DE10011830A1 - Winkelgeschwindigkeitssensor mit Oszillatoren - Google Patents

Abstract

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor enthält Steueroszillatoren (1a, 1b), welche durch eine Ansteuerung in einer Ansteuerungsrichtung (a0) oszillieren, und Erfassungsoszillatoren (11, 12), welche mit den Steueroszillatoren (1a, 1b) verbunden sind und in Erfassungsrichtungen (a1, a2) durch eine Corioliskraft oszillieren, welche durch eine Winkelgeschwindigkeit in einer Richtung (K) erzeugt wird. Die Richtungen a1, a2 bilden jeweils einen Winkel THETA mit der Richtung K. Erfassungselektroden (14, 15) sind für die Erfassungsoszillatoren (11, 12) vorgesehen und erzeugen Ausgangssignale. Ein durch eine Trägheitskraft hervorgerufenes Signal und ein durch die Corioliskraft hervorgerufenes Signal werden von den Ausgangssignalen erlangt, und es wird die Winkelgeschwindigkeit durch die zwei Signale bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Winkelge­ schwindigkeitssensoren wie in einem Autosteuersystem, einem Autokipperfassungssystem, einem Navigationssystem und einem System verwendet, welches ein verwackeln bei optischen In­ strumenten verhindert, welche Winkelgeschwindigkeiten mes­ sen.

Es wurde ein Winkelgeschwindigkeitssensor eines Oszil­ lationstyps vorgeschlagen, welcher zum Zwecke der Größenre­ duzierung und der Kostenverringerung durch eine Mikrobear­ beitungstechnik hergestellt wird. Ein derartiger Sensor be­ sitzt typischerweise ein in Fig. 23 dargestelltes Sensorelement. Das Sen­ sorelement besitzt einen Sensorchip, welcher unter Verwen­ dung eines SOI-Substrats hergestellt wird, um ein Rahmen­ teil J1 zu besitzen. Ein Oszillator J4 wird von Ansteue­ rungsträgern bzw. -balken (driving beams) J2 und von Erfas­ sungsträgern bzw. -balken (detection beams) J3 getragen, um quer über dem Rahmenteil J1 zu hängen. Ein Pfeil a0 zeigt eine Steueroszillationsrichtung (drive oszillation direct­ ion) des Oszillators J4 an, und ein Pfeil a1 zeigt eine Er­ fassungsoszillationsrichtung des Oszillators J4 an, d. h. eine Richtung, in welcher eine Corioliskraft erzeugt wird.

Der Oszillator J4, welcher die Masse m besitzt, oszil­ liert in der Steueroszillationsrichtung senkrecht zu einer Winkelgeschwindigkeitsachse z, und die Corioliskraft von 2 mvΩ, welche in der Richtung senkrecht zu der Steueroszil­ lationsrichtung und der Winkelgeschwindigkeitsachse z er­ zeugt wird, wird durch eine Verschiebung des Oszillators J4 in der Erzeugungsrichtung der Corioliskraft erfasst. Dabei stellt V die Geschwindigkeit des Oszillators J4 und Ω die Winkelgeschwindigkeit dar.

Bei dem oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor ändern sich jedoch Materialwerte wie der Dämpfungskoeffizi­ ent und die Federkonstante des Sensorelements entsprechend einer Änderung der Umgebungstemperatur und der verstriche­ nen Zeit. Dies kann eine Nullpunktsverschiebung des Winkel­ geschwindigkeitsausgangswerts und eine Änderung der Aus­ gangsempfindlichkeit hervorrufen. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, kann die Sensoranordnung eine Funktion zur Überwachung der Amplitude des Oszillators J4 besitzen, wo­ bei der Oszillator J4 mit einer konstanten Amplitude oszil­ liert. Der Sensor kann des weiteren eine Funktion zur Er­ fassung einer Temperatur besitzen, um die Empfindlichkeit entsprechend der erfassten Temperatur einzustellen. Diese Funktionen erfordern jedoch einen Oszillationsmonitor, ei­ nen Temperatursensor und Schaltungen, was zu einem Anstei­ gen der Sensorgröße und der Kosten führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die oben be­ schriebenen Schwierigkeiten zu überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Winkelgeschwin­ digkeitssensor eines Oszillationstyps zu schaffen, bei wel­ chem eine Nullpunktdrift bzw. Verschiebung eines Winkelge­ schwindigkeitsausgangswerts und eine Änderung der Ausgangs­ empfindlichkeit verhindert wird, während eine Reduzierung der Größe und eine Verringerung der Kosten des Sensors er­ zielt wird.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der nebengeordneten unabhängigen Ansprüche.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung besitzt ein Winkelgeschwindigkeitssensor ein Sensorelement, welches ei­ nen beweglichen Teil enthält. Der bewegliche Teil oszil­ liert durch Ansteuerung auf einer bestimmten Ebene und emp­ fängt eine Corioliskraft, welche in einer bestimmten Rich­ tung parallel zu der bestimmten Ebene erzeugt wird, wenn eine Winkelgeschwindigkeit um eine Winkelgeschwindigkeits­ achse senkrecht zu der bestimmten Ebene erzeugt wird. Der Sensor besitzt des weiteren einen Schaltungsteil, welcher elektrisch mit dem Sensorelement verbunden ist, um ein Aus­ gangssignal von dem Sensorelement zu empfangen. Der Aus­ gangsteil bestimmt die Winkelgeschwindigkeit durch ein er­ stes Signal, welches durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, und ein zweites Signal, welches nicht durch die Co­ rioliskraft hervorgerufen wird, auf der Grundlage des Aus­ gangssignals.

Das erste Signal und das zweite Signal ändern sich ent­ sprechend einer Änderung der Umgebungstemperatur und der verstrichenen Zeit ähnlich zueinander. Daher wird verhin­ dert, dass die Winkelgeschwindigkeit, welche als Ausgangs­ wert durch das erste Signal bestimmt wird, und das zweite Signal, welches als Bezug verwendet wird, eine Nullpunkts­ verschiebung und eine Änderung der Empfindlichkeit erfah­ ren. Da es nicht nötig ist eine andere Korrektur durch zu­ sätzliche Schaltungen durchzuführen, kann eine Größenredu­ zierung und eine Kostenverringerung des Sensors erzielt werden.

Vorzugsweise enthält der bewegliche Teil einen Oszilla­ tor, welcher durch die Corioliskraft in eine Erfassungs­ richtung oszilliert, die nicht parallel zu der bestimmten Richtung ist, in welcher die Corioliskraft erzeugt wird. Dementsprechend werden eine Kraftkomponente, die durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, und eine Kraftkomponente, die nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, dem Oszillator in der Erfassungsrichtung derart aufgebracht, dass das Sensorelement die Ausgangssignalkomponente von dem ersten Signal und dem zweiten Signal ausgibt. Insbesondere enthält der bewegliche Teil erste und zweite Oszillatoren, welche jeweils durch die Corioliskraft in der ersten und zweiten Erfassungsrichtung oszillieren, welche erste und zweite Winkel, die größer als null sind, mit der bestimmten Richtung definieren. In diesem Fall gibt das Sensorelement erste und zweite Ausgangssignale entsprechend den ersten und zweiten Oszillatoren aus.

Vorzugsweise enthält der bewegliche Teil einen ersten Oszillator, welcher durch Ansteuerung in eine Steuerrich­ tung oszilliert, und einen zweiten Oszillator, welcher durch die Corioliskraft in einer Erfassungsrichtung oszil­ liert, welche einen bestimmten Winkel größer als null mit der bestimmten Richtung definiert. Vorzugsweise oszillieren der erste Oszillator in der Steuerrichtung mit einer ersten Resonanzfrequenz und der zweite Oszillator in der Erfas­ sungsrichtung mit einer zweiten Resonanzfrequenz, die etwa gleich der ersten Resonanzfrequenz ist. Dementsprechend kann sich eine Größe der erfassten Oszillation erhöhen, und es können die Kraftkomponenten, welche von der Coriolis­ kraft hervorgerufen und nicht hervorgerufen und dem zweiten Oszillator in der Erfassungsrichtung aufgebracht werden, erhöht werden. Das erste Signal und das zweite Signal wer­ den angehoben, was zu einer hohen Empfindlichkeit und einer hohen Genauigkeit führt.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht, welches ein Sensorelement in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung darstellt;

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm, welches ein Schaltungs­ teil in der ersten Ausführungsform dargestellt;

Fig. 3A und 3B zeigen beispielhafte Ansichten zur Erläuterung von Kräften, welche dem in Fig. 1 dargestellten Sensorelement aufgebracht werden;

Fig. 4 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, welches ein Verarbeitungsverfahren von dem Schaltungsteil in der ersten bis dritten, der fünften, der achten bis zehnten und der zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar­ stellt;

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung darstellt;

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in der dritten und vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 7 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, welches ein Verarbeitungsverfahren von einem Schaltungsteil in der vierten, siebenten und elften Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung darstellt;

Fig. 8 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung darstellt;

Fig. 9 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in der sechsten und siebenten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 10 zeigt eine Draufsicht, welche zwei Steueroszil­ latoren darstellt, die jeweils auf unabhängigen Chips bei der sechsten Ausführungsform vorgesehen sind;

Fig. 11 zeigt eine Draufsicht, welche ein Beispiel dar­ stellt, bei welchem ein elektromagnetisches Ansteuerungs­ verfahren bezüglich der sechsten Ausführungsform übernommen wird;

Fig. 12 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 13 zeigt eine Draufsicht, welche ein Beispiel dar­ stellt, das zum Überwachen einer Ansteuerungsamplitude durch eine elektromagnetische Erfassung bezüglich der ach­ ten Ausführungsform geeignet ist;

Fig. 14 zeigt eine Draufsicht, welche ein Beispiel dar­ stellt, das zur Durchführung einer elektromagnetischen Steuerung und einer elektromagnetischen Erfassung bezüglich der achten Ausführungsform geeignet ist;

Fig. 15 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer neunten bevorzugten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung darstellt;

Fig. 16 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer zehnten bis zwölften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 17 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer dreizehnten bevorzugten Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung darstellt;

Fig. 18 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, welches ein Verarbeitungsverfahren von einem Schaltungsteil in einer vierzehnten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt;

Fig. 19 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, welches ein anderes Verarbeitungsverfahren von dem Schaltungsteil in der vierzehnten Ausführungsform erklärt;

Fig. 20 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht, welche einen Träger bzw. Balken (beam) mit einem Verarbei­ tungsfehler schematisch darstellt;

Fig. 21 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement unter Verwendung bzw. Auftreten eines Verarbeitungsfehlers in einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung darstellt;

Fig. 22 zeigt eine Draufsicht, welche ein Beispiel dar­ stellt, bei welchem zwei Sensorelemente in einer modifi­ zierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeord­ net sind; und

Fig. 23 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement nach dem Stand der Technik darstellt.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren beschrieben, wobei einige Draufsichten zum Zwecke der Ver­ einfachung teilweise schraffiert dargestellt sind.

Bezüglich der Ausführungsformen werden dieselben Teile und Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Erste Ausführungsform

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor in einer ersten bevor­ zugten Ausführungsform besitzt ein in Fig. 1 dargestelltes Sensorelement. Das Sensorelement 100 ist ein im allgemeinen rechteckiger Chip, der unter Anwendung einer Mikrobearbei­ tungstechnik bezüglich eines SOI-Substrats gebildet worden ist. Das Sensorelement 100 besitzt einen im allgemeinen rechteckigen Steueroszillator (drive oscillator) 1 als be­ weglichen Teil. Der Steueroszillator oszilliert unter An­ steuerung auf einer horizontalen Ebene (entsprechend der Zeichenebene (paper space) von Fig. 1) auf dem Substrat. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um eine Winkelgeschwin­ digkeitsachse z senkrecht zu der horizontalen Ebene erzeugt wird, wird eine Corioliskraft auf den Steueroszillator 1 in die Richtung parallel zu der horizontalen Ebene aufge­ bracht.

Der Steueroszillator 1 ist mit einem Rahmenteil 3 des Chips (Sensorelement 100) an gegenüberliegenden Seiten da­ von über beispielsweise 4 horizontal sich erstreckende Trä­ ger bzw. Balken (beam) 2 verbunden. Der Steueroszillator 1 definiert Öffnungen (nichtschraffierte Teile) mit dem Rah­ menteil 3 an Teilen, welche nicht die Träger 2 aufweisen. Die Träger 2 ermöglichen, dass der Steueroszillator unab­ hängig von dem Rahmenteil 3 lediglich in einer Richtung (Steueroszillationsrichtung) oszilliert, welche durch einen Pfeil a0 in Fig. 1 angezeigt ist.

Mehrere stangenförmige bewegliche Elektroden 4, welche eine Kammform bilden, sind an gegenüberliegenden Seiten des Steueroszillators 1 außer den Seiten vorgesehen, welche mit dem Rahmenteil 3 verbunden sind. Mehrere stangenförmige festgelegte Elektroden 5, welche eine Kammform bilden, tre­ ten aus gegenüberliegenden Seiten des Rahmenteils 3 heraus, um sich jeweils in Räume zu erstrecken, welche durch Kamm­ zähne der beweglichen Elektroden 4 definiert werden. Die festgelegten Elektroden 5 besitzen Seitenflächen, welche den Seitenflächen der beweglichen Elektroden 4 gegenüber­ liegen, während Lücken definiert werden, und sind elek­ trisch unabhängig von dem Steueroszillator 1 und den beweg­ lichen Elektroden 4.

Die Elektroden 4, 5 sind jeweils elektrisch mit einem Schaltungsteil 200 durch Verdrahtungsteile, Kontaktstellen und dergleichen verbunden, welche nicht dargestellt sind. Ein Schaltungsdiaphragma des Schaltungsteils 200 ist in Fig. 2 dargestellt. Eine Spannung wird über die Elektroden 4, 5 von dem Schaltungsteil 200 mit einem bestimmten Zyklus derart angelegt, dass eine elektrostatische Kraft zwischen den Elektroden 4, 5 wirkt. Dementsprechend oszilliert der Steueroszillator 1 durch elastische Kräfte der Träger 2 auf der horizontalen Ebene in die Richtung a0 wie in Fig. 1 dargestellt.

Der Steueroszillator enthält zwei im allgemeinen recht­ eckige Erfassungsoszillatoren, d. h. einen ersten Erfas­ sungsoszillator 11 und einen zweiten Erfassungsoszillator 12. Jeder der ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 ist mit dem Steueroszillator 1 über zwei Träger bzw. Balken (beam) 13 an gegenüberliegenden Seiten davon verbun­ den und von dem Steueroszillator 1 an Teilen, welche nicht die Träger 13 aufweisen, durch Öffnungen (nichtschraffierte Teile in Fig. 1) getrennt. Die Träger 13 ermöglichen es den Erfassungsoszillatoren 11, 12 unabhängig von dem Steueros­ zillator 1 lediglich in durch Pfeile a1, a2 angezeigte je­ weilige Richtungen a1, a2 (Erfassungsoszillationsrichtungen) zu oszillieren, wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω darauf aufgebracht wird.

Jeder der Erfassungsoszillatoren 11, 12 besitzt mehrere stangenförmige bewegliche Elektroden 14, welche eine Kamm­ form bilden, an gegenüberliegenden Seiten davon, welche die Träger 13 nicht aufweisen. Mehrere stangenförmige festge­ legte Elektroden 15, welche sich von dem Steueroszillator 11 mit einer Kammform erstrecken, sind in Räumen angeord­ net, welche durch Kammzähne der beweglichen Elektroden 14 definiert werden, während Lücken mit den beweglichen Elek­ troden 14 definiert werden.

Die festgelegten Elektroden 15 sind von dem Steueros­ zillator 1, den ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 und den beweglichen Elektroden 14 durch beispiels­ weise mit einem Isoliermaterial wie einer Oxidschicht ge­ füllten Gräben elektrisch isoliert und unabhängig. Dement­ sprechend können die Elektroden 14, 15 die den Erfas­ sungsoszillatoren 11, 12 als Erfassungsteilen aufgebrachte Corioliskraft erfassen.

Somit bilden bei der vorliegenden Ausführungsform die Erfassungsoszillatoren 11, 12 jeweils eine Beschleunigung wahrnehmende Teile 10, 20 im Zusammenwirken mit den Trägern bzw. Balken (beams) und den Erfassungsteilen 13 bis 15. Die Beschleunigung wahrnehmenden Teile 10, 20 sind mit dem be­ weglichen Steueroszillator 1 integriert gebildet.

Wenn der Steueroszillator durch eine Ansteuerung oszil­ liert und keine Winkelgeschwindigkeit um die Winkelge­ schwindigkeitsachse gebildet wird, d. h. wenn Ω = 0 gilt, oszillieren die Erfassungsoszillatoren 11, 12 zusammen mit dem Steueroszillator 1. Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z gebildet wird, oszil­ lieren die Erfassungsoszillatoren 11, 12 in die Richtung a1, a2 jeweils durch die Corioliskraft wie in Fig. 1 darge­ stellt, welche in der Richtung (durch eine gestrichelte Li­ nie K in Fig. 1 dargestellt) parallel zu der horizontalen Ebene und senkrecht zu der Winkelgeschwindigkeitsachse z und der Steueroszillationsrichtung (Richtung a0) erzeugt wird. Die Oszillationen der Erfassungsoszillatoren 11, 12 durch die Corioliskraft werden als Erfassungsoszillationen bezeichnet, und die Richtungen a1, a2 werden als Erfas­ sungsoszillationsrichtungen bezeichnet.

Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jede der Er­ fassungsoszillationsrichtungen a1, a2 der Erfassungsoszil­ latoren 11, 12 um einen Winkel θ von der Richtung K ver­ schoben, in welcher die Corioliskraft senkrecht zu der Richtung a0 (Steueroszillationsrichtung) wirkt. Das Sensor­ element 100 erfasst die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z mit der oben beschriebenen Struktur.

Der Betrieb des Sensorelements 100 wird unter Bezugnah­ me auf Fig. 3A und 3B detaillierter erklärt. Die Fig. 3A und 3B stellen Kräfte dar, welche dem ersten Erfas­ sungsoszillator 11 als Beispiel zum Erklären der Kräfte aufgebracht werden.

Es wird angenommen, dass der erste Erfassungsoszillator 11 unter Ansteuerung mit einer Verschiebung x = Asinϕt (A: Ansteuerungsamplitude, sinϕt: Phase) in der Steueroszilla­ tionsrichtung a0 zusammen mit dem Steueroszillator 1 oszil­ liert. Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelge­ schwindigkeitsachse z erzeugt wird, wird eine Trägheits­ kraft Fi dem ersten Erfassungsoszillator 11 parallel zu der Steueroszillationsrichtung a0 wie in Fig. 3A dargestellt aufgebracht, und es wird die Corioliskraft Fc dem ersten Erfassungsoszillator 11 in die Richtung K senkrecht zu der Steueroszillationsrichtung a0 aufgebracht.

Dabei bedeutet die Trägheitskraft im allgemeinen eine Kraft, welche durch m₀.α dargestellt wird, wenn eine Kraft F einer Masse m₀ aufgebracht wird, um eine Beschleunigung α entsprechend dem Iwanami Physical and Chemical Dictionary zu erzeugen. Mit anderen Worten, die Trägheitskraft ist ein allgemeiner Name bzw. ein Gattungsname von offensichtlichen Kräften, die bei einem nichtträgen System erscheinen bzw. darauf auftreten und beinhaltet im allgemeinen die Corio­ liskraft. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch schließt die Trägheitskraft die Corioliskraft davon aus.

Die Erfassungsoszillationsrichtung des ersten Erfas­ sungsoszillators 11 ist auf die Richtung a1 durch die Trä­ ger 13 festgelegt. Entsprechend Fig. 3A und 3C erfasst daher der erste Erfassungsoszillator 11 lediglich eine Kom­ ponente Fi.sinθ der Trägheitskraft i und eine Komponente Fc.cosθ der Corioliskraft Fc.

Eine von dem ersten Erfassungsoszillator 11 erfasste Trägheitskraft Fai und Corioliskraft Fac werden durch die folgenden Gleichungen (1) und (2) dargestellt:

Fai = ma₀ = -mAϕ²sinϕt.sinθ (1)

Fac = 2mvΩ = 2mΩAϕcosϕt.cosθ (2)

wobei m die Masse des ersten Erfassungsoszillators 11 und a0 die dem ersten Erfassungsoszillator 11 aufgebrachte Beschleunigung darstellen.

Unter Berücksichtigung, dass der zweite Erfassungsos­ zillator 12 ähnlich dem ersten Erfassungsoszillator 11 ist, werden die von dem zweiten Erfassungsoszillator 12 erfasste Trägheitskraft Fbi und Corioliskraft Fbc durch die folgen­ den Gleichungen (3) und (4) dargestellt:

Fbi = -mAϕ²sinϕt.sin(-θ) = mAϕ²sinϕt.sinθ (3)

Fbc = 2mΩAϕcosϕt.cos(-θ) = 2mΩAϕcosϕt.cosθ (4)

Die Kräfte erscheinen als Verschiebungen der ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 in die in Fig. 1 je­ weils dargestellten Richtungen a1, a2 und rufen Änderungen des Abstands zwischen den Elektroden 14 und 15 hervor. Die Änderungen des Abstands zwischen den Elektroden 14 und 15 der Oszillatoren 11, 12 werden als Änderungen der zwischen den Elektroden 14 und 15 gebildeten Kapazität erfasst und als Signale aa, bb von den Erfassungsoszillatoren 11, 12 ausgegeben. Die Signale aa, bb werden durch die folgenden Gleichungen (5), (6) als erfasste Beschleunigungen darge­ stellt:

aa = -Aϕ²sinϕt.sinθ + 2ΩAϕcosϕt.cosθ (5)

bb = Aϕ²sinϕt.sinθ + 2ΩAϕcosϕt.cosθ (6)

Somit werden bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung zwei unterschiedliche Ausgangssigna­ le aa, bb jeweils von den ersten und zweiten Erfassungsos­ zillatoren 11, 12 ausgegeben. Die Signale aa, bb werden da­ nach in dem oben beschriebenen Schaltungsteil 200 verarbei­ tet. Das Verfahren zur Verarbeitung der Signale wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 unten erklärt.

Wie in Fig. 4 dargestellt werden erste Signale S11, S12 unter Durchführung einer Addition und Subtraktion der Aus­ gangssignale aa, bb berechnet. Die Trägheitskraft, welche nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, bestimmt das Signal S11, und die Corioliskraft bestimmt das Signal S12. Spitzenwerte der Signale S11, S12 werden als Signale S21, S22 erfasst. Danach wird das Signal S22 durch das Si­ gnal 21 geteilt, um einen Ausgang von 2Ω/ϕtanθ als erfass­ ten Wert des Winkelgeschwindigkeitssensors zu bestimmen.

Zur Einwirkung der Signale wie in Fig. 4 dargestellt besitzt der Schaltungsteil 200 eine Trägheitskraftberech­ nungseinrichtung zur Berechnung der Trägheitskraft als die Signale S11, S21 unter Durchführung einer Subtraktion der Ausgangssignale aa, bb, welche von den ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 ausgegeben werden, und eine Corioliskraftberechnungseinrichtung zur Berechnung der Werte einschließlich der Corioliskraft als Signale S12, S22 unter Durchführung einer Addition der Ausgangssignale aa, bb. Der Schaltungsteil 200 besitzt des weiteren eine Win­ kelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit durch Einwirkung des Signals S21 von der Trägheitskraftberechnungseinrichtung und des Si­ gnals S22 von der Corioliskraftberechnungseinrichtung.

Es wird dem Sensorelement 100 möglich die Größe der Winkelgeschwindigkeit durch Erfassen einer Winkelgeschwin­ digkeit mit einer bestimmten Größe zu bestimmen, nachdem das Sensorelement 100 hergestellt worden ist. Da Werte von θ und ϕ vorausgehend bekannt sind, kann die Winkelgeschwin­ digkeit unter Verwendung der Werte von θ und ϕ bestimmt werden.

Der schließlich erzielte Ausgang (2Ω/ϕtanθ) hängt nicht von der Ansteuerungsamplitude A ab. Sogar wenn die Ansteue­ rungsamplitude A sich entsprechend einer Änderung der Umge­ bungstemperatur und der verstrichenen Zeit ändert, ist da­ her der erfasste Wert konstant. Das Sensorelement 100 benö­ tigt nicht eine Schaltung zur Steuerung der Amplitude A auf einem konstanten Wert. Es versteht sich jedoch, dass der Sensor die Schaltung zur Steuerung der Amplitude A auf ei­ nen konstanten Wert annehmen kann.

Der Sensor der vorliegenden Erfindung kann des weiteren wirksam ungünstige Wirkungen aufheben, die durch die Ände­ rung der Umgebungstemperatur und die verstrichene Zeit her­ vorgerufen werden, zusätzlich zu der Änderung der Ansteue­ rungsamplitude A. Beispielsweise tritt ein Fall auf, bei welchem eine Resonanzfrequenz der Erfassungsoszillatoren 11, 12 durch ungünstige Wirkungen wie Änderungen der Feder­ konstante der Träger 13 der Erfassungsoszillatoren 11, 12 sich ändert. In diesem Fall können die Ausgangssignale aa, bb der Oszillatoren 11, 12 infolge einer bestimmten Kraft verändert werden, die durch die Änderung der Resonanzfre­ quenz hervorgerufen und den Oszillatoren 11, 12 aufgebracht wird.

Sogar in einem derartigen Fall hängt jedoch die Träg­ heitskraft, welche nicht durch die Corioliskraft hervorge­ rufen wird, von der Temperatur und dergleichen ähnlich wie die Corioliskraft ab. Daher beeinträchtigen die oben be­ schriebenen ungünstigen Wirkungen gleich die Signale S11 und S12, welche unter Durchführung einer Subtraktion und einer Addition der Signale aa, bb erzielt werden. Daher können die oben beschriebenen ungünstigen Wirkungen unter Durchführung der Division kompensiert werden.

Somit wird bei der vorliegenden Erfindung die Träg­ heitskraft, welche üblicherweise als Ballast (noise) ange­ sehen wird, zur Ausgabe der Signale verwendet, welche so­ wohl von der Änderung der Umgebungstemperatur als auch der verstrichenen Zeit ähnlich abhängen. Eines der Signale wird durch die Corioliskraft hervorgerufen, und das andere der Signale wird nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen. Die Nullpunktsverschiebungen des Ausgangswerts und die Än­ derung der Ausgangsempfindlichkeit kann durch Verarbeitung der zwei Signale aufgehoben werden.

Daher ändert sich bei dem Sensor der vorliegenden Er­ findung die Sensorcharakteristik kaum entsprechend der Än­ derung der Umgebungstemperatur und der verstrichenen Zeit, und es kann eine hohe Genauigkeit und hohe Zuverlässigkeit sichergestellt werden. Da der Sensor keine zusätzlichen Korrekturschaltungen benötigt, können ein Oszillationsmoni­ tor und dergleichen, eine Größenreduzierung und niedrige Kosten des Sensors gleichzeitig realisiert werden.

Zweite Ausführungsform

Ein Sensorelement 300 entsprechend einer zweiten bevor­ zugten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 er­ klärt. Bei dem Sensorelement 100 der in Fig. 1 dargestell­ ten ersten Ausführungsform sind die beweglichen Elektroden 14 für die Erfassung und die festgelegten Elektroden 15 für die Erfassung mit dem Steueroszillator 1 zur Bildung des beweglichen Teils integriert und oszillieren zusammen mit dem Steueroszillator 1 durch eine Ansteuerung. In dem Sen­ sorelement 300 der zweiten Ausführungsform sind die festge­ legten Elektroden 35 zur Erfassung von den Steueroszillato­ ren 31, 32 getrennt und oszillieren nicht zusammen mit den Oszillatoren 31, 32.

Des weiteren sind entsprechend Fig. 1 die zwei Erfas­ sungsoszillatoren 11, 12 mit dem Steueroszillator 1 inte­ griert ausgebildet, welcher mit derselben Frequenz wie je­ der andere durch Ansteuerung oszillieren soll. Demgegenüber sind in dem in Fig. 5 dargestellten Sensorelement 300 die zwei Steueroszillatoren 31, 32 miteinander über eine be­ stimmte Träger- bzw. Balkenstruktur (beam structure) ver­ bunden, welche durch Ansteuerung mit derselben Frequenz wie jede anderen in eine Richtung senkrecht zu der Winkelge­ schwindigkeitsachse z oszillieren sollen.

Insbesondere ist das Sensorelement 300 als rechteckiger Chip durch Anwendung einer Mikrobearbeitungstechnik auf ein SOI-Substrat gebildet. Die Oszillatoren 31, 32 sind recht­ eckig und derart gebildet, dass sie auf einer horizontalen Ebene (entsprechend der Zeichenebene von Fig. 5) auf dem Substrat des Sensorelements 300 oszillieren können. Wenn die Oszillatoren 31, 32 durch Ansteuerung auf der horizon­ talen Ebene oszillieren und eine Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z senkrecht zu der hori­ zontalen Ebene erzeugt wird, wird eine Corioliskraft auf die Oszillatoren 31, 32 in eine Richtung parallel zu der horizontalen Ebene aufgebracht.

In dem Sensorelement 300 sind zwei kammähnlich geformte bewegliche Elektroden 4 zur Ansteuerung mit einem Rahmen­ teil 3 über Träger 2 verbunden, um kammähnlich geformten festgelegten Elektroden 5 zur Ansteuerung jeweils gegen­ überzustehen. Die festgelegten Elektroden 5 werden durch gegenüberliegende Seiten des Rahmenteils 3 getragen. Die zwei beweglichen Elektroden 4 sind miteinander über einen Halteträger bzw. -balken (support beam) 2a integriert ver­ bunden. Die Träger 2 ermöglichen es einem unten beschriebe­ nen beweglichen Teil 38 sich lediglich in eine durch einen Pfeil a0 angezeigte Richtung (Steueroszillationsrichtung) zu bewegen. Die zwei Oszillatoren 31, 32 sind an beiden Seiten des Halteträgers 2a zwischen den beweglichen Elek­ troden 4 zur Ansteuerung angeordnet und mit den beweglichen Elektroden 4 beispielsweise durch 4 Träger bzw. Balken (beam) 33 zur Erfassung verbunden. Es wird festgestellt, dass die Oszillatoren 31, 32 bei der vorliegenden Ausfüh­ rungsform als erste und zweite Erfassungsdetektoren dienen.

Die beweglichen Elektroden 4 zur Ansteuerung, der Hal­ teträger 2a, die Oszillatoren 31, 32 und die Träger 33 zur Erfassung sind miteinander integriert ausgebildet, wodurch der bewegliche Teil 38 in der vorliegenden Erfindung gebil­ det wird. Die Träger 33 ermöglichen, dass sich die Oszilla­ toren 31, 32 lediglich in die jeweiligen Richtungen a1, a2 (Erfassungsoszillationsrichtung), welche durch gestrichelte Linien angezeigt sind, unabhängig von den anderen Teilen des beweglichen Teils 38 bewegen, wenn die Winkelgeschwin­ digkeit Ω darauf aufgebracht wird.

Der gesamte bewegliche Teil 38 kann in der in Fig. 5 dargestellten Richtung a0 durch elastische Kräfte der Trä­ ger 2 in Oszillationen versetzt werden, wenn elektrostati­ sche Kräfte zwischen den Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung von dem Schaltungsteil 20 wie bei der ersten Ausführungs­ form erzeugt werden. Praktisch werden Oszillationsrichtun­ gen der Oszillatoren 31, 32 durch Ansteuerung leicht aus der in Fig. 5 dargestellten Richtung a0 verschoben, sie sind jedoch in etwa parallel zu der Richtung a0.

Die Oszillatoren 31, 32 besitzen jeweils kammähnlich geformte bewegliche Elektroden 34 zur Erfassung, von denen jede damit beispielsweise durch zwei Träger bzw. Balken (beam) 36 verbunden ist. Kammähnlich geformte festgelegte Elektroden 35 zur Erfassung sind gegenüberliegend den be­ weglichen Elektroden 34 mit Zähnen angeordnet, wobei jede davon sich zwischen zwei Zähnen der beweglichen Elektroden 34 erstrecken, während eine Lücke definiert wird. Die fest­ gelegten Elektroden 35 werden durch gegenüberliegende Sei­ ten des Rahmenteils außer den Seiten getragen, welche die Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung besitzen.

Die beweglichen Elektroden 34 zur Erfassung besitzen Steuerungsoszillationsverhinderungsträger bzw. -balken (drive oscillation preventive beams) 37, welche verhindern, dass sich die beweglichen Elektroden 34 in Richtungen senk­ recht zu den in Fig. 5 dargestellten Richtungen a1, a2 ver­ schieben. Dementsprechend bilden die Oszillatoren 31, 32 eine Beschleunigung wahrnehmende Teile 30, 40 im Zusammen­ wirken mit den Trägern bzw. den Erfassungsteilen 33 bis 37.

Wenn der bewegliche Teil 38 durch eine Ansteuerung os­ zilliert, oszillieren die Oszillatoren 31, 32 in der Rich­ tung a0. Wenn die Winkelgeschwindigkeit 52 gebildet wird, werden die Trägheitskraft und die Corioliskraft den Oszil­ latoren 31, 32 aufgebracht, welche durch eine Ansteuerung oszillieren. Dementsprechend werden die Oszillatoren 31, 32 auf der horizontalen Ebene entsprechend der Zeichenebene von Fig. 5 durch oben beschriebene Kräfte verschoben. Die Verschiebungen der Oszillatoren 31, 32 werden auf die be­ weglichen Elektroden 34 zur Erfassung lediglich in die je­ weiligen Richtungen a1, a2 übertragen. D. h., die Verschie­ bungen der Oszillatoren 31, 32 in die Richtungen a1, a2 verschieben die beweglichen Elektroden 34 über die Verbin­ dungsträger bzw. -balken 36; jedoch werden die senkrechten Verschiebungen durch die Steueroszillationsverhinderungs­ träger 37 beschränkt.

Dementsprechend kann bei dem Sensorelement 30 die Win­ kelgeschwindigkeit Ω, welche um die Winkelgeschwindig­ keitsachse z senkrecht zu der Zeichenebene erzeugt wird, durch die zwei Oszillatoren 31, 32 erfasst werden, welche jeweils zur Erfassung in die Richtungen a1, a2 oszillieren, die in einem Winkel θ von der Richtung K verschoben sind, in welcher die Corioliskraft wirkt. Die Richtung K ist senkrecht zu der Steueroszillationsrichtung a0.

Auf der Grundlage derselben Erwägung wie bezüglich der ersten Ausführungsform erläutert werden zwei unterschiedli­ che Ausgangssignale aa, bb, welche durch die folgenden Gleichungen (7), (8) dargestellt werden, jeweils von den Oszillatoren 31, 32 ausgegeben. Das Ausgangssignal aa wird als Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden 34 und 35 zur Erfassung in der Richtung a1 erfasst, und das Aus­ gangssignal bb wird als Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden 34 und 35 zur Erfassung in der Richtung a2 er­ fasst.

aa = Aϕ²sinϕt.sinθ - 2ΩAϕcosϕt.cosθ + α (7)

bb = Aϕ²sinϕt.sinθ + 2ΩAϕcosϕt.cosθ + α (8)

Auf der rechten Seite jeder Gleichung ist der erste Term ein Trägheitskraftterm, und der zweite Term ist ein Corioliskraftterm. Der dritte Term α, welcher nicht bei der ersten Ausführungsform vorhanden ist, wird durch die beweg­ lichen Elektroden 34 hervorgerufen, welche durch die Steu­ eroszillation verschoben werden. Der dritte Term α ändert sich bezüglich der Ansteuerungsamplitude A ähnlich wie die anderen Terme, um sich nicht nachteilig an einer Ansteue­ rungsseite auszuwirken, er kann jedoch einen Fehler bezüg­ lich von Fluktuationen an einer Erfassungsseite wie eine Änderung der Federkonstante der Träger 33 zur Erfassung hervorrufen.

Bezüglich der Fehlerproblematik durch α kann die Ampli­ tude der Erfassungsoszillation durch Steuern der Resonanz­ frequenzen an der Erfassungsseite wie die Resonanzfrequenz der Träger 33 auf einen Wert gleich oder nahe der Ansteue­ rungsfrequenz erhöht werden. Dementsprechend kann die Träg­ heitskraftkomponente und die Corioliskraftkomponente, wel­ che in die Erfassungsoszillationsrichtung wirken, erhöht werden. Die ersten und zweiten Terme können durch das An­ steigen der Resonanzfrequenz erhöht werden, und dementspre­ chend wird der Term α relativ verringert, wodurch sich eine Verringerung des Fehlers ergibt.

Das Sensorelement 300 der oben beschriebenen vorliegen­ den Ausführungsform kann dieselben Wirkungen wie jene bei der ersten Ausführungsform durch Annahme der ähnlichen Schaltungsstruktur gegenüber derjenigen bereitstellen, wel­ che in der ersten Ausführungsform entsprechend Fig. 4 er­ läutert wurde. Es wird jedoch festgestellt, dass eine Addi­ tion und Subtraktion in Fig. 4 zueinander bei der vorlie­ genden Ausführungsform transponiert werden. Darüber hinaus kann bei dem in Fig. 5 dargestellten Sensorelement 300 der bewegliche Teil 38 derart gebildet werden, dass er ein identisches elektrisches Potential aufweist. Daher wird der Prozess einfach und eine elektrische Kopplung im Vergleich mit derjenigen von Fig. 1 klein.

Dritte Ausführungsform

Bei den jeweiligen Sensorelementen 100, 300 der ersten und zweiten Ausführungsformen oszillieren die zwei Oszilla­ toren 11, 12 oder 31, 32 durch eine Ansteuerung in dersel­ ben Richtung durch die gemeinsamen Elektroden 4, 5 für eine Ansteuerung.

Demgegenüber sind bei einem Sensorelement 400 einer dritten bevorzugten Ausführungsform wie in Fig. 6 darge­ stellt zwei Steueroszillatoren 1a, 1b vorgesehen, welche quer über einen Rahmenteil 3 hängen, und es sind eine Be­ schleunigung wahrnehmende Teile 10, 20, welche jeweils Er­ fassungsoszillatoren 11, 12 enthalten, in den jeweiligen Oszillatoren 1a, 1b vorgesehen. Die Steueroszillatoren 1a, 1b sind miteinander durch einen Träger bzw. Balken (beam) 6 für eine gekoppelte Oszillation verbunden. Dementsprechend können die zwei Oszillatoren 1a, 1b eine gekoppelte Oszil­ lation ausführen.

Entsprechend dieser Struktur können die Steueroszilla­ toren 1a, 1b gleichphasig oder gegenphasig zueinander in einer Steueroszillationsrichtung in Oszillationen versetzt werden. Dementsprechend kann die um die Winkelgeschwin­ digkeitsachse z erzeugte Winkelgeschwindigkeitsachse Ω durch die eine Beschleunigung wahrnehmenden Teile 10, 20 im wesentlichen auf dieselbe Weise wie bezüglich der ersten Ausführungsform erklärt erfasst werden, und es können die­ selben Wirkungen wie jene bei der ersten Ausführungsform erzielt werden.

Ebenfalls besitzt bei der vorliegenden Ausführungsform das Sensorelement 400 die Steueroszillatoren 1a, 1b als er­ ste Oszillatoren, welche senkrecht zu der Winkelgeschwin­ digkeitsachse z oszillieren, und die Steueroszillatoren 1a, 1b halten jeweils die zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 an der Innenseite davon. Die zweiten Oszillatoren 11, 12 sind jeweils durch Träger 13 mit den ersten Oszillatoren 1a, 1b verbunden. Die zweiten Oszillatoren 11, 12 besitzen Erfassungsteile 14, 15 zur Erfassung einer Corioliskraft, die darauf aufgebracht wird, wenn eine Winkelgeschwindig­ keit erzeugt wird. Die ersten Oszillatoren 1a, 1b sind durch den Träger 6 wie oben beschrieben miteinander verbun­ den. Wenn die Corioliskraft erzeugt wird, oszillieren die zweiten Oszillatoren 11, 12 zur Erfassung in den Richtungen nicht parallel zu der Richtung, in welcher die Coriolis­ kraft wirkt.

Die Anzahl der Träger 6, welche die ersten Oszillatoren 1a, 1b für eine gekoppelte Oszillation verbinden, kann grö­ ßer als eins sein. Des weiteren kann die Anzahl der ersten Oszillatoren größer als zwei sein. Es ist hinreichend, dass wenigstens zwei der ersten Oszillatoren miteinander durch wenigstens einen Träger für eine gekoppelte Oszillation verbunden sind. Da wenigstens zwei erste Oszillatoren durch den Träger für eine gekoppelte Oszillation verbunden sind, wird dementsprechend ein gekoppeltes Oszillationssystem be­ reitgestellt, und die Frequenz der Ansteuerungskraft nimmt demselben Wert (Eigenfrequenz) bei den ersten Oszillatoren an, wenn die Ansteuerungsamplitude maximal wird. Somit wird leicht eine Oszillation der ersten Oszillatoren mit dersel­ ben Ansteuerungsamplitude durch Bilden des gekoppelten Os­ zillationssystems bereitgestellt.

Bei dem Sensorelement 400 der vorliegenden Ausführungs­ form bilden die Steueroszillatoren 1a, 1b, welche die Be­ schleunigung wahrnehmenden Teile 10, 20 und den Träger 6 für eine gekoppelte Oszillation enthalten, einen bewegli­ chen Teil 40. Des weiteren können zwei durch gestrichelte Linien in Fig. 6 umgebene Teile als unabhängige erste und zweite Sensorelementeeinheiten 401, 402 angesehen werden. Die durch Pfeile a0, a1, a2 angezeigten Richtungen entspre­ chen den durch Pfeile a0, a1, a2 in Fig. 1 angezeigten Richtungen.

Vierte Ausführungsform

Ein Sensorelement in einer vierten bevorzugten Ausfüh­ rungsform besitzt im wesentlichen dieselbe Struktur wie diejenige bei der dritten Ausführungsform. Ein Unterschied zwischen der vorliegenden Ausführungsform und der dritten Ausführungsform besteht in einem Verarbeitungsverfahren zur Verarbeitung von Signalen, wenn die Steueroszillatoren 1a, 1b für eine Oszillation mit zueinander unterschiedlichen Ansteuerungsamplituden angesteuert werden. Das Verarbei­ tungsverfahren bei der vorliegenden Ausführungsform wird unten unter Verwendung des in Fig. 6 dargestellten Sensor­ elements 400 erläutert.

Wenn die Steueroszillatoren 1a, 1b oszillieren und keine Winkelgeschwindigkeit um die Winkelgeschwindigkeits­ achse z erzeugt wird (Ω = 0), oszillieren die Erfas­ sungsoszillatoren 11, 12 zusammen mit den jeweiligen Steu­ eroszillatoren 1a, 1b. Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z erzeugt wird, wird die Corioliskraft in einer Richtung parallel zu der horizonta­ len Ebene (entsprechend der Zeichenebene von Fig. 6) und senkrecht zu der Winkelgeschwindigkeitsachse z und der Steueroszillationsrichtung (Richtung a0) erzeugt. Dement­ sprechend oszillieren die Erfassungsoszillatoren 11, 12 in jeweiligen Richtungen a1, a2, welche in Fig. 6 dargestellt sind.

Bei einem Winkelgeschwindigkeitssensor wird eine Fre­ quenz einer Ansteuerungskraft oft in etwa gleich der Eigen­ frequenz eines Oszillationssystems festgelegt, d. h. es wird eine Resonanz verwendet, um ein Ausgangssignal zu erhöhen. Bei der dritten Ausführungsform verbindet der Träger 6 für eine gekoppelte Oszillation die Steueroszillatoren 1a. Da­ her besitzt sogar dann, wenn die Oszillationsstruktur nicht symmetrisch an rechten und linken Seiten davon infolge ei­ nes Verarbeitungsfehlers hergestellt ist, die Frequenzcha­ rakteristik der Amplituden der Steueroszillatoren 1a, 1b Spitzen (Maximalwerte) bei einer identischen Frequenz (Eigenfrequenz). Wenn dementsprechend eine Resonanz verwen­ det wird, besitzen die Oszillatoren 1a, 1b Größen nahe zu­ einander, die jedoch nicht genau identisch zueinander sind.

Wenn andererseits die Oszillationsstruktur nicht symme­ trisch an rechten und linken Seiten davon infolge des Ver­ arbeitungsfehlers in dem Fall hergestellt ist, bei welchem die Oszillation nicht ohne Verwendung einer Resonanz durch­ geführt wird, sind die Ansteuerungsamplituden der Oszilla­ toren 1a, 1b nicht genau identisch zueinander. Das Verfah­ ren zur Verarbeitung der Signale bei der vorliegenden Aus­ führungsform wird in dem Fall verwendet, bei welchem die Differenz in der Ansteuerungsamplitude zwischen den Oszil­ latoren 1a, 1b vorhanden ist.

Bei der vorliegenden Ausführungsform werden ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform die Erfassungsoszillations­ richtungen (Erfassungsrichtungen) a1, a2 mit einem bestimm­ ten Winkel θ aus der Richtung verschoben, in welcher die Corioliskraft senkrecht zu der Steueroszillationsrichtung a0 wirkt. Mit dieser Struktur wird die Winkelgeschwindig­ keit Ω erfasst. Der Betrieb des Sensorelements 400 kann erklärt werden, wie bezüglich der ersten Ausführungsform entsprechend Fig. 3A und 3B erklärt worden ist.

Es wird angenommen, dass der erste Erfassungsoszillator 11 durch Ansteuerung zusammen mit dem Steueroszillator 1a in der Richtung a0 mit x1 = Aasinϕt oszilliert, wobei x1 eine Verschiebung, Aa eine Ansteuerungsamplitude und sinϕt eine Phase darstellen. Wenn in diesem Zustand die Winkelge­ schwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z er­ zeugt wird, wird in diesem Zustand die Trägheitskraft Fe auf den ersten Erfassungsoszillator 11 in der Richtung par­ allel zu der Steueroszillationsrichtung aufgebracht, und es wird die Corioliskraft Fc dem Oszillator 11 in der Richtung K senkrecht zu der Steueroszillationsrichtung aufgebracht.

Da die Erfassungsoszillationsrichtung des ersten Erfas­ sungsoszillators 11 auf die Richtung a1 durch die Träger 13 wiederum entsprechend Fig. 3A und 3B festgelegt ist, er­ fasst der erste Erfassungsoszillator (11) lediglich die Komponente Fi.sinθ der Trägheitskraft und die Komponente Fc.cosθ der Corioliskraft. Daher werden die Trägheitskraft Fai und die Corioliskraft Fac, welche durch den ersten Er­ fassungsoszillator 11 erfasst werden, durch die folgenden Gleichungen (9) und (10) dargestellt:

Fai = ma₀ = -mAaϕ²sinϕt.sinϕ (9)

Fac = 2mVΩ = 2mΩAaϕcosϕt.cosϕ (10)

wobei m die Masse des ersten Erfassungsoszillators 11, a₀ die dem ersten Erfassungsoszillator 11 aufgebrachte Be­ schleunigung und Ω die Winkelgeschwindigkeit darstellen.

Ähnlich können die Trägheitskraft Fbi und die Coriolis­ kraft Fbc, welche durch den zweiten Erfassungsoszillator 12 erfasst werden, durch die folgenden Gleichungen (11) und (12) dargestellt werden:

Fbi = -mAbϕ²sinϕt.sin(-θ) = mAbϕ²sinϕt.sin(θ) (11)

Fbc = 2mΩAbϕcosϕt.cos(-θ) = 2mΩAbϕcosϕt.cosθ (12)

wobei Ab die Ansteuerungsamplitude des zweiten Steuer­ oszillators 1b und des zweiten Erfassungsoszillators 12 darstellt.

Die Kräfte erscheinen als Verschiebungen der ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 in den in Fig. 6 dar­ gestellten jeweiligen Richtungen a1, a2 und rufen Änderun­ gen in dem Abstand zwischen den Elektroden 14 und 15 zur Erfassung hervor. Die Änderungen des Abstands zwischen den Elektroden 14 und 15 der Oszillatoren 11, 12 werden als Än­ derung der zwischen den Elektroden 14 und 15 gebildeten Ka­ pazität erfasst und als Signale aa, bb von den Erfas­ sungsoszillatoren 11, 12 ausgegeben. Die Signale aa, bb werden durch die folgenden Gleichungen (13), (14) als er­ fasste Beschleunigungen dargestellt:

aa = -Aaϕ²sinϕt.sinθ + 2ΩAaϕcosϕt.cosθ (13)

bb = Abϕ²sinϕt.sinθ + 2ΩAbϕcosϕt.cosθ (14)

Die Signale aa, bb werden durch Subtraktion und Additi­ on bei der ersten Ausführungsform verarbeitet. Demgegenüber werden bei der vorliegenden Ausführungsform die Signale aa, bb wie folgt verarbeitet. D. h. durch die folgenden Glei­ chungen (15), (16) dargestellte Manipulationen werden be­ züglich der Signale aa, bb durchgeführt:

aa' = aa × Ab × C (15)

bb' = bb × Aa × C (16)

wobei C eine Konstante ist.

Die Manipulationen können durch eine in dem Schaltungs­ teil 200 vorgesehene Verstärkerschaltung durchgeführt wer­ den. Die Verstärkung der Signale kann bei der ersten Aus­ führungsform durchgeführt werden. In diesem Fall sollten die Verstärkungsfaktoren der zwei von den zwei Wahrneh­ mungs- bzw. Abtastteilen ausgegebenen zwei Signale etwa zu­ einander gleich sein.

Demgegenüber sind bei der vierten Ausführungsform Ver­ stärkungsfaktoren der zwei Signale zueinander unterschied­ lich. Die Verstärkungsfaktoren der zwei Signale sind Ab × C bzw. Aa × C. Eine Verstärkung wird derart eingestellt, dass zwei Erfassungsteile 14, 15 dieselbe Ausgangssignalamplitu­ de besitzen, welche durch Aa × Ab × C dargestellt wird. Dement­ sprechend werden bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung die zwei unterschiedlichen Ausgangs­ signale aa', bb' von den ersten und zweiten Erfassungsos­ zillatoren 11, 12 jeweils ausgegeben.

Als nächstes werden die Ausgangssignale aa', bb' in dem Schaltungsteil 200 verarbeitet. Das Verarbeitungsverfahren der Signale wird unten unter Bezugnahme auf Fig. 7 erklärt. Das Verarbeitungsverfahren ist im wesentlichen dasselbe wie das in Fig. 4 dargestellte.

D. h. wie entsprechend Fig. 7 dargestellt werden erste Signale S11, S12 unter Durchführung einer Subtraktion und Addition von Signalen aa', bb' erzielt. Die Trägheitskraft, welche nicht von der Corioliskraft hervorgerufen wird, be­ stimmt das Signal S11, und die Corioliskraft bestimmt das Signal S12. Spitzenwerte der Signale S11, S12 werden danach als Signale S21, S22 erfasst. Ein Intensitätsverhältnis zwischen den Signalen S21 und S22 wird durch Teilen der Si­ gnale S21, S22 derart berechnet, dass ein Ausgang 2Ω/ϕtanθ als erfasster Wert des Winkelgeschwindigkeitssensors er­ zielt wird.

Um die in Fig. 7 dargestellte Berechnung durchzuführen besitzt der Schaltungsteil 200 eine Trägheitskraftberech­ nungseinrichtung zur Berechnung der Trägheitskraft als die Signale S11, S21 unter Durchführung einer Subtraktion der Ausgangssignale aa', bb' von den ersten und zweiten Erfas­ sungsoszillatoren 11, 12 und eine Corioliskraftberechnungs­ einrichtung zur Berechnung der Werte einschließlich der Co­ rioliskraft als Signale S12, S22 unter Durchführung einer Addition der Ausgangssignale aa', bb. Der Schaltungsteil 200 besitzt des weiteren eine Winkelgeschwindigkeitsberech­ nungseinrichtung zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit durch Einwirkung des Signals S21 von der Trägheitskraftbe­ rechnungseinrichtung und des Signals S22 von der Coriolis­ kraftberechnungseinrichtung.

Wie bei der ersten Ausführungsform wird es möglich die Winkelgeschwindigkeit Ω unter Durchführung einer Messung einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit zu berechnen, nach­ dem das Sensorelement 400 hergestellt worden ist. Da die Werte ϕ, θ im voraus bekannt sind, kann die Winkelgeschwin­ digkeit Ω unter Verwendung der Werte berechnet werden.

Der schließlich erzielte Ausgang (2Ω/ϕtanθ) hängt nicht von der Ansteuerungsamplitude Aa des ersten Steueroszilla­ tors 1a und von der Ansteuerungsamplitude Ab des zweiten Steueroszillators 1b wie bei der ersten Ausführungsform ab. Sogar wenn die Ansteuerungsamplituden Aa, Ab sich durch die Änderung der Umgebungstemperatur und die verstrichene Zeit ändern, ist der erlangte Wert konstant. Es ist nicht nötig eine Schaltung und dergleichen zur Steuerung der Ansteue­ rungsamplituden Aa, Ab auf einen konstanten Wert anzuneh­ men. Darüber hinaus können ungünstige Effekte, welche durch die Änderung der Umgebungstemperatur und die verstrichene Zeit hervorgerufen werden, bei der vorliegenden Ausfüh­ rungsform wie oben erläutert aufgehoben werden.

Somit werden das durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal und das nicht durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal, welche sich beide ähnlich entsprechend der Änderung der Umgebungstemperatur und der verstrichenen Zeit ändern, unter Verwendung der Trägheitskraft geleitet, welche übli­ cherweise als Ballast (noise) angesehen wird. Danach wird das durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal unter Verwendung des nicht durch die Corioliskraft hervorgerufe­ nen Signals als Bezug berechnet. Als Ergebnis kann der Aus­ gang erzielt werden, ohne dass eine Nullpunktsverschiebung und eine Änderung der Ausgangsempfindlichkeit erzielt wird.

Wenn bei der vorliegenden Ausführungsform die Ansteue­ rungsamplituden der Ansteuerungsoszillatoren 1a, 1b sich voneinander unterscheiden, wird die Verstärkung derart ein­ gestellt, dass die Amplituden der Ausgangssignale aa, bb zueinander gleich werden, und es werden die eingestellten Ausgangssignale aa, bb berechnet. Dementsprechend kann das von der Corioliskraft abhängende Signal mit hoher Ge­ nauigkeit erfasst werden.

Bei der vierten Ausführungsform können die folgenden zwei Verfahren geplant werden, um die unterschiedlichen An­ steuerungsamplituden der Steueroszillatoren 1a, 1b einzu­ stellen. Ein Verfahren besteht darin Ansteuerungsspannungen der Steueroszillatoren 1a, 1b derart einzustellen, dass die Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren 1a, 1b zuein­ ander gleich sind. Das andere Verfahren besteht darin, eine Rückkopplungssteuerung bezüglich der Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren 1a, 1b auf zueinander gleiche Werte durch Überwachen der Ansteuerungsamplituden, der Steueros­ zillationsgeschwindigkeiten und dergleichen unter Verwen­ dung eines Oszillationsmonitors durchzuführen. Entsprechend diesem Verfahren können die Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren 1a, 1b unabhängig von der verstrichenen Zeit auf zueinander gleiche Werte gesteuert werden. Die oben beschriebenen Verfahren werden detaillierter bezüglich der unten beschriebenen sechsten und achten Ausführungsfor­ men erläutert.

Fünfte Ausführungsform

Bei den Sensorelementen 100, 300, 400 der ersten bis vierten Ausführungsformen ist die Steueroszillationsrich­ tung der Steueroszillatoren senkrecht zu den Trägern bzw. Balken (beams) für die Ansteuerung. Jedoch kann die Steu­ eroszillationsrichtung einen Winkel außer 90° zu den Trä­ gern mit unterschiedlichen Federkonstanten zueinander zur Ansteuerung wie bei der fünften bevorzugten Ausführungsform bilden, wobei die Steueroszillationsrichtung einen Winkel außer 90° mit der Erfassungsoszillationsrichtung bildet. Die Federkonstanten der Träger können unterschiedlich durch Ändern der Längen oder Breiten der Träger ausgebildet sein, so dass die Träger nicht symmetrisch zueinander sind.

Insbesondere enthält wie in Fig. 8 dargestellt ein Sen­ sorelement 500 bei der fünften Ausführungsform Träger mit unterschiedlichen Längen für eine Ansteuerungsoszillation. Das Sensorelement 500 enthält ähnlich wie das in Fig. 6 dargestellte Element einen beweglichen Teil 51, der sich aus Steueroszillatoren 1a, 1b zusammensetzt, die durch ei­ nen dazwischen angeordneten Träger 6 für eine gekoppelte Oszillation verbunden sind. Die Steueroszillatoren 1a, 1b enthalten jeweils eine Beschleunigung wahrnehmende Teile 10, 20. Die eine Beschleunigung wahrnehmenden Teile 10, 20 sind parallel zu den Trägern bzw. Balken (beams) 501, 502 vorgesehen, welche den beweglichen Teil 51 mit dem Rahmen­ teil 3 verbinden.

Ein (nicht dargestellter) Magnet ist über dem Sensor­ element 500 angeordnet, und es wird ein Strom den Verdrah­ tungsteilen 503 von dem Schaltungsteil 200 zugeführt (vgl. Fig. 2). Dementsprechend werden Ansteuerungskräfte in Rich­ tungen c1, c2 erzeugt, welche durch eine gestrichelte Linie in Fig. 8 angezeigt sind. Die Träger 501, 502, welche an beiden Seiten der Steueroszillationsachsen (drive oscil­ lation axes) C1, C2 vorgesehen sind, besitzen wie oben be­ schrieben unterschiedliche Längen. Daher werden die Steuer­ oszillatoren 1a, 1b verschoben, d. h. sie oszillieren durch eine Ansteuerung in jeweiligen Richtungen b1, b2, welche in Fig. 8 durch gestrichelte Linien angezeigt sind. Die Träger 502 besitzen unterschiedliche Breiten zueinander anstelle von unterschiedlichen Längen.

Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelge­ schwindigkeitsachse z in einem Zustand erzeugt wird, bei welchem die Steueroszillatoren 1a, 1b in jeweiligen Rich­ tungen b1, b2 oszillieren, wirken die Corioliskräfte in je­ weiligen Richtungen K1, K2 senkrecht zu den Richtungen 1a, 1b. Dementsprechend werden die in den Steueroszillatoren 1a, 1b vorgesehenen Erfassungsoszillatoren 11, 12 durch die Träger 13 in jeweiligen Richtungen a1, a2 wie in Fig. 8 dargestellt in Oszillationen versetzt, wodurch eine Erfas­ sungsoszillation durchgeführt wird. Somit sind bei der vor­ liegenden Ausführungsform die Steueroszillationsrichtungen b1, b2 nicht senkrecht zu den Trägern 501, 502 für die An­ steuerung. Es können jedoch bei der vorliegenden Ausfüh­ rungsform dieselben Wirkungen wie bei der ersten Ausfüh­ rungsform erzielt werden.

Obwohl bei der fünften Ausführungsform die Steueroszil­ lation (drive oscillation) durch ein elektromagnetisches Ansteuern durchgeführt wird, kann eine elektrostatische An­ steuerung wie bei der ersten Ausführungsform unter Verwen­ dung der Elektroden 4, 5 für eine Ansteuerung verwendet werden. In diesem Fall sollten jedoch die Elektroden 4, 5 während der Steueroszillation sich nicht berühren.

Sechste Ausführungsform

Ein Sensorelement 450 in einer sechsten bevorzugten Ausführungsform wird in Fig. 9 dargestellt. Die sechste Ausführungsform unterscheidet sich in folgenden Punkten von den ersten und dritten Ausführungsformen.

Bei der ersten Ausführungsform besitzt der Steueroszil­ lator 1 die rechteckigen ersten und zweiten Erfassungsos­ zillatoren 11, 12, und es wird das Winkelgeschwindigkeits­ signal durch Einwirken der Signale erzielt, welche von den zwei Erfassungsoszillatoren 11, 12 ausgegeben werden. Dem­ gegenüber nimmt die vorliegende Ausführungsform erste und zweite Steueroszillatoren 1a, 1b an, und jeder der Steuer­ oszillatoren 1a, 1b besitzt einen Erfassungsoszillator 11 oder 12. Dies ist der Hauptunterschied zu der ersten Aus­ führungsform.

Im Vergleich mit der in Fig. 6 dargestellten dritten Ausführungsform besitzt das Sensorelement 400 der dritten Ausführungsform die Struktur, bei welcher die zwei Steuer­ oszillatoren 1a, 1b miteinander durch den Träger 6 für eine gekoppelte Oszillation verbunden sind. Demgegenüber kommt wie in Fig. 9 dargestellt das Sensorelement 450 bei der sechsten Ausführungsform ohne den Träger 6 aus. D. h. ein beweglicher Teil 41 bei der vorliegenden Ausführungsform wird durch Entfernen des Trägers gegenüber der dritten Aus­ führungsform bereitgestellt.

Insbesondere werden bei der sechsten Ausführungsform die Steueroszillatoren 1a, 1b, welche die Erfassungsoszil­ latoren 11, 12 halten, durch Ansteuern in eine Richtung a0 entsprechend Fig. 9 unabhängig in Oszillationen versetzt. Ansteuerungsspannungen zum Oszillieren der Steueroszillato­ ren 1a, 1b sind derart eingestellt, dass die Steueroszilla­ toren 1a, 1b mit etwa derselben Ansteuerungsamplitude os­ zillieren. Dementsprechend kann das Sensorelement 450 bei der vorliegenden Ausführungsform wie bei der ersten Ausfüh­ rungsform betrieben werden. Gründe für den Unterschied der Ansteuerungsamplitude zwischen den Steueroszillatoren 1a, 1b, welche korrigiert werden sollten, sind in einem Verar­ beitungsfehler und dergleichen zu sehen. Wenn jedoch kein Verarbeitungsfehler und dergleichen vorliegt, welcher die Erzeugung der Differenz bei der Ansteuerungsamplitude her­ beiführen kann, ist es nötig, die Ansteuerungsspannungen zum Oszillieren der Steueroszillatoren 1a, 1b einzustellen.

Sogar wenn der Verarbeitungsfehler zwischen den zwei Oszillatoren 1a, 1b auftritt, können die Oszillatoren 1a, 1b eingestellt werden, um mit derselben Ansteuerungsampli­ tude bei der vorliegenden Ausführungsform zu oszillieren. Dementsprechend kann das Signal, welches von der Coriolis­ kraft abhängt, mit einer hohen Genauigkeit unter Einwirkung (Durchführung einer Subtraktion oder Addition) von mehreren Signalen erfasst werden. Das Verarbeitungsverfahren zur Er­ langung des Winkelgeschwindigkeitssignals ist im wesentli­ chen das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.

Wenn die Steueroszillatoren unabhängig voneinander wie bei der ersten Ausführungsform oszillieren, können die Steueroszillatoren 1a, 1b gleichphasig oder gegenphasig zu­ einander wie bei der dritten Ausführungsform oszillieren. Dementsprechend können die eine Beschleunigung wahrnehmenden Teile 10, 20 die um die Winkelgeschwindigkeitsachse erzeug­ te Winkelgeschwindigkeit 2 wie bei der ersten Ausführungs­ form erfassen, wodurch dieselben Wirkungen wie bei der er­ sten Ausführungsform erzielt werden.

Des weiteren wird im Vergleich mit der dritten Ausfüh­ rungsform der Träger bzw. Balken 6 für eine gekoppelte Os­ zillation nicht bei der vorliegenden Ausführungsform ver­ wendet. Dementsprechend können die Steueroszillatoren 1a, 1b in dem Chip flexibel im Vergleich mit der dritten Aus­ führungsform angeordnet werden. Die Flexibilität der Anord­ nung wird hauptsächlich in der Richtung a0 erhöht.

Die Steueroszillatoren 1a, 1b können jeweils auf unab­ hängigen Chips wie in Fig. 10 dargestellt bereitgestellt werden. Dies führt zu einem erhöhten Ertrag. Des weiteren kann das Gerät (die Sensoranordnung) kompakt ausgebildet sein. Entsprechend Fig. 10 sind zwei Einheiten 401, 402, welche jeweils die Steueroszillatoren 1a, 1b enthalten, auf unabhängigen Chips 1000, 1001 angeordnet, wodurch ein Sen­ sorelement 450a gebildet wird. Die Chips 1000, 1001 können aufeinander geschichtet sein, was zu einer weiteren Größen­ reduzierung des Geräts führt.

Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Einstel­ lung, welche die Ansteuerungsamplituden der Steueroszilla­ toren 1a, 1b in etwa zueinander gleich macht, nicht durch die Schaltung durchgeführt, welche die Ansteuerungsamplitu­ de A wie bezüglich der ersten Ausführungsform beschrieben konstant macht. Daher kann das Sensorelement der vorliegen­ den Ausführungsform ohne die Schaltung auskommen, welche die Ansteuerungsamplitude A wie bei der ersten Ausführungs­ form konstant macht.

Es wird der Unterschied zwischen diesen Schaltungen un­ ten erklärt. Zuerst überwacht die Schaltung, welche die An­ steuerungsamplitude A konstant macht, die Amplitude und die Geschwindigkeit der Ansteuerungsoszillation während des Sensorbetriebs, und es wird eine Rückkopplungssteuerung der Ansteuerungsspannung durchgeführt, um die Ansteuerungsam­ plitude konstant zu machen.

Demgegenüber werden bei der Einstellung, bei welcher die Ansteuerungsamplituden zueinander bei der vorliegenden Erfindung gleich gemacht werden, die Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren 1a, 1b vor dem Verladen gemessen, und es werden eine oder beide der Ansteuerungsspannungen der Steueroszillatoren 1a, 1b derart gesteuert, dass die Ansteuerungsamplituden zueinander gleich werden. Es ist nicht nötig die Amplitude und die Geschwindigkeit der An­ steuerungsoszillation während des Sensorbetriebs zu überwa­ chen und eine Rückkopplungssteuerung der Ansteuerungsspan­ nung durchzuführen.

In diesem Fall ist es augenscheinlich, dass die An­ steuerungsamplituden Aa, Ab der Steueroszillatoren 1a, 1b durch die Änderung der Umgebungstemperatur und die verstri­ chene Zeit während des Sensorbetriebs sich ändern können. Diese Änderungen der Ansteuerungsamplitude der Steueroszil­ latoren 1a, 1b entsprechen sich im allgemeinen. Wenn bei­ spielsweise die Amplitude Aa 1,2mal so groß wird, wird die Amplitude Ab in etwa 1,2mal so groß. Daher sind die Ampli­ tuden Aa, Ab sogar dann zueinander in etwa gleich, wenn sie sich während des Sensorbetriebs ändern.

Daher wird die Schaltung, welche die Amplitude A kon­ stant macht, bei der vorliegenden Erfindung nicht benötigt wie bei der ersten Ausführungsform. Außerdem können die an­ deren Wirkungen wie jene bei der ersten Ausführungsform bei der vorliegenden Ausführungsform erzielt werden.

Entsprechend Fig. 9 werden die Steueroszillatoren 1a, 1b durch ein elektrostatisches Ansteuerungsverfahren in Os­ zillationen versetzt. Jedoch ist ein elektromagnetisches Ansteuerungsverfahren wie in Fig. 11 dargestellt anwendbar. Ein in Fig. 11 dargestelltes Sensorelement 450b nimmt An­ steuerungsverdrahtungsteile 503 an, welche im wesentlichen die gleichen wie bei der fünften Ausführungsform sind. Das elektromagnetische Ansteuerungsverfahren wird unten detail­ lierter erklärt.

Die Verdrahtungsteile 503 sind aus Metall wie Alumi­ nium, Platin oder Titan gebildet und auf einem Substrat an­ geordnet, welches das Sensorelement 450b bildet. Ein Strom fließt in die Verdrahtungsteile 503. Gleichzeitig wird ein Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zu der Substratober­ fläche (senkrecht zu der Zeichnungsebene von Fig. 11) durch einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten erzeugt.

Wenn sich der Strom, welcher in die Verdrahtungsteile 503 fließt, periodisch, beispielsweise entsprechend einer Sinuswelle oder einer Rechteckwelle, ändert, oszillieren die Steueroszillatoren dementsprechend. Das Verarbeitungs­ verfahren (Erfassungsverfahren), welches das Winkelge­ schwindigkeitssignal erzielt, ist im wesentlichen das glei­ che wie das oben beschriebene. Die elektromagnetische An­ steuerung kann im allgemeinen eine Ansteuerungskraft auf­ weisen, die größer als diejenige der elektrostatischen An­ steuerung ist.

Bei der sechsten Ausführungsform ist es nicht nötig ei­ nen Träger wie den in Fig. 6 dargestellten Träger 6 zum Verbinden der ersten Oszillatoren 1a, 1b bereitzustellen. Daher wird eine Ansteuerungseinrichtung wie Elektroden zur Ansteuerung leicht um die ersten Oszillatoren angeordnet. Diese Vorgehensweise ist sehr wirksam, um die Ansteuerungs­ kraft zu erhöhen.

Beispielsweise sind entsprechend Fig. 9 die kammähnlich geformten Elektroden 4, 5 für eine Ansteuerung lediglich an einer Seite von jedem der Steueroszillatoren 1a, 1b vorge­ sehen. Jedoch können die Elektroden an beiden Seiten von jedem der Steueroszillatoren 1a, 1b wie in Fig. 12 darge­ stellt vorgesehen sein. Insbesondere kann wie in Fig. 12 dargestellt das Sensorelement des weiteren bewegliche Elek­ troden 4' und festgelegte Elektroden 5 für eine Ansteue­ rung an der anderen Seite von jedem Steueroszillator zu­ sätzlich zu den Elektroden 4, 5 besitzen, welche an einer Seite jedes Oszillators vorgesehen sind. Dementsprechend kann die Ansteuerungskraft erhöht werden. Eine detaillierte Erläuterung von Fig. 12 wird bezüglich einer achten Ausfüh­ rungsform unten gegeben.

Siebente Ausführungsform

Bei einer siebenten bevorzugten Ausführungsform wird dieselbe Sensorelementestruktur wie bei der sechsten Aus­ führungsform angenommen, sie unterscheidet sich jedoch von derjenigen der sechsten Ausführungsform bezüglich eines Verarbeitungsverfahrens von Signalen, wenn die Ansteue­ rungsamplituden der Steueroszillatoren sich voneinander un­ terscheiden. D. h. bei der sechsten Ausführungsform werden die Ansteuerungsamplituden der zwei Steueroszillatoren 1a, 1b (einschließlich der Erfassungsoszillatoren 11, 12) der­ art vorher gesteuert, dass sie in etwa zueinander gleich sind. Bei der siebenten Ausführungsform wird eine derartige Einstellung nicht vorgenommen.

Die vorliegende Ausführungsform ist für den Fall be­ stimmt, bei welchem die zwei Steueroszillatoren 1a, 1b durch einen Verarbeitungsfehler und dergleichen zueinander unterschiedliche Ansteuerungsamplituden besitzen. Das Ver­ arbeitungsverfahren der Signale bei der vorliegenden Aus­ führungsform ist im wesentlichen gleich demjenigen der vierten Ausführungsform, und daher wird eine detaillierte Erklärung nicht wiederholt.

Kurz dargestellt, es werden wie bei der vierten Ausfüh­ rungsform unterschiedliche Verstärkungsfaktoren Aw × C, Aa × C auf die Signale von den zwei Erfassungsteilen 14, 15 bei der vorliegenden Ausführungsform festgelegt. Dementspre­ chend kann eine Verstärkung derart gesteuert werden, dass beide Amplituden der Ausgangssignale aa', bb' von den Erfassungsteilen 14, 15 auf einen gleichen Wert von Aa × Ab × C festgelegt werden.

Dementsprechend geben bei dem Winkelgeschwindigkeits­ sensor der vorliegenden Ausführungsform die ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 jeweils die Ausgangs­ signale aa', bb' aus, welche dieselbe Amplitude besitzen. Danach wird der Ausgang von 2Ω/ϕtanθ als erfasster Wert von dem Winkelgeschwindigkeitssensor durch Einwirkung der Aus­ gangssignale aa', bb' wie in Fig. 7 dargestellt erzielt. Die anderen Merkmale und Wirkungen sind im wesentlichen die gleichen wie jene bei der vierten Ausführungsform. Es er­ gibt sich, dass die vorliegende Ausführungsform ebenso auf in Fig. 10, 11 und 12 dargestellte Sensoren angewandt werden kann.

Achte Ausführungsform

Fig. 12 stellt ein Sensorelement 450c der achten Aus­ führungsform dar. Das Sensorelement 450c besitzt eine Struktur ähnlich derjenigen der sechsten Ausführungsform mit der Ausnahme bezüglich der folgenden zwei Punkte.

Ein struktureller Unterschied besteht darin, dass jeder der Steueroszillatoren 1a, 1b Elektroden 4', 5' zur Überwa­ chung einer Steueroszillation mit Kammstrukturen besitzt. Wie bezüglich der sechsten Ausführungsform beschrieben kön­ nen die Elektroden 4', 5' als Elektroden zur Ansteuerung verwendet werden.

Ein funktioneller Unterschied besteht bei der sechsten Ausführungsform darin, dass die Ansteuerungsspannungen der Steueroszillatoren 1a, 1b im voraus derart gesteuert, dass die Steueroszillatoren 1a, 1b in etwa dieselbe Ansteue­ rungsamplitude besitzen. Demgegenüber werden bei der vor­ liegenden Ausführungsform die Ansteuerungsspannungen nicht im voraus gesteuert, und es werden die Ansteuerungsamplitu­ den der Oszillatoren 1a, 1b durch die Elektroden 4', 5' überwacht.

Der Schaltungsteil 200 führt danach eine Rückkopplungs­ steuerung der Ansteuerungsspannungen der Steueroszillatoren 1a, 1b derart durch, dass die Steueroszillatoren 1a, 1b dieselben Ansteuerungsamplituden besitzen. Des weiteren kann die Änderung einer Ansteuerungsamplitude, welche durch die Änderung der Umgebungstemperatur und die verstrichene Zeit hervorgerufen wird, erfasst werden, wodurch verhindert wird, dass die Ansteuerungsamplitude bezüglich der verstri­ chenen Zeit geändert wird. Das Verarbeitungsverfahren zum Erlangen des Winkelgeschwindigkeitssignals ist im wesentli­ chen gleich wie bei der ersten Ausführungsform. Dementspre­ chend können bei der vorliegenden Ausführungsform dieselben Wirkungen wie bei der ersten Ausführungsform mit der Aus­ nahme erzielt werden, dass vorteilhafter Weise ohne die Schaltung ausgekommen wird, welche die Ansteuerungsamplitu­ de konstant macht.

Bei den in Fig. 12 dargestellten Steueroszillatoren 1a, 1b werden die Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung verwendet, und es werden die Elektroden 4', 5' zur Überwachung der Steueroszillationen und umgekehrt verwendet. D. h. die Elek­ troden 4', 5' können für die Ansteuerung und die Elektroden 4, 5 können für die Überwachung der Steueroszillation ver­ wendet werden. Diese Beziehung kann lediglich in einem der Oszillatoren 1a, 1b invertiert werden. Wenn beispielsweise entsprechend Fig. 12 die linke Seite des ersten Steueros­ zillators 1a die Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung und die Elektroden 4', 5' zur Überwachung der Steueroszillation be­ sitzt, kann der zweite Steueroszillator der rechten Seite 1b die Elektroden 4', 5' zur Ansteuerung und die Elektroden 4, 5 zur Überwachung der Steueroszillation und umgekehrt besitzen.

Ebenfalls ist entsprechend Fig. 12 das Sensorelement 450c zur Durchführung eines elektrostatischen Ansteuerung und eines elektrostatischen Oszillationsüberwachungsverfah­ ren konstruiert, wobei eine elektrostatische Erfassung durch die kammförmigen Elektroden 4', 5' zur Überwachung der Steueroszillationen verwendet wird. Darüber hinaus ist es möglich ein elektromagnetisches Erfassungsverfahren zur Erfassung einer induzierten elektromotorischen Kraft anzu­ nehmen, welche in Verdrahtungsteilen, die auf den Steueros­ zillatoren 1a, 1b angeordnet sind, durch Wechselwirkung zwischen den Verdrahtungsteilen auf den Oszillatoren 1a, 1b und einem Permanentmagneten oder einem außerhalb der Steu­ eroszillatoren 1a, 1b angeordneten Elektromagneten erzeugt wird. Es ist ebenfalls möglich ein piezoelektrisches Erfassungsverfahren anzunehmen.

Fig. 13 stellt ein Sensorelement 450d dar, welches zur Überwachung von Amplituden von Steueroszillationen der Steueroszillatoren 1a, 1b durch das elektromagnetische Erfassungsverfahren geeignet ist. Entsprechend Fig. 13 wer­ den kammförmige Elektroden 4, 5 als Elektroden zur Ansteue­ rung verwendet, und es sind Verdrahtungsteile 503 auf den jeweiligen Oszillatoren 1a, 1b als Elektroden zur Überwa­ chung der Steueroszillationen vorgesehen. Eine elektrosta­ tische Ansteuerung und ein elektromagnetisches Oszillati­ onsüberwachungsverfahren können mit dieser Struktur durch­ geführt werden.

Die Beziehung kann invertiert werden. D. h. es können die Verdrahtungsteile als Elektroden für die Ansteuerung und die kammförmigen Elektroden 4, 5 als Elektroden zur Überwachung der Steueroszillationen verwendet werden, um eine elektromagnetische Ansteuerung und ein elektrostati­ sches Oszillationsüberwachungsverfahren durchzuführen. Des weiteren kann der Steueroszillator der rechten Seite 1b die elektrostatische Ansteuerung und elektromagnetische Oszil­ lationsüberwachungsverfahren durchführen, wenn der Steu­ eroszillator der linken Seite 1a die elektromagnetische An­ steuerung und das elektrostatische Oszillationsüberwa­ chungsverfahren durchführt und umgekehrt. Des weiteren kön­ nen bei dem in Fig. 14 dargestellten Sensorelement 450e beide Steueroszillatoren eine elektromagnetische Ansteue­ rung und elektromagnetisches Oszillationsüberwachungsver­ fahren unter Verwendung von Verdrahtungsteilen 503, 503' durchführen.

Somit besitzt bei der achten Ausführungsform das Sen­ sorelement Einrichtungen 4', 5' zur Überwachung der Steu­ eroszillationen der Steueroszillatoren 1a, 1b. Dementspre­ chend können physikalische Größen (Ansteuerungsamplituden, Steueroszillationsgeschwindigkeiten und dergleichen) der Steueroszillationen überwacht werden, und es können die Am­ plituden der Oszillationsgeschwindigkeiten der Steueroszil­ lationen der Oszillatoren 1a, 1b oder die Amplituden der Ausgangssignale von den Erfassungsteilen 14, 15 auf der Grundlage der Überwachungsergebnisse eingestellt werden.

Die Ansteuerungsamplituden der Oszillatoren 1a, 1b kön­ nen auf einen konstanten Wert durch eine negative Rückkopp­ lung unter Verwendung der Überwachungsergebnisse gesteuert werden. Sogar wenn der Verarbeitungsfehler und dergleichen zwischen den Steueroszillatoren 1a, 1b auftreten, kann in diesem Fall das durch die Corioliskraft hervorgerufene Si­ gnal mit hoher Genauigkeit unter Einwirkung (beispielsweise der Durchführung einer Subtraktion und Addition) der Si­ gnale aa, bb erlangt werden. Da diese Ansteuerungsgrößen­ steuerung auf der Grundlage der Überwachungsergebnisse durchgeführt wird, kann sie unabhängig von Umgebungsände­ rungen bezüglich des Geräts bzw. der Vorrichtung durchge­ führt werden.

Neunte Ausführungsform

Fig. 15 stellt ein Sensorelement 330 eines Winkelge­ schwindigkeitssensors einer neunten bevorzugten Ausfüh­ rungsform dar. Die vorliegende Ausführungsform ist eine Mo­ difizierung der zweiten Ausführungsform (vgl. Fig. 5). Bei der zweiten Ausführungsform wird lediglich ein bewegliches Teil angenommen. Demgegenüber setzt sich bei der in Fig. 15 dargestellten vorliegenden Ausführungsform ein beweglicher Teil 38 aus ersten und zweiten beweglichen Teilen 38a, 38b zusammen, welche miteinander durch einen Träger bzw. Balken (beam) 6 für eine gekoppelte Oszillation verbunden sind.

Bei dem Sensorelement 330 besitzen außerdem zwei Oszil­ latoren 31, 32 eine Steueroszillationsrichtung a1, und je­ weilige Erfassungsrichtungen a1, a2 bilden einen bestimmten Winkel θ mit einer Richtung K, in welcher Corioliskräfte wirken. Mit dieser Struktur kann eine Winkelgeschwindigkeit Ω erfasst werden, die um eine Winkelgeschwindigkeitsachse z senkrecht zu der Zeichenebene von Fig. 15 erzeugt wird. Es wird dabei festgestellt, dass die Richtungen a0 bis a2 und K von Fig. 15 bezüglich denjenigen von Fig. 5 jeweils um 90° gedreht sind und dass dementsprechend die Oszillato­ ren 31, 32, die Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung, die Elek­ troden 34, 35 zur Erfassung und Träger ebenfalls gedreht sind.

Bei dem ersten beweglichen Teil 38a wird der Oszillator 31 von einer Haltestange (einem Halteträger bzw. -balken) 2a über Träger bzw. Balken (beams) 33 zur Erfassung gehal­ ten. Die Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung sind an einem Ende der Haltestange 2a vorgesehen. Das andere Ende der Halte­ stange 2a ist mit dem Träger 6 verbunden. Des weiteren ist der Oszillator 31 mit der kammförmigen bew 35644 00070 552 001000280000000200012000285913553300040 0002010011830 00004 35525eglichen Elek­ trode 34 zur Erfassung über Verbindungsträger bzw. -balken 36 verbunden. Die bewegliche Elektrode 34 liegt der kamm­ förmigen festgelegten Elektrode zur Erfassung gegenüber.

Der gesamte erste bewegliche Teil 38a kann durch Träger bzw. Balken (beams) 2 lediglich in der Richtung (Steueroszillationsrichtung) a0 in Oszillationen versetzt werden, welche durch einen Pfeil a0 in Fig. 15 angezeigt ist. Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω erzeugt wird, kann der Oszillator 31 durch die Träger 33 zur Erfassung ledig­ lich in der Erfassungsoszillationsrichtung a1 in Schwingun­ gen versetzt werden, welche durch eine gestrichelte Linie in Fig. 15 angezeigt ist. Durch Steueroszillationsverhinde­ rungsträger 37 wird verhindert, dass die bewegliche Elek­ trode 34 zur Erfassung sich in eine Richtung senkrecht zu der Richtung a1 verschiebt.

Somit oszilliert bei dem ersten beweglichen Teil 38 der Oszillator 31 durch Ansteuerung in der Richtung a0 in der Horizontalebene (entsprechend der Zeichenebene von Fig. 15) auf dem Substrat. Wenn bei der Steueroszillation die Win­ kelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z senkrecht zu der Zeichenebene erzeugt wird, werden die Trägheitskraft und die Corioliskraft auf den Oszillator 31 aufgebracht, um den Oszillator 31 auf der Horizontalebene zu verschieben. Die Verschiebung wird auf die Elektrode 34 zur Erfassung lediglich der Richtung a1 übertragen. D. h. die Verschiebung (Erfassungsoszillation des Oszillators 31) in der Richtung a1 verschiebt die bewegliche Elektrode 34 zur Erfassung in derselben Richtung a1 über die Verbin­ dungsträger 36.

Der zweite bewegliche Teil 38b besitzt im wesentlichen die gleiche Struktur wie der erste bewegliche Teil 38a mit der Ausnahme für die Erfassung der Oszillationsrichtung. Wenn insbesondere bei dem zweiten beweglichen Teil 38b der Oszillator 32 durch Ansteuerung in der Richtung a0 oszil­ liert und die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelge­ schwindigkeitsachse z erzeugt wird, werden der Oszillator 32 und die bewegliche Elektrode 34 zur Erfassung in der Richtung a2 durch die Trägheitskraft und die Corioliskraft verschoben.

Bei der vorliegenden Ausführungsform bildet der erste bewegliche Teil 38a einen eine Beschleunigung wahrnehmenden Teil 30, und der zweite bewegliche Teil 38b bildet einen eine Beschleunigung wahrnehmenden Teil 40. Der Träger 6 er­ möglicht es den beweglichen Teilen 38a, 38b eine gekoppelte Oszillation auszuführen. Bei der gekoppelten Oszillation können die Oszillatoren 31, 32 gleichphasig oder gegenpha­ sig oszillieren.

Ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform werden zwei unterschiedliche Ausgangssignale aa, bb wie durch die Glei­ chungen (7), (8) dargestellt von den Oszillatoren 31, 32 (den eine Beschleunigung wahrnehmenden Teilen 30, 40) je­ weils ausgegeben. Die Signale aa, bb können durch den Schaltungsteil 200 im wesentlichen auf dieselbe Weise wie bezüglich Fig. 4 erklärt einwirken, wodurch die Winkelge­ schwindigkeit Ω erfasst wird. Als Ergebnis können die gleichen Wirkungen wie jene bei der zweiten Ausführungsform erzielt werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform tritt ein Fall auf, bei welchem die Subtraktion und Addition von Fig. 4 zueinander geändert werden. Des weiteren wird der durch einen bezüglich der zweiten Ausführungsform beschrie­ benen Ausdruck α hervorgerufene Fehler nicht berücksich­ tigt; jedoch kann er durch ein bezüglich der zweiten Aus­ führungsform beschriebenes Verfahren verringert werden.

Bei der vorliegenden Ausführungsform empfangen die be­ weglichen Elektroden 34 der beweglichen Teile 38a, 38b die jeweils von den Oszillatoren 31, 32 durch die Verbindungs­ träger 36 übertragenen Corioliskräfte. Dementsprechend er­ fassen die beweglichen Elektroden 34 die jeweiligen Oszil­ lationen der Oszillatoren 31, 32 in den Erfassungsoszilla­ tionsrichtungen a1, a2. Es wird empfohlen, dass die Oszil­ latoren 31, 32 als erste Oszillatoren und die beweglichen Elektroden 34 als zweite Oszillatoren arbeiten.

Die Anzahl von Trägern 6, welche die ersten Oszillato­ ren 31, 32 derart verbinden, dass die Oszillatoren 31, 32 eine gekoppelte Oszillation durchführen können, kann größer als eins sein. Die Anzahl der ersten Oszillatoren 31, 32 kann größer als zwei sein. In diesem Fall ist es hinrei­ chend, dass wenigstens zwei der ersten Oszillatoren mitein­ ander durch wenigstens einen Träger für eine gekoppelte Os­ zillation verbunden sind.

Dementsprechend können die verbundenen zwei Oszillato­ ren eine gekoppelte Oszillation mit derselben Frequenz (Eigenfrequenz) der Ansteuerungskraft ausführen, wenn die Ansteuerungsamplitude ein Maximum annimmt. Bei dem Winkel­ geschwindigkeitssensor schwingen die Oszillatoren mit den Eigenfrequenzen, um die Ansteuerungsamplituden zu erhöhen. Bei der vorliegenden Ausführungsform können die Amplituden leicht gleich gemacht oder nahe zueinander gebracht werden unter Durchführung der gekoppelten Oszillation.

Zehnte Ausführungsform

Fig. 16 stellt ein Sensorelement 315 eines Winkelge­ schwindigkeitssensors einer zehnten bevorzugten Ausfüh­ rungsform dar. Die zehnte Ausführungsform ist eine Modifi­ zierung der zweiten Ausführungsform. Im Vergleich mit der in Fig. 5 dargestellten zweiten Ausführungsform sind die Richtungen a0, a1, a2 und K nicht verändert, jedoch ist der bewegliche Teil 38 in zwei bewegliche Teile 38a, 38b unter­ teilt. Im Vergleich mit der in Fig. 15 dargestellten neun­ ten Ausführungsform sind die Richtungen a0, a1, a2, K um 90° entsprechend denjenigen von Fig. 5 gedreht, und der Träger 6 für eine gekoppelte Oszillation wird ausgelassen.

Da bei der vorliegenden Ausführungsform die ersten und zweiten beweglichen Teile 38a, 38b zueinander unabhängig sind, können die Oszillatoren 31, 32 der beweglichen Teile 38a, 38b innerhalb eines Chips insbesondere in der Richtung K flexibel angeordnet sein. In dem in Fig. 16 dargestellten Sensorelement (Chip) bildet ein halber Teil an der linken Seite ein erstes Sensorelement 351, und ein halber Teil an der rechten Seite bildet ein zweites Sensorelement 352. Die Sensorelemente 351, 352 können jeweils auf getrennten Chips gebildet sein. Diese Anordnung ist für eine Verbesserung des Ertrags wirksam.

Als nächstes wird unten der Betrieb der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Die Oszillatoren 31, 32 (die be­ weglichen Teile 38a, 38b) werden durch Ansteuerung in der Richtung a0 jeweils in Oszillationen versetzt. Die Ansteue­ rungsamplituden der Oszillatoren 31, 32 werden in etwa gleich zueinander im voraus unter Steuerung der Ansteue­ rungsspannungen der Oszillatoren 31, 32 eingestellt. Dem­ entsprechend arbeiten die Oszillatoren 31, 32 im wesentli­ chen auf dieselbe Weise wie bei der zweiten Ausführungs­ form. Der Unterschied in der Ansteuerungsamplitude zwischen den Oszillatoren 31, 32 (den beweglichen Teilen 38a, 38b) kann durch einen Verarbeitungsfehler erzeugt werden. Wenn kein Verarbeitungsfehler vorliegt, oszillieren die Oszilla­ toren mit derselben Ansteuerungsamplitude. Es ist daher nicht nötig die Ansteuerungsspannung der Oszillatoren zu steuern.

Das Verfahren zur Verarbeitung der Signale (Erfassungsverfahren) bei der vorliegenden Ausführungsform wird im wesentlichen auf dieselbe Weise wie in Fig. 4 dar­ gestellt durchgeführt. Dementsprechend können dieselben Wirkungen wie jene bei der zweiten Ausführungsform erzielt werden. Des weiteren können ähnlich wie bei der neunten Ausführungsform bei der vorliegenden Ausführungsform die Oszillatoren 31, 32 als die ersten Oszillatoren angesehen werden, und es können die beweglichen Elektroden 34 zur Erfassung als zweite Oszillatoren angesehen werden. Die An­ zahl der ersten Oszillatoren 31, 32 kann größer als zwei sein.

Da die ersten Oszillatoren 31, 32 nicht verbunden und voneinander unabhängig sind, können des weiteren dieselben Wirkungen wie jene bei der sechsten Ausführungsform erlangt werden. D. h. es wird die Flexibilität zur Anordnung der er­ sten Oszillatoren verbessert, und es kann eine Größenredu­ zierung, eine Kostenverringerung und eine Verbesserung des Ertrags des Chips durch Anordnen der Oszillatoren auf ge­ trennten Chips realisiert werden. Darüber hinaus kann die Ansteuerungskraft durch Annahme von mehreren Ansteuerungs­ einrichtungen erhöht werden.

Elfte Ausführungsform

Ein Sensorelement einer elften bevorzugten Ausführungs­ form besitzt dieselbe Struktur wie diejenige, welche in Fig. 16 dargestellt ist. Die elfte Ausführungsform unter­ scheidet sich von der zehnten Ausführungsform in den fol­ genden zwei Punkten.

Entsprechend einem ersten Punkt werden bei der zehnten Ausführungsform die Ansteuerungsamplituden der Oszillatoren 31, 32 im voraus in etwa gleich zueinander eingestellt. Demgegenüber wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Einstellung nicht durchgeführt. Daher können die Oszillato­ ren 31, 32 mit unterschiedlichen Ansteuerungsamplituden durch den Verarbeitungsfehler oszillieren. Entsprechend ei­ nem zweiten Punkt ist ein Verarbeitungsverfahren von Signa­ len unterschiedlich zu demjenigen der zehnten Ausführungs­ form entsprechend dem ersten Punkt. Das Verarbeitungsver­ fahren ist im wesentlichen gleich demjenigen, welches be­ züglich der vierten und siebenten Ausführungsformen ent­ sprechend Fig. 7 erläutert wurde.

Kurz dargestellt, es werden Verstärkungsfaktoren von Signalen von zwei Erfassungsteilen 14, 15 derart zueinander unterschiedlich eingestellt, dass Amplituden der Ausgangs­ signale von den Erfassungsteilen zueinander gleich gemacht werden. Danach wird ein Ausgangswert von 2Ω/ϕtanθ als er­ fasster Wert des Winkelgeschwindigkeitssensors durch Verar­ beitung der Ausgangssignals wie in Fig. 7 dargestellt er­ langt. Dementsprechend können im wesentlichen dieselben Wirkungen wie jene bei den vierten und siebenten Ausfüh­ rungsformen erzielt werden.

Zwölfte Ausführungsform

Eine zwölfte bevorzugte Ausführungsform stellt eine Kombination der in Fig. 16 dargestellten zehnten Ausfüh­ rungsform und der achten Ausführungsform unter Annahme der Einrichtung zur Überwachung physikalischer Größen der Steu­ eroszillationen der Oszillatoren dar. Insbesondere unter­ scheidet sich die zwölfte Ausführungsform von der zehnten Ausführungsform in folgenden zwei Punkten.

Entsprechend einem strukturellen Unterschied besitzt jeder der Oszillatoren 31, 32 zwei Sätze von Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung der in Fig. 16 dargestellten zehnten Aus­ führungsform. Demgegenüber wird in der vorliegenden Ausfüh­ rungsform einer der Sätze von Elektroden 4, 5 als Elektro­ den 4', 5' zur Überwachung der Steueroszillation verwendet. Daher besitzt ein Sensorelement der vorliegenden Ausfüh­ rungsform dieselbe äußere Erscheinung wie diejenige von Fig. 16.

Entsprechend einem funktionellen Unterschied werden bei der zehnten Ausführungsform die Ansteuerungsamplituden der Oszillatoren 31, 32 durch Einstellen der Ansteuerungsspan­ nungen der Oszillatoren 31, 32 im voraus derart gesteuert, dass sie zueinander gleich sind. Demgegenüber werden bei der vorliegenden Ausführungsform die Ansteuerungsamplituden der Oszillatoren 31, 32 durch die Elektroden 4', 5' erfasst und wie bei der achten Ausführungsform einer Rückkopplungs­ steuerung unterworfen, um zueinander gleich zu sein. Dem­ entsprechend können Änderungen der Ansteuerungsamplitude bezüglich der Änderung der Umgebungstemperatur und der ver­ strichenen Zeit erfasst und gleichzeitig verhindert werden. Das Verarbeitungsverfahren zum Erlangen des Winkelgeschwin­ digkeitssignals ist im wesentlichen gleich demjenigen der zehnten Ausführungsform.

Bei der zwölften Ausführungsform wurde das elektrosta­ tische Erfassungsverfahren unter Verwendung der Elektroden 4', 5' zur Überwachung der Steueroszillationen angenommen. Darüber hinaus ist es wie bezüglich der achten Ausführungs­ form beschrieben möglich das elektromagnetische Erfassungs­ verfahren zur Erfassung einer induzierten elektromotori­ schen Kraft anzunehmen, welche in Verdrahtungsteilen, die auf den Oszillatoren 31, 32 angeordnet sind, durch eine Wechselwirkung zwischen den Verdrahtungsteilen auf den Os­ zillatoren 31, 32 und einem Permanentmagneten oder einem außerhalb der Oszillatoren 31, 32 angeordneten Elektroma­ gneten erzeugt wird. Es ist ebenfalls möglich, das pie­ zoelektrische Erfassungsverfahren anzunehmen.

Dreizehnte Ausführungsform

Eine dreizehnte bevorzugte Ausführungsform stellt eine Kombination der fünften Ausführungsform (Fig. 8) ein­ schließlich der Träger bzw. Balken zur Ansteuerung, welche unsymmetrisch mit unterschiedlichen Längen oder unter­ schiedlichen Breiten vorgesehen sind, und einer der sechs­ ten bis achten und zehnten bis zwölften Ausführungsformen dar, welche die Oszillatoren unabhängig voneinander enthal­ ten.

Fig. 17 stellt ein Sensorelement 550 der dreizehnten Ausführungsform dar. Ähnlich wie bei der in Fig. 9 darge­ stellten sechsten Ausführungsform besitzt das Sensorelement 550 einen beweglichen Teil 51, der sich aus Steueroszilla­ toren 1a, 1b zusammensetzt. Die Steueroszillatoren 1a, 1b enthalten jeweils eine Beschleunigung wahrnehmende Teile 10, 20, von denen jeder parallel zu einem Paar von Trägern bzw. Balken (beams) 501, 502 angeordnet ist, welche die Os­ zillatoren 1a, 1b mit dem Rahmenteil 3 verbinden.

Ansteuerungskräfte für eine zeitlich periodische Ände­ rung werden an die Steueroszillatoren 1a, 1b unter Verwen­ dung der Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung aufgebracht, und dementsprechend oszillieren die Oszillatoren 1a, 1b in je­ weiligen Richtungen b1, b2, die in Fig. 17 dargestellt sind. Die Träger 501, 502 besitzen zueinander unterschied­ liche Längen und ermöglichen die oben beschriebenen Oszil­ lationen. Insbesondere besitzt bei der vorliegenden Ausfüh­ rungsform jeder der Steueroszillatoren 1a, 1b zwei Paare von Trägern 501, 502, und es sind der längere Träger 501 und der kürzere Träger 502 abwechselnd angeordnet. Die Breiten der Träger 501, 502 können anstelle einer Änderung der Längen davon zur Bereitstellung derselben Wirkungen ge­ ändert werden.

Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um eine Winkelge­ schwindigkeitsachse z in dem Zustand erzeugt wird, bei wel­ chem die Oszillatoren 1a, 1b durch Ansteuerung in die Rich­ tungen b1, b2 oszillieren, werden Corioliskräfte in Rich­ tungen K1, K2 jeweils senkrecht zu den Richtungen b1, b2 erzeugt. Als Ergebnis führen die Erfassungsoszillatoren 11, 12, welche jeweils in den Steueroszillatoren 1a, 1b vorge­ sehen sind, Erfassungsoszillationen in Richtungen a1, a2 aus, die in Fig. 17 dargestellt sind.

Somit können bei der vorliegenden Ausführungsform die jeweils zwischen den Steueroszillationsrichtungen b1, b2 und den Erfassungsoszillationsrichtungen a1, a2 definierten Winkel leicht auf (einen) Winkel außer 90° festgelegt wer­ den. Dementsprechend können dieselben Wirkungen wie jene bei der ersten Ausführungsform bereitgestellt werden. Wenn sich Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren infolge des Verarbeitungsfehlers und dergleichen voneinander unter­ scheiden, sind die folgenden Gegenmaßnahmen anwendbar.

(1) Beispielsweise wie bei den sechsten und siebenten Ausführungsformen werden die Ansteuerungsspannungen im vor­ aus derart eingestellt, dass die Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren in etwa gleich sind. (2) Wie bei den siebenten und achten Ausführungsformen wird eine Verstär­ kung von zwei Ausgangssignalen eingestellt, um zwei Aus­ gangssignale mit derselben Ansteuerungsamplitude zu erzeu­ gen. (3) Wie bei den achten und zwölften Ausführungsformen ist jeder der Steueroszillatoren mit einem Steueroszillati­ onsmonitor zur Überwachung der Ansteuerungsamplitude oder der Ansteuerungsgeschwindigkeit für eine Rückkopplungs­ steuerung der Ansteuerungsspannung ausgestattet. Dement­ sprechend sind die Ansteuerungsamplituden der Steueroszil­ latoren in etwa gleich.

Bei dem in Fig. 17 dargestellten Beispiel wird ein elektrostatisches Ansteuerungsverfahren angenommen. Da je­ doch in diesem Fall die Steueroszillationsrichtungen der Steueroszillatoren zu den Zähnen der Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung nicht parallel sind, werden die Lücken zwischen den Zähnen durch Verschiebungen der Steueroszillatoren ge­ ändert, was zu instabilen Ansteuerungskräften führt. Die Zähne der Elektroden 4 können gegen die Zähne der Elektro­ den 5 anstoßen. Um eine Vermeidung dieser Schwierigkeit si­ cherzustellen, ist daher ein elektromagnetisches Ansteue­ rungsverfahren zur Ansteuerung des in Fig. 17 dargestellten Sensorelements 550 eher geeignet. In diesem Fall kann die bezüglich der fünften Ausführungsform entsprechend Fig. 8 beschriebene Struktur angenommen werden.

Vierzehnte Ausführungsform

Eine vierzehnte bevorzugte Ausführungsform stellt eine Modifizierung des in Fig. 1 dargestellten Sensorelements 100 dar. Wenn das durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal und das von der Corioliskraft nicht hervorgerufene Signal voneinander geteilt werden, wird es erwünscht, dass die Größen beider Signale nahe beieinander liegen oder in etwa zueinander gleich sind. D. h., wenn die zu erfassende Winkelgeschwindigkeit Ω klein ist, da die Corioliskraft klein ist, sollte die Trägheitskraft klein ausfallen.

Um eine Trägheitskraft zu erhöhen ist es nötig den Win­ kel θ von Fig. 1 zu verringern. In diesem Fall ist es je­ doch schwierig die Erfassungsoszillatoren 11, 12 mit den Erfassungsoszillationsrichtungen a1, a2 zu bilden, welche denselben Winkel mit der Richtung K definieren. D. h. ent­ sprechend Fig. 1 kann ein Fall sich ergeben, bei welchem der Winkel θ zwischen der Richtung a1 und der Richtung K sich von dem Winkel θ zwischen der Richtung a2 und der Richtung K unterscheidet. Die vorliegende Ausführungsform ist auf einen derartigen Fall anwendbar.

Wenn der Winkel zwischen der Richtung a1 und der Rich­ tung K als Winkel θ1 bezeichnet wird und der Winkel zwi­ schen der Richtung a2 und der Richtung K als θ2 bezeichnet wird, werden die Signale aa, bb, welche von den Erfas­ sungsoszillatoren 11, 12 (den eine Beschleunigung wahrneh­ mende Teilen 10, 20) ausgegeben werden, durch die folgenden Gleichungen (17), (18) dargestellt:

aa = -Aϕ²sinϕt.sinθ1 + 2ΩAϕcosϕt.cosθ1 (17)

bb = Aϕ²sinϕt.sinθ2 + 2ΩAϕcosϕt.cosθ2 (18)

Unter Berücksichtigung, dass die Winkel θ1, θ2 nahe bei null liegen, können die Gleichungen (17), (18) den folgen­ den Gleichungen (19), (20) angenähert werden:

aa = -Aϕ²θ1sinϕt + 2ΩAϕcosϕt (19)

bb = Aϕ²θ2sinϕt + 2ΩAϕcosϕt (20)

Fig. 18 stellt ein Verarbeitungsverfahren der Signale unter Verwendung eines Schaltungsteils 200 bei der vier­ zehnten Ausführungsform dar. Signale G111, G12 werden unter Durchführung einer Subtraktion und einer Addition der Si­ gnale aa, bb erlangt, welche jeweils von dem eine Beschleu­ nigung wahrnehmenden Teil 10, 20 ausgegeben werden. Das Si­ gnal G111 wird durch die Trägheitskraft hervorgerufen, und das Signal G12 wird durch die Trägheitskraft und die Corio­ liskraft hervorgerufen.

Ein Signal G112 wird durch Verschieben der Phase des Signals G111 um 90° erlangt. Danach werden Signale G21, G22 unter Durchführung einer synchronen Erfassung des Signals G12 unter Verwendung der Signale G111 und G112 als Bezüge erlangt. Die Phasenverschiebung des Signals G111 kann bei­ spielsweise durch eine Differenzierschaltung erreicht wer­ den. Die synchrone Erfassung kann beispielsweise durch eine Multiplizierschaltung und einen Tiefpassfilter (L.P.F., low-pass filter) erzielt werden.

Das durch die Trägheitskraft hervorgerufene Signal und das durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal besitzen Phasen die um 90° stets voneinander verschieden sind. Daher können das durch die Trägheitskraft hervorgerufene Signal G21 und das durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal G22 unter Durchführung der synchronen Erfassung bereitge­ stellt werden. Es wird ein Ausgang von 4Ω/(θ2-θ1) unter Durchführung einer Division der Signale G21 und G22 als er­ fasster Wert des Winkelgeschwindigkeitssensors erlangt.

Sogar wenn die Werte der Winkel θ1, θ2 nicht bekannt sind, kann der Wert von (θ2-θ1) durch Messen eines Ausgangs unter einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit bestimmt wer­ den, nachdem das Sensorelement 100 hergestellt worden ist. Dementsprechend kann die Größe der Winkelgeschwindigkeit Ω unter Verwendung des Werts von (θ2-θ1) bestimmt werden.

Somit besitzt der Schaltungsteil 200 der vorliegenden Ausführungsform eine Funktion zur Erfassung des durch die Corioliskraft hervorgerufenen Signals G22 und besitzt eine Phase, welche um 90° von derjenigen des Signals G21 ver­ schoben ist. Das Signal G21 wird von der Trägheitskraft und nicht von der Corioliskraft hervorgerufen. Die Winkelge­ schwindigkeit kann unter Durchführung der Division und der Bestimmung eines Intensitätsverhältnisses zwischen den Si­ gnalen G21 und G22 berechnet werden.

Der endgültig erlangte Ausgang von 4Ω/(θ2-θ1) hängt nicht von der Ansteuerungsamplitude A des Steueroszillators 1 ab. Daher ist der Wert von 4Ω/(θ2-θ1) sogar dann kon­ stant, wenn die Ansteuerungsamplitude A durch die Änderung der Umgebungstemperatur und die verstrichene Zeit variiert. Die Schaltung zur Steuerung der Ansteuerungsamplitude A auf einen konstanten Wert braucht nicht angenommen zu werden. Des weiteren tritt ein Fall auf, bei welchem die Ausgangs­ signale aa, bb auf den Empfang einer Kraft variieren, wel­ che durch die Änderung der Ansteuerungsamplitude und der­ gleichen der Oszillatoren 11, 12 infolge der Änderung der Umgebungstemperatur und der verstrichenen Zeit erzeugt wird. Die Änderungen der Ausgangssignale aa, bb wirken sich auf die Signale G21 und G22 gleich unter Durchführung einer Subtraktion und Addition aus und können unter Durchführung einer Division aufgehoben werden.

In einem Fall, bei welchem die Corioliskraft unter Durchführung einer synchronen Erfassung unter Verwendung der Ansteuerungswellenform erfasst wird, wenn die Phase des durch die Corioliskraft hervorgerufenen Signals sich durch die Temperatur und dergleichen ändert, kann ein Ausgangs­ fehler auftreten. Demgegenüber wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Corioliskraft unter Durchführung der synchronen Erfassung unter Verwendung des durch die Träg­ heitskraft (nicht durch die Corioliskraft) hervorgerufenen Signals als Bezugssignal erfasst. Sogar wenn die Phase des durch die Corioliskraft hervorgerufenen Signals sich in­ folge der Temperatur und dergleichen ändert, wird daher kein Ausgangsfehler erzeugt, da das durch die Trägheits­ kraft hervorgerufene Signal sich bezüglich der Phase ähn­ lich wie das durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal ändert.

Bei dem Sensor der vorliegenden Ausführungsform vari­ iert wie bei der ersten Ausführungsform die Sensorcharakte­ ristik nicht entsprechend der Änderung der Umgebungstempe­ ratur und der verstrichenen Zeit, was zu einer hohen Genau­ igkeit und hohen Zuverlässigkeit führt. Da zusätzliche Kor­ rekturschaltungen, Oszillationsmonitoren und dergleichen nicht für das Sensorelement erfordert werden, können nied­ rige Kosten und eine Größenreduzierung realisiert werden.

Entsprechend Fig. 18 wird eine synchrone Erfassung des Signals G12 durchgeführt. Jedoch kann wie in Fig. 19 darge­ stellt die synchrone Erfassung direkt bezüglich eines der Signale aa, bb durchgeführt werden, welche von eine Be­ schleunigung wahrnehmenden Teilen 10, 20 ausgegeben werden. Entsprechend Fig. 18 und 19 kann das Signal G22 als Aus­ gang ohne Durchführung der Division der Signale G21 und G22 verwendet werden. Obwohl in diesem Fall der Ausgang sich bezüglich der Änderung der Ansteuerungsamplitude ändern kann, ändert sich der Ausgang nicht bezüglich der Änderung der Phase des durch die Corioliskraft hervorgerufenen Si­ gnals.

Die vorliegenden Ausführungsform kann ebenfalls auf ein Sensorelement angewandt werden, welches hergestellt wird, um wie in Fig. 1 dargestellt auf den Winkel θ = 0 abzuzie­ len, es muß jedoch nicht den Winkel θ = 0 infolge eines Verarbeitungsfehlers, einer Ungleichförmigkeit des Materi­ als und dergleichen besitzen. Wenn beispielsweise wie in Fig. 20 dargestellt der Träger bzw. Balken (beam) H1 durch Ätzen gebildet wird, kann der Träger H1 zugespitzte Ecken β, γ im Querschnitt aufweisen. Dementsprechend kann die Os­ zillationsrichtung von ihrem Ziel abweichen. Die vorlie­ gende Ausführungsform ist auf einen derartigen Fall anwend­ bar.

Fig. 21 zeigt ein Sensorelement, bei welchem entspre­ chend Fig. 6 Winkel zwischen den Erfassungsoszillations­ richtungen a1, a2 und der Richtung K, in welcher die Corio­ liskraft wirkt, nicht null betragen, sondern sehr nahe an null liegen, wobei die Richtungen a1, a2, K in Fig. 21 nicht dargestellt sind. Das Sensorelement 600 besitzt einen Winkel θ1 zwischen der Erfassungsoszillationsrichtung des ersten Erfassungsoszillators 11 und der Richtung K und ei­ nem Winkel θ2 zwischen der Erfassungsoszillationsrichtung des zweiten Erfassungsoszillators 12 und der Richtung K. Die Winkel θ1, θ2 sind von null verschieden, befinden sich jedoch nahe null. Verarbeitungsfehler der Träger und der­ gleichen rufen die Abweichungen der Winkel θ1, θ2 von null hervor.

Sogar in dem Sensorelement 600 kann ein Ausgang von 4Ω/θ2-θ1) mit hoher Genauigkeit und hoher Zuverlässigkeit durch Verarbeitungssignale von dem Sensorelement auf die in Fig. 18 dargestellte Weise erlangt werden. Die vorliegende Ausführungsform ist auf eine der oben beschriebenen Ausfüh­ rungsformen anwendbar, wenn die Erfassungsoszillationsrich­ tung von ihrem Ziel infolge eines Verarbeitungsfehlers und dergleichen abweicht.

Weitere Ausführungsformen

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Anzahl der Erfassungsoszillatoren gleich 2. Jedoch kann die Anzahl der Erfassungsoszillatoren größer als 2 sein, wobei jede Erfassungsoszillationsrichtung jedes Oszillators einen Winkel außer von 90° mit der Steueroszillationsrichtung bildet.

Die Anzahl der Erfassungsoszillatoren kann eins sein. Beispielsweise kann das in Fig. 1 dargestellte Sensorele­ ment 100 lediglich den eine Beschleunigung wahrnehmenden Teil 10 aufweisen, um lediglich das Ausgangssignal aa aus­ zugeben. In diesem Fall kann das Ausgangssignal aa in ein durch die Corioliskraft hervorgerufenes Signal und ein durch die Trägheitskraft (nicht durch die Corioliskraft) hervorgerufenes Signal unter Durchführung einer synchronen Erfassung unter Verwendung eines Steuersignals sinϕt und eines Signals cosϕt, welches durch Differenzieren des Steu­ ersignals sinϕt erlangt wird, als Bezug geteilt werden. Da­ nach kann ein Ausgang, welcher nicht von der Ansteue­ rungsamplitude A abhängt, unter Durchführung einer Division der zwei geteilten Signale erlangt werden.

Sogar wenn das Sensorelement lediglich einen Erfas­ sungsoszillator aufweist, variiert die Sensorcharakteristik nicht entsprechend der Änderung der Umgebungstemperatur und der verstrichenen Zeit, und es kann der Ausgang mit hoher Genauigkeit und hoher Zuverlässigkeit erlangt werden. Da zusätzliche Korrekturschaltungen, Oszillationsmonitoren und dergleichen nicht erfordert werden, können niedrige Kosten und eine Größenreduzierung des Sensorelements realisiert werden.

Bei jeder oben beschriebenen Ausführungsform kann die Steueroszillation durch verschiedene Ansteuerungsverfahren wie ein elektromagnetisches Ansteuerungsverfahren unter Verwendung einer Lorentzkraft, ein piezoelektrisches An­ steuerungsverfahren unter Verwendung eines piezoelektri­ schen Effekts und dergleichen zusätzlich zu dem elektrosta­ tischen Ansteuerungsverfahren durchgeführt werden, welches oben insbesondere beschrieben wurde. Des weiteren können die Winkelgeschwindigkeit und dergleichen durch verschiede­ ne Erfassungsverfahren wie ein elektromagnetisches Erfas­ sungsverfahren unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktion und ein piezoelektrisches Erfassungsverfahren un­ ter Verwendung eines piezoelektrischen Effekts zusätzlich zu dem elektrostatischen Erfassungsverfahren unter Verwen­ dung einer elektrostatischen Kapazität erfasst werden. Ein piezoelektrisches Element und ein Dehnungsmessgerät sind ebenfalls als Sensorelement verwendbar.

Bei jeder oben beschriebenen Ausführungsformen ist es nicht nötig, dass die mehreren Erfassungsoszillationsrich­ tungen der mehreren Erfassungsoszillatoren einen etwa iden­ tischen Winkel θ mit der Richtung bilden, in welcher die Corioliskraft wirkt. Des weiteren kann bei jeder oben be­ schriebenen Ausführungsform die Erfassungsgenauigkeit durch Eliminieren einer extern aufgebrachten Beschleunigung er­ höht werden. Beispielsweise stellt Fig. 22 ein Sensorele­ ment dar, welches sich aus zwei Sensorelementen 100a, 100b zusammensetzt, wobei jedes im wesentlichen dieselbe Struk­ tur wie das in Fig. 1 dargestellte Sensorelement 100 be­ sitzt.

Entsprechend Fig. 22 werden die Sensorelemente 100a, 100b durch eine Ansteuerung in Gegenphase zueinander in Os­ zillationen versetzt. Dementsprechend werden Signale mit einer Gegenphase zueinander von den Sensorelementen 100a, 100b auf der Grundlage der Corioliskräfte ausgegeben, wel­ che gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen mit der­ selben Größe erzeugt werden. Zur selben Zeit empfangen die Elemente 100a, 100b jeweils extern darauf aufgebrachte Be­ schleunigungen mit etwa derselben Größe in derselben Rich­ tung.

Danach wirken die Ausgangssignale von den Sensorelemen­ ten 100a, 100b in dem Schaltungsteil 200 wie in Fig. 4 dar­ gestellt, wodurch zwei Ausgänge bestimmt werden. Wenn eine Subtraktion bezüglich der zwei Ausgänge durchgeführt wird, werden die durch die Corioliskräfte hervorgerufenen Signale aufeinander addiert und die durch die Beschleunigung her­ vorgerufenen Signale aufgehoben. Als Ergebnis können die Wirkungen der extern aufgebrachten Beschleunigungen elimi­ niert werden. Zur selben Zeit wird die Empfindlichkeit ver­ doppelt. Entsprechend Fig. 22 sind die Sensorelemente 100a, 100b in Längsrichtung angeordnet. Jedoch können die Sensor­ elemente 100a, 100b seitlich angeordnet werden. Die Struk­ turen der Sensorelemente können aus denjenigen ausgewählt werden, welche bezüglich einer der oben beschriebenen Aus­ führungsformen offenbart sind.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird das durch die Trägheitskraft hervorgerufene Signal als das nicht durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal angese­ hen. Jedoch können andere Signale wie der Ausgang von den Elektroden 4', 5' zur Überwachung der Steueroszillation, der erfasste Wert des von der Steueroszillation abweichen­ den Winkels und dergleichen als das nicht durch die Corio­ liskraft hervorgerufene Signal angesehen werden.

Vorstehend wurde ein Winkelgeschwindigkeitssensor mit Oszillatoren offenbart. Der Winkelgeschwindigkeitssensor enthält Steueroszillatoren (1a, 1b), welche durch eine An­ steuerung in einer Ansteuerungsrichtung (a0) oszillieren, und Erfassungsoszillatoren (11, 12), welche mit den Steu­ eroszillatoren (1a, 1b) verbunden sind und in Erfassungs­ richtungen (a1, a2) durch eine Corioliskraft oszillieren, welche durch eine Winkelgeschwindigkeit in einer Richtung (K) erzeugt wird. Die Richtungen a1, a2 bilden jeweils ei­ nen Winkel θ mit der Richtung K. Erfassungselektroden (14, 15) sind für die Erfassungsoszillatoren (11, 12) vorgesehen und erzeugen Ausgangssignale. Ein durch eine Trägheitskraft hervorgerufenes Signal und ein durch die Corioliskraft her­ vorgerufenes Signal werden von den Ausgangssignalen er­ langt, und es wird die Winkelgeschwindigkeit durch die zwei Signale bestimmt.

Claims (34)

1. Winkelgeschwindigkeitssensor mit:
einem Sensorelement (100, 300, 330, 350, 400, 450, 500, 550, 600), welches einen beweglichen Teil (1, 38, 41, 51) enthält, der durch Ansteuerung auf einer bestimmten Ebene oszilliert, und eine Corioliskraft empfängt, welche in einer bestimmten Richtung (K, K1, K2) parallel zu der bestimmten Ebene erzeugt wird, wenn eine Winkelgeschwindig­ keit um eine Winkelgeschwindigkeitsachse senkrecht zu der bestimmten Ebene erzeugt wird, wobei das Sensorelement ein Ausgangssignal entsprechend der Corioliskraft ausgibt; und
einem Schaltungsteil (200), welcher elektrisch mit dem Sensorelement verbunden ist, um das Ausgangssignal von dem Sensorelement zu empfangen, wobei der Schaltungsteil (200) die Winkelgeschwindigkeit durch ein erstes Signal, welches durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, und ein zweites Signal, welches nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, auf der Grundlage des Ausgangssignals bestimmt, wobei das zweite Signal als Bezug verwendet wird.

2. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Ausgangssignal eine Komponente von dem ersten Si­ gnal und dem zweiten Signal ist; und
der Schaltungsteil (200) das Ausgangssignal in das er­ ste Signal und das zweite Signal teilt.

3. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase des ersten Signals um 90° von der Phase des zweiten Signals verschoben ist.

4. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der bewegliche Teil (1, 38, 41, 51) durch Ansteuerung in einer ersten Richtung oszilliert und durch die Coriolis­ kraft in einer zweiten Richtung oszilliert, wobei die zweite Richtung einen Winkel (θ, θ1, θ2) außer 90° mit der ersten Richtung definiert; und
das zweite Signal durch eine Trägheitskraft hervorge­ rufen wird, welche auf den beweglichen Teil in der ersten Richtung aufgebracht wird.

5. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsteil (200) ein Intensitätsverhältnis zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal berechnet, um eine Winkelgeschwin­ digkeit zu bestimmen.

6. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorelement (100, 300, 330, 350, 400, 450, 500, 550, 600) erste und zweite Ausgangssignale ausgibt; und
der Schaltungsteil (200) das zweite Signal unter Durchführung einer Subtraktion oder Addition der ersten und zweiten Signale erlangt.

7. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal durch eine Trägheitskraft hervorgerufen wird, welche auf den beweglichen Teil aufgebracht wird.

8. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil:
einen Oszillator (11, 12, 31, 32), welcher durch An­ steuern in einer Steuerrichtung (a0, b1, b2) in Schwingun­ gen versetzt wird und durch die Corioliskraft in einer Er­ fassungsrichtung (a1, a2) nicht parallel zu der bestimmten Richtung (K, K1, K2), in welcher die Corioliskraft erzeugt wird, in Schwingungen versetzt wird; und
einen Erfassungsteil (14, 15, 34, 35) aufweist, wel­ cher das Ausgangssignal ausgibt, um die dem Oszillator (11, 12, 34, 35) aufgebrachte Corioliskraft zu erfassen.

9. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil:
eine Mehrzahl von Oszillatoren (11, 12, 31, 32), wel­ che durch Ansteuern mit einer in etwa gleichen Ansteue­ rungsgröße in Schwingungen versetzt werden und durch die Corioliskraft in einer Erfassungsrichtung (a1, a2) nicht parallel zu der bestimmten Richtung (K, K1, K2), in welcher die Corioliskraft erzeugt wird, in Schwingungen versetzt werden; und
eine Mehrzahl von Erfassungsteilen (14, 15, 34, 35) aufweist, wobei jeder für einen entsprechenden der in der Mehrzahl vorhandenen Oszillatoren (11, 12, 31, 32) vorgese­ hen ist.

10. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil:
einen ersten Oszillator (1, 31, 32, 1a, 1b), welcher durch Ansteuern auf einer bestimmten Ebene oszilliert;
zweite und dritte Oszillatoren (11, 12, 34, 35), wel­ che durch die Corioliskraft in erste und zweite Erfassungs­ richtungen (a1, a2) oszillieren, wenn die Winkelgeschwin­ digkeit um die Winkelgeschwindigkeitsachse erzeugt wird, wobei die ersten und zweiten Erfassungsrichtungen (a1, a2) erste und zweite Winkel (θ, θ1, θ2) größer als null mit der bestimmten Richtung (K, K1, K2) definieren, in welcher die Corioliskraft erzeugt wird;
erste und zweite Balken (13), welche den ersten Oszil­ lator (1, 31, 32, 1a, 1b) mit den zweiten und dritten Os­ zillatoren (11, 12, 34, 35) verbinden; und
einen Erfassungsteil (14, 15, 43, 35) aufweist, wel­ cher die den zweiten und dritten Oszillatoren aufgebrachte Corioliskraft erfasst.

11. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Winkel (θ, θ1, θ2) zueinander unterschiedlich sind.

12. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 10, gekenn­ zeichnet durch:
einen festgelegten Teil (3), an welchem der erste Os­ zillator angeschlossen ist, um durch Ansteuerung in einer Steuerrichtung (a0, b1, b2) zu oszillieren; und
dritte und vierte Balken (501, 502), welche den ersten Oszillator mit dem festgelegten Teil an beiden Seiten des ersten Oszillators verbinden, um den ersten Oszillator durch eine elastische Kraft davon oszillieren zu lassen, wobei die dritten und vierten Balken unsymmetrisch zueinan­ der sind.

13. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Winkel (θ, θ1, θ2) durch einen Verarbeitungsfehler definiert sind, der bei der Herstellung des Sensors erzeugt wird.

14. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Oszillator, der zweite Os­ zillator und der Erfassungsteil durch Ansteuerung zusammen oszillieren.

15. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Oszillator durch Ansteuerung in einer Steu­ errichtung (a0, b1, b2) mit einer ersten Resonanzfrequenz oszilliert; und
der zweite Oszillator durch die Corioliskraft in der Erfassungsrichtung (a1, a2) mit einer zweiten Resonanzfre­ quenz oszilliert, die etwa gleich der ersten Resonanzfre­ quenz ist.

16. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch:
einen festgelegten Teil (3), mit welchem der bewegli­ che Teil (51) verbunden ist, um durch Ansteuerung in eine Ansteuerungsrichtung (a0, b1, b2) zu oszillieren;
erste und zweite Balken (501, 502), welche den beweg­ lichen Teil mit dem festgelegten Teil an beiden Seiten des beweglichen Teils verbinden, um den beweglichen Teil durch eine elastische Kraft davon oszillieren zu lassen, wobei die ersten und zweiten Balken zueinander nicht symmetrisch sind.

17. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil:
erste und zweite Steueroszillatoren (1a, 1b, 31, 32), welche durch Ansteuern in ersten und zweiten Steuerrichtun­ gen (a0, b1, b2) auf der bestimmten Ebene senkrecht zu der Winkelgeschwindigkeitsachse oszillieren;
erste und zweite Erfassungsoszillatoren (11, 12, 34), welche jeweils mit den ersten und zweiten Steueroszillato­ ren (1a, 1b, 31, 32) verbunden sind, um durch die Coriolis­ kraft jeweils in ersten und zweiten Erfassungsrichtungen (a1, a2) zu oszillieren, wenn die Winkelgeschwindigkeit er­ zeugt wird, wobei die ersten und zweiten Erfassungsrichtun­ gen (a1, a2) erste und zweite Winkel (θ, θ1, θ2) mit der bestimmten Richtung (K, K1, K2) definieren, in welcher die Corioliskraft erzeugt wird, wobei die ersten und zweiten Winkel (θ, θ1, θ2) größer als null sind; und
erste und zweite Erfassungsteile (14, 15, 34, 35) ent­ hält, welche jeweils für die ersten und zweiten Erfas­ sungsoszillatoren (11, 12, 24) vorgesehen sind, um die den ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren (11, 12, 34) auf­ gebrachte Corioliskraft zu erfassen.

18. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Erfassungsos­ zillatoren (11, 1) jeweils innerhalb der ersten und zweiten Steueroszillatoren (1a, 1b) angeordnet sind und jeweils mit den ersten und zweiten Steueroszillatoren (11, 12) über er­ ste und zweite Balken (13) verbunden sind.

19. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Steueroszilla­ toren (1a, 1b) über einen Balken (6) miteinander verbunden sind.

20. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Erfassungsos­ zillatoren (34) jeweils außerhalb der ersten und zweiten Steueroszillatoren (31, 32) angeordnet sind und jeweils über erste und zweite Balken (36) mit den ersten und zwei­ ten Steueroszillatoren verbunden sind.

21. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Steueroszilla­ toren (1a, 1b, 31, 32) zueinander unabhängig sind.

22. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Winkel (θ, θ1, θ2) zueinander unterschiedlich sind.

23. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 17, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung zur Steuerung von Ansteue­ rungsamplituden der ersten und zweiten Steueroszillatoren auf einen zueinander in etwa gleichen Wert.

24. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 17, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung zur Steuerung von Amplitu­ den der ersten und zweiten Ausgangssignale auf einen zuein­ ander in etwa gleichen Wert, wobei die ersten und zweiten Ausgangssignale von den ersten bzw. zweiten Erfassungstei­ len entsprechend der Corioliskraft ausgegeben werden.

25. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 17, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung zur Überwachung von ersten und zweiten physikalischen Größen von Steueroszillationen der ersten und zweiten Steueroszillatoren.

26. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 25, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung zur Steuerung von Ansteue­ rungsamplituden der ersten und zweiten Steueroszillatoren auf einen konstanten Wert auf der Grundlage der durch die Überwachungseinrichtung überwachten physikalischen Größe.

27. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Corioliskraft den ersten und zwei­ ten Erfassungsoszillatoren direkt aufgebracht wird, um die ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren oszillieren zu lassen.

28. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Corioliskraft den ersten und zwei­ ten Steueroszillatoren aufgebracht und den ersten und zwei­ ten Erfassungsoszillatoren übertragen wird, um die ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren oszillieren zu lassen.

29. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsteil eine Einrichtung zum Extrahieren des ersten Signals von dem Ausgangssignal unter Verwendung des zweiten Signals aufweist.

30. Winkelgeschwindigkeitssensor mit:
ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32), welche eine um eine Winkelgeschwindigkeitsachse (z) erzeugte Winkelgeschwindigkeit erfassen, wobei die ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) in er­ sten bzw. zweiten Erfassungsrichtungen (a1, a2) durch eine Corioliskraft oszillieren, um erste und zweite Ausgangssi­ gnale entsprechend der Corioliskraft auszugeben, wenn die Winkelgeschwindigkeit erzeugt wird, wobei die ersten und zweiten Erfassungsrichtungen (a1, a2) nicht parallel zu ei­ ner bestimmten Richtung (K, K1, K2) sind, in welcher die Corioliskraft erzeugt wird;
einer ersten Signalberechnungseinrichtung, welche ein erstes Signal, dass durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, aus den ersten und zweiten Ausgangssignalen berech­ net;
einer zweiten Signalberechnungseinrichtung, welche ein zweites Signal, das nicht durch die Corioliskraft hervorge­ rufen wird, aus den ersten und zweiten Ausgangssignalen be­ rechnet; und
einer Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung, welche die Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage der er­ sten und zweiten Signale berechnet, die von der ersten Si­ gnalberechnungseinrichtung und der zweiten Signalberech­ nungseinrichtung berechnet werden.

31. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal durch eine Träg­ heitskraft hervorgerufen wird, welche den ersten und zwei­ ten Erfassungsoszillatoren (1a, 1b, 31, 32) aufgebracht wird.

32. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 30 und 31, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Signal unter Durchführung einer Addition der ersten und zweiten Ausgangssignale erlangt wird; und
das zweite Signal unter Durchführung einer Subtraktion der ersten und zweiten Signale erlangt wird.

33. Winkelgeschwindigkeitssensor mit:
einem ersten Sensorelement (401), welches auf einem ersten Chip (1000) angeordnet ist, um ein erstes Ausgangs­ signal entsprechend einer um eine Winkelgeschwindigkeits­ achse (z) erzeugten Winkelgeschwindigkeit auszugeben;
einem zweiten Sensorelement (402), welches auf einem zweiten Chip (1001) angeordnet ist, um ein zweites Aus­ gangssignal entsprechend der Winkelgeschwindigkeit auszuge­ ben, wobei der zweite Chip unabhängig von dem ersten Chip ist; und
einer Einrichtung, welche ein erstes durch eine Corio­ liskraft hervorgerufenes Signal, welche durch die Winkelge­ schwindigkeit erzeugt wird, und ein zweites Signal, welches nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, auf der Grundlage der ersten und zweiten Ausgangssignale berechnet und die Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage der ersten und zweiten Signale berechnet.

34. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal durch eine Träg­ heitskraft hervorgerufen wird.