DE10063663A1 - Resonanzelement und Schwingungseinstellverfahren für dasselbe - Google Patents
Resonanzelement und Schwingungseinstellverfahren für dasselbeInfo
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Abstract
Ein Resonanzelement umfaßt einen Schwingkörper, der in einer X- und Z-Richtung, die orthogonal zueinander sind, in eine Schwingung versetzt werden kann, eine Erregungseinrichtung, um zu bewirken, daß der Schwingkörper einer Erregungsschwingung in der X-Richtung unterworfen werden kann, eine Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Auslenkung des Schwingkörpers in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung desselben in der X-Richtung und eine Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung zum Hemmen der Auslenkung des Schwingkörpers in der Z-Richtung.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Resonanzele
ment, das bei einem Winkelgeschwindigkeitssensor, einem Be
schleunigungssensor, einem Filter oder dergleichen verwen
det wird, und auf ein Verfahren zum Einstellen einer
Schwingung für dasselbe.
Fig. 9A stellt eine perspektivische Ansicht dar, die ein
bekanntes Resonanzelement zeigt, das durch den Erfinder der
vorliegenden Erfindung erfunden wurde. Fig. 9B stellt eine
abschnittsweise Ansicht entlang der Linie I-I in Fig. 9A
dar.
Das Resonanzelement gemäß den Fig. 9A und 9B stellt ein Re
sonanzelement 1 dar, das als ein Mikroelement unter Verwen
dung einer herkömmlichen Siliziummikrobearbeitungstechnik
und dergleichen hergestellt ist. Das Resonanzelement 1 wird
durch ein Bilden eines Nitridfilms 3 auf einem stationären
Siliziumsubstrat 2, ein darauffolgendes Bilden eines Poly
siliziumfilms 4 über demselben und ein Bilden dieser Filme
3 und 4 in einem vorbestimmten Satzmuster bzw. einer vorbe
stimmten Satzstruktur durch ein Drucken, Ätzen oder der
gleichen hergestellt.
Gemäß den Fig. 9A und 9B ist über der oberen Oberfläche 2a,
die eine Ebene in der X-Y-Ebenenrichtung des stationären
Substrats 2 ist, ein Vibrator 5 in einem von dem stationä
ren Substrat 2 isolierten Zustand aufgebracht. Der Vibrator
5 wirkt als ein Planar-Schwingkörper 6. Der Vibrator 5 ist
über Tragebalken 7 getragen, um in der X-Richtung in eine
Schwingung versetzt werden zu können. Eine Endseite von je
dem der Tragebalken 7 ist über einen Befestigungsabschnitt
8 mit dem stationären Substrat befestigt.
Auf der rechten und linken Seite (gemäß einer Ansicht in
Fig. 9A) des Vibrators 5 sind Beweglich-Seitenkammelektro
den 10 (10a und 10b) jeweils in der X-Richtung auswärts ge
bildet, während Stationär-Seitenkammelektroden 11 (11a und
11b) jeweils in der X-Richtung einwärts an Positionen
angeordnet sind, die den Beweglich-Seitenkammelektroden 10
gegenüberliegen und mit denselben in einer beabstandeten
Beziehung interdigital angeordnet sind. Die Beweglich-
Seitenelektroden 10 und die Stationär-Seitenkammelektroden
11 sind jeweils über leitfähige Strukturen (die nicht
gezeigt sind) mit Außenseitenelektrodenanschlußflächen (die
nicht gezeigt ist) verbunden, wodurch dieselben eine
Erregungseinrichtung 12 bilden.
Wenn beispielsweise Wechselspannungen, die sich bezüglich
einer Phase um 180° voneinander unterscheiden, auf die Sta
tionär-Seitenkammelektroden 11a und 11b angelegt werden,
während die Beweglich-Seitenkammelektroden 10a und 10b auf
einer vorbestimmten konstanten Spannung (beispielsweise 0 Volt)
beibehalten werden, treten elektrostatische Kräfte
zwischen den Beweglich-Seitenkammelektroden 10a und den
Stationär-Seitenkammelektroden 11a und zwischen den Beweg
lich-Seitenkammelektroden 10b und den Stationär-
Seitenkammelektroden 11b in einander entgegengesetzten
Richtungen auf, wobei durch diese elektrostatischen Kräfte
bewirkt wird, daß das Schwingelement 5 einer Erregungs
schwingung in der X-Richtung unterworfen wird.
Bei dem Resonanzelement 1 mit den obig beschriebenen Merk
malen tritt eine Corioliskraft in der Z-Richtung orthogonal
zu der X-Y-Ebenenrichtung auf, wenn das Resonanzelement 1
um die Y-Achse gedreht wird, während dasselbe einer Erre
gungsschwingung in der X-Richtung unterworfen wird, wie es
obig beschrieben ist. Diese Corioliskraft liegt an dem
Schwingelement 5 (Planar-Schwingkörper 6) an, wobei das
Schwingelement 5 in der Richtung der Corioliskraft in eine
Schwingung versetzt wird. Durch ein Messen des elektrischen
Signals, das der Größe der Schwingungsamplitude des Schwingelements
5 aufgrund der Corioliskraft, die zu diesem Zeit
punkt auftritt, entspricht, kann beispielsweise die Größe
einer Drehwinkelgeschwindigkeit erfaßt werden.
In dem Fall, bei dem das Resonanzelement 1 als ein Winkel
geschwindigkeitssensor verwendet wird, ist ein Erfassungs
abschnitt zum Messen des elektrischen Signals, das der Grö
ße der Schwingamplitude des Schwingelements 5 aufgrund ei
ner Corioliskraft entspricht, vorgesehen.
Wenn das Resonanzelement 1 hergestellt wird, wird die Reso
nanzfrequenz des Schwingelements 5 (des Planar-Schwingkör
pers 6) in der Richtung einer Corioliskraft (Z-Richtung)
bei der Entwurfsstufe vorher auf die Resonanzfrequenz in
der X-Richtung eingestellt, wobei die Form, Abmessungen,
Gewicht usw. des Schwingelements 5 entworfen und
implementiert sind, so daß die Resonanzfrequenz erhalten
wird. In vielen Fällen sind jedoch die Form, Abmessungen,
das Gewicht usw. des Schwingelements 5 aufgrund der Bear
beitungsgenauigkeit der Siliziummikrobearbeitungstechnik
nicht wie entworfen implementiert. Folglich tritt oft eine
Abweichung der Resonanzfrequenz des Schwingelements 5 von
der entworfenen Frequenz oft auf. Wenn sich die Schwingung
des Schwingelements 5 in einem Resonanzzustand befindet,
ist die Amplitude desselben aufgrund des Q-Werts (Quali
tätsfaktors), der sich auf die Struktur bezieht, stark ver
stärkt, wobei jedoch, wenn die Frequenz abweicht, ein Pro
blem auftritt, derart, daß die Amplitude nicht annähernd so
stark verstärkt wird, wodurch als Ergebnis die Empfindlich
keit des Resonanzelements beträchtlich reduziert ist. Es
ist daher notwendig, die Resonanzfrequenz des Schwingele
ments 5 auf die bei dem Entwurf eingestellte Frequenz ein
zustellen, indem ein Trimmen hinsichtlich des Schwingele
ments 5 und/oder der Tragebalken 7, beispielsweise durch
einen komplizierten Bearbeitungsprozeß, durchgeführt wird.
Das Resonanzelement stellt jedoch ein sehr kleines Element
dar, wodurch es praktisch unmöglich ist, aufgrund der Genauigkeit
von herkömmlichen mechanischen Trimmtechniken ein
Trimmen des sehr kleinen Planar-Schwingkörpers 6 und/oder
der Tragebalken 7 durchzuführen, um die gewünschten Abmes
sungen, Größe und Gewicht usw. zu erhalten. Es erwies sich
daher als sehr schwierig, die Resonanzfrequenz des Planar-
Schwingkörpers 6 auf einen eingestellten Wert einzustellen.
Daher ist bei dem Resonanzelement 1 auf dem stationären
Substrat 2 eine leitfähige Schicht 15 zum Liefern einer
elektrostatischen Anziehungskraft 14 an der Position vorge
sehen, die dem Schwingelement 5 über einen Abstand in der
Z-Richtung gegenüberliegt, wie es in den Fig. 9A und 9B
dargestellt ist.
Gemäß Fig. 9A ist die leitfähige Schicht 15 über eine leit
fähige Struktur 16 mit einer leitfähigen Anschlußfläche 17
verbunden. Durch ein Steuern der Spannung, die über die
leitfähige Struktur 16 und die leitfähige Anschlußfläche 17
an die leitfähige Schicht 15 angelegt wird, kann die Reso
nanzfrequenz des Schwingelements 5 auf einen eingestellten
Wert eingestellt werden.
Sobald eine Gleichspannung an die leitfähige Schicht 15 an
gelegt ist, wirkt eine elektrostatische Anziehungskraft auf
das Schwingelement 5, wobei diese als eine elektrostatische
Feder auf das Schwingelement 5 wirkt. Spezifisch, wenn das
Schwingelement 5 derart in einer Richtung in Schwingung
versetzt ist, daß sich das Schwingelement 5 dem stationären
Substrat 2 annähert, wirkt die elektrostatische Anziehungs
kraft in der Richtung derart, daß sich die Amplitude er
höht, so daß das Anlegen der Gleichspannung an die leitfä
hige Schicht 15 eine Wirkung eines Erzeugens einer Kraft in
der Richtung, die der Richtung der Kraft einer mechanischen
Feder entgegengesetzt ist, aufweist. Dies ergibt eine Re
duktion der Resonanzfrequenz des Schwingelements 5 in der
Z-Richtung. Da sich dieser reduzierte Betrag der Resonanz
frequenz gemäß der angelegten Größe der elektrostatischen
Anziehungskraft 14 verändert, kann eine Feineinstellung der
Resonanzfrequenz des Schwingelements 5 von der natürlichen
Frequenz desselben auf die niedrigere Frequenzseite durch
geführt werden, indem die Größe der Gleichspannung, die an
die leitfähige Schicht 15 angelegt ist, eingestellt wird.
Unter Verwendung dieser Wirkung kann das Schwingelement 5,
indem die natürliche Resonanzfrequenz des Schwingelements 5
in der Z-Richtung leicht höher als die am meisten empfind
liche Resonanzfrequenz (die Frequenz, die gleich der Reso
nanzfrequenz in der X-Richtung ist) entworfen ist, mit an
deren Worten gesagt, indem die Resonanzfrequenz des Schwin
gelements 5 in der Z-Richtung höher als die Resonanzfre
quenz desselben in der Erregungsschwingungsrichtung durch
die Erregungseinrichtung 12 entworfen ist, bei einer vorbe
stimmten Resonanzfrequenz in eine Resonanz versetzt werden,
indem die Größe der Gleichspannung, die an die leitfähige
Schicht 15 angelegt wird, eingestellt wird.
Obwohl jedoch die Einstellung der Resonanzfrequenz für das
Schwingelement 5 durch ein Vorsehen der leitfähigen Schicht
15 durchgeführt wurde, verschlechterten sich in manchen
Fällen Charakteristika, wie beispielsweise ein S/N-
Verhältnis (Signal/Rausch-Verhältnis), aufgrund einer Zu
nahme des Rauschens des Resonanzelements 1.
Eine Untersuchung durch den vorliegenden Erfinder bezüglich
des Grunds für die Verschlechterung der Charakteristika
zeigte, daß die Verschlechterung der Charakteristika auf
die Schwingzustände des Schwingelements 5 zurückgeführt
werden kann.
Fig. 8A und 8B zeigen jeweils Schwingzustände des Schwinge
lements 5 in der X-Z-Ebene, die durch den Erfinder in Expe
rimenten beobachtet wurden. Wenn um die Y-Achse keine Win
kelgeschwindigkeit vorliegt und bewirkt wird, daß das
Schwingelement 5 einer Erregungsschwingung unterworfen ist,
ist es wünschenswert, daß das Schwingelement 5 einer Erre
gungsschwingung in der X-Richtung horizontal entlang der
Ebene 2a in der X-Y-Ebenenrichtung des stationären Sub
strats 2, wie es in Fig. 10C dargestellt ist, und im we
sentlichen ohne eine Auslenkung in der Z-Richtung, wie es
in Fig. 8B gezeigt ist, unterworfen ist.
Im Gegensatz dazu ist das Schwingelement 5 in manchen Fäl
len gemäß den Fig. 10A, 10B und 8A in eine Schwingung ver
setzt, wobei sich die Schwingungen des Schwingelements 5 in
Zuständen befinden, die durch einen großen Betrag in der Z-
Richtung, die die Erfassungsrichtung einer Corioliskraft
ist, ausgelenkt sind. In derartigen Fällen wurde erkannt,
daß sich das Resonanzelement 1 bezüglich der Charakteristi
ka verschlechtert.
Der vorliegende Erfinder erkannte, daß die Auslenkung des
Schwingelements 5 in der Z-Richtung der Neigung des Schwin
gelements 5 bezüglich der Substratebene des stationären
Substrats 2 zugeschrieben werden kann und zeigte verschie
dene Resonanzelemente 1, von denen jedes eine Erregungsaus
lenkungshemmeinrichtung zum Korrigieren der Neigung des
Schwingelements 5 und zum Unterdrücken der Auslenkung des
Schwingelements 5 in der Z-Richtung aufwies.
Fig. 6A stellt eine perspektivische Ansicht dar, die ein
Beispiel eines bekannten Resonanzelements 1 zeigt, während
Fig. 6B eine abschnittsweise Ansicht entlang der Linie I-I
in Fig. 6A darstellt. In den Fig. 6A und 6B sind die glei
chen Komponenten wie diejenigen des Resonanzelements 1 in
den Fig. 9A und 9B durch die gleichen Bezugszeichen gekenn
zeichnet, wobei wiederholende Beschreibungen der allgemei
nen Komponenten ausgelassen sind. Es ist anzumerken, daß
das Resonanzelement 1 gemäß den Fig. 6A und 6B in den japa
nischen Patentanmeldungen Nr. 11-197096 und 11-344648 und
den entsprechenden U.S.-Patentanmeldungen und europäischen
Patentanmeldungen offenbart ist.
Bei dem in den Fig. 6A und 6B gezeigten Resonanzelement 1
sind leitfähige Schichten 20 und 21 auf der Ebene in der X-
Y-Ebenenrichtung des stationären Substrats 2 derart ange
ordnet, daß dieselben einander über einen Spalt in der X-
Richtung gegenüberliegen und dem rechten und linken Kanten
bereich (gemäß einer Ansicht in Fig. 6A) über einen Spalt
gegenüberliegen. Die leitfähigen Schichten 20 und 21 sind
über leitfähige Strukturen 22 bzw. 23 mit leitfähigen An
schlußflächen 24 und 25 leitfähig verbunden. Bei dem Reso
nanzelement 1 gemäß Fig. 6A und 6B bilden die leitfähigen
Schichten 20 und 21 eine Erregungsauslenkungs-
Hemmungseinrichtung.
Durch ein jeweiliges Anlegen von Gleichspannungen über die
leitfähigen Strukturen 22 und 23 und die leitfähigen An
schlußflächen 24 bzw. 25 an die leitfähigen Schichten 20
und 21 treten zwischen den leitfähigen Schichten 20 und 21
und dem Schwingelement 5 elektrostatische Anziehungskräfte
26 und 27 auf. Die Neigung des Schwingelements 5 kann kor
rigiert werden, indem sowohl die rechte als auch die linke
elektrostatische Anziehungskraft 26 und 27 auf das Schwin
gelement 5 durch ein Einstellen jeglicher an die leitfähi
gen Schichten 20 und 21 anzulegenden Spannungen eingestellt
werden.
Spezifisch, wenn sich das Schwingelement 5 abwärts nach
rechts neigt, wie es durch eine gestrichelte Linie α in
Fig. 6B angezeigt ist, wird eine Gleichspannung an die
leitfähige Schicht 20 angelegt, die höher als diejenige
ist, die an die leitfähige Schicht 21 angelegt ist. Dadurch
wird die elektrostatische Anziehungskraft 26, die auf den
linken Kantenbereich des Schwingelements 5 wirkt, der der
leitfähigen Schicht 20 gegenüber liegt, größer als die
elektrostatische Anziehungskraft 27, die auf den rechten
Kantenbereich des Schwingelements 5 wirkt, der der leitfä
higen Schicht 21 gegenüber liegt, so daß der linke Kanten
bereich des Schwingelements 5 stärker als der rechte Kan
tenbereich des Schwingelements 5 zu der Seite des stationä
ren Substrats 2 hin gezogen wird, wodurch die Abwärtsnei
gung nach rechts korrigiert ist.
Wenn sich das Schwingelement 5 aufwärts nach rechts neigt,
wie es durch eine gestrichelte Linie β in Fig. 6B angezeigt
ist, wird eine Gleichspannung an die leitfähige Schicht 20
angelegt, die höher als diejenige ist, die an die leitfähi
ge Schicht 21 angelegt ist. Dadurch wird die elektrostati
sche Kraft 27 größer als die elektrostatische Kraft 26, so
daß der rechte Kantenbereich des Schwingelements 5 stärker
als der linke Kantenbereich des Schwingelements 5 zu der
Seite des stationären Substrats 2 hin gezogen wird, wodurch
die Aufwärtsneigung nach rechts korrigiert ist.
Bei dem in Fig. 6 gezeigten Resonanzelement 1 kann die Nei
gung des Schwingelements 5 durch das Vorsehen der leitfähi
gen Schichten 20 und 21 korrigiert werden, was zu einer
Verbesserung der Schwingzustände des Schwingelements 5
führt.
Die Anmelderin hat unter Verwendung eines großen Schwin
gungsmeßsystems 30 gemäß Fig. 7 die folgenden Schwingungs
einstellungen des Schwingelements 5 durchgeführt, um die
optimale Spannung, die zum Korrigieren der Neigung des
Schwingelements 5 an die leitfähigen Schichten 20 und 21
angelegt wird, zu finden.
Beispielsweise ist ein Resonanzelement 1 auf einem Proben
halterstand 31 angeordnet, eine Treibereinrichtung (die
nicht gezeigt ist) für ein Anlegen einer Wechselspannung
ist mit den Stationär-Seitenkammelektroden 11 leitfähig
verbunden, und eine Einrichtung 32 zum Anlegen einer ersten
Gleichspannung ist über die Elektrodenanschlußfläche 24 und
die leitfähigen Struktur 22 mit der leitfähigen Schicht 20
leitfähig verbunden. Auf die gleiche Art und Weise ist eine
Einrichtung 33 zum Anlegen einer zweiten Gleichspannung
über die Elektrodenanschlußfläche 25 und die leitfähige
Struktur 23 mit der leitfähigen Schicht 20 leitfähig ver
bunden.
In dem Zustand, bei dem durch die Treibereinrichtung be
wirkt wird, daß das Schwingelement 5 einer Erregungsschwin
gung unterworfen ist, wird das einer Erregungsschwingung
unterworfene Schwingelement 5 durch Laserstrahlen 35 aus
einem Laserverschiebungsmeter 34 bestrahlt. Unter Verwen
dung der von dem Schwingelement 5 reflektierten Laserstrah
len werden Signale ansprechend auf Verschiebungen in der X-
und Z-Richtung des Schwingelements 5 von dem Laserverschie
bungsmeter 34 zu einem Oszilloskop 36 ausgegeben.
Die Schwingzustände des Schwingelements 5 in der X-Z-Ebene
können auf dem Bildschirm des Oszilloskops 36 betrachtet
werden. Während eines Betrachtens des Bildschirms des Os
zilloskops 36 verändert ein Schwingungseinstell-Bediener
jeweils die Größen der an die leitfähigen Schichten 20 und
21 angelegten Spannungen, indem die Einrichtung 32 zum An
legen einer ersten Gleichspannung und die Einrichtung 33
zum Anlegen einer zweiten Gleichspannung gesteuert wird.
Der Schwingungseinstell-Bediener erhält daher die optimalen
Werte der an die leitfähigen Schichten 20 und 21 angelegten
Spannung, wobei die Auslenkung des Schwingelements 5 in der
Z-Richtung beseitigt oder auf einen sehr kleinen Betrag un
terdrückt werden kann.
Auf diese Art und Weise werden Schwingungseinstellungen für
das Schwingelement 5 unter Verwendung des Schwingungsmeßsy
stems 30, das in Fig. 7 gezeigt ist, durchgeführt.
Nachdem die optimalen Werte der an die leitfähigen Schich
ten 20 und 21 angelegten Spannungen wie obig beschrieben
erhalten wurden, wird das Resonanzelement 1 von dem Proben
halterstand 31 des Schwingungsmeßsystems 30 entfernt, wobei
dasselbe daraufhin beispielsweise in eine vorbestimmte Sen
sorvorrichtung oder dergleichen eingebaut wird. Die Sensor
vorrichtung, in die das Resonanzelement 1, das die leitfä
higen Schichten 20 und 21 gemäß den Fig. 6A und 6B auf
weist, eingebaut werden soll, ist mit einer Einrichtung zum
jeweiligen Anlegen von Gleichspannungen an die leitfähigen
Schichten 20 und 21 versehen, wobei die Einrichtung derart
eingestellt ist, daß Spannungen, die die optimalen Werte
aufweisen, jeweils an die leitfähigen Schichten 20 und 21
angelegt werden. Dies ermöglicht, daß das Schwingelement 5
des Resonanzelements 1 einer idealen Erregungsschwingung in
der X-Richtung ohne eine Auslenkung in der Z-Richtung un
terworfen werden kann, und daß das Resonanzelement 1 bezüg
lich Charakteristika verbessert ist.
Es existierte jedoch ein Problem, derart, daß ein großes
und aufwendiges Schwingungsmeßsystem 30 erforderlich ist,
um die obig beschriebenen optimalen Werte der an die leit
fähigen Schichten 20 und 21 angelegten Spannungen zu erhal
ten. Ferner, wie es obig beschrieben wurde, war das Verfah
ren zum Einstellen einer Schwingung für das Schwingelement
5 ein manuelles Verfahren, derart, daß der Bediener die op
timalen Werte der an die leitfähigen Schichten 20 und 21
angelegten Spannungen durch ein Steuern der Einrichtung 32
zum Anlegen einer ersten Gleichspannung und der Einrichtung
33 zum Anlegen einer zweiten Gleichspannung während eines
Betrachtens des Bildschirms des Oszilloskops 36 erhält.
Folglich ist die Schwingungseinstellung sowohl aufwendig
als auch zeitverbrauchend.
Ferner, wie es obig beschrieben wurde, existiert ein Pro
blem, derart, daß eine Verbesserung bezüglich der Einstell
genauigkeit durch die Fähigkeit des Bedieners begrenzt ist,
da der Bediener die Schwingungseinstellung für das Schwin
gelement 5 auf der Basis von Schwingungszuständen (Schwin
gungsorten) des Schwingelements 5 in der X-Z-Ebene während
eines Betrachtens des Bildschirms des Oszilloskops 36
durchführt.
Ferner, gemäß dem obig beschriebenen Verfahren zum Einstel
len einer Schwingung, wird das Resonanzelement 1, nachdem
der optimale Wert der an die leitfähigen Schichten 20 und
21 angelegten Spannungen durch das Schwingungsmeßsystem 30
erhalten wurde, von dem Probenhalterstand 31 des Schwingungsmeßsystems
30 entfernt und in eine vorbestimmte Sen
sorvorrichtung oder dergleichen eingebaut. Obwohl durch das
Schwingungsmeßsystem 30 die optimalen Werte der an die
leitfähigen Schichten 20 und 21 angelegten Spannungen er
halten wurden, können sich beispielsweise die Spannungen in
den Tragbalken 7 des Resonanzelements 1 verändern, wenn das
Resonanzelement 1 von dem Probenhalterstand 31 entfernt und
in eine vorbestimmte Sensorvorrichtung eingebaut wird, wo
durch sich die optimalen Spannungswerte der an die leitfä
higen Schichten 20 und 21 angelegten Spannungen zu Spannun
gen verändern können, die sich von den optimalen Spannungs
werten unterscheiden. In einem derartigen Fall wird das
Schwingelement 5 des Resonanzelements 1 in der Sensorvor
richtung keiner optimalen Erregungsschwingung unterworfen
sein.
Wenn sich folglich der optimale Spannungswert der an die
leitfähigen Schichten 20 und 21 angelegten Spannungen ver
ändert hat, wird es notwendig sein, das Resonanzelement 1
erneut in dem Schwingungsmeßsystem 30 anzuordnen und die
obig beschriebene Schwingungseinstellung erneut durchzufüh
ren. Dies ist jedoch sehr lästig und es ist eigentlich
nicht praktikabel, nachdem das Resonanzelement 1 in die
Sensorvorrichtung eingebaut wurde.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vor
richtungen und Verfahren zu schaffen, die es ermöglichen,
eine optimale Schwingungseinstellung eines Schwingelements
auf eine einfache, kostengünstige und zeitlich vorteilhafte
Weise durchzuführen.
Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen gemäß Anspruch 1
oder 9 und Verfahren gemäß den Ansprüchen 12 oder 15 ge
löst.
Die vorliegende Erfindung löst die obig beschriebenen Pro
bleme. Ein erster Vorteil der vorliegenden Erfindung be
steht darin, daß ermöglicht wird, daß die Schwingungseinstellung
für das Schwingelement zum Hemmen der Auslenkung
des Schwingelements (des Schwingkörpers) in der Z-Richtung
während der Erregungsschwingung desselben in der X-Richtung
leicht durchgeführt werden kann, ohne eine große Vorrich
tung zu benötigen. Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß
die Automatisierung der Schwingungseinstellung für das
Schwingelement erleichtert wird. Ein dritter Vorteil be
steht darin, daß ein Resonanzelement geschaffen ist, das
ermöglicht, daß die Schwingungseinstellung für das Schwin
gungselement in dem Zustand durchgeführt werden kann, bei
dem das Schwingelement in die Sensorvorrichtung eingebaut
ist.
Um die Aufgabe zu erreichen, weist die vorliegende Erfin
dung als eine Einrichtung zum Lösen der obig beschriebenen
Probleme die folgenden Beschaffenheiten auf. Gemäß einem
ersten Aspekt umfaßt das Resonanzelement einen Schwingkör
per, der in einer X- und Z-Richtung, die orthogonal zuein
ander sind, in eine Schwingung versetzt werden kann, eine
Erregungseinrichtung, um zu bewirken, daß der Schwingkörper
einer Erregungsschwingung in der X-Richtung unterworfen
wird, eine Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung zum
Erfassen der Auslenkung des Schwingkörpers in der Z-
Richtung während der Erregungsschwingung desselben in der
X-Richtung und eine Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrich
tung zum Hemmen der Auslenkung des Schwingkörpers in der Z-
Richtung.
Das Resonanzelement bildet gemäß einem weiteren Aspekt ei
nen Winkelgeschwindigkeitssensor zum Erfassen der Winkelge
schwindigkeit um eine Y-Achse, die orthogonal zu der X- und
Z-Richtung ist, auf der Basis der Schwingung des Schwing
körpers in der Z-Richtung durch eine Corioliskraft, wobei
der Winkelgeschwindigkeitssensor eine Z-Richtungs-
Schwingungserfassungseinrichtung zum Erfassen der Schwin
gung des Schwingkörpers in der Z-Richtung aufweist, wobei
die Z-Richtungs-Schwingungserfassungseinrichtung auch als
eine Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung dient.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Erregungsauslenkungs-
Erfassungseinrichtung aus einer Erfassungselektrode zum Er
fassen der Änderung der elektrostatischen Kapazität bezüg
lich des Schwingkörpers ansprechend auf die Schwingung des
Schwingkörpers in der Z-Richtung gebildet, wobei die Erre
gungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung die Veränderung der
erfaßten elektrostatischen Kapazität durch die Erfassungse
lektrode während der Erregungsschwingung desselben in der
X-Richtung als eine Auslenkung des Schwingkörpers in der Z-
Richtung erfaßt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Schwingkörper derart
angeordnet, daß derselbe der Ebene der X-Y-Ebenenrichtung
des stationären Substrats gegenüber liegt, wobei der
Schwingkörper einen Planar-Schwingkörper bildet, der über
Tragebalken durch das stationäre Substrat getragen ist, um
in der X-Richtung in eine Schwingung versetzt werden zu
können.
Gemäß einem weiteren Aspekt richtet sich die Erfindung auf
ein Verfahren zum Einstellen einer Schwingung für ein Reso
nanzelement, das einen Schwingkörper, der in einer X- und
Z-Richtung, die orthogonal zueinander sind, in eine Schwin
gung versetzt werden kann, eine Erregungseinrichtung, um zu
bewirken, daß der Schwingkörper einer Erregungsschwingung
in der X-Richtung unterworfen wird, eine Erfassungselektro
de zum Erfassen der Veränderung der elektrostatischen Kapa
zität bezüglich des Schwingkörpers ansprechend auf die
Schwingung desselben in der Z-Richtung und eine Erregungs
auslenkungs-Hemmungseinrichtung umfaßt, die elektrostati
sche Anziehungskräfte auf den Schwingkörper gibt und durch
die elektrostatischen Anziehungskräfte die Auslenkung des
Schwingkörpers in der Z-Richtung während der Erregungs
schwingung desselben in der X-Richtung hemmt. Bei dem Ver
fahren zum Einstellen einer Schwingung gemäß diesem Aspekt
wird die Veränderung der durch die Erfassungselektrode er
faßten elektrostatischen Kapazität als eine Auslenkung des
Schwingkörpers in der Z-Richtung erfaßt, während durch die
Erregungseinrichtung bewirkt wird, daß der Schwingkörper
einer Erregungsschwingung in der X-Richtung unterworfen
ist, wobei die elektrostatischen Anziehungskräfte, die
durch die Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung auf den
Schwingkörper gegeben werden, in der Richtung derart ge
steuert werden, daß die Veränderung der durch die Erfas
sungselektrode erfaßten elektrostatischen Kapazität unter
drückt ist.
Das Verfahren zum Einstellen einer Schwingung für ein Reso
nanzelement wandelt gemäß einem weiteren Aspekt die durch
die Erfassungselektrode erfaßte elektrostatische Kapazität
in eine Spannung um, wobei die Auslenkung des Schwingkör
pers in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung des
selben in der X-Richtung auf der Basis der Veränderung der
Spannung erfaßt wird.
Das Verfahren zum Einstellen einer Schwingung für ein Reso
nanzelement wandelt gemäß einem weiteren Aspekt die erfaßte
elektrostatische Kapazität durch die Erfassungselektrode in
eine Spannung unter Verwendung einer Kapazität-Spannung-
Umwandlungseinrichtung, die Feldeffekttransistoren (FETs)
aufweist, um.
Bei einem Verfahren zum Einstellen einer Schwingung für ein
Resonanzelement bildet das Resonanzelement gemäß einem wei
teren Aspekt einen Winkelgeschwindigkeitssensor zum Erfas
sen einer Winkelgeschwindigkeit um die Y-Achse durch eine
Corioliskraft auf der Basis der Schwingung des Schwingkör
pers in der Z-Richtung. Der Winkelgeschwindigkeitssensor
weist eine Z-Richtungs-Schwingungserfassungseinrichtung zum
Erfassen der Schwingung des Schwingkörpers in der Z-
Richtung unter Verwendung der Veränderung der elektrostati
schen Kapazität und eine Kapazität-Spannung-
Umwandlungseinrichtung auf, um die durch die Erfassungse
lektrode erfaßte elektrostatische Kapazität in eine Span
nung umzuwandeln, wobei die Z-Richtungs-
Schwingungserfassungseinrichtung auch als eine Erregungs
auslenkungs-Erfassungseinrichtung dient, wobei die Kapazi
tät-Spannung-Umwandlungseinrichtung ferner als eine Kapazi
tät-Spannung-Umwandlungseinrichtung zum Erfassen einer Er
regungsauslenkung dient.
Wenn bei der vorliegenden Erfindung für das Resonanzelement
durch ein Bereitstellen des Resonanzelements mit einer Er
regungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung und der Erregungs
auslenkungs-Hemmungseinrichtung eine Schwingungseinstellung
durchgeführt wird, wird die Auslenkung des Schwingkörpers
in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung desselben
in der X-Richtung durch die Erregungsauslenkungs-
Erfassungseinrichtung erfaßt, wobei die Erregungsauslen
kungs-Hemmungseinrichtung in einer Richtung derart einge
stellt wird, daß die Auslenkung in der Z-Richtung beseitigt
ist. Dadurch kann die Auslenkung des Schwingkörpers in der
Z-Richtung während der Erregungsschwingung desselben in der
X-Richtung gehemmt werden, wodurch bewirkt werden kann, daß
der Schwingkörper einer idealen Erregungsschwingung in der
X-Richtung unterworfen ist. Dies ermöglicht, daß das Pro
blem der Verschlechterung von Charakteristika des Resonan
zelements, das durch die Auslenkung des Schwingkörpers in
der Z-Richtung bewirkt wird, vermieden wird.
Da das Resonanzelement selbst mit der Schwingungsauslen
kungserfassungseinrichtung versehen ist, besteht kein Be
darf nach einer großen Ausrüstung zum Messen der Schwin
gungszustände des Schwingkörpers, wie es obig beschrieben
ist, was zu einer Reduzierung der Ausrüstungskosten führt.
Ferner, da die Schwingungseinstellung für das Schwingele
ment des Resonanzelements in dem Zustand durchgeführt wer
den kann, bei dem das Schwingelement in die Sensorvorrich
tung eingebaut ist, ist es möglich, das Problem zu verhin
dern, daß, obwohl die Schwingungseinstellung für den
Schwingkörper durchgeführt wurde, sich Spannungen, bei
spielsweise in den Tragebalken, die den Schwingkörper tragen,
sich verändern, wenn das Resonanzelement in die Sen
sorvorrichtung eingebaut wird, wodurch als Ergebnis der
Schwingkörper keiner idealen Erregungsschwingung unterwor
fen ist.
Für den Zweck einer Darstellung der Erfindung sind in den
Zeichnungen mehrere Formen gezeigt, die momentan bevorzugt
sind, wobei es jedoch zu verstehen ist, daß die Erfindung
nicht auf die gezeigten präzisen Anordnungen und Meßein
richtungen begrenzt ist.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung offen
sichtlich werden, die sich auf die begleitenden Zeichnungen
bezieht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erklärende Ansicht, die ein Ausführungsbei
spiel eines Resonanzelements gemäß der vorlie
genden Erfindung zusammen mit dem Hauptaufbau
eines charakteristischen Schwingungseinstellsy
stems zeigt;
Fig. 2 einen Graphen, der ein Beispiel der Spannungs
signalform ansprechend auf die elektrostatische
Kapazität zwischen einem Schwingelement und ei
ner Erfassungselektrode zeigt;
Fig. 3 einen Graphen, der ein Beispiel der Veränderung
der Spannung ansprechend auf die elektrostati
sche Kapazität zwischen einem Schwingelement und
einer Erfassungselektrode gemäß der Veränderung
der an die leitfähigen Schichten angelegten
Spannungen zeigt;
Fig. 4 eine erklärende Ansicht, die ein Beispiel einer
Konfiguration einer Hauptschaltung der Sensor
vorrichtung zeigt, in das ein Resonanzelement
als ein Winkelgeschwindigkeitssensor eingebaut
werden soll;
Fig. 5A und 5B erklärende Ansichten, die ein weiteres Ausfüh
rungsbeispiel eines Resonanzelements zeigen;
Fig. 6A und 6B erklärende Ansichten, die ein Beispiel eines be
kannten Resonanzelements zeigen;
Fig. 7 ein Modelldiagramm, das ein Beispiel eines be
kannten Systems zum Durchführen der Schwingungs
einstellung für ein Resonanzelement zeigt;
Fig. 8A und 8B erklärende Ansichten, die ein Beispiel eines
Schwingungszustands eines Schwingkörpers in
einer X-Z-Ebene zeigen;
Fig. 9A und 9B erklärende Ansichten, die ein weiteres bekanntes
Beispiel eines Resonanzelements zeigen; und
Fig. 10A und 10B erklärende Ansichten, die Bewegungen eines
Schwingkörpers in der X-Z-Ebene darstellen.
Die Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung
werden hierin nachfolgend auf der Basis der Zeichnungen er
klärt.
Fig. 1A und 1B zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Reso
nanzelements gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit
einem Schwingungseinstellsystem zum Charakterisieren des
Resonanzelements. Bei den Beschreibungen dieses Ausfüh
rungsbeispiels sind die gleichen Komponenten wie bei den
obig beschriebenen Beispielen von bekannten Resonanzelemen
ten durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei
wiederholende Erklärungen der allgemeinen Komponenten aus
gelassen sind.
Das Resonanzelement 1, das in den Fig. 1A und 1B gezeigt
ist, kann als ein Beschleunigungssensor, ein Winkelge
schwindigkeitssensor, ein Drucksensor, ein Filter oder der
gleichen verwendet werden. Das Resonanzelement 1 weist im
wesentlichen den gleichen Aufbau wie das bekannte Resonan
zelement, das in Fig. 6 gezeigt ist, auf, wobei dieses Aus
führungsbeispiel dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Er
fassungselektrode 40, die eine Erregungsauslenkungs-
Erfassungseinrichtung darstellt, auf der oberen Oberfläche
2a des stationären Substrats 2 derart angeordnet ist, daß
sie dem Schwingelement 5 gegenüberliegt und von demselben
beabstandet ist.
Da das Schwingelement 5 aus Polysilizium gebildet ist und
eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, ist es durch ein
Bilden der obig erwähnten Erfassungselektrode 40 möglich,
durch die Erfassungselektrode 40 eine Veränderung des Ab
stands zwischen der oberen Oberfläche 2a des stationären
Substrats 2 und des Schwingelements 5, d. h. die Schwingung
(Auslenkung) des Schwingelements 5 in der Z-Richtung, als
eine Veränderung der elektrostatischen Kapazität zu erfas
sen.
Wenn das Resonanzelement 1 als ein Winkelgeschwindigkeits
sensor verwendet wird, ist beispielsweise die Erfassungse
lektrode 40 gleichartig zu der obig beschriebenen auf der
oberen Oberfläche 2a des stationären Substrats 2 als eine
Z-Richtungs-Schwingungserfassungseinrichtung gebildet, um
die Schwingungsamplitude des Schwingelements 5 in der Z-
Richtung aufgrund einer Corioliskraft zu erfassen. In einem
derartigen Fall dient die Z-Richtungs-
Schwingungserfassungseinrichtung (Erfassungselektrode 40)
ferner als eine Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung.
Das charakteristische Schwingungseinstellsystem dieses Aus
führungsbeispiels, das in Fig. 1 gezeigt ist, ist angeord
net, um eine Schwingungseinstellung bezüglich des Resonan
zelements 1, das die obig beschriebene Erregungsauslen
kungs-Erfassungseinrichtung (Erfassungselektrode 40) auf
weist, durchzuführen, wobei dasselbe eine Einrichtung 41
zum Anlegen einer ersten Gleichspannung und eine Einrich
tung 42 zum Anlegen einer zweiten Gleichspannung, eine Ka
pazität-Spannung-Umwandlungseinrichtung 43, einen Verstär
ker 44 und eine Treibereinrichtung 45 aufweist.
Die Einrichtung 41 zum Anlegen einer ersten Gleichspannung
und die Einrichtung 42 zum Anlegen einer zweiten Gleich
spannung sind mit leitfähigen Schichten 20 bzw. 21 leitfä
hig verbunden und sind in der Lage, Gleichspannungen an die
jeweiligen leitfähigen Schichten 20 und 21 anzulegen und
die Größe der anzulegenden Gleichspannungen zu verändern.
Die Kapazität-Spannung-Umwandlungseinrichtung 43 weist ei
nen Feldeffekttransistor 46 und einen Quelle-Widerstand 47
auf. Gemäß Fig. 1 ist die Gate-Seite des FET 46 mit der Er
fassungselektrode 40 leitfähig verbunden, wobei eine End
seite des Quelle-Widerstands 47 mit der Source-Seite des
FET 46 verbunden ist, während die andere Endseite des Quel
le-Widerstands 47 auf Masse liegt.
Bei der Kapazität-Spannung-Umwandlungseinrichtung 43 tritt
die Spannung, die der elektrostatischen Kapazität zwischen
dem Schwingelement 5 und der Erfassungselektrode 40 ent
spricht, an einem Verbindungspunkt P zwischen der Source-
Seite des FET 46 und dem Quelle-Widerstand 47 auf. Mit an
deren Worten gesagt, wandelt die Kapazität-Spannung-
Umwandlungseinrichtung 43 die elektrostatische Kapazität
zwischen dem Schwingelement 5 und der Erfassungselektrode
40 in eine Spannung um und gibt die Spannung von dem Ver
bindungspunkt P aus. Der Verstärker 44 ist mit dem Verbin
dungspunkt P verbunden und verstärkt die Spannung, die der
elektrostatischen Kapazität zwischen dem Schwingelement 5
und der Erfassungselektrode 40 entspricht, und gibt diesel
be aus.
Bei dem Schwingungseinstellsystem bei diesem dargestellten
Ausführungsbeispiel kann die Schwingung (die Auslenkung)
des Schwingelements 5 in der Z-Richtung als eine Spannungs
veränderung erfaßt werden, da die Kapazität-Spannung-
Umwandlungseinrichtung 43 die elektrostatische Kapazität,
die durch die Erfassungselektrode 40 erfaßt wird, in eine
Spannung umwandelt.
Die Treibereinrichtung 45 weist eine Wechselleistungsquelle
48 und einen Phasenumkehrabschnitt 49 auf. Eine der Statio
när-Seitenkammelektroden 11a und 11b des Resonanzelements 1
ist direkt mit der Wechselleistungsquelle 48 leitfähig ver
bunden, während die andere über den Phasenumkehrabschnitt
49 mit der Wechselleistungsquelle 48 leitfähig verbunden
ist. Durch diese Treibereinrichtung 45 werden Wechselspan
nungen, die sich bezüglich der Phase um 180° voneinander
unterscheiden, jeweils auf die Stationär-
Seitenkammelektroden 11a und 11b des Resonanzelements 1 an
gelegt, wodurch das Schwingelement 5 einer Erregung in der
X-Richtung unterworfen werden kann.
Ein Verfahren zum Einstellen einer Schwingung für das Reso
nanzelement 1 kann beispielsweise ein leitfähiges Verbinden
eines Oszilloskops (das nicht gezeigt ist) mit der Aus
gangsseite des Verstärkers 44 und ein darauffolgendes Un
terwerfen des Schwingelements 5 einer Erregungsschwingung
in der X-Richtung umfassen, während der Signalverlauf des
Spannungsausgangssignals durch den Verstärker 44 auf dem
Bildschirm des Oszilloskops betrachtet wird.
In manchen Fällen ist mit dem Oszilloskop ein Spannungs
signalverlauf, wie er durch eine durchgehende Linie A in
Fig. 2 angezeigt ist, zu sehen, obwohl während der Erre
gungsschwingung des Schwingelements 5 keine Winkelgeschwin
digkeit um die Y-Achse angelegt ist, wobei sich der Spannungssignalverlauf
ansprechend auf die Erregungsschwingung
des Schwingelements 5 in der X-Richtung verändert.
In einem solchen Fall, da eine Auslenkung in der Z-Richtung
während der Erregungsschwingung des Schwingelements 5 auf
tritt, wird eine Schwingungseinstellung für das Schwingele
ment 5 durchgeführt. Beispielsweise werden die Gleichspan
nungen, die jeweils an die leitfähigen Schichten 20 und 21
angelegt werden, durch ein Steuern der Einrichtung 41 zum
Anlegen einer ersten Gleichspannung oder der Einrichtung 42
zum Anlegen einer zweiten Gleichspannung verändert, während
die Spannungssignalverläufe betrachtet werden, die auf dem
Bildschirm des Oszilloskops auftreten. Die an die leitfähi
gen Schichten 20 und 21 angelegten Spannungen werden zu dem
Zeitpunkt, wenn der Spannungssignalverlauf auf dem Bild
schirm des Oszilloskops ein Signalverlauf wird, bei dem im
wesentlichen keine Schwingungsamplitude gesehen werden kann
und bei dem sich die Spannung einer gegebenen Spannung an
nähert, wie es durch die gepunktete Linie B in Fig. 2 ange
zeigt ist, d. h. zu dem Zeitpunkt, wenn die Veränderung der
durch die Erfassungselektrode 40 erfaßten elektrostatischen
Kapazität verschwindet oder im wesentlichen entfernt ist,
als das Spannungsoptimum der Schwingungseinstellung für das
Schwingelement 5 erfaßt.
Wenn beispielsweise ein Spannungssignalverlauf, der durch
die durchgehende Linie A in Fig. 2 angezeigt ist, auf dem
Bildschirm des Oszilloskops beispielsweise in dem Zustand
betrachtet wird, bei dem die leitfähigen Schicht 20 des Re
sonanzelements 1 auf einer gegebenen Spannung (beispiels
weise 0 Volt) beibehalten wird, wird die an die leitfähige
Schicht 21 angelegte Spannung durch ein veränderliches
Steuern der Einrichtung 42 zum Anlegen einer zweiten Span
nung verändert, während der Spannungssignalverlauf auf dem
Bildschirm des Oszilloskops betrachtet wird. Die Spannung
wird zu dem Zeitpunkt, wenn sich der Spannungssignalverlauf
auf dem Bildschirm des Oszilloskops einer Signalform annä
hert, bei der im wesentlichen keine Schwingungsamplitude
gesehen werden kann, wie es durch die gepunktete Linie B in
Fig. 2 angezeigt ist, als die optimale Spannung für die
leitfähige Schicht 21 erfaßt. Diese erfaßte optimale Span
nung für die leitfähige Schicht 21 und die festgelegte
Spannung (beispielsweise 0 Volt) der obig beschriebenen
leitfähigen Schicht 20 werden als das Optimum der Spannun
gen für das Schwingelement 5 erfaßt.
Im Gegensatz dazu kann die angelegte Spannung für die leit
fähige Schicht 20 in dem Zustand verändert werden, bei dem
die leitfähige Schicht 21 auf einer gegebenen Spannung
(beispielsweise 0 Volt) beibehalten wird, wobei die Span
nung zu dem Zeitpunkt, wenn sich der Spannungssignalverlauf
auf dem Bildschirm des Oszilloskops einer Schwingungsampli
tude annähert, bei der im wesentlichen keine Schwingungsam
plitude gesehen werden kann, wie es durch die gepunktete
Linie B in Fig. 2 angezeigt ist, als die optimale Spannung
für die leitfähige Schicht 20 erfaßt werden kann, wodurch
das Spannungsoptimum für die Schwingungseinstellung des
Schwingelements 5 erfaßt wird. Das Spannungsoptimum für die
Schwingungseinstellung des Schwingelements 5 kann ferner
durch ein einzelnes Verändern der angelegten Spannungen für
die leitfähigen Schichten 20 und 21 erfaßt werden, wodurch
die optimalen Spannungen an die leitfähigen Schichten 20
und 21 erhalten werden.
Wie es obig beschrieben ist, kann bewirkt werden, daß das
Schwingelement 5 einer idealen Erregungsschwingung im we
sentlichen ohne eine Auslenkung in der Z-Richtung unterwor
fen wird, indem die Schwingungseinstellung für das Schwin
gelement 5 durch ein Steuern der an die leitfähigen Schich
ten 20 und 21 angelegten Spannungen durchgeführt wird.
Die obig beschriebene Wirkung wurde in Experimenten durch
den vorliegenden Erfinder verifiziert. Bei diesen Experi
menten hat der Erfinder das Resonanzelement 1, das bei die
sem Ausführungsbeispiel einen charakteristischen Aufbau
aufweist, in das in Fig. 1 gezeigte Schwingungseinstellsystem
eingebaut, wobei in dem Zustand, bei dem die leitfähi
ge Schicht 20 auf eine gegebenen Spannung (beispielsweise 0 Volt)
festgelegt ist, der Erfinder untersuchte, wie sich
der Spannungssignalverlauf, der durch den Verbindungspunkt
P der obig beschriebenen Kapazität-Spannung-Umwandlungs
einrichtung ausgegeben ist, verändert, wenn die angelegte
Spannung V21 der obig beschriebenen leitfähigen Schicht 21
verändert wird.
Fig. 3 stellt einen Graph dar, der die experimentellen Er
gebnisse darstellt. In Fig. 3 bezeichnet die horizontale
Achse die an die leitfähige Schicht 21 angelegte Spannung,
während die vertikale Achse die Amplitude des durch den
Verbindungspunkt P der Kapazität-Spannung-
Umwandlungseinrichtung 43 ausgegebenen Spannungssignalver
laufs kennzeichnet. Bei den obig beschriebenen Experimenten
weist die Erfassungselektrode 40 eine Abmessung von
0,5 × 0,5 mm auf, wobei der Abstand zwischen der Erfas
sungselektrode 40 und dem Schwingelement 5 2 mm beträgt.
Das Schwingelement 5 ist einer Erregungsschwingung in der
X-Richtung mit der Frequenz von 7,623 kHz unterworfen.
Gemäß Fig. 3, wenn die an die obig beschriebene leitfähige
Schicht 21 angelegte Spannung V21 verändert wird, verändert
sich die Amplitude des durch den Verbindungspunkt P ausge
gebenen Spannungssignalverlaufs der Kapazität-Spannung-
Umwandlungseinrichtung 43, wobei die Amplitude des Span
nungssignalverlaufs an dem Verbindungspunkt P bei dem Punkt
Q (bei diesem Punkt beträgt die angelegte Spannung V21 9,34 V)
minimiert ist. Gemäß der untersuchten Bewegung des
Schwingelements 5 in der X-Z-Ebene wies das Schwingelement
5 Orte, wie sie in Fig. 8B gezeigt sind, auf. Das heißt,
daß das Schwingelement 5 einer Erregungsschwingung horizon
tal in der X-Richtung entlang der Ebene des stationären
Substrats in der X-Y-Ebenenrichtung und im wesentlichen oh
ne eine Auslenkung in der Z-Richtung unterworfen wurde, wie
es in Fig. 100 dargestellt ist.
Gemäß diesen experimentellen Ergebnissen kann, indem die
Schwingungseinstellung für das Schwingelement 5 so durchge
führt wird, daß die Veränderung der durch die Erfassungse
lektrode 40 erfaßten elektrostatischen Kapazität unter
drückt wird, bewirkt werden, daß das Schwingelement 5 einer
Erregung in der X-Richtung unterworfen wird.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Konfiguration einer Haupt
schaltung der Sensorvorrichtung 50, in das ein Resonanzele
ment 1 als ein Winkelgeschwindigkeitssensor eingebaut wur
de. Bei der Sensorvorrichtung 50 wird durch ein Anlegen von
Wechselspannungen, die sich bezüglich der Phase um 180° un
terscheiden, an die Stationär-Seitenkammelektroden 11a bzw.
11b des Resonanzelements durch die Treibereinrichtung 45
bewirkt, daß das Schwingelement 5 einer Erregungsschwingung
in der X-Richtung unterworfen ist. Gleichzeitig wird auf
grund der Winkelgeschwindigkeit um die Y-Achse eine Corio
liskraft auf das Schwingelement 5 ausgeübt. Eine Verände
rung der elektrostatischen Kapazität bezüglich des Schwin
gelements 5, die sich aus der Schwingung des Schwingele
ments 5 in der Z-Richtung ergibt, wird durch die Erfas
sungselektrode 40 ausgegeben, wobei die elektrostatische
Kapazität durch den Kapazität-Spannung-Umwandler 43 in eine
Spannung umgewandelt wird. Die Spannung nach der Umwandlung
wird durch den Verstärker 44 verstärkt und über ein Band
paßfilter (BPF) 51 und einen Phasenschieber 52 an den Pha
senerfassungsabschnitt 53 angelegt.
Der Phasenerfassungsabschnitt 53 nimmt die Wechselspannung,
die durch eine Wechselleistungsquelle 48 ausgegeben wird,
als ein Referenzsignal und führt durch den Phasenschieber
abschnitt 52 unter Verwendung des Referenzsignals eine Pha
senerfassung bezüglich der angelegten Spannung durch. Das
durch diese Phasenerfassung erhaltene Signal wird über ein
Tiefpaßfilter (LPF; LPF = low-pass filter) und den Verstär
ker 55 als ein Erfassungssignal für eine Winkelgeschwindig
keit um die Y-Achse ausgegeben.
Gemäß Fig. 4 weist der Winkelgeschwindigkeitssensor 50 die
Einrichtung 41 zum Anlegen einer ersten Wechselspannung und
die Einrichtung 42 zum Anlegen einer zweiten Wechselspan
nung, die Kapazität-Spannung-Umwandlungseinrichtung 43, den
Verstärker 44 und die Treibereinrichtung 50 auf, die das
Schwingungseinstellsystem, das in Fig. 1 gezeigt ist, bil
den. Wenn eine Schwingungseinstellung für das Resonanzele
ment 1, das als ein Winkelgeschwindigkeitssensor gebildet
ist, durchgeführt wird, ist es daher möglich, nach einem
Einbauen des Resonanzelements 1 in die Sensorvorrichtung 50
die obig beschriebenen Einrichtung 41 zum Anlegen einer er
sten Wechselspannung und Einrichtung 42 zum Anlegen einer
zweiten Wechselspannung, die Kapazität-Spannung-
Umwandlungseinrichtung 43, den Verstärker 44 und die Trei
bereinrichtung 50 zu verwenden, um eine Schwingungseinstel
lung für das Resonanzelement 1 durchzuführen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann, da das Resonanzele
ment 1 derart aufgebaut ist, daß es eine Erfassungselektro
de 40 aufweist und die Auslenkung des Schwingelements 5 in
der Z-Richtung durch diese Erfassungselektrode unter Ver
wendung der Veränderung der elektrostatischen Kapazität er
faßt, die Schwingungseinrichtung durch das einfache Schwin
gungseinstellsystem, das in Fig. 1 gezeigt ist, durchge
führt werden, ohne ein großes Schwingungsmeßsystem, wie
beispielsweise das System, das in Fig. 7 gezeigt ist, zu
benötigen.
Da die Schwingungseinstellung für das Schwingelement 5
leicht durchgeführt werden kann, können die Zeit, die für
die Schwingungseinstellung des Schwingelements 5 erforder
lich ist, und die Kosten eines Einstellens reduziert wer
den. Ferner, da dieses Ausführungsbeispiel so gebildet ist,
daß die Auslenkung des Schwingelements 5 in der Z-Richtung
unter Verwendung der Veränderung der elektrostatischen Ka
pazität erfaßt wird, kann die Auslenkung des Schwingele
ments 5 in der Z-Richtung mit einer wesentlich höheren Ge
nauigkeit als in dem Fall erfaßt werden, bei dem die Auslenkung
des Schwingelements 5 in der Z-Richtung unter Ver
wendung von Laserstrahlen, wie es obig beschrieben wurde,
erfaßt wird. Dies ergibt eine Verbesserung der Genauigkeit
der Schwingungseinstellung für das Schwingelement 5.
Zusätzlich zu einem einfachen Aufbau weist das charakteri
stische Schwingungseinstellsystem bei diesem Ausführungs
beispiel ferner Merkmale wie obig beschrieben auf, wie bei
spielsweise zum Erfassen der Auslenkung des Schwingelements
5 in der Z-Richtung unter Verwendung der Veränderung der
elektrostatischen Kapazität, zum Umwandeln der elektrosta
tischen Kapazität in eine Spannung und zum Erfassen der
Veränderung der elektrostatischen Kapazität auf der Basis
der Veränderung der Spannung. Dadurch kann die Automatisie
rung der Schwingungseinstellung, bei der der optimale Wert
der angelegten Spannungen für die obig beschriebenen leit
fähigen Schichten 20 und 21 unter Verwendung der Verände
rung der Spannung ansprechend auf die Auslenkung des
Schwingelements 5 in der Z-Richtung erhalten wird, leicht
erreicht werden.
Ferner kann in dem Fall eines Winkelgeschwindigkeitssen
sors, da eine Z-Richtungs-Schwingungserfassungseinrichtung
(Erfassungselektrode 40) zum Erfassen der Schwingung des
Schwingelements 5 in der Z-Richtung aufgrund einer Corio
liskraft vorgesehen ist, bewirkt werden, daß die Z-
Richtungs-Schwingungserfassungseinrichtung eine doppelte
Aufgabe als eine Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung
für eine Schwingungseinstellung erfüllt. Dadurch kann die
Schwingungseinstellung, wie es obig beschrieben ist, leicht
und mit einer hohen Genauigkeit ohne die Erfordernis einer
Veränderung des Entwurfs durchgeführt werden.
Zusätzlich, da die Einheiten, die das in Fig. 1 gezeigte
Schwingungseinstellsystem, bilden, in der Sensorvorrichtung
50 untergebracht sind, in die das Resonanzelement 1 als ein
Winkelgeschwindigkeitssensor eingebaut werden soll, kann
die Schwingungseinstellung des Winkelgeschwindigkeitssensors
in dem Zustand durchgeführt werden, bei dem der Win
kelgeschwindigkeitssensor in die Sensorvorrichtung 50 ein
gebaut wurde. Dies ermöglicht, daß das Problem auftritt,
daß, obwohl eine Schwingungseinstellung durchgeführt wurde,
sich die Spannungen in den Tragebalken 7 des Schwingele
ments 5 verändern, wenn das Resonanzelement 1 in die Sen
sorvorrichtung 50 eingebaut wird und sich die optimalen an
die leitfähigen Schichten 20 und 21 angelegten Spannungen
verändern, mit dem Ergebnis, daß nicht geeignet bewirkt
werden kann, daß das Schwingelement 5 des Winkelgeschwin
digkeitssensors einer Erregungsschwingung ohne eine Auslen
kung in der Z-Richtung unterworfen ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das obig beschrie
bene Ausführungsbeispiel begrenzt, sondern es können ver
schiedene Ausführungsbeispiele angenommen werden. Bei
spielsweise ist bei dem obig beschriebenen Ausführungsbei
spiel die Erfassungselektrode 40 auf dem stationären Sub
strat 2 angeordnet, wobei jedoch, beispielsweise wenn ein
Abdeckbauglied existiert, das die obere Seite des Schwing
elements 5 mit einem Abstand dazwischen überdeckt, die Er
fassungselektrode 40 auf dem Abdeckbauglied in dem Bereich,
der dem Schwingelement 5 gegenüberliegt, angeordnet sein
kann. Die Erfassungselektroden 40 können ferner auf beiden
Seiten des stationären Substrats 2 und des Abdeckbauglieds
vorgesehen sein. Das gleiche trifft für die leitfähigen
Schichten 20 und 21 zu. Das heißt, daß die leitfähigen
Schichten 20 und 21 nicht nur auf dem stationären Substrat
2, sondern auch auf dem obig erwähnten Abdeckbauglied oder
sowohl auf dem stationären Substrat 2 als auch auf dem Ab
deckbauglied vorgesehen sein können.
Ferner ist die Erfassungselektrode 40 derart angeordnet,
daß sie dem Mittelbereich des Schwingelements 5 über einen
Spalt gegenüber liegt. Die Erfassungselektrode 40 kann bei
spielsweise derart angeordnet sein, daß sie beiden Kanten
bereichen des Schwingelements 5 über einen Spalt in der X-
Richtung gegenüberliegt.
Ferner ist die Konfiguration des Resonanzelements 1 nicht
auf diejenige des dargestellten Ausführungsbeispiels be
grenzt. Die vorliegende Erfindung kann auf Resonanzelemente
1 angewendet werden, die verschiedene Konfigurationen auf
weisen. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf
das Resonanzelement 1 gemäß den Fig. 5A und 5B angewendet
werden. In den Fig. 5A und 5B ist ein Hohlraum (eine Ver
tiefung) 57 in der oberen Oberfläche 2a gebildet, die eine
Ebene in der X-Y-Ebenenrichtung des stationären Substrats 2
ist, das aus Glas hergestellt ist. Die untere Oberfläche
57a dieses Hohlraums 57 bildet wie die obere Oberfläche 2a
eine Ebene in der X-Y-Ebene, wobei ein Planar-Schwingkörper
6 derart angeordnet ist, daß er der unteren Oberfläche 57a
über einen Spalt in der Z-Richtung gegenüberliegt.
Der Planar-Schwingkörper 6, der in den Fig. 5A und 5B ge
zeigt ist, ist ein kombinierter Körper, bei dem ein Gewicht
9 mit der Innenseite eines Rahmenkörpers 60 durch vier Ver
bindungsbalken (Erfassungsbalken) 61 verbunden ist. Das Ge
wicht 9 weist eine quadratische Form auf, wobei jeder der
Verbindungsbalken eine Form des Buchstabens L aufweist. Die
Enden der kürzeren Seiten 62 der in der Form des Buchsta
bens L gebildeten Verbindungsbalken 61 übertragen an und
sind jeweils mit den vier Ecken des Gewichts 9 verbunden.
Die längeren Seiten 63 der L-förmigen Verbindungsbalken 61
erstrecken sich jeweils von den kürzeren Seiten 62 über ei
nen Spalt entlang den Seiten des Rahmenkörpers 60, wobei
die Enden der Verlängerungsabschnitte derselben jeweils an
die Ecken des Rahmenkörpers 60 übertragen sind und mit den
selben verbunden sind.
Eine Mehrzahl von Befestigungsabschnitten 8 (vier Befesti
gungsabschnitte in der Figur) ist jeweils stationär auf dem
stationären Substrat 2 über Spalten angeordnet, um den
Planar-Schwingkörper 6 zu umgeben, wobei der Planar-
Schwingkörper 6 durch hakenklauenförmige Tragebalken
(Treibbalken) 7 getragen ist, um in der X-Richtung in eine
Schwingung versetzt werden zu können.
Sowohl auf der rechten als auch auf der linken Seite (gemäß
einer Ansicht in Fig. 5A) des Planar-Schwingkörpers 6 sind
Beweglich-Seitenkammelektroden 10 (10a und 10b) auswärts in
der X-Richtung gebildet, während sich Stationär-
Seitenkammelektroden 11 (11a und 11b) jeweils von dem Befe
stigungsabschnitt 64 derart erstrecken, daß sie mit den
obig erwähnten Beweglich-Seitenkammelektroden 10 über einen
Spalt interdigital angeordnet sind. Diese Beweglich-
Seitenkammelektroden 10 und Stationär-Seitenkammelektroden
11 bilden eine Erregungseinrichtung.
Das Resonanzelement 1 der Fig. 5A und 5B ist gleichartig zu
dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit leitfähigen
Schichten 20 und 21 und einer Erfassungselektrode 40 verse
hen, die eine Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung
zum Erfassen der Auslenkung des Gewichts 9 (Planar-
Schwingkörper 6) in der Z-Richtung ist. Durch ein Durchfüh
ren einer Schwingungseinstellung auf die gleiche Weise, wie
eine Schwingungseinstellung für das Ausführungsbeispiel von
Fig. 1 durchgeführt wird, kann bewirkt werden, daß das Ge
wicht 9 (Planar-Schwingkörper 6) einer idealen Erregungs
schwingung unterworfen wird.
Da das Resonanzelement 1 mit einer Erregungsauslenkungs-
Hemmungseinrichtung ebenso wie mit der Erregungsauslen
kungs-Erfassungseinrichtung versehen ist, kann die Auslen
kung des Schwingkörpers in der Z-Richtung während der Erre
gungsschwingung desselben in der X-Richtung erfaßt werden,
wobei die Auslenkung des Schwingkörpers in der Z-Richtung
durch die obig beschriebene Erregungsauslenkungs-
Hemmungseinrichtung ohne die Erfordernis einer großen Aus
rüstung zum Messen der Schwingungszustände des Schwingkör
pers gehemmt werden kann. Dadurch kann bewirkt werden, daß
der Schwingkörper einer idealen Erregungsschwingung in der
X-Richtung ohne eine Auslenkung in der Z-Richtung unterworfen
wird, wodurch es folglich leicht ist, Charakteristika
des Resonanzelements zu verbessern.
Bei dem Resonanzelement, das einen Winkelgeschwindigkeits
sensor bildet, kann, da es möglich ist, daß die Z-
Richtungs-Schwingungserfassungseinrichtung eine doppelte
Aufgabe als eine Erregungsschwingungsauslenkungserfassungs
einrichtung erfüllt, ein Resonanzelement, das hervorragende
Charakteristika aufweist, ohne eine große Änderung in dem
Entwurf geschaffen werden.
Bei der Erregungsschwingungsauslenkungs-Erfassungseinrich
tung, die aus einer Erfassungseinrichtung für die Verände
rung der elektrostatischen Kapazität bezüglich des Schwing
körpers ansprechend auf die Schwingung desselben in die Z-
Richtung gebildet ist, ist es möglich, da die Auslenkung
des Schwingkörpers in der Z-Richtung durch einen sehr ein
fachen Aufbau mit einer höheren Genauigkeit erfaßt werden
kann, die Auslenkung des Schwingkörpers in der Z-Richtung
während der Erregungsschwingung desselben in der X-Richtung
sicherer zu hemmen, wodurch ein Resonanzelement, das her
vorragende Charakteristika aufweist, geschaffen ist.
Die Erfindung kann auf einen Schwingkörper angewendet wer
den, der ein Planar-Schwingkörper ist, der derart angeord
net ist, daß er der Ebene in der X-Y-Ebenenrichtung gegen
überliegt und durch ein stationäres Substrat getragen ist,
um in der X-Richtung in eine Schwingung versetzt werden zu
können. Spezifischer, da die Auslenkung des Schwingkörpers
in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung desselben
in der X-Richtung eine merklich negative Wirkung auf Cha
rakteristika des Resonanzelements aufweist, ist es sehr
wirkungsvoll, die obig beschriebenen Aufbauten, die die
vorliegende Erfindung charakterisieren, vorzusehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine
Schwingungseinstellung für den Schwingkörper ohne die Erfordernis
einer großen Ausrüstung durchzuführen, wodurch
sich Kosten für das Einstellen reduzieren.
Ferner ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die
Genauigkeit einer Schwingungseinstellung des Schwingkörpers
zu erhöhen und eine Schwingungseinstellung für den Schwing
körper leicht durchzuführen, was zu einer Reduktion der
Zeit, die für die Schwingungseinstellung des Schwingkörpers
benötigt wird, führt.
Bei dem Resonanzelement gemäß der vorliegenden Erfindung,
bei dem das Resonanzelement einen Winkelgeschwindigkeits
sensor bildet, und bei dem die Z-Richtungs-
Schwingungserfassungseinrichtung und die Kapazität-
Spannung-Umwandlungseinrichtung, die in die Sensorvorrich
tung, in die der Winkelgeschwindigkeitssensor eingebaut
werden soll, aufgenommen sind, ferner eine Funktion einer
Schwingungseinstellung erfüllen, ist es möglich, da die
Schwingungseinstellung für das Schwingelement in dem Zu
stand durchgeführt werden kann, bei dem das Schwingelement
in die Sensorvorrichtung eingebaut ist, zu verhindern, daß
das Problem auftritt, daß sich der Auslenkungszustand des
Schwingkörpers in der Z-Richtung nach einem Zusammenbau
von demjenigen zu dem Zeitpunkt der Schwingungseinstellung
unterscheidet und daß trotz der durchgeführten Schwingungs
einstellung der Auslenkungszustand des Schwingkörpers in
der Z-Richtung während der Erregungsschwingung desselben in
der X-Richtung auftritt.
Claims (14)
1. Resonanzelement (1) mit folgenden Merkmalen:
einem Schwingkörper (5), der in einer X- und Z- Richtung, die orthogonal zueinander sind, in eine Schwingung versetzt werden kann;
einer Erregungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b), um zu bewirken, daß der Schwingkörper (5) einer Erregungs schwingung in der X-Richtung unterworfen wird;
einer Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung dessel ben in der X-Richtung; und
einer Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21) zum Hemmen der Auslenkung des Schwingkörpers in der Z-Richtung.
einem Schwingkörper (5), der in einer X- und Z- Richtung, die orthogonal zueinander sind, in eine Schwingung versetzt werden kann;
einer Erregungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b), um zu bewirken, daß der Schwingkörper (5) einer Erregungs schwingung in der X-Richtung unterworfen wird;
einer Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung dessel ben in der X-Richtung; und
einer Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21) zum Hemmen der Auslenkung des Schwingkörpers in der Z-Richtung.
2. Resonanzelement (1) gemäß Anspruch 1, bei dem
das Resonanzelement (1) einen Winkelgeschwindigkeits sensor bildet, um die Winkelgeschwindigkeit um eine Y- Achse, die orthogonal zu der X- und der Z-Richtung ist, auf der Basis einer Schwingung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung durch eine Corioliskraft zu er fassen; und
die Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung ferner als eine Z-Richtungs-Schwingungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Schwingung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung dient.
das Resonanzelement (1) einen Winkelgeschwindigkeits sensor bildet, um die Winkelgeschwindigkeit um eine Y- Achse, die orthogonal zu der X- und der Z-Richtung ist, auf der Basis einer Schwingung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung durch eine Corioliskraft zu er fassen; und
die Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung ferner als eine Z-Richtungs-Schwingungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Schwingung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung dient.
3. Resonanzelement (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem
die Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung eine
Erfassungselektrode (40) zum Erfassen einer Veränderung
der elektrostatischen Kapazität bezüglich des
Schwingkörpers (5) ansprechend auf eine Schwingung
oder Auslenkung desselben in der Z-Richtung aufweist.
4. Resonanzelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem
der Schwingkörper derart angeordnet ist, daß er einer Ebene in der X-Y-Richtung eines stationären Substrats (2) gegenüberliegt, und
der Schwingkörper (5) einen Planar-Schwingkörper auf weist, der über Tragebalken (7) derart durch das sta tionäre Substrat (2) getragen ist, daß er in der X- Richtung in eine Schwingung versetzt werden kann.
der Schwingkörper derart angeordnet ist, daß er einer Ebene in der X-Y-Richtung eines stationären Substrats (2) gegenüberliegt, und
der Schwingkörper (5) einen Planar-Schwingkörper auf weist, der über Tragebalken (7) derart durch das sta tionäre Substrat (2) getragen ist, daß er in der X- Richtung in eine Schwingung versetzt werden kann.
5. Resonanzelement (1) gemäß Anspruch 4, bei dem der
Schwingkörper (5) elektrisch leitfähig ist und die Er
regungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung eine Erfas
sungselektrode (40) aufweist, die von dem Schwingkör
per (5) derart beabstandet ist, daß eine elektrostati
sche Kapazität zwischen dem Schwingkörper (5) und der
Elektrode (40) erzeugbar ist.
6. Resonanzelement (1) gemäß Anspruch 5, bei dem der
Schwingkörper (5) über dem stationären Substrat (2)
angeordnet ist und die Erfassungselektrode (40) auf
einer Oberfläche des stationären Substrats (2) unter
halb des Schwingkörpers (5) angeordnet ist.
7. Resonanzelement (1) gemäß Anspruch 5, bei dem der
Schwingkörper (5) über dem stationären Substrat (2)
angeordnet ist und die Erfassungselektrode (40) in ei
nem Hohlraum (57) des stationären Substrats (2) unter
halb des Schwingkörpers (5) angeordnet ist.
8. Winkelgeschwindigkeitssensor mit folgenden Merkmalen:
einem Schwingkörper (5), der in einer X- und Z- Richtung, die orthogonal zueinander sind, in eine Schwingung versetzt werden kann;
einer Erregungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b), um zu bewirken, daß der Schwingkörper (5) einer Erregungs schwingung in der X-Richtung unterworfen wird;
einer Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung dessel ben in der X-Richtung, wobei die Erregungsauslenkungs- Erfassungseinrichtung eine Erfassungselektrode (40) umfaßt, um eine Veränderung der elektrostatischen Ka pazität bezüglich des Schwingkörpers (5) ansprechend auf eine Auslenkung desselben in der Z-Richtung zu er fassen;
einer Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21) zum Hemmen der Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung; und
einer Kapazität-Spannung-Umwandlungseinrichtung (43) zum Umwandeln der Veränderung der durch die Erfas sungselektrode (40) erfaßten elektrostatischen Kapazi tät in eine Spannung.
einem Schwingkörper (5), der in einer X- und Z- Richtung, die orthogonal zueinander sind, in eine Schwingung versetzt werden kann;
einer Erregungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b), um zu bewirken, daß der Schwingkörper (5) einer Erregungs schwingung in der X-Richtung unterworfen wird;
einer Erregungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung dessel ben in der X-Richtung, wobei die Erregungsauslenkungs- Erfassungseinrichtung eine Erfassungselektrode (40) umfaßt, um eine Veränderung der elektrostatischen Ka pazität bezüglich des Schwingkörpers (5) ansprechend auf eine Auslenkung desselben in der Z-Richtung zu er fassen;
einer Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21) zum Hemmen der Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung; und
einer Kapazität-Spannung-Umwandlungseinrichtung (43) zum Umwandeln der Veränderung der durch die Erfas sungselektrode (40) erfaßten elektrostatischen Kapazi tät in eine Spannung.
9. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 8, bei dem
der Schwingkörper um eine Y-Achse, die orthogonal zu
der X- und Z-Richtung ist, gedreht werden kann, um da
durch eine Winkelgeschwindigkeit auf den Schwingkörper
(5) zu übertragen, die bewirkt, daß der Schwingkörper
(5) aufgrund einer Corioliskraft in der Z-Richtung in
eine Schwingung versetzt wird, und wobei die Erre
gungsauslenkungs-Erfassungseinrichtung ferner als eine
Z-Richtungs-Schwingungserfassungseinrichtung dient, um
die Schwingung des Schwingkörpers (5) in der Z-
Richtung zu erfassen.
10. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 8 oder 9,
bei dem die Kapazität-Spannung-Umwandlungseinrichtung
(43) einen Feldeffekttransistor (46) aufweist.
11. Verfahren zum Einstellen der Schwingung eines Resonan
zelements (1) mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Resonanzelements (1) mit folgenden Merkmalen:
einem Schwingkörper (5), der in einer X- und Z- Richtung, die orthogonal zueinander sind, in eine Schwingung versetzt werden kann,
einer Erregungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b), um zu bewirken, daß der Schwingkörper (5) einer Erre gungsschwingung in einer X-Richtung unterworfen wird,
einer Erfassungselektrode (40), um die Veränderung einer elektrostatischen Kapazität bezüglich des Schwingkörpers (5) ansprechend auf die Auslenkung desselben in der Z-Richtung zu erfassen,
einer Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21), die elektrostatische Anziehungskräfte zu dem Schwingkörper (5) liefert und die Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung desselben in der X-Richtung hemmt;
Erfassen der Veränderung der erfaßten elektrostati schen Kapazität durch die Erfassungselektrode (40) als eine Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z- Richtung, während durch die Erregungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b) bewirkt wird, daß der Schwingkörper (5) einer Erregungsschwingung in der X-Richtung unterwor fen wird; und
Steuern der elektrostatischen Anziehungskräfte, die durch die Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21) in einer Richtung zu dem Schwingkörper (5) geliefert werden, derart, daß die durch die Erfas sungselektrode (40) erfaßte Veränderung der elek trostatischen Kapazität unterdrückt wird.
Bereitstellen eines Resonanzelements (1) mit folgenden Merkmalen:
einem Schwingkörper (5), der in einer X- und Z- Richtung, die orthogonal zueinander sind, in eine Schwingung versetzt werden kann,
einer Erregungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b), um zu bewirken, daß der Schwingkörper (5) einer Erre gungsschwingung in einer X-Richtung unterworfen wird,
einer Erfassungselektrode (40), um die Veränderung einer elektrostatischen Kapazität bezüglich des Schwingkörpers (5) ansprechend auf die Auslenkung desselben in der Z-Richtung zu erfassen,
einer Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21), die elektrostatische Anziehungskräfte zu dem Schwingkörper (5) liefert und die Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung desselben in der X-Richtung hemmt;
Erfassen der Veränderung der erfaßten elektrostati schen Kapazität durch die Erfassungselektrode (40) als eine Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z- Richtung, während durch die Erregungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b) bewirkt wird, daß der Schwingkörper (5) einer Erregungsschwingung in der X-Richtung unterwor fen wird; und
Steuern der elektrostatischen Anziehungskräfte, die durch die Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21) in einer Richtung zu dem Schwingkörper (5) geliefert werden, derart, daß die durch die Erfas sungselektrode (40) erfaßte Veränderung der elek trostatischen Kapazität unterdrückt wird.
12. Verfahren zum Einstellen der Schwingung eines Reso
nanzelements (1) gemäß Anspruch 11 mit ferner folgen
den Schritten:
Umwandeln der durch die Erfassungselektrode (40) er faßten elektrostatischen Kapazität in eine Spannung; und
Erfassen einer Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung dessel ben in der X-Richtung durch ein Erfassen der Spannung.
Umwandeln der durch die Erfassungselektrode (40) er faßten elektrostatischen Kapazität in eine Spannung; und
Erfassen einer Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung während der Erregungsschwingung dessel ben in der X-Richtung durch ein Erfassen der Spannung.
13. Verfahren zum Einstellen der Schwingung eines Reso
nanzelements (1) gemäß Anspruch 12, bei dem die durch
die Erfassungselektrode (40) erfaßte elektrostatische
Kapazität unter Verwendung einer Kapazität-Spannung-
Umwandlungseinrichtung (43), die einen Feldeffekttran
sistor (46) aufweist, umgewandelt wird.
14. Verfahren zum Einstellen der Schwingung eines Reso
nanzelements (1) bei einem Winkelgeschwindigkeitssen
sor und zum Bestimmen einer Winkelgeschwindigkeit mit
folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Resonanzelements (1) mit folgenden Merkmalen:
einem Schwingkörper (5), der in einer X- und Z- Richtung, die orthogonal zueinander sind, in eine Schwingung versetzt werden kann,
einer Erregungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b), um zu bewirken, daß der Schwingkörper (5) einer Erre gungsschwingung in einer X-Richtung unterworfen wird,
einer Erfassungselektrode (40), um die Veränderung einer elektrostatischen Kapazität bezüglich des Schwingkörpers (5) ansprechend auf eine Auslenkung oder eine Schwingung desselben in der Z-Richtung zu erfassen,
einer Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21), die elektrostatische Anziehungskräfte zu dem Schwingkörper (5) liefert und die Auslenkung des Schwingkörpers (5) in einer Z-Richtung während der Erregungsschwingung desselben in der X-Richtung hemmt; und
einer Kapazität-Spannung-Umwandlungseinrichtung (43), um die durch die Erfassungselektrode (40) er faßte elektrostatische Kapazität in eine Spannung umzuwandeln;
Erfassen einer ersten Veränderung der durch die Erfas sungselektrode (40) erfaßten elektrostatischen Kapazi tät, die durch eine Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung bewirkt wird, während durch die Er regungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b) bewirkt wird, daß der Schwingkörper (5) einer Erregungsschwingung in der X-Richtung unterworfen ist;
Steuern der elektrostatischen Anziehungskräfte, die zu dem Schwingkörper (5) geliefert werden, durch die Er regungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21) in einer Richtung, derart, daß die Veränderung der ersten, durch die Erfassungselektrode (40) erfaßten elek trostatischen Kapazität unterdrückt wird;
Anlegen einer Winkelgeschwindigkeit an das Resonanze lement (1) um eine Y-Achse, die orthogonal zu der X- und Z-Richtung ist, um zu bewirken, daß der Schwing körper (5) aufgrund einer Corioliskraft in der Z- Richtung in eine Schwingung versetzt wird;
Erfassen einer Schwingung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung aufgrund der Corioliskraft unter Ver wendung einer zweiten Veränderung der von der Erfas sungselektrode (40) erfaßten elektrostatischen Kapazi tät; und
Umwandeln der zweiten Veränderung der elektrostati schen Kapazität unter Verwendung der Kapazität- Spannung-Umwandlungseinrichtung (43) in eine Spannung, wobei die Spannung der Winkelgeschwindigkeit ent spricht.
Bereitstellen eines Resonanzelements (1) mit folgenden Merkmalen:
einem Schwingkörper (5), der in einer X- und Z- Richtung, die orthogonal zueinander sind, in eine Schwingung versetzt werden kann,
einer Erregungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b), um zu bewirken, daß der Schwingkörper (5) einer Erre gungsschwingung in einer X-Richtung unterworfen wird,
einer Erfassungselektrode (40), um die Veränderung einer elektrostatischen Kapazität bezüglich des Schwingkörpers (5) ansprechend auf eine Auslenkung oder eine Schwingung desselben in der Z-Richtung zu erfassen,
einer Erregungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21), die elektrostatische Anziehungskräfte zu dem Schwingkörper (5) liefert und die Auslenkung des Schwingkörpers (5) in einer Z-Richtung während der Erregungsschwingung desselben in der X-Richtung hemmt; und
einer Kapazität-Spannung-Umwandlungseinrichtung (43), um die durch die Erfassungselektrode (40) er faßte elektrostatische Kapazität in eine Spannung umzuwandeln;
Erfassen einer ersten Veränderung der durch die Erfas sungselektrode (40) erfaßten elektrostatischen Kapazi tät, die durch eine Auslenkung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung bewirkt wird, während durch die Er regungseinrichtung (10a, 10b, 11a, 11b) bewirkt wird, daß der Schwingkörper (5) einer Erregungsschwingung in der X-Richtung unterworfen ist;
Steuern der elektrostatischen Anziehungskräfte, die zu dem Schwingkörper (5) geliefert werden, durch die Er regungsauslenkungs-Hemmungseinrichtung (20, 21) in einer Richtung, derart, daß die Veränderung der ersten, durch die Erfassungselektrode (40) erfaßten elek trostatischen Kapazität unterdrückt wird;
Anlegen einer Winkelgeschwindigkeit an das Resonanze lement (1) um eine Y-Achse, die orthogonal zu der X- und Z-Richtung ist, um zu bewirken, daß der Schwing körper (5) aufgrund einer Corioliskraft in der Z- Richtung in eine Schwingung versetzt wird;
Erfassen einer Schwingung des Schwingkörpers (5) in der Z-Richtung aufgrund der Corioliskraft unter Ver wendung einer zweiten Veränderung der von der Erfas sungselektrode (40) erfaßten elektrostatischen Kapazi tät; und
Umwandeln der zweiten Veränderung der elektrostati schen Kapazität unter Verwendung der Kapazität- Spannung-Umwandlungseinrichtung (43) in eine Spannung, wobei die Spannung der Winkelgeschwindigkeit ent spricht.
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