KR20120069712A - 선형 및 회전형 진동 부재를 포함하는 이중축 내충격 회전 속도 센서 - Google Patents

선형 및 회전형 진동 부재를 포함하는 이중축 내충격 회전 속도 센서 Download PDF

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Abstract

미소기계식 회전 속도 센서는, 베이스 표면이 데카르트 좌표계 (x, y, z) 의 x-y 평면에 평행하여 정렬되는 기판을 포함하고, 상기 회전 속도 센서는, 적어도 하나의 제 1 구동 장치 (23) 에 연결되어 매달려진 (3, 4) 적어도 하나의 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 를 포함하고, 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 가 일 구동 모드에서 역위상으로 편향되도록 구동되고, 상기 회전 속도 센서가 적어도 2 개의 상호 본질적으로 직각인 감도축 (z, y) 에 대한 회전 속도를 감지할 수 있도록 설계되고, 제 1 감도축 (y) 에 대한 제 1 회전 속도가 감지될 때, 제 1 판독 모드에서 역위상으로 진동하도록 적어도 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 가 설계되어 매달려지고, 제 2 감도축 (z) 에 대한 제 2 회전 속도가 감지될 때, 제 2 판독 모드에서 역위상으로 진동하도록 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 및/또는 추가의 진동 매스 (10) 가 설계되어 매달려지고 (5, 7, 9, 11), 진동 매스 (1, 10) 는 진동 매스 (1, 10) 에 관하여 설계되어 배열되는 판독 장치 (15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22) 와 관련되고, 각각의 경우에서, 동위상으로, 그리고 역위상으로, 제 1 판독 모드 및 제 2 판독 모드에 관하여 진동 매스 (1, 10) 의 편향을 감지한다.

Description

선형 및 회전형 진동 부재를 포함하는 이중축 내충격 회전 속도 센서{DOUBLE-AXIAL, IMPACT-RESISTANT YAW RATE SENSOR COMPRISING LINEAR AND ROTATORY SEISMIC ELEMENTS}
본 발명은 특허청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 미소 기계적인 회전 속도 센서 및 자동차에서의 미소 기계적인 회전 속도 센서의 용도에 관한 것이다.
WO 2006070059 A1 호에는 y 축에 대한 회전 운동을 측정하기 위한 회전 속도 센서가 기재되어 있다. 회전 속도 센서는 구동 모드시 회전 속도 센서의 무게 중심에 대하여 역위상으로 z 축 (기판 평면에 직각으로) 을 중심으로 진동하는 두 개의 진동 매스로 구성된다. y 축에 대한 회전 속도의 경우, 두 개의 진동 매스는 판독 모드시 이들의 무게 중심에 대하여 역위상에서 x 축을 중심으로 진동한다. 상기 배열체는 구동 모드시 전체 배열체의 무게 중심이 정지로 유지되기 때문에, 외부의 방해에 대하여 비교적 안정적이고, 따라서, 상기 센서는 설계 영향에 민감하지 않는다. 또한, 이들의 배열체에 의해, 두 가지 모드, 즉, 구동 모드 및 판독 모드는 외부의 선형 자극 또는 외부의 회전 자극에 직접적으로 여기될 수 없거나, 여기되는 경우가 많지 않다.
WO 2006113162 A1 호에는 z 축에 대한 로터의 운동을 측정하기 위한 회전 속도 센서가 기재되어 있다. 이는 제 1 운동 또는 구동 모드시 x 방향에서 진동하는 4 개의 진동 매스로 구성되며, 그 결과 각각 직접적으로 인접하는 매스는 역위상으로 움직인다. z 축에 대한 회전 속도의 경우, 상기 4 개의 진동 매스는, 각각 직접적으로 인접하는 매스가 역위상으로 움직이도록 y 방향으로 진동한다. 상기 배열체는 제 1 운동시 전체 배열체의 무게 중심이 정지로 유지되기 때문에, 외부 방해에 대하여 꽤 안정적이며, 따라서, 상기 센서는 설계 영향에 민감하지 않는다. 또한, 이들의 배열체에 의해, 두 가지 모드, 즉, 구동 모드 및 판독 모드는 외부의 선형 자극 또는 외부의 회전 자극에 직접적으로 여기될 수 없다.
WO 2004097432 A1 호, WO 2008021534 A1 호, DE 102006052522 호, DE 102005051048 호, US 6892575 호, EP 1832841 호 및 WO 2008051677 호에는 x 축 및 y 축에 대한 회전 운동을 동시에 측정할 수 있는 센서, 즉 실시예에 따르면, x 축과 y 축에 평행하는 기판의 베이스 표면에 직각으로 회전 운동이 발생하지 않는 센서가 기재된다. 전술한 센서의 원리는 단일칩 솔루션; 즉, 직교하는 회전 속도의 측정을 위한 센서 부재는 동일한 단일의 실리콘 칩에 위치하게 된다. 또한, 제 1 운동만이 두 개의 감도축 용으로 여기된다라는 공통된 특징을 가지고 있다. 이는 제어 시스템의 복잡도를 줄이며; 또한, 상기 칩 영역은 두 개의 분리된 센서가 있는 경우에 비하여 작아진다. 코리올리 힘의 경우에, x 축 또는 y 축에 대한 회전 운동은 z 방향으로 운동 구성 부재를 포함하는 진동을 여기시킨다. 만일 z 축에 대한 회전 속력을 측정하기 위해 상기 센서를 사용하고자 한다면, 상기 센서들은 구조체 및 연계 기술에 의하여 설치되어야만 하는, 즉, 평면의 소정방향 - 웨이퍼 평면에 대하여 90°로 설치되어야만 한다. 이는 추가적인 비용을 초래한다.
EP 1918723 호는 x 축과 z 축에 대한 회전 운동을 동시에 측정할 수 있는 자이로스코프를 제안한다. 또한, 이는 단일의 제 1 모드 또는 구동 모드를 포함하는 단일칩 솔루션이다. 그러나, 상기 센서는 두 가지 판독 모드 - 또한, 제 2 모드 (z 축에 대한 회전 감지) 및 제 3 모드 (x 축에 대한 회전 감지) - 는 회전 운동에 의해 직접적으로 여기될 수 있으며, 이는 환경적인 영향에 의해 발생하는 방해에 민감한 센서를 초래하는 불리함을 갖고 있다.
WO 9817973 A1 호는 삼중축 자이로스코프를 제안한다. 상기 경우에 있어서, 구동 모드에서, 90°로 서로 오프셋되는 4 개의 진동 매스는 반경 방향으로 진동한다. 상기 배열체는 전체 세 개의 분할 방향의 코리올리 힘 사이에서 구별될 수 있다. 그러나, 개별적인 진동 매스는 서로 직접적으로 연계되지 않기 때문에, 그 결과, 예를 들어, 기판 평면에 직각으로 선형 가속이 발생하는 경우에 각 진동 매스는 기판 평면으로부터 이격되어 편향된다.
본 발명의 목적은 적어도 2 개의 감도축에 대한 회전 속도를 감지할 수 있고 동시에 방해에 대해 꽤 안정적이도록 설계된 미소기계식 회전 속도 센서를 제안하는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 목적은 특허청구범위 제 1 항의 미소기계식 회전 속도 센서에 의하여 달성된다.
여기에 기재된 본 발명 및 본 발명에 따른 회전 속도 센서는, 동일한 판독 원리 및 상이한 판독 원리에 의한 회전 속도의 측정에 대하여 종래 기술보다 더 개선된 방법을 개시한다.
본 발명은, 베이스 표면이 데카르트 좌표계의 x-y 평면에 평행하여 정렬되는 기판을 포함하는 회전 속도 센서를 제안하는 발명에 대한 바람직한 방식에 근거한다. 상기 경우에서, 회전 속도 센서는, 적어도 하나의 제 1 구동 장치에 연결되어 매달려진 적어도 하나의 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스를 포함하고, 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스가 일 구동 모드에서 역위상으로 편향되어 구동되고, 상기 회전 속도 센서가 적어도 2 개의 상호 본질적으로 직각인 감도축에 대한 회전 속도를 감지할 수 있도록 설계된다. 게다가, 제 1 감도축에 대한 제 1 회전 속도가 감지될 때, 제 1 판독 모드에서 역위상으로 진동되거나 편향되도록 적어도 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스는 설계되어 매달려지고, 제 2 감도축에 대한 제 2 회전 속도가 감지될 때, 제 2 판독 모드에서 역위상으로 진동하거나 편향되도록 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 및/또는 추가의 진동 매스는 설계되어 매달려지고, 진동 매스는 진동 매스에 관하여 설계되어 배열되는 판독 장치와 관련되고, 각각의 경우에서, 동위상으로 그리고 역위상으로, 제 1 판독 모드 및 제 2 판독 모드에 관하여 진동 매스의 편향을 감지한다. 상기 경우에서, 동위상 및 역위상은 바람직하게는 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 및/또는 추가의 진동 매스의 편향 또는 진동의 고유의 역위상에 해당한다.
적어도 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스가 2 개의 판독 장치에 각각 관련되는 것은 바람직하다.
바람직한 방식으로, 역위상이라는 용어는, 특히, 한 쌍의 진동 매스, 특히 바람직하게는 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스에 대한 각각의 경우에 대하여, 그리고 한 쌍의 추가의 진동 매스의 경우에 대한 쌍으로, 반대 방향 및 동일 방향으로의 직선 또는 곡선 경로상의, 상호 역배향을 의미한다.
선형 편향 또는 진동은 바람직하게는 병진 편향 또는 진동을 의미한다.
동위상 및 역위상은 특히 각각의 분리된 판독 장치에 의하여 각각 따로따로 유리하게 감지된다.
제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스는 적어도 하나의 연결 스프링에 의하여 연결되고, 상기 진동 매스가 역위상으로만 회전 편향되고 동위상 회전 편향은 제거되도록 상기 연결 스프링이 설계되고, 특히, 어떠한 방향의 상기 진동 매스의 선형 편향이 본질적으로 제거되도록 각각의 경우에 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스는 적어도 하나의 앵커상에 추가로 매달려지고 기판에 매달려진다.
적어도 하나의 구동 장치 및/또는 적어도 하나의 판독 장치는 용량성 콤 구조체 또는 판 구조체의 형태로 바람직하게는 존재하고, 상기 구동 장치는 정전기적으로 여기되고, 판독 장치는 정전기적으로 감지한다.
회전 속도 센서는 바람직하게는 모놀리식으로 또는 단일칩 상에 또는 일체적으로 형성되고, 따라서, 2 개의 분리된 센서가 서로에 관하여 정렬될 수 있는, 종래의 구조체 및 연계 기술보다 몇 배 정도 더 정확한 미소기계식 생산에 의하여 축의 정렬이 정의되기 때문에, 상이한 축에 대한 회전 속도를 감지하는 2 개의 칩 사이를 분리하는 경우에서보다 2 개의 감도축이 서로에 관하여 더 정확하게 상당하게 배열되는 것을 허용한다. 추가로, 2 개의 감도축에 대한 회전 운동을 감지할 수 있는 단일칩 센서 부재의 취급은 2 개의 분리된 센서 부재의 취급보다 또한 더 간단하다.
회전 속도 센서는, 회전 속도 센서의 모든 진동 매스를 구동하는 단일의 구동 장치를 바람직하게는 가지고, 상기 목적에 대하여 진동 매스는 적절하게 매달려지고 상기 구동 장치에 직접적으로 또는 간접적으로 연결된다. 구동 진동 또는 구동 모드 (제 1 진동으로서 또한 언급됨) 는 전체 작동 시간 내내 유지되어야만 하기 때문에, 이는 2 개의 분리 구동 유닛을 가진 2 개의 분리된 센서의 것보다 덜 복잡한 제어 시스템을 야기하고, 폐쇄 루프뿐만 아니라 위상 동기 루프 진폭 제어는 상기 목적에 대하여 종종 요구된다. 단일 구동 장치는 ASIC 영역 및 전류 인출 또는 전력 소비의 상당한 절약을 허용하고, 그러므로 보다 비용 효과적인 신호 처리를 허용한다. 추가로, 단일 구동 유닛의 공동 사용은 공간이 절약되는 것을 허용하고, 그 결과로써 보다 많은 센서는 실리콘 웨이퍼상에 위치될 수 있고, 따라서 센서는 보다 비용 효과적으로 생산될 수 있다.
바람직하게는, 전체 회전 속도 센서의 무게 중심이 구동 모드에서 진동 매스의 편향에 관하여 정지하여 본질적으로 유지하도록, 회전 속도 센서는 설계되고 진동 매스는 배열된다.
제 1 감도축이 x-y 평면상에, 즉 기판의 베이스 표면에 놓여있도록, 회전 속도 센서는 바람직하게는 설계되고, 특히 제 1 감도축은 x 축 또는 y 축에 평행하고, 제 2 감도축은 z 축, 즉 기판의 베이스 표면에 수직으로 평행한다.
회전 속도 센서의 모든 진동 매스는 설계되고, 매달려져 연결되고, 구동 모드에서의 각각의 편향 대하여, 그리고 제 1 감도축에 대한 회전 속도가 감지될 때 제 1 판독 모드에서 진동하는 진동 매스에만 관련된 제 1 판독 모드에서의 각각의 편향에 대해, 그리고 제 2 감도축에 대한 회전 속도가 감지될 때 제 2 판독 모드 에서 진동하는 진동 매스에만 관련된 제 2 판독 모드에서의 편향에 대해, 진동 매스는 배타적으로 이동할 수 있도록 매달려지고, 상기 편향들은 각각의 모드에서 진동하는 진동 매스에 대하여 역위상으로 일어나고, 상기 진동 매스는 모든 다른 편향에 대해서 단단하게 매달려지는 것은 바람직하다.
바람직하게는, 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스가 회전식 구동 모드, 특히 z 축에 대한 회전식 구동 모드에서 역위상으로 진동하도록 매달려져 구동된다.
유리하게는, 회전 속도 센서는, 전체 회전 속도 센서의 무게 중심에 관하여 정지 위치에서 대칭으로 배열되어 매달려진, 추가의 진동 매스, 특히 4 개의 추가의 진동 매스를 가진다.
바람직하게는, 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스가 z 축 및 x 축에 대한 역위상 회전식 편향을 배타적으로 실행할 수 있도록 매달려지고 및/또는 연결되고, 추가의 진동 매스가 x 축의 방향 및 y 축의 방향으로 선형 편향을 배타적으로 실행할 수 있도록 바람직하게는 매달려지고 및/또는 연결된다.
각각의 추가의 진동 매스가 각각의 관련된 프레임에, 특히 각각의 경우 프레임의 내부 영역에 적어도 부분적으로 매달려지고, 상기 프레임은 각각의 경우 제 1 진동 매스 또는 제 2 진동 매스에 연결되고, 특히, 구동 모드용 구동 에너지는 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스로부터 각각의 연결 스프링 부재를 통하여 프레임 및 적어도 부분적으로 프레임에 매달려지는 추가의 진동 매스에 전달되는 것은 유리하다. 상기 경우에, 프레임은 개방되거나 폐쇄될 수 있다.
바람직하게는, 프레임은 x 축의 방향으로 선형 편향을 배타적으로 실행할 수 있도록 매달려진다.
유리하게는, 각각의 경우에서, 한 쌍의 추가의 진동 매스가 제 2 판독 모드에 관하여, 특히 y 축 방향으로 역위상 편향만을 실행할 수 있도록, 연결빔에 의하여 연결된다.
편향 또는 진동을 실행하기 위한 용량성이, 예컨대 "배타적으로" 또는 "단독으로" 제한하거나 제한된다면, 다른 운동이 불가능하다는 것은 유리하다. 예컨대, y 축 방향으로 선형 편향만이 가능하다면, x 방향 또는 z 방향의 모든 편향뿐만 아니라 모든 회전 편향 형태는 불가능해진다.
진동 부재는 바람직하게는 진동 매스를 의미한다.
구동 모드에 관하여 및 구동 에너지의 전달에 대하여, 프레임 및 추가의 진동 매스의 편향 및 위상각이, 각 경우에서, 제 1 진동 매스 또는 제 2 진동 매스와 각각의 프레임 사이에서, 연결 스프링 또는 연결 스프링 부재에서 제 1 진동 매스 또는 제 2 진동 매스의 자유 단부의 x 방향으로 편향 부재에 상응하는 것은 유리하다.
판독 모드 중 하나에서 진동하는 진동 매스의 편향이 중복하여 그리고 차별적으로 감지되고, 각각의 경우에서, 2 개의 반대 편향은 동위상에 대한 그리고 역위상에 대한 역위상 편향에 관하여 감지되고, 즉 판독 모드 중 하나에서 진동하는 진동 매스가 적어도 4 개의 판독 장치 전체와 관련되는 것은 유리하다. 상기 경우에서, 상기 4 개의 판독 장치는, 특히 중복하여 그리고 차별적으로 평가된다.
본 발명은 또한 미소기계식 회전 속도 센서의 생산 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 자동차에서, 특히 요 레이트, 즉 차량의 수직축을 중심으로하는 회전을 감지하기 위한, 그리고 롤 레이트 또는 피치 레이트를 감지하기 위한 회전 속도 센서의 용도에 또한 관한 것이다. 게다가 또는 대안으로, 상기 배열체는 바람직하게는 차량의 요 레이트 및 롤 레이트, 요 레이트 및 피치 레이트, 또는 롤 레이트 및 피치 레이트의 동시 측정에 대하여 사용된다. 상기 정보는 ESP, 탑승자 보호 및 편안한 제어 시스템의 운동 역학적 상황의 감지 및 모니터링 용으로 사용된다. 상기 분야에서 사용된 센서는 회전 속도 측정 및 가능한 한 낮은 신호 대 잡음비에 대하여 높은 정확도를 제공한다. 상기 센서에 대한 추가의 요건은 기계적 진동 및 충격과 같은 외부 방해에 대한 우수한 저항력이 있다. 여기서 제안된 센서가 모든 상기 요건의 모드를 준수할 수 있지만, 특히 진동 저항성에 준수할 수 있도록 바람직하게는 설계된다.
추가로 바람직한 실시형태는, 예시적인 도식의 형태로 도시된 도면을 참조하여, 예시적인 실시형태의 이하의 설명으로부터 명백해질 수 있다.
도 1 은 이중축 회전 속도 센서의 사시도를 도시하고,
도 2 는 이중축 회전 속도 센서의 평면도를 도시하고,
도 3 은, 예컨대 상기 판독 장치를 가진, 회전 속도 센서의 제 1 모드 또는 구동 모드를 도시하고,
도 4 는, 예컨대 상기 판독 장치가 없는, 회전 속도 센서의 제 1 모드 또는 구동 모드를 도시하고,
도 5 는 제 2 감도축에 대한 제 2 회전 속도의 감지에 대하여 상기 회전 속도 센서의 제 2 모드 또는 제 2 판독 모드를 도시하고,
도 6 은 제 1 감도축에 대한 제 1 회전 속도의 감지에 대하여 상기 회전 속도 센서의 제 3 모드 또는 제 1 판독 모드를 도시하고,
도 7 은 상기와 같은 회전 속도 센서의 기생 모드의 예를 도시하고, 그리고
도 8 은 구동, 구동 모니터링 및 잘 정돈된 구조체를 가진 회전 속도 센서의 일 예시적인 실시형태를 도시한다.
도 1 및 도 2 는, 제 1 감도축으로서 y 축에 대한 회전 속도와 제 2 감도축으로서 z 축에 대한 회전 속도 모두를 감지할 수 있는 회전 속도 센서의 예를 도시한다. 센서는, 앵커 (3) 에 그리고 스프링 부재 (2, 4) 를 통하여 서로에 연결되는 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스로써, 2 개의 매스 (1) 로 구성되어, 2 개의 매스가 z 축에 대한 회전 운동을 실행할 수 있고, 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 는, 구동 모드, 구동 진동 또는 제 1 모드의 진행시에 역위상으로 이동한다 (도 3 및 도 4 참조). 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 의 매달림은 x 축에 대한 회전 운동을 추가로 허용하고, 연결 스프링 (4) 또한 상기 진동에서 2 개의 매스 (1) 사이의 연결을 제공한다. 그러므로, 이는 제 1 판독 모드로써, 진동 매스 (1) 가 y 축을 중심으로 반대 방향으로 진동하거나 역위상으로 진동하는 모드이다 (도 6 참조). x 축 및 z 축에 대한 상호 역위상 회전과는 별도로, 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스로서, 진동 매스 (1) 는 어떠한 운동도 실행할 수 없다.
프레임 (6) 이 매스 (1) 와 독립적으로 y 방향으로 자유롭게 이동할 수 있지만, x 방향으로의 프레임 (6) 의 편향이 스프링 부재 (5) 의 연결점에서 진동 매스 (1) 의 자유 단부의 편향에 해당하도록, 프레임 (6) 은 연결 스프링 부재 (5) 를 통하여 진동 매스 (1) 부착된다. 프레임 (6) 은 스프링 부재 (7) 를 통하여 앵커 (8) 에 결국 연결되고, 그 결과, 주로, 프레임 (6) 은 x 방향으로만 이동할 수 있다. 다른 자유도를 따르는 편향은 제거된다. 연결 스프링 부재 (5) 는 진동 매스 (1) 의 회전 운동이 프레임 (6) 의 선형 운동으로 전환되는 것을 보증한다.
2 개의 프레임 (6) 은 2 개의 진동 매스 (1) 의 각각에 연결 스프링 부재 (5) 를 통하여 연결되고, 그 결과 프레임 (6) 은, 추가 진동 매스 (10) 에 대한 구동 모드로써, 역위상의 x 방향으로 동일한 편향으로 이동한다. 상기 프레임 (6) 이 동위상의 x 방향으로 이동하는 것은 불가능하다.
x 방향으로 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 의 자유 단부의 편향이 프레임 (6) 을 통해 1 대 1 로 전달되도록, 추가의 진동 매스 (10) 는 스프링 부재 (9) 를 통해 프레임 (6) 에 연결된다. 또한, 추가의 진동 매스 (10) 는 스프링 (9) 에 의하여 가능하게 된, y 방향으로의 자유도를 추가로 가진다.
4 개의 추가의 진동 매스 (10) 중 2 개가 동일한 편향을 가진 y 방향의 동위상으로만 이동할 수 있도록 스프링 부재 (11, 13) 및 연결빔 (12) 을 통하여 서로 연결되거나 앵커 (14) 에 각각 연결된다. 상기 경우에서, 연결빔 (12) 은 스프링 부재 (13) 를 통하여 앵커 (14) 에 연결되고, 그 결과, 주로, 연결빔 (12) 이 z 축을 중심으로 회전하는 것만이 가능하다. 스프링 부재 (11) 는 연결빔 (12) 의 동시 회전 운동으로 추가의 진동 매스 (10) 의 선형 운동을 허용하고, 추가의 진동 매스 (10) 에 y 방향으로 연결빔의 자유 단부의 편향을 전달한다.
예에 따라서, 회전 속도 센서는 총 3 개의 고유 모드를 가진다: 제 1 모드 또는 구동 모드, 제 2 모드 또는 제 2 판독 모드 및 제 3 모드 또는 제 1 판독 모드. 회전 속도를 측정하기 위하여, 센서는 우선 제 1 모드 또는 구동 모드로 작동되어야만 한다 (도 4). 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 가 z 축을 중심으로 서로에 관하여 역위상으로 회전하는 것이 특징지어진다; 동시에, 프레임 (6) 은 x 방향으로 선형으로 추가의 진동 매스 (10) 와 함께 이동하고, 프레임 (6) 및 매스 (10) 의 선형 편향 및 위상각은 연결 스프링 부재 (5) 의 위치에서 매스 (1) 의 자유 단부의 편향의 x 성분에 해당한다. 전체 배열체의 무게 중심은 제 1 운동시에 정지하여 유지한다. 예로써, 제 1 모드는 용량성의 콤 구조체의 도움으로 정전기적 여기를 통하여 구동될 수 있다.
제 2 감도축으로서, z 축을 중심으로 하는 센서의 회전의 경우에, 겉보기 힘은 이동하는 매스에 작동된다. 상기 경우에서, 동일한 진폭이지만 상이한 위상을 가진 코리올리의 힘은 추가의 진동 매스 (10) 에 작동하고, 즉 역위상 편향이 발생한다. 위상 관계는 제 1 운동시에 추가의 진동 매스 (10) 의 속도의 위상각으로부터 얻어진다; 그러므로 코리올리의 힘은 여기될 제 2 모드를 야기한다 (도 5). 운동 좌표계에 관하여 속도
Figure pct00001
에서 이동하는 관성계에 관하여 질점
Figure pct00002
의 회전
Figure pct00003
로부터 야기된 코리올리의 힘은
Figure pct00004
이다.
y 축을 중심으로 센서가 회전할 때, 겉보기 힘은 이동하는 매스에 대하여 작동한다. 상기 경우에, 제 1 판독 모드로서 제 3 모드가 여기되도록 코리올리의 힘은 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 에 작동한다 (도 6).
코리올리의 힘의 경우에서, 제 2 판독 모드로서 제 2 모드의 편향 및 제 1 판독 모드로서 제 3 진동의 편향은 그 중에서도 이들을 생성하는 회전 속도
Figure pct00005
또는
Figure pct00006
에 비례한다. 예로서, 편향은, 기계적 편향을 용량성 신호로 전환하는 용량성 부재에 의하여 감지될 수 있다.
판독 장치 (19, 20, 21 및 22) 는 y 방향으로 추가의 진동 매스 (10) 의 편향을 감지하여 연결되고, 그 결과, 판독 장치 (19 및 20) 의 용량성 변화량의 합과 판독 장치 (21 및 22) 의 용량성 변화량의 합 사이의 차는 출력 신호로써 사용된다. 상기 유형의 중복적이고 차별적인 판독은 제 2 모드 또는 제 2 판독 모드만을 감지하고, 추가의 진동 매스 (10) 가 y 축의 방향으로 이동하는 다른 고유 모드에 영향을 받지 않는다 (도 7 상단 좌우와 하단 좌측 참조). 콤 구조체의 다른 배열체 및 적합한 신호 평가가 또한 가능하다.
판독 장치 (15, 16, 17 및 18) 는 z 방향으로 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 의 편향을 감지하여 연결되고, 그 결과 판독 장치 (15 및 18) 의 용량성 변화량의 합과 판독장치 (16 및 17) 의 용량성 변화량의 합 사이의 차이가 출력 신호로서 사용된다. 상기 유형의 중복적이고 차별적인 판독은 제 3 모드 또는 제 1 판독 모드만을 감지하고, x 축에 대한 진동 매스 (1) 의 동위상 회전에 영향을 받지 않는다 (도 7 하단 우측 참조).
도 8 은 추가 장치를 갖춘 회전 속도 센서의 일 예시적인 실시형태를 도시한다. 이는 도 1 ~ 7 에 도시되지 않은 단 하나의 구동 장치 (23) 을 가진다. 도시된 바와 같이, 구동 장치 (23) 는, 연결 스프링 (4) 의 경우에, 회전식으로 매달린 제 1 진동 매스 와 제 2 진동 매스 (1) 사이의 연결부에, 또는 대안적으로 (도시되지 않은) 진동 매스 (1) 스스로에, 또는 마찬가지로 도시되지 않은, 선형으로 진동하는 프레임 (6) 에 작용한다. 일반적으로, 구동 모니터링 구조체 (24) 는 제 1 진동 또는 구동 모드를 감시하기 위하여 사용되고, 구동 장치 (23) 처럼 회전식으로 매달린 매스 (1) 사이의 연결 스프링 (4) 에 작동할 수 있거나, 마찬가지로 도시되지 않은 매스 (1) 자체 또는 선형으로 진동하는 프레임 (6) 에 작동할 수 있다. 도 8 에 도시된 회전 속도 센서는 제 2 판독 모드용의 추가의 진동 매스 (10) 와 관련된 콤 구조체 (25) 로서, 그리고 제 1 판독 모드용의 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 와 관련된 전극 (26) 으로서, 추가의 엑츄에이터 유닛을 또한 포함한다. 상기 추가의 엑츄에이터 유닛은 판독 모드 ("포스 피드백") 에 관하여 편향을 재설정하는 것 및/또는 주파수에 영향을 주는 것 및/또는 기생 신호 ("직교 위상") 를 정돈하는 것을 가능하게 한다. 예에 따라, 전극의 형태로 존재하는 판독 장치 (15, 16, 17 및 18) 는 진동 매스 (1) 위에 배치되고, 마찬가지로 전극 (26) 은 접촉 없이 약간 겹치도록 배열되어, 진동 매스 (1) 위의 추가의 엑츄에이터 유닛으로서 측면에 배열된다.

Claims (14)

  1. 베이스 표면이 데카르트 좌표계 (x, y, z) 의 x-y 평면에 평행하여 정렬되는 기판을 포함하는 미소기계식 회전 속도 센서로서, 상기 회전 속도 센서는, 적어도 하나의 제 1 구동 장치 (23) 에 연결되어 매달려진 (3, 4) 적어도 하나의 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 를 포함하고, 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 가 일 구동 모드에서 역위상으로 편향되도록 구동되고, 상기 회전 속도 센서가 적어도 2 개의 상호 본질적으로 직각인 감도축 (z, y) 에 대한 회전 속도를 감지할 수 있도록 설계되는 미소기계식 회전 속도 센서에 있어서,
    제 1 감도축 (y) 에 대한 제 1 회전 속도가 감지될 때, 제 1 판독 모드에서 역위상으로 진동하도록 적어도 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 가 설계되어 매달려지고, 제 2 감도축 (z) 에 대한 제 2 회전 속도가 감지될 때, 제 2 판독 모드에서 역위상으로 진동하도록 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 및/또는 추가의 진동 매스 (10) 가 설계되어 매달려지고 (5, 7, 9, 11), 진동 매스 (1, 10) 는 진동 매스 (1, 10) 에 관하여 설계되어 배열되는 판독 장치 (15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22) 와 관련되고, 각각의 경우에서, 동위상으로, 그리고 역위상으로, 제 1 판독 모드 및 제 2 판독 모드에 관하여 진동 매스 (1, 10) 의 편향을 감지하는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 는 적어도 하나의 연결 스프링 (4) 에 의하여 연결되고, 상기 진동 매스 (1) 가 역위상에서만 회전적으로 편향되고 동위상 회전 편향은 제거되도록, 상기 연결 스프링 (4) 이 설계되고, 특히, 어떠한 방향 (x, y, z) 의 상기 진동 매스 (1) 의 선형 편향이 근본적으로 제거되도록, 각각의 경우에 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스는 적어도 하나의 앵커 (3) 상에 추가적으로 매달려지는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    회전 속도 센서는, 회전 속도 센서의 진동 매스 (1, 10) 모두를 구동시키는 단일의 구동 장치 (23) 를 포함하고, 진동 매스 (1, 10) 는 적절하게 매달려지고 (4, 5, 9), 상기 구동 장치 (23) 에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    구동 모드에서 전체 회전 속도 센서의 무게 중심이 진동 매스 (1, 10) 의 편향에 관하여 근본적으로 정지되어 유지되도록, 회전 속도 센서는 설계되고, 진동 매스 (1, 10) 는 배열되는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 감도축 (y) 이 x-y 평면, 즉 기판의 베이스 표면에 놓여 있도록 회전 속도 센서는 설계되고, 특히, 제 1 감도축이 x 축에 평행하거나 y 축에 평행하고, 제 2 감도축 (z) 이 z 축, 즉 기판의 베이스 표면에 수직으로 평행하는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 속도 센서의 모든 진동 매스 (1, 10) 는 설계되고, 매달려져 (3, 5, 6, 7, 9, 11) 연결되고 (4, 12), 구동 모드에서의 각각의 편향에 대하여, 그리고 제 1 감도축 (y) 에 대한 회전 속도가 감지될 때 제 1 판독 모드에서 진동하는 진동 매스 (1) 에만 관련된 제 1 판독 모드에서의 각각의 편향에 대해, 그리고 제 2 감도축 (z) 에 대한 회전 속도가 감지될 때, 제 2 판독 모드에서 진동하는 진동 매스 (10) 에만 관련된 제 2 판독 모드에서의 편향에 대해, 진동 매스는 배타적으로 이동할 수 있도록 매달려지고, 상기 편향들은, 각각의 모드에서 진동하는 진동 매스 (1, 10) 에 대하여 역위상으로 일어나고, 상기 진동 매스 (1, 10) 는 모든 다른 편향에 대해서 단단하게 매달려 지는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 가 회전 구동 모드, 특히 z 축에 대한 회전 구동 모드에서 역위상으로 진동하도록 매달려지고 (3, 4) 구동되는 (23) 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 속도 센서가, 전체 회전 속도 센서의 무게 중심에 관하여 정지 위치에서 대칭적으로 배열되어 매달려진 추가의 진동 매스 (10), 특히 4 개의 추가의 진동 매스 (10) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 가 z 축 및 x 축에 대한 역위상 회전 편향을 배타적으로 실행할 수 있도록 매달려지고 및/또는 연결되고, 추가의 진동 매스 (10) 가 x 축 및 y 축의 방향으로 선형 편향을 배타적으로 실행할 수 있도록 매달려지고 및/또는 연결되는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    각각의 추가의 진동 매스 (10) 가 각각의 관련된 프레임 (6) 에, 특히 각각의 경우 프레임 (6) 의 내부 영역에 적어도 부분적으로 매달려지고 (9), 상기 프레임은 각각의 경우 제 1 진동 매스 또는 제 2 진동 매스 (1) 에 연결되고 (5), 특히, 구동 모드용 구동 에너지는 제 1 진동 매스 및 제 2 진동 매스 (1) 로 부터 각각의 연결 스프링 부재 (5) 를 통하여 프레임 (6) 및 적어도 부분적으로 프레임 (6) 에 매달려지는 추가의 진동 매스에 전달되는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    프레임 (6) 이 x 축의 방향으로 선형 편향을 배타적으로 실행할 수 있도록 매달려 지는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 경우에서, 한 쌍의 추가의 진동 매스 (10) 가 제 2 판독 모드에 관하여 역위상의 편향만을 실행할 수 있도록 연결 빔 (12) 에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    판독 모드 중 하나에서 진동하는 진동 매스 (1, 10) 의 편향이 중복하여 그리고 차별적으로 감지되고, 각각의 경우에서, 2 개의 반대 편향은 동위상에 대한 그리고 역위상에 대한 역위상 편향에 관하여 감지되고, 즉 판독 모드 중 하나에서 진동하는 진동 매스 (1, 10) 가 적어도 4 개의 판독 장치 (15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22) 전체와 관련되는 것을 특징으로 하는 미소기계식 회전 속도 센서.
  14. 자동차에서, 특히 요 레이트, 즉 차량의 수직축을 중심으로하는 회전을 감지하기 위한, 그리고 차량의 롤 레이트 또는 피치 레이트를 감지하기 위한 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 회전 속도 센서의 용도.
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