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技術 音叉型振動式MEMSジャイロスコープ

出願人 サムソンエレクトロ-メカニックスカンパニーリミテッド.
発明者 朴奎衍金勇植
出願日 2005年3月3日 (16年11ヶ月経過) 出願番号 2005-058723
公開日 2006年6月22日 (15年7ヶ月経過) 公開番号 2006-162584
状態 特許登録済
技術分野 平均速度の測定;速度、加速度の試験較正 ジャイロスコープ 圧電、電歪、磁歪装置
主要キーワード 左右均衡 感知条件 弾性バー 小型構造物 型弾性部材 軸バー 内部スプリング 感知構造
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (14)

課題

本発明は移動体の回転による角速度及び角加速度感知するためのMEMSジャイロスコープを提供する。

解決手段

本発明の音叉型振動式MEMSジャイロスコープは、基板(210)上に形成された外側固定支持部(220)、複数個外部弾性部材(310〜360)、加振コーム(415、425)を各々有する第1及び第2外部フレーム(410、420)、コーム加振器(515、525)を各々有する第1及び第2加振電極(510、520)、複数の内部スプリング部材を含む第1及び第2内部弾性部材(610、620)、感知コーム(715、725)を各々有する第1及び第2内部フレーム(710、720)、コーム感知器(815、825)を各々有する第1及び第2感知電極(810、820)を具備する。こうした本発明によれば、周辺音響ノイズに強い音叉型振動式ジャイロスコープにおいて、内部フレームの外部構造が加振され、内部フレームの内部構造が感知されるよう具現し、ワイン(wine)グラス形状の弾性部材を利用してより安定的に動作させることができる。

概要

背景

一般に、ジャイロスコープGyroscope)は移動体の回転による角速度または角加速度感知するためのセンサとして用いられるが、かかるジャイロスコープの種類には、作用力の種類によって機械式ジャイロ(mechanical Gyro)と振動式ジャイロ(vibrating Gyro)とに分かれ、上記振動式ジャイロは製造工程によってセラミックジャイロ(Ceramic Gyro)と半導体製造工程を利用するMEMS(Micro Electro-Mechanical System)ジャイロとに分かれる。そして、振動式ジャイロ中作用力の方向によって水平ジャイロ(Lateral Gyro)と垂直ジャイロ(Vertical Gyro)に分かれるが、上記水平ジャイロは速度の水平面と水平方向へのコリオリー力を利用し、上記垂直ジャイロは速度の水平面と垂直方向へのコリオリー力を利用する。
上記振動式ジャイロに利用されるコリオリー力(Koriolri-force)は「Fc=2mΩ・V」式から得られ、ここで「m」は移動体の重量で、「Ω」は角速度で、「V」は速度である。上記コリオリー力(Fc)の方向は速度(V)軸及び角速度(Ω)の回転軸により決定される。かかる振動式ジャイロは通常震え(例えば、手振れ)を感知して補助するための装置に適用できる。

かかる振動式ジャイロの構造物を見ると、振動式ジャイロは固定構造物振動構造物とに大きく分かれるが、ここで振動構造物は加振のための構造及び感知のための構造を含み、上記加振構造は加振モードにおいて感知条件を形成するために振動構造物を自己発振により共振させるための構造で、上記感知構造は移動体の震え(例えば、デジタルカメラの手振れ)に該当する加速度または角加速度に垂直な方向へ作用するコリオリー力(F)により振動構造物を共振させるための構造である。ここで、加振モードの共振と感知モードの共振は相互垂直方向に起こり、上記コリオリー力(Fc)の大きさ、即ち移動体の震え程度によるキャパシタの大きさを測定する。

こうしたジャイロの感知モードにおいて、ジャイロスコープの電圧検出方式としてはコリオリー力に該当するキャパシタンスを測定し電圧に変化させる方式と、コリオリー力による動きを抑制するのに必要な電圧を測定するリバランス(rebalance)方式とがある。

また、かかる振動式ジャイロにおいて感知能力を向上させるために、加振モードでの動きを大きくさせ、感知モードでの感度を良好にしなければならない。

一方、振動式ジャイロはカムコーダの手振れ防止装置自動車用エアバッグ(Roll-over airbag)装置、玩具などの無人飛行機、そして仮想表示装置(HMD:Head Mount Display)などに適用される。

かかる部品に適用するために振動型ジャイロを実際具現する場合、ジャイロは一定の方向の角速度を測定するセンサなので測定しようとする方向以外の角速度や運動に対して反応が鈍くなければならないが、かかる測定しようとするする方向以外の運動に対する敏感度をクロストーク(Cross Talk)あるいはクロスセンシビティ(Cross Sensitivity)と定義し、物理量を測定するセンサにおいてその数値を最少化し、製品仕様においてある程度の数値以下に規制している。

従来のマイクロジャイロスコープ中、米国特許第5747690A号に開示されたマイクロジャイロスコープは、水平方向(X)にコームを利用して加振するようになり、これと同様に垂直方向(Y)に引き起こされる振動構造のコリオリー振動感知電極を通して感知できるようにするが、即ち浮遊質量の両面に位置したコームに交流の電圧を印加して浮遊質量がX軸方向へ振動している場合、Z軸方向の角速度が印加されると、コリオリー力によって質量は振動周波数でY軸方向へ振動し、この際上記振動範囲は印加された角速度に比例して質量のY軸方向振動を感知電極を利用して振動周波数で検出することにより角速度信号を得ることができる。

しかし、かかる従来の水平型マイクロジャイロスコープにおいて、振動モードを見るとX方向へ初期振動し外部の角速度が印加され発生したコリオリー運動によって質量体はY方向へ振動し角速度を感知するので、かかる方式により角速度を検出する際X、Y方向へ、とりわけ敏感なY方向への振動が伝わると影響が直ぐ出力に現れる現象が起こるが、外部の振動中とりわけ固有振動数近傍の振動には脆弱で他周波数帯域電気的なフィルターを設けて減少させることができるがジャイロの原理上固有振動数(共振周波数)の信号に変調(modulation)され角速度信号が発生するので電気的にも相殺が不可能な成分が存在して感知能力を劣らせるといった問題がある。

また、従来のマイクロジャイロスコープ中、米国特許第5349855A号に開示された音叉型マイクロジャイロスコープは、音叉(Tuning Fork)型振動モードを使用しているが、この音叉モードにおいて感知(Sensing)するモードが底と垂直な方向へ起こされる。こうしたマイクロジャイロスコープは駆動モードの方向は水平方向で感知モードの方向が垂直の特性を有する構造物を含み、こうした構造物においては上記両方向の周波数が同一な場合、最大出力が発生するので作製工程後電気的に、もしくは再工程を通して同一あるいは類似に共振周波数を同調させるチューニング作業を行う。

ここで、水平方向と垂直方向の共振周波数を同調させなければならないが、感知モードと加振モードの方向が相互水平及び垂直であるため、かかる水平及び垂直方向に振動するスプリングなどの弾性体の高さ及び厚さを同一に作製しなければならなく、これは周波数チューニング(Tuning)作業を困難にする要因として働き、また水平方向の周波数は構造物のエッチング工程に敏感で垂直方向の共振周波数は構造物の厚さを決定する蒸着メッキ研磨(Polishing)工程によって決定されるので両工程の管理を徹底に行わなければならないが、実際工程の管理が大変難しく感知電極が一方に形成されているので大きい角速度が印加され垂直方向の振動の大きさが増加すると測定における非線形性があらわれるといった問題がある。
先述したような従来のジャイロにおいては、外部の振動や音響ノイズによってジャイロ構造物に振動が伝わり、測定しようとするする角速度以外の信号が問題となる程に大きく現れることがわかり、実際の用途においてかかる振動や音響ノイズによる異常信号の発生は製品としての機能に致命的な悪影響を及ぼす。

かかる従来の問題を解決するために、図1に示したような水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープが提案された。

図1は従来の水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープの平面図である。

図1の従来の水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープは基板、固定部(110)、外部弾性部材(120)、外部フレーム部(130)、感知電極部(140)、内部弾性部材(150)、櫛歯構造の加振コームを各々有する一対の第1及び第2内部質量体を含む内部質量部(160)、櫛歯構造のコーム加振器(comb drive)を含む加振電極部(170)を含んで成る。

ここで、上記加振電極部(170)に加振信号が供給されると、上記加振電極部(170)と内部質量部(160)との間に静電力が発生し、この静電力により上記内部質量部(160)の第1及び第2内部質量体がY軸方向に向き合いながら接近と離反を繰り返す往復運動を行う水平音叉モードで加振される。

この際、図1のジャイロスコープにX軸及びY軸に垂直な回転軸を有する角速度が発生すると、上記一対の内部質量体はX軸方向中相互逆方向のコリオリー力を受け振動するようになり、かかる振動体の振動は内部弾性部材により外部フレーム部に伝わり、この外部フレーム部(130)が振動を起こす。

その場合、上記外部フレーム部(130)と上記感知電極部(140)との間隔の変化によるキャパシタンスを上記感知電極部(140)が検出して外力の大きさまたは自己の震えなどを感知することができる。

かかる水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープに対する具体的な説明は日本特許公開第2004−205492号に開示される。

かかる従来の音叉ジャイロにおいては、感知モードの共振方向と加振モードの共振方向が同平面上に形成される水平型モードで動作し、工程上決定される垂直方向の厚さの変化に鈍くて感知特性を向上させられるといった利点がある。

しかし、図1の従来の水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープは下記のような問題を抱えている。

図2は、図1のジャイロスコープの音叉モード時のパイ(π)型スプリングの形状である。

図1及び図2によると、従来の水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープにおいては、上記外部フレーム部(130)と上記内部質量部(160)の第1及び第2内部質量体がパイ型スプリングにより連結されているが、上記ジャイロスコープが音叉モードで動作する際、上記パイ型スプリングは図2に示すように、そのボディ部に不安定な変形が発生し、 これにより上記ジャイロスコープが不安定な音叉動作を起こす問題がある。酷いと異常発振を起こしかねない。

また、図1に示した従来の水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープにおいては、全て精密加工を必要とする複数の小型構造物から成ることから、作製が困難なばかりでなく高価の費用がかかる欠点があり、とりわけ上記のようなジャイロスコープは複数の機械部品から成るので、回路一体型での適用が難しくなるといった問題がある。
米国特許第5747690A号
米国特許第5349855A号
日本特許公開第2004−205492号

概要

本発明は移動体の回転による角速度及び角加速度を感知するためのMEMSジャイロスコープを提供する。本発明の音叉型振動式MEMSジャイロスコープは、基板(210)上に形成された外側固定支持部(220)、複数個の外部弾性部材(310〜360)、加振コーム(415、425)を各々有する第1及び第2外部フレーム(410、420)、コーム加振器(515、525)を各々有する第1及び第2加振電極(510、520)、複数の内部スプリング部材を含む第1及び第2内部弾性部材(610、620)、感知コーム(715、725)を各々有する第1及び第2内部フレーム(710、720)、コーム感知器(815、825)を各々有する第1及び第2感知電極(810、820)を具備する。こうした本発明によれば、周辺の音響ノイズに強い音叉型振動式ジャイロスコープにおいて、内部フレームの外部構造が加振され、内部フレームの内部構造が感知されるよう具現し、ワイン(wine)グラス形状の弾性部材を利用してより安定的に動作させることができる。

目的

本発明は上記問題を解決するために提案されたものとして、その目的は、周辺の音響ノイズに強い音叉型振動式ジャイロスコープにおいて内部フレームの外部構造が加振され内部フレームの内部構造が感知されるよう具現した水平型及び音叉型振動式MEMSジャイロスコープを提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

相互垂直であるX軸及びY軸による水平方向への平面構造を有する基板上に形成された外側固定支持部と、上記外側固定支持部の内側に連結されY軸方向へ弾性を有する複数個外部弾性部材と、上記基板から一定の間隔浮いていて、上記複数個の外部弾性部材により弾性支持され、Y軸上において相互上下に離隔するよう配され、その各内側一部においてY軸方向へ所定の長さを有する櫛歯構造加振コームを各々有する第1及び第2外部フレームと、上記基板上に固定され、上記第1及び第2外部フレーム部の各内部にこれらから離隔するよう形成され、上記各加振コームに設定間隔ほど離隔され相互噛み合う櫛歯構造のコーム加振器を各々有する第1及び第2加振電極と、上記第1及び第2外部フレームの各内側に連結されX軸方向へ弾性を有する第1及び第2内部弾性部材と、上記基板から一定の間隔浮いていて、上記第1及び第2外部フレーム部の各内部にこれらから離隔するよう形成され、上記第1及び第2内部弾性部材各々により弾性支持され、その各内側一部においてY軸方向へ所定の長さを有する櫛歯構造の感知コームを各々有する第1及び第2内部フレームと、上記基板上に固定され、上記第1及び第2内部フレームの各内部にこれらから離隔するよう形成され、上記各感知コームに設定間隔ほど離隔され噛み合う櫛歯構造のコーム感知器を各々有する第1及び第2感知電極と、を具備した音叉型振動式MEMSジャイロスコープ

請求項2

上記外側固定支持部は、相互離隔されY軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2Y軸フレームバー、並びに上記第1及び第2Y軸フレームバーの各端部に連結され、相互離隔しながらX軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2X軸フレームバーを含むことを特徴とする請求項1に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項3

上記外部弾性部材は、X軸方向へ所定の長さを有する弾性バーから成り、この弾性バーの一端は上記外側固定支持部の内側に連結され、上記弾性バーの他端は上記第1外部フレームに連結された第1及び第2外部弾性部材と、X軸方向へ所定の長さを有する弾性バーから成り、この弾性バーの一端は上記外側固定支持部の内側に連結され、上記弾性バーの他端は上記第2外部フレームに連結された第3及び第4外部弾性部材と、右側に倒れワイングラス形状の弾性体から成り、この弾性体の左側両端は上記外側固定支持部の第1Y軸フレームバーの内側中央付近に連結され、上記弾性体の右側両端は上記外側固定支持部の第1及び第2外部フレーム各々に連結された第5外部弾性部材と、左側に倒れたワイングラス形状の弾性体から成り、この弾性体の右側両端は上記外側固定支持部の第2Y軸フレームバーの内側中央付近に連結され、上記弾性体の左側両端は上記外側固定支持部の第1及び第2外部フレーム各々に連結された第6外部弾性部材と、を含むことを特徴とする請求項2に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項4

上記第1及び第2外部弾性部材はY軸を基準に相互対称する構造から成ることを特徴とする請求項3に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項5

上記第3及び第4外部弾性部材はY軸を基準に相互対称する構造から成ることを特徴とする請求項4に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項6

上記第5及び第6外部弾性部材はY軸を基準に相互対称する構造から成ることを特徴とする請求項5に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項7

上記第1及び第3外部弾性部材はX軸を基準に相互対称する構造から成ることを特徴とする請求項6に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項8

上記第2及び第4外部弾性部材はX軸を基準に相互対称する構造から成ることを特徴とする請求項7に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項9

上記第5及び第6外部弾性部材各々はX軸を基準に相互対称する構造から成ることを特徴とする請求項8に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項10

上記第5外部弾性部材の弾性体は、上記外側固定支持部の第1Y軸フレームバー側へ開放されたカップ形状から成り上記第1Y軸フレームバーの内側中央付近に連結された第1連結部と、上記外側固定支持部の第2Y軸フレームバー側へ開放されたカップ形状から成り、上記第1及び第2外部フレームに各端部が連結される第2連結部と、上記第1連結部の中央と上記第2連結部の中央を連結する第3連結部と、を含んで成ることを特徴とする請求項9に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項11

上記第6外部弾性部材の弾性体は、上記外側固定支持部の第2Y軸フレームバー側へ開放されたカップ形状から成り、上記第2Y軸フレームバーの内側中央付近に連結された第1連結部と、上記外側固定支持部の第1Y軸フレームバー側へ開放されたカップ形状から成り、上記第1及び第2外部フレームに各端部が連結される第2連結部と、上記第1連結部の中央と上記第2連結部の中央を連結する第3連結部と、を含んで成ることを特徴とする請求項9に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項12

上記第1及び第2外部フレームは、相互離隔しながらY軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2Y軸フレームバーと、上記第1及び第2Y軸フレームバーの端部に各々連結され、相互離隔しながらX軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2X軸フレームバーと、を含むことを特徴とする請求項1に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項13

上記第1外部フレームの加振コームは上記第1外部フレームの第1X軸フレームバーに形成され、上記第2外部フレームの加振コームは上記第2外部フレームの第2X軸フレームバーに形成されて成ることを特徴とする請求項12に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項14

上記第1及び第2加振電極は、上記基板上に固定支持された加振電極パッドと、上記加振電極パッド両側からX軸方向へ所定の長さで延長された加振電極ビームとを含み、上記第1及び第2加振電極の各コーム加振器は上記加振電極パッド及び加振電極ビームに形成されて成ることを特徴とする請求項13に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項15

上記第1外部フレームの加振コームは上記第1外部フレームの第2X軸フレームバーに形成され、上記第2外部フレームの加振コームは上記第2外部フレームの第1X軸フレームバーに形成されて成ることを特徴とする請求項12に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項16

上記第1及び第2加振電極は、上記基板上に固定支持された加振電極パッドと、上記加振電極パッド両側からX軸方向へ所定の長さで延長された加振電極ビームとを含み、上記第1及び第2加振電極の各コーム加振器は上記加振電極パッド及び加振電極ビームに形成されて成ることを特徴とする請求項15に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項17

上記第1内部弾性部材は、Y軸方向へ所定の長さを有するY軸バーから成り、上記Y軸バーの一端は上記第1外部フレームの第1X軸フレームバーに連結され、その他端は上記第1内部フレームに連結された第1ないし第2内部スプリング部材と、Y軸方向へ所定の長さを有するY軸バーから成り、上記Y軸バーの一端は上記第1外部フレームの第2X軸フレームバーに連結され、その他端は上記第1内部フレームに連結された第3ないし第4内部スプリング部材とを含むことを特徴とする請求項12に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項18

上記第1及び第2内部スプリング部材は、Y軸を基準に相互対称する構造から成り、上記第3及び第4内部スプリング部材は、Y軸を基準に相互対称する構造から成ることを特徴とする請求項17に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項19

上記第1及び第3内部スプリング部材は、X軸を基準に相互対称する構造から成り、上記第2及び第4内部スプリング部材はX軸を基準に相互対称する構造から成ることを特徴とする請求項17に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項20

上記第2内部弾性部材は、Y軸方向へ所定の長さを有するY軸バーから成り、上記Y軸バーの一端は上記第2外部フレームの第1X軸フレームバーに連結され、その他端は上記第2内部フレームに連結された第1ないし第2内部スプリング部材と、Y軸方向へ所定の長さを有するY軸バーから成り、上記Y軸バーの一端は上記第2外部フレームの第2X軸フレームバーに連結され、その他端は上記第2内部フレームに連結された第3ないし第4内部スプリング部材とを含むことを特徴とする請求項12に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項21

上記第1及び第2内部スプリング部材は、Y軸を基準に相互対称する構造から成り、上記第3及び第4内部スプリング部材は、Y軸を基準に相互対称する構造から成ることを特徴とする請求項20に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項22

上記第1及び第3内部スプリング部材は、X軸を基準に相互対称する構造から成り、上記第2及び第4内部スプリング部材は、X軸を基準に相互対称する構造から成ることを特徴とする請求項20に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項23

上記第1及び第2内部フレームは、相互離隔しながらY軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2Y軸フレームバーと、上記Y軸フレームバーの端部に各々連結され、相互離隔しながらX軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2X軸フレームバーとを含むことを特徴とする請求項1に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項24

上記第1内部フレームの感知コームは、上記第1内部フレームの第1X軸フレームバーに形成され、上記第2内部フレームの感知コームは上記第2内部フレームの第2X軸フレームバーに形成されて成ることを特徴とする請求項23に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項25

上記第1感知電極は、上記基板上に固定支持された感知電極パッドと、上記感知電極パッド両側からX軸方向へ所定の長さで延長された感知電極バーとを含み、上記第1感知電極のコーム感知器は上記感知電極パッド及び感知電極バーに形成されて成ることを特徴とする請求項24に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項26

上記第2感知電極は、上記基板上に固定支持された加振電極パッドと、上記感知電極パッド両側からX軸方向へ所定の長さで延長された感知電極バーとを含み、上記第2感知電極のコーム感知器は上記感知電極パッド及び感知電極バーに形成されて成ることを特徴とする請求項25に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項27

上記第1内部フレームの感知コームは、上記第1内部フレームの第2X軸フレームバーに形成され、上記第2内部フレームの感知コームは、上記第2内部フレームの第1X軸フレームバーに形成されて成ることを特徴とする請求項23に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項28

上記第1感知電極は、上記基板上に固定支持された感知電極パッドと、上記感知電極パッド両側からX軸方向へ所定の長さで延長された感知電極バーとを含み、上記第1感知電極のコーム感知器は上記感知電極パッド及び感知電極バーに形成されて成ることを特徴とする請求項27に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項29

上記第2感知電極は、上記基板上に固定支持された感知電極パッドと、上記感知電極パッド両側からX軸方向へ所定の長さで延長された感知電極バーとを含み、上記第2感知電極のコーム感知器は上記感知電極パッド及び感知電極バーに形成されて成ることを特徴とする請求項28に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項30

上記第1内部フレームの感知コームは、上記第1内部フレームの第1及び第2X軸フレームバー各々に形成され、上記第2内部フレームの感知コームは上記第2内部フレームの第1及び第2X軸フレームバー各々に形成されて成ることを特徴とする請求項23に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項31

上記第1感知電極は、上記基板上に固定支持された感知電極パッドと、上記感知電極パッド両側からX軸方向へ所定の長さで延長された感知電極バーとを含み、上記第1感知電極のコーム感知器は上記感知電極パッド及び感知電極バーに形成されて成ることを特徴とする請求項30に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項32

上記第2感知電極は、上記基板上に固定支持された感知電極パッドと、上記感知電極パッド両側からX軸方向へ所定の長さで延長された感知電極バーとを含み、上記第2感知電極の複数のコーム感知器は上記感知電極パッド及び感知電極バーに形成されて成ることを特徴とする請求項31に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ

請求項33

上記第1及び第2外部フレームは、上記第1及び第2外部フレームのX軸フレームバー中相互隣接した両X軸フレームバー各々にY軸方向へ配列された複数のフィードバック感知コームをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項34

上記マイクロジャイロスコープは上記第1及び第2外部フレーム間に形成され、上記第1及び第2外部フレームのフィードバック感知コームとの離隔距離に応じたキャパシタンス感知するフィードバック電極部をさらに具備することを特徴とする請求項33に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

請求項35

上記フィードバック電極部は、上記基板に固定されるフィードバック電極パッドと、上記フィードバック電極パッドの両側からX軸方向へ延長されたフィードバック電極ビームと、上記フィードバック電極パッド及びフィードバック電極ビームにY軸方向へ連続に配され、上記第1及び第2外部フレームのフィードバック感知コーム各々に設定間隔ほど離隔され噛み合う櫛歯構造のフィードバックコーム感知器とを含むことを特徴とする請求項34に記載の音叉型振動式MEMSジャイロスコープ。

技術分野

0001

本発明は移動体の回転による角速度及び角加速度感知するためのMEMSジャイロスコープに関するもので、とりわけ周辺音響ノイズに強い音叉型振動式ジャイロスコープにおいて、内部フレーム外部構造加振され、内部フレームの内部構造が感知されるよう具現し、ワイン(wine)グラス形状の弾性部材を利用してより安定的に動作できる音叉型振動式MEMSジャイロスコープに関するものである。

背景技術

0002

一般に、ジャイロスコープGyroscope)は移動体の回転による角速度または角加速度を感知するためのセンサとして用いられるが、かかるジャイロスコープの種類には、作用力の種類によって機械式ジャイロ(mechanical Gyro)と振動式ジャイロ(vibrating Gyro)とに分かれ、上記振動式ジャイロは製造工程によってセラミックジャイロ(Ceramic Gyro)と半導体製造工程を利用するMEMS(Micro Electro-Mechanical System)ジャイロとに分かれる。そして、振動式ジャイロ中作用力の方向によって水平ジャイロ(Lateral Gyro)と垂直ジャイロ(Vertical Gyro)に分かれるが、上記水平ジャイロは速度の水平面と水平方向へのコリオリー力を利用し、上記垂直ジャイロは速度の水平面と垂直方向へのコリオリー力を利用する。
上記振動式ジャイロに利用されるコリオリー力(Koriolri-force)は「Fc=2mΩ・V」式から得られ、ここで「m」は移動体の重量で、「Ω」は角速度で、「V」は速度である。上記コリオリー力(Fc)の方向は速度(V)軸及び角速度(Ω)の回転軸により決定される。かかる振動式ジャイロは通常震え(例えば、手振れ)を感知して補助するための装置に適用できる。

0003

かかる振動式ジャイロの構造物を見ると、振動式ジャイロは固定構造物振動構造物とに大きく分かれるが、ここで振動構造物は加振のための構造及び感知のための構造を含み、上記加振構造は加振モードにおいて感知条件を形成するために振動構造物を自己発振により共振させるための構造で、上記感知構造は移動体の震え(例えば、デジタルカメラの手振れ)に該当する加速度または角加速度に垂直な方向へ作用するコリオリー力(F)により振動構造物を共振させるための構造である。ここで、加振モードの共振と感知モードの共振は相互垂直方向に起こり、上記コリオリー力(Fc)の大きさ、即ち移動体の震え程度によるキャパシタの大きさを測定する。

0004

こうしたジャイロの感知モードにおいて、ジャイロスコープの電圧検出方式としてはコリオリー力に該当するキャパシタンスを測定し電圧に変化させる方式と、コリオリー力による動きを抑制するのに必要な電圧を測定するリバランス(rebalance)方式とがある。

0005

また、かかる振動式ジャイロにおいて感知能力を向上させるために、加振モードでの動きを大きくさせ、感知モードでの感度を良好にしなければならない。

0006

一方、振動式ジャイロはカムコーダの手振れ防止装置自動車用エアバッグ(Roll-over airbag)装置、玩具などの無人飛行機、そして仮想表示装置(HMD:Head Mount Display)などに適用される。

0007

かかる部品に適用するために振動型ジャイロを実際具現する場合、ジャイロは一定の方向の角速度を測定するセンサなので測定しようとする方向以外の角速度や運動に対して反応が鈍くなければならないが、かかる測定しようとするする方向以外の運動に対する敏感度をクロストーク(Cross Talk)あるいはクロスセンシビティ(Cross Sensitivity)と定義し、物理量を測定するセンサにおいてその数値を最少化し、製品仕様においてある程度の数値以下に規制している。

0008

従来のマイクロジャイロスコープ中、米国特許第5747690A号に開示されたマイクロジャイロスコープは、水平方向(X)にコームを利用して加振するようになり、これと同様に垂直方向(Y)に引き起こされる振動構造のコリオリー振動感知電極を通して感知できるようにするが、即ち浮遊質量の両面に位置したコームに交流の電圧を印加して浮遊質量がX軸方向へ振動している場合、Z軸方向の角速度が印加されると、コリオリー力によって質量は振動周波数でY軸方向へ振動し、この際上記振動範囲は印加された角速度に比例して質量のY軸方向振動を感知電極を利用して振動周波数で検出することにより角速度信号を得ることができる。

0009

しかし、かかる従来の水平型マイクロジャイロスコープにおいて、振動モードを見るとX方向へ初期振動し外部の角速度が印加され発生したコリオリー運動によって質量体はY方向へ振動し角速度を感知するので、かかる方式により角速度を検出する際X、Y方向へ、とりわけ敏感なY方向への振動が伝わると影響が直ぐ出力に現れる現象が起こるが、外部の振動中とりわけ固有振動数近傍の振動には脆弱で他周波数帯域電気的なフィルターを設けて減少させることができるがジャイロの原理上固有振動数(共振周波数)の信号に変調(modulation)され角速度信号が発生するので電気的にも相殺が不可能な成分が存在して感知能力を劣らせるといった問題がある。

0010

また、従来のマイクロジャイロスコープ中、米国特許第5349855A号に開示された音叉型マイクロジャイロスコープは、音叉(Tuning Fork)型振動モードを使用しているが、この音叉モードにおいて感知(Sensing)するモードが底と垂直な方向へ起こされる。こうしたマイクロジャイロスコープは駆動モードの方向は水平方向で感知モードの方向が垂直の特性を有する構造物を含み、こうした構造物においては上記両方向の周波数が同一な場合、最大出力が発生するので作製工程後電気的に、もしくは再工程を通して同一あるいは類似に共振周波数を同調させるチューニング作業を行う。

0011

ここで、水平方向と垂直方向の共振周波数を同調させなければならないが、感知モードと加振モードの方向が相互水平及び垂直であるため、かかる水平及び垂直方向に振動するスプリングなどの弾性体の高さ及び厚さを同一に作製しなければならなく、これは周波数チューニング(Tuning)作業を困難にする要因として働き、また水平方向の周波数は構造物のエッチング工程に敏感で垂直方向の共振周波数は構造物の厚さを決定する蒸着メッキ研磨(Polishing)工程によって決定されるので両工程の管理を徹底に行わなければならないが、実際工程の管理が大変難しく感知電極が一方に形成されているので大きい角速度が印加され垂直方向の振動の大きさが増加すると測定における非線形性があらわれるといった問題がある。
先述したような従来のジャイロにおいては、外部の振動や音響ノイズによってジャイロ構造物に振動が伝わり、測定しようとするする角速度以外の信号が問題となる程に大きく現れることがわかり、実際の用途においてかかる振動や音響ノイズによる異常信号の発生は製品としての機能に致命的な悪影響を及ぼす。

0012

かかる従来の問題を解決するために、図1に示したような水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープが提案された。

0013

図1は従来の水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープの平面図である。

0014

図1の従来の水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープは基板、固定部(110)、外部弾性部材(120)、外部フレーム部(130)、感知電極部(140)、内部弾性部材(150)、櫛歯構造の加振コームを各々有する一対の第1及び第2内部質量体を含む内部質量部(160)、櫛歯構造のコーム加振器(comb drive)を含む加振電極部(170)を含んで成る。

0015

ここで、上記加振電極部(170)に加振信号が供給されると、上記加振電極部(170)と内部質量部(160)との間に静電力が発生し、この静電力により上記内部質量部(160)の第1及び第2内部質量体がY軸方向に向き合いながら接近と離反を繰り返す往復運動を行う水平音叉モードで加振される。

0016

この際、図1のジャイロスコープにX軸及びY軸に垂直な回転軸を有する角速度が発生すると、上記一対の内部質量体はX軸方向中相互逆方向のコリオリー力を受け振動するようになり、かかる振動体の振動は内部弾性部材により外部フレーム部に伝わり、この外部フレーム部(130)が振動を起こす。

0017

その場合、上記外部フレーム部(130)と上記感知電極部(140)との間隔の変化によるキャパシタンスを上記感知電極部(140)が検出して外力の大きさまたは自己の震えなどを感知することができる。

0018

かかる水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープに対する具体的な説明は日本特許公開第2004−205492号に開示される。

0019

かかる従来の音叉ジャイロにおいては、感知モードの共振方向と加振モードの共振方向が同平面上に形成される水平型モードで動作し、工程上決定される垂直方向の厚さの変化に鈍くて感知特性を向上させられるといった利点がある。

0020

しかし、図1の従来の水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープは下記のような問題を抱えている。

0021

図2は、図1のジャイロスコープの音叉モード時のパイ(π)型スプリングの形状である。

0022

図1及び図2によると、従来の水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープにおいては、上記外部フレーム部(130)と上記内部質量部(160)の第1及び第2内部質量体がパイ型スプリングにより連結されているが、上記ジャイロスコープが音叉モードで動作する際、上記パイ型スプリングは図2に示すように、そのボディ部に不安定な変形が発生し、 これにより上記ジャイロスコープが不安定な音叉動作を起こす問題がある。酷いと異常発振を起こしかねない。

0023

また、図1に示した従来の水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープにおいては、全て精密加工を必要とする複数の小型構造物から成ることから、作製が困難なばかりでなく高価の費用がかかる欠点があり、とりわけ上記のようなジャイロスコープは複数の機械部品から成るので、回路一体型での適用が難しくなるといった問題がある。
米国特許第5747690A号
米国特許第5349855A号
日本特許公開第2004−205492号

発明が解決しようとする課題

0024

本発明は上記問題を解決するために提案されたものとして、その目的は、周辺の音響ノイズに強い音叉型振動式ジャイロスコープにおいて内部フレームの外部構造が加振され内部フレームの内部構造が感知されるよう具現した水平型及び音叉型振動式MEMSジャイロスコープを提供することにある。

0025

さらに、本発明の異なる目的はワイン(wine)グラス形状の弾性部材を利用して、より安定した動作が行える水平型及び音叉型振動式MEMSジャイロスコープを提供することにある。

0026

さらに、本発明のさらに異なる目的はワイングラス形状の弾性部材同士の間の空間にフィードバック電極を形成して使用空間効率を高めサイズを減少させられる水平型及び音叉型振動式MEMSジャイロスコープを提供することにある。

課題を解決するための手段

0027

上記本発明の目的を成し遂げるために、本発明の水平型及び音叉型振動式MEMSジャイロスコープは、
相互垂直なX軸及びY軸による水平方向への平面構造を有する基板上に形成された外側固定支持部と、
上記外側固定支持部の内側に連結されY軸方向へ弾性を有する複数個の外部弾性部材と、 上記基板から一定の間隔浮いていて、上記複数個の外部弾性部材により弾性支持され、Y軸上において相互上下に離隔するよう配され、その各内側一部においてY軸方向へ所定の長さを有する櫛歯構造の加振コームを各々有する第1及び第2外部フレームと、
上記基板上に固定され、上記第1及び第2外部フレーム部の各内部にこれらから離隔するよう形成され、上記各加振コームに設定間隔ほど離隔して噛み合う櫛歯構造のコーム加振器を各々有する第1及び第2加振電極と、
上記第1及び第2外部フレームの各内側に連結されX軸方向へ弾性を有する第1及び第2内部弾性部材と、
上記基板から一定の間隔浮いていて、上記第1及び第2外部フレーム部の各内部にこれらから離隔するよう形成され、上記第1及び第2内部弾性部材各々により弾性支持され、その各内側一部においてY軸方向へ所定の長さを有する櫛歯構造の感知コームを各々有する第1及び第2内部フレームと、
上記基板上に固定され、上記第1及び第2内部フレームの各内部にこれらから離隔するよう形成され、上記各感知コームに設定間隔ほど離隔され噛み合う櫛歯構造のコーム感知器とを各々有する第1及び第2感知電極を具備することを特徴とする。

発明の効果

0028

上述したような本発明によると、周辺の音響ノイズに強い音叉型振動式ジャイロスコープにおいて、内部フレームの外部構造が加振され、内部フレームの内部構造が感知されるよう具現し、ワイングラス形状の弾性部材同士の間の空間にフィードバック電極を形成して使用空間効率を高めてサイズを縮小することができ、ワイン(wine)グラス形状の弾性部材を利用してより安定した動作を行うことができる。

発明を実施するための最良の形態

0029

以下、本発明の好ましき実施例について添付の図を参照しながら詳しく説明する。

0030

本発明に参照される図において、実質的に同一な構成と機能を有する構成要素には同一符合を使用する。

0031

本発明のMEMSジャイロスコープは周辺の音響ノイズなどの外部振動による影響に鈍い音叉モードを利用し、またワイングラス形状の外部弾性部材を使用して音叉モードにおいてより安定した振動を保障でき、ワイングラス形状の弾性部材同士の間の空間にフィードバック電極を形成して使用空間効率を高めサイズを減少させられる。

0032

とりわけ、本発明のMEMSジャイロスコープにおいて、外部フレームと内部フレームは複数個の外部弾性部材及び内部弾性部材によって弾性支持されると同時に基板から一定の間隔浮かんで振動が許される構造となっており、上記外部フレームと内部フレームの大きさと密度各弾性部材剛性を調節して外部フレーム及び内部フレームの振動モード及び共振周波数を決定することができる。

0033

さらに、基板に固定され外部フレームに連結される外部弾性部材の形状と、外部フレーム部に連結されながら内部フレーム部を連結する内部弾性部材の形状、とりわけ基板の中心部分において基板と外部フレームを連結して音叉モードを発生させるワイングラス形状の弾性部材形状は本発明における重要な事項である。こうしたジャイロの構成に対する好ましい実施形態を提示して下記に説明する。

0034

図3(a)は本発明による音叉型振動式MEMSジャイロスコープの全体平面図で、図3(b)は図3(a)におけるA1−A2線断面図である。

0035

図3(a)、(b)によると、本発明の音叉型振動式MEMSジャイロスコープは、外側固定支持部(220)と、外部弾性部材(310〜360)と、第1及び第2外部フレーム(410、420)と、第1及び第2加振電極(510、520)と、第1及び第2内部弾性部材(610、620)と、第1及び第2内部フレーム(710、720)と、第1及び第2感知電極(810、820)とを含む。また、本発明のMEMSジャイロスコープはフィードバック電極(900)をさらに含むことができる。

0036

図3(a)、(b)によると、上記外側固定支持部(220)は相互垂直なX軸及びY軸による水平方向への平面構造を有する基板(210)上に形成される。上記外側固定支持部(220)によって実質的に四角形状の内部空間が設けられ、この内部空間に加振構造物と感知構造物が配される。この外側固定支持部(220)についても図4を参照しながら具体的に説明する。

0037

上記外部弾性部材(310〜360)は上記外側固定支持部(220)の内側に連結され Y軸方向へ弾性を有する複数個の外部弾性部材から成るが、こうした外部弾性部材(310〜360)は上記第1及び第2外部フレーム(410、420)がY軸方向へ振動できるよう、Y軸方向へ弾性を有し、X軸方向への弾性はほぼ無い。

0038

こうして、上記外部弾性部材(310〜360)に連結された上記第1及び第2外部フレーム(410、420)は、Y軸方向への振動が許され、X軸方向への振動は抑制される。この外部弾性部材(310〜360)については図5及び図6に基づき具体的に説明する。

0039

上記第1外部フレーム(410)は上記基板(210)から一定の間隔浮いていて、上記複数個の外部弾性部材(310〜360)により弾性支持され、Y軸上の上部に配され、その各内側一部においてY軸方向へ所定の長さを有する櫛歯構造の加振コーム(415)を含む。

0040

上記第2外部フレーム(420)は上記基板(210)から一定の間隔浮いていて、上記複数個の外部弾性部材(310〜360)により弾性支持され、Y軸上の下部に上記第1外部フレーム(410)と離隔するよう配され、その各内側一部においてY軸方向へ所定の長さを有する櫛歯構造の加振コーム(425)を含む。かかる第1及び第2外部フレーム(410、420)については図7を参照しながら具体的に説明する。

0041

上記第1加振電極(510)は上記基板(210)上に固定され、上記第1外部フレーム部(410)の内部にこれから離隔するよう形成され、上記第1外部フレーム部(410)の各加振コーム(415)に設定間隔ほど離隔され相互噛み合う櫛歯構造のコーム加振器(515)を含む。

0042

上記第2加振電極(520)は上記基板(210)上に固定され、上記第2外部フレーム(420)から設定間隔ほど離隔され上記第2外部フレーム部(420)の内部に形成され、上記第2外部フレーム部(420)の加振コーム(425)に設定間隔ほど離隔され相互噛み合う櫛歯構造のコーム加振器(525)を含む。

0043

かかる第1及び第2加振電極(510、520)についても図8を参照しながら具体的に説明する。

0044

ここで、本発明においてコーム(comb)とは複数個のフィンガーが一列に繰り返し配され櫛歯構造となった形態で定義され、またコーム感知器も上記コームと同様、複数個のフィンガーが一列に繰り返し配され櫛歯構造となった形態で定義される。

0045

この際、上記第1及び第2加振電極(510、520)に加振回路部(図示せず)から加振信号が印加されると、上記第1及び第2加振電極(510、520)のコーム加振器(515、525)と上記第1及び第2外部フレーム(410、420)の加振コーム(415、425)との間に電位差による静電力が発生し、上記第1及び第2外部フレーム(410、420)が上記外部弾性部材(310〜360)により弾性支持されたまま加振され、Y軸方向に相互逆方向へ接近したり離反する音叉モードで振動を起こす。

0046

さらに、図3(a)、(b)によると、上記第1内部弾性部材(610)は上記第1外部フレーム(410)の各内側に連結されX軸方向へ弾性を有するよう形成されるが、これはX軸方向へ弾性を有し、Y軸方向へは弾性がほぼ無い。こうして上記第1内部弾性部材(610)により、上記第1外部フレーム(410)のY軸振動に上記第1内部フレーム(710)が連動されY軸へ振動する。

0047

そして、上記第2内部弾性部材(620)は上記第2外部フレーム(420)の各内側に連結され X軸方向へ弾性を有するが、これはX軸方向へ弾性を有し、Y軸方向へは弾性がほぼ無い。こうして上記第2内部弾性部材(620)により、上記第2外部フレーム(420)のY軸振動に上記第2内部フレーム(720)が連動されY軸へ振動する。

0048

かかる第1及び第2内部弾性部材(610、620)については図9を参照しながら具体的に説明する。

0049

先述した第1及び第2内部弾性部材(610、620)によって、上記第1及び第2外部フレーム(410、420)がY軸方向へ音叉モードで振動する場合、これに連動し上記第1及び第2内部フレーム(710、720)もY軸方向へ音叉モードで振動するようになる。

0050

続いて、上記第1内部フレーム(710)は上記基板(210)から一定の間隔浮いていて、上記第1外部フレーム部(410)の各内部にこれから離隔するよう形成され、上記第1内部弾性部材(610)により弾性支持され、その内側一部においてY軸方向へ所定の長さを有する櫛歯構造の感知コーム(715)を有する。

0051

上記第2内部フレーム(720)は上記基板(210)から一定の間隔浮いていて、上記第2外部フレーム部(420)の各内部にこれから離隔するよう形成され、上記第2内部弾性部材(620)により弾性支持され、その内側一部においてY軸方向へ所定の長さを有する櫛歯構造の感知コーム(725)を有する。

0052

かかる上記第1及び第2内部フレーム(710、720)については図10を参照しながら具体的に説明する。

0053

この際、上記のように、上記第1及び第2内部フレーム(710、720)がY軸方向へ音叉モードで振動する間に、本発明のマイクロジャイロスコープにX軸及びY軸に垂直する回転軸を有する加速度または/及び角速度が発生すると、上記第1及び第2内部フレーム(710、720)はX軸方向中相互逆方向のコリオリー力を受け振動するようになる。即ち、上記第1及び第2内部フレーム(710、720)は基板の中心を基準に2次共振周波数だけ相互逆方向へX軸方向に運動を行い始める。

0054

かかる第1及び第2内部フレーム(710、720)の振動は下記に説明するような第1及び第2感知電極(810、820)により感知される。

0055

また、図3(a)、(b)によると、上記第1感知電極(810)は上記基板(210)上に固定され、上記第1内部フレーム(710)の各内部にこれから離隔するよう形成され、上記感知コーム(715)に設定間隔ほど離隔され噛み合う櫛歯構造のコーム感知器(815)を有する。

0056

上記第2感知電極(820)は上記基板(210)上に固定され、上記第2内部フレーム(720)の各内部にこれから離隔するよう形成され、上記感知コーム(725)に設定間隔ほど離隔され噛み合う櫛歯構造のコーム感知器(825)を有する。

0057

かかる上記第1及び第2感知電極(810、820)については図11を参照しながら具体的に説明する。

0058

先述したように、上記第1及び第2内部フレーム(710、720)はX軸方向中相互逆方向に振動する場合、上記第1及び第2内部フレーム(710、720)の感知コーム(715、725)と、上記第1及び第2感知電極(810、820)のコーム感知器(815、825)との間隔変化に該するキャパシタンス、即ち移動体の震えが上記第1及び第2 感知電極(810、820)により感知されることができる。

0059

以下、本発明のMEMSジャイロスコープの各構成要素について図4ないし図13を参照しながらより具体的に説明する。

0060

図4は本発明の外側固定支持部の平面図である。
図4によると、上記外側固定支持部(220)は相互離隔されY軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2Y軸フレームバー(221、222)と、上記第1及び第2Y軸フレームバー(221、222)の各端部に連結され、相互離隔しながらX軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2X軸フレームバー(223、224)を含む。

0061

こうした上記外側固定支持部(220)の第1及び第2Y軸フレームバー(221、222)及び第1及び第2X軸フレームバー(223、224)により実質的に四角形状の内部空間が設けられ、この内部空間に第1及び第2加振電極(510、520)及び第1及び第2外部フレーム(410、420)などの加振構造物と、第1及び第2感知電極(810、820)及び第1及び第2内部フレーム(710、720)などの感知構造物が配される。

0062

図5(a)、(b)は本発明の第1ないし第4外部弾性部材の拡大図で、図6は本発明の第5及び第6外部弾性部材の拡大図である。

0063

図4ないし図6によると、上記外部弾性部材は第1ないし第6外部弾性部材(310〜360)を含む。

0064

図5(a)、(b)によると、上記第1及び第2外部弾性部材(310、320)はX軸方向へ所定の長さを有する弾性バーから成り、この弾性バーの一端は上記外側固定支持部(220)の内側に連結され、上記弾性バーの他端は上記第1外部フレーム(410)に連結されて成る。

0065

上記第3及び第4外部弾性部材(330、340)はX軸方向へ所定の長さを有する弾性バーから成り、この弾性バーの一端は上記外側固定支持部(220)の内側に連結され、上記弾性バーの他端は上記第2外部フレーム(420)に連結されて成る。

0066

図6によると、上記第5外部弾性部材(350)は右側に倒れたワイングラス形状の弾性体から成り、この弾性体の左側両端は上記外側固定支持部(220)の第1Y軸フレームバー(221)の内側中央付近に連結され、上記弾性体の右側両端は上記第1及び第2外部フレーム(410、420)各々に連結されて成る。

0067

そして、上記第6外部弾性部材(360)は左側に倒れたワイングラス形状の弾性体から成り、この弾性体の右側両端は上記外側固定支持部(220)の第2Y軸フレームバー(222)の内側中央付近に連結され、上記弾性体の左側両端は上記第1及び第2外部フレーム(410、420)各々に連結されて成る。

0068

また、図5(a)によると、上記第1外部弾性部材(310)は上記外側固定支持部(220)の第1Y軸フレームバー(221)内側上端にその一端が連結されX軸方向へ所定の長さで延長された第1X軸バー(311)と、上記第1X軸バー(311)の他端においてY軸下方へ折り曲げられて延長された折曲部(312)と、上記折曲部(312)に連結されX軸方向へ所定の長さで延長され上記第1外部フレーム(410)の左側上端に連結された第2X軸バー(313)を含む。ここで、上記第1及び第2X軸バー(311、313)の長さは上記折曲部(312)のY軸の長さよりずっと長く形成して上記第1外部フレーム(410)に対するY軸方向への振動を円滑にさせる。

0069

上記第2外部弾性部材(320)は上記外側固定支持部(220)の第2Y軸フレームバー(222)内側上端にその一端が連結されX軸方向へ所定の長さで延長された第1X軸バー(321)と、上記第1X軸バー(321)の他端においてY軸下方へ折り曲げられて延長された折曲部(322)と、上記折曲部(322)に連結されX軸方向へ所定の長さで延長され上記第1外部フレーム(410)の右側上端に連結された第2X軸バー(323)を含む。ここで、上記第1及び第2X軸バー(321、323)の長さは上記折曲部(322)のY軸長さよりずっと長く形成して上記第1外部フレーム(410)に対するY軸方向への振動を円滑にさせる。

0070

かかる上記第1及び第2外部弾性部材(310、320)は下記に説明される第5及び第6外部弾性部材(350、360)と相俟って、上記第1外部フレーム(410)が左右均衡の音叉モードで振動するよう、Y軸を基準に相互対称する構造から成ることが好ましい。

0071

図5(b)によると、上記第3外部弾性部材(330)は上記外側固定支持部(220)の第1Y軸フレームバー(221)の内側下端にその一端が連結されX軸方向へ所定の長さ延長された第1X軸バー(331)と、上記第1X軸バー(331)の他端においてY軸上方へ折り曲げられて延長された折曲部(332)と、上記折曲部(332)に連結され X軸方向へ所定の長さで延長され第2外部フレーム(420)の左側下端に連結された第2X軸バー(333)を含む。ここで、上記第1及び第2X軸バー(331、333)の長さは上記折曲部(332)のY軸の長さよりずっと長く形成し上記第2外部フレーム(420)に対するY軸方向への振動を円滑にさせる。

0072

上記第4外部弾性部材(340)は上記外側固定支持部(220)の第2Y軸フレームバー(222)の内側下端にその一端が連結されX軸方向へ所定の長さで延長された第1X軸バー(341)と、上記第1X軸バー(341)の他端においてY軸上方へ折り曲げられて延長された折曲部(342)と、上記折曲部(342)に連結されX軸方向へ所定の長さで延長され第2外部フレーム(420)の右側下端に連結された第2X軸バー(343)を含む。ここで、上記第1及び第2X軸バー(341、343)の長さは上記折曲部(342)のY軸の長さよりずっと長く形成して上記第2外部フレーム(420)に対するY軸方向への振動を円滑にさせる。

0073

ここで、上記第3及び第4外部弾性部材(330、340)は下記に説明される第5及び第6外部弾性部材(350、360)と相俟って上記第2外部フレーム(420)が左右均衡の音叉モードで振動するよう、Y軸を基準に相互対称する構造から成ることが好ましい。

0074

先述したバーのように、上記第1外部フレーム(410)及び第2外部フレーム(420)各々が左右均衡の音叉モードでの振動のためには、上記第1及び第2外部弾性部材(310、320)がY軸を基準に相互対称する構造から成り、上記第3及び第4外部弾性部材(330、340)はY軸を基準に相互対称する構造から成ることが好ましい。本発明のMEMSジャイロスコープにおいて、対称する構造はフレームの形成、大きさ、密度及び剛性が実質的に同一であることを意味する。

0075

また、上記第1外部フレーム(410)と第2外部フレーム(420)がより確実に相互同期され音叉モードで振動するためには、上記第1及び第3外部弾性部材(310、330)はX軸を基準に相互対称する構造から成り、上記第2及び第4外部弾性部材(320、340)はX軸を基準に相互対称する構造から成ることが好ましい。

0076

一方、本発明の複数の外部弾性部材中第5及び第6外部弾性部材(350、360)は上記第1ないし第4外部弾性部材(310〜340)と相俟って上記第1外部フレーム(410)及び第2外部フレーム(420)がより安定した音叉モードでの振動を保障するためにワイングラス形状から成るが、これについては図6を参照して説明する。

0077

図6によると、上記第5外部弾性部材(350)の弾性体は上記外側固定支持部(220)の第1Y軸フレームバー(221)側へ開放されたカップ形状から成り、上記第1Y軸フレームバー(221)の内側中央付近に連結された第1連結部(351)と、上記外側固定支持部(220)の第2Y軸フレームバー(222)側へ開放されたカップ(CUP)形状から成り、上記第1及び第2外部フレーム(410、420)に各端部が連結される第2連結部(352)と、上記第1連結部(351)の中央と上記第2連結部(352)の中央とを連結する第3連結部(353)とを含む。

0078

また、図6によると、上記第6外部弾性部材(360)の弾性体は上記第2Y軸フレームバー(222)側へ開放されたカップ(CUP)形状から成り、上記第2Y軸フレームバー(222)の内側中央付近に連結された第1連結部(361)と、上記外側固定支持部(220)の第1Y軸フレームバー(221)側へ開放されたカップ(CUP)形状から成り、上記第1及び第2外部フレーム(410、420)に各端部が連結される第2連結部(362)と、上記第1連結部(361)の中央と上記第2連結部(362)の中央とを連結する第3連結部(363)とを含む。

0079

ここで、上記第5外部弾性部材(350)と上記第6外部弾性部材(360)は上記第1及び第2外部フレーム(410、420)各々の左右均衡の音叉モードでの振動のために、Y軸を基準に相互対称する構造から成ることが好ましい。

0080

また、上記第5及び第6外部弾性部材(350、360)各々は上記第1外部フレーム(410)と第2外部フレーム(420)が相互正確に同期された音叉モードでの振動のために、X軸を基準に相互対称する構造から成ることが好ましい。

0081

かかる上記第5及び第6外部弾性部材(350、360)によって、上記第1及び第2外部フレーム(410、420)がより安定した音叉モードで振動できるが、これについては図13を参照しながら説明する。

0082

図7は本発明の第1及び第2外部フレームの平面図である。

0083

図7によると、上記第1外部フレーム(410)は相互離隔されY軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2Y軸フレームバー(411、412)と、上記第1及び第2Y軸フレームバー(411、412)の端部に各々連結され、相互離隔しながらX軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2 X軸フレームバー(413、414)を含む。

0084

また、上記第2外部フレーム(420)は相互離隔されY軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2Y軸フレームバー(421、422)と、上記第1及び第2Y軸フレームバー(421、422)の端部に各々連結され、相互離隔しながらX軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2X軸フレームバー(423、424)を含む。

0085

かかる上記第1外部フレーム(410)と第2外部フレーム(420)はX軸を基準に相互対称する構造から成る。

0086

図8は本発明の第1及び第2加振電極の平面図である。

0087

図7及び図8によると、上記第1外部フレーム(410)の加振コーム(415)は上記第1外部フレーム(410)の第1 X軸フレームバー(413)に形成され、上記第2外部フレーム(420)の加振コーム(425)は上記第2外部フレーム(420)の第2X軸フレームバー(424)に形成されて成ることができる。

0088

この際、上記第1及び第2加振電極(510、520)は上記基板(210)上に固定支持された加振電極パッド(511、521)と、上記加振電極パッド(511、521)両側からX軸方向へ所定の長さで延長された加振電極ビーム(512、522)を含み、上記第1及び第2加振電極(510、520)の各コーム加振器(515、525)は上記加振電極パッド及び加振電極ビームに形成されて成ることができる。

0089

これと異なり、上記第1外部フレーム(410)の加振コーム(415)は上記第1外部フレーム(410)の第2X軸フレームバー(414)に形成され、上記第2外部フレーム(420)の加振コーム(425)は上記第2外部フレーム(420)の第1X軸フレームバー(423)に形成されて成ることもできる。

0090

この際、上記第1及び第2加振電極(510、520)は上記基板(210)上に固定支持された加振電極パッド(511、521)と、上記加振電極パッド(511、521)両側からX軸方向へ所定?が延長された加振電極ビーム(512、522)を含み、上記第1及び第2加振電極(510、520)の各コーム加振器(515、525)は上記加振電極パッド及び加振電極ビームに形成されて成ることができる。

0091

図9は本発明の第1及び第2内部弾性部材の平面図である。

0092

図3及び図9によると、上記第1内部弾性部材(610)はY軸方向へ所定の長さを有するY軸バーから成り、上記Y軸バーの一端は上記第1外部フレーム(410)の第1X軸フレームバー(413)に連結され、その他端は上記第1内部フレーム(710)に連結された第1ないし第2内部スプリング部材(611、612)と、Y軸方向へ所定の長さを有するY軸バーから成り、上記Y軸バーの一端は上記第1外部フレーム(410)の第2X軸フレームバー(414)に連結され、その他端は上記第1内部フレーム(710)に連結された第3ないし第4内部スプリング部材(613、614)とを含む。

0093

上記第1及び第2内部スプリング部材(611、612)はY軸を基準に相互対称する構造から成り、上記第3及び第4内部スプリング部材(613、614)はY軸を基準に相互対称する構造から成る。

0094

また、上記第1及び第3内部スプリング部材(611、613)はX軸を基準に相互対称する構造から成り、上記第2及び第4内部スプリング部材(612、614)はY軸を基準に相互対称する構造から成る。
かかる上記第1内部弾性部材(610)によって、上記第1内部フレーム(710)は1次共振モードである加振モードでは上記第1外部フレーム(410)と連動してY軸方向へ振動し、また2次共振モードである感知モードではX軸方向へ振動することができる。

0095

また、図3及び図9によると、上記第2内部弾性部材(620)はY軸方向へ所定の長さを有するY軸バーから成り、上記Y軸バーの一端は上記第2外部フレーム(420)の第1X軸フレームバー(423)に連結され、その他端は上記第2内部フレーム(720)に連結された第1ないし第2内部スプリング部材(621、622)と、Y軸方向へ所定の長さを有するY軸バーから成り、上記Y軸バーの一端は上記第2外部フレーム(420)の第2 X軸フレームバー(424)に連結され、その他端は上記第2内部フレーム(720)に連結された第3ないし第4内部スプリング部材(623、624)を含む。

0096

上記第1及び第2内部スプリング部材(621、622)はY軸を基準に相互対称する構造から成り、上記第3及び第4内部スプリング部材(623、624)はY軸を基準に相互対称する構造から成る。

0097

また、上記第1及び第3内部スプリング部材(621、623)はX軸を基準に相互対称する構造から成り、上記第2及び第4内部スプリング部材(622、624)はX軸を基準に相互対称する構造から成る。

0098

かかる上記第2内部弾性部材(620)によって、上記第2内部フレーム(720)は1次共振モードである加振モードでは上記第2外部フレーム(420)と連動してY軸方向へ振動し、また2次共振モードである感知モードではX軸方向へ振動することができる。

0099

図10は本発明の第1及び第2内部フレームの平面図で、図11は本発明の第1及び第2感知電極の平面図である。

0100

図10によると、上記第1内部フレーム(710)は相互離隔しながらY軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2Y軸フレームバー(711、712)と、上記Y軸フレームバー(711、712)の端部に各々連結され、相互離隔しながらX軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2X軸フレームバー(713、714)を含む。

0101

また、上記第2内部フレーム(720)は相互離隔しながらY軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2Y軸フレームバー(721、722)と、上記Y軸フレームバー(721、722)の端部に各々連結され、相互離隔しながらX軸方向へ相互並んで形成された第1及び第2X軸フレームバー(723、724)を含む。

0102

また、図10によると、上記第1内部フレーム(710)の感知コーム(715)は上記第1内部フレーム(710)の第1及び第2X軸フレームバー(713、714)各々に形成され、上記第2内部フレーム(720)の感知コーム(725)は上記第2内部フレーム(720)の第1及び第2X軸フレームバー(723、724)各々に形成されて成ることができる。

0103

この際、図11によると、上記第1感知電極(810)は上記基板(210)上に固定支持された感知電極パッド(811)と、上記感知電極パッド(811)両側からX軸方向へ所定の長さで延長された感知電極バー(812)を含み、上記第1感知電極(810)のコーム感知器(815)は上記感知電極パッド(811)及び感知電極バー(812)に形成されて成ることができる。

0104

また、上記第2感知電極(820)は上記基板(210)上に固定支持された加振電極パッド(821)と、上記感知電極パッド(821)両側からX軸方向へ所定の長さで延長された感知電極バー(822)を含み、上記第2感知電極(820)の複数のコーム感知器(825)は上記感知電極パッド(821)及び感知電極バー(822)に形成されて成ることができる。

0105

かかる構造は感知能力を最大限向上させることができ、これと異なり下記説明されるバーのように多様な変形が可能である。

0106

これと異なる変形例として、上記第1内部フレーム(710)の加振コームは上記第1内部フレーム(710)の第1X軸フレームバー(713)にのみ形成され、上記第2内部フレーム(720)の加振コームは上記第2内部フレーム(720)の第2X軸フレームバー(724)にのみ形成されて成ることができる。

0107

さらに異なる変形例として、上記第1内部フレーム(710)の加振コームは上記第1内部フレーム(710)の第2X軸フレームバー(714)にのみ形成され、上記第2内部フレーム(720)の加振コームは上記第2内部フレーム(720)の第1X軸フレームバー(723)にのみ形成されて成ることができる。

0108

この際、上記第1及び第2内部フレーム(710、720)がX軸方向へ2次振動を行う場合、上記第1内部フレーム(710)の感知コーム(715)と上記第1感知電極(810)のコーム感知器(815)との間隔変化が発生し、また上記第2内部フレーム(720)の感知コーム(725)と上記第2感知電極(820)のコーム感知器(825)との間隔変化が発生するが、上記第1及び第2感知電極(810、820)は上記間隔変化に該するキャパシタンスを検出してデジタルカメラの手振れなどの移動体の震えを感知することができる。

0109

図12は本発明のフィードバック電極の平面図である。

0110

図12によると、上記第1及び第2外部フレーム(410、420)は上記第1及び第2外部フレーム(410)のX軸フレームバー中相互隣接した両X軸フレームバー(414)(423)各々にY軸方向へ配された複数のフィードバック感知コーム(416、426)をさらに含む。

0111

この際、上記マイクロジャイロスコープは上記第1及び第2外部フレーム間に形成され、上記第1及び第2外部フレーム(410、420)のフィードバック感知コーム(416、426)との離隔距離によるキャパシタンスを感知するフィードバック電極部(900)をさらに含むことができる。

0112

上記フィードバック電極部(900)は上記基板に固定されるフィードバック電極パッド(910)と、上記フィードバック電極パッド(910)の両側からX軸方向へ延長されたフィードバック電極ビーム(920)と、上記フィードバック電極パッド(910)及びフィードバック電極ビーム(920)にY軸方向へ連続に配され、上記第1及び第2外部フレーム(410、420)のフィードバック感知コーム(416、426)各々に設定間隔ほど離隔され噛み合う櫛歯構造のフィードバックコーム感知器(925)を含む。

0113

上記フィードバック電極部(900)は上記第1及び第2外部フレーム(410、420)のフィードバック感知コーム(416、426)とフィードバックコーム感知器(925)の離隔間隔変化に該当するキャパシタンスを感知して上記第1及び第2外部フレーム(410、420)の加振動作を検出することができる。

0114

図13は本発明のジャイロスコープの音叉モード時パイ型スプリングの形状である。

0115

図13に示すバーのように、本発明のMEMSジャイロスコープが1次共振モードである音叉モード時に本発明のワイングラス形状の外部弾性部材の中間部変形は、図2に示す従来のパイ型弾性部材の中間部の変形より少ないことが分かり、これにより本発明のワイングラス形状の外部弾性部材によって一層正確な音叉モードの振動が保障される。

0116

以上において説明した本発明は先述した実施例及び添付の図により限定されるわけではなく特許請求範囲により限定され、本発明の装置は本発明の技術的思想外れない範囲内において様々な置換、変形及び変更が可能なことは本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者にとっては自明である。

図面の簡単な説明

0117

従来の水平型及び音叉型振動式ジャイロスコープの平面図である。
図1のジャイロスコープの音叉モード時パイ型スプリングの形状を示す図である。
(a)は本発明による音叉型振動式MEMSジャイロスコープの全体平面図、(b)は(a)におけるA1−A2線断面図である。
本発明の外側固定支持部の平面図である。
(a)、(b)は本発明の第1ないし第4外部弾性部材の拡大図である。
本発明の第5及び第6外部弾性部材の拡大図である。
本発明の第1及び第2外部フレームの平面図である。
本発明の第1及び第2加振電極の平面図である。
本発明の第1及び第2内部弾性部材の平面図である。
本発明の第1及び第2内部フレームの平面図である。
本発明の第1及び第2感知電極の平面図である。
本発明のフィードバック電極の平面図である。
本発明のジャイロスコープの音叉モード時パイ型スプリングの形状である。

符号の説明

0118

210基板
220 外側固定支持部
310〜360外部弾性部材
410、420 第1及び第2外部フレーム
415、425加振コーム
510、520 第1及び第2加振電極
515、525 加振コーム
610、620 第1及び第2内部弾性部材
710、720 第1及び第2内部フレーム
715、725感知コーム
810、820 第1及び第2感知電極
815、825 感知コーム
900 フィードバック電極

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