DE10011830B4

DE10011830B4 - Winkelgeschwindigkeitssensor mit Oszillatoren

Info

Publication number: DE10011830B4
Application number: DE10011830A
Authority: DE
Inventors: Takao Iwaki; Noboyuki Ohya; Hiroaki Ito
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2020-03-11
Also published as: DE10011830B8; JP4126833B2; US6321598B1; JP2000329562A; DE10011830A1

Abstract

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 in einer Ansteuerungsrichtung (a0) oszilliert, und eine Corioliskraft empfängt, welche in einer bestimmten Richtung (K) parallel zu der bestimmten Ebene erzeugt wird, wenn eine Winkelgeschwindigkeit um eine Winkelgeschwindigkeitsachse senkrecht zu der bestimmten Ebene erzeugt wird, wobei das Sensorelement ein Ausgangssignal (aa, bb) entsprechend einer Corioliskraft ausgibt; und einem Schaltungsteil (200), welcher elektrisch mit dem Sensorelement verbunden ist, um das Ausgangssignal (aa, bb) von dem Sensorelement (100, 300, 330, 350, 400, 450, 500, 550, 600) zu empfangen, wobei der Schaltungsteil die Winkelgeschwindigkeit sowohl durch ein erstes Signal (S22), welches durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, als auch durch ein zweites Signal (S21), welches nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, auf der Grundlage des Ausgangssignals bestimmt, wobei das zweite Signal als Bezug...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Winkelgeschwindigkeitssensoren wie in einem Autosteuersystem, einem Autokipperfassungssystem, einem Navigationssystem und einem System verwendet, welches ein verwackeln bei optischen Instrumenten verhindert, welche Winkelgeschwindigkeiten messen.
Es wurde ein Winkelgeschwindigkeitssensor eines Oszillationstyp vorgeschlagen, welcher zum Zwecke der Größenreduzierung und der Kostenverringerung durch eine Mikrobearbeitungstechnik hergestellt wird. Ein derartiger Sensor besitzt typischerweise ein in 23 Sensorelement. Das Sensorelement besitzt einen Sensorchip, welcher unter Verwendung eines SOI-Substrats hergestellt wird, um ein Rahmenteil J1 zu besitzen. Ein Oszillator J4 wird von Ansteuerungsträgern bzw. -balken (driving beams) J2 und Von Erfassungsträgern bzw. -balken (detection beams) J3 getragen, um quer über dem Rahmenteil J1 zu hängen. Ein Pfeil a0 zeigt eine. Steueroszillationsrichtung (drive Oszillation direction) des Oszillators J4 an, und ein Pfeil a1 zeigt eine Erfassungsoszillationsrichtung des Oszillators J4 an, d. h. eine Richtung, in welcher eine Corioliskraft erzeugt wird, Der Oszillator J4, welcher die Masse m besitzt, oszilliert in der Steueroszillationsrichtung senkrecht zu einer Winkelgeschwindigkeitsachse z, und die Corioliskraft von 2 mvΩ, welche in der Richtung senkrecht zu der Steueroszillationsrichtung und der Winkelgeschwindigkeitsachse z erzeugt 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 Dämpfungskoeffizient und die Federkonstante des Sensorelements entsprechend einer Änderung der Umgebungstemperatur und der verstrichenen Zeit. Dies kann eine Nullpunktsverschiebung des Winkelgeschwindigkeitsausgangswerts und eine Änderung der Ausgangsempfindlichkeit hervorrufen. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, kann die Sensoranordnung eine Funktion zur Überwachung der Amplitude des Oszillators J4 besitzen, wobei der Oszillator J4 mit einer konstanten Amplitude oszilliert. Der Sensor kann des weiteren eine Funktion zur Erfassung einer Temperatur besitzen, um die Empfindlichkeit entsprechend der erfassten Temperatur einzustellen. Diese Funktionen erfordern jedoch einen Oszillationsmonitor, einen Temperatursensor und Schaltungen, was zu einem Ansteigen der Sensorgröße und der Kosten führt.
Aus der DE 44 03 646 A1 ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor bekannt mit einem Sensorelement, einem Ansteuerungsoszillator und zwei Erfassungsoszillatoren, die auf einer piezoelektrischen Schicht angeordnet sind. Die zwei Erfassungsoszillatoren sind in einem Winkel von 90° angeordnet und oszillieren in Ansteuerung des Ansteuerungsoszillators in gleicher Stärke. Wird eine Corioliskraft aufgebracht, so oszillieren die Erfassungsoszillatoren in unterschiedlicher Stärke,
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die oben beschriebenen Schwierigkeiten zu überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Winkelgeschwindigkeitssensor eines Oszillationstyps zu schaffen, bei welchem eine Nullpunktdrift bzw. Verschiebung eines Winkelgeschwindigkeitsausgangswerts und eine Änderung der Ausgangsempfindlichkeit verhindert wird, während eine Reduzierung der Größe und eine Verringerung der Kosten des Sensors erzielt wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der nebengeordneten unabhängigen Ansprüche.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung besitzt ein Winkelgeschwindigkeitssensor ein Sensorelement, welches einen beweglichen Teil enthält. Der bewegliche Teil oszilliert durch Ansteuerung auf einer bestimmten Ebene und empfängt eine Corioliskraft, welche in einer bestimmten Richtung parallel zu der bestimmten Ebene erzeugt wird, wenn eine Winkelgeschwindigkeit um eine Winkelgeschwindigkeitsachse senkrecht zu der bestimmten Ebene erzeugt wird. Der Sensor besitzt des weiteren einen Schaltungsteil, welcher elektrisch mit dem Sensorelement verbunden ist, um ein Ausgangssignal von dem Sensorelement zu empfangen. Der Ausgangsteil bestimmt 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.
Das erste Signal und das zweite Signal ändern sich entsprechend einer Änderung der Umgebungstemperatur und der verstrichenen Zeit ähnlich zueinander. Daher wird verhindert, dass die Winkelgeschwindigkeit, welche als Ausgangswert durch das erste Signal bestimmt wird, und das zweite Signal, welches als Bezug verwendet wird, eine Nullpunktsverschiebung und eine Änderung der Empfindlichkeit erfahren. Da es nicht nötig ist eine andere Korrektur durch zusätzliche Schaltungen durchzuführen, kann eine Größenreduzierung und eine Kostenverringerung des Sensors erzielt werden.
Vorzugsweise enthält der bewegliche Teil einen Oszillator, welcher durch die Corioliskraft in eine Erfassungsrichtung 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 Steuerrichtung oszilliert, und einen zweiten Oszillator, welcher durch die Corioliskraft in einer Erfassungsrichtung oszilliert, 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 Erfassungsrichtung 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 Corioliskraft hervorgerufen und nicht hervorgerufen und dem zweiten Oszillator in der Erfassungsrichtung aufgebracht werden, erhöht werden. Das erste Signal und das zweite Signal werden angehoben, was zu einer hohen Empfindlichkeit und einer hohen Genauigkeit führt.
Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
1 zeigt eine Draufsicht, welches ein Sensorelement in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 zeigt ein Blockdiagramm, welches ein Schaltungsteil in der ersten Ausführungsform dargestellt;
3A und 3B zeigen beispielhafte Ansichten zur Erläuterung von Kräften, welche dem in 1 dargestellten Sensorelement aufgebracht werden;
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 darstellt;
5 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in der dritten und vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, welches ein Verarbeitungsverfahren von einem Schaltungsteil in der vierten, siebenten und elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer fünften Ausführungsform darstellt;
9 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in der sechsten und siebenten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 zeigt eine Draufsicht, welche zwei Steueroszillatoren darstellt, die jeweils auf unabhängigen Chips bei der sechsten Ausführungsform vorgesehen sind;
11 zeigt eine Draufsicht, welche ein Beispiel darstellt, bei welchem ein elektromagnetisches Ansteuerungsverfahren bezüglich der sechsten Ausführungsform übernommen wird;
12 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
13 zeigt eine Draufsicht, welche ein Beispiel darstellt, das zum überwachen einer Ansteuerungsamplitude durch eine elektromagnetische Erfassung bezüglich der achten Ausführungsform geeignet ist;
14 zeigt eine Draufsicht, welche ein Beispiel darstellt, das zur Durchführung einer elektromagnetischen Steuerung und einer elektromagnetischen Erfassung bezüglich der achten Ausführungsform geeignet ist;
15 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer neunten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
16 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer zehnten bis zwölften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
17 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement in einer dreizehnten Ausführungsform darstellt;
18 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, welches ein Verarbeitungsverfahren von einem Schaltungsteil in einer vierzehnten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt;
19 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, welches ein anderes Verarbeitungsverfahren von dem Schaltungsteil in der vierzehnten Ausführungsform erklärt;
20 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht, welche einen Träger bzw. Balken (beam) mit einem Verarbeitungsfehler schematisch darstellt;
21 zeigt eine Draufsicht, welche ein Sensorelement unter Verwendung bzw. Auftreten eines Verarbeitungsfehlers in einer modifizierten Ausführungsform darstellt;
22 zeigt eine Draufsicht, welche ein Beispiel darstellt, bei welchem zwei Sensorelemente in einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet sind; und
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 Vereinfachung teilweise schraffiert dargestellt sind.
Bezüglich der Ausführungsformen werden dieselben Teile und Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Erste Ausführungsform
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor in einer ersten bevorzugten Ausführungsform besitzt ein in 1 dargestelltes Sensorelement, Das Sensorelement 100 ist ein im allgemeinen rechteckiger Chip, der unter Anwendung einer Mikrobearbeitungstechnik bezüglich eines SOI-Substrats gebildet worden ist. Das Sensorelement 100 besitzt einen im allgemeinen rechteckigen Steueroszillator (drive oscillator) 1 als beweglichen Teil. Der Steueroszillator oszilliert unter Ansteuerung auf einer horizontalen Ebene (entsprechend der Zeichenebene (paper space) von 1) auf dem Substrat. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um eine Winkelgeschwindigkeitsachse z senkrecht zu der horizontalen Ebene erzeugt wird, wird eine Corioliskraft auf den Steueroszillator 1 in die Richtung parallel zu der horizontalen Ebene aufgebracht.
Der Steueroszillator 1 ist mit einem Rahmenteil 3 des Chips (Sensorelement 100) an gegenüberliegenden Seiten davon über beispielsweise 4 horizontal sich erstreckende Träger bzw Balken (beam) 2 verbunden. Der Steueroszillator 1 definiert Öffnungen (nichtschraffierte Teile) mit dem Rahmenteil 3 an Teilen, welche nicht die Träger 2 aufweisen. Die Träger 2 ermöglichen, dass der Steueroszillator unabhängig von dem Rahmenteil 3 lediglich in einer Richtung (Steueroszillationsrichtung) oszilliert, welche durch einen Pfeil a0 in 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, treten aus gegenüberliegenden Seiten des Rahmenteils 3 heraus, um sich jeweils in Räume zu erstrecken, welche durch Kammzähne der beweglichen Elektroden 4 definiert werden. Die festgelegten Elektroden 5 besitzen Seitenflächen, welche den Seitenflächen der beweglichen Elektroden 4 gegenüberliegen, während Lücken definiert werden, und sind elektrisch unabhängig von dem Steueroszillator 1 und den beweglichen 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 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 1 dargestellt.
Der Steueroszillator enthält zwei im allgemeinen rechteckige Erfassungsozsillatoren, d. h. einen ersten Erfassungsoszillator 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 verbunden und von dem Steueroszillator 1 an Teilen, welche nicht die Träger 13 aufweisen, durch Öffnungen (nichtschraffierte Teile in 1) getrennt. Die Träger 13 ermöglichen es den Erfassungsoszillatoren 11, 12 unabhängig von dem Steueroszillator 1 lediglich in durch Pfeile a1, a2 angezeigte jeweilige 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 Kammform bilden, an gegenüberliegenden Seiten davon, welche die Träger 13 nicht aufweisen. Mehrere stangenfömige festgelegte Elektroden 15, welche sich von dem Steueroszillator 11 mit einer Kammform erstrecken, sind in Räumen angeordnet, welche durch Kammzähne der beweglichen Elektroden 14 definiert werden, während Lücken mit den beweglichen Elektroden 14 definiert werden.
Die festgelegten Elektroden 15 sind von dem Steueroszillator 1, den ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 und den beweglichen Elektroden 14 durch beispielsweise mit einem Isoliermaterial wie einer Oxidschicht gefüllten Gräben elektrisch isoliert und unabhängig. Dementsprechend können die Elektroden 14, 15 die den Erfassungsoszillatoren 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 beweglichen Steueroszillator 1 integriert gebildet.
Wenn der Steueroszillator durch eine Ansteuerung oszilliert und keine Winkelgeschwindigkeit um die Winkelgeschwindigkeitsachse 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, oszillieren die Erfassungsoszillatoren 11, 12 in die Richtung a1, a2 jeweils durch die Corioliskraft wie in 1 dargestellt, welche in der Richtung (durch eine gestrichelte Linie K in 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 Erfassungsoszillationsrichtungen bezeichnet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jede der Erfassungsoszillationsrichtungen a1, a2 der Erfassungsoszillatoren 11, 12 um einen Winkel θ von der Richtung K verschoben, in welcher die Corioliskraft senkrecht zu der Richtung a0 (Steueroszillationsrichtung) wirkt. Das Sensorelement 100 erfasst die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z mit der oben beschriebenen Struktur.
Der Betrieb des Sensorelements 100 wird unter Bezugnahme auf 3A und 3B detaillierter erklärt. Die 3A und 3B stellen Kräfte dar, welche dem ersten Erfassungsoszillator 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 Steueroszillationsrichtung a0 zusammen mit dem Steueroszillator 1 oszilliert. Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z erzeugt wird, wird eine Trägheitskraft Fi dem ersten Erfassungsoszillator 11 parallel zu der Steueroszillationsrichtung a0 wie in 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 Corioliskraft. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch schließt die Trägheitskraft die Corioliskraft davon aus.
Die Erfassungsoszillationsrichtung des ersten Erfassungsoszillators 11 ist auf die Richtung a1 durch die Träger 13 festgelegt. Entsprechend 3A und 3C erfasst daher der erste Erfassungsoszillator 11 lediglich eine Komponente 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 = –mλϕ²sinϕt·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 Erfassungsoszillator 12 ähnlich dem ersten Erfassungsoszillator 11 ist, werden die von dem zweiten Erfassungsoszillator 12 erfasste Trägheitskraft Fbi und Corioliskraft Fbc durch die folgenden 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 1 jeweils 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 dargestellt: aa = –Aϕ²sinϕt·sinθ + 2ΩAϕcosϕt·cosθ (5) bb = Aϕ²sinϕt·sinθ + 2ΩAϕcosϕt·cosθ (6)
Somit werden bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung zwei unterschiedliche Ausgangssignale aa, bb jeweils von den ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 ausgegeben. Die Signale aa, bb werden danach in dem oben beschriebenen Schaltungsteil 200 verarbeitet. Das Verfahren zur Verarbeitung der Signale wird unter Bezugnahme auf 4 unten erklärt.
Wie in 4 dargestellt werden erste Signale S11, S12 unter Durchführung einer Addition und Subtraktion der Ausgangssignale 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 Signal 21 geteilt, um einen Ausgang von 2Ω/ϕtanθ als erfassten Wert des Winkelgeschwindigkeitssensors zu bestimmen.
Zur Einwirkung der Signale wie in 4 dargestellt besitzt der Schaltungsteil 200 eine Trägheitskraftberechnungseinrichtung 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 Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit durch Einwirkung des Signals S21 von der Trägheitskraftberechnungseinrichtung und des Signals S22 von der Corioliskraftberechnungseinrichtung.
Es wird dem Sensorelement 100 möglich die Größe der Winkelgeschwindigkeit durch Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit mit einer bestimmten Größe zu bestimmen, nachdem das Sensorelement 100 hergestellt worden ist. Da Werte von 0 und φ vorausgehend bekannt sind, kann die Winkelgeschwindigkeit unter Verwendung der Werte von 0 und ϕ bestimmt werden.
Der schließlich erzielte Ausgang (2Ω/ϕtanθ) hängt nicht von der Ansteuerungsamplitude A ab. Sogar wenn die Ansteuerungsamplitude A sich entsprechend einer Änderung der Umgebungstemperatur und der verstrichenen Zeit ändert, ist daher der erfasste Wert konstant. Das Sensorelement 100 benötigt 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 einen konstanten Wert annehmen kann.
Der Sensor der vorliegenden Erfindung kann des weiteren wirksam ungünstige Wirkungen aufheben, die durch die Änderung der Umgebungstemperatur und die verstrichene Zeit hervorgerufen werden, zusätzlich zu der Änderung der Ansteuerungsamplitude A. Beispielsweise tritt ein Fall auf, bei welchem eine Resonanzfrequenz der Erfassungsoszillatoren 11, 12 durch ungünstige Wirkungen wie Änderungen der Federkonstante 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 Resonanzfrequenz hervorgerufen und den Oszillatoren 11, 12 aufgebracht wird.
Sogar in einem derartigen Fall hängt jedoch die Trägheitskraft, welche nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, von der Temperatur und dergleichen ähnlich wie die Corioliskraft ab. Daher beeinträchtigen die oben beschriebenen 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 Trägheitskraft, welche üblicherweise als Ballast (noise) angesehen wird, zur Ausgabe der Signale verwendet, welche sowohl 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 Änderung der Ausgangsempfindlichkeit kann durch Verarbeitung der zwei Signale aufgehoben werden.
Daher ändert sich bei dem Sensor der vorliegenden Erfindung die Sensorcharakteristik kaum entsprechend der Änderung 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 Oszillationsmonitor und dergleichen, eine Größenreduzierung und niedrige Kosten des Sensors gleichzeitig realisiert werden.
Zweite Ausführungsform
Ein Sensorelement 300 entsprechend einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 5 erklärt. Bei dem Sensorelement 100 der in 1 dargestellten 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 Sensorelement 300 der zweiten Ausführungsform sind die festgelegten Elektroden 35 zur Erfassung von den Steueroszillatoren 31, 32 getrennt und oszillieren nicht zusammen mit den Oszillatoren 31, 32.
Des weiteren sind entsprechend 1 die zwei Erfassungsoszillatoren 11, 12 mit dem Steueroszillator 1 integriert ausgebildet, welcher mit derselben Frequenz wie jeder andere durch Ansteuerung oszillieren soll. Demgegenüber sind in dem in 5 dargestellten Sensorelement 300 die zwei Steueroszillatoren 31, 32 miteinander über eine bestimmte Träger- bzw. Balkenstruktur (beam structure) verbunden, welche durch Ansteuerung mit derselben Frequenz wie jede anderen in eine Richtung senkrecht zu der Winkelgeschwindigkeitsachse 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 rechteckig und derart gebildet, dass sie auf einer horizontalen Ebene (entsprechend der Zeichenebene von 5) auf dem Substrat des Sensorelements 300 oszillieren können. Wenn die Oszillatoren 31, 32 durch Ansteuerung auf der horizontalen Ebene oszillieren und eine Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z senkrecht zu der horizontalen 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 Rahmenteil 3 über Träger 2 verbunden, um kammähnlich geformten festgelegten Elektroden 5 zur Ansteuerung jeweils gegenüberzustehen. 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 verbunden. Die Träger 2 ermöglichen es einem unten beschriebenen 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 Elektroden 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 Ausführungsform als erste und zweite Erfassungsdetektoren dienen.
Die beweglichen Elektroden 4 zur Ansteuerung, der Halteträger 2a, die Oszillatoren 31, 32 und die Träger 33 zur Erfassung sind miteinander integriert ausgebildet, wodurch der bewegliche Teil 38 in der vorliegenden Erfindung gebildet wird. Die Träger 33 ermöglichen, dass sich die Oszillatoren 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 Winkelgeschwindigkeit Ω darauf aufgebracht wird.
Der gesamte bewegliche Teil 38 kann in der in 5 dargestellten Richtung a0 durch elastische Kräfte der Träger 2 in Oszillationen versetzt werden, wenn elektrostatische Kräfte zwischen den Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung von dem Schaltungsteil 20 wie bei der ersten Ausführungsform erzeugt werden. Praktisch werden Oszillationsrichtungen der Oszillatoren 31, 32 durch Ansteuerung leicht aus der in 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 beweglichen Elektroden 34 mit Zähnen angeordnet, wobei jede davon sich zwischen zwei Zähnen der beweglichen Elektroden 34 erstrecken, während eine Lücke definiert wird. Die festgelegten Elektroden 35 werden durch gegenüberliegende Seiten 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 senkrecht zu den in 5 dargestellten Richtungen a1, a2 verschieben. Dementsprechend bilden die Oszillatoren 31, 32 eine Beschleunigung wahrnehmende Teile 30, 40 im Zusammenwirken mit den Trägern bzw. den Erfassungsteilen 33 bis 37.
Wenn der bewegliche Teil 38 durch eine Ansteuerung oszilliert, oszillieren die Oszillatoren 31, 32 in der Richtung a0. Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω gebildet wird, werden die Trägheitskraft und die Corioliskraft den Oszillatoren 31, 32 aufgebracht, welche durch eine Ansteuerung oszillieren. Dementsprechend werden die Oszillatoren 31, 32 auf der horizontalen Ebene entsprechend der Zeichenebene von 5 durch oben beschriebene Kräfte verschoben. Die Verschiebungen der Oszillatoren 31, 32 werden auf die beweglichen Elektroden 34 zur Erfassung lediglich in die jeweiligen Richtungen a1, a2 übertragen. D. h., die Verschiebungen der Oszillatoren 31, 32 in die Richtungen a1, a2 verschieben die beweglichen Elektroden 34 über die Verbindungsträger bzw. -balken 36; jedoch werden die senkrechten Verschiebungen durch die Steueroszillationsverhinderungsträger 37 beschränkt.
Dementsprechend kann bei dem Sensorelement 30 die Winkelgeschwindigkeit Ω, welche um die Winkelgeschwindigkeitsachse 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 unterschiedliche 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 Ausgangssignal bb wird als Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden 34 und 35 zur Erfassung in der Richtung a2 erfasst. 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 beweglichen Elektroden 34 hervorgerufen, welche durch die Steueroszillation verschoben werden. Der dritte Term α ändert sich bezüglich der Ansteuerungsamplitude A ähnlich wie die anderen Terme, um sich nicht nachteilig an einer Ansteuerungsseite auszuwirken, er kann jedoch einen Fehler bezüglich von Fluktuationen an einer Erfassungsseite wie eine Änderung der Federkonstante der Träger 33 zur Erfassung hervorrufen.
Bezüglich der Fehlerproblematik durch α kann die Amplitude der Erfassungsoszillation durch Steuern der Resonanzfrequenzen an der Erfassungsseite wie die Resonanzfrequenz der Träger 33 auf einen Wert gleich oder nahe der Ansteuerungsfrequenz erhöht werden. Dementsprechend kann die Trägheitskraftkomponente und die Corioliskraftkomponente, welche in die Erfassungsoszillationsrichtung wirken, erhöht werden. Die ersten und zweiten Terme können durch das Ansteigen der Resonanzfrequenz erhöht werden, und dementsprechend wird der Term α relativ verringert, wodurch sich eine Verringerung des Fehlers ergibt.
Das Sensorelement 300 der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform kann dieselben Wirkungen wie jene bei der ersten Ausführungsform durch Annahme der ähnlichen Schaltungsstruktur gegenüber derjenigen bereitstellen, welche in der ersten Ausführungsform entsprechend 4 erläutert wurde. Es wird jedoch festgestellt, dass eine Addition und Subtraktion in 4 zueinander bei der vorliegenden Ausführungsform transponiert werden. Darüber hinaus kann bei dem in 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 1 klein.
Dritte Ausführungsform
Bei den jeweiligen Sensorelementen 100, 300 der ersten und zweiten Ausführungsformen oszillieren die zwei Oszillatoren 11, 12 oder 31, 32 durch eine Ansteuerung in derselben Richtung durch die gemeinsamen Elektroden 4, 5 für eine Ansteuerung.
Demgegenüber sind bei einem Sensorelement 400 einer dritten bevorzugten Ausführungsform wie in 6 dargestellt zwei Steueroszillatoren 1a, 1b vorgesehen, welche quer über einen Rahmenteil 3 hängen, und es sind eine Beschleunigung wahrnehmende Teile 10, 20, welche jeweils Erfassungsoszillatoren 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 Oszillation ausführen.
Entsprechend dieser Struktur können die Steueroszillatoren 1a, 1b gleichphasig oder gegenphasig zueinander in einer Steueroszillationsrichtung in Oszillationen versetzt werden. Demententsprechend kann die um die Winkelgeschwindigkeitsachse 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 dieselben Wirkungen wie jene bei der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Ebenfalls besitzt bei der vorliegenden Ausführungsform das Sensorelement 400 die Steueroszillatoren 1a, 1b als erste Oszillatoren, welche senkrecht zu der Winkelgeschwindigkeitsachse 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 Winkelgeschwindigkeit erzeugt wird. Die ersten Oszillatoren 1a, 1b sind durch den Träger 6 wie oben beschrieben miteinander verbunden. Wenn die Corioliskraft erzeugt wird, oszillieren die zweiten Oszillatoren 11, 12 zur Erfassung in den Richtungen nicht parallel zu der Richtung, in welcher die Corioliskraft wirkt.
Die Anzahl der Träger 6, welche die ersten Oszillatoren 1a, 1b für eine gekoppelte Oszillation verbinden, kann größer 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 bereitgestellt, 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 derselben Ansteuerungsamplitude durch Bilden des gekoppelten Oszillationssystems bereitgestellt.
Bei dem Sensorelement 400 der vorliegenden Ausführungsform bilden die Steueroszillatoren 1a, 1b, welche die Beschleunigung wahrnehmenden Teile 10, 20 und den Träger 6 für eine gekoppelte Oszillation enthalten, einen beweglichen Teil 40. Des weiteren können zwei durch gestrichelte Linien in 6 umgebene Teile als unabhängige erste und zweite Sensorelementeeinheiten 401, 402 angesehen werden. Die durch Pfeile a0, a1, a2 angezeigten Richtungen entsprechen den durch Pfeile a0, a1, a2 in 1 angezeigten Richtungen.
Vierte Ausführungsform
Ein Sensorelement in einer vierten bevorzugten Ausführungsform 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 Verarbeitungsverfahren bei der vorliegenden Ausführungsform wird unten unter Verwendung des in 6 dargestellten Sensorelements 400 erläutert.
Wenn die Steueroszillatoren 1a, 1b oszillieren und keine Winkelgeschwindigkeit um die Winkelgeschwindigkeitsachse z erzeugt wird (Ω = 0), oszillieren die Erfassungsoszillatoren 11, 12 zusammen mit den jeweiligen Steueroszillatoren 1a, 1b. Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z erzeugt wird, wird die Corioliskraft in einer Richtung parallel zu der horizontalen Ebene (entsprechend der Zeichenebene von 6) und senkrecht zu der Winkelgeschwindigkeitsachse z und der Steueroszillationsrichtung (Richtung a0) erzeugt. Dementsprechend oszillieren die Erfassungsoszillatoren 11, 12 in jeweiligen Richtungen a1, a2, welche in 6 dargestellt sind.
Bei einem Winkelgeschwindigkeitssensor wird eine Frequenz einer Ansteuerungskraft oft in etwa gleich der Eigenfrequenz 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. Daher besitzt sogar dann, wenn die Oszillationsstruktur nicht symmetrisch an rechten und linken Seiten davon infolge eines Verarbeitungsfehlers hergestellt ist, die Frequenzcharakteristik der Amplituden der Steueroszillatoren 1a, 1b Spitzen (Maximalwerte) bei einer identischen Frequenz (Eigenfrequenz). Wenn dementsprechend eine Resonanz verwendet wird, besitzen die Oszillatoren 1a, 1b Größen nahe zueinander, die jedoch nicht genau identisch zueinander sind.
Wenn andererseits die Oszillationsstruktur nicht symmetrisch an rechten und linken Seiten davon infolge des Verarbeitungsfehlers in dem Fall hergestellt ist, bei welchem die Oszillation nicht ohne Verwendung einer Resonanz durchgeführt wird, sind die Ansteuerungsamplituden der Oszillatoren 1a, 1b nicht genau identisch zueinander. Das Verfahren zur Verarbeitung der Signale bei der vorliegenden Ausführungsform wird in dem Fall verwendet, bei welchem die Differenz in der Ansteuerungsamplitude zwischen den Oszillatoren 1a, 1b vorhanden ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform die Erfassungsoszillationsrichtungen (Erfassungsrichtungen) a1, a2 mit einem bestimmten Winkel θ aus der Richtung verschoben, in welcher die Corioliskraft senkrecht zu der Steueroszillationsrichtung a0 wirkt. Mit dieser Struktur wird die Winkelgeschwindigkeit Ω erfasst. Der Betrieb des Sensorelements 400 kann erklärt werden, wie bezüglich der ersten Ausführungsform entsprechend 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 Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z erzeugt wird, wird in diesem Zustand die Trägheitskraft Fe auf den ersten Erfassungsoszillator 11 in der Richtung parallel 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 Erfassungsoszillators 11 auf die Richtung a1 durch die Träger 13 wiederum entsprechend 3A und 3B festgelegt ist, erfasst 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 Erfassungsoszillator 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 Beschleunigung und Ω die Winkelgeschwindigkeit darstellen.
Ähnlich können die Trägheitskraft Fbi und die Corioliskraft 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 Steueroszillators 1b und des zweiten Erfassungsoszillators 12 darstellt.
Die Kräfte erscheinen als Verschiebungen der ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 in den in 6 dargestellten jeweiligen Richtungen a1, a2 und rufen Änderungen 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 Änderung 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 (13), (14) als erfasste Beschleunigungen dargestellt: aa = –Aaϕ²sinϕt·sinθ + 2ΩAaϕcosϕt·cosθ (13) bb = Abϕ²sinϕt·sinθ + 2ΩAbϕcosϕt·cosθ (14)
Die Signale aa, bb werden durch Subtraktion und Addition bei der ersten Ausführungsform verarbeitet. Demgegenüber werden bei der vorliegenden Ausführungsform die Signale aa, bb wie folgt verarbeitet. D. h. durch die folgenden Gleichungen (15), (16) dargestellte Manipulationen werden bezüglich 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 Schaltungsteil 200 vorgesehene Verstärkerschaltung durchgeführt werden. Die Verstärkung der Signale kann bei der ersten Ausführungsform durchgeführt werden. In diesem Fall sollten die Verstärkungsfaktoren der zwei von den zwei Wahrnehmungs- bzw. Abtastteilen ausgegebenen zwei Signale etwa zueinander gleich sein.
Demgegenüber sind bei der vierten Ausführungsform Verstärkungsfaktoren der zwei Signale zueinander unterschiedlich. Die Verstärkungsfaktoren der zwei Signale sind Ab × C bzw. Aa × C. Eine Verstärkung wird derart eingestellt, dass zwei Erfassungsteile 14, 15 dieselbe Ausgangssignalamplitude besitzen, welche durch Aa × Ab × C dargestellt wird. Dementsprechend werden bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung die zwei unterschiedlichen Ausgangssignale aa', bb' von den ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 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 7 erklärt. Das Verarbeitungsverfahren ist im wesentlichen dasselbe wie das in 4 dargestellte.
D. h. wie entsprechend 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, bestimmt das Signal S11, und die Corioliskraft bestimmt das Signal S12. Spitzenwerte der Signale S11, S12 werden danach als Signale S21, S22 erfasst. Ein Intentisitätsverhältnis ziwschen den Signalen S21 und S22 wird durch Teilen der Signale S21, S22 derart berechnet, dass ein Ausgang 2Ω/ϕtanθ als erfasster Wert des Winkelgeschwindigkeitssensors erzielt wird.
Um die in 7 dargestellte Berechnung durchzuführen besitzt der Schaltungsteil 200 eine Trägheitskraftberechnungseinrichtung zur Berechnung der Trägheitskraft als die Signale S11, S21 unter Durchführung einer Subtraktion der Ausgangssignale aa', bb' von den ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 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 Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit durch Einwirkung des Signals S21 von der Trägheitskraftberechnungseinrichtung und des Signals S22 von der Corioliskraftberechnungseinrichtung.
Wie bei der ersten Ausführungsform wird es möglich die Winkelgeschwindigkeit Ω unter Durchführung einer Messung einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit zu berechnen, nachdem das Sensorelement 400 hergestellt worden ist. Da die Werte ϕ, θ im voraus bekannt sind, kann die Winkelgeschwindigkeit Ω unter Verwendung der Werte berechnet werden.
Der schließlich erzielte Ausgang (2Ω/ϕtanθ) hängt nicht von der Ansteuerungsamplitude Aa des ersten Steueroszillators 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 Ansteuerungsamplituden Aa, Ab auf einen konstanten Wert anzunehmen. Darüber hinaus können ungünstige Effekte, welche durch die Änderung der Umgebungstemperatur und die verstrichene Zeit hervorgerufen werden, bei der vorliegenden Ausführungsform 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 üblicherweise als Ballast (noise) angesehen wird. Danach wird das durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal unter Verwendung des nicht durch die Corioliskraft hervorgerufenen Signals als Bezug berechnet. Als Ergebnis kann der Ausgang erzielt werden, ohne dass eine Nullpunktsverschiebung und eine Änderung der Ausgangsempfindlichkeit erzielt wird.
Wenn bei der vorliegenden Ausführungsform die Ansteuerungsamplituden der Ansteuerungsozillatoren 1a, 1b sich voneinander unterscheiden, wird die Verstärkung derart eingestellt, 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 Genauigkeit erfasst werden.
Bei der vierten Ausführungsform können die folgenden zwei Verfahren geplant werden, um die unterschiedlichen Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren 1a, 1b einzustellen. Ein Verfahren besteht darin Ansteuerungsspannungen der Steueroszillatoren 1a, 1b derart einzustellen, dass die Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren 1a, 1b zueinander 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 Steueroszillationsgeschwindigkeiten und dergleichen unter Verwendung 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 Ausführungsformen erläutert.
Fünfte Ausführungsform
Bei den Sensorelementen 100, 300, 400 der ersten bis vierten Ausführungsformen ist die Steueroszillationsrichtung der Steueroszillatoren senkrecht zu den Trägern bzw. Balken (beams) für die Ansteuerung. Jedoch kann die Steueroszillationsrichtung einen Winkel außer 90° zu den Trägern 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 8 dargestellt ein Sensorelement 500 bei der fünften Ausführungsform Träger mit unterschiedlichen Längen für eine Ansteuerungsoszillation. Das Sensorelement 500 enthält ähnlich wie das in 6 dargestellte Element einen beweglichen Teil 51, der sich aus Steueroszillatoren 1a, 1b zusammensetzt, die durch einen 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) S01, S02 vorgesehen, welche den beweglichen Teil 51 mit dem Rahmenteil 3 verbinden.
Ein (nicht dargestellter) Magnet ist über dem Sensorelement 500 angeordnet, und es wird ein Strom den Verdrahtungsteilen 503 von dem Schaltungsteil 200 zugeführt (vgl. 2). Dementsprechend werden Ansteuerungskräfte in Richtungen c1, c2 erzeugt, welche durch eine gestrichelte Linie in 8 angezeigt sind. Die Träger 501, 502, welche an beiden Seiten der Steuersoszillationsachsen (drive oscillation axes) C1, C2 vorgesehen sind, besitzen wie oben beschrieben unterschiedliche Längen. Daher werden die Steueroszillatoren 1a, 1b verschoben, d. h. sie oszillieren durch eine Ansteuerung in jeweiligen Richtungen b1, b2, welche in 8 durch gestrichelte Linien angezeigt sind. Die Träger 502 besitzen unterschiedliche Breiten zueinander anstelle von unterschiedlichen Längen.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse z in einem Zustand erzeugt wird, bei welchem die Steueroszillatoren 1a, 1b in jeweiligen Richtungen b1, b2 oszillieren, wirken die Corioliskräfte in jeweiligen 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 8 dargestellt in Oszillationen versetzt, wodurch eine Erfassungsoszillation durchgeführt wird. Somit sind bei der vorliegenden Ausführungsform die Steueroszillationsrichtungen b1, b2 nicht senkrecht zu den Trägern 501, 502 für die Ansteuerung. Es können jedoch bei der vorliegenden Ausführungsform dieselben Wirkungen wie bei der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Obwohl bei der fünften Ausführungsform die Steueroszillation (drive oscillation) durch ein elektromagnetisches Ansteuern durchgeführt wird, kann eine elektrostatische Ansteuerung wie bei der ersten Ausführungsform unter Verwendung 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 9 dargestellt. Die sechste Ausführungsform unterscheidet sich in folgenden Punkten von den ersten und dritten Ausführungsformen.
Bei der ersten Ausführungsform besitzt der Steueroszillator 1 die rechteckigen ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12, und es wird das Winkelgeschwindigkeitssignal durch Einwirken der Signale erzielt, welche von den zwei Erfassungsoszillatoren 11, 12 ausgegeben werden. Demgegenüber nimmt die vorliegende Ausführungsform erste und zweite Steueroszillatoren 1a, 1b an, und jeder der Steueroszillatoren 1a, 1b besitzt einen Erfassungsoszillator 11 oder 12. Dies ist der Hauptunterschied zu der ersten Ausführungsform.
Im Vergleich mit der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform besitzt das Sensorelement 400 der dritten Ausführungsform die Struktur, bei welcher die zwei Steueroszillatoren 1a, 1b miteinander durch den Träger 6 für eine gekoppelte Oszillation verbunden sind. Demgegenüber kommt wie in 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 Ausführungsform bereitgestellt.
Insbesondere werden bei der sechsten Ausführungsform die Steueroszillatoren 1a, 1b, welche die Erfassungsoszillatoren 11, 12 halten, durch Ansteuern in eine Richtung a0 entsprechend 9 unabhängig in Oszillationen versetzt. Ansteuerungsspannungen zum Oszillieren der Steueroszillatoren 1a, 1b sind derart eingestellt, dass die Steueroszillatoren 1a, 1b mit etwa derselben Ansteuerungsamplitude oszillieren. Dementsprechend kann das Sensorelement 450 bei der vorliegenden Ausführungsform wie bei der ersten Ausführungsform betrieben werden. Gründe für den Unterschied der Ansteuerungsamplitude zwischen den Steueroszillatoren 1a, 1b, welche korrigiert werden sollten, sind in einem Verarbeitungsfehler und dergleichen zu sehen. Wenn jedoch kein Verarbeitungsfehler und dergleichen vorliegt, welcher die Erzeugung der Differenz bei der Ansteuerungsamplitude herbeiführen 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 Ansteuerungsamplitude bei der vorliegenden Ausführungsform zu oszillieren. Dementsprechend kann das Signal, welches von der Corioliskraft abhängt, mit einer hohen Genauigkeit unter Einwirkung (Durchführung einer Subtraktion oder Addition) von mehreren Signalen erfasst werden. Das Verarbeitungsverfahren zur Erlangung des Winkelgeschwindigkeitssignals ist im wesentlichen 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 zueinander wie bei der dritten Ausführungsform oszillieren. Dementsprechend können die eine Beschleunging wahrnehmenden Teile 10, 20 die um die Winkelgeschwindigkeitsachse erzeugte Winkelgeschwindigkeit Ω wie bei der ersten Ausführungsform erfassen, wodurch dieselben Wirkungen wie bei der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Des weiteren wird im Vergleich mit der dritten Ausführungsform der Träger bzw. Balken 6 für eine gekoppelte Oszillation nicht bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet. Dementsprechend können die Steueroszillatoren 1a, 1b in dem Chip flexibel im Vergleich mit der dritten Ausführungsform angeordnet werden. Die Flexibilität der Anordnung wird hauptsächlich in der Richtung a0 erhöht.
Die Steueroszillatoren 1a, 1b können jeweils auf unabhängigen Chips wie in 10 dargestellt bereitgestellt werden. Dies führt zu einem erhöhten Ertrag. Des weiteren kann das Gerät (die Sensoranordnung) kompakt ausgebildet sein. Entsprechend 10 sind zwei Einheiten 401, 402, welche jeweils die Steueroszillatoren 1a, 1b enthalten, auf unabhängigen Chips 1000, 1001 angeordnet, wodurch ein Sensorelement 450a gebildet wird. Die Chips 1000, 1001 können aufeinander geschichtet sein, was zu einer weiteren Größenreduzierung des Geräts führt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Einstellung, welche die Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren 1a, 1b in etwa zueinander gleich macht, nicht durch die Schaltung durchgeführt, welche die Ansteuerungsamplitude A wie bezüglich der ersten Ausführungsform beschrieben konstant macht. Daher kann das Sensorelement der vorliegenden Ausführungsform ohne die Schaltung auskommen, welche die Ansteuerungsamplitude A wie bei der ersten Ausführungsform konstant macht.
Es wird der Unterschied zwischen diesen Schaltungen unten erklärt. zuerst überwacht die Schaltung, welche die Ansteuerungsamplitude A konstant macht, die Amplitude und die Geschwindigkeit der Ansteuerungsoszillation während des Sensorbetriebs, und es wird eine Rückkopplungssteuerung der Ansteuerungsspannung durchgeführt, um die Ansteuerungsamplitude 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 Ansteuerungsoszillation während des Sensorbetriebs zu überwachen und eine Rückkopplungssteuerung der Ansteuerungsspannung durchzuführen.
In diesem Fall ist es augenscheinlich, dass die Ansteuerungsamplituden Aa, Ab der Steueroszillatoren 1a, 1b durch die Änderung der Umgebungstemperatur und die verstrichene Zeit während des Sensorbetriebs sich ändern können. Diese Änderungen der Ansteuerungsamplitude der Steueroszillatoren 1a, 1b entsprechen sich im allgemeinen. Wenn beispielsweise die Amplitude Aa 1,2 mal so groß wird, wird die Amplitude Ab in etwa 1,2 mal so groß. Daher sind die Amplituden Aa, Ab sogar dann zueinander in etwa gleich, wenn sie sich während des Sensorbetriebs ändern.
Daher wird die Schaltung, welche die Amplitude A konstant macht, bei der vorliegenden Erfindung nicht benötigt wie bei der ersten Ausführungsform. Außerdem können die anderen Wirkungen wie jene bei der ersten Ausführungsform bei der vorliegenden Ausführungsform erzielt werden.
Entsprechend 9 werden die Steueroszillatoren 1a, 1b durch ein elektrostatisches Ansteuerungsverfahren in Oszillationen versetzt. Jedoch ist ein elektromagnetisches Ansteuerungsverfahren wie in 11 dargestellt anwendbar. Ein in 11 dargestelltes Sensorelement 450b nimmt Ansteuerungsverdrahtungsteile 503 an, welche im wesentlichen die gleichen wie bei der fünften Ausführungsform sind. Das elektromagnetische Ansteuerungsverfahren wird unten detaillierter erklärt.
Die Verdrahtungsteile 503 sind aus Metall wie Aluminium, Platin oder Titan gebildet und auf einem Substrat angeordnet, welches das Sensorelement 450b bildet. Ein Strom fließt in die Verdrahtungsteile 503. Gleichzeitig wird ein Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche (senkrecht zu der Zeichnungsebene von 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 Rechteckswelle, ändert, oszillieren die Steueroszillatoren dementsprechend. Das Verarbeitungsverfahren (Erfassungsverfahren), welches das Winkelgeschwindigkeitssignal erzielt, ist im wesentlichen das gleiche wie das oben beschriebene. Die elektromagnetische Ansteuerung kann im allgemeinen eine Ansteuerungskraft aufweisen, die größer als diejenige der elekrostatischen Ansteuerung ist.
Bei der sechsten Ausführungsform ist es nicht nötig einen Träger wie den in 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 Ansteuerungskraft zu erhöhen.
Beispielsweise sind entsprechend 9 die kammähnlich geformten Elektroden 4, 5 für eine Ansteuerung lediglich an einer Seite von jedem der Steueroszillatoren 1a, 1b vorgesehen. Jedoch können die Elektroden an beiden Seiten von jedem der Steueroszillatoren 1a, 1b wie in 12 dargestellt vorgesehen sein. Insbesondere kann wie in 12 dargestellt das Sensorelement des weiteren bewegliche Elektroden 4' und festgelegte Elektroden 5' für eine Ansteuerung an der anderen Seite von jedem Steueroszillator zusätzlich zu den Elektroden 4, 5 besitzen, welche an einer Seite jedes Oszillators vorgesehen sind. Dementsprechend kann die Ansteuerungskraft erhöht werden. Eine detaillierte Erläuterung von 12 wird bezüglich einer achten Ausführungsform unten gegeben.
Siebente Ausführungsform
Bei einer siebenten bevorzugten Ausführungsform wird dieselbe Sensorelementestruktur wie bei der sechsten Ausführungsform angenommen, sie unterscheidet sich jedoch von derjenigen der sechsten Ausführungsform bezüglich eines Verarbeitungsverfahrens von Signalen, wenn die Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren sich voneinander unterscheiden. D. h. bei der sechsten Ausführungsform werden die Ansteuerungsamplituden der zwei Steueroszillatoren 1a, 1b (einschließlich der Erfassungsoszillatoren 11, 12) derart 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 bestimmt, bei welchem die zwei Steueroszillatoren 1a, 1b durch einen Verarbeitungsfehler und dergleichen zueinander unterschiedliche Ansteuerungsamplituden besitzen. Das Verarbeitungsverfahren der Signale bei der vorliegenden Ausführungsform ist im wesentlichen gleich demjenigen der vierten Ausführungsform, und daher wird eine detaillierte Erklärung nicht wiederholt.
Kurz dargestellt, es werden wie bei der vierten Ausführungsform unterschiedliche Verstärkungsfaktoren Aw × C, Aa × C auf die Signale von den zwei Erfassungsteilen 14, 15 bei der vorliegenden Ausführungsform festgelegt. Dementsprechend 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 Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Ausführungsform die ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren 11, 12 jeweils die Ausgangssignale aa', bb' aus, welche dieselbe Amplitude besitzen. Danach wird der Ausgang von 2Ω/ϕtanθ als erfasster Wert von dem Winkelgeschwindigkeitssensor durch Einwirkung der Ausgangssignale aa', bb' wie in 7 dargestellt erzielt. Die anderen Merkmale und Wirkungen sind im wesentlichen die gleichen wie jene bei der vierten Ausführungsform. Es ergibt sich, dass die vorliegende Ausführungsform ebenso auf in 10, 11 und 12 dargestellte Sensoren angewandt werden kann.
Achte Ausführungsform
12 stellt ein Sensorelement 450c der achten Ausführungsform 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 Überwachung einer Steueroszillation mit Kammstrukturen besitzt. Wie bezüglich der sechsten Ausführungsform beschrieben können 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 Ansteuerungsamplitude besitzen. Demgegenüber werden bei der vorliegenden Ausführungsform die Ansteuerungsspannungen nicht im voraus gesteuert, und es werden die Ansteuerungsamplituden der Oszillatoren 1a, 1b durch die Elektroden 4', 5' überwacht.
Der Schaltungsteil 200 führt danach eine Rückkopplungssteuerung 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 verstrichenen Zeit geändert wird. Das Verarbeitungsverfahren zum Erlangen des Winkelgeschwindigkeitssignals ist im wesentlichen gleich wie bei der ersten Ausführungsform. Dementsprechend können bei der vorliegenden Ausführungsform dieselben Wirkungen wie bei der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme erzielt werden, dass vorteilhafter Weise ohne die Schaltung ausgekommen wird, welche die Ansteuerungsamplitude konstant macht.
Bei den in 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 Elektroden 4', 5' können für die Ansteuerung und die Elektroden 4, 5 können für die Überwachung der Steueroszillation verwendet werden. Diese Beziehung kann lediglich in einem der Oszillatoren 1a, 1b invertiert werden. Wenn beispielsweise entsprechend 12 die linke Seite des ersten Steueroszillators 1a die Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung und die Elektroden 4', 5' zur Überwachung der Steueroszillation besitzt, 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 12 das Sensorelement 450c zur Durchführung eines elektrostatischen Ansteuerung und eines elektrostatischen Oszillationsüberwachungsverfahren 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 anzunehmen, welche in Verdrahtungsteilen, die auf den Steueroszillatoren 1a, 1b angeordnet sind, durch Wechselwirkung zwischen den Verdrahtungsteilen auf den Oszillatoren 1a, 1b und einem Permanentmagneten oder einem außerhalb der Steueroszillatoren 1a, 1b angeordneten Elektromagneten erzeugt wird. Es ist ebenfalls möglich ein piezoelektrisches Erfassungsverfahren anzunehmen.
13 stellt ein Sensorelement 450d dar, welches zur Überwachung von Amplituden von Steueroszillationen der Steueroszillatoren 1a, 1b durch das elektromagnetische Erfassungsverfahren geeignet ist. Entsprechend 13 werden kammförmige Elektroden 4, 5 als Elektroden zur Ansteuerung verwendet, und es sind Verdrahtungsteile 503 auf den jeweiligen Oszillatoren 1a, 1b als Elektroden zur Überwachung der Steueroszillationen vorgesehen. Eine elektrostatische Ansteuerung und ein elektromagnetisches Oszillationsüberwachungsverfahren können mit dieser Struktur durchgeführt 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 elektrostatisches Oszillationsüberwachungsverfahren durchzuführen. Des weiteren kann der Steueroszillator der rechten Seite 1b die elektrostatische Ansteuerung und elektromagnetische Oszillationsüberwachungsverfahren durchführen, wenn der Steueroszillator der linken Seite 1a die elektromagnetische Ansteuerung und das elektrostatische Oszillationsüberwachungsverfahren durchführt und umgekehrt. Des weiteren können bei dem in 14 dargestellten Sensorelement 450e beide Steueroszillatoren eine elektromagnetische Ansteuerung und elektromagnetisches Oszillationsüberwachungsverfahren unter Verwendung von Verdrahtungsteilen 503, 503' durchführen.
Somit besitzt bei der achten Ausführungsform das Sensorelement Einrichtungen 4', 5' zur Überwachung der Steueroszillationen der Steueroszillatoren 1a, 1b. Dementsprechend können physikalische Größen (Ansteuerungsamplituden, Steueroszillationsgeschwindigkeiten und dergleichen) der Steueroszillationen überwacht werden, und es können die Amplituden der Oszillationsgeschwindigkeiten der Steueroszillationen 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 können auf einen konstanten Wert durch eine negative Rückkopplung 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 Signal mit hoher Genauigkeit unter Einwirkung (beispielsweise der Durchführung einer Subtraktion und Addition) der Signale aa, bb erlangt werden. Da diese Ansteuerungsgrößensteuerung auf der Grundlage der Überwachungsergebnisse durchgeführt wird, kann sie unabhängig von Umgebungsänderungen bezüglich des Geräts bzw. der Vorrichtung durchgeführt werden.
Neunte Ausführungsform
15 stellt ein Sensorelement 330 eines Winkelgeschwindigkeitssensors einer neunten bevorzugten Ausführungsform dar. Die vorliegende Ausführungsform ist eine Modifizierung der zweiten Ausführungsform (vgl. 5). Bei der zweiten Ausführungsform wird lediglich ein bewegliches Teil angenommen. Demgegenüber setzt sich bei der in 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) 5 für eine gekoppelte Oszillation verbunden sind.
Bei dem Sensorelement 330 besitzen außerdem zwei Oszillatoren 31, 32 eine Steueroszillationsrichtung a1, und jeweilige 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 15 erzeugt wird. Es wird dabei festgestellt, dass die Richtungen a0 bis a2 und K von 15 bezüglich denjenigen von 5 jeweils um 90° gedreht sind und dass dementsprechend die Oszillatoren 31, 32, die Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung, die Elektroden 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 gehalten. Die Elektroden 4, 5 zur Ansteuerung sind an einem Ende der Haltestange 2a vorgesehen. Das andere Ende der Haltestange 2a ist mit dem Träger 6 verbunden. Des weiteren ist der Oszillator 31 mit der kammförmigen beweglichen Elektrode 34 zur Erfassung über Verbindungsträger bzw. -balken 36 verbunden. Die bewegliche Elektrode 34 liegt der kammförmigen 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 15 angezeigt ist. Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω erzeugt wird, kann der Oszillator 31 durch die Träger 33 zur Erfassung lediglich in der Erfassungsoszillationsrichtung a1 in Schwingungen versetzt werden, welche durch eine gestrichelte Linie in 15 angezeigt ist. Durch Steueroszillationsverhinderungsträger 37 wird verhindert, dass die bewegliche Elektrode 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 15) auf dem Substrat. Wenn bei der Steueroszillation die Winkelgeschwindigkeit 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 Verbindungsträger 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 oszilliert und die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Winkelgeschwindigkeitsachse 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 ermöglicht es den beweglichen Teilen 38a, 38b eine gekoppelte Oszillation auszuführen. Bei der gekoppelten Oszillation können die Oszillatoren 31, 32 gleichphasig oder gegenphasig oszillieren.
Ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform werden zwei unterschiedliche Ausgangssignale aa, bb wie durch die Gleichungen (7), (8) dargestellt von den Oszillatoren 31, 32 (den eine Beschleunigung wahrnehmenden Teilen 30, 40) jeweils ausgegeben. Die Signale aa, bb können durch den Schaltungsteil 200 im wesentlichen auf dieselbe Weise wie bezüglich 4 erklärt einwirken, wodurch die Winkelgeschwindigkeit 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 4 zueinander geändert werden. Des weiteren wird der durch einen bezüglich der zweiten Ausführungsform beschriebenen Ausdruck α hervorgerufene Fehler nicht berücksichtigt; jedoch kann er durch ein bezüglich der zweiten Ausführungsform beschriebenes Verfahren verringert werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform empfangen die beweglichen Elektroden 34 der beweglichen Teile 38a, 38b die jeweils von den Oszillatoren 31, 32 durch die Verbindungsträger 36 übertragenen Corioliskräfte. Dementsprechend erfassen die beweglichen Elektroden 34 die jeweiligen Oszillationen der Oszillatoren 31, 32 in den Erfassungsoszillationsrichtungen a1, a2. Es wird empfohlen, dass die Oszillatoren 31, 32 als erste Oszillatoren und die beweglichen Elektroden 34 als zweite Oszillatoren arbeiten.
Die Anzahl von Trägern 6, welche die ersten Oszillatoren 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 hinreichend, dass wenigstens zwei der ersten Oszillatoren miteinander durch wenigstens einen Träger für eine gekoppelte Oszillation verbunden sind.
Dementsprechend können die verbundenen zwei Oszillatoren eine gekoppelte Oszillation mit derselben Frequenz (Eigenfrequenz) der Ansteuerungskraft ausführen, wenn die Ansteuerungsamplitude ein Maximum annimmt. Bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor 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
16 stellt ein Sensorelement 315 eines Winkelgeschwindigkeitssensors einer zehnten bevorzugten Ausführungsform dar. Die zehnte Ausführungsform ist eine Modifizierung der zweiten Ausführungsform. Im Vergleich mit der in 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 unterteilt. Im Vergleich mit der in 15 dargestellten neunten Ausführungsform sind die Richtungen a0, a1, a2, K um 90° entsprechend denjenigen von 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 fexibel angeordnet sein. In dem in 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 beweglichen Teile 38a, 38b) werden durch Ansteuerung in der Richtung a0 jeweils in Oszillationen versetzt. Die Ansteuerungsamplituden der Oszillatoren 31, 32 werden in etwa gleich zueinander im voraus unter Steuerung der Ansteuerungsspannungen der Oszillatoren 31, 32 eingestellt. Dementsprechend arbeiten die Oszillatoren 31, 32 im wesentlichen auf dieselbe Weise wie bei der zweiten Ausführungsform. 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 Oszillatoren 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 4 dargestellt 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 Anzahl 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 ersten Oszillatoren verbessert, und es kann eine Größenreduzierung, eine Kostenverringerung und eine Verbesserung des Ertrags des Chips durch Anordnen der Oszillatoren auf getrennten Chips realisiert werden. Darüber hinaus kann die Ansteuerungskraft durch Annahme von mehreren Ansteuerungseinrichtungen erhöht werden.
Elfte Ausführungsform
Ein Sensorelement einer elften bevorzugten Ausführungsform besitzt dieselbe Struktur wie diejenige, welche in 16 dargestellt ist. Die elfte Ausführungsform unterscheidet sich von der zehnten Ausführungsform in den folgenden 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 Oszillatoren 31, 32 mit unterschiedlichen Ansteuerungsamplituden durch den Verarbeitungsfehler oszillieren. Entsprechend einem zweiten Punkt ist ein Verarbeitungsverfahren von Signalen unterschiedlich zu demjenigen der zehnten Ausführungsform entsprechend dem ersten Punkt. Das Verarbeitungsverfahren ist im wesentlichen gleich demjenigen, welches bezüglich der vierten und siebenten Ausführungsformen entsprechend 7 erläutert wurde.
Kurz dargestellt, es werden Verstärkungsfaktoren von Signalen von zwei Erfassungsteilen 14, 15 derart zueinander unterschiedlich eingestellt, dass Amplituden der Ausgangssignale von den Erfassungsteilen zueinander gleich gemacht werden. Danach wird ein Ausgangswert von 2Ω/ϕtanθ als erfasster Wert des Winkelgeschwindigkeitssensors durch Verarbeitung der Ausgangssignals wie in 7 dargestellt erlangt. Dementsprechend können im wesentlichen dieselben Wirkungen wie jene bei den vierten und siebenten Ausführungsformen erzielt werden.
Zwölfte Ausführungsform
Eine zwölfte bevorzugte Ausführungsform stellt eine Kombination der in 16 dargestellten zehnten Ausführungsform und der achten Ausführungsform unter Annahme der Einrichtung zur Überwachung physikalischer Größen der Steueroszillationen der Oszillatoren dar. Insbesondere unterscheidet 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 16 dargestellten zehnten Ausführungsform. Demgegenüber wird in der vorliegenden Ausführungsform einer der Sätze von Elektroden 4, 5 als Elektroden 4', 5' zur Überwachung der Steueroszillation verwendet. Daher besitzt ein Sensorelement der vorliegenden Ausführungsform dieselbe äußere Erscheinung wie diejenige von 16.
Entsprechend einem funktionellen Unterschied werden bei der zehnten Ausführungsform die Ansteuerungsamplituden der Oszillatoren 31, 32 durch Einstellen der Ansteuerungsspannungen 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 Rückkopplungssteuerung unterworfen, um zueinander gleich zu sein. Dementsprechend können Änderungen der Ansteuerungsamplitude bezüglich der Änderung der Umgebungstemperatur und der verstrichenen Zeit erfasst und gleichzeitig verhindert werden. Das Verarbeitungsverfahren zum Erlangen des Winkelgeschwindigkeitssignals ist im wesentlichen gleich demjenigen der zehnten Ausführungsform.
Bei der zwölften Ausführungsform wurde das elektrostatische Erfassungsverfahren unter Verwendung der Elektroden 4', 5' zur Überwachung der Steueroszillationen angenommen. Darüber hinaus ist es wie bezüglich der achten Ausführungsform beschrieben möglich das elektromagnetische Erfassungsverfahren zur Erfassung einer induzierten elektromotorischen Kraft anzunehmen, welche in Verdrahtungsteilen, die auf den Oszillatoren 31, 32 angeordnet sind, durch eine Wechselwirkung zwischen den Verdrahtungsteilen auf den Oszillatoren 31, 32 und einem Permanentmagneten oder einem außerhalb der Oszillatoren 31, 32 angeordneten Elektromagneten erzeugt wird. Es ist ebenfalls möglich, das piezoelektrische Erfassungsverfahren anzunehmen.
Dreizehnte Ausführungsform
Eine dreizehnte bevorzugte Ausführungsform stellt eine Kombination der fünften Ausführungsform (8) einschließlich der Träger bzw. Balken zur Ansteuerung, welche unsymmetrisch mit unterschiedlichen Längen oder unterschiedlichen Breiten vorgesehen sind, und einer der sechsten bis achten und zehnten bis zwölften Ausführungsformen dar, welche die Oszillatoren unabhängig voneinander enthalten.
17 stellt ein Sensorelement 550 der dreizehnten Ausführungsform dar. Ähnlich wie bei der in 9 dargestellten sechsten Ausführungsform besitzt das Sensorelement 550 einen beweglichen Teil 51, der sich aus Steueroszillatoren 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 Oszillatoren 1a, 1b mit dem Rahmenteil 3 verbinden.
Ansteuerungskräfte für eine zeitlich periodische Änderung werden an die Steueroszillatoren 1a, 1b unter Verwendung der Elektroden, 4, 5 zur Ansteuerung aufgebracht, und dementsprechend oszillieren die Oszillatoren 1a, 1b in jeweiligen Richtungen b1, b2, die in 17 dargestellt sind. Die Träger 501, 502 besitzen zueinander unterschiedliche Längen und ermöglichen die oben beschriebenen Oszillationen. Insbesondere besitzt bei der vorliegenden Ausführungsform 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 geändert werden.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um eine Winkelgeschwindigkeitsachse z in dem Zustand erzeugt wird, bei welchem die Oszillatoren 1a, 1b durch Ansteuerung in die Richtungen b1, b2 oszillieren, werden Corioliskräfte in Richtungen K1, K2 jeweils senkrecht zu den Richtungen b1, b2 erzeugt. Als Ergebnis führen die Erfassungsoszillatoren 11, 12, welche jeweils in den Steueroszillatoren 1a, 1b vorgesehen sind, Erfassungsoszillationen in Richtungen a1, a2 aus, die in 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 werden. Dementsprechend können dieselben Wirkungen wie jene bei der ersten Ausführungsform bereitgestellt werden. Wenn sich Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren infolge des Verarbeitungsfehlers und dergleichen voneinander unterscheiden, sind die folgenden Gegenmaßnahmen anwendbar.
(1) Beispielsweise wie bei den sechsten und siebenten Ausführungsformen werden die Ansteuerungsspannungen im voraus derart eingestellt, dass die Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren in etwa gleich sind. (2) Wie bei den siebenten und achten Ausführungsformen wird eine Verstärkung von zwei Ausgangssignalen eingestellt, um zwei Ausgangssignale mit derselben Ansteuerungsamplitude zu erzeugen. (3) Wie bei den achten und zwölften Ausführungsformen ist jeder der Steueroszillatoren mit einem Steueroszillationsmonitor zur Überwachung der Ansteuerungsamplitude oder der Ansteuerungsgeschwindigkeit für eine Rückkopplungssteuerung der Ansteuerungsspannung ausgestattet. Dementsprechend sind die Ansteuerungsamplituden der Steueroszillatoren in etwa gleich.
Bei dem in 17 dargestellten Beispiel wird ein elektrostatisches Ansteuerungsverfahren angenommen. Da jedoch 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 geändert, was zu instabilen Ansteuerungskräften führt. Die Zähne der Elektroden 4 können gegen die Zähne der Elektroden 5 anstoßen. Um eine Vermeidung dieser Schwierigkeit sicherzustellen, ist daher ein elektromagnetisches Ansteuerungsverfahren zur Ansteuerung des in 17 dargestellten Sensorelements 550 eher geeignet. In diesem Fall kann die bezüglich der fünften Ausführungsform entsprechend 8 beschriebene Struktur angenommen werden.
Vierzehnte Ausführungsform
Eine vierzehnte bevorzugte Ausführungsform stellt eine Modifizierung des in 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 Winkel θ von 1 zu verringern. In diesem Fall ist es jedoch schwierig die Erfassungsoszillatoren 11, 12 mit den Erfassungsoszillationsrichtungen a1, a2 zu bilden, welche denselben Winkel mit der Richtung K definieren. D. h. entsprechend 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 Richtung K als Winkel θ1 bezeichnet wird und der Winkel zwischen der Richtung a2 und der Richtung K als θ2 bezeichnet wird, werden die Signale aa, bb, welche von den Erfassungsoszillatoren 11, 12 (den eine Beschleunigung wahrnehmende 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 folgenden Gleichungen (19), (20) angenähert werden: aa = –Aϕ²θ1sinϕt + 2ΩAϕcosϕt (19) bb = Aϕ²θ2sinϕt + 2ΩAϕcosϕt (20)
18 stellt ein Verarbeitungsverfahren der Signale unter Verwendung eines Schaltungsteils 200 bei der vierzehnten Ausführungsform dar. Signale G111, G12 werden unter Durchführung einer Subtraktion und einer Addition der Signale aa, bb erlangt, welche jeweils von dem eine Beschleunigung wahrnehmenden Teil 10, 20 ausgegeben werden. Das Signal G111 wird durch die Trägheitskraft hervorgerufen, und das Signal G12 wird durch die Trägheitskraft und die Corioliskraft 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 beispielsweise durch eine Differenzierschaltung erreicht werden. 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 bereitgestellt werden. Es wird ein Ausgang von 4Ω/(θ2 – θ1) unter Durchführung einer Division der Signale G21 und G22 als erfasster 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 werden, 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 verschoben ist. Das Signal G21 wird von der Trägheitskraft und nicht von der Corioliskraft hervorgerufen. Die Winkelgeschwindigkeit kann unter Durchführung der Division und der Bestimmung eines Intensitätsverhältnisses zwischen den Signalen 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 konstant, 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 Ausgangssignale aa, bb auf den Empfang einer Kraft variieren, welche durch die Änderung der Ansteuerungsamplitude und dergleichen 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 Ausgangsfehler auftreten. Demgegenüber wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Corioliskraft unter Durchführung der synchronen Erfassung unter Verwendung des durch die Trägheitskraft (nicht durch die Corioliskraft) hervorgerufenen Signals als Bezugssignal erfasst. Sogar wenn die Phase des durch die Corioliskraft hervorgerufenen Signals sich infolge der Temperatur und dergleichen ändert, wird daher kein Ausgangsfehler erzeugt, da das durch die Trägheitskraft hervorgerufene Signal sich bezüglich der Phase ähnlich wie das durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal ändert.
Bei dem Sensor der vorliegenden Ausführungsform variiert wie bei der ersten Ausführungsform die Sensorcharakteristik nicht entsprechend der Änderung der Umgebungstemperatur und der verstrichenen Zeit, was zu einer hohen Genauigkeit und hohen Zuverlässigkeit führt, Da zusätzliche Korrekturschaltungen, Oszillationsmonitoren und dergleichen nicht für das Sensorelement erfordert werden, können niedrige Kosten und eine Größenreduzierung realisiert werden.
Entsprechend 18 wird eine synchrone Erfassung des Signals G12 durchgeführt. Jedoch kann wie in 19 dargestellt die synchrone Erfassung direkt bezüglich eines der Signale aa, bb durchgeführt werden, welche von eine Beschleunigung wahrnehmenden Teilen 10, 20 ausgegeben werden. Entsprechend 18 und 19 kann das Signal G22 als Ausgang 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 Signals.
Die vorliegenden Ausführungsform kann ebenfalls auf ein Sensorelement angewandt werden, welches hergestellt wird, um wie in 1 dargestellt auf den Winkel θ = 0 abzuzielen, es muß jedoch nicht den Winkel θ = 0 infolge eines Verarbeitungsfehlers, einer Ungleichförmigkeit des Materials und dergleichen besitzen. wenn beispielsweise wie in 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 Oszillationsrichtung von ihrem Ziel abweichen. Die vorliegende Ausführungsform ist auf einen derartigen Fall anwendbar.
21 zeigt ein Sensorelement, bei welchem entsprechend 6 Winkel zwischen den Erfassungsoszillationsrichtungen a1, a2 und der Richtung K, in welcher die Corioliskraft wirkt, nicht null betragen, sondern sehr nahe an null liegen, wobei die Richtungen a1, a2, K in 21 nicht dargestellt sind. Das Sensorelement 600 besitzt einen Winkel θ1 zwischen der Erfassungsoszillationsrichtung des ersten Erfassungsoszillators 11 und der Richtung K und einem 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 dergleichen 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 18 dargestellte Weise erlangt werden. Die vorliegende Ausführungsform ist auf eine der oben beschriebenen Ausführungsformen anwendbar, wenn die Erfassungsoszillationsrichtung 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 1 dargestellte Sensorelement 100 lediglich den eine Beschleunigung wahrnehmenden Teil 10 aufweisen, um lediglich das Ausgangssignal aa auszugeben. 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 Steuersignals sinϕt erlangt wird, als Bezug geteilt werden. Danach kann ein Ausgang, welcher nicht von der Ansteuerungsamplitude A abhängt, unter Durchführung einer Division der zwei geteilten Signale erlangt werden.
Sogar wenn das Sensorelement lediglich einen Erfassungsoszillator 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 Ansteuerungsverfahren unter Verwendung eines piezoelektrischen Effekts und dergleichen zusätzlich zu dem elektrostatischen Ansteuerungsverfahren durchgeführt werden, welches oben insbesondere beschrieben wurde. Des weiteren können die Winkelgeschwindigkeit und dergleichen durch verschiedene Erfassungsverfahren wie ein elektromagnetisches Erfassungsverfahren unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktion und ein piezoelektrisches Erfassungsverfahren unter Verwendung eines piezoelektrischen Effekts zusätzlich zu dem elektrostatischen Erfassungsverfahren unter Verwendung 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 Erfassungsoszillationsrichtungen der mehreren Erfassungsoszillatoren einen etwa identischen Winkel θ mit der Richtung bilden, in welcher die Corioliskraft wirkt. Des weiteren kann bei jeder oben beschriebenen Ausführungsform die Erfassungsgenauigkeit durch Eliminieren einer extern aufgebrachten Beschleunigung erhöht werden. Beispielsweise stellt 22 ein Sensorelement dar, welches sich aus zwei Sensorelementen 100a, 100b zusammensetzt, wobei jedes im wesentlichen dieselbe Struktur wie das in 1 dargestellte Sensorelement 100 besitzt.
Entsprechend 22 werden die Sensorelemente 100a, 100b durch eine Ansteuerung in Gegenphase zueinander in Oszillationen versetzt. Dementsprechend werden Signale mit einer Gegenphase zueinander von den Sensorelementen 100a, 100b auf der Grundlage der Corioliskräfte ausgegeben, welche gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen mit derselben Größe erzeugt werden. Zur selben Zeit empfangen die Elemente 100a, 100b jeweils extern darauf aufgebrachte Beschleunigungen mit etwa derselben Größe in derselben Richtung.
Danach wirken die Ausgangssignale von den Sensorelementen 100a, 100b in dem Schaltungsteil 200 wie in 4 dargestellt, 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 hervorgerufenen Signale aufgehoben. Als Ergebnis können die Wirkungen der extern aufgebrachten Beschleunigungen eliminiert werden. Zur selben Zeit wird die Empfindlichkeit verdoppelt. Entsprechend 22 sind die Sensorelemente 100a, 100b in Längsrichtung angeordnet. Jedoch können die Sensorelemente 100a, 100b seitlich angeordnet werden. Die Strukturen der Sensorelemente können aus denjenigen ausgewählt werden, welche bezüglich einer der oben beschriebenen Ausführungsformen offenbart sind.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird das durch die Trägheitskraft hervorgerufene Signal als das nicht durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal angesehen. Jedoch können andere Signale wie der Ausgang von den Elektroden 4', 5' zur Überwachung der Steueroszillation, der erfasste Wert des von der Steueroszillation abweichenden Winkels und dergleichen als das nicht durch die Corioliskraft hervorgerufene Signal angesehen werden.
Vorstehend wurde ein Winkelgeschwindigkeitssensor mit Oszillatoren offenbart. Der 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 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 hervorgerufenes Signal werden von den Ausgangssignalen erlangt, und es wird die Winkelgeschwindigkeit durch die zwei Signale bestimmt.

Claims

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 in einer Ansteuerungsrichtung (a0) oszilliert, und eine Corioliskraft empfängt, welche in einer bestimmten Richtung (K) parallel zu der bestimmten Ebene erzeugt wird, wenn eine Winkelgeschwindigkeit um eine Winkelgeschwindigkeitsachse senkrecht zu der bestimmten Ebene erzeugt wird, wobei das Sensorelement ein Ausgangssignal (aa, bb) entsprechend einer Corioliskraft ausgibt; und einem Schaltungsteil (200), welcher elektrisch mit dem Sensorelement verbunden ist, um das Ausgangssignal (aa, bb) von dem Sensorelement (100, 300, 330, 350, 400, 450, 500, 550, 600) zu empfangen, wobei der Schaltungsteil die Winkelgeschwindigkeit sowohl durch ein erstes Signal (S22), welches durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, als auch durch ein zweites Signal (S21), welches nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, auf der Grundlage des Ausgangssignals bestimmt, wobei das zweite Signal als Bezug verwendet wird, wobei der bewegliche Teil (1, 38, 41, 51) zwei Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) aufweist, die miteinander einen Winkel größer als Null einschließen, wobei die Erfassungsoszillatoren unter Ansteuerung des beweglichen Teils in der Ansteuerungsrichtung oszillieren und im Ansprechen auf die Corioliskraft in weiteren Richtungen (a1, a2) oszillieren, der bewegliche Teil (1, 38, 41, 51) erste und zweite Balken (13) aufweist, welche die Erfassungsoszillatoren mit dem beweglichen Teil verbinden, einer der Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) zur Erfassung in einer ersten Richtung (a1) oszilliert und ein anderer der Erfassungsoszillatoren zur Erfassung in einer zweiten Richtung (a2) oszilliert, die sich von der ersten Richtung unterscheidet; und der Schaltungsteil (200) das erste Signal (S22), welches durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, unter Durchführung einer Addition der Ausgangssignale der Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) und das zweite Signal (S21), welches nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, unter Durchführung einer Subtraktion der Ausgangssignale der Erfassungsoszillatoren erzeugt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal sich aus dem ersten (aa) und zweiten Ausgangssignal (bb) zusammensetzt, der Schaltungteil (200) das erste Signal (S22) unter Durchführung einer Addition des ersten (aa) und zweiten Ausgangssignals (bb) und das zweite Signal (S21) unter Durchführung einer Subtraktion des ersten und zweiten Ausgangssignals erzeugt, und der Schaltungsteil (200) die Winkelgeschwindigkeit unter Durchführung einer Division des ersten (S21) und zweiten Signals (S22) erzeugt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsteil (200) derart konfiguriert ist, dass er das erste (S22) und zweite Signal (S21) mit einer um 90° zueinander verschobenen Phase erzeugt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsteil (200) ein Intensitätsverhältnis zwischen dem ersten Signal (S22) und dem zweiten Signal (S21) berechnet, um die Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (100, 300, 330, 350, 400, 450, 500, 550, 600) das Ausgangssignal ausgibt, welches sich aus einem ersten (aa) und einem zweiten Ausgangssignal (bb) zusammensetzt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil (1, 38, 41, 51) mit einem Rahmenteil (3) über Balken (2) derart verbunden ist, dass ihm eine Trägheitskraft aufgebracht wird, wodurch das zweite Signal (S21) hervorgerufen wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsoszillatoren einen Oszillator (11, 12, 31, 32) enthalten, welcher durch Ansteuern in einer Ansteuerungsrichtung (a0) in Schwingungen versetzt wird und durch die Corioliskraft in einer Erfassungsrichtung (a1, a2), die sich von der bestimmten Richtung (K) unterscheidet, in welcher die Corioliskraft erzeugt wird, in Schwingungen versetzt wird; und der bewegliche Teil (1, 38, 41, 51) einen Erfassungsteil (14, 15, 34, 35) enthält, welcher das Ausgangssignal ausgibt, um die dem Oszillator (11, 12, 31, 32) aufgebrachte Corioliskraft zu erfassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) durch Ansteuern mit einer gleichen Ansteuerungsgröße und durch die Corioliskraft in einer Erfassungsrichtung (a1, a2) nicht parallel zu der bestimmten Richtung (K), in welcher die Corioliskraft erzeugt wird, in Schwingungen versetzt werden; wobei jeder der Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) eine Vielzahl von Erfassungsteilen (14, 15, 34, 35) aufweist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil (1, 38, 41, 51) einen ersten Oszillator (1, 31, 32, 1a, 1b) enthält, welcher durch Ansteuern auf einer bestimmten Ebene oszilliert; die Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) zweite und dritte Oszillatoren (11, 12, 34, 35) bilden, welche durch die Corioliskraft in erste und zweite Erfassungsrichtungen (a1, a2) oszillieren, wenn die Winkelgeschwindigkeit 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) definieren, in welcher die Corioliskraft erzeugt wird; und der bewegliche Teil (1, 38, 41, 51) erste und zweite Balken (13), welche den ersten Oszillator (1, 31, 32, 1a, 1b) mit den zweiten und dritten Oszillatoren (11, 12, 34, 35) verbinden, und einen Erfassungsteil (14, 15, 34, 35) enthält, welcher die den zweiten und dritten Oszillatoren (11, 12, 34, 35) aufgebrachte Corioliskraft erfasst.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Winkel (θ, θ1, θ2) zueinander unterschiedlich sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Oszillator (1, 31, 32, 1a, 1b) eine erste Resonanzfrequenz aufweist; und der zweite Oszillator eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, die gleich der ersten Resonanzfrequenz ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil (1, 38, 41, 51) erste und zweite Steueroszillatoren (1a, 1b, 31, 32) enthält, welche durch Ansteuern in ersten und zweiten Steuerrichtungen (a0, b1, b2) auf der bestimmten Ebene senkrecht zu der Winkelgeschwindigkeitsachse oszillieren; die ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren (11, 12, 34) jeweils mit den ersten und zweiten Steueroszillatoren (1a, 1b, 31, 32) verbunden sind, um durch die Corioliskraft jeweils in ersten und zweiten Erfassungsrichtungen (a1, a2) zu oszillieren, wenn die Winkelgeschwindigkeit erzeugt wird, wobei die ersten und zweiten Erfassungsrichtungen (a1, a2) erste und zweite Winkel (θ, θ1, θ2) mit der bestimmten Richtung (K) definieren, in welcher die Corioliskraft erzeugt wird, wobei die ersten und zweiten Winkel (θ, θ1, θ2) größer als Null sind; und der bewegliche Teil (1, 38, 41, 51) erste und zweite Erfassungsteile (14, 15, 34, 35) enthält, welche jeweils für die ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren (11, 12, 34) vorgesehen sind, um die den ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren aufgebrachte Corioliskraft zu erfassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren (11, 12) jeweils innerhalb der ersten und zweiten Steueroszillatoren (1a, 1b) angeordnet sind und jeweils mit den ersten und zweiten Steueroszillatoren (11, 12) über erste und zweite Balken (13) verbunden sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Steueroszillatoren (1a, 1b) über einen Balken (6) miteinander verbunden sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren (34) jeweils außerhalb der ersten und zweiten Steueroszillatoren (31, 32) angeordnet sind und jeweils über erste und zweite Balken (36) mit den ersten und zweiten Steueroszillatoren verbunden sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Steueroszillatoren (1a, 1b, 31, 32) derart angeordnet sind, dass sie im Stande sind, unabhängig voneinander zu oszillieren.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Winkel (θ, θ1, θ2) zueinander unterschiedlich sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Steuerung von Ansteuerungsamplituden der ersten und zweiten Steueroszillatoren (1a, 1b, 31, 32) auf einen zueinander gleichen Wert.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Steuerung von Amplituden der ersten (aa) und zweiten Ausgangssignale (bb) auf einen zueinander gleichen Wert, um eine von der Corioliskraft abhängige Kraft und eine von der Corioliskraft unabhängige Kraft zu berechnen, wobei die ersten und zweiten Ausgangssignale von den ersten und zweiten Erfassungsteilen (14, 15, 34, 35) entsprechend der Corioliskraft ausgegeben werden.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Überwachung von Ansteuerungsamplituden und Steueroszillationsgeschwindigkeiten von Steueroszillationen der ersten und zweiten Steueroszillatoren (31, 32).
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Steuerung von Ansteuerungsamplituden der ersten und zweiten Steueroszillatoren (31, 32) auf einen konstanten Wert auf der Grundlage der durch die Überwachungseinrichtung überwachten physikalischen Größe.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren (34) über Balken (37) mit dem Rahmenteil (3) derart verbunden sind, dass ihnen die Corioliskraft direkt aufgebracht wird, um sie oszillieren zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Steueroszillatoren (31, 32) über Balken (36) mit den ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren (34) derart verbunden sind, dass die Corioliskraft den ersten und zweiten Steueroszillatoren (31, 32) aufgebracht und den ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren (34) über die Balken (36) übertragen wird, um die ersten und zweiten Erfassungsoszillatoren oszillieren zu lassen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsteil (200) eine Einrichtung zum Extrahieren des ersten Signals (S22) von dem Ausgangssignal (aa, bb) unter Verwendung des zweiten Signals (S21) aufweist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) in dem einen beweglichen Teil (1, 38, 41, 51) integriert gebildet sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor mit: einem ersten Sensorelement (401), welches auf einem ersten Chip (1000) angeordnet ist, um ein erstes Ausgangssignal (aa') entsprechend einer um eine Winkelgeschwindigkeitsachse (z) erzeugten Winkelgeschwindigkeit auszugeben; einem zweiten Sensorelement (402), welches auf einem zweiten Chip (1001) angeordnet ist, um ein zweites Ausgangssignal (bb') entsprechend der Winkelgeschwindigkeit auszugeben, wobei der zweite Chip unabhängig von dem ersten Chip ist; wobei die ersten und zweiten Sensorelemente (401, 402) jeweils einen beweglichen Teil (1a, 1b) enthalten, der durch Ansteuerung auf einer bestimmten Ebene in einer Ansteuerungsrichtung (a0) oszilliert, und eine Corioliskraft empfängt, welche in einer bestimmten Richtung (K) parallel zu der bestimmten Ebene erzeugt wird, wenn eine Winkelgeschwindigkeit um eine Winkelgeschwindigkeitsachse senkrecht zu der bestimmten Ebene erzeugt wird, wobei die Sensorelemente Ausgangssignale (aa', bb') entsprechend einer Corioliskraft ausgeben; und einer Einrichtung (200), welche ein erstes durch die Corioliskraft hervorgerufenes Signal (S22), welches durch die Winkelgeschwindigkeit erzeugt wird, und ein zweites Signal (S21), welches nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, auf der Grundlage der ersten (aa') und zweiten Ausgangssignale (bb') berechnet und die Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage der ersten und zweiten Signale berechnet; wobei die Einrichtung (200) das erste Signal (S22) unter Durchführung einer Addition des ersten (aa') und zweiten Ausgangssignals (bb') und das zweite Signal (S21) unter Durchführung einer Subtraktion des ersten und zweiten Ausgangssignals erlangt; und die Einrichtung (200) die Winkelgeschwindigkeit unter Durchführung einer Division des ersten (S22) und zweiten Signals (S21) erlangt; wobei jeweils ein Erfasssungsoszillator (11, 12, 31, 32) in dem ersten und dem zweiten Sensorelement (401, 402) vorgesehen ist, wobei die Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) miteinander einen Winkel größer als Null einschließen, wobei die Erfassungsoszillatoren unter Ansteuerung des beweglichen Teils in der Ansteuerungsrichtung oszillieren und im Ansprechen auf die Corioliskraft in weiteren Richtungen (a1, a2) oszillieren; der bewegliche Teil (1a, 1b) erste und zweite Balken (13) aufweist, welche die Erfassungsoszillatoren mit dem beweglichen Teil verbinden, einer der Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) zur Erfassung in einer ersten Richtung (a1) oszilliert und der zweite Erfassungsoszillator zur Erfassung in einer zweiten Richtung (a2) oszilliert, die sich von der ersten Richtung unterscheidet; und die ersten und zweiten Sensorelemente (401, 402) die ersten und zweiten Ausgangssignale (aa', bb') unter Verwendung der Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) jeweils ausgeben.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsoszillatoren (11, 12, 31, 32) in den ersten und zweiten Sensorelementen (401, 402) jeweils integriert gebildet sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Teil (1a, 1b) über Balken (2) mit einem Rahmenteil (3) derart verbunden ist, dass ihm eine Trägheitskraft aufgebracht wird, wodurch das zweite Signal (S21) hervorgerufen wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sensorelemente (100a, 100b) vorgesehen sind.