KR20100080555A

KR20100080555A - 2개의 감지축을 구비한 회전각 감지 센서

Info

Publication number: KR20100080555A
Application number: KR1020107010148A
Authority: KR
Inventors: 라인하르트 노일; 요하네스 클라쎈; 제바스티안 그락키; 부륵하르트 쿠울만; 악셀 프랑케; 올리버 코온; 케르스텐 케르; 크리스티안 게르하르트
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2010-07-08
Also published as: US20110088469A1; CN101855515A; EP2210060A1; JP2011503557A; WO2009059639A1

Abstract

본 발명은 기판(10), 베어링(20), 평면 구동 진동 운동을 실행하기 위해 스프링(30)에 의해 회전 운동 가능하게 베어링(20)에 현수된 진동 구조부(40), 및 진동 구조부(40)의 평면 구동 진동 운동을 발생시키기 위한 구동 수단을 구비한 회전각 감지 센서에 관한 것이다. 본 발명의 핵심은 회전각 감지 센서가, 제1 회전축에서 회전을 측정하기 위한 제1 평가 수단과 제2 회전축에서 회전을 측정하기 위한 제2 평가 수단을 포함하는 것이다.

Description

2개의 감지축을 구비한 회전각 감지 센서{YAW RATE SENSOR HAVING TWO SENSITIVE AXES}

본 발명은 기판, 베어링, 평면 구동 진동 운동을 실행하기 위해 스프링에 의해 회전 운동 가능하게 베어링에 현수된 진동 구조부, 및 진동 구조부의 평면 구동 진동 운동을 발생시키기 위한 구동 수단을 구비한 회전각 감지 센서에 관한 것이다.

감응축(감지축)을 구비한 마이크로메카닉 회전각 감지 센서는 여러 가지 용도로 사용된다. 이는 차량에서는 예를 들어 스핀 방지 프로그램(ESP), 네비게이션 및 롤오버 측정이며, 가전 기기에서는 이미지 안정화, 운동 검출 및 네비게이션의 영역에 적용된다.

독일 공개 공보 DE 195 23 895 A1호에는 탄성 스프링을 통해 중심에 현수된 회전자 질량이 회전 진동(rotatory oscillation)을 위해 여기되고, 코리올리 효과에 의해 회전각이 발생할 때 틸팅되는, 감응축을 구비한 마이크로메카닉 회전각 감지 센서가 공지되어 있다. 이러한 편향은 기판 상부의 전도층에 위치한 전극에 의해 검출된다.

예를 들어 디지털 카메라의 이미지 안정화와 같이, 사용 빈도가 점차 증가함에 따라 복수축의 회전각 감지 센서가 필요하다. 이러한 유형의 목적을 위해 지금까지 일반적으로 복수의 1채널 센서들이 나란히 배치되거나, 감지 회전축의 필요한 조합에 따라 심지어는 세로로 세워진 회로 기판을 통해 실장된다.

분리된 2개의 1채널 회전각 감지 센서의 사용은 비용, 공간 소모, 전류 소모 및 2개 축의 상대적 배향의 정확성의 견지에서 단점이 있다.

본 발명은 기판, 베어링, 평면 구동 진동 운동을 실행하기 위해 스프링에 의해 회전 운동 가능하게 베어링에 현수된 진동 구조부, 및 진동 구조부의 평면 구동 진동 운동을 발생시키기 위한 구동 수단을 구비한 회전각 감지 센서에 관한 것이다. 본 발명의 핵심은 회전각 감지 센서가, 제1 회전축에서 회전을 측정하기 위한 제1 평가 수단과 제2 회전축에서 회전을 측정하기 위한 제2 평가 수단을 포함하는 것이다.

바람직하게 본 발명은 2개의 감지축을 구비한 회전성 회전각 감지 센서를 제공한다. 따라서 하나의 칩 상에서 2개의 측정축이 동시에 평가된다. 센서는 칩평면에 위치한 2개의 회전축(x, y)에서 감지 가능하다.

이로부터 추가 장점이 얻어진다. 센서 코어는 필적할만한 사양을 갖춘 1채널 센서보다 약간 더 클 뿐이다. 전류 소모량은 2개의 1채널 센서보다 훨씬 적다. 한편으로는 2개의 측정축에 대해 하나의 구동 회로만이 필요하고, 다른 한편으로는 특히 디지털 평가 회로가 사용될 때 시간적 다중화(multiplex)를 통한 회로의 더 큰 기능 블록들이 2개의 검출 채널에 대해 공통으로 사용 가능하다. 소자의 정밀한 마이크로메카닉 가공은 높은 대칭성을 갖는 센서 디자인과 관련하여 2개 측정 채널들의 성능과 감도가 양호하게 일치하도록 보장한다. 또한 2개 측정축의 상대적 배향은 디자인에 의해 주어지고, 2개의 1채널 센서가 실장될 때와는 다르게 설계 기술 및 연결 기술의 허용 오차를 통해 기능이 저하되지 않는다.

도 1은 선행 기술에 따른 회전각 감지 센서의 마이크로메카닉 기능 부품을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 회전각 감지 센서의 마이크로메카닉 기능 부품을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 2개의 감지축을 구비한 회전각 감지 센서를 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 회전각 감지 센서의 현수 구조부의 2개의 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 자체 진단 전극을 구비한 회전각 감지 센서를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 확대된 구동 수단을 구비한 회전각 감지 센서를 도시한 도면이다.

본 발명의 실시예는 도면에 예시로서 도시되어 하기에 설명된다.

도 1에는 선행 기술에 따른 회전각 감지 센서의 마이크로메카닉 기능 부품이 도시되어 있다. 회전각 감지 센서는 단면도로서 개략적으로 도시되어 있다. 기판 또는 지지부(10), 현수 스프링 또는 진동 스프링(30)을 구비한 허브(20), 진동 질량(40)이 도시되어 있다. 허브(20)는 지지부(10)와 연결된다. 진동 스프링(30)을 통해 허브는 진동 질량(40)과도 연결된다. 회전각 감지 센서는 진동(V)을 구동하기 위해 사용되는 빗살 구조 형태(C_A1, C_A2)의 구동 수단을 포함한다. 진동을 위해 여기 가능한 진자(seismic mass), 진동 질량(40)의 구동은 예를 들어 구조부(C_A1)와 같은 구동 구조부의 2개의 빗살이, 상이한 전기 전위로 충전되는 2개의 전극을 나타냄으로써 실행된다. 상보적인 빗살들은 정전기적 인력에 의해 서로 당겨지고, 이에 의해 진동 질량(40)은 편향된다. 더욱이 회전각 감지 센서는 구동 진동의 진폭을 검출하는데 적합한 빗살 구조부(C_D1, C_D2)를 포함하며, 이의 신호는 일반적으로 이러한 진폭을 제어하기 위해 이용된다. 마지막으로 회전각 감지 센서는 코리올리 힘(F_C)이 작용함으로써 생기는 진동 질량의 편향을 측정하기 위해 사용되는 커패시터 구조 형태의 검출 수단(C_S1, C_S2)을 포함한다.

회전각 감지 센서가 작동하는 동안, 진동 질량(40)은 허브(20)를 중심으로 구면(spherical) 경로(V)로 진동한다. 회전각 감지 센서는 감지축, 회전축(Ω)을 중심으로한 회전을 목적한 바대로 검출한다. 이러한 센서의 회전축(Ω)을 중심으로한 회전에서 법칙에 따라, 화살표로 표시되고 진동 평면에 수직인 방향으로 진동 질량(40)의 편향을 야기하는 코리올리 힘(F_C)이 발생한다. 코리올리 힘(F_C)의 방향 부호는 진동 질량(40)의 회전 진동의 방향 부호(V)에 따라 달라진다.

도 2에는 도 1에 따른 회전각 감지 센서의 마이크로메카닉 기능 부품의 평면도가 개략적으로 도시되어 있다. 구동 빗살(C_A11, C_A12, C_A21, C_A22) 및 검출 빗살(C_D11, C_D12, C_D21, C_D22)이 도시된다. 구동 빗살(C_A11, C_A12)은 진동 질량(40)을 (+V)방향으로 구동하기 위해 사용된다. 구동 빗살(C_A21, C_A22)은 진동 질량(40)을 (-V)방향으로 구동하기 위해 사용된다. 검출 빗살(C_D11, C_D12, C_D21, C_D22)은 2개의 방향(+V 및 -V)을 갖는 구동 편향의 진폭을 측정하기 위해 사용된다. 이러한 커패시터 유형의 빗살 구조부(C_D11, C_D12, C_D21, C_D22)의 정전 용량은 빗살들 서로의 겹침 깊이와, 이에 따라 커패시터 판들의 서로에 대한 오버랩 면에 좌우된다. 전극(C_T1 및 C_T2)은 진단 전극을 나타낸다. 진단 전극(C_T1 및 C_T2)에 전압이 인가됨으로써 코리올리 힘(F_C) 방향으로 진동 질량(40)의 편향이 달성될 수 있다. 이에 따라, 코리올리 힘(F_C)의 작용은 시뮬레이팅되고 진동 질량(40)의 편향 가능성은 진단될 수 있다. 따라서, 센서의 기능이 검사될 수 있다.

도 3에는 본 발명에 따른 2개의 감지축을 구비한 회전각 감지 센서가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 회전각 감지 센서는 상술한 선행 기술의 회전각 감지 센서로부터 개발되었다. 본 발명에 따른 2채널(2개의 감지축이 제공되기 때문) 회전각 감지 센서는 동일한 표면 마이크로메카닉 공정으로 제조된다. 선행 기술의 1채널 회전각 감지 센서가 스프링(30)을 구비한 현수 구조부의 스프링 강도 및 관성 모멘트에 있어 x축 및 y축에 대해 비대칭성이 심한 반면, 2채널 구조의 디자인은 이러한 2개 축에 대해 높은 대칭성을 갖는다. 회전자(40)는 중심 내부를 향해 안내되어 중심 부근에서 허브(20)에 현수된 스프링(30)을 통해 기판(10)과 연결된다. 이 구조는 수직축(z축)을 중심으로 회전하는 구동 빗살부를 통해 옵셋된다. 구동 검출 빗살은 시스템의 편향을 측정하고, 센서가 구동 진동수로 안정적으로 구동될 수 있도록 하는 제어 회로에 신호를 공급한다. x축을 중심으로 회전각이 발생할 때, 코리올리 효과에 의해 y축을 중심으로 회전자의 회전이 발생한다. 이와 반대로 y축을 중심으로 회전각이 발생하는 경우, x축을 중심으로 회전자의 회전이 얻어진다. 4개의 회전자 아암의 하부 즉, 스프링(30)의 하부에서는 기판(10)의 매립된 도체 트랙 평면에, 정전 용량 변화가 얻어짐으로써 회전자의 틸팅을 검출하는 구조화된 전극면 형태의 검출 수단이 위치한다. 제1 검출 수단 또는 제2 검출 수단의 각각 대향 배치된 전극의 차동 신호(Cx,p - Cx,n 또는 Cy,p - Cy,n)로부터, x축 또는 y축을 중심으로 회전각이 유도된다. 구조가 이상적인 대칭을 이룰 때, x축을 중심으로한 회전각이 y채널에서 신호를 야기하지 않으며, 이의 역도 야기하지 않는다.

도 4a 및 도 4b에는 본 발명에 따른 회전각 감지 센서의 현수 구조부의 2개의 실시예가 도시되어 있다. 구동 운동 및 검출 운동에서 고유 진동수의 정확한 위치는 특히 센서의 전류 소비 및 감도에 중요 영향을 미친다. 따라서 스프링 기하 구조는 원하는 진동수를 달성하도록 상응하게 형성되어야 한다. 이를 위해, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 간단한 탄성 스프링을 사용하는 것은 일반적으로 충분하지 않다. 오히려 스프링(30)은 더 복잡한 기하 구조를 갖는다. 이는 예를 들어 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 곡류 형태(meander-shaped)로 형성된 스프링일 수 있다. 스프링(30)의 개수도 변할 수 있지만, 대칭을 이유로 바람직하게 4의 배수를 갖는다. 다른 한편으로 8개 이상의 스프링은 너무 많은 공간을 필요로 하고, 얻어지는 스프링 강도가 대부분의 용도에 대해 너무 높을 것이기 때문에 거의 유용하지 않다.

도 5에는 본 발명에 따른 자체 진단 전극을 구비한 회전각 감지 센서가 도시되어 있다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상의 검출 전극[Cx,i 및 Cy,i(i=p,n)]의 일부 영역은 공백으로 남겨져 별도로 접촉 가능한 진단 전극[Tx,i 및 Ty,i(i=p,n)]을 위해 사용될 수 있다. 이러한 진단 전극을 통해 전기력이 공급될 수 있고 얻어지는 센서 부재(40)의 틸팅은 정상 검출 전극[Cx,i 및 Cy,i(i=p,n)]을 통한 회전각에 의한 틸팅과 유사하게 측정될 수 있다. 따라서 센서의 간단한 자체 진단이 가능하다.

도 6에는 본 발명에 따른 확대된 구동 수단을 구비한 회전각 감지 센서가 도시되어 있다. 구동 진폭을 확대하거나, 필요한 구동 전압을 감소시키기 위해(그리고 이에 따라 전류 소비를 줄이기 위해) 선행 기술의 실시예에 비해, 추가의 구동 빗살을 통해 구동 정전 용량을 상승시키는 것이 요구될 수 있다. 본원에 설명된 마이크로메카닉 회전각 감지 센서는 표면 마이크로메카닉 방법으로 비용면에서 유리하게 제조된다. 이 경우, 많은 센서를 구비한 반도체 기판은 가공 이후 각각 센서 부재를 지지하는 직사각형 부분들로 싱귤레이션된다. 이렇게 하여 본 발명에 따라, 구동 전극 빗살이 실질적으로 직사각형 기판(10)의 대각선 방향을 따라 연장된다. 전극의 연장이 칩 대각선으로 나타나므로, 직사각형 칩표면이 확대되지 않는 상태로 고유의 회전자 반경 이상으로 구동 전극 빗살이 확대되고, 이에 따라 더 많은 개수의 구동 빗살 또는 구동 검출 빗살이 구현 가능하다. 구동 토크가 발생할 때 외부의 빗살이 특히 효율적이므로, 빗살 개수를 약간 증가하는 것이 매우 바람직하다.

Claims

- 기판(10),
- 베어링(20),
- 평면 구동 진동 운동을 실행하기 위해 스프링(30)에 의해 회전 운동 가능하게 베어링(20)에 현수된 진동 구조부(40),
- 진동 구조부(40)의 평면 구동 진동 운동을 발생시키기 위한 구동 수단을 구비한 회전각 감지 센서에 있어서,
회전각 감지 센서는 제1 회전축에서 회전을 측정하기 위한 제1 평가 수단과 제2 회전축에서 회전을 측정하기 위한 제2 평가 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 감지 센서.
제1항에 있어서, 진동 구조부(40)는 주 연장 평면(x, y)을 갖는 기판 위에 현수되고, 수직축(z)을 중심으로 구동 진동 운동을 실행하는 것을 특징으로 하는 회전각 감지 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 2개의 회전축은 기판 표면에 위치하는 것을 특징으로 하는 회전각 감지 센서.
제3항에 있어서, 제1 회전축은 축(x)에 상응하고, 제2 회전축은 축(y)에 상응하는 것을 특징으로 하는 회전각 감지 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 진동 구조부(40)는 베어링(20)으로부터 진동 구조부의 외부 테두리에 이르는 제1 최대 연장부를 포함하고, 구동 수단은 베어링(20)으로부터 구동 수단의 외부 테두리에 이르는 제2 최대 연장부를 포함하며, 제2 최대 연장부는 제1 최대 연장부보다 큰 것을 특징으로 하는 회전각 감지 센서.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 4개 또는 4의 정수배의 개수를 갖는 스프링(30)이 제공되는 것을 특징으로 하는 회전각 감지 센서.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 스프링(30)은 여러 번 접힌, 특히 곡류 형태(meander-shaped)로 형성된 것을 특징으로 하는 회전각 감지 센서.