JPH1144543A - マイクロビーム運動センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、低コストで長寿命の回転センサを得
ることを目的とする。 【解決手段】細長い機械的振動素子10を備え、この機械
的振動素子10の第２の端部が１つの平面上で振動するこ
とができるようにカンチレバー構造でその第１の端部に
近い位置で基体ベース22に固定され、長手方向の中心線
に沿ってそれと平行に配置された複数の層12,14,16,18,
20で構成され、それらの層は第１のグループの導電層1
2,14,16と第２のグループの電気絶縁層18, 20とを含
み、それらの層は第１のグループの各導電層12と14、14
と16を第２のグループの電気絶縁層18,20が分離して電
気的に絶縁するように交互に重ねて配置され、機械的振
動素子の第２の端部で第１のグループの導電層が導電体
17で電気的に接続され、この第２の端部の運動の方向お
よび大きさを表す機械的振動素子の電気特性における変
化を生成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジャイロスコープ
および回転センサに関し、特に、単一平面における回転
を感知するために機械的振動素子を使用する回転センサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転および回転速度を感知するために多
数の方法が開発されてきた。ジンバル構造の回転ホイー
ル、リングレーザおよび振動リングジャイロスコープは
全てこの目的のために開発され、成功を収めてきた。し
かしながら、そのような既存のジャイロスコープの設計
は、多くのアプリケーションにとっては非常に高価なも
のである。

【０００３】回転および回転速度を感知するための従来
技術による１つの方法においては機械的振動素子が使用
され、そこにおいて、回転速度を測定するために、素子
が回転するときに生じるコリオリ力が使用される。この
タイプの装置には、半球型の共振器ジャイロスコープお
よび振動リングジャイロスコープが含まれている。その
ような振動性のジャイロスコープは回転部分を有してお
らず、既知の微細加工技術を使用して容易に小型化され
る。しかしながら、これらのジャイロスコープは非常に
高価である。

【０００４】別の方法は、機械的振動素子に基づいた回
転センサを使用し、それは横方向振動が励起されたカン
チレバー構造のマイクロビームであることが好ましい。
従来の技術において、そのようなマイクロビームは静止
設置構造に直接結合されている。ビームが振動すると、
運動しているビームとその静止設置構造との間の電気容
量の変化を感知することによって振動振幅が測定され
る。容量の変化の大きさは通常、フェムトファラッドの
単位である。そのように容量レベルが低いために、ビー
ムをその関連した測定および制御電子装置と接続するリ
ード長を最小にすることが必要となり、それによって、
関連した電子装置はマイクロビームと同じチップ上に完
全に集積されなければならない。この要求は、B.E.Bose
r 氏およびR.T.Howe氏による“Surface Micromachined
Accelerometers”(IEEE Custom ICConference, May 199
5) 、ならびにW.Kuehnel 氏および S.Sherman氏による
“ASurface Machined Silicon Accelerometer With On-
Chip Detection Circuitry”(Elsevier Science Sensor
s and Actuators, 1994)等の文献において強調されてい
る。

【０００５】さらに、ブレッドボード能力なしにそのよ
うな特注設計のアナログ集積回路を開発する際には相当
のリスクが含まれる。一般に、装置の最適な構成を生成
するには、１以上のサイクルのマスク現像が要求され、
それに付随してコストもかかる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、装置に
特有の“摩耗のない”特性を使用するためにはマイクロ
ビームジャイロスコープを使用することが望ましい場合
があるが、その場合には最大より小さい正確さが要求さ
れる。

【０００７】本発明は、その電子装置が比較的簡単なも
のであると共に、複雑な電子装置、製造、および従来技
術による装置に付随する関連したコストの問題を排除す
る外部ブレッドボード電子装置と両立する装置を提供す
る。

【０００８】本発明は、航空機および宇宙船等の種々の
アプリケーションにおける使用に適した低コストで寿命
の長い回転センサを提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による回転センサ
は、その一方の端部が基体ベースに取付けられ、他方の
端部が自由に振動する機械的振動素子に基づいており、
それは好ましくはカンチレバー構造のマイクロビームで
ある。ビームはＸ−Ｙ平面に位置され、Ｚ軸、すなわ
ち、Ｘ−Ｙ平面に“垂直な軸”に沿って振動するように
励起される。

【００１０】本発明によれば、カンチレバー構造のビー
ムは、ビームの長手方向の軸に沿って形成された５つの
層を有する構造としてフォトリソグラフ技術を使用して
製造される。ビームは、頂部および底部の外部層と内部
層とを形成する導電（半導電）材料の３つの層を含む。
導電材料の各外部層は、絶縁材料の層によって導電材料
の中間層から分離されている。中間の導電層は、ビーム
の主要な機械的素子を構成するために外部導電層よりも
厚くしてもよい。

【００１１】導電性の端部プレートはビームの自由端部
を横切って形成され、電気的に３つの導電層を接続す
る。底部の外部導電層は、ビームの固定端部において基
体上に形成される。

【００１２】基体および接続された外部導電層は電気的
に接地電位に保持されており、残りの外部導電層は、そ
のビームの固定端部においてＤＣ電圧源に接続されてい
る。中間導電層は、ビームの固定端部においてＡＣ結合
された増幅器に接続されている。

【００１３】ＤＣ電圧は、ビームの固定端部において２
つの外部導電層間に与えられ、ビームの固定端部に隣接
した中間導電層における電圧は、増幅器に容量的に結合
されている。

【００１４】ビームの長手方向の軸あるいは平面に垂直
な方向にビームが振動するように励起すると、中間導電
層において測定されるＡＣ電圧が生成される。これは、
外部の導電層が交互に圧縮および伸長するために生じた
“ストレインゲージ（ひずみ計）”効果のためである。
ビームが上方向に屈曲すると、頂部の外部導電層は圧縮
され、その層の抵抗が減少する。同時に、底部の導電層
が伸長され、それによってその層の抵抗が増加する。層
の抵抗のこのような変化は電圧分割器として機能し、中
間層における電圧を増加させる。反対に、ビームが下方
向に振動した場合、頂部の導電層は伸長され、底部の導
電層が圧縮される。その結果として抵抗が変化したた
め、中央の導電層の電圧が減少する。

【００１５】振動しているビームが取付けられている基
体が静止しているときには、中央層において出力された
ピーク間ＡＣ電圧は平衡である。基体がビームの長手方
向の軸に垂直な軸を中心にして回転すると、“ストレイ
ンゲージ”効果が変更され、結果的に中間層におけるピ
ーク間ＡＣ電圧が変化する。ピーク間ＡＣ電圧における
この変化は、基体の回転の方向および速度を表してい
る。

【００１６】本発明のセンサの利点の１つとして、関連
した電子装置が簡単であることが挙げられる。別の主要
な利点は、そのインピーダンスが低いことである。イン
ピーダンスが低いと、マイクロビームと同じマイクロチ
ップ上に関連した電子装置を一緒に配置しなければなら
ない必要が除去される。また、この利点はセンサ（マイ
クロ−ジャイロ）の位相の生成中に著しく、それは、イ
ンピーダンスが低いと、ビームを含むパッケージの外部
のブレッドボード電子装置を使用することが容易になる
からである。一度、電子回路が完全に製造されて試験さ
れると、それは所望ならば同じパッケージ内に集積でき
る。

【００１７】本発明の上述およびその他の特徴、見地お
よび利点は、以下の説明、特許請求の範囲および添付図
面を参照して一層理解されるようになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図面において、最初に図１を参照
すると、本発明の回転センサは一般にマイクロビーム10
として示されている。本発明は、一方の端部が基体のベ
ースに取付けられ、他方の端部が自由に振動する機械的
振動素子に基づいている。ビーム10はＸ−Ｙ平面に位置
され、その長手方向の軸はＹ軸に沿っている。ビーム10
は、Ｚ軸に沿って、すなわち、上下方向の矢印によって
示されているように、Ｘ−Ｙ平面に“垂直”に振動が励
起される。

【００１９】本発明に関して、図２を参照すると、カン
チレバー構造のビーム10は、ビームの長手方向の軸に沿
って形成された５つの層（12,14,16,18,20）としてよく
知られたフォトリソグラフ技術を使用して生成される。
本発明は、頂部および底部の外部導電層12および16と内
部導電層14とをそれぞれ形成している導電（あるいは半
導電）材料の３つの層を含んでいる。導電材料の外部層
12および16は、絶縁材料の層18および20によって中間の
導電材料の層14から分離されている。また、中間導電層
14は、ビーム10の主要な機械的素子を提供するために外
部の導電層12および16よりも厚くてもよい。

【００２０】導電性の端部プレート17は、ビーム10の自
由端部を横切って形成され、３つの導電層12,14,16を電
気的に接続する。底部導電層16は、ビーム10の一方の端
部において基体22上に形成されており、それによって、
基体22の運動に関する場合を除いては、その端部が移動
することを防ぐ。

【００２１】図３を参照すると、基体22および接続され
た底部導電層16は、電気的接続パッド28において電気的
接地電位32に接続され、頂部導電層12は、電気的接続部
24においてＤＣ電圧源30に接続されている。中間の導電
層14は、電気的接続パッド26においてキャパシタ34を通
して高利得増幅器36に接続されている。導電層12,14,16
へ電気的に接続する方法は本発明の本質ではないので、
本発明の説明は単なる例示として行われるだけであり、
発明の技術的範囲を制限するものではない。

【００２２】ＤＣ電圧は、接続部24および28を通して外
部導電層12と16との間に与えられる。中間導電層14上の
接続部26における電圧は、キャパシタ34を介して増幅器
36に容量的に結合される。

【００２３】ビームが位置されるＸ−Ｙ平面に垂直な方
向のＺ軸に沿って振動するようにビーム10を励起する
と、中間の導電層14において測定されるＡＣ電圧が生成
される。これは、頂部および底部の導電層12および16の
それぞれが交互に圧縮および伸長するために生じた“ス
トレインゲージ（ひずみ計）”効果のためである。ビー
ム10が図１の上下方向矢印によって示されているように
上方向に屈曲すると、頂部導電層12は圧縮され、その層
の抵抗が減少する。同時に、底部導電層16が伸長されて
その層の抵抗が増加する。層12および16のこの抵抗の変
化は図３に示されたように電圧分割器として機能し、中
間層14における電圧を増加させる。

【００２４】振動によってビーム10が下方向に屈曲する
と、頂部導電層12は伸長され、底部導電層16は圧縮され
る。結果として生じた層12および16における抵抗の変化
によって、中央導電層14の電圧が減少する。

【００２５】振動ビーム10が取付けられている基体22が
回転していないときには、中間層14において出力された
ピーク間ＡＣ電圧は、層12,14,16において使用された導
電材料および層12ならびに16を横切って加えられたＤＣ
電圧の値に依存するピーク間振幅レベルに保持される。
この状態を表す代表的な信号波形は図４に示されてい
る。基体22がビーム10の長手方向の軸に垂直なＸ軸を中
心に回転したとき、ビーム10は、図１の上下方向矢印に
よって示されているように上方あるいは下方のいずれか
の回転方向に移動される。これによって“ストレインゲ
ージ”効果が変化し、結果的に中間層14のピーク間ＡＣ
電圧が変化する。図５のａおよびｂを参照すると、基体
22の回転の方向および速度を示すピーク間ＡＣ電圧の変
化が示されている。

【００２６】従って、マイクロビーム10が安定した静止
位置にある限り、中間導電層14上の電圧の増減によっ
て、正および負の転移が等しく定められるピーク間振幅
を有するＡＣ電圧が生成される。しかしながら、基体22
がＸ軸を中心に回転し始めると、回転の方向によって、
増幅器36に結合されたＡＣ信号の振幅が基体の回転方向
に依存して増加あるいは減少し、回転の量に比例する増
幅器36から出力信号を生成する。

【００２７】中間導電層14上の電圧の全ピーク間振幅だ
けが重要であるため、中間の導電層14は高利得増幅器36
にＡＣ結合できる。さらに、マイクロビーム10が非常に
低い抵抗だけを有する電圧分割器として機能すると、中
間導電層14上の信号は中間導電層14と増幅器36との間の
接続部26における浮遊容量によって減衰されることはな
く、それによって、増幅器36がマイクロビーム10と同じ
基体上に一緒に配置される必要はなくなる。

【００２８】本発明の一実施形態が本明細書において詳
細に説明され、添付図面において示されてきたが、本発
明の技術的範囲から逸脱せずに様々な別の変更が素子の
構成および構造において可能であることは明らかであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のカンチレバー構造のマイクロビームの
斜視図。

【図２】図１の斜視図の分解図。

【図３】図１および２のビームの等価回路図。

【図４】基体が静止している状態の中間導電層のＡＣ電
圧信号波形図。

【図５】基体が回転しているときの中間導電層の典型的
なＡＣ電圧波形図。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長手方向の中心線と第１および第２の端
   部とを有する細長い機械的振動素子を具備し、 この機械的振動素子は、 前記第２の端部が１つの平面上で振動することができる
   ようにカンチレバー構造で前記第１の端部に近い位置で
   基体ベースに固定され、 前記長手方向の中心線に沿ってそれと平行位置されてい
   る複数の層によって構成され、 それらの層は第１のグループの導電層と第２のグループ
   の電気絶縁層とを含み、 それら第１のグループおよび第２のグループの層は、第
   １のグループの各導電層を第２のグループの電気絶縁層
   によって第１のグループの他の導電層から電気的に絶縁
   するように交互に重ねて配置され、 機械的振動素子の第２の端部において第１のグループの
   導電層が電気的に接続され、 機械的振動素子の第２の端部の運動が前記１つの平面に
   おける運動の方向および大きさを表す前記機械的振動素
   子の電気特性における変化を生成することを特徴とする
   回転センサ。
2. 【請求項２】 前記第１のグループの導電層は頂部層、
   中間層、および底部層を有し、第２のグループの電気絶
   縁層は前記頂部層と前記中間層との間に位置する第１の
   電気絶縁層と、前記中間層と前記底部層との間に位置す
   る第２の電気絶縁層とを有し、 電圧電源が前記頂部層と前記底部層との間に接続され、
   前記底部層は電気的に接地電位に保持され、 前記機械的振動素子の第２の端部の運動が前記頂部層と
   前記底部層とに応力を与えてそれぞれの抵抗を変化さ
   せ、その運動の方向および大きさを表す前記中間層にお
   ける出力信号を生成する請求項１記載の回転センサ。
3. 【請求項３】 前記機械的振動素子はフォトリソグラフ
   処理を使用して基体ベース上に形成されたカンチレバー
   構造のマイクロビームである請求項２記載の回転セン
   サ。
4. 【請求項４】 前記長手方向の中心線およびビームの振
   動平面に垂直な軸を中心とする基体ベースの回転によっ
   て、基体ベースの回転の方向および大きさを表している
   前記中間層における出力信号に変化を生じさせる請求項
   ３記載の回転センサ。
5. 【請求項５】 前記中間層における出力信号は高利得増
   幅器にＡＣ結合されて基体ベースの非常に小さい程度の
   回転の検出を可能にしている請求項１記載の回転セン
   サ。
6. 【請求項６】 前記第１のグループの層の数は前記第２
   のグループの層の数よりも１つ大きい請求項１記載の回
   転センサ。
7. 【請求項７】 前記中間層の厚さは、ビームの機械的完
   全性を与えるために前記頂部層および前記底部層の厚さ
   よりも厚く構成されている請求項３記載の回転センサ。
8. 【請求項８】 前記頂部層の方向へのビームの屈曲が前
   記頂部層を圧縮し、前記底部層を伸長することによって
   前記頂部層の抵抗を減少させ、前記底部層の抵抗を増加
   させ、それによって前記中間層において測定される電圧
   を増加させ、 前記底部層の方向へのビームの屈曲が前記頂部層を伸長
   させ、前記底部層を圧縮することによって前記頂部層の
   抵抗を増加させ、前記底部層の抵抗を減少させ、それに
   よって前記中間層において測定される電圧を減少させる
   請求項３記載の回転センサ。