DE102011075428B4

DE102011075428B4 - Winkelgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE102011075428B4
Application number: DE102011075428A
Authority: DE
Inventors: Minekazu Sakai; Takashi Katsumata; Tomoya Jomori
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-05-07
Also published as: JP2011237264A; US8601873B2; DE102011075428A1; JP5494202B2; US20110271759A1

Abstract

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor, aufweisend: ein Substrat; einen Vibrator; einen Balkenteil, der den Vibrator mit dem Substrat derart koppelt, dass der Vibrator in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, beweglich ist; einen Antriebsteil, der konfiguriert ist, um den Vibrator in der ersten Richtung zu vibrieren; einen Erfassungsteil, der konfiguriert ist, um Deplatzierung des Vibrators in der zweiten Richtung als eine Kapazitätsänderung zu erfassen, wobei die Deplatzierung des Vibrators in der zweiten Richtung durch Corioliskraft verursacht wird, die in dem Vibrator aufgrund von Vibration des Vibrators und einer Winkelgeschwindigkeit um eine dritte Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung ist, erzeugt wird; und einen Beschränkungsteil, der konfiguriert ist, um Deplatzierung des Vibrators in der zweiten Richtung basierend auf der Kapazitätsänderung zu beschränken, wobei der Winkelgeschwindigkeitssensor derart konfiguriert ist, dass ein Verstimmungsgrad α und ein Q-Wert...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor.
Das JP 3 606 164 B4 (entspricht US-Patent Nr. US 6 473 290 , nachfolgend als Patentdokument 1 bezeichnet) beschreibt einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein Substrat, eine bewegliche Einheit, die mit dem Substrat mittels eines Tragbalkens gekoppelt ist, eine kammförmige bewegliche Elektrode, die in der beweglichen Einheit vorgesehen ist, und eine kammförmige befestigte Elektrode, die in dem Substrat vorgesehen ist, beinhaltet. Die bewegliche Einheit dient als ein Vibrator. Die bewegliche Einheit wird durch den Tragbalken getragen und ist in einer Erfassungsrichtung verstellbar beziehungsweise deplatzierbar. Die kammförmige befestigte Elektrode beinhaltet mehrere befestigte Elektrodenabschnitte, die in der Erfassungsrichtung in vorbestimmten Intervallen angeordnet sind. Die kammförmige bewegliche Elektrode beinhaltet mehrere bewegliche Elektrodenabschnitte. Die bewegliche Elektrode ist in Eingriff mit der befestigten Elektrode, so dass jeder der beweglichen Elektrodenabschnitte sich zwischen zwei angrenzenden der befestigten Elektrodenabschnitte befindet.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor erfasst eine Winkelgeschwindigkeit durch Erfassen einer Kapazitätsänderung eines Kondensators, der durch die befestigten Elektrodenabschnitte und die beweglichen Elektrodenabschnitte bereitgestellt wird, wenn die bewegliche Einheit in der Erfassungsrichtung aufgrund von Corioliskraft entlang der Erfassungsrichtung deplatziert wird.
Das JP 3 512 004 B2 (nachfolgend als Patentdokument 2 bezeichnet) beschreibt einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der ein Substrat, einen Vibrator, eine Servoelektrode und einen Servosteuerschaltkreis beinhaltet. Der Vibrator ist mit dem Substrat mittels eines Balkens und eines Rahmens gekoppelt. Der Vibrator ist in einer Vibrationsrichtung und einer Erfassungsrichtung deplatzierbar. Die Vibrationsrichtung und die Erfassungsrichtung sind parallel zu einer Oberfläche des Substrats und rechtwinklig zueinander. Die Servoelektrode und der Servosteuerschaltkreis beschränken Vibration des Vibrators in der Erfassungsrichtung. Der Winkelgeschwindigkeitssensor berechnet eine Servospannung zum Beschränken der Vibration des Vibrators in der Erfassungsrichtung und berechnet eine Winkelgeschwindigkeit basierend auf der Servospannung.
Jeder der vorstehend beschriebenen Winkelgeschwindigkeitssensoren wird durch Verarbeitung eines Silizium-auf-Isolator(silicon-on-insulator, SOI)-Substrats durch eine bekannte Mikrobearbeitungstechnik hergestellt. Bei einer derartigen Verarbeitung treten in gewissem Maß Bearbeitungsfehler auf. Treten Bearbeitungsfehler auf, kann die Vibration in der Vibrationsrichtung in die Erfassungsrichtung flüchten. Des Weiteren kann in einem Fall, in dem der Vibrator unter atmosphärischem Druck oder unter Druck, der annähernd gleich dem atmosphärischen Druck ist, vibriert wird, die Vibration in der Vibrationsrichtung aufgrund von Viskosität von Gasmolekülen in die Erfassungsrichtung flüchten. Demzufolge vibriert der Vibrator aufgrund der Corioliskraft, einer Fluchtkomponente, die durch den Bearbeitungsfehler verursacht wird, und einer Fluchtkomponente, die durch die Viskosität von Gasmolekülen verursacht wird, in der Erfassungsrichtung.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor, der in dem Patentdokument 1 beschrieben ist, weist keine Konfiguration zum Beschränken des Einflusses der fehlerverursachten Fluchtkomponente und der viskositätsverursachten Fluchtkomponente auf. Somit kann die Erfassungsgenauigkeit der Winkelgeschwindigkeit durch die Fluchtkomponenten reduziert werden.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der in dem Patentdokument 2 beschrieben ist, beschränken die Servoelektrode und der Servosteuerschaltkreis Vibration des Vibrators in der Erfassungsrichtung. Somit kann ein Einfluss der fehlerverursachten Fluchtkomponente und der viskositätsverursachten Fluchtkomponente reduziert werden.
Wie vorstehend beschrieben, vibriert der Vibrator jedoch aufgrund der Corioliskraft, der fehlerverursachten Fluchtkomponente und der viskositätsverursachten Fluchtkomponente in der Erfassungsrichtung. Daher kann, wenn die Fluchtkomponenten zunehmen, eine Servolast, die auf die Servoelektrode und den Servosteuerschaltkreis ausgeübt wird, zunehmen.
Da die fehlerverursachte Fluchtkomponente durch den Bearbeitungsfehler bestimmt wird, ist es schwierig, den Wert der fehlerverursachten Fluchtkomponente durch Einstellen einer Resonanzfrequenz und strukturellen Abmessungen zu reduzieren. Andererseits hängt die viskositätsverursachte Fluchtkomponente von der Resonanzfrequenz ab.
Weitere Winkelgeschwindigkeitssensoren, die ein Substrat, einen Vibrator, einen Balkenteil, einen Antriebsteil, einen Erfassungsteil und weiterhin auch Beschränkungsteile aufweisen sind aus den Druckschriften DE 699 04 551 T2 , DE 697 35 759 T2 , US 2009/0064781 A1 , US 2009/0056444 A1 , US 2007/0131030 A1 und US 2004/0149035 A1 bekannt.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehende Angelegenheit gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer reduzierten Servolast durch Vibrieren eines Vibrators bei einer Resonanzfrequenz bereitzustellen, die die viskositätsverursachte Fluchtkomponente reduzieren kann.
Es kann möglich sein, um die viskositätsverursachte Fluchtkomponente zu eliminieren, einen Winkelgeschwindigkeitssensor so vakuumzuverpacken, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor unter einer Vakuumbedingung betrieben wird. Um eine derartige Vakuumpackung zu implementieren, wird eine komplexe Struktur benötigt, wodurch sich das Herstellungsverfahren erschwert.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Substrat, einen Vibrator, einen Balkenteil, einen Antriebsteil, einen Erfassungsteil und einen Beschränkungsteil. Der Balkenteil koppelt den Vibrator mit dem Substrat derart, dass der Vibrator in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, beweglich beziehungsweise deplatzierbar ist. Der Antriebsteil ist konfiguriert, um den Vibrator in der ersten Richtung zu vibrieren. Der Erfassungsteil ist konfiguriert ist, um Deplatzierung des Vibrators in der zweiten Richtung als eine Kapazitätsänderung zu erfassen, wobei die Deplatzierung des Vibrators in der zweiten Richtung durch Corioliskraft verursacht wird, die in dem Vibrator aufgrund von Vibration des Vibrators und einer Winkelgeschwindigkeit um eine dritte Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung ist, erzeugt wird. Der Beschränkungsteil ist konfiguriert, um Deplatzierung des Vibrators in der zweiten Richtung basierend auf der Kapazitätsänderung zu beschränken.
Ferner ist der Winkelgeschwindigkeitssensor derart konfiguriert, dass ein Verstimmungsgrad α und ein Q-Wert Q_s in der zweiten Richtung eine einer ersten Beziehung, die durch einen von folgenden Ausdrücke 1 und 2 definiert ist, wenn der Q-Wert Qs gleich oder kleiner als 3 ist, und einer zweiten Beziehung erfüllen, die durch einen von folgenden Ausdrücken 3 und 4 definiert ist, wenn der Q-Wert Qs gleich oder größer als 3 ist. Der Verstimmungsgrad α ist durch fs/fd definiert, wobei fs die Resonanzfrequenz in der zweiten Richtung und fd die Resonanzfrequenz in der ersten Richtung ist. Der Q-Wert Qs ist durch (mks)0,5/cs definiert, wobei m eine Masse des Vibrators ist, ks eine Federkonstante des Balkenteils in der zweiten Richtung ist und cs eine Dämpfungskonstante des Vibrators in der zweiten Richtung ist.

<Ausdruck 1> α ≥ –0,099Q 2 / s + 0,4874Q_s + 0,6592 <Ausdruck 2> α ≤ 0,0916Q 2 / s – 0,4795Q_s + 1,4794 <Ausdruck 3> α ≥ 1,2878Q –0,0488 / s <Ausdruck 4> α ≤ 0,8233Q 0,0344 / s
Wird eine Winkelgeschwindigkeit auf den Vibrator in einer Richtung um die dritte Richtung herum, die senkrecht zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung ist, in einem Zustand angewandt, in dem der Vibrator in der ersten Richtung vibriert, vibriert der Vibrator in der zweiten Richtung aufgrund der Corioliskraft, der fehlerverursachten Fluchtkomponente und der viskositätsverursachten Fluchtkomponente. Die viskositätsverursachte Fluchtkomponente hat eine Eigenschaft, proportional zu βsinθ zu sein, das durch den folgenden Ausdruck 5 definiert ist. <Ausdruck 5>
Gemäß dem Ausdruck 5 wird βsinθ durch die Resonanzfrequenzen f_d, f_s (den Verstimmungsgrad α) und den Q-Wert Q_s in der zweiten Richtung bestimmt. Der Q-Wert Q_s hängt hauptsächlich von der Struktur des Winkelgeschwindigkeitssensors ab. Daher wurde eine Bedingung, bei der βsinθ gleich oder kleiner als 1% ist, durch Steuern des Verstimmungsgrads α analysiert.
Die vorstehende Konfiguration wurde basierend auf dem Ergebnis der Analyse ermittelt, und βsinθ ist gleich oder kleiner als 1%, wenn die erste oder zweite Beziehung, die durch eine der vorstehenden Ausdrücke 1 bis 4 definiert ist, erfüllt ist. In einer derartigen Konfiguration wird daher die viskositätsverursachte Fluchtkomponente sogar reduziert, wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor unter atmosphärischem Druck oder Druck, der annähernd gleich dem atmosphärischen Druck ist, betrieben wird, und die Last auf den Beschränkungsteil wird reduziert. Ebenso verbessert sich die Erfassungsgenauigkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors, da die viskositätsverursachte Fluchtkomponente, die in Rauschen resultiert, reduziert wird.
In einem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Vibrator einer eines Paars von Vibratoren, und jeder Vibrator des Paars von Vibratoren einen Antriebsrahmen, der eine Rahmenform aufweist, und einen Erfassungsrahmen, der eine Rahmenform aufweist und durch den Antriebsrahmen umgeben ist, beinhaltet.
In einem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Balkenteil einen Antriebsbalken, der den Antriebsrahmen mit dem Substrat koppelt, einen Erfassungsbalken, der den Antriebsrahmen mit dem Erfassungsrahmen koppelt, und einen Koppelbalken, der den Antriebsrahmen von einem der Vibratoren mit dem Antriebsrahmen des anderen der Vibratoren koppelt. Der Antriebsteil beinhaltet eine erste Antriebselektrode und eine zweite Antriebselektrode. Die erste Antriebselektrode ist auf einem äußeren Abschnitt des Antriebsrahmens vorgesehen und die zweite Antriebselektrode ist auf dem Substrat bei einem Abschnitt außerhalb des Antriebsrahmens vorgesehen. Der Erfassungsteil beinhaltet eine erste Erfassungselektrode und eine zweite Erfassungselektrode. Der Beschränkungsteil beinhaltet eine erste Beschränkungselektrode und eine zweite Beschränkungselektrode. Die erste Erfassungselektrode und die erste Beschränkungselektrode sind auf einem inneren Abschnitt des Erfassungsrahmens vorgesehen. Die zweite Erfassungselektrode und die zweite Beschränkungselektrode sind auf dem Substrat bei Abschnitten, die durch den Erfassungsrahmen umgeben sind, vorgesehen.
In einer derartigen Konfiguration werden die erste Erfassungselektrode und die erste Beschränkungselektrode auf dem Erfassungsrahmen bereitgestellt und der Erfassungsrahmen ist mit dem Antriebsrahmen durch den Erfassungsbalken gekoppelt. Daher beschränkt die Konfiguration, dass ein Teil einer externen Kraft, die auf den Basisabschnitt ausgeübt wird, auf den Erfassungsrahmen übertragen wird. Somit ist es unwahrscheinlicher, dass Kapazitäten der Erfassungselektrode und der Beschränkungselektrode durch die externe Kraft beeinflusst werden.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ferner einen Überwachungsteil, der konfiguriert ist, um einen Vibrationszustand des Antriebsrahmens zu überwachen. Der Überwachungsteil beinhaltet eine erste Überwachungselektrode und eine zweite Überwachungselektrode. Die erste Überwachungselektrode ist auf dem Antriebsrahmen jedes Vibrators des Paars von Vibratoren vorgesehen und die zweite Überwachungselektrode liegt der ersten Überwachungselektrode in der zweiten Richtung gegenüber.
Bei einer derartigen Konfiguration kann eine Amplitudenschwankung der Vibration aufgrund einer Temperaturveränderung überwacht werden.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Es zeigen:
1 eine Querschnittsdarstellung eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht eines Sensorchips des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der Ausführungsform;
3 eine Querschnittsdarstellung des Sensorchips entlang einer Linie III-III in 2; und
4 einen Graph, der einen Verstimmungsgrad gemäß der Ausführungsform darstellt.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Gemäß 1 beinhaltet der Winkelgeschwindigkeitssensor 100 einen Sensorchip 10, einen Schaltkreischip 50, mehrere Erhöhungen (z. B. Löthöcker) 70 und eine Verpackung 90. Der Sensorchip 10 und der Schaltkreischip 50 sind mechanisch und elektrisch miteinander mittels der Erhöhungen 70 verbunden. Der Schaltkreischip 50 und die Verpackung 90 sind mechanisch miteinander mittels eines Klebemittels 91 verbunden. Der Schaltkreischip 50 und die Verpackung 90 sind elektrisch miteinander mittels Drähten 92 verbunden. Der Sensorchip 10 und der Schaltkreischip 50 sind in einem Raum, der durch die Verpackung 90 definiert ist, beherbergt. Der Sensorchip 10 ist unter atmosphärischem Druck oder Druck, der annähernd gleich dem atmosphärischen Druck ist, platziert.
Der Sensorchip 10 beinhaltet ein Halbleitersubstrat 11 mit einer Vorderseite 11a. In der folgenden Beschreibung wird auf eine Richtung entlang der Vorderseite 11a als eine X-Achsenrichtung Bezug genommen, auf eine Richtung entlang der Vorderseite 11a und senkrecht zur X-Achsenrichtung wird als eine Y-Achsenrichtung Bezug genommen und auf eine Richtung senkrecht zur X-Achsenrichtung und zur Y-Achsenrichtung wird als eine Z-Achsenrichtung Bezug genommen. Die X-Achsenrichtung entspricht einer ersten Richtung, die Y-Achsenrichtung entspricht einer zweiten Richtung und die Z-Achsenrichtung entspricht einer dritten Richtung. Die X-Achsenrichtung entspricht einer Richtung entlang einer Vibrationsachse und kann somit als eine Vibrationsrichtung bezeichnet werden. Die Y-Achsenrichtung entspricht einer Richtung entlang einer Erfassungsachse und kann somit als eine Erfassungsrichtung bezeichnet werden. Ebenso kann die dritte Richtung als eine Richtung der erfassten Achse bezeichnet werden.
Gemäß 2 halbiert eine erste virtuelle gerade Linie s, die durch eine abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie dargestellt ist und sich entlang der X-Achsenrichtung erstreckt, den Sensorchip 10 in der Y-Achsenrichtung. Eine zweite virtuelle gerade Linie t, die durch eine doppelt kurz und einmal lang gestrichelte Linie dargestellt ist und sich entlang der Y-Achsenrichtung erstreckt, halbiert den Sensorchip 10 in der X-Achsenrichtung.
Wie in 2 und 3 dargestellt, beinhaltet der Sensorchip 10 das Halbleitersubstrat 11, einen Sensorteil 20, der bei einem Abschnitt des Halbleitersubstrats 11 angrenzend zur Vorderseite 11a ausgebildet ist, und mehrere Sensorfelder beziehungsweise Sensorpads 40, die elektrisch mit dem Sensorteil 20 gekoppelt sind. Das Halbleitersubstrat 11 ist ein Silizium-auf-Isolator(silicon-on-insulator, SOI)-Substrat, in dem eine erste Halbleiterschicht 12, eine Isolierschicht 13 und eine zweite Halbleiterschicht 14 in dieser Reihenfolge gestapelt sind.
Der Sensorteil 20 ist an dem Abschnitt des Halbleitersubstrats 11, der an die Vorderseite 11a angrenzt, das heißt, einem Abschnitt des Halbleitersubstrats 11 angrenzend zur zweiten Halbleiterschicht 14, durch eine bekannte Belichtungstechnik ausgebildet. Die Sensorfelder 40 sind auf vorbestimmten Abschnitten der zweiten Halbleiterschicht 14 ausgebildet.
Der Sensorteil 20 wird hauptsächlich durch die zweite Halbleiterschicht 14 zur Verfügung gestellt. Der Sensorteil 20 beinhaltet einen befestigten Abschnitt, der an der ersten Halbleiterschicht 12 durch die Isolierschicht 13 befestigt ist, und einen schwimmenden Abschnitt, der oberhalb der ersten Halbleiterschicht 12 ohne dazwischen liegende Isolierschicht 13 schwimmt. Der befestigte Abschnitt ist bezüglich der ersten Halbleiterschicht 12 nicht beweglich, und der schwimmende Abschnitt ist verstellbar, das heißt, in der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung bezüglich der ersten Halbleiterschicht 12 beweglich.
Der Sensorteil 20 erfasst eine Winkelgeschwindigkeit. Wie in 2 und 3 dargestellt, beinhaltet der Sensorteil 20 ein Paar Erfassungsbereiche 21a, 21b. In 2 entspricht der Erfassungsbereich 21a einem linken Bereich des Sensorteils 20, der durch die zweite virtuelle gerade Linie t geteilt ist, und der Erfassungsbereich 21b entspricht einem rechten Bereich des Sensorteils 20, der durch die zweite virtuelle gerade Linie t geteilt ist.
Eine Konfiguration des Erfassungsbereichs 21a wird nachfolgend beschrieben. Da der Erfassungsbereich 21a und der Erfassungsbereich 21b gleich konfiguriert sind, wird die Konfiguration des Erfassungsbereichs 21b nur anhand einer Entsprechungsbeziehung zwischen dem Erfassungsbereich 21a und dem Erfassungsbereich 21b beschrieben.
Der Erfassungsbereich 21a beinhaltet einen Anker 22a, einen ersten Antriebsbalken 23a, einen Antriebsrahmen 24a, einen Erfassungsbalken 25a, einen Erfassungsrahmen 26a, eine erste Erfassungselektrode 27a, eine zweite Erfassungselektrode 28a, eine erste Servoelektrode 29a und eine zweite Servoelektrode 30a als Hauptkomponenten zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit.
Der Antriebsrahmen 24a ist mit dem Anker 22a mittels des ersten Antriebsbalkens 23a verbunden. Der Erfassungsrahmen 26a ist mit dem Antriebsrahmen 24a durch den Erfassungsbalken 25a gekoppelt. Die erste Erfassungselektrode 27a befindet sich auf dem Erfassungsrahmen 26a. Die zweite Erfassungselektrode 28a liegt der ersten Erfassungselektrode 27a gegenüber. Die erste Servoelektrode 29a befindet sich auf dem Erfassungsrahmen 26a. Die zweite Servoelektrode 30a befindet sich gegenüber der ersten Servoelektrode 29a.
Der Erfassungsbereich 21a beinhaltet eine erste Antriebselektrode 31a, eine zweite Antriebselektrode 32a und einen zweiten Antriebsbalken 33a als Hauptkomponenten zum Antreiben des Antriebsrahmens 24a. Die erste Antriebselektrode 31a befindet sich auf dem Antriebsrahmen 24a. Die zweite Antriebselektrode 32a befindet sich auf dem zweiten Antriebsbalken 33a und gegenüber der ersten Antriebselektrode 31a.
Der Erfassungsbereich 21 beinhaltet eine erste Überwachungselektrode 34a, eine zweite Überwachungselektrode 35a und einen Überwachungsbalken 36a als Komponenten zur Überwachung eines Antriebszustands des Antriebsrahmens 24a wie beispielsweise eines Vibrationszustands des Antriebsrahmens 24a. Die erste Überwachungselektrode 34a befindet sich auf dem Antriebsrahmen 24a. Die zweite Überwachungselektrode 35a befindet sich auf dem Überwachungsbalken 36a und liegt der ersten Überwachungselektrode 34a gegenüber.
Die vorstehend erläuterten Komponenten 22a bis 36a des Erfassungsbereichs 21a können durch Ätzen der zweiten Halbleiterschicht 14 und der Isolierschicht 13 mit einem Maskenmuster ausgebildet werden. In den Komponenten 22a bis 36a werden der Anker 22a, die zweite Erfassungselektrode 28a, die zweite Servoelektrode 30a, die zweite Antriebselektrode 32a, der zweite Antriebsbalken 33a, die zweite Überwachungselektrode 35a und der Überwachungsbalken 36a an der ersten Halbleiterschicht 12 durch die Isolierschicht 13 befestigt. Somit sind der Anker 22a, die zweite Erfassungselektrode 28a, die zweite Servoelektrode 30a, die zweite Antriebselektrode 32a, der zweite Antriebsbalken 33a, die zweite Überwachungselektrode 35a und der Überwachungsbalken 36a nicht bezüglich der ersten Halbleiterschicht 12 beweglich.
Bei den Komponenten 22a bis 36a schwimmen der erste Antriebsbalken 23a, der Antriebsrahmen 24a, der Erfassungsbalken 25a, der Erfassungsrahmen 26a, die erste Erfassungselektrode 27a, die erste Servoelektrode 29a, die erste Antriebselektrode 31a und die erste Überwachungselektrode 34a bezüglich der ersten Halbleiterschicht 12, da die Isolierschicht 13, die sich unter der zweiten Halbleiterschicht 14 befindet, durch Opferschichtätzen (sacrifice layer etching) entfernt ist. Somit sind der erste Antriebsbalken 23a, der Antriebsrahmen 24a, die Erfassungsbalken 25a, der Erfassungsrahmen 26a, die erste Erfassungselektrode 27a, die erste Servoelektrode 29a, die erste Antriebselektrode 31a und die erste Überwachungselektrode 34a verstellbar, das heißt, können in der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung bezüglich der ersten Halbleiterschicht 12 vibriert werden.
Der Anker 22a hält den Antriebsrahmen 24a durch den ersten Antriebsbalken 23a. Wie in 2 dargestellt, befindet sich ein erstes Sensorfeld beziehungsweise Sensorpad 41 auf dem Anker 22a an einem Mittenabschnitt des Sensorteils 20. An das erste Sensorfeld 41 wird eine Gleichstrom(direct-current, DC)-Spannung angelegt. Die Gleichspannung wird in den Antriebsrahmen 24a mittels des ersten Antriebsbalkens 23a eingegeben. Die Gleichspannung wird ebenso in den Erfassungsrahmen 26a mittels des ersten Antriebsbalkens 23a, des Antriebsrahmens 24a und des Erfassungsbalkens 25a eingegeben. Somit sind der Antriebsrahmen 24a und der Erfassungsrahmen 26b äquipotenzial zur Gleichspannung.
Der Antriebsrahmen 24a vibriert in der X-Achsenrichtung durch eine Antriebskraft, die später beschrieben wird. Der Antriebsrahmen 24a weist eine Rahmenform wie beispielsweise eine rechteckige Schleifenform einschließlich eines äußeren Abschnitts und eines inneren Abschnitts auf. Die erste Antriebselektrode 31a und die erste Überwachungselektrode 34a ragen vom äußeren Abschnitt des Antriebsrahmens 24a nach außen hervor, und der erste Antriebsbalken 23a ist mit dem äußeren Abschnitt des Antriebsrahmens 24a gekoppelt. Da der Antriebsrahmen 24a äquipotenzial zur Gleichspannung ist, wie vorstehend beschrieben, sind die erste Antriebselektrode 31a und die erste Überwachungselektrode 34a, die auf dem Antriebsrahmen 24a vorgesehen sind, äquipotenzial zur Gleichspannung. Der Erfassungsbalken 25a ist mit dem inneren Abschnitt des Antriebsrahmens 24a gekoppelt. Der Antriebsrahmen 24a und der Erfassungsrahmen 26a sind miteinander mittels des Erfassungsbalkens 25a gekoppelt. Somit kann der Erfassungsrahmen 26a in der X-Achsenrichtung mit der Vibration des Antriebsrahmens 24a in der X-Achsenrichtung vibrieren.
Der Erfassungsrahmen 26a befindet sich in einem Gebiet, das durch den Antriebsrahmen 24a umgeben ist, und ist mit dem Antriebsrahmen 24a mittels des Erfassungsbalkens 25a gekoppelt. Somit vibriert der Erfassungsrahmen 26a in der X-Achsenrichtung mit der Vibration des Antriebsrahmens 24a in der X-Achsenrichtung. Der Erfassungsrahmen 26a weist eine Rahmenform wie beispielsweise eine rechteckige Schleifenform einschließlich eines äußeren Abschnitts und eines inneren Abschnitts auf. Der Erfassungsbalken 25a ist mit dem äußeren Abschnitt des Erfassungsrahmens 26a verbunden. Die erste Erfassungselektrode 27a und die erste Servoelektrode 29a ragen nach innen von dem inneren Abschnitt des Erfassungsrahmens 24a hervor. Da der Erfassungsrahmen 26a äquipotenzial zur Gleichspannung ist, wie vorstehend beschrieben, sind die erste Erfassungselektrode 27a und die erste Servoelektrode 29a, die auf dem Erfassungsrahmen 26a vorgesehen sind, äquipotenzial zur Gleichspannung.
Die zweite Erfassungselektrode 28a befindet sich in einem Gebiet, das durch den inneren Abschnitt des Erfassungsrahmens 26a umgeben ist. Die zweite Erfassungselektrode 28a befindet sich in der Y-Achsenrichtung gegenüber der ersten Erfassungselektrode 27a. Ein zweites Sensorfeld beziehungsweise Sensorpad 42 befindet sich auf der zweiten Erfassungselektrode 28a. Das zweite Sensorfeld 42 gibt eine Kapazitätsänderung des ersten Kondensators C₁, der durch die erste Erfassungselektrode 27a und die zweite Erfassungselektrode 28a bereitgestellt wird, aus.
Die zweite Servoelektrode 30a befindet sich in einem Gebiet, das durch den inneren Abschnitt des Erfassungsrahmens 26a umgeben ist. Die zweite Servoelektrode 30a befindet sich in der Y-Achsenrichtung gegenüber der ersten Servoelektrode 29a.
Ein drittes Sensorfeld beziehungsweise Sensorpad 43 befindet sich auf der zweiten Servoelektrode 30a. Das dritte Sensorfeld 43 wird mit einer Servospannung versorgt, die basierend auf einem Ausgangssignal vom zweiten Sensorfeld 42 bestimmt wird. Wie vorstehend beschrieben, ist die erste Servoelektrode 29a äquipotenzial zur Gleichspannung. Somit wird eine elektrostatische Kraft (Servokraft), die proportional zu einer Spannung ist, die von der Gleichspannung und der Servospannung abhängt, in einem zweiten Kondensator C₂, der durch die erste Servoelektrode 29a und die zweite Servoelektrode 30a bereitgestellt wird, erzeugt. Die Servokraft wird in der Y-Achsenrichtung so ausgeübt, dass sie ein Verstellen wie beispielsweise Vibration des Erfassungsrahmens 26a in der Y-Achsenrichtung beschränkt. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Servospannung als eine physikalische Quantität zum Bestimmen einer Winkelgeschwindigkeit erfasst.
Die erste Antriebselektrode 31a und die zweite Antriebselektrode 32a sind zum Vibrieren des Antriebsrahmens 24a vorgesehen. Ein viertes Sensorfeld beziehungsweise Sensorpad 44 befindet sich auf dem zweiten Antriebsbalken 33a, auf dem die zweite Antriebselektrode 32a vorgesehen ist. Das vierte Sensorfeld 44 wird mit einer Antriebsspannung versorgt, die mit einer vorbestimmten Periode eine geänderte Polarität aufweist. Wie vorstehend beschrieben, ist die erste Antriebselektrode 31a äquipotenzial zur Gleichspannung. Somit wird eine elektrostatische Kraft (Antriebskraft), die proportional zu einer Spannung, die abhängig von der Gleichspannung und der Antriebsspannung ist, in einem dritten Kondensator C₃, der durch die erste Antriebselektrode 31 und die zweite Antriebselektrode 32a bereitgestellt wird, erzeugt. Durch die Antriebskraft entlang der X-Achsenrichtung wird der Antriebsrahmen 24a, auf dem die erste Antriebselektrode 31a vorgesehen ist, in der X-Achsenrichtung verstellt beziehungsweise versetzt. Da die Polarität der Antriebsspannung mit der vorbestimmten Periode geändert wird, wird eine Richtung der Antriebskraft, die auf die erste Antriebselektrode 31a einwirkt, in der X-Achsenrichtung in der vorbestimmten Periode geändert. Somit vibriert der Antriebsrahmen 24a, auf dem die erste Antriebselektrode 31a vorgesehen ist, in der X-Achsenrichtung mit der vorbestimmten Periode.
Die erste Überwachungselektrode 34a und die zweite Überwachungselektrode 35a werden bereitgestellt, um den Antriebszustand wie beispielsweise den Vibrationszustand des Antriebsrahmens 24a zu überwachen. Ein fünftes Sensorfeld beziehungsweise Sensorpad 34 befindet sich auf dem Überwachungsbalken 36a, auf dem die zweite Überwachungselektrode 35a vorgesehen ist. Das fünfte Sensorfeld 45 gibt eine Kapazitätsänderung eines vierten Kondensators C₄, der durch die erste Überwachungselektrode 34a und die zweite Überwachungselektrode 35a bereitgestellt wird, aus. Da die erste Überwachungselektrode 34a äquipotenzial zur Gleichspannung ist, wie vorstehend beschrieben, wird erwartet, dass die zweite Überwachungselektrode 35a eine Spannung abhängig von der Gleichspannung erzeugt. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Vibrationszustand des Antriebsrahmens 24a durch Überwachen des Ausgangssignals der zweiten Überwachungselektrode 35a überwacht.
Als Nächstes wird die Entsprechungsbeziehung zwischen dem Erfassungsbereich 21a und dem Erfassungsbereich 21b erläutert. Der Erfassungsbereich 21b beinhaltet einen Anker 22b, einen ersten Antriebsbalken 23b, einen Antriebsrahmen 24b, einen Erfassungsbalken 25b, einen Erfassungsrahmen 26b, eine erste Erfassungselektrode 27b, eine zweite Erfassungselektrode 28b, eine erste Servoelektrode 29b, eine zweite Servoelektrode 30b, eine erste Antriebselektrode 31b, eine zweite Antriebselektrode 32b, eine zweiten Antriebsbalken 33b, eine erste Überwachungselektrode 34a, eine zweite Überwachungselektrode 35b und einen Überwachungsbalken 36b. Der Anker 22b entspricht dem Anker 22a. Der erste Antriebsbalken 23b entspricht dem ersten Antriebsbalken 23a. Der Antriebsrahmen 24b entspricht dem Antriebsrahmen 24a. Der Erfassungsbalken 25b entspricht dem Erfassungsbalken 25a. Der Erfassungsrahmen 26b entspricht dem Erfassungsrahmen 26a. Die erste Erfassungselektrode 27b entspricht der ersten Erfassungselektrode 27a. Die zweite Erfassungselektrode 28b entspricht der zweiten Erfassungselektrode 28a. Die erste Servoelektrode 29b entspricht der ersten Servoelektrode 29a. Die zweite Servoelektrode 30b entspricht der zweiten Servoelektrode 30a. Die erste Antriebselektrode 31b entspricht der ersten Antriebselektrode 31a. Die zweite Antriebselektrode 32b entspricht der zweiten Antriebselektrode 32a. Der zweite Antriebsbalken 33b entspricht dem zweiten Antriebsbalken 33a. Die erste Überwachungselektrode 34b entspricht der ersten Überwachungselektrode 34a. Die zweite Überwachungselektrode 35b entspricht der zweiten Überwachungselektrode 35a. Der Überwachungsbalken 36b entspricht dem Überwachungsbalken 36a.
Wie in 2 dargestellt, sind der zweite Antriebsbalken 33a, der sich am Mittenabschnitt des Sensorteils 20 befindet, und der zweite Antriebsbalken 33b, der sich am Mittenabschnitt des Sensorteils 20 befindet, integral. Das erste Sensorfeld 41 befindet sich auf dem Anker 22b, der sich im Mittenabschnitt des Sensorteils 20 befindet. Das zweite Sensorfeld 42 befindet sich auf der zweiten Erfassungselektrode 28b. Das dritte Sensorfeld 43 befindet sich auf der ersten Servoelektrode 29b. Das vierte Sensorfeld 44 befindet sich auf dem zweiten Antriebsbalken 33b. Des Weiteren befindet sich das fünfte Sensorfeld 45 auf dem Überwachungsbalken 36b.
Die Sensorfelder 40 beinhalten Sensorfelder 41 bis 46 zum mechanischen und elektrischen Koppeln des Sensorchips 10 und des Schaltkreischips 50. Das erste Sensorfeld 41 befindet sich auf jedem der Anker 22a, 22b. Das zweite Sensorfeld 42 befindet sich auf jeder der Erfassungselektroden 28a, 28b. Das dritte Sensorfeld 43 befindet sich auf jeder der zweiten Servoelektroden 30a, 30b. Das vierte Sensorfeld 44 befindet sich auf jedem der zweiten Antriebsbalken 33a, 33b. Das fünfte Sensorfeld 45 befindet sich auf jedem der Überwachungsbalken 36a, 36b. Des Weiteren befinden sich sechs Sensorfelder beziehungsweise Sensorpads 46 auf Abschnitten der zweiten Halbleiterschicht 14, die nicht mit dem Maskenmuster geätzt sind.
Wie vorstehend beschrieben, wird die Gleichspannung an das erste Sensorfeld 41 angelegt, die Kapazität des ersten Kondensators C₁ wird von dem zweiten Sensorfeld 42 ausgegeben und die Servospannung wird an das dritte Sensorfeld 43 angelegt. Die Antriebsspannung wird an das vierte Sensorfeld 44 angelegt und die Kapazität des vierten Kondensators C₄ wird von dem fünften Sensorfeld 45 ausgeben. Eine konstante Spannung wird an jedes der sechs Sensorfelder 46 so angelegt, dass der Sensorchip 10 ein konstantes Potenzial aufweist.
Als Nächstes wird der Antrieb des Erfassungsbereichs 21a und des Erfassungsbereichs 21b erläutert. Wie in 2 und 3 dargestellt, ist der Antriebsrahmen 24a mit dem Anker 22a durch den ersten Antriebsbalken 23a gekoppelt und der Antriebsrahmen 24b ist mit dem Anker 22b durch den ersten Antriebsbalken 23b gekoppelt. Des Weiteren ist der Antriebsrahmen 24a mit dem Antriebsrahmen 24b durch einen Koppelbalken 15 gekoppelt. Somit ermöglichen die Antriebskraft, die zwischen der ersten Antriebselektrode 31a und der zweiten Antriebselektrode 32a erzeugt wird, und die Antriebskraft, die in der ersten Antriebselektrode 31b und der zweiten Antriebselektrode 32b erzeugt wird, gekoppelte Vibration des Antriebsrahmens 24a und des Antriebsrahmens 24b in der X-Achsenrichtung.
Um den Antriebsrahmen 24a und den Antriebsrahmen 24b bezüglich der X-Achsenrichtung gegenphasig zu vibrieren, werden Antriebsspannungen inverser Polaritäten an die vierten Sensorfelder 44, die durch die zweiten Antriebsbalken 33a, 33b geteilt werden, die sich am Mittenabschnitt befinden, und die vierten Sensorfelder 44 angelegt, die jeweils auf dem zweiten Antriebsbalken 33a, 33b, die sich in einem rechten Abschnitt oder einem linken Abschnitt des Sensorteils 20 befinden, angeordnet sind. Demzufolge wirken die Antriebskraft, die auf den Antriebsrahmen 24a einwirkt, und die Antriebskraft, die auf den Antriebsrahmen 24b einwirkt, in zueinander entgegengesetzten Richtungen in der X-Achsenrichtung, und somit vibrieren der Antriebsrahmen 24a und der Antriebsrahmen 24b gekoppelt gegenphasig in der X-Achsenrichtung.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Erfassungsrahmen 26a mit dem Antriebsrahmen 24a durch den Erfassungsbalken 25a gekoppelt. Der Erfassungsrahmen 26b ist mit Antriebsrahmen 24b durch den Erfassungsbalken 25b gekoppelt. Somit vibrieren, wenn der Antriebsrahmen 24a und der Antriebsrahmen 24b gegenphasig in der X-Achsenrichtung vibrieren, der Erfassungsrahmen 26a und der Erfassungsrahmen 26b ebenso gegenphasig in der X-Achsenrichtung.
Wird auf den Winkelgeschwindigkeitssensor 100 eine Winkelgeschwindigkeit in einer Richtung entlang der Z-Achse in einem Zustand, in dem der Erfassungsrahmen 26a und der Erfassungsrahmen 26b gegenphasig in der X-Achsenrichtung vibrieren, ausgeübt, wird Corioliskraft in der Y-Achsenrichtung an jedem der Erfassungsrahmen 26a, 26b erzeugt. Wird jeder der Erfassungsrahmen 26a, 26b in der Y-Achsenrichtung durch die Corioliskraft deplatziert, werden die erste Erfassungselektrode 27a, die auf dem Erfassungsrahmen 26a vorgesehen ist, und die erste Erfassungselektrode 27b, die auf dem Erfassungsrahmen 26b vorgesehen ist, ebenso in der Y-Achsenrichtung deplatziert. Demzufolge ändern sich der Abstand zwischen der ersten Erfassungselektrode 27a und der zweiten Erfassungselektrode 28a und der Abstand zwischen der ersten Erfassungselektrode 27b und der zweiten Erfassungselektrode 28b, wodurch sich die Kapazitäten des ersten Kondensators C₁ ändern. Die Kapazitätsänderungen werden in den Schaltkreischip 50 durch die zweiten Sensorfelder 42, die sich auf den zweiten Erfassungselektroden 28a, 28b befinden, die Erhöhungen 70 und Schaltkreisfelder beziehungsweise Schaltkreispads 54, die sich auf dem Schaltkreischip 50 befinden, eingegeben.
Die Schaltkreischip 50 berechnet die Servospannung basierend auf den Kapazitätsänderungen, um Deplatzierung (Vibration) der Erfassungsrahmen 26a, 26b in der Y-Achsenrichtung zu beschränken. Die berechnete Servospannung wird in jede der zweiten Servoelektroden 30a, 30b mittels der Schaltkreisfelder 54, der Erhöhungen 70 und der dritten Sensorfelder 43 eingegeben. Somit werden die Servokräfte zum Beschränken von Deplatzierung der Erfassungsrahmen 26a, 26b in der Y-Achsenrichtung am zweiten Kondensator C₂, der durch die erste Servoelektrode 29a und die zweite Servoelektrode 30a bereitgestellt wird, und am zweiten Kondensator C₂, der durch die erste Servoelektrode 29b und die zweite Servoelektrode 30b bereitgestellt wird, erzeugt. Demzufolge wird beschränkt, dass die Erfassungsrahmen 26, 26b in der Y-Achsenrichtung deplatziert werden.
Eine Wirkrichtung der Corioliskraft hängt von einer Vibrationsrichtung ab. Da der Erfassungsrahmen 26a und der Erfassungsrahmen 26b gegenphasig gekoppelt in der X-Achsenrichtung vibrieren, wirken die Corioliskraft, die auf den Erfassungsrahmen 26a einwirkt, und die Corioliskraft, die auf den Erfassungsrahmen 26b einwirkt, in entgegengesetzten Richtungen. Somit ist ein Anstieg und ein Abfall der Kapazität des dritten Kondensators C₃, der durch die erste Erfassungselektrode 27a und die zweite Erfassungselektrode 28a bereitgestellt wird, entgegengesetzt zum Anstieg und Abfall der Kapazität des dritten Kondensators C₃, der durch die erste Erfassungselektrode 27b und die zweite Erfassungselektrode 28b bereitgestellt wird. In anderen Worten fällt die Kapazität des anderen der dritten Kondensatoren C₃ ab, wenn die Kapazität eines der dritten Kondensatoren C₃ ansteigt. Durch Berechnen des Unterschieds zwischen den Kapazitäten der zwei dritten Kondensatoren C₃ kann eine Kapazität abhängig von der Winkelgeschwindigkeit erfasst werden. Die Berechnung des Unterschieds wird durch den Schaltkreischip 50 durchgeführt.
Der Schaltkreischip 50 beinhaltet ein Halbleitersubstrat 51 mit einer Oberfläche 51a, einem Schaltkreisteil 52, der in der Oberfläche 51a ausgebildet ist, und Feldern beziehungsweise Pads 53. Der Schaltkreisteil 52 verarbeitet die Ausgangssignale des Sensorchips 10, und die Felder 53 sind elektrisch mit dem Schaltkreisteil 52 gekoppelt. Die Felder 53 beinhalten die Schaltkreisfelder 54 entsprechend den Sensorfeldern 40 und äußeren Feldern beziehungsweise Pads 55, die elektrisch mit den Drähten 92 gekoppelt sind. Der Schaltkreisteil 52 gibt Steuersignale in den Sensorchip 10 ein. Die Steuersignale beinhalten die Gleichspannungen, die Antriebsspannungen, die Servospannungen und die konstanten Spannungen.
Die Verpackung 90 beinhaltet ein Gehäuse 93 und einen Deckel 94. Das Gehäuse 93 hat einen Öffnungsabschnitt 93a. Der Deckel 94 bedeckt den Öffnungsabschnitt 93a. Das Klebemittel 91 befindet sich auf einer unteren Innenseite des Gehäuses 93. Das Gehäuse 93 und der Schaltkreischip 50 sind mechanisch durch das Klebemittel 91 gekoppelt. Das Gehäuse 93 beinhaltet innere Anschlüsse 95, innere Drähte 96 und äußere Anschlüsse 97. Die inneren Anschlüsse 95 befinden sich in einer Innenseite von Seitenwänden des Gehäuses 93. Die inneren Drähte 96 befinden sich auf der Innenseite der Seitenwände des Gehäuses 93. Die äußeren Anschlüsse 97 befinden sich auf einer Außenseite des Bodens des Gehäuses 93. Die inneren Anschlüsse 95 und die äußeren Felder 55 des Schaltkreischips 50 sind elektrisch mittels der Drähte 92 gekoppelt. Somit können elektrische Signale des Schaltkreischips 50 an externe Einrichtungen durch die äußeren Felder 55, die Drähte 92, die inneren Anschlüsse 95, die inneren Drähte 96 und die äußeren Anschlüsse 97 ausgegeben werden. Das Gehäuse 93 und der Deckel 94 sind mechanisch und elektrisch miteinander gekoppelt.
Wie vorstehend beschrieben, vibrieren die Erfassungsrahmen 26a, 26b durch die Antriebskräfte jeweils in der X-Achsenrichtung. In einem derartigen Antriebs- und Vibrationsmodus werden die Erfassungsrahmen 26a, 26b bei einer Resonanzfrequenz f_d (nachfolgend als Antriebsresonanzfrequenz bezeichnet) in der X-Achsenrichtung geschwungen. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit in einer Richtung um die Z-Achse herum auf jeden der Erfassungsrahmen 26a, 26b in so einem Vibrationszustand einwirkt, vibriert jeder der Erfassungsrahmen 26a, 26b in der Y-Achsenrichtung. In der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich die Resonanzfrequenz f_s von jedem der Erfassungsrahmen 26a, 26b (nachfolgend als die Erfassungsresonanzfrequenz bezeichnet) in der Y-Achsenrichtung von der Antriebsresonanzfrequenz f_d.
Beispielsweise ist die Antriebsresonanzfrequenz f_d 10 kHz und die Erfassungsresonanzfrequenz f_s ist 12 kHz. Somit ist ein Verstimmungsgrad α, der durch Dividieren der Erfassungsresonanzfrequenz f_s durch die Antriebsresonanzfrequenz f_d definiert ist, 1,2 (d. h. α = f_s/f_d = 1,2). Unter der Annahme, dass eine Masse des Erfassungsrahmens 26a, 26b m ist, eine Federkonstante des Erfassungsbalkens 25a, 25b in der Y-Achsenrichtung k_s ist und eine Dämpfungskonstante des Erfassungsrahmens 26a, 26b in der Y-Achsenrichtung c_s ist, wird ein Q-Wert Q_s in der Y-Achsenrichtung durch (mk_s)^0,5/c_s definiert. In der vorliegenden Ausführungsform wird Q_s auf 5 (d. h. Q_s = 5) eingestellt.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Sensorchip 10 unter dem atmosphärischen Druck oder dem Druck, der annähernd gleich dem atmosphärischen Druck ist, platziert. Somit flüchtet eine Vibrationskomponente, wenn die Erfassungsrahmen 26a, 26b in der X-Achsenrichtung vibrieren, in der X-Achsenrichtung zu einer Vibrationskomponente in der Y-Achsenrichtung aufgrund von Viskosität von Gasmolekülen. Die Fluchtkomponente aufgrund der Viskosität (nachfolgend als viskositätsverursachte Fluchtkomponente bezeichnet) ist proportional zum Ausdruck 5: <Ausdruck 5>
Da die viskositätsverursachte Fluchtkomponente ansteigt, steigt die Servospannung, die an den zweiten Servoelektroden 30a, 30b anliegt, an. Demzufolge steigen die Servolasten, die an den Servoelektroden 29, 30 und dem Schaltkreisteil 52 anliegen, an. Ebenso verschlechtert sich die Erfassungsgenauigkeit der Winkelgeschwindigkeit, wenn die Fluchtkomponente ansteigt, da die viskositätsverursachte Fluchtkomponente in Rauschen resultiert.
Wie durch den Ausdruck 5 abgebildet, ist die Viskositätsfluchtkomponente proportional zu βsinθ, das durch die Resonanzfrequenzen f_d, f_s und den Q-Wert Q_s in der Erfassungsrichtung (das heißt, in der Y-Achsenrichtung) bestimmt wird. Der Q-Wert Q_s hängt hauptsächlich von der Struktur des Sensorteils 20 ab. Somit wurde eine Bedingung, bei der βsinθ gleich oder kleiner als 1% ist (d. h. βsinθ ≤ 1%), durch Steuern des Verstimmungsgrads α analysiert. 4 zeigt ein Analyseergebnis.
In 4 werden mehrere Verstimmungsgrade α und mehrere Q-Werte Q_s, bei denen βsinθ 1% ist, berechnet und gedruckt und dann durch eine Methode der kleinsten Quadrate berechnet. Die Bedingung, bei der βsinθ gleich oder kleiner als 1% ist, entspricht einem schraffierten Bereich in 4. Der Bereich, bei dem der Q-Wert Q_s gleich oder kleiner als 3 ist, erfüllt eine Beziehung, die durch die folgenden Ausdrücke 6 und 7 definiert ist:

<Ausdruck 6> α ≥ –0,0992Q 2 / s + 0,4874Q_s + 0,6592 <Ausdruck 7> α ≤ 0,0916Q 2 / s – 0,4795Q_s + 1,4794
Der Bereich, bei dem der Q-Wert Q_s gleich oder größer als 3 ist, erfüllt eine Beziehung, die durch die folgenden Ausdrücke 8 und 9 definiert ist:

<Ausdruck 8> α ≥ 1,2878Q –0,0488 / s <Ausdruck 9> α ≤ 0,8233Q 0,0344 / s
Wie vorstehend beschrieben, ist der Winkelgeschwindigkeitssensor 100 derart konfiguriert, dass beispielsweise der Verstimmungsgrad α 1,2 ist und der Q-Wert Q_s in der Y-Achsenrichtung 5 ist. Es wird bestätigt, dass sich eine derartige Bedingung in dem schraffierten Bereich in 4 befindet und somit die Beziehung, die durch den Ausdruck 8 definiert ist, erfüllt. Als solcher erfüllt der Winkelgeschwindigkeitssensor 100 die Bedingung βsinθ ≤ 1. Daher wird die viskositätsverursachte Fluchtkomponente reduziert, und die Servolast wie beispielsweise eine Last auf ein Beschränkungsteil wird reduziert. Darüber hinaus verbessert sich die Erfassungsgenauigkeit, da die viskositätsverursachte Fluchtkomponente, die in Rauschen resultiert, reduziert wird.
Die exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorstehend beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene exemplarische Ausführungsform beschränkt, sondern kann auf verschiedene andere Wege, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen, implementiert werden.
In der vorstehenden exemplarischen Ausführungsform ist beispielsweise der Q-Wert Q_s 5 und der Verstimmungsgrad α ist 1,2. Die Kombination des Q-Werts Q_s und des Verstimmungsgrads α ist nicht auf die vorstehende beschränkt, solange die Ausdrücke 6 bis 9 erfüllt werden. Beispielsweise kann die Kombination derart eingestellt werden, dass der Verstimmungsgrad α 1,25 und der Q-Wert Q_s 3 ist. Als weiteres Beispiel kann die Kombination derart eingestellt werden, dass der Verstimmungsgrad α 1,15 und der Q-Wert Q_s 10 ist.
Bei der vorstehenden exemplarischen Ausführungsform wird die Corioliskraft basierend auf der Servospannung berechnet, wodurch die berechnete Corioliskraft nicht von dem vorstehenden β und dem vorstehenden θ abhängt. In einem Fall, in dem die Corioliskraft basierend auf der Kapazitätsänderung des ersten Kondensators C₁ berechnet wird, der durch die Erfassungselektroden 27a, 28a, 27b, 28b bereitgestellt wird, wird, da die Kapazitätsänderung von β und θ abhängt, wenn die Resonanzfrequenzen f_d, f_s derart gesteuert werden, dass βsinθ gleich oder kleiner als 1 ist, eine Erfassungsempfindlichkeit der Corioliskraft merklich reduziert. Demnach ist die vorstehend genannte Beziehung zwischen den Resonanzfrequenzen f_d, f_s und dem Q-Wert Q_s in der Y-Achsenrichtung bevorzugt in der Konfiguration, in der die Corioliskraft basierend auf der Servospannung erfasst wird.
Vorstehend genanntes βsinθ wird durch Lösen der folgenden Ausdrücke 10 und 11 erlangt:

<Ausdruck 10> mx .. + c_dx . + k_dx = F_d(t) <Ausdruck 11> my .. + c_Sy . + k_Sy = F_c(t)
Der Ausdruck 10 bildet eine Bewegungsgleichung des Erfassungsrahmens 26a, 26b in der X-Achsenrichtung ab und der Ausdruck 11 bildet eine Bewegungsgleichung des Erfassungsrahmens 26a, 26b in der Y-Achsenrichtung ab. In dem Ausdruck 10 ist x eine Deplatzierung des Erfassungsrahmens 26a, 26b in der X-Achsenrichtung. In dem Ausdruck 11 ist y eine Deplatzierung des Erfassungsrahmens 26a, 26b in der Y-Achsenrichtung. Ebenso ist c_d eine Dämpfungskonstante in der X-Achsenrichtung und k_d ist eine Federkonstante in der X-Achsenrichtung. F_d(t) entspricht der vorstehend genannten Antriebskraft und F_s(t) entspricht der vorstehend genannten Corioliskraft.
Gemäß den Ausdrücken 10 und 11 erfüllt y, das die Deplatzierung (Vibration) des Erfassungsrahmens 26a, 26b in der Y-Achsenrichtung abbildet, eine proportionale Gleichung, die durch den folgenden Ausdruck 12 definiert ist:

<Ausdruck 12> y ∝ βcosθ + βsinθ
In dem Ausdruck 12 ist der erste Term auf der rechten Seite proportional zur Corioliskraft und der zweite Term auf der rechten Seite ist proportional zur viskositätsverursachten Fluchtkomponente. Auf diese Weise kann βsinθ von den Ausdrücken 10 und 11 erlangt werden.
In der exemplarischen Ausführungsform bilden beispielsweise die Antriebsrahmen 24a, 24b und die Erfassungsrahmen 26a, 26b Vibratoren, und die Servoelektroden 29a bis 30b als Beschränkungselektroden bilden einen Beschränkungsteil. Ebenso bilden die ersten und zweiten Antriebselektroden 31a bis 32b und die zweiten Antriebsbalken 33a, 33b einen Antriebsteil, und die Überwachungselektroden 34a bis 35b und die Überwachungsbalken 36a, 36b bilden einen Überwachungsteil.
Weitere Vorteile und Modifikationen sind für den Fachmann naheliegend. Die Erfindung in ihrem breiteren Begriff ist daher nicht auf die besonderen Details, repräsentative Vorrichtung und veranschaulichende Beispiele, die dargestellt und beschrieben sind, beschränkt.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Winkelgeschwindigkeitssensor, in dem ein Vibrator mit einem Substrat durch einen Balkenteil gekoppelt und in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, beweglich ist. Ein Antriebsteil ist konfiguriert, um den Vibrator in der ersten Richtung zu vibrieren. Ein Erfassungsteil ist konfiguriert, um Deplatzierung des Vibrators in der zweiten Richtung als eine Kapazitätsveränderung zu erfassen, wobei die Deplatzierung durch Corioliskraft verursacht wird, die in dem Vibrator aufgrund von Vibration des Vibrators und einer Winkelgeschwindigkeit um eine dritte Richtung herum, die senkrecht zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung ist, erzeugt wird. Ein Verhinderungsteil ist konfiguriert, um Deplatzierung des Vibrators in der zweiten Richtung basierend auf der Kapazitätsveränderung zu verhindern. Der Winkelgeschwindigkeitssensor ist konfiguriert, um eine Bedingung zu erfüllen, bei der βsinθ gleich oder kleiner 1 ist.

Claims

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor, aufweisend: ein Substrat; einen Vibrator; einen Balkenteil, der den Vibrator mit dem Substrat derart koppelt, dass der Vibrator in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung ist, beweglich ist; einen Antriebsteil, der konfiguriert ist, um den Vibrator in der ersten Richtung zu vibrieren; einen Erfassungsteil, der konfiguriert ist, um Deplatzierung des Vibrators in der zweiten Richtung als eine Kapazitätsänderung zu erfassen, wobei die Deplatzierung des Vibrators in der zweiten Richtung durch Corioliskraft verursacht wird, die in dem Vibrator aufgrund von Vibration des Vibrators und einer Winkelgeschwindigkeit um eine dritte Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung und zur zweiten Richtung ist, erzeugt wird; und einen Beschränkungsteil, der konfiguriert ist, um Deplatzierung des Vibrators in der zweiten Richtung basierend auf der Kapazitätsänderung zu beschränken, wobei der Winkelgeschwindigkeitssensor derart konfiguriert ist, dass ein Verstimmungsgrad α und ein Q-Wert Q_s in der zweiten Richtung eine einer ersten Beziehung, die durch einen von folgenden Ausdrücke 1 und 2 definiert ist, wenn der Q-Wert Q_s gleich oder kleiner als 3 ist, und einer zweiten Beziehung erfüllen, die durch einen von folgenden Ausdrücken 3 und 4 definiert ist, wenn der Q-Wert Q_s gleich oder größer als 3 ist, wobei der Verstimmungsgrad α durch f_s/f_d definiert ist, wobei f_s die Resonanzfrequenz in der zweiten Richtung und f_d die Resonanzfrequenz in der ersten Richtung ist und der Q-Wert Q_s durch (mk_s)^0,5/c_s definiert ist, wobei m eine Masse des Vibrators ist, k_s eine Federkonstante des Balkenteils in der zweiten Richtung ist und c_s eine Dämpfungskonstante des Vibrators in der zweiten Richtung ist, wobei der Ausdruck 1a α ≥ –0,0992Q 2 / s + 0,4874Q_s + 0,6592 ist, wobei der Ausdruck 2a α ≤ 0,0916Q 2 / s – 0,4795Q_s + 1,4794 ist, wobei der Ausdruck 3a α ≥ 1,2878Q –0,0488 / s ist, und wobei der Ausdruck 4a α ≤ 0,8233Q 0,0344 / s ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1, wobei der Vibrator einer eines Paars von Vibratoren ist, und jeder Vibrator des Paars von Vibratoren einen Antriebsrahmen (24a, 24b), der eine Rahmenform aufweist, und einen Erfassungsrahmen (26a, 26b), der eine Rahmenform aufweist und durch den Antriebsrahmen (24a, 24b) umgeben ist, beinhaltet.
Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Balkenteil einen Antriebsbalken (23a, 23b), einen Erfassungsbalken (25a, 25b) und einen Koppelbalken (15) beinhaltet, der Antriebsbalken (23a, 23b) den Antriebsrahmen (24a, 24b) mit dem Substrat koppelt, der Erfassungsbalken (25a, 25b) den Antriebsrahmen (24a, 24b) mit dem Erfassungsrahmen (26a, 26b) koppelt, der Koppelbalken (15) den Antriebsrahmen (24a) von einem der Vibratoren mit dem Antriebsrahmen (24b) des anderen der Vibratoren koppelt, der Antriebsteil eine erste Antriebselektrode (31a, 31b) und eine zweite Antriebselektrode (32a, 32b) beinhaltet, die erste Antriebselektrode (31a, 31b) auf einem äußeren Abschnitt des Antriebsrahmens (24a, 24b) vorgesehen ist, die zweite Antriebselektrode (32a, 32b) auf dem Substrat bei einem Abschnitt außerhalb des Antriebsrahmens (24a, 24b) vorgesehen ist, der Erfassungsteil eine erste Erfassungselektrode (27a, 27b) und eine zweite Erfassungselektrode (28a, 28b) beinhaltet, der Beschränkungsteil eine erste Beschränkungselektrode (29a, 29b) und eine zweite Beschränkungselektrode (30a, 30b) beinhaltet, die erste Erfassungselektrode (27a, 27b) und die erste Beschränkungselektrode (29a, 29b) auf einem inneren Abschnitt des Erfassungsrahmens (26a, 26b) vorgesehen sind, und die zweite Erfassungselektrode (28a, 28b) und die zweite Beschränkungselektrode (30a, 30b) auf dem Substrat bei Abschnitten, die durch den Erfassungsrahmen (26a, 26b) umgeben sind, vorgesehen sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 2 oder 3, weiter aufweisend: einen Überwachungsteil, der konfiguriert ist, um einen Vibrationszustand des Antriebsrahmens (24a, 24b) zu überwachen, wobei der Überwachungsteil eine erste Überwachungselektrode (34a, 34b) und eine zweite Überwachungselektrode (35a, 35b) beinhaltet, die erste Überwachungselektrode (34a, 34b) auf dem Antriebsrahmen (24a, 24b) jedes Vibrators des Paars von Vibratoren vorgesehen ist, und die zweite Überwachungselektrode (35a, 35b) der ersten Überwachungselektrode (34a, 34b) in der zweiten Richtung gegenüberliegt.