strain detector

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ダイヤフラム部と,このダイヤフラム部
の全周囲を支持する支持部と,ダイヤフラム部に設けら
れた錘部と,ダイヤフラム部に設けられた歪/応力検出
素子とから構成され,上記歪/応力検出素子がダイヤフ
ラム部の法線と直交する2つの異なる軸に沿いかつダイ
ヤフラム部の面内に平行な振動成分を検出するように配
置されている,角速度センサ。
A diaphragm portion, a support portion for supporting the entire periphery of the diaphragm portion, a weight portion provided on the diaphragm portion, and a strain / stress detecting element provided on the diaphragm portion. An angular velocity sensor wherein the stress detecting element is arranged to detect vibration components parallel to two different axes orthogonal to the normal of the diaphragm and parallel to the plane of the diaphragm.
【請求項2】 錘部がダイヤフラム部の中心に設けら
れ,ダイヤフラムの形状が上記の2つの異なる軸に関し
て線対称である,請求項1に記載の角速度センサ。
2. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the weight portion is provided at the center of the diaphragm portion, and the shape of the diaphragm is line-symmetric with respect to the two different axes.
【請求項3】 角速度センサをダイヤフラム部と,この
ダイヤフラム部の全周囲を支持する支持部と,ダイヤフ
ラム部に設けられた錘部と,ダイヤフラム部に設けられ
た歪/応力検出素子によって構成し,この角速度センサ
をダイヤフラム部を加振する音波が伝播する場所または
振動体上に配置する,角速度センサの加振方法。
3. An angular velocity sensor comprising a diaphragm, a support for supporting the entire periphery of the diaphragm, a weight provided on the diaphragm, and a strain / stress detecting element provided on the diaphragm. A method of exciting an angular velocity sensor, wherein the angular velocity sensor is arranged on a place or on a vibrating body where a sound wave for exciting the diaphragm propagates.
JP8353924A 1996-12-19 1996-12-19 Angular velocity sensor and its vibration method Pending JPH10185582A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8353924A JPH10185582A (en) 1996-12-19 1996-12-19 Angular velocity sensor and its vibration method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8353924A JPH10185582A (en) 1996-12-19 1996-12-19 Angular velocity sensor and its vibration method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10185582A true JPH10185582A (en) 1998-07-14

Family

ID=18434145

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8353924A Pending JPH10185582A (en) 1996-12-19 1996-12-19 Angular velocity sensor and its vibration method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH10185582A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2379506A (en) * 2001-09-11 2003-03-12 Transense Technologies Plc Vibratory gyroscope
JP2008026275A (en) * 2006-07-25 2008-02-07 Denso Corp Surface acoustic wave angular velocity sensor
WO2010092806A1 (en) 2009-02-13 2010-08-19 パナソニック株式会社 Inertial force sensor and detecting element used for same
JP2014062918A (en) * 2013-12-25 2014-04-10 Seiko Epson Corp Stress detection element, tactile sensor, and gripping device

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2379506A (en) * 2001-09-11 2003-03-12 Transense Technologies Plc Vibratory gyroscope
GB2379506B (en) * 2001-09-11 2004-11-03 Transense Technologies Plc Vibratory gyroscope
US6959600B2 (en) 2001-09-11 2005-11-01 Transense Techologies Plc Vibratory gyroscope
JP2008026275A (en) * 2006-07-25 2008-02-07 Denso Corp Surface acoustic wave angular velocity sensor
WO2010092806A1 (en) 2009-02-13 2010-08-19 パナソニック株式会社 Inertial force sensor and detecting element used for same
US8689630B2 (en) 2009-02-13 2014-04-08 Panasonic Corporation Inertial force sensor and detecting element used for same
JP2014062918A (en) * 2013-12-25 2014-04-10 Seiko Epson Corp Stress detection element, tactile sensor, and gripping device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4552883B2 (en) Vibration detection method
US5005413A (en) Accelerometer with coplanar push-pull force transducers
US8631700B2 (en) Resonating sensor with mechanical constraints
JP5305028B2 (en) pressure sensor
US8234920B2 (en) Angular velocity sensor having drive member coupling beam spaced apart from drive members
JPH1047971A (en) Angular velocity sensor
JPH08145683A (en) Acceleration/angular acceleration detector
JP3985796B2 (en) Mechanical quantity sensor device
JP2011525233A (en) XY Axis Dual Mass Tuning Fork Gyroscope with Vertically Integrated Electronic Circuits and Wafer Scale Sealed Packaging
JP2003028644A (en) Angular velocity sensor
JP2888029B2 (en) Angular velocity sensor
JP2002005955A (en) Capacitance-type dynamic quantity sensor
JP4362877B2 (en) Angular velocity sensor
JPH10185582A (en) Angular velocity sensor and its vibration method
JP2017020977A (en) Sensor device
JP2004069349A (en) Capacity type acceleration sensor
JP3147772B2 (en) Sensor device
JP2007163248A (en) Piezoelectric vibration gyro
JPH08247768A (en) Angular velocity sensor
JPH10318758A (en) Piezoelectric micro angular speed sensor and fabrication thereof
JPH10267663A (en) Angular velocity sensor
JP2002071705A (en) Acceleration/angular velocity sensor using piezo-electric element
JP2011108680A (en) Method of manufacturing multilayer substrate, method of manufacturing diaphragm, and method of manufacturing pressure sensor
JP4362739B2 (en) Vibration type angular velocity sensor
JPH08292207A (en) Power sensor