JP4605736B2 - マイクロメカニズムの回転レートセンサー - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、マイクロメカニズムの回転レートセンサーであって、基板を備えており、基板が該基板上に設けられた固定装置（結合装置）を有しており、さらにリング状の振動質量体を備えており、振動質量体がたわみばね装置を介して固定装置に次のように結合されており、即ち、固定装置との結合領域が実質的にリング中央にあり、リング状の振動質量体が基板表面に対して垂直な回転軸及び基板表面に対して平行な少なくとも１つの回転軸を中心として該振動質量体の静止位置から弾性的に変位可能である形式のものに関する。
【０００２】
M. Lutz、W. Golderer、J. Gerstenmeier、J. Marek、B. Maihoefer、及びD. Schubertの「A Precision Yaw Rate Sensor in Silicon Micromachning; SAE Technical Paper, 980267(シリコンマイクロ加工の精密なヨーレートセンサー、SAE テクニカルペパー、980267)」並びにK. Funk、A. Schilp、M. Offenberg、B. Elsner、及びF. Laermerの「Surface-micromachining of Resonant Silicon Structures; the 8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Eurosensors IX, Stockholm, Schweden, 25.-29. Juni 1995, 50-52頁」によって、回転レートセンサーが公知である。
【０００３】
図２が公知のマイクロメカニズムの回転レートセンサーの平面を概略的に示している。
【０００４】
図２で、符号１００がシリコンウエハーの形の基板を表している。符号１０がリング状の振動質量体を表し、符号１５，１５′がたわみビームを、符号２５がブリッジを、符号１８，１８′が振動可能なたわみばね(geschwungene Biegefeder)を、かつ符号２０，２０′が支台を表している。後に述べた構成部分がポリシリコンからシリコン酸化物層上に形成されており、この場合、シリコン酸化物層が前記構成部分を基板１００に対して変位可能に成形するために後でエッチング法によって除去される。これによって両方の支台２０，２０′がシリコン酸化物層を介して基板１００に固定（係留）されて、センサー構造の固定点（固定部）を成している。
【０００５】
前述の形式で形成された回転レートセンサーの機能は回転系の角運動量保存則の原理をベースにしている。一般的に次の式が当てはまり、
【０００６】
【数１】

【０００７】
この場合、Ｍが偏差モーメントを表し、Ｊが慣性モーメントを、ｄω／ｄｔが回転振動の角速度を、かつΩが回転レートを表している。
【０００８】
図２に示す公知の回転レートセンサーにおいて、ｚ・軸を中心として回転するリング状の振動質量体１０がｙ・軸を中心として回転させられると、振動質量体はｘ・軸を中心とした回転によって変位する。前記偏差モーメントＭに起因するｘ・軸を中心とした回転が、ｚ・軸を中心とした角速度の一定の場合には測定される回転レートΩに比例している。
【０００９】
本発明の根底になる問題が一般的に、図面に示すｘ・軸、ｙ・軸及びｚ・軸に関する第１の３つの固有振動数は最適なものではなく、若しくは処理技術的に容易に最適にできないことにある。特に第１の３つの固有振動数の調節のためのセンサー質量の変化は望ましくないものであり、このことは測定技術的に不都合な影響を及ぼす。
【００１０】
公知の回転レートセンサーの欠点を避けるために、本発明に基づく構成では、たわみばね装置が、基板に堅く結合された相対する２つの支台を有しており、支台がブリッジを介して互いに結合されており、ブリッジの相対する側にそれぞれ、たわみばね装置のＶ字形のたわみばねが次のように取り付けられており、即ち、たわみばねの頂点がブリッジに配置されており、たわみばねの脚部が振動質量体に向かって所定の開き角で拡開している。
【００１１】
発明の利点
Ｖ字形のたわみばねのばね幅及びばね長さの規定によって、ｚ・軸を中心とした第１の固有振動数が作業周波数に対応してセンサーの所定モードで設定される。ばね脚部間の開き角の変化によって、センサーの検出共鳴周波数、即ちｘ・軸若しくはｙ・軸を中心とした基板平面からの回転が設定される。固有振動数間の比が、センサー特性、例えば感度、妨害防止及び温度安定性を高い精度で規定する。要するに本発明に基づく利点として、Ｖ字形のたわみばねの開き角若しくははば及び長さに関連して固有振動数が簡単、正確かつ互いに個別に調節可能である。
【００１２】
本発明の有利な構成では、開き角が、たわみばね装置の両方のＶ字形のたわみばねにとって互いに同じである。これによって、固有振動数のために１つの角度を最適にするだけでよい。
【００１３】
別の有利な構成では、たわみばね装置のＶ字形のたわみばねが、互いにＸ字形を成すようにブリッジに取り付けられている。これによって、対称的なたわみばね形状が得られる。
【００１４】
さらに有利な構成では、開き角が、基板表面に対して垂直な回転軸を中心とした固有振動数を、基板表面に対して平行な回転軸を中心とした各固有振動数よりも小さくするように選ばれている。これによって、著しく効果的な検出特性が得られる。
【００１５】
別の有利な構成では、が互いに相対する側をくさび形に形成されており、ブリッジが両方のくさび尖端を互いに結合している。これによって、センサーにｚ・軸を中心とした良好な変位作用が得られる。
【００１６】
別の有利な構成では、ブリッジが基板上で浮動に支台に懸架されている。
【００１７】
さらに有利な構成では、回転レートセンサーがシリコン・表面マイクロ加工によって製造されるようになっている。
【００１８】
表面マイクロ加工技術を本発明に基づくマイクロメカニズムの回転レートセンサーの製造に、特に標準的な１０μｍの厚さのエピポリ層を備えた大量生産プロセスに用いることによって、横方向感度の低い剛性なセンサー構造を形成することができる。
【００１９】
実施例の説明
本発明の実施例を図面に示して、詳細に説明する。図面において、同一の符号は同じ若しくは機能的に同じ構成部分を表している。
【００２０】
図１において、符号３０乃至３３がＶ字形の２つのたわみばねのたわみばね脚部を表しており、符号２５′がブリッジを表しており、符号２１，２１′が支台（基台）を表しており、１５０がリード線を表している。
【００２１】
実施例のマイクロメカニズムの回転レートセンサーにおいては、図２の公知の例と同様に、リング状の振動質量体１０がＶ字形の２つのたわみばねから成るたわみばね装置を介して固定装置２１，２１′，２５に次のように結合されており、即ち、固定装置２０が実質的にリング中央に位置しており、その結果、リング状の振動質量体１０が基板表面に対して垂直ないｚ・軸及び基板表面に対して水平なｘ・軸並びにｙ・軸を中心として静止位置から弾性的に変位可能になっている。
【００２２】
固定装置２１，２１′，２５′が、基板１００に堅く結合された相対する２つの支台２１，２１′を有しており、支台が互いに相対する側をくさび形に形成されており、この場合、ブリッジ２５′が両方のくさび尖端を互いに結合している。ブリッジ２５′は基板１００上で浮動に支台２１，２１′に懸架されている。
【００２３】
それぞれ脚部３０，３１若しくは３２，３３から成るＶ字形のたわみばねが、ブリッジ２５′の相対する側に次のように取り付けられており、即ち、たわみばねの頂点がそれぞれブリッジ２５′に配置されていて、脚部３０，３１若しくは３２，３３が振動質量体１０に向かって所定の開き角で拡開している。
【００２４】
開き角はたわみばね装置のＶ字形の両方のたわみばねにとって同じであり、たわみばね装置のＶ字形のたわみばねがブリッジ２５′に次のように取り付けられており、即ち、たわみばねが対称的なＸ字形を成している。
【００２５】
Ｖ字形のたわみばねの脚部３０，３１若しくは３２，３３のばね幅及びばね長さの規定によって、ｚ・軸を中心とした第１の固有振動数が設定される。ばね脚部間の開き角の規定によって、ｘ・軸若しくはｙ・軸を中心とした基板平面からの回転に対する固有振動数が設定される。固有振動数間の比は、センサー特性、例えば感度、妨害防止特性及び温度安定性が使用に適した最適な値を有するように互いに規定されている。
【００２６】
例えば開き角は、基板表面に対して垂直なｚ・軸を中心とした固有振動数が基板表面に対して平行な回転軸、即ちｘ・軸若しくはｙ・軸を中心とした各固有振動数よりも小さくなるように選ばれる。
【００２７】
実施例のマイクロメカニズムの回転レートセンサーは有利にはシリコン・表面マイクロ加工によって製造される。
【００２８】
本発明は有利な実施例をもとに説明してあるものの、図示の実施例に限定されるものではなく、多様な変更が可能である。
【００２９】
特に、振動質量体並びにたわみばね装置の幾何学形状が図示の実施例に限定されるものではない。固定部分の対称的な配置からの大きな変更は、外部の加速の一時間数的な作用が測定結果を歪曲するおそれのあるばあいには避けたい。
【００３０】
前述の製造方法も実施例として示してあるものであり、別の方法、例えば電気めっき法も回転レートセンサーの製造のために用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づくマイクロメカニズムの回転レートセンサーの概略平面図。
【図２】 公知のマイクロメカニズムの回転レートセンサーの概略平面図。
【符号の説明】
１０ 振動質量体、２１，２１′支台、３０，３１，３２，３３ たわみばねのたわみばね脚部、２５′ ブリッジ、１００ 基板、１５０がリード線

Claims (4)

1. マイクロメカニズムの回転レートセンサーであって、
   基板（１００）を備えており、基板（１００）が該基板上に設けられた固定装置（２１；２１′）を有しており、
   リング状の振動質量体（１０）を備えており、振動質量体がたわみばね装置（３０，３１；３２，３３）を介して固定装置（２１；２１′；２５′）に次のように結合されており、即ち、固定装置（２１；２１′；２５′）との結合領域が実質的にリング中央にあり、リング状の振動質量体（１０）が基板表面に対して垂直な回転軸及び基板表面に対して平行な少なくとも１つの回転軸を中心として該振動質量体の静止位置から弾性的に変位可能である形式のものにおいて、
   固定装置（２１；２１′；２５′）が、基板（１００）に堅く結合された相対する２つの支台（２１；２１′）を有しており、支台がブリッジ（２５′）を介して互いに結合されており、ブリッジ（２５′）の相対する側にそれぞれ、たわみばね装置（３０，３１；３２，３３）のＶ字形のたわみばね（３０，３１；３２，３３）が次のように取り付けられており、即ち、Ｖ字形のたわみばねの頂点がブリッジ（２５′）に配置されており、Ｖ字形のたわみばねの脚部が振動質量体（１０）に向かって所定の開き角で拡開しており、開き角が、たわみばね装置（３０，３１；３２，３３）の両方のＶ字形のたわみばね（３０，３１；３２，３３）にとって互いに同じであり、たわみばね装置（３０，３１；３２，３３）のＶ字形のたわみばね（３０，３１；３２，３３）が、互いにＸ字形を成すようにブリッジに取り付けられており、かつ、開き角が、基板表面に対して垂直な回転軸（ｚ）を中心とした固有振動数を、基板表面に対して平行な回転軸（ｘ，ｙ）を中心とした各固有振動数よりも小さくするように選ばれていることを特徴とする、マイクロメカニズムの回転レートセンサー。
2. 支台（２１；２１′）が互いに相対する側をくさび形に形成されており、ブリッジ（２５′）が両方のくさび尖端を互いに結合している請求項１記載のマイクロメカニズムの回転レートセンサー。
3. ブリッジ（２５′）が基板（１００）上で浮動に支台（２１，２１′）に懸架されている請求項１又は２記載のマイクロメカニズムの回転レートセンサー。
4. 回転レートセンサーがシリコン・表面マイクロ加工若しくは別のマイクロ加工技術によって製造されている請求項１から３のいずれか１項記載のマイクロメカニズムの回転レートセンサー。

Images