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リング型振動式レートセンサ - 日本航空電子工業株式会社
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発明の名称 リング型振動式レートセンサ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−304869(P2001−304869A)
公開日 平成13年10月31日(2001.10.31)
出願番号 特願2000−120960(P2000−120960)
出願日 平成12年4月21日(2000.4.21)
代理人 【識別番号】100066153
【弁理士】
【氏名又は名称】草野 卓 (外1名)
【テーマコード(参考)】
2F105
4M112
【Fターム(参考)】
2F105 BB12 BB15 CC08 CD02 CD06 
4M112 AA02 BA07 CA24 CA43 DA03 EA02
発明者 矢部 久 / 佐久間 一浩
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 環状励振部を励振してその径方向の振動モード1の振動を生起し、検出対象とする入力角速度が印加されることにより発生するコリオリ力により振動モード1の方向から45°回転した位置に生起せしめられる振動モード2の出力振動成分を検出するリング型振動式角速度センサにおいて、環状励振部をその軸方向と平行な縦断面形状が蛇腹状のフレクチュア部により振動モード1の振動の節或いは腹の4箇所において支持することを特徴とするリング型振動式レートセンサ。
【請求項2】 請求項1に記載されるリング型振動式レートセンサおいて、フレクチュア部は円筒状固定部に取り付け固定され、環状励振部をフレクチュア部を介して円筒状固定部に取り付け固定していることを特徴とするリング型振動式レートセンサ。
【請求項3】 請求項2に記載されるリング型振動式レートセンサおいて、フレクチュア部の内の環状励振部および円筒状固定部に対するフレクチュア結合部分は短く構成したことを特徴とするリング型振動式レートセンサ。
【請求項4】 請求項2および請求項3の内の何れかに記載されるリング型振動式レートセンサおいて、環状励振部、フレクチュア部および円筒状固定部は恒弾性金属材料板より一体形成されたものであることを特徴とするリング型振動式レートセンサ。
【請求項5】 請求項2および請求項3の内の何れかに記載されるリング型振動式レートセンサおいて、環状励振部、フレクチュア部および円筒状固定部は溶融水晶板板より一体形成されたものであることを特徴とするリング型振動式レートセンサ。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、リング型振動式レートセンサに関し、特に、リング型振動式レートセンサの環状励振部を支持するフレクチュア部の構造およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】図5を参照してリング型振動式レートセンサの環状励振部80の駆動振動についてを説明する。リング型振動式レートセンサの振動体は、薄肉円筒、或いは薄肉円環より成る環状励振部80を有している。そして、この環状励振部80は支持部であるフレクチュア部83により支持されている。このフレクチュア部83は固定部82に取り付け固定されている。リング型振動式角速度センサの環状励振部80を構成する原材料として圧電セラミックスを採用することができる。
【0003】環状励振部80のA点外表面および内表面に対向して駆動電極Ea を形成し、これら両電極間に交流電圧を印加して圧電駆動することにより環状励振部80に振動モード1の振動を生起する。即ち、環状励振部80の中心軸に直交すると共に互いに直交する2方向に環状励振部80を屈曲振動させることができる。環状励振部80の振動モード1の振動状態において、環状励振部80に中心軸を入力軸とする円周方向のレートが入力されると、振動モード1と直交する方向にコリオリ力が作用する結果、振動モード1の方向から45°回転したB点の位置において振動モード2の矢印方向の振動が発生する。ここで、振動モード2の方向の力の大きさを知ることにより入力角速度の値を検出することができる。
【0004】図6をも参照するに、励振器4から供給される駆動信号Vd は薄肉円筒の環状励振部80の共振周波数に等しい周波数を有する交流の電圧信号であり、環状励振部80のA点の位置に設置される駆動電極Ea に印加される。その結果、薄肉円筒の励振部80は、先に述べた振動モード1で振動するに到る。なお、10は励振器4の発振周波数を規定する発振回路である。A点と丁度180°回転したC点の位置の両面に設置される電極Ec は静電容量式位置検出器2の一部を構成するモニタ電極であり、振動モード1を検出する。このモニタ電極Ec から得られる振動情報は直流信号Vp に変換され、差動増幅器3において基準信号源52の出力する基準信号Vr と比較される。差動増幅器3より得られる差信号Ve は積分器により構成されたループフイルタ31に入力される。ループフイルタ31より得られる出力Vcontは励振器4に供給され、静電容量式位置検出器2から出力される直流信号Vp が基準信号Vr と等しくなって差動増幅器3の差信号Veをゼロとすべく、駆動信号Vd の振幅を制御する。即ち、薄肉円筒の励振部80の駆動信号Vd を一定に制御することにより、環状励振部80の振動振幅を常時一定に保持している。
【0005】A点から45°回転した位置であるB点に設置される電極Eb は、入力レートωにより発生する振動モード2を検出する出力信号検出用位置検出器5の一部を構成し、この検出器5から得られる振動情報は、同期検波回路6により振動の大きさに対応した直流信号に変換される。同期検波回路6の出力をそのまま振動の大きさの検出出力として使用すればオープンループ信号処理のレートセンサが形成され、その出力はVO1になる。一方、クローズドループ信号処理のレートセンサは、点線で示される回路を付加することにより構成される。
【0006】即ち、同期検波回路6の出力は、積分器により構成されるループフイルタ32に供給され、第2ループフイルタ32から得られる出力はフィードバック信号発生回路61に供給される。フィードバック信号発生回路61は、第2ループフイルタ32から得られる信号と発信回路10から供給されるクロックCKが入力され、出力信号検出用位置検出器5から得られる振動モード2の振動とは周波数が同一で極性が逆の信号を発生する回路である。このフィードバック信号発生回路61の出力は、B点に対して180°回転した位置に設置されるフイードバック電極Edに印加され、振動モード2の動きを逆向きに抑制する。その結果、レートセンサにレートが入力され、振動モード2が発生しても振動モード2は実質的にゼロに抑制されるクローズドループ信号処理をしていることになる。このクローズドループ信号処理におけるレートセンサ出力としては、電圧Vf と比例関係にあるループフイルタ32の直流出力をレートセンサ出力VO2として使用する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】リング型振動式レートセンサは、市場要求から安価型のレートセンサを目指して構成されるたものが多く、環状励振部80、固定部82および支持部83を一体形成するのに、写真製版技術、半導体製造技術を一般的に採用して構成している。図5に示されるリング型振動式レートセンサは、シリコンウエハを原材料素材としてこれに写真製版技術、半導体製造技術を適用し、環状励振部80、固定部82および支持部83を一体形成している。従って、レートセンサの厚さは原材料シリコンウエハの厚さである200〜500μmに対応することになる。支持部83の形状は、その長さを長くしてバネ定数を低くする必要上、シリコンウエハの厚さ内において環状励振部の軸に直交する方向に屈曲する蛇腹状のフレクチュア部に形成される。
【0008】リング型振動式レートセンサは、基本的に環状励振部80を慣性空間に対して安定であると共に自由に支持する必要がある。環状励振部80を支持する支持部83は、図5においてリング状の励振部80のX方向振動或いはY方向振動に伴う変位に対して柔軟な構造にする必要がある一方、振動する方向以外に関して支持部83を強固に、高剛性に構成する必要がある。ところが、200〜500μm厚のシリコンウエハを原材料素材として構成する蛇腹形状のフレクチュア部の支持部83は剛性に関して満足するものであるとは言い難い。即ち、レートセンサの支持部83はZ方向に厚さが小さいので屈曲性が大きく、外部から加わる角振動に対して面外のZ方向に屈曲した上にX方向およびY方向に変位することになり、当然にアライメント特性、バイアス特性は悪化する。
【0009】この発明は、外部から印加される角振動に対して充分な剛性を示すフレクチュア部を支持部として形成することにより、写真製版技術、半導体製造技術を採用して製造した良好な測定精度が得られる廉価なリング型振動式レートセンサを提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1:環状励振部80を励振して径方向の振動モード1の振動を生起し、検出対象とする入力角速度が印加されることにより発生するコリオリ力により振動モード1の方向から45°回転した位置に生起せしめられる振動モード2の出力振動成分を検出するリング型振動式角速度センサにおいて、環状励振部80をその軸方向と平行な縦断面形状が蛇腹状のフレクチュア部83により振動モード1の振動の節或いは腹の4箇所において支持するリング型振動式レートセンサを構成した。
【0011】そして、請求項2:請求項1に記載されるリング型振動式レートセンサおいてフレクチュア部83は円筒状固定部82に取り付け固定され、環状励振部80をフレクチュア部83を介して円筒状固定部82に取り付け固定しているリング型振動式レートセンサを構成した。また、請求項3:請求項2に記載されるリング型振動式レートセンサおいて、フレクチュア部83の内の環状励振部80および円筒状固定部82に対するフレクチュア結合部分831および834は短く構成したリング型振動式レートセンサを構成した。
【0012】更に、請求項4:請求項2および請求項3の内の何れかに記載されるリング型振動式レートセンサおいて、環状励振部、フレクチュア部および円筒状固定部82は恒弾性金属材料板より一体形成されたものであるリング型振動式レートセンサを構成した。ここで、請求項5:請求項2および請求項3の内の何れかに記載されるリング型振動式レートセンサおいて、環状励振部、フレクチュア部および円筒状固定部82は溶融水晶板板より一体形成されたものであるリング型振動式レートセンサを構成した。
【0013】
【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図1の実施例を参照して説明する。リング型振動式レートセンサの振動体8の励振部80は薄肉円筒、或は薄肉円環より成る。83は環状励振部80を支える支持部を形成するフレクチュア部を示す。このフレクチュア部83は円筒状固定部82に取り付け固定され、環状励振部80をフレクチュア部83を介して円筒状固定部82に取り付け固定、支持している。この実施例において環状励振部80と、フレクチュア部83と、円筒状固定部82の3者は、比較的厚みの大きい同一原材料基板から一体的に形成されている。
【0014】ところで、比較的厚みの大きい原材料基板の加工方法としては、Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching(ICP-RIE :誘導結合式反応性イオンエッチング法)、或は、Lithographie Galvanoformung und Abformung(LIGA:リソグラフィ、電鋳、モールディング法)による深加工のバッチ処理法が好適である。以下、図2、図3および図1を参照して、シリコン基板から環状励振部とフレクチュア部および円筒状固定部の3者を、シリコン基板に誘導結合式反応性イオンエッチング法を適用して一体形成する製造工程を説明する。
【0015】先ず、図2を参照するに、図2(a)は原材料であるシリコン基板9を示し、シリコン円板に構成されている。このシリコン基板としては、環状励振部の角運動量を大きく構成することと、フレクチュア部の励振軸方向に対する柔軟性および他の軸に対する高剛性を確保する上において、比較的肉厚のシリコン基板を採用する。図2(b)はシリコン基板9に酸化処理を施してその全表面に酸化被膜91を成膜したところを示す図である。
【0016】図2(c)は第1回酸化膜パターニングを示す図である。環状励振部80と円筒状固定部82を形成すべきところ、および環状励振部80と円筒状固定部82とを連結するフレクチュア部83を形成すべきところに対応する上下面の酸化膜は残存してそれ以外の酸化膜を除去する。但し、フレクチュア部83を形成すべきところに対応する下面の酸化膜は一部除去する。一部除去する領域はフレクチュア部83のフレクチュア部分833を形成する深加工溝8330に対応するところである。図2において、フレクチュア部83を形成すべきところは90゜の等角度間隔に4個所とされている。
【0017】図3(d)は第1回酸化膜パターニングに次いで、実施されたICP-RIE による垂直エッチングを示す図である。フレクチュア部分833を形成する深加工溝8330は一例としてシリコン基板9の板厚の90%の深さにエッチング除去された。シリコン基板9の中央部部も大きくエッチング除去されて環状励振部80の内表面801も形成された。図3(e)は図3(d)の垂直エッチングに次いで残存する酸化膜を除去して全表面再酸化処理を施されたところを示す図である。
【0018】図3(f)は第2回酸化膜パターニングを示す図である。フレクチュア部83のフレクチュア部分832を形成する深加工溝8320に対応するところの酸化膜を除去してい。図3(g)は第2回酸化膜パターニングに次いで実施されたICP-RIE による垂直エッチングを示す図である。この深加工溝8320もシリコン基板9の板厚の90%の深さにエッチング除去された。
【0019】図3(h)は図3(g)の垂直エッチングに次いで、残存する酸化膜を除去して全表面再酸化処理を施されたところを示す図である。図3(i)は第3回酸化膜パターニングを示す図である。フレクチュア部83のフレクチュア結合部分831および834を形成する深加工溝8310および8340に対応するところの上下両表面の酸化膜を除去してい。フレクチュア結合部分831および834はシリコン基板9の板厚の中間部に形成されるので、上下両表面の酸化膜を除去する。
【0020】図3(j)は第3回酸化膜パターニングに次いで実施されたICP-RIE による垂直エッチングを示す図である。この場合、深加工溝8310および8340はシリコン基板9の板厚の45%の深さにエッチング除去された。図3(k)は図3(j)の垂直エッチングに次いで、残存する酸化膜を除去し全表面再酸化処理を施されたところを示す図である。ここで、環状励振部80と円筒状固定部82と両者を連結するフレクチュア部83の一体形成は終了する。
【0021】環状励振部80の具体例を図1に示しておく。基板として、1〜2mm程度の比較的に肉厚(H)の大きいシリコン基板を使用する。環状励振部80の外径(D)寸法を10〜20mm程度とした場合、縦断面フレクチュア部83は、幅(d):1〜4mm程度、長さ(L):1〜4mm程度、フレクチュア形成材の厚さ(t):20〜50μm程度の薄肉に設定する。図4を参照するに、以上のリング型振動式レートセンサは、最終的には、電極からリード線を引き出して、下側ケース86および上側ケース87を円筒状固定部82に突き合わせ接合して封止される。
【0022】以上の実施例において、環状励振部80、フレクチュア部83および円筒状固定部82の原材料素材基板としてシリコン基板9が使用されているが、これを恒弾性特性の金属材料或いは材料特性の優れた溶融水晶とすることにより、リング型振動式レートセンサをバイアスの温度特性および経年変化特性の更に良好なものとすることができる。恒弾性特性の金属材料とは、材料の弾性、具体的にはヤング率が温度変化に対して実質的に恒常な値を保持する金属材料をいう。恒弾性金属材料としてエリンバーを例示することができる。溶融水晶は線膨張係数が小さいので、これにより振動体8を形成して環状励振部80の寸法の温度変化を小さくし、振動レートセンサに対する温度変化の影響を低減する。
【0023】以上のフレクチュア部83により支持された環状励振部80を有するリング型振動式レートセンサの動作を図1、図4、および先の図6の電気回路を参照して説明する。薄肉円筒或いは薄肉円環より成る励振部80は、励振器4によりA点に形成される電極Eaを介して圧電的に駆動力を与えられ、交流加振される。その結果、環状励振部80はそれ自体の共振周波数で共振する。C点に形成される電極Ecを含む静電容量式位置検出器2から出力される電気信号は位置検出用信号増幅器3で増幅され、この増幅された電気信号により励振器4を駆動する。この一連のフィードバック構成により、環状励振部80の振動振幅を振動モード1において一定に保持している。
【0024】環状励振部80の振動モード1の振動状態において、環状励振部80の中心軸を入力軸とするレート、角速度が入力されると、環状励振部80には振動モード1と直交する方向にコリオリ力が作用する結果、振動モード1の方向から45°回転した位置であるノード点において互いに90°位相を異にする振動モード2の振動が発生する。即ち、励振軸から45゜回転した点である振動モード1のノード点に互に90゜位相を異にする振動モード2の振動が入力角速度に比例した振幅で発生する。これを出力信号検出用静電容量式位置検出器5により検出し、同期検波回路6において励振器4の励振周波数を基準にして同期検波処理し、入力レートに比例した出力信号を得る。ここで、レートセンサを高精度化するにはノード点Dに設置された電極Edと、これにサーボ信号Vfをフィードバックするフィードバック信号発生回路61によりノード点制御用のトルカを形成し、ノード点の変位を極小化する構成を採用する。なお、この実施例においては、出力信号検出用位置検出器5として静電容量式位置検出器5が使用されているが、これを静電容量式に代えて圧電素子式位置検出器或いは光検出素子式位置検出器を使用することができる。
【0025】
【発明の効果】以上の通りであって、この発明は、原材料として比較的に厚肉の基板を使用して、この厚肉基板から環状励振部80とフレクチュア部83および円筒状固定部82の3者を一体形成し、角運動量を高めると共に環状励振部80のフレクチュア部83は環状励振部80の中心軸に平行な方向の縦断面を蛇腹状に構成したものである。縦断面を蛇腹状に構成したフレクチュア部83は、その蛇腹状の構造部分において捩れに対する剛性が高く、この蛇腹状の構造部分を除いた蛇腹状の構造部分と円筒状固定部82および環状励振部80との間の両結合部分であるフレクチュア結合部分831および834のみが捩れの影響を受ける部分であるが、この結合部分831および834は短く構成することにより捩れの影響は極く小さくすることができる。
【0026】そして、環状励振部80の振動変位に対してフレクチュア部83は環状励振部80の片持ち梁とみることができる。ここで、フレクチュア部83を環状励振部80の中心軸に平行な方向の縦断面を蛇腹状に構成することにより、このフレクチュア部83は等価的に充分な長さの片持ち梁を構成している。ここで、レートセンサのフレクチュア部83はZ方向に関して剛性が大きい理由を説明する。材料力学の一般式から先端集中荷重Wに対する片持ち梁の自由端の最大撓みVmax は下式で表される。
【0027】
Vmax=WL3/(3EI)・・・・・・式(1)
式(1)において、荷重W、縦弾性係数Eの両者は等しいので、残りの項である梁の長さLおよび断面2次モーメントIの違いで最大撓みVmax が決まる。
I=dH3/12・・・・・・・・・・・(2)
式(2)から、矩形断面のフレクチュア部の断面2次モーメントIは幅dと厚さHで決まる。
【0028】式(1)と式(2)から、Vmax =4WL3/(EdH3)・・・・・(3)
ここで、図1の片持ち梁が図5の片持ち梁に比べて剛性が大であるということは、式(3)を用いて自由端の最大撓みVmax が小であるということを示せば良い。具体的には、フレクチュア部の等価長さを短かくし、幅dと厚さHを大きくすれば良い。
【0029】フレクチュア部の等価長さについて、図1のフレクチュア部の長さはLであるが、図5の場合は蛇腹上に沿った全部の長さとなり、図1の長さLと比較して相当に長いm倍(数倍)程度の距離となる。幅については、図1のフレクチュア部の幅dは図5のフレクチュア部の幅より遥かに広く、厚さについては図1のフレクチュア部の厚さは一部がtであるが、残りは遥かに厚いHであり、図5のフレクチュア部の厚さは全てに亘ってtである。
【0030】ここで、図1のフレクチュア部の厚さは長さLに亘って全てHではないことを考慮すると、等価的にはkH(k:1未満の少数)となる。従って、式(3)に図1、図5の各フレクチュア部の条件を代入すると、図1のフレクチュア部の場合は、Vmax =4WL3/(EdkH)3となる。
【0031】図5のフレクチュア部の場合は、Vmax =4W(mL)3/(Edt)3となる。従って、図1の片持ち梁の方が図5の片持ち梁に比べて剛性が大であるといえる。Z方向の長さ(厚さ)が等価的に充分に長く、Z方向の剛性が大きい片持ち梁は、環状励振部80に加わる角振動その他の動的外乱を捩れを伴わない単純な曲げにより吸収することができる。その上に、環状励振部80の角運動量自体が大きいので、環状励振部80に対する動的外乱の影響は更に小さくなる。
【0032】この発明により、結局、厚肉基板の板厚を利用してリング型振動式レートセンサの要である環状励振部80の角運動量を高めると共に、振動、衝撃、加速度その他の動的外乱に対して剛性の大きいフレクチュア部83を形成して高性能で廉価なリング型振動式レートセンサを構成することができた。




 

 


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