JP2013145232A - マイクロジャイロスコープ、マイクロジャイロスコープの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板上の第1センサー部1と第2センサー部とが、基板に平行に配置された少なくとも1つの駆動質量体1.2と、駆動質量体1.2を基板に取り付けるアンカー40と、駆動質量体1.2をX軸方向に直線的に変位可能に、かつ、Y軸とZ軸方向に堅固に配設する、アンカー40と駆動質量体1.2との間に配置されたアンカーバネ1.3と、駆動質量体1.2をX軸方向に振動するように駆動可能である駆動手段と、センサー質量体1.5を駆動質量体1.2にY軸方向に変位可能に、かつ、X軸方向とZ軸方向に堅固に連結する連結バネ1.6によって駆動質量体1.2に連結されたセンサー質量体1.5と、センサー質量体1.5のY軸方向での偏向を検出するセンサー素子とを備えた。
【選択図】図1
Description
少なくとも1つのアンカーバネは、駆動質量体をX軸方向に直線的に変位可能に、かつ、Y軸とZ軸方向に堅固に配設するために、アンカーと駆動質量体との間に配置されている。
また、駆動質量体をX軸方向に振動するように駆動可能である駆動手段と、センサー質量体を駆動質量体にX軸方向とZ軸方向に堅固に、かつ、Y軸方向に変位可能に連結するために、連結バネによって駆動質量体に連結された少なくとも1つのセンサー質量体と、センサー質量体のY軸方向での偏向を検出するためのセンサー素子(電極)とが存在する。
通常、複数のセンサー質量体が存在し、回転速度が生じるときにこれらのセンサー質量体を偏向させるため、1つのセンサー部に対する信頼性の高いデータ取得が行われる。
2つのセンサー質量体の測定値を比較することにより、取得した測定信号の正確性に関する結論を導き出す。
この種のマイクロジャイロスコープの欠点は、基板に互いに隣接して配置される2つのセンサー部に大きな設置スペースが必要となることである。
Z軸回りの回転速度を測定するための本発明によるマイクロジャイロスコープは、基板ならびに第1センサー部および第2センサー部を備えている。
各センサー部は、基板に平行に配置された少なくとも1つの駆動質量体と、この駆動質量体を基板に取り付ける少なくとも1つのアンカーとを有している。
駆動質量体は、アンカーと駆動質量体との間に配置された少なくとも1つのアンカーバネによって、X軸方向に直線的に変位可能に、かつ、Y軸とZ軸方向に堅固に設けられている。
センサー質量体のY軸方向での偏向は、センサー素子によって検出される。
第1センサー部および第2センサー部の駆動質量体(以下、第1駆動質量体および第2駆動質量体と呼ぶ)は、結合バネによって互いに連結されている。
2つセンサー部の駆動質量体を同期して駆動させることによって、回転速度が生じるときに、2つのセンサー素子のセンサー質量体の同期偏向もまた予期される。
したがって、各センサー質量体と関連するセンサー素子は、同一の信号を出力する。
信号が一致しないのであれば、例えば、センサーに障害が発生したか、あるいは、センサーに衝撃が加えられたと結論付けることができる。
その場合は直ちに、受信した信号を補正または破棄しなければならない。
X−Y平面より外側の設置スペースは、このセンサーには必要ない。
これにより、本発明によるマイクロジャイロスコープに必要な基板上の小面積に加えて、マイクロジャイロスコープにより極めて低い設置高さを実現する。
構成要素は、第1センサー部および第2センサー部が配置される2つの平面から外には変位しないので、これらの平面を互いに極めて近接させることができる。
したがって、本発明によるセンサーは、構成上極めて小型であるにもかかわらず、このセンサーが生成する測定値に関して信頼性が高い。
第1センサー部および第2センサー部の駆動質量体は、少なくとも部分的に同じ台を使用するので、小型設計もまた可能である。
したがって、1つのアンカーが、いわば、Z軸方向に複数の平面に渡って延在している。
アンカーは、その一端が基板に取り付けられており、センサー部の個々の駆動質量体が基板から異なる距離で配置されることを可能にする。
なお、当然ながら、各センサー部が、専用の台とアンカーとを有してもよい。
したがって、固定電極を固定状態にして、基板と第1センサー部との間、第1センサー部と第2センサー部との間、および/または、第2センサー部より上に配置された更なる層(マイクロジャイロスコープのカバーなど)と第2センサー部との間に配置することができる。
駆動質量体を反対方向に変位させる場合でZ軸回りの回転速度が生じたときに2つのセンサー質量体を互いに反対方向に偏向させた場合、電極対各々もまた反対の極性を有している場合、有利である。
これにより、センサー質量体の正確な偏向を示す、互いに殆ど一致する比較信号が発生する。
それゆえ、マイクロジャイロスコープは、第1センサー部および第2センサー部と同様に実装された第3センサー部と第4センサー部とを備えていることが有利である。
2つの平面のみでなく、複数のセンサー部の平面が存在するように、第3センサー部と第4センサー部とをいずれも第1センサー部および第2センサー部より上に配置することができる。
なお、第3センサー部および第4センサー部が、第1センサー部および第2センサー部の平面に配置されている場合、特に有利である。
実際、これにより基板上のセンサー部に必要となる面積は増加するが、これにより信号の取得および駆動質量体の駆動が簡略化される。
これは特に、第1センサー部および第2センサー部が結合バネによって第3センサー部および第4センサー部に連結されている場合に当てはまる。
したがって、1つの平面に互いに隣接して配置された駆動質量体は、同様にまたは反対に振動し、互いに対角線方向に配置された駆動質量体は、同様にまたは反対に、すなわち、同相でまたは逆位相で駆動させることができる。
それにより、互いに比較可能または微分可能である複数のセンサー信号が取得され、その結果、マイクロジャイロスコープの精度が大幅に向上する。
本発明によれば、上下に配置されるとともに駆動手段を有している駆動質量体を逆位相で振動するように駆動させる。
基板がZ軸回りに回転すると、センサー質量体は、コリオリ力により関連する駆動質量体の平面内で逆位相の振動で偏向する。
マイクロジャイロスコープの逆位相での動作は、特に安定しており、内部干渉が殆どない。
それにより、非常に明確なセンサー信号が取得される。
この動作モードもまた、極めて信頼性の高いセンサー信号を保証する。
第1センサー部1は、アンカーバネ1.3によってアンカー40に取り付けられた枠状の駆動質量体1.2を備えている。
そして、アンカー40は、駆動質量体1.2の下の基板(図示せず)に取り付けられている。
駆動質量体1.2を櫛歯電極などの駆動手段(図示せず)によってX軸方向に振動するように駆動させるように構成されている。
センサー質量体1.5は、駆動質量体1.2の枠の内側に配置されている。
センサー質量体1.5は、連結バネ1.6によって駆動質量体1.2に連結されている。
その一方で連結バネ1.6は、実際にセンサー質量体1.5を駆動質量体1.2と共にX軸方向に移動させるように設けられているが、コリオリ力が発生するときには、センサー質量体1.5をY軸方向に偏向させることができる。
連結バネ1.6もまたZ軸方向に剛固であり、それゆえ、センサー質量体1.5はX−Y平面の範囲内でのみ変位可能である。
センサー電極1.7およびセンサー電極1.8は、例えば、センサー電極1.7が正電荷を有し、センサー電極1.8が負電荷を有するような反対の極性を有している。
対応する電極からセンサー質量体1.5までの距離は、センサー質量体1.5のY軸方向での変位により変化し、それによって信号変化が生じる。
この信号変化後に、Z軸回りの回転速度に関する結論が導き出される。
つまり、マイクロジャイロスコープ(すなわち、アンカー40が配設された基板)がZ軸回りに回転しているということである。
図1の第1センサー部1は、(駆動質量体1.2の両側に設けられた)結合バネ1.9および連結部10によって図2の第2センサー部2に連結されている。
特に、連結部10は、結合バネ1.9と結合バネ2.9とを連結している。
そして、結合バネ2.9は、第2センサー部2の駆動質量体2.2の枠に配設されている。
駆動質量体2.2もまた4つのアンカーバネ2.3に取り付けられており、これにより駆動質量体2.2はアンカー40に配設されている。
第2センサー部2は、第1センサー部1と同様に構成されている。
第2センサー部2もまた、Z軸回りの回転速度によりコリオリ力が発生するとすぐに、Y軸方向に偏向可能であるセンサー質量体2.5を駆動質量体2.2の枠の内側に備えている。
その一方で、センサー質量体2.5と関連するセンサー電極2.7およびセンサー電極2.8は、第1センサー部1のセンサー電極1.7およびセンサー電極1.8の極性とは反対の極性を有している。
つまり、センサー電極2.7は負極を有し、センサー電極2.8は正極を有している。
これは、2つの駆動質量体1.2および駆動質量体2.2が逆位相で動作しているとき、センサー質量体1.5およびセンサー質量体2.5もまた逆位相で偏向させ、対応する正確な信号を分析装置に出力できることを保証するためである。
なお、センサー電極が同じ極性を有していてもよい。
また、電子分析装置での対応分析により、その信号を正確に処理することもできる。
矢印Pは、駆動質量体1.2および駆動質量体2.2の逆位相の変位を示している。
駆動質量体1.2および駆動質量体2.2は、X軸方向に前後に移動する。
これらの駆動質量体1.2、駆動質量体2.2は、結合バネ1.9および結合バネ2.9ならびに連結部10によって互いに連結されている。
連結部10は駆動質量体1.2および駆動質量体2.2の逆位相で同期した振動に対して静止したままである一方、結合バネ1.9および結合バネ2.9は交互に伸縮する。
図4の概略平面図は、第1センサー部1および第3センサー部3がX−Y平面に互いに隣接して配置されていることを示している。
そして、第1センサー部1および第3センサー部3は、同様に構成されている。
第1センサー部1および第3センサー部3は、駆動質量体1.2と駆動質量体3.2とを備え、それら駆動質量体1.2、駆動質量体3.2の枠にセンサー質量体1.5、センサー質量体3.5がそれぞれ配置されている。
連結バネ1.6および連結バネ3.6は、センサー質量体1.5およびセンサー質量体3.5のY軸方向での変位を可能にするように構成されている。
センサー電極1.7およびセンサー電極1.8ならびにセンサー電極3.7およびセンサー電極3.8は、反対の極性を有している。
つまり、センサー電極1.7は正極を有し、センサー電極3.7は負極を有している。
その一方でセンサー電極1.8は負極を有し、センサー電極3.8は正極を有している。
それにより、駆動質量体1.2および駆動質量体3.2の逆位相の変位に対応するセンサー質量体1.5およびセンサー質量体3.5の逆位相の偏向を、正確に取得することができる。
これに対応するように、第3センサー部3は、結合バネ3.9を備えている。
2つの駆動質量体1.2と駆動質量体3.2との間に配置された結合バネ1.9および結合バネ3.9は、上下に配置されているとともに連結部10を共有している。
第1センサー部1と第3センサー部3とを駆動手段(図示せず)によって逆位相で同期して振動するように駆動させる。
これにより、駆動質量体1.2と駆動質量体3.2とを互いに逆位相で駆動させることが明らかである。
これは、それら駆動質量体1.2、駆動質量体3.2の下に配置される第2センサー部2と第4センサー部4とにも当てはまる。
矢印Pはまた、互いに対角線方向に配置された第1センサー部1および第4センサー部4ならびに第2センサー部2および第3センサー部3を、各々、互いに同相で同期して動作させることを示している。
第1センサー部1と第3センサー部3とを有し、第2センサー部2と第4センサー部4とを有する2つの平面は、連結部10によって互いに連結されている。
それにより、2つの平面の互いに対する同期動作もまた保証される。
特に、個々の質量体または電極の形状、ならびにアンカーおよび連結バネ、における逸脱は、適宜可能であり、個々の要件を満たすように変更することが可能である。
1.2・・・ 駆動質量体
1.3・・・ アンカーバネ
1.5・・・ センサー質量体
1.6・・・ 連結バネ
1.7・・・ センサー電極
1.8・・・ センサー電極
1.9・・・ 結合バネ
2 ・・・ 第2センサー部
2.2・・・ 駆動質量体
2.3・・・ アンカーバネ
2.5・・・ センサー質量体
2.7・・・ センサー電極
2.8・・・ センサー電極
2.9・・・ 結合バネ
3 ・・・ 第3センサー部
3.2・・・ 駆動質量体
3.3・・・ アンカーバネ
3.5・・・ センサー質量体
3.6・・・ 連結バネ
3.7・・・ センサー電極
3.8・・・ センサー電極
3.9・・・ 結合バネ
4 ・・・ 第4センサー部
10 ・・・ 連結部
40 ・・・ アンカー
Claims (10)
- 基板に配設された第1センサー部(1)と第2センサー部(2)とを有し、Z軸回りの回転速度を測定するためのマイクロジャイロスコープにおいて、
前記第1センサー部(1)と第2センサー部(2)とが、
前記基板に平行に配置された駆動質量体(1.2、2.2)と、
前記駆動質量体(1.2、2.2)を基板に取り付けるアンカー(40)と、
前記アンカー(40)と駆動質量体(1.2、2.2)との間に配置され、前記駆動質量体(1.2、2.2)をX軸方向に直線的に変位可能に、かつ、Y軸方向とZ軸方向とに堅固にするアンカーバネ(1.3、2.3)と、
前記駆動質量体(1.2、2.2)をX軸方向に振動するように駆動する駆動手段と、
前記駆動質量体(1.2、2.2)に対して移動自在なセンサー質量体(1.5、2.5)と、
前記センサー質量体(1.5、2.5)と駆動質量体(1.2、2.2)とを連結して、センサー質量体(1.5、2.5)を駆動質量体(1.2、2.2)に対してY軸方向に変位可能に、かつ、X軸方向とZ軸方向とに堅固に連結する連結バネ(1.6、2.6)と、
前記センサー質量体(1.5、2.5)のY軸方向での偏向を検出するセンサー素子とをそれぞれ備え、
前記第1センサー部(1)と第2センサー部(2)とが、互いに平行に、かつ、Z軸方向に上下に配置され、
前記第1センサー部(1)の駆動質量体(1.2)である第1駆動質量体(1.2)および第2センサー部(2)の駆動質量体(2.2)である第2駆動質量体(2.2)が、結合バネ(1.9、2.9)によって互いに連結されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。 - 前記第1駆動質量体(1.2)および第2駆動質量体(2.2)が、前記基板上の同じアンカー(40)に取り付けられてい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。
- 前記第1駆動質量体(1.2)および第2駆動質量体(2.2)が、前記センサー質量体(1.5、2.5)をそれぞれに囲む枠であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のマイクロジャイロスコープ。
- 前記センサー素子が、電極対(1.7、1.8;2.7、2.8)であり、
前記電極対(1.7、1.8;2.7、2.8)の一方の電極(1.7、2.7)が、前記基板に固定状態で連結されており、他方の電極(1.8、2.8)が、前記センサー質量体(1.5、2.5)にY軸方向に変位可能に配置されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1つに記載のマイクロジャイロスコープ。 - 前記第1センサー部(1)の電極対(1.7、1.8)が、前記第2センサー部(2)の電極対(2.7、2.8)とは反対の極性の関係を有していることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1つに記載のマイクロジャイロスコープ。
- 前記第1センサー部(1)および第2センサー部(2)と同様に構成された第3センサー部(3)と第4センサー部(4)とを備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1つに記載のマイクロジャイロスコープ。
- 前記第3センサー部(3)および第4センサー部(4)が、前記第1センサー部(1)および第2センサー部(2)と同じ平面に配置されていることを特徴とする請求項6に記載のマイクロジャイロスコープ。
- 前記第1センサー部(1)および第2センサー部(2)が、前記結合バネ(1.9、2.9、3.9、4.9)によって第3センサー部(3)および第4センサー部(4)と連結されていることを特徴とする請求項6または請求項7に記載のマイクロジャイロスコープ。
- 基板に配置された第1センサー部(1)と第2センサー部(2)とを有し、Z軸回りの回転速度を測定するための請求項1乃至請求項8のいずれか1つに記載のマイクロジャイロスコープの制御方法において、
前記第1センサー部(1)と第2センサー部(2)とが、前記駆動質量体(1.2、2.2)と、前記駆動手段と、前記センサー質量体(1.5、2.5)と、前記センサー素子とを備え、前記上下に配置された第1駆動質量体(1.2)と第2駆動質量体(2.2)とを駆動手段により逆位相の関係で振動するように駆動させ、
前記基板がZ軸回りに回転するとき、前記第1センサー部(1)のセンサー質量体(1.5)および第2センサー部(2)のセンサー質量体(2.5)が、関連する第1駆動質量体(1.2)および第2駆動質量体(2.2)のそれぞれの平面内で前記逆位相の振動中にコリオリ力により偏向することを特徴とするマイクロジャイロスコープの制御方法。 - 前記第1センサー部(1)および第2センサー部(2)と同様に構成された第3センサー部(3)と第4センサー部(4)とを備えている場合、1つの平面に隣接して配置された第1センサー部(1)の駆動質量体(1.2)およびセンサー質量体(1.5)と第4センサー部(4)の駆動質量体(4.2)およびセンサー質量体(4.5)とを、前記第2センサー部(2)の駆動質量体(2.2)およびセンサー質量体(2.5)と第3センサー部(3)の駆動質量体(3.2)およびセンサー質量体(3.5)との位相に対して逆位相で振動させることを特徴とする請求項9に記載のマイクロジャイロスコープの制御方法。
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