(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
一側に第１及び第２コームが形成され平行に配置された第１及び第２ストライプ部と、前記第１及び第２ストライプ部を相互連結する多数の連結部とを具備した振動構造物と、
前記振動構造物が前記基板から所定の間隔で離隔されるように弾性的に支持する弾性手段と、
前記振動構造物を静電力にて一方向に加振させ得るように、前記第１ストライプ部の第１コーム間に配置される第３コームを具備した駆動手段と、
前記駆動手段による前記振動構造物の運動を静電容量の変化を通じて感知できるように、前記第２ストライプ部の第２コーム間に配置される第４コームを具備した感知手段と、
コリオリの力による振動構造物の変位を静電容量の変化を通じて感知できるように、前記振動構造物の連結部の間に前記基板から所定の間隔で離隔され前記振動構造物と同一な平面上に配置された多数の感知電極とを具備したマイクロジャイロスコープ。
【請求項２】
前記振動構造物がコリオリの力により過度に変位されることを抑制できるように、前記振動構造物の連結部と平行して前記基板から所定の間隔で離隔され前記振動構造物と同一な平面上に配置された位置制御用電極を更に具備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。
【請求項３】
前記振動構造物がコリオリの力により過度に変位されて前記感知電極に接触することを防止できるように、過度運動防止部材を更に具備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。
【請求項４】
前記弾性手段の第１部分は前記第１及び第２ストライプ部の長手方向に延長され、前記弾性手段の第２部分は前記弾性手段の第１部分の端部を相互連結し、前記弾性手段の第２部分の中間部に支持部が形成されることにより前記振動構造物を前記基板から所定の間隔で離隔されるように弾性的に保たせ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。
【請求項５】
前記感知電極は前記振動構造物の連結部間に三つの部分が２列に平行して配置され、前記三つの部分のうち長い電極は中間部で支持され、短い電極は一端部で支持されたまま一列に配置され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。
【請求項６】
前記感知電極に印加される電圧を変化させることにより前記振動構造物の固有振動数が調整でき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。
【請求項７】
前記振動構造物の固有振動数が調整できるように前記振動構造物の連結部に平行して配置された固有振動数調整用電極を更に具備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。
【発明の詳細な説明】
【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、特に新たな形態の振動構造物と、前記振動構造物と同一平面上にある感知電極とを具備したマイクロジャイロスコープに関する。
【０００２】
【従来の技術】
慣性体の角速度検出用の角速度センサー、即ちジャイロスコープはもう既にミサイルや船舶、航空機などにおいて航法装置用の核心部品として用いられてきた。現在は自動車の航法装置や高倍率ビデオカメラの手ぶれを検出かつ補正する装置に適用されている。軍事用や航空機用として用いられるジャイロスコープは多数の複雑な部品が精密加工及び組立工程を通して制作されるので、高精度の性能を得ることができる。しかしながら、これは高コスト化かつ大型化されるため、一般産業用か家庭用の家電製品としては不向きであった。
【０００３】
最近、日本の村田社では三角プリズム状のビームに圧電素子を取付けた小型ジャイロスコープを開発して、小型ビデオカメラに手ぶれ感知用のセンサーとして活用している。そして、トキン社では前記のような圧電素子を有するジャイロスコープの制作上の難点を克服できるように、改善された円筒型ビーム構造を有する小型ジャイロスコープを開発してある。
【０００４】
しかし、前記のような両社の小型ジャイロスコープはすべて精密加工を要する小型部品からなっているため、制作が難しく高コストになる短所がある。なお、根本的に前記ジャイロスコープは多数の機械部品からなっているため、回路一体型に開発し難いという問題がある。
【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、世界各国から超精密加工技術を活用して低コストで高精度の小型ジャイロスコープを開発するための研究が活発に行われている。
【０００６】
一般に、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する慣性体が前記第１軸方向に対して直角の第２軸方向からの回転による角速度の入力を受ける時、前記二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(coriolis force)を検出することにより回転角速度を検出するのである。この際、慣性体に加えられる力を平衡させると、角速度検出の正確度が向上される。特に、信号の線形性を向上させて帯域幅を拡張させるためには力の平衡を用いるのが望ましい。
【０００７】
図１にはＣＳＤＬ社で開発された音叉モード(tuning fork mode)を用いるコーム駆動型マイクロジャイロスコープ(comb motor type gyroscope)の構造が示されており、これは米国特許第５，３４９，８５５号に開示されたものである。前記超精密加工技術を用いて制作された図１のジャイロスコープは平板状の振動構造物１１と、前記振動構造物１１に連結されたばね１２，１３と、前記振動構造物１１に静電力を印加させ得るコーム１４とを具備する。振動構造物１１は基板(図示せず)から所定の間隔で上部に離隔されており、支持部１５により支持されている。図１の左側に示されたように、ジャイロスコープのそれぞれの部分は基板に取付けられた表面電極と、基板から所定の間隔で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とに分けられる。
【０００８】
図１に示されたマイクロジャイロスコープは振動構造物１１の両端に形成されたコーム１４に対して右側モータ及び左側モータを用いて静電力を加えることにより作動される。静電力は図１の平面に平行した方向に音叉モードの加振運動を起こす。振動構造物１１の運動はコーム２０における静電容量の変化から感知され、不安定発振制御条件を充足させる振動を招き得る電圧が左側モータ及び右側モータに印加され、従って振動構造物１１は固有振動数で連続的に振動する。静電力による振動運動のうちに、振動構造物１１が前記振動運動の方向に対して直交する方向に回転すると、コリオリの力が発生される。このようなコリオリの力は振動構造物１１を図１の平面に対して垂直の方向に変位させる。このような変位は振動構造物１１を捻る力として作用する。振動構造物１１の捻れは振動構造物１１の下部二ヶ所に配置されたセンサー電極２２における静電容量の変化から感知され、かつこれからコリオリの力が測定され得る。
【０００９】
振動構造物１１は平面に対して直角の方向から捻られるため、これを相殺させるための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の下部の二ヶ所に対角線方向に配置されて捻れの力を平衡させる。
【００１０】
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の固有振動数を振動が発生するそれぞれの方向に一致させる作業は大変難しい。即ち、通常的に平面型の振動構造物１１は図２（ａ）に示されたように水平方向に振動し、かつ図２（ｂ）に示されたように垂直方向に振動するが、この両方向振動の固有振動数が一致しなければならない。これを調整するために、振動構造物１１を保つばね１２，１３の厚さと幅は所定の加工誤差内で定められるべきであり、一般にその加工誤差は数十オングストローム以内である。
【００１１】
しかも、ばねの厚さを加工する工程と幅を加工する工程が分離されているため、両方向に対する固有振動数を一致させる作業は相当難しい。加工工程で固有振動数が調整できない場合には、別途の工程を通じて固有振動数を調整することもできるが、これはなおさら難しい作業である。
【００１２】
コリオリの力による振動構造物１１の変位を測定するためには、基板上に取付けられた電極２２，２３と振動構造物１１間に所定の間隙が保たれなければならない。ジャイロスコープの感度は前記間隙距離の２乗に反比例するので、感度を増加させるためには間隙距離を短縮させることが望ましい。ところが、センサー電極２２に一定な直流電圧を印加するようになり、間隙が過度に小さい場合には振動構造物１１が電極２２の表面にくっついてしまう。さらに、電極２２，２３と振動構造物１１間における静電容量の変化は間隙距離の２乗に反比例するので、角速度に対する出力の線形性が不良になる。
【００１３】
ジャイロスコープの感度を向上させるためには、振動構造物１１の変位が平面に対して垂直の方向に多量発生できるように設計する必要がある。ところが、振動構造物１１の変位が大きくなると、振動構造物１１はなおさら電極２２の表面にくっついてしまう。図１に示されたジャイロスコープでは振動構造物１１が基板の底面に接触する現象を防止するために、トルク電極２３を振動構造物１１の下部の二ヶ所に対角線上で設ける。ところが、トルク電極２３のうち何れか一つに電圧が印加されると、反対側にある他のトルク電極２３上の振動構造物１１と基板間の間隙距離が縮まる。このような短所を補完するために、ばね１２，１３の硬性を向上させるとジャイロスコープの固有振動数が上昇する結果を招くので、ジャイロスコープの感度上昇には否定的な影響を及ぼす。
【００１４】
従って、このような間隙を決定するには相当な制限が伴い、結果的にジャイロスコープの分解能、使用周波数及び線形性などに致命的な制限を招くようになる。
【００１５】
【発明が解決しょうとする課題】
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り、新たな形態の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にその目的がある。
【００１６】
かつ、本発明の他の目的はコリオリの力による振動構造物の変位を振動構造物と同一な平面上に配置された感知手段にて感知できるマイクロジャイロスコープを提供することである。
かつ、本発明の更に他の目的は振動構造物の正位置制御が振動構造物と同一な平面上に配置された正位置制御手段にて行われるマイクロジャイロスコープを提供することである。
なお、本発明の他の目的は過多振動防止手段が具備されたマイクロジャイロスコープを提供することである。
【００１７】
【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のマイクロジャイロスコープは、基板と、一側に第１及び第２コームが形成され平行に配置された第１及び第２ストライプ部及び、前記第１及び第２ストライプ部を相互連結する多数の連結部を具備した振動構造物と、前記振動構造物が前記基板から所定の間隔で離隔されるように弾性的に支持する弾性手段と、前記振動構造物を静電力にて一方向に加振できるように、前記第１ストライプ部の第１コーム間に配置される第３コームを具備した駆動手段と、前記駆動手段による前記振動構造物の運動を静電容量の変化を通じて感知できるように、前記第２ストライプ部の第２コーム間に配置される第４コームを具備した感知手段と、コリオリの力による振動構造物の変位を静電容量の変化を通じて感知できるように、前記振動構造物の連結部の間に前記基板から所定の間隔で離隔され前記振動構造物と同一な平面上に配置された多数の感知電極とを具備することを特徴とする。
【００１８】
本発明の特徴によると、前記振動構造物がコリオリの力により過度に変位されることを抑制できるように、前記振動構造物の連結部と平行して前記基板から所定の間隔で離隔され前記振動構造物と同一な平面上に配置された位置制御用電極を更に具備する。
【００１９】
また、本発明の他の特徴によると、前記振動構造物がコリオリの力により過度に変位されて前記感知電極に接触することを防止できるように、過度運動防止部材を更に具備する。
かつ、本発明の他の特徴によると、前記弾性手段の第１部分は前記第１及び第２ストライプ部の長手方向に延長され、前記弾性手段の第２部分は前記弾性手段の第１部分の端部を相互連結し、前記弾性手段の第２部分の中間部に支持部が形成されることにより、前記振動構造物が前記基板から所定の間隔で離隔されるように弾性的に保たせる。
【００２０】
なお、本発明の他の特徴によると、前記感知電極は前記振動構造物の連結部間に三つの部分が２列に平行して配置され、前記三つの部分のうち長い電極は中間部で支持され、短い電極は一端部で支持されたまま一列に配置される。
更に、本発明の他の特徴によると、前記感知電極に印加される電圧を変化させることにより前記振動構造物の固有振動数が調整され得る。
更に、本発明の他の特徴によると、前記振動構造物の固有振動数が調整できるように前記振動構造物の連結部に平行して配置された固有振動数調整用電極を更に具備する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付した図面に基づき更に詳細に説明する。
図３は本発明によるマイクロジャイロスコープ３０を概略的に示した平面図である。本発明のマイクロジャイロスコープ３０における振動構造物５０は平行に配置された二つのストライプ部３５，３５′と、前記ストライプ部に対して直角に配置され前記ストライプ部を相互連結する多数の連結部３６とを含む。振動構造物５０は全体的にはしごの形を取っている。振動構造物５０のストライプ部３５，３５′は、ストライプ部３５，３５′の長手方向に伸長された支持ばね３２及びその支持ばね３２の端部に連結された連結ばね３２′により支持される。連結ばね３２′は支持部３１により支持されている。支持部３１はばね３２，３２′を通じて振動構造物５０を基板(図示せず)から所定の間隔を隔てて支持する役割を果たす。
【００２２】
振動構造物５０のストライプ部３５，３５′の一側にはコーム４０，４２が形成される。コーム４０，４２はストライプ部３５，３５′の幅方向に伸長される。コーム４０，４２は駆動器３３及び感知器３４の一側に形成された他のコーム３９，４１間に配置される。振動構造物５０はコーム４０と駆動器３３のコーム３９間に発生される静電力により加振され、コーム４２と感知器３４のコーム４２間に発生される静電容量の変化から振動構造物５０の振動状態を検出することができる。
【００２３】
振動構造物５０を振動運動させる駆動器３３はストライプ部３５と平行して配置され、コーム３９を有する。前述したように、駆動器３３のコーム３９はストライプ部３５のコーム４０間に配置される。駆動器３３に電圧が印加されるとコーム３９，４０間に静電力が発生するので、振動構造物５０はＸ軸方向に加振され得る。
【００２４】
振動構造物５０の振動を感知する感知器３４はストライプ部３５′と平行して配置される。感知器３４にはコーム４１が形成されており、感知器３４のコーム４１はストライプ部３５′のコーム４２間に配置される。感知器３４から感知される振動構造物５０の振動は駆動器３３にフィードバックされ、不安定発振制御条件を充足させる振動が招かれ得る電圧を駆動器３３に印加させる。
【００２５】
角速度の入力方向が図３の平面に対して垂直のＺ軸方向であると、コリオリの力による振動構造物５０の変位は平面に沿ってＹ軸方向に発生される。このような変位を感知できるように感知電極３８が配置される。図３の部分拡大図である図４及び図５から分かるように、感知電極３８はストライプ部３５，３５′を相互連結する連結部３６間で長手方向に沿って配置される。
【００２６】
図６を参照すると、感知電極３８が振動構造物５０と同一な高さで基板４４から離隔され設けられたことが分かる。従って、感知電極３８は振動構造物５０と同一な平面上に配置される。図５に示されたように、感知電極３８は一対の連結部３６間に三つが平行に２列に配置される。三つの感知電極のうち、一つは連結部３６の長さとほとんど一致し、符号４５に示された中間部で基板４４上に支持される。残りの二つの感知電極は他の感知電極の長さの半分に至り、符号４６により示された端部で基板４４上に支持され、これは長手方向に整列されて前記長い感知電極に対して平行に配置される。
【００２７】
振動構造物５０の位置制御用電極３７は連結部３６と平行に配置される。位置制御用電極３７も図６に示されたように、基板４４から所定の高さで離隔され設けられ、従って振動構造物５０と同一平面上に配置される。正位置制御用電極３７は振動構造物５０がコリオリの力によりＹ軸方向に運動することを制御する役割を果たす。
【００２８】
位置制御用電極３７を通じて位置制御を行うことは次のような二つの目的を達成するためである。
一番目はジャイロスコープの線形性を保障するためである。振動構造物の変位を感知する感知器は特定範囲以外では非線形性の特性を有しているため、Ｙ軸方向への変位が大きすぎる場合にはジャイロスコープの出力の線形性が不良になる。従って、コリオリの力による変位を抑制することにより、感知器の線形性が保障される区間内で振動構造物の運動を制限してからこそジャイロスコープの線形性が保障されるようになる。
【００２９】
二番目はジャイロスコープの分解能及び測定範囲を向上させることである。ジャイロスコープの分解能を向上させるためにはコリオリの力による変位が大いに発生しなければならない。ところが、過度な変位が発生する場合、振動構造物が感知電極と衝突するようになり測定の範囲も制限される。従って、振動構造物の設計時には構造物自体に多量の変位を持たせることよりその変位が抑制できる正位置制御を行うことが感知の線形性及び分解能の面で効果的である。
【００３０】
図３乃至図５における参照符号４３は過度運動防止部材であり、これは位置制御用電極３７の両端部に配置される。過度運動防止部材４３は連結部３６がコリオリの力によりＹ軸方向に過渡に変位されて感知電極３８に接触する前に予め過度運動防止部材４３に接触できるように配置される。
【００３１】
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ことにする。
図７はジャイロスコープのような振動系をモデルリングしたものであり、質量ｍを有する振動構造物６１はＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞればね６２により支持されている。このような振動系でＸ軸方向に振動構造物６１を加振させる外力ｆは次のように示される。
【００３２】
【数１】
0003770677.tif 000002
【００３３】
この際、振動構造物６１のＸ軸方向運動の変位ｘ及び速度ＶXは次のように示される。
【００３４】
【数２】
0003770677.tif 000003
【００３５】
前記式でｘはＸ軸方向の変位、ＶXはＸ軸方向の振動構造物６１の速度である。入力される角速度に比例して発生されるコリオリの力によりＹ軸方向に発生される変位は、次のように計算される。
【００３６】
【数３】
0003770677.tif 000004
【００３７】
ここで、ＱX及びＱy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。従って、ｙの変位を検出すると慣性対の回転角速度が測定できる。
本発明のジャイロスコープ装置(図３の３０)で、振動構造物５０の質量がｍの時、駆動器３３に固有振動数に当たる交流電圧を印加するとコーム３９，４０間の静電力によりＸ軸方向への振動が発生する。駆動器３３の静電力は次のように示される。
【００３８】
【数４】
0003770677.tif 000005
【００３９】
前記式でｆXは駆動力であり、εは空気の誘電定数、ｔはコーム３９，４０の厚さ、ｎXはコーム３９，４０の対の数、Ｖは駆動電圧、ｈはコーム３９，４０間の距離である。
前記のような駆動力を受ける振動構造物５０は固有振動数で振動する。このような固有振動数の振動運動を保つために、感知器３４は振動を感知し、感知された運動に基づき不安定発振制御条件を充足させる電圧を発生させ、前記電圧は駆動器３３を作動させるように印加される。
【００４０】
発振される振動構造物５０に回転角速度が入力されると、振動構造物は図３でＸ軸方向に振動しながら、同時にＹ軸方向に変位される。振動構造物５０の変位は前記ｙに関する式により示され得る。このような変位は感知電極３８と連結部３６間に形成される静電容量の変化を招く。感知電極３８は図５を参照して説明したように、三つが平行な２列に形成されており、これは陽極と陰極からなる対を形成する。陽極の静電容量と陰極の静電容量の変化は反対に発生されるので、両電極に発生する静電容量の差を計算するとＹ軸方向への振動構造物の変位が感知できる。両電極間の静電容量の差(ΔＣ)は次のように計算される。
【００４１】
【数５】
0003770677.tif 000006
【００４２】
前記式で、ｎsは感知電極の対の数、εは空気の誘電定数、ｌsは感知電極３８の長さ、ｔは感知電極３８に面する連結部３６の厚さ、ｈsは感知電極３８と連結部３６の間隙である。静電容量の変化を検出する一般回路を用いると、静電容量の変化に比例する電圧信号が検出できるので、結果的に角速度信号を検出することができる。
【００４３】
一方、マイクロジャイロスコープの性能を保障できるように、コリオリの力によるＹ軸方向への変位を最大化するためにＸ軸方向とＹ軸方向の固有振動数を一致させる必要がある。本発明では、感知電極３８により発生される静電力により振動構造物５０のＹ軸方向硬性が影響を受けるので、その静電力を用いてＹ軸方向の固有振動数を調整することができる。Ｙ軸方向の固有振動数は次のように示される。
【００４４】
【数６】
0003770677.tif 000007
【００４５】
前記式で、ｋbはばね３２，３２′のばね定数であり、ｋnは感知電極３８と連結部３６間の静電力により発生されるばね定数である。ｋnは次のように示される。
【００４６】
【数７】
0003770677.tif 000008
【００４７】
前記式で、εは空気の誘電定数、ｌsは感知電極３８の長さ、ｔは連結部３６の厚さ、ｎsは感知電極３８の対の数、ｈsは感知電極３８と連結部３６の間隙、Ｖbは感知電極３８に印加されるバイアス電圧である。バイアス電圧を調整することによりＹ軸方向の固有振動数をＸ軸方向の固有振動数と一致させ得る。ところが、前記のような方法で感知電極３８のバイアス電圧を変化させるとマイクロジャイロスコープの出力変化が招かれて、感知電極３８のバイアス電圧を固定し別途の固有振動数調整用の電極を設ける他の方法にて更に正確に調整することができる。固有振動数調整用電極(図示せず)は前記感知電極３８と類似な形態であり、前記振動構造物５０の連結部３６に平行に配置される。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のマイクロジャイロスコープは新たな振動構造物と感知電極を採用することにより、従来技術による振動構造物の問題点が解決され、かつ性能が向上される。かつ、従来技術では振動構造物の固有振動数を二つの方向から調整することがほとんど不可能であったが、本発明では固有振動数を決定するそれぞれの要素が単一工程により決定されるので性能が安定化される。特に、固有振動数を一致させる作業が振動構造物の機械的な加工だけに頼らず、感知電極にバイアス電圧を印加することにより行われ得るので非常に効果的である。更に、正位置制御用電極を通して効率よく正位置制御が行われ得るので、線形性、分解能力及び測定範囲が向上される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術によるジャイロスコープを示す平面図である。
【図２】  （ａ）及び（ｂ）は振動構造物の振動モードを示す斜視図である。
【図３】  本発明のマイクロジャイロスコープを示す平面図である。
【図４】  図３の一部を示す拡大図である。
【図５】  図３の一部を示す拡大図である。
【図６】  図５のＶＩ−ＶＩ線による断面図である。
【図７】  通常的な振動系をモデルリングした図である。
【符号の説明】
３０  マイクロジャイロスコープ
３１  支持部
３２  第１部分（弾性手段）
３２′  第２部分
３３  駆動器（駆動手段）
３４  感知器（感知手段）
３５  第１ストライプ部
３５′  第２ストライプ部
３６  連結部
３７  位置制御用電極
３８  感知電極
３９  第３コーム
４０  第１コーム
４１  第４コーム
４２  第２コーム
４３  過度運動防止部材
４４  基板
５０  振動構造物
【図１】
0003770677.tif 000009
【図２】
0003770677.tif 000010
【図３】
0003770677.tif 000011
【図４】
0003770677.tif 000012
【図５】
0003770677.tif 000013
【図６】
0003770677.tif 000014
【図７】
0003770677.tif 000015