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JPH11304495A - Rotary angular velocity sensor - Google Patents

Rotary angular velocity sensor

Info

Publication number
JPH11304495A
JPH11304495A JP10115391A JP11539198A JPH11304495A JP H11304495 A JPH11304495 A JP H11304495A JP 10115391 A JP10115391 A JP 10115391A JP 11539198 A JP11539198 A JP 11539198A JP H11304495 A JPH11304495 A JP H11304495A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
vibrating body
angular velocity
support
supporting
velocity sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10115391A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kohei Sakurai
康平 櫻井
Masahiro Komachiya
昌宏 小町谷
Masahiro Matsumoto
昌大 松本
Kiyomitsu Suzuki
清光 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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 Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP10115391A priority Critical patent/JPH11304495A/en
Publication of JPH11304495A publication Critical patent/JPH11304495A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotary angular velocity sensor which has good measuring accuracy because of a structure which is strong against vibrations although being simple and which stably supports a vibrating body. SOLUTION: The support part of a rotary angular velocity sensor which supports a vibrating body 11 comprises a first support beam 20 whereby the vibrating body 11 is supported in such a way as to be capable of vibrating in the transverse direction, a beam support part 21 supporting the first support beam 20, and a second support beam 22 supporting the beam supporting part 21 and enabling the vibrating body 11 to vibrate in a direction perpendicular to the transverse direction, and is thus formed into a less curved simple shape.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、回転体の角速度を
検出する際に用いる角速度センサに関し、特に、角速度
を検出して、回転体の運動や姿勢の制御を行う装置に用
いられる回転角速度センサに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angular velocity sensor used for detecting the angular velocity of a rotating body, and more particularly, to a rotational angular velocity sensor used for an apparatus which detects the angular velocity and controls the movement and attitude of the rotating body. It is about.

【0002】[0002]

【従来の技術】回転角速度センサ(例えば、ジャイロス
コープ、ヨーレートセンサ)は、自動車の車両安定制御
システム、ナビゲーションシステム、小型ビデオカメラ
の手ぶれ防止などに必要なセンサとして多くの需要があ
る。
2. Description of the Related Art A rotational angular velocity sensor (for example, a gyroscope or a yaw rate sensor) is in great demand as a sensor necessary for a vehicle stability control system of an automobile, a navigation system, a camera shake prevention of a small video camera, and the like.

【0003】これまでに、回転する球やコマをもつ機械
式ジャイロや光ファイバーを用いたファイバージャイロ
など多種多様なセンサが開発されてきている。
A wide variety of sensors have been developed so far, such as a mechanical gyro having a rotating sphere or a top, and a fiber gyro using an optical fiber.

【0004】機械式ジャイロや光ファイバージャイロ
は、高精度ではあるが、装置が大型化する傾向があっ
た。
[0004] Mechanical gyros and optical fiber gyros have high accuracy but tend to be large in size.

【0005】一方、三角柱や円筒形状の材料に圧電素子
を取り付けて小型化した圧電ジャイロも製品化されてい
るが、精密加工を要する小型部品を組み合わせる必要が
あるので、製作が難しく、また、多数の個別部品から成
っているため、回路一体型のものをつくるのは困難であ
るという問題があった。この問題に対処するために、最
近、従来のシリコン半導体プロセス技術を応用したマイ
クロマシニング技術を用いた小型ジャイロスコープの研
究、開発が活発に行われている。この技術により、セン
サを安価かつ大量に生産することができ、さらにセンサ
部と周辺回路部との一体化が可能になることが期待され
る。
[0005] On the other hand, a piezoelectric gyro in which a piezoelectric element is attached to a triangular prism or cylindrical material to reduce its size has been commercialized. However, it is necessary to combine small parts that require precision processing, which makes it difficult to manufacture the piezoelectric gyro. Therefore, there is a problem that it is difficult to make a circuit-integrated type since it is made up of individual components. In order to address this problem, research and development of a small gyroscope using micromachining technology using a conventional silicon semiconductor process technology have been actively performed. With this technology, it is expected that sensors can be mass-produced inexpensively and that the sensor unit and the peripheral circuit unit can be integrated.

【0006】このようなマイクロマシニング技術を使用
した角速度センサの基本的な動作原理について、米国特
許第5349855号に開示されたものを例にとって、
以下、説明する。
The basic operation principle of an angular velocity sensor using such micromachining technology will be described with reference to the example disclosed in US Pat. No. 5,349,855.
This will be described below.

【0007】一般に、角速度センサの原理は、第1軸方
向に一定に振動、または回転する慣性体(振動体)に第
1軸方向に対して直角の第2軸方向回りの角速度が与え
られた時、第1軸及び第2軸に対して直交する第3軸方
向に生じるコリオリの力を検出することにより、角速度
を検出するというものである。
Generally, the principle of the angular velocity sensor is that an angular velocity around a second axial direction perpendicular to the first axial direction is given to a rotating or inertial body (vibrating body) which is constantly vibrated in the first axial direction. At this time, the angular velocity is detected by detecting a Coriolis force generated in a third axis direction orthogonal to the first axis and the second axis.

【0008】コリオリの力は、慣性体の変位量を測定す
ることにより知ることができる。上記例の角速度センサ
は、振動体、それを支える支持構造部、振動体の駆動
部、コリオリ力による変位検出部から構成されている。
[0008] The Coriolis force can be known by measuring the displacement of the inertial body. The angular velocity sensor of the above example includes a vibrating body, a supporting structure supporting the vibrating body, a driving unit of the vibrating body, and a displacement detecting unit based on Coriolis force.

【0009】振動体を、適当な形状の支持梁によって基
板から離間し、櫛歯状電極を用いて静電駆動する。振動
方向は基板に平行な方向である。この状態で、振動体
に、同じく基板に平行で、振動方向に垂直な方向を軸と
した回転が加わると、振動体はコリオリ力により基板に
垂直な方向に変位する。
The vibrating body is separated from the substrate by a support beam having an appropriate shape, and is electrostatically driven using a comb-like electrode. The vibration direction is a direction parallel to the substrate. In this state, when a rotation is applied to the vibrator about an axis which is also parallel to the substrate and perpendicular to the vibration direction, the vibrator is displaced in a direction perpendicular to the substrate by Coriolis force.

【0010】この変位を、振動体下部の基板に配置され
た電極を用いて静電容量の変化として検出し、コリオリ
力を測定する。
[0010] This displacement is detected as a change in capacitance using an electrode arranged on the substrate below the vibrating body, and the Coriolis force is measured.

【0011】その他にも、マイクロマシニング技術を用
いてつくられた角速度センサで、基板に平行な平面内に
駆動電極と変位検出電極を設けて、振動体をこの平面内
でのみ可動としたものの例が、特開平09-11994
2号公報に開示されている。
Another example is an angular velocity sensor manufactured using micromachining technology, in which a drive electrode and a displacement detection electrode are provided in a plane parallel to a substrate, and the vibrating body is movable only in this plane. , JP-A-09-11994
No. 2 discloses this.

【0012】[0012]

【課題が解決しようとする課題】しかしながら、上記米
国特許第5349855号記載のように、コリオリ力に
よる振動体の変位が基板と垂直な方向である角速度セン
サは、真空中では良好に動作するものの、安価なパッケ
ージを前提に大気中で使用すると、基板と垂直な方向へ
の変位の際に振動体が空気による粘性抵抗の影響を受け
て、振動体の振動方向が不安定になり、感度が低下する
という問題が合った。
However, as described in the above-mentioned U.S. Pat. No. 5,349,855, the angular velocity sensor in which the displacement of the vibrating body due to the Coriolis force is in a direction perpendicular to the substrate works well in a vacuum, When used in the atmosphere on the premise of an inexpensive package, the vibrating body is affected by viscous resistance due to air when it is displaced in the direction perpendicular to the substrate, making the vibration direction of the vibrating body unstable and lowering sensitivity. The problem of doing it fit.

【0013】また、特開平09-119942号公報に
記載されている角速度センサは、振動体の質量を大きく
とることが可能なセンサ構造ではあるが、振動体を基板
から一定の距離を保って弾性的に支持する手段としての
支持部の形状が複雑になり、振動体の振動時に支持梁へ
の応力集中が起こりやすく、その結果、支持部が壊れや
すいという問題があった。
The angular velocity sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-119942 has a sensor structure capable of increasing the mass of the vibrating body. There is a problem that the shape of the support portion as a means for temporarily supporting becomes complicated, stress tends to be concentrated on the support beam when the vibrating body vibrates, and as a result, the support portion is easily broken.

【0014】本発明の目的は、簡単な構造でありながら
振動に対し強度的に強く、しかも安定に振動体を支持す
る構造を提案することであり、その結果として、測定精
度の良い回転角速度センサを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to propose a structure which has a simple structure, is strong in vibration, and stably supports a vibrating body. As a result, a rotational angular velocity sensor having high measurement accuracy is provided. Is to provide.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における回転角速度センサの特徴とするとこ
ろは、回転角速度センサの振動体を2軸方向に独立に振
動させる二つの支持梁と、一方の支持梁を支持し、他方
の支持梁に支持される梁支持部とを設けることにある。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, a feature of the rotational angular velocity sensor according to the present invention is that two supporting beams for independently vibrating the vibrating body of the rotational angular velocity sensor in two axial directions are provided. And a beam support portion that supports one support beam and is supported by the other support beam.

【0016】具体的には本発明は次に掲げる回転角速度
センサを提供する。
Specifically, the present invention provides the following angular velocity sensor.

【0017】本発明は、櫛歯状可動電極が設けられた振
動体と、前記振動体を振動可能に支持する支持部と、前
記櫛歯状可動電極との間に電圧を印加することにより前
記振動体を駆動する駆動用固定電極と、該駆動用固定電
極により前記振動体が駆動された方向とは異なる方向へ
生じる前記振動体の変位を検出する変位検出用固定電極
とを有する回転角速度センサにおいて、前記支持部は、
前記振動体を横方向に振動可能に支持する第1の支持梁
と、該第1の支持梁を支持する梁支持部と、該梁支持部
を支持すると共に前記振動体を前記横方向に対し垂直方
向に振動可能にする第2の支持梁とを有することを特徴
とする回転角速度センサを提供する。
According to the present invention, a voltage is applied between a vibrating body provided with a comb-shaped movable electrode, a supporting portion for oscillating the vibrating body, and the comb-shaped movable electrode. A rotational angular velocity sensor having a driving fixed electrode for driving a vibrating body, and a displacement detecting fixed electrode for detecting a displacement of the vibrating body generated in a direction different from a direction in which the vibrating body is driven by the driving fixed electrode. In the said support part,
A first support beam that supports the vibrating body so as to be capable of vibrating in a lateral direction, a beam supporting portion that supports the first supporting beam, and a beam supporting portion that supports the beam supporting portion and moves the vibrating body in the lateral direction. And a second support beam that enables vertical vibration.

【0018】また、本発明は、櫛歯状可動電極が設けら
れた振動体と、前記振動体を振動可能に支持する支持部
と、前記櫛歯状可動電極との間に電圧を印加することに
より前記振動体を駆動する駆動用固定電極と、該駆動用
固定電極により前記振動体が駆動された方向とは異なる
方向へ生じる前記振動体の変位を検出する変位検出用固
定電極とを有する回転角速度センサにおいて、前記支持
部は、前記振動体が横方向に振動できるように前記振動
体を前記横方向に対し垂直方向から支持する帯板状の第
1の支持梁と、該第1の支持梁を支持する梁支持部と、
前記振動体が前記横方向に対し垂直方向に振動できるよ
うに前記梁支持部を横方向から支持する帯板状の第2の
支持梁とを有することを特徴とする回転角速度センサを
提供する。
Further, according to the present invention, a voltage is applied between a vibrating body provided with a comb-shaped movable electrode, a supporting portion for oscillating the vibrating body, and the comb-shaped movable electrode. A driving fixed electrode for driving the vibrating body, and a displacement detecting fixed electrode for detecting a displacement of the vibrating body generated in a direction different from the direction in which the vibrating body is driven by the driving fixed electrode. In the angular velocity sensor, the support portion may include a first plate-shaped support beam that supports the vibrating body from a direction perpendicular to the lateral direction so that the vibrating body can vibrate in the lateral direction; A beam support for supporting the beam,
A rotational angular velocity sensor, comprising: a strip-shaped second support beam that supports the beam support portion from a lateral direction so that the vibrator can vibrate in a direction perpendicular to the lateral direction.

【0019】好ましくは、前記梁支持部の幅は、前記第
1の支持梁及び前記第2の支持梁の幅より大きくする。
Preferably, the width of the beam support is larger than the width of the first support beam and the second support beam.

【0020】好ましくは、前記櫛歯状可動電極が前記駆
動用固定電極または前記変位検出用固定電極と接触する
のを防止する過剰振動防止部を、前記振動体の前記支持
部側両端に近接させて設ける。
Preferably, an excessive vibration preventing portion for preventing the comb-shaped movable electrode from contacting the driving fixed electrode or the displacement detecting fixed electrode is brought close to both ends of the vibrating body on the support portion side. Provided.

【0021】好ましくは、前記振動体と、前記駆動用固
定電極と、前記変位検出用固定電極と、前記支持部と、
前記過剰振動防止部とを、基板上にポリシリコン或いは
単結晶シリコンで形成し、各々を、前記基板上の同じ平
面に設け、かつ同じ厚さにする。
Preferably, the vibrator, the driving fixed electrode, the displacement detecting fixed electrode, the support,
The excessive vibration preventing portion is formed of polysilicon or single crystal silicon on a substrate, and each is provided on the same plane on the substrate and has the same thickness.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例に係
わる回転角速度センサを、図を用いて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A rotation angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0023】図1は、本発明の第1の実施の形態例に係
わる回転角速度センサの構成を示す。回転角速度センサ
は、振動体11と、支持部23と、駆動用固定電極31
と、変位検出用固定電極32とによって構成されてい
る。
FIG. 1 shows a configuration of a rotational angular velocity sensor according to a first embodiment of the present invention. The rotational angular velocity sensor includes a vibrating body 11, a support portion 23, and a fixed driving electrode 31.
And a fixed electrode 32 for displacement detection.

【0024】振動体11は、振動質量10の両側に櫛歯
状可動電極30を設けた構造となっており、支持部23
は、第1の支持梁20と、第1の支持梁の梁支持部21
と、第2の支持梁22とで構成されている。また、振動
体11は、第1の支持梁20により、基板(図面では省
略)からほぼ一定の距離を保って弾性的に支持されてお
り、かつx軸方向に振動することが可能となっている。
The vibrating body 11 has a structure in which comb-shaped movable electrodes 30 are provided on both sides of the vibrating mass 10.
Are a first support beam 20 and a beam support portion 21 of the first support beam.
And the second support beam 22. Further, the vibrating body 11 is elastically supported by the first support beam 20 at a substantially constant distance from a substrate (omitted in the drawing), and can vibrate in the x-axis direction. I have.

【0025】図1では、第1の支持梁として2本の梁を
用いた場合を示しているが、梁の本数は必ずしも2本に
限るものではない。ここで第1の支持梁20は、基板か
らほぼ一定の距離を保って設けられている梁支持部21
によって支持されている。
FIG. 1 shows a case where two beams are used as the first support beams, but the number of beams is not necessarily limited to two. Here, the first supporting beam 20 is a beam supporting portion 21 provided at a substantially constant distance from the substrate.
Supported by

【0026】梁支持部21は、第2の支持梁22によっ
て支持されており、第2の支持梁22によりy軸方向に
変位することが可能となっている。そして第2の支持梁
は、アンカー部41を介して基板に固定されている。
The beam supporting portion 21 is supported by a second supporting beam 22, and can be displaced in the y-axis direction by the second supporting beam 22. The second support beam is fixed to the substrate via the anchor part 41.

【0027】支持部23を上記のように構成することに
より、振動体11を、x、y軸の2軸方向に独立に振動さ
せることが可能となる。なぜなら、梁支持部21を第1
の支持梁20と第2の支持梁22の間に設けているの
で、x軸、y軸それぞれの変位が互いに影響を及ぼしにく
くなり、x軸、y軸方向の振動モードの結合を低減できる
ためである。
By configuring the support section 23 as described above, it is possible to vibrate the vibrating body 11 independently in two x- and y-axis directions. Because the beam support 21 is
Is provided between the support beam 20 and the second support beam 22, the displacement of the x-axis and the displacement of the y-axis hardly affect each other, and the coupling of the vibration modes in the x-axis and y-axis directions can be reduced. It is.

【0028】梁支持部21の幅は、第1の支持梁20及
び第2の支持梁22の幅より十分大きくとり、また、第
1の支持梁20をすべて支持できる長さにすれば良い。
The width of the beam support 21 may be sufficiently larger than the width of the first support beam 20 and the second support beam 22, and may be set to a length that can support all the first support beams 20.

【0029】図1に基づいて、本実施の形態例に係わる
回転角速度センサの実際の駆動、検出方法を説明する。
An actual driving and detecting method of the rotational angular velocity sensor according to this embodiment will be described with reference to FIG.

【0030】振動体11を駆動するには、駆動用固定電
極31と櫛歯状可動電極30との間に電圧Vを印加し、
静電気力により振動体11をx軸方向に引っぱる。駆動
用固定電極31、櫛歯状可動電極30共に櫛歯状にする
ことにより、各電極間の対向面積を増やすことができ、
大きな静電気力を得ることが可能となる。このような状
態で、電圧Vを時間的に振動させると、振動体11をx
軸方向に振動させることができる。
To drive the vibrating body 11, a voltage V is applied between the fixed driving electrode 31 and the comb-shaped movable electrode 30,
The vibrating body 11 is pulled in the x-axis direction by the electrostatic force. By forming both the fixed electrode 31 for driving and the movable electrode 30 in a comb shape, the facing area between the electrodes can be increased,
A large electrostatic force can be obtained. In this state, when the voltage V is vibrated with time, the vibrating body 11
It can be vibrated in the axial direction.

【0031】ここで、駆動用固定電極31と櫛歯状可動
電極30の間の静電容量を検出することにより、振動体
11の変位量が分かるので、当該変位量が一定になるよ
うに印加電圧Vをフィードバック制御すると、振動体1
1のx軸方向の振動の振幅を一定にすることが可能とな
る。
Here, by detecting the capacitance between the driving fixed electrode 31 and the comb-shaped movable electrode 30, the displacement of the vibrating body 11 can be determined. When the voltage V is feedback controlled, the vibrating body 1
1 makes it possible to make the amplitude of the vibration in the x-axis direction constant.

【0032】以上のように、振動体11がx軸方向に励
振されている状態で、この振動体11にz軸、つまり基
板と垂直な軸回りの角速度Ωが加えられた場合、振動体
11には、次式(数1)で与えられるコリオリ力Fcが
y軸方向に働き、振動体11はy軸方向に微小振動する。
As described above, when the vibrating body 11 is excited in the x-axis direction and the angular velocity Ω about the z-axis, that is, the axis perpendicular to the substrate, is applied to the vibrating body 11, Has the Coriolis force Fc given by the following equation (Equation 1)
Working in the y-axis direction, the vibrating body 11 slightly vibrates in the y-axis direction.

【0033】 Fc=2mvΩ …(数1) (数1)で、mは振動体11の質量、vはx軸方向に励振
された振動体11の速度である。コリオリ力Fcによる
振動体11のy軸方向への変位は、振動質量10と変位
検出用固定電極32との間の静電容量の変化として計測
でき、この計測値から加えられた角速度Ωの大きさを知
ることができる。
Fc = 2mvΩ (Equation 1) In Equation 1, m is the mass of the vibrating body 11, and v is the velocity of the vibrating body 11 excited in the x-axis direction. The displacement of the vibrating body 11 in the y-axis direction due to the Coriolis force Fc can be measured as a change in capacitance between the vibrating mass 10 and the displacement detection fixed electrode 32, and the magnitude of the angular velocity Ω added from the measured value You can know that.

【0034】本実施の形態例では、直線状の第1の支持
梁20と第1の支持梁20を支持する梁支持部21とを
有し、さらに、振動体11を2軸方向に独立に振動させ
るために、梁支持部21も第2の支持梁22を用いて可
動とする構造にすることにより、振動体11を支持する
支持部23は、従来のものと比べて単純構造になってい
る。
The present embodiment has a first linear support beam 20 and a beam support portion 21 for supporting the first linear support beam 20, and furthermore, the vibrator 11 is independently driven in two axial directions. In order to vibrate, the beam supporting portion 21 is also configured to be movable using the second supporting beam 22, so that the supporting portion 23 for supporting the vibrating body 11 has a simple structure as compared with the conventional one. I have.

【0035】そのため、折れ曲がる部分が少なくなり、
応力の集中を避けることができるという効果をもつ。梁
支持部21と第1の支持梁20との接続部及び梁支持部
21と第2の支持梁22接続部に適当な丸みを持たせれ
ば、応力の集中をさらに緩和できる。このことはセンサ
の信頼性の向上につながる。
Therefore, the number of bent portions is reduced,
This has the effect that stress concentration can be avoided. If the connection between the beam support 21 and the first support beam 20 and the connection between the beam support 21 and the second support beam 22 are appropriately rounded, the concentration of stress can be further reduced. This leads to an improvement in the reliability of the sensor.

【0036】また、梁支持部21の幅を、第1の支持梁
20及び第2の支持梁22の幅よりも十分大きくするこ
とによって、振動体11のx軸、y軸方向の振動モードの
結合を減らすことができ、このことがセンサ出力のオフ
セットの低減、すなわちセンサに回転が加わっていない
(Ω=0)にもかかわらず、x軸方向の駆動振動が検出
軸であるy軸方向にもれることによって、センサに出力
が生じてしまうということの低減につながる。
Further, by making the width of the beam supporting portion 21 sufficiently larger than the width of the first supporting beam 20 and the second supporting beam 22, the vibration mode of the vibrating body 11 in the x-axis and y-axis directions can be obtained. The coupling can be reduced, which reduces the offset of the sensor output, that is, the drive vibration in the x-axis direction is reduced in the y-axis direction, which is the detection axis, even though the sensor is not rotated (Ω = 0). Leakage leads to a reduction in output from the sensor.

【0037】図2は、図1のA−B断面を示し、図3
は、図1のC−D断面を示す。図2に示すように、梁支
持部21と第2の支持梁22は、基板50から共に等し
い間隔で保持されており、各々の厚さも同じである。ま
た、図3に示すように、梁支持部21、第1の支持梁2
0、振動質量10についても、基板50から共に等しい
間隔で保持されており、各々の厚さも同じである。
FIG. 2 is a sectional view taken along a line AB in FIG.
Shows a CD section of FIG. As shown in FIG. 2, the beam support 21 and the second support beam 22 are held at equal intervals from the substrate 50, and have the same thickness. Further, as shown in FIG. 3, the beam support 21 and the first support beam 2
0 and the vibrating mass 10 are also held at equal intervals from the substrate 50, and have the same thickness.

【0038】図4は、本発明の第2の実施の形態例に係
わる回転角速度センサの構成を示す。本実施の形態例
は、第1の実施の形態例の図1に示す振動質量10の内
部に設けた変位検出用固定電極32を、振動質量10の
外部に配置したものである。
FIG. 4 shows the configuration of a rotational angular velocity sensor according to a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the displacement detection fixed electrode 32 provided inside the vibrating mass 10 shown in FIG. 1 of the first embodiment is arranged outside the vibrating mass 10.

【0039】振動質量10には、駆動用に用いる他に、
検出用に用いる櫛歯状可動電極30も設け、変位検出用
固定電極32も櫛歯状とすることにより、各電極間の対
向面積を大きくしている。
The oscillating mass 10 is used for driving,
The comb-shaped movable electrode 30 used for detection is also provided, and the fixed electrode 32 for displacement detection is also made comb-shaped, so that the facing area between the electrodes is increased.

【0040】また、変位検出用固定電極32を振動質量
10の外部に配置することにより、振動質量10の質量
を増やすことができ、センサ出力の感度を向上させるこ
とが可能となる。
Further, by disposing the displacement detecting fixed electrode 32 outside the vibrating mass 10, the mass of the vibrating mass 10 can be increased, and the sensitivity of the sensor output can be improved.

【0041】本実施の形態例のような電極形態を有する
回転角速度センサにも、本発明の支持構造部23を付加
することは可能であり、その結果、振動質量10の質量
を増やし感度を向上させることができると同時に、セン
サの信頼性を向上させたり、x軸及びy軸方向の振動モー
ドのカップリングを減らし、センサ出力のオフセットを
低減することができる。
It is possible to add the supporting structure 23 of the present invention to the rotational angular velocity sensor having the electrode configuration as in the present embodiment, and as a result, the mass of the vibrating mass 10 is increased and the sensitivity is improved. At the same time, the reliability of the sensor can be improved, the coupling of the vibration modes in the x-axis and y-axis directions can be reduced, and the offset of the sensor output can be reduced.

【0042】図5は、本発明の第3の実施の形態例に係
わる回転角速度センサの構成を示す。本実施の形態例
は、振動質量10の櫛歯状可動電極30の間に、駆動用
固定電極31と変位検出用固定電極32の二つをまとめ
て配置したものである。
FIG. 5 shows a configuration of a rotational angular velocity sensor according to a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, two fixed electrodes for driving 31 and fixed electrodes for displacement detection 32 are collectively arranged between the comb-shaped movable electrodes 30 of the vibrating mass 10.

【0043】このような電極構造にすると、第2の実施
の形態例のように、x 軸方向への駆動によって振動質量
10の可動櫛歯状電極30が変位検出用固定電極32と
衝突する危険性がないため、駆動力を大きくすることが
でき、その結果、大振幅駆動が達成でき、センサ出力の
大幅な感度向上が期待できる。
With such an electrode structure, there is a danger that the movable comb-shaped electrode 30 of the vibrating mass 10 collides with the displacement detection fixed electrode 32 due to the driving in the x-axis direction as in the second embodiment. Therefore, the driving force can be increased, and as a result, large-amplitude driving can be achieved, and a significant improvement in the sensitivity of the sensor output can be expected.

【0044】以上述べてきたように、支持部23は、単
純な構造であり、折れ曲がる部分が少ないため、応力の
集中を低減することができる。このため、壊れにくく、
信頼性という観点から見たとき、感度を上げるために大
振幅駆動が必要となる回転角速度センサには、特に本発
明の支持部を採用することが有利である。
As described above, since the support portion 23 has a simple structure and has few bent portions, the concentration of stress can be reduced. Because of this, it is hard to break,
From the standpoint of reliability, it is particularly advantageous to employ the support of the present invention for a rotational angular velocity sensor that requires a large amplitude drive to increase sensitivity.

【0045】さらに、x、y 軸方向の振動モードのカッ
プリングを減らし、センサ出力のオフセットを低減でき
るという効果もある。
Further, there is an effect that the coupling of the vibration mode in the x and y axis directions can be reduced and the offset of the sensor output can be reduced.

【0046】なお、上記実施の形態例では、振動体11
の振動手段として、振動体11に櫛歯状可動電極30を
設け、静電気力を利用したものを記載したが、本発明は
これのみならず、例えば圧電材料、電磁力等を用いて振
動体を振動させるようにしても良い。
In the above embodiment, the vibrating body 11
As the vibrating means, a comb-shaped movable electrode 30 is provided on the vibrating body 11 and an electrostatic force is used. However, the present invention is not limited to this. For example, the vibrating body may be formed by using a piezoelectric material, an electromagnetic force, or the like. You may make it vibrate.

【0047】また、上記実施の形態例では、検出手段と
して、静電容量変化を測定するものを記載したが、本発
明はこれのみならず、たとえばピエゾ抵抗素子を用いた
り、磁場中での誘導起電力を測定するといった検出構造
と組み合わせることも可能である。
In the above embodiment, the detection means for measuring a change in capacitance has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a piezoresistive element may be used or an induction in a magnetic field may be used. It is also possible to combine with a detection structure such as measuring an electromotive force.

【0048】図6は、本発明の第1、第3の実施の形態
例に係わる回転角速度センサに設けた過剰振動防止部の
詳細を示す。振動体11がy軸方向に過剰振動して、振
動体11の櫛歯状可動電極30が駆動用固定電極31ま
たは変位検出用固定電極32と接触することを避けるた
めに、過剰振動防止部40を設けている。
FIG. 6 shows details of the excessive vibration preventing section provided in the rotational angular velocity sensor according to the first and third embodiments of the present invention. In order to prevent the vibrating body 11 from excessively vibrating in the y-axis direction and the comb-shaped movable electrode 30 of the vibrating body 11 coming into contact with the driving fixed electrode 31 or the displacement detecting fixed electrode 32, an excessive vibration preventing unit 40 is provided. Is provided.

【0049】過剰振動防止部40は、該過剰振動防止部
40と振動体11の間隔D1が、振動体駆動用固定電極
31と櫛歯状可動電極30の間隔D2、及び変位検出用
固定電極32と振動質量10の間隔D3に比べて小さく
なるように配置される。
[0049] Excess vibration prevention unit 40, the spacing D 1 of the vibrator 11 with the excess vibration prevention unit 40, vibrator driving fixed electrode 31 and the distance D 2 of the comb-tooth shaped movable electrode 30, and the displacement detection fixed It is arranged so as to be smaller than the distance D 3 between the electrode 32 and the vibrating mass 10.

【0050】次に、前述した本発明の第1の実施の形態
例に係わる回転角速度センサの製造工程例を、図1のア
ンカー部41における断面E−Fを例にとり、図7から
図10を用いて説明する。
Next, an example of a manufacturing process of the rotational angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. It will be described using FIG.

【0051】基板から回転角速度センサの各種構造体を
離間するために、後の工程で消失する層(犠牲層)を予
め基板上に形成しておき、その上に構造体となる層を重
ね、工程の最終段階で犠牲層をエッチングするというプ
ロセスが必要となる。
In order to separate various structures of the rotational angular velocity sensor from the substrate, a layer (sacrificial layer) which disappears in a later step is formed on the substrate in advance, and a layer serving as a structure is stacked thereon. A process of etching the sacrificial layer at the final stage of the process is required.

【0052】まず、図7に示す工程においては、単結晶
シリコンからなる基板50の表面に、絶縁膜形成工程に
より、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁性の
薄膜を絶縁膜51として形成する。
First, in the step shown in FIG. 7, an insulating thin film such as silicon oxide or silicon nitride is formed as an insulating film 51 on the surface of a substrate 50 made of single crystal silicon by an insulating film forming step.

【0053】次に、図8に示す工程においては、絶縁膜
51上に第1のポリシリコン膜52を形成し、ドライエ
ッチングによってパターニングを行い、絶縁膜51を介
してシリコン基板50と接触するアンカー部41の下部
を形成する。
Next, in a step shown in FIG. 8, a first polysilicon film 52 is formed on the insulating film 51, patterning is performed by dry etching, and an anchor contacting the silicon substrate 50 via the insulating film 51 is formed. The lower part of the part 41 is formed.

【0054】そして、図9に示す工程においては、例え
ばPSG等の犠牲層53を図8の構造の表面に形成し、ド
ライエッチングによりパターニングを行う。この上に第
2のポリシリコン膜54を形成し、ドライエッチングで
パターニングをすることにより、第1、第2の支持梁2
0,22やアンカー部41の上部が完成する。その後熱
処理を行い、PSG等の犠牲層53中のリンをポリシリコ
ン中に熱拡散させ、ポリシリコン膜52、54に伝導性
をもたせる。
Then, in the step shown in FIG. 9, a sacrificial layer 53 of, for example, PSG is formed on the surface of the structure of FIG. 8, and patterning is performed by dry etching. A second polysilicon film 54 is formed thereon and patterned by dry etching to form the first and second support beams 2.
0, 22 and the upper part of the anchor part 41 are completed. Thereafter, heat treatment is performed to thermally diffuse phosphorus in the sacrificial layer 53 such as PSG into the polysilicon, so that the polysilicon films 52 and 54 have conductivity.

【0055】最後に、図10に示す工程においては、犠
牲層53をウェットエッチングにより除去し、第1の支
持梁20、第2の支持梁22、梁支持部21、櫛歯状可
動電極30を含む振動体11、駆動用固定電極31、変
位検出用固定電極32等を基板50と離間した状態にす
る。犠牲層53のエッチングを容易にするために、振動
質量10と梁支持部21に、例えばエッチング用のホー
ルを設けても良い。
Finally, in the step shown in FIG. 10, the sacrificial layer 53 is removed by wet etching, and the first support beam 20, the second support beam 22, the beam support portion 21, and the comb-shaped movable electrode 30 are removed. The vibrating body 11, the fixed electrode 31 for driving, the fixed electrode 32 for displacement detection, and the like, are separated from the substrate 50. In order to facilitate the etching of the sacrificial layer 53, for example, a hole for etching may be provided in the vibrating mass 10 and the beam support 21.

【0056】上記工程では、アンカー部41、第1の支
持梁20、第2の支持梁22、梁支持部21、櫛歯状可
動電極30を含む振動体11、駆動用固定電極31、変
位検出用固定電極32等は、ポリシリコンによって形成
されているが、これらの構造体をSOI(Silicon on Ins
ulator)基板を用いて単結晶シリコンをつくることも可
能である。
In the above steps, the vibrating body 11 including the anchor portion 41, the first support beam 20, the second support beam 22, the beam support portion 21, the comb-shaped movable electrode 30, the drive fixed electrode 31, the displacement detection The fixed electrodes 32 and the like are formed of polysilicon, and these structures are formed by SOI (Silicon on Insulator).
(ulator) It is also possible to make single crystal silicon using a substrate.

【0057】以上述べてきた実施の形態例によれば、直
線状の第1の支持梁20とその梁支持部21を有し、さ
らに振動体11を2軸方向に振動させるために、梁支持
部21も第2の支持梁22を用いて可動としたことによ
って、振動体11を支持する支持部23が従来のものと
比べて構造上単純になり、折れ曲がる部分が少なくなる
ため、応力集中による破壊を避けることができ、品質を
向上させることができる。
According to the above-described embodiment, the beam support has the first linear support beam 20 and the beam support portion 21, and furthermore, the vibrator 11 is vibrated in two axial directions. Since the portion 21 is also movable by using the second support beam 22, the support portion 23 for supporting the vibrating body 11 is structurally simpler than the conventional one, and the number of bent portions is reduced. Destruction can be avoided and quality can be improved.

【0058】また、梁支持部21の幅を、第1の支持梁
20及び第2の支持梁22の幅よりも大きくすることに
よって、振動体11のx軸、y軸方向の振動モードの結合
を低減し、振動体11を2軸方向に独立に振動させるこ
とできるので、例えば振動モードの結合に起因するセン
サ出力のオフセットが低減でき、測定精度の向上を図る
ことができる。
Further, by making the width of the beam supporting portion 21 larger than the width of the first supporting beam 20 and the second supporting beam 22, coupling of vibration modes of the vibrating body 11 in the x-axis and y-axis directions can be achieved. And the vibrating body 11 can be independently vibrated in the two axial directions. Therefore, for example, the offset of the sensor output due to the coupling of the vibration modes can be reduced, and the measurement accuracy can be improved.

【0059】また、過剰振動防止部40を設けることに
よって、振動体11がy軸方向に過剰振動して振動体1
1の櫛歯電極が固定電極部と接触することを避けること
ができる。
Further, by providing the excessive vibration preventing section 40, the vibrating body 11 is excessively vibrated in the y-axis direction and
It is possible to avoid that one comb electrode is in contact with the fixed electrode portion.

【0060】[0060]

【発明の効果】本発明によれば、簡単な構造でありなが
ら振動に対し強度的に強く、しかも安定に振動体を支持
する構造とすることにより、測定精度が向上し、かつ信
頼性を向上させることができる。
According to the present invention, the accuracy of measurement is improved and the reliability is improved by adopting a structure that is strong in vibration and has a stable structure to support the vibrating body while having a simple structure. Can be done.

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

【図1】本発明の第1の実施の形態例に係わる回転角速
度センサの構成を示す平面図である。
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a rotational angular velocity sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1のA-B断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along a line AB in FIG.

【図3】図1のC−D断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along line CD of FIG. 1;

【図4】本発明の第2の実施の形態例に係わる回転角速
度センサの構成を示す平面図である。
FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a rotational angular velocity sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3の実施の形態例に係わる回転角速
度センサの構成を示す平面図である。
FIG. 5 is a plan view showing a configuration of a rotational angular velocity sensor according to a third embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第1〜第3の実施の形態例に係わる回
転角速度センサに設けた過剰振動防止部の詳細を示す平
面図である。
FIG. 6 is a plan view showing details of an excessive vibration prevention unit provided in the rotational angular velocity sensor according to the first to third embodiments of the present invention.

【図7】本発明の第1の実施の形態例による回転角速度
センサの製造工程例に係わる断面図である。
FIG. 7 is a sectional view related to an example of a manufacturing process of the rotational angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図8】図7の基板上に第1のポリシリコン膜を形成し
た断面図である
FIG. 8 is a cross-sectional view in which a first polysilicon film is formed on the substrate of FIG. 7;

【図9】図8の基板上に、さらに犠牲層及び第2のポリ
シリコン膜54を形成した断面図である。
9 is a cross-sectional view in which a sacrifice layer and a second polysilicon film 54 are further formed on the substrate of FIG.

【図10】本発明の第1の実施の形態例による回転角速
度センサが基板上に離間され形成された状態を示す断面
図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a state in which a rotational angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention is formed on a substrate at a distance.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…振動質量、11…振動体、20…第1の支持梁、
21…梁支持部、22…第2の支持梁、23…支持部、
30…櫛歯状可動電極、31…駆動用固定電極、32…
変位検出用固定電極、40…過剰振動防止部、41…ア
ンカー部、50…基板、51…絶縁膜、52…第1のポ
リシリコン膜、53…犠牲層、54…第2のポリシリコ
ン膜
10: vibrating mass, 11: vibrating body, 20: first supporting beam,
21 ... beam support part, 22 ... second support beam, 23 ... support part,
30 ... comb-shaped movable electrode, 31 ... fixed electrode for driving, 32 ...
Fixed electrode for displacement detection, 40: excessive vibration preventing portion, 41: anchor portion, 50: substrate, 51: insulating film, 52: first polysilicon film, 53: sacrificial layer, 54: second polysilicon film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 清光 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Kiyomitsu Suzuki 7-1-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Within Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】櫛歯状可動電極が設けられた振動体と、前
記振動体を振動可能に支持する支持部と、前記櫛歯状可
動電極との間に電圧を印加することにより前記振動体を
駆動する駆動用固定電極と、該駆動用固定電極により前
記振動体が駆動された方向とは異なる方向へ生じる前記
振動体の変位を検出する変位検出用固定電極とを有する
回転角速度センサにおいて、 前記支持部は、前記振動体を横方向に振動可能に支持す
る第1の支持梁と、該第1の支持梁を支持する梁支持部
と、該梁支持部を支持すると共に前記振動体を前記横方
向に対し垂直方向に振動可能にする第2の支持梁とを有
することを特徴とする回転角速度センサ。
1. A vibrating body provided with a comb-shaped movable electrode, a supporting portion for oscillating the vibrating body, and a voltage applied between the comb-shaped movable electrode and the vibrating body. A fixed electrode for driving to drive, and a rotational angular velocity sensor having a fixed electrode for displacement detection for detecting a displacement of the vibrating body generated in a direction different from the direction in which the vibrating body is driven by the fixed electrode for driving, The support portion includes a first support beam that supports the vibrating body so as to be capable of vibrating in a lateral direction, a beam support portion that supports the first support beam, and a support member that supports the beam support portion and supports the vibrator. A second support beam that enables vibration in a direction perpendicular to the lateral direction.
【請求項2】櫛歯状可動電極が設けられた振動体と、前
記振動体を振動可能に支持する支持部と、前記櫛歯状可
動電極との間に電圧を印加することにより前記振動体を
駆動する駆動用固定電極と、該駆動用固定電極により前
記振動体が駆動された方向とは異なる方向へ生じる前記
振動体の変位を検出する変位検出用固定電極とを有する
回転角速度センサにおいて、 前記支持部は、前記振動体が横方向に振動できるように
前記振動体を前記横方向に対し垂直方向から支持する帯
板状の第1の支持梁と、該第1の支持梁を支持する梁支
持部と、前記振動体が前記横方向に対し垂直方向に振動
できるように前記梁支持部を横方向から支持する帯板状
の第2の支持梁とを有することを特徴とする回転角速度
センサ。
2. A vibrating body provided with a comb-shaped movable electrode, a supporting portion for oscillatingly supporting the vibrating body, and a voltage applied between the comb-shaped movable electrode and the vibrating body. A fixed electrode for driving to drive, and a rotational angular velocity sensor having a fixed electrode for displacement detection for detecting a displacement of the vibrating body generated in a direction different from the direction in which the vibrating body is driven by the fixed electrode for driving, The support portion supports a first strip-shaped support beam that supports the vibrator in a direction perpendicular to the lateral direction so that the vibrator can vibrate in the lateral direction, and the first support beam. A rotational angular velocity comprising: a beam support portion; and a strip-shaped second support beam that supports the beam support portion from a lateral direction so that the vibrator can vibrate in a direction perpendicular to the lateral direction. Sensor.
【請求項3】請求項1または請求項2において、前記梁
支持部の幅は、前記第1の支持梁及び前記第2の支持梁
の幅より大きいことを特徴とする回転角速度センサ。
3. The rotational angular velocity sensor according to claim 1, wherein a width of the beam supporting portion is larger than a width of the first supporting beam and a width of the second supporting beam.
【請求項4】請求項1または請求項2において、前記櫛
歯状可動電極が前記駆動用固定電極または前記変位検出
用固定電極と接触するのを防止する過剰振動防止部を、
前記振動体の前記支持部側両端に近接させて設けること
を特徴とする回転角速度センサ。
4. An excessive vibration preventing unit according to claim 1, wherein said comb-shaped movable electrode is prevented from contacting said driving fixed electrode or said displacement detecting fixed electrode.
A rotational angular velocity sensor provided near both ends of the vibrating body on the support portion side.
【請求項5】請求項1または請求項2において、前記振
動体と、前記第1の支持梁と、前記梁支持部と、前記第
2の支持梁は、基板上に該基板とほぼ一定の隙間を有し
てポリシリコン或いは単結晶シリコンで一体形成される
ことを特徴とする回転角速度センサ。
5. The substrate according to claim 1, wherein the vibrating body, the first supporting beam, the beam supporting portion, and the second supporting beam are substantially fixed on the substrate. A rotational angular velocity sensor which is formed integrally with polysilicon or single crystal silicon with a gap.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7275435B2 (en) 2003-09-22 2007-10-02 Denso Corporation Capacitance type semiconductor dynamic quantity sensor
CN100378943C (en) * 2004-02-13 2008-04-02 株式会社电装 Method of inspecting a semiconductor dynamic quantity sensor

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