JP2006053152A

JP2006053152A - 振動数検出を用いたマイクロジャイロメーター

Info

Publication number: JP2006053152A
Application number: JP2005234782A
Authority: JP
Inventors: Philippe Robert; ロベール・フィリップ
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2006-02-23
Also published as: US7389690B2; DE602005019817D1; US20060032306A1; EP1626282A1; FR2874257A1; FR2874257B1; EP1626282B1

Abstract

【課題】従来技術の欠点を克服する。
【解決手段】本発明は、ジャイロメーター(１０)の平面(Ｘ,Ｙ)に沿って自由に動くことができる質量体(１２,１２')の振動方向(Ｘ)に対して垂直な角運動(Ω)によって生じるコリオリの力の検出に基づく(有利なことには既存のマイクロ電子技術を用いて機械加工された)マイクロジャイロメーター(１０)を提案する。コリオリの力は、可動デバイス(２０)に接続された共振子(２２)の固有モードに適合する運動を通して検出される。
【選択図】図２

Description

本発明は角速度計測用の慣性センサーすなわちジャイロメーターに関し、さらに詳しくは微細機械加工されたジャイロメーター、つまり微小電気機械システム(MEMS)の一部を形成するジャイロメーター、詳しくはフラットモノリシックジャイロメーターに関する。

ジャイロメーターはさまざまな目的で使用される。それは自動車、航空およびロボットその他で使用される。自動車のような一般消費者用途で使用される全ての製品と同じようにコストは非常に重要な要件である。それゆえ、超小型電子工学技術を用いた、こうしたコンポーネントの集中製造は非常に魅力的なものとなっている。

ジャイロメーターはシリコンウエハの機械加工によって既に一般的に生産されている。たとえば、特許文献１に開示されるように、図１Ａに概略的に示されるこの型のコンポーネント１は、通常、二つの連結された可動質量体２,２'(これは同調フォークのように組み立てられる)を具備し、それは、それらが間接的に定着されるウエハ１の平面内にて共振状態で振動する。質量体２,２'は、この質量体２,２'内に入れ子状に配置された櫛型構造体３,３'によって加えられる静電力によって励振させることができる。Ｚ軸(Ｘ軸に対して垂直)まわりに所与の角速度でジャイロメーター１が回転するとき、Ｘ軸に沿って質量体が振動すると仮定すると、角速度と強制振動との組み合わせはコリオリの力と呼ばれる力を引き起こす。この力によって、質量体２,２'は、この例では紙面に垂直なＹ方向に沿っても振動を始める。この変位は続いて静電センサー４,４'、たとえば、可動質量体２,２'の下方に配置された電極によって検出され、Ｚ軸まわりの回転速度の値をもたらす。

たとえばGeigerらによる非特許文献１に開示されかつ図１Ｂに概略的に示される別な構造に従い、かつ別な回転軸を中心として、検出を、可動質量体６が振動させられるジャイロメーター５の平面(Ｘ,Ｙ)内で、もう一度、静電式検出の原理を用いて行うことができる。電極７は、Ｚ軸に沿った角変位および櫛状部８を用いたＸに沿った強制振動の影響下でＹ方向に沿った質量体６の相対的変位を測定する。

実際、ほとんど全てのシリコンジャイロメーターは、適所で従動させられる可動質量体を用いた、コリオリの力によって生じる運動の静電式検出に基づいている。だが、これは複雑なアナログ電子機器を必要とし、しかもジャイロメーター感度は平凡なものであり、しかも横方向の加速度に著しく依存する。
米国特許第6 250 156号明細書米国特許出願公開第2004/154400号明細書米国特許第6 032 531号明細書欧州特許第0 507 338号明細書「The micromechanical Coriolis rate sensor μCORS II」、Gyro Technology symposium、Stuttgart、2003年、5.0-5.9

本発明は上記欠点を克服することを目的とする。本発明は従来技術様式による、すなわち同調フォーク型のジャイロメーター構造、たとえば、軸線に沿った振動質量の励振、ならびにこの振動軸線および回転軸線に対して直交する方向に沿ったコリオリの力の発生を伴う微小機械的装置に特に好適である。

本発明によれば、コリオリの力の影響のもとで振動質量体の変位を検出する静電式手段を使用するよりもむしろ、可動構造体に関係付けられた他の共振子へのコリオリの力の影響が測定される。機械的共振子の固有振動数は応力の影響下で変化し、これが振動数変調を引き起こす。ゆえに、本発明は、この効果を、強制振動に対して直交する角変位から得られる力を測定するのに、どのように使用するかを述べている。

一実施形態によれば、本発明によるジャイロメーターは、平面内で自在に移動できかつ連結手段によって互いに連結された二つの質量体を具備してなる第１の共振子と、質量体を平面内で第１の方向に運動させるための手段と、第１の可動共振子に第１の端部において連結された第２の検出共振子と、この検出共振子の固有振動数を測定する手段と、を具備してなる。第２の共振子は第２の端部においてジャイロメーターの一部を形成する基板に対して、たとえば、平坦なモノリシックジャイロメーター用のマイクロ工学サポートに対して固定されてもよい。

一つの好ましい態様によれば、本発明は、連結フレーム、好ましくは垂直撓みアームによって質量体に対して連結された二つの平行な連結アームを介して連結されかつ基板に対して自由に運動できる二つの質量体を具備してなるデバイスを備えたジャイロメーターに関する。この運動は、好ましくは静電式櫛状部の形態の、質量体を運動させるための、さらに詳しくはそれを振動させるための手段によってなされる。本ジャイロメーターはまた、その一端において可動デバイスに連結されかつ他端において固定された少なくとも一つの(第２の)検出共振子を具備する。この検出共振子を励振させると共にその共振振動数を測定するための手段が設けられる。

使用中、質量体は、好ましくは共振状態でかつ逆移送で、アームによって規定される方向に沿って振動させられるので、本発明によるジャイロメーターは、その面に対して直交する角運動の検出を、連結アームに垂直なコリオリの力の発生によって可能にする。運動は装置の平面内で検出される。

好ましくは、サポートは、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)型の単結晶シリコンのような超小型電子基板であり、しかもジャイロメーターはこの基板の能動部分に微細機械加工され、このジャイロメーターの全ての構成要素は、モノリシックなジャイロメーターを形成するよう単一部片状態である。

本発明によるジャイロメーターの検出共振子は振動ビームすなわち同調フォークの形態であってもよく、いろいろな共振子が同時に使用されてもよい。共振子はまた、励振および検出の両方に使用できるかあるいは各機能について分離可能である静電電極によって励振させられてもよい。

連結アームは、有利なことを言えばその中央において、ねじれ軸を介してサポートに対して固定され、コリオリの力をアームへのトルクに変換し、各共振子はこのねじれ軸からオフセットして連結アームに固定されている。検出共振子への応力、したがってその固有モードにおける変化はそれゆえに、特に検出共振子がねじれ軸に近接したときに増大させられることが可能である。

上記検出共振子は、たとえば関節式剛体アームのような他の増幅手段と共に使用することもできる。

添付図面は本発明をより良く理解するのを助けるであろう。だが、それは例証として挙げたに過ぎず、少しも本発明を限定するものではない。

図２に概略的に示すように、本発明によるジャイロメーター１０は、サポート(図示せず)と、二つの振動質量体１２,１２'とからなっており、この質量体１２,１２'はサポートの(Ｘ,Ｙ)平面内で自由に動くことが、特に自由に振動できる。二つの質量体１２,１２'は連結手段によって連結されており、これもまた上記サポートに対して自由に動くことができる。図示のフレーム内において、二つの連結アーム１４,１４'(この例では平行)は手段１６,１６'を介して可動質量体に連結されている。この手段１６,１６'は、アーム１４,１４'に対して二つの質量体１２,１２'の相対的移動を可能とするよう十分にフレキシブルである。だが、一方では質量体１２,１２'の動きをアーム１４,１４'に伝達するのに十分な程度の剛体である。この点については本明細書中で後に明らかになるであろう。好ましくは、連結アーム１４,１４'およびフレキシブル手段すなわち撓みアーム１６,１６'は矩形フレームを形成する。フレキシブル手段１６,１６'はたとえば撓みスプリングまたはアタッチメントタブであってもよい。

質量体１２,１２'をサポートの(Ｘ,Ｙ)平面内で振動させるための手段、たとえば各可動質量体１２,１２'の一方あるいは両方の面内に入れ子式に配置された励振櫛状部１８,１８'が設けられる。この櫛状部１８,１８'は静電力によって第１の方向Ｘに沿って各質量体１２,１２'の後方および前方への変位(この例では紙面の左から右へ)を引き起こす。他の手段、たとえば電磁式励振器を設けることもできる。

特に、質量体１２,１２'は、「相互に噛み合う指状となった」櫛状部構造１８,１８'によって加えられる静電力によって、好ましくは共振域においてあるいはその近傍で励振させられる。ゆえに質量体１２,１２'および連結手段１４,１４',１６,１６'の全てが第１の励振共振子２０を形成する。共振域での作動は大きな変位振幅および高い品質因子をもたらし、ゆえにジャイロメーターの感度を増大させる。有利なことを言えば、質量体１２,１２'の振動は逆位相である。すなわちそれらは、常時、反対方向に動いている。二つの質量体１２,１２'を隔てる距離は可変であり、この振動はフレキシブルな手段１６,１６'によって許容される。これが第２の共振子による検出を可能にする。

上記サポートに対して垂直なＺ軸まわりにジャイロメーター１０に角変位が加わるとき、各質量体１２,１２'には、ＸおよびＺ軸に垂直に、したがってこの例では紙面の垂直方向Ｙに沿って、角速度Ωと要素１８,１８'によって強制される振動との組み合わせに由来するコリオリの力が生じる。このコリオリの力はフレキシブル手段１６,１６'を経てアーム１４,１４'に伝達される。第２の共振子２２がアーム１４に連結されている場合、コリオリ力によって生じた応力はさらにこの共振子に対して加わる。

この応力は検出共振子２２の共振振動数ωを変化させる。Ｚ軸まわりの回転速度Ωはこうして測定された振動数変化δωから推定される。特に、共振子２２は好ましくはその共振ピークにおいてあるいはその近傍で励振されかつ従動させられる。デジタル式電子システムは、いかなるときでも共振振動数へ復帰することを容易にする。

可動質量体１２,１２'へよりもむしろ連結アーム１４、１４'へのその連結により、検出共振子２２はまた質量体１２,１２'の動きによって邪魔されず、しかもそれはより良好な感度を有する。

たとえば、共振子２２は図２に概略的に示すもののような振動ビームの形態であってもよく、その第１の端部は連結アーム１４に対して連結されると共に他端は何らかの公知の手段２４によって基板に定着させられる。一つの好ましい実施形態によれば、やはり検出に用いられる固定式電極からなる静電式手段によって共振子２２は共振状態で励振させられる。励振電極２８から分離させられた検出電極２６が存在してもよい。電磁式励振(あるいは圧電ゲージによる検出)も考えられる。

ねじれ軸３０,３０'(これは、可能な限り最も大きな応力を共振子２２に対して加える「レバーアーム」効果によって、質量体１２,１２'に作用するコリオリの力をこのねじれ軸３０,３０'まわりのトルクに変換するようになっている)は、最大検出性能および共振子２２の感度を増大させるように、各アーム１４,１４'上に配置されるのが有利である。

上記ねじれ軸３０,３０'のそれぞれは、それゆえに、自身の中心線に沿って、一端においてサポートに対してアンカー３２,３２'によって取り付けられ、かつ他端において連結アーム１４,１４'に対して取り付けられる。概略的に示すように、アンカー３２,３２'は、ジャイロメーター１０の温度ドリフトを制限するため構造体２０の中心に向かって、矩形フレーム１４,１４',１６,１６'の内部に配置されるのが有利である。

図３に概略的に示すように、アーム１４の中央に配置されたねじれ軸３０からｄ１だけ距離をおいて配置された各質量体に作用するコリオリの力Ｆ１に関して、式Ｆ２＝２・(ｄ１／ｄ２)・Ｆ１によって与えられる力Ｆ２は、アーム１４のねじれ軸３０からｄ２だけ距離をおいて固定された共振子２２に印加される。ジャイロメーター１０の所与のジオメトリーおよび所与の回転速度Ωに関して、検出共振子２２の振動数変化δωは、連結アーム／撓みアームアセンブリによって形成されるレバーアームが増大するときに増大することになる。

励振共振子２０は、結果ができる限り信頼できるものであることを保証するため対称的である。すなわち、特に二つの質量体１２,１２'、および二つの連結アーム１４,１４'、および撓みアーム１６,１６'は全く同一である。同手法により、二つの質量体１２,１２'は逆位相で同様に励振させられる。

ゆえに、図２による装置を用いれば、ジャイロメーター１０の角変位Ωの間に検出された共振子２２の共振振動数ωは、コリオリの力Ｆ１に起因する可動質量体１２,１２'の相対的変位を特定することを必要とせずに、この角変位Ωを特定するのに使用できる。振動数測定はデジタル式検出電子機器のみを使用して実施でき、これは変化を検出するための現存する静電式システムよりも単純であることに留意されたい。

この検出はまたデバイス１０の平面内でなされ、これが構成要素間の間隔に関する制御を簡単にする。

図２に示す共振子は例証に過ぎない。たとえば、図４Ａに概略的に示すように、同一の連結アーム上の二つの検出共振子２２ａ,２２ｂを使用することができる。この二つの共振子２２ａ,２２ｂは同じ固有モードωを有し、かつねじれ軸３０を中心として対称をなすよう設けられる。このタイプの差動アセンブリは、検出感度を向上させると共に、多少の非線形作用の影響を排除する。

この例では二つのねじれ軸３０,３０'によって形成された可動デバイス２０の軸線の同じ側に配置された二つの共振子２２,２２'を備えた、二つのアーム１４,１４'上の異なるアセンブリもまた可能であろう(図４Ｂ参照)。明らかに、このアセンブリは各アーム１４,１４'上で二重にできる。

図示するこの例では、ビーム２２,２２'すなわちもっと一般的には検出共振子は、コリオリの力のＹ方向に対して必ずしも平行である必要はないが、たとえば連結アーム１４,１４'に対して平行であってもよい、ということにも留意されたい。

一方あるいは両方のアーム上で、ビーム型共振子２２の代わりに、同調フォーク型共振子３４を使用することもできる(図４Ｃ)。同調フォーク型共振子３４の使用によって、より高い品質因子を、したがって感度のゲインおよび安定性を得ることができる。同調フォーク型共振子３４はまた、固定静電電極３６によってあるいは電磁式手段によって励振できる。

共振子のアンカーポイント２４は、図４Ｃにおける全ての共振子について単一のポイントとして概略的に示されているに過ぎないことに留意されたい(たとえば図４Ｂ参照)。

質量体１２,１２'の共振振動数が、ねじれ軸３０,３０'を中心として、質量体１２,１２'、フレキシブルな手段１６,１６'および連結アーム１４,１４'から構成されたアセンブリからなる可動デバイス２０の共振振動数に近接していることが好ましいであろう。これによって最適条件のもとで作動可能となる。さらに、感度を向上させるため、検出共振子２２,３４の固有モードωが可動デバイス、すなわち励振共振子２０の共振振動数よりも著しく高いことが有利である。

検出電子機器に対する簡易化とは別に、本発明によるジャイロメーター１０は、振動数検出に特有であって、かつねじれ軸３０による「レバーアーム」効果によって増大させられたセンサー２２,３４の優れた感度から利益を得る。ねじれ軸３０と共振子２２,３４との間の距離ｄ２における縮小はまた感度を増大させるのを助ける。

ジャイロメーター１０の感度を増すための他の手段が図４Ｄに示されている。検出システム３８はアンカーポイント２４に一端部３８ａにおいて連結され、かつ連結アーム１４に対して他端部３８ｂにおいて連結される。だが、共振検出システム３８の二つの端部３８ａ,３８ｂは振動要素４０自体の端部を形成しない。その結果として、振動ビーム４０は二つの剛体末端部４２を形成する。各末端部４２は二つの剛体アーム４４,４６によって検出システム３８の端部３８ａ,３８ｂに対してヒンジを用いて連結されている。有利なことを言えば、連結されたアーム４４ａ,４４ｂ,４６ａおよび４６ｂは対称的であり、かつダイヤモンド形をなす。それらは同一であってもよく、あるいはそれらの厚みはさまざまであってもよい。

単に説明目的のために示す実例において、コリオリの力は共振子４０に対して垂直である。このコリオリの力は検出システム３８の端部３８ａ,３８ｂ間の距離に変化を引き起こす。アーム４４,４６は剛体であるので、アーム４４,４６と共振子４０との間の角度α、および振動ビーム４０の長さが変化させられるが、これがビーム４０の共振振動数に変化を引き起こす。このビーム４０はたとえば固定電極４８によって励振可能である。角度αは増幅係数を直接変更するために変えることができる。アーム４４,４６については同じ結果を実現するために他の構成とすることも可能である、ということは明白である。

その上、横方向加速度に対するジャイロメーター１０の感度は低く、それゆえ、角変位Ωはよりよく特定される。静電式検出に伴って生じることがある起こり得る干渉とは違って、励振共振振動数と検出共振子２２,３４,４０の固有振動数ωとの間の結合現象はない。

ゆえに本発明によるジャイロメーターは、特にダイレクトデジタル式電子処理によって、同型の現存するジャイロメーターに比べて、非常に鋭敏で、安定しており、しかも簡素である。図示するさまざまな実施形態を容易に組み合わせることができることは明白である。

本発明によるジャイロメーター１０は、微細技術において、さらに詳しくはマイクロ電子技術において公知の手法を用いて製造できる。有利なことを言えば、基板はシリコンから、特に単結晶SOI型シリコンからなるが、これは品質因子を向上させる。原シリコンウエハは数百マイクロメーターの、たとえば５２５μｍの厚みを有する。そしてたとえば０.４μｍ厚のＳiO₂の薄層が原ウエハ上に付着させられると共に、それ自体、単結晶シリコンのより厚い層で覆われる。この単結晶シリコンの層は、たとえば６０μｍのオーダーの、ジャイロメーター１０の構成要素の厚みを決定することになる。

ジャイロメーター１０の機械加工は、酸化物層に関して(たとえばリソエッチングによって)上側シリコン層に所要の表面パターンを、すなわちジャイロメーター１０の第１の共振子２０と検出共振子２２,３４および４０に関する構成要素の形状をエッチングすることからなる。その後、すぐ下の酸化物層はたとえば選択エッチングによって、アンカーポイント２４,３２以外は除去される。この結果として、アンカーポイントによって最初の酸化物層の厚みのオーダーの距離をおいて保持され、かつ特に振動時に自由に動くことができる、基板上に浮遊させられた構造体が得られる。

当然ながら、他の実施形態も考えられる。

従来技術様式によるジャイロメーターを示す図である。従来技術様式によるジャイロメーターを示す図である。本発明の一実施形態によるジャイロメーターを示す図である。本発明によるジャイロメーターの共振子に作用する力を示す概略図である。本発明によるジャイロメーター検出共振子に関する異なる形態を示す図である。本発明によるジャイロメーター検出共振子に関する異なる形態を示す図である。本発明によるジャイロメーター検出共振子に関する異なる形態を示す図である。本発明によるジャイロメーター検出共振子に関する異なる形態を示す図である。

符号の説明

１０ジャイロメーター
１２,１２' 振動質量体
１４,１４' 連結アーム
１６,１６' 撓みアーム
１８,１８' 励振櫛状部
２０第１の励振共振子
２２第２の検出共振子
２４アンカーポイント
２６検出電極
２８励振電極
３０,３０' ねじれ軸
３２,３２' アンカー
３４同調フォーク型共振子
３６固定静電電極
３８検出システム
４０共振子
４２剛体末端部
４４,４６剛体アーム
４８固定電極

Claims

平面(Ｘ,Ｙ)内で自由に動くことができる第１の励振共振子(２０)であって、連結手段(１４,１４',１６,１６')によって互いに連結された二つの質量体(１２,１２')を具備してなる第１の励振共振子(２０)と、
前記質量体(１２,１２')を前記平面(Ｘ,Ｙ)の第１の方向(Ｘ)に運動させるための励振手段(１８,１８')と、
前記第１の共振子(２０)に連結された少なくとも一つの第２の検出共振子(２２,３４,４０)と、
前記第２の共振子(２２,３４,４０)を励振させると共にその固有モード(ω)の振動数を測定する手段(２６,２８,３６,４８)と、を具備してなることを特徴とするジャイロメーター(１０)。
少なくとも一つのアンカーポイント(２４,３２)を介して各共振子(２０,２２,３４,４０)が連結される基板をさらに具備してなることを特徴とする請求項１に記載のジャイロメーター。
前記基板はマイクロ工学サポートであり、ジャイロメーターはモノリシックであることを特徴とする請求項２に記載のジャイロメーター。
前記質量体(１２,１２')を運動させる手段(１８,１８')は固定された静電櫛状部であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のジャイロメーター。
前記第１の方向(Ｘ)への前記質量体の運動および前記平面(Ｘ,Ｙ)に垂直な軸線(Ｚ)からの前記第１の励振共振子(２０)の回転(Ω)によって生じるコリオリの力(Ｆ１)に対して連結アーム(１４,１４')が直交するように、前記連結手段は、前記質量体(１２,１２')の前記第１の運動方向(Ｘ)に対して平行であってかつ撓みアーム(１６,１６')を介して前記質量体(１２,１２')に連結された二つの連結アーム(１４,１４')を具備してなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のジャイロメーター。
各連結アーム(１４,１４')は、ねじれ軸(３０,３０')に連結されていることを特徴とする請求項５に記載のジャイロメーター。
前記ねじれ軸(３０)から第１の距離だけ離れて第１の連結アーム(１４)に対して連結された第１、第２の検出共振子(２２,３４,４０)を具備してなることを特徴とする請求項６に記載のジャイロメーター。
前記ねじれ軸(３０')から第２の距離だけ離れて前記第２の連結アーム(１４')に対して連結されたもう一つの第２の検出共振子(２２')をさらに具備してなることを特徴とする請求項７に記載のジャイロメーター。
前記第１の距離および前記第２の距離は等しく、かつ前記検出共振子(２２,２２')は前記第１および第２のアーム(１４,１４')に対して、対応するねじれ軸(３０,３０')と同一の質量体(１２)との間で連結されていることを特徴とする請求項８に記載のジャイロメーター。
前記ねじれ軸(３０)を中心として対称的に第１の連結アーム(１４)に対して連結された二つの第２の検出共振子(２２ａ,２２ｂ)を具備してなることを特徴とする請求項７に記載のジャイロメーター。
前記ねじれ軸(３０')を中心として対称的にかつ前記ねじれ軸(３０')から前記第１の距離だけ離れて、前記第２の連結アーム(１４')に対して連結された二つの第２の検出共振子をさらに具備してなることを特徴とする請求項１０に記載のジャイロメーター。
前記第２の検出共振子は、振動ビーム(２２)または同調フォーク形共振子(３４)の中から選ばれることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のジャイロメーター。
前記第２の検出共振子(４０)は、前記第１の励振共振子(２０)によって前記第２の検出共振子(４０)に加えられる力を増幅させるための手段に連結されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のジャイロメーター。
前記増幅手段は、共振要素(４０)を中心としてヒンジ結合された剛体アーム(４４,４６)を具備してなることを特徴とする請求項１３に記載のジャイロメーター。
各第２の共振子(２２,３４,４０)を励振させるための手段(２６,２８,３６,４８)を具備してなることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載のジャイロメーター。
前記第２の共振子を励振させるための前記手段は静電式手段であることを特徴とする請求項１５に記載のジャイロメーター。