JP2005241500A

JP2005241500A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2005241500A
Application number: JP2004052995A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Konno; 伸顕紺野; Masahiro Tsugai; 政広番
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】メカニカルカップリングの影響を低減するとともに、安定した駆動振動を得ることにより、より感度及び精度の高い角速度センサを提供すること。
【解決手段】互いに直交する３軸方向の少なくとも１軸方向の角速度を検出可能な角速度センサである。基板上に弾性梁を介して宙支された梁状構造体を有しており、その梁状構造体は１対の駆動フレームと検出フレームから構成される。駆動フレームは、各フレームが少なくとも１対の上記弾性梁により支持されており、連結部の両側に一対の駆動梁を介して接続され、基板面に平行な第１又は第２の軸方向に振動駆動される。また、検出フレームは、連結部に接続されており、その連結部の中心点に対し点対称をなすように第１及び／又は第２の軸方向に配置され、検出方向に振動可能に検出梁により宙支された少なくとも１対の検出質量体を有し、駆動フレームの振動駆動により基板面に垂直な第３の軸周りに振動する。基板上に設けた検出電極により、角速度による生じる第３の軸方向への検出質量体の変位を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両や航空機等の運動制御等に利用される角速度センサに関し、さらに詳しくは、電極間に生じる静電引力を利用して駆動振動を誘起させる角速度センサに関する。

従来の角速度センサとして、例えば、基板に可動に装架され加速作用に基づいて振れ可能な振動構造体と、その振動構造体の平面振動発生手段並びに振動構造体の加速度に起因した振れを検出する評価手段を備えた角速度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の角速度センサでは、振動構造体の駆動振動を得るために振動構造体の端面に櫛歯が形成されており、この櫛歯電極と対向する固定櫛歯電極の間に電圧を印加することで、振動構造体を基板中央の支承点に装架されたばね（駆動梁）中心としてZ軸周りに平面捻り振動をさせている。この振動を初期状態として、角速度がY軸周りに印加された場合、振動構造体は上記駆動梁を検出梁とし、その軸を中心に、X軸周りに面外にコリオリの力に応じてねじれ振動する。この振動を振動構造体の下部に配置した電極により容量の変化を測定することで角速度を検出している。
特表平１１−５１３１１１号公報

しかしながら、上記の角速度センサは、駆動梁と検出梁が共通であるため、メカニカルカップリング(駆動梁の振動が検出方向へ漏れる現象)が起きやすい。メカニカルカップリングが発生すると、駆動梁を駆動方向に振動させているにも拘らず、駆動梁はコリオリの力が発生する方向にも振動してしまうため、駆動方向のみに駆動梁を振動させることができなくなり感度が低下するという問題がある。また、回転振動による駆動振動の場合、外周になるほど変位が大きいため、櫛歯の対向ギャップが変動しやすく、安定した駆動振動を得ることが出来ないという問題もある。また、検出に面外捻れ振動を用いる場合、駆動の際の櫛歯の対向面積も変化するため、駆動力が変化し精度が低下するという問題もある。

そこで、本発明は、メカニカルカップリングの影響を低減するとともに、安定した駆動振動を得ることにより、より感度及び精度の高い角速度センサを提供することを目的とした。

上記課題を解決するため、本発明の角速度センサは、互いに直交する３軸方向の少なくとも１軸方向の角速度を検出可能な角速度センサであって、基板上に弾性梁を介して宙支された梁状構造体からなり、該梁状構造体が、各フレームが少なくとも１対の上記弾性梁により支持されており、連結部の両側に一対の駆動梁を介して接続され、基板面に平行な第１又は第２の軸方向に振動駆動される１対の駆動フレームと、上記連結部に接続されており、上記連結部の中心点に対し点対称をなすように上記第１及び／又は第２の軸方向に配置され、検出方向に振動可能に検出梁により宙支された少なくとも１対の検出質量体を有し、上記駆動フレームの振動駆動により基板面に垂直な第３の軸周りに振動する検出フレームとから成り、基板上に設けた検出電極により、角速度による生じる第３の軸方向への上記検出質量体の変位を検出するようにしたことを特徴とする。

本発明の角速度センサは、駆動フレームと検出フレームを分離して配置するとともに、駆動梁と検出梁も分離して配置している。駆動梁と検出梁が同じ場合、駆動振動方向の共振周波数と検出方向の共振周波数が同じあるいは近いため、メカニカルカップリングにより駆動振動が検出方向に漏れて漏れ振動を誘発するため角速度によるコリオリの力を正確に検出することができず、感度を低下させる要因となる。それに対して、駆動梁と検出梁を分離して配置してそれぞれを独立させることにより駆動方向と検出方向の共振周波数の差を大きくすることができるので、メカニカルカップリングを生じにくくすることができる。さらに、駆動フレームと検出フレーム、そして検出フレームと検出質量体を分離して配置しているので、検出質量体の振動が駆動フレームに影響することがないため、安定した駆動力を印加することができ、精度を向上させることができる。また、角速度センサの設計において、駆動梁と検出梁の共振周波数は感度や応答周波数に直接効いてくるため、正確に設計する必要がある。駆動梁と検出梁が同じ場合、それぞれの梁の影響を考慮にいれる必要があり設計が困難になるが、梁を分離して配置すると、独立した設計が可能になり設計が容易となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は本実施の形態１に係る角速度センサの構造を示す模式上面図、図２は図１のA-A線模式断面図である。ここで、図１では、紙面内の水平方向をX軸方向、紙面内の垂直方向をY軸方向、そして紙面の直交方向をZ軸方向と規定する。
基板12上には、梁状構造体20が弾性梁5を介して宙支されている。梁状構造体20は連結フレーム2を介して接続された、検出フレーム1と１対の駆動フレーム4を有している。駆動フレームは、各フレームがアンカー6により基板上に固定された２対の弾性梁5により支持されている。駆動フレーム4は、１対の駆動梁3を介して連結フレーム2に接続され、X軸方向に振動可能に配設されている。一方、検出フレーム1は、連結フレーム2の中心点に対し点対称をなすように基板面に平行なX軸方向に配置され、検出梁10により宙支された１対の検出質量体11を有している。検出質量体11の直下の基板12上には、微小ギャップを介して対向する検出電極9が設けられている。検出電極は配線（不図示）により電極パッド（不図示）に取り出され、外部回路と接続される。また、検出フレーム1の下部の基板12上には、各検出電極9の周囲に１対のモニタ電極8a,8bが設けられており、配線（不図示）により電極パッド（不図示）に取り出され、外部回路と接続される。また、図６に示すように、センサを枠18と上部保護基板19により密封することにより、耐環境性が向上する。さらに、内部を真空にすることで感度を向上させることもできる。

各駆動フレーム4を基板上に支持する弾性梁5は、X軸方向に柔軟で変形し易く、その他の方向には変形し難く設計されている。また、駆動フレーム4を連結フレーム2に接続する駆動梁3は、駆動フレーム4の振動を検出フレーム1に伝達する役割を有して折り、X軸方向に所定以上の弾性を有するように設計されている。図３は、連結フレーム2と駆動梁3の接続部分の部分模式拡大図である。一対の駆動梁3は連結部2の両側にX軸方向に平行に接続され、かつその接続方向のX軸方向に垂直なY軸方向に所定間隔（Δ／2）だけ離間して接続されている。さらに、一対の駆動梁3はそれぞれ、X軸方向とY軸方向に弾性を有するように折り曲げ形状に形成されている。

駆動フレーム4は、基板上に設けられた複数の駆動電極対7a,7bとともに静電駆動構造を構成する。すなわち、各駆動フレーム4は、Y軸方向に沿って形成された複数のスリット4aを有しており、この各スリット4aの内壁に対向可能に、１対の駆動電極7a,7bが基板12上にY軸方向に沿って設けられている。これにより、スリット4aと、駆動電極7a,7bとは微小ギャップを介して対向する平行平板電極を構成している。

本実施の形態に係る角速度センサは、表面マイクロマシニングプロセスを用いて製造することができる。基板には、例えば単結晶シリコン基板を用いることができる。また、梁状構造体には電気的に低抵抗なポリシリコンを用いることができる。また、検出電極やモニタ電極にもポリシリコンを用いることができる。

以下、本実施の形態に係る角速度センサの動作原理を説明する。図４に示すように、駆動フレーム4を電気的に接地し、駆動フレーム4と駆動電極7aとの間及び駆動フレーム4と駆動電極7bとの間に、直流バイアス電圧V_dcとそれぞれ逆相の交流電圧V_acsinωtとを印加することで、駆動フレーム4と駆動電極7a、駆動電極7bの間に静電力Fを発生させ、駆動フレーム4をX軸方向に振動させる。なお、他方の駆動フレーム4についても同様に交流電圧を印加することにより、一対の駆動フレーム4を逆相でX軸方向に振動させることができる。

[数式]

F₁：駆動フレーム4と駆動電極7aに発生する力
F₂：駆動フレーム4と駆動電極7bに発生する力
ε：誘電率、S：電極対向面積、g：電極対向ギャップ、ω：振動周波数

この振動が駆動梁3,3を介して連結フレーム2に伝達され、連結フレーム2はX軸方向に力を受ける。左右両側の駆動梁3からの伝達力は、連結フレーム2のY軸方向の異なった二点に作用するため、連結フレーム2とこれに接続された検出フレーム1は、連結フレーム2のZ軸回転中心の周りに回転捻れ振動を行う。駆動梁3の連結フレーム2に対する接続位置のずれ量には効率よく力を伝達させるための最適値が存在する。この最適値は梁の剛性や検出フレームの慣性モーメントなどによって決定することができ、図５に示すように微小振動で大走査角を得ることが可能である。なお、この振動状態はモニタ電極8a,8bにより検出し差動を取ることによって、加速度などによる同相振動の影響を除去することができる。この状態のときにY軸周りに角速度Ωが印加されると、駆動振動方向（X軸方向）と角速度軸（Y軸方向）のそれぞれに直交する方向にコリオリ力Fcが発生する。

[数式]

ｍ：質量、v：速度

この力を受けて、検出質量体11は、図３に示すX軸回転中心の周りの回転振動が誘起される。２つの検出質量体11は速度方向が逆であるので逆相に振動する。この回転振動の変位は角速度に比例するため、この変位を、各検出質量体11とその直下の検出電極9との間の容量変化を通じ、C-V変換器により電圧に変換することで、角速度を検出することができる。２つの検出電極9,9の差動を取ることによって、同相で変化するような外乱振動（X軸方向やZ軸方向の加速度による発生する検出質量体11の変位振動）の影響を除去することができる。

また、モニタ電極8a,8b,8a,8bは、検出質量体11のX軸周りの振動をモニタし、その振幅を一定に制御する振動検出構造として設けられている。一方のモニタ電極対8a,8bと他方のモニタ電極対8a,8bとを用い、検出質量体11との間で形成される容量により差動変化を検出可能とし、上記と同様に外乱振動の影響を除去することができる。

本実施の形態では、検出フレームに駆動フレームからの振動を伝達する駆動梁と、検出質量体を変位させる検出梁とを分離して配置するようにしたので、メカニカルカップリングによる駆動振動の検出方向への漏れを抑制することができる。これによりセンサの感度を向上させることができる。また、駆動フレーム4と、検出フレーム1並びに検出質量体11とを分離して配置しているので、検出方向の振動が駆動フレームに影響することがないため、安定した駆動力を発生させることができる。

また、図３に示す様に、何回かに折り曲げることによりバネ性を備えた駆動梁3を利用することで、駆動フレーム4の変位が平行平板電極間で発生する静電引力を制御する上で微小（一例として電極間間隔の約1/3以下）であっても、駆動梁3のバネ変位効果（共振時）により連結フレーム2への接続点上では変位拡大が図れること、並びに、一対の駆動梁3の接続位置が微小距離（Δ）離れているため、駆動梁3の接続点のX軸方向への変位が微小であっても、検出フレーム1並びに検出質量体11の捻れ振動角度を大きくすることが可能となる。これにより、低電圧で大きな捻れ回転振動を励起することができ、センサの出力感度をさらに向上させることができる。

実施の形態２．
本実施の形態に係る角速度センサは、連結フレームに駆動フレームの振動駆動方向に平行な捻れ軸を設ける一方、その捻れ軸に検出梁を接続して検出質量体を宙支するようにした以外は、実施の形態１の角速度センサと同様の構造を有する。
図７は本実施の形態に係る角速度センサの構造を示す模式上面図、図８は図７のB-B線模式断面図である。基板12上には、梁状構造体21が弾性梁5を介して宙支されている。梁状構造体21は連結フレーム2を介して接続された、検出フレーム15と１対の駆動フレーム13を有している。連結フレーム2には駆動フレーム4の振動駆動方向に平行に捻れ梁14が設けられている。捻れ梁14の中心点に対し点対称をなすように１対の検出質量体13が捻れ梁14に接続されて、基板12上に宙支されている。これにより、コリオリの力が生じた場合、図８に示すように捻れ軸14の周りに検出質量体13が捻れ振動するが、１対の検出質量体13を捻れ梁14を介して連結した構成とすることにより、検出動作時に、２つの検出電極9に対する検出質量体13の動作を完全な逆相にすることができる。そのため、それぞれの振動の差動を取ることで加速度などによる平行振動成分を完全に除去することができるので、精度をさらに向上させることができる。

実施の形態３．
本実施の形態に係る加速度センサは２軸方向の角速度が検出可能な角速度センサである。検出フレームが一対の駆動梁を囲む枠体であり、かつ第１の軸方向と第２の軸方向に配置された２対の検出質量体を有する以外は、実施の形態１の加速度センサと同様の構造を有する。
図９は本実施の形態に係る２軸角速度センサの構造を示す模式上面図、図１０は図９のC-C線模式断面図である。基板上（不図示）には、梁状構造体22が弾性梁5を介して宙支されている。梁状構造体22は連結フレーム2を介して接続された、１対の駆動フレーム4,4とそれを囲むように配置された検出フレーム18を有している。検出フレーム18は、連結フレーム4の中心点に対し、点対称をなすようにそれぞれX軸方向とY軸方向に、かつ駆動フレーム4を囲むように検出フレーム18の周方向に配設された検出質量体16と検出質量体11とを有している。さらに、検出質量体16の直下の基板上には検出電極9が設けられている。この構成により、検出質量体11はY軸周りの角速度を、一方検出質量体16はX軸方向周りの角速度を検出することができる。すなわち、図１０に示すように、角速度が印加される前の初期状態では、駆動フレーム4のX軸方向への振動に駆動され、検出質量体11はX軸方向、検出質量体16はY軸方向に振動する（図１０（a））。これに対し、Y軸周りの角速度が印加されると、検出質量体16はZ軸方向に振動しないが検出質量体11はコリオリの力を受けZ軸方向に振動する（図１０（b））。また、X軸周りの角速度が印加されると、検出質量体11はZ軸方向に振動しないが検出質量体16はコリオリの力を受けZ軸方向に振動する（図１０（c））。このようにして、X軸及びY軸の２軸の角速度を検出することができる。

実施の形態４．
本実施の形態に係る加速度センサは、駆動フレームをY軸方向に振動させるように配置するとともに、一対の駆動梁を連結フレームの両側に駆動振動方向であるY軸方向に垂直かつ一直線に接続した以外は、実施の形態１の加速度センサと同様の構造を有する。
図１１は、本実施の形態に係る加速度センサの構造を示す模式上面図、図１２は図１１の駆動梁の接続部分の作用を示す部分模式拡大図である。本実施の形態では、駆動フレームをY軸方向に振動させる構成とした場合、駆動梁17を連結フレーム2に左右対称に一直線となるように接続するようにしたものである。駆動梁の接続位置をずらした場合、残留応力により検出フレームが回転する現象が生じるが（図１２（a））、一直線となるように接続すると残留応力によっても検出フレームは回転することがない（図１２（b））。これにより、残留応力の影響を除去してより精度を向上させることができる。なお、本実施の形態で用いた検出フレームに代えて、実施の形態２及び３に記載した検出フレーム21と22を用いても同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の改良及び設計上の変更が可能である。

本発明の実施の形態１に係る角速度センサの構造の一例を示す模式上面図である。図１のA−A線模式断面図（１）である。図１の角速度センサの回転中心部の拡大模式図である。図１の角速度センサの動作を示す模式断面図である。図１の角速度センサの動作を示す模式上面図である。図１のA−A線模式断面図（２）である。本発明の実施の形態２に係る角速度センサの構造の一例を示す模式上面図である。図７のB−B線模式断面図である。本発明の実施の形態３に係る角速度センサの構造の一例を示す模式上面図である。図９のC−C線模式断面図である。発明の実施の形態４に係る角速度センサの構造の一例を示す模式上面図である。図１１の角速度センサの動作を示す模式図である。

符号の説明

１，１５，１８検出フレーム、２連結部、３駆動梁、４駆動フレーム、４ａスリット、５弾性梁、６アンカー、７ａ，７ｂ駆動電極、８ａ，８ｂモニタ電極、９検出電極、１０検出梁、１１，１３，１６検出質量体、１２下部基板、１４捻れ軸、２０，２１，２２梁状構造体。

Claims

互いに直交する３軸方向の少なくとも１軸方向の角速度を検出可能な角速度センサであって、
基板上に弾性梁を介して宙支された梁状構造体からなり、該梁状構造体が、
各フレームが少なくとも１対の上記弾性梁により支持されており、連結部の両側に一対の駆動梁を介して接続され、基板面に平行な第１又は第２の軸方向に振動駆動される１対の駆動フレームと、
上記連結部に接続されており、上記連結部の中心点に対し点対称をなすように上記第１及び／又は第２の軸方向に配置され、検出方向に振動可能に検出梁により宙支された少なくとも１対の検出質量体を有し、上記駆動フレームの振動駆動により基板面に垂直な第３の軸周りに振動する検出フレームとから成り、
基板上に設けた検出電極により、角速度により生じる第３の軸方向への上記検出質量体の変位を検出するようにした角速度センサ。
上記一対の検出質量体を上記駆動フレームの振動駆動方向である第１の軸方向に垂直な第２の軸方向に配置する一方、上記一対の駆動梁を上記連結部の両側に、第１の軸方向に平行かつ第２の軸方向に互いに離間して接続してなる請求項１記載の角速度センサ。
上記一対の検出質量体を上記駆動フレームの振動駆動方向と平行に配置する一方、上記一対の駆動梁を上記連結部の両側に上記振動駆動方向に垂直かつ一直線をなすように接続してなる請求項１記載の角速度センサ。
上記連結部に上記駆動フレームの振動駆動方向に平行な捩れ軸を設ける一方、該捩れ軸に上記検出梁を接続して１対の検出質量体を逆相で振動させる請求項１から３のいずれか一つに記載の角速度センサ。
上記検出フレームが上記一対の駆動梁を囲む枠体であって、第１の軸方向と第２の軸方向に配置された２対の検出質量体を有する請求項１から３のいずれか一つに記載の角速度センサ。