JP4457010B2 - ヨーレートセンサ - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の上位概念に記載の形式のヨーレートセンサに関する。

背景技術
既にドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４５８５９号明細書からヨーレートセンサが公知であり、ここではヨーレートセンサの動作周波数が比較的小さくなっている。

発明の利点
表面マイクロマシニング式に製作された回転振動体を備えた、先行技術によるヨーレートセンサでは、回転振動体もしくははずみ質量体は、機械的に、Ｘ字形に設けられたばねを介して中央部分で基板と点状に結合されている。この場合Ｘ字形に設けられたばねおよび回転振動体の質量に起因して、動作周波数が設定される。先行技術によるヨーレートセンサに対して動作周波数を増加するために、Ｘ字形に設けられたばねのばねアームを拡幅するか、またはＸ字形に設けられたばねアームを短縮する必要がある。もちろんこれらの両方の構成手段の組み合わせも考えられる。しかしながらこのような構成手段では、一方では振幅が減少し、また他方ではばね材料の伸度が増加する恐れがある、という問題が生じる。振幅の減少は、センサ感度の低下をもたらし、これは不都合である。Ｘ字形に設けられたばね材料の伸度の増加によって、ばね材料は破壊する恐れがある。さらに不変の振幅でばね長さが短縮される場合、変位に関するばね剛性の非線形性が増加する。非線形性は、安定したセンサ運転のためにできるだけ小さく維持するのが望ましい。なぜならばそうでないと非線形的な破壊リスクが生じる（２つの安定した作動点）からである。本発明の独立請求項の特徴部に記載した構成を有するヨーレートセンサは、先行技術に対して、先行技術による、振動周波数を増加する構成手段によって生じる欠点が生じない、という利点を有している。先行技術に対して、本発明によるヨーレートセンサの撓みばね装置は、所定の変位で、緊締箇所において著しく小さな最大伸度を有している。さらに最大伸度は、緊締箇所における半径の大きさによって選択することができる。比較的大きな半径とは、緊締箇所の小さな伸度を意味している。

従属請求項に記載した構成手段によって、独立請求項に記載したヨーレートセンサの有利な実施形および改良形が達成される。

特に有利には、撓みばね装置が、半径方向の長さ補償が実現されるように、はずみ質量体と結合されている。半径方向の長さ補償を達成するために、とりわけ撓みばね装置は、はずみ質量体との結合部で、折り曲げられた領域を備えている。これによってセンサが１平面上で回動する際に、撓みばね装置における長さ方向力は、角度付けされた端部部材もしくは折り曲げられた領域によって吸収することができる。撓みばね装置における長さ方向力が解消されない場合、剛性は変位の関数として増加し、その結果ばね剛性の非線形性は大きくなる。このことは本発明によって回避することができ、したがって半径方向の長さ補償によってばね剛性の非線形性の減少がもたらされる。さらに有利には、２つの撓みばね装置が最大延伸方向に沿って鏡面対称的に相並んで設けられていて、かつ協働して撓みばねを形成する。これによって、撓みばねが静止位置から出発して種々異なる方向で変位するために対称的な特性を有するよう、ということが保証されている。たとえばＺ軸を中心としてある角度だけ＋方向および−方向ではずみ質量体が回転する際の変位および戻し力はそれぞれ同じである。さらに有利には、２つの撓みばねは、脚部がはずみ質量体に向かって開放角を成して拡開されるように、Ｖ字形に配置されている。撓みばねの間の開放角の変化によって、センサの検出共振周波数、つまりＸ軸もしくはＹ軸を中心とする基板平面からのはずみ質量体の回動は、調節することができる。固有周波数の相対比は、実質的に、センサ特性、たとえば感度、妨害にたいする強さおよび耐熱性を特定する。撓みばねの開放角に関して、固有周波数を簡単な形式で互いに独立して正確に同調可能に設けることができる。さらに有利には、全体で４つの撓みばねは、実質的にＸ字形を成すように配置されている。このことによって対称的な撓みばね構造が形成される。さらに有利には、基板表面に対して垂直に位置する回転軸を中心とする固有周波数が、基板表面に対して平行に位置する回転軸を中心とする各固有周波数よりも小さくなるように、開放角が選択されている。これによって極めてポジティブな検出特性を達成することができる。さらに有利には、本発明によるヨーレートセンサは、表面マイクロマシン技術または別のマイクロマシン技術で製作されている。本発明によるマイクロマシニング式のヨーレートセンサを製作するために表面マイクロマシン技術、特に典型的には１０μｍの厚さの厚いエピポリ層（Ep−Poly−Schicht）を用いた大量生産プロセスを使用することによって、僅かな横感度を達成させる硬いセンサ構造の形成が許容される。さらに有利には、固定装置は基板と不動に結合されているか、または固定装置は基板に対して可動に配置されている。これによって本発明のヨーレートセンサの様々な実施例を形成することができる。さらに有利には、Ｘ字形に形成された撓みばねに対して追加的に、単数または複数の支持ばねが設けられている。このことは有利には、センサの別の固有振動数を所望の形式で干渉するために、本発明によるセンサの別の実施例で設けられている。

実施例の説明
次に本発明の実施例を図示し、詳しく説明する。

図１には、先行技術による従来慣用のヨーレートセンサを斜視図で示した。図１において、符号１００でシリコンウェハの構成をした基板を示し、符号１０でリング状のはずみ質量体を示し、符号２５´でブリッジを示し、また符号３０〜３３でＶ字形の２つの撓みばね（Biegefeder）のばね脚部を示した。符号２１，２１´で基台を示し、また符号１５０で給電部を示した。基部２１，２１´はブリッジ２５´に向かってそれぞれ楔形のテーパ部を備えており、テーパ部は符号２２，２２´で示した。図１に示した先行技術による従来慣用のヨーレートセンサでは、表面マイクロマシニング式に製作されたはずみ質量体１０（これは回転振動体１０とも記載する）が設けられており、はずみ質量体１０は、機械的に、ばね脚部３０〜３３から成るＸ字形のばねを介して、中心部分で基板１００と点状に結合されている。センサの、被駆動式の回転振動の動作周波数はたとえば１．５ｋＨＺである。先行技術から出発して、本発明では、たとえば５ｋＨｚを上回る比較的高い動作周波数を有するセンサが設けられている。ここでははずみ質量体１０の構造は実質的に不変に維持するのが望ましい。このために先行技術によるセンサでは、Ｘ字形に延びる撓みばね脚部３０〜３３は、短縮しかつ／または拡幅する必要がある。ここでは多くの場合問題が生じる。先ず撓みばねの短縮および／または拡幅によって、センサの感度が低下する恐れがある。このことは好ましくない。なぜならば原則として高い感度を有するセンサが所望されているからである。さらに広幅のばねでは、図１に示したように、Ｘ字形ばねの緊締箇所における伸度が大きくなり、はずみ質量体１０のねじり振動が最大限に変位する際に、ばね材料の耐久限度に到達する恐れがある。このことはたとえばばね材料としてポリシリコンを使用する場合に生じる。さらに記載の条件で、振幅が不変でばね長さが短縮される場合、Ｘ字形ばねの変位に関するばね剛性の非線形性が増加する恐れがある。しかしながらセンサの安定した運転のために非線形性はできるだけ小さく維持する必要がある。なぜならばそうでないと非線形的な崩壊の可能性もしくはリスクが生じるからである。したがって本発明では、先行技術の前述の欠点を有していないか、またはほとんど有していないばねを提供する必要がある。その上Ｘ字形ばねの利点、たとえば種々異なる振動軸を中心とする共振周波数の所望の調節性を失わないようにするのが望ましい。

図２には、本発明のヨーレートセンサのセンサ中央部を示した。図１に示した部材もしくは構成要素と同じものには、同じ符号を用いた。要するに符号１０ではずみ質量体もしくは回転振動体を示し、符号１００で基板を示した。本発明でも、基板１００は特にシリコン基板として設けられている。さらに図２には固定装置２００を示した。固定装置２００は、第１の撓みばね装置３０１の一方の端部と結合されている。第１の撓みばね装置３０１は他方の端部で、はずみ質量体１０と結合されている。また第２の撓みばね装置３０２が設けられており、第２の撓みばね装置３０２もまたはずみ質量体１０と結合されている。さらに第３から第８の撓みばね装置３０３〜３０８が設けられており、これらの撓みばね装置３０３〜３０８もまた固定装置２００とはずみ質量体１０との間に設けられている。したがって固定装置２００は、とりわけ撓みばね装置３０１〜３０８の各撓みばねのために別の固定位置を備えるように設けられている。撓みばね装置３０１〜３０８、固定装置２００およびはずみ質量体１０は、本発明によれば酸化ケイ素層上で特にポリシリコンから成っており、この場合酸化ケイ素層はあとで下方エッチングによって除去され、これによって可動部分は基板１００に対して変位可能に形成することができる。固定装置２００は、本発明の特別な実施例によれば、酸化ケイ素層を介して基板１００と結合されるか、または基板上に固定されて、センサ構造の固定点を形成する。本発明の別の実施例では、撓みばね装置３０１〜３０８は、可動に設けられた固定装置２００と結合されているので、この場合固定装置２００は基板１００と不動に固定して設けられていない。ここでは本発明に関して、固定装置２００が基板１００と不動に結合された実施例につき説明する。

本発明によれば、撓みばね装置３０１〜３０８はとりわけ次のように配置されていて、つまり第１の撓みばね３０１と第２の撓みばね装置３０２とが対称的に、それも図２に示していない軸に沿って鏡面対称的に配置されていて、かつこれらが協働して第１の撓みばね３６０を形成するように配置されている。同様にこれに応じて第３の撓みばね装置３０３と第４の撓みばね装置３０４とが第２の撓みばね３６１を形成する。同様に第５の撓みばね装置３０５と第６の撓みばね装置３０６とが第３の撓みばね３６２を形成し、また第７の撓みばね装置３０７と第８の撓みばね装置３０８とが第４の撓みばね３６３を形成する。既に記載したように、本発明によれば、はずみ質量体１０は特にリング状に設けられていて、しかも中心部４００に対してセンタリングされている。ここでは基板１００は基板主平面を成しており、実質的に基板主平面上ではずみ質量体１０は延在している。基板主平面上で、図２の右側部分に示した両方の方向Ｘおよび方向Ｙが位置しており、ここではＸ方向は図平面に対して水平方向で左から右に向いていて、またＹ方向は図平面で下方から上方に向いている。Ｚ方向は、図平面および基板主平面に対して垂直方向に設けられていて、かつ図平面から手前（観察者）に向かって延びている。中心部４００は、Ｚ方向で延び、かつ基板１００を中心部４００で交差する軸を中心とする、はずみ質量体１０の回動（旋回）振動の中心である。第１の撓みばね３６０と第２の撓みばね３６１とは協働して実質的に２つの脚部を形成し、これらの脚部のＶ字形は、脚部がはずみ質量体１０に向かって符号３７０で示した開放角を成して拡開するように配置されている。第３の撓みばね３６２と第４の撓みばね３６３とも同様にＶ字形に配置された脚部を成し、かつ本発明によれば特に同じ開放角３７０で第１の撓みばね３６０および第２の撓みばね３６１に対して鏡面対称的に配置されているので、４つの撓みばね３６０〜３６３はまとめてＸ字形の配置構造を有している。

図３には、仮想の第１のばね装置３５４および仮想の第２のばね装置３５５の線形特性を示した。図３には、振幅１６に関するばね装置３５４，３５５の剛さ３５０を線図で示した。ばね装置３５４，３５５としての撓みばねの実施例に関して、図３の振幅もしくは変位１６は、たとえば静止位置に対する、緊張状態の撓みばねの自由端部の変位に相当する。図示の実施例では、その他は同じ寸法で、同じ材料が提供される場合、第２のばね装置３５５に比較的小さな長さの撓みばねが相当し、第１のばね装置３５４に比較的大きな長さの撓みばねが相当する。したがってゼロ以外の変位１６では、比較的小さなばね長さの第２のばね装置３５５に関する剛さ３５０は、比較的大きなばね長さの第１のばね装置３５４に関する剛さ３５０よりも大きくなっている。その結果、第２のばね装置３５５では、同じ振幅１６で、比較的大きな非線形成分みられる。このことはヨーレートセンサを製作するために回避する必要があるので、ここでは非線形成分はできるだけ小さく維持するのが望ましい。

図４には、第１の撓みばね３６０を拡大図で詳しく示した。図４の左側に固定装置２００を看取することができ、固定装置２００と、第１の撓みばね装置３０１の第１の端部３３０とが結合されている。第１の撓みばね装置３０１の第２の端部３２０で、第１の撓みばね装置３０１ははずみ質量体１０と結合されている。中心部４００（図４には示していない）を中心としてはずみ質量体１０が回動振動する際に、両矢で示した運動が生じ、ここでは両矢は符号１５で示した。はずみ質量体１０の運動１５で移動する距離が大きい程、図３において符号１６で示した振幅がより大きくなる。第１の撓みばね装置３０１の他に、第１の撓みばね３６０は、追加的に第２の撓みばね装置３０２を備えており、ここでは第１の撓みばね装置３０１と第２の撓みばね装置３０２とは、図４において符号３６４で示した対称平面に沿って互いに鏡面対称的に配置されている。もちろん第２の撓みばね装置３０２も第１の端部および第２の端部を備えており、図４では、これらの第１の端部および第２の端部は独自の別の符号で示すことはしない。第１の端部３３０の領域で、第１の撓みばね装置３０１は屈曲部を有しており、曲率半径は、第２の撓みばね装置３０２に符号３３１で例示した。これによって、第１の撓みばね装置３０１の変位に際して、固定装置２００に対する第１の撓みばね装置３０１の緊締箇所における最大伸度は、先行技術による従来慣用のヨーレートセンサよりも極めて小さくなっている。さらに固定装置２００に対する緊締箇所における最大伸度は、曲率半径３３１の大きさによって変化させることができる。この場合大きな曲率半径３３１は、その他の点では同じ条件、特に同じ振幅で、緊締箇所における比較的小さな伸度を意味する。撓みばねを形成するためにそれぞれ２つの撓みばね装置を設けることによって、撓みばね３６０の、一体的に形成され、極めて広幅に設計されたばねと同じ剛さを達成することができる。第１の撓みばね装置３０１の第２の端部３２０の領域で、図４に示したように、角度付けした、つまり折り曲げられた領域が設けられている。撓みばね装置３０１の第２の端部３２０の領域における、このような角度付けされた領域もしくは折り曲げられた端部部材によって、ＸＹ平面上ではずみ質量体１０が回動する際に撓みばね装置３０１によって長さ方向の力が吸収される。第１の撓みばね装置３０１における長さ方向力が折り曲げられた領域によって吸収されないとすると、変位に関する剛さは大幅に増加し、したがってばね剛性の非線形性が拡大される。このことは第１の撓みばね装置３０１の第２の端部３２０における折り曲げによって回避される。これによって、図１に示した従来慣用のセンサによるＸ字形ばねよりも、比較的大きなばね幅もしくは比較的小さなばね長さを有するばねと同じ特性を有する、センサの比較的大きな動作周波数のために設けられた撓みばね３６０を形成することができる。総じて各撓みばね装置３０１〜３０８の二重の配置構造に基づいてシミュレーションされた比較的大きなばね幅と、これによる比較的高いばね剛さとによって、さらに別の利点が得られ、本発明によるそのような構造体を製作する際に、ばね幅において製作変動が生るが、センサごとのばね幅の相対的なばらつき、ひいてははずみ質量体１０の共振周波数のばらつきも比較的小さくなる。なぜならば完成品における同じ幅変動で、比較的大きな絶対ばね幅が提供され、そうして共振周波数の相対変動が比較的小さくなるからである。

第１の撓みばね３０１の第２の端部３２０における第１の撓みばね装置３０１の折り曲げ領域と、第１の撓みばね装置３０１の第１の端部３３０における屈曲部３３１とは、本発明によれば、特にＸＹ平面、つまり基板主平面上で、対称軸３６４からみて同じ方向に設けられている。これによって撓みばね装置３０１〜３０８のＵ字形状が形成される。本発明によれば、図４において符号３６５で示した、第１の撓みばね装置３０１の長さは、撓みばね３６０の幅３６６よりも著しく大きくなっている。第１の撓みばね装置３０１の第１の端部３３０の領域における大きな緊締半径３３１によって、固定装置２００に対する結合箇所にかかる振動による機械負荷は低減することができる。

固定装置２００における撓みばね装置３０１〜３０８の懸架位置は、必ずしも基板１００と結合する必要はない。撓みばね装置３０１〜３０８は、たとえば相対運動する２つの質量体の間に位置することもできる。

図２について説明した、撓みばね３６０〜３６３のＸ字形の配置構造に対して追加的に、別のばねエレメントを組み込むこともできる。これについては図５に示した。図５には、図２と同様の、はずみ質量体１０、基板１００、撓みばね装置３０１〜３０８、固定装置２００に関してほぼ同じ配置構造を示した。さらに別の固定装置２１０が設けられており、別の固定装置２１０に、第１の支持ばね３０９または第２の支持ばね３１０が結合されており、支持ばね３０９，３１０自体ははずみ質量体１０と結合されている。第１の支持ばね３０９は、センサ配置構造の中心部４００に関して、第２の支持ばね３１０とは反対側に設けられている。さらに別の固定装置２１０は、支持ばね３０９，３１０を固定装置２００の直ぐ傍で固定するために、中心部４００の傍に設けられている。本発明によれば、支持ばね３０９，３１０は、とりわけセンサの、撓みばね３６０，３６３を介して干渉不能であるか、またはほとんど干渉不能である特定の固有周波数を所望の形式で干渉するために役立つ。

先行技術による従来慣用のヨーレートセンサを示す斜視図である。 本発明によるセンサ配置構造の中央部分を示す平面図である。 異なるばね装置の異なる線形特性を示す線図である。 撓みばねを詳しく示す図である。 本発明によるヨーレートセンサの別の実施例を示す図である。

符号の説明

１０ はずみ質量体、 １５ 両矢、 １６ 振幅、 ２２，２２´ テーパ部、 ２５´ ブリッジ、 ３０〜３３ 撓みばね脚部、 ２１，２１´ 基台、 １００ 基板、 １５０ 給電部、 ２００ 固定装置、 ２１０ 固定装置、 ３０１〜３０８ 撓みばね装置、 ３０９，３１０ 支持ばね、 ３２０，３３０ 端部、 ３３１ 曲率半径、 ３５４，３５５ ばね装置、 ３６０〜３６３ 撓みばね、 ３６４ 対称平面、 ３６５ 長さ、 ３６６ 幅、 ３７０ 開放角、 ４００ 中心部

Claims (9)

1. マイクロマシニング式のヨーレートセンサであって、
   基板（１００）が設けられており、該基板（１００）が、基板（１００）上に設けられた固定装置（２００）を備えており、はずみ質量体（１０）が設けられており、該はずみ質量体（１０）が、はずみ質量体（１０）と結合された撓みばね装置（３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８）を介して、固定装置（２００）と結合されており、はずみ質量体（１０）が、基板表面に対して垂直方向に位置する回転軸（Ｚ）を中心に、弾性的に静止位置から変位可能でかつ、かつ回動振動するようになっている形式のものにおいて、
   撓みばね装置（３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８）が、はずみ質量体（１０）から回転振動の中心部（４００）に向かって真っ直ぐに延びる部分を有し、固定装置（２００）との固定領域で屈曲部（３３１）を有し、かつはずみ質量体（１０）との結合部で折り曲げられた部分を有していることを特徴とする、ヨーレートセンサ。
2. 撓みばね装置（３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８）の固定領域が、回転振動の中心部（４００）の外側に設けられている、請求項１記載のヨーレートセンサ。
3. ２つの撓みばね装置（３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８）が、最大の延伸方向に沿って、鏡像的に相並んで設けられていて、かつ協働して撓みばね（３６０，３６１，３６２，３６３）を形成している、請求項１または２記載のヨーレートセンサ。
4. ２つの撓みばね（３６０，３６１，３６２，３６３）が、Ｖ字形に配置されており、撓みばねのばね脚部が、はずみ質量体（１０）に向かって開放角（３７０）を成して拡開されている、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. 全体で４つの撓みばね（３６０，３６１，３６２，３６３）が、実質的にＸ字形を成すように配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のヨーレートセンサ。
6. 基板表面に対して垂直に位置する回転軸（Ｚ）を中心とする固有振動数が、基板表面に対して平行に位置する回転軸（Ｘ，Ｙ）を中心とする固有振動数よりも小さくなるように、開放角（３７０）が選択されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のヨーレートセンサ。
7. 当該ヨーレートセンサが、シリコン−表面マイクロマシン技術または別のマイクロマシン技術によって製作されている、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. 固定装置（２００）が、基板（１００）と不動に結合されているか、または固定装置（２００）が、基板（１００）に対して可動に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のヨーレートセンサ。
9. Ｘ字形を成す撓みばね（３６０，３６１，３６２，３６３）に対して追加的に、単数または複数の支持ばね（３９０，３１０）が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載のヨーレートセンサ。

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