JP2012519267A - マイクロマシンセンサ（ｍｅｍｓ） - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な測定をすることのできるシンプルで安価なＭＥＭＳジャイロスコープを提供する。
【解決手段】ｘ−ｙ平面に沿って直線的に動く駆動要素（２，３，４）を有し、基板上に配置され、前記基板のヨーレートベクトルの少なくとも２つ、好ましくは３つの成分を測定するマイクロマシンセンサ（ＭＥＭＳ）（１）であって、本質的に相互に垂直な方向に駆動される前記駆動要素の２つのグループが存在し（２，３；４）、相互に垂直な方向に動く前記駆動要素（２，４；３，４）は、動きを同期させるために回転可能に前記基板上に配置された複数の結合デバイス（６，７）により相互に接続されていることを特徴とするマイクロマシンセンサ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ｘ−ｙ平面を直線的に動く駆動要素を有し、基板上に配置され、基板のヨーレートベクトル（ｙａｗ ｒａｔｅ ｖｅｃｔｏｒ）の少なくとも２つ、好ましくは３つの成分を測定するマイクロマシンセンサ（ＭＥＭＳ）であって、基本的に相互に垂直な方向に駆動される駆動要素の２つのグループを具備するＭＥＭＳに関する。

ＭＥＭＳセンサ、あるいは、精密なＭＥＭＳジャイロスコープとされたものが知られており、これらにおいては、振動が駆動される複数の要素が基板上に装着されている。これらの駆動要素は、一般的に、形状が変化可能な弾性スプリングにより基板上に配置されており、振動運動が可能となっている。さらに、全ての駆動要素あるいは少なくともその一部は、もし基板が（駆動要素が動かされるように作用する）コリオリの力の為に所定の軸の周りを回転すると、所定の方向に変位するように配置されている。通例、スプリングはこの為に、この変位を許容するように設置されている。

駆動要素を設計するとき、狙いは常に、スプリングを所定方向のみに弾性的にし、広い範囲にわたる重複するスプリングの運動を除外することにある。複数の軸の周りの基板の回転の測定を可能とするために（すなわち、基板のヨーレートベクトルの複数の成分を測定するために）、センサ−それはヨーレートベクトルの１つの成分を測定可能である−を複数、相互に組み合わすことができることが知られている。従って、例えば、類似の複数の要素が、基板上あるいは複数のセンサ上に、コリオリの力の発生の結果として駆動要素を変位させることによって測定対象のヨーレートベクトル成分が相互に測定され得るように、配置される。個々のセンサあるいはそのパーツは、従って、相互にヨーレートベクトルの個々の成分が測定され得るように配置される。この方法の課題は、各センサが個々の駆動制御を必要とすることである。加えて、製造時の誤差に起因して、例えば、駆動要素の運動周波数の相違が無視できないことである。このため、異なるコリオリの力が生じ、結果として駆動要素の同等でない変位を引き起こす。また、これを補正する為に、制御用電子装置に相当な余計な費用を生じさせる。

また、連動して動きヨーレートベクトルの複数の成分を測定する多数の駆動要素を有するＭＥＭＳジャイロスコープ（micro-electro-mechanical gyroscopes）が知られている。これらについてはそのサイズに関して、それらのセンサは、ＭＥＭＳ技術に許容される矩形のフロアスペースを最適には利用しておらず、従って、余分な費用を生じさせる。

本発明の目的は、簡単に製造できるにも関らず高精度な測定をすることのできる、シンプルで安価なＭＥＭＳジャイロスコープを提供することにある。

その目的は、請求項１の特徴を有するＭＥＭＳにより解決される。

本発明に係るＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｅｎｗｏｒ）は、ＭＥＭＳジャイロスコープとも呼ばれ、ｘ−ｙ平面を動くリニア駆動要素を有する。駆動要素は、基板上に配置され、基板のヨーレートベクトルの少なくとも２つ、好適には３つの成分を測定する。２つの駆動要素グループが提供され、それらは、主に、相互に垂直な方向に駆動される。本発明によれば、相互に垂直に動く駆動要素は、回転可能に基板上に配置されて、運動に同期する結合デバイスにより相互に接続されている。相互に垂直に動く２つの駆動要素がある場合には、それらにより、ヨーレートベクトルの２つの成分が測定可能である。しかしながら、少なくとも駆動要素の両グループの１つにおいて、−コリオリの力の発生の結果からもたらされる異なる変位性能に起因して−既にそれ自体でヨーレートベクトルの２つの成分を測定することができる、平行に移動する２つの駆動要素が設計されている。好適には、相互に平行に運動するこれらの等しい駆動要素の両方が、この目的のために、第２グループの垂直駆動される駆動要素に、本発明に係る結合デバイスによって運動と同期するために接続されている。この結果、ヨーレートベクトルの３つの成分が測定可能である。これは、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸周りのセンサあるいは基板の回転が測定され得ることを意味する。

結合デバイスは、相互に垂直に動く駆動要素のグループの両方の運動を同期させる。これは、駆動要素の同期的な揺れをサポートしていることを意味する。駆動要素の１つのグループの運動方向は、結合デバイスによって、駆動要素の他のグループの運動方向に転換される。その際、それらは非常に堅固（剛性が高い）なので、それらは駆動要素の不均一な振動を防ぐ。結合デバイスは、そして、これによってリンクされた２つの駆動要素によって、振動性の回転運動に代わる。結合デバイスによる両駆動要素のリンクは、２つの振動性の直線運動が同期して結合デバイスがリンクした駆動要素に伝わることを確実にする。したがって、本発明の結合デバイスは、ＭＥＭＳジャイロスコープ（これは、ヨーレートベクトルの各成分の原因である個々のセンサデバイスによって構成されている）の運動駆動要素を一緒に均一に振動させる。この結果、コリオリの力の発生に対する反作用は同様であり、従って、ＭＥＭＳの高い測定精度が得られる。

本発明の有効な実施形態において、グループ内の駆動要素は相互に平行に移動されることが可能で、また、相互に平行に移動する少なくとも２つの駆動要素は、結合デバイスによって相互に接続されており、これは、駆動方向に剛性を有するように接続されており、これにより、どの時点においても２つの駆動要素の駆動運動を同期している。この配置は、相互に垂直に移動する駆動要素のみならず、相互に平行に移動する駆動要素においても、相互に同期的に振動することを確実にする。全体では、これにより、ヨーレートベクトルの３成分全てを等しく記録し、また、センサの比較可能な回転に同期的に振動する駆動要素に起因して、比較可能なコリオリの力、及び、従って変位を生成する、システムが得られる。この結果、対応する回転を高精度に測定することが可能となる。加えて、矩形のフロアスペースを最適に利用した非常に簡単な構造であること、及び、電子制御の負担を低減しながら高い計測精度を有することを利点とする３次元ジャイロスコープが実現される。

本発明の有効な実施形態において、駆動要素の平行運動を同期させるために用いられる結合デバイスは、同様に、ヨーレートベクトルの成分を測定するために設置されているセンサの分割部分が反対方向に振動している場合においても、運動方向の変換が同期的に進められることを確実にするために構成される。そのようにする場合、反対方向に振動する駆動要素の部分は、実際、それに平行に移動される他の駆動要素の反対方向に振動する構造部分と類似している。平行に動き反対方向に駆動される駆動要素の部分の同期も、従って、同様に及び同期的に起こる。

本発明の他の有効な実施形態は、相互に垂直に起きる運動に係る複数の同期結合デバイスが等しいことである。これは、また、駆動要素内部で運動が反対方向に起きる場合でさえ、これに対して垂直に動く駆動要素の同期は同じようにおきることを確実にし、これにより、同様の運動が期待される。

本発明の特に有効な実施形態においては、相互に垂直に生じる運動を同期させるための結合デバイスは、アンカーの周りを回転するストラットである。ストラットは、好適には、圧力及び引っ張りに対向し、駆動要素の運動が駆動要素が垂直に動かされるように押すあるいは引くように構成される。これは、結合デバイスは弾性的に変形せず、このために、駆動要素の両運動方向の同期は保障されないことを確実にする。ストラットの剛性は、ストラットは基板に装着されたアンカーの周りを回転され得るものであるが、よりゆっくりの駆動要素に押す力あるいは引く力を作用し、最終的に振動運動を同様に生じさせる。

アーチ形状は、ストラットの特に有効な実施形態であると証明されており、なぜなら、この結果、１つの運動方向からそれに垂直に動く他の運動方向へ、変位が最適に起動される。

好適には、ストラットは、ｘ方向に駆動される駆動要素には第１端部において、及び、ｙ方向には第２端部において、接続されるべきである。この結果、ストラットは１の駆動要素から他の駆動要素へのリンクをほとんど生成しないので、ストラットの移動量を少なくすることができる。

特に安定したストラットを製造するために、ストラットを円形にするのが有効である。この形状は既に、ほとんど全ての押すあるいは引く負荷に持ちこたえることができる安定した構造部分となっている。この結果、両駆動要素の同期は、ストラットの変形は大部分は無視でき、従って、両駆動要素はもはや異なる速さではないために、非常に正確である。

仮に、スプリングデバイスがストラットと駆動要素の間に有効に配置されるなら、相互に垂直な運動方向のオフセットによって引き起こされる反りを効果的に防止することができる。駆動要素の運動に作用する駆動エネルギーは、従って、縮小することができ、従って、より簡単に振動することができる。

駆動方向には剛性を有し、駆動方向に垂直には剛性を有さないように構成するのがスプリングデバイスにとって有効である。各スプリングデバイスは、運動方向に割り当てられ、ストラット及び駆動要素上に配置され、従って、駆動方向に押すあるいは引っ張る力が、ストラットにおいて起こる。ストラットの回転によって引き起こされる接続箇所の位置の変化は、この方向に剛性を有さない状態に構成されたスプリングデバイスによって補償され、従って、ストレスは生じない。

振動性の動きの均一な始動及び同期化を達成するために、各駆動方向に対して対を構成することが駆動要素において特に有効である。この結果、力の導入は極めて均一でストレスの無いものとなる。

好ましくは、駆動要素の１つは、ｘ方向に駆動され、全体があるいは部分的にｙ方向に変位され得るように、アンカーにより基板上に配置される。これにより、ｚ軸周りの基板の回転運動により生じるコリオリの力を記録することができる。

ヨーレートベクトルの第２の成分を記録するために、駆動要素の１つをｘ方向に作動させるとともに、ｙ軸周りに回転し得るようにアンカーにより基板上に配置するのが有効である。この結果、ｙ軸周りの基板の回転によるコリオリの力が記録される。

ヨーレートベクトルの第３の成分を記録するために、駆動要素の１つは、ｙ軸方向に動作されるとともに、全体があるいは部分的にｘ軸周りに回転し得るようにアンカーにより基板上に配置されるのが有効である。この配置が、ｘ軸周りの基板の回転の結果として生じるコリオリの力が記録されることを可能とする。前述した２つあるいは３つの駆動要素は、センサのヨーレートベクトルの２つあるいは３つの成分を計測することができる。従って、簡単かつ知られた駆動要素の配置の結果として、このセンサは、３つのセンサの回転を計測することができる。駆動要素の駆動された動きの同期は、共通的で経済的な駆動制御を使用すること、及び、ヨーレートベクトルの３つの成分の全ての正確な計測を行うことを可能とする。

本発明の有効な実施形態において、駆動要素は、これに対して設置されている駆動電極により駆動される。駆動電極の一部は基板上に、他の部分は駆動要素に装着される。交流電圧が、対に形成された駆動電極に対して反対の位相で印加され、これにより、駆動要素は対になった２つの駆動電極に向かって交互に引き付けられる。このような方法により、駆動要素の振動運動が持続される。

本発明の有効な実施形態において、駆動要素は駆動要素は略矩形のレイアウトである。これにより、基板上にコンパクトに配置することができ、一般的に小さくて、特に矩形の平面配置（フロアプラン）を必要とするのみである。従って、２つあるいは３つのヨーレートベクトルの成分を記録することのできる特に小さいセンサを得ることができる。

トルクの影響を受けない特に安定したＭＥＭＳセンサを得るために、駆動要素は、反対位相に駆動される部分要素を有することが有効である。この結果として動かされる両は同じであり、その結果、コリオリの力が無い場合において、全体のトルクの大きさ０が各場合に得られる。従って、この場合、センサは極めて正確な測定結果を提供することが可能である。

軸周りの基板の回転を計測可能とするように、少なくとも部分要素は、対応する駆動要素内において、基板上に傾斜可能に設置されるビームに配置されることが有効である。この場合、結合デバイスは、一方でそれらは駆動方向の押す及び引く力を移すことができるとともに、結合デバイスをｚ方向において非常に堅固にすることによりｘ−ｙ平面外への駆動要素の回転をも確保することができるように構成することが有効である。

本発明のその他の特徴は、以下の図面に示される実施形態において記載されている。

矩形のレイアウト及びアーチ状の結合デバイスを有する３次元ジャイロスコープを示す。 矩形のレイアウト及び円形の結合デバイスを有する３次元ジャイロスコープを示す。

図１は、矩形のレイアウトを有する３次元ＭＥＭＳジャイロスコープ１を表す図を示す。ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Sensor）１は、３つの駆動要素２，３及び４を有する。駆動要素２，３及び４のそれぞれは、各状態において、ヨーレートベクトルの１つの成分を測定するように設置される。駆動要素２は、２つの部分要素２．１及び２．２を有する。これらの部分要素２．１及び２．２は、駆動電極（図示しない）によって反対方向に振動する。これらは、１組のスプリング２．３により相互に接続されている。スプリング２．３は、ｘ方向に弾性的に構成されており、これにより、部分要素２．１及び２．２は、相互に接近するとともに相互に離れることができ、それらの反対方向の動きは同期されている。

各部分要素２．１及び２．２は、アンカー２．５の上にスプリング２．４により配置されている。部分要素２．１及び２．２のそれぞれの内部に、ｙ方向に変位され得るセンサ要素２．６が配置されている。これを実現するために、部分要素２．１及び２．２とセンサ要素２．６とは、組となっているスプリング２．７により接続されている。駆動要素２がアンカー２．５により配置されている基板がｚ方向に回転する場合、センサ要素２．６をｙ方向に変位するコリオリの力が発生する。この変位は、例えば、所望の収容部の内部に位置する電極あるいはコンデンサ（図示しない）により測定可能である。

駆動要素３の部分要素３．１及び３．２は、同様にｘ方向に駆動され、反対方向に振動する。これらの部分要素３．１及び３．２は、相互にスプリング３．３により接続されており、その結果、部分要素３．１及び３．２は、相互に接近するとともに相互に離れることができ、その過程において同期される。さらに、駆動要素３．１及び３．２は、スプリング３．５によりｙ軸周りに回転可能なビーム（はり）３．４上に配置されている。スプリング３．５は、部分要素３．１及び３．２がビーム３．４に対してｘ方向に移動することを可能にし、それは、スプリング３．６により基板上に装着されたアンカー３．７に装着されている。スプリング３．６は、ビーム３．４が、基板がｙ軸周りに回転を始めた時には、振動してｙ軸周りに傾斜することを可能にする。

三番目の駆動要素４は、２つの他の駆動要素２及び３に対して垂直に配置され、本実施形態においては、駆動要素３のように構成される。しかしながら、これは、他の構成に設計されることも可能である。駆動要素４は、スプリング４．３を介して相互に接続される部分要素４．１及び４．２を有する。部分要素４．１と４．２とは、相互に反対方向に振動し、それぞれは、スプリング４．５によりビーム４．４上に配置されており、従って、これらは、ｙ方向に駆動され得る。ビーム４．４は、トーションスプリング４．６によりアンカー４．７上に配置され、従って、それは回転可能となる。基板がｘ軸周りに回転するやいなや、コリオリの力の発生がビーム３．４を部分要素４．１及び４．２と一緒にｘ軸周りに回転させる。

駆動要素２と３の駆動運動を同期させるために、これらは、相互に同期スプリング５により接続されている。同期スプリングは、ｘ方向に剛性を有し、部分要素２．１と３．２及び同様に２．３と３．２の駆動運動は、相互に同期して進行する。一方、同期スプリングは、ｚ方向には剛性を有さず、従って、駆動要素３．１及び３．２は妨害されることなく回転可能である。

駆動要素２の運動を駆動要素４と同期させるため、部分要素２．２は部分要素４．２と結合デバイス６により接続されている。この結合デバイス６は、２つのアーチ状ストラット６．２を有し、各ストラット６．２は、アンカー６．１周りを回転可能である。ストラット６．２は、基板上にスプリング６．３によりアンカー６．１に装着されている。一方で、ストラット６．２の端部は、部分要素２．２に装着されており、他方で、部分要素４．２に装着されている。部分要素２．２及び部分要素４．２の運動は、ストラット６．２に振動性の揺れの動きを生じさせる。ストラット６．２は堅固に構成されているために、運動の方向に変位させることが可能となり、部分要素２．２と４．２の運動を同期させることが可能となる。部分要素２．２と４．２の均一で同期した動作を得るために、２つの結合デバイス６が２つの部分要素２．２と４．２との間に配置されている。

結合デバイス６は、結合デバイス７と同様に構成され、部分要素４．１が部分要素４．２とは反対方向に動くため、単にストラット７．２のアーチの方向が適応されているに過ぎない。部分要素３．２の部分要素４．１との同期された運動は、アンカー７．１、ストラット７．２及びスプリング７．３を有する結合デバイス７により生成される。押すことあるいは引くことに関してストラット６．２及び７．２は堅固であるが、ｘ−ｙ平面外への振動に関して、それらは堅固ではない。これは、部分要素２．２あるいは３．２のｙ軸周りの振動の間の、あるいは、ｘ軸周りの回転がある時に部分要素４．１及び４．２もｘ−ｙ軸外へ振動している時の、ｘ−ｙ平面外への振動を許容するために必要である。

図２は、同等の駆動要素２，３及び４を表す。ここでも駆動要素２と３の結合は同期スプリング６により行われており、単に、結合デバイス６及び７が異なる形態で構成されているに過ぎない。本実施形態においては、それらは、環状に形成されたストラット６．２’及び７．２’を有する。ストラット上には、スプリングデバイス６．４及び７．４が配置されており、これらは、駆動運動を伝達するという目的の為には堅固であるが、推進力の印加に対して垂直な方向には堅固ではない。この配置は、特に、部分要素２．２及び３．２が４．２及び４．１に対して回転する時に、テンションがかかるのを防止することを可能にする。さらに、環状ストラット６．２’は、アンカー６．１に対してより安定的に装着される。スプリング６．３がスポークの形態で配置される配置されるため、ストラット６．２’の均一な回転が生じる。同じことが、結合デバイス７にも適用される。

本発明は、記載した実施形態に限定されない。特に、個々の実施形態からの変形や組合せは、特許請求の範囲内で可能である。

Claims (18)

1. ｘ−ｙ平面に沿って直線的に動く駆動要素（２，３，４）を有し、基板上に配置され、前記基板のヨーレートベクトルの少なくとも２つ、好ましくは３つの成分を測定するマイクロマシンセンサ（ＭＥＭＳ）（１）であって、
   本質的に相互に垂直な方向に駆動される前記駆動要素の２つのグループが存在し（２，３；４）、
   相互に垂直な方向に動く前記駆動要素（２，４；３，４）は、動きを同期させるために回転可能に前記基板上に配置された複数の結合デバイス（６，７）により相互に接続されていることを特徴とするマイクロマシンセンサ。
2. １つのグループの前記駆動要素（２，３）は相互に平行に動くことが可能であり、相互に平行に動く少なくとも２つの前記駆動要素（２，３）は、駆動方向に剛性を有する複数の結合デバイス（５）により接続されており、これにより前記２つの駆動要素（２，３）の駆動された動きを同期させることを特徴とする請求項１に記載のマイクロマシンセンサ。
3. 前記平行な動きを同期するための前記複数の結合デバイス（５）は等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロマシンセンサ。
4. 相互に垂直に発生する動きを同期するための前記複数の結合デバイス（６，７）は等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロマシンセンサ。
5. 相互に垂直に発生する動きを同期するための前記結合デバイス（６，７）は、アンカー（６．１，７．１）の周りを回転されることが可能なストラット（６．２，７．２）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロマシンセンサ。
6. 前記ストラット（６．２，７．２）はアーチ形であることを特徴とする請求項５に記載のマイクロマシンセンサ。
7. 前記ストラット（６．２，７．２）は、ｘ方向に駆動される前記駆動要素（２，３）と第１の端部領域で接続されており、ｙ方向に駆動される前記駆動要素（４）と第２端部領域で接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロマシンセンサ。
8. 前記ストラット（６．２’，７．２’）は、環状であることを特徴とする請求項５に記載のマイクロマシンセンサ。
9. スプリングデバイス（６．４、７．４）が、前記ストラット（６．２’，７．２’）と前記駆動要素（２，３，４）との間に設置されていることを特徴とする請求項８に記載のマイクロマシンセンサ。
10. 前記スプリングデバイス（６．４、７．４）は、駆動方向においては剛性を有し、駆動方向に対して垂直な方向には剛性を有さないように作用することを特徴とする請求項９に記載のマイクロマシンセンサ。
11. 前記駆動要素（２，３，４）は、各駆動方向ごとに部分要素（２．１，２．２；３．１，３．２；４．１，４．２）の組として構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のマイクロマシンセンサ。
12. 前記駆動要素（２）はｘ方向に駆動され、前記基板のｚ軸周りの回転移動の結果として生じるコリオリの力を記録するために全体があるいは部分的にｙ方向に変位され得るように、アンカー（２．５）により基板上に配置されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のマイクロマシンセンサ。
13. 前記駆動要素（３）はｘ方向に駆動され、前記基板のｙ軸周りの回転移動の結果として生じるコリオリの力を記録するために全体があるいは部分的にｙ軸周りに回転され得るように、アンカー（３．７）により基板上に配置されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のマイクロマシンセンサ。
14. 前記駆動要素（４）はｙ方向に駆動され、前記基板のｘ軸周りの回転移動の結果として生じるコリオリの力を記録するために全体があるいは部分的にｘ軸周りに回転され得るように、アンカー（４．７）により基板上に配置されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のマイクロマシンセンサ。
15. 駆動電極が前記駆動要素（２，３，４）に対して設置されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のマイクロマシンセンサ。
16. 前記駆動要素（２，３，４）は、大部分が矩形のレイアウトを有することを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載のマイクロマシンセンサ。
17. 前記駆動要素（２，３，４）は、反対に駆動される部分要素（２．１，２．２；３．１，３．２；４．１，４．２）を有することを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載のマイクロマシンセンサ。
18. 前記駆動要素（２，３，４）の少なくとも１つの前記部分要素（２．１，２．２；３．１，３．２；４．１，４．２）は、傾斜可能な形態で基板上に設置されたビーム（３．４，４．４）上に配置されていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載のマイクロマシンセンサ。

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