JP5639087B2 - ｘ，ｙおよび／またはｚ軸周りの回転運動を検出するためのＭＥＭＳジャイロスコープ - Google Patents

Description

本発明は、ｘ，ｙおよび／またはｚ軸周りの回転運動を検出するためのマイクロマシンシステムまたはＭＥＭＳジャイロスコープに関し、特に、３次元センサに関する。本発明では、基板およびマスを駆動するための複数のアクチュエータを有し、ｘ，ｙおよび／またはｚ軸周りの基板の回転時に、ドライブマス上にコリオリの力を発生させる。

３次元マイクロマシンＭＥＭＳジャイロスコープとしては、ＴＷ２８６２０１ ＢＢが知られている。これは、中央アーマチャ（ｃｅｎｔｒａｌ ａｒｍａｔｕｒｅ）に配置され、振動回転運動を引き起こすマスを有する。マスは、基板上に配置され、コリオリの力によってｘまたはｙ軸にトルクが作用したときに、ｙまたはｘ軸に対して傾く。これは、基板上のこれらのドライブマスの好適なサスペンションにより、実現可能にされる。ｚ軸に働くトルクが発生した時に、部分マスは、回動可能に配置されたマス上の部分マスの他の好適なサスペンションによる並進運動（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）とともに変位することができる。傾き運動および並進動作は、センサにより検出可能であり、しかも、基板の回転運動に対する比率により、ｘ，ｙまたはｚ軸の対応する回転を測定するのに利用可能である。しかしながら、それぞれの移動を検出するのは、とても困難である。

全ての三つの軸で回転を検出可能な３次元センサとしての３次元ジャイロスコープを実現するために、Ｄ. Ｗｏｏｄ ｅｔ ａｌは、１９９６年の文献“Ａ ｍｏｎｏｃｙｃｌｉｃ ｓｉｌｉｃｏｎ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｃａｐｉｔａｌ ｏｆ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｔｈｒｅｅ ａｘｅｓ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ”にて、中央アンカー付近に環状に配置された振動マスを持つジャイロスコープを提案している。これらのマスは、コリオリの力の発生による傾きおよび回転運動に適用することができる。その欠点としては、そのようなセンサの製造は、移動マスのための駆動とともに困難なことである。センサの個々の要素の運動が互いに影響し合うので、ジャイロスコープのｘ，ｙまたはｚ軸方向の運動の測定が高精度に提供されない。

本発明の目的は、ｘ，ｙおよび／またはｚ軸周りの回転運動を検出するための高精度の検出精度を持つＭＥＭＳジャイロスコープを提供することであり、特に３次元センサに関する。

請求項１の特徴を持つＭＥＭＳジャイロスコープにて、本発明の課題が解決される。

本発明において、ｘ，ｙおよび／またはｚ軸周りの回転運動を検出するためのＭＥＭＳジャイロスコープは、基板と、中央部に対して径方向に移動可能な少なくとも２つ、好ましくは４つの複数のドライブマスを有する。駆動要素は、ｘ，ｙおよび／またはｚ軸周りの基板の回転が発生した時に、ドライブマスに作用するコリオリの力を発生させるために、ドライブマスに第１の振動を与える。振動しているドライブマスは、少なくとも１つの他の非振動センサマスに連結され、基板上でｘ，ｙおよび／またはｚ軸の周りを回転可能である。センサ要素は、第２の振動として発生したコリオリの力によるセンサマスおよび／またはドライブマスの基板に対する移動を検出するために、ＭＥＭＳジャイロスコープに配置される。センサマスは、スプリングによって、基板に回動可能に取り付けるための少なくとも２つ、好ましくは４つのアンカーデバイスを備える。

本発明では、振動ドライブマスは、センサマスに取り付けられ、センサマスとは独立に振動可能である。センサマス自体は、最終的に、少なくとも２つのアンカーデバイスを介して基板に取り付けられる。スプリングを介したアンカーデバイスへの取り付けが、基板に対するドライブマスおよびセンサマスの運動を可能にする。これらの動作は、投影面に直交するｚ軸周りの回転動作および投影面に広がるｘおよびｙ軸の傾き運動として発生する。この結果、基板またはジャイロスコープのｘ軸，ｙ軸および／またはｚ軸周りの独立した回転運動は、適切な場所に配置されたセンサ要素によって検出される。特に、センサマスを基板上に配置する４つのアンカーデバイスの配置において、基板上でのマスの配置バランスが効果を発揮する。基板の回転動作中に発生するコリオリの力によるマスの移動は、全ての方向において一様に発生するので、全ての方向の変位動作のタイプは同様である。これは、アンカーポイントの２つがｘ軸およびｙ軸のそれぞれの上に配置されており、且つ４つのアンカーポイントがｘ軸およびｙ軸上に配置されているときは、特に効果的である。これは、ｙ軸の傾き運動と同じタイプのｘ軸の傾き運動を引き起こす。

センサマスをアンカーデバイスに取り付けるスプリングは、ｘ軸およびｙ軸の上記の傾き運動およびｚ軸の回転を可能にする。しかしながら、それらは、ｘまたはｙ軸方向での並進運動に対する相互作用に関しては剛性を有する。このようにして、センサマスの並進運動に関しては剛性を有し、センサマスの回転運動に関しては柔軟性を有する安定な系が構成される。

本発明の好適な実施例では、センサマスは、ドライブマスを取り囲み、フレームワーク形状である。これは、ドライブマスを、マスセンサに良好に適応させるとともにセンサの故障のない動作を実現する。フレームワークは、ドライブマスがスムーズに動作され且つスムーズに支持されることをも可能にし、コリオリの力およびそれに関連する傾き運動は、ドライブマスからセンサマスにスムーズに伝わる。

仮に、ドライブマスが、センサの中心に対して互いに対照になる場所に配置された場合、ドライブ振動はすぐに安定になり、センサは、静止位置にあるときの絶対的に静的なセンサマスを持つ。センサマスは、このようにして、移動するドライブマスからの悪影響を受けず、また、コリオリの力の発生なしでは振動しない。

センサマスにおいて、ｘ軸またはｙ軸のマスの移動を検出するためのセンサ要素は、好ましくは、センサマスの下方および／またはドライブマスの下方に配置される水平板状コンデンサ（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｐｌａｔｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）または垂直コンデンサ（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｓ）である。上記のような配置により、第２の振動でのｘ軸またはｙ軸のマスの移動は、キャパシタンスまたは電圧の変化として検出することができる。対応する振幅は、回転速度センサ上に作用する回転速度の測定に使用される。

センサ要素は、好ましくは、センサマスの内側または外側に配置される垂直コンデンサまたはくし型電極であり、ｚ軸のマスの移動を検出する。ｚ軸の回転速度は、電気的振幅の変化を生じる。

センサマスは、好ましくは、曲げスプリングを使用して基板上に取り付けられる。柔軟なスプリングは、センサマスが、対応するアンカーデバイスにより、安定した状態で基板に配置されることを可能にする。個々の曲げスプリングは、互いに共同して動作するようになっており、理想的には、仮に、コリオリの力により発生する振動によりそれらが変位したとしても、センサマスおよびドライブマスが基板に接触しない。

曲げスプリングは、好ましくは、ｘ，ｙおよびｚ軸のセンサマスの回転を可能にするように設計される。これは、ｘ，ｙおよび／またはｚ軸のセンサマスの振動回転の際に発生するコリオリの力による第２の運動としての基板の回転運動を可能にする。

曲げスプリングは、好ましくは、ｘ，ｙおよび／またはｚ軸方向のセンサマスの移動を阻止するように作られている。曲げスプリングは、基板での直線方向のセンサマスの移動を防止するために、基板上でのセンサマスの並進移動に関する相互作用に関して、強固に作られている。

特に、センサマスの微細な移動を良好にするために、センサの中心の領域にアンカーデバイスが配置されるように設計される。これは、所定の方向に弱いバネ接点を持つように曲げスプリングが好適な長さに構成されることを可能にし、その結果、曲げスプリングが比較的に柔軟性に優れる。このため、曲げスプリングに力が作用した時に、屈曲が簡単に発生する。スプリングに連結されたセンサマスは、このようにして、たとえ小さなコリオリの力によっても、容易に繰り返して傾くことができる。

アンカーデバイスは、好適には、ドライブマスの間に配置される。これは、アンカーポイントおよび移動マスの均一な分布をもたらす。センサマスの移動は、このようにして、全ての方向で、一様に且つ秩序的に行われる。

特に好適な本発明の実施例では、ドライブマスは、駆動方向に柔軟性を持つ曲げスプリングによってセンサマスに取り付けられる。ドライブマスは、このようにして、センサマス上で影響を及ぼすことなく、駆動方向に振動状態で駆動されることができる。このようにして、ドライブマスのドライブ運動は、マスが曲げスプリングにより互いに接続されていても、センサマスの動作を直接に引き起こさない。しかしながら、曲げスプリングは、駆動方向からそれる方向において、センサマスに比較的強固に接続され、ドライブマスに作用するコリオリの力が、ドライブマスと共にセンサマスの傾きまたは回転動作に作用する。

本発明の特に好ましい実施例では、ドライブマスは、同期スプリングにより、互いに連結される。これは、有利には、ドライブマスの動作を互いに同調させて発生させることを可能にし、ドライブマスの不均衡な動作による反作用の力が、センサマスに作用しない。これは、コリオリの力によらないセンサマスの移動を引き起こす可能性がある。このことから、好ましくない測定エラーが発生する可能性がある。しかしながら、同期スプリングが個々のドライブマスを互いに連結しており、個々のドライブマスのドライブ運動が発生する力に対して等しくなる。

仮に、同期スプリングが中央に近い位置に配置してあれば、特に有利である。 特に、もし、同期スプリングが、センサマスのアンカーデバイスよりも中央に近い位置に配置してあれば、同期スプリングおよびセンサマスの曲げスプリングは互いに障害にならない。さらに、曲げスプリングは、同期スプリングと同じように、対応する方向に十分に柔軟性を持ち、しかも、同期とセンサマスの可動性とを保証し且つセンサマスの可動性を保証するように十分に長い。

仮に、ドライブマスの駆動方向が、４つのドライブマスの際に好適に９０°の角度でまたは３つのドライブマスの際に好適に１２０°の角度で、互いに傾けられていれば、ドライブマスが、コリオリの力によらないセンサマスに作用する力以外で、均一に駆動されることを可能にする。

本発明の好適な実施例において、特に安定した系はｘ／ｙ軸に対して４５°の角度で傾けられているという事実の結果である。この系は、コリオリの力に対して高感度に反応し、対応する軸にて低回転速度の際にもコリオリの力を示すことができる。

ドライブマスの駆動要素は、好ましくは、電極であり、特に、フォーク形状またはくし型形状の電極である。電極のいくつかは基板に取り付けられ、その他の電極は駆動要素に取り付けられる。交流電圧の供給により、電極は引き合ったり反発したりして、ドライブマスの振動運動を発生させる。

本発明の他の優位性は、以下に示す実施例に記載されている。

図１は、本発明に係るＭＥＭＳジャイロスコープの平面図を示す。 図２は、本発明に係る他のＭＥＭＳジャイロスコープの平面図を示す。 図３は、本発明に係る他のＭＥＭＳジャイロスコープの平面図を示す。

第１実施形態
図１は、３次元ＭＥＭＳジャイロスコープ１の平面図を示す。図１は、特に、ジャイロスコープ１の可動部、すなわち、４つのドライブマス２およびセンサマス３を示す。センサマス３は、フレーム構造により、４つのドライブマス２を包囲する。ドライブマス２は、センサマス３の内側に位置する。

センサマス３は、曲げスプリング４およびアンカーデバイス５を介して、基板（不図示）の上に配置される。曲げスプリング４は、その長手方向を横切る方向に弾性を有する。しかしながら、曲げスプリング４は、その長手方向に、剛性を有する。これは、センサマス３を投影面から突出するｚ軸の周りに回動可能にするとともに、センサマス３を投影面内に広がるｘ軸およびｙ軸周りに回動可能にする。振動回転運動は、図面に示す矢印により表される。

ドライブマス２は、センサマス３により、包囲されるように配置される。ドライブマス２は、曲げスプリング６により、センサマス３に取り付けられる。ドライブマス２のそれぞれは、４つの曲げスプリング６を持つ。ドライブマス２は、駆動要素７により、双方向矢印の方向に、振動状態で駆動される。駆動要素７は、たとえば、くし型電極を含んで構成され、それらのうちのいくつかは基板に取り付けられ、その他はドライブマス２に取り付けられる。駆動要素７は、供給される交流電圧により、ドライブマス２を振動状態にする。

曲げスプリング６は、ドライブマス２の駆動方向に曲げ弾性を持ち、他の方向には剛性を持つように設計される。これは、ドライブマス２を、駆動方向において自由に振動することを可能にし、ドライブマス２は、他の方向では、センサマス３の動きに連動される。ドライブマス２を持つセンサマス３は、このようにして、ｘ，ｙおよび／またはｚ軸のうちの１つまたは複数の軸の周りの基板の回転運動の際に発生するコリオリの力により、対応する方向で第２の動作で回転する。

４つのドライブマス２は、一対が互いに反対の方向に振動し且つｚ軸に対して対象になるように、センサマス３に配置される。このようにして、ドライブマス２の運動による力およびトルクが互いにキャンセルされ、センサマス３は、ドライブマス２単体のドライブ運動による動きに連動しない。

このバランスを実現し且つセンサマス３の静止状態を実現するために、ドライブマス２は、同期スプリング８により、互いに連結される。同期スプリング８は、ｚ軸上で、アンカーデバイス５とジャイロスコープ１の中央との間に配置される。 これは、同期スプリング８が、曲げスプリング４およびアンカーデバイス５の動作に干渉しないことを実現する。同期スプリング８は、Ｕ字形状である。同期スプリング８により互いに関連付けられた２つのドライブマス２の互いに引き合い離れ合う周期的な動作は、２つのドライブマス２の間の距離の変化を発生させる。同期スプリング８は、その形状により、このプロセスの間、広げられることが可能である。同期スプリング８は、速度の違いを相殺することでドライブマス２に力を作用させており、その結果４つのドライブマス２のドライブ運動が同期される。

板状キャパシタ９は、センサマス３の下方であって、ｘおよびｙ軸の領域に配置される。センサマス３が、ｘまたはｙ軸の周りを回転すると、これらの板状キャパシタ９から、電気的信号が生成される。この信号は、ｘまたはｙ軸周りの基板の回転により発生するコリオリの力に比例する。ｚ軸周りのセンサマス３の回転運動を検出するために、たとえば、くし型電極が、特に、センサマス３の周辺領域または外側領域に設けられ、ｚ軸周りのセンサマス３の回転運動を電気的信号として検出し、基板の回転に対応する結果が得られることを可能にする。

曲げスプリング４によるセンサマス３の基板のアンカーデバイス５への取り付けと、曲げスプリング６によるドライブマス２のセンサマス３に対する取り付けにより、ドライブマス２の第１の運動が、第２の運動から最大限に分断される系が実現される。第２の運動は、ドライブマス２およびセンサマス３への連結により引き起こされる。ジャイロスコープ１、または、センサマス３およびドライブマス２が取り付けられた基板の回転によるドライブマス２およびセンサマス３の回転運動は、ドライブマス２のドライブ動作による悪影響を避けて検出されることができる。

ドライブマス２およびセンサマス３を介して第２の運動が引き起こされた後は、この例とは異なる方法が考えられる。すなわち、センサ要素は、この場合は板状キャパシタ９であり、センサマス３の下方だけではなく、ドライブマス２の下方にも配置される。 これも、ｚ軸周りの回転を検出するセンサ要素に適用する。繰り返すが、この動きはドライブマス２およびセンサマス３によって連動するように引き起こされ、この運動はドライブマスおよび／またはセンサマス３の領域にも発生する。

図２は、図１に示すＭＥＭＳジャイロスコープとは異なる実施例を示す。図１で参照した部材番号と同じ要素は同一の部材番号で表示する。図１と同様に、ＭＥＭＳジャイロスコープ１は、４つのドライブマス２を有し、それぞれが、４つの曲げスプリング６により、センサマス３に連結されている。センサマス３は、フレームとして、４つのドライブマス２を取り囲んでいる。ドライブマス２は、ｚ軸領域のジャイロスコープ１の中央に伸びる方向で、ｘ軸およびｙ軸に対して４５°の角度で移動し、中央から近づいたり離れたりする。対向するドライブマス２は、異なる方向に振動状態で移動し、振動がセンサマス３に発生することを防止する。

センサマス３は、全部で４つのアンカーデバイス５に、それぞれの箇所で１つの曲げスプリング４により固定されており、ｘ，ｙおよびｚ軸の周りを回転し且つ傾くことが可能である。 アンカーデバイス５とジャイロスコープ１の中央との間に伸びる同期スプリング８は、ドライブマス２が互いに同期して振動することを可能にする。ドライブマス２をセンサマス３に取り付ける曲げスプリング６は、駆動方向にドライブマス２の振動運動を可能にするが、他の全ての方向には剛性を有し、発生するコリオリの力がドライブマス２からセンサマス３に伝達される。

本発明に係る３次元ＭＥＭＳジャイロスコープ１の更なる実施例を図３に示す。ドライブマス２のセンサマス３への接続ならびに曲げスプリング４およびアンカーデバイス５を介したセンサマス３の基板への接続は、図１および２の実施例と同様である。本実施形態では、同期スプリング８が矢印形状であり、ジャイロスコープ１の中央を向いている。ｘ，ｙまたはｚ軸のセンサマス３およびドライブマス２の回転運動の検出は、本実施形態では、センサマス３の内側に配置されたセンサ要素１０により行われる。これらのセンサ要素１０は、たとえば、垂直コンデンサであり、ｚ軸のセンサマス３の回転動作が発生した際に、電気的信号の変化を発生する。好適な配置にて、センサマス３のｘまたはｙ軸の回転が、これらのセンサ要素１０もしくは類似のセンサ要素により検出可能であり、または図１に示すような板状キャパシタであっても検出可能である。

本発明は、記載された例に限定されない。特に、ドライブマスの数量は、ここに記載された数量から異なることができる。さらに、センサマス３の回転運動の検出方法は、ここに記載されたものと異なっても良い。さらに、ドライブマス２およびセンサマス３の設計は、角を有する必要はなく、他の実施例では、丸みを帯びていても良いし、円形であっても良い。上記に加えて、本発明は、現在の特許請求の範囲に関する全ての実施例に関係する。

Claims (16)

1. ｘ，ｙおよび／またはｚ軸まわりの回転運動を検出するためのＭＥＭＳジャイロスコープであって、
   基板と、
   中心に対して径方向に移動可能な複数のドライブマス（２）と、
   ｘ，ｙおよび／またはｚ軸に前記基板の回転が発生したときに、前記ドライブマス（２）にコリオリの力を発生させるために、駆動方向に前記ドライブマス（２）を振動させる駆動要素（７）とを有し、
   前記振動しているドライブマス（２）は、少なくとも１つの追加のセンサマス（３）に接続され、前記センサマス（３）は、前記振動しているドライブマス（２）とともにｘ，ｙおよび／またはｚ軸の周りで基板上を回転可能であり、
   前記発生したコリオリの力による、前記基板における前記センサマス（３）および／または前記ドライブマス（２）の移動を検出するためのセンサ要素（９，１０）と、
   前記基板へのセンサマス（３）の回動可能な取り付けを実現する少なくとも２つのアンカーデバイス（５）とを有し、
   前記センサマス（３）が、第１の曲げスプリング（４）によって前記基板に取り付けられ、
   前記第１の曲げスプリング（４）は、ｘ，ｙおよびｚ軸の前記センサマス（３）の回転を可能にすることを特徴とするＭＥＭＳジャイロスコープ。
2. 前記センサマス（３）が、フレームとして前記ドライブマス（２）を包囲することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
3. 前記ドライブマス（２）は、ドライブ振動が平衡になるように、一組で配置され且つセンサ（１）の中心に対して点対称に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
4. 前記マス（２，３）のｘおよび／またはｙ軸まわりの移動を検出するためのセンサ要素（９，１０）が、水平板状キャパシタ（９）として、前記センサマス（３）および／または前記ドライブマス（２）の下方に配置され、または垂直コンデンサ（１０）として、前記センサマス（３）の内側に配置されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
5. 前記マス （２，３）のｚ軸まわりの移動を検出するためのセンサ要素（１０）が、垂直コンデンサまたはくし型電極として、前記センサマス（３）の内側および／または外側に配置されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
6. 前記第１の曲げスプリング（４）は、ｘ，ｙまたはｚ軸方向に前記センサマス（３）の移動を防止するように設計してあることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
7. 前記アンカーデバイス（５）が、前記中心を含む前記ドライブマス（２）の間の領域に配置してあることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
8. 前記アンカーデバイス（５）が前記ドライブマス（２）の間に配置してあることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
9. 前記ドライブマス（２）は、駆動方向に弾性を有する第２の曲げスプリング（６）により、前記センサマス（３）に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
10. 前記ドライブマス（２）が、同期スプリング（８）により、互いに接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
11. 前記駆動方向が互いに傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
12. 前記駆動方向がｘ／ｙ軸に対して４５°の角度で提供されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
13. 前記ドライブマス（２）の前記駆動要素（７）が電極であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
14. 前記ドライブマス（２）の数が少なくとも２であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
15. 前記ドライブマス（２）の数が４であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
16. 前記アンカーデバイス（５）の数が４であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。

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