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技術 角速度の微小機械センサ

出願人 ムラタエレクトロニクスオーワイ
発明者 ブロムクヴィスト,アンッシ
出願日 2010年3月1日 (10年9ヶ月経過) 出願番号 2011-552480
公開日 2012年8月23日 (8年4ヶ月経過) 公開番号 2012-519294
状態 特許登録済
技術分野 ジャイロスコープ
主要キーワード 屈曲バネ 線形加速 連結バネ 二次モード コーム構造 安定制御システム 圧電電圧 逆相モード
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この項目の情報は公開日時点(2012年8月23日)のものです。
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図面 (10)

課題・解決手段

本発明は、バネ構造が少なくとも質量に連結した第1のバーと動作軸方向において延長している第2のバーとを連結するバネを含み、前記バネが動作軸の動作方向に対して垂直方向屈曲するように配置されたバネ構造によって共通の軸の方向に連結される2つの質量を含む微小機械共振器を示す。本発明は、微小機械共振器マトリクスセンサおよびナビゲション装置にも関連するものである。

概要

背景

角速度のセンサで必要とされる中心的な特徴は、振動および衝撃に対する抵抗である。例えば自動車産業における運転安定制御システムのような用途において、これらの必要条件は、極めて厳しい。例えば石による激しい一撃またはカーステレオによって生じる振動さえも、角速度のセンサの出力に影響するべきでない。

例えば角速度のセンサの類多くの微小機械共振器において、動いている質量間で連結バネを設計することが好ましく、そのバネは質量の動作の逆相を可能にし、同時に質量の同相動作に抵抗する。そのような配置は、例えば機械の衝撃の場合のような実際の信号からの様々な妨害を区別するために特に必要とされる。通常、質量から検出される信号は差動式である一方で、等しくそれらに影響している加速によって同相移動が生じる。

図1において、ダイヤグラムは、従来技術の単純な連結された共振器で示され、そこで連結バネJは、他のものと同類の等しい一次元バネである。したがって、単純な連結共振器は、2つの質量m1、m2、および、3つの等しい一次元バネJから構成されている。図1の構造により、差動性のモードから質量の動作の同相が効率的に切り離される。しかしながら、その構造は、連結バネが同相の動作に加わらないので、質量は逆相においてよりも同相においてより容易に移動する(モードの周波数はより低くなる)ため、加速度感度見地から好ましくない。

米国特許公報第6,752,017B2号において、Z軸ジャイロのための連結バネ構造が特に示され、そこにおいて、検出動作は、動作の共通軸上の質量の逆相の振動である。これらのバネ構造の共通の特徴は、それらが主なモードおよび二次モードの周波数を定めることに加わることであり、特許公報によれば、それらは、互いの隣に位置する連結される質量の間に位置する。

しかしながら、その特許公報において説明されるバネ構造はいくつかの欠点を有する。例えば、上記の単純な連結された共振器のように、それらは逆相動作よりも同相においてより多く弛緩を有するので、線形加速に対する感度におけるような欠点である。したがって、一撃および振動は、逆相の振動モードのために必要とされる所望の励起よりも容易に質量を移動させる。さらに、主なモードの非線形性は、バネ構造が両方のモードに参加するので制御するのが難しい。実際、主なモードのサスペンションの非線形性が二次的サスペンションから独立して必要な大きさにされるように、互いに異なるモードの連結バネ構造を完全に分離することは好ましい。

平行軸で振動している質量を有する場合の機械的な干渉視点から明らかにより良好な解決法は、逆相の移動よりも同相の移動においてより固いのでシーソータイプの連結バネである。そのような連結サスペンションは、例えば、励起フレ−ムのy方向における主な運動でその優先権が主張される特許出願FI20095201号において実行され、Z軸のための角速度のセンサを示す図2にさらに示されるのは、y軸方向の上下端のシーソータイプの連結バネ構造の例である。

しかしながら、図2の角速度センサ構造はフレ−ム内部での質量間の連結が完全に欠如していて、それによって、x軸方向において、質量はほとんど独立した加速度センサとして動作する。連結が外されると、それらは、検出されるいかなる逆相のコリオリの力の機械的な(同相)干渉と同程度に高感度である。したがって、同相におけるそれらの動作を防ぐがy軸方向の主な動作に加わらない質量のための連結サスペンションを好ましく設計する方法という問題は未決のままである。

上記したものに類似したシーソー・サスペンションは、平行に並んで位置し、むしろ多くの空間を占めるぴったりと詰め込まれた構造を考えると軸が前方へ動いている質量での作業の解決法を構成する。多少浪費的でさえある共通の軸上で互いに反対側に動いている質量が提供されるそのような構造は、図3において概略的に示される。そのような構造は、以前に主な動作の励起コーム構造のために使用された質量間のほとんど全部の空間を占めることが、図3から明確に見ることができる。

したがって、構造を実行し、同時に、コンパクトであり、同相よりも積極的に逆相で振動を動作することができる方法、および、逆相モードの結果として、逆相によって提供される利点、例えば干渉を取り除く利点を利用する方法の問題は未解決のままである。

概要

本発明は、バネ構造が少なくとも質量に連結した第1のバーと動作軸方向において延長している第2のバーとを連結するバネを含み、前記バネが動作軸の動作方向に対して垂直方向屈曲するように配置されたバネ構造によって共通の軸の方向に連結される2つの質量を含む微小機械共振器を示す。本発明は、微小機械共振器マトリクス、センサおよびナビゲション装置にも関連するものである。

目的

本発明の一実施態様によると、それによる構造は共振器の第1の部分と第2の部分との間の電圧を連結するための手段を含み、前記第1および第2の部分間のバネ構造の振動による動作が距離を変え、したがって電気容量を変える場合、容量的に読み込み可能な信号を作成するために使われるために前記部分間に容量性の構造を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

バネ構造(401、402、403、404a、404b、404c)によりそれらの共通の動作軸の方向に連結する2つの質量(M1、M2)を含み、該バネ構造が該質量に連結した少なくとも特定の第1のバーと該動作軸方向において延長している特定の第2のバーとを連結するバネ(404a、404b、404c)を含み、該バネは該動作軸の動作方向に対して垂直方向屈曲するように配置される微小機械共振器

請求項2

そのバネ構造が同方向における質量の移動によってS型に屈曲するように配置されることにおいて特徴付けられる、請求項1記載の微小機械共振器。

請求項3

そのバネ構造が逆相における移動よりも同相における前記質量の移動においてより固いことにおいて特徴付けられる、請求項1または2記載の微小機械共振器。

請求項4

前記2つの質量(M1、M2)のうちの少なくとも1つはコームのような構造を有することにおいて特徴付けられる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の微小機械共振器。

請求項5

前記コームのような構造が特定の表面領域を達成するために提供されることにおいて特徴付けられる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の微小機械共振器。

請求項6

前記コームのような構造が共振器の特定の部分とコーム構造以外のある部分との間で特定の電気容量を達成するために提供されることにおいて特徴付けられる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の微小機械共振器。

請求項7

請求項1〜6のうちの一項に記載の少なくとも1つの微小機械共振器を含む、微小機械共振器マトリクス

請求項8

請求項1〜7のうちの一項に記載の少なくとも1つの微小機械共振器を含む、センサ

請求項9

請求項8記載のセンサを含む輸送手段であって、該輸送手段は、玩具はきものの一部、自転車モペットオートバイ、車、列車および飛行機の少なくとも1つである、輸送手段。

請求項10

請求項8記載のセンサを含む、ナビゲション装置

請求項11

質量に連結される少なくとも2つの梁(402)と動作に垂直に屈折する該梁を連結する動作軸に平行したバネ・サスペンション(404a、404b、404c)とを含むバネ構造(401、402、403、404a、404b、404c)でそれらの共通の動作軸の方向において連結される2つの質量(M1、M2)を含む少なくとも1つの微小機械共振器を含む、微小機械共振器のシステム

技術分野

0001

本発明は、角速度のセンサに関するものであり、特に角速度の振動微小機械センサに関するものである。

背景技術

0002

角速度のセンサで必要とされる中心的な特徴は、振動および衝撃に対する抵抗である。例えば自動車産業における運転安定制御システムのような用途において、これらの必要条件は、極めて厳しい。例えば石による激しい一撃またはカーステレオによって生じる振動さえも、角速度のセンサの出力に影響するべきでない。

0003

例えば角速度のセンサの類多くの微小機械共振器において、動いている質量間で連結バネを設計することが好ましく、そのバネは質量の動作の逆相を可能にし、同時に質量の同相動作に抵抗する。そのような配置は、例えば機械の衝撃の場合のような実際の信号からの様々な妨害を区別するために特に必要とされる。通常、質量から検出される信号は差動式である一方で、等しくそれらに影響している加速によって同相移動が生じる。

0004

図1において、ダイヤグラムは、従来技術の単純な連結された共振器で示され、そこで連結バネJは、他のものと同類の等しい一次元バネである。したがって、単純な連結共振器は、2つの質量m1、m2、および、3つの等しい一次元バネJから構成されている。図1の構造により、差動性のモードから質量の動作の同相が効率的に切り離される。しかしながら、その構造は、連結バネが同相の動作に加わらないので、質量は逆相においてよりも同相においてより容易に移動する(モードの周波数はより低くなる)ため、加速度感度見地から好ましくない。

0005

米国特許公報第6,752,017B2号において、Z軸ジャイロのための連結バネ構造が特に示され、そこにおいて、検出動作は、動作の共通軸上の質量の逆相の振動である。これらのバネ構造の共通の特徴は、それらが主なモードおよび二次モードの周波数を定めることに加わることであり、特許公報によれば、それらは、互いの隣に位置する連結される質量の間に位置する。

0006

しかしながら、その特許公報において説明されるバネ構造はいくつかの欠点を有する。例えば、上記の単純な連結された共振器のように、それらは逆相動作よりも同相においてより多く弛緩を有するので、線形加速に対する感度におけるような欠点である。したがって、一撃および振動は、逆相の振動モードのために必要とされる所望の励起よりも容易に質量を移動させる。さらに、主なモードの非線形性は、バネ構造が両方のモードに参加するので制御するのが難しい。実際、主なモードのサスペンションの非線形性が二次的サスペンションから独立して必要な大きさにされるように、互いに異なるモードの連結バネ構造を完全に分離することは好ましい。

0007

平行軸で振動している質量を有する場合の機械的な干渉視点から明らかにより良好な解決法は、逆相の移動よりも同相の移動においてより固いのでシーソータイプの連結バネである。そのような連結サスペンションは、例えば、励起フレ−ムのy方向における主な運動でその優先権が主張される特許出願FI20095201号において実行され、Z軸のための角速度のセンサを示す図2にさらに示されるのは、y軸方向の上下端のシーソータイプの連結バネ構造の例である。

0008

しかしながら、図2角速度センサ構造はフレ−ム内部での質量間の連結が完全に欠如していて、それによって、x軸方向において、質量はほとんど独立した加速度センサとして動作する。連結が外されると、それらは、検出されるいかなる逆相のコリオリの力の機械的な(同相)干渉と同程度に高感度である。したがって、同相におけるそれらの動作を防ぐがy軸方向の主な動作に加わらない質量のための連結サスペンションを好ましく設計する方法という問題は未決のままである。

0009

上記したものに類似したシーソー・サスペンションは、平行に並んで位置し、むしろ多くの空間を占めるぴったりと詰め込まれた構造を考えると軸が前方へ動いている質量での作業の解決法を構成する。多少浪費的でさえある共通の軸上で互いに反対側に動いている質量が提供されるそのような構造は、図3において概略的に示される。そのような構造は、以前に主な動作の励起コーム構造のために使用された質量間のほとんど全部の空間を占めることが、図3から明確に見ることができる。

0010

したがって、構造を実行し、同時に、コンパクトであり、同相よりも積極的に逆相で振動を動作することができる方法、および、逆相モードの結果として、逆相によって提供される利点、例えば干渉を取り除く利点を利用する方法の問題は未解決のままである。

課題を解決するための手段

0011

本発明の実施態様による技術によって、上に示した問題およびさらに関連した問題の解決法が得られる;完全に解決されない場合でも、その問題の影響は少なくとも軽減される。

0012

本発明の微小機械共振器は、それに関係する独立請求項の特徴付け部分で言及されたものによって特徴付けられる。

0013

本発明のセンサは、それに関係する独立請求項の特徴付け部分で言及されたものによって特徴付けられる。

0014

本発明の車は、それに関係する独立請求項の特徴付け部分で言及されたものによって特徴付けられる。

0015

本発明のナビゲ−タは、それに関係する独立請求項の特徴付け部分で言及されたものによって特徴付けられる。

0016

微小機械共振器のシステムは、動作に対し垂直に屈折する梁を連結している動作軸に平行した質量およびバネ・サスペンション(404a、404b、404c)に連結される少なくとも2つの梁(402)を含むバネ構造(401、402、403、404a、404b、404c)でそれらの共通の動作軸の方向において連結される2つの質量(M1、M2)を含む少なくとも1つの微小機械共振器を含む。

0017

従属請求項において、本発明の他の好ましい実施態様は示される。

先行技術

0018

米国特許第6,752,017B2号公報
米国特許出願FI20095201号公報

図面の簡単な説明

0019

図1−3において、従来技術(図1)、または、他の場所で示されて、本出願の処理の出願日において出願人に公知の技術に(図2および図3、特許文献FI20095201)、次のように参照が作成される。
図1は、そのような従来技術による単純な連結共振器のダイヤグラムを示す。
図2は、シーソータイプの連結バネ構造を特徴とする角速度のZ軸センサを示す。
図3は、シーソータイプのバネ構造の空間利用のダイヤグラムを示す。上記したように、図1−3は、他の場所で示された参照用の技術であるので、以下に、本出願において示される本発明の実施態様を示すため例が図4−9を参照して示される。したがって、実施態様を示された例による実施態様のみにもまた、図において開示されている比率のみの範囲にも限定されない意図を有する。本発明の実施態様は、適用可能な様に互いに組み合わせることができる。
図4は、本発明の1つの実施態様によるバネ構造のダイヤグラムを示す。
図5は、本発明の1つの実施態様によるZ軸角速度センサを示す。
図6は、本発明の1つの実施態様によるZ軸角速度センサの主なモードを示す。
図7は、本発明の1つの実施態様によるZ軸角速度センサの検出モードを示す。
図8は、本発明の1つの実施態様によるZ軸角速度センサの検出方向の線形加速の効果を示す。
図9は、二次的連結の本発明の実施態様を示す。

実施例

0020

図4において、本発明の一実施態様によるバネ構造が例として示され、構造は共通の軸で振動している質量M1およびM2を逆相振動に連結するために配置されている。したがって、本発明の一実施態様による構造において2つの質量を連結しているバネ構造401、402、403、404a、404b、404cが存在し、そのバネ構造は、2つの固いバー402と、その2つのバー402を連結している屈曲バネ404a、404b、404cとを含む。バー403は、一端に位置する支持点周りを回転することができるように吊着される。他端で、バー401は連結される質量M1、M2に連結される。図4において、本発明の実施態様によるバネ構造の単純な例が示される。

0021

図5において、本発明の一実施態様によるバネ構造が例として示され、構造は、質量M1およびM2の検出軸のY方向の連結が本発明の実施態様による構造によって形成された図2のそれに類似した角速度センサ構造のために配置されている。図5において、Z軸角速度センサ構造で本発明の実施態様によって配置される2つのバネ404a、404b、404cが、それらが端部で検出軸上の逆相の振動モードに質量を連結するように示される。

0022

それから本発明の一実施態様によると、連結バネ構造は、それらの前記バー402が(y方向のバネに関して)x方向において不安定であり、(x方向のバネに関して)y方向において固いバネで質量M1およびM2に取り付けられるので、いかなる重要な方法でも主な動作に加わらない。図6において、構造の主なモードが示されている。本発明の一実施態様によると、質量端部での連結バネ構造は、これといってまたはほとんど全く主なモードに加わらない。主なモードにおいて振動している構造が表面に対して垂直な軸(Z)の周りを回転する場合、強度において等しいが、方向は逆であるコリオリの力は、y軸の方向において動いている質量に作用する。図7において、Z軸角速度センサ構造の検出モードが示される。連結バネ構造404a、404b、404cは、本発明の一実施態様によると、質量M1およびM2の端部で互いに質量の運動を連結し、それらを逆相に同期させる。

0023

質量が互いの方へ移動するにつれて、それらは互いの方へバー402を回転させ、そのバーは、図7による動作の方向へ垂直方向においてそれらの間で連結バネ404a、404b、404cを曲げる。これは、バーを連結している中央に位置するバネの最も弱い屈曲モードである。

0024

検出軸の方向の一撃または外側の線形の加速構成要素によって、同相において両方の質量で移動が生じる。質量が同じ方向に移動するとバーは同じ方向に回転し、それにより、連結バネは図8のS型の屈曲にされる。このSモードにおいて、バネは上記の場合よりもかなり固くなる。適切に必要な大きさにすることによって、連結バネ構造は、逆相移動よりも、質量の同じ方向での移動に等しくまたは4倍固く作成されることができる。実施態様において、バネは、逆相偏向と比較して同相偏向より10倍固いように設計することができる。

0025

本発明の一実施態様によると、微小機械共振器のシステムは、それが質量に連結される少なくとも2つの梁(402)と動作に垂直に屈折する梁を連結する動作軸に平行したバネ・サスペンション(404a、404b、404c)とを含むバネ構造(401、402、403、404a、404b、404c)でそれらの共通の動作軸の方向において連結される2つの質量(M1、M2)を含む少なくとも1つの微小機械共振器を含む。

0026

本発明の一実施態様によると、それによる構造は共振器の第1の部分と第2の部分との間の電圧を連結するための手段を含み、前記第1および第2の部分間のバネ構造の振動による動作が距離を変え、したがって電気容量を変える場合、容量的に読み込み可能な信号を作成するために使われるために前記部分間に容量性の構造を提供する。本発明の一実施態様によると、多くの信号を作成する際、多数の使用される前記連結手段が存在する。

0027

本発明の一実施態様によれば、端部のバーのうちの少なくとも1つは、励起構造を提供するための圧電効果との関係によって配置される。本発明の一実施態様によれば、前記端部のバーのうちの1つは、それに適用される電気信号応答してその形状を変えるために配置される。本発明の一実施態様によれば、前記バーのうちの1つは、その屈曲に対応する圧電電圧が干渉および/または他の信号処理フィルタリングにおいて使われるバーの特定の部分で測定できるように配置される。

0028

従来技術と比較したこのような本発明の実施態様の利点は、極めて適当な空間の使用および線形の取付けである。シーソータイプのサスペンションと比較して本発明の実施態様による解決法は約半分の空間であり、加えて、本発明の実施態様による構造の利点は、その長いバネにより構成要素の端に沿ってそれを配置する可能性である。

0029

本発明の一実施態様によれば、特定時の動作の方向がナビゲ−タの特定のセンサおよびクロックによって決定される角速度によって決定される機能を含むナビゲ−タが提供される。実施態様の一変形例によれば、場所の決定において平らな部分のみに制限される必要性がない。

0030

本発明の一実施態様によるサスペンションの質量への付着点は、動作軸の方向に延長している同じ直線上に位置する。それのために、バネの反力は、例えばシーソー・バネの様に質量上のモ−メントを誘発しない。さらに、サスペンションは、いかなる有意な方法においても、仮に存在する場合でも、他の軸の方向における質量の動作に加わらないように設計することができる。

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