JP2008514968A - 回転速度センサ - Google Patents

Abstract

基板と、枠（２）、基板にある枠（２）の懸架片（７）、少なくとも１つの振動装置（３）、及び枠（２）にある振動装置（３）の懸架片（４，５）を含む少なくとも１つの基本素子（１，１１，１２，１３，１４）と、駆動手段（８）と、読取り装置（９，１０）とを持つ回転速度センサに関する。本発明によれば、駆動手段（８）が基本素子（１，１１，１２，１３，１４）の枠（２）に作用するように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の回転速度センサに関する。

回転速度センサは、通常軸線の周りにおける物体の角速度を検出するために使用される。回転速度センサがシリコン基板上に超小型機械的に製造されていると、精密機械工学的なジャイロに対して、非常に小さい寸法で比較的安価に製造できるという長所を与える。更に測定の比較的小さい不確実さ及び作動中の少ないエネルギ消費が有利である。回転速度センサの重要な使用分野は、自動車技術において例えば走行作動制御システム及び電子安定性プログラム（ＥＳＰ）である。ロック防止装置、自動制動力分布装置、駆動滑り制御装置及び片揺れモーメント制御装置が共同作用して、個々の車輪の適切な制動により車両の横安定化及び縦安定化が行われる。それにより垂直軸線の周りに車両が回るのを防止することが可能である。回転速度センサの別の使用は、乗客用エアバッグ制御装置及び引止め装置に関連して、車両のいわゆるロールオーバ検出である。更に回転速度センサは、ナビゲーションのためやあらゆる種類の車両の姿勢及び運動状態を求めるために使用される。別の使用分野は、例えばビデオカメラの画像安定器、地球軌道に乗せる際衛星の動作制御装置又は民間航空におけるバックアップ姿勢制御装置である。

超小型機械的に製造される回転速度センサは、一般に駆動装置を介して振動せしめられる振動装置を持っている。回転する装置において振動装置が半径方向に内方又は外方へ動くと、その軌道速度が変化する。それにより振動装置は、コリオリの力による接線方向加速を受ける。回転に対する振動装置の反応は、例えば別の振動装置又は他の読取り装置により検出することができる。

ドイツ連邦共和国特許第１９６４１２８４号明細書から、ばね装置として構成されかつ第１及び第２の振動装置の分離された駆動構造及び読取り構造を持つ回転速度センサが公知である。コリオリ効果に基くこれら及び類似の公知のセンサは、ここで必要とされる分離により受動慣性質量が生じて、測定感度を低下するという欠点を持っている。なぜならば、受動質量にコリオリの力が作用しないからである。

国際公開第ＷＯ ０３／０４８２３号は、櫂の形に構成されかつねじりばねを介して枠に懸架される４つまでの地震質量を持つ多軸モノリシック加速度センサを開示している。このセンサにより、それぞれの主感度軸の方向における加速度は測定できるが、回転速度は測定できない。

本発明の基礎になっている課題は、作用するコリオリの力に対する回転速度センサの感度を最大にすることである。特にできるだけ無関係な駆動構造と読取り構造を提供する。

この課題は、本発明によれば、回転速度センサが、基板と、枠、基板にある枠の懸架片少なくとも１つの振動装置、及び枠にある振動装置の懸架片を含む少なくとも１つの基本素子と、駆動手段と、読取り装置とを持ち、駆動手段が基本素子の枠に作用するか又は枠を介して基本素子全体を励振して振動させるように、構成されていることによって、解決される。

従って本発明によれば、すべての可動構造が駆動方向に振動するように励振され、そのだかでコリオリの力に感応するが更に別の運動自由度を持つ振動装置も励振される。それにより従来技術に比較して、回転速度センサの感度を低下する静止又は受動質量は、もはや存在しない。なぜならば、コリオリの力は静止又は受動質量には作用できないからである。

基本素子の枠が、実質的に基板により形成される面内においてのみ可動に構成されるのがよい。従ってこれに対して直角な方向には、枠は実質的に固定している。振動装置は、それがなるべく駆動運動に対して直角な運動を行うように構成されている。駆動運動は、振動装置の適当な懸架片の選択により、自由度に沿う運動を励起できない。同様に振動装置は、その運動により、駆動運動を妨げることができない。換言すれば、振動装置の感じられる運動は、枠の駆動運動から分離されている。これは本発明の好ましい実施形態である。特に読取り装置の感度方向も、駆動手段の作用方向に対して実質的に直角であると有利である。

特に各基本素子が別個の駆動手段を持っているので、各駆動素子と無関係に駆動されるか又は励振される。従って異なる基本素子の連結は必ずしも必要でない。

駆動手段が容量励振の駆動櫛として構成されているのがよい。しかし励振又は駆動を電気的、熱的、磁気的、圧電的又は他のやり方で行うことも可能である。

振動装置が、特に櫂の形の振動地震質量として構成されているのがよい。振動装置を枠に懸架し、枠を基板に懸架するため、なるべくばねが設けられている。振動装置の懸架はなるべくねじり梁として構成されるばねを介して行われる。

枠及び振動装置の（共振）振動数がばねにより互いに無関係に設定可能であると、特に有利である。なぜならば、ばねは互いに無関係であり、互いに影響し合わないからである。

回転速度センサが、連結装置により互いに結合される少なくとも２つの基本素子を持っていると、特に有利である。連結は、基本素子がその運動を互いに僅かしか影響し合わないように行われるのがよい。基本素子は、なるべく（２つの基本素子の場合）１８０°又は（４つの基本素子の場合）９０°互いに回されているので、互いに逆位相に振動するように励振され、それにより装置全体の重心は静止したままである。その場合連結を介して、基本素子は共通な共振振動数を持つことができる。

基本素子は原理的に僅かしかその運動を互いに影響し合わないけれども、対向する基本素子が逆位相で振動する場合、連結装置がそれに対してそれぞれ９０°回して設けられる基本素子を励振して、逆位相で振動させる。

連結装置が環状又は円形に構成され、基本素子の共通な重心に隣接して懸架されているのがよい。

特に有利に少なくとも２つの読取り装置が存在するので、異なる方向の２つの回転運動を検出することができる。その場合一方の読取り装置が、基板により形成される面内で駆動手段の作用方向に対して直角な枠の運動を検出し、他方の読取り装置が、基板により形成される面に対して直角な振動装置の運動を検出する。

本発明の変形例では、各枠に、２つの読取り装置が互いに１８０°回して設けられているようにすることもできる。

次の説明において、添付図面に関連して実施例により、本発明の特徴及び詳細が説明される。その際個々の変形例に示される特徴及び関係は、原則的にすべての実施例に転用可能である。

３つの個々の図１ａ〜ｃを含む図１には、本発明において使用可能な基本素子１の異なる実施形態が示されている。超小型機械的に製造される回転速度センサは、通常複数の構成要素を含んでいる。図には示されてないが例えばシリコンウェーハであってもよい基板は、特に平らな表面を持っている。

基板には、１つ又は複数の振動装置３を含む少なくとも１つの基本素子１が構成されている。本発明によれば、振動装置はなるべく地震質量として構成され、枠２内に懸架されている。この懸架は、例えばねじり梁５又は曲げ梁４を介して行うことができる。曲げ梁４は直線ばね特性曲線を持つが、本発明による回転速度センサの地震質量３はなるべくねじり梁５を介して枠２に取付けられている。図１ｃによれば、基本素子１は、１つ又は複数の地震質量３、例えば対向する懸架片５を有する２つの櫂３を持つことができる。

懸架片４，５は、枠２の面に対して直角なｚ方向にのみ、地震質量３の重心の運動を許す。枠２の面は、基板に対して又は基板により形成される面（ｘ−ｙ面）に対して平行である。

図１ｃに示すように、基本素子１は、１つ又は複数の別の懸架片７を介して、図示しない基板に取付けられている。懸架片７はなるべくばねにより形成されている。これらのばねは、基板に対して平行に第１の軸（ｙ軸）の方向ｙに、基本素子１の運動を許す。この実施例では、ばね７は第１の軸（ｙ軸）に対して直角な方向ｘ，ｚにほぼ剛性的に構成されている。しかし後述する実施例によれば、懸架片７が１つの方向ｚにのみ剛性的であってもよい。本発明の好ましい実施形態によれば、基本素子１の枠２は、いずれにせよ基板により形成される面（ｘ−ｙ面）内でのみ可動である。

回転速度センサは、更に図１ａ〜１ｃには示されてない励振又は駆動手段を持っている。駆動手段は、第１の軸（ｙ軸）に沿って基本素子を振動するように励振できる装置である。励振は例えば電気的、熱的、磁気的、圧電的に又は他の適当なやり方で行うことができる。

最後に回転速度センサは少なくとも１つの読取り装置（図１ａ〜１ｃには示されてない）を含んでいる。読取り装置は、枠２の面（ｘ−ｙ面）に対して直角の従ってｚ方向の偏位を測定する装置である。読取り装置は例えば容量、圧電抵抗、磁気、圧電又は光測定原理によることができる。

回転速度センサの一般的な動作原理を以下に簡単に説明する。基本素子１又は枠２は、第１の軸（ｙ軸）に沿って周期的に振動するように励振される。第２の軸（基板面にあって第１の軸に対して直角なｘ軸）の周りにおける振動装置又は地震質量３の回転運動の際、第１及び第２の軸に対して直角即ち第３の軸ｚの方向に、コリオリの力が生じる。コリオリの力は、枠２及びそこに懸架される地震質量又は振動装置３に作用する。しかし枠２はｚ方向に剛性的なので、地震質量３のみがこの軸ｚに沿って偏位せしめられる。この偏位が検出又は読取り装置により検出され、生じる回転速度の尺度である。

図２に関して換言すれば、充分剛性的な枠２が、駆動手段８のｙ方向に励振され、なるべくこの方向にのみ可動である。この運動は、（励振方向ｙに対して直角な）読取り方向ｚにのみ柔軟に懸架されている地震質量３に伝達される。それにより地震質量３は、純粋な駆動運動中静止したままである。コリオリの力は、地震質量３のみを動かし、動かされる枠２はこの方向に充分固定している。それにより駆動運動は実質的に乱されない。逆に駆動運動は、（図２には示してない）読取り装置の信号読取りに影響を及ぼさず、従って読取り運動は原理的に駆動運動へフィードバックされない。

励振は、駆動手段８として構成される容量性櫛構造（図２）によって行われるのがよいが、例えば地震質量３の懸架片にある圧電抵抗によっても行うことができ（図示せず）、その場合懸架片５の応力が偏位の際測定される。読取りは、例えば地震質量３に対し所定の間隔をおいて設けられている対向電極により容量的に行われる。

本発明によれば、駆動手段８は基本素子１の枠２へ直接又は間接に作用するか、又は枠２を介して基本素子１全体が振動せしめられる。従ってすべての可動構造が駆動方向ｙに振動せしめられ、その中にコリオリの力に感応するけれども別の運動自由度も持つ振動装置３も含まれる。従って従来技術と比較して、回転速度センサの感度を低下させる静止又は受動質量はもはや存在しない。なぜならば、コリオリの力は静止又は受動質量に作用することができないからである。

図２は、逆位相で振動するように励振されるそれぞれ２つの地震質量３を有しかつ１８０°回されて連結される２つの基本素子１を持つ回転速度センサの実施例を示している。これは次の利点を持っている。即ち対称に設けられる２つの基本素子１の逆位相振動により、装置の全重心は静止したままであり、チップ構造にエネルギを作用させない。ｚ軸の方向における直線加速度（例えば振動）は、差動信号評価により除去することができる。ｘ方向における振動は、使用される懸架片の大きい剛性のため、回転速度センサの作動に影響を及ぼさない。基本素子１の間の連結装置６は、ｙ方向における逆位相の運動のため両方の基本素子１の共通な共振振動数を強制する。

図３は本発明による多軸ｘ−ｙ回転速度センサの実施例を示す。即ちそれにより方向ｘ及びｙの回転方向が検出可能である。ここでは９０°だけ互いに回された４つの基本素子１１，１２，１３，１４は、それぞれ２つの基本素子１１，１３又は１２，１４が方向ｘ又はｙに逆位相で振動可能な形で、連結されている。２つの振動方向ｘ，ｙは１つの面内にあり、互いに直角をなしている。選ばれた連結装置６は、振動装置または地震質量３の逆位相の振動挙動を援助する。この配置の場合、方向ｙに沿って設けられる基本素子１２，１４は、互いにかつ方向ｙに設けられる基本素子１１，１３に対して、１８０°だけ位相をずらされて動く。駆動装置８の信号に対する図示しない読取り装置の位相関係から、基板面内および精確なｘ方向とｙ方向との間にある回転方向も検出して、区別することができる。

特に各基本素子１１，１２，１３，１４は別個の駆動手段８を持っているので、各基本素子１１，１２，１３，１４は他の基本素子１１，１２，１３，１４とは無関係に駆動されるか又は励振されることができる。従って種々の基本素子１１，１２，１３，１４の間の連結装置６は必ずしも必要でないが、上述した利点を持っている。

連結装置６は、環状又は円形に構成され、基本素子１１，１２，１３，１４の共通な重心に隣接して懸架されている。

図４には、本発明の別の実施例として、多軸ｘ−ｙ回転速度センサが示されている。図２において説明した１軸回転速度センサに基いて、この実施例により、感度方向ｘ及びｚを持つ２軸回転速度センサを実現することができる。ここで２つの基本素子１が、ばねとして構成される懸架片７により懸架されて、方向ｙ及び方向ｘに可動である。基本素子１は、方向ｙに沿って、容量構造又は駆動櫛として構成される駆動手段８を介して、逆位相で振動するように励振される。

ｘセンサは次のように動作する。即ち方向ｘに回転速度が生じると、基本素子１に可動に懸架される地震質量又は櫂３に、方向ｚの力が及ぼされる。その際懸架片又はねじり梁５の周りに生じる傾倒は、図４には示されてないが例えばその上にある電極により構成可能な読取り装置により、容量変化として検出される。

図５には、例えばこのような読取り装置が示され、容量変化Δｃにより地震質量３の運動を検出することができる。その際基板に固定される対向電極が存在する。

再び図４に戻って、この図４に従ってｚセンサが次のように動作する。方向ｚにおける回転速度は、基本素子１を方向ｘに移動させる。この移動が、容量櫛構造として構成される読取り装置９により検出される。各基本素子１に２つの読取り装置９が１８０°回して取付けられていると、特に有利な装置が得られる。それにより各基本素子１において、差信号を評価することができる。

図４による本発明の実施例の特別な利点は次の点にある。即ち図示した装置では、方向ｘの回転速度と方向ｚの回転速度を同時に測定することができる。これら両方の軸にある読取り装置９，１０は充分に分離されている。差動読取り原理の使用により、ｘ軸又はｙ軸に沿う直線加速度を充分抑制するか又は相殺することができる。本発明による回転速度センサの２軸構造は比較的小さくできる。なぜならば、読取り装置９，１０の検出軸又は感度方向ｕ，ｗに対して、同じ基本素子１を使用できるからである。

すべての実施例において、枠２の励振運動及び地震質量又は振動装置３の読取り運動の共振振動数を規定する懸架片又はばね４，５，７は、互いに充分無関係に構成することができる。それにより振動数も互いに無関係に特に有利に設定することができる。

少なくとも２つの基本素子１を持つ実施例において、第１の基本素子１にある地震質量又は振動装置３と第２の基本素子２にある振動装置３との運動の僅かな連結が行われるように、地震質量３及び枠２の懸架片４，５，７を選ぶこともできる。それにより両方の地震質量３の運動が互いに完全には無関係ではないので、両方の基本素子の２つの共通な共振振動数が設定される。作用するコリオリの力により励振される有効モードにおいて、基本素子１の地震質量３が互いに１８０°の位相ずれで振動する。地震質量又は振動装置３の同位相の振動（０°の位相ずれ）を示す寄生モードは、別の振動数帯域にあり、適当な濾波により除去することができる。それによりこのように連結される基本素子１の間の僅かな非対称により生じる信号を抑制することができる。

１つ（図１ａ及び１ｂ）又は２つ（図１ｃ）の振動方向を持つそれぞれ１つの基本素子を有する本発明の第１実施例の概略図を示す。 本発明の別の構成例による２つの連結される基本素子を持つ本発明による回転速度センサの一部の概略図を示す。 連結される４つの基本素子を持つ本発明の第３実施例を概略図で示す。 連結される２つの基本素子を持つ本発明の第４実施例を概略図に示す。 容量的に作用する読取り装置の概略図を示す。

符号の説明

１ 基本素子
２ 枠
３ 振動装置又は地震質量
４ 懸架片又は曲げ梁
５ 懸架片又はねじり梁
６ 連結装置
７ 基板にある枠の懸架片
８ 駆動手段
９ 読取り装置
１０ 読取り装置
１１ 基本素子
１２ 基本素子
１３ 基本素子
１４ 基本素子
Δｃ 容量変化
ｕ 読取り装置の感度方向
ｖ 駆動手段の作用方向
ｗ 読取り装置の感度方向
ｘ 方向（基板面）
ｙ 方向（基板面）
ｚ 方向（基板面に対して直角）

Claims (16)

1. 回転速度センサであって、基板と、枠（２）、基板にある枠（２）の懸架片（７）、少なくとも１つの振動装置（３）、及び枠（２）にある振動装置（３）の懸架片（４，５）を含む少なくとも１つの基本素子（１，１１，１２，１３，１４）と、駆動手段（８）と、読取り装置（９，１０）とを持ち、駆動手段（８）が基本素子（１，１１，１２，１３，１４）の枠（２）に作用するように構成されている、回転速度センサ。
2. 基本素子（１，１１，１２，１３，１４）の枠（２）が、実質的に基板により形成される面（ｘ／ｙ面）内においてのみ可動であることを特徴とする、請求項１に記載の回転速度センサ。
3. 基本素子（１，１１，１２，１３，１４）が別個の駆動手段（８）を持っていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の回転速度センサ。
4. 駆動手段（８）が容量励振の駆動櫛として構成されていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の回転速度センサ。
5. 振動装置（３）が、特に櫂の形の振動地震質量として構成されていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の回転速度センサ。
6. 読取り装置（９，１０）の感度方向（ｕ，ｗ）が、駆動手段（８）の作用方向（ｖ）に対して実質的に直角であることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の回転速度センサ。
7. 振動装置（３）の懸架片（４，５）及び枠（２）の懸架片（７）がばねとして構成されていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の回転速度センサ。
8. 枠（２）及び振動装置（３）の（共振）振動数がばね（４，５，７）により互いに無関係に設定可能であることを特徴とする、請求項７に記載の回転速度センサ。
9. 回転速度センサが、連結装置（６）により互いに結合される少なくとも２つの基本素子（１，１１，１２，１３，１４）を持っていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の回転速度センサ。
10. 基本素子（１，１１，１２，１３，１４）が共通な共振振動数を持っていることを特徴とする、請求項９に記載の回転速度センサ。
11. 回転速度センサが、９０°互いに回された基本素子（１１，１２，１３，１４）を持っていることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の回転速度センサ。
12. 対向する基本素子（１１，１３）が逆位相で振動する場合、連結装置（６）がそれに対してそれぞれ９０°回して設けられる基本素子（１２，１４）を励振して、逆位相で振動させることを特徴とする、請求項１１に記載の回転速度センサ。
13. 連結装置（６）が環状又は円形に構成され、基本素子（１，１１，１２，１３，１４）の共通な重心に隣接して懸架されていることを特徴とする、請求項９〜１２の１つに記載の回転速度センサ。
14. 回転速度センサに少なくとも２つの読取り装置（９，１０）が設けられていることを特徴とする、請求項９〜１３の１つに記載の回転速度センサ。
15. 一方の読取り装置（９）が、基板により形成される面内で駆動手段（８）の作用方向（ｖ）に対して直角な枠（２）の運動（ｕ）を検出し、他方の読取り装置（１０）が、基板により形成される面に対して直角な振動装置（３）の運動（ｗ）を検出することを特徴とする、請求項１４に記載の回転速度センサ。
16. 各枠（２）に、２つの読取り装置（９）が互いに１８０°回して設けられていることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の回転速度センサ。

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