JP2012202799A - Vibration gyro improved in bias stability - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動型ジャイロに関し、特には、MEMS技術によって製造された振動型ジャイロに関する。 The present invention relates to a vibratory gyro, and more particularly to a vibratory gyro manufactured by MEMS technology.
1990年代から急速に発展したいわゆるマイクロマシニング技術によって、例えば、絶縁膜を有するシリコン基板やガラス基板上に接合されたバルクシリコンウェハを、湿式エッチングやドライエッチング等の化学的なエッチングにより処理し、メカニカルなセンサ構造体を形成して、一度のプロセスで大量のセンサ構造を製造する手法が確立されている。このような微小電気機械システム(MEMS)技術によるセンサとしては、加速度センサ及び振動型ジャイロ等があり、例えば自動車、慣性ナビゲーション、デジタルカメラ、ゲーム機他、多くの分野において利用されている。 By so-called micromachining technology developed rapidly since the 1990s, for example, a bulk silicon wafer bonded on a silicon substrate or glass substrate having an insulating film is processed by chemical etching such as wet etching or dry etching, and mechanical A technique has been established for forming a large number of sensor structures in a single process by forming a simple sensor structure. Sensors based on such micro electro mechanical system (MEMS) technology include acceleration sensors and vibration-type gyros, and are used in many fields such as automobiles, inertial navigation, digital cameras, game machines, and the like.
中でも振動型ジャイロは、一方向に振動する可動物体が回転運動を受けるときに発生するコリオリ加速度を利用している。振動する可動質量体が回転運動を伴うとき、該可動質量体は振動方向及び回転軸方向の双方に直交する方向に作用するコリオリ力を受け、この結果該可動質量体はコリオリ力の作用方向に変位する。該可動質量体は、この方向の変位を可能にするばねにより支持され、該可動質量体の変位量からコリオリ力及びそれを生じさせる角速度の値を検出することができる。可動質量体の変位は、例えば、一方が固定されかつ他方が可動質量体ともに変位可能な一対の平行平板構造又は櫛歯構造を備えた、平行平板型コンデンサ又は櫛歯型コンデンサを使用し、その容量変化から求めることができる。 Among them, the vibrating gyroscope uses Coriolis acceleration generated when a movable object that vibrates in one direction receives a rotational motion. When the oscillating movable mass accompanies a rotational motion, the movable mass receives a Coriolis force acting in a direction orthogonal to both the vibration direction and the rotation axis direction. Displace. The movable mass body is supported by a spring that enables displacement in this direction, and the value of the Coriolis force and the angular velocity that causes the Coriolis force can be detected from the displacement amount of the movable mass body. The displacement of the movable mass body is, for example, using a parallel plate capacitor or a comb-shaped capacitor having a pair of parallel plate structures or comb-tooth structures in which one is fixed and the other is movable together. It can be determined from the change in capacity.
以下に示す先行技術文献には、左右の逆相で振動する駆動運動を利用する角速度センサ又は振動型ジャイロが開示されている。 The following prior art documents disclose an angular velocity sensor or a vibration gyro that uses a driving motion that vibrates in opposite phases on the left and right.
特許文献1に記載された角速度センサは、第1の方向に並んで設けられ、各々固定部4から第1の方向に振動可能に支持された2つの第1振動体1a,1bと、伸縮方向を第1の方向に一致させて2つの第1振動体1a,1bを連結する振動バネ2と、固定部および連結された第1振動体1a,1bは同一平面上にあり、該平面に直交する第2の方向に振動可能に2つの第1振動体1a,1bのそれぞれに支持された第2振動体7と、第1の方向に直交する第2の方向に振動可能に2つの第1振動体1a,1bのそれぞれに支持された第2振動体7と、2つの第1振動体1a,1bを第1の方向に互いに逆位相となるように振動させる振動発生手段9と、第2振動体7の第2の方向の振動を検出する振動検出手段13とを備えている角速度センサが開示されている。
The angular velocity sensor described in
また特許文献2には、駆動質量3と、駆動質量3の内部に懸垂支持された第1の感知質量15a、15a’及び第2の感知質量15b、15b’とを有する微小電気機械構造が開示されている。
また特許文献3には、x軸に振動可能に配設された励振素子と該励振素子の振動に追従しながら、y軸にも振動可能に配設されたコリオリ素子とを有する角速度検出装置が開示されている。
Further,
また特許文献4には、設計平面x−y上で基板に対して移動可能な2つの個別構造100、200、300、400、500、600を備え、該2つの個別構造は連結されて連結構造を形成し、該連結構造はy方向に平行な方向の線形加速によって励起される振動モードを有さない回転速度センサが開示されている。
また特許文献5には、第1方向に駆動される駆動部100と、第1方向に直交する第2方向に可動する検出部101と、駆動部100と検出部101とを連結する弾性部材101bとを各々有する第1ユニットと第2ユニットとを備え、第1ユニットの駆動部100の上面と第2ユニットの駆動部100の上面とは、第1ユニットの検出部101および第2ユニットの検出部101の上面と離間する連成梁104により接続される角速度センサが開示されている。
In Patent Document 5, the driving unit 100 driven in the first direction, the detection unit 101 movable in the second direction orthogonal to the first direction, and the elastic member 101b connecting the driving unit 100 and the detection unit 101 are disclosed. The upper surface of the drive unit 100 of the first unit and the upper surface of the drive unit 100 of the second unit are detected by the detection unit 101 of the first unit and the second unit. An angular velocity sensor connected by a coupled
さらに特許文献6には、xy平面上の点Oに関して略対称に配置された第1駆動振動子及び第2駆動振動子と、点Oに関して略対称な略円形及び略多角形のいずれか一方の枠状に形成されて第1駆動振動子及び第2駆動振動子を包囲する検出振動子と、点Oを通るy方向に対して略対称となるように検出振動子に対して第1駆動振動子及び第2駆動振動子をそれぞれx方向に振動可能に浮動支持する第1駆動用ばね及び第2駆動用ばねと、検出振動子を基板に対して点Oを通るz軸廻りにねじれ回転振動可能に浮動支持する複数の検出用ばねと、第1駆動振動子及び第2駆動振動子に介装されて第1駆動振動子及び第2駆動振動子を連成振動させる連成ばねと、第1駆動振動子及び第2駆動振動子を逆相でx方向に振動駆動する駆動手段と、検出振動子の点Oを通るz軸廻りのねじれ回転振動を検出する検出手段とを備えた角速度センサが開示されている。
Further,
特許文献1に記載の振動型ジャイロでは、一対の第1の振動体がX方向へ互いに逆位相となるように駆動され、第1の振動体の各々に支持されている第2の振動体がコリオリ力によってZ方向に動作する。ここで第1の振動体は共通の振動バネ(連結バネ)によって互いに逆相振動するが、第2の振動体は連結バネを有さずに各々が単独のバネマス系を構成している。従って製造プロセスのばらつき等により、第2の振動体が共通の共振周波数(動的応答特性)を有することは難しい。このため、駆動周波数を基準として誘起されるコリオリ力による第2の振動体の各々の応答変位及び位相も互いに異なり、第2の振動体の変位の差動出力感度が低下する傾向にある。また、外部ノイズとしてZ方向の加速度外乱を考慮した場合、第2の振動体は共通の動的応答特性を有さないので、差動出力に残渣が発生し、出力ノイズの原因となり得る。
In the vibrating gyroscope described in
特許文献5では、第1ユニットの検出部101及び第2ユニットの検出部101の上面と離間する連成梁を設けることによってこの課題の対策としているが、製造プロセス上、エッチングされた部分に充填材504を充填したり、その上に連成梁104を形成したりする工程等が加わり、製造上複雑となることが予想される。さらに、連成梁104は素子形成層3と異なる材料で形成されるため、温度変化による寸法変化量の相違によって動特性が変化しやすいという課題も想定される。
In Patent Document 5, this problem is solved by providing a coupled beam that is separated from the upper surfaces of the detection unit 101 of the first unit and the detection unit 101 of the second unit, but the etched portion is filled in the manufacturing process. It is expected that the process of filling the material 504 and forming the coupled
また他の課題として、特許文献1では第1の振動体のX方向駆動変位により第2の振動体も同量のX方向変位を伴うため、第2の振動体のY方向変位を検出するための各固定電極と第2の振動体の各々との間の検出容量に変動が生じる。これは、製造プロセス上の誤差やフリンジ容量等の影響による。この結果、角速度が入力されていない場合も検出信号としていわゆる漏れ出力(クワドラチャーエラー)が発生し、バイアス出力(角速度ゼロ時のセンサ出力)の発生や安定性の低下といった課題につながる。この課題は特許文献1に記載のものの他、特許文献2及び3に記載の振動型ジャイロのように、コリオリ力による第2の振動体の変位を容量変化によって検出する方式の振動型ジャイロにおいて、検出用振動体が駆動変位相当の変位を伴い、かつ対向する検出用固定電極を有する場合に共通の課題となる。
As another problem, in
また特許文献4では、上記課題を解決する手段として、励起ユニット内に設けられた検知ユニット530以外に、コリオリ素子520が複数のスプリング素子によって結合されるという複雑な構造が必要となっている。
In
そこで本発明は、逆相駆動変位する駆動質量体、及び逆相変位で検出する検出質量体のそれぞれの共振周波数(動的応答性)を一意に定めることができ、かつ検出質量体が駆動振動により駆動変位相当の変位を伴わないようにした、構造上及び製造上シンプルな容量検出型の振動型ジャイロを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention can uniquely determine the resonance frequency (dynamic response) of each of the driving mass body that undergoes reverse-phase drive displacement and the detection mass body that is detected by reverse-phase displacement, and the detection mass body is driven to vibrate. Accordingly, an object of the present invention is to provide a capacitance detection type vibration gyro which is simple in structure and manufacturing and is not accompanied by a displacement corresponding to a driving displacement.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、第2の支持梁により支持基板に固定され、角速度により発生するコリオリ力よって平面内の一方向に励振されるように構成された左右の検出質量体と、前記平面に直交するベクトルを有する角速度印加により左右の検出質量体が励振される方向と直交する平面内の方向に駆動振動できるように、前記左右の検出質量体のそれぞれの内部に第1の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備え、前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように弾性の第1の連結ばねによって互いに連結され、前記第1の連結ばねは、前記左右の駆動質量体の駆動振動方向に弾性を有するばね領域と、前記左右の検出質量体が逆相で励振するモードを有するように前記駆動振動方向に直交する検出方向にも弾性を有するばね領域を有するとともに、前記駆動質量体及び前記検出質量体と実質同一平面を構成するように形成される、振動型ジャイロを提供する。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の振動型ジャイロにおいて、前記左右の検出質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように検出振動方向に弾性を有する第2の連結ばねにより互いに結合される、振動型ジャイロを提供する。 According to a second aspect of the present invention, in the vibrating gyroscope according to the first aspect, the left and right detection mass bodies are elastic in the detected vibration direction so as to have a reverse phase vibration mode in which they vibrate in opposite phases. Provided is a vibrating gyroscope that is connected to each other by two connecting springs.
請求項3に記載の発明は、第2の支持梁により支持基板に固定され、角速度により発生するコリオリ力よって平面内の一方向に回転励振されるように構成された1つの回転検出質量体と、前記平面内の一方向に駆動振動できるように、前記回転検出質量体の内部に第1の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備え、前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように、前記駆動振動の方向に弾性を有する第1の連結ばねによって互いに連結される、振動型ジャイロを提供する。 According to a third aspect of the present invention, there is provided one rotation detection mass body fixed to a support substrate by a second support beam and configured to be rotationally excited in one direction in a plane by a Coriolis force generated by an angular velocity. Left and right drive mass bodies suspended and supported by first support beams inside the rotation detection mass body so as to drive and vibrate in one direction in the plane, the left and right drive mass bodies, Provided is a vibrating gyroscope that is coupled to each other by a first coupling spring having elasticity in the direction of the driving vibration so as to have a reversed-phase vibration mode that vibrates in mutually opposite phases.
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の振動型ジャイロにおいて、前記検出質量体又は前記回転検出質量体の突起部に対向配置され、気体のダンピング力及び前記検出質量体又は前記回転検出質量体の共振周波数を調整するための調整用電極をさらに有する、振動型ジャイロを提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, in the vibrating gyroscope according to any one of the first to third aspects, the detection mass body or the rotation detection mass body is disposed so as to be opposed to the projection, and a gas damping force and A vibrating gyroscope further comprising an adjustment electrode for adjusting a resonance frequency of the detection mass body or the rotation detection mass body.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の振動型ジャイロにおいて、前記検出質量体又は前記回転検出質量体は、前記支持基板の厚み方向に延びる複数の貫通穴を備えたハニカム構造を有する、振動型ジャイロを提供する。 According to a fifth aspect of the present invention, in the vibrating gyroscope according to any one of the first to fourth aspects, the detection mass body or the rotation detection mass body has a plurality of penetrations extending in a thickness direction of the support substrate. A vibrating gyroscope having a honeycomb structure with holes is provided.
本発明によれば、左右の駆動質量体及び検出質量体に関して、駆動振動の逆相周波数と動特性のみならず、検出振動の逆相振動の共振周波数とその動特性をも一意に定めることができる。従って、並進加速度のノイズや検出感度の低下、さらには不要バイアスの低減に効果がある。また駆動変位振動により、左右の検出質量体が同量に変位することを防止でき、検出信号に現れる不要な漏れ出力を大幅に低減でき、バイアス出力低減及び安定性が向上する。 According to the present invention, regarding the left and right drive mass bodies and detection mass bodies, not only the antiphase frequency and dynamic characteristics of the drive vibration but also the resonance frequency and dynamic characteristics of the antiphase vibration of the detection vibration can be uniquely determined. it can. Accordingly, it is effective in reducing translational acceleration noise, detection sensitivity, and unnecessary bias. In addition, it is possible to prevent the left and right detection mass bodies from being displaced by the same amount due to the drive displacement vibration, and it is possible to greatly reduce unnecessary leakage output appearing in the detection signal, and to improve bias output reduction and stability.
調整用電極を設けることにより、検出方向振動のQ値を低減できるとともに、駆動振動方向のQ値を向上させることができる。 By providing the adjustment electrode, the Q value of the vibration in the detection direction can be reduced and the Q value in the driving vibration direction can be improved.
検出質量体をハニカム構造とすることにより、剛性を維持しつつ低質量化を図ることができる。 By making the detection mass body have a honeycomb structure, it is possible to reduce the mass while maintaining rigidity.
駆動質量体、検出質量体、各支持梁及び連結ばね等の振動型ジャイロを構成する部材を、残留ひずみを有さない単一の半導体シリコン基板から形成可能な構造を提供することができる。 It is possible to provide a structure capable of forming members constituting the vibration type gyro such as the drive mass body, the detection mass body, each support beam, and the coupling spring from a single semiconductor silicon substrate having no residual strain.
図1は、本発明の第1の実施形態に係る振動型ジャイロの基本構造を示す平面図であり、図2−図4はそれぞれ、図1のII−II線、III−III線及びIV−IV線に沿った切断面を示す断面図である。 FIG. 1 is a plan view showing a basic structure of a vibrating gyroscope according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 4 are II-II line, III-III line and IV- It is sectional drawing which shows the cut surface along IV line.
図1において、ガラス等の絶縁材料からなる支持基板2の上に、シリコンの単結晶からなる、左右対称構造を呈する振動型ジャイロの機能部材が配置されている。詳細には、左右の駆動質量体4及び6がそれぞれ、基板2の面内方向かつ左右方向である駆動方向(X方向)に可動となるように、X方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成された少なくとも1つ(図示例ではそれぞれ4つ)の第1の支持梁8及び10の一端に接続され支持されている。また左右の駆動質量体4及び6は、弾性結合要素である第1の連結ばね12により互いに結合されている。
In FIG. 1, on a
駆動質量体4及び6に接続されていない第1の支持梁8及び10の他端は、それぞれ左右の検出質量体14及び16に接続されており、各検出質量体はそれぞれ、基板2の面内方向かつ上下方向である検出方向(Y方向)に可動となるように、Y方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成された少なくとも1つ(図示例ではそれぞれ4つ)の第2の支持梁18及び20の一端に接続され支持されている。第2の支持梁18及び20の他端は、それぞれ左右のアンカー部22及び24に接続され、該アンカー部22及び24は支持基板2に接合されている。また必要に応じ、左右の検出質量体14及び16は、少なくとも1つ(図示例では2つ)の弾性結合要素である第2の連結ばね26により互いに結合されている。第2の連結ばね26は、左右の検出質量体14及び16が互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように、少なくとも検出振動方向に弾性を有する。
The other ends of the
断面図2−4に示すように、左右の駆動質量体4及び6、第1の支持梁8及び10、第1の連結ばね12、左右の検出質量体14及び16、第2の支持梁18及び20、並びに第2の連結ばね26は、支持基板2から所定距離離れて配置されている。従ってこれらの構成要素は、一般にそれらの剛性に差はあるが、支持基板2上にて3次元的な可動構造を構成している。
2-4, the left and right drive
図1に示すように、左側駆動質量体4のX方向についての、右側駆動質量体6側及びその反対側には、櫛歯状の突起部28及び30がそれぞれ設けられており、また突起部28及び30に対向して、駆動櫛歯電極32及び駆動モニタ櫛歯電極34が、それぞれ基板2上に設けられている。同様に、右側駆動質量体6のX方向についての、左側駆動質量体4側及びその反対側には、櫛歯状の突起部36及び38がそれぞれ設けられており、また突起部36及び38に対向して、駆動櫛歯電極40及び駆動モニタ櫛歯電極42が、それぞれ基板2上に設けられている。このような構成により、駆動振動の励起には静電力を利用したコームドライブ方式を採用し、駆動振動の検知には容量変化をモニタする方式を採用している。
As shown in FIG. 1, comb-
図1に示すように、左側検出質量体14のX方向についての、右側駆動質量体16の反対側には、櫛歯状の突起部44及び該突起部44より櫛歯間隔が狭い櫛歯状突起部46が設けられており、また突起部44及び46に対向して、それぞれ検出用固定電極48及び調整用電極50が、基板2上に設けられている。同様に、右側検出質量体16のX方向についての、左側駆動質量体14の反対側には、櫛歯状の突起部52及び該突起部52より櫛歯間隔が狭い櫛歯状突起部54が設けられており、また突起部52及び54に対向して、それぞれ検出用固定電極56及び調整用電極58が、基板2上に設けられている。なお調整用電極50及び58は、検出方向振動のQ値(共振特性の鋭さを示すクオリティファクター)を低減するための調整用電極であり、この電極の数を増やすことによってQ値を低減できる。この点について以下に述べる。
As shown in FIG. 1, a comb-
振動型ジャイロは、駆動振動変位を大きくすることによってその検出感度を向上させることができるが、このためには、駆動電極に加える駆動電圧を大きくし、駆動方向振動の上述のQ値を大きくする必要がある。駆動振動方向のQ値は、振動型ジャイロを内包するパッケージ内の真空度に依存し、真空度を高くするとQ値も上昇する。一方、ジャイロの周波数特性(角速度の周波数に対する検出出力の振幅と位相)は、検出方向振動のQ値によって制限される(駆動振動周波数と検出振動周波数の差に相当する角速度周波数付近にて感度ピークが発生することは、周波数特性上好ましくない)ため、検出方向振動のQ値の上限には一定の制限が課される。この検出方向振動のQ値の制限を満たす真空度において、駆動振動のQ値をできるだけ上昇させるために、周囲気体とのダンピング効果向上のための調整用電極が設けられる。 The vibration type gyro can improve the detection sensitivity by increasing the drive vibration displacement. For this purpose, the drive voltage applied to the drive electrode is increased and the above-described Q value of the drive direction vibration is increased. There is a need. The Q value in the driving vibration direction depends on the degree of vacuum in the package containing the vibration type gyro, and the Q value increases as the degree of vacuum increases. On the other hand, the frequency characteristic of the gyro (the amplitude and phase of the detection output with respect to the angular velocity frequency) is limited by the Q value of the vibration in the detection direction (sensitivity peak near the angular velocity frequency corresponding to the difference between the drive vibration frequency and the detected vibration frequency). Therefore, a certain limitation is imposed on the upper limit of the Q value of the vibration in the detection direction. In order to raise the Q value of the drive vibration as much as possible in the degree of vacuum satisfying the limit of the Q value of the detection direction vibration, an adjustment electrode for improving the damping effect with the surrounding gas is provided.
調整用電極50及び58はそれぞれ、検出質量体14及び16との間にDC電位差が与えられるように構成されており、後述する逆相共振周波数を調整する目的でも使用される。なお図1に示すように、調整用電極50及び58とそれぞれ対をなして狭ギャップを隔てて設けられる突起部46及び54は、それら狭ギャップの大きさが同一である必要がある。また検出用固定電極48及び56の少なくとも一部は、それぞれ検出質量体14及び16の検出変位を静電力で電気的に抑制し、角速度周波数の検出帯域向上や感度向上のため、サーボ式振動型ジャイロの場合に利用される。
The
上述のように構成された振動型ジャイロは、以下のようなマイクロマシニングプロセスを適用して作製することができる。 The vibratory gyro configured as described above can be manufactured by applying the following micromachining process.
先ず、ガラス支持基板2とジャイロの可動部材との間に所定の間隙(図2−4参照)が形成されるように、RIE(反応性イオンエッチング)装置等を利用したドライエッチング処理をシリコン基板に施す。但し、ドライエッチングされてはいけない領域として、間隙を形成する部分以外については、半導体フォトリソグラフィ技術等を適用して、例えばレジストマスクを予め形成しておく。
First, dry etching using an RIE (reactive ion etching) apparatus or the like is performed so that a predetermined gap (see FIG. 2-4) is formed between the
次に、ガラス支持基板とシリコン基板とを陽極接合手法等により接合する。この段階で、シリコン基板側から研磨を行い、該シリコン基板を所定の厚さにするとともに、ボンディング用パッドとして必要とされる領域に、Cr&Au等の導電性メタルの選択的スパッタリングを行い、電極パッド(図示せず)を形成する。 Next, the glass support substrate and the silicon substrate are bonded by an anodic bonding method or the like. At this stage, polishing is performed from the silicon substrate side so that the silicon substrate has a predetermined thickness, and selective sputtering of a conductive metal such as Cr & Au is performed in an area required as a bonding pad, and electrode pads are formed. (Not shown).
さらに、接合されたシリコン基板の表面側に、フォトレジスト等のマスク材料を利用して、図1の平面図で示されるレジストパターンを、フォトリソグラフィ技術を利用して作製する。この場合も、エッチングされてはいけない領域がレジストマスクにより保護される。 Further, a resist pattern shown in the plan view of FIG. 1 is formed on the surface side of the bonded silicon substrate using a photolithographic technique using a mask material such as a photoresist. Also in this case, the region that should not be etched is protected by the resist mask.
次に、RIE装置等を利用したドライエッチングにより、シリコン基板の厚さ方向に貫通エッチングを行う。以上のようなマイクロマシニング技術を適用した単純な製造プロセスにより、振動型ジャイロの基本構造を作製することができる。 Next, through etching is performed in the thickness direction of the silicon substrate by dry etching using an RIE apparatus or the like. The basic structure of the vibrating gyroscope can be manufactured by a simple manufacturing process to which the micromachining technology as described above is applied.
このようにジャイロを構成する材料として必要なものはシリコン基板及びガラス基板のみであり、シリコン基板とほぼ同一の線膨張係数を有するガラス材料を使用することで、温度変化に対して構造的ひずみ(熱ひずみ)や応力(熱応力)が発生しにくくなり、構造的に安定かつ特性的にも優れた振動型ジャイロが提供可能となる。 As described above, only the silicon substrate and the glass substrate are necessary as the material constituting the gyro. By using a glass material having a linear expansion coefficient substantially the same as that of the silicon substrate, structural strain ( Thermal strain) and stress (thermal stress) are less likely to occur, and it is possible to provide a vibration gyro that is structurally stable and excellent in characteristics.
次に、振動型ジャイロの動作について説明する。例えば、X軸方向に速度Vxで振動する質量Mの検出質量体にZ軸回りの回転(回転角速度Ωz)が加わった場合に生じるY軸方向のコリオリ力Fyの絶対量は、
Fy=2ΩzMVx
で表される。このため、コリオリ力Fyによる該検出質量体の変位を検出することで角速度を検出する振動型ジャイロでは、駆動質量体を速度Vxで励振させる必要がある。このための方式として、例えば静電力によるコームドライブ方式が利用される。
Next, the operation of the vibration type gyro will be described. For example, the absolute amount of the Coriolis force Fy in the Y-axis direction when the rotation around the Z-axis (rotational angular velocity Ωz) is applied to the detection mass body of the mass M that vibrates at the speed Vx in the X-axis direction is
Fy = 2ΩzMVx
It is represented by For this reason, in the vibrating gyroscope that detects the angular velocity by detecting the displacement of the detected mass body due to the Coriolis force Fy, it is necessary to excite the drive mass body at the velocity Vx. As a method for this, for example, a comb drive method using an electrostatic force is used.
左側駆動質量体4と左側駆動櫛歯電極32との間、及び右側駆動質量体6と右側駆動櫛歯電極40との間に、DC電圧VDCとAC電圧VACとの和を印加すると、VACの電圧周期と等しい駆動力が発生する。一方、左右の駆動質量体4及び6は弾性の連結ばね12により互いに連結されているので、互いにX方向に近づき又は離れる、いわゆる逆相振動の共振モードを有する。従って、VACの周波数をこの逆相振動モードの共振周波数と一致させて振動させることで、駆動質量体4及び6は、互いに接離する逆相振動を呈する。この振動の速度Vxは、モニタ櫛歯電極34及び42により、静電容量変化として電気回路を通じで検出され、駆動振動制御に利用される。
Between the
左右の駆動質量体4及び6が上記のようにX方向に逆相振動する場合、角速度Ωzが図1の紙面に垂直な方向に作用すると、左右の駆動質量体には逆相のコリオリ力Fyが生じる。このコリオリ力は第1の支持梁8及び10を通じてそれぞれ左右の検出質量体14及び16に伝達される。ここで左右の検出質量体はそれぞれ第2の支持梁18及び20によってY方向に可動に支持されているため、逆相でY方向に振動する。この結果、左右の検出質量体にそれぞれ設けられた櫛歯状の突起部44及び52と左右の固定電極48及び56との間の静電容量がそれぞれ変化し、この差動容量変化を電気的に検出することによって角速度Ωzを検出することができる。
When the left and right drive
左右の検出質量体14及び16は、連結ばね12により駆動質量体を介して間接的に互いに連結されており、或いはさらに連結ばね26により互いに連結されているので、駆動質量体と同様に、Y方向に関して逆相の振動モードを有する。連結ばね12は、少なくともX方向及びY方向についてその剛性が調整されており、詳細には、X方向の剛性は左右の駆動質量体4及び6が逆相振動モードを有し、Y方向の剛性は連結ばね26と協働して左右の検出質量体14及び16が逆相振動モードを有するように調整されている。換言すれば、第1の連結ばね12は、左右の駆動質量体4及び6の駆動振動方向に弾性を有するばね領域と、左右の検出質量体14及び16が逆相で励振するモードを有するように駆動振動方向に直交する検出方向にも弾性を有するばね領域を有する。
Since the left and right
また連結ばね12及び26は、図2−図4からわかるように、駆動質量体4及び6、検出質量体14及び16等の他の構造体と実質同一平面を構成するように形成可能であり、上述した単純なマイクロマシニング製造プロセスが適用できる。検出質量体の逆相振動モードの共振周波数を、駆動質量体の逆相振動モードの共振周波数に一致させ又は近い値に設定することによって、振動型ジャイロの検出感度を高くすることができる。
Further, as can be seen from FIGS. 2 to 4, the connecting
本発明に係る振動型ジャイロの特徴は、駆動質量体の振動のみならず、検出質量体の逆相振動モードが一意に定まり、特に、角速度検出時の左右の検出質量体の動特性(共振周波数、ゲイン及び位相)を揃えることが可能である点にある。該特徴は、以下の点で、検出時の誤差発生や感度低下を防止する上で有効である。 The vibration type gyro according to the present invention is characterized by not only the vibration of the driving mass body but also the reversed-phase vibration mode of the detection mass body, and in particular, the dynamic characteristics (resonance frequency) of the left and right detection mass bodies during angular velocity detection. , Gain and phase) can be made uniform. This feature is effective in preventing the occurrence of errors during detection and a decrease in sensitivity in the following points.
検出質量体14及び16が連結ばね12又は26で連結されていない場合は、ジャイロの製造プロセス時のシリコンエッチングのばらつき等により、左右の検出質量体のY方向の共振周波数を歩留まり高く一致させることが困難である。共振周波数が異なると、Y方向のコリオリ力に対する動的応答の変位振幅や位相も異なり、これらを差動信号処理する場合に信号感度が低下することになる。また、Y方向に加速度外乱が入力された場合、左右の検出質量体でY方向の動的応答性が異なると、本来、信号の差動処理によりキャンセルされるところが、残渣が発生し、誤差が出力される。このように、左右の検出質量体の単一逆相振動モードを適用できる本発明では、加速度外乱による誤差の発生や感度の低下を防止できるという効果が得られる。
When the
一方、振動型ジャイロにおいてしばしば問題視される、バイアス安定性に関する本願発明の有意な特徴について説明する。上述の実施形態では、従来と異なり、左右の駆動質量体4及び6の駆動振動により、検出質量体14及び16が同じ振幅で振動する構成とはなっていないため、駆動振動による検出容量変化、すなわち漏れ出力を抑制することが可能である。従来では、駆動質量体の駆動振動により検出質量体が同じ振幅で振動し、かつ該検出質量体が固定電極と比較的狭いギャップで対向することにより検出用静電容量が得られている。このような場合、製造工程、特に構造体作製時のシリコンエッチングのばらつき等により、上記ギャップにもばらつきが生じ、駆動変位による容量変化により漏れ出力が発生する。
On the other hand, a significant feature of the present invention related to bias stability, which is often regarded as a problem in vibration type gyros, will be described. In the above-described embodiment, unlike the conventional case, the
これに対し本願発明に係る上記実施形態では、上述のように駆動振動と検出振動とが分離されているので、角速度入力がない場合における漏れ出力(クワドラチャー誤差)を大幅に低減可能であり、さらに漏れ出力を原因とするバイアス値やその変動を抑制することも可能である。 On the other hand, in the embodiment according to the present invention, since the drive vibration and the detection vibration are separated as described above, the leakage output (quadrature error) when there is no angular velocity input can be greatly reduced. Furthermore, it is possible to suppress the bias value and its fluctuation caused by the leakage output.
なお、角速度により発生するコリオリ力は、駆動されている左右の駆動質量体4及び6に作用し、それらの検出変位は、この慣性力と、検出質量体14及び16を支持するY方向(第2)の支持梁18及び20の剛性とから定まる。ここで、検出系の逆相共振周波数を変化させることなく上記剛性を低くして変位検出感度を向上させるためには、左右の検出質量体14及び16はできるだけ低質量であることが好ましい。そこで、図1に示すように、左右の検出質量体14及び16は、その剛性を維持しつつ低質量化を図るべく、厚み方向(Z方向)に延びる多数の貫通穴を有する、いわゆるハニカム構造として構成されている。
The Coriolis force generated by the angular velocity acts on the driven left and right driving
以上のように、第1の実施形態によれば、左右の検出質量体の単一逆相振動モードが適用できるとともに、駆動質量体の振動と検出質量体の振動とが分離されるため、高感度でバイアス安定性に優れた振動型ジャイロが提供される。 As described above, according to the first embodiment, the single reversed-phase vibration mode of the left and right detection mass bodies can be applied, and the vibration of the drive mass body and the vibration of the detection mass body are separated. A vibrating gyroscope with excellent sensitivity and bias stability is provided.
次に、本願発明の第2の実施形態に係る振動型ジャイロを、図5−7を参照して説明する。図5は、第2の実施形態に係る振動型ジャイロの基本構造を示す平面図であり、図6及び図7はそれぞれ、図5のVI−VI線及びVII−VII線に沿った切断面を示す断面図である。 Next, a vibrating gyroscope according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a plan view showing the basic structure of the vibrating gyroscope according to the second embodiment, and FIGS. 6 and 7 are cross-sectional views taken along lines VI-VI and VII-VII in FIG. 5, respectively. It is sectional drawing shown.
図5に示すように、ガラス等の絶縁材料からなる支持基板102の上に、シリコンの単結晶からなる、左右対称構造を呈する振動型ジャイロの機能部材が配置されている。詳細には、左右の駆動質量体104及び106がそれぞれ、基板102の面内方向かつ左右方向である駆動方向(X方向)に可動となるように、X方向の剛性が他方向の剛性に比べ低くなるように構成された少なくとも1つ(図示例ではそれぞれ4つ)の第1の支持梁108及び110の一端に接続され支持されている。また左右の駆動質量体104及び106は、弾性結合要素である連結ばね112により互いに結合されている。
As shown in FIG. 5, on a
駆動質量体104及び106に接続されていない第1の支持梁108及び110の他端は、略円板形状の1つの回転検出質量体114に接続されており、回転検出質量体114は、基板2の面内方向に所定の回転中心回りに回転可能となるように、少なくとも1つ(図示例では4つ)の回転方向支持梁118の一端に接続され、回転方向支持梁118の他端は基板中央近傍に固定配置されたアンカー部122にそれぞれ接続されている。
The other ends of the first support beams 108 and 110 not connected to the drive
断面図6及び7に示すように、左右の駆動質量体104及び106、第1の支持梁108及び110、連結ばね112、検出質量体114、並びに第2の支持梁118は、支持基板102から所定距離離れて配置されている。従ってこれらの構成要素は、一般にそれらの剛性に差はあるが、支持基板2上にて3次元的な可動構造を構成している。また連結ばね112は、図6及び図7からわかるように、駆動質量体104及び106、並びに検出質量体114等の他の構造体と実質同一平面を構成するように形成可能であり、上述した単純なマイクロマシニング製造プロセスが適用できる。
6 and 7, the left and right drive
図5に示すように、左側駆動質量体104のX方向についての、右側駆動質量体106側及びその反対側には、櫛歯状の突起部128及び130がそれぞれ設けられており、また突起部128及び130に対向して、駆動櫛歯電極132及び駆動モニタ櫛歯電極134が、それぞれ基板102上に設けられている。同様に、右側駆動質量体106のX方向についての、左側駆動質量体104側及びその反対側には、櫛歯状の突起部136及び138がそれぞれ設けられており、また突起部136及び138に対向して、駆動櫛歯電極140及び駆動モニタ櫛歯電極142が、それぞれ基板102上に設けられている。このような構成により、駆動振動の励起には静電力を利用したコームドライブ方式を採用し、駆動振動の検知には容量変化をモニタする方式を採用している。
As shown in FIG. 5, comb-
回転振動検出体114の周縁部には、該回転振動検出体114の回転円の径方向外側に延びる櫛歯状の突起部144が設けられており、また突起部144に対して狭ギャップを隔てて対向して、検出用固定電極148及び調整用電極150が、基板2上に設けられている。突起部144と検出用固定電極148との間には検出容量が構成され、一方突起部144と調整用固定電極150との間にはDC電位差が与えられるように構成されており、共振周波数を調整する目的で使用される。また検出用固定電極148の少なくとも一部は、回転検出質量体114の検出変位を静電力で電気的に抑制し、角速度周波数の検出帯域向上や感度向上のため、サーボ式振動型ジャイロの場合に利用される。
A comb-
上述のように構成された第2の実施形態に係る振動型ジャイロは、第1の実施形態において説明したものと同様のマイクロマシニングプロセスを適用して作製することができる。 The vibrating gyroscope according to the second embodiment configured as described above can be manufactured by applying the same micromachining process as that described in the first embodiment.
次に、第2の実施形態に係る振動型ジャイロの動作について説明する。なお左右の駆動質量体104及び106をX方向に逆相で振動させる点については第1の実施形態と同様でよいため、説明は省略する。
Next, the operation of the vibration type gyro according to the second embodiment will be described. Note that the left and right drive
一定振幅のX軸方向速度Vxで逆相振動している質量駆動体104及び106に、Z軸回りの回転(回転角速度Ωz)が加わった場合、両駆動質量体には逆相のコリオリ力Fyが作用する。この力は、第1の支持梁108を介して回転検出質量体114に伝達され、その結果、回転検出質量体114に回転振動が誘起される。これにより、櫛歯状の突起部144とこれに対向する検出用固定電極148とから構成される電極対に容量変化が発生する。ここで、図6に示すように、同一回転方向について逆相の容量変化が発生するように上記電極対を構成しておくことにより、差動容量変化を図示しない電気回路を通じて電圧出力に変換し、角速度Ωzに比例した検出出力を得ることができる。
When
第2の実施形態の特徴は、検出構造として回転振動を採用しているため、第1の実施形態と同様、単一の共振周波数有する振動モード(この場合は回転振動モード)を利用できることである。また、この回転振動モードの共振周波数を、駆動質量体の逆相振動モードの共振周波数に一致又は近接して設定することにより、振動型ジャイロの検出感度を高くすることができる。このようにして、第1の実施形態と同様に、角速度検出時の検出質量体の動特性(共振周波数、ゲイン及び位相)が一意に定まり、従来発生していた検出誤差や感度低下を防止できる。さらに、例えばY軸に平行な並進加速度外乱が入力された場合でも、検出振動方向はねじれ回転方向であるため、構造的に出力誤差を発生させる変位は生じにくく、加速度外乱に対しても堅牢(ロバスト)であるという利点が得られる。 A feature of the second embodiment is that, since rotational vibration is adopted as the detection structure, a vibration mode having a single resonance frequency (in this case, a rotational vibration mode) can be used as in the first embodiment. . In addition, the detection sensitivity of the vibration type gyro can be increased by setting the resonance frequency of the rotational vibration mode to be equal to or close to the resonance frequency of the antiphase vibration mode of the driving mass body. In this way, as in the first embodiment, the dynamic characteristics (resonance frequency, gain, and phase) of the detection mass body at the time of angular velocity detection are uniquely determined, and detection errors and sensitivity reduction that have conventionally occurred can be prevented. . Furthermore, for example, even when a translational acceleration disturbance parallel to the Y-axis is input, the detected vibration direction is the torsional rotation direction, so that it is structurally resistant to displacement that causes an output error, and is robust against acceleration disturbance ( Robust) is obtained.
また第2の実施形態も駆動系振動と検出系振動は分離されているので、バイアス安定性は優れている。すなわち、従来とは異なり、左右の駆動質量体104及び106の駆動振動により、回転振動検出質量体114が同じ振幅で振動しないため、駆動振動による検出容量変化に起因する漏れ出力を抑制できる。従来では、駆動質量体の駆動振動により検出質量体が同じ振幅で振動し、かつ該検出質量体が固定電極と比較的狭いギャップで対向することにより検出用静電容量が得られている。このような場合、製造工程、特に構造体作製時のシリコンエッチングのばらつき等により、上記ギャップにもばらつきが生じ、駆動変位による容量変化により漏れ出力が発生する。これに対し本願発明に係る第2の実施形態では、上述のように駆動振動と検出振動とが分離されているので、角速度入力がない場合における漏れ出力(クワドラチャー誤差)を大幅に低減可能であり、さらに漏れ出力を原因とするバイアス値やその変動を抑制することも可能である。
Also in the second embodiment, since the drive system vibration and the detection system vibration are separated, the bias stability is excellent. That is, unlike the conventional case, the rotational vibration
なお、第1の実施形態と同様に、角速度により発生するコリオリ力は、駆動されている左右の駆動質量体104及び106に作用し、それらの検出変位は、慣性力と、回転検出質量体114を支持する第2の支持梁118の剛性とから定まる。ここで、検出系の逆相共振周波数を変化させることなく上記剛性を低くして変位検出感度を向上させるためには、回転検出質量体114はできるだけ低質量であることが好ましい。そこで、図5に示すように、回転検出質量体114は、その剛性を維持しつつ低質量化を図るべく、厚み方向(Z方向)に多数の貫通穴を有する、いわゆるハニカム構造として構成されている。
As in the first embodiment, the Coriolis force generated by the angular velocity acts on the driven left and right drive
以上のように、第2の実施形態によれば、検出質量体の単一逆相振動モードが適用できるとともに、駆動質量体の振動と検出質量体の振動とが分離されるため、高感度でバイアス安定性に優れた振動型ジャイロが提供される。 As described above, according to the second embodiment, the single reversed phase vibration mode of the detection mass body can be applied, and the vibration of the drive mass body and the vibration of the detection mass body are separated. A vibrating gyroscope having excellent bias stability is provided.
2、102 基板
4、6、104、106 駆動質量体
8、10、108、110 第1の支持梁
18、20、118 第2の支持梁
12、112 第1の連結ばね
26 第2の連結ばね
14、16、114 検出質量体
調整用電極 50、58、150
2,102
Claims (5)
前記平面に直交するベクトルを有する角速度印加により左右の検出質量体が励振される方向と直交する平面内の方向に駆動振動できるように、前記左右の検出質量体のそれぞれの内部に第1の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備え、
前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように弾性の第1の連結ばねによって互いに連結され、
前記第1の連結ばねは、前記左右の駆動質量体の駆動振動方向に弾性を有するばね領域と、前記左右の検出質量体が逆相で励振するモードを有するように前記駆動振動方向に直交する検出方向にも弾性を有するばね領域を有するとともに、前記駆動質量体及び前記検出質量体と実質同一平面を構成するように形成される、
振動型ジャイロ。 Left and right detection mass bodies fixed to a support substrate by a second support beam and configured to be excited in one direction in a plane by a Coriolis force generated by an angular velocity;
A first support is provided in each of the left and right detection mass bodies so that driving vibration can be performed in a direction in a plane perpendicular to the direction in which the left and right detection mass bodies are excited by applying an angular velocity having a vector orthogonal to the plane. Left and right drive mass bodies suspended by beams, and
The left and right driving mass bodies are connected to each other by an elastic first connecting spring so as to have anti-phase vibration modes that vibrate in mutually opposite phases,
The first coupling spring is orthogonal to the driving vibration direction so that a spring region having elasticity in the driving vibration direction of the left and right driving mass bodies and a mode in which the left and right detection mass bodies are excited in opposite phases are provided. It has a spring region having elasticity also in the detection direction, and is formed so as to constitute substantially the same plane as the drive mass body and the detection mass body.
Vibration type gyro.
前記平面内の一方向に駆動振動できるように、前記回転検出質量体の内部に第1の支持梁によって懸垂支持された左右の駆動質量体と、を備え、
前記左右の駆動質量体は、互いに逆相で振動する逆相振動モードを有するように、前記駆動振動の方向に弾性を有する第1の連結ばねによって互いに連結される、
振動型ジャイロ。 One rotation detection mass body fixed to a support substrate by a second support beam and configured to be rotationally excited in one direction in a plane by a Coriolis force generated by an angular velocity;
Left and right drive mass bodies suspended and supported by first support beams inside the rotation detection mass body so as to be able to drive and vibrate in one direction in the plane,
The left and right drive mass bodies are connected to each other by a first connection spring having elasticity in the direction of the drive vibration so as to have a reverse phase vibration mode that vibrates in opposite phases.
Vibration type gyro.
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20150210 |