JP2009529666A - 連結棒を有する回転速度センサ - Google Patents

Abstract

回転速度センサ（１）であって、デカルト座標系のｘｙ平面に対して平行に整向された底面を有する少なくとも１つの基板（２）と、それぞれ１つのフレーム（７、８）、前記基板面における前記フレームの掛部、少なくとも１つのサイズモ質量体（３、４、５、６）、および前記フレーム（７、８）における前記サイズモ質量体の掛部（４１、４２）を有する少なくとも２つの基礎部材（９、１０）とを含み、かつ、１つまたは複数の基礎部材を駆動するための１つまたは複数の駆動手段と、１つまたは複数の読み取り機構（１６）とを具備し、その際、前記少なくとも２つの基礎部材（９、１０）が、少なくとも１つの連結棒（１１、１２、１３、１４）によって互いに連結されている。

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、請求項１７の上位概念に記載の回転速度センサの製造方法、および自動車における該回転速度センサの使用に関する。

回転速度センサは、通常、所定の軸周りにおけるシステムの角速度を検出するために用いられる。回転速度センサの１つの重要な応用分野は、自動車工業であり、例えば、電子安定プログラム（ＥＳＰ）やいわゆるロールオーバ検出のような走行動的制御システムで用いられる。安全性が非常に重要なこのような利用分野では、回転速度センサに対して特別な要求が課される。

特許文献１に説明されているＺ軸回転速度センサは、すなわち、該センサのＺ軸周りの回転速度を検出することができ、その際、該センサの基板の底面が、ｘｙ平面（デカルト座標系）に対して平行に整向されている。この回転速度センサは、２つのサイズモ質量体を有し、これらのサイズモ質量体は、連結棒によって互いに連結されている。その際、連結棒は、ねじりばねで基板に掛設されている。サイズモ質量体は、直接基板に掛設されており、その際、この掛設の仕方は、回転速度センサの駆動モードに対しても読み取りモードに対しても、サイズモ質量体が変位可能であることを保証するものでなければならない。従って、両振動モードの間に望ましくないクロストークが生じる可能性があり、測定に悪影響を及ぼす恐れがある。

特許文献２で提案されるのは、基板に掛設されているフレームにサイズモ質量体を掛設することである。これにより、例えば、駆動モードではフレーム構造体がサイズモ質量体と一緒に振動し、読み取りモードではサイズモ質量体のみが振動するので、この掛設における自由度は制限される。これにより、両モード間のクロストークは概ね避けることができる。ただし、そこで提示された連結ユニットを介してサイズモ質量体を連結した場合、この連結は、測定方向と同じ方向の干渉励起、例えば衝撃に対して敏感である。
米国特許第６２３０５６３号明細書 国際公開第２００６/０３４７０６号パンフレット

本発明の課題は、従来技術を改良し、特に寄生モードとサイズモ質量体の干渉変位とを回避または低減させることである。

この課題は、本発明において、請求項１に記載の回転速度センサと、請求項１７に記載の回転速度センサ製造方法とによって解決される。

本発明の基本となる考え方は、従来技術を前提に、回転速度センサが少なくとも２つの基礎部材を有し、これらの基礎部材が、それぞれ１つの開いた、または閉じたフレームと、基板における該フレームの掛部と、少なくとも１つのサイズモ質量体と、基板における該サイズモ質量体の掛部とを含むことである。さらに、少なくとも２つの基礎部材が、少なくとも１つの連結棒によって互いに連結される。

読み取り機構は、サイズモ質量体および／またはフレームの変位を検出するために設けられているのが好ましく、従って、サイズモ質量体および／またはフレームはそれぞれ、変位を検出するための少なくとも１つの手段を有し、この単数または複数の手段に、それぞれ少なくとも１つの読み取り機構が設けられている。

連結棒の連結は、基礎部材のいずれの部分とも行うことができ、例えばサイズモ質量体、フレームおよび／または掛部材／ばね部材と行うことが可能である。

基板とは、本回転速度センサの基体および／または支持体および／またはハウジング部分を意味し、これは、特に、回転速度センサの構成材であるウェハの実質上構造化されていない部分である。基板は、結晶シリコンまたは多結晶シリコンまたは単層または複層の半導体材料および／または金属から成っているのが特に好ましい。

フレームとは、開いた、および／または閉じたフレームを意味し、これは、特に１つまたは複数のサイズモ質量体を少なくとも３方において包囲し、はほぼ方形の内周面および外周面を有するのが特に好ましい。フレームは、１つの平面について少なくとも部分的に少なくとも１つのサイズモ質量体を取り囲むのが極めて好ましい。

ばね部材とは、好ましくは、ねじりばねまたは渦巻きばね、または、たわみもねじりも可能に形成されたばね部材を意味する。

駆動モードあるいは一次モードとは、回転速度センサの固有モードを意味し、好ましくは、少なくとも２つの基礎部材の固有振動、特に好ましくは、これらの基礎部材の共振周波数を有する振動であり、この周波数において、これらの基礎部材は特に回転速度の作用なしに振動する。

読み取りモードあるいは二次モードとは、好ましくは、回転速度と、回転速度に関連する、コリオリの力の作用とに基づいて生じる固有モードである。

回転速度センサは、好ましくは、表面マイクロメカニクス技術を用いて製造される。その際、構造体は、薄膜材料、特にシリコンに対して、特に好ましくは異方性ドライエッチングによって、薄膜内をほぼ垂直方向にエッチングされる。薄膜底面の平面は、基板表面に対してほぼ平行に延びる。薄膜の下に位置する基板に該薄膜が固定的に結合されている箇所において係止点が生じ、これらの係止点にはまた、ばね部材または移動不能な構造体が固定されている。これにより、ばねに掛設される剛体が自由振動することが可能となる。係止点は、絶縁層によって互いに電気的に絶縁されていると極めて好ましく、外部から接触可能である。

基板は、シリコンから成っていると都合が良く、薄膜は特に導電性の多結晶シリコンから、あるいはまた結晶シリコンから成る。

基板平面あるいは基板の底面は、デカルト座標系のｘｙ平面に対して平行に整向されているのが好ましい。この座標系のｚ軸は、基板平面に対して垂直方向に延びる。これらの座標軸は、回転速度センサの構成要素の構成および配置に対して特に平行に変位可能である。

駆動手段とは、好ましくは、２つの互いに係合し、互いに対して電気的にほぼ絶縁されたコームを意味し、これらの一方が、少なくとも１つの基礎部材に結合され、もう一方が基板に結合されている。これらのコームに異なった電圧を印加することによって、コームは、互いに対して移動することができる。少なくとも１つの駆動手段によって、特に駆動モードが生じる。

読み取り機構とは、少なくとも２つの電極または他の電気／電子部材を有していると都合が良く、結合時のこれらの静電容量／静電容量変化、および／またはこれら相互の電位差を測定する機構を意味する。特にこの種の読み取り装置は、互いに係合し、かつ、互いに電気的にほぼ絶縁された櫛形構造体を有し、このうちの１つの櫛形構造体が、基礎部材、特に好ましくはフレームおよび／または１つまたは複数のサイズモ質量体に、および／または連結棒に固定されており、別の櫛形構造体が基板に固定されている。代替的または補完的に、読み取り装置は特に１組の電極を有する。

前記少なくとも１つの駆動手段は、前記少なくとも２つの基礎部材をｙ方向に駆動し、その際、回転速度センサは、ｘ軸周りおよび／またはｚ軸周りの回転速度を検出できるように構成されている。これらの構成は、計測技術上、特に好都合である。なぜなら、コリオリの力によって生じる、サイズモ質量体の変位を検出できるからである。コリオリの力は、駆動方向に対して垂直に、かつ、回転軸に対して垂直に作用する。

連結棒は、少なくとも１つのばね部材に掛設されており、このばね部材は、特に基板に掛設および／または挟設および／または固定されており、これにより、基板と共に少なくとも１つの、特に２つの係止点を形成できることが好ましい。その際、このばね部材は、特に連結棒の重心に対する連結棒の並進的な変位を阻止するように構成および挟設されている。この方策により、測定に強い悪影響を及ぼす干渉変位／干渉振動が防止および／または抑制される。

連結棒が掛設されているばね部材は、代替的および／または追加的に、回転速度センサの基板以外の本体部あるいは部分に係止点を有することが好都合である。

連結棒は、実質的に重心を基準にして、前記少なくとも１つのばね部材に掛設されているのが好ましい。特に、この重心は、同時にまた、連結棒の長さに関して連結棒の中心点でもある。

連結棒が掛設されているばね部材は、ねじりばねであり、ｚ軸周りおよび／またはｘ軸周りの連結棒の回転変位を可能にすることが好都合である。特に、このねじりばねは、ｘ方向および／またはｙ方向および／またはｚ方向、特に好ましくは３つ全ての方向に剛性を有するように構成されている。これにより、連結棒の自由度は所望通り低減される。自由度が低減されたこの共通の連結を通じて、サイズモ質量体の干渉変位および／または干渉振動を減少または抑制することができる。

連結棒の重心は、特にそれぞれｘｙ平面について、ほぼ回転速度センサの重心と一致するのが好ましい。これにより、連結棒の重心は静止したままであり、一方、サイズモ質量体は振動する。

連結棒は、２つ以上の前記ばね部材に掛設されているのが極めて好ましい。

連結棒は、両終端が、それぞれ１つまたは複数のサイズモ質量体および／または１つまたは複数の読み取り装置および／または１つまたは複数のフレームに、１つまたは複数のばね部材を介してまたは直接連結されていると都合が良い。連結棒とサイズモ質量体との間のこの種の特殊な連結によって、自由度の増大を制限することが可能となり、および／または干渉振動／干渉変位を防止または抑制できるように移動を案内することが可能となる。従って、干渉変位または干渉振動が、読み取りモードおよび／または駆動モードにおいて防止または低減される。

サイズモ質量体は、それぞれ、ねじり軸周りに変位可能に掛設されており、このねじり軸は、駆動方向に対してほぼ平行に延びるのが好ましい。これにより、駆動モードが読み取りモードに影響することを概ね回避することができる。従って、これらのモード間のクロストークが防止される。

２つ以上のサイズモ質量体の重心、特に全てのサイズモ質量体の重心が、ｚ方向にそれぞれのフレームによって挟まれた平面の外部および／または直方体の外部に位置するのが好ましい。特に好ましくは、各サイズモ質量体の１つの側、極めて好ましくはｚ方向において下側が凸面状に形成されている。これにより、フレーム平面の方向に作用するコリオリの力が引き起こす、例えばｚ軸周りの回転速度を検出することができる。なぜなら、重心が外にずれていることによって、ｚ方向の力の成分は、作用するからである。

サイズモ質量体の各々に、好都合には読み取り機構が設けられており、これにより、サイズモ質量体の変位／振動を個々に信号評価および／または信号処理の際に考慮することができる。

実質的に、基礎部材の個々のサイズモ質量体にそれぞれ設けられている読み取り機構の差信号と、別の基礎部材に設けられている読み取り機構の差信号とから、当該の検出された回転速度が決定されるのが好ましい。

ｘ軸周りの回転速度を検出できる回転速度センサは、基礎部材の駆動がｙ方向に行われように構成されているのが好ましく、その際、
−基礎部材のフレームは、それぞればね部材によって基板に掛設されており、これらのばね部材は、実質的にｘ方向およびｚ方向に剛性を、かつ、ｙ方向に弾性を有し、
−実質的に、特に好ましくは専ら、ｙ軸周りのねじれを許容し、かつ／または、ｚ方向に弾性を有するばね部材によって、各基礎部材のサイズモ質量体がそれぞれのフレームに掛設されており、および、
−特に好ましくは専らｘ軸周りのねじれを許容し、かつ、ｘ方向およびｚ方向に剛性を有するねじりばねによって連結棒が基板に掛設されており、連結棒の両終端のそれぞれが、ばね部材によってそれぞれ１つの基礎部材のサイズモ質量体に連結されている。

ｚ軸周りの回転速度および／またはｘ軸周りおよびｚ軸周りの回転速度を検出できる回転速度センサが、基礎部材の駆動がｙ方向に行われるように構成されており、
−基礎部材のフレームは、それぞればね部材によって基板に掛設されており、これらのばね部材は、実質的にｘ方向およびｚ方向に剛性を、かつ、ｙ方向に弾性を有し、
−特に好ましくは、ｚ方向においてそれぞれのフレームによって挟まれた平面および／または直方体の外部に位置する重心を有する、各基礎部材のサイズモ質量体は、実質的に、特に好ましくは専ら、ｙ軸周りのねじれを許容し、かつ／または、ｚ方向に弾性を有するばね部材によって、それぞれのフレームに掛設されており、および、
−特に好ましくは専らｘ軸周りのねじれを許容し、かつ、ｘ方向およびｚ方向に剛性を有するねじりばねによって、連結棒は基板に掛設されており、連結棒の両終端のそれぞれにおいて、連結棒の個別の部品が、ねじりばねによって連結棒の中心部材に連結されており、このねじりばねは、実質的にｘ方向、ｙ方向およびｚ方向に剛性を有し、かつ、ｙ軸周りのねじれを許容し、その際、連結棒のこれらの外側の両個別部品は、それぞればね部材によってそれぞれ１つの基礎部材のサイズモ質量体に連結されている。

ｘ軸周りおよびｚ軸周りの回転速度を検出できる回転速度センサが、基礎部材の駆動がｙ方向に行われように構成されているのが好ましく、その際、
−実質的にｚ方向に剛性を有し、かつ、ｙ方向およびｘ方向に弾性を有するばね部材によって、基礎部材のフレームはそれぞれ基板に掛設されており、
−実質的に、特に好ましくは専ら、ｙ軸周りのねじれを許容し、かつ／または、ｚ方向に弾性を有するばね部材によって、各基礎部材のサイズモ質量体がそれぞれのフレームに掛設されており、および、
−ｘ軸周りおよびｚ軸周りのねじれを許容し、かつ、ｘ方向およびｙ方向に剛性を有するねじりばねによって、連結棒が基板に掛設されており、連結棒の両終端のそれぞれが、ばね部材によってそれぞれ１つの基礎部材のサイズモ質量体に連結されている。

回転速度センサは、マイクロエレクトロメカニズムシステム（ＭＥＭＳ）またはＭＥＭＳモジュールとして構成されているのが好ましく、特に、他のＭＥＭＳモジュールと、および／または少なくとも１つの特に集積された電子信号処理回路と接続および／または協働するための機械的および電子的手段を有する。

あるいは、回転速度センサの基礎部材が、中実のサイズモ質量体として構成されているのが好ましく、従って特にフレームを有さない。基礎部材とサイズモ質量体とのこの構成形態は、特に好ましくは回転速度センサの全ての実施形態に関連する。

本発明はまた、回転速度センサの製造方法に関し、該方法では、特に結晶シリコンまたは単層または複層の半導体材料および／または金属からなる基板からマイクロメカニクスシステムを製造するための製造工程を用いて、マイクロメカニクス部材が構成され、その際、上述の回転速度センサ、特に好ましくは実施例の１つに一致する回転速度センサが、少なくとも部分的に構成される。

本発明に係る回転速度センサは、自動車、特に自動車制御システムでの使用が想定されている。

上述の回転速度センサは、多様な分野において１つまたは複数の回転速度を検出するために、および／または、適当な信号処理によって１つまたは複数の回転加速度を検出するために用いることができる。その際、車両および自動化技術での使用、特に自動車および航空機での使用が好ましく、それぞれの適当な制御システムにおける使用が特に好ましい。極めて好ましいのは、本回転速度センサを例えばＥＳＰのような自動車制御システムにおいてヨーレートセンサおよび／またはヨー加速度センサとして用いることである。

他の好ましい実施形態については、図を参照しながら、従属請求項と実施例の以下の説明とによって明らかにする。

図１ａ）は、回動可能に掛設された剛性の連結棒１１の掛設図であり、この連結棒は、駆動モードにおけるサイズモ質量体２３および２４の、望ましくない同位相の変位を抑制あるいは防止する。駆動モードにおいて、サイズモ質量体２３および２４は、Ｙ方向に互いに対して逆位相で振動する。図１ｂ）は、サイズモ質量体が互いに遠ざかるように移動する場合の連結棒の作動形態を示す。一方、図１ｃ）は、サイズモ質量体２３および２４が互いに近づくように移動する場合の当該の連結原理を示す。すなわち、サイズモ質量体２３および２４が遠ざかるように移動する場合、または近づくように移動する場合、連結棒１１は回動して変位し、しかもｚ軸周りに変位する。図１ｄ）は、サイズモ質量体２３および２４が、例えば干渉によって、同方向に向かう場合の連結棒１１の作動形態を示す。この図の場合には、両質量体はｙ方向に左へ移動しようとしている。棒部材１１の掛部はｙ方向に剛性を有するように構成されているので、この移動は、この棒部材によって阻止あるいは抑制される。図１ａ）からｄ）の例では、サイズモ質量体は、図示されていない別の例のようにフレームに掛設されているのではなく、直接、基板に掛設されている。

図２に示された実施例では、連結棒１１は、ｘ軸周りに回転して変位できるように掛設されている。その際、連結棒１１は、連結棒の重心と対称点とを基準に掛設されており、連結棒の重心は、回転速度センサの重心とほぼ一致している。これにより、連結棒１１は、回転速度の検出時、その重心についてはほぼ静止したままである。サイズモ質量体２３および２４は、この例の場合、直接基板に掛設されている。ばね部材３１および３２は、それぞれ両サイズモ質量体２３および２４と連結棒１１との間において逆向きのねじり変位を許容するように形成および構成されている。駆動方向は、（デカルト座標系において）ｙ方向に沿って延びる。

図示されていない、図２に準拠した例では、サイズモ質量体がそれぞれフレームに掛設されており、一方、フレームは、それぞればね部材によって基板に掛設されている。

図２に例示されたばね部材３１および３２について、模試的な構成が図３に示されている。そこでは、ばね部材３１が、サイズモ質量体２３と連結棒１１との間においてｙ方向およびｚ方向に変位されている。これは、連結棒１１が、ｘ軸周りにねじり変位するからである。

図４には、典型的なＺ軸ジャイロ、すなわち、ｚ軸周りの回転速度を検出できる回転速度センサが示されている。サイズモ質量体２３および２４は、典型的には基板に直接掛設されており、また、図示されていない別の例では、それぞれフレームに掛設され、一方、このフレームがそれぞれ基板に掛設されている。これらのサイズモ質量体は、ばね部材３１および３２によってサイズモ質量体に結合されている連結棒１１を介して、互いに連結されている。連結棒１１は、ｚ軸周りに回動して変位可能であるように掛設されている。ただし、この掛部は、ｘ方向およびｙ方向に剛性を有するように構成されている。干渉または干渉励起が同方向に両質量体に作用する場合、サイズモ質量体２３および２４の、望ましくない同方向の並進的な変位が、連結棒１１と連結棒の掛部とによって抑制される。連結棒１１は、サイズモ質量体２３および２４の、専ら逆位相の変位のみを許容する。回転速度センサ１の本例の構成によって、寄生モードが抑制される。

図示されていない１つの実施例では、両サイズモ質量体がフレームに掛設されており、一方、フレームがそれぞれ基板に掛設されている。

図５は、典型的なＸ−Ｚ軸ジャイロ、すなわち、ｘ軸周りの回転速度とｚ軸周りの回転速度とを検出できる回転速度センサを示す。連結棒１１は、読み取りモードにおける望ましくない振動および変位を抑制する働きをする。その際、連結棒１１は、ｘ軸およびｚ軸周りに回動して変位可能であるように掛設されている。この例では、連結棒１１は、ばね部材を介して基板に掛設されており、その際、連結棒の掛部は、実質的に連結棒の重心に作用し、この重心は、回転速度センサ１全体の重心にほぼ一致する。

図６ａ）およびｂ）には、典型的な基礎部材９の平面図が示されている。これらの基礎部材は、それぞれ閉じたフレーム７とサイズモ質量体３とからなり、サイズモ質量体は、それぞればね部材４１、４２を介してフレーム７に掛設されている。駆動はｙ方向に行われる。図６ａ）に示された基礎部材の場合、両ばね部材４１は、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向に剛性を有するように構成されており、ｙ軸周りのねじれのみを許容する。また、図６ｂ）に示された基礎部材９の両ばね部材４２は、専らｚ方向にたわみ可能であるように構成されており、それ以外にはほぼ自由度を持たない。

図７ａ）は、図６ａ）に記載の典型的な基礎部材９の断面を模式的に示す。サイズモ質量体３は、ねじりばね部材４１を介してフレーム７に掛設されており、その際、サイズモ質量体３は、ｙ軸周りにねじり変位することが可能である。図７ｂ）には、ｘ軸周りの回転速度が生じた際の上記基礎部材９が示されている。ｘ軸周りの回転速度は、Ω_ｘによってｘ方向に示される。駆動方向がｙ方向であり、かつ、回転速度Ω_ｘがｘ軸周りの回転速度であるので、コリオリの力Ｆ_ｃはｚ方向に生じ、この力は、図示されているように、基礎部材３をｚ方向に変位させる。その際、基礎部材３をねじりばね４１で掛設することによって、ｙ軸周りのねじり変位が可能となる。図７ｃ）には、同様に典型的な上記基礎部材９に関して、ｚ軸周りの回転速度が生じていることが示されている。この回転速度Ω_ｚとｙ方向の駆動方向のために、コリオリの力Ｆ_ｃがｘ方向に生じる。しかし、この力は、サイズモ質量体３の変位を引き起こさない。なぜなら、Ｆ_ｃは、フレーム平面（ｘｙ平面）において作用し、ねじりばね部材４１が、ｘ方向およびｙ方向に剛性を有するように構成されているからである。

図８ａ）には、基礎部材９の実施例の平面図が示されており、この基礎部材は、２つのサイズモ質量体３および４を有し、これらのサイズモ質量体は、それぞれ２つのねじりばね部材４１でフレーム７に掛設されている。これらのねじりばね部材４１は、実質的にサイズモ質量体３および４が、専らｙ軸周りのねじり変位することのみを許容するように構成されている。

図示されていない別の実施例では、サイズモ質量体は、図６ｂ）に示されたばね部材に掛設されており、これらのばね部材は、実質的に専らｚ方向の変位のみを許容し、すなわち、渦巻きばねとして構成されている。

図８ｂ）は、図８ａ）に示された典型的な基礎部材の、変位していない状態における断面を模式的に示す。図８ｃ）は、ｘ軸周りの回転速度Ω_ｘが生じた際のサイズモ質量体３および４の変位を示す。駆動方向（ｙ方向）と回転速度Ω_ｘとに基づいて、コリオリの力Ｆ_ｃがｚ方向に生じ、この力は、両サイズモ質量体３および４の変位をｚ方向に同じ向きに引き起こす。その際、サイズモ質量体３および４をフレーム７に掛設しているねじりばね部材４１は、それぞれｙ軸周りにねじれる。図８ｄ）は、ｚ軸周りの回転速度Ω_ｚに基づいてコリオリの力Ｆ_ｃが、上記の典型的な基礎部材に及ぼす作用を示す。フレーム７も位置しているｘｙ平面におけるコリオリの力の作用方向と、これらの方向について剛性を有するように構成された掛部とによって、サイズモ質量体３および４は変位しない。

図９ａ）からｃ）には、基礎部材の別の実施例の断面が模式的に示されている。この場合、サイズモ質量体３はそれぞれ、サイズモ質量体３の重心５０が、変位していない状態において、フレームによって挟まれた平面の外部に、あるいはフレーム本体によって挟まれた空間の外部に位置するように構成されている。この例では、サイズモ質量体３は、重心５０が、ｚ方向において前記フレーム領域の下側に位置するように構成されている。サイズモ質量体３は、１つの材料からほぼ均質に形成されており、その際、サイズモ質量体３の下側は凸面状に形成されており、重心５０は、上部の平らな側面を基準にしてほぼ４５°の角度に掛設点からずらされている。サイズモ質量体３は、ｙ軸周りのねじれを許容する２つのねじりばね部材４１によって、フレーム７に一方の側が掛設されている。図９ａ）は、ｘ方向に作用するコリオリの力Ｆ_ｃが、サイズモ質量体３の重心のずれによって、ｙ軸周りのモーメントを生み出すことを示す。図９ｂ）は、ｚ軸周りの回転速度Ω_ｚによって、サイズモ質量体３がｚ方向に下向きに変位されることを示す。この回転速度Ω_ｚとｙ方向の駆動方向とに基づいて、コリオリの力Ｆ_ｃがｘ方向に生じ、この力が、図９ａ）に示されているように、ｙ軸周りのモーメントを生み出す。図９ｃ）は、ｘ軸周りの回転速度Ω_ｘによって、サイズモ質量体３がｚ方向に上向きに変位されることを示す。この回転速度とｙ方向の駆動とに基づいて、コリオリの力がｚ方向に生じ、この力によってサイズモ質量体３が変位される。

図１０ａ）からｃ）は、２つのサイズモ質量体３および４を有する典型的な基礎部材を示す。これらのサイズモ質量体は、図９のサイズモ質量体３と同じ構成であり、従って、１つの凸面状の側面を有し、重心が、フレーム平面（ｘｙ平面）を基準に４５°下向きに回転され、ずらされている。サイズモ質量体３および４はそれぞれ、２つのねじりばね部材４１で、一方の側がフレーム７の右側および左側に掛設されている。その際、基礎部材は、変位されていない状態において、１つの平面に対してそれぞれ対称的であり、この平面は、基礎部材３および４間の中央に延び、かつ、フレームによって挟まれた平面（ｘｙ平面）に対して垂直に延びている。図１０ａ）は、ｚ軸周りの回転速度Ω_ｚの場合に生じる力を示す。ｙ方向へのサイズモ質量体３および４の駆動に基づき、回転速度Ω_ｚによってコリオリの力Ｆ_ｃがｘ方向に生じる。重心５０がそれぞれ、掛設点を中心に、フレーム平面に対して４５°の角度で下向きに回転してずらされていることによって、変位力Ｆ_ｐが生じる。この変位力は、左のサイズモ質量体３の場合には上向きに、右のサイズモ質量体４の場合には下向きに作用する。従って、サイズモ質量体３および４は、図１０ｂ）に示されているように、互いに対して逆向きに変位される。図１０ｃ）は、ｘ軸周りの回転速度Ω_ｘが生じることによって、サイズモ質量体３および４が同方向、従って同じ向きに変位すること、つまり、ｚ方向に上向きに変位することを示す。この変位が実現するのは、サイズモ質量体３および４がｙ方向に駆動され、ｘ軸周りに回転速度Ω_ｘが生じ、従ってコリオリの力Ｆ_ｃがｚ方向に上向きに両サイズモ質量体に対して作用することによる。

サイズモ質量体の質量重心が変位する際の中心となるねじり軸が、駆動軸に対して平行にかつ基板平面に位置するとき、駆動モードにおいて、駆動によるサイズモ質量体の変位あるいはフレームの移動に従ったサイズモ質量体の変位が回避される。前記ねじり軸が前記位置になく、駆動軸に対して垂直に向いている場合、サイズモ質量体は、駆動モードにおいて不所望にｚ方向に変位あるいはｚ方向に振動する。

図９および図１０に代わる、図示されていない別の実施例では、サイズモ質量体が、それぞれｚ方向に弾性を有する渦巻きばね部材に掛設されている（図６ｂ））。

図１１は、図１０ａ）に示された典型的な基礎部材の位相に関して、定常状態においてｚ軸周りに回転速度がある場合のさまざまな典型的な信号波形を示す。図１１ａ）は励振振幅の位相依存波形を、図１１ｂ）はｘ方向の相対的なコリオリ力の振幅の位相依存波形を、図１１ｃ）は右のサイズモ質量体の（静止状態に対する）相対的なｚ方向振幅を、図１１ｄ）は左のサイズモ質量体の（静止状態に対する）相対的なｚ方向振幅を、図１１ｅ）は相対的な静電容量信号の位相依存波形を示し、この静電容量信号は、左および右のサイズモ質量体の静電容量信号における差信号である。

図１２には、回転速度センサ１の２つの実施例と該センサの質量体とが示されており、これらの質量体は、駆動モードにおいてｙ方向に連結棒１１を介して振動し、この連結棒は、ｚ軸周りにねじり可能に、かつ、ｙ方向に剛性を有するように、ねじりばねを介して基板に掛設されている。連結棒１１のこの掛設によって、駆動モードの寄生モードが抑制される。図１２ａ）では、サイズモ質量体２３および２４は、蛇行状のばね部材によってｙ方向に弾性を、かつ、ｘ方向に剛性を有するように基板に掛設されている。図１２ｂ）に示された基礎部材９、１０は、それぞれ蛇行状のばね部材によってｙ方向に弾性を、かつ、ｘ方向に剛性を有するように基板に掛設されており、それぞれ１つの閉じたフレームを具備し、このフレームにそれぞれ２つのサイズモ質量体３、４、５、６が、ねじりばねによって掛設されている。これらのねじりばねは、ｙ方向およびｘ方向に剛性を有し、ｙ軸周りにねじり可能である。これにより、読み取りモードにおいて、サイズモ質量体３、４、５、６はｚ方向に変位する。

図１３は、典型的なＸ軸回転速度センサ１、すなわち、ｘ軸周りの回転速度を検出できる回転速度センサ１を示す。この回転速度センサは２つの基礎部材を有し、これらの基礎部材は、それぞればね部材を介して基板２に掛設されている。これらのばね部材は、ｘ方向およびｚ方向に剛性を有し、ｙ方向に弾性を有する。両基礎部材は、図示されていない駆動手段によってｙ方向に逆位相で励振される。両基礎部材はそれぞれ、完全には閉じていないフレーム８を有し、このフレームに、それぞれ２つのサイズモ質量体３、４および５、６が、実質的にｙ軸周りのねじり変位のみを許容するねじりばね部材４１によって掛設されている。基礎部材のそれぞれ２つのサイズモ質量体３、４および５、６は、ばね部材を介して連結棒１２の終端に連結されている。この連結棒はその重心が、２つの係止点を基板２に有するねじりばね１５に掛設されている。ねじりばね１５は、ｘ方向およびｚ方向に剛性を有し、ｘ軸周りのねじれを許容する。連結棒１２のこの種の掛設によって、読み取りモードの寄生モードが抑制される。なぜなら、測定方向（ｚ方向）におけるサイズモ質量体３、４および５、６の並進変位が、このように掛設された連結棒１２によって許容されないからである。その代わりに、サイズモ質量体３、４および５、６の変位が、連結棒１２の回転変位によって案内される。ｘ軸周りの回転速度が生じた場合、その結果生じる、ｚ方向に作用するコリオリの力によって、両基礎部材のそれぞれ２つのサイズモ質量体は、両基礎部材についてｚ方向に逆向きに変位される。従って、その際、第１の基礎部材の両サイズモ質量体３、４は、例えばｚ方向に上向きに変位され、第２の基礎部材の両サイズモ質量体５、６は下向きに変位される。この例では、各サイズモ質量体３、４、５、６は評価ユニットを有し、この評価ユニットが、ｚ方向のそれぞれの変位を検出する。回転速度の測定中に、一方の基礎部材のサイズモ質量体３、４の評価信号は、もう一方の基礎部材のサイズモ質量体の評価信号から差し引かれる。これによって得られる差信号が、当該の回転速度に関する情報を含む測定信号である。

図１４には、Ｚ軸回転速度センサ１、すなわち、ｚ軸周りの回転速度を検出できる回転速度センサ１の実施例が示されている。この回転速度センサも、２つの基礎部材を有し、それぞれの基礎部材が開いたフレーム８を具備する。このフレームは、ｘ方向およびｚ方向に剛性を有し、かつ、ｙ方向に弾性を有する蛇行状のばね部材によって、基板２に掛設されている。図示されていないそれぞれ１つの駆動手段が、基礎部材を逆位相でｙ方向に励振する（駆動モード）。各基礎部材は、２つのサイズモ質量体３、４および５、６を有し、これらのサイズモ質量体は、ｙ軸周りにねじり可能で、かつ、少なくともｙ方向に剛性を有するねじりばね部材４１でフレーム８に掛設されている。基礎部材３、４および５、６は、下側が凸面状に形成されており、従って、それぞれの重心は、ｚ方向に下方において、それぞれのフレームによって挟まれた平面あるいは直方体の外部に位置する。このような基礎部材は、例えば、図９および図１０に示されている。基礎部材３、４および５、６は、連結棒１３によって互いに連結されている。連結棒１３は、基板２に係止点を有するねじりばね部材１５に掛設されており、その際、この掛設は、ｘ軸周りのねじれを許容するが、ｘ方向およびｚ方向の変位を許容しない。連結棒１３は中央セグメントを有し、この中央セグメントの重心において、連結棒１３がねじりばね部材１５に掛設されている。中央セグメントの両終端のそれぞれに、端部セグメントが、ねじりばね部材によって設置されている。このねじりばね部材は、ｙ軸周りのねじれを許容するが、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向には剛性を有するように構成されている。連結棒１３のこれらの両端部セグメントは、それぞれ、基礎部材のサイズモ質量体３、４または５、６にばね部材を介して連結されている。ｚ軸周りの回転速度を検出する場合、駆動方向（ｙ方向）を考慮すると、コリオリの力は、ｘ方向にサイズモ質量体３、４および５、６に対して生じる。この例では、それぞれ重心が、掛設点を基準にしてフレーム平面からｚ方向に下向きに４５°回転してずれているので、サイズモ質量体３、４および５、６のそれぞれに対して、ｚ方向に成分を有する力が作用する。これにより、サイズモ質量体は、基礎部材を基準に交差して、それぞれ基礎部材についてｚ方向に互いに対して逆向きに変位され、従って、読み取りモードにおいて振動する。例えば典型的な瞬間を捉えると、サイズモ質量体３および６は、ｚ方向に上向きに変位され、サイズモ質量体４および５はｚ方向に下向きに変位される。各サイズモ質量体３、４および５、６の読み取り機構Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５およびＳ６から、トータル信号Ψ’が形成される。このトータル信号は、当該回転速度に関する情報を含み、次式で表される。

Ψ’＝（Ｓ３−Ｓ４）−（Ｓ５−Ｓ６）

本例におけるこのＺ軸回転速度センサ１はまた、Ｘ−Ｚ軸回転速度センサ、すなわちｘ軸周りの回転速度とｚ軸周りの回転速度とを検出するための回転速度センサとしても用いることができる。その際、ｚ軸周りの回転速度に関する情報を含む信号Ψ_ｚ’は、上記数式１と同じ式で表される。ｘ軸周りの回転速度に関する情報を含む信号Ψ_ｘ’は、下記数式２で表される。

Ψ_ｘ’＝（Ｓ３＋Ｓ４）−（Ｓ５＋Ｓ６）

図１５には、Ｘ−Ｚ回転速度センサ１の別の実施例が示されている。この回転速度センサも２つの基礎部材を有し、これらの基礎部材は、それぞれ１つのフレーム８を含み、このフレームは、ｚ方向に剛性を、かつ、ｘ方向およびｙ方向に弾性を有するように、ばね部材で基板２に掛設されている。図示されていない駆動手段が、これらの基礎部材を逆位相の駆動モードにおいてｙ方向に励振する。さらに、回転速度センサ１は４つの読み取り機構１６を有し、これらの読み取り機構は、ｘ方向における基礎部材の変位を検出でき、ｘ方向に各基礎部材の両側に配置されている。その際、読み取り機構１６のそれぞれ１つの櫛形構造体が各々のフレーム８に結合されており、別の１つの櫛形構造体が基板２に結合されている。各基礎部材は、２つのサイズモ質量体３、４および５、６を有し、これらのサイズモ質量体は、ｙ軸周りにねじり可能に、かつ、３つの空間方向に対して剛性を有するように、ねじりばね部材４１によってフレーム８に掛設されている。この例では、これらのサイズモ質量体は、図６および図７に準拠して構成されている。図示されていない別の実施例では、これらのサイズモ質量体は、図１０に準拠して構成されている。サイズモ質量体３、４および５、６は、連結棒１５を介して互いに連結されている。連結棒１２はその重心が、ばね部材１５で基板２に掛設されている。ばね部材１５の構成および挟設方法に応じたこの掛設は、連結棒１２が、ｘ軸周りおよびｚ軸周りにねじれることを許容し、かつ、ｘ方向およびｚ方向に変位することを阻止する。ｘ軸周りの回転速度がコリオリの力を生じさせ、この力が、ｚ方向に作用し、従って、サイズモ質量体をｚ方向に変位させ、両基礎部材について互いに対して逆位相で振動させる。その際、この例では、サイズモ質量体３、４はｚ方向に上向きに、サイズモ質量体５、６はｚ方向に下向きに変位され、その際、これらの変位の時間的な変化が、図示されていない読み取り機構によって検出される。一方、ｚ軸周りの回転速度は、ｘ方向にコリオリの力を生じさせる。この力は、サイズモ質量体３、４および５、６を含む基礎部材の逆位相の変位とモードとをｘ方向に引き起こし、これらが読み取り機構１６によって検出される。ｚ軸周りの回転速度は、その際、基礎部材に付設された読み取り機構１６の差信号から明らかになる。これに対し、ｘ軸周りの回転速度は、一方の基礎部材のサイズモ質量体３、４の変位と、もう一方の基礎部材のサイズモ質量体５、６の変位との差信号から明らかになる。

図１６に示された回転速度センサ１も、Ｘ−Ｚ軸回転速度センサである。このセンサは、図１５に示された回転速度センサに概ね等しい。ただし、読み取り装置１６が別の位置にあり、しかも、連結棒１４を回転速度センサ１の中心からｙ方向に延長した部分において、サイズモ質量体の背後に配置されている。その際、これらの読み取り機構は、両側においてそれぞれ一方の櫛形構造体によって連結棒１４の延長端に固定的に結合されており、もう一方の櫛形構造体によってそれぞれ基板２に結合されている。従って、これらの読み取り機構は、ｚ軸周りの回転速度に基づくコリオリの力によって引き起こされた、図１５に示されたｘ方向における変位を検出する。

回転角度センサの実施例の模式図であり、基板に掛設された２つのサイズモ質量体を有し、これらのサイズモ質量体が、連結棒を介して連結されており、この連結棒が駆動モードの寄生モードを抑制する。 連結棒がｘ軸周りにねじり可能である典型的な回転速度センサと、ばね部材によるサイズモ質量体への連結棒の接続とを示す模式図である。 サイズモ質量体と連結棒との間のばね結合の典型例を示す模式図である。 フレームなしのサイズモ質量体を有する典型的なＺ軸回転速度センサを示す模式図である。 フレームなしのサイズモ質量体を有するＸ−Ｚ軸回転速度センサの実施例を示す模式図である。 １つのサイズモ質量体を有する基礎部材の２つの実施形態を示す模式図であり、一方はねじりばねで、もう一方は渦巻きばねでフレームに掛設されている。 典型的な基礎部材において異なった回転速度が作用する場合の力と変位とを示す模式図である。 ２つのサイズモ質量体を有する基礎部材の実施例と、これらのサイズモ質量体に対するｘ軸回転速度とｙ軸回転速度の作用とを示す模式図である。 重心が外にずれた典型的なサイズモ質量体と、回転速度が生じた際の力の関係とを示す模式図である。 重心が外にずれた２つのサイズモ質量体を有する基礎部材の実施例と、回転速度が生じた際の力の関係とを示す模式図である。 典型的な基礎部材の位相に関するさまざまな典型的な信号波形を示す。 寄生駆動モードを抑制するための回転速度センサの２つの実施例を示す模式図であり、一方は、サイズモ質量体がフレームを有する例であり、もう一方は、フレームなしの中実のサイズモ質量体を有する例である。 典型的なＸ軸回転速度センサの模式図であり、１つの基礎部材がそれぞれ２つのサイズモ質量体を有する。 Ｘ−Ｚ軸回転速度回転速度センサの実施例を示す模式図であり、４つのサイズモ質量体と分割された連結棒とを有する。 典型的なＸ−Ｚ軸回転速度センサの模式図であり、ｘ軸周りおよびｚ軸周りにねじり可能に掛設された連結棒を有する。 Ｘ−Ｚ軸回転速度センサの実施例を示す模式図であり、連結棒の各終端が、それぞれ読み取り機構の櫛形構造体に直接結合されている。

Claims (18)

1. １つまたは複数の基礎部材を駆動するための１つまたは複数の駆動手段と、１つまたは複数の読み取り機構（１６）とを具備する回転速度センサ（１）であって、
   デカルト座標系のｘｙ平面に対して平行に整向された底面を有する少なくとも１つの基板（２）と、それぞれ１つのフレーム（７、８）、前記基板面における前記フレームの掛部、少なくとも１つのサイズモ質量体（３、４、５、６）、および前記フレーム（７、８）における前記サイズモ質量体の掛部（４１、４２）を有する少なくとも２つの基礎部材（９、１０）とを含む回転速度センサにおいて、
   前記少なくとも２つの基礎部材（９、１０）が、少なくとも１つの連結棒（１１、１２、１３、１４）によって互いに連結されていることを特徴とする回転速度センサ（１）。
2. 前記少なくとも１つの駆動手段が、少なくとも１つの基礎部材の少なくとも１つのフレーム（７、８）および／またはサイズモ質量体（３、４、５、６）に作用することを特徴とする請求項１に記載の回転速度センサ（１）。
3. 前記少なくとも１つの駆動手段が、前記少なくとも２つの基礎部材（９、１０）をｙ方向に駆動し、かつ、回転速度センサ（１）が、ｘ軸周りおよび／またはｚ軸周りの回転速度を検出できるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転速度センサ（１）。
4. 前記連結棒（１１、１２、１３、１４）が、少なくとも１つのばね部材（１５）に掛設されており、該ばね部材が特に前記基板（２）に挟設されており、該基板と共に少なくとも１つの係止点を形成し、その際、前記ばね部材（１５）が、前記連結棒（１１、１２、１３、１４）の並進変位を阻止するように構成および挟設または固定されていることを特徴とする請求項１〜３の少なくとも一つに記載の回転速度センサ（１）。
5. 前記連結棒（１１、１２、１３、１４）が、自らのほぼ重心領域において、前記少なくとも１つのばね部材（１５）に掛設されていることを特徴とする請求項４に記載の回転速度センサ（１）。
6. 前記連結棒（１１、１２、１３、１４）が掛設されている前記少なくとも１つのばね部材（１５）がねじりばねであり、該ねじりばねが、ｚ軸周りおよび／またはｘ軸周りの、連結棒の回転変位を可能にすることを特徴とする請求項４または５に記載の回転速度センサ（１）。
7. 前記連結棒（１１、１２、１３、１４）の重心が、特にそれぞれｘｙ平面について、本回転速度センサ（１）の重心とほぼ一致することを特徴とする請求項１〜６の少なくとも一つに記載の回転速度センサ（１）。
8. 前記連結棒（１１、１２、１３、１４）が、両端において、それぞれ１つまたは複数のサイズモ質量体（３、４、５、６）および／または１つまたは複数の読み取り機構（１６）および／または１つまたは複数のフレーム（７、８）に、直接または１つまたは複数のばね部材を介して連結されていることを特徴とする請求項１〜７の少なくとも一つに記載の回転速度センサ（１）。
9. 前記サイズモ質量体（３、４、５、６）が、それぞれねじり軸周りに変位可能に掛設されており、このねじり軸が駆動方向に対してほぼ平行に延びていることを特徴とする請求項１〜８の少なくとも一つに記載の回転速度センサ（１）。
10. 回転速度センサのサイズモ質量体（３、４、５、６）の少なくとも２つが、ｚ方向において前記それぞれのフレームによって挟まれた平面および／または直方体の外部に位置する重心（５０）を有することを特徴とする請求項１〜９の少なくとも一つに記載の回転速度センサ（１）。
11. 前記サイズモ質量体（３、４、５、６）の各々に読み取り機構が設けられていることを特徴とする請求項１〜１０の少なくとも一つに記載の回転速度センサ（１）。
12. 実質的に、１つの基礎部材（９）の前記各サイズモ質量体（３、４）にそれぞれ設けられた前記読み取り機構の差信号と、別の基礎部材に設けられた読み取り機構（１６）の差信号とから、当該の検出された回転速度を決定できることを特徴とする請求項１〜１１の少なくとも一つに記載の回転速度センサ（１）。
13. 前記基礎部材（９、１０）の駆動がｙ方向に行われ、その際、
    −前記基礎部材のフレーム（７、８）が、それぞればね部材によって前記基板に掛設されており、これらのばね部材が、実質的にｘ方向およびｚ方向に剛性を、かつ、ｙ方向に弾性を有し、
    −実質的にｙ軸周りのねじれを許容し、かつ／または、ｚ方向に弾性を有するばね部材（４１）によって、各基礎部材のサイズモ質量体（３、４、５、６）が、前記それぞれのフレーム（７、８）に掛設されており、および、
    −ｘ軸周りのねじれを許容し、かつ、ｘ方向およびｚ方向に剛性を有するねじりばね（１５）によって、前記連結棒（１２）が前記基板（２）に掛設されており、該連結棒の両終端部のそれぞれが、ばね部材によってそれぞれ１つの基礎部材のサイズモ質量体（３、４、５、６）に連結されていることを特徴とする、ｘ軸周りの回転速度を検出できる、請求項１〜１２の少なくとも一つに記載の回転速度センサ（１）。
14. 前記基礎部材の駆動がｙ方向に行われ、その際、
    −前記基礎部材のフレーム（７、８）が、それぞればね部材によって基板に掛設されており、これらのばね部材が、実質的にｘ方向およびｚ方向に剛性を、かつ、ｙ方向に弾性を有し、
    −ｚ方向において前記それぞれのフレームによって挟まれた平面および／または直方体の外部に位置する重心（５０）をそれぞれ有する、各基礎部材のサイズモ質量体（３、４、５、６）が、実質的にｙ軸周りのねじれを許容し、かつ／または、ｚ方向に弾性を有するばね部材（４１）によって前記それぞれのフレーム（７、８）に掛設されており、および、
    −ｘ軸周りのねじれを許容し、かつ、ｘ方向およびｚ方向に剛性を有するねじりばね（１５）によって前記連結棒（１３）が前記基板に掛設されており、該連結棒の両終端のそれぞれにおいて、該連結棒の個別の部品が、ねじりばねによって該連結棒の中心部材に連結されており、このねじりばねが、実質的にｘ方向、ｙ方向およびｚ方向に剛性を有し、かつ、ｙ軸周りのねじれを許容し、その際、該連結棒のこれらの外側の両個別部品が、それぞればね部材によってそれぞれ１つの基礎部材のサイズモ質量体（３、４、５、６）に連結されていることを特徴とする、ｘ軸周りおよびｚ軸周りの回転速度を検出できる、請求項１〜１２の少なくとも一つに記載の回転速度センサ（１）。
15. 前記基礎部材の駆動がｙ方向に行われ、その際、
    −実質的にｚ方向に剛性を有し、かつ、ｙ方向およびｘ方向に弾性を有するばね部材によって、前記基礎部材のフレーム（７、８）がそれぞれ前記基板（２）に掛設されており、
    −実質的にｙ軸周りのねじれを許容し、かつ／または、ｚ方向に弾性を有するばね部材（４１）によって、各基礎部材のサイズモ質量体（３、４、５、６）が前記それぞれのフレーム（７、８）に掛設されており、および、
    −ｘ軸周りおよびｚ軸周りのねじれを許容し、かつ、ｘ方向およびｙ方向に剛性を有するねじりばね（１５）によって前記連結棒（１２、１４）が前記基板（２）に掛設されており、該連結棒の両終端のそれぞれが、ばね部材によってそれぞれ１つの基礎部材のサイズモ質量体（３、４、５、６）に連結されていることを特徴とする、ｘ軸周りおよびｚ軸周りの回転速度を検出できる、請求項１〜１２の少なくとも一つに記載の回転速度センサ（１）。
16. マイクロエレクトロメカニズムシステム（ＭＥＭＳ）またはＭＥＭＳモジュールとして構成されており、特に、他のＭＥＭＳモジュールと、および／または少なくとも１つの、特に集積された電子信号処理回路と接続および／または共働するための機械的および電子的手段を有することを特徴とする前記請求項１〜１５の少なくとも一つに記載の回転速度センサ。
17. 特に結晶シリコンまたは単層または複層の半導体材料および／または金属からなる基板からマイクロメカニクスシステムを製造するための製造工程を用いてマイクロメカニクス部材を構成する、回転速度センサの製造方法において、
    その際、請求項１〜１６の少なくとも１つに記載の回転速度センサ（１）を少なくとも部分的に構成する製造方法。
18. 自動車、特に自動車制御システムにおける請求項１〜１６の少なくとも一つに記載の回転速度センサの使用方法。

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