JPH1089968A - Angular velocity sensor - Google Patents

Angular velocity sensor

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Publication number
JPH1089968A
JPH1089968A JP8241666A JP24166696A JPH1089968A JP H1089968 A JPH1089968 A JP H1089968A JP 8241666 A JP8241666 A JP 8241666A JP 24166696 A JP24166696 A JP 24166696A JP H1089968 A JPH1089968 A JP H1089968A
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JP
Japan
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angular velocity
support beam
pair
vibration
electrodes
Prior art date
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Pending
Application number
JP8241666A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hidekazu Takada
英一 高田
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Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH1089968A publication Critical patent/JPH1089968A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an angular velocity sensor in which a driving displacement is large and whose detecting sensitivity of the Coriolis force with reference to a rotating angular velocity is high. SOLUTION: A sensor is provided with an outside vibrating frame body 4 which is supported in the hollow part 1a of a substrate 1 via one pair of outside support beams 3a, 3b arranged so as to be faced and with an inside vibrating body 6 which is arranged at the inside 4e of the outside vibrating frame body 4 via one pair of inside support beams 5a, 5b arranged so as to be faced. The outside support beams 3a, 3b and the inside support beams 5a, '5b are composed of a multilayer electrode structure in which respective layer electrodes are divided into two parts on both sides of a vertical plane passing their beam axes so as to be arranged at the inside as well as on the surface and the rear of a piezoelectric body.

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、移動物体などに搭
載されて、その回転角速度を検出する角速度センサに関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity sensor that is mounted on a moving object or the like and detects the rotational angular velocity.

【0002】[0002]

【従来の技術】この種の従来の角速度センサとして、特
開昭60−213814号公報に記載されているものを
図21に示す。31はシリコンよりなる基板で、その中
央部に凹部31aが形成され、この凹部31aを除いた
上端面には、シリコンの酸化膜32が枠型に形成されて
いる。この枠型の酸化膜32の対向する枠辺32a、3
2bの内側縁中央部から、一対の外側支持梁33a、3
3bが凹部31aの中心部に向けて伸びている。
2. Description of the Related Art FIG. 21 shows a conventional angular velocity sensor of this type described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-213814. Reference numeral 31 denotes a substrate made of silicon. A concave portion 31a is formed in the center of the substrate, and a silicon oxide film 32 is formed in a frame shape on the upper end surface excluding the concave portion 31a. Opposite frame sides 32 a, 3 of this frame type oxide film 32
2b, a pair of outer support beams 33a, 3
3b extends toward the center of the recess 31a.

【0003】外側枠体34は、枠辺34a、34b、3
4c、34dを有する4角形の枠体に形成されいる。外
側支持梁33a、33bの先端は、外側振動枠体34の
一つの対向する枠辺34a、34bの外側縁中央部にそ
れぞれ結合している。この外側振動枠体34のもう一つ
の対向する枠辺34c、34dの内側縁中央部から一対
の内側支持梁35a、35bが凹部31aの中心部に向
けて伸び、矩形板状の内側振動体36にそれぞれ結合し
ている。
[0003] The outer frame body 34 has frame sides 34a, 34b, 3
It is formed in a square frame having 4c and 34d. The distal ends of the outer support beams 33a and 33b are connected to the center of the outer edge of one of the opposed frame sides 34a and 34b of the outer vibration frame 34, respectively. A pair of inner supporting beams 35a, 35b extend from the center of the inner edge of another opposed frame side 34c, 34d of the outer vibrating frame 34 toward the center of the concave portion 31a. Respectively.

【0004】これらの一対の外側支持梁33a、33
b、外側振動枠体34、一対の内側支持梁35a、35
bおよび内側振動体36はシリコンの酸化膜より形成さ
れ、基板31の凹部31aに自由振動可能に支持されて
いる。また、一対の外側支持梁33a、33bと一対の
内側支持梁35a、35bとは、直交するように配置さ
れ、それらの梁の中心軸を中心にして捩じれ振動するよ
うになっている。
The pair of outer support beams 33a, 33
b, outer vibration frame 34, pair of inner support beams 35a, 35
The b and the inner vibrator 36 are formed of a silicon oxide film, and are supported by the concave portion 31 a of the substrate 31 so as to be able to vibrate freely. Further, the pair of outer support beams 33a, 33b and the pair of inner support beams 35a, 35b are arranged to be orthogonal to each other, and torsionally vibrate around the central axis of those beams.

【0005】外側振動枠体34の枠辺34c、34d上
には細長い駆動電極37a、37bがそれぞれ形成され
ている。また、内側振動体36の内側支持梁35a、3
5bと同じ方向の辺36a、36b上には、細長い検出
電極38a、38bがそれぞれ形成されている。更に、
内側振動体36の上で、一対の内側支持梁35a、35
bを結ぶ線上に、負荷質量を与える角柱状の重り39が
形成されている。
[0005] On the frame sides 34c and 34d of the outer vibration frame 34, elongated drive electrodes 37a and 37b are formed, respectively. Further, the inner supporting beams 35a, 3
On the sides 36a and 36b in the same direction as 5b, elongated detection electrodes 38a and 38b are formed, respectively. Furthermore,
On the inner vibrating body 36, a pair of inner supporting beams 35a, 35
A prismatic weight 39 that gives a load mass is formed on the line connecting b.

【0006】駆動電極37a、37bとこれらの駆動電
極37a、37bがそれぞれ対向するシリコン基板31
の凹部31aの底面との間には、内側振動体36のシリ
コン酸化膜と空気を誘電体とするコンデンサが形成され
る。同様に、検出電極38a、38bとこれらの検出電
極38a、38bがそれぞれ対向するシリコン基板31
の凹部31aの底面との間にも、内側振動体36のシリ
コン酸化膜と空気を誘電体とするコンデンサが形成され
る。
The drive electrodes 37a and 37b and the silicon substrate 31 on which the drive electrodes 37a and 37b face each other.
A capacitor having a silicon oxide film of the inner vibrating body 36 and air as a dielectric is formed between the bottom surface of the concave portion 31a. Similarly, the detection electrodes 38a and 38b and the silicon substrate 31 on which the detection electrodes 38a and 38b face each other.
A capacitor having a silicon oxide film of the inner vibrating body 36 and air as a dielectric is also formed between the bottom of the concave portion 31a.

【0007】従来の角速度センサ30は、以上のような
構造よりなり、つぎにその動作について説明する。駆動
電極37aとシリコン基板31との間および駆動電極3
7bとシリコン基板31との間に、それぞれ電位の異な
る電圧、例えば、0Vと10Vの電圧を交互に印加す
る。すると、駆動電極37aと駆動電極37bとが静電
力により交互に凹部31の底面側に吸引されて、外側振
動枠体34(内側振動体36)は一対の外側支持梁33
a、33bを軸にしてシーソーのように振動する。この
とき、一対の外側支持梁33a、33bには、捩れ振動
が発生する。
The conventional angular velocity sensor 30 has the above-described structure, and its operation will be described next. Between the drive electrode 37a and the silicon substrate 31 and the drive electrode 3
Voltages having different potentials, for example, voltages of 0 V and 10 V are alternately applied between 7b and the silicon substrate 31. Then, the driving electrodes 37a and the driving electrodes 37b are alternately attracted to the bottom surface side of the concave portion 31 by electrostatic force, and the outer vibrating frame 34 (the inner vibrating body 36) is brought into a pair of outer supporting beams 33.
Vibrates like a seesaw around a and 33b. At this time, torsional vibration occurs in the pair of outer support beams 33a and 33b.

【0008】このように、外側振動枠体34(内側振動
体36)が振動しているときに、角速度センサ30が内
側振動体36の中心に位置する垂直軸Zを中心にして角
速度ωで回転すると、コリオリ力により内側振動体36
が一対の内側支持梁35a、35bを軸にしてシーソー
のように振動をはじめ、検出電極38a、38bが交互
に凹部31bの底面側に接近するようになる。凹部31
aの底面に接近した検出電極38aまたは検出電極38
bからは、大きな静電容量の変化が得られる。この静電
容量の変化は、角速度センサ30の回転角速度ωに比例
するので、この静電容量の変化を電圧あるいは電流に変
換して回転角速度を検出し、この回転角速度を積分して
角速度センサ30を搭載している慣性体の回転角度を知
ることができる。
As described above, when the outer vibrating frame 34 (the inner vibrating body 36) is vibrating, the angular velocity sensor 30 rotates at the angular velocity ω about the vertical axis Z located at the center of the inner vibrating body 36. Then, the inner vibrating body 36 is caused by Coriolis force.
Starts vibrating like a seesaw around the pair of inner support beams 35a and 35b, and the detection electrodes 38a and 38b alternately approach the bottom side of the concave portion 31b. Recess 31
a detection electrode 38a or detection electrode 38 approaching the bottom surface of a
From b, a large change in capacitance can be obtained. Since the change in the capacitance is proportional to the rotational angular velocity ω of the angular velocity sensor 30, the change in the capacitance is converted into a voltage or a current to detect the rotational angular velocity, and the rotational angular velocity is integrated to integrate the angular velocity sensor 30. You can know the rotation angle of the inertial body equipped with.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
角速度センサにおいては、駆動においては、一対の外側
支持梁33a、33bの捩じれ振動を利用し、検出にお
いては、一対の内側支持梁35a、35bの捩じれ振動
を利用している。特に、検出においては、一対の内側支
持梁35a、35bを結ぶ軸線の近傍に検出電極38
a、38bを設けたのでは容量変化が小さく、この軸線
からできる限り離れた辺36a、36bに検出電極38
a、38bを設ける必要があるが、内側振動体36の寸
法制約のため、検出感度を上げることができなかった。
また、コリオリ力の検出感度を高めるにあたり、一対の
外側支持梁33a、33bの捩じれ振動の変位を大きく
するため、駆動電極37a、37bと凹部31aの底面
との距離を大きくしているが、これらの駆動電極37
a、37bと同一平面に形成されている検出電極38
a、38bと凹部31aの底面との距離も大きくなり、
コリオリ力による容量変化が小さくなって、検出感度が
低下していた。
However, in the conventional angular velocity sensor, the torsional vibration of the pair of outer support beams 33a and 33b is used for driving, and the detection of the pair of inner support beams 35a and 35b is used for detection. Utilizes torsional vibration. In particular, in the detection, the detection electrode 38 is located near the axis connecting the pair of inner support beams 35a and 35b.
Since the capacitance change is small when the detection electrodes 38a and 38b are provided, the detection electrodes 38 are provided on the sides 36a and 36b as far as possible from this axis.
Although a and 38b need to be provided, the detection sensitivity could not be increased due to the dimensional restrictions of the inner vibrating body 36.
In order to increase the detection sensitivity of the Coriolis force, the distance between the drive electrodes 37a, 37b and the bottom surface of the recess 31a is increased in order to increase the displacement of the torsional vibration of the pair of outer support beams 33a, 33b. Drive electrode 37
detection electrode 38 formed on the same plane as a and 37b
a, 38b and the distance between the bottom surface of the concave portion 31a are also increased,
The change in capacitance due to the Coriolis force was small, and the detection sensitivity was low.

【0010】そこで、本発明は、駆動変位が大きく、回
転角速度に対するコリオリ力の検出感度の高い角速度セ
ンサを提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an angular velocity sensor having a large drive displacement and high Coriolis force detection sensitivity with respect to a rotational angular velocity.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、下記の解決手段を採ることを特徴とす
る。請求項1に記載の発明は、基板の中空部に、対向し
て配置された一対の外側支持梁を介して支持された外側
振動枠体と、前記外側振動枠体の内側に、対向して配置
された一対の内側支持梁を介して支持された内側振動体
とを備え、前記外側支持梁および内側支持梁は、各層電
極がそれらの圧電体膜の内部および表裏面であって、そ
れらの梁の中心軸を通る垂直面の両側に分割されて配置
された多層電極構造よりなるものである。
The present invention is characterized by the following means for achieving the above object. According to the first aspect of the present invention, an outer vibrating frame body supported via a pair of outer supporting beams disposed facing each other in a hollow portion of a substrate, and an inner side of the outer vibrating frame body facing the outer vibrating frame body. An inner vibrator supported via a pair of disposed inner support beams, wherein the outer support beam and the inner support beam are such that each layer electrode is inside and on the front and back surfaces of those piezoelectric films, and It has a multilayer electrode structure divided and arranged on both sides of a vertical plane passing through the center axis of the beam.

【0012】この発明は、駆動用の外側支持梁におい
て、対向する層電極に形成される振動領域が、梁軸に直
交する断面に複数個形成され、垂直方向に同じ向きに分
極されている。外側支持梁の前記断面の対角に位置する
振動領域の駆動電界の方向を同一にして伸縮を同一に
し、かつ、一つの対角ともう一つの対角に配置された振
動領域の駆動電界の方向および伸縮を逆にしている。こ
れにより、駆動用の外側支持梁は、捩じれ振動を行い、
外側振動枠体(内側振動体)にシーソー運動(振動)を
起こさせる。
According to the present invention, in the outer support beam for driving, a plurality of vibration regions formed in the opposing layer electrodes are formed in a cross section orthogonal to the beam axis, and are polarized in the same direction in the vertical direction. The direction of the driving electric field of the vibration region located at the diagonal of the cross section of the outer support beam is made the same to make the expansion and contraction the same, and the driving electric field of the vibration region arranged at one diagonal and another diagonal is set. The direction and expansion and contraction are reversed. Thereby, the outer support beam for driving performs torsional vibration,
The seesaw motion (vibration) is caused in the outer vibrating frame (inner vibrator).

【0013】一方、検出用の内側支持梁も、外側支持梁
と同様の構造を有しているので、内側支持梁に内側振動
体からコリオリ力に基づく捩じれ振動が与えられると、
前記断面の対角に位置する振動領域に同方向の電界が発
生し、かつ、一つの対角ともう一つの対角に配置された
振動領域の電界が逆になり、内側支持梁の各層電極は、
正相と逆相の電圧を生じることになる。この正相と逆相
の電圧を差動増幅して角速度を検出することができる。
On the other hand, since the inner support beam for detection also has the same structure as the outer support beam, when torsional vibration based on Coriolis force is applied to the inner support beam from the inner vibrator,
An electric field in the same direction is generated in a vibration region located at a diagonal of the cross section, and the electric fields of the vibration regions arranged at one diagonal and another diagonal are reversed. Is
A positive-phase voltage and a negative-phase voltage will be generated. The angular velocity can be detected by differentially amplifying the positive and negative phase voltages.

【0014】上記説明においては、便宜上、外側支持梁
を駆動用に、内側支持梁を検出用に説明したが、この逆
であってもよい。
In the above description, for convenience, the outer support beam is used for driving and the inner support beam is used for detection. However, the reverse is also possible.

【0015】請求項2に記載の発明は、基板の中空部
に、対向して配置された一対の支持梁を介して支持され
た振動体を備え、前記支持梁は、各層電極がそれらの圧
電体膜の内部および表裏面であって、それらの梁の中心
軸を通る垂直面の両側に分割されて配置された多層電極
構造よりなり、一つの支持梁は水平方向もしくは垂直方
向に振動する駆動用であり、他の支持梁は垂直方向もし
くは水平方向に振動する検出用である。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a vibrating body supported in a hollow portion of a substrate via a pair of support beams disposed opposite to each other, and each of the support beams includes a piezoelectric element having a piezoelectric layer. It consists of a multi-layer electrode structure that is divided and arranged on both sides of a vertical plane passing through the central axis of the beams inside and on the front and back of the body membrane, and one support beam vibrates in the horizontal or vertical direction The other support beams are used for detecting vertical or horizontal vibration.

【0016】この発明は、一対の支持梁を駆動用と検出
用に用いている。駆動用の支持梁は、梁軸を通る垂直面
の左側における上層または下層の振動領域と右側におけ
る上層または下層の振動領域に逆方向の電界を印加す
る。すると、この支持梁は、振動体を水平方向に振動さ
せることになる。このように、振動体が水平方向に振動
しているときに、本発明の加速度センサが一対の支持梁
を中心にして回転すると、この振動体にコリオリ力が作
用して、振動体が垂直方向に振動するようになる。そし
て、検出用の支持梁には、上層振動領域と下層振動領域
に、逆方向の電界が生じ、上層電極と下層電極から同極
性の電圧が、中層電極から逆極性の電圧がそれぞれ取り
出される。これを差動増幅して、角速度を検出すること
ができる。請求項3記載の発明は、前記支持梁の表裏面
および中層電極間並びに外側振動枠体、内側振動体およ
び振動体の内部に酸化膜が形成されているものである。
According to the present invention, a pair of support beams are used for driving and detecting. The driving support beam applies an electric field in the opposite direction to the upper or lower vibration region on the left side of the vertical plane passing through the beam axis and the upper or lower vibration region on the right side. Then, the support beam vibrates the vibrating body in the horizontal direction. As described above, when the vibrating body is vibrating in the horizontal direction and the acceleration sensor of the present invention rotates about the pair of support beams, Coriolis force acts on the vibrating body, and the vibrating body moves in the vertical direction. It starts to vibrate. Then, in the support beam for detection, an electric field in the opposite direction is generated in the upper vibration region and the lower vibration region, and a voltage of the same polarity is extracted from the upper electrode and the lower electrode, and a voltage of the opposite polarity is extracted from the middle electrode. This can be differentially amplified to detect the angular velocity. According to a third aspect of the present invention, an oxide film is formed between the front and back surfaces of the support beam, the middle layer electrode, the outer vibration frame, the inner vibrator, and the vibrator.

【0017】この発明は、酸化膜が補強材となって反り
が防止される。また、酸化膜は圧電体よりは材料的にQ
が高いので、振動体の中層に酸化膜を形成することによ
り屈曲振動の変位が大きくなる。更に、酸化膜は酸化亜
鉛とは温度に対する周波数特性が逆になっているので、
温度変化による機械的共振周波数の変化が相殺される。
According to the present invention, warpage is prevented by using the oxide film as a reinforcing material. In addition, the oxide film is made of a material Q
Therefore, the displacement of the bending vibration is increased by forming an oxide film in the middle layer of the vibrating body. Furthermore, since the oxide film has a frequency characteristic opposite to that of zinc oxide with respect to temperature,
Changes in the mechanical resonance frequency due to temperature changes are offset.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下に、図1を参照して、本発明
の第1実施例に係る角速度センサ10について説明す
る。1はシリコンよりなる基板で、中央部に中空部1a
を有し、枠型に形成されている。この枠型の基板1の上
には、シリコン酸化膜が設けられ、その上に酸化亜鉛
(ZnO)が設けられ更にその上にシリコン酸化膜が設
けられて枠2を形成している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an angular velocity sensor 10 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Reference numeral 1 denotes a substrate made of silicon, and a hollow portion 1a
And is formed in a frame shape. A silicon oxide film is provided on the frame type substrate 1, zinc oxide (ZnO) is provided thereon, and a silicon oxide film is further provided thereon to form a frame 2.

【0019】この枠2の対向する枠辺2a、2bの内側
縁中央部から、一対の外側支持梁3a、3bが中空部1
aの中心部に向けて伸び、外側振動枠体4の一つの対向
する枠辺4a、4bの外側縁中央部にそれぞれ結合して
いる。この外側振動枠体4のもう一つの対向する枠辺4
c、4dの内側縁中央部から一対の内側支持梁5a、5
bが貫通孔1aの中心部に向けて伸び、矩形板状の内側
振動体6の対向する外側縁中央部にそれぞれ結合してい
る。この一対の内側支持梁5a、5bおよび内側振動体
6は、外側振動枠体4の内側(貫通孔)4eの中に形成
されてる。
A pair of outer support beams 3a and 3b are formed from the center of the inner edge of the opposite frame sides 2a and 2b of the frame 2 to the hollow portion 1a.
The outer vibrating frame 4 is connected to the center of the outer edge of one of the opposing frame sides 4a and 4b. Another opposite frame side 4 of the outer vibration frame 4
c, a pair of inner support beams 5a, 5d from the center of the inner edge of 4d
b extends toward the center of the through hole 1a and is connected to the center of the opposing outer edge of the inner vibrating body 6 having a rectangular plate shape. The pair of inner support beams 5 a and 5 b and the inner vibrating body 6 are formed in the inner side (through hole) 4 e of the outer vibrating frame 4.

【0020】一対の外側支持梁3a、3bと一対の内側
支持梁5a、5bとは、直交する如く配置され、それぞ
れ捩じれ振動をするようになっている。
The pair of outer support beams 3a and 3b and the pair of inner support beams 5a and 5b are arranged so as to be orthogonal to each other, and each of them performs torsional vibration.

【0021】そして、一対の外側支持梁3a、3bを軸
にして捩じれ振動をする外側振動枠体4の機械的共振周
波数と、一対の内側支持梁5a、5bを軸に捩じれ振動
をする内側振動体6の機械的共振周波数とは、一致また
は近似するように設定している。この設定は、つぎのよ
うに行う。即ち、外側支持梁a、3bおよび内側支持梁
5a、5bの幅を広げて機械的共振周波数を上げ、或い
は幅を狭めて機械的共振周波数を下げる。また、外側支
持梁a、3bおよび内側支持梁5a、5bの厚みを厚く
して機械的共振周波数を上げ、或いは厚みを薄くして機
械的共振周波数を下げる。また、内側振動体6の質量を
大きくして機械的共振周波数を下げ、また質量を小さく
して機械的共振周波数を上げる。
The mechanical resonance frequency of the outer vibrating frame 4 that performs torsional vibration about the pair of outer support beams 3a and 3b and the inner vibration that performs torsional vibration about the pair of inner support beams 5a and 5b. The mechanical resonance frequency of the body 6 is set so as to match or approximate. This setting is performed as follows. That is, the width of the outer support beams a and 3b and the inner support beams 5a and 5b is increased to increase the mechanical resonance frequency, or the width is reduced to decrease the mechanical resonance frequency. Further, the mechanical resonance frequency is increased by increasing the thickness of the outer support beams a and 3b and the inner support beams 5a and 5b, or the mechanical resonance frequency is decreased by decreasing the thickness. Further, the mechanical resonance frequency is lowered by increasing the mass of the inner vibrating body 6, and the mechanical resonance frequency is increased by reducing the mass.

【0022】このように、外側振動枠体4と内側振動体
6の機械的共振周波数が一致または近似すると、それら
の機械的Qの最大値も一致または近似するようになり、
内側振動体6の変位も大きくなって、検出の出力が大き
くなる。
As described above, when the mechanical resonance frequencies of the outer vibrating frame 4 and the inner vibrating body 6 match or approximate, the maximum values of their mechanical Q also match or approximate.
The displacement of the inner vibrating body 6 also increases, and the output of detection increases.

【0023】外側振動枠体4、一対の外側支持梁3a、
3b、内側振動体6および一対の内側支持梁5a、5b
は、薄膜技術または厚膜多層技術を用いて、例えば酸化
亜鉛(ZnO)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)など
の圧電材料により一体に形成される。
An outer vibration frame 4, a pair of outer support beams 3a,
3b, inner vibrating body 6 and a pair of inner supporting beams 5a, 5b
Is formed integrally with a piezoelectric material such as zinc oxide (ZnO) or lead zirconate titanate (PZT) using a thin film technique or a thick film multilayer technique.

【0024】つぎに、外側支持梁3a、3bおよび内側
支持梁5a、5bの構造について説明するが、これらは
みな同一構造をしているので、外側支持梁3aを代表例
にとり、基板1および外側振動枠体4から切り離して、
その斜視図を図2に、断面形態図を図3に示す。
Next, the structures of the outer support beams 3a and 3b and the inner support beams 5a and 5b will be described. Since these have the same structure, the outer support beam 3a is used as a representative example, Separate from the vibration frame 4,
FIG. 2 is a perspective view and FIG. 3 is a sectional view.

【0025】外側支持梁3aは3層電極構造よりなる。
これらの各層電極は、外側支持梁3aの梁の中心軸jを
通る垂直面Bに対し面対称に両側に分割配置されて、上
層電極d1、d2、中層電極d3、d4、下層電極d
5、d6よりなる。外側支持梁3aは、例えば、酸化亜
鉛(ZnO)からなる圧電体膜で、中層電極d3、d4
はこの圧電体膜の中に埋設され、上層電極d1、d2お
よび下層電極d5、d6は圧電体膜の上層表面および下
層表面にそれぞれ形成される。
The outer support beam 3a has a three-layer electrode structure.
Each of these layer electrodes is divided and arranged on both sides in plane symmetry with respect to a vertical plane B passing through the center axis j of the beam of the outer support beam 3a, and upper electrodes d1, d2, middle electrodes d3, d4, and lower electrodes d.
5, d6. The outer support beam 3a is a piezoelectric film made of, for example, zinc oxide (ZnO), and has middle electrodes d3 and d4.
Are embedded in the piezoelectric film, and the upper electrodes d1, d2 and the lower electrodes d5, d6 are formed on the upper surface and the lower surface of the piezoelectric film, respectively.

【0026】そして、上層電極d1、d2と中層電極d
3、d4により、振動領域r1、r2がそれぞれ形成さ
れる。また、中層電極d3、d4と下層電極d5、d6
により、振動領域r3、r4がそれぞれ形成される。
The upper electrodes d1, d2 and the middle electrode d
Vibration regions r1 and r2 are respectively formed by 3 and d4. Further, the middle-layer electrodes d3 and d4 and the lower-layer electrodes d5 and d6
Thereby, the vibration regions r3 and r4 are respectively formed.

【0027】これらの振動領域r1〜r4は、図3に実
線矢印で示すように、下層電極d5、d6から中層電極
d3、d4へ、および中層電極d3、d4から上層電極
d1、d2と同方向(垂直方向)に分極される。
As shown by solid arrows in FIG. 3, these vibrating regions r1 to r4 are in the same direction as the lower electrodes d5 and d6 to the middle electrodes d3 and d4 and from the middle electrodes d3 and d4 to the upper electrodes d1 and d2. (Vertical direction).

【0028】なお、各層電極d1〜d6には、図示しな
いが、外部へ通じる配線パターンが形成される。
Although not shown, a wiring pattern leading to the outside is formed on each of the layer electrodes d1 to d6.

【0029】つぎに、本実施例の角速度センサ10の動
作について説明する。本実施例においては、図1に示す
ように、一対の外側支持梁3a、3bを駆動用に使用
し、一対の内側支持梁5a、5bを検出用に使用してい
る。駆動用の外側支持梁3aにおいて、図3に破線矢印
で示すように、上層電極d2、中層電極d3、下層電極
d6に、1〜10kHzの交流電圧を印加する。また、
この印加と同時に、この交流電圧に対し位相の180゜
異なる同一周波数の電圧を、上層電極d1、中層電極d
4、下層電極d5に印加する。
Next, the operation of the angular velocity sensor 10 of this embodiment will be described. In this embodiment, as shown in FIG. 1, a pair of outer support beams 3a and 3b are used for driving, and a pair of inner support beams 5a and 5b are used for detection. In the driving outer support beam 3a, an AC voltage of 1 to 10 kHz is applied to the upper layer electrode d2, the middle layer electrode d3, and the lower layer electrode d6, as indicated by the dashed arrows in FIG. Also,
Simultaneously with the application, a voltage of the same frequency having a phase difference of 180 ° with respect to the AC voltage is applied to the upper electrode d1 and the middle electrode
4. Apply to lower electrode d5.

【0030】すると、外側支持梁3aは、分極方向と駆
動電界方向が同方向となり振動領域r1、r4は伸び、
逆方向となる振動領域r2、r3は縮んで、一点鎖線矢
印で示すように、捩じれ振動をする。また、180゜位
相が進んで、駆動電圧の方向が破線矢印と反対方向にな
ると、外側支持梁3aは、二点鎖線矢印で示すように、
捩じれ振動をすることになる。
Then, the direction of polarization and the direction of the driving electric field of the outer support beam 3a become the same, and the vibration regions r1 and r4 extend,
The vibrating regions r2 and r3 in the opposite directions shrink and perform torsional vibration as indicated by the dashed line arrow. When the phase of the drive voltage is advanced by 180 ° and becomes opposite to the direction of the dashed arrow, the outer support beam 3a becomes
It causes torsional vibration.

【0031】一方、もう一つの駆動用の外側支持梁3b
の各層電極d1〜d6には、外側支持梁3aに印加した
位相の交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加するので、
図3において、外側支持梁3aは一点鎖線で示すような
捩じれ振動をし、外側支持梁3bは二点鎖線で示すよう
な捩じれ振動をする。図1においては、これらの一対の
外側支持梁3a、3bは、対向して配置されているの
で、それらの梁軸(Y軸)を中心にして同方向の捩じれ
振動をする。この捩じれ振動は、外側振動枠体4(内側
振動体6)にシーソー運動(振動)をさせることにな
る。
On the other hand, another outer support beam 3b for driving
Since an AC voltage having a phase opposite to that of the phase applied to the outer support beam 3a is applied to each of the layer electrodes d1 to d6,
In FIG. 3, the outer support beam 3a performs torsional vibration as indicated by a dashed line, and the outer support beam 3b performs torsional vibration as indicated by a two-dot chain line. In FIG. 1, since the pair of outer support beams 3a and 3b are disposed to face each other, the pair of outer support beams 3a and 3b performs torsional vibration in the same direction about the beam axis (Y axis). This torsional vibration causes the outer vibration frame 4 (the inner vibration body 6) to perform a seesaw motion (vibration).

【0032】このように角速度センサ10の外側振動枠
体4(内側振動体6)がシーソー運動(振動)をしてい
るときに、角速度センサ10がその基板面と垂直なZ軸
を中心にして矢印で示すように角速度ωで回転したとす
ると、内側振動体6はコリオリ力を受けて、一対の内側
支持梁5a、5bの梁軸を通るX軸を中心にしてシーソ
ー運動(振動)をするようになる。この振動は一対の内
側支持梁5a、5bに伝達して、この一対の内側支持梁
5a、5bは、図3に示すように、捩じれ振動をするよ
うになる。すると、一対の内側支持梁5a、5bは、一
点鎖線の捩じれ振動の半サイクルにおいて、対角に位置
する振動領域r1、r4には引っ張り応力が生じ、もう
一つの対角に位置する振動領域r2、r3には圧縮応力
が生じ、電極d2、d3、d6に正極性(+)の電圧
が、電極d1、d4、d5には負極性(−)の電圧が、
発生する。捩れ振動のつぎの半サイクルにおいては、引
っ張り応力および圧縮応力は逆になり、発生する極性の
電圧も逆になる。正極性の電圧と負極性の電圧を差動増
幅して、角速度センサ10の角速度ωを検出し、これを
積分してZ軸を中心とする回転角度を知ることができ
る。
As described above, when the outer vibration frame 4 (inner vibrator 6) of the angular velocity sensor 10 is performing a seesaw motion (vibration), the angular velocity sensor 10 is centered on the Z axis perpendicular to the substrate surface. Assuming that the inner vibrator 6 is rotated at an angular velocity ω as indicated by an arrow, the inner vibrator 6 receives Coriolis force and performs a seesaw motion (vibration) about the X axis passing through the beam axes of the pair of inner support beams 5a and 5b. Become like This vibration is transmitted to the pair of inner support beams 5a and 5b, and the pair of inner support beams 5a and 5b performs torsional vibration as shown in FIG. Then, the pair of inner support beams 5a and 5b generate tensile stress in the vibration regions r1 and r4 located at diagonal positions in the half cycle of the torsional vibration indicated by the alternate long and short dash line, and vibrate regions r2 located at the other diagonal position. , R3, a compressive stress is generated, and a positive (+) voltage is applied to the electrodes d2, d3, and d6, and a negative (-) voltage is applied to the electrodes d1, d4, and d5.
Occur. In the next half cycle of the torsional vibration, the tensile and compressive stresses are reversed and the resulting polarity voltage is reversed. The voltage of the positive polarity and the voltage of the negative polarity are differentially amplified, and the angular velocity ω of the angular velocity sensor 10 is detected, and this is integrated to determine the rotation angle about the Z axis.

【0033】つぎに、図4を参照して、本発明の第2実
施例の角速度センサ20について説明する。11は中央
部に矩形状の中空部(貫通孔)11aを有する基板で、
枠型に形成されている。この枠型の基板11の上には、
シリコン酸化膜が設けられ、その上に酸化亜鉛(Zn
O)膜が設けられ更にその上にシリコン酸化膜が設けら
れて枠12を形成している。
Next, an angular velocity sensor 20 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Reference numeral 11 denotes a substrate having a rectangular hollow portion (through hole) 11a at the center.
It is formed in a frame shape. On this frame type substrate 11,
A silicon oxide film is provided, on which zinc oxide (Zn
O) A film is provided, and a silicon oxide film is further provided thereon to form the frame 12.

【0034】この枠12の対向する枠辺12a、12b
の内側縁中央部から、一対の支持梁13a、13bが中
空部11aの中心部に向けて伸び、矩形板状の振動体1
4の対向する外側縁中央部にそれぞれ結合している。
The opposite frame sides 12a, 12b of the frame 12
A pair of support beams 13a and 13b extend from the center of the inner edge of the hollow body 11a toward the center of the hollow portion 11a.
4 are respectively connected to the center portions of the opposed outer edges.

【0035】一対の支持梁13a、13bは、その断面
が図5に示されるが、図3に示す第1実施例のものと同
一構造をしているので、図3と同一番号を付してその説
明を援用する。
The cross section of the pair of support beams 13a and 13b is shown in FIG. 5, but has the same structure as that of the first embodiment shown in FIG. The explanation is cited.

【0036】駆動用の支持梁13aは水平振動をし、検
出用の支持梁13bは垂直方向の振動をする。この水平
方向の振動と垂直方向の振動の機械的共振周波数を等し
く又は近似させて検出感度を上げるため、つぎのような
調整を行う。即ち、駆動用支持梁13aの幅を広げて機
械的共振周波数を上げ、或いは幅を狭めて機械的共振周
波数を下げる。検出用支持梁13bの厚みを厚くして機
械的共振周波数を上げ、或いは厚みを薄くして機械的共
振周波数を下げる。また、振動体14の質量を大きくし
て機械的共振周波数を下げ、或いは質量を小さくして機
械的共振周波数を上げる。なお、上記実施例において
は、駆動用の支持梁13aに水平振動をさせ、検出用の
支持梁13bに垂直方向の振動をさせたが、この逆の振
動をさせてもよい。
The driving support beam 13a oscillates horizontally and the detection support beam 13b oscillates vertically. The following adjustments are made in order to increase or decrease the detection sensitivity by equalizing or approximating the mechanical resonance frequencies of the horizontal vibration and the vertical vibration. That is, the mechanical resonance frequency is increased by increasing the width of the driving support beam 13a, or the mechanical resonance frequency is decreased by decreasing the width. The mechanical resonance frequency is increased by increasing the thickness of the detection support beam 13b, or is decreased by decreasing the thickness. Further, the mechanical resonance frequency is lowered by increasing the mass of the vibrating body 14, or the mechanical resonance frequency is increased by reducing the mass. In the above embodiment, the driving support beam 13a is caused to vibrate horizontally and the detection support beam 13b is caused to vibrate in the vertical direction. However, the opposite vibration may be applied.

【0037】つぎに、第2実施例の角速度センサ20の
動作について説明する。図5において、駆動用支持梁1
3aの垂直面Bの左側における上層電極d2と下層電極
d6に1〜10kHzの交流電圧を印加する。同時に、
垂直面Bの右側面における上層電極d1と下層電極d5
にもこの交流電圧に対し180゜位相の異なる電圧を印
加する。なお、中層電極d3、d4には、電圧は印加し
ないが、グランドに接続してもよい。本実施例におい
て、駆動用支持梁13aの中層電極d3、d4は不必要
であるが、検出用支持梁13bと共用するため、敢えて
残している。
Next, the operation of the angular velocity sensor 20 according to the second embodiment will be described. In FIG. 5, the driving support beam 1 is shown.
An AC voltage of 1 to 10 kHz is applied to the upper electrode d2 and the lower electrode d6 on the left side of the vertical plane B of 3a. at the same time,
Upper electrode d1 and lower electrode d5 on the right side of vertical plane B
Also, a voltage 180 ° out of phase with the AC voltage is applied. Although no voltage is applied to the middle-layer electrodes d3 and d4, they may be connected to the ground. In this embodiment, the middle-layer electrodes d3 and d4 of the driving support beam 13a are unnecessary, but are left as they are shared with the detection support beam 13b.

【0038】そして、交流電圧の半サイクルにおいて、
上層電極d1、d2、下層電極d5、d6が図5に示す
極性となって、振動領域r1、r3に分極方向と同一方
向の破線矢印で示すような駆動電界が生じ、振動領域r
2、r4に分極方向と逆方向の破線矢印で示すような駆
動電界が生じたとする。すると、分極方向と駆動電界が
同一方向の振動領域r1、r3は伸長し、分極方向と駆
動電界が逆方向の振動領域r2、r4は縮小する。その
結果、図6に示すように、基部を枠12に固定されてい
る駆動用支持梁13aは、破線で示すように、振動体1
4を右側に変位させることになる。駆動交流電圧がつぎ
の半サイクルになると、各層電極d1、d2、d5、d
6の極性は逆になり、振動領域r1〜r4の伸縮も逆に
なり、駆動用支持梁13aは、図6に実線で示すよう
に、左側に振動体14を変位させることになる。このよ
うにして、振動体14は、図4に破線矢印で示すよう
に、X軸方向に振動することになる。
Then, in a half cycle of the AC voltage,
The upper electrodes d1 and d2 and the lower electrodes d5 and d6 have the polarities shown in FIG. 5, and drive electric fields are generated in the vibrating regions r1 and r3 as indicated by broken arrows in the same direction as the polarization direction.
2. Assume that a driving electric field is generated at r4, as indicated by a broken arrow in the direction opposite to the polarization direction. Then, the vibration regions r1 and r3 in which the polarization direction and the driving electric field are in the same direction expand, and the vibration regions r2 and r4 in which the polarization direction and the driving electric field are in the opposite directions contract. As a result, as shown in FIG. 6, the driving support beam 13a whose base is fixed to the frame 12 is
4 will be displaced to the right. When the driving AC voltage reaches the next half cycle, the respective layer electrodes d1, d2, d5, d
6 is reversed, the expansion and contraction of the vibration regions r1 to r4 are also reversed, and the driving support beam 13a displaces the vibration body 14 to the left as shown by the solid line in FIG. In this way, the vibrating body 14 vibrates in the X-axis direction, as indicated by the dashed arrow in FIG.

【0039】上述のように、交流電圧により振動体14
が振動しているときに、角速度センサ20が基板11の
Y軸を軸にして角速度ωで回転したとする。すると、コ
リオリ力が作用して、振動体14は実線矢印で示すよう
に、Z軸の垂直方向に振動するようになる。この振動体
14の振動は、振動体14が結合している検出用支持梁
13bに伝達して、図7に示すように、一端固定の片持
梁構造のように検出用支持梁13bの先端部を上下に屈
曲振動させる。実線矢印方向(上方向)の屈曲振動が検
出用支持梁13bに作用したとき、検出用支持梁13b
には、図8に示すように、上側の振動領域r1、r2に
圧縮応力が発生し、下側の振動領域r3、r4に引っ張
り応力が発生する。そして、電界も破線矢印のように生
じて、上層電極d1、d2と下層電極d5、d6に正極
性(+)の電圧が、中層電極d3、d4に負極性(−)
の電圧が発生する。
As described above, the vibrating body 14 is driven by the AC voltage.
Is supposed to rotate, the angular velocity sensor 20 rotates at an angular velocity ω about the Y axis of the substrate 11. Then, the Coriolis force acts, and the vibrating body 14 vibrates in the direction perpendicular to the Z axis as indicated by the solid arrow. The vibration of the vibrating body 14 is transmitted to the detecting support beam 13b to which the vibrating body 14 is coupled, and as shown in FIG. 7, the tip of the detecting support beam 13b is fixed like a cantilever structure fixed at one end. The part is flexibly vibrated up and down. When bending vibration in the direction of the solid arrow (upward) acts on the support beam 13b for detection, the support beam 13b for detection
8, a compressive stress is generated in the upper vibration regions r1 and r2, and a tensile stress is generated in the lower vibration regions r3 and r4. An electric field is also generated as indicated by a broken arrow, and a positive (+) voltage is applied to the upper electrodes d1 and d2 and the lower electrodes d5 and d6, and a negative (−) voltage is applied to the middle electrodes d3 and d4.
Voltage is generated.

【0040】また、この反対に、破線矢印方向(下方
向)の屈曲振動が検出用支持梁13bに作用したとき
は、発生する応力も電圧の極性も反対になる。
On the contrary, when the bending vibration in the direction of the dashed arrow (downward direction) acts on the support beam 13b for detection, the generated stress and the polarity of the voltage are reversed.

【0041】このように正極性と逆極性で発生する電圧
を差動増幅して、角速度センサ20の角速度ωを検出
し、これを積分してY軸を中心とする回転角度を知るこ
とができる。
As described above, the voltage generated with the polarity opposite to the positive polarity is differentially amplified, the angular velocity ω of the angular velocity sensor 20 is detected, and this is integrated to determine the rotation angle about the Y axis. .

【0042】(製造方法1)つぎに、本発明の製造方法
について説明するが、第1実施例と第2実施例とはその
製法は同じであるので、簡単な形状の第2実施例の製造
方法について、図9〜図16を参照して説明する。
(Manufacturing Method 1) Next, the manufacturing method of the present invention will be described. The manufacturing method of the first embodiment is the same as that of the second embodiment. The method will be described with reference to FIGS.

【0043】図9において、シリコン基板11の表面に
ウエット酸化で0.5〜1μmの酸化膜s1を形成す
る。ついで、アルミニュウム、金/クロム等の金属をス
パッタリング、蒸着などの手法を用いて、支持梁13
a、13b(図4、図5参照)の下層電極d5、d6を
形成する。
Referring to FIG. 9, an oxide film s1 of 0.5 to 1 μm is formed on the surface of silicon substrate 11 by wet oxidation. Then, the supporting beam 13 is formed by sputtering or depositing a metal such as aluminum or gold / chromium.
a, 13b (see FIGS. 4 and 5) lower-layer electrodes d5 and d6 are formed.

【0044】つぎに、図10において、シリコン基板1
1に形成した酸化膜s1および下層電極d5、d6の上
に、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ジルコンサン鉛(P
ZT)などの下層の圧電膜z1をスパッタリングにより
1〜10μmの厚みに形成する。
Next, referring to FIG.
The zinc oxide (ZnO) and the lead zirconium titanate (P
A lower piezoelectric film z1 such as ZT) is formed to a thickness of 1 to 10 μm by sputtering.

【0045】つぎに、図11において、中空部12aを
形成するため、この中空部12aに相応する部分の圧電
膜z1を、レジストをマスクとして塩酸、硝酸などの酸
でウエットエンチングするか、またはRIE(反応性イ
オンエッチング)によりドライエッチングして除去す
る。後に残った圧電膜z1により、支持梁13a、13
bの振動領域r3、r4(図5参照)が形成され、また
枠12(図4参照)および振動体14の下層膜が形成さ
れる。
Next, in FIG. 11, in order to form a hollow portion 12a, a portion of the piezoelectric film z1 corresponding to the hollow portion 12a is wet-etched with an acid such as hydrochloric acid or nitric acid using a resist as a mask, or It is removed by dry etching by RIE (reactive ion etching). The support beams 13a, 13a are formed by the remaining piezoelectric film z1.
The vibration regions r3 and r4 (see FIG. 5) of b are formed, and the lower layer film of the frame 12 (see FIG. 4) and the vibrator 14 are formed.

【0046】つぎに、図12において、レジストをマス
クとして、中層電極d3、d4をアルミニュウム、金/
クロム等の金属をスパッタリング、蒸着などで形成す
る。
Next, referring to FIG. 12, using the resist as a mask, the middle-layer electrodes d3 and d4 are made of aluminum, gold / gold.
A metal such as chromium is formed by sputtering, vapor deposition, or the like.

【0047】つぎに、図13において、シリコン基板1
1上に成層した圧電膜z1および中層電極d3、d4の
上に、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ジルコンサン鉛
(PZT)などの上層の圧電膜z2をスパッタリングに
より1〜10μmの厚みに形成する。そして、中空部1
2aの圧電膜z2を、レジストをマスクとして塩酸、硝
酸などの酸でウエットエンチングするか、またはRIE
(反応性イオンエッチング)によりドライエッチングし
て除去する。後に残った圧電膜z2により、支持梁13
a、13bの振動領域r1、r2(図5参照)が形成さ
れ、また枠12(図4参照)および振動体14の上層膜
が形成される。
Next, referring to FIG.
An upper piezoelectric film z2 such as zinc oxide (ZnO) or lead zirconate titanate (PZT) is formed to a thickness of 1 to 10 μm on the piezoelectric film z1 and the middle electrodes d3 and d4 by sputtering. . And hollow part 1
The piezoelectric film z2 of 2a is wet-etched with an acid such as hydrochloric acid or nitric acid using a resist as a mask, or RIE.
(Reactive ion etching) to remove by dry etching. The support beam 13 is formed by the remaining piezoelectric film z2.
Vibration regions r1 and r2 (see FIG. 5) of a and 13b are formed, and an upper layer film of the frame 12 (see FIG. 4) and the vibrator 14 is formed.

【0048】つぎに、図14において、上層電極d1、
d2を図9および図12の工程と同様な方法により形成
する。
Next, in FIG. 14, the upper electrode d1,
d2 is formed by the same method as in the steps of FIGS.

【0049】つぎに、図15において、基板11上に成
層した圧電膜z2および上層電極d1、d2の上に酸化
膜s2を、スパッタリング、CVD(化学成長法)によ
り約1μm程度形成する。この後、中空部12aの酸化
膜s2、s1を、レジストをマスクとしてエッチング除
去する。なお、酸化膜s1は初期の工程で除去してもよ
い。
Next, in FIG. 15, an oxide film s2 is formed to a thickness of about 1 μm on the piezoelectric film z2 formed on the substrate 11 and the upper electrodes d1 and d2 by sputtering and CVD (chemical growth method). Thereafter, the oxide films s2 and s1 in the hollow portion 12a are removed by etching using the resist as a mask. Note that the oxide film s1 may be removed in an initial step.

【0050】つぎに、図16に示すように、基板11の
中央部を、基板11の裏面に枠型に形成した酸化膜s3
をマスクとして、TMAH(テトラ・メチル・アンモニュウム・ハイト゛ロオキサ
イト゛)などのエッチング液でウエットエッチングして、
振動体12および支持梁13a、13bの下に、これら
が自由振動できる空間11aを形成し、ついで酸化膜s
3をエッチング除去して角速度センサ20を完成する。
Next, as shown in FIG. 16, a central portion of the substrate 11 is formed on the back surface of the substrate 11 by a frame-shaped oxide film s3.
Is used as a mask and wet-etched with an etchant such as TMAH (tetra-methyl-ammonium-hydroxide),
Under the vibrating body 12 and the supporting beams 13a and 13b, a space 11a where these can freely vibrate is formed.
3 is removed by etching to complete the angular velocity sensor 20.

【0051】なお、図5に示す外側支持梁13a(13
b)の中層電極d3、d4を、図17に示すように、中
層電極d3とd3’、中層電極d4とd4’にそれぞれ
上下に2分割して、これらの中層電極d3とd3’の間
および中層電極d4とd4’の間にシリコン酸化膜、シ
リコン窒化膜などの酸化膜s4を形成してもよい。同様
に、図1図および図4において、外側振動枠体4、内側
振動体6、振動体14の圧電膜z1とz2の間にも酸化
膜s4を形成してもよい。これにより、外側振動枠体
4、内側振動体6、振動体14および支持梁3a、3
b、5a、5b、13a、13bが補強されて反りが防
止される。また、シリコン酸化膜は酸化亜鉛膜よりは材
料的に機械的Qが高いので、振動体の上層または下層よ
りは中層に厚く形成されているほうが、屈曲振動の変位
が大きくなる。更に、シリコン酸化膜は酸化亜鉛膜とは
温度に対する周波数特性が逆になっているので、温度変
化による機械的共振周波数の変化が相殺される。
The outer support beams 13a (13) shown in FIG.
b) The middle-layer electrodes d3 and d4 are divided into middle-layer electrodes d3 and d3 'and middle-layer electrodes d4 and d4', respectively, as shown in FIG. An oxide film s4 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film may be formed between the middle-layer electrodes d4 and d4 '. Similarly, in FIGS. 1 and 4, an oxide film s4 may be formed between the piezoelectric films z1 and z2 of the outer vibration frame 4, the inner vibration body 6, and the vibration body 14. As a result, the outer vibrating frame 4, the inner vibrating body 6, the vibrating body 14, and the support beams 3a, 3a
b, 5a, 5b, 13a, 13b are reinforced to prevent warpage. Also, since the silicon oxide film has a higher mechanical Q than the zinc oxide film, the displacement of the bending vibration is greater when the silicon oxide film is formed thicker in the middle layer than in the upper or lower layer of the vibrator. Further, since the silicon oxide film has a frequency characteristic opposite to that of the zinc oxide film with respect to temperature, a change in mechanical resonance frequency due to a temperature change is offset.

【0052】(製造方法2)つぎに、本発明の角速度セ
ンサの他の製造方法について図18〜図20を参照して
説明する。図18において、PZT基板21の表面と裏
面の対向する位置に、支持梁13a、13bの分割電極
d7、d8をアルミニュウム、金/クロム等の金属によ
りスパッタリング、蒸着などで形成する。なお、PZT
基板21の両面の分割電極d7(d8)、d7(d8)
間は、それぞれ分極が施される。
(Manufacturing Method 2) Next, another method of manufacturing the angular velocity sensor of the present invention will be described with reference to FIGS. In FIG. 18, the split electrodes d7 and d8 of the support beams 13a and 13b are formed by sputtering, vapor deposition, or the like using a metal such as aluminum or gold / chrome at a position where the front surface and the rear surface of the PZT substrate 21 face each other. In addition, PZT
Split electrodes d7 (d8) and d7 (d8) on both surfaces of substrate 21
Polarization is applied to each space.

【0053】図19において、PZT基板21の中央部
をレーザまたはウエットエッチング加工して、振動体2
2およびこの振動体22をその両側面から支える支持梁
23a、23bを形成する。エッチング除去された部分
が中空部21aとなる。このように加工された基板21
を2枚、図20に示すように、電極d7、d7同志およ
び電極d8、d8同志を重ねて絶縁性接着剤で貼り合わ
せて、上層電極d7a、中層電極d7bおよび下層電極
d7cよりなる角速度センサを完成する。支持梁23a
が駆動用となり、支持梁23bが検出用となる。なお、
絶縁性接着剤で貼り合わさせて導通のない中層電極d7
bの電極d7同志、d8同志は、外部で配線パターンに
より接続される。
In FIG. 19, the central portion of the PZT substrate 21 is subjected to laser or wet etching to
2 and support beams 23a and 23b for supporting the vibrating body 22 from both sides. The portion removed by etching becomes the hollow portion 21a. The substrate 21 thus processed
As shown in FIG. 20, two electrodes d7 and d7 and electrodes d8 and d8 are overlapped and bonded with an insulating adhesive to form an angular velocity sensor including an upper electrode d7a, a middle electrode d7b, and a lower electrode d7c. Complete. Support beam 23a
Are for driving, and the support beam 23b is for detection. In addition,
Middle layer electrode d7 which is bonded with insulating adhesive and has no conduction
The electrodes d7 and d8 of b are connected to each other by a wiring pattern outside.

【0054】上記各実施例においては、支持梁は3層電
極構造のものを示したが、多層電極構造のものでもよ
い。
In each of the above embodiments, the support beam has a three-layer electrode structure, but may have a multi-layer electrode structure.

【0055】[0055]

【発明の効果】請求項1記載の発明は、各層電極が梁軸
を通る垂直面の両側に分割された多層構造の捩じれ振動
をする支持梁を駆動用および検出用に用い、これらの駆
動用支持梁および検出用支持梁の機械的共振周波数を合
わせているので、駆動変位が大きく、且つ、回転角速度
に対するコリオリ力の検出感度が高くなる。また、駆動
および検出を圧電支持梁を用いて行い、従来例のように
基板との間の静電容量を取る必要がないので、振動部を
基板から離すことができ、大きな駆動変位、検出変位を
とることができる。
According to the first aspect of the present invention, a multi-layer torsionally vibrating support beam in which each layer electrode is divided on both sides of a vertical plane passing through the beam axis is used for driving and detection, and these driving electrodes are used for driving. Since the mechanical resonance frequencies of the support beam and the detection support beam are matched, the drive displacement is large and the detection sensitivity of the Coriolis force with respect to the rotational angular velocity is increased. In addition, since driving and detection are performed using a piezoelectric support beam and there is no need to take capacitance between the substrate and the substrate as in the conventional example, the vibrating portion can be separated from the substrate, and large driving displacement and detection displacement can be achieved. Can be taken.

【0056】請求項2記載の発明は、駆動用支持梁が水
平方向振動をし、検出用支持梁が、コリオリ力に基づく
垂直方向振動を検出するようになっており、これらの水
平方向振動および垂直方向振動の機械的共振周波数を合
わせているので、駆動変位が大きく、且つ、回転角速度
に対するコリオリ力の検出感度が高くなる。
According to the second aspect of the present invention, the driving support beam vibrates in the horizontal direction, and the detection support beam detects vertical vibration based on the Coriolis force. Since the mechanical resonance frequency of the vertical vibration is matched, the drive displacement is large and the detection sensitivity of the Coriolis force with respect to the rotational angular velocity is increased.

【0057】また、この発明は、一対の駆動用支持梁と
検出用支持梁とが、一軸に配置されているので、構造が
簡単となる。
Further, according to the present invention, since the pair of driving support beams and the detection support beam are uniaxially arranged, the structure is simplified.

【0058】請求項3記載の発明は、酸化膜が補強材と
して表裏面および中層電極間に設けられているので、反
りが防止され、機械的Qが向上して屈曲振動が大きくな
り、温度変化による機械的共振周波数の変化も防止され
て、検出感度が向上する。
According to the third aspect of the present invention, since the oxide film is provided as a reinforcing material between the front and back surfaces and the middle layer electrode, warpage is prevented, mechanical Q is improved, bending vibration is increased, and temperature change is caused. Is also prevented from changing the mechanical resonance frequency, and the detection sensitivity is improved.

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

【図1】 本発明の角速度センサの第1実施例の斜視図FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment of an angular velocity sensor according to the present invention.

【図2】 図1に示す外側支持梁の斜視図FIG. 2 is a perspective view of an outer support beam shown in FIG. 1;

【図3】 図2に示す外側支持梁のx1−x1線断面形
態図
FIG. 3 is a sectional view taken along line x1-x1 of the outer support beam shown in FIG. 2;

【図4】 本発明の角速度センサの第2実施例の斜視図FIG. 4 is a perspective view of a second embodiment of the angular velocity sensor of the present invention.

【図5】 図4に示す駆動用支持梁の分極方向および駆
動電界方向を示す断面形態図
5 is a sectional view showing the polarization direction and the driving electric field direction of the driving support beam shown in FIG.

【図6】 図4に示す駆動用支持梁の振動の形態図FIG. 6 is a diagram of the vibration of the driving support beam shown in FIG. 4;

【図7】 図4に示す検出用支持梁の振動の形態図FIG. 7 is a view showing the form of vibration of the detection support beam shown in FIG.

【図8】 図4に示す検出用支持梁の分極方向および検
出電界方向を示す断面形態図
FIG. 8 is a sectional view showing the polarization direction and the detection electric field direction of the detection support beam shown in FIG.

【図9】 本発明の角速度センサの一つの製造工程を示
すもので、基板に設けた酸化膜上に下層電極を形成する
工程図
FIG. 9 shows one manufacturing process of the angular velocity sensor of the present invention, and is a process diagram of forming a lower electrode on an oxide film provided on a substrate.

【図10】 同じく、下層の圧電膜を形成する工程図FIG. 10 is also a process chart for forming a lower piezoelectric film.

【図11】 同じく、不要部分の圧電膜をエッチング除
去する工程図
FIG. 11 is also a process diagram of etching and removing an unnecessary portion of the piezoelectric film.

【図12】 同じく、中層電極を形成する工程図FIG. 12 is also a process chart of forming an intermediate layer electrode.

【図13】 同じく、上層の圧電膜を形成し、不要な部
分の圧電膜を除去する工程図
FIG. 13 is a process chart of forming an upper piezoelectric film and removing an unnecessary portion of the piezoelectric film.

【図14】 同じく、上層電極を形成する工程図FIG. 14 is also a process chart for forming an upper electrode.

【図15】 同じく、酸化膜を形成し、不要な部分の酸
化膜を除去する工程図
FIG. 15 is also a process chart for forming an oxide film and removing an unnecessary portion of the oxide film.

【図16】 同じく、基板の裏面中央部をエッチング除
去する工程図
FIG. 16 is a process chart for etching and removing the center of the back surface of the substrate.

【図17】 他の支持梁の断面形態図FIG. 17 is a sectional view of another supporting beam.

【図18】 本発明の角速度センサの他の製造工程を示
すもので、PZT基板の両面の対向部位に、駆動用支持
梁と検出用支持梁の分割電極を設ける工程図
FIG. 18 is a view showing another manufacturing process of the angular velocity sensor of the present invention, in which split electrodes of a driving support beam and a detection support beam are provided at opposing portions on both surfaces of a PZT substrate.

【図19】 同じく、PZT基板の中央部に振動体と支
持梁を形成する工程図
FIG. 19 is a process chart of forming a vibrator and a support beam at the center of the PZT substrate.

【図20】 同じく、図19に示す形状に加工されたP
ZT基板を2枚貼り合わせる工程図
FIG. 20 is a cross-sectional view of a P processed similarly to the shape shown in FIG.
Process diagram for bonding two ZT substrates

【図21】 従来の角速度センサの斜視図FIG. 21 is a perspective view of a conventional angular velocity sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、11 基板 1a、11a、21a 中空部 2、12 枠 2a、2b、12a、12b 枠辺 3a、3b 外側支持
梁 4 外側振動
枠体 4a、4b、4c、4d 枠辺 4e 内側 5a、5b 内側支持
梁 6 内側振動
体 13a、13b、23a、23b 支持梁 14、22 振動体 r1〜r4 振動領域 10、20 角速度セ
ンサ s1、s2 酸化膜 z1、z2 酸化亜鉛 d1、d2、d7a 上層電極 d3、d4、d7b 中層電極 d5、d6 d7c 下層電極 d7、d8 分割電極 21 PZT基
板 j 中心軸
1, 11 Substrate 1a, 11a, 21a Hollow part 2, 12 Frame 2a, 2b, 12a, 12b Frame side 3a, 3b Outer support beam 4 Outer vibration frame 4a, 4b, 4c, 4d Frame side 4e Inside 5a, 5b Inside Support beam 6 Inner vibrator 13a, 13b, 23a, 23b Support beam 14, 22 Vibrator r1 to r4 Vibration region 10, 20 Angular velocity sensor s1, s2 Oxide film z1, z2 Zinc oxide d1, d2, d7a Upper electrode d3, d4 , D7b Middle layer electrode d5, d6 d7c Lower layer electrode d7, d8 Split electrode 21 PZT substrate j Central axis

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板の中空部に、対向して配置された一
対の外側支持梁を介して支持された外側振動枠体と、前
記外側振動枠体の内側に、対向して配置された一対の内
側支持梁を介して支持された内側振動体とを備え、 前記外側支持梁および内側支持梁は、各層電極がそれら
の圧電体膜の内部および表裏面であって、それらの梁の
中心軸を通る垂直面の両側に分割されて配置された多層
電極構造よりなることを特徴とする角速度センサ。
1. An outer vibrating frame supported in a hollow portion of a substrate through a pair of opposing outer supporting beams, and a pair of opposing internals disposed inside the outer vibrating frame. An inner vibrator supported via an inner support beam of the outer support beam and the inner support beam, wherein each of the outer electrodes and the inner support beams has an inner electrode and an upper and lower surface of the piezoelectric film, and a central axis of the beams. An angular velocity sensor comprising a multilayer electrode structure divided and arranged on both sides of a vertical plane passing through the sensor.
【請求項2】 基板の中空部に、対向して配置された一
対の支持梁を介して支持された振動体を備え、 前記支持梁は、各層電極がそれらの圧電体膜の内部およ
び表裏面であって、それらの梁の中心軸を通る垂直面の
両側に分割されて配置された多層電極構造よりなり、一
つの支持梁は水平方向もしくは垂直方向に振動する駆動
用であり、他の支持梁は垂直方向もしくは水平方向に振
動する検出用であることを特徴とする角速度センサ。
2. A vibrating body supported in a hollow portion of a substrate via a pair of supporting beams disposed opposite to each other, wherein the supporting beam has a structure in which each layer electrode has the inside of the piezoelectric film and the front and back surfaces thereof. A multi-layer electrode structure divided and arranged on both sides of a vertical plane passing through the central axis of the beams, one supporting beam is for driving to vibrate in the horizontal or vertical direction, and the other supporting beam is An angular velocity sensor characterized in that the beam is used for detecting vertical or horizontal vibration.
【請求項3】 前記支持梁の表裏面および中層電極間並
びに外側振動枠体、内側振動体および振動体の内部に酸
化膜が形成されていることを特徴とする請求項1または
請求項2記載の角速度センサ。
3. An oxide film is formed between the front and back surfaces of the support beam and between the middle layer electrodes, and inside the outer vibrating frame, the inner vibrating body, and the vibrating body. Angular velocity sensor.
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