JPH10132572A - Electrostatic drive type angular velocity sensor - Google Patents

Electrostatic drive type angular velocity sensor

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JPH10132572A
JPH10132572A JP8291795A JP29179596A JPH10132572A JP H10132572 A JPH10132572 A JP H10132572A JP 8291795 A JP8291795 A JP 8291795A JP 29179596 A JP29179596 A JP 29179596A JP H10132572 A JPH10132572 A JP H10132572A
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JP
Japan
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axis
electrodes
diaphragm
electrode
angular velocity
Prior art date
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Pending
Application number
JP8291795A
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Japanese (ja)
Inventor
Masayuki Shiratori
雅之 白鳥
Akihiro Tomioka
昭浩 富岡
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Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Original Assignee
Japan Aviation Electronics Industry Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 設計時間の短縮と感度の向上。 【解決手段】 電極基板6は第1〜第4電極6−1〜6
−4がz軸の周りに順にほぼ90°間隔でロ字形薄肉部
3cと対向して形成される。第1及び第3電極を駆動電
極として、ダイアフラム3との間に、それぞれ互いに差
動的に変化する電圧を印加することにより、質量部4の
駆動振動と出力振動(検出振動)とを共に振り子振動と
する。第2及び第4電極を検出電極として、ダイアフラ
ム3との間の互いに差動的に変化する静電容量を検出す
ることにより、z軸方向の入力角速度ωを検出する。図
1の例ではy軸及びx軸がそれぞれ駆動軸及び出力軸と
され、第1及び第3(第2及び第4)電極がy(x)軸
の正及び負の方向を中心として±45°の範囲に、y
(x)軸に対して対称に形成される。更に、各電極の外
形は図1の例では二等辺三角形とされる。
(57) [Summary] [Problem] To shorten design time and improve sensitivity. An electrode substrate includes first to fourth electrodes.
-4 are formed around the z-axis in order at approximately 90 ° intervals in opposition to the rectangular-shaped thin portion 3c. The first and third electrodes are used as drive electrodes, and a voltage that changes differentially with respect to the diaphragm 3 is applied to the diaphragm 3 so that both the drive vibration and the output vibration (detection vibration) of the mass unit 4 are pendulum. Vibration. The input angular velocity ω in the z-axis direction is detected by detecting the capacitance that changes differentially with the diaphragm 3 using the second and fourth electrodes as detection electrodes. In the example of FIG. 1, the y-axis and the x-axis are the drive shaft and the output shaft, respectively, and the first and third (second and fourth) electrodes are ± 45 around the positive and negative directions of the y (x) axis. In the range of °, y
It is formed symmetrically with respect to the (x) axis. Further, the outer shape of each electrode is an isosceles triangle in the example of FIG.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は静電駆動型角速度
センサに関し、特に質量部の駆動軸方向及び出力軸方向
の回転角速度を有する2つの振動、つまり駆動振動と出
力振動(検出振動)の共振周波数をできるだけ近づけ
た、検出感度のよいセンサ及び設計時間を短縮できるセ
ンサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrostatic drive type angular velocity sensor, and more particularly to two vibrations having a rotational angular velocity of a mass section in a drive axis direction and an output axis direction, that is, resonance of drive vibration and output vibration (detection vibration). The present invention relates to a sensor having a frequency as close as possible and having high detection sensitivity and a sensor capable of shortening a design time.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のこの種の角速度センサを図3、図
4により説明する。角速度センサには、ダイアフラム3
とその底面側に弾性支持された質量部4と、そのダイア
フラム3上にギャップ5を介して対向して配された電極
基板6が設けられる。従来の角速度センサは図3のx,
y,z軸(上下方向の軸がz軸)より成る直交座標の−
x軸を入力軸とする回転角速度ωを検出するように構成
される。
2. Description of the Related Art A conventional angular velocity sensor of this type will be described with reference to FIGS. The angular velocity sensor has a diaphragm 3
And a mass portion 4 elastically supported on the bottom surface side thereof, and an electrode substrate 6 disposed opposite to the diaphragm 3 with a gap 5 therebetween. Conventional angular velocity sensors are shown in FIG.
-of rectangular coordinates composed of y and z axes (the vertical axis is the z axis)
It is configured to detect a rotational angular velocity ω having the x axis as an input axis.

【0003】ダイアフラム3は、xy平面に平行に配さ
れたシリコンなどの半導体ウエハの底面に、エッチング
処理によりx軸またはy軸に平行な辺をもつロ字形溝3
aを形成したものである。これによりダイアフラム3に
はロ字形溝3aに囲まれた四角形の中央部3bと、ロ字
形溝の底面と対応するロ字形薄肉部3cと、ロ字形溝の
外側の枠部3dとが形成される。
A diaphragm 3 is formed on a bottom surface of a semiconductor wafer made of silicon or the like arranged in parallel with an xy plane by a rectangular groove 3 having a side parallel to the x-axis or the y-axis by etching.
a is formed. As a result, a square central portion 3b surrounded by the square groove 3a, a square thin portion 3c corresponding to the bottom surface of the square groove, and a frame 3d outside the square groove are formed on the diaphragm 3. .

【0004】質量部4はこの例ではパイレックスガラス
等の直方体で、中央部3bの底面に固定される。また枠
部3dの底面に、パイレックスガラス等を用いた基枠7
が固定され、基枠7の内周面とギャップを介して質量部
4が配される。基枠7の高さは質量部4の高さより多少
大きくされ、基枠7をベース8上に載置したとき、ベー
ス8と質量部4との間にギャップ9が形成される。
The mass portion 4 is a rectangular parallelepiped such as Pyrex glass in this example, and is fixed to the bottom surface of the central portion 3b. A base frame 7 made of Pyrex glass or the like is provided on the bottom surface of the frame 3d.
Is fixed, and the mass part 4 is arranged via the gap with the inner peripheral surface of the base frame 7. The height of the base frame 7 is slightly larger than the height of the mass section 4, and when the base frame 7 is placed on the base 8, a gap 9 is formed between the base 8 and the mass section 4.

【0005】電極基板6は、ダイアフラム3とほぼ同じ
外形をもち、パイレックスガラスなどの絶縁性基板の底
面に、周辺部を除いて、ギャップ5に等しい深さをもつ
凹部6aが形成される。電極基板6の内面に、四角形の
Z電極6bが中央部3bと対向して形成され、そのZ電
極6bに近接して、x軸の正及び負の方向側にそれぞれ
台形のX1電極6c,X2電極6dがクロム上金などの
スパッタリング等により形成される。電極基板6の周辺
部6gの底面がダイアフラム3の枠部3d上に固定され
る。
[0005] The electrode substrate 6 has substantially the same outer shape as the diaphragm 3, and a concave portion 6 a having a depth equal to the gap 5 except for the peripheral portion is formed on the bottom surface of an insulating substrate such as Pyrex glass. A square Z electrode 6b is formed on the inner surface of the electrode substrate 6 so as to face the central portion 3b, and trapezoidal X1 electrodes 6c and X2 are provided near the Z electrode 6b in the positive and negative directions of the x-axis, respectively. The electrode 6d is formed by sputtering of gold on chromium or the like. The bottom surface of the peripheral portion 6 g of the electrode substrate 6 is fixed on the frame 3 d of the diaphragm 3.

【0006】ダイアフラム3と電極基板6、質量部4及
び基枠7との固定には、接着や陽極接合などの方法が用
いられる。Z電極6bとダイアフラム3との間に角周波
数ωdrvの交流電圧を印加することにより、質量部4
に静電力を作用させ、質量部4をz軸方向に角周波数ω
drvで並進振動させる。この場合のz軸を駆動軸、Z
電極6bを駆動電極と言う。このとき、入力軸(−x軸
に対応する)方向にω=dθ/dt(θは回転角、tは
時間)の角速度が入力されると、質量部4に対して−y
軸方向にコリオリ力が発生し、質量部4はz軸(駆動
軸)方向の並進振動に、−y軸方向の振り子振動(角速
度ωout)が加わる。
For fixing the diaphragm 3 to the electrode substrate 6, the mass part 4, and the base frame 7, a method such as adhesion or anodic bonding is used. By applying an AC voltage having an angular frequency ωdrv between the Z electrode 6 b and the diaphragm 3,
To the mass part 4 in the z-axis direction with an angular frequency ω
A translational vibration is performed at drv. In this case, the z axis is the drive axis,
The electrode 6b is called a drive electrode. At this time, when an angular velocity of ω = dθ / dt (θ is a rotation angle, t is time) is input in the direction of the input axis (corresponding to the −x axis), −y is given to the mass unit 4.
A Coriolis force is generated in the axial direction, and the mass unit 4 adds a pendulum vibration (angular velocity ωout) in the −y-axis direction to the translational vibration in the z-axis (drive shaft) direction.

【0007】これらのz軸方向の並進振動と−y軸方向
の振り子振動との合成振動により、X1電極6c及びX
2電極6dとダイアフラム3との間の静電容量CX1及
びCX2は図5に示すように互いに差動的に変化する。
即ち、CX1,CX2は CX1=C01+C1×Fa(ωdrv・t+φ1)+C1´×Fbωdrv ・t, CX2=C02−C2×Fa(ωdrv・t+φ2)+C2´×Fbωdrv ・t …(1) で表される。Fa及びFbはCX1,CX2の変化部分
の時間関数(例えば正弦関数)であり、C1,C2及び
C1´,C2´は変動分の振幅である。φ1,φ2は位
相角であり、入力角速度の方向により決定される。C0
1,C02は多軸方向の並進震動や入力角速度が無いと
きのCX1,CX2の値で、既知である。(1)式の第
2項はコリオリオにより発生する容量変化、第3項は多
軸方向の並進震動による容量変化である。
The combined vibration of the translational vibration in the z-axis direction and the pendulum vibration in the -y-axis direction makes the X1 electrodes 6c and X
The capacitances CX1 and CX2 between the two electrodes 6d and the diaphragm 3 change differentially with each other as shown in FIG.
That is, CX1 and CX2 are represented by CX1 = C01 + C1 × Fa (ωdrv · t + φ1) + C1 ′ × Fbωdrv · t, CX2 = C02−C2 × Fa (ωdrv · t + φ2) + C2 ′ × Fbωdrv · t (1) Fa and Fb are time functions (for example, sine functions) of the changing portions of CX1 and CX2, and C1, C2 and C1 'and C2' are the amplitudes of the fluctuations. φ1 and φ2 are phase angles, which are determined by the direction of the input angular velocity. C0
1 and C02 are known values of CX1 and CX2 when there is no translational vibration or input angular velocity in the multiaxial directions. The second term of the equation (1) is a change in capacity caused by the coriolio, and the third term is a change in capacity due to translational vibration in multiple axes.

【0008】 C1,C2∝ω=dθ/dt(入力角速度の大きさ) ・・・(2) の関係がある。よってCX1,CX2の変化を検出する
ことにより、入力角速度を検出できる。なお、前記のコ
リオリ力の発生する−y軸を出力軸または検出軸、X
1,X2の各電極を検出電極と言う。
C1, C2∝ω = dθ / dt (magnitude of input angular velocity) (2) Therefore, the input angular velocity can be detected by detecting a change in CX1 and CX2. The -y axis where the Coriolis force is generated is an output axis or a detection axis,
Each electrode of 1 and X2 is called a detection electrode.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】静電駆動型角速度セン
サの感度を向上させるためには、駆動軸(z軸)方向の
並進振動、つまり駆動振動の共振周波数と、出力軸(−
y軸)方向の振り子振動、つまり出力振動(検出振動)
の共振周波数をできるだけ近づける必要がある。このた
め従来は、ダイアフラム3のロ字形薄肉部3cの外形寸
法及び厚味、質量部4の形状を仮定し、上記の駆動軸方
向及び出力軸方向の振動の共振周波数をFEM(有限要
素解析;finite element metho
d)、即ち、CAE(computer aided
engineering)用のワークステーションを用
いた振動解析により求め、その結果により仮定したダイ
アフラム及び質量部の形状を修正して、再び解析を繰返
すと言った、カットアンドトライを繰返すことによりダ
イアフラム3及び質量部4の形状を設計していた。この
ため可なり大きな設計時間を必要とした。
In order to improve the sensitivity of the electrostatic drive type angular velocity sensor, translational vibration in the direction of the drive shaft (z axis), that is, the resonance frequency of the drive vibration and the output shaft (-
Pendulum vibration in the y-axis) direction, that is, output vibration (detection vibration)
Must be as close as possible. For this reason, conventionally, assuming the external dimensions and thickness of the square-shaped thin portion 3c of the diaphragm 3 and the shape of the mass portion 4, the resonance frequency of the vibration in the drive shaft direction and the output shaft direction is determined by FEM (finite element analysis; fine element element method
d), that is, CAE (computer aided)
It is obtained by vibration analysis using a workstation for engineering, correcting the assumed shapes of the diaphragm and the mass part based on the result, and repeating the analysis again. 4 was designed. For this reason, considerable design time was required.

【0010】それにもかかわらず、駆動振動及び出力振
動の各共振周波数を感度向上のために希望するような互
いに近接した値に設定することが困難であった。この発
明はこれらの問題を解決することを目的としている。
Nevertheless, it has been difficult to set the resonance frequencies of the driving vibration and the output vibration to values close to each other as desired for improving the sensitivity. The present invention aims to solve these problems.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

(1)この発明が対象としている静電駆動型角速度セン
サは、ダイアフラムと、そのダイアフラムの底面側に弾
性支持された質量部と、そのダイアフラム上にギャップ
を介して対向された電極基板とを有する。ダイアフラム
は、(x,y,z)直交座標のxy平面に平行に配され
た半導体ウエハの底面に、x軸またはy軸に平行な辺を
もつロ字形溝がz軸を中心として形成され、そのロ字形
溝に囲まれた中央部と、ロ字形溝の底面と対応するロ字
形薄肉部と、ロ字形溝の外側の枠部とを有する。質量部
は、中央部の底面に固定される。
(1) An electrostatic drive type angular velocity sensor to which the present invention is directed has a diaphragm, a mass part elastically supported on the bottom side of the diaphragm, and an electrode substrate opposed to the diaphragm via a gap. . In the diaphragm, a rectangular groove having a side parallel to the x-axis or the y-axis is formed on the bottom surface of a semiconductor wafer arranged in parallel with the xy plane of (x, y, z) rectangular coordinates with the z-axis as a center, It has a central portion surrounded by the square groove, a square thin portion corresponding to the bottom surface of the square groove, and a frame portion outside the square groove. The mass part is fixed to the bottom surface of the central part.

【0012】電極基板は、絶縁性基板の内面に、駆動電
極及び検出電極(出力電極)がそれぞれ形成される。駆
動電極とダイアフラムとの間に交流電圧を印加すること
により、質量部を静電力により振動させ、検出電極とダ
イアフラムとの間の静電容量を検出することにより、入
力角速度を検出する。請求項1の発明では特に、電極基
板は、同じ外形を有する第1乃至第4電極がz軸の周り
に順にほぼ90°間隔でロ字形薄肉部と対向して形成さ
れる。対向する第1及び第3電極を駆動電極として、ダ
イアフラムとの間に、それぞれ互いに差動的に変化する
電圧を印加することにより、質量部の駆動振動と出力振
動(検出振動)とを共に振り子振動としている。そして
対向する第2及び第4電極を検出電極として、ダイアフ
ラムとの間の互いに差動的に変化する静電容量を検出す
ることにより、z軸方向の入力角速度を検出する。
The electrode substrate has a drive electrode and a detection electrode (output electrode) formed on the inner surface of the insulating substrate. By applying an AC voltage between the drive electrode and the diaphragm, the mass part is vibrated by electrostatic force, and the input angular velocity is detected by detecting the capacitance between the detection electrode and the diaphragm. In the invention of the first aspect, in particular, the electrode substrate is formed such that the first to fourth electrodes having the same outer shape face the rectangular thin portion at intervals of approximately 90 ° around the z-axis. The first and third electrodes facing each other are used as drive electrodes, and voltages that change differentially with each other are applied to the diaphragm, so that both drive vibration and output vibration (detection vibration) of the mass unit are pendulum. Vibration. Then, the input angular velocity in the z-axis direction is detected by detecting the capacitance that changes differentially between the diaphragm and the second and fourth electrodes as the detection electrodes.

【0013】(2)請求項2の発明では、前記(1)に
おいて、y軸及びx軸がそれぞれ駆動軸及び出力軸とさ
れる。第1及び第3電極がそれぞれ、y軸の正及び負の
方向を中心として±45°の範囲に、y軸に対して対称
に形成され、第2及び第4電極がそれぞれ、x軸の正及
び負の方向を中心として±45°の範囲に、x軸に対し
て対称に形成される。
(2) In the invention of claim 2, in the above (1), the y-axis and the x-axis are a drive shaft and an output shaft, respectively. The first and third electrodes are respectively formed symmetrically with respect to the y-axis within a range of ± 45 ° about the positive and negative directions of the y-axis, and the second and fourth electrodes are respectively formed with the positive x-axis. And symmetrically with respect to the x-axis in a range of ± 45 ° about the negative direction.

【0014】(3)請求項3の発明では、前記(2)に
おいて、第1及び第3電極の形状が、z軸側に頂角を有
し、x軸に平行な底辺を有する二等辺三角形とされ、第
2及び第4電極の形状が、z軸側に頂角を有し、y軸に
平行な底辺を有する二等辺三角形とされる。 (4)請求項4の発明では、前記(1)において、y軸
及びx軸をそれぞれ45°回転させたβ軸及びα軸がそ
れぞれ駆動軸及び出力軸とされる。第1及び第3電極が
それぞれ、β軸の正及び負の方向を中心として±45°
の範囲に、β軸に対して対称に形成され、第2及び第4
電極がそれぞれ、α軸の正及び負の方向を中心として±
45°の範囲に、α軸に対して対称に形成される。
(3) In the invention of claim 3, in the above (2), the shape of the first and third electrodes is an isosceles triangle having a vertex angle on the z-axis side and a base parallel to the x-axis. The shape of the second and fourth electrodes is an isosceles triangle having an apex angle on the z-axis side and a base parallel to the y-axis. (4) In the invention of claim 4, in the above (1), the β-axis and the α-axis obtained by rotating the y-axis and the x-axis by 45 ° are the drive shaft and the output shaft, respectively. The first and third electrodes are respectively ± 45 ° around the positive and negative directions of the β axis.
Are formed symmetrically with respect to the β axis, and the second and fourth
The electrodes are centered around the positive and negative directions of the α axis, respectively.
It is formed symmetrically with respect to the α axis in the range of 45 °.

【0015】(5)請求項5の発明では、前記(4)に
おいて、第1及び第3電極の形状が、xy座標の第1及
び第3象限内にそれぞれ形成された方形とされ、第2及
び第4電極の形状が、xy座標の第4及び第2象限内に
それぞれ形成された方形とされる。
(5) In the fifth aspect of the present invention, in (4), the first and third electrodes have a square shape formed in the first and third quadrants of the xy coordinate, respectively, and And the shape of the fourth electrode is a square formed in the fourth and second quadrants of the xy coordinates, respectively.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図1、図2の実施例を参照して発
明の実施の形態を説明する。図1、図2には図3と対応
する部分に同じ符号を付け、重複説明を省略する。この
発明では、電極基板6には同じ外形を有する第1〜第4
電極6−1〜6−4がz軸の周りに順にほぼ90°間隔
でロ字形薄肉部3cと対向して形成される。その内の互
いに対向する第1電極6−1及び第3電極6−3を駆動
電極として、ダイアフラム3との間に、互いに差動的に
変化する交流電圧(例えば正弦波状電圧)を印加するこ
とにより、質量部4の駆動振動と出力振動(検出振動)
を共に振り子振動としている。互いに対向する第2電極
6−2及び第4電極6−4を検出電極として、ダイアフ
ラム3との間の互いに差動的に変化する静電容量を検出
することにより、z軸方向の入力角速度を検出する(請
求項1)。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2, the same reference numerals are given to portions corresponding to FIG. 3, and redundant description will be omitted. According to the present invention, the first to fourth electrodes having the same outer shape are provided on the electrode substrate 6.
Electrodes 6-1 to 6-4 are formed around the z-axis in order at approximately 90 ° intervals so as to face the rectangular thin portion 3c. Using the first electrode 6-1 and the third electrode 6-3 opposed to each other as drive electrodes, applying alternating voltages (for example, sinusoidal voltages) that change differentially with the diaphragm 3. As a result, the drive vibration and output vibration (detection vibration) of the mass unit 4
Are both pendulum vibrations. By using the second electrode 6-2 and the fourth electrode 6-4 facing each other as detection electrodes and detecting the capacitance that changes differentially with the diaphragm 3, the input angular velocity in the z-axis direction can be reduced. Detect (claim 1).

【0017】図1の例では、y軸及びx軸がそれぞれ駆
動軸及び出力軸とされる。第1電極6−1及び第3電極
6−3は、それぞれy軸の正及び負の方向を中心とし
て、±45°の範囲に、y軸に対して対称に形成され
る。一方、第2電極6−2及び第4電極6−4は、それ
ぞれx軸の正及び負の方向を中心として45°の範囲
に、x軸に対して対称に形成される(請求項2)。
In the example of FIG. 1, the y-axis and the x-axis are the drive shaft and the output shaft, respectively. The first electrode 6-1 and the third electrode 6-3 are formed symmetrically with respect to the y-axis within a range of ± 45 ° around the positive and negative directions of the y-axis, respectively. On the other hand, the second electrode 6-2 and the fourth electrode 6-4 are formed symmetrically with respect to the x-axis within a range of 45 ° around the positive and negative directions of the x-axis, respectively. .

【0018】更に図1の例では、第1電極6−1及び第
3電極6−3の形状が、z軸側に頂角を有し、x軸に平
行な底辺を有する二等辺三角形とされ、一方第2電極6
−2及び第4電極6−4の形状が、z軸側に頂角を有
し、y軸に平行な底辺を有する二等辺三角形とされる
(請求項3)。第1電極6−1及び第3電極6−3とダ
イアフラム3との間にそれぞれ差動的に変化する角周波
数ωdrvの交流電圧を印加する。これにより第1電極
6−1とダイアフラム3間及び第3電極6−3とダイア
フラム3間に、互いに差動的な静電力が作用し、質量部
4がy軸(駆動軸)方向の角速度ωdrvをもつ振り子
振動する。このとき、z軸(入力軸)方向に角速度ω=
dθ/dtの角速度が入力されると、x軸(出力軸)方
向にコリオリ力が発生し、x軸方向の角速度ωoutを
もった振り子振動が出現する。
Further, in the example of FIG. 1, the shape of the first electrode 6-1 and the third electrode 6-3 is an isosceles triangle having an apex angle on the z-axis side and a base parallel to the x-axis. , While the second electrode 6
-2 and the shape of the fourth electrode 6-4 are isosceles triangles having an apex angle on the z-axis side and a base parallel to the y-axis (claim 3). An AC voltage having an angular frequency ωdrv that changes differentially is applied between the first electrode 6-1 and the third electrode 6-3 and the diaphragm 3, respectively. As a result, a differential electrostatic force acts between the first electrode 6-1 and the diaphragm 3 and between the third electrode 6-3 and the diaphragm 3, and the mass part 4 causes the angular velocity ωdrv in the y-axis (drive axis) direction. The pendulum vibrates with. At this time, the angular velocity ω =
When an angular velocity of dθ / dt is input, a Coriolis force is generated in the x-axis (output axis) direction, and a pendulum vibration having an angular velocity ωout in the x-axis direction appears.

【0019】このとき第2電極6−2とダイアフラム3
間及び第4電極6−4とダイアフラム3間の静電容量C
A1,CA2は CA1=C01+C1×Fb(Ωb・t+φ1), CA2=C02−C2×Fb(Ωb・t+φ2) ・・・(3) で表される。FbはCA1,CA2の変化部分の時間関
数(例えば正弦関数)であり、Ωbは角周波数、C1,
C2は変動分の振幅である。φ1,φ2は位相角であ
り、入力角速度の方向により決定される。C01,C0
2は入力角速度が無いときのCA1,CA2の値で、既
知である。振幅C1,C2は(2)式のように入力角速
度の大きさω=dθ/dtに比例するので、CA1,C
A2の変化を検出することにより、入力角速度を検出で
きる。
At this time, the second electrode 6-2 and the diaphragm 3
Between the fourth electrode 6-4 and the diaphragm 3
A1 and CA2 are represented by CA1 = C01 + C1 × Fb (Ωb · t + φ1), CA2 = C02−C2 × Fb (Ωb · t + φ2) (3) Fb is a time function (for example, a sine function) of a change portion of CA1 and CA2, Ωb is an angular frequency, C1,
C2 is the amplitude of the variation. φ1 and φ2 are phase angles, which are determined by the direction of the input angular velocity. C01, C0
2 is the value of CA1 and CA2 when there is no input angular velocity, and is known. Since the amplitudes C1 and C2 are proportional to the magnitude of the input angular velocity ω = dθ / dt as in the equation (2), CA1 and C2
By detecting the change in A2, the input angular velocity can be detected.

【0020】この発明では、質量部4に対する駆動軸
(y軸)方向の駆動振動(ωdrv)及びz軸(入力
軸)方向の入力角速度ω=dθ/dtが加わったときの
質量部4の出力軸(x軸)方向の出力振動(ωout)
はともに振り子振動とされ、xy平面内でこれら2つの
振子振動は互いに対称となる。このことから、駆動軸
(y軸)及び出力軸(x軸)方向の振り子振動の共振周
波数を所望の近接した値(例えば10Hz程度の差)に
設定でき、高感度のセンサの設計が容易に行える。
According to the present invention, the output of the mass unit 4 when the drive vibration (ωdrv) in the drive axis (y-axis) direction and the input angular velocity ω = dθ / dt in the z-axis (input axis) direction are applied to the mass unit 4. Output vibration in the axis (x-axis) direction (ωout)
Are both pendulum vibrations, and these two pendulum vibrations are mutually symmetric in the xy plane. From this, the resonance frequency of the pendulum vibration in the directions of the drive shaft (y-axis) and the output shaft (x-axis) can be set to a desired close value (for example, a difference of about 10 Hz), and the design of a highly sensitive sensor can be easily performed. I can do it.

【0021】なお、前記2つの振り子振動が対称となる
ためには、駆動軸(y軸)を基準にした駆動電極6−
1,6−3の配置及び形状と、出力軸(x軸)を基準と
した出力電極(検出電極)6−2,6−4の配置及び形
状とが全く同じであることが必要である。図2に示すの
はy軸(駆動軸)及びx軸(出力軸)を時計方向にそれ
ぞれ45°回転させたβ軸及びα軸を駆動軸及び出力軸
とし、第1乃至第4電極6−1〜6−4の位置も45°
回転させると共に形状を三角形から方形に変更した場合
であり、駆動電極6−1,6−3及び出力電極6−2,
6−4の駆動軸或いは出力軸に対する配置及び形状は同
じである。この場合も、駆動振動と出力振動とはαβ平
面内で、互いに対称な振り子振動となっている。
In order for the two pendulum vibrations to be symmetrical, the drive electrode 6-6 with respect to the drive axis (y-axis) is required.
It is necessary that the arrangement and shape of 1, 6-3 and the arrangement and shape of output electrodes (detection electrodes) 6-2, 6-4 with reference to the output axis (x-axis) are exactly the same. FIG. 2 shows the β-axis and α-axis obtained by rotating the y-axis (drive axis) and x-axis (output axis) clockwise by 45 °, respectively, as the drive axis and output axis, and the first to fourth electrodes 6-6. The position of 1-6-4 is also 45 °
This is the case where the shape is changed from a triangle to a rectangle while rotating, and the driving electrodes 6-1 and 6-3 and the output electrodes 6-1 and 2-2 are used.
The arrangement and the shape of the drive shaft or output shaft of 6-4 are the same. Also in this case, the driving vibration and the output vibration are pendulum vibrations symmetrical to each other in the αβ plane.

【0022】第1電極6−1及び第3電極6−3はそれ
ぞれ、β軸の正及び負の方向を中心として±45°の範
囲に、β軸に対して対称に形成される。また第2電極6
−2及び第4電極6−4はそれぞれ、α軸の正及び負の
方向を中心として±45°の範囲に、α軸に対して対称
に形成される(請求項4)。更に図2の例では、第1電
極6−1及び第3電極6−3の形状が、xy座標の第1
及び第3象限内にそれぞれ形成された方形とされ、第2
電極6−2及び第4電極6−4の形状は、xy座標の第
4及び第2象限内にそれぞれ形成された方形とされる
(請求項5)。図2の場合も、図1と類似の特性が得ら
れる。
The first electrode 6-1 and the third electrode 6-3 are formed symmetrically with respect to the β axis in a range of ± 45 ° around the positive and negative directions of the β axis. The second electrode 6
-2 and the fourth electrode 6-4 are formed symmetrically with respect to the α-axis within a range of ± 45 ° around the positive and negative directions of the α-axis (claim 4). Further, in the example of FIG. 2, the shapes of the first electrode 6-1 and the third electrode 6-3 correspond to the first
And a square formed in the third quadrant, respectively,
The shape of the electrode 6-2 and the fourth electrode 6-4 is a square formed in the fourth and second quadrants of the xy coordinate, respectively (claim 5). In the case of FIG. 2, characteristics similar to those of FIG. 1 are obtained.

【0023】[0023]

【発明の効果】この発明では、駆動振動と出力振動とを
互いに対称な振り子振動とすることによって、2つの振
動の共振周波数を所望の近接した値に設定することを可
能とし、従来より高感度の角速度センサを、従来のよう
にカットアンドトライを繰返すことなく、少ない時間で
設計することができる。
According to the present invention, the driving vibration and the output vibration are pendulum vibrations that are symmetrical to each other, so that the resonance frequencies of the two vibrations can be set to desired close values. Can be designed in a short time without repeating cut and try as in the related art.

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

【図1】この発明の実施例を示す図で、Aは平面図、B
はAのa−a′断面図。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention, wherein A is a plan view, and B is
2 is a sectional view taken along line aa ′ of FIG.

【図2】この発明の他の実施例を示す図で、Aは平面
図、BはAのa−a′断面図。
FIG. 2 is a view showing another embodiment of the present invention, wherein A is a plan view, and B is a sectional view taken along the line aa ′ of A.

【図3】従来の角速度センサを示す図で、Aは平面図、
BはAのa−a′断面図。
FIG. 3 is a diagram showing a conventional angular velocity sensor, where A is a plan view,
B is a sectional view taken along line aa ′ of A.

【図4】図3のダイアフラム3の平面図。FIG. 4 is a plan view of the diaphragm 3 of FIG. 3;

【図5】図3のX1,X2電極とダイアフラム間の静電
容量CX1,CX2の波形図。
5 is a waveform diagram of capacitances CX1 and CX2 between the X1 and X2 electrodes and the diaphragm in FIG.

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成8年11月6日[Submission date] November 6, 1996

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0007[Correction target item name] 0007

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0007】これらのz軸方向の並進振動と−y軸方向
の振り子振動との合成振動により、X1電極6c及びX
2電極6dとダイアフラム3との間の静電容量CX1及
びCX2は図5に示すように互いに差動的に変化する。
即ち、CX1,CX2は CX1=C01+C1×Fa(ωdrv・t+φ1)+C1´×Fbωdrv ・t, CX2=C02−C2×Fa(ωdrv・t+φ2)+C2´×Fbωdrv ・t …(1) で表される。Fa及びFbはCX1,CX2の変化部分
の時間関数(例えば正弦関数)であり、C1,C2及び
C1´,C2´は変動分の振幅である。φ1,φ2は位
相角であり、入力角速度の方向により決定される。C0
1,C02はz軸方向の並進震動や入力角速度が無いと
きのCX1,CX2の値で、既知である。(1)式の第
2項はコリオリオにより発生する容量変化、第3項は
方向の並進震動による容量変化である。
The combined vibration of the translational vibration in the z-axis direction and the pendulum vibration in the -y-axis direction makes the X1 electrodes 6c and X
The capacitances CX1 and CX2 between the two electrodes 6d and the diaphragm 3 change differentially with each other as shown in FIG.
That is, CX1 and CX2 are represented by CX1 = C01 + C1 × Fa (ωdrv · t + φ1) + C1 ′ × Fbωdrv · t, CX2 = C02−C2 × Fa (ωdrv · t + φ2) + C2 ′ × Fbωdrv · t (1) Fa and Fb are time functions (for example, sine functions) of the changing portions of CX1 and CX2, and C1, C2 and C1 'and C2' are the amplitudes of the fluctuations. φ1 and φ2 are phase angles, which are determined by the direction of the input angular velocity. C0
1 and C02 are known values of CX1 and CX2 when there is no translational vibration or input angular velocity in the z-axis direction. The second term in equation (1) is the capacitance change caused by the coriolio, and the third term is z
This is the change in capacity due to axial translational vibration.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ダイアフラムと、そのダイアフラムの底
面側に弾性支持された質量部と、そのダイアフラム上に
ギャップを介して対向された電極基板とを具備し、 前記ダイアフラムは、(x,y,z)直交座標のxy平
面に平行に配された半導体ウエハの底面に、x軸または
y軸に平行な辺をもつロ字形溝がz軸を中心として形成
され、そのロ字形溝に囲まれた中央部と、ロ字形溝の底
面と対応するロ字形薄肉部と、ロ字形溝の外側の枠部と
を有し、 前記質量部は、前記中央部の底面に固定され、 前記電極基板は、絶縁性基板の内面に、駆動電極及び検
出電極(出力電極)がそれぞれ形成され、 前記駆動電極と前記ダイアフラムとの間に交流電圧を印
加することにより、前記質量部を静電力により振動さ
せ、前記検出電極と前記ダイアフラムとの間の静電容量
を検出することにより、入力角速度を検出するようにし
た静電駆動型角速度センサにおいて、 前記電極基板は、同じ外形を有する第1乃至第4電極が
z軸の周りに順にほぼ90°間隔で前記ロ字形薄肉部と
対向して形成され、 対向する前記第1及び第3電極を前記駆動電極として、
前記ダイアフラムとの間に、それぞれ互いに差動的に変
化する電圧を印加することにより、前記質量部の駆動振
動と出力振動(検出振動)とを共に振り子振動とし、 対向する前記第2及び第4電極を前記検出電極として、
前記ダイアフラムとの間の互いに差動的に変化する静電
容量を検出することにより、z軸方向の入力角速度を検
出することを特徴とする静電駆動型角速度センサ。
1. A diaphragm comprising: a diaphragm; a mass portion elastically supported on the bottom side of the diaphragm; and an electrode substrate opposed to the diaphragm via a gap, wherein the diaphragm comprises (x, y, z A) a rectangular groove having sides parallel to the x-axis or the y-axis is formed around the z-axis on the bottom surface of the semiconductor wafer arranged parallel to the xy plane of the rectangular coordinates, and the center surrounded by the rectangular groove; Part, a bottom part of the square groove corresponding to the bottom of the square groove, and a frame part outside the square groove, the mass part is fixed to the bottom of the central part, the electrode substrate is insulated A drive electrode and a detection electrode (output electrode) are respectively formed on the inner surface of the conductive substrate, and by applying an AC voltage between the drive electrode and the diaphragm, the mass section is vibrated by electrostatic force, and the detection is performed. Electrodes and the diaphragm In the electrostatic drive type angular velocity sensor configured to detect an input angular velocity by detecting a capacitance between the first to fourth electrodes having the same outer shape around the z-axis, The first and third electrodes are formed so as to be opposed to the square-shaped thin portion at approximately 90 ° intervals in order, and the opposed first and third electrodes are used as the drive electrodes.
By applying voltages that change each other differentially between the diaphragm and the diaphragm, both the drive vibration and the output vibration (detection vibration) of the mass unit are set to pendulum vibration, and the opposing second and fourth vibrations are applied. An electrode as the detection electrode,
An electrostatic drive type angular velocity sensor, wherein an input angular velocity in the z-axis direction is detected by detecting a capacitance that changes differentially with the diaphragm.
【請求項2】 請求項1において、前記y軸及びx軸が
それぞれ駆動軸及び出力軸とされ、 前記第1及び第3電極が、それぞれy軸の正及び負の方
向を中心として±45°の範囲に、y軸に対して対称に
形成され、 前記第2及び第4電極がそれぞれ、x軸の正及び負の方
向を中心として±45°の範囲に、x軸に対して対称に
形成されていることを特徴とする静電駆動型角速度セン
サ。
2. The device according to claim 1, wherein the y-axis and the x-axis are a drive shaft and an output shaft, respectively, and the first and third electrodes are ± 45 ° around the positive and negative directions of the y-axis, respectively. And the second and fourth electrodes are formed symmetrically with respect to the x-axis within a range of ± 45 ° around the positive and negative directions of the x-axis, respectively. An electrostatically driven angular velocity sensor characterized in that:
【請求項3】 請求項2において、前記第1及び第3電
極の形状が、z軸側に頂角を有し、x軸に平行な底辺を
有する二等辺三角形であり、 前記第2及び第4電極の形状が、z軸側に頂角を有し、
y軸に平行な底辺を有する二等辺三角形であることを特
徴とする静電駆動型角速度センサ。
3. The second and third electrodes according to claim 2, wherein the shapes of the first and third electrodes are isosceles triangles having a vertex angle on the z-axis side and a base parallel to the x-axis. The shape of the four electrodes has an apex angle on the z-axis side,
An electrostatically driven angular velocity sensor, which is an isosceles triangle having a base parallel to the y-axis.
【請求項4】 請求項1において、前記y軸及びx軸を
それぞれ45°回転させたβ軸及びα軸がそれぞれ駆動
軸及び出力軸とされ、 前記第1及び第3電極がそれぞれ、前記β軸の正及び負
の方向を中心として±45°の範囲に、β軸に対して対
称に形成され、 前記第2及び第4電極がそれぞれ、前記α軸の正及び負
の方向を中心として±45°の範囲に、α軸に対して対
称に形成されていることを特徴とする静電駆動型角速度
センサ。
4. The apparatus according to claim 1, wherein the β-axis and the α-axis obtained by rotating the y-axis and the x-axis by 45 ° are a drive shaft and an output shaft, respectively, and the first and third electrodes are Are formed symmetrically with respect to the β-axis within a range of ± 45 ° around the positive and negative directions of the axis, and the second and fourth electrodes are respectively formed around the positive and negative directions of the α-axis ± An electrostatically driven angular velocity sensor characterized by being formed symmetrically with respect to the α axis in a range of 45 °.
【請求項5】 請求項4において、前記第1及び第3電
極の形状が、xy座標の第1及び第3象限内にそれぞれ
形成された方形であり、 前記第2及び第4電極の形状が、xy座標の第4及び第
2象限内にそれぞれ形成された方形であることを特徴と
する静電駆動型角速度センサ。
5. The shape of the first and third electrodes according to claim 4, wherein the shapes of the first and third electrodes are squares formed in first and third quadrants of xy coordinates, respectively. , And xy coordinates formed in the fourth and second quadrants, respectively.
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