DE10102365C2 - Winkelgeschwindigkeitssensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelge­ schwindigkeitssensor und insbesondere bezieht sich dieselbe auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein Schwin­ gungstypwinkelgeschwindigkeitserfassungselement verwendet.

In neuerer Zeit sind bei Kameras, Autonavigationssystemen, einer Umkipperfassung eines Autos, Stellungssteuerungssen­ soren und dergleichen Winkelgeschwindigkeitssensoren ver­ wendet worden. Um das Verwackeln aufgrund eines Handdruck bei der Aufnahme eines Bildes mit einer Kamera zu verhin­ dern, um bei dem Wagennavigationssystem die Autoroute anzu­ zeigen, und um beim Reisen mit dem Auto die Sicherheit zu verbessern, wird ein Winkelgeschwindigkeitssignal des Win­ kelgeschwindigkeitssensors verwendet.

Fig. 6 zeigt ein Schaltungsblockdiagramm eines herkömmli­ chen Winkelgeschwindigkeitssensors. Das Bezugszeichen 1 ist ein Winkelgeschwindigkeitserfassungselement, das mit einem Schwingungselement 11, einem Treiberelektrodenbauteil 12, einem Treiberelektrodenbauteil 13, einem Erfassungselektro­ denbauteil 14 und einem Erfassungselektrodenbauteil 15 ver­ sehen ist. Das Schwingungselement 11 weist ein elektrisches Massepotential auf, während das Treiberelektrodenbauteil 12 und das Treiberelektrodenbauteil 13 das Schwingungselement 11 elektrostatisch in Schwingung versetzen. Ferner erfassen das Erfassungselektrodenbauteil 14 und das Erfassungselekt­ rodenbauteil 15 elektrostatisch eine Verschiebung des Schwingungselements 11. Das Bezugszeichen 2 und das Bezugs­ zeichen 3 sind Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen, wobei die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltung 2 mit einem Flächenfeldeffekttransistor (hiernach als JFET be­ zeichnet) 21 versehen ist, und die Kapazitäts-Spannungs- Umwandlungsschaltung 3 mit einem JFET 31 versehen ist. Ein Gate-Anschluß 21a des JFET 21 ist mit dem Erfassungselekt­ rodenbauteil 14 des Winkelgeschwindigkeitserfassungsele­ ments 1 und über einen Gateanschlußwiderstand 21d mit einem Source-Anschluß 21c des JFET 21 verbunden. Ferner ist ein Gate-Anschluß 31a des JFET 31 mit dem Erfassungselektroden­ bauteil 15 und über einen Gateanschlußwiderstand 31d mit einem Source-Anschluß 31c des JFET 31 verbunden. Ein Drain- Anschluß 21b des JFET 21 und ein Drain-Anschluß 31b des JFET 31 sind jeweils mit einer Gleichsignalquelle Vcc ver­ bunden, wobei der Source-Anschluß 21c über einen Sour­ ceanschlußwiderstand 21e mit Masse verbunden ist, und der Source-Anschluß 31c über einen Sourceanschlußwiderstand 31e mit Masse verbunden ist. Der Source-Anschluß 21c ist ein Ausgangsanschluß der Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschal­ tung 2, während der Source-Anschluß 31c ein Ausgang­ sanschluß der Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltung 3 ist, wobei die Spannung über den Sourceanschlußwiderstand 21e ein Ausgangssignal und die Spannung über den Sour­ ceanschlußwiderstand 31e ein Ausgangssignal ist.

Das Bezugszeichen 4 ist eine Wechselstromverstärkungsschal­ tung und ist mit zwei Verstärkern 41 und 42 und Gleichsig­ nalsperrkondensatoren 43 und 44 versehen. Die Ausgänge der Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen 2 und 3 sind jeweils über die Gleichsignalsperrkondensatoren 43 und 44 mit Eingängen der Verstärker 41 und 42 verbunden, wobei die Ausgangssignale verstärkt werden. Das Bezugszeichen 5 ist eine Treibersteuerungsschaltung, die mit einer nicht­ invertierenden Verstärkerschaltung 51, einer Treibersignal­ bildungsschaltung 52 und einer invertierenden Verstärker­ schaltung 53 versehen ist. Die Ausgänge der Verstärker 41 und 42 sind mit Eingängen der nicht-invertierenden Verstär­ kerschaltung 51 verbunden, während der Ausgang der nicht­ invertierenden Verstärkerschaltung 51 mit dem Eingang der Treibersignalbildungsschaltung 52 verbunden ist. Der Aus­ gang der Treibersignalbildungsschaltung 52 ist mit dem Treiberelektrodenbauteil 13 des Winkelgeschwindigkeitser­ fassungselements 1 und ist mit dem Treiberelektrodenbauteil 12 über die invertierende Verstärkerschaltung 3 verbunden. Das Bezugszeichen 6 ist eine Ausgangsschaltung, die mit ei­ nem Differenzverstärker 61, einer Synchronerfassungsschal­ tung 62, einer Offset- bzw. Versatz-Einstellungsschaltung 63 und einem Empfindlichkeitseinstellungsverstärker 64 ver­ sehen ist. Die Eingänge des Differenzverstärkers 61 sind mit den Ausgängen der Verstärker 41 und 42 verbunden, wäh­ rend der Ausgang des Differenzverstärkers 61 über die Syn­ chronerfassungsschaltung 62 mit dem Eingang des Empfind­ lichkeitseinstellungsverstärkers 64 verbunden ist. Der Aus­ gang der Offseteinstellungsschaltung 63 ist mit dem Eingang des Empfindlichkeitseinstellungsverstärkers 64 verbunden.

Die Funktionsweise des im vorhergehenden beschriebenen Schaltungsblocks wird nun erklärt werden. Wenn von der Treibersteuerungsschaltung 5 ein Treibersignal mit einer konstanten Frequenz und einer konstanten Amplitude an die Treiberelektrodenbauteile 12 und 13 des Winkelgeschwindig­ keitserfassungselements 1 angelegt wird, wird das Schwin­ gungselement 11 getrieben, wobei dasselbe mit einer spezi­ fischen mechanischen Schwingungsfrequenz in einer vorbe­ stimmten Richtung schwingt. Die Treibersteuerungsschaltung 5 legt an die Treiberelektrodenbauteile 12 und 13 üblicher­ weise ein Treibersignal mit einer Frequenz an, die etwa die gleiche wie die mechanische Resonanzfrequenz des Schwin­ gungselements 11 ist, wie z. B. 10 kHz. Wenn an das Schwin­ gungselement 11 des Winkelgeschwindigkeitserfassungsele­ ments 1 eine Winkelgeschwindigkeit angelegt wird, wird das Schwingungselement 11 in einer Richtung senkrecht zu der Schwingungsrichtung des Schwingungselements 11 versetzt bzw. verschoben, d. h. in einer Richtung, in der eine Cori­ oliskraft auftritt, wobei Änderungen der elektrostatischen Kapazität an den Erfassungselektrodenbauteilen 14 und 15 auftreten. Das Schwingungselement 11 schwingt mit einem Schwingungsvektor, der durch Addieren der Corioliskraft und der Treiberkraft erhalten wird.

Zwei Signale mit sich voneinander um 180 Grad unterschei­ denden Phasen werden von den Erfassungselektrodenbauteilen 14 und 15 des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1 ausgegeben und den Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungs­ schaltungen 2 und 3 zugeführt. Die Frequenz des Ausgangs­ signals ist die Schwingungsfrequenz des Schwingungselements 11, wobei die Phase des Ausgangssignals um 90 Grad bezüg­ lich der Phase des Treibersignals verzögert ist. Die Kapa­ zitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen 2 bzw. 3 wandeln die Kapazitätsänderungen an den Erfassungselektrodenbautei­ len 14 und 15 des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1 in Spannungen um. Die Gleichsignalkomponenten der Aus­ gangssignale von den Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungs­ schaltungen 2 und 3 werden durch die Gleichsignalsperrkon­ densatoren 43 und 44 blockiert, wobei die Ausgangssignale durch die Verstärker 41 und 42 verstärkt werden. Die zwei Ausgangssignale von den Verstärkern 41 und 42 werden in die nicht-invertierende Verstärkerschaltung 51 und in den Dif­ ferenzverstärker 61 eingegeben. Die nicht-invertierende Verstärkerschaltung 51 addiert die Ausgangssignale der zwei Verstärker 41 und 42 und extrahiert eine Schwingungsampli­ tudensignalkomponente für das Treibersignal, das das Win­ kelgeschwindigkeitserfassungselement treibt. Ferner erhält der Differenzverstärker 61 die Differenz zwischen den zwei Ausgangssignalen der Verstärker 41 und 42 und extrahiert eine Winkelgeschwindigkeitssignalkomponente aufgrund der Corioliskraft.

Die Treibersignalbildungsschaltung 52, die mit einer Zerha­ ckerwellenbildungsschaltung und einer Amplitudeneinstel­ lungsschaltung versehen ist, empfängt als Eingangssignal ein Signal mit einer Schwingungsamplitudensignalkomponente von der nicht-invertierenden Verstärkerschaltung 51, um ein Zerhackerwellensignal zu bilden, und gibt ein Treibersignal aus, das die Schwingung des Winkelgeschwindigkeitserfas­ sungselements 1 beibehält. Das Treibersignal wird dem Trei­ berelektrodenbauteil 13 des Winkelgeschwindigkeitserfas­ sungselements 1 und über die invertierende Verstärkerschal­ tung 53 nach einer Phasenumkehr um 180 Grad dem Treiber­ elektrodenbauteil 12 zugeführt. Mit diesem Betrieb wird das Schwingungselement 11 des Winkelgeschwindigkeitserfassungs­ elements 1 durch die Treibersignale erregt, deren Phasen sich um 180 Grad voneinander unterscheiden, wobei dasselbe mit einer konstanten Amplitude schwingt. Die Schwingungs­ amplitudensignalkomponente wird von der nicht-invertie­ renden Schaltung 51 zu der Treibersignalbildungsschaltung 52 rückgekoppelt, wodurch ein Selbsterregungsschwingungs­ system zum Treiben des Winkelgeschwindigkeitserfassungsele­ ments gebildet wird.

Die Winkelgeschwindigkeitssignalkomponente, die von dem Differenzverstärker 61 erhalten wird, wird der Synchroner­ fassungsschaltung 62 zugeführt. Die Synchronerfassungs­ schaltung 62 führt eine Synchronerfassung für das Ausgangs­ signal des Differenzverstärkers 61 aus, die das Treibersig­ nal der Treibersignalbildungsschaltung 52 als ein Referenz­ signal einstellt, wobei lediglich ein Winkelgeschwindig­ keitssignal ausgegeben wird. Die Offseteinstellungsschal­ tung 63 gibt ein Einstellungssignal zum Einstellen der Off­ setspannung des Winkelgeschwindigkeitssignals, das durch die Synchronerfassungsschaltung 62 fließt, an den Empfind­ lichkeitseinstellungsverstärker 64 aus. Dies bedeutet, daß der Empfindlichkeitseinstellungsverstärker 64 ein Winkelge­ schwindigkeitssignal ausgibt, dessen Offset eingestellt ist.

Ein Beispiel des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1, das in Fig. 6 gezeigt ist, wird bezugnehmend auf Fig. 7 erklärt. Das Bezugszeichen 7 ist ein viereckiger Tragerah­ men, der innen und einander entgegengesetzt mit Tragebau­ teilen 71 und 72 versehen ist. Das Bezugszeichen 16 ist ein viereckiges Außenrahmenschwingungsbauteil, das ein Teil des Schwingungselements 11 ist und durch beide Enden von äuße­ ren Balken 16a und 16b getragen wird. Die äußeren Balken 16a und 16b sind an den Enden der Tragebauteile 71 und 72 vorgesehen und erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zu den Tragebauteilen 71 und 72. Auf der Innenseite des viereckigen Außenrahmenschwingungsbauteils 16 und in Rich­ tungen positioniert, die senkrecht zu einer Richtung sind, die die Tragebauteile 71 und 72 verbindet, sind vorstehende Bauteile 16c und 16d vorgesehen, um der Innenseite zuge­ wandt zu sein und einander gegenüber zu liegen. Das Bezugs­ zeichen 17 ist ein viereckiges Innenrahmenschwingungsbau­ teil, das ein Teil des Schwingungselements 11 ist, und das durch beide Enden von inneren Balken 17a und 17b getragen wird. Die inneren Balken 17a und 17b sind an den Enden der vorstehenden Bauteile 16c und 16d vorgesehen und erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zu den longitudinalen Richtungen der äußeren Balken 16a und 16b. An der Innensei­ te des Innenrahmenschwingungsbauteils 17 erstreckt sich ein Massenbauteil 17c in einer Richtung, die das Tragebauteil 71 und das Tragebauteil 72 des Tragerahmens 7 verbindet.

Die Bezugszeichen 12 und 13 sind die Treiberelektrodenbau­ teile, wobei dieselben an beiden Außenkanten der äußeren Balken 16a und 16b in den Erstreckungsrichtungen vorgesehen sind. Die Treiberelektrodenbauteile 12 und 13 sind mit plattenförmigen bewegbaren Außenrahmenkammelektroden 12a und 13a, plattenförmigen Außenrahmentreiberkammelektroden 12b und 13b, die den plattenförmigen bewegbaren Außenrah­ menkammelektroden 12a und 13a über winzige Zwischenräume gegenüber liegen, und festen Außenrahmenelektroden 12c und 13c zum Tragen der Außenrahmentreiberkammelektroden 12b und 13b versehen. An der Innenseite des inneren Schwingungsbau­ teils 17 sind ferner die Erfassungselektroden 14 und 15 auf der rechten Seite und der linken Seite des Massenbauteils 17c vorgesehen. Die Erfassungselektrodenbauteile 14 und 15 sind mit plattenförmigen bewegbaren Rahmenkammelektroden 14a und 15a, die in dem Mengenbauteil 17c implementiert sind, plattenförmigen Innenrahmenerfassungskammelektroden 14b und 15b, die den plattenförmigen bewegbaren Rahmenkamm­ elektroden 14a und 15a über winzige Zwischenräume gegenüber liegen, und inneren festen Elektroden 14c und 15c zum Tra­ gen der Innenrahmenerfassungskammelektroden 14b und 15b versehen.

Fig. 7 zeigt nicht ein Trägersubstrat und ein Abdecksub­ strat des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1, wobei jedoch der Tragerahmen 7, die festen Außenrahmenelektroden 12c und 13c und die festen Innenrahmenelektroden 14c und 15c an dem Trägersubstrat befestigt sind, und wobei ein Zwischenraum zwischen dem Trägersubstrat und dem Abdecksub­ strat vorgesehen ist, so daß es möglich ist, die Tragebau­ teile 71 und 72, das gesamte Schwingungselement 11 und alle der Kammelektroden 12a bis 15a in Schwingung zu versetzen. Das Abdecksubstrat befindet sich in Kontakt mit dem Trage­ rahmen 7 und deckt das Winkelgeschwindigkeitserfassungsele­ ment 1 ab. Das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 1 weist ferner eine Dicke in einer Richtung senkrecht zu der Zeichenebene auf, und insbesondere behalten die Kammelekt­ roden 12a bis 15a die elektrostatische Kapazität bei, da die plattenförmigen Oberflächen in der Dickerichtung einan­ der über winzige Zwischenräume gegenüberliegen. Ferner sind die festen Außenrahmenelektroden 12c und 13c und die festen Innenrahmenelektroden 14c und 15c mit der Außenseite des Trägersubstrats über Löcher, die in dem Trägersubstrat ge­ bildet sind, elektrisch verbunden.

Wenn das Treibersignal an den festen Außenrahmenelektroden 12c und 13c der Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden angelegt wird, wirkt zwischen den äußeren bewegbaren Kamm­ elektroden 12a und 13a und den äußeren Treiberkammelektro­ den 12b und 13b eine elektrostatische Kraft, wobei dieselbe als eine Treiberkraft das Außenrahmenschwingungsbauteil 16 zusammen mit dem inneren Schwingungsbauteil 17 in den Rich­ tungen der Tragebauteile 71 und 72 mit einer konstanten Amplitude in Schwingung versetzt. In anderen Worten ausge­ drückt biegen sich die äußeren Balken 16a und 16b, wobei das gesamte Schwingungselement 11 in der Zeichenebene schwingt. In diesem Zustand wird, wenn sich das Winkelge­ schwindigkeitserfassungselement 1 um eine Mitte desselben als ein Achse dreht, d. h., wenn sich das Winkelgeschwin­ digkeitserfassungselement 1 um eine Achse dreht, die durch die Mitte des Schwingungselements 11 senkrecht zu der Zei­ chenebene verläuft, eine Corioliskraft in einer Richtung senkrecht zu der Treiberkraftwirkungsrichtung auf das Schwingungselement 11 ausgeübt wird, wobei das Innenrahmen­ schwingungsbauteil 17 in einer Richtung senkrecht zu den inneren Balken 17a und 17b unter einer Biegung der inneren Balken 17a und 17b verschoben wird. Mit dieser Verschie­ bungsschwingung ändert sich die elektrostatische Kapazität zwischen den bewegbaren inneren Kammelektroden 14a und 15a der Erfassungselektroden 14 und 15 und den inneren Erfas­ sungskammelektroden 14b und 15b. Die Kapazitätsänderungen einschließlich dieser Winkelgeschwindigkeitssignalkomponen­ ten werden aus den festen Innenrahmenelektroden 14c und 15c extrahiert und in die Gate-Anschlüsse 21a und 31a der JFETs 21 und 31 eingegeben.

Nun weisen die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen 2 und 3 die selbe Schaltungskonfiguration auf, die die JFETs 21 und 31 verwendet. Wie es in Fig. 8 gezeigt ist, fließt, wenn die Potentiale zwischen den Gate-Anschlüssen 21a und 31a und dem Source-Anschluß 21c und 31c der JFETs 21 und 31 gleich sind, ein konstanter Drain-Strom von den Drain-Anschlüssen 21b und 31b zu den Source-Anschlüssen 21c und 31c. Zusätzlich ist eine Kapazität Cs die Äquivalenzka­ pazität des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1.

Details der Funktionsweise der Kapazitäts-Spannungs- Umwandlungsschaltungen 2 und 3 werden bezugnehmend auf Fig. 8 beschrieben. Die Gateanschlußwiderstände 21d und 31d der JFETs 21 und 31 weisen einen extrem hohen Widerstandswert von etwa 1 GΩ auf, und folglich fließt kaum ein Strom durch die Gateanschlußwiderstände 21d und 31d. Folglich ist, wenn sich die Äquivalenzkapazität Cs des Winkelge­ schwindigkeitserfassungselements nicht ändert, d. h., wenn auf das Schwingungselement 11 keine Corioliskraft ausgeübt wird, das Source-Potential, d. h., die Spannung Vs über beide Enden der Sourceanschlußwiderstände 21e und 31e, sta­ bil und konstant, wobei eine Gate-Spannung Vg das gleiche Potential wie das Potential Vs über beide Enden der Sour­ ceanschlußwiderstände 21e und 31e (Vg = Vs) wird. Wenn eine Corioliskraft bei dem Schwingungselement 11 des Winkelge­ schwindigkeitserfassungselements 1 auftritt, und sich die Äquivalenzkapazität Cs des Winkelgeschwindigkeitserfas­ sungselements 1 ändert, ändert sich das Gate-Potential, und beide Enden der Sourceanschlußwiderstände 21e und 31e wer­ den zu Ausgangssignalen, in denen dem Gleichsignal eine Signalspannung überlagert ist.

Der herkömmliche Schaltungsblock ist jedoch mit zwei Kapa­ zitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen 2 und 3, d. h. den JFETs 21 und 31, versehen. Wenn die Extraktion der Schwin­ gungsamplitudensignalkomponente durch die nicht-invertie­ rende Verstärkerschaltung 51 der Treibersteuerungsschaltung 5 und die Extraktion der Winkelgeschwindigkeitssignalkompo­ nente durch den Differenzverstärker 61 der Ausgangsschal­ tung 6 berücksichtigt werden, müssen die Amplituden der Signalkomponenten der Ausgangssignale von der Kapazitäts- Spannungs-Umwandlungsschaltung 2 und der Kapazitäts- Spannungs-Umwandlungsschaltung 3 ausgeglichen bzw. gleich sein. Wenn beispielsweise an der Mitte des Schwingungsele­ ments 11, das in Fig. 6 gezeigt ist, eine Drehung im Uhr­ zeigersinn um eine Drehachse senkrecht zu der Zeichenebene an dem Geschwindigkeitserfassungselement 1 angelegt wird, wird die Kapazität des Erfassungselektrodenbauteils 15 auf der rechten Seite, d. h. das Potential des Gate-Anschlusses 31d des JFET 31, für die Gate-Spannung Vg positiv, während die Kapazität des Erfassungselektrodenbauteils 14 abnimmt und das Potential des Gate-Anschlusses 21d des JFET 21 ne­ gativ wird. Folglich ist hinsichtlich des Ausgangssignals des JFET 21 die Signalkomponente eine negative Spannung, während hinsichtlich des Ausgangssignals des JFET 31 die Signalkomponente eine positive Spannung ist. Der Differenz­ verstärker 61 der Ausgangsschaltung 6 beseitigt eine Rauschkomponente der Differenz zwischen dem positiven Span­ nungssignal und dem negativen Spannungssignal von den Kapa­ zitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen 2 und 3, wobei dar­ aufhin die Winkelgeschwindigkeitssignalkomponente verstärkt wird.

Allgemein weist der Drain-Strom eines JFET eine Schwankung von etwa 50% für jeden JFET auf, und folglich unterscheidet sich, obwohl sich die elektrostatische Kapazität Cs der Er­ fassungselektrodenbauteile 14 und 15 nicht ändert, die Spannung über beide Enden des Sourceanschlußwiderstandes 21d des JFET 21 von derjenigen des Sourceanschlußwiderstan­ des 31d des JFET 31. Als ein Ergebnis unterscheidet sich das Basis-Potential des JFET 21 von demjenigen des JFET 31. Die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsempfindlichkeit, die durch eine Änderung ΔV des Gate-Potentials gegen eine Ände­ rung ΔC der elektrostatischen Kapazität der Erfassungs­ elektrodenbauteile 14 und 15 angezeigt wird, ist proportio­ nal zu der Gate-Spannung Vg und ist umgekehrt proportional zu der elektrostatischen Kapazität der Erfassungselektro­ denbauteile 14 und 15 (ΔV/ΔC = Vg/Cs); folglich wird die Änderung der Basis-Potentiale des JFET 2 und des JFET 3 di­ rekt die Änderung der Kapazitäts-Spannungs-Empfindlich­ keiten der Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen 2 und 3. Folglich ist, obwohl die Änderungen der elektrosta­ tischen Kapazität der Erfassungselektrodenbauteile 14 und 15 gleich sind, ein Absolutwert der Winkelgeschwindigkeits­ signalkomponente, die in der Ausgangsspannung der Kapazi­ täts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen 2 und 3 enthalten ist, nicht gleich. Folglich weist, obwohl die zwei Aus­ gangssignale durch den Differenzverstärker 61 differentiell verstärkt werden, die Winkelgeschwindigkeitssignalkomponen­ te eine Rauschkomponente auf, und es ist notwendig, die Offset-Spannungskomponente einzustellen.

Aus den Druckschriften DE 695 13 451 T2, DE 694 13 154 T2, DE 695 10 850 T2, DE 197 12 021 A1, JP 09229688 A, JP 08050022 sind jeweils Vibrationsgyroskope als Winkelgeschwindigkeitssensor mit entsprechenden Auswertungsschaltungen für dieselben be­ kannt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu schaffen, bei dem die Kapa­ zitäts/Spannungs-Umwandlungsempfindlichkeit stabiler ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1 gelöst.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Winkelgeschwindigkeitssensor geschaffen wird, bei dem eine Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsempfindlichkeit stabil gemacht wird, indem eine Gate-Spannung eines JFET, der bei der Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltung verwendet wird, auf ein vorbestimmtes Gleichsignalpotential einge­ stellt wird.

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Schwingungselement, eine Trageeinrichtung zum Tragen des Schwingungselements, damit dasselbe in der Lage ist, zu schwingen, eine Treibereinrichtung zum Treiben des Schwingungselements durch eine elektrostatische Kraft, eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Verschiebung des Schwingungselements basierend auf einer Corioliskraft, die auf das Schwingungselement ausgeübt wird, als eine Änderung der elektrostatischen Kapazität und eine Kapazitäts- Spannungs-Umwandlungsschaltung zum Umwandeln der Änderung der elektrostatischen Kapazität, die durch die Erfassungs­ einrichtung erfaßt wird, in eine Spannungsänderung, wobei die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltung als eine Source-Folgerschaltung strukturiert und angeordnet ist, die mit einem Gateanschlußwiderstand mit einem hohen Wider­ standswert zwischen einem Gate-Anschluß und einem Source- Anschluß verbunden ist und einen JFET verwendet. Als ein Merkmal ist der Gate-Anschluß des JFET über einen Vorspan­ nungswiderstand mit einer Vorspannungsleistungsversorgung verbunden.

Der Gateanschlußwiderstand, der zwischen den Gate-Anschluß und den Source-Anschluß des JFET geschaltet ist, weist ei­ nen hohen Widerstandswert von beispielsweise 1 GΩ auf, wo­ bei folglich kaum ein Strom zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluß fließt. Hinsichtlich der Source- Folgerschaltung ist der Source-Anschluß des JFET über den Sourceanschlußwiderstand auf Masse geschaltet, wobei ein Ausgangssignal von beiden Enden des Sourceanschlußwi­ derstands zu dem Erfassungselektrodenbauteil, welches eine Änderung der elektrostatischen Kapazität ist, in eine Span­ nungsänderung umgewandelt wird. Eine Vorspannungsleistungs­ versorgung Vs, die mit einem Vorspannungswiderstand verbun­ den ist, unterscheidet sich von einer Gleichsignalleis­ tungsversorgung Vcc, die mit dem Drain-Anschluß des JFET verbunden ist, und ist eine Gleichsignalleistungsversor­ gung, die ein Potential ausgibt, das kleiner als das Vcc aber größer als ein Massepotential ist. Wenn Vcc beispiels­ weise 5 V ist, ist 5 < Vs < 0 bestimmt. Der Vorspannungswider­ stand weist einen Widerstandswert von 1/100 bis 1/50 des Gate-Widerstands, beispielsweise 10 MΩ bis 20 MΩ, auf. Ferner kann der Vorspannungswiderstand ein variierbarer Wi­ derstand sein, und ein Gate-Potential kann einfach einge­ stellt werden.

Das Gate-Potential Vg des JFET ist durch die Teilung des Potentials der Vorspannungsleistungsversorgung Vs mit dem Gateanschlußwiderstand und dem Sourceanschlußwiderstand be­ stimmt, und folglich ist ein vorbestimmtes Gleichsignalpo­ tential festgelegt. Die Gleichsignalleistungsversorgung Vcc beträgt beispielsweise 5 V, wobei das Gate-Potential des JFET in einem Bereich von 1,5 V bis 3,5 V bestimmt ist. In diesem Fall fließt ein Drain-Strom, der dem Potential ent­ spricht, das als das Gate-Potential bestimmt ist. Wenn auf das Schwingungselement eine Corioliskraft ausgeübt wird, tritt eine Spannungsänderung auf, die einer Änderung der elektrostatischen Kapazität des Erfassungselektrodenbau­ teils entspricht, während sie das Gate-Potential Vg überla­ gert, wobei die Spannungsschwingung ein Spannungssignal wird, das aus beiden Enden des Sourceanschlußwiderstands extrahiert wird, d. h. eine Winkelgeschwindigkeitssignal­ komponente. Durch Bestimmen eines vorbestimmten Gate- Potentials Vg für jeden JFET ist es möglich, die Kapazi­ täts-Spannungs-Umwandlungsempfindlichkeiten, die bei den jeweiligen JFETs unterschiedlich sind, gleich zu machen.

Ferner umfaßt die Treibereinrichtung zwei Treiberelektro­ denbauteile, die das Schwingungselement durch Treibersigna­ le in Schwingung versetzen, deren Phasen sich um 180 Grad unterscheiden, wobei die Erfassungseinrichtung zwei Erfas­ sungselektrodenbauteile umfaßt, die die elektrostatische Kapazität erfassen, deren Phasen sich um 180 Grad gemäß der Schwingung in dem Schwingungselement unterscheiden, und es ist möglich, die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsempfind­ lichkeiten der zwei JFETs einzustellen, indem die Vorspan­ nungswiderstände der jeweiligen Kapazitäts-Spannungs- Umwandlungsschaltungen, die mit den jeweiligen Erfassungs­ elektrodenbauteilen verbunden sind, eingestellt werden.

Mit dieser Konfiguration wird eine elektrostatische Kraft, die das Schwingungselement treibt, verdoppelt. Ferner wer­ den zwei Signale von zwei Erfassungselektrodenbauteilen durch die jeweiligen Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungs­ schaltungen in Spannungssignale umgewandelt, wobei diese zwei Spannungssignale differentiell verstärkt werden, und hierdurch kann ein Winkelgeschwindigkeitssignal erhalten werden, das keine Schwingungsamplitudensignalkomponente aufweist. In diesem Fall wird der Widerstandswert der Vor­ spannungswiderstände bei den zwei Kapazitäts-Spannungs- Umwandlungsschaltungen einzeln bestimmt, wobei die Kapazi­ täts-Spannungs-Umwandlungsempfindlichkeiten der zwei JFETs gleich gemacht werden, indem die Gate-Spannungen Vg der zwei JFETs eingestellt werden, und folglich sind die Abso­ lutwerte der Ausgangsspannungen der Winkelgeschwindigkeits­ signalkomponenten, die bei den zwei Kapazitäts-Spannungs- Umwandlungsschaltungen umfaßt sind, gleich.

Die Treibereinrichtung zum Versetzen des Schwingungsele­ ments in Schwingung ist eine Selbsterregungsschwingungs­ schaltung oder eine Schwingungsschaltung mit getrennter Er­ regung und verwendet eine Schwingungsamplitudensignalkompo­ nente als ein Rückkopplungssignal. Die Treibereinrichtung ist mit einem Überwachungselektrodenbauteil zum Erfassen einer Amplitude der Schwingung des Schwingungselements und einer zweiten Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltung zum Umwandeln einer Änderung der elektrostatischen Kapazität bei dem Überwachungselektrodenbauteil in eine Spannungsän­ derung versehen, wobei die Kapazitäts-Spannungs-Umwand­ lungsschaltung als eine Source-Folgerschaltung hergestellt sein kann, bei der ein hoher Widerstand zwischen den Gate- Anschluß und den Source-Anschluß geschaltet ist, und die einen JFET verwendet, wobei der Gate-Anschluß des JFET über einen Vorspannungswiderstand mit einer Vorspannungs­ leistungsversorgung verbunden sein kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung erfaßt das Überwachungs­ elektrodenbauteil einen Schwingungszustand des Schwingungs­ elements direkt als eine Änderung der elektrostatischen Ka­ pazität. Die Änderung der elektrostatischen Kapazität wird durch einen JFET einer Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungs­ schaltung als ein Überwachungssignal in ein Spannungssignal umgewandelt; eine Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsempfind­ lichkeit wird jedoch ähnlich zu einem Fall des Erfassungs­ elektrodenbauteils bei dieser Kapazitäts-Spannungs-Umwand­ lung stabil sein, und folglich wird es einfach, die Trei­ bersteuerungsschaltungen für jeden Winkelgeschwindigkeits­ sensor unterschiedlich einzustellen. Das stabile Spannungs­ signal umfaßt die Schwingungsamplitudensignalkomponente, die eine Amplitude, eine Phase und eine Frequenz der Schwingung darstellt, und folglich wird dasselbe ein Rück­ kopplungssignal zum Beibehalten der Schwingung, wenn die Treibereinrichtung durch Selbsterregung in Schwingung ver­ setzt wird, und dasselbe wird bei einer Schwingung mit ge­ trennter Erregung ein Signal, das eine Phase trimmt.

Zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung sind in den Zeichnungen mehrere Formen gezeigt, die derzeit bevorzugt werden, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, daß die Er­ findung nicht auf die präzisen gezeigten Anordnungen und Vorrichtungen begrenzt ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsblockdiagramm eines Winkelgeschwin­ digkeitssensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltungsverdrahtungsdiagramm, das eine Tei­ lanschlußschaltung der Kapazitäts-Spannungs-Um­ wandlungsschaltung aufweist, die in Fig. 1 ge­ zeigt ist;

Fig. 3 ein Schaltungsblockdiagramm, das einen Winkelge­ schwindigkeitssensor gemäß einem weiteren Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine Draufsicht, die ein Beispiel eines Winkelge­ schwindigkeitserfassungselements zeigt, das bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vor­ liegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 5 eine vergrößerte Draufsicht, die ein Überwa­ chungselektrodenbauteil in Fig. 4 zeigt;

Fig. 6 ein Schaltungsblockdiagramm eines herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensors;

Fig. 7 eine Draufsicht, die ein Beispiel eines herkömm­ lichen Winkelgeschwindigkeitserfassungselements zeigt; und

Fig. 8 ein Schaltungsverdrahtungsdiagramm, das eine Tei­ lanschlußschaltung eines Winkelgeschwindigkeits­ sensors gemäß der Kapazitäts-Spannungs- Umwandlungsschaltung in Fig. 6 aufweist.

Hiernach werden die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erklärt.

Die vorliegende Erfindung wird weiter mit den folgenden Beispielen veranschaulicht. Zusätzlich werden die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen Bauteile angewendet, wie sie in Fig. 6 und Fig. 7 vorhanden sind, und dementsprechend werden Erklärungen derselben weggelassen.

In Fig. 1 weisen eine Kapazitäts-Spannungs-Umwand­ lungsschaltung 20 und eine Kapazitäts-Spannungs- Umwandlungsschaltung 30 eine ähnliche Schaltungskonfigura­ tion auf, wobei dieselben zwischen Erfassungselektrodenbau­ teile 14 und 15 und einen Wechselsignalverstärker 4 ge­ schaltet sind. Fig. 2 zeigt eine Konfiguration der Kapazi­ täts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen 20 und 30 einschließ­ lich der Anschlußschaltungen, d. h. einer Source- Folgerschaltung, die einen JFET verwendet. Die Gate- Anschlüsse 21a und 31a der JFETs 21 und 31 sind über eine Äquivalenzkapazität Cs, die die Erfassungselektrodenbautei­ le 14 und 15 eines Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1 darstellen, auf Masse geschaltet. Ferner sind die Gate- Anschlüsse 21a und 31a über Vorspannungswiderstände 21f und 31f, wie z. B. einen Widerstand von 20 MΩ, mit einer ge­ meinsamen Leistungsversorgung Vc, wie z. B. einer Leis­ tungsversorgung von 2,5 V, verbunden. Darüber hinaus sind die Gate-Anschlüsse 21a und 31a über Gateanschlußwiderstän­ de 21d und 31d, wie z. B. einen Widerstand von 1 GΩ, mit Source-Anschlüssen 21c und 31c verbunden.

Wie es im vorhergehenden angemerkt wurde, ist die Kapazi­ täts-Spannungs-Umwandlungsschaltung 20 als eine Source- Folgerschaltung hergestellt, die einen JFET 21, 31 verwen­ det. Da der Gateanschlußwiderstand 21d, 31d einen hohen Wi­ derstandswert aufweist, und der Gate-Anschluß über den Vor­ spannungswiderstand 21f, 31f mit einer Vorspannungsleis­ tungsversorgung Vc verbunden ist, werden die Widerstands­ werte des Vorspannungswiderstands und des Gateanschlußwi­ derstands unabhängig von Änderungen der Drain-Ströme des JFET für jeden JFET eingestellt; hierdurch ist es möglich, die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsempfindlichkeiten der Kapazitätsspannungsumwandlungsschaltung gleich zu machen. Folglich gibt es keine Änderung der Winkelempfindlichkeiten und der Offset-Spannungen bei dem Winkelgeschwindigkeits­ sensor.

Die Vorspannungswiderstände 21f, 31f der Kapazitäts- Spannungs-Umwandlungsschaltungen sind so eingestellt, daß die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsempfindlichkeiten gleich gemacht sind, und folglich ist es möglich, die Amp­ lituden der Winkelgeschwindigkeitssignalkomponente an einem Ausgang der zwei Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschal­ tungen gleich zu machen. Folglich ergeben sich symmetrische Eingangssignale, wenn die zwei Winkelgeschwindigkeitssig­ nalkomponenten durch einen Differenzverstärker differen­ tiell verstärkt werden, und es kann ein zufriedenstellendes Winkelgeschwindigkeitssignal mit keiner Offset-Spannung er­ halten werden. Als ein Ergebnis sind das Ausgangssignal in einem Fall, bei dem an dem Winkelgeschwindigkeitserfas­ sungselement eine Drehung im Uhrzeigersinn angelegt wird, und das Ausgangssignal in einem Fall, bei dem eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn an dem Winkelgeschwindigkeitserfas­ sungselement angelegt wird, ausgeglichen, und folglich wird es einfach, ein Winkelgeschwindigkeitssignal zu verwenden.

Die Funktionsweise der Schaltung in Fig. 2 wird nun er­ klärt. Die Gate-Anschlüsse 21a und 31a der JFETs 21 und 31 und beide Enden der Äquivalenzkapazität Cs der Erfassungs­ elektrodenbauteile 14 und 15 erlangen ein Gleichsignalpo­ tential Vgo, das von der gemeinsamen Spannung Vc durch die Vorspannungswiderstände 21f und 31f und die Gateanschlußwi­ derstände 21d und 31d und die Sourceanschlußwiderstände 21e und 31e geteilt wird. In diesem Fall ist ein Widerstands­ wert Rs der Sourceanschlußwiderstände 21e und 31e viel kleiner als ein Widerstandswert Rb der Vorspannungswider­ stände 21f und 31f und ein Widerstandswert Rg der Ga­ teanschlußwiderstände 31d und 31f; folglich ist es möglich, den Widerstandswert Rs zu vernachlässigen, wobei das Gate- Potential Vgo in etwa durch Vgo = Rg.Vc/(Rb + Rg) gegeben ist. Wenn die Gleichsignalspannung Vgo an den Gate- Anschlüssen 21a und 31a der JFETs 21 und 31 anliegt, wird das Gate-Potential der Gate-Anschlüsse 21a und 31a stabil, wobei zum selben Zeitpunkt das Potential über beide Enden der Äquivalenzkapazität Cs stabil wird. Das Gate-Potential des Gate-Anschlusses 21a des JFET 21 und das Gate-Potential des Gate-Anschlusses 31a des JFET 31 werden unabhängig von der Änderung der Drain-Ströme des JFET 21 und des JFET 31 auf das selbe Potential eingestellt, und folglich ist es möglich, die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsempfind­ lichkeiten der JFETs 21 und 31 gleich zu machen. In diesem Fall sind, da die Drain-Ströme der JFETs 21 und 31 ein Strom werden, der einem Gleichsignalpotential Vgo ent­ spricht, die Gleichsignalspannungen Vgo an beiden Enden der Sourceanschlußwiderstände 21e und 31e unterschiedlich; die­ selben werden jedoch durch die Gleichsignalsperrkondensato­ ren 43 und 44 des Wechselsignalverstärkers 4 verhindert, und folglich besteht keine Auswirkung auf den Schaltungsbe­ trieb.

Fig. 3 ist ein Schaltungsblockdiagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Es werden die selben Bezugszeichen auf die selben Bauteile an­ gewendet, wie sie in Fig. 1, Fig. 6 und Fig. 7 vorhanden sind, wobei Erklärungen derselben weggelassen werden. Das Schaltungsblockdiagramm, das in Fig. 3 gezeigt ist, zeigt ein Beispiel, bei dem eine Selbsterregungsschwingung ausge­ führt wird, indem ein Überwachungsausgangssignal von dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 1 erhalten wird. In Fig. 3 ist bei dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 1 an einer Seite des Treiberelektrodenbauteils 13 ein Über­ wachungselektrodenbauteil 18 neu vorgesehen, wobei dasselbe einen Schwingungszustand des Schwingungselements 11 elekt­ rostatisch erfaßt. Das Überwachungselektrodenbauteil 18 ist mit einem Gate-Anschluß 81a eines JFET 81 bei einer Kapazi­ täts-Spannungs-Umwandlungsschaltung 80 verbunden. Der Gate- Anschluß 81a des JFET 81 ist über einen Vorspannungswider­ stand 81f mit der gemeinsamen Leistungsversorgung verbunden und ist über einen Gateanschlußwiderstand 81d mit einem Source-Anschluß 81c verbunden. Ein Drain-Anschluß 81b des JFET 81 ist mit einer Gleichsignalleistungsversorgung Vcc verbunden, wobei ein Source-Anschluß 81c des JFET 81 über den Sourceanschlußwiderstand 81d auf Masse geschaltet ist, und derselbe eine Änderung der elektrostatischen Kapazität bei dem Überwachungselektrodenbauteil 18 aufgrund der Schwingung des Schwingungselements 11 in eine Spannungsän­ derung umwandelt. Der Ausgang der Kapazitäts-Spannungs- Umwandlungsschaltung 80, d. h. der Source-Anschluß 81c des JFET 81, ist mit einem Eingang einer Wechselsignalverstär­ kungsschaltung 40 verbunden. Die Wechselsignalverstärkungs­ schaltung 40 ist mit einem Gleichsignalsperrkondensator 46 und einem Verstärker 45 versehen und verstärkt ein Signal mit sich verändernder Amplitude ausgenommen eines Gleich­ signals in dem Verstärker 45.

Mit dieser Konfiguration tritt, wenn das Schwingungselement 11 schwingt, eine elektrostatische Kapazität, die sich mit der Schwingungsfrequenz des Schwingungselements 11 ändert, auf, wobei die Änderung der elektrostatischen Kapazität durch eine Source-Folgerschaltung, die der JFET 81 dar­ stellt, in ein Spannungssignal umgewandelt wird. Das Span­ nungssignal umfaßt lediglich die Schwingungsfrequenzkompo­ nente des Schwingungselements 11. Das Spannungssignal, das durch die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltung 80 um­ gewandelt wird, wird von dem Source-Anschluß 81c des JFET 81 in die Wechselsignalverstärkungsschaltung 40 eingegeben. Die Schwingungsamplitudensignalkomponente, die durch den Verstärker 45 verstärkt wird, wird zu der Treiberschaltung 5 rückgekoppelt, wobei daraufhin eine Eigenschwingungstrei­ bung des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1 beibe­ halten wird.

Die Überwachungseinrichtung erfaßt ein Überwachungssignal, das der Schwingungsamplitude des Schwingungselements ent­ spricht, und folglich ist es möglich, eine Selbsterregungs­ schwingungsschaltung zum Beibehalten der Erregung der Schwingung unter Verwendung des Überwachungssignals herzu­ stellen. Ferner kann in dem Fall einer Treibersteuerungs­ schaltung, die eine getrennte Erregung verwendet, das Über­ wachungssignal als ein Steuersignal für die Amplitude und die Phase des Treibersignals verwendet werden.

Darüber hinaus ist die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungs­ schaltung 80 als eine Source-Folgerschaltung hergestellt, die mit einem Gateanschlußwiderstand mit einem hohen Wider­ standswert zwischen einem Gate-Anschluß 81a und einem Sour­ ce-Anschluß 81c verbunden ist und einen JFET 81 verwendet, wobei der Gate-Anschluß 81a über einen Vorspannungswider­ stand 81f mit einer Vorspannungsleistungsversorgung verbun­ den ist, und wobei ein Gate-Potential auf ein vorbestimmtes Potential festgelegt ist; folglich ist es, wenn eine Ände­ rung einer elektrostatischen Kapazität, die durch die Über­ wachungseinrichtung erfaßt wird, in eine Spannungsänderung umgewandelt wird, unabhängig von der Änderung der Drain- Ströme des JFET bei jedem Winkelgeschwindigkeitssensor mög­ lich, die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsempfindlichkeiten stabil zu machen, und ist es möglich, die Schwankungen von Winkelgeschwindigkeitssensoren bei einer Massenfertigung zu reduzieren. Die Drain-Anschlüsse 21b und 31b der JFETs 21 und 31 sind mit einer Gleichsignalleistungsversorgung Vcc, wie z. B. einer Leistungsversorgung von 5 V, verbunden. Die Source-Anschlüsse 21c und 31c der JFETs 21 und 31 sind über Sourceanschlußwiderstände 21e und 31e auf Masse geschaltet. Ferner sind die Source-Anschlüsse 21c und 31c Ausgangsenden der Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen 2 und 3 und führen dem Wechselsignalverstärker 4 Spannungen über beide Enden der Sourceanschlußwiderstände 21e und 31e zu. Die ge­ meinsame Leistungsversorgung Vc wird hergestellt, indem ei­ ne Reihenschaltung aus einem Widerstand 22 und einer Zener­ diode 32 mit beiden Enden der Gleichsignalleistungsversor­ gung Vcc verbunden wird, wobei eine stabile Spannung über beide Enden der Zenerdiode 32 als eine gemeinsame Spannung eingestellt wird. Wenn die Spannung der Gleichsignalleis­ tungsversorgung Vcc stabil ist, kann anstatt der Zenerdiode 32 ein Widerstand verwendet werden. Üblicherweise wird ein gemeinsames Potential aus einer gemeinsamen Leistungsver­ sorgungsleitung erhalten, die auf einem Schaltungssubstrat bereitgestellt wird.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel des Winkelgeschwindigkeitserfas­ sungselements 1. Dieses Beispiel unterscheidet sich von Fig. 6 darin, daß das Überwachungselektrodenbauteil 18 vor­ gesehen ist. Das Überwachungselektrodenbauteil 18 ist an dem Außenrahmenschwingungsbauteil 16 benachbart zu dem Treiberelektrodenbauteil 13 angeordnet. Das Überwachungs­ elektrodenbauteil 18, das in Fig. 5 vergrößert gezeigt ist, ist mit plattenförmigen bewegbaren Überwachungskammelektro­ den 18b und 18c versehen, die mit dem Außenrahmenschwin­ gungsbauteil 16 mit einer plattenförmigen Verbindungselekt­ rode 18a verbunden sind, wobei eine plattenförmige feste Überwachungskammelektrode 18d zwischen den bewegbaren Über­ wachungskammelektroden 18b und 18c, die den bewegbaren Ü­ berwachungskammelektroden 18b und 18c über einen winzigen Zwischenraum gegenüberliegt, und eine feste Überwachungs­ elektrode 18e, die die feste Überwachungskammelektrode 18d trägt, vorhanden sind.

Wenn das Schwingungselement 11 des Winkelgeschwindigkeits­ erfassungselements 1 in der Richtung des Pfeiles x in Fig. 5 schwingt, d. h. in der horizontalen Richtung in Fig. 5, tritt aufgrund der Schwingungsfrequenz des Schwingungsele­ ments bei der festen Überwachungselektrode 18e eine Kapazi­ tätsänderung auf. Zu diesem Zeitpunkt wird die Corio­ liskraft auf das Schwingungselement 11 ausgeübt, und ein Innenrahmenschwingungsbauteil 17 wird in der Richtung senk­ recht zu dem Pfeil x verschoben; das Außenrahmenschwin­ gungsbauteil 16 wird jedoch nicht in einer Richtung senk­ recht zu dem Pfeil x verschoben, da sich die äußeren Balken 16a und 16b nicht biegen. Wenn ferner angenommen wird, daß die elektrostatische Kapazität zwischen der festen Überwa­ chungselektrode 18d und den bewegbaren Überwachungselektro­ den 18b und 18c auf C1 und C2 eingestellt ist, werden die­ selben parallel geschaltet, und folglich ändert sich die elektrostatische Gesamtkapazität (C1 + C2) auch dann nicht, wenn das äußere Schwingungsbauteil 16 in einer Richtung senkrecht zu dem Pfeil x verschoben wird. Folglich weist, obwohl an das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 1 ei­ ne Winkelgeschwindigkeit angelegt wird, die Kapazitätsände­ rung, die bei der festen Überwachungselektrode 18d erzeugt wird, keine Winkelgeschwindigkeitssignalkomponente auf.

Bei den Schaltungsblockdiagrammen in Fig. 1 und Fig. 3 sind Erklärungen bezüglich eines Falles abgegeben worden, bei dem das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 1 durch Selbstschwingungserzeugung getrieben wird; es kann jedoch eine Schwingungsschaltung bei der Treiberschaltung 5 vorge­ sehen sein, wobei eine Treibung mit getrennter Erregung verwendet werden kann. In diesem Fall wird die Schwingungs­ amplitudensignalkomponente als ein Steuersignal verwendet, das die Phase und die Amplitude des Treibersignals fest­ legt.

Wie es im vorhergehenden erklärt wurde, wird gemäß der vor­ liegenden Erfindung eine Kapazitäts-Spannungs-Umwand­ lungsschaltung als eine Source-Folgerschaltung, die einen JFET verwendet, hergestellt, wobei ein Gateanschlußwi­ derstand mit einem hohen Widerstandswert zwischen einen Ga­ te- und einen Source-Anschluß des JFET geschaltet ist, und der Gate-Anschluß über einen Vorspannungswiderstand mit ei­ ner Vorspannungsleistungsversorgung verbunden ist, wobei folglich unabhängig von Änderungen der Drain-Ströme des JFET die Widerstandswerte eines Vorspannungswiderstands und eines Gateanschlußwiderstands für jeden JFET eingestellt sind, und es folglich möglich ist, die Kapazitäts- Spannungs-Umwandlungsempfindlichkeiten der Kapazitäts- Spannungs-Umwandlungsschaltung gleich zu machen. Folglich gibt es bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor keine Änderung der Winkelempfindlichkeiten und keine Offsetspannungen.

Darüber hinaus werden die Vorspannungswiderstände der Kapa­ zitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen, die mit den zwei Erfassungselektrodenbauteilen verbunden sind, so einge­ stellt, daß die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsempfind­ lichkeiten gleich gemacht sind, und folglich ist es mög­ lich, die Amplituden der Winkelgeschwindigkeitssignalkompo­ nente an einem Ausgang der zwei Kapazitäts-Spannungs- Umwandlungsschaltungen gleich zu machen. Folglich wird die Symmetrie von Eingangssignalen ausreichend, wenn zwei Win­ kelgeschwindigkeitssignalkomponenten durch einen Differenz­ verstärker differentiell verstärkt werden, wobei ein zu­ friedenstellendes Winkelgeschwindigkeitssignal mit keiner Offset-Spannung erhalten werden kann. Als ein Ergebnis sind beispielsweise das Ausgangssignal in einem Fall, bei dem eine Drehung im Uhrzeigersinn an das Winkelgeschwindig­ keitserfassungselement angelegt wird, und das Ausgangssig­ nal in einem Fall, bei dem eine Drehung gegen den Uhrzei­ gersinn an das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement an­ gelegt wird, ausgeglichen bzw. gleich, und folglich wird es einfach, ein Winkelgeschwindigkeitssignal zu verwenden.

Zusätzlich erfaßt die Überwachungseinrichtung ein Überwa­ chungssignal, das einer Schwingungsamplitude des Schwin­ gungselements entspricht, und folglich ist es möglich, eine Selbsterregungsschwingungsschaltung zum Beibehalten der Er­ regung der Schwingung unter Verwendung des Überwachungssig­ nals herzustellen. In dem Fall einer Treibersteuerungs­ schaltung, die eine getrennte Erregung verwendet, kann das Überwachungssignal ebenfalls als ein Steuersignal für die Amplitude und die Phase des Treibersignals verwendet wer­ den.

Ferner wird eine Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltung als eine Source-Folgerschaltung hergestellt, die mit einem Gateanschlußwiderstand mit einem hohen Widerstandswert zwi­ schen einem Gate- und einem Source-Anschluß verbunden ist und einen JFET verwendet, wobei der Gate-Anschluß über ei­ nen Vorspannungswiderstand mit einem Vorspannungsleistungs­ versorgung verbunden ist, und ein Gate-Potential auf ein vorbestimmtes Potential festgelegt ist; folglich ist es, wenn eine Änderung einer elektrostatischen Kapazität, die durch die Überwachungseinrichtung erfaßt wird, in eine Spannungsänderung umgewandelt wird, unabhängig von der Än­ derung der Drain-Ströme des JFET bei jedem Winkelgeschwin­ digkeitssensor möglich, die Kapazitäts-Spannungs-Umwand­ lungsempfindlichkeiten stabil zu machen, und es ist mög­ lich, die Schwankungen der Winkelgeschwindigkeitssensoren bei der Massenfertigung zu reduzieren.

Claims (5)

1. Winkelgeschwindigkeitssensor mit
einem Schwingungselement (1);
einer Trageeinrichtung (7) zum Tragen des Schwingungs­ elements (1), damit dasselbe in der Lage ist, zu schwingen;
einer Treibereinrichtung (5) zum Treiben des Schwin­ gungselements (1) durch eine elektrostatische Kraft;
einer Erfassungseinrichtung (14, 15) zum Erfassen ei­ ner Verschiebung des Schwingungselements (1) basierend auf einer Corioliskraft, die auf das Schwingungsele­ ment (1) ausgeübt wird, als eine Änderung der elektro­ statischen Kapazität; und
einer Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln der Änderung der elektrostatischen Kapazi­ tät, die durch die Erfassungseinrichtung (14, 15) er­ faßt wird, in eine Spannungsänderung, wobei die Kapa­ zitäts-Spannungs-Umwandlungseinrichtung (20, 30) eine Source-Folgerschaltung aufweist, bei der ein solcher Gateanschlußwiderstand (21d, 31d) zwischen einen Gate- (21a, 31a) und einen Source-Anschluß (21c, 31c) eines JFET (21, 31) geschaltet ist, daß ein Stromfluß zwi­ schen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß im we­ sentlichen unterdrückt wird, wobei der Gate-Anschluß (21a, 31a) des JFET (21, 31) über einen Vorspannungs­ widerstand (21f, 31f) mit einer Vorspannungsleistungs­ versorgung (Vc) verbunden ist.

2. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1, der ferner eine Überwachungselektrode (18) zum Erfassen einer Amplitude der Schwingung des Schwingungselements (1) aufweist.

3. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 2, der ferner folgendes Merkmal aufweist:
eine zweite Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungseinrich­ tung (80) zum Umwandeln einer Änderung der elektrosta­ tischen Kapazität bei der Überwachungselektrode (18) in eine Spannungsänderung, wobei die zweite Kapazi­ täts-Spannungs-Umwandlungseinrichtung (80) eine Sour­ ce-Folgerschaltung aufweist, bei der ein solcher Wi­ derstand (81d) zwischen einen Gate- und einen Source- Anschluß (81a, 81c) eines JFET (81) geschaltet ist, daß ein Stromfluß zwischen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß im wesentlichen unterdrückt wird, wo­ bei der Gate-Anschluß (81a) des JFET (81) über einen Vorspannungswiderstand (81f) mit einer Vorspannungs­ leistungsversorgung (Vc) verbunden ist.

4. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
die Treibereinrichtung ein Paar von Treiberelektroden (12, 13) zum Treiben des Schwingungselements (1) durch eine elektrostatische Kraft aufweist,
die Erfassungseinrichtung ein Paar von Erfassungselek­ troden (14, 15) aufweist; und
die Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungseinrichtung eine erste und eine zweite Kapazitäts-Spannungs- Umwandlungsschaltung (20, 30) aufweist, die jeweils mit den Erfassungselektroden (14, 15) verbunden sind, zum Umwandeln der Änderung der elektrostatischen Kapa­ zität, die durch jede Erfassungselektrode (14, 15) er­ faßt wird, in eine Spannungsänderung, wobei jede der Kapazitäts-Spannungs-Umwandlungsschaltungen (20, 30) eine Source-Folgerschaltung aufweist, bei der ein sol­ cher Gateanschlußwiderstand (21d, 31d) zwischen einen Gate- und einen Source-Anschluß (21a, 31a, 21c, 31c) eines JFET (21, 31) geschaltet ist, daß ein Stromfluß zwischen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß im wesentlichen unterdrückt wird, wobei der Gate-Anschluß (21a, 31a) des JFET (21, 31) über einen Vorspannungs­ widerstand (21f, 31f) mit einer Vorspannungsleistungs­ versorgung (Vc) verbunden ist.

5. Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 4 bei dem das Paar von Treiberelektroden (12, 13) strukturiert und angeordnet ist, um das Schwingungselement (1) in einer vorbestimmten Richtung (x) mit Signalen in Schwingung zu versetzen, deren Phasen sich um 180 Grad unterscheiden, wobei die zwei Erfassungselektroden (14, 15) strukturiert und angeordnet sind, um Änderun­ gen der elektrostatischen Kapazität, deren Phasen sich um 180 Grad unterscheiden, zu erfassen, und die Kapa­ zitäts-Spannungs-Umwandlungsempfindlichkeiten der JFETs (21, 31) jeder Kapazitäts-Spannungs-Umwand­ lungsschaltung (20, 30) durch Einstellen des jeweili­ gen Vorspannungswiderstands eingestellt werden.