DE102007004894A1

DE102007004894A1 - Dynamischer Mengen Sensor

Info

Publication number: DE102007004894A1
Application number: DE102007004894A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Uchiyama; Mitsuo Yarita; Akira Egawa
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2007-09-13
Also published as: US20070240509A1; JP2007248453A; JP5117716B2; US7886597B2

Abstract

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Erfassungsempfindlichkeit zu steigern, indem eine angeordnete feststehende Elektrode effektiv genutzt wird. Neigungen einer Masse in x- und y-Achsenrichtungen werden in einer Zweiachsenerfassungsschaltung erfasst. Die Zweiachsenerfassungsschaltung besteht aus feststehenden Elektroden, die sowohl eine x- als auch y-Achsenerfassungsschaltungsfunktion und auch Funktionen zum Erfassen von Verschiebungen in einer x- und y-Achsenrichtung haben. Die Zweiachsenerfassungsschaltung schaltet die x- und die y-Achsenerfassungsschaltungsfunktionen durch Umschalten von Leitungen in der Schaltung mittels eines Schaltkreises um. Das Umschalten eines Leitungszustands der Zweiachsenerfassungsschaltung erfolgt in jedem konstanten Zeitraum auf Grundlage der Zeitvorgabe eines speziellen Taktsignals. Auf diese Weise können die feststehenden Elektroden in beiden der zwei Schaltungsfunktionen verwendet werden, und deshalb können Komponenten einer Winkelgeschwindigkeit in jeweiligen Achsenrichtungen auf Grundlage einer Gesamtsumme der Elektrodenempfindlichkeiten der feststehenden Elektroden erfasst werden. Dadurch lässt sich eine Erfassungsempfindlichkeit, ohne eine Sensorgröße zu vergrößern oder die Elektroden zur Erfassung zu vergrößern, steigern.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dynamikbetragsensor zum Erfassen eines Dynamikbetrags einer Winkelgeschwindigkeit, einer Beschleunigung oder dergleichen, die auf einen Körper einwirkt, und bezieht sich insbesondere auf einen Dynamikbetragsensor der elektrostatischen Kapazitätserfassungsart, um einen wirkenden Dynamikbeträg auf Grundlage einer Änderung einer elektrostatischen Kapazität zu erfassen.
BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDS DER TECHNIK
Ein Dynamikbetragsensor eines Beschleunigungssensors oder eines Winkelgeschwindigkeitssensors wird weitläufig in einer Vorrichtung zum Korrigieren einer durch Handführung hervorgerufenen Bildverwacklung oder -unschärfe einer Videokamera, einer Airbag-Vorrichtung, die zur Montage in einem Fahrzeug verwendet wird, einer Stellungsreglervorrichtung eines Roboters u. dgl. verwendet.
Bei den Dynamikbetragsensoren gibt es einen Sensor einer elektrostatischen Kapazitätserfassungsart, um eine Verschiebung einer Masse durch eine Veränderung einer elektrosta tischen Kapazität zwischen einer beweglichen Elektrode, die an einer Masse (einem Massenkörper) vorgesehen ist, die ein bewegliches Teil darstellt, und einer feststehenden Elektrode zu erfassen, die vorgesehen ist, um der beweglichen Elektrode entgegengesetzt zugewandt zu sein, und einen Dynamikbetrag zu erfassen, der auf einer Verschiebung der Masse beruht.
Dabei wird eine C/V-Wandlervorrichtung (C/V – elektrostatische Kapazität/Spannung) verwendet, um eine elektrostatische Kapazität in eine damit übereinstimmende Spannung umzuwandeln, um eine Veränderung der elektrostatischen Kapazität zwischen einer beweglichen Elektrode und einer feststehenden Elektrode in einem Dynamikbetragsensor einer elektrostatischen Kapazitätserfassungsart zu erfassen.

Eine nachstehend beschriebene Patentbezugsschrift schlägt eine Technologie vor, bei der in einem Dynamikbetragsensor einer elektrostatischen Kapazitätserfassungsart unter Verwendung einer C/V-Wandlervorrichtung (Wandlerschaltung) ein Dynamikbetrag, der in mehreren axialen Richtungen wirkt, von einem einzelnen Sensor erfasst wird.

Patentbezugsschrift 1: JP-A-2004-279261

Die Patentbezugsschrift 1 schlägt einen Beschleunigungssensor einer zweiachsigen Erfassungsart vor, der einen Sensorelementabschnitt, in dem eine Kapazität in Übereinstimmung mit einer Beschleunigung in der x-Achsenrichtung verändert wird, und einen Sensorelementabschnitt umfasst, bei dem eine Kapazität in Übereinstimmung mit einer Beschleunigung in der y-Achsenrichtung verändert wird.

Im Detail ist ein Aufbau hergestellt, bei dem die Beschleunigungen auf Grundlage von Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten zwischen beweglichen Elektroden und feststehenden Elektroden ausschließlich für jeweilige Erfassungsachsen in den Sensorelementabschnitten ausgegeben werden, die in Übereinstimmung mit den jeweiligen Erfassungsachsen vorgesehen sind.

Die Patentbezugsschrift 1 schlägt eine Technologie vor, bei der eine x-Achsen-Signalverarbeitungsschaltung und eine y-Achsen-Signalverarbeitungsschaltung durch Umschalten von deren Abtastzeitvorgaben betrieben werden, um Kreuzkopplung (Interferenz mit der Querachse) einzuschränken.

Der Beschleunigungssensor, der in der Patentbezugsschrift 1 beschrieben ist, ist so aufgebaut, dass er abwechselnd die Beschleunigung in der x-Achsenrichtung und die Be schleunigung in der y-Achsenrichtung erfasst, während die Abtastzeitvorgaben umgeschaltet werden.

Deshalb wird beispielsweise, während einer Zeit des Erfassens der Beschleunigung im Sensorelementabschnitt in der x-Achsenrichtung auf einer Seite, der Sensorelementabschnitt in der y-Achsenrichtung auf der anderen Seiten in einen funktionsfreien Zustand (Ruhezustand) versetzt.

Demnach werden nach dem in der Patentbezugsschrift 1 beschriebenen Beschleunigungssensor die im Inneren des Sensors vorgesehenen Sensorelementabschnitte, d.h. die feststehenden Elektroden, nicht effektiv zur Erfassung genutzt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Von daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen Dynamikbetragsensor bereitzustellen, der in der Lage ist, eine angeordnete feststehende Elektrode effektiv zu nutzen.

Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch einen Dynamikbetragsensor gelöst, der einen Rahmen mit einem hohlen Abschnitt, einen am Rahmen befestigten Träger mit einer Flexibilität, eine Masse, die mittels des Trägers vom Rahmen gehaltert ist, wovon ein Oberflächenabschnitt als bewegliche Elektrode fungiert, und wovon eine Lage durch Einwirken einer äußeren Kraft verändert wird, mehrere feststehende Elektroden, die der Masse entgegengesetzt zugewandt angeordnet sind, Erfassungseinrichtungen zum Erfassen einer Veränderung in einer elektrostatischen Kapazität eines elektrostatischen Kapazitätselement, das die bewegliche Elektrode und die feststehende Elektrode umfasst, eine Schalteinrichtung, um die Erfassungseinrichtung in einen Verbindungszustand für eine erste Erfassungsschaltung, um die Veränderung in der elektrostatischen Kapazität des elektrostatischen Kapazitätselements entsprechend einer Veränderung bei einer Lage in einer ersten Erfassungsachsenrichtung der Masse, und einen Verbindungszustand für eine zweite Erfassungsschaltung umzuschalten, um die Veränderung in der elektrostatischen Kapazität des elektrostatischen Kapazitätselements entsprechend einer Veränderung bei einer Lage in einer zweiten Erfassungsachsenrichtung der Masse durch Umschalten eines Leitungsverbindungszustands zu erfassen, und eine Dynamikbetragausgabeeinrichtung umfasst, um eine erste Erfassungsachsenrichtungskomponente und eine zweite Erfassungsachsenrichtungskomponente eines wirkenden Dyna mikbetrags auf Grundlage eines Erfassungsergebnisses der Erfassungseinrichtung auszugeben.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird der Dynamikbetragsensor nach dem ersten Aspekt bereitgestellt, wobei die Schalteinrichtung die Erfassungseinrichtung in den Verbindungszustand der ersten Erfassungsschaltung, den Verbindungszustand der zweiten Erfassungsschaltung und einen Verbindungszustand einer dritten Erfassungsschaltung umschaltet, um die Veränderung in der elektrostatischen Kapazität des elektrostatischen Kapazitätselements entsprechend einer Veränderung in einer dritten Erfassungsachsenrichtung der Masse durch Umschalten des Leitungsverbindungszustands des elektrostatischen Kapazitätselements zu erfassen, und wobei die Dynamikbetragausgabevorrichtung die erste Erfassungsachsenrichtungskomponente, die zweite Erfassungsachsenrichtungskomponente und eine dritte Erfassungsachsenrichtungskomponente des wirkenden Dynamikbetrags auf Grundlage des Erfassungsergebnisses der Erfassungseinrichtung ausgibt.

Nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird der Dynamikbetragsensor nach dem ersten oder zweiten Aspekt bereitgestellt, wobei die Schalteinrichtung Leitungsverbindungszustände der elektrostatischen Kapazitätselemente zu jedem konstanten Zeitintervall auf Grundlage von Zeitvorgaben eines Steuertaktsignals umschaltet, wobei Ausgangssignale der Erfassungseinrichtung in dieselbe Verstärkerschaltung eingegeben werden, und wobei die Dynamikbetragausgabeeinrichtung den Dynamikbetrag ausgibt, der in jeweiligen Achsenrichtungen der Masse wirkt, nachdem Erfassungssignale der elektrostatischen Kapazitäten der jeweiligen Erfassungsschaltungen durch Ausführen einer Zeitmultiplexverarbeitung auf Grundlage der Umschaltzeitvorgaben durch die Schalteinrichtung abgetrennt wurden.

Nach einem vierten Aspekt der Erfindung wird der Dynamikbetragsensor nach dem ersten, zweiten oder dritten Aspekt bereitgestellt, wobei die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit den elektrostatischen Kapazitätselementen in Reihe geschaltet ist, deren elektrostatischen Kapazitäten entsprechend einer Neigung in der ersten Erfassungsachsenrichtung der Masse symmetrisch verändert werden, wobei die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit den elektrostatischen Kapazitätselementen in Reihe geschaltet ist, deren elektrostatischen Kapazitäten entsprechend einer Neigung in der zweiten Erfassungsachsenrichtung der Masse symmetrisch verändert werden, und wobei jeweilige der in Reihe geschalteten elektrostatischen Kapazitätselemente der ersten und der zweiten Erfassungsschaltung eine Trägerwellenanlegeeinrichtung umfassen, um Trägerwellen anzulegen, wovon Phasen um 180° voneinander umgekehrt sind.

Nach einem fünften Aspekt der Erfindung wird der Dynamikbetragsensor nach dem vierten Aspekt bereitgestellt, wobei die dritte Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit den elektrostatischen Kapazitätselementen in Reihe geschaltet ist, deren elektrostatischen Kapazitäten entsprechend einer Neigung in der dritten Erfassungsachsenrichtung der Masse symmetrisch verändert werden, und wobei die Trägerwellenanlegeeinrichtung Trägerwellenanlegeinrichtungen umfasst, um Trägerwellen, wovon Phasen um 180° voneinander umgekehrt sind, an jeweilige der in Reihe geschalteten elektrostatischen Kapazitätselemente der dritten Erfassungsschaltung anzulegen.

Nach einem sechsten Aspekt der Erfindung wird der Dynamikbetragsensor nach einem der Aspekte Eins bis Fünf bereitgestellt, wobei die feststehende Elektrode vier erste Elektroden umfasst, die eine Bezugsposition durch eine Mittenposition der Masse bilden und in gleichen Abständen um die Bezugsposition in derselben Ebene angeordnet sind, wobei die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit einer Schaltung in Reihe geschaltet ist, die mit dem ersten elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die in einem ersten Quadranten in einer x-y-Ebene der vier ersten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die in einem zweiten Quadranten angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, parallelgeschaltet ist, und eine Schaltung umfasst, die mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die in einem vierten Quadranten in der x-y-Ebene der vier ersten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement parallelgeschaltet ist, das durch die erste Elektrode, die in einem dritten Quadranten angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, wobei die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit einer Schaltung in Reihe geschaltet ist, die mit dem ersten elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die im ersten Quadranten in einer x-y-Ebene der vier ersten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die im vierten Quadranten angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, parallelgeschaltet ist, und eine Schaltung umfasst, die mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die im dritten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement parallelgeschaltet ist, das durch die erste Elektrode, die im zweitem Quadranten angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und wobei die Schalteinrichtung die Leitungsverbindungszustände der elektrostatischen Kapazitätselemente so umschaltet, dass die Erfassungseinrichtung die erste Erfassungsschaltung oder die zweite Erfassungsschaltung bildet.

Nach einem siebten Aspekt der Erfindung wird der Dynamikbetragsensor nach dem sechsten Aspekt bereitgestellt, wobei die feststehende Elektrode darüber hinaus vier zweite Elektroden in einer den vier ersten Elektroden mittels der Masse entgegengesetzten Ebene umfasst, wobei die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im vierten Quadranten in der x-y-Ebene der vier zweiten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im dritten Quadranten in der x-y-Richtung angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die im ersten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, parallelgeschaltet ist, und darüber hinaus mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im ersten Quadranten in der x-y-Ebene der vier zweiten Elektroden angeordnet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die im dritten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, parallelgeschaltet ist, und wobei die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im ersten Quadranten in der x-y-Ebene der vier zweiten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im vierten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement parallelgeschaltet ist, das durch die erste Elektrode, die im dritten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und darüber hinaus mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im dritten Quadranten in der x-y-Ebene der vier zweiten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im zweiten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement parallelgeschaltet ist, das durch die erste Elektrode, die im ersten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist.

Nach einem achten Aspekt der Erfindung wird der Dynamikbetragsensor nach dem sechsten Aspekt bereitgestellt, wobei die feststehende Elektrode darüber hinaus eine dritte Elektrode in der den vier ersten Elektroden mittels der Masse entgegengesetzten Ebene umfasst, und wobei die dritte Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement in Reihe geschaltet ist, das durch die dritte Elektrode und die bewegliche Elektrode gebildet ist.

Nach einem neunten Aspekt der Erfindung wird der Dynamikbetragsensor nach einem der Aspekte Drei bis Acht bereitgestellt, wobei die Dynamikbetragausgabeeinrichtung eine Erfassung von Signalen der elektrostatischen Kapazitäten der jeweiligen Erfassungsschaltungen nach einem Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer von einer Zeitvorgabe einer Schaltverbindung durch die Schalteinrichtung abtrennt.

Nach einem zehnten Aspekt der Erfindung wird der Dynamikbetragsensor nach dem neunten Aspekt bereitgestellt, wobei die vorbestimmte Zeitdauer in einem Bereich von 3 bis 4 τ von der Zeitvorgabe des Umschalters der Verbindung durch die Schalteinrichtung vorgesehen ist.

Indem erfindungsgemäß der Leitungsverbindungszustand des elektrostatischen Kapazitätselements, das die bewegliche und die feststehende Elektrode umfasst, durch die Schalteinrichtung umgeschaltet wird, kann die feststehende Elektrode sowohl in der ers ten als auch in der zweiten Erfassungsschaltung verwendet werden, und deshalb kann die feststehende Elektrode, wenn die jeweiligen Erfassungsachsenrichtungskomponenten des wirkenden Dynamikbetrags erfasst werden, effektiv genutzt werden. Dadurch kann die Erfassungsempfindlichkeit (Erfassungsgenauigkeit) gesteigert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Umrissaufbau eines Sensorabschnitts eines Winkelgeschwindigkeitssensors nach einer Ausführungsform zeigt;
2A zeigt eine Draufsicht, die den Aufbau eines beweglichen Abschnitts von einer Seite einer oberen Glasplatte aus zeigt, 2B zeigt einen Schnitt des Winkelgeschwindigkeitssensors bei einem in 2A gezeigten Abschnitt A-A', und 2C ist eine Ansicht, die einen Veränderungszustand einer Lage einer Masse zeigt;
3 ist eine Ansicht, die einen Anordnungszustand einer feststehenden Elektrode und einer Ansteuerungselektrode zeigt, die im Winkelgeschwindigkeitssensor vorgesehen sind;
4 ist ein Schaltungsblockschema, das einen Umrissaufbau eines Signalverarbeitungsabschnitts (Steuerabschnitts) im Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform zeigt;
5 ist ein Zeitschema, das Signalwellenformen jeweiliger Abschnitte in einer C/V-Wandlerschaltung zeigt;
6 ist ein Schaltungsblockschema, das eine C/V-Wandlerschaltung in einem Winkelgeschwindigkeitssensor zeigt, der in einem ersten modifizierten Beispiel gezeigt ist;
die 7A und 7B sind Diagramme zur Erläuterung eines Phasenteilersystems;
8 ist eine Ansicht, die einen Anordnungszustand einer feststehenden und einer Ansteuerungselektrode zeigt, die in einem in einem zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor vorgesehen sind;
9 ist ein Schaltungsblockschema, das eine C/V-Wandlerschaltung in einem Winkelgeschwindigkeitssensor zeigt, der im zweiten modifizierten Beispiel gezeigt ist;
10 ist eine Tabelle, die ein Verhältnis zwischen einem Verbindungszustand eines Schaltkreises im Winkelgeschwindigkeitssensor, der im zweiten modifizierten Beispiel gezeigt ist, und einer Erfassungsbetriebsart einer dreiachsig aufgebauten Erfassungsschaltung zeigt;
11 ist ein Zeitschema, das Signalwellenformen jeweiliger Abschnitte in einer C/V-Wandlerschaltung nach der zweiten Ausführungsform zeigt;
12 ist ein Schaltungsblockschema, das eine C/V-Wandlerschaltung in einem Winkelgeschwindigkeitssensor zeigt, der in einem dritten modifizierten Beispiel gezeigt ist;
13 ist eine Tabelle, die ein Verhältnis zwischen einem Verbindungszustand eines Schaltkreises im Winkelgeschwindigkeitssensor, der im dritten modifizierten Beispiel gezeigt ist, und einer Erfassungsbetriebsart einer dreiachsig aufgebauten Erfassungsschaltung zeigt;
14 ist ein Schaltungsblockschema, das eine C/V-Wandlerschaltung in einem Winkelgeschwindigkeitssensor zeigt, der in einem vierten modifizierten Beispiel gezeigt ist;
15 ist eine Tabelle, die ein Verhältnis zwischen einem Verbindungszustand eines Schaltkreises im Winkelgeschwindigkeitssensor, der im vierten modifizierten Beispiel gezeigt ist, und einer Erfassungsbetriebsart einer dreiachsig aufgebauten Erfassungsschaltung zeigt;
16 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer abgeflachten Signalwellenform zeigt;
17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Kreuzkopplung mit einer Erfassungsschaltung in der z-Achse zeigt;
18 ist ein Diagramm, das eine Stufenansprechkennlinie in einer Strom-/Spannungswandlerschaltung zeigt; und
19 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einem Zeitraum ab dem Beginn der Erfassung eines x-Achsensignals (Vxout-Signals) bzw. eines y-Achsensignals (Vyout-Signals) bis zum Ende eines Zeitraums zeigt, in dem eine z-Achsenerfassungsschaltung nicht erfasst wird, und einer Kreuzkopplung mit dem z-Achsenerfassungssignal.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird wie folgt im Einzelnen mit Bezug auf 1 bis 19 erläutert.
(1) Überblick über die Ausführungsform
Gemäß der Ausführungsform erfolgt eine Erläuterung eines Winkelgeschwindigkeitssensors, um eine Verschiebung eines Lagezustands einer Masse, die über einen flexiblen Träger von einem Rahmen gehaltert ist, auf Grundlage eines Betrags einer Veränderung in einer elektrostatischen Kapazität zwischen einer feststehenden und einer beweglichen Elektrode (Masse) zu erfassen und auf Grundlage eines Erfassungsergebnisses über den Lagezustand der Masse eine auf die Masse wirkende Winkelgeschwindigkeit zu messen.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Erfindung erfasst Neigungen in x-Achsen- und y-Achsenrichtungen durch eine zweiachsige Erfassungsschaltung, wenn eine durch eine Winkelgeschwindigkeit erzeugte Coriolis-Kraft auf eine in der z-Achsenrichtung schwingende Masse wirkt.
Die zweiachsige Erfassungsschaltung umfasst eine feststehende Elektrode, die sowohl eine x-Achsen- als auch y-Achsenerfassungsschaltungsfunktion und auch eine Funktion zur Erfassung der Neigung in der x-Achsenrichtung und der Neigung in der y-Achsenrichtung hat.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor umfasst in der zweiachsigen Erfassungsschaltung einen Schaltkreis zum Schalten einer x-Achsenerfassungsschaltung und einer y-Achsenerfassungsschaltung.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor umfasst eine Ansteuerungsschaltung, um anzusteuern, dass die Masse mit einer konstanten Frequenz schwingt, und umfasst eine z-Achsenerfassungsschaltung, um eine Verschiebung der Masse in der z-Achsenrichtung zu erfassen, die bei der Regelung einer Lage der Masse benötigt wird, wenn die Ansteuerungsschaltung gesteuert wird.
Es wird eine an die zweiachsige Erfassungsschaltung angelegte Trägerwelle mit einer Phase verwendet, die von einer Phase einer an die z-Achsenerfassungsschaltung angelegten Phase einer Trägerwelle um 90° verschoben ist.
Beim Schalten der x-Achsen- und der y-Achsenerfassungsschaltung in der zweiachsigen Erfassungsschaltung, erfolgt das Schalten abwechselnd zu jedem konstanten Zeitabschnitt auf Grundlage einer Zeitvorgabe eines speziellen Taktsignals.
Ausgänge der zweiachsigen Erfassungsschaltung (x-Achsen-, y-Achsenerfassungsschaltung) und der z-Achsenerfassungsschaltung werden zusammengefasst in eine Strom- /Spannungswandlerschaltung eingegeben, um einer Verstärkungs- und Wandlerverarbeitung unterzogen zu werden.
Ein Ausgangssignal (synthetisiertes Signal) der Strom-/Spannungswandlerschaltung wird in drei Synchronerfassungsschaltungen eingegeben, und in den jeweiligen Synchronerfassungsschaltungen, werden eine x-Achsenerfassungssignalkomponente, eine y-Achsenerfassungssignalkomponente, eine z-Achsenerfassungssignalkomponente abgetrennt und extrahiert.
Indem das synthetisierte Signal in der Synchronerfassungsschaltung einer speziellen Phasenteilungsverarbeitung unterzogen wird, wird die z-Achsenerfassungssignalkomponente von der x-Achsenerfassungssignalkomponente und der y-Achsenerfassungssignalkomponente abgetrennt, und darüber hinaus werden die x-Achsenerfassungssignalkomponente und die y-Achsenerfassungssignalkomponente abgetrennt, indem sie einer Zeitmultiplexierung unterzogen werden, die auf einer Schaltzeitvorgabe der Trägerwelle, d.h. dem Taktsignal beruht.
Eine um die x-Achse wirkende Winkelgeschwindigkeit wird auf Grundlage der x-Achsenerfassungssignalkomponente, die in der Synchronerfassungsschaltung abgetrennt wurde, erfasst, und eine um die y-Achse wirkende Winkelgeschwindigkeit wird auf Grundlage der dabei abgetrennten y-Achsenerfassungssignalkomponente erfasst.
Die Verschiebung der Masse in der z-Achsenrichtung wird auf Grundlage der z-Achsenerfassungssignalkomponente erfasst, und eine primäre Schwingungsantriebssteuerung der Masse wird auf Grundlage eines Erfassungsergebnisses über die Verschiebung der Masse durchgeführt.
Auf diese Weise können nach der Ausführung in der Synchronerfassungsschaltung die Erfassungssignalkomponenten in den jeweiligen axialen Richtungen von dem synthetisierten Signal abgetrennt werden, nachdem sie durch eine Kombination aus der Phasenteilungsverarbeitung und der Zeitmultiplexverarbeitung verstärkt wurden, und deshalb kann die Verstärkungsverarbeitung des Ausgangs der x-Achsenerfassungsschaltung, des Ausgangs der y-Achsenerfassungsschaltung und des Ausgangs der z-Achsenerfassungsschaltung gleichzeitig durchgeführt werden, indem die Signalstrom-/Signalspannungswandlerschaltung verwendet wird.
Entsprechend der Ausführungsform können die x-Achsen- und die y-Achsenerfassungsschaltung durch den Schaltkreis geschaltet werden, und deshalb kann die fest stehende Elektrode sowohl für die x-Achsen- als auch die y-Achsenerfassungsschaltung verwendet werden.
Deshalb kann in der x-Achsen- und der y-Achsenerfassungsschaltung die Verschiebung der Masse in den jeweiligen axialen Richtungen auf Grundlage einer Gesamtsumme der Elektrodenempfindlichkeiten der feststehenden Elektroden (Erfassungselektroden) erfasst werden, und deshalb kann die Erfassungsempfindlichkeit (Erfassungsgenauigkeit) des Sensors angemessen gesteigert werden.
(2) Details der Ausführungsform
Bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform handelt es sich um ein Halbleitersensorelement, das durch Ausarbeiten einer Halbleiterplatte hergestellt wird. Darüber hinaus kann die Halbleiterplatte unter Verwendung einer MEMS-Technologie (MEMS – mikroelektromechanisches System) ausgearbeitet werden.
Eine Richtung, bei der es sich um dieselbe handelt wie bei der Aufbringung jeweilige Schichten der den Winkelgeschwindigkeitssensor darstellenden Platte, wird als Auf- und Abrichtung, d.h. die z-Achse (z-Achsenrichtung) bestimmt. Darüber hinaus werden Achsen, die zur z-Achse und zueinander orthogonal sind, als x-Achse (x-Achsenrichtung) und y-Achse (y-Achsenrichtung) bestimmt. Das heißt, die x-Achse, die y-Achse und die z-Achse werden zu drei Achsen, die orthogonal zueinander sind.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform umfasst einen Sensorabschnitt, um eine Veränderung bei einer Lage einer Masse als elektrisches Signal zu erfassen, und einen Signalverarbeitungsabschnitt (Steuerabschnitt), um das erfasste elektrische Signal zu verarbeiten.
Hier erfolgt eine Erläuterung dahingehend, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor in den Sensorabschnitt und den Signalverarbeitungsabschnitt (Steuerabschnitt) unterteilt wird.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Umrissstruktur eines Sensorabschnitts in einem Winkelgeschwindigkeitssensor nach einer Ausführungsform zeigt.
Obwohl in 1, um einen Aufbau des Winkelgeschwindigkeitssensors leicht verständlich auszudrücken, die Strukturen jeweiliger Schichten separat dargestellt sind, ist der Winkelgeschwindigkeitssensor tatsächlich aber so aufgebaut, dass die jeweiligen Schichten ein Schichtpaket bilden.
Wie in 1 gezeigt ist, besteht der Winkelgeschwindigkeitssensor aus einem Aufbau aus drei Schichten, wobei ein in einer Aufwärts- und Abwärtsrichtung beweglicher Strukturabschnitt 1 zwischen einer oberen Glasplatte 2 und einer unteren Glasplatte 3 eingesetzt ist.
2A zeigt eine Draufsicht, die den beweglichen Strukturabschnitt 1 von einer Seite der oberen Glasplatte 2 her darstellt.
Wie durch die Zeichnung gezeigt ist, ist der bewegliche Strukturabschnitt 1 durch Ätzen einer Siliziumplatte mit einem Rahmen 11, einem Träger 12 und einer Masse 13 ausgebildet.
Der Rahmen 11 ist ein feststehender Abschnitt, der in einem Umfangsrandabschnitt des beweglichen Strukturabschnitts 1 vorgesehen ist, um die Masse 13 zu umgeben, und bildet ein Gerüst für den beweglichen Strukturabschnitt 1.
Die Träger 12 sind vier streifenartige dünne Teile, die sich von der Mitte der Masse 13 in radiale Richtungen (in Richtungen auf den Rahmen 11) und in Querrichtungen erstrecken und mit Flexibilität ausgestattet sind.
Die Masse 13 besteht aus einem Massenabschnitt 130 in quadratischer Säulenform, der in einem mittleren Abschnitt angeordnet ist, und aus Massenabschnitten 131 bis 134 in quadratischer Säulenform, die an den vier Ecken des Massenabschnitts 130 angeordnet sind und dabei jeweils das Gleichgewicht halten. Darüber hinaus sind die Massenabschnitte 130 bis 134 integral als durchgehender Festkörper ausgebildet.
Bei der Masse 13 handelt es sich um einen Massenkörper, der durch die vier Träger 12 am Rahmen befestigt ist. Die Masse kann durch eine von außen ausgeübte Kraft durch Wirkung der Träger 12 in Schwingung oder Drehung versetzt werden. Die Masse ist mit elektrischer Leitfähigkeit ausgestattet und eine Fläche von ihr fungiert als bewegliche Elektrode.
2B ist eine Ansicht, die einen Schnitt des Winkelgeschwindigkeitssensors an einem in 2A gezeigten Abschnitt A-A' zeigt.
Wie durch die Zeichnung gezeigt ist, ist ein beweglicher Zwischenraum 14, um die Masse 13 beweglich zu machen, zwischen den Oberseiten der Träger 12 und der Masse 13 (Seiten, die der oberen Glasplatte 2 entgegengesetzt sind) und der oberen Glasplatte 2 ausgebildet. Die obere Glasplatte 2 ist darauf befestigt, um den beweglichen Zwischenraum 14 dicht abzuschließen.
Ein beweglicher Zwischenraum 15 ist, um die Masse 13 beweglich zu machen, zwischen Unterseiten der Träger 12 (Seiten, die der unteren Glasplatte 3 entgegengesetzt sind) und einer Bodenfläche, d.h. einer Unterseite der Masse 13 (Seite, die der unteren Glasplatte 3 entgegengesetzt ist) und der unteren Glasplatte 3 und auch noch an einem Umfangsabschnitt der Masse 13 ausgebildet. Die untere Glasplatte 3 ist darauf befestigt, um den beweglichen Zwischenraum 15 dicht abzuschließen. Die beweglichen Zwischenräume 14, 15 können einen Luftwiderstand bei einer Betätigung der Masse 13 senken, indem sie in einen Vakuumzustand versetzt werden.
Der Rahmen 11, der Träger 12 und die Masse 13 des beweglichen Strukturabschnitts 1 werden hergestellt, indem eine D-RIE-Technologie (D-RIE – Deep Reactive Ion Etching, also ein reaktives Ionen-Tiefätzverfahren) eingesetzt wird, um die Siliziumplatte einer tiefen Grabenätzung durch Plasma zu unterziehen.
Obwohl beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform die bewegliche Struktur 1 unter Verwendung der Siliziumplatte ausgebildet wird, ist das Teil zur Herstellung des beweglichen Strukturabschnitts 1 nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann der bewegliche Strukturabschnitt 1 unter Verwendung einer SOI-Platte (SOI-Silizium auf Isolator) hergestellt werden, die an einer Mittelschicht einer Siliziumplatte mit einem Oxidfilm umhüllt ist.
In diesem Fall fungiert die mittlere Oxidfilmschicht bei der Ätzbearbeitung bei der Ausarbeitung des Trägers 12 und der Masse 13 als Ätzblockierschicht (Stoppschicht), und deshalb kann die Ausarbeitungsgenauigkeit in einer Dickenrichtung gesteigert werden.
Die obere Glasplatte 2 und die untere Glasplatte 3 sind fixierte Platten, die befestigt werden, um den beweglichen Strukturabschnitt 1 dicht abzuschließen. Die obere Glasplatte 2 und die untere Glasplatte 3 sind jeweils durch anodische Einbindung am Rahmen 11 des beweglichen Strukturaufbaus 1 befestigt.
Bei dem anodischen Einbindungsverfahren handelt es sich um ein Befestigungsverfahren, bei dem eine Kathodenspannung an eine Seite der Glasplatte (der oberen Glasplatte 2, der unteren Glasplatte 3) angelegt und die Glasplatte eingebunden wird, indem eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen Glas und Silizium genutzt wird.
Das Verbindungsverfahren für die Glasplatte und den beweglichen Strukturabschnitt 1 ist nicht auf anodische Einbindung beschränkt. Beispielsweise lässt sich auch eine eutektische Einbindung zu deren Befestigung verwenden, indem schichtweise ein Metall o. dgl. an den Einbindungsflächen eingebracht wird.
Die obere Glasplatte 2 und die untere Glasplatte 3 sind mit Steuerelektroden, um anzusteuern, dass die Masse 13 in Schwingung versetzt wird, und mehreren feststehenden Elektroden versehen, um eine Lage der Masse 13 zu erfassen.
3 ist eine Ansicht, die einen Anordnungszustand der feststehenden und der Steuerelektrode zeigt, die beim Winkelgeschwindigkeitssensor vorgesehen sind.
In 3 sind nur die Elektroden und die Masse 13 gezeigt, um ein Anordnungsverhältnis der jeweiligen Elektroden und der Masse 13 klar darzustellen.
Wie in 3 gezeigt ist, ist die obere Glasplatte 2 mit einer feststehenden Elektrode 20 ausgestattet, die sich in Querrichtungen entlang der x-Achse und y-Achse erstreckt, die am Massenabschnitt 130 an einem dem Massenabschnitt 130 entgegengesetzten Abschnitt zentriert ist.
Die obere Glasplatte 2 ist an einem Abschnitt (erster Quadrant in der x-y-Ebene), der dem Massenabschnitt 131 entgegengesetzt ist, mit einer feststehenden Elektrode 21, an einem Abschnitt (vierter Quadrant in der x-y-Ebene), der dem Massenabschnitt 132 entgegengesetzt ist, mit einer feststehenden Elektrode 22, an einem Abschnitt (dritter Quadrant in der x-y-Ebene), der dem Massenabschnitt 133 entgegengesetzt ist, mit einer feststehenden Elektrode 23, und an einem Abschnitt (zweiter Quadrant in der x-y-Ebene), der dem Massenabschnitt 134 entgegengesetzt ist, mit einer feststehenden Elektrode 24 versehen.
Entsprechend ist die untere Glasplatte 3 mit einer Steuerelektrode 30 versehen, die sich in Querrichtungen entlang der x- und der y-Achse erstreckt, die am Massenabschnitt 130 an einem Abschnitt von diesem, welcher dem Massenabschnitt 130 entgegengesetzt ist, zentriert ist.
Die untere Glasplatte 3 ist an einem dem Massenabschnitt 131 entgegengesetzten Abschnitt mit einer feststehenden Elektrode 31, an einem dem Massenabschnitt 132 entgegengesetzten Abschnitt mit einer feststehenden Elektrode 32, an einem dem Massenabschnitt 133 entgegengesetzten Abschnitt mit einer feststehenden Elektrode 33 und an einem dem Massenabschnitt 134 entgegengesetzten Abschnitt mit einer feststehenden Elektrode 34 versehen.
Die feststehende Elektrode 20 ist eine Elektrode, um eine Verschiebung der Masse 13 in der z-Achsenrichtung zu erfassen, und die Steuerelektrode 30 ist eine Elektrode, um anzusteuern, dass die Masse 13 in Schwingung versetzt wird.
Die feststehenden Elektroden 21 bis 24 und die feststehenden Elektroden 31 bis 34 sind Erfassungselektroden zur Erfassung von Winkelgeschwindigkeiten, die um eine erste Erfassungsachse (x-Achse) und eine zweite Erfassungsachse (y-Achse) wirken.
Beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform sind die feststehenden Elektroden 21 bis 24 bzw. 31 bis 34 jeweils sowohl mit einer Funktion zur Erfassung einer Neigung der Masse 13 in der x-Achsenrichtung als auch einer Funktion zur Erfassung einer Neigung von dieser in der y-Achsenrichtung ausgestattet.
Beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform ist ein Kondensator (elektrostatisches Kapazitätselement) 1A durch die feststehende Elektrode 21 und eine bewegliche Elektrode (Masse 13) gebildet, ein Kondensator 2A ist durch die feststehende Elektrode 22 und die bewegliche Elektrode gebildet, ein Kondensator 3A ist durch die feststehende Elektrode 23 und die bewegliche Elektrode gebildet, und ein Kondensator 4A ist durch die feststehende Elektrode 24 und die bewegliche Elektrode gebildet.
Entsprechend ist ein Kondensator 1B durch die feststehende Elektrode 31 und die bewegliche Elektrode gebildet, ein Kondensator 2B ist durch die feststehende Elektrode 32 und die bewegliche Elektrode gebildet, ein Kondensator 3B ist durch die feststehende Elektrode 33 und die bewegliche Elektrode gebildet, und ein Kondensator 4B ist durch die feststehende Elektrode 34 und die bewegliche Elektrode gebildet.
Ein Kondensator ZA ist durch die feststehende Elektrode 20 und die bewegliche Elektrode gebildet, und ein Kondensator ZB ist durch die Steuerelektrode 30 und die bewegliche Elektrode gebildet.
Wie in 1 und 2B gezeigt ist, sind die obere Glasplatte 2 und die untere Glasplatte 3 mit mehreren Elektrodenkontaktflecken 4 versehen, um Spannungen der jeweiligen Elektroden und eine Spannung der Masse 13, d.h. Signale, die durch den Sensorabschnitt erfasst wurden, aus dem Sensorabschnitt nach außen abzuleiten.
Die Elektrodenkontaktflecken 4 sind an die jeweiligen Elektroden mittels Ableitungsleitungen an Innenumfangswänden von Durchkontaktierungen angeschlossen, welche die jeweiligen Glasplatten in Dickenrichtungen durchdringen.
Die Elektrodenkontaktflecken 4 sind an eine C/V-Wandlerschaltung im Inneren des später noch zu erwähnenden Signalverarbeitungsabschnitts (Steuerabschnitts) angeschlossen.
Als Nächstes wird der Funktionsablauf des auf diese Weise aufgebauten Sensorabschnitts des Winkelgeschwindigkeitssensor erläutert.
Wie in 1 gezeigt ist, verwendet der Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform ein System zur Erfassung von Winkelgeschwindigkeiten, die um die erste Erfassungsachse (x-Achse) und die zweite Erfassungsachse (y-Achse) wirken, indem die Masse 13 einer ersten Schwingung in der Auf- und Abrichtung (z-Achsenrichtung) unterworfen und eine Coriolis-Kraft an der Masse 13 erzeugt wird, die sich bewegt, um zu schwingen.
Im Detail wird eine Wechselstromspannung zwischen der Steuerelektrode 30 und der beweglichen Elektrode (Masse 13), d.h. an den Kondensator ZB angelegt, um die Masse 13 unter Nutzung einer zwischen den Elektroden wirkenden elektrostatischen Kraft in der Auf- und Abrichtung (z-Achsenrichtung) schwingen zu lassen.
Beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform wird eine Ansteuerungsverarbeitung zum Anlegen der Wechselstromspannung an den Kondensator ZB durchgeführt, indem auf Grundlage einer Veränderung in einer Lage der Masse 13 in der z-Achsenrichtung, d.h. einem Erfassungsergebnis einer Veränderung in einer elektrostatischen Kapazität des Kondensators ZA eine Rückkopplungsregelung verwendet wird.
Eine Frequenz der Wechselstromspannung, die angelegt wird, um die Masse 13 in der Auf- und Abrichtung schwingen zu lassen, das heißt, eine Schwingungsfrequenz der Masse 13 wird beispielsweise auf eine Resonanzfrequenz f in der Größenordnung von 3 kHz zur Schwingung eingestellt, um die Masse 13 in Resonanz treten zu lassen. Ein großer Verschiebungsbetrag der Masse 13 kann bereitgestellt werden, indem die Masse 13 mit der Resonanzfrequenz f in Schwingung versetzt wird.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um die Masse 13 einer Masse m herum angelegt wird, die mit einer Geschwindigkeit v schwingt, entsteht eine Coriolis-Kraft "F = 2mvΩ" in der Mitte der Masse 13 in einer zur Bewegungsrichtung der Masse 13 orthogonalen Richtung.
Wenn die Coriolis-Kraft F entstanden ist, wird die Masse 13 verdreht und die Lage der Masse 13 verändert. Das heißt, die Masse 13 wird in Bezug auf eine zu einer Bewegungsrichtung orthogonalen Fläche geneigt, um die Masse 13 schwingen zu lassen. Indem die Veränderung bei der Lage der Masse 13 (Neigung, Drehbetrag) erfasst wird, werden eine Richtung und eine Größenordnung der wirkenden Winkelgeschwindigkeit erfasst.
2C ist eine Ansicht, die einen Veränderungszustand der Lage der Masse 13 zeigt.
Wenn zum Beispiel eine Coriolis-Kraft entsteht, indem eine Winkelgeschwindigkeit um die zweite Erfassungsachse (y-Achse) der Masse 13 wirkt, und die Lage der Masse 13, wie in 2C gezeigt, in Bezug auf die x-Achse geneigt ist, ist ein Abstand zwischen der feststehenden Elektrode und der beweglichen Elektrode (Masse 13) verändert.
Im Einzelnen nehmen die Abstände zwischen der feststehenden Elektrode 22 und der beweglichen Elektrode und zwischen der feststehenden Elektrode 33 und der beweglichen Elektrode ab und andererseits nehmen die Abstände zwischen der feststehenden Elektrode 32 und der beweglichen Elektrode und zwischen der feststehenden Elektrode 23 und der beweglichen Elektrode zu.
Die Veränderungen bei den Abständen zwischen den Elektroden drücken sich als Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten zwischen den Elektroden aus, und deshalb kann die Veränderung bei der Lage der Masse 13 auf Grundlage der Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren 2A, 3A und den Kondensatoren 2B, 3B erfasst werden.
Die Veränderung beim Abstand zwischen den Elektroden, das heißt, die Veränderung bei der elektrostatischen Kapazität zwischen den Elektroden kann unter Verwendung der C/V-Wandlerschaltung des später noch zu erwähnenden Signalverarbeitungsabschnitts (Steuerabschnitts) elektrisch erfasst werden.
Die entstandene Coriolis-Kraft F wird auf Grundlage der erfassten Änderung bei der Lage der Masse 13 (Neigungsrichtung, Neigungsgrad, o. dgl.) erfasst. Die Winkelgeschwindigkeit Ω wird auf Grundlage der erfassten Coriolis-Kraft F berechnet (abgeleitet). Das heißt, im Signalverarbeitungsabschnitt wird der Betrag der Veränderung bei der Lage der Masse 13 in die Winkelgeschwindigkeit umgerechnet.
Obwohl hier eine Erläuterung dahingehend erfolgte, dass die Winkelgeschwindigkeit um die zweite Erfassungsachse (y-Achse) der Masse 13 wirkt, kann auch in einem Fall, dass eine Winkelgeschwindigkeit um die erste Erfassungsachse (x-Achse) der Masse 13 wirkt, die wirkende Winkelgeschwindigkeit auf ähnliche Weise gemessen werden, indem die Lage der Masse 13 auf Grundlage einer Veränderung beim Abstand zwischen der feststehenden und der beweglichen Elektrode erfasst wird.
Als Nächstes erfolgt eine Erläuterung des Signalerfassungsabschnitts (Steuerabschnitts) zur Erfassung eines Signals, das durch den Sensorabschnitt des Winkelgeschwindigkeitssensors nach der Ausführungsform erfasst wird.
4 ist ein Schaltungsblockschema, das eine Umrissstruktur des Signalverarbeitungsabschnitts (Steuerabschnitts) beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform zeigt.
Wie in 4 gezeigt ist, umfasst der Signalverarbeitungsabschnitt eine C/V-Wandlerschaltung 100, eine X-Achsenwinkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 200 und eine Y-Achsenwinkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 300.
Entsprechend dem Signalverarbeitungsabschnitt des Winkelgeschwindigkeitssensors wird das Signal in der Y-Achsenwinkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 200 und der Y-Achsenwinkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 300 auf Grundlage von Erfassungssignalen in den jeweiligen Achsenrichtungen erfasst, die in der C/V-Wandlerschaltung 100 verarbeitet und danach schließlich aus dem Winkelgeschwindigkeitssensor als x-Achsenwinkelgeschwindigkeitsausgang und y-Achsenwinkelgeschwindigkeitsausgang ausgegeben werden.
Entsprechend der C/V-Wandlerschaltung 100 werden die Veränderungen bei den Abständen zwischen den feststehenden Elektroden 21 bis 24, 31 bis 34 und der beweglichen Elektrode (Masse 13) im Sensorabschnitt, d.h. die Verschiebungen der Masse 13 in den jeweiligen Achsenrichtungen auf Grundlage der Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren erfasst und in die Erfassungssignale für die jeweiligen Achsenrichtungskomponenten umgewandelt, die diesen entsprechende Spannungswerte (Größenordnungen) haben.
Eine erste Stufe der C/V-Wandlerschaltung 100 besteht aus einer Strom-/Spannungswandlerschaltung (C/V-Schaltung) 110, die ein Differentialkapazitätserfassungssystem verwendet.
Das Differentialkapazitätserfassungssystem ist ein System zum Anlegen von zueinander um 180° umgekehrten Trägerwellenphasen an beide Enden der in Reihe geschalteten Kondensatoren, zum Ausgeben eines Stromsignals, das einen Unterschied zwischen elektrostatischen Kapazitäten der beiden Kondensatoren ab einem Anschlusspunkt der Kondensatoren anzeigt, und das in eine Umkehrverstärkerschaltung eingegeben werden soll, um dadurch ein Spannungssignal bereitzustellen, das proportional zum Unterschied zwischen den elektrostatischen Kapazitäten ist.
Wie in 4 gezeigt ist, umfasst die C/V-Wandlerschaltung 100 eine Wechselstromspannungsquelle 101, die jeweils an eine Steuertaktgeberschaltung 102, einen 90°- Phasenschieber 103, ein Ende des Kondensators ZA und einen Umkehrverstärker 104 angeschlossen ist.
Das andere Ende des 90°-Phasenschiebers 103 ist jeweils an die Steuertaktgeberschaltung 102, einen Schaltkreis 106 und einen Umkehrverstärker 105 angeschlossen.
Die C/V-Wandlerschaltung 100 umfasst eine Zweiachsenerfassungsschaltung 107 zum Erfassen einer Verschiebung der Masse 13 um die x-Achse und einer Verschiebung um die y-Achse, und eine z-Achsenerfassungsschaltung 109 zum Erfassen einer Verschiebung in einer z-Achsenrichtung.
Die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 besteht aus den Kondensatoren 1A bis 4A, die aus den feststehenden Elektroden 21 bis 24 (3), die an der oberen Glasplatte 2 vorgesehen sind, und der beweglichen Elektrode bestehen, und aus den Kondensatoren 1B bis 4B, die aus den feststehenden Elektroden 31 bis 34 (3), die an der unteren Glasplatte 3 vorgesehen sind, und der beweglichen Elektrode bestehen.
Wie in 4 gezeigt ist, besteht die Zweiachsenerfassungsschaltung 107, die sowohl die Funktionen der x-Achsenerfassungsschaltung als auch der y-Achsenerfassungsschaltung hat (und auch als diese dient), aus den Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B, von denen ein Ende am selben Punkt angeschlossen ist (Eingangspunkt der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110).
Der Punkt, der vorab mit den einen Enden der Kondensatoren verbunden (befestigt) wird, wird als gemeinsamer Punkt bezeichnet.
Die Anschlusspunkte der anderen Endseiten der Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B, werden unter Verwendung von zwei Schaltkreisen 106 geschaltet, die synchron mit einem Taktsignal C1' betätigt werden. Die Anschlusspunkte der anderen Endseiten der Kondensatoren 1A bis 4A sind als variierende Enden ausgelegt.
Das heißt, die Leitungsanschlusszustände der Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B werden unter Verwendung der Schaltkreise 106 umgeschaltet.
Es Gibt zwei Arten zum Umschalten der Leitungsanschlusszustände bei den Schaltkreisen 106. Eine besteht darin, die x-Achsenerfassungsschaltung so aufzubauen, dass sie eine Veränderung einer Lage in der y-Achsenrichtung (zweite Erfassungsachsenrichtung) der Masse 13 unter Verwendung der Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B erfasst, und die andere besteht darin, die y-Achsenerfassungsschaltung so aufzubauen, dass sie eine Veränderung einer Lage in der x-Achsenrichtung (erste Erfassungsachsenrichtung) der Masse 13 unter Verwendung der Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B erfasst.
Wenn im Einzelnen der Schaltkreis 106 an einen Kontakt angeschlossen ist, ist eine Kondensatorgruppe (die Kondensatoren 2A, 3A, 1B, 4B) mit derselben Richtung (Tendenz) der Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten bei der Veränderung der y-Achsenrichtungslage der Masse 13 parallelgeschaltet, und entsprechend ist eine Kondensatorgruppe (die Kondensatoren 1A, 4A, 2B, 3B) mit derselben Richtung (Tendenz) der Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten bei der Veränderung der y-Achsenrichtungslage der Masse 13 parallelgeschaltet. Die Kondensatorgruppen sind in Reihe geschaltet. Ein Anschlusspunkt in der Reihenschaltung ist an den Eingangsanschluss der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 (Operationsverstärker IC1) angeschlossen.
Während eines Zeitraums, um die Schaltkreise 106 auf diese Weise anzuschließen, fungiert die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als x-Achsenerfassungsschaltung, um eine Veränderung bei der Lage der Masse 13 durch eine Winkelgeschwindigkeit zu erfassen, die um die erste Erfassungsachse (x-Achse) wirkt.
Beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform wird während eines Zeitraums, in dem die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als die x-Achsenerfassungsschaltung fungiert, d.h. während eines Zeitraums, in dem die Kondensatoren, welche dieselbe Richtung (Tendenz) der Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten bei der Veränderung der Lage der Masse 13 in der y-Achsenrichtung haben, parallelgeschaltet sind, und darüber hinaus die Kondensatoren, welche dieselbe Richtung (Tendenz) der Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten bei der Veränderung der Lage der Masse 13 in der y-Achsenrichtung haben, symmetrisch in Reihe geschaltet sind, eine Erfassungsempfindlichkeit des Sensors zu einer Summe von Elektrodenempfindlichkeiten aller Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B.
Das heißt, beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform besteht ein Aufbau zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit, die um die erste Erfassungsachse (x-Achse) der Masse 13 wirkt, indem alle feststehenden Elektroden 21 bis 24, 31 bis 34 verwendet werden.
Auf ähnliche Weise ist, wenn die Schaltkreise 106 an einen anderen Kontakt angeschlossen werden, eine Kondensatorgruppe (die Kondensatoren 1A, 2A, 3B, 4B) mit derselben Richtung (Tendenz) der Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten bei der Veränderung der x-Achsenrichtungslage der Masse 13 parallelgeschaltet, und entsprechend ist eine Kondensatorgruppe (die Kondensatoren 3A, 4A, 1B, 2B) mit derselben Richtung (Tendenz) der Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten bei der Veränderung der x-Achsenrichtungslage der Masse 13 parallelgeschaltet. Die Kondensatorgruppen sind in Reihe geschaltet. Ein Anschlusspunkt in der Reihenschaltung ist an den Eingangsanschluss der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 (Operationsverstärker IC1) angeschlossen.
Während eines Zeitraums, um die Schaltkreise 106 auf diese Weise anzuschließen, fungiert die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als y-Achsenerfassungsschaltung, um eine Veränderung bei der Lage der Masse 13 durch eine Winkelgeschwindigkeit zu erfassen, die um die zweite Erfassungsachse (y-Achse) wirkt.
Beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform wird während eines Zeitraums, in dem die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als die y-Achsenerfassungsschaltung fungiert, d.h. während eines Zeitraums, in dem die Kondensatoren, welche dieselbe Richtung (Tendenz) der Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten bei der Veränderung der Lage der Masse 13 in der x-Achsenrichtung haben, parallelgeschaltet sind, und darüber hinaus die Kondensatoren, welche dieselbe Richtung (Tendenz) der Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten bei der Veränderung der Lage der Masse 13 in der x-Achsenrichtung haben, symmetrisch in Reihe geschaltet sind, die Erfassungsempfindlichkeit des Sensors zur Summe der Elektrodenempfindlichkeiten aller Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B.
Das heißt, beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform besteht ein Aufbau zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit, die um die zweite Erfassungsachse (y-Achse) der Masse 13 wirkt, indem alle feststehenden Elektroden 21 bis 24, 31 bis 34 verwendet werden.
Auf diese Weise besteht beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform ein Aufbau, bei dem durch Umschalten der Leitungsverbindungszustände der Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B durch die Schaltkreise 106, die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 so ausgelegt werden kann, dass sie als x-Achsenerfassungsschaltung zum Erfassen der Veränderung bei der Lage der Masse 13 in der y-Achsenrichtung (zweiten Erfassungsachsenrichtung) fungiert, oder so ausgelegt werden kann, dass sie als y-Achsenerfassungsschaltung fungiert, um die Veränderung bei der Lage der Masse 13 in der x-Achsenrichtung (ersten Erfassungsachsenrichtung) fungiert.
Die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 ist so aufgebaut, dass während des Zeitraums, in dem sie als x- oder y-Achsenerfassungsschaltung fungiert, an beide Enden der jeweiligen Schaltungen, das heißt, an beide Ende der in Reihe geschalteten Kondensatoren Trägerwellen angelegt werden, deren Phasen um 90° voneinander umgekehrt sind.
Die z-Achsenerfassungsschaltung 109 besteht aus einer Schaltung, die den Kondensator ZA, der aus der an der oberen Glasplatte 2 vorgesehenen feststehenden Elektrode 20 (3) und der beweglichen Elektrode besteht, und einen zuvor als Bezug eingesetzten Kondensator Zr in Reihe schaltet.
Die z-Achsenerfassungsschaltung 109 ist so aufgebaut, dass an ihre beiden Enden, das heißt, an die beiden Enden der in Reihe geschalteten Kondensatoren, Trägerwellen angelegt werden, deren Phasen um 180° voneinander verschoben sind.
Die Phase der an die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 angelegten Trägerwelle wird in den Zustand, von der Phase der an die z-Achsenerfassungsschaltung 109 angelegten Trägerwelle um 90° verschoben zu werden, versetzt, weil die Phase der Trägerwelle, die an der Wechselstromspannungsquelle 101 erzeugt wird, durch den 90°-Phasenschieber 103 zwangsläufig um 90° verschoben wird.
Ein Schaltvorgang von Kontakten des Schaltkreises 106, das heißt, ein Schaltvorgang eines Schaltungsabzweigungspunkts des Schaltkreises 106 ist so ausgelegt, dass er auf Grundlage einer Zeitvorgabe (Taktsignal C1') des speziellen Steuertakts durchgeführt wird, der von der Steuertaktgeberschaltung 102 erzeugt wird.
Auf diese Weise ist der Schaltkreis 106 mit einer Funktion ausgestattet, die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 durch die x-Achsenerfassungsschaltung und die y-Achsenerfassungsschaltung abwechselnd in einem konstanten Zeitraum zu bilden, d.h. mit einer Funktion, Leitungen (Leitungsverbindungen) der Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B umzuschalten, und ist zum Beispiel als Analogschalter o. dgl. ausgelegt.
Wie in 4 gezeigt ist, ist der Reihenanschlusspunkt der Kondensatoren in der Zweiachsenerfassungsschaltung 107 an die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 angeschlossen.
Wenn von den Reihenanschlusspunkten der Kondensatoren der jeweiligen Erfassungsschaltungen Trägerwellen an die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 und die z-Achsenerfassungsschaltung 109 angelegt werden, werden Stromsignale in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben, welche die Unterschiede bei den elektrostatischen Kapazitäten der beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren anzeigen.
Die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 umfasst den Operationsverstärker IC1 und einen Widerstand Rf.
Die Stromsignale, die von den jeweiligen Erfassungsschaltungen abgegeben werden, werden in einen Umkehreingangsanschluss (–) des Operationsverstärkers IC1 eingekoppelt. Ein nicht umgekehrter Anschluss (+) des Operationsverstärkers IC1 ist am Massepotential (Masse) angeschlossen.
Der als Rückkopplungswiderstand fungierende Widerstand Rf ist zwischen einem Ausgangsanschluss und dem Umkehreingangsanschluss (–) des Operationsverstärkers IC1 angeschlossen.
Der Operationsverstärker IC1 besteht aus einem Operationsverstärker, der eine analoge integrierte Schaltung bildet.
Der Umkehreingangsanschluss (–) des Operationsverstärkers IC1 ist ein Anschluss, in dem ein in ihn eingegebenes Signal umgekehrt und verstärkt wird, um ausgegeben zu werden. Andererseits ist der nicht umgekehrte Eingangsanschluss (+) ein Anschluss, in dem ein in ihn eingegebenes Signal ohne umgekehrt zu werden verstärkt wird, um ausgegeben zu werden.
Eine Verstärkung des Operationsverstärkers ist extrem hoch, und auch im Hinblick auf einen Bereich einer Frequenzkennlinie kann ein Gleichstrom über mehrere MHz verstärkt werden.
Obwohl nicht dargestellt, ist der Operationsverstärker IC1 mit einem Anschluss für eine Stromquelle versehen und wird aus dem Anschluss mit Energie für den Betrieb versorgt.
Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers IC1 ist an ein HPF (Hochpassfilter) 111 angeschlossen. Das HPF 111 ist eine Filterschaltung, um eine Frequenzkomponente der Trägerwelle, die von der Wechselstromspannungsquelle 101 erzeugt wird, durchzulassen, und ein Signal mit einer Frequenzkomponente im Ausgangssignal des Operationsverstärkers IC1 zu sperren, die geringer ist als die vorstehend beschriebene Komponente.
Ein Ausgang des HPF 11 ist so angeschlossen, dass er jeweils in Synchronerfassungsschaltungen 112, 113, 114 eingegeben wird.
Die Synchronerfassungsschaltung 112 besteht aus einer Verarbeitungsschaltung zum Extrahieren (Abtrennen) eines x-Achsenerfassungssignals (Vdx) auf Grundlage einer Signalkomponente, die während eines Zeitraums erfasst wird, in dem die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als x-Achsenerfassungsschaltung fungiert.
Die Synchronerfassungsschaltung 113 besteht aus einer Verarbeitungsschaltung zum Extrahieren (Abtrennen) eines y-Achsenerfassungssignals (Vdy) auf Grundlage einer Signalkomponente, die während eines Zeitraums erfasst wird, in dem die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als y-Achsenerfassungsschaltung fungiert.
Die Synchronerfassungsschaltung 114 besteht aus einer Verarbeitungsschaltung zum Extrahieren (Abtrennen) eines z-Achsenerfassungssignals (Vdz) auf Grundlage einer Signalkomponente, die von der z-Achsenerfassungsschaltung 109 erfasst wird.
Die jeweiligen Ausgänge der Synchronerfassungsschaltungen 112 bis 114 sind an LPF (Tiefpassfilter) 115 bis 117 angeschlossen. Die LPF 115 bis 117 bestehen aus Glättungsschaltungen, um Ausgangssignale der Synchronerfassungsschaltungen 112 bis 114 zu glätten.
Die C/V-Wandlerschaltung 100 ist so aufgebaut, dass ein vom LPF 115 geglättetes Signal (Vlpfx) durch eine Verstärkerschaltung 118 einer vorbestimmten Verstärkungsverarbeitung unterzogen und danach als x-Achsen-C/V-Ausgangssignal an die Z-Achsenwinkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 200 ausgegeben wird.
Auf ähnliche Weise ist die C/V-Wandlerschaltung 100 so aufgebaut, dass ein vom LPF 116 geglättetes Signal (Vlpfy) durch eine Verstärkerschaltung 119 einer vorbestimmten Verstärkungsverarbeitung unterzogen und danach als y-Achsen-C/V-Ausgangssignal an die Y-Achsenwinkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 300 ausgegeben wird.
Die C/V-Wandlerschaltung 100 ist so aufgebaut, dass ein vom LPF 117 geglättetes Signal (Vlpfz) durch eine Verstärkerschaltung 120 einer vorbestimmten Verstärkungsverarbeitung unterzogen und danach an eine AGC-/Phaseneinstellschaltung 121 (AGC – Automatic Gain Control, also automatische Verstärkungsregelung) ausgegeben wird.
Ein Signal, das von der AGC-/Phaseneinstellschaltung 121 verarbeitet wurde, wird an einen elektrostatischen Treiberkreis 122 ausgegeben.
Die AGC-/Phaseneinstellschaltung 121 und der elektrostatische Treiberkreis 122 sind Regelkreise, um die primäre Schwingung der Masse 12 in der z-Achse durch eine selbsterregte Schwingung und durch ein Signal anzusteuern, das durch die Schaltungen verarbeitet wurde. Dabei wird eine Steuerregelspannung an einen zuvor als Bezug eingesetzten Kondensator Zd, der an den elektrostatischen Treiberkreis 122 angeschlossen ist, und den Kondensator ZB angelegt, der durch die Steuerelektrode 30 (3), die an der unteren Glasplatte 3 vorgesehen ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist.
Gemäß der X-Achsenwinkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 200 wird, nachdem eine Hochfrequenzkomponente eines von der Verstärkerschaltung 118 als der x-Achsen-C/V-Ausgangsschaltung ausgegebenes Signal durch das HPF 201 gesperrt wurde, das Signal einer speziellen Erfassungsverarbeitung durch eine Synchronerfassungsschaltung 202 auf Grundlage eines Signals unterzogen, das dadurch gebildet wird, dass eine Phase eines Bezugssignals, das von der AGC-/Phaseneinstellschaltung 121 ausgegeben wird, durch einen Phasenschieber 205 verschoben wird.
Nachdem das Signal einer Glättungsverarbeitung durch ein LPF 203 unterzogen wurde, wird das Signal in einer AMP (Verstärkungsschaltung) 204 einer Verstärkungsverarbeitung unterzogen, um als x-Achsenwinkelgeschwindigkeitsausgangssignal aus dem Winkelgeschwindigkeitssensor ausgegeben zu werden.
Auf ähnliche Weise wird gemäß der X-Achsenwinkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 300, nachdem eine Hochfrequenzkomponente eines von der Verstärkerschaltung 119 als der y-Achsen-C/V-Ausgangsschaltung ausgegebenes Signal durch das HPF 301 gesperrt wurde, das Signal einer speziellen Erfassungsverarbeitung durch eine Synchronerfassungsschaltung 302 auf Grundlage eines Signals unterzogen, das dadurch gebildet wird, dass eine Phase des Bezugssignals, das von der AGC-Schaltung/Phaseneinstellschaltung 121 ausgegeben wird, durch einen Phasenschieber 305 verschoben wird.
Nachdem das Signal einer Glättungsverarbeitung durch ein LPF 303 unterzogen wurde, wird das Signal in einer AMP 304 einer Verstärkungsverarbeitung unterzogen, um als y-Achsenwinkelgeschwindigkeitsausgangssignal aus dem Winkelgeschwindigkeitssensor ausgegeben zu werden.
Als Nächstes erfolgt eine Erläuterung eines Ablaufs einer Signalverarbeitung, die durch die C/V-Wandlerschaltung 100 ausgeführt wird.
5 ist ein Zeitschema, das Signalwellenformen jeweiliger Abschnitte der C/V-Wandlerschaltung 100 zeigt.
Die Signalverarbeitung der C/V-Wandlerschaltung 100 erfolgt auf Grundlage einer Dauer (Frequenz) eines V0-Signals, das durch die in 5A gezeigte Wechselstromspannungsquelle 101 erzeugt wird.
Wenn das V0-Signal an den Kondensator ZA angelegt wird, wird ein Signal, das durch Umkehren einer Phase des V0-Signals um 180° gebildet wird (V0-Umkehrsignal), an den Kondensator Zr angelegt, und ein in 5B gezeigter Strom Iz (Stromsignal) wird von der z-Achsenerfassungsschaltung 109 in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben.
Wenn das V0-Signal durch den 90°-Phasenschieber 103 geschickt wird, wird die Phase um 90° verschoben, um ein V1-Signal (Trägersignal) zu bilden, wie in 5D gezeigt ist.
Bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform wird das in 5D gezeigte V1-Signal an den Kondensator 1A und den Kondensator 3B angelegt, und ein in 5E gezeigtes V1'-Signal (Umkehrsignal des V1-Signals) wird an den Kondensator 3A und den Kondensator 1B angelegt.
Das V1-Signal und das V1'-Signal werden dann durch Zeitmultiplexierung synchron mit Zeitvorgaben zum Umschalten der Verbindungen durch die Schaltkreise 106 geschaltet, um abwechselnd an die Kondensatoren 2A, 4B und 4A, 2B angelegt zu werden.
Zum Beispiel werden während eines Zeitraums einer in 5 gezeigten Zeit TX, d.h. es gibt einen Zeitraum, in dem die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als die x-Achsenerfassungsschaltung fungiert, an die Kondensatoren 1A, 2A, 3B, 4B das V1-Signal und an die Kondensatoren 3A, 4A, 1B, 2B das V1'-Signal angelegt. Auf diese Weise besteht während des Zeitraums der Zeit TX, eine Kombination der Elektroden des Differentialkapazitätserfassungssystems mit einer Empfindlichkeit in der Winkelgeschwindigkeit, die um die x-Achse wirkt.
Während des Zeitraums der Zeit TX, wird das V1-Signal gleich einem in 5F gezeigten V2-Signal, und das V1'-Signal wird gleich einem in 5G gezeigten V3-Signal.
Das V1-Signal, das V1'-Signal, das V2-Signal und das V3-Signal zeigen jeweils Spannungssignale an den in 4 gezeigten Punkten V1, V1', V2 und V3 an.
Ströme I1, I2 und I3, die in den 5H, 5I und 5J gezeigt sind, zeigen jeweils Trägerströme an den in 4 gezeigten Punkten V1, V2 und V3 an.
Auf ähnliche Weise werden während eines Zeitraums einer in 5 gezeigten Zeit TY, d.h. während des Zeitraums, in dem die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als die y-Achsenerfassungsschaltung fungiert, an die Kondensatoren 1A, 4A, 2B, 3B das V1-Signal und an die Kondensatoren 2A, 3A, 1B, 4B das V1'-Signal angelegt. Auf diese Weise besteht während des Zeitraums der Zeit TY, eine Kombination der Elektroden des Differentialkapazitätserfassungssystems mit einer Empfindlichkeit in der Winkelgeschwindigkeit, die um die y-Achse wirkt.
Während des Zeitraums der Zeit TY wird das V1-Signal gleich dem V3-Signal, und das V1'-Signal wird gleich dem V2-Signal.
Wird beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform den beiden Kondensatorgruppen (feststehenden Elektroden), an die das V1-Signal und das V2-Signal oder das V1-Signal und das V3-Signal angelegt werden, Aufmerksamkeit geschenkt, wenn sich die Signale, wie in den 5K und 5M, gezeigt, in denselben Phasen befinden, dann sind die Summen der Trägerströme, d.h. des Stroms I1 + des Stroms I2, und des Stroms I1 + des Stroms I3, mit doppelten Amplituden ausgestattet. Dadurch kann dem Winkelgeschwindigkeitssensor eine doppelte Empfindlichkeit verliehen werden.
Der Strom I1 + der Strom I2, die in 5K gezeigt sind, zeigt einen Erfassungsstrom Ix an, wenn die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als die x-Achsenerfassungsschaltung fungiert, und I1 + I3, die in 5M gezeigt sind, zeigt einen Erfassungsstrom Ty an, wenn die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als die y-Achsenerfassungsschaltung fungiert.
Die Erfassungsströme Ix, Iy werden aus der Zweiachsenerfassungsschaltung 107 in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben.
Eine Zeitvorgabe zum Umschalten des Anschlusspunkts des Schaltkreises 106 erfolgt auf Grundlage des später noch zu beschreibenden Taktsignals C1'.
Wenn die Ströme Ix, Iy in IC1 eingegeben werden, führt die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eine Verarbeitung zum Umrechnen der Ströme in dazu proportionale Spannungswerte durch.
Die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 gibt ein synthetisiertes Signal (Vout) aus, das dadurch gebildet wird, dass ein in 5L angegebenes Vxout-Signal, das durch Umwandeln des Stroms Ix in eine Spannung gebildet wird, ein in 5N gezeigtes Vy-out-Signal, das durch Umwandeln des Stroms Iy in eine Spannung gebildet wird, und ein in 5C gezeigtes Vzout-Signal, das durch Umwandeln des Stroms Iz in eine Spannung gebildet wird, addiert werden.
Die Synchronerfassungsschaltungen 112 bis 114 führen eine Verarbeitung zum Extrahieren und Abtrennen von Erfassungssignalen mit Komponenten jeweiliger Achsen aus dem Vout-Signal auf Grundlage verschiedener Taktsignale durch, die von der Steuertaktgeberschaltung 102 erzeugt werden.
In der Steuertaktgeberschaltung 102 werden Taktsignale C1, C0, C1' und C0' erzeugt.
Wie in 5O gezeigt ist, ist das Taktsignal C1 ein Signal zum Erzeugen eines Impulses während eines positiven (+) Zeitraums des V1-Signals.
Wie in 5P gezeigt ist, ist das Signal C0 ein Signal, das durch Verschieben einer Phase des Taktsignals C1 um 90° gebildet wird.
Wie in 5Q gezeigt ist, ist das Taktsignal C1' ein Signal, das durch Verdoppeln der Dauer des Taktsignals C1, d.h. durch Halbieren einer Frequenz von diesem gebildet wird.
Wie in 5R gezeigt ist, ist das Taktsignal C0' ein Signal, das durch Umkehren einer Phase des Taktsignals C1' um 180° gebildet wird.
In der Synchronerfassungsschaltung 112 wird ein Taktsignal C erzeugt.
Das Taktsignal C ist ein Signal, um das Vxout-Signal einer Synchronerfassung zu unterziehen, und ist ein Signal, das einen Zeitraum bereitstellt, um das Taktsignal C0 nur in einem Zeitraum in den EIN-Zustand zu versetzen, in dem das Taktsignal C1' in den EIN-Zustand versetzt ist, wie in 5S gezeigt ist.
In der Synchronerfassungsschaltung 113 wird ein Taktsignal C' erzeugt.
Das Taktsignal C' ist ein Signal, um das Vyout-Signal einer Synchronerfassung zu unterziehen, und ist ein Signal, das einen Zeitraum bereitstellt, um das Taktsignal C0 nur in einem Zeitraum in den EIN-Zustand zu versetzen, in dem das Taktsignal C0' in den EIN-Zustand versetzt ist, wie in 5T gezeigt ist.
In den Synchronerfassungsschaltungen 112 bis 114 erfolgt zuerst eine Verarbeitung zum Abtrennen des Vzout-Signals durch ein Phasenteilersystem für das Vout-Signal.
Hier wird die Verarbeitung zum Abtrennen des Signals durch ein Phasenteilersystem erläutert.
Die 7A und 7B sind Diagramme zur Erläuterung des Phasenteilersystems.
Wenn beispielsweise, wie in 7A gezeigt, durch Verwendung eines Taktsignals, das während eines positiven (+) Zeitraums eines Sinuswellensignals (Signal a), das einen Verarbeitungsgegenstand darstellt, ein Impuls erzeugt wird, das Signal a nur in einem AUS-Zeitraum (Niedrigpegelzeitraum) des Taktsignals gleichgerichtet wird, wird ein Signal a' bereitgestellt.
Indem das Signal a' unter Verwendung eines LPF einer Glättungsverarbeitung unterzogen wird, kann ein Gleichstrom bereitgestellt werden, der entsprechend einer Amplitude (Größenordnung) des Signals ausgegeben wird.
Wird andererseits, wie in 7B gezeigt, ein Sinuswellensignal (Signal b), von dem eine Phase von der des Signals a um 90° verschoben ist, nur im AUS-Zeitraum (Niedrigpegelzeitraum) des Taktsignals gleichgerichtet wird, wird ein Signal b' bereitgestellt.
Wenn das Signal b' unter Verwendung eines LPF einer Glättungsverarbeitung unterzogen wird, heben eine positive (+) und eine negative (–) Komponente des Signals b' einander auf, und deshalb wird der ausgegebene Gleichstrom zu 0 (Null).
Das heißt, indem ein synthetisiertes Signal, welches das Signal a und das Signal b enthält, deren Phasen um 90° voneinander verschoben sind, einer Gleichrichtverarbeitung unter Verwendung desselben Taktsignals unterzogen werden und dessen Ausgang geglättet wird, kann nur der Gleichstrom bereitgestellt werden, der entsprechend einer Größenordnung des einen Signals (des Signals a in diesem Fall) ausgegeben wird. Ein System, um Signale auf diese Weise aufzuteilen (zu teilen), wird als Phasenteilersystem bezeichnet.
Indem das vorstehend beschriebene Phasenteilersystem in der Synchronerfassungsschaltung 112 verwendet wird, erfolgt eine Verarbeitung zum Gleichrichten des Vout-Signals unter Verwendung des Taktsignals C0, und eine Verarbeitung zur Beseitigung einer Komponente des Vzout-Signals aus dem Vout-Signal.
Nach der Ausführungsform wird die Glättungsverarbeitung nach dem Gleichrichten durch die LPF 115 bis 117 durchgeführt, die in nachfolgenden Stufen der Synchronerfassungsschaltungen 112 bis 114 vorgesehen sind. Um jedoch die Erläuterung im Hinblick auf Signalkomponenten, die nach dem Durchlaufen der LPF 115 bis 117 schließlich beseitigt sind, nicht unnötig kompliziert zu machen, erfolgt eine Erklärung für einen Zustand, bei dem sie zuvor entfernt werden.
Sukzessive erfolgt in der Synchronerfassungsschaltung 112 eine Verarbeitung zur Abtrennung des Vxout-Signals und des Vyout-Signals durch ein Zeitmultiplexsystem für ein Vout'-Signal, nachdem die Vzout-Signalkomponente beseitigt wurde.
Im Detail erfolgt synchron mit einer Zeitvorgabe zur Betätigung der Schaltkreise 106 unter Verwendung des Taktsignals C eine Verarbeitung zur Erfassung (Extraktion) eines Signals nur bei einer Zeitvorgabe (in dem Zeitraum) des Vout'-Signals, in welcher (welchem) die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als die x-Achsenerfassungsschaltung fungiert.
Dadurch kann die Komponente des Vyout-Signals, das von der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 ausgegeben wird, bei der Zeitvorgabe (in dem Zeit raum) beseitigt werden, in welcher (welchem) die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als x-Achsenerfassungsschaltung fungiert.
Auf diese Weise wird in der Synchronerfassungsschaltung 112 die Komponente des Vzout- und des Vyout-Signals aus dem Vout-Signal beseitigt, d.h., es wird nur die Komponente des Vxout-Signals extrahiert.
Ein in 5U gezeigtes Vdx-Signal, das durch Gleichrichten des Vxout-Signals bebildet wird, wird aus der Synchronerfassungsschaltung 112 ausgegeben.
Auf ähnliche Weise erfolgt in der Synchronerfassungsschaltung 113 eine Verarbeitung zur Beseitigung der Komponente des Vzout-Signals aus dem Vout-Signal, indem eine Verarbeitung zum Gleichrichten des Vout-Signals unter Verwendung des Taktsignals C0 durchgeführt wird.
Sukzessive erfolgt in der Synchronerfassungsschaltung 113 eine Verarbeitung zur Abtrennung des Vxout-Signals durch das Zeitmultiplexsystem für das Vout'-Signal, nachdem die Vzout-Signalkomponente beseitigt wurde.
Im Detail erfolgt synchron mit einer Zeitvorgabe zur Betätigung der Schaltkreise 106 unter Verwendung des Taktsignals C' eine Verarbeitung zur Erfassung (Extraktion) eines Signals nur bei einer Zeitvorgabe (in dem Zeitraum) des Vout'-Signals, in welcher (welchem) die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als die y-Achsenerfassungsschaltung fungiert.
Dadurch kann die Komponente des Vxout-Signals, das von der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 ausgegeben wird, bei der Zeitvorgabe (in dem Zeitraum) beseitigt werden, in welcher (welchem) die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 als die y-Achsenerfassungsschaltung fungiert.
Auf diese Weise werden in der Synchronerfassungsschaltung 113 die Komponenten des Vzout- und des Vxout-Signals aus dem Vout-Signal beseitigt, d.h., es wird nur die Komponente des Vyout-Signals extrahiert.
Ein in 5W gezeigtes Vdy-Signal, das durch Gleichrichten des Vyout-Signals gebildet wird, wird aus der Synchronerfassungsschaltung 113 ausgegeben.
Indem das vorstehend beschriebene Phasenteilersystem verwendet wird, erfolgt in der Synchronerfassungsschaltung 114 die Verarbeitung zum Gleichrichten des Vout-Signals unter Verwendung des Taktsignals C1, und es wird die Verarbeitung zur Beseitigung der Komponenten des Vxout- und des Vyout-Signals aus dem Vout-Signal durchgeführt.
Im Gegensatz zu den Synchronerfassungsschaltungen 112, 113 kann in der Synchronerfassungsschaltung 114 durch Verwendung des Taktsignals C0, dessen Phase von derjenigen des Taktsignals C1 um 90° verschoben ist, die Komponente des Vxout- und des Vyout-Signals beseitigt werden, die Ausgangssignale der Zweiachsenerfassungsschaltung 107 bilden, an welche die Trägerwelle angelegt wird, deren Phase von der an die z-Achsenerfassungsschaltung 109 angelegten Trägerwelle um 90° verschoben ist.
Ein in 5Y gezeigtes Vdz-Signal, das durch Gleichrichten des Vzout-Signal gebildet wird, wird aus der Synchronerfassungsschaltung 114 ausgegeben.
Das aus der Synchronerfassungsschaltung 112 ausgegebene Vdx-Signal wird einer Glättungsverarbeitung durch das LPF 115 unterzogen, um ein in 5V gezeigtes Vlpfx-Signal zu bilden.
Auf ähnliche Weise wird das aus der Synchronerfassungsschaltung 113 ausgegebene Vdy-Signal einer Glättungsverarbeitung durch das LPF 116 unterzogen, um ein in 5X gezeigtes Vlpfy-Signal zu bilden, und das aus der Synchronerfassungsschaltung 114 ausgegebene Vdz-Signal wird einer Glättungsverarbeitung durch das LPF 117 unterzogen, um ein in 5Z gezeigtes Vlpfz-Signal zu bilden.
Auf diese Weise können die Erfassungsspannungen (Vdx, Vdy, Vdz) in Übereinstimmung mit den Stromsignalen (Ix, Iy, Iz) der Zweiachsenerfassungsschaltung 107 und der z-Achsenerfassungsschaltung 109, die zusammengefasst in die Signalstrom-/Signalspannungswandlerschaltung 110 eingegeben werden, für die jeweiligen Komponenten der Achsen einschlägig abgetrennt werden.
Auf diese Weise ist der Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform derart aufgebaut, dass der Unterschied (Phasenunterschied) zwischen der Phase der Trägerwelle (des Trägers), die an die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 angelegt wird, und der Phase der Trägerwelle, die an die z-Achsenerfassungsschaltung 109 angelegt wird, auf 90° eingestellt ist, und darüber hinaus die Trägerwellen dadurch angelegt werden, dass die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 durch den Schaltkreis 106 abwechselnd geschaltet wird.
Dadurch können die Erfassungskomponente der z-Achse und die Erfassungskomponenten der x- und y-Achse aus dem Vout-Signal abgetrennt werden, das den Ausgang der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 bildet, der die Erfassungskomponenten aller Achsen (der x-, y- und z-Achse) enthält, indem das Phasenteilersystem übernommen wird, und die Erfassungskomponente der x-Achse und die Erfassungskomponente der y-Achse können abgetrennt werden, indem das Zeitmultiplexsystem übernommen wird.
Indem auf diese Weise das Phasenteilersystem und das Zeitmultiplexsystem kombiniert verwendet werden, können die drei Signalkomponenten, ohne dabei eine komplizierte Frequenzmodulationsschaltung o. dgl. zu verwenden, problemlos abgetrennt werden.
Wie vorstehend beschrieben, wird beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform, indem alle feststehenden Elektroden 21 bis 24 und 31 bis 34 verwendet werden, die an der oberen Glasplatte 2 und der unteren Glasplatte 3 vorgesehen sind, die x-Achsenrichtungskomponente (oder y-Achsenrichtungskomponente) der wirkenden Winkelgeschwindigkeit erfasst, d.h. es kann eine Empfindlichkeit aller Elektroden bereitgestellt werden, und deshalb kann im Vergleich zu dem Sensor, der die x- und y-Achsenrichtungskomponente unter Verwendung unabhängiger (ausschließlicher) Elektroden wie im Stand der Technik erfasst, die Elektrodenempfindlichkeit verdoppelt werden. Das heißt, es lässt sich die doppelte Erfassungsempfindlichkeit (Erfassungsgenauigkeit) bei dem Sensor erzielen, der mit den feststehenden Elektroden ausgestattet ist, welche dieselbe Form und Anzahl haben wie der Winkelgeschwindigkeitssensor aus dem Stand der Technik.
Gemäß der Ausführungsform wird die Erfassungskomponente in den jeweiligen Achsenrichtungen zum Erfassen der Veränderung bei der Lage der Masse 13 auf Grundlage der Veränderungen bei der elektrostatischen Kapazität zwischen den feststehenden Elektroden und der beweglichen Elektrode (Masse 13) gemessen. Ein Erfassungsergebnis der Verschiebungen, die mit den Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten in den jeweiligen Achsenrichtungen übereinstimmen, kann für die jeweiligen Achsenkomponenten angemessen abgetrennt werden.
Dadurch kann beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform die Veränderung bei der Lage der Masse 13 in der x-, der y- und der z-Achse gleichzeitig erfasst werden.
Beim Winkelerfassungssensor nach der Ausführungsform werden das Vxout-Signal, das schließlich als das Erfassungssignal für die x-Achsenwinkelgeschwindigkeit ausgegeben wird, und das Vyout-Signal, das schließlich als das Erfassungssignal für die y-Achsenwinkelgeschwindigkeit ausgegeben wird, unter Verwendung des Zeitmultiplexsystems abgetrennt, und deshalb kann eine Kreuzkopplung (Interferenz mit der Querachse) durch die jeweiligen Erfassungskomponenten in den axialen Richtungen eingeschränkt werden.
Auf diese Weise kann nach der Ausführungsform beim Winkelgeschwindigkeitssensor der Zweiachsenerfassungsart eine Schaltung, die in der Lage ist, Kreuzkopplung (Interferenz mit der Querachse) zwischen zwei Achsen mit den Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeiten einzuschränken, und in der Lage ist, gleichzeitig die Verschiebung in der Schwingungsrichtung der Masse 13 zu erfassen, aus einer geringen Anzahl von Teilen bestehen.
Gemäß der Ausführungsform wird das Vzout-Signal, das als Erfassungssignal der Veränderung der Lage der Masse 13 in der z-Achsenrichtung ausgegeben wird, vom Vxout- und Vyout-Signal unter Verwendung des Phasenteilersystems abgetrennt, und deshalb besteht, wenn eine durch einen Fehler der Schaltung oder einen Genauigkeitsfehler (verzögerte oder vorgerückte) Phasenverschiebung herbeigeführt wird, ein Problem, dass das Vzout-Signal, das den Gegenstand bildet, zur Abtrennung nicht vollständig beseitigt werden kann und die Komponente des Vzout-Signals eine Querachsenkomponente überlagert.
Jedoch ist das Vzout-Signal zur Erfassung eines Verschiebungsbetrags (Ortsveränderungsbetrags) von einer Bezugsposition bei der Ansteuerung dazu gedacht, die Masse 13 in Schwingung zu versetzen, und ist nicht mit der Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeit ausgestattet wie das Vxout- oder Vyout-Signal.
Deshalb kann dadurch ein Einfluss, selbst wenn die Komponente des Vzout-Signals die Querachsenkomponente überlagert, im Vergleich zum Einfluss einer Kreuzkopplung (Interferenz mit der Querachse), die herbeigeführt wird, wenn Achsenkomponenten von Signalen mit Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeiten unter Verwendung des Phasenteilersystems abgetrennt werden, in ausreichendem Maß verringert (eingeschränkt) werden.
(Erstes modifiziertes Beispiel)
Als Nächstes wird ein erstes modifiziertes Beispiel des vorstehenden Winkelgeschwindigkeitssensors erläutert.
Beim vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor (der in 4 gezeigt ist) ist die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 unter Verwendung der acht Kondensatoren aufgebaut.
Von daher erfolgt nach dem ersten modifizierten Beispiel eine Erläuterung eines Winkelgeschwindigkeitssensors einer vereinfachten Art, bei dem eine Zweiachsenerfassungsschaltung 128 unter Verwendung von vier der Kondensatoren 1A bis 4A aufgebaut ist, welche die feststehenden Elektroden, die an der oberen Glasplatte 2 vorgesehen sind, und die bewegliche Elektrode (Masse 13) umfassen.
Das heißt, hier erfolgt eine Erläuterung für den Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine Zweiachsenerfassungsschaltung 128 bildet, bei der die feststehenden Elektroden 21 bis 24 verwendet werden, also die halbe Anzahl der feststehenden Elektroden des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors.
6 ist ein Schaltungsblockschema einer C/V-Wandlerschaltung des im ersten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensors.
Dieselben Teile wie diejenigen des Aufbaus des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors sind mit denselben Bezeichnungen versehen, eine ausführliche Erläuterung davon wird weggelassen, und Teile, die sich von denjenigen des Aufbaus des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors unterscheiden, werden erläutert.
Wie in 6 gezeigt ist, besteht die Zweiachsenerfassungsschaltung 128 aus den Kondensatoren 1A bis 4A, von denen die einen Enden am selben Punkt angeschlossen sind (Eingangspunkt der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110).
Der Punkt, der zuvor mit den einen Enden der Kondensatoren 1A bis 4A verbunden wird, wird als gemeinsamer Punkt bezeichnet.
Indem zwei Schaltkreise 126 verwendet werden, die synchron mit dem Taktsignal C1' betrieben werden, werden die Anschlusspunkte der anderen Endseiten der Kondensatoren 1A bis 4A geschaltet.
Die Anschlusspunkte der anderen Endseiten der Kondensatoren 1A bis 4A sind dazu ausgelegt, variierende Enden darzustellen.
Während des Zeitraums, in dem das Taktsignal C1' auf EIN ist, ist die Zweiachsenerfassungsschaltung 128 dazu ausgelegt, als die x-Achsenerfassungsschaltung zu fungieren und wird in einen Anschlusszustand versetzt, wodurch die Erfassungsschaltung zur Erfassung der Verschiebung um die x-Achse gebildet ist. Hingegen besteht während des Zeitraums, in dem das Taktsignal C1' auf AUS ist, ein Aufbau, bei dem die Anschlusspunkte der Schaltkreise 125 so geschaltet sind, dass die Zweiachsenerfassungsschaltung 128 dazu ausgelegt ist, als die y-Achsenerfassungsschaltung zu fungieren und wird in ei nen Anschlusszustand versetzt, wodurch die Erfassungsschaltung zur Erfassung der Verschiebung um die y-Achse gebildet ist.
Im Detail sind während des Zeitraums, in dem das Taktsignal auf EIN ist, die variierenden Enden des Kondensators 1A und 4A angeschlossen, die variierenden Enden des Kondensators 2A und 3A sind angeschlossen, und die Trägerwellen werden von den jeweiligen Anschlussenden her angelegt.
Die Stromsignale, welche die Unterschiede der elektrostatischen Kapazitäten der in Reihe geschalteten Kondensatoren anzeigen, werden vom gemeinsamen Punkt der Zweiachsenerfassungsschaltung 128 her in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben, und es wird das Vxout-Signal erzeugt, welches das Erfassungssignal der Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeit der x-Achse darstellt.
Hingegen sind während des Zeitraums, in dem das Taktsignal C1' auf AUS ist, die variierenden Enden des Kondensators 1A und 2A angeschlossen, die variierenden Enden des Kondensators 4A und 3A sind angeschlossen, und die Trägerwellen werden von den jeweiligen Anschlussenden her angelegt.
Die Stromsignale, welche die Unterschiede der elektrostatischen Kapazitäten der in Reihe geschalteten Kondensatoren anzeigen, werden vom gemeinsamen Punkt der Zweiachsenerfassungsschaltung 128 her in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben, und es wird das Vyout-Signal erzeugt, welches das Erfassungssignal der Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeit der y-Achse darstellt.
Auch im ersten modifizierten Beispiel des Winkelgeschwindigkeitssensors können die vier Kondensatoren 1A bis 4A, welche die Zweiachsenerfassungsschaltung 128 darstellen, beide zur Erfassung der Verschiebung in der x-Achsenrichtung und zur Erfassung in der y-Achsenrichtung verwendet werden. Das heißt, die Zweiachsenerfassungsschaltung 128 ist dazu ausgelegt, mit der Funktion der x-Achsenerfassungsschaltung und der Funktion der y-Achsenerfassungsschaltung ausgestattet werden zu können.
Auch bei dem im ersten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor wird während des Zeitraums, in dem die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 dazu gebracht wird, als die x-Achsenerfassungsschaltung zu fungieren, d.h. während des Zeitraums, in dem die Kondensatoren, bei denen die Richtungen (Tendenzen) der Veränderungen in der elektrostatischen Kapazität bei der Veränderung der Lage der Masse 13 in der x-Achsenrichtung gleich werden, parallelgeschaltet sind, und darüber hinaus die Kondensatoren, bei denen die Richtungen (Tendenzen) der Veränderungen in der elek trostatischen Kapazität bei der Veränderung der Lage der Masse 13 in der x-Achsenrichtung symmetrisch werden, in Reihe geschaltet sind, die Erfassungsempfindlichkeit des Sensors zu einer Summe der Elektroempfindlichkeiten aller Kondensatoren 1A bis 4A.
Das heißt, auch bei dem im ersten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor besteht ein Aufbau, bei dem, indem alle feststehenden Elektroden 21 bis 24 verwendet werden, die Winkelgeschwindigkeit, die um die erste Erfassungsachse (x-Achse) der Masse 13 wirkt, und die Winkelgeschwindigkeit, die um deren zweite Erfassungsachse (y-Achse) wirkt, erfasst werden.
Auch bei dem im ersten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor wird die x-Achsenrichtungskomponente (oder y-Achsenrichtungskomponente) der wirkenden Winkelgeschwindigkeit erfasst, indem alle feststehenden Elektroden 21 bis 24 verwendet werden, die an der oberen Glasplatte 2 vorgesehen sind, d.h. alle Elektrodenempfindlichkeiten werden bereitgestellt, und deshalb kann im Vergleich zu dem Sensor, der die x- und y-Achsenkomponente unter Verwendung unabhängiger (ausschließlicher) Elektroden wie im Stand der Technik erfasst, die Elektrodenempfindlichkeit verdoppelt werden. Das heißt, es lässt sich die doppelte Erfassungsempfindlichkeit (Erfassungsgenauigkeit) bei dem Sensor erzielen, der mit den feststehenden Elektroden ausgestattet ist, welche dieselbe Form und Anzahl haben wie der Winkelgeschwindigkeitssensor aus dem Stand der Technik.
Da darüber hinaus nach dem im ersten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor die feststehenden Elektroden an der einen Fläche angeordnet ausgelegt sind, d.h. also ein einflächiges Elektrodensystem verwendet wird, kann ein Freiheitsgrad für die Sensorkonstruktion so gesteigert werden, dass eine kleinformatige Auslegung erzielt wird oder die großen Ansteuerungselektroden bereitgestellt werden, indem die andere Fläche verwendet wird.
(Zweites modifiziertes Beispiel)
Als Nächstes wird ein zweites modifiziertes Beispiel des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors erläutert.
Gemäß dem zweiten modifizierten Beispiel erfolgt eine Erläuterung eines Winkelgeschwindigkeitssensors zur Erfassung der Verschiebungen in den drei Achsenrichtungen (x-, y- und z-Achsenrichtung) einer Masse 13, indem nur das Zeitmultiplexsystem verwendet wird.
Dieselben Teile wie diejenigen des Aufbaus des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors sind mit denselben Bezeichnungen versehen, eine ausführliche Erläuterung davon wird weggelassen, und Teile, die sich von denjenigen des Aufbaus des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors unterscheiden, werden erläutert.
Bei dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor ist die feststehende Elektrode 20 zur Erfassung der Verschiebung der Masse 13 in der z-Achsenrichtung nicht vorgesehen, die in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und dem ersten modifizierten Beispiel unabhängig vorgesehen ist.
Statt dessen besteht ein Aufbau, bei dem die feststehenden Elektroden, die zur Erfassung der Verschiebungen der Masse 13 in der x- und y-Achsenrichtung vorgesehen sind, auch für die Elektrode zur Erfassung in der z-Achsenrichtung der Masse 13 verwendet werden.
8 ist eine Ansicht, die einen Anordnungszustand feststehender Elektroden 221 bis 224 und einer Steuerelektrode 230 zeigt, die in dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelbeschleunigungssensor vorgesehen sind.
Darüber hinaus sind in 8 nur die Elektroden und die Masse 13 gezeigt, um ein Anordnungsverhältnis der jeweiligen Elektroden der Masse 13 klar darzustellen.
Nach dem wie in 8 gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor nach dem zweiten modifizierten Beispiel ist die obere Glasplatte 2 an einem dem Massenabschnitt 131 entgegengesetzten Abschnitt mit der feststehenden Elektrode 221 versehen, an einem dem Massenabschnitt 132 entgegengesetzten Abschnitt mit der feststehenden Elektrode 222, an einem dem Massenabschnitt 133 entgegengesetzten Abschnitt mit der feststehenden Elektrode 223 und an einem dem Massenabschnitt 134 entgegengesetzten Abschnitt mit der feststehenden Elektrode 224.
Andererseits ist die untere Glasplatte 3 an einem der Masse 13 entgegengesetzten Abschnitt mit der quadratförmigen Steuerelektrode 230 versehen.
Die Kondensatoren 1A bis 4A sind durch die feststehenden Elektroden 221 bis 224, die an der oberen Glasplatte 2 vorgesehen sind, und die bewegliche Elektrode (Masse 13) gebildet, und der Kondensator ZB ist durch die Steuerelektrode 230, die an der unteren Glasplatte 3 vorgesehen ist, und die bewegliche Elektrode (Masse 13) gebildet.
Gemäß dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor besteht ein Aufbau, bei dem die feststehenden Elektroden 221 bis 224 bereitge stellt werden, um die Veränderung bei der Lage der Masse 13 nur an der oberen Glasplatte 2 zu erfassen. Deshalb kann die untere Glasplatte 3 mit der großen (breiten) Steuerelektrode 230 versehen werden, ohne durch andere Elektroden eingeschränkt zu werden.
Dadurch kann ein noch größerer Wirkbereich der Steuerelektrode 230 sichergestellt werden, und deshalb kann die Schwingungsamplitude der Masse 13 vergrößert und die Erfassungsgenauigkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors gesteigert werden.
9 ist ein Schaltungsblockschema, das die C/V-Wandlerschaltung 100 in dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor zeigt.
Darüber hinaus sind dieselben Teile wie diejenigen des Aufbaus des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors mit denselben Bezeichnungen versehen, eine ausführliche Erläuterung davon wird weggelassen, und Teile, die sich von denjenigen des Aufbaus des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors unterscheiden, werden erläutert.
Der im zweiten modifizierten Beispiel gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor ist mit einer Dreiachsenerfassungsschaltung 307 ausgestattet, die alle Funktionen der x-, y- und z-Achsenerfassungsschaltung hat (auch als diese dient).
Darüber hinaus ist der im zweiten modifizierten Beispiel gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor mit vier Umschaltern ausgestattet, um Leitungsverbindungszustände der Dreiachsenerfassungsschaltung 307 umzuschalten, und zwar im Einzelnen mit einem Schaltkreis a241, einem Schaltkreis b242, einem Schaltkreis c243 und einem Schaltkreis d244.
Die Dreiachsenerfassungsschaltung 307 besteht aus den Kondensatoren 1A bis 4A, von denen die einen Enden am selben Punkt (Eingangspunkt der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110) angeschlossen sind, und dem Kondensator Zr.
Hier ist der Punkt, der zuvor einen Anschluss (eine Verbindung) mit den einen Enden der Kondensatoren 1A bis 4A und Zr herstellte, dazu ausgelegt, einen gemeinsamen Punkt zu bilden, und darüber hinaus sind Anschlusspunkte an den anderen Endseiten der jeweiligen Kondensatoren 1A bis 4A und Zr dazu ausgelegt, variierende Enden zu bilden.
Darüber hinaus ist der Kondensator Zr dazu ausgelegt, als Bezugskondensator zu fungieren, der zur Erfassung in der z-Achsenrichtung der Masse 13 verwendet wird.
Deshalb ist eine elektrostatische Kapazität des Kondensators Zr in einem Anfangsstadium (einem Stadium, in dem noch keine Veränderung bei einer Lage der Masse 13 herbeigeführt wurde) dazu ausgelegt, gleich einer Gesamtsumme der elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren 1A bis 4A zu sein.
Wenn beispielsweise im Anfangsstadium ein Zwischenraum zwischen der Steuerelektrode 230 und der Masse 13 und ein Zwischenraum zwischen den feststehenden Elektroden 221 bis 224 und der Masse 13 gleich eingestellt sind, ist eine Fläche der Steuerelektrode gleich einer Gesamtsumme von Flächen der feststehenden Elektroden 221 bis 224 ausgelegt.
Beim Schaltkreis a241, beim Schaltkreis b242, beim Schaltkreis c243 und beim Schaltkreis d244 handelt es sich jeweils um einen dreipoligen Schalter, der durch einen ersten Anschluss ein feststehendes Ende und durch einen zweiten und dritten Anschluss schaltende Enden bildet.
Der erste Anschluss des Schaltkreises a241 ist an das variierende Ende des Kondensators 2A, d.h. die feststehende Elektrode 222 angeschlossen.
Der zweite Anschluss des Schaltkreises a241 ist an ein Ausgangsende, das eine Trägerwelle ausgibt, von der eine Phase um 90° verschoben ist (nachstehend als Trägerwellenausgangsende bezeichnet), d.h. eine Ausgangsleitung des 90°-Phasenschiebers 103 angeschlossen, und der dritte Anschluss ist an ein Ausgangsende für eine Trägerwelle, von der eine Phase umgekehrt ist (nachstehend als Umkehrträgerwelle bezeichnet), d.h. ein Ausgangsende des Umkehrverstärkers 105 angeschlossen.
Gemäß dem Schaltkreis b242 ist das erste Ende an das variierende Ende des Kondensators 4A (die feststehende Elektrode 224) angeschlossen, der zweite Anschluss ist an das Ausgangsende für die Trägerwelle angeschlossen, und der dritte Anschluss ist an das Ausgangsende für die Umkehrträgerwelle angeschlossen.
Gemäß dem Schaltkreis c243 ist das erste Ende an das variierende Ende des Kondensators 3A (die feststehende Elektrode 223) angeschlossen, der zweite Anschluss ist an das Ausgangsende für die Trägerwelle angeschlossen, und der dritte Anschluss ist an das Ausgangsende für die Umkehrträgerwelle angeschlossen.
Gemäß dem Schaltkreis d244 ist der erste Anschluss an das variierende Ende des Kondensators Zr (die Steuerelektrode 230) angeschlossen, der zweite Anschluss ist an das Ausgangsende für die Umkehrträgerwelle angeschlossen, und der dritte Anschluss ist an einen Masseanschluss angeschlossen. Der Masseanschluss bedeutet einen Anschluss, der ein Erdungspotential (Massepotential) für den Winkelgeschwindigkeitssensor bildet.
Gemäß dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor werden die Anschlusspunkte des Schaltkreises a241, des Schaltkreises b242, des Schaltkreises c243 und des Schaltkreises d244 auf Grundlage vorbestimmter Schaltsignale C2A, C3A, C4A und C5A geschaltet, die in der Steuertaktgeberschaltung 102 erzeugt werden.
Dadurch werden die Leitungsverbindungszustände der Dreiachsenerfassungsschaltung 307, d.h. die Verbindungszustände der Kondensatoren 1A bis 4A und Zr geschaltet.
Gemäß dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor kann durch Umschalten des Verbindungszustands (Leitungsverbindungszustands) der Dreiachsenerfassungsschaltung 307, zwischen der Einstellung einer Betriebsart, welche die x-Achsenerfassungsschaltung 307 zur Erfassung der Veränderung bei der Lage der Masse 13 in der x-Achsenrichtung (x-Achsenerfassungsbetriebsart), einer Betriebsart, welche die y-Achsenerfassungsschaltung zur Erfassung der Veränderung bei der Lage der Masse 13 in der y-Achsenrichtung (y-Achsenerfassungsbetriebsart), und einer Betriebsart, welche die z-Achsenerfassungsschaltung zur Erfassung der Veränderung bei der Lage der Masse 13 in der z-Achsenrichtung (z-Achsenerfassungsbetriebsart) gewechselt werden.
Gemäß dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor erfolgt die Umschaltung der Erfassungsbetriebsarten wiederholt in einer Reihenfolge x-Achsenerfassungsbetriebsart → y-Achsenerfassungsbetriebsart → z-Achsenerfassungsbetriebsart.
Als Nächstes erfolgt eine ausführliche Erläuterung eines Verfahrens zum Umschalten der Erfassungsbetriebsarten in dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor.
10 ist eine Tabelle, die ein Verhältnis zwischen einem Verbindungszustand des Schaltkreises und der bestehenden Erfassungsbetriebsart der Dreiachsenerfassungsschaltung 307 in dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor zeigt.
11 ist ein Zeitschema, das Signalwellenformen jeweiliger Abschnitte in der C/V-Wandlerschaltung 100 nach dem zweiten modifizierten Beispiel zeigt.
Gemäß dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor wird, wie in 10 gezeigt ist, ein Zeitraum, in dem der zweite Anschluss der Erfassungsschaltung a241 zum Verbindungsanschluss wird (Anschluss, der zum ersten Anschluss führt), der dritte Anschluss des Schaltkreises b242 zum Verbindungsanschluss wird, der dritte Anschluss des Schaltkreises c243 zum Verbindungsanschluss wird, und der dritte Anschluss des Schaltkreises d244 zum Verbindungsanschluss wird, zu einem Zeitraum, in dem die x-Achse die Empfindlichkeit besitzt, d.h. es besteht die x-Achsenerfassungsbetriebsart.
In der x-Achsenerfassungsbetriebsart wird ein Verbindungszustand (Leitungsverbindungszustand) herbeigeführt, bei dem die variierenden Enden des Kondensators 1A und des Kondensators 2A verbunden werden, die Trägerwelle von den verbundenen variierenden Enden her angelegt wird, die variierenden Enden des Kondensators 3A und des Kondensators 4A verbunden werden und die Umkehrträgerwelle von den verbundenen variierenden Enden her angelegt wird.
Die Stromsignale, die Unterschiede der elektrostatischen Kapazitäten der in Reihe geschalteten Kondensatoren anzeigen, werden vom gemeinsamen Punkt der Dreiachsenerfassungsschaltung 307 her in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben, und das Vxout-Signal wird erzeugt, welches das Erfassungssignal für die Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeit der x-Achse darstellt.
Wie in 10 gezeigt ist, wird ein Zeitraum, in dem der dritte Anschluss der Erfassungsschaltung a241 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises b242 zum Verbindungsanschluss wird, der dritte Anschluss des Schaltkreises c243 zum Verbindungsanschluss wird, und der dritte Anschluss des Schaltkreises d244 zum Verbindungsanschluss wird, zu einem Zeitraum, in dem die y-Achse die Empfindlichkeit besitzt, d.h. es besteht die y-Achsenerfassungsbetriebsart.
Entsprechend der y-Achsenerfassungsbetriebsart wird ein Verbindungszustand herbeigeführt, bei dem die variierenden Enden des Kondensators 1A und des Kondensators 4A verbunden werden, die Trägerwelle von den verbundenen variierenden Enden her angelegt wird, und darüber hinaus die variierenden Enden des Kondensators 2A und des Kondensators 3A verbunden werden und die Umkehrträgerwelle von den verbundenen variierenden Enden her angelegt wird.
Stromsignale, die Unterschiede der elektrostatischen Kapazitäten der in Reihe geschalteten Kondensatoren anzeigen, werden vom gemeinsamen Punkt der Dreiachsenerfassungsschaltung 307 her in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben, und das Vyout-Signal wird erzeugt, welches das Erfassungssignal für die Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeit der y-Achse darstellt.
Wie in 10 gezeigt ist, wird ein Zeitraum, in dem der zweite Anschluss der Erfassungsschaltung a241 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises b242 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises c243 zum Verbindungsanschluss wird, und der zweite Anschluss des Schaltkreises d244 zum Verbindungsanschluss wird, zu einem Zeitraum, in dem die z-Achse die Empfindlichkeit besitzt, d.h. es besteht die z-Achsenerfassungsbetriebsart.
Entsprechend der z-Achsenerfassungsbetriebsart wird ein Verbindungszustand herbeigeführt, bei dem alle variierenden Enden der Kondensatoren 1A bis 4A verbunden werden, die Trägerwelle von den verbundenen variierenden Enden her angelegt wird, und darüber hinaus die Umkehrträgerwelle vom variierenden Ende des Kondensators Zr her angelegt wird.
Stromsignale, die Unterschiede der elektrostatischen Kapazitäten der in Reihe geschalteten Kondensatoren anzeigen, werden vom gemeinsamen Punkt der Dreiachsenerfassungsschaltung 307 her in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben, und das Vzout-Signal wird erzeugt, welches das Erfassungssignal für die Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeit der z-Achse darstellt.
Gemäß dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor besteht, wie in 11 gezeigt, ein Aufbau, bei dem die x-Achsenerfassungsbetriebsart (im Zeitraum TX, in dem die x-Achse die Empfindlichkeit hat), die y-Achsenerfassungsbetriebsart (im Zeitraum TY, in dem die y-Achse die Empfindlichkeit hat), und die z-Achsenerfassungsbetriebsart (im Zeitraum TZ, in dem die z-Achse die Empfindlichkeit hat) in dieser Reihenfolge auftreten.
Indem in den Synchronerfassungsschaltungen 112 bis 114 die Zeitmultiplexverarbeitung auf Grundlage von Umschaltungen von Zeitvorgaben der Trägerwelle durchgeführt wird, d.h. die Zeitvorgaben der jeweiligen Erfassungsbetriebsarten umgeschaltet werden, werden die x-Achsenerfassungssignalkomponente (Vdx), die y-Achsenerfassungssignalkomponente (Vdy) und die z-Achsenerfassungssignalkomponente (Vdz) abgetrennt (extrahiert).
Gemäß dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor erfolgt eine Steuerverarbeitung des Steuersignals zum Anlegen der Wechselstromspannung an den Kondensator ZB durch eine Rückkopplungsregelung unter Verwendung der Veränderung bei der Lage der Masse 13 in der z-Achsenrichtung, d.h. eines Erfas sungsergebnisses, das auf den Veränderungen bei den elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren 1A bis 4A beruht.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor nicht nur eine Dreiachsenerfassung eines Dynamikbetrags problemlos durchgeführt werden, sondern indem auch die Dreiachsenerfassung durch die feststehenden Elektroden 221 bis 224 unter Verwendung der Zeitmultiplexverarbeitung durchgeführt wird, kann die Empfindlichkeit in der x-Achsenrichtung, die Empfindlichkeit in der y-Achsenrichtung und die Empfindlichkeit in der z-Achsenrichtung im Wesentlichen gleich ausgelegt werden.
Gemäß dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor wird die ausschließlich für die z-Achsenerfassung vorgesehene Elektrode nicht verwendet, und deshalb kann nicht nur eine Anzahl der Elektroden, sondern auch eine Anzahl von Leitungen zwischen dem Sensor (der Elektrode) und der Steuerschaltung IC gesenkt werden. Da darüber hinaus die ausschließlich für die z-Achsenerfassung vorgesehene Elektrode nicht verwendet wird, kann ein Bereich zur Ausbildung der feststehenden Elektroden 221 bis 224 um diesen Betrag weitestgehend sichergestellt und die Empfindlichkeit des Sensors gesteigert werden.
(Drittes modifiziertes Beispiel)
Als Nächstes wird ein drittes modifiziertes Beispiel des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors beschrieben.
Auch bei dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor besteht ein Elektrodenaufbau, der demjenigen des zweiten modifizierten Beispiels ähnlich ist, im Detail sind, wie in 8 gezeigt, die feststehenden Elektroden 221 bis 224 und die Steuerelektrode 230 vorgesehen.
Gemäß dem dritten modifizierten Beispiel erfolgt eine Erläuterung des Winkelgeschwindigkeitssensors, der die in 8 gezeigte Steuerelektrode 230 verwendet, um die Masse 13 in Schwingung zu versetzen, und auch für die Elektrode zur Erfassung der Veränderung in der Lage der Masse 13 in z-Achsenrichtung (z-Achsenerfassung) und zur Erfassung der Verschiebungen in den drei Achsenrichtungen der Masse 13 verwendet wird.
12 ist ein Schaltungsbockschema, das die C/V-Wandlerschaltung 100 in dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor zeigt.
Dieselben Teile wie diejenigen des Aufbaus des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors sind mit denselben Bezeichnungen versehen, eine ausführliche Erläuterung davon wird weggelassen, und Teile, die sich von denjenigen des Aufbaus des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors unterscheiden, werden erläutert.
Der im dritten modifizierten Beispiel gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor ist mit einer Dreiachsenerfassungsschaltung 308 ausgestattet, die auch die Funktionen der x-, y- und z-Achsenerfassungsschaltung hat (auch als diese dient).
Der im dritten modifizierten Beispiel gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor ist mit sechs Umschaltern ausgestattet, um die Leitungsverbindungszustände der Dreiachsenerfassungsschaltung 308 umzuschalten, und zwar im Einzelnen mit dem Schaltkreis a241, dem Schaltkreis b242, dem Schaltkreis c243, einem Schaltkreis e245, einem Schaltkreis f246 und einem Schaltkreis g247.
Die Dreiachsenerfassungsschaltung 308 besteht aus den Kondensatoren 1A bis 4A und den Kondensatoren ZB und Zd, von denen die einen Enden am selben Punkt (Eingangspunkt der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110) angeschlossen sind.
Hier ist der Punkt, der zuvor einen Anschluss (eine Verbindung) mit den einen Enden der Kondensatoren 1A bis 4A, ZB und Zd herstellte, dazu ausgelegt, einen gemeinsamen Punkt zu bilden, und darüber hinaus sind Anschlusspunkte an den anderen Endseiten der jeweiligen Kondensatoren 1A bis 4A, ZB und Zd dazu ausgelegt, variierende Enden zu bilden.
Beim Schaltkreis a241, beim Schaltkreis b242, beim Schaltkreis c243, beim Schaltkreis e245, beim Schaltkreis f246 und beim Schaltkreis g247 handelt es sich jeweils um einen dreipoligen Schalter, der durch einen ersten Anschluss ein feststehendes Ende und durch einen zweiten und dritten Anschluss schaltende Enden bildet.
Die Verbindungsaufbauweisen der Verbindungsschaltung a241, der Verbindungsschaltung b242 und der Verbindungsschaltung c243 sind ähnlich denjenigen des zweiten modifizierten Beispiels, und deshalb unterbleibt deren Erläuterung.
Entsprechend dem Schaltkreis e245 ist der erste Anschluss an das variierende Ende des Kondensators Zd angeschlossen, der zweite Anschluss ist an ein Ende des elektrostatischen Treiberkreises 122 angeschlossen, und der dritte Anschluss ist an einen Masseanschluss angeschlossen.
Entsprechend der Verbindungsschaltung f246 ist der erste Anschluss an das variierende Ende des Kondensators ZB (die Steuerelektrode 230) angeschlossen, der zweite Anschluss ist an ein Ende des elektrostatischen Treiberkreises 122 angeschlossen, und der dritte Anschluss ist an den ersten Anschluss des Schaltkreises g247 angeschlossen.
Entsprechend der Verbindungsschaltung g247 ist der erste Anschluss an den dritten Anschluss des Schaltkreises f246 angeschlossen, der zweite Anschluss ist an einen Masseanschluss angeschlossen, und der dritte Anschluss ist an das Ausgangsende für die Umkehrträgerwelle angeschlossen.
Gemäß dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor werden die Anschlusspunkte des Schaltkreises a241, des Schaltkreises b242, des Schaltkreises c243, des Schaltkreises e245, des Schaltkreises f246 und des Schaltkreises g247 auf Grundlage vorbestimmter Schaltsignale C12A, C13A, C14A, CZB und CD geschaltet, die von der Steuertaktgeberschaltung 102 erzeugt werden.
Dadurch werden die Verbindungszustände der Dreiachsenerfassungsschaltung 308, d.h. die Verbindungszustände der Kondensatoren 1A bis 4A, Zd und ZB umgeschaltet.
Auch bei dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor kann ähnlich dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor durch Umschalten der Verbindungszustände (Leitungsverbindungszustände) der Dreiachsenerfassungsschaltung 308 eine Umschaltung zur x-, y- und z-Achsenerfassungsbetriebsart durchgeführt werden.
Gemäß dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor ist der Kondensator ZB (Kondensator zur Ansteuerung) so ausgelegt, dass während des Zeitraums der z-Achsenerfassungsbetriebsart der Kondensator ZB vom Schaltkreis zum Ansteuern der Masse 13, d.h. dem elektrostatischen Treiberkreis 122 abgetrennt ist, und fungiert als Kondensator zur Erfassung einer Veränderung in der Lage der Masse 13 in der z-Achsenrichtung.
Auf diese Weise ist gemäß dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor der Kondensator ZB dazu ausgelegt, als Bezugskondensator zu fungieren, und er erfasst die Veränderung in der Lage der Masse 13 in der z-Achsenrichtung.
Deshalb ist die elektrostatische Kapazität des Kondensators ZB in einem Anfangsstadium (einem Stadium, in dem noch keine Veränderung bei einer Lage der Masse 13 herbeigeführt wurde) dazu ausgelegt, gleich einer Gesamtsumme der elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren 1A bis 4A zu sein.
Als Nächstes erfolgt eine ausführliche Erläuterung eines Verfahrens zum Umschalten der Erfassungsbetriebsart bei dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor.
13 ist eine Tabelle, die ein Verhältnis zwischen dem Verbindungszustand des Schaltkreises und der bestehenden Erfassungsbetriebsart der Dreiachsenerfassungsschaltung 308 in dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor zeigt.
Gemäß dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor besteht, wie in 13 gezeigt ist, in einem Zeitraum, in dem der zweite Anschluss des Schaltkreises a241 zum Verbindungsanschluss wird (Anschluss, der zum ersten Anschluss führt), der dritte Anschluss des Schaltkreises b242 zum Verbindungsanschluss wird, der dritte Anschluss des Schaltkreises c243 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises e245 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises f246 zum Verbindungsanschluss wird, und der zweite Anschluss des Schaltkreises g247 zum Verbindungsanschluss wird, die x-Achsenerfassungsbetriebsart.
In der x-Achsenerfassungsbetriebsart werden die variierenden Enden des Kondensators 1A und des Kondensators 2A verbunden und die Trägerwelle wird von den verbundenen variierenden Ende her angelegt. Darüber hinaus wird ein Verbindungszustand (Leitungsverbindungszustand) herbeigeführt, in dem die variierenden Enden des Kondensators 3A und des Kondensators 4A verbunden werden und die Umkehrträgerwelle von den verbundenen variierenden Enden her angelegt wird.
Stromsignale, die Unterschiede der elektrostatischen Kapazitäten der in Reihe geschalteten Kondensatoren anzeigen, werden vom gemeinsamen Punkt der Dreiachsenerfassungsschaltung 308 her in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben, und das Vxout-Signal wird erzeugt, welches das Erfassungssignal für die Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeit der x-Achse darstellt.
In der x-Achsenerfassungsbetriebsart wird der zweite Anschluss e245 zum Verbindungsanschluss, der zweite Anschluss des Schaltkreises f246 wird zum Verbindungsanschluss, wodurch der Kondensator Zd und der Kondensator ZB mit dem elektrostati schen Treiberkreis 122 verbunden werden, um anzusteuern, dass die Masse 13 in Schwingung versetzt wird.
Wie in 13 gezeigt ist, besteht in einem Zeitraum, in dem der dritte Anschluss des Schaltkreises a241 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises b242 zum Verbindungsanschluss wird, der dritte Anschluss des Schaltkreises c243 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises e245 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises f246 zum Verbindungsanschluss wird, und der zweite Anschluss des Schaltkreises g247 zum Verbindungsanschluss wird, die y-Achsenerfassungsbetriebsart.
Entsprechend der y-Achsenerfassungsbetriebsart wird ein Verbindungszustand herbeigeführt, bei dem die variierenden Enden des Kondensators 1A und des Kondensators 4A verbunden werden, die Trägerwelle von den verbundenen variierenden Enden her angelegt wird, und darüber hinaus die variierenden Enden des Kondensators 2A und des Kondensators 3A verbunden werden und die Umkehrträgerwelle von den verbundenen variierenden Enden her angelegt wird.
Stromsignale, die Unterschiede der elektrostatischen Kapazitäten der in Reihe geschalteten Kondensatoren anzeigen, werden vom gemeinsamen Punkt der Dreiachsenerfassungsschaltung 308 her in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben, und das Vyout-Signal wird erzeugt, welches das Erfassungssignal für die Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeit der y-Achse darstellt.
In der y-Achsenerfassungsbetriebsart werden, ähnlich der x-Achsenerfassungsbetriebsart, der Kondensator Zd und der Kondensator ZB mit dem elektrostatischen Treiberkreis 122 verbunden, um anzusteuern, die Masse 13 in Schwingung zu versetzen,
Wie in 13 gezeigt ist, besteht in einem Zeitraum, in dem der zweite Anschluss des Schaltkreises a241 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises b242 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises c243 zum Verbindungsanschluss wird, der dritte Anschluss des Schaltkreises e245 zum Verbindungsanschluss wird, der dritte Anschluss des Schaltkreises f246 zum Verbindungsanschluss wird, und der dritte Anschluss des Schaltkreises g247 zum Verbindungsanschluss wird, die z-Achsenerfassungsbetriebsart.
In der z-Achsenerfassungsbetriebsart wird ein Verbindungszustand herbeigeführt, bei dem die variierenden Enden der Kondensatoren 1A bis 4A verbunden werden, die Trägerwelle von den verbundenen variierenden Enden her angelegt wird, und darüber hinaus die Umkehrträgerwelle von den verbundenen variierenden Enden des Kondensators ZB her angelegt wird.
Stromsignale, die Unterschiede der elektrostatischen Kapazitäten der in Reihe geschalteten Kondensatoren anzeigen, werden vom gemeinsamen Punkt der Dreiachsenerfassungsschaltung 308 her in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben, und das Vzout-Signal wird erzeugt, welches das Erfassungssignal für die Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeit der z-Achse darstellt.
In der z-Achsenerfassungsbetriebsart wird der dritte Anschluss des Schaltkreises e245 zum Verbindungsanschluss, der dritte Anschluss des Schaltkreises f246 wird zum Verbindungsanschluss, wodurch der Kondensator Zd und der Kondensator ZB vom elektrostatischen Treiberkreis 122 abgetrennt und deshalb die Masse 13 nicht angesteuert wird, um in Schwingung versetzt zu werden.
Auch bei dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor besteht ähnlich dem im zweiten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor ein Aufbau, bei dem die x-Achsenerfassungsbetriebsart (im Zeitraum TX, in dem die x-Achse die Empfindlichkeit hat), die y-Achsenerfassungsbetriebsart (im Zeitraum TY, in dem die y-Achse die Empfindlichkeit hat), und die z-Achsenerfassungsbetriebsart (im Zeitraum TZ, in dem die z-Achse die Empfindlichkeit hat) in dieser Reihenfolge auftreten.
Indem in den Synchronerfassungsschaltungen 112 bis 114 die Zeitmultiplexverarbeitung auf Grundlage von Umschaltungen von Zeitvorgaben der Trägerwelle durchgeführt, wird, d.h. die Zeitvorgaben der jeweiligen Erfassungsbetriebsarten umgeschaltet werden, werden die x-Achsenerfassungssignalkomponente (Vdx), die y-Achsenerfassungssignalkomponente (Vdy) und die z-Achsenerfassungssignalkomponente (Vdz) abgetrennt (extrahiert).
Gemäß dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor erfolgt nur in der x- und y-Achsenerfassungsbetriebsart eine Verarbeitung zur Steuerung des Steuersignals zum Anlegen einer Wechselstromspannung an den Kondensator ZB durch eine Rückkopplungsregelung unter Verwendung der Veränderung in der Lage der Masse 13 in der z-Achsenrichtung, d.h. eines Erfassungsergebnisses, das auf den Veränderungen in den elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren 1A bis 4A beruht.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor, indem der Kondensator ZB von der Schaltung zum Steuern der Masse 13 in der z-Achsenrichtung abgetrennt wird, der Kondensator so ausgelegt werden, dass er als Bezugskapazität fungiert, die zur Erfassung in der z-Achsenrichtung der Masse 13 verwendet wird. Deshalb kann die Veränderung in der Lage der Masse 13 in der z-Achsenrichtung erfasst werden, ohne den Kondensator Zr zu verwenden, der in den Winkelgeschwindigkeitssensoren der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und des ersten und zweiten modifizierten Beispiels vorgesehen ist.
Bei den Winkelgeschwindigkeitssensoren der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und des ersten und zweiten modifizierten Beispiels muss die Kapazität des Kondensators Zr mit einer Gesamtsumme der Kapazitäten der Kondensatoren 1A bis 4A mit hoher Genauigkeit abgestimmt werden. Bei dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor kann jedoch dadurch, dass der Kondensator Zr entfallen ist, vermieden werden, dass ein Versatz durch einen Fehler beim Einstellen des Kondensators Zr herbeigeführt wird.
Gemäß dem im dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor tragen die Kondensatoren 1A bis 4A und der Kondensator ZB zur z-Achsenerfassung der Masse 13 bei. Das heißt, in der z-Achsenerfassungsbetriebsart tragen die feststehenden Elektroden 221 bis 224 und die Steuerelektrode 230, d.h. zweimal so viele Elektroden wie in der x- oder der y-Achsenerfassungsbetriebsart dazu bei, und deshalb kann die Erfassungsempfindlichkeit in der z-Achsenerfassungsbetriebsart doppelt so hoch ausgelegt werden wie diejenige in der x- oder der y-Achsenerfassungsbetriebsart.
(Viertes modifiziertes Beispiel)
Als Nächstes wird ein viertes modifiziertes Beispiel des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors erläutert.
Auch bei dem im vierten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor ist die in 8 gezeigte Ausbildung der Elektroden ähnlich dem zweiten und dritten modifizierten Beispiel vorgesehen.
Entsprechend dem vierten modifizierten Beispiel erfolgt eine Erläuterung des Winkelgeschwindigkeitssensors, um die Steuerelektrode 230, um die Masse 13 in Schwingung zu versetzen, auch als Elektrode zur Erfassung der Veränderung der Lage der Masse 13 in der z-Achsenrichtung (z-Achsenerfassung) und zur Erfassung der Verschiebungen in den drei Achsenrichtungen der Masse 13 zu verwenden, indem das Zeitmultiplexsystem genutzt wird, das sich aber von der Auslegung her von demjenigen des dritten modifizierten Beispiels unterscheidet.
14 ist ein Schaltungsbockschema, das die C/V-Wandlerschaltung 100 in dem im vierten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor zeigt.
Dieselben Teile wie diejenigen des Aufbaus des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors sind mit denselben Bezeichnungen versehen, eine ausführliche Erläuterung davon wird weggelassen, und Teile, die sich von denjenigen des Aufbaus des vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensors unterscheiden, werden erläutert.
Der im vierten modifizierten Beispiel gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor ist mit einer Dreiachsenerfassungsschaltung 309 ausgestattet, die auch die Funktionen der x-, y- und z-Achsenerfassungsschaltung hat (auch als diese dient) und ist darüber hinaus mit vier Umschaltern ausgestattet, um die Leitungsverbindungszustände der Dreiachsenerfassungsschaltung 309 umzuschalten, und zwar im Einzelnen mit dem Schaltkreis a241, dem Schaltkreis b242, dem Schaltkreis c243, und einem Schaltkreis h248.
Der im vierten modifizierten Beispiel gezeigte Winkelgeschwindigkeitssensor ist mit einer Addierschaltung 250 ausgestattet, um ein Trägersignal b (eine Umkehrträgerwelle) über ein Steuersignal a zu legen, das vom elektrostatischen Treiberkreis 122 ausgegeben wird.
Die Dreiachsenerfassungsschaltung 309 besteht aus den Kondensatoren 1A bis 4A und den Kondensatoren ZB und Zd, von denen die einen Enden am selben Punkt (Eingangspunkt der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110) angeschlossen sind.
Hier ist der Punkt, der zuvor einen Anschluss (eine Verbindung) mit den einen Enden der Kondensatoren 1A bis 4A, ZB und Zd herstellte, dazu ausgelegt, einen gemeinsamen Punkt zu bilden, und darüber hinaus sind Anschlusspunkte an den anderen Endseiten der jeweiligen Kondensatoren 1A bis 4A, ZB und Zd dazu ausgelegt, variierende Enden zu bilden.
Das variierende Ende des Kondensators Zd ist an den elektrostatischen Treiberkreis 122 angeschlossen, und das variierende Ende des Kondensators ZB ist an die Addierschaltung 250 angeschlossen.
Beim Schaltkreis a241, beim Schaltkreis b242, beim Schaltkreis c243 und beim Schaltkreis h248 handelt es sich jeweils um einen dreipoligen Schalter, der durch einen ersten Anschluss ein feststehendes Ende und durch einen zweiten und dritten Anschluss schaltende Enden bildet.
Die Verbindungsaufbauweisen des Schaltkreises a241, des Schaltkreises b242 und des Schaltkreises c243 sind ähnlich denjenigen des zweiten und dritten modifizierten Beispiels, und deshalb unterbleibt deren Erläuterung.
Entsprechend dem Schaltkreis h248 ist der erste Anschluss an die Addierschaltung 250 angeschlossen, der zweite Anschluss ist an das Ausgangsende für die Umkehrträgerwelle angeschlossen, und der dritte Anschluss ist an einen Masseanschluss angeschlossen,
Gemäß dem im vierten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor werden die Anschlusspunkte des Schaltkreises a241, des Schaltkreises b242, des Schaltkreises c243 und des Schaltkreises h248 auf Grundlage vorbestimmter Schaltsignale C22A, C23A, C24A und C25A geschaltet, die von der Steuertaktgeberschaltung 102 erzeugt werden.
Dadurch werden die Verbindungszustände der Dreiachsenerfassungsschaltung 309, d.h. die Verbindungszustände der Kondensatoren 1A bis 4A, Zd und ZB umgeschaltet.
Auch bei dem im vierten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor kann ähnlich dem im zweiten und dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor durch Umschalten des Verbindungszustands (Leitungsverbindungszustands) der Dreiachsenerfassungsschaltung 309 eine Umschaltung zur x-, y- und z-Achsenerfassungsbetriebsart durchgeführt werden.
Gemäß dem im vierten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor besteht ein Aufbau, bei dem dadurch, dass das Trägersignal b zur Erfassung der Veränderung in der Lage der Masse 13 unter Verwendung der Addierschaltung 250 über das Steuersignal a für die Masse 13 gelegt wird, der Kondensator ZB auch ohne Abtrennung vom elektrostatischen Treiberkreis 122 für den Kondensator zur Erfassung der Veränderung in der Lage der Masse 13 in der z-Achsenrichtung (z-Achsenerfassung) verwendet werden kann.
Als Nächstes erfolgt eine ausführliche Erläuterung eines Verfahrens zum Umschalten der Erfassungsbetriebsarten in dem im vierten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor.
15 ist eine Tabelle, die ein Verhältnis zwischen dem Verbindungszustand des Schaltkreises und der bestehenden Erfassungsbetriebsart der Dreiachsenerfassungsschal tung 309 in dem im vierten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor zeigt.
Gemäß dem im vierten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor besteht, wie in 15 gezeigt ist, in einem Zeitraum, in dem der zweite Anschluss der Erfassungsschaltung a241 zum Verbindungsanschluss wird, der dritte Anschluss des Schaltkreises b242 zum Verbindungsanschluss wird, der dritte Anschluss des Schaltkreises c243 zum Verbindungsanschluss wird, und der dritte Anschluss des Schaltkreises h248 zum Verbindungsanschluss wird, die x-Achsenerfassungsbetriebsart.
Auch in der x-Achsenerfassungsbetriebsart des vierten modifizierten Beispiels werden, ähnlich dem zweiten und dritten modifizierten Beispiel, Stromsignale, die Unterschiede der elektrostatischen Kapazitäten der in Reihe geschalteten Kondensatoren anzeigen, vom gemeinsamen Punkt der Dreiachsenerfassungsschaltung 309 her in die Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingegeben, und das Vxout-Signal wird erzeugt, welches das Erfassungssignal für die Winkelgeschwindigkeitsempfindlichkeit der x-Achse darstellt.
In einem Zeitraum, in dem der dritte Anschluss des Schaltkreises a241 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises b242 zum Verbindungsanschluss wird, der dritte Anschluss des Schaltkreises c243 zum Verbindungsanschluss wird, und der dritte Anschluss des Schaltkreises h248 zum Verbindungsanschluss wird, besteht die y-Achsenerfassungsbetriebsart.
In einem Zeitraum, in dem der zweite Anschluss des Schaltkreises a241 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises b242 zum Verbindungsanschluss wird, der zweite Anschluss des Schaltkreises c243 zum Verbindungsanschluss wird, und der zweite Anschluss des Schaltkreises h248 zum Verbindungsanschluss wird, besteht die z-Achsenerfassungsbetriebsart.
Nach der z-Achsenerfassungsbetriebsart im vierten modifizierten Beispiel wird, indem der Verbindungsanschluss durch den zweiten Anschluss des Schaltkreises h248 gebildet wird, das Trägersignal b an die Addierschaltung 250 angelegt. Darüber hinaus wird in der Addierschaltung 250 das Trägersignal b zum Steuersignal a der Masse 113 addiert (über dieses gelegt).
Deshalb kann entsprechend dem im vierten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor die Masse 113 in allen Erfassungsbetriebsarten angesteuert werden, um gleichzeitig in Schwingung versetzt zu werden.
Auch bei dem im vierten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor besteht, ähnlich den im zweiten und dritten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensoren, ein Aufbau, bei dem die x-Achsenerfassungsbetriebsart (im Zeitraum TX, in dem die x-Achse die Empfindlichkeit hat), die y-Achsenerfassungsbetriebsart (im Zeitraum TY, in dem die y-Achse die Empfindlichkeit hat), und die z-Achsenerfassungsbetriebsart (im Zeitraum TZ, in dem die z-Achse die Empfindlichkeit hat) in dieser Reihenfolge auftreten.
Indem in den Synchronerfassungsschaltungen 112 bis 114 die Zeitmultiplexverarbeitung auf Grundlage von Umschaltungen von Zeitvorgaben der Trägerwelle durchgeführt, wird, d.h. die Zeitvorgaben der jeweiligen Erfassungsbetriebsarten umgeschaltet werden, werden die x-Achsenerfassungssignalkomponente (Vdx), die y-Achsenerfassungssignalkomponente (Vdy) und die z-Achsenerfassungssignalkomponente (Vdz) abgetrennt (extrahiert).
Im HPF 111 ist ein Durchlassbereich so eingestellt, dass eine Frequenzkomponente des Steuersignals a ausreichend behindert wird.
Wie vorstehend beschrieben, kann entsprechend dem im vierten modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor, indem die Addierschaltung 250 bereitgestellt wird, um das Trägersignal b über das Steuersignal a zu legen, in der z-Achsenerfassungsbetriebsart der Kondensator ZB zum Ansteuern so ausgelegt werden, dass er als Bezugskapazität fungiert, die bei der Erfassung der Masse 13 in der z-Achsenrichtung verwendet wird. Deshalb kann die Veränderung in der Lage der Masse 13 in der z-Achsenrichtung ähnlich dem dritten modifizierten Beispiel, ohne den Kondensator Zr zu verwenden, erfasst werden, der in den Winkelgeschwindigkeitssensoren des ersten und zweiten modifizierten Beispiels vorgesehen ist.
(Fünftes modifiziertes Beispiel)
Als Nächstes wird ein fünftes modifiziertes Beispiel der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläutert.
Bei einem im fünften modifizierten Beispiel gezeigten Winkelgeschwindigkeitssensor ist, um noch mehr zu verhindern, dass eine Kreuzkopplung (Interferenz mit der Querachse) herbeigeführt wird, ein Zeitmultiplex-Nichterfassungszeitraum vorgesehen, in dem Signale des Vxout- und des Vyout-Signals, die unter Verwendung des Zeitmultiplexsystems bereitgestellt werden, nicht erfasst (extrahiert) werden.
Die in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform (5) erläuterte Zeitmultiplexverarbeitung ist so aufgebaut, dass das Vyout-Signal während des Zeitraums ausgegeben wird, in dem das Vxout-Signal auf AUS ist, und das Vxout-Signal während eines Zeitraums ausgegeben wird, in dem das Vyout-Signal auf AUS ist.
16 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Signalwellenform zeigt, die abgeflacht ist.
Wenn allerdings ein Ansprechband der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 nicht ausreicht, beispielsweise wenn eine Grenze eines hohen Bands so eingeschränkt ist, dass sie niedrig liegt, wie durch eine unterbrochene Linie in 16 gezeigt ist, besteht insofern ein Problem, als die Signalwellenform abgeflacht und ein Signal während des AUS-Zeitraums erzeugt wird.
Wenn im Einzelnen ein Signal auf EIN und wenn ein Signal auf AUS geht, d.h., wenn das Vxout- oder das Vyout-Signal ansteigt, und wenn das Signal abfällt, entsteht eine Verzögerung (Phasenverzögerung).
Solch eine Übergangsabflachung der Signalwellenform, das heißt, die Übergangsphasenverzögerung tritt dann deutlich auf, wenn die Zweiachsenerfassungsschaltung 107 zu einem Zeitpunkt umgeschaltet wird, zu dem die Phase des Synchronerfassungstakts (der Trägerwelle) 90° oder 270° beträgt.
17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Kreuzkopplung mit einem Erfassungssignal der z-Achse zeigt.
Wie in 17 gezeigt ist, wird, wenn die Phasenverzögerung des Vxout- oder Vyout-Signals auftritt, d.h. wenn es eine Phasenverzögerung eines CV-Ausgangs von Querachsen (x- und y-Achse) gibt, die einem Synchronerfassungsausgang seiner eigenen Achse (z-Achse in diesem Fall) entspricht, ein Teil der Phasenverzögerung wie durch die unterbrochene Linie gezeigt.
Dann gibt es, wie in 17 gezeigt, eine Kreuzkopplung mit dem Erfassungssignal der z-Achse als Komponente eines Phasenverzögerungsbetrags (in der Zeichnung durch α angegeben).
Beim Winkelgeschwindigkeitssensor nach der Ausführungsform wird ein Steuersignal erzeugt, um die Masse 13 einer Resonanzprimärschwingung zu unterziehen, damit die Coriolis-Kraft auf Grundlage des Erfassungssignals der z-Achsenerfassungsschaltung 309 (z-Achsensignal) erfasst wird, und darüber hinaus wird das Erfassungssignal der z- Achsenerfassungsschaltung (z-Achsensignal) als Bezugssignal der Synchronerfassungsschaltung 114 verwendet.
Wenn deshalb die Wellenformabflachung des Vxout- oder Vyout-Signals die Kreuzkopplung mit dem Erfassungssignal der z-Achsenerfassungsschaltung 109 entstehen lässt, stellt ein Einfluss davon Rauschen (ein Rauschsignal) wie es ist dar, und deshalb werden eine Genauigkeit der Vibration oder Stabilität der Masse 13 und darüber hinaus eine Erfassungsgenauigkeit der Synchronerfassungsschaltung 114 herabgesetzt und eine Erfassungsgenauigkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors wird schlechter.
Von daher wird, um den Einfluss einzuschränken, der sich auswirkt, wenn die Kreuzkopplung mit dem z-Achsenerfassungssignal (z-Achsenausgang) auf diese Weise herbeigeführt wird, ein Nichterfassungszeitraum (Nichterfassungsabschnitt) für das z-Achsenerfassungssignal in einem Zeitraum vorgesehen, in dem eine Interferenz mit den Querachsen (x-Achse, y-Achse) vorhergesagt wird, d.h. einem Zeitraum, in dem eine Entstehung von Kreuzkopplung vorhergesagt wird.
Vorzugsweise sollte ein Nichterfassungszeitraum (Nichterfassungsabschnitt) für ein Signal auch zu einem Zeitpunkt des Umschaltens des Vxout- und Vyout-Signals vorgesehen werden, so das der Einfluss der Abflachung der Signalwellenform, wie er in 16 gezeigt ist, sich nicht in einem Intervall zwischen dem Vxout- und dem Vyout-Signal auswirkt, die den Gegenstand der Zeitmultiplexverarbeitung bilden.
Hier wird jetzt die Einstellung des Nichterfassungszeitraums erläutert.
Wenn ein Nichterfassungszeitraum für ein Erfassungssignal länger dauert, wird eine Erfassungsempfindlichkeit für eine einen Gegenstand bildenden Achse schlechter. Dann besteht eine Möglichkeit, bei der ein Rauschabstand (S/N-Verhältnis) eines Erfassungssignals herabgesetzt ist und eine Erfassungsgenauigkeit schlechter wird.
Deshalb sollte der Nichterfassungszeitraum für das z-Achsenerfassungssignal auf eine notwendige Mindestlänge eingestellt werden.
Wie vorstehend beschrieben, wird die Abflachung der Wellenformen des Vxout- und Vyout-Signals, die den Ausgang der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 bilden, dadurch herbeigeführt, dass das Band auf der Hochfrequenzseite der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eingeschränkt wird.
Hier wird ein Verhältnis zwischen einer hochfrequenzseitigen Abschaltfrequenz fc der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 und einer Frequenz fo der Trägerwelle (V0-Signal) wie folgt definiert. fc = kfo (Gleichung 1)
Das Zeichen k bezeichnet eine proportionale Konstante und ist normalerweise gleich oder größer 1.
In Gleichung 1 ist im Verhältnis der Abflachungsgrad der Wellenform umso kleiner. je größer die proportionale Konstante k ist.
Wenn beispielsweise eine Frequenzkennlinie in einem Hochfrequenzband der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 eine Dämpfungskennlinie mit einer ersten Größenordnung haben soll, kann die hochfrequenzseitige Abschaltfrequenz fc wie folgt ausgedrückt werden. fc = 1/2 πτ (Gleichung 2)
Das Zeichen τ bezeichnet eine Zeitkonstante.
18 ist ein Diagramm, das eine Stufenansprechkennlinie der Strom-/Spannungswandlerschaltung 110 zeigt.
Darüber hinaus ist in 18 eine Eingangsspannung (Stufenfunktion) auf einer oberen Stufe gezeigt, und eine Ausgangsspannung (Ansprechwellenform) ist auf einer unteren Stufe gezeigt.
Wie in 18 gezeigt ist, ist bekannt, dass zu einem Zeitpunkt nach Verstreichen von 3τ nach Eingabe der Eingangsspannung das Ansprechverhalten um ca. 95% der Eingangsspannung ansteigt, und zu einem Zeitpunkt nach Verstreichen von 4τ um ca. 98% der Eingangsspannung ansteigt.
Das heißt, die Zeit (der Zeitraum) von t = 0 (Eingabe der Eingangsspannung) bis t 4τ stellt einen Zeitraum zur Entstehung einer Abflachung der Wellenform dar.
19 zeigt ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einem Zeitraum, ab dem das x-Achsensignal (Vxout-Signal) oder das y-Achsensignal (Vyout-Signal) zu erfassen begonnen wird, bis der Nichterfassungszeitraum für das z-Achsenerfassungssignal zu Ende geht, und der Kreuzkopplung mit dem z-Achsenerfassungssignal zeigt.
Darüber hinaus zeigt die Kreuzkopplung, die in der Ordinate angegeben ist, einen Interferenzbetrag von den Querachsen (x-Achse, y-Achse), der im z-Achsenerfassungssignal enthalten ist.
Der Zeitpunkt zum Beenden des Nichterfassungszeitraums ist in einem Bereich angesetzt, der die Vorschrift (zulässiger Genauigkeitsbereich) für den Sensor o. dgl. erfüllen kann, die (der) auf dem Verhältnisdiagramm von 19 aufbaut.
Indem beispielsweise der Zeitpunkt zum Beenden des Nichterfassungszeitraums für das z-Achsenerfassungssignal auf einen Zeitpunkt von ab dem Beginn der Erfassung des x-Achsensignals (Vxout-Signals) oder y-Achsenerfassungssignals (Vyout-Signals) zu verstreichenden 3τ bis 4τ gesetzt wird, kann die Kreuzkopplung mit dem z-Achsenerfassungssignal erheblich besser gesenkt werden.
Wenn hier die Zeitkonstante τ auf Grundlage von Gleichung 1 und Gleichung 2 ausgedrückt wird, wird das folgende Verhältnis hergestellt: τ = 1/2 πfc = 1/2 πkfo = To/2πk (Gleichung 3)
Das Zeichen To bezeichnet eine Periode einer Trägerwelle (V0-Signal).
Dann lassen sich 2τ, 3τ und 4τ unter Verwendung von To und k jeweils wie folgt ausdrücken. 2τ = 2/2 πkfo = 2To/2 πk (Gleichung 4) 3τ = 3/2 πkfo = 3To/s πk (Gleichung 5) 4τ = 4/2 πkfo = 4To/s πk (Gleichung 6)
Wie aus Gleichung 3 bis Gleichung 6 bekannt ist, ist der Nichterfassungszeitraum umso kürzer, je größer der Wert k ist.
Indem nach dem fünften modifizierten Beispiel auf diese Weise der Nichterfassungszeitraum für das z-Achsenerfassungssignal bereitgestellt wird, kann der auf das z-Achsenerfassungssignal wirkende Einfluss der Kreuzkopplung aus dem X- und y-Achsenerfassungssignal eingeschränkt (gesenkt) werden. Dadurch kann der Rauschbetrag im elektrostatischen Treibersignal für Masse 13 gesenkt werden, und deshalb kann die Erfassungsgenauigkeit der Winkelgeschwindigkeit weiter gesteigert werden.
Ein technisches Verfahren zum Bereitstellen des im fünften modifizierten Beispiel gezeigten Nichterfassungszeitraums, um den Einfluss von Kreuzkopplung zu senken, lässt sich auch auf die Winkelgeschwindigkeitssensoren anwenden, die im ersten bis vierten modifizierten Beispiel gezeigt sind.

Claims

Dynamikbetragsensor, der Folgendes umfasst: einen Rahmen mit einem hohlen Abschnitt; einen am Rahmen befestigten Träger mit einer Flexibilität; eine Masse, die mittels des Träges vom Rahmen gehaltert ist, wovon ein Oberflächenabschnitt als bewegliche Elektrode fungiert, und wovon eine Lage durch Einwirken einer äußeren Kraft verändert wird; mehrere feststehende Elektroden, die der Masse entgegengesetzt zugewandt angeordnet sind; Erfassungseinrichtungen zum Erfassen einer Veränderung in einer elektrostatischen Kapazität eines elektrostatischen Kapazitätselements, das die bewegliche Elektrode und die feststehende Elektrode umfasst; eine Schalteinrichtung, um die Erfassungseinrichtung in einen Verbindungszustand für eine erste Erfassungsschaltung, um die Veränderung in der elektrostatischen Kapazität des elektrostatischen Kapazitätselements entsprechend einer Veränderung bei einer Lage in einer ersten Erfassungsachsenrichtung der Masse, und einen Verbindungszustand für eine zweite Erfassungsschaltung umzuschalten, um die Veränderung in der elektrostatischen Kapazität des elektrostatischen Kapazitätselements entsprechend einer Veränderung bei einer Lage in einer zweiten Erfassungsachsenrichtung der Masse durch Umschalten eines Leitungsverbindungszustands zu erfassen; und eine Dynamikbetragausgabeeinrichtung, um eine erste Erfassungsachsenrichtungskomponente und eine zweite Erfassungsachsenrichtungskomponente eines wirkenden Dynamikbetrags auf Grundlage eines Erfassungsergebnisses der Erfassungseinrichtung auszugeben.
Dynamikbetragsensor nach Anspruch 1, wobei die Schalteinrichtung die Erfassungseinrichtung in den Verbindungszustand der ersten Erfassungsschaltung, den Verbindungszustand der zweiten Erfassungsschaltung und einen Verbindungszustand einer dritten Erfassungsschaltung umschaltet, um die Veränderung in der elektrostatischen Kapazität des elektrostatischen Kapazitätselements entsprechend einer Veränderung in einer dritten Erfassungsachsenrichtung der Masse durch Umschalten des Leitungsverbindungszustands des elektrostatischen Kapazitätselements zu erfassen; und wobei die Dynamikbetragausgabevorrichtung die erste Erfassungsachsenrichtungskomponente, die zweite Erfassungsachsenrichtungskomponente und eine dritte Erfassungsachsenrichtungskomponente des wirkenden Dynamikbetrags auf Grundlage des Erfassungsergebnisses der Erfassungseinrichtung ausgibt.
Dynamikbetragsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schalteinrichtung Leitungsverbindungszustände der elektrostatischen Kapazitätselemente zu jedem konstanten Zeitintervall auf Grundlage von Zeitvorgaben eines Steuertaktsignals umschaltet; wobei Ausgangssignale der Erfassungseinrichtung in dieselbe Verstärkerschaltung eingegeben werden; und wobei die Dynamikbetragausgabeeinrichtung den Dynamikbetrag ausgibt, der in jeweiligen Achsenrichtungen der Masse wirkt, nachdem Erfassungssignale der elektrostatischen Kapazitäten der jeweiligen Erfassungsschaltungen durch Ausführen einer Zeitmultiplexverarbeitung auf Grundlage der Umschaltzeitvorgaben durch die Schalteinrichtung abgetrennt wurden.
Dynamikbetragsensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit den elektrostatischen Kapazitätselementen in Reihe geschaltet ist, deren elektrostatischen Kapazitäten entsprechend einer Neigung in der ersten Erfassungsachsenrichtung der Masse symmetrisch verändert werden; wobei die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit den elektrostatischen Kapazitätselementen in Reihe geschaltet ist, deren elektrostatischen Kapazitäten entsprechend einer Neigung in der zweiten Erfassungsachsenrichtung der Masse symmetrisch verändert werden; und wobei jeweilige der in Reihe geschalteten elektrostatischen Kapazitätselemente der ersten und der zweiten Erfassungsschaltung eine Trägerwellenanlegeeinrichtung umfassen, um Trägerwellen anzulegen, wovon Phasen um 180° voneinander umgekehrt sind.
Dynamikbetragsensor nach Anspruch 4, wobei die dritte Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit den elektrostatischen Kapazitätselementen in Reihe geschaltet ist, deren elektrostatischen Kapazitäten entsprechend einer Neigung in der dritten Erfassungsachsenrichtung der Masse symmetrisch verändert werden; und wobei die Trägerwellenanlegeeinrichtung Trägerwellenanlegeinrichtungen umfasst, um Trägerwellen, wovon Phasen um 180° voneinander umgekehrt sind, an jeweilige der in Reihe geschalteten elektrostatischen Kapazitätselemente der dritten Erfassungsschaltung anzulegen.
Dynamikbetragsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die feststehende Elektrode vier erste Elektroden umfasst, die eine Bezugsposition durch eine Mittenposition der Masse bilden und in gleichen Abständen um die Bezugsposition in derselben Ebene angeordnet sind; wobei die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit einer Schaltung in Reihe geschaltet ist, die mit dem ersten elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die in einem ersten Quadranten in einer x-y-Ebene der vier ersten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die in einem zweiten Quadranten angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, parallelgeschaltet ist, und eine Schaltung umfasst, die mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die in einem vierten Quadranten in der x-y-Ebene der vier ersten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement parallelgeschaltet ist, das durch die erste Elektrode, die in einem dritten Quadranten angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist; wobei die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit einer Schaltung in Reihe geschaltet ist, die mit dem ersten elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die im ersten Quadranten in einer x-y-Ebene der vier ersten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die im vierten Quadranten angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, parallelgeschaltet ist, und eine Schaltung umfasst, die mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die im dritten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement parallelgeschaltet ist, das durch die erste Elektrode, die im zweitem Quadranten angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist; und wobei die Schalteinrichtung die Leitungsverbindungszustände der elektrostatischen Kapazitätselemente so umschaltet, dass die Erfassungseinrichtung die erste Erfassungsschaltung oder die zweite Erfassungsschaltung bildet.
Dynamikbetragsensor nach Anspruch 6, wobei die feststehende Elektrode darüber hinaus vier zweite Elektroden in einer den vier ersten Elektroden mittels der Masse entgegengesetzten Ebene umfasst; wobei die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im vierten Quadranten in der x-y-Ebene der vier zweiten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im dritten Quadranten in der x-y-Richtung angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die im ersten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, parallelgeschaltet ist, und darüber hinaus mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im ersten Quadranten in der x-y-Ebene der vier zweiten Elektroden angeordnet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode, die im dritten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, parallelgeschaltet ist, und wobei die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im ersten Quadranten in der x-y-Ebene der vier zweiten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im vierten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement parallelgeschaltet ist, das durch die erste Elektrode, die im dritten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und darüber hinaus mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im dritten Quadranten in der x-y-Ebene der vier zweiten Elektroden angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die zweite Elektrode, die im zweiten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement parallelgeschaltet ist, das durch die erste Elektrode, die im ersten Quadranten in der x-y-Ebene angeordnet ist, und die bewegliche Elektrode gebildet ist.
Dynamikbetragsensor nach Anspruch 6, wobei die feststehende Elektrode darüber hinaus eine dritte Elektrode in der den vier ersten Elektroden mittels der Masse entgegengesetzten Ebene umfasst; und wobei die dritte Erfassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die mit dem elektrostatischen Kapazitätselement, das durch die erste Elektrode und die bewegliche Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement in Reihe geschaltet ist, das durch die dritte Elektrode und die bewegliche Elektrode gebildet ist.
Dynamikbetragsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Dynamikbetragausgabeeinrichtung eine Erfassung von Signalen der elektrostatischen Kapazitäten der jeweiligen Erfassungsschaltungen nach einem Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer von einer Zeitvorgabe einer Schaltverbindung durch die Schalteinrichtung abtrennt.
Dynamikbetragsensor nach Anspruch 9, wobei die vorbestimmte Zeitdauer in einem Bereich von 3 bis 4 τ von der Zeitvorgabe des Umschaltens der Verbindung durch die Schalteinrichtung vorgesehen ist.