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JP2008145338A - Angular velocity sensor - Google Patents

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JP2008145338A
JP2008145338A JP2006334516A JP2006334516A JP2008145338A JP 2008145338 A JP2008145338 A JP 2008145338A JP 2006334516 A JP2006334516 A JP 2006334516A JP 2006334516 A JP2006334516 A JP 2006334516A JP 2008145338 A JP2008145338 A JP 2008145338A
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axis direction
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axis
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康志 岡田
Masahiro Matsumoto
昌大 松本
Takashi Matsumura
隆史 松村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an angular velocity sensor for improving detection precision of an angular velocity by receiving tension generated due to thermal stress from a substrate by a beam supporting a vibrator. <P>SOLUTION: A detection element 1 of the angular velocity sensor has first to fourth electrostatic force generating means 6-9, first and second vibrators 10, 11, an elastic connection beams 12 for elastically connecting the first and second vibrators 10, 11 and first to fourth electrostatic capacity detection means 13-16. Furthermore, the first to fourth support beams 17, 18, 19, 20 are easy to deform the first and second vibrators 10, 11 in an X axis direction respectively and support by being hardly deformed in Y axis and Z axis directions in a cantilever beam structure from one of the first and second vibrators 19, 11. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体などで構成された振動式の角速度センサに関する。   The present invention relates to a vibration type angular velocity sensor made of a semiconductor or the like.

従来の半導体などで構成された振動式の角速度センサとしては、基板上から梁により両側から対称に支持された2つの振動子を有するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この角速度センサでは、これらの振動子を基板表面と水平なX軸方向に互いに逆相に振動させられる。そして、外部からの角速度の印加により発生するコリオリ力による基板表面と水平かつX軸方向と垂直なY軸方向への振動子の検出部分の変位を検出することにより、角速度を検出している。   As a conventional vibration type angular velocity sensor made of a semiconductor or the like, a sensor having two vibrators supported symmetrically from both sides by a beam from a substrate is known (for example, see Patent Document 1). In this angular velocity sensor, these vibrators can be vibrated in mutually opposite phases in the X-axis direction horizontal to the substrate surface. The angular velocity is detected by detecting the displacement of the detection portion of the vibrator in the Y-axis direction that is horizontal to the substrate surface and perpendicular to the X-axis direction due to the Coriolis force generated by the application of the angular velocity from the outside.

特開2002−188923号公報JP 2002-188923 A

ここで、特許文献1記載の角速度センサでは、2つの振動子は、それぞれ、基板上から梁により両側から対称に支持されている。そのため、振動子を支持する梁が、基板からの熱応力により発生する引張り力を受けることになる。その結果、振動子の共振周波数が変化し、角速度の検出精度が低下するという問題があった。   Here, in the angular velocity sensor described in Patent Document 1, the two vibrators are supported symmetrically from both sides by beams from above the substrate. Therefore, the beam supporting the vibrator receives a tensile force generated by the thermal stress from the substrate. As a result, there is a problem that the resonance frequency of the vibrator changes and the angular velocity detection accuracy decreases.

本発明の目的は、振動子を支持する梁が基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度が向上した角速度センサを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an angular velocity sensor in which a beam supporting a vibrator receives a tensile force generated by thermal stress from a substrate and suppresses a change in the resonance frequency of the vibrator, and an angular velocity detection accuracy is improved. There is to do.

(1)上記目的を達成するために、本発明は、基板上に弾性的に支持された第1及び第2振動子と、前記第1及び第2振動子を弾性的に連結する弾性連結梁と、前記第1及び第2振動子を前記基板表面と水平なX軸方向に互いに逆相に振動させる駆動手段と、前記第1及び第2振動子の検出部分の前記基板表面と水平かつ前記X軸方向と垂直なY軸方向の変位を検出する手段と、前記Y軸方向の変位に基づいて角速度を検出する角速度センサにおいて、前記第1及び第2振動子の一方から片持ち梁構造で前記第1及び第2振動子をそれぞれ前記X軸方向に変位し易く、Y軸及びZ軸方向に変位し難く支持する支持梁を備えるようにしたものである。
かかる構成により、振動子を支持する梁が基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度が向上し得るものとなる。
(1) In order to achieve the above object, the present invention provides a first and second vibrator elastically supported on a substrate and an elastic coupling beam for elastically coupling the first and second vibrators. Driving means for causing the first and second vibrators to vibrate in opposite phases to each other in the horizontal X-axis direction with respect to the substrate surface; and the substrate surface of the detection portion of the first and second vibrators, In a means for detecting a displacement in the Y-axis direction perpendicular to the X-axis direction and an angular velocity sensor for detecting an angular velocity based on the displacement in the Y-axis direction, a cantilever structure is formed from one of the first and second vibrators. The first and second vibrators are each provided with a support beam that supports the first vibrator and the second vibrator so as to be easily displaced in the X-axis direction and difficult to displace in the Y-axis and Z-axis directions.
With this configuration, the beam supporting the vibrator receives a tensile force generated by the thermal stress from the substrate, and the resonance frequency of the vibrator is prevented from changing, and the angular velocity detection accuracy can be improved.

(2)上記(1)において、好ましくは、前記支持梁は、前記第1及び第2振動子をそれぞれ複数箇所で支持するようにしたものである。   (2) In the above (1), preferably, the support beam supports the first and second vibrators at a plurality of locations.

(3)上記(2)において、好ましくは、前記第1振動子を複数箇所で支持する支持梁の長辺は、互いに平行になるように配置され、また、前記第2振動子を複数箇所で支持する支持梁の長辺は、互いに平行になるように配置したものである。   (3) In the above (2), preferably, the long sides of the support beams that support the first vibrator at a plurality of locations are arranged in parallel to each other, and the second vibrator is installed at a plurality of locations. The long sides of the supporting beams to be supported are arranged so as to be parallel to each other.

(4)上記(1)において、好ましくは、前記支持梁は、前記弾性連結梁の中心部から点対称になるように、前記第1及び第2振動子を支持するように配置したものである。   (4) In the above (1), preferably, the support beam is arranged so as to support the first and second vibrators so as to be point-symmetrical from a central portion of the elastic coupling beam. .

(5)上記(1)において、好ましくは、前記第1及び第2振動子は、前記X軸及び前記Y軸から構成される平面内において、振り子状に振動するように支持したものである。   (5) In the above (1), preferably, the first and second vibrators are supported so as to vibrate in a pendulum shape within a plane constituted by the X axis and the Y axis.

(6)上記(1)において、好ましくは、前記第1及び第2振動子の前記支持梁が設置された一方とは反対側から、前記支持梁よりも前記X軸、前記Y軸及び前記基板表面と垂直なZ軸方向に変位し易く、前記第1及び第2振動子を支持する補助梁を備えるようにしたものである。   (6) In the above (1), preferably, the X-axis, the Y-axis, and the substrate rather than the support beam from the opposite side of the support beam of the first and second vibrators. An auxiliary beam that easily displaces in the Z-axis direction perpendicular to the surface and supports the first and second vibrators is provided.

(7)上記(1)において、好ましくは、前記第1及び第2振動子を前記X軸方向に振動させることに起因する、前記第1及び第2振動子の検出部分の前記Y軸方向への振動成分と、前記第1及び第2駆動体の検出部分の角速度による前記Y軸方向への振動成分を、周波数によって区別して検出する検出回路を備えるようにしたものである。   (7) In the above (1), preferably, in the Y-axis direction of the detection portion of the first and second vibrators caused by vibrating the first and second vibrators in the X-axis direction. And a detection circuit for distinguishing and detecting the vibration component in the Y-axis direction due to the angular velocity of the detection portions of the first and second driving bodies according to the frequency.

(8)上記(7)において、好ましくは、前記検出回路は、前記第1及び第2振動子を前記X軸方向に振動させることに起因する、前記第1及び第2振動子の検出部分の前記Y軸方向への振動成分を、前記第1及び第2振動子を前記基板表面と水平なX軸方向に互いに逆相に振動させる周波数の2倍で同期検波する第1の検波回路と、前記第1及び第2振動子の検出部分の前記角速度による前記Y軸方向への振動成分を、前記第1及び第2振動子を前記基板表面と水平なX軸方向に互いに逆相に振動させる周波数で同期検波する第2の検波回路とからなる。   (8) In the above (7), preferably, the detection circuit is configured to detect a detection portion of the first and second vibrators caused by vibrating the first and second vibrators in the X-axis direction. A first detection circuit that synchronously detects the vibration component in the Y-axis direction at twice the frequency that causes the first and second vibrators to vibrate in mutually opposite phases in the X-axis direction horizontal to the substrate surface; The vibration component in the Y-axis direction due to the angular velocity of the detection portion of the first and second vibrators causes the first and second vibrators to vibrate in mutually opposite phases in the X-axis direction horizontal to the substrate surface. It consists of a second detection circuit that performs synchronous detection at a frequency.

(9)上記(8)において、好ましくは、前記第1及び第2振動子の検出部分の前記Y軸方向の変位を検出する手段により、前記第1及び第2振動子の前記X軸方向への変位を検出するようにしたものである。   (9) In the above (8), preferably, the means for detecting the displacement in the Y-axis direction of the detection portion of the first and second vibrators in the X-axis direction of the first and second vibrators. This displacement is detected.

(10)上記(8)において、好ましくは、前記第1及び第2振動子の検出部分の前記Y軸方向の変位を検出する手段により検出される前記第1及び第2振動子の前記X軸方向への変位が、予め決められた値になるように、前記第1及び第2振動子を振動させる駆動手段を備えるようにしたものである。   (10) In the above (8), preferably, the X-axis of the first and second vibrators detected by means for detecting displacement in the Y-axis direction of the detection portions of the first and second vibrators. Drive means for vibrating the first and second vibrators is provided so that the displacement in the direction becomes a predetermined value.

(11)上記(10)において、好ましくは、前記駆動手段は、前記第1及び第2振動子に静電気力を働かせ、前記第1及び前記第2振動子を前記X軸方向に互いに逆相に振動させる静電気力発生手段であり、前記第1及び第2振動子の検出部分の前記Y軸方向の変位を検出する手段が、前記第1及び第2駆動体の検出部分の前記Y軸方向の変位を静電容量の変化として検出する静電容量検出手段である。   (11) In the above (10), preferably, the driving means applies electrostatic force to the first and second vibrators, and causes the first and second vibrators to be in opposite phases to each other in the X-axis direction. Electrostatic force generating means for vibrating, and means for detecting displacement in the Y-axis direction of the detection portions of the first and second vibrators are provided in the Y-axis direction of the detection portions of the first and second drive bodies. Capacitance detection means for detecting displacement as a change in capacitance.

本発明によれば、振動子を支持する梁が基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度が向上するものとなる。   According to the present invention, the beam supporting the vibrator receives a tensile force generated by the thermal stress from the substrate, and the resonance frequency of the vibrator is prevented from changing, and the angular velocity detection accuracy is improved.

以下、図面を用いて、本発明の各実施形態について説明する。本発明の各実施形態は、次の4つの特徴を有するものである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Each embodiment of the present invention has the following four features.

(1)振動子を支持する梁が、基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度を向上させることができる。   (1) The beam supporting the vibrator receives a tensile force generated by the thermal stress from the substrate, and the resonance frequency of the vibrator is prevented from changing, and the angular velocity detection accuracy can be improved.

(2)振動子をX軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する振動子の検出部分のY軸方向への振動成分と、角速度による振動子の検出部分のY軸方向への振動成分を、周波数によって区別して検出することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。   (2) Caused by vibrating the vibrator in the X-axis direction, that is, the vibration component in the Y-axis direction of the detection part of the vibrator generated by other than the angular velocity, and the Y-axis direction of the detection part of the vibrator due to the angular velocity The vibration component can be detected by being distinguished according to the frequency, and the angular velocity detection error can be reduced.

(3)振動子の検出部分のY軸方向の変位を検出する手段により、振動子のX軸方向の変位も検出し、電極数を少なくし、チップ面積を小さくできる。   (3) The means for detecting the displacement of the detection portion of the vibrator in the Y-axis direction can also detect the displacement of the vibrator in the X-axis direction, thereby reducing the number of electrodes and reducing the chip area.

(4)振動子の検出部分のY軸方向の変位を検出する手段により、振動子のX軸方向の変位も検出し、振動子のX軸方向への変位が予め決められた値になるように振動子を振動させ、角速度の検出精度を向上させることができる。   (4) The means for detecting the displacement in the Y-axis direction of the detection portion of the vibrator also detects the displacement of the vibrator in the X-axis direction so that the displacement of the vibrator in the X-axis direction becomes a predetermined value. The vibrator can be vibrated to improve the angular velocity detection accuracy.

以下、図1〜図5を用いて、本発明の第1の実施形態による角速度センサの構成及び動作について説明する。
最初に、図1及び図2を用いて、本実施形態による角速度センサの構成について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態による角速度センサの構成を示す平面図である。図2は、図1のA−A’断面図である。
Hereinafter, the configuration and operation of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
First, the configuration of the angular velocity sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.

図2に示すように、検出素子1は、シリコン層2と、絶縁層3と、シリコン基板4と、ガラス基板5とから構成される。ここで、シリコン層2と、絶縁層3と、シリコン基板4とにより、SOI基板が構成される。SOI基板のシリコン層2に、図1を用いて説明するように、可動部と固定部が形成される。凹部を持つガラス基板5は、シリコン層2にアノーディックボンディング等によって貼り付けられる。   As shown in FIG. 2, the detection element 1 includes a silicon layer 2, an insulating layer 3, a silicon substrate 4, and a glass substrate 5. Here, the silicon layer 2, the insulating layer 3, and the silicon substrate 4 constitute an SOI substrate. As will be described with reference to FIG. 1, a movable portion and a fixed portion are formed on the silicon layer 2 of the SOI substrate. The glass substrate 5 having the recesses is attached to the silicon layer 2 by anodic bonding or the like.

なお、図1及び図2において、シリコン基板4の表面と水平な一方向をX軸、シリコン基板4の表面と水平かつX軸と垂直な方向をY軸、シリコン基板4と垂直な方向をZ軸と表記する。   1 and 2, the direction parallel to the surface of the silicon substrate 4 is the X axis, the direction horizontal to the surface of the silicon substrate 4 and the direction perpendicular to the X axis is the Y axis, and the direction perpendicular to the silicon substrate 4 is Z. Expressed as an axis.

図1に示すように、検出素子1は、第1〜第4静電気力発生手段6,7,8,9と、第1及び第2振動子10,11と、弾性連結梁12と、第1〜第4静電容量検出手段13,14,15,16と、第1〜第4支持梁17,18,19,20と、枠部21とから構成される。   As shown in FIG. 1, the detection element 1 includes first to fourth electrostatic force generation means 6, 7, 8, 9, first and second vibrators 10, 11, an elastic connecting beam 12, To fourth capacitance detecting means 13, 14, 15, 16, first to fourth support beams 17, 18, 19, 20 and a frame portion 21.

弾性連結梁12は、第1及び第2振動子10,11を弾性的に連結する。第1〜第4支持梁17,18,19,20は、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に変位し易く、Y軸及びZ軸に変位し難く支持する。枠部21は、上記の各構成の外周部に設置され、ガラス基板5と接着される。   The elastic connection beam 12 elastically connects the first and second vibrators 10 and 11. The first to fourth support beams 17, 18, 19, 20 support the first and second vibrators 10, 11 that are easy to displace in the X-axis direction and difficult to displace in the Y-axis and Z-axis. The frame portion 21 is installed on the outer peripheral portion of each configuration described above, and is bonded to the glass substrate 5.

以下、各々の構成について説明する。   Each configuration will be described below.

第1静電気力発生手段6は、フレーム6aと、櫛歯電極6bと、パッド6cとから構成される。フレーム6aは、シリコン基板4に固定されている。櫛歯電極6bは、フレーム6aと第1振動子10に各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド6cは、フレーム6aから電気的接続を取り出すために設けられている。   The first electrostatic force generating means 6 includes a frame 6a, a comb-tooth electrode 6b, and a pad 6c. The frame 6a is fixed to the silicon substrate 4. The comb electrode 6b is configured by meshing a comb-shaped flat plate provided on each of the frame 6a and the first vibrator 10. The pad 6c is provided to take out an electrical connection from the frame 6a.

第2静電気力発生手段7は、フレーム7aと、櫛歯電極7bと、パッド7cとから構成される。フレーム7aは、シリコン基板4に固定されている。櫛歯電極7bは、フレーム7aと第1振動子10に各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド7cは、フレーム7aから電気的接続を取り出すために設けられている。   The second electrostatic force generating means 7 is composed of a frame 7a, a comb electrode 7b, and a pad 7c. The frame 7a is fixed to the silicon substrate 4. The comb-tooth electrode 7b is configured by meshing a comb-shaped flat plate provided on the frame 7a and the first vibrator 10 respectively. The pad 7c is provided to take out an electrical connection from the frame 7a.

第3静電気力発生手段8は、フレーム8aと、櫛歯電極8bと、パッド8cとから構成される。フレーム8aは、シリコン基板4に固定されている。櫛歯電極8bは、フレーム8aと第2振動子11に各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド8cは、フレーム8aから電気的接続を取り出すために設けられている。   The third electrostatic force generating means 8 includes a frame 8a, a comb electrode 8b, and a pad 8c. The frame 8a is fixed to the silicon substrate 4. The comb electrode 8b is configured by meshing a comb-shaped flat plate provided on each of the frame 8a and the second vibrator 11. The pad 8c is provided to take out an electrical connection from the frame 8a.

第4静電気力発生手段9は、フレーム9aと、櫛歯電極9bと、パッド9cとから構成される。フレーム9aは、シリコン基板4に固定されている。櫛歯電極9bは、フレーム9aと第2振動子11に各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド9cは、フレーム9aから電気的接続を取り出すために設けられている。   The 4th electrostatic force generation means 9 is comprised from the flame | frame 9a, the comb-tooth electrode 9b, and the pad 9c. The frame 9a is fixed to the silicon substrate 4. The comb electrode 9b is configured by meshing a comb-like flat plate provided on each of the frame 9a and the second vibrator 11. The pad 9c is provided to take out an electrical connection from the frame 9a.

次に、第1振動子10は、フレーム10aと、検出部分10bと、連結梁10c,10d,10e,10fとから構成される。フレーム10aは、シリコン基板4から浮いた状態で配置されている。検出部分10bは、フレーム10aの内側にシリコン基板4から浮いた状態で配置されている。連結梁10c,10d,10e,10fは、フレーム10aに対して、検出部分10bがY軸方向に変位し易く、かつX軸及びZ軸方向に変位し難い状態で、検出部分10bを支持する。なお、連結梁10c,10d,10e,10fは、フレーム10aに対して検出部分10bがX軸及びZ軸方向に変位し難くなるように検出部分10bの片側にそれぞれ2本づつ合計4本配置している。   Next, the first vibrator 10 includes a frame 10a, a detection portion 10b, and connecting beams 10c, 10d, 10e, and 10f. The frame 10a is arranged in a state of floating from the silicon substrate 4. The detection portion 10b is arranged inside the frame 10a so as to float from the silicon substrate 4. The connecting beams 10c, 10d, 10e, and 10f support the detection portion 10b with respect to the frame 10a in a state where the detection portion 10b is easily displaced in the Y-axis direction and difficult to be displaced in the X-axis and Z-axis directions. The connecting beams 10c, 10d, 10e, and 10f are arranged in a total of four on each side of the detection portion 10b so that the detection portion 10b is difficult to be displaced in the X-axis and Z-axis directions with respect to the frame 10a. ing.

第2振動子11は、フレーム11aと、検出部分11bと、連結梁11c,11d,11e,11fとから構成される。フレーム11aは、シリコン基板4から浮いた状態で配置されている。検出部分11bは、フレーム11aの内側にシリコン基板4から浮いた状態で配置されている。連結梁11c,11d,11e,11fは、フレーム11aに対して、検出部分11bがY軸方向に変位し易く、かつX軸及びZ軸方向に変位し難い状態で、検出部分11bを支持する。なお、連結梁11c,11d,11e,11fは、フレーム11aに対して検出部分11bがX軸及びZ軸方向に変位し難くなるように検出部分11bの片側にそれぞれ2本づつ合計4本配置している。   The second vibrator 11 includes a frame 11a, a detection portion 11b, and connecting beams 11c, 11d, 11e, and 11f. The frame 11a is arranged in a state of floating from the silicon substrate 4. The detection portion 11b is arranged inside the frame 11a so as to float from the silicon substrate 4. The connecting beams 11c, 11d, 11e, and 11f support the detection portion 11b with respect to the frame 11a in a state in which the detection portion 11b is easily displaced in the Y-axis direction and difficult to be displaced in the X-axis and Z-axis directions. The connecting beams 11c, 11d, 11e, and 11f are arranged in a total of four on each side of the detection portion 11b so that the detection portion 11b is difficult to be displaced in the X-axis and Z-axis directions with respect to the frame 11a. ing.

次に、弾性連結梁12は、連結梁12a,12bから構成される。連結梁12a,12bは、第1振動子10のフレーム10aと第2振動子11のフレーム11bを互いにX軸方向に変位し易く、Y軸及びZ軸方向に変位し難く連結している。   Next, the elastic connecting beam 12 is composed of connecting beams 12a and 12b. The connecting beams 12a and 12b connect the frame 10a of the first vibrator 10 and the frame 11b of the second vibrator 11 so that they are easily displaced in the X-axis direction and difficult to be displaced in the Y-axis and Z-axis directions.

次に、第1静電容量検出手段13は、フレーム13aと、平行平板電極13bと、パッド13cとから構成される。フレーム13aは、シリコン基板4に固定されている。平行平板電極13bは、フレーム13aと第1振動子10の検出部分10bに各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド13cは、フレーム13aから電気的接続を取り出すために用いられる。   Next, the first capacitance detecting means 13 is composed of a frame 13a, parallel plate electrodes 13b, and pads 13c. The frame 13a is fixed to the silicon substrate 4. The parallel plate electrodes 13b are configured by meshing comb-shaped plates respectively provided on the frame 13a and the detection portion 10b of the first vibrator 10. The pad 13c is used to take out an electrical connection from the frame 13a.

第2静電容量検出手段14は、フレーム14aと、平行平板電極14bとパッド14cとから構成される。フレーム14aは、シリコン基板4に固定されている。平行平板電極14bは、フレーム14aと第1振動子10の検出部分10bに各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド14cは、フレーム14aから電気的接続を取り出すために用いられる。   The second capacitance detection means 14 includes a frame 14a, a parallel plate electrode 14b, and a pad 14c. The frame 14 a is fixed to the silicon substrate 4. The parallel plate electrode 14b is configured by meshing a comb-like plate provided respectively on the frame 14a and the detection portion 10b of the first vibrator 10. The pad 14c is used to take out an electrical connection from the frame 14a.

なお、第1及び第2静電容量検出手段13,14の平行平板電極13b,14bの容量は、第1振動子10の検出部分10bが変位したとき、互いに逆相の変化をするように配置される。   The capacitances of the parallel plate electrodes 13b and 14b of the first and second capacitance detection means 13 and 14 are arranged so as to change in opposite phases when the detection portion 10b of the first vibrator 10 is displaced. Is done.

第3静電容量検出手段15は、フレーム15aと、平行平板電極15bと、パッド15cとから構成される。フレーム15aは、シリコン基板4に固定されている。平行平板電極15bは、フレーム15aと第2振動子11の検出部分10bに各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド15cは、フレーム15aから電気的接続を取り出すために用いられる。   The third electrostatic capacitance detection means 15 includes a frame 15a, a parallel plate electrode 15b, and a pad 15c. The frame 15 a is fixed to the silicon substrate 4. The parallel plate electrode 15b is configured by meshing a comb-like plate provided respectively on the frame 15a and the detection portion 10b of the second vibrator 11. The pad 15c is used to take out an electrical connection from the frame 15a.

第4静電容量検出手段16は、フレーム16aと、平行平板電極16bとパッド16cとから構成される。フレーム16aは、シリコン基板4に固定されている。平行平板電極16bは、フレーム16aと第2振動子11の検出部分10bに各々設けられた櫛歯状の平板を噛み合わせることで構成される。パッド16cは、フレーム16aから電気的接続を取り出すために用いられる。   The fourth capacitance detection means 16 includes a frame 16a, a parallel plate electrode 16b, and a pad 16c. The frame 16 a is fixed to the silicon substrate 4. The parallel plate electrodes 16b are configured by meshing comb-shaped plates provided on the frame 16a and the detection portion 10b of the second vibrator 11 respectively. The pad 16c is used to take out an electrical connection from the frame 16a.

なお、第3及び第4静電容量検出手段15,16の平行平板電極15b,16bの容量は、第2振動子11の検出部分11bが変位したとき、互いに逆相の変化をするように配置される。   The capacitances of the parallel plate electrodes 15b and 16b of the third and fourth capacitance detection means 15 and 16 are arranged so as to change in opposite phases when the detection portion 11b of the second vibrator 11 is displaced. Is done.

次に、第1支持梁17は、支持梁17aと、アンカー部17bと、パッド17cとから構成される。支持梁17aは、第1振動子10のフレーム10aをX軸方向に変位し易く、Y軸及びZ軸方向に変位し難く支持する。アンカー部17bは、支持梁17aをシリコン基板4に固定する。パッド17cは、アンカー部17bから電気的接続を取り出すために用いられる。   Next, the first support beam 17 includes a support beam 17a, an anchor portion 17b, and a pad 17c. The support beam 17a supports the frame 10a of the first vibrator 10 so as to be easily displaced in the X-axis direction and not easily displaced in the Y-axis and Z-axis directions. The anchor portion 17 b fixes the support beam 17 a to the silicon substrate 4. The pad 17c is used to take out an electrical connection from the anchor portion 17b.

第2支持梁18は、支持梁18aと、アンカー部18bと、パッド18cとから構成される。支持梁18aは、第1振動子10のフレーム10aをX軸方向に変位し易く、Y軸及びZ軸方向に変位し難く支持する。アンカー部18bは、支持梁18aをシリコン基板4に固定する。パッド18cは、アンカー部18bから電気的接続を取り出すために用いられる。   The second support beam 18 includes a support beam 18a, an anchor portion 18b, and a pad 18c. The support beam 18a supports the frame 10a of the first vibrator 10 so as to be easily displaced in the X-axis direction and not easily displaced in the Y-axis and Z-axis directions. The anchor portion 18 b fixes the support beam 18 a to the silicon substrate 4. The pad 18c is used to take out an electrical connection from the anchor portion 18b.

なお、第1及び第2支持梁17,18は、第1振動子10のフレーム10aがX軸及びY軸から構成される平面及びX軸及びZ軸から構成される平面において回転しないように、第1振動子10の四角形状のフレーム10aの一辺の両端に1本ずつ合計2本配置している。   The first and second support beams 17 and 18 do not rotate on the plane composed of the X axis and the Y axis and the plane composed of the X axis and the Z axis of the frame 10a of the first vibrator 10. Two in total, one at each end of one side of the quadrangular frame 10 a of the first vibrator 10.

また、第1及び第2支持梁17,18は、第1振動子10のフレーム10aがX軸及びY軸から構成される平面において回転しないように、第1振動子10のフレーム10aから第1及び第2支持梁17,18の長辺が互いに平行になるように配置している。   In addition, the first and second support beams 17 and 18 are first to first frames 10a of the first vibrator 10 so that the frame 10a of the first vibrator 10 does not rotate in a plane constituted by the X axis and the Y axis. The long sides of the second support beams 17 and 18 are arranged in parallel to each other.

第3支持梁19は、支持梁19aと、アンカー部19bと、パッド19cとから構成される。支持梁19aは、第1振動子10のフレーム10aをX軸方向に変位し易く、Y軸及びZ軸方向に変位し難く支持する。アンカー部19bは、支持梁19aをシリコン基板4に固定する。パッド19cは、アンカー部19bから電気的接続を取り出すために用いられる。   The third support beam 19 includes a support beam 19a, an anchor portion 19b, and a pad 19c. The support beam 19a supports the frame 10a of the first vibrator 10 that is easily displaced in the X-axis direction and is difficult to be displaced in the Y-axis and Z-axis directions. The anchor part 19 b fixes the support beam 19 a to the silicon substrate 4. The pad 19c is used to take out an electrical connection from the anchor portion 19b.

第4支持梁20は、支持梁20aと、アンカー部20bと、パッド20cとから構成される。支持梁20aは、第1振動子10のフレーム10aをX軸方向に変位し易く、Y軸及びZ軸方向に変位し難く支持する。アンカー部20bは、支持梁20aをシリコン基板4に固定する。パッド20cは、アンカー部20bから電気的接続を取り出すために用いられる。   The fourth support beam 20 includes a support beam 20a, an anchor portion 20b, and a pad 20c. The support beam 20a supports the frame 10a of the first vibrator 10 so as to be easily displaced in the X-axis direction and not easily displaced in the Y-axis and Z-axis directions. The anchor part 20 b fixes the support beam 20 a to the silicon substrate 4. The pad 20c is used to take out an electrical connection from the anchor portion 20b.

なお、第3及び第4支持梁19,20は、第2振動子11のフレーム11aがX軸及びY軸から構成される平面及びX軸及びZ軸から構成される平面において回転しないように、第2振動子11のフレーム11aの両端に1本ずつ合計2本配置している。   Note that the third and fourth support beams 19 and 20 do not rotate on the plane composed of the X axis and the Y axis and the plane composed of the X axis and the Z axis of the frame 11a of the second vibrator 11. Two in total, one at each end of the frame 11 a of the second vibrator 11.

また、第3及び第4支持梁19,20は、第2振動子11のフレーム11aがX軸及びY軸から構成される平面において回転しないように、第2振動子11のフレーム11aから第3及び第4支持梁19,20の長辺が互いに平行になるように配置している。   Further, the third and fourth support beams 19 and 20 are third to third frames from the frame 11a of the second vibrator 11 so that the frame 11a of the second vibrator 11 does not rotate in a plane constituted by the X axis and the Y axis. The fourth support beams 19 and 20 are arranged so that the long sides thereof are parallel to each other.

また、図2に示すように、パッド7c,8c,13c,14c,15c,16cは、ガラス基板5に空けられたスルーホールを介して電気配線がガラス基板5の外に引き出せるようにしている。この様にパッド7c,8c,13c,14c,15c,16cの電気接続をガラス基板5を介して取り出すことで、第1及び第2振動子10,11のフレーム10a,11aと、連結梁10c,…,10f,11c,…,11f及び弾性連結梁12に配線の引き出し部としての切り欠きを設ける必要が無くなり、第1及び第2振動子10,11の剛性を高めることで、不要な振動モードを低減できるようにしている。   In addition, as shown in FIG. 2, the pads 7 c, 8 c, 13 c, 14 c, 15 c, and 16 c allow electric wiring to be drawn out of the glass substrate 5 through through holes formed in the glass substrate 5. Thus, by taking out the electrical connection of the pads 7c, 8c, 13c, 14c, 15c, 16c through the glass substrate 5, the frames 10a, 11a of the first and second vibrators 10, 11 and the connecting beams 10c, .., 10f, 11c,..., 11f and the elastic connecting beam 12 need not be provided with notches as lead portions for wiring, and an unnecessary vibration mode can be obtained by increasing the rigidity of the first and second vibrators 10 and 11. Can be reduced.

次に、図1〜図3を用いて、本実施形態である角速度センサの第1の特徴について説明する。
図3(A)は、本発明の第1の実施形態の角速度センサの検出素子1のB−B‘の断面図を模擬的に表す図である。図3(B)は、特開2002−188923号公報等に開示されている従来の振動子23が基板上から梁22,24などによって両側から対称に支持された角速度センサの検出素子の断面図を模擬的に表す図である。
Next, the 1st characteristic of the angular velocity sensor which is this embodiment is demonstrated using FIGS. 1-3.
FIG. 3A is a diagram schematically showing a cross-sectional view of BB ′ of the detection element 1 of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3B is a cross-sectional view of a detection element of an angular velocity sensor in which a conventional vibrator 23 disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-188923 and the like is supported symmetrically from both sides by beams 22 and 24 from the substrate. FIG.

(1)第1及び第2振動子10,11をそれぞれ支持する支持梁17,18及び支持梁19,20が、シリコン基板4からの熱応力により発生する引張り力を受け、第1及び第2振動子10,11の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度を向上させる。   (1) The support beams 17 and 18 and the support beams 19 and 20 that respectively support the first and second vibrators 10 and 11 receive a tensile force generated by thermal stress from the silicon substrate 4, and thereby A change in the resonance frequency of the vibrators 10 and 11 is suppressed, and the angular velocity detection accuracy is improved.

自動車における角速度センサは、寒冷地から砂漠地帯まで使用され、また、エンジンからの放射熱を受けるため、本実施形態の角速度センサを自動車用として使用するためには、−40℃から+130℃の広い温度範囲で正常に動作する必要がある。   An angular velocity sensor in an automobile is used from a cold region to a desert region, and receives radiant heat from an engine. Therefore, in order to use the angular velocity sensor of this embodiment for an automobile, a wide range of −40 ° C. to + 130 ° C. It is necessary to operate normally in the temperature range.

本実施形態の角速度センサを高温下あるいは低温下で使用する場合、図1〜図3では示していない外部から検出素子1を支持するフレームとシリコン基板4の熱膨張係数差から、図3に示すようにシリコン基板4にそりが生じる。   When the angular velocity sensor of this embodiment is used at a high temperature or a low temperature, it is shown in FIG. 3 from the difference in thermal expansion coefficient between the frame that supports the detection element 1 from the outside and the silicon substrate 4 that is not shown in FIGS. As described above, warpage occurs in the silicon substrate 4.

図3(B)に示すように、従来の角速度センサでは、振動子10は基板上から梁17,22などによって両側から対称に支持されている。ここで、シリコン基板4にそりが生じたとき、振動子10を両側から対称に支持する梁17,22にシリコン基板4からの熱応力により発生する引張り力が加わる。これにより、振動子10を両側から対称に支持する梁17,22のばね定数が変わり、振動子10のX軸方向への共振周波数が変わり、角速度の検出精度が低下する。   As shown in FIG. 3B, in the conventional angular velocity sensor, the vibrator 10 is supported symmetrically from both sides by beams 17 and 22 from above the substrate. Here, when the silicon substrate 4 is warped, a tensile force generated by thermal stress from the silicon substrate 4 is applied to the beams 17 and 22 that support the vibrator 10 symmetrically from both sides. As a result, the spring constants of the beams 17 and 22 that support the vibrator 10 symmetrically from both sides change, the resonance frequency of the vibrator 10 in the X-axis direction changes, and the angular velocity detection accuracy decreases.

一方、図3(A)に示すように、本実施形態の角速度センサは、第1及び第2振動子10,11が基板上から支持梁17,18,19,20によって一方から片持ち梁構造で支持されている。ここで、シリコン基板4にそりが生じたとき、第1及び第2振動子10,11を一方から片持ち梁構造で支持する支持梁17,18,19,20にはシリコン基板4からの熱応力により発生する引張り力は加わらない。したがって、第1及び第2振動子10,11を一方から片持ち梁構造で支持する支持梁17,18,19,20のばね定数は変わらず、第1及び第2振動子10,11のX軸及びY軸から構成される平面での共振周波数は変わらないので、角速度の検出精度を向上させることができる。   On the other hand, as shown in FIG. 3A, the angular velocity sensor according to the present embodiment has a cantilever structure in which the first and second vibrators 10 and 11 are supported by support beams 17, 18, 19, and 20 from the substrate. It is supported by. Here, when the silicon substrate 4 is warped, the support beams 17, 18, 19, and 20 that support the first and second vibrators 10 and 11 in a cantilever structure from one side are heated by the heat from the silicon substrate 4. The tensile force generated by the stress is not applied. Accordingly, the spring constants of the support beams 17, 18, 19, and 20 that support the first and second vibrators 10 and 11 from one side in a cantilever structure do not change, and the X of the first and second vibrators 10 and 11 does not change. Since the resonance frequency in the plane composed of the axis and the Y-axis does not change, the angular velocity detection accuracy can be improved.

次に、図4及び図5を用いて、本実施形態である角速度センサの第2の特徴について説明する。
図4(A)は、本発明の第1の実施形態の角速度センサの第1及び第2振動子10,11の振動方向を模擬的に表す図である。図4(B)は、特開2002−188923号公報等に開示されている従来の振動子が基板上から梁などによって両側から対称に支持された角速度センサの振動子の振動方向を模擬的に表す図ある。図5は、本発明の第1の実施形態による角速度センサの駆動回路である。
Next, a second feature of the angular velocity sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
FIG. 4A is a diagram schematically illustrating the vibration directions of the first and second vibrators 10 and 11 of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4B schematically shows the vibration direction of a vibrator of an angular velocity sensor in which a conventional vibrator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-188923 is supported symmetrically from both sides by a beam or the like from the substrate. FIG. FIG. 5 is a drive circuit of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention.

(2)第1及び第2振動子10、11をX軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する第1及び第2振動子の検出部分10b、11bのY軸方向への振動成分と、角速度による第1及び第2振動子10、11の検出部分102、112のY軸方向への振動成分を周波数によって区別して検出することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。   (2) Due to vibrating the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction, that is, in the Y-axis direction of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators generated by other than the angular velocity. And the vibration component in the Y-axis direction of the detection portions 102 and 112 of the first and second vibrators 10 and 11 due to the angular velocity can be distinguished and detected by the frequency, and the angular velocity detection error can be reduced. Can do.

図4(B)に示すように、従来の角速度センサでは、振動子が基板上から梁などによって両側から対称に支持されている。すなわち、第1及び第2振動子10,11は基板上から支持梁17,18,19,20,22,23,24,25によって両側から対称に支持されている。一方、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に互いに逆相に振動させる駆動手段では、その振動にばらつきがあり、また、支持梁17,18,19,20及び22,23,24,25の加工上のばらつき等がある。したがって、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に互いに逆相に振動させる駆動手段により、X軸方向に振動させたとき、第1及び第2振動子10,11は、図4(B)に示したように、X軸及びY軸から構成される平面において直線的もしくは楕円状に振動する。   As shown in FIG. 4B, in the conventional angular velocity sensor, the vibrator is supported symmetrically from both sides by a beam or the like from above the substrate. That is, the first and second vibrators 10 and 11 are supported symmetrically from both sides by the support beams 17, 18, 19, 20, 22, 23, 24, and 25 from the substrate. On the other hand, in the driving means that vibrates the first and second vibrators 10 and 11 in opposite phases to each other in the X-axis direction, the vibration varies, and the support beams 17, 18, 19, 20 and 22, 23, There are 24 and 25 processing variations. Therefore, when the first and second vibrators 10 and 11 are vibrated in the X-axis direction by the driving means that vibrates the X-axis direction in opposite phases to each other, the first and second vibrators 10 and 11 are shown in FIG. As shown in (B), it vibrates linearly or elliptically on a plane composed of the X axis and the Y axis.

このとき、第1及び第2振動子10,11の検出部分の直線もしくは楕円振動のX軸方向への振動成分の周波数をf1とすると、第1及び第2振動子10,11の検出部分の直線もしくは楕円振動のY軸方向への振動成分の周波数はf1になる。また、第1及び第2振動子10,11の検出部分の角速度によるY軸方向への振動成分の周波数はf1になる。   At this time, assuming that the frequency of the vibration component in the X-axis direction of the linear or elliptical vibration of the detection portions of the first and second vibrators 10 and 11 is f1, the detection portions of the first and second vibrators 10 and 11 are detected. The frequency of the vibration component in the Y-axis direction of the linear or elliptical vibration is f1. The frequency of the vibration component in the Y-axis direction due to the angular velocity of the detection portions of the first and second vibrators 10 and 11 is f1.

したがって、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する第1及び第2振動子10,11の検出部分のY軸方向への振動成分と角速度による第1及び第2振動子10,11の検出部分のY軸方向への振動成分を区別することができず、角速度の検出誤差になる。   Therefore, the first and second vibrators 10 and 11 are caused to vibrate in the X-axis direction, that is, the detection portions of the first and second vibrators 10 and 11 that are generated by other than the angular velocity in the Y-axis direction. The vibration component in the Y-axis direction of the detection part of the first and second vibrators 10 and 11 based on the vibration component and the angular velocity cannot be distinguished, resulting in an angular velocity detection error.

一方、図4(A)に示すように、本実施形態の角速度センサでは、第1及び第2振動子10,11が基板上から支持梁17,18,19,20によって一方から片持ち梁構造で支持されている。第1及び第2振動子10,11をそれぞれ第1及び第2静電気力発生手段6,7と第3及び第4静電気力発生手段8,9により振動させたとき、第1及び第2振動子10,11は、基板上から支持梁17,18,19,20によって一方から片持ち梁構造で支持されているため、第1及び第2振動子10,11は、図4(A)に示したように、X軸及びY軸から構成される平面において振り子状に振動する。   On the other hand, as shown in FIG. 4A, in the angular velocity sensor of the present embodiment, the first and second vibrators 10 and 11 are cantilevered from one side by support beams 17, 18, 19 and 20 from above the substrate. It is supported by. When the first and second vibrators 10 and 11 are vibrated by the first and second electrostatic force generation means 6 and 7 and the third and fourth electrostatic force generation means 8 and 9, respectively, the first and second vibrators 10 and 11 are supported in a cantilever structure from one side by support beams 17, 18, 19, and 20 from above the substrate, and therefore the first and second vibrators 10 and 11 are shown in FIG. As described above, it vibrates like a pendulum in a plane composed of the X axis and the Y axis.

このとき、第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bの振り子振動のX軸方向への振動成分の周波数をf1とすると、第1及び第2振動子10、11の検出部分10b,11bの振り子振動のY軸方向への振動成分の周波数は2×f1になる。また、第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bの角速度によるY軸方向への振動成分の周波数はf1になる。   At this time, if the frequency of the vibration component in the X-axis direction of the pendulum vibration of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 is f1, the detection portions of the first and second vibrators 10 and 11 are detected. The frequency of the vibration component in the Y-axis direction of the pendulum vibrations 10b and 11b is 2 × f1. Further, the frequency of the vibration component in the Y-axis direction due to the angular velocity of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 is f1.

したがって、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への振動成分と角速度による第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への振動成分を周波数によって区別することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。   Therefore, the Y-axis of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 caused by vibrating the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction, that is, generated by other than the angular velocity. The vibration component in the Y-axis direction of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 due to the vibration component in the direction and the angular velocity can be distinguished by the frequency, and the detection error of the angular velocity can be reduced. it can.

次に、図5を用いて、本実施形態である角速度センサの駆動回路の構成を説明する。
図5は、本発明の第1の実施形態である角速度センサの駆動回路の回路図である。なお、図5では、検出素子1の第1〜第4静電気力発生手段6,7,8,9と、第1〜第4静電容量検出手段13,14,15,16を便宜上コンデンサの電気記号として表記している。
Next, the configuration of the drive circuit for the angular velocity sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram of the drive circuit for the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 5, the first to fourth electrostatic force generation means 6, 7, 8, 9 and the first to fourth electrostatic capacity detection means 13, 14, 15, 16 of the detection element 1 are electrically connected to the capacitor for convenience. It is written as a symbol.

発振器31aは、周波数f2の発振波形を発生し、第1及び第4静電容量検出手段13,16に電圧を印加する。反転器31bは、発振器31aの信号を反転して、第2及び第3静電容量検出手段14,15に電圧を印加する。C/V変換器32は、第1〜第4静電気力発生手段6,7,8,9と第1〜第4静電容量検出手段13,14,15,16により構成されるコンデンサの共通端子の電位を一定に保つと共に、第1〜第4静電気力発生手段6,7,8,9と第1〜第4静電容量検出手段13,14,15,16に電圧を印加することによって生じる電荷を電圧に変換する。乗算器33aは、C/V変換器32の出力と周波数f2の信号で乗算する。LPF33bは、乗算器33aの出力から高周波成分を除去する。   The oscillator 31a generates an oscillation waveform having a frequency f2, and applies a voltage to the first and fourth capacitance detection means 13 and 16. The inverter 31b inverts the signal of the oscillator 31a and applies a voltage to the second and third capacitance detection means 14 and 15. The C / V converter 32 is a common terminal of a capacitor constituted by the first to fourth electrostatic force generation means 6, 7, 8, 9 and the first to fourth capacitance detection means 13, 14, 15, 16. Is generated by applying a voltage to the first to fourth electrostatic force generation means 6, 7, 8, 9 and the first to fourth electrostatic capacity detection means 13, 14, 15, 16. Convert charge to voltage. The multiplier 33a multiplies the output of the C / V converter 32 by the signal having the frequency f2. The LPF 33b removes high frequency components from the output of the multiplier 33a.

乗算器34aは、LPF33bの出力と周波数f1の信号で乗算する。LPF34bは、乗算器34aの出力の高周波成分を除去する。乗算器35aは、LPF33bの出力と周波数2×f1の信号で乗算する。LPF35bは、乗算器35aの出力の高周波成分を除去する。   The multiplier 34a multiplies the output of the LPF 33b and the signal of the frequency f1. The LPF 34b removes the high frequency component of the output of the multiplier 34a. The multiplier 35a multiplies the output of the LPF 33b by a signal having a frequency of 2 × f1. The LPF 35b removes the high frequency component of the output of the multiplier 35a.

加減算器37aは、LPF35bの出力に予め決められた基準電圧VRを減算する。増幅器37bは、加減算器37aの出力を増幅して第1及び第2振動子10、11のX軸方向の変位に応じた信号を出力する。乗算器37cは、増幅器37bの出力と周波数f1の信号で乗算する。加算器37dは、乗算器37cの出力にバイアス電圧VBを加算して第1及び第4静電気力発生手段6,9に電圧を印加する。反転器37eは、乗算器37cの出力を反転する。加算器37fは、反転器37eの出力にバイアス電圧VBを加算して第2及び第3静電気力発生手段7,8に電圧を印加する。   The adder / subtractor 37a subtracts a predetermined reference voltage VR from the output of the LPF 35b. The amplifier 37b amplifies the output of the adder / subtractor 37a and outputs a signal corresponding to the displacement of the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction. Multiplier 37c multiplies the output of amplifier 37b by the signal of frequency f1. The adder 37d adds the bias voltage VB to the output of the multiplier 37c and applies a voltage to the first and fourth electrostatic force generating means 6 and 9. The inverter 37e inverts the output of the multiplier 37c. The adder 37f adds the bias voltage VB to the output of the inverter 37e and applies the voltage to the second and third electrostatic force generation means 7,8.

発振器38aは、周波数2×f1の発振波形を発生し、乗算器35aに電圧を印加する。分周器38bは、発振器38aの出力を1/2分周し、周波数f1の発振波形を発生し、乗算器34a,37cに電圧を印加する。基準電源39aは、基準電圧VRを発生し、加減算器37aに印加する。バイアス電源39bは、バイアス電圧VBを発生し、加算器37d,37fに印加する。   The oscillator 38a generates an oscillation waveform having a frequency of 2 × f1, and applies a voltage to the multiplier 35a. The frequency divider 38b divides the output of the oscillator 38a by 1/2, generates an oscillation waveform of the frequency f1, and applies a voltage to the multipliers 34a and 37c. The reference power supply 39a generates a reference voltage VR and applies it to the adder / subtractor 37a. The bias power supply 39b generates a bias voltage VB and applies it to the adders 37d and 37f.

以下、本駆動回路の動作を説明する。そして、本発明の第1の実施形態である角速度センサの第3及び第4の特徴を説明する。   Hereinafter, the operation of the drive circuit will be described. And the 3rd and 4th characteristic of the angular velocity sensor which is the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.

(3)第1及び第2振動子10、11の検出部分102,112のY軸方向の変位を検出する第1及び第2静電容量検出手段13,14と第3及び第4静電容量検出手段15,16により、第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位も検出し、チップ面積を小さくすることができる。   (3) First and second capacitance detection means 13 and 14 for detecting displacement in the Y-axis direction of the detection portions 102 and 112 of the first and second vibrators 10 and 11, and third and fourth capacitances. The detecting means 15 and 16 can detect the displacement of the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction to reduce the chip area.

(4)第1及び第2振動子10,11の検出部分102,112のY軸方向の変位を検出する第1及び第2静電容量検出手段13,14と第3及び第4静電容量検出手段15,16により、第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位も検出し、第1及び第2振動子10,11のX軸方向への変位が予め決められた値になるように第1及び第2振動子10,11を振動させ、角速度の検出精度を向上させることができる。   (4) First and second capacitance detecting means 13 and 14 for detecting displacement in the Y-axis direction of the detection portions 102 and 112 of the first and second vibrators 10 and 11, and third and fourth capacitances. The detection means 15 and 16 also detect the displacement of the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction, and the displacement of the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction is a predetermined value. The first and second vibrators 10 and 11 can be vibrated so that the angular velocity detection accuracy can be improved.

まず、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への振動成分の検出動作,すなわち、第3の特徴について説明する。   First, the Y-axis of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 caused by vibrating the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction, that is, generated by other than the angular velocity. The operation of detecting the vibration component in the direction, that is, the third feature will be described.

角速度以外により発生する第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への振動成分の検出は、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の静電容量の差分信号を検出して、この差分信号の2×f1の成分を検出することで実現できる。   The detection of the vibration component in the Y-axis direction of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 generated by other than the angular velocity is performed by the electrostatic capacitances of the first and fourth capacitance detection means 13 and 16. This is realized by detecting a difference signal between the capacitances of the second and third capacitance detection means 14 and 15 and detecting a 2 × f1 component of the difference signal.

本駆動回路では、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の静電容量の差分信号を検出するために、第1及び第4静電容量検出手段13,16と第2及び第3静電容量検出手段14,15に周波数f2の各々反転した信号を印加して、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の差分に依存した電荷をC/V変換器32に流している。   In this drive circuit, in order to detect a difference signal between the capacitances of the first and fourth capacitance detection means 13 and 16 and the capacitances of the second and third capacitance detection means 14 and 15, The first and fourth capacitance detection means 13, 16 and the second and third capacitance detection means 14, 15 are applied with inverted signals of the frequency f 2, respectively. , 16 and the charge depending on the difference between the second and third capacitance detecting means 14 and 15 are passed to the C / V converter 32.

この時、周波数f2は、周波数f1よりも十分高い周波数にして、C/V変換器32のゲインの高い周波数域を利用している。   At this time, the frequency f2 is set to a frequency sufficiently higher than the frequency f1, and the frequency region where the gain of the C / V converter 32 is high is used.

こうすることで、C/V変換器32の出力に周波数f2の周波数成分を持ち、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の静電容量の差分に依存した電圧波形が現れる。   In this way, the output of the C / V converter 32 has a frequency component of the frequency f2, and the capacitances of the first and fourth capacitance detection means 13, 16 and the second and third capacitance detection means. A voltage waveform depending on the difference in capacitance between 14 and 15 appears.

この電圧波形を乗算器33aで周波数f2の信号と乗算してLPF33bで高周波成分を除去することで、C/V変換器32の出力電圧の周波数f2の信号成分を抽出することで、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の静電容量の差分信号を検出する。   By multiplying this voltage waveform by the signal of frequency f2 by the multiplier 33a and removing the high frequency component by the LPF 33b, the signal component of the frequency f2 of the output voltage of the C / V converter 32 is extracted. A difference signal between the capacitance of the fourth capacitance detection means 13 and 16 and the capacitance of the second and third capacitance detection means 14 and 15 is detected.

そして、この検出信号を乗算器35aで周波数2×f1の信号と乗算してLPF35bで高周波成分を除去することで、この検出信号の周波数2×f1の信号成分を抽出して、角速度以外により発生する第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への振動成分に応じた信号を得る。   The detection signal is multiplied by the signal of frequency 2 × f1 by the multiplier 35a and the high frequency component is removed by the LPF 35b, thereby extracting the signal component of the frequency 2 × f1 of the detection signal and generating by other than the angular velocity. A signal corresponding to the vibration component in the Y-axis direction of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 is obtained.

以上により、第3の特徴である、Y軸方向の変位を検出する第1及び第2静電容量検出手段13,14と第3及び第4静電容量検出手段15,16により、第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位も検出することができる。従来の角速度センサでは、例えば、特開2002−188923号公報のものでは、図1に示すモニタ電極52という専用のX軸方向の変位を検出するセンサにより、X軸方向の変位を検出している。それに対して、本実施形態では、専用のX軸方向の変位を検出するセンサ部を不要として、チップ面積を小さくすることができる。   As described above, the first and second capacitance detection units 13 and 14 and the third and fourth capacitance detection units 15 and 16 that detect the displacement in the Y-axis direction, which are the third feature, The displacement in the X-axis direction of the second vibrators 10 and 11 can also be detected. In the conventional angular velocity sensor, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-188923, the displacement in the X-axis direction is detected by a dedicated sensor for detecting the displacement in the X-axis direction, which is the monitor electrode 52 shown in FIG. . On the other hand, in this embodiment, a dedicated sensor unit for detecting displacement in the X-axis direction is not required, and the chip area can be reduced.

次に、第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位の検出動作について説明する。   Next, the detection operation of the displacement in the X-axis direction of the first and second vibrators 10 and 11 will be described.

第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位の検出は、第1及び第2静電気力発生手段6,7と第3及び第4静電気力発生手段8,9により行うこともできるが、第1及び第2静電気力発生手段6,7と第3及び第4静電気力発生手段8,9は大きな静電気力を発生させるために静電容量が大きく、第1及び第2静電気力発生手段6,7と第3及び第4静電気力発生手段8,9に電圧を印加するとC/V変換器32が飽和することがある。   Detection of the displacement of the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction can also be performed by the first and second electrostatic force generation means 6 and 7 and the third and fourth electrostatic force generation means 8 and 9. However, the first and second electrostatic force generating means 6 and 7 and the third and fourth electrostatic force generating means 8 and 9 have a large electrostatic capacity to generate a large electrostatic force, and the first and second electrostatic force generating means. When a voltage is applied to the means 6 and 7 and the third and fourth electrostatic force generation means 8 and 9, the C / V converter 32 may be saturated.

また、第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位を検出するために、第1及び第2静電容量検出手段13,14と第3及び第4静電容量検出手段15,16とは別に、第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位を検出する静電容量検出手段を第1及び第2振動子10,11のフレーム10a,11aに設けることもできるが、チップ面積を大きくする必要が生じる。   In order to detect the displacement of the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction, the first and second capacitance detection means 13 and 14 and the third and fourth capacitance detection means 15 and In addition to 16, electrostatic capacity detection means for detecting the displacement of the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction can be provided on the frames 10 a and 11 a of the first and second vibrators 10 and 11. However, it is necessary to increase the chip area.

そこで、本実施形態の角速度センサでは、第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位を第1及び第2静電容量検出手段13,14と第3及び第4静電容量検出手段15,16により検出する手法を採用している。   Therefore, in the angular velocity sensor of the present embodiment, the displacement of the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction is detected by the first and second capacitance detection means 13 and 14 and the third and fourth capacitance detection. A method of detecting by means 15 and 16 is employed.

第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位は、第1及び第2振動子10,11がX軸とY軸から構成される平面において振り子状に振動するため、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への変位に依存する。   The first and second vibrators 10 and 11 are displaced in the X-axis direction because the first and second vibrators 10 and 11 vibrate in a pendulum shape on a plane constituted by the X-axis and the Y-axis. Due to the vibration of the second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction, that is, due to the displacement of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 in the Y-axis direction caused by other than the angular velocity. Dependent.

したがって、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に振動させることに起因する第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への変位から第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位を検出することができる。   Therefore, the first and second vibrators 10 and 11 are caused to vibrate in the X-axis direction, and the first and second vibrators 10 and 11 are detected from the displacement of the detection portions 10b and 11b in the Y-axis direction. The displacement in the X-axis direction of the second vibrators 10 and 11 can be detected.

次に、第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位を予め決められた値になるように第1及び第2振動子10,11を振動させる駆動力サーボ動作について説明する。   Next, a description will be given of a driving force servo operation for vibrating the first and second vibrators 10 and 11 so that the displacements in the X-axis direction of the first and second vibrators 10 and 11 become predetermined values.

本実施形態の駆動回路では、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の静電容量との差分信号が一定になるように、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に振動させることに起因する第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への振動成分を用いて、第1及び第2静電気力発生手段6,7と第3及び第4静電気力発生手段8,9に電圧を印加する手法を採用している。   In the drive circuit of the present embodiment, the difference signal between the capacitances of the first and fourth capacitance detection units 13 and 16 and the capacitances of the second and third capacitance detection units 14 and 15 is constant. As shown, the vibration components in the Y-axis direction of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 caused by vibrating the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction are obtained. In this method, a method of applying a voltage to the first and second electrostatic force generating means 6 and 7 and the third and fourth electrostatic force generating means 8 and 9 is adopted.

本実施形態の駆動回路では、LPF35bの出力には、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に振動させることに起因する第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への変位に依存した電圧が検出される。   In the drive circuit of the present embodiment, the output of the LPF 35b includes the detection portions 10b, 10b of the first and second vibrators 10, 11 caused by vibrating the first and second vibrators 10, 11 in the X-axis direction. A voltage depending on the displacement of 11b in the Y-axis direction is detected.

そして、この検出電圧に予め決められた基準電圧VRを加減算器37aで減算する。基準電圧VRが、第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位を予め決められた値とする基準電圧である。第1及び第2振動子10,11のX軸方向の変位は、この基準電圧VRとなるように、サーボ動作される。   Then, a predetermined reference voltage VR is subtracted from the detected voltage by the adder / subtractor 37a. The reference voltage VR is a reference voltage that takes a displacement in the X-axis direction of the first and second vibrators 10 and 11 as a predetermined value. The first and second vibrators 10 and 11 are servo-operated so that the displacement in the X-axis direction becomes the reference voltage VR.

加減算器37aの出力は増幅器37bで増幅され、増幅器37bの出力に乗算器37cで周波数f1の信号と乗算する。乗算器37cの出力にバイアス電圧VBを加算器37dで加算して、第1及び第4静電気力発生手段6,9に印加することにより、第1及び第4静電気力発生手段6,9に静電気力を発生させて第1及び第2振動子10,11を周波数f1で両側から引っ張る。   The output of the adder / subtractor 37a is amplified by the amplifier 37b, and the output of the amplifier 37b is multiplied by the signal of the frequency f1 by the multiplier 37c. A bias voltage VB is added to the output of the multiplier 37c by an adder 37d and applied to the first and fourth electrostatic force generating means 6 and 9, thereby providing static electricity to the first and fourth electrostatic force generating means 6 and 9. A force is generated to pull the first and second vibrators 10 and 11 from both sides at the frequency f1.

また、第2及び第3静電気力発生手段7,8には、乗算器37cの出力を反転器37eで反転し、反転器37eの出力にバイアス電圧VBを加算器37fで加算した信号を印加する。これにより、第2及び第3静電気力発生手段7,8に静電気力を発生させて第1及び第2振動子10,11を周波数f1で両側から引き込む。   Further, the output of the multiplier 37c is inverted by the inverter 37e, and a signal obtained by adding the bias voltage VB by the adder 37f is applied to the output of the inverter 37e. . As a result, the second and third electrostatic force generating means 7 and 8 generate an electrostatic force to pull the first and second vibrators 10 and 11 from both sides at the frequency f1.

このとき、周波数f1は第1及び第2振動子10,11の逆相振動の共振周波数に合わせ、第1及び第2振動子10,11が大きく逆相に振動するようにしている。   At this time, the frequency f1 is adjusted to the resonance frequency of the antiphase vibration of the first and second vibrators 10 and 11, so that the first and second vibrators 10 and 11 vibrate greatly in antiphase.

こうすることで、第1及び第4静電気力発生手段6,9と第2及び第3静電気力発生手段7,8から第1及び第2振動子10,11に静電気力を働かせて、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の静電容量の差分が一定になるようにする。   In this way, the first and fourth electrostatic force generating means 6 and 9 and the second and third electrostatic force generating means 7 and 8 can apply the electrostatic force to the first and second vibrators 10 and 11, thereby The difference between the capacitance of the fourth capacitance detection means 13 and 16 and the capacitance of the second and third capacitance detection means 14 and 15 is made constant.

つまり、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に振動させることに起因する第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への変位を一定に保ち、第1及び第2振動子10,11のX軸方向への振動の振幅を一定に保つことができる。   That is, the displacement in the Y-axis direction of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 caused by vibrating the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction is kept constant. The amplitude of vibration in the X-axis direction of the first and second vibrators 10 and 11 can be kept constant.

これにより、本角速度センサに外部からの振動が加わっても、第1及び第2振動子10,11のX軸方向への変位が予め決められた値になるように第1及び第2振動子10,11を振動させ、第4の特徴のように、角速度の検出精度を向上させることができる。   As a result, even when external vibration is applied to the angular velocity sensor, the first and second vibrators are arranged such that the displacements of the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction have predetermined values. 10 and 11 can be vibrated to improve the angular velocity detection accuracy as in the fourth feature.

次に、角速度の検出動作について説明する。   Next, the angular velocity detection operation will be described.

角速度の検出は、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の静電容量の差分信号を検出して、この差分信号の周波数f1の成分を検出することで実現できる。   The angular velocity is detected by detecting a difference signal between the capacitances of the first and fourth capacitance detection means 13 and 16 and the capacitances of the second and third capacitance detection means 14 and 15 and calculating the difference. This can be realized by detecting the component of the frequency f1 of the signal.

本実施形態の駆動回路では、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の静電容量の差分信号を検出するために、第1及び第4静電容量検出手段13,16と第2及び第3静電容量検出手段14,15に周波数f2の各々反転した信号を印加して、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の静電容量の差分に依存した電荷をC/V変換器32に流している。   In the drive circuit of this embodiment, in order to detect a difference signal between the capacitances of the first and fourth capacitance detection units 13 and 16 and the capacitances of the second and third capacitance detection units 14 and 15. The first and fourth capacitances are applied to the first and fourth capacitance detection means 13 and 16 and the second and third capacitance detection means 14 and 15 by applying inverted signals of the frequency f2, respectively. A charge depending on the difference between the capacitance of the detection means 13, 16 and the capacitance of the second and third capacitance detection means 14, 15 is supplied to the C / V converter 32.

この時、周波数f2は、周波数f1よりも十分高い周波数にして、C/V変換器32のゲインの高い周波数域を利用している。   At this time, the frequency f2 is set to a frequency sufficiently higher than the frequency f1, and the frequency region where the gain of the C / V converter 32 is high is used.

こうすることで、C/V変換器32の出力に周波数f2の周波数成分を持ち、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の静電容量との差分に依存した電圧波形が現れる。   In this way, the output of the C / V converter 32 has a frequency component of the frequency f2, and the capacitances of the first and fourth capacitance detection means 13, 16 and the second and third capacitance detection means. A voltage waveform depending on the difference between the capacitances 14 and 15 appears.

この電圧波形を乗算器33aで周波数f2の信号と乗算してLPF33bで高周波成分を除去し、C/V変換器32の出力電圧の周波数f2の信号成分を抽出することで、第1及び第4静電容量検出手段13,16の静電容量と第2及び第3静電容量検出手段14,15の静電容量の差分信号を検出する。   This voltage waveform is multiplied by the signal of frequency f2 by multiplier 33a, the high frequency component is removed by LPF 33b, and the signal component of frequency f2 of the output voltage of C / V converter 32 is extracted. A difference signal between the capacitances of the capacitance detection units 13 and 16 and the capacitances of the second and third capacitance detection units 14 and 15 is detected.

そして、この検出信号を乗算器34aで周波数f1の信号と乗算してLPF34bで高周波成分を除去することで、この検出信号の周波数f1の信号成分を抽出して、角速度に応じた信号を得ることができる。   Then, the detection signal is multiplied by the signal of the frequency f1 by the multiplier 34a and the high frequency component is removed by the LPF 34b, thereby extracting the signal component of the frequency f1 of the detection signal and obtaining a signal corresponding to the angular velocity. Can do.

以上説明したように、本実施形態によれば、(1)振動子を支持する梁が、基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度を向上させることができる。   As described above, according to the present embodiment, (1) the beam supporting the vibrator receives a tensile force generated by the thermal stress from the substrate, and the resonance frequency of the vibrator is prevented from changing. The detection accuracy of angular velocity can be improved.

(2)また、振動子をX軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する振動子の検出部分のY軸方向への振動成分と、角速度による振動子の検出部分のY軸方向への振動成分を、周波数によって区別して検出することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。   (2) In addition, the vibration component in the Y-axis direction of the detection part of the vibrator that is caused by vibrating the vibrator in the X-axis direction, that is, other than the angular velocity, and the Y of the detection part of the vibrator due to the angular velocity. The vibration component in the axial direction can be detected by being distinguished by the frequency, and the angular velocity detection error can be reduced.

(3)さらに、振動子の検出部分のY軸方向の変位を検出する手段により、振動子のX軸方向の変位も検出し、電極数を少なくし、チップ面積を小さくできる。   (3) Further, the means for detecting the displacement of the detection portion of the vibrator in the Y-axis direction can also detect the displacement of the vibrator in the X-axis direction, thereby reducing the number of electrodes and reducing the chip area.

(4)また、振動子の検出部分のY軸方向の変位を検出する手段により、振動子のX軸方向の変位も検出し、振動子のX軸方向への変位が予め決められた値になるように振動子を振動させ、角速度の検出精度を向上させることができる。   (4) Further, the means for detecting the displacement of the detection portion of the vibrator in the Y-axis direction also detects the displacement of the vibrator in the X-axis direction, and the displacement of the vibrator in the X-axis direction is set to a predetermined value. Thus, the vibrator can be vibrated to improve the angular velocity detection accuracy.

次に、図6を用いて、本発明の第2の実施形態による角速度センサの構成について説明する。
図6は、本発明の第2の実施形態の角速度センサの検出素子の平面図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。また、図6の断面構成は、図2に示したものと同様である。さらに、駆動回路の構成は、図5に示したものと同様である。
Next, the configuration of the angular velocity sensor according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a plan view of the detection element of the angular velocity sensor according to the second embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts. 6 is the same as that shown in FIG. Further, the configuration of the drive circuit is the same as that shown in FIG.

本実施形態では、角速度センサの検出部1Aは、図1に示した第1の実施形態における、角速度センサの検出部1の第1及び第2振動子10,11を基板上から支持する手段の構成を変更したものである。   In this embodiment, the detection unit 1A of the angular velocity sensor is a means for supporting the first and second vibrators 10 and 11 of the detection unit 1 of the angular velocity sensor from the substrate in the first embodiment shown in FIG. The configuration has been changed.

本実施形態の角速度センサの検出部1Aの第1及び第2振動子10,11を基板上から支持する手段は、図1と同様な第1〜第4支持梁17,18,19,20に加えて、第1及び第2補助梁41,42である。第1〜第4支持梁17,18,19,20は、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に変位し易く、Y軸及びZ軸方向に変位し難く支持する。第1及び第2補助梁41,42は、第1及び第2振動子10,11をX軸,Y軸及びZ軸方向に変位し易く支持する。ここで、第1及び第2補助梁41,42のX軸,Y軸及びZ軸方向のばね定数は、1〜第4支持梁17,18,19,20のX軸,Y軸及びZ軸方向のばね定数よりも小さく設定されている。   Means for supporting the first and second vibrators 10 and 11 of the detection unit 1A of the angular velocity sensor according to the present embodiment from the substrate are the same as the first to fourth support beams 17, 18, 19, and 20 similar to FIG. In addition, the first and second auxiliary beams 41 and 42 are provided. The first to fourth support beams 17, 18, 19, 20 support the first and second vibrators 10, 11 that are easy to displace in the X-axis direction and difficult to displace in the Y-axis and Z-axis directions. The first and second auxiliary beams 41 and 42 support the first and second vibrators 10 and 11 so as to be easily displaced in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. Here, the spring constants in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions of the first and second auxiliary beams 41 and 42 are the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the first to fourth support beams 17, 18, 19, and 20, respectively. It is set smaller than the spring constant in the direction.

以下、各々の構成について説明する。   Each configuration will be described below.

第1補助梁41は、支持梁41aと、支持梁41bと、アンカー部41c,41dから構成される。支持梁41aは、第1振動子10のフレーム10aをX軸とZ軸方向に変位し易く支持する。支持梁41bは、支持梁41aからX軸方向に対称に連結され、第1振動子10のフレーム10aをY軸とZ軸方向に変位し易く支持する。アンカー部41c,41dは、支持梁41bを両側からシリコン基板4に固定する。   The first auxiliary beam 41 includes a support beam 41a, a support beam 41b, and anchor portions 41c and 41d. The support beam 41a supports the frame 10a of the first vibrator 10 so as to be easily displaced in the X-axis and Z-axis directions. The support beam 41b is connected to the support beam 41a symmetrically in the X-axis direction, and supports the frame 10a of the first vibrator 10 so as to be easily displaced in the Y-axis and Z-axis directions. The anchor portions 41c and 41d fix the support beam 41b to the silicon substrate 4 from both sides.

第2補助梁42は、支持梁42aと、支持梁42bと、アンカー部42c,42dから構成される。支持梁42aは、第2振動子11のフレーム10aをX軸とZ軸方向に変位し易く支持する。支持梁42bは、支持梁42aからX軸方向に対称に連結され、第2振動子11のフレーム11aをY軸とZ軸方向に変位し易く支持する。アンカー部42c,42dは、支持梁42bを両側からシリコン基板4に固定する。   The second auxiliary beam 42 includes a support beam 42a, a support beam 42b, and anchor portions 42c and 42d. The support beam 42a supports the frame 10a of the second vibrator 11 so as to be easily displaced in the X-axis and Z-axis directions. The support beam 42b is connected symmetrically from the support beam 42a in the X-axis direction, and supports the frame 11a of the second vibrator 11 so as to be easily displaced in the Y-axis and Z-axis directions. The anchor portions 42c and 42d fix the support beam 42b to the silicon substrate 4 from both sides.

第1及び第2振動子10,11は、基板上から第1〜第4支持梁17,18,19,20と、第1及び第2補助梁41,42とによって支持されているので、第1及び第2振動子10,11のZ軸方向への剛性が大きくなる。   Since the first and second vibrators 10 and 11 are supported by the first to fourth support beams 17, 18, 19 and 20 and the first and second auxiliary beams 41 and 42 from above the substrate, The rigidity of the first and second vibrators 10 and 11 in the Z-axis direction is increased.

次に、本角速度センサを高温下あるいは低温下で使用する場合、図6では示していない外部から検出素子1を支持するフレームとシリコン基板4の熱膨張係数差からシリコン基板4にそりが生じ、第1〜第4支持梁17〜20と第1及び第2補助梁41,42にシリコン基板4からの熱応力により発生する引張り力が加わる。   Next, when this angular velocity sensor is used at a high temperature or a low temperature, warpage occurs in the silicon substrate 4 due to a difference in thermal expansion coefficient between the frame supporting the detection element 1 and the silicon substrate 4 from outside, which is not shown in FIG. A tensile force generated by thermal stress from the silicon substrate 4 is applied to the first to fourth support beams 17 to 20 and the first and second auxiliary beams 41 and 42.

ここで、第1及び第2補助梁41,42のX軸,Y軸及びZ軸方向のばね定数は、1〜第4支持梁17,18,19,20のX軸,Y軸及びZ軸方向のばね定数よりも小さく設定されているので、シリコン基板4からの熱応力により発生する引張り力は、第1〜第4支持梁17,18,19,20よりも、第1及び第2補助梁41,42に大きく加わる。そのため、第1及び第2補助梁41,42のばね定数は変わるが、第1〜第4支持梁17,18,19,20のばね定数は変わらないものである。   Here, the spring constants in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions of the first and second auxiliary beams 41 and 42 are the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the first to fourth support beams 17, 18, 19, and 20, respectively. Since the spring constant in the direction is set to be smaller, the tensile force generated by the thermal stress from the silicon substrate 4 is the first and second auxiliary than the first to fourth support beams 17, 18, 19, 20. Largely added to the beams 41 and 42. Therefore, although the spring constants of the first and second auxiliary beams 41 and 42 change, the spring constants of the first to fourth support beams 17, 18, 19 and 20 do not change.

また、第1及び第2振動子10,11のX軸及びY軸から構成される平面での共振周波数は、それぞれ第1及び第2振動子10,11の質量と、第1〜第4支持梁17,18,19,20のバネ定数により決定される。シリコン基板4からの熱応力により引張り力が発生した場合でも、第1〜第4支持梁17,18,19,20のバネ定数は変わらないため、第1及び第2振動子10,11のX軸及びY軸から構成される平面での共振周波数は変わらないので、角速度の検出精度を向上させることができる。   In addition, the resonance frequency on the plane composed of the X axis and the Y axis of the first and second vibrators 10 and 11 is the mass of the first and second vibrators 10 and 11 and the first to fourth supports, respectively. It is determined by the spring constant of the beams 17, 18, 19, 20. Even when a tensile force is generated due to thermal stress from the silicon substrate 4, the spring constants of the first to fourth support beams 17, 18, 19, and 20 do not change, and therefore the X of the first and second vibrators 10 and 11 does not change. Since the resonance frequency in the plane composed of the axis and the Y-axis does not change, the angular velocity detection accuracy can be improved.

次に、第1及び第2振動子10,11を、それぞれ第1及び第2静電気力発生手段6,7と第3及び第4静電気力発生手段8,9により振動させたとき、第1及び第2支持梁17,18よりも第1補助梁41の方がX軸及びY軸方向に変位し易く、第3及び第4支持梁19,20よりも第2補助梁42の方がX軸及びY軸方向に変位し易いため、第1及び第2振動子10,11はそれぞれX軸とY軸から構成される平面において振り子状に振動する。   Next, when the first and second vibrators 10 and 11 are vibrated by the first and second electrostatic force generation means 6 and 7 and the third and fourth electrostatic force generation means 8 and 9, respectively, The first auxiliary beam 41 is more easily displaced in the X-axis and Y-axis directions than the second support beams 17 and 18, and the second auxiliary beam 42 is more X-axis than the third and fourth support beams 19 and 20. Since the first and second vibrators 10 and 11 are easily displaced in the Y-axis direction, the first and second vibrators 10 and 11 vibrate in a pendulum shape on a plane constituted by the X-axis and the Y-axis, respectively.

このとき、第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bの振り子振動のX軸方向への振動成分の周波数をf1とすると、第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bの振り子振動のY軸方向への振動成分の周波数は2×f1となる。   At this time, if the frequency of the vibration component in the X-axis direction of the pendulum vibration of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 is f1, the detection portions of the first and second vibrators 10 and 11 are detected. The frequency of the vibration component in the Y-axis direction of the pendulum vibrations 10b and 11b is 2 × f1.

また、第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bの角速度によるY軸方向への振動成分の周波数はf1となる。   The frequency of the vibration component in the Y-axis direction due to the angular velocity of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 is f1.

したがって、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への振動成分と角速度による第1及び第2振動子10,11の検出部分10b,11bのY軸方向への振動成分を周波数によって区別することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。   Therefore, the Y-axis of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 caused by vibrating the first and second vibrators 10 and 11 in the X-axis direction, that is, generated by other than the angular velocity. The vibration component in the Y-axis direction of the detection portions 10b and 11b of the first and second vibrators 10 and 11 due to the vibration component in the direction and the angular velocity can be distinguished by the frequency, and the detection error of the angular velocity can be reduced. it can.

以上説明したように、本実施形態によれば、(1)振動子を支持する梁が、基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度を向上させることができる。   As described above, according to the present embodiment, (1) the beam supporting the vibrator receives a tensile force generated by the thermal stress from the substrate, and the resonance frequency of the vibrator is prevented from changing. The detection accuracy of angular velocity can be improved.

(2)また、振動子をX軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する振動子の検出部分のY軸方向への振動成分と、角速度による振動子の検出部分のY軸方向への振動成分を、周波数によって区別して検出することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。   (2) In addition, the vibration component in the Y-axis direction of the detection part of the vibrator that is caused by vibrating the vibrator in the X-axis direction, that is, other than the angular velocity, and the Y of the detection part of the vibrator due to the angular velocity. The vibration component in the axial direction can be detected by being distinguished by the frequency, and the angular velocity detection error can be reduced.

(3)さらに、振動子の検出部分のY軸方向の変位を検出する手段により、振動子のX軸方向の変位も検出し、電極数を少なくし、チップ面積を小さくできる。   (3) Further, the means for detecting the displacement of the detection portion of the vibrator in the Y-axis direction can also detect the displacement of the vibrator in the X-axis direction, thereby reducing the number of electrodes and reducing the chip area.

(4)また、振動子の検出部分のY軸方向の変位を検出する手段により、振動子のX軸方向の変位も検出し、振動子のX軸方向への変位が予め決められた値になるように振動子を振動させ、角速度の検出精度を向上させることができる。   (4) Further, the means for detecting the displacement of the detection portion of the vibrator in the Y-axis direction also detects the displacement of the vibrator in the X-axis direction, and the displacement of the vibrator in the X-axis direction is set to a predetermined value. Thus, the vibrator can be vibrated to improve the angular velocity detection accuracy.

(5)さらに、第1及び第2振動子10,11のZ軸方向への剛性が大きくすることができる。   (5) Furthermore, the rigidity in the Z-axis direction of the first and second vibrators 10 and 11 can be increased.

次に、図7を用いて、本発明の第3の実施形態による角速度センサの構成について説明する。
図7は、本発明の第3の実施形態の角速度センサの検出素子の平面図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。また、図7の断面構成は、図2に示したものと同様である。さらに、駆動回路の構成は、図5に示したものと同様である。
Next, the configuration of the angular velocity sensor according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a plan view of the detection element of the angular velocity sensor according to the third embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts. 7 is the same as that shown in FIG. Further, the configuration of the drive circuit is the same as that shown in FIG.

本実施形態では、角速度センサの検出部1Bは、図1に示した実施形態の角速度センサの検出部1の第1及び第2振動子10,11を基板上から支持する手段の構成を変更したものである。   In the present embodiment, the detection unit 1B of the angular velocity sensor has changed the configuration of the means for supporting the first and second vibrators 10 and 11 of the detection unit 1 of the angular velocity sensor of the embodiment shown in FIG. 1 from the substrate. Is.

第3の実施形態の角速度センサの検出部1の第1及び第2振動子10,11を基板上から支持する手段は、第1〜第4支持梁17,18,19’,20’により構成される。第1〜第4支持梁17,18,19’,20’は、それぞれ、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に変位し易く、Y軸及びZ軸方向に変位し難く支持する。ここで、第1及び第2支持梁17,18と第3及び第4支持梁19’,20’は、互いに弾性連結梁12の中心部から点対称になるように配置される。   The means for supporting the first and second vibrators 10 and 11 of the detection unit 1 of the angular velocity sensor according to the third embodiment from the substrate is constituted by the first to fourth support beams 17, 18, 19 ′, and 20 ′. Is done. The first to fourth support beams 17, 18, 19 ′, 20 ′ support the first and second vibrators 10, 11 that are easy to displace in the X-axis direction and difficult to displace in the Y-axis and Z-axis directions, respectively. To do. Here, the first and second support beams 17 and 18 and the third and fourth support beams 19 ′ and 20 ′ are arranged so as to be point-symmetric with respect to each other from the center of the elastic connection beam 12.

前述したように、第1及び第2振動子10,11をそれぞれ支持する第1及び第2支持梁17,18と第3及び第4支持梁19’,20’は互いに弾性連結梁12の中心部から点対称になるように配置されている。したがって、第1及び第2振動子10,11を、それぞれ第1及び第2静電気力発生手段6,7と第3及び第4静電気力発生手段8,9により振動させたとき、第1及び第2振動子10,11はX軸とY軸から構成される平面において互いに弾性連結梁12の中心部から点対称に振り子状に振動する。   As described above, the first and second support beams 17 and 18 and the third and fourth support beams 19 ′ and 20 ′ that support the first and second vibrators 10 and 11, respectively, are the center of the elastic coupling beam 12. It is arranged so as to be point-symmetric from the part. Therefore, when the first and second vibrators 10 and 11 are vibrated by the first and second electrostatic force generation means 6 and 7 and the third and fourth electrostatic force generation means 8 and 9, respectively, The two vibrators 10 and 11 vibrate in a pendulum shape symmetrically with respect to each other from the center of the elastic connecting beam 12 on a plane constituted by the X axis and the Y axis.

したがって、第1及び第2振動子10,11の運動量とエネルギーの総和は0となり、検出素子1からシリコン基板4と図6では示していない外部から検出素子1を支持するフレームを通して漏れる運動量とエネルギーは0となり、第1及び第2振動子10,11の振動が、外部に漏れることを防止できる。その結果、第1及び第2振動子10,11を安定してX軸とY軸から構成される平面において振り子状に振動させることができるので、角速度の検出精度を向上させることができる。   Accordingly, the sum of the momentum and energy of the first and second vibrators 10 and 11 is 0, and the momentum and energy leaking from the detection element 1 through the silicon substrate 4 and the frame supporting the detection element 1 from the outside not shown in FIG. Becomes 0, and the vibrations of the first and second vibrators 10 and 11 can be prevented from leaking outside. As a result, the first and second vibrators 10 and 11 can be stably vibrated in a pendulum shape on the plane constituted by the X-axis and the Y-axis, so that the angular velocity detection accuracy can be improved.

以上説明したように、本実施形態によれば、(1)振動子を支持する梁が、基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度を向上させることができる。   As described above, according to the present embodiment, (1) the beam supporting the vibrator receives a tensile force generated by the thermal stress from the substrate, and the resonance frequency of the vibrator is prevented from changing. The detection accuracy of angular velocity can be improved.

(2)また、振動子をX軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する振動子の検出部分のY軸方向への振動成分と、角速度による振動子の検出部分のY軸方向への振動成分を、周波数によって区別して検出することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。   (2) In addition, the vibration component in the Y-axis direction of the detection part of the vibrator that is caused by vibrating the vibrator in the X-axis direction, that is, other than the angular velocity, and the Y of the detection part of the vibrator due to the angular velocity. The vibration component in the axial direction can be detected by being distinguished by the frequency, and the angular velocity detection error can be reduced.

(3)さらに、振動子の検出部分のY軸方向の変位を検出する手段により、振動子のX軸方向の変位も検出し、電極数を少なくし、チップ面積を小さくできる。   (3) Further, the means for detecting the displacement of the detection portion of the vibrator in the Y-axis direction can also detect the displacement of the vibrator in the X-axis direction, thereby reducing the number of electrodes and reducing the chip area.

(4)また、振動子の検出部分のY軸方向の変位を検出する手段により、振動子のX軸方向の変位も検出し、振動子のX軸方向への変位が予め決められた値になるように振動子を振動させ、角速度の検出精度を向上させることができる。   (4) Further, the means for detecting the displacement of the detection portion of the vibrator in the Y-axis direction also detects the displacement of the vibrator in the X-axis direction, and the displacement of the vibrator in the X-axis direction is set to a predetermined value. Thus, the vibrator can be vibrated to improve the angular velocity detection accuracy.

(5)さらに、第1及び第2振動子10,11の振動を、外部に漏れるのを防止できる。   (5) Furthermore, it is possible to prevent the vibrations of the first and second vibrators 10 and 11 from leaking to the outside.

次に、図8を用いて、本発明の第4の実施形態による角速度センサの構成について説明する。
図8は、本発明の第4の実施形態の角速度センサの検出素子の平面図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。また、図8の断面構成は、図2に示したものと同様である。さらに、駆動回路の構成は、図5に示したものと同様である。
Next, the configuration of the angular velocity sensor according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a plan view of a detection element of the angular velocity sensor according to the fourth embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts. 8 is the same as that shown in FIG. Further, the configuration of the drive circuit is the same as that shown in FIG.

本実施形態では、角速度センサの検出部1Cは、図1に示した実施形態の角速度センサの検出部1の第1及び第2振動子10,11を基板上から支持する手段の構成を変更したものである。   In this embodiment, the detection unit 1C of the angular velocity sensor has changed the configuration of the means for supporting the first and second vibrators 10 and 11 of the detection unit 1 of the angular velocity sensor of the embodiment shown in FIG. 1 from the substrate. Is.

本実施形態の角速度センサの検出部1Cの第1及び第2振動子10,11を基板上から支持する手段は、第1〜第4支持梁17,18,19,20により構成される。第1〜第4支持梁17,18,19,20は、第1及び第2振動子10,11をX軸方向に変位し易く、Y軸及びZ軸方向に変位し難く支持する。第1及び第2支持梁17,18と第3及び第4支持梁19’,20は互いに弾性連結梁12の中心部から点対称、かつX軸について対向するように配置される。   The means for supporting the first and second vibrators 10 and 11 of the detection unit 1C of the angular velocity sensor according to the present embodiment from the substrate includes first to fourth support beams 17, 18, 19, and 20. The first to fourth support beams 17, 18, 19, 20 support the first and second vibrators 10, 11 that are easy to displace in the X-axis direction and difficult to displace in the Y-axis and Z-axis directions. The first and second support beams 17, 18 and the third and fourth support beams 19 ′, 20 are arranged so as to be point-symmetric with respect to the X axis from the center of the elastic coupling beam 12.

すなわち、図1と比較すると理解されるように、図1では、第1の振動子10の短辺と、第2の振動子11の短辺同士を、弾性連結梁12で連結しているのに対して、本実施形態では、第1の振動子10の短辺と、第2の振動子11の長辺同士を、弾性連結梁12’で連結している
前述したように、第1及び第2振動子10,11をそれぞれ支持する第1及び第2支持梁17,18と第3及び第4支持梁19,20は互いに弾性連結梁12の中心部から点対称になるように配置されている。その結果、第1及び第2振動子10,11をそれぞれ第1及び第2静電気力発生手段6,7と第3及び第4静電気力発生手段8,9により振動させたとき、第1及び第2振動子10,11はX軸とY軸から構成される平面において互いに弾性連結梁12’の中心部から点対称に振り子状に振動する。
That is, as understood from comparison with FIG. 1, in FIG. 1, the short side of the first vibrator 10 and the short side of the second vibrator 11 are connected by the elastic connecting beam 12. On the other hand, in the present embodiment, the short sides of the first vibrator 10 and the long sides of the second vibrator 11 are connected by the elastic connecting beam 12 ′, as described above, The first and second support beams 17 and 18 and the third and fourth support beams 19 and 20 that respectively support the second vibrators 10 and 11 are arranged so as to be symmetric with respect to each other from the center of the elastic coupling beam 12. ing. As a result, when the first and second vibrators 10 and 11 are vibrated by the first and second electrostatic force generation means 6 and 7 and the third and fourth electrostatic force generation means 8 and 9, respectively, The two vibrators 10 and 11 vibrate in a pendulum shape symmetrically with respect to each other from the center of the elastic coupling beam 12 ′ on a plane constituted by the X axis and the Y axis.

したがって、第1及び第2振動子10,11の運動量とエネルギーの総和は0となり、検出素子1からシリコン基板4と図6では示していない外部から検出素子1を支持するフレームを通して漏れる運動量とエネルギーは0となり、第1及び第2振動子10,11の振動が、外部に漏れることを防止できる。その結果、第1及び第2振動子10,11を安定してX軸とY軸から構成される平面において振り子状に振動させることができるので、角速度の検出精度を向上させることができる。   Accordingly, the sum of the momentum and energy of the first and second vibrators 10 and 11 is 0, and the momentum and energy leaking from the detection element 1 through the silicon substrate 4 and the frame supporting the detection element 1 from the outside not shown in FIG. Becomes 0, and the vibrations of the first and second vibrators 10 and 11 can be prevented from leaking outside. As a result, the first and second vibrators 10 and 11 can be stably vibrated in a pendulum shape on the plane constituted by the X-axis and the Y-axis, so that the angular velocity detection accuracy can be improved.

以上説明したように、本実施形態によれば、(1)振動子を支持する梁が、基板からの熱応力により発生する引張り力を受け、振動子の共振周波数が変化することを抑制し、角速度の検出精度を向上させることができる。   As described above, according to the present embodiment, (1) the beam supporting the vibrator receives a tensile force generated by the thermal stress from the substrate, and the resonance frequency of the vibrator is prevented from changing. The detection accuracy of angular velocity can be improved.

(2)また、振動子をX軸方向に振動させることに起因する、即ち、角速度以外により発生する振動子の検出部分のY軸方向への振動成分と、角速度による振動子の検出部分のY軸方向への振動成分を、周波数によって区別して検出することができ、角速度の検出誤差を低減することができる。   (2) In addition, the vibration component in the Y-axis direction of the detection part of the vibrator that is caused by vibrating the vibrator in the X-axis direction, that is, other than the angular velocity, and the Y of the detection part of the vibrator due to the angular velocity. The vibration component in the axial direction can be detected by being distinguished by the frequency, and the angular velocity detection error can be reduced.

(3)さらに、振動子の検出部分のY軸方向の変位を検出する手段により、振動子のX軸方向の変位も検出し、電極数を少なくし、チップ面積を小さくできる。   (3) Further, the means for detecting the displacement of the detection portion of the vibrator in the Y-axis direction can also detect the displacement of the vibrator in the X-axis direction, thereby reducing the number of electrodes and reducing the chip area.

(4)また、振動子の検出部分のY軸方向の変位を検出する手段により、振動子のX軸方向の変位も検出し、振動子のX軸方向への変位が予め決められた値になるように振動子を振動させ、角速度の検出精度を向上させることができる。   (4) Further, the means for detecting the displacement of the detection portion of the vibrator in the Y-axis direction also detects the displacement of the vibrator in the X-axis direction, and the displacement of the vibrator in the X-axis direction is set to a predetermined value. Thus, the vibrator can be vibrated to improve the angular velocity detection accuracy.

(5)さらに、第1及び第2振動子10,11の振動を、外部に漏れるのを防止できる。   (5) Furthermore, it is possible to prevent the vibrations of the first and second vibrators 10 and 11 from leaking to the outside.

なお、本発明の各実施形態の角速度センサは、自動車の横滑り制御、追突検知、横転検知、また、ナビゲーションシステムに利用される車両の進行方向検知などに用いられる。
The angular velocity sensor of each embodiment of the present invention is used for vehicle side slip control, rear-end collision detection, rollover detection, vehicle traveling direction detection used in a navigation system, and the like.

本発明の第1の実施形態による角速度センサの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the angular velocity sensor by the 1st Embodiment of this invention. 図1のA−A’断面図である。It is A-A 'sectional drawing of FIG. A)は、本発明の第1の実施形態の角速度センサの検出素子1のB−B‘の断面図を模擬的に表す図である。(B)は、特開2002−188923号公報等に開示されている従来の振動子23が基板上から梁22,24などによって両側から対称に支持された角速度センサの検出素子の断面図を模擬的に表す図である。FIG. 6A is a diagram schematically illustrating a cross-sectional view taken along line B-B ′ of the detection element 1 of the angular velocity sensor according to the first embodiment of the present invention. (B) simulates a cross-sectional view of a detection element of an angular velocity sensor in which a conventional vibrator 23 disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-188923 is supported symmetrically from both sides by beams 22 and 24 from the substrate. FIG. (A)は、本発明の第1の実施形態の角速度センサの第1及び第2振動子10,11の振動方向を模擬的に表す図である。(B)は、特開2002−188923号公報等に開示されている従来の振動子が基板上から梁などによって両側から対称に支持された角速度センサの振動子の振動方向を模擬的に表す図ある。(A) is a figure which represents the vibration direction of the 1st and 2nd vibrator | oscillators 10 and 11 of the angular velocity sensor of the 1st Embodiment of this invention in simulation. (B) is a diagram schematically representing the vibration direction of a vibrator of an angular velocity sensor in which a conventional vibrator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-188923 is supported symmetrically from both sides by a beam or the like from the substrate. is there. 本発明の第1の実施形態による角速度センサの駆動回路である。1 is a drive circuit for an angular velocity sensor according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態による角速度センサの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the angular velocity sensor by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態による角速度センサの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the angular velocity sensor by the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態による角速度センサの構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the angular velocity sensor by the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1,1A,1B,1C…検出素子、2…シリコン層、3…絶縁層、4…シリコン基板、5…ガラス基板、6…第1静電気力発生手段、6a…フレーム、6b…櫛歯電極、6c…パッド、7…第2静電気力発生手段、7a…フレーム、7b…櫛歯電極、7c…パッド、8…第3静電気力発生手段、8a…フレーム、8b…櫛歯電極、8c…パッド、9…第4静電気力発生手段、9a…フレーム、9b…櫛歯電極、9c…パッド、10…第1振動子、10a…フレーム、10b…検出部分、10c…連結梁、10d…連結梁、10e…連結梁、10f…連結梁、11…第2振動子、11a…フレーム、11b…検出部分、11c…連結梁、11d…連結梁、11f…連結梁、11e…連結梁、12,12’…弾性連結梁、12a…連結梁、12b…連結梁、13…第1静電容量検出手段、13a…フレーム、13b…平行平板電極、13c…パッド、14…第2静電容量検出手段、14a…フレーム、14b…平行平板電極、14c…パッド、15…第3静電容量検出手段、15a…フレーム、15b…平行平板電極、15c…パッド、16…第4静電容量検出手段、16a…フレーム、16b…平行平板電極、16c…パッド、17…第1支持梁、17a…支持梁、17b…アンカー部、17c…パッド、18…第2支持梁、18a…支持梁、18b…アンカー部、18c…パッド、19,19’…第3支持梁、19a…支持梁、19b…アンカー部、19c…パッド、20,20’…第4支持梁、20a…支持梁、20b…アンカー部、20c…パッド、21…枠部、22…支持梁、23…支持梁、24…支持梁、25…支持梁、31a…発振器、31b…反転器、32…C/V変換器、33a…乗算器、33b…LPF、34a…乗算器、34b…LPF、35a…乗算器、35b…LPF、37a…加減算器、37b…増幅器、37c…乗算器、37d…加算器、37e…反転器、37f…加算器、38a…発振器,38b…分周器,39a…基準電源,39b…バイアス電源,41…第1補助梁、41a…支持梁、41b…支持梁、41c…アンカー部、41d…アンカー部、42…第2補助梁、42a…支持梁、42b…支持梁、42c…アンカー部、42d…アンカー部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A, 1B, 1C ... Detection element, 2 ... Silicon layer, 3 ... Insulating layer, 4 ... Silicon substrate, 5 ... Glass substrate, 6 ... 1st electrostatic force generation means, 6a ... Frame, 6b ... Comb electrode, 6c ... pad, 7 ... second electrostatic force generating means, 7a ... frame, 7b ... comb electrode, 7c ... pad, 8 ... third electrostatic force generating means, 8a ... frame, 8b ... comb electrode, 8c ... pad, DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... 4th electrostatic force generation means, 9a ... Frame, 9b ... Comb electrode, 9c ... Pad, 10 ... 1st vibrator, 10a ... Frame, 10b ... Detection part, 10c ... Connection beam, 10d ... Connection beam, 10e ... connecting beam, 10f ... connecting beam, 11 ... second vibrator, 11a ... frame, 11b ... detection part, 11c ... connecting beam, 11d ... connecting beam, 11f ... connecting beam, 11e ... connecting beam, 12, 12 '... Elastic connecting beam, 12a... Connecting beam, 12b Connecting beam, 13 ... first capacitance detecting means, 13a ... frame, 13b ... parallel plate electrode, 13c ... pad, 14 ... second capacitance detecting means, 14a ... frame, 14b ... parallel plate electrode, 14c ... pad 15 ... 3rd capacitance detection means, 15a ... Frame, 15b ... Parallel plate electrode, 15c ... Pad, 16 ... 4th capacitance detection means, 16a ... Frame, 16b ... Parallel plate electrode, 16c ... Pad, 17 ... 1st support beam, 17a ... Support beam, 17b ... Anchor part, 17c ... Pad, 18 ... 2nd support beam, 18a ... Support beam, 18b ... Anchor part, 18c ... Pad, 19, 19 '... 3rd support beam , 19a ... support beam, 19b ... anchor part, 19c ... pad, 20, 20 '... fourth support beam, 20a ... support beam, 20b ... anchor part, 20c ... pad, 21 ... frame part, 22 ... support beam 23 ... support beam, 24 ... support beam, 25 ... support beam, 31a ... oscillator, 31b ... inverter, 32 ... C / V converter, 33a ... multiplier, 33b ... LPF, 34a ... multiplier, 34b ... LPF, 35a ... multiplier, 35b ... LPF, 37a ... adder / subtractor, 37b ... amplifier, 37c ... multiplier, 37d ... adder, 37e ... inverter, 37f ... adder, 38a ... oscillator, 38b ... frequency divider, 39a ... Reference power source, 39b ... bias power source, 41 ... first auxiliary beam, 41a ... support beam, 41b ... support beam, 41c ... anchor portion, 41d ... anchor portion, 42 ... second auxiliary beam, 42a ... support beam, 42b ... support Beam, 42c ... Anchor part, 42d ... Anchor part

Claims (11)

基板上に弾性的に支持された第1及び第2振動子と、
前記第1及び第2振動子を弾性的に連結する弾性連結梁と、
前記第1及び第2振動子を前記基板表面と水平なX軸方向に互いに逆相に振動させる駆動手段と、
前記第1及び第2振動子の検出部分の前記基板表面と水平かつ前記X軸方向と垂直なY軸方向の変位を検出する手段と、
前記Y軸方向の変位に基づいて角速度を検出する角速度センサにおいて、
前記第1及び第2振動子の一方から片持ち梁構造で前記第1及び第2振動子をそれぞれ前記X軸方向に変位し易く、Y軸及びZ軸方向に変位し難く支持する支持梁を備えたことを特徴とする角速度センサ。
First and second vibrators elastically supported on a substrate;
An elastic connecting beam for elastically connecting the first and second vibrators;
Driving means for oscillating the first and second vibrators in mutually opposite phases in the X-axis direction horizontal to the substrate surface;
Means for detecting a displacement in the Y-axis direction that is horizontal to the substrate surface of the detection portion of the first and second vibrators and perpendicular to the X-axis direction;
In the angular velocity sensor that detects the angular velocity based on the displacement in the Y-axis direction,
A supporting beam for supporting the first and second vibrators in a cantilever structure from one of the first and second vibrators, which is easy to displace in the X-axis direction and difficult to displace in the Y-axis and Z-axis directions. An angular velocity sensor comprising:
請求項1記載の角速度センサにおいて、
前記支持梁は、前記第1及び第2振動子をそれぞれ複数箇所で支持することを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 1.
The angular velocity sensor, wherein the support beam supports the first and second vibrators at a plurality of locations.
請求項2記載の角速度センサにおいて、
前記第1振動子を複数箇所で支持する支持梁の長辺は、互いに平行になるように配置され、
また、前記第2振動子を複数箇所で支持する支持梁の長辺は、互いに平行になるように配置されることを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 2, wherein
The long sides of the support beams that support the first vibrator at a plurality of locations are arranged to be parallel to each other,
The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the long sides of the support beams that support the second vibrator at a plurality of locations are arranged to be parallel to each other.
請求項1記載の角速度センサにおいて、
前記支持梁は、前記弾性連結梁の中心部から点対称になるように、前記第1及び第2振動子を支持するように配置したことを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 1.
The angular velocity sensor, wherein the support beam is disposed so as to support the first and second vibrators so as to be point-symmetrical from a central portion of the elastic coupling beam.
請求項1記載の角速度センサにおいて、
前記第1及び第2振動子は、前記X軸及び前記Y軸から構成される平面内において、振り子状に振動するように支持されることを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 1.
The angular velocity sensor, wherein the first and second vibrators are supported so as to vibrate in a pendulum shape within a plane constituted by the X axis and the Y axis.
請求項1記載の角速度センサにおいて、
前記第1及び第2振動子の前記支持梁が設置された一方とは反対側から、前記支持梁よりも前記X軸、前記Y軸及び前記基板表面と垂直なZ軸方向に変位し易く、前記第1及び第2振動子を支持する補助梁を備えたことを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 1.
It is easier to displace in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis, the Y-axis, and the substrate surface than the support beam from the side opposite to the one where the support beam of the first and second vibrators is installed, An angular velocity sensor comprising an auxiliary beam for supporting the first and second vibrators.
請求項1記載の角速度センサにおいて、
前記第1及び第2振動子を前記X軸方向に振動させることに起因する、前記第1及び第2振動子の検出部分の前記Y軸方向への振動成分と、前記第1及び第2駆動体の検出部分の角速度による前記Y軸方向への振動成分を、周波数によって区別して検出する検出回路を備えたことを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 1.
A vibration component in the Y-axis direction of the detection portion of the first and second vibrators caused by vibrating the first and second vibrators in the X-axis direction, and the first and second driving An angular velocity sensor, comprising: a detection circuit that distinguishes and detects a vibration component in the Y-axis direction due to an angular velocity of a detection portion of a body by frequency.
請求項7記載の角速度センサにおいて、
前記検出回路は、
前記第1及び第2振動子を前記X軸方向に振動させることに起因する、前記第1及び第2振動子の検出部分の前記Y軸方向への振動成分を、前記第1及び第2振動子を前記基板表面と水平なX軸方向に互いに逆相に振動させる周波数の2倍で同期検波する第1の検波回路と、
前記第1及び第2振動子の検出部分の前記角速度による前記Y軸方向への振動成分を、前記第1及び第2振動子を前記基板表面と水平なX軸方向に互いに逆相に振動させる周波数で同期検波する第2の検波回路とからなることを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 7,
The detection circuit includes:
The vibration component in the Y-axis direction of the detection portion of the first and second vibrators caused by vibrating the first and second vibrators in the X-axis direction is the first and second vibrations. A first detection circuit that performs synchronous detection at twice the frequency that causes the child to vibrate in mutually opposite phases in the horizontal X-axis direction with respect to the substrate surface;
The vibration component in the Y-axis direction due to the angular velocity of the detection portion of the first and second vibrators causes the first and second vibrators to vibrate in mutually opposite phases in the X-axis direction horizontal to the substrate surface. An angular velocity sensor comprising a second detection circuit that performs synchronous detection at a frequency.
請求項8記載の角速度センサにおいて、
前記第1及び第2振動子の検出部分の前記Y軸方向の変位を検出する手段により、前記第1及び第2振動子の前記X軸方向への変位を検出することを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 8.
An angular velocity sensor that detects displacement of the first and second vibrators in the X-axis direction by means for detecting displacement of the detection parts of the first and second vibrators in the Y-axis direction. .
請求項8記載の角速度センサにおいて、
前記第1及び第2振動子の検出部分の前記Y軸方向の変位を検出する手段により検出される前記第1及び第2振動子の前記X軸方向への変位が、予め決められた値になるように、前記第1及び第2振動子を振動させる駆動手段を備えたことを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 8.
The displacement in the X-axis direction of the first and second vibrators detected by the means for detecting the displacement in the Y-axis direction of the detection portion of the first and second vibrators is a predetermined value. An angular velocity sensor comprising drive means for vibrating the first and second vibrators.
請求項10記載の角速度センサにおいて、
前記駆動手段は、前記第1及び第2振動子に静電気力を働かせ、前記第1及び前記第2振動子を前記X軸方向に互いに逆相に振動させる静電気力発生手段であり、
前記第1及び第2振動子の検出部分の前記Y軸方向の変位を検出する手段が、前記第1及び第2駆動体の検出部分の前記Y軸方向の変位を静電容量の変化として検出する静電容量検出手段であることを特徴とする角速度センサ。
The angular velocity sensor according to claim 10.
The driving means is an electrostatic force generating means that applies an electrostatic force to the first and second vibrators and vibrates the first and second vibrators in opposite directions in the X-axis direction,
The means for detecting the displacement in the Y-axis direction of the detection portion of the first and second vibrators detects the displacement in the Y-axis direction of the detection portion of the first and second driving bodies as a change in capacitance. An angular velocity sensor characterized by being a capacitance detecting means.
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