[go: up one dir, main page]

WO2013032003A1 - 角速度センサ - Google Patents

角速度センサ Download PDF

Info

Publication number
WO2013032003A1
WO2013032003A1 PCT/JP2012/072308 JP2012072308W WO2013032003A1 WO 2013032003 A1 WO2013032003 A1 WO 2013032003A1 JP 2012072308 W JP2012072308 W JP 2012072308W WO 2013032003 A1 WO2013032003 A1 WO 2013032003A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
angular velocity
diaphragm
axis
shape
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.)
Ceased
Application number
PCT/JP2012/072308
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
雅英 田村
修 川崎
中野　貴之
翔平 新川
秀和 矢野
徹治 今村
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.)
Hokuriku Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Hokuriku Electric Industry Co 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 Hokuriku Electric Industry Co Ltd filed Critical Hokuriku Electric Industry Co Ltd
Priority to JP2013531450A priority Critical patent/JP5981435B2/ja
Priority to CN201280042188.5A priority patent/CN103765160B/zh
Priority to US14/241,950 priority patent/US9726490B2/en
Publication of WO2013032003A1 publication Critical patent/WO2013032003A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/12—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by alteration of electrical resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/875—Further connection or lead arrangements, e.g. flexible wiring boards, terminal pins
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047—Membrane type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302—Sensors

Definitions

  • the present invention relates to an angular velocity sensor.
  • FIGS. 1A to 1C are a plan view, a cross-sectional view, and a bottom view of a conventional angular velocity sensor disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-160095 (Patent Document 1).
  • a flat diaphragm 101, a weight 103 disposed at the center of the diaphragm 101, a support portion 105 that supports the outer periphery of the diaphragm, and an insulating film 106 are formed on the surface of the diaphragm.
  • a vibration excitation unit including four vibration excitation electrodes 111 is driven. Then, based on the Coriolis force, the displacement in the direction of the displacement axis generated in the weight 103 is detected from the four angular velocity detection electrodes 113 to obtain the angular velocity.
  • this angular velocity sensor when an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system in which the origin O is at the center position of the diaphragm 101 and the surface of the diaphragm 101 is included in the XY plane is defined, one of the X axis and the Z axis is defined.
  • An angular velocity around the Y-axis is detected based on a detection value from an angular velocity detection electrode 113 that constitutes a displacement detector, with the vibration axis and the other as a displacement axis.
  • the weight 103 is vibrated in the Z direction. Further, in order to detect the angular velocity around the Z axis, the weight 103 is vibrated in the X axis direction or the Y axis direction.
  • the weight 103 has a circular cross-sectional shape and the outer peripheral portion of the diaphragm 101 has a circular contour. In such a configuration, even if it is attempted to vibrate the weight 103 in the X-axis direction or the Y-axis direction in order to actually detect the angular velocity around the Z-axis, the weight 103 cannot be vibrated sufficiently. That is, in practice, the weight 103 is vibrated obliquely depending on the shape of the electrode on the surface of the diaphragm 101 and the processing accuracy of the weight 103 and the support portion 105, which makes it difficult to detect the angular velocity around the Z axis with high accuracy. It was. That is, the vibration-type angular velocity sensor described in Patent Document 1 does not sufficiently separate the drive vibration and the detected vibration when detecting the angular velocity around the Z axis, and it is difficult to achieve sufficient angular velocity detection sensitivity accuracy. there were.
  • An object of the present invention is to provide a vibration-type angular velocity sensor that improves the detection sensitivity accuracy that occurs around the Z-axis direction and that does not degrade the detection sensitivity accuracy that occurs around the X-axis and Y-axis directions. There is to do.
  • An angular velocity sensor includes a flat diaphragm, a weight disposed at the center of the diaphragm, a support that supports the outer periphery of the diaphragm, a vibration excitation unit and an angular velocity detection unit that are provided on the diaphragm.
  • the vibration excitation unit induces vibration having a motion component in a predetermined vibration axis direction with respect to the weight.
  • the displacement detector detects a displacement in the direction of the displacement axis that occurs in the weight based on the Coriolis force.
  • the weight has a columnar shape or a conical shape.
  • the outline shape of the outer peripheral part of a diaphragm is made into the shape which has a linear part or a curved part in the four corners of a square.
  • the columnar shape or conical shape that identifies the shape of the weight does not mean only a geometrically perfect cylinder or cone, but the presence of distortion occurring in manufacturing and surface irregularities generated in manufacturing. And the presence of an enlarged diameter portion or the like occurring at the boundary (corner) between the weight and the diaphragm are allowed.
  • the straight line portion and the curved portion included in the contour shape of the outer peripheral portion of the diaphragm are not limited to the geometrically perfect straight line shape and curved shape.
  • the vibration in the X-axis direction and the Y-axis direction necessary for detecting the angular velocity around the Z-axis becomes clear. Further, the vibration in the Z axis direction necessary for detecting the angular velocity around the X axis and the Y axis is not impaired. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an angular velocity sensor that can sufficiently vibrate the weight in the X-axis direction or the Y-axis direction in order to detect the angular velocity around the Z-axis. It is also possible to provide a vibration type angular velocity sensor that improves the accuracy of detection sensitivity that occurs around the Z-axis direction and that does not degrade the accuracy of detection sensitivity that occurs around the X-axis and Y-axis directions.
  • the inventor studied the vibrations in the three axial directions of X, Y, and Z when the contour shape of the outer peripheral portion of the diaphragm was changed when the shape of the weight was specified as a columnar shape or a conical shape. As a result, it has been found that the following relationship holds.
  • the inventor considered the shape of the present invention as the intermediate shape between the case of the above-described circular shape and the case of the quadrangular shape as the contour shape of the outer peripheral portion of the diaphragm, and as a result of various tests, It has been found that the vibration in the X-axis direction and the vibration in the Y-axis direction can be easily distinguished, and the diaphragm displacement during the vibration in the Z-axis direction becomes a concentric circle, resulting in stable driving vibration.
  • the vibration excitation unit and the angular velocity detection unit are each composed of a plurality of electrodes. It is well known that the detection performance varies depending on the shape and arrangement position of the electrodes. Therefore, more preferable electrode shapes and arrangement positions are appropriately determined according to target performance.
  • a specific angular velocity sensor includes a lower electrode formed on the surface of a diaphragm, a piezoelectric film formed on the lower electrode, and four vibration excitation electrodes formed on the piezoelectric film and constituting a vibration excitation unit. And four angular velocity detection electrodes that are formed on the piezoelectric film and constitute the displacement detection unit so as to be positioned inside the four vibration excitation electrodes.
  • a first virtual diagonal passing through the centers of the two opposite corners of the diaphragm and a second virtual diagonal passing through the centers of the two opposite corners of the diaphragm is made symmetrical with respect to the first virtual line or the second virtual line.
  • the four vibration excitation electrodes are respectively formed in four regions partitioned by the first and second virtual lines, or partitioned by the first virtual diagonal line and the second virtual diagonal line. Each is formed in four regions.
  • the four angular velocity detection electrodes are respectively formed in four regions partitioned by the first and second imaginary lines, or four regions partitioned by the first imaginary diagonal line and the second imaginary diagonal line. Form inside. In this way, it is possible to reliably obtain signals from the four angular velocity detection electrodes that can distinguish the vibration in the X-axis direction and the vibration in the Y-axis direction.
  • One vibration excitation electrode is formed in each of the four regions partitioned by the first and second imaginary lines, and the four angular velocity detection electrodes are also divided by the first and second imaginary lines. Each is formed in a region. In this case, it is preferable to form the first virtual diagonal line and the second virtual diagonal line so as to coincide with the X axis axis and the Y axis axis, respectively.
  • the four vibration excitation electrodes can be formed in four regions partitioned by the first virtual diagonal and the second virtual diagonal, respectively.
  • the four angular velocity detection electrodes are respectively formed in four regions partitioned by the first virtual diagonal line and the second virtual diagonal line.
  • the first virtual line and the second virtual line are made to coincide with the X-axis axis and the Y-axis axis, respectively.
  • the length dimension along the first imaginary line of the diaphragm outline is R1
  • the length dimension along the second imaginary line of the diaphragm outline is R2
  • the first imaginary diagonal and second R1: R2: R3 (value in the range of 0.95 ⁇ 0.02): 1: (value in the range of 0.85 ⁇ 0.02) where R3 is the length dimension along the virtual diagonal of If the relationship is satisfied, both the main axis sensitivity and the other axis sensitivity can be balanced.
  • the four vibration excitation electrodes and the four angular velocity detection electrodes are preferably formed so as not to straddle the boundary between the diaphragm and the weight and the boundary between the diaphragm and the support portion. In this way, vibration can be generated efficiently, and vibration in the X-axis direction and vibration in the Y-axis direction can be increased.
  • the four vibration excitation electrodes and the four angular velocity detection electrodes are arranged so as to be line-symmetric with respect to the first imaginary line and the second imaginary line. In this way, it is possible to obtain a signal that can further clarify the distinction between vibration in the X-axis direction and vibration in the Y-axis direction.
  • the shape of the electrode, the contour shape of the four vibration excitation electrodes is as follows: an outer side located on the radially outer side of the weight, an inner side opposed to the outer side in the radial direction, an outer side and an inner side It is preferable that the shape of the outer side is similar to the shape of a part of the outer peripheral portion of the diaphragm. By doing so, vibration can be generated efficiently.
  • the shape of the inner side of the contour shape of the vibration excitation electrode is similar to the shape of the outer side. In this way, vibration can be generated most efficiently.
  • the outline shape of the four angular velocity detection electrodes is a pair of connecting sides connecting the outer side located on the radially outer side of the weight, the inner side facing the outer side in the radial direction, and the outer side and the inner side. It is preferable that each of the outer side and the inner side has a concentric arc shape.
  • a signal capable of classifying the vibration in the X-axis direction and the vibration in the Y-axis direction can be enlarged as much as possible and obtained from the four angular velocity detecting electrodes.
  • connection part between the edge and the corner of the outline of the diaphragm is curved. In this way, the mechanical strength of the diaphragm can be increased. Further, it is preferable that the corners of the contour shapes of the four vibration excitation electrodes are curved, respectively. In this way, the electrode can be prevented from peeling off.
  • FIG. (A)-(C) are the top view, sectional drawing, and bottom view of the conventional angular velocity sensor.
  • FIG. (A) And (B) is the top view and bottom view of an example of embodiment of the angular velocity sensor of this invention.
  • the angular velocity sensor of the embodiment shows a part of the output in a predetermined frequency range obtained from the four angular velocity detection electrodes obtained when the vibration excitation electrode is driven to vibrate the weight in the X-axis direction.
  • FIG. (A) And (B) is a figure used in order to demonstrate the bottoming part (unetched part) formed by dry-etching a semiconductor substrate.
  • the top view of other embodiment of this invention is shown.
  • FIG. (A) And (B) is the top view and rear view of the angular velocity sensor of the 3rd Embodiment of this invention.
  • (A) to (D) are diagrams showing examples of different electrode shapes and electrode arrangements. It is a figure which shows the diaphragm from which an outline shape differs.
  • FIGS. 2A and 2B are a plan view and a bottom view of an example of an embodiment of the angular velocity sensor of the present invention.
  • the cross-sectional structure is the same as that of the conventional angular velocity sensor shown in FIG. In FIG. 2A, the wiring pattern is not shown.
  • a flat diaphragm 1, a weight 3 disposed at the center of the back surface of the diaphragm 1, a support portion 5 that supports the outer periphery of the diaphragm 1, and a surface of the diaphragm 1 are illustrated.
  • a lower electrode (not shown) formed through a non-insulating film, a piezoelectric thin film 9 formed on the lower electrode, four vibration excitation electrodes 11 and four angular velocity detection electrodes formed on the piezoelectric thin film 9 And an electrode 13.
  • the diaphragm 1, the weight 3, and the support 5 have a mask having a shape corresponding to the end face of the weight 3 and the end face of the support 5 on one surface of the semiconductor substrate having a crystal orientation (100). These are integrally formed by dry etching from the mask side.
  • the four vibration excitation electrodes 11 constitute a vibration excitation unit that induces vibration having a motion component in the direction of a predetermined vibration axis with respect to the weight.
  • the angular velocity detection electrode 13 constitutes a displacement detector that detects a displacement in the direction of the displacement axis generated in the weight 3 based on the Coriolis force.
  • the weight 3 has a columnar shape or a conical shape.
  • the outline shape of the outer peripheral part of a diaphragm is a shape which has the linear part ST in the four corners of a quadrangle (substantially square in this Embodiment).
  • a small rounded portion is formed at the intersection of each square side S1 to S4 and the straight line portion ST.
  • the four vibration excitation electrodes 11 are formed in four regions partitioned by the first and second virtual lines L1 and L2, respectively.
  • the four angular velocity detection electrodes 13 are respectively formed in four regions partitioned by the first virtual diagonal line CL1 and the second virtual diagonal line CL2.
  • the outline shapes of the four vibration excitation electrodes 11 are as follows: an outer side 12A located on the radially outer side of the weight 3, an inner side 12B opposed to the outer side 12A in the radial direction, an outer side 12A, and an inner side 12B. It comprises a pair of connecting sides 12C and 12D that connect the two.
  • the shape of the outer side 12 ⁇ / b> A is similar to the shape of a part of the outer peripheral part of the diaphragm 1 (a part extending between a part of two adjacent sides and a straight part).
  • the shape of the inner side 12B of the contour shape of the vibration excitation electrode 11 is also similar to the shape of the outer side. If the four vibration excitation electrodes 11 have such a shape, vibration can be generated efficiently.
  • the contour shapes of the four angular velocity detection electrodes 13 are as follows: an outer side 14A located on the radially outer side of the weight 3, an inner side 14B that faces the outer side 14A in the radial direction, an outer side 14A, and an inner side 14B. It comprises a pair of connecting sides 14C and 14D that connect the two.
  • the outer side 14A and the inner side 14B each have a concentric arc shape.
  • the four vibration excitation electrodes 11 and the four angular velocity detection electrodes 13 are formed so as not to straddle the boundary between the diaphragm 1 and the weight 3 and the boundary between the diaphragm 1 and the support portion 5. ing. If the four vibration excitation electrodes 11 and the four angular velocity detection electrodes 13 are formed in this way, the amplitude of the output signal from the four angular velocity detection electrodes 13 can be made larger.
  • a vibration excitation unit including four vibration excitation electrodes 11 is driven. Based on the Coriolis force, the displacement in the direction of the displacement axis generated in the weight 3 is detected from the four angular velocity detection electrodes 13 to obtain the angular velocity.
  • one of the X axis and the Z axis is a vibration axis, and the other is a displacement axis, and the angular velocity around the Y axis is detected based on the detection value from the angular velocity detection electrode 13 constituting the displacement detector. .
  • the weight 3 is vibrated in the Z direction.
  • the vibrations in the X-axis direction and the Y-axis direction necessary for detecting the angular velocity around the Z-axis become clear. Further, the vibration in the Z axis direction necessary for detecting the angular velocity around the X axis and the Y axis is not impaired. Therefore, according to the present embodiment, an angular velocity sensor that can detect the Coriolis force and can sufficiently vibrate the weight in the X-axis direction or the Y-axis direction to detect the angular velocity around the Z-axis is obtained. be able to.
  • the weight 3 is vibrated in the X axis direction or the Y axis direction.
  • FIG. 3 shows an angular velocity sensor according to the present embodiment obtained from four angular velocity detection electrodes 13 obtained when the vibration excitation electrode 11 is driven so as to vibrate the weight 3 in the X-axis direction at 24.2 kHz. A part of the output in a predetermined frequency range is shown. Note that X1, X2, Y1, and Y2 in the figure are the same as the symbols X1, X2, Y1, and Y2 assigned to distinguish the electrodes in FIG. It can be seen from FIG. 3 that an output that can clearly distinguish the vibrations in the X-axis direction and the Y-axis direction can be obtained.
  • the semiconductor substrate having a crystal orientation of (100) is dry-etched to integrally form the diaphragm 1
  • the weight 3 and the support portion 5, the support portion 5 and the diaphragm 1 are formed.
  • a slight skirt portion (unetched portion) 4A to 4C remains at the boundary portion between the weight 3 and the diaphragm 1.
  • the skirt (unetched portion) formed between the weight 3 and the diaphragm 1 has directionality.
  • the longest length of the skirt (unetched portion) 4A along the first and second virtual lines L1 and L2 is the first and second virtual diagonal lines CL1 and CL2. It turned out that it becomes longer than the longest length of the tailing part (unetched part) 4B which follows.
  • the presence of the long skirt portion (unetched portion) 4B has a considerable influence on the vibration characteristics.
  • FIG. 5 shows a plan view of a second embodiment of the present invention for dealing with such a situation.
  • four vibration excitation electrodes 11 ′ are respectively formed in four regions partitioned by the first and second virtual lines L 1 and L 2
  • the four angular velocity detection electrodes 13 ′ are also They are formed in four regions partitioned by the first and second virtual lines L1 and L2, respectively.
  • the first virtual diagonal line CL1 and the second virtual diagonal line CL2 coincide with the axis line of the Y axis and the axis line of the X axis, respectively.
  • the influence of the presence of the skirt (unetched portion) is affected. Reduced.
  • FIG. 6 shows four angular velocity detection electrodes obtained when the vibration excitation electrode 11 ′ is driven so that the weight 3 is vibrated at 24.0 kHz in the X-axis direction in the angular velocity sensor of the embodiment of FIG. A part of the output in a predetermined frequency range obtained from 13 'is shown.
  • X1, X2, Y1, and Y2 in the figure are the same as the symbols X1, X2, Y1, and Y2 assigned to distinguish the electrodes in FIG.
  • the difference between the output in the X-axis direction (X1, X2) and the output in the Y-axis direction (Y1, Y2) is greater in the case of the present embodiment.
  • the configuration of the embodiment of FIG. 5 makes the distinction between the vibration in the X-axis direction and the vibration in the Y-axis direction. It is needless to say that different electrode arrangements with different electrode shapes from the present embodiment can be adopted depending on the characteristics of the diaphragm material to be used.
  • FIGS. 7A and 7B are a plan view and a rear view of the angular velocity sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • four vibration excitation electrodes 11 ′′ are formed in four regions partitioned by the first virtual diagonal line CL 1 and the second virtual diagonal line CL 2, respectively, and the four angular velocity detection electrodes 13. ′′ Is also formed in each of four regions partitioned by the first virtual diagonal line CL1 and the second virtual diagonal line CL2.
  • the first imaginary line L1 and the second imaginary line L2 coincide with the X-axis axis and the Y-axis axis, respectively.
  • the length dimension along the first imaginary line of the diaphragm outline is R1
  • the length dimension along the second imaginary line of the diaphragm outline is R2
  • the first imaginary diagonal and second R1: R2: R3 (value in the range of 0.95 ⁇ 0.02): 1: (value in the range of 0.85 ⁇ 0.02) where R3 is the length dimension along the virtual diagonal of
  • the four vibration excitation electrodes 11 ′′ include an outer side 12 ′′ A located on the radially outer side of the weight 3 ′′, and an inner side 12 opposed to the outer side 12 ′′ A in the radial direction.
  • the shape of the outer side 12 ′′ A is the shape of the outer periphery of the diaphragm 1 ′′. It is similar to the shape of a part (a part of two adjacent sides SL ′′ and a portion extending over the straight line portion S1 ′′) and the shape of the inner side 12 ′′ B of the contour shape of the vibration excitation electrode 11 ′′. Has an arc shape. When the four vibration excitation electrodes 11 ′′ have such a shape, vibration can be generated most efficiently.
  • the contour shape of the four angular velocity detecting electrodes 13 ′′ is such that the outer side 14 ′′ A located on the outer side in the radial direction of the weight 3, the outer side 14 ′′ A and the inner side 14 ′′ B facing the outer side in the radial direction, It consists of a pair of connecting sides 14 "C and 14" D connecting the side 14 "A and the inner side 14" B.
  • the outer side 14 ′′ A and the inner side 14 ′′ B each have a concentric arc shape.
  • the four vibration excitation electrodes 11 ′′ and the four angular velocity detection electrodes 13 ′′ are determined in this way, a signal capable of classifying the vibration in the X-axis direction and the vibration in the Y-axis direction is output from the four angular velocity detection electrodes 13 ′′.
  • the corners of the four vibration excitation electrodes 11 ′′ and the four angular velocity detection electrodes 13 ′′ are curved. Therefore, it is possible to effectively prevent the electrode from peeling off.
  • the connecting portion between the edge and the corner of the outline of the diaphragm 1 ′′ [the part indicated by r in FIG. ] Is curved, the mechanical strength of the diaphragm 1 ′′ is high.
  • FIG. 8A In the example of FIG. 8A, four vibration excitation electrodes 11 ′ are formed in four regions partitioned by a first virtual diagonal line CL1 and a second virtual diagonal line CL2. The four angular velocity detection electrodes 13 are respectively formed in four regions partitioned by the first and second virtual lines L1 and L2.
  • 8B has the same electrode arrangement as the example of FIG. 8A, but the inner side 12′B of the vibration excitation electrode 11 ′ has an arc shape.
  • the inner side 12′B of the vibration excitation electrode 11 ′ has an arc shape as in the example of FIG. 8B, and the electrode arrangement is the example of FIG. Is the same.
  • FIG. 8D As in the example of FIG. 8B, the inner side 12′B of the vibration excitation electrode 11 ′ has an arc shape, and the electrode arrangement is the same as in the example of FIG. It has become.
  • FIG. 9 shows the outline shape of the outer peripheral part of a diaphragm
  • the shape may have a curved portion C at the four corners of the square. Even if it does in this way, the effect similar to the case where the outline shape of the outer peripheral part of a diaphragm is made into the shape which has a linear part in the four corners of a square can be acquired.
  • the vibration in the X-axis direction and the Y-axis direction necessary for detecting the angular velocity around the Z-axis becomes clear. Further, the vibration in the Z-axis direction necessary for detecting the angular velocity around the X axis and the Y axis is not impaired. Therefore, according to the present invention, there is provided an angular velocity sensor that improves the detection sensitivity accuracy that occurs around the Z-axis direction and that does not degrade the detection sensitivity accuracy that occurs around the X-axis and Y-axis directions. Can do.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

　Ｚ軸方向の軸周りに発生する検出感度精度を向上させ、尚且つＸ軸方向・Ｙ軸方向の軸周りに発生する検出感度精度を劣化させない振動型の角速度センサを提供する。重錘３は、円柱状または円錐状を有する。ダイアフラム１の外周部の輪郭形状は、四角形の四隅に直線部ＳＴを有する形状を有する。４つの振動励起用電極１１を、第１及び第２の仮想線Ｌ１及びＬ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成する。４つの角速度検出用電極１３を、第１の仮想対角線ＣＬ１と第２の仮想対角線ＣＬ２によって仕切られた４つの領域にそれぞれ形成する。

Description

角速度センサ
　本発明は、角速度センサに関するものである。
　図１（Ａ）～（Ｃ）は、特開２０１０－１６００９５号公報（特許文献１）に示されている従来の角速度センサの平面図、断面図及び底面図である。この角速度センサでは、平板状のダイアフラム１０１と、ダイアフラム１０１の中央部に配置された重錘１０３と、ダイアフラムの外周部を支持する支持部１０５と、ダイアフラムの表面に絶縁膜１０６を介して形成された下部電極１０７と、下部電極の上に形成された圧電薄膜１０９と、圧電薄膜の上に形成された４つの振動励起用電極１１１及び４つの角速度検出用電極１１３とを備えている。重錘１０３に対して、所定の振動軸の方向の運動成分をもった振動を誘起するためには、４つの振動励起用電極１１１からなる振動励起部を駆動する。そしてコリオリ力に基づいて重錘１０３に生じる変位軸の方向の変位を４つの角速度検出用電極１１３から検出して、角速度を求める。この角速度センサでは、ダイアフラム１０１の中心位置に原点Ｏをもち、ダイアフラム１０１の表面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、Ｘ軸及びＺ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出部を構成する角速度検出用電極１１３からの検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する。またＸ軸周り及びＹ軸周りの角速度を検出するためには、重錘１０３をＺ方向に振動させることになる。また、Ｚ軸周りの角速度を検出するためには、重錘１０３をＸ軸方向またはＹ軸方向に振動させることになる。
特開２０１０－１６００９５号公報
　しかしながら従来の角速度センサでは、重錘１０３の断面形状が円形でダイアフラム部１０１の外周部の輪郭形状もそれぞれ円形になっている。このような構成では、実際にＺ軸周りの角速度を検出するためにＸ軸方向またはＹ軸方向に重錘１０３を振動させようとしても、重錘１０３を十分に振動させることができない。すなわち実際には、ダイアフラム１０１表面の電極の形状、重錘１０３及び支持部１０５の加工精度によって、重錘１０３が斜めに振動してしまい、高精度なＺ軸周りの角速度検出が難しい問題があった。すなわち特許文献１に記載の振動型の角速度センサでは、Ｚ軸周りの角速度検出時の駆動振動と検出振動の分離が充分に行えておらず、充分な角速度検出感度精度を実現することが困難であった。
　本発明の目的は、Ｚ軸方向の軸周りに発生する検出感度精度を向上させ、尚且つＸ軸方向・Ｙ軸方向の軸周りに発生する検出感度精度を劣化させない振動型の角速度センサを提供することにある。
　本発明の角速度センサは、平板状のダイアフラムと、ダイアフラムの中央部に配置された重錘と、ダイアフラムの外周部を支持する支持部と、ダイアフラムに設けられた振動励起部と角速度検出部とを備えている。振動励起部は、重錘に対して、所定の振動軸の方向の運動成分をもった振動を誘起する。変位検出部は、コリオリ力に基づいて重錘に生じる変位軸の方向の変位を検出する。そしてダイアフラムの中心位置に原点Ｏをもち、ダイアフラムの表面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、Ｘ軸及びＺ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出部からの検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する。
　特に、本発明では、重錘が円柱状または円錐状を有している。そしてダイアフラムの外周部の輪郭形状を、正方形の四隅に直線部または湾曲部を有する形状とする。ここで重錘の形状を特定する円柱状または円錐状とは、幾何学的に完全な円柱または円錐だけを意味するものではなく、製造上発生する歪みの存在や、製造上発生する表面の凹凸の存在、重錘とダイアフラムとの境界部（隅部）に生じる拡径部分等の存在は許容されるものである。またダイアフラムの外周部の輪郭形状に含まれる直線部及び湾曲部も、幾何学的に完全な直線形状及び湾曲形状に限定されるものではない。
　本発明によれば、Ｚ軸周りの角速度検出に必要なＸ軸方向及びＹ軸方向の振動が明確になる。またＸ軸回り及びＹ軸回りの角速度検出に必要なＺ軸向の振動も損なわれない。したがって本発明によれば、Ｚ軸周りの角速度を検出するためにＸ軸方向またはＹ軸方向に重錘を十分に振動させることができる角速度センサを提供することができる。またＺ軸方向の軸周りに発生する検出感度精度を向上させ、尚且つＸ軸方向・Ｙ軸方向の軸周りに発生する検出感度精度を劣化させない振動型の角速度センサを提供することができる。
　発明者は、重錘の形状を円柱状または円錐状に特定した場合において、ダイアフラムの外周部の輪郭形状を変えた場合におけるＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の振動を研究した。その結果、以下の関係が成り立つことを見出した。
　・ダイアフラムの外周部の輪郭形状が円形の場合：Ｚ軸方向の振動は良好だが、Ｘ軸方向の振動とＹ軸方向の振動の分離が難しい。
　・ダイアフラムの外周部の輪郭形状が四角形の場合：Ｘ軸方向の振動とＹ軸方向の振動を分離し易いがＺ軸方向の振動に歪が生じやすい。
　そこで発明者は、ダイアフラムの外周部の輪郭形状について、上述の円形の場合と四角形の場合の中間形状として本発明の形状を考えて、種々の試験をした結果、本発明の中間形状であれば、Ｘ軸方向の振動とＹ軸方向の振動の区分がし易く、尚且つＺ軸方向の振動時のダイアフラムの変位が同心円形状になって、安定した駆動振動となることを見出した。
　上記振動励起部と角速度検出部は、それぞれ複数の電極によって構成されることになる。電極の形状や配置位置によって、検出性能に差が出ることはよく知られている。そのためより好ましい電極の形状や配置位置については、目標とする性能に応じて適宜に定めることになる。具体的な角速度センサは、ダイアフラムの表面に形成された下部電極と、下部電極の上に形成された圧電膜と、圧電膜の上に形成されて振動励起部を構成する４つの振動励起用電極と、４つの振動励起用電極の内側に位置するように、圧電膜の上に形成されて変位検出部を構成する４つの角速度検出用電極とを備えている。この場合において、ダイアフラムの対向する２辺と直交し且つ該２辺を二分する第１の仮想線と、ダイアフラムの対向する残りの２辺と直交し且つ該辺２を二分する第２の仮想線と、ダイアフラムの対向する２つの隅部の中心を通る第１の仮想対角線と、ダイアフラムの対向する残りの２つの隅部の中心を通る第２の仮想対角線とを仮定する。そしてダイアフラムの外周部の輪郭形状を、第１の仮想線または第２の仮想線に対して線対称となる形状とする。この場合、４つの振動励起用電極には、第１及び第２の仮想線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成するか、または第１の仮想対角線と第２の仮想対角線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成する。そして４つの角速度検出用電極は、第１及び第２の仮想線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成するか、または第１の仮想対角線と第２の仮想対角線によって仕切られた４つの領域内形成する。このようにするとＸ軸方向の振動とＹ軸方向の振動の区分ができる信号を４つの角速度検出用電極から確実に得ることができる。
　なおダイアフラム、重錘及び支持部を、半導体基板にエッチングを施して一体に形成させる場合において、Ｘ軸方向の振動とＹ軸方向の振動の区分をさらに明確にできる信号を得るためには、４つの振動励起用電極を、第１及び第２の仮想線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成し、４つの角速度検出用電極も、第１及び第２の仮想線によって仕切られた４つの領域にそれぞれ形成する。この場合、第１の仮想対角線及び第２の仮想対角線がＸ軸の軸線及びＹ軸の軸線とそれぞれ一致するように形成するのが好ましい。
　見方を変えた具体的な構造では、４つの振動励起用電極を、第１の仮想対角線と第２の仮想対角線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成することができる。そして４つの角速度検出用電極は、第１の仮想対角線と第２の仮想対角線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成する。この場合には、第１の仮想線及び第２の仮想線がＸ軸の軸線及びＹ軸の軸線とそれぞれ一致させる。このような配置では、ダイアフラムの輪郭の第１の仮想線に添う長さ寸法をＲ１とし、ダイアフラムの輪郭の第２の仮想線に添う長さ寸法をＲ２とし、第１の仮想対角線及び第２の仮想対角線に添う長さ寸法をＲ３とした場合に、Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３＝（０．９５±０．０２の範囲の値）：１：（０．８５±０．０２の範囲の値）の関係を満たすようにすると、主軸感度及び他軸感度を共にバランスさせることができる。
　４つの振動励起用電極及び４つの角速度検出用電極は、ダイアフラムと重錘との境界及びダイアフラムと支持部との境界に跨がらないように形成されていのが好ましい。このようにすると効率良く振動を生じさせることができて、しかもＸ軸方向の振動とＹ軸方向の振動を増大させることができる。
　４つの振動励起用電極及び４つの角速度検出用電極は、第１の仮想線及び第２の仮想線に対して線対称形状となるように配置されているのが好ましい。このようにするとＸ軸方向の振動とＹ軸方向の振動の区分をさらに明確にできる信号を得ることができる。
　電極の形状であるが、４つの振動励起用電極の輪郭形状は、重錘の径方向外側に位置する外辺と、この外辺と径方向に対向する内辺と、外辺と内辺とを連結する一対の連結辺とからなる場合、外辺の形状がダイアフラムの外周部の一部の形状と相似形になっているのが好ましい。このようにすることにより効率良く振動を生じさせることができる。
　この場合、振動励起用電極の輪郭形状の内辺の形状を外辺の形状の相似形とするのが好ましい。このようにすると最も効率良く振動を生じさせることができる。
　また４つの角速度検出用電極の輪郭形状は、重錘の径方向外側に位置する外辺と、外辺と径方向に対向する内辺と、外辺と内辺とを連結する一対の連結辺とからなる場合、外辺及び内辺はそれぞれ同心の円弧形状を有しているのが好ましい。このような角速度検出用電極を用いると、Ｘ軸方向の振動とＹ軸方向の振動の区分ができる信号を可能な範囲で大きくして４つの角速度検出用電極から得ることができる。
　なおダイアフラムの輪郭の辺と隅部との連結部は湾曲しているのが好ましい。このようにするとダイアフラムの機械的強度を高めることができる。また４つの振動励起用電極の輪郭形状４つの角速度検出用電極の輪郭形状の角部はそれぞれ湾曲しているのが好ましい。このようにすると電極が剥がれることを防止することができる。
（Ａ）～（Ｃ）は、従来の角速度センサの平面図、断面図及び底面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の角速度センサの実施の形態の一例の平面図及び底面図である。 実施の形態の角速度センサを、重錘をＸ軸方向に振動させるように振動励起用電極を駆動したときに得られる４つの角速度検出用電極から得られる所定の周波数範囲における出力の一部を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、半導体基板をドライエッチングして形成される裾引き部（未エッチング部）を説明するために用いる図である。 本発明の他の実施の形態の平面図を示している。 図５の実施の形態の角速度センサを、重錘をＸ軸方向に振動させるように振動励起用電極を駆動したときに得られる４つの角速度検出用電極から得られる所定の周波数範囲における出力の一部を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第３の実施の形態の角速度センサの平面図及び背面図である。 （Ａ）～（Ｄ）は、異なる電極形状と電極配置の例を示す図である。 輪郭形状が異なるダイアフラムを示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の角速度センサの実施の形態の一例の平面図及び底面図である。なお断面構造は、図１（Ｂ）の従来の角速度センサと同じであるため省略する。また図２（Ａ）には、配線パターンは図示していない。本実施の形態の角速度センサでは、平板状のダイアフラム１と、ダイアフラム１の裏面中央部に配置された重錘３と、ダイアフラム１の外周部を支持する支持部５と、ダイアフラム１の表面に図示しない絶縁膜を介して形成された図示しない下部電極と、下部電極の上に形成された圧電薄膜９と、圧電薄膜の上９に形成された４つの振動励起用電極１１及び４つの角速度検出用電極１３とを備えている。ダイアフラム１と、重錘３と支持部５とは、結晶方位が（１００）の半導体基板の一方の面上に重錘３の端面と支持部５の端面に対応する形状を有するマスクを配置し、このマスク側からドライエッチングを施すことにより、一体に形成されている。本実施の形態では、４つの振動励起用電極１１により、重錘に対して、所定の振動軸の方向の運動成分をもった振動を誘起する振動励起部が構成されている。また角速度検出用電極１３により、コリオリ力に基づいて重錘３に生じる変位軸の方向の変位を検出する変位検出部が構成されている。
　重錘３は、円柱状または円錐状を有している。そしてダイアフラムの外周部の輪郭形状は、四角形（本実施の形態では略正方形）の四隅に直線部ＳＴを有する形状になっている。本実施の形態では、正方形の各辺Ｓ１～Ｓ４と直線部ＳＴとの交点部には、小さいアール部が形成されている。
　本実施の形態では、ダイアフラム１の中心位置に原点Ｏをもち、ダイアフラム１の表面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、図２（Ａ）に示すようにＸ軸とＹ軸とを定義している。ダイアフラム１の対向する２辺Ｓ１及びＳ３と直交し且つ該２辺Ｓ１及びＳ３を二分する第１の仮想線Ｌ１と、ダイアフラム１の対向する残りの２辺Ｓ２及びＳ４と直交し且つ該２辺を二分する第２の仮想線Ｌ２と、ダイアフラム１の対向する２つの隅部Ｃ１及びＣ３の中心を通る第１の仮想対角線ＣＬ２と、ダイアフラム１の対向する残りの２つの隅部Ｃ２及びＣ４の中心を通る第２の仮想対角線ＣＬ２とを仮定する。そしてダイアフラム１の外周部の輪郭形状を、第１の仮想線Ｌ１または第２の仮想線Ｌ２に対して線対称となる形状とする。本実施の形態では、４つの振動励起用電極１１を、第１及び第２の仮想線Ｌ１及びＬ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成している。そして４つの角速度検出用電極１３は、第１の仮想対角線ＣＬ１と第２の仮想対角線ＣＬ２によって仕切られた４つの領域にそれぞれ形成されている。
　４つの振動励起用電極１１の輪郭形状は、重錘３の径方向外側に位置する外辺１２Ａと、この外辺１２Ａと径方向に対向する内辺１２Ｂと、外辺１２Ａと内辺１２Ｂとを連結する一対の連結辺１２Ｃ及び１２Ｄとからなる。外辺１２Ａの形状は、ダイアフラム１の外周部の一部（隣合う２つの辺の一部と直線部に亘る部分）の形状と相似形になっている。また振動励起用電極１１の輪郭形状の内辺１２Ｂの形状も外辺の形状の相似形となっている。４つの振動励起用電極１１をこのような形状にすると効率良く振動を生じさせることができる。
　また４つの角速度検出用電極１３の輪郭形状は、重錘３の径方向外側に位置する外辺１４Ａと、外辺１４Ａと径方向に対向する内辺１４Ｂと、外辺１４Ａと内辺１４Ｂとを連結する一対の連結辺１４Ｃ及び１４Ｄとからなる。本実施の形態では、外辺１４Ａ及び内辺１４Ｂはそれぞれ同心の円弧形状を有している。４つの振動励起用電極１１と４つの角速度検出用電極１３をこのように定めると、Ｘ軸方向の振動とＹ軸方向の振動の区分ができる信号を４つの角速度検出用電極１３から確実に得ることができる。
　本実施の形態では、４つの振動励起用電極１１及び４つの角速度検出用電極１３は、ダイアフラム１と重錘３との境界及びダイアフラム１と支持部５との境界に跨がらないように形成されている。このように４つの振動励起用電極１１及び４つの角速度検出用電極１３を形成すると、４つの角速度検出用電極１３からの出力信号の振幅をより大きなものとすることができる。
　重錘３に対して、所定の振動軸の方向の運動成分をもった振動を誘起するためには、４つの振動励起用電極１１からなる振動励起部を駆動する。そしてコリオリ力に基づいて重錘３に生じる変位軸の方向の変位を４つの角速度検出用電極１３から検出して、角速度を求める。この角速度センサでは、Ｘ軸及びＺ軸のうちの一方を振動軸、他方を変位軸とし、変位検出部を構成する角速度検出用電極１３からの検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する。またＸ軸周り及びＹ軸周りの角速度を検出するためには、重錘３をＺ方向に振動させることになる。本実施の形態によれば、Ｚ軸周りの角速度検出に必要なＸ軸方向及びＹ軸方向の振動が明確になる。またＸ軸回り及びＹ軸回りの角速度検出に必要なＺ軸向の振動も損なわれない。したがって本実施の形態によれば、コリオリ力の検出ができて、しかもＺ軸周りの角速度を検出するためにＸ軸方向またはＹ軸方向に重錘を十分に振動させることができる角速度センサを得ることができる。また、Ｚ軸周りの角速度を検出するためには、重錘３をＸ軸方向またはＹ軸方向に振動させることになる。
　図３は、本実施の形態の角速度センサを、重錘３をＸ軸方向に２４．２kHzで振動させるように振動励起用電極１１を駆動したときに得られる４つの角速度検出用電極１３から得られる所定の周波数範囲における出力の一部を示している。なお図中のＸ１，Ｘ２，Ｙ１及びＹ２は、図２（Ａ）中の電極を区別すために付した符号Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１及びＹ２と同じである。図３から、Ｘ軸方向とＹ軸方向の振動が明確に区別できる出力が得られることが判る。
　図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、結晶方位が（１００）の半導体基板をドライエッチングしてダイアフラム１、重錘３及び支持部５を一体に形成すると、支持部５とダイアフラム１との境界部及び重錘３とダイアフラム１の境界部には、僅かな裾引き部（未エッチング部）４Ａ～４Ｃが残る。特に、重錘３とダイアフラム１との間に形成される裾引き部（未エッチング部）は、方向性を持っている。図４（Ａ）に示すように、第１及び第２の仮想線Ｌ１及びＬ２に沿う裾引き部（未エッチング部）４Ａの最長長さは、第１及び第２の仮想対角線ＣＬ１及びＣＬ２に沿う裾引き部（未エッチング部）４Ｂの最長長さよりも長くなることが判った。長い裾引き部（未エッチング部）４Ｂの存在は、振動特性に少なからず影響を与える。
　図５は、このような状況に対処するための本発明の第２の実施の形態の平面図を示している。本実施の形態では、４つの振動励起用電極１１´を、第１及び第２の仮想線Ｌ１及びＬ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成し、４つの角速度検出用電極１３´も、第１及び第２の仮想線Ｌ１及びＬ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成する。この場合、第１の仮想対角線ＣＬ１及び第２の仮想対角線ＣＬ２がＹ軸の軸線及びＸ軸の軸線とそれぞれ一致する。本実施の形態では、長さが短い裾引き部（未エッチング部）４Ｂが形成される方向にＸ軸及びＹ軸の座標を取ることにより、裾引き部（未エッチング部）の存在の影響を低減している。
　図６は、図５の実施の形態の角速度センサを、重錘３をＸ軸方向に２４．０kHzで振動させるように振動励起用電極１１´を駆動したときに得られる４つの角速度検出用電極１３´から得られる所定の周波数範囲における出力の一部を示している。なお図中のＸ１，Ｘ２，Ｙ１及びＹ２は、図５中の電極を区別すために付した符号Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１及びＹ２と同じである。図６と図３を対比すると判るように、Ｘ軸方向の出力（Ｘ１，Ｘ２）とＹ軸方向の出力（Ｙ１，Ｙ２）との間の差が、本実施の形態の場合のほうが、図３の実施の形態の場合よりも大きくなっている。したがって図２の実施の形態と比べて、図５の実施の形態の構成のほうが、Ｘ軸方向の振動とＹ軸方向の振動の区分がより明確になる。なお使用するダイアフラム材料の特性によって、本実施の形態とは異なる電極形状で異なる電極配置を採用できるのは勿論である。
　図７（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第３の実施の形態の角速度センサの平面図及び背面図を示している。この例では、４つの振動励起用電極１１″を、第１の仮想対角線ＣＬ１と第２の仮想対角線ＣＬ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成している。そして４つの角速度検出用電極１３″も、第１の仮想対角線ＣＬ１と第２の仮想対角線ＣＬ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成されている。本実施の形態では、第１の仮想線Ｌ１及び第２の仮想線Ｌ２がＸ軸の軸線及びＹ軸の軸線とそれぞれ一致している。このような配置では、ダイアフラムの輪郭の第１の仮想線に添う長さ寸法をＲ１とし、ダイアフラムの輪郭の第２の仮想線に添う長さ寸法をＲ２とし、第１の仮想対角線及び第２の仮想対角線に添う長さ寸法をＲ３とした場合に、Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３＝（０．９５±０．０２の範囲の値）：１：（０．８５±０．０２の範囲の値）の関係を満たすようにすると、主軸感度及び他軸感度を共にバランスさせることができることが実験により確認された。なお本実施の形態では、４つの振動励起用電極１１″は、重錘３″の径方向外側に位置する外辺１２″Ａと、この外辺１２″Ａと径方向に対向する内辺１２″Ｂと、外辺１２″Ａと内辺１２″Ｂとを連結する一対の連結辺１２″Ｃ及び１２″Ｄとからなる。外辺１２″Ａの形状は、ダイアフラム１″の外周部の一部（隣合う２つの辺ＳＬ″の一部と直線部Ｓ１″に亘る部分）の形状と相似形になっている。また振動励起用電極１１″の輪郭形状の内辺１２″Ｂの形状は、円弧形状を有している。４つの振動励起用電極１１″をこのような形状にすると最も効率良く振動を生じさせることができる。また４つの角速度検出用電極１３″の輪郭形状は、重錘３の径方向外側に位置する外辺１４″Ａと、外辺１４″Ａと径方向に対向する内辺１４″Ｂと、外辺１４″Ａと内辺１４″Ｂとを連結する一対の連結辺１４″Ｃ及び１４″Ｄとからなる。本実施の形態では、外辺１４″Ａ及び内辺１４″Ｂはそれぞれ同心の円弧形状を有している。４つの振動励起用電極１１″と４つの角速度検出用電極１３″をこのように定めると、Ｘ軸方向の振動とＹ軸方向の振動の区分ができる信号を４つの角速度検出用電極１３″から確実に得ることができる。なお本実施の形態では［図７（Ａ）のｒで示した部分］、４つの振動励起用電極１１″及び４つの角速度検出用電極１３″の角部を湾曲させているので、電極が剥離することを有効に防止することができる。また本実施の形態ではダイアフラム１″の輪郭の辺と隅部との連結部［図７（Ｂ）のｒで示した部分］は湾曲しているので、ダイアフラム１″の機械的強度が高い。
　図８（Ａ）の例では、４つの振動励起用電極１１´が第１の仮想対角線ＣＬ１と第２の仮想対角線ＣＬ２によって仕切られた４つの領域に形成されている。そして４つの角速度検出用電極１３は、第１及び第２の仮想線Ｌ１及びＬ２によって仕切られた４つの領域にそれぞれ形成されている。図８（Ｂ）の例では、図８（Ａ）の例と同じ電極配置を有しているが、振動励起用電極１１´の内辺１２´Ｂが円弧形状を有している。図８（Ｃ）の例では、図８（Ｂ）の例と同様に振動励起用電極１１´の内辺１２´Ｂが円弧形状を有しており、電極配置は図２（Ａ）の例と同じになっている。さらに図８（Ｄ）の例では、図８（Ｂ）の例と同様に振動励起用電極１１´の内辺１２´Ｂが円弧形状を有しており、電極配置は図５の例と同じになっている。
　また上記実施の形態では、ダイアフラムの外周部の輪郭形状を、四角形（具体的には略正方形）の四隅に直線部を有する形状としたが、ダイアフラムの外周部の輪郭形状を図９に示すように正方形の四隅に湾曲部Ｃを有する形状としてもよい。このようにした場合でもダイアフラムの外周部の輪郭形状を、正方形の四隅に直線部を有する形状とした場合と同様の効果を得ることができる。
　本発明によれば、Ｚ軸周りの角速度検出に必要なＸ軸方向及びＹ軸方向の振動が明確になる。またＸ軸回り及びＹ軸回りの角速度検出に必要なＺ軸方向の振動も損なわれない。したがって本発明によれば、Ｚ軸方向の軸周りに発生する検出感度精度を向上させ、尚且つＸ軸方向・Ｙ軸方向の軸周りに発生する検出感度精度を劣化させない角速度センサを提供することができる。
１　ダイアフラム
３　重錘
５　支持部
９　圧電薄膜
１１　振動励起用電極
１２Ａ　外辺
１２Ｂ　内辺
１２Ｃ　連結辺
１３　角速度検出用電極
１４Ａ　外辺
１４Ｂ　内辺
１４Ｃ　連結辺
Ｌ１　第１の仮想線
Ｌ２　第２の仮想線
ＣＬ２　第２の仮想対角線
ＣＬ１　第２の仮想対角線

Claims (14)

  1. 　平板状のダイアフラムと、
    　前記ダイアフラムの中央部に配置された重錘と、
    　前記ダイアフラムの外周部を支持する支持部と、
    　前記重錘に対して、所定の振動軸の方向の運動成分をもった振動を誘起する振動励起部と、
    　コリオリ力に基づいて前記重錘に生じる変位軸の方向の変位を検出する変位検出部とを備え、
    　前記ダイアフラムの中心位置に原点Ｏをもち、前記ダイアフラムの表面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記Ｘ軸及びＺ軸のうちの一方を前記振動軸、他方を前記変位軸とし、前記変位検出部からの検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する角速度センサであって、
    　前記重錘が円柱状または円錐状を有しており、
    　前記ダイアフラムの前記外周部の輪郭形状が、四角形の四隅に直線部または湾曲部を有する形状であることを特徴とする角速度センサ。
  2. 　前記四角形が略正方形である請求項１に記載の角速度センサ。
  3. 　前記前記ダイアフラムの表面に形成された下部電極と、
    　前記下部電極の上に形成された圧電膜と、
    　前記圧電膜の上に形成されて前記振動励起部を構成する４つの振動励起用電極と、
    　前記４つの振動励起用電極の内側に位置するように、前記圧電膜の上に形成されて前記変位検出部を構成する４つの角速度検出用電極とを備えており、
    　前記ダイアフラムの対向する２辺と直交し且つ該２辺を二分する第１の仮想線と、前記ダイアフラムの対向する残りの２辺と直交し且つ該２辺を二分する第２の仮想線と、前記ダイアフラムの対向する２つの隅部の中心を通る第１の仮想対角線と、前記ダイアフラムの対向する残りの２つの隅部の中心を通る第２の仮想対角線とを仮定したときに、
    　前記ダイアフラムの外周部の前記輪郭形状は、前記第１の仮想線または第２の仮想線に対して線対称となる形状を有しており、
    　前記４つの振動励起用電極は、前記第１及び第２の仮想線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成されているか、または前記第１の仮想対角線と前記第２の仮想対角線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成されており、
    　前記４つの角速度検出用電極は、前記第１及び第２の仮想線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成されているか、または前記第１の仮想対角線と前記第２の仮想対角線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
  4. 　前記ダイアフラム、前記重錘及び前記支持部は、半導体基板にエッチングを施して一体に形成されており、
    　前記４つの振動励起用電極は、前記第１及び第２の仮想線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成されており、
    　前記４つの角速度検出用電極も、前記第１及び第２の仮想線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成されており、
    　前記第１の仮想対角線及び前記第２の仮想対角線が前記Ｘ軸の軸線及び前記Ｙ軸の軸線とそれぞれ一致していることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
  5. 　前記４つの振動励起用電極及び前記４つの角速度検出用電極は、前記第１の仮想線及び第２の仮想線に対して線対称形状となるように配置されている請求項３に記載の角速度センサ。
  6. 　前記ダイアフラム、前記重錘及び前記支持部は、半導体基板にエッチングを施して一体に形成されており、
    　前記４つの振動励起用電極は、前記第１の仮想対角線と前記第２の仮想対角線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成されており、
    　前記４つの角速度検出用電極は、前記第１の仮想対角線と前記第２の仮想対角線によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成されており、
    　前記第１の仮想線及び前記第２の仮想線が前記Ｘ軸の軸線及び前記Ｙ軸の軸線とそれぞれ一致しており、
    　前記輪郭の前記第１の仮想線に添う長さ寸法Ｒ１と、前記輪郭の前記第２の仮想線に添う長さ寸法Ｒ２と、前記第１の仮想対角線及び第２の仮想対角線に添う長さ寸法Ｒ３とが、Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３＝（０．９５±０．０２の範囲の値）：１：（０．８５±０．０２の範囲の値）の関係を満たす請求項３に記載の角速度センサ。
  7. 　前記４つの振動励起用電極及び前記４つの角速度検出用電極は、前記ダイアフラムと前記重錘との境界及び前記ダイアフラムと前記支持部との境界に跨がらないように形成されている請求項４または６に記載の角速度センサ。
  8. 　前記４つの振動励起用電極の輪郭形状は、前記重錘の径方向外側に位置する外辺と、前記外辺と径方向に対向する内辺と、前記外辺と前記内辺とを連結する一対の連結辺とからなり、
    　前記外辺の形状が前記ダイアフラムの外周部の一部の形状と相似形になっている請求項３に記載の角速度センサ。
  9. 　前記内辺の形状が前記外辺の形状の相似形である請求項８に記載の角速度センサ。
  10. 　前記内辺の形状が円弧形状である請求項８に記載の角速度センサ。
  11. 　前記４つの角速度検出用電極の輪郭形状は、前記重錘の径方向外側に位置する外辺と、前記外辺と径方向に対向する内辺と、前記外辺と前記内辺とを連結する一対の連結辺とからなり、前記外辺及び内辺はそれぞれ同心の円弧形状を有している請求項３に記載の角速度センサ。
  12. 　前記ダイアフラムの前記輪郭の前記辺と前記隅部との連結部は湾曲している請求項３に記載の角速度センサ。
  13. 　前記４つの振動励起用電極の輪郭形状の角部はそれぞれ湾曲している請求項８に記載の角速度センサ。
  14. 　前記４つの角速度検出用電極の輪郭形状の角部はそれぞれ湾曲している請求項１１に記載の角速度センサ。
PCT/JP2012/072308 2011-09-02 2012-09-03 角速度センサ Ceased WO2013032003A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013531450A JP5981435B2 (ja) 2011-09-02 2012-09-03 角速度センサ
CN201280042188.5A CN103765160B (zh) 2011-09-02 2012-09-03 角速度传感器
US14/241,950 US9726490B2 (en) 2011-09-02 2012-09-03 Angular velocity sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011192127 2011-09-02
JP2011-192127 2011-09-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013032003A1 true WO2013032003A1 (ja) 2013-03-07

Family

ID=47756475

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/072308 Ceased WO2013032003A1 (ja) 2011-09-02 2012-09-03 角速度センサ

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9726490B2 (ja)
JP (3) JP5981435B2 (ja)
CN (1) CN103765160B (ja)
WO (1) WO2013032003A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014178172A1 (ja) * 2013-04-30 2014-11-06 旭化成株式会社 角速度センサ

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015224893A (ja) * 2014-05-26 2015-12-14 Tdk株式会社 角速度センサ
CN108592900B (zh) * 2018-04-27 2021-05-18 东南大学 一种四立柱体状质量块硅微机械陀螺仪

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08327657A (ja) * 1995-06-01 1996-12-13 Nikon Corp 力学量センサ
US20060032307A1 (en) * 2002-08-08 2006-02-16 Triad Sensors, Inc. Solid-state rotational rate sensor device and method
JP2010122141A (ja) * 2008-11-21 2010-06-03 Yamaha Corp Ｍｅｍｓセンサ
JP2010160095A (ja) * 2009-01-09 2010-07-22 Wacoh Corp 角速度センサ

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2776142B2 (ja) * 1992-05-15 1998-07-16 株式会社日立製作所 加速度センサ
US6282956B1 (en) * 1994-12-29 2001-09-04 Kazuhiro Okada Multi-axial angular velocity sensor
JP3114453B2 (ja) * 1993-10-05 2000-12-04 株式会社日立製作所 物理量検出センサ及びプロセス状態検出器
JPH08145683A (ja) * 1994-11-16 1996-06-07 Nikon Corp 加速度・角速度検出装置
JPH0945935A (ja) * 1995-07-26 1997-02-14 Akebono Brake Ind Co Ltd 加速度センサー及びその製造方法
TW418318B (en) * 1998-07-27 2001-01-11 Hokuriku Electric Co Ltd Acceleration detecting apparatus
JP2000304544A (ja) * 1999-04-19 2000-11-02 Murata Mfg Co Ltd 角速度センサ及びその検出感度の調整方法
JP4658280B2 (ja) 1999-11-29 2011-03-23 太平洋セメント株式会社 積層型圧電アクチュエータ
WO2005116580A1 (en) * 2003-05-08 2005-12-08 Triad Sensors, Inc. Force balanced piezoelectric rate sensor
JP2005106679A (ja) * 2003-09-30 2005-04-21 Nitta Ind Corp 多軸センサユニットおよびこれを利用した多軸センサ
US7367232B2 (en) * 2004-01-24 2008-05-06 Vladimir Vaganov System and method for a three-axis MEMS accelerometer
TW200813431A (en) * 2006-08-09 2008-03-16 Hitachi Metals Ltd Multi-range three-axis acceleration sensor device
JP2008190931A (ja) * 2007-02-02 2008-08-21 Wacoh Corp 加速度と角速度との双方を検出するセンサ
JP2010043929A (ja) 2008-08-12 2010-02-25 Yamaha Corp モーションセンサ
JP2010071793A (ja) * 2008-09-18 2010-04-02 Toshiba Corp 多軸加速度センサ及び角速度センサ
JP2010185739A (ja) * 2009-02-12 2010-08-26 Panasonic Corp ３軸検出角速度センサ
CN101614544B (zh) * 2009-07-30 2011-05-04 上海交通大学 复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪
KR101843185B1 (ko) * 2011-06-20 2018-03-29 삼성전기주식회사 관성센서
KR101310564B1 (ko) * 2010-12-15 2013-09-23 삼성전기주식회사 관성센서
KR20120131789A (ko) * 2011-05-26 2012-12-05 삼성전기주식회사 관성센서
KR101354757B1 (ko) * 2011-11-18 2014-01-22 삼성전기주식회사 관성센서
KR20130067336A (ko) * 2011-11-28 2013-06-24 삼성전기주식회사 관성센서
KR20130067419A (ko) * 2011-12-14 2013-06-24 삼성전기주식회사 관성센서 및 이를 이용한 가속도 측정방법
KR101310502B1 (ko) * 2011-12-29 2013-09-25 삼성전기주식회사 관성센서
KR20130098059A (ko) * 2012-02-27 2013-09-04 삼성전기주식회사 관성센서

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08327657A (ja) * 1995-06-01 1996-12-13 Nikon Corp 力学量センサ
US20060032307A1 (en) * 2002-08-08 2006-02-16 Triad Sensors, Inc. Solid-state rotational rate sensor device and method
JP2010122141A (ja) * 2008-11-21 2010-06-03 Yamaha Corp Ｍｅｍｓセンサ
JP2010160095A (ja) * 2009-01-09 2010-07-22 Wacoh Corp 角速度センサ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014178172A1 (ja) * 2013-04-30 2014-11-06 旭化成株式会社 角速度センサ
JPWO2014178172A1 (ja) * 2013-04-30 2017-02-23 旭化成株式会社 角速度センサ

Also Published As

Publication number Publication date
US20140224015A1 (en) 2014-08-14
JP2014066708A (ja) 2014-04-17
CN103765160B (zh) 2016-08-31
JP5981435B2 (ja) 2016-08-31
JP2014132277A (ja) 2014-07-17
JP5956970B2 (ja) 2016-07-27
JP6058581B2 (ja) 2017-01-11
US9726490B2 (en) 2017-08-08
JPWO2013032003A1 (ja) 2015-03-23
CN103765160A (zh) 2014-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100720605B1 (ko) 회전방향으로 진동하는 관성체를 구비한 각속도 검출기
JP5524044B2 (ja) 圧電体膜を用いた振動ジャイロ
JP5524045B2 (ja) 圧電体膜を用いた振動ジャイロ
US9851373B2 (en) Vibrator and vibrating gyroscope
US9151612B2 (en) Vibrating gyroscope including piezoelectric film sandwiched between metallic film layers
JP2010025898A (ja) Ｍｅｍｓセンサ
FI126070B (en) Improved ring gyroscope design and gyroscope
WO2014083843A1 (ja) ジャイロセンサおよびジャイロセンサを有する複合センサ
JP6058581B2 (ja) 角速度センサ
US20110185829A1 (en) Rotational vibration gyro
US20120125100A1 (en) Vibrating gyroscope including piezoelectric film
CN111504291B (zh) 陀螺仪
JP2005283428A (ja) 力学量センサ装置
JP2011247714A (ja) 半導体物理量センサ
JP4436096B2 (ja) 静電容量式センサおよびその製造方法
JP2011027560A (ja) 圧電体膜を用いた振動ジャイロ
JP2011027562A (ja) 圧電体膜を用いた振動ジャイロ
JP5125138B2 (ja) 複合センサ
JP3959097B2 (ja) 振動ジャイロの音叉型振動子搭載構造
WO2014178172A1 (ja) 角速度センサ
JP2008203071A (ja) 複合センサ
JP2004317380A (ja) ２軸検出型双音さ型振動ジャイロセンサ
WO2022007102A1 (zh) 陀螺仪
WO2022007090A1 (zh) 陀螺仪
WO2021134678A1 (zh) Mems陀螺仪

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12828059

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013531450

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14241950

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12828059

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1