JP2667970B2 - ミクロ機械加工されたセンサーの補償のための方法及び装置 - Google Patents

ミクロ機械加工されたセンサーの補償のための方法及び装置

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JP2667970B2
JP2667970B2 JP8031945A JP3194596A JP2667970B2 JP 2667970 B2 JP2667970 B2 JP 2667970B2 JP 8031945 A JP8031945 A JP 8031945A JP 3194596 A JP3194596 A JP 3194596A JP 2667970 B2 JP2667970 B2 JP 2667970B2
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    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
    • G01C19/5677—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially two-dimensional vibrators, e.g. ring-shaped vibrators
    • G01C19/5684—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially two-dimensional vibrators, e.g. ring-shaped vibrators the devices involving a micromechanical structure

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、容量結合された微
細構造体を用いたセンサーに関し、特に、微細構造体の
２つの自然共振周波数を動作中に単一の周波数に実効的
に変える方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】運動あるいは加速度を測定あるいは検出
するのに有用であるジャイロスコープ等の小型センサー
は特に、運動検知素子を集積回路チップにミクロ機械加
工することにより製作されてきた。回転を検知する振動
機械素子に基づくかかるデバイスは、バッチプロセスに
より安価に生産され得るが、低コストを要する多くの用
途に適した性能を生じる。例えば、かかる１つの用途は
自動車における複雑な制御のための偏揺れ（ｙａｗ）の
検出である。
【０００３】このタイプの１つのセンサーは、その共振
周波数で振動状態に励起されるミクロ機械加工されたリ
ングを組み込んでいる。振動の方向あるいは方位は、や
やセンサーの回転に依存し、そのため振動を分析して方
向の変化を検知することができる。リングに容量結合さ
れた電極のアレイを用いて励起エネルギーを付与し、そ
の結果生じる振動を検知する。製作の僅かな不正確さの
ため、そのようなリングは、互いに近く且つシステムの
Ｑを低下させるであろう２つの自然共振周波数を有しが
ちである。適当な静電気力をリングに付与することによ
りリングの不正確さを補償することができ、これによ
り、２つの共振周波数を１つに変えてデバイスの性能を
改善している。
【０００４】かかる静電気力の付与は、検知された振動
から必要な訂正量を決定し、次いで直流電圧を電極の１
つあるいは多分幾つかに印加することを含む。充分な補
償力を得るため、デバイスは、高い直流電圧或いは電極
の広範囲の面積のいずれかを要する。これらの要件は、
高価な支出あるいは高価な資源の使用をもたらす。即
ち、高電圧の提供は、デバイスのコストを増大させ、ま
た電極の使用し得る面積を制限する。電極を他の目的に
使用するという必要性は、低電圧による補償のため充分
な電極スペースを与えることに対して悪影響を及ぼす。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、振動センサー微細構造体を実効的に均衡させて、低
補償電圧でもって且つ他の機能のため用いられる電極を
奪うことなく単一の共振周波数を得ることにある。他の
目的は、各機能に対する電極結合要件を充足させなが
ら、振動微細構造センサーにおける結合電極の使用の経
済化を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に採用されるタイ
プの振動微細構造センサーは、以下の論文に開示されて
おり、ここに援用される。それは、Ｍ．Ｐｕｔｔｙ及び
Ｋ．Ｎａｊａｆｉによる「Ａ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎ
ｅｄ Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｒｉｎｇ Ｇｙｒｏｓｃｏ
ｐｅ」，Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａ
ｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｊｕｎ
ｅ １３−１６，ｐ２１３−２２０（１９９４）であ
る。シリコンチップに形成されたニッケル・リングは、
中央ハブ上に多数の半円形のバネにより支持され、チッ
プ上の複数の電極が、リングに容量結合するため或るギ
ャップだけ離間してリングを囲んでいる。電極の一部に
接続された励起回路はリングを振動状態に駆動する。振
動のモードは、リングを、第１の楕円形に次いでその第
１の楕円形の長軸に対する法線方向の長軸を有する第２
の楕円形に交互に押し込むものである。不動の節即ち点
はこの軸に対して４５゜で生じる。デバイスをリングの
面に対して法線方向の軸の回りで回転させるとき、当該
節の位置が固定された電極に対してシフトするように当
該節はリングの回りを歳差運動（ｐｒｅｃｅｓｓ）す
る。このシフトが他の電極に接続されたピックアップ回
路により検出され、回転即ち偏揺れの測定に導く。好適
な測定値は、節がシフトする傾向からフィードバック信
号を導出し、いずれかの著しい実際のシフトに対抗する
ため当該フィードバックを或る電極に付与することによ
り決定される偏揺れ速度（ｙａｗ ｒａｔｅ）である。
この力の再均衡モードにおいては、対抗力即ち対抗電圧
の量は偏揺れ速度を生じる。
【０００７】理想的には、リングが完全に機械加工され
ることにより振動の２つのモードが正確に等しい自然共
振周波数を有する。実際には、リングは完全ではなく、
２つの異なる自然共振周波数が生じるが、当該２つの異
なる自然共振周波数を互いに近いものであるようにする
ことができる。直流電圧を適当な電極に印加することに
より、リングの不完全さを補償して単一の共振周波数を
持つ均衡した系を生じさせることができる。励起、フィ
ードバック及び振動の拾い上げ（ピックアップ）機能に
必要とされる電極を取り上げることを避けるため、直流
補償電圧が、幾つかの場合、これらの他の機能の一部の
ため既に用いられている電極に印加され、そのため或る
電極は二重の機能を果たす。このようにして、補償力の
充分な結合を、昇圧された電圧なしに達成することがで
きる。同じ方法において、フィードバック信号は、補償
信号或いは励起信号のいずれかと電極を共用できる。し
かしながら、検知あるいは振動ピックアップ機能のため
用いられる電極と複数の機能を共用することは望ましく
ない。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の上記及び他の目的は、添
付の図面と関連して理解される以下の記述から一層明瞭
になるであろう。なお、図面における類似の参照符号は
類似の要素を言及する。偏揺れセンサーあるいは偏揺れ
速度センサーが、自動車の垂直軸の回りの自動車の回転
を検出するため用いられ、その情報は不所望の運動の訂
正に有用である。車両の実際の回転が、ステアリング・
ホイール位置により決定される所望の運動から相違する
ならば、例えば、個々のブレーキ操作あるいは運転操作
の調整を用いて、その誤差を低減あるいは削除すること
が可能であろう。かかる用途の使用に対して受容できる
ため、センサーは正確で且つ経済的に実行可能なもので
なければならない。
【０００９】かかる偏揺れセンサーあるいは偏揺れ速度
センサーは、上記のＰｕｔｙ他の論文に記述され、本発
明の改良により修正される。図１及び図２は、シリコン
基板１２上に形成されたミクロ機械加工された振動素子
１０を図示する。ニッケルのような金属であり得る振動
素子１０はリング１４を備え、該リング１４は複数の半
円形バネ１８によりハブ１６に支持され、該ハブ１６は
通常シリコン基板１２の表面からその法線方向に延在す
る。また、シリコン基板１２上に取り付けられた複数の
電極２０は、リング１４を囲み、リング１４との容量結
合を形成するようリング１４から或るギャップだけ離間
している。電気回路が、各電極２０と振動素子１０とに
ハブ１６を介して接続されている。
【００１０】矩形波電圧を或る電極２０に印加すること
により付与される静電気力により、リング１４が振動状
態に励起される。図３に誇張された形で示されるよう
に、ｘ軸に沿って付与された励起力は、通常円形のリン
グ１４を、ｙ軸上の長軸を持つ楕円形状１４′に次いで
ｘ軸上に長軸を持つ別の楕円形状１４′′に交互に強制
する。この振動モードは、デバイスの回転がないためリ
ングの変位が起こらない節２２をｘ軸に対して４５゜に
生じさせる。しかしながら、センサーの回転が、リング
１４の面に対する法線方向のリング軸の回りに生じるな
らば、振動パターンは、節２２がセンサーの回転量に関
連する角度をシフトするように歳差運動する。次いで、
振動角度の変化あるいは節のシフトの測定値を用いて、
偏揺れ角度を測定することができる。当該デバイスを、
力に対して再均衡させる技術を用いた偏揺れ速度センサ
ーとして用いることが好ましい。次いで、フィードバッ
ク駆動電圧を或る電極に印加して歳差運動を防止するこ
とにより、節２２を実質的に４５゜の位置に維持する。
そこで、フィードバック電圧は偏揺れ速度の尺度とな
る。
【００１１】理想の検知素子は、単一の自然共振周波数
を有し、そのセンサーは高いＱを有する。実際には、検
知素子における剛性あるいは質量の僅かな変動が２つの
自然共振周波数を生じさせる。検知素子は、実際問題と
して、共振周波数が互いに近くにあるように作ることが
できるが、システムのＱは単一の周波数デバイスよりや
や低くなる。物理的変動を補償する静電気力をリングに
付与することにより検知素子を同調させあるいは均衡さ
せることができ、その結果単一の共振となる。かかる静
電気力は、リングの振動を検知して分析し或る電極に印
加される直流電圧を生成することにより導出される。し
かしながら、電極は数とかさにおいて制限され、主励起
の最適付与、フィードバック励起及び検知機能は、電極
の大部分あるいは全部を必要とする。各電極が単一の目
的に専念するよりむしろ、２つの機能が１つの電極を共
用する場合があることをここで提案する。これは、電極
の競合を緩和し、直流補償電圧を、充分な電極あるいは
電極の面積に、単独にあるいは共用して印加することを
可能にし、補償のための高い直流電圧を発生するという
高価な代替をせずに必要な均衡力を得る。
【００１２】好適実施形態は、１６の等しく離間した電
極２０を有する。図１において、各電極２０の機能ある
いは回路接続が、リング１４の一方の側部に記されてい
る。等価の機能が、該記された各電極から１８０゜の対
応する電極に割り当てられる。電極２０の半分（即ち１
つの組）は、リングの振動をピックアップするため用い
られる検知電極である。これらは、ｘ軸上の０゜電極位
置を含み、リング１４の周りに４５゜間隔で離間されて
いる。検知信号は、２つの副組、即ち０゜即ち９０゜間
隔のものと、残りのものとに分割される。９０゜検知信
号は、反転され、０゜検知信号あるいは１８０゜検知信
号に加えられる。そして、−４５゜信号が、反転され、
４５゜検知信号あるいは２２５゜検知信号に加えられ
る。検知電極は、非常に小さい容量変化の測定を必要と
する検知機能の低下を避けるため他の機能に共用されな
い。
【００１３】電極の他の半分（別の組）が、駆動と補償
とのため用いられる。駆動電極の１つの副組は主駆動励
起のため用いられ、別の副組は再均衡フィードバックの
ため用いられる。これらの副組は、電極共用化のため重
複し得る。０゜電極が検知機能に専念するので、主励起
駆動が、ｘ軸力を実効的に付与するため２２．５゜と−
２２．５゜とに付与される。同様に、４５゜の検知電極
を妥協させることなしに４５゜の力を実効的に生成する
ため、フィードバック駆動が２２．５゜と６７．５゜と
に付与される。直流補償駆動が電極２０に６７．５゜と
−６７．５゜とで接続される。これにより、電極を主励
起駆動と補償駆動の双方と共用するフィードバック駆動
をもたらす。
【００１４】図４にセンサーに適用される回路を示す。
最小数の電極の接続が、図の明瞭のため示されている
が、前述したように全部の電極が利用されることが好ま
しいことが理解されるであろう。検知電極の各副組が、
リング振動を、検知された振動信号に変換する低キャパ
シタンス単位利得バッファー増幅器２８に結合される。
第１の検知された振動信号（０゜と１８０゜との位置に
基づく）がフェーズ・ロックド・ループ３０に接続さ
れ、そこで復調器制御信号と加算され、次いでループ・
フィルター３２に供給され、さらに電圧制御発信器３４
に供給される。電圧制御発信器３４は、回路の各々の加
算器に対する変調器及び復調器出力を含む矩形波信号
と、１００キロオームの抵抗３６を介して＋２２．５゜
電極及び−２２．５゜電極に接続される主矩形波駆動信
号とを生成する。
【００１５】第２の検知された振動信号（４５゜または
２２５゜の位置に基づく）は、速度（ｒａｔｅ）フィー
ドバックループ３８及び補償制御ループ４０の双方に対
する入力を提供する。速度フィードバックループ３８に
おいて、検知された振動信号は利得増幅器４２で増幅さ
れ、加算器で復調され、ループ・フィルター４４に供給
される。ループ・フィルター４４の１つの出力は偏揺れ
速度であり、別の出力は加算器で変調され、０．１ミリ
ファラッドのキャパシター４６を介して６７．５゜電極
と２２．５゜電極に結合される矩形波信号を生成する。
振動を公称の節２２で検知することにより歳差運動への
傾向が検出されるとき、速度フィードバックが生じ、か
かる振動に対抗するため、力がフィードバック信号によ
り生じ、従って、リング振動を主励起モードに実質的に
限定する。
【００１６】補償制御ループ４０が、検知された振動信
号を加算器で復調し、ループ・フィルター５０が、１０
０キロオームの抵抗５２を介して＋６７．５゜電極と−
６７．５゜電極とに印加される直流補償電圧を生成す
る。この電圧は、振動素子１０を実効的に同調させある
いは均衡させることにより２つの共振周波数を単一の周
波数に変えることができる。
【００１７】従って、改良されたミクロ機械加工された
センサーは偏揺れ速度を測定するに有効であり、その駆
動、補償及び検知の機能を高電圧の発生なしに全て最適
化でき、これにより機能の何らの低下なしにコストを最
小にすることができることが判るであろう。一部の電極
を２つの異なる機能に対して用いることにより、電極の
数を低減し、リングへのより有効な結合のため各電極に
対する一層大きな面積を生じることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による特別の機能を担う電極により囲ま
れたミクロ機械加工されたリングを有するセンサーの平
面図である。
【図２】図１に示されるセンサーのライン２−２に沿っ
た断面図である。
【図３】振動サイクルにおける異なる時間でのリングの
振動モードを示す図である。
【図４】図１のセンサーと、それに関連したセンサー回
路を含めた概略図である。
【符号の説明】
１０：振動素子 １２：シリコン基板 １４：リング １６：ハブ １８：半円形バネ ２０：電極
フロントページの続き (72)発明者 フィー・アン・リーム アメリカ合衆国インディアナ州46032, カーメル，ウッドビュー・サウス・ドラ イブ 784 (56)参考文献 特開 平５−248875（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−180657（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−141977（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−43107（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−32396（ＪＰ，Ａ)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２つの近接して離間した周波数の共振振
    動を受けるミクロ機械加工された振動素子と、 前記振動素子に容量結合され前記振動素子に駆動励起を
    付与し、且つ素子の振動を検知する複数の電極と、 前記電極に結合され、検知された振動信号を処理し、駆
    動励起信号を供給する回路手段と、 １つ以上の前記電極に印加するための補償電圧を生成し
    前記共振振動を１つの周波数に実質的に変える補償回路
    と、 前記補償電圧を前記１つ以上の電極に結合させ、且つ電
    極を共用するため前記１つ以上の電極の少なくとも１つ
    に駆動励起を結合させる結合手段とを備えるミクロ機械
    加工されたセンサー。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のミクロ機械加工されたセ
    ンサーにおいて、 前記電極に結合された前記回路手段は、再均衡させる力
    を前記振動素子に付与するフィードバック回路を含み、 前記結合手段は、前記フィードバック回路の出力と前記
    補償電圧とを前記１つ以上の電極に結合させる、ミクロ
    機械加工されたセンサー。
  3. 【請求項３】 ２つの近接して離間した周波数の共振振
    動を受けるミクロ機械加工された振動素子と、 補償電圧を生成し前記共振振動を１つの周波数に実質的
    に変える補償回路と、 前記振動素子に容量結合された複数の電極を含む結合手
    段と、 振動検知手段と、 交流励起信号を生成し前記振動素子の振動を駆動する振
    動励起回路と、 前記振動検知手段に応答して交流フィードバック信号を
    生成する振動フィードバック回路と、 前記電極を前記回路に接続する接続手段であって、１つ
    以上の前記電極を前記回路のうちの２つ以上に接続する
    手段を含む接続手段とを備えるミクロ機械加工されたセ
    ンサー。
  4. 【請求項４】 請求項３記載のミクロ機械加工されたセ
    ンサーにおいて、１つ以上の前記電極を前記回路のうち
    の２つ以上に接続する前記手段は、前記補償回路と前記
    フィードバック回路とを共通の電極に接続する手段を含
    む、ミクロ機械加工されたセンサー。
  5. 【請求項５】 請求項３記載のミクロ機械加工されたセ
    ンサーにおいて、１つ以上の前記電極を前記回路のうち
    の２つ以上に接続する前記手段は、前記振動励起回路と
    前記振動フィードバック回路とを共通の電極に接続する
    手段を含む、ミクロ機械加工されたセンサー。
  6. 【請求項６】 ２つの近接して離間した自然共振周波数
    を有するリングを備える共振微細構造体と、 前記リングを囲み当該リングに容量結合された複数の電
    極と、 第１の組の電極に結合された出力交流信号を有し前記リ
    ングを振動状態に制御可能に駆動する励起手段と、 前記第１の組の電極のうちの少なくとも１つの電極に結
    合された出力直流信号を有し、これにより交流信号及び
    直流信号の双方を前記少なくとも１つの電極に印加する
    補償手段と、 第２の組の電極に結合され前記励起手段及び前記補償手
    段のための振動入力を得る振動検知手段とを備える微細
    構造のセンサー。
  7. 【請求項７】 請求項６記載の微細構造のセンサーにお
    いて、前記励起手段は、 前記第１の組の電極の第１の副組に結合された主励起信
    号を有し前記リングを主モードの振動に励起する駆動回
    路と、 前記第１の組の電極の第２の副組に結合された再均衡信
    号を有し前記リングの振動を再均衡させるフィードバッ
    ク回路とを含む、微細構造のセンサー。
  8. 【請求項８】 請求項７記載の微細構造のセンサーにお
    いて、前記補償手段の出力が前記第２の副組の電極の少
    なくとも一部に結合されることにより、或る複数の電極
    が前記フィードバック回路及び前記補償手段により共用
    される、微細構造のセンサー。
  9. 【請求項９】 請求項７記載の微細構造のセンサーにお
    いて、前記補償手段の出力が前記第１の副組の電極の少
    なくとも一部に結合されることにより、或る複数の電極
    が前記駆動回路及び前記補償手段により共用される、微
    細構造のセンサー。
  10. 【請求項１０】 請求項７記載の微細構造のセンサーに
    おいて、前記第１及び第２の副組は、前記駆動回路及び
    前記フィードバック回路が一部の共通の電極を共用する
    ように重複している、微細構造のセンサー。
  11. 【請求項１１】 振動微細構造体を有するセンサーであ
    って、前記振動微細構造体は、当該振動微細構造体に容
    量結合された複数の電極により囲まれ、且つ２つの近接
    して離間した周波数の自然共振を有する、センサーにお
    いて、当該センサーを動作させる方法は、 励起電圧を第１の組の電極に印加することにより振動駆
    動力を前記微細構造体に付与するステップと、 第２の組の電極をモニターすることにより振動を検知す
    るステップと、 直流補償電圧を発生し、当該直流補償電圧を前記第１の
    組の電極の少なくとも１つに印加して前記共振を単一周
    波数に変えるステップとを備える方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載の方法において、 振動駆動力を前記微細構造体に付与する前記ステップ
    は、主励起電圧と、力を再均衡させるための電圧とを生
    成するステップを備え、 直流電圧を印加する前記ステップは、当該直流電圧を、
    前記力を再均衡させるための電圧により共用される少な
    くとも１つの電極に結合させるステップを備える、方
    法。
  13. 【請求項１３】 請求項１１記載の方法において、振動
    駆動力を前記微細構造体に付与する前記ステップは、主
    励起電圧と、力を再均衡させるための電圧とを生成し、
    前記力を再均衡させるための電圧を前記主励起電圧によ
    り共用される少なくとも１つの電極に結合するステップ
    を有する、方法。
JP8031945A 1995-02-22 1996-02-20 ミクロ機械加工されたセンサーの補償のための方法及び装置 Expired - Fee Related JP2667970B2 (ja)

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