JP5495782B2 - 回転レートセンサ - Google Patents

Description

本発明は、請求項1の上位概念による回転レートセンサに関する。

そのような回転レートセンサは、例えばＤＥ１０２０３５１５号明細書から公知であり、このセンサは、駆動系質量体要素と（この要素は基板表面に配設され、該表面に平行に延在する第１の軸線に沿って駆動装置により振動させるべく駆動可能である）、検出系質量体要素と（この要素は第１の軸線に対して垂直に延在する第２の軸線に沿ってコリオリ力の作用のもとで偏倚可能である）、第２の軸線に沿った検出系質量体要素の変位が検出可能な検出装置とを有している。

この場合コリオリ力はスプリングによって駆動系質量体要素から検出系質量体要素へ伝達され、さらに基板表面に沿った第２の軸線方向にも走行する。そのため回転レートセンサは、基板表面に対して垂直方向の軸線周りの回転に基づいて発生するコリオリ力の検出に適しているだけである。コリオリ力の検出のためには検出系質量体要素において複数のフィンガーが次のような電極として構成される。すなわち基板内に形成されている相応のフィンガーに係合する電極として構成される。それらのフィンガー間のキャパシタンスの変化がコリオリ力の検出に利用される。

発明の概要
本発明の基礎とする課題は、基板に対して垂直方向に配向されるコリオリ力を検出でき、かつ、基板表面に沿って延在する軸線周りの相応の回転も検出できる、回転レートセンサを提供することである。

本発明の基礎をなす前記課題は、請求項1の特徴部分の構成を備える回転レートセンサによって解決される。

本発明によれば、第２の軸線は表面に対して垂直方向に延在している。

有利には回転レートセンサが回転軸線の方向に関して通常とは違う寸法を有し得る。この回転レートセンサは特に車両内において省スペース的に統合可能である。この回転レートセンサは別の方向に配向された回転軸線周りの回転を検出するさらなる回転レートセンサと共に１つのチップに集積されてもよい。その他にも本発明による回転レートセンサは高い作動周波数用に設計されており、そのため障害的加速の影響も低減される。１つの駆動系質量体要素の代わりに２以上の駆動系質量体要素を設けてもよい。また１つの駆動系質量体要素の代わりに２以上の駆動装置を設けてもよい。

本発明の有利な実施形態によれば、さらなる駆動系質量体要素と、さらなる検出系質量体要素と、さらなる検出装置が設けられており、前記さらなる駆動系質量体要素は基板表面に配設され、さらなる駆動装置によって前記第１の軸線に沿って駆動可能であり、前記さらなる検出系質量体要素は基板表面に対して垂直方向に延在する第２の軸線に沿ってコリオリ力の作用のもとで偏倚可能であり、前記さらなる検出装置により、第２の軸線に沿ったさらなる検出系質量体要素の変位が検出可能である。

それによって有利には特に感度の高い回転レートセンサが得られる。１つのさらなる駆動系質量体要素の代わりに２つ若しくはそれ以上の駆動系質量体要素が設けられてもよい。また１つのさらなる駆動系質量体要素の代わりに２つ若しくはそれ以上のさらなる駆動装置が設けられてもよい。さらにまた以下の実施形態及び改善形態によれば、さらなる感度の上昇が得られる。

別の有利な実施形態によれば、前記駆動系質量体要素は少なくとも１つの駆動系質量体バネによって基板に接続されており、該駆動系質量体バネは当該駆動系質量体要素の第１の軸線に対するあらゆる垂直方向での振動が抑圧されるように配向されており、さらにさらなる駆動系質量体要素が少なくとも１つのさらなる駆動系質量体バネによって基板に接続され、該さらなる駆動系質量体バネはさらなる駆動系質量体要素の第１の軸線に対するあらゆる垂直方向での振動が抑圧されるように配向されている。

別の有利な実施形態によれば、駆動系質量体要素はと少なくとも１つの検出系質量体バネによって検出系質量体要素に接続されており、該検出系質量体バネは当該検出系質量体要素の、第２の軸線に対するあらゆる垂直方向での振動が抑圧されるように配向されており、さらにさらなる駆動系質量体要素が少なくとも１つのさらなる検出系質量体バネによってさらなる検出系質量体要素に接続され、該さらなる検出系質量体バネはさらなる検出系質量体要素の、第２の軸線に対するあらゆる垂直方向でのさらなる駆動系質量体要素に対する振動が抑圧されるように配向されている。

本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、振動質量体要素とさらなる振動質量体要素が設けられており、駆動系質量体要素が少なくとも１つの振動質量体バネによって振動質量体要素に接続されており、さらなる駆動系質量体要素が少なくとも１つのさらなる振動質量体バネによってさらなる振動質量体要素に接続されており、前記振動質量体要素は少なくとも１つの検出系質量体バネによって検出系質量体要素に接続されており、さらに前記さらなる振動質量体要素が少なくとも１つのさらなる検出系質量体バネによってさらなる検出系質量体要素に接続されている。

それにより有利にはコリオリ力が専ら検出系質量体要素に対して伝送され、それに対して検出系質量体要素は基板表面に沿って停止する。有利には前記振動質量体要素とさらなる振動質量体要素は少なくとも１つの結合バネによって相互に結合され、前記駆動系質量体要素、振動質量体要素、検出系質量体要素、さらなる駆動系質量体要素、さらなる振動質量体要素、及びさらなる検出系質量体要素の重心が静止位置において一致する。

さらに別の有利な実施形態によれば、検出系質量体要素とさらなる検出系質量体要素は少なくとも１つの結合バネによって相互に結合されている。

さらに別の有利な実施形態によれば、駆動系質量体要素とさらなる駆動系質量体要素は少なくとも１つの結合バネによって相互に結合されている。

さらに別の有利な実施形態によれば、前記駆動系質量体要素と検出系質量体要素の重心は静止位置において一致している。

それにより有利には２つの軸線周りの回転加速度による測定結果の改ざんが回避される。さらに障害への反応のしやすさと横方向感度がそれに伴って大幅に改善される。

回転レートセンサの平面図 さらなる回転レートセンサの平面図

以下で本発明を、実施例の図面を参照して詳細に説明する。図１は回転レートセンサの平面図である。この回転レートセンサは、図平面に延在する基板上に配置された一定の厚さを有する同一の構造体１，２を含んでいる。これらの構造体１，２は例えば、ポリシリコン層を酸化層に析出し、これを再びシリコン基板に設けることによって形成される。酸化層には凹部が形成されており、この凹部においてポリシリコン層からシリコン基板への接続が形成される。これらの構造体はそのようにして規定され、酸化層はエッチングプロセスで除去される。このときポリシリコン層はシリコン基板と接続されたままである。

前記構造体１，２のそれぞれは２つの駆動系質量体要素３を有している。これらの駆動系質量体要素３は４つの駆動系質量体バネ４を介して当該駆動系質量体バネ４の端部５において下方に存在する基板と接続されている。この場合、同じ駆動系質量体要素３をその下方にある基板と接続させるそれぞれ２つの駆動系質量体バネ４が当該基板表面に沿って延在するｙ軸方向で相対抗して存在している。それに伴って前記駆動系質量体要素３の位置は前記２つの端部５の間においてその下方にある基板に対してｙ軸方向で限定されている。駆動系質量体バネ４は前記駆動系質量体要素３の一方のそれぞれ矩形状凹部６に配置されている。駆動系質量体バネ４はその畳込み部分の配向によってとりわけｙ軸方向に伸長可能であり、それに対して駆動系質量体要素３のｘ軸方向の振動は抑圧される。その場合凹部６内の駆動系質量体バネ４の配設に基づいて、櫛形駆動系９の取付けに対するまだ十分な空間が駆動系質量体要素３の側方に存在している。この櫛形駆動系９を用いることによって駆動系質量体要素３をｙ軸方向で振動させることができる。

前記各構造体１，２の２つの駆動質量体要素３は８つの検出系質量体バネ７を介して矩形状の検出系質量体要素８（各側方毎に２つ）に接続されている。この検出系質量体要素８は、貫通孔部を備えていてもよい。２つの駆動系質量体要素３は検出系質量体要素８をほぼ完全に取り囲んでいるが、但し結合系バネ１０と基板系バネ１１を検出系質量体要素８につなぐために空間が空けられている。それぞれ２つの検出系質量体バネ７は相対向するように検出系質量体要素８の２つの側方に設けられている。検出系質量体バネ７の形成と配設によって駆動系質量体３に対する検出系質量体要素８のｙ軸方向とｘ軸方向の振動が抑圧され、それに対して検出系質量体要素８の表面に対して垂直なｚ軸方向での相対運動は僅かに可能である。

検出系質量体要素８は結合系バネ１０を介して相互に結合される。これらの検出系質量体要素８は基板系バネ１１を介した安定化のために当該基板系バネ１１の端部１２がその下方に存在する基板と接続されている。

図２は、前述した回転レートセンサと同じ方法で製造が可能なさらなる別の回転レートセンサの平面図である。このさらなる回転レートセンサは実質的に同じ機能を有している。図２では簡素化の理由から全てのバネが線で表されている。

２つの駆動系質量体要素１３は、実質的に矩形状の検出系質量体要素１４の相対向した側方に配設されている。これらの２つの駆動系質量体要素１３はそれらの２つの相対向した端部にそれぞれ側方に突出した１つの突起１５を有しており、それによって検出系質量体要素１４がクリップ方式で駆動系質量体要素１３に留められる。

２つの駆動系質量体要素１３はそれぞれ一方の側において２つの駆動系質量体バネ１６を介してその下方にある基板とそれらの端部１７において接続される。相対向する側において駆動系質量体要素１３に形成されているフィンガー状部が櫛形駆動系１８のフィンガー状部へ係合している。このような駆動系質量体バネ１６の配置構成に基づいてｘ軸方向の振動が抑圧され、それに対して基板表面に沿ったｘ軸方向に垂直なｙ軸方向の振動は僅かに形成され得る。

２つの駆動系質量体要素１３は８つの検出系質量体バネ１９，２０を介して検出系質量体要素１４に接続されている。それぞれ２つの検出系質量体バネ１９，２０は相対向するように検出系質量体要素１４の２つの側方に設けられている。その場合前記突起１５は検出系質量体バネ２０の位置付けのために用いられる。検出系質量体バネ１９、２０の形成と配設によって駆動系質量体１３に対する検出系質量体要素１４のｙ軸方向とｘ軸方向の振動が抑圧され、それに対して検出系質量体要素１４の表面に対して垂直なｚ軸方向での相対運動は僅かに可能である。

さらなる駆動系質量体要素２１は、駆動系質量体要素１３の外側にそれぞれ平行に設けられている。これらの２つの駆動系質量体要素２１はそれらの２つの相対向した端部にそれぞれ側方に突出した１つの突起２２を有しており、それによって駆動系質量体要素１３がクリップ方式でさらなる駆動系質量体要素２１に留められる。２つのさらなる駆動系質量体要素２１はそれぞれ一方の側においてさらなる駆動系質量体バネ２３を介してその下方にある基板と、駆動系質量体バネ１７と区分されたそれらの端部１７において接続される。相対向する側においてさらなる駆動系質量体要素２１に形成されているフィンガー状部は櫛形駆動系２４のフィンガー状部へ係合する。このような駆動系質量体バネ２３の配置構成に基づいてｘ軸方向の振動が抑圧され、それに対して基板表面に沿ったｘ軸方向に垂直なｙ軸方向の振動は僅かに形成され得る。

２つのさらなる駆動系質量体要素２１は、８つの検出系質量体バネ２５，２６を介して、実質的に矩形状の凹部を備えた長方形として構成されたさらなる検出系質量体要素２７に接続されている。前記凹部内には検出系質量体要素１４と駆動系要素１３並びに駆動系要素２１が配設されている。このようなさらなる検出系質量体要素２７を備えた囲繞型フレームとしての構造は高い安定性に結び付く。それぞれ２つの検出系質量体バネ２５．２６は相対向するように検出系質量体要素２７の２つの側方に設けられている。その場合前記突起２２は検出系質量体バネ２６の位置付けのために用いられる。検出系質量体バネ２５，２６の形成と配設によって駆動系質量体２１に対する検出系質量体要素２７のｙ軸方向とｘ軸方向の振動が抑圧され、それに対して検出系質量体要素２７の表面に対して垂直なｚ軸方向での相対運動は僅かに可能である。

前記検出系質量体要素１４．２７は結合系バネ２８を介して相互に結合される。前記検出系質量体要素は結合系バネ２９を介して相互に結合される。

さらなる回転レートセンサの対称構造に基づいて、静止位置においては、駆動系質量体要素１３，検出系質量体要素１４，さらなる駆動系質量体要素２１及びさらなる検出系質量体要素２７の重心は一致ないしは重なり、そのため第２の軸線周りの回転加速度による測定結果の改ざんは回避される。

ポリシリコンからなる駆動系質量体要素と検出系質量体要素の構成は、評価に要するようにそれらが導電性であることにつながる。特にバネと駆動系質量体要素と櫛形駆動部の数は任意である。バネの折り畳みの数も任意である。バネは製造許容誤差に対する不感性を高めるためにも有利には同じ厚さで形成される。それに対して駆動系質量体要素と検出系質量体要素が相互に及び基板に対してどのように可動であるかは重要である。検出系質量体要素はそれぞれ完全に駆動系質量体要素によって囲繞されていてもよい。その場合は２つの駆動系質量体要素が結合バネによって相互に結合される。検出系質量体要素と駆動系質量体要素の逆の配置構成も可能である。そのような駆動系質量体要素と検出系質量体要素のフレーム構造は安定性を高める。

ｘ軸周りの回転の検出に対して全ての実施形態のための駆動系質量体要素は櫛形駆動部によってｙ軸に沿って振動を引き起こす。従ってコリオリ力は基板表面に対して垂直なｚ軸方向に向けられる。その場合櫛形駆動部の周波数は有利には検出系質量体要素が結合に基づいて逆位相の振動を励起するように選択される。検出系質量体要素のもとではそれぞれ基板内に電極が検出装置として形成される。検出系質量体要素がｚ軸方向のコリオリ力によって振動させられると、電極間のキャパシタンスが下方にある検出系質量体要素に対して変化する。電極からの信号の差分形成によって障害的な加速成分が簡単に差し引かれる。さらに駆動系質量体要素と検出系質量体要素の適切な選定によって、それらの共通の重心が時間不変性となることを考慮できる。

駆動系質量体要素と検出系質量体要素の間には、相互に結合されたさらなる振動質量体要素を設けることも可能である。それにより検出系質量体要素に対してコリオリ力に基づくｚ軸方向の振動のみを伝達させることも可能になる。

Claims (3)

1. 駆動系質量体要素（１３）と、
   検出系質量体要素（１４）と、
   検出装置とを有し、
   前記駆動系質量体要素（１３）は基板の表面に配設され、駆動装置（１８）によって前記表面に沿って延在する第１の軸線（ｙ）に沿って振動させるべく駆動可能であり、
   前記検出系質量体要素（１４）は第２の軸線（ｚ）に沿ってコリオリ力の作用のもとで変位可能であり、
   前記検出装置は、第２の軸線（ｚ）に沿った検出系質量体要素（１４）の変位が検出可能である、回転レートセンサにおいて、
   前記第２の軸線（ｚ）が基板表面に対して垂直方向に延在し、
   さらなる駆動系質量体要素（２１）と、
   前記検出系質量体要素（１４）を囲繞するさらなる検出系質量体要素（２７）と、
   さらなる検出装置とが設けられており、
   前記さらなる駆動系質量体要素（２１）は、基板表面に配設され、さらなる駆動装置（２４）によって前記第１の軸線（ｙ）に沿って駆動可能であり、
   前記さらなる検出系質量体要素（２７）は、基板表面に対して垂直方向に延在する第２の軸線に沿ってコリオリ力の作用のもとで変位可能であり、当該さらなる検出系質量体要素（２７）の、第２の軸線（ｚ）に沿った変位は前記さらなる検出装置によって検出可能であり、
   前記駆動系質量体要素（１３）は、少なくとも１つの駆動系質量体バネ（１６）によって基板に接続されており、前記駆動系質量体バネ（１６）は当該駆動系質量体要素（１３）の第１の軸線に対するあらゆる垂直方向での振動が抑圧されるように配向されており、さらに別のさらなる駆動系質量体要素（１３）が少なくとも１つのさらなる駆動系質量体バネ（２３）によって基板に接続され、該さらなる駆動系質量体バネ（２３）は前記さらなる駆動系質量体要素（１３）の第１の軸線に対するあらゆる垂直方向での振動が抑圧されるように配向されており、
   前記駆動系質量体要素（１３）は、少なくとも１つの検出系質量体バネ（１９，２０）によって検出系質量体要素（１４）に接続されており、
   前記検出系質量体バネ（１９，２０）は当該検出系質量体要素の、第２の軸線（ｚ）に対するあらゆる垂直方向での前記駆動系質量体要素（１３）に対する振動が抑圧されるように配向されており、さらにさらなる駆動系質量体要素（２１）が少なくとも１つのさらなる検出系質量体バネ（２５，２６）によってさらなる検出系質量体要素（２７）に接続され、該さらなる検出系質量体バネ（２５，２６）はさらなる検出系質量体要素（２７）の、第２の軸線（ｚ）に対するあらゆる垂直方向でのさらなる駆動系質量体要素に対する振動が抑圧されるように配向されており、さらに、
   前記検出系質量体要素（１４）とさらなる検出系質量体要素（２７）が少なくとも１つの結合バネ（２８）によって相互に結合されていることを特徴とする回転レートセンサ。
2. 前記駆動系質量体要素（１３）とさらなる駆動系質量体要素（２１）は少なくとも１つの結合バネによって相互に結合されている、請求項１記載の回転レートセンサ。
3. 前記駆動系質量体要素（１３，２１）と検出系質量体要素（１４，２７）の重心は静止位置において一致している、請求項１または２記載の回転レートセンサ。

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