JP3770676B2

JP3770676B2 - マイクロジャイロスコープ

Info

Publication number: JP3770676B2
Application number: JP34897196A
Authority: JP
Inventors: 奎▲ヨン▼ 朴; 鍾元李; 永昊 ▲チョ▼; 基武宋
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1996-12-26
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2016-12-26
Also published as: JPH09218042A; DE19654303A1; KR970047975A; US5753817A; DE19654303B4; KR100408494B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロジャイロスコープに係り、特に振動構造物を振動させる駆動電極が振動構造物の定義する平面に対して垂直下方に配置され、コリオリの力による振動構造物の変位が振動構造物の表面方向に発生するマイクロジャイロスコープに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
慣性体の角速度を検出するための角速度センサー装置（ジャイロスコープ）は既に前々からミサイルや船舶、航空機等で航法装置用核心部品として使われ、現在は自動車の航法装置や高配率ビデオカメラの手触れを検出してこれを補正する装置等に適用され使用範囲が拡大している。しかし、従来の角速度感知用ジャイロスコープは多数の複雑な部品が精密加工工程及び組立工程等を通して製作されるので精密な性能は得られるが、製作コストが高くなるとともに、容積の大きな大型の構造を有するので、一般産業用や家電製品に適用するには適しないものであった。
【０００３】
最近、三角プリズムの形のビームに圧電素子を付着した小型ジャイロスコープが開発され、小型ビデオカメラの手触れ感知用センサーとして使用されている。そして、前記圧電素子を付着したジャイロスコープの製作上の難点を克服するように改善された円筒形ビーム構造を有する小型ジャイロスコープが開発されている。
【０００４】
しかし、前記のような２つの型のジャイロスコープはすべて精密加工を要する小型部品よりなるため、製作が困難であるのは勿論、コスト高となる短所がある。さらに、根本的に前記ジャイロスコープは多数の機械部品よりなるので、回路一体形に開発するのが困難であるという問題があった。
【０００５】
一方、前記のようなジャイロスコープの短所を改善するために、超精密加工（Micro Machining）技術を活かして、より経済的で精密な小型ジャイロスコープを開発中である。
【０００６】
通常、角速度センサー、即ちジャイロスコープの原理は、第１軸方向に一定に振動したり回転したりする慣性体が前記第１軸に対して直角の第２軸方向での回転による角速度の入力を受ける時、前記２つの軸に対して直交する第３軸方向に発生するコリオリの力を測定することにより回転角速度を算出するものである。すなわち、コリオリの力（Coriolis force）を測ることにより、回転角速度が検出される。この際、慣性体に加えられる力を平衡させれば、角速度検出の正確度が高くなる。特に信号の線形性と帯域幅を広げようとすれば、力の平衡方法を用いた構造が望ましい。
【０００７】
図１には、チューニングフォークモード（tuning fork mode）を利用するコーム駆動形マイクロジャイロスコープ（comb drive type gyroscope）の構造が示されており、これは米国特許第５、３４９、８５５号に開示されている。前記の超精密加工技術を用いて構成された図１のジャイロスコープは、平板形の振動構造物１１と、前記振動構造物１１に連結されたスプリング１２、１３と、前記振動構造物１１に静電力を印加するコーム１４等を具備する。振動構造物１１は基板から所定の間隙で上部に隔離されており、部材番号１５で示した部分で支持されている。図１の左側に示したようにジャイロスコープの各部は基板に付着された表面電極と基板から所定の間隙に離隔された懸垂電極と、前記懸垂電極を支持する支持領域に区分しうる。
【０００８】
図１に示されたマイクロジャイロスコープの動作においては振動構造物１１の両端に形成されたコーム１４に対して右側のモーター１７及び左側のモーター１６を利用して静電力を加えることにより一方向にチューニングフォークモードの振動運動を起こす。振動構造物１１の一方向の運動は中央に位置したコーム２０で静電容量の変化として感知され、感知された信号はフィードバックされ、不安定な発振制御条件（limit cycle）を満足する振動を誘発しうる電圧を左側のモーター１６及び右側のモーター１７に印加すると構造物は固有振動数で連続的な振動をする。モーター１６、１７による静電力で振動運動が発生している状態で慣性体が前記振動運動方向に対して平面上で直交する方向に回転すれば前記２方向に直交する方向（即ち平面の垂直方向）にはコリオリの力が発生し、コリオリの力は振動構造物１１を図１の平面に垂直方向に変位させる。このような変位は振動構造物１１を歪める力として作用する。振動構造物１１の歪みは振動構造物１１の下部の２箇所に配置された電極２２で静電容量の変化として感知され、これによりコリオリの力が測定される。振動構造物１１は、前述したようにＺ方向への変位、即ち歪められるので、これを相殺させうる力の平衡方法としてトルク電極２３を通して静電力を発生させる。トルク電極２３は振動構造物１１の下部に対角線の方向の２箇所に配置され、歪みを平衡させる。図１で部材番号１８は中心モーター部、２５、２６は左右トルク感知部、２７、２８は左右感知部、２９は出力部である。
【０００９】
図１に示された従来技術のジャイロスコープは、次のような問題点を有する。まず、振動構造物１１に関して、振動が発生するそれぞれの方向に対して固有振動数を一致させる作業が非常に困難である。即ち、通常、平面状に形成された振動構造物には、図２（ａ）に示されたような平面に平行な一方向への振動と、図２（ｂ）に示されたような平面に垂直方向への振動が発生するが、この両方向の固有振動数が一致すべきである。これを調整するために、振動構造物１１を保持するスプリング１２、１３の厚さと幅とを所定の加工誤差内で加工すべきであり、通常、その加工誤差は数ないし数十オングストロームである。また、スプリングの厚さを加工する工程と幅を加工する工程は分離されているので両方向に対する固有振動数を一致させる作業が非常に困難である。加工工程で固有振動数が一致できない場合には、別の工程を通して作動中に固有振動数調整作業が行われるが、これはさらに困難な作業であり、結果的に製品の標準化と偏差の管理を難しくする。
【００１０】
また、図１のマイクロジャイロスコープでは、コリオリの力による振動構造物１１の変位を測るために基板上に付着された電極２２、２３と振動構造物１１との間には所定の間隙が保たれるべきであるが、このような間隙の決定はジャイロスコープの解像度、使用周波数及び線形性に致命的な制限を課すものである。ジャイロスコープの感度は前記間隙の自乗に反比例するので感度を増加させるためには、間隙を密着させるべきである。しかし、振動構造物１１の変位を感知する感知器を駆動するため電極２２に一定の直流電圧を印加することになるので間隙があまり小さい場合には、振動構造物が基板に接触する不安定性を誘発する。また、基板上の電極２２と振動構造物１１との静電容量の変化は間隙の自乗に反比例するので、出力値の角速度の線形性が不良になる。ジャイロスコープの感度を向上させようとすれば、同一の角速度に対して感知方向に変位が大きく発生しうるように設計すべきであるが、変形が大きいと振動構造物１１が電極２２に接触する現象が発生する。
【００１１】
振動構造物１１が基板の電極２２に接触するのを防止するために、トルク電極２３を振動構造物１１の下部に対角線上に２箇所設置する。このような形態の正位置制御方式はトルク電極２３に電圧を印加した場合トルク電極２３が設置されていない部分では振動構造物１１と基板間の間隙がむしろ縮む傾向を示すので、結局正位置制御ができない状況となってしまう。このような欠点を補完するために、スプリング１２、１３の弾性を増強すると、ジャイロスコープの固有振動数が上昇する結果を導くので、ジャイロスコープの感度上昇には否定的な影響を与える。
【００１２】
本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の第１目的は、多数の溝を有する振動構造物を具備したマイクロジャイロスコープを提供することにある。
本発明の第２目的は、ストライプ状の多数の陽極及び陰極が配列された駆動電極及び感知電極を具備したマイクロジャイロスコープを提供することにある。
本発明の第３目的は、駆動電極及び感知電極が振動構造物の定義する平面の垂直下方に配置されるマイクロジャイロスコープを提供することにある。
本発明の第４目的は、振動構造物を振動させる駆動力が振動構造物に対して垂直方向及び水平方向の合成力として作用するマイクロジャイロスコープを提供することにある。
本発明の第５目的は、コリオリの力による振動構造物の変位が振動構造物の平面の一方向に発生するマイクロジャイロスコープを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明により、基板と、前記基板上でストライプ状の多数の陽極と陰極が相互交代して平行に配列された第１感知手段と、前記基板上で前記第１感知手段のストライプの長さ方向と直角方向に配置され、ストライプ状の多数の陽極と陰極が相互交代して平行に配列された駆動手段と、前記第１感知手段及び前記駆動手段の定義する平面から垂直上方に所定の高さに離隔して配置され、前記第１感知手段のストライプの長さ方向と一致する方向に形成されたストライプ状の多数の第１溝及び前記駆動手段のストライプの長さ方向と一致する方向に形成されたストライプ状の多数の第２溝を有する振動構造物と、前記振動構造物を前記基板から所定の高さに保持するように前記基板上に形成された支持部と、前記振動構造物と前記支持部との間を弾性的に連結する弾性部材とを具備するマイクロジャイロスコープが提供される。
【００１４】
望ましくは、前記振動構造物の初期振動状態を検出して固有振動数に振動しうるように、前記振動手段のストライプ片の形状と同じ形状で前記駆動手段の両側に配置された第２感知手段をさらに具備する。
また望ましくは、前記第１感知手段は前記基板上に平行に２箇所に配置され、前記駆動手段はこれら前記第１感知手段の間に配置される。
また望ましくは、前記第１感知手段のストライプ片は前記駆動手段及び前記第２感知手段のストライプ片より細長い形状に形成され、前記振動構造物の前記第１溝のストライプ片は前記第２溝のストライプ片より細長い形状に形成される。
また望ましくは、前記第１感知手段の垂直上部に前記第１溝が形成された振動構造物の部分が対応され、前記駆動手段及び前記第２感知手段の垂直上部に前記第２溝が形成された振動構造物の部分が対応される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、添付した図面に示された１つの実施の形態に基づき、より詳細に説明する。
図３（ａ）は本発明によるマイクロジャイロスコープ装置のウェーハの基板に形成される駆動電極及び感知電極を示す平面図であり、図３（ｂ）は振動構造物を示す平面図である。
【００１６】
図３（ａ）を参照すれば、基板上にはストライプ状の陽極と陰極が相互交代して平行に配列された第１感知電極３１が配置されている。第１感知電極３１は２箇所に配置され、その間に駆動電極３２が配置されている。駆動電極３２もストライプ状の陽極と陰極が相互交代して平行に配列されることにより形成され、第１感知電極３１に対して直角方向に配置されている。駆動電極３２のストライプ片は前記第１感知電極３１のストライプ片より広くて短い。第１感知電極３１はコリオリの力による振動構造物の変位を検出する機能を有し、駆動電極３２は振動構造物を振動させる機能を有する。
【００１７】
駆動電極３２の両端には、第２感知電極３３が配置されている。第２感知電極３３も駆動電極３２の個別のストライプ片と同一の形状を有する。第２感知電極３３は、振動構造物３４が固有振動数で連続的に振動しうるように振動構造物の振動を感知して不安定発振制御条件を満足させる電圧を駆動電極に印加する機能を有する。
【００１８】
図３（ｂ）には、図３（ａ）に示された基板上の電極３１、３２、３３から所定の間隙に離隔されて、その上部に配置される振動構造物３４が示されている。振動構造物３４は、感知電極３１、３３と駆動電極３２の上部に形成される平板にストライプ状の第１及び第２溝３５、３６を形成したものである。前記第１及び第２溝３５、３６の方向は振動構造物３４の垂直下部に配置された個別の電極ストライプの長さ方向と各々一致する。即ち、第１溝３５は第１感知電極３１のストライプの長さ方向と同じ方向である。同じように、第２溝３６は電極３２、３３のストライプの長さ方向と同じ方向である。
【００１９】
振動構造物３４にはスプリング３８が連結され、スプリング３８は基板から所定の高さに形成された支持部３９に連結される。四角形の振動構造物３４の４つの頂点に連結されたスプリング３８は振動構造物３４の両側に配置された支持部３９に連結されることにより振動構造物３４が駆動力を受ける時振動しうるようにする。
【００２０】
図４は、図３（ａ）に示された基板上の電極等と図３（ｂ）に示された振動構造物が組立てられた状態における図３（ｂ）のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。基板上には陽極と陰極が交代に配列された駆動電極３２のストライプが配置され、基板から垂直方向に所定の高さに離隔された位置には振動構造物３４がその間に形成された第２溝３６と共に配置されている。
【００２１】
図５は、図４のように電極と振動構造物が組立てられた状態で図３（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図である。基板上には陽極と陰極が交代に配列された第１感知電極３１のストライプが配置され、基板から垂直方向に所定の高さに離隔された位置には振動構造物３４がその間に形成された第１溝３５と共に配置されている。
【００２２】
以下、本発明によるジャイロスコープの作動及び構成原理を説明する。
図７はジャイロスコープのような振動計をモデリングして示したものであって、質量ｍを有する振動構造物はＸ軸方向及びＹ軸方向で各々スプリングで支持されている。このような振動計でＸ軸方向に振動構造物を振動させる外力ｆは次の式で示しうる。
ｆ＝Ｆｓｉｎ（ωｔ）
ここで、Ｆは振動構造物に印加される全体外力を示し、ωｔは角速度ωで時間ｔほど回転した角を意味する。
この際、振動構造物のＸ軸方向の運動の変位Ｘ及び速度Ｖは次のように示しうる。
【００２３】
【数１】

【００２４】
前記式でｘはＸ軸方向の変位、Ｖ_xはＸ軸方向の振動構造物の速度である。そして、ｋ_xはＸ方向のスプリング定数である。また、入力される角速度に比例して発生するコリオリの力によりＹ軸方向に発生する変位は、次式のように計算される。
【００２５】
【数２】

【００２６】
ここで、Ｑ_x及びＱ_yはＸ軸方向及びＹ軸方向に対するＱ定数であり、Ωは入力角速度である。ｋはスプリング定数である。従って、ｙの変位を検出すれば慣性体の回転角速度を測定しうる。
【００２７】
再び、図３（ａ）および図３（ｂ）を参照すれば、本発明のマイクロジャイロスコープで質量ｍは振動構造物３４の質量に該当し、駆動電極３２に対して振動構造物３４の固有振動数に該当する交流電圧を印加すれば振動構造物３４は振動構造物が定義する平面上で前記駆動電極３２のストライプの長さ方向と直角方向に振動運動する。振動構造物３４に形成された第２溝３６の長さ方向は駆動電極３２の長さ方向と一致するので駆動電極３２の駆動力による振動構造物３４の振動方向は第２溝３６の長さ方向とも直角をなす。
【００２８】
駆動電極３２は前述したように陽極と陰極が交代して平行に配列されるので、交流電圧が陽の時の陽極と振動構造物３４との間に発生される静電力の方向と交流電圧が陰の時の陰極と振動構造物間に発生される静電力の方向は相互反対方向である。従って、振動構造物３４は交流電圧の印加により振動運動ができる。一方、駆動電極３２が振動構造物３４に対して垂直方向に配置されているので駆動電極３２に印加される電圧による静電力が垂直方向に作用し、よって実際に振動構造物に作用する振動駆動力の合成力は傾斜方向に作用する。
駆動電極３２に交流電圧を印加することにより発生する駆動力は次の式で示される。
【００２９】
【数３】

【００３０】
前記式で、ｆは駆動力であり、εは空気の誘電定数、Ｌ_xは駆動電極３２の長さ、ｎ_xは駆動電極３２の対の個数、Ｖは駆動電圧、ｈは振動構造物３４と駆動電極３２との間隙である。
【００３１】
駆動電極３２の駆動力による初期振動は振動構造物３４の最外郭部３７と第２感知電極３３との静電容量の変化として検出される。このように検出された信号により振動構造物３４が固有振動数で連続的な振動を発生させうるように不安定発振制御条件を満足させる電圧を駆動電極３２に印加する。
【００３２】
振動構造物３４が前記のような駆動力を受けている状態で基板の定義する平面に対して垂直方向に所定の角速度の力を受けると、振動構造物３４はコリオリの力による変位を起こす。コリオリの力による変位の方向は振動構造物３４の定義する平面上で駆動電極３２による振動方向と直角方向である。図６（ａ）は駆動電極３２による駆動モードを示し、図６（ｂ）はコリオリの力による振動構造物の変位を示したものである。
【００３３】
コリオリの力による振動構造物３４の変位は、第１感知電極３１と振動構造物３４との静電容量の変化を発生させる。前述したように第１感知電極３１は狭くて長いストライプ状の陽極と陰極が交代して平行に配置された形状を有しており、また第１感知電極３１の垂直上方に配置される振動構造物３４の部分にも狭くて長いストライプ状の第１溝３５が形成されているので、振動構造物３４がコリオリの力により第１感知電極３１および振動構造物３４の第１溝３５の長さ方向と直角方向に変位すると、その間の静電容量が変化する。これにより、第１感知電極３１ではコリオリの力による振動構造物３４の変位を測定することができる。前述したように、第１感知電極３１は陽極と陰極が相互交代して平行に配置されるので、陽極に対する静電容量の変化と陰極に対する静電容量の変化は反対に発生する。陽極及び陰極に誘発される静電容量の差を計算することにより、コリオリの力による変位が測定される。両電極の間の静電容量の差は次のようである。
【００３４】
【数４】

【００３５】
前記式で、ｎ_yは感知電極３１の対の数、εは空気の誘電定数、Ｌ_yは第１感知電極３１の長さ、ｈは第１感知電極３１と振動構造物３４との間隙である。静電容量の変化を検出する一般的な回路を使用すれば静電容量の変化に比例する電圧信号を検出しうるので結果的に角速度の信号を検出しうる。
【００３６】
一方、前述したように、本発明では振動構造物３４を基板上に配置された駆動電極３２から発生する静電力で駆動するので、駆動力は振動構造物の定義する平面と平行な水平成分と前記平面に対して垂直な成分に区分しうる。従って、垂直成分の静電力により振動構造物が基板に接触する現象を防止する必要がある。
駆動電極３２に対する駆動電圧が最大に印加され、第１感知電極３１に対するバイアス電圧が印加された時の垂直方向の静電力（ｆ_b）は次の式のようである。
【００３７】
【数５】

【００３８】
前記式で、εは空気の誘電定数、Ａ_aは駆動電極により静電力を受ける振動構造物３４の投射面積、Ｖ_pは駆動電圧の最大値、Ａ_sは第１感知電極３１により静電力を受ける振動構造物３４の面積、Ｖ_bは第１感知電極３１に印加されるバイアス電圧、ｈは振動構造物３４と第１感知電極３１との間隙である。
【００３９】
振動構造物３４に静電力により一定変形が発生するとスプリング３８による弾性的な反発力が反作用として発生するが、このスプリング３８の力（ｆ_k）は次のようである。
ｆ_k＝ｋ_g（ｈ₀−ｈ）
【００４０】
前記式で、ｋ_gは駆動電極３２のストライプの長さ方向に対するスプリング定数、ｈ₀は静電力を受ける前の振動構造物３４と駆動電極３２との間隙、ｈは変形後の振動構造物３４と駆動電極３２との間隙である。
【００４１】
振動構造物３４は静電力とスプリング３８の弾性力が平衡を成す位置で振動運動をするが、間隙と力の関係は図８のグラフに示されている。図８で直線に示されるスプリング力のグラフと曲線に示される静電力のグラフは点Ｐで交差する。点Ｐは安定した力の平衡点として駆動電極３２に最大電圧を印加した時、運動部は点ＰとＱの位置で力の平衡を成すことがわかる。しかし、点Ｐでは振動構造物３４と電極との間隙が十分に広いので振動構造物３４は電極面に接触することがなく一定間隙を保つ状態で振動運動をすることがわかる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によるマイクロジャイロスコープは、全体的な構成が非常に単純化されたので製作の容易性だけでなく使用中の故障の発生がほとんどない優秀な性能を発揮する。また、２軸振動構造物を用いるマイクロジャイロスコープの性能を決定づける。各軸に対する固有振動数の調整作業が振動構造物の構造上単一の工程で行われうるので工程が単純化され、固有振動数調整の正確度が向上されうる。それ以外にも、駆動電極による静電力とスプリングの力を調整することにより、振動構造物が電極に接触することなく製品の機能を発揮しうる。特に、従来の技術では振動構造物がその垂直下方に位置した感知電極に対して接近したり離隔される時、その間隙の変化による静電容量の変化としてコリオリの力による振動構造物の変位を検出するので間隙の自乗に反比例する非線形的な出力が検出される反面に、本発明では振動構造物が垂直下方に位置した感知電極に対して平行な方向に変位されながらその変位に対する静電容量の変化からコリオリの力による変位が測れるので出力の線形性が向上されうる長所がある。
本発明は前記実施例に限定されることはなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野における通常の知識を有する者により可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術によるマイクロジャイロスコープを示す平面図である。
【図２】図１のマイクロジャイロスコープの振動構造物が振動する振動モードを示す斜視図である。
【図３】本発明によるマイクロジャイロスコープを示す平面図であり、（ａ）は電極構造を示し、（ｂ）は振動構造物を示している。
【図４】本発明のマイクロジャイロスコープを組立てた状態における図３（ｂ）のＡーＡ線に沿った断面図である。
【図５】本発明のマイクロジャイロスコープを組立てた状態における図３（ｂ）のＢーＢ線に沿った断面図である。
【図６】本発明のマイクロジャイロスコープの振動構造物が振動する振動モードを示す平面図である。
【図７】通常の振動計を示す概略構成図である。
【図８】振動構造物と駆動電極との間隙に関するスプリング力及び静電力の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
３１第１感知電極（第１感知手段）
３２駆動電極（駆動手段）
３３第２感知電極（第２感知手段）
３４振動構造物
３５第１溝
３６第２溝
３８スプリング（弾性部材）
３９支持部

Claims

基板と、
前記基板上でストライプ状の多数の陽極と陰極が相互交代して平行に配列された第１感知手段と、
前記基板上で前記第１感知手段のストライプの長さ方向と直角方向に配置され、ストライプ状の多数の陽極と陰極が相互交代して平行に配列された駆動手段と、
前記第１感知手段及び前記駆動手段の定義する平面から垂直上方に所定の高さに離隔して配置され、前記第１感知手段のストライプの長さ方向と一致する方向に形成されたストライプ状の多数の第１溝及び前記駆動手段のストライプの長さ方向と一致する方向に形成されたストライプ状の多数の第２溝を有する振動構造物と、
前記振動構造物を前記基板から所定の高さに保持するように前記基板上に形成された支持部と、
前記振動構造物と前記支持部との間を弾性的に連結する弾性部材とを有して構成されているマイクロジャイロスコープ。
前記振動構造物の初期振動状態を検出して固有振動数に振動しうるように、前記振動手段のストライプ片の形状と同じ形状で前記駆動手段の両側に配置された第２感知手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロジャイロスコープ。
前記第１感知手段は前記基板上に平行に２箇所に配置され、前記駆動手段はこれら前記第１感知手段の間に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロジャイロスコープ。
前記第１感知手段のストライプ片は前記駆動手段及び前記第２感知手段のストライプ片より細長い形状に形成され、前記振動構造物の前記第１溝のストライプ片は前記第２溝のストライプ片より細長い形状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロジャイロスコープ。
前記第１感知手段の垂直上部に前記第１溝が形成された振動構造物の部分が対応され、前記駆動手段及び前記第２感知手段の垂直上部に前記第２溝が形成された振動構造物の部分が対応されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロジャイロスコープ。