JPS60113105A - 振動式角速度計 - Google Patents
振動式角速度計Info
- Publication number
- JPS60113105A JPS60113105A JP58221742A JP22174283A JPS60113105A JP S60113105 A JPS60113105 A JP S60113105A JP 58221742 A JP58221742 A JP 58221742A JP 22174283 A JP22174283 A JP 22174283A JP S60113105 A JPS60113105 A JP S60113105A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- angular velocity
- electrode
- electrodes
- substrate
- velocity meter
- Prior art date
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- Pending
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- 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
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- General Physics & Mathematics (AREA)
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- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〈産業上の利用分野〉
本発明は航空機等の移動体の姿勢制御信号源として必須
な角速度計に関する。特にコリオリカを利用した振動式
角速度計の新規な構成に関し、不運 形、高精度で信頼性の向い角度計を提供する。
な角速度計に関する。特にコリオリカを利用した振動式
角速度計の新規な構成に関し、不運 形、高精度で信頼性の向い角度計を提供する。
〈従来例〉
コリオリカを用いた音叉形の振動式角速度計の一例を第
１図面の簡単な説明する。１は測定すべき角速度Ｑが与
えられる回転軸２を有するペース部材、２．．２．は軸
Ｚを挾んで振動面が対向配置゛されるようにペース部材
１に取付けられた音叉素ように周期的に互いに逆位相で
振動する。５．．３ｂはこれら音叉素子の先端に形成さ
れた中継部材、４ａ、４ｂはこれら中継部材に取付けら
れ、回転軸２を挾みその振動面が音叉素子とは９０°異
って延長形成された、コリオリカ検出部１に構成する検
出素子であり、自身がピエゾ圧電素子又は適当な振動検
出手段が蒸着又は接着されている。
１図面の簡単な説明する。１は測定すべき角速度Ｑが与
えられる回転軸２を有するペース部材、２．．２．は軸
Ｚを挾んで振動面が対向配置゛されるようにペース部材
１に取付けられた音叉素ように周期的に互いに逆位相で
振動する。５．．３ｂはこれら音叉素子の先端に形成さ
れた中継部材、４ａ、４ｂはこれら中継部材に取付けら
れ、回転軸２を挾みその振動面が音叉素子とは９０°異
って延長形成された、コリオリカ検出部１に構成する検
出素子であり、自身がピエゾ圧電素子又は適当な振動検
出手段が蒸着又は接着されている。
このような構成において、音叉素子及び検出素子の一方
の側に着目し、その音叉素子の振動速度Ｖは、 ｖ ＝ ｖ、： ｇｉｎωｔ （り で表わされる。ペース部材１が軸２のまわりに角速度Ω
で回転するとき、音叉素子とは９０°異って配置された
検出素子にはコリオリカが発生することが知られており
、その力ＦＣは、検出素子の質量をｍとしたとき、 ＦＣ＝ ２ｍｖ−Ω＝ ２ｍｖ、 ｓｌｎωｔψＱ（２
）となり、振動的に発生する（２）式で与えられるコリ
オリカＦＣヲ測定することで、角速度０１にめることが
可能である。
の側に着目し、その音叉素子の振動速度Ｖは、 ｖ ＝ ｖ、： ｇｉｎωｔ （り で表わされる。ペース部材１が軸２のまわりに角速度Ω
で回転するとき、音叉素子とは９０°異って配置された
検出素子にはコリオリカが発生することが知られており
、その力ＦＣは、検出素子の質量をｍとしたとき、 ＦＣ＝ ２ｍｖ−Ω＝ ２ｍｖ、 ｓｌｎωｔψＱ（２
）となり、振動的に発生する（２）式で与えられるコリ
オリカＦＣヲ測定することで、角速度０１にめることが
可能である。
このような構成の角速度計の問題点は、（リ 複数の要
素を接着、組立てる構成のため、小型化に限界がある。
素を接着、組立てる構成のため、小型化に限界がある。
（５） 同様の要因で長期的な安定性に欠ける。
（４）同様の要因で故障の確率が高く、信頼性に欠ける
。
。
く本発明の構成〉
本発明は従来技術の上記問題点を解消し、小型で製作精
度が高く、安定性、信頼性に優れた振動式の角速度計の
提供を目的とするものであり、その構成上の特徴は、フ
ォトリソグラフィとエツチング加工法により、半導体基
板より一定の間隙をもって振動による慣性変換部を形成
する第１電極及びコリオリカを検出するための第２電極
を一体に形成し、半導体基４板と第２電極間との間に形
、成される静電容量の変化に基づいてコリオリカを検出
するようＫした点にある。
度が高く、安定性、信頼性に優れた振動式の角速度計の
提供を目的とするものであり、その構成上の特徴は、フ
ォトリソグラフィとエツチング加工法により、半導体基
板より一定の間隙をもって振動による慣性変換部を形成
する第１電極及びコリオリカを検出するための第２電極
を一体に形成し、半導体基４板と第２電極間との間に形
、成される静電容量の変化に基づいてコリオリカを検出
するようＫした点にある。
以下実施例に基づいて本発明の詳細な説明する。
第２図において、５は長方体のシリコン等の半導体基板
、６はこの基板上に形成された８１０２等の絶エツ 縁膜、７はこれら両者の中央部において基板ンブングし
て形成された間隙部、Ｄはその間隙部の距離を示す。８
は絶縁膜６の中央部を間隙部７に貫通して長手方向に形
成された小判形の穴、９はこの小判形穴８のまわりに絶
縁膜６上に形成されて穴８の緑に沿った長手方向に電気
抵抗が高くなるような狭部９Ｉａ、９ｂｉ有する第１電
極でめり、慣性変換部？構成している。４０．１１はこ
の第１電極９の両端にボンティングで接続されたリード
線であり、外部の交流発振器１２に接続されている。１
３及び１４は絶縁膜６上に形成されたコリオリカ検出用
の第２電極で、第１電極９の狭部９１９ｂの外側に一定
の面Ｍを有して形成されており、基板５と間隙部７を介
して対向し、両者間に夫々静電容量Ｃ１゜Ｃ２（Ｃ２Ｆ
ｉ図示せず）が形成されている。１５’、 １６はこれ
ら第２電極にボンティングで接続されたリード線を示す
。゛ ２は測定すべき角速度Ωの与えられる回転軸であり、小
判形穴８の長手方向中心軸にほぼ一致している。
、６はこの基板上に形成された８１０２等の絶エツ 縁膜、７はこれら両者の中央部において基板ンブングし
て形成された間隙部、Ｄはその間隙部の距離を示す。８
は絶縁膜６の中央部を間隙部７に貫通して長手方向に形
成された小判形の穴、９はこの小判形穴８のまわりに絶
縁膜６上に形成されて穴８の緑に沿った長手方向に電気
抵抗が高くなるような狭部９Ｉａ、９ｂｉ有する第１電
極でめり、慣性変換部？構成している。４０．１１はこ
の第１電極９の両端にボンティングで接続されたリード
線であり、外部の交流発振器１２に接続されている。１
３及び１４は絶縁膜６上に形成されたコリオリカ検出用
の第２電極で、第１電極９の狭部９１９ｂの外側に一定
の面Ｍを有して形成されており、基板５と間隙部７を介
して対向し、両者間に夫々静電容量Ｃ１゜Ｃ２（Ｃ２Ｆ
ｉ図示せず）が形成されている。１５’、 １６はこれ
ら第２電極にボンティングで接続されたリード線を示す
。゛ ２は測定すべき角速度Ωの与えられる回転軸であり、小
判形穴８の長手方向中心軸にほぼ一致している。
次に第Ｓ図により、このような構成の角速度計を半導体
製造工程により一体化して製作する場合の手順を説明す
る。
製造工程により一体化して製作する場合の手順を説明す
る。
工程（す〜（６）は小判形穴８を含む半導体基板５のを
形成する中央部のクローム、金をエツチングで除く。次
に工程（４）で小判形穴８の形状で絶縁膜６をバター二
／グして除き、工程（５１で半導体基板５をエツチング
して間隙部７を作る。このエツチング工程では基板の結
晶方向を選定して横方向の工、チング感度を高くするこ
とにより、微小距離りの間隙部７を作ることができる。
形成する中央部のクローム、金をエツチングで除く。次
に工程（４）で小判形穴８の形状で絶縁膜６をバター二
／グして除き、工程（５１で半導体基板５をエツチング
して間隙部７を作る。このエツチング工程では基板の結
晶方向を選定して横方向の工、チング感度を高くするこ
とにより、微小距離りの間隙部７を作ることができる。
次に工程（６）において第１電極？、その狭部９．．９
．並びに第２電極１２；１３のパターンを残して再びク
ローム、金をエツチングする。
．並びに第２電極１２；１３のパターンを残して再びク
ローム、金をエツチングする。
このような工程（す〜（６）は半導体の製造では一般に
用いられている技術であり、本発明角速度計もこのよう
な汎用技術を用いて容易に一体化して製造することが可
能である。
用いられている技術であり、本発明角速度計もこのよう
な汎用技術を用いて容易に一体化して製造することが可
能である。
次に動作につき説明する。第２図において示した交流発
振器１２は一定周期Ｔ分有するパルス電流１、？リード
綜’＋ｏ＋＋＋を介して第１電極９の狭部９ａ。
振器１２は一定周期Ｔ分有するパルス電流１、？リード
綜’＋ｏ＋＋＋を介して第１電極９の狭部９ａ。
９ｂに供給する。パルス電流ｉ、の周波数は小判形穴８
近傍の絶縁膜の固有振動数に等しく選定されている。こ
の電流皿、が第１電極９の狭部９ａ、９ｂを流れると、
この部分の電気抵抗が高いので、パルスのオン期間に発
熱して小判形穴の周囲が膨張し、絶縁膜６は小判形穴８
の中心部に向って矢印Ｖで示す方向にたわむ。ｉｐのオ
フ期間では発熱が無いので、膨張作用は解除され小判形
穴の周囲は反動としてＶとは反対方向のＶ′方向にたわ
む。この結果小判形穴８の周囲は、周期Ｔで矢印ｖ、ｖ
’で示すような絶縁膜６の面内方向の振動が発生する。
近傍の絶縁膜の固有振動数に等しく選定されている。こ
の電流皿、が第１電極９の狭部９ａ、９ｂを流れると、
この部分の電気抵抗が高いので、パルスのオン期間に発
熱して小判形穴の周囲が膨張し、絶縁膜６は小判形穴８
の中心部に向って矢印Ｖで示す方向にたわむ。ｉｐのオ
フ期間では発熱が無いので、膨張作用は解除され小判形
穴の周囲は反動としてＶとは反対方向のＶ′方向にたわ
む。この結果小判形穴８の周囲は、周期Ｔで矢印ｖ、ｖ
’で示すような絶縁膜６の面内方向の振動が発生する。
伺このような発熱による周期的−な膨張を利用した振動
発生の技術は公知である。
発生の技術は公知である。
慣性変換部を形成する小判形穴８の周辺部が上記のごと
き撮動を維持している状態において、軸２が角速度Ωを
もって回転すると、この振動速度と角速度Ωの積に比例
したコリオリカＦＣが小判形穴８の外側部分即ち第２電
極１３．１４の部分に発生する。このコリオリカＦＣの
発生方向は矢印Ｖの振動方向に対して直角方向であり、
かつ電極１３と１４の部分では図示のように方向が１８
０度異なる。このようなコリオリカＦＣの発生によって
第２電極１３゜１４は基板５に対してその対向間隙の距
離りを周期的に変化させるように互いに逆位相で振動す
るので、基板５との間に形成されている静電容、％ Ｃ
，。
き撮動を維持している状態において、軸２が角速度Ωを
もって回転すると、この振動速度と角速度Ωの積に比例
したコリオリカＦＣが小判形穴８の外側部分即ち第２電
極１３．１４の部分に発生する。このコリオリカＦＣの
発生方向は矢印Ｖの振動方向に対して直角方向であり、
かつ電極１３と１４の部分では図示のように方向が１８
０度異なる。このようなコリオリカＦＣの発生によって
第２電極１３゜１４は基板５に対してその対向間隙の距
離りを周期的に変化させるように互いに逆位相で振動す
るので、基板５との間に形成されている静電容、％ Ｃ
，。
Ｃ２も差動的に変化する。
コリオリカＦ。は上述したように（２）式で表わされる
。ここで第２電極の一方に着目し、その静止位置からの
変位ｆｘとすると、コリオリカＦＣの方向の運動方程式
は、ｋをバネ定数としたとき１、で表わされる。（２）
＋ （５）式より、となり、これを解くと、 を得る。
。ここで第２電極の一方に着目し、その静止位置からの
変位ｆｘとすると、コリオリカＦＣの方向の運動方程式
は、ｋをバネ定数としたとき１、で表わされる。（２）
＋ （５）式より、となり、これを解くと、 を得る。
絶縁膜６ヒ基板５間の間隙は静止状態でＤであるから、
例えば電極１３が上方にＸ変位してこの部分の間隙が（
Ｏ＋Ｘ）となったときは、電極１４の部分の空隙は（Ｄ
−Ｘ）となる。従って静電容量Ｃ１゜Ｃ２は電極１５．
１４の面積を共にＡ１間隙部７の誘電率を６としたとき
、 ｃ、＝“・ Ｄ＋ｘ （６） Ｃ２−６・ （７） Ｄ″ｉ″Ｘ となり、（５）式との関係でＣ１，Ｃ２より角速度Ｑ
ｆ、適当な演算手段を介してめることができる。
例えば電極１３が上方にＸ変位してこの部分の間隙が（
Ｏ＋Ｘ）となったときは、電極１４の部分の空隙は（Ｄ
−Ｘ）となる。従って静電容量Ｃ１゜Ｃ２は電極１５．
１４の面積を共にＡ１間隙部７の誘電率を６としたとき
、 ｃ、＝“・ Ｄ＋ｘ （６） Ｃ２−６・ （７） Ｄ″ｉ″Ｘ となり、（５）式との関係でＣ１，Ｃ２より角速度Ｑ
ｆ、適当な演算手段を介してめることができる。
第４図は本発明の他の実施例を示すものであって、第２
図との相違点は絶縁膜６の一端部を１７の部分で基板５
より切り離して片持ち支持とすると共に、小判形穴８の
一端部１８も切離し部分＋７１ｃ開口するようにし、全
体を音叉形状にしたものである。
図との相違点は絶縁膜６の一端部を１７の部分で基板５
より切り離して片持ち支持とすると共に、小判形穴８の
一端部１８も切離し部分＋７１ｃ開口するようにし、全
体を音叉形状にしたものである。
第２図の構造では慣性変換部を形成する振動部分が両端
で支持されているため、基板５と絶縁膜６の周囲温度に
よる膨張係数の差が振動部に圧縮又は引張り力を与えて
誤差の原因となるが、第４図の構成では片持ちはりＫｌ
っているので、このような誤差が発生しにくい。
で支持されているため、基板５と絶縁膜６の周囲温度に
よる膨張係数の差が振動部に圧縮又は引張り力を与えて
誤差の原因となるが、第４図の構成では片持ちはりＫｌ
っているので、このような誤差が発生しにくい。
本発明の実施例において、コリオリカ検出用の第２電極
は一対の電極１３．１４ｔ−用い、差動的な容量変化Ｃ
４，Ｃ２を利用する例を説明したが、精度要求が低い場
合では片側のみで実現することも可能である。又慣性変
換部の振動の発生手段も実施例に限定さバるものではな
く、圧電素子等の接着等でも実現可能であるが、熱膨張
方式による振動発生手段を用いれば、慣性変換部の駆動
方式とコリオリカ検出手段の信号検出方式とが原理的に
異なるため、出力信号に含まれる慣性変換部側からの雑
音成分が少なく、ＳＮ比の高い角速度計が得られる。更
に熱膨張式にした場合は、パルス電流１．・の振幅を変
化させれば発熱量が変るので、（５）式におけるＶ。？
変化させることができ、周囲温度変化による影響を補正
することもできる。
は一対の電極１３．１４ｔ−用い、差動的な容量変化Ｃ
４，Ｃ２を利用する例を説明したが、精度要求が低い場
合では片側のみで実現することも可能である。又慣性変
換部の振動の発生手段も実施例に限定さバるものではな
く、圧電素子等の接着等でも実現可能であるが、熱膨張
方式による振動発生手段を用いれば、慣性変換部の駆動
方式とコリオリカ検出手段の信号検出方式とが原理的に
異なるため、出力信号に含まれる慣性変換部側からの雑
音成分が少なく、ＳＮ比の高い角速度計が得られる。更
に熱膨張式にした場合は、パルス電流１．・の振幅を変
化させれば発熱量が変るので、（５）式におけるＶ。？
変化させることができ、周囲温度変化による影響を補正
することもできる。
〈効果〉
以上説明したように、本発明によれば、半導体基板上に
、一般的な半導体製造工程の技術を用いて一体に慣性変
換部と静電容ｔ ｉ化によるコリオリカ検出部とを構成
でき、量産性に富んだ小型。
、一般的な半導体製造工程の技術を用いて一体に慣性変
換部と静電容ｔ ｉ化によるコリオリカ検出部とを構成
でき、量産性に富んだ小型。
安価な撮動式角速度計を製作することができる。
更にフォトリソグラフィとエツチング加工による高い加
工精度により、高精度で高い信頼性を有する振動式角速
度計を実現することができる０
工精度により、高精度で高い信頼性を有する振動式角速
度計を実現することができる０
第１図は従来の振動式角速度計の一例を示す構成因、第
２図は本発明の一実施例を示す構成図、第５図は本発明
角速度計の製造工程の説明図、第４図は本発明の他の実
施例を示す構成図である。 １４・・・第２に極、２・・・回転軸、Ｑ・・・角速度
、ＦＣ・・・コリオリカ。 図 Ｃつ 緩 〇 − ト、 −■
２図は本発明の一実施例を示す構成図、第５図は本発明
角速度計の製造工程の説明図、第４図は本発明の他の実
施例を示す構成図である。 １４・・・第２に極、２・・・回転軸、Ｑ・・・角速度
、ＦＣ・・・コリオリカ。 図 Ｃつ 緩 〇 − ト、 −■
Claims (1)
- フォトリングラフィとエツチング加工法により、半導体
基板より−定間隙をもって振動による慣性変換部を形成
する第１電極及びコリオリカを検出するための第２電極
を一体に形成し、上記第２電極と上記半導体基板との間
に形成される静電容量の変化に基づいて上記コリオリカ
を検出することを特徴とする振動式角速度計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58221742A JPS60113105A (ja) | 1983-11-25 | 1983-11-25 | 振動式角速度計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58221742A JPS60113105A (ja) | 1983-11-25 | 1983-11-25 | 振動式角速度計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60113105A true JPS60113105A (ja) | 1985-06-19 |
Family
ID=16771513
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58221742A Pending JPS60113105A (ja) | 1983-11-25 | 1983-11-25 | 振動式角速度計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60113105A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0585785A1 (en) * | 1992-08-31 | 1994-03-09 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Vibratory gyroscope |
| US6474162B1 (en) | 1995-08-08 | 2002-11-05 | Eads Deutschland Gmbh | Micromechanical rate of rotation sensor (DRS) |
-
1983
- 1983-11-25 JP JP58221742A patent/JPS60113105A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0585785A1 (en) * | 1992-08-31 | 1994-03-09 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Vibratory gyroscope |
| US6474162B1 (en) | 1995-08-08 | 2002-11-05 | Eads Deutschland Gmbh | Micromechanical rate of rotation sensor (DRS) |
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