JPH06510604A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 回転センサ 置皿９分野 本発明は回転センサに係り、より詳細には、シリコンマイクロジャイロ回転セン サに係る。

先行扶酉 多くの形式の航空機のための航行及び慣性誘導システムは、航空機の運動の角速 度に関するデータをしばしば用いて航空機の所望の動きを制御している。角度運 動に関するデータを供給する１つの装置は、良く知られたジャイロスコープであ る。しかしながら、ジャイロスコープには多数の欠点がある。これらは、物理的 に太き（且つ重たい上に、多大なコストをかけて非常に高精度で取り付けねばな らず、しかも、低レベルの衝撃や振動でもダメージを受けることがある。衝撃や 振動の影響を最小にするために、重量のある取付器具によって保護しなければな らず、これにより、サイズや、重量や、コストが更に増大する。更に、ベアリン グのような重要な可動素子は通常は使用に伴って摩耗するので、ジャイロスコー プは制度を保持するために頻繁に保守を行わねばならない。このように頻繁な保 守や高い精度が要求されるにもかかわらず、１時間当たりに数分の１°というエ ラードリフトレートが生じる。

従来のジャイロスコープの欠点を解消するよう試みる別の形式の角度運動センサ が、ユーゲンＨスタウテ氏の米国特許第４，８９９，５８７号に開示されている 。該特許は、水晶で作られた第１及び第２の同調フォークより成る角速度センサ を開示している。これらのフォークの柄は対称軸に沿って端と端が一緒に結合さ れ、それらの刃が互いに離れる方を向いて１つの平面内に存在するようにされる 。この二重フォーク構造体を支持体に取り付けるために取付部が設けられる。

発振器に接続された一対の電極を介して第１フオークの刃にエネルギーが与えら れる。発振器の信号により第１フオークの刃がその平面内で振動させられる。こ の構造体が対称軸の周りで回転するときには、コリオリの力により第２フオーク の刃が上記平面に直角の方向に振動させられる。この第２フオークの刃の振動は 出力電極で感知され、その単一軸に関する角度運動を表す信号が発生される。

不都合なことに、フォークを駆動しそしてその振動運動を感知するのに必要な電 子装置は、非常に複雑で、抽出するのが困難である。この装置は、音響及び振動 の干渉をかなり受け昌く、叉、水晶の圧電特性によりこの装置は漂遊キャパシタ ンスに非常に敏感なものとなる。フォーク構造体を取り付ける支持体は、不所望 なストレスや破壊点を生じ、又、水晶の温度変則性により他の電気的及び機械的 な問題が生じる。史に、各装置は単一の軸に沿った回転しか感知しない。

２皿９変り 本発明は、２つの軸に対する回転を感知することのできるシリコンのマイクロジ ャイロであって、公知の写真平板及びエツチング技術を用いてシリコン基体から 完全な構造体がマイクロ加工されたマイクロジャイロに係る。構造体の重要な部 品は一体的に形成され、従って、不所望な機械的ストレスは排除される。マイク ロ加工されたチップは、２つのエツチングされたシリコンカバーの間に収容され る。これらのシリコンカバーは互いに溶融されて、温度係数の差がない単一の均 質なシリコン構造体が形成される。この回転センサを動作するのに使用される電 子装置は、シリコンへの直接的な拡散によるか又はＡＳＩＣチップをハウジング に接合することにより、容易にハウジングに配置することができる。

本発明による回転センサの一実施例においては、複数の刃が円形ベースの外周面 から半径方向に且つ同一平面内に延びるようにシリコンチップがマイクロ加工さ れる。ベースを支持体に取り付けるために第１及び第２の取付部材がベースから 延びている。第１の取付部材は、第２の取付部材に対し一般的に垂直に配置され る。パルス発生器は複数の刃の次々の自由端に静電又は電磁パルスを印加し、６ 刃がベースの周囲に沿って回転シーケンスで平面内において瞬間的に振動するよ うにする。次々の振動は、スピンするホイールを近似する実効角運動量を確立し 、第１には第２の取付部材の一方の軸の周りでセンサが回転することによってそ の他方の部材にコリオリカによる変形を受けさせる。ホイートストンブリッジを 形成するように相互接続された複数の圧電抵抗歪ゲージが第１及び第２の取付部 材に配置され、第１及び第２の取付部材の変形をブツシュ−プル式に各々感知す る。ＩＬいに逆状態にされた歪ゲージのブツシュ−プル作用により、ノイズ及び エラーが打ち消されるという効果が得られる。従って、歪ゲージからの出力信号 は、角運動の確実な指示を与える。

水晶をベースとする回転センサとは対照的に、同じチップ上に回転センサと共に 任意の直線加速度計を組み合わせることができる。このような３個のチップを組 み合わせて、３つの軸に対する回転及び直線加速度を感知する慣性測定ユニット （ＩＭＵ）を形成することができる。

図面の簡単な説明 図１は、本発明によるシリコンのマイクロジャイロ回転センサ及び任意の直線加 速度計の特定の実施例を示す上面図である。

図２は、図１に示すマイクロジャイロのハウジングの特定の実施例を示す分解図 である。

図３は、３つの軸に対する回転及び直線加速度を感知するＩＭＵの特定の実施例 を示す斜視図である。

ましい　の。　な説Ｉ 図１は、本発明によるシリコンのマイクロジャイロ回転センサ１ｏの特定実施例 を示す上面図である。このマイクロジャイロ１０は、円形ベース１４を備え、こ こから複数の刃１８が延びている。より詳細には、これらの刃１８は、ベース１ ４の外周面２２から同一平面において延びており、６刃１８はＴ字型の自由端２ ４を有している。第１の取付部材２８は、ベース１４から図示されたＸ軸に沿っ て両方向に延びており、構造体を支持体３２に取り付けている。第２の取付部材 ３６も同様にベース１４から図示されたＹ軸に沿って両方向に延びている。ベー ス１４、刃１８、第１取付部材２８、第２取付部材３６、及び支持体３２は、標 準的なシリコン写真平板及びエツチング技術を用いてシリコンウェハから一体的 にマイクロ加工される。

第１の取付部材２８内に拡散されるのは、圧電抵抗歪ゲージＲＸ１−ＲＸ８であ り、歪ゲージＲＸ１−ＲＸ４と、ＲＸ５−ＲＸ８は、２つのホイートストンブリ ッジ４０及び４４を各々形成するよう相互接続され、第１取付部材２８の変形（ 例えば、撓み、歪、圧縮、ねじれ、等）を感知する。同様に、圧電抵抗歪ゲージ ＲＹＩ−ＲＹ８は、第２の取付部材３６内に拡散され、該第２の取付部材３６の 変形を感知するための２つのホイートストンブリッジ４８及び５２を形成するよ うに相互接続される。

支持体３２」二には複数の電極６０が配置されており、これらは、公知の金属化 技術により金属層を付着及びエツチングすることによって形成される。電極６゜ は、刃１８のＴ字型自由端２４に対して傾斜されるのが好ましい。支持体３２に 任意に付着されるのは、拡散圧電抵抗歪ゲージＲＡ１−ＲＡ８であり、これらは 良く知られたように相互接続されて直線加速度計を形成する。ホイートストンブ リッジ４０．４４．４８及び５２、電極６０．及び加速度計７８に対する接続は バス６６を形成し、これは次いで信号処理ユニット７ｏ及びパルスユニット７４ に接続される。

動作に際し、パルスユニット７４は、約２０ｋＨ２で時計方向又は半時計方向の スピン方向に電極６０を経て静電的又は電磁的に６次々の刃を順次にパルス付勢 する。傾斜した電極６０からの各パルスは、それに関連した刃を矢印で示された ように平面内で瞬間的に前後に振動させる。その正味作用は、刃の振動のスピン 「ポケット」を形成することであり、これは構造体の周りを円形に進行して、ス ピンホイールを近似する実効角運動量を形成する。従って、構造体がＹ軸の周り を回転する場合には、コリオリカによって第１の取付部材２８が変形を受用一方 、構造体がＸ軸の周りを回転する場合には、コリオリカによって第２の取付部材 ３６が変形を受ける。変形の量は、対応するホイートストンブリッジ４０゜４４ 又は４８．５２によって感知され、その信号が信号処理ユニット７ｏによって処 理されて、角度回転の量の直接的な指示が形成される。又、信号処理ユニット７ ０は、加速度計７８からの信号も処理し、マイクロジャイロ構造体の直線加速度 の量の指示を与える。

図２は、マイクロジャイロ１ｏを収容するための本発明による任意構造体８゜を 示す分解図である。このハウジングは、エツチングされたシリコンカバー８２及 び８４より成る。これらのカバーは、イオン注入によって接合され、熱係数の差 がないシリコンの一体部片を形成する。ＡＳＩＣ又は他の電子装置８８がチップ ９２上に形成され（或いは部材８２又は８４の表面に拡散され）そしてスペース を効率的に使用するようにマイクロジャイロ１ｏに接続がなされる。電子装置８ ８は、もし所望ならば、信号処理ユニット７ｏ及び／又はパルスユニット７４の 部分を含んでもよい。

図３は、３つの軸に対する角回転及び直線加速度を感知する本発明による３軸二 重冗長のＩＭＵ９５を示す斜視図である。この実施例では、３つのマイクロジャ イロ１０（１つしか示されていない）が３つの垂直軸に沿ってシリコン立方体９ ８に接合される。これら３つのマイクロジャイロは、３つの軸に対する回転を二 重の冗長度で感知しく各マイクロジャイロが２つの垂直軸に関する回転を感知す るので）、そして３つの直線加速度計が３つの軸に沿った直線変位加速度を測定 する。

本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、種々の変形を使用すること ができる。例えば、特定の回転率感知要件に対して運動スピン率を最適化するこ ともできるし、半径方向に対向したスポークを同時にパルス付勢して、構造体の 周りを円形に進行する刃振動の２つ以上のポケットを形成することもできる。

従って、本発明の範囲は、請求項に記載する以外のもので限定されることはない ものとする。

Ｆ／θ　／ Ｆ１ａ　２

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. １．回転センサのための刃構造体において、ベースと、 上記ベースから半径方向に且つ少なくとも２つの直交する方向に延びる複数の刃 と、 上記ベースを支持体に取り付けるための取付手段とを備えたことを特徴とする刃 構造体。
2. ２．回転センサのための刃構造体において、外周面を有する一般的に円形のベー スと、上記ベースの外周面から半径方向に延びる複数の刃と、上記ベースを支持 体に取り付けるための取付手段とを備えたことを特徴とする刃構造体。
3. ３．回転センサのための刃構造体において、複数の半径方向に延びる刃と、 上記複数の刃が実効角運動を確立するように各刃を振動させる駆動手段とを備え たことを特徴とする刃構造体。
4. ４．上記複数の刃を支持体に取り付けるための取付手段を更に備え、選択された 軸の周りでの刃構造体の回転が上記取付手段の変形を生じさせるようにした請求 項３に記載の刃構造体。
5. ５．複数の半径方向に延びる刃と、 上記複数の刃が実効角運動を確立するように各刃を振動させる駆動手段と、上記 複数の刃を支持体に取り付けるための取付手段であって、選択された軸の周りで の構造体の回転がこの取付手段を変形させるようになった取付手段と、上記取付 手段に配置され、上記取付手段の変形を感知するための変形感知手段とを備えた ことを特徴とする回転センサ。
6. ６．上記複数の刃は一般的に同一平面にある請求項５に記載の回転センサ。
7. ７．上記駆動手段は、各刃が平面内で順次瞬間的に振動するように上記複数の刃 の自由端にパルスを供給するためのパルス手段を備えた請求項６に記載の回転セ ンサ。
8. ８．上記複数の刃の自由端は円を定める請求項６に記載の回転センサ。
9. ９．ベースを更に備え、上記複数の刃はこのベースから延びている請求項８に記 載の回転センサ。
10. １０．上記ベースは一般的に円形の外周面を有し、上記複数の刃はこの外周面か ら延びている請求項９に記載の回転センサ。
11. １１．上記複数の刃は、上記ベースの周りに均一に配置される請求項１０に記載 の回転センサ。
12. １２．ベースを更に備え、上記複数の刃はこのベースから発している請求項５に 記載の回転センサ。
13. １３．上記取付手段は、上記ベースから支持体へと延びている請求項１２に記載 の回転センサ。
14. １４．上記変形感知手段は、上記取付手段に配置されてホイートストンブリッジ を形成するように相互接続された複数の歪ゲージを備えている請求項１３に記載 の回転センサ。
15. １５．上記取付手段は、 上記ベースから支持体へと延びる第１の取付部材と、上記ベースから支持体へと 延びる第２の取付部材とを備え、上記第２の取付部材は、第１の取付部材に一般 的に垂直に配置される請求項１２に記載の回転センサ。
16. １６．上記変形感知手段は、 上記第１の取付部材に配置されて、その第１の取付部材の変形を感知するための 第１ホイートストンブリッジを形成するように相互接続された第１の複数の歪ゲ ージと、 上記第２の取付部材に配置されて、その第２の取付部材の変形を感知するための 第２ホイートストンブリッジを形成するように相互接続された第２の複数の歪ゲ ージとを備えた請求項１５に記載の回転センサ。
17. １７．上記支持体に配置されたＡＳＩＣを更に備えた請求項５に記載の回転セン サ。
18. １８．第１のシリコンカバーと、 第２のシリコンカバーとを備え、 上記複数の刃、取付手段及び支持体は、これら第１と第２のシリコンカバーの間 に配置され、そして 上記第１及び第２のシリコンカバーは互いに接合される請求項５に記載の回転セ ンサ。
19. １９．上記第１及び第２のシリコンカバーは、上記複数の刃、取付手段及び支持 体のための一体的なハウジングを形成するようにイオン注入によって互いに接合 される請求項１８に記載の回転センサ。
20. ２０．上記第１のシリコンカバーに配置されたＡＳＩＣを更に備えている請求項 １８に記載の回転センサ。
21. ２１．一般的に円形の外局面を有するベースと、上記ペースの外周面から半径方 向に且つ同一平面内に延びる複数の刃と、上記ベースを支持体に取り付けるため に上記ベースから延びる第１の取付部材と、 上記ベースを支持体に取り付けるために上記ベースから延びる第２の取付部材と を備え、 上記第２の取付部材は、上記第１の取付部材に一般的に垂直に配置され、更に、 各刃が平面内で順次瞬間的に振動して実効角運動を確立するように上記複数の刃 の自由端にパルスを供給するためのパルス手段を備え、上記第１取付部材又は第 ２取付部材の一方に対するセンサの回転がその他方の取付部材を変形させるよう になっており、更に、上記第１取付部材に配置されて、その第１取付部材の変形 を感知するための第１ホイートストンブリッジを形成するように相互接続された 第１の複数の歪ゲージと、 上記第２取付部材に配置されて、その第２取付部材の変形を感知するための第２ ホイートストンブリッジを形成するように相互接続された第２の複数の歪ゲージ とを備えたことを特徴とする回転センサ。
22. ２２．上記複数の刃は、上記ベースの周りに均一に配置される請求項２１に記載 の回転センサ。
23. ２３．上記複数の刃の自由端は円を定める請求項２２に記載の回転センサ。
24. ２４．上記ベース、複数の刃、第１取付部材、及び第２取付部材は、各々シリコ ンで形成される請求項２３に記載の回転センサ。
25. ２５．シリコンウエハで形成された慣性測定ユニットにおいて、複数の半径方向 に延びる刃と、 上記複数の刃が実効角運動を確立するように各刃を振動させる駆動手段と、上記 複数の刃を支持体に取り付けるために取付手段であって、選択された軸の周りで の構造体の回転がこの取付手段を変形させるようになった取付手段と、上記取付 手段に配置されて、その取付手段の変形を感知するための変形感知手段と、 上記支持体に配置された直線加速度計とを備えたことを特徴とする慣性測定ユニ ット。
26. ２６．上記直線加速度計は、複数の相互接続された歪ゲージを備えている請求項 ２５に記載の慣性測定ユニット。
27. ２７．上記複数の歪ゲージは上記支持体に拡散される請求項２６に記載の慣性測 定ユニット。
28. ２８．上記支持体に配置されたＡＳＩＣを更に備えた請求項２５に記載の慣性測 定ユニット。
29. ２９．シリコンウエハから各々形成された第１、第２及び第３の慣性測定チップ を備え、その各々は、 複数の半径方向に延びる刃と、 上記複数の刃が実効角運動を確立するように各刃を振動させる駆動手段と、上記 複数の刃を支持体に取り付けるために取付手段であって、選択された軸の周りで の構造体の回転がこの取付手段を変形させるようになった取付手段と、上記取付 手段に配置されて、その取付手段の変形を感知するための変形感知手段と、 上記支持体に配置され、直線加速度計を形成するように相互接続された複数の歪 ゲージとを備え、 上記第１、第２及び第３の慣性測定チップは互いに一般的に垂直に取り付けられ ることを特徴とする慣性測定ユニット。