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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein horizontales Vibrationsmikrogyroskop
vom Stimmgabeltyp zum Erfassen von Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen
eines Inertialobjekts, wenn das Inertialobjekt gedreht wird, insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf ein horizontales Vibrationsmikrogyroskop
vom Stimmgabeltyp, bei dem die Resonanzrichtungen des Mikrogyroskops
sowohl im Erfassungsmodus als auch im Antriebsmodus auf derselben
horizontalen Fläche
liegen, wobei seine Erfassungseigenschaften stark verbessert sind,
ungeachtet der Veränderungen
der vertikalen Dicke, die durch das Verfahren zur Herstellung des
Mikrogyroskops festgelegt werden.
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Fachleuten
auf diesem Gebiet ist es bekannt, dass ein Gyroskop weit verbreitet
als Sensor zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung
eines Inertialobjekts benutzt wird, wenn das Inertialobjekt gedreht
wird. Gyroskope können
in mechanische Gyroskope und Vibrationsgyroskope eingeteilt werden,
gemäß der Art
der Kraft, mit der das Gyroskop beaufschlagt wird. Das Vibrationsgyroskop
kann in ein keramisches Gyroskop und ein MEMS-Gyroskop (micro electro-mechanical
system) unterteilt werden, gemäß dem Herstellungsverfahren des
Gyroskops. Das MEMS-Gyroskop wird durch ein Halbleiterherstellungsverfahren
hergestellt. Das Vibrationsgyroskop kann ebenso in ein horizontales
und ein vertikales Gyroskop unterteilt werden, gemäß der Richtung
der Kraft mit der das Gyroskop beaufschlagt wird. Das horizontale
Gyroskop verwendet die Corioliskraft, die parallel zur horizontalen
Ebene der Geschwindigkeit des Gyroskops erzeugt wird. Andererseits
benutzt das vertikale Gyroskop die Corioliskraft, die in der zur
Horizontalebene senkrechten Richtung der Geschwindigkeit oder des
Geschwindigkeitsvektors des Gyroskops erzeugt wird.
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Die
bei dem Vibrationsgyroskop benutzte Corioliskraft kann durch die
folgende Gleichung ausgedrückt
werden: Fc = 2m·Ω·Vwobei m die Masse des
Inertialobjekts ist, Ω ist
die Winkelgeschwindigkeit und V ist die Geschwindigkeit. Die Richtung
der Corioliskraft Fc wird durch die Achse der Geschwindigkeit V
und die Drehachse der Geschwindigkeit Ω festgelegt. Das Vibrationsgyroskop
kann bei einem Gerät
zur Erfassung der Vibration, die durch ein Inertialobjekt erzeugt
worden ist, angewendet werden, um die erfasste Vibration zu kompensieren.
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Das
Vibrationsgyroskop umfasst im Wesentlichen eine stationäre Struktur
und eine Vibrationsstruktur. Die Vibrationsstruktur umfasst eine
Antriebseinheit und eine Erfassungseinheit. Die Antriebseinheit
dient dazu, die Vibrationsstruktur durch ihre Selbstoszillation
in Resonanz zu versetzen, um einen Erfassungszustand in einem Antriebsmodus
zu schaffen, und die Erfassungseinheit dient dazu, die Vibrationsstruktur
in Resonanz zu versetzen mittels der Corioliskraft Fc, die senkrecht
zur Richtung der Beschleunigung oder der Winkelbeschleunigung wirkt,
entsprechend der Vibration des Inertialobjekts. Die Richtung der
Resonanz im Antriebsmodus ist senkrecht zur Richtung der Resonanz
im Erfassungsmodus und die Änderung
der Kapazität
eines Kondensators ist ein Maß für die Corioliskraft
Fc. Es ist erforderlich, dass die Bewegung in der Antriebseinheit
groß und
die Empfindlichkeit im Erfassungsmodus hervorragend ist, um die
Erfassungsleistung des Vibrationsgyroskops zu verbessern.
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Systeme
zur Erfassung der Spannung des Gyroskops in dem Antriebsmodus können unterteilt werden
in ein System zum Messen der Kapazität entsprechend der Corioliskraft,
die in eine Spannung umgewandelt wird, und ein Abgleichsystem zum Messen
der erforderlichen Spannung zum Regeln der durch die Corioliskraft
verursachten Bewegung des Gyroskops.
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Das
oben erwähnte
Vibrationsgyroskop wird z. B. bei einem Gerät zum Verhindern des Handwackelns
bei einer Videokamera angewendet, bei einem Fahrzeugairbag, einem
unbemannten Flugzeug und bei einem am Kopf angebrachten Display
(head mount display (HMD)).
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Wie
oben erwähnt
wurde ist das Gyroskop ein Sensor zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit eines
Inertialobjekts in einer festgelegten Richtung. Dementsprechend
ist es erforderlich, dass das Vibrationsgyroskop durch jegliche
Winkelgeschwindigkeit oder Bewegung des Inertialobjekts in anderen
Richtungen als in der festgelegten Richtung, in der die Winkelgeschwindigkeit
des Inertialobjekts zu messen ist, nicht beeinträchtigt wird. Die Empfindlichkeit
für eine
Bewegung in andere Richtungen als die festgelegte Richtung, in der
die Winkelgeschwindigkeit des Inertialobjekts zu messen ist, wird
als "cross talk" oder "cross sensitivity" bezeichnet. Ein
Sensor zum Messen einer physikalischen Größe hat eine Empfindlichkeit,
deren Betrag minimiert wird. Die Empfindlichkeit ist im Allgemeinen
beschränkt
und liegt unterhalb eines festgelegten Werts in Abhängigkeit der
Spezifikationen des Produkts.
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Im
Folgenden wird eine Beschreibung eines herkömmlichen Mikrogyroskops gegeben.
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1 ist eine Draufsicht und
zeigt ein herkömmliches
horizontales Mikrogyroskop 10. Wie in 1 gezeigt ist umfasst das herkömmliche
horizontale Mikrogyroskop 10: ein Substrat; eine Vibrationsstruktur 30 mit
ersten und zweiten Streifenabschnitten 15 und 15', die parallel
zueinander angeordnet sind, erste und zweite Kämme 20 und 21,
ausgebildet auf einer Seite der ersten bzw. zweiten Streifenabschnitte 15 und 15', und eine Mehrzahl
von Verbindungsabschnitten 16 zum Verbinden der ersten
und zweiten Streifenabschnitte 15 und 15'; elastische
Mittel 11, 12 und 12', um die Vibrationsstruktur 30 elastisch
derart zu tragen, dass die Vibrationsstruktur 30 von dem
Substrat um einen festgelegten Spalt beabstandet ist; Antriebsmittel 13 mit
einem dritten Kamm 19, der in den ersten Kamm 20 des
ersten Streifenabschnitts 15 zum Anwenden der Vibrationsstruktur in
einer Richtung aufgrund einer elektrostatischen Kraft eingesetzt
ist; Erfassungsmittel 14 mit einem vierten Kamm 21,
der zwischen dem zweiten Kamm 22 und dem zweiten Streifenabschnitt 15 zum
Erfassen der Bewegung der Vibrationsstruktur 30, die von dem
Antriebsmittel 13 durch eine Kapazitätsänderung angetrieben wird, eingesetzt
ist; und eine Mehrzahl von Erfassungselektroden 18, angeordnet
zwischen den Verbindungsabschnitten 16 der Vibrationsstruktur 30 auf
derselben Ebene wie die der Vibrationsstruktur 30, in einem
festgelegten Spalt von dem Substrat beabstandet zum Erfassen einer
Verschiebung der Vibrationsstruktur 30 durch die Corioliskraft
durch eine Kapazitätsänderung.
Die Einzelheiten dieses erwähnten
herkömmlichen
horizontalen Mikrogyroskops sind in dem US-Patent Nr. 5,747,690
offenbart.
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Wie
in 1 gezeigt ist, wird
das herkömmliche
horizontale Mikrogyroskop in der horizontalen X-Richtung durch den
Kamm 21 angetrieben, und eine Coriolisvibration der Vibrationsstruktur
in der vertikalen Richtung wird mittels der Erfassungselektrode 18 erfasst.
Wenn die Vibrationsstruktur 30 in der Horizontalrichtung
X in Vibration versetzt wird durch Anlegen einer Wechselspannung
an die Kämme 19, 20, 21 und 22,
die an beiden Seiten der Vibrationsstruktur 30 angeordnet
sind, wird die Vibrationsstruktur 30 in Y-Richtung durch
eine Corioliskraft in Vibration versetzt, wenn die Winkelgeschwindigkeit
in Z-Richtung angelegt wird. Die Größe der zuvor erwähnten Vibration
ist proportional zu der angelegten Winkelgeschwindigkeit. Als Konsequenz
wird die Winkelgeschwindigkeit gemessen durch Erfassen der Vibration
der Vibrationsstruktur 30 in Y-Richtung in der Form einer
Vibrationsfrequenz, wobei die Erfassungselektrode 18 benutzt
wird.
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Bei
dem herkömmlichen
horizontalen Mikrogyroskop wird die Vibrationsstruktur anfänglich in X-Richtung
in Vibration versetzt. Wenn eine äußere Winkelgeschwindigkeit
der Vibrationsstruktur auferlegt wird, wird eine Coriolisbewegung
erzeugt, durch die die Vibrationsstruktur in Y-Richtung in Vibration versetzt
wird, um die Winkelgeschwindigkeit zu erfassen. Die Konsequenz davon
ist, dass die in X- und Y-Richtung übertragenen Vibrationen nachteilige Wirkungen
auf die Erfassungsergebnisse haben können, wenn die Winkelgeschwindigkeit
wie oben erwähnt
erfasst wird. Insbesondere wenn die Vibration in X-Richtung übertragen
wird, die sehr empfindlich ist, werden diese Effekte vergrößert. Das
herkömmliche horizontale
Mikrogyroskop hat eine geringe Erfassungsleistung, speziell wenn
es wegen äußerer Vibrationen
in der Nähe
einer Eigenfrequenz vibriert. Vibrationen in Frequenzbändern, in
denen keine Eigenfrequenz liegt, können durch die Benutzung eines elektrischen
Filters verringert werden. Gemäß dem Prinzip
des Gyroskops wird die Winkelgeschwindigkeit durch das Signal der
Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) moduliert. Als Konsequenz existiert
eine Komponente die nicht elektrisch in dem Gyroskop beseitigt werden
kann, wodurch die Erfassungsleistung des Gyroskops verringert wird.
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2 ist eine Draufsicht und
zeigt ein herkömmliches
Mikrogyroskop vom Stimmgabeltyp. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das herkömmliche Stimmgabelmikrogyroskop:
Aufgehängte
Gewichtselemente 64 und 66, die um eine erste
Achse rotieren und so ausgebildet sind, dass sie in einer im Wesentlichen
zur ersten Achse orthogonalen Richtung vibrieren; ein Paar angetriebener
Elektroden 36 und 38, die von den Gewichtselementen 64 und 66 in
Vibrationsrichtung abstehen; ein Paar Antriebselektroden 51 und 52,
die frei mit dem Paar der angetriebenen Elektroden 36 und 38 kämmen; eine
elektronische Antriebsschaltung 71 eines Vibrationsantriebs,
die über
die Gewichtselemente 64 und 66 das Paar der angetriebenen
Elektroden 36 und 38 und das Paar der Antriebselektroden 51 und 52 mit
entgegengesetzten Polaritätssignalen
berührt,
um eine Vibration der Gewichtselemente 64 und 66 zu
induzieren; eine Mehrzahl von Positionssensoren 41, 42, 43 und 44, angeordnet
an Stellen, die den Gewichtselementen 64 und 66 gegenüberliegen;
eine elektronische Erfassungsschaltung 72, die wenigstens
auf eine Teilmenge der Mehrzahl der Positionssensoren 41, 42, 43,
und 44 reagiert. Die Einzelheiten dieses herkömmlichen
Stimmgabelmikrogyroskops sind in dem US-Patent Nr. 5,349,855 offenbart.
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Das
zuvor erwähnte
herkömmliche
Stimmgabelmikrogyroskop benutzt einen Stimmgabelvibrationsmodus,
in dem die Erfassung in senkrechter Richtung zum Boden durchgeführt wird.
Das herkömmliche
Stimmgabelmikrogyroskop umfasst eine Struktur mit einer horizontalen
Vibrationsrichtung in einem Antriebsmodus und einer vertikalen Vibrationsrichtung
in einem Erfassungsmodus. Bei der zuvor erwähnten Struktur wird das größte Ausgangssignal
erhalten, wenn die Frequenz in Horizontalrichtung identisch ist
zu der Frequenz in der Vertikalrichtung. Dieses führt dazu,
dass ein Abstimmvorgang zum elektrischen Abstimmen der Resonanzfrequenzen
nach der Herstellung des Stimmgabelmikrogyroskops durchgeführt wird,
damit die Resonanzfrequenzen identisch oder ähnlich sind.
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Die
Resonanzfrequenzen in horizontaler und vertikaler Richtung müssen identisch
sein. Die Richtung des Erfassungsmodus ist jedoch horizontal, wohingegen
die Richtung des Antriebsmodus vertikal ist. Konsequenterweise ist
es erforderlich, dass die Höhe
und Dicke elastischer Elemente wie Federn, die in der horizontalen
und vertikalen Richtung vibrieren, identisch ist, was das Einstellen
der Frequenz sehr schwierig macht. Die Frequenz in der Horizontalrichtung
reagiert empfindlich auf den Ätzprozess der
Struktur und die Resonanzfrequenz in vertikaler Richtung wird festgelegt
auf der Grundlage eines Auftragungs-, Galvanisierungs- oder Polierverfahrens,
durch das die Dicke der Struktur festgelegt wird. Konsequenterweise
ist es erforderlich, die zuvor erwähnten Verfahren perfekt zu
steuern, was in der Praxis schwierig ist. Ferner wird die Messung
nicht linear durchgeführt,
wenn eine große
Winkelgeschwindigkeit vorliegt, um die Größe der Vibration in Vertikalrichtung
zu erhöhen,
da die Erfassungselektroden auf einer Seite des Mikrogyroskops angeordnet
sind.
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Wie
oben beschrieben wurde, weist das herkömmliche horizontale oder Stimmgabelmikrogyroskop
das Problem auf, dass Vibrationen, die durch externe Vibrationen
oder Rauschen verursacht werden, auf die Struktur des Mikrogyroskops übertragen
werden und dementsprechend kommt es zu beträchtlichen Interferenzen bei
der Messung der Winkelgeschwindigkeit. Bei praktischen Anwendungen
kann das Auftreten solcher Interferenzsignale, die durch Vibrationen
oder Rauschen verursacht werden, nachteilige Wirkungen auf die Leistung
des Mikrogyroskops haben.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die zuvor erwähnten Probleme
gemacht und es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein horizontales Stimmga belmikrogyroskop
zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzrichtungen
des Mikrogyroskops auf derselben horizontalen Ebene im Erfassungs-
und Antriebsmodus sind, wodurch seine Erfassungseigenschaften sehr
stark verbessert werden, ungeachtet der Änderungen seiner vertikalen Dicke,
die bei dem Verfahren zur Herstellung des Mikrogyroskops festgelegt
werden.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ein horizontales
Stimmgabelmikrogyroskop zu schaffen, das in der Lage ist, durch
irgendwelche externen Vibrationen oder durch Rauschen verursachte
Effekte zu minimieren.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung können die oben genannten und
weitere Ziele erreicht werden durch die Schaffung eines horizontalen
Stimmgabelmikrogyroskops, umfassend: ein Substrat mit einer ebenen
Struktur in der Horizontalrichtung, definiert durch eine X-Achse
und eine im Wesentlichen zu der X-Achse senkrechte Y-Achse; eine
verankerte Unterlageneinheit umfassend eine Mehrzahl verankerter
Unterlagen, die auf dem Substrat verankert sind; eine äußere elastische Elementeinheit
umfassend eine Mehrzahl von äußeren elastischen
Elementen, die mit einem Ende an die verankerten Unterlagen der
verankerten Unterlageneinheit angeschlossen sind; einen Außenrahmen,
der im Wesentlichen in der Form eines Rechtecks hergestellt und
mit dem anderen Ende der mehreren äußeren elastischen Elemente
der äußeren elastischen
Elementeinheit verbunden ist, wobei der Außenrahmen von dem Substrat
um einen festgelegten Spalt beabstandet ist, der Außenrahmen
hat vibrierende Elektrodenfinger einer Kammstruktur; eine Erfassungselektrodeneinheit
umfassend eine Mehrzahl von Erfassungselektroden einer Kammstruktur, die
Erfassungselektroden greifen in die vibrierenden Elektrodenfinger
des Außenrahmens
ein, wobei die Erfassungselektroden von den vibrierenden Elektrodenfingern
durch einen festgelegten Spalt beabstandet sind; eine innere elastische
Elementeinheit umfassend eine Mehrzahl von inneren elastischen Elementen,
die an das Innere des Außenrahmens
angeschlossen sind; eine innere Gewichtselementeinheit, umfassend
ein Paar erster und zweiter innerer Gewichtselemente, die jeweils
einen angetriebenen Kamm aufweisen, die ersten und zweiten inneren Gewichtselemente
sind mit dem anderen Ende der Mehrzahl der inneren elastischen Elementeinheit verbunden;
und einer angetriebene Elektrodeneinheit umfassend erste und zweite
angetriebene Elektroden, die jeweils einen Kammantrieb aufweisen, der
eine Kammstruktur bildet, die ersten und zweiten angetriebenen Elektroden
greifen in die ersten und zweiten inneren Gewichtselemente der inneren
Gewichtselementeinheit ein, wobei die ersten und zweiten angetriebenen
Elektroden von den ersten und zweiten inneren Gewichtselementen
um einen festgelegten Spalt beabstandet sind.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein horizontales
Stimmgabelmikrogyroskop geschaffen, umfassend: ein Substrat mit
einer ebenen Struktur in der Horizontalrichtung, festgelegt durch
eine X-Achse und eine zu der X-Achse im Wesentlichen senkrechte
Y-Achse; eine verankerte Unterlageneinheit umfassend eine Mehrzahl
verankerter Unterlagen, die auf dem Substrat verankert sind; eine äußere elastische
Elementeinheit umfassend eine Mehrzahl äußerer elastischer Elemente,
die an einem Ende an die verankerten Unterlagen der verankerten
Unterlageneinheit angeschlossen sind; ein Außenrahmen, der im Wesentlichen
kreisförmig
ausgebildet und an das andere Ende der mehreren äußeren elastischen Elemente der äußeren elastischen
Elementeinheit angeschlossen ist, wobei der Außenrahmen von dem Substrat um
einen festgelegten Spalt beabstandet ist, der Außenrahmen umfasst eine angetriebene
Elektrode mit angetriebenen Elektrodenfingern, die eine Kammstruktur
bilden, die an der Außenseite
des Außenrahmens
ausgebildet ist; eine angetriebene Elektrodeneinheit, die angetriebene
Elektrodenfinger aufweist, die eine Kammstruktur bilden, die angetriebenen Elektrodenfinger
greifen in die angetriebenen Elektrodenfinger des Außenrahmens
ein, wobei die angetriebenen Elektrodenfinger von den angetriebenen Elektrodenfingern
um eine festgelegten Spalt beabstandet sind; eine innere elastische
Elementeinheit umfassend eine Mehrzahl von inneren elastischen Elementen,
die mit ihrem einen Ende an das Innere des Außenrahmen angeschlossen sind;
eine innere Gewichtselementeinheit umfassend ein Paar erster und
zweiter innerer Gewichtselemente mit vibrierenden Elektrodenfingern,
die Kammstrukturen bilden, die ersten und zweiten inneren Gewichtselemente sind
mit dem Ende der Mehrzahl der inneren elastischen Elemente der inneren
elastischen Elementeinheit verbunden; und eine Erfassungselektrodeneinheit
umfassend erste und zweite Erfassungselektroden, die Erfassungselektrodenfinger
aufweisen, die Kammstrukturen bilden, die Erfassungselektrodenfinger
greifen in die vibrierenden Elektrodenfinger der ersten und zweiten
inneren Gewichtselemente der inneren Gewichtselementeinheit ein,
wobei die Erfassungselektrodenfinger von den vibrierenden Elektrodenfingern
um einen festgelegten Spalt beabstandet sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben,
in denen:
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Fig.
ist eine Draufsicht und zeigt ein herkömmliches horizontales Mikrogyroskop;
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2 ist
eine Draufsicht und zeigt ein herkömmliches Stimmgabelmikrogyroskop;
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3 ist
eine Draufsicht und zeigt ein horizontales Stimmgabeltypvibrationsmikrogyroskop
gemäß einem
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
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4a und 4b sind
vergrößerte Ansichten
und zeigen eine innere elastische Elementeinheit des horizontalen
Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskops
gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung von 3;
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5a und 5b sind
vergrößerte Ansichten
und zeigen eine innere Gewichtselementeinheit und eine angetriebene
Elektrodeneinheit des horizontalen Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskops gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung von 3;
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6 ist
eine vergrößerte Ansicht
und zeigt eine Erfassungselektrodeneinheit des horizontalen Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskops
gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung von 3;
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7 ist
eine vergrößerte Ansicht
und zeigt eine. Rückkopplungselektrodeneinheit
des horizontale Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskops gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung von 3;
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8 ist
eine geschnittene Ansicht entlang der Linie A-A' von 3;
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9a ist
ein dynamisches Modell des Mikrogyroskops und
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9b und 9c sind
Ansichten, die den Zustand des Mikrogyroskops darstellen, wenn es
im ersten bzw. zweiten Resonanzmodus schwingt;
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10 ist
eine Draufsicht und zeigt ein horizontales Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskop gemäß einem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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11a und 11b sind
vergrößerte Ansichten
und zeigen eine angetriebene Elektrodeneinheit des horizontalen
Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskops
gemäß dem zweiten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung von 10;
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12a und 12b sind
vergrößerte Ansichten
und zeigen eine innere elastische Elementeinheit des horizontalen
Stimmgabeltyp- Vibrationsmikrogyroskops
gemäß dem zweiten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung von 10;
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13a und 13b sind
vergrößerte Ansichten
und zeigen eine innere Gewichtselementeinheit und Erfassungselektrodeneinheit
des horizontalen Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskops gemäß dem zweiten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung von 10; und
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14 ist
eine vergrößerte Ansicht
und zeigt eine Rückkopplungserfassungselektrodeneinheit des
horizontalen Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskops
gemäß dem zweiten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung von 10.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
vorliegende Erfindung benutzt einen Stimmgabelmodus, in dem ein
Paar von Gewichtselementen auf eine solche Weise einander gegenüber liegt,
dass die Gewichtselemente abwechselnd nah beieinander oder voneinander
entfernt sind. Ein wichtiger Punkt des Stimmgabelmodus ist es, dass das
Mikrogyroskop vernachlässigbar
von äußeren Vibrationen
beeinträchtigt
wird, da die Gewichtselemente sich bewegen, wobei sie einander gegenüber liegen.
Ferner wird eine Drehbewegung erzeugt, sogar in einem zweiten Resonanzmodus,
der als Erfassungsmodus benutzt wird. Die Konsequenz daraus ist,
dass die Wirkung externer linearer Vibrationen minimiert wird. Um
den Stimmgabelmodus zu benutzen, müssen zwei innere Gewichtselemente
akkurat miteinander gekoppelt werden. Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele
des Aufbaus eines solchen Mikrogyroskops werden nun beschrieben.
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Ein
Außenrahmen
und ein Paar innere Gewichtselemente des erfindungsgemäßen Mikrogyroskops
werden elastisch durch eine äußere elastische Elementeinheit
und eine innere elastische Elementeinheit getragen. Die Größe der Ge wichtselemente
und die Festigkeiten der elastischen Elementeinheiten werden so
eingestellt, dass ein Vibrationsmodus und eine Resonanzfrequenz
der Bewegung der Gewichtselemente festgelegt wird. Insbesondere
ist der Aufbau der inneren elastischen Elementeinheit, die mit dem
Außenrahmen
verbunden und zwischen dem Paar der inneren Gewichtselemente angeschlossen
ist, eines der wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung. Die
innere elastische Elementeinheit ist mit dem Paar innerer Gewichtselemente
gekoppelt, so dass die inneren Gewichtselemente in dem Stimmgabemodus
in Resonanz versetzt werden. Die äußeren und inneren elastischen
Elementeinheiten, die später
beschrieben werden, sind so aufgebaut, dass die äußere elastische Elementeinheit
oder die innere elastische Elementeinheit eine gefaltete Struktur
besitzt, die in der Richtung ausgebildet ist, in der die Verschiebung durch
die Vibration groß ist
und eine lineare Struktur ist in der Richtung ausgebildet, in der
die Verschiebung durch die Vibration klein ist.
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3 ist
eine Draufsicht und zeigt ein horizontales Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskop gemäß einem
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt
ist, umfasst das horizontale Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskop
der vorliegenden Erfindung: ein Substrat 105 mit einer
ebenen Struktur in horizontaler Richtung, festgelegt durch eine
X-Achse und eine
im Wesentlichen zu der X-Achse senkrechte Y-Achse; eine verankerte
Unterlageneinheit 110 umfassend eine Mehrzahl verankerter
Unterlagen 111 bis 114, die auf dem Substrat 105 verankert
sind; eine äußere elastische
Elementeinheit 120 umfassend eine Mehrzahl äußerer elastischer
Elemente 121 bis 124, die mit ihrem einen Ende
an die verankerten Unterlagen 111 bis 114 der
verankerten Unterlageneinheit 110 angeschlossen sind; ein
Außenrahmen 130 der
im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist und an das andere Ende
der mehreren äußeren elastischen
Elemente 121 bis 124 der äußeren elastischen Elementeinheit 120 angeschlossen
ist, wobei der Außenrahmen 130 von
dem Substrat 105 um einen festgelegten Spalt beabstandet
ist, der Außenrahmen 130 hat
vibrierende Elektrodenfinger 135, die eine Kammstruktur
bilden; eine Erfassungselektrodeneinheit 140 umfassend
eine Mehrzahl von Erfassungselektroden 141 bis 144,
die eine Kammstruktur bilden, die Erfassungselektroden 141 bis 144 greifen in
die vibrierenden Elektrodenfinger 135 des Außenrahmens 130 ein,
wobei die Erfas sungselektroden 141 bis 144 von
den vibrierenden Elektrodenfingern 135 um einen festgelegten
Spalt beabstandet sind; eine innere elastische Elementeinheit 150 umfassend
eine Mehrzahl innerer elastischer Elemente 151 bis 156,
die an das Innere des Außenrahmes 130 angeschlossen
sind; eine innere Gewichtselementeinheit 160 umfassend
ein Paar erster und zweiter innerer Gewichtselemente 161 und 162,
die jeweils einen angetriebenen Kamm aufweisen, die ersten und zweiten
inneren Gewichtselemente 161 und 162 sind an das
andere Ende der Mehrzahl der inneren elastischen Elemente 151 bis 156 der
inneren elastischen Elementeinheit 150 angeschlossen; und
eine angetriebene Elektrodeneinheit 170 umfassend erste
und zweite angetriebene Elektroden 171 und 172 die
jeweils einen Kammantrieb aufweisen, der eine Kammstruktur bildet,
die ersten und zweiten angetriebenen Elektroden 171 und 172 kämmen mit
den ersten und zweiten inneren Gewichtselementen 161 und 162 der inneren
Gewichtselementeinheit 160, wobei die ersten und zweiten
angetriebenen Elektroden 171 und 172 von den ersten
und zweiten inneren Gewichtselementen 161 und 162 durch
einen festgelegten Spalt beabstandet sind.
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Die äußere elastische
Elementeinheit 120 umfasst erste bis vierte äußere elastische
Elemente 121 bis 124. Jedes der ersten bis vierten äußeren elastischen
Elemente 121 bis 124 ist an die äußere Mitte
jeder Seite des Außenrahmens 130 angeschlossen.
Die ersten bis vierten äußeren elastischen
Elemente 121 bis 124 besitzen dieselbe Struktur.
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Der
Außenrahmen 130 umfasst
zwei Seiten 131 und 132, die voneinander in Richtung
in Richtung der X-Achse beabstandet sind und zwei andere Seiten 133 und 134,
die voneinander in Richtung der Y-Achse beabstandet sind, die im
Wesentlichen ein Quadrat oder Rechteck bilden. Die vibrierenden Elektrodenfinger 135 des
Außenrahmens 130 sind an äußeren Teilen
der beiden Seiten 131 und 132 in Richtung der
X-Achse ausgebildet, so dass die vibrierenden Elektrodenfinger 135 des
Außenrahmens 130 in
der Form einer Kammstruktur in Richtung der Y-Achse angeordnet sind.
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Die
Mehrzahl der inneren elastischen Elemente 151 bis 156 der
inneren elastischen Elementeinheit 150 umfasst erste bis
vierte innere elastische Elemente 151 bis 154,
die sich jeweils nach innen erstrecken von beiden Enden der beiden
Seiten 133 und 134, die in Richtung der Y-Achse
auf den vier Seiten des Außenrahmens 130 angeordnet
sind, und fünfte
und sechste innere elastische Elemente 155 und 156,
die sich jeweils von der Mitte der beiden Seiten 133 und 134 nach
innen erstrecken, die in Richtung der Y-Achse auf den vier Seiten
des Außenrahmens 130 angeordnet
sind. 3 zeigt auch eine Rückkopplungselektrodeneinheit 180 die
zwischen dem Paar innerer Gewichtselemente 161 und 162 der
inneren Gewichtselementeinheit 160 angeordnet ist.
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Die 4a und 4b sind
vergrößerte Ansichten
und zeigen die innere elastische Elementeinheit von 3.
Wie in den 3 und 4a gezeigt ist,
besitzen die ersten bis vierten inneren elastischen Elemente 151 bis 154 im
Wesentlichen dieselbe Struktur, so dass die ersten bis vierten inneren
elastischen Elemente 151 bis 154 einander entsprechen. Das
erste innere elastische Element 151 umfasst: Einen äußeren Verbindungsteil 151A,
der in Richtung der X-Achse an das Innere der beiden Seiten 133 und 134 des
Außenrahmens 130 angeschlossen
ist, der in Richtung der Y-Achse angeordnet ist; einen inneren Verbindungsteil 151B,
angeschlossen an die Außenseite
der inneren Gewichtselementeinheit 160 in Richtung der
Y-Achse; ein Verlängerungsteil 151C, das
sich von dem Ende des inneren Verbindungsteils 151B in
Richtung der X-Achse erstreckt; und ein gebogenens Verbindungsteil 151D zum
Verbinden des äußeren Verbindungsteils 151A und
des Verlängerungsteils 151C.
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Jedes
der zweiten bis vierten inneren elastischen Elemente 152 bis 154 umfasst
auch einen äußeren Verbindungsteil,
einen inneren Verbindungsteil, einen Verlängerungsteil und ein gebogenes
Verbindungsteil, die grundsätzlich
identisch zu denjenigen des ersten inneren elastischen Elements 151 sind.
Anders ausgedrückt
ist die Struktur aller zweiten bis vierten inneren elastischen Elemente 152 bis 154 identisch
mit dem ersten inneren elastischen Element 151, obwohl
die Anordnungsrichtung und die Position der Verbindung aller ersten
bis vierten inneren elastischen Elemente 151 bis 154 derart
ist, dass sie die innere Gewichtselement einheit 160 gleichförmig und
elastisch tragen können.
Die Länge
des äußeren Verbindungsteils
aller ersten bis vierten inneren elastischen Elemente ist größer als
die Länge des
Verlängerungsteils
aller ersten bis vierten inneren elastischen Elemente. Ebenso ist
die Länge
des Verlängerungsteils
aller ersten bis vierten inneren elastischen Elemente größer als
die Länge
des inneren Verbindungsteils aller ersten bis vierten inneren elastischen
Elemente. Vorzugsweise sind das äußere Verbindungsteil
und das Verlängerungsteil
in Richtung der X-Achse parallel zueinander angeordnet.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist jedes der ersten bis vierten inneren
elastischen Elemente 151 bis 154 so aufgebaut,
dass die Vibration in Richtung der X-Achse reduziert wird, während eine
relativ große
Vibration in Richtung der Y-Achse erzeugt wird.
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Wie
in den 3 und 4b gezeigt ist, besitzen das
fünfte
und sechste innere elastische Element 155 und 156 im
Wesentlichen dieselbe Struktur, so dass das fünfte und das sechste innere
elastische Element 155 und 156 einander entsprechen.
Das fünfte
innere elastische Element 155 umfasst: Ein Aufbauteil 155A,
ausgebildet an der Mitte der beiden Seiten 133 und 134 des
Außenrahmens 130,
angeordnet in Richtung der Y-Achse; ein Paar Armteile 155B und 155C die
jeweils mit einem Ende an das Aufbauteil 155A angeschlossen
sind und das andere Ende ist an jedes Paar der inneren Gewichtselemente 161 und 162 angeschlossen.
Das Aufbauteil 155A besitzt die Form einer rechteckigen
Klammer („]"), und beide Enden
des Aufbauteils 155A sind mit dem Inneren des Außenrahmens 130 verbunden.
-
Das
Paar der Armteile 155B und 155C ist symmetrisch
zueinander bezüglich
der X-Achse. Das Armteil 155B umfasst: Ein äußeres Verbindungsteil 155B-1,
angeschlossen an das Aufbauteil 155A, so dass das äußere Verbindungsteil 155B-1 eine
festgelegte Länge
in Richtung der X-Achse hat; ein inneres Verbindungsteil 155B-2,
angeschlossen an die Außenseite
der inneren Gewichtselementeinheit 160, so dass das innere
Verbindungsteil 155B-2 eine festgelegte Länge in Richtung
der X-Achse hat; und ein gebogenes Verbindungsteil 155B-3,
zum Anschlie ßen
des äußeren Verbindungsteils 155B-1 und
des inneren Verbindungsteils 155B-2. Die Länge des äußeren Verbindungsteils 155B-1 ist
größer als
die Länge
des inneren Verbindungsteils 155B-2. Vorzugsweise ist das
Paar der Armpaare bei den fünften
und sechsten inneren elastischen Elementen 155 und 156 mit
derselben Breite ausgebildet, so dass das Paar der inneren Gewichtselemente 161 und 162 miteinander
gekoppelt ist, um in dem Stimmgabelmodus betrieben zu werden. Jedes
der fünften
und sechsten inneren elastischen Elemente 155 und 156 ist
auch vorzugsweise in der Form eines unten offenen Rechtecks („Π") ausgebildet, das
erhalten wird durch eine Kombination des Aufbauteils und des Paars
der Armteile.
-
Wie
oben beschrieben wurde sind die fünften und sechsten inneren
elastischen Elemente 155 und 156 so aufgebaut,
dass die Vibration in Richtung der X-Achse reduziert wird, während eine
relativ große Vibration
in Richtung der Y-Achse erzeugt wird. Als Konsequenz können die
zuvor erwähnten
inneren elastischen Elemente 151 bis 156 stark
in Richtung der Y-Achse vibriert werden, so dass das Paar der inneren
Gewichtselemente in dem Stimmgabelmodus in Richtung der Y-Achse in horizontaler
Richtung angetrieben wird.
-
Die 5a und 5b sind
vergrößerte Ansichten
und zeigen die innere Gewichtselementeinheit 160 und die
angetriebene Elektrodeneinheit 170 von 3.
Wie in den 5a und 5b gezeigt
ist, umfasst die innere Gewichtselementeinheit 160 das Paar
der ersten und zweiten inneren Gewichtselemente 161 und 162.
Vorzugsweise ist das Paar der ersten und zweiten Gewichtselemente 161 und 162 symmetrisch
zueinander und im Wesentlichen mit demselben Aufbau ausgebildet,
um einen genaueren Antriebs- und Erfassungsbetrieb zu erreichen.
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Wie
in den 3 und 5a gezeigt ist, umfasst das
innere Gewichtselement 161: Zwei Gewichtselementrahmen 161A und 161B,
die voneinander in Richtung der Y-Achse beabstandet sind, jeder der Gewichtselementrahmen 161A und 161B besitzt ein
Ende, das mit einem der Armteile des fünften oder sechsten inneren
elastischen Elements 155 und 156 der inneren elastischen
Elementeinheit 150 verbunden ist, und das andere Ende ist
an die ersten und zweiten inneren elastischen Elemente 151 und 152 angeschlossen;
zwei rahmenantreibende Balken 161C und 161D, angeordnet
zwischen den Gewichtselementrahmen 161A und 161B,
die sich in Richtung der X-Achse erstrecken; zwei angetriebene Kämme DC1
und DC2, die in Richtung der X-Achse entlang der rahmenantreibenden
Balken 161C bzw. 161D angeordnet sind; ein den
Rahmen erfassender Balken 161E, angeschlossen zwischen
den Gewichtselementrahmen 161A und 161B in Richtung
der X-Achse und beabstandet von den rahmenantreibenden Balken 161C und 161D durch
einen festgelegten Spalt; und ein Rückkopplungskamm FC1, ausgebildet
an dem rahmenerfassenden Balken 161E und sich wiederholend
in Richtung der X-Achse
angeordnet. Einer der rahmenantreibenden Balken 161C kann
so aufgebaut sein, dass der rahmenantreibende Balken 161C zwischen
den Gewichtselementrahmen 161A und 161B in Richtung
der X-Achse angeschlossen ist.
-
Wie
in den 3 und 5a gezeigt ist, umfasst die
erste angetriebene Elektrode 171 der angetriebenen Elektrodeneinheit 170:
Eine angetriebene Elektrodenunterlage 171A die an dem Substrat 105 befestigt
und zwischen dem Gewichtselementrahmen 161A und 161B des
ersten Gewichtselements 161 angeordnet ist; angetriebene
Elektrodenbalken 171B und 171C, die sich von der
angetriebenen Elektrodenunterlage 171A so erstrecken, dass
jeder der angetriebenen Elektrodenbalken 171B und 171C eine
festgelegte Länge
in Richtung der X-Achse hat, wobei die angetriebenen Elektrodenbalken 171B und 171C von
den rahmenantreibenden Balken 161C und 161D durch
einen festgelegten Spalt beabstandet sind; und Kammantriebe CD1
und CD2, die Kammstrukturen bilden, die sich wiederholend entlang
der Längsrichtungen
der angetriebenen Elektrodenbalken 171B bzw. 171C angeordnet
sind.
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Wie
in den 3 und 5b gezeigt ist, umfasst das
zweite innere Gewichtselement 162: Zwei Gewichtselementrahmen 162A 162B,
die voneinander in der Richtung der Y-Achse beabstandet sind, jeder
der Gewichtselementrahmen 161A und 161B besitzt
ein Ende, das an das andere der Armteile der fünften und sechsten inneren
elastischen Elemente 155 und 156 der inneren elastischen
Elementeinheit 150 angeschlossen ist, und das andere Ende
ist an die dritten und vierten inneren elastischen Elemente 153 und 154 angeschlossen;
zwei rahmen antreibende Balken 162C und 162D, angeordnet
zwischen den Gewichtselementrahmen 162A und 162B und
in Richtung der X-Achse verlängert;
zwei angetriebene Kämme
DC3 und DC4, die in Richtung der X-Achse entlang der rahmenantreibenden
Balken 162C und 162D angeordnet sind; einen rahmenerfassenden Balken 162E,
der die Gewichtselementrahmen 162A und 162B in
Richtung der X-Achse
verbindet und der von den rahmenantreibenden Balken 162C und 162D durch
einen festgelegten Spalt beabstandet ist; und einen Rückkopplungskamm
FC1, ausgebildet an dem rahmenerfassenden Balken 162E und
sich wiederholend in Richtung der X-Achse angeordnet. Die anderen
rahmenantreibenden Balken 162C können so aufgebaut sein, dass
der den Rahmen antreibende Balken 161C zwischen den Gewichtselementrahmen 162A und 162B in
Richtung der X-Achse angeschlossen ist.
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Wie
in den 3 und 5b gezeigt ist, umfasst die
zweite angetriebene Elektrode 172 der angetriebenen Elektrodeneinheit 170:
Eine angetriebene Elektrodenunterlage 172A, die an dem
Substrat 105 befestigt und zwischen den Gewichtselementrahmen 162A und 162B des
zweiten Gewichtselements 162 angeordnet ist; angetriebene
Elektrodenbalken 172B und 172C, die sich von der
angetriebenen Elektrodenunterlage 172A erstrecken, so dass jeder
der angetriebenen Elektrodenbalken 172B und 172C eine
festgelegte Länge
in Richtung der X-Achse hat, wobei die angetriebenen Elektrodenbalken 172B und 172C von
den rahmenantreibenden Balken 162C und 162D um
einen festgelegten Spalt beabstandet sind; und Kammantriebe CD3
und CD4, die eine Kammstruktur bilden und die abwechselnd entlang
der Längsrichtung
der angetriebenen Elektrodenbalken 172B und 172C angeordnet
sind.
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Wenn
ein Antriebssignal, das ein Resonanzfrequenz besitzt, an die angetriebene
Elektrodeneinheit 170 des horizontalen und Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskops
der Erfindung mittels einer Antriebsschaltung angelegt wird, wird
ein elektrostatische Kraft zwischen der angetriebenen Elektrodeneinheit 170 und
der inneren Gewichtselementeinheit 160 erzeugt. Durch die
elektrostatische Kraft wird das erste innere Gewichtselement 161 in
Richtung der Y-Achse getrieben, wobei es mit der Resonanzfrequenz
des Antriebssignals synchronisiert wird. Mittels der elektrostatischen
Kraft wird das zweite innere Gewichtselement 162 ebenso
in Richtung der Y-Achse getrieben, wobei es mit der Resonanzfrequenz des
Antriebssignals synchronisiert wird. Mit der Resonanz des ersten
inneren Gewichtselements 161 wird das Paar der ersten und
zweiten inneren Gewichtselemente 161 und 162 in
einem horizontalen Stimmgabelmodus bewegt, in dem die inneren Gewichtselemente 161 und 162 abwechselnd
nah zusammen oder voneinander entfernt sind in Richtung der Y-Achse,
wobei sie einander gegenüber
liegen. Zu diesem Zeitpunkt sind die ersten und zweiten inneren
Gewichtselemente 161 und 162 genau miteinander
gekoppelt wegen der Struktur der inneren elastischen Elemente 151 bis 156 der
vorliegenden Erfindung.
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6 ist
eine vergrößerte Ansicht
und zeigt die Erfassungselektrodeneinheit von 3.
Wie in den 3 und 6 gezeigt
ist, besitzen die ersten bis vierten Erfassungselektroden 141 bis 144 der
Erfassungselektrodeneinheit 140 im Wesentlichen dieselben
Strukturen, die symmetrisch bezüglich
der Y-Achse und X-Achse sind. Die erste Erfassungselektrode 141 der
Erfassungselektrodeneinheit 140 umfasst: Eine Erfassungselektrodenunterlage 141A die
auf dem Substrat 105 befestigt ist; einen Erfassungselektrodenbalken 141B,
der sich von der Erfassungselektrodenunterlage 141A in
Richtung der X-Achse erstreckt; und eine Mehrzahl von Erfassungselektrodenfingern 141C,
die eine Kammstruktur bilden, die Erfassungselektrodenfinger 141C sind an
dem Erfassungselektrodenbalken 141B ausgebildet und in
Richtung der X-Achse angeordnet, die Erfassungselektrodenfinger 141C greifen
in die Vibrationselektrodenfinger 135 ein, die die Kammstruktur des
Außenrahmens 130 aufweisen,
wobei die Erfassungselektrodenfinger 141C von den Vibrationselektrodenfingern 135 durch
einen festgelegten Spalt beabstandet sind. Die erste Erfassungselektrode 141 der
Erfassungselektrodeneinheit 140 mit dem oben erwähnten Aufbau
dient dazu, eine Kapazität
zu erfassen, basierend auf dem Spalt zwischen den Erfassungselektrodenfingern 141C und
den Vibrationselektrodenfingern 135 des Außenrahmens 130.
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Wenn
eine Winkelgeschwindigkeit mit einer Drehachse, die senkrecht zur
X-Achse und Y-Achse des Mikrogyroskops bei dem Mikrogyroskop der
vorliegenden Erfindung erzeugt wird, wobei das Paar der ersten und
zweiten Gewichtselemente 161 und 162 in Richtung der Y-Achse
in dem Stimmgabelmodus angetrieben wird, wirken Corioliskräfte, die
entgegengesetzte Richtungen besitzen, auf das Paar der inneren Gewichtselemente 161 und 162 in
Richtung der X-Achse ein, so dass die inneren Gewichtselemente 161 und 162 in
Vibration versetzt werden. Die Vibration der inneren Gewichtselemente 161 und 162 wird über die
innere elastische Elementeinheit 150 zu dem Außenrahmen 130 übertragen.
Konsequenterweise wird der Außenrahmen 130 in
Vibration versetzt, während
er mit den inneren Gewichtselementen 161 und 162 gekoppelt
ist.
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Wenn
der Außenrahmen 130 in
Vibration versetzt ist, verändert
sich der Spalt zwischen den Vibrationselektrodenfingern 135 des
Außenrahmens 130 und
den Erfassungselektrodenfingern 141C der Erfassungselektrodeneinheit 140.
Das Mikrogyroskop der vorliegenden Erfindung erfasst eine Kapazität, die dem
sich ändernden
Spalt entspricht, um die Größe der äußeren Kraft
der Selbstvibration zu messen.
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7 ist
eine vergrößerte Ansicht
und zeigt die Rückkopplungselektrodeneinheit
von 3. Wie in 7 gezeigt
ist, kann das erfindungsgemäße Mikrogyroskop
eine Rückkopplungselektrodeneinheit 180 zum
Erfassen der Antriebsfrequenz der inneren Gewichtselementeinheit 160 umfassen,
um deren Vibration auf eine exakte Eigenfrequenz zu kalibrieren. Die
Rückkopplungselektrodeneinheit 180 ist
zwischen dem Paar innerer Gewichtselemente 161 und 162 angeordnet
und erfasst eine Kapazität
auf der Grundlage des Spalts zwischen der Rückkopplungselektrodeneinheit 180 und
der Rückkopplungskämme FC1
und FC2 der inneren Gewichtselement 161 und 162.
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Die
Rückkopplungselektrodeneinheit 180 umfasst:
Eine Rückkopplungselektrodenunterlage 181,
die auf dem Substrat 105 befestigt ist; Rückkopplungselektrodenbalken 182 und 183,
die sich von beiden Enden der Rückkopplungselektrodenunterlage 181 in
Richtung der X-Achse erstrecken, die beiden Enden der Rückkopplungselektrodenunterlage 181 sind
in Richtung der Y-Achse ausgebildet; und Kammsensoren CS1 und CS2,
die Kammstrukturen bilden, die an den Rückkopplungselektrodenbalken 182 und 183 ausgebildet
sind und in Richtung der X- Achse
angeordnet sind, die Kammsensoren CS1 und CS2 kämmen mit den Rückkopplungskämmen FC1
und FC2 des Paars innerer Gewichtselemente 161 und 162,
wobei die Kammsensoren CS1 und CS2 von den Rückkopplungskämmen FC1
und FC2 um einen festgelegten Spalt beabstandet sind. Die Rückkopplungselektrodeneinheit 180 mit
dem oben beschriebenen Aufbau dient dazu eine Kapazität entsprechend
des sich ändernden
Spalts zwischen den Kammsensoren CS1 und CS2 und den Rückkopplungskämmen FC1
und FC2 zu erfassen, um den angetriebenen Betrieb der inneren Gewichtselementeinheit 160 zu
messen.
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8 ist
eine geschnittene Ansicht entlang der Linie A-A' von 3. Wie in
den 3 und 8 zu erkennen ist, sind die
verankerten Unterlagen 111 bis 114 der verankerten
Unterlageneinheit 110, die Unterlagen der Erfassungselektrodeneinheit 140,
die angetriebenen Elektroden 171 und 172 der angetriebenen
Elektrodeneinheit 170 und die Rückkopplungselektrodenunterlage 181 der
Rückkopplungselektrodeneinheit 180 auf
der Oberfläche
des Substrats 105 verankert. Die anderen Teile des erfindungsgemäßen Mikrogyroskops
sind von dem Substrat um einen festgelegten Spalt beabstandet.
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9a zeigt
ein dynamisches Modell des Mikrogyroskops und die 9b und 9c sind
Ansichten, die den Zustand des Mikrogyroskops darstellen, wenn es
sich in dem ersten bzw. zweiten Resonanzmodus befindet.
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Wie
in den 9A bis 9C gezeigt
ist, sind die Kammantriebe zum Antreiben der inneren Gewichtselemente
sich wiederholend in dem Mikrogyroskop angeordnet gemäß dem ersten
bevorzugtem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Erfassungselektroden für die Selbstoszillation sind
ebenfalls kammförmig
angeordnet. Wenn die Selbstoszillation induziert wird, sind die
an die oberen und unteren Gewichtselemente angelegten Spannungen
gleich. Konsequenterweise wird das Signal der Resonanzfrequenz gemäß dem ersten
Schwingmodus angelegt. Die Bewegung der Gewichtselemente induziert
eine Veränderung
der Kapazität
der Erfassungselektroden. Die Veränderung der Kapazität der Erfassungselektroden
wird durch eine Schaltung erfasst und zu den angetriebenen Elektroden
in einem festgelegten Zustand rückgekoppelt.
Zu diesem Zeitpunkt wird, wenn das erfindungsgemäße Mikrogyroskop dynamisch
modelliert wird, wie in 9a gezeigt
ist, die Selbstoszillation des ersten Resonanzmodus erzeugt, in
dem das Mikrogyroskop horizontal in Richtung der Y-Achse hin und
her bewegt wird.
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Wenn
eine äußere Winkelgeschwindigkeit auf
die oszillierenden Gewichtselemente einwirkt, wird das Mikrogyroskop
im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn basierend auf der Resonanzfrequenz
in Drehung versetzt. Konsequenterweise werden das erste und zweite
innere Gewichtselement 161 und 162 der inneren
Gewichtselementeinheit 160 der vorliegenden Erfindung derart
in Vibrationen versetzt, dass die ersten und zweiten inneren Gewichtselemente 161 und 162 einander
in Richtung der X-Achse schneiden. Diese Vibration wird durch die äußere elastische
Elementeinheit 120 gesteuert und der Außenrahmen 130 wird
durch die gesteuerte Vibration im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn
bewegt. Beispielsweise stellt 9c das
Mikrogyroskop der vorliegenden Erfindung dar, wenn es sich im Uhrzeigersinn
dreht.
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Als
Ergebnis wird eine Kapazitätsänderung induziert,
basierend auf dem sich verändernden Spalt
zwischen den vibrierenden Elektrodenfingern 135 des Außenrahmens 130 und
den Erfassungselektroden (Erfassung +, Erfassung –). Dieses
Signal ist proportional zu der Winkelgeschwindigkeit und lässt sich
ausdrücken
als Signal, das durch die Resonanzfrequenz moduliert wird. Konsequenterweise kann
die Winkelgeschwindigkeit durch Demodulation erfasst werden, wobei
das Signal der Selbstoszillation benutzt wird. Die Erdungsfläche des
Substrats, die die elektrische Erdung bildet, ist elektrisch mit
der verankerten Unterlageneinheit verbunden. Die verankerte Unterlageneinheit
dient dazu, den Aufbau des Mikrogyroskops strukturell zu tragen
mittels der elastischen Elemente.
-
Bei
dem horizontalen Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskop gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung liegen die Antriebs- und Erfassungsrichtungen der Gewichtselemente
auf derselben horizontalen Ebene, wodurch ein genau gekoppelter
Stimmgabelbetrieb durch die Tatsache garantiert wird, dass die äußeren und
inneren elastischen Elemente der vorliegenden Erfindung dieselbe
Breite auf der horizontalen Ebene besitzen. Dieselbe Breite kann
durch dasselbe Herstellungsverfahren erhalten werden. Die oben erwähnten Einzelheiten
werden bei dem horizontalen Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskop gemäß einem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung angewendet, dass nun beschrieben wird.
-
10 ist
eine Draufsicht und zeigt ein horizontales Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskop gemäß einem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Wie in 10 gezeigt
ist, umfasst das horizontale Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskop
der vorliegenden Erfindung: Ein Substrat 205 mit einer
ebenen Struktur in der Horizontalrichtung festgelegt, durch eine
X-Achse und eine
im Wesentlichen zu der X-Achse senkrechte Y-Achse; eine verankerte
Unterlageneinheit 210 umfassend eine Mehrzahl verankerter
Unterlagen 211 bis 213, die an dem Substrat 205 verankert
sind; eine äußere elastische
Elementeinheit 220 umfassend eine Mehrzahl äußerer elastischer
Elemente 221 bis 223, die mit einem Ende an die
verankerten Unterlagen 211 bis 213 der verankerten
Unterlageneinheit 210 angeschlossen sind; einen Außenrahmen 230, der
im Wesentlichen kreisförmig
ausgebildet und an das andere Ende der mehreren äußeren elastischen Elemente 221 bis 223 der äußeren elastischen
Elementeinheit 220 angeschlossen ist, wobei der Außenrahmen 230 von
dem Substrat 205 durch einen festgelegten Spalt beabstandet
ist, der Außenrahmen 230 umfasst
eine angetriebene Elektrode mit angetriebenen Elektrodenfingern 232 einer
Kammstruktur, die an der Außenseite
des Außenrahmens 230 ausgebildet
ist; eine angetriebene Elektrodeneinheit 240 hat angetriebene
Elektrodenfinger 241C, die eine Kammstruktur bilden, die
angetriebenen Elektrodenfinger 241C kämmen mit den angetriebenen
Elektrodenfingern 232 des Außenrahmens 230, wobei
die angetriebenen Elektrodenfinger 241C von den angetriebenen
Elektrodenfingern 232 um einen festgelegten Spalt beabstandet
sind; eine innere elastische Elementeinheit 250 umfassend
eine Mehrzahl innerer elastischer Elemente 251 bis 254,
die an einem Ende an das Innere des Außenrahmens 230 angeschlossen
sind; eine innere Gewichtselementeinheit 260 umfassend
ein Paar erster und zweiter innerer Gewichtselemente 261 und 262 mit
Vibrationselektrodenfingern 261C und 262C, die
Kammstrukturen bilden, die ersten und zweiten inneren Gewichtselemente 261 und 262 sind
an das andere Ende der Mehrzahl der inneren elastischen Elemente 251 bis 254 der
inneren elastischen Elementeinheit 250 angeschlossen; und
eine Erfassungselektrodeneinheit 270 umfassend erste und
zweite Erfassungselektroden 271 und 272 mit Erfassungselektrodenfingern 271C und 272C,
die Kammstrukturen bilden, die Erfassungselektrodenfinger 271C und 272C kämmen mit
den vibrierenden Elektrodenfingern 261C und 262C der
ersten und zweiten inneren Gewichtselemente 261 und 262 der
inneren Gewichtselementeinheit 260, wobei die Erfassungselektrodenfinger 271C und 272C von
den vibrierenden Elektrodenfingern 261C und 262C um
einen festgelegten Spalt beabstandet sind.
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Die äußere elastische
Elementeinheit 220 umfasst erste bis dritte äußere elastische
Elemente 221 bis 223, die an die verankerten Unterlagen 211 bis 213 der
verankerten Unterlageneinheit 210 angeschlossen sind, um
den Außenrahmen 230 gleichförmig und
elastisch zu tragen. Die ersten bis dritten äußeren elastischen Elemente 221 bis 223 weisen
dieselbe Struktur auf.
-
Der
Außenrahmen 230 besitzt
eine angetriebene Elektrode. Die angetriebene Elektrode umfasst: Eine
Mehrzahl angetriebener Elektrodenbalken 231, ausgebildet
an der Außenseite
des Außenrahmens 230,
so dass jeder der angetriebenen Elektrodenbalken 231 eine
festgelegte Länge
in senkrechter Richtung zu dem Außenrahmen 230 aufweist
und Elektrodenfinger 232, die eine Kammstruktur bilden,
die entlang der Längsrichtung
aller angetriebener Elektrodenbalken 231 angeordnet ist.
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Die 11a und 11b sind
vergrößerte Ansichten
und zeigen die angetriebene Elektrodeneinheit von 10.
Wie in den 10 und 11a gezeigt
ist, besitzt die angetriebene Elektrodeneinheit 240 die
ersten und zweiten angetriebenen Elektroden 241 und 241.
Die erste Erfassungselektrode 241 der angetriebenen Elektrodeneinheit 240 umfasst:
Eine angetriebene Elektrodenunterlage 241A die an dem Substrat 205 befestigt
ist; einen angetriebenen Elektrodenbalken 241B mit einer
festgelegten Länge,
der sich von der angetriebenen Elektrodenunterlage 241A erstreckt,
wobei der angetriebene Elektrodenbalken 241B von dem angetriebenen
Elektrodenbalken 231A des Außenrahmens 230 um
einen festgelegten Spalt beabstandet ist; und angetriebene Elektrodenfinger 241C,
die eine Kammstruktur bilden, ausgebildet an dem angetriebenen Elektrodenbalken 241B,
die mit den angetriebenen Elektrodenfingern 232A kämmen, die
die Kammstruktur des Außenrahmens 230 aufweisen,
wobei die angetriebenen Elektrodenfinger 241C von den angetriebenen Elektrodenfingern 232A des
Außenrahmens
um einen festgelegten Spalt beabstandet sind.
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Wie
in den 10 und 11b gezeigt
ist, umfasst die angetriebene Elektrodeneinheit 240 die ersten
und zweiten Elektroden 241 und 242. Die zweite
Erfassungselektrode 242 der angetriebenen Elektrodeneinheit 240 umfasst:
Eine angetriebene Elektrodenunterlage 242A, die auf dem
Substrat 205 befestigt ist; einen angetriebenen Elektrodenbalken 242B mit
einer festgelegten Länge,
der sich von der angetriebenen Elektrodenunterlage 242A erstreckt, wobei
der angetriebene Elektrodenbalken 242B von dem angetriebenen
Elektrodenbalken 231B des Außenrahmens 230 um
einen festgelegten Spalt beabstandet ist; und angetriebene Elektrodenfinger 242C, die
eine Kammstruktur bilden, die an dem angetriebenen Elektrodenbalken 242B angeordnet
ist und mit den angetriebenen Elektrodenfingern 232B kämmt, die
die Kammstruktur des Außenrahmens 230 besitzen,
wobei die angetriebenen Elektrodenfinger 242C von den angetriebenen
Elektrodenfingern 232B um einen festgelegten Spalt beabstandet
sind.
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Wenn
ein Antriebssignal, das eine Resonanzfrequenz besitzt, an die angetriebene
Elektrodeneinheit 240 des horizontalen Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskops
der vorliegenden Erfindung mittels einer Antriebsschaltung angelegt
wird, wird eine elektrostatische Kraft zwischen der angetriebenen
Elektrodeneinheit 240 und der angetriebenen Elektrode des
Außenrahmens 230 erzeugt.
Mittels dieser elektrostatischen Kraft wird der Außenrahmen 230 in
Richtung seines Umfangs getrieben (bewegt), wobei er mit der Resonanzfrequenz
des Antriebssignals synchronisiert wird. Die Antriebskraft des Außenrahmens 230 wird
zu der inneren Gewichtselementeinheit 260 über die
innere elastische Elementeinheit 250 übertragen. Konsequenterweise werden
die inneren Gewichtselemente 261 und 262 der inneren
Gewichtselementeinheit 260 angetrieben, während sie
mit der Resonanz des Außenrahmens 230 gekoppelt
sind. Zu diesem Zeitpunkt sind die ersten und zweiten inneren Gewichtselemente 261 und 262 genau
miteinander gekoppelt wegen der Struktur der inneren elastischen
Elemente 251 bis 254 der vorliegenden Erfindung.
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Wie
ebenso in den 10 und 11 gezeigt
ist, umfasst die innere elastische Elementeinheit 250: Erste
und zweite innere elastische Elemente 251 und 252,
die sich von dem inneren Umfang des Außenrahmens 230 einwärts erstrecken,
wobei die ersten und zweiten inneren elastischen Elemente 251 und 252 in
Richtung der Y-Achse einander gegenüber liegen; und dritte und
vierte innere elastische Elemente 253 und 254,
die sich einwärts
von dem inneren Umfang des Außenrahmens 230 erstrecken,
wobei die ersten und zweiten inneren elastischen Elemente 251 und 252 einander
in Richtung der X-Achse gegenüber
liegen.
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Die 12a und 12b sind
vergrößerte Ansichten
und stellen die innere elastische Elementeinheit von 10 dar.
Wie in den 10 und 12a gezeigt
ist, sind die ersten und zweiten inneren elastischen Elemente 251 und 252 symmetrisch zueinander
und im Wesentlichen mit der gleichen Struktur ausgebildet. Das erste
innere elastische Element 251 der inneren elastischen Elementeinheit 250 umfasst:
Einen äußeren Verbindungsteil 251A,
angeschlossen an das Innere des Außenrahmens 230 in Richtung
der Y-Achse; einen inneren Verbindungsteil 251B angeschlossen
an die Außenseite
der inneren Gewichtselementeinheit 260 in Richtung der
Y-Achse; und ein Verbindungsteil 251C mit einer festgelegten
Länge in
Richtung der X-Achse zum Verbinden des äußeren Verbindungsteils 251A und
des inneren Verbindungsteils 251B. Die Länge des
Verbindungsteils 251C ist größer als die diejenige des äußeren Verbindungsteils 251A oder
die des inneren Verbindungsteils 251B. Wie in den 10 und 12a erkannt werden kann, sind die ersten und zweiten
inneren elastischen Elemente 251 und 252 so aufgebaut, dass
die Bewegung des Außenrahmens 230 zu
der inneren Gewichtselementeinheit 260 übertragen wird, und die innere
Gewichtselementeinheit 260 wird in Richtung der Y-Achse
in Schwingungen versetzt.
-
Wie
in den 10 und 12b gezeigt
ist, sind die dritten und vierten inneren elastischen Elemente 253 und 254 symmetrisch
zueinander und mit im Wesentli chen derselben Struktur ausgebildet.
Das dritte innere elastische Element 253 der inneren elastischen
Elementeinheit 250 umfasst: ein Aufbauteil 251A ausgebildet
auf dem inneren Umfang des Außenrahmens 230;
ein Paar Armteile 253B und 253C, die sich von
dem Aufbauteil 253A weg erstrecken, so dass alle Armteile 253B und 253C eine
festgelegte Länge
in Richtung der X-Achse haben, die Armteile 253B und 253C sind
an das Paar innerer Gewichtselemente 261 und 262 angeschlossen.
Vorzugsweise ist das Paar der Armteile der dritten und vierten inneren
elastischen Elemente 253 und 254 mit derselben Breite
ausgebildet. Jedes der dritten und vierten inneren elastischen Elemente 253 und 254 ist
auch vorzugsweise in der Form eines unten offenen Rechtecks („⨅") ausgebildet, das
erhalten wird durch eine Kombination des Aufbauteils und des Paars
der Armteile.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist jedes der dritten und vierten inneren
elastischen Elemente 253 und 254 so aufgebaut,
dass Vibrationen in Richtung der X-Achse reduziert werden, während ein
relativ große
Vibration in Richtung der Y-Achse erzeugt wird. Konsequenterweise
kann die Struktur der inneren elastischen Elementeinheit 250 stark
in Richtung der Y-Achse vibriert werden, was es dem Paar der inneren
Gewichtselemente 261 und 262 erlaubt, in Richtung
der Y-Achse mit der Form einer Stimmgabel im Erfassungsmodus in
Resonanz zu schwingen.
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Wie
ebenso in den 10 und 12 gezeigt
ist, ist das Paar der ersten und zweiten inneren Gewichtselemente 261 und 262 der
inneren Gewichtselementeinheit 260 in dem Außenrahmen
angeordnet, wobei die inneren Gewichtselemente 261 und 262 um
einen festgelegten Spalt voneinander beabstandet sind in Richtung
der Y-Achse. Vorzugsweise ist jedes der ersten und zweiten inneren
Gewichtselemente 261 und 262 in der Form eines
Halbkreises ausgebildet. Ebenso sind die ersten und zweiten inneren
Gewichtselemente 261 und 262 vorzugsweise symmetrisch
zueinander bezüglich
der X-Achse, und das erste innere Gewichtselement 261 besitzt
eine Struktur, die im Wesentlichen identisch zu der des zweiten
inneren Gewichtselements 262 ist.
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Die 13a und 13b sind
vergrößerte Ansichten
und zeigen die innere Gewichtselementeinheit und die Erfassungselektrodeneinheit
von 10. Wie in den 10 und 13 gezeigt ist, umfasst das erste innere
Gewichtselement 261 der inneren Gewichtselementeinheit 260:
Einen Gewichtselementrahmen 261A, angeordnet auf einer
Seite in dem Außenrahmen 230 in
Richtung der Y-Achse, der in seinem Inneren einen Freiraum umschließt, der Gewichtselementrahmen 261A umfasst
einen halbkreisförmigen
Rahmenteil 261A-1, ausgebildet entlang des inneren Umfangs
des Außenrahmens 230, wobei
das halbkreisförmige
Rahmenteil 261A-1 von dem inneren Umfang des Außenrahmens 230 um
einen festgelegten Spalt beabstandet ist, und einen linearen (geraden)
Rahmenteil 261A-2, ausgebildet in Richtung der X-Achse,
wobei der lineare Rahmenteil 261A-2 von dem zweiten inneren
Gewichtselement 262 um einen festgelegten Spalt beabstandet
ist; Gewichtselementbalken 261B, die an dem Gewichtselementrahmen 261A ausgebildet
sind und jeweils eine festgelegte Länge in dem Innenraum des Gewichtselementsrahmens 261A besitzen;
und Gewichtselementfinger 261C, die Kammstrukturen bilden,
die in Längsrichtung
zu den Gewichtselementbalken 261B angeordnet sind, und
die jeweils eine festgelegte Länge
parallel zu dem halbkreisförmigen
Rahmenteil 261A-1 des Gewichtselementrahmens 261A besitzen.
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Wie
in den 10 und 13b gezeigt
ist, umfasst das zweite innere Gewichtselement 262 der inneren
Gewichtselementeinheit 260: Einen Gewichtselementrahmen 262A,
angeordnet auf der anderen Seite in dem Außenrahmen 230 in Richtung
der Y-Achse mit einem darin festgelegten Innenraum, der Gewichtselementrahmen 262A umfasst
ein halbkreisförmiges
Rahmenteil 262A-1, ausgebildet entlang des inneren Umfangs
des Außenrahmens 230, wobei
das halbkreisförmige
Rahmenteil 262A-1 von dem inneren Umfang des Außenrahmens 230 um
einen festgelegten Spalt beabstandet ist, und einen linearen Rahmenteil 262A-2,
ausgebildet in Richtung der X-Achse, wobei der lineare Rahmenteil 262A-2 von
dem linearen Rahmenteil 261A-2 des ersten inneren Gewichtselements 261 um
einen festgelegten Spalt beabstandet ist; Gewichtselementbalken 262B, ausgebildet
an dem Gewichtselementrahmen 262A, die jeweils eine festgelegte
Länge in
dem Innenraum des Gewichtselementrahmens 262A aufweisen;
und Gewichtselementfinger 262C, die Kammstrukturen bilden,
die in Längsrichtung
der Gewichtselementbalken 262B angeordnet sind und die
jeweils eine festgelegte Länge parallel
zu dem halbkreisförmigen Rahmenteil 262A-1 des
Gewichtselementrahmens 262A besitzen.
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Wie
ebenso in den 10 und 13a gezeigt
ist, umfasst die erste Erfassungselektrode 271 der Erfassungselektrodeneinheit 270:
Eine Erfassungselektrodenunterlage 271A, angeordnet in
den Innenraum des ersten inneren Gewichtselements 261 und
an dem Substrat 205 befestigt; Erfassungselektrodenbalken 271B,
die sich von der Erfassungselektrodeunterlage 271A erstrecken
und zwischen den Gewichtselementbalken 261B des ersten
Gewichtselements 261 angeordnet sind, so dass die Erfassungselektrodenbalken 271B und
die Gewichtselementbalken 261B abwechselnd angeordnet sind; und
Erfassungselektrodenfinger 271C, ausgebildet an dem Erfassungselektrodenbalken 271B,
die Erfassungselektrodenfinger 271C sind radial angeordnet
und kämmen
mit den Gewichtselementfingern 261C des ersten Gewichtselements 261,
wobei die Erfassungselektrodenfinger 271C von den Gewichtselementfingern 261C beabstandet
sind.
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Wie
ebenso in den 10 und 13b gezeigt
ist, umfasst die zweite Erfassungselektrode 272 der Erfassungselektrodeneinheit 270:
Eine Erfassungselektrodenunterlage 272A, angeordnet in
dem Innenraum des zweiten inneren Gewichtselements 262 und
an dem Substrat 205 befestigt; Erfassungselektrodenbalken 272B,
die sich von der Erfassungselektrodenunterlage 272A erstrecken
und zwischen den Gewichtselementbalken 262B des ersten
Gewichtselements 262 angeordnet sind, so dass die Erfassungselektrodenbalken 272B und
die Gewichtselementbalken 262B abwechselnd angeordnet sind; und
Erfassungselektrodenfinger 272C, ausgebildet an dem Erfassungselektrodenbalken 272B,
die Erfassungselektrodenfinger 272C sind radial angeordnet
und kämmen
mit den Gewichtselementfingern 262C des ersten Gewichtselements 262,
wobei die Erfassungselektrodenfinger 272C von den Gewichtselementfingern 262C beabstandet
sind.
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Wenn
eine Winkelgeschwindigkeit mit einer Drehachse, die senkrecht zur
X-Achse und zur Y-Achse des Mikrogyroskops ist, bei dem erfindungsgemäßen Mikrogyroskop
erzeugt wird, wobei ein Paar erster und zweiter Gewichtselemente 261 und 262 in
Umfangsrichtung angetrieben wird, wirken Corioliskräfte, die
eine entgegengesetzte Richtung aufweisen, auf das Paar der inneren
Gewichtselemente 261 und 262 in Richtung der Y-Achse
ein, so dass die inneren Gewichtselemente 261 und 262 im
Stimmgabelmodus in Vibrationen versetzt werden. Die Vibration der
inneren Gewichtselemente 261 und 262 wird von
der Erfassungselektrodeneinheit 270 erfasst. Wenn die inneren
Gewichtselemente 261 und 262 in Schwingungen versetzt
werden, variiert der Spalt zwischen den Fingern der inneren Gewichtselemente,
die in dem Stimmgabelmodus in Schwingungen versetzt werden und den
Erfassungselektrodenfingern der Erfassungselektrodeneinheit. Das
Mikrogyroskop der vorliegenden Erfindung erfasst eine Kapazität, die dem
sich ändernden
Spalt entspricht, um die Größe der externen
Kraft oder der Selbstvibration zu messen.
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14 ist
eine vergrößerte Ansicht
und zeigt die Rückkopplungserfassungselektrodeneinheit
von 10. Wie in den 10 und 14 gezeigt
wird, besitzt der Außenrahmen 230 Rückkopplungselektroden,
die an seiner Außenseite
ausgebildet sind. Jede der Rückkopplungselektroden
umfasst: Einen Rückkopplungselektrodenbalken 233,
der sich radial vom äußeren Umfang
des Außenrahmens 230 erstreckt,
so dass der Rückkopplungselektrodenbalken 233 eine
festgelegte Länge
in einer im Wesentlichen zum Außenrahmen
senkrechten Richtung besitzt; und Rückkopplungselektrodenfinger 234 einer Kammstruktur,
die in Längsrichtung
des Rückkopplungselektrodenbalkens 233 angeordnet
sind.
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Das
oben beschriebene erfindungsgemäße Mikrogyroskop
kann eine Rückkopplungselektrodeneinheit 280 zum
Erfassen einer Kapazität
auf der Grundlage des Spalts zwischen der Rückkopplungselektrodeneinheit 280 und
den Rückkopplungselektrodenfingern 234 des
Außenrahmens 230 aufweisen. Die
Rückkopplungselektrodeneinheit 280 umfasst: Eine
Rückkopplungselektrodenunterlage 281,
die auf dem Substrat 205 befestigt ist; einen Rückkopplungselektrodenbalken 282,
der sich von der Rückkopplungselektrodenunterlage 281 erstreckt,
wobei der Rückkopplungselektrodenbalken 282 von
den Rückkopplungselektrodenbalken 233 des
Außenrahmens 230 beabstandet
ist, der Rückkopplungselektrodenbalken 282 besitzt
eine festgelegte Länge;
und Rückkopplungselektrodenfinger 283 einer Kammstruktur,
die sich von dem Rückkopplungselektrodenbalken 282 erstrecken,
die Rückkopplungselektrodenfinger 283 kämmen mit
den Rückkopplungselektrodenfingern 234 des
Außenrahmens 230,
wobei die Rückkopplungselektrodenfinger 283 von
den Rückkopplungselektrodenfingern 234 durch
einen festgelegten Spalt beabstandet sind.
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Das
Mikrogyroskop gemäß dem zweiten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verringert die Resonanzfrequenz des zweiten
Modus in dem Vibrationsmodus, so dass die ersten und zweiten Modi
vertauscht sind, auf diese Weise wird der Antriebsmodus vertauscht.
Anders ausgedrückt
benutzt das Mikrogyroskop gemäß dem zweiten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung den Modus in der Drehrichtung als Antriebsmodus,
der eine relativ große
Verschiebung besitzt. Konsequenterweise sind die Kämme in Umfangsrichtung
des Mikrogyroskops angeordnet, so dass das Mikrogyroskop in Drehrichtung
angetrieben wird, und die Erfassungselektroden sind ebenso in Umfangsrichtung
des Mikrogyroskops angeordnet, um die Selbstoszillation zu induzieren.
Die innere Gewichtselementeinheit und der Außenrahmen des Mikrogyroskops
gemäß dem zweiten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind miteinander mittels der elastischen
Elementeinheit verbunden, die die Form eines unten offenen Rechtecks
(„⨅") besitzt, wie in
dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, abgesehen davon, dass das Mikrogyroskop
gemäß dem zweiten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung das gebogenen Verbindungsteil nicht umfasst,
da die Verschiebung an dem Erfassungsteil relativ gering ist. Die
inneren Gewichtselemente des Mikrogyroskops gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden bewegt, wobei die inneren Gewichtselemente
einander gegenüber
liegen, eine Kapazitätsänderung
wird an den Erfassungselektroden induziert, die proportional zur
Winkelgeschwindigkeit und durch die Oszillationfrequenz moduliert
ist. Die Kapazitätsänderung
wird zur Messung der Winkelgeschwindigkeit erfasst, wie in dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das Mikrogyroskop der vorliegenden Erfindung
besitzt eine Grundstruktur, in der es in dem symmetrischen Erfassungsmodus
bewegt wird, um die durch externe Schwingungen verursachten Wirkungen
zu eliminieren.
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Aus
der obigen Beschreibung ergibt sich, dass die vorliegende Erfindung
ein horizontales Stimmgabeltyp-Vibrationsmikrogyroskop schafft,
bei dem die Antriebs- und
Erfassungsrichtungen horizontal sind, so dass die dynamischen Eigenschaften einer
elastischen Elementeinheit und einer Gewichtselementeinheit, die
die Frequenz in dem Antriebsmodus und dem Erfassungsmodus festlegen,
in lediglich einem einzigen Herstellungsverfahren festgelegt werden
und eine Veränderung
der Breite kann in der gleichen Richtung erfolgen, wobei die Eigenschaften
sehr stark verbessert werden, ungeachtet Veränderungen im Herstellungsverfahren.
Ungeachtet, ob die Linienbreite in dem Verfahren verkleinert oder
vergrößert wird,
werden der Antriebsmodus und der Erfassungsmodus identisch ausgeführt. Die
dynamischen Eigenschaften, wie die Festigkeit der elastischen Elementeinheit
und die Größe der Gewichtselementeinheit
werden identisch verkleinert oder vergrößert in Abhängigkeit von der Linienstärke, die
in dem Verfahren verkleinert oder vergrößert wird. Dabei tritt keine
Veränderung
der Eigenschaften auf der Grundlage einer Dickenänderung der Struktur in dem
Verfahren auf, da die Resonanzfrequenz keine Funktion der Dicke
der Struktur ist.
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Darüber hinaus
benutzt das Mikrogyroskop der vorliegenden Erfindung einen Stimmgabelmodus sowohl
im Antriebsmodus als auch im Erfassungsmodus, wobei jegliche Effekte
die durch externe Schwingungen oder Rauschen verursacht werden, minimiert
werden. Die Bewegung der beiden Gewichtselemente, die einander gegenüber liegen,
wird als Stimmgabelmodus benutzt, wobei das Mikrogyroskop der vorliegenden
Erfindung von externen Schwingungen nicht beeinträchtigt wird
und auf diese Weise wird eine Verschiebung elektrisch durch die Erfassungselektroden
ausgeglichen, sogar wenn die Verschiebung durch äußere Schwingungen verursacht
wird.
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Erfindungsgemäß ist jedes
der inneren elastischen Elemente in der Form eines unten offenen Rechtecks
(„⨅") ausgebildet, wodurch
die Kopplung zwischen den beiden Gewichtselementen garantiert wird,
wobei die Gewichtselemente in dem stabilen Stimmgabelmodus bewegt
werden. Konsequenterweise werden die Gewichtselemente in dem stabilen Stimmgabelmodus
bewegt durch Koppeln der in neren Gewichtselemente miteinander und
Knotenpunkte werden dynamisch getragen, wodurch der Stimmgabelmodus
nicht durch die äußeren Schwingungen beeinträchtigt wird.
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Obwohl
bevorzugte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung für
Darstellungszwecke offenbart wurden, ist es Fachleuten auf diesem
Gebiet klar, dass vielfältige
Veränderungen,
Ergänzungen
und Ersetzungen möglich
sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch
die Patentansprüche
festgelegt wird.