JP5006208B2 - 角速度についての振動マイクロ−メカニカルセンサー - Google Patents
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Description
本発明は、角速度の測定において用いられる測定デバイスに関し、より詳細には、角速度についての、振動マイクロ−メカニカルセンサー(oscillating micro-mechanical sensor)に関する。本発明は、とりわけ、コンパクトな振動マイクロ−メカニカル角速度センサーのソリューションにおいて、信頼性を有しかつ効率的な測定を可能とする改善されたセンサー構造を提供することを目的とする。
振動センサーに基づいた角速度の測定は、単純な原理を有し、そして、角速度の測定の信頼できるやり方を提供するとが示されている。角速度の振動センサーにおいて最も一般的に用いられている動作原理は、所謂、音叉の原理(turning fork principle)である。
本発明の目的は、とりわけコンパクトな角速度の振動センサーソリューションにおいて、信頼性が高くかつ効率的な測定が可能であり、しかも従来技術によるソリューションと比較して機械的な干渉のリンクに対して充分に感度が低い、改善された角速度の振動センサーを提供することにある。
角速度についての当該センサーには、生成されるべき主運動は、支持領域に関する、2つの震動質量部の逆位相の角振動であり、
これら震動質量部は、互いに少なくとも1つの曲がりバネによって接続されており、そのことが、それら質量部の主運動を機械的に同期させており、
これら震動質量部は、バネによってまたはバネと剛性を有する補助構造によって支持領域に接続されており、そのことが、震動質量部に、それらによって形成されるディスクの平面に垂直な回転の軸に関する自由度と、該ディスクの平面の方向を向いた少なくとも1つの回転の軸に関する自由度とを与えている。
主運動のための回転バネを有し、これらバネは、主運動に関して柔軟性を持っており、
検出運動のための捩りバネを有し、これらバネは、外部からの角速度によって導入されるトルクモーメントによって生じる捩り振動に関して、柔軟性を持つものである。
主運動のための回転バネを有し、これら回転バネは、主運動に関して柔軟性を持っており、
第1の方向における検出運動のための捩りバネを有し、これら捩りバネは、第1の方向における検出運動に関して柔軟性を持っており、
第2の方向における検出運動のための捩りバネを有し、これら捩りバネは、第2の方向における検出運動に関して柔軟性を持っている。
本発明による、角速度についてのセンサーでは、発生させられるべき主運動(primary motion)は、少なくとも2つの可動の震動質量部(seismic masses)の角振動であって、該主運動は、これら質量部をセンサー構成部品(センサーコンポーネント)の本体(ボディ)に取り付ける支持領域について、反対の位相となっている。各質量部のための支持領域が少なくとも1つ存在し、それらは、バネによって、または、バネと堅固な補助構造によって、それらの周囲の質量部に接続されており、ウェハーの平面に垂直な回転軸に関して、および、ウェハーの平面と同一方向の少なくとも1つの回転軸に関して、それら質量部に自由度を与えている。それら質量部は互いに少なくとも1つの曲がりバネ(bending spring)によって接続され、該曲がりバネが、それらの主運動を機械的に同期させる。当分野において知られている構造は、該運動を生成するために用いることができる。
Claims (20)
- 角速度についての振動マイクロ−メカニカルセンサーであって、
当該センサーは、基準とすべき仮想の平面に沿って配置された2つの震動質量部(1)、(2)、(36)、(37)を有し、これら2つの震動質量部は、それぞれに支持領域を有し、センサー構成部品の本体にそれぞれの支持領域の所で取り付けられ、かつ、
当該センサーは、前記2つの震動質量部(1)、(2)、(36)、(37)の間にあってこれらを互いに接続する曲がりバネを有し、
当該センサーに生じさせるべき一次運動は、前記それぞれの支持領域を中心とした、2つの震動質量部(1)、(2)、(36)、(37)の逆位相の角振動であり、
前記2つの震動質量部(1)、(2)、(36)、(37)は、互いに前記曲がりバネ(11)、(50)によって接続されており、この接続によって、前記2つの震動質量部の一次運動は機械的に同期するようになっており、
前記2つの震動質量部(1)、(2)、(36)、(37)は、前記支持領域を枠状に取り囲む剛性を有する枠状構造部とバネとによって、各震動質量部から順に、外側のバネ、前記枠状構造部、内側のバネ、前記支持領域へと至る接続にて前記支持領域に接続されており、この接続によって、前記2つの震動質量部(1)、(2)、(36)、(37)には、前記仮想の平面に垂直な回転軸を中心とした自由度と、前記仮想の平面に沿った方向を向いた少なくとも1つの回転軸を中心とした自由度とが、与えられていることを特徴とする、
前記振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 角速度についての当該センサーが、1つの軸を中心とした角速度を測定する、角速度についてのセンサーであって、
当該センサーは、2つの震動質量部(1)、(2)を持っており、これら2つの震動質量部は、それぞれの中央部に、支持領域としての取付けスポット(3)、(4)を有しており、これら取付けスポット(3)、(4)の所で、前記2つの震動質量部は、それぞれ、センサー構成部品の本体に取り付けられることを特徴とする、請求項1記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 曲がりバネ(11)が、幅の値よりも、高さの値の方が大きいことを特徴とする、請求
項2記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 上記2つの震動質量部のそれぞれにおいて震動質量部と支持領域とを接続している、外側のバネ、枠状構造部、および、内側のバネのうち、
内側のバネが、一次運動のための回転バネ(5)、(6)であって、これら回転バネは、一次運動に関して柔軟性を持っており、
外側のバネが、検出運動のための捩りバネ(7)〜(10)であって、これら捩りバネは、外部からの角速度によって生成されるトルクモーメントによって生じる捩り振動に関して、柔軟性を持っている
ことを特徴とする、請求項2または3記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 外部からの角速度によって生じる振動が、震動質量部(1)、(2)の上方または下方に配置された電極によって、静電容量的手法で検出されることを特徴とする、請求項2〜4のいずれか1項に記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。
- 当該センサーが、さらに、上記2つの震動質量部とこれらを互いに接続する曲がりバネとを有してなるセンサー構造を密封的に囲んで閉じこめるウェハーを有しており、
該ウェハーの内側の面に上記電極が成長していることを特徴とする、請求項5記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 角速度についての当該センサーが、第2の曲がりバネを有し、該バネが、当該センサーの震動質量部同士を接続するバネ(11)と、実質的に同じ方向に延びており、かつ、その中央ポイントの所に取り付けられていることを特徴とする、請求項2〜6のいずれか1項に記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。
- 震動質量部(1)、(2)が、上記取付けスポット(3)、(4)によって上記本体に取り付けられ、
さらに加えて、震動質量部(1)、(2)を互いに接続する曲がりバネの中央部からは、上記仮想の平面に沿って、両側にバネが突出しており、それぞれのバネの先端部には、さらなる取付けスポット(12)、(13)が設けられており、該取付けスポット(12)、(13)が上記本体に取り付けられることを特徴とする、
請求項2〜7のいずれか1項に記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 2つの震動質量部(1)、(2)の外形が互いに合同な直角四辺形であって、これら2つの直角四辺形が互いに線対称の位置関係にあるように、かつ、対応する辺が間隔をおいて互いに平行であるように、2つの震動質量部(1)、(2)が配置されており、この配置によって、2つの直角四辺形とこれらの間にある間隔とが、より大きな直角四辺形を描いており、
震動質量部(1)、(2)は、上記取付けスポット(3)、(4)によって上記本体に取り付けられ、
さらに加えて、震動質量部(1)、(2)を互いに接続する曲がりバネの中央部からは、上記仮想の平面に沿って、両側にバネが突出しており、それぞれのバネは、前記のより大きな直角四辺形の2辺に達しさらに分岐して4つの角部の近傍へと延びており、それぞれのバネの先端部にはさらなる取付けスポット(14)〜(17)が設けられており、該取付けスポット(14)〜(17)が上記本体に取り付けられることを特徴とする、
請求項2〜7のいずれか1項に記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 2つの震動質量部(1)、(2)の外形が互いに合同な直角四辺形であって、これら2つの直角四辺形が互いに線対称の位置関係にあるように、かつ、対応する辺が間隔をおいて互いに平行であるように、2つの震動質量部(1)、(2)が配置されており、この配置によって、2つの直角四辺形とこれらの間にある間隔とが、より大きな直角四辺形を描いており、
さらに加えて、各震動質量部(1)、(2)を互いに接続する曲がりバネの中央部からは、上記仮想の平面に沿って、両側にバネが突出しており、それぞれのバネは、前記のより大きな直角四辺形の2辺に達しており、それぞれのバネの先端部にはさらなる取付けスポット(24)、(25)が設けられており、各取付けスポット(24)、(25)が上記本体に取り付けられることを特徴とする、
請求項2〜7のいずれか1項に記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 震動質量部(1)、(2)には、それら震動質量部を互いに接続する曲がりバネとの接続点の近傍に、空洞(26)、(27)が設けられており、該空洞の存在によって、曲がりバネによって生じる歪が緩和されるものとなっている、請求項2から10のいずれか1項に記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。
- さらに、上記曲がりバネの中央部から両側に突出したバネが、それぞれの基部から先端部までの間において、クシ歯が互いに向かい合った構造を有してなるクシ形の構造(28)、(29)となっていることを特徴とする、請求項10に記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。
- 上記2つの震動質量部が、上記支持領域を枠状に取り囲む剛性を有する枠状構造部とバネとによって、各震動質量部から順に、外側のバネ、前記枠状構造部、内側のバネ、前記支持領域へと至る接続にて前記支持領域に接続されており、
前記枠状構造部の外側周囲は、クシ歯が放射状に突出してなる放射状のクシ形構造(34)、(35)となっていることを特徴とする、請求項1記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 角速度についての当該センサーが、2つの軸を中心とした角速度を測定する、角速度についてのセンサーであって、
当該センサーは、2つの震動質量部(36)、(37)を含んでおり、これら2つの震動質量部は、それぞれの中央部に、支持領域としての取付けスポット(38)、(39)を有しており、これら取付けスポット(38)、(39)の所で、前記2つの震動質量部は、それぞれ、センサー構成部品の本体に取り付けられており、
前記2つの震動質量部(36)、(37)は、前記支持領域を枠状にかつ同心状に2重に取り囲む剛性を有する枠状構造部とバネとによって、各震動質量部から順に、外側のバネ、外側の枠状構造部、枠状構造部同士の間のバネ、内側の枠状構造部、内側のバネ、前記支持領域へと至る接続にて前記支持領域に接続されていることを特徴とする、請求項1記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 曲がりバネ(50)が、幅の値よりも、高さの値の方が大きいことを特徴とする、請求
項14記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 上記2つの震動質量部(36)、(37)のそれぞれにおいて震動質量部と支持領域とを接続している、外側のバネ、外側の枠状構造部、枠状構造部同士の間のバネ、内側の枠状構造部、内側のバネのうち、
内側のバネが、一次運動のための回転バネ(40)、(41)であって、これら回転バネは、一次運動に関して柔軟性を持っており、
枠状構造部同士の間のバネが、第1の方向における検出運動のための捩りバネ(42)〜(45)であって、これら捩りバネは、第1の方向における検出運動に関して柔軟性を持っており、
外側のバネが、第2の方向における検出運動のための捩りバネ(46)〜(49)であって、これら捩りバネは、第2の方向における検出運動に関して柔軟性を持っている
ことを特徴とする、請求項14または15記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 外部からの角速度によって生じる振動が、震動質量部(36)、(37)の上方または下方に配置された電極によって、静電容量的手法で検出されることを特徴とする、請求項14〜16のいずれか1項に記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。
- 当該センサーが、さらに、上記2つの震動質量部とこれらを互いに接続する曲がりバネとを有してなるセンサー構造を密封的に囲んで閉じこめるウェハーを有しており、
該ウェハーの内側の面に上記電極が成長していることを特徴とする、請求項17記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。 - 取付けスポット(3)、(4)、(14)〜(19)、(20)、(21)、(24)、(25)、(30)、(31)が、センサー構造を密封的に閉じるウェハーに、陽極的手法によって接合されることを特徴とする、請求項2〜18のいずれか1項に記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。
- 取付けスポット(3)、(4)、(14)〜(19)、(20)、(21)、(24)、(25)、(30)、(31)は、センサー構造を密封的に閉じるウェハーに、溶融接合によって接合されることを特徴とする、請求項2から18のいずれか1項に記載の振動マイクロ−メカニカルセンサー。
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