WO1999019689A1 - Angular velocity sensor - Google Patents
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- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
Abstract
An angular velocity sensor which ensures a stable detection sensitivity irrespective of a change in the environment in which it is used and eliminates the effect caused by the air viscosity, comprising an exciting unit (10) supported by elastic beam portions (11, 12, 13, 14) so as to oscillate in the longitudinal direction and an oscillator (20) constituted of a mass unit (21) and an elastic beam portion (22), wherein the mass unit (21) is coupled by an elastic beam portion (22) to the exciting unit (10) so as to oscillate in the transverse and longitudinal directions. The exciting unit (10) is oscillated by an actuator (15) in the longitudinal direction at a drive oscillation frequency φd which is set to a value far away from a resonance oscillation frequency φa of the exciting unit (10) in the longitudinal direction and a resonance oscillation frequency φb of the oscillator (20) in the longitudinal direction, but close to a resonance oscillation frequency φs of the oscillator (20) in the transverse direction. When an angular velocity is applied, the oscillator (20) oscillates in the transverse direction and this oscillation is detected by an oscillation sensor (23). The elastic beam portion (22) of the oscillator (20) has a thickness (height) larger than its width.
Description
明 角 速度 セ ン サ 技術分 野 Bright angle speed sensor technology field
こ の 発 明 は 角 速度 セ ン サ に 関 す る 。 This invention relates to an angular velocity sensor.
糸 Thread
田 Rice field
背 景 技術 Background technology
マ イ ク ロ マ シ ニ ン グ技術 を 活 用 し た 角 速 度 セ ン サ （ ジ ャ イ ロ ） の 構造 の 多 く は ， 2 方 向 へ の 自 由 度 を 持 つ よ う に 弾性 的 に 基板 に 支 持 さ れ た 振 動 子 を ， 静電気 力 で 基板 面 と 平行 な 方 向 に 共振振 動 さ せ る 構造 で あ る 。 振動 子 に 角 速度 が 加 わ っ た と き ， 振 動 子 に 基板 に 垂 直 な 方 向 に コ リ オ リ カ が 生 じ ， そ の 結 果振 動 子 は 基板 に 垂 直 な 方 向 に 変 位 す る 。 Many angular velocity sensors (gyros) that utilize micromachining technology have elasticity so that they have freedom in two directions. In this structure, the oscillator supported on the substrate is caused to resonate and vibrate in a direction parallel to the substrate surface by electrostatic force. When an angular velocity is applied to the vibrator, the vibrator generates a colica in a direction perpendicular to the substrate, and as a result, the vibrator is directed in a direction vertical to the substrate. Be displaced.
従来 の 角 速度 セ ン サ に お い て は ， 基板 に 垂 直 な 方 向 の 振 動 子 の 共振周 波 数 が ， 基板 面 に 平 行 な 方 向 の 共振 周 波数 と 一 致 す る よ う な 構造 に つ く ら れ て い る 。 コ リ オ リ 力 が 生 じ た と き に 垂 直 方 向 に も 共 振 振 動 す る の で ， 検 出 感度 が 高 め ら れ る 。 こ の 構 造 で は ， 振動 子 の 2 方 向 の 共振周 波 数 を 一 致 さ せ る こ と が 必 要 で あ る 。 加 工誤差 に よ っ て 両 共振 周 波数 は 必 ず し も 設計 ど お り に な ら ず ， 加 工 後 に 調 整 す る こ と が 必 要 で あ っ た 。 振 動子 へ の 追加 加 工 で 調 整 す る 方 法 は マ イ ク ロ マ シ ニ ン
グ技術 に よ る 微細 振 動子 形状 に は 不 適 で あ る 。 In a conventional angular velocity sensor, the resonance frequency of the oscillator perpendicular to the substrate is equal to the resonance frequency of the oscillator parallel to the substrate surface. It is made with a simple structure. When a criterion force is generated, co-oscillation occurs in the vertical direction, and the detection sensitivity is enhanced. In this structure, it is necessary to match the resonant frequencies of the oscillator in two directions. Due to the processing error, the two resonant frequencies were not necessarily as designed, but had to be adjusted after processing. The method of adjustment by additional processing to the vibrator is micromachining. However, it is not suitable for the micro-oscillator shape produced by the technology.
そ こ で ， 電 気 的 に 駆 動振 動 を 制御 す る 方 法 が と ら れ て き た 。 振 動 子 の 2 つ の 振 動 が 高 い Q 値 の 共振振 動 で あ る た め に ， 非 常 に 細 か な 回 路 調 整 が 要 求 さ れ る 。 ま た ， こ の 調 整 方 法 で は あ る 一 つ の 環 境条件 下 で 適切 な 共振状 態 が 得 ら れ る だ け で あ り ， 使 用 環境 ， た と え ば 温度 が 変 化 し た 場 合 に は 共振振 動状 態 も 変 化 す る 。 し た が っ て ， 角 速度 検 出 感 度 を 環 境 の 変 化 に 対 し て も 安 定 に 保 っ た め に 補償 回 路 等 が 必 要 で あ っ た 。 Therefore, a method of controlling the drive vibration electrically has been adopted. Since the two vibrations of the vibrator are high-Q resonant vibrations, very fine circuit adjustment is required. In addition, this adjustment method can only obtain an appropriate resonance state under one environmental condition, and changes the operating environment, for example, the temperature. In such a case, the resonance vibration state also changes. Therefore, it was necessary to provide a compensation circuit to keep the angular velocity detection sensitivity stable against changes in the environment.
従来 の 角 速 度 セ ン サ は 上述 の よ う に ， 振 動 子 を 静電 気 力 で 駆動 し ， コ リ オ リ カ に よ っ て 振動子 を 基板 と 垂 直 な 方 向 に 振動 さ せ ， そ の 振動 変位 を 検知 し て 角 速度 を 得 る 構成 で あ る か ら ， 基板 と 振動 子 の 間 の 空 気粘性 に よ っ て 振 動 子 が運動 を 妨 げ ら れ ， 大 き な 変位 を 得 る こ と が 難 し い と い う 問 題 も あ る 。 As described above, the conventional angular velocity sensor drives the vibrator by electrostatic force, and vibrates the vibrator in a direction perpendicular to the substrate by the corioca. However, since the angular velocity is obtained by detecting the vibration displacement, the vibrator hinders the motion due to the air viscosity between the substrate and the vibrator, resulting in a large displacement. There is also a problem that it is difficult to obtain
特 に シ リ コ ン マ イ ク ロ マ シ ニ ン グ 技術 に よ る 振 動型 角 速度 セ ン サ の 主 な 振動検 出 方 式 と し て ， 固 定 電極 面 と 可 動 電極 面 と の 間 の ギ ヤ ッ プ の 静電 容 量 の 変 化 を 検 出 す る も の が あ る 。 こ の 静電 容 量式 の も の で は 2 つ の 電極 間 の ギ ャ ッ プ が 狭 く （ 一般 に 1 〃 m 程度 ） ， 検 出 振 動 の 振 動 方 向 が 電 極 面 に 垂 直 な 方 向 の 場 合 に ス ク ゥ イ ー ズ · フ ィ ソレ ム · ダ ン ピ ン グ （ Squeeze Fi lm Damping ) と 呼 ば れ る 大 き な 減 衰効 果 が 生 じ る 。 こ の 減 衰 に よ っ て 振 動 子 の 共 振 感 度 （ Q 値 ） が 妨 げ ら れ
る o In particular, the main method of detecting vibration of a vibrating angular velocity sensor using silicon micromachining technology is to detect the vibration between the fixed electrode surface and the movable electrode surface. Some of them detect changes in the capacitance of the gap between them. In the case of this capacitance type, the gap between the two electrodes is narrow (generally about 1 m), and the vibration direction of the detection vibration is perpendicular to the electrode surface. In this case, a large damping effect called Squeeze Film Damping occurs. Due to this attenuation, the resonance sensitivity (Q value) of the oscillator is hindered. O
こ の よ う な 空 気 に よ る 振 動子 の 運 動へ の 悪 影響 を 防 止 す る た め に 振 動 子 を 真 空 中 に 封止 す る こ と が 必 要 と な る 。 ノ ッ ケ ー ジ の コ ス ト が 嵩 み ， 真 空度 が 変 化 す る と 感度 も 変 化 す る の で ， 長期 安 定性 に 欠 け る し ， 振 動 感 度 の ば ら つ き も 生 じ や す い 。 発 明 の 開 示 In order to prevent such an adverse effect on the operation of the oscillator due to air, it is necessary to seal the oscillator in the air. Since the cost of the knockage is bulky and the sensitivity changes when the vacuum changes, the long-term stability is lacking, and the vibration sensitivity varies. It is easy to produce. Disclosure of the invention
こ の 発 明 は 環境 変 化 に 対 し て も 常 に 安 定 し た 感度 を 保 つ こ と が で き る 角 速 度 セ ン サ を 提 供 す る も の で あ る 。 This invention provides an angular velocity sensor that can always maintain a stable sensitivity to environmental changes.
こ の 発 明 は ま た ， 上記 の 角 速度 セ ン サ に 好適 な 振 動 子 の 構 造 を 提供 す る も の で あ る 。 The present invention also provides a structure of a vibrator suitable for the angular velocity sensor described above.
こ の 発 明 は さ ら に ， 空 気粘性 の 影 響 を 受 け に く い 角 速 度 セ ン サ を 提供 す る も の で あ る 。 The invention also provides an angular velocity sensor that is less susceptible to the effects of air viscosity.
こ の 発 明 に よ る 角 速度 セ ン サ の 特徴 を 振 動 周 波 数 の 観点 か ら 規定 す る と 次 の よ う に な る 。 す な わ ち ， こ の 発 明 は ， 加 振部 と 振動子 を 備 え ， 加 振部 を 縦 方 向 に 振 動 可能 に 支 持 し ， 振 動子 を 質量部 と ， 質 量部 を 加振部 に 連結 ま た は 結 合 す る 弾性 は り 部 と か ら 構成 し ， 加振 部 を 縦 方 向 に 振動 さ せ る こ と に よ り 振 動 子 を 縦 方 向 に 振 動 さ せ て お き ， 角 速度 が働 く こ と に よ っ て 生 じ る 振 動 子 の 横 方 向 の 振 動 を 検 出 す る 角 速 度 セ ン サ に お い て ， 加 振部 の 縱 方 向 共振振 動周 波数 を 振 動 子 の 横 方 向
共振振 動周 波 数 か ら 離れ た 値 に 設定 し ， 加振 部 を 振 動 子 の 横 方 向 共振振 動周 波 数 の 近傍 の 振 動周 波 数 で ァ ク チ ユ エ 一 夕 に よ り 振 動 さ せ る こ と を 特徴 と す る も の で あ る 。 The characteristics of the angular velocity sensor according to the present invention are defined as follows from the viewpoint of the oscillation frequency. In other words, the present invention comprises a vibrating section and a vibrator, supports the vibrating section so that it can vibrate in a vertical direction, and vibrates the vibrator in a mass section and a mass section. It consists of an elastic beam connected or connected to the vibrating part, and the vibrating part is vibrated in the vertical direction to vibrate the vibrator in the vertical direction. In the angular velocity sensor that detects the lateral vibration of the vibrator generated by the action of the angular velocity, the longitudinal section of the vibrating part is detected. The resonant frequency of the oscillator in the horizontal direction of the oscillator. The oscillation frequency is set to a value away from the resonant vibration frequency, and the exciting section is set at a vibration frequency near the lateral resonant vibration frequency of the oscillator. It is characterized by being vibrated.
ァ ク チ ユ エ 一 夕 の 駆動振 動周 波数 を 加 振部 の 縦 方 向 共振振 動周 波 数 か ら 離れ た 位 置 に 設 定 す る と い う 条件 は ， 別 の 観点 か ら 言 え ば ， ァ ク チ ユ エ 一 夕 の 駆 動周 波 数 に お い て ， 加 振 部 の 縦 方 向 共振感 度 が 1 ま た は ほ ぼ 1 で あ る ， ま た は 加 振部 の 縱 方 向 共 振感度 が 一 定 も し く は ほ ぼ一 定 に 保 た れ る 周 波 数 範 囲 内 に ァ ク チ ユ エ 一 夕 の 駆 動周 波 数 を 定 め る と 表現 で き る 。 The condition for setting the driving vibration frequency of the actuator to a position away from the vertical resonance vibration frequency of the excitation section is a condition from another point of view. For example, at the driving frequency of the actuator, the vertical resonance sensitivity of the vibrating section is 1 or almost 1, or the vibrating section has a longitudinal resonance sensitivity of 1 or almost 1. It can be described that the driving frequency of the actuator is set within the frequency range in which the longitudinal resonance sensitivity is kept constant or almost constant. .
振動 子 の 横 方 向 共振振 動周 波数 を 加 振部 の 縦 方 向 共 振 振 動 周 波 数 よ り も 低 く 設 定 し て お く こ と が 好 ま し レヽ o It is preferable to set the horizontal resonance frequency of the vibrator to be lower than the vertical resonance frequency of the vibrator.
好 ま し い 実施態様 で は ， 振動 子 の 縦 方 向 共振振 動周 波数 が 振動 子 の 横 方 向 共振振 動 周 波 数 か ら 離 れ た 値 に 設定 さ れ る 。 こ の 条件 は ， ァ ク チ ユ エ 一 夕 の 駆動周 波 数 に お い て ， 振動子 の 縦 方 向 共振感 度 が 1 ま た は ほ ぼ 1 で あ る ， ま た は 振 動子 の 縦 方 向 共 振感度 が 一 定 ま た は ほ ぼ 一 定 に 保 た れ る 周 波数範 囲 に ァ ク チ ユ エ 一 夕 の 駆動周 波数 を 定 め る と 表現 さ れ る 。 好 ま し く は ， 振 動 子 の 横 方 向 共振振 動周 波 数 は そ の 縦 方 向 共振振動周 波 数 よ り も 低 い 。 In a preferred embodiment, the longitudinal resonant vibration frequency of the vibrator is set to a value far from the transverse resonant vibration frequency of the vibrator. This condition is that, at the driving frequency of the actuator, the longitudinal resonance sensitivity of the vibrator is 1 or almost 1, or the vibrator vibrates. It can be described that the driving frequency of the actuator is set within the frequency range in which the vertical resonance sensitivity is kept constant or almost constant. Preferably, the transverse resonant frequency of the oscillator is lower than its longitudinal resonant frequency.
振 動 子 の 横 方 向 共振振 動周 波 数 を そ の 縦 方 向 共振振
動周 波 数 よ り も 低 く 設定 す る た め に ， 振 動 子 は 次 の よ う な 形状 を 持 つ と よ い 。 す な わ ち ， 振動 子 の 弾性 は り 部 は ， 加振部 と 質 量部 と を 結 ぶ 方 向 の 長 さ ， 縦 方 向 の 高 さ お よ び横 方 向 の 幅 を 持 ち ， 長 さ の 寸 法 が高 さ と 幅 の 寸 法 に 比 べ て 大 き く ， 高 さ の 寸 法 が 幅 の 寸 法 よ り も 大 き い 。 The horizontal resonance frequency of the oscillator is changed to the vertical resonance frequency. In order to set the frequency lower than the oscillating frequency, the oscillator should have the following shape. That is, the elastic beam portion of the vibrator has a length in the direction connecting the vibrating portion and the mass portion, a height in the vertical direction, and a width in the horizontal direction, and has a long length. The dimension of height is larger than the dimension of height and width, and the dimension of height is larger than the dimension of width.
好 ま し い 一 実施態様 で は ， 加 振部 は ， 加振 部 を 縦 方 向 に 振 動 可能 に 支 持 部材 （ た と え ば フ レ ー ム ） に 結 合 す る 弾 性 部 を 備 え て い る 。 他 の 好 ま し い 実 施 態 様 で は ， 弾性 部 が加 振部 全体 に 及 ぶ 形状 と さ れ る 。 In a preferred embodiment, the vibrating part comprises an elastic part which couples the vibrating part to a supporting member (for example, a frame) so as to be able to vibrate vertically. Yes. In another preferred embodiment, the elastic part is shaped so as to cover the entire vibrating part.
振 動 子 の 横 方 向 振 動 は ， 振 動 子 に 設 け ら れ た 振 動 セ ン サ に よ っ て 検 出 さ れ る 。 Lateral vibration of the vibrator is detected by a vibrating sensor mounted on the vibrator.
こ の 明細 書 に お い て ， 縦 方 向 と は 加 振 部 が駆動 さ れ る 方 向 （ 駆 動振 動 の 方 向 ） を 指 し ， 横 方 向 と は 縦 方 向 の 振 動 面 内 に お い て ， 縱 方 向 と 垂 直 な 方 向 を 意 味 す る 。 後 述 す る 実施例 に 示 さ れ る よ う に ， 角 速度 セ ン サ が ー枚 の 基板 を 加 工 す る こ と に よ り 形成 さ れ る 場 合 に は ， 縱 方 向 は 基板 の 厚 さ 方 向 で あ る 。 In this specification, the vertical direction refers to the direction in which the vibrating unit is driven (the direction of the drive vibration), and the horizontal direction refers to the vibration plane in the vertical direction. In the above, it means the vertical direction and the vertical direction. As shown in the embodiments described later, when the angular velocity sensor is formed by processing one substrate, the vertical direction is the direction of the substrate. It is in the thickness direction.
こ の 発 明 に よ る と ， 力 Π 振 部 は ァ ク チ ユ エ 一 夕 に よ つ て 縦 方 向 に 振 動駆 動 さ れ る 。 こ の 駆 動振 動 周 波 数 は 縦 方 向 の 共 振 周 波 数 か ら 遠 い 周 波 数 に 設 定 さ れ て お り ( 非 共振 ） ， 駆 動振 動周 波 数 付 近 で は 縦 方 向 の 振 動感 度 が 周 波 数 の 変 化 に か か わ ら ず 一 定 ， ま た は ほ ぼ 一 定 に 保 た れ る か ら ， 環 境 変 化 が あ っ て も 駆 動振 動 変位量
は 常 に ほ ぼ 一 定 に 保 た れ ， 安 定 し た 駆 動 が 行 な わ れ る 。 振 動 子 の 縦 方 向 共振振 動周 波数 も ァ ク チ ユ エ 一 夕 の 駆動 振動周 波 数 か ら 遠 い 周 波 数 に 設定 し て お け ば振 動'子 の 縦 方 向 振 動 は 一 層 安 定 す る 。 According to this invention, the force-vibration unit is vibrated in the vertical direction by the actuary. This driving vibration frequency is set to a frequency far from the longitudinal resonance frequency (non-resonant), and near the driving vibration frequency. Since the vibration sensitivity in the vertical direction is kept constant or almost constant irrespective of the frequency change, the driving vibration is maintained even if the environment changes. Dynamic displacement Is always kept almost constant, and stable driving is performed. If the longitudinal resonance frequency of the oscillator is also set to a frequency far from the driving oscillation frequency of the actuator, the oscillation of the oscillator will be vertical. Is more stable.
角 速 度 が 働 く こ と に よ り 振 動 子 は 横 方 向 に 振 動 す る 。 駆 動振 動周 波 数 は横 方 向 共振振 動周 波 数 の 近 く に 設 定 さ れ て い る の で ， 高 い 感 度 で 角 速 度 が 検 出 で き る 。 し か も 横 方 向 共 振周 波 数 か ら は 少 し ず れ て い る の で ， 環 境 変 化 に 対 し て も 大 幅 な 振幅 変 化 は な く ， 安 定 し た 角 速度 検 出 が 可能 と な る 。 The oscillator vibrates sideways due to the angular velocity. Since the driving vibration frequency is set close to the lateral resonance vibration frequency, the angular velocity can be detected with high sensitivity. However, since the frequency is slightly lower than the horizontal resonance frequency, there is no large amplitude change even for the environmental change, and a stable angular velocity detection is performed. It is possible to get out.
振 動 子 の 質 量部 は 角 速 度 が働 い た と き に 横 方 向 に 振 動 す る 。 質 量部 の 側 面 の 面積 が そ の 表 面 に 比 べ て 小 さ く な る 形状 を も つ よ う に 振 動子 を 形成 す る こ と が で き る の で ， 空気粘 性 に よ る 影 響 が 少 な い 。 The mass of the oscillator vibrates laterally when the angular velocity is applied. The vibrator can be formed so that the area of the side surface of the mass part is smaller than that of the surface, so that the air viscosity is not sufficient. The effect is small.
振 動 セ ン サ と し て 圧 電 薄膜 や ピ エ ゾ 抵抗素 子 を 用 レ、 る こ と が で き る か ら ， 静電 容 量 式 の よ う な 微細 な ギ ヤ ッ プ構 造 が 不 要 で ， ス ク ウ イ ー ズ ' フ ィ ル ム - ダ ン ピ ン グ効 果 に よ る 減 衰効 果 も な く ， 真 空 封 止 が 不 要 で あ o Since a piezoelectric thin film or a piezoresistive element can be used as a vibration sensor, a fine gap structure such as a capacitance type can be used. It is not necessary, there is no decay effect due to the squeeze 'film-dumping effect, and no vacuum sealing is necessary.
加振 部 に モ ニ タ 用 振 動 セ ン サ を 設 け ， そ の 振 動 セ ン ザ の 検 出 信 号 に よ り ァ ク チ ユ エ 一 夕 を フ ィ 一 ド ノ ッ ク 制 御 す れ ば ， よ り 安 定 し た 駆 動 振動 が 達成 で き る 。 A vibration sensor for the monitor is installed in the vibrating section, and feed knock control of the actuator is performed by the detection signal of the vibration sensor. If this is the case, more stable driving vibration can be achieved.
加 振部 か ら 反 対 方 向 に の び る 1 対 の 弾性 は り 部 を 設 け ， そ れ ら の 先端 に 質量部 を 設 け ， 1 対 の 弾性 は り 部
の そ れ ぞ れ に 振動 セ ン サ を 取付 け ， こ れ ら の 振動 セ ン ザ の 出 力 の 差 を と る こ と に よ り ， 加 速度 等 の 影 響 を 排 除 し て 弾性 は り 部 の 軸 方 向 を 回 転 中 心 と す る 角 速度 の み を 検 出 す る こ と が 可能 と な る 。 A pair of elastic beams are provided extending in the opposite direction from the vibrating section, and a mass is provided at the tip of each of the elastic beams to form a pair of elastic beams. A vibration sensor is attached to each of them, and by taking the difference between the output of these vibration sensors, the effects such as acceleration and the like are eliminated, and the elasticity is increased. It is possible to detect only angular velocities whose center of rotation is in the axial direction of the part.
ま た ， 加振部 か ら 9 0度 ， 方 向 の 異 な る 方 向 に 弾性 は り 部 を 設 け て そ の 先端部 に 質量 部 を 設 け れ ば ， 直 交 す る 2 軸 を 回 転 中 心 と す る 角 速度 の 検 出 が 可能 と な る 。 Also, if an elastic beam is provided 90 degrees from the vibrating part in a different direction, and a mass is provided at the tip of the elastic beam, two orthogonal axes can be rotated. Angular velocity at the center of rotation can be detected.
こ の 発 明 に よ る 角 速度 セ ン サ を 振 動子 の 構造 の 観点 か ら 規定 す る こ と が で き る 。 す な わ ち ， こ の 発 明 は ， 縦 方 向 に 振動 可能 に 支持 さ れ た 加 振 部 と ， 質 量部 お よ び こ の 質量部 を 加 振部 に 連 結 ま た は 結合 す る 弾性 は り 部 か ら な る 振 動子 と を 備 え た 角 速度 セ ン サ に お い て ， 振動子 の 弹性 は り 部 が ， 加 振部 と 質 量部 と を 結ぶ 方 向 の 長 さ ， 縱 方 向 の 高 さ お よ び横 方 向 の 幅 を 持 ち ， 長 さ の 寸 法 が高 さ と 幅 の 寸法 に 比 べ て 大 き く ， 高 さ の 寸 法 が 幅 の 寸 法 よ り も 大 き い こ と を 特徴 と す る 。 The angular velocity sensor according to the present invention can be specified from the viewpoint of the structure of the oscillator. In other words, the present invention connects the vibration part supported so as to be able to vibrate in the vertical direction and the mass part and the mass part to the vibration part. In an angular velocity sensor provided with an oscillator composed of an elastic beam, the length of the vibrator in the direction in which the elastic beam connects the vibrating section and the mass section. , Having a height in the longitudinal direction and a width in the lateral direction, the dimension of the length is larger than the dimension of the height and the width, and the dimension of the height is the dimension of the width. It is characterized by its large size.
こ れ は 振 動子 の 基 本構 造 で あ り ， こ の 振 動 子 の 形状 に よ る と ， 振 動 子 の 横 方 向 共振振 動 周 波 数 を そ の 縦 方 向 共振振動周 波 数 と 異 な る 値 ， と り わ け 横 方 向 共振振 動周 波 数 を 縦 方 向 共振振 動周 波 数 よ り も 低 く か つ 離れ た 値 に 設定 す る こ と が で き る 。 This is the basic structure of the vibrator, and according to the shape of the vibrator, the frequency of the horizontal resonant vibration of the vibrator is determined by the longitudinal resonant vibration frequency. It is possible to set the horizontal resonance frequency to a value different from the number, in particular, to a value lower than and separated from the vertical resonance vibration frequency. .
加 振 部 お よ び振 動 子 の 縦 方 向 共振感度 が と も に 1 ま た は ほ ぼ 1 を 保 つ 周 波 数付 近 で 加振 部 を 駆 動 す る こ と に よ り ， 安 定 な 駆 動 が達成 で き る 。
振 動 子 の 横 方 向 共振振 動周 波 数 と 加 振 部 の 縦 方 向 振 動駆 動 周 波 数 を 接 近 さ せ て お く こ と に よ り ， 高 い 感度 で 角 速 度 が 検 出 で き る こ と に な る 。 図 面 の 簡 単 な 説 明 Driving the vibrating section near the frequency at which the vertical resonance sensitivity of the vibrating section and the vibrator both keeps 1 or almost 1 reduces the cost. A constant drive can be achieved. By keeping the horizontal resonant vibration frequency of the vibrator and the vertical vibration drive frequency of the vibrating section close to each other, the angular velocity can be increased with high sensitivity. It can be detected. Brief explanation of drawings
第 1 図 は ， こ の 発 明 の 一 実施例 を 示 す も の で ， 角 速 度 セ ン サ の 斜視 図 で あ る 。 FIG. 1 shows an embodiment of the present invention and is a perspective view of an angular velocity sensor.
第 2 図 は 角 速度 セ ン サ の 弾性 は り 部 の 拡 大 斜視 図 で あ る 。 FIG. 2 is an enlarged perspective view of the elastic beam portion of the angular velocity sensor.
第 3 図 は ， 圧 電 薄膜 ァ ク チ ユ エ 一 夕 の 構 成 を 示 す 断 面 図 で あ る 。 Fig. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the piezoelectric thin film actuator.
第 4 図 は ， 縦 方 向 に 振 動 す る 質量 部 に 角 速 度 が 加 え ら れ た と き に コ リ オ リ カ が働 い て 質 量部 が横 方 向 に 振 動 す る 様 子 を 示 す も の で あ る 。 Fig. 4 shows that when angular velocity is applied to a mass part that oscillates in the vertical direction, the corioca works and the mass part oscillates in the horizontal direction. It indicates a child.
第 5 図 は ， 振 動 子 の 縱 方 向 お よ び横 方 向 振 動周 波 数 特性 ， 加振部 の 縦 方 向 振 動 周 波 数特 性 お よ び駆 動 周 波 数 を 示 す グ ラ フ で あ る 。 Figure 5 shows the vertical and horizontal vibration frequency characteristics of the oscillator, the vertical vibration frequency characteristics of the excitation unit, and the driving frequency. It is a graph.
第 6 a 図 お よ び 第 6 b 図 は 圧 電 薄膜 ァ ク チ ユ エ 一 夕 に よ っ て 質 量 部 が 縦 振 動 す る 様 子 を 示 す 断 面 図 で あ FIGS. 6a and 6b are cross-sectional views showing a state in which the mass section vibrates longitudinally due to the piezoelectric thin film actuator.
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第 7 図 は ， 振 動 セ ン サ と し て ピ エ ゾ 抵抗素 子 を 用 い た 実施例 を 示 す も の で ， 弾性 は り 部 の 拡 大 斜視 図 で あ 第 8 図 は ， 振 動 セ ン サ と し て ピ エ ゾ 抵抗素 子 を 用 い
た 実施例 に お け る プ リ ッ ジ 回 路 の 回 路 図 で あ る 。 FIG. 7 shows an embodiment in which a piezoresistive element is used as a vibration sensor. FIG. 8 is an enlarged perspective view of an elastic beam portion. Use a piezoresistive element as a sensor FIG. 4 is a circuit diagram of a plunger circuit in the embodiment.
第 9 図 は ， ピ エ ゾ 抵抗素 子 の 両側 に 生 じ る 電界 を 検 出 す る 回 路 パ タ ー ン 図 で あ る 。 Figure 9 is a circuit pattern diagram for detecting the electric field generated on both sides of the piezoresistive element.
第 10図 は ， 加 振部 に モ ニ タ 用 振 動 セ ン サ を 設 け た 実 施例 を 示 す 斜視 図 で あ る 。 Fig. 10 is a perspective view showing an embodiment in which a vibration sensor for a monitor is installed in the vibration unit.
第 11図 は ， 1 対 の 質 量 部 （ 振 動子 ） を 設 け た 実施例 を 示 す 斜視 図 で あ る 。 FIG. 11 is a perspective view showing an embodiment in which a pair of mass sections (oscillators) are provided.
第 12図 は ， 2 対 の 質 量 部 （ 振 動 子 ） を 設 け た 実施例 を 示 す 斜視 図 で あ る 。 FIG. 12 is a perspective view showing an embodiment in which two mass parts (oscillators) are provided.
第 13図 は ， 2 対 の 質 量 部 （ 振 動子 ） を 設 け た 変 形例 を 示 す 斜視 図 で あ る 。 Fig. 13 is a perspective view showing a modification example in which two mass parts (oscillators) are provided.
第 14図 は こ の 発 明 の さ ら に 他 の 実 施 例 を 示 す も の で ， 角 速度 セ ン サ の 基本構造 を 示 す 斜視 図 で あ る 。 Fig. 14 is a perspective view showing the basic structure of the angular velocity sensor, showing still another embodiment of the present invention.
第 15図 は 90° 異 な る 方 向 に 2 つ の 質 量部 （ 振動 子 ） を 設 け た 実施例 を 示 す 斜視 図 で あ る 。 FIG. 15 is a perspective view showing an embodiment in which two mass parts (vibrators) are provided in directions different from each other by 90 °.
第 16図 は 90° 異 な る 方 向 に 2 つ の 質 量 部 （ 振動子 ） を 設 け た 変 形例 を 示 す 平 面 図 で あ る 。 FIG. 16 is a plan view showing a modification in which two mass sections (vibrators) are provided in directions different from each other by 90 °.
第 17図 は ， 角 速 度 検 出 回 路 を 示 す ブ ロ ッ ク 図 で あ る 。 Fig. 17 is a block diagram showing the angular velocity detection circuit.
第 18図 は ， 第 17図 に 示 す 回 路 ブ ロ ッ ク の 出 力 信 号 を 示 す 波 形 図 で あ る 。 Figure 18 is a waveform diagram showing the output signals of the circuit block shown in Figure 17.
第 19図 は ， 角 速度 検 出 回 路 の 他 の 例 を 示 す ブ ロ ッ ク 図 で あ る 。
発 明 を 実施 す る た め の 最 良 の 形 態 Figure 19 is a block diagram showing another example of the angular velocity detection circuit. Best form to carry out the invention
第 1 図 は こ の 発 明 の 一 実施例 を 示 し て い る 。 FIG. 1 shows an embodiment of the present invention.
方 形枠状 の フ レ ー ム 部 1 の 長 手 方 向 の ほ ぼ 中 央部 に お い て ， 支 持 突部 1 A が 内 方 に 延 び て お り ， フ レ ー ム 部 1 内 は 2 つ の 空 間 に 分 け ら れ て い る 。 フ レ ー ム 部 1 内 の 一 方 の 空 間 内 に 加振部 10が 設 け ら れ ， こ の 加 振部 10は 4 つ の 弾性 は り 部 （ 弾性 薄 板 部 ） 11 , 12， 13 , 14 を 含 み ， こ れ ら の 弾 性 は り 部 11〜 14に よ っ て 縦 方 向 （ フ レ ー ム 部 1 を つ く る 元 と な っ た 基板 の 面 に 垂 直 な 方 向 ） に 振動 可能 に フ レ ー ム 部 1 お よ び 支持 突部 1 A に 支 持 さ れ て い る 。 弾性 は り 部 11〜 14は横 幅 に 比 べ て 厚 さ （ 高 さ ） が 小 さ い 。 弾性 は り 部 11〜 14の 厚 さ は 加振 部 10の 中 央部 の 厚 さ よ り も 小 さ い 。 弾性 は り 部 11〜 14 に は 圧 電薄膜 ァ ク チ ユ エ 一 夕 15が 設 け ら れ て レゝ る 。 In the substantially central portion of the rectangular frame portion 1 in the long side direction, the supporting projection 1A extends inward, and the frame portion 1 has an inner portion. Is divided into two spaces. A vibrating part 10 is provided in one of the spaces in the frame part 1, and the vibrating part 10 has four elastic beam parts (elastic thin plate parts) 11, 12, 13. , 14, and these resilient parts are vertically oriented by the beam parts 11 to 14 (the direction perpendicular to the surface of the substrate from which the frame part 1 was made). ) Is supported by the frame part 1 and the support projection 1A so as to be able to vibrate. The thickness (height) of the elastic beam portions 11 to 14 is smaller than the width. The thickness of the elastic beam portions 11 to 14 is smaller than the thickness of the central portion of the vibrating portion 10. The elastic beam portions 11 to 14 are provided with piezoelectric thin film actuators 15 and are installed.
フ レ ー ム 部 1 内 の 他 方 の 空 間 内 に は 質量 部 21が 設 け ら れ ， こ の 質 量部 21は ， 支持 突 部 1 A の 先 端 間 の 間 隔 を 通 っ て 延 び る 弾性 は り （ 弾性 細板 ） 部 22に よ っ て ， 縦 方 向 お よ び横 方 向 （ フ レ ー ム 部 1 の 基板 面 に 平行 な 方 向 ） に 振 動 可能 に ， 片 持 ち 状 に ， 加 振部 10に 支 持 さ れ て い る 。 質 量部 21と 弾性 は り 部 22に よ っ て 振動 子 20 が 構成 さ れ る 。 A mass portion 21 is provided in the other space in the frame portion 1, and the mass portion 21 extends through a space between the front ends of the support protrusions 1A. The elastic beam (elastic thin plate) portion 22 cantilevers vertically and horizontally (in a direction parallel to the board surface of the frame portion 1) to be cantilevered. It is supported by the vibrating section 10 in the shape of a circle. The vibrator 20 is constituted by the mass portion 21 and the elastic beam portion 22.
第 2 図 に 拡 大 し て 示 す よ う に ， 弾性 は り 部 22の 高 さ ( 厚 さ ） t の 寸 法 に 比 べ て 横 幅 w の 寸 法 が 小 さ い 。 弾 性 は り 部 22の 長 さ の 寸 法 は ， 高 さ お よ び横 幅 の 寸 法 に
比 べ て は る か に 大 き い 。 弾性 は り 部 22に は ， 弾性 は り 部 22の 横 方 向 の 振 動 を 検 出 す る 振動 セ ン サ 23 ( 第 2 図 に ノヽ ヅ チ ン グ で 示 す ） が 設 け ら れ て い る 。 振 動 セ ン サ 23は 圧 電 薄膜応 力 セ ン サ で あ り ， 好 ま し く は 弾性 は り 部 22の 幅 方 向 の 中 心 を 通 る 線 （ 一 点 鎖 線 で 示 す ） の 左 ， 右 い ず れ か の 側 に 設 け ら れ る 。 As shown in the enlarged view of FIG. 2, the dimension of the width w is smaller than the dimension of the height (thickness) t of the elastic beam portion 22. The dimension of the length of the elastic beam portion 22 depends on the dimensions of the height and the width. It is much larger than that. The elastic beam portion 22 is provided with a vibration sensor 23 (indicated by a notch in FIG. 2) for detecting the lateral vibration of the elastic beam portion 22. Yes. The vibration sensor 23 is a piezoelectric thin-film stress sensor, and is preferably a line (indicated by a dashed-dotted line) passing through the center of the elastic beam portion 22 in the width direction. It is located on either the left or right side.
フ レ ー ム 部 1 , 加 振 部 10 ( 弾 性 は り 部 11〜 14を 含 む ） ， お よ び振 動 子 20 ( 質量 部 21お よ び弾性 は り 部 22 を 含 む ） は シ リ コ ン 基板 を エ ッ チ ン グ す る こ と に よ り — 体的 に つ く る こ と が で き る 。 The frame section 1, the vibrating section 10 (including the elastic beam sections 11 to 14), and the vibrator 20 (including the mass section 21 and the elastic beam section 22) By etching the silicon substrate, it can be made physically.
圧電 薄膜 ァ ク チ ユ エ 一 タ 15の 構造 の 一例 が 第 3 図 に 示 さ れ て い る 。 弾性 は り 部 11 ( ま た は 12 , 13も し く は 14) 上 に 絶縁膜 （ た と え ば シ リ コ ン 酸化 膜 ） 25が 形成 さ れ ， こ の 上 に 下 部 電極 （ た と え ば P t / T i薄膜 ） 27 , 圧 電 薄膜 （ た と え ば P Z T 薄膜 ） 28お よ び 上 部 電 極 （ た と え ば P t / T i薄膜 ） 26が こ の 順序 で 形成 さ れ て い る 。 上 下 の 電極 26， 27間 に 電圧 を 印 力 Π し ， 圧 電 薄 膜 28を 歪 ま せ る こ と に よ り ， 第 6 a 図 ， 第 6 b 図 に 示 す よ う に 加 振 部 10お よ び 質量 部 21を 縦 方 向 に 変位 さ せ る こ と が で き る 。 An example of the structure of the piezoelectric thin film actuator 15 is shown in FIG. An insulating film (for example, a silicon oxide film) 25 is formed on the elastic beam portion 11 (or 12, 13 or 14), and a lower electrode (for example, a silicon oxide film) is formed on the insulating film. For example, a Pt / Ti thin film 27, a piezoelectric thin film (for example, a PZT thin film) 28, and an upper electrode (for example, a Pt / Ti thin film) 26 are formed in this order. It is. By applying a voltage between the upper and lower electrodes 26 and 27 and distorting the piezoelectric thin film 28, the vibrating section as shown in FIGS. 6a and 6b is obtained. 10 and the mass section 21 can be displaced in the vertical direction.
振 動 セ ン サ 23も 第 3 図 に 示 す も の と 同 じ 構 造 を も つ 。 弾性 は り 部 22の 横 曲 げ振動 に よ り 圧 電 薄膜 28内 に 発 生 す る 垂 直応 力 と せ ん 断応 力 を 上 下 の 電極 26， 27間 に 発 生 す る 電荷 を 通 し て 検 出 す る こ と が で き る 。 こ れ
が横 方 向 振 動検 出 で あ る 。 The vibration sensor 23 also has the same structure as that shown in FIG. The elastic beam passes through a vertical force and a shear force generated in the piezoelectric thin film 28 due to the transverse bending vibration of the beam portion 22, through the electric charges generated between the upper and lower electrodes 26 and 27. And detect it. this Is the lateral vibration detection.
圧 電 薄膜 ァ ク チ ユ エ 一 夕 15に 周 波 数 ω <ι を も つ 正 弦 波状 の 電圧 を 印 力 Π す る 。 加振 部 10は x 。 sin o d tで 縦 方 向 に 振動 す る 。 こ れ に と も な っ て 振 動 子 20も ま た 縦 方 向 に 同 期 し て 振 動 す る 。 こ こ で 駆 動 振 動 の 周 波 数 ω d は 振 動 子 20の 横 曲 げ 共振振 動 モ ー ド の 固 有 振 動周 波 数 （ 横 方 向 共振 周 波 数 ） ω s 付近 （ た と え ば数 パ ー セ ン ト ず れ て い る ） の 値 を も ち ， 振 動子 20の 縱 曲 げ共 振 振 動 の 固 有 振 動 周 波 数 （ 縦 方 向 共 振 振 動 周 波 数 ） ω b お よ び加 振部 10の 縦 方 向 共振振 動 周 波 数 ω 8 よ り も 低 い 値 で あ る （ 第 5 図 参照 ） 。 A sine wave voltage having a frequency ω <ι is applied to the piezoelectric thin film actuator 15 at night. The vibration unit 10 is x. It vibration in the vertical Direction in sin o d t. At the same time, the oscillator 20 also oscillates in the vertical direction. Here, the frequency ω d of the driving vibration is around ω s (the intrinsic vibration frequency (lateral resonance frequency) of the transverse bending resonance mode of the vibrator 20). For example, it has a value of a few percent), and the inherent vibration frequency of the longitudinal bending co-oscillation of the oscillator 20 (vertical co-oscillation oscillation frequency). The value is lower than the frequency ω b and the longitudinal resonance vibration frequency ω 8 of the vibration unit 10 (see FIG. 5).
す な わ ち ， 周 波 数 ω d に お い て は （ ω s に お い て も ） ， 振動 子 20お よ び加 振部 10の 縦 方 向 （ χ 。 方 向 ） の 共振振動 モ ー ド の 共振感度 （ ゲ イ ン ） は い ず れ も 1 で あ る 。 振 動 子 20の 横 お よ び縱 方 向 の 共振振動周 波数 は そ の 形状 ， 材料 等 に よ っ て 決 る の で ， 上述 の よ う に ω s , ω b を 定 め る こ と が 可能 で あ る 。 た と え ば 振 動 子 20の 弾性 は り 部 22の 高 さ t の 寸 法 を そ の 幅 w の 寸法 よ り も 大 き く す る こ と に よ り ， 振 動 子 20の 横 方 向 共振 振 動 周 波数 0J S を 低 い 値 と し ， 縦 方 向 共振振動周 波数 ω b を 高 い 値 と す る こ と 力 s で き る 。 力 Π振部 10に お い て も そ の 形状 ， 材料等 に よ っ て そ の 縦 方 向 共振振動周 波 数 ω & を 振 動 子 20の 横 方 向 共振 振 動 周 波 数 w s よ り も ず っ と 高 い 値 と す る こ と が で き る 。
振 動 子 2 0を 上 記 の よ う に 振 動 さ せ て お い た 状 態 で ， 弹性 は り 部 2 2の 長 手 方 向 の 中 心 線 （ 幅 方 向 の 中 心 を 通 る ） を 回 転 中 心 軸 と し た 角 速度 Ω が 質 量部 2 1に 作 用 す る と ， 第 4 図 に 示 す よ う に ， 質 量部 2 1に は 横 方 向 に コ リ オ リ カ F cが 発 生 す る 。 コ リ オ リ カ F cは 周 波数 ω d を 持 つ の で ， 振 動 子 2 0 ( 弾性 は り 部 2 2 ) に 横 曲 げ 共振 振 動 Θ s が 生 じ る 。 In other words, at the frequency ω d (even at ω s ), the resonance vibration mode in the vertical direction (χ direction) of the vibrator 20 and the vibrating unit 10 is obtained. The resonance sensitivity (gain) of the gate is 1 in both cases. Since the resonance frequency in the horizontal and vertical directions of the vibrator 20 is determined by its shape, material, etc., it is necessary to determine ω s and ω b as described above. It is possible. For example, the size of the height t of the elastic beam portion 22 of the vibrator 20 is made larger than the size of the width w of the vibrator 20, so that the size of the vibrator 20 in the lateral direction is increased. the resonance vibration frequency 0J S and low have value, ∎ you can vertical direction resonance vibration frequency ω b at high have value and be that this and the force s. As a shape can have you on the force Π Fubu 10, sideways direction resonance vibration Frequency w s of Tsu by the material, etc. As a vertical Direction resonance vibration-frequency number ω & the vibration child 20 Can be much higher. With the vibrator 20 vibrated as described above, the center line of the flexible beam portion 22 in the long direction (passes through the center in the width direction) As shown in Fig. 4, when the angular velocity Ω with the rotation center axis acting on the mass section 21, the mass section 21 is laterally collimated as shown in Fig. 4. Mosquito F c is generated. Co the Rio Li Ca F c is one of the lifting of the frequency omega d, vibration element 2 0 (elasticity Ri 2 2) next bending resonance vibration theta s is that Ji live.
弾性 は り 部 2 2の 横 曲 げ振 動 が 振 動 セ ン サ 2 3に よ つ て 検 出 さ れ る の で ， こ の 振 動検 出 に 基 づ い て 角 速度 Ω が 算 出 さ れ る 。 Since the lateral bending vibration of the elastic beam portion 22 is detected by the vibration sensor 23, the angular velocity Ω is calculated based on the vibration detection. It is.
振 動 子 2 0の 縦 方 向 の 共振振動周 波 数 o b お よ び加 振 部 1 0の 縱 方 向 （ 加 振 ま た は 駆 動 振 動 ） の 共 振 振 動 周 波数 ω & と ， 振 動 子 2 0の 横 方 向 （ 横 曲 げ ま た は 検 出 振 動 ） の 共 振 振 動 周 波 数 と を か な り 異 な る 値 と し て ， 横 方 向 の 共振振 動周 波 数 ω 3 の 付 近 の 周 波数 w d で 加振部 1 0を 駆動 し て い る （ 非 共振 加 振 ） 。 温度 変 化 等 の 環境状 態 の 変 化 に よ っ て 横 方 向 の 共振 周 波 数 ω 3 が 変 化 し た と し て も ， 駆 動 振 動 の 方 向 は 縦 方 向 で あ り ， 縦 方 向 の 共振感度 は 1 で あ る か ら 駆 動 振 動 変 位量 は 共振 周 波 数 ω s の 付近 で 常 に 一 定 に 保 た れ る 。 し た が っ て ， 駆 動 振 動周 波数 w d を 調 整 す る だ け で 安 定 し た 駆 動 振動 変 位 量 と 横 曲 げ振動 モ ー ド の 共振感度 が得 ら れ る 。 こ れ に よ り ， 容 易 に 安 定 し た 角 速 度 検 出 が 可 能 と な る 。
上 述 の よ う に 質 量 部 2 1は コ リ オ リ カ に よ っ て 横 方 向 に 振動 す る 。 質 量 部 2 1は 板状 の 形状 を も つ の で ， 質 量 部 2 1の 表 面 に 比 べ て そ の 側 面 の 面積 は 小 さ い 。 質 量部 2 1が そ の 表 面 に 垂 直 な 方 向 に 振 動 す る （ 縦振 動 ） 場 合 に 比 べ て ， 質 量 部 2 1の 側 面 に 作 用 す る 空 気 の 粘性抵抗 に よ る 減衰 効 果 は 低減 す る 。 Vertical side resonance vibration Frequency of the direction of the dynamic child 2 0 o b your good exciting units 1 0縱Direction of beauty (for vibration or the driving dynamic vibration) the resonant vibration frequency ω & and of vibration The resonance frequency in the horizontal direction is assumed to be quite different from the co-oscillation frequency in the horizontal direction (lateral bending or detection vibration) of the oscillator 20. The vibration unit 10 is driven at a frequency w d near the frequency ω 3 (non-resonant vibration). Even if the lateral resonance frequency ω 3 is changed by a change in the environmental state such as a temperature change, the direction of the drive vibration is vertical. Since the resonance sensitivity in the vertical direction is 1, the driving vibration displacement is always kept constant around the resonance frequency ωs. Therefore, by simply adjusting the driving vibration frequency w d , the stable driving vibration displacement and resonance sensitivity of the transverse bending vibration mode can be obtained. This makes it possible to easily and stably detect angular velocity. As described above, the mass unit 21 vibrates in the lateral direction by the coliica. Since the mass portion 21 has a plate-like shape, the area of its side surface is smaller than the surface of the mass portion 21. The viscosity of the air acting on the side surface of the mass unit 21 is compared to the case where the mass unit 21 vibrates in the direction perpendicular to its surface (vertical vibration). The damping effect due to the resistance is reduced.
さ ら に ， 振 動検 出 を 圧 電 薄膜応 力 セ ン サ に よ り 行 つ て い る 。 静電容量 式 の よ う な 微 細 な ギ ャ ッ プ構造 が 不 要 で あ る か ら ， ス ク ウ イ 一 ズ ' フ ィ ル ム · ダ ン ピ ン グ 効 果 に よ る 減 衰効 果 が 生 じ な い 。 真 空 封止 が 不 要 で あ o In addition, vibration detection is performed by a piezoelectric thin-film stress sensor. Since a fine gap structure such as a capacitance type is not required, attenuation due to the squeeze's film dumping effect is achieved. No fruit is produced. No need for vacuum sealing
第 7 図 は 振 動 セ ン サ と し て ピ エ ゾ 抵抗素 子 を 用 い た 例 を 示 す 。 ピ エ ゾ 抵抗素 子 2 9は 弾性 は り 部 2 2の 根元 に I C プ ロ セ ス （ た と え ば イ オ ン 注入 ， 拡散 な ど ） に よ り 作製 さ れ て い る 。 ピ エ ゾ 抵抗素 子 2 9も ま た 弾性 は り 部 2 2の 側 部 に か た よ っ た 位 置 に 設 け ら れ る 。 Fig. 7 shows an example in which a piezoresistive element is used as a vibration sensor. The piezoresistive element 29 is manufactured by an IC process (for example, ion implantation, diffusion, etc.) at the base of the elastic beam portion 22. The piezoresistive element 29 is also provided on the side of the elastic beam portion 22 at a position depending on the shape of the elastic beam portion 22.
弾性 は り 部 2 2の 横 曲 げ振 動 に 伴 い 弾性 は り 部 2 2の 表 面 に 発 生 す る 垂 直応 力 や せ ん 断応 力 に よ り ， ピ エ ゾ 抵 抗素 子 2 9の 抵抗値 が 変 化 す る 。 第 8 図 に 示 す よ う に ， ピ エ ゾ 抵抗素 子 2 9を ブ リ ッ ジ 回 路 の 一 辺 に 挿 入 （ 抵抗 R が ピ エ ゾ 抵抗素 子 で あ る ） す る こ と に よ り ， 抵抗値 変 化 を 出 力 電圧 V o u tの 変 化 と し て 検 出 す る こ と が で き る 。 ま た ， 第 9 図 に 示 す よ う に ， 配 線 ノ タ ー ン 1 8に よ っ て ピ エ ゾ 抵 抗 素 子 2 9に 一 定 電 流 を 流 し ， こ れ に
よ っ て ピ エ ゾ 抵抗素 子 2 9の 幅 方 向 に 生 じ る 電界 を 配線 ノ タ ー ン 1 9に よ っ て 電位差 V o u tと し て 取 出 す こ と 力 s で ぎ る 。 The piezo-resistive element is generated by the vertical and shear forces generated on the surface of the elastic beam 22 due to the lateral bending vibration of the beam 22. The resistance value of 29 changes. As shown in Fig. 8, a piezoresistive element 29 is inserted into one side of the bridge circuit (resistor R is a piezoresistive element). Thus, the change in the resistance value can be detected as a change in the output voltage Vout. As shown in Fig. 9, a constant current is applied to the piezoresistive element 29 by the wiring notch 18, and the Therefore, the electric field generated in the width direction of the piezoresistive element 29 can be extracted as a potential difference Vout by the wiring notch 19 and can be separated by the force s.
振 動 セ ン サ と し て ピ エ ゾ 抵 抗 素 子 を 用 い た 場 合 に も ， 圧 電 薄膜応 力 セ ン サ を 用 い た 場 合 と 同 じ よ う に ， ス ク ウ イ ー ズ · フ ィ ル ム · ダ ン ピ ン グ に よ る 減衰効果 が 生 じ る こ と が な く ， 真 空封止 が 不 要 と な る 。 When a piezoresistive element is used as a vibration sensor, the squeeze is applied in the same way as when a piezoelectric thin film sensor is used. The damping effect of the film dumping does not occur, and the vacuum sealing is not required.
第 1 0図 は 他 の 実施例 を 示 す も の で あ る 。 第 1 図 に 示 す も の と 同 一 物 に は 同 一 符号 を 付 し ， 重 複 説 明 を 避 け る o FIG. 10 shows another embodiment. The same components as those shown in Fig. 1 are given the same reference numerals to avoid duplicate explanations.
加振部 1 0を 支 持 す る 薄板 ば ね 部 1 1〜 1 4に ， 圧 電薄膜 ァ ク チ ユ エ 一 夕 1 5に 力 [] え て ， 振 動 セ ン サ 1 6が 設 け ら れ て い る 。 振 動 セ ン サ 1 6は 圧 電 薄 膜応 力 セ ン サ で も よ い し ， ピ エ ゾ 抵抗素 子 で も よ い 。 振動 セ ン サ 1 6の 出 力 信 号 に よ っ て ， 加 振 部 1 0の 振動 が モ ニ タ さ れ る 。 す な わ ち ， ァ ク チ ユ エ 一 夕 1 5に よ る 振 動 の 振 幅 X 。 が 温度 変 化 な ど の 環境 変 化 に よ り 変 化 し た と し て も ， こ の 振動 を 振動 セ ン サ 1 6に よ っ て 検 出 し て ァ ク チ ユ エ 一 夕 の 駆 動 回 路 に 与 え ， ァ ク チ ユ エ 一 夕 を フ ィ 一 ド ノ、' ヅ ク 制 御 す る こ と に よ り 振 動 を 安 定 に 保 つ こ と が で き る 。 こ れ に よ り ， 高精度 の 角 速度検 出 が 可能 と な る 。 Vibration sensors 16 are installed in the thin plate springs 11 to 14 that support the vibrating section 10 and in the piezoelectric thin film actuating section 15 in []. Have been taken. The vibration sensor 16 may be a piezoelectric thin-film stress sensor or a piezoresistive element. The vibration of the vibrating section 10 is monitored by the output signal of the vibration sensor 16. That is, the amplitude X of the vibration due to the actuary 15th. Even if the temperature changes due to environmental changes such as temperature changes, this vibration is detected by the vibration sensor 16 and the drive is performed overnight. By applying the circuit to the circuit, the vibration can be kept stable by controlling the actuator and the laser diode. This makes it possible to detect angular velocity with high accuracy.
第 1 1図 は さ ら に 他 の 実施例 を 示 す も の で あ る 。 FIG. 11 shows still another embodiment.
加 振部 1 0は 2 つ の 薄板 ば ね 部 1 1 , 1 2に よ り フ レ ー ム 部 1 に 支持 さ れ て い る 。 こ の 加 振部 1 0か ら 互 い に 反対
方 向 に 弾 性 は り 部 22 , 32が 延 び ， そ の 先 端 に 質 量 部 21 , 31が そ れ ぞ れ 片 持 ち 状 に 支 持 さ れ て い る 。 質 量部 21と 弾性 は り 部 22に よ っ て 振 動 子 20が構成 さ れ ， 質量 部 31と 弾性 は り 部 32に よ っ て 振 動子 30が構成 さ れ て い る 。 加 振 部 10の 弾 性 は り 部 11 , 12に は 圧 電 薄 膜 ァ ク チ ユ エ 一 夕 15と 振 動 セ ン サ 16が 設 け ら れ ， 振 動 子 20， 30の 弾性 は り 部 22， 32に は 振動 セ ン サ 23， 33 ( 圧 電 薄 膜応 力 セ ン サ ま た は ピ エ ゾ 抵抗素 子 ） が 設 け ら れ て い る The vibrating section 10 is supported by the frame section 1 by two thin plate spring sections 11 and 12. Opposite to each other from the vibrator 10 The elastic beam portions 22 and 32 extend in the direction, and the mass portions 21 and 31 are supported at their leading ends in a cantilever manner, respectively. A vibrator 20 is constituted by a mass portion 21 and an elastic beam portion 22, and a vibrator 30 is constituted by a mass portion 31 and an elastic beam portion 32. The elastic beam portions 11 and 12 of the vibrating portion 10 are provided with a piezoelectric thin film actuator 15 and a vibration sensor 16, and the elastic beams of the vibrators 20 and 30 are provided. Vibration sensors 23, 33 (piezoelectric thin film stress sensors or piezoresistive elements) are provided in sections 22, 32.
こ れ ら 1 対 の 振 動 セ ン サ 23 , 33の 出 力 の 差 分 に 基づ い て 角 速度 が検 出 さ れ る 。 こ れ に よ つ て 角 速 度 セ ン サ に 力 Π わ る 加 速度 や 他 の 軸 の ま わ り の 角 速度 成 分 を キ ヤ ン セ ル す る こ と が で き ， 純粋 に 弾性 は り 部 22， 32の 軸 の ま わ り の 角 速度 の み を 検 出 す る こ と が で き る 。 The angular velocity is detected based on the difference between the outputs of the pair of vibration sensors 23 and 33. This allows the acceleration to be applied to the angular velocity sensor and the angular velocity component around other axes to be cancelled, and pure elasticity is achieved. Only the angular velocities around the axes of the ridges 22 and 32 can be detected.
第 12図 は さ ら に 他 の 実施例 を 示 し て い る 。 FIG. 12 shows yet another embodiment.
加 振部 10は 加 振部 10か ら 等 角 度 間 隔 （ 90度 ） で 放 射 状 に の び る 弾性 は り 部 11 A ， 12 A ， 13 A お よ び 14 A に よ っ て フ レ ー ム 部 1 a に 縦 方 向 に 振 動 可能 に 支 持 さ れ て い る 。 弾性 は り 部 11 A 〜 14A に は 圧 電 薄膜 ァ ク チ ュ ェ 一 タ 15 と 振 動 セ ン サ 16と が そ れ ぞ れ 設 け ら れ て レヽ こ れ ら の 弾性 は り 部 11 A 〜 14A の 丁 度 中 間 の 角 度位 置 に お い て ， 振 動 子 20 , 30， 40， 50の 弾性 は り 部 22 , 32 , 42お よ び 52が 加 振部 10か ら 放射状 に の び ， そ れ ら
の 先端 に 質 量部 21， 31 , 41お よ び 51が そ れ ぞ れ 一 体的 に 形 成 さ れ て レ、 る 。 弾 性 は り 部 22と 32は Z 軸 上 に あ り ， 弾 性 は り 部 42と 52は Z 軸 と 直 交 す る Y 軸 上 に あ る 。 弾 性 は り 部 22， 32， 42お よ び 52に は 振 動 セ ン サ 23 , 33， 43お よ び 53が 設 け ら れ て い る 。 The vibrating portion 10 is elastically extended radially from the vibrating portion 10 at an equiangular interval (90 degrees) by elastic beams 11A, 12A, 13A, and 14A. It is supported so as to be able to oscillate vertically in the frame 1a. The elastic beam portions 11A to 14A are provided with a piezoelectric thin-film actuator 15 and a vibration sensor 16 respectively, and the elastic beam portions 11A to 14A are provided. At the angular position just in the middle of 14A to 14A, the elastic beam portions 22, 32, 42, and 52 of the oscillators 20, 30, 40, and 50 radiate from the vibrating portion 10 radially. Noby, those Masses 21, 31, 41, and 51 are integrally formed at the tip of each of them. The elastic beams 22 and 32 are on the Z-axis, and the elastic beams 42 and 52 are on the Y-axis, which is perpendicular to the Z-axis. Vibration sensors 23, 33, 43 and 53 are provided in the elastic beam portions 22, 32, 42 and 52, respectively.
こ の よ う に ， 互 い に 直 交 す る 2 つ の 軸 Z と Y に 沿 つ て 2 組 の 振 動子 （ 質 量部 お よ び弾性 は り 部 ） を 設 け る こ と に よ り ， そ れ そ れ 軸 Z , Y を 回 転 中 心 軸 と す る 角 速度 Ω ζ , Ω y が 検 出 さ れ る 。 ま た ， 一軸 上 に 対 を な す 振 動 子 （ 質 量 部 と 弾性 は り 部 ） が 設 け ら れ て い る の で ， 第 11図 に 示 す 実施例 と 同 じ よ う に ， 加 速度 等 の 影 響 を キ ャ ン セ ル す る こ と が で き る 。 In this way, two sets of vibrators (mass part and elastic beam part) can be provided along two axes Z and Y which are orthogonal to each other. Angular velocities Ω ζ , Ω y with the axes Z and Y as rotation center axes are detected. Further, since a pair of vibrators (mass part and elastic beam part) are provided on one axis, as in the embodiment shown in FIG. The influence of speed can be canceled.
第 13図 は 第 12図 の 変 形例 を 示 す も の で あ る 。 FIG. 13 shows a modified example of FIG.
Z 軸 に 沿 う 振 動 子 20， 30 ( 質 量 部 21， 31お よ び弾性 は り 部 22， 32) の 対 が Y 軸 に 沿 う 振 動 子 40， 50 ( 質量 部 41 , 51お よ び弾性 は り 部 42， 52) の 対 よ り も や や 小 さ く 形成 さ れ て い る 。 こ れ に よ り ， こ れ ら の 対 に お け る 共振周 波 数 が 異 な る の で ， 相 互 の 振 動 干 渉 を 低 減 す る こ と が で き ， 2 つ の 軸 の ま わ り の 角 速 度 を 正確 に 検 出 で き る 。 A pair of oscillators 20 and 30 (mass parts 21 and 31 and elastic beam parts 22 and 32) along the Z-axis are paired with oscillators 40 and 50 (mass parts 41 and 51) along the Y-axis. The elasticity is slightly smaller than that of the pair of beams 42, 52). As a result, since the resonance frequencies of these pairs are different, mutual vibration interference can be reduced, and the two axes can be kept together. It is possible to accurately detect the angular velocity of the side.
第 11図 か ら 第 13図 に 示 す 実施例 に お い て ， 複数 の 振 動 子全体の 重 心位 置 で 加 振 す る こ と に よ り ， 複 数 の 振 動 子 の 振 動 が 安 定 す る 。 In the embodiment shown in FIGS. 11 to 13, the vibration of a plurality of transducers is achieved by vibrating at the position of the center of gravity of the plurality of transducers. Stabilize .
第 14図 は こ の 発 明 の さ ら に 他 の 実施例 を 示 す も の で
あ る 。 FIG. 14 shows another embodiment of the present invention. is there .
方 形枠状 の フ レ ー ム 1 A の 内 部 に 加 振部 10A と 振 動 子 20A が設 け ら れ て い る 。 加 振部 10A の 厚 さ （ 高 さ ） は フ レ ー ム 1 A の 厚 さ （ 高 ·さ ） よ り も 小 さ く ， そ の 両 端部 に お い て フ レ ー ム 1 A に 縱 方 向 に 振動 可能 に 支 持 さ れ て い る 。 先 に 説 明 し た 実施例 の よ う な 弾性 は り 部 は 加 振 部 10 A に は な い 。 加振部 10 A の 表面 の ほ ぼ全 面 に 圧 電 薄膜 ァ ク チ ユ エ 一 夕 15A が 設 け ら れ て レ、 る 。 ァ ク チ ユ エ 一 夕 15A に よ っ て 加振部 10A は縦 方 向 に 振 動 駆 動 さ れ る 。 A vibrating part 10A and a vibrator 20A are provided inside a rectangular frame 1A. The thickness (height) of the vibrating part 10A is smaller than the thickness (height / height) of the frame 1A. It is supported so that it can vibrate in the direction. The elastic beam portion as in the embodiment described above is not provided in the vibration portion 10A. A piezoelectric thin film actuator 15A is provided on almost the entire surface of the vibrating section 10A. The excitation unit 10A is vibrated in the vertical direction by the actuator 15A.
振動 子 20 A は 加 振部 10 A の 中 央 か ら 延 び た 弾性 は り 部 22A と こ の 弾性 は り 部 22A の 先端 に 片 持 ち 状 に 支 持 さ れ た 質 量部 21 A と か ら 構成 さ れ て い る 。 弾性 は り 部 22A お よ び 質 量部 21 A の 厚 さ （ 高 さ ） は 加 振部 10A の 厚 さ （ 高 さ ） と 同 じ で あ る 。 弾性 は り 部 23 A の 幅 は 厚 さ よ り も 小 さ い 。 弾性 は り 部 22 A の 一側 に 沿 つ て 圧 電 薄膜 に よ る 振 動 セ ン サ 23A が 設 け ら れ て い る 。 弾性 は り 部 22A の 中 心 線 （ 幅 方 向 の 中 心 を 通 り 長 さ 方 向 に の び る ） が力 [1 振部 10 A お よ び ァ ク チ ユ エ 一 タ 15 A の 中 心 を 通 る よ う に す る こ と に よ り ， 振 動 子 20A の 安 定 な 振 動 が 得 ら れ る 。 The vibrator 20A has an elastic beam portion 22A extending from the center of the vibrating portion 10A, and a mass portion 21A supported in a cantilever manner at the tip of the elastic beam portion 22A. It is composed of The thickness (height) of the elastic beam portion 22A and the mass portion 21A is the same as the thickness (height) of the vibrating portion 10A. The width of the elastic beam portion 23A is smaller than the thickness. A vibration sensor 23A made of a piezoelectric thin film is provided along one side of the elastic beam portion 22A. The center line of the elastic beam portion 22A (which extends through the center in the width direction and extends in the length direction) has a force [1A in the vibrating portion 10A and in the actuator 15A. By passing through the heart, a stable vibration of the vibrator 20A can be obtained.
こ の 実施例 に お い て も ， 第 5 図 を 用 い て 説 明 し た 各 部 の 固 有 振 動周 波 数 と 駆 動振 動周 波 数 の 関 係 は そ の ま ま あ て は ま る 。 ま た ， フ レ ー ム 部 1 A ， 加 振部 10A お
よ び振 動子 20 A は シ リ コ ン 基板 を エ ッ チ ン グ す る こ と に よ り 一体 的 に 形成 さ れ る 。 Also in this embodiment, the relationship between the intrinsic vibration frequency and the driving vibration frequency of each part explained with reference to FIG. 5 is not changed. I will. In addition, the frame section 1A, the vibration section 10A and The vibrator 20A is integrally formed by etching the silicon substrate.
第 15図 は 互 い に 直 交 す る 2 つ の 軸 Z , Y を 回 転 中 心 軸 と す る 角 速度 Ω ζ， Ω Υを 検 出 す る 構造 の も の で あ り ， 第 14図 に 示 す も の を 基本構 造 と し て こ れ を 発 展 さ せ た も の で あ る 。 し た が っ て ， 第 14図 に 示 す も の と 同 一 物 に は 同 一 符号 を 付 し ， 重複 説 明 を 避 け る 。 Figure 15 is two axes Z you Cartesian to physicians each other, the angular speed Omega zeta shall be the the times during rotation central axis Y, Ri Oh is also of the to that structure detect the Omega Upsilon, FIG. 14 It was developed based on the basic structure shown in Figure 1. Therefore, the same items as those shown in Fig. 14 are given the same reference numerals to avoid duplicate explanations.
第 15図 に 示 す構造 は ， 第 12図 に 示 す も の が 対称形 で あ る と す る と ， 非 対称形 で あ る 点 に 特徴 が あ る 。 こ こ で 対称 と は ， 力 Π 振部 の 中 心 を 中 心 と し て 振 動 子 が 点対 称 で あ る と い う こ と ， ま た は 力 Π 振部 の 中 心 を 通 り か つ 振動 子 の 弾性 は り 部 の 長 手 方 向 に 直 交 す る 線 に 関 し て 振 動子 が線対称 で あ る と い う こ と で あ る 。 The structure shown in Fig. 15 is characterized in that, if the structure shown in Fig. 12 is symmetric, it is asymmetric. Here, the symmetry means that the oscillator is point-symmetrical with the center of the force transducer as the center, or through the center of the force transducer. The elasticity of the vibrator is that the vibrator is axisymmetric with respect to the line perpendicular to the long direction of the beam.
基板 （ フ レ ー ム ） 1 Β に は 振 動子 20 Α が 存 在 し か つ 振 動 し う る 空 間 に 力 Π え て ， も う 一 つ の 振 動 子 40A が 存 在 し か つ 振 動 し う る 空 間 が 形 成 さ れ て い る 。 振 動 子 40 A は 弾性 ば ね部 42 A と こ れ に 支 持 さ れ た 質 量部 41 A と 力ゝ ら 構成 さ れ て レ、 る 。 加 振部 10 A に は 振 動 子 20 A が 設 け ら れ て い る 側 と は 反 対側 に 延 長 部 10 a が 設 け ら れ て い る 。 こ の 延長部 10 a か ら 振 動子 40A の 弾性 は り 部 42A が ， 振 動 子 20A の 弾性 は り 部 22A と は 90° 異 な る 方 向 に （ 弾性 は り 部 22A の Z 方 向 に 対 し て Y 方 向 に ） 延 び て い る 。 弾性 は り 部 42A の 一端 は 延長部 10 a に 結 合 し ， 他端 は 質量部 41 A と 結 合 し て い る 。 弾性 は り 部
42 A と 延 長部 10 a の 結 合位 置 は Z 軸 （ 弾性 は り 部 22 A の 中 心 線 ） 上 に 位 置 す る こ と が 好 ま し い 。 弾性 は り 部 42A に は振 動 セ ン サ 43A が 設 け ら れ て い る 。 フ レ ー ム 1 B , 加振部 10A , 振 動 子 20A ， 40A は シ リ コ ン 基板 を エ ッ チ ン グ す る こ と に よ り 一 体的 に 形成 さ れ る 。 A substrate (frame) 1 が has a vibrator 20 存 and a force is applied to the vibrating space, and another vibrator 40A exists. An oscillating space is formed. The oscillator 40A includes an elastic spring portion 42A, a mass portion 41A supported by the elastic spring portion 42A, and a force. The vibrating section 10A has an extension section 10a provided on the side opposite to the side on which the vibrator 20A is provided. From this extension 10a, the elastic beam 42A of the vibrator 40A is oriented 90 degrees differently from the elastic beam 22A of the oscillator 20A (the Z direction of the elastic beam 22A). (In the Y direction). One end of the elastic beam portion 42A is connected to the extension portion 10a, and the other end is connected to the mass portion 41A. Elastic beam The joint between 42A and the extension 10a is preferably located on the Z-axis (the center line of the elastic beam 22A). A vibration sensor 43A is provided in the elastic beam portion 42A. The frame 1B, the vibrating section 10A, and the vibrators 20A and 40A are integrally formed by etching the silicon substrate.
第 16図 は 第 15図 に 示 す構造 の 変 形例 を 示 す も の で あ る 。 第 15図 に お い て は 加 振部 10 A の 延 長 部 10 a が 加 振 部 10A の 第 15図 に お い て 右 半分 か ら 延 び か つ フ レ ー ム 13に 一 部 が 結 合 し て い る 。 第 16図 に お い て は 延 長 部 10 b は 力 Π振部 10A の 中 央部 か ら 延 び か つ フ レ ー ム 1 B と は 結合 し て い な い 。 他 の 構造 は 第 15図 に 示 す も の と 同 じ で あ る 。 FIG. 16 shows a modified example of the structure shown in FIG. In FIG. 15, the extending portion 10a of the vibrating portion 10A is extended from the right half in FIG. 15 of the vibrating portion 10A and a part is connected to the frame 13. It is in agreement. In FIG. 16, the extending portion 10b extends from the central portion of the force vibration portion 10A and is not connected to the frame 1B. Other structures are the same as those shown in FIG.
第 15図 お よ び 第 16図 に お い て ， 振 動 子 20A と 振 動 子 40A に お い て そ れ ら の 固 有 振動 数 （ 縦 方 向 共振振動周 波 数 お よ び 横 方 向 共 振 振 動 周 波 数 ） は 異 な っ て い て も ， 同 じ で も ど ち ら で も よ レ、 。 In Fig. 15 and Fig. 16, the characteristic frequencies of oscillator 20A and oscillator 40A (vertical resonance frequency and horizontal direction) are shown. The resonance frequency (resonance frequency) can be the same or the same, even if they are different.
上述 し た す べ て の 実施例 に お い て ， 振 動 セ ン サ か ら 振 動検 出 信 号 を 取 出 す た め の ， お よ び ァ ク チ ユ エ 一 夕 に 振 動駆動信 号 を 供 給 す る た め の 配 線 パ タ ー ン の 図 示 が 省 略 さ れ て い る 。 In all of the embodiments described above, a vibration drive signal for extracting a vibration detection signal from the vibration sensor and a vibration drive signal were generated. The illustration of the wiring pattern for supplying the signals has been omitted.
第 17図 は 角 速 度 検 出 回 路 の 一 例 を 示 す も の で あ る 。 こ れ は 第 10図 に 示 す モ ニ タ 用 振 動 セ ン サ 16を 備 え た 場 合 の 例 で あ り ， 振 動 セ ン サ 16と し て 圧 電 薄膜応 力 セ ン ザ が 用 い ら れ て レヽ る 。 ま た 各 部 の 波 形 が 第 18図 に 示 さ
れ て い る 。 Fig. 17 shows an example of the angular velocity detection circuit. This is an example in which the monitor vibration sensor 16 shown in Fig. 10 is provided, and a piezoelectric thin film stress sensor is used as the vibration sensor 16. I'll be there. The waveform of each part is shown in Fig. 18. It is.
圧 電 薄膜 ァ ク チ ユ エ 一 夕 15は 発振 回 路 60か ら の 発 振 出 力 に 基 づ い て 周 波 数 ω d で 駆 動 さ れ る 。 Pressure conductive thin film § Cu Chi Yu et one evening 15 Ru are dynamic drive at a circumferential wave number omega d and have groups Dzu the oscillation output of the oscillation circuit 60 or al.
振動 子 20の 弾性 は り 部 22上 に 設 け ら れ た 振 動 セ ン サ ( 圧 電 薄 膜 応 力 セ ン サ ） 23の 上 下 の 電 極 間 に 振 動 に よ っ て 生 じ る 電荷 （ こ の 振動検 出 信 号 が 符号 E で 示 さ れ て い る ） は Q / V 変 換 回 路 61で 電圧 信 号 に 変換 さ れ る 。 圧 電 薄 膜 の イ ン ピ ー ダ ン ス は き わ め て 大 き い の で ， こ れ を 電 気 （ 電 子 ） 回 路 の イ ン ピ ー ダ ン ス に 適合 さ せ る た め に ィ ン ピ 一 ダ ン ス 変 換 回 路 62が 設 け ら れ て い る 。 Q / V 変 換 回 路 61の 出 力 電圧 信 号 は イ ン ピ ー ダ ン ス 変 換 回 路 62を 経 て 増 幅 回 路 63で 増 幅 さ れ た の ち ， 帯 域通 過 フ ィ ル タ 64に 与 え ら れ る 。 帯域通過 フ ィ ル タ 64は 振 動周 波数 ω d 付 近 の 帯域 の 信 号 の 通過 を 許 す も の で あ る 。 帯域 通 過 フ ィ ル タ 64の 出 力 信 号 は 同 期 検波 回 路 65に 与 え ら れ る 。 The elasticity of the vibrator 20 is generated by vibration between the upper and lower electrodes of a vibration sensor (piezoelectric thin film stress sensor) 23 provided on the beam portion 22. The electric charge (this vibration detection signal is indicated by symbol E) is converted into a voltage signal in a Q / V conversion circuit 61. The impedance of a piezoelectric thin film is very large, so it must be adapted to the impedance of an electrical (electronic) circuit. An impedance conversion circuit 62 is provided. The output voltage signal of the Q / V conversion circuit 61 passes through the impedance conversion circuit 62, is amplified by the amplification circuit 63, and then passes through the band pass filter. Given to router 64. Huh to the passage of the band-pass full Note1 64 vibration Doshu the wave number ω near the signal of the band with d also of the Ru Oh. The output signal of the bandpass filter 64 is given to a synchronous detection circuit 65.
一 方 ， 加 振部 10の 弾性 は り 部 11〜 14 ( の う ち の 少 く と も い ず れ か 一 つ ） に 設 け ら れ た 振 動 セ ン サ 16に 生 じ る 電 荷 も ま た Q / V 変 換 回 路 71で 電 圧 信 号 に 変 換 さ れ ， イ ン ピ ー ダ ン ス 変 換 回 路 72， 増 幅 回 路 73を 経 て フ ェ ー ズ シ フ タ 74に 与 え ら れ る 。 ァ ク チ ユ エ 一 夕 15の 駆 動信 号 A ， 振 動 セ ン サ 16の 電荷信 号 （ 振 動 モ ニ タ 信 号 ） B お よ び増 幅 回 路 73の 出 力 信号 C は 同 相 の 信 号 で め 。
弾性 は り 部 22を 振 動 さ せ る コ リ オ リ カ は 加 振部 10の 駆 動振 動 と 90度位 相 が ず れ て い る 。 振 動 セ ン サ 23か ら 得 ら れ る 振 動検 出 信 号 E と 駆動信号 A と の 位相 を 一 致 さ せ る た め に （ ま た は 反 転 し た 位 相 と す る た め に ） フ エ 一 ズ シ フ 夕 74に よ っ て 信 号 C の 位相 が 90度移相 さ れ ， 参照信 号 D と な る 。 On the other hand, the electric charges generated in the vibration sensor 16 installed in the elastic beam portions 11 to 14 (at least one of them) of the vibrating portion 10 are also generated. The signal is converted to a voltage signal by a Q / V conversion circuit 71, and is passed through an impedance conversion circuit 72 and an amplification circuit 73 to a phase shifter 74. Given to The drive signal A of the actuator 15, the charge signal of the vibration sensor 16 (oscillation monitor signal) B, and the output signal C of the amplification circuit 73 are the same. A phase signal. The rivola that vibrates the elastic beam portion 22 is 90 degrees out of phase with the driving vibration of the vibrating portion 10. In order to match the phase of the vibration detection signal E obtained from the vibration sensor 23 with the drive signal A (or to make the phase inverted) The phase of the signal C is shifted by 90 degrees by the freeze shift 74 to become the reference signal D.
こ の よ う に し て 位相 が 一 致 し た （ ま た は 反 転 し た ） 振 動検 出 信 号 E ( 帯域通 過 フ ィ ル タ 64の 出 力 ） と 参照 信 号 D と が 同 期 検 波 回 路 65に 与 え ら れ ， 振 動検 出 信 号 E が検 波 さ れ る 。 同 期検 波 回 路 65の 出 力 は 直 流成分 を 通過 さ せ る 低域通過 フ ィ ル タ 66を 通 っ て ， 増 幅 回 路 67 で 増 幅 さ れ て ， 出 力 電圧 と し て 出 力 さ れ る 。 こ の 出 力 電圧 に 基づ い て 角 速度 が 算 出 さ れ る 。 In this way, the vibration detection signal E (the output of the bandpass filter 64) whose phase matches (or is inverted) and the reference signal D are the same. The oscillation detection signal E is supplied to the initial detection circuit 65, and the vibration detection signal E is detected. The output of the synchronous detection circuit 65 passes through a low-pass filter 66 that passes a direct current component, is amplified by an amplification circuit 67, and is output as an output voltage. Is output. The angular velocity is calculated based on the output voltage.
加 振部 10の 縦 方 向 共振振 動周 波 数 OJ a お よ び振 動子 Vertical resonance frequency of the vibration section 10 OJa and oscillator
20の 縦 方 向 共振振 動 周 波 数 o b か ら 遠 く 離 れ た 周 波数 ω d で 加 振 部 10を 駆 動 し て お り ， 周 波 数 ω d 付 近 で は 加 振部 10お よ び振 動 子 20の 縦 方 向 曲 げ 共振感度 は 1 で あ る か ら ， 温度 変 化 等 で 駆 動 周 波 数 ω d が 多 少 変 化 し た と し て も 駆 動振 動 の 変位量 は 常 に ほ ぼ一 定 に 保 た れ る 。 ま た ， 駆動周 波数 d は 振 動 子 20の 横 方 向 曲 げ 共 振周 波 数 ω s か ら 少 し ず れ て い る の で ， 温度 変化 等 の 環境 変 化 に よ っ て 横 方 向 振 動 の 振 幅 が 大 き く 変 化 す る こ と は な く ， 安 定 し て い る 。 同 期検 波 回 路 65に お い て 振 動検 出 信 号 E と 参照信 号 D の 周 波 数 が と も に 安 定 し
て い る か ら ， 環境 変 化 に 強 い 安 定 な 角 速度 検 出 が 可能 と な る 。 20 Ri vertical Direction resonance vibration Frequency o b or al far rather away the frequency ω d in the excitation section 10 drive motion to you, and in the near-with-frequency number ω d pressurized Fubu 10 All good beauty vibration vertical direction bending resonance sensitivity is whether we Ru Oh in one of the dynamic child 20, the temperature even if the drive with changes such as dynamic-frequency number ω d is a multi small changes drive Dofu motion The amount of displacement is always kept almost constant. Also, the drive frequency d than that have been not to small vibration child 20 sideways direction bending both Fushu wave number ω s or et al., Sideways in Tsu by the environment changes such as a temperature change The amplitude of the directional vibration does not change significantly and is stable. In the synchronous detection circuit 65, the frequency of the vibration detection signal E and the frequency of the reference signal D are both stable. As a result, stable angular velocity detection that is resistant to environmental changes is possible.
第 1 9図 は モ ニ タ 用 振 動 セ ン サ 1 6と し て ピ エ ゾ 抵抗素 子 を 用 い た 場 合 の 角 速度検 出 回 路 の 例 を 示 す も の で あ る 。 FIG. 19 shows an example of an angular velocity detection circuit when a piezoresistive element is used as the monitor vibration sensor 16.
ピ エ ゾ 抵抗素 子 は ブ リ ッ ジ 回 路 7 5の 一 辺 に 接続 さ れ る 。 プ リ ッ ジ 回 路 7 5の 出 力 電圧 が増 幅 回 路 7 3を 通 し て フ エ 一 ズ シ フ タ 7 4に 与 え ら れ る 。 他 の 構成 は 第 1 7図 に 示 す も の と 同 じ で あ る 。
The piezoresistive element is connected to one side of the bridge circuit 75. The output voltage of the bridge circuit 75 is given to the phase shifter 74 through the amplification circuit 73. Other configurations are the same as those shown in FIG.
Claims
1 . 加 振部 と 振動 子 を 備 え ， 加 振部 を 縱 方 向 に 振 動 可 能 に 支 持 し ， 振動 子 を 質 量部 と ， 質 量部 を 加 振部 に 連 結 す る 弾性 は り 部 と か ら 構成 し ， 加 振部 を 縦 方 向 に 振 動 さ せ る こ と に よ り 振 動 子 を 縦 方 向 に 振 動 さ せ て お き ， 角 速度 が働 く こ と に よ っ て 生 じ る 振 動 子 の 横 方 向 の 振 動 を 検 出 す る 角 速度 セ ン サ に お い て ， 1. Equipped with a vibrating part and a vibrator, the vibrating part is supported so that it can vibrate in the vertical direction, and the vibrator is connected to the mass part and the mass part is connected to the vibrating part. The beam is composed of a beam and the vibrator is vibrated in the vertical direction by vibrating the vibrating part in the vertical direction, so that the angular velocity works. In the angular velocity sensor that detects the lateral vibration of the vibrator generated by the
加振 部 の 縦 方 向 共振振 動周 波 数 を 振 動 子 の 横 方 向 共 振振 動 周 波 数 か ら 離 れ た 値 に 設定 し ， 加 振部 を 振 動 子 の 横 方 向 共 振 振 動 周 波 数 の 近 傍 の 振 動 周 波 数 で ァ ク チ ユ エ 一 夕 に よ り 振 動 さ せ る ， The longitudinal resonance frequency of the vibrating section is set to a value far from the transverse resonant frequency of the vibrator, and the vibrating section is set to a value that is different from the transverse frequency of the vibrator. Vibrating at the vibration frequency near the vibration frequency by the actuary overnight,
角 速度 セ ン サ 。 Angular velocity sensor.
2 . 振 動 子 の 縦 方 向 共振振 動周 波数 が振 動 子 の 横 方 向 共振振 動周 波 数 か ら 離れ た 値 に 設定 さ れ て い る ， 請 求 の 範 囲 第 1 項 に 記載 の 角 速 度 セ ン サ 。 2. The claim has a longitudinal resonance frequency of the vibrator set to a value far from the lateral resonance frequency of the vibrator. Angular velocity sensor described.
3 . ァ ク チ ユ エ 一 夕 の 駆 動周 波 数 に お い て ， 振動 子 お よ び加 振部 の 縦 方 向 共振感度 が と も に 1 ま た は ほ ぼ 1 で あ る ， 請 求 の 範 囲 第 2 項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。 3. At the driving frequency of the actuator, the longitudinal resonance sensitivities of the vibrator and the vibrating section are both 1 or almost 1. The angular velocity sensor according to paragraph 2 of the above claim.
4 . 振 動子 の 横 方 向 共振振 動周 波数 が 振 動 子 の 縦 方 向 共振振 動周 波 数 お よ び加振部 の 縦 方 向 共振振 動周 波 数 よ り も 低 い ， 請 求 の 範 囲 第 2 項 ま た は 第 3 項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。 4. The transverse resonant frequency of the oscillator is lower than the longitudinal resonant frequency of the oscillator and the longitudinal resonant frequency of the vibrator. The angular velocity sensor according to paragraph 2 or 3 of the claim.
5 . 振 動子 の 弾性 は り 部 は ， 加 振部 と 質 量 部 と を 結ぶ
方 向 の 長 さ ， 縦 方 向 の 高 さ お よ び横 方 向 の 幅 を 持 ち ， 長 さ の 寸法 が 高 さ と 幅 の 寸 法 に 比 べ て 大 き く ， 高 さ の 寸 法 が 幅 の 寸 法 よ り も 大 き い も の で あ る ， 請 求 の 範 囲 第 1 項 か ら 第 4 項 の い ず れ か 1 項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。 5. The elastic beam part of the vibrator connects the vibrating part and the mass part. It has a length in the direction, a height in the vertical direction, and a width in the horizontal direction. The dimension of the length is larger than the dimension of the height and the width, and the dimension of the height is larger. Angular velocity sensor according to any one of paragraphs 1 to 4 of the claim, the sensor being larger than the width dimension.
6 . 加 振部 は ， 加 振 部 を 縦 方 向 に 振 動 可能 に 支持部材 に 結合 す る 弹性 部 を 備 え て い る ， 請 求 の 範 囲 第 1 項 か ら 第 5 項 の い ず れ カゝ 1 項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。 6. The vibrating section is provided with a flexible section that couples the vibrating section to the support member so as to be capable of vibrating in a vertical direction, any of claims 1 to 5 within the scope of the request. The angular velocity sensor described in Item 1 above.
7 . 振 動子 の 横 方 向 振動 を 検 出 す る 振 動 セ ン サ が 設 け ら れ て い る ， 請 求 の 範 囲 第 1 項 か ら 第 6 項 の い ず れ か 1 項 に 記 載 の 角 速度 セ ン サ 。 (7) A vibration sensor for detecting the lateral vibration of the vibrator is provided, and any one of paragraphs (1) to (6) in the scope of the claim shall be provided. Angular velocity sensor as noted.
8 . 加振部 の 縱 方 向 振動 を 検 出 す る モ ニ タ 用 の 振 動 セ ン サ が 設 け ら れ て い る ， 請 求 の 範 囲 第 1 項 か ら 第 7 項 の い ず れ カゝ 1 項 に 記 載 の 角 速 度 セ ン サ 。 8. There is a vibration sensor for the monitor that detects the longitudinal vibration of the vibrating section. Any of claims 1 to 7 in the scope of the request. The angular velocity sensor described in Section 1 above.
9 . 加 振部 に 関 し て 対称 に 第 1 お よ び 第 2 の 振動 子 が 設 け ら れ ， 第 1 お よ び第 2 の 振 動子 は そ れ ぞ れ 加 振部 か ら 反 対方 向 に の び る 第 1 お よ び第 2 の 弾性 は り 部 を 備 え ， こ れ ら の 第 1 お よ び第 2 の 弾 性 は り 部 の 先 端 に 質 量部 が そ れ ぞ れ 設 け ら れ て い る ， 請 求 の 範 囲 第 1 項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。 9. The first and second vibrators are provided symmetrically with respect to the vibrating section, and the first and second vibrators are opposed to each other from the vibrating section. First and second elastic beams extending in the direction are provided, and a mass portion is provided at each of the first and second elastic beams at the front ends of the beams. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the angular velocity sensor is provided.
1 0 . 加 振部 に 関 し て 非 対称 に 第 1 お よ び第 2 の 振動 子 が設 け ら れ ， 第 1 お よ び第 2 の 振動 子 は そ れ そ れ 加 振 部 か ら 9 0度 方 向 の 異 な る 方 向 に の び る 第 1 お よ び第 2 の 弾性 は り 部 を 備 え ， こ れ ら の 第 1 お よ び 第 2 の 弾性
は り 部 の 先 端 に 質 量 部 が そ れ ぞ れ 設 け ら れ て い る ， 請 求 の 範 囲 第 1 項 に 記載 の 角 速 度 セ ン サ 。 A first and a second vibrator are provided asymmetrically with respect to the vibrating section, and the first and the second vibrators are respectively set at 9. First and second elastic beams extending in different directions at 0 degrees are provided, and these first and second elastic members are provided. The angular velocity sensor according to claim 1, wherein a mass portion is provided at each end of the beam portion.
1 1 . 縦 方 向 に 振 動 可能 に 支 持 さ れ た 加 振部 と ， 質量 部 お よ び こ の 質量 部 を 加 振部 に 連 結 す る 弾性 は り 部 か ら な る 振 動 子 と を 備 え た 角 速度 セ ン サ に お い て ， 1 1. A vibrating element consisting of a vibrating part supported so as to be able to vibrate vertically, a mass part and an elastic beam part connecting this mass part to the vibrating part. And the angular velocity sensor equipped with
振 動 子 の 弾性 は り 部 が ， 加 振 部 と 質 量部 と を 結 ぶ 方 向 の 長 さ ， 縦 方 向 の 高 さ お よ び横 方 向 の 幅 を 持 ち ， 長 さ の 寸 法 が 高 さ と 幅 の 寸 法 に 比 べ て 大 き く ， 高 さ の 寸 法 が 幅 の 寸 法 よ り も 大 き い も の で あ る 角 速度 セ ン サ 。 The elastic beam part of the oscillator has a length in the direction connecting the vibrating part and the mass part, a height in the vertical direction, and a width in the horizontal direction, and a length dimension. Is an angular velocity sensor whose size is larger than its height and width, and whose height is larger than its width.
1 2 . 加 振部 を 縦 方 向 に 振 動 さ せ る ァ ク チ ユ エ 一 夕 と ， 加 振部 が 縦 方 向 に 振 動 す る こ と に よ っ て 振 動子 が縦 方 向 に 振 動 し て い る と き に 角 速 度 が 働 く こ と に よ っ て 生 じ る 振 動 子 の 横 方 向 の 振 動 を 検 出 す る 振 動 セ ン サ と ， 1 2. The actuator that vibrates the vibrating unit vertically and the vibrator vibrates vertically by vibrating the vibrator vertically. A vibration sensor for detecting the lateral vibration of the vibrator generated by the angular velocity acting while vibrating in the vibrator;
を 備 え て い る 請 求 の 範 囲 第 1 1項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。 The angular velocity sensor according to claim 11, wherein the angular velocity sensor is provided with:
1 3 . 加 振部 の 縦 方 向 振動 を 検 出 す る モ ニ タ 用 の 振 動 セ ン サ が 設 け ら れ て い る ， 請 求 の 範 囲 第 1 1項 ま た は 第 1 2 項 に 記 載 の 角 速度 セ ン サ 。 13 3. There is a vibration sensor for the monitor that detects the vertical vibration of the vibrating part. The angular velocity sensor described in the section.
1 4 . 加 振部 は ， 加 振部 を 縦 方 向 に 振 動 可能 に 支持部材 に 結合 す る 弾性部 を 備 え て い る ， 請 求 の 範 囲 第 1 1項 か ら 第 1 3項 の い ず れ か 1 項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。 14. The scope of the request is provided with an elastic part for connecting the vibrating part to the supporting member so that the vibrating part can be vibrated in the vertical direction. The angular velocity sensor according to any one of the above items.
1 5 . 加 振 部 に 関 し て 対称 に 第 1 お よ び 第 2 の 振動 子 が 設 け ら れ ， 第 1 お よ び第 2 の 振 動子 は そ れ ぞ れ 加 振 部
か ら 反 対方 向 に の び る 第 1 お よ び第 2 の 弾性 は り 部 を 備 え ， こ れ ら の 第 1 お よ び第 2 の 弾性 は り 部 の 先端 に 質 量部 が そ れ そ れ 設 け ら れ て い る ， 請 求 の 範 囲 第 11項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。 15 5. A first and a second vibrator are provided symmetrically with respect to the vibrating section, and the first and the second vibrators are respectively provided in the vibrating section. First and second elastic beams extending in opposite directions from the first and second elastic beams are provided, and a mass portion is provided at the tip of each of the first and second elastic beams. The angular velocity sensor according to claim 11, which is provided separately.
16. 加 振部 に 関 し て 非 対称 に 第 1 お よ び第 2 の 振動子 が 設 け ら れ ， 第 1 お よ び第 2 の 振動 子 は そ れ ぞ れ 加 振 部 か ら 90度 方 向 の 異 な る 方 向 に の び る 第 1 お よ び 第 2 の 弾性 は り 部 を 備 え ， こ れ ら の 第 1 お よ び 第 2 の 弾性 は り 部 の 先端 に 質量部 が そ れ ぞ れ 設 け ら れ て い る ， 請 求 の 範 囲 第 11項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。 16. The first and second vibrators are provided asymmetrically with respect to the vibrating section, and the first and second vibrators are each 90 degrees from the vibrating section. First and second elastic beams are provided extending in different directions, and a mass is provided at the tip of each of the first and second elastic beams. The angular velocity sensor according to claim 11, which is provided for each of the angular velocity sensors.
17. 振 動子 の 縦 方 向 共振感度 が 周 波 数 の 変 化 に か か わ ら ず 一 定 ま た は ほ ぼ一 定 に 保 た れ る 範 囲 内 の 周 波 数 で 加 振部 を ァ ク チ ユ エ 一 夕 に よ り 縱 方 向 に 振 動 す る よ う に 駆 動 す る ， 請 求 の 範 囲 第 11項 に 記 載 の 角 速 度 セ ン サ 。 17. The vibrator should be operated at a frequency within the range where the longitudinal resonance sensitivity of the oscillator is kept constant or almost constant regardless of the frequency change. The angular velocity sensor described in Paragraph 11 of the Claims, which drives the actuator to oscillate vertically in the evening.
18. 加 振部 の 縦 方 向 振動駆動周 波数付 近 に お い て ， 加 振部 の 縦 方 向 共振感度 が 周 波数 の 変 化 に か か わ ら ず 一 定 ま た は ほ ぼ一 定 で あ る ， 請 求 の 範 囲 第 17項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。 18. Near the vertical vibration drive frequency of the vibrating section, the vertical resonance sensitivity of the vibrating section is constant or almost constant irrespective of the change in the frequency. An angular velocity sensor according to claim 17, wherein the angular velocity sensor is:
19. 加 振部 の 縱 方 向 搌動駆 動周 波 数 が 振 動 子 の横 方 向 共振振 動周 波数 の 近傍 に 設定 さ れ て い る ， 請 求 の 範 囲 第 17項 ま た は 第 18項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。 19. A claim as set forth in claim 17 or claim 19, wherein the longitudinally driven vibration frequency of the vibrating section is set in the vicinity of the transverse resonance vibration frequency of the vibrator. Angular velocity sensor according to clause 18.
20. ァ ク チ ユ エ 一 夕 の 駆 動周 波 数 に お い て ， 振動 子 お よ び加 振部 の 縱 方 向 共振感度 が と も に 1 ま た は ほ ぼ 1
で あ る ， 請 求 の 範 囲 第 18項 ま た は 第 19項 に 記載 の 角 速 度 セ ン サ 。 20. At the driving frequency of the actuator, the longitudinal resonance sensitivities of the vibrator and the vibrating part are both 1 or almost 1. The angular velocity sensor according to claim 18 or 19, wherein the scope of the claim is:
21. 振 動子 の 横 方 向 共振振 動周 波 数 は 振動 子 の縦 方 向 共振振 動周 波数 お よ び加 振部 の 縦 方 向 共振振 動周 波数 よ り も 低 い ， 請 求 の 範 囲 第 18項 か ら 第 20項 の い ず れ か 1 項 に 記載 の 角 速度 セ ン サ 。
21. The horizontal resonance frequency of the oscillator is lower than the vertical resonance frequency of the oscillator and the vertical resonance frequency of the vibrating part. The angular velocity sensor according to any one of paragraphs 18 to 20 in a range of the above.
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