DE102005041059A1

DE102005041059A1 - Winkelratensensor und Anbringungsstruktur eines Winkelratensensors

Info

Publication number: DE102005041059A1
Application number: DE102005041059A
Authority: DE
Inventors: Mutsuhito Kariya Ogino; Shunji Kariya Mase
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: DE102005041059B4; US7546768B2; US7318348B2; US20060042383A1; US20080060437A1

Abstract

Ein Winkelratensensor enthält ein Substrat (10), einen Ansteuerungsvibrator (30), der in der Lage ist, in einer ersten Richtung (x) zu vibrieren, und einen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator (40), der in der Lage ist, in einer zweiten Richtung (y) zu vibrieren. Der Sensor erfasst eine Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Vibration des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators (40) in der zweiten Richtung (y), die durch eine Korioliskraft verursacht wird, wenn der Ansteuerungsvibrator (30) in der ersten Richtung (x) vibriert und die Winkelgeschwindigkeit auf den Sensor in einer dritten Richtung (z) ausgeübt wird. Der Winkelgeschwindigkeiterfassungsvibrator (40) weist eine Länge (L) entlang der zweiten Richtung (y) und eine Breite (W) entlang der ersten Richtung (x) auf. Ein Verhältnis (W/L) zwischen der Breite (W) und der Länge (L) ist gleich oder größer als 0,1.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelratensensor und eine Anbringungsstruktur eines Winkelratensensors.

Ein Winkelratensensor enthält einen Ansteuerungsvibrator, der in der Lage ist, entlang einer ersten Richtung zu vibrieren, und einen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator, der in der Lage ist, entlang einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung zu vibrieren.

Allgemein gesprochen besteht diese Art von Winkelratensensor bisher aus einem Trägersubstrat, dem Ansteuerungsvibrator und dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator. Der Ansteuerungsvibrator wird auf diesem Trägersubstrat derart getragen, dass der Ansteuerungsvibrator entlang der ersten Richtung vibrieren kann. Der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator wird auf dem Trägersubstrat derart getragen, dass der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator entlang der zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung vibrieren kann. Dieser Sensor ist zum Beispiel in dem japanischen Patent Nr. 2888029 beschrieben.

Da jedoch der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator in einer Gestalt hergestellt wird, die sich entlang der zweiten Richtung erstreckt, werden nur ein sehr geringer Betrag der Vibrationen, die von dem Ansteuerungsvibrator erzeugt werden, in Bezug auf diesen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator übertragen. Daher besteht die Möglichkeit, dass sich dieser Winkelgeschwin digkeitserfassungsvibrator entlang der Breitenrichtung des eigenen Vibrators, das heißt entlang der ersten Richtung biegen kann.

Der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator gibt die erfasste Winkelgeschwindigkeit entsprechend einer Kapazitätsänderung aus, die zwischen dem eigenen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator und einer festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode erzeugt wird. Wenn sich jedoch der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator biegt, kann eine Kapazitätsänderung, die durch dieses Biegen verursacht wird, auftreten, und somit werden andere Winkelgeschwindigkeitskomponenten als die ursprünglich zu erfassende Winkelgeschwindigkeitskomponente erfasst. Demzufolge können unerwünschte Winkelgeschwindigkeitskomponenten einen Erfassungsausgangsfehler bewirken.

Wenn sich der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator entlang der ersten Richtung biegt, wird dieser Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator ebenfalls entlang der zweiten Richtung in Verbindung mit der ersten Richtung verformt. Als Ergebnis wird der Abstand (Intervall) zwischen dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator und der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode entlang der zweiten Richtung geändert. Somit wird eine Kapazitätsänderung auf der Grundlage dieser Abstandsänderung erzeugt.

Somit ist es notwendig, den Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator vor einer Biegung auf Grund von Ansteuerungsvibrationen des Ansteuerungsvibrators zu schützen, und außerdem ist es notwendig, einen Erfassungsausgangsfehler zu verringern.

Außerdem ist eine Anbringungsstruktur eines Winkelratensensors bekannt, bei dem ein Vibrationswinkelratensen sor auf einem Basiselement angebracht ist. In dem Vibrationswinkelratensensor wird, während ein Vibrator angesteuert wird, um zu vibrieren, wenn eine Winkelgeschwindigkeit auf diesen Winkelratensensor ausgeübt wird, die ausgeübte Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage von Vibrationen des Vibrators entlang einer Richtung senkrecht zur Ansteuerungsvibrationsrichtung erfasst.

Im Allgemeinen sind MEMS-Kreisel (mikroelektromechanisches System) als diese Art von Vibrationswinkelratensensoren bekannt.

Ein derartiger Vibrationswinkelratensensor ist mit Folgendem aufgebaut: einer Basiseinheit, die aus einem Halbleitersubstrat hergestellt ist, oder Ähnliches, einem Vibrator, der mit der Basiseinheit gekoppelt ist, eine Anregungseinrichtung zum Ansteuern des zu vibrierenden Vibrators entlang einer ersten Richtung, und eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit. Das heißt, wenn die Winkelgeschwindigkeit bei Ansteuerungsvibrationen des Vibrators ausgeübt wird, erfasst diese Erfassungseinrichtung die ausgeübte Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage der Vibrationen des Vibrators entlang einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung.

Ein derartiger Vibrationswinkelratensensor wird als ein Gierratensensor zur Erfassung einer Gierrate in einem System wie zum Beispiel einem VSC- und einem Navigationssystem verwendet. Dieser Vibrationswinkelratensensor ist an einem Fahrzeug derart angebracht, dass dieser Gierratensensor zum Beispiel auf einer Anbringungskarte einer ECU als ein Basiselement angebracht ist.

In diesem Fall ist ein Winkelratensensor derart angebracht, dass eine Erfassungsachse, die einer Rotations achse einer Winkelgeschwindigkeit entspricht, in eine obere und untere Richtung eines Fahrzeugs, nämlich der vertikalen Richtung gerichtet ist.

In einem Fall jedoch, in dem dieser Winkelratensensor verwendet wird, um irgendeine andere Winkelgeschwindigkeit als die Gierrate zu erfassen, ist der Sensor derart angebracht, dass eine Erfassungsachse einer Winkelgeschwindigkeit parallel zu einer horizontalen Ebene angeordnet ist. Andere Winkelgeschwindigkeiten als diese Gierrate entsprechen zum Beispiel einer Winkelgeschwindigkeit um eine Achse einer Vorwärts- und Rückwärts-Richtung eines Fahrzeugs, das heißt einer Rollrate, und außerdem einer Winkelgeschwindigkeit um eine Achse einer rechten und linken Richtung des Fahrzeugs, das heißt einer Nickrate.

Als Ergebnis bestehen in dem Winkelratensensor das Risiko, dass nachteilige Einflüsse, die durch die oberen und unteren Vibrationen des Fahrzeugs und die Gravitationsbeschleunigung verursacht werden, auf die Ansteuerungsvibrationen in Abhängigkeit von der Richtung der Ansteuerungsvibrationen des Vibrators ausgeübt werden können. Mit anderen Worten werden, wenn die oben beschriebenen oberen und unteren Vibrationen des Fahrzeugs und die Gravitationsbeschleunigung auf die Vibratoren entlang der obigen Vibrationsrichtung ausgeübt werden, die Vibrationsbedingungen der Ansteuerungsvibrationen einander ungleich.

Ursprünglich ist es in einem Vibrationswinkelratensensor wichtig, wie die Ansteuerungsvibrationen des Vibrators stabilisiert werden. Es kann jedoch ein Lecken von Vibrationen auf eine Änderung der Bedingungen der Ansteuerungsbedingungen hin auftreten, und/oder es können elektrische Überlagerungen, die durch die Ansteuerungsvib rationen verursacht werden, den Erfassungssignalen überlagert werden, so dass die Genauigkeit der Sensorausgangssignale verschlechtert werden kann.

Daher ist es notwendig, sogar dann, wenn eine Erfassungsachse einer Winkelgeschwindigkeit zur horizontalen Ebene ausgerichtet ist, die Ansteuerungsvibrationen der Vibratoren so gut wie möglich zu stabilisieren.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Winkelratensensor zu schaffen, der eine hohe Genauigkeit aufweist. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anbringungsstruktur eines Winkelratensensors zur Erfassung einer Winkelgeschwindigkeit parallel zu einer horizontalen Ebene zu schaffen.

Die Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Ein Winkelratensensor enthält ein Trägersubstrat, einen Ansteuerungsvibrator, der auf dem Substrat durch einen Ansteuerungsbalken derart getragen wird, dass der Vibrator in der Lage ist, in einer ersten Richtung zu vibrieren, und einen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator, der auf dem Träger durch einen Erfassungsbalken derart getragen wird, dass der Vibrator in der Lage ist, in einer zweiten Richtung zu vibrieren, die senkrecht zur ersten Richtung ist. Der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator erstreckt sich in der zweiten Richtung. Der Erfassungsbalken ist in der zweiten Richtung verformbar, und der Ansteuerungsbalken ist in der ersten Richtung verformbar. Der Sensor erfasst eine Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Vibration des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators in der zweiten Richtung, wobei die Vibration durch eine Korioliskraft, die auf den An steuerungsvibrator ausgeübt wird, in einem Fall, in dem der Ansteuerungsvibrator in der ersten Richtung vibriert wird, verursacht wird, und wobei die Winkelgeschwindigkeit auf den Sensor in einer dritten Richtung ausgeübt wird, so dass die dritte Richtung eine Rotationsachse der Winkelgeschwindigkeit schafft. Die dritte Richtung ist senkrecht sowohl zur ersten als auch zur zweiten Richtung. Der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator weist eine Länge entlang der zweiten Richtung und eine Breite entlang der ersten Richtung auf. Ein Verhältnis zwischen der Breite und der Länge des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators ist gleich oder größer als 0,1.

In dem obigen Sensor wird der Biegebetrag des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators in der zweiten Richtung, der durch die Ansteuerungsvibration des Ansteuerungsvibrators verursacht wird, ausreichend klein. Somit wird ein Ausgabefehler in dem Sensor verringert, so dass die Erfassungsgenauigkeit des Sensors verbessert wird.

Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen der Breite und der Länge des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators als X definiert. Der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator weist einen Verschiebungsbetrag in der zweiten Richtung auf, wenn der Ansteuerungsvibrator in der ersten Richtung vibriert wird. Der Verschiebungsbetrag des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators ist als Y in Millimetern definiert. Das Verhältnis und der Verschiebungsbetrag weisen die folgende Beziehung auf: Y = 0, 00148X4 – 0, 0076X3 + 0,0015X2 – 0, 0001X + 6 × 10–6.

Außerdem enthält eine Anbringungsstruktur einen Sensor und eine Anbringungskarte zur Anbringung des Sensors darauf. Der Sensor enthält einen Vibrator, der in der Lage ist, in einer ersten Richtung zu vibrieren. Der Sensor erfasst eine Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Vibration des Vibrators in einer zweiten Richtung in einem Fall, in dem der Vibrator in der ersten Richtung vibriert wird, wobei die Winkelgeschwindigkeit auf den Sensor in einer dritten Richtung ausgeübt wird, so dass die dritte Richtung eine Rotationsachse der Winkelgeschwindigkeit schafft. Die zweite Richtung ist senkrecht zur ersten Richtung, und die dritte Richtung ist senkrecht sowohl zur ersten als auch zur zweiten Richtung. Die dritte Richtung ist parallel zu einer horizontalen Ebene senkrecht zu einer Gravitationsrichtung, und die erste Richtung ist parallel zur horizontalen Ebene.

In dem Sensor ist die Vibrationsrichtung des Vibrators senkrecht zur Gravitationsrichtung. Somit beeinflusst die Gravitation die Ansteuerungsvibration des Vibrators im wesentlichen nicht. Somit ist die Ansteuerungsvibration des Vibrators so stabil wie möglich.

Vorzugsweise werden der Sensor und die Karte in einem Kraftfahrzeug verwendet. In diesem Fall ist die Vibrationsrichtung des Vibrators senkrecht zu einer Auf- und Ab-Oszillation eines Kraftfahrzeugs. Somit beeinflusst die Auf- und Ab-Oszillation des Fahrzeugs die Ansteuerungsvibration des Vibrators im wesentlichen nicht.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden genaueren Beschreibung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen verdeutlicht. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen Kapazitätswinkelratensensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 einen Querschnitt des Sensors entlang der Linie II-II der 1,
3 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Verhältnis W/L und einer Verschiebung Y eines Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators in einer y-Richtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
4 eine Draufsicht auf einen Winkelratensensor als einen Prototyp gemäß einer ersten Ausführungsform,
5 eine schematische perspektivische Ansicht einer Anbringungsstruktur eines Winkelratensensors auf einer Anbringungskarte gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
6 eine Draufsicht auf den Sensor gemäß der zweiten Ausführungsform,
7 eine schematische perspektivische Ansicht einer Anbringungsstruktur eines Winkelratensensors auf einer Anbringungskarte gemäß einem Vergleich der zweiten Ausführungsform, und
8 eine schematische perspektivische Ansicht eines Vibrationswinkelratensensors gemäß dem Vergleich der zweiten Ausführungsform.
(Erste Ausführungsform)
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung stellten Winkelratensensoren experimentell her und untersuchten diese in Bezug auf den Stand der Technik. 4 ist ein Diagramm, das schematisch eine Ebenenstruktur eines Winkelratensensors eines Versuchsproduktes zeigt.
Dieser Winkelratensensor besteht aus einem Halbleitersubstrat 10 wie zum Beispiel einem Siliziumsubstrat. Da Gräben in diesem Halbleitersubstrat 10 unter Verwendung bekannter Halbleiterherstellungstechniken wie zum Beispiel einem Ätzprozess wie in 4 gezeigt ausgebildet sind, wurden eine bewegliche Elektrode 25 und jeweilige Elektroden 60, 70, 80 zu ihrer Ausbildung in Abschnitte aufgeteilt. Die bewegliche Elektrode 25 enthält Vibratoren 30 und 40.
Die bewegliche Elektrode 25 ist durch Bereitstellen eines Ansteuerungsvibrators 30, eines Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40, eines Ansteuerungsbalkens 35 zur Kopplung der Vibratoren 30 und 40 miteinander und eines Erfassungsbalkens 45 zur Kopplung des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 mit dem Substrat 10 aufgebaut.
Der Ansteuerungsvibrator 30 ist durch Bereitstellen einer Gewichtseinheit 31 und mehrerer Verlängerungseinheiten 32 aufgebaut. Diese Gewichtseinheit 31 ist entlang einer x-Richtung wie in 4 gezeigt verlängert. Die Verlängerungseinheiten 32 sind entlang einer y-Richtung an beiden Seiten dieser Gewichtseinheit 31 verlängert.
Außerdem sind zwei Sätze der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibratoren 40 an beiden Außenseiten der Gewichtseinheit 31 des Ansteuerungsvibrators 30 in der x-Richtung (wird im Folgenden als "erste Richtung x" bezeichnet), die in 4 gezeigt ist, bereitgesellt und in einer schmalen Gestalt, die sich entlang der y-Richtung (wird im Folgenden als "zweite Richtung y" bezeichnet) verlängert.
In diesem Fall sind beide Kantenabschnitte der Gewichtseinheit 31 des Ansteuerungsvibrators 30 mit dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 über den Ansteuerungsbalken 35 gekoppelt. Der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 ist über den Erfassungsbalken 45 in Bezug auf eine Ankereinheit 50, die einer Fixierungseinheit entspricht, mit dem Substrat 10 gekoppelt. Demzufolge kann die bewegliche Einheit 25 entlang einer Richtung parallel zur Substratebene des Substrats 10 durch Koppeln von vier Sätzen der Erfassungsbalken 45 mit der Ankereinheit 50 bewegt werden.
In diesem Fall besitzt der Ansteuerungsbalken 35 einen Freiheitsgrad entlang der ersten Richtung x. Außerdem besitzt jeder Erfassungsbalken 45 einen Freiheitsgrad entlang der zweiten Richtung y. Da der Ansteuerungsbalken 35 und der Erfassungsbalken 45 auf die obige Weise aufgebaut sind, wird der Ansteuerungsvibrator 30 in Bezug auf ein Trägersubstrat 10 unter einer derartigen Bedingung getragen, dass dieser Ansteuerungsvibrator 30 entlang der ersten Richtung x verschoben werden kann, wohingegen der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 von dem Trägersubstrat 10 derart getragen wird, dass dieser Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 entlang der zweiten Richtung y verschoben werden kann, die senkrecht zur ersten Richtung x ist.
Außerdem ist, wie es in 4 gezeigt ist, eine feste Ansteuerungselektrode 60, die auf dem Substrat 10 fixiert ist, gegenüber einer zweiten Oberfläche einer jeweiligen Verlängerungseinheit 32 des Ansteuerungsvibrators 30 angeordnet. Außerdem sind feste Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 70, die am Substrat 10 fixiert sind, an den Außenseitenoberflächen des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 derart angeordnet, dass die jeweiligen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 70 einander gegenüberliegend angeordnet sind.
In dem Winkelratensensor der 4 ist die feste Vibrationserfassungselektrode 80, die an dem Substrat 10 fixiert ist, diesem gegenüberliegend auf dem Ansteuerungsvibrator 30 angeordnet. Diese feste Vibrationserfassungselektrode 80 ist als eine Überwachungselektrode aufgebaut, die Ansteuerungsvibrationen des Ansteuerungsvibrators 30 entlang der ersten Richtung x überwacht.
Im Folgenden werden Erfassungsoperationen bzw. – betriebe eines derartigen Winkelratensensors beschrieben. Die Erfassungsoperationen werden über die jeweiligen Anschlussflächen 50a, 60a, 70a, 80a und die jeweiligen Elektroden 60 bis 80 durchgeführt.
Zunächst wird der Ansteuerungsvibrator 30 angesteuert, um über die feste Ansteuerungselektrode 60 entlang der ersten Richtung x zu vibrieren. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω als eine zu erfassende Winkelrate um eine Achse z, die senkrecht zur ersten Richtung x und zur zweiten Richtung y ist, bei dieser Ansteuerungs- und Vibrationsoperation ausgeübt wird, wird der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 entlang der zweiten Richtung y vibriert, um die ausgeübte Winkelgeschwindigkeit Ω durch eine Korioliskraft, die auf den Ansteuerungsvibrator 30 ausgeübt wird, zu erfassen.
Ein Abstand zwischen dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 und der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 70 wird durch die Erfassungsvibrationen dieses Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 geändert, und somit wird die Erfassung der Winkelgeschwindigkeit Ω auf der Grundlage einer Änderung der Kapazitäten zwischen dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 und der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 70 durchgeführt.
In dem Winkelratensensor mit einer derartigen Anordnung ist es, wenn die Ansteuerungsvibration erzeugt wird, vorteilhaft, wenn nur der Ansteuerungsvibrator 30 vibriert.
Da jedoch der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 in einer Gestalt hergestellt wurde, die entlang der zweiten Richtung y verlängert ist, wird nur ein geringer Betrag der Vibrationen, die von dem Ansteuerungsvibrator 30 erzeugt werden, in Bezug auf diesen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 übertragen. Daher besteht die Möglichkeit, dass sich dieser Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 entlang der Breitenrichtung des eigenen Vibrators 40, das heißt entlang der ersten Richtung x biegen kann.
Der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 gibt die erfasste Winkelgeschwindigkeit entsprechend der Kapazitätsänderung aus, die zwischen dem eigenen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 und der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 70 erzeugt wird. Wenn sich jedoch der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 biegt, kann eine Kapazitätsänderung, die durch diese Biegung verursacht wird, auftreten, und somit werden andere Winkelgeschwindigkeitskomponenten als eine ursprünglich zu erfassende Winkelgeschwindigkeitskomponente erfasst. Als Ergebnis können unerwünschte Winkelgeschwindigkeitskomponenten einen Erfassungsausgangsfehler bewirken.
Wenn sich der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 entlang der ersten Richtung x biegt, wird dieser Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 ebenfalls entlang der zweiten Richtung y in Verbindung mit der ersten Richtung x verformt. Demzufolge wird der Abstand (Intervall) zwischen dem Winkelgeschwindigkeitserfassungs vibrator 40 und der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 70 entlang der zweiten Richtung y geändert. Somit wird eine Kapazitätsänderung auf der Grundlage dieser Abstandsänderung erzeugt.
Somit ist es notwendig, den Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator vor einer Biegung auf Grund von Ansteuerungsvibrationen des Ansteuerungsvibrators zu schützen, und außerdem ist es notwendig, einen Erfassungsausgangsfehler zu verringern.
Zur Lösung des obigen Problems wird ein Kapazitätswinkelratensensor 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschaffen. 1 zeigt den Sensor. Außerdem ist 2 eine Schnittansicht, die schematisch den Kapazitätswinkelratensensor 100 entlang der Linie II-II der 1 zeigt.
Dieser Winkelratensensor 100 besteht aus einem Halbleitersubstrat 10 wie zum Beispiel einem Siliziumsubstrat. Da Gräben in diesem Halbleitersubstrat 10 unter Verwendung einer bekannten Halbleiterherstellungstechnik wie zum Beispiel einem Ätzprozess ausgebildet sind, wie es in 1 gezeigt ist, ist eine Rahmeneinheit 20 zur Ausbildung in einer Außenumfangseinheit dieses Halbleitersubstrats 10 abgeteilt, und außerdem sind eine bewegliche Elektrode 25 und jeweilige feste Elektroden 60, 70, 80, die in einem inneren Umfangsabschnitt auszubilden sind, abgeteilt. Die bewegliche Elektrode 25 enthält Vibratoren 30 und 40.
Wie es in 2 gezeigt ist, entspricht das Halbleitersubstrat 10 einem SOI-Substrat (Silizium auf Isolierung), das durch Schichten eines Isolierfilms 13 wie zum Beispiel einem Siliziumoxidfilm zwischen eine erste Halbleiterschicht 11, die als ein Trägersubstrat dient, und eine zweite Halbleiterschicht 12, die über der ersten Halbleiterschicht 11 angeordnet ist, hergestellt wird.
Danach werden, da ein Grabenätzprozess und ein Freisetzätzprozess von der Vorderfläche der zweiten Halbleiterschicht 12 durchgeführt werden, in diesem Halbleitersubstrat 10 die Rahmeneinheit 20, die bewegliche Elektrode 25 und die jeweiligen festen Elektroden 60 bis 80, die zuvor beschrieben und abgeteilt wurden, in Bezug auf die zweite Halbleiterschicht 12 ausgebildet.
Wie es in 2 dargestellt ist, werden sowohl die Rahmeneinheit 20 als auch die jeweiligen festen Elektroden 60 bis 80 von diesen strukturellen Einheiten über die Isolierschicht 13 von dem ersten Halbleitersubstrat 11, das als das Trägersubstrat zur Fixierung dient, getragen. Wie es zuvor erläutert wurde, entsprechen die Rahmeneinheit 20 und die jeweiligen festen Elektroden 60 bis 80 festen strukturellen Einheiten, die auf dem Trägersubstrat 11 (das heißt dem Substrat 10) fixiert sind.
Die bewegliche Elektrode 25 ist durch Bereitstellen eines Ansteuerungsvibrators 30, eines Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40, eines Ansteuerungsbalkens 35 zum Koppeln der Vibratoren 30 und 40 miteinander und eines Erfassungsbalkens 45 zum Koppeln des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 mit dem ersten Halbleitersubstrat 11, das als das Trägersubstrat dient, aufgebaut.
Der Ansteuerungsvibrator 30 ist durch Bereitstellen einer Gewichtseinheit 31 und von Verlängerungseinheiten 32 aufgebaut. Diese Gewichtseinheit 31 ist entlang einer x-Richtung verlängert, wie es in 1 gezeigt ist. Die Verlängerungseinheiten 32 sind entlang einer y-Richtung an beiden Seiten dieser Gewichtseinheit 31 verlängert. In diesem Beispiel sind vier Sätze der Verlängerungseinhei ten 32 an der oberen Seite der Gewichtseinheit 31 und vier Sätze der Verlängerungseinheiten 32 an deren unteren Seite bereitgestellt, das heißt es sind insgesamt acht Sätze dieser Verlängerungseinheiten 32 vorgesehen.
Außerdem sind zwei Sätze der oben beschriebenen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibratoren 40 an beiden Außenseiten der Gewichtseinheit 31 des Ansteuerungsvibrators 30 in der x-Richtung (im Folgenden als "erste Richtung x" bezeichnet), die in 1 gezeigt ist, vorgesehen und in einer schmalen Gestalt ausgebildet, die entlang der y-Richtung (im Folgenden als "zweite Richtung y" bezeichnet) verlängert.
In dieser Ausführungsform wird eine derartige spezifische Struktur verwendet, bei der ein Verhältnis (W/L) größer als oder gleich 0,1 ist, wobei dieses Verhältnis durch eine Länge "L" entlang der zweiten Richtung y und eine Breite "W" entlang der ersten Richtung x dieses Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 definiert ist. Der Grund dafür, dass dieses Verhältnis (W/L) auf größer als oder gleich 0,1 eingestellt ist, wird später beschrieben.
In diesem Fall sind beide Kantenabschnitte der Gewichtseinheit 31 des Ansteuerungsvibrators 30 über den Ansteuerungsbalken 35 mit dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 gekoppelt. Wie es in 1 gezeigt ist, ist der Ansteuerungsvibrator 30 mit den Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibratoren 40 durch vier Sätze der Ansteuerungsbalken 35 gekoppelt.
Dieser Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 ist über einen Erfassungsbalken 45 in Bezug auf eine Ankereinheit 50, die einer Fixierungseinheit in Bezug auf das Trägersubstrat 11 entspricht, gekoppelt. Ähnlich der Rahmeneinheit 20 oder Ähnlichem, die in 2 gezeigt ist, wird diese Ankereinheit 50 über den Isolierfilm 13 auf der ersten Halbleiterschicht 11, die als das Trägersubstrat dient, getragen und auf dieser ersten Halbleiterschicht 11 fixiert.
Während vier Sätze der Ankereinheiten 50 vorgesehen sind, sind die Erfassungsbalken 45 als Auslegerbalken mit den jeweiligen Ankereinheiten 50 gekoppelt. Als Ergebnis wird die bewegliche Einheit 25 derart getragen, dass diese bewegliche Einheit 25 über das Trägersubstrat 11 fließen kann, da vier Sätze der Erfassungsbalken über die Ankereinheiten 50 mit dem Trägersubstrat 11 gekoppelt sind.
Außerdem ist der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 über den Erfassungsbalken 45 mit dem Trägersubstrat 11 gekoppelt und wird von diesem getragen. Obwohl der Ansteuerungsvibrator 30 den Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 und den Erfassungsbalken 45 zwischengeordnet aufweist, ist dieser Ansteuerungsvibrator 30 über den Ansteuerungsbalken 35 mit dem Trägersubstrat 11 gekoppelt.
In diesem Fall besitzt der Ansteuerungsbalken 35 einen Freiheitsgrad entlang der ersten Richtung x. In diesem Beispiel besitzt der Ansteuerungsbalken 35 mehrere Balken, wie es in 1 gezeigt ist, und kann in einer federverschiebbaren Weise betrieben werden, die nur entlang der ersten Richtung x erforderlich ist.
Außerdem besitzt der Erfassungsbalken 45 einen Freiheitsgrad entlang der zweiten Richtung y. In diesem Beispiel ist der Erfassungsbalken 45 in einer Balkengestalt ausgebildet, die sich entlang der x-Richtung verlängert, wie es in 1 gezeigt ist, und kann in einer federverschiebbaren Weise, die nur entlang der zweiten Richtung y erforderlich ist, betrieben werden. Eine Resonanzfrequenz des Ansteuerungsbalkens 35 unterscheidet sich von einer Resonanzfrequenz jeder der Erfassungsbalken 45.
Da der Ansteuerungsbalken 35 und die Erfassungsbalken 45 auf die oben beschriebene Weise aufgebaut sind, wird der Ansteuerungsvibrator 30 in Bezug auf das Trägersubstrat 11 derart getragen, dass dieser Ansteuerungsvibrator 30 entlang der ersten Richtung x verschoben werden kann. Der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 wird in Bezug auf das Trägersubstrat 11 derart getragen, dass dieser Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 entlang der zweiten Richtung y verschoben werden kann, die senkrecht zur ersten Richtung x ist. Demzufolge kann die bewegliche Einheit 25 entlang einer Richtung parallel zur Substratebene des Trägersubstrats 11 bewegt werden.
Außerdem ist in jeder der Ankereinheiten 50, die mit dem Erfassungsbalken 45 der beweglichen Elektrode 25 gekoppelt ist, eine Anschlussfläche 50a zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit ausgebildet, wobei dieser Erfassungsbalken 45 die bewegliche Einheit 25 in Auslegerweise trägt. Diese Winkelgeschwindigkeitserfassungsanschlussfläche 50a ist elektrisch mit dem Erfassungsbalken 45 verbunden. Eine vorbestimmte Spannung kann über diese Anschlussfläche 50a in Bezug auf den Ansteuerungsvibrator 30 und den Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 angelegt werden.
Außerdem ist, wie es in 1 gezeigt ist, eine feste Ansteuerungselektrode 60, die auf dem Trägersubstrat 11 fixiert ist, gegenüber einer Seitenfläche einer jeden Verlängerungseinheit 32 des Ansteuerungsvibrators 30 angeordnet. Derartige Abschnitte, an denen die Verlängerungseinheit 32 des Ansteuerungsvibrators 30 gegenüber der festen Ansteuerungselektrode 60 angeordnet ist, sind kammzahnförmige Einheiten derart vorgesehen, dass diese kammzahnartigen Einheiten von gegenüberliegenden Ebenen zu dem Gegenstück in einer Kammzahnform vorstehen, und die Kammzähne sind ineinander verschachtelt.
Jede der festen Ansteuerungselektroden 60 ist mit einer Ansteuerungsanschlussfläche 60a, die in der Nähe der Rahmeneinheit 20 vorgesehen ist, elektrisch verbunden. Dann kann eine Ansteuerungsspannung durch diese Ansteuerungsanschlussfläche 60a an die feste Ansteuerungselektrode 60 angelegt werden.
Außerdem sind, wie es in 1 gezeigt ist, feste Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 70, die an dem Trägersubstrat 11 fixiert sind, an der Außenseitenfläche des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 derart angeordnet, dass die festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 70 einander gegenüberliegend angeordnet sind. In diesem Fall sind zwei Sätze der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 70 in einer oberen und unteren Richtung in Bezug auf einen Vibrator der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibratoren 40 vorgesehen.
An derartigen Abschnitten, an denen der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 gegenüber der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 70 angeordnet ist, sind kammzahnförmige Einheiten derart vorgesehen, dass diese kammzahnförmigen Einheiten von gegenüberliegenden Ebenen zu dem Gegenstück in einer Kammzahnform vorstehen, und die Kammzähne sind ineinander verschachtelt.
Jede der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 70 ist mit einer Winkelgeschwindigkeitserfassungsanschlussfläche 70a, die in der Nähe der Rahmeneinheit 20 vorgesehen ist, elektrisch verbunden. Dann kann ein Potential der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 70 durch diese Winkelgeschwindigkeitserfassungsanschlussfläche 70a gemessen werden.
Außerdem sind, wie es in 1 gezeigt ist, die festen Vibrationserfassungselektroden 80, die am Trägersubstrat 11 fixiert sind, auf dem Ansteuerungsvibrator 30 derart angeordnet, dass die festen Vibrationserfassungselektroden 80 gegenüber dem Ansteuerungsvibrator 30 angeordnet sind. In diesem Fall sind zwei Sätze der festen Vibrationserfassungselektroden 80 entlang der oberen und unteren Richtung an Positionen außerhalb der festen Anasteuerungselektrode 60 vorgesehen, das heißt es sind insgesamt vier Sätze dieser festen Vibrationserfassungselektroden 80 vorgesehen.
An derartigen Abschnitten, an denen der Ansteuerungsvibrator 30 gegenüber den festen Vibrationserfassungselektroden 80 angeordnet ist, sind kammzahnförmige Einheiten derart vorgesehen, dass diese kammzahnförmigen Einheiten von gegenüberliegenden Ebenen zu dem Gegenstück in einer Kammzahnform vorstehen, und die Kammzähne sind ineinander verschachtelt.
Jede der festen Vibrationserfassungselektroden 80 ist mit einer Vibrationserfassungsanschlussfläche 80a, die in der Nähe der Rahmeneinheit 20 vorgesehen ist, elektrisch verbunden. Dann kann ein Potential der festen Vibrationserfassungselektrode 80 durch diese Vibrationserfassungsanschlussfläche 80a gemessen werden.
Während die Rahmeneinheit 20 derart aufgebaut ist, dass diese Rahmeneinheit 20 die bewegliche Elektrode 25, die die oben beschriebenen Vibratoren 30 und 40 enthält, und die jeweiligen festen Elektroden 60, 70, 80 umgibt, wird diese Rahmeneinheit 20 über eine Anschlussfläche (nicht gezeigt) und Ähnliches auf dem GND-Potential gehalten. Der Winkelratensensor 100 gemäß dieser Ausführungsform wird durch Verwendung der oben erläuterten Anordnung aufgebaut.
Im Folgenden wird ein Ansteuerungsverfahren des Winkelratensensors 100 gemäß dieser Ausführungsform erläutert.
Der Winkelratensensor 100 dieser Ausführungsform wird durch Anlegen einer gewünschten Ansteuerungsspannung in Bezug auf die Ansteuerungsanschlussfläche 60a, mit der die feste Ansteuerungselektrode 60 elektrisch verbunden ist, angesteuert.
Wenn die gewünschte Ansteuerungsspannung an die Ansteuerungsanschlussfläche 60a angelegt ist, wird eine Anziehungskraft auf der Grundlage einer Kapazität, die zwischen der festen Ansteuerungselektrode 60 und der Verlängerungseinheit 32 des Ansteuerungsvibrators 30 auf eine periodische Variation einer AC-Komponente der Ansteuerungsspannung hin erzeugt. Als Ergebnis biegt sich der Ansteuerungsbalken 35, so dass der Ansteuerungsvibrator 30 entlang der ersten Richtung x vibriert wird, das heißt zur Ansteuerung von Vibrationen veranlasst wird.
Gleichzeitig wird ein Überlappungsbetrag zwischen der kammzahnförmigen Einheit, die in der festen Vibrationserfassungselektrode 80 ausgebildet ist, und der kammzahnförmigen Einheit, die in dem Ansteuerungsvibrator 30 ausgebildet ist, auf diese Ansteuerungsvibration hin geändert. Demzufolge wird die Kapazität, die durch diese kammzahnförmigen Einheiten gebildet wird, geändert.
Eine Größe dieser Ansteuerungsvibration kann durch Messen dieser Kapazitätsänderung auf der Grundlage eines Potentials der Vibrationserfassungsanschlussfläche 80a, mit der die feste Vibrationserfassungselektrode 80 verbunden ist, überwacht werden. Demzufolge wird die Ansteuerungsspannung auf die Größe der Ansteuerungsvibration hin rückführungsgesteuert, so dass die Größe der Ansteuerungsvibration gleich einem gewünschten Wert wird.
Unter der Bedingung, dass diese Ansteuerungsvibration erfolgt, wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um eine Rotationsachse z, die senkrecht zur ersten Richtung x und zur zweiten Richtung y ist, ausgeübt wird, wird eine Korioliskraft erzeugt, und somit führt der gesamte Abschnitt der beweglichen Elektrode 25, der den Ansteuerungsvibrator 30 und den Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 enthält, eine Erfassungsvibration entlang der zweiten Richtung y auf Grund einer Biegung des Erfassungsbalkens 45 durch.
Als Ergebnis wird das Intervall bzw. der Abstand zwischen der kammzahnförmigen Einheit, die in dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 vorgesehen ist, und der kammzahnförmigen Einheit, die in der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 70 vorgesehen ist, geändert, so dass die Kapazität, die durch diese kammzahnförmigen Einheiten ausgebildet wird, geändert wird. Die Winkelgeschwindigkeit Ω kann durch Messen dieser Potentialänderung erfasst werden, da das Potential der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 70 in Verbindung mit dieser Änderung der Kapazität geändert wird.
Andererseits sind gemäß dieser Ausführungsform, in der der Winkelratensensor 100 versehen ist mit: dem Trägersubstrat 11, dem Ansteuerungsvibrator 30, der auf dem Trägersubstrat 11 in vibrierbarer Weise entlang der ersten Richtung x getragen wird, und dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40, der auf dem Trägersubstrat 11 in vibrierbarer Weise entlang der zweiten Richtung y senkrecht zur ersten Richtung x getragen wird, die unten beschriebenen Merkmale vorhanden.
Der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 ist über den Erfassungsbalken 45, der den Freiheitsgrad entlang der zweiten Richtung y aufweist, mit dem Trägersubstrat 11 gekoppelt und wird von diesem Trägersubstrat 11 getragen, und besitzt außerdem eine Gestalt, die entlang der zweiten Richtung y verlängert ist.
Der Vibrationsvibrator 30 ist über den Ansteuerungsbalken 35, der den Freiheitsgrad entlang der ersten Richtung x aufweist, mit dem Winkelgeschwindigkeitsvibrator 40 gekoppelt und wird von diesem Winkelgeschwindigkeitsvibrator 40 getragen.
Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Achse z auf der Grundlage der Vibration des Ansteuerungsvibrators 30 entlang der ersten Richtung x ausgeübt wird, wird der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 entlang der zweiten Richtung y durch die Korioliskraft, die auf den Ansteuerungsvibrator 30 ausgeübt wird, vibriert, und somit wird die Winkelgeschwindigkeit Ω auf der Grundlage der Vibration dieses Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 erfasst.
Das Verhältnis (W/L) der Länge L entlang der zweiten Richtung y zur Breite W entlang der ersten Richtung x des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 ist größer als oder gleich 0,1. Diese Ausführungsform besitzt als Merkmal die oben erläuterten strukturellen Punkte.
Im Folgenden wird der Grund dafür beschrieben, warum das oben erläuterte Verhältnis (W/L) größer als oder gleich 0,1 ist.
Wie es zuvor erläutert wurde, wird in einem Fall, in dem der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 eine Gestalt aufweist, die entlang der zweiten Richtung y verlängert ist, die Vibration, die von dem Ansteuerungsvibrator 30 erzeugt wird, in Bezug auf diesen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 übertragen, und somit besteht die Möglichkeit, dass sich der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 entlang der Breitenrichtung biegt, das heißt der ersten Richtung x.
Wenn sich der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 entlang der ersten Richtung x biegt, wird dieser Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 ebenfalls entlang der zweiten Richtung y in Verbindung mit dieser Biegung des Vibrators 40 verformt. Als Ergebnis tritt eine Kapazitätsänderung zwischen dem Vibrator 40 und der Elektrode 70 auf, da der Abstand (Intervall) geändert wird, der zwischen dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 und der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 70 entlang der zweiten Richtung y definiert ist. Dementsprechend werden andere Winkelgeschwindigkeitskomponenten als eine ursprünglich zu erfassende Winkelgeschwindigkeitskomponente erfasst, was zu einem Ausgangsfehler führt.
Zur Unterdrückung der Biegung des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 entlang der ersten Richtung x und zur Unterdrückung der Verschiebung des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 entlang der zweiten Richtung y in Verbindung mit der Biegung des eigenen Vibrators 40 ist die folgende technische Idee denkbar. Das heißt, die Breite W des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 entlang der ersten Richtung x wird breit gemacht, und außerdem kann dessen Steifigkeit entlang derselben ersten Richtung x erhöht werden.
Es ist jedoch praktisch nicht möglich, die Breite W einfach zu verbreitern. Wenn die Breite W unter Berücksichtigung der Länge L des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 verbreitert wird, kann die Steifigkeit dieses Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 nicht erhöht werden.
Demzufolge wird in der Ausführungsform (siehe 1) als ein Parameter der Steifigkeit des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 entlang der ersten Richtung x das Verhältnis (W/L) der Länge L entlang der zweiten Richtung y zur Breite W entlang der ersten Richtung x in dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 verwendet.
Während die FEM-Analyse (Verfahren der finiten Elemente) durchgeführt wurde, wurde die Beziehung zwischen diesem Verhältnis (W/L) und der Verschiebung des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 entlang der zweiten Richtung y untersucht. Bei dieser FEM-Analyse kann hinsichtlich der Ansteuerungsvibrationen eine Zeitdauer der Ansteuerungsvibrationen, die von dem Ansteuerungsvibrator 30 entlang der ersten Richtung x erzeugt werden, auf zum Beispiel mehrere kHz eingestellt werden.
3 ist ein Diagramm, das graphisch Ergebnisse zeigt, die durch Untersuchung einer Beziehung zwischen dem Verhältnis (W/L) in den Ansteuerungsvibrationen bei dieser FEM-Analyse und der Verschiebung des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 entlang der zweiten Richtung y (das heißt der Verschiebung in y-Richtung) erhalten wurden. In 3 zeigt die Abszisse das durch das Symbol "X" ausgedrückte Verhältnis (W/L), wohingegen die Ordinate den durch das Symbol "Y" ausgedrückten Verschie bungsbetrag in y-Richtung zeigt, wobei eine Einheit als "mm" definiert ist.
Wie es in 3 gezeigt ist, können in dem Winkelratensensor 100 gemäß dieser Ausführungsform das Verhältnis X und der Verschiebungsbetrag Y eine Beziehung erfüllen, die durch die folgende Formel 3 ausgedrückt wird. Y = 0, 0148X4 – 0,0076X3 + 0, 0015X2 – 0, 0001X + 6 × 10–6 (Formel 3)
Somit kann gemäß der Untersuchung, die die Erfinder der vorliegenden Erfindung durchführten, wenn der Verschiebungsbetrag Y kleiner als näherungsweise 5 × 10^–7 bis 6 × 10^–7 mm beträgt, die Kapazitätsänderung zwischen dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 und der festen Winkelgeschwindigkeitserfassungselektrode 70 zu einer derartig kleinen Kapazitätsänderung werden, dass diese kein Problem darstellt.
Demzufolge kann, wie es in 3 gezeigt ist, wenn das Verhältnis (W/L) größer als oder gleich 0,1 ist, der Biegungsbetrag Y des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators 40 entlang der zweiten Richtung y, der durch die Ansteuerungsvibrationen des Ansteuerungsvibrators 30 verursacht wird, auf einen derartig kleinen Biegungsbetrag verringert werden, dass dieser kein praktisches Problem darstellt.
Wie es zuvor beschrieben wurde, kann in dem Winkelratensensor 100, der mit dem Ansteuerungsvibrator 30 und dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 versehen ist, die auf dem Trägersubstrat 11 derart getragen werden, dass diese Vibratoren 30 und 40 entlang der Richtungen x und y senkrecht zueinander vibriert werden können, vermieden werden, dass sich der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator 40 durch die Ansteuerungsvibration des Ansteuerungsvibrators 30 biegt und somit der Ausgangsfehler erzeugt wird.
Hier ist das Verhältnis (W/L) gleich oder kleiner als 0,2. In diesem Fall kann das Verhältnis (W/L) aus praktischen Gründen durchgeführt werden. Weiter vorzugsweise ist das Verhältnis (W/L) gleich oder kleiner als 0,15. In diesem Fall wird, wie es in 3 gezeigt ist, das Verhältnis (W/L) tatsächlich erhalten.
Der in 1 gezeigte Winkelratensensor 100 stellt nur eine Ausführungsform des Winkelratensensors gemäß der vorliegenden Erfindung dar, und daher ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt.
Zusammenfassend kann die vorliegende Erfindung angewendet werden, wenn ein Winkelratensensor durch die folgenden strukturellen Elemente aufgebaut ist: das heißt, in einem derartigen Winkelratensensor, der mit einem Ansteuerungsvibrator und einem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator ausgerüstet ist, die auf einem Trägersubstrat derart getragen werden, dass diese Vibratoren entlang senkrechter Richtungen zueinander vibriert werden können, ist der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator über einen Erfassungsbalken mit dem Trägersubstrat gekoppelt, und ein Ansteuerungsvibrator ist über einen Ansteuerungsbalken mit dem Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator gekoppelt, und außerdem besitzt der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator eine Gestalt, die entlang seiner Vibrationsrichtung verlängert ist.
Die Hauptstruktur eines derartigen Winkelratensensors gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Merkmal auf, dass das oben erläuterte Verhältnis (W/L) größer als oder gleich 0,1 ist, und außerdem können andere strukturelle Elemente dieses Sensors geeignet modifiziert sein.
(Zweite Ausführungsform)
Die Erfinder haben im Voraus einen Winkelratensensor untersucht, der derart angebracht war, dass eine Erfassungsachse, die einer Rotationsachse einer Winkelgeschwindigkeit entspricht, in eine obere und untere Richtung eines Fahrzeugs gerichtet war, das heißt der vertikalen Richtung. 8 ist ein Diagramm, das schematisch eine Anbringungsbedingung eines derartigen Winkelratensensors 500 darstellt. Ein Basiselement ist in 8 weggelassen.
Während zwei der Vibratoren 520 in diesem Winkelratensensor 500 vorgesehen sind, wird jeder Vibrator 520 so angesteuert, dass er entlang einer x-Richtung, die einer ersten Richtung entspricht, vibriert, und außerdem wird, wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω ausgeübt wird, jeder der Vibratoren 520 vibriert, um die ausgeübte Winkelgeschwindigkeit Ω entlang einer y-Richtung, die einer zweiten Richtung entspricht, durch eine Korioliskraft zu erfassen.
In diesem Fall entspricht eine "x-zu-y"-Ebene einer horizontalen Ebene, und eine Erfassungsachse z der Winkelgeschwindigkeit Ω entspricht der oberen und unteren Richtung des Fahrzeugs, das heißt der vertikalen Richtung. Dieser Winkelratensensor 500 führt den Winkelgeschwindigkeitserfassungsbetrieb auf der Grundlage der Erfassungsvibrationen des Vibrators 520 entsprechend zum Beispiel einem elektrostatischen Kapazitätserfassungsverfahren durch.
In einem derartigen Winkelratensensor 500 ist, da die Ansteuerungsvibrationen der Vibratoren 520 zur vertikalen Richtung in Bezug auf eine Richtung (das heißt der Pfeil "Y1" der 8) oberer und unterer Vibrationen des Fahrzeugs oder einer Richtung (das heißt der Pfeil "Y2" der 8) der Gravitationsbeschleunigung gerichtet sind, ein geringer Einfluss von diesen vorhanden. Hier stellt der Pfeil Y1 eine vertikale Richtung dar, so dass die Erfassungsachse z parallel zur vertikalen Richtung Y1 ist. Der Pfeil Y2 stellt eine Gravitationsrichtung dar.
In einem Fall jedoch, in dem dieser Winkelratensensor 500 verwendet wird, um andere Winkelgeschwindigkeiten als eine Gierrate zu erfassen, wird der Sensor 500 derart angebracht, dass eine Erfassungsachse z einer Winkelgeschwindigkeit parallel zur horizontalen Ebene angeordnet wird. Andere Winkelgeschwindigkeiten als diese Gierrate entsprechen zum Beispiel einer Winkelgeschwindigkeit um eine Achse einer Vorwärts- und Rückwärts-Richtung eines Fahrzeugs, das heißt einer Rollrate, oder einer Winkelgeschwindigkeit um eine Achse einer rechten und linken Richtung des Fahrzeugs, das heißt einer Nickrate.
Als Ergebnis besteht in dem Winkelratensensor 500 das Risiko, dass nachteilige Einflüsse, die durch die oberen und unteren Vibrationen des Fahrzeugs und die Gravitationsbeschleunigung verursacht werden, in Bezug auf die Ansteuerungsvibrationen in Abhängigkeit von der Richtung der Ansteuerungsvibrationen der Vibratoren 520 auftreten. Mit anderen Worten werden, wenn die oben beschriebenen oberen und unteren Vibrationen des Fahrzeugs und die Gravitationsbeschleunigung auf die Vibratoren 520 entlang der obigen Vibrationsrichtung ausgeübt werden, die Vibrationsbedingungen der Ansteuerungsvibrationen einander ungleich.
Ursprünglich ist es in einem Vibrationswinkelratensensor wichtig, wie Ansteuerungsvibrationen der Vibratoren stabilisiert werden. Es kann jedoch ein Lecken der Vibrationen auf eine Änderung der Bedingungen der Ansteuerungsvibrationen auftreten, und/oder es können elektrische Überlagerungen, die durch die Ansteuerungsvibrationen verursacht werden, den Erfassungssignalen überlagert werden, so dass die Genauigkeit der Sensorausgangssignale verschlechtert werden können.
Daher ist es sogar dann, wenn eine Erfassungsachse einer Winkelgeschwindigkeit zur horizontalen Ebene gerichtet ist, notwendig, die Ansteuerungsvibrationen der Vibratoren so gut wie möglich zu stabilisieren.
Im Hinblick auf das obige Problem wird eine Anbringungsstruktur eines Winkelratensensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschaffen.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Anbringungsstruktur gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt, bei der der Winkelratensensor 100 auf einer Anbringungskarte (Basiselement) 200 angebracht ist. 6 ist ein Diagramm, das schematisch eine Ebenenstruktur des Winkelgeschwindigkeitssensors 100 der 5 zeigt, das heißt eine Ebenenansicht zur Darstellung des Winkelratensensors 100 von einer oberen Ebene eines Substrats 10 aus gesehen, das diesen Sensor 100 bildet.
In dieser Ausführungsform ist der Winkelratensensor 100 auf der Anbringungskarte 200 wie zum Beispiel einem Sensor angebracht, der an einem Fahrzeug angebracht ist (nicht gezeigt) und der eine Winkelgeschwindigkeit um eine Vorwärts- und Rückwärtsrichtungsachse des Fahrzeugs erfasst, das heißt eine Rollrate erfasst.
In 5 entspricht eine Erfassungsachse z einer Winkelgeschwindigkeit Ω einer Achse, die entlang der Vorwärts- und Rückwärts-Richtung des Fahrzeugs verlängert ist. Eine Ansteuerungsvibrationsrichtung eines jeweiligen Vibrators 210 entspricht einer x-Richtung, die entlang einer oberen und unteren Richtung des Fahrzeugs verlängert ist. Eine Erfassungsvibrationsrichtung eines jeweiligen Vibrators 210 entspricht einer y-Richtung, die entlang einer oberen und unteren Richtung des Fahrzeugs verlängert ist, das heißt entlang einer Gravitationsbeschleunigungsrichtung. Außerdem entspricht eine "x-zu-z"-Ebene der horizontalen Ebene, und die y-Richtung entspricht der vertikalen Richtung, die senkrecht zu dieser "x-zu-z"-Ebene ist.
Während der Winkelratensensor 100 ein Substrat 10 aufweist, wird ein bekannter Mikrobearbeitungsprozess in Bezug auf dieses Substrat 10 ausgeführt, so dass die Vibratoren 210 ausgebildet werden. In dieser Ausführungsform sind zwei der oben erläuterten Vibratoren 210 ausgebildet.
Außerdem wird die Anbringungskarte 200, die als das Basiselement dient, aus einer Schaltungskarte einer ECU des Fahrzeugs oder Ähnlichem hergestellt. Da dieses Substrat 10 auf der Anbringungskarte 200 haftet, wird dann der Winkelratensensor 100 auf dieser Anbringungskarte 200 derart angebracht, dass er darauf fixiert ist. Der Winkelgeschwindigkeitssensor 100 kann alternativ auf der Anbringungskarte 200 derart angebracht sein, dass dieser Winkelratensensor 100 zum Beispiel auf einer anderen einzigen Schaltungskarte (nicht gezeigt) gestapelt ist.
Zunächst wird im Folgenden der Winkelratensensor 100 hauptsächlich mit Bezug auf 6 erläutert. In diesem Beispiel, das in 5 dargestellt ist, ist der Winkel ratensensor 100 durch Anordnen von zwei der Vibratoren, die dieselbe Struktur aufweisen, entlang der x-Richtung, die der Ansteuerungsvibrationsrichtung entspricht, hergestellt. Zur Vermeidung einer Duplizierung ist jedoch nur einer dieser beiden Vibratoren 210 in 6 gezeigt.
Als das Substrat 10, das diesen Winkelratensensor 100 bildet, kann zum Beispiel ein SOI-Substrat (Silizium auf Isolierung) mit einer rechtwinkligen Gestalt verwendet werden. Dieses SOI-Substrat wird derart ausgebildet, dass eine zweite Siliziumschicht, die als eine zweite Halbleiterschicht dient, mittels eines Oxidfilms, der als ein Isolierfilm dient, auf eine erste Siliziumschicht, die als eine erste Halbleiterschicht dient, gehaftet beziehungsweise geklebt wird.
Danach werden ein Grabenätzprozess, ein Freisetzätzprozess und Ähnliches in Bezug auf eine vordere Oberflächenschicht dieses Substrats, zum Beispiel der zweiten Siliziumschicht, die in dem SOI-Substrat vorgesehen ist, durchgeführt, so dass Balkenstrukturkörper 50, 60, 70, 220, 45, die durch Gräben abgeteilt sind, ausgebildet werden, wie es in 6 gezeigt ist.
Die Balkenstrukturkörper 50, 60, 70, 220, 45 bestehen hauptsächlich aus einem vibrierenden Körper 220, jeweiligen Balkenabschnitten 35 und 45 und außerdem jeweiligen Elektroden 60 und 70.
Der vibrierende Körper 220 ist an einem Mittenabschnitt des Substrats 10 derart ausgebildet, dass dieser Vibrator 210 innerhalb einer horizontalen Ebene in Bezug auf das Substrat 10, das heißt innerhalb einer Papierebene der 6 vibriert werden kann. In diesem Beispiel ist der Vibrator 210 durch eine erste Vibrationseinheit 30 als einen Ansteuerungsvibrator, eine zweite Vibrati onseinheit 40 als einen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator und eine Ansteuerungsbalkeneinheit 35 (das heißt einen Ansteuerungsbalken) als der Balkenabschnitt zum Koppeln der ersten Vibrationseinheit 30 mit der zweiten Vibrationseinheit 40 aufgebaut. Die erste Vibrationseinheit 30 weist im Wesentlichen eine rechtwinklige Gestalt auf und ist am Mittenabschnitt angeordnet. Die zweite Vibrationseinheit 40 weist eine rechtwinklige Rahmengestalt auf und ist an einem äußeren Umfangsabschnitt dieser ersten Vibrationseinheit 30 angeordnet.
Dieser vibrierende Körper 220 ist über eine Erfassungsbalkeneinheit 45 als ein Erfassungsbalken mit einer Ankereinheit 50, die an einem Umfangsabschnitt des Substrats 10 vorgesehen ist, gekoppelt.
In diesem Fall ist die Ankereinheit 50 auf einem Abschnitt des Substrats fixiert, der unter der Oberflächenschicht angeordnet ist, bei der dieser Balkenstrukturkörper 220 ausgebildet ist, und wird durch diesen Abschnitt getragen, das heißt sie wird an einer Trägersubstrateinheit fixiert und von dieser getragen. Der vibrierende Körper 220 ist separat vorgesehen, das heißt von dieser Trägersubstrateinheit derart getrennt, dass dieser vibrierende Körper 220 mit der Ankereinheit 50 gekoppelt ist.
Wie es in 6 gezeigt ist, kann in diesem Fall, da die Ansteuerungsbalkeneinheit 35 eine Gestalt aufweist, die entlang zum Beispiel der y-Richtung verlängert ist, diese Ansteuerungsbalkeneinheit 35 entlang notwendigerweise nur der x-Richtung elastisch verformt werden, die der ersten Richtung entspricht. Da außerdem die Erfassungsbalkeneinheit 45 eine Gestalt aufweist, die entlang zum Beispiel der x-Richtung verlängert ist, die als die erste Richtung dient, kann die Erfassungsbalkeneinheit 45 entlang notwendigerweise nur der y-Richtung elastisch verformt werden, die der zweiten Richtung entspricht.
Danach kann eine erste Vibrationseinheit 30 innerhalb des vibrierenden Körpers 220 durch den Ansteuerungsbalken 35 entlang einer x-Richtung (Ansteuerungsvibrationsrichtung) innerhalb der horizontalen Ebene in Bezug auf das Substrat 10 vibriert werden. Andererseits kann der gesamte Abschnitt des vibrierenden Körpers 220 durch die Erfassungsbalkeneinheit 45 entlang einer y-Richtung (Erfassungsvibrationsrichtung) innerhalb der horizontalen Ebene in Bezug auf das Substrat 10 vibriert werden.
Außerdem ist die Ansteuerungselektrode 60 zwischen der ersten Vibrationseinheit 30 und der zweiten Vibrationseinheit 40 vorgesehen, wobei diese Ansteuerungselektrode 60 bewirkt, dass die erste Vibrationseinheit 30 so angesteuert wird, dass sie entlang der x-Richtung vibriert.
Ähnlich der Ankereinheit 50 ist diese Ansteuerungselektrode 60 an der oben erläuterten Trägersubstrateinheit fixiert. Dann ist die Ansteuerungselektrode 60 derart gegenüberliegend angeordnet, dass ein kammförmiger Zahnabschnitt der eigenen Ansteuerungselektrode 60 mit einem kammförmigen Zahnabschnitt (kammförmiger Zahnabschnitt zur Ansteuerung) 30a, der von der ersten Vibrationseinheit 30 vorsteht, verschachtelt ist.
Außerdem ist eine Erfassungselektrode 70 als eine Elektrode zur Erfassung einer Winkelgeschwindigkeit an einem äußeren Umfangsabschnitt der zweiten Vibrationseinheit 40 vorgesehen.
Diese Erfassungselektrode 70 wird verwendet, um eine Winkelgeschwindigkeit um eine z-Achse zu erfassen, die senkrecht zum Substrat 10 ist, auf der Grundlage der Vibrationen des vibrierenden Körpers 220. Ähnlich der Ankereinheit 50 ist die Erfassungselektrode 70 an der Trägersubstrateinheit fixiert. Die Erfassungselektrode 70 ist derart gegenüberliegend angeordnet, dass ein kammförmiger Zahnabschnitt der eigenen Erfassungselektrode 70 mit einem kammförmigen Zahnabschnitt (kammförmiger Zahnabschnitt zur Erfassung) 40a, der von der zweiten Vibrationseinheit 40 vorsteht, verschachtelt ist.
Außerdem sind in diesem Winkelratensensor 100 Anschlussflächen (nicht gezeigt) an geeigneten Abschnitten des Substrats 10 angeordnet, und diese Anschlussflächen werden verwendet, um Spannungen an den vibrierenden Körper 220, der Ansteuerungselektrode 60, der Erfassungselektrode 70 und Ähnlichem anzulegen und von diesen Signale abzuleiten.
Während die Anschlussflächen an dem Umfangsabschnitt des Substrats ausgebildet sind, sind zum Beispiel Bonddrähte (nicht gezeigt) aus Au (Gold) und A1 (Aluminium) mit diesen Anschlussflächen verbunden. Als Ergebnis kann der Winkelratensensor 100 über die Bonddrähte oder Ähnlichem mit der Anbringungskarte 200 elektrisch verbunden werden.
In diesem Winkelratensensor 100 wird ein Ansteuerungssignal (Sinuswellenspannung etc.) von der Anbringungskarte 200 und Ähnlichem an die Ansteuerungselektrode 60 angelegt, um eine elektrostatische Kraft zwischen dem kammförmigen Zahnabschnitt 30a der ersten Vibrationseinheit 30 und der Ansteuerungselektrode 60 zu erzeugen. Demzufolge wird die erste Vibrationseinheit 30 angesteuert, so dass sie entlang der x-Richtung durch eine elastische Kraft der Ansteuerungsbalkeneinheit 35 vibriert wird.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω, die der Rollrate entspricht, um die z-Achse, die der Erfassungsachse entspricht, unter einer derartigen Bedingung ausgeübt wird, dass diese erste Vibrationseinheit 30 so angesteuert wird, dass sie vibriert, wird eine Korioliskraft auf die erste Vibrationseinheit 30 entlang der y-Richtung ausgeübt, und somit wird der gesamte Abschnitt des vibrierenden Körpers 220 angesteuert, um die ausgeübte Korioliskraft entlang der y-Richtung auf Grund der elastischen Kraft des Erfassungsbalkens 45 zu erfassen.
Demzufolge wird, da die Kapazität zwischen den kammförmigen Zähnen der Erfassungselektrode 70 und den kammförmigen Zähnen der kammförmigen Zahneinheit zur Erfassung 40a durch diese Erfassungsvibration geändert wird, diese Kapazitätsänderung erfasst, so dass die Größe der Winkelgeschwindigkeit Ω um die z-Achse erlangt werden kann. Somit kann eine Rollrate des Fahrzeugs erhalten werden.
Genauer gesagt wird in 6, wenn der vibrierende Körper 220 in einer Richtung entlang der y-Achsenrichtung hinsichtlich der rechtsseitigen und linksseitigen Erfassungselektroden 70 der 6 verschoben wird, eine Kapazitätsänderung in der linksseitigen Erfassungselektrode 70 in umgekehrter Weise zu einer Kapazitätsänderung der rechtsseitigen Erfassungselektrode 70 geändert. Als Ergebnis werden die Kapazitätsänderungen, die in der rechtsseitigen und linksseitigen Erfassungselektrode 70 auftreten, in Spannungen gewandelt, und dann werden beide Spannungswerte differenziell verstärkt, so dass die Winkelgeschwindigkeit Ω als die Rollrate erhalten werden kann.
Der Winkelratensensor 100 besitzt zwei der Vibratoren 210, die dieselbe Struktur aufweisen. Mit anderen Worten sind zwei Sätze der Balkenstrukturkörper 50, 60, 70, 220, 45, die die Strukturen aufweisen, die in 6 gezeigt sind, entlang der x-Richtung ausgebildet, die der Ansteuerungsvibrationsrichtung in dem Substrat 10 entspricht, das schließlich den Winkelratensensor 100 bildet.
In diesem Fall werden zwei Vibratoren 210 angesteuert, um in einer entgegengesetzten Phase zueinander zu vibrieren. Da die Ausgangssignale, die von den beiden Vibratoren 210 abgeleitet werden, differenziell verarbeitet werden, können die Beschleunigungskomponenten, die entlang der x-Richtung erzeugt werden, ausgelöscht werden. Als Ergebnis kann der Winkelratensensor 100 die Winkelgeschwindigkeit ohne die oben beschriebenen Beschleunigungskomponenten mit hoher Genauigkeit erfassen. Offensichtlich kann auch nur ein Vibrator 210 alternativ in dem Winkelratensensor 100 verwendet werden.
Eine derartige Anbringungsstruktur kann durch Anbringen des Winkelratensensors 100 auf der Anbringungskarte 200, die dem Basiselement entspricht, realisiert werden. In dem Winkelratensensor 100 werden die Vibratoren 210 so angesteuert, dass sie entlang der x-Richtung vibrieren; und wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω bei dieser Ansteuerungsvibration ausgeübt wird, wird die Winkelgeschwindigkeit Ω auf der Grundlage der Vibrationen (Erfassungsvibrationen) der Vibratoren 210 entlang der y-Richtung senkrecht zur x-Richtung erfasst.
Wie es in 5 gezeigt ist, ist bei der spezifischen Struktur dieser Ausführungsform in einer derartigen Anbringungsstruktur des Winkelratensensors die Erfassungsachse z, die die Rotationsachse der Winkelgeschwindigkeit bildet und senkrecht die x-Richtung und die y- Richtung schneidet, parallel zur x-zu-z-Ebene angeordnet, das heißt der horizontalen Ebene. Mit anderen Worten bildet die Erfassungsachse z der Winkelgeschwindigkeit Ω eine Achse, die senkrecht zur x-zu-y-Ebene ist, die der vertikalen Ebene entspricht.
Außerdem bildet, wie es in 5 gezeigt ist, bei der spezifischen Struktur dieser Ausführungsform die x-Richtung, entlang der die Vibratoren 210 des Winkelratensensors angesteuert werden, um zu vibrieren, eine Richtung, die parallel zur x-zu-z-Ebene angeordnet ist, die der horizontalen Ebene entspricht und senkrecht zur Erfassungsachse z ist.
Gemäß der Anbringungsstruktur des Winkelratensensors 100, der die oben erläuterte spezifische Struktur aufweist, kann die Richtung x der Ansteuerungsvibration der Vibratoren 210 eine derartige Richtung bilden, die senkrecht zur oberen und unteren Richtung "Y1" des Fahrzeugs und der Gravitationsbeschleunigungsrichtung "Y2" ist, wie es in 5 dargestellt ist. Demzufolge können nachteilige Einflüsse, die durch obere und untere Vibrationen des Fahrzeugs und der Gravitationsbeschleunigung verursacht werden, so weit wie möglich in Bezug auf die Ansteuerungsvibration verringert werden.
Dementsprechend können in der Anbringungsstruktur des Vibrationswinkelratensensors 100 sogar dann, wenn die Erfassungsachse z der Winkelgeschwindigkeit parallel zur horizontalen Ebene angeordnet ist, die Ansteuerungsvibrationen der Vibratoren 210 so weit wie möglich stabilisiert werden.
7 zeigt als Vergleichsbeispiel eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Anbringungsstruktur des Winkelratensensors 100 zeigt.
In diesen Fall stimmt die x-Richtung, die der Ansteuerungsvibrationsrichtung der Vibratoren 210 entspricht, entweder mit der oberen und unteren Vibrationsrichtung "Y1" des Fahrzeugs oder der Gravitationsbeschleunigungsrichtung "Y2" überein, so dass eine Ungleichgewichtsbedingung in den Ansteuerungsvibrationen der Vibratoren 210 erzeugt wird. Mit anderen Worten werden, wenn die Vibratoren 210 in einer Aufwärts-Richtung und einer Abwärts-Richtung angeordnet werden, auf Grund der nachteiligen Einflüsse, die durch entweder die oberen und unteren Vibrationen des Fahrzeugs oder der Gravitationsbeschleunigung verursacht werden, zwei Sätze der Verschiebung der Vibratoren 210 nicht symmetrisch zueinander.
Im Gegensatz dazu ist gemäß der Anbringungsstruktur dieser Ausführungsform die x-Richtung, die der Ansteuerungsvibrationsrichtung der Vibratoren 210 entspricht, senkrecht entweder zu oberen und unteren Vibrationsrichtung "Y1" des Fahrzeugs oder der Gravitationsbeschleunigung "Y2", so dass die nachteiligen Einflüsse, die durch die unteren und oberen Vibrationen des Fahrzeugs und die Gravitationsbeschleunigung in Bezug auf die Ansteuerungsvibration verursacht werden, so weit wie möglich verringert werden können. Sogar in einen derartigen Fall, in dem die Erfassungsachse z der Winkelgeschwindigkeit parallel zur horizontalen Ebene angeordnet ist, können die Ansteuerungsvibrationen der Vibratoren 210 so weit wie möglich stabilisiert werden.
Während in der obigen Ausführungsform die Erfassungsachse z der Winkelgeschwindigkeit einer Achse entspricht, die entlang der Vorwärts- und Rückwärts-Richtung des Fahrzeugs verlängert ist, wurde diese Erfassungsachse z bei dem Winkelratensensor 100 zur Erfassung der Rollrate angewendet.
Obwohl es in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, kann in diesem Fall die Erfassungsachse z der Winkelgeschwindigkeit alternativ als eine Achse definiert sein, die entlang der rechten und linken Richtung des Fahrzeugs verlängert ist. Mit anderen Worten kann die Anbringungsstruktur der vorliegenden Erfindung offensichtlich auf einen Winkelratensensor angewendet werden, der in der Lage ist, eine Nickrate zu erfassen.
Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben erläuterte Anbringungskarte 200 als das Basiselement begrenzt. Außerdem wurde in der oben beschriebenen Ausführungsform der Winkelratensensor 100 am Fahrzeug in Kombination mit der Anbringungskarte 200, die dem Basiselement entspricht, angebracht. Alternativ kann die Anbringungsstruktur der vorliegenden Erfindung auf einen Sensor angewendet werden, der nicht an einem Fahrzeug angebracht ist.
Zusammenfassend ist die vorliegende Erfindung hauptsächlich durch Anbringen des Winkelratensensors auf der Anbringungsstruktur, die auf dem Basiselement angebracht ist, gekennzeichnet. Das heißt, die Vibratoren werden in dem Winkelratensensor so angesteuert, dass sie entlang der ersten Richtung vibrieren; und wenn die Winkelgeschwindigkeit unter dieser Ansteuerungsvibration ausgeübt wird, wird die Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage der Vibrationen der Vibratoren entlang der zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung erfasst. In dieser Anbringungsstruktur ist die Erfassungsachse, die der Rotationsachse der Winkelgeschwindigkeit entspricht und senkrecht zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung ist, parallel zur horizontalen Ebene angeordnet; und die erste Richtung, entlang der die Vibratoren angesteuert werden, um zu vibrieren, entspricht einer Richtung, die parallel zur horizontalen Ebene angeordnet ist, und die Erfassungsachse schneidet. Detaillierte Strukturen dieser Anbringungsstruktur können geeignet modifiziert werden.
Während die Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen und Konstruktionen beschränkt ist. Die Erfindung deckt verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen ab. Andere Kombinationen und Konfigurationen einschließlich mehr, weniger oder nur einem einzigen Element liegen innerhalb des Bereiches der Erfindung, der durch die Ansprüche definiert ist.

Claims

Winkelratensensor, der aufweist: ein Trägersubstrat (10), einen Ansteuerungsvibrator (30), der auf dem Substrat (10) durch einen Ansteuerungsbalken (35) derart getragen wird, dass der Vibrator (30) in der Lage ist, in einer ersten Richtung (x) zu vibrieren, und einen Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator (40), der auf dem Substrat (10) durch einen Erfassungsbalken (45) derart getragen wird, dass der Vibrator (40) in der Lage ist, in einer zweiten Richtung (y) zu vibrieren, die senkrecht zur ersten Richtung (x) ist, wobei der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator (40) sich in der zweiten Richtung (y) erstreckt, der Erfassungsbalken (45) in der zweiten Richtung (y) verformbar ist, der Ansteuerungsbalken (35) in der ersten Richtung (x) verformbar ist, der Sensor eine Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Vibration des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators (40) in der zweiten Richtung (y) erfasst, wobei die Vibration, von einer Korioliskraft verursacht wird, die auf den Ansteuerungsvibrator (30) in einem Fall ausgeübt wird, in dem der Ansteuerungsvibrator (30) in der ersten Richtung (x) angesteuert wird, wobei die Winkelgeschwindigkeit auf den Sensor in einer dritten Richtung (z) ausgeübt wird, so dass die dritte Richtung (z) eine Rotationsachse der Winkelgeschwindigkeit bereitstellt, die dritte Richtung (z) senkrecht zur ersten und zur zweiten Richtung (x, y) ist, der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator (40) eine Länge (L) entlang der zweiten Richtung (y) und eine Breite (W) entlang der ersten Richtung (x) aufweist, und ein Verhältnis (W/L) zwischen der Breite (W) und der Länge (L) des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators (40) gleich oder größer als 0,1 ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis (W/L) zwischen der Breite (W) und der Länge (L) des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators (40) als X definiert ist, der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrator (40) einen Verschiebungsbetrag in der zweiten Richtung (y) aufweist, wenn der Ansteuerungsvibrator (30) in der ersten Richtung (x) vibriert wird, der Verschiebungsbetrag des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators (40) als Y in Millimetern definiert ist, und das Verhältnis (W/L) und der Verschiebungsbetrag die folgende Beziehung aufweisen: Y = 0, 0148X4 – 0, 0076X3 + 0, 0015X2 – 0, 0001X + 6 × 10–6.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis (W/L) zwischen der Breite (W) und der Länge (L) des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators (40) gleich oder kleiner als 0,2 ist.
Sensor nach Anspruch 3, wobei das Verhältnis (W/L) zwischen der Breite (W) und der Länge (L) des Winkelgeschwindigkeitserfassungsvibrators (40) gleich oder kleiner als 0,15 ist.
Anbringungsstruktur, die aufweist: einen Sensor (100), und eine Anbringungskarte (200) zur Anbringung des Sensors (100) darauf, wobei der Sensor (100) einen Vibrator (210) enthält, der in der Lage ist, in einer ersten Richtung (x) zu vibrieren, der Sensor (100) eine Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage der Vibration des Vibrators (210) in einer zweiten Richtung (y) in einem Fall erfasst, in dem der Vibrator (210) in der ersten Richtung (x) vibriert wird, wobei die Winkelgeschwindigkeit auf den Sensor (100) in einer dritten Richtung (z) ausgeübt wird, so dass die dritte Richtung (z) eine Rotationsachse der Winkelgeschwindigkeit bereitstellt, die zweite Richtung (y) senkrecht zur ersten Richtung (x) ist, die dritte Richtung (z) senkrecht zur ersten und zur zweiten Richtung (x, z) ist, die dritte Richtung (z) parallel zu einer horizontalen Ebene senkrecht zu einer Gravitationsrichtung ist, und die erste Richtung (x) parallel zur horizontalen Ebene ist.
Anbringungsstruktur nach Anspruch 5, wobei der Sensor (100) und die Karte (200) in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
Anbringungsstruktur nach Anspruch 6, wobei die dritte Richtung (z) parallel zu einer Vorwärts- und Rückwärts-Richtung des Fahrzeugs ist.
Anbringungsstruktur nach Anspruch 6, wobei die dritte Richtung (z) senkrecht zu einer Vorwärts- und Rückwärts-Richtung des Fahrzeugs ist.