JP2000512019A - 小型ボックス型振動ジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 結晶シリコン基板のようなベースに上部が開放したボックス構造がミクロ機械加工され、同基板上に駆動手段及び検出装置がつくられる。出力トランスジューサは、振動ボックス構造が角速度の尺度を生じるように回転されるとき、振動ボックス構造のコーナーの力成分を表す信号を処理することによってコリオリ力の変化を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】 小型ボックス型振動ジャイロスコープ 技術分野 本発明は、ジャイロスコープに関し、ミクロ機械加工された構造的エレメント で振動が誘導され、力の変化を測定することによってコリオリ角速度を含む加速 度効果が振動構造において検出される型式の慣性グレード小型ジャイロスコープ （ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ）に関する。 発明の背景 慣性グレード振動ジャイロスコープは、ベルまたは「ワイングラス」形状の共 振器の駆動手段として、主に圧電装置を使用して形成される。これらの装置に関 する主な欠点は、それらの大きさとコストである。ヒンジ・プルーフマスによっ て形成されたコリオリ力を検出する小型振動ビームを使用するマルチセンサは、 加速度及び角速度を検出するために開発された。これらの現在の装置は、小型で 低コストであるが、慣性グレード精度が低い。 本発明の目的は、現在の器具に比較してかなり小さいコスト及び寸法で、慣性 グレード精度に対する角速度を測定することができる小型ジャイロスコープを提 供することである。 発明の概要 角速度検出機構は、コリオリの特別な力検出技術を使用し、その好ましい形態 において、これは、結晶シリコン部品を形成するために、ミクロ機械化学技術ま たはプラズマエッチング技術の現在の技術水準を使用して製造される。この機構 は、異方性深度エッチング、Ｘ線リソグラフィ、電気めっき、ＬＩＧＡとして知 られている成形方法を使用して他の材料から製造することもできる。 通常、開放した上部のボックス構造は、結晶型シリコン基板のようなベースに 形成され、駆動装置及び検出装置は、基板の上に製造される。駆動装置またはア クチュエータ部品は、ボックスの壁に共振振動を誘導する。出力トランスジュー サは、ボックス構造のコーナーで変化する力の成分を表す信号を処理することに よって加速度のような変化を検出する。この場合、コーナが振動壁に比較して相 対的に静止するノードの役割を果たす。好ましい実施例において、ボックスの壁 に振動を与え、二重端同調フォーク（ｄｏｕｂｌｅ ｅｎｄｅｄ ｔｕｒｎｉｎ ｇ ｆｏｒｋｓ： ＤＥＴＦ）の力検出トランスジューサを励起するためにボッ クス基板の交流駆動電流と相互作用する磁石が使用される。このタイプの同調フ ォークは、ボックスコーナで応力ーひずみ力に応答する。 図面の簡単な説明 図１は、駆動アクチュエータによってボックスの壁が通常モードの振動で駆動 され、コリオリ効果が構造の回転の角速度の尺度であるボックスの壁に力を及ぼ す小型ボックス構造の斜視図である。 図２Ａ，図２Ｂ及び図２Ｃは、好ましい実施例による結晶シリコンのウェーハ （ｗａｆｅｒ）基板からつくられた平行四辺形のボックス構造の平面図、側断面 図、平行四辺形のボックス構造の拡大図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、ボックスの壁の点線部分が、コリオリ速度を測定するた めに誘導される壁の自然の構造的な振動を示す図２ａ及び図２ｂのボックス構造 に対応する平面図及び側断面図である。 図４は、ボックス構造のシリコンウェーハ基板ベースの下側に形成された導電 パッドと、ボックス壁の４つのコーナから出る中央取り付け部分の下から放射す るＤＥＴＦ力センサを含む駆動装置及び検出装置の拡大分解図である。 図５は、自然モードの振動に誘導され、ボックスの対向壁が位相が１８０°出 て振動するコンピュータによりシミュレートした斜視図である。 図６は、ハウジングが磁気戻り経路の一部分である内側振動ボックス構造と、 円筒形磁界磁石、磁界戻り経路ボックス支持構造、及び接続導線を包囲し支持す る環状ハウジングを有する好ましい速度センサパッケージの断面図である。 図７は、振動するボックスの壁のコーナーで検出された力を角速度を表す電気信 号に変換するためにＤＥＴＦトランスジューサの代わりに、基板ベース上でピエ ゾ抵抗センサ素子を使用する他の実施例の図４と同様の図面である。 詳細な説明 この明細書で説明する振動小型ジャイロスコープが、図１、図２Ａ、図２Ｂ及 び図２Ｃに示され、導体電極２０ａ−ｄ（図４参照）を通して電流Ｉによって誘 導される定期的な力Ｆによって駆動される主振動モードにボックス構造１２を励 起する。生成された力は、 Ｆ＝Ｂ×Ｉによって得られる。 ここでＦ＝導体に作用する力 Ｂ＝磁界 Ｉ＝導体によって伝導される電流 すべての説明及び図面において、Ｘ，Ｙ及びＺ軸は、慣性座標系及びシリコン の結晶軸の双方を表す。立方対称を有するシリコン装置において、軸は、装置が 関する限り任意のものである。Ｚ軸は回転が検出される速度センサの入力軸であ り、Ｘ及びＹ軸は、コリオリ速度ベクトルが発生する軸である。 図１に示す基本機構は、開放した上部、すなわち、上面が開放した、「ボック ス」構造１２からなる。図１において、好ましいアバットメント取り付け構造１ ４がボックスの中央に示されているが、別の取付手段も適当である。実際的な寸 法を実現するためシリコン結晶のボックスの壁は、シリコンの１１０の平面でエ ッチング加工される。これは、図１、図２Ａ及び図２Ｂに示すような平行四辺形 の「ボックス」を生じる。このボックスは、シリコン基板の結晶構造及びエッチ ング製造方法によって、それぞれ決定された７０．５°と１０９．５°の挟角を 有する。例えば、１９７０年に発行されたベルシステム技術ジャーナル第４９巻 第３号４７３ページに記載されたワッグナ（H.A.Waggener）によって説明された 水酸化カリウムのシリコンエッチングを使用してもよい。水酸化カリウムのエッ チングまたは深度シリコン異方性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のエッチ停 止部を提供するために絶縁体上にシリコン（ＳＯＩ）を有するシリコンウェーハ を備えた反応性プラズマエッチングを含む他の製造方法も使用することもできる 。他にＬＩＧＡミクロ機械加工法も使用できる。ボックスの壁２０及び中央取付 構造１４は、ボックスベース１５として機能する比較的薄いエピタキシャル層ま でシリコンウエーハをエッチング加工した結果生じる。 ボックスの対向壁１２ａ，ｃ及び１２ｂ，ｄは、それらが図３Ａ、図３Ｂに示 すような位相が１８０°ずれて振動するように共振するように駆動される。ボッ クスのコーナー１３ａ−ｂ，１３ｂ−ｃ，１３ｃ−ｄ，及び１３ｄ−ａは、この 共振モードで移動壁に比較してベース１５上にほぼ静止したままの「こぶ状点」 である。 装置がＺ軸の周りを回転するとき、振動壁によって生じるコリオリ力は、 Ｆ＝２・ｍ・Ω・ｄｒ／ｄｔで与えられる。 ここでＦ＝コリオリ力 ｍ＝壁の質量 Ω＝Ｚ軸のまわりの回転 ｄｒ／ｄｔ＝ＸまたはＹ軸に沿った壁の速度 Ｚ軸の周りの回転は、平行四辺形ボックス１２の壁にほぼ平行な力を生じる。 対向するコーナーは対向するコリオリ誘導力を有し、隣接するコーナーは、反対 の力を有する。好ましい実施例によってすべてのコーナーで力を検出することに よって、共通モードの拒絶検出技術は、温度及び加速エラーをかなりなくす。 共振モードは、図４に示すような永久磁界Ｂのアクチュエータ電極構成によって 駆動される。ボックスの壁に平行な４つの電流導体電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 及び２０ｄは、所望のモードの振動ドライバとして作用するためにエピタキシャ ルベース１５上の中央取り付け構造１４に接近して配置されている。主電極電流 経路は、それらが駆動される壁に平行な方向を向いている。 その結果生じるコリオリ効果の力は、種々の技術によって検出される。図４に 示す好ましい実施例は、壁のコーナー１３と内側の中央の取り付け構造１４との 間で放射する「ボックス」の底部ベース１５の平面にエッチング加工された４つ の二重端同調フォーク（ＤＥＴＦ）の組２２ａ，２２ｂ，２２ｃ及び２２ｄを使 用する。これらのＤＥＴＦ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ及び２２ｄは、壁１２を励起 するために駆動電流電極２０ａ−２０ｂとともに使用される同じ磁界によってエ ッチング加工される。 図１、図２Ａ−図２Ｃ、図３Ａ−図３Ｂ、及び図４は、本発明を使用する振動 ジャイロスコープの好ましい実施例を示す。振動壁ボックスは、エピタキシャル ベース１５に沿って測定された壁毎にほぼ３ｍｍの寸法を有する。また中央取付 構造１４は、ベースに沿って測定された長さが１ｍｍの側壁を有する平行四辺形 である。壁１２と中央取付構造１４との間の領域のベース１５の厚さは、約５ミ クロンの厚さである。これは、結晶シリコンのために使用する製造技術が使用さ れるが、ここでは、エピタキシャル層の厚さであり、エッチング処理中に停止部 として使用される。壁１２は、約１００ミクロンの厚さであり、約２ｍｍの全体 の高さを有し、約２０：１の高さ対厚さの比を生じる。これらの寸法の有限エレ メントシミュレートモデルは、モデルの振動応答を計算するために構成された。 望ましいモードは、７１３１１Ｈｚとして計算された第１のモードである。この モードの点は図５に示されている。各壁の２４０μインチのピーク移動は、シリ コン構造にほぼ１０５５ｋｇ／ｃｍ²（１５０００ｐｓｉ）の応力を生じ、これ は、許容可能な制限以下であり、ＤＥＴＦセンサ２２によって測定可能である。 回転の度毎のコリオリ力は、次の公式から評価される。 Ｆ／Ω＝２・ｄ・ω ここでｄ＝平均移動 ω＝所望の振動モード周波数 各壁の平均移動は、４で分割されるピーク移動として評価される。各軸（２つ の壁）に沿ってｇｓでつくられた力は、ほぼ１．３μｇ／ｄｅｇ／ｈｒ．である 。０．８ｍｍの短い長さ、０．００３４ｍｍの幅及び０．００５ｍｍのｅｐｉ層 の厚さを有するＤＥＴＦにおいて、ＤＥＴＦ周波数は、ほぼ４２０００Ｈｚであ り、各ＤＥＴＦの感度は、ほぼ０．５ミリ−Ｈｚ／ｄｅｇ／ｈｒである。反対の コーナーの２つのＤＥＴＦの出力周波数変化がｆ１及びｆ２によって、残りの２ つがｆ３，ｆ４によって示されるとき、速度（ｒａｔｅ）は、 検出速度＝Ｓ・（ｆ１＋ｆ２−ｆ３−ｆ４） ここでＳは、スケールファクタである。この装置の感度は、感度４まで向上さ れ、温度効果は拒絶される。なぜならば、それらは共通モード減算によってキャ ンセルされる傾向があるからである。 適当な組立形態が、図６に示される。これは、速度感知トランスジューサを具 現し、環状ハウジング３０と、永久磁石２８とを含む。永久磁石２８は、磁界Ｂ と、戻り経路磁気構造３２とを提供する。戻り経路磁気構造３２は、中央のアバ ットメントが接着によって取り付けられる取付構造として作用する。磁石２８、 構造３２、及び高い透磁率を有する材料であるハウジング３０は、ドライブ電極 トランスジューサ２０及びセンサＤＥＴＦ２２に有効なＢ磁界経路３５を提供す る。永久磁石２８は、電極を含むシリコン構造のベース１５に直角な方向に磁束 Ｂを提供するようにトランスジューサ成分に緊密に接近して配置される。永久磁 石２８は、ハウジング３０の内側の底壁に固定され、同様に構造３２は、ハウジ ングヘッダ３０ａの下側に固定される。点線３６によって示される接続線は、ハ ウジングヘッダ３０ａの密封接続線を通過し、ジャイロスコープ１０のベース１ ５の下側の接触パッドに伸びている。さらに、パッケージ内のサーミスタまたは 他の温度センサのような公知の技術によって向上することができる。 他の好ましい実施例は、図７に示すような壁のコーナでベース１５で製造され たエッチング３角形状ドープ領域に配置された４つのピエゾ抵抗検出エレメント ２６とＤＥＴＦを交換する。駆動電極は同じである。さらに他の実施例は駆動Ｂ 磁界電極とシリコンベース１５にドープされたキャパシタドライブと交換しても よい。 特定の実施例をこの明細書で説明したが、本発明の精神を逸脱することなく等 価の手段、装置及び方法の使用を含む種々の変更及び改造を行うことができるこ とは当業者には容易に明らかになる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルセル，マーク・ピー アメリカ合衆国ワシントン州98115，シア トル，サーティフィフス・アベニュー・ノ ース・イースト 9425，アパートメント 210

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物体の回転角速度を決定する角速度センサ装置であって、 各速度センサ装置は、周期的な移動信号の関数として、コリオリ速度軸に直角 な方向に、周期的に移動する一対の質量構造体を有する形式であり、それにより 、速度軸の周りでの角速度に比例したコリオリ加速度が、質量構造体上に、トラ ンスジューサによってコリオリ角速度に比例した出力信号に変換される力を生じ 、 ベースと、 前記ベースによって形成される底部と、コーナーに接続された前記ベースから 上に延び、上部で開放する第１と第２の対向壁の対とを有するボックス構造と、 各対の対向壁が位相が１８０°ずれて振動する振動モードに、前記第１と第２ の対の壁を駆動する壁ドライブと、 コリオリ角速度を表す電気出力信号を生成するために前記ボックス構造の前記 コーナーの少なくとも１つに機械的に接続される力応答トランスジューサと、 を有する角速度センサ装置。 ２．前記ベースとボックス構造は、ミクロ機械加工されたシリコン基板から形 成される請求項１に記載の角速度センサ装置。 ３．前記ベース及びボックス構造は、エッチング加工されたシリコン結晶基板 によって形成され、対向壁の第１と第２の対は、エッチング加工されたシリコン 基板の結晶分子に適応する平行四辺形を形成する請求項１に記載の角速度センサ 装置。 ４．前記壁駆動手段は、交番電流源に接続された導電電極と、前記第１及び第 ２のボックス構造壁の対を駆動するために磁気電流振動力を発生するために前記 電極の交番電流と協働する磁束源と、を有する請求項１の角速度センサ装置。 ５．前記力応答トランスジューサは、二重端同調フォークと、二重端同調フォ ークに振動を誘導する信号源と、前記コリオリ角速度を表す前記電気出力信号を 生成する出力装置と、を有する請求項１の角速度センサ装置。 ６．前記壁駆動手段は、前記ベースに支持されるとともに交番電流源に接続さ れる導電電極と、前記ボックス構造の前記対向壁に自然周波数で前記振動モード を生じる周期運動を生じるために前記電極の交番電流と相互作用する前記電極に 接近して配置された磁界生成構造とを有し、 前記力応答トランスジューサは、交番電流源に接続され、前記ボックス構造の 前記コーナーの前記１つで力の変化で変化する共振振動をつくるために前記磁界 構造と相互作用する電極を有する少なくとも１つの二重端同調フォークを有する 請求項１の角速度センサ装置。 ７．前記ベース及びボックス構造は、単一の結晶構造から形成され、前記ベー スに隣接した壁の第１及び第２の対は、前記第１と第２の壁の対の振動中に比較 的固定されるこぶ状点を有し、前記力応答トランスジューサは、前記ボックス構 造のすべてのコーナーの力を検出する請求項１に記載の角速度センサ装置。 ８．前記力応答トランスジューサからの出力信号を処理し、ある所定の効果の 共通のモードリジェクションを有する信号処理手段を有する請求項７に記載の角 速度センサ装置。 ９．前記力応答トランスジューサは、圧電抵抗装置である請求項１に記載の角 速度センサ装置。 １０．前記壁駆動装置は、前記ボックス構造の前記壁によって包囲された領域 の前記ベースに支持された駆動電極の第１及び第２の対向対を有する請求項１に 記載の角速度センサ装置。 １１．前記力応答トランスジューサは、前記ボックス構造の内側に支持された 前記コーナーの各々について分離した前記力検出トランスジューサを有する請求 項１に記載の角速度センサ装置。 １２．複数の直角の速度軸の周りの物体の回転角速度の成分を決定する装置で あって、 支持底部を備えた開放ボックス構造及びコーナーで接続され上部で開放した第 １及び第２の対向壁を有する複数の軸の各々における角速度センサと、 前記角速度センサが関連する各速度軸線に直角な方向において周期的な駆動運 動の関数として第１と第２の壁の対の各々に周期的な運動を生じる手段を含む各 速度センサの駆動手段と、 コリオリ力によって生じる前記周期的に移動する壁の変化する力を検出し速度 軸のまわりの物体の回転角速度に比例する出力信号を提供する出力センサ手段と 、 及び 各速度センサからの出力信号及び周期的な移動信号を受けるように接続され各 速度軸の回転角速度を決定する信号処理手段と、を有する装置。 １３．前記開放ボックス構造は、結晶材料をミクロ機械加工した物体である請 求項１２の装置。 １４．前記材料は、シリコンである請求項１３の装置。 １５．前記ボックス構造の前記底部は、シリコンのエピタキシャル層であり、 前記壁は、前記エピタキシャル層にエッチング加工して形成される請求項１４の 装置。 １６．前記ボックス構造は、前記底部に隣接し、前記壁から間隔を置いている 中央の取付構造を有する請求項１２の装置。 １７．請求項１６の装置であって、更に、前記ボックス構造が取り付けられる 内壁を有するハウジングを有し、ハウジングの前記内壁の一部に前記中央の取付 構造を取り付ける手段を含む装置。 １８．前記駆動手段及び前記出力センサ手段は、磁界を必要とし、前記磁界を 供給するために前記ハウジングの内側に取り付けられた永久磁石を有する磁気経 路構造を有し、前記ハウジングは、透磁性材料から製造され、前記磁気経路構造 の一部を形成する請求項１７に記載の装置。