JP2009529697A - 微小機械回転速度センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、微小機械回転速度センサであって、基板（９）、少なくとも１つのばね素子（１１，１１’）により基板（９）に懸架されかつ少なくとも１つの地震質量（３）を含む基礎素子（１）、励振手段（６）及び読取り装置（１５）を持っているものに関する。本発明によれば、ばね素子（１１，１１’）が基礎素子（１）の運動方向に対して運動可能である。
【選択図】図９

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の微小機械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対象物の角速度又は回転速度を求めるために使用される。回転速度センサはシリコン基板の基礎上に微小機械的に形成されていると、例えば精密機械ジャイロと比べて、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持っている。更に比較的僅かな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、例えば電子安定性プログラム（ＥＳＰ）のような走行運動条件制御システムにある。ロック防止システム、自動制動力分配装置、駆動滑り制御装置及び片揺れモーメント制御装置は、車両の横安定化及び縦安定化が個々の車輪の適切な制動によって行われるように、共同作用する。それにより垂直軸線周りにおける車両の回転を防止することができる。回転速度センサの別の使用は、車両乗客用エアバッグ制御装置及び拘束装置に関連する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及びあらゆる種類の車両の姿勢及び運動状態を測定す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用の画像安定器、地球周回軌道へ入る際人工衛星の運動制御装置又は民間航空におけるバックアップ姿勢制御システムである。

微小機械的に製造される回転速度センサは、一般に励振手段を介して振動せしめられる地震質量を持っている。回転するシステムにある地震質量が半径方向に内方または外方へ動くと、その軌道速度が変化する。それにより地震質量は、コリオリの力により生じる接線加速度を受ける。地震質量が回転に及ぼす反作用は、読取り装置により検出することができる。

国際公開第ＷＯ ０３／１０４８２３号は、４つまでの地震質量を持つ多軸モノリス加速度センサを開示しており、これらの地震質量は櫂の形に形成され、ねじりばねを介して枠に懸架されている。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。

ドイツ連邦共和国特許第１９６４１２８４号明細書から、基板、複数のばね素子により基板に懸架されかつ地震質量を含む基礎素子、励振手段及び読取り装置を持つ微小機械回転速度センサは公知であり、ばね素子が直線ばねとして形成されている。微小機械的に製造されるこのような回転速度センサは、なるべくシリコンのブロックからエッチングにより形成される。製造精度の非常に僅かな偏差でも、それぞれの構造の側面角を生じる。側面角はばね素子の偏向の際、基礎素子の励振に対して直角に、従って回転速度センサの測定方向に、基礎素子の運動を生じる。これにより、製造精度に対する非常に高度の要求、又は例えばシリコンウエーハからエッチングにより形成される構造の多くの廃物が生じる。更に側面角により生じる測定精度を補償するために、費用のかかる電子評価回路が必要である。

本発明の基礎になっている課題は、僅かな廃物で安価に製造されかつ高い精度を持つ微小機械回転速度センサを提供することである。

本発明によればこの課題は、微小機械回転速度センサであって、基板、少なくとも１つのばね素子により基板に懸架されかつ少なくとも１つの地震質量を含む基礎素子、励振手段及び読取り装置を持っているものにおいて、ばね素子が基礎素子の運動方向に対して直角に運動可能であることによって、解決される。それにより本発明による回転速度センサでは、基礎素子の励振される運動の際、実質的にばね素子の頂点のみが昇降でき、即ち励振方向に対して直角な基礎素子の偏向の代わりに、ばね素子の運動が行われる。

ばね素子が少なくとも２つのばね区域を持っているのがよい。ばね素子が特にｕ字状（３つのばね区域）、ｖ字状（２つのばね区域）又はｓ字状（数個のばね区域）に形成されている。

本発明の好ましい実施形態では、基礎素子が４つのばね素子に懸架されている。その際ばね素子が特に面対称に基礎素子に設けられている。

複数の基礎素子の場合、隣接する基礎素子のばね素子が有利に連結ばねにより連結可能である。

基礎素子として剛性基礎素子が使用可能であり、枠と地震質量が剛性的に結合されている。しかし本発明によれば、基礎素子が、枠、地震質量、及び地震質量を枠に懸架する懸架片を持っていることも可能である。その場合地震質量は例えば櫂として形成されている。

本発明による微小機械回転速度センサは、ｘ軸センサ、ｚ軸センサ又はｘｚ軸センサとして構成され、ｘ軸の周り、ｚ軸の周り又は両方の軸の周りの回転運動を検出することができる。

以下の説明において、本発明の特徴と詳細が、添付図面に関連して実施例により詳細に説明される。個々の例において説明される特徴及び関係は、すべての実施例に転用可能である。

図１には、本発明において使用できる基礎素子１の種々の実施例が示されている。基礎素子１はなるべく１つ又は複数の地震質量３を含んでいる。地震質量３は枠２内に懸架されている。懸架片は、例えば曲げ梁４又はねじり梁５により実現可能である。曲げ梁４は直線的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のねじり梁５を介して枠２に取付けることができる。図１によれば、１つ又は複数の地震質量３は、例えば対抗する懸架片５を持つ櫂として形成することができる。

懸架片４，５は、地震質量３の重心の運動を、枠２の面に対して直角なｚ方向にのみ可能にする。枠２の面は、基板に対して又は基板の張る面（ｘ／ｙ面）に対して平行である。

図２には剛性基礎素子１が示され、枠２と地震質量３が１つの単位として剛性的に結合されている。

図３によれば、１つ又は複数の地震質量を１つの剛性枠２に懸架することもできる。ねじりばねまたは曲げばねを介するこの懸架は、地震質量３の重心ＳＰの運動を、枠面に対して直角な方向（ｚ方向）にのみ可能にし、その際地震質量３の重心ＳＰは枠面外にある。枠面（ｘ／ｙ面）は基板に対して平行である。

できる。励振手段６は、第１軸（ｙ軸）に沿って基礎素子１を振動させることができる装置であり、これを例えば電気的、熱的、磁気的又は圧電的に行うことができる。

図５及び６には２つの異なる読取り装置１５が概略的に示されている。読取り装置１５により、枠面に対して平行な地震質量又は基礎素子１の偏向を測定することができ、この測定を容量的、圧電抵抗的、磁気的、圧電的又は光学的に行うことができる。図５による読取り装置によって基板面内における運動を測定し、また図６による読取り装置１５によって基板面に対して直角な運動を測定することができる。

図７は、基板９に基礎素子１を懸架するための従来技術から公知の従来構想を示す。公知の懸架は、直線ばね素子８を介して行われる。図７の左側に、ばね素子８がその中立状態で示され、右半分にはばね素子８’が偏向されて示されている。一般に懸架とは、一方では基礎素子１にまた他方では基板９又は他の素子に取付けられているばね素子の配置を意味する。ばね素子は、基板９に対して平行な第１軸（ｙ方向）における基礎素子１の運動を可能にする。

ばね素子８，８’の側面が図８に示すように傾斜していると、基板面内で第１軸（ｙ方向）に沿うばね素子８’の運動のみならず、この基板面から出る（ｚ方向の）運動も生じる。その結果、図７に示す従来の構想では、基礎素子１が基板面から多かれ少なかれ平行に出される。面から出る運動が慣性力の検出に用いられる図６の測定原理では、この効果は、外部からの適当な力作用なしでも、信号の発生又は容量変化Δｃを意味する。これは高い測定精度を生じるので、大きすぎる側面角１０は回転速度センサを使用不可能にする。

図９及び１０には、本発明による微小機械回転速度センサが示されている。図９の左側では、ばね素子１１が中立状態にあり、右側では、ばね素子１１’が偏向されて示されている。ばね素子１１，１１’は点１２で基板９に懸架され、点１３を介して基礎素子１に懸架されている。図１０は基礎素子１に作用する反作用力Ｆ_Ｒを示している。

本発明の重要な利点が図１１に関連して詳細に説明される。図１１の上半分は図１０のＡ−Ａ線に沿う断面図を示し、下半分はＢ−Ｂ線に沿う断面図を示す。まず第１軸（ｙ軸）の周りに傾斜する場合、ばね素子１１，１１’の運動は、基板面内で地震質量又は基礎素子１の運動に対して直角に起こる。この構成では、大体においてばね素子１１，１１’の頂点のみが上昇するかまたは下降する。図１０によれば、好ましいばね装置は、基礎素子１のそれぞれの隅に互いに面対称に作用する４つの折り畳まれたばね素子１１，１１’から成っている。それにより、基礎素子１が１つの方向に動くと、各隅にあるばね素子１１，１１’の頂点は、互いに逆向きに運動する。基礎素子１が十分剛性的であると、基礎素子１の重心に作用する合成反作用力Ｆ_Ｒは、理想的な対象配置の場合相殺される。従って本発明によれば、基礎素子１及び地震質量の運動は行われない。なぜならば、ばね素子１１，１１’は、図７及び８に示す従来技術とは異なり、基礎素子１の運動方向（Ｘ，Ｙ）に対して直角に運動可能だからである。ばね素子１１，１１’の形状寸法は、製造に基因する形状変動がセンサ動作に全く又は僅かしか妨害作用しないように、設計されている。

本発明によるばね素子１１，１１’は、なるべく少なくとも２つのばね区域を持っている。ばね素子１１，１１’は特にｕ字状（図９及び１０に示すように３つのばね区域）、ｖ字状（２つのばね区域）又はｓ字状（数個のばね区域）に形成されている。

第２の軸又はｘ軸の周りに傾ける場合、ばね素子１１，１１’のばねの断面は変わらないので、基板面から出る運動は起こらない。図１２に示す２質量振動子としての構成では、連結ばね１４の断面は傾斜しているが、全体として傾斜の影響は、本発明によるばね構想によって、従来技術に比較して著しく減少している。

２質量振動子としての本発明による回転速度センサの原理が図１２に関連して詳細に説明される。上及び下に設けられるばね素子１１’を介して連結されている基礎素子１の運動は、互いに１８０°の位相差で第１軸に沿って行われる。連結片を介して両方の振動子の共通な共振振動数が生じる。

回転速度センサとしての２質量振動子の利点は、直線加速度が両方の地震質量又は基礎素子の同じ方向における運動をひき起こすことである。素子に作用するコリオリの力は、その運動方向に関係し、それにより逆位相の偏向を強行する。従って外部からの有害な直線加速度は、信号の引き算により除去され、回転運動に基く信号が加算される。

更に装置全体の重心は常に静止したままである。従って基礎素子１を逆位相で励振する内部の駆動力が互いに相殺され、基板は静止したままである。従って理想的な場合、センサ取付けの影響たとえば硬いかまたは軟らかい接着が、可動質量へ及ぼされることはない。

回転速度センサとしての動作原理が以下に説明される。定義：Ｘ方向及びＹ方向は基板面内にあり、Ｚ方向は基板面に対して直角である。

ｘ軸センサ
基礎素子が第１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軸（ｘ軸、基板面内にあり、第１軸に対して直角）の周りにおけるセンサの回転運動の際、第１軸及び第２次国大して直角（ｚ軸）にコリオリの力が現れる。この力は枠及びその中に懸架される地震質量に作用する。基礎素子２における枠の懸架は、Ｚ方向の運動が可能であるように設計されている。基礎素子１及び３では、枠の懸架は主としてＺ方向の運動に対して特に剛性的であり、地震質量のみがこの軸の方向に偏向される。Ｚ方向における基礎素子構成の偏向は、図６に示すように読取り装置により検出され、現れた回転速度の尺度である。

ｚ軸センサ
基礎素子は第１軸（ｙ軸）に沿って周期的に振動するように励振される。第３軸（ｚ軸、基板面に対して直角かつ第１軸に対して直角）の周りにおけるセンサの回転運動の際、第１軸及び第３軸に対して直角（ｘ軸）にコリオリの力が現れる。この力は枠及びその中に懸架される地震質量に作用する。

変形例１
枠の懸架は、Ｘ方向の運動が可能であるように設計されているので、地震質量はこの軸に沿って偏向される。偏向は、例えば図５に示すように測定可能である。

変形例２
基礎素子３では、Ｘ方向における枠運動は可能であるが、必要ではない。重心（ＳＰ）を介して、Ｘ方向に作用するコリオリの力が、Ｘ方向及びＺ方向の力に分解される。それにより地震質量がＺ方向に動かされ、ｘ軸センサの場合におけるように測定装置は、図６に示すように使用される。しかしその際重要なことは、ねじり軸（枠への質量の懸架）が、第１軸に対して平行にかつコリオリの力に対して直角に延びていることである。

Ｚ方向又はＸ方向のこの偏向は、現れる回転速度に比例している。

ｘｚ軸センサ
変形例１は上記センサの組合わせである。変形例２では、基礎素子３が、互いに１８０°だけ方向づけされている２つの質量を１つの枠内に含んでいる。

Ｘ方向における回転速度の場合、コリオリの力がＺ方向に現れ、その結果両方の質量が同じＺ方向（＋Ｚ又は−Ｚ）へ偏向される。両方の信号の加算が総形信号を供給し、減算が０を生じる。

Ｚ方向における回転速度の場合、コロオリの力がＸＹ方向に現れ、その結果１つの質量が＋Ｚ方向に偏向され、１つの質量が−Ｚ方向に偏向される。個々の信号の加算が０を生じ、減算が総形信号を供給する。

櫂として形成される地震質量を持つ基礎素子の３つの例を概略図で示す。 剛性基礎素子の概略図を示す。 別の形状の基礎素子の概略図を示す。 櫛構造を持つ励振手段の実施例を示す。 基板面内の運動について読取り装置の概略図を示す。 容量的に作用する読取り装置の概略図を示す。 従来技術による直線ばね素子を持つ微小機械回転速度センサを概略図で示す。 側面角により生じる図７の基礎素子の偏向を概略図で示す。 本発明によるばね素子を持つ本発明の実施例を概略図で示す。 反作用力を持つ図９の右側部分の概略図を示す。 上部に図１０のＡ−Ａ線に沿う断面図を示し、下部にＢ−Ｂ線に沿う断面図を示す。 連結されるばね素子を持つ本発明の別の実施例を概略図で示す。

符号の説明

１ 基礎素子
２ 枠
３ 地震質量
４ 地震質量又は曲げ梁の懸架片
５ 地震質量又はねじり梁の懸架片
６ 励振手段又は櫛構造
７ 対向電極
８ 従来技術によるばね素子
８’ 従来技術による偏向したばね素子
９ 基板
１０ 側面角
１１ ばね素子
１１’ 偏向したばね素子
１２ 基板へのばね素子の懸架点
１３ 基礎素子へのばね素子の懸架点
１４ 連結ばね
１５ 読取り装置
Ａ−Ａ 断面図
Ｂ−Ｂ 断面図
Δｃ 容量変化
Ｆ_Ｒ 反作用力
ＳＰ 重心

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 (10)

1. 微小機械回転速度センサであって、基板（９）、少なくとも１つのばね素子（１１，１１’）により基板（９）に懸架されかつ少なくとも１つの地震質量（３）を含む基礎素子（１）、励振手段（６）及び読取り装置（１５）を持っているものにおいて、ばね素子（１１，１１’）が基礎素子（１）の運動方向に対して直角に運動可能であることを特徴とする、電気機械回転速度センサ。
2. ばね素子（１１，１１’）が少なくとも２つのばね区域を持っていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械回転速度センサ。
3. ばね素子（１１，１１’）がｕ字状、ｖ字状又はｓ字状に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の電気機械回転速度センサ。
4. 基礎素子（１）が４つのばね素子（１１，１１’）に懸架されていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の電気機械回転速度センサ。
5. ばね素子（１１，１１’）が面対称に基礎素子（１）に設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の電気機械回転速度センサ。
6. 隣接する基礎素子（１）のばね素子（１１，１１’）が連結ばね（１４）により連結可能であることを特徴とする、請求項４に記載の電気機械回転速度センサ。
7. 基礎素子（１）が、枠（２）、地震質量（３）、及び地震質量（３）を枠（２）に懸架する懸架片（４，５）を持っていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械回転速度センサ。
8. 回転速度センサが、ｘ軸の周りの回転運動を検出できるｘ軸センサ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つに記載の電気機械回転速度センサ。
9. 回転速度センサが、ｚ軸の周りの回転運動を検出できるｚ軸センサとして構成されていることを特徴とする、請求項１〜７の１つに記載の電気機械回転速度センサ。
10. 回転速度センサが、ｘ軸の周りの回転運動及びｚ軸の周りの回転運動を検出できるｘｚ軸センサとして構成されていることを特徴とする、請求項１〜７の１つに記載の電気機械回転速度センサ。

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