KR20200035445A

KR20200035445A - 요 레이트 센서, 요 레이트 센서를 제조하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20200035445A
Application number: KR1020207006372A
Authority: KR
Inventors: 로베르트 람스페르거; 슈테파노 카르다노빌레; 마틴 푸트닉
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2020-04-03
Also published as: EP3665438A1; DE102017213640A1; EP3665438B1; WO2019029944A1; KR102489328B1; US11248909B2; US20200386550A1; CN110998233B; CN110998233A

Abstract

본 발명은 기판을 갖는 요 레이트 센서에 관한 것이며, 이 경우 요 레이트 센서는 기판에 대해 가동적인 구동 구조(2)를 구비하며, 구동 구조(2)는 스프링 배열체(10)에 의해 기판 상에 고정되어 있으며, 스프링 배열체(10)는 구동 구조(2)와 기판을 연결하는 제1 스프링 구성 요소(20) 및 구동 구조(2)와 기판을 연결하는 제2 스프링 구성 요소(30)를 구비하며, 제1 스프링 구성 요소(20)와 제2 스프링 구성 요소(30)가 중간 부재(40)에 의해 연결되어 있는 상기 요 레이트 센서에 있어서, 중간 부재(40)는 제1 에지 바(41) 및 제2 에지 바(42)를 구비하며, 제1 에지 바(41)와 제2 에지 바(42) 사이에는 연결 바 그룹(50)이 배열되어 있으며, 이 경우 연결 바 그룹(50)의 연결 바들(51, 52, 53, 54)은 각각 1° 내지 89°의 개방각으로 제1 에지 바(41) 및/또는 제2 에지 바(42) 상에 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

요 레이트 센서, 요 레이트 센서를 제조하기 위한 방법

본 발명은, 청구항 제1항의 전제부에 따른 요 레이트 센서로부터 출발한다.

기판 상의 요 레이트 센서가 일반적으로 공지되어 있다. 이와 같은 요 레이트 센서는, 요 레이트를 측정할 수 있는 특수한 미세 전자 기계 시스템(MEMS: Microelectromechanical Systems)이다. 이와 같은 센서는 다양한 적용 분야에서 사용된다. 전형적으로, 이 경우 요 레이트 센서는 하나 또는 복수의 구동 구조를 구비한다. 구동 구조는 전형적으로 전극을 통해서, 예를 들어 빗형 전극(comb electrode)에 의해서 구동될 수 있다. 이와 같은 목적을 위해, 스프링 구조/스프링 배열체가 요 레이트 센서의 구동 구조(또는 구동 프레임)를 기판과 탄성적으로 연결한다. 이 경우에는, 접힌 바(bar)로 구성된 스프링 구조가 부분적으로 사용된다. 이와 같은 스프링 구조는, 동일한 강성에서는 단순한 바보다 더 적은 인장 응력을 갖는 경향이 있다. 이와 같은 스프링 구조는 U자형 스프링으로 명명된다. 스프링 배열체의 특별한 일 실시예는, 넓은 스프링 헤드(플라잉 바)에 의해서 연결되어 있는 2개의 연결된 U자형 스프링들이다. 이와 같은 스프링 배열체는 "더블 폴디드 빔 서스펜션"(DFBS: Double-Folded Beam Suspension)으로서도 지칭된다.

하지만, 이와 같은 공지된 스프링 배열체, 특히 또한 공지된 DFBS에서의 단점은, 이들이 부분적으로, 원하는 선형 복원력으로부터 큰 편차를 갖는다는 것이며, 이와 같은 상황은 요 레이트 센서의 거동에 방해가 되는 영향을 미친다.

본 발명의 과제는, 종래 기술에 공지된 요 레이트 센서와 비교하여 개선된 센서 거동을 갖는, 스프링 배열체에 의해 기판 상에 고정되어 있는 구동 구조를 갖는 요 레이트 센서를 제안하는 것이다.

주 청구항에 따른, 본 발명에 따른 요 레이트 센서는 종래 기술에 공지된 센서에 비하여, 제1 에지 바와 제2 에지 바 사이에 연결 바 그룹을 배열함으로써, 본 발명에 따라 질량 감소와 더불어 스프링 배열체의 높은 안정성이 가능해진다는 장점을 갖는다. 이로 인해서는, 진동 동안 스프링 배열체에 적은 관성력만 작용하는 것이 가능하며, 이와 같은 상황은 구동 진동의 비선형성을 감소시키는 데 바람직한 영향을 미친다. 특히, 본 발명에 따르면, 중간 부재의 중량과 이로써 전체 스프링 배열체의 중량을 감소시키는 것이 가능하다. 연결 바들 중 하나의 연결 바와 제1 및/또는 제2 에지 바 사이의 1° 내지 89°의 각각의 개방 각으로 중간 부재의 제1 에지 바와 제2 에지 바 사이에 연결 바들을 배열하는 것은, 스프링 배열체의 중량 감소에 바람직한 영향을 미치는 동시에 기계적인 특성에도 긍정적인 영향을 미친다. 이로 인해서는, 예를 들어 높은 안정성과, 이에 동시에 중간 부재 내부의 비교적 큰 리세스가 실현될 수 있다. 구동 진동의 비선형성의 감소는, 스프링 구조/스프링 배열체에서 국부적으로 발생하는 기생 모드의 여기 가능성 및 이러한 기생 모드로의 구동 진동의 반결합이 감소된다는 또 다른 장점을 갖는다.

특히 본 발명의 의미에서, 개방각은, (에지 바의 주 연장 축 및 연결 바의 주 연장 축에 의해서 설정되는 평면에서) 제1 또는 제2 에지 바와 연결 바가 만나는 지점에서 제1 또는 제2 에지 바와 연결 바 사이에 존재하는 각각 더 작은 각과 관련이 있다. 다시 말해, 개방각은, 특히 에지 바와 연결 바가 서로 수직인 경우에 최대 90°일 수 있다.

일반적으로, 요 레이트 센서의 작동 중에는 중간 부재(특히 "플라잉 바")가 스프링 구조/스프링 배열체의 작은 편향 시에 함께 당겨지고 위상 내에서 회전 센서의 가동 질량을 따르게 된다. 더 큰 편향에서는, 중간 부재에 작용하는 관성력이 점차 증가하며, 이 경우 가동 질량의 진동의 반전 지점 및 중간 부재의 진동의 반전 지점은 위상 밖에서 표류한다. 이로 인해, 스프링 구조/스프링 배열체의 바들(다시 말해, 특히 제1 스프링 구성 요소 및 제2 스프링 구성 요소)은 더 강력한 하중을 받게 된다. 이와 같은 상황은 구동 구조의 동적 비선형성을 야기한다. 본 발명에 따라, 바람직한 방식으로는, 특히 중간 부재의 질량 감소에 의해서, 특히 동적인 경우에 중간 부재에 작용하는 관성력에 도달하는 것이 가능하며, 이로 인해서는 스프링 배열체가 바람직한 방식으로 더욱 낮은 동적 비선형성을 갖는 것이 가능해진다.

본 발명의 바람직한 실시예들 및 개선예들은, 종속 청구항들 그리고 도면을 참조하는 상세한 설명으로부터 인용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 연결 바 그룹의 연결 바들이 각각 10° 내지 80°, 바람직하게는 30° 내지 60°, 특히 바람직하게는 40° 내지 50°, 더욱 특히 바람직하게는 44° 내지 46°의 개방 각으로 제1 에지 바 및/또는 제2 에지 바 상에 배열되어 있음으로써, 특히 바람직하게는, 중간 부재(다시 말해, 예를 들어 스프링 헤드)의 중량을 줄이는 것 그리고 특히 바람직하게 진동 동안 스프링 배열체에 작용하는 관성력을 감소시키는 것이 가능하다. 이와 동시에, 특히 바람직한 기계적 특성이 달성될 수 있는데, 예를 들면 원하는 안정성에 도달할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 연결 바 그룹의 제1 서브 그룹의 연결 바들은 제1 에지 바의 주 연장 축에 대해 양의 기울기를 가지며, 이 경우 연결 바 그룹의 제2 서브 그룹의 연결 바들은 제1 에지 바의 주 연장 축에 대해 음의 기울기를 가지며, 이 경우에 특히 제1 서브 그룹 및 제2 서브 그룹이 실질적으로 동일한 수의 연결 바들을 구비함으로써, 바람직한 기계적 특성과 동시에 특히 바람직한 중량 감소가 이루어질 수 있는 것이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따라 제1 서브 그룹의 연결 바들 중 하나의 연결 바가 각각 제2 서브 그룹의 연결 바들 중 하나 이상의 연결 바를 가로지름으로써, 매우 다양한 방향으로부터의 힘 영향에 대한 중간 부재의 특히 기계적인 안정성이 달성될 수 있는 것이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따라 연결 바들 사이에 자유 공간이 형성되어 있으며, 이 경우에는 자유 공간이 특히 기판의 주 연장 평면 상에 투영된 상태에서는 마름모꼴의 바닥면을 구비함으로써, (상기 자유 공간 또는 리세스에 의해) 중간 부재의 중량이 특히 바람직하게 줄어들 수 있는 것이 가능하다. 특히, 기판의 주 연장 평면이 연결 바의 주 연장 축 및 에지 바의 주 연장 축에 의해 설정된 평면에 평행하게 배열되어 있는 것이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따라 요 레이트 센서가 또 다른 스프링 배열체, 바람직하게는 2개의 스프링 배열체들, 더욱 바람직하게는 3개의 또 다른 스프링 배열체들을 구비하며, 이 경우에는 또 다른 스프링 배열체, 바람직하게는 또 다른 스프링 배열체들이 실질적으로 스프링 배열체와 동일하게 형성되어 있음으로써, 요 레이트 센서가 본 발명에 따른 복수의 스프링 배열체들을 구비하며, 이들 스프링 배열체들이 예를 들어 요 레이트 센서의 상이한 측면들에 배열되어 있고, 특히 바람직하게 (스프링 배열체와 비교하여 또 다른 개별 스프링 배열체의 가능한 상대적인 회전을 제외하고는) 이들 스프링 배열체들이 모두 실질적으로 동일하게 형성되어 있는 것이 가능하다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 연결 바 그룹에 추가하여 또 다른 연결 요소가 제1 에지 바와 제2 에지 바 사이에 배열되어 있는 것이 가능하다. 또 다른 연결 요소는, 예를 들어 임의의 각도로, 예를 들면 수직으로 제1 에지 바 및/또는 제2 에지 바와 만나는 또 다른 연결 바일 수 있다. 대안적으로 또는 추가로는, 에지 바들 중 하나 이상의 에지 바에 대해 평행하게 연장되는 또 다른 연결 바들이 제1 에지 바와 제2 에지 바 사이에 배열되어 있는 것도 가능하다. 또한, 추가로 또는 대안적으로는, 표면 형상 또는 다른 기하학적 형상의 또 다른 연결 요소가 제1 에지 바와 제2 에지 바 사이에 배열되어 있는 것도 가능하다.

본 발명에 따르면, 연결 바 그룹이 정확하게 2개, 3개, 4개, 5개, 10개, 20개 혹은 그 이상의 연결 바 또는 복수의 연결 바들을 포함하는 것이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 요 레이트 센서를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은 종래 기술에 비하여, 본 발명에 따른 요 레이트 센서 또는 본 발명에 따른 요 레이트 센서의 일 실시예와 관련하여 이미 기술된 장점들을 갖는다.

본 발명의 실시예들이 도면부에 도시되어 있고, 이하의 명세서에서 더욱 상세하게 설명된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 요 레이트 센서의 일 단면에 대한 평면도를 개략적으로 도시한다.

다양한 도면들에서, 동일한 부분들에는 항상 동일한 참조 부호들이 제공되어 있으며, 그렇기 때문에 일반적으로는 또한 각각 단 한 번만 명명되거나 언급된다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 요 레이트 센서의 일 단면에 대한 평면도를 개략적으로 보여준다. 요 레이트 센서는, 도시된 스프링 배열체(10) 아래에 실질적으로 배열된 기판과 구동 구조(2)를 연결하는 스프링 배열체(10)를 포함한다. 기판은 명확하게 도시되어 있지 않다. 스프링 배열체(10)는 제1 스프링 구성 요소(20), 제2 스프링 구성 요소(30) 및 중간 부재(40)를 포함하며, 이 중간 부재는 제1 스프링 구성 요소(20)와 제2 스프링 구성 요소(30) 사이에 기계적인 연결을 만든다. 제1 스프링 구성 요소(20)는, 바로서 형성된 제1 부분 영역(21) 및 바로서 형성된 제2 부분 영역(22)을 포함하며, 이 경우 제1 부분 영역(21)과 제2 부분 영역(22)은 중간 영역(25)에 의해 연결되어 있다. 제2 스프링 구성 요소(30)는 제1 스프링 구성 요소(20)에 반사 대칭으로 형성되어 있다. 이 경우, 대칭 평면은 제1 스프링 구성 요소(20)와 제2 스프링 구성 요소(30) 사이의 중심에 놓여 있고, 제1 부분 영역(21)의 주 연장 방향(300)의 방향[화살표(300)에 의해서 표시됨]으로 그리고 기판(또는 기판의 표면)에 수직인 방향으로 연장된다. 중간 부재(40)는 제1 에지 바(41) 및 제2 에지 바(42)를 포함한다. 제1 에지 바(41)와 제2 에지 바(42)가 서로 평행하게 배열되어 있음으로써, 결과적으로 제1 에지 바(41)의 제1 주 연장 축(100)은 제2 에지 바(42)의 제2 주 연장 축과 동일한 방향을 가리킨다. 제1 에지 바(41)와 제2 에지 바(42) 사이에는 연결 바 그룹(50)이 배열되어 있다. 연결 바 그룹은, 연결 바의 제1 서브 그룹 및 연결 바의 제2 서브 그룹으로 세분될 수 있다. 연결 바의 제1 서브 그룹의 연결 바들(51, 52)은 제1 에지 바(41)의 주 연장 축(100)[화살표(100)에 의해서 표시됨]에 대해 양의 기울기를 갖는다. 연결 바의 제2 서브 그룹의 연결 바들(53, 54)은 제1 에지 바(41)의 주 연장 축(100)에 대해 음의 기울기를 갖는다. 본 경우에, 제1 서브 그룹과 제2 서브 그룹은 각각 동일한 수의 연결 바를 포함한다. 하지만, 상기 서브 그룹들이 상이한 수의 연결 바를 포함하는 것도 가능하다. 연결 바 그룹(50)(다시 말해, 2개의 서브 그룹들)의 도시된 모든 연결 바들(51, 52, 53, 54)은 각각 대략 45°의 개방각으로 제1 에지 바(41) 및 제2 에지 바(42)와 만난다. 연결 바(51) 상에 있는 예시적인 개방각(60)이 도 1에 설명의 목적으로 도시되어 있다. 도시된 실시예에서는, 제1 서브 그룹의 연결 바들(51, 52) 중 하나의 연결 바와 제2 서브 그룹의 연결 바들(53, 54) 중 하나의 연결 바가 각각 제1 에지 바(41)과 제2 에지 바(42) 사이의 중간 공간/중간 영역에서 교차한다.

바람직하게는, 서로 교차하는 연결 바들, 예를 들어 연결 바들(51, 53)이 자신들의 교차 영역에서 각각 서로 이어짐으로써, 결과적으로 교차 영역에서 이들 연결 바들의 총 두께는, 관련 연결 바들(51, 53) 중 하나의 연결 바의 두께에 대략 상응하게 된다.

본 발명에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 중간 부재(40)가 [제1 스프링 구성 요소(20)와 제2 스프링 구성 요소(30) 사이의 중심에 놓여 있고, 제1 부분 영역(21)의 주 연장 방향(300)의 방향으로 그리고 기판 또는 기판 표면에 수직인 방향으로 연장되는] 대칭 평면에 반사 대칭으로 배열되어 있는 것이 가능하다. 이로 인해서는, 스프링 배열체(10)가 (도 2에 도시된 바와 같이) 전체적으로 실질적으로 상기 대칭 평면에 반사 대칭인 것이 가능하다.

도 1에 도시된 특히 골조 구조를 갖는 실시예에서는, 예를 들어 바람직한 방식으로, 천공된 중간 부재를 갖는 DFBS에 비하여 스프링 배열체(10)의 중간 부재(40)의 질량을 30%만큼 줄이는 것이 가능하다. 시뮬레이션 결과는, 이로 인해 구동 진동의 비선형성이 11%만큼 감소할 수 있다는 것을 보여준다.

Claims

기판을 갖는 요 레이트 센서이며, 요 레이트 센서는 기판에 대해 가동적인 구동 구조(2)를 구비하며, 구동 구조(2)는 스프링 배열체(10)에 의해 기판 상에 고정되어 있으며, 스프링 배열체(10)는 구동 구조(2)와 기판을 연결하는 제1 스프링 구성 요소(20) 및 구동 구조(2)와 기판을 연결하는 제2 스프링 구성 요소(30)를 구비하며, 제1 스프링 구성 요소(20)와 제2 스프링 구성 요소(30)는 중간 부재(40)에 의해 연결되어 있는, 기판을 갖는 요 레이트 센서에 있어서,
중간 부재(40)는 제1 에지 바(41) 및 제2 에지 바(42)를 구비하며, 제1 에지 바(41)와 제2 에지 바(42) 사이에는 연결 바 그룹(50)이 배열되어 있으며, 연결 바 그룹(50)의 연결 바들(51, 52, 53, 54)은 각각 1° 내지 89°의 개방각으로 제1 에지 바(41) 및/또는 제2 에지 바(42) 상에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 기판을 갖는 요 레이트 센서.
제1항에 있어서, 연결 바 그룹(50)의 연결 바들(51, 52, 53, 54)은 제1 에지 바(41) 및/또는 제2 에지 바(42) 상에 각각 10° 내지 80°, 바람직하게는 30° 내지 60°, 특히 바람직하게는 40° 내지 50°, 더욱 특히 바람직하게는 44° 내지 46°의 개방 각으로 배열되어 있는, 요 레이트 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 연결 바 그룹(50)의 제1 서브 그룹의 연결 바들(51, 52)은 제1 에지 바(41)의 주 연장 축(100)에 대해 양의 기울기를 가지며, 연결 바 그룹(50)의 제2 서브 그룹의 연결 바들(53, 54)은 제1 에지 바(41)의 주 연장 축(100)에 대해 음의 기울기를 가지며, 특히 제1 서브 그룹 및 제2 서브 그룹이 실질적으로 동일한 수의 연결 바들을 구비하는, 요 레이트 센서.
제3항에 있어서, 제1 서브 그룹의 연결 바들(51, 52) 중 하나의 연결 바는 각각 제2 서브 그룹의 연결 바들(53, 54) 중 하나 이상의 연결 바를 가로지르는, 요 레이트 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 연결 바들(51, 52, 53, 54) 사이에는 자유 공간이 형성되어 있으며, 상기 자유 공간은 특히 기판의 주 연장 평면(200) 상에 투영된 상태에서는 마름모꼴의 바닥면을 구비하는, 요 레이트 센서.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 연결 바 그룹(50)의 연결 바들(51, 52, 53, 54)은 제1 에지 바(41)와 제2 에지 바(42)를 서로 기계적으로 연결하는, 요 레이트 센서.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 에지 바(41)와 제2 에지 바(42)는 실질적으로 서로 평행하게 배열되어 있는, 요 레이트 센서.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 연결 바 그룹(50)의 연결 바들(51, 52, 53, 54)은 실질적으로 제1 에지 바(41)와 제2 에지 바(42) 사이의 스트럿으로서 형성되어 있는, 요 레이트 센서.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 스프링 구성 요소(20)는 제1 부분 영역(21) 및 제2 부분 영역(22)을 구비하며, 제1 부분 영역(21)에 의해서는 구동 구조(2)가 중간 부재(40)와 연결되어 있으며, 제2 부분 영역(22)에 의해서는 중간 부재(40), 또는 적어도 부분적으로 제1 스프링 구성 요소(20)의 제1 부분 영역(21)과 제2 부분 영역(22) 사이에 배열된 중간 영역(25)이 기판과 연결되어 있으며, 제2 스프링 구성 요소(30)는 실질적으로 제1 스프링 구성 요소(20)에 반사 대칭으로 형성되어 있는, 요 레이트 센서.
제9항에 있어서, 제1 부분 영역(21) 및 제2 부분 영역(22)은 각각 실질적으로 바로서 형성되어 있으며, 제1 부분 영역(21)과 제2 부분 영역(22)은 요 레이트 센서의 휴지 위치에서는 실질적으로 평행하게 배열되어 있는, 요 레이트 센서.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 요 레이트 센서는 하나의 또 다른 스프링 배열체, 바람직하게는 2개의 스프링 배열체들, 더욱 바람직하게는 3개의 또 다른 스프링 배열체들을 구비하며, 상기 또 다른 스프링 배열체, 바람직하게는 상기 또 다른 스프링 배열체들은 실질적으로 스프링 배열체(10)와 동일하게 형성되어 있는, 요 레이트 센서.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 요 레이트 센서를 제조하기 위한 방법.