JP2011500337A

JP2011500337A - 駆動フレームを備えるマイクロマシニング型の装置

Info

Publication number: JP2011500337A
Application number: JP2010528354A
Authority: JP
Inventors: クリストフマイゼルダニエル; ハウアーイェルク
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2011-01-06
Also published as: US20100199762A1; CN101821587A; WO2009050021A1; DE102007051591A1; EP2201331A1; CN101821587B; DE102007051591B4

Abstract

本発明は、マイクロマシニング型の装置であって、少なくとも１つの駆動フレーム（１０，１５，１７）及び少なくとも１つの振動子（２０，２５，２７）を備え、前記振動子（２０，２５，２７）が、前記駆動フレーム（１０，１５，１７）によって包囲される領域（５０）内に配置されており、前記振動子（２０，２５，２７）が、前記駆動フレーム（１０，１５，１７）に機械的に連結されている形式のものに関する。本発明の核心は、前記駆動フレーム（１０，１５，１７）が曲げ振動（１００）するように励振可能である点にある。

Description

従来技術
本発明は、マイクロマシニング型の装置であって、少なくとも１つの駆動フレーム及び少なくとも１つの振動子を備え、前記振動子が、前記駆動フレームによって包囲される領域内に配置されており、前記振動子が、前記駆動フレームに機械的に連結されている形式のものに関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１０８１９８号明細書は、駆動フレームと、駆動フレーム内に配置され機械的に連結される振動子（コリオリエレメント）とを備えるマイクロマシニング型の角速度センサを示す。駆動フレームは、２つの転向点間での実質的に直線状の並進運動の形態の駆動振動を実施する。駆動振動は、機械的な連結によって振動子に伝達される。回転運動の結果、コリオリ力が振動子に作用し得る。コリオリ力の作用は、振動子に結合されるセンシングエレメント、すなわち検出エレメントに伝達される。

ドイツ連邦共和国特許第１９６１７６６６号明細書は、振動を起こすための手段によって曲げ振動、すなわち振動の腹及び振動の節を有する振動をするように励振されるマイクロマシニング型の角速度センサを示す。振動を起こすための手段は、振動の腹に配置されている。振動の節には検出手段が配置されている。

発明の開示
発明の利点
本発明は、マイクロマシニング型の装置であって、少なくとも１つの駆動フレーム及び少なくとも１つの振動子を備え、前記振動子が、前記駆動フレームによって包囲される領域内に配置されており、前記振動子が、前記駆動フレームに機械的に連結されている形式のものから出発する。発明の核心は、前記駆動フレームが曲げ振動するように励振可能である点にある。こうして、有利には、コンパクトであり、かつ少なくとも１つの振動子の特定の振動周波数を可能とするマイクロマシニング型の装置が形成されている。好ましくは、前記曲げ振動の励振のために前記駆動フレームに駆動手段が設けられている。好ましくは、前記曲げ振動の励振のために前記少なくとも１つの振動子に駆動手段が設けられており、該駆動手段によって間接的に前記駆動フレームが曲げ振動するように励振可能である。好ましくは、前記駆動手段が、前記駆動フレームにより包囲される領域外に配置されている。好ましくは、前記駆動手段が前記駆動フレームの固有振動の励振のために構成されている。好ましくは、前記振動子が前記駆動フレームに剛性連結されている。好ましくは、前記振動子が前記駆動フレームに弾性連結されている。好ましくは、第１の駆動フレームに少なくとも１つの第１の振動子が設けられており、少なくとも１つの第２の駆動フレームに少なくとも１つの第２の振動子が設けられており、２つの駆動フレームが機械的に連結されている。好ましくは、第１の駆動フレームに第１の振動子及び少なくとも１つの第２の振動子が設けられている。好ましくは、前記第１の振動子及び前記第２の振動子がそれぞれ異なる方向で振動する。好ましくは、当該マイクロマシニング型の装置が角速度センサであり、前記振動子に対するコリオリ力の力作用が検出可能である。

有利には、曲げ振動の励振のために駆動フレームに駆動手段が設けられている。特に有利には、駆動手段が、駆動フレームにより包囲される領域外に配置されている。有利には、駆動手段が駆動フレームの固有振動の励振のために構成されている。これにより、振動周波数は正確に規定されており、必要な駆動エネルギは僅かである。本発明の有利な態様では、振動子が駆動フレームに剛性連結されている。有利には、こうして、振動子の振幅が規定されている。本発明の別の有利な態様では、振動子が駆動フレームに弾性連結されている。有利には、こうして、駆動手段及び駆動フレームの小さな駆動振幅において、振動子の大きな振動振幅が達成される。本発明の有利な態様では、第１の駆動フレームに少なくとも１つの第１の振動子が設けられており、少なくとも１つの第２の駆動フレームに少なくとも１つの第２の振動子が設けられており、２つの駆動フレームが機械的に連結されている。本発明の別の有利な態様では、第１の駆動フレームに第１の振動子及び少なくとも１つの第２の振動子が設けられている。第１の振動子及び第２の振動子がそれぞれ異なる方向で振動するようになっていても有利である。本発明の特に有利な態様では、マイクロマシニング型の装置が角速度センサであり、振動子に対するコリオリ力の力作用が検出可能である。

本発明の利点は、以下のように要約される。有利には、本発明によって、すべてのリニア振動子の同期が、曲げ振動するように励振される、リニア振動子を包囲する駆動フレームによって可能である。この駆動フレームは、複数の振動子のための１つの共通のフレームであってもよい。しかし、互いに連結されており、それぞれ１つの振動子又は複数の振動子を有する複数のフレームであってもよい。フレームの振動には例えば２つの運動方向が存在しており、これらの運動方向は、別個に２つの振動子に伝達される。その結果、２つの振動子は、互いに垂直に（又は斜めに）又はその他の異種の方向で振動する。駆動フレームを介して、マイクロマシニング型の装置に、唯一の駆動モードが強制される。特に有利には、このことは、駆動フレームが駆動手段によって固有振動するように励振されると可能である。有利には、振動子の駆動は、振動子が振動の腹の位置で駆動フレームに連結されていると、大きな振幅で可能である。

駆動フレームと振動子との間の連結は、固定的に又はばね弾性的に実施され得る。剛性連結時、フレームの振幅は、直接かつ不変に振動子に伝達される。弾性連結時、系全体の駆動モードは、フレームが小さな振幅を実施するだけであるのに対して、単数又は複数の内在する振動子が共振による増幅によって本来所望される大きな駆動振幅を実施するように設計され得る。

角速度センサの包囲する駆動フレームにおいて、容量性の駆動装置の駆動櫛歯は、外側に、振動子及びセンシングエレメントから遠く離れて取り付けられることができる。これにより、駆動フレームは小さな振幅で振動するだけでよく、駆動装置の電極のフィンガは短く構成され得る。これにより、絶対的な浮揚力は減じられる。駆動フレームへの振動子の機械的な連結を、ｚ方向で柔軟に構成されている連結ばねによって実施することによって、単数又は複数の振動子への残された浮揚力の伝達を弱めることができる。有利には、図３又は図５の実施の形態に係る角速度センサのような本発明に係る装置において、同時にかつ／又は同様に、以下の要求を満たすことができる。
‐振動子間の駆動振幅の伝達
‐それぞれ１つのω_ｘ、ω_ｙ又はω_ｚの要素の対向する振動子間のみの検出振幅の伝達
‐検出における振動子の平行モード及び逆平行モードの分離
‐基板平面（ｘｙ平面）外の振動子全体の振動モード、つまりｚ方向でのモードは使用モードより高周波である。
‐２つの同期的な、互いに垂直に位置する振動方向の形成。これにより、１つの共通の駆動を備える２チャネル又は３チャネルの角速度センサをなすことができる。

互いに直交する２つの振動方向を有する円形のフレームの曲げ振動を示す図である。本発明に係るマイクロマシニング型の装置の第１の実施の形態の概略図である。本発明に係るマイクロマシニング型の装置の第２の実施の形態の概略図である。本発明に係るマイクロマシニング型の装置の第３の実施の形態の概略図である。本発明に係るマイクロマシニング型の装置の第４の実施の形態の概略図である。

実施の形態
図１は、互いに直交する２つの振動方向を有する円形のフレームの固有振動を示す。図示されているのは、円形の駆動フレーム１０の曲げ振動１００の基本モード、すなわち振動の腹及び振動の節を有する振動である。駆動フレーム１０の運動方向は、振動の腹において矢印により図示されている。本発明に係るマイクロマシニング型の装置（ｍｉｋｒｏｍｅｃｈａｎｉｓｃｈｅＶｏｒｒｉｃｈｔｕｎｇ）は、この種の特性を有するフレームを駆動フレーム１０として備える。

図２は、概略的に、本発明に係るマイクロマシニング型の装置の第１の実施の形態を示す。図示されているのは、振動子（Ｓｃｈｗｉｎｇｅｒ）２０、本実施の形態では単純な２マス振動子（２‐Ｍａｓｓｅ‐Ｓｃｈｗｉｎｇｅｒ）を内部に、すなわち駆動フレーム１０によって包囲される領域５０内に備える長方形のフレームの曲げ振動である。振動子２０は、フレーム振動によって駆動される。図２に示した実施の形態において、外側のフレーム１０と、内側に位置する振動子２０とは、ばね弾性的に連結されている。振動子２０を駆動するために駆動フレーム１０を利用する原理は、以下に図３に示すように、互いに剛性連結又は弾性連結される２つ又は複数の隣接する系に拡張されてもよい。

図３は、概略的に、本発明に係るマイクロマシニング型の装置の第２の実施の形態を示す。図示されているのは、本実施の形態では、２フレーム振動子系（ｚｗｅｉＲａｈｍｅｎ−Ｓｃｈｗｉｎｇｅｒ−Ｓｙｓｔｅｍ）である。本実施の形態では、２つの駆動フレーム１０及び１５が、短いクロスバーによって辺中央部において互いに剛性連結されている。２つの駆動フレーム１０及び１５には、２方向で互いに垂直に振動する振動子２０及び２５が配置されている。図３に示した本発明に係る装置は、２つの感受軸を有するマイクロマシニング型の角速度センサ（Ｄｒｅｈｒａｔｅｎｓｅｎｓｏｒ）をなしている。角速度センサは、ω_ｘ及びω_ｙの角速度を検出するための２チャネルのエレメントである。フレーム（２つの部分フレーム１０及び１５並びに結合する連結ウェブからなる）によって、ｘ方向及びｙ方向の駆動運動が連結される。図示の構造は、マイクロマシニング構造、特に基板上の表面マイクロマシニング構造として実現される。基板平面は、図示の座標系のｘ軸及びｙ軸によって形成される。ｚ軸は、この平面に対して垂直である。

ω_ｘ及びω_ｚの角速度を検出するための２チャネルのエレメントも、上述の構造によって可能である。

駆動（図示せず）は、例えば、従来技術において挙げた刊行物から公知であるように、容量性に櫛歯駆動としてなされてもよい。櫛歯駆動のしばしば発生する望ましくない副作用は、そこで駆動される可動のエレメント、本実施の形態では駆動フレーム１０及び１５に対してｚ方向で作用する浮揚力である。本発明に係る装置は、この浮揚力及びその作用を明らかに減じることができる。

図４は、概略的に、本発明に係るマイクロマシニング型の装置の第３の実施の形態を示す。本実施の形態では、２つの振動子２０及び２５が１つの共通のフレーム１０内に配置されている。

図５は、概略的に、図３に示した第２の実施の形態に類似の、本発明に係るマイクロマシニング型の装置の第４の実施の形態を示す。図示されているのは、本実施の形態では、３フレーム振動子系である。本実施の形態では、それぞれ２つの駆動フレーム１０及び１５並びに１５及び１７が、短いクロスバーによって辺中央部において互いに剛性連結されている。３つの駆動フレーム１０，１５及び１７内には、振動子２０，２５及び２７が配置されている。振動子２０，２５及び２７は、２方向で互いに垂直に振動する。図５に示した本発明に係る装置は、３つの感受軸を有するマイクロマシニング型の角速度センサをなしている。角速度センサは、ω_ｘ、ω_ｙ及びω_ｚの角速度を検出するための３チャネルのエレメントである。フレーム（３つの部分フレーム１０，１５及び１７並びに結合する両連結ウェブからなる）によって、ｘ方向及びｙ方向の駆動運動が連結される。検出構造は、それぞれ、基板平面（ｘ，ｙ）内での変位又は基板平面に対して垂直な変位、すなわちｚ方向での変位の検出のために構成されている。

別の実施の形態、特に上に示した実施の形態の組み合せも可能である。

Claims

マイクロマシニング型の装置であって、少なくとも１つの駆動フレーム（１０，１５，１７）及び少なくとも１つの振動子（２０，２５，２７）を備え、
前記振動子（２０，２５，２７）が、前記駆動フレーム（１０，１５，１７）によって包囲される領域（５０）内に配置されており、
前記振動子（２０，２５，２７）が、前記駆動フレーム（１０，１５，１７）に機械的に連結されている
形式のものにおいて、
前記駆動フレーム（１０，１５，１７）が曲げ振動（１００）するように励振可能である
ことを特徴とする、マイクロマシニング型の装置。
前記曲げ振動（１００）の励振のために前記駆動フレーム（１０，１５，１７）に駆動手段が設けられている、請求項１記載のマイクロマシニング型の装置。
前記曲げ振動（１００）の励振のために前記少なくとも１つの振動子（２０，２５，２７）に駆動手段が設けられており、該駆動手段によって間接的に前記駆動フレーム（１０，１５，１７）が曲げ振動（１００）するように励振可能である、請求項１記載のマイクロマシニング型の装置。
前記駆動手段が、前記駆動フレーム（１０，１５，１７）により包囲される領域（５０）外に配置されている、請求項２記載のマイクロマシニング型の装置。
前記駆動手段が前記駆動フレーム（１０，１５，１７）の固有振動（１００）の励振のために構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の装置。
前記振動子（２０，２５，２７）が前記駆動フレーム（１０，１５，１７）に剛性連結されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の装置。
前記振動子（２０，２５，２７）が前記駆動フレーム（１０，１５，１７）に弾性連結されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の装置。
第１の駆動フレーム（１０）に少なくとも１つの第１の振動子（２０）が設けられており、少なくとも１つの第２の駆動フレーム（１５）に少なくとも１つの第２の振動子（２５）が設けられており、２つの駆動フレーム（１０，１５）が機械的に連結されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の装置。
第１の駆動フレーム（１０）に第１の振動子（２０）及び少なくとも１つの第２の振動子（２５）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の装置。
前記第１の振動子（２０）及び前記第２の振動子（２５）がそれぞれ異なる方向で振動する、請求項８又は９記載のマイクロマシニング型の装置。
当該マイクロマシニング型の装置が角速度センサであり、前記振動子（２０，２５，２７）に対するコリオリ力の力作用が検出可能である、請求項１から１０までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の装置。