角速度传感器的制作方法

专利名称：角速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测角速度的传感器。
背景技术：
到目前为止，已经提出了采用微机电系统(MEMS)的振动型角 速度传感器。振动型角速度传感器采用了这样一种系统，其中当作为 检测目标的角速度从外部被输入到传感器时，所产生的科里奥利 (Coriolis)力(也被称作"偏转力"；在下文中，被称作科里奥利力) 作为振动子的振动位移而被检测，同时使振动子产生预定幅度的参照 振动。通过参照振动方向和角速度方向确定科里奥利力方向。因此， 振动子必须具有使振动子易于产生沿参照振动方向以及沿科里奥利力 方向(检测方向)的振动的结构。因此，已经提出了所谓的双框架系 统，在该双框架系统中，分立设置用于参照振动的振动子(参照振动 子)和用于检测的振动子(检测振动子)。
日本专利No.3，336，730公开了 一种作为双框架系统的角速度传感 器的一种模式的结构，在该结构中，检测振动子由参照振动子支撑， 并设置用于检测参照振动子和检测振动子之间的相对位移的检测单 元。因此，緩解了在检测方向上产生的参照振动子的振动分量与检测 单元的检测信号叠加的问题。
此外，美国专利No.6，374，672公开了一种结构，在该结构中，通 过使支撑盘形检测振动子的环形参照振动子产生往复旋转振动来检测 与角速度相对应的检测振动子的倾斜。作为结果，緩解了由于参照振 动子的振动导致的检测振动子的振动而引起的检测信号的精度下降的 问题。
在振动型角速度传感器中，用于检测角速度的检测振动子的位移
4量通常大约只是参照振动子的参照振动位移量的几百分之一至几千分 之一。因此，必须在参照振动子的大的运动中检测检测振动子的小的 运动。因此，当由参照振动产生振动的噪声分量(例如，沿与参照振 动的方向不同的方向引起的振动)时，通过检测单元检测噪声分量。 在以高精度进行角速度检测的情况下，噪声分量是在角速度检测中使 精度降低的主要因素。
一般来讲，相对于参照振动子的结构、用于支撑参照振动子的元 件的结构、由参照振动子的驱动单元施加的驱动力等，参照振动子具 有由制造过程中的加工精度误差引起的非对称特性。因此，参照振动 子产生具有在不同于参照振动的预定方向的方向上的摆动分量的振 动。这同样适用于双框架系统的角速度传感器。
参照振动产生噪声的原因粗略地分为以下两种原因。即(l)参 照振动子本身的振动被检测单元错误地检测为检测信号；(2)由参照 振动(例如，当未输入角速度w时)激发的检测振动子的振动被检测 单元错误地检测为检测信号。
参考关于根据上述引用的参考文献的角速度传感器的附图描述上 述原因。在日本专利No.3，336，730公开的角速度传感器中，如图7B 和7C所示，用于参照的振动体10和用于检测的振动体16被分立设 置，并且根据用于参照的振动体IO和用于检测的振动体16之间的相 对位置的改变，检测单元15检测角速度。注意，图7C是沿图7B的 线7C-7C剖开的截面视图。在该结构中，即使当用于参照的振动体 10沿与所需方向不同的方向(例如，图7B的X轴线方向)产生振动 时，检测单元15检测用于参照的振动体和用于检测的振动体之间的相 对位置。因此，在检测信号中几乎不产生噪声。换句话说，减小了由 于上述原因(1)引起的噪声。
然而，为了检测与角速度相应的科里奥利力，用于检测的振动体 16由易于产生朝向检测方向(图7B的X轴线方向)的振动的结构支 撑。因此，当线性往复振动的方向与检测方向共面的参照振动具有朝 向检测方向的线性往复振动的分量时，即使在未输入角速度的情况下，也可以在用于检测的振动体中产生小的振动(振动的噪声分量)。作为
结果，在以高精度检测角速度的情况下，由于上述原因(2)导致的在 检测信号中产生的小的噪声会使检测精度降低。
如图7A所示，在美国专利No.6，374，672中公开的角速度传感器 具有一种结构，在该结构中，参照振动子76具有垂直于基板68的旋 转轴线，检测振动子70具有与基板68平行的旋转轴线72和74，从 而进行围绕作为中心的旋转轴线中的每一个轴线的往复旋转运动。在 该结构中，参照振动子和检测振动子围绕不同的旋转轴线进行往复旋 转运动。因此，检测振动子70的噪声分量的振动几乎不会被传递，从 而很难产生检测振动子70的噪声分量的振动。因此，与日本专利 No.3，336，730 7>开的结构相比，可以大大降低参照振动对检测振动子 的影响。换句话说，可以降低由于上述原因(2)引起的噪声。
另一方面，检测单元检测一对半圆形检测电极(未示出)之间的 静电容量，该对半圆形检测电极被设置在固定到两个振动子上的基板 的一侧(粘接到基板68)，并且检测振动子70与该对电极相对。借助 于半圆形检测电极，可以检测在固定基板和检测振动子70之间的位置 关系。
然而，在参照振动子76产生偏离旋转轴线的往复旋转振动的情况 下，或者在参照振动子76具有相对于固定基板倾斜的运动分量的情况 下，即使当检测振动子70未被振荡时，在参照振动子76与成对半圆 形检测电极的相对区域之间的关系被改变。因此，由于上述原因(l)， 可以在检测信号中产生小的噪声。因此，当以高精度检测角速度时， 由于上述原因(1)的小的噪声会使检测精度降低。
另外，在美国专利No.6，374，672中公开的角速度传感器中，参照 振动子76的参照振动使旋转轴线72和74偏离。具体地，在检测与角 速度相应的相对于参照振动子76的固定基板的倾斜的情况下，检测振 动子70的旋转轴线与使设置在固定基板侧上的那对半圆形检测电极 分离的平行线偏离。因此，确切地说，参照振动子76的摆动分量会被 混合在由检测单元检测的检测振动子70的倾斜分量中。这成为在以高
6精度检测角速度的情况下使检测精度降低的原因(上述原因(1)中的 一个原因)。

发明内容
鉴于上述问题，根据本发明，提供一种角速度传感器，该角速度
传感器包括参照振动子，该参照振动子被支撑为产生围绕作为中心 的第一旋转轴线的往复旋转振动；检测振动子，该检测振动子由所述 参照振动子支撑为产生围绕作为中心的第二旋转轴线的往复旋转振 动，所述第二旋转轴线与所述第一旋转轴线不同；参照振动产生单元， 用于使所述参照振动子产生往复旋转振动；以及检测单元，用于与所 述检测振动子的往复旋转振动相关联，检测所述检测振动子相对于所 述参照振动子的位移量。
根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步特征 将变得明了。


图1A和1B是用于说明根据本发明的示例l的角速度传感器的分 解立体图。
图2A、 2B和2C是用于说明根据本发明的示例2的角速度传感 器的分解立体图。
图3A和3B是用于说明根据本发明的示例3的角速度传感器的分 解立体图。
图4A、 4B和4C是用于说明根据本发明的示例4的角速度传感 器的分解立体图。
图5A和5B是用于说明根据本发明的示例5的角速度传感器的分 解立体图。
图6是用于说明根据本发明的示例5的检测振动子的支撑元件的 横截面的截面视图。
图7A、 7B和7C是用于说明传统角速度传感器的视图。
具体实施例方式
以下将描述本发明的实施例。根据本发明的实施例的角速度传感 器包括下文将描述的参照振动子、检测振动子、参照振动产生单元和 检测单元。参照振动子由支撑基板支撑，以围绕作为中心的第一旋转 轴线产生往复旋转振动。检测振动子由参照振动子支撑而产生往复旋 转振动，从而例如借助于相应于参照振动子的往复旋转振动和从外部 输入的角速度而产生的科里奥利力，检测振动子围绕与第一旋转轴线 正交的第二旋转轴线旋转。参照振动产生单元借助于例如围绕作为中 心的第 一旋转轴线的静电力使参照振动子产生往复旋转振动。检测单 元借助于例如参照振动子和检测振动子之间的静电容量检测该参照振 动子和检测振动子之间的相对位置，并检测与围绕作为中心的第二旋 转轴线的检测振动子的旋转大小相应的科里奥利力，从而检测角速度。
用作用于保持检测振动子的元件的参照振动子由例如硅形成。用 作用于从参照振动子的外边缘的外侧保持参照振动子的元件的支撑基 板也可以由例如硅形成。
以下将描述用于解决包括该实施例的根据本发明的角速度传感器 的上述问题的原理。为了提供借助于参照振动来减小检测信号中产生 的噪声的角速度传感器，发明人已经注意到"(1)参照振动子的振动
方向和检测振动子的振动方向"以及"(2 )用于检测检测振动子的振动 的检测单元"。根据本发明，假设"(1)参照振动子的振动方向和检测 振动子的振动方向"通过围绕作为中心的各自的旋转轴线的往复旋转 振动来确定，以及"(2)用于检测检测振动子的振动的检测单元，，是用 于检测参照振动子和检测振动子之间的相对位置的单元。因此，振动 子分别围绕不同的旋转轴线执行往复旋转运动，使得参照振动子的振 动分量几乎不被传送到检测振动子，从而可以克服上述原因(2)。另 外，在用于检测参照振动子和检测振动子之间的相对位置的检测单元 中，检测单元也根据摆动分量而被移位，使得参照振动子的往复振动 分量或振动摆动分量几乎不能被检测到，从而可以克服上述原因(1)。在下文中，将参考附图描述本发明的示例。 示例1
图1A和1B是用于说明根据本发明的示例1的角速度传感器的分 解立体图。如图1A和1B所示，角速度传感器包括支撑基板l、参照 振动子2、用于支撑参照振动子2的支撑元件3、检测振动子4、用于 支撑检测振动子4的支撑元件5、用于驱动参照振动子2的驱动单元6 (参照振动产生单元)以及用于检测检测振动子4的振动的检测单元
在该示例中，如图1A和1B所示，角速度传感器包括由两个分立 部件形成的参照振动子2。可通过将图1B所示的参照振动子2的部分 粘接到图1A所示的参照振动子2的下部来制造该示例的角速度传感 器。
环形参照振动子2由带有支撑元件3的基板1支撑，该支撑元件 3具有以围绕旋转轴线A的相等角度间隔形成的四个部分。当检测振 动子被定位在没有力被施加到检测振动子的中立位置处时，轴线A是 与盘形检测振动子4垂直的第一旋转轴线。参照振动子2可以在由支 撑元件3支撑的同时围绕作为中心的第一旋转轴线A沿由箭头C指示 的方向产生往复旋转振动。
检测振动子4由带有支撑元件5的参照振动子2支撑，该支撑元 件5具有沿预定直线(轴线B)延伸的两部分。轴线B是平行于基板 1并与轴线A正交的第二旋转轴线。检测振动子3具有在由用作弹簧 的支撑元件5支撑的同时能围绕作为中心的第二旋转轴线B沿由箭头 D指示的方向产生往复旋转振动的结构。
驱动单元6使参照振动子2围绕作为中心的第 一旋转轴线A产生 朝向箭头C方向的往复旋转振动(参照振动)。在传感器的检测操作 期间，恒定产生预定的参照振动。因此，在具有围绕作为中心的轴线 E的角速度分量的角速度w被输入到传感器的情况下，其中，该轴线E 与轴线A和轴线B正交，在检测振动子4中，沿箭头D方向产生与 参照振动和角速度w的角速度分量大小相应的科里奥利力。借助于该科里奥利力，检测振动子4围绕作为中心的第二旋转轴线B产生朝向 箭头D方向的往复旋转振动。
检测单元7检测参照振动子2和检测振动子4之间的相对位置， 从而测量检测振动子4的振动位移。根据所测得的振动位移的大小， 检测围绕作为中心的轴线E的角速度分量相对于输入角速度w的大 小。具体地，检测单元7是用于测量具有设置在图1B所示的参照振 动子2的部分上的两个分离部分的检测电极7和设置在检测振动子4 的后表面上的检测电极7 (在图1A中以虛线指示)之间的静电容量的 单元。检测电极7具有要被定位在参照振动子2上的平板状部分，从 而可以容易地形成检测电极7。当未输入角速度w时，与图1B的检测 电极7形成在其上的参照振动子2的部分相对应的平面以一定间隙平 行于与检测电极7形成在其上的检测振动子4相对应的平面。在这种 情况下，当与图1B示出的参照振动子2的部分相对应的环形外周部 分比中央部分高并用作间隔件时，得到该间隙。设置在图1B所示的 参照振动子2上的检测电极7被布置在相应于与检测振动子4相对的 参照振动子2的部分的平面上，并被与轴线B平行的直线F分离成半 圆形两部分。
以下将描述根据该示例的角速度传感器的操作。这里，考虑了沿 围绕作为中心的第一旋转轴线A的往复旋转振动方向C产生的参照振 动的情况。检测振动子4由带有支撑元件5的参照振动子2支撑，从 而更易于产生围绕作为中心的第二旋转轴线B沿由箭头D指示的方向 的往复旋转振动，而几乎不产生沿其它方向的振动。因此，随着参照 振动子2的运动，检测振动子4围绕作为中心的第一轴线A沿方向C 产生往复旋转振动。因此，在检测振动子4和参照振动子2之间的相 对关系未改变。类似地，在第二旋转轴线B和检测电极7的中心线F 之间的位置关系也被固定，从而保持了其间的平行关系。
在这种状态下，考虑了角速度^被输入到传感器的情况。根据所 产生的科里奥利力，围绕作为中心的第二旋转轴线，检测振动子4沿 箭头D方向产生往复旋转振动。这里，旋转轴线A和旋转轴线B彼此正交，使得更高效地产生围绕旋转轴线B的由科里奥利力导致的振 动。在这种情况下，在旋转轴线B和检测电极7的中心线F之间的位 置关系被固定，从而在形成在参照振动子2的部分上的检测电极7和 形成在检测振动子4上的检测电极7之间的静电容量的改变可以被表 示为仅仅是围绕作为中心的第二旋转轴线B的检测振动子4的倾斜角 度的函数。具体地，检测电极7可以精确地检测由检测振动子4围绕 作为中心的第二旋转轴线产生的沿箭头D方向的往复旋转振动的大 小，而不受参照振动的影响。换句话说，可以得到检测振动子相对于 参照振动子的位移量。因此，可以高精度地检测科里奥利力和角速度， 从而实现能高精度检测角速度的角速度传感器。
另外，所产生的科里奥利力的大小相应于参照振动的大小。这里， 即使当参照振动的大小被增大以产生更大的科里奥利力，从而提高灵 敏度时，轴线B和检测电极7的中心线F之间的位置关系也未被改变。 因此，可以提供一种能得到相对于角速度w的更高灵敏度并能以更高 精度检测角速度的传感器。
在不同于根据该示例的结构的一结构中，当产生参照振动时，在 旋转轴线B和检测电极7的中心线F之间的位置关系被改变。换句话 说，当参照振动的大小被增大以产生更大的科里奥利力时，在轴线B 和检测电极7的中心线F之间的位置关系相应地改变。因此，检测振 动根据参照振动的大小而变得更大的效果几乎不会导致检测精度的提 高。尤其是当要以高精度检测角速度时，这会带来问题。
接下来，考虑角速度w未被输入到传感器的情况，参照振动子2 围绕作为中心的第 一旋转轴线A产生朝向往复旋转振动方向的参照振 动，并且振动摆动(振动的噪声分量)被包含在参照振动中。
在该示例中，检测振动子4具有检测振动子4被支撑为能执行往 复旋转运动的结构，并且几乎不在除了围绕作为中心的第二旋转轴线 B的往复旋转振动方向以外的方向上产生振动。因此，在几乎没有围 绕作为中心的第二旋转轴线B的旋转方向上的分量被包括在参照振动 子2的振动摆动分量中的情况下，在参照振动子2和检测振动子4之间的位置关系几乎不被改变(相对位置被保持)。在这种情况下，参照
振动子2由四个支撑元件3从外周部分支撑，其实现了几乎不产生朝 向围绕作为中心的第二旋转轴线B的旋转方向的振动的结构。
因此，检测单元7检测参照振动子2和检测振动子4之间的位置 关系，从而参照振动子2的振动摆动未被检测为信号。因此，可以得 到检测振动子相对于参照振动子的位移量。换句话说，可以提供一种 即使当存在参照振动子2的摆动分量时检测信号的精度几乎不降低的 角速度传感器。
另外，在该示例中，如图1A和1B所示，参照振动子2由支撑元 件3从其外围部分保持，从而参照振动子引起围绕作为中心的第二旋 转轴线B的旋转方向上的振动摆动十分困难。因此，可以提供一种检 测信号的精度几乎不降低的角速度传感器。
另外，通过釆用该示例的结构，可以布置检测单元的检测电极7， 而不必考虑由于参照振动相对于基板1的竖直方向的振动摆动而产生 的干扰。在不同于该示例的结构的结构中，为了避免由于在竖直方向 上引起的振动摆动而产生的机械干扰，有必要在参照振动子和检测电 极之间保持一定距离，并且检测信号相对于要被输入的角速度的敏感 度容易降低。
换句话说，如上所述，在该示例的结构中，即使当在参照振动中 产生振动摆动时，在检测振动子4和参照振动子2之间的相对位置关 系也未被改变。作为结果，可以得到检测振动子相对于参照振动子的 位移量。因此，可以在被布置在参照振动子2的部分上的检测电极7 和被布置在检测振动子4上的检测电极7之间设置一微小距离。因此， 可以得到用于由检测单元7进行检测的静电容量的十分大的值，并且 得到十分大的检测信号。这样，可以以十分高的灵敏度检测角速度w。 换句话说，假设噪声是恒定的，在相同角速度下可以检测到大的信号， 从而可以提供高精度的角速度传感器。
如上所述，通过采用该示例，可以实现能降低由参照振动在检测 信号中产生的噪声并以高精度检测角速度的传感器。
12示例2
图2A、 2B和2C是用于说明根据本发明的示例2的角速度传感 器的分解立体图。在该示例中，产生参照振动的方向(第一旋转轴线 A的方向)与示例1产生参照振动的方向不同。除了这一点以外，示 例2与示例l相同。
如图2A、 2B和2C所示，角速度传感器包括支撑基板l、参照振 动子2、用于支撑参照振动子2的支撑元件3、检测振动子4、用于支 撑检测振动子4的支撑元件5、用于驱动参照振动子2的驱动单元6 以及用于检测检测振动子4的振动的检测单元7。
还是在该示例中，如图2A和2B所示，参照振动子2包括两个分 立的元件。通过将图2B所示的参照振动子2的部分粘接到图2A所示 的参照振动子2的下部以及通过将图2C的支撑基板1进一步粘接到 粘接后的支撑基板1的下部来得到该结构。
围绕作为中心的与盘形检测振动子4平行的轴线A，参照振动子 2产生沿箭头C方向的往复旋转振动。驱动单元6使参照振动子2产 生围绕作为中心的第一轴线A沿箭头C方向的往复旋转振动，作为参 照振动。更具体地，在图2B的参照振动子2的下表面上，形成由与 旋转轴线A平行的直线分成两部分的半圆形驱动电极6 (以虚线表 示)。另外，在图2C的支撑基板1上，以相同的方式形成由与旋转轴 线A平行的直线分成两部分的半圆形驱动电极6。在这些驱动电极之 间产生静电引力，从而构成驱动单元6。
在该示例中，在围绕作为中心的轴线E的角速度w被输入到传感 器的情况下，沿箭头D方向产生与参照振动和角速度《的大小相应的 科里奥利力。由于该科里奥利力，围绕作为中心的第二旋转轴线B朝 向箭头D方向产生检测振动子4的往复旋转振动。检测单元7的检测 原理如示例1所述。
采用该示例，可以实现用于高精度检测围绕与平板型检测振动子 4垂直的轴线E的角速度的传感器。
示例3
13图3A和3B是用于说明根据本发明的示例3的角速度传感器的分 解立体图。示例3与示例1的不同在于检测振动子4具有凹进部分或 通孔。除了这一点外，示例3与示例1相同。
采用该示例的角速度传感器，不必考虑由于参照振动子2的振动 摆动带来的干扰。因此，可以在图3B的参照振动子2的部分和检测 振动子4之间设置一微小距离。作为结果，在用于静电容量检测的系 统被用于检测单元7的情况下，可以大大提高当同一角速度w被输入 到传感器时所得到的检测灵敏度。
然而，当参照振动子2和检测振动子4之间的间隙变得更小时， 会出现由间隙中的空气的影响而带来的阻止振动运动的空气阻尼的问 题。作为结果，产生了抑制用于检测科里奥利力的检测振动子4的振 动运动的力，该力减小了利用科里奥利力检测的振动本身。因此，在 通过在参照振动子2和检测振动子4之间设置一微小距离来提高用于 检测静电容量的灵敏度的同时，根据间隙的大小或振动子的形状，空 气阻尼的影响降低了检测灵敏度，这会导致整个灵敏度下降。该示例 包括考虑了这一点而得到的结构。
如图3A和3B所示，角速度传感器包括支撑基板l、参照振动子 2、用于支撑参照振动子2的支撑元件3、检测振动子4、用于支撑检 测振动子4的支撑元件5、用于驱动参照振动子2的驱动单元6以及 用于检测检测振动子4的振动的检测单元7。也可以通过将图3B所示 的参照振动子2的部分粘接到图3A所示的参照振动子2的下部来制 造根据该示例的角速度传感器。
根据该示例的检测振动子4具有多个形成在其中的通孔10。当检 测振动子4距离第二旋转轴线B更远时，以更高的密度设置通孔10。
这里，考虑了用于检测科里奥利力的检测振动子4的振动。当产 生与从外部输入的角速度相应的科里奥利力时，检测振动子4产生围 绕作为中心的第二旋转轴线B的往复旋转振动。这里，将更靠近旋转 轴线B的点表示为Ul,将远离旋转轴线B的点表示为U2。在这种情 况下，检测振动子4在远离旋转轴线B的点U2处产生的位移比更靠
14近旋转轴线B的点Ul处产生的位移更大。换句话说，在检测振动子 4进行往复旋转运动的情形下，点U2受在检测振动子4和图3B的参 照振动子2的部分之间引起的空气阻尼的影响更大。相反，更靠近旋 转轴线B的点Ul受到空气阻尼的影响更小，因为即使当检测振动子 产生的振动很大时，在点Ul处的位移也不会太大。
在通孔10均匀形成在检测振动子4中的情况下，空气阻尼均匀地 被减小，这使得检测振动子4容易进行沿第一旋转轴线A的轴向的竖 直运动。另一方面，该示例具有空气阻尼的影响在检测振动子4的中 央部分中变得更大的结构，使得几乎不会产生检测振动子4沿竖直方 向的振动。
这样，在该示例的结构中，借助于在远离旋转轴线B的各个位置 处的通孔IO,空气阻尼被更大地降低。换句话说，该示例具有这样一 种结构，在该结构中，当检测振动子4产生围绕作为中心的第二旋转 轴线B的往复旋转振动时，特别是在易于受到空气阻尼的影响(振动 状态由于空气阻力而改变)的区域(具有更大位移的区域)中，空气 阻尼可以被显著减小。
如上所述，根据该示例，可以分散空气阻尼的影响，从而检测振 动子4容易地产生围绕作为中心的第二旋转轴线B的往复旋转振动， 并且几乎不进行竖直运动。因此，检测振动子4可以容易地产生所需 的往复旋转振动，并且几乎不产生除了所需振动外的其它振动。因此， 可以提供检测灵敏度高而噪声低的角速度传感器。
另一方面，通过设置通孔IO，检测电极7的表面积变小，使得预 期检测灵敏度会略微降低。然而，如果通孔10中的每个通孔的尺寸十 分小，检测灵敏度的降低率比表面积的减小率小。另外，根据通孔IO 的尺寸，空气阻尼的影响程度可以被改变。为了处理这个问题，考虑 到检测灵敏度和空气阻尼的影响程度，可以优化通孔10的尺寸和形 状。
在上述示例中，通孔10被设置在检测振动子4中，但是也可以设 置在其它区域中。通孔IO可以被设置在与检测振动子4相对的参照振动子2的部分的区域中。当检测振动子4的重量变得更大时，角速度w 的检测灵敏度可以被提高。因此，通过在参照振动子2中形成通孔10, 可以检测角速度w而不必减小检测振动子4的重量，也就是说，不会 降低检测灵敏度。
另外，在通孔IO被设置在检测振动子4的区域中的模式下和在通 孔10被设置在与检测振动子4相对的参照振动子2的区域中的模式 下，均需要将用于测量的电势施加到设置有通孔10而未设置检测电极 7的振动子上。因此，使要施加的电势增加通过设置通孔10而降低的 灵敏度的量，从而能够在保持检测电极7处的检测灵敏度的同时分散 空气阻尼的影响。从而可以高精度检测角速度。
另外，通孔IO可以同时设置在检测振动子4的区域中和与检测振 动子4相对的参照振动子2的区域中。因此，可以大大降低空气阻尼 的影响，并且检测振动子4可以更容易地产生往复旋转振动。因此， 可以高精度检测角速度。
另外，在通孔10同时设置在检测振动子4的区域和与检测振动子 4相对的参照振动子2的区域中的情况下，需要将通孔10设置成使振 动子中的每个振动子的通孔10不相互重叠。因此，可以分散空气阻尼 的影响而不会大大降低检测灵敏度。从而可以高精度检测角速度。
另外，在上述示例中，通孔10被设置在检测振动子4中或参照振 动子2中，通过采用凹进部分代替通孔10，也可以减小空气阻尼的影 响。作为结果，凹进部分比通孔更容易制造。多个凹进部分可以彼此 分隔开，但是如果采用一凹槽沿横向连接凹进部分并且该凹槽具有开 口端，则可以更有效地减小空气阻尼的影响。
示例4
图4A、 4B和4C是用于说明根据本发明的示例4的角速度传感 器的分解立体图。示例4与示例1的不同在于设置了多个检测振动子 并且旋转轴线彼此正交。与此相关联，参照振动子包括三个环形部分， 并且检测单元的检测电极未被设置到参照振动子上。除了这一点外， 示例4与示例1相同。
16如图4A、 4B和4C所示，角速度传感器包括支撑基板l、参照振 动子2、用于支撑参照振动子2的支撑元件3、检测振动子4、用于支 撑检测振动子4的支撑元件5、用于驱动参照振动子2的驱动单元6。 第二检测振动子8、用于支撑第二检测振动子8的支撑元件9以及用 于检测检测振动子4的振动和第二检测振动子8的振动的检测单元7。
在该示例中，如图4A、 4B和4C所示，参照振动子2包括三个 分立的元件。可以通过将图4A所示的参照振动子2的部分粘接到图 4B所示的参照振动子2的上部、并通过将图4C所示的参照振动子2 的部分粘接到图4B所示的参照振动子2的下部来制造根据该示例的 角速度传感器。
另外，在该示例中，沿第一旋转轴线A的方向堆叠第二检测振动 子8和检测振动子4。第二检测振动子8围绕作为中心的第三轴线G (垂直于轴线A和轴线B)沿由箭头H指示的方向进行往复旋转运动。 当输入围绕平行于轴线B的轴线I的角度速w时，通过所产生的科里 奥利力，第二检测振动子8进行围绕作为中心的第三旋转轴线G的往 复旋转运动。第一检测振动子4的往复旋转运动如示例1所述。具体 地，轴线E表示要由检测振动子4检测的角速度的中心轴线。
检测单元7包括在检测振动子4和第二检测振动子8中的每个上 的检测电极。检测电极具有通过由与旋转轴线B平行的直线和与旋转 轴线G平行的直线均等分割一圆形而得到的形状(检测电极W、 X、 Y和Z)。彼此相对的检测电极X、 Y、 Z和W成对形成静电电容。 因此，检测单元7可以检测检测电极X、 Y、 Z和W中的每个检测电 极的静电容量。通过利用检测电极的形状，可以同时检测检测振动子 4围绕作为中心的第二旋转轴线B的往复旋转运动以及第二检测振动 子8围绕作为中心的第三旋转轴线G的往复旋转运动。具体地，通过 计算在通过将检测电极W和X的静电容量相加而得到的值与通过将 检测电极Y和Z的静电容量相加而得到的值之间的差别，可以检测检 测电极4围绕作为中心的第二旋转轴线B的往复旋转运动。另外，通 过计算在通过将检测电极W和Y的静电容量相加而得到的值与通过将检测电极x和z的静电容量相加而得到的值之间的差别，可以检测 第二检测振动子8围绕作为中心的第三旋转轴线G的往复旋转运动。 另外，可以从所检测到的往复旋转运动得到检测振动子相对于参照振 动子的位移量。作为结果，检测原理与检测电极设置到参照振动子2 的部分上的示例1的原理相同。
根据该示例，可以利用与图1A和1B所示的结构中的芯片面积相 同的芯片面积检测二轴角速度。因此，可以提供能高精度检测二轴角 速度的小的传感器。
另外，不同于图1A和1B所示的结构，在该示例的结构中，参照 振动子2和检测单元8未包围检测振动子。因此，可以减小检测振动 子的往复旋转运动被空气阻尼抑制的影响。
另外，该示例具有相对于轴线A的方向对称的结构(图1B是该 对称结构的中心表面)，因此，可以减少参照振动子本身振动摆动的产 生。因此，能更高精度检测角速度。
与示例3中相同，可以采用以下方式使根据该示例的检测振动子 4或第二检测振动子8设置有凹进部分或者通孔。也就是说，通孔以 与距离第二旋转轴线B的距离成比例的密度被设置在检测振动子4 中。另外，通孔以与距离第三旋转轴线G的距离成比例的密度被设置 在第二检测振动子8中。采用这种结构，可以减小空气阻尼对振动的 影响，从而检测振动子4和第二检测振动子8可以容易地进行沿所需 方向的往复4t转运动。
另外，设置在检测振动子4中的通孔和设置在第二检测振动子8 中的通孔被布置成彼此不重叠。因此，可以减小空气阻尼对振动的影 响，而不会大大降低检测电极的检测灵敏度。
采用上述结构，可以实现尺寸减小、能高灵敏度地检测二轴角度 速、能减小由于空气阻尼而造成的检测灵敏度降低、容易地产生在检 测方向上的振动并具有高灵敏度的角速度传感器。
示例5
图5A和5B是用于说明根据本发明的示例5的角速度传感器的分
18解立体图。示例5与示例1的不同在于检测振动子4的支撑元件5的 横截面具有X形状。除了这一点外，示例5与示例1相同。
除了检测振动子4的支撑元件5的横截面形状以外，图5A和5B 与图l相同。图6是说明检测振动子4的支撑元件5的横截面形状的 示意图。检测振动子4的支撑元件5的横截面具有X形状，并且其机 械特性与通过结合多个板状弹簧而得到的结构的机械特性等同。在图 6中，以箭头J表示每个板状弹簧最易于偏转的方向。板状弹簧被配 置成箭头J彼此交叉。
当检测振动子4围绕作为中心的第二旋转轴线B进行往复旋转运 动时，围绕作为中心的第二旋转轴线B沿圆周产生在箭头J方向上的 偏转。换句话说，在围绕作为中心的第二旋转轴线B的往复旋转运动 中，只在支撑元件5最易于偏转的方向上产生偏转。因此，检测振动 子4容易地产生围绕作为中心的第二旋转轴线B的往复旋转运动。
另一方面，当检测振动子4在不同于围绕作为中心的第二旋转轴 线B的往复旋转运动方向的方向上运动时，由于箭头J彼此交叉，每 个板状弹簧阻止另一个板状弹簧的偏转。换句话说，对于检测振动子 4来说，在不同于围绕作为中心的第二旋转轴线B的往复旋转运动方 向的方向上产生振动十分困难。
采用该示例，支撑元件5具有X形横截面，从而检测振动子4容 易地产生围绕作为中心的第二旋转轴线B的往复旋转振动。因此，可 以减小在其它方向上的振动。作为结果，增大了每单位角速度的检测 振动子4的检测振动的大小，并且提高了角速度的检测敏感度。另夕卜， 几乎不产生由于振动摆动带来的除参照振动和检测振动以外的检测振 动子4的振动，因此，可以减小由振动子产生的检测噪声。
如上所述，根据该示例，可以实现检测敏感度高、噪声低的角速 度传感器。
其它示例
通过采用MEMS可以得到根据本发明的角速度传感器的形状。 例如，通过采用MEMS来处理多个基板，并且将基板彼此粘接，从
19而得到该角速度传感器的结构。通常用于MEMS的硅在常规机械特 性方面优于金属。另外，可以容易地得到微结构和微小的间隙。因此， 可以得到具有十分大的Q值的更大的参照振动，从而能够实现具有高 灵敏度的角速度传感器。
另 一方面，由于硅的晶体取向而导致的物理特性之间的不同会影 响机械特性。采用MEMS对厚的三维结构进行处理的精度倾向于比 常规的机械处理的精度更低。因此，在采用MEMS的角速度传感器 中，容易产生由于参照振动而产生的摆动。
通过将本发明应用到釆用MEMS的角速度传感器，即使当产生 由于参照振动而导致的摆动时，也可以减小由摆动引起的噪声。因此， 通过采用硅或者类似物，可以实现精度高并且由参照振动导致的摆动 而引起的噪声低的角速度传感器，同时保持灵敏度高的特性。另外， 当将采用静电容量的检测技术应用到检测单元7时，不需要考虑由于 振动摆动所带来的机械干扰，因此可以提供在其间具有微小距离的电 极并且可以通过采用MEMS提供小的间隙。因此，可以提供具有更 高灵敏度和更高精度的角速度传感器。
如上所述，本发明可以解决采用MEMS的角速度传感器的问题， 并且可以提供更高精度的角速度传感器。另外，由根据本发明的检测 单元检测的对象是检测振动子相对于参照振动子的位移量。
在上述示例中，在平板电极(见图2A、 2B和2C)之间或者交叉 指型电极(例如，见图1A和1B)之间产生的静电引力被用作驱动单 元6，但是驱动单元6不限于此。可以采用任何驱动单元，只要该驱 动单元允许参照振动子2在所需方向上产生参照振动。
另外，在上述示例中的多个示例中，检测单元7的半圆形检测电 极被设置在参照振动子上，但是该结构不限于此。检测电极可以设置 在检测振动子4上(或者在第二检测振动子8上)。
在该示例中，通过检测平行电极之间的静电容量的改变，检测单 元7检测检测振动子相对于参照振动子的位移量，但是该结构不限于 此。可以采用任何单元，只要该单元能检测围绕检测振动子的旋转轴
20线的运动。例如，当与检测静电容量的情况相比敏感度降低时，可以 采用这样一种模式，在该模式中，为检测振动子的支撑元件提供包括 利用压敏电阻器效应的压敏电阻器或者利用压电效应的压电元件的应 变检测单元。
另外，在该示例中，参照振动子、检测振动子和支撑元件被构造 成如附图所示的结构，但是该结构不限于此。可以釆用任何结构，只 要该结构能使参照振动子和检测振动子执行围绕作为中心的所需不同 轴线的往复旋转。例如，可以采用这样一种结构，在该结构中，参照 振动子通过作为参照振动产生单元的另一力而被允许产生往复旋转振 动，同时参照振动子通过静电悬浮方法或者磁悬浮方法被悬浮。
根据本发明的角速度传感器能以更高的精度检测角速度。因此， 通过釆用根据本发明的角速度传感器，可以例如高精度地实现姿态检 测装置以及姿态控制装置。这里，姿态检测装置可以用于例如检测和 校正由于把持照相机的手的抖动而导致的模糊以及车载导航系统。另
外，姿态控制装置可以用于例如具有姿态控制功能的机器人。
通过采用根据本发明的角速度传感器的结构，可以降低在检测信 号中由参照振动所产生的噪声。因此，可以提供用于以高精度检测角 速度的传感器。
具体地，仍然在参照振动子具有不同于参照振动的振动分量(振 动摆动分量)的情况下，可以降低在检测信号中产生的噪声。通过采 用本发明的结构，在检测单元中，几乎不会检测到参照振动的往复振 动分量或者振动摆动分量(上述原因(l)被克服)，因此，可以减小 在检测信号中的噪声。另外，例如，当角速度未被输入到传感器时， 可以抑制产生由于参照振动的摆动而导致的检测振动子的振动(上述
原因(2)被克服)。因此，可以减小检测信号中的噪声。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是可以理解本发明
不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应给予最大范围
的解释，以包含所有这种改进以及等同结构和功能。
本申请要求2006年8月9日提交的日本专利申请No.2006 -216694的优先权，该申请在此通过引用而全部并入。
权利要求
1. 一种角速度传感器，该角速度传感器包括参照振动子，该参照振动子被支撑为产生围绕作为中心的第一旋转轴线的往复旋转振动；检测振动子，该检测振动子由所述参照振动子支撑为产生围绕作为中心的第二旋转轴线的往复旋转振动，所述第二旋转轴线与所述第一旋转轴线不同；参照振动产生单元，用于使所述参照振动子产生往复旋转振动；以及检测单元，用于与所述检测振动子的往复旋转振动相关联，检测所述检测振动子相对于所述参照振动子的位移量。
2. 根据权利要求l所述的角速度传感器，其中，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线彼此正交。
3. 根据权利要求2所述的角速度传感器，其中，所述检测振动子具有平板形状；以及当所述检测振动子位于中立位置处时，所述第一旋转轴线与所述检测振动子所在的平面垂直。
4. 根据权利要求l所述的角速度传感器，其中，所述检测单元包括用于检测所述参照振动子和所述检测振动子之间的静电容量的单元。
5. 根据权利要求l所述的角速度传感器，其中，所述检测单元包括应变检测单元，所述应变检测单元包括被设置到用于支撑所述检测振动子的支撑部分上的压敏电阻器和压电元件中的一种。
6. 根据权利要求l所述的角速度传感器，其中，所述参照振动子和所述检测振动子中的至少一个在表面上具有通孔和凹进部分中的至少一种，所述参照振动子和所述检测振动子在所述表面处彼此相对。
7. 根据权利要求6所述的角速度传感器，其中，随着所述通孔和所述凹进部分中的至少 一种距离所述第二旋转轴线越远，以越高的密度设置所述通孔和所述凹进部分中的至少一种。
8. 根据权利要求l所述的角速度传感器，其中，所述第二旋转轴线的横截面为X形状。
9. 根据权利要求1所述的角速度传感器，还包括第二检测振动子，所述第二检测振动子由所述参照振动子支撑以便围绕作为中心的第三旋转轴线产生往复旋转振动，所述第三旋转轴线与所述第二旋转轴线垂直，其中，所述检测单元检测所述第一检测振动子和所述第二检测振动子中的一个相对于所述参照振动子的位移量。
全文摘要
本发明提供一种角速度传感器，该角速度传感器包括参照振动子，该参照振动子被支撑为产生围绕作为中心的第一旋转轴线的往复旋转振动；检测振动子，该检测振动子由所述参照振动子支撑为产生围绕作为中心的第二旋转轴线的往复旋转振动，所述第二旋转轴线与所述第一旋转轴线不同；参照振动产生单元，用于使所述参照振动子产生往复旋转振动；以及检测单元，用于与所述检测振动子的往复旋转振动相关联，检测所述检测振动子相对于所述参照振动子的位移量。
文档编号G01C19/56GK101501446SQ20078002945
公开日2009年8月5日 申请日期2007年7月26日 优先权日2006年8月9日
发明者真岛正男, 长永兼一, 香取笃史 申请人:佳能株式会社