JP2018529972A - Ｍｅｍｓ回転数センサ - Google Patents

Abstract

本発明はＭＥＭＳ回転数センサであって、基体と、この基体に対して相対的な一次振動を行うように構成されている第１の一次質量と、この第１の一次質量に懸架部を介して結合され、第１の一次質量の一次運動が第１の二次質量の一次運動を励起し、そして第１の一次質量に対して相対的な第１の二次質量の二次運動が許容されるようになっている二次質量と、それぞれ前記基体上あるいは前記第１の一次質量上に配設されている第１の磁場発生素子および第１の磁気検知素子と、それぞれ、基体上または第１の一次質量上あるいは第１の二次質量上に配設されている第２の磁場発生素子および第２の磁気検知素子と、を備え、第１の磁気検知素子は、基体に対して相対的な第１の一次質量の一次運動を確定し、第２の磁気検知素子は、第１の一次質量に対して相対的な、第１の二次質量の二次運動を確定するために構成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ回転数センサ（ＭＥＭＳ＝Mikroelektromechanisches System）に関する。

ＭＥＭＳベースのセンサには、様々な種類の技術および測定原理がある。特に静電容量的な測定原理が一般的であり、この測定原理では、静電容量は、たとえば交互に噛み合ったフィンガー構造または埋設された電極面（複数）から形成されている。ここでこの静電容量の変化から質量構造の変位を決定することができる。静電容量センサはたとえば特許文献１または特許文献２に開示されている。

このようなセンサでは、質量構造の変位の検出用に、埋設された電極（複数）を利用することが一般的である。これらの埋設された電極は、適合した感度を保証するために、充分に大きな面積でなければならない。このためこのようなセンサの小型化の可能性には限界がある。

さらにＭＥＭＳ構造における寄生容量がこれらのセンサの振動特性および感度に悪い影響を与える。

米国特許第７６９４５６３Ｂ号明細書 欧州特許第０９０６５５７Ｂ２号明細書

したがって本発明の課題は、改善されたセンサを提示することである。この改善されたセンサは、特に良好な小型化も可能とするであろう。

これらの課題は本願請求項１に記載のＭＥＭＳ回転数センサによって解決される。

１つのＭＥＭＳ回転数センサが提示され、このＭＥＭＳ回転数センサは、１つの基体と、この基体に対して相対的な一次振動を行うように構成されている１つの第１の一次質量と、この第１の一次質量に１つの懸架部を介して結合されている１つの第１の二次質量とを備え、この第１の一次質量の一次運動はこの第１の二次質量の一次運動を励起し、そしてこの第１の一次質量に対して相対的なこの第１の二次質量の二次運動が許容されるようになっている。具体的には、上記のＭＥＭＳ回転数センサが回転を行い、そして上記の第１の一次質量の一次運動が上記の第１の二次質量に伝達される場合に、上記の第１の二次質量にコリオリ力によって上記の第１の二次運動が励起されるように、上記のＭＥＭＳ回転数センサは構成することができる。この第１の二次運動は、第１の一次運動に対して垂直になり得、そして測定される外部の回転の回転軸に対して垂直となり得る。好ましくは、上記の二次運動は、上記の一次質量にフィードバックされず、そしてこれに対応してこの一次質量の運動に影響を与えない。こうして上記の二次運動によって上記の励起の障害は全く生じないことになる。上記の二次運動の上記の一次質量へのフィードバックの回避は、これに適合したばねの構成によって達成することができる。

上記の二次運動は、具体的には振動であってよい。上記の第１の一次質量の一次運動および上記の第１の二次質量の一次運動は、同様に振動であってよい。

さらに上記のセンサは、１つの第１の磁場発生素子および１つの第１の磁気検知素子を備える。これらの素子の１つは、上記の基体上に配設されており、そしてこれらの素子の１つは、上記の第１の一次質量上に配設されており、ここで上記の第１の磁気検知素子は、上記の基体に対して相対的な上記の第１の一次質量の一次運動を確定するために構成されている。上記の第１の一次質量が上記の基体に対する一次運動を行うと、これより上記の第１の磁場発生素子は、上記の第１の磁気検知素子に対して相対的に運動する。以上により上記の第１の磁場発生素子によって発生される、上記の第１の磁気検知素子の場所での磁場の磁場強度および／または磁場方向は変化する。この変化は、上記の第１の磁気検知素子によって測定することができる。これからこれら２つの素子の互いに相対的な位置の推定、およびこれにより上記の第１の一次運動の推定を行うことができる。

さらに上記のセンサはさらなる磁場発生素子（複数）およびさらなる磁気検知素子（複数）を備えてよく、これらはそれぞれ上記の基体上かまたは上記の第１の一次質量上に配設されていてよい。これらの素子も上述の原理に従って、上記の基体に対する上記の第１の一次質量の相対的な位置を測定することができ、そしてこれによって上記の第１の一次運動を測定することができる。複数の素子の使用によって、測定データにおける曖昧さを排除することができる。

さらに上記のＭＥＭＳ回転センサは、１つの第２の磁場発生素子および１つの第２の磁気検知素子を備え、これらの内１つが上記の基体または上記の第１の一次質量上に配設されており、そしてもう１つが上記の第１の二次質量上に配設されており、ここでこの第２の磁気検知素子は、上記の第１の一次質量に対して相対的な、あるいは上記の基体に対して相対的な、上記の第１の二次質量の二次運動を確定するために構成されている。この際上述の測定原理を利用することができる。具体的には上記の第２の磁気検知素子は、その場所における上記の第２の磁場発生素子によって発生された磁場の磁場強度および／または磁場方向における変化を測定することができ、そしてこれから上記の第１の一次質量に対する上記の第１の二次質量の相対的な位置、または上記の基体に対する上記の第１の二次質量の相対的な位置の推定を得ることができ、そしてこれによって上記の二次運動の推定を得ることができる。

さらに、測定結果における曖昧さを排除することができるように、さらなる磁場発生素子およびさらなる磁気検知素子が、上記の基体，上記の第１の一次質量，および上記の第１の二次質量上に配設されていてよく、これらを用いて上記の第１の一次質量に対して相対的な、あるいは上記の基体に対して相対的な、上記の二次質量の位置が確定される。

こうして本発明は、質量構造の変位、具体的にはＺ方向における変位を検出するための静電容量センサに必要な大面積の電極を置換することを可能とする。この電極の代わりに、ここで磁気検知素子（複数）および磁場発生素子（複数）が使用され、これらは顕著に小さな空間的な大きさを備え、そしてこれにより、ＭＥＭＳ回転センサのさらなる小型化が可能となる。さらに加えて、これらの磁場発生素子およびこれらの磁気検知素子を用いた測定は、静電容量センサの他の上述した欠点、たとえば寄生容量の悪影響をも取り除くことを可能とする。

これらの磁場発生素子は、具体的には磁性薄膜パターンを備えてよい。さらにこれらの磁場発生素子は、磁場発生のための磁気双極子パターン（複数）を備えてよい。これらの磁気双極子パターンは、上記の薄膜パターンに対して平行または垂直に配設されていてよい。

代替として、上記の磁場発生素子（複数）は、磁性厚膜パターン（複数）を備えてよい。さらにこれらの磁場発生素子は、磁場発生のための磁気双極子パターン（複数）を備えてよい。これらの磁気双極子パターンは、上記の厚膜パターンに対して平行または垂直に配設されていてよい。

上記の磁気検知素子（複数）は、具体的には磁気抵抗ＸＭＲ構造であってよく、たとえばＡＭＲ素子（ＡＭＲ＝anisotropic magnetoresistive），ＧＭＲ素子（ＧＭＲ＝giant magnetoresistive），またはＴＭＲ素子（ＴＭＲ＝tunneling magnetoresistive）であってよい。

本願に記載する回転数センサでは、一次運動および二次運動が互いにデカップリングされており、ここでこれらの運動は一次質量あるいは二次質量によって行われる。これにより、測定精度を高めることができる。この一次運動における外乱、たとえばセンサの直線加速度または振動は、この二次運動にも影響する。このような外乱の影響は、これら２つの運動を互いに独立に測定することによって低減することができる。これはばねの適切なスケーリングによって達成することができる。本発明によるＭＥＭＳ回転数センサは、たとえば上記の第１の一次質量が１つの空間方向における自由度のみを備え、そして上記の第１の二次質量が２つの空間方向において変位することができるように構成することができ、ここでこの２つの空間方向は、上記の一次振動の方向および上記の二次振動の方向であり、この二次振動はコリオリ力によって生じるものである。

上記の一次運動も、また上記の二次運動も、磁場発生素子（複数）および磁気検知素子（複数）を用いて測定され、これらは、上記の基体，上記の第１の一次質量，および上記の第１の二次質量上に配設されており、ここでこれらの磁気検知素子（複数）は、それぞれこれらの磁場発生素子によって発生された磁場の磁場方向および／または磁場強度を測定することができる。

さらに、本発明による回転数センサは、１つの第２の一次質量を備えてよく、この第２の一次質量は、上記の基体に対して相対的な一次振動を行うように構成されており、そしてもう１つの懸架部を介して結合されている１つの第２の二次質量を備えてよく、この第２の一次質量の一次振動がこの第２の二次質量の一次運動を励起し、そしてこの第２の一次質量に対して相対的なこの第２の二次質量の二次運動が許容されるようになっている。

ここで上記の第１の一次質量および上記の第２の一次質量に、それぞれ振動を励起することができ、これらの振動は互いに約１８０°位相シフトされている。このようにして、たとえば加速度等の外乱を補償することができる。

さらに本発明によるセンサは、１つの第３の磁場発生素子および１つの第３の磁気検知素子を備えてよく、これらの内の１つは上記の基体上に配設されており、そしてもう１つは上記の第２の一次質量上に配設されており、ここでこの第３の磁気検知素子は、この基体に対して相対的なこの第２の一次質量の一次運動を確定するために構成されている。さらにこのセンサは、１つの第４の磁場発生素子および１つの第４の磁気検知素子を備えてよく、これらの内の１つが上記の基体上または上記の第２の一次質量上に配設されており、そしてもう１つが上記の第２の二次質量上に配設されており、ここでこの第４の磁気検知素子は、この第２の二次質量に対して、あるいはこの基体に対して相対的なこの第２の二次質量の二次運動を確定するために構成されている。

上記の第２の一次質量の一次運動および上記の第２の二次質量の二次運動は、こうして同様に磁気検知素子（複数）および磁場発生素子（複数）を用いて測定することができる。１つの第２の一次質量および１つの第２の二次質量によって、本発明によるセンサの測定精度を全体として高めることができる。さらにこのようにして外乱を補償することができる。

上記の第２の一次質量は、上記の基体に対して相対的な一次振動を行うように構成されていてよく、この一次振動は上記の第１の一次質量の一次振動に対し逆相となっている。特に、これらの第１および第２の一次質量では振動を互いに逆相に励起することができる。これらの２つの一次質量での振動の逆相の励起によって、本発明によるセンサは外乱に対しそれほど弱くならない。

上記の第１の一次質量および上記の第２の一次質量は、カップリングばね（複数）を介して互いに結合されていてよい。上記の第１の二次質量および上記の第２の二次質量は、カップリングばね（複数）を介して互いに結合されていてよい。カップリングばねを使用することによって、上記の逆相の振動を互いにより良好に同期することを可能とし、そしてこれによって測定精度を高めることを可能とする。

上記の第１の一次質量は、１つの捻り振動子であってよく、ここで上記の第１の一次質量の一次運動は捻り振動である。

上記の第１の二次質量の一次運動は、上記の第１の一次質量の一次運動と同じ方向において行われ得る。代替として、この第１の二次質量の一次運動は、上記の第１の一次質量の一次運動に対して垂直に行われ得る。この一次運動およびこの二次運動の方向を適宜選択することによって、上記のセンサが回転され得る軸を固定することができ、そしてこれに対応してこの軸の回りの回転数を測定することができる。ここでこのセンサは常に、上記の二次質量の一次運動の方向に対して垂直でありかつ上記の二次質量の二次運動の方向に対して垂直である１つの軸の回りの回転を確定するように構成することができる。

上記の第１の磁気検知素子および／または上記の第２の磁気検知素子は、変位していない状態の上記の第１の一次質量が延在する１つのレベル面から外れて配設されていてよい。具体的には、この第１の磁気検知素子および／またはこの第２の磁気検知素子は、上記の第１の一次質量を覆って配設されている１つの蓋に固定されていてよい。これに対応してこれらの磁気検知素子は、上記の第１の一次質量の上方に配設されていてよい。具体的には、これらの磁気検知素子は、上記の第１の一次質量の変位していない状態で上記の磁場発生素子の直上に在るように配設されていてよい。この配置は、上記の磁気検知素子（複数）および上記の磁場発生素子が上下に重なってじわじわ進んでゆく方向における上記の一次質量の運動に対するとりわけ高い感度を可能とする。この方向はｚ方向であり得る。

さらに上記の第３の磁気検知素子および／または上記の第４の磁気検知素子は、変位していない状態の上記の第１の二次質量が延在する１つのレベル面から外れて配設されていてよい。具体的には、この第３の磁気検知素子および／またはこの第４の磁気検知素子は、上記の第１の二次質量を覆って配設されている１つの蓋に固定されていてよい。これに対応してこれらの磁気検知素子は、上記の第１の二次質量の上方に配設されていてよい。具体的には、これらの磁気検知素子は、上記の第１の二次質量の変位していない状態で上記の磁場発生素子の直上に在るように配設されていてよい。この配置は、上記の磁気検知素子（複数）および上記の磁場発生素子（複数）が上下に重なってじわじわ進んでゆく方向における上記の二次質量の運動に対するとりわけ高い感度を可能とする。この方向はｚ方向であってよい。

上記の基体は、１つの蓋および１つの基板を備えてよく、ここで上記の第１の一次質量および上記の第１の二次質量はこの蓋とこの基板との間にカプセル封止されている。少なくとも１つの磁気検知素子は、この蓋の内面に配設されていてよい。たとえば上記の第１の磁気検知素子および／または上記の第２の磁気検知素子および／または上記の第３の磁気検知素子および／または上記の第４の磁気検知素子は、この蓋の内面に配設されていてよい。

本発明によるセンサは、さらなる磁気検知素子（複数）および磁場発生素子（複数）を備えてよく、ここで上記のＭＥＭＳ回転数センサは、複数の軸の回りの回転数の測定を可能とする。具体的には、本発明によるセンサは、３次元空間のどの軸の回りの回転数も測定するように構成することができる。この際このセンサは、たとえば、３つの空間方向のどれにおいても二次質量の運動を測定することができる。

以下では、図を参照して、本発明を詳細に説明する。

１つの第１の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つの第２の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つの第３の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つの第４の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つの第５の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つの第６の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つの第７の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つの第８の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つの第９の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つの第９の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つの第９の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つの第１０の実施形態例による、１つのＭＥＭＳ回転数センサを示す。 １つのセンサの断面を示す。

図１は、１つのＭＥＭＳ回転センサ１を示す。以下では図１およびそのほかの図に示された直交座標系に基づいて方向が規定されるものとする。図１に示すＭＥＭＳ回転数センサ１は、ｚ軸の回りの回転数の測定用に構成されている。

このＭＥＭＳ回転数センサ１は、１つの基体２を備える。基体２として１つの筐体が示されているが、この筐体は振動で移動されない。この基体２は、１つの基板および１つの蓋（図１には不図示）を備える。

さらにこのＭＥＭＳ回転数センサ１は、１つの第１の一次質量３を備える。この第１の一次質量は、一次ばね（複数）４を介して基体２に結合されている。具体的には、この第１の一次質量３は、４つの一次ばね４を介して基体２に結合されており、これらの一次ばねは、それぞれ第１の一次質量３の１つの隅部に配設されている。これらの一次ばね４は、ｚ方向およびｙ方向で１つの平面状の拡がりを有する。ｘ方向においては、これらの一次ばね４は、ｙ方向およびｚ方向における拡がりよりも顕著に小さな拡がりを有する。これに対応して、これらの一次ばね４は、好適に、基体２に対して相対的な、ｘ方向における第１の一次質量３の運動を可能とする。これに対してｙ方向およびｚ方向においては、これらの一次ばね４は堅く、この基体２に対する相対的な、ｙ方向およびｚ方向における第１の一次質量３の運動を殆ど全く許容しない。

さらに基体２と第１の一次質量３との間には、１つの駆動素子５が配設されており、この一次質量３に一次運動を励起できるようになっている。この駆動素子５は、コンデンサである。このコンデンサは、互いに重なり合ったフィンガー（複数）を備え、これらは交互に、基体２にも、また第１の一次質量３にも形成されており、そしてこれらはそれぞれ励起電極となっている。ここでこれらの励起電極に交流電圧が印加されると、これにより第１の一次質量３に一次運動が励起される。この一次運動は、ｚ方向における振動である。

さらにこのＭＥＭＳ回転数センサ１は、１つの第１の二次質量６を備える。この第１の二次質量６は、１つの懸架部７を介して第１の一次質量３に結合されている。この懸架部７は、二次ばね（複数）を備え、これらは、ｚ方向およびｙ方向で１つの平面状の拡がりを有する。ｙ方向においては、これらの二次ばねは、ｘ方向およびｚ方向における寸法よりも小さな寸法を備える。これに対応してこの懸架部７は、第１の二次質量６が第１の一次質量３に対してｙ方向において相対的に運動することができ、そしてこの第１の二次質量６がこの第１の一次質量３に対してｚ方向において相対的に殆ど運動できないように構成されている。

懸架部７は、基体２に対して相対的な上記の第１の一次質量３の一次運動が、基体２に対して相対的な上記の第１の二次質量６の一次運動に伝達されるように構成されている。この第１の二次質量６の一次運動も同様に、基体２に対して相対的な、ｙ方向における振動である。

追加的に、この懸架部７は、この第１の一次質量３に対して相対的なこの第１の二次質量６の二次運動を可能とする。この二次運動は、第１の一次質量３に対して相対的な、ｙ方向における振動である。ここでＭＥＭＳ回転数センサ１が、ｚ軸の回りに回転され、そしてさらに第１の一次質量３に一次運動、すなわち基体２に対して相対的な、ｘ方向における振動が励起されると、これにより第１の二次質量６はコリオリ力を感じ、このコリオリ力はこの第１の二次質量６に、ｙ方向における振動を励起する。このＭＥＭＳ回転数センサ１の測定原理は、この第１の二次質量６の二次運動を測定し、これからｚ軸の回りの回転数を確定することに基づいている。

上記のＭＥＭＳ回転センサ１では、第１の一次質量３の一次運動および第１の二次質量６の二次運動が互いに独立に測定される。この第１の一次質量３の一次運動およびこの第１の二次質量６の二次運動の測定のために、このＭＥＭＳ回転数センサ１は磁場発生素子（複数）および磁気検知素子（複数）を用いている。

これらの磁場発生素子は、それぞれ１つの磁場を発生し、その磁場強度および磁場方向は正確に知られている。これらの磁場発生素子は、磁気双極子構造であってよい。

これらの磁場発生素子によって発生された磁場を測定するために、上記のＭＥＭＳ回転数センサ１は、上記の磁気検知素子（複数）を備えている。これらの磁気検知素子は、ｘＭＲ磁気抵抗構造であってよい。これらの磁気検知素子は、１つの磁場発生素子への距離を検出することを可能とする。これらの磁気検知素子の測定値（複数）から、１つの磁場発生素子に対して相対的な、１つの磁気検知素子の位置を確定することもできる。

具体的には上記のＭＥＭＳ回転数センサ１は、１つの第１の磁気検知素子８を備え、この磁気検知素子は基体２上に配設されている。さらに、１つの磁場発生素子９が、第１の一次質量３上に配設されている。ここで第１の一次質量３が、基体２に対して相対的な一次運動を行うと、これより第１の磁気検知素子８は、第１の磁場発生素子９によって発生される磁場の磁場方向および／または磁場強度の変化を検出することができる。これからこの一次運動を測定することができる。精度をさらに高めるために、上記のＭＥＭＳ回転数センサ１は、もう１つの第１の磁気検知素子８’を基体２上に備え、そしてもう１つの第１の磁場発生素子９’を第１の一次質量３上に備える。「第１の」素子とは、ここでは一次運動の測定を可能とする素子を意味している。基体上の複数の第１の磁気検知素子８，８’および第１の一次質量上の複数の磁場発生素子９，９’の使用によって、測定結果における曖昧さを排除することができる。

第１の一次質量３の一次運動の測定とは独立に、第１の二次質量６の二次運動が測定される。この二次運動の測定も、磁気的な原理に基づいており、ここでは１つの磁気検知素子１０が、１つの磁場発生素子１１によって発生された磁場の磁場強度および／または磁場方向における変化を測定する。

このため１つの第２の磁場発生素子１１が、第１の二次質量６上に配設されている。１つの第２の磁気検知素子１０が、第１の一次質量３上に配設されている。この第１の二次質量６が、第１の一次質量３に対して相対的な二次運動、すなわちｙ方向における振動を行うと、これより第２の磁場発生素子１１が第２の磁場発生素子１０に対して相対的に動かされる。この第２の磁気検知素子１０は、第２の磁場発生素子１１によって発生された磁場の磁場強度および／または磁場方向の変化を検知し、そしてこれから第１の一次質量３に対して相対的な、第１の二次質量６の二次運動を確定する。具体的には、この第２の磁気検知素子１０は、磁場方向における変化を確定し、その初期位置からどのような角度だけこの第２の磁場発生素子１１が動かされたかを確定する。

さらにもう１つの第２の磁場発生素子１０’が基体２上に配設されており、そしてもう１つの第２の磁気検知素子１１’が第１の二次質量６上に配設されており、これらは基体２に対する第１の二次質量６の相対運動を確定することができる。具体的には、このもう１つの第２の磁気検知素子１０’およびこのもう１つの第２の磁場発生素子１１’を用いて、ｙ方向における基体２に対する第１の二次質量６の距離を確定することができる。

上記の磁気検知素子１０，１０’によって得られた測定値から、第１の二次質量６の二次運動を測定することができる。具体的には、この二次運動の周波数が測定されてよく、これはｚ軸の回りのＭＥＭＳ回転数センサ１の回転数を確定することを可能とする。さらに第１の一次質量３の一次運動が測定され、この一次運動における外乱を検知し、これによってこの外乱を考慮することができる。この外乱は、上記の二次運動に影響し、そしてこれより測定精度に影響をもたらし得る。

図２は、本発明によるＭＥＭＳ回転数センサ１の第２の実施形態例を示す。この第２の実施形態例によるＭＥＭＳ回転数センサ１は、ｙ軸の回りの回転数の確定用に構成されている。

この第２の実施形態例は、懸架部７の二次ばね（複数）の構成が、第１の実施形態例と異なっている。これらの二次ばねは、第１の一次質量３に対して相対的な、ｚ方向における第１の二次質量６の運動を可能とする。これらの二次ばねはｘ方向およびｙ方向において、平面状に実装されており、これらはｚ方向において大幅に小さな寸法を備えている。これに対応して、この第２の実施形態例による第１の二次質量６は、二次運動として、ｚ方向における振動を行うことができる。この二次質量にはコリオリ力によって二次振動が励起されるが、これはＭＥＭＳ回転数センサ１が、ｙ軸の回りに回転し、そして第１の一次質量３が、ｚ方向に振動を行い、この振動がこの第２の二次質量６に伝達される場合である。

図１に示す実施形態例でも、また図２に示す実施形態例でも、磁気検知素子８，８’，１０，１０’の内の少なくとも幾つかは、１つの代替の構成においては上記の蓋上に配設することができる。これに対応して、これらの磁気検知素子８，８’，１０，１０’は、磁場発生素子９，９’，１１，１１’が存在する１つのレベル面の上方の１つのレベル面に配設され得るが、これは第１の一次質量および第１の二次質量が、これらのそれぞれの初期位置にある場合であり、すなわちこれらが一次運動および／または二次運動を全く行わない場合である。

磁気検知素子８，８’，１０，１０’は、第１の一次質量３および第１の二次質量６が延在している１つのレベル面から外れて存在していてよい。第１の磁気検知素子８は、第１の一次質量３がその初期位置にある場合、この磁気検知素子が第１の磁場発生素子９の直上に存在するように、上記の蓋上に配設されてよい。他の第１の磁気検知素子８’および他の第１の磁場発生素子９’に対しても同様になっている。さらに第２の磁気検知素子１０は、第１の二次質量６がその初期位置にある場合、この磁気検知素子が第２の磁場発生素子１１の直上に存在するように、上記の蓋上に配設され得る。他の第２の磁気検知素子１０’および他の第２の磁場発生素子１１’に対しても同様になっている。

図３は、本発明によるＭＥＭＳ回転数センサ１の１つの第３の実施形態例を示す。このＭＥＭＳ回転数センサ１は、ｚ軸の回りの回転数の検出用に構成されている。

この第３の実施形態例によれば、このセンサ１は、１つの第２の一次質量１２および１つの第２の二次質量１３を備える。この第２の一次質量１２には、もう１つの駆動素子５’によって一次運動を励起することができる。第１の一次質量３および第２の一次質量１２の一次運動は、それぞれ同じ方向における振動であり、ここではｘ方向における振動である。第２の一次質量１２は、この第２の一次質量１２の一次運動が上記の第１の一次質量３の一次運動に対して逆相となるように励起することができる。ここでばね（複数）４のスケーリングは、この逆相の動きを支持する。

上記の第１および第２の一次質量３，１２の一次運動ならびに上記の第１および第２の二次質量６，１３の二次運動の検出用に、磁気検知素子８，１０，１０’，１５，１７および磁場発生素子９，１１，１１’，１４，１６が設けられている。

具体的には、２つの一次質量３，１２上の磁場発生素子９，１４、および基体２上の磁気検知素子８，１５は、この基体２に対して相対的な上記の２つの一次運動の検出用に設けられている。たとえば第２の一次質量１２上には、１つの第３の磁場発生素子１４が設けられており、そして基体２上には１つの第３の磁気検知素子１５が設けられている。

さらに、磁場発生素子１１，１１’，１６が二次質量６，１３上に配設されている。さらに磁気検知素子１０，１０’，１５，１７が一次質量３，１２上および基体２上に配設されており、これらは、二次質量６，１３上の磁場発生素子１１，１１’の位置変化を参照して、この二次質量６，１３の相対運動を検知する。たとえばこの第２の二次質量１３上には、１つの第４の磁場発生素子１６が配設されており、そしてこの第２の一次質量１２上には１つの第４の磁場発生素子１７が配設されている。これらのさらなる素子によって、たとえば外乱またはあまりきちんとしていない製造プロセスによって生じ得る、傾きおよび／または捻れを検出することができる。その他これらのさらなる素子によって、３つの空間方向の１つまたは複数の方向における変位の検出および／または位置の検出の精度を高めることができる。

上記の第３の実施形態例の１つの代替の構成によれば、磁気検知素子８，１０，１０’、１５，１７の内の少なくとも幾つかは、上記の蓋に、それぞれ垂直方向で磁場発生素子９，１１，１１’，１４，１６の上方に配設されていてよい。

上記の第２の一次質量１２および上記の第２の二次質量１３によって、MEMS回転数センサ１の測定精度を高めることができる。さらにこのセンサ１は、外乱に対しそれほど弱くならない。これは上記の２つの一次質量３，１２の逆相の励起によってさらに改善することができる。

図４は、ＭＥＭＳ回転数センサ１のもう１つの実施形態例を示し、ここではこのセンサ１は同様に、１つの第２の一次質量１２および１つの第２の二次質量１３を備える。図４に示すＭＥＭＳ回転数センサ１は、ｚ軸の回りの回転数の確定用に構成されている。上記の第１および第２の一次質量３，１２の一次運動ならびに上記の第１および第２の二次質量６，１３の二次運動の検出用に、磁気検知素子８，１０，１０’，１５，１７および磁場発生素子９，１１，１１’，１４，１６が設けられている。

この第３の実施形態例では、第１の一次質量３が第２の二次質量１２にカップリングばね１８を介して結合されている。これらのカップリングばね１８は、第２の一次質量１２に対して相対的な、ｘ方向における第２の一次質量３の運動を可能とする。さらに第２の二次質量１３も第１の二次質量６にカップリングばね１８を介して結合されており、これはこの第２の二次質量１３に対して相対的な、ｘ方向における第１の二次質量６の運動を可能とする。

一次質量３，１２と二次質量６，１３との間のこれらのカップリングばね１８は、第１および第２の一次質量３，１２の逆相の振動をより正確に同期することを可能とする。このようにして、測定精度を高めることができる。

二次質量６および１３は、ｙ方向においても互いに逆相の振動を行うことができる。この場合これら２つの二次質量６，１３を結合するカップリングばね１８は、このばねがｙ方向におけるこの互いに逆相の振動を可能とするように構成されていることになる。

図５は、本発明によるＭＥＭＳ回転数センサ１の１つの第５の実施形態例を示す。この第５の実施形態例でも、この回転数センサ１は、１つの第２の一次質量１２および１つの第２の二次質量１３を備える。第１および第２の一次質量３，１２の一次運動ならびに第１および第２の二次質量６，１３の二次運動の検出用に、磁気検知素子８，１０，１５，１７および磁場発生素子９，１１，１４，１６が設けられている。

第１の二次質量６は、第１の一次質量３にも、また第２の一次質量１２にも、１つの懸架部７を介して結合されている。第２の二次質量１３は、第１の一次質量３にも、また第２の一次質量１２にも、１つの懸架部７を介して結合されている。ここでこれら２つの懸架部７はそれぞれ、ｘ方向における一次質量３，１２の一次運動が、向きを変えてｙ方向、すなわち一次質量３，１２の一次運動の方向に対して垂直な方向、における二次質量６，１３の一次運動となるように構成されている。第１および第２の一次質量３，１２に、好適にｘ方向において逆相の振動が励起される。こうして２つの二次質量６，１３には、ｙ方向において逆相の振動が励起される。

図６は、本発明によるＭＥＭＳ回転数センサ１の１つの第６の実施形態例を示す。この第６の実施形態例によれば、第１の一次質量３は、１つの捻り振動子である。この第１の一次質量は、１つの一次ばね４を介して基体２に結合されている。この一次ばね４は、ｚ方向で平面状になっている。第１の一次質量３には、一次運動を励起することができ、この一次運動ではこの第１の一次質量はｚ軸の回りの捻り振動を行う。これに対応してこの第１の一次質量はｘ−ｙ面内で振動する。

このＭＥＭＳ回転数センサ１は、駆動素子５を備え、この駆動素子は、第１の一次質量３に一次振動を励起することができる。この駆動素子５は、互いに重なり合ったフィンガー（複数）を有するコンデンサ（複数）を備え、これらは基体に、そして第１の一次質量３に、交互に形成されており、そしてこれらはそれぞれ励起電極となっている。ここでこれらの励起電極に交流電圧が印加されると、これより一次質量に一次運動、すなわちｘ−ｙ面における捻り振動が励起される。

第１の一次質量３は、４つのアームおよび１つの環状体を備え、ここでこれらのアームはこの環状体から内側に向かって延在している。これらのアームは、一次ばね４に結合されている。

さらに１つの環状の第１の二次質量６が設けられており、この第１の二次質量は、１つの懸架部７を介して第１の質量３に結合されている。この懸架部７は二次ばね（複数）であり、これらの二次ばねは、ｘ方向およびｙ方向において平面状に実装されており、ｚ方向においてより小さな寸法を備える。これらの二次ばねは、一次運動、すなわち上記の捻り振動の第１の二次質量６への伝達用に構成されている。さらにこれらの二次ばねは、第１の二次質量６が、ｚ方向において、第１の一次質量３に対して相対的に傾斜することを可能とする。これに対応してこの第１の二次質量６は、二次運動として、この第１の一次質量３に対して相対的な、ｚ方向における振動を行うことができる。

このセンサ１は、ｙ軸の回りの回転数の測定用に構成されている。第１の一次質量３に上述の一次運動が励起されると、この一次運動は第１の二次質量６に伝達され、そしてこのセンサ１はｙ軸の回りに回転され、こうしてこの第１の二次質量６に、コリオリ力によって二次運動が励起され、すなわちｚ方向における振動が励起される。

このＭＥＭＳ回転数センサ１は、それぞれ対応する磁場発生素子９，１１および磁気検知素子８，１０を備え、これらは上述の実施形態例におけるように、第１の一次質量３の一次運動および第１の二次質量６の二次運動を測定することを可能とする。これらの磁気検知素子８，１０は、基体上に配設されている。これらの磁場発生素子９，１１は、第１の一次質量３上および第１の二次質量６上に配設されている。

図７は、本発明によるＭＥＭＳ回転数センサ１の１つの第７の実施形態例を示す。ここでも第１の一次質量３は、捻り振動子として構成されている。

この第７の実施形態例によるＭＥＭＳ回転数センサ１は、ＭＥＭＳ回転数センサ１が４つの二次質量６，１３，６’，１３’を備えることが上記の第６の実施形態例と異なっており、これらの二次質量はそれぞれ１つの懸架部７を介して、第１の一次質量３にカップリングされている。この懸架部７はｚ方向にのみ重要な大きさを備える。他の空間方向においては、この懸架部７は、長く薄いウェブとして形成されている。２つの二次質量６，６’は、これらが二次運動として、第１の一次質量３に対して相対的な、ｚ方向における振動を行うことができるように、二次ばね（複数）を介して一次質量３に結合されている。上記の第６の実施形態例におけるように、この二次運動の測定によって、ｙ軸の回りの回転数を確定することができる。

さらに、さらなる２つの二次質量１３，１３’が、これらが二次運動として、第１の一次質量３に対して相対的な、ｙ方向における振動を行うことができるように、二次ばね（複数）を介して一次質量３に結合されている。この二次運動の測定によって、ｘ軸の回りの回転数を確定することができる。以上によりこの第７の実施形態例によるＭＥＭＳ回転数センサ１は、２つの軸の回りの回転数を測定することを可能とする。

４つの二次質量６，６’，１３，１３’の各々の上には、そして第１の一次質量３上には、それぞれ少なくとも１つの磁場発生素子９，１１が配設されている。さらに基体上には磁気検知素子８，１０が配設されており、これらは磁場発生素子９，１１によって発生された磁場の磁場方向および／または磁場強度を測定し、そしてこれから上記の二次運動および上記の一次運動を確定する。

図８は、本発明によるＭＥＭＳ回転数センサ１の１つの第８の実施形態例を示す。この第８の実施形態例によれば、このセンサ１は、４つの二次質量６，６’，１３，１３’を備え、これらは対となって逆相で振動し、ｚ軸およびｙ軸の回りの回転数の検出用に適合している。ここでは懸架部７は、ばねビーム（複数）として実装されており、ここでこれらのばねビームは、ｚ方向に作用する力によって変位可能となっている。これに対し、ｚ方向またはｙ方向における力に対しては、これらのばねビームは堅く、そしてほとんど曲がらない。

図９Ａ，９Ｂ，９Ｃは、１つの第９の実施形態例による、ＭＥＭＳ回転数センサ１を示す。図９Ａは、このセンサの上面図を示す。図９Ｂおよび図９Ｃはそれぞれ、このセンサの一部を断面で示す。ここで図９Ａは、このセンサの変位していない状態を示す。図９Ｃは、このセンサの変位している状態を示す。

このセンサ１は、１つの１軸の回転ジャイロ構造である。このセンサ１は、１つの第１の一次質量３、およびこれに加えて可動に懸架された二次質量６，１３を備える。この第１の一次質量３には、１つの駆動素子５によって一次運動を励起することができ、この一次運動は、ｘ-ｙ面における捻り振動である。これらの二次質量６，１３の懸架部７は、これらの二次質量が二次運動としてｚ方向における振動を行うことを可能とする。このようにして回転数を確定することができる。

磁気検知素子１０，１５は、蓋１９に配設されている。磁場発生素子１１，１４は、二次質量６，１３上に配設されている。

図１０は、１つの第１０の実施形態例を示し、この第１０の実施形態例は、さらなる二次質量６’，１３’が設けられていることが、上記の第９の実施形態例と異なっている。ここで二次質量６，６’，１３，１３’は、少なくとも１つの二次質量が、二次運動として１つの第１の方向における振動を行い、少なくとももう１つの二次質量が、二次運動としてこの第１の方向に対して垂直な第２の方向における振動を行うように、懸架されている。このようにしてこのセンサ１を用いて、複数の軸の回りの回転数を同時に確定することができる。磁場発生素子１１および磁気検知素子１０は、上記の第９の実施形態におけるように、二次質量６，６’，１３，１３’上、あるいはこのセンサ１の蓋１９に設けられている。

図１１は、センサ１の１つの断面を示し、このセンサでは、１つの磁場発生素子９が１つの可動な質量２０上に設けられており、そして１つの磁気検知素子８が蓋１９の内面に設けられている。１つのストッパ（Anschlag）２１が、この可動な質量２０の運動を制限するために設けられている。この可動な質量２０は、１つの一次質量または１つの二次質量であってよい。

１ ： ＭＥＭＳ回転数センサ
２ ： 基体
３ ： 第１の一次質量
４ ： 一次ばね
５ ： 駆動素子
５’： さらなる駆動素子
６，６’： 第１の二次質量
７ ： 懸架部
８ ： 第１の磁気検知素子
８’： さらなる第１の磁気検知素子
９ ： 第１の磁場発生素子
９’： さらなる第１の磁場発生素子
１０ ： 第２の磁気検知素子
１０’： さらなる第２の磁気検知素子
１１ ： 第２の磁場発生素子
１１’： さらなる第２の磁場発生素子
１２ ： 第２の一次質量
１３，１３’： 第２の二次質量
１４ ： 第３の磁場発生素子
１５ ： 第３の磁気検知素子
１６ ： 第４の磁場発生素子
１７ ： 第４の磁気検知素子
１８ ： カップリングばね
１９ ： 蓋
２０ ： 質量
２１ ： ストッパ

Claims (12)

1. ＭＥＭＳ回転数センサ（１）であって、
   １つの基体（２）と、
   前記基体（２）に対して相対的な一次振動を行うように構成されている１つの第１の一次質量（３）と、
   前記第１の一次質量（３）に１つの懸架部（７）を介して結合されている１つの第１の二次質量（６）であって、前記第１の一次質量（３）の一次運動が当該第１の二次質量（６）の一次運動を励起し、そして前記第１の一次質量（３）に対して相対的な当該第１の二次質量（３）の二次運動が許容されるようになっている二次質量（６）と、
   １つの第１の磁場発生素子（９）および１つの第１の磁気検知素子（８）であって、当該第１の磁場発生素子および当該第１の磁気検知素子の内の１つが前記基体（２）上に配設されており、そしてもう１つが前記第１の一次質量（３）上に配設されており、前記第１の磁気検知素子（８）は、前記基体（２）に対して相対的な前記第１の一次質量（３）の一次運動を確定するために構成されている、第１の磁場発生素子（９）および第１の磁気検知素子（８）と、
   １つの第２の磁場発生素子（１１）および１つの第２の磁気検知素子（１０）であって、当該第２の磁場発生素子および当該第２の磁気検知素子の内の１つが前記基体（２）上または前記第１の一次質量（３）上に配設されており、そしてもう１つが前記第１の二次質量（６）上に配設されており、前記第２の磁気検知素子（１０）が、前記第１の一次質量（３）に対して相対的な、あるいは前記基体（２）に対して相対的な、前記第１の二次質量（６）の二次運動を確定するために構成されている、第２の磁場発生素子（１１）および第２の磁気検知素子（１０）と、
   を備えることを特徴とするＭＥＭＳ回転数センサ。
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳ回転数センサにおいて、
   さらに、
   前記基体（２）に対して相対的な一次振動を行うように構成されている、１つの第２の一次質量（１２）と、
   １つの第２の二次質量（１３）であって、前記第２の一次質量（１２）の前記一次振動が、前記第２の二次質量（１３）の一次振動を励起し、そして前記第２の一次質量（１２）に対して相対的な前記第２の二次質量（１３）の二次運動を許容するように、もう１つの懸架部（７）を介して前記第２の一次質量（１２）に結合されている、第２の二次質量（１３）と、
   １つの第３の磁場発生素子（１４）および１つの第３の磁気検知素子（１５）であって、当該第３の磁場発生素子および当該第３の磁気検知素子の内の１つが、前記基体（２）上に配設されており、そしてもう１つが前記第２の一次質量（１２）上に配設されており、当該第３の磁気検知素子（１５）は、前記基体（２）に対して相対的な前記第２の一次質量（１２）の一次運動を確定するために構成されている、第３の磁場発生素子（１４）および第３の磁気検知素子（１５）と、
   １つの第４の磁場発生素子（１６）および１つの第４の磁気検知素子（１７）であって、当該第４の磁場発生素子および当該第４の磁気検知素子の内の１つは前記基体（２）上または前記第２の一次質量（１２）上に配設されており、そしてもう１つは前記第２の二次質量（１３）上に配設されており、当該第４の磁気検知素子（１７）は、前記第２の二次質量（１２）に対して相対的な前記第２の二次質量（１３）の二次運動を確定するために構成されている、第４の磁場発生素子および第４の磁気検知素子と、
   を備えることを特徴とするＭＥＭＳ回転数センサ。
3. 前記第２の一次質量（１２）は、前記基体（２）に対して相対的な一次振動を行うように構成されており、当該一次振動は前記第１の一次質量の一次振動に対し逆相となっていることを特徴とする、請求項２に記載のＭＥＭＳ回転数センサ。
4. 前記第１の一次質量（３）および前記第２の一次質量（１２）は、複数のカップリングばね（１８）を介して互いに結合されていることを特徴とする、請求項２または３に記載のＭＥＭＳ回転数センサ。
5. 前記第１の二次質量（６）および前記第２の二次質量（１３）は、複数のカップリングばね（１８）を介して互いに結合されていることを特徴とする、請求項２乃至４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ回転数センサ。
6. 前記第１の一次質量（３）は、１つの捻り振動子であり、前記第１の一次質量（３）の一次運動は捻り振動であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ回転数センサ。
7. 前記第１の二次質量（６）の一次運動は、前記第１の一次質量（３）の一次運動と同じ方向において行われることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ回転数センサ。
8. 前記第１の二次質量（６）の一次運動は、前記第１の一次質量（３）の一次運動に対して垂直に行われることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ回転数センサ。
9. 前記第１の磁気検知素子（８）および／または前記第２の磁気検知素子（１０）は、変位していない状態の前記第１の一次質量（３）が延在する１つのレベル面から外れて配設されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ回転数センサ。
10. 前記第３の磁気検知素子（１５）および／または前記第４の磁気検知素子（１７）は、変位していない状態の前記第１の二次質量（６）が延在する１つのレベル面から外れて配設されていることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ回転数センサ。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ回転数センサにおいて、
    前記基体（２）は、１つの蓋（１９）および１つの基板を備え、前記第１の一次質量（３）および前記第１の二次質量（６）は当該蓋（１９）と当該基板との間にカプセル封止されており、
    少なくとも１つの磁気検知素子（３，１０，１５，１７）は、前記蓋（１９）の内面に配設されている、
    ことを特徴とするＭＥＭＳ回転数センサ。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ回転数センサにおいて、
    さらなる複数の磁気検知素子および複数の磁場発生素子を備え、
    前記ＭＥＭＳ回転数センサ（１）は、複数の軸の回りの回転数の測定を可能とする、
    ことを特徴とするＭＥＭＳ回転数センサ。

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