(57)【要約】  静電的に励振可能な振動エレメントの駆動のための及び前記静電的に励振可能な振動エレメントの変位（ｘ（ｔ））及び/又は運動速度（ｖ（ｔ））の同時決定のための方法が記述され、この方法において、振動エレメントの変位（ｘ（ｔ））及び/又は運動速度（ｖ（ｔ））の決定は静電的な励振において流れる励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））に基づいて行われる。さらに、この方法を実施するための装置が記述され、ならびにこの方法及び装置と結びついて使用するための角速度センサ（４０）が記述される。
2009503472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電的に励振可能な振動エレメントの駆動のための及び前記静電的に励振可能な振動エレメントの変位（ｘ（ｔ））及び/又は運動速度（ｖ（ｔ））の同時決定のための方法において、
振動エレメントの変位（ｘ（ｔ））及び/又は運動速度（ｖ（ｔ））の決定は静電的な励振において流れる励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））に基づいて行われることを特徴とする、静電的に励振可能な振動エレメントの駆動のための及び前記静電的に励振可能な振動エレメントの変位（ｘ（ｔ））及び/又は運動速度（ｖ（ｔ））の同時決定のための方法。
【請求項２】
静電的励振は振動エレメントの両側に振動運動の平面内に設けられたコンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）を用いておこなわれ、該コンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）に印加される励振電圧（Ｕ１（ｔ）、Ｕ２（ｔ））が個別に形成されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
両方のコンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）に印加される励振電圧（Ｕ１（ｔ）、Ｕ２（ｔ））はそれぞれ直流成分（Ｕ０）を有し、該直流成分（Ｕ０）はこれら両方のコンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）に対して異なる正負の符号を有するコサイン状の交流電圧（Ｕa（ｔ））によって重畳されることを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】
コンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）の中に流れ込む励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））の和（ｉ１（ｔ）＋ｉ２（ｔ））が変位（ｘ（ｔ））及び/又は運動速度（ｖ（ｔ））の決定のために評価されることを特徴とする、請求項２又は３記載の方法。
【請求項５】
振動エレメントの変位及び/又は運動速度は励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））の和（ｉ１（ｔ）＋ｉ２（ｔ））を介して決定可能なコンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）のキャパシタンス変化（Ｃ１（ｔ）、Ｃ２（ｔ））に基づいて計算されることを特徴とする、請求項４記載の方法。
【請求項６】
振動エレメントは振動運動へとその共振周波数において励振されることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の方法。
【請求項７】
運動速度ｖ（ｔ）は直接的に励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））の和から計算され、ここで
【数１】
2009503472.tif 000015
及び
【数２】
2009503472.tif 000016
が成り立ち、励振電流の和は振動エレメントの運動速度の２倍の周波数を有することを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項記載の方法。
【請求項８】
請求項１〜７のうちの１項記載の方法を実施するための回路装置であって、振動運動に励振可能な少なくとも１つの振動エレメントを有する角速度センサ（４０）ならびに前記振動エレメントの静電的励振のための手段（Ｃ１、Ｃ２）を含む、請求項１〜７のうちの１項記載の方法を実施するための回路装置において、
前記振動エレメントの静電的励振において流れる励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））を測定するための手段（３１、３２、５０）と、前記励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））の和（ｉ１（ｔ）＋ｉ２（ｔ））を形成するための手段、ならびに、前記励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））の和（ｉ１（ｔ）＋ｉ２（ｔ））に基づいて前記振動エレメントの運動速度（ｖ（ｔ））を計算するための手段（５０）を有することを特徴とする、請求項１〜７のうちの１項記載の方法を実施するための回路装置。
【請求項９】
振動エレメントを振動させる手段（Ｃ１、Ｃ２）の容量性変化を測定された励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））及び励振電圧（Ｕ１（ｔ）、Ｕ２（ｔ））に基づいて計算するための手段、ならびに、前記振動エレメントの変位を前記キャパシタンス変化に基づいて計算するための手段を有することを特徴とする、請求項８記載の回路装置。
【請求項１０】
角速度センサ（４０）であって、振動運動に励振可能な少なくとも１つの振動エレメント、該振動エレメントを振動運動に静電的に励振するための手段ならびに振動運動の変位及び/又は振動速度を検出するための手段を有する、角速度センサ（４０）において、
前記振動エレメントを振動運動に静電的に励振するための及び振動運動の変位及び/又は振動速度を検出するための共通の手段（Ｃ１、Ｃ２）を有することを特徴とする、角速度センサ（４０）。
【請求項１１】
振動エレメントを振動運動に静電的に励振するための及び振動運動の変位及び/又は振動速度を検出するための共通の手段（Ｃ１、Ｃ２）は、前記振動エレメントの変位に比例して変化するキャパシタンスを有する振動運動の平面内に前記振動エレメントの両側に設けられた２つのコンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）ならびに前記振動エレメントの振動運動への静電的な励振において流れる励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））の検出のための手段を含むことを特徴とする、請求項１０記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念記載の静電的に励振可能な振動エレメントの駆動のための及び静電的に励振可能な振動エレメントの変位（ｘ（ｔ））及び/又は運動速度（ｖ（ｔ））の同時決定のための方法ならびに請求項８の上位概念記載のこの方法を実施するための回路装置及び請求項１０の上位概念記載の角速度センサに関する。
【０００２】
従来技術
マイクロメカニカル角速度センサは今日例えば自動車において例えばエレクトロ二カルスタビリティプログラムＥＳＰ又はロール傾斜バランシングのような走行アシスタンスシステムのためのセンサとして使用される。これらのセンサはコリオリ効果によって例えば車両の垂直軸（揺れ）又は車両の長手方向軸（ローリング）の周りの角速度を測定する。
【０００３】
マイクロメカニカル角速度センサには１つ又は複数の振動エレメントが存在し、この１つの又は複数の振動エレメントは静電力によって周期的な振動にもたらされる。振動エレメントはその都度停止位置の周りの平面内で振動可能に配置された質量ｍを有する。振動エレメントを静電的な励振による代わりに例えば電気力学的に又は圧電的に励振することも公知である。
【０００４】
以下においては簡略化のために振動する質量のみを考察する。マイクロメカニカル角速度センサは振動エレメントの励振のために及び振動運動の測定のためにそれぞれ１つ又は複数のコンデンサから成る４つのコンデンサ群を有し、これは図１に概略的に図示されている。図１では、機械的なバネ及びダンパエレメントが簡略化のために図示されていない。面状の振動エレメントがある平面はｘ−ｙ平面であるとする。静電力はコンデンサにおいて常に引っ張るだけに作用するので、駆動のためには振動エレメントの両側に設けられた２つのコンデンサ群Ｃ１及びＣ２が必要である。コンデンサ群Ｃ１は正のｘ方向に力Ｆ１を発生し、コンデンサ群Ｃ２は競合して力Ｆ２を負のｘ方向に発生する。別個のコンデンサ群Ｃ３及びＣ４は振動エレメントの変位ｘ（ｔ）及び/又は運動速度ｖ（ｔ）の測定のために使用され、これによって振動周波数及び振動振幅が適当な手段によって振動運動の機械的な共振周波数乃至は一定の予め設定された振幅に調整されうる。大抵の場合、コンデンサ群Ｃ３及びＣ４は、例えば寄生容量を除去するために差測定において使用される。
【０００５】
ｘ方向に振動する質量ｍがｚ軸の周りを回転される場合、この質量は角速度に比例するｙ方向の付加的な周期的な加速度をうけている。この加速度を測定するためには、特別な測定装置が必要であり、例えば質量ｍに弾性的に結合されたｙ方向に振動することができる第２の質量ならびに例えば２つの付加的な測定コンデンサ群がｙ振動振幅の測定のために必要である。このような測定装置を有する角速度センサは例えばＤＥ１０２３７４１０Ａ１及びＤＥ１０２３７４１１Ａ１から公知である。ｙ方向の変位又は力の検出は本出願の対象ではない。
【０００６】
従来技術によれば、静電的な励振及び振動エレメントの変位ｘ（ｔ）及び/又は運動速度ｖ（ｔ）の測定のためには４つのコンデンサ群Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及びＣ４が必要であり、これは一方で高い製造コストを意味し、他方で今日の角速度センサの大きな寸法を意味する。
【０００７】
発明の開示及びその利点
従来技術の欠点は冒頭に挙げた上位概念の本発明の方法において静電的な励振において流れる励振電流に基づいて振動エレメントの変位及び/又は運動速度を決定することによって回避される。
【０００８】
本発明の核心はこの場合２つのコンデンサ群Ｃ１及びＣ２を使用するだけで駆動力Ｆ１及びＦ２の発生及び変位ｘ（ｔ）及び/又は振動速度ｖ（ｔ）の同時測定である。
【０００９】
本発明は、コンデンサ群Ｃ１及びＣ２に印加される励振電圧Ｕ１（ｔ）及びＵ２（ｔ）の特別な形態に基づき、同時にコンデンサ群Ｃ１及びＣ２に流れ込む電流ｉ１（ｔ）及びｉ２（ｔ）の和が評価される。
【００１０】
本発明によって従来技術に比べてコンデンサ群Ｃ３及びＣ４が節減でき、これによって例えばセンサが小型化できる。Ｃ３及びＣ４によって空いてしまうセンサのチップ面積がコンデンサ群Ｃ１及びＣ２に加えられる場合、同一のチップ面積において例えば必要な励振電圧を少なくすることができる。従って、例えば使用可能な動作電圧を越えて励振電圧を高めるためにチャージポンプを放棄することができる。
【００１１】
図面の短い記述
図１は従来技術によるマイクロメカニカル角速度センサの構造の概略図を示し、ならびに、
図２は角度センサの同時的な駆動及び同時的な速度測定のための本発明の回路装置を示す。
【００１２】
本発明の実施例
質量ｍを有する振動運動に励振可能な振動エレメントの励振のためにはこの振動エレメントの両側に振動運動の平面内に配置された２つのコンデンサ群Ｃ１及びＣ２が使用される。コンデンサ群Ｃ１及びＣ２はそれぞれ少なくとも１つのコンデンサから成る。コンデンサという概念はこの場合あらゆる種類の容量性エレメントを含み、これらの容量性エレメントにおいて電圧の印加によって静電力がキャパシタンスを形成する電荷担体の間に発生され、さらにこれらの電荷担体の間の間隔の互いの変化がキャパシタンスの変化を引き起こす。
【００１３】
振動エレメントの駆動に使用される２つのコンデンサ群Ｃ１及びＣ２には励振電圧Ｕ１（ｔ）及びＵ２（ｔ）が印加される。これらの２つの励振電圧はそれぞれ直流成分Ｕ０を有し、この直流成分Ｕ０は異なる正負の符号を有するコサイン状の交流電圧Ｕa（ｔ）によって重畳される：
【数１】
2009503472.tif 000003
【００１４】
コンデンサにおいては印加された電圧と作用した静電力との間に２乗の関係が当てはまる。ｘ方向及び負のｘ方向に作用する力Ｆ１（ｔ）及びＦ２（ｔ）の差から計算される、結果的に生じる振動エレメントの質量ｍに作用する力Ｆ（ｔ）に対しては、それゆえ次式が当てはまる：
【数２】
2009503472.tif 000004
【００１５】
Ｕa（ｔ）と作用する静電力Ｆ（ｔ）との間には線形関係が生じる。Ｕa（ｔ）は高調波振動であるので、質量ｍにより生じた変位ｘ（ｔ）ならびに運動速度ｖ（ｔ）も定常状態では高調波振動を次式に従って示す：
【数３】
2009503472.tif 000005
【００１６】
最大変位
2009503472.tif 000006
及び位相ψは励振電圧の大きさ、励振周波数及び振動特性に依存する。振動共振周波数においてはψ＝−π／２が妥当し、この場合ｖ（ｔ）はＵa（ｔ）と同相である。
【００１７】
コンデンサ群Ｃ１及びＣ２のキャパシタンスＣ１（ｔ）及びＣ２（ｔ）に対しては次の線形乃至は場合によっては線形化された依存関係が成り立つ：
【数４】
2009503472.tif 000007
【００１８】
この場合Ｃ０は変位ｘ＝０の場合の基本キャパシタンスであり、ｋｃはコンデンサジオメトリに起因する定数である。コンデンサにおける瞬時の電荷に対しては次式：
【数５】
2009503472.tif 000008
が妥当する。
【００１９】
これにより２つのコンデンサに流れ込む瞬時の励振電流ｉ１（ｔ）及びｉ２（ｔ）が次のように計算される：
【数６】
2009503472.tif 000009
【００２０】
２つの励振電流ｉ１（ｔ）及びｉ２（ｔ）の和が形成され、これが上記の関係式に代入されると、次の関係が認められる：
【数７】
2009503472.tif 000010
【００２１】
２つの励振電流ｉ１（ｔ）及びｉ２（ｔ）の和を振動エレメントの運動速度ｖ（ｔ）
【数８】
2009503472.tif 000011
と比較すると、２つの励振電流ｉ１（ｔ）及びｉ２（ｔ）の和が振動エレメントの運動速度ｖ（ｔ）と同じパラメータ振幅及び位相の一定の主要ファクタ（Vorfaktoren）まで有していることが認められる。しかし、周波数は２倍である。
【００２２】
図２は励振電流ｉ１（ｔ）及びｉ２（ｔ）のもとめられるパラメータ振幅及び位相を決定するための回路装置を示す。信号発生器１０は信号Ｕa（ｔ）を次式により供給する：
【数９】
2009503472.tif 000012
【００２３】
有利には制御可能な直流電圧源２０が信号Ｕ０を供給する。加算器乃至は減算器段を介して励振電圧
【数１０】
2009503472.tif 000013
が形成され、これらの励振電圧は２つの演算増幅器３１、３２の非反転入力側に供給される。これらの演算増幅器３１、３２はそれぞれ抵抗Ｒを介してネガティブフィードバックされている。演算増幅器３１、３２の反転入力側は角速度センサ４０のコンデンサ群Ｃ１及びＣ２に接続されている。角速度センサ４０では１つ又は複数の振動エレメントが設けられており、振動エレメントはコンデンサ群Ｃ１及びＣ２に印加される電圧によって静電的に振動させられる。こうしてコンデンサ群Ｃ１及びＣ２には励振電圧Ｕ１（ｔ）及びＵ２（ｔ）が角速度センサ４０の振動エレメントの駆動のために供給される。２つの演算増幅器３１、３２の出力電圧はＵ０＋Ｒ・ｉ１（ｔ）及びＵ０＋Ｒ・ｉ２（ｔ）となり、これによって励振電流ｉ１（ｔ）及びｉ２（ｔ）が決定される。次いでこれら２つの励振電流を含んでいる出力電圧の和が形成され、オフセット２・Ｕ０が差し引かれる。結果的に生じる信号から今や位相及び値測定装置５０において公知のやり方で位相及び値がもとめられる。このために位相及び値測定装置５０には同様に信号発生器１０により発生された、２倍の励振周波数を有するサイン乃至はコサイン状の基準信号ｃｏｓ（２・ω・ｔ）及びｓｉｎ（２・ω・ｔ）が供給される。
【００２４】
測定された値から最大変位に相応する振動振幅が決定され、この結果、例えばこれをＵ０又は
2009503472.tif 000014
の変化によって所定の値に閉ループ制御する。測定された位相から閉ループ制御量が決定され、この閉ループ制御量の助けによって駆動周波数が常に機械的共振周波数に保持される。共振の際には要求される位相はちょうど−π／２である。
【００２５】
産業上の適用可能性：
本発明はとりわけ例えばＥＳＰ、ロール傾斜バランシング、ナビゲーションなどのような走行アシスタンスシステムと結びついて使用するためのマイクロメカニカル角速度センサの製造のために産業上は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術によるマイクロメカニカル角速度センサの構造の概略図を示す。
【図２】角度センサの同時的な駆動及び同時的な速度測定のための本発明の回路装置を示す。
【符号の説明】
【００２７】
１０  信号発生器
２０  直流電圧源
３１  演算増幅器
３２  演算増幅器
４０  角速度センサ
５０  位相及び値測定装置
【図１】
2009503472.tif 000017
【図２】
2009503472.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月25日(2008.2.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電的に励振可能な振動エレメントの駆動のための及び前記静電的に励振可能な振動エレメントの変位（ｘ（ｔ））及び/又は運動速度（ｖ（ｔ））の同時決定のための方法において、
振動エレメントの変位（ｘ（ｔ））及び/又は運動速度（ｖ（ｔ））の決定は静電的な励振において流れる励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））に基づいて行われることを特徴とする、静電的に励振可能な振動エレメントの駆動のための及び前記静電的に励振可能な振動エレメントの変位（ｘ（ｔ））及び/又は運動速度（ｖ（ｔ））の同時決定のための方法。
【請求項２】
静電的励振は振動エレメントの両側に振動運動の平面内に設けられたコンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）を用いておこなわれ、該コンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）に印加される励振電圧（Ｕ１（ｔ）、Ｕ２（ｔ））が個別に形成されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
両方のコンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）に印加される励振電圧（Ｕ１（ｔ）、Ｕ２（ｔ））はそれぞれ直流成分（Ｕ０）を有し、該直流成分（Ｕ０）はこれらの両方のコンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）に対して異なる正負の符号を有するコサイン状の交流電圧（Ｕa（ｔ））によって重畳されることを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】
コンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）の中に流れ込む励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））の和が（ｉ１（ｔ）＋ｉ２（ｔ））が変位（ｘ（ｔ））及び/又は運動速度（ｖ（ｔ））の決定のために評価されることを特徴とする、請求項２又は３記載の方法。
【請求項５】
振動エレメントの変位及び/又は運動速度は励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））の和（ｉ１（ｔ）＋ｉ２（ｔ））を介して決定可能なコンデンサ群（Ｃ１、Ｃ２）のキャパシタンス変化（Ｃ１（ｔ）、Ｃ２（ｔ））に基づいて計算されることを特徴とする、請求項４記載の方法。
【請求項６】
振動エレメントは振動運動へとその共振周波数において励振されることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の方法。
【請求項７】
運動速度ｖ（ｔ）は直接的に励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））の和から計算され、ここで
【数１】
2009503472.tif 000019
及び
【数２】
2009503472.tif 000020
が成り立ち、励振電流の和は振動エレメントの運動速度の２倍の周波数を有することを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項記載の方法。
【請求項８】
請求項１〜７のうちの１項記載の方法を実施するための回路装置であって、振動運動に励振可能な少なくとも１つの振動エレメントを有する角速度センサ（４０）ならびに前記振動エレメントの静電的励振のための手段（Ｃ１、Ｃ２）を含む、請求項１〜７のうちの１項記載の方法を実施するための回路装置において、
前記振動エレメントの静電的励振において流れる励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））を測定するための手段（３１、３２、５０）と、前記励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））の和（ｉ１（ｔ）＋ｉ２（ｔ））を形成するための手段、ならびに、前記励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））の和（ｉ１（ｔ）＋ｉ２（ｔ））に基づいて前記振動エレメントの運動速度（ｖ（ｔ））を計算するための手段（５０）を有することを特徴とする、請求項１〜７のうちの１項記載の方法を実施するための回路装置。
【請求項９】
振動エレメントを振動させる手段（Ｃ１、Ｃ２）の容量性変化を測定された励振電流（ｉ１（ｔ）、ｉ２（ｔ））及び励振電圧（Ｕ１（ｔ）、Ｕ２（ｔ））に基づいて計算するための手段、ならびに、前記振動エレメントの変位をキャパシタンス変化に基づいて計算するための手段を有することを特徴とする、請求項８記載の回路装置。
【国際調査報告】
2009503472.tif 000021
2009503472.tif 000022
2009503472.tif 000023
2009503472.tif 000024