JP2010523954A - 回転速度を測定するためのマイクロメカニクス上の慣性センサー - Google Patents

Abstract

本発明は、検知のためにセンサーが回転される、回転Ωを検知するための回転速度センサーであって、前記センサーは、基材、及び基材表面の上側のｘ−ｙ平面に、実質的に平面状に存在する駆動−及び検知構造を有し、駆動−及び検知構造は、駆動質量（４）と検知質量（３）を有し、これらは、検知構造の中心（Ｚ）から異なる間隔で、中心（Ｚ）の回りに対称的に配置され、そして、その振動モードは、部分的に相互に伝えられることが可能であり、及び部分的に分離され、回転Ωは、検知質量の、駆動−及び検知構造の平面からの傾きを検知することにより検知される回転速度センサーに関する。そして本発明は、両質量（３、４）の内、前記中心に対して、より大きな間隔を有する側のものは、コリオリの力の影響下に、前記平面からの傾斜が可能であり、及び結合手段（７）によって基材に結合され、これにより、前記傾きの戻り動作が、前記結合手段によって補助される、ことを特徴とする。本発明の結合手段により、センサーの、従属する環境作用に対する構成の強さが改良される。
【選択図】図２

Description

本発明は、外側にアンカー（固定装置）を有する、ｘ−ｙ平面に配置された振動−回転速度センサーであって、相対的に外側に配置された、規定された質量の振動の自由度が制限される振動−回転速度センサーに関する。これにより、例えば、耐衝撃性が高められ、又は基材表面への粘着（付着）傾向が低減される、という長所が得られる。

マイクロメカニクス（ＭＥＭＳ）の回転速度センサー構造の種々の概念（構想）では、特に、機械的に（連結が）分離した、振動センサーが非常に効果的であり、そして高い信号−雑音関係を有している。これは、所定の振動モードのコリオリ力エネルギーが、第１の振動を、第２の振動モードにおいて、二次的な振動に連結させるという原理に基づいている。二次的な振動の振幅は、回転速度に比例し、そして例えば（コンデンサー）容量的に評価（分析）することができる。

回転速度センサー（角速度センサー）は、物体の回転速度を測定する。従って、回転速度センサーは、加速度及び加点速度等の慣性運動の測定が必要な場合に、（至る所で）使用される：
自動車構造体 ナビゲーション、運転者補助システム、ＥＳＰ Ｒｏｌｌ Ｏｖｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
飛行機構造体 ナビゲーション
軍事上の用途 ナビゲーション
ロボット工学 測定、操縦
生態臨床医学 移動する流出物の把握（運動経過の把握）
生命科学 ナビゲーション、移動する流出物の把握（運動経過の把握）

回転速度センサーは、測定原理として、Ｓａｇｎａｃ効果（巻かれたガラスファイバー中の光線の干渉）の作用、又はジャイロスコープの形態におけるコリオリの力、又は運動状態のフェーダ（バネ）ー−質量−システムの作用を利用する。特に、最後のものは、マイクロシステム技術の製造方法（ｅｎｇｌ． ＭＥＭＳ）によって、非常に小型化され、そして適切なコスト（低コスト）で製造されている。

図３は、回転振動ジャイロスコープの機能原理を示している。図３Ａは、回転振動ジャイロスコープの機能を概略的に示している。所定の質量（サイス＋駆動質量、及び振動し、及びコリオリ力の作用下に振動面から移動する質量）が、あるフェーダー（バネ）によって、アンカー箇所（支持箇所）に取り付けられている。フェーダーは、構造技術上、その動きが、自由度２において減衰する（軽減する）ように作られている：
−フェーダー定数（バネ定数）がｋ_φZの、Ｚ軸（駆動軸、ドライブモード）の回りの回転運動、
−フェーダー定数がｋ_φYの、Ｙ軸（検知軸、サイスモード）の回りの回転運動。

Ｘ軸回りの回転速度が測定される。

振動質量は、共振運動へと伝えられ（移され）、振動する速度ベクトル、又は振動する慣性モーメントが起きる。これについて、センサー設計（構成）は、ＯＭＶ（振動モーメントベクトル）とＯＶＶ（振動速度ベクトル）に分けられる。作用するコリオリの力は、振動質量に、対応する直交の振り出し動作（偏差動作）を誘導し、そして従って、（作用するコリオリの力を）把握可能になる。

機械的に分離された（外された）振動−回転速度センサー（図３Ｂ）では、自由度が２の所定の質量（駆動質量又はドライブ質量）が、第１振動（一次振動）に活性化（励起）される。これに対応して、この回転速度センサーは、第１の質量と第２の質量を含む。ここで、該第１の質量（第１振動子、駆動質量又は駆動要素、ドライブ質量又はドライブ要素とも称される）は、ｘ−ｙ平面に配置され、揺れ動く（オシレーションする）振動に活性化（励起）されるもので、第２の質量（二次振動子、検知質量又は検知要素、サイス質量又はサイス要素とも称される）は、検知（探知）のために使用されるものである（第２の質量は、結合部分（フェーダー）によって第１の質量と結合されている）。発生した（導入された）回転速度によって誘導されたコリオリの力は、「振り出し（偏差）」を自由度２で発生させる。「分離（外し、連結解除）」は、種々の方法と手段で行うことができる。第１の変形例では、例えば、センサーの回転運動Ωが、振動軸に対して直交する軸の回りに発生する場合、回転振動にある物質（物体）の質点にコリオリ力が作用することができ；この力は、適切な処理によって、検知質量（探知質量）に伝えられる（移される）。この次元におけるこの「振り出し（偏差）」は、次に、適切な手段、例えば容量電極によって検知（探知、検出）される。この場合、両質量又は要素の間の結合（連結）は、理想的には、回転振動を、第２の質量又は第２の要素（サイス質量）に伝えない。このことは、この質量（質量体）を、これが運動自由度を１つだけしか有しないように掛ける（設置する）ことによって行なわれる。第２の変形例では、第１の質量の回転運動が、第２の質量に伝えられ、そして両方の物質の質点にコリオリ力が作用する。しかし、第１の質量は、これがｘ−ｙ平面から傾斜しないように、又は振り出されないように掛けられて（設定されて）いる。

第１の変形例では、「振り出し（偏差）」の検知（検出）、及び従って回転速度の検知が、（駆動−回転運動によって僅かにしか影響されずに、）測定されるという長所を有している。駆動モードにおける第１運動は把握されないか、又は部分的にしか把握されず、利用する信号は、信号／ノイズ−比が高い。また、不利な点は、回転速度の作用の際、駆動要素がｘ−ｙ平面から傾斜し、これにより、駆動性能（駆動力）が悪化することである。第２の変形例では、これらの長所と短所が逆になる。

両方の振動モードは、原則として、全ての変形例で、併進運動（併進移動）又は回転運動（回転移動）であることが可能である。本発明は、その活性な駆動（衝動）が併進的に、又は回転的に行なわれる回転速度センサーに関する（回転性のシステムが好ましい）。回転性システムは、通常、（併進的なショックの結合及び振動の結合に対して、）感性が少ない（影響を受けにくい）。

両方のシステムの原理は同様であるので（例えば、特許文献１（ＤＥ１９６４１２８４Ｃ１）参照）、本発明が基礎とする原理及びその後述する実施の形態は、回転性システムによってのみ説明されている。しかし、本発明の併進的システムも本発明に含まれることが明確に理解される。

回転速度センサー及び特にＭＥＭＳセンサーのために、多数のシステム式（システムアンザッツ）及びこれに対応して多くの開示物及び特許出願が存在する。以下に示した表には、振動ジャイロスコープの原理に基いたものの出版物を示した。表（の欄）には、更に、入力軸（入口軸）と出力軸（出口軸）も示した。入力軸として、検知される回転軸が定義される。駆動軸は、併進的（Ｔｒａｎｓ）又は回転的（Ｒｏｔ）な周期的な運動が可能な、第１のモード又は駆動モードの運動方向（移動方向）から明らかになる。サイス軸は、通常、回転軸及びドライブ軸に対して垂直に設けられる。軸の記号Ｘ、Ｙ及びＺは、平面に備えられたセンサーに関するもので、ＸとＹは、センサー平面に位置し、そしてＺは、この構造平面に対して垂直に設けられている。

上記の表に記載された出版物（文献）の内、２つの文献は、回転性の機械的に分離した（外された）回転速度センサーであて、ｘ−ｙ平面における活性要素（励起要素）の振動と、ｙ軸回りにおける検知要素の「振り出し（偏差）」を有するものに関する。これら両文献には、原則として上述した、異なる変形例が行われている。特許文献２（ＥＰ０９０６５５７Ｂ１）には、分離した、直交する１次振動（第１振動）と二次振動（第２振動）が記載されている。第１振動子は、第１振動子懸架によって、基材（基体）の中心に取り付けられており、そしてコイルバネ（ねじれフェーダー）によって、同一の平面に存在する、検知要素として組み込まれた２次振動子を保持しており、コイルバネは、１次振動子の誘導された振動を、（固定的に）２次振動子に伝える。センサーが平面（該平面は、両振動子が存在する平面に対して垂直である）回りに回転する際、両方の要素にコリオリ力が作用する。これにより第２振動子が平面から傾くが、第１振動子は、その平面に残る（その理由は、一つ目には、第１振動子は、基材に固定されており、第１振動子が平面から外れて傾斜することが、ほぼ不可能だからであり、そして、二つ目には、コイルバネが２次振動子に作用するコリオリ力が、第１振動子に逆伝達されることを防止しているからである。）。

逆の方法が、特許文献３（ＵＳ５，９５５，６６８）に開示されている：同文献では、半径方向（放射状）振動に活性化される振動要素が、傾斜可能なセンサー要素の回りに円形に配置されており、そしてセンサー要素は、２個のアンカーによって基材（基体又はサブストレート）に取り付けられている。曲げバネ（曲げフェーダー）が、振動要素をセンサー要素と結合させており、そしてこれらは、所定の状態に配置（整理）されており、これにより、これらは、振動要素の振動をセンサー要素に伝えることがなく、及びコリオリの力に起因するセンサー要素の傾斜運動（傾き移動）を、振動要素に逆伝達することもない。

図４に、第２の変形例に従う、回転性の機械的に分離された回転速度センサーの原理的な構成を概略的に示す。運動可能（可動）な質量要素（８）（検知要素；サイス質量）が、アンカー箇所（１２）の中央に、フェーダー構造体（１０）によって掛けられている。第２のフェーダー構造体（１１）によって、別の質量要素（９）（駆動要素、ドライブ質量）が、（８）に（しっかりと）結合されている。質量要素（９）は、ｚ−軸回りの周期的な運動に活性化（励起）される。

寸法（次元：ディメンジョン）は、構造的に以下のようになされる。
１．質量要素９は、実質的に運動の自由度が２であること：
−速度ベクトルｖ_Z2を有する、Ｚ軸に平行な軸、又はＺ軸自体の回りの回転的な運動
−速度場ｖ_Y2を有する、Ｙ軸に平行な軸、又はＹ軸自体の回りの回転的な運動
２．質量要素８が、理想的な場合には、自由度が１のみであり、すなわち、速度場ｖ_Y2を有する、Ｙ軸の回りの回転的な運動であること。

質量８（質量体８）の速度ベクトルｖ_Z1が零であるか、又は殆ど零である場合、この回転の自由度について、機械的に分離された（外された）システムとなる。この場合、質量９がＺ−軸回りで運動する際、運動エネルギーは、質量８に伝えられない。

作動状態では、質量要素９は、Ｚ−軸に平行（な軸）回りに周期的な振動になり、該振動は、振動数ｆ_Z、及び最大速度振幅ｖ_Z2を有する（第１振動、第１モード）。振動システムが、センシティブ軸Ｘの回りに、回転速度ω_Xで回転される場合、運動する質量９には、見かけの力、コリオリ力（コリオリの力）が作用する。該コリオリ力は、以下の等式で定義される：

（但し、
Ｆ_Cor. コリオリ力
ｍ₂ 第１振動子２の質量
ω_X 外から与えられた回転速度（回転率）
Ｖ_Z2 第１質量の速度

これにより、振動する（揺れ動く）力の場が、Ｘ−Ｙ平面に対して垂直に形成され、質量（９）の、平面からの振り出し（偏差：excursion）を誘導する。Ｚ−振り出し（２次モード）が、フェーダー要素１１（バネ要素１１）によって、質量要素８に伝えられる。質量要素９の振り出しの大きさは、回転速度（回転割合）を算定するのに直接的に使用することもできる。

マイクロメカニクス構造体の活性化（励起）は、例えば、次のように行なうことができる：静電学的に、例えば、フィンガー電極に張力を与えることにより（電圧又は磁界の張力、磁界と結合させることによる張力）行なうことができる。

「振り出し（偏差）」の測定は、種々の方法で行なうことができ、例えば、（コンデンサーの）容量での参照間隔を有する電極、差−容量での二個ずつ配置された間隔−電極、静電学での参照間隔を有する−電極により、電圧、抵抗又は光学的に行なうことができる。

たいていの回転速度センサー−システムは、サイス−質量の「振り出し」を容量測定することに基づいている。これは、通常、薄いプレートとして、ｘ−ｙ平面に形成されている。図６に、本発明に従う回転速度センサーの（ｘ−ｚ−軸又はｙ−ｚ−軸の断面で見ての）構成例と、製造方法例を示す。図示した構成は、特に好ましいもので、その理由は、この回転速度センサーは、少しの構成要素だけで構成されており、そして統合状態の構造体は、アンカー、振動要素、結合要素（フェーダー）、及び検知要素で（構成が）可能であるからである：基材（基体）、例えば、シリコン（珪素）−ウエハが、構造化された引換層（犠牲層）で覆われており、引換層は、例えば、適切な腐食剤又は溶媒に再度溶解できる酸化物である。そして、所定の材料、例えばポリシリコン（ポリ珪素）でできた、構造化される層（構造化層）が設けられており、これから、振動要素、アンカー構造、結合要素及び検知要素が形成される（図６ａ）。構造化層は、後のアンカーの箇所（場所）で、基材と直接的に結合されている。これは、例えば、適切な処理（例えば有孔マスクを介しての感光及び次の未感光の非架橋表面部分の溶解除去）によって、もっぱら平面的（二次元的）に構成することが可能である（図６ｂ）。次に、引換層（犠牲層）が溶解され、そして除去される。

容量性の測定は、差（微分）容量を測定し、精確に行なうことができる。図５には、基材１３及びその上に設けられた対向電極（測定電極）Ａ及びＢ（１４と１５）及びプレート１６が示されている。プレート１６は、センサーの回転運動の際、Ｘ軸の回りに、Ｙ方向に傾斜する（図５では、紙面がＺ−Ｙ平面である）。

ＤＥ１９６４１２８４Ｃ１ ＥＰ０９０６５５７Ｂ１ ＵＳ５，９５５，６６８

理想的な製造工程において、静止状態では、得られる差容量ΔＣは、零である。実際には、可動部分が、水平の定位置（静止状態）から事前傾斜することが、しがしば観察される。これは、例えば、異方性の材料特性によって生じる。例えば、これは、ポリシリコン中のマイクロ結晶の存在、異方性の層ストレス、温度ストレス（熱応力）又はこれらに類似するものが起因すると考えられる。

容量の差によって、利用信号に（有効−雑音中の）オフセット値が入力される。（対応する増幅段階では、これにより、強弱（ダイナミック）を大きくするので、事前傾斜は、センサーシステムの分析能を低下させる。）現在、ＭＥＭＳセンサーシステムは、２５Ｈｚの帯域幅で、回転速度（角速度）を、０．１°／ｓ、分析（解析）する。

０．１°／ｓの回転速度は、典型的には、質量９について振幅が８×１０^-7Ｇｒａｄ、及び質量８について４×１０^-7Ｇｒａｄの、Ｙ−軸の回りの振動を導く（図４参照）。これは、質量８について、３ａＦの容量変化に相当する。基礎容量は３ｐＦであり、（これは、）容量変化についてｐｐｍの範囲で分析される必要がある。

次に、センサー要素の製造の間、又は耐用年数が経過する間、可動のセンサー要素及び／又は固定されている要素の間で接触状態が発生し得る。不都合な場合、戻り力が非常に小さく、多くの付着力によって、「振り出し」が時々（一時的に）又は永続的に保持（維持）され、もはやセンサーは、良好に機能せず、そして付着した状態で残ってしまう（「スティッキング」）。機械的衝撃又は振動の影響も、可動性センサー要素の密接した接触を生じさせ、これにより、可動性センサー要素が留められる（留められて動かなくなる）か、又は貼り付けられる。特に、アンカー箇所から遠い箇所に存在する外側（外部）センサー構造体は、てこの作用（推進作用）によって、付着の傾向が大きくなる。戻り力を増すことによって、例えば、フェーダーをより広くすることによって、可動性構造体は、より堅く（曲がらないように）構成することができる。しかしこれにより、コリオリ力により誘導されるプレート振り出しが小さくなり、従って感受性が小さくなるので、利用信号も低減される。

本発明は、感受性が十分に維持され、しかし、（相互に影響を及ぼすこれらのパラメーターの間で良好なバランスを維持するために、）従属する環境作用に対して構成の強さが改良された上述した種類の回転速度センサーを提供することを目的としている。

外側フェーダーを有する、機械的に分離された（外された）回転速度センサーの原理的な略図である。 図１に示した原理の（分離された回転速度センサーの）配置構成の具体的な一実施の形態を、図解的に示した図である。 回転振動ジャイロスコープの機能原理を示した図である。図３Ａは、回転振動ジャイロスコープの機能を概略的に示した図である。図３Ｂは、機械的に分離された（外された）振動−回転速度センサーを示した図である。 第２の変形例に従う、回転性の機械的に分離された回転速度センサーの原理的な構成を概略的に示した図である。 基材及びその上に設けられた対向電極（測定電極）Ａ及びＢ及びプレートを示した図である。 本発明に従う回転速度センサーの（ｘ−ｚ−軸又はｙ−ｚ−軸の断面で見ての）構成例と、製造方法例を示した図である。図６Ａ）は、基材、引き換え層及び構造化層を示している。図６Ｂ）は、構造化層を、適切な処理によって、平面的（二次元的）に構成した状態を示している。図６Ｃ）は、引換層を溶解し、そして除去した状態を示している。 本発明の実施の形態を示した図である。 本発明の他の実施の形態を示した図である。 本発明の他の実施の形態を示した図である。 本発明の他の実施の形態を示した図である。

上記課題は、検知のためにセンサーが回転される、回転Ωを検知するための回転速度センサーであって、上記センサーは、基材、及び基材表面の上側に、実質的に平面状に存在する駆動−及び検知構造を有し、駆動−及び検知構造（駆動構造及び検知構造）は、駆動質量と検知質量を有し、これらは、検知構造の中心から異なる間隔で、中心の回りに対称的に配置され、そして、その振動モードは、部分的に相互に伝えられることが可能であり、及び部分的に分離され、回転Ωは、検知質量の、駆動−及び検知構造の平面からの傾きを検知することにより検知される回転速度センサーにおいて、両質量の内、上記中心に対して、より大きな間隔を有する側のものは、コリオリの力の影響下に、上記平面からの傾斜が可能であり、及び結合手段によって基材に結合され、これにより、前記傾きの戻り動作が、前記結合手段によって補助（促進）されることを特徴とする回転速度センサーによって解決される。

本発明の一実施の形態では、（例えば、この技術分野の標準的な、）駆動−及び検知構造が、基材上で、アンカーに掛けられている。他の実施の形態では、本発明に従い設けられる結合手段は、（該結合手段で、外側の質量を基材と結合させている。）駆動−及び検知構造のための懸架機能、ないしは保持機能を、完全に担うことができ、これにより、内側のアンカー又は内側のアンカー構造を省略することができる（ここで、上記内側のアンカー又は内側のアンカー構造は、上記結合手段が、上記完全に担うものでなければ、その機能を、少なくとも部分的に行なうものである）。このことは、後に個々に詳細に説明する。

本発明の更なる好ましい実施の形態は、請求項の従属項から与えられる。

本発明に従えば、回転Ωを検知するための（回りにセンサーが回転される）回転センサーは、特に好ましくは、基材及び駆動−及び検知構造（これは、実質的にｘ−ｙ−方向に平面状に、基材表面の上側に存在する）を有しており、駆動−及び検知構造がアンカーによって、基材と結合可能であり（但し、必ずしもその必要があるわけではない）、及び
（ｉ）駆動質量は、活性化によって、併進（移動）性の振動をｙ方向に、又は回転性振動をｚ−軸回りに伝えることができ、
（ｉｉ）検知質量は、ｘ軸の回りに生じる回転Ωの、回転速度センサーへの作用の際、、ｘ−ｙ平面からｙ軸回りに傾斜し、
駆動質量及び検知質量は、駆動−及び検知構造の中心（Ｚ）の回りに、及び中央アンカーが存在する場合、このアンカーの回りに、鏡対称的及び／又は回転対象的に配置され、（及び）これら質量の一方は、他方の質量よりも（中心から）大きな間隔で備えられ、及び
結合要素が存在し、
（ａ）検知質量が、駆動質量よりも、中心に対して大きな間隔で存在する場合、ｘ−ｙ平面の駆動要素の振動が、検知要素に伝えられ、しかし、回転Ωがセンサーに作用する際、駆動要素がｘ−ｙ平面から傾斜することが防止され、又は該傾斜が低減され、又は、
（ｂ）駆動質量が、検知質量よりも、中心に対して大きな間隔で存在する場合、回転Ωがセンサーに作用する際、駆動要素の傾斜が許容され、しかし、ｘ−ｙ平面の駆動要素の振動が検知要素に伝えられることが防止され、又は低減され、及び、
上記質量の内、中心に対して、より大きな間隔を有している方の質量は、少なくとも２個の結合手段によって基材と結合されており、及びｘ−ｙ平面からの傾斜の戻り運動が、結合要素によって補助されることを特徴とするものである。

戻り運動の補助（支持）によって、本発明に従う回転速度センサーにおける傾斜が低減され、そして、一実施の形態では、例えば約１５〜６０％異なる。

振動要素（振動要素は、複数の場合を含む）は、回転振動を行なうことが好ましい。

本発明を、図１と図２を使用して、詳しく説明する。

図１は、外側フェーダーを有する、機械的に分離された（外された）回転速度センサーの原理的な略図である。図１に示した回転速度センサーは、本発明の上記好ましい実施の形態の変形例（ｂ）に従うもので、中心アンカーを有している。検知質量（サイス質量）３が、アンカーフェーダー要素（５）によって、中央アンカー箇所１に固定されている。フェーダーのこの構成では、検知要素は、所定の自由度を有しており、ここでは、該自由度は、（フェーダー要素５が有するフェーダー定数ｋ_ΦYSでの、）ｘ−ｙ平面からの（一つの）回転である。駆動質量（ドライブ−質量）４は、一方では、伝達フェーダー要素６によって検知質量（サイス質量）と結合されている。フェーダー要素は、ｋ_ΦZDとｋ_ΦYDの両方の回転自由度を有している。更に、駆動要素は、外側フェーダー要素７によって、アンカー箇所２と結合されている。

センサーの作動において、駆動要素ないし駆動質量は、Ｚ軸回りの振動運動へと移される。フェーダー要素６と７のフェーダー定数ｋ_ΦZD及びｋ_ΦZA、及び慣性モーメントによって、この運動は、固有振動数（固有周波数）と振幅について以下のように定義される。

（但し、
ｆ_D 一次振動（ドライブ）の共振振動数
ｋ_ΦZD ドライブ−フェーダー（要素６）のフェーダー定数（バネ定数）
ｋ_ΦZA ドライブ−フェーダー（要素７）のフェーダー定数
Ｉ_ZZ Ｚ軸回りの質量慣性モーメント）

作用するコリオリ力は、４の速度ベクトル場によって、平面からの振り出しを発生させる。この運動は、フェーダー定数ｋ_ΦYD及びｋ_ΦYA及び４の慣性モーメントによって定義される。

（但し、
ｆ_S 二次振動（サイス）の共振振動数
ｋ_ΦYD ドライブ−フェーダー（要素６）のフェーダー定数
ｋ_ΦYA 外側−フェーダー（要素７）のフェーダー定数（バネ定数）
Ｉ_YY Ｙ軸回りの質量慣性モーメント）

トランスフェーダー６によって、駆動要素の運動は、部分的に検知要素（探知要素）に伝えられ、この伝達の程度（規模）が、トランスフェーダーの特性から決定される。検知要素は、自由度の制限に基いて、コリオリ力によって誘導される運動のみを行う。理想的な場合、この運動は、駆動質量のモードから分離される（外される）。すなわち、この運動は、その振動性一次運動に従う必要がない。これにより、フェーダー６は、対応する自由度に制限されず、及び／又は、これにより、基材における懸架５が、Ｚ軸回りのねじれ運動又はＺ軸からの湾曲運動に対して固定される（不動になる）。

フェーダーの自由度の低減は、フェーダー要素の構造的設計によって達成することができる。側面の自由度は、曲げフェーダーを選択することによって、殆ど零になる。更に、曲げフェーダーの適切な幾何学的寸法（長さ、幅、高さ）を選択することにより、異方性のフェーダー定数を製造することができる。最後に、回転の自由度は、多くの曲げフェーダーの構成的な配置によって、一つのフェーダー要素（これにより、回転運動の方向だけが可能になる）に制限することができる。このような配置は、この技術分野の当業者にとって公知である。

図２は、図１に示した原理の（分離された回転速度センサーの）配置構成の具体的な一実施の形態を、図解的に示している。空間的な寸法と幾何学的形状が、実際に自由に選択できることが明らかである。

内側質量３は、フェーダー構造体５によって、中央（中心）で、アンカー箇所１に固定されている。外側質量構造体４は、フェーダー構造体６によって、内側質量３と結合されている。更に、外側質量４には、フェーダー構造体７が備えられている。フェーダー構造体７は、この質量を外側に設けられた（固定状態の）アンカー箇所２に結合させている。（自由支持の）センサー構造体の全体は、中央のアンカー箇所及び周辺（外縁）の外側アンカー箇所で固定されている。外側フェーダーは、境界的な外側領域における「戻り力」を高め、及びプロセス（進行）の不均一性を均一化する。これにより、上述した問題は、（顕著に）最小限に抑えられる。

戻り力は、（全体的に）過度に大きく選択するべきではない。この理由は、これにより、センサーの感受性が制限されるからである。本発明は、この問題を以下のように考慮している。すなわち、フェーダー６によって発生する、駆動モードと（これと空間的及び構造的に分けられた）サイスモードとの間の戻り力を、フェーダー７に（伝え、）フェーダー７で、戻り力が、付着傾向を低減するための役割を果たすようにしている。

フェーダー６は、検知の運動モーメントを、駆動−及び検知構造の内側部分へ伝達する。このフェーダー要素の空間的配置は、アンカー箇所からの放射方向間隔と機能的な関係を有することがなく、及び自由に選択することができる。

外側に配置されたフェーダーは、第１モードの、サイス−方向における不撓性（剛性）を高める。対応して、フェーダー７の伝達機能を適合させる必要がある。この理由は、フェーダー７は、アンカー箇所（ここでは中央のアンカー箇所）から最長の放射方向間隔で配置されているが、大きな「てこの作用」（推進作用）によって、大きな戻り力モーメントが達成されるからである。フェーダーは、第１モード（一次モード）が弱められないように設計されることが好ましい。このことは、例えば、フェーダー定数を選択することにより（例えば、以下に説明するように）なされる。

本発明の、ある特定の、そして非常に好ましい実施の形態では、フェーダー要素５、７、及び６は、以下の特性を有する：

対称的に配置された外側アンカーは、傾斜を訂正し、そして可動構造体を平らな（水平の）静止状態（安定状態）に引き付ける。これにより、作動で起きる不均一性と作動の揺れ（不安定性）が調整（埋め合わせ）される。これにより、利用信号が改良され、そしてこれにより、直線性（線形性）が改良され、雑音の低下が達成され、及び利用信号を少なくすることもできる。

更に、「付着の傾向」が、衝撃（ショック）又は振動作用によって除去されるか、又は大幅に低減される。この理由は、外側アンカーの戻り力は、その攻撃箇所を折り返し箇所（衝突箇所）の近くに有しており、従って、そこで、付着が防止されるからである。更に、妨害性（非作動性）が、衝撃作用又は振動作用によって大幅に低減され、これにより、伝達される誤信号は、大幅に低減される。

上述した実施の形態では、傾斜を約３０％低減させることができる。

本発明の作用（効果）により、本センサータイプの他のセンサータイプに対する長所が、大きく高められる。特に、自動車工業において、衝撃や振動等の周囲の環境作用に対する強健性の要求は高く、更に日々高くなる。

上述した実施の形態は、本発明を行うことのできる多くの実施の形態の中のいくつかものに過ぎないことは明らかである。従って、駆動質量及び／又は検知質量は、（各場合において）所定の質量（該質量は、上述した例では、枠形状に構成されている）の代わりに、複数の質量要素で構成することもできる。駆動質量の個々の要素は、相互に結合させることができる；しかしながら、これらは、（各場合において）分離状態で作動させることもでき、及び（各場合において）検知要素の一つ以上の要素と結合させることができる。ここで、結合物（媒介物）は、結合要素とアンカー要素について記載したものと同様の要求を満たす必要がある。同様のことが（必要な変更を加えて）検知要素にも適用される。

上述した実施の形態の代わりに、駆動要素を内側アンカー構造、例えば中央アンカーに、そして検知質量を外側アンカー構造に、（すなわち、上述した結合手段によって）固定することもできる。

本発明に従い設けられる結合手段によると、内側アンカー構造は必ずしも必要ではなく；これが（上述した実施の形態におけるように）中央アンカーで構成される必要もない。このことは、（更に）内側に配置される検知質量及び（更に）外側に配置される駆動質量が設けられる実施の形態に特に適用される。これについて、以下に記載する。

内側領域のアンカー箇所における、検知質量の懸架の意味と目的は、機械的な固定（取付）に加え、特に戻りモーメントを発生させることである。駆動振動は、結合要素（６）によって、部分的に、実質的に分離されている（外されている）。すなわち、内側質量は、リング振動（環振動）を発生させないか、又は僅かにしか発生させない。それにもかかわらず、戻り力が内側質量に作用し、これにより、部分的に伝えられ、従って低下した環振動の力のモーメントが抑制されるか、又は補償される。

この戻りモーメントは、異なる方法で発生させることができる。上述した実施の形態では、戻りモーメントは、基材（基体）と結合したアンカーでの、中央懸架によって起こる。しかしこれは、他の方法でも行うことができる。幾つかの例を、以下に記載する。

図７は、鏡対象的であり、そして中央に検知要素のアンカーのない実施の形態を示している。図７について、同様の部分には、同一の符号を付す。アンカー（固定手段）として、ここでは、中央のＹ軸上に配置された箇所１７によるアンカー（留め具）が作用している。このアンカー構造は、ｘ−軸についても対照的である。

任意に、内側質量は、もっぱら外側結合手段によって掛けられることもできる。このような一実施の形態を図８に示す。図８について、同様の部分には、同一の符号を付す。ここで、戻りモーメントは、内側質量３の質量慣性によってもたらされる。

図９に、他の変形例を示す。図９に示した変形例は、図８の実施の形態に示したように内側質量が、アンカーによって、直接的には基材に固定されていない。ここで、戻りモーメントは、静電学的な力で発生されている。この実施の形態では、プレート状電極１８がはめ込まれている。質量３は、機械的にはアンカー（固定）されておらず、そしてフェーダー要素６によってのみ、（駆動質量の）外側リングに結合されている。戻りモーメントは、要素１８と１９ないし３の間に電圧を加える（あてがう）ことによって発生させることができる。好適な場合、周波数（振動数）が駆動振動の振動数と同一であり、及び最適化された位相を有する、交流電圧が構造体８と３の間に配置される。代表的な電圧値は、数ミリボルト〜数ボルトの範囲である。電極は、プレート電極として述べたように形成することができる。しかし、ミクロシステム技術で広く普及しているフィンガー電極、又は段状のフィンガー電極も特に適切である。電極は、外側に配置することも、又、中央に配置することも可能である。

最後に、図１０に本発明の他の実施の形態を示す。図１０に示した実施の形態は、本発明の可能性の多様性を示すもので、検知要素の、応力が分離されたアンカー留めを有している。この例では、検知要素３は、中央アンカーには固定されていない。この実施の形態では、フェーダー２２（バネ２２）によって、プレートが内側固定リング２１に取り付けられている。更にこの固定リングは、応力が分離された（外された）機械的構造体２３によってアンカーに固定されている。層応力又は温度（熱）により生じる機械的応力が、構造体２３によって均一化（調整）される。更に、リング構造体２１は、応力（ストレス）が相殺（補償）され得るように設けることができる。応力の外し（分離、絶縁）により、センサーシステム全体は温度偏流（温度ドリフト）又はプロセスの不安定化（揺れ）に対して、弱く（敏感で）なくなる。

本発明は、上述のように、横振動回転速度センサーにも使用することができる。

回転速度センサーの種々の構成要素の配置構成を、以下の事項を考慮して、比較的自由に選択できることは明らかである。すなわち、回転続度センサーは、駆動−及び検知構造を有し、その質量要素は、基材表面の上側で、実質的にｘ−ｙ方向に平面的に存在し、そして駆動質量と検知質量が、アンカーの回りに鏡対称的及び／又は回転対象的に配置される、という事項が考慮される。「鏡対称的」については、鏡平面としてｘ−ｚ平面又はｙ−ｚ平面を有する鏡対象と理解される。そして、アンカーが中央に配置された場合、鏡平面をアンカーが通り、又、アンカーが複数の部分要素で構成される場合には、アンカー構造の想定上の中心が通る。「回転対称」については、ｚ−軸の回りの対象と理解される。そしてアンカーが中央に配置された場合、上記ｚ−軸をアンカーが通り、又、アンカーが複数の部分要素で構成される場合には、アンカー構造の想定上の中心が通る。回転対称は、例えば、２、３、４、５、６又は８放射状が可能であり、すなわち、ｚ−軸回りの３６０°の回転において、構造体の全体を２、３、４、…で割った物（部分）にできる。この代わりに、回転対称は、ローテーション対象であることも可能である。

１ 中央アンカー箇所１
２ アンカー箇所
３ 検知質量（サイス質量）
４ 駆動質量（ドライブ−質量）
５ アンカーフェーダー要素
６ 伝達フェーダー要素
７ 外側フェーダー要素
８ 質量要素
９ 質量要素
１０ フェーダー構造体
１１ フェーダー構造体
１２ アンカー箇所
１３ 基材
１４ 対向電極Ａ
１５ 対向電極Ｂ
１６ プレート
１７ アンカー
１８ プレート状電極
１９ 要素
２０ アンカー構造
２１ 固定リング
２２ フェーダー
２３ 機械的構造体

Claims (22)

1. 検知のためにセンサーが回転される、回転Ωを検知するための回転速度センサーであって、
   前記センサーは、基材、及び基材表面の上側のｘ−ｙ平面に、実質的に平面状に存在する駆動−及び検知構造を有し、
   駆動−及び検知構造は、駆動質量（４）と検知質量（３）を有し、これらは、検知構造の中心（Ｚ）から異なる間隔で、中心（Ｚ）の回りに対称的に配置され、そして、その振動モードは、部分的に相互に伝えられることが可能であり、及び部分的に分離され、
   回転Ωは、検知質量の、駆動−及び検知構造の平面からの傾斜を検知することにより検知される回転速度センサーにおいて、
   両質量（３、４）の内、前記中心に対して、より大きな間隔を有する側のものは、コリオリの力の影響下に、前記平面からの傾斜が可能であり、及び結合手段（７）によって基材に結合され、これにより、前記傾斜の戻り動作が、前記結合手段によって補助されることを特徴とする回転速度センサー。
2. （ｉ）駆動質量（４）は、活性化によって、並進性の振動をｙ方向に、又は回転性振動をｚ−軸回りに伝えることができ、
   （ｉｉ）検知質量（３）は、ｘ軸の回りに生じる回転Ωが、回転速度センサーに作用する際、ｘ−ｙ平面からｙ軸回りに傾斜する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転速度センサー。
3. 駆動質量（４）及び検知質量（３）は、中心（Ｚ）の回りに、鏡対称的及び／又は回転対象的に配置され、及び前記質量（３及び４）の一つが、その径方向軸に配置された重心に関し、他方の質量よりも、径方向に大きな間隔でアンカーに配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転速度センサー。
4. 検知質量は、中心（Ｚ）に対して、駆動質量よりも大きな間隔で存在し、
   結合要素（５、６）が存在し、該結合要素は、ｘ−ｙ平面の駆動質量の振動を、検知質量に伝えるが、しかし、駆動要素が、回転Ωのセンサーに及ぼす影響で、ｘ−ｙ平面から傾くことを防止し、又はこの傾きを最小限にすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の回転速度センサー。
5. 駆動質量が、検知質量よりも、中心（Ｚ）に対して大きな間隔で存在し、
   結合要素（５、６）が存在し、該結合要素（５、６）は、回転Ωがセンサーに作用する際、駆動要素の所定の傾斜を許容するが、しかし、ｘ−ｙ平面内の駆動要素の振動が、検知要素に伝わることを防止するか、又は低減させることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の回転速度センサー。
6. 中心に近い方に位置する質量のための戻りモーメントを発生させる手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の回転速度センサー。
7. 中心に近い方に位置する質量が、アンカー構造（１）によって、基材と結合されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の回転速度センサー。
8. 前記アンカー構造が、中央部に設けられたアンカー（１）であるか、又は複数部分に分けられたアンカー（１７）であり、前記アンカー構造は、駆動−及び検知構造のｙ軸に関し、及び場合により、ｘ軸にも関して、鏡対象的に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の回転速度センサー。
9. 戻りモーメントを発生させるための手段が、静電学的手段であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の回転速度センサー。
10. 戻りモーメントを発生させるための手段が、反対向きに設けられた電極によって形成されており、該電極は、基材及び中心に近い方に位置する質量に備えられ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ー。
11. アンカー構造が、内部の固定リング（２１）を有し、固定リング（２１）は、中心に近い方に位置する質量のスペース内に存在するフェーダー（２２）によって、該スペースに設けられ、及び応力を切り離す機械的構造体（２３）によって、アンカー構造（２０）に固定されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の回転速度センサー。
12. 前記質量（３、４）の内、アンカーに対してより大きな間隔を有する方が、少なくとも２つの結合手段（７）によって、基材（２）と結合され、該結合により、ｘ−ｙ平面からの傾きの戻りが、結合手段によって補助されることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の回転速度センサー。
13. 駆動質量が、回転振動を行なうことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の回転速度センサー。
14. 駆動質量が枠の形状を有するか、又は相互に結合されているか、又は相互に結合されていない２つ以上の部分要素から構成されていることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の回転速度センサー。
15. 検知質量が、枠の形状を有するか、又は相互に結合されているか、又は相互に結合されていない２つ以上の部分要素から構成されていることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の回転速度センサー。
16. 結合要素（５）が、中央アンカーと検知質量の間に存在し、及びｘ−ｙ平面の検知質量の回転が、実質的に阻止されるように形成されていることを特徴とする請求項１〜３、５〜７及び１２〜１５の何れか１項に記載の回転速度センサー。
17. 結合要素（５）が、フェーダーであり、そのフェーダー定数ｋ_ΦZが、１００〜５０００×１０^-6Ｎｍ／ｒａｄの範囲、好ましくは１０００×１０^-6Ｎｍ／ｒａｄ以下であることを特徴とする請求項１６に記載の回転速度センサー。
18. 結合要素（５）が、フェーダーであり、そのフェーダー定数ｋ_ΦZが、フェーダー定数ｋ_ΦX及びフェーダー定数ｋ_ΦYよりも、少なくともファクター１０だけ高いことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の回転速度センサー。
19. 結合要素（６）が、駆動質量（４）と検知質量（３）の間に存在し、及び駆動質量のｘ−ｙ−方向の振動が、検知質量に伝えられない又は部分的にしか伝えられないことを特徴とする請求項１〜３及び５〜１４の何れか１項に記載の回転速度センサー。
20. 結合要素（６）が、フェーダーであり、及びそのフェーダー定数ｋ_ΦX、ｋ_ΦY及びｋ_ΦZが、それぞれ約１〜約１０００×１０^-6Ｎｍ／ｒａｄの範囲、及び好ましくは約５〜約５０×１０^-6Ｎｍ／ｒａｄの範囲であることを特徴とする請求項１９に記載の回転速度センサー。
21. 駆動質量が、結合手段（７）によって、半径方向に見て駆動質量の外側に設けられた、基材のアンカー箇所（２）に結合されていることを特徴とする請求項５又は請求項５に従属する請求項６〜２０の何れか１項に記載の回転速度センサー。
22. 結合手段（７）がフェーダーであり、及びそのフェーダー定数ｋ_ΦX、ｋ_φY及びｋ_ΦZが、それぞれ約０．１〜約１０００×１０^-6Ｎｍ／ｒａｄの範囲、及び好ましくは約０．５〜約１０×１０^-6Ｎｍ／ｒａｄの範囲であることを特徴とする請求項２１に記載の回転速度センサー。

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