JP4290987B2 - 回転レートセンサー - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、独立請求項に記載の形式の回転レートセンサーにに関する。
【０００２】
米国特許第５７２８９３６号明細書により公知の回転レートセンサーにおいては、サブストレートの表面に第１及び第２のコリオリ・エレメントを配置してある。コリオリ・エレメントが、第１の軸の方向の振動を生ぜしめるように励起される。同じくサブストレートに対して平行な第２の軸の方向へのコリオリ力に基づくコリオリ・エレメントの変位が、検出される。
【０００３】
発明の利点
独立請求項に記載の特徴を有する本発明に基づく回転レートセンサーにおいては利点として、サブストレートの角加速度によって発生した力とコリオリ力が異なる方向を有している。従って、本発明に基づく回転レートセンサーは角加速度の影響を実質的に受けない。
【０００４】
さらなる改善及び利点が、従属請求項に記載の構成によって達成される。
【０００５】
コリオリ・エレメントの重心が、重心間の１つの結合直線に対して垂直に運動させられる場合には、コリオリ・エレメントのコリオリ力に基づく変位が、時間的な手段で、角加速度によって力成分を生ぜしめることのない同一の軸上に位置している。コリオリ・エレメントの振動の励起が、特に簡単な形式では１つの駆動エレメントによって行われ、該駆動エレメントが駆動力をばねによって伝達する。この場合、該駆動エレメントにコリオリ・エレメントが完全に懸架されていてよい。励起手段として、静電的な櫛形駆動部が駆動エレメントに設けられていてよい。コリオリ力の検出が、コリオリ・エレメントに運動可能な電極を設けて、該電極に相対して不動の電極を配置することによって行われてよい。検出エレメントを設けることも可能であり、該検出エレメントにコリオリ力がばねを介して伝達される。この場合に検出エレメントは、コリオリ力の方向での運動のみを行うようにサブストレートに懸架されていてよい。これによって、運動可能な電極の、検出方向と異なる方向の運動に起因する妨害が抑制される。コリオリ・エレメントの逆位相の振動を保証するために、逆位相の振動が振動数に関連して同位相の振動と明確に異ならされる。このために、連結ばねが駆動エレメントとコリオリ・エレメントとの間に、若しくは駆動エレメントと検出エレメントとの間に設けられる。
【０００６】
実施例の説明
次に本発明の実施例を図面に示して、詳細に説明する。図１は本発明に基づく回転レートセンサーの平面を示しており、図２は図１の回転レートセンサーの一部分の詳細図であり、図３が図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図４乃至図７が回転レートセンサーの別の実施例の平面図である。
【０００７】
図１乃至図３を用いて本発明の第１の実施例を説明する。図１に平面を概略的に示してあるサブストレート１に、第１のコリオリ・エレメント１００及び第２のコリオリ・エレメント２００が配置されている。第１及び第２のコリオリ・エレメント１００，２００は方形のフレーム状の構造体として形成されている。フレーム状のコリオリ・エレメント１００，２００が検出手段１０１，２０１を取り囲んでおり、該検出手段が図１には概略的に格子線として示してある。検出手段は図２の平面図に詳細に示してある。フレーム状のコリオリ・エレメント１００，２００が、同じく方形のフレーム状の駆動エレメント１０２，２０２によって取り囲まれている。駆動エレメント１０２，２０２とコリオリ・エレメント１００，２００との間の結合が、たわみばね１０３，２０３によって行われている。たわみばねが、Ｘ・方向では柔らかく、かつＹ・方向では硬く構成されている。駆動エレメント１０２，２０２に運動可能な電極１０４，２０４を固定してあり、該電極が不動の電極１０５，２０５と櫛状に係合している。不動の電極１０５，２０５が支承ブロック１０６，２０６によってサブストレート１に堅く結合されている。さらに、駆動エレメント１０２，２０２がばね１０７，２０７によって別の支承ブロック１０６，２０６に結合されており、該支承ブロックが同じくサブストレート１に堅く結合されている。
【０００８】
これによって回転レートセンサーが、支承ブロック１０６，２０６を介してサブストレート１に結合されている。コリオリ・エレメント１００，２００も駆動エレメント１０２，２０２も、サブストレート１に対して相対的に運動できるようになっていてよい。該エレメントのこのような運動が、ばねエレメント１０３，２０３及び１０７，２０７によってのみ規定されている。
【０００９】
ばね１０７，２０７が、Ｙ・方向では柔らかく、かつＸ・方向では硬く構成されている。これによって駆動エレメント１０２，２０２が実質的に、Ｙ・方向に対して平行な軌道に沿ってのみ運動するようになっている。コリオリ・エレメント１００，２００がばね１０３，２０３を介して駆動エレメント１０２，２０２に結合されている。これによってコリオリ・エレメント１００，２００は駆動エレメント１０２，２０２に対して相対的に実質的にＸ・方向でのみ運動するようになっている。Ｙ・方向に対して平行な方向での駆動エレメント１０２，２０２の運動に際して、もちろんコリオリ・エレメント１００，２００も前記同じ方向に運動させられる。これによってコリオリ・エレメント１００，２００がサブストレート１に対して相対的に、Ｙ・方向に対して平行な方向でも、Ｘ・方向でも運動可能である。
【００１０】
センサーの機能の説明のために、各コリオリ・エレメント１００，２００にそれぞれ重心１１０，２１０を示してある。各重心１１０，２１０がそれぞれフレーム状のコリオリ・エレメント１００，２００の中心点に位置している。
【００１１】
運動可能な電極１０４，２０４と不動の電極１０５，２０５との間の電圧の印加によって、駆動エレメント１０２，２０２に振動が励起される。これによってコリオリ・エレメント１００，２００にも振動が励起される。即ちコリオリ・エレメント１００，２００の重心１１０，２１０がそれぞれ、Ｙ・軸に対して平行な１つの軸に沿って運動する。要するに両方のコリオリ・エレメント１００，２００の運動が、互いに平行に向けられた軸内で行われる。この場合、各重心は、コリオリ力の影響（即ち、サブストレート１に垂直な１つの軸を中心としたサブストレートの回転運動）がない場合には、互いに平行な直線に沿って運動する。Ｚ・軸を中心とした、即ちサブストレート１に垂直な軸を中心としたサブストレート１の回転が生じると、各コリオリ・エレメント１００，２００がコリオリ力を受け、コリオリ力は回転軸線に対して垂直でかつ運動軸線に対して垂直である。従って該力がＸ・方向に作用する。
【００１２】
運動可能な電極１０４，２０４が不動の電極１０５，２０５及び駆動エレメント１０２，２０２と一緒に励起手段を形成しており、該励起手段によってコリオリ・エレメント１００，２００に振動が励起され、該振動に際して重心１１０，２１０の振動軸線が互いに平行に向けられている。この場合に該軸線は少なくとも、１つのコリオリ・エレメント１００，２００のＸ・方向の長さの値の相互間隔を置いて位置している。
【００１３】
両方の駆動エレメント１０２，２０２が連結ばね５２によって互いに結合されている。該連結ばねによって、駆動エレメント１０２，２０２の振動モードのＹ・方向での振動数に関連した分離が達成される。即ち、同位相の振動のためにばね１０７，２０７のＹ・方向のばね剛性が考慮される。逆位相の振動のために、ばね１０７，２０７の前記ばね剛性のほかに連結ばね５２のＹ・方向のばね剛性も考慮される。これによって同位相の振動の固有振動数が、逆位相の振動の振動数と異なっており、その結果、異なる振動モードの意図的な励起が容易になる。ここでは特に逆位相・振動モードが所望されており、即ち、回転レートセンサーの左側が下方へ運動する場合に、右側が上方へ運動させられ、かつ逆に、左側が上方へ運動する場合に、右側が下方へ運動させられたい。回転レートセンサーの両方の半割部のこのような逆位相の振動に際して、コリオリエレメント１００，２００のＸ・方向の逆位相の振動も相応に生ぜしめられる。これによってコリオリエレメント１００，２００が回転に際して互いに接近する方向に運動するか若しくは互いに離反する方向に運動する。即ち、該エレメントが逆位相の振動を生ぜしめる。
【００１４】
さらに有利には、コリオリ・エレメント１００，２００の静止位置に関してＸ・方向の運動が共通の１つの軸に沿って行われる。このような原理の利点として、Ｚ・軸を中心とした角加速度が直接にコリオリ・エレメント１００，２００の運動に直接に影響を及ぼすことがなく、それというのはコリオリ・エレメントがＺ・軸を中心とした角加速度によって変位させられないからである。これによって、回転レートセンサーがＺ・軸を中心とした角加速度の影響を受けにくくなっている。
【００１５】
図２は、図１のコリオリ・エレメント１００の評価手段１０１の拡大詳細平面図である。フレーム状のコリオリ・エレメント１００が評価手段１０１を取り囲んでいる。評価手段が格子状の電極１２１として形成されており、この場合、多数の電極１２１がコリオリ・エレメント１００のフレーム状の構造内に設けられている。安定化のために、格子状の電極１２１がさらに中央ビーム１３０を用いて互いに結合されている。各電極１２１がコリオリ・エレメント１００と一緒に運動する。電極１２１は不動の電極１２２，１２３間に配置されており、該電極は支承部１０６によってサブストレート１に取り付けられている。これによって、電極１２２，１２３が、サブストレートに対して運動しない不動の電極として形成されている。
【００１６】
図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。図３には、サブストレート１及び、該サブストレートの上面に配置された導体路１３０が断面で示してある。導体路１３０上に支承部（固定部）１０６が取り付けてあり、これによってサブストレート１に堅く結合されている。支承部１０６及び、該支承部に取り付けられた電極が導電可能であり、導体路１３０によって並列的に接続される。運動可能な各電極１２１が、不動の１つの電極１２２と不動の１つの電極１２３との間に配置されている。従って、運動可能な電極１２１と不動の電極１２２との間、及び運動可能な電極１２１と不動の電極１２３との間にコンデンサーが形成される。両方のキャパシタンスが差動キャパシタンスとして構成されており、即ち一方のキャパシタンスの増大に際して、他方のキャパシタンスが相応に減少する。両方の電極組１２２，１２３の支承ブロック１０６の側方へのずらしによって、対応する導体路１３０を用いて、対応するキャパシタンスが互いに並列的に接続される。
【００１７】
図３から明らかなように、コリオリ・エレメント１００がサブストレート１の上に配置されており、かつコリオリ・エレメント１００に結合された電極１２１もサブストレート１の上に配置されている。該断面図に示されているように、断面図で示す支承ブロック１０６を有する電極１２２が、支承ブロック１０６を介して導体路１３０に配置されていて、これによってサブストレート１に堅く結合されている。電極１２３は図３の断面図では同じくサブストレートの上に図示してある。該電極はしかしながら、別の箇所で該電極のための対応する導体路１３０を介してサブストレート１に堅く結合されている。
【００１８】
サブストレート１及び、該サブストレートの上に配置されたエレメント、例えばコリオリ・エレメント１００，２００、駆動エレメント１０２，２０２、ばね及び電極にとって、材料として有利には珪素を用いてあり、珪素が適当なドーピングによって導電性に形成されている。サブストレートは、必要な箇所を絶縁層によって電気的に絶縁されてよい。センサーのために、別の材料、例えばセラミック、ガラス若しくは金属が用いられてもよい。
【００１９】
図１の回転レートセンサーにおいて重要なことは、コリオリ・エレメント１００，２００の重心１１０，２１０の静止状態に関連して、コリオリ・エレメントのＸ・方向の運動が、重心１１０，２１０間の結合軸線に沿って行われ、その結果、コリオリ・エレメントがコリオリ・エレメントのＸ・方向の振動の逆位相の励起に際して共通の１つの軸に沿って互いに接近する方向に若しくは互いに離反する方向に運動させられることである。その結果、Ｚ・軸を中心とした角加速度の不都合な影響が、回転レートセンサーのこのような機械的な構成によって抑制される。
【００２０】
図４は、本発明に基づく回転レートセンサーの別の実施例の平面図である。図４に平面を示してあるサブストレートに、図１に示してあるように、コリオリ・エレメント１００，２００を配置してあり、コリオリ・エレメントが駆動エレメント１０２，２０２によって取り囲まれている。コリオリ・エレメント１００，２００と駆動エレメント１０２，２０２がばね１０３，２０３に結合されている。駆動エレメント１０２，２０２がばね１０７を用いて支承ブロック１０６，２０６に結合されている。さらに、運動可能な電極１０４，２０４、不動の電極１０５，２０５及び、不動の電極１０５，２０５のための支承ブロック１０６が設けられている。両方の駆動エレメント１０２，２０２が連結ばね５１を用いて互いに結合されている。これらのすべてのエレメントは、すでに図１で述べたエレメントに相当するものであって、同じ機能を生ぜしめる。
【００２１】
図１に対する相違として、コリオリ・エレメント１００，２００の検出のために、フレーム状の検出エレメント１４０，２４０をそれぞれフレーム状のコリオリ・エレメント１００，２００の内部に設けてある。検出エレメント１４０，２４０が同じく方形のフレーム構造として形成されいて、ばねエレメント１４１，２４１を用いて支承ブロック１０６，２０６を介してサブストレート１に結合されている。ばねエレメント１４１，２４１がＸ・方向で柔らかくかつＹ・方向で硬く、従って実質的に検出フレーム１４０，２４０のＸ・方向の変位のみを許すようになっている。検出フレーム１４０，２４０がばねエレメント１４２，２４２によって対応するコリオリ・エレメント１００，２００に結合されている。ばねエレメント１４２，２４２がＹ・方向で柔らかくかつＸ・方向で硬く形成されていて、従ってコリオリ力をＸ・方向で特に良好に伝達する。検出フレーム１４０，２４０の内部に格子状の検出電極１４３，２４３を配置してあり、該検出電極は図４には概略的に示してある。該エレメントの構造は図２及び図３に示す構造に相当するものである。
【００２２】
前記配置の利点として、格子状の電極１４３，２４３が実質的にＸ・方向でのみ運動可能であり、従って不動の電極に対して横方向の運動を行わない。図１及び図２では、運動可能な電極１２１は直接にコリオリ・エレメント１００に結合されており、従って該運動可能な電極はＸ・方向でもＹ・方向でも運動を行う。Ｘ・方向の運動は、コリオリ・エレメント１００のＸ・方向の変位の測定にとって必要である。該測定にとって、Ｙ・方向の運動は望ましいものではなく、エラーの原因になるものである。図４では、検出フレーム１４０，２４０がばね１４１，２４１を用いて固定部を介してサブストレート１に取り付けられており、運動可能な電極１４３，２４３がＸ・方向でのみ運動を行う。従って、測定・信号を妨害する原因が排除される。
【００２３】
図５に、別の実施例が示してある。エレメント１００，２００，１０３，２０３，１０４，２０４，１０５，２０５，１０６，２０６，１０７，２０７が、図１に開示のエレメントに相当するものであり、同じ機能のために役立っている。図１に対する相違として、駆動エレメント１０２，２０２が完全なフレームとしてではなく、開いたフレームとして形成されている。これによって、両方のコリオリ・エレメント１００，２００を連結ばね５２によって互いに直接に連結することが可能である。該連結ばね５２によってコリオリ・エレメント１００，２００間の直接的な連結が行われる。両方のコリオリ・エレメント１００，２００の同位相の振動に際して、ばね５２は変形させられず、従ってばね５２のばね定数が該振動モードのために考慮されなくてよい。両方のコリオリ・エレメント１００，２００の逆位相の振動にとっては、ばね５２のばね定数が考慮され、それというのは該ばねはこの種の振動に際して変形されるからである。ばねのばね定数を考慮することによって、コリオリ・エレメント１００，２００の同位相の振動と逆位相の振動の固有振動数が異なっており、その結果、振動モード、特に逆位相の振動モードの励起を意図的に行うことができる。このことは、不動及び可動の電極１０４，２０４，１０５，２０５の電気信号のために適当な励起周波数を選ぶことによって行われる。この場合には、図１におけるような駆動エレメント１０２，２０２の直接的な連結は、省略される。連結ばね５２の構成に基づき付加的に、駆動エレメント１０２，２０２のＹ・方向の振動モードの振動数に関連した分離を達成することもできる。即ち、同位相の振動のためにばね１０７，２０７のＹ・方向のばね剛性が考慮される。逆位相の振動のためにばね１０７，２０７のばね剛性のほかに、連結ばね５２のＹ・方向のばね剛性も考慮される。これによって、同位相の振動の固有振動数が逆位相の振動の振動数と異なっており、その結果、異なる振動モードの意図的な励起が容易に行われる。ここでも特に逆位相・振動モードの意図的な励起が望まれている。
【００２４】
図６に示してある実施例は、ほぼ図４の実施例に相当するものである。同じ構成部分には同じ符合が付けてある。図４に対する相違点として、駆動エレメント１０２，２０２が閉じたフレームとしてではなく、互いに向き合う側で閉じられていないフレームとして形成されている。このことは、コリオリ・エレメント１００，２００間における連結ばね５３の配置を可能にする。連結ばね５３は、Ｙ・方向でもＸ・方向でも柔らかく形成されている。これによってばね５３は、Ｙ・方向でもＸ・方向でもコリオリ・エレメント１００，２００間の振動の連結を次のように生ぜしめ、即ち、Ｙ・方向及びＸ・方向の逆位相及び同位相の振動モードがそれぞれ互いに異なっている。これによって意図的に逆位相の振動モードを励起することができる。
【００２５】
図７に示してある実施例は、ほぼ図４の実施例に相当するものである。同じ構成部分には同じ符合が付けてある。図４に対する相違点として、駆動エレメント１０２，２０２もコリオリ・エレメント１００，２００も、閉じたフレームとしてではなく、互いに向き合う側で開かれているフレームとして形成されている。このような処置によって、評価手段１４３，２４３、特に検出フレーム１４０，２４０を連結ばね５５によって互いに連結することが可能である。さらに、駆動エレメント１０２，２０２が連結ばね５４によって互いに連結される。連結ばね５５がＸ・方向で評価手段１４３，２４３、特に検出フレーム１４０，２４０の連結を次のように達成し、即ち、Ｘ・方向の同位相若しくは逆位相の振動の固有振動数が互いに異なっている。駆動エレメント１０２，２０２のこのような連結によって、Ｙ・方向の同位相及び逆位相の振動の固有振動数が振動数に関連して互いに異なっている。適切な励起振動の選択によって確実に、右側及び左側のエレメントがそれぞれ互いに相対して振動し、即ち駆動エレメント１０２，２０２並びに検出エレメント１４０，２４０が互いに逆位相で振動する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例の概略的な平面図。
【図２】 図１の実施例の部分的な詳細図。
【図３】 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図。
【図４】 本発明の別の実施例の概略的な平面図。
【図５】 本発明のさらに別の実施例の概略的な平面図。
【図６】 本発明のさらに別の実施例の概略的な平面図。
【図７】 本発明のさらに別の実施例の概略的な平面図。
【符号の説明】
１ サブストレート、５１，５２，５３，５４，５５ 連結ばね、１００ コリオリ・エレメント、１０１ 検出手段、１０３ たわみばね、１０４，１０５ 電極、１０６ 支承部、１１０ 重心、１２１，１２２，１２３ 電極、１４０ 検出エレメント

Claims (11)

1. 回転レートセンサーであって、
   第１のコリオリ・エレメント（１００）及び第２のコリオリ・エレメント（２００）を備えており、
   サブストレート（１）が設けられており、
   前記第１及び第２のコリオリ・エレメント（１００，２００）に対してそれぞれ駆動エレメント（１０２，２０２）を設けてあり、該駆動エレメントが、第１のばね（１０３，２０３）を用いて前記それぞれのコリオリ・エレメント（１００，２００）に結合されていると共に、第２のばね（１０７，２０７）を用いて前記サブストレート（１）に結合されており、前記第１のばね（１０３，２０３）が第１の軸（Ｙ）の方向で硬くかつ該第１の軸（Ｙ）に対して垂直な第２の軸（Ｘ）の方向で柔らかく形成されており、前記第２のばね（１０７，２０７）が前記第１の軸（Ｙ）の方向で柔らかくかつ前記第２の軸（Ｘ）の方向で硬く形成されており、
   励起手段（１０４，１０５，２０４，２０５）が設けられており、該励起手段（１０４，２０４）が前記それぞれの駆動エレメント（１０２，２０２）に結合されていて、前記励起手段によって前記駆動エレメント（１０２，２０２）を介して前記第１及び第２のコリオリ・エレメント（１００，２００）が前記第１の軸（Ｙ）に対して平行な振動を生ぜしめるように励起可能であり、
   検出手段（１０１，２０１）が設けられており、該検出手段によって、前記第１及び第２のコリオリ・エレメント（１００，２００）のコリオリ力に基づく変位が、前記第２の軸（Ｘ）の方向で検出可能であり、前記第１及び第２の軸（Ｙ，Ｘ）が前記サブストレート（１）の表面に対して平行に延びており、
   前記第１及び第２のコリオリ・エレメント（１００，２００）が前記サブストレート（１）の表面の上に並べて配置されており、前記第１及び第２のコリオリ・エレメント（１００，２００）の振動は互いに逆位相で、コリオリ力の作用がない場合には互いに前記第１の軸（Ｙ）に平行な２つの直線である軌道に沿って行われるようになっていることを特徴とする回転レートセンサー。
2. 前記第１及び第２のコリオリ・エレメント（１００，２００）がそれぞれ重心（１１０，２１０）を有しており、前記互いに平行な２つの直線が、前記両方の重心（１１０，２１０）によって規定された１つの直線に対して垂直である請求項１記載の回転レートセンサー。
3. 前記駆動エレメントが静電式の櫛形駆動部（１０４，２０４，１０５，２０５）として形成されている請求項１記載の回転レートセンサー。
4. 前記検出手段が運動可能な電極（１２１）を有しており、該電極が前記それぞれのコリオリ・エレメント（１００，２００）に結合されていてかつ、前記サブストレート（１）に結合された不動の電極（１２２，１２３）に相対して配置されている請求項１から３のいずれか１項記載の回転レートセンサー。
5. 前記検出手段が第１及び第２の検出エレメント（１４０，２４０）を有しており、該検出エレメントがばね（１４２，２４２）を用いて前記それぞれのコリオリ・エレメント（１００，２００）に結合されており、前記ばね（１４２，２４２）が前記第１の軸（Ｙ）の方向で柔らかくかつ前記第２の軸（Ｘ）の方向で硬く形成されている請求項１記載の回転レートセンサー。
6. 前記検出エレメント（１４０，２４０）が運動可能な電極（１２１）を有しており、該電極が、前記サブストレート（１）に結合された不動の電極（１２２，１２３）に相対して配置されている請求項５記載の回転レートセンサー。
7. 前記検出エレメント（１４０，２４０）がばね（１４１，２４１）を用いて前記サブストレート（１）に結合されており、該ばねが前記第１の方向（Ｙ）で硬くかつ前記第２の方向（Ｘ）で柔らかく形成されている請求項５又は６記載の回転レートセンサー。
8. 前記駆動エレメント（１０２，２０２）が１つの連結ばね（５１）によって互いに結合されている請求項１から３のいずれか１項記載の回転レートセンサー。
9. 前記第１及び第２のコリオリ・エレメント（１００，２００）が連結ばね（５２，５３）によって互いに結合されている請求項１から３のいずれか１項記載の回転レートセンサー。
10. 前記検出手段が第１及び第２の検出エレメント（１４０，２４０）を有しており、該検出エレメントがばね（１４２，２４２）を用いて前記それぞれのコリオリ・エレメント（１００，２００）に結合されており、前記ばね（１４２，２４２）が前記第１の軸（Ｙ）の方向で柔らかくかつ前記第２の軸（Ｘ）の方向で硬く形成されている請求項２記載の回転レートセンサー。
11. 前記駆動エレメントが連結ばね（５４）を用いて互いに結合されており、前記検出エレメントが連結ばね（５５）を用いて互いに結合されている請求項１０記載の回転レートセンサー。

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