JPH09512106A - 振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明によれば振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子において、連結範囲を介して互いに結合されていて逆位相で振動する２つの振動質量体を、少なくとも１つの懸吊ばねを用いて懸吊することが、提案される。この場合懸吊ばねは、振動方向に、おいて柔らかく、かつその他のすべての自由度においては著しく硬く構成されている。これによってヨーレート（絶対的な角速度）の回転モーメントが振動質量体に伝達可能である。コリオリ力の測定時における妨害信号は、減算によって抑制される。振動子は半導体材料から構成されており、かつ静電場又は電磁場において相応な電流供給によって振動を励起される。

Description

【発明の詳細な説明】 振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子 背景技術 本発明は、請求の範囲の請求項１の上位概念に記載された、ヨーレート（絶対 的な角速度）を検出するための振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子に関す る。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第４０２２４９５号明細書に基づいて、ケイ素 -半導体-結晶から製造されている２つの振動質量体を備えた振動式ジャイロが公 知である。この公知の振動式ジャイロには次のような問題がある。すなわちこの 場合、振動式ジャイロの両方の振動質量体の逆位相の振動が、例えば温度変化時 には位相安定的でない。角運動量の発生時に生じるコリオリ力は、この場合常に 十分な精度で測定することができず、この結果このセンサの信頼性は、例えば自 動車において高い信頼性を要求されて使用される場合に、満たされ得ない。 別の振動式ジャイロは、刊行物「A micromichined comb-drive tuninng fork rate gyroscope」， IEEE,Feb.93、第１４３頁〜１４８頁から公知である。この 別の振動式ジャイロでは、支持体平面において互いに逆向きに振動する２つの振 動質量体は、両振動質量体 がコリオリ力の影響下で支持体に対して垂直な方向において運動できるように、 懸吊されている。そして両振動質量体の運動は、支持体に設けられた不動の対応 電極を用いて静電式に検出される。しかしながらこの公知のジャイロの使用は、 例えば自動車におけるような振動の多い環境においてはあまり適していない。そ れというのはこの場合、振動構造体は振動構造体の励起振動だけを実施するので はなく、残っている自由度の連結された運動をも受け止めるからである。これに よって測定結果は劣化するおそれがある。 発明の利点 請求項１の特徴部分に記載の構成を備えた、本発明による振動式ジャイロのマ イクロマシンの振動子は、公知のものに比べて次のような利点を有している。す なわち本発明による振動子では、懸吊ばねの構成によって、連結範囲を介して機 械式に連結されかつこれにより互いに逆向きに励起される両振動質量体は、絶対 的に逆位相的に振動する。これによって安定的な位相関係が生ぜしめられる。そ れというのは、温度変化や両振動質量体の異なった質量のようなパラメータ変化 が、不都合な影響を及ぼすことはないからである。これによって次のような利点 が得られる。すなわちこの場合、振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子は、 例えばコリオリ力を測定するために、正確に特殊化された別体のセンサを備える ことができる。また振動子 の製造時には、製作誤差が比較的大きくてもよく、しかも特殊な調節もしくは整 合が不要である、という別の利点が得られる。したがって本発明によるマイクロ マシンの振動子の製造コストは、安価である。 請求項２以下に記載の構成によって、請求項１に記載のマイクロマシンの振動 子の別の有利な構成が可能である。 特に有利な構造的な解決策は、連結質量体と振動ばねとを備えた連結範囲及び 振動質量体が、少なくとも各１つの懸吊ばねを介して支持体と結合されているこ とによって、達成可能である。 このような配置形式は、特に、例えば自動車における使用される場合に生じる ことがある高い加速時においても、機械的に比較的安定的である。 懸吊ばねの影響を可能な限り小さく保つために、懸吊ばねのばね剛性は、振動 ばねに比べて極めて柔らかい。 また構造的に単純な解決策を得るためには、振動質量体を完全に取り囲んで又 は少なくとも部分的に取り囲んでフレームが形成され、このフレームが同時に連 結質量体としても構成されていて、フレームに、両方の振動質量体が振動ばねを 介して機械的に連結されている。このような構造体は、公知の方法を用いて、例 えばシリコン・ウエハから簡単にエッチング加工することができる。 連結質量体としてフレームを使用する場合には、フレームの部分が小さく構成 されていればいるほど、有効な連結質量体はより小さくなる。極めて小さなフレ ーム部分では、連結質量体の質量はほぼ０であり、この結果、両振動質量体の位 相関係が連結質量体によって影響を受けることはなくなる。 ヨーレートセンサがケイ素材料から構成されている場合には、金属被覆された 相応な導電体を用いて、振動質量体を介して電流を導くことができる。振動質量 体が、振動平面に対して垂直に作用する電磁場に位置している場合には、電流に よって振動質量体の振動を励起することができる。 図面 次に図面を参照しながら本発明の実施例を詳しく説明する。 第１図は、第１の機械的な概略図である。 第２図は、第２の機械的な概略図である。 第３図は、第３の機械的な概略図である。 第４図は、第１実施例を示す図である。 第５図は、第２実施例を示す図である。 第６図は、第３実施例を示す図である。 第７図は、第４実施例を示す図である。 別の無接触式の駆動可能性は、コーム構造（静電式、リラクタンス駆動装置） の使用によって与えられている。 振動子は、相応な加速センサとの関連において種々様々な分野において、例え ば自動車、船舶、飛行機、ロボットのヨーレート測定のために、又は液体もしく は気体における乱流を測定するために、使用することができる。 実施例の記載 第１図に示された機械的な概略図では、２つの振動ばね４，５を介して結合さ れた２つの振動質量体１，２が示されている。振動ばね４，５の間には、連結質 量体と振動ばねとを備えた連結範囲３が配置されている。連結質量体３は懸吊ば ね６を用いて、外側のフレーム及び支持体（Substrat）１０と結合されている。 このヨーレートセンサ（Drehratensensor）のための材料としては、半導体材料 、有利にはケイ素又はケイ素化合物が使用される。ケイ素はこの場合マイクロマ シーン技術によって、質量体とばねとを形成するように構成されている。この概 略図では図面を見やすくするために、静電場又は電磁場において質量を振動させ るために働く、金属被覆された導電線は省かれている。ばね４，５，６に対して 平行に緩衝部材７が配置されており、これらの緩衝部材７は、振動系を設計する 際の計算時に考慮される。 第２図に示された第２の概略図は、２つの振動質量体１，２と連結質量体３と の間において類似の構成を有している。この実施例ではしかしながら両方の質量 体１，２は懸吊ばね６を介して直接的に支持体１０と結合されている。 第３図に示された第３の概略図は、上に述べた２つの概略図を組み合わせた形 式である。この実施例では２つの振動質量体１，２と連結質量体３を備えた連結 範囲とが、懸吊ばね６を介して支持体１０と結合されている。 以下においては複数の実施例を参照しながら、この装置の作用形式を説明する 。マイクロマシンの振動子は、機械式の振動式ジャイロとも呼ばれ、この場合そ の振動質量体１，２には、相応なセンサ例えば加速度センサが取り付けられてい る。取り付けられた加速度センサは、特に電気的な回路を有しており、これらの 回路への給電は導体路を介して行われ、これらの導体路は懸吊ばねを介して外方 に向かって敷設されることができる。振動式ジャイロは、回転させられる振動す る慣性質量体が、コリオリ力に基づいてその振動平面に対して垂直な方向に変位 させられるという効果を利用する。コリオリ力はこの場合種々様々な形式で、電 気機械式の変換プロセスによって検出することができる。相応なセンサを振動質 量体に配置することが可能であり、又は相応なセンサを用いて間接的に振動質量 体の変位を測定することが可能である。振動数ｆによって変調された信号が得ら れ、この信号は、次いで行われる復調によって、ヨーレートｆに対して正比例す る所望の測定信号を生ぜしめる。コリオリ力と同じ方向を有する、直線的な妨害 加速（センサの横方向加速）は、加速-妨害信号を生ぜしめるが、この妨害信号 は、逆位相に振動する振動質量体によって抑制される。 振動質量体１，２の逆位相の振動によって、慣性力が相殺される。またコリオリ 力は逆方向において両方の振動質量体１，２に作用するが、しかしながら妨害- 加速力は同じ方向において作用する。したがって理想的な電気機械式の２つの同 一の変換器の信号の差異形成（Differenzbildung）によって、妨害加速は補償す ることができる。 このようなセンサは例えば自動車において、特に安全装置を制御するため又は 走行動力学（Fahrdynamik）を調整するために使用可能である。 実地においてはしかしながら、両方の変換器は完全に同一でも完全に方向選択 的（richtungsselektiv）でもない、ということが示されている。変換器は、該 変換器が主検出方向において変位しない場合、特に駆動方向において変位した場 合でも、信号を発する。この信号は、その都度の駆動速度によって変調されて現 れ、復調後に出力オフセット（Ausgangsoffset）を生ぜしめ、そして、信号が少 なくとも位相安定している場合にしか、補償され得ない。したがって駆動のため には、各振動質量体１，２の励起速度、ひいてはコリオリ-有効信号は、逆位相 で存在しなくてはならない。ゆ えに本発明によれば、構造的な処置によって、逆位相の振動特性に不都合な影響 を与える妨害影響を小さく保つことが、提案されている。このことは主として次 のことによって達成される。すなわち本発明では、連結質量体３は振動質量体１ ，２の質量よりも極めて小さく、この場合振動質量体１，２は必ずしも同一であ る必要はない。小さな連結質量体の利点は、懸吊ばねが振動方向において極めて 柔らかいことによって、さらに高められる。振動平面に対して垂直な方向では、 懸吊ばね６は相応な横断面比に基づいて比較的剛性に構成されている。互いに平 行に延びる複数の部分ばねが設けられている場合には、また相応に多くの導体路 を外部に向かって延ばすことができる。柔らかい懸吊ばね６によって、温度の影 響が大きい場合でも、両振動質量体１，２の間における振幅変化及び位相変化が 生ぜしめられず、この結果振動系は妨害影響に対して鈍感になる。 高い感度を得るためにヨーレートセンサの作業振動数を低く選択することが、 望まれているので、与えられた最小のセンサ面において振動質量体１，２は可能 な限り大きく選択され、ばね長さは可能な限り長く構成され、かつばね幅は可能 な限り細く構成される。 第１実施例は第４図に示されている。連結質量体３を備えた連結範囲は、それ 自体環状に閉じられて振動質量体１，２の回りに位置しているフレーム３から成 っている。各振動質量体１，２は、振動ばね４，５を介してフレーム３と結合さ れている。フレーム３は懸吊ばね６を介して支持体１０と結合されている。振動 ばね４，５及び懸吊ばね６は、その長さを増大させることを目的として、折り畳 まれて構成されている。振動ばね４，５及び懸吊ばね６は、２つ又はそれ以上の 平行な部分ばねによって構成されていてもよい。 第５図に示された第２実施例では、フレーム３は互いに向かい合っている側に しか構成されていない。連結質量体３としてのフレームは、これによって第１実 施例におけるよりも小さく構成されている。この第２実施例では、互いに向かい 合っている２つの側において振動質量体１，２は振動ばね４，５を介してフレー ム部分３に連結されている。フレーム部分３はこの実施例においても懸吊ばね６ を介して支持体１０と結合されている。２つの部分から成るフレームの利点とし ては、非直線的な振動のおそれの減少、減じられたセンサ面、及びｚ方向におけ るもしくはｙ軸を中心としたモードのより大きな間隔が挙げられる。これによっ てこの配置形式は、コリオリ方向におけるより大きな剛性を得ることができる。 第６図に示された第３実施例及び第７図に示された第４実施例では、連結質量 体３がさらに減じられている。フレーム部分の代わりにこの場合、２つの振動質 量体１，２の間には１つのウェブ３（第６図）もしく は２つのウェブ（第７図）が構成されている。これらのウェブ３は一方では振動 ばね４，５を介して振動質量体１，２と結合されており、かつ他方においては懸 吊ばね６を介して支持体１０と結合されている。振動質量体１，２はさらに別の 懸吊ばね６を介して支持体１０と結合されている。付加的に、第６図の実施例で は構造体１１が設けられており、この構造体１１はフィンガ構造体として構成さ れていて、容量性の駆動装置又は基準信号のために適している。付加的な懸吊ば ね６によって、ｚ方向におけるもしくはｙ軸を中心としたモード（コリオリ方向 におけるモード）の固有振動数は、高くなり、このことは純然たる中央懸吊方式 では不可能である。この実施例では連結質量体３は、その質量を無視できるほど 小さい。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年２月２８日 【補正内容】 請求の範囲 １．コリオリ力を使用してヨーレートを検出するための振動式ジャイロのマイク ロマシンの振動子であって、１つの支持体と２つの振動質量体とが設けられてお り、該支持体と振動質量体とは、可能な限り小さな連結質量体と振動ばねとから 成る連結範囲を介して、振動質量体が一平面において逆位相的に振動するように 、機械的に結合されており、さらに少なくとも２つの懸吊ばねが設けられていて 、該懸吊ばねがそれぞれ一方の端部で支持体と結合されており、しかもこれらの 懸吊ばねは、該懸吊ばねが振動質量体（１，２）の振動方向においては柔らかく 、かつその他のすべての自由度においては著しく硬い特性を有するように、構成 されている形式のものにおいて、少なくとも２つの懸吊ばね（６）のそれぞれ他 方の端部が、両振動質量体（１，２）のそれぞれ１つと結合されていることを特 徴とする、振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子。 ２．少なくとも１つの別の懸吊ばね（６）が設けられていて、該懸吊ばね（６） が連結範囲（３）と結合されている、請求項１記載の振動子。 ３．振動方向において、少なくとも１つの懸吊ばね（６）が振動ばね（４，５） よりも柔らかい、請求項１又は２記載の振動子。 ４．少なくとも１つの懸吊ばね（６）が、平行に延びる複数の部分ばねから構成 されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の振動子。 ５．コリオリ力を使用してヨーレートを検出するための振動式ジャイロのマイク ロマシンの振動子であって、１つの支持体と２つの振動質量体とが設けられてお り、該支持体と振動質量体とは、連結質量体と振動ばねとから成る連結範囲を介 して、振動質量体が一平面において逆位相的に振動するように、機械的に結合さ れており、さらに少なくとも１つの懸吊ばねが設けられていて、該懸吊ばねがそ の一方の端部で支持体と結合されている形式のものにおいて、連結質量体（３） がフレームとして構成されており、両方の振動質量体（１，２）が振動ばね（４ ，５）を介してフレームと結合されており、かつフレーム（３）が、該フレーム の末端に配置されている懸吊ばね（６）によって支持体（１０）と結合されてい ることを特徴とする、振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子。 ６．フレーム（３）が振動質量体（１，２）を完全に取り囲んでいる、請求項５ 記載の振動子。 ７．フレーム（３）が方形に構成されており、懸吊ばね（６）が方形の角隅に配 置されている、請求項６記載の振動子。 ８．フレーム（３）が、振動質量体（１，２）の互い に向かい合っている２つの側に配置されている、請求項５記載の振動子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．コリオリカを使用してヨーレート（絶対的な角速度）を検出するための振動 式ジャイロのマイクロマシンの振動子であって、１つの支持体と２つの振動質量 体とが設けられており、該支持体と振動質量体とは、可能な限り小さな連結質量 体と振動ばねとから成る連結範囲を介して、振動質量体が一平面において逆位相 的に振動するように、機械的に結合されており、さらに少なくとも１つの懸吊ば ねが設けられていて、該懸吊ばねがその一方の端部で支持体と結合されている形 式のものにおいて、少なくとも１つの懸吊ばね（６）の他方の端部が、連結範囲 （３，４，５）及び／又は両方の振動質量体（１，２）と結合されており、少な くとも１つの懸吊ばね（６）が次のように、すなわち該懸吊ばねが振動質量体（ １，２）の振動方向においては柔らかく、かつその他のすべての自由度において は著しく硬く、しかもこの場合ヨーレートの回転モーメントを振動質量体（１， ２）に伝達するように、構成されていることを特徴とする、振動式ジャイロのマ イクロマシンの振動子。 ２．複数の懸吊ばね（６）が設けられており、この場合各懸吊ばね（６）の他方 の端部が、両方の振動質量体（１，２）と連結範囲（３）とに結合されてい る、請求項１記載の振動子。 ３．振動方向において、少なくとも１つの懸吊ばね（６）が振動ばね（４，５） よりも柔らかい、請求項１又は２記載の振動子。 ４．少なくとも１つの懸吊ばね（６）が、平行に延びる複数の部分ばねから構成 されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の振動子。 ５．連結質量体（３）がフレームとして構成されており、両方の振動質量体（１ ，２）が振動ばね（４，５）を介してフレームと結合されており、かつフレーム （３）が、可能な限り離れて外側において作用する懸吊ばね（６）を介して支持 体（１０）と結合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の振動子 。 ６．フレーム（３）が振動質量体（１，２）を完全に取り囲んでいる、請求項５ 記載の振動子。 ７．フレーム（３）が、振動質量体（１，２）の互いに向かい合っている２つの 側に配置されている、請求項５記載の振動子。 ８．振動子がケイ素又はケイ素化合物から製造されている、請求項１から７まで のいずれか１項記載の振動子。 ９．振動子が、静電式の又は電磁式の駆動装置を有している、請求項１から８ま でのいずれか１項記載の振動子。 10．振動子が車両又はロボットにおいて使用される、請求項１から９までのいず れか１項記載の振動子。