(57)【要約】      （修正有）【課題】互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、および、Ｚ軸に関する複数の回転速度を検出するマイクロ回転速度センサを提供する。【解決手段】基板、駆動質量体１１、Ｘ−Ｙセンサ質量体８、および、Ｚセンサ質量体１２を有し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に関する複数の回転速度を検出するマイクロ回転速度センサであって、駆動質量体１１は、Ｘ軸方向に振動するよう駆動素子によって駆動され、Ｘ−Ｙセンサ質量体８は、駆動質量体１１と連結されることによって、Ｘ−Ｙ軸方向に振動するよう駆動される。また、基板の回転速度がＸ軸またはＹ軸に関して生じる場合、Ｘ−Ｙセンサ質量体８は、Ｙ軸またはＸ軸に関して共に偏向し、基板の回転速度がＺ軸に関して生じる場合は、Ｘ−Ｙセンサ質量体８はＺ軸に関して回転し、Ｚセンサ質量体１２は、Ｘ軸方向に偏向するようにした。【選択図】図１
2013145231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、および、Ｚ軸に関する複数の回転速度を検出するマイクロ回転速度センサであって、
基板（２０）と、
前記基板（２０）に対して変位可能であり、前記基板（２０）と平行なＸ−Ｙ平面に配置される複数の質量体と、
前記複数の質量体を前記基板（２０）に取り付けるための複数のアンカー（２、１３）と、
前記複数の質量体の少なくともいくつかを、少なくとも１つの隣接する質量体、または、少なくとも１つのアンカー（２、１３）に連結するためのバネ（４、１０）と、
前記基板（２０）が偏向するときにコリオリ力を生じさせるべく、前記複数の質量体の少なくともいくつかをＸ軸方向に振動させる駆動素子と、
前記コリオリ力によって生じた前記複数の質量体の偏向を検出するためのセンサ素子（２１）と、を備え、
前記複数の質量体は、駆動質量体（１１）、Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）、および、Ｚセンサ質量体（１２）に区別され、
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）は、バネ（１０）によって前記駆動質量体（１１）および前記Ｚセンサ質量体（１２）に連結され、
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）と前記駆動質量体（１１）とは、前記駆動質量体（１１）が前記Ｘ軸方向に振動するよう駆動されるときは、前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）が前記駆動質量体（１１）によってＸ−Ｙ軸方向に振動するように連結される、
マイクロ回転速度センサ。
【請求項２】
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）の駆動方向は、前記Ｘ軸と前記Ｙ軸との間の、前記Ｘ軸に対して４５度の方向に設定される、請求項１に記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項３】
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）は、中心サスペンションの、少なくとも１つの中心アンカー（２）の周りに配置される、請求項１および２のいずれかに記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項４】
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）は、前記Ｘ軸方向に振動する前記駆動質量体（１１）によって半径方向にまたは中心からオフセットに振動するよう駆動される、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項５】
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）と、前記中心サスペンションとの間には、前記Ｘ軸、前記Ｙ軸、および、前記Ｚ軸に関する回転軸を有する、弾性取付部であるジンバルサスペンション（３）が配置される、請求項３に記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項６】
前記ジンバルサスペンション（３）は、互いにオフセットのトーションバネ（４）によって互いに連結された内側リング（５）および外側リング（６）を含む、請求項５に記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項７】
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）は、それぞれの駆動方向には変位可能であり、前記Ｘ−Ｙ平面外には移動できないように前記ジンバルサスペンション（３）の前記外側リング（６）に連結される、請求項６に記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項８】
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）が前記Ｚ軸に関して前記Ｘ−Ｙ軸方向に振動する場合、前記Ｚセンサ質量体（１２）は、前記Ｘ−Ｙ平面において前記Ｘ軸方向に振動するよう、前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）は、前記バネ（１０）によって前記Ｚセンサ質量体（１２）に連結される、請求項１から７のいずれかに記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項９】
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）が前記Ｘ−Ｙ軸方向に振動する場合は、前記Ｚセンサ質量体（１２）はほとんど静止したままであり、前記Ｚ軸に関して振動する場合は、前記Ｚセンサ質量体（１２）は、前記Ｘ軸方向に振動するよう、前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）は、前記バネ（１０）によって前記Ｚセンサ質量体（１２）に連結される、請求項１から８のいずれかに記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項１０】
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）の間には同期バネ（９）が配置される、請求項１から９のいずれかに記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項１１】
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）は、前記バネ（１０）によって前記駆動質量体（１１）の少なくとも１つ、および、前記Ｚセンサ質量体（１２）の１つにそれぞれ連結される、請求項１から１０のいずれかに記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項１２】
前記駆動質量体（１１）および／または前記Ｚセンサ質量体（１２）は、バネ（１０’）によって２つのアンカー（１３）に配置される、請求項１〜１１のいずれかに記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項１３】
２つの前記駆動質量体（１１）または一対の駆動質量体（１１’）が設けられる、請求項１〜１２のいずれかに記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項１４】
一対の駆動質量体（１１’）のそれぞれの駆動質量体（１１’）は、連結要素（２２）によって連結される、請求項１３のいずれかに記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項１５】
前記駆動素子は、前記駆動質量体（１１）を駆動させる電極である、請求項１〜１４のいずれかに記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項１６】
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）および／または前記Ｚセンサ質量体（１２）にはセンサ素子（２１’、２１”）が備えられている、請求項１〜１５のいずれかに記載のマイクロ回転速度センサ。
【請求項１７】
基板（２０）、駆動質量体（１１）、Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）、および、Ｚセンサ質量体（１２）を有し、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、および、Ｚ軸に関する複数の回転速度を検出するマイクロ回転速度センサを操作する方法であって、
前記駆動質量体（１１）は、Ｘ軸方向に振動するよう駆動素子によって駆動され、前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）は、前記駆動質量体（１１）と連結されることによって、中心に対して半径方向であるＸ−Ｙ軸方向に振動するよう駆動され、
前記基板（２０）の回転速度が前記Ｘ軸または前記Ｙ軸に関して生じる場合、前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）は、前記Ｙ軸または前記Ｘ軸に関して共に偏向し、前記基板（２０）の回転速度が前記Ｚ軸に関して生じる場合は、前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）は前記Ｚ軸に関して回転し、前記Ｚセンサ質量体（１２）は、前記Ｘ軸方向に偏向する、マイクロ回転速度センサを操作する方法。
【請求項１８】
前記Ｘ−Ｙセンサ質量体（８）は、前記Ｘ軸方向に振動する前記駆動質量体（１１）によって、中心サスペンションに対して放射状に振動するよう駆動される、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸に関する複数の回転速度を検出するマイクロ回転速度センサ、および、基板、駆動質量体、Ｘ−Ｙセンサ質量体、および、Ｚセンサ質量体を有し、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、および、Ｚ軸に関する複数の回転速度を検出するマイクロ回転速度センサを操作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載されるような、ＭＥＭＳ技術を用いたマイクロ速度センサが知られている。このマイクロ速度センサでは、駆動質量体を駆動して振動を起こす。直交するＸ、Ｙ、Ｚの３つの軸のうちの１つに関して回転速度が発生する場合、質量体は、駆動平面外に偏向し、Ｚ軸に関して回転する。この偏向を検出すべく、質量体にはセンサ素子が備えられている。回転運動によって駆動質量体がそれに応じた方向に変位した場合、駆動質量体に作用するコリオリ力によって偏向が生じる。上記特許文献１に示される実施形態では、質量体は、中心に向かって駆動され、コリオリ力によってＸ軸、Ｙ軸、または、Ｚ軸に関して回転する。質量体に備えられたセンサ素子は、固定電極および移動可能な電極間の距離を変更することで生じる電気信号によって、上記回転運動を検出する。この信号の変化により、センサに作用する回転速度に関する情報が得られる。
【０００３】
この実施形態のデメリットは、このようなセンサは、外力の影響に対して過敏であり、それによって誤測定を引き起こす可能性があるということである。また、このようなセンサは、基板上で場所をとる。さらに、このようなセンサは、温度にも敏感であり、温度によって個々の要素が変形することにより、測定結果にわずかな狂いが生じてしまうこともある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，３０８，５６７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、場所をとらず、外力および温度の影響に対して安定でありながらも良好な測定精度を有するＭＥＭＳ回転速度センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、独立クレームに記載された特徴を有するマイクロ回転速度センサ、および、このようなマイクロ回転速度センサの操作方法によって達成される。
【０００７】
本発明のマイクロ回転速度センサは、直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸に関する複数の回転速度を検出する。本発明のセンサは、基板と、基板に関して変位可能であり、かつ、基板と平行なＸ−Ｙ平面に配置される複数の質量体と、を備える。質量体を基板に取り付けるための複数のアンカーも設けられる。質量体の少なくともいくつかは、バネによって少なくとも１つの隣接する質量体または少なくとも１つのアンカーに取り付けられる。質量体の少なくともいくつかは、Ｘ軸方向に振動するための駆動素子を有するので、基板が偏向する際、質量体にコリオリ力が作用する。コリオリ力による質量体の偏向は、センサ素子によって検出される。本発明によれば、質量体は、駆動質量体、Ｘ−Ｙセンサ質量体、および、Ｚセンサ質量体に区別される。Ｘ−Ｙセンサ質量体は、バネによって、駆動質量体とＺセンサ質量体とに連結される。Ｘ−Ｙセンサ質量体と駆動質量体とは、駆動質量体がＸ軸方向に振動するとき、Ｘ−Ｙセンサ質量体は、駆動質量体によって駆動されることによってＸ−Ｙ軸方向に振動するように連結される。したがって、Ｘ−Ｙセンサ質量体は、通常は、能動的に駆動する必要はなく、むしろ駆動質量体によって間接的に駆動される。駆動質量体がＸ軸方向に変位してもＸ−Ｙセンサ質量体はＸ軸方向には駆動されずにＸ−Ｙ軸方向に駆動されるように、駆動質量体は、Ｘ−Ｙセンサ質量体に連結され、Ｘ−Ｙセンサ質量体は、バネおよびアンカーによって基板上で支持される。したがって、駆動質量体と、振動しているＸ−Ｙセンサ質量体との間には角度補正が存在する。駆動質量体は、簡単に言うと、Ｘ軸方向のわずかなスペースで能動的に駆動し、一方、Ｘ−Ｙセンサ質量体は能動的に駆動する必要がない。このようにしてセンサの省スペース構造が得られ、間接的に駆動される質量体は、Ｘ軸方向だけはなく、Ｘ軸に対して斜めの方向にも振動するＸ−Ｙセンサ質量体として提供される。Ｘ−Ｙセンサ質量体を回転させる他の原因としては、コリオリ力があり、これによって、Ｘ軸および／またはＹ軸に関する基板の回転速度の関数として、Ｘ−Ｙセンサ質量体の回転がもたらされる。駆動質量体と同様に、Ｘ−Ｙセンサ質量体も非常に安定して支持されることができる。基板またはマイクロ回転速度センサへの外的影響、例えば、衝撃なども良好に吸収されることができる。したがって、個々の質量体、基板、または、バネが損傷する危険性、あるいは、質量体と基板が接触してショートする危険性も非常に低い。
【０００８】
個々の質量体が安定して支持されることにより、温度は、測定結果に全く影響しないか、または、影響しても非常にわずかである。個々の質量体、特に、Ｘ−Ｙセンサ質量体またはＺセンサ質量体の、例えば温度の影響による変形は、安定した支持によってほぼ防ぐことができる。なぜなら、質量体の変形およびそれによる質量体と基板との間隔の変化がほとんど起きなくなるからである。
【０００９】
そして、上述したように駆動されることによって、Ｘ−Ｙセンサ質量体は、駆動質量体に連結されるよりむしろバネによってさらにＺ軸センサ質量体に連結されるので、Ｚ軸に関して回転速度が生じた場合はコリオリ力がおき、Ｘ−Ｙセンサ質量体およびＺセンサ質量体は、Ｚ軸方向に振動するようになる。マイクロ回転速度センサの感度が低くなることによって、測定の精度は向上する。また、基板上で場所をとらない。
【００１０】
本発明の有利な実施形態によれば、Ｘ−Ｙセンサ質量体の駆動方向は、Ｘ軸とＹ軸との間になり、好ましくは、Ｘ軸に対して４５度の方向である。駆動質量体に対するＸ−Ｘセンサ質量体の駆動方向がオフセットになることで、コリオリ力が生じ、Ｘ軸、Ｙ軸、および、Ｚ軸に関して回転速度センサの個々の質量体にトルクがかかる。Ｘ−Ｙセンサ質量体がＸ軸に対して４５度の角度で駆動されると、これらのＸ−Ｙセンサ質量体にほぼ等しい力がかかり、その結果、隣接する質量体は同様に偏向し、また、等しい力が伝達されることが予想される。
【００１１】
Ｘ−Ｙセンサ質量体は、好ましくは、Ｘ軸方向に振動している駆動質量体によって、中心に対して半径方向に振動するよう駆動される。これによって、回転速度センサの構造は非常にコンパクトになり、すべての軸に対して等しい力およびトルクがかかるようになる。あるいは、中心からオフセットに振動するようＸ−Ｙセンサ質量体が駆動されてもよい。このことは、例えば、１つまたは他の軸の周りで回転を引き起こすトルクの大きさに影響を及ぼす。回転速度センサの設計にもよるが、このことは有利である。
【００１２】
本発明の特に有利な実施形態では、Ｘ−Ｙセンサ質量体と中心サスペンションまたは中心アンカーとの間に弾性サスペンションが配置される。弾性サスペンションは、例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、および、Ｚ軸に関する回転軸を有するジンバルマウント形状を有してよい。バネによって中心サスペンションに連結される弾性サスペンションとは異なり、このジンバルサスペンションは、回転軸に対して定められた安定な回転運動を確実にもたらす。
【００１３】
弾性ジンバルサスペンションは、好ましくは、互いにオフセットのトーションバネ（アンカーバネ）によって互いに連結された２つのリングを含む。好ましくは、２つのトーションバネが互いから９０度オフセットであることによって、これらのリングは互いに対して９０度回転することができる。これによって１つまたは他の回転軸に関する異なる回転運動が可能になる。
【００１４】
Ｘ−Ｙセンサ質量体が、それぞれの駆動方向に変位可能にジンバルサスペンションの外側のリングに連結され、Ｘ−Ｙ平面外には動けないように固定されている場合に、Ｘ軸またはＹ軸に関する回転速度を示しているなら、連結されているリングは、Ｘ−Ｙセンサ質量体と共に常に変位可能であるはずである。このＸ−Ｙセンサ質量体の確定した動きは、支持体によるものである。これによって、測定結果は問題なく正確に維持されることができる。
【００１５】
本発明の有利な実施形態では、Ｘ−Ｙセンサ質量体がＸ−Ｙ軸方向に振動する際は、Ｚセンサ質量体がほぼ静止しているように、Ｘ−Ｙセンサ質量体はバネによってＺセンサ質量体に接続される。逆に、Ｘ−Ｙセンサ質量体がＺ軸に関して振動回転する場合は、Ｚセンサ質量体は、実質的にＸ−Ｙ平面でＸ軸方向に振動する。したがって、Ｚ軸のコリオリ力が起きた場合は、Ｘ−Ｙセンサ質量体は、Ｚ軸に関して振動回転し、Ｘ−Ｙセンサ質量体がＺセンサ質量体に連結されていることによってＺセンサ質量体がＸ軸方向に移動する。この動きは、バネ、および、Ｘ−Ｙセンサ質量体およびＺセンサ質量体の支持体によるもので、これによって、Ｘ−Ｙセンサ質量体がＺ軸に関して回転する場合は、Ｚセンサ質量体は、Ｘ軸方向にのみ変位しかつＸ−Ｙセンサ質量体によって駆動されることができる。このような実施形態では、Ｘ−Ｙセンサ質量体のみが回転速度センサの中心に向かって移動し、Ｚセンサ質量体は静止したままである。
【００１６】
例えば、回転速度センサの別の設計では、Ｘ−Ｙセンサ質量体は、中心に対して近づいたり離れたりする場合は逆位相では振動せず、正のＸ軸方向および負のＸ軸方向に移動する場合は同相では振動しない。このような設計の回転速度センサでは、Ｚセンサ質量体は、Ｘ−Ｙセンサ質量体と共に駆動されることができる。これによって、Ｚセンサ質量体は、実質的にＸ軸方向に振動する。逆に、Ｙ軸またはＺ軸に関して回転速度が生じる場合は、Ｚセンサ質量体は、Ｘ−Ｙセンサ質量体と共に偏向しない。
【００１７】
Ｘ−Ｙセンサ質量体が同様に振動するよう、有利には、隣接するＸ−Ｙセンサ質量体の間に同期バネが配置される。この同期バネは、駆動のわずかなずれを補償し、Ｘ−Ｙセンサ質量体を常に同様に振動させる。
【００１８】
Ｘ−Ｙセンサ質量体のそれぞれは、バネによって、駆動質量体の１つおよびＺセンサ質量体の１つに少なくとも連結されることが好ましい。駆動質量体とバネとの連結によりＸ−Ｙセンサ質量体に駆動が伝達される。Ｚ軸に関するＸ−Ｙセンサ質量体の回転運動は、Ｘ−Ｙセンサ質量体とＺセンサ質量体とのバネによる連結によって、Ｚセンサ質量体に伝達される。バネおよびアンカーの設計、および、Ｘ−Ｙセンサ質量体の駆動に関して言えば、前述のように、Ｚセンサ質量体は、バネによる連結により、Ｘ−Ｙセンサ質量体によってＸ−Ｙ平面でも駆動されることができる。
【００１９】
特に安定したシステムを得るには、駆動質量体および／またはＺセンサ質量体は、バネによって少なくとも１つ、好ましくは２つのアンカーにそれぞれ配置されると都合がよい。アンカーは、基板に接続され、駆動質量体および／またはＺセンサ質量体の安定した支持体となる。バネによって、駆動質量体およびＺセンサ質量体は意図する方向に確実に変位できる。バネは、駆動質量体またはＺセンサ質量体が移動または変位しない方向には伸縮せず、駆動質量体またはＺセンサ質量体は、アンカーおよび基板によって支持されている。Ｘ−Ｙセンサ質量体を安定して同様に駆動させるべく、２つの駆動質量体または対の駆動質量体が設けられると好都合である。２つの駆動質量体または対の駆動質量体は、駆動素子によって能動的に駆動される。２つの駆動質量体または対の駆動質量体は、周知である従来の方法で電極に電圧を印加することによって駆動される。
【００２０】
本発明の特に有利な実施形態では、１対の駆動質量体は、連結要素または連結構造によって互いに連結される。連結要素または連結構造は、対の駆動質量体を同様に変位させることができる。また、連結要素または連結構造は、Ｘ−Ｙセンサ質量体を同様に駆動させるために、駆動質量体をある程度までは同期させることができる。
【００２１】
駆動質量体を駆動させるための電極を駆動素子が有する場合、非常に省スペースな信頼のおけるシステムとなる。電極は、駆動質量体を従来の方法で駆動させる。
【００２２】
Ｘ−Ｙセンサ質量体および／またはＺセンサ質量体にセンサ素子が備えられている場合、基板に対するＸ−Ｙセンサ質量体および／またはＺセンサ質量体の位置の変化を決定することができる。例えば、センサ素子は、平板電極で形成されおり、電極の１つが基板に固定され、もう１つはＸ−Ｙセンサ質量体またはＺセンサ質量体に接続されている。  例えば平板電極のような対向する２つの電極間の距離が変化することにより、その間隔の変化を示す電気信号が生成される。間隔の変化および電気信号によって、回転速度センサの回転速度を決定することができる。
【００２３】
本発明の方法は、基板、駆動質量体、Ｘ−Ｙセンサ質量体、および、Ｚセンサ質量体を有するマイクロ回転速度センサを操作し、互いに直交する軸に関する複数の回転速度を検出する。駆動質量体は、駆動素子によってＸ軸方向に振動するよう駆動される。駆動質量体に連結されることにより支持されたＸ−Ｙセンサ質量体は、駆動質量体によって、中心に対して半径方向であるＸ−Ｙ軸方向に振動するよう間接的に駆動される。Ｘ軸またはＹ軸に関して基板の回転速度が生じる場合、Ｘ−Ｙセンサ質量体はＹ軸またはＸ軸に関して共に偏向する。Ｚ軸に関して基板の回転速度が生じた場合、Ｘ−Ｙセンサ質量体は、Ｚ軸に関して回転し、Ｘ−Ｙセンサ質量体に連結されて支持されているＺ質量体は、実質的にＸ軸方向に偏向する。
【００２４】
本発明の実質的な利点は、駆動素子によるＸ軸方向への駆動のみが能動的な駆動であることである。場所をとる駆動手段は、駆動素子に関してのみ必要となる。駆動素子は、Ｘ−Ｙセンサ質量体の支持体がＸ−Ｙセンサ質量体をＸ軸方向には駆動させず、Ｘ軸方向とは斜めになるＸ−Ｙ軸方向に駆動させるよう、Ｘ−Ｙセンサ質量体に連結される。したがって、Ｘ−Ｙセンサ質量体は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のどちらにも駆動ベクトルを有する。Ｘ−Ｙセンサ質量体は、Ｘ−Ｙ平面内で振動する。
【００２５】
駆動素子が個別に駆動することにより、場所をとらずに、回転速度センサが円滑に操作されることを可能にする。回転速度を検出するのに不可欠なＸ−Ｙセンサ質量体は、駆動素子とは切り離されているので、システムにはいかなる干渉もしない。Ｘ−Ｙセンサ質量体は、非常に安定して支持されているので、回転速度センサに外部から加わる衝撃は吸収されてしまい、機械的または電気的損傷を与えられることもない。
【００２６】
Ｘ−Ｙセンサ質量体が、Ｘ軸方向に振動している駆動質量体によって中心サスペンションに対して放射状に振動するよう駆動される場合、Ｘ軸、Ｙ軸、および、Ｚ軸に関する回転速度が検出されうる。したがって、マイクロ回転速度センサは、３つの直交する軸に関する回転速度を検出できる３Ｄセンサであってよい。
【００２７】
本発明に従うマイクロ回転速度センサは、従来技術に比べて実質的に場所を取らず、例えば、それぞれが単一の回転速度のみを検出する３つの回転速度センサを含む。従来技術による他の回転速度センサでは、センサ素子を直接駆動するので、本発明のように干渉に対して感度を低くするようには通常できない。
【００２８】
本発明の３Ｄ回転速度センサは、駆動方向は一方向であり、それに対応する、複数方向に同期して振動する複数の質量体（Ｘ−Ｙセンサ質量体）を含む連結構造を有している。したがって、単一の共振周波数が保証され、システムは非常に安定した動作が可能になる。複数の質量体は、その機能によって区別される。これによって、システムが１つのタイプの質量体によって共振動作し、Ｘ−Ｙ軸における回転速度が別のタイプの質量体によって検出され、Ｘ−Ｙ平面外のＺ軸に関する回転速度はさらに別のタイプの質量体によって検出されることが保証される。個々の質量体の機能を区別することによって、質量体の形状寸法、駆動および検出電極の配置、および、駆動振幅が最適化される。  これによって、システムの動的安定性が向上し、スペースに対しての感度が増す。本発明によれば、所望の振動を可能にし、他の望ましくない共振を抑制すべく、正しい場所に正確に配置できるバネによって駆動を最適化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
本発明のさらなる効果は、以下の図面に例示される実施形態に記載される。
【図１】本発明を示す概略平面図である。
【図２】図１における駆動を示す図である。
【図３】図１におけるＺ軸方向の回転速度を示す図である。
【図４】図１における、Ｘ−Ｙセンサ素子のＸ軸に関する動作を示す断面図である。
【図５】図１のＸ軸に沿った断面図であり、Ｘ−Ｙセンサ素子のＹ軸に関する偏向を示す図である。
【図６】本発明のさらなる実施形態を示す平面図である。
【図７】Ｘ−Ｙセンサ素子のさらなる配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は、本発明のマイクロ回転速度センサを示す平面図である。センサ１は、中心アンカー２によってセンサ１の下にある基板に取り付けられている。センサ１は、Ｘ−Ｙ平面内でＺ軸方向にわずかな距離を置いて配置されている。中心アンカー２にはジンバルサスペンション３が配置されており、それによってセンサ１は、中心アンカー２に回転可能かつ変位可能に取り付けられている。ジンバルサスペンション３は、アンカーバネ４を含む。内側アンカーバネ４は、Ｙ軸方向に位置合わせされ、内側リング５を中心アンカー２に取り付けている。内リング５と外側リング６との間にはＸ軸方向に位置合わせされたさらなるアンカーバネ４が配置される。アンカーバネは、その縦軸に沿った回転を可能にするトーションバネである。アンカーバネ４が位置合わせされていることにより、ジンバルサスペンション３は、Ｘ軸およびＹ軸に関する回転運動を可能にする。
【００３１】
外側リング６には、Ｘ−Ｙセンサ質量体８が取り付けられる連結バネ７が配置される。連結バネ７は、外側リング６に取り付けられ、Ｘ軸とＹ軸との中心に来ることによってＸ−Ｙセンサ質量体をＸ−Ｙ軸方向に移動させることができる。本実施形態では、Ｘ−Ｙ軸方向とはＸ軸とＹ軸との中心にあり、Ｘ軸およびＹ軸に対して４５度の方向である。これによって、Ｘ−Ｙセンサ質量体は、中心アンカー２に対して半径方向に振動する間に４５度の方向に変位することができる。他の角度方向にも、もちろん変位可能である。連結バネ７は、Ｘ−Ｙ平面外への移動を阻止するように設計されている。これは、Ｘ−Ｙセンサ質量体８がＸ−Ｙ平面外に移動するのは、連結バネ７が取り付けられている外側リング６を伴ってのみ可能であることを意味する。ジンバルサスペンション３の外側リング６がＸ−Ｙ平面外に変位したときのみ、Ｘ−Ｙセンサ質量体８も外側リング６と共にＸ−Ｙ平面外に変位する。
【００３２】
隣接するＸ−Ｙセンサ質量体８同士をそれぞれ中心アンカー２に対して半径方向に同時に移動させるべく、Ｘ−Ｙセンサ質量体８の間に同期バネが配置される。Ｘ−Ｙセンサ質量体８が中心アンカー２から離れると、同期バネ９は伸長する。Ｘ−Ｙセンサ質量体８が中心アンカー２の方へ戻ると、同期バネ９は収縮する。同期バネ９は同様に伸縮するので、中心アンカー２に対するＸ−Ｙセンサ質量体８の同期運動が保証される。
【００３３】
２つの駆動質量体１１と、２つのＺセンサ質量体１２とが連結バネ１０によってＸ−Ｙセンサ質量体８に取り付けられる。その後、駆動質量体１１およびＺセンサ質量体１２は、さらなる連結バネ１０’によって２つのアンカー１３にそれぞれ取り付けられる。
【００３４】
駆動質量体１１は、実質的にＸ軸方向に変位可能である。  本実施形態では、駆動質量体１１は、連結バネ１０によって、駆動質量体１１に対向する同期バネ９にさらに連結される。駆動質量体１は、例えば、櫛形電極などの駆動素子（図示せず）を有する。櫛形電極の１つは、基板に固定され、他は駆動質量体１１に接続される。交流電圧が印加されることにより、駆動質量体１１がＸ軸に沿って振動するよう駆動される。駆動質量体１１をアンカー１３に接続する外側連結バネ１０’により、Ｘ−Ｙ平面内の弾性がもたらされる。この外側連結バネ１０’は、Ｘ−Ｙ平面外に変位できない。したがって、駆動質量体１１は、常にＸ−Ｙ平面内にある。
【００３５】
駆動質量体１１がＸ軸方向に変位すると、Ｘ−Ｙセンサ質量体８も駆動質量体１１と共に移動する。各Ｘ−Ｙセンサ質量体８は、連結バネ１０によって駆動質量体１１およびにＺセンサ質量体１２に取り付けられ、隣接するＸ−Ｙセンサ質量体８同士は、同期バネ９によって連結されることにより、Ｘ−Ｙ平面内で移動するようになる。移動方向は、Ｘ−Ｙ軸間の約４５度の方向であり、本実施形態においてＸ−Ｙセンサ質量体８が支持されている方向と一致する。駆動質量体１１が能動的に駆動されることにより、Ｘ−Ｙセンサ質量体８はＸ−Ｙ軸方向に駆動する。
【００３６】
２つの駆動質量体１１の間にはＸ軸と平行な２つのＺセンサ質量体１２が配置される。Ｚセンサ質量体１２は、連結バネ１０によって２つの隣接するＸ−Ｙセンサ質量体８に連結される。Ｚセンサ質量体１２のそれぞれは、２つの外側連結バネ１０’によって２つのアンカー１３に連結される。外側連結バネ１０’により、Ｚセンサ質量体１２は、実質的にＸ軸方向に移動することが可能になる。外側連結バネ１０’の設計により、Ｙ軸方向にも当然わずかに移動するが、実質的な移動方向は、Ｘ軸方向である。いかなる場合でも、Ｚセンサ質量体はＸ−Ｙ平面にあり、Ｘ−Ｙ平面外には出ない。
【００３７】
センサ１の駆動を図２に示す。この図からは、駆動質量体１１がＸ軸に沿って矢印の方向に移動していることがわかる。これによって、連結バネ１０および同期バネ９がＸ−Ｙセンサ質量体８を移動させる。Ｘ−Ｙセンサ質量体８はこのようにして間接的に駆動される。櫛形電極などの専用の駆動素子をＸ−Ｙセンサ質量体８に設けることが基本的に可能だとしても、本発明の有利な実施形態ではそうしない。駆動質量体１１のみを能動的に駆動することが有利な点である。
【００３８】
図からわかるように、外側連結バネ１０’は収縮しており、Ｘ−Ｙセンサ質量体８をジンバルサスペンション３に連結する連結バネ７は伸長している。Ｘ−Ｙセンサ質量体８は、Ｘ軸およびＹ軸から約４５度の方向に移動する。駆動質量体１１が前後に移動することによって、Ｘ−Ｙセンサ質量体８も中心アンカー２に対して放射状に移動する。Ｚセンサ質量体１２は静止したままである。このことは、駆動質量体１１が逆位相で移動する場合にもあてはまる。その場合、駆動質量体１１は中心アンカー２から同時に離れ、中心アンカー２に向かって同時に戻る。センサ１の異なる動作モードでは、これとは逆に、駆動質量体１１が同相で移動することも可能である。この場合、回転速度が０だとしても、Ｚセンサ質量体１２は、駆動質量体１１と共にＸ軸方向に移動し、一方、Ｘ−Ｙセンサ質量体８は、Ｘ軸およびＹ軸から４５度の方向にさらに移動する。しかしながら、Ｚセンサ質量体１２は、同時に左に移動し、同時に右に移動する。したがって、２つのＸ−Ｙセンサ質量体８は常に中心アンカー２に向かって移動する一方で、Ｙ軸に関してそれらと対向して配置された２つのＸ−Ｙセンサ質量体８は、中心アンカー２から遠ざかるように移動する。
【００３９】
図３は、センサ１によってＺ回転速度が検出される図１の実施形態を示す平面図である。Ｚ回転速度とは、センサ１の基板がＺ軸に関して回転する速度である。これによって、放射状に振動するＸ−Ｙセンサ質量体８は、Ｚ軸に関して偏向するようになる。これは、外側アンカーバネ４および内側アンカーバネ４が曲がることによって起きる。
【００４０】
質量体の変位に応じた剛性を有する連結バネ１０によってＸ−Ｙセンサ質量体８をＺセンサ質量体１２に連結することにより、Ｚセンサ質量体１２は実質的にＸ軸方向に偏向する。このＺセンサ質量体１２の偏向によって、Ｚセンサ質量体１２と、例えば電極などのセンサ素子（図示せず）との距離が変化する。これらのセンサ素子は、一方が基板に取り付けられ、もう一方はＺセンサ質量体１２に取り付けられている。電気信号が変化することにより、Ｚセンサ質量体１２のＺ軸方向の移動が検出され、Ｚ回転速度が決定される。同様に、Ｘ−Ｙ平面内での位置変更も起きているので、Ｘ−Ｙセンサ質量体８および駆動センサ質量体１１に接続されたセンサによってＺ回転速度を検出することももちろん可能だろう。しかしながら、Ｚセンサ質量体１２による検出が最も単純かつ間違いようがなく行うことができるという理由から、Ｚセンサ質量体１２によって起きる動作が最も一義的でわかりやすいと言える。駆動質量体１２およびＸ−Ｙセンサ質量体８にはセンサ素子が備えられていない。
【００４１】
図４は、図１に示すセンサ１のＹ軸に沿った断面図である。図に示される状態では、センサ１はＹ軸に関する回転速度を検出している。センサ１またはその基板がＹ軸に関して回転する場合、駆動質量体１１およびＸ−Ｙセンサ質量体８が振動していることによってＸ−Ｙセンサ質量体８にコリオリ力が作用し、それによってＸ−Ｙセンサ質量体８がＸ軸に関して回転する。これは、ジンバルサスペンション３によって可能となり、外側リング６が内側リング５に関してＸ−Ｙ平面外に移動する。Ｘ−Ｙセンサ質量体８を駆動質量体１１およびＺセンサ質量体１２に連結している連結バネ１０が伸長することによって、Ｘ−Ｙセンサ質量体８がＸ−Ｙ平面外に移動する。
【００４２】
上述のＸ軸に対する傾斜動作は、センサ素子２１’および２１”によって検出可能である。センサ素子２１’は基板２０に取り付けられ、センサ素子２１”は、Ｘ−Ｙセンサ質量体８に取り付けられる。Ｘ−Ｙセンサ質量体８がＸ軸に対して傾くことにより、センサ素子２１’と２１”との距離が変化し、それによって、平板電極の電気信号が変化する。これによってＸ軸に関する傾斜動作が検出され、Ｙ軸に関する回転速度が決定される。本実施形態から明らかなように、Ｚセンサ質量体１２は、Ｘ−Ｙ平面外に移動することはない。Ｚセンサ質量体１２は、外側連結バネ１０’によってアンカー１３に取り付けられていることにより、Ｘ−Ｙ平面内にとどまる。
【００４３】
図５は、図１のセンサ１のＸ軸に沿った断面図であり、Ｘ軸に関する回転速度が発生している。このＸ軸に関する回転速度により、Ｘ−Ｙセンサ質量体８は、Ｙ軸に関して傾く。駆動質量体１１はＸ−Ｙ平面内にあり、図示しないＺセンサ質量体もＸ−Ｙ平面内にある。Ｘ−Ｙセンサ質量体８のみがジンバルサスペンション３、すなわち、アンカーバネ４、内側リング５および外側リング６と共に中心アンカー２およびＹ軸に関して傾く。上述したように、センサ素子２１’および２１”の２つの平板電極の間隔が再び変化する。この変化によって、Ｘ−Ｙセンサ質量体８のＹ軸に関する回転は、センサ１のＸ回転速度の指標として決定される。同期バネ９および連結バネ１０により、Ｘ−Ｙセンサ質量体８がＸ−Ｙ平面外に移動することが可能になる。一方、駆動質量体１１は、連結バネ１０’によってＸ−Ｙ平面内にとどまる。
【００４４】
さらなる実施形態を図６に示す。ここでは、駆動質量体は、一対の駆動質量体として示されている。対の駆動質量体のそれぞれは、２つの駆動質量体１１’を含む。駆動質量体１１’のそれぞれは、アンカー１３に連結されている。各駆動質量体１１’とＸ−Ｙセンサ質量体８との間の連結には、連結構造２２を利用している。このような構成によって、Ｘ−Ｙセンサ質量体８の偏向がさらに容易になる。これによって構造全体のバネの位置および動力がさらに最適化される。機能に関しては、前述の実施形態と同様である。
【００４５】
図７は、Ｘ−Ｙセンサ質量体８のさらなる実施形態を示す図である。この図は、Ｘ−Ｙセンサ質量体８が必ずしもＸ軸、Ｙ軸、および、Ｚ軸の起点に対して位置合わせされる必要はないことを明確に示している。互いの間隔を大きくし、中心から外れた位置に向かって接近するようにしてもよい。その他の構造は、前出の図と同様である。
【００４６】
本発明は、上記実施形態に限定されないことはもちろんである。特に、ジンバルサスペンションは、すべてのケースに必要なわけではない。バネのみの設計でＸ−Ｙセンサ質量体を１つ以上のアンカーに接続することもできる。アンカー２は、Ｘ軸、Ｙ軸、および、Ｚ軸の起点を中心として配置される必要はない。例えば、Ｘ−Ｙセンサ質量体８は、中心に配置されない専用のアンカーをそれぞれ有してもよい。駆動質量体１１およびＺセンサ質量体１２の設計も図示した例に制限されない。このことはＸ−Ｙセンサ質量体８にも当てはまる。外側アンカー１３の分布および配置も実施形態に示す以外の方法で行ってよい。１つのアンカーを、２つの隣接する駆動質量体１１、および、該２つの駆動質量体が連結されたＺセンサ質量体用のアンカーとして用いる設計も可能である。個々の質量体の移動の振幅に影響を与えるようにバネを微調整することも可能である。このような質量体を個別に移動させるタイプの回転速度センサは、個々の質量体の配列、および、個々の質量体とバネとの連結にも影響されることは言うまでもない。
【図１】
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【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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【外国語明細書】
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