(57)【要約】本発明は、周期的な駆動電圧が静電的に印加される振動駆動部（ＫＡ１，ＫＩ１，ＫＡ２，ＫＩ２）によって、永続的な、周期的な振動（γ（ｔ））を励振する片持ちばね部材（１，２）に加わる偏向を検出することができるマイクロメカニカルモーションセンサに関する。片持ちばね部材（１，２）の共振周波数特性の生起した非直線性を補償するために、既存のカム駆動部（ＫＡ１，ＫＩ１，ＫＡ２，ＫＩ２）に、通常の駆動電圧信号と補償駆動信号との和（ＵＰＫＡ，Ｇｅｓ，ＵＰＫＩ，Ｇｅｓ）を印加することができる。択一的な実施例では、振動駆動のために使用されるカム駆動ユニット（ＫＡ１，ＫＩ１，ＫＡ２，ＫＩ２）に対して付加的に、別個の補償カム駆動ユニットを設けることができ、この補償カム駆動ユニットに、非直線性を補償する補償電圧信号が印加される（図３）。
2006525491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
片持ちばね部材（１，２）が、振動することができるように支承されており、前記片持ちばね部材（１，２）は、周期的な駆動電圧が静電的に印加される振動駆動によって、永続的な、周期的な振動（γ（ｔ））が励振され、前記片持ちばね部材（１，２）に加わる偏向を検出することができるマイクロメカニカルモーションセンサにおいて、
片持ちばね部材（１，２，ｍ１，ｍ２，Ｆ１−Ｆ４，ＦＣ）に作用する（ａｎｇｒｅｉｆｅｎｄｅ）静電的な補償駆動手段が設けられており、前記補償駆動手段には、前記片持ちばね部材（１，２，ｍ１，ｍ２，Ｆ１−Ｆ４，ＦＣ）の共振周波数特性の非直線性の補償のために適した周期的な補償電圧が印加されていることを特徴とするマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項２】
マイクロメカニカルモーションセンサは、リニア振動子として構成されており、該リニア振動子では、片持ちばね部材は、中央に設けられた連結ばね（ＦＣ）によって結合されていて、対称的なばね懸架部（Ｆ１−Ｆ４）によって直線振動することができるように支承された、複数の振動質量体（ｍ１，ｍ２）からなる系を有しており、振動駆動部（ＫＩ，ＫＡ）によって、横方向面（ｘ，ｙ）内で、休止位置（Ｏ１，Ｏ２）を中心にして同じ大きさの正の偏向（ｉ１，ｉ２）及び負の偏向（ａ１，ａ２）で直線振動するように励振され、
各々前記正の偏向（ｉ１，ｉ２）及び前記負の偏向（ａ１，ａ２）用の前記振動質量系の前記振動質量体（ｍ１，ｍ２）の励振用の振動駆動部は、各々少なくとも１つの、制御ユニット（３）によって制御されるカム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＩ２，ＫＡ１，ＫＡ２）を有しており、該カム駆動ユニットの駆動力は、前記振動質量系に、当該振動質量系の横方向面（ｘ，ｙ）内で相互に各々、前記振動質量系の前記各振動質量体（ｍ１，ｍ２）に対向する複数の作用点で、前記振動質量系の前記振動質量体（ｍ１，ｍ２）を当該振動質量体の各々の休止位置（Ｏ１，Ｏ２）を中心にして励振するように作用し、前記振動質量系の前記各振動質量体（ｍ１，ｍ２）用の補償駆動手段は、少なくとも１つのカム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＩＫ２，ＫＡＫ１，ＫＡＫ２）を有しており、前記カム駆動ユニットは、前記振動質量系の前記各振動質量体（ｍ１，ｍ２）の各作用点に作用するように構成されている請求項１記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項３】
マイクロメカニカルモーションセンサは、回転速度センサとして構成されており、該回転速度センサで、片持ちばね部材（１，２）は、中央に設けられたＸばね（２）によって中央で支承された中心対称に構成された振動質量体（１）を有しており、該振動質量体は、振動駆動部（ＫＩ，ＫＡ）によって、横方向面（ｘ，ｙ）内で、休止位置（Ｏ）を中心にして同じ大きさの正及び負の偏向（ｉ，ａ）で回転振動するように励振され、
各々正の偏向及び負の偏向（ｉ，ａ）用の振動質量体（１）の励振用の振動駆動部は、各々少なくとも１つの、制御ユニット（３）によって、周期的な駆動電圧で制御されるカム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＩ２，ＫＡ１，ＫＡ２）を、前記振動質量体（１）の励振のために有しており、該振動質量体の駆動力は、当該振動質量体（１）に、少なくとも１つの、当該振動質量体の横方向面（ｘ，ｙ）内に位置している作用点（Ｐ１，Ｐ２）に、前記カム駆動ユニットが前記振動質量体（１）を、当該振動質量体の休止位置（Ｏ）を中心にして対称的に励振するように接線方向に作用し、補償駆動手段は、少なくとも１つのカム駆動ユニットを有しており、該カム駆動ユニットは、同じ作用点（Ｐ１，Ｐ２）で、及び/又は、前記振動質量体（１）の中心（Ｚ）に対して同じ間隔で対向して位置している第２の作用点（Ｐ２，Ｐ１）で作用するように構成されている
請求項１記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項４】
補償駆動手段の少なくとも１つのカム駆動ユニットは、振動駆動部の補償駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＩ２，ＫＡ１，ＫＡ２）の少なくとも１つであり、制御ユニット（３）を有しており、該制御ユニットの駆動電圧（ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ，ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂ）は、補償電圧（ＵＰＫＩ，Ｋｏｍｐ，ＵＰＫＡ，Ｋｏｍｐ）と重畳されて、全励振電圧（ＵＰＫＩ，Ｇｅｓ，ＵＰＫＡ，Ｇｅｓ）を形成する
請求項２又は３記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項５】
補償駆動手段の少なくとも１つのカム駆動ユニットは、付加的な補償カム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＩＫ２，ＫＡＫ１，ＫＡＫ２）であり、該補償カム駆動ユニットには、制御ユニット（３）により、補償電圧（ＵＰＫＩ，Ｋｏｍｐ，ＵＰＫＡ，Ｋｏｍｐ）だけが、別個に供給されるように構成されている
請求項２又は３記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項６】
振動駆動部は、４つの対称的なカム駆動ユニット（ＫＡ１，ＫＡ２，ＫＩ１，ＫＩ２）を有しており、前記各カム駆動ユニットのうち、各々正の偏向及び負の偏向（ｉ，ａ）用の第１及び第２のカム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＡ１）は、振動質量体（１）への第１の共通の作用点（Ｐ１）を有する第１の対を形成し、第３及び第４のカム駆動ユニット（ＫＩ２，ＫＡ２）は、共通の第２の作用点（Ｐ２）で前記振動質量体（１）に作用する、各々正の偏向及び負の偏向（ｉ，ａ）用の第２の対を形成し、
各前記対の両カム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＡ１及びＫＩ２，ＫＡ２）は、相互に対向しており、且つ、前記振動質量体の休止位置（Ｏ）を定義して、中心を通っている仮想線に対して平行に、正の偏向（ｉ）用のカム駆動ユニットの駆動力及び負の偏向（ａ）用のカム駆動ユニットの駆動力が加算されるように設けられており、
制御ユニット（３）は、駆動電圧（ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ）を正の偏向（ｉ）用のカム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＩ２）に、負の偏向（ａ）用のカム駆動ユニット（ＫＡ１，ＫＡ２）用の駆動電圧（ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂ）に対して逆相に供給するように構成されている請求項３から５迄の何れか１記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。  
【請求項７】
補償駆動手段は、各々正の偏向（ｉ）及び負の偏向（ａ）用の付加的な２つの補償カム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＡＫ２）を有しており、該補償カム駆動ユニットは、各々第１及び第２の共通の作用点（Ｐ１，Ｐ２）にて振動質量体（１）に作用して、前記補償カム駆動ユニットの作用力が前記正の偏向（ｉ）及び前記負の偏向（ａ）に対して各々加算されるように設けられており、制御ユニット（３）は、補償電圧（ＵＰＫＩ，Ｋｏｍｐ）を前記正の偏向（ｉ）用の補償カム駆動ユニット（ＫＩＫ１）に、前記負の偏向（ａ）用の補償カム駆動ユニット（ＫＡＫ２）に供給される補償電圧（ＵＰＫＡ，Ｋｏｍｐ）に対して逆相で供給される及び請求項５又は６記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項８】
補償駆動手段は、４つの付加的な補償カム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＡＫ２，ＫＩＫ２，ＫＡＫ２）を有しており、該補償カム駆動ユニットのうち、第１及び第２のカム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＡＫ２）は、各々正の偏向（ｉ）及び負の偏向（ａ）用に第１の対を形成し、該第１の対は、第１の共通の作用点（Ｐ１）で振動質量体（１）に作用し、第３及び第４のカム駆動ユニット（ＫＩＫ２，ＫＡＫ２）は、各々前記正の偏向（ｉ）及び前記負の偏向（ａ）のために第２の対を形成し、該第２の対は、第２の共通の作用点（Ｐ２）で、前記振動質量体（１）に作用し、
各対の両補償カム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＡＫ１及びＫＩＫ２，ＫＡＫ２）は、相互に対向しており、前記振動質量体（１）の休止位置（Ｏ）を定義して、当該振動質量体（１）を通る仮想線の中心に対して、前記正の偏向（ｉ）用の前記補償カム駆動ユニット及び前記負の偏向（ａ）用の前記補償カム駆動ユニットの駆動力が各々加算されるように設けられており、
制御ユニット（３）は、補償電圧を、前記負の偏向（ａ）用の前記補償カム駆動ユニット（ＫＡＫ１，ＫＡＫ２）のための補償電圧に対して逆相で前記正の偏向（ｉ）用の前記補償カム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＩＫ２）に供給する請求項５又は６記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項９】
振動質量系は、第１の振動質量体（ｍ１）及び第２の振動質量体（ｍ２）を有しており、前記第１の振動質量体（ｍ１）及び第２の振動質量体（ｍ２）は、中央の連結ばね（ＦＣ）によってばね弾性に連結されており、振動駆動部は、４つのカム駆動ユニット（ＫＡ１，ＫＡ２，ＫＩ１，ＫＩ２）を有しており、該４つのカム駆動ユニットのうち、第１及び第２のカム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＡ１）は、各々正の偏向（ｉ１）及び負の偏向（ａ１）に対して第１の対を形成し、前記第１の対は、前記第１の振動質量体（ｍ１）に作用し、第３及び第４のカム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＡ２）は、各々正及び負の偏向（ｉ２，ａ２）用の第２の対を形成し、前記正及び負の偏向（ｉ２，ａ２）用の前記第２の対は、第２の振動質量体（ｍ２）に作用し、前記各対の前記両カム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＡ１及びＫＩ２，ＫＡ２）は、各々の振動質量体（ｍ１，ｍ２）に相互に対向して、正の偏向（ｉ１，ｉ２）用のカム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＩ２）の駆動力及び負の偏向（ａ１，ａ２）用のカム駆動ユニット（ＫＡ１，ＫＡ２）の駆動力が加算されるように設けられており、制御ユニット（３）は、駆動電圧（ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ）を、正の偏向（ｉ１，ｉ２）用のカム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＩ２）に、負の偏向（ａ１，ａ２）用のカム駆動ユニット（ＫＡ１，ＫＡ２）用の駆動電圧（ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂ）に対して逆相で供給する請求項２，４又は５記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項１０】
補償駆動手段は、４つの付加的な補償カム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＡＫ１，ＫＩＫ２，ＫＡＫ２）を有しており、該補償カム駆動ユニットのうち、第１及び第２の補償カム駆動ユニットは、各々正の偏向（ｉ１）及び負の偏向（ａ１）に対して第１の対を形成し、該第１の対は、第１の振動質量体（１）に作用し、第３及び第４の補償カム駆動ユニットは、各々正の偏向（ｉ２）及び負の偏向（ａ２）に対して第２の対を形成し、該第２の対は、第２の振動質量体（１）に作用し、
前記各対の前記両補償カム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＡＫ１及びＫＩＫ２，ＫＡＫ２）は、各々の振動質量体（ｍ１，ｍ２）に、当該補償カム駆動ユニットの駆動力が正の偏向（ｉ１，ｉ２）及び負の偏向（ａ１，ａ２）に対して各々加算されるように相互に対向して設けられており、
制御ユニット（３）は、補償電圧を正の偏向（ｉ１，ｉ２）用の補償カム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＩＫ２）に、負の偏向（ａ１，ａ２）用の補償カム駆動ユニット（ＫＡＫ１，ＫＡＫ２）用の補償電圧に対して逆相に供給する請求項９記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項１１】
制御ユニット（３）は、正の偏向（ｉ；ｉ１，ｉ２）用のカム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＩ２）に対する駆動電圧（ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ）を、振動質量体（１；ｍ１，ｍ２）の振動（γ（ｔ））の各正のゼロ点通過に対してほぼ対称的に形成し、負の偏向（ａ；ａ１，ａ２）用のカム駆動ユニット（ＫＡ１，ＫＡ２）に対する駆動電圧（ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂ）を、前記振動質量体（１；ｍ１，ｍ２）の前記振動（γ（ｔ））の各負のゼロ点通過に対してほぼ対称的に形成する請求項２から１０迄の何れか１記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項１２】
制御ユニット（３）は、正の偏向（ｉ；ｉ１，ｉ２）用の補償カム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＩＫ２）に対する補償電圧（ＵＰＫＩ，Ｋｏｍｐ）を、振動質量体（１；ｍ１，ｍ２）の振動（γ（ｔ））の各正の振動周期のほぼ１／４（π／２）だけ負の偏向（ａ；ａ１，ａ２）用のカム駆動ユニット（ＫＡ１，ＫＡ２）に対する駆動電圧（ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂ）に対して遅延させて形成し、負の偏向（ｉ；ｉ１，ｉ２）用の補償カム駆動ユニット（ＫＡＫ１，ＫＡＫ２）に対する補償電圧（ＵＰＫＡ，Ｋｏｍｐ）を、振動質量体（１）の振動（γ（ｔ））の振動周期のほぼ１／４（π／２）だけ正の偏向（ｉ；ｉ１，ｉ２）用のカム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＩ２）に対する駆動電圧（ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ）に対して遅延させて形成する請求項７から１１迄の何れか１記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項１３】
制御ユニット（３）は、振動駆動体のカム駆動ユニット（ＫＩ１，ＫＩ２，ＫＡ１，ＫＡ２）用の駆動電圧（ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ，ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂ）を各々矩形パルスとして形成し、該矩形パルスのパルス持続期間は、各々振動質量体（１；ｍ１，ｍ２）の振動（γ（ｔ））の振動周期の１／２周期期間であり、補償カム駆動ユニット（ＫＩＫ１，ＫＩＫ２，ＫＡＫ１，ＫＡＫ２）に対する補償電圧（ＵＰＫＩ，Ｋｏｍｐ，ＵＰＫＡ，Ｋｏｍｐ）を、各々振動質量体（１；ｍ１，ｍ２）の振動（γ（ｔ））と同じ周期の調和振動の半波として形成する請求項２から１２迄の何れか１記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項１４】
制御ユニット（３）は、駆動電圧（ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ，ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂ）よりも大きな振幅の補償電圧（ＵＰＫＩ，Ｋｏｍｐ，ＵＰＫＡ，Ｋｏｍｐ）を形成する請求項１３記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項１５】
補償カム駆動ユニット（ＫＡＫ１，ＫＡＫ２，ＫＩＫ１，ＫＩＫ２）の有効作用半径乃至有効作用距離は、駆動手段のカム駆動ユニット（ＫＡ１，ＫＡ２，ＫＩ１，ＫＩ２）の有効作用半径乃至有効作用距離よりも大きい請求項２から１４迄の何れか１記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【請求項１６】
制御ユニット（３）は、理想的な補償電圧信号を微細な段階の階段状信号によって近似する請求項２から１５迄の何れか１記載のマイクロメカニカルモーションセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、片持ちばね部材が、振動することができるように支承されており、片持ちばね部材は、周期的な駆動電圧が静電的に印加された振動駆動によって、永続的な、周期的な振動が励振され、片持ちばね部材に加わる偏向を検出することができるマイクロメカニカルモーションセンサに関する。特に、片持ちばね及びカム駆動部を使う、そのようなマイクロメカニカルモーションセンサは、米国特許第５０２５３４６号明細書に記載されている。
【０００２】
片持ちばねは、比較的大きな偏向の際に非直線性の効果を示す。出願人のところで製造されるマイクロメカニカル回転速度センサ（ロバート・ボッシュＧｍｂＨ型番号：ＭＭ２Ｒ）の場合、回転子は、回転点でＸばねに懸架されている（添付図面３参照）。±４°の偏向がある場合、この非直線性の効果は、明らかに検知可能である。この効果は、系の共振周波数のずれによって生じる。付加的に、非直線性の結果、複数の安定駆動状態の領域を形成することがある。実際の作動時には、例えば、小さな傷害により、各安定状態間で跳躍的に移行することがある場合、回転速度センサの機能が著しく損なわれることがあるかもしれない。
【０００３】
図３に略示されている、本発明で製造される回転速度センサ（タイプＭＮ２Ｒ）では、ビームフィールド部材は、中央に設けられたＸばね２によって中央に支承されている、中心対称の振動質量体１を有しており、この振動質量体１は、対称に作用するカム駆動によって、横方向面ｘ，ｙ内で、休止位置Ｏを中心にして同じ大きさの正及び負の偏向ｉ，ａで周期的な回転振動を生じる（角度γは、正の方向ｉでの偏向角度を示す）。第１のカム駆動対は、相互に対向する２つのカム駆動ユニットＫＩ１及びＫＡ１を有しており、カム駆動ユニットは、振動質量体１の円弧状の周辺部分に位置している第１の駆動点Ｐ１に作用する。各々正の方向ｉ及び負の方向ａでの偏向用に設けられている、これら両第１のカム駆動ユニットＫＩ１及びＫＡ１は、Ｘばね２の中心を、振動質量体１の休止位置に結合する仮想の直線に対して平行に設けられている。カム駆動ユニットＫＩ１，ＫＡ２の第１の対に対して中心対称に、各々正の偏向ｉ及び負の偏向ａ用の第２の対のカム駆動ユニットＫＩ２，ＫＡ２は、第１の作用点Ｐ１に直径方向に対向する第２の作用点Ｐ２で振動質量体２に作用する。最後に説明したカム駆動ユニットＫＩ２及びＫＡ２も、振動質量体１の中心を、休止位置を示す点Ｏと結合する仮想の直線に対して平行に設けられている。
【０００４】
制御ユニット３は、駆動電圧ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ及びＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂを、各々カム駆動ユニットＫＩ１及びＫＩ２（正の偏向方向ｉでの励振用）用、並びに、カム駆動ユニットＫＡ１及びＫＡ２（負の偏向方向ａでの励振用）用に、添付図面４に示されているように形成する。これは、その上側部分Ａに、周期的、且つ、理想的な場合に振動質量体１の、周期２πの調和励振関数γ（ｔ）を、正の方向ｉ及び負の方向ａで示す。
【０００５】
図４の真ん中の部分Ｂには、破線で、負の方向ａでの偏向用のカム駆動ユニットＫＡ１及びＫＡ２のための矩形パルス状の駆動電圧ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂが示されており、図４の下側部分Ｃには、正の偏向用の駆動電圧ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂに対して逆相の駆動電圧ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂが示されており、これらの駆動電圧は、同様に図４Ａに示された周期的な励振振動γ（ｔ）の周期を有する矩形パルスを有している。
【０００６】
図４から更に分かるように、振動質量体１の周期的な振動γ（ｔ）の正のゼロ点通過点に対して対称的な、図４のＣの正の偏向ｉのための駆動電圧ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂのパルスが形成され、図４Ａの周期的な励振振動γ（ｔ）の負のゼロ点通過点に対して対称的に、負の偏向用の駆動電圧ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂのパルスが形成される。図３に略示されたカム駆動部（ＫＩ及びＫＡ）は、各々１つの方向でしか、力を加えることができないので、ロータを振動運動するためには、複数のカム駆動ユニットが必要である。
【０００７】
制御ユニット３によって印加される駆動電圧の場合には、実際上の理由から、正弦波状の経過特性の替わりに、各々矩形波電圧が形成される。これは、制御ユニット３内の制御論理回路及び電圧ポンプを用いて構成することができる。原理的には、電圧ポンプは、蓄電されたコンデンサから構成される。従って、短時間で駆動電圧よりも高い電圧を形成することができる。必要な場合、この電圧が使われる。
【０００８】
非リニアなバーの曲げについては、ダフィング（Ｄｕｆｆｉｎｇ）の微分方程式を用いて記述することができる。既知の微分方程式なので、動的な特性の詳細な解析はする必要がない。その替わりに、以下、添付図１及び２を用いて、２つの主要な効果（周波数シフト及び不安定性）について少し説明する。ダフィングの微分方程式
Mａｎｔｒｉｅｂ  =Jｚ  ・γ + bｔ，ｚ  ・γ + kｔｚ，０  ・(1 + kｔｚ，ＮＬ  γ２) γ                (1)
乃至
Mａｎｔｒｉｅｂ  =Jｚ  ・γ + bｔ，ｚ  ・γ + kｔｚ，０  ・γ + kｔｚ，０ kｔｚ，ＮＬ  γ３             (2)
を用いて、Ｘばねのメカニカルな非直線性について記述することができる。相応の有限要素計算によってパラメトライズされる。
【０００９】
式（２）から分かるように、これは、線形減衰項ｂｔ，ｚ（速度比例の減衰）を有する２階振動微分方程式である。γで、ロータの偏向を記述する角度が示される。「標準的な振動微分方程式」”Ｓｔａｎｄａｒｄ−Ｓｃｈｗｉｎｇｕｎｇｓｄｉｆｆｅｒｅｎｚｉａｌｇｌｅｉｃｈｕｎｇ”との唯一の相違点は、非線形の付加項ｋｔｚ，０  ｋｔｚ，ＮＬ  γ３である。項ｋｔｚ，０は、線形のばね定数（トーション）である。項ｋｔｚ，ＮＬは、非線形性を記述する。ｚ軸を中心にしたロータの慣性トルクは、Ｊｚで示されている。ロータ振動は、駆動モータＭＡｎｔｒｉｅｂを用いて励振される。
【００１０】
添付の図１には、減衰する線形の場合の、増幅器の共振曲線が示されている。系がその固有周波数で励振される場合にちょうど、増幅率が最大となる。非線形の場合には、共振曲線の最大値は、右側にシフトする。添付の図２から分かるように、共振曲線は付加的に右側に傾斜する。従って、増幅と励振周波数との一義的な対応関係が喪失する。個別事例で、どの程度の増幅度なのかは、前歴に依存する。励振周波数の勾配が緩やかである場合、例えば、領域Ｉから領域ＩＩに向かって緩慢に変化し、従って、図２の点１に達する。過度に臨界的に励振されて、駆動周波数がゆっくり減少する場合、駆動状態は、領域ＩＩＩから領域ＩＩの点２に変化する。従って、２つの異なった状態が、同一駆動周波数で可能である。このようになるのは、例えば、ノイズパルスによって、点１から点２に急激に移行することがあるので、一般的には不所望な作用である。急激に変化する恐れは、領域ＩＩ全体内である（図２に斜線で示した）。
【００１１】
カム駆動部を用いての駆動方式のために、ここでは、簡単に原理的な解析関係式を挙げるにとどめる：
Fｘ  ≒ ε０ΔU２  h/d０         (3)
式３から、以下の関係が分かる：
−カム駆動部のコンデンサ板での電圧差（ΔＵ）が大きくなればなる程、駆動力Ｆｘは大きくなり、
−カム駆動構造の高さｈが大きくなればなる程、駆動力Ｆｘは大きくなり、
−カム駆動部のコンデンサ板の間隔ｄ０が小さければ小さい程、駆動力Ｆｘは大きい。
【００１２】
これは、基本となる関係でしかない。詳細に考察すると、この力の原因は、漂遊電磁界の形成である。そのために、一層正確な考察では、力の算出のために、フィールド線を利用する必要がある。一層複雑な幾何形状では、諸関係は、有限要素計算によって求めることができる。
【００１３】
発明の課題と利点
上述のことに従って、本発明の課題は、マイクロメカニカルモーションセンサ、殊に、カム駆動ユニットが装着された回転速度センサ、又は、リニア振動子で生じる機械的な非直線性によって生起する上述の問題点を回避して、非直線性を補償するようなマイクロメカニカルモーションセンサを提供することにある。
【００１４】
この課題は、請求項１記載のようにして解決される。
【００１５】
主要な観点によると、この課題は、冒頭に記載したような、片持ちばね部材が、振動することができるように支承されており、片持ちばね部材は、周期的な駆動電圧が静電的に印加された振動駆動によって、永続的な、周期的な振動が励振され、片持ちばね部材に加わる偏向を検出することができるマイクロメカニカルモーションセンサにおいて、片持ちばね部材に作用する静電的な補償駆動手段が設けられており、補償駆動手段には、片持ちばね部材の共振周波数特性の非直線性の補償のために適した周期的な補償電圧が印加されていることにより解決することができる。
【００１６】
そのようなマイクロメカニカルモーションセンサが、回転速度センサとして、既述のような、本願発明者によって製造された回転速度センサの基本構造に基づいて構成される場合、片持ちばね部材は、中央に設けられたＸばねによって中央に支承された中心対称に構成された振動質量体（ロータ）を有しており、この振動質量体（ロータ）は、振動駆動部によって、横方向ｘ−ｙ面内で、休止位置を中心にして同じ大きさの正及び負の偏向で回転振動するように励振され、各々正の偏向及び負の偏向用の振動質量体の励振用の振動駆動部は、各々少なくとも１つの、制御ユニットによって、周期的な駆動電圧で制御されるカム駆動ユニットを、各々正の偏向及び負の偏向用の振動質量体の励振のために有しており、該振動質量体の駆動力は、当該振動質量体に、少なくとも１つの、当該振動質量体の横方向ｘ−ｙ面内に位置している作用点に、カム駆動ユニットが振動質量体を、当該振動質量体の休止位置を中心にして対称的に励振するように接線方向に作用し、補償駆動手段は、少なくとも１つのカム駆動ユニットを有しており、該カム駆動ユニットは、同じ作用点で、及び/又は、振動質量体の中心に対して同じ間隔で対向して位置している第２の作用点で作用するように構成されている。
【００１７】
１実施例では、各カム駆動ユニットの対の少なくとも１つを備えた補償カム駆動ユニットは、同一であるようにすることができる。別の実施例では、通常の励振に使われる、補償用のカム駆動ユニットの他に、補償カム駆動ユニットの少なくとも１つの付加的な対が設けられている。
【００１８】
そのようなマイクロメカニカルモーションセンサが、リニア振動子として構成されている場合、片持ちばね部材は、中央に設けられた結合ばねによって結合されていて、対称的なばね懸架部によって直線振動するように支承された、複数の振動質量体からなる系を有しており、該振動質量体は、振動駆動部によって、横方向面内で、休止位置を中心にして同じ大きさの正の偏向及び負の偏向で直線振動するように励振され、各々正の偏向及び負の偏向用の振動質量系の振動質量体の励振用の振動駆動部は、各々少なくとも１つの、制御ユニットによって制御されるカム駆動ユニットを有しており、該カム駆動ユニットの駆動力は、振動質量系に、当該振動質量系の横方向面内で相互に各々、振動質量系の各振動質量体に対向する複数の作用点で、振動質量系の振動質量体を当該振動質量体の各々の休止位置を中心にして励振するように作用し、振動質量系の各振動質量体用の補償駆動手段は、少なくとも１つのカム駆動ユニットを有しており、カム駆動ユニットは、振動質量系の各振動質量体の各作用点の少なくとも１つに作用するように構成されている。
【００１９】
本発明により提案された、非直線性の補償用のカム駆動ユニットの使用によって、片持ちばね部材とカム駆動ユニットからなる構造全体がリニアな特性となる。従って、非直線性にできる限り追随するようにして記述するという上述の問題点は解消する。
【００２０】
本発明のマイクロメカニカルモーションセンサ、殊に、回転速度センサ又はリニア振動子の上述の特徴、及び、それ以外の有利な特徴について、以下の有利な図示の実施例を用いて詳細に説明する。
【００２１】
図面
図１は、減衰部を有するリニアな場合での増幅度の既述の周波数特性（共振曲線）を図示し、
図２は、既述のように、非リニアな場合に得られる、共振曲線の最大値が右側に傾いている増幅度の周波数特性を図示し、
図３は、既述の、マイクロメカニカルモーションセンサとして構成された回転速度センサの略図、及び、それと同時に、本発明の（補償型）回転速度センサの第１の実施例の平面略図を示し、
図４Ａ，Ｂ及びＣは、各々、図３の制御ユニットによって形成されるような、中央に支承された振動質量体の理想化された振動形状、負の偏向方向での、図３のようなカム駆動ユニットの駆動電圧、並びに、正の偏向方向でのカム駆動ユニットの駆動電圧を示す図、
図５は、非直線性を補償するために付加的な補償カム駆動ユニットが設けられた本発明の第２の実施例の平面略図を示し、
図６Ａ−Ｆは、図４Ａ−４Ｃに示されたのと同様の図６Ａ，６Ｂ，６Ｃの時間ダイアグラムに対して付加的に、負の偏向での補償電圧信号の振動形状（図６Ｄ）、正の偏向での補償電圧信号の振動形状（図６Ｅ）、及び、各々の駆動電圧信号と、相応の補償電圧信号との和を各々示す図、
図７は、非直線性の補償のために付加的な補償カム駆動ユニットが設けられたリニア振動子の形状の本発明のマイクロメカニカルモーションセンサの平面略図を示す。
【００２２】
実施例
曲げバーの機械的な非直線性の補償のために、従来技術の駆動信号（図４参照）に対して付加的に、補償電圧がカム駆動部に印加され、この補償電圧により、微分方程式２の非直線項が正確に補償される。カム駆動は、その作動原理により、１方向にしか力が加わらない点に注意する必要がある。従って、正の偏向ｉの場合には、カム駆動部ＫＡが補償を行い、別の、負の偏向ａの場合には、カム駆動部ＫＩが補償を行う。
【００２３】
補償電圧の形状は、回転速度センサの場合、解析的な諸関係から得られる。式２から、補償すべきトルクは：
MＫｏｍｐ  = kｔｚ，０  kｔｚ，ＮＬ  ・γ３        (4)
このトルクが、設けられているカム駆動部（ＫＩ１，ＫＩ２及びＫＡ１及びＫＡ２）を介して形成されるので、以下の式が得られる：
MＫｏｍｐ  = 2 (UＰＫＩ，ＰＫＡ  - UＰＣＭ)２  ε０  h/d０  ・kＳｔｒｅｕ  nＣｏｍｂ  rｅｆｆ  = kｔｚ，０  kｔｚ，ＮＬ・|γ|３   (5)
その際、ｋＳｔｒｅｕは、漂遊電磁界効果を考慮するための補正係数、ｎＣｏｍｂは、カムの数、ｒｅｆｆは、駆動トルクを算出するために用いられる、形成された作用を及ぼす半径（Ｗｉｒｋｒａｄｉｕｓ）である。ＵＰＣＭで、全カム駆動部の共通の基準電位が示される。
【００２４】
式（５）は、電圧ＵＰＫＩ（カム駆動ユニットＫＩ１，ＫＩ２に印加される電圧）乃至ＵＰＫＡ（カム駆動ユニットＫＡ１，ＫＡ２に印加される電圧）により解くことができ、それにより、補償電圧
【００２５】
【数１】
2006525491.tif 000003
が得られる。駆動電圧ＵＰＫＩ，ＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂ（図４参照）と、式６で算出された補償電圧ＵＰＫＩ，ＰＫＡ，Ｋｏｍｂとの加算から、カム駆動部ＵＰＫＩ，ＰＫＡ，Ｇｅｓでの理想的な電圧経過特性が得られる。実際の用途では、この曲線は、階段状の経過特性によって近似される必要がある。
【００２６】
従って、第１の実施例では、各々の駆動電圧ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂ及びＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ（図６Ｂ及びＣ）と、図６Ｄ及びＥの、相応の補償電圧ＵＰＫＡ，Ｋｏｍｂ及びＵＰＫＩ，Ｋｏｍｂとの和から形成された、図６の、非直線性の補正用の全電圧ＵＰＫＡ，Ｇｅｓ及びＵＰＫＩ，Ｇｅｓが、図３の各々のカム駆動ユニットＫＡ１，ＫＡ２及びＫＩ１，ＫＩ２に供給される。そのために、制御ユニット３は、図６に各々破線及び実線で示された全電圧ＵＰＫＡ，Ｇｅｓ及びＵＰＫＩ，Ｇｅｓ（図３では、一点鎖線で示されている）を形成し、相応のカム駆動ユニットＫＡ１，ＫＡ２及びＫＩ１，ＫＩ２に印加する。
【００２７】
図３に示されている、本発明の回転速度センサの実施例では、振動駆動部は、４つのカム駆動ユニットＫＡ１，ＫＡ２及びＫＩ１，ＫＩ２を有しており、そのうち、正の偏向ｉ用の第１のカム駆動ユニット、及び、負の偏向ａ用の第２のカム駆動ユニットは、第１の対（ＫＩ１，ＫＡ１）を形成し、この第１の対は、振動質量体１に共通の作用点Ｐ１を有している。第３及び第４のカム駆動ユニットＫＩ１及びＫＡ２は、第２の対を形成し、この第２の対は、対向する共通の作用点で振動質量体に作用する。両カム駆動ユニットＫＩ１及びＫＡ１乃至ＫＩ２及びＫＡ２は、相互に対向し合っており、振動質量体１の休止位置０を定義して、振動質量体１の中心を通る仮想の線に対して平行に対向し合っている。このようにして、各々正の偏向ｉ用のカム駆動ユニットの駆動力及び負の偏向ａ用のカム駆動ユニットの駆動力が加算される。
【００２８】
図４及び６の部分Ｂ及びＣによると、制御ユニット３によって形成された駆動電圧信号ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂ及びＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂは、逆相の矩形波電圧信号であり、つまり、制御ユニット３は、図４Ａに示された振動波形γ（ｔ）の正のゼロ点通過点に対して各々対称的な正の偏向ｉ用の矩形電圧パルスＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ、及び、振動波形γ（ｔ）の負のゼロ点通過点に対して各々対称的な負の偏向用のカム駆動ユニットＫＡ１及びＫＡ２用の矩形電圧パルスＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂを形成する。
【００２９】
制御ユニット３によって形成された、図６Ｄ及び６Ｅの補償電圧信号ＵＰＫＡ，Ｋｏｍｐ及びＵＰＫＩ，Ｋｏｍｐは、同様に相互に逆相であるが、各々偏向最大値に対して対称的に、振動波形γ（ｔ）の各々正及び負の偏向方向に相互に逆相である。従って、負の偏向用の補償電圧信号ＵＰＫＡ，Ｋｏｍｐは、９０°（π／２）だけ、正の偏向用の駆動電圧信号ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂに対して遅延され、図６Ｅの補償電圧信号ＵＰＫＩ，Ｋｏｍｐは、駆動電圧信号ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂに対して同様に９０°（π／２）だけ遅延される。
【００３０】
上述のようにして補正された回転速度センサの実際の適性をチェックするために、上述の式６は、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ−スタンダードブロックを用いてシミュレーションモデルに変換することができる。このシミュレーションモデルは、以下の各入力信号：
−振動質量体１の偏向角度γ、
−基準電位ＵＰＣＭ、
−駆動電圧ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ，ＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂ
から合成された全電圧を算出する。
【００３１】
シミュレーション結果により、非直線性を十分に補償するために、図６Ｆに示されていて、図３に破線で示された全電圧が、カム駆動ユニットに非常に高い電圧レベルとならなければならないということが分かり、この電圧レベルは、従来技術のカム駆動ユニットでは機能しない。この認識により、図５に示された第２の実施例が得られ、つまり、図３に示された４つのカム駆動ユニットＫＩ１，ＫＩ２及びＫＡ１，ＫＡ２に対して、４つの補償カム駆動ユニットＫＩＫ１，ＫＩＫ２及びＫＡＫ１及びＫＡＫ２を有しており、補償カム駆動ユニットＫＩＫ１，ＫＩＫ２及びＫＡＫ１及びＫＡＫ２は、制御ユニット３によって、専ら図６Ｅ及びＤの各々の補償電圧信号ＵＰＫＩ，Ｋｏｍｐ及びＵＰＫＡ，Ｋｏｍｐで制御される。それに対して、駆動手段のカム駆動ユニットＫＩ１，ＫＩ２及びＫＡ１，ＫＡ２は、制御ユニット３から、単に図６Ｂ及び６Ｃに示された駆動電圧信号ＵＰＫＩ，Ａｎｔｒｉｅｂ及びＵＰＫＡ，Ａｎｔｒｉｅｂだけを受け取り、その結果、カム駆動ユニットに、過渡に高い電圧が印加されるという問題が回避される。
【００３２】
図５に示されている実施例では、付加的な補償カム駆動ユニットＫＩＫ１，ＫＩＫ２及びＫＡＫ１及びＫＡＫ２が、同様に対状に設けられており、振動質量体の半径方向反対側の両作用点Ｐ１及びＰ２に作用する。両実施例で使用されている対状の、４つの付加的な補償カム駆動ユニットＫＩＫ１，ＫＡＫ１及びＫＩＫ２，ＫＡＫ２は、この回転速度センサの構成を完全に対称的に構成する。当然、非直線性の補償は、付加的な２つの補償カム駆動ユニットだけでも、例えば、補償カム駆動ユニットＫＡＫ１及びＫＩＫ１又は他方では補償カム駆動ユニットＫＩＫ２及びＫＡＫ２を用いても実施することができる。同様に、２つだけの補償カム駆動ユニットＫＩＫ１及びＫＡＫ２又はＫＡＫ１及びＫＩＫ２を用いても可能である。
【００３３】
上述のシミュレーションから、補償電圧信号の振幅は、偏向角度γと共にほぼ直線状に大きくなることが分かるので、回転速度センサの駆動の偏向時に、できる限り僅かな偏向振幅が必要であるという点に注意する必要がある。スプリングの幾何形状の構成の際、できる限り僅かな非直線性になるように注意する必要がある。第２の実施例で説明した付加的な補償カム駆動ユニットにより、現在使用されている、回転速度センサの技術水準では、第１の実施例の場合に比べて、駆動手段用に設けられているカム駆動ユニットは、比較的低い電圧振幅用に構成することができるという利点が得られる。
【００３４】
図７には、リニア振動子の形式での本発明のマイクロメカニカルモーションセンサの第３の実施例が示されており、この実施例では、非直線性の補償のために、付加的な補償カム駆動ユニットが設けられている。
【００３５】
図７によると、片持ちばね部材は、中央に設けられた連結ばねＦＣによって結合されて、対称的なばね懸架嘩部Ｆ１−Ｆ４によって直線状に振動することができるように支承された系（この実施例では、２つの振動質量体ｍ１，ｍ２）を有しており、この系は、各々カム駆動ユニットＫＩ１，ＫＡ１，ＫＩ２，ＫＡ２によって、同じ大きさの正及び負の偏向ｉ１，ｉ２及びａ１，ａ２で、当該系の各々の休止位置Ｏ１，Ｏ２を中心にして、平行なｘ−ｙ−面内で直線状に振動するように励振される。
【００３６】
従って、振動駆動体は、振動質量系の両振動質量体ｍ１，ｍ２の励振のために、制御ユニット３によって制御される４つのカム駆動ユニットを有しており、カム駆動ユニットの各駆動力は、両振動質量体に、同じ平行方向のｘ−ｙ−面内の各々対向し合った各作用点にて、系の振動質量体ｍ１，ｍ２が当該振動質量体の各々の休止位置Ｏ１，Ｏ２を中心にして励振されるように作用する。連結ばねＦＣ並びにばね懸架部Ｆ１−Ｆ４によって、振動の非直線性が生じるが、この非直線性は、本発明により補償される。非直線性の補償のために、系の各振動質量体ｍ１，ｍ２用の補償駆動手段が、同様に２つの補償カム駆動ユニットＫＩＫ１，ＫＡＫ１及びＫＩＫ２，ＫＡＫ２を有しており、補償カム駆動ユニットＫＩＫ１，ＫＡＫ１及びＫＩＫ２，ＫＡＫ２は、振動駆動部のカム駆動ユニットと同じ、各振動質量体ｍ１及びｍ２の作用点に作用する。振動駆動部のカム駆動ユニット及び補償カム駆動ユニットに、制御ユニット３によって供給される駆動及び補償電圧信号には、意味内容上、図５に示した上述の第２の実施例と同じことが該当する。
【００３７】
制御ユニットは、補償電圧信号の振動形状を、微細な段を有する階段状の信号によって近似すると目的に適っている。
【００３８】
同じ電圧でもっと大きな補償モーメントを達成するために、有利には、各実施例で、別個の補償カム駆動ユニットを用いて、当該補償カム駆動ユニットの有効作用半径乃至当該カム駆動ユニットの有効作用距離を、振動駆動部のカム駆動ユニットの有効作用距離よりも大きくするとよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】減衰部を有するリニアな場合での増幅度の既述の周波数特性（共振曲線）を示す図
【図２】非リニアな場合に得られる、共振曲線の最大値が右側に傾いている増幅度の周波数特性を示す図
【図３】マイクロメカニカルモーションセンサとして構成された回転速度センサの略図、及び、それと同時に、本発明の（補償型）回転速度センサの第１の実施例の平面略図を示す図
【図４】Ａ，Ｂ及びＣは、各々、図３の制御ユニットによって形成されるような、中央に支承された振動質量体の理想化された振動形状、負の偏向方向での、図３のようなカム駆動ユニットの駆動電圧、並びに、正の偏向方向でのカム駆動ユニットの駆動電圧を示す図
【図５】非直線性を補償するために付加的な補償カム駆動ユニットが設けられた本発明の第２の実施例の平面略図
【図６】Ａ−Ｆは、図４のＡ−Ｃに示されたのと同様の図６のＡ，Ｂ，Ｃの時間ダイアグラムに対して付加的に、負の偏向での補償電圧信号の振動形状（Ｄ）、正の偏向での補償電圧信号の振動形状（Ｅ）、及び、各々の駆動電圧信号と、相応の補償電圧信号との和を各々示す図
【図７】非直線性の補償のために付加的な補償カム駆動ユニットが設けられたリニア振動子の形状の本発明のマイクロメカニカルモーションセンサの平面略図
【図１】
2006525491.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2006525491.tif 000013
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