(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その基板の面に平行な振動方向で振動状態にもたらすことが可能な少なくとも１つの珪素基板（１）と、該振動方向で振動を励起するための励起手段（２１）と、前記珪素基板（１）上に配置された、該珪素基板（１）の面に対し垂直な第２の方向で変位可能な第１の質量（２）と、該第１の質量（２）の変位を検出するための評価手段（２７）とを備えている形式の回転率センサにおいて、前記珪素基板（１）の面に対して平行な第３の方向で変位可能な第２の質量（８）が前記珪素基板（１）上に配置されていて、第１の質量（２）と第２の質量（８）との変位方向が相互に平行ではなくかつ前記珪素基板（１）の振動方向に対しても平行ではないように配向されており、前記第２の質量（８）の変位を検出するための別の評価手段（２８，２９）が配置されていることを特徴とする、回転率センサ。
【請求項２】
その基板の面に平行な振動方向で振動状態にもたらすことが可能な少なくとも１つの珪素基板（１）と、該振動方向で振動を励起するための励起手段（２１）と、前記珪素基板（１）上に配置された、該珪素基板（１）の面に対し垂直な第２の方向で変位可能な第１の質量（２）と、該第１の質量（２）の変位を検出するための評価手段（２７）とを備え、前記珪素基板（１）の面に対して平行な第３の方向で変位可能な第２の質量（８）が前記珪素基板（１）上に配置されていて、第１の質量（２）と第２の質量（８）との変位方向が相互に平行ではなくかつ前記珪素基板（１）の振動方向に対しても平行ではないように配向されており、前記第２の質量（８）の変位を検出するための別の評価手段（２８，２９）が配置されている第１の回転率センサと、該第１の回転率センサと同じ構造の第２の回転率センサとが１つの共通な支持体上に配置されており、前記第２の回転率センサが前記第１の回転率センサとは、逆位相で振動することを特徴とする、回転率センサ。
【請求項３】
第１乃至第２の質量（２；８）の懸吊装置（３；７，１７，１８，１９）が、前記珪素基板（１）の振動方向の変位に関して高い剛性を発揮しうるように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の回転率センサ。
【請求項４】
第１の質量（２）が珪素板として構成され、該珪素板が前記珪素基板（１）の振動方向に対し垂直に変位可能であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の回転率センサ。
【請求項５】
第２の変位可能な質量（８）が第１の櫛形構造を有し、該第１の櫛形構造が、変位に際し前記第１の櫛形構造とは別の第２の櫛形構造に対し相対的にスライド可能である、請求項１から４までのいずれか１項記載の回転率センサ。
【請求項６】
その基板の面に平行な振動方向で振動状態にもたらすことが可能な少なくとも１つの珪素基板（１）と、該振動方向で振動を励起するための励起手段（２１）と、前記珪素基板（１）上に配置された、該珪素基板（１）の面に対し垂直な第２の方向で変位可能な第１の質量（２）と、該第１の質量（２）の変位を検出するための評価手段（２７）とを備え、前記該珪素基板（１）の面に対して平行な第３の方向で変位可能な第２の質量（８）が前記珪素基板（１）上に配置されていて、第１の質量（２）と第２の質量（８）との変位方向が相互に平行ではなくかつ前記珪素基板（１）の振動方向に対しても平行ではないように配向されており、前記第２の質量（８）の変位を検出するための別の評価手段（２８，２９）が配置されている回転率センサと、該回転率センサと同じ構造の少なくとも１つの回転率センサとが１つの共通な支持体上（２０）の上に配置され、前記両回転率センサが互いに直角に振動し、互いに直交する３つの回転軸線を中心とした前記支持体（２０）の回転が検出可能であることを特徴とする、回転率センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の回転率センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ国特許出願公開第４０３２５５９号明細書によれば、励起手段を用いて振動が励起される振動質量を有し、振動質量上に変位可能な質量が配置されている回転率センサが既に公知である。振動質量が振動させられ、回転率センサが回転させられると、変位可能な質量上にコリオリ力が発生し、該コリオリ力が変位可能な質量を運動せしめる。変位可能な質量の運動は評価手段を介して検出され、ひいてはコリオリ力乃至回転率が検出される。上述の回転率センサにあっては、唯一の回転軸線を中心とした回転率センサの回転だけしか測定することができない。しかし例えば自動車にとっては、走行状況を精確に評価できるように、長手方向軸線及び鉛直方向軸線を中心とした回転を測定することができれば極めて有利である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、長手方向軸線と鉛直方向軸線との両軸線を中心とした回転を測定することができる回転率センサを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、請求項１に記載の特徴によって上記課題を解決することができた。
【０００５】
【発明の効果】
請求項１に記載の特徴を備えた本発明の回転率センサは、２つの軸線を中心にした回転を測定することができるという利点を有している。本発明によれば、２つの軸線を中心とした回転を測定するための回転率センサをコスト的に有利に製造できかつ小さく構成することができる。
【０００６】
請求項２以下に述べられている手段によって、請求項１で述べた回転率センサの別の有利な構成が可能である。少くとも２つの回転率センサが１つの共通な支持体上に配置されていると特に有利である。その場合回転率センサは、互いにそれぞれ直角に位置する少くとも３つの方向のコリオリ力を測定する。このような形式で総ての方向のコリオリ力をコンパクトな構造で検出することができる。
【０００７】
更に同じ構造の２つの回転率センサが配置されていて、これらが逆位相で振動することができるようになっていると有利である。この場合は、回転率センサから発信される信号を減算することによって外部の線形妨害加速度とは無関係で、作用するコリオリ力に比例した信号を得ることができる。
【０００８】
又、質量の懸吊装置が振動質量の振動方向の変位を抑えることができるように構成されていると特に有利である。これによって回転率センサは、振動質量の振動によって発生する妨害に対して不感応になり、かつ測定信号に回転率センサの振動が不都合な影響を及ぼすことがなくなる。
【０００９】
珪素板の形をした第１の質量がウェブに懸吊されて配置されていると、回転率センサの有利な構成が可能である。その場合珪素板は、振動質量の振動方向に対し平行に振動質量上に配置されている。これによって、振動質量の振動方向に対し垂直に作用するコリオリ力を良好に立証することができる。
【００１０】
更に、櫛状の構造体を有する、変位可能な第２の質量が配置されていると有利である。その場合は櫛状の構造体が他の櫛状の構造体と噛み合っていて、この両櫛状の構造体がコンデンサ面を形成している。変位可能な第２の質量は振動質量の振動方向の平面内で変位可能に配置されている。このような形式で、振動質量の振動方向に対し垂直に発生するコリオリ力を精確に立証することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に図示し、次にこれを詳しく説明する。
【００１２】
図１は珪素基板１を示し、該珪素基板１上には４つの接続部材５が装着されている。これらの接続部材５は、これらが方形の角隅点を形成するように配置されている。４つの接続部材５の間には、正方形の珪素板によって形成された第１の質量２が配置されている。この第１の質量２は各角隅部に１つのウェブ３を有している。各ウェブ３は、該ウェブ３に最も近く位置している接続部材５に向って案内されている。このウェブ３も同じ様に珪素から形成されている。第１の質量２は、珪素基板１の上のウェブ３を介して珪素基板１に対し垂直な方向に変位可能に配置されている（図２）。その場合ウェブ３は、珪素基板１に対し第１の質量２の垂直な変位だけが可能なように構成されている。このことは例えば、珪素基板に対し平行な平面内でウェブ３が特に広幅に形成されていることによって達成されている。珪素基板１からは第１の導線４が第１の評価回路２７に案内されている。第１の質量２からは第２の導線１０が第１の評価回路２７の第２の入口に案内されている。
【００１３】
図２は線Ａ−Ａに沿った図１の配置の断面図である。珪素基板１は、２つの接続部材５が取り付けられた方形のブロックとして構成されている。接続部材５の間には第１の質量２が配置されており、該第１の質量２は、それぞれ１つのウェブ３を介してそれぞれ１つの接続部材５に結合されている。図２には、コリオリ力によって発生する第１の質量２の変位は矢印によって概略的に図示されている。
【００１４】
図１及び図２に基く装置は次のように機能する。回転率センサが回転させられ、それによって第１の質量２が、作用するコリオリ力によって珪素基板１に対し垂直に変位すると、評価回路２７がこの変位を例えば電気容量的測定によって検出する。この場合第１の質量２と珪素基板１との協働する表面が電極として構成されている。この変位は所定の回転軸線を中心とした回転に対し比例しているので、回転速度を算出することができる。
【００１５】
図３は回転率センサの平面内で変位可能な加速度センサ２５を示しており、該加速度センサ２５は、方形で縦長の固定部分６，１５が上に配置された珪素基板１から成り、該固定部分６，１５は、相互に平行に配向されていて、相互に固定された距離を有している。固定部分６，１５の端部にはそれぞれ１つの固定ウェブ７，１７，１８，１９が取り付けられており、該固定ウェブ７，１７，１８，１９は、他方の固定部分１５，６に向かって案内されており、かつ両固定部分の間の中央部で第２の質量８に固定されている。この第２の質量８は同じ様に縦長の方形の形状に形成されている。
【００１６】
第２の質量８は４つの固定ウェブ７，１７，１８，１９により変位可能に、かつ珪素基板１上に浮遊した状態に保持されている。固定ウェブ７，１７，１８，１９は、第２の質量８が固定ウェブ７，１７，１８，１９の配向方向に対し直角な方向にだけ移動可能なように構成されている。このことは例えば、固定ウェブ７，１７，１８，１９が幅に比較して大きな高さを有し、高さ方向における固定ウェブ７，１７，１８，１９の曲げは不可能であるが、側方の曲げは良好に可能であることにより達成される。
【００１７】
つまり第２の質量８は、固定部分６，１５の配向方向に対し平行にだけ変位可能である。第２の質量８は第１の固定部分６の方向と第２の固定部分１５の方向とにそれぞれ４つのロッド２４を有し、該ロッド２４は、第２の質量に対し垂直で第１乃至第２の固定部分６，１５の方向に案内されている。これらのロッド２４は、不動に固定された間隔で櫛状に相互に平行に配置されている。第１の固定部分６とロッド２４との間には、第２の固定ウェブ１６が珪素基板１の上に取り付けられている。第２の固定ウェブ１６は、第１の固定部分６に対し平行に配置されていて縦長の方形形状を有している。更に第２の固定ウェブ１６は、第１の固定部分６にほぼ等しい長さを有していて、縦長の方向において第１の固定部分６の曲げウェブ１７，１８によって制限されている。第２の固定ウェブ１６は同じ様にロッド２４を有し、該ロッド２４は第２の質量８に向かって案内されている。第２の固定部分６のロッド２４と、第２の固定ウェブ１６の方向に配置されている、第２の質量８のロッド２４とは、相互に噛み合う２つの櫛構造体を形成している。
【００１８】
同じ様に第２の固定部分１５と第２の質量８との間には第１の固定ウェブ９が配置されており、該第１の固定ウェブ９は、第２の固定部分１５に対し平行に配向されていて縦長の方形形状を有している。第１の固定ウェブ９はロッド２４を有し、該ロッド２４は第２の質量８の方向に配向されていて相互に不動の間隔で配置されている。第１の固定ウェブ９の方向に配置されている第２の質量８のロッド２４と、第２の質量８の方向に配置されている第１の固定ウェブ９のロッドは、同じ様に、相互に噛み合う２つの櫛状の構造体を形成している。
【００１９】
第１の固定ウェブ９と第２の固定ウェブ１６とは珪素基板１に不動に結合されている。第１の固定ウェブ６は第４の導線１２を介して第２の評価回路２８に接続されている。第２の固定ウェブ１６は第３の導線１１を介して第２の評価回路２８に接続されている。第２の固定部分１５は第５の導線１３を介して第３の評価回路２９に接続されている。同じ様に第１の固定ウェブ９は第６の導線１４を介して第３の評価回路２９に接続されている。
【００２０】
図３に基く装置は次のように機能する。作用するコリオリ力によって第２の質量８が変位した場合には、第２の質量８のロッド２４の間隔が、第１の固定ウェブ９のロッド２４と第２の固定ウェブ１６のロッド２４とに対して相対的に変化する。この間隔の変化は第２の評価回路２８と第３の評価回路２９とにより、電気容量的な測定によって検出される。つまり第２の質量８の変位が電気容量的な測定を介して検出可能である。
【００２１】
図４は、それぞれ１つの珪素基板１から成る２つの回転率センサ３０，３１を示している。該珪素基板１は縦長の方形形状を有している。珪素基板１の角隅部はそれぞれ１つの振動ウェブ２３を介してフレーム２０に結合されている。このフレーム２０は単数又は複数の回転率センサのための支持体として構成されている。回転率センサ３０，３１の珪素基板１上には、図１及び図３に相応するそれぞれ１つの加速度センサ２５，２６が取り付けられている。これらの加速度センサ２５，２６に所属する、図１及び図３に相応する第１、第２及び第３の評価回路２７，２８，２９は、簡素化のため図４には図示されていない。
【００２２】
フレーム２０は同じ様に珪素から形成されている。フレーム２０の代りに珪素板が配置されていても宜い。第１及び第２の回転率センサ３０，３１は振動ウェブ２３を介して変位可能に支承されている。図４には、第１及び第２の回転率センサ３０，３１を振動させる駆動手段２１が概略的に示されている。回転率センサ３０，３１は相互に平行に配置されている。回転率センサ３０，３１の振動質量２２の振動方向は、珪素基板１の長手方向に対し垂直に配向されている。振動方向は、符号ｖで示した矢印の形状で図４の傍に示してある。水平な加速度センサ２５は回転率センサ３０，３１上に、変位がコリオリ力の作用に基いて珪素基板１に対し平行に行われるように配置されている。水平な加速度センサ２５の変位方向は符号ａ１で表わした矢印で図示されている。コリオリ力方向ａ１に所属する回転率センサの回転軸線は、符号ｗ１で図４に図示されている。
【００２３】
プレートとして構成された加速度センサ２６は、珪素基板１に対し垂直な方向のコリオリ力を測定する。これに対応する方向は符号ａ２の矢印で図４に示されている。コリオリ力の方向ａ２には符号ｗ２の矢印で表わされた回転率センサの回転軸線が対応している。
【００２４】
図４に基く装置は次の様に機能する。第１及び第２の回転率センサ３０，３１の振動質量には駆動手段２１を介して図示の方向ｖに相応する振動が与えられる。フレーム２０と共に全装置が第１の回転軸線ｗ１を中心として回転させられると、水平な加速度センサ２５の第２の質量８がａ１の方向に変位し、かつ第２及び第３の評価回路２８，２９がその変位から、ａ１方向での相応するコリオリ力を検出する。
【００２５】
フレーム２０が回転率センサ３０，３１と共に第２の回転軸線ｗ２を中心として回転させられると、鉛直な加速度センサ２６の第１の質量２が振動質量２２に向かって変位する。この変位は第１の評価回路２７を介して測定され、該変位からａ２方向に作用するコリオリ力が算出される。この様な形式で、第１方向ａ１及び第２方向ａ２によって規定された平面内に位置するコリオリ力が検出される。
【００２６】
駆動手段（作動手段）２１は電磁式、熱機械式又はその他の励起方法で作業する。図示の構造は、有利には単結晶の珪素ウエハから表面精密機械技術的に又はバルク精密機械技術的に組織パターン加工される。この場合乾式化学エッチング又は湿式化学エッチングのような公知の方法が使用される。更にＫＯＨ又は乾式化学エッチングを用いた異方性の電気化学的なエッチングも使用可能である。第１、第２及び第３の評価回路２７，２８，２９も同じ様に珪素ウエハ内に組み込まれていることができる。
【００２７】
回転率センサ３０，３１は駆動手段（励起手段）２１によって逆位相振動で励起されることもできる。回転率センサ３０，３１が逆位相振動する場合には、水平な加速度センサ２５によって検出された信号及び鉛直な加速度センサ２６によって検出された信号が、それぞれ互いに減算される。この差異の形成によって、水平な加速度センサ２５乃至鉛直な加速度センサ２６の横方向加速度の相殺が振動励起によって実現される。
【００２８】
第３の回転軸線を検出するため別の回転率センサを配置することができる。該回転率センサは、第３の回転軸線を中心に回転した場合に、コリオリ力が図１乃至図３に図示された原理に相応して検出されうるように構成されている。図面に図示された加速度センサは勿論、別の測定原理に基いて構成された加速度センサによって代えることができる。図４に図示された回転率センサ３０，３１は、これらが互いに直角に振動するように配置することも可能である。同じ様に、相互に平行に又は相互に垂直に振動する回転率センサを任意に組み合わせることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】変位可能な第１の質量を示した図である。
【図２】変位可能な第１の質量の横断面図である。
【図３】櫛状構造体を備えた変位可能な第２の質量を示した図である。
【図４】２つの回転率センサを示した図である。
【符号の説明】
１    珪素基板
２    質量
３    ウェブ
４    導線
５    接続部材
６    固定部分
７    固定ウェブ
８    質量
９    固定ウェブ
１０，１１，１２，１３，１４    導線
１５    固定部分
１６，１７，１８，１９    固定ウェブ
２０    フレーム
２１    駆動手段
２２    振動質量
２３    振動ウェブ
２５，２６    加速度センサ
３０，３１    回転率センサ
ａ１，ａ２    コリオリ力の方向
ｖ    振動方向
ｗ２，ｗ１    回転軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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