JPH1172331A - Vibrating gyro - Google Patents

Vibrating gyro

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Publication number
JPH1172331A
JPH1172331A JP9247843A JP24784397A JPH1172331A JP H1172331 A JPH1172331 A JP H1172331A JP 9247843 A JP9247843 A JP 9247843A JP 24784397 A JP24784397 A JP 24784397A JP H1172331 A JPH1172331 A JP H1172331A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
voltage
vibrating
detection
vibration
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.)
Withdrawn
Application number
JP9247843A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akio Imura
Takaue Ishikawa
Takuya Kitajima
章夫 井村
卓也 北島
貴上 石川
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
本田技研工業株式会社
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 Honda Motor Co Ltd, 本田技研工業株式会社 filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP9247843A priority Critical patent/JPH1172331A/en
Publication of JPH1172331A publication Critical patent/JPH1172331A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a vibrating gyro whose mass productivity, high accuracy and miniaturization are realized when the vibrating gyro is of a resonance type using a piezoelectric thin film. SOLUTION: A vibrating gyro is constituted of a beam part 16 in which a vibrating body is cantilevered by a support member 14 on a semiconductor substrate 12 and of a mass part 18 which is formed integrally with the beam part. A piezoelectric thin-film layer is laminated on the vibrating body. An electrode layer 28 which is formed in such a way that a driving electrode 37 and a detecting electrode 39 are laminated on the piezoelectric thin-film layer is laminated on the beam part 16. In addition, the driving electrode is divided into three segments 32 to 34, an applied voltage is changed according to their separation distances from the mass part 18, and variations in production is corrected by the applied voltage.

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】この発明は振動ジャイロ、よ
り詳しくは圧電素子を用いた振動ジャイロに関する。
The present invention relates to a vibrating gyroscope, and more particularly, to a vibrating gyroscope using a piezoelectric element.
【0002】[0002]
【従来の技術】回転角速度(ヨーレート)を検出する振
動ジャイロは、例えば特開平7−120266号公報あ
るいは特開平5−322584号公報記載のものが知ら
れている。特開平7−120266号公報記載の振動ジ
ャイロは静電容量変化を介して回転角速度を検出してお
り、特開平5−322584号公報記載のものは圧電素
子を用い、圧電ひずみ変化を介して回転角速度を検出し
ている。
2. Description of the Related Art As a vibrating gyroscope for detecting a rotational angular velocity (yaw rate), for example, those described in JP-A-7-120266 or JP-A-5-322584 are known. The vibrating gyroscope described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-120266 detects the rotational angular velocity through a change in capacitance. The device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-322584 uses a piezoelectric element and rotates through a change in piezoelectric strain. Angular velocity is detected.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来技術の振動ジャイロは素子が機械加工で製作さ
れ、さらに加工した素子を組み立てる工程も必要であっ
て、生産性の点で必ずしも満足できるものではなかっ
た。さらに、組み立て構造のため、精度および小型化の
点でも不満が残るものであった。
However, the above-mentioned prior art vibrating gyroscope requires a device to be manufactured by machining and also requires a process of assembling the processed device, which is not always satisfactory in terms of productivity. Did not. In addition, due to the assembly structure, there were still complaints in terms of accuracy and miniaturization.
【0004】また、特開平7−120266号公報で提
案されるような静電容量型の振動ジャイロの場合、測定
子を挟むように電極を3次元的に対向配置する必要があ
り、また変位による検出のためにギャップ管理が厳格な
こともあって生産性が低かった。
In the case of a capacitance type vibrating gyroscope proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-120266, it is necessary to three-dimensionally oppose electrodes so as to sandwich a probe, Productivity was low due to strict gap management for detection.
【0005】従って、この発明の第1の目的は、量産性
と高精度化および小型化をあわせて実現するようにした
圧電型の振動ジャイロを提供することにある。
Accordingly, a first object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrating gyroscope which achieves both mass productivity and high precision and miniaturization.
【0006】また、従来の振動ジャイロにあっては、特
開平4−307322号公報に記載されるように、駆動
電極に一様に、即ち、一義的な特性で決定される電圧を
印加していたため、振動変位分布による歪み分布と圧電
歪み分布とが必ずしも一致せず、振動を効率的に行うこ
とができず、振動体を加振するために大きな電圧を必要
としていた。
Further, in a conventional vibrating gyroscope, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-307322, a voltage determined uniformly, that is, by a unique characteristic, is applied to the drive electrodes. Therefore, the strain distribution due to the vibration displacement distribution and the piezoelectric strain distribution do not always coincide with each other, and the vibration cannot be efficiently performed, and a large voltage is required to excite the vibrating body.
【0007】従って、この発明の第2の目的は、振動変
位分布による歪み分布と圧電歪み分布とを一致させて振
動が効率的に行われるようにした振動ジャイロを提供す
ることにある。
Therefore, a second object of the present invention is to provide a vibration gyro in which vibration is efficiently performed by matching the strain distribution due to the vibration displacement distribution with the piezoelectric strain distribution.
【0008】さらに、従来技術において共振型ジャイロ
にあっては製造ばらつきから所期の共振周波数が得られ
ない場合、切削、曲げなどの素子の三次元的な機械加工
を介して加振方向と検出方向の共振周波数を一致させて
おり、生産性を低下させる一因にもなっていた。
Further, in the prior art, when the desired resonance frequency cannot be obtained due to manufacturing variations in the resonance type gyro, the vibration direction and the vibration direction are detected through three-dimensional machining of the element such as cutting and bending. The resonance frequencies in the directions are matched to each other, which is one of the factors that lowers productivity.
【0009】従って、この発明の第3の目的は、素子の
三次元的な機械加工を不要にして生産性を向上させるよ
うにした共振型の振動ジャイロを提供することにある。
Accordingly, a third object of the present invention is to provide a resonance-type vibrating gyroscope in which three-dimensional machining of an element is not required and productivity is improved.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明は請求項1項にあっては、振動体に駆動
電極を介して電圧を印加して所定の方向に振動させ、前
記所定の方向に直交する方向に生じた圧電歪みによる電
圧変化を検出電極を介して検出する振動ジャイロにおい
て、前記振動体を支持部材に片持ちされた梁部と前記梁
部の他端に形成された質量部とから一体的に構成し、圧
電薄膜層を少なくとも前記梁部上に積層すると共に、前
記駆動電極と検出電極を前記圧電薄膜層に積層させてな
る電極層を少なくとも前記梁部上に平面状に配置する如
く構成した。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a voltage is applied to a vibrating body via a driving electrode to vibrate the vibrating body in a predetermined direction. In a vibrating gyroscope that detects a voltage change caused by piezoelectric strain generated in a direction orthogonal to the predetermined direction via a detection electrode, the vibrating body is formed at a beam portion cantilevered by a support member and at the other end of the beam portion. And a piezoelectric thin film layer laminated on at least the beam portion, and an electrode layer formed by laminating the drive electrode and the detection electrode on the piezoelectric thin film layer is formed on at least the beam portion. It was configured to be arranged in a plane.
【0011】請求項2項にあっては、前記駆動電極を複
数のセグメントに分割して前記梁部上に配置すると共
に、各駆動電極セグメントに印加する電圧を前記質量部
との離間距離が小さいほど低くする如く構成した。
According to a second aspect of the present invention, the drive electrode is divided into a plurality of segments and arranged on the beam portion, and a voltage applied to each drive electrode segment has a small distance from the mass portion. It was configured to be as low as possible.
【0012】請求項3項にあっては、さらに、駆動方向
振動制御電極および検出方向振動制御電極の少なくとも
いずれかを備え、モニタ電極および検出電極の少なくと
もいずれかの電圧を検出し、検出された電圧が最大とな
る位相と電圧値を求め、それらに基づいて前記駆動方向
振動制御電極および検出方向振動制御電極の少なくとも
いずれかに補正印加電圧を与える如く構成した。
According to a third aspect of the present invention, the apparatus further comprises at least one of a drive direction vibration control electrode and a detection direction vibration control electrode, and detects the voltage of at least one of the monitor electrode and the detection electrode. The phase and the voltage value at which the voltage becomes maximum are determined, and based on them, the correction application voltage is applied to at least one of the driving direction vibration control electrode and the detection direction vibration control electrode.
【0013】[0013]
【作用】請求項1項にあっては、機械的加工組み立て工
程を不要にすることができるので、シリコン半導体基板
などのマイクロマシニング加工技術を応用して製作する
ことができ、量産性、高精度化および小型化を図ること
ができる。
According to the first aspect, since a mechanical processing and assembling step can be omitted, it can be manufactured by applying micromachining processing technology for a silicon semiconductor substrate or the like, and mass productivity and high precision can be achieved. Size and size can be reduced.
【0014】請求項2項にあっては、振動の表面歪み分
布に適合した電圧印加が可能となるため、振動体を効率
良く加振することができ、駆動電圧を低減することがで
きる。
According to the present invention, it is possible to apply a voltage adapted to the surface strain distribution of the vibration, so that the vibrating body can be vibrated efficiently and the driving voltage can be reduced.
【0015】請求項3項にあっては、製造ばらつきを簡
易に補正することができ、かつ高精度に補正することが
できる。
According to the third aspect of the present invention, it is possible to easily correct the manufacturing variation and to correct the variation with high accuracy.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】以下、添付図面に即してこの発明
の実施の形態を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
【0017】図1はこの出願に係る振動ジャイロ、特に
圧電薄膜を用いた共振型の振動ジャイロの平面図であ
り、図2にはそのII−II線断面図である。
FIG. 1 is a plan view of a vibrating gyroscope according to the present invention, particularly a resonance type vibrating gyroscope using a piezoelectric thin film, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II of FIG.
【0018】図示の如く、振動ジャイロ10は、シリコ
ンなどからなる半導体基板12上に製作される。具体的
には、基板12の縁部12aの一つを支持部材14と
し、図2に良く示す如く、支持部材14(縁部12a)
に片持ちさせて梁部16を突出させると共に、その他端
(自由端)側に梁部16より広幅の質量部18を一体的
に形成(接続)して振動体20を構成する。
As shown, the vibrating gyroscope 10 is manufactured on a semiconductor substrate 12 made of silicon or the like. Specifically, one of the edges 12a of the substrate 12 is used as a support member 14, and as shown in FIG. 2, the support member 14 (edge 12a)
The vibrating body 20 is formed by projecting the beam portion 16 by being cantilevered and integrally forming (connecting) a mass portion 18 wider than the beam portion 16 on the other end (free end) side.
【0019】支持部材(縁部)14、梁部16および質
量部18上には、図2に良く示す如く、下部電極膜22
が全面にわたって配置され、その上にピエゾ半導体材
(酸化ジルコニウム、窒化アルミニウムなどでも良い)
からなる圧電薄膜層24が同様に全面にわたって積層さ
れる。さらに、支持部材14および梁部16上において
は、圧電薄膜層24上に複数個の上部電極膜26が積層
される。
As shown in FIG. 2, a lower electrode film 22 is formed on the support member (edge) 14, the beam 16 and the mass 18 as shown in FIG.
Is disposed over the entire surface, and a piezo semiconductor material (zirconium oxide, aluminum nitride, or the like may be placed thereon)
The piezoelectric thin film layer 24 made of is similarly laminated over the entire surface. Further, on the support member 14 and the beam 16, a plurality of upper electrode films 26 are stacked on the piezoelectric thin film layer 24.
【0020】即ち、梁部16および支持部材18上には
下部電極膜22、圧電薄膜層24および上部電極膜26
からなる電極層28が積層される。下部電極膜22およ
び上部電極膜26は共にプラチナ、チタン材の上にアル
ミニウムを積層して形成する。
That is, the lower electrode film 22, the piezoelectric thin film layer 24 and the upper electrode film 26 are formed on the beam 16 and the support member 18.
Is laminated. The lower electrode film 22 and the upper electrode film 26 are both formed by stacking aluminum on a platinum or titanium material.
【0021】下部電極膜22および上部電極膜26は共
に厚み0.8μmとする。圧電薄膜層24の厚さは10
μm以下、好ましくは2μmとする。基板12の大きさ
は、縦方向(より詳しくは縁部12aの内側から対向縁
部外側まで)4mm、横(幅)方向2.5mmとする。
Each of the lower electrode film 22 and the upper electrode film 26 has a thickness of 0.8 μm. The thickness of the piezoelectric thin film layer 24 is 10
μm or less, preferably 2 μm. The size of the substrate 12 is 4 mm in the vertical direction (more specifically, from the inside of the edge 12a to the outside of the facing edge) and 2.5 mm in the horizontal (width) direction.
【0022】この出願に係る振動ジャイロ10にあって
は、振動体20に駆動電極を介して電圧を印加し、所定
の方向(具体的には図1の紙面に直交する方向)に振動
させ、それに直交する方向(具体的には図1にAで示す
方向)に生じた圧電歪みによる電圧変化を検出電極を介
して検出する。
In the vibrating gyroscope 10 according to the present application, a voltage is applied to the vibrating body 20 via a driving electrode to vibrate the vibrating body 20 in a predetermined direction (specifically, a direction perpendicular to the plane of FIG. 1). A voltage change due to piezoelectric strain generated in a direction perpendicular to the direction (specifically, a direction indicated by A in FIG. 1) is detected via a detection electrode.
【0023】上部電極膜26は複数個、より詳しくは9
個の電極からなる。9個の電極は、モニタ出力検出用の
モニタ電極31、駆動電極32,33,34、駆動方向
振動制御電極35(後述)、検出方向振動制御電極3
6,38(後述)、検出電極37,39からなる。
A plurality of upper electrode films 26, more specifically 9
Consisting of three electrodes. The nine electrodes include a monitor electrode 31 for monitor output detection, drive electrodes 32, 33, 34, a drive direction vibration control electrode 35 (described later), and a detection direction vibration control electrode 3.
6, 38 (described later), and detection electrodes 37 and 39.
【0024】駆動電極はセグメント32,33,34に
分割され、後述の如く、それぞれ下部電極膜22の間で
電圧を印加する。検出電極37,39にあっては、電極
37,39間に生じた電圧を検出する。尚、図1で31
aないし39aはそれらの端子を示す。
The driving electrode is divided into segments 32, 33 and 34, and a voltage is applied between the lower electrode films 22 as described later. The detection electrodes 37 and 39 detect a voltage generated between the electrodes 37 and 39. Note that in FIG.
a to 39a indicate those terminals.
【0025】ここで、図示の振動ジャイロ10の製造工
程を説明すると、以下のようになる。 イ.基板12を生成する。 ロ.その縁部(支持部材12含む)12a、梁部16、
質量部18などに下部電極膜22をエッチングする。 ハ.その上に圧電薄膜層24をスパッタリング手法で薄
膜生成する。 ニ.その上に部分的に(支持部材14および梁部16上
に)上部電極膜26をスパッタリングまたは蒸着手法で
エッチングする。
Here, the manufacturing process of the illustrated vibrating gyroscope 10 will be described as follows. I. A substrate 12 is generated. B. The edge portion (including the support member 12) 12a, the beam portion 16,
The lower electrode film 22 is etched on the mass 18 and the like. C. A piezoelectric thin film layer 24 is formed thereon by a sputtering method. D. The upper electrode film 26 is partially etched thereon (on the support member 14 and the beam portion 16) by a sputtering or vapor deposition technique.
【0026】このようにして、図2に示す如く、駆動電
極と検出電極などを圧電薄膜層に積層させてなる電極層
28を少なくとも前記梁部に平面状に配置する振動ジャ
イロ10が製造される。この出願に係る振動ジャイロ1
0にあっては、基板のエッチングなどの化学的加工工程
と圧電薄膜生成による積層構造としたので、従来技術の
ように機械加工を要せず、高精度化を達成することがで
きる。
In this manner, as shown in FIG. 2, the vibrating gyroscope 10 in which the electrode layer 28 formed by laminating the drive electrode and the detection electrode on the piezoelectric thin film layer is arranged at least on the beam portion in a plane is manufactured. . Vibrating gyroscope 1 according to this application
In the case of No. 0, since a laminated structure is formed by a chemical processing step such as etching of a substrate and generation of a piezoelectric thin film, high precision can be achieved without requiring mechanical processing unlike the related art.
【0027】また、基板12の表面を平面に保ちつつ薄
膜生成するようにした。電極層28の厚みは全体として
3.6μm程度であるので、ほぼ平面状で3次元的な凹
凸はほとんどなく、基板厚み方向の複雑な加工が不要で
ある。従って、ICプロセスの表面パターニング技術を
応用することで容易に製造することができ、生産性を向
上させることができる。
Further, a thin film is formed while keeping the surface of the substrate 12 flat. Since the thickness of the electrode layer 28 is about 3.6 μm as a whole, the electrode layer 28 is almost flat, has almost no three-dimensional irregularities, and does not require complicated processing in the substrate thickness direction. Therefore, it can be easily manufactured by applying the surface patterning technique of the IC process, and the productivity can be improved.
【0028】さらに、静電容量型においては変位による
検出のためにギャップ管理が煩瑣であるが、この出願に
係る振動ジャイロ10にあっては圧電素子を用いること
から、圧電素子を薄膜化しても検出精度が影響を受ける
ことがない。それによって、図示の如く、縦4mm、横
2.5mm程度に小型化することができる。
Further, in the electrostatic capacitance type, the gap management is complicated for detection by displacement. However, in the vibrating gyroscope 10 according to the present application, since the piezoelectric element is used, even if the piezoelectric element is thinned, Detection accuracy is not affected. Thereby, as shown in the figure, the size can be reduced to about 4 mm in length and 2.5 mm in width.
【0029】次いで、図示の振動ジャイロ10の駆動電
圧印加について説明する。
Next, application of a drive voltage to the illustrated vibrating gyroscope 10 will be described.
【0030】先に述べた如く、従来の振動ジャイロにあ
っては、駆動電極に一様、即ち、所定の特性から一義的
に決定される電圧を印加していたため、振動変位分布に
よるひずみ分布と圧電ひずみ分布とが必ずしも一致せ
ず、振動が効率的に行われなかった。従って、振動体を
大きく加振するために大きな電圧を必要としていた。さ
らに、従来技術にあっては電極を3次元的に配置してい
るため、その製作が煩瑣であった。
As described above, in the conventional vibrating gyroscope, since a uniform voltage, ie, a voltage uniquely determined from predetermined characteristics, is applied to the drive electrode, the strain distribution and the strain distribution due to the vibration displacement distribution are not applied. The piezoelectric strain distribution did not always match, and the vibration was not performed efficiently. Therefore, a large voltage is required to greatly vibrate the vibrating body. Further, in the prior art, since the electrodes are arranged three-dimensionally, the production is complicated.
【0031】ところで、圧電薄膜に電圧を印加する場
合、電圧の印加による圧電歪みが振動による歪み分布と
位置的に同一になるとき、歪みの位置ずれがなく、効率
良く振動体を加振することができる。他方、図3に示す
如く、振動による圧電薄膜の表面歪みは位置的に分布し
ている。
By the way, when a voltage is applied to the piezoelectric thin film, when the piezoelectric strain caused by the applied voltage is the same as the strain distribution due to the vibration, the vibrator can be efficiently vibrated without displacement of the strain. Can be. On the other hand, as shown in FIG. 3, surface distortion of the piezoelectric thin film due to vibration is distributed in position.
【0032】そこで、この発明に係る振動ジャイロにお
いては、この歪み分布に比例して電圧を変化させて印加
させるようにした。その意図から、駆動電極をセグメン
ト32,33,34に分割し、それぞれに歪み分布、換
言すれば質量部18からの離間距離に応じた電圧を印加
するようにした。
Therefore, in the vibrating gyroscope according to the present invention, the voltage is changed and applied in proportion to the strain distribution. For that purpose, the drive electrode was divided into segments 32, 33, and 34, and a voltage was applied to each of them according to the strain distribution, in other words, the distance from the mass portion 18.
【0033】歪みは、梁部16の片持ち部位付近に接近
するほど大きく、質量部18に近づくに従って減少す
る。このため、図4に示す如く、印加電圧は質量部18
との離間距離が小さいほど低くするようにした。具体的
には、図5に示す如く、質量部18に近いセグメントほ
ど電圧振幅が小さくなるように印加する。
The distortion increases as it approaches the cantilever portion of the beam portion 16 and decreases as it approaches the mass portion 18. For this reason, as shown in FIG.
The smaller the distance from the camera, the lower the distance. More specifically, as shown in FIG. 5, the voltage is applied such that the voltage amplitude decreases as the segment approaches the mass portion 18.
【0034】図6はその電圧印加制御を示すブロック図
である。図示の如く、前記したモニタ電極31からモニ
タ出力を検出し、その出力(波形)の位相を90度ずら
せた電圧を図4の特性に従って所定倍(増幅率1ないし
3)し、駆動電極セグメント32,33,34に印加す
る。
FIG. 6 is a block diagram showing the voltage application control. As shown in the figure, a monitor output is detected from the monitor electrode 31 and a voltage obtained by shifting the phase of the output (waveform) by 90 degrees is multiplied by a predetermined value (amplification factor 1 to 3) in accordance with the characteristics shown in FIG. , 33, 34.
【0035】上記した構成により、振動体20(梁部1
6および質量部18)の表面歪み分布に適合した駆動電
圧を印加することで印加電圧を全体として低減すること
ができると共に、振動体20を効率良く加振することが
できる。換言すれば、駆動電圧を一定とすると、振動を
抑制してしまう事態が生じ得るが、そのような不都合が
ないため、効率良く加振することができる。
With the above-described configuration, the vibrating body 20 (the beam 1
By applying a drive voltage suitable for the surface strain distribution of the mass 6 and the mass portion 18), the applied voltage can be reduced as a whole and the vibrating body 20 can be efficiently vibrated. In other words, when the driving voltage is fixed, a situation may occur in which the vibration is suppressed. However, since there is no such inconvenience, the vibration can be efficiently performed.
【0036】図7はこの出願に係る振動ジャイロの第2
の実施の形態で、製造ばらつきを補正する手法を示す、
ブロック図である。
FIG. 7 shows a second example of the vibrating gyroscope according to this application.
In the embodiment, a method of correcting manufacturing variations will be described.
It is a block diagram.
【0037】前記したように、従来技術の共振型ジャイ
ロにあっては、所期の共振周波数が得られない場合、切
削、曲げなどの素子の三次元的な機械加工を介して加振
方向と検出方向の共振周波数を合致させており、それが
生産性を低下させる一因でもあった。
As described above, in the conventional resonance gyro, when the desired resonance frequency cannot be obtained, the vibration direction and the vibration direction can be changed through three-dimensional machining of the elements such as cutting and bending. The resonance frequency in the detection direction was matched, which was one of the factors that reduced productivity.
【0038】第2の実施の形態はその解決を図るもの
で、圧電薄膜の電気機械変換特性に着目し、駆動振動変
位と所定の位相差を持つ電圧を、前記した駆動方向振動
制御電極35に印加し、振動の周波数と先鋭度を電圧に
よって制御するようにした。
The second embodiment is intended to solve the problem. By focusing on the electromechanical conversion characteristics of the piezoelectric thin film, a voltage having a predetermined phase difference with the driving vibration displacement is applied to the driving direction vibration control electrode 35. The frequency and the sharpness of the vibration were controlled by voltage.
【0039】具体的には、第1の実施の形態と同様に駆
動方向変位を示すモニタ電極31の出力を検出し、その
出力波形の位相を90度ずらせると共に、所定倍(増
幅)した電圧を駆動電極32,33,34に印加すると
共に、−90度から+90度の間で位相を変化させつつ
モニタ電極出力が最大となる位相、言い換えれば、駆動
方向の共振周波数と検出方向の共振周波数が一致する位
相を探索し、そのときの位相で所定倍した補正印加電圧
を駆動方向振動制御電極35に与えるようにした。
More specifically, as in the first embodiment, the output of the monitor electrode 31 indicating the displacement in the driving direction is detected, the phase of the output waveform is shifted by 90 degrees, and the voltage multiplied by a predetermined number (amplified) is detected. Is applied to the drive electrodes 32, 33, and 34, and the phase at which the monitor electrode output is maximized while changing the phase between -90 degrees and +90 degrees, in other words, the resonance frequency in the drive direction and the resonance frequency in the detection direction. Are searched for, and a correction applied voltage multiplied by a predetermined value in the phase at that time is applied to the drive direction vibration control electrode 35.
【0040】第2の実施の形態においては、このよう
に、電圧を変化させて振動を制御することで、エッチン
グなどの素子加工ばらつきによる、駆動方向とそれに直
交する検出方向の振動特性(共振周波数、先鋭度)のず
れを所定範囲内に補正することができた。
In the second embodiment, by controlling the vibration by changing the voltage as described above, the vibration characteristics (resonance frequency) in the drive direction and the detection direction perpendicular to the drive direction due to variations in element processing such as etching. (Sharpness) could be corrected within a predetermined range.
【0041】式をもって説明すると、以下のようにな
る。 Δf/f={(6・Ep)/E}・{t/(h/2)}
・{(d31 2 ・Ep)/ε}・β QT =Q/{1+(Q/Q0 )} ここで、 Q=(1/12)・(E/Ep)・{(h/2)/t}
・{ε/(d31 2 ・Ep)}・(1/γ) f:第2の実施の形態に係る制御を行わないときの固有
周波数 Q0 :第2の実施の形態に係る制御を行わないときの先
鋭度 Δf:第2の実施の形態に係る制御を行ったときの固有
周波数の変化量 QT :第2の実施の形態に係る制御を行ったときの先鋭
度 Ep:圧電薄膜層24のヤング率 E:基板12のヤング率 t:圧電薄膜層24の厚さ d31:圧電定数 ε:圧電薄膜層24の誘電率 h:基板12の厚さ β,γ:−10から+10程度の係数 である。
The following is a description using equations. Δf / f = {(6 · Ep) / E} · {t / (h / 2)}
・ {(D 31 2 · Ep) / ε} · β Q T = Q / {1+ (Q / Q 0 )} where Q = (1/12) · (E / Ep) · {(h / 2 ) / T}
· {Ε / (d 31 2 · Ep)} · (1 / γ) f: natural frequency Q 0 when not controlled according to the second embodiment: perform control according to the second embodiment No sharpness Δf: amount of change in natural frequency when control according to the second embodiment is performed Q T : sharpness when control according to the second embodiment is performed Ep: piezoelectric thin film layer 24: Young's modulus E: Young's modulus of substrate 12 t: Thickness of piezoelectric thin film layer 24 d 31 : Piezoelectric constant ε: Dielectric constant of piezoelectric thin film layer 24 h: Thickness of substrate 12 β, γ: about −10 to +10 Is the coefficient of.
【0042】例えば、f=6KHz、Q0 =100とす
ると、Δf=180Hz、QT =15となる。このよう
に、第2の実施の形態に係る制御手法を用いることで、
周波数において180Hz、先鋭度において15程度補
正することができる。
For example, if f = 6 KHz and Q 0 = 100, Δf = 180 Hz and Q T = 15. As described above, by using the control method according to the second embodiment,
It is possible to correct the frequency by 180 Hz and the sharpness by about 15.
【0043】従来技術に係る共振型のジャイロにおいて
は、振動体の梁部を切削するなどで製造ばらつきを調整
する必要があり、熟練度を要して生産性を低下させてい
た。しかも、振動体が小型であるときは切削することが
できないため、小型化にも限界があったが、この実施の
形態に係る手法を用いるとき、電圧を制御することで製
造ばらつきをある程度吸収することができるので、生産
性を向上させることができる。
In the resonance type gyro according to the prior art, it is necessary to adjust the manufacturing variation by cutting a beam portion of the vibrating body or the like, which requires skill and reduces productivity. In addition, when the vibrating body is small, cutting cannot be performed, so there is a limit to miniaturization. However, when the method according to the present embodiment is used, manufacturing variations are absorbed to some extent by controlling the voltage. Therefore, productivity can be improved.
【0044】さらに、この出願に係る振動ジャイロにお
いては、圧電薄膜層24の上に振動制御電極35を生成
するのは容易であり、給電線などの配線も膜で形成する
ので、製造自由度を大きく向上させることができる。
Further, in the vibrating gyroscope according to this application, it is easy to form the vibration control electrode 35 on the piezoelectric thin film layer 24, and the wiring such as the power supply line is formed by a film, so that the degree of manufacturing freedom is increased. It can be greatly improved.
【0045】図8はこの出願に係る振動ジャイロの第3
の実施の形態で、第2の実施の形態の変形例を示す、図
7と同様のブロック図である。
FIG. 8 shows a third example of the vibrating gyroscope according to this application.
FIG. 12 is a block diagram similar to FIG. 7 and showing a modification of the second embodiment in the third embodiment.
【0046】第3の実施の形態では、検出電極37,3
9の出力波形の位相を−90度から+90度の間でずら
せ、所定倍(増幅)した電圧(検出電圧の平均値に等
価)を検出方向振動制御電極36,38に印加するよう
にした。
In the third embodiment, the detection electrodes 37, 3
The output waveform of No. 9 is shifted from -90 degrees to +90 degrees, and a voltage multiplied (amplified) by a predetermined number (equivalent to the average value of the detection voltages) is applied to the detection direction vibration control electrodes 36 and 38.
【0047】残余の構成および効果は第2の実施の形態
と異ならない。
The remaining configuration and effects are not different from those of the second embodiment.
【0048】ここで、前記した特許請求の範囲の記載に
対応して述べると、この実施の形態にあっては、振動体
に駆動電極を介して電圧を印加して所定の方向に振動さ
せ、前記所定の方向に直交する方向に生じた圧電歪みに
よる電圧変化を検出電極を介して検出する振動ジャイロ
において、前記振動体20を支持部材14に片持ちされ
た梁部16と前記梁部の他端に形成された質量部18と
から一体的に構成し、圧電薄膜層24を少なくとも前記
梁部上に積層すると共に、前記駆動電極と検出電極(上
部電極膜26)を前記圧電薄膜層に積層させてなる電極
層28を少なくとも前記梁部上に平面状に配置する如く
構成した。ここで、圧電薄膜層24を少なくとも前記質
量部、支持部材および梁部上に積層することはそれ以外
の部位にも積層しても良く、また電極層28を少なくと
も前記梁部上に平面状に配置することはそれ以外の部位
に配置しても良いことを意味する。これによって、機械
的加工組み立て工程を不要にすることができるので、シ
リコン半導体基板などのマイクロマシニング加工技術を
応用して製作することができ、量産性、高精度化および
小型化を図ることができる。
Here, in response to the description of the claims, in this embodiment, a voltage is applied to the vibrating body via a driving electrode to vibrate in a predetermined direction, In a vibrating gyroscope that detects a voltage change due to a piezoelectric strain generated in a direction orthogonal to the predetermined direction via a detection electrode, the vibrating body 20 includes a beam portion 16 cantilevered by a support member 14 and another beam portion. The piezoelectric thin film layer 24 is integrally formed with the mass portion 18 formed at the end, and the piezoelectric thin film layer 24 is stacked at least on the beam portion, and the drive electrode and the detection electrode (upper electrode film 26) are stacked on the piezoelectric thin film layer. The electrode layer 28 thus formed was arranged at least on the beam portion in a plane. Here, the piezoelectric thin film layer 24 may be laminated at least on the mass part, the support member and the beam part, and may be laminated on other parts, and the electrode layer 28 may be planarly formed on at least the beam part. Arranging means that it may be arranged in other parts. This eliminates the need for a mechanical processing and assembling step, so that it can be manufactured by applying micromachining processing technology for a silicon semiconductor substrate or the like, and mass productivity, high precision, and miniaturization can be achieved. .
【0049】また、前記駆動電極を複数のセグメント
(32,33,34)に分割して前記梁部上に配置する
と共に、各駆動電極セグメントに印加する電圧を前記質
量部との離間距離が小さいほど低くする如く構成した。
これによって、振動の表面歪み分布に適合した電圧印加
が可能となるため、振動体を効率良く加振することがで
き、駆動電圧を低減することができる。
Further, the drive electrode is divided into a plurality of segments (32, 33, 34) and arranged on the beam portion, and the voltage applied to each drive electrode segment is reduced in the distance from the mass portion. It was configured to be as low as possible.
This makes it possible to apply a voltage suitable for the surface strain distribution of the vibration, so that the vibrating body can be efficiently vibrated and the driving voltage can be reduced.
【0050】さらに、駆動方向振動制御電極35および
検出方向振動制御電極36,38の少なくともいずれか
を備え、モニタ電極および検出電極の少なくともいずれ
かの電圧を検出し、検出された電圧が最大となる位相と
電圧値を求め、それらに基づいて前記駆動方向振動制御
電極および検出方向振動制御電極の少なくともいずれか
に補正印加電圧を与える如く構成した。これによって、
加工精度のばらつきを簡易に補正することができ、かつ
高精度に補正することができる。
Furthermore, at least one of the drive direction vibration control electrode 35 and the detection direction vibration control electrodes 36 and 38 is provided, and the voltage of at least one of the monitor electrode and the detection electrode is detected, and the detected voltage is maximized. A phase and a voltage value are obtained, and a correction application voltage is applied to at least one of the drive direction vibration control electrode and the detection direction vibration control electrode based on the phase and the voltage value. by this,
Variations in processing accuracy can be easily corrected and can be corrected with high accuracy.
【0051】尚、この回転角速度を検出する振動ジャイ
ロについて説明したが、加速度センサなどにも応用する
ことができる。
Although the vibration gyro for detecting the rotational angular velocity has been described, the invention can also be applied to an acceleration sensor or the like.
【0052】[0052]
【発明の効果】請求項1項にあっては、機械的加工組み
立て工程を不要にすることができるので、シリコン半導
体基板などのマイクロマシニング加工技術を応用して製
作することができ、量産性、高精度化および小型化を図
ることができる。
According to the first aspect of the present invention, since a mechanical processing and assembling step can be omitted, it can be manufactured by applying a micro-machining processing technology for a silicon semiconductor substrate or the like, and mass productivity, Higher accuracy and smaller size can be achieved.
【0053】請求項2項にあっては、振動の表面歪み分
布に適合した電圧印加が可能となるため、振動体を効率
良く加振することができ、駆動電圧を低減することがで
きる。
According to the second aspect, since a voltage suitable for the surface strain distribution of the vibration can be applied, the vibrating body can be efficiently vibrated, and the driving voltage can be reduced.
【0054】請求項3項にあっては、製造ばらつきを簡
易に補正することができ、かつ高精度に補正することが
できる。
According to the third aspect of the present invention, it is possible to easily correct manufacturing variations and to correct with high accuracy.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】この発明に係る振動ジャイロの上面である。FIG. 1 is a top view of a vibrating gyroscope according to the present invention.
【図2】図1のII−II線断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG.
【図3】図1の振動ジャイロの圧電薄膜層の歪み分布を
示す特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a strain distribution of a piezoelectric thin film layer of the vibrating gyroscope of FIG.
【図4】図1の振動ジャイロの駆動電極セグメント相当
位置の圧電薄膜層の電圧分布と印加電圧の特性を示す説
明グラフである。
4 is an explanatory graph showing characteristics of a voltage distribution and an applied voltage of a piezoelectric thin film layer at a position corresponding to a drive electrode segment of the vibrating gyroscope of FIG.
【図5】図1の振動ジャイロの駆動電極セグメントへの
印加電圧波形を示す波形図である。
FIG. 5 is a waveform diagram showing a waveform of a voltage applied to a drive electrode segment of the vibrating gyroscope of FIG. 1;
【図6】図4および図5の印加電圧制御のブロック図で
ある。
FIG. 6 is a block diagram of the applied voltage control of FIGS. 4 and 5;
【図7】この出願に係る振動ジャイロの第2の実施の形
態を示す、図6と同様の印加電圧制御のブロック図であ
る。
FIG. 7 is a block diagram of the applied voltage control similar to FIG. 6, showing a second embodiment of the vibrating gyroscope according to the present application.
【図8】この出願に係る振動ジャイロの第3の実施の形
態を示す、図7と同様の印加電圧制御のブロック図であ
る。
FIG. 8 is a block diagram of an applied voltage control similar to FIG. 7, showing a third embodiment of the vibrating gyroscope according to the present application.
【符号の説明】[Explanation of symbols]
10 振動ジャイロ 12 半導体基板 14 支持部材 16 梁部 18 質量部 20 振動体 22 下部電極膜 24 圧電薄膜層 26 上部電極膜 28 電極層 31 モニタ電極 32,33,34 駆動電極セグメント 35 駆動方向振動制御電極 36,38 検出方向振動制御電極 37,39 検出電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Vibration gyroscope 12 Semiconductor substrate 14 Support member 16 Beam part 18 Mass part 20 Vibration body 22 Lower electrode film 24 Piezoelectric thin film layer 26 Upper electrode film 28 Electrode layer 31 Monitor electrode 32, 33, 34 Drive electrode segment 35 Drive direction vibration control electrode 36,38 Detection direction vibration control electrode 37,39 Detection electrode

Claims (3)

    【特許請求の範囲】[Claims]
  1. 【請求項1】 振動体に駆動電極を介して電圧を印加し
    て所定の方向に振動させ、前記所定の方向に直交する方
    向に生じた圧電歪みによる電圧変化を検出電極を介して
    検出する振動ジャイロにおいて、前記振動体を支持部材
    に片持ちされた梁部と前記梁部の他端に形成された質量
    部とから一体的に構成し、圧電薄膜層を少なくとも前記
    梁部上に積層すると共に、前記駆動電極と検出電極を前
    記圧電薄膜層に積層させてなる電極層を少なくとも前記
    梁部上に平面状に配置したことを特徴とする振動ジャイ
    ロ。
    1. A vibration for applying a voltage to a vibrating body via a driving electrode to vibrate in a predetermined direction, and detecting a voltage change due to piezoelectric strain generated in a direction orthogonal to the predetermined direction via a detecting electrode. In the gyro, the vibrator is integrally formed from a beam portion cantilevered by a support member and a mass portion formed at the other end of the beam portion, and a piezoelectric thin film layer is laminated at least on the beam portion. A vibrating gyroscope, wherein an electrode layer formed by laminating the drive electrode and the detection electrode on the piezoelectric thin film layer is arranged at least on the beam portion in a plane.
  2. 【請求項2】 前記駆動電極を複数のセグメントに分割
    して前記梁部上に配置すると共に、各駆動電極セグメン
    トに印加する電圧を前記質量部との離間距離が小さいほ
    ど低くすることを特徴とする請求項1項記載の振動ジャ
    イロ。
    2. The method according to claim 1, wherein the driving electrode is divided into a plurality of segments and arranged on the beam portion, and a voltage applied to each driving electrode segment decreases as a distance from the mass portion decreases. The vibrating gyroscope according to claim 1.
  3. 【請求項3】 さらに、駆動方向振動制御電極および検
    出方向振動制御電極の少なくともいずれかを備え、モニ
    タ電極および検出電極の少なくともいずれかの電圧を検
    出し、検出された電圧が最大となる位相と電圧値を求
    め、それらに基づいて前記駆動方向振動制御電極および
    検出方向振動制御電極の少なくともいずれかに補正印加
    電圧を与えるようにしたことを特徴とする請求項1項ま
    たは2項のいずれかに記載の振動ジャイロ。
    3. The apparatus further comprises at least one of a drive direction vibration control electrode and a detection direction vibration control electrode, detects at least one of the voltages of the monitor electrode and the detection electrode, and detects a phase at which the detected voltage is maximized. 3. The method according to claim 1, wherein a voltage value is obtained, and a correction application voltage is applied to at least one of the driving direction vibration control electrode and the detection direction vibration control electrode based on the voltage values. The vibrating gyro described.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008256669A (en) * 2006-10-30 2008-10-23 Sony Corp Angular velocity sensor and electronic device

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