(57)【要約】  本発明は、基板（１０）と、支承体（２０）と、平面状の駆動振動運動を実施するために前記支承体（２０）にばね（３０）によって回転可能に懸架された振動構造（４０）と、該振動構造（４０）の平面状の駆動振動運動を生成する駆動手段とを備えるヨーレートセンサに関する。本発明の核は、該ヨーレートセンサは、第１回転軸における回転を検出するための第１評価手段と、第２回転軸における回転を検出するための第２評価手段とを有することにある。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１０）と、支承体（２０）と、平面状の駆動振動運動を実施するために前記支承体（２０）にばね（３０）によって回転可能に懸架された振動構造（４０）と、該振動構造（４０）の平面状の駆動振動運動を生成する駆動手段とを備えるヨーレートセンサにおいて、
該ヨーレートセンサは、第１回転軸における回転を検出するための第１評価手段と、第２回転軸における回転を検出するための第２評価手段とを有する、
ことを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項２】
前記振動構造（４０）は、主延在平面（ｘ、ｙ）を備える基板によって懸架されており、高さ軸（ｚ）の周りの駆動振動運動を実施する、
ことを特徴とする請求項１記載のヨーレートセンサ。
【請求項３】
前記２つの回転軸は前記基板平面に位置する、
ことを特徴とする請求項１または２記載のヨーレートセンサ。
【請求項４】
前記第１回転軸はｘ軸に相応し、前記第２回転軸はｙ軸に相応する、
ことを特徴とする請求項３記載のヨーレートセンサ。
【請求項５】
前記振動構造（４０）は、前記支承体（２０）から前記振動構造の外縁までの第１最大面積を有し、
前記駆動手段は、前記支承体（２０）から前記駆動手段の外縁までの第２最大面積を有し、
前記第２最大面積は前記第１最大面積よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のヨーレートセンサ。
【請求項６】
４つのばね（３０）または４の整数倍個のばね（３０）が設けられている、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載のヨーレートセンサ。
【請求項７】
前記ばね（３０）は幾重にも折り畳まれている、とりわけメアンダ形状に構成されている、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載のヨーレートセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
先行技術
本発明は、基板と、支承体と、平面状の駆動振動運動を実施するために前記支承体にばねによって回転可能に懸架された振動構造と、該振動構造の平面状の駆動振動運動を生成する駆動手段とを備えるヨーレートセンサから出発する。
【０００２】
検出軸（受感軸）を備えるマイクロメカニカルヨーレートセンサは種々異なる用途のために使用される。この用途とは、例えば自動車においては横滑り防止プログラムＥＳＰ、ナビゲーション、および閃絡測定等であり、家庭用電気機器においては、手ぶれ補正機構、動作検出機構、およびナビゲーションの分野での用途がある。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許公開公報ＤＥ１９５２３８９５Ａ１からは、１つの検出軸を備えるマイクロメカニカルヨーレートセンサが公知であり、ここでは撓みばねによって中心に懸架されたロータ質量が回転による振動のために励振され、コリオリ効果によってヨーレートが発生すると傾く。この振れは、基板上の導電性層に設けられた電極によって検出される。
【０００４】
デジタルカメラにおける手ぶれ補正機構等、用途の数が増加しているので、多軸のヨーレートセンサが要求されている。このような目的のために、これまでは一般的に複数個の１チャネルのセンサが、隣り合って配置されるか、または、必要とされる受感回転軸の組み合わせに応じてアップライトに直立されたプリント基板に亘って取り付けられていた。
【０００５】
別個の第２の１チャネルのヨーレートセンサを使用することは、コスト、所要スペース、電流要求、および２つの軸の方向付け精度の点で不利である。
【０００６】
発明の概要
発明の利点
本発明は、基板と、支承体と、平面状の駆動振動運動を実施するために前記支承体にばねによって回転可能に懸架された振動構造と、該振動構造の平面状の駆動振動運動を生成する駆動手段とを備えるヨーレートセンサから出発する。本発明の核は、ヨーレートセンサが、第１回転軸における回転を検出するための第１評価手段と、第２回転軸における回転を検出するための第２評価手段とを有することにある。
【０００７】
本発明は有利には、２つの受感軸を備える回転ヨーレートセンサを提供する。これにより１つのチップ上で２つの測定軸を同時に評価することが可能となる。このセンサは、チップ平面に位置する２つの回転軸ｘ、ｙに対して受感する。
【０００８】
ここからさらなる利点が生じる。センサコアは、同等の規格要求を有する１チャネルのセンサよりもほんの僅かに大きいだけである。
【０００９】
電流要求は、２つの１チャネルセンサのための電流要求よりも格段に小さい。一方では、２つの測定軸のために１つの駆動回路しか必要とせず、他方では、とりわけデジタル評価回路を使用する場合に、より大きな回路機能ブロックを時分割多重化によって２つの検出チャネルのために共通に使用することができる。構成素子のマイクロメカニカル技術による精密な製造は、高対称性なセンサデザインとともに、２つの測定チャネルの良好に調和した性能および感度を保証する。これに加えて２つの測定軸の相対的な方向づけはデザインによって与えられており、２つの１チャネルセンサを取り付ける際のように構造技術および接続技術における公差によって阻害されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、従来技術によるヨーレートセンサのマイクロメカニカルな機能部分を示す図である。
【図２】図２は、図１のヨーレートセンサのマイクロメカニカルな機能部分の概略平面図である。
【図３】図３は、２つの受感軸を備える本発明のヨーレートセンサを示す図である。
【図４】図４ＡおよびＢは、本発明のヨーレートセンサの懸架構造の２つの実施形態を示す図である。
【図５】図５は、自己診断電極を備える本発明のヨーレートセンサを示す図である。
【図６】図６は、拡大された駆動手段を備える本発明のヨーレートセンサを示す図である。
【００１１】
実施例
各図には本発明の実施形態が例として示されており、これらの実施形態を以下で説明する。
【００１２】
図１は、従来技術によるヨーレートセンサのマイクロメカニカルな機能部分を示す図である。ヨーレートセンサは概略断面図にて図示されている。ここに図示されているのは、基板または支持体１０、懸架ばねまたは振動ばね３０を備えるボス２０、および、振動質量４０である。ボス２０は支持体１０と接続されている。ボスは振動ばね３０によって振動質量４０とも接続されている。ヨーレートセンサは櫛状構造CA1、CA2の形態の駆動手段を有し、これらの駆動手段は振動Ｖの駆動のために使用される。振動のために励振可能なサイズモ質量、すなわち振動質量４０の駆動は、例えばCA1のような駆動構造の２つの櫛部が異なる電位に充電される２つの電極であることによって実施される。相補的な櫛部は静電引力によって互いに引き寄せ合われ、これによって振動質量４０が振り出される。ヨーレートセンサはさらに櫛状構造CD1、CD2を有する。これらの櫛状構造CD1、CD2は駆動振動の振幅を検出するために適しており、該櫛状構造の信号は一般的にこの振幅の制御のために使用される。最後にヨーレートセンサは、コンデンサ構造CS1、CS2の形態の検出手段を有する。これらのコンデンサ構造CS1、CS2は、コリオリ力FCの作用による振動質量の振れを測定するために使用される。
【００１３】
ヨーレートセンサの動作中、振動質量４０はボス２０の周りの球面軌道Ｖにて振動する。ヨーレートセンサは、受感軸、すなわち回転軸Ωの周りの規定通りの回転を検出する。センサがΩの周りでこのように回転すると規則通りにコリオリ力FCが発生し、このコリオリ力によって振動質量４０は、振動平面に対して垂直な矢印によって図示された方向に振り出される。コリオリ力FCの方向感覚は、振動質量４０の回転振動Vの方向感覚によってその都度変化する。
【００１４】
図２は、図１のヨーレートセンサのマイクロメカニカルな機能部分の概略平面図である。ここに図示されているのは、駆動櫛部CA11、CA12、CA21、CA22と、検出櫛部CD11、CD12、CD21、CD22である。駆動櫛部CA11、CA12は、振動質量４０を＋Ｖの方向に駆動するために使用される。駆動櫛部CA21、CA22は、振動質量４０を−Ｖの方向に駆動するために使用される。検出櫛部CD11、CD12、CD21、CD22は、２つの方向＋Ｖおよび−Ｖへの駆動振れの振幅を測定するために使用される。コンデンサ形態の櫛状構造CD11、CD12、CD21、CD22の容量は、櫛部の互いへの挿入深さ、ひいてはコンデンサプレートの相互の重複面に依存している。電極CT1およびCT2は診断電極（Testelektrode）である。診断電極CT1およびCT2に電圧を印加することによって、振動質量４０をコリオリ力FCの方向へ振り出すことができる。このようにしてコリオリ力FCの作用をシミュレートし、振動質量４０の振れ特性（Auslenkbarkeit）を診断ないしテストすることができる。このようにしてセンサの機能性をチェックすることが可能である。
【００１５】
図３は、２つの受感軸を備える本発明のヨーレートセンサを示す図である。本発明のヨーレートセンサは、上述した従来技術によるヨーレートセンサから発展している。本発明の２チャネルの（というのは２つの受感軸が装備されているから）ヨーレートセンサは、同じ表面マイクロメカニカル技術による製造工程において製造することができる。従来技術の１チャネルのヨーレートセンサが、ｘ軸およびｙ軸に関して、ばね３０による懸架構造のばね剛性および慣性モーメントの点で著しく非対称である一方で、２チャネル構造のデザインは、前記２つの軸に関して非常に対称的である。ロータ４０は、ばね３０によって基板１０と接続されており、このばね３０は中心へ内側へと通じており、ボス２０の中心近傍に懸架されている。この構造は、駆動櫛部によって高さ軸（ｚ軸）を中心に回転される。駆動検出櫛部はこのシステムの振れを測定して信号を制御回路に供給する。この制御回路によってセンサは自身の駆動周波数にて安定的に動作することができる。ｘ軸の周りにヨーレートが発生する場合、コリオリ効果に基づいてｙ軸の周りにロータの回転が生じる。逆に、ｙ軸の周りにヨーレートが発生する場合には、ロータの回転はｘ軸の周りに生じることとなる。４つの"ローターアーム"、すなわちばね３０の下には、埋め込まれた基板１０の導体路平面に、構造化された電極面の形態の検出手段が位置している。これらの検出手段は、ロータの傾きを、この傾きの結果として生じる容量変化によって検出する。第１検出手段ないし第２検出手段の、互いに反対側に位置する電極の差信号Cx,p−Cx,nないしCy,p−Cy,nから、ｘ軸ないしｙ軸の周りのヨーレートを導出することが可能である。理想的対称な構造の場合には、ｘ軸の周りのヨーレートはｙチャネルおける信号を導かず、またその逆も同様である。
【００１６】
図４ＡおよびＢは、本発明のヨーレートセンサの懸架構造の２つの実施形態を示す図である。駆動運動および検出運動における正確な固有周波数域は、とりわけセンサの感度および電流消費に著しい影響を及ぼす。したがってばねの幾何学的形状は、所望の周波数を獲得するために相応に構成しなければならない。このために、図２で概略的に示されているような簡単な撓みばねを使用することは一般的には充分でない。むしろばね３０は複雑な幾何学的形状を有するだろう。これは例えば図４ＡおよびＢに図示するようなメアンダ状に構成されたばねとすることができる。ばね３０の数を変更することもできるが、対称性の理由から４の倍数であると有利である。他方で、８つより多くのばねは殆ど意味をなさない。なぜなら非常に多くのスペースが必要とされ、結果的に生じるばね剛性は、大抵の用途のためには高すぎるからである。
【００１７】
図５は、自己診断電極を備える本発明のヨーレートセンサを示す。図面に図示するように基板１０上において検出電極Cx,iおよびCy,i (i=p,n)の部分領域を切り欠くことができ、この部分領域を、別個にコンタクト可能な診断電極Tx,iおよびTy,i (i=p,n)のために使用することが可能である。これらの診断電極を介して電力を給電することができ、その結果として生じるセンサエレメント４０の傾きは、ヨーレートに基づく傾きと同じように通常の検出電極Cx,iおよびCy,i (i=p,n)によって測定することができる。このようにしてセンサの簡単な自己診断が可能である。
【００１８】
図６は、拡大された駆動手段を備える本発明のヨーレートセンサを示す図である。従来技術による実施形態と比べて駆動振幅を拡大するために、および、所要の駆動電圧（ひいては電流消費）を低減するために、付加的な駆動櫛部による駆動容量の増加が望ましいだろう。ここに記載されたマイクロメカニカルヨーレートセンサは、表面マイクロメカニカル技術によってコスト的に有利に製造されている。この際多数のセンサを備える１つの半導体基板が、加工処理後に、それぞれセンサエレメントを支持する複数の矩形のパーツに個別化される。本発明によれば、駆動電極櫛部は、実質的に矩形の基板１０の対角線に沿って延在している。電極がチップの対角線に伸張しているので、矩形のチップの面積を拡大することなしに本来のロータ半径を超えた駆動電極櫛部の延長が実現可能となり、ひいてはより多くの駆動櫛部ないし駆動検出櫛部を設けることが可能となる。駆動モーメントの生成の場合にはちょうど外側の櫛部が特に効率的であるので、櫛部の数を少し増やすだけで非常に有利である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年10月1日(2010.10.1)
【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】
基板（１０）と、支承体（２０）と、平面状の駆動振動運動を実施するために前記支承体（２０）にばね（３０）によって回転可能に懸架された振動構造（４０）と、該振動構造（４０）の平面状の駆動振動運動を生成する駆動手段とを備えるヨーレートセンサにおいて、
該ヨーレートセンサは、第１回転軸における回転を検出するための第１評価手段と、第２回転軸における回転を検出するための第２評価手段とを有する、
ことを特徴とするヨーレートセンサ。
【請求項２】
前記振動構造（４０）は、主延在平面（ｘ、ｙ）を備える基板によって懸架されており、高さ軸（ｚ）の周りの駆動振動運動を実施する、
ことを特徴とする請求項１記載のヨーレートセンサ。
【請求項３】
前記２つの回転軸は前記基板平面に位置する、
ことを特徴とする請求項１または２記載のヨーレートセンサ。
【請求項４】
前記第１回転軸はｘ軸に相応し、前記第２回転軸はｙ軸に相応する、
ことを特徴とする請求項３記載のヨーレートセンサ。
【請求項５】
前記振動構造（４０）は、前記支承体（２０）から前記振動構造の外縁までの第１最大面積を有し、
前記駆動手段は、前記支承体（２０）から前記駆動手段の外縁までの第２最大面積を有し、
前記第２最大面積は前記第１最大面積よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のヨーレートセンサ。
【請求項６】
４つのばね（３０）または４の整数倍個のばね（３０）が設けられている、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載のヨーレートセンサ。
【請求項７】
前記ばね（３０）は幾重にも折り畳まれて構成されている、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載のヨーレートセンサ。
【国際調査報告】
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