JP4210694B2 - マイクロメカニカルモーションセンサ - Google Patents
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Description
Mantrieb =Jz ・γ + bt,z ・γ + ktz,0 ・(1 + ktz,NL γ2) γ (1)
乃至
Mantrieb =Jz ・γ + bt,z ・γ + ktz,0 ・γ + ktz,0 ktz,NL γ3 (2)
を用いて、Xばねのメカニカルな非直線性について記述することができる。相応の有限要素計算によってパラメトライズされる。
Fx ≒ ε0ΔU2 h/d0 (3)
式3から、以下の関係が分かる:
−カム駆動部のコンデンサ板での電圧差(ΔU)が大きくなればなる程、駆動力Fxは大きくなり、
−カム駆動構造の高さhが大きくなればなる程、駆動力Fxは大きくなり、
−カム駆動部のコンデンサ板の間隔d0が小さければ小さい程、駆動力Fxは大きい。
上述のことに従って、本発明の課題は、マイクロメカニカルモーションセンサ、殊に、カム駆動ユニットが装着された回転速度センサ、又は、リニア振動子で生じる機械的な非直線性によって生起する上述の問題点を回避して、非直線性を補償するようなマイクロメカニカルモーションセンサを提供することにある。
図1は、減衰部を有するリニアな場合での増幅度の既述の周波数特性(共振曲線)を図示し、
図2は、既述のように、非リニアな場合に得られる、共振曲線の最大値が右側に傾いている増幅度の周波数特性を図示し、
図3は、既述の、マイクロメカニカルモーションセンサとして構成された回転速度センサの略図、及び、それと同時に、本発明の(補償型)回転速度センサの第1の実施例の平面略図を示し、
図4A,B及びCは、各々、図3の制御ユニットによって形成されるような、中央に支承された振動質量体の理想化された振動形状、負の偏向方向での、図3のようなカム駆動ユニットの駆動電圧、並びに、正の偏向方向でのカム駆動ユニットの駆動電圧を示す図、
図5は、非直線性を補償するために付加的な補償カム駆動ユニットが設けられた本発明の第2の実施例の平面略図を示し、
図6A−Fは、図4A−4Cに示されたのと同様の図6A,6B,6Cの時間ダイアグラムに対して付加的に、負の偏向での補償電圧信号の振動形状(図6D)、正の偏向での補償電圧信号の振動形状(図6E)、及び、各々の駆動電圧信号と、相応の補償電圧信号との和を各々示す図、
図7は、非直線性の補償のために付加的な補償カム駆動ユニットが設けられたリニア振動子の形状の本発明のマイクロメカニカルモーションセンサの平面略図を示す。
曲げバーの機械的な非直線性の補償のために、従来技術の駆動信号(図4参照)に対して付加的に、補償電圧がカム駆動部に印加され、この補償電圧により、微分方程式2の非直線項が正確に補償される。カム駆動は、その作動原理により、1方向にしか力が加わらない点に注意する必要がある。従って、正の偏向iの場合には、カム駆動部KAが補償を行い、別の、負の偏向aの場合には、カム駆動部KIが補償を行う。
MKomp = ktz,0 ktz,NL ・γ3 (4)
このトルクが、設けられているカム駆動部(KI1,KI2及びKA1及びKA2)を介して形成されるので、以下の式が得られる:
MKomp = 2 (UPKI,PKA - UPCM)2 ε0 h/d0 ・kStreu nComb reff = ktz,0 ktz,NL・|γ|3 (5)
その際、kStreuは、漂遊電磁界効果を考慮するための補正係数、nCombは、カムの数、reffは、駆動トルクを算出するために用いられる、形成された作用を及ぼす半径(Wirkradius)である。UPCMで、全カム駆動部の共通の基準電位が示される。
−振動質量体1の偏向角度γ、
−基準電位UPCM、
−駆動電圧UPKI,Antrieb,UPKA,Antrieb
から合成された全電圧を算出する。
Claims (16)
- 片持ちばね部材(1,2)が、振動することができるように支承されており、前記片持ちばね部材(1,2)は、周期的な駆動電圧が静電的に印加される振動駆動によって、永続的な、周期的な振動(γ(t))が励振され、前記片持ちばね部材(1,2)に加わる偏向を検出することができるマイクロメカニカルモーションセンサにおいて、
片持ちばね部材(1,2,m1,m2,F1−F4,FC)に作用する(angreifende)静電的な補償駆動手段が設けられており、前記補償駆動手段には、前記片持ちばね部材(1,2,m1,m2,F1−F4,FC)の共振周波数特性の非直線性の補償のために適した周期的な補償電圧が印加されていることを特徴とするマイクロメカニカルモーションセンサ。 - マイクロメカニカルモーションセンサは、リニア振動子として構成されており、該リニア振動子では、片持ちばね部材は、中央に設けられた連結ばね(FC)によって結合されていて、対称的なばね懸架部(F1−F4)によって直線振動することができるように支承された、複数の振動質量体(m1,m2)からなる系を有しており、振動駆動部(KI,KA)によって、横方向面(x,y)内で、休止位置(O1,O2)を中心にして同じ大きさの正の偏向(i1,i2)及び負の偏向(a1,a2)で直線振動するように励振され、
各々前記正の偏向(i1,i2)及び前記負の偏向(a1,a2)用の前記振動質量系の前記振動質量体(m1,m2)の励振用の振動駆動部は、各々少なくとも1つの、制御ユニット(3)によって制御されるカム駆動ユニット(KI1,KI2,KA1,KA2)を有しており、該カム駆動ユニットの駆動力は、前記振動質量系に、当該振動質量系の横方向面(x,y)内で相互に各々、前記振動質量系の前記各振動質量体(m1,m2)に対向する複数の作用点で、前記振動質量系の前記振動質量体(m1,m2)を当該振動質量体の各々の休止位置(O1,O2)を中心にして励振するように作用し、前記振動質量系の前記各振動質量体(m1,m2)用の補償駆動手段は、少なくとも1つのカム駆動ユニット(KIK1,KIK2,KAK1,KAK2)を有しており、前記カム駆動ユニットは、前記振動質量系の前記各振動質量体(m1,m2)の各作用点に作用するように構成されている請求項1記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。 - マイクロメカニカルモーションセンサは、回転速度センサとして構成されており、該回転速度センサで、片持ちばね部材(1,2)は、中央に設けられたXばね(2)によって中央で支承された中心対称に構成された振動質量体(1)を有しており、該振動質量体は、振動駆動部(KI,KA)によって、横方向面(x,y)内で、休止位置(O)を中心にして同じ大きさの正及び負の偏向(i,a)で回転振動するように励振され、
各々正の偏向及び負の偏向(i,a)用の振動質量体(1)の励振用の振動駆動部は、各々少なくとも1つの、制御ユニット(3)によって、周期的な駆動電圧で制御されるカム駆動ユニット(KI1,KI2,KA1,KA2)を、前記振動質量体(1)の励振のために有しており、該振動質量体の駆動力は、当該振動質量体(1)に、少なくとも1つの、当該振動質量体の横方向面(x,y)内に位置している作用点(P1,P2)に、前記カム駆動ユニットが前記振動質量体(1)を、当該振動質量体の休止位置(O)を中心にして対称的に励振するように接線方向に作用し、補償駆動手段は、少なくとも1つのカム駆動ユニットを有しており、該カム駆動ユニットは、同じ作用点(P1,P2)で、及び/又は、前記振動質量体(1)の中心(Z)に対して同じ間隔で対向して位置している第2の作用点(P2,P1)で作用するように構成されている
請求項1記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。 - 補償駆動手段の少なくとも1つのカム駆動ユニットは、振動駆動部の補償駆動ユニット(KI1,KI2,KA1,KA2)の少なくとも1つであり、制御ユニット(3)を有しており、該制御ユニットの駆動電圧(UPKI,Antrieb,UPKA,Antrieb)は、補償電圧(UPKI,Komp,UPKA,Komp)と重畳されて、全励振電圧(UPKI,Ges,UPKA,Ges)を形成する
請求項2又は3記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。 - 補償駆動手段の少なくとも1つのカム駆動ユニットは、付加的な補償カム駆動ユニット(KIK1,KIK2,KAK1,KAK2)であり、該補償カム駆動ユニットには、制御ユニット(3)により、補償電圧(UPKI,Komp,UPKA,Komp)だけが、別個に供給されるように構成されている
請求項2又は3記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。 - 振動駆動部は、4つの対称的なカム駆動ユニット(KA1,KA2,KI1,KI2)を有しており、前記各カム駆動ユニットのうち、各々正の偏向及び負の偏向(i,a)用の第1及び第2のカム駆動ユニット(KI1,KA1)は、振動質量体(1)への第1の共通の作用点(P1)を有する第1の対を形成し、第3及び第4のカム駆動ユニット(KI2,KA2)は、共通の第2の作用点(P2)で前記振動質量体(1)に作用する、各々正の偏向及び負の偏向(i,a)用の第2の対を形成し、
各前記対の両カム駆動ユニット(KI1,KA1及びKI2,KA2)は、相互に対向しており、且つ、前記振動質量体の休止位置(O)を定義して、中心を通っている仮想線に対して平行に、正の偏向(i)用のカム駆動ユニットの駆動力及び負の偏向(a)用のカム駆動ユニットの駆動力が加算されるように設けられており、
制御ユニット(3)は、駆動電圧(UPKI,Antrieb)を正の偏向(i)用のカム駆動ユニット(KI1,KI2)に、負の偏向(a)用のカム駆動ユニット(KA1,KA2)用の駆動電圧(UPKA,Antrieb)に対して逆相に供給するように構成されている請求項3から5迄の何れか1記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。 - 補償駆動手段は、各々正の偏向(i)及び負の偏向(a)用の付加的な2つの補償カム駆動ユニット(KIK1,KAK2)を有しており、該補償カム駆動ユニットは、各々第1及び第2の共通の作用点(P1,P2)にて振動質量体(1)に作用して、前記補償カム駆動ユニットの作用力が前記正の偏向(i)及び前記負の偏向(a)に対して各々加算されるように設けられており、制御ユニット(3)は、補償電圧(UPKI,Komp)を前記正の偏向(i)用の補償カム駆動ユニット(KIK1)に、前記負の偏向(a)用の補償カム駆動ユニット(KAK2)に供給される補償電圧(UPKA,Komp)に対して逆相で供給される請求項5又は6記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
- 補償駆動手段は、4つの付加的な補償カム駆動ユニット(KIK 1 ,KAK 1 及びKIK 2 ,KAK 2 )を有しており、該補償カム駆動ユニットのうち、第1及び第2のカム駆動ユニット(KIK1,KAK2)は、各々正の偏向(i)及び負の偏向(a)用に第1の対を形成し、該第1の対は、第1の共通の作用点(P1)で振動質量体(1)に作用し、第3及び第4のカム駆動ユニット(KIK2,KAK2)は、各々前記正の偏向(i)及び前記負の偏向(a)のために第2の対を形成し、該第2の対は、第2の共通の作用点(P2)で、前記振動質量体(1)に作用し、
各対の両補償カム駆動ユニット(KIK1,KAK1及びKIK2,KAK2)は、相互に対向しており、前記振動質量体(1)の休止位置(O)を定義して、当該振動質量体(1)を通る仮想線の中心に対して、前記正の偏向(i)用の前記補償カム駆動ユニット及び前記負の偏向(a)用の前記補償カム駆動ユニットの駆動力が各々加算されるように設けられており、
制御ユニット(3)は、補償電圧を、前記負の偏向(a)用の前記補償カム駆動ユニット(KAK1,KAK2)のための補償電圧に対して逆相で前記正の偏向(i)用の前記補償カム駆動ユニット(KIK1,KIK2)に供給する請求項5又は6記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。 - 振動質量系は、第1の振動質量体(m1)及び第2の振動質量体(m2)を有しており、前記第1の振動質量体(m1)及び第2の振動質量体(m2)は、中央の連結ばね(FC)によってばね弾性に連結されており、振動駆動部は、4つのカム駆動ユニット(KA1,KA2,KI1,KI2)を有しており、該4つのカム駆動ユニットのうち、第1及び第2のカム駆動ユニット(KI1,KA1)は、各々正の偏向(i1)及び負の偏向(a1)に対して第1の対を形成し、前記第1の対は、前記第1の振動質量体(m1)に作用し、第3及び第4のカム駆動ユニット(KI1,KA2)は、各々正及び負の偏向(i2,a2)用の第2の対を形成し、前記正及び負の偏向(i2,a2)用の前記第2の対は、第2の振動質量体(m2)に作用し、前記各対の前記両カム駆動ユニット(KI1,KA1及びKI2,KA2)は、各々の振動質量体(m1,m2)に相互に対向して、正の偏向(i1,i2)用のカム駆動ユニット(KI1,KI2)の駆動力及び負の偏向(a1,a2)用のカム駆動ユニット(KA1,KA2)の駆動力が加算されるように設けられており、制御ユニット(3)は、駆動電圧(UPKI,Antrieb)を、正の偏向(i1,i2)用のカム駆動ユニット(KI1,KI2)に、負の偏向(a1,a2)用のカム駆動ユニット(KA1,KA2)用の駆動電圧(UPKA,Antrieb)に対して逆相で供給する請求項2,4又は5記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
- 補償駆動手段は、4つの付加的な補償カム駆動ユニット(KIK1,KAK1,KIK2,KAK2)を有しており、該補償カム駆動ユニットのうち、第1及び第2の補償カム駆動ユニットは、各々正の偏向(i1)及び負の偏向(a1)に対して第1の対を形成し、該第1の対は、第1の振動質量体(1)に作用し、第3及び第4の補償カム駆動ユニットは、各々正の偏向(i2)及び負の偏向(a2)に対して第2の対を形成し、該第2の対は、第2の振動質量体(1)に作用し、
前記各対の前記両補償カム駆動ユニット(KIK1,KAK1及びKIK2,KAK2)は、各々の振動質量体(m1,m2)に、当該補償カム駆動ユニットの駆動力が正の偏向(i1,i2)及び負の偏向(a1,a2)に対して各々加算されるように相互に対向して設けられており、
制御ユニット(3)は、補償電圧を正の偏向(i1,i2)用の補償カム駆動ユニット(KIK1,KIK2)に、負の偏向(a1,a2)用の補償カム駆動ユニット(KAK1,KAK2)用の補償電圧に対して逆相に供給する請求項9記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。 - 制御ユニット(3)は、4つの付加的な補償カム駆動ユニット(KIK 1 ,KAK 1 及びKIK 2 ,KAK 2 )のうちの、正の偏向(i;i1,i2)用のカム駆動ユニット(KIK 1 ,KIK 2 )に対する駆動電圧(UPKI,Antrieb)を、振動質量体(1;m1,m2)の振動(γ(t))の各正のゼロ点通過に対してほぼ対称的に形成し、前記4つの付加的な補償カム駆動ユニット(KIK 1 ,KAK 1 及びKIK 2 ,KAK 2 )のうちの、負の偏向(a;a1,a2)用のカム駆動ユニット(KAK 1 ,KAK 2 )に対する駆動電圧(UPKA,Antrieb)を、前記振動質量体(1;m1,m2)の前記振動(γ(t))の各負のゼロ点通過に対してほぼ対称的に形成する請求項2から10迄の何れか1記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
- 制御ユニット(3)は、4つの付加的な補償カム駆動ユニット(KIK 1 ,KAK 1 及びKIK 2 ,KAK 2 )のうちの、正の偏向(i;i1,i2)用の補償カム駆動ユニット(KIK1,KIK2)に対する補償電圧(UPKI,Komp)を、振動質量体(1;m1,m2)の振動(γ(t))の各正の振動周期のほぼ1/4(π/2)だけ負の偏向(a;a1,a2)用のカム駆動ユニット(KA1,KA2)に対する駆動電圧(UPKA,Antrieb)に対して遅延させて形成し、前記4つの付加的な補償カム駆動ユニット(KIK 1 ,KAK 1 及びKIK 2 ,KAK 2 )のうちの、負の偏向(i;i1,i2)用の補償カム駆動ユニット(KAK1,KAK2)に対する補償電圧(UPKA,Komp)を、振動質量体(1)の振動(γ(t))の振動周期のほぼ1/4(π/2)だけ正の偏向(i;i1,i2)用のカム駆動ユニット(KI1,KI2)に対する駆動電圧(UPKI,Antrieb)に対して遅延させて形成する請求項7から11迄の何れか1記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
- 制御ユニット(3)は、振動駆動体のカム駆動ユニット(KI1,KI2及びKA1,KA2)用の駆動電圧(UPKI,Antrieb,UPKA,Antr ieb)を各々矩形パルスとして形成し、該矩形パルスのパルス持続期間は、各々振動質量体(1;m1,m2)の振動(γ(t))の振動周期の1/2周期期間であり、補償カム駆動ユニット(KIK1,KIK2,KAK1,KAK2)に対する補償電圧(UPKI,Komp,UPKA,Komp)を、各々振動質量体(1;m1,m2)の振動(γ(t))と同じ周期の調和振動の半波として形成する請求項2から12迄の何れか1記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
- 制御ユニット(3)は、駆動電圧(UPKI,Antrieb,UPKA,Antrieb)よりも大きな振幅の補償電圧(UPKI,Komp,UPKA,Komp)を形成する請求項13記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
- 補償カム駆動ユニット(KIK 1 ,KAK 1 及びKIK 2 ,KAK 2 )の有効作用半径乃至有効作用距離は、駆動手段のカム駆動ユニット(KI 1 ,KA 1 ,KI 2 ,KA 2 )の有効作用半径乃至有効作用距離よりも大きい請求項2から14迄の何れか1記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
- 制御ユニット(3)は、理想的な補償電圧信号を微細な段階の階段状信号によって近似する請求項2から15迄の何れか1記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
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