DE10063663C2 - Resonanzelement und Schwingungseinstellverfahren für dasselbe - Google Patents

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-Seitenkammelekt roden 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 Schwin­ gelements 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 Ge­ nauigkeit 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 a 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 Schwin­ gungsmeßsystems 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.

Aus der DE 196 20 831 A1 ist ein Stimmgabelkreisel bekannt, der eine Schwingungskonstruktion aufweist, die durch Erre­ gungskammelektroden in der Y-Richtung in Schwingungen ver­ setzt werden kann. Wenn eine Schwingung in der Y-Richtung angeregt ist, bewirkt eine Coriolis-Kraft eine Ablenkung der Schwingungskonstruktion in der Z-Richtung. Erfassungs­ elektroden sind gegenüber der Schwingungskonstruktion vor­ gesehen, um eine daraus resultierende Kapazitätsänderung zu erfassen. Ferner sind Drehmomentelektroden an vier Stellen der Schwingungskonstruktion vorgesehen, über die elektro­ statische Kräfte auf die Schwingungskonstruktion ausgeübt werden können, um dadurch ein Kräftegleichgewicht zu erzeu­ gen, durch das eine Verformung der Schwingungskonstruktion bei Anliegen einer Coriolis-Kraft behoben werden kann.

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 ein Verfahren gemäß Anspruch 1 ge­ löst.

Die vorliegende Erfindung löst die obig beschriebenen Prob­ leme. Ein erster Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ermöglicht wird, daß die Schwingungsein­ stellung 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 tra­ gen, 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 Span­ nungssignalverlauf 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 Schwingungseinstellsy­ stem 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. 10C 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 unterwarfen 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 Aus­ lenkung 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 Winkelgeschwindigkeitssen­ sors 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 unterwor­ fen 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 Er­ fordernis 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 (4)

1. Verfahren zum Einstellen der Schwingung eines Reso­ nanzelements (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, während der Schwingkörper (5) mit keiner zu messenden Größe beaufschlagt wird;
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 elektro­ statischen Kapazität unterdrückt wird, so dass der Schwingkörper (5) einer Erregungsschwingung im wesent­ lichen ohne eine Auslenkung in der Z-Richtung unter­ worfen wird.

2. Verfahren zum Einstellen der Schwingung eines Reso­ nanzelements (1) gemäß Anspruch 1 mit ferner folgenden 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.

3. Verfahren zum Einstellen der Schwingung eines Reso­ nanzelements (1) gemäß Anspruch 2, 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.

4. Verfahren zum Einstellen der Schwingung eines Reso­ nanzelements (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 bei einem Winkelgeschwindigkeitssensor und zum Bestimmen einer Winkelgeschwindigkeit, das ferner folgende Schritte aufweist:
Anlegen einer Winkelgeschwindigkeit an das Resonanz­ element (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 während des Anliegens der Winkelge­ schwindigkeit auftretenden Veränderung der von der Er­ fassungselektrode (40) erfaßten elektrostatischen Ka­ pazität; und
Umwandeln der während des Anliegens der Winkelge­ schwindigkeit auftretenden Veränderung der elektrosta­ tischen Kapazität unter Verwendung der Kapazität- Spannung-Umwandlungseinrichtung (43) in eine Spannung, wobei die Spannung der Winkelgeschwindigkeit ent­ spricht.