JP4288071B2 - ヨーレートセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式のヨーレートセンサから出発する。
【０００２】
米国特許第６０６７８５８号明細書に基づき既に公知のヨーレートセンサでは、基板の表面にコリオリ素子が配置されている。このコリオリ素子は励振されて、第１の軸における振動を発生させる。同じく基板に対して平行に延びる第２の軸におけるコリオリ力に基づいたコリオリ素子の変位が検出される。
【０００３】
発明の利点
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する本発明によるヨーレートセンサには、従来のものに比べて、励振素子も検出素子も設けられているという利点がある。したがって、検出は、検出方向にしか運動しない検出素子で行われる。励振は、励振方向にしか運動しない素子によって行われる。このような系では、個々の方向における振動の周波数をいずれの方向でも特に簡単に設定することができる。
【０００４】
請求項２以下に記載の特徴により、別の利点および改善が得られる。コリオリ素子の振動の励起は、ばねによって駆動力を伝達する駆動素子により特に簡単に行われる。コリオリ素子はこの場合、この駆動素子に完全に懸吊させることができる。励振手段としては、静電式の櫛歯形駆動装置を駆動素子に設けることができる。検出素子は、コリオリ力の方向における運動しか行われないように特に簡単に基板に懸吊される。これにより、検出方向にはない可動電極の運動に基づいた外乱影響は抑制される。検出方向で発生する線形加速度を抑制するためには、別のコリオリ素子を設けることができる。その場合に両コリオリ素子の逆相の振動を保証するためには、逆相の振動が周波数の点で同相の振動とは明瞭に異なっていることが望ましい。このためには、両駆動素子の間および／または両コリオリ素子の間または駆動素子と検出素子との間に、連結ばねを設けることができる。
【０００５】
実施例の説明
図１〜図３には、本発明の第１実施例が示されている。図１にはヨーレートセンサ全体の平面図が示されており、図２にはヨーレートセンサの一部の詳細図が示されており、図３には図２に示したヨーレートセンサの横断面を示す側面図が示されている。
【０００６】
図１には、図１に図示されていない基板１を上から見た図が示されている。基板１の上には、コリオリ素子１００が配置されている。このコリオリ素子１００は方形のフレーム形の構造体として形成されている。フレーム形のコリオリ素子１００は、同じくフレーム形の検出素子１４０を取り囲んでいる。フレーム形のコリオリ素子１００は、やはり方形のフレーム形の駆動素子１０２によって取り囲まれる。駆動素子１０２とコリオリ素子１００との間の結合は、複数の撓みばね１０３により形成される。撓みばね１０３は、これらの撓みばね１０３がＹ方向では軟らかく形成され、かつＸ方向では硬く形成されるように構成されている。駆動素子１０２には、複数の可動電極１０４が固定されている。これらの可動電極１０４は、対応する固定電極１０５と櫛歯状に噛み合っている。固定電極１０５は支承台１０６により基板１に固く結合されている。さらに、駆動素子１０２は複数のばね１０７によって別の支承台１０６に結合されており、これらの支承台１０６もやはり基板１に固く結合されている。ばね１０７はＸ方向では軟らかく、Ｙ方向では硬く形成されている。
【０００７】
コリオリ素子１００の変位を検出するためには、フレーム形のコリオリ素子１００の内部にフレーム形の検出素子１４０が設けられている。この検出素子１４０はやはり方形のフレーム形構造体として形成されており、このフレーム形構造体は複数のばねエレメント１４１によって支承台１０６に結合されており、ひいては基板１に結合されている。ばねエレメント１４１はＹ方向では軟らかく、Ｘ方向では硬く形成されているので、これらのばねエレメント１４１は、主としてフレーム形の検出素子１４０がＹ方向で変位可能となることしか許さない。検出素子１４０は、複数のばねエレメント１４２によってコリオリ素子１００に結合されている。これらのばねエレメント１４２はＸ方向では軟らかく、Ｙ方向では硬く設計されているので、これらのばねエレメント１４２は、特にＹ方向におけるコリオリ力を特に良好に伝達する。検出素子１４０の内部には、格子形の評価手段１０１が配置されている（図１に概略的にのみ図示する）。これらの構成素子の詳細は図２および図３に図示されている。
【０００８】
したがって、このヨーレートセンサは支承台１０６を介してしか基板１に結合されていない。したがって、コリオリ素子１００も駆動素子１０２も検出素子１４０も、基板１に対して相対的に運動させることができる。これらの素子の運動は、各ばねエレメント、つまり撓みばね１０３とばね１０７とばねエレメント１４１とばねエレメント１４２とによってのみ決定される。
【０００９】
ばね１０７は、Ｘ方向では軟らかく、Ｙ方向では硬く形成されるように設計されている。したがって、駆動素子１０２は主として、Ｘ方向に対して平行な軌道に沿ってしか運動することができない。コリオリ素子１００は、撓みばね１０３を介して駆動素子１０２に結合されている。したがって、コリオリ素子１００は駆動素子１０２に対して相対的に主としてＹ方向でしか運動することができない。駆動素子１０２が、Ｘ方向に対して平行な方向に運動させられると、もちろんコリオリ素子１００もこの方向に運動させられる。したがって、基板１に対して相対的にコリオリ素子１００は、Ｘ方向に対して平行な方向にも、Ｙ方向に対して平行な方向にも運動可能となる。検出素子１４０は、基板１に対して相対的な運動が主として、Ｙ方向に対して平行な方向でしか可能にならないように、ばねエレメント１４１によって基板１に結合されている。コリオリ素子１００へこの方向で作用する力は、ばねエレメント１４２によって検出素子１４０へ伝達される。したがって、検出素子１４０は、Ｙ方向に対して平行なコリオリ素子１００の運動時に相応して移動させられる。
【００１０】
図示のヨーレートセンサの機能を説明するために、さらにコリオリ素子１００に関して重心１１０が記載されている。この重心１１０は、その都度フレーム形のコリオリ素子１００の中心点に位置する。
【００１１】
可動電極１０４と固定電極１０５との間に電圧が印加されることにより、駆動素子１０２が励振されて振動を発生させる。相応して、コリオリ素子１００も励振されて振動を発生させる。このときに、コリオリ素子１００の重心１１０は、Ｘ軸に対して平行な軸線に沿って運動する。重心は、コリオリ力の作用なしに（つまり、基板１に対して垂直に位置する軸線を中心とした基板の回転運動なしに）直線に沿って運動する。Ｚ軸、つまり基板１に対して垂直に位置する軸線を中心とした基板１の回転が生じると、コリオリ素子１００には、この回転軸線に対して直角でかつ運動軸線に対して直角であるコリオリ力が作用する。これらの力はこの場合、Ｙ方向に作用して、Ｙ方向におけるコリオリ素子１００の移動を生ぜしめる。コリオリ素子１００のこの移動は、Ｙ方向では硬く形成されているばねエレメント１４２によって検出素子１４０へ伝達されて、検出素子１４０の相応する移動を生ぜしめる。この移動は検出手段１０１によって検出される。
【００１２】
したがって、可動電極１０４は固定電極１０５および駆動素子１０２と共に１つの励振手段を形成しており、この励振手段によってコリオリ素子１００が励振されて振動を発生させる。この振動では、重心１１０の振動軸線が基板に対して平行に向けられている。
【００１３】
図２には、図１に示した検出素子１４０の評価手段１０１が拡大されて詳細に図示されている。フレーム形の検出素子１４０は評価手段１０１を取り囲んでいる。これらの評価手段１０１は格子形の電極１２１として形成されており、この場合、多数の格子形の電極１２１が検出素子１４０のフレーム形の構造体の内部に設けられている。安定化のために、これらの格子形の電極１２１はさらにセンタビーム１５０によって互いに結合されている。各電極１２１は検出素子１４０と一緒に運動する。格子形の電極１２１は、複数の固定電極１２２，１２３の間に配置されており、これらの固定電極１２２，１２３は支承部１０６によって基板１に固定されている。したがって、電極１２２と電極１２３とは、基板１に対して相対的に運動しない固定電極として形成されている。
【００１４】
図３には、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った横断面図が示されている。図３には横断面で基板１と、基板１の表面に載置された導体路１３０とが図示されている。これらの導体路１３０には、アンカ固定部もしくは支承台１０６が固定されていて、したがって基板１に固く結合されている。支承台１０６ならびにこれらの支承台１０６に固定された電極も導電性を有していて、導体路１３０により並列に接続されている。各可動電極１２１は、それぞれ１つの固定電極１２２と１つの固定電極１２３との間に配置されている。こうして、２つのキャパシタもしくはコンデンサが形成される。すなわち、第１には可動電極１２１と固定電極１２２との間に、第２には可動電極１２１と固定電極１２３との間に、それぞれコンデンサが形成される。これら２つのキャパシタンスはそれぞれ差動キャパシタンスとして形成されている。すなわち、一方のキャパシタンスが増大すると、他方のキャパシタンスは相応して減少する。両固定電極グループ１２２，１２３の支承台１０６を互いに側方にずらすことにより、相応する導体路１３０によってそれぞれ対応するキャパシタンスを互いに並列に接続することができる。
【００１５】
図３に示した横断面図から極めて良好に判るように、検出素子１４０は基板１の上に配置されており、そして検出素子１４０に結合された電極１２１も、やはり基板１の上に配置されている。この横断面図には、固定電極１２２の支承台１０６の断面が示されている。これらの固定電極１２２は支承台１０６によって導体路１３０に載置され、こうして基板１に固く結合されている。固定電極１２３も、図３の横断面図ではやはり基板１の上に図示されている。しかし、固定電極１２３は基板１の別の個所で、これらの固定電極１２３のための相応する導体路１３０を介して基板１に固く結合されている。
【００１６】
こうして、評価手段１０１の各電極の間の電気的なキャパシタンスの測定、特に固定電極１２２，１２３に対して相対的な可動電極１２１の電気的なキャパシタンスの測定により、基板１に対して相対的な検出素子１４０の変位量を測定することができる。すなわち、発生したコリオリ力もしくは基板１が回転させられるときのヨーレート（回転角速度）を測定することができる。
【００１７】
基板１およびこの基板１の上に配置された素子、たとえばコリオリ素子１００、駆動素子１０２、検出素子１４０、ばねおよび電極のためには、材料として有利にはシリコンが使用される。このシリコンは相応するドーピングにより導電性に形成されている。基板１は、必要とされる個所で絶縁層によって電気的に絶縁され得る。しかし、センサのために別の材料、たとえばセラミックス、ガラスまたは金属を使用することもできる。
【００１８】
このような配置の利点は次の点に認められる。すなわち、格子形の電極１２１がＹ方向でしか可動でなく、したがって固定電極１２２，１２３に対して相対的な横方向運動が行われない。Ｘ方向での運動は測定のために望ましくなく、場合によっては誤差源になり得る。フレーム形の検出素子１４０およびばねエレメント１４１による基板１へのアンカ固定部は、可動電極１２１がＹ方向の運動しか実施しないように形成されている。
【００１９】
本ヨーレートセンサは、Ｘ方向およびＹ方向での振動が行われる振動可能なシステムである。しかしこの場合、いずれの方向においても等しい質量体およびばねを考慮することはできない。特に、固有振動は種々異なる方向毎に互いに異なる場合もある。各方向における振動の励振時に、励振信号の周波数が固有振動の周波数をとるときに最大変位量が発生するので、強力な測定信号のためには、電極１０４，１０５に印加される励振周波数がＹ方向における固有振動に相当していると有利である。各方向における固有周波数は質量およびばね定数から得られる。Ｘ方向における固有振動のためには、Ｘ方向におけるばね１０７，１４２のばね定数と、駆動素子１０２およびコリオリ素子１００の質量とが考慮されなければならない。Ｙ方向における固有振動のためには、Ｙ方向におけるばね１０３，１４１のばね定数と、コリオリ素子１００および検出素子１４０の質量とが考慮されなければならない。これらのばね定数および質量は、Ｘ方向における固有振動の周波数と、Ｙ方向における固有振動の周波数とがほぼ等しくなるように設定されることが望ましい。その場合には、小さなヨーレートにおいても、Ｙ方向における大きな変位が生じ、このような変位は容易に測定することができる。
【００２０】
しかし、大量生産ではプロセスばらつきを回避することができない。これにより、純粋に機械的手段だけに頼るだけでは両方向における周波数の正確な調整を保証することはできない。しかしこの場合、固定電極１２２，１２３に直流電圧を印加することにより、このような問題を解消することができる。直流電圧を印加することにより、Ｙ方向における、変位に関連した力を発生させることができる。この力は可動電極１２１に作用し、ひいては検出素子１４０に作用する。これにより、ばね１４１のばね定数の低減が生ぜしめられるので、Ｙ方向における振動のための周波数が減じられる。したがって、ばね定数および質量は、Ｙ方向における固有振動の周波数がＸ方向における固有振動の周波数よりも少しだけ高くなるように設定されることが望ましい。その場合、相応する直流電圧の選択により、両方向における周波数の、製造に起因したばらつきを補償することができる。測定信号に対して付加的に全ての電極に直流電圧を印加することもできるし、あるいはまた、直流電圧のためだけの付加的な電極を設けることもできる。
【００２１】
図４には、本発明の別の実施例が示されている。図１に示した実施例とは異なり、既に図１につき説明したコリオリ素子１００に対して付加的に、さらにもう１つの別のコリオリ素子２００が設けられている。この第２のコリオリ素子２００は第１のコリオリ素子１００に並んで基板１の上に配置されている。第２のコリオリ素子２００はやはりフレーム形の駆動素子２０２によって取り囲まれ、そしてばね２０３によってこの駆動素子２０２に結合されている。この第２の駆動素子２０２はばね２０７によって支承台２０６を介して基板１に結合されている。第２のコリオリ素子２００は、ばね２４２によって第２の検出素子２４０に結合されており、この第２の検出素子２４０は、ばね２４１によって支承台２０６を介して基板１に結合されている。これらの第２のエレメントの機能は、図１につき説明したそれぞれ対応する第１のエレメントの機能に相当している。この場合、対応する機能を有する第２のエレメントは、それぞれ図１で使用された符号の数字に１００を加算した数字で示されている。
【００２２】
したがって、図４には、図１に示したヨーレートセンサの二重構造が示されている。しかしこの場合、さらに付加的に連結ばね５０が設けられており、この連結ばね５０によって両駆動素子１０２，２０２は互いに連結される。この連結ばね５０はＸ方向における振動に関して、両駆動素子１０２，２０２が互い逆相の振動を加えた場合には考慮されなければならない。同相の振動の場合には、連結ばね５０は変形されないので、この振動モードの場合には連結ばね５０は考慮されない。したがって、両振動モードはそれぞれの周波数の点で互いに異なるので、両振動モードを意図的に励起させることができる。この場合、意図的に逆相の振動を励起させることが望ましい。なぜならば、その場合、信号の減算により、Ｙ方向でコリオリ素子１００，２００と検出素子１４０，２４０とに作用する線形加速度成分を抑制することができるからである。両駆動素子１０２，２０２の間で１つの連結ばね５０を使用する代わりに、コリオリ素子１００，２００の間および／または検出素子１４０，２４０の間に連結ばねを設けることもできる。ただし、そのためには、それぞれ対応する素子を取り囲むフレームに、連結ばねを貫通案内するための貫通孔が設けられなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるヨーレートセンサの第１実施例を示す平面図である。
【図２】 図１に示したヨーレートセンサの一部を拡大して示す詳細図である。
【図３】 図２に示したヨーレートセンサの一部の横断面図である。
【図４】 本発明によるヨーレートセンサの第２実施例を示す平面図である。

Claims (8)

1. 基板（１）の表面の上に配置されたコリオリ素子（１００）を備えたヨーレートセンサであって、励振手段（１０４，１０５）が設けられており、該励振手段（１０４，１０５）によってコリオリ素子（１００）が、第１の軸に対して平行な振動を発生させるように励振可能であり、さらに検出手段（１０１）が設けられており、該検出手段（１０１）によって、第１の軸に対して直角に延びる第２の軸におけるコリオリ力に基づいたコリオリ素子（１００）の変位が検出可能であり、第１および第２の軸（Ｘ，Ｙ）が、基板（１）の表面に対して平行に延びている形式のものにおいて、基板（１）の表面の上に第１の駆動素子（１０２）と第１の検出素子（１４０）とが設けられており、第１の駆動素子（１０２）が、第１の軸では硬くかつ第２の軸では軟らかく形成されているばね（１０３）によってコリオリ素子（１００）に結合されており、第１の検出素子（１４０）が、第１の方向では軟らかくかつ第２の方向では硬く形成されているばね（１４２）によってコリオリ素子（１００）に結合されており、基板（１）の表面の上に別のコリオリ素子、つまり第２のコリオリ素子（２００）と、別の駆動素子、つまり第２の駆動素子（２０２）と、別の検出素子、つまり第２の検出素子（２４０）とが設けられており、第２のコリオリ素子（２００）が、励振手段（２０４，２０５）によって第１の軸に対して平行な振動を発生させるように励振可能であり、さらに検出手段（２０１）が設けられており、該検出手段（２０１）によって、第２の軸におけるコリオリ力に基づいた第２のコリオリ素子（２００）の変位が検出可能であり、第２の駆動素子（２０２）が、第１の軸では硬くかつ第２の軸では軟らかく形成されているばね（２０３）によって第２のコリオリ素子（２００）に結合されており、第２の検出素子（２４０）が、第１の方向では軟らかくかつ第２の方向では硬く形成されているばね（２４２）によって第２のコリオリ素子（２００）に結合されており、前記コリオリ素子（１００）、つまり第１のコリオリ素子（１００）と第２のコリオリ素子（２００）とが連結ばね（５０）によって互いに連結されていることを特徴とするヨーレートセンサ。
2. 第１および第２の駆動素子（１０２，２０２）が、それぞれ第１の軸（Ｘ）では軟らかくかつ第２の軸（Ｙ）では硬く形成されているばね（１０７，２０７）によって基板（１）に結合されており、第１のコリオリ素子（１００）および第２のコリオリ素子（２００）のための前記励振手段（１０４，２０４）が、それぞれ第１の駆動素子（１０２）および第２の駆動素子（２０２）に結合されている、請求項１記載のヨーレートセンサ。
3. 前記励振手段が、静電式の櫛歯形駆動装置（１０４，１０５；２０４，２０５）として形成されている、請求項１記載のヨーレートセンサ。
4. 検出手段として、それぞればね（１４２、２４２）によって第１のコリオリ素子（１００）および第２のコリオリ素子（２００）に結合されている第１の検出素子（１４０）および第２の検出素子（２４０）が設けられており、ただし該ばね（１４２，２４２）は第１の軸（Ｘ）では軟らかくかつ第２の軸（Ｙ）では硬く形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のヨーレートセンサ。
5. 第１の検出素子（１４０）および第２の検出素子（２４０）がそれぞれ可動電極（１２１）を有しており、該可動電極（１２１）が、基板（１）に結合された固定電極（１２２，１２３）に向かい合って位置するように配置されている、請求項４記載のヨーレートセンサ。
6. 第１の検出素子（１４０）および第２の検出素子（２４０）がそれぞれ、第１の方向（Ｘ）では硬くかつ第２の方向（Ｙ）では軟らかく形成されているばね（１４１，２４１）によって基板（１）に結合されている、請求項４または５記載のヨーレートセンサ。
7. 第１および第２の両方向における当該ヨーレートセンサの固有振動の周波数が互いにほぼ等しくなるように、第１のコリオリ素子（１００）および第２のコリオリ素子（２００）、第１の検出素子（１４０）および第２の検出素子（２４０）および第１の駆動素子（１０２）および第２の駆動素子（２０２）の質量と、第１の方向および第２の方向における前記各ばねのばね定数とが設定されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のヨーレートセンサ。
8. 第２の方向における固有振動の周波数の方が少しだけ高めに設定されており、第２の方向に付加的な力を導入することにより、両方向における当該ヨーレートセンサの固有振動の周波数が調和されるようになっている、請求項７記載のヨーレートセンサ。

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