JPH10267658A - Vibration-type angular velocity sensor - Google Patents

Vibration-type angular velocity sensor

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JPH10267658A
JPH10267658A JP9069617A JP6961797A JPH10267658A JP H10267658 A JPH10267658 A JP H10267658A JP 9069617 A JP9069617 A JP 9069617A JP 6961797 A JP6961797 A JP 6961797A JP H10267658 A JPH10267658 A JP H10267658A
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JP
Japan
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angular velocity
vibrating mass
coriolis force
vibrating
mass
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Application number
JP9069617A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Kaneko
洋之 金子
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an accurate angular velocity signal by subtracting an offset error component that does not depend on coriolis force from the output signal value of two vibrators with a vibration mass part being arranged closely on a substrate by employing a specific expression. SOLUTION: A vibrator A8.2 with a mass of (m), and a vibrator B804 with a mass of Cm (c is a proportional constant) are driven by a drive circuit 801 at a frequency (f) and an amplitude (a). When the angular velocity at this time is set to Ω, the detection signal A (the output of A: Aout) and the detection signal B (the output of B: Bout) of each vibrator are expressed by expressions I and II, respectively, in which K1 is a proportional constant in the case of converting the coriolis force to an output electrical signal, and OF is an offset error (ω=2 πf). Therefore, by performing an operation of (Bout-C.Aout)/(1-C) by an operation circuit 806, an expression III is obtained, thus the inclination of a vibration surface being generated regardless of the coriolis fore, namely an offset can be calculated. Then, for example, by subtracting OF obtained by the expression III from Aout in the expression I, output K1 .2 maωΩ that is proportional to a true angular velocity Ω can be obtained.

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】本発明は角速度センサに係
り、特に、製造条件のばらつき、温度変化、種々の外乱
要因によるセンサの出力誤差を低減するに好適な振動型
角速度センサの構造と信号処理に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity sensor and, more particularly, to a structure and signal processing of a vibration type angular velocity sensor suitable for reducing an output error of the sensor due to variations in manufacturing conditions, temperature change, and various disturbance factors. .

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば、図7(a)は従来の振動型角速
度センサを示す平面図、図7(b)は図7(a)のA−
A断面図を示し、“A Micromachined Comb-Drive Tunin
g ForkRate Gyroscope”,IEEE Micro Eletro Mechanica
l Systems 1993 Proceedingspp.143-148に述べられてい
るもので、半導体基板表面の微細加工により振動型角速
度計を製作したものである。
2. Description of the Related Art For example, FIG. 7A is a plan view showing a conventional vibration type angular velocity sensor, and FIG.
A cross-sectional view shows “A Micromachined Comb-Drive Tunin
g ForkRate Gyroscope ”, IEEE Micro Eletro Mechanica
l Systems 1993 Proceedings pp. 143-148, in which a vibrating gyro was manufactured by micromachining the surface of a semiconductor substrate.

【0003】図7(a)、図7(b)において振動質量
部103、104は、固定部101で基板203に固定
された梁102によって、基板203から所定の間隔を
隔てたいわゆる浮いた形で保持されている。また別の固
定部106と振動質量部103、104の間には、それ
ぞれ、微小間隔に配列した櫛歯状の駆動電極105が設
けられ、駆動電極105に電圧を印加することにより、
発生する静電力によって振動質量部103、104をx
軸方向、すなわち、基板203と平行に振動させる。こ
こで、y軸回りの角速度ω1が印加されると、振動質量
部103、104にはコリオリ力Fcがz軸方向に発生
し、その結果、基板203は、x軸方向に垂直なz軸方
向にも振動することになる。このz軸方向の変位は、基
板203と振動質量103、104の間に発生する静電
容量を測定することにより、角速度ω1を検出すること
ができる。
In FIGS. 7 (a) and 7 (b), the vibrating mass portions 103 and 104 are so-called floating shapes separated from the substrate 203 by a predetermined distance by beams 102 fixed to the substrate 203 by fixing portions 101. Is held in. Further, comb-shaped drive electrodes 105 arranged at minute intervals are provided between another fixed portion 106 and the vibrating mass portions 103 and 104, and by applying a voltage to the drive electrodes 105,
Due to the generated electrostatic force, the vibrating mass units 103 and 104
Vibration is performed in the axial direction, that is, in parallel with the substrate 203. Here, when an angular velocity ω 1 around the y-axis is applied, Coriolis force Fc is generated in the vibrating mass units 103 and 104 in the z-axis direction. As a result, the substrate 203 is moved in the z-axis direction perpendicular to the x-axis direction. It will also vibrate in the direction. The displacement in the z-axis direction can detect the angular velocity ω 1 by measuring the capacitance generated between the substrate 203 and the vibrating masses 103 and 104.

【0004】ちなみに、この従来例においては、振動質
量部103、104をx−y平面上で互いに逆方向に駆
動し、これにy軸回りの角速度ω1を印加すると、振動
質量部103、104にはz軸方向に、それぞれ逆向き
のコリオリ力Fcが発生し、下部電極201、202と
振動質量部103、104の間隔に変化が生ずる。これ
より振動質量部103、104の差動信号を受信し角速
度信号を出力する。このような差動構成にすることで同
じ相に発生する外来雑音、例えばz軸方向の加速度の影
響を排除するとともに、角速度ω1の検出感度をも高め
ている。
In this conventional example, when the vibrating mass sections 103 and 104 are driven in opposite directions on the xy plane and an angular velocity ω 1 about the y-axis is applied thereto, the vibrating mass sections 103 and 104 are driven. Generates Coriolis forces Fc in opposite directions in the z-axis direction, and the gap between the lower electrodes 201 and 202 and the vibrating mass portions 103 and 104 changes. Thus, the differential signals of the vibrating mass units 103 and 104 are received and an angular velocity signal is output. External noise generated in the same phase by such a differential configuration, for example, while eliminating the influence of the acceleration in the z-axis direction, but also enhance the detection sensitivity of the angular velocity omega 1.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】このような従来の振動
型角速度センサにおいては下記の問題点があった。振動
型角速度センサは、コリオリ力の測定値に基づいて計測
され、質量mの振動質量部を速度vで振動させて生ずる
コリオリ力Fcは、Fc=2×m×v×ωで表示され、
コリオリ力による振動質量部の変位、および、変位に伴
って発生する梁の歪みは、静電容量の変化や歪みゲージ
の抵抗値変化、圧電効果による電圧変化として測定され
る。
The conventional vibration type angular velocity sensor has the following problems. The vibration type angular velocity sensor is measured based on the measured value of the Coriolis force, and the Coriolis force Fc generated by vibrating the vibrating mass portion of the mass m at the speed v is represented by Fc = 2 × m × v × ω,
The displacement of the vibrating mass due to the Coriolis force and the strain of the beam caused by the displacement are measured as a change in capacitance, a change in resistance of a strain gauge, and a change in voltage due to the piezoelectric effect.

【0006】一般に角速度センサの小型化を図るために
は、必然的に振動質量部とこれを支持する梁を小さくす
る必要があり、特に、小さな角速度を検出するには、微
小のコリオリ力が検出できなくてはならない。したがっ
て、微小のコリオリ力による振動質量部の変位または歪
を検出する角速度センサには、高感度で、かつ高精度の
変位検出性能が要求される。
In general, in order to reduce the size of the angular velocity sensor, it is necessary to reduce the size of the vibrating mass and the beam supporting the vibrating mass. In particular, to detect a small angular velocity, a minute Coriolis force is detected. Must be able to do it. Therefore, an angular velocity sensor that detects displacement or distortion of the vibrating mass due to a small Coriolis force is required to have high sensitivity and high precision displacement detection performance.

【0007】図8は、振動型角速度センサの動作原理を
示す図である。例えば、図8に示す振動質量部は、20
0μm×200μm×10μmの単結晶シリコンであっ
て約1μgの質量を有する。600μm長、10μm
幅、10μm厚の単結晶シリコンにより形成した両持ち
梁2本で支えた構造で、この振動質量部を振幅10μm
p-p、周渡数f=20kHzで、基板と並行のx軸方
向に振動させ、x軸と直交するz軸方向に角速度ω=1
°/secを与えたとしても、例えば、Q値が1000
の場合で、約3nm程度の変位量しか現われない。これ
は角速度ωが0の時の基板と振動質量部の間隔、すなわ
ち、イニシャルギャップが1μmの場合、僅か0.3%
の変位量にすぎない。
FIG. 8 is a diagram showing the operation principle of the vibration type angular velocity sensor. For example, the oscillating mass shown in FIG.
0 μm × 200 μm × 10 μm single crystal silicon having a mass of about 1 μg. 600 μm length, 10 μm
A structure supported by two doubly supported beams made of single-crystal silicon having a width of 10 μm and a vibration mass portion having an amplitude of 10 μm
Vibration in the x-axis direction parallel to the substrate at pp, number of turns f = 20 kHz, angular velocity ω = 1 in the z-axis direction orthogonal to the x-axis
° / sec, the Q value is 1000, for example.
In this case, only a displacement of about 3 nm appears. This is only 0.3% when the angular velocity ω is 0 and the distance between the substrate and the vibrating mass part, that is, when the initial gap is 1 μm.
Is only the displacement of

【0008】従ってこのように高感度でかつ高精度が要
求されるセンサにおいては、構造上の僅かなずれによっ
て、角速度ωが0の状態でも出力を発生するおそれがあ
る。つまり、角速度センサの構造設計をする場合、通
常、角速度ωが0の状態で出力が0、もしくは、ある一
定の値を生ずるように構造を決めるのであるが、構造体
の製造上のバラツキ、駆動力の不均一、温度変化による
熱応力の発生等により、必ずしも設計通りの振動を起こ
すわけではなく、製品毎に異なったオフセット誤差のば
らつきが生ずる可能性が大きい。特に上記のように高感
度、高精度の角速度センサを設計する場合には、このバ
ラツキへの対応策は、深刻な問題となってくる。
Accordingly, in such a sensor requiring high sensitivity and high accuracy, an output may be generated even when the angular velocity ω is 0 due to a slight structural shift. In other words, when designing the structure of the angular velocity sensor, the structure is usually determined so that the output is 0 or a certain value is generated when the angular velocity ω is 0. Due to the non-uniformity of the force, the generation of thermal stress due to the temperature change, etc., the vibration does not always occur as designed, and there is a large possibility that the offset error varies from product to product. In particular, when designing a high-sensitivity, high-precision angular velocity sensor as described above, a measure against this variation becomes a serious problem.

【0009】図9は、オフセットの生じた従来技術の振
動質量部の動きを示す図である。図7に示した質量部1
03、104を支える支持部102の僅かなゆがみや、
静電駆動力の不均一性、基板203からの熱応力により
生じた歪み等の影響で、僅かでも振動面に傾きpが生ず
る結果として、基板203とのギャップが変化し、角速
度が0の状態でも出力信号が生じ、オフセットが発生す
るに至る。このようなオフセットは個々の製品ごとにば
らつきがあり、高精度の角速度センサを実現するために
は、それぞれの製品毎に、既知の角速度を印加した状
態、あるいは、角速度ω=0の場合で、オフセット調整
を実施しなければならず、これに伴うコストが増大す
る。
FIG. 9 is a view showing the movement of the vibrating mass section of the prior art in which an offset has occurred. Mass part 1 shown in FIG.
Slight distortion of the support 102 supporting the 03 and 104,
Due to the non-uniformity of the electrostatic driving force and the distortion p caused by the thermal stress from the substrate 203, even a slight inclination of the vibrating surface results in a change in the gap with the substrate 203 and a zero angular velocity. However, an output signal is generated, and an offset is generated. Such an offset varies for each product, and in order to realize a high-accuracy angular velocity sensor, a state where a known angular velocity is applied to each product or an angular velocity ω = 0, Offset adjustment must be performed, which increases costs.

【0010】また、仮に製品製造時にこのようなオフセ
ット調整がなされたとしても、製品使用中の経時変化
や、温度変化により、機械的構造、例えば、振動質量部
を支持する梁のばね定数のような機械定数が変化し、従
って、オフセットが変動してしまうことも考えられる。
特に、車両のナビゲーションシステムにおいて、自車の
位置を推定するために角速度センサの信号を用いる場合
には、高精度に低オフセットの角速度信号を得ることが
必要であるが、従来技術の振動型角速度センサでは低オ
フセット、低オフセットドリフトの信号を得ることが困
難であった。この発明は、このような従来技術の問題点
に着目してなされたもので、オフセットの極めて小さい
高精度の角速度センサを提供することを目的としてい
る。
Even if such an offset adjustment is made during the manufacture of the product, the mechanical structure, for example, the spring constant of the beam supporting the vibrating mass portion, may change due to a change over time or a change in temperature during use of the product. It is also conceivable that the mechanical constant changes, and therefore the offset fluctuates.
In particular, in the case of using a signal from an angular velocity sensor to estimate the position of the own vehicle in a vehicle navigation system, it is necessary to obtain a low-offset angular velocity signal with high accuracy. It was difficult for the sensor to obtain a signal with low offset and low offset drift. The present invention has been made in view of such a problem of the related art, and has as its object to provide a highly accurate angular velocity sensor with extremely small offset.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するに
は、基板上に近接して配置された振動質量部を有する2
つの振動子の出力信号値から、コリオリ力に依存しない
オフセット誤差成分を算出し、このオフセット誤差成分
を差し引いた角速度信号を求めるようにすればよい。す
なわち、振動質量部とこの振動質量部を固定する固定部
を連結する梁、この振動質量部を振動させる駆動電極、
コリオリ力を検出する検出電極、が等しい機械的諸元ま
たは特性を有し、質量が異なる2つの振動質量部を、同
一振幅、同一周波数で駆動して得られる信号出力を演算
する。例えば図4に示すように、駆動回路801によ
り、周波数f、振幅aで振動させた質量mなる振動子A
802、振動子B804が角速度の入力により発生する
コリオリ力を受け変化した振動面の位置変化をそれぞれ
検出回路A803、検出回路B805により検出し、検
出した2つの信号は演算回路806によって演算するこ
とにより角速度センサ出力が求められる。この出力から
コリオリ力に依存しないオフセット誤差成分を算出し、
このオフセット誤差成分を差し引いた角速度信号を求め
ることによって達成される。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention has been made to solve the above problem by providing a vibrating mass having a vibrating mass disposed close to a substrate.
An offset error component independent of the Coriolis force may be calculated from the output signal values of the two vibrators, and an angular velocity signal obtained by subtracting the offset error component may be obtained. That is, a beam that connects the vibrating mass part and a fixing part that fixes the vibrating mass part, a drive electrode that vibrates the vibrating mass part,
A detection electrode for detecting the Coriolis force has the same mechanical specifications or characteristics, and calculates a signal output obtained by driving two vibrating mass units having different masses at the same amplitude and the same frequency. For example, as shown in FIG. 4, a vibrator A having a mass m vibrated at a frequency f and an amplitude a by a drive circuit 801.
The detection circuit A 803 and the detection circuit B 805 detect the change in the position of the vibrating surface that has been changed by receiving the Coriolis force generated by the vibrator B 804 due to the input of the angular velocity, and the two detected signals are calculated by the calculation circuit 806. An angular velocity sensor output is determined. From this output, calculate the offset error component that does not depend on the Coriolis force,
This is achieved by obtaining an angular velocity signal from which the offset error component has been subtracted.

【0012】あるいは、前記の梁、前記の駆動電極、前
記の検出電極、が等しい機械的諸元または特性を有し、
等しい質量を有する2つの振動質量部を、同一振幅、異
なる周波数で駆動して得られる信号出力を演算し、この
出力からオフセット誤差成分を差し引いて角速度信号を
求めてもよい。請求項1、請求項2記載の角速度検出手
段とは、例えば、図4または図6の検出回路A、検出回
路Bを含み、また、演算手段とは、図4または図6の演
算回路に相当するものである。
Alternatively, said beam, said drive electrode, and said detection electrode have the same mechanical specifications or characteristics;
A signal output obtained by driving two vibrating mass units having the same mass at the same amplitude and different frequencies may be calculated, and an angular error signal may be obtained by subtracting an offset error component from the output. The angular velocity detecting means according to the first and second aspects includes, for example, the detecting circuit A and the detecting circuit B in FIG. 4 or FIG. 6, and the calculating means corresponds to the calculating circuit in FIG. 4 or FIG. Is what you do.

【0013】[0013]

【発明の効果】2つの角速度検出手段から信号出力を演
算することにより、外乱、温度変化、経時変化等によっ
て生じるコリオリ力とは無関係なオフセット誤差成分
を、角速度信号から分離することができ、これによって
高精度の角速度信号を求めることができる。また、上記
共通の効果のほか、後述するように、実施の形態1、実
施の形態2に特有の効果を奏するものである。すなわ
ち、実施の形態1では、同一の駆動周波数、振幅を用い
て振動質量部で駆動するものであるから、駆動回路の共
通化が可能であり、実施の形態2では、2つの角速度検
出手段は全く同一の構造を適用するものであるから、実
施の形態1との比較では構造の簡略化が可能である。
By calculating the signal output from the two angular velocity detecting means, an offset error component irrelevant to Coriolis force caused by disturbance, temperature change, temporal change, etc. can be separated from the angular velocity signal. Thus, a highly accurate angular velocity signal can be obtained. Further, in addition to the above-mentioned common effects, as described later, the present embodiment also has effects unique to the first and second embodiments. That is, in the first embodiment, since the driving is performed by the vibrating mass unit using the same driving frequency and the same amplitude, the driving circuit can be shared. In the second embodiment, the two angular velocity detecting units are: Since exactly the same structure is applied, the structure can be simplified in comparison with the first embodiment.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。 〈実施の形態1〉図1はこの発明の実施の形態1を示す
平面図である。図示するように、外形は概ね図7に示し
た従来技術の角速度センサに準ずる構造を有するが、2
つの質量部503、504の質量には相違がある。すな
わち、センサの機械的寸法や特性等は全く同一に作られ
ている。特に、半導体製造技術を用いて、微小寸法を有
する2つの構造体を同一基板上に隣接して形成する場合
には、機械的諸元、特性等が同等になるようにすること
が可能である。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. <First Embodiment> FIG. 1 is a plan view showing a first embodiment of the present invention. As shown in the drawing, the outer shape has a structure substantially similar to that of the conventional angular velocity sensor shown in FIG.
There is a difference between the masses of the two mass parts 503, 504. That is, the mechanical dimensions and characteristics of the sensor are exactly the same. In particular, when two structures having minute dimensions are formed adjacently on the same substrate by using a semiconductor manufacturing technique, it is possible to make the mechanical specifications, characteristics, and the like equal. .

【0015】図2(a)、(b)は、外形寸法が等しく
異なる質量を有する振動質量部601、602を例示す
る平面図である。振動質量部601、602は全く等し
い厚みと外形寸法を有するが、603、604は孔を示
し、振動質量部601の孔603は振動質量部602の
孔604より数が多く、このため、振動質量部601の
質量は振動質量部602の質量よりも小である。この実
施の形態は、いわゆる犠牲層を用いた表面マイクロマシ
ーニング製造技術によって、微小構造体を形成したもの
を想定しており、孔603、孔604は犠牲層をエッチ
ング除去してフリースタンディング構造とするためのエ
ッチング孔としても利用できる。
FIGS. 2A and 2B are plan views illustrating the vibrating mass portions 601 and 602 having the same outer dimensions and different masses. The vibrating mass parts 601 and 602 have exactly the same thickness and outer dimensions, but 603 and 604 indicate holes, and the number of holes 603 of the vibrating mass part 601 is larger than the number of holes 604 of the vibrating mass part 602. The mass of the portion 601 is smaller than the mass of the vibrating mass portion 602. In this embodiment, it is assumed that a microstructure is formed by a surface micromachining manufacturing technique using a so-called sacrifice layer. The holes 603 and 604 have a free standing structure by removing the sacrifice layer by etching. It can also be used as an etching hole for forming.

【0016】また、図3(a)、(b)は外形寸法が等
しく異なる質量を有する別の振動質量部701、702
を例示する平面図である。外形寸法を変えずに質量のみ
変化させる他の構造例を示すもので、図2、図3のほ
か、さまざまな構造のものが考えられる。例えば、図3
では振動質量部上に新たな重錘704を付加するか、あ
るいは、付加しないで外形寸法は変えず質量のみを変え
たものとして例示している。何れにしても、振動質量部
を支持する梁に対するばね定数のような機械的性質に対
して影響を及ぼさないように、質量のみを変えることが
可能である。
FIGS. 3A and 3B show other vibrating mass portions 701 and 702 having the same outer dimensions and different masses.
FIG. This shows another structural example in which only the mass is changed without changing the external dimensions, and various structures other than FIGS. 2 and 3 are conceivable. For example, FIG.
In this example, a new weight 704 is added to the vibrating mass part, or only the mass is changed without changing the external dimensions without adding the weight. In any case, it is possible to change only the mass without affecting mechanical properties such as the spring constant for the beam supporting the vibrating mass.

【0017】ここで図2、図3では質量部の外形寸法
は、等しいか、少なくとも可及的に同一であるとしてい
るが、これは2つの角速度センサの機械的諸元が接近し
ている方が、後述の信号処埋手段によって行なうオフセ
ット誤差の算出精度が高くなるためであるが、状況によ
って多少の機械的寸法の相違は許容される。このように
外形寸法が概ね同一で、振動質量部の質量のみが異なる
2つの角速度検出手段を備え、2つの角速度センサの駆
動・検出を以下のように行なうことにより、本発明の主
目的であるオフセット誤差の小さい角速度の検出を実行
することができる。
Here, in FIGS. 2 and 3, the external dimensions of the mass part are equal or at least as equal as possible, but this is because the mechanical specifications of the two angular velocity sensors are close to each other. However, this is because the accuracy of calculating the offset error performed by the signal embedding means described later increases, but a slight difference in mechanical dimensions is allowed depending on the situation. Thus, the main object of the present invention is to provide two angular velocity detecting means having substantially the same external dimensions and differing only in the mass of the vibrating mass part, and to drive and detect the two angular velocity sensors as follows. Detection of an angular velocity with a small offset error can be performed.

【0018】図4は、本発明の実施の形態1のブロック
図であって、駆動・検出・信号処理を例示するものであ
る。質量の異なる2つの振動子、すなわち、質量mの振
動子A802、質量Cmの振動子B804(Cは比例定
数)を周波数f、振幅aで駆動回路801により駆動す
る。この例では、駆動周波数、すなわち、検出周波数
は、振動子A802、振動子B804の検出方向(コリ
オリ力の発生する方向)の共振周波数と異なった周波数
を用いる。駆動された振動子A802、振動子B804
は、角速度の入力により発生するコリオリ力を受け振動
面が位置を変化する。この変化をそれぞれ検出回路A8
03、検出回路B805で検出し、検出した2つの信号
は演算回路806によって演算され、最終的に角速度セ
ンサ出力が求められる。
FIG. 4 is a block diagram of the first embodiment of the present invention, illustrating drive, detection, and signal processing. A drive circuit 801 drives two vibrators having different masses, that is, a vibrator A 802 having a mass m and a vibrator B 804 (C is a proportional constant) having a mass Cm at a frequency f and an amplitude a. In this example, the drive frequency, that is, the detection frequency uses a frequency different from the resonance frequency of the vibrator A 802 and the vibrator B 804 in the detection direction (the direction in which the Coriolis force is generated). Driven vibrator A802, vibrator B804
The vibrating surface changes its position due to Coriolis force generated by inputting an angular velocity. This change is detected by the detection circuit A8.
03. The two signals detected and detected by the detection circuit B 805 are calculated by the calculation circuit 806, and finally the output of the angular velocity sensor is obtained.

【0019】ここで振動子A802の駆動方向の最大速
度vAは、 vA=aω …(式1) ただし、aは駆動振幅、ω=2πfは駆動周波数で与え
られ、ここに角速度Ωが人力されると、速度と角速度ベ
クトルの外積方向に(式2)に示すコリオリ力Fcが発
生する。
Here, the maximum speed v A in the driving direction of the vibrator A802 is given by: v A = aω (1) where a is given by the drive amplitude and ω = 2πf is given by the drive frequency, where Then, a Coriolis force Fc shown in (Equation 2) is generated in the direction of the outer product of the velocity and the angular velocity vector.

【0020】 FcA=2maωΩ …(式2) このコリオリ力によって振動面が傾き、その変化を静電
容量、歪み等で電気信号に変換する。その際、前に述べ
たように温度変化・外乱等により、コリオリ力とは無関
係に振動面が僅かに変化してしまうことが予想される。
これがセンサの誤差オフセット信号となり、真の角速度
との区別ができなくなる。
Fc A = 2 maΩΩ (Equation 2) The vibrating surface is tilted by the Coriolis force, and the change is converted into an electric signal by capacitance, distortion, or the like. At this time, as described above, it is expected that the vibrating surface slightly changes irrespective of the Coriolis force due to temperature change, disturbance, and the like.
This becomes an error offset signal of the sensor, and cannot be distinguished from the true angular velocity.

【0021】この状態の検出信号A(Aの出力:Aou
t)は Aout=k1・2maωΩ+OF …(式3) と表すことができる。
In this state, the detection signal A (output of A: Aou
t) can be represented as Aout = k 1 · 2maωΩ + OF ... ( Equation 3).

【0022】ここで、k1はコリオリ力を出力電気信号
に変換する際の比例定数、OFはオフセット誤差であ
る。
Here, k 1 is a proportionality constant when converting the Coriolis force into an output electric signal, and OF is an offset error.

【0023】一方質量Cmを有する振動子B804も周
波数f、振幅aで駆動されるので、角速度Ωが入力され
ると、振動子A802と同様に、 FcB=2CmaωΩ のコリオリ力が発生する。この際やはり温度変化・外乱
等によりコリオリ力とは無関係に振動面が僅かに変化し
てしまうことが予想されるが、振動子B804は振動子
A802と同一基板上に近接して配置されており、機械
的諸元もほぼ等しいので、温度変化・外乱等による振動
面の変化は振動子A802のそれとほぼ等しいオフセッ
ト誤差が生ずると考えられ、検出信号B(Bの出力:B
out)は Bout=k1・2CmaωΩ+OF と表される。
On the other hand, since the vibrator B 804 having the mass Cm is also driven at the frequency f and the amplitude a, when the angular velocity Ω is input, a Coriolis force of Fc B = 2 CmaωΩ is generated similarly to the vibrator A 802. At this time, it is expected that the vibrating surface slightly changes irrespective of the Coriolis force due to a temperature change, disturbance, or the like. However, the vibrator B804 is disposed close to the vibrator A802 on the same substrate. Since the mechanical specifications are almost the same, it is considered that a change in the vibrating surface due to a temperature change, a disturbance, or the like causes an offset error substantially equal to that of the vibrator A802, and the detection signal B (output of B: B
out) it is expressed as Bout = k 1 · 2CmaωΩ + OF .

【0024】従って演算回路806により(Bout−C
・Aout)/(1−C)の演算を行なえば、 〔(k1・2CmaωΩ+OF)−C(k1・2maωΩ+OF)〕/(1−C)=OF …(式4) となり、温度変化・外乱等によりコリオリ力とは無関係
に生じた振動面の傾き、すなわちオフセットを算出する
ことができる。そして例えば(式3)のAoutから(式
4)で求められたOFを減算すれば、真の角速度Ωに比
例した出力、すなわち、k1・2maωΩが求められ
る。実際の演算では、アナログ電子回路を用いる方法、
デジタル信号処理する方法等さまざまな方法が考えられ
るが、結果として(式4)が得られればよい。
Therefore, (Bout-C)
· Aout) / (by computing 1-C), [(k 1 · 2CmaωΩ + OF) -C (k 1 · 2maωΩ + OF) ] / (1-C) = OF ... ( Equation 4), and the temperature change, disturbance Thus, the inclination of the vibrating surface, that is, the offset generated independently of the Coriolis force can be calculated. And for example, if subtracted OF obtained in the Aout (Equation 4) (Equation 3), output proportional to the true angular velocity Omega, i.e., k 1 · 2maωΩ is obtained. In the actual calculation, a method using analog electronic circuits,
Various methods such as a digital signal processing method are conceivable, but it suffices if Expression 4 is obtained as a result.

【0025】〈実施の形態2〉図5は、この発明の実施
の形態2を示す平面図、図6は、実施の形態2の信号処
理のブロック図であって、駆動・検出・信号処理を例示
するものである。実施の形態1では質量のみが異なる2
つの振動子を用いたが、本実施の形態では、機械的構
造、振動子の質量がほぼ等しい2つの振動子A100
2、振動子B1005を、それぞれ同一の振幅、及び、
異なった周波数f、Cfで駆動し、2つの出力を演算す
ることにより、オフセット誤差の小さな角速度が得られ
る角速度センサを実現するものである。図5は振動子の
構造を示し、機械的構造は図7の従来例に準ずるため、
説明は省略する。
<Second Embodiment> FIG. 5 is a plan view showing a second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a block diagram of signal processing according to the second embodiment. It is an example. In Embodiment 1, only the mass is different 2
Although two vibrators A100 are used in the present embodiment, the two vibrators A100 have substantially the same mechanical structure and the same mass.
2. The transducers B1005 have the same amplitude and
By driving at different frequencies f and Cf and calculating two outputs, an angular velocity sensor capable of obtaining an angular velocity with a small offset error is realized. FIG. 5 shows the structure of the vibrator, and the mechanical structure conforms to the conventional example of FIG.
Description is omitted.

【0026】実施の形態1と同様に振動子A1002、
振動子B1005は共に検出方向では非共振の状態にな
るように振動子B1005の駆動周波数を、振動子A1
002のC倍に設定する。振動子A1002の検出信号
A(Aの出力:Aout)は Aout=k1・2ma・2πf・Ω+OF …(式5) で表され、振動子B1005の検出信号B(Bの出力:
Bout)は駆動周波数がC倍なので、 Bout=k1・2ma・2πCf・Ω+OF …(式6) で表される。
As in the first embodiment, the vibrator A1002,
The driving frequency of the vibrator B1005 is changed so that the vibrator B1005 is in a non-resonant state in the detection direction.
Set to C times 002. (Output of A: Aout) detection signal A of the transducer A1002 is represented by Aout = k 1 · 2ma · 2πf · Ω + OF ... ( Equation 5), the output of the detection signal B (B of the oscillator B 1005:
Bout) is the drive frequency because C times as is represented by Bout = k 1 · 2ma · 2πCf · Ω + OF ... ( Equation 6).

【0027】ここで演算回路1007により実施の形態
1と同様に(Bout−C・Aout)/(1−C)の演算を
行えば、 〔(k1・2CmaωΩ+OF−C・(k1・2maωΩ+OF)〕/(1−C) =OF …(式7) となり、温度変化・外乱等によりコリオリ力とは無関係
に生じた振動面の傾き、すなわち、オフセットを算出す
ることができる。そして例えば(式5)のAoutから
(式7)で求められたオフセット誤差OFを減算すれ
ば、真の角速度Ωに比例した出力、すなわち、k1・2
maωΩが求められる。
Here, if the calculation of (Bout−C · Aout) / (1−C) is performed by the calculation circuit 1007 in the same manner as in the first embodiment, [(k 1 2 CmaωΩ + OF−C · (k 1 2maωΩ + OF) ] / (1-C) = OF (Equation 7), and it is possible to calculate the inclination of the vibrating surface, that is, the offset generated independently of the Coriolis force due to temperature change, disturbance, etc. For example, (Equation 5) ) Is subtracted from the offset error OF obtained by (Equation 7), an output proportional to the true angular velocity Ω, that is, k 1 · 2
maωΩ is required.

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

【図1】本発明の振動型角速度センサの実施の形態1を
示す平面図である。
FIG. 1 is a plan view showing a vibration type angular velocity sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明に係る外形寸法が等しく異なる質量を有
する振動質量部を例示する平面図である。
FIG. 2 is a plan view illustrating a vibrating mass part according to the present invention having masses having the same external dimensions and different sizes.

【図3】本発明に係る外形寸法が等しく異なる質量を有
する別の振動質量部を例示する平面図である。
FIG. 3 is a plan view illustrating another vibrating mass portion according to the present invention, which has a mass whose outer dimensions are equal and different.

【図4】本発明の振動型角速度センサの実施の形態1の
ブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram of a vibration type angular velocity sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の振動型角速度センサの実施の形態2を
示す平面図である。
FIG. 5 is a plan view showing a vibration type angular velocity sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の振動型角速度センサの実施の形態2の
ブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram of a vibration type angular velocity sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図7】従来の振動型角速度センサを示す平面図
(a)、及び図(a)のA−A断面図(b)である。
7A is a plan view showing a conventional vibration type angular velocity sensor, and FIG. 7B is a sectional view taken along line AA of FIG.

【図8】振動型角速度センサの動作原理を示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram illustrating an operation principle of the vibration type angular velocity sensor.

【図9】オフセットが生じている従来技術の質量部の動
きを示す図である。
FIG. 9 illustrates the movement of a prior art mass with an offset.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101、106、501、506、901、906…固
定部 102、502、902…梁 103、104、503、504、903、904…振
動質量部 105、505、905…駆動電極 201、202…下部電極 203…基板 801、1001、1004…駆動回路 802、804、1002、1005…振動子 803、805、1003、1006…検出回路 806、1007…演算回路
101, 106, 501, 506, 901, 906: Fixed part 102, 502, 902: Beam 103, 104, 503, 504, 903, 904: Vibrating mass part 105, 505, 905: Driving electrode 201, 202: Lower electrode 203: substrate 801, 1001, 1004 ... drive circuit 802, 804, 1002, 1005 ... vibrator 803, 805, 1003, 1006 ... detection circuit 806, 1007 ... arithmetic circuit

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】角速度印加により所定の振動質量部に発生
するコリオリ力から前記振動質量部の変位、または、前
記振動質量部を支持する支持体の変位を検出して前記角
速度を計測する振動型角速度センサにおいて、 同一基板上に近接して設けられ異なる質量を有する2つ
の振動質量部と、 前記振動質量部とこの振動質量部を固定する固定部とを
連結する梁と、 前記振動質量部を振動させる駆動電極と、 前記コリオリ力を検出する検出電極とを有する2つの角
速度検出手段を備え、 前記梁、前記駆動電極、前記検出電極が何れも同等の機
械的諸元または特性を保有し、 前記2つの角速度検出手段は、同一振幅で、かつ、前記
振動質量部のコリオリ力検出方向の共振周波数以外の互
いに等しい周波数により、それぞれの振動質量部を駆動
して角速度出力を検出し、 この角速度出力からコリオリ力に依存しないオフセット
誤差成分を算出し、このオフセット誤差成分を差し引い
た角速度信号を得る演算手段を有することを特徴とする
振動型角速度センサ。
1. A vibrating type for measuring the angular velocity by detecting a displacement of the vibrating mass or a displacement of a support for supporting the vibrating mass from a Coriolis force generated in a predetermined vibrating mass by application of an angular velocity. In the angular velocity sensor, two oscillating masses which are provided close to each other on the same substrate and have different masses; a beam connecting the oscillating masses and a fixing unit for fixing the oscillating masses; A drive electrode to be vibrated, and two angular velocity detecting means having a detection electrode for detecting the Coriolis force, wherein the beam, the drive electrode, and the detection electrode all have equivalent mechanical specifications or characteristics, The two angular velocity detecting means drive the respective vibrating mass sections with the same amplitude and at mutually equal frequencies other than the resonance frequency in the Coriolis force detection direction of the vibrating mass section. Detecting the velocity output, the vibration type angular velocity sensor this from the angular velocity output and calculates an offset error component that is independent of the Coriolis force, characterized by having a calculating means for obtaining an angular velocity signal obtained by subtracting the offset error component.
【請求項2】角速度印加により所定の振動質量部に発生
するコリオリ力から前記振動質量部の変位、または、前
記振動質量部を支持する支持体の変位を検出して前記角
速度を計測する振動型角速度センサにおいて、 同一基板上に近接して設けられ等しい質量を有する2つ
の振動質量部と、 前記振動質量部とこの振動質量部を固定する固定部とを
連結する梁と、 前記振動質量を振動させる駆動電極と、 前記コリオリ力を検出する検出電極とを有する2つの角
速度検出手段を備え、 前記梁、前記駆動電極、前記検出電極が何れも同等の機
械的諸元または特性を保有し、 前記2つの角速度検出手段は、同一振幅で、かつ、前記
振動質量部のコリオリ力検出方向の共振周波数以外の互
いに異なる周波数により、それぞれの振動質量部を駆動
して角速度出力を検出し、 この角速度出力からコリオリ力に依存しないオフセット
誤差成分を算出し、このオフセット誤差成分を差し引い
た角速度信号を得る演算手段を有することを特徴とする
振動型角速度センサ。
2. A vibration type for measuring the angular velocity by detecting a displacement of the vibrating mass section or a displacement of a support supporting the vibrating mass section from Coriolis force generated in a predetermined vibrating mass section by applying an angular velocity. In the angular velocity sensor, two vibrating mass portions provided close to each other on the same substrate and having the same mass, a beam connecting the vibrating mass portion and a fixing portion fixing the vibrating mass portion, and vibrating the vibrating mass A drive electrode to be driven, and two angular velocity detection means having a detection electrode for detecting the Coriolis force, wherein the beam, the drive electrode, and the detection electrode each have equivalent mechanical specifications or characteristics; The two angular velocity detecting means drive the respective vibrating mass sections at the same amplitude and at different frequencies other than the resonance frequency in the Coriolis force detection direction of the vibrating mass section, and drive the respective angular mass sections. Detecting a degree output, the vibration type angular velocity sensor this from the angular velocity output and calculates an offset error component that is independent of the Coriolis force, characterized by having a calculating means for obtaining an angular velocity signal obtained by subtracting the offset error component.
【請求項3】請求項1、請求項2記載の基板は、半導体
結晶で構成されていることを特徴とする振動型角速度セ
ンサ。
3. The vibration type angular velocity sensor according to claim 1, wherein the substrate is made of a semiconductor crystal.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002162229A (en) * 2000-11-27 2002-06-07 Denso Corp Angular velocity sensor
JP2006510029A (en) * 2002-12-16 2006-03-23 ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド Method and system for slowing proof mass movement within a MEMS structure
JP2006165380A (en) * 2004-12-09 2006-06-22 Kyocera Corp Variable capacitor
US7485236B2 (en) 2003-08-26 2009-02-03 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Interference display cell and fabrication method thereof
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