JP6698815B2 - 駆動モードにおける干渉運動が最小化された回転速度センサ - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の回転速度センサに関する。

このような回転速度センサは、例えば独国特許出願公開第１０２０１１００６３９４号明細書（ＤＥ１０２０１１００６３９４Ａ１）から公知である。このような回転速度センサの第１の構造体及び第２の構造体は、逆位相で振動する場合には駆動方向に直交するように、即ち、第１の軸に直交するように、振り子運動又は２ｆ運動を実施する。これによって、駆動周波数の２倍における検出信号又は２ｆ信号が引き起こされる。

独国特許出願公開第１０２０１１００６３９４号明細書

発明の開示
従来技術に対して本発明による回転速度センサは、残りのセンサ特性に悪影響を与えることなく２ｆ運動、ひいては２ｆ信号を所期のように低減させることが可能となるという利点を有する。それと同時に本発明による回転速度センサは、従来技術に比べて簡単で、機械的にロバストであり、かつ、低コストの構造を有する。本回転速度センサはさらに、従来技術に比べて相対的に小さい基板平面上で実現される。なぜなら、マイクロメカニカル構造に対して、回転速度を検出するために、従来技術に比べて相対的に小さい基板平面しか必要とされないからである。さらには、外部の干渉影響に対してロバストな回転速度センサが提供される。このことは、従来技術とは異なり、前記第１の駆動構造体が、前記基板に固定された少なくとも１つの第１のばねを有していて、これによって、前記第１のばねが、実質的に前記主延在平面に対して垂直に延在する第２の軸に対して平行に延在する軸を中心とした前記第１の構造体の旋回に対して反作用するようになっており、前記第２の駆動構造体が、前記基板に固定された少なくとも１つの第２のばねを有していて、これによって、前記第２のばねが、実質的に前記第２の軸に対して平行に延在する別の軸を中心とした前記第２の構造体の旋回に対して反作用するようになっている、ことによって達成される。これにより、第１のばね及び／又は第２のばねによって、回転速度センサの機械的な非線形性を所期のように調整することが可能となり、ひいては２ｆ運動及び２ｆ信号を低減することが可能となる。

本発明の有利な実施形態及び発展形態は、従属請求項及び図面を参照した説明から伺い知ることができる。

好ましい１つの発展形態によれば、前記回転速度センサは、前記第１の構造体を、当該第１の構造体の静止位置から前記第１の軸に対して実質的に平行な運動成分によって変位させるための、少なくとも１つの第３の駆動構造体を含み、前記第３の駆動構造体は、前記基板に固定された少なくとも１つの第３のばねを有していて、これによって、前記第３のばねが、実質的に前記第２の軸に対して平行に延在する前記軸を中心とした前記第１の構造体の旋回に対して反作用するようになっている。これによって、有利には、回転速度センサであって、第３のばねによって当該回転速度センサの非線形性を所期のように調整することが可能となり、ひいては当該回転速度センサの２ｆ運動及び２ｆ運動によって生成される２ｆ信号を所期のように低減させることが可能となるような、回転速度センサが提案される。

好ましい１つの発展形態によれば、前記回転速度センサは、前記第２の構造体を、当該第２の構造体の静止位置から前記第１の軸に対して実質的に平行な運動成分によって変位させるための、少なくとも１つの第４の駆動構造体を含み、前記第４の駆動構造体は、前記基板に固定された少なくとも１つの第４のばねを有していて、これによって、前記第４のばねが、実質的に前記第２の軸に対して平行に延在する前記別の軸を中心とした前記第２の構造体の旋回に対して反作用するようになっている。これによって、有利には、第４のばねによって非線形性を所期のように調整することが可能となり、ひいては２ｆ運動及び２ｆ運動によって生成される２ｆ信号を所期のように低減させることが可能となる。

好ましい１つの発展形態によれば、前記回転速度センサは、前記第１の駆動構造体を前記第２の駆動構造体に結合させるための第１の結合構造体を含み、これによって、前記第１の駆動構造体及び前記第２の駆動構造体を、前記第１の軸に対して実質的に平行な運動成分によって実質的に逆位相で振動するように変位させることが可能となっている。これによって、有利には、第１の構造体及び第２の構造体を、第１の軸に対して実質的に平行な運動成分によって実質的に逆位相で振動するように励振させることが可能となる。

好ましい１つの発展形態によれば、前記回転速度センサは、前記第３の駆動構造体を前記第４の駆動構造体に結合させるための第２の結合構造体を含み、これによって、前記第３の駆動構造体及び前記第４の駆動構造体を、前記第１の軸に対して実質的に平行な運動成分によって実質的に逆位相で振動するように変位させることが可能となっている。これによって、有利には、第１の構造体及び第２の構造体を、第１の軸に対して実質的に平行な運動成分によって実質的に逆位相で振動するように励振させることが可能となる。

好ましい１つの発展形態によれば、前記回転速度センサは、前記第１の構造体及び前記第２の構造体によって部分的に包囲された、前記第１の構造体を前記第２の構造体に結合させるための第３の結合構造体を含み、これによって、前記第１の構造体及び前記第２の構造体を、前記第１の軸に対して実質的に平行な運動成分によって、及び／又は、前記第１の軸及び前記第２の軸に対して垂直に延在する第３の軸に対して実質的に平行な運動成分によって、実質的に逆位相で振動するように変位させることが可能となっている。これによって、有利には、第２の軸に対して平行に延在する軸を中心として回転速度センサに作用する回転速度を検出することが可能となる。これによって、さらに有利には、従来技術に比べて相対的に小さい基板平面上において回転速度センサを提供することが可能となり、第１の構造体の重心及び第２の構造体の重心を、従来技術とは異なり回転速度センサの対称軸のより近傍に配置することが可能となる。これによって、例えば線形加速度のような、例えば駆動方向に作用する外部の干渉に対して特にロバストな回転速度センサが提供される。このような実施形態は、駆動方向における線形加速度に対するロバスト性にとって有利である。なぜなら、質量の重心が中央にある場合には、てこ比がより有利であり、これによって、駆動方向における外部の線形加速度の発生時におけるセンサの変位が低減されるからである。

好ましい１つの発展形態によれば、前記第１の構造体は、第１のコリオリ構造体と、前記第１のコリオリ構造体によって少なくとも部分的に包囲された、前記第１の構造体に加わる第１の力作用を検出するための第１の検出構造体とを含み、前記第２の構造体は、第２のコリオリ構造体と、前記第２のコリオリ構造体によって少なくとも部分的に包囲された、前記第２の構造体に加わる第２の力作用を検出するための第２の検出構造体とを含み、前記第１の力作用及び前記第２の力作用は、前記第２の軸に対して実質的に平行な軸を中心とした前記回転速度センサの回転速度に起因して、前記第１の軸及び前記第２の軸に対して垂直に延在する第３の軸に対して実質的に平行な方向に沿ったそれぞれ１つの力成分を含む。これによって、有利には、第２の軸に対して実質的に平行な軸を中心とした回転速度センサの回転速度を、回転速度センサによって検出することが可能となる。

好ましい１つの発展形態によれば、前記第１のばね及び／又は前記第２のばね及び／又は前記第３のばね及び／又は前記第４のばねは、前記基板に固定された少なくとも１つの第１のばねビームと、前記基板に固定された少なくとも１つの第２のばねビームと、前記第１のばねビーム及び前記第２のばねビームを接続させる少なくとも１つの曲げ剛性のビームと、前記曲げ剛性のビーム及び各前記駆動構造体を接続させる少なくとも１つの第３のばねビームと、前記曲げ剛性のビーム及び各前記駆動構造体を接続させる少なくとも１つの第４のばねビームとを含む。これによって、有利には、第１のばねビーム及び／又は第２のばねビーム及び／又は第３のばねビーム及び／又は第４のばねビーム及び／又はビームによって、回転速度センサの機械的な非線形性を所期のように調整することが可能となり、ひいては２ｆ運動及び２ｆ信号を低減することが可能となる。これによって、特に有利には、第１のばねビーム及び／又は第２のばねビーム及び／又は第３のばねビーム及び／又は第４のばねビームの幾何形状に関するパラメータ、特に幅及び長さの比率を所期のように調整することによって、第１のばね及び／又は第２のばね及び／又は第３のばね及び／又は第４のばねの補償２ｆ力によって、２ｆ運動に対して反作用させることが可能となる。これによって、有利には、２ｆ運動が最小化される。さらに有利には、第１のばね及び／又は第２のばね及び／又は第３のばね及び／又は第４のばね及び／又はビームのばね硬度を、第１のばねビーム及び／又は第２のばねビーム及び／又は第３のばねビーム及び／又は第４のばねビーム及び／又はビームの長さ及び幅によって調整することが可能となる。これによって、有利には、ばねの硬度の調整とは独立して、補償２ｆ力を調整することが可能となる。

本発明の第１の例示的な実施形態による回転速度センサの概略図である。 本発明の第２の例示的な実施形態による回転速度センサの概略図である。 本発明のさらなる例示的な実施形態による回転速度センサの例示的な部分領域の概略図である。

発明を実施するための形態
複数の異なる図面において、同等の部分には常に同一の参照符号が付されており、従って、基本的にはそれぞれ一度だけしか言及又は説明されない。

図１には、本発明の第１の例示的な実施形態による回転速度センサ１の概略図が図示されている。回転速度センサ１は、主延在平面１００を有する基板３と、基板３に対して移動可能な第１の構造体５と、基板３及び第１の構造体５に対して移動可能な第２の構造体７とを含む。図１の回転速度センサ１はさらに、第１の構造体５を、図１に図示された当該第１の構造体５の静止位置から第１の軸Ｙに対して実質的に平行な運動成分によって変位させるための、第１の駆動構造体９及び第３の駆動構造体１７を例示的に含む。図１の回転速度センサ１はさらに、第２の構造体７を、図１に図示された当該第２の構造体７の静止位置から第１の軸Ｙに対して実質的に平行な運動成分によって変位させるための、第２の駆動構造体１１及び第４の駆動構造体１９を例示的に含む。これによって、第１の構造体５及び第２の構造体７を、第１の軸Ｙに対して実質的に平行な運動成分によって実質的に逆位相で振動するように励振させることが可能となっている。

図１には、第１の駆動構造体９及び第３の駆動構造体１７が、基板３に固定された第１のばね１３又は第３のばね２１を有していて、これによって、第１のばね１３及び第３のばね２１が、実質的に第２の軸Ｚに対して平行に延在する軸を中心とした第１の構造体５の旋回に対して反作用するようになっていることも、例示的に図示されている。同様にして、図１は、第２の駆動構造体１１及び第４の駆動構造体１９が、基板３に固定された第２のばね１５又は第４のばね２３を有していて、これによって、第２のばね１５及び第４のばね２３が、実質的に第２の軸Ｚに対して平行に延在する別の軸を中心とした第２の構造体７の旋回に対して反作用するようになっていることも図示している。

図１に例示的に図示された回転速度センサはさらに、第１の駆動構造体９を第２の駆動構造体１１に結合させるための第１の結合構造体２５と、第３の駆動構造体１７を第４の駆動構造体１９に結合させるための第２の結合構造体２７とを含み、これによって、第１の駆動構造体９及び第２の駆動構造体１１、又は第３の駆動構造体１７及び第４の駆動構造体１９を、第１の軸Ｙに対して実質的に平行な運動成分によってそれぞれ実質的に逆位相で振動するように変位させることが可能となっている。図１はさらに、第１の構造体５及び第２の構造体７によって少なくとも部分的に包囲された、第１の構造体５を第２の構造体７に結合させるための第３の結合構造体２９を示す。第３の結合構造体２９によって、第１の構造体５及び第２の構造体７を、第１の軸Ｙに対して実質的に平行な運動成分によって、及び／又は、第３の軸Ｘに対して実質的に平行な運動成分によって、実質的に逆位相で振動するように変位させることが可能となる。

図２には、本発明の第２の例示的な実施形態による回転速度センサ１の概略図が図示されている。第１の構造体５は、第１のコリオリ構造体３１と、第１のコリオリ構造体３１によって少なくとも部分的に包囲された、第１の構造体５に加わる第１の力作用を検出するための第１の検出構造体３３とを含む。さらに、第２の構造体７は、第２のコリオリ構造体３５と、第２のコリオリ構造体３５によって少なくとも部分的に包囲された、第２の構造体７に加わる第２の力作用を検出するための第２の検出構造体３７とを含む。第１の力作用及び第２の力作用は、第２の軸Ｚに対して実質的に平行な軸を中心とした回転速度センサ１の回転速度に起因して、第３の軸Ｘに対して実質的に平行な方向に沿ったそれぞれ１つの力成分を含む。図２に図示された第３の結合構造体２９によって、例えば、第１の検出構造体３３及び第２の検出構造体３７を、第３の軸Ｘに対して実質的に平行な運動成分によって実質的に逆位相で振動するように変位させることが可能となる。

図２にはさらに、第１のコリオリ構造体３１及び第２のコリオリ構造体３５の領域における矢印によって、第１の構造体５及び第２の構造体７の起こり得る２ｆ運動が図示される。２ｆ運動は、上方への運動においても下方への運動においても、即ち、往路の旋回運動においても復路の旋回運動においても同じ方向に進行する。即ち、コリオリ構造体３１，３５は、わずかな振り子運動（２ｆ運動）を実施する。駆動方向に対して側方におけるこの運動は、検出構造体３３，３７へと伝達され、２倍の駆動周波数における検出信号をもたらす。図２にはさらに、第１のばね１３、第２のばね１５、第３のばね２１、及び、第４のばね２３の領域における別の矢印によって、起こり得る２ｆ運動に対して反作用する補償２ｆ力が図示されている。

図１及び図２に図示された実施例は、それぞれ駆動構造体９，１１，１７，１９と、ばね１３，１５，２１，２３とを含む。しかしながら、例えば回転速度センサに、第１の駆動構造体９及び第１のばね１３だけを設けることも好ましく、又は、それぞれ任意の個数の駆動構造体９，１１，１７，１９及びばね１３，１５，２１，２３、特に３，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６個の駆動構造体及び／又はばねを設けることも好ましい。

図３ａ，図３ｂ，図３ｃには、本発明のさらなる例示的な実施形態による回転速度センサ１の例示的な部分領域の概略図が図示されている。第１のばね１３及び／又は第２のばね１５及び／又は第３のばね２１及び／又は第４のばね２３は、基板に固定された第１のばねビーム３９と、基板に固定された第２のばねビーム４１と、第１のばねビーム３９及び第２のばねビーム４１を接続させる曲げ剛性のビーム４３と、曲げ剛性のビーム４３及び各駆動構造体９，１１，１７，１９を接続させる第３のばねビーム４５と、曲げ剛性のビーム４３及び各駆動構造体９，１１，１７，１９を接続させる第４のばねビーム４７とを含む。

図３ａは、ばね１３，１５，２１，２３の第１の実施形態を概略的に示し、ばね１３，１５，２１，２３は、短い内側のばねビーム３９，４１を含む。図３ｂは、ばね１３，１５，２１，２３の第２の実施形態を概略的に示し、ばね１３，１５，２１，２３は、効果的に短縮された外側のばねビーム４５，４７を含み、これによって、非線形性の反転がもたらされる。図３ｃは、ばね１３，１５，２１，２３の第３の実施形態を概略的に示し、ばね１３，１５，２１，２３は、基板に固定された外側のばねビーム３９，４１と、内側のばねビーム４５，４７とを含む。

これによって、例えば、ばねビームの幅及び長さの比率を介して、ばね１３，１５，２１，２３の２ｆ力を調整することができる。従って、センサの残りの部分の２ｆ力に対して反作用するように、かつ、結果的に生じる２ｆ運動を最小化するように、ばね１３，１５，２１，２３を適合させることができる。この場合、駆動構造体９，１１，１７，１９をばね１３，１５，２１，２３に懸架させることにより、ばね１３，１５，２１，２３の機械的な非線形性を、これらの幾何形状に関するパラメータを介して調整することができ、これによって、センサ素子の２ｆ力が、ばね１３，１５，２１，２３の非線形性によって補償されるという利点が提供される。ばね１３，１５，２１，２３の２ｆ力の大きさ及び方向は、外側及び内側のばねビーム３９，４１，４５，４７の幅及び長さの比率を介して変化させることができる。例えば、ばねビーム３９，４１，４５，４７の長さの比率を反転させることによって（図３ａ及び図３ｂ）、ばね１３，１５，２１，２３の結果的に生じる２ｆ力の方向を反転させることができる。ばね硬度は、個々のばねビーム３９，４１，４５，４７の絶対的な長さ及び幅を介して制御することができるので、ばね硬度と２ｆ力とを、互いに独立して調整することが可能である。

ばね１３，１５，２１，２３は、さらに、傾斜運動に対して非常に堅固であるという利点を提供する。即ち、ばね１３，１５，２１，２３のうちの１つに懸架された、各駆動構造体９，１１，１７，１９に付属しているビームは、基本モードにおいて、ばねヘッドのビーム接続部に対して平行に振動し、起こり得る回転運動は、非常に高い周波数へとシフトされる。

Claims (5)

1. 回転速度センサ（１）であって、
   前記回転速度センサ（１）は、
   主延在平面（１００）を有する基板（３）と、
   前記基板（３）に対して移動可能な少なくとも１つの第１の構造体（５）と、
   前記基板（３）及び前記第１の構造体（５）に対して移動可能な少なくとも１つの第２の構造体（７）と、
   を備え、
   前記回転速度センサ（１）は、前記第１の構造体（５）を、当該第１の構造体（５）の静止位置から第１の軸（Ｙ）に対して平行な運動成分によって変位させるための、少なくとも１つの第１の駆動構造体（９）を含み、
   前記回転速度センサ（１）は、前記第２の構造体（７）を、当該第２の構造体（７）の静止位置から前記第１の軸（Ｙ）に対して平行な運動成分によって変位させるための、少なくとも１つの第２の駆動構造体（１１）を含み、
   前記第１の構造体（５）及び前記第２の構造体（７）を、前記第１の軸（Ｙ）に対して平行な運動成分によって逆位相で振動するように励振させることが可能である、
   回転速度センサ（１）において、
   前記第１の駆動構造体（９）は、前記基板（３）に固定された少なくとも１つの第１のばね（１３）を有していて、これによって、前記第１のばね（１３）は、前記主延在平面（１００）に対して垂直に延在する第２の軸（Ｚ）に対して平行に延在する軸を中心とした前記第１の構造体（５）の旋回に対して反作用するようになっており、
   前記第２の駆動構造体（１１）は、前記基板（３）に固定された少なくとも１つの第２のばね（１５）を有していて、これによって、前記第２のばね（１５）は、前記第２の軸（Ｚ）に対して平行に延在する別の軸を中心とした前記第２の構造体（７）の旋回に対して反作用するようになっており、
   前記回転速度センサ（１）は、前記第１の構造体（５）を、当該第１の構造体（５）の静止位置から前記第１の軸（Ｙ）に対して平行な運動成分によって変位させるための、少なくとも１つの第３の駆動構造体（１７）を含み、
   前記第３の駆動構造体（１７）は、前記基板（３）に固定された少なくとも１つの第３のばね（２１）を有していて、これによって、前記第３のばね（２１）は、前記第２の軸（Ｚ）に対して平行に延在する前記軸を中心とした前記第１の構造体（５）の旋回に対して反作用するようになっており、
   前記回転速度センサ（１）は、前記第２の構造体（７）を、当該第２の構造体（７）の静止位置から前記第１の軸（Ｙ）に対して平行な運動成分によって変位させるための、少なくとも１つの第４の駆動構造体（１９）を含み、
   前記第４の駆動構造体（１９）は、前記基板（３）に固定された少なくとも１つの第４のばね（２３）を有していて、これによって、前記第４のばね（２３）は、前記第２の軸（Ｚ）に対して平行に延在する前記別の軸を中心とした前記第２の構造体（７）の旋回に対して反作用するようになっており、
   前記第１のばね（１３）及び／又は前記第２のばね（１５）及び／又は前記第３のばね（２１）及び／又は前記第４のばね（２３）は、
   前記基板に固定された少なくとも１つの第１のばねビーム（３９）と、
   前記基板に固定された少なくとも１つの第２のばねビーム（４１）と、
   前記第１のばねビーム（３９）及び前記第２のばねビーム（４１）を接続させる少なくとも１つの曲げ剛性のビーム（４３）と、
   前記曲げ剛性のビーム（４３）及び各前記駆動構造体（９，１１，１７，１９）を接続させる少なくとも１つの第３のばねビーム（４５）と、
   前記曲げ剛性のビーム（４３）及び各前記駆動構造体（９，１１，１７，１９）を接続させる少なくとも１つの第４のばねビーム（４７）と、
   を含む、
   ことを特徴とする回転速度センサ（１）。
2. 前記回転速度センサ（１）は、前記第１の駆動構造体（９）を前記第２の駆動構造体（１１）に結合させるための第１の結合構造体（２５）を含み、
   これによって、前記第１の駆動構造体（９）及び前記第２の駆動構造体（１１）を、前記第１の軸（Ｙ）に対して平行な運動成分によって逆位相で振動するように変位させることが可能となっている、
   請求項１に記載の回転速度センサ（１）。
3. 前記回転速度センサ（１）は、
   前記第３の駆動構造体（１７）を前記第４の駆動構造体（１９）に結合させるための第２の結合構造体（２７）を含み、
   これによって、前記第３の駆動構造体（１７）及び前記第４の駆動構造体（１９）を、前記第１の軸（Ｙ）に対して平行な運動成分によって逆位相で振動するように変位させることが可能となっている、
   請求項１又は２に記載の回転速度センサ（１）。
4. 前記回転速度センサ（１）は、前記第１の構造体（５）及び前記第２の構造体（７）によって部分的に包囲された、前記第１の構造体（５）を前記第２の構造体（７）に結合させるための第３の結合構造体（２９）を含み、
   これによって、前記第１の構造体（５）及び前記第２の構造体（７）を、前記第１の軸（Ｙ）に対して平行な運動成分によって、及び／又は、前記第１の軸（Ｙ）及び前記第２の軸（Ｚ）に対して垂直に延在する第３の軸（Ｘ）に対して平行な運動成分によって、逆位相で振動するように変位させることが可能となっている、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転速度センサ（１）。
5. 前記第１の構造体（５）は、
   第１のコリオリ構造体（３１）と、
   前記第１のコリオリ構造体（３１）によって少なくとも部分的に包囲された、前記第１の構造体（５）に加わる第１の力作用を検出するための第１の検出構造体（３３）と、
   を含み、
   前記第２の構造体（７）は、
   第２のコリオリ構造体（３５）と、
   前記第２のコリオリ構造体（３５）によって少なくとも部分的に包囲された、前記第２の構造体（７）に加わる第２の力作用を検出するための第２の検出構造体（３７）と、
   を含み、
   前記第１の力作用及び前記第２の力作用は、前記第２の軸（Ｚ）に対して平行な軸を中心とした前記回転速度センサ（１）の回転速度に起因して、前記第１の軸（Ｙ）及び前記第２の軸（Ｚ）に対して垂直に延在する第３の軸（Ｘ）に対して平行な方向に沿ったそれぞれ１つの力成分を含む、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回転速度センサ（１）。

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