(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コリオリ力を使用してヨーレートを検出するための振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子であって、
支持体（１０）と、
連結質量体（３）と振動ばね（４，５）とから成る連結範囲と、
２つの振動質量体（１，２）とが設けられていて、両振動質量体（１，２）は、該振動質量体（１，２）が励起時に一平面において逆位相的に駆動振動するように、連結範囲を介して互いに機械的に結合されており、
さらに少なくとも２つの懸吊ばね（６）が設けられていて、該少なくとも２つの懸吊ばね（６）の各々が一方の端部で支持体（１０）と結合されており、前記少なくとも２つの懸吊ばね（６）の他方の端部が、両振動質量体（１，２）の１つとそれぞれ結合されており、
連結質量体（３）が、振動質量体（１，２）の質量よりも極めて小さく、前記少なくとも２つの懸吊ばね（６）は、該少なくとも２つの懸吊ばねが振動質量体（１，２）の駆動振動方向においては柔らかく、かつその他のすべての自由度においては著しく硬い特性を有するように、構成されていることを特徴とする、振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子。
【請求項２】
前記少なくとも２つの懸吊ばね（６）が、駆動振動方向において、振動ばね（４，５）よりも柔らかい、請求項１記載の振動子。
【請求項３】
前記少なくとも２つの懸吊ばね（６）が、平行に延びる複数の部分ばねから構成されている、請求項１又は２記載の振動子。
【請求項４】
前記少なくとも２つの懸吊ばね（６）に加えて、少なくとも１つの別の懸吊ばね（６）が付加的に設けられていて、該別の懸吊ばね（６）が、一方の端部で支持体（１０）と結合されていて、他方の端部で連結範囲と結合されている、請求項１記載の振動子。
【請求項５】
前記少なくとも２つの懸吊ばね（６）及び前記別の懸吊ばね（６）の両方又はそのいずれか一方の懸吊ばね（６）が、駆動振動方向において、振動ばね（４，５）よりも柔らかい、請求項４記載の振動子。
【請求項６】
前記少なくとも２つの懸吊ばね（６）及び前記別の懸吊ばね（６）の両方又はそのいずれか一方の懸吊ばね（６）が、平行に延びる複数の部分ばねから構成されている、請求項４又は５記載の振動子。
【請求項７】
コリオリ力を使用してヨーレートを検出するための振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子であって、
支持体（１０）と２つの振動質量体（１，２）とが設けられており、両振動質量体（１，２）は、連結質量体（３）と振動ばね（４，５）とから成る連結範囲を介して、振動質量体（１，２）が励起時に一平面において逆位相的に駆動振動するように、機械的に結合されており、
連結質量体（３）がフレームとして構成されており、両方の振動質量体（１，２）が振動ばね（４，５）を介してフレームと結合されており、かつフレームが、該フレームの端部もしくは角隅に配置されている懸吊ばね（６）によって支持体（１０）と結合されていることを特徴とする、振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子。
【請求項８】
フレームが振動質量体（１，２）を完全に取り囲んでいる、請求項７記載の振動子。
【請求項９】
フレームが方形に構成されており、該方形のフレームの角隅に懸吊ばね（６）が配置されている、請求項８記載の振動子。
【請求項１０】
フレームが、振動質量体（１，２）を挟んで互いに向かい合って配置されている、請求項７記載の振動子。
【発明の詳細な説明】
背景技術
本発明は、請求の範囲の請求項１の上位概念に記載された、ヨーレート（絶対的な角速度）を検出するための振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子に関する。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４０２２４９５号明細書に基づいて、ケイ素-半導体-結晶から製造されている２つの振動質量体を備えた振動式ジャイロが公知である。この公知の振動式ジャイロには次のような問題がある。すなわちこの場合、振動式ジャイロの両方の振動質量体の逆位相の振動が、例えば温度変化時には位相安定的でない。角運動量の発生時に生じるコリオリ力は、この場合常に十分な精度で測定することができず、この結果このセンサの信頼性は、例えば自動車において高い信頼性を要求されて使用される場合に、満たされ得ない。
別の振動式ジャイロは、刊行物「A micromichined comb-drive tuninng fork rate gyroscope」,IEEE,Feb.93、第１４３頁〜１４８頁から公知である。この別の振動式ジャイロでは、支持体平面において互いに逆向きに振動する２つの振動質量体は、両振動質量体がコリオリ力の影響下で支持体に対して垂直な方向において運動できるように、懸吊されている。そして両振動質量体の運動は、支持体に設けられた不動の対応電極を用いて静電式に検出される。しかしながらこの公知のジャイロの使用は、例えば自動車におけるような振動の多い環境においてはあまり適していない。それというのはこの場合、振動構造体は振動構造体の励起振動だけを実施するのではなく、残っている自由度の連結された運動をも受け止めるからである。これによって測定結果は劣化するおそれがある。
発明の利点
請求項１の特徴部分に記載の構成を備えた、本発明による振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子は、公知のものに比べて次のような利点を有している。すなわち本発明による振動子では、懸吊ばねの構成によって、連結範囲を介して機械式に連結されかつこれにより互いに逆向きに励起される両振動質量体は、絶対的に逆位相的に振動する。これによって安定的な位相関係が生ぜしめられる。それというのは、温度変化や両振動質量体の異なった質量のようなパラメータ変化が、不都合な影響を及ぼすことはないからである。これによって次のような利点が得られる。すなわちこの場合、振動式ジャイロのマイクロマシンの振動子は、例えばコリオリ力を測定するために、正確に特殊化された別体のセンサを備えることができる。また振動子の製造時には、製作誤差が比較的大きくてもよく、しかも特殊な調節もしくは整合が不要である、という別の利点が得られる。したがって本発明によるマイクロマシンの振動子の製造コストは、安価である。
請求項２以下に記載の構成によって、請求項１に記載のマイクロマシンの振動子の別の有利な構成が可能である。
特に有利な構造的な解決策は、連結質量体と振動ばねとを備えた連結範囲及び振動質量体が、少なくとも各１つの懸吊ばねを介して支持体と結合されていることによって、達成可能である。
このような配置形成は、特に、例えば自動車における使用される場合に生じることがある高い加速時においても、機械的に比較的安定的である。
懸吊ばねの影響を可能な限り小さく保つために、懸吊ばねのばね剛性は、振動ばねに比べて極めて柔らかい。
また構造的に単純な解決策を得るためには、振動質量体を完全に取り囲んで又は少なくとも部分的に取り囲んでフレームが形成され、このフレームが同時に連結質量体としても構成されていて、フレームに、両方の振動質量体が振動ばねを介して機械的に連結されている。このような構造体は、公知の方法を用いて、例えばシリコン・ウエハから簡単にエッチング加工することができる。
連結質量体としてフレームを使用する場合には、フレームの部分が小さく構成されていればいるほど、有効な連結質量体はより小さくなる。極めて小さなフレーム部分では、連結質量体の質量はほぼ０であり、この結果、両振動質量体の位相関係が連結質量体によって影響を受けることはなくなる。
ヨーレートセンサがケイ素材料から構成されている場合には、金属被覆された相応な導電体を用いて、振動質量体を介して電流を導くことができる。振動質量体が、振動平面に対して垂直に作用する電磁場に位置している場合には、電流によって振動質量体の振動を励起することができる。
図面
次に図面を参照しながら本発明の実施例を詳しく説明する。
第１図は、第１の機械的な概略図である。
第２図は、第２の機械的な概略図である。
第３図は、第３の機械的な概略図である。
第４図は、第１実施例を示す図である。
第５図は、第２実施例を示す図である。
第６図は、第３実施例を示す図である。
第７図は、第４実施例を示す図である。
別の無接触式の駆動可能性は、コーム構造（静電式、リラクタンス駆動装置）の使用によって与えられている。
振動子は、相応な加速センサとの関連において種々様々な分野において、例えば自動車、船舶、飛行機、ロボットのヨーレート測定のために、又は液体もしくは気体における乱流を測定するために、使用することができる。
実施例の記載
第１図に示された機械的な概略図では、２つの振動ばね４，５を介して結合された２つの振動質量体１，２が示されている。振動ばね４，５の間には、両振動ばね４，５と共に連結範囲を形成する連結質量体３が配置されている。この連結質量体３は懸吊ばね６を用いて、外側のフレーム及び支持体（Substrat）１０と結合されている。このヨーレートセンサ（Drehratensensor）のための材料としては、半導体材料、有利にはケイ素又はケイ素化合物が使用される。ケイ素はこの場合マイクロマシーン技術によって、質量体とばねとを形成するように構成されている。この概略図では図面を見やすくするために、静電場又は電磁場において質量を振動させるために働く、金属被覆された導電線は省かれている。ばね４，５，６に対して平行に緩衝部材７が配置されており、これらの緩衝部材７は、振動系を設計する際の計算時に考慮される。
第２図に示された第２の概略図は、２つの振動質量体１，２と連結質量体３との間において類似の構成を有している。この実施例ではしかしながら両方の質量体１，２は懸吊ばね６を介して直接的に支持体１０と結合されている。
第３図に示された第３の概略図は、上に述べた２つの概略図を組み合わせた形式である。この実施例では２つの振動質量体１，２と連結質量体３を備えた連結範囲とが、懸吊ばね６を介して支持体１０と結合されている。
以下においては複数の実施例を参照しながら、この装置の作用形式を説明する。マイクロマシンの振動子は、機械式の振動式ジャイロとも呼ばれ、この場合その振動質量体１，２には、相応なセンサ例えば加速度センサが取り付けられている。取り付けられた加速度センサは、特に電気的な回路を有しており、これらの回路への給電は導体路を介して行われ、これらの導体路は懸吊ばねを介して外方に向かって敷設されることができる。振動式ジャイロは、回転させられる振動する慣性質量体が、コリオリ力に基づいてその振動平面に対して垂直な方向に変位させられるという効果を利用する。コリオリ力はこの場合種々様々な形式で、電気機械式の変換プロセスによって検出することができる。相応なセンサを振動質量体に配置することが可能であり、又は相応なセンサを用いて間接的に振動質量体の変位を測定することが可能である。振動数ｆによって変調された信号が得られ、この信号は、次いで行われる復調によって、ヨーレートｆに対して正比例する所望の測定信号を生ぜしめる。コリオリ力と同じ方向を有する、直線的な妨害加速（センサの横方向加速）は、加速-妨害信号を生ぜしめるが、この妨害信号は、逆位相に振動する振動質量体によって抑制される。振動質量体１，２の逆位相の振動によって、慣性力が相殺される。またコリオリ力は逆方向において両方の振動質量体１，２に作用するが、しかしながら妨害-加速力は同じ方向において作用する。したがって理想的な電気機械式の２つの同一の変換器の信号の差異形成（Differenzbildung）によって、妨害加速は補償することができる。
このようなセンサは例えば自動車において、特に安全装置を制御するため又は走行動力学（Fahrdynamik）を調整するために使用可能である。
実施においてはしかしながら、両方の変換器は完全に同一でも完全に方向選択的（richtungsselektiv）でもない、ということが示されている。変換器は、該変換器が主検出方向において変位しない場合、特に駆動方向において変位した場合でも、信号を発する。この信号は、その都度の駆動速度によって変調されて現れ、復調後に出力オフセット（Ausgangsoffset）を生ぜしめ、そして、信号が少なくとも位相安定している場合にしか、補償され得ない。したがって駆動のためには、各振動質量体１，２の励起速度、ひいてはコリオリ-有効信号は、逆位相で存在しなくてはならない。ゆえに本発明によれば、構造的な処置によって、逆位相の振動特性に不都合な影響を与える妨害影響を小さく保つことが、提案されている。このことは主として次のことによって達成される。すなわち本発明では、連結質量体３は振動質量体１，２の質量よりも極めて小さく、この場合振動質量体１，２は必ずしも同一である必要はない。小さな連結質量体の利点は、懸吊ばねが振動方向において極めて柔らかいことによって、さらに高められる。振動平面に対して垂直な方向では、懸吊ばね６は相応な横断面比に基づいて比較的剛性に構成されている。互いに平行に延びる複数の部分ばねが設けられている場合には、また相応に多くの導体路を外部に向かって延ばすことができる。柔らかい懸吊ばね６によって、温度の影響が大きい場合でも、両振動質量体１，２の間における振幅変化及び位相変化が生ぜしめられず、この結果振動系は妨害影響に対して鈍感になる。
高い感度を得るためにヨーレートセンサの作業振動数を低く選択することが、望まれているので、与えられた最小のセンサ面において振動質量体１，２は可能な限り大きく選択され、ばね長さは可能な限り長く構成され、かつばね幅は可能な限り細く構成される。
第１実施例は第４図に示されている。連結質量体３を備えた連結範囲は、それ自体環状に閉じられて振動質量体１，２の回りに位置しているフレーム３から成っている。各振動質量体１，２は、振動ばね４，５を介してフレーム３と結合されている。フレーム３は懸吊ばね６を介して支持体１０と結合されている。振動ばね４，５及び懸吊ばね６は、その長さを増大させることを目的として、折り畳まれて構成されている。振動ばね４，５及び懸吊ばね６は、２つ又はそれ以上の平行な部分ばねによって構成されていてもよい。
第５図に示された第２実施例では、フレーム３は互いに向かい合っている側にしか構成されていない。連結質量体３としてのフレームは、これによって第１実施例におけるよりも小さく構成されている。この第２実施例では、互いに向かい合っている２つの側において振動質量体１，２は振動ばね４，５を介してフレーム部分３に連結されている。フレーム部分３はこの実施例においても懸吊ばね６を介して支持体１０と結合されている。２つの部分から成るフレームの利点としては、非直線的な振動のおそれの減少、減じられたセンサ面、及びｚ方向におけるもしくはｙ軸を中心としたモードのより大きな間隔が挙げられる。これによってこの配置形式は、コリオリ方向におけるより大きな剛性を得ることができる。
第６図に示された第３実施例及び第７図に示された第４実施例では、連結質量体３がさらに減じられている。フレーム部分の代わりにこの場合、２つの振動質量体１，２の間には１つのウェブ３（第６図）もしくは２つのウェブ（第７図）が構成されている。これらのウェブ３は一方では振動ばね４，５を介して振動質量体１，２と結合されており、かつ他方においては懸吊ばね６を介して支持体１０と結合されている。振動質量体１，２はさらに別の懸吊ばね６を介して支持体１０と結合されている。付加的に、第６図の実施例では構造体１１が設けられており、この構造体１１はフィンガ構造体として構成されていて、容量性の駆動装置又は基準信号のために適している。付加的な懸吊ばね６によって、ｚ方向におけるもしくはｙ軸を中心としたモード（コリオリ方向におけるモード）の固有振動数は、高くなり、このことは純然たる中央懸吊方式では不可能である。この実施例では連結質量体３は、その質量を無視できるほど小さい。
【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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