JPH05248872A

JPH05248872A - 慣性センサー

Info

Publication number: JPH05248872A
Application number: JP4049519A
Authority: JP
Inventors: Tomio Ono; 富男小野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-03-06
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1993-09-28
Anticipated expiration: 2017-03-04
Also published as: JP3263113B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、小型軽量の振動ジャイロとして適用
できるとともに、加速度センサーとしても適用できる慣
性センサーを提供することを目的とする。【構成】基板６上に導電性材料のパターニング加工によ
り間隔的に形成された複数の脚部１と、同パターニング
加工により形成され基板６上に浮いた状態で脚部１間を
連結するアーム部２と、脚部１の中間に配置してアーム
部２に支持され基板６上に浮いた状態とされた質量部３
とにより慣性機構部９を形成する。この慣性機構部９を
駆動する手段とその動きを検知する手段との両者、また
は前記慣性機構部の動きを検知する手段のみを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動体の位置の推定等
に用いられるジャイロや加速度センサー等に適用される
慣性センサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、移動ロボット、自動車のナビゲー
ションシステム、あるいはカメラのぶれ防止機構などに
おいて、移動体の位置や姿勢を推定し、制御する技術が
開発されている。そして、このような位置を推定する方
式の一例として、例えば図８に示す慣性誘導方式が知ら
れている。即ち、図８において、移動体１０がｘ−ｙ平
面を運動する場合を考える。物体の並進速度は慣性座標
系に対しては測定できないため、加速度が使用される。
すなわち、図８に示すように、２個の加速度センサー１
１₁，１１₂を両者が直交するように取り付ける。時刻
ｔの物体の姿勢をθ（ｔ）とすれば、ｘ，ｙ方向の位置
は

【数１】

【数２】で求められる。

【０００３】ここで（ｘ₀，ｙ₀）、（ｘ′₀，
ｙ′₀）は時刻ｔ＝０で位置と速度を示し、ａ_x，ａ_y
は加速度センサーの出力である。

【０００４】従って加速度と共にθを計測する必要があ
り、このための方向センサーとしてジャイロ１２が使用
される。このように、この方式では２個の加速度センサ
ーと１個のジャイロが必要となる。

【０００５】このうち加速度センサーに関しては近年、
Ｓｉの微細加工技術を用いた小型のセンサーが開発され
ている。一方、ジャイロに関しては、従来の機械式ジャ
イロより小型軽量な振動ジャイロが開発されている。図
９はそのような振動ジャイロの一例を示している。金属
片１３に駆動用圧電板１４₁，１４₂と検出用圧電板１
４₃，１４₄を接着し、振動を妨げないような位置に設
けられたワイヤ１５₁，１５₂により支持され、振動子
が構成されている。またｘ方向の屈曲振動の共振周波数
ｆ_xとｙ方向の共振周波数ｆ_yは等しくなるように設定
されている。

【０００６】ここで駆動用圧電板１４₁，１４₂に共振
周波数と等しい周波数の電圧を与えると振動子はｘ方向
に共振する。この状態でｚ軸回りに回転角速度Ω₀が加
わると振動方向に直角なｙ方向にコリオリの力が生じ、
ｙ方向にも共振する。この振動の大きさを検出用圧電板
１４₃，１４₄により検出し、回転角速度Ω₀を知るこ
とができる。回転角は回転速度を積分することにより得
られる。

【０００７】しかしながら、このような振動ジャイロは
従来の機械式ジャイロよりは小型軽量であるが、金属片
に圧電板を接着して構成するため、その小型軽量化には
限度がある。このため寸法、重量、価格などの点から小
型の移動体への適用は困難であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにジャイロ
の小型軽量化が困難であることが、小型の移動体の位置
推定に慣性誘導方式を適用する上で問題となっていた。

【０００９】本発明はこのような問題を解決し、小型軽
量の振動ジャイロとして適用できるとともに、加速度セ
ンサーとしても適用できる慣性センサーを提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、基板上に例えば導電性材料のパターニン
グ加工により間隔的に形成された複数の脚部と、同パタ
ーニング加工により形成され前記基板上に浮いた状態で
前記脚部間を連結するアーム部と、前記脚部の中間に配
置して前記アーム部に支持され前記基板上に浮いた状態
とされた質量部とにより慣性機構部を形成し、前記慣性
機構部の動きを検知する手段のみを備えてなることを特
徴とする。必要に応じ、慣性機構部を駆動する手段を備
えることもできる。

【００１１】

【作用】本発明によれば、例えばＳｉの微細加工技術を
用いて振動ジャイロを実現できるため、大幅な小型軽量
化が可能となる。また加速度センサーとして、ジャイロ
と同一の構造で実現できるため、１つのＳｉチップ上に
その製造と同時に加速度センサーまたは振動ジャイロを
作製することが可能となり、全体としてさらに小型軽量
化が可能となる。さらに、Ｓｉ等の上にはジャイロ等と
同時に回路も作り込むことができ、さらなる小型軽量
化、性能の向上が図れる。またフォトリソグラフィとエ
ッチングとにより量生産にも適し、しかも組み立て状態
で作製できるため、加工コストや組み立てコストが小さ
く、安価なものとすることができる等の利点も得られ
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１３】図１は本発明の第１実施例の振動ジャイロ
を示す平面図、図２は図１の側断面図、図３は作用説明
図である。

【００１４】シリコン等からなる基板６上に、正方形の
４つの頂点に位置するように導電性パターンにより脚部
１（１₁，１₂，１₃，１₄）が固着形成されている。
これら脚部１間に亘って、正方形枠状にアーム部２（２
₁，２₂，２₃，２₄）が形成されている。これらアー
ム部２は基板６上には固定されず、浮いた状態とされて
いる。なお、アーム部２は、脚部１の近傍に透孔７ａを
穿つことにより形成された薄板状の弾性板部７を有して
いる。また、これら脚部１およびアーム部２の配列の中
心位置に質量部３が配置されている。この質量部３も基
板６上に浮いた状態で配置され、支持アーム部８によっ
て支持されている。さらに各アーム部２の中間部には外
側に向って櫛形電極４（４₁，４₂，４₃，４₄）が形
成されている。以上により慣性機構部９が構成してあ
る。そして、各櫛形電極４の対面には、基板６に固定さ
れた櫛形電極５（５₁，５₂，５₃，５₄）が配置され
ている。

【００１５】このような慣性機構部９は以下に述べるよ
うな方法で作製できる。例えば単結晶シリコン基板６上
に、リン・ケイ酸ガラス（ＰＳＧ）層と多結晶シリコン
層とを交互にパターニングしながら、それぞれＣＶＤ法
にて成膜していく。この場合、リン・ケイ酸ガラスは、
基板６と慣性機構部９の可動部分であるアーム部２や質
量部３の下の隙間（図２のＣ参照）に相当する部分に埋
め込まれるようにする。一方、多結晶シリコン層は、慣
性機構部９の形をとるようにエッチグする。そして、リ
ン・ケイ酸ガラスだけが溶解する選択性のあるエッチン
グを施すことにより、基板６上に多結晶シリコンの慣性
機構部９が組み上がった形に仕上げる。このようにマイ
クロマシニング技術を用いて作製することにより、図
１、図２に示すような機構を小さく作ることが可能とな
る。

【００１６】次に動作を説明する。基板６から浮いてい
るアーム部２、質量部３等の可動部分のｘ方向共振周波
数とｙ方向共振周波数とを等しくなるように設定する。
可動部分を電気的に接地し、櫛形電極５₁，５₂にそれ
ぞれＶ_p＋ｖ_dｓｉｎωｔ，Ｖ_p−ｖ_dｓｉｎωｔの電
圧を印加する。ここでＶ_pは直流バイアス電圧であり、
ｖ_dｓｉｎωｔは駆動用交流電圧である。

【００１７】この結果、これらに対向する櫛形電極
４₁，４₂に静電気力が生じ、駆動周波数を共振周波数
と等しくすると可動部分はｘ方向に共振する。この状態
でｚ軸回りに回転角速度Ω₀が加わると質量部である結
合部材３に対し、振動方向に直角なｙ方向にコリオリの
力が働き、この力により可動部分はｙ方向にも共振す
る。この時、２組の対向する櫛形電極４₃，５₃および
４₄，５₄の間の容量変化により振動の大きさを知るこ
とができ、この振動の大きさは回転角速度Ω₀に比例す
るので容量変化を検出することにより回転角速度Ω₀を
知ることができる。

【００１８】図３に振動ジャイロが動作している場合の
可動部分の変形状態を、破線によって示している。中央
の質量部３は静電気力によりｘ方向に振幅δ_xで、また
コリオリの力によりｙ方向に振幅δ_yで２次元的に共振
しており、一方向に沿うアーム部２₁，２₂はｘ方向に
δ_xだけ変位するがｙ方向には変位せず、他方向に沿う
アーム部２₃，２₄はｙ方向にδ_yだけ変位するがｘ方
向には変位しない。このため櫛形電極による駆動、検知
が可能となっている。

【００１９】なお、本実施例の構成はそのまま２次元加
速度センサーとして適用できる。そこで２次元加速度セ
ンサーとして使用する場合について図３を用いて説明す
る。今、ｘ，ｙ方向に加速度ａ_x，ａ_yが加わったとす
る。この時、中央の質量部３には慣性力ｆ_x＝−ｍａ_x
とｆ_y＝−ｍａ_yがｘ，ｙ方向に働く。ここでｍは質量
部３の質量である。この結果生じるｘ方向変位δ_xは対
向する２組の櫛形電極４₁，５₁および４₂，５₂の間
の容量変化により知ることができ、ｘ方向変位はｘ方向
の加速度ａ_xに比例するので容量変化を検出することに
よりｘ方向加速度ａ_xを知ることができる。ｙ方向も同
様である。

【００２０】なお、質量部の下に固定電極を設けｚ方向
の容量変化より、ｚ方向加速度を知るように構成するこ
とも可能であり、この場合は３次元加速度センサーとな
る。図４は第２実施例を示す平面図、図５は図４の側面
図である。第１実施例と同一構成部分には同一符号を付
して詳細な説明は省く。この実施例は基板６上の固定電
極１８を質量部３の下に設け、質量部３の駆動、検出に
この固定電極１８を用いるものである。例えばジャイロ
として用いる場合、質量部３と固定電極１８₁，１８₂
との間に駆動電圧を与え、静電気力によりｘ方向に共振
させる。そして、その結果生じるｙ方向の変位は質量部
３と固定電極１８₃，１８₄の間の静電容量変化により
検出する。

【００２１】図６は第３実施例を示す平面図、図７は図
６の側面図である。先の各実施例と対応する部分には同
一符号を付して詳細な説明は省く。この実施例は可動部
分上に導線１９を設けたもので、質量部３の駆動にロー
レンツ力を、検出に電磁誘導作用を用いるものである。
図で磁石などにより、ｚ方向に磁界が生じているものと
する。例えばジャイロとして用いる場合、導線１９₁，
１９₂に同方向に電流を流し、ローレンツ力によりｘ方
向に共振させる。そして、その結果生じるｙ方向の変位
は導線１９₃，１９₄に電磁誘導により生じる電圧によ
り検出する。

【００２２】以上のように２次元加速度センサーと振動
ジャイロと同一の構造とすることができるため、１つの
Ｓｉチップ上に容易に両者を作製でき、小型軽量の慣性
誘導装置が実現できる。

【００２３】さらに、ジャイロの駆動周波数を加速度セ
ンサーの測定周波数の帯域より十分高く取っておけば、
１つの構造体で角速度と加速度の両者を測定できるよう
にすることも可能で、さらに小型化できる。

【００２４】以上の説明においては可動部分駆動、検出
には静電気力や電磁力を用いたが、本発明はこれらに限
定されるものではない。例えば、圧電効果を用いること
も可能である。また説明に用いた材料、作製方法も単な
る一例であり、これらに限定されるものではない。

【００２５】即ち、最も一般的な作製方法では、前記各
実施例におけるように基板６を単結晶シリコンとし、慣
性機構部９を多結晶シリコンとし、さらに後で溶解する
部分はリン・ケイ素ガラス（ＰＳＧ）、その溶解用のエ
ッチング液はフッ酸とするが、その他の作製方法とし
て、基板をガラスとし、慣性機構部を単結晶シリコンと
することも可能である。つまり、基板には絶縁物を種々
適用でき、慣性機構部には金属等の導電材料を適宜利用
することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によればＳ
ｉ等の微細加工技術を用いて振動ジャイロを実現できる
ため、大幅な小型軽量化が可能となる。また加速度セン
サーと同一の構造であるため、１つのＳｉチップ等の上
に同時に加速度センサーと振動ジャイロを作製でき、全
体としてはさらに小型軽量化が可能となる。このため、
小型の移動体にも搭載可能な慣性誘導装置を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す振動ジャイロの平面
図。

【図２】図１のＩ−Ｉ線矢視図。

【図３】前記実施例による作用説明図。

【図４】本発明の第２実施例を示す平面図。

【図５】図４の側面図。

【図６】本発明の第３実施例を示す平面図。

【図７】図６の側面図。

【図８】慣性誘導方式の説明図。

【図９】従来の振動ジャイロの説明図。

【符号の説明】

１脚部２アーム部３質量部４可動櫛形電極５固定櫛形電極６基板７弾性板部１８固定電極１９導線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にパターニング加工により間隔的
に形成された複数の脚部と、同パターニング加工により
形成され前記基板上に浮いた状態で前記脚部間を連結す
るアーム部と、前記脚部の中間に配置して前記アーム部
に支持され前記基板上に浮いた状態とされた質量部とに
より慣性機構部を形成し、前記慣性機構部の動きを検知
する手段を備えてなることを特徴とする慣性センサー。