JPH08327650A - 回転率センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２つの加速度センサが配置された振動質量を
備えた回転率センサにおいて、長手方向軸線と鉛直方向
軸線との両軸線を中心とした回転を測定することができ
るようにする。 【解決手段】 変位可能な第２の質量が振動質量上に配
置されていて、第１及び第２の質量の変位方向が相互に
平行ではなくかつ振動質量の振動方向に対しても平行で
はなく配向されており、更に第２の質量の変位を検出す
るために別の評価手段が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１の上位概
念に記載の回転率センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】ドイツ国特許出願公開第４０３２５５９
号明細書によれば、励起手段を用いて振動が励起される
振動質量を有し、振動質量上に変位可能な質量が配置さ
れている回転率センサが既に公知である。振動質量が振
動させられ、回転率センサが回転させられると、変位可
能な質量上にコリオリ力が発生し、該コリオリ力が変位
可能な質量を運動せしめる。変位可能な質量の運動は評
価手段を介して検出され、ひいてはコリオリ力乃至回転
率が検出される。上述の回転率センサにあっては、唯一
の回転軸線を中心とした回転率センサの回転だけしか測
定することができない。しかし例えば自動車にとって
は、走行状況を精確に評価できるように、長手方向軸線
及び鉛直方向軸線を中心とした回転を測定することがで
きれば極めて有利である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、長手
方向軸線と鉛直方向軸線との両軸線を中心とした回転を
測定することができる回転率センサを提供することにあ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明では、請求項１に
記載の特徴によって上記課題を解決することができた。

【０００５】

【発明の効果】請求項１に記載の特徴を備えた本発明の
回転率センサは、２つの軸線を中心にした回転を測定す
ることができるという利点を有している。本発明によれ
ば、２つの軸線を中心とした回転を測定するための回転
率センサをコスト的に有利に製造できかつ小さく構成す
ることができる。

【０００６】請求項２以下に述べられている手段によっ
て、請求項１で述べた回転率センサの別の有利な構成が
可能である。少くとも２つの回転率センサが１つの共通
な支持体上に配置されていると特に有利である。その場
合回転率センサは、互いにそれぞれ直角に位置する少く
とも３つの方向のコリオリ力を測定する。このような形
式で総ての方向のコリオリ力をコンパクトな構造で検出
することができる。

【０００７】更に同じ構造の２つの回転率センサが配置
されていて、これらが逆位相で振動することができるよ
うになっていると有利である。この場合は、回転率セン
サから発信される信号を減算することによって外部の線
形妨害加速度とは無関係で、作用するコリオリ力に対し
て極めて良好に比例した信号を得ることができる。

【０００８】又、質量の懸吊装置が振動質量の振動方向
の変位を抑えることができるように構成されていると特
に有利である。これによって回転率センサは、振動質量
の振動によって発生する妨害に対して不感応になり、か
つ測定信号に回転率センサの振動が不都合な影響を及ぼ
すことがなくなる。

【０００９】珪素板の形をした第１の質量がウェブに懸
吊されて配置されていると、回転率センサの有利な構成
が可能である。その場合珪素板は、振動質量の振動方向
に対し平行に振動質量上に配置されている。これによっ
て、振動質量の振動方向に対し垂直に作用するコリオリ
力を良好に立証することができる。

【００１０】更に、櫛状の構造体を有する、変位可能な
第２の質量が配置されていると有利である。その場合は
櫛状の構造体が他の櫛状の構造体と噛み合っていて、こ
の両櫛状の構造体がコンデンサ面を形成している。変位
可能な第２の質量は振動質量の振動方向の平面内で変位
可能に配置されている。このような形式で、振動質量の
振動方向に対し垂直に発生するコリオリ力を精確に立証
することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面に図示し、
次にこれを詳しく説明する。

【００１２】図１は珪素基板１を示し、該珪素基板１上
には４つの接続部材５が装着されている。これらの接続
部材５は、これらが方形の角隅点を形成するように配置
されている。４つの接続部材５の間には、正方形の珪素
板によって形成された第１の質量２が配置されている。
この第１の質量２は各角隅部に１つのウェブ３を有して
いる。各ウェブ３は、該ウェブ３に最も近く位置してい
る接続部材５に向って案内されている。このウェブ３も
同じ様に珪素から形成されている。第１の質量２は、珪
素基板１の上のウェブ３を介して珪素基板１に対し垂直
な方向に変位可能に配置されている（図２）。その場合
ウェブ３は、珪素基板１に対し第１の質量２の垂直な変
位だけが可能なように構成されている。このことは例え
ば、珪素基板に対し平行な平面内でウェブ３が特に広幅
に形成されていることによって達成されている。珪素基
板１からは第１の導線４が第１の評価回路２７に案内さ
れている。第１の質量２からは第２の導線１０が第１の
評価回路２７の第２の入口に案内されている。

【００１３】図２は線Ａ−Ａに沿った図１の配置の断面
図である。珪素基板１は、２つの接続部材５が取り付け
られた方形のブロックとして構成されている。接続部材
５の間には第１の質量２が配置されており、該第１の質
量２は、それぞれ１つのウェブ３を介してそれぞれ１つ
の接続部材５に結合されている。図２には、コリオリ力
によって発生する第１の質量２の変位は矢印によって概
略的に図示されている。

【００１４】図１及び図２に基く装置は次のように機能
する。回転率センサが回転させられ、それによって第１
の質量２が、作用するコリオリ力によって珪素基板１に
対し垂直に変位すると、評価回路２７がこの変位を例え
ば電気容量的測定によって検出する。この場合第１の質
量２と珪素基板１との協働する表面が電極として構成さ
れている。この変位は所定の回転軸線を中心とした回転
に対し比例しているので、回転速度を算出することがで
きる。

【００１５】図３は回転率センサの平面内で変位可能な
加速度センサ２５を示しており、該加速度センサ２５
は、方形で縦長の固定部分６，１５が上に配置された珪
素基板１から成り、該固定部分６，１５は、相互に平行
に配向されていて、相互に固定された距離を有してい
る。固定部分６，１５の端部にはそれぞれ１つの固定ウ
ェブ７，１７，１８，１９が取り付けられており、該固
定ウェブ７，１７，１８，１９は、他方の固定部分１
５，６に向かって案内されており、かつ両固定部分の間
の中央部で第２の質量８に固定されている。この第２の
質量８は同じ様に縦長の方形の形状に形成されている。

【００１６】第２の質量８は４つの固定ウェブ７，１
７，１８，１９により変位可能に、かつ珪素基板１上に
浮遊した状態に保持されている。固定ウェブ７，１７，
１８，１９は、第２の質量８が固定ウェブ７，１７，１
８，１９の配向方向に対し直角な方向にだけ移動可能な
ように構成されている。このことは例えば、固定ウェブ
７，１７，１８，１９が幅に比較して大きな高さを有
し、高さ方向における固定ウェブ７，１７，１８，１９
の曲げは不可能であるが、側方の曲げは良好に可能であ
ることにより達成される。

【００１７】つまり第２の質量８は、固定部分６，１５
の配向方向に対し平行にだけ変位可能である。第２の質
量８は第１の固定部分６の方向と第２の固定部分１５の
方向とにそれぞれ４つのロッド２４を有し、該ロッド２
４は、第２の質量に対し垂直で第１乃至第２の固定部分
６，１５の方向に案内されている。これらのロッド２４
は、不動に固定された間隔で櫛状に相互に平行に配置さ
れている。第１の固定部分６とロッド２４との間には、
第２の固定ウェブ１６が珪素基板１の上に取り付けられ
ている。第２の固定ウェブ１６は、第１の固定部分６に
対し平行に配置されていて縦長の方形形状を有してい
る。更に第２の固定ウェブ１６は、第１の固定部分６に
ほぼ等しい長さを有していて、縦長の方向において第１
の固定部分６の曲げウェブ１７，１８によって制限され
ている。第２の固定ウェブ１６は同じ様にロッド２４を
有し、該ロッド２４は第２の質量８に向かって案内され
ている。第２の固定部分６のロッド２４と、第２の固定
ウェブ１６の方向に配置されている、第２の質量８のロ
ッド２４とは、相互に噛み合う２つの櫛構造体を形成し
ている。

【００１８】同じ様に第２の固定部分１５と第２の質量
８との間には第１の固定ウェブ９が配置されており、該
第１の固定ウェブ９は、第２の固定部分１５に対し平行
に配向されていて縦長の方形形状を有している。第１の
固定ウェブ９はロッド２４を有し、該ロッド２４は第２
の質量８の方向に配向されていて相互に不動の間隔で配
置されている。第１の固定ウェブ９の方向に配置されて
いる第２の質量８のロッド２４と、第２の質量８の方向
に配置されている第１の固定ウェブ９のロッドは、同じ
様に、相互に噛み合う２つの櫛状の構造体を形成してい
る。

【００１９】第１の固定ウェブ９と第２の固定ウェブ１
６とは珪素基板１に不動に結合されている。第１の固定
ウェブ６は第４の導線１２を介して第２の評価回路２８
に接続されている。第２の固定ウェブ１６は第３の導線
１１を介して第２の評価回路２８に接続されている。第
２の固定部分１５は第５の導線１３を介して第３の評価
回路２９に接続されている。同じ様に第１の固定ウェブ
９は第６の導線１４を介して第３の評価回路２９に接続
されている。

【００２０】図３に基く装置は次のように機能する。作
用するコリオリ力によって第２の質量８が変位した場合
には、第２の質量８のロッド２４の間隔が、第１の固定
ウェブ９のロッド２４と第２の固定ウェブ１６のロッド
２４とに対して相対的に変化する。この間隔の変化は第
２の評価回路２８と第３の評価回路２９とにより、電気
容量的な測定によって検出される。つまり第２の質量８
の変位が電気容量的な測定を介して検出可能である。

【００２１】図４は、それぞれ１つの珪素基板１から成
る２つの回転率センサ３０，３１を示している。該珪素
基板１は縦長の方形形状を有している。珪素基板１の角
隅部はそれぞれ１つの振動ウェブ２３を介してフレーム
２０に結合されている。このフレーム２０は単数又は複
数の回転率センサのための支持体として構成されてい
る。回転率センサ３０，３１の珪素基板１上には、図１
及び図３に相応するそれぞれ１つの加速度センサ２５，
２６が取り付けられている。これらの加速度センサ２
５，２６に所属する、図１及び図３に相応する第１、第
２及び第３の評価回路２７，２８，２９は、簡素化のた
め図４には図示されていない。

【００２２】フレーム２０は同じ様に珪素から形成され
ている。フレーム２０の代りに珪素板が配置されていて
も宜い。第１及び第２の回転率センサ３０，３１は振動
ウェブ２３を介して変位可能に支承されている。図４に
は、第１及び第２の回転率センサ３０，３１を振動させ
る駆動手段２１が概略的に示されている。回転率センサ
３０，３１は相互に平行に配置されている。回転率セン
サ３０，３１の振動質量２２の振動方向は、珪素基板１
の長手方向に対し垂直に配向されている。振動方向は、
符号ｖで示した矢印の形状で図４の傍に示してある。水
平な加速度センサ２５は回転率センサ３０，３１上に、
変位がコリオリ力の作用に基いて珪素基板１に対し垂直
に行われるように配置されている。水平な加速度センサ
２５の変位方向は符号ａ１で表わした矢印で図示されて
いる。コリオリ力方向ａ１に所属する回転率センサの回
転軸線は、符号ｗ１で図４に図示されている。

【００２３】プレートとして構成された加速度センサ２
６は、珪素基板１に対し垂直な方向のコリオリ力を測定
する。これに対応する方向は符号ａ２の矢印で図４に示
されている。コリオリ力の方向ａ２には符号ｗ２の矢印
で表わされた回転率センサの回転軸線が対応している。

【００２４】図４に基く装置は次の様に機能する。第１
及び第２の回転率センサ３０，３１の振動質量には駆動
手段２１を介して図示の方向ｖに相応する振動が与えら
れる。フレーム２０と共に全装置が第１の回転軸線ｗ１
を中心として回転させられると、水平な加速度センサ２
５の第２の質量８がａ１の方向に変位し、かつ第２及び
第３の評価回路２８，２９がその変位から、ａ１方向で
の相応するコリオリ力を検出する。

【００２５】フレーム２０が回転率センサ３０，３１と
共に第２の回転軸線ｗ２を中心として回転させられる
と、鉛直な加速度センサ２６の第１の質量２が振動質量
２２に向かって変位する。この変位は第１の評価回路２
７を介して測定され、該変位からａ２方向に作用するコ
リオリ力が算出される。この様な形式で、第１方向ａ１
及び第２方向ａ２によって規定された平面内に位置する
コリオリ力が検出される。

【００２６】駆動手段（作動手段）２１は電磁式、熱機
械式又はその他の励起方法で作業する。図示の構造は、
有利には単結晶の珪素ウエハから表面精密機械技術的に
又はバルク精密機械技術的に組織パターン加工される。
この場合乾式化学エッチング又は湿式化学エッチングの
ような公知の方法が使用される。更にＫＯＨ又は乾式化
学エッチングを用いた異方性の電気化学的なエッチング
も使用可能である。第１、第２及び第３の評価回路２
７，２８，２９も同じ様に珪素ウエハ内に組み込まれて
いることができる。

【００２７】回転率センサ３０，３１は駆動手段（励起
手段）２１によって逆位相振動で励起されることもでき
る。回転率センサ３０，３１が逆位相振動する場合に
は、水平な加速度センサ２５によって検出された信号及
び鉛直な加速度センサ２６によって検出された信号が、
それぞれ互いに減算される。この差異の形成によって、
水平な加速度センサ２５乃至鉛直な加速度センサ２６の
横方向加速度の相殺が振動励起によって実現される。

【００２８】第３の回転軸線を検出するため別の回転率
センサを配置することができる。該回転率センサは、第
３の回転軸線を中心に回転した場合に、コリオリ力が図
１乃至図３に図示された原理に相応して検出されうるよ
うに構成されている。図面に図示された加速度センサは
勿論、別の測定原理に基いて構成された加速度センサに
よって代えることができる。図４に図示された回転率セ
ンサ３０，３１は、これらが互いに直角に振動するよう
に配置することも可能である。同じ様に、相互に平行に
又は相互に垂直に振動する回転率センサを任意に組み合
わせることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】変位可能な第１の質量を示した図である。

【図２】変位可能な第１の質量の横断面図である。

【図３】櫛状構造体を備えた変位可能な第２の質量を示
した図である。

【図４】２つの回転率センサを示した図である。

【符号の説明】 １ 珪素基板 ２ 質量 ３ ウェブ ４ 導線 ５ 接続部材 ６ 固定部分 ７ 固定ウェブ ８ 質量 ９ 固定ウェブ １０，１１，１２，１３，１４ 導線 １５ 固定部分 １６，１７，１８，１９ 固定ウェブ ２０ フレーム ２１ 駆動手段 ２２ 振動質量 ２３ 振動ウェブ ２５，２６ 加速度センサ ３０，３１ 回転率センサ ａ１，ａ２ コリオリ力の方向 ｖ 振動方向 ｗ２，ｗ１ 回転軸線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イェルク ヴォルフ ドイツ連邦共和国 カールスルーエ ルッ シュグラーベン 63 (72)発明者 マルクス ルッツ ドイツ連邦共和国 ロイトリンゲン フィ ツィオーンシュトラーセ 23

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有利には珪素から成る回転率センサ（３
   ０，３１）であって、振動状態にもたらすことが可能な
   少くとも１つの振動質量（１）と、振動を惹き起すため
   の励起手段（２１）と、前記振動質量（１）上に配置さ
   れた変位可能な第１の質量（２）とを有し、第１の質量
   （２）が該質量（２）の変位を検出するための評価手段
   （２７）を備えている形式のものにおいて、 変位可能な第２の質量（８）が前記振動質量（１）上に
   配置されていて、第１及び第２の質量（２，８）の変位
   方向が相互に平行ではなくかつ前記振動質量（１）の振
   動方向に対しても平行ではないように配向されており、
   前記第２の質量（８）の変位を検出するための別の評価
   手段（２８，２９）が配置されていることを特徴とす
   る、回転率センサ。
2. 【請求項２】 第２の回転率センサが請求項１の回転率
   センサと共に１つの共通な支持体上に配置されており、
   第２の回転率センサが第１の回転率センサに対し逆位相
   で振動することを特徴とする、請求項１記載の回転率セ
   ンサ。
3. 【請求項３】 第１乃至第２の質量（２；８）の懸吊装
   置（３；７，１８，１９）が、前記振動質量（１）の振
   動方向の変位に対し高い剛性を発揮しうるように構成さ
   れていることを特徴とする、請求項１又は２記載の回転
   率センサ。
4. 【請求項４】 第１の質量（２）が前記振動質量（１）
   の振動方向に対し垂直に変位可能な珪素板の形状で配置
   されていることを特徴とする、請求項１から３までのい
   ずれか１項記載の回転率センサ。
5. 【請求項５】 変位可能な第２の質量（８）が第１の櫛
   形構造を有し、該櫛形構造が、変位の際第２の櫛形構造
   に対し相対的にスライド可能であることを特徴とする、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の回転率セン
   サ。
6. 【請求項６】 共通な支持体（２０）上に複数の回転率
   センサが配置されており、互いに直角に位置する３つの
   回転軸線を中心とした支持体（２０）の回転が、コリオ
   リ力の立証を介して検出可能であることを特徴とする、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の回転率セン
   サ。