JPH09119942A - 回転角速度センサ - Google Patents

回転角速度センサ

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JPH09119942A
JPH09119942A JP8207355A JP20735596A JPH09119942A JP H09119942 A JPH09119942 A JP H09119942A JP 8207355 A JP8207355 A JP 8207355A JP 20735596 A JP20735596 A JP 20735596A JP H09119942 A JPH09119942 A JP H09119942A
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JP
Japan
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angular velocity
velocity sensor
axis
rotational angular
sensor according
Prior art date
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Application number
JP8207355A
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English (en)
Inventor
Markus Lutz
ルッツ マルクス
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G01C19/5747—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の回転角速度センサを改良することにあ
る。 【解決手段】 回転角速度センサが、第１の方向（Ｘ軸
方向）で振動を励起される振動体（１）を有している。
Ｚ軸を中心として回転した場合に、Ｙ軸方向でコリオリ
力が発生する。このコリオリ力は、振動ばね（２）によ
って検出エレメント（３）に伝達されかつこの検出エレ
メントにおいて可動な電極（５）の変位により検出され
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、特許請求の範囲第
１項の上位概念に記載の形式の回転角速度センサに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】ヨーロッパ特許第５３９３９３号明細書
から、振動体が第１の方向で振動を励起される加速度セ
ンサが公知である。振動軸線に対して垂直な軸線を中心
としてセンサが回転した場合には、振動体の変位を生ぜ
しめるコリオリ力が発生する。この場合、振動体は、変
位によってキャパシタンスを変えられる平板コンデンサ
のプレートとして構成されている。この配置形式の測定
信号及び感度は、製作誤差によって著しく影響を及ぼさ
れる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、従来
の回転角速度センサを改良することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記課題は本発明によれ
ば、特許請求の範囲第１項の特徴部分に記載の構成の本
発明による回転角速度センサによって解決された。
【０００５】
【発明の効果】本発明による回転角速度センサの利点
は、コリオリ力の検出が特にこのために設けられた検出
エレメント内で行われる、ということにある。振動体及
び検出エレメントは、ほぼコリオリ力のみを伝達する弾
性エレメントによって結合されている。従って、検出エ
レメントは、振動体とは無関係にコリオリ力を検出する
ために最良に利用される。
【０００６】請求項第２項以降に記載の構成によって、
請求項１に記載の回転角速度センサの有利な構成及び改
良が得られる。第１の方向で大きな剛性を有する偏位ば
ねに検出エレメントを懸架することによって、振動方向
での検出エレメントの運動が抑制される。従って、検出
エレメントはほぼ第２の方向でのみ可動であるので、検
出エレメントの感度に対する製作誤差の影響は僅かであ
る。特に簡単には、検出部材は、定置の電極と共に平板
コンデンサを形成する可動な電極を有している。このよ
うな検出エレメントは十分な感度を有している。
【０００７】特に簡単には、振動体の振動励起は静電式
の駆動装置によって行われる。僅かな熱膨張に基づき、
サブストレート材料としてはシリコンが適している。更
に、センサは特に簡単には、シリコン又は金属から製作
される。互いに連結された多数の振動体を使用すること
によって、回転角速度センサの信号が高められもしくは
外乱作用が抑制される。
【０００８】
【発明の実施の形態】第１図では平面図で、４つの振動
ばね２に懸架された振動体１を有する本発明による回転
角速度センサが図示されている。振動ばね２は、Ｘ軸方
向の力によって容易に変形する縦長の折り合わされた撓
み部材として構成されている。従って、振動ばね２は、
Ｘ軸方向で僅かな剛性を有する。Ｘ軸方向で振動ばね２
が僅かな剛性を有することにより、振動体１は、Ｘ軸方
向の力によって励起されて、特に簡単に変位もしくは振
動せしめられる。
【０００９】しかしながら、振動ばね２は、Ｙ軸方向、
即ち、 Ｘ軸方向に対して垂直方向では、比較的大きな
剛性を有する。振動体１にＹ軸方向の力が発生した場合
には、この力は、振動ばね２を介して振動ばねの懸架部
に伝達される。
【００１０】振動ばね２は評価エレメント３に結合もし
くは懸架されている。評価エレメント３は、振動ばね２
が固定される可動なフレーム４、可動な電極５及び定置
の電極６を有している。定置の電極６は、中央ビーム７
を介してアンカー部材８に結合されていて、このアンカ
ー部材はサブストレート上に不動に固着されている。可
動な電極５はフレーム４に固定されていて、このフレー
ム４は、偏位ばね９を介してアンカー部材１０に結合さ
れている。
【００１１】アンカー部材１０は、同様にサブストレー
ト上に不動に固着されている。偏位ばね９は、Ｙ軸方向
で僅かな剛性を有しかつＸ軸方向で比較的大きな剛性を
有している。従って、フレーム４は、Ｙ軸方向で比較的
僅かな力によって変位させられるのに対して、 Ｘ軸方
向の力は、フレーム４を僅かに変位させるに過ぎない。
【００１２】Ｙ軸方向でフレーム４が変位した場合、フ
レームに固定された可動な電極も変位する。しかしなが
ら、定置の電極６は、中央ビーム７もしくはアンカー部
材８を介して不動にサブストレートに結合されていてひ
いてはサブストレートに対して相対的に運動しない。
【００１３】第１図ＩＩＩーＩＩＩ線に沿った第３図横
断面図では、アンカー部材１０、偏位ばね９、可動な電
極５、定置の電極６、可動なフレーム４、振動ばね２及
び振動体１が図示されている。アンカー部材１０は、中
間層２２を介して不動にサブストレート２１に固着され
ている。第３図で図示のその他のエレメントは、サブス
トレート２１に直接結合されておらずひいてはサブスト
レート２１に対して相対的に移動可能である。この場
合、定置の電極６を中間層２２を介してサブストレート
２１に固着することもできる。
【００１４】Ｚ軸方向での著しい伸張に基づいて、振動
ばね２及び偏位ばね９は、著しい変形を生ぜしめること
なく、 Ｚ軸方向の大きな力を吸収することができる。
従って、振動体１及び評価エレメント３の比較的大きな
質量を若干のばねエレメント及びアンカー部材１０によ
ってサブストレートとは別個に保持することができる。
【００１５】第１図で図示のセンサは、回転角速度セン
サとして使用される。このために、振動体１はＸ軸方向
で振動を励起される。この場合、振動ばね２の僅かな剛
性に基づいて、Ｘ軸方向で僅かな力がフレーム４に伝達
されるに過ぎない。フレーム４は、偏位ばね９によって
Ｘ軸方向で比較的剛性的に支承されているので、前記力
によってフレーム４もしくは可動な電極５の僅かな変位
が生ぜしめられるに過ぎない。
【００１６】センサがＺ軸（第３図参照）を中心として
回転した場合には、振動方向に対して垂直方向でコリオ
リ力が発生する。このコリオリ力は、Ｙ軸方向で作用し
かつこの方向で大きな剛性を有する振動ばね２を介して
フレーム４に伝達される。偏位ばね９は、Ｙ軸方向で僅
かな剛性を有するに過ぎないので、Ｙ軸方向のこの力に
よって偏位ばね９の偏位ひいてはフレーム４の変位が生
ぜしめられる。
【００１７】フレーム４のこのような変位によって、可
動な電極５と定置の電極６との間の間隔が変化する。従
って、可動な電極５と定置の電極６との間のキャパシタ
ンスを測定することによって、フレーム４の変位が測定
され、かつこれによりコリオリ力もしくはＺ軸を中心と
した回転が検出される。この場合、製作誤差は、評価エ
レメントの信号に僅かな影響を及ぼすに過ぎない。
【００１８】Ｘ軸方向で評価エレメント３の振動が生じ
た場合には、電極５，６相互の厳密な平行配列からの僅
かな偏差が生ずるだけで信号が生ぜしめられる。しかし
ながら、振動ばね２及び偏位ばね９に基づいてＹ軸方向
の運動のみが可能であるので、製作誤差は測定信号に極
めて僅かな影響を及ぼすに過ぎない。
【００１９】振動体１の振動を励起するために、静電式
のライン駆動装置３１，３２が設けられている。ライン
駆動装置は、静電式の電極３３を有していて、この電極
は、アンカー部材１０によってサブストレート２１に固
定されていてかつ振動体１の別の電極３４と協働する。
静電式の電極３３と別の電極３４とは平板コンデンサを
成していて、この平板コンデンサのキャパシタンスは、
振動体１がＸ軸方向に移動した場合に変化する。従っ
て、静電式の電極３３に電位をかけることによって、振
動体１に力作用を及ぼすことができる。
【００２０】両ライン駆動装置３１，３２は、該ライン
駆動装置がそれぞれプッシュプルで振動体１に静電的な
力作用を及ぼすように、運転される。更に、ライン駆動
装置の一方３１を振動体１の振動を励起するために利用
し、かつ、他方のライン駆動装置３２を、前記振動が静
電式の電極３３と別の電極３４との間のキャパシタンス
を測定することによって検出されるように、利用するこ
ともできる。この場合、このように測定された振動の信
号は、第１のライン駆動装置３１にかけられる電位の強
さもしくは周波数に影響を及ぼすのに利用することがで
きる。
【００２１】当業者にとって周知のように、別の駆動形
式、例えば圧電式又はマグネット式のエレメントによる
駆動形式も可能である。更に、静電式の駆動のために任
意の別の電極形式も可能である。
【００２２】本実施例では評価エレメント３は、発生す
るコリオリ力によってキャパシタンスを変えられる平板
コンデンサとして構成されている。同様に、圧電式、圧
電抵抗式又は別の検出構想に従って作業する別の評価エ
レメントを利用することもできる。しかしながら、第１
図で図示の容量式の評価エレメントの利点は、評価エレ
メントが特に簡単に構成されかつ高い感度を有するとい
うことにある。更に、振動体１の容量式の駆動装置及び
容量式の評価エレメントを有する図示のセンサは、特に
簡単に製作することができる。
【００２３】第１図及び第３図によるセンサの製作形式
を第２図及び第３図により説明する。プロセスはサブス
トレート２１から出発し、このサブストレート上には、
結合層としての中間層２２が取り付けられかつこの中間
層上には、上側のシリコン層２３が取り付けられてい
る。有利には、サブストレート２１はシリコンから形成
されかつ結合層２２は酸化シリコンから形成される。こ
のような層構造は、ＳＯＩ・ウエハー（絶縁体上のシリ
コン）として半導体技術から公知である。
【００２４】しかしながら、サブストレート２１のため
に別の材料を使用することもできる。結合層２２のため
には、上側のシリコン層２３に対して選択的にエッチン
グできるあらゆる材料が適している。従って、結合層２
２はセンサを製作するために犠牲層とも呼ばれる。第２
図では、一貫した結合層２２が図示されている。しかし
ながら、サブストレート２１に対して相対的に可動にす
べき構造物が上側のシリコン層２３内に形成される所で
のみ、結合層２２を設けることもできる。
【００２５】シリコン層２３の上側には、例えば組織化
されたホトレジストから成るエッチングマスク２４が設
けられている。エッチングマスク２４は、第１図による
センサの組織構造を有している。この場合、エッチング
によってエッチングマスク２４の組織構造が上側のシリ
コン層２３に移される。この場合、上側のシリコン層２
３のエッチングは、結合層２２が露出するまで、行われ
る。
【００２６】次いで、別のエッチングステップで結合層
２２がエッチングされる。この場合、結合層２２のエッ
チングは、結合層がアンカー部材１０の下側で完全に除
去される前に、停止する。この場合、第３図で図示され
ているように、アンカー部材１０は、結合層２２によっ
て依然として不動にサブストレート２１に結合されてい
る。
【００２７】しかしながらこの場合、偏位ばね９、可動
な電極５、フレーム４、振動ばね２及び振動体１は、下
部エッチングされる、即ち、結合層２２はこれら構造物
の下側で完全に除去される。第２図で図示されているよ
うに一貫した結合層２２の場合、アンカー部材１０は、
大きな横方向寸法に基づき、完全に下部エッチングされ
ない。
【００２８】振動体１もしくはフレーム４の下部エッチ
ングを保証するために、シリコン層２３の上面から結合
層２２まで延びるエッチング孔２５が設けられている。
第１図ではこのようなエッチング孔２５は、振動体１の
中央範囲に一例として図示されている。しかしながらこ
のようなエッチング孔２５は、同様にフレーム４のため
に及び振動体１の別の全ての範囲のためにも設けられ
る。しかしこのようなエッチング孔２５は、図面を明瞭
にするために、図示されていない。
【００２９】第１図による回転角速度センサは、２つの
評価エレメント３を有している。両評価エレメント３
は、一方の評価エレメントのキャパシタンスが増大した
場合に、他方の評価エレメントのキャパシタンスが減少
するように、設計されている。２つの容量式の評価エレ
メントのこのような配置形式は、特に容量式の信号を継
続処理するために有利である。
【００３０】第４図では、それぞれ２つの評価エレメン
ト３及びそれぞれ２つのライン駆動装置３１，３２を備
えた２つの振動体１を有する回転角速度センサの別の実
施例が図示されている。両振動体１は、アンカー部材１
０の２つのねじりばね４２に懸架されたねじりエレメン
ト４１を介して結合されている。ねじりエレメント４１
は、それぞれ１つのロッドエレメント４３及び弾性的な
補償エレメント４４を介して両振動体１に結合されてい
る。
【００３１】ロッドエレメント４３によって、Ｘ軸方向
で力がねじりエレメント４１に伝達される。弾性的な補
償エレメント４４に基づき、前記力は、ねじりエレメン
トの端部において引張り力又は圧縮力として生ずる。こ
のようにしてねじりばね４２に基づき、Ｚ軸（Ｘ軸方向
及びＹ軸方向に対して垂直）を中心としたねじりエレメ
ント４１のねじりが生ぜしめられる。これによりねじり
エレメント４１によって、両振動体１の振動のカップリ
ングが生ぜしめられる。
【００３２】従って、両振動体１の振動は互いに逆位相
である、即ち、一方の振動体が正のＸ軸方向で振動した
場合には、他方の振動体は負のＸ軸方向で、及び、これ
とは逆の関係で振動する。この場合両振動体において生
ずるコリオリ力は、異なる符号を有するので、両振動体
１の信号の単純な差形成に基づき、Ｙ軸方向で直線的な
不都合な加速によって生ぜしめられる信号成分が考慮さ
れる。
【００３３】第５図では、別のカップリング形式が図示
されている。両振動体１の振動は、評価エレメント３の
フレーム４に作用する連結エレメント５１を介して互い
に連結される。フレーム４における連結エレメント５１
の結合は、弾性的な補償エレメント５２を介して行われ
る。この場合、連結エレメント５１によって、両振動体
１の振動のカップリングが得られる。ライン駆動装置３
１，３２にかけられる周波数に関連して、両振動体１の
逆位相の振動並びに同位相の振動が得られる。
【００３４】更に、パラレルな振動及びアンチパラレル
な振動の共振周波数を分離するために、連結エレメント
をばねとして構成することもできる。パラレルな振動の
場合、ばねは偏位せずかつ共振周波数は振動ばね２によ
ってのみ規定される。アンチパラレルな振動の場合、連
結ばね５３はＸ軸方向に偏位し、これによって、システ
ムの剛性が高められる。
【００３５】連結エレメント５１並びに連結ばね５３に
よって、パラレル又はアンチパラレルな振動モードが得
られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転角速度センサの第１実施例の
平面図。
【図２】回転角速度センサ製作の中間ステップの横断面
図。
【図３】第１図ＩＩＩーＩＩＩ線に沿った横断面図。
【図４】本発明による回転角速度センサの別の実施例の
平面図。
【図５】本発明による回転角速度センサの別の実施例の
平面図。
【符号の説明】
１ 振動体 ２ 振動ばね ３ 評価エレメント ４ フレーム ５，６，３３，３４ 電極 ７ 中央ビーム ８，１０ アンカー部材 ９ アンカーばね ２１ サブストレート ２２ 中間層（結合層） ２３ シリコン層 ２４ エッチングマスク ２５ エッチング孔 ３１，３２ ライン駆動装置 ４２ ねじりばね ４３ ロッドエレメント ４４，５２ 補償エレメント ５１ 連結エレメント ５３ 連結ばね

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転角速度センサであって、少なくとも
    １つの振動体（１）を備え、該振動体が、第１の方向
    （Ｘ軸方向）で振動を励起されかつ回転時に発生するコ
    リオリ力により、第１の方向に対して垂直な第２の方向
    （Ｙ軸方向）で変位可能である形式のものにおいて、振
    動体（１）が、弾性エレメント（２）を介して検出エレ
    メント（３）に結合されており、弾性エレメント（２）
    が、第１の方向（Ｘ軸）で僅かな剛性を有しかつ第２の
    方向（Ｙ軸）で大きな剛性を有することを特徴とする、
    回転角速度センサ。
  2. 【請求項２】 検出エレメント（３）が、第２の方向で
    力を検出する、請求項１記載の回転角速度センサ。
  3. 【請求項３】 サブストレート（２１）が設けられてい
    て、該サブストレート（２１）に、偏位ばね（９）を有
    する検出エレメント（３）が固着されており、偏位ばね
    （９）が、第１の方向（Ｘ軸）で僅かな剛性を有しかつ
    第２の方向（Ｙ軸）で大きな剛性を有している、請求項
    ２記載の回転角速度センサ。
  4. 【請求項４】 検出エレメント（３）が、偏位ばね
    （９）が固定されるフレーム（４）を有していて、該フ
    レーム（４）に、サブストレート（２１）に不動に結合
    された定置の電極（６）に向かい合って配置された可動
    な電極（５）が固定されている、請求項３記載の回転角
    速度センサ。
  5. 【請求項５】 振動体（１）の振動を励起するために静
    電式の駆動装置（３１，３２）が設けられており、静電
    式の電極（３３）が、アンカー部材（１０）を介してサ
    ブストレート（２１）に固着されており、振動体（１）
    が、静電式の電極（３３）と協働して平板コンデンサを
    形成する別の電極（３４）を有している、請求項３又は
    ４記載の回転角速度センサ。
  6. 【請求項６】 サブストレート（２１）がシリコンから
    形成されている、請求項３から５までのいずれか１項記
    載の回転角速度センサ。
  7. 【請求項７】 振動体（１）及び検出エレメント（３）
    が、シリコン又は金属から形成されている、請求項１か
    ら６までのいずれか１項記載の回転角速度センサ。
  8. 【請求項８】 少なくとも２つの振動体（１）が設けら
    れていて、該振動体が機械的に互いに連結されている、
    請求項１から７までのいずれか１項記載の回転角速度セ
    ンサ。
  9. 【請求項９】 第１及び第２の方向に対して垂直な軸線
    を中心として回動可能なねじりエレメント（４１）が設
    けられており、両振動体（１）がロッドエレメント（４
    ３）を介してねじりエレメント（４１）に結合されてい
    る、請求項８記載の回転角速度センサ。
  10. 【請求項１０】 両振動体の検出エレメント（３）が、
    ロッド状の連結エレメント（５１）によって互いに結合
    されている、請求項８記載の回転角速度センサ。
  11. 【請求項１１】 両振動体の検出エレメント（３）が、
    ばね（５３）によって互いに結合されている、請求項８
    記載の回転角速度センサ。
JP8207355A 1995-08-16 1996-08-06 回転角速度センサ Pending JPH09119942A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19530007.6 1995-08-16
DE19530007A DE19530007C2 (de) 1995-08-16 1995-08-16 Drehratensensor

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JPH09119942A true JPH09119942A (ja) 1997-05-06

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ID=7769537

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8207355A Pending JPH09119942A (ja) 1995-08-16 1996-08-06 回転角速度センサ

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US (1) US5728936A (ja)
JP (1) JPH09119942A (ja)
DE (1) DE19530007C2 (ja)

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