JP6503028B2 - 平衡化ｍｅｍｓ型慣性角度センサ及びそのようなセンサを平衡化するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、ジャイロメータ又はジャイロスコープのような振動慣性角度センサ及びこのセンサを平衡化するための方法に関する。

本発明は、より厳密には「ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ（微小電子機械システム）」の略であるＭＥＭＳとも称される微小電子機械センサに関する。これらのセンサは、非常に薄い材料ウェーハー上の一括エッチング（ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ ｅｔｃｈｉｎｇ）により製造される。これらのセンサは、小型で、軽量で、かつ、比較的廉価なので、特殊技術製品と、大量販売製品の両者において、非常に多数の適用分野における採用を可能にしている。

これらのセンサの適用分野は、角度（フリージャイロ）と角速度（レートジャイロ）の慣性測定を含む。

ＭＥＭＳ型振動角度慣性センサは、共振器の精細度により２つの系列に分類される。共振器は変形可能体であってよく、全体としては線対称であり、環形、円筒形、半球体又は円盤である。共振器はまた、弾性要素により支持体に接続された変形不可の１つ以上の質量部からも構成できる。各センサは、変形可能な共振器又は質量部／弾性要素システムを、システムの共振周波数で振動するように設計されているアクチュエータを備え、変形可能な共振器の変形又は質量部／弾性要素システムの動き検出器は、変形可能な共振器又は質量部／弾性要素システムと支持体の間に搭載されている。

何れの振動慣性センサの性能も、共振器の減衰の異方性の安定性に直接依存する。この安定性は、
共振器を共振状態に保つために消費する必要のあるエネルギー量を決定する共振器の時定数τ（機械的過大張力Ｑをπと周波数ｆで割ったもの、つまりτ＝Ｑ／（π・ｆ））と、
一方では、センサからのエネルギーの外への損失を制限するように、他方では、作動周波数でのセンサの振動環境を通しての共振器の振動の擾乱を制限するようにするための共振器の動的平衡化により決まる。

ＭＥＭＳ型振動センサの分野においては、これは、
比較的高い過大張力を得るための材料としてのシリコンの使用と、
少なくとも２つの質量部であって、逆相で動いて一次平衡化を提供するように対称に搭載された２つの質量部の存在により顕在化される。

このため、最も性能の高いＭＥＭＳ型振動角度慣性センサは、正方形のパターンに従って配置された４つの質量部を有する。

しかし、これらのセンサにおける性能の向上は、センサの製造欠陥により制限される。

これらの製造欠陥は、振動周波数において、質量部の全体重心の変位に起因する動的不平衡を引き起こす。この動的不平衡は、支持体における反力を引き起こし、従って、振動エネルギーの損失となる。これは、センサのサイズが小さいということが、測定の精度に対する製造欠陥の影響を増大するので、更に厄介なことになる。実際、ＭＥＭＳに対しては、［製造欠陥／特性的寸法の］比は、肉眼で見えるセンサに対して劣化する。これは、共振器の質量部に関連するより高い動的不平衡につながる。

共振器の小さな質量の結果、不平衡が引き起こす負荷は、共振器が測定できるためには小さ過ぎるので、動的平衡化の欠陥を測定することが難しくなる。更に、仮にこの測定を行うことに成功したとしても、センサのサイズが小さいために、局所的に素材を除去又は追加して不平衡を補正することは難しいであろう。素材を除去又は追加することによるそのような補正は、温度と時間の関数としての不平衡における変化を補償することを可能にしないであろうという欠点を更に露呈するであろう。

振動に対する影響され易さの増大と、機械的弾力性の低下の代償として、不平衡共振器を相当に大きな反動質量部に強固に固定するのが普通である。

幾つかの質量部を有する共振器の場合、これは更にプルーフマス（実効質量）の独立性という結果になる。そして、質量部の変位の一次補償を可能にする機械的結合は、質量部を相互に結合して逆位相における変位に束縛するレバーにより確実となる。そのため、センサの製造は複雑で高価なものとなる。更に、質量部の数と、質量部間の結合レバーの数に起因する自由度の増大により平衡化は困難になり、質量部の１つに対して行われる何れの平衡化補正も他の質量部に対して影響を与えることになる。同じ理由で、補正アルゴリズムによる電子的平衡化は行うのが複雑である。

本発明は、異なるアプローチによる結果であり、その目的は、ＭＥＭＳ型振動角度慣性センサを改良することである。

この目的のため、本発明によれば、支持体と、懸架手段により支持体に関して可動に搭載されたフレームにおいて懸架される少なくとも２つの質量部と、少なくとも１つの静電アクチュエータと、少なくとも１つの静電検出器と、を備えるＭＥＭＳ型振動慣性角度センサが提供される。このアクチュエータと検出器はそれぞれ、質量部の振動を生成且つ検出するように設計されている。

このため、質量部間のレバーによる直接の機械的結合は除去される。実際、本発明においては、質量部間の機械的結合は、懸架されたフレームにより確保され、それにより、センサの構造を簡素化している。アクチュエータと検出器はそれぞれが、例えば、質量部の１つとフレームの間に搭載され、従来のように作動する。

好ましくは、少なくとも１つの負荷センサがフレームと支持体の間に搭載され、少なくとも１つの静電バネがフレームと質量部の１つの間に搭載され、センサの動的平衡化を、負荷センサの測定信号の関数として確実にするように従属装置として作動される。

平衡化は、この構造では、２つの質量部／懸架システム間の周波数における異方性（又は差異）を測定し、この異方性を除去することにより得ることができる。異方性の測定は、周波数異方性により生成される不平衡の影響を測定することにより間接的な方法で行うことができる。平衡化補正は、好ましくは、静電バネを制御して、負の静電剛性を、最大周波数を有する質量部／懸架システムの剛性に、製造欠陥及び質量部／懸架システムのそれぞれのパラメータにおける一時的及び温度変化による角周波数のおける本質的な差異を補正するように追加することにより、行われる。ゼロスレービングに基づく調整は、正確な基準張力や、センサ処理電子機器のレベルでの安定した利得を必要としない。

本発明の主題は、このセンサを平衡化する方法でもある。

本発明の他の特性及び利点は、本発明の非制限的な特別な実施の形態の下記の記述を読むことにより明らかになろう。
付随する図面を参照する。

本発明のセンサの第１実施の形態の模式図である。 このセンサの動作原理を例示する模式図である。 本発明のセンサの第２実施の形態の模式図である。 本発明のセンサの第３実施の形態の模式図である。 本発明のセンサ用制御ユニットの一実施の形態の模式図である。

図を参照すると、本発明は、フリージャイロ又はレートジャイロを形成するように意図されているＭＥＭＳ型振動慣性角度センサに関する。

本発明のセンサは、支持体１と、支持体１に対して可動に搭載され、静電アクチュエータ３と静電検出器４に結合されている少なくとも２つの質量部２を備える。

質量部２は、フレーム６において懸架手段５を介して懸架され、フレーム６はそれ自体が懸架手段７により支持体１に接続されている。懸架手段５と７は、センサの質量部の懸架平面を画定するＸＹ平面において等方性を有し、センサの平面に垂直な軸に沿う相当に大きな剛性を呈示するように製造され、それにより、質量部２と平面外のフレーム６の自由度を除去している。質量部２とフレーム６はそれぞれ、平面において３自由度、つまり、（Ｘ及びＹ軸に沿っての）２方向への平行移動と（このＸ及びＹ平面に垂直な軸の回りの）回転を有している。

Ｘ軸及びＹ軸のそれぞれに対して、アクチュエータ３と検出器４は、質量部２のそれぞれとフレーム６の間に搭載されている。アクチュエータ３と検出器４は、櫛型電極の形状の既知の構造を有しており、櫛型電極の歯は互いに入り込むように組み合わされている。アクチュエータ３と検出器４の櫛部は、可変ギャップ又は可変表面積を伴う動作モードを有することができる。

質量部２は、同一であり、かつ、正方形であり、その辺上には、アクチュエータ３と検出器４が配置されている。懸架手段５は、各質量部２の頂点に配置されている。

２つの静電バネ８は、フレーム６と質量部２のそれぞれの間に搭載され、それによりそれぞれがＸ軸及びＹ軸に沿って作動する。静電バネ８は、櫛型電極の形状の既知の構造を有しており、櫛型電極の歯は、互いに入り込むように組み合わされている。静電バネ８の櫛部は、可変ギャップを伴う動作モードを有する。

不平衡影響検出器、ここでは、より特別に力センサは、懸架手段７に統合され、それにより、フレーム６により支持体１に伝達される負荷を表わしている測定信号を提供する。これらのセンサは、それ自体が知られており、圧電抵抗又は圧電ひずみ計であってよい。

本発明のセンサの製作は、半導体材料のウェーハーをエッチングするための従来の技術に基づいて行われる。ここで使用される半導体材料はシリコンである。

アクチュエータ３と検出器４は、それ自体が知られている電気コネクタにより、同様にそれ自体が知られている制御ユニット９に接続され、制御ユニット９は、アクチュエータ３を制御し、検出器４の信号を処理して、質量部２の変位の平面に垂直な軸の回りの角度の大きさの検出を確実にするようにプログラムされている。

静電バネ８と、懸架手段７に統合されている力センサも、同じように制御ユニット９に接続されており、制御ユニット９は、質量部２の振動周波数の関数として復調された、前記力センサの信号の関数として、静電バネ８を従属装置として作動させるようにプログラムされており、それにより、センサの平衡化を確実にするように振動周波数における不平衡を除去する。

制御ユニットの動作は、図５に示されており、自由度「ｎ」によるセンサの平衡化のための剛性変動Δｋｎの決定の動作が示されている。この図において象徴化して表わされているのは、長軸「ａ」と短軸「ｂ」の楕円振動である。振動の長軸は、ＸＹ座標系における角度θを形成する。ジャイロスコープの実現は、アクチュエータ３のコントロールＣ１とＣ２を、センサ４により検出された動きη１、η２の関数として決定することにつながる。η１＝ａ・ｃｏｓθｃｏｓφ＋ｑ・ｓｉｎθｓｉｎφと、η２＝ａ・ｓｉｎθｓｉｎφ＋ｑ・ｃｏｓθｃｏｓφの値を知れば、ａ、ｑ、θ及びφの推定はそこから演繹できる。センサ７により検出される負荷ξｎを知れば、制御ユニットは、静電バネ８を駆動する設定点としての役割を果たす剛性変動Δｋｎに到達するように値ξｎ・ｃｏｓφとξｎ・ｓｉｎφを計算する。

図１と２の実施の形態において、質量部２は、２つあり、フレーム６内に並んで搭載されている。フレーム６は、四角形であり、２つの質量部２の１つをそれぞれが受け入れる２つの隣接するハウジング１０を備えている。

図２を更に特に参照すると、第１実施の形態に係るセンサは、別の質量部／バネシステム（ｍ₀、ｋ₀）により外界に接続されている２つの質量部／バネシステム（ｍ₁、ｋ₁）及び（ｍ₂、ｋ₂）と見なすことができる。

センサの動作は下、記のデータに基づいてモデル化できる（質量差異と剛性差異はそれぞれδｍ及びδｋと表わされている）。
ｍ１：＝ｍ・（１＋δｍ）：ｍ２：＝ｍ・（１−δｍ）
ｋ１：＝ｋ・（１＋δｋ）：ｋ２：＝ｋ・（１−δｋ）
ｍ０：＝β・ｍ：ｋ０：＝α・ｋ
ｋ：＝ω²・ｍ

モデル化により、固有モードの周波数と、有用な固有モードの不平衡と、支持体に対するこの不平衡の反力を計算できる。

このことから、不平衡は、２つの質量部バネシステムの質量ｍと、αと表わされる比ｋ₀／ｋと、角周波数δωにおける差異に比例するということがいえる。このため、有用モードの不平衡は、下記に等しくなる。
不平衡＝２ｍαδω

外界に伝達される負荷は、同様に下記のように表すことができる。
負荷＝２ｋαδω

上記の式から、本発明の特別なアーキテクチャは、２つの質量部バネシステムの間の角周波数における差異を解消することにより不平衡を解消することを可能にできることが分かり、この差異は、フレーム上の負荷の測定に基づいて観測可能である。従って、センサの平衡化は、本発明に従って、下記のステップに基づいて行うことができる。
質量部間の周波数における異方性を測定する。測定ステップは、製造欠陥に起因するセンサの不平衡のためフレームにより支持体に加えられる負荷を測定することにより行われる。
質量部間の周波数における異方性を補正する。

補正ステップは、この影響を削減するように静電バネ８を制御することにより行われる。懸架手段７に組み込まれた力センサの信号の振動の周波数に関しての変調を利用する従属装置としての作動は、振動の周波数における不平衡を除去するように質量部２とフレーム６間に置かれた静電バネ８の剛性を補正する。

ここでは、補正は、各質量部／バネシステムの製造欠陥及びパラメータにおける一時的及び熱的変化による角周波数における本質的な差異を補正するように、負の静電剛性を、最大周波数を有する質量部／バネシステムの剛性に加えることにより、更に精度よく行われる。

センサの配置により、Ｘ軸に沿う２つの固有モード、つまり、質量部ｍ₀の変位が少ない状態で同じ周波数を有しない、質量部ｍ₁及びｍ₂が同相で変位するモード及び質量部ｍ₁及びｍ₂が逆相で変位するモードを得ることが可能になるということが分かるであろう。周波数の差異は、例えば、ｍ₀＝１０＊ｍ_1/2であれば１０％、ｍ₀＝４＊ｍ_1/2であれば２５％のオーダである。これは、如何なる機械的結合レバーも質量部間に使用することなく、作動中に２つの固有モードが連結する危険性もなく、構造を簡素化する可能性を確証する。

このように、コリオリ経路Ｙ上の動きに従属装置として作動することのない２つの振動質量部を有する閉ループジャイロメータを製作できる。これにより、この経路に対して１次不平衡である固有モードを使用することが可能になる。

図３の実施の形態において、質量部２は、４つあり、正方形パターンに従って配置され、静電バネ８が、Ｘ及びＹ軸それぞれに対して、フレーム６と４つの質量部２のそれぞれの間に置かれている。フレーム６は、正方形であり、質量部２の１つをそれぞれ受け入れる４つの隣接するハウジング１０を備えている。

この実施の形態において、４つの質量部の配置により、センサもまたＹ軸上で一次平衡である。従って、このセンサをジャイロスコープモードにおいて使用することができ、このモードの固有の利点、つまり平均ドリフトの安定性を得ることができる。

図４の実施の形態においては、２つの質量部２．１と２．２があり、同心状に搭載できるように設計されている。フレーム６は、正方形であり、正方環状形の質量部２．１、２．２は、フレーム６のそれぞれの側に置かれている。

従って、質量部２．１、２．２は、同一の固有周波数を有する同化された対称軸を有するフレーム形状を有する。好ましくは、フレーム２．１、２．２の質量は、同一であり、質量部２．１、２．２を懸架する手段は、同一の剛性を有する。これにより、上記に提示した動的モデル化式の前提に従うことが可能になる。

もちろん、本発明は、記載された実施の形態に制限されず、請求項で定義されるような本発明の分野に含まれる如何なる変形例も含む。

全ての質量部２の又は１つを除く全ての質量部２の従属装置として作動する静電バネを有することができる。

測定された不平衡の影響は、フレーム６により支持体１に加えられる負荷、支持体１に対するフレーム６の加速度、支持体１に対するフレーム６の速度、支持体１に対するフレーム６の変位等であってよい。

センサは、記載された形状とは異なる形状を有することができる。質量部とフレームは、センサの平面において、多角形又は少なくとも部分的には曲線形を有することができ、その形状は、外形の１／４を表すパターンの４回の９０°回転により描くことができる。

アクチュエータと検出器は、質量部の１つとフレームの間又は質量部の１つと支持体の間に搭載できる。

少なくとも１つの静電アクチュエータ及び少なくとも１つの静電検出器を、フレーム６の懸架７のそれ自体知られている能動的減衰を達成するようにフレーム６と支持体１の間に置くことができる。

本発明は、質量部がフレームにおいて懸架され、図に示された実施の形態と連携して記述された能動的平衡化手段がなくてもよいセンサにも関する。

Claims (9)

1. ２つの質量部（２）の支持体（１）であって、前記質量部は前記支持体に対して可動に搭載されている支持体と、前記質量部の振動を生成且つ検出するようにそれぞれが設計されている少なくとも１つの静電アクチュエータ（３）及び少なくとも１つの静電検出器（４）と、を備えるＭＥＭＳ型振動慣性角度センサにおいて、第１の懸架手段により前記支持体に接続されているフレーム（６）を備え、各質量部は、第２の懸架手段により前記フレームに直接接続されており、前記質量部及び前記フレームは、前記支持体に対して３だけの自由度を有し、前記自由度は、前記センサの質量部の懸架平面を画定する面にあり、前記質量部（２）は、前記フレーム（６）の何れかの側で同心状に搭載され、前記質量部の質量は、同一であり、前記質量部を懸架する手段は、同一の剛性を有することを特徴とするセンサ。
2. 少なくとも１つの静電バネ（８）が、前記質量部の懸架平面を画定する２軸のそれぞれに対して、前記フレームと前記質量部の少なくとも１つの間に搭載され、前記静電バネ（８）は、４つあり、それぞれが前記フレーム（６）と前記質量部（２）のそれぞれの間に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 少なくとも１つの不平衡影響検出器が前記フレームと前記支持体の間に搭載され、少なくとも１つの静電バネ（８）が前記フレームと前記質量部の１つの間に置かれ、前記不平衡影響検出器の測定信号の関数として前記センサの動的平衡化を確実にするように従属装置として作動することを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
4. 前記静電アクチュエータと前記静電検出器はそれぞれ、前記質量部の１つと前記フレームの間に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
5. 請求項３に記載のセンサを平衡化するための方法であって、製造欠陥による前記質量部（２）間の周波数における異方性を測定するステップと補正するステップと、を含み、前記測定するステップは、前記異方性に起因する前記センサの不平衡により生成される影響を測定することにより行われ、前記補正するステップは、この影響を減少するように、前記静電バネ（８）のコントロールを従属装置として作動させることにより行われる方法。
6. 前記測定された不平衡の前記影響は、前記フレーム（６）により前記支持体（１）に加えられる負荷であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記測定された不平衡の前記影響は、前記支持体（１）に対する前記フレーム（６）の加速度であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 前記測定された不平衡の前記影響は、前記支持体（１）に対する前記フレーム（６）の速度であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
9. 前記測定された不平衡の前記影響は、前記支持体（１）に対する前記フレーム（６）の変位であることを特徴とする請求項５に記載の方法。