JP2008224229A - Inertial sensor, its manufacturing method, and electric and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、慣性センサおよびその製造方法、およびこの慣性センサを用いた電気・電子機器に関する。 The present invention relates to an inertial sensor, a method for manufacturing the same, and an electrical / electronic device using the inertial sensor.
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いた振動ジャイロにおいて、出力を上げるためには、振動子部の質量や、例えば容量検出であれば面積を増やすことで対応が可能である。しかし、サイズを大きくすると積層膜の応力による変形で所望の動作が得られなかったり、接触によるスティッキング、動作不良などが起こったりする。また、駆動周波数と検出周波数の比である、離調度を１に近づけることでメカニカルカップリングを利用して、出力を上げる手法もあるが、トレードオフ的に応答性が低下し、平坦な周波数特性が得られないといった問題が起こっていた。また、大気中で駆動させ、離調度と検出Ｑ値の関係を規定することで、温度変動や応答性の改善を試みた手法（例えば、特許文献１参照。）はあるが、この手法では駆動Ｑ値を同時に下げてしまい、駆動電圧や消費電力の増加を引き起こしていた。 In a vibrating gyroscope using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), in order to increase the output, it is possible to cope with the mass of the vibrator portion, for example, by increasing the area in the case of capacitance detection. However, when the size is increased, a desired operation cannot be obtained due to deformation due to the stress of the laminated film, or sticking due to contact, operation failure, or the like occurs. In addition, there is a method to increase the output by using mechanical coupling by making the detuning degree close to 1, which is the ratio of the drive frequency and the detection frequency, but the responsiveness decreases in a trade-off manner, and the flat frequency characteristics There was a problem that could not be obtained. In addition, there is a technique (for example, see Patent Document 1) which is attempted to improve temperature fluctuation and responsiveness by driving in the atmosphere and defining the relationship between the degree of detuning and the detected Q value. The Q value was lowered at the same time, causing an increase in drive voltage and power consumption.
次に、慣性センサの出力を上げる手法として、振動子の面積を増加させる手法には限界がある。以下にそれを説明する。 Next, as a method for increasing the output of the inertial sensor, there is a limit to the method for increasing the area of the vibrator. This is explained below.
上下方向に検出電極を持つＭＥＭＳ振動ジャイロの振動子は面積に比例して出力が上がるが、面積を増やすと振動子の撓み量も増大し、電極間距離をその撓み量よりも充分大きくしなければならないため、振動子の面積と電極間距離はトレードオフの関係となる。以下、数式で説明する。以下の式では、Ｃは振動子と電極間の容量、ｄは電極間距離、δは撓み量、Ｓは振動子の面積、ｌは振動子の一辺の長さを表す。 The output of MEMS vibratory gyro vibrators with detection electrodes in the vertical direction increases in proportion to the area. However, if the area is increased, the deflection of the vibrator also increases, and the distance between the electrodes must be sufficiently larger than the deflection. Therefore, the area of the vibrator and the distance between the electrodes are in a trade-off relationship. Hereinafter, this will be described using mathematical formulas. In the following expression, C represents the capacitance between the vibrator and the electrode, d represents the distance between the electrodes, δ represents the amount of deflection, S represents the area of the vibrator, and l represents the length of one side of the vibrator.
容量変化ΔＣ＝（εＳ／ｄ）・（Δｄ／ｄ）＝εＳΔｄ／ｄ2とし、振動子を振動自在に支持するバイメタルの撓みはδ∝ｌ2／Ｒとなる。静電ＭＥＭＳのギャップ条件を、ｄ＞３δ、ここではｄ＝ｋδとする。ここで最も撓みの影響の少ない正方形の振動子を想定して、振動子の面積増大効果Ｓ’＝ｎ2Ｓ＝（ｎｌ）2＝（ｌ’）2とすれば、バイメタルの撓みは、δ’＝ｎδ∝ｎｌ／Ｒとなる。そして静電ＭＥＭＳのギャップ条件をｄ’＝ｋδ’とする。このときに容量変化は、ΔＣ’＝εＳ’Δｄ’／ｄ’2＝ε（ｎｌ）2Δｄ’／（ｋｎδ）2＝εＳΔｄ’／ｄ2となる。よって、コリオリ変位がΔｄ＝Δｄ’であれば、ΔＣ＝ΔＣ’である。 Capacitance change ΔC = (εS / d) · (Δd / d) = εSΔd / d 2, and the deflection of the bimetal that supports the vibrator in a freely oscillating manner is δ∝l 2 / R. The gap condition of the electrostatic MEMS is d> 3δ, here, d = kδ. Here, assuming a square vibrator having the least influence of bending, and assuming that the effect of increasing the area of the vibrator is S ′ = n 2 S = (nl) 2 = (l ′) 2 , the bending of the bimetal is δ '= Nδ∝nl / R. The gap condition of the electrostatic MEMS is d ′ = kδ ′. At this time, the capacitance change is ΔC ′ = εS′Δd ′ / d ′ 2 = ε (nl) 2 Δd ′ / (knδ) 2 = εSΔd ′ / d 2 . Therefore, if the Coriolis displacement is Δd = Δd ′, ΔC = ΔC ′.
また、静電型の櫛歯電極構造を有する角速度センサの場合、容量は対向する櫛歯の面積によって決まるが、それを形成する際に用いるＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching ）でエッチング可能なアスペクト比は、量産を視野に入れれば２０：１程度が限界である。つまり、振動子厚さが電極間距離に対して制限されることになる。櫛歯の数、つまり横方向に面積を大きくする場合は固定櫛歯と可動櫛歯に反りの違いが発生し、上下方向に電極を設けた時と同様に、面積を大きくすれば櫛歯の電極間を広くしなくてはいけないトレードオフの関係となる。 In the case of an angular velocity sensor having an electrostatic comb electrode structure, the capacitance is determined by the area of the opposing comb teeth, but the aspect ratio that can be etched by DRIE (Deep Reactive Ion Etching) used for forming the capacitance is as follows. In view of mass production, about 20: 1 is the limit. That is, the vibrator thickness is limited with respect to the distance between the electrodes. If the number of comb teeth, that is, the area in the horizontal direction is increased, the difference between the fixed comb teeth and the movable comb teeth will be warped. This is a trade-off relationship in which the gap between the electrodes must be widened.
次に、応答性低下に対する問題点を示す。運動方程式を用いてコリオリ力による容量変位を検出し、同期検波後の応答性について考察する。 Next, problems with respect to responsiveness degradation will be shown. Capacitance displacement due to Coriolis force is detected using the equation of motion, and responsiveness after synchronous detection is considered.
振動子のｘ方向変位：ｘ＝Ａxｓｉｎ（ωxｔ−φ）、コリオリ力：Ｆc（ｔ）＝２ｍｘ（ｔ）Ω、とし、運動方程式は（１）式のようになる。 The displacement of the vibrator in the x direction: x = A x sin (ω x t−φ), Coriolis force: F c (t) = 2mx (t) Ω, and the equation of motion is as shown in equation (1).
ｍｚ（ｔ）＋μzｚ（ｔ）＋ｋzｚ（ｔ）＝Ｆc（ｔ）……（１） mz (t) + μ z z (t) + k z z (t) = F c (t) (1)
ここで、ωz＝√（ｋz／ｍ）、Ｑz＝√（ｍｋz／μz）であるから、上記（１）式は（２）式のようになる。 Here, ω z = √ (k z / m), since it is Q z = √ (mk z / μ z), equation (1) becomes equation (2).
ｚ（ｔ）＋（ωz／Ωz）ｚ（ｔ）＋ωz 2ｚ（ｔ）＝２ＡxΩｃｏｓ（ωx−φ）……（２） z (t) + (ω z / Ω z ) z (t) + ω z 2 z (t) = 2A x Ω cos (ω x −φ) (2)
ここで、初期変位および速度を０として境界条件を定め、離調度α＝ωz／ωxとすれば、厳密解は（３）式のようになる。 Here, if the boundary condition is determined by setting the initial displacement and velocity to 0 and the degree of detuning is α = ω z / ω x , the exact solution is as shown in equation (3).
ここで、過渡項を無視すれば、（４）式となる。 Here, if the transient term is ignored, equation (4) is obtained.
したがって、離調度αを１に近づければコリオリ変位は増加する。電圧（容量）変化はコリオリ変位に比例するため、Ｖ（ｔ）＝ｋ・ｚ（ｔ）とおける。よって、同期検波出力は、（５）式となる。 Therefore, if the degree of detuning α is close to 1, the Coriolis displacement increases. Since the voltage (capacitance) change is proportional to the Coriolis displacement, V (t) = k · z (t). Therefore, the synchronous detection output is expressed by equation (5).
例えば、一般的なＱ＝１０００、ωx＝２０ｋＨｚ、ωZ＝２０．１ｋＨｚとすれば、立ち上がり時間２０ｍｓｅｃ後には２８％の過渡成分が残留する。この過渡成分を、低域通過フィルタを用いて取り除く必要がある。ここで律速する周波数は、｜ωx−ωz｜＝１００Ｈｚである。この１００Ｈｚを急峻な低域通過フィルタで落としても、１００Ｈｚ以上の応答性は得られないことになる。つまり、離調度を１に近づけると、応答性が低下するという弊害が起こる。 For example, if general Q = 1000, ω x = 20 kHz, and ω Z = 20.1 kHz, 28% of transient components remain after a rise time of 20 msec. This transient component needs to be removed using a low-pass filter. Here, the rate-limiting frequency is | ω x −ω z | = 100 Hz. Even if this 100 Hz is dropped by a steep low-pass filter, a response of 100 Hz or more cannot be obtained. That is, when the degree of detuning is close to 1, there is a problem that the responsiveness decreases.
また、離調度を１に近づけると、既定した利得（例えば±２０％）に対する周波数マージンが小さくなり、線幅、膜厚のスペックがナノメートルレベルとなり、現実の半導体プロセスでの作製が難しくなる。作成後に周波数調整する方法が提案されている（例えば、特許文献２、３参照。）が、検査、調整のコストが上乗せされるために好ましくない。
Further, when the degree of detuning is close to 1, the frequency margin for a predetermined gain (for example, ± 20%) is reduced, and the specifications of the line width and the film thickness are on the nanometer level, which makes it difficult to manufacture in an actual semiconductor process. A method of adjusting the frequency after creation has been proposed (see, for example,
また、一般の振動ジャイロのダイナミックレンジは精々６０ｄＢである。振動ジャイロの最小分解能を維持するためには、例えば数ｍＶの電圧を割り当てる必要がある。これを１０００倍すると数Ｖとなり通常の集積回路（ＩＣ）の動作電圧を超えてしまうため、ダイナミックレンジの向上には制限が生じる。 The dynamic range of a general vibration gyro is at most 60 dB. In order to maintain the minimum resolution of the vibrating gyroscope, for example, it is necessary to assign a voltage of several mV. When this is multiplied by 1000, it becomes several volts and exceeds the operating voltage of a normal integrated circuit (IC), so that there is a limit to the improvement of the dynamic range.
解決しようとする問題点は、出力を高めようとして振動子面積を大きくすると、積層膜の応力による変形で所望の動作が得られなくなり、離調度を１に近づけることによる応答性が低下する点である。 The problem to be solved is that if the vibrator area is increased in order to increase the output, a desired operation cannot be obtained due to deformation due to the stress of the laminated film, and the responsiveness due to bringing the detuning degree close to 1 decreases. is there.
本発明は、動作不良を起こさず、応答性の低下がない、高出力、広ダイナミックレンジの慣性センサを提供することを課題とする。 It is an object of the present invention to provide an inertial sensor having a high output and a wide dynamic range that does not cause malfunction and does not have a decrease in responsiveness.
請求項１に係る本発明は、支持部に一端が支持された弾性支持体と、前記弾性支持体の他端側に支持された振動子とを有する慣性センサ素子を複数備え、前記各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されることを特徴とする。
The present invention according to
請求項１に係る本発明では、各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されることから、高出力が得られるとともに、慣性センサ素子を複数設けることによって低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの広い慣性センサとなる。
In the present invention according to
請求項７に係る本発明は、支持部に一端が支持された弾性支持体と、前記弾性支持体の他端側に支持された振動子とを有する慣性センサ素子を複数備え、前記各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力される慣性センサの製造方法であって、前記各慣性センサ素子を同一工程で同一基板に形成した後、前記各慣性センサ素子の出力値を出力する配線が互いに接続されるように形成することを特徴とする。
The present invention according to
請求項７に係る本発明では、各慣性センサ素子の出力値を出力する配線が互いに接続されるように形成することから、各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されるため、高出力が得られる。それとともに、慣性センサ素子を複数設けることから、低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの広い慣性センサが製造される。
In the present invention according to
請求項８に係る本発明は、電気・電子機器の動きによって生じる角速度もしくは加速度を検出する慣性センサを搭載した電気・電子機器であって、前記慣性センサは、支持部に一端が支持された弾性支持体と、前記弾性支持体の他端側に支持された振動子とを有する慣性センサ素子を複数備え、前記慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されることを特徴とする。
The present invention according to
請求項８に係る本発明では、本発明の慣性センサを備えたことから、高出力、広ダイナミックレンジの慣性センサの提供が可能となる。
In the present invention according to
請求項１に係る本発明によれば、各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されることから、変形による動作不良を発生することなく、また応答性が低下することなく、高い出力を得ることができるとともに、慣性センサ素子を複数設けることによって、低加速度から高加速度まで、低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの大きい慣性センサを提供できるという利点がある。 According to the first aspect of the present invention, since the output values detected by the respective inertial sensor elements are added and output, the malfunction does not occur due to deformation, and the responsiveness does not decrease. In addition to obtaining a high output, by providing a plurality of inertial sensor elements, there is an advantage that an inertial sensor having a large dynamic range that can detect from low acceleration to high acceleration and from low angular velocity to high angular velocity can be provided.
請求項７に係る本発明によれば、各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されるようになることから、慣性センサが変形による動作不良を発生することなく、また応答性を低下させることなく、大きい出力を得ることができるようになるとともに、複数の慣性センサ素子を形成することによって、低加速度から高加速度まで、低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの広い慣性センサを提供できるという利点がある。 According to the seventh aspect of the present invention, the output values detected by the respective inertial sensor elements are added and output, so that the inertial sensor does not cause malfunction due to deformation and is responsive. An inertial sensor with a wide dynamic range that can detect from low acceleration to high acceleration and from low angular velocity to high angular velocity by forming a plurality of inertial sensor elements. There is an advantage that can be provided.
請求項８に係る本発明によれば、本発明の慣性センサを備えたことから、大出力、広ダイナミックレンジの慣性センサの提供が可能となるので、例えば、発生した角速度による悪影響をフィードバックにより排除したり、影響のある期間だけ機器を停止したりするような行動を電気・電子機器にとらせることができるという利点がある。 According to the eighth aspect of the present invention, since the inertial sensor of the present invention is provided, it is possible to provide an inertial sensor with a large output and a wide dynamic range. For example, adverse effects due to the generated angular velocity are eliminated by feedback. There is an advantage that the electric / electronic device can be made to take an action such as stopping the device for a period of influence.
請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１実施例）を、図１の要部斜視図によって説明する。
An embodiment (first example) of the present invention according to
図１に示すように、慣性センサ１は、ｎ個の慣性センサ素子１１（１１−１）、１１（１１−２）、…１１（１１−ｎ）が並列に配置されている。各慣性センサ素子１１は、支持部（図示せず）によって一端が支持された弾性支持体１０２−１の他端側に振動自在に支持された第１振動子１０１−１と、支持部（図示せず）によって一端が支持された弾性支持体１０２−２の他端側に振動自在に支持された第２振動子１０２とを備えている。また、各第１振動子１０１−１上には第１共通電極１２０−１が間隔をおいて配置され、同様に各第２振動子１０１−２上には第２共通電極１２０−２が間隔をおいて配置されている。それぞれの第１共通電極１２０−１は第１配線１３０−１によって並列に接続されている。同様に、それぞれの第２共通電極１２０−２は第２配線１３０−２によって並列に接続されている。
As shown in FIG. 1, the
上記各慣性センサ素子１１からの出力を得る際、上記第１共通電極１２０−１と第１振動子１０１−１との間、および第２共通電極１２０−２と第２振動子１０１−２との間に搬送波（＋Ｖｓｉｎωｔ、−Ｖｓｉｎωｔ）を乗せて信号を取り出す。
When obtaining outputs from the
次に、上記慣性センサ素子の一例を、図２に示した平面レイアウト図および図３に示した図２中のＡ−Ａ’線断面図等によって説明する。ここでは、一例として、電磁駆動方式の慣性センサ素子を説明する。 Next, an example of the inertial sensor element will be described with reference to a plan layout diagram shown in FIG. 2, a cross-sectional view taken along line A-A ′ in FIG. 2 shown in FIG. Here, as an example, an inertial sensor element of an electromagnetic drive type will be described.
図２および図３に示すように、慣性センサ素子１１は、第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−２を並行に備えている。例えば、第１振動子１０１−１を駆動側振動子とし、第２振動子１０１−２を励振側振動子とする。この第１振動子１０１−１、第２振動子１０１−２はともに矩形の薄膜からなり、一例としてシリコンで形成されている。上記第１振動子１０１−１と第２振動子１０１−１とは、互いに向かい合う側の角部が弾性支持体１０２−５、１０２−６とによって接続され、第１振動子１０１−１の第２振動子１０１−２とは反対側の角部分には弾性支持体１０２−１、１０２−２の一端側によって支持されている。また弾性支持体１０２−１、１０２−２の他端側は、それぞれ支持部１０３−１、１０３−２に支持固定されている。また、第２振動子１０１−２の第１振動子１０１−１とは反対側の角部分には弾性支持体１０２−３、１０２−４の一端側によって支持されている。また弾性支持体１０２−３、１０２−４の他端側は、それぞれ支持部１０３−３、１０３−４に支持固定されている。また弾性支持体１０２−５、１０２−６は、それぞれの中央部からフレーム部１２１側に延長形成されてフレーム部１２１に支持固定されていてもよい。上記弾性支持体１０２−１〜６は、それぞれが例えば板バネで構成され、例えばシリコンからなり、例えばＵ字形に形成されている。上記支持部１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４は、それぞれ第１基板１００上に形成されている。したがって、第１振動子１０１−１および第２振動子１０１−２は弾性支持体１０２−１、１０２−２、１０２−３、１０２−４によってのみ支持されていて、第１基板１００に対して完全に浮動状態に配置されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
上記支持部１０２−１から弾性支持体１０２−１、第１振動子１０１−１、弾性支持体１０２−２を通り支持部１０３−２に至るものでこの第１振動子１０１−１を電磁駆動させるための電極１０８−１が絶縁膜１０７を介して配設されている。同様に、上記支持部１０２−３から弾性支持体１０２−３、第１振動子１０１−２、弾性支持体１０２−４を通り支持部１０３−４に至るものでこの第２振動子１０１−２の励振を検出するための電極１０８−２が絶縁膜１０７を介して配設されている。
The first vibrator 101-1 is electromagnetically driven from the support section 102-1 through the elastic support body 102-1, the first vibrator 101-1 and the elastic support body 102-2 to the support section 103-2. An electrode 108-1 is provided with an insulating
上記振動子１０１が形成されている側とは反対側の上記第１基板１００の裏面には磁石３００が設けられている。
A
上記第１基板１００上には、フレーム部１２１を介して第２基板２００が形成されている。この第２基板２００は、例えばガラス基板で形成されている。この第２基板２００の上記第１基板１００と対向する面の上記第１振動子１０１−１に形成された電極１０８−１に対向する位置には、第１共通電極１２０−１が形成され、第２振動子１０１−２に形成された電極１０８−２に対向する位置には、第２共通電極１２０−２が形成されている。
A
さらに、上記第２基板２００には、上記支持部１０３−１、１０３−２上の電極１０８−１に接続するもので、電極１０８−１を外部に引き出すための引き出し電極１２４−１、１２４−２、他（図示せず）がコンタクト部１２５−１、１２５−２、他（図示せず）を介して形成され、上記支持部１０３−３、１０３−４上の電極１０８−２に接続するもので、電極１０８−２を外部に引き出すための引き出し電極１２４−３、１２４−４、他（図示せず）がコンタクト部１２５−３、１２５−４、他（図示せず）を介して形成されている。
Further, the
上記慣性センサ素子１１は、第１基板１００の下部に配置された磁石３００により電磁的に駆動される。上記第１実施例では、磁石３００を第１基板１００の下部に設置したが、第１基板１００を掘り込んで、その内部に磁石３００を設置する、または第２基板２００の上部に設置することも可能である。また、第１基板１００および第２基板２００の両方に磁石３００を設置することも可能である。いずれの構成も磁束密度の多少による出力の違いはあるが、動作として同様の結果が得られる。電磁駆動用の電極として、振動子１０１上の電極１０８に電流を流す。
The
上記構成の各慣性センサ素子１１の各構成部品が同様なものとなるので、同一工程で、各構成部品を形成することが可能になる。したがって、複数の慣性センサ素子１１を同一工程で製造することが可能になり、慣性センサ素子１１間の位置ずれは、マスク精度および露光精度、エッチング精度等の半導体プロセスの精度まで高めることが可能になる。よって、各慣性センサ素子１１より均一な信号出力を得ることができるという利点がある。
Since each component of each
次に、上記慣性センサ素子１１の動作原理を説明する。
Next, the operation principle of the
駆動側の振動子（第１振動子１０１−１）上の電極１０８−１に対してある周期を持った交流電流が流れる。電流は周期性を持っているので、別の時点では、流れる方向が逆になることもある。電極に電流が流れると、第１基板１００の下部に配された磁石３００からの磁界により、ローレンツ力がＸ方向に発生する。
An alternating current having a certain period flows to the electrode 108-1 on the drive-side vibrator (first vibrator 101-1). Since the current has a periodicity, the flow direction may be reversed at another time. When a current flows through the electrode, a Lorentz force is generated in the X direction by a magnetic field from the
ローレンツ力Ｆlorentzは、電極に流れる電流をＩ、磁束密度をＢ、電極配線の長さをＬとすると、Ｆlorentz＝ＩＢＬなる式で表され、配線に直交する方向にその力が誘起される。このローレンツ力は印加される電流と同じ周期性をもって振動子に印加され、駆動側の第１振動子１０１−１は、弾性支持体１０２−１、１０２−２に接続されている支持部１０３−１、１０３−２を固定点とし、周期的に運動を繰り返す。 The Lorentz force F lorentz is expressed by the equation F lorentz = IBL, where I is the current flowing through the electrode, B is the magnetic flux density, and L is the length of the electrode wiring, and the force is induced in the direction perpendicular to the wiring. . The Lorentz force is applied to the vibrator with the same periodicity as the applied current, and the first vibrator 101-1 on the driving side is connected to the elastic support bodies 102-1 and 102-2. 1 and 103-2 are fixed points, and the motion is repeated periodically.
振動モード周波数を適切に選択することにより、もう一方の第２振動子１０１−２は弾性支持体１０２−３、１０２−４に接続されている支持部１０３−３、１０３−４を固定点とし、ある位相ずれを持ちながら運動を繰り返す。その際、外部からＹ軸まわりに角速度が与えられると、振動方向に直交した方向にコリオリ力が発生する。コリオリ力Ｆlorentzは、振動子の質量をｍ、駆動方向の振動速度をｖ、外部から印加される角速度をΩとすると、Ｆlorentz＝２ｍｖΩなる式で表される。 By appropriately selecting the vibration mode frequency, the other second vibrator 101-2 has the support portions 103-3 and 103-4 connected to the elastic supports 102-3 and 102-4 as fixed points. , Repeat the motion with a certain phase shift. At that time, when an angular velocity is applied from the outside around the Y axis, a Coriolis force is generated in a direction orthogonal to the vibration direction. The Coriolis force F lorentz is represented by the following formula: F lorentz = 2 mvΩ, where m is the mass of the vibrator, v is the vibration velocity in the driving direction, and Ω is the angular velocity applied from the outside.
コリオリ力で発生した変位を大きく取るためには、駆動変位ｘmを大きく取る必要がある。また電磁駆動の場合、静電駆動で必要な櫛歯電極を必要とせず、櫛歯の間隙に制限されないために、大きな変位を取ることが可能となる。 To a large displacement generated by the Coriolis force, it is necessary to increase the driving displacement x m. In the case of electromagnetic driving, a comb-tooth electrode necessary for electrostatic driving is not required and is not limited by the gap between the comb teeth, so that a large displacement can be taken.
コリオリ力が発生すると振動子１０１がＺ軸方向に振動する。その際、第１、第２振動子１０１−１，１０１−２の上部にそれぞれ共通電極１２０−１、１２０−２が配置されていることで電極間に容量の変化が現れる。ここで、電圧印加の周波数はコントロールされており、第１、第２振動子１０１−１，１０１−２は逆位相でＸ方向に駆動している。このため、Ｚ方向に対しては、一方の振動子（例えば第１振動子１０１−１）は検出電極１２０−１に近づく方向に変位し、もう一方の振動子（例えば第２振動子１０１−２）は検出電極１２０−２に遠ざかる方向に振動子が変位する。その容量差分を検出することで、印加される角速度を算出する。すなわち、上記第１角速度センサ１は、Ｘ軸に駆動し、Ｙ軸周りの角速度をＺ軸方向の容量変化として検出する。なお、第１、第２振動子１０１−１，１０１−２は逆位相で振動するので、上記の逆の場合もある。
When the Coriolis force is generated, the
角速度が印加されたときにはそれぞれの検出電極１２０と振動子１０１間に発生する容量変化量が異なるが、加速度が印加された際には、理想的には発生する容量変化量は異ならないため、差分を取っても容量差が生じない。よって、加速度成分を除去できる構造となっている。
When the angular velocity is applied, the capacitance change amount generated between each
上記加速度成分を除去できることについて図４により説明する。図４（１）に示すように、初期容量をＣとして、検出電極１２０−１と第１振動子１０１−１との間に生じる容量をＣ１、検出電極１２０−２と第２振動子１０１−２との間に生じる容量をＣ２として、定常状態では、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃとなるので、容量差分Ｃ１−Ｃ２＝０となり、容量差は生じていない。 The fact that the acceleration component can be removed will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4A, the initial capacitance is C, the capacitance generated between the detection electrode 120-1 and the first transducer 101-1 is C1, and the detection electrode 120-2 and the second transducer 101-. The capacity generated between 2 and C2 is C2, and in a steady state, C1 = C2 = C, so that the capacity difference C1-C2 = 0, and no capacity difference occurs.
次に、図４（２）に示すように、角速度が印加された場合には、Ｃ１＞Ｃ、Ｃ２＜Ｃ（もしくは駆動方向によってはＣ１＜Ｃ、Ｃ２＞Ｃ）となるので、容量差分｜Ｃ１−Ｃ２｜＞０となり、容量差が生じる。 Next, as shown in FIG. 4 (2), when an angular velocity is applied, C1> C and C2 <C (or C1 <C, C2> C depending on the driving direction). C1-C2 |> 0, and a capacitance difference occurs.
次に、図４（３）に示すように、加速度が印加された場合には、Ｃ１＞Ｃ、Ｃ２＞Ｃ（もしくは加速度の印加方向によってはＣ１＜Ｃ、Ｃ２＜Ｃ）となり、かつＣ１＝Ｃ２であるので、容量差分｜Ｃ１−Ｃ２｜＝０となり、容量差が生じない。したがって、加速度成分は除去されることになる。 Next, as shown in FIG. 4C, when acceleration is applied, C1> C, C2> C (or C1 <C, C2 <C depending on the direction of application of acceleration), and C1 = Since it is C2, the capacity difference | C1−C2 | = 0, and there is no capacity difference. Therefore, the acceleration component is removed.
また、図５の容量検出ブロック図に示すように、容量変化を読み取る際、第２基板２００側の電極１２０と振動子１０１間に搬送波（＋Ｖｓｉｎωｔ、−Ｖｓｉｎωｔ）を乗せ、容量変化（Ｃ１−Ｃ２）により発生した電荷を増幅器により増幅することにより実際の信号を取り出す。搬送波（＋Ｖｓｉｎωｔ、−Ｖｓｉｎωｔ）は搬送波同期検波（図示せず）により除去され、また駆動波に関しては、駆動同期検波によって、駆動信号そのもの、もしくは誘導起電圧などの駆動モニタ手段の周期成分で検波することにより、角速度に対応した信号を取り出す。
Further, as shown in the capacitance detection block diagram of FIG. 5, when reading the capacitance change, a carrier wave (+ Vsinωt, −Vsinωt) is placed between the
上記慣性センサ１では、慣性センサ素子１１を複数並列に配置し、第１配線１３０−１、第２配線１３０−２、第１検出電極１２０−１、第２検出電極１２０−２を各慣性センサ素子１１（１１−１〜ｎ）に対して共通に用いることで、第１、第２振動子１０１−１、１０１−２自体の振動による変位量を小さくできるので、動作不良が発生しなくなるとともに、振動子−検出電極間の距離を短くできる。ここで、第１振動子１０１−１を第１検出電極１２０−１で検出し、第２振動子１０１−２を第２検出電極１２０−２で検出しているのは、前記図４によって説明した逆位相キャンセル機構（加速度成分の除去機構）をアレイ化した後も実現するためである。また、離調度を１から離すことで所望のＳＮ比を得るための低域通過フィルタＬＰＦ（前記図５参照）に、応答性を阻害されることなく出力を上げることができる。
In the
そして、図６のブロック図に示すように、各慣性センサ１１より引き出された第１配線１３０−１、第２配線１３０−２（前記図１参照）によって出力信号は、仮想接地されているチャージポンプに入力され、増幅、復調された後に同期検波されて低域通過フィルタＬＰＦを通して慣性センサ１の電圧出力となる。
As shown in the block diagram of FIG. 6, the output signal is virtually grounded by the first wiring 130-1 and the second wiring 130-2 (see FIG. 1) drawn from each
上記慣性センサ素子１１の説明では、電磁駆動方式の慣性センサ素子を説明したが、本発明の慣性センサに用いる慣性センサ素子は、電磁駆動方式に限定されず、静電駆動方式、圧電駆動方式の慣性センサ素子を適用することもできる。いずれの方式の慣性センサ素子であっても、複数の慣性センサ素子を有し、各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力されるように構成される。
In the description of the
上記慣性センサ１では、振動子面積を大きくしたことによる変形や離調度を１に近づけることによる応答性の低下をもたらすことなく、複数の慣性センサ素子１１を並列に配置したことによって、低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの広い慣性センサを提供できるという利点がある。また、各慣性センサ素子１１で検出された出力値が加算されて出力されることから、変形による動作不良を発生することなく、また応答性が低下することなく、高い出力を得ることができるという利点がある。
In the
次に、本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第２実施例）を、図７のブロック図によって説明する。第２実施例では、慣性センサ１により角速度を検出する事例を説明する。
Next, an embodiment (second example) according to the inertial sensor of the present invention will be described with reference to the block diagram of FIG. In the second embodiment, an example in which the angular velocity is detected by the
図７に示すように、慣性センサ素子１１−１と慣性センサ素子１１−２は、それぞれ、電極間距離、質量、バネ定数などを変えて単位角速度あたりの出力が異なるものである。例えば慣性センサ素子１１−１を単位角速度あたりｘ（ｆＦ／ｄｅｇ／ｓ）の容量変化、慣性センサ素子１１−２を単位角速度あたり１００ｘ（ｆＦ／ｄｅｇ／ｓ）の容量変化とする。それぞれ同ゲイン（利得）のＣ−Ｖ変換器（容量−電圧変換器）を通した後、例えば慣性センサ素子１１−１の出力を１（ｍＶ／ｄｅｇ／ｓ）、慣性センサ素子１１−２の出力を１００（ｍＶ／ｄｅｇ／ｓ）となったとする。それぞれの最大出力を１Ｖに制限する。最後に加算器を用いて信号を合わせることで、０Ｖ〜１Ｖは１０ｄｅｇ／ｓまで、１〜２Ｖは１００００ｄｅｇ／ｓまでの角速度を検知でき、元の慣性センサ素子のダイナミックレンジが３０ｄＢとすれば６０ｄＢまでダイナミックレンジを拡大することができる。０〜１Ｖのときには慣性センサ素子１１−２の出力も混じるために所望の信号＋０．１％分だけ増幅される。誤差とみなしてもよいが、電圧で条件を設けて補正してもよい。 As shown in FIG. 7, the inertial sensor element 11-1 and the inertial sensor element 11-2 have different outputs per unit angular velocity by changing the inter-electrode distance, mass, spring constant, and the like. For example, the inertial sensor element 11-1 has a capacity change of x (fF / deg / s) per unit angular velocity, and the inertial sensor element 11-2 has a capacity change of 100 x (fF / deg / s) per unit angular velocity. After passing through CV converters (capacitance-voltage converters) of the same gain (gain), for example, the output of the inertial sensor element 11-1 is 1 (mV / deg / s), and the inertial sensor element 11-2 Assume that the output is 100 (mV / deg / s). Limit each maximum output to 1V. Finally, by combining the signals using an adder, it is possible to detect angular velocities of 0 V to 1 V up to 10 deg / s and 1-2 V up to 10000 deg / s, and 60 dB if the dynamic range of the original inertial sensor element is 30 dB. The dynamic range can be expanded. When the voltage is 0 to 1 V, the output of the inertial sensor element 11-2 is also mixed, so that it is amplified by a desired signal + 0.1%. Although it may be regarded as an error, it may be corrected by setting a condition with a voltage.
次に、本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第３実施例）を、図８のブロック図によって説明する。第３実施例では、慣性センサ１により角速度を検出する事例を説明する。
Next, an embodiment (third example) according to the inertial sensor of the present invention will be described with reference to the block diagram of FIG. In the third embodiment, an example in which the angular velocity is detected by the
図８に示すように、慣性センサ素子１１−１と慣性センサ素子１１−２は、それぞれ、単位角速度あたりの容量変化が同じものである。このような慣性センサ素子１１−１、１１−２を用い、各慣性センサ素子１１−１、１１−２に接続されているＣ−Ｖ（容量−電圧）変換器のゲイン（利得）を変える。すなわち、負荷容量Ｃを変える。例えば、慣性センサ素子１１−１側のＣ−Ｖ変換器のゲインと、慣性センサ素子１１−２側のＣ−Ｖ変換器のゲインに、例えば３０ｄＢの差を設ければ、２つの同ゲイン（利得）の慣性センサ素子１１−１、１１−２を用いて、６０ｄＢのダイナミックレンジの慣性センサ１を構成することが可能となる。
As shown in FIG. 8, the inertial sensor element 11-1 and the inertial sensor element 11-2 have the same capacitance change per unit angular velocity. Using such inertial sensor elements 11-1 and 11-2, the gain (gain) of a CV (capacitance-voltage) converter connected to each of the inertial sensor elements 11-1 and 11-2 is changed. That is, the load capacity C is changed. For example, if a difference of, for example, 30 dB is provided between the gain of the CV converter on the inertial sensor element 11-1 side and the gain of the CV converter on the inertial sensor element 11-2 side, two equal gains ( It is possible to configure the
次に、本発明の慣性センサに係る一実施の形態（第４実施例）を、図９のブロック図によって説明する。第４実施例では、慣性センサ１により角速度を検出する事例を説明する。
Next, an embodiment (fourth example) according to the inertial sensor of the present invention will be described with reference to the block diagram of FIG. In the fourth embodiment, an example in which the angular velocity is detected by the
図９に示すように、検出ユニット１０−１には慣性センサ素子１１−０を用い、検出ユニット１０−２には慣性センサ素子１１−１、１１−２、…、１１−ｎのｎ個の慣性センサ素子１１を用いる。それぞれの慣性センサ素子１１は、単位角速度あたりの容量変化が同じものである。この場合、検出ユニット１０−１の出力を例えば１（ｍＶ／ｄｅｇ／ｓ）とすれば、検出ユニット１０−２の出力は例えばｎ（ｍＶ／ｄｅｇ／ｓ）となる。これは、先に説明した第１実施例と第２実施例を組み合わせた構成である。上記検出ユニット１０−１は、複数の慣性センサ素子１１を用いてもよい。
As shown in FIG. 9, the inertial sensor element 11-0 is used for the detection unit 10-1, and the inertial sensor elements 11-1, 11-2,.
また、Ｃ−Ｖ変換器の負荷容量Ｃによって利得を変えることもできる。これは、先に説明した第１実施例と第３実施例とを組み合わせた構成となる。 Further, the gain can be changed by the load capacitance C of the CV converter. This is a combination of the first and third embodiments described above.
このように、第１実施例と第２実施例を組み合わせた構成、第１実施例と第３実施例とを組み合わせた構成等をとることによって、さらに、ダイナミックレンジを広くすることができる。 In this way, the dynamic range can be further widened by adopting a configuration combining the first embodiment and the second embodiment, a configuration combining the first embodiment and the third embodiment, and the like.
次に、本発明の慣性センサの一実施の形態（第２実施例）を、図１０の要部斜視図によって説明する。 Next, an embodiment (second example) of the inertial sensor of the present invention will be described with reference to a perspective view of a main part of FIG.
図１に示すように、慣性センサ２は、ｎ個の慣性センサ素子１１（１１−１）、１１（１１−２）、…１１（１１−ｎ）が並列に配置されているユニット１０（１０−１、１０−２、１０−ｍ）が、複数行、例えば図面ではｍ行に配列されているものである。
As shown in FIG. 1, the
各慣性センサ素子１１は、支持部（図示せず）によって一端が支持された弾性支持体１０２−１の他端側に振動自在に支持された第１振動子１０１−１と、支持部（図示せず）によって一端が支持された弾性支持体１０２−２の他端側に振動自在に支持された第２振動子１０２とを備えている。
Each
また、各ユニット１０の各第１振動子１０１−１上には第１共通電極１２０−１が間隔をおいて配置され、同様に各第２振動子１０１−２上には第２共通電極１２０−２が間隔をおいて配置されている。それぞれの第１共通電極１２０−１は第１配線１３０−１によって並列に接続されている。同様に、それぞれの第２共通電極１２０−２は第２配線１３０−２によって並列に接続されている。
In addition, the first common electrode 120-1 is disposed at an interval on each first vibrator 101-1 of each
上記各慣性センサ素子１１からの出力を得る際、上記第１共通電極１２０−１と第１振動子１０１−１との間、および第２共通電極１２０−２と第２振動子１０１−２との間に搬送波（＋Ｖｓｉｎωｔ、−Ｖｓｉｎωｔ）を乗せて信号を取り出す。
When obtaining outputs from the
上記慣性センサ２の慣性センサ素子１１をＭ×Ｎのマトリクス状に並べる配置は一例であって、アレイ化の並べ方に関して、機能としてはレイアウトに依存せず、横方向、縦方向にならべても同様に効果を得ることができる。例えば、ゲインが同一の慣性センサ素子１１をＭ×Ｎのマトリクス状に並べれば、Ｍ×Ｎ倍のアレイ効果が得られる。また、前記第４実施例のように出力を上げた検出ユニット同士を組み合わせてダイナミックレンジを拡大することも可能である。
The arrangement in which the
次に、本発明の慣性センサの製造方法に係わる一実施の形態（製造方法の実施例）を、図１１〜図１７によって説明する。図１１〜図１７では、一例として、前記第２実施例で説明した慣性センサ２の製造工程を示す。図１１〜図１７は前記図２のＡ−Ａ’線にそって表記している。
Next, an embodiment (an example of a manufacturing method) relating to a method for manufacturing an inertial sensor of the present invention will be described with reference to FIGS. In FIGS. 11 to 17, as an example, the manufacturing process of the
図１１（１）に示すように、振動子、弾性支持体等を形成するための基板１００を用意する。この基板１００は、シリコン層１３１とシリコン層１３３との間に酸化シリコン層１３２を挟み込んだＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いる。また、基板１００の下面に、次ぎの工程でアライメントマークを形成する際のマスクとなるマスク層１４１を形成する。
As shown in FIG. 11A, a
まず、図１１（２）に示すように、上記マスク層１４１をエッチングマスクに用いて、シリコン層１３１に、後に説明する第１、第２基板とのアライメントを行うためのアライメントマークおよびダイシングライン１３４を形成する。これは、後に説明する第１基板と第２基板との陽極接合時のアライメントおよび慣性センサ１を切り出す際のマークとなるものである。
First, as shown in FIG. 11B, using the
次に、図１１（３）に示すように、上部のシリコン層１３３を所望の膜厚となるよう基板全面にエッチングを施す。エッチング方法はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いたウエットエッチでよく、または化学的、物理的ドライエッチでも良い。また、所望の膜厚が予めわかっているならば、そのようなＳＯＩ基板を用意しても良い。
Next, as shown in FIG. 11C, the entire surface of the substrate is etched so that the
次に、図１２（４）に示すように、陽極接合のフレーム形成のため、シリコン層１３３のエッチングを行い、凹部１３５を形成する。エッチング方法はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いたウエットエッチや化学的、物理的ドライエッチでも良い。このエッチングにおいて、振動子の膜厚および弾性支持体の膜厚が決定される。
Next, as shown in FIG. 12 (4), the
次に、図１２（５）に示すように、振動子を形成する領域上の一部および弾性支持体を形成する領域上に絶縁層１０７を形成する。絶縁層１０７は、次に形成する電極とシリコン層１３３との絶縁性を保持できるものであれば何でも良い酸化シリコン（ＳｉＯ2）や窒化シリコン（ＳｉＮ）など後で形成する。
Next, as shown in FIG. 12 (5), an insulating
次に、図１２（６）に示すように、絶縁層１０７上にローレンツ印加のための配線１０８−１および誘導起電力検出のための配線１０８−２を形成する。配線材料は電子ビーム蒸着により形成した。本実施例においては、リフトオフ法により配線を形成したが、配線のエッチングをウェットエッチングやドライエッチングによって行っても良い。また本実施例においては、配線材料として、金、白金、クロムの３層金属材料を用いたが、金、白金、チタンの３層金属材料、金、クロムや白金、クロムまたは、金、チタンや白金、チタンなどの２層金属材料や、チタンの代わりに、窒化チタンとチタンとの積層材料を用いても良い。また、クロムやチタンの代わりに銅を用いても良い。また形成方法はスパッタ法やＣＶＤ法を用いても良い。
Next, as shown in FIG. 12 (6), a wiring 108-1 for applying Lorentz and a wiring 108-2 for detecting an induced electromotive force are formed on the insulating
次に、図１３（７）に示すように、エッチング技術として、例えば反応性イオンエッチングを用いてシリコン層１３３を加工して、振動子１０１、弾性支持体１０２、陽極接合のためのフレーム部１２１を形成する。
Next, as shown in FIG. 13 (7), the
次に、図１３（８）に示すように、不必要な部分、例えば振動子１０１や弾性支持体（図示せず）の下部の絶縁層１３２部をエッチングにより除去する。その際、支持部３０３となるシリコン層１３３下部の絶縁層１３２およびフレーム１２１となるシリコン層１３３の下部の絶縁層１３２は一部残して、シリコン層１３１と接続させる。ほかの部分は中空構造となる。これにより振動子１０１、弾性支持体（図示せず）、支持部１０３等が形成される。
Next, as shown in FIG. 13 (8), unnecessary portions such as the
次に第２基板側の作製方法を以下に説明する。 Next, a manufacturing method on the second substrate side will be described below.
図１４（１）に示すように、第２基板２００には例えばガラス基板を用い、この第２基板２００に共通電極１２０を電子ビーム蒸着により形成する。配線電極１２０として、金、白金、クロムの三層金属材料を用いたが、金、白金、チタンの三層金属材料、金、クロムや白金、クロムまたは、金、チタンや白金、チタンなどの二層金属材料や、チタンの代わりに、窒化チタンとチタンとの積層材料を用いても良い。また、クロムやチタンの代わりに銅を用いても良い。また形成方法はスパッタ法やＣＶＤ法を用いても良い。
As shown in FIG. 14A, for example, a glass substrate is used as the
次に図１４（２）に示すように、コンタクト部１２５を、例えば無電解めっき法により金の支柱で形成する。この金の支柱は陽極接合後の第１基板１００側のパッドとのコンタクトをとるために形成する。本実施例においては、金の支柱は直下に配置される配線パッド上およびシリコンに直接接続させる配線パッドに対してパッド毎に複数本形成する。これにより、陽極接合時に支柱がバネ状に屈曲し、適度なテンションをもって第１基板１００側と接続することができる。スプリングコンタクトや、金バンプを用いる接続方法もあるが、本方法の場合、ガラス基板に過度な応力をかけることも無く、また、作成方法もきわめて簡単である。本実施例においては無電解めっき法を用いたが電解めっき法でも形成できる。
Next, as shown in FIG. 14 (2), the
次に、図１４（３）に示すように、第１共通電極１２０−１、第２共通電極１２０−２、引き出し電極１２４等をエッチングによって形成する。上記第１共通電極１２０−１は、同時に形成されている各慣性センサ素子１１の第１共通電極１２０−１と、配線（図示せず）によって並列に接続されるように形成される。同様に、第２共通電極１２０−２は、同時に形成されている各慣性センサ素子１１の第２共通電極１２０−２と、配線（図示せず）によって並列に接続されるように形成される。
Next, as shown in FIG. 14C, the first common electrode 120-1, the second common electrode 120-2, the
上記工程において、電極（駆動電極）１０８−１および電極（検出電極）１０８−２〔前記図１２参照〕のガラス側への引き出しのコンタクト部１２５−１、１２５−２、およびシリコン層１３３〔前記図１２参照〕に直接接続するコンタクト（図示せず）を形成し、さらにフレーム１２１〔前記図１２参照〕に接続するための引き出し電極（図示せず）を形成する。 In the above steps, the electrode (drive electrode) 108-1 and the electrode (detection electrode) 108-2 [refer to FIG. 12] lead-out contact portions 125-1 and 125-2 to the glass side, and the silicon layer 133 [the above-mentioned A contact (not shown) directly connected to the frame 121 (see FIG. 12) is formed, and an extraction electrode (not shown) for connecting to the frame 121 (see FIG. 12) is formed.
次に第１基板１００と第２基板２００との組立方法を説明する。
Next, a method for assembling the
図１５（１）に示すように、陽極接合法により第２基板２００とフレーム１２１を接合させる。その際、ローレンツ力を発生させる電極１０８−１のパッド部（支持部１０３−１上に形成されている部分）および電磁駆動で振動子１０１が動作したときに発生する誘導起電力を検出する電極１０８−２のパッド部（支持部１０３−３上に形成されている）をコンタクト部１２５−１、コンタクト部１２５−２を接続させる。同様に、シリコン層１３３〔前記図１２参照〕に直接接続するための電極パッド（図示せず）にコンタクト部（図示せず）を接続させる。
As shown in FIG. 15A, the
次に、図１５（２）に示すように、第１基板１００および第２基板２００を、例えばダイシングにより切断し、個別チップを形成する。
Next, as shown in FIG. 15B, the
最後に、図１６（３）に示すように、第１基板１００側下部に磁石３００を形成し、角速度検出の慣性センサ１が作製される。その後、図示はしないが、上記慣性センサ１はパッケージに実装される。
Finally, as shown in FIG. 16 (3), the
上記製造方法では、一つに慣性センサ素子１１の製造方法を説明したが、実際には、上記工程で説明した慣性センサ素子１１を同一基板上に同時に複数個形成することで、複数の慣性センサ素子１１を並列に配置した慣性センサ１を得る。また、上記慣性センサ素子をマトリクス状に配列することによって、前記第２実施例で説明した慣性センサ２を得ることができる。この場合も、例えば、各慣性センサ素子１１の第１共通電極１２０−１および第２共通電極１２０−２を形成する際に、各第１共通電極１２０−１を並列に接続する配線（図示せず）を形成するとともに、各第２共通電極１２０−２を並列に接続する配線（図示せず）を形成する
In the manufacturing method described above, the manufacturing method of the
上記慣性センサの製造方法によれば、各慣性センサ素子１１で検出された出力値が加算されて出力されるようになることから、慣性センサ１が変形による動作不良を発生することなく、また応答性が低下することなく、高い出力を得ることができるようになるとともに、複数の慣性センサ素子１１を形成することによって低角速度から高角速度まで検出できるダイナミックレンジの広い慣性センサを提供できるという利点がある。
According to the above inertial sensor manufacturing method, the output values detected by the
また、上記慣性センサ１、２では、２つの振動子の変位容量を計算することで、角速度を検出することができる。それぞれの検出電極と振動子間に発生する容量変化量が異なるが、並進加速度が印加された際には、発生する容量変化量は異ならないため、差分を取っても容量差が生じない。よって、角速度印加の時に発生する加速度成分を除去できる構造となっている。さらに２つの振動子の変位容量の和を計算することで、加速度を検出することができる。
The
以上説明した本発明に係る慣性センサ１もしくは２は、様々な電気・電子機器に適用することが可能である。
The
また、本発明に係る慣性センサ１もしくは２は、加速度を検出することができる。例えば、携帯型ハードディスク駆動装置（以下、ハードディスク駆動装置を略してＨＤＤと記す）、ノート型パーソナルコンピュータ、ＨＤＤ内蔵携帯型音楽再生装置、ＨＤＤ内蔵携帯型音楽録音再生装置、ＨＤＤ搭載型ビデオカメラ等のＨＤＤを搭載した携帯型電子機器、携帯電話等の携帯端末装置、等に適用される。
In addition, the
上記慣性センサ１もしくは２は、姿勢制御、動作検知にも用いられるものである。例えば、ビデオカメラ、スチルカメラ、カメラの交換レンズ等の携帯型撮影機器、携帯電話等の携帯端末装置、ユーザ・インターフェース、ゲーム機、ゲームコントローラー、等に適用される。
The
上記慣性センサ１もしくは２は、振動制御にも用いられるものである。例えば、全自動洗濯機、自動車、振動制御装置、等に適用される。
The
上記慣性センサ１もしくは２は、動作検知にも用いられるものである。例えば、歩数計、防犯・防災装置、盗難防止装置、等に適用される。
The
上記慣性センサ１もしくは２は、衝撃（衝突）検知に用いられるものである。例えば、車両用エアバッグ装置、車両・船舶・航空機等の事故記録装置、ＨＤＤ、等に適用され、また携帯型ＨＤＤ、ノート型パーソナルコンピュータ、ＨＤＤ内蔵携帯型音楽再生装置、ＨＤＤ内蔵携帯型音楽録音再生装置、ＨＤＤ搭載型ビデオカメラ等のＨＤＤを搭載した携帯型電子機器、携帯電話等の携帯端末装置、等に適用される。
The
このように、本発明の慣性センサ１もしくは２は、あらゆる分野の電気・電子機器に適用することが可能である。以下、電気・電子機器の一実施の形態を以下に説明する。ここで説明するのは一例であって、上記した電気・電子機器に適用できる。なお、以下の説明において、慣性センサは、代表して慣性センサ１を記載するが、その他の慣性センサ２も同様に適用できる。
Thus, the
次に、請求項８に係る本発明の電気・電子機器の一実施の形態（第１実施例）を、図１７によって説明する。図１７では、ビデオカメラ装置の一例を示し、概略構成斜視図で示した。 Next, an embodiment (first example) of the electric / electronic device according to the eighth aspect of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 17, an example of the video camera device is shown, and a schematic configuration perspective view is shown.
図１７に示すように、本適用例に係るビデオカメラ装置５１０は、本体５１１に、前方を向いた側面に被写体撮影用のレンズ５１２、撮影時のスタート／ストップスイッチ５１３、表示部５１４、ファインダー５１５、撮影した画像を記録する記録装置（図示せず）、固体撮像装置等の撮像素子５１６等を含み、その撮像素子５１６が搭載される基板５１７には、角速度センサが搭載されていて、その角速度センサとして本発明に係る慣性センサ１を用いることによって作製される。
As shown in FIG. 17, a
まず、本発明に係る電気・電子機器の一実施の形態（第２実施例）を、図１８によって説明する。図１８では、ＨＤＤ装置の一例を示し、（１）図に概略構成斜視図を示し、（２）図に内部平面図を示した。 First, an embodiment (second example) of an electric / electronic device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 18 shows an example of the HDD device, (1) shows a schematic configuration perspective view, and (2) shows an internal plan view.
図１８に示すように、本適用例に係るＨＤＤ装置５３０は、ベース部材５３１とベース部材５３１の内部に設置された装置を覆うカバー５３２を有し、上記ベース部材５３１の内部に設置されているベース基板５３３に、磁気ディスク５３４を駆動するモータ５３５、このモータに駆動される磁気ディスク５３４、支軸５３６に回動自在に設けたアクチュエータアーム５３７、その先端部にヘッドサスペンション５３８を介して形成された磁気ヘッド５３９等が設けられている。そして、ベース基板５３３上に慣性センサ１が設置されている。なお、慣性センサ１は、ベース部材５３１、カバー５３２等に設置することも可能である。
As shown in FIG. 18, the
次に、本発明に係る電気・電子機器の一実施の形態（第３実施例）を、図１９によって説明する。図１９では、ＨＤＤ装置を搭載したノート型パーソナルコンピュータの一例を示し、（１）図に表示部を開いた状態の概略構成斜視図を示し、（２）図に表示部を閉じた状態の概略構成斜視図を示した。 Next, an embodiment (third example) of an electric / electronic device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 19 shows an example of a notebook personal computer equipped with an HDD device. (1) FIG. 19 shows a schematic configuration perspective view of a state in which the display unit is opened, and (2) FIG. 19 shows an outline of the state in which the display unit is closed. A configuration perspective view is shown.
図１９に示すように、本適用例に係るノート型パーソナルコンピュータ５５０は、本体５５１に、文字等を入力するとき操作されるキーボード５５２、画像を表示する表示部５５３、ＨＤＤ装置５５４等を含み、そのＨＤＤ装置５５４は、前記説明した本発明の慣性センサ１が搭載されたＨＤＤ装置５５０を用いることにより作製されている。また、慣性センサ１はノート型パーソナルコンピュータ５５０の基板（図示せず）や本体５５１や表示部５５３を構成する筐体の内側の空いている領域に取付けてもよい。
As shown in FIG. 19, a notebook
次に、本発明に係る電気・電子機器の一実施の形態（第４実施例）を、図２０によって説明する。図２０では、ＨＤＤ装置を搭載したゲーム機の一例を平面図に示した。 Next, an embodiment (fourth example) of an electric / electronic device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a plan view showing an example of a game machine equipped with an HDD device.
図２０に示すように、本適用例に係るＨＤＤ装置を搭載したゲーム機５７０は、本体５７１に、画面等を操作する第１操作ボタン群５７２、第２操作ボタン群５７３、画像を表示する表示部５７４、ＨＤＤ装置５７５等を含み、そのＨＤＤ装置５７４は、前記説明した本発明の慣性センサ１が搭載されたＨＤＤ装置５５０を用いることにより作製されている。また、慣性センサ１はゲーム機５７０の基板（図示せず）や本体５７１を構成する筐体の内部側の空いている領域に取付けてもよい。
As shown in FIG. 20, a
次に、本発明に係る電気・電子機器の一実施の形態（第５実施例）を、図２１によって説明する。図２１では、ＨＤＤ装置を搭載したビデオカメラ装置の一例を示し、概略構成斜視図で示した。 Next, an embodiment (fifth example) of an electric / electronic device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 21 shows an example of a video camera device equipped with an HDD device, and is shown in a schematic configuration perspective view.
図２１に示すように、本適用例に係るＨＤＤ装置を搭載したビデオカメラ装置５９０は、本体５９１に、前方を向いた側面に被写体撮影用のレンズ５９２、撮影時のスタート／ストップスイッチ５９３、表示部５９４、ファインダー５９５、撮影した画像を記録するＨＤＤ装置５９６等を含み、そのＨＤＤ装置５９６は、前記説明した本発明の慣性センサ１が搭載されたＨＤＤ装置５５０を用いることにより作製されている。また、慣性センサ１はビデオカメラ装置５９０の基板（図示せず）や本体５９１を構成する筐体の内部側の空いている領域に取付けてもよい。
As shown in FIG. 21, a
次に、本発明に係る電気・電子機器の一実施の形態（第６実施例）を、図２２によって説明する。図２２では、カメラ付き携帯端末装置、例えばカメラ付き携帯電話機の一例を示し、（Ａ）は開いた状態での正面図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）は閉じた除隊での正面図、（Ｄ）は左側面図、（Ｅ）は右側面図、（Ｆ）は上面図、（Ｇ）は下面図である。 Next, an embodiment (sixth example) of an electric / electronic device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 22 shows an example of a camera-equipped mobile terminal device, such as a camera-equipped mobile phone, in which (A) is a front view in an open state, (B) is a side view thereof, and (C) is a front view in a closed discharge. (D) is a left side view, (E) is a right side view, (F) is a top view, and (G) is a bottom view.
図２２に示すように、本適用例に係る携帯端末装置、例えば携帯電話機６１０は、上側筐体６１１、下側筐体６１２、連結部（ここではヒンジ部）６１３、ディスプレイ６１４、サブディスプレイ６１５、ピクチャーライト１６１６、カメラ６１７、角速度センサ６１８等を含み、その加速度センサ６１８として本発明に係る慣性センサ１を用いることにより作製される。また、慣性センサ１は、携帯電話機６１０の上側筐体６１１の内部側の他の位置、下側筐体６１２の内部側の空いている領域に取付けてもよい。
As shown in FIG. 22, a mobile terminal device according to this application example, for example, a mobile phone 610, includes an
上記各電気・電子機器によれば、本発明の慣性センサ１もしくは２を備えたことから、高出力、広ダイナミックレンジの慣性センサの提供が可能となるので、例えば、角速度や加速度を瞬時に検知できるため、発生した角速度や加速度による補正行動を電気・電子機器にとらせることができるという利点がある。
According to each of the electric and electronic devices, since the
１…慣性センサ、１１…慣性センサ素子、１０１−１，１０１−２…振動子、１０２−１〜１０２−４…弾性支持体、支持部…１０３−１〜１０３−４
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力される
ことを特徴とする慣性センサ。 A plurality of inertial sensor elements each having an elastic support having one end supported by a support portion and a vibrator supported on the other end of the elastic support;
The inertial sensor, wherein output values detected by the inertial sensor elements are added and output.
前記変位検出手段が、前記第１振動子群の変位を検出する第１共通電極と、前記第２振動子群の変位を検出する第２共通電極とを有し、
前記第１振動子と前記第２振動子の角速度信号の差分で角速度を検出する
ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。 Each of the inertial sensor elements is arranged in parallel and has two vibrators, a first vibrator and a second vibrator,
The displacement detection means includes a first common electrode for detecting a displacement of the first vibrator group and a second common electrode for detecting a displacement of the second vibrator group;
The inertial sensor according to claim 1, wherein an angular velocity is detected by a difference between angular velocity signals of the first vibrator and the second vibrator.
ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。 The inertial sensor according to claim 1, wherein voltage outputs per unit angular velocity of the inertial sensor elements are different from each other.
ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。 The inertial sensor according to claim 1, wherein the inertial sensor element detects an angular velocity using an electrostatic drive system.
ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。 The inertial sensor according to claim 1, wherein the inertial sensor element detects an angular velocity using a piezoelectric drive system.
ことを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。 The inertial sensor according to claim 1, wherein the inertial sensor element detects an angular velocity using an electromagnetic drive system.
前記各慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力される慣性センサの製造方法であって、
前記各慣性センサ素子を同一工程で同一基板に形成した後、
前記各慣性センサ素子の出力値を出力する配線が互いに接続されるように形成する
ことを特徴とする慣性センサの製造方法。 A plurality of inertial sensor elements each having an elastic support having one end supported by a support portion and a vibrator supported on the other end of the elastic support;
A method for manufacturing an inertial sensor in which output values detected by the respective inertial sensor elements are added and output,
After each inertial sensor element is formed on the same substrate in the same process,
A method of manufacturing an inertial sensor, wherein wiring for outputting an output value of each inertial sensor element is connected to each other.
前記慣性センサは、
支持部に一端が支持された弾性支持体と、前記弾性支持体の他端側に支持された振動子とを有する慣性センサ素子を複数備え、
前記慣性センサ素子で検出された出力値が加算されて出力される
ことを特徴とする電気・電子機器。 An electrical / electronic device equipped with an inertial sensor that detects angular velocity or acceleration caused by the movement of the electrical / electronic device,
The inertial sensor is
A plurality of inertial sensor elements each having an elastic support having one end supported by a support portion and a vibrator supported on the other end of the elastic support;
The output value detected by the inertial sensor element is added and output.
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