JP2012503761A - 角速度センサ装置のための連結構造、角速度センサ装置及び製造方法 - Google Patents

角速度センサ装置のための連結構造、角速度センサ装置及び製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、角速度センサ装置のための連結構造(40)であって、少なくとも1つの第1の振動質量体(42a)と、第1の振動質量体(42a)を包囲する第1のフレームとを備え、第1のフレームに第1の振動質量体(42a)が連結されており、第1のフレームが4つのアングル部材(10a,10b,10c,10d)を備え、アングル部材(10a,10b,10c,10d)の各々が、少なくとも1つの第1の辺及び1つの第2の辺を備え、第1の辺及び第2の辺でもって、それぞれ、4つのアングル部材(10a,10b,10c,10d)の他の隣接するアングル部材(10a,10b,10c,10d)に連結されていることを特徴とする、角速度センサ装置のための連結構造に関する。さらに本発明は、角速度センサ装置のための他の連結構造(40)、角速度センサ装置、角速度センサ装置のための連結構造(40)の製造方法、及び角速度センサ装置の製造方法に関する。

Description

本発明は、角速度センサ装置のための連結構造及びこのような連結構造のための製造方法に関する。さらに本発明は、角速度センサ装置及び相応の角速度センサ装置のための製造方法に関する。
従来技術
回転可能な物体には、しばしば、物体の回転運動の角速度を測定するために、角速度センサあるいはヨーレートセンサが取り付けられる。従来慣用の角速度センサは、一般に、少なくとも第1の振動質量体及び第2の振動質量体(サイズモ質量体)を備える。第1の振動質量体及び第2の振動質量体は、駆動部により線形の振動状態に励振可能である。その際、駆動部は、第1の振動質量体及び第2の振動質量体が互いに180°位相シフトした状態で(逆平行に)振動するように設計されている。それゆえ、第1の振動質量体及び第2の振動質量体の振動は、しばしば、逆位相の振動とも呼ばれる。
両振動質量体が逆平行の振動を励起された状態で同時に、物体が、物体に配置された角速度センサとともに、振動質量体の振動方向に対して非平行の回転軸周りの回転運動を実施すると、コリオリ力が、振動する両振動質量体に作用する。コリオリ力により、両振動質量体は、それぞれ、両振動質量体の振動方向に対して垂直に変位される。両振動質量体の振動の逆平行性に基づいて、両振動質量体は、逆方向に変位される。
振動質量体の変位は、振動質量体に作用するコリオリ力に比例している。これにより、振動質量体の変位は、物体の回転運動の角速度に対応している。それゆえ、振動質量体の変位の評価を介して、回転運動の角速度を求めることが可能である。
回転する物体に作用する加速度が、角速度の測定の誤謬に至らしめることがないように、従来慣用の角速度センサは、一般に、両振動質量体のそれぞれの変位を検出し、かつ互いに比較するように設計されている。第1の振動質量体の変位が第2の振動質量体の負の変位に対応している場合にのみ、両振動質量体の変位がコリオリ力に起因するものであって、回転可能な物体の加速度に起因するものではないと判断すべきである。
しかしながら、両振動質量体の変位のこの種の評価は、振動質量体が駆動部により高信頼性に平行に逆に振動状態に励振可能であることを前提としている。しかし、この前提を略充足する駆動部の製造は、比較的作業手間がかかり、かつ比較的高価である。付加的に、従来慣用の角速度センサでは、しばしば、ずれが、両振動質量体の振動時に、所望の逆平行性から生じる。
発明の開示
本発明は、請求項1又は6の特徴を含む連結構造、請求項8の特徴を含む角速度センサ装置、請求項9又は10の特徴を含む連結構造のための製造方法、及び請求項11の特徴を含む角速度センサ装置のための製造方法を提供する。
これらの連結構造により、振動する2つの振動質量体の所望の逆平行性の良好な維持が、簡単に形成された安価な駆動部においても保証されている。
連結構造の有利な態様は、従属請求項に記載されている。すなわち、本発明に係る角速度センサ装置のための連結構造は、少なくとも1つの第1の振動質量体と、該第1の振動質量体を包囲する第1のフレームとを備え、該第1のフレームに前記第1の振動質量体が連結されており、前記第1のフレームが4つのアングル部材を備え、該アングル部材の各々が、少なくとも1つの第1の辺及び1つの第2の辺を備え、該第1の辺及び該第2の辺でもって、それぞれ、前記4つのアングル部材の他の隣接するアングル部材に連結されていることを特徴とする。好ましくは、前記第1のフレームの前記アングル部材の各々が、有利にはそれぞれのアングル部材を通って延びる回転軸周りに回転可能に配置されている。好ましくは、少なくとも1つの第2の振動質量体と、該第2の振動質量体を包囲する第2のフレームとを備え、該第2のフレームに前記第2の振動質量体が連結されており、該第2のフレームが、互いに連結される4つのアングル部材から形成される。好ましくは、前記第1のフレームの少なくとも2つのアングル部材及び前記第2のフレームの少なくとも2つのアングル部材は、それぞれ1つの辺でもって、1つの共通の点、ビーム又は揺動部材に、前記第1のフレームの、前記1つの共通の点、前記ビーム又は前記揺動部材に連結される2つのアングル部材の運動が、前記第2のフレームの、前記1つの共通の点、前記ビーム又は前記揺動部材に連結される2つのアングル部材の運動に対応するように連結されている。好ましくは、少なくとも1つのアングル部材が、第1のフレーム及び第2のフレームの構成部材であり、前記第1のフレーム及び前記第2のフレームの構成部材であるアングル部材が、T字形のアングル部材又は十字形のアングル部材として形成されている。また、本発明に係る角速度センサ装置のための連結構造は、第1のばねを介して互いに結合されている第1の振動質量体及び第2の振動質量体と、第2のばねを介して互いに結合されている第3の振動質量体及び第4の振動質量体とを備え、前記第1の振動質量体及び前記第3の振動質量体は、第1のビーム装置又は揺動部材装置に、かつ前記第2の振動質量体及び前記第4の振動質量体は、第2のビーム装置又は揺動部材装置に、前記第2のビーム装置又は揺動部材装置の第2の運動に対して逆位相の前記第1のビーム装置又は揺動部材装置の第1の運動時に、前記第1の振動質量体が第1の振動を実施可能であり、該第1の振動が、前記第2の振動質量体が実施可能な第2の振動に対して逆位相であるように連結されていることを特徴とする。好ましくは、前記振動質量体の少なくとも1つが、ばね弾性的な部材を介して基板に結合されている。また、本発明に係る角速度センサ装置は、上述の連結構造と、センサ兼評価装置であって、第1の振動方向に沿った前記第1の振動質量体の第1の振動時に、前記第1の振動方向に対して非平行の偏向方向への、前記第1の振動質量体の、コリオリ力により生じる偏向運動を確認し、かつ前記偏向方向での前記第1の振動質量体の、確認された偏向運動を考慮しながら、前記角速度センサ装置の回転に関する情報を確定するために設計されているセンサ兼評価装置とを備えることを特徴とする。さらに、本発明に係る角速度センサ装置のための連結構造、特に上述の連結構造のための製造方法は、以下のステップ、すなわち:各々が少なくとも1つの第1の辺及び1つの第2の辺を備える4つのアングル部材を互いに連結して、1つのフレームを構成し、前記アングル部材の各々が、前記第1の辺及び第2の辺でもって、それぞれ、4つの前記アングル部材の他の隣接するアングル部材に連結されるようにし、少なくとも1つの振動質量体を、該振動質量体を包囲するフレームに連結するというステップを備えることを特徴とする。また、本発明に係る角速度センサ装置のための連結構造、特に上述の連結構造のための製造方法は、以下のステップ、すなわち:第1の振動質量体を第2の振動質量体に第1のばねを介して結合するとともに、第3の振動質量体を第4の振動質量体に第2のばねを介して結合し、かつ前記第1の振動質量体及び前記第3の振動質量体を第1のビーム装置又は揺動部材装置に連結するとともに、前記第2の振動質量体及び前記第4の振動質量体を第2のビーム装置又は揺動部材装置に連結し、前記振動質量体をそれぞれのビーム装置又は揺動部材装置に、前記第2のビーム装置又は揺動部材装置の第2の運動に対して逆位相の前記第1のビーム装置又は揺動部材装置の第1の運動時に、前記第1の振動質量体が第1の振動を実施し、該第1の振動が、前記第2の振動質量体が実施する第2の振動に対して逆位相であるように連結するというステップを備えることを特徴とする。さらに、本発明に係る、連結構造を備える上述の角速度センサ装置を製造する方法は、前記連結構造を上述の方法にしたがって製造することを特徴とする。
以下に、本発明のその他の特徴及び利点について、図面を参照しながら説明する。
角速度センサ装置のための連結構造の第1の実施の形態の概略図であって、図1Aは、アングル部材を示す図、図1Bは、互いに連結された2つのアングル部材を示す図、図1Cは、4つのアングル部材を備える連結構造を示す図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。 角速度センサ装置のための連結構造の別の実施の形態の概略図である。
発明の実施の形態
図1A乃至図1Cは、角速度センサ装置のための連結構造の第1の実施の形態の概略図である。図1Aは、アングル部材を示す図、図1Bは、互いに連結される2つのアングル部材を示す図、図1Cは、4つのアングル部材を備える連結構造を示す図である。
図1Aに示すアングル部材10は、結合区分12を備える。結合区分12には、第1の辺14a及び第2の辺14bが固定に配置されている。有利には、アングル部材10は、一体的に形成されている。第1の辺14aは、第2の辺14bに対して60°〜120°の角度αを置いて配向されている。特に、角度αは、80°〜100°であってよい。例えば、角度αは、90°に等しい。90°に等しい角度αの利点については後述する。
アングル部材10が剛体又は略剛体に形成されていることを指摘しておく。これにより、アングル部材10を破損させる閾値を下回る、両辺14a又は14bの一方に入力する力は、ほとんど角度αの変化をもたらさない。
アングル部材10は、アングル部材10の結合区分12において回転可能に支承されている。アングル部材10は、アングル部材10の初期位置から、少なくとも1つの図示の終端位置へと移動する。
例えば、アングル部材10は、アングル部材10の結合区分12に、貫通した開口16を備える。開口16内には、ヒンジ18が係合している。ヒンジ18は、アングル部材10を備える連結構造の(図示しない)ハウジングに固定に連結されている。このハウジングは、しばしば、基板とも呼ばれる。これにより、アングル部材10は、有利には、両辺14a及び14bに対して垂直に延びる回転軸周りに回転可能である。適当なヒンジ18や、アングル部材10を回転可能に支承するための固定装置の実施の形態は、従来技術から公知であるので、本明細書においてこれ以上説明することはしない。
ヒンジ18を使用する代わりに、部材18がばね弾性的な部材をなし、一方では回転軸16に連結され、かつ回転軸16に係合しており、他方では基板に結合されているようにすることも可能である。
アングル部材10の回転可能な支承に基づいて、アングル部材10は、第1の辺14aの、結合区分12とは反対側の端部22aの、回転軸周りの回転運動20aを発生させる、第1の辺14aに入力する力を、第2の辺14bの、結合区分12に対向して位置する端部22bの回転運動20bに変換するように形成されている。相応の変換は、力が第2の辺14bに作用するときも可能である。
図1A乃至図1Cに示す例では、角度αは90°に等しく、第1の辺14aは、第1の辺14aの初期位置でy軸に対して平行に配向され、第2の辺14bは、第2の辺14bの初期位置でx軸に対して平行に配向されている。これにより、アングル部材10は、x方向での第1の辺の運動をy方向での第2の辺の運動に変換するように設計されている。この種の変換の利点については、以降の段落においてより詳細に説明する。
図1Bに示すアングル部材10a及び10bは、図1Aを参照しながら説明したアングル部材に相当するものである。それゆえ、アングル部材の形状及び回転可能な支承について、ここで再度説明することはしない。
第1のアングル部材10a及び第2のアングル部材10bは、対称軸30に関して鏡面対称に配向されている。対称軸30は、y軸に対して平行に、接触点32aを通るように延びている。接触点32aに、第1のアングル部材10aの、第2のアングル部材10bに隣接した端部は、曲げばね34aにより連結されている。相応に、第2のアングル部材10bの、第1のアングル部材10aに隣接した端部も、曲げばね34bにより接触点32aに連結されている。
両アングル部材10a及び10bの他方の端部も、それぞれ1つの曲げばね36a及び36bにより、それぞれ1つの接触点38a又は38bに連結されている。横方向ばねとも呼称可能な曲げばね34a,34b,36a及び36bの配置は、対称軸30に関して鏡面対称である。
接触点32a,32b;38a,38bにおいて横方向ばねの端部が駆動されるか、又はこれらが自由に運動可能であることを指摘しておく。むしろ、どの点において全体構造が駆動されるかは、完全に自由である。
両駆動点38a及び38bの各々は、駆動点38a及び38bが線形の振動状態に励振可能であるように駆動部に連結されている。この種の駆動部の例については後述する。両駆動点38a及び38bの振動は、有利にはx軸に対して平行に配向されている。特に駆動点38aは、駆動点38bに対して平行に逆に振動状態に励振可能である。両駆動点38a及び38bの振動の間には、この場合、180°の位相差が存在する。それゆえ、この種の振動は、しばしば、逆位相の振動とも呼ばれる。
曲げばね36a及び36bを介して、駆動点38a及び38bの平行に逆の振動は、アングル部材10a及び10bの、互いに対称軸30に関して対称的な回転運動に変換される。その際、両アングル部材は、両アングル部材の、互いに鏡面対称の初期位置から、やはり対称軸30に関して鏡面対称に配向されている終端位置へと移動する。
両横方向ばね34a及び34bの鏡面対称の配置に基づいて、両横方向ばね34a及び34bの横方向力が際立ち、両アングル部材10a及び10bの回転運動は、対称軸30に沿った接触点32aの直線運動に変換される。これにより、両アングル部材10a及び10bは、第1の方向に沿った両駆動点38a及び38bの逆平行の線形運動を、第1の方向に対して非平行の第2の方向に沿った接触点32aの直線運動に変換する構成を提供する。こうして、特に、図1Bに示すように、x軸に沿った両駆動点38a及び38bの逆平行の運動は、y軸に沿った接触点32aの直線運動に変換可能である。もちろん、相応に、接触点32aの運動を両駆動点38a及び38bの逆平行の運動に変換することも可能である。
図1Cに概略的に示す連結構造40は、2つの振動質量体42a及び42b(サイズモ質量体)からなる線形振動器(Linearschwinger)を有する。振動質量体42a及び42bは、ばね44により互いに連結されている。コンポーネント42a,42b及び44を備える線形振動器は、連結構造40のフレームにより包囲されている。フレームは、4つのアングル部材10a乃至10dから構成されている。
アングル部材10a及び10b並びにアングル部材10a及び10bと協働するコンポーネント32a,34a,34b,36a,36b,38a及び38bについては、既に上述した。他のアングル部材10c及び10dは、対称軸30に対して90°の角度で配向されている対称軸46に関して、アングル部材10a及び10bに対して鏡面対称に配置されている。アングル部材10cの、アングル部材10aに隣接した端部は、やはり曲げばね36cにより接触点38aに結合されている。相応に、駆動点38bも、曲げばね36dによりアングル部材10dの一端に結合されている。付加的に、アングル部材10c及び10dは、アングル部材10a及び10bに応じて、2つの曲げばね34c及び34dにより他の接触点32bに結合されている。曲げばね34a乃至34d及び36a乃至36dは、有利には柔軟な曲げばねとして形成されている。
コンポーネント42a,42b及び44を備える線形振動器を包囲する、このように構成された連結器40のフレームは、y軸に対して平行に延びる対称軸30に関して、かつx軸に対して平行に延びる対称軸46に関して鏡面対称である。これにより、協働するすべての横方向ばね34a乃至34d及び36a乃至36dの横方向力は、互いに相殺される。
既に上述したように、両駆動点36a及び36bは、(図示しない)駆動部によって、x軸に対して平行に配向されている平行に逆の振動状態に励振可能である。両駆動点38a及び38bのこの振動は、両接触点32a及び32bの、y軸に沿って配向された逆位相の振動に変換される。これにより、連結構造40は、特に良好に、第1の方向に沿った逆位相の振動を、第2の方向に沿った逆位相の振動に変換するために設計されている。
第1の振動質量体42aは、第1の結合部材48aにより接触点32aに連結されている。相応に、第2の振動質量体42bも、第2の結合部材48bにより接触点32bに結合されている。これにより、接触点32a及び32bの、駆動部により励起される振動は、y軸に対して平行に配向されている、振動質量体42a及び42bの逆位相の振動を生じる。
ここで、連結構造40は、駆動点36a及び36bの振動を振動質量体42a及び42bの逆位相の振動に変換するように設計されていることを指摘しておく。これにより、連結構造は、振動質量体42a及び42bを高信頼性に駆動部により所望の振動状態に励振する、高信頼性かつ安価な構成を提供する。
連結構造40は、(図示しない)回転可能な物体に固定に配置可能である。この物体が、振動質量体42a及び42bの逆位相の振動時に、y軸に対して非平行の回転軸周りに回転すると、振動質量体42a及び42bは、コリオリ力により、逆方向に、y軸に対して垂直に変位される。回転可能な物体が例えばz軸周りに回転すると、両振動質量体42a及び42bは、x軸に沿った変位を被る。相応に、x軸周りの回転は、z軸に沿った振動質量体42a及び42bの変位を生じる。
y軸に対して垂直に配向された方向での振動質量体42a及び42bの変位は、従来慣用の方法により測定可能であり、続いて物体の回転運動を表す少なくとも1つの量、例えば回転軸の配向及び/又は角速度に換算可能である。物体の回転運動の確認したい量を特定するための、振動質量体42a及び42bの変位の評価は、従来技術から公知であるので、本明細書ではこの点についてさらなる説明を省略する。
図2は、角速度センサ装置のための連結構造の第2の実施の形態の概略図である。
角速度センサ装置のための図示の連結構造60は、図1A乃至図1Cの連結構造とは、連結構造60のフレームを構成するために曲げばねの代わりにU字形ばね62が使用されている点で異なる。他の点では、アングル部材10a乃至10dは、既に説明したように、駆動点38a及び38b並びに接触点32a及び32bに結合されている。これにより、この連結構造60は、既に上述の利点を保証する。
有利には、U字形ばね62は、U字形ばね62の少なくとも1つが、フレームにより形成されるフレーム内部空間内に突入するように配置可能である。この場合、連結構造60が必要とする取り付け面積は小さい。
図1A乃至図1C及び図2を参照しながら説明した連結構造は、有利には、1つの感応軸を有する1チャネルの角速度センサ装置のために使用される。一般に、この種の角速度センサ装置により、回転可能な物体の、感応軸とも呼称可能な唯一の所定の空間軸周りの回転を検出可能であるとともに、この回転の少なくとも1つの量に関して評価可能である。
以下に説明する連結構造は、特に、多チャネルの角速度センサ装置のために適している。他チャネルの角速度センサ装置は、回転可能な物体の、少なくとも2つの感応軸周りの回転を検出するとともに、この回転の少なくとも1つの量に関して評価するために設計されている。
図3は、角速度センサ装置のための連結構造の第3の実施の形態の概略図である。
角速度センサ装置のための図示の連結構造80は、図1A乃至図1Cを参照しながら説明した2つの連結構造40及び40′からなる組み合わせである。この場合、連結構造40′は、連結構造40に対して90°回動した状態に配置されている。連結構造40の振動質量体42a及び42bが、y軸に対して平行に振動する一方、連結構造40′の振動質量体42a′及び42b′の振動は、x軸に対して平行に配向されている。
連結構造40及び40′は、1つの共通の駆動兼接触点82を有する。駆動兼接触点82を介して、連結構造40及び40′は、互いに連結されている。共通の駆動兼接触点82は、連結構造40′では接触点として機能する。これに対して、駆動兼接触点82は、連結構造40では駆動点として機能する。この共通の駆動兼接触点82により、両角速度センサ装置40及び40′の協働が保証されており、振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の振動は、互いに対応するようになっている。特に、共通の駆動兼接触点82は、振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の振動の振幅が同じであることを保証する。
両連結構造40及び40′の間の高信頼性の連結は、付加的な個々の結合ばねによっても保証されている。付加的に、こうして、両連結構造40及び40′の間の妨害運動の伝達も良好に阻止可能である。
連結構造80を備える角速度センサ装置は、角速度センサ装置を回転可能な物体に固定する際に、2つの感応軸周りの物体の回転運動の少なくとも1つの量を求めるために設計されている。これにより、連結構造80を備える角速度センサ装置は、第1の回転軸周りの物体の回転と、この第1の回転軸に対して垂直に配向された第2の回転軸周りの物体の回転とが確認可能であるとともに、この回転の量に関して検出可能であるように設計可能である。その際、物体の回転運動は、xz平面内での振動質量体42a及び42bの変位及び/又はyz平面内での振動質量体42a′及び42b′の変位を生じる場合がある。例えば、振動質量体42a及び42bにより、z軸周りの回転が確認され、振動質量体42a′及び42b′により、y軸周りの回転が確認される。これに対して択一的に、振動質量体42a及び42bにより、x軸周りの回転を測定し、振動質量体42a′及び42b′により、z軸周りの回転を測定することもできる。もちろん、x軸あるいはy軸周りの回転の測定の組み合わせも可能である。
振動する振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の変位を求めるセンサ装置は、求めたい変位の予め決められた方向に応じて、面内検出構造及び/又は面外検出構造であることができる。振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の変位を検出し、かつ検出された変位を考慮して回転運動の少なくとも1つの量を特定するためのこの種のセンサ兼評価装置は、従来技術から公知であるので、本明細書では説明しない。
図3を参照しながら説明した連結構造80に対して択一的に、連結構造40及び40′は、連結構造の振動質量体42a,42b,42a′及び42b′が互いに平行に振動するように、互いに連結されてもよい。例えば、振動質量体42a,42b,42a′及び42b′がy軸に沿って振動するこの種の連結構造によって、x軸周りの回転も、z軸周りの回転も求めることができる。
図4は、角速度センサ装置のための連結構造の第4の実施の形態の概略図である。
図4に示す角速度センサ装置のための連結構造90は、図3を参照しながら説明した連結構造のよりコンパクトな実施の形態であるとも言える。連結構造90は、アングル部材10b,10d,10b′及び10a′が2つのT字形のアングル部材92a及び92bにより置換されることにより、図3の連結構造から形成可能である。
この場合、T字形のアングル部材92a及び92bは、付加的な第3の辺を有する。第3の辺は、隣接する辺に対して60°乃至120°の傾き角で結合区分に固定されている。有利には、T字形のアングル部材92a及び92bは、第1の辺と第2の辺との間及び第2の辺と第3の辺との間にそれぞれ90°の角度が存在するように形成されている。
T字形のアングル部材92a及び92bも、結合区分を通って延びる回転軸周りに回転可能であるように配置されている。これにより、T字形のアングル部材92a及び92bは、既に説明した使用可能性及び利点を保証する。
図3の連結構造のアングル部材10b,10d,10b′及び10a′を置換するために、T字形のアングル部材92a及び92bは、既に上述したように、他のコンポーネントに連結される。こうして得られた連結構造90は、連結構造の機能を実施するのに必要な取り付け面積が小さいという利点を有する。
連結構造90は、y軸に沿った振動質量体42a及び42bの均衡のとれた逆位相の振動と、x軸に沿った振動質量体42a′及び42b′の逆位相の振動とを同時に保証する。こうして、連結構造90を備える角速度センサ装置は、回転可能な物体への取り付け後、互いに垂直に配向された2つの回転軸周りの物体の回転運動を確認するために設計されている。付加的に、連結構造90は比較的コンパクトに形成されており、それゆえ、損傷のリスクは比較的小さい。
図5は、角速度センサ装置のための連結構造の第5の実施の形態の概略図である。
図5に示す連結構造100は、3チャネルの角速度センサ装置のために良好に適している。連結構造100は、図1A乃至図1C及び図3を参照しながら説明した連結構造40及び80の組み合わせであるとも言える。この場合、計3つの連結構造40及び40′は、2つの駆動兼接触点82を介して互いに結合されている。これにより、連結構造100の6つの異なる振動質量体42a,42b,42a′及び42b′が、振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の振動挙動について互いに適合されていることが保証されている。特に、これにより、振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の振動の振幅が同じであることが保証されている。
連結構造100を備える物体が一回転軸周りに回転すると、少なくとも2つの振動質量体42a,42b,42a′及び42b′が変位する。適当なセンサ装置により、すべての振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の変位が検出可能であり、回転可能な物体の予想される回転運動に関して評価可能である。このために適したセンサ兼評価装置は、従来技術から公知であるので、本明細書ではこの点についてさらなる説明を省略する。
図6は、角速度センサ装置のための連結構造の第6の実施の形態の概略図である。
角速度センサ装置のための連結構造110は、図5を参照しながら説明した上述の連結構造に対して、よりコンパクトな構造形態を有している。この場合、連結構造110は、図1A乃至図1C及び図4の連結構造40及び90の組み合わせであるとも言える。連結構造110の改善されたコンパクト性は、とりわけ、1つの十字形のアングル部材112並びに2つのT字形のアングル部材92a及び92bの使用により達成される。
十字形のアングル部材112は、4つの辺を有する。4つの辺は、固定に結合区分に配置されている。有利には、2つの隣接する辺間に、それぞれ90°の角度が位置している。1つの十字形のアングル部材112により、少なくとも3つの、2つの辺しか有しないアングル部材が置換可能である。この場合、十字形のアングル部材112並びに両T字形のアングル部材92a及び92bは、2つの異なる空間方向(x方向及びy方向)での計6つの振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の適合された振動を保証する。この場合、1つの線形振動器のそれぞれ2つの振動質量体42a及び42b又は42a′及び42b′は、互いに逆位相で振動する。特に、振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の振動の振幅が同じであることが保証されている。
これにより、連結構造110によっても、任意の空間方向での回転可能な物体の回転が検出可能であり、回転の量により評価可能である。
図7は、角速度センサ装置のための連結構造の第7の実施の形態の概略図である。
角速度センサ装置のための図示の連結構造120は、計8つの振動質量体42a,42b,42a′及び42b′を有する。それぞれ2つの振動質量体42a及び42b(あるいは42a′及び42b′)は、ばね44(あるいは44′)により直接互いに連結されている。この場合、互いに連結される2つの振動質量体42a及び42bは、y軸に対して平行の逆位相の振動を実施可能であるように配置されている。同時に、連結構造120は、互いに連結された2つの振動質量体42a′及び42b′がそれぞれ逆位相に、x軸に対して平行に振動することを保証する。
連結構造120は、それぞれ2つの連結構造40及び40′の組み合わせであるとも言える。この場合、計4つの連結構造40及び40′は、十字構造のビームを形成するように配置されている。連結構造40及び40′の各々は、2つの隣り合う連結構造40及び40′に隣接する。この場合、連結構造120のコンパクト性を改善するために、2つの辺しか有しない2つの対向するアングル部材は、十字形のアングル部材112により置換可能である。
連結構造120は、第1の対称軸122に関してかつ第2の対称軸124に関して鏡面対称に形成されている。この場合、両対称軸122及び124の間には、90°の角度が存在する。さらに角速度センサ装置120は、第3及び第4の対称軸126及び128を有する。第3及び第4の対称軸126及び128は、第1の対称軸122に対して45°の傾き角及び135°の傾き角を有する。
4つの対称軸122乃至128に関する連結構造120のこの鏡面対称の構成に基づいて、角速度センサ装置120の、第1の対称軸122と第3の対称軸126との間に位置する部分領域129が、8回投影可能であることが保証されている。これにより、部分領域129内に位置する振動質量体42b′は、他の振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の空間的な周囲と同一の空間的な周囲を有する。このことは、振動質量体42a,42b,42a′及び42b′が振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の振動について完全に互いに適合されていることを保証する。
これにより、角速度センサ装置120は、特に良好に、回転可能な物体への取り付け後、その方向に関して空間内で特定されない回転軸周りの物体の回転を確認するために設計されている。さらに、このような構造によって、冗長性も利用可能である。
図8は、角速度センサ装置のための連結構造の第8の実施の形態の概略図である。
角速度センサ装置のための連結構造130は、図1A乃至図1Cを参照しながら説明した連結構造40及び40′を2つ備える。この場合、連結構造40′は、連結構造40に対して90°回動した状態に配置されている。
連結構造40及び40′の駆動点38a及び38a′は、それぞれ、連結構造130の第1のビーム132に連結されている。この場合、第1のビーム132への駆動点38a及び38a′の連結は、好ましくは、駆動点38a及び38a′が第1のビーム132に対して一定の間隔を維持するように形成されている。相応に、連結構造40及び40′の駆動点38b及び38b′は、第1のビーム132に対向する第2のビーム134に連結されている。
両ビーム132及び134の各々は、ビーム132及び134の長手方向に対して垂直に延びる方向に沿って振動状態に励振可能である。この場合、両ビーム132及び134は、好ましくは、逆平行に180°の位相差(逆位相)を伴って互いに振動するように振動状態に励振される。こうして、角速度センサ装置40の駆動点38a及び38bが互いに逆位相に振動し、同時に角速度センサ装置40′の駆動点38a′及び38b′がやはり互いに逆位相に運動することが保証されている。
連結構造40において、振動質量体42a及び42bは、それぞれ、連結部材48a及び48bを介して直接、隣接する接触点38a及び38bに固定されている。これにより、振動質量体42a及び42bの振動は、駆動点38a及び38bの振動に対して平行に延びる。特に、振動質量体42a及び42bは、こうして逆位相の振動を励起される。
これに対して、連結構造40′の振動質量体42a′及び42b′は、連結部材48a′及び48b′を介してそれぞれ、隣接する接触点32a′又は32b′に結合されている。y軸に沿った駆動点38a′及び38b′の振動は、x軸に沿った振動質量体42a′及び42b′の振動に変換される。これにより、振動質量体42a′及び42b′も、x軸に沿って逆位相に振動する。
これにより、簡単に製造可能な連結構造130は、2つのビーム132及び134を所望の振動状態に励振する、簡単に形成可能な駆動部を備える2チャネルの角速度センサ装置のために適している。この場合、特に、振動する質量体42a,42b,42a′及び42b′が同じ振幅を有することが保証されている。
図9は、角速度センサ装置のための連結構造の第9の実施の形態の概略図である。
角速度センサ装置の概略的に示す連結構造140は、図8を参照しながら説明した連結構造を簡略化したものである。ばね44を介して直接互いに結合されている振動質量体42a及び42bは、連結部材142a又は142bによりそれぞれ直接、隣接するビーム132又は134に連結されている。連結構造40の他のコンポーネントは省略される。
これにより、振動質量体42a及び42bは、両ビーム132及び134の逆位相の振動を介して直接y軸に沿った逆位相の振動状態に励振される。その際、振動質量体42a及び42bの振動の振幅は、振動質量体42a′及び42b′の振幅と同じ値を有する。これにより、比較的安価に製造可能な連結構造140も、上述の利点を保証する。
図10は、角速度センサ装置のための連結構造の第10の実施の形態の概略図である。
角速度センサ装置のための図示の連結構造150は、図8を参照しながら説明した連結構造を拡張したものである。連結構造150は、2つの連結構造40及び1つの連結構造40′を有する。この場合、連結構造40及び40′は、それぞれ、既に上述したように、連結構造40及び40′の駆動点38a,38b,38a′及び38b′によりビーム132及び134に連結されている。
連結構造150は、ビーム132及び134の逆位相の振動を、x軸又はy軸に沿った振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の所望の振動に良好に変換することを可能にする。その際、個々の振動質量体42a,42b,42a′及び42b′の振動は、互いに適合されている。特に、振動する振動質量体42a,42b,42a′及び42b′は、同じ振幅を有する。
この場合、振動質量体42a,42b及び42a′,42b′は、直接又は例えばばね弾性の部材(図10には図示せず)を介して、それぞれのビーム132,134及び/又は基板に結合されていてもよい。
当業者であれば図10を参酌すれば自明であるように、連結構造40′を両連結構造40間に配置する必要はない。その代わり、両連結構造40を互いに隣接配置してもよい。
連結構造150は、安価な3チャネルの角速度センサ装置のために適している。連結構造150の簡略化において、連結構造40の、アングル部材10a乃至10dから形成されるフレームは、省略可能であり、振動質量体42a及び42bは、それぞれ直接、隣接するビーム132又は134に、既に図9を参照しながら説明したように連結可能である。これにより、既に説明した利点は、連結構造150の、さらに安価な形態においても保証されている。
図11は、角速度センサ装置のための連結構造の第11の実施の形態の概略図である。
角速度センサ装置のための連結構造160は、図8を参照しながら説明した連結構造とは、駆動点38a,38b,38a′及び38b′が連結されている2つの揺動部材あるいはロッカー部材162及び164により相違する。
この場合、第1の揺動部材162は、3つのビーム162a,162b及び162cを有する。ビーム162a,162b及び162cは、2つの継手162d及び162eを介して互いに結合されている。3つのビーム162a乃至162cの各々は、各々のビーム162a乃至162cが、それぞれのビーム162a乃至162cを通る回転軸周りの回転運動を実施可能であるように、図示しないハウジングに取り付けられている。ビーム162a乃至162cは、継手162d及び162eにより、ビーム162a乃至162cの回転運動が互いに適合されているように互いに連結されている。それゆえ、ビーム162a乃至162cの回転運動は、揺動運動であるとも言える。
第1の揺動部材162は、ビーム162a乃至162cが1つの共通の長手方向軸線に沿って配向されており、継手162d及び162eがこの長手方向軸線上に位置する初期位置から、第1の極端位置へと移動可能であるように設計されている。第1の極端位置において、継手162dは、継手162dの初期位置に対する第1の方向での最大の変位を示し、かつ継手162eは、継手162eの初期位置に対する第1の方向とは逆向きの第2の方向での最大の変位を示す。同様に揺動部材162は、継手162dが第2の方向での最大の変位を示し、継手162eが第1の方向での最大の変位を示すように、初期位置から第2の極端位置へと移動可能である。
第2の揺動部材164は、やはりビーム164a乃至164c並びに継手164d及び164eから形成されている。これらのコンポーネント164a乃至164eの協働については、上の段落を参照されたい。
連結構造160は、既に説明した連結構造40及び40′を有する。連結構造40では、接触点38aが継手162dに連結されており、駆動点38bが継手164dに連結されている。相応に、連結構造40′では、駆動点38a′及び38b′が継手162e及び164eに結合されている。
これにより、揺動部材162及び164の揺動運動は、振動質量体42a及び42bの適合された逆位相の振動と、x軸に沿った振動質量体42a′及び42b′の適合された逆位相の振動とを同時に生じる。これにより、安価に製造可能な連結構造160は、既に説明した利点を有する。所望の揺動運動を起こすための揺動部材162及び164の駆動部は、付加的に、比較的簡単である。
図12は、角速度センサ装置の連結構造の第12の実施の形態の概略図である。
角速度センサ装置のための図示の連結構造170は、図11に示した連結構造とは、振動質量体42a及び42bが直接連結部材142a及び142bにより継手162d及び164dに連結されている点で相違する。連結構造40′の駆動点38a′及び38b′の、継手162e及び164eへの連結については、先の実施の形態を参照されたい。これにより、連結構造170も、上述の利点を保証する安価かつ簡単に製造可能な可能性を提供する。
図13は、角速度センサ装置のための連結構造の第13の実施の形態の概略図である。
角速度センサ装置のための連結構造180は、2つの連結構造40、1つの連結構造40′、第1の揺動部材182及び第2の揺動部材184を有する。第1の揺動部材182は、4つのビーム182a乃至182dからなる。4つのビーム182a乃至182dは、3つの継手182e乃至182gにより互いに結合されている。これにより、ビーム182a乃至182dは、第1の揺動部材182の初期位置であって、ビーム182a乃至182dが1つの共通の長手方向軸線に沿って配向されており、継手182e乃至182gがこの長手方向軸線上に位置する初期位置から、2つの極端位置へと移動可能である。揺動部材182の第1の極端位置において、継手182e及び182gは、第1の方向で継手182e及び182gの初期位置から最大に変位している。これに対して、継手182fは、第1の極端位置において、第1の方向とは逆向きの第2の方向で最大に変位している。揺動部材182の第2の極端位置でも、継手182e及び182gは、継手182fとは逆向きに変位しており、継手182fは、第1の方向で変位し、継手182e及び182gは、第2の方向で変位している。
第2の揺動部材184は、相応に、コンポーネント184a乃至184gから構成されている。第2の揺動部材184も、初期位置を有しており、初期位置から、継手184e乃至184gは、2つの極端位置へと移動可能である。
駆動点38a,38b,38a′及び38b′を継手182e乃至182g及び184e乃至184gに連結することにより、振動質量体42a,42b,42a′及び42b′は、既に上述した有利な振動挙動に励起可能である。その際、揺動部材182及び184は、同時にかつ逆位相に揺動運動を励起される。これにより、安価に製造可能な連結構造180も、上述の利点を保証するように設計されている。
連結構造180は、質量体42a及び42bが直接継手182e,184e,182g及び184gに連結されることによって、比較的安価に形成可能である。これにより、連結構造40のフレームは、節減可能である。
図14は、角速度センサ装置のための連結構造の第14の実施の形態の概略図である。
角速度センサ装置のための連結構造190は、x軸に沿って配向された2つのビーム132及び134を有する。ビーム132及び134には、それぞれ2つの振動質量体42a及び42bを備える2つの線形振動器が連結されている。この場合、振動質量体42aは、直接連結部材142aにより第1のビーム132に固定されている。相応に、振動質量体42bは、連結部材142bにより第2のビーム134に結合されている。
両ビーム132及び134の簡単に実施可能な逆位相の励振によって、各々の線形振動器の振動質量体42a及び42bが、逆位相にかつ同じ振幅で、y軸に対して平行に振動することが保証されている。これにより、連結構造190は、簡単に運転可能な2チャネルの回転センサ装置のための安価な可能性を提供する。
図15は、角速度センサ装置のための連結構造の第15の実施の形態の概略図である。
図14の連結構造に対して、図15の連結構造200は、2つのビームの代わりに、第1の揺動部材162及び第2の揺動部材164を備える。両揺動部材160及び164の個々のコンポーネント162a乃至162e及び164a乃至164eの協働の説明については、図11の説明を参照されたい。
連結構造200の両線形振動器の振動質量体42aは、直接連結部材142aにより第1の揺動部材の継手162d及び162eに連結されている。両線形振動器の振動質量体42bも、連結部材142bにより第2の揺動部材164のそれぞれ1つの継手164d又は164eに結合されている。
連結構造200も、簡単に安価に製造される。これにより、連結構造200は、4つの振動質量体42a及び42bが、逆位相にかつ同じ振幅で、y軸に沿った振動状態に励振される、2チャネルの角速度センサ装置のための有利な可能性を提供する。
以上の段落において説明したすべての連結構造は、充填されたガス又は真空を有する気密のハウジング内に配置可能である。ガス圧を介して、振動の周波数及び/又は振動質量体の減衰は変更可能である。
以上の段落において説明した連結構造の1つを備える角速度センサ装置は、例えば消費者製品及び自動車製品で使用可能である。
本発明は、アングル部材の辺が等長に形成されている用途に限定されない。むしろ、1つのアングル部材の辺又はそれぞれ異なるアングル部材の辺は、それぞれ異なる長さであってもよい。

Claims (11)

  1. 角速度センサ装置のための連結構造(40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180)であって、
    少なくとも1つの第1の振動質量体(42a)と、
    該第1の振動質量体(42a)を包囲する第1のフレームとを備え、該第1のフレームに前記第1の振動質量体(42a)が連結されており、
    前記第1のフレームが4つのアングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)を備え、該アングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)の各々が、少なくとも1つの第1の辺(14a)及び1つの第2の辺(14b)を備え、該第1の辺(14a)及び該第2の辺(14b)でもって、それぞれ、前記4つのアングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)の他の隣接するアングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)に連結されていることを特徴とする、角速度センサ装置のための連結構造。
  2. 前記第1のフレームの前記アングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)の各々が、有利にはそれぞれのアングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)を通って延びる回転軸(16)周りに回転可能に配置されている、請求項1記載の連結構造。
  3. 少なくとも1つの第2の振動質量体(42a′)と、
    該第2の振動質量体(42a′)を包囲する第2のフレームとを備え、該第2のフレームに前記第2の振動質量体(42a′)が連結されており、該第2のフレームが、互いに連結される4つのアングル部材(10a′,10b′,10c′,10d′,92a,92b,112)から形成される、請求項1又は2記載の連結構造。
  4. 前記第1のフレームの少なくとも2つのアングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)及び前記第2のフレームの少なくとも2つのアングル部材(10a′,10b′,10c′,10d′,92a,92b,112)は、それぞれ1つの辺でもって、1つの共通の点(82)、ビーム(132,134)又は揺動部材(162,164,182,184)に、前記第1のフレームの、前記1つの共通の点(82)、前記ビーム(132,134)又は前記揺動部材(162,164;182,184)に連結される2つのアングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)の運動が、前記第2のフレームの、前記1つの共通の点(82)、前記ビーム(132,134)又は前記揺動部材(162,164;182,184)に連結される2つのアングル部材(10a′,10b′,10c′,10d′,92a,92b,112)の運動に対応するように連結されている、請求項3記載の連結構造。
  5. 少なくとも1つのアングル部材(92a,92b,112)が、第1のフレーム及び第2のフレームの構成部材であり、前記第1のフレーム及び前記第2のフレームの構成部材であるアングル部材(92a,92b,112)が、T字形のアングル部材(92a,92b)又は十字形のアングル部材(112)として形成されている、請求項3又は4記載の連結構造。
  6. 角速度センサ装置のための連結構造(190,200)において、
    第1のばね(44)を介して互いに結合されている第1の振動質量体(42a)及び第2の振動質量体(42b)と、
    第2のばね(44′)を介して互いに結合されている第3の振動質量体(42a′)及び第4の振動質量体(42b′)とを備え、
    前記第1の振動質量体(42a)及び前記第3の振動質量体(42a′)は、第1のビーム装置又は揺動部材装置(132,182)に、かつ前記第2の振動質量体(42b)及び前記第4の振動質量体(42b′)は、第2のビーム装置又は揺動部材装置(134,184)に、前記第2のビーム装置又は揺動部材装置(134,184)の第2の運動に対して逆位相の前記第1のビーム装置又は揺動部材装置(132,182)の第1の運動時に、前記第1の振動質量体(42a)が第1の振動を実施可能であり、該第1の振動が、前記第2の振動質量体(42b)が実施可能な第2の振動に対して逆位相であるように連結されていることを特徴とする、角速度センサ装置のための連結構造。
  7. 前記振動質量体(42a,42a′,42b,42b′)の少なくとも1つが、ばね弾性的な部材を介して基板に結合されている、請求項6記載の連結構造。
  8. 角速度センサ装置において、
    請求項1から7までのいずれか1項記載の連結構造(40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200)と、
    センサ兼評価装置であって、第1の振動方向に沿った前記第1の振動質量体(42a)の第1の振動時に、前記第1の振動方向に対して非平行の偏向方向への、前記第1の振動質量体(42a)の、コリオリ力により生じる偏向運動を確認し、かつ前記偏向方向での前記第1の振動質量体(42a)の、確認された偏向運動を考慮しながら、前記角速度センサ装置の回転に関する情報を確定するために設計されているセンサ兼評価装置とを備えることを特徴とする、角速度センサ装置。
  9. 角速度センサ装置のための連結構造(40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180)、特に請求項1から5までのいずれか1項記載の連結構造(40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180)のための製造方法において、以下のステップ、すなわち:
    各々が少なくとも1つの第1の辺(14a)及び1つの第2の辺(14b)を備える4つのアングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)を互いに連結して、1つのフレームを構成し、前記アングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)の各々が、前記第1の辺(14a)及び第2の辺(14b)でもって、それぞれ、4つの前記アングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)の他の隣接するアングル部材(10a,10b,10c,10d,92a,92b,112)に連結されるようにし、
    少なくとも1つの振動質量体(42a)を、該振動質量体(42a)を包囲するフレームに連結するというステップを備えることを特徴とする、角速度センサ装置のための連結構造のための製造方法。
  10. 角速度センサ装置のための連結構造(190,200)、特に請求項6又は7記載の連結構造(40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180)のための製造方法において、以下のステップ、すなわち:
    第1の振動質量体(42a)を第2の振動質量体(42b)に第1のばね(44)を介して結合するとともに、第3の振動質量体(42a′)を第4の振動質量体(42b′)に第2のばね(44′)を介して結合し、かつ
    前記第1の振動質量体(42a)及び前記第3の振動質量体(42a′)を第1のビーム装置又は揺動部材装置(132,182)に連結するとともに、前記第2の振動質量体(42b)及び前記第4の振動質量体(42b′)を第2のビーム装置又は揺動部材装置(134,184)に連結し、前記振動質量体(42a,42b,42a′,42b′)をそれぞれのビーム装置又は揺動部材装置(132,134,182,184)に、前記第2のビーム装置又は揺動部材装置(134,184)の第2の運動に対して逆位相の前記第1のビーム装置又は揺動部材装置(132,182)の第1の運動時に、前記第1の振動質量体(42a)が第1の振動を実施し、該第1の振動が、前記第2の振動質量体(42b)が実施する第2の振動に対して逆位相であるように連結するというステップを備えることを特徴とする、角速度センサ装置のための連結構造のための製造方法。
  11. 連結構造(40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200)を備える請求項8記載の角速度センサ装置を製造する方法において、前記連結構造(40,60,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200)を請求項9又は10記載の方法にしたがって製造することを特徴とする、角速度センサ装置を製造する方法。
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