JP2006215016A - ジャイロスコープと加速度計との両方の機能を有するセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ジャイロスコープと加速度計との両方の機能を有するセンサ。
【解決手段】 センサは、一対の質量体、アンカ、一対の支持ビーム、駆動装置及び変位測定装置を包含する。一対の質量体は、互いに対して逆位相の関係で振動するように形成される。アンカは、一対の質量体を支持し、各々の支持ビームは、アンカに質量体の一つを連結するために使用される。駆動装置は、逆位相の振動を発生するために一対の質量体を駆動して、変位測定装置は、少なくとも一つの方向で質量体のそれぞれの変位を測定する。センサは、質量体の変位の測定値を用いて、少なくとも一つの方向でセンサが受けた加速度に関する情報を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ジャイロスコープに関していて、より具体的には、レートジャイロスコープと加速度計との両方の機能を備えるMEMS（メムス、micro-electromechanical system）型センサに関する。

従来のMEMS型ジャイロスコープにおいて、一対の質量体（ツイン質量体）は、±Y軸方向に振動する運動を誘発される。質量体の振動は、支持ビームのピエゾ曲げ、容量性櫛形構造によって発生する力、又はその他の適切な手段に起因する。質量体は反対方向（すなわち逆位相）に運動する。言い換えれば、質量体は同じ振動数で、しかしY-軸を反対方向に運動する。

X-軸周りのMEMS型ジャイロスコープの回転は、質量体を±Z軸方向に振動させるコリオリの力を発生する。このZ軸方向の運動は、Y-軸駆動力とほぼ同じ振動数であって、大きさ（すなわち、振幅）は、X軸周りの角速度、又は回転速度（すなわち角運動）に、ほぼ正比例する。

自動車用及びその他の応用において、ジャイロスコープは、一般的に物体の角速度を測定するために使用され、加速度計は概ね、物体が受ける加速度（例えば、線形加速度）の測定に使用されるから、加速度計が、ジャイロスコープと共にしばしば使用される。例えば、自動車のかた揺れ（旋回）を評価する自動車用電子安定制御（ESC）のブレーキ適用において、横の（斜めの）加速度と縦の（前部の／後部の）加速度の慣性運動は、角速度と加速度との両方の測定値が必要とされる中央ブレーキ電子制御ユニット(ECU）に入力するために測定される。そこでECUは、もしも車が横滑り又は制御不能状態になるならば、車を安定させるためにブレーキの自律的な（すなわち、運転者の入力なしに）非対称の適用について決定を行う。

現在、単独の加速度計は概ね、物体の角回転速度に加えて加速度を計測するために、ジャイロスコープと共に使用される。このようなそれぞれ単独のジャイロスコープと加速度計とを使用することは、大きなスペースの必要性と、より高い経費と、潜在的な失敗の可能性がある部品数の増加をもたらす。

従って、単一センサ、装置又は器具に、ジャイロスコープと加速度計との機能を結合することが望ましい。

本発明に従う例示的な実施形態において、ジャイロスコープと加速度計との両方の機能を備えるセンサが提供される。センサは、一対の質量体、アンカ、一対の支持ビーム、駆動装置及び変位測定装置を包含する。一対の質量体は、お互いに逆位相となって振動するように形成される。アンカは一対の質量体を支持して、支持ビームのそれぞれは、アンカに質量体の１つを連結するために使用される。駆動装置は、逆位相の振動を発生するために一対の質量体を駆動して、変位測定装置は、少なくとも一つの方向で、質量体のそれぞれの変位を測定する。センサは、質量体の変位の測定値を用いて、少なくとも一つの方向でセンサが受けた加速度に関する情報を算出する。

本発明に従う別の例示的な実施形態において、一対の質量体、一対の質量体を支持するためのアンカ、及び一対の支持ビームを包含しているセンサを使用して、加速度と角度方向との両方を検出する方法が提供される。各々の支持ビームは、アンカに質量体の１つを連結するために使用される。方法は、逆位相の振動を発生するために一対の質量体を駆動することと、少なくとも一つの方向で質量体のそれぞれの変位を測定することと、質量体の変位の測定値を使用して少なくとも一つの方向で、センサが受けた加速度に関する情報を算出することとを含んでいる。

本発明についてのこれらの及びその他の態様は、ここでの論考と添付の図面を考慮して、さらに容易に理解されるであろう。

本発明に従う例示的な実施形態において、ジャイロスコープと加速度計との両方の機能を備えるセンサが提供される。センサは、一対の質量体、すなわち第一質量体と第二質量体がそれぞれの支持ビームを介して取付けられるアンカを包含する。各々の支持ビームは、ほぼ正方形又は矩形の断面を有する。ジャイロスコープの機能を備えることに加えて、センサがY-軸及び／又はZ軸（すなわち線形）方向で加速される場合、両方の質量体は、アンカに係る加速度と同一方向に運動して、その結果、支持ビームを撓ませ、又は曲げる。それぞれの撓みは、加速度の大きさにほぼ比例するから、支持ビームの撓み量を測定することによって、及び／又は質量体の変位量を測定することによって、加速度の大きさが測定できる。

図１は、本発明に従う例示的な実施形態におけるセンサ１００の略斜視図である。センサ１００は、アンカ１０２、第一質量体１０８及び第二質量体１１０を包含する。第一質量体１０８及び第二質量体１１０は、第１及び第二の支持ビーム１０４と１０６とを介してアンカ１０２にそれぞれ連結される。駆動装置１１２は、±Y-軸方向で質量体１０８と１１０との逆位相の振動を駆動し、一方変位測定装置１１４は、±Y-軸及び／又は±Z-軸方向で質量体１０８と１１０との変位を測定するために使用される。変位測定値は、質量体の変位測定値を用いて±Y-軸及び／又は±Z-軸方向でセンサが受けた加速度に関する情報を算出する、処理装置１１５に供給される。

図１に示したように、アンカ１０２は、駆動装置１１２及び変位測定装置１１４と同様に、一般的には基板１０１に搭載され、基板１０１は、次に自動車に装備されるだろう。本発明の完全な理解のために必要なものではないとして、図1-3で図示されないセンサ部品がある。例として、唯一基板１０１の一部分を、図1-3のそれぞれで説明する。実際に、基板１０１は、示されている基板１０１の部分に、又は示されていない別の部分に搭載された（示されていない）その他の要素を有してもよい。また、センサ１００の部品は通常、図に示されていない容器の中に組込まれるであろう。

アンカ１０２は、図1-3で長方形の箱の形状を有するが、その他の実施形態でその他の適切な形状を有してもよい。同様に、第一と第二の質量体１０８と１１０とは、各々比較的扁平な箱の形状を有するが、その他の実施形態でその他の適切な形状を有してもよい。

支持ビーム１０４と１０６とは、各々、図1の破線で示された断面１１１のような、ほぼ正方形又は矩形の断面を有する。ほぼ正方形の断面によって、支持ビーム１０４と１０６とは、Y-軸及びZ-軸の両方向でほぼ等しく曲がる。さらに、支持ビーム１０４と１０６とは、ほぼ同一の剛性を有するから、加速度によるそれぞれの撓みは、ほぼ同一の大きさになる。

センサ１００において、アンカ１０２、支持ビーム１０４と１０６及び質量体１０８と１１０は、例えば、当業者に公知の適切なメムス（MEMS）製造技術を使用して、半導体材料の単体から製作することが出来る。例えば、支持ビーム１０４と１０６とは、曲げられた時に抵抗変化をするために、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の様なピエゾ抵抗コーティングで覆われてもよいし、又は、ホウ素の拡散の処理をされてもよい。

センサ１００は、駆動装置１１２を使用して、±Y-軸方向で逆位相の振動運動をする第一と第二の質量体１０８と１１０とを包含することによって、ジャイロスコープとして操作される。逆位相の振動において、第一質量体１０８と第二質量体１１０は、ほぼ同一の振動数であるが、Y-軸で反対方向に運動する。駆動装置１１２は、第一と第二の質量体１０８と１１０を互いに逆位相で運動させるために、支持ビームのピエゾ-曲げ又は図2を参照して述べられるような櫛形アセンブリのような、どのような適切な駆動装置を包含してもよい。

図1で示されたように、センサがX-軸周りに回転させられる場合に、コリオリの力が、垂直の矢印で示されたように±Z-軸方向で発生する。コリオリの力は、質量体を、Y-軸方向の質量体１０８と１１０との振動とほぼ同一の振動数でZ-軸方向に振動させるだろう。言い換えれば、質量体は、Y-軸方向で振動するために質量体を駆動する力にほぼ一致する振動数でZ-軸方向に振動する。例として、逆位相振動の振動数が、11kHzの場合、Z-軸振動もまた11kHzの振動数を有する。また、Z-軸の振動の大きさは、X-軸周りの質量体の回転の角速度にほぼ正比例する。

Y-軸及び／又はZ-軸方向の質量体１０８と１１０との変位は、変位測定装置１１４を使用して測定できる。変位測定装置１１４は、目的物の変位を測定するための一つ又はそれ以上の様々な変位測定部品を包含する。

例として、支持ビーム１０４と１０６とは、加えられた圧力に応じて電圧を発生する圧電材料を使用して製作することが出来る。質量体が、アンカ１０２に対してY-軸方向及び／又はZ-軸方向に運動する場合、支持ビームは、変位量に一致する（撓みと曲げを介して）圧力を受ける。その結果、圧電材料は、（例えば、支持ビームを横切って）電圧を発生し、電圧は質量体１０８と１１０との変位を決定するために測定される。

上記で検討されたように、支持ビーム１０４と１０６とは、酸化亜鉛のようなピエゾ抵抗材料で被覆されてもよい。ピエゾ抵抗コーティングは、そこに加えられた圧力に応じてその抵抗率を変化するだろう。その結果、支持ビーム１０４と１０６との撓み又は曲げに起因する、抵抗率の変化を測定することによって、変位測定装置１１４は、Y-軸及び／又はZ-軸方向の質量体１０８と１１０との変位を測定することが出来る。そして、Z-軸方向の質量体１０８と１１０との変位から、X-軸周りのセンサ１００の角回転を測定することが出来る。

センサ１００はまた、Y-軸方向及び／又はZ-軸方向のそれぞれの加速度が同一方向に第一と第二の質量体を作動するから、Y-軸方向及び／又はZ-軸方向で加速度計として使用できる。Y-軸及び／又はZ-軸方向の質量体１０８と１１０との運動は、同じ変位測定装置１１４を使用して測定することが出来きる。変位測定装置は、電圧測定装置と抵抗測定装置と静電容量測定装置と櫛形構造を包含してもよい。電圧測定装置は、圧電性の支持ビーム１０４と１０６とによって発生した電圧を測定する一つ又はそれ以上の装置であり、抵抗測定装置は、支持ビーム１０４と１０６とに塗布したピエゾ抵抗コーティングの抵抗率の変化を測定するための装置であり、静電容量測定装置は、質量体１０８と１１０と共に蓄電器をそれぞれ形成する容量性プレートの静電容量を測定するための装置であり、櫛形構造は、アンカ１０２又は基礎となる基板１０１と、質量体１０８と１１０とのそれぞれを連結する。

例として、もしもセンサ１００がY-軸方向の加速度を受ける場合に、質量体１０８と１１０との両方が、加速する力の作用によって同一方向に運動するだろう。支持ビームの剛性が、第一と第二の質量体１０８と１１０の両方に対してほぼ同一であるとすれば、それぞれの撓みは、加速度の大きさに比べて、ほぼ同一の大きさで且つ正比例するだろう。

勿論、質量体１０８と１１０とは、互いに対して逆位相で運動しているから、加速による正又は負のY-軸方向の質量体のどのような運動も、逆位相振動の運動に重ね合わされるであろう。駆動装置１１２によって加えられた駆動力による質量体の運動、及び正又は負のY-軸方向の加速度による質量体の運動は、次の二つの方程式、方程式1と方程式2を使用して算出することが出来る。
（方程式1）M1_t + M2 _t = (M1_d ＋ M1_a) ＋ (M2_d ＋ M2_a)
= 2 × M1_a = 2 × M2_a；と、
（方程式2）M1_t − M2 _t = (M1_d ＋ M1_a) − (M2_d ＋ M2_a)
= 2 × M1_d = −2 × M2_d

上記の方程式1と2とにおいて、M1_tとM2 _tとはそれぞれ、質量体M1とM2との全体の変位であり、M1_dとM2 _dとはそれぞれ、逆位相振動による質量体M1とM2との変位であり、そしてM1_aとM2 _aとはそれぞれ、Y-軸方向の加速度による質量体M1とM2との変位である。M1_d = −M2_d 及びM1_a ＝M2_a であることに、注目すべきである。これはM1_dとM2_dとが、反対方向にほぼ同一の変位の場合であり、一方M1_aとM2_aとは、同一方向にほぼ同一の変位である。

言い換えれば、加速する力は、質量体の逆位相で駆動された振動に対して、Y-軸変位の相殺の効果を持つから、加速度は、質量体１と２との移動量の合計から、正又は負の駆動する振動の移動量を差引くことによって計算することが出来る。このように、もたらされた結果は、同一の方向で加速度に正比例する大きさである加速する力による、差引勘定である。

Y-軸の加速効果と同様の方法で、Z-軸の加速度がZ-軸方向に質量体を変位する。Z-軸の加速度は、正又は負のコリオリの力が誘発する運動を差引いて計算することが出来き、そのことによって、相殺するもの（offset）を導いている。相殺するものは、同一方向でZ-軸の加速度の大きさに正比例する。

図2のセンサ２００は、質量体１０８と１１０との各々が、容量性プレートとして機能することを除いて、図1のセンサ１００とほぼ同一であり、変位測定装置１１４は、質量体１０８と１１０と共に蓄電器をそれぞれ形成する一対の対応する容量性プレート１２０と１２２とを包含する。また、図2の駆動装置は、逆位相の振動運動で、質量体１０８と１１０とをそれぞれ駆動するために、一対の櫛形構造１２４と１２６及び１２８と１３０を包含する。

図2の変位測定装置は、それぞれ対応している容量性プレート１２０と１２２と共に、質量体１０８と１１０とで形成された蓄電器の静電容量を測定することによって、質量体１０８と１１０との変位量を測定できる。容量性プレート１２０と１２２とは、例えば基礎となる基板１１０及び／又はアンカ１０２の上に搭載されてもよい。静電容量の情報は、質量体の変位を示す静電容量の情報を用いて、X-軸及び／又はY-軸方向でセンサが受けた加速度に関する情報を算出するために処理装置２１５に供給される。

変位測定装置１１４は、代わりに（又は容量性プレートを加えて）、質量体１０８と１１０との各々のための一対の櫛形構造を包含してもよい。第一櫛形構造は、質量体１０８に搭載された櫛形構造の半分と、質量体１０８に搭載された櫛形構造部分に直近して基板１０１又はアンカ１０２に搭載された、櫛形構造の他の半分とを包含する。櫛形構造は、Z-軸方向の質量体１０８の変位を測定するために可変蓄電器として作動する。同様に、第二櫛形構造は、質量体１１０と、基板１０１又はアンカ１０２の対応している位置に搭載されて、Z-軸方向の質量体１１０の変位を測定する。

センサ３００は、センサ３００が支持ビーム１０４と１０６とによってそれぞれ発生した電圧を測定するために、一対の測定装置１４０と１４２とを包含している以外に、図2のセンサ２００とほぼ同様である。さらに測定装置１４０と１４２とは、支持ビーム１０４と１０６とにそれぞれ塗布されたピエゾ抵抗コーティングの抵抗率を測定するために使用されてもよい。処理装置３１５は、測定装置１４０と１４２とから測定値を受取って、±Y-軸及び／又は±Z-軸方向でセンサが受けた加速度に関する情報を得るために使用する。

ある例示的な実施形態が、上記で詳細に述べられ、添付の図で示されたけれども、このような実施形態は、広範な発明の単なる説明に過ぎず、そして広範な発明を限定するものでないことが理解されるべきである。様々な修正は、上記に述べられた発明の、説明された及びその他の実施形態に、広範な発明の範囲から逸脱することなく加えられてもよいことが、容認されるであろう。上記を考慮して、発明が特定の実施形態又は開示された配列に限定されずに、むしろ添付された請求項とその同等のものによって画定されるような現発明の精神と範囲の内にある、どのような変更、改良、修正をも含めようとしていることが、理解されるであろう。

図１は、本発明に従う例示的な実施形態において、ジャイロスコープと加速度計の機能を備えたセンサの略斜視図である。 図2は、本発明に従う別の例示的な実施形態において、ジャイロスコープと加速度計の機能を備えたセンサの略斜視図である。 図3は、本発明に従うさらに別の例示的な実施形態において、ジャイロスコープと加速度計の機能を備えたセンサの略斜視図である。

符号の説明

１００ センサ
１０１ 基板
１０２ アンカ
１０４ 支持ビーム
１０８ 質量体
１１１ 断面
１１２ 駆動装置
１１４ 変位測定装置
１１５ 処理装置
１２０ 容量性プレート
１２４ 櫛形構造

Claims (20)

1. ジャイロスコープと加速度計との両方の機能を有するセンサであって、該センサが、
   互いに対して逆位相の関係で振動するように形成される一対の質量体と、
   該一対の質量体を支持するためのアンカと、
   各々の支持ビームが、該アンカに該質量体の一つを連結するために使用される一対の該支持ビームと、
   逆位相の振動を発生するために、該一対の質量体を駆動するための駆動装置と、
   少なくとも一つの方向で該質量体のそれぞれの変位を測定するための変位測定装置と、を具備していて、
   該センサが、該質量体の変位の測定値を用いて、該少なくとも一つの方向で該センサが受けた加速度に関する情報を算出する、ジャイロスコープと加速度計との両方の機能を有するセンサ。
2. 該変位測定装置が、容量性プレート、櫛形構造、及び/又は該支持ビームに塗布されたピエゾ抵抗コーティングを含む、請求項1に記載のセンサ。
3. 該加速度計の機能が、二軸の加速度の機能を包含して、該センサが、二つのほぼ垂直な方向で該センサが受けた該加速度に関する情報を算出する、請求項1に記載のセンサ。
4. 該一対の質量体、該一対の支持ビーム、及び該アンカが、メムス製造技術を用いて製造される、請求項1に記載のセンサ。
5. 一対の該支持ビームが、ほぼ正方形又は矩形の断面を有する、請求項1に記載のセンサ。
6. 該支持ビームが、圧電材料を包含していて、該変位測定装置が、該加速度に応じて該支持ビームによって発生した電圧を測定することによって、該質量体のそれぞれの変位を測定する、請求項1に記載のセンサ。
7. 該支持ビームに塗布されたピエゾ抵抗コーティングをさらに具備していて、該変位測定装置が、該ピエゾ抵抗コーティングを用いて、該加速度に応じて発生した電気信号を測定することによって、該質量体のそれぞれの変位を測定する、請求項1に記載のセンサ。
8. 該駆動装置が、該一対の質量体の少なくとも一つを、振動する運動に駆動するための、少なくとも一つの容量性櫛形構造を含む、請求項1に記載のセンサ。
9. 該変位測定装置が、該一対の質量体と共に蓄電器をそれぞれ形成するための、一対の容量性プレートを包含していて、該変位測定装置が、該蓄電器の静電容量の変化を測定することによって、該質量体のそれぞれの変位を測定する、請求項1に記載のセンサ。
10. 該変位測定装置から該質量体の変位の計測値を受取るための、及び該質量体の変位の計測値を用いて、該少なくとも一つの方向で該センサが受けた該加速度に関する情報を算出するための、処理装置をさらに包含する、請求項1に記載のセンサ。
11. 一対の質量体、該一対の質量体を支持するためのアンカ、及び各々の支持ビームが、該質量体の一つを該アンカに連結するために使われている一対の該支持ビームを包含しているセンサを使用して、加速度と角度方向との両方を検出する方法であって、該方法は、
    逆位相の振動を発生するために、該一対の質量体を駆動する段階と、
    少なくとも一つの方向で、該質量体のそれぞれの変位を測定する段階と、
    該質量体の変位の測定値を用いて、該少なくとも一つの方向で該センサが受けた加速度に関する情報を算出する段階と、
    を含む、加速度と角度方向との両方を検出する方法。
12. それぞれの変位を測定する段階が、二つの方向で該質量体のそれぞれの変位を計測する段階を含んでいて、情報を算出する段階は、二つの方向で該センサが受けた該加速度に関する情報を算出する段階を含む、請求項11に記載の方法。
13. 各々の該支持ビームが、ほぼ正方形又は矩形の断面を有している、請求項11に記載の方法。
14. 該支持ビームが、圧電材料を包含していて、それぞれの変位を測定する段階が、該加速度に応じて該支持ビームによって発生した電圧を測定する段階を含む、請求項11に記載の方法。
15. ピエゾ抵抗コーティングが該支持ビームに塗布されていて、該質量体のそれぞれの変位を測定する段階が、該加速度に応じて該ピエゾ抵抗コーティングを用いて発生した電気信号を測定する段階を含む、請求項11に記載の方法。
16. 該一対の質量体を駆動する段階が、少なくとも一つの容量性櫛形構造を用いて、該一対の質量体の少なくとも一つを振動する運動に駆動する段階を含む、請求項11に記載の方法。
17. 該質量体のそれぞれの変位を測定する段階が、該質量体と一対の容量性プレートとによって形成される蓄電器の静電容量の変化を測定する段階を含む、請求項11に記載の方法。
18. 該センサが受けた該加速度に関する情報を算出する段階が、第一方向の該質量体の変位から、該逆位相の振動による該第一方向の変位成分を差引く段階を含む、請求項11に記載の方法。
19. 該センサが受けた該加速度に関する情報を算出する段階が、第二方向の該質量体の変位から、コリオリの力による該第二方向の変位成分を差引く段階を含む、請求項11に記載の方法。
20. ジャイロスコープと加速度計との両方の機能を有するセンサであって、該センサが、
    互いに対して逆位相の関係で振動するように形成される一対の質量体と、
    該一対の質量体を支持するためのアンカと、
    各々の支持ビームが該アンカに該質量体の一つを連結するために使用される一対の該支持ビームと、
    逆位相の振動を発生するために、該一対の質量体を駆動するための駆動手段と、
    少なくとも一つの方向で該質量体のそれぞれの変位を測定するための変位測定手段と、を具備しており、
    該センサが、該質量体の変位の測定値を用いて、該少なくとも一つの方向で該センサが受けた加速度に関する情報を算出する、ジャイロスコープと加速度計との両方の機能を有するセンサ。

Images