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Querverweis
auf eine verwandte Anmeldung
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Diese
Anmeldung basiert auf der früheren
japanischen Patentanmeldung 2004-174688, welche am 11. Juni 2004
eingereicht wurde, und beansprucht deren Priorität, so dass deren Inhalt hierin durch
Bezugnahme aufgenommen ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor
eines Schwingungstyps, bei welchem ein Schwingungserzeuger im Ansprechen
auf ein Ansteuersignal schwingt und eine dem Schwingungserzeuger übertragene
Winkelgeschwindigkeit als Winkelgeschwindigkeit erfasst wird, während ein
Pegel des Ansteuersignals ansteigt und eine Vorspannung einem beweglichen
Abschnitt des Schwingungserzeugers aufgebracht wird.
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Als
Winkelgeschwindigkeitssensor (oder Gyrosensor) sind ein Sensor eines
mechanischen Typs, ein Sensor eines optischen Typs und ein Sensor
des Typs eines fließenden
Fluids bekannt. Bei dem mechanischen Typ wird die Präzession
eines rotierenden Körpers
dazu verwendet, eine dem Körper übertragene
Winkelgeschwindigkeit zu erfassen. Bei dem optischen Typ wird ein
Empfangszeitablauf eines in einem rotierenden Kasten zirkulierenden
Laserstrahls im Ansprechen auf eine dem Kasten übertragene Winkelgeschwindigkeit
verändert,
und es wird die Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage eines Änderungsgrads
erfasst. Bei dem Typ eines fließenden
Fluids wird ein Gas einem erwärmten
Draht in einem rotierenden Kasten injiziert. Ein Betrag des injizierten
Gases wird im Ansprechen einer dem Kasten übertragenen Winkelgeschwindigkeit
verändert,
und die Temperatur des erwärmten
Drahts hängt
von dem Betrag von injiziertem Gas ab. Die Winkelgeschwindigkeit
wird auf der Grundlage der Temperatur des erwärmten Drahts erfasst.
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Des
weiteren bestand kürzlich
ein Bedarf an einem Winkelgeschwindigkeitssensor, welcher für ein Fahrzeugsteuersystem,
ein Autonavigationssystem oder dergleichen verwendet wird. Insbesondere ist
ein Winkelgeschwindigkeitssensor eines Schwingungstyps im Vergleich
mit anderen Typen preiswert und leichtgewichtig, so dass dieser
Schwingungstyp für
ein Fahrzeug hauptsächlich
verwendet wird. Beispielsweise schlägt die erste japanische Veröffentlichungsschrift
Nr. 2003-021517 eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung für ein Fahrzeug
vor, bei welchem das Vorhandensein eines Defekts der Vorrichtung
schnell erfasst wird.
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Bei
diesem Schwingungstyp schwingt ein Schwingungserzeuger in einer
vorbestimmten Bezugsrichtung mit einer festen Frequenz im Ansprechen
auf ein Ansteuersignal, welches aus einer Schwingungskomponente
des Schwingungserzeugers entlang der Bezugsrichtung erzeugt wird.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit dem Schwingungserzeuger übertragen
wird, wird eine Coriolis-Kraft entlang einer Erfassungsrichtung
senkrecht zu der Bezugsrichtung erzeugt, und es lässt die
Coriolis-Kraft zusätzlich
den Schwingungserzeuger entlang der Erfassungsrichtung schwingen.
Eine zweite Schwingungskomponente des Schwingungserzeu gers entlang
der Erfassungsrichtung wird von dem Schwingungserzeuger erfasst,
und es wird eine Information bezüglich
der Winkelgeschwindigkeit aus dieser zweiten Schwingungskomponente
erlangt.
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Insbesondere
wird eine synchrone Erfassungseinheit in dem Winkelgeschwindigkeitssensor eines
Schwingungstyps verwendet, um ein Winkelgeschwindigkeitssignal zu
erfassen, welches die Winkelgeschwindigkeit aus der zweiten Schwingungskomponente
des Schwingungserzeugers anzeigt. Die Stärke der Coriolis-Kraft ist
proportional zu einem Vektorprodukt einer Schwingungsgeschwindigkeit
des Schwingungserzeugers entlang der Bezugsrichtung und einer dem
Schwingungserzeuger übertragenen
Winkelgeschwindigkeit, und es wird ein Signal, welches die Schwingungsgeschwindigkeit des
Schwingungserzeugers anzeigt, derart gesteuert, dass eine Sinuswellenform
entsprechend dem Ansteuersignal erlangt wird, welches eine Schwingungswellenform
mit einer festen Frequenz besitzt. Als Ergebnis dieser Steuerung
besitzt das auf der Coriolis-Kraft basierende Winkelgeschwindigkeitssignal
dieselbe Frequenz wie das Ansteuersignal. Daher wird ein Wellenerfassungstaktsignal,
welches dieselbe Frequenz wie das Ansteuersignal besitzt, aus einem
Sinuswellensignal erzeugt, welches dieselbe Wellenform wie das Ansteuersignal
besitzt, und ein synchroner Phasendetektor erfasst das Winkelgeschwindigkeitssignal
aus der zweiten Schwingungskomponente des Schwingungserzeugers auf der
Grundlage der synchronen Erfassung unter Verwendung des Wellenerfassungstaktsignals.
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Wenn
das Ansteuersignal auf einen vorbestimmten Spannungspegel festgelegt
wird, welcher im Allgemeinen in einem Steuersystem verwendet wird,
ist des weiteren die dem Schwingungserzeuger angelegte Spannung
unzureichend, den Schwingungserzeuger verlässlich zum Schwingen zu bringen.
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Daher
ist eine Spannungserhöhungsschaltung
vorgesehen, um einen Spannungspegel des Ansteuersignals zu erhöhenen und
eine erhöhte
Spannung einem beweglichen Abschnitt des Schwingungserzeugers als
Vorspannung anzulegen. In diesem Fall erfordert die Spannungserhöhungsschaltung
ein Spannungserhöhungstaktsignal,
um eine Spannung zu erhöhenen,
welche im Allgemeinen dem Steuersystem angelegt wird. Wenn eine
Schaltung zur Erzeugung des Spannungsverstärkungstaktsignals zusätzlich zu
einer Steuerschaltung des Sensors bereitgestellt wird, ist der Sensor äußerst groß.
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Um
die Sensorgröße zu verringern,
wird das Spannungserhöhungstaktsignal
aus einem Sinuswellensignal mit derselben Wellenform wie derjenigen
des Ansteuersignals auf dieselbe Weise wie das Wellenerfassungstaktsignal
erzeugt. In diesem Fall ändert
jedes der Taktsignale seinen Pegel, wenn das entsprechende Sinuswellensignal
seinen Nullpegel durchläuft.
Daher besitzt das Spannungserhöhungstaktsignal
dieselbe Frequenz und Phase wie das Wellenerfassungstaktsignal,
und der Pegel des Spannungserhöhungstaktsignals
wird nahezu gleichzeitig zu einer Zeit verändert, zu welcher das Sinuswellensignal,
welches zur Erzeugung des Wellenerfassungstaktsignals verwendet
wird, seinen Nullpegel durchläuft.
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Jedoch
wird leicht ein Rauschen, welches infolge einer Pegeländerung
des Spannungserhöhungstaktsignals
erzeugt wird, dem Sinuswellensignal überlagert, welches zur Erzeugung
des Wellenerfassungstaktsignals verwendet wird. In diesem Fall wird
das Rauschen des Spannungserhöhungstaktsignals
nahe dem Nullpegel des Sinuswellensignals entsprechend dem Pegel
platziert, welcher die Flanken des Wellenerfassungstaktsignals ändert. Als
Ergebnis wird das Wellenerfassungstaktsignal leicht einem Flattern
bzw. Zittern oder dergleichen hervorgerufen durch das Rauschen unterworfen,
und es wird die Genauigkeit der Wellenerfas sung zur Erfassung des
Winkelgeschwindigkeitssignals unerwünscht verringert.
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Kurzfassung
der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegende Erfindung ist es, unter Berücksichtigung der Nachteile
des herkömmlichen
Sensors eines Schwingungstyps einen Winkelgeschwindigkeitssensor
eines Schwingungstyps zu schaffen, bei welchem eine einem Schwingungserzeuger übertragene
Winkelgeschwindigkeit mit einer hohen Genauigkeit unter Verwendung
eines Wellenerfassungstaktsignals erfasst wird, welches aus einer Wellenform
der Schwingung des Schwingungserzeugers erlangt wird, während ein
Spannungserhöhungstaktsignal,
welches aus der Schwingungswellenform erlangt wird, verwendet wird,
um die Schwingung des Schwingungserzeugers aufrechtzuerhalten.
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Entsprechend
einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Winkelgeschwindigkeitssensor
eines Schwingungstyps bereitgestellt, welcher einen Schwingungserzeuger,
einen Überwachungssignalgenerator,
einen Taktsignalgenerator und einen Winkelgeschwindigkeitsdetektor
aufweist. Der Schwingungserzeuger schwingt entlang einer Bezugsrichtung
mit einer festen Frequenz im Ansprechen auf ein Ansteuersignal,
empfängt
eine dem Schwingungserzeuger übertragene
Winkelgeschwindigkeit und schwingt entlang einer Erfassungsrichtung
senkrecht zu der Bezugsrichtung entsprechend der Winkelgeschwindigkeit.
Der Überwachungssignalgenerator
erzeugt ein Überwachungssignal,
welches eine Wellenform der Schwingung des Schwingungserzeugers entlang
der Bezugsrichtung besitzt. Der Taktsignalgenerator erzeugt aus
dem Überwachungssignal
ein erstes Taktsignal und ein zweites Taktsignal, welches eine Frequenz
aufweist, die identisch zu derjenigen des ersten Taktsignals ist,
auf eine Weise, dass ein Pegel des ersten Taktsig nals zu einem Zeitpunkt
verändert
wird, der sich von demjenigen in dem zweiten Taktsignal unterscheidet.
Das erste Taktsignal wird dazu verwendet, die Schwingung des Schwingungserzeugers
entlang der Bezugsrichtung aufrechtzuerhalten. Der Winkelgeschwindigkeitsdetektor
erfasst die Winkelgeschwindigkeit aus einer Wellenform der Schwingung
des Schwingungserzeugers entlang der Erfassungsrichtung unter Verwendung
des zweiten Taktsignals und gibt die erfasste Winkelgeschwindigkeit
aus.
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Da
ein Pegel des ersten Taktsignals zu einem Zeitpunkt verändert wird,
welcher sich von demjenigen in dem zweiten Taktsignal unterscheidet,
wird das zweite Taktsignal kaum durch Rauschen deformiert, welches
während
der Erzeugung des ersten Taktsignals generiert wird. Dementsprechend
kann eine synchrone Erfassung für
ein Signal, welches die Schwingung des Schwingungserzeugers entlang
der Erfassungsrichtung anzeigt, unter Verwendung des zweiten Taktsignals
durchgeführt
werden, während das
erste Taktsignal zur Aufrechterhaltung der Schwingung des Schwingungserzeugers
verwendet wird, und es kann die Winkelgeschwindigkeit mit einer
hohen Genauigkeit erfasst werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Ansicht, welche die Konfiguration eines Winkelgeschwindigkeitssensors
eines Schwingungstyps einer Ausführungsform
der vorliegende Erfindung darstellt;
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2 zeigt
eine Draufsicht, welche eine beispielhafte Struktur eines in 1 dargestellten Schwingungserzeugers
darstellt;
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3 zeigt
eine Ansicht, welche eine in 1 dargestellte
Spannungserhöhungsschaltung darstellt;
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4 stellt
eine Beziehung der Phase zwischen einem Spannungserhöhungstaktsignal
und einem Wellenerfassungstaktsignal dar;
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5A stellt
ein Sinuswellensignal wa und ein Rechteckwellensignal wb dar, welches
aus dem Sinuswellensignal wa erlangt wird, wenn kein Rauschen dem
Signal wa überlagert
wird;
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5B stellt
ein deformiertes Sinuswellensignal wa' und ein deformiertes Rechteckwellensignal
wb' dar, welches
aus dem deformierten Sinuswellensignal wa' in einem Fall erlangt wird, bei welchem kein
Rauschen dem Signal wa' überlagert
wird, wenn das Sinuswellensignal wa' auf einen Pegel nahe seinem Nullpegel
platziert wird; und
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5C stellt
das phasenverschobene Schwingungsüberwachungssignal wa und das
Wellenerfassungstaktsignal wb dar, welches erlangt wird, wenn durch
das Spannungserhöhungstaktsignal
erzeugtes Rauschen dem Signal wa bei dieser Ausführungsform überlagert wird.
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Detailierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine
Ausführungsform
der vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen
beschrieben.
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Ausführungsform
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1 zeigt
eine Ansicht, welche die Konfiguration eines Winkelgeschwindigkeitssensors
eines Schwingungstyps einer Ausführungsform
der vorliegende Erfindung darstellt. Wie in 1 dargestellt, besitzt
ein Winkelgeschwindigkeitssensor 1 einen Schwingungserzeuger 100,
eine Überwachungssignalerzeugungseinheit 71,
eine Taktsignalerzeugungseinheit 72 und einen Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitt 7.
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Der
Schwingungserzeuger 100 schwingt entlang einer vorbestimmten
Bezugsrichtung mit einer festen Frequenz im Ansprechen auf ein Ansteuersignal,
empfängt
eine dem Schwingungserzeuger 100 übertragene Winkelgeschwindigkeit
und schwingt entlang einer Erfassungsrichtung senkrecht zu der Bezugsrichtung
entsprechend der Winkelgeschwindigkeit. Die Erzeugungseinheit 71 erzeugt
ein Überwachungssignal,
welches eine Wellenform aufweist, welche die Schwingung des Schwingungserzeugers entlang
der Bezugsrichtung anzeigt. Die Erzeugungseinheit 72 erzeugt
aus dem Überwachungssignal
ein erstes Taktsignal und ein zweites Taktsignal, welches eine Frequenz
aufweist, die identisch zu derjenigen des ersten Taktsignals ist,
derart, dass ein Pegel des ersten Taktsignals zu einem Zeitpunkt
geändert
wird, welcher unterschiedlich zu demjenigen in dem zweiten Taktsignal
ist. Das erste Taktsignal wird verwendet, um die Schwingung des
Schwingungserzeugers entlang der Bezugsrichtung aufrechtzuerhalten.
Der Erfassungsabschnitt 7 erfasst die Winkelgeschwindigkeit
aus einer Wellenform, welche die Schwingung des Schwingungserzeugers entlang
der Erfassungsrichtung anzeigt, unter Verwendung des zweiten Taktsignals
und gibt die erfasste Winkelgeschwindigkeit dem Schwingungserzeuger
aus.
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Vorzugsweise
besitzt der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 eine Ansteuersignalerzeugungseinheit 74,
um das Ansteuersignal aus dem Überwachungssignal
zu erzeugen, und sendet das Ansteuersignal dem Schwingungserzeuger 100,
um den Schwingungserzeuger 100 entlang der Bezugsrichtung mit
der festen Frequenz schwingen zu lassen. Des weiteren besitzt der
Winkelgeschwindigkeitssensor 1 vorzugsweise eine Spannungserhöhungseinheit 73,
um eine angelegte Spannung Vcc unter Verwendung des ersten Taktsignals
zu erhöhen
und eine erhöhte
Spannung zu erzeugen. Die erhöhte
Spannung wird dazu verwendet, den Schwingungserzeuger 100 stabil
schwingen zu lassen.
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Ein
Schwingungsansteuerabschnitt 6 setzt sich zusammen aus
den Erzeugungseinheiten 71, 72 und 74 und
der Erhöhungseinheit 73.
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Der
Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitt 7 besitzt eine
zweite Schwingungserfassungseinheit 75 und eine Winkelgeschwindigkeitserfassungseinheit 76.
Die Erfassungseinheit 75 erfasst eine Schwingungskomponente
entlang der Erfassungsrichtung aus der Schwingung des Schwingungserzeugers 100 und
erzeugt ein Schwingungserfassungssignal, welches eine modulierte
Wellenform der Winkelgeschwindigkeit aufweist, aus der erfassten
Schwingungskomponente entlang der Erfassungsrichtung. Die Erfassungseinheit 76 erfasst
die Winkelgeschwindigkeit entlang der Erfassungsrichtung aus dem
Schwingungserfassungssignal unter Verwendung des zweiten Taktsignals.
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Die
Konfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 wird
detailliert beschrieben.
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Der
Schwingungserzeuger 100 ist beispielsweise aus einem Halbleitersubstrat
wie einem SOI-Substrat (Silizium-auf-Isolator-Substrat) unter Verwendung
einer bekannten Halbleiterherstellungstechnik gebildet. Das SOI-Substrat hat eine
verdünnte
Siliziumschicht, einen Oxidfilm und einen Basiswafer (oder eine
andere Siliziumschicht), welcher an der verdünnten Siliziumschicht durch
den Oxidfilm befestigt ist.
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2 zeigt
eine Draufsicht, welche eine beispielhafte Struktur des Schwingungserzeugers 100 darstellt.
Entsprechend 2 ist eine Öffnung 14 in einem
SOI-Substrat durch partielles Entfernen sowohl eines (nicht dargestellten)
Oxidfilms, welcher eine verdünnte
Siliziumschicht 12 trägt,
als auch einer anderen (nicht dargestellten) Siliziumschicht vorgesehen,
welche an der Schicht 12 durch den Oxidfilm befestigt ist.
Gräben
sind in der Siliziumschicht 12 vorgesehen, um die Siliziumschicht 12 in
einen beweglichen Abschnitt 30, welcher in der Öffnung 14 angeordnet
ist, und einen Basisabschnitt 20 zu unterteilen, welcher
den beweglichen Abschnitt 30 umgibt. Der bewegliche Abschnitt 30 besitzt
Ansteuerungs- bzw.
Erregungsausleger oder -balken 33 und Erfassungsausleger 34,
durch welche der bewegliche Abschnitt 30 durch den Basisabschnitt 20 getragen
wird. Jeder Ansteuerungsausleger 33 ist als Feder entlang einer
Bezugsrichtung X deformierbar. Jeder Erfassungsausleger 34 ist
als Feder entlang einer Erfassungsrichtung Y senkrecht zu der Bezugsrichtung
X auf der Oberfläche
der Siliziumschicht 12 deformierbar.
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Ansteuerungselektroden 40,
Erfassungselektroden 50 und Überwachungselektroden 60 sind an
Positionen angeordnet, an welchen der Rand des beweglichen Abschnitts 30 dem
Basisabschnitt 20 zugewandt ist. Jede Elektrode besitzt
Zinkenabschnitte, welche in einer Kammzinkenform gebildet sind.
Ein Ansteuersignal, welches eine Sinuswellenform mit einer festen
Frequenz aufweist, wird dem beweglichen Abschnitt 30 durch
die Ansteuerelektroden 40 angelegt. Eine Schwingungskomponente
einer Schwingung des beweglichen Abschnitts 30 entlang
der Bezugsrichtung X wird als Schwingungsüberwachungssignal der Schwingungserfassungseinheit 71 durch
die Überwachungselektroden 60 ausgegeben.
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Der
Winkelgeschwindigkeitssensor 1 ist beispielsweise auf einem
Fahrzeug angebracht, um eine durch die parallelen Richtungen X und
Y definierte Ebene zu einer horizontalen Ebene zu gestalten.
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Wenn
eine Rotationskraft dem Schwingungserzeuger 100 durch Ändern einer
Fahrtrichtung des Fahrzeugs aufgebracht wird, wird eine Winkelgeschwindigkeit Ω, welche
eine Zeitintegration der Rotationskraft bezeichnet, erzeugt und
dem Schwingungserzeuger 100 entlang einer Rotationsrichtung (oder
vertikalen Richtung) um die z-Achse senkrecht zu einer Ebene übertragen,
welche durch die Richtungen X und Y definiert wird. In diesem Fall
schwingt der Schwingungserzeuger 100 zusätzlich entlang
der Abtastungsrichtung Y, und es wird eine Kapazität eines
Kondensators, welcher von den Erfassungselektroden 50 umgeben
ist, geändert.
Die Änderung
der Kapazität
wird durch die Erfassungselektroden 50 als Erfassungssignal
der Winkelgeschwindigkeit Ω entlang
der Erfassungsrichtung Y ausgegeben.
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Das
SOI-Substrat, welches den Schwingungserzeuger 100 aufweist,
ist auf einem (nicht dargestellten) Schaltungssubstrat angebracht.
Die Elektroden 40, 50 und 60 sind elektrisch
mit dem Schaltungssubstrat durch Anschlüsse 41, 51 bzw. 61 und die
Drähte 42, 52 bzw. 62 verbunden.
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Wenn
ein Ansteuersignal, welches eine Sinuswellenform oder dergleichen
aufweist, von dem Schwingungsansteuerungsabschnitt 6 des
Schaltungssubstrats den Ansteuerungselektroden 40 und eine
DC-Vorspannung dem beweglichen Abschnitt 30 durch einen
Anschluss K (siehe 1) dem Schwingungserzeuger 100 eingegeben
werden, schwingt der bewegliche Abschnitt 30, welcher mit dem
Basisabschnitt 20 durch die Ansteuerungsausleger 33 verbunden ist,
in der Richtung X. In dieser Ansteuerungsschwingung werden die Frequenz
und Amplitude der Ansteuerungsschwingung des beweglichen Abschnitts 30 durch Überwachen
einer Änderung
einer Kapazität
eines durch Kammzinken jeder Überwachungselektrode 60 gebildeten
Kondensators überwacht,
und es wird das Ansteuersignal eingestellt, um die Amplitude der
Ansteuerungsvibration auf einen vorbestimmten Wert aufrecht zu erhalten.
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Wenn
dem Schwingungserzeuger 100 eine Winkelgeschwindigkeit Ω während der
Ansteuerungs- bzw. Erregungsschwingung des beweglichen Abschnitts 30 übertragen
wird, wird eine Coriolis-Kraft in dem beweglichen Abschnitt 30 entlang
der Richtung Y erzeugt, um die Erfassungsausleger 34 schwingen
zu lassen, und der bewegliche Abschnitt 30 schwingt entlang
der Richtung Y. Bei dieser Erfassungsschwingung wird eine Kapazität eines
durch Kammzinken jeder Erfassungselektrode 50 gebildeten
Kondensators verändert.
wenn diese Änderung als
Erfassungssignal von den Erfassungselektroden 50 dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitt 7 ausgegeben
werden, wird die Stärke
der Winkelgeschwindigkeit Ω erlang.
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Um
wieder auf 1 zurückzukommen, es weist die Erfassungseinheit 71 des
Ansteuerungsabschnitts 6 C/V-Wandler 2 und einen
Differenzverstärker 3 auf.
Die Erzeugungseinheit 72 besitzt einen Phasenschieber 14,
einen Komparator 6k und einen Komparator 5. Der
Komparator 5 ist in dem Erfassungsabschnitt 7 angeordnet.
Die Erhöhungseinheit 73 besitzt
eine Spannungserhöhungsschaltung 4. Die
Erzeugungseinheit 74 besitzt einen AC/DC-Wandler 11,
einen Differenzverstärker 13 und einen
Multiplizierer 15.
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Im
Betrieb wird eine Kapazität
eines Kondensators in jeder Überwachungselektrode 60 infolge
einer Schwingung des beweglichen Abschnitts 30 entlang
der Richtung X verändert.
Die C/V-Wandler 2 empfangen Signale, welche Kapazitätsänderungen invers
zueinander von den Überwachungsanschlüssen 61 jeweils
empfangen. Jeder C/V-Wandler 2 wandelt das empfangene Signal
in ein Spannungssignal um. Der Verstärker 3 verstärkt eine
Differenz zwischen den Spannungssignalen, um ein Schwingungsüberwachungssignal
zu erlangen, welches eine Sinuswellenform und eine feste Frequenz
aufweist. Die Einheiten 72, 73 und 74 erzeugen
ein Ansteuersignal aus dem Schwingungsüberwachungssignal und übertragen
das Ansteuersignal den Ansteuerungsanschlüssen 41 des Schwingungserzeugers 100,
um den Schwingungserzeuger 100 entlang der Richtung X mit
einer festen Frequenz schwingen zu lassen. Daher ist der Ansteuerungsabschnitt 6 als Selbstschwingungstyp
konfiguriert.
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Insbesondere
gibt der Verstärker 3 das Schwingungsüberwachungssignal
einer Eingangsleitung 3a aus, und der Komparator 6k,
der AC/DC-Wandler 11 und der Phasenschieber 14 empfangen
das Signal über
Leitungen 6a, 6b und 6c, welche jeweils
von der Leitung 3a abzweigen. Der Phasenschieber 14 schiebt
eine Phase des Schwingungsüberwachungssignals
um 90 Grad. Der AC/DC-Wandler 11 wandelt einen Wechselstrom
des Schwingungsüberwachungssignals
in einen Gleichstrom um, um das Signal zu glätten, und gibt das geglättete Signal
als Amplitudenerfassungssignal aus, welches eine Amplitude des Schwingungsüberwachungssignals
anzeigt. Der Differenzverstärker 13 berechnet
eine Differenz zwischen dem Pegel des Amplitudenerfassungssignals
und einer Bezugsspannung Vref1 entsprechend einem gesteuerten Amplitudenpegel.
Die Differenz zeigt einen Grad einer Korrektur des Pegels des Schwingungsüberwachungssignals
an. Der Differenzverstärker 13 gibt
ein Amplitudenkorrektursignal, welches den Grad einer Korrektur
anzeigt, dem Multiplizierer 15 aus. Der Multiplizierer 15 multipliziert
ein von dem Phasenschieber 14 ausgegebenes phasenverschobenes
Schwingungsüberwachungssignal
mit dem von dem Amplitudenkorrektursignal angezeigten Korrekturgrad
und erzielt ein als eingestellte Amplitude festgelegtes Ansteuersignal.
wenn das Ansteuersignal dem Ansteuerungsanschluss 41 des
Schwingungserzeugers 100 eingegeben wird, wird daher die
Schwingung des Schwingungserzeugers 100 entlang der Bezugsrichtung
X mit einer vorbestimmten Stärke
beibehalten. Des weiteren erhöht
der Multiplizierer 15 einen Spannungspegel des Ansteuersignals
unter Verwendung einer erhöhten
Spannung Vout der Spannungserhöhungsschaltung 4.
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Kurz
dargestellt, der Phasenschieber 14 erzeugt ein phasenverschobenes
Schwingungsüberwachungssignal
aus dem Schwingungsüberwachungssignal,
wobei das aus dem phasenverschobenen Schwingungsüberwachungssignal erlangte
Ansteuersignal den Ansteuerungselektroden 40 des Schwingungserzeugers 100 zurückgeführt wird,
um den Schwingungserzeuger 100 anzusteuern, welcher in
einer Schwingungswellenform entlang der Richtung X schwingt. Daher
kann eine mechanische Schwingung des beweglichen Abschnitts 30 mit
einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des beweglichen Abschnitts 30 andauern.
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Als
Nächstes
wird der Grund beschrieben, dass das Spannungssignal des Ansteuersignals
erhöht
wird.
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Das
von dem Schwingungserzeuger 100 erfasste Schwingungsüberwachungssignal
wird auf einen Signalpegel (einen maximalen Differenzpegel zwischen
einem höchsten
Pegel und einem niedrigsten Pegel) von 5V in dem Verstärker 3 verstärkt. Ein Spannungspegel
des aus dem Schwingungsüberwachungssignal
erzeugten Ansteuersignals ist nicht hinreichend, den Schwingungserzeuger 100 anzusteuern.
Daher wird der Spannungspegel des Ansteuersignals auf einen hinreichenden
Spannungspegel von 16V (einen maximalen Differenzpegel) in dem Verstärker 15 unter
Verwendung einer erhöhten
Spannung Vout der Spannungserhöhungsschaltung 4 erhöht.
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Insbesondere
legt eine dem Komparator 6k eingegebene Bezugsspannung
Vref3 den Nullpegel einer Sinuswellenform eines dem Komparator 6k eingegebenen
Signals fest. Wenn in diesem Fall der Komparator 6k das
Schwingungsüberwachungssignal
einer Sinuswellenform empfängt, ändert der Komparator 6k den
Signalpegel, welcher höher
als die Bezugsspannung Vref3 ist, auf einen hohen Pegel und ändert den
Signalpegel, welcher niedriger als die Bezugsspannung Vref3 ist,
in einen niedrigen Pegel. Als Ergebnis erzeugt der Komparator 6k ein Spannungserhöhungstaktsignal
(oder erstes Taktsignal) aus dem Schwingungsüberwachungssignal. Das Schwingungserhöhungstaktsignal
besitzt eine Rechteckwellenform eines auf 50% festgelegten Tastverhältnisses.
Die Spannungserhöhungsschaltung 4 erhöht eine
angelegte Spannung Vcc unter Verwendung des Spannungserhöhungstaktsignals,
um eine erhöhte
Spannung Vout zu erzeugen.
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3 zeigt
eine Ansicht, welche die Spannungserhöhungsschaltung 4 darstellt.
Die durch einen Ladungspumpschaltkreis gebildete Spannungserhöhungsschaltung 4 besitzt
eine Spannungserhöhungssteuerschaltung 4a,
welche das Spannungserhöhungstaktsignal
und eine angelegte Spannung Vcc empfängt, eine Reihe von Dioden
D1 bis D5, welche die angelegte Spannung Vcc empfangen, Spannungserhöhungskondensatoren
C1 bis C5 und einen Regler 4b. Die Kondensatoren C1 und
C3 verbinden einen Spannungserhöhungsschaltanschluss
P der Steuerschaltung 4a und Ausgangsanschlüsse der
Dioden D1 bzw. D3. Die Kondensatoren C2 und C4 verbinden einen invertierten
Spannungserhöhungsschaltanschluss
P(–) der
Steuerschaltung 4a und Ausgangsanschlüsse der Dioden D2 bzw. D4.
Es werden ein erster Spannungsverstärker, welcher den Kondensator
C1 und die Diode D1 aufweist, ein zweiter Spannungsverstärker, welcher
den Kondensator C2 und die Diode D2 aufweist, ein dritter Spannungsverstärker, welcher
den Kondensator C3 und die Diode D4 aufweist, und ein vierter Spannungsverstärker erlangt,
welcher den Kondensator C4 und die Diode D4 aufweist.
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Im
Betrieb wird das Spannungserhöhungstaktsignal
dem Taktanschluss CK der Steuerschaltung 4a eingegeben,
und es wird die angelegte Spannung Vcc einem Spannungsquellenanschluss
Vcc eingegeben. Während
eines ersten Pegels des Taktsignals wird die angelegte Spannung
Vcc den Kondensatoren C1 und C3 über
den Schaltanschluss P angelegt. Während eines zweiten Pegels
des Taktsignals wird die angelegte Spannung Vcc den Kondensatoren
C2 und C4 über
den invertierten Schaltanschluss P(–) angelegt. Daher wird das
einem Eingangsanschluss der Diode D1 angelegte Spannungssignal Vcc
jedem der Spannungsverstärker
angelegt, und es wird eine Ausgangsspannung, welche auf einen Wert
viermal höher
als derjenige der angelegten Spannung Vcc festgelegt ist, an einem
Ausgangsanschluss der Diode D4 ausgegeben. Danach wird die in der
Ausgangsspannung erzeugte Welligkeit in der Kombination aus der
Diode D5 und dem Kondensator C5 entfernt, und es wird die Ausgangsspannung
in dem Regler 4b stabilisiert. Es wird von dem Regler 4b eine
erhöhte
Spannung Vout ausgegeben, welche auf 16V festgelegt und kleiner
als die Ausgangsspannung ist.
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Die
Spannungserhöhungsschaltung 4 ist nicht
auf einen Ladungspumptyp beschränkt.
Beispielsweise kann die Schaltung 4 durch einen Aufwärts-DC-DC-Wandlerschaltkreis
unter Verwendung einer Spannungserhöhungsspule gebildet sein.
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In
dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsabschnitt 7 besitzt
die Erfassungseinheit 75 Kapazität-zu-Spannung-(C/V-) Wandler 120,
welche mit den Erfassungselektroden 50 verbunden sind,
und einen Differenzverstärker 21.
Die Erfassungseinheit 76 besitzt einen phasenempfindlichen
Demodulator (PSD) 22 und einen Tiefpassfilter (LPF) 23.
Die C/V-Wandler 120 empfangen Signale, welche Kapazitätsänderungen
invers zueinander von den jeweiligen Erfassungselektroden 50 anzeigen.
Jeder C/V-Wandler 120 wandelt das empfangene Signal in
ein Spannungssignal um, welches eine Spannungsänderung anzeigt. Der Differenzverstärker 21 verstärkt eine
Differenz zwischen den Spannungsänderungen,
um ein Schwingungserfassungssignal zu erzeugen, welches eine amplitudenmodulierte
Winkelgeschwindigkeit anzeigt. Der Verstärker 21 gibt das Schwingungserfassungssignal
dem PSD 22 aus.
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Der
Komparator 5 der Erzeugungseinheit 72 empfängt das
phasenverschobene Schwingungsüberwachungssignal,
welches von dem Phasenschieber 14 ausgegeben wird, durch
eine Leitung 6d und ändert
das empfangene Überwachungssignal
in ein Wellenerfassungstaktsignal (oder ein zweites Taktsignal).
Insbesondere bestimmt eine dem Komparator 5 eingegebene
Bezugsspannung Vref2 den Nullpegel des Überwachungssignals, welches
eine in dem Komparator 5 empfangene Sinuswellenform besitzt. Danach ändert der
Komparator 5 den Signalpegel, welcher höher als die Bezugsspannung
Vref2 (oder der Nullpegel) ist, auf einen hohen Pegel und ändert den
Signalpegel, welcher niedriger als die Bezugsspannung Vref2 ist,
auf einen niedrigen Pegel. Als Ergebnis erzeugt der Komparator 5 ein
Wellenerfassungstaktsignal von dem Schwingungsüberwachungssignal. Das Wellenerfassungstaktsignal
besitzt eine Rechteckwellenform eines auf 50% festgelegten Tastverhältnisses
und eine zu der Frequenz des Schwingungsüberwachungssignals identische Bezugsfrequenz.
Das Wellenerfassungstaktsignal wird dem PSD 22 übertragen.
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Der
PSD 22 führt
die synchrone Erfassung für
das Schwingungserfassungssignal unter Verwendung des Wellenerfassungstaktsignals
durch, um das Schwingungserfassungssignal zu demodulieren, und erzeugt
ein Winkelgeschwindigkeitssignal, welches eine Winkelgeschwindigkeitskomponente
der Schwingung des Schwingungserzeugers 100 entlang der
Erfassungsrichtung Y erzeugt. Die Winkelgeschwindigkeitskomponente
ist innerhalb einer vorbestimmten Frequenzzone platziert. Der LPF 23 glättet die
Winkelgeschwindigkeitskomponente des Winkelgeschwindigkeitssignals
und gibt ein Spannungssignal Vy aus, welches eine Gleichspannung
anzeigt, die proportional zu der Winkelgeschwindigkeit ist. Wenn
der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 beispielsweise auf einem
Fahrzeug angebracht ist, wird eine Änderung einer Fahrtrichtung
des Fahrzeugs aus der Zeitintegration der Winkelgeschwindigkeit
berechnet.
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Bei
dieser Ausführungsform
erzeugt der Komparator 5 das Wellenerfassungstaktsignal
der Bezugsfrequenz aus dem phasenverschobenen Schwingungsüberwachungssignal.
Da die Stärke
der Coriolis-Kraft, welche durch Hinzufügen einer Winkelgeschwindigkeit
dem Schwingungserzeuger 100 induziert wird, proportional
zu einem Vektorprodukt einer Schwingungsgeschwindigkeit der Schwingung des
Schwingungserzeugers in der Bezugsrichtung X und der gegebenen Winkelgeschwindigkeit
ist, wird notwendigerweise eine Wellenform eines Signals, welches
die Coriolis-Kraft anzeigt, um 90 Grad zu derjenigen des Schwingungsüberwachungssignals verschoben.
Daher ist die Phase einer Wellenform eines phasenverschobenen Schwingungsüberwachungssignals,
welche um 90 Grad in dem Phasenschieber 14 verschoben wird,
identisch mit derjenigen des Signals, wel ches die Coriolis-Kraft
anzeigt (d.h. die Wellenform des Winkelgeschwindigkeitssignals),
so dass das Wellenerfassungstaktsignal nützlich für die synchrone Erfassung ist,
um die Winkelgeschwindigkeit von dem Schwingungserfassungssignal
zu erfassen.
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Als
Nächstes
wird ein Mechanismus zur Verhinderung, dass sich das Spannungserhöhungstaktsignal
mit der Erzeugung des Wellenerfassungstaktsignals überlagert
bzw. gestört
wird, unter Bezugnahme auf 4 und 5A und 5B beschrieben. 4 stellt
eine Beziehung in zwei Phasen zwischen dem Spannungserhöhungstaktsignal
und dem Wellenerfassungstaktsignal dar. 5A stellt
ein Sinuswellensignal wa und ein Rechteckwellensignal wb dar, welches
aus dem Sinuswellensignal wa erlangt wird, 5B stellt
ein deformiertes Sinuswellensignal wa' und ein deformiertes Rechteckwellensignal wb', welches aus dem
deformierten Sinuswellensignal wa' erlangt wird, in einem Fall dar, bei
welchem ein Rauschen einem Sinuswellensignal überlagert ist, wenn ein Sinuswellensignal
auf einem Pegel nahe seinem Nullpegel platziert ist, und 5C stellt das
phasenverschobene Schwingungsüberwachungssignal
wa und das Wellenerfassungstaktsignal wb dieser Ausführungsform
dar.
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Das
Spannungserhöhungstaktsignal
wird durch Ändern
einer Sinuswellenform des Schwingungsüberwachungssignals in eine
Rechteckwellenform erlangt, und das Wellenformerfassungstaktsignal
wird durch Ändern
einer Sinuswellenform des phasenverschobenen Schwingungsüberwachungssignals
in eine Rechteckwellenform erlangt. Daher besitzen, wie in 4 dargestellt,
die Taktsignale dieselbe Frequenz und Rechteckwellenformen, deren Phasen
sich voneinander um 90 Grad unterscheiden.
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Wenn,
wie in 5A dargestellt, ein Sinuswellensignal
wa in ein Rechteckwellensignal wb geändert wird, wird ein Pegel
des Sinuswellensignals wa, welcher größer als eine Bezugsspannung
VTH ist, auf einen hohen Pegel festgelegt, und ein Pegel des Sinuswellensignals
wa, welcher kleiner als die Bezugsspannung VTH ist, wird auf einen
niedrigen Pegel festgelegt. Um eine Rechteckwellenform eines Tastverhältnisses
von 50% zu erlangen, wird es erfordert, die Schwellenwertspannung
VTH innerhalb eines schmalen Bereichs einschließlich des Nullpegels des Sinuswellensignals
wa festzulegen. Wenn ein Pegel des Signals plötzlich geändert wird, erzeugt das Signal
elektromagnetisch ein Rauschen.
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Unter
der Annahme, dass die Taktsignale dieselbe Phase besitzen, werden
durch das Spannungserhöhungstaktsignal
gebildete Rauschflanken N leicht dem für die Bildung des Wellenerfassungstaktsignals
verwendeten Sinuswellensignal zu einer Zeit überlagert, zu welcher das Sinuswellensignal
auf einen Pegel nahe dem Nullpegel (oder der Bezugsspannung VTH)
platziert ist. Wenn die Rauschflanken N dem Sinuswellensignal überlagert
sind, wird ein Pegel des Sinuswellensignals, welcher etwas niedriger
als die Bezugsspannung VTH ist, unerwünschter Weise auf einen Pegel
erhöht,
welcher größer als
die Bezugsspannung VTH ist, oder es wird ein Pegel des Sinuswellensignals,
welcher etwas höher
als die Bezugsspannung VTH ist, unerwünschter Weise auf einen Pegel
verringert, welcher kleiner als die Bezugsspannung VTH ist. Als
Ergebnis wird, wie in 5B dargestellt, das für die Erzeugung
des Wellenerfassungstaktsignals verwendete Sinuswellensignal in
ein deformiertes Sinuswellensignal wa' geändert.
Wenn ein Wellenerfassungstaktsignal aus der deformierten Sinuswelle
wa' gebildet wird,
wird ein Flattern bzw. Zittern oder dergleichen während der
Bildung des Wellenerfassungstaktsignals hervorgerufen, und es wird
ein Wel lenerfassungstaktsignal erzeugt, welches eine deformierte
Rechteckwellenform wb' besitzt.
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Jedoch
besitzen bei dieser Ausführungsform die
Taktsignale die Rechteckwellenformen mit dem Tastverhältnis von
50%, deren Phasen sich voneinander um 90 Grad unterscheiden. In
diesem Fall überlagern
sich die durch die Bildung des Spannungserhöhungstaktsignals hervorgerufenen Rauschflanken
N' in dem Komparator
6k dem phasenverschobenen Schwingungsüberwachungssignal zu einer
Zeit, zu welcher ein Pegel des Signals hinreichend größer oder
niedriger als die Bezugsspannung VTH ist. Obwohl sogar, wie in 5C dargestellt,
die Rauschflanken N' dem
phasenverschobenen Schwingungsüberwachungssignal
wa überlagert sind,
wird daher ein Pegel des Überwachungssignals wa
nicht zu einem Zeitpunkt des Überlagerns
eines Rauschens geändert,
um die Bezugsspannung VTH zu überschreiten.
Als Ergebnis kann wirksam verhindert werden, dass bei diesem Winkelgeschwindigkeitssensor
das Auftreten eines Flatterns in dem Komparator 5 während der
Erzeugung des Wellenerfassungstaktsignals auftritt, und es kann
das nicht deformierte Wellenerfassungstaktsignal wb erzeugt werden.
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Wenn
eine nicht empfindliche Zone in dem Rechteckwellensignal durch eine
positive Rückkopplung
oder dergleichen festgelegt wird, kann im Allgemeinen wirksam verhindert
werden, dass ein Flattern in einem Komparator auftritt. Jedoch verhindert
die nicht empfindliche Zone die Bildung eines auf ein Tastverhältnis von
50% festgelegten Rechteckwellensignals. Daher ist die nicht empfindliche
Zone nicht zum Verhindern eines Flatterns geeignet. Bei dieser Ausführungsform
kann das Auftreten von Flattern verhindert werden, ohne dass eine
nicht empfindliche Zone in dem Wellenerfassungstaktsignal festgelegt
wird, und es kann das Wellenerfassungstaktsignal mit einem Tastverhältnis von
50% leicht und zuverlässig
erlangt werden.
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Da
das aus der Schwingung des Schwingungserzeugers 100 erlangte
Schwingungsüberwachungssignal
für die
Erzeugung sowohl des Wellenerfassungstaktsignals als auch des Spannungserhöhungstaktsignals
verwendet wird, kann dementsprechend die Größe des Winkelgeschwindigkeitssensors
verringert werden.
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Da
das Spannungserhöhungstaktsignal
aus dem Schwingungsüberwachungssignal
erzeugt wird, wird es des weiteren nicht erfordert, eine Schaltung zum
Erzeugen des Spannungserhöhungstaktsignals auf
der Außenseite
anzuordnen. Dementsprechend kann der Winkelgeschwindigkeitssensor
vereinfacht werden.
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Da
der Schwingungserzeuger 100 durch das Ansteuersignal angesteuert
wird, welches von dem Schwingungsüberwachungssignal abgeleitet
wird, wird darüber
hinaus der Schwingungserzeuger 100 mechanisch schwingend
bei einer Resonanzfrequenz des beweglichen Abschnitts 30 angesteuert. Daher
kann der Schwingungserzeuger 100 zuverlässig mit der Resonanzfrequenz
schwingen. Des weiteren wird das Ansteuersignal durch Verschieben
der Phase des Schwingungsüberwachungssignals
um 90 Grad erlangt. Wenn der Schwingungserzeuger 100 auf
eine Bedingung festgelegt ist, bei welcher die Verschiebung des
Schwingungserzeugers 100 minimiert ist (oder die Schwingungsgeschwindigkeit
maximiert ist), wird daher der Schwingungserzeuger 100 durch
einen spitzen Pegel des Ansteuersignals angesteuert. Dementsprechend
kann der Schwingungserzeuger 100 effektiv angesteuert werden,
und es kann der Schwingungserzeuger 100 effektiv seine
Schwingung mit der Resonanzfrequenz beibehalten.
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Da
die Taktsignale mit Phasen erzeugt werden, welche sich voneinander
um 90 Grad unterscheiden, empfängt
des weiteren das phasenverschobene Schwingungsüberwachungssignal ein Rauschen
aus dem Spannungserhöhungstaktsignal, wenn
es auf einen höchsten
oder niedrigsten Pegel festgelegt ist. Dementsprechend kann die
höchste Grenze
in Bezug auf Rauschen in dem phasenverschobenen Schwingungsüberwachungssignal
erlangt werden, und es kann sehr wirksam ein Flattern verhindert
werden, welches während
der Erzeugung des Wellenerfassungstaktsignals auftritt.
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Des
weiteren wird eine Änderung
einer Kapazität
eines durch die Überwachungselektroden 60 gebildeten
Kondensators erfolgreich als Analogwert erfasst, um ein Ansteuersignal
einer Sinuswellenform aus einem Schwingungsüberwachungssignal zu erzeugen.
Daher kann die Schwingungserfassungseinheit 71 vereinfacht
werden.
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Da
das Wellenerfassungstaktsignal eine Rechteckwellenform mit einem
auf 50% festgelegten Tastverhältnis
aufweist, kann des weiteren eine Winkelgeschwindigkeitskomponente
aus einem Schwingungserfassungssignal in dem PSD 22 mit
einer höchsten
Erfassungseffizienz verfasst werden.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird die erhöhte Spannung
Vout der Spannungserhöhungsschaltung 4 dem
beweglichen Abschnitt 30 als Vorspannung über einen
Anschluss K angelegt. In diesem Fall wird eine differentielle DC-Spannung
als Differenz zwischen der Vorspannung und einer Offsetspannung (d.h.
Nullpegel) des Ansteuersignals definiert, und es ist eine Ansteuerungskraft
des beweglichen Abschnitts 30 proportional zu einem Produkt
der differentiellen DC-Spannung und einer Amplitude (oder AC-Spannung)
des Ansteuersignals. Eine Verstärkung
jedes C/V-Wandlers 2 ist
proportional zu einer Differenzspannung zwischen der Vorspannung
und einer Bezugsspannung (normalerweise 2,5V) des C/V-Wandlers 2.
Wenn die Ansteuerungskraft des beweglichen Abschnitts 30 und
die Verstärkung
des C/V-Wandlers 2 erhöht
sind, wird bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor ein Signal-zu-Rausch-
(SN-) Verhältnis
des Spannungssignals Vy größer. Um
das SN-Verhältnis
zu erhöhen,
ist die Spannungserhöhungsschaltung 4 in
dem Sensor derart angeordnet, dass ein Spannungspegel des Ansteuersignals
erhöht
wird und die Vorspannung dem beweglichen Abschnitt 30 angelegt
wird. Bei dieser Ausführungsform wird
das Spannungserhöhungstaktsignal
der Spannungserhöhungsschaltung 4 zugeführt.
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Des
weiteren ist es Zweck des Erhöhens
des SN-Verhältnisses,
die Verstärkung
des C/V-Wandlers 120 wirksam zu erhöhen.
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Darüber hinaus
ist bei dieser Ausführungsform
der Schwingungsansteuerungsabschnitt 6 als selbstschwingender
Typ konfiguriert, um das Ansteuersignal aus dem Schwingungsüberwachungssignal zu
erzeugen. Jedoch ist diese Ausführungsform
nicht auf den selbstschwingenden Typ beschränkt. Ein in einer Ansteuerungseinheit
unabhängig
von dem Schwingungsüberwachungssignal
erzeugtes Ansteuersignal kann dem Schwingungserzeuger 100 übertragen
werden. In diesem Fall wird die erhöhte Spannung Vout der Spannungserhöhungsschaltung 4 lediglich
an den Anschluss K des Schwingungserzeugers 100 angelegt.