JP2000337886A

JP2000337886A - マイクロジャイロスコープ

Info

Publication number: JP2000337886A
Application number: JP11375825A
Authority: JP
Inventors: Kosho Tei; 鎬燮鄭; Shodo An; 承道安
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2000-12-08
Also published as: KR20000075418A; KR100363784B1

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロジャイロスコープにおいて、加振方
向と感知感向との周波数チューニング時に発生する歪曲
(Veering)現象を極小化するようにし、マイクロジャイ
ロスコープの分解能および感度性能を極大化させなが
ら、上記ジャイロスコープの寿命を一層延長させるこ
と。【解決手段】本発明は加振振動フレームと感知振動フ
レームを各々分離構成することにより周波数のチユーニ
ング時に生じる歪曲現象を極小化したマイクロジャイロ
スコープであって、外部フレーム(120)の内側にビーム
弾性体(130)を介して内部フレーム(110)が設けられ、外
部フレーム(120)の各角部には加振方向に振動可能なよ
うに振動弾性体(230)が弾設され、上記外部フレームの
コウム(220)間に配置され加振用駆動機(250、250')を介
してその間に発生する静電容量の差から加振状態を検出
可能なように電極(260)を設けることを要旨とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ構造のマ
イクロジャイロスコープ(Microgyrocrope)において、加
振振動フレーム（exciting oscillation frame）と感知
振動フレーム（sensing oscillation frame）とを各々
分離構成して、周波数のチューニング時に発生する歪曲
(Veering)現象を極小化するようにしたマイクロジャイ
ロスコープに関するものである。さらに詳しくは、本発
明は、外部フレームの内側に感知方向ビーム弾性体を介
して内部フレームが設置され、上記内部フレームの外側
に感知方向ビーム弾性体を介して設置される外部フレー
ムには加振方向弾性体を配設し、加振および感知モード
の振動を分離するようにし、これにより加振方向と感知
方向との周波数チューニング時に発生する歪曲現像を極
小化し、従って、性能を極大化したマイクロジャイロス
コープに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的に知られている慣性体の角速度を
検出するための角速度センサー装置は既に久しい前から
船舶、航空機などにおいて航法装置用の核心部品として
用いられている。現在は自動車の航法装置や、高倍率の
ビデオカメラの手振れを検出してこれを補償する装置に
も用いられている。

【０００３】しかし、従来の軍事用や航空機用に用いら
れる角速度感知用ジャイロスコープは多数の複雑な部品
が精密加工および組立工程などを通じて製作されること
から高精度の性能を得ることができるが、製作コストが
高くなり、嵩は大型化し、一般産業用や民生用家電用品
には適用することができないというのが、実情であっ
た。

【０００４】最近では、三角プリズム型のビーム(Beam)
に圧電素子を取り付け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振れ感知用センサーとして用
いている。更に、上記のような圧電素子を取り付けたジ
ャイロスコープの製作による難点を克服するために、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
プが開発された。

【０００５】しかし、このような、二つの形態の小型ジ
ャイロスコープは全て精密加工を必要とする小型部品か
らなる関係で、製作が難しくなることは勿論、コスト高
となるという欠点があり、特に、上記のようなジャイロ
スコープでは多数の機械部品から構成されているため
に、回路一体型に適用することが困難であるという問題
点があった。

【０００６】上記のようなジャイロスコープの原理は、
第１軸方向に一定の振動やあるいは回転している慣性体
が、上記第１軸方向に対して直角である第２軸方向にお
ける回転による角速度の入力を受けるとき、上記二つの
軸に対して直交する第３軸方向に発生するコリオリ力
（Coriolis force）を検出することによって回転角速度
を検出するものである。このとき、慣性体に加えられる
力を平衡させれば、角速度検出の正確性が高められる。
特に、信号の線形性を向上させ、帯域幅を広げようとす
るには力の平衡方法を利用した構造とすることが望まし
い。

【０００７】このような技術に関する従来のマイクロジ
ャイロスコープの構成においては、図１に示したよう
に、フレーム(10)の内部にコウム(20)が感知方向(Ｙ軸
方向)に横設される状態で多数個設置される一方、上記
各々のコウム(20)間に＋および−電極支持部(30、30')
に固定されて支持される感知方向(Ｙ軸方向)感知電極(4
0)が、上記コウム(20)の間に相互一定の間隔で離隔設置
されている。また、上記フレーム(10)はその上下両側４
箇所に連設される感知方向の弾性体(50)を介して、幅方
向に伸張される振動構造物(60)と弾設するように形成さ
れ、上記振動構造物(60)は加振用駆動機(70)からの電圧
の印加により加振作動し、上記振動構造物の各角部には
加振方向の弾性体(80)が弾設される構成からなってい
る。

【０００８】上記のような、従来のジャイロスコープ
は、加振用駆動機(70)の交流電圧の印加により振動構造
物(60)が加振方向(Ｘ軸方向)に振動しているとき、上記
ジャイロスコープの平面に垂直な方向に角速度の入力が
加わると、感知方向にコリオリ力(coriolis force)が発
生し、フレーム(10)内部の構造物を感知方向に動かし、
その動きは感知ビームの静電容量(capacitance)を変化
させるようになることから、上記変化の静電容量を測定
し、角速度量を測定できる結果となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
場合、ジャイロスコープのフレーム(10)に設置される感
知方向弾性体(50)と加振方向弾性体(80)を各々分離する
ことによって、感知および加振振動を減らすことができ
るが、以下のような問題が生じる。すなわち、上記加振
および感知方向弾性体(80、50)が一つのフレーム(10)に
一体に設置されることにより、図２に示すように、加振
方向および感知方向の双方向モード周波数チューニング
時に歪曲(Veering)現象が発生するようになる欠点があ
る。

【００１０】更に、上記のようなマイクロジャイロスコ
ープにおいては、１個のフレーム(10)に伝達される加振
および感知方向の振動により、ジャイロスコープの感度
上昇に否定的な影響を及ぼすようになることは勿論、角
速度の大きさに対する線形性が不良となり、結果的にジ
ャイロスコープの分解能の低下と、上記ジャイロスコー
プの寿命が短かくなるなど、多くの問題点があった。

【００１１】本発明は上記のような、従来の諸問題点等
を改善するため案出されたものであって、その目的は、
ジャイロスコープ外部フレームの内側に感知方向ビーム
弾性体を介して内部フレームが設けられ、上記内部フレ
ームの外側に感知方向ビーム弾性体を介して設けられる
外部フレームには加振方向の弾性体を弾設し、加振およ
び感知モードの振動を分離するようにすることによっ
て、加振方向と感知感向との周波数チューニング時に発
生する歪曲(Veering)現象を極小化するようにし、マイ
クロジャイロスコープの分解能および感度性能を極大化
させながら、上記ジャイロスコープの寿命を一層延長さ
せ得るマイクロジャイロスコープを提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のマイクロジャイ
ロスコープは、上記目的を達成するための技術的な構成
であって、外部フレームの内側に加振が可能なように設
けられる内部フレーム、上記内部フレーム内部両側に横
設され感知方向(Ｙ軸方向)に多数個設けられるコウム、
上記各々のコウムの間に一定の間隔で離隔される状態に
配置された上側および下側の電極支持部に固定支持され
る感知方向感知電極、上記内部フレームと外部フレーム
との間に感知方向加振が可能なように設けられるビーム
弾性体、上記外部フレームの角部に弾設され加振方向
(Ｘ軸方向)に加振が可能なように設けられる加振弾性
体、上記外部フレームの両側に多数個設けられるコウ
ム、および、電圧の印加により加振作動される加振用駆
動機を備えるように構成されることを特徴とするもので
ある。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面に基づき本発明
の実施の形態を詳細に説明すれば次のとおりである。

【００１４】図３は本発明によるマイクロジャイロスコ
ープの概略平面構成図であり、図４は本発明の内部フレ
ーム両側に設けられるストッパーの要部拡大構造図であ
る。本発明のジャイロスコープ装置(100)において、振
動構造物はコリオリ感知部を有する内部フレーム(110)
と、外部フレーム(120)および上記外部フレーム(120)の
両側に設けられる加振用駆動機(250、250')で構成され
る。

【００１５】上記ジャイロスコープ装置(100)の内部質
量部である内部フレーム(110)は、外部フレーム(120)の
内側前後および左右側の4箇所にビーム弾性体(130)を上
記外部フレーム(120)と一体に、また、感知方向(Ｙ軸方
向)に加振が可能なように平行に弾設する。この際、上
記内部フレーム(110)には、その内部の両側にコウム(15
0)を横設した状態でＹ軸方向に多数個設け、上記各々の
コウム(150)の間には、上側および下側の電極支持部(14
0、160)に固定され支持されるように、＋および−の電
極から構成される感知方向(Ｙ軸方向)感知電極(170)を
所定の間隔に離隔した状態に、それぞれ配置されてい
る。

【００１６】上記振動構造物の外部および内部フレーム
(120、110)の間の４箇所に設けられるビーム弾性体は(1
30)は、上記内部フレーム(110)の両側に設けられた＋お
よび−電極支持部(140、160)を介した電圧の印加時に、
電極支持部(140、160)に櫛（コウム）状形態に設けられ
る感知電極(170)と振動構造物のフレームのコウム(150)
との間において生じる静電力により上記内部フレーム(1
10)が加振される場合、感知方向のカップリングを最小
化するとともに、上記内部フレーム(110)のコウム(150)
と＋および−電極支持部(140、160)の感知方向感知電極
(170)と間に発生する静電容量の差から加振状態を検出
することができるようにしながら、振動構造物の上記内
部のフレーム(110)およびそれとビーム弾性体(130)を介
して連設される外部フレーム(120)とがコリオリ力によ
り感知方向に運動することを抑制する役割を果たす。

【００１７】一方、上記内部フレーム(110)の両側の中
央には図面３および図面４におけるようなストッパー(1
80)が設けられ、上記内部フレーム(110)のコウム(150)
と＋および−電極支持部(140、160)の感知方向感知電極
(170)との間において発生する振動により、コウム(150)
と感知電極(170)とが接触する現象を防止する。この
際、上記ストッパー(180)の間隔(t)は内部フレーム(11
0)のコウム(150)と、電極支持部(140、160)の感知電極
(170)と間の可動距離以下に設定する。

【００１８】上記感知方向ビーム弾性体(130)を介して
内部フレーム(110)の外側に設けられる外部フレーム(12
0)は、それぞれの角部に加振弾性体(230)を介して加振
方向(Ｘ軸方向)に加振可能なように弾設され、また、上
記外部フレーム(120)の両側には多数のコウム(220)が設
けられる。

【００１９】外部フレーム(120)に設けられるコウム(22
0)は、電圧の印加により加振作動を起こす加振用駆動機
(250、250')に形成される電極(260)の間に所定の間隔を
形成するように配置される。上記外部フレーム(120)
は、コウム(220)と加振用駆動機(250、250')に形成され
たコウム(260)との間に生じる静電力により外部フレー
ム(120)が加振され、また、外部フレームのコウム(220)
と加振用駆動機(250、250')の電極(260)との間に発生す
る静電容量の差異から加振状態を検出することができる
ようになる。

【００２０】このとき、上記外部フレーム(120)を左右
水平方向(X軸方向)に加振させる加振用駆動機(250、25
0')は、上記外部フレーム(120)の幅方向に平行に配置さ
れ、上記加振用駆動機(250、250')に形成される多数の
電極(260)が外部フレーム(120)のコウム(220)の間に配
置される。

【００２１】一方、図５は本発明の周波数チューニング
時に生じる加振および感知モードを示したグラフであっ
て、板状の弾性体で構成される加振弾性体(230)は、上
記外部フレーム(120)の加振用駆動機(250、250')の＋お
よび−電圧の印加による加振モードにおいて加振される
とき、上記加振弾性体(230)により加振モードにおける
カップリングを吸収し、加振方向と感知方向との周波数
チューニング時に発生する歪曲(Veering)現象を極小化
するものである。

【００２２】一方、図６は本発明の他の実施例によるマ
イクロジャイロスコープの平面構成図であって、加振振
動フレームの外部フレーム(120)のそれぞれの角部に弾
設される加振弾性体(230)の後方へこれと一体に別途の
加振弾性体(270)をそれぞれ弾設して、感知端における
加振方向の変位発生量を最小化することができるように
したものである。

【００２３】上記のような場合、加振方向の振動が加振
弾性体(230)において一時吸収されるとともに、その後
方に一体に設けられた加振弾性体(270)において、振動
が再度吸収され、加振方向の変位発生量を極小化するよ
うになる。それにより、板バネからなる加振弾性体(23
0、270)を相互に平行に連結させることにより、加振弾
性体の鋼性調節が容易に行われるようになる。

【００２４】以下、本発明によるマイクロジャイロスコ
ープの作動過程を説明すれば次のとおりである。

【００２５】図５に図示したように、質量Ｍを有する振
動構造物の内部フレーム(110)と、その両側に質量Ｍ／
２を有する振動構造物の２個の外部の質量部を有する外
部フレーム(120)は、加振方向(X軸方向)へ加振弾性体(2
30)および感知方向(Ｙ軸方向)へビーム弾性体(130)で、
それぞれ分離されている。上記のような振動系において
X軸方向へ振動構造物を加振させる外力ｆは、次の式で
示すことができる。

【００２６】

【数１】このとき振動構造物のX軸方向運動の変位ｘおよび速度
Ｖは次のように示すことができる。

【００２７】

【数２】

【数３】上記式においてｘはX軸方向の変位、ＶｘはX軸方向の振
動構造物の速度である。

【００２８】入力される角速度に比例して発生するコリ
オリ力によりＹ軸方向に発生する変位ｙは、

【数４】と計算される。

【００２９】上記式において、ＱｘおよびＱｙはX軸方
向およびY軸方向についてのＱ定数であり、Ωは入力角
速度である。従って、ｙの変位を検出すれば慣性体の回
転角速度を測定することができる。

【００３０】本発明のジャイロスコープ装置(100)にお
いて、質量Ｍは振動構造物の質量のＭおよびＭ／２の各
々に該当し、加振用駆動機(250、250')に固有の振動数
に該当する交流電圧を印加すれば、コウム間の静電力に
よりX軸方向への振動が生ずるようになる。

【００３１】このような静電力による加振用駆動機(25
0、250')の静電力は次の式で示すことができる。

【００３２】

【数５】上記式において、ｆは駆動力であり、εは空気の誘電定
数、ｔはコウムの厚み、ｎ_ｘはコウムの対の個数、Ｖは
駆動電圧、ｈはコウム間の距離である。

【００３３】上記のような駆動力を受ける振動構造物
は、固有振動数による振動をするようになり、このよう
な固有振動数の振動を保つために、不安定発振制御条件
を満足するような電圧が感知された動きに基づいて発生
し、それにより加振用駆動機(250、250')を作動させ
る。

【００３４】発振している振動構造物に回転角速度が入
力されれば上記振動構造物はＸ軸方向に振動運動を行い
ながら、同時にＹ軸方向に変位するようになる。このよ
うな変位は＋および−電極支持部(140、160)の感知電極
(170)と振動構造物の内部フレーム(110)のコウム(150)
との間に形成される静電容量の変化を誘導する。

【００３５】図３に示すように、上記感知電極(170)は
電極支持部(140、160)を介して陽極と陰極とから構成さ
れ、陽極の静電容量と陰極の静電容量との変化は互いに
反対に発生するから、上記陽極および陰極感知電極にお
いて発生する静電容量の差異を計算すればＹ軸方向への
振動構造物の変位を感知することができる。

【００３６】両電極間の静電容量の差異ΔＣは次の式で
計算される。

【００３７】

【数６】上記式において、ｎ_ｓは感知電極(170)の対の数、εは
空気の誘電定数、ｌ_ｓは感知電極の長さ、ｔは振動構造
物の内部フレーム(110)（振動構造物としての）のコウ
ム(150)と電極支持部(140、160)の感知電極(170)とが互
いに向かい合っている厚み、ｈ_ｓは感知電極と振動構造
物との間隙である。

【００３８】静電容量の変化を検出する一般的な回路を
用いる場合、上記静電容量の変化に比例する電圧信号を
検出することができ、結果的に角速度信号が検出可能と
なる。

【００３９】一方、ジャイロスコープの性能を決定する
共通的な重要因子として、コリオリ力によるＹ軸方向の
変位を最大化するために、Ｘ軸方向とＹ軸方向との固有
振動数を一致させる必要がある。

【００４０】本発明において、上記感知電極(170)によ
り発生する静電力によりＹ軸方向の鋼性が影響を受ける
から、この静電力を利用し、固有の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式で表され
る。

【００４１】

【数７】上記式において、ｋ_ｂはビーム弾性体の定数であり、ｋ
_ｎは感知電極と振動構造物のコウムとの間の静電力によ
り発生する弾性体の定数である。

【００４２】ｋ_ｎは次のような式で示すことができる。

【００４３】

【数８】上記式において、Ｖ_ｂは感知電極に印加されるバイアス
電圧(bias voltage)である。

【００４４】上記バイアス電圧を調整して、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ることが
できる。

【００４５】このとき、上記のような方法で感知電極の
バイアス電圧を変化させれば、ジャイロスコープの出力
変化を惹き起こすから、一つの方法としては、感知電極
のバイアス電圧を固定し、個々の固有振動数調整用電極
を用いて正確な調整をすることができる。

【００４６】以上のように、加振用駆動機(250、250')
の＋および−電圧の印加により加振する加振モードにお
いて、上記加振弾性体(230)により加振モードにおける
カップリングが吸収される。さらに、加振弾性体(230)
の後方にある加振弾性体(270)によっても振動のカップ
リングが再度吸収され、それらにより感知方向のカップ
リングが非カップリング性となって、カップリングがほ
とんど発生しなくなる。従って加振方向と感知方向との
周波数チューニング時に発生する歪曲(Veering)を極小
化することができることになる。

【００４７】本発明は特定の実施例に関して図示し説明
したが、以下の特許請求の範囲により規定された本発明
の精神や分野を外れない限度内において本発明が多様に
改造および変化され得るということが、当業界において
通常の知識を有する者は容易に理解できるということを
明かしておきたい。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、本発明によるマイクロジ
ャイロスコープによれば、ジャイロスコープ外部フレー
ムの内側に感知方向ビーム弾性体を介して内部フレーム
を設け、上記内部フレームの外側に設けられる外部フレ
ームには加振方向加振弾性体を弾設し、加振および感知
モードの振動を分離するようにして、加振方向と感知方
向との周波数チューニング時に発生する歪曲(Veering)
現象を極小化することができるようにし、マイクロジャ
イロスコープの分解能および感度性能を極大化させなが
ら、上記ジャイロスコープの寿命を一層延長させること
のできるという、顕著な効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のマイクロジャイロスコープ平面構造図で
ある。

【図２】従来の周波数チューニング時に発生する加振お
よび感知モードを示すグラフである。

【図３】本発明によるマイクロジャイロスコープの概略
平面構成図である。

【図４】本発明の内部フレーム両側に設けられるストッ
パーの要部拡大構造図である。

【図５】本発明の周波数チューニング時に発生する加振
および感知モードを示すグラフである。

【図６】本発明の他の実施例によるマイクロジャイロス
コープの平面構造図である。

【符号の説明】

100…ジャイロスコープ装置 110…内部フレーム 120…外部フレーム 130…ビーム弾性体 140、160…電極支持部 150…コウム 170…感知電極 180…ストッパー 220…コウム 230、270…加振弾性体 250、250'…加振用駆動体 260…電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部フレーム(120)の内側に一体に加振
可能なように設けられる内部フレーム(110)、上記内部フレーム(110)の内部両側に横設され感知方向
に多数個設けられるコウム(150)、上記各々のコウム(150)の間に所定の間隔で離隔される
状態に配置された上側および下側の電極支持部(140、16
0)に固定支持される感知方向感知電極(170)、上記内部フレーム(110)と外部フレーム(120)との間に感
知方向に加振可能なように設けられるビーム弾性体(13
0)、上記外部フレーム(120)に弾設され加振方向に加振可能
なように設けられる第１の加振弾性体(230)、上記外部フレームの両側に多数個設けられるコウム(22
0)、および、電圧の印加により加振作動される加振用駆動機(250、25
0')を備えることをを特徴とするマイクロジャイロスコ
ープ。
【請求項２】前記内部フレーム(110)にはストッパー
(180)が設けられ、上記内部のフレーム(110)のコウム(1
50)と、電極支持部(140、160)の感知方向感知電極(170)
とが接触する現象を防止するようにしたことを特徴とす
る請求項１記載のマイクロジャイロスコープ。
【請求項３】上記ストッパー(180)の間隔(t)は、内部
フレーム(110)のコウム(150)と、電極支持部(140、160)
の感知電極(170)との間の離隔距離以下に設定されてい
ることを特徴とする請求項２記載のマイクロジャイロス
コープ。
【請求項４】上記外部フレーム(120)に設けられた加
振弾性体(230)は、ボックス形板バネにより構成される
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロジャイロスコ
ープ。
【請求項５】上記外部フレーム(120)に弾設され加振
方向に加振可能なように設けられる加振弾性体(230)の
後方には、上記加振弾性体(230)の振動を再度吸収する
ように、別個の加振弾性体(270)が延設されていること
を特徴とする請求項１記載のマイクロジャイロスコー
プ。
【請求項６】上記外部フレーム(120)に弾設される加
振弾性体(230)後方のの加振弾性体(270)は、ボックス形
板バネにより構成されることを特徴とする請求項５記載
のマイクロジャイロスコープ。