DE112012006056T5

DE112012006056T5 - Winkelgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE112012006056T5
Application number: DE112012006056.3T
Authority: DE
Inventors: c/o Hitachi Ltd. Jeong Heewon; c/o Hitachi Ltd. Yamanaka Kiyoko; c/o Hitachi Automotive Systems Hayashi Masahide
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2014-12-18
Also published as: WO2013140488A1; US9568490B2; JP5889396B2; US20150096373A1; JPWO2013140488A1

Abstract

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor wird bereitgestellt, der eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten enthält, die jeweils ein unterschiedliches Detektionsergebnis ausgeben, und der einen gemeinsamen Steuerkreis zum Antreiben der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten enthält. Die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten des Winkelgeschwindigkeitssensors der vorliegenden Erfindung sind so konfiguriert, dass sie unterschiedliche Antriebsamplituden aufweisen, wenn sie von einem Steuersignal bei der gleichen Frequenz angetrieben werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Winkelgeschwindigkeitssensoren.
Stand der Technik
Bekannte Winkelgeschwindigkeitssensoren (Gyrometer) sind unter anderem: mechanische Sensoren, die die Präzession eines sich drehenden Körpers verwenden; optische Sensoren, die einen Zeitmessungsunterschied zum Empfangen von Laserstrahlen verwenden, die sich in einem rotierenden Gehäuse drehen; und Flüssigkeitssensoren, die ein Fühlergas auf einen erhitzen Draht in einem Gehäuse sprühen und bei einer Drehung des Gehäuses Änderungen der versprühten Gasmenge, beispielsweise über die Temperatur des Drahts, feststellen.
In letzter Zeit besteht eine wachsende Nachfrage nach Winkelgeschwindigkeitssensoren in Kraftwagen-Navigationssystemen, Antiblockier-Bremssystemen für Fahrzeuge und anderen Systemen, um die Ausrichtung eines Fahrzeugs zu erkennen. Im Vergleich zu den zuvor erwähnten Sensortypen herrschen kostengünstige, leichte und kompakte Winkelgeschwindigkeitssensoren des Schwingungstyps vor. Die Winkelgeschwindigkeitssensoren des Schwingungstyps sind so konfiguriert, dass sie bei Ausüben einer Winkelgeschwindigkeit auf einen Oszillator, der in einer vorgegebenen Bezugsrichtung schwingt, eine neue Schwingungskomponente (im Folgenden als „Winkelgeschwindigkeits-Schwingungskomponente” bezeichnet) auf Grundlage einer Coriolis-Kraft in einer Detektionsrichtung orthogonal zur Bezugsschwingungsrichtung feststellen und aufgrund der festgestellten Schwingungskomponente Winkelgeschwindigkeitsinformationen ausgeben. Die folgende Patentliteratur 1 beschreibt einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Stimmgabeltyps als beispielhafte Konfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensors des Schwingungstyps.
Im Antiblockier-Bremssystem eines Fahrzeugs wird ein Wert (Befehlswert) eines Lenkwinkelsensors, der in einem Lenkrad montiert ist, mit einem Ausgabewert (gemessenen Wert) eines Winkelgeschwindigkeitssensors im Antiblockier-Bremssystem verglichen, um zu ermitteln, ob das Fahrzeug rutscht. Auf Grundlage der Ermittlungsergebnisse werden die Motorenausgabe und Bremskräfte der vier Räder so gesteuert, dass das Rutschen des Fahrzeugkörpers beendet wird.
Ein Überrolldetektionssystem eines Fahrzeugs ermittelt auf Grundlage eines Ausgabewerts (gemessenen Werts) eines in das System eingebauten Winkelgeschwindigkeitssensors, ob sich das Fahrzeug überschlagen hat oder nicht, und entfaltet einen Airbag und stoppt ferner auf Grundlage des Ergebnisses die Kraftstoffzufuhr und verhindert so einen Sekundärunfall.
Jedes dieser Systeme muss eine Winkelgeschwindigkeit in einer unterschiedlichen Detektionsrichtung messen. Beispielsweise muss das Antiblockier-Bremssystem eines Fahrzeugs die Drehung um eine Achse feststellen, die orthogonal zum Boden verläuft. Indessen muss das Überrolldetektionssystem die Drehung um eine Achse erkennen, die horizontal zum Boden verläuft.
Der Detektionsbereich kann auch von System zu System unterschiedlich sein. Beispielsweise ist im Fall des Antiblockier-Bremssystems eine relativ langsame Drehung ein wichtiges Steuerungsziel und der Winkelgeschwindigkeitssensor für dieses System weist einen relativ engen Detektionsbereich und hohe Auflösung auf. Dagegen weist der Winkelgeschwindigkeitssensor für das Überrolldetektionssystem einen weiteren Detektionsbereich und relativ geringe Auflösung auf, da dieses System ein durch einen Unfall verursachtes Überschlagen feststellen soll. Somit müssen Winkelgeschwindigkeitssensoren für jedes System unterschiedliche Detektionsrichtungen, Detektionsbereiche und Auflösungen aufweisen.
Die folgende Patentliteratur 2 offenbart die Konfiguration, die zwei Winkelgeschwindigkeit-Detektionseinheiten mit einer sich drehenden Masse enthält, in der ein Ausgabesignal von jeder Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit berechnet wird, so dass Winkelgeschwindigkeiten und Beschleunigungen auf zwei Achsenrichtungen festgestellt werden. Die folgende Patentliteratur 3 offenbart, dass die Konfiguration Kalibrierung ausführt, so dass jedes einer Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionselementen eine Veränderung der Winkelgeschwindigkeit eines vorgegebenen Bereichs feststellt.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP Patentveröffentlichung (Kokai) 2008=134243 A
Patentliteratur 2: JP Patentveröffentlichung (Kokai) H10-267664 A (1998)
Patentliteratur 3: JP Patentveröffentlichung (Kohyo) 2005-500540 A

Darstellung der Erfindung
Technische Problemstellung
Wie oben beschrieben weisen ein Winkelgeschwindigkeitssensor, der im Antiblockier-Bremssystem enthalten ist, und ein Winkelgeschwindigkeitssensor, der im Überrolldetektionssystem enthalten ist, unterschiedliche Detektionsrichtungen und Detektionsbereiche auf. Dies erfordert, dass für jedes System ein unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeitssensor verwendet wird, was zu höheren Gesamtkosten des Systems führt. Andere Systeme weisen ähnliche Probleme auf.
Um sowohl einen weiten Messbereich als auch hohe Auflösung umzusetzen, muss der dynamische Bereich, als Verhältnis des Detektionsbereichs zur Auflösung definiert ist, groß sein. Um dies zu erreichen muss eine Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit präzise bearbeitet sein und Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Taktgeber, die einen Messschaltkreis bilden, müssen hohe Präzision aufweisen. Das bedeutet, dass infolgedessen ein Sensor kostspielig sein würde.
In letzter Zeit wird in Gesetzen und sonstigen Vorschriften gefordert, dass Fahrzeuge mit dem Antiblockier-Bremssystem und dem Überrolldetektionssystem. ausgestattet werden, und das Integrieren von Winkelgeschwindigkeitssensoren in diesen Systemen in eines würde die Systemkosten verringern.
Ein in Patentliteratur 1 offenbarter Sensor ist vom Stimmgabeltyp und enthält somit eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten, die jedoch ein Detektionsergebnis als Ganzes liefern und somit das obengenannte Problem nicht lösen können.
Ein in Patentliteratur 2 offenbarter Sensor, der ein Ausgabesignal unter Verwendung einer sich drehenden Masse berechnet, um Winkelgeschwindigkeiten in zwei Richtungen festzustellen, ist so konfiguriert, dass er ein einziges Detektionsergebnis ausgibt und somit individuelle den Detektionsbereichen entsprechende Sensoren bereitgestellt werden müssen, um unterschiedliche Detektionsbereiche zu berücksichtigen.
Die in Patentliteratur 3 offenbarte Konfiguration zum Durchführen der Kalibrierung von Ausgabedaten gilt als nicht den Detektionsbereich des Sensors selbst verändernd, sondern nur als eine offensichtliche Ziffer ändernd, indem beispielsweise die Ziffer des erzielten Detektionsergebnisses verdoppelt wird. Das heißt, dass diese Konfiguration das gleiche Problem wie oben angegeben hat.
In Anbetracht des vorstehend erwähnten Problems stellt die vorliegende Erfindung einen Winkelgeschwindigkeitssensor bereit, der eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten enthält, die jeweils ein unterschiedliches Detektionsergebnis ausgeben, und der einen gemeinsamen Steuerkreis zum Antreiben der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten enthält.
Problemlösung
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor nach der vorliegenden Erfindung enthält eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten, die jeweils unterschiedliche Antriebsamplituden aufweisen, wenn sie von einem Steuersignal bei der gleichen Frequenz angetrieben werden.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Der Winkelgeschwindigkeitssensor nach der vorliegenden Erfindung kann eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionsergebnissen bereitstellen und die Kosten des Sensors gering halten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht im Schnitt, die die Konfiguration eines Winkelgeschwindigkeitssensors SA zeigt.
2 eine Aufsicht auf Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2.
3 einen Schnitt entlang A-A' in 2.
4 das Fertigungsverfahren eines Trägersubstrats 3.
5 das Verfahren des Ausbildens von beweglichen Teilen 1A, 1B, 2A und 2B und Elementen der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2, die später beschrieben werden.
6 das Verfahren des Ausbilden eines Aufsatzes 100.
7 das Verfahren des Bondens einer Vorrichtungsschicht 4 und eines mit Bezug auf 5 beschriebenen Trägersubstrats 3 und eines Aufsatzes 100, und das Verfahren des Ausbildens von Metallverdrahtung am Aufsatz 100.
8 eine Aufsicht auf die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2.
9 ein Blockdiagramm, das die Schaltkreiskonfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensors SA darstellt.
10 Frequenzverläufe von zwei Antriebs-Schwingungssystemen und einem Detektions-Schwingungssystem der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2.
11 eine beispielhafte Schaltkreiskonfiguration, wobei der Detektionsschaltkreis durch Zeitteilung gemeinsam genutzt wird.
12 eine Aufsicht auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor SB in Ausführungsform 2.
13 ein Blockdiagramm, das die Schaltkreiskonfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensors SB darstellt.
14 eine Aufsicht auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor SC nach Ausführungsform 3 und ein Blockdiagramm, das die Schaltkreiskonfiguration darstellt.
15 eine Rutschachse und eine Überrollachse eines Fahrzeugs.
Beschreibung der Ausführungsformen
In den unten beschriebenen Ausführungsformen wird die Erfindung in mehreren Abschnitten oder Ausführungsformen wie aus praktischen Gründen erforderlich beschrieben. Diese Abschnitte oder Ausführungsformen sind jedoch, soweit nicht anders angegeben, füreinander nicht irrelevant und der/die eine betrifft den/die ganze(n) andere(n) oder einen Teil davon als Abwandlungsbeispiel, Details oder eine zusätzliche Erklärung davon.
In den unten beschriebenen Ausführungsformen ist die Anzahl der Elemente bei Bezugnahme auf die Anzahl von Elementen (einschließlich Anzahl von Stücken, Werten, Beträgen, Bereichen usw.) nicht auf eine bestimmte Anzahl begrenzt soweit nicht anders angegeben oder die Anzahl offensichtlich grundsätzlich auf eine bestimmte Anzahl begrenzt ist. Die Anzahl, die größer oder kleiner als die angegebene Anzahl ist, trifft ebenfalls zu.
Weiterhin sind in den unten beschriebenen Ausführungsformen die Komponentenelemente (einschließlich Elementschritte usw.) nicht immer unentbehrlich soweit nicht anders angegeben oder die Komponenten nicht offensichtlich grundsätzlich unentbehrlich sind.
Ähnlich sind in den unten beschriebenen Ausführungsformen, wenn die Form des Komponentenelements, dessen Positionsverhältnis und dergleichen erwähnt sind, die im Wesentlichen ungefähren und ähnlichen Formen und dergleichen darin einbezogen, soweit nicht anderes angegeben oder vorstellbar, dass sie offensichtlich grundsätzlich ausgeschlossen sind. Das Gleiche gilt für den oben beschriebenen Zahlenwert und Bereich.
Komponenten mit der gleichen Funktion werden in allen Zeichnungen zur Beschreibung der Ausführungsformen durch gleicher Bezugssymbole gekennzeichnet, und auf ihre doppelte Beschreibung wird verzichtet. Es ist zu beachten, dass in manchen Zeichnungen in den Ausführungsformen zur Verdeutlichung Schraffierung selbst bei Aufsichten verwendet wurden. Im Folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
<Ausführungsform 1>
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor des Schwingungstyps (nachstehend einfach als „Winkelgeschwindigkeitssensor” bezeichnet) SA nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform 1 beschreibt als spezielles Anwendungsbeispiel einen mehrachsigen Winkelgeschwindigkeitssensor für mehrere Detektionsbereiche, der eine zur Detektion einer Winkelgeschwindigkeit erforderlichen Detektionseinheit, die für ein Antiblockier-Bremssystem eines Fahrzeugs benötigt wird, und eine zur Detektion einer Winkelgeschwindigkeit erforderliche Detektionseinheit, die für ein Überrolldetektionssystem des Fahrzeugs benötigt wird, enthält, die in einem Sensor integriert sind.
15 stellt eine Rutschachse und eine Überrollachse eines Fahrzeugs dar. Das Antiblockier-Bremssystem benötigt Informationen über die Drehung um die Achse (Z-Achse), die orthogonal zum Boden verläuft, und das Überrolldetektionssystem benötigt Informationen über die Drehung um eine Fortbewegungsrichtung (X-Achse) des Fahrzeugs.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor, der für das Antiblockier-Bremssystem verwendet wird, muss einen Detektionsbereich von ±100 Grad/Sekunde und eine Auflösung von ungefähr 1 Grad/Sekunde aufweisen, um das Rutschen eines Fahrzeugs zu erkennen und die Ausgaben der Bremsen und des Motors zu steuern. Indessen ermittelt der Winkelgeschwindigkeitssensor, der für das Überrolldetektionssystem verwendet wird, nur den Überschlag, und muss daher einen Detektionsbereich von ±400 Grad/Sekunde und eine Auflösung von ungefähr 4 Grad/Sekunde messen, die größer als die des Antiblockier-Bremssystems sind.
Das heißt, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor SA nach Ausführungsform 1 Winkelgeschwindigkeitsinformationen in zwei Detektionsachsen und von unterschiedlichen Detektionsbereichen bereitstellt. Diese beiden Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten werden mit der gleichen Antriebsfrequenz angetrieben, wobei deren Steuerkreis gemeinsam genutzt und die Kosten gering gehalten werden können. Das spezielle Verfahren dazu wird später beschrieben.
Im Folgenden wird zuerst die Konfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensors SA und das Fertigungsverfahren für die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2, und dann das Antriebsprinzip für die beiden Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 bei der gleichen Antriebsfrequenz beschrieben.
<Ausführungsform 1: Konfiguration eines Winkelgeschwindigkeitssensors SA und dessen Fertigungsverfahren
1 ist eine Seitenansicht im Schnitt, die die Konfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensors SA darstellt. Der Winkelgeschwindigkeitssensor SA enthält die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2. Die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 erkennt das Rutschen eines Fahrzeugs und die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA2 erkennt einen Überschlag. Diese Detektionseinheiten sind in einem Keramikgehäuse 150 mit einer integrierten Schaltung 50 zur Signalverarbeitung angebracht.
Nachdem die integrierte Schaltung 50 mit Klebstoff 151 am Keramikgehäuse 150 befestigt wurde, werden die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 zum Befestigen an der integrierten Schaltung 50 gebondet. Dann werden die integrierte Schaltung 50, die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 und ein externer Ein-/Ausgabe-Anschluss 154 des Keramikgehäuses 150 miteinander durch leitfähigen Draht 152 verbunden. Schließlich wird dies mit einer Abdeckung 153 verschlossen, wodurch der Winkelgeschwindigkeitssensor SA fertiggestellt wird.
Obwohl hier nicht dargestellt, kann ein Gehäuse, in dem der Inhalt wie die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 und die integrierte Schaltung 50 untergebracht sind, anstelle des Keramikgehäuses 150 ein Kunststoffgehäuse oder dergleichen sein. Das heißt, dass es ein beliebiges Gehäuse sein kann, solange es den Inhalt wie den leitenden Draht 152 schützen kann und die Eingabe/Ausgabe von Signalen von/nach außen möglich macht.
2 ist eine Aufsicht auf die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2. Diese Zeichnung stellt den Zustand dar, in dem ein später beschriebener Aufsatz 100 zu Beschreibungszwecken abgenommen wurde. Die Einzelheiten für jeden Teil werden mit Bezug auf die unten beschriebene 8 oder später beschrieben, daher sind in der Zeichnung nur maßgeblichen Teilen Bezugsnummern zugewiesen.
Ein beweglicher Teil 1A ist ein Teil, der von einer Antriebselektrode durch Schwingung angetrieben wird. Ein beweglicher Teil 1B ist ein beweglicher Teil, der mit der Erzeugung einer Winkelgeschwindigkeit verlagert wird. Die befestigten Teile 7 und 8 werden auf einem später beschriebenen Trägersubstrat 3 befestigt. Die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA2 hat ebenfalls die gleiche Konfiguration und die Bezugsnummern sind zu Beschreibungszwecken nur den beweglichen Teilen 2A und 2B von ihr zugeordnet. Die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA2 weist jedoch einen Detektionsbereich und eine Detektionsrichtung auf, die sich von denen der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 unterscheiden.
3 ist ein Schnitt entlang A-A' in 2. Der Aufsatz 100 hat die Funktion die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 zu schützen, und im Aufsatz 100 ist eine Elektrode ausgebildet, die mit einem externen Schaltkreis verbunden ist. Das Trägersubstrat 3 enthält getrennte Teile eines Siliciumsubstrats 3a, die thermisch oxidierten Schichten 3b und 3c und einen Leerraum 3d. Eine Vorrichtungsschicht 4 ist eine Schicht, in der die beweglichen Teile 1A und 1B ausgebildet sind. Die Elektroden CD1 und CD2 sind Antriebselektroden. Die Elektroden CE1 und CE2 sind Detektionselektroden. Die Elektroden 9 und 10 sind gemeinsame Elektroden. Bezugsnummer 16 kennzeichnet ein Blindstück. Eine Rille 25 ist ausgebildet, um diese Teile voneinander zu trennen.
Als nächstes wird im Folgenden mit Bezug auf 4 bis 7 das Fertigungsverfahren für die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 des Winkelgeschwindigkeitssensors SA beschrieben. Da die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 anhand der gleichen Verfahren gefertigt werden können, bezieht sich die folgende Beschreibung nur zu Beschreibungszwecken hauptsächlich auf die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1.
Die Elemente, die die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 bilden, können mithilfe von Halbleiterfertigungsverfahren ausgebildet werden. Ein übliches Halbleiterfertigungsverfahren, das zur Ausbildung der Elemente verwendet wird, enthält: ein Fotolithografie-Verfahren, in dem ein lichtempfindlicher oder elektronenstrahlempfindlicher Fotolack auf ein Substrat aufgebracht wird und dann Licht, wie ultraviolettes Licht oder ein Elektronenstrahl, angewendet wird, um die Eigenschaften des Fotolacks zum Entfernen zu verändern, wodurch ein winziges Muster geformt wird; ein Nassätzverfahren, in dem eine Oxidschicht oder ein Material wie Silicium, das beim Öffnen des durch das Fotolithografieverfahren geformten Fotolacks freigelegt wird, mit Fluorwasserstoff oder alkalischen Chemikalien wie TMAH oder KOH entfernt wird; und ein Trockenätzverfahren, wie reaktives Ionenätzen (reactive ion etching, RIE), in dem eine Oxidschicht, Silicium, Aluminium und dergleichen, die beim Öffnen des Fotolacks freigelegt wurden, mit einem mit diesen Materialien reagierenden Gas oder Plasma entfernt werden. Halbleiterfertigungsverfahren, die diese enthalten, werden dazu verwendet, die unten beschriebenen Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 auszubilden.
4 stellt das Fertigungsverfahren für das Trägersubstrat 3 dar. Das Trägersubstrat 3 hat die Funktion die befestigten Teile 7 und 8 der später beschriebenen Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 zu tragen. Dieses Trägersubstrat 3 enthält das Silicium-(Si-)Substrat 3a, das beispielsweise die daran befestigten thermisch oxidierten Schichten 3b und 3c aufweist. Nicht auf dem Substrat 3 dargestellter Fotolack wird beim Fotolithografieverfahren so bearbeitet, dass es eine Öffnung bildet. Die oxidierte Schicht 3b, die an der Öffnung freigelegt ist, wird mit einem Gas oder einer Flüssigkeit wie Fluorwasserstoff entfernt. Dann wird das freigelegte Siliciumsubstrat 3a durch Trockenätzen auf der Grundlage von RIE, einem Nassätzverfahren unter Verwendung alkalischer Chemikalien wie TMAH oder KOH und dergleichen entfernt, wobei der Leerraum 3d gebildet wird, um die Bewegung der bewegliche Teile 1A, 1B, 2A und 2B zu ermöglichen.
5 stellt das Verfahren des Ausbildens der beweglichen Teile 1A, 1B, 2A und 2B und der Elemente der später beschriebenen Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 dar. Ein Silicium-auf-Isolator-(SOI-)Substrat, das eine Vorrichtungsschicht 4, eine Isolierzwischenschicht 5 und eine Handhabungsschicht 6 enthält, ist an das Trägersubstrat 3 gebondet. In der vorliegend Ausführungsform 1 wird Wasserstoffbrückenbildung angewendet, um das Trägersubstrat 3 und das SOI-Substrat zu bonden, wobei die Oberflächen des Trägersubstrats 3 und des SOI-Substrats mit Plasma gereinigt und dann mit Wasser gewaschen werden, um daran Hydroxylgruppen zu bilden. Dann wird ihr Bonden durch Erhitzen bei ungefähr 1000°C verstärkt. Anstelle eines solchen Bonding-Verfahrens können das Trägersubstrat 3 und das SOI-Substrat durch anodisches Bonden gebondet werden, wobei das Trägersubstrat 3 aus Glas gefertigt ist, auf das eine hohe Spannung angelegt und somit das Trägersubstrat an das SOI-Substrat gebondet wird, oder durch kovalente Bindung unter Verwendung von Glasfritte oder Metallkleber (5a).
Nach dem Bonden des Trägersubstrats 3 und des SOI-Substrats wird die Handhabungsschicht 6 durch Nassätzen unter Verwendung von alkalischen Chemikalien oder durch Trockenätzen auf Grundlage von RIE entfernt, dann wird die Zwischenisolierschicht 5 unter Verwendung von Fluorwasserstoff-(HF-)Lösung entfernt, wodurch die in 5b gezeigte Konfiguration erreicht werden kann. Als nächstes wird die Vorrichtungsschicht 4 anhand des Fotolithografie-Verfahrens und des DRIE-Verfahrens bearbeitet und die Elemente wie die befestigten Teile 7 und 8 und die beweglichen Teile 1A und 1B auf der Vorrichtungsschicht 4 werden somit ausgebildet (5c).
6 stellt das Verfahren zum Ausformen des Aufsatzes 100 dar. Der Aufsatz 100 hat eine Funktion als Elektrode zum Übertragen elektronischer Signale vom externen Steuerkreis 50 zu den beweglichen Teilen 1A und 2A und eine Funktion als die später beschriebenen Detektionselektroden CE1, CE2, CE3 und CE4. Zuerst wird ein Silicium-Aufsatzsubstrat 100a mit an ihm befestigen Oxidschichten 100b und 100c vorbereitet, dann werden durch das Fotolithografieverfahren und Nassätzen auf Grundlage von DRIE oder unter Verwendung alkalischer Chemikalien Spalte 100d zwischen den beweglichen Teilen 1A, 1B, 2A und 2B und den Detektionselektroden CE1, CE2, CE3 und CE4 ausgebildet (6a).
Danach wird das Aufsatzsubstrat 100a thermisch oxidiert, um eine Oxidschicht 100e auf der Oberfläche des Siliciums auszubilden, das beim Ausbilden der Spalte 100d freiliegt. Dann wird die Oxidschicht 100c bearbeitet, und dann wird das Aufsatzsubstrat 100a bearbeitet, wobei die bearbeitete Oxidschicht als Maske verwendet wird, um die Oxidschicht 100e durch DRIE zu erreichen und so die elektrisch unabhängigen Elektroden CD1, 9, CE1, CE2, 10, CD2 und ein Blindstück 16 auszubilden. Zu diesem Zeitpunkt dient die Oxidschicht 100e als Schicht zum Stoppen des DRIE-Verfahrens, d. h. als Ätzstoppschicht, und zum Tragen dieser Elektroden CD1, 9, CE1, CE2, 10, CD2 und des Blindstücks 16, die vom umgebenden Silizium durch die anhand des DRIE-Verfahrens ausgebildeten Rillen 25a vollständig vom umgebenden Silicium getrennt sind (6b).
Dann wird der Aufsatz 100 auf eine hohe Temperatur erhitzt, wodurch sich die thermisch oxidierte Schicht 25 bildet, bis die Rillen 25a vollständig eingebettet sind. Wird die Oxidschicht 25 durch Erhitzen von Silicium auf eine hohe Temperatur gebildet, wird die Oxidschicht so ausgebildet, dass 45% und 55% davon im bzw. außerhalb des Siliciums ausgebildet werden, wobei die Siliciumoberfläche als Begrenzung gesetzt wird. Beim Prinzip des thermisch oxidierten Schichtwachstums wird ein unzweckmäßig langer Zeitraum benötigt, um die Oxidschicht auf 4 μm oder darüber ausbilden zu lassen und daher ist die Breite der Rillen 25a 4 μm. Das Seitenverhältnis, das durch die Breite und der Tiefe der Rillen 25 für das Bearbeiten von DRIE definiert ist, ist 25 oder weniger, was für die Massenfertigung geeignet ist. Das heißt, dass die gebildeten Rillen eine Breite von 4 μm und eine Tiefe von 100 μm aufweisen. Nachdem die Rillen 25 durch thermische Oxidation vollständig eingebettet wurden, werden die thermisch oxidierten Schichten 100b, 100c und 100e auf den Oberflächen des Aufsatzsubstrats 100a mit Fluorwasserstofflösung entfernt (6c).
7 beschreibt das Verfahren des Bondens der Vorrichtungsschicht 4 und des mit Bezug auf 5 beschriebenen Trägersubstrats 3 und des Aufsatzes 100, und das Verfahren des Ausbildens von Metallverdrahtung an der Kappe 100. Der Aufsatz 100 (6c) und die Vorrichtungsschicht 4 und das Trägersubstrat 3 (5c) können anhand des gleichen Verfahrens gebondet werden, wie das oben zum Bonden des SOI-Substrats mit dem Substrat 3 beschriebene (7a). Zu diesem Zeitpunkt wird der umgebende Druck während des Bondens kontrolliert, wodurch der Druck im Leerraum SP1 kontrolliert wird, in dem die beweglichen Teile eingeschlossen sind.
Danach wird eine TEOS-Schicht (SiO2) 100f durch chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) ausgebildet, danach werden an den Elektroden CD1, 9, CE1, CE2, 10, CD2 und dem Blindstück 16 Öffnungen ausgebildet. Darauf wird eine aus Aluminimum gefertigte Pad-Schicht P0 durch Sputtern ausgebildet (7b).
Als nächstes wird die Pad-Schicht P0 verarbeitet, um die Pads P1, P2, P3, P4, P9, P10 und P16 auszubilden, womit die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 des Winkelgeschwindigkeitssensors SA fertiggestellt sind (7c).
Oben wird der Fall beschrieben, in dem die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 zu Beschreibungszwecken als getrennte Chips konfiguriert sind, und die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 können auf einem Chip ausgebildet sein. Wie oben erwähnt, kann das oben erwähnte Verfahren eindeutig auch dazu verwendet werden, die beiden Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 auf demselben Trägersubstrat 3 auszubilden, da die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 anhand genau derselben Fertigungsschritte hergestellt werden können.
Dies ist die Beschreibungen des Verfahrens zur Fertigung des Winkelgeschwindigkeitssensors SA. Im Folgenden wird das Arbeitsprinzip des Winkelgeschwindigkeitssensors SA beschrieben.
<Ausführungsform 1: Arbeitsprinzip des Winkelgeschwindigkeitssensors SA>
8 ist eine Aufsicht auf die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2. Mit Bezug auf 8 wird nun unten die Konfiguration der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 im Detail beschrieben.
Die beweglichen Teile 1A und 2A werden von den befestigten Teilen 7, 8, 11 und 12 über Trägerbalken 21, 22, 23 und 24 aufgehängt, die in ihren Antriebsrichtungen flexibel sind. Die befestigten Teile 7, 8, 11 und 12 sind so ausgebildet, dass sie einen relativ großen Bereich aufweisen und über die Oxidschicht 3b am Siliciumsubstrat 3a befestigt sind.
Die beweglichen Teile 1B und 2B werden von den beweglichen Teilen 1A und 2A über Detektionsbalken 26, 27, 28 und 29 aufgehängt. Wenn Winkelgeschwindigkeit auf die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 angewendet wird (Beschleunigung wird angewendet, um die Winkelgeschwindigkeit zu erzeugen), werden die beweglichen Teile 1B und 2B in die Detektionsrichtungen verlagert.
Die Elektroden CM1, CM2, CM3 und CM4 sind Überwachungselektroden zum Überwachen der Amplitude der Antriebselektroden.
9 ist ein Blockdiagramm, das die Schaltkreiskonfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensors SA darstellt. Im Folgenden werden die funktionellen Teile von 9 beschrieben.
Die beiden beweglichen Teile 1A und 2A werden von den Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4 in ihre Antriebsrichtungen erregt. Ein Signal Vcom + Vb + Vd wird auf die Antriebselektroden CD1 und CD3 als Antriebssignal angewendet und ein Signal Vcom + Vb – Vd wird auf die Antriebselektroden CD2 und CD4 als Antriebssignal angewendet. Vcom wird dann auf die beweglichen Teile 1A und 2A über die gemeinsamen Elektroden 9, 10, 13 und 14 (in der Zeichnung sind 13 und 14 nicht dargestellt) des Aufsatzes 100 angewendet, die mit den befestigten Teilen 7, 8, 11 und 12 verbunden sind. Das heißt, dass zwischen den Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4 und den beweglichen Teilen 1A und 2A eine Potentialdifferenz von Vb ± Vd besteht und die Potentialdifferenz eine elektrostatische Kraft erzeugt, die die beiden beweglichen Teile 1A und 2A in ihren Antriebsrichtungen schwingt.
Die beweglichen Teile 1A und 2A und die Trägerbalken 21, 22, 23 und 24 bilden zusammen ein Antriebs-Schwingungssystem. Eine automatische Frequenzsteuerung (auto frequency control, AFC) 51, eine automatische Verstärkungssteuerung (auto gain control, AGC) 52 und ein DA-Umwandlungsteil 73 bilden zusammen einen Steuerkreis, der an jedes Antriebs-Schwingungssystem ein Steuersignal ausgibt.
Die befestigen Teile 7, 8, 11 und 12 empfangen ferner ein später beschriebenes Trägersignal Vc über die gemeinsamen Elektroden 9, 10, 13 und 14 und die Frequenz des Trägersignals Vc beträgt wenige hundert kHz, was ausreichend zu hoch ist, um vom Antriebs-Schwingungssystem gefolgt werden zu können, daher dient das Trägersignal Vc nicht als Antriebskraft des Antriebs-Schwingungssystem.
Die Antriebsamplitude, die durch das Anwenden des Antriebssignals auf die beweglichen Teile 1A und 2A erzeugt wird, kann durch Umwandeln einer Kapazitätsänderung zwischen den Antriebs-Überwachungselektroden CM1, CM2, CM3 und CM4 und den beweglichen Teilen 1A und 2A in ein Spannungssignal festgestellt werden. Mit Bezug auf 9 wird unten das Detektionsprinzip beschrieben.
Wenn das Trägersignal Vc bei wenigen hundert kHz auf die gemeinsamen Elektroden 9, 10, 13 und 14 angewendet wird, setzt sich das Signal durch die befestigten Teile 7, 8, 11 und 12, die Trägerbalken 21, 22, 23 und 24 und die beweglichen Teile 1A und 2A fort und erzeugt Ladungsübertragung, die der Kapazität der die Antriebsamplituden überwachenden Elektroden CM1, CM2, CM3 und CM4 entspricht. Die CV-Umwandlungseinheiten 53 und 57 wandeln eine solche Ladungsübertragung in ein analoges Spannungssignal um, und AD-Umwandlungseinheiten 54 und 58 wandeln diese weiter in ein digitales Signal um. Dann berechnen die Differenzdetektionseinheiten 55 und 59 ihre jeweiligen Signale. Wenn die Antriebsamplitude 0 ist, kompensieren sich die Kapazitätswerte in der Anfangsphase gegenseitig und die Spannungseingabe an die synchronisierten Detektionseinheiten 56 und 60 ist daher 0. Wenn die beweglichen Teile 1A und 2A schwingen, steigt die Kapazität der die Antriebsamplituden überwachenden Elektroden CM1 und CM3, um der Antriebsamplitude der beweglichen Teile 1A und 2A zu folgen, und die Kapazität der die Antriebsamplituden überwachenden Elektroden CM2 und CM4 nimmt daher ab oder es tritt eine umgekehrte Änderung ein. Dann geben die Differenzdetektionseinheiten 55 und 59 zur Antriebsamplitude proportionale Ausgabesignale aus. Die synchronisierten Detektionseinheiten 56 und 60 wandeln dieses Ausgabesignal in eine Niedrigfrequenzkomponente um (in der vorliegenden Ausführungsform 1 von DC auf wenige hundert Hz), die die der Antriebsfrequenzkomponente (in der vorliegenden Ausführungsform 1 wenige zehn kHz) enthält, und nach Bedarf DC um.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor SA enthält ferner eine AFC 51 auf der Grundlage eines Phasenregelkreises (Phase Locked Loop, PLL), um die Antriebsfrequenz ωd einer Änderung der Eigenfrequenz ωr1 des Antriebs-Schwingungssystems der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 aufgrund von Schwankungen in der Umgebung (Temperaturen und Druck) folgen zu lassen.
Wenn die beweglichen Teile 1A und 2A in ihren Antriebsrichtungen schwingen, wird der bewegliche Teil 1A der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 in X-Achsenrichtung getrieben, wenn also die Winkelgeschwindigkeit um die Z-Achse erzeugt wird, um eine Coriolis-Kraft zu erzeugen, verlagert eine solche Kraft den beweglichen Teil 1B in Y-Achsenrichtung als die Detektionsrichtung. In der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA2 wird der bewegliche Teil 2A in Z-Achsenrichtung getrieben, wenn also die Winkelgeschwindigkeit um die X-Achse erzeugt wird, um eine Coriolis-Kraft zu erzeugen, verlagert eine solche Kraft den beweglichen Teil 2B in Y-Achsenrichtung als die Detektionsrichtung. Eine solche Verlagerung der beweglichen Teile 1B und 2B wird als Kapazitätsänderung der Detektionselektroden CE1 und CE2 bzw. CE3 und CE4 erkannt, die dann durch die CV-Umwandlungseinheiten 61 und 65, AD-Umwandlungseinheiten 62 und 66, Differenzdetektionseinheiten 63 und 67 und synchronisierten Detektionseinheit 64 und 68 in ein elektrisches Signal umgewandelt und vor der Ausgabe Signalverarbeitung an den Tiefpassfiltern (low-pass filters, LPFs) 71 und 72 unterzogen wird.
Die beweglichen Teile 1B und 2B und die Detektionsbalken 26, 27, 28 und 29 bilden zusammen ein Detektions-Schwingungssystem. Die CV-Umwandlungseinheiten 61 und 65, die AD-Umwandlungseinheiten 62 und 66, die Differenzdetektionseinheiten 63 und 67, die synchronisierten Detektionseinheiten 64 und 68 und die LPFs 71 und 72 bilden zusammen den Detektionsschaltkreis.
Während das Antiblockier-Bremssystem so konfiguriert werden kann, dass es eine Winkelgeschwindigkeitskomponente von ungefähr wenigen zehn Hz oder darunter erkennen kann, muss zur Überrolldetektion eine Winkelgeschwindigkeitskomponente bei höheren Frequenzen erkannt werden. Um diesen unterschiedlichen Anforderungen nachzukommen sind die LPFs 71 und 72 so vorgesehen, dass sie den Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 bzw. SA2 entsprechen.
Obwohl nicht dargestellt, kann ein Korrekturschaltkreis zur Korrektur der Temperaturabhängigkeit der Sensorausgabe zwischen einem Schalter SW3 und den LPFs 71 und 72 eingesetzt werden.
Der umgebende Siliciumleiter (Blindstück 16), der auf dem Trägersubstrat 3, dem Aufsatz 100 und der Vorrichtungsschicht 4 in Bereichen verteilt ist, die keine gemeinsamen Elektroden 9, 10, 13 und 14, Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4, Überwachungselektroden CM1, CM2, CM3 und CM4 und Detektionselektroden CE1, CE2, CE3 und CE4 sind, ist mit dem Potential bei Vcom verbunden. Da der umgebende Siliciumleiter auf ein bestimmtes Potential fixiert ist, kann Signalstörung mit dem umgebenden elektronischen systemseitigen Schaltkreis, in dem die LSI 50 und der Winkelgeschwindigkeitssensor SA montiert sind, die von aus den Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 nach außen tretenden Trägerwellen Vc stammt, verhindert werden. Auch wird eine weitere vorteilhafte Wirkung erwartet, die den Einfluss unnötiger Hochfrequenzsignale vom elektronischen Schaltkreis und LSI 50 auf der Systemseite abschirmt.
<Ausführungsform 1: Prinzip des Antriebs bei gleicher Frequenz>
Dies ist die Beschreibung des Arbeitsprinzips des Winkelgeschwindigkeitssensors SA. Im Folgenden wird das Prinzip des Antreibens der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 beschrieben, die zwei unterschiedliche Detektionsbereiche mit einem Antriebssignal bei gleicher Frequenz aufweisen.
Der folgende Ausdruck 1 berechnet die Antriebsamplitude x einer Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit, Ausdruck 2 berechnet eine Coriolis-Kraft Fc und Ausdruck 3 ist ein Vergleichsausdruck zwischen der Amplitude in der Detektionsrichtung und der Coriolis-Kraft Fc. [Gleichung 1]
wobei
x: Antriebsverlagerung, ωd/2π: Antriebsfrequenz, ωr: Eigenfrequenz in Antriebsrichtung, Qd: mechanischer Qualitätsfaktor in Antriebsrichtung, kd: Federkonstante der Trägerbalken 21, 22, 23 und 24, Fd: Antriebskraft.
[Gleichung 2]

Fc = 2·m·Ω·X·ωd·cos(ωd·t) (Ausdruck 2) wobei Fc: Coriolis-Kraft, m: Masse des beweglichen Teils, Ω: angewendete Winkelgeschwindigkeit, X: Höchstamplitude in Antriebsrichtung, ωd/2π: Antriebsfrequenz, t: Zeit.

[Gleichung 3]

y = Fc·Qs/ks (Ausdruck 3) wobei y: Detektionsamplitude, Qs: mechanischer Qualitätsfaktor in Detektionsrichtung, ks: Federkonstante der Detektionsbalken 26, 27, 28 und 29.

Aus Ausdruck 1 versteht es sich, dass die Antriebsverlagerung x von der Antriebsfrequenz ωd/2π abhängt, wenn die Antriebskraft Fd im Antriebs-Schwingungssystem, das sich aus den beweglichen Teilen 1A und 2A und den Trägerbalken 21, 22, 23 und 24 zusammensetzt, konstant. Wenn die Eigenfrequenz ωr des Antriebs-Schwingungssystems mit der Antriebsfrequenz ωd/2π übereinstimmt, kann die Höchstantriebsamplitude x erzielt werden, und die Antriebsamplitude x nimmt mit dem Erhöhen einer Differenz zwischen der Antriebsfrequenz ωd/2π und der Eigenfrequenz ωr ab.
Es versteht sich aus Ausdruck 2 und Ausdruck 3, dass die Coriolis-Kraft Fc, die auf Grundlage der angewendeten Winkelgeschwindigkeit Ω erzielt wird, und die Detektionsamplitude y eine proportionale Beziehung zur Antriebsamplitude x haben.
Die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 enthält ein Antriebs-Schwingungssystem, das sich aus dem beweglichen Teil 1A und den Trägerbalken 21 und 22 zusammensetzt. Die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA2 enthält ein Antriebs-Schwingungssystem, das sich aus dem beweglichen Teil 2A und den Trägerbalken 23 und 24 zusammensetzt. Diese Antriebs-Schwingungssysteme sind mechanisch voneinander getrennt, so dass sie keinen Pfad aufweisen, auf dem die Vibrationsenergie gemeinsam genutzt wird, und sie haben daher ihre jeweiligen Eigenfrequenzen. Das heißt, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor SA so konfiguriert ist, dass er die beiden Antriebs-Schwingungssysteme antreibt, wobei bei einer Antriebsfrequenz jedes über seine eigene Eigenfrequenz verfügt.
Die beiden Antriebs-Schwingungssysteme der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 können ihre jeweiligen Eigenfrequenzen einstellen, indem die Länge der Trägerbalken 21, 22, 23 und 24 eingestellt wird. Sie sind so konzipiert, dass die beweglichen Teile 1A, 1B, 2A und 2B die gleiche Masse, die Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4 die gleiche Größe, die Detektionselektroden CE1, CE2, CE3 und CE4 und die Überwachungselektroden CM1, CM2, CM3 und CM4 die gleiche Größe und die Detektionsbalken 26, 27, 28 und 29 die gleichen Federkonstanten aufweisen, die von ihnen unterschiedlich sind. Das heißt, dass unter Einbeziehen eines gemeinsamen Steuerkreises und Detektionsschaltkreises wie oben erwähnt, von den beiden Antriebs-Schwingungssystemen verschiedene Antriebsamplituden erzielt werden können.
Zwei voneinander unterschiedlich erzielte Antriebsamplituden bedeuten zwei voneinander unterschiedlich eingeholte Winkelgeschwindigkeits-Detektionsergebnisse. Auf diese Weise kann der Winkelgeschwindigkeitssensor SA zwei voneinander unterschiedliche Winkelgeschwindigkeits-Detektionsergebnisse aufweisen, wobei er einen gemeinsamen Steuerkreis und einen solchen Detektionsschaltkreis aufweist, und es besteht daher keine Notwendigkeit, diese Schaltkreise für jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten bereitzustellen, so dass die Kosten gering gehalten werden können. Mit anderen Worten ist der Winkelgeschwindigkeitssensor SA nach der vorliegenden Ausführungsform 1 so konfiguriert, dass er voneinander unterschiedliche Antriebsamplituden aufweist, indem die Eigenfrequenzen der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 eingestellt werden, während er einen gemeinsamen Steuerkreis und einen solchen Detektionsschaltkreis aufweist, wobei zwei voneinander unterschiedliche Winkelgeschwindigkeits-Detektionsergebnisse erzielt werden. Mit Bezugnahme auf 10 werden im Folgenden voneinander unterschiedliche Antriebsamplituden, die durch das Einstellen der Eigenfrequenzen erzielt werden, ausführlicher beschrieben.
10 stellt die Frequenzverläufe der beiden Antriebs-Schwingungssysteme und des Detektions-Schwingungssystems der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 dar. In 10 ist f1 der Frequenzverlauf des Antriebs-Schwingungssystem der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1, f2 ist der Frequenzverlauf des Antriebs-Schwingungssystems der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA2, und f3 ist der Frequenzverlauf des Detektions-Schwingungssystems der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2. In 10 wird der Kürze halber auf die Beschreibung von „/2π” für jede Antriebsfrequenz verzichtet. Das Gleiche gilt für die folgenden Beschreibungen von 10.
Hierin wird jeder Verlauf als eine Kurve dargestellt, wobei Verarbeitungsveränderungen nicht beachtet werden. Obwohl sich die Frequenzverläufe mit solchen Verarbeitungsveränderungen leicht ändern können, liegen solche Frequenzveränderungen bei wenigen bis wenigen zehn Hz, die bezüglich der Leistung eines Sensors ignoriert werden können. Außerdem kann, obwohl nicht ausführlich beschrieben, da es sich um ein bekanntes Verfahren handelt, die Coriolis-Kraft Fc durch eine elektrostatische Kraft aufgehoben werden, und Servosteuerung kann durchgeführt werden, indem die Spannung verwendet wird, die zum Aufheben als Ausgabe des Sensors angelegt wird, wobei kleinste Änderungen der Sensorleistung aufgrund von Verarbeitungsveränderungen unterdrückt werden können. Wenn die Einflüsse auf die Sensorleistung aufgrund von Veränderungen klein sind, ist auch eine Korrektur durch Signalverarbeitung wirksam.
Wenn die Antriebsfrequenz ωd zum Antreiben der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 mit der Eigenfrequenzen ωr1 des Antriebs-Schwingungssystems der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 übereinstimmt, ist die Amplitude, die auf Grundlage von Ausdruck 1 erzielt wird, pro Einheit Antriebskraft ga1 für das Antriebs-Schwingungssystem der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 und ga2 für das Antriebs-Schwingungssystem der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA2. Für das Detektions-Schwingungssystem ist die Detektionsamplitude pro Einheit Coriolis-Kraft ga3 für beide Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2.
Die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 können dazu verwendet werden, das Rutschen bzw. das Überschlagen eines Fahrzeugs festzustellen. Allgemein muss, um ein Rutschen festzustellen, die Winkelgeschwindigkeit von ±100 Grad/Sekunde um die Z-Achse allgemein festgestellt werden, wie in 8 dargestellt, und um einen Überschlag festzustellen, muss ähnlich die Winkelgeschwindigkeit von ±400 Grad/Sekunde um die X-Achse allgemein festgestellt werden, wie in 8 dargestellt. Das heißt, dass zum Feststellen von gleichzeitigem Rutschen und Überschlagen unterschiedliche Detektionsbereiche auf unterschiedlichen Detektionsachsen berücksichtigt werden müssen.
Nach Ausdruck 2 werden unter der Annahme, dass die Antriebsmasse m der beweglichen Teile 1A und 2A, die Antriebsfrequenz ωd und die angewendete Winkelgeschwindigkeit Ω konstant sind, die Coriolis-Kraft Fc und die Detektionsamplitude y, die als Sensorausgabe umgewandelt werden, eine Funktion von nur der Antriebsamplitude x. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit des Sensors konstant gehalten werden, selbst wenn Schwankungen des Umgebungsdrucks und Schwingungsstörungen auftreten. Um die Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten muss die Antriebsamplitude x immer überwacht und Feedback-Kontrolle ausgeführt werden, um zu prüfen, dass ihr Wert konstant ist. Dazu gibt der Winkelgeschwindigkeitssensor SA eine beliebige der Antriebsamplituden der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 in die AGC 52 ein und führt somit Feedback-Kontrolle durch, so dass sie einem zuvor eingestellten Zielwert folgt. Die Ausgabe aus der AGC 52 wird vom DA-Umwandlungsteil 73 in ein Analogsignal umgewandelt und auf die Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4 angewendet.
Es ist wünschenswert, dass die Antriebsamplitude der Rutschdetektionseinheit (Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1), für die eine höhere Präzision erforderlich ist, zur Feedback-Kontrolle in die AGC 52 eingegeben wird. Das heißt, dass es wünschenswert ist, dass die Antriebsfrequenz ωd so eingestellt wird, dass sie der Eigenfrequenz ωr1 der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 mit dem engsten Detektionsbereich folgt, um die größte Verlagerung zu erreichen, da eine größere Antriebsamplitude einen größere Empfindlichkeit des Sensors bedeutet.
Dies ist die Beschreibung von verschiedenen Antriebsamplituden, die auf Grundlage eines Antriebssignals bei der gleichen Frequenz erzielt werden. Auf diese Weise können die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 einen gemeinsamen Steuerkreis haben. Im Folgenden wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines gemeinsamen Detektionsschaltkreises für die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 beschrieben.
Um eine Mehrzahl von Detektionsbereichen mit einem Detektionsschaltkreis berücksichtigen zu können, muss die Coriolis-Kraft Fc, die erzeugt wird, wenn die Höchstwinkelgeschwindigkeit von jedem Bereich auftritt, für die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 auf den gleichen Wert eingestellt werden, und die Detektionselektroden CE1, CE2, CE3 und CE4 müssen die gleichen Kapazitätsänderungsmerkmale aufweisen. Hier ist zu beachten, dass bei Verwendung der zuvor erwähnten Servosteuerung die Coriolis-Kraft Fc nur zwischen den Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten gleich gemacht werden muss.
Ausdruck 2 zeigt, dass sich die Coriolis-Kraft Fc proportional zur Antriebsamplitude x verhält. Dann muss, um die gleiche Coriolis-Kraft Fc bei unterschiedlichen Detektionsbereichen der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 zu erzeugen, das Verhältnis des folgenden Ausdrucks 4 zwischen dem Detektionsbereich und der Antriebsamplitude gelten.
[Gleichung 4]

Detektionsbereich 1/Detektionsbereich 2 = Antriebsamplitude 2(ga2)/Antriebsamplitude 1(ga1) (Ausdruck 4) wobei Detektionsbereich 1: Detektionsbereich der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1, Detektionsbereich 2: Detektionsbereich der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA2, Antriebsamplitude 1: Antriebsamplitude der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 (ga1), und Antriebsamplitude 2: Antriebsamplitude der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA2 (ga2).

Das heißt, dass die Antriebsamplitude 1 (ga1) auf 4 μm eingestellt ist, wenn der Detektionsbereich 1 ±100 Grad/Sekunde beträgt und der Detektionsbereich 2 ±400 Grad/Sekunde beträgt und wenn die Antriebsamplitude 2 (ga2) beispielsweise auf 1 μm eingestellt ist.
Ferner kann ermittelt werden, ob diese beiden Antriebsamplituden dem Verhältnis von Ausdruck 4 entsprechen, das als Mittel verwendet werden kann, anhand dessen geprüft wird, ob der Sensor ordnungsgemäß arbeitet oder nicht. In diesem Fall verarbeitet eine Verstärkungsabgleicheinheit 69 in 9 die Antriebsamplitude der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA2 auf Grundlage des relationalen Ausdrucks von 4. Eine Selbstdiagnoseeinheit 70 vergleicht die Ausgabe von der Verstärkungsabgleicheinheit 69 und die Antriebsamplitude der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 (Ausgabe von der synchronisierten Detektionseinheit 56) um festzustellen, ob sie in einem ausgewiesenen Bereich liegt oder nicht. Das Ergebnis davon wird als ein Diagnoseergebnis (Ausgabe 3) ausgegeben.
11 stellt eine beispielhafte Schaltkreiskonfiguration dar, wobei der Detektionsschaltkreis durch Zeitteilung gemeinsam genutzt wird. Im Winkelgeschwindigkeitssensor SA weisen die beiden Detektionseinheiten SA1 und SA2 den gleichen Höchstbetrag für die Kapazitätsveränderung der Detektionselektroden CE1, CE2, CE3 und CE4 auf Das heißt, dass die CV-Umwandlungseinheiten 61 und 65, die AD-Umwandlungseinheiten 62 und 66, die Differenzdetektionseinheiten 63 und 67 und die synchronisierten Detektionseinheiten 64 und 68 können durch Zeitteilung gemeinsam genutzt werden können. Im Beispiel von 11 werden die Schalter SW1 und SW2 dazu verwendet, die Eingabe von den Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 zu wählen, und der Schalter SW3 schaltet zwischen den LPFs 71 und 72. Diese drei Schalter sind miteinander synchronisiert und werden mit der gleichen Zeitsteuerung geschaltet. Die Konfiguration zur gemeinsamen Nutzung des Detektionsschaltkreises durch Zeitteilung ähnlich wie in 11 kann auch für die folgenden Ausführungsformen verwendet werden.
<Ausführungsform 1: Zusammenfassung>
Wie oben erwähnt enthält der Winkelgeschwindigkeitssensor SA nach der vorliegenden Ausführungsform 1 eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten, die jeweils ein Antriebs-Schwingungssystem mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen enthalten, wobei jede Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit von einem Steuersignal bei einer gemeinsamen Antriebsfrequenz angetrieben wird. Die Antriebsfrequenz kann bei einer beliebigen der Eigenfrequenzen eingestellt werden. In diesem Fall wird eine beliebige der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten in einem Resonanzmodus angetrieben und die verbleibenden Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten werden in einem Nicht-Resonanzmodus angetrieben. Da die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit, die in einem Resonanzmodus angetrieben wird, eine Antriebsamplitude ergibt, die größer als die der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten ist, die in einem Nicht-Resonanzmodus angetrieben werden, kann die erstere ein Ausgabesignal erzeugen, das größer als das von den letzteren Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten für die gleiche Winkelgeschwindigkeit ist. Als Folge davon können eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten mit einem jeweils unterschiedlichen Detektionsbereich, der als die Stärke der angewendeten Winkelgeschwindigkeit definiert wird, und das erzeugte Signal mit der gleichen Antriebsfrequenzausgabe vom gemeinsamen Steuerkreis ausgeführt werden.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor SA nach der vorliegenden Ausführungsform 1 ist so konfiguriert, dass er die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 mit unterschiedlichen Detektionsbereichen die gleiche Coriolis-Kraft FC gemäß dem Verhältnis von Ausdruck 4 erzeugen lässt. Auf diese Weise kann Detektionssignalausgabe von den Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 unter Verwendung eines Detektionsschaltkreises mit den gleichen Kenngrößen verarbeitet werden.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor SA nach der vorliegenden Ausführungsform 1 enthält die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten, die in unterschiedlichen Richtungen angeordnet sind, wobei Winkelgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Detektionsrichtungen festgestellt werden können. Auf dies Weise kann der Winkelgeschwindigkeitssensor eine Mehrzahl von unterschiedlichen Detektionsrichtungen aufweisen, wobei ein Detektionsschaltkreis mit den gleichen Kenngrößen verwendet wird.
In der vorliegenden Ausführungsform 1 ist der beispielhafte Winkelgeschwindigkeitssensor SA ein Antriebs-Schwingungssystem, das nicht dem Stimmgabeltyp entspricht und sich aus einem beweglichen Teil 1A und 1B und den Trägerbalken 21, 22, 23 und 24 zusammensetzt, die in ihren Antriebsrichtungen für ihre Antriebsrichtungen flexibel sind. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt und kann auf die Konfiguration angewendet werden, die zwei bewegliche Teile 1A und 2A für jede Antriebsrichtung enthält, wobei die beiden beweglichen Teile durch eine Balkenstruktur miteinander verbunden sind, um die Vibrationsenergie gemeinsam zu nutzen und eine Stimmgabelstruktur zu bilden. In diesem Fall ist mindestens eine der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 als ein Winkelgeschwindigkeitssensor des Stimmgabeltyps konfiguriert. Die vorteilhaften Wirkungen der Stimmgabelstruktur sind gut bekannt und werden daher nicht im Detail beschrieben. Der Winkelgeschwindigkeitssensor SA nach der vorliegenden Ausführungsform 1 ist nicht auf eine Struktur beschränkt, die nicht dem Stimmgabeltyp entspricht.
Die vorliegende Ausführungsform 1 beschreibt die AFC 51, die bereitgestellt wird, damit die Antriebsfrequenz ωd einer Veränderung der Eigenfrequenz ωr1 folgen kann. Dies ist kein einschränkendes Beispiel solange unterschiedliche Antriebsamplituden auf Grundlage der gleichen Antriebsfrequenz erzielt werden können. Das heißt, dass der Gedanke der vorliegenden Erfindung selbstverständlich auf Antrieb im Nicht-Resonanzmodus anwendbar ist, wo die Antriebsfrequenz ωd und die Eigenfrequenz ωr1 nicht miteinander übereinstimmen.
In der vorliegenden Ausführungsform 1 sind die Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4 der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SA2 und die Überwachungselektroden CM1, CM2, CM3 und CM4 der Einfachheit halber in einer parallelen, flachen Plattenstruktur dargestellt, und sie können eine Kamm-Finger-Struktur mit flachen Platten aufweisen, die abwechselnd ineinandergreifen. Solche Elektroden in einer Kamm-Finger-Struktur können nichtlineares Verhalten vermindern, das zu beobachten ist, wenn der Abstand zwischen Elektroden in der parallelen, flachen Plattenstruktur variiert. Das heißt, dass sich die elektrische Ladung, während sie sich in der parallelen, flachen Plattenstruktur proportional zum Kehrwert eines Abstands zwischen Elektroden verhält, in der Kamm-Finger-Struktur proportional zum überlappenden Bereich der entgegengesetzten Elektroden verhält.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform 1 das Beispiel beschreibt, in dem die Detektionsergebnisse von den Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten parallel als Ausgaben 1 bis 2 ausgegeben werden, kann der Ausgabeanschluss einzeln sein. In diesem Fall wird eine Mehrzahl von Detektionsergebnissen als ein Seriensignal ausgegeben.
<Ausführungsform 2>
Ausführungsform 1 beschreibt den Fall, in dem Antriebs-Schwingungssysteme enthalten sind, die jeweils eine unterschiedliche Eigenfrequenz aufweisen und so unterschiedliche Antriebsamplituden auf Grundlage eines Antriebssignals bei gleicher Frequenz erzeugen. Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung beschreibt ein Konfigurationsbeispiel zum Ändern eines Signalpegels eines Steuersignals, das auf jede Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit angewendet wird, wodurch unterschiedlicher Antriebsamplituden erzeugt werden. In den folgenden Beschreibungen wird auf die mit Ausführungsform 1 gemeinsamen Teile verzichtet, und Augenmerk auf die Unterschiede gerichtet.
12 eine Aufsicht auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor SB in der vorliegenden Ausführungsform 2. Der Winkelgeschwindigkeitssensor SB kann anhand eines ähnlichen Verfahrens wie der Winkelgeschwindigkeitssensor SA in Ausführungsform 1 gefertigt werden. Der Winkelgeschwindigkeitssensor SB nach der vorliegenden Ausführungsform 2 enthält die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SB1 und SB2 mit genau der gleichen Form, die mit unterschiedlichen Antriebsspannungen angetrieben werden und somit unterschiedliche Antriebsamplituden erzeugen und so unterschiedliche Detektionsergebnisse erzielen. Das heißt, dass anders als in Ausführungsform 1, wo die Längen der Trägerbalken 21, 22, 23 und 24 so eingestellt sind, dass die Eigenfrequenzen ωr1 und ωr2 differenziert werden, der Winkelgeschwindigkeitssensor SB der vorliegenden Ausführungsform 2 genau die gleichen Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 und SB2 enthält, bei deren Anordnung ihre Ausrichtungen nur derart geändert werden, dass sie mit den Achsen der festzustellenden Winkelgeschwindigkeiten übereinstimmen.
Nach Ausdruck 2 werden unter der Annahme, dass die Antriebsmasse m der beweglichen Teile 1A und 2A, die Antriebsfrequenz ωd und die angewendete Winkelgeschwindigkeit Ω konstant sind, die als Sensorausgabe umgewandelten Coriolis-Kraft Fc und Detektionsamplitude y eine Funktion von nur der Antriebsamplitude x. Es versteht sich aus Ausdruck 1, dass die Antriebsamplitude x die Funktion der Antriebskraft Fd ist. Dann können die Antriebskraft Fd, die zwischen den beweglichen Teilen 1A und 2A und den Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4 erzeugt wird, durch den folgenden Ausdruck 5 definiert werden:
[Gleichung 5]

F_d = 2 εS / d²V_bV_d (Ausdruck 5) wobei Fd: Antriebskraft, ε: dielektrische Konstante von Luft, S: entgegengesetzte Bereiche zwischen beweglichen Teilen 1A, 2A und Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4, d: Abstand zwischen beweglichen Teilen 1A, 2A und Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4, Vb: Vorspannung, die zwischen den beweglichen Teilen 1A, 2A und den Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4 angelegt wird, Vd: Steuersignal, das auf die Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4 angewendet wird.

Es versteht sich aus Ausdruck 5 dass sich die Antriebskraft Fd proportional zum Antriebssignal Vd verhält. Das heißt, dass sich die Antriebsamplitude x proportional zur Antriebskraft Fd und die Antriebskraft proportional zum Antriebssignal Vd verhält und die Antriebsamplitude x somit durch das Steuern des Antriebssignals Vd gesteuert werden kann. Der Winkelgeschwindigkeitssensor SB nach der vorliegenden Ausführungsform 2 führt auf dieser Grundlage die Antriebsamplitude so aus, dass sie die Bedingung von Ausdruck 4 erfüllt.
13 ein Blockdiagramm, das die Schaltkreiskonfiguration des Winkelgeschwindigkeitssensors SB darstellt. Der Winkelgeschwindigkeitssensor SB enthält die Verstärkungsabgleicheinheiten 74 und 75 zusätzlich zur Schaltkreiskonfiguration von Ausführungsform 1. Die Zeichnung stellt die Schaltkreiskonfiguration ähnlich der von 11 dar, die die Schaltkreiskonfiguration von 9 haben kann.
Die Verstärkungsabgleicheinheiten 74 und 75 stellen Signalpegel der Antriebssignale Vd ein, die auf die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SB1 bzw. SB2 anzuwenden sind. Dies kann voneinander bei genau gleichen Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SB1 und SB2 voneinander unterschiedliche Antriebsamplituden erzeugen, so dass voneinander unterschiedliche Detektionsbereiche bereitgestellt werden.
Aus dem gleichen wie in Ausführungsform 1 beschriebenen Grund ist es wünschenswert, dass die Antriebsfrequenz ωd so eingestellt ist, dass sie der Eigenfrequenz der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SA1 mit dem engsten Detektionsbereich folgt, um die größte Verlagerung zu erreichen. Es ist wünschenswert, dass ebenso wie in Ausführungsform 1 der Signalpegel des Antriebssignals Vd zunimmt, um die Verlagerung des Antriebs-Schwingungssystems der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SA1 zu maximieren.
<Ausführungsform 2: Zusammenfassung>
Wie oben erwähnt ist der Winkelgeschwindigkeitssensor SB nach der vorliegenden Ausführungsform 2 so konfiguriert, dass Antriebssignale bei der gleichen Frequenz und mit unterschiedlichen Signalpegeln auf die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten angewendet werden, und so die Antriebsamplituden der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten unterschiedliche Werte im Zusammenhang mit den Signalpegeln von den darauf angewendeten Steuersignalen haben. Dann können ähnlich wie in Ausführungsform 1 eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten, die jeweils einen unterschiedlichen Detektionsbereich aufweisen,, der als die Stärke der angewendeten Winkelgeschwindigkeit definiert wird, und das erzeugte Signal mit der gleichen Antriebsfrequenzausgabe vom gemeinsamen Steuerkreis ausgeführt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform 2 werden die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SB1 und SB2 auf einem Trägersubstrat 3 ausgebildet, und sie können zur Konfiguration in zwei Chips aufgeteilt sein. Die Ausrichtungen von zwei genau gleichen Chips können beim Montieren differenziert werden, wodurch der Fertigungsertrag gesteigert werden kann. Das heißt, dass bei einer Konfiguration der beiden Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SB1 und SB2 als ein Chip beide nicht verwendet werden können, falls eine davon nicht ordnungsgemäß funktioniert. Andererseits können die Chips in der Konfiguration mit zwei Chips effektiv verwendet werden.
Die vorliegende Ausführungsform 2 enthält die beiden genau gleichen Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SB1 und SB2. Genau gesagt kann es jedoch aufgrund von Veränderungen und dergleichen bei der Fertigung schwierig sein, zwei Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten mit der genau gleichen Eigenfrequenz zu erzielen. Es ist zu beachten, dass bei zwei in einem bestimmten Bereich nahe beieinander liegenden Eigenfrequenzen Leistungsänderungen ignoriert werden können oder die Verstärkungsabgleicheinheiten 74 und 75 die Veränderungen bei der Fertigung korrigieren können.
<Ausführungsform 3>
Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung beschreibt ein Konfigurationsbeispiel in dem durch die Antriebselektroden CD1 bis CD4 und die beweglichen Teile 1A und 2A festgestellte Kapazität für jede Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit unterschiedlich gemacht wird, wodurch unterschiedliche Antriebsamplituden erzeugt werden. In den folgenden Beschreibungen wird auf die mit Ausführungsform 1 gemeinsamen Teile verzichtet, und Augenmerk auf die Unterschiede gerichtet.
14 ist eine Aufsicht auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor SC nach der vorliegenden Ausführungsform 3 und ein Blockdiagramm, das die Schaltkreiskonfiguration darstellt. Der Winkelgeschwindigkeitssensor SC kann anhand eines ähnlichen Verfahrens wie der Winkelgeschwindigkeitssensor SA und der Winkelgeschwindigkeitssensor SB in den Ausführungsformen 1 und 2 gefertigt werden. Die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit SC enthält die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SC1 und SC2, die jeweils eine unterschiedliche Größe der Antriebselektroden und einen unterschiedlichen Abstand zwischen den Elektroden aufweisen.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor SC ist so konfiguriert, dass er den Bereich S eines Teils einstellt, wo die Antriebselektroden CD1, CD2, CD3 und CD4 und die beweglichen Teile 1A und 2A entgegengesetzt sind und der Spalt d zwischen den Antriebselektroden CD1 bis CD4 und den beweglichen Teilen 1A und 2A wie in Ausdruck 5 gezeigt, so dass die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SC1 und SC2 voneinander unterschiedliche Antriebskräfte Fd und unterschiedliche Amplituden x erzeugen.
Es versteht sich beispielsweise aus den Verhältnissen von Ausdruck 1 und Ausdruck 5 dass das Halbieren des entgegengesetzten Bereichs S auch das Halbieren der Antriebskraft Fd bedeutet und so die Antriebsamplitude x ebenfalls proportional halbiert wird. Das Einstellen des Spalts d zwischen den Antriebselektroden CD1 bis CD4 und den beweglichen Teilen 1A und 2A kann auch eine unterschiedliche Antriebsverlagerung x ergeben. Gemäß den Verhältnissen von Ausdruck 1 und Ausdruck 5 bedeutet das Verdoppeln des Spalts d ein Viertel des Werts der Antriebskraft Fd und dementsprechend wird die Antriebsverlagerung x ebenfalls ein Viertel.
<Ausführungsform 3: Zusammenfassung>
Wie oben erwähnt enthält der Winkelgeschwindigkeitssensor SC nach der vorliegenden Ausführungsform 3 zwei Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SC1 und SC2, die jeweils einen unterschiedlichen entgegengesetzten Bereich S zwischen den Antriebselektroden CD1 bis CD4 und den beweglichen Teilen 1A und 2A oder einen unterschiedlichen Spalt dazwischen aufweisen. Dann können ähnlich wie in Ausführungsform 1 eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten, die jeweils einen unterschiedlichen Detektionsbereich aufweisen, der als die Stärke der angewendeten Winkelgeschwindigkeit definiert wird, und das erzeugte Signal mit der gleichen Antriebsfrequenzausgabe vom gemeinsamen Steuerkreis ausgeführt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform 3 wird angenommen, dass die Trägerbalken 21, 22 und die Trägerbalken 23 und 24 die gleiche Federkonstante k und die beweglichen Teile 1A und 2A das gleiche Gewicht aufweisen und daher die Eigenfrequenzen ωr1 und ωr2 der beiden Schwingungssysteme gleich sind. Genau gesagt kann es jedoch aufgrund von Veränderungen und dergleichen bei der Fertigung schwierig sein, zwei Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten mit der genau gleichen Eigenfrequenz zu erzielen. Es ist zu beachten, dass bei zwei in einem bestimmten Bereich nahe beieinander liegenden Eigenfrequenzen, Leistungsänderungen ignoriert werden können oder die in Ausführungsform 2 beschriebenen Verstärkungsabgleicheinheiten 74 und 75 bereitgestellt werden können, um die Veränderungen bei der Fertigung zu korrigieren.
In der vorliegenden Ausführungsform 3 werden die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten SC1 und SC2 auf einem Trägersubstrat 3 ausgebildet, und sie können wie in Ausführungsform 2 beschrieben zur Konfiguration in zwei Chips aufgeteilt sein. Die Ausrichtungen nur der beiden Chips kann beim Montieren differenziert werden, wodurch Winkelgeschwindigkeitsinformationen auf unterschiedlichen Detektionsachsen eingeholt werden können. Wenn sie mit der gleichen Ausrichtung angeordnet sind, können auch Winkelgeschwindigkeitsinformationen über die entsprechenden Detektionsachsen mit einem unterschiedlichen Detektionsbereich eingeholt werden.
Dies ist die ausführliche Beschreibung der von den Erfindern gemachten vorliegenden Erfindung anhand von Ausführungsformen. Es ist jedoch unnötig zu erwähnen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Abwandlungen und Veränderungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können.
Die vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 3 beschreiben als spezielle Beispiele zu Beschreibungszwecken den Fall der Detektion von Rutschen und Überschlagen eines Fahrzeugs. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen solchen Gebrauch beschränkt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung im Bereich von Sensoren zum Feststellen von Lagen von Robotern, Fahrzeugnavigation, Stabilisieren von Digitalkamerabildern, Feststellen von Lagen und Richtungen in Navigationssystemen und Feststellen von Lagen in Videospielen breit eingesetzt werden. Insbesondere wird vom Sensor erwartet, dass er seine besondere Leistung zeigt, wenn er für die Notwendigkeit verwendet wird, eine Mehrzahl von Detektionsachsen oder Winkelgeschwindigkeiten einer Mehrzahl von Detektionsbereichen festzustellen.
Die vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 3 beschreiben das Beispiel mit zwei Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten und der Gedanke der vorliegenden Erfindung ist auch auf die Konfiguration anwendbar, die drei oder mehr Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten enthält. Beispielsweise kann, wenn drei Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten mit einem jeweils unterschiedlichen Detektionsbereich bereitgestellt werden, das in jeder Ausführungsform beschriebene Verfahren so verwendet werden, dass die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit mit dem engsten Detektionsbereich eine maximale Antriebsamplitude aufweist.
Bezugszeichenliste

SA: Winkelgeschwindigkeitssensor, SB: Winkelgeschwindigkeitssensor, SA1 bis SA2: Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit, SB1 bis SB2: Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit, SP1: Leerraum, SW1 bis SW3: Schalter, CD1 bis CD4: Antriebselektrode, CM1 bis CM4: Überwachungselektrode (Antriebsamplitude überwachende Elektrode), CE1 bis CE4: Detektionselektrode, Vc: Trägerwelle (Trägersignal), 1A: beweglicher Teil, 1B: beweglicher Teil, 2A: beweglicher Teil, 2B: beweglicher Teil, 3: Trägersubstrat, 3a: Siliciumsubstrat, 3b: thermisch oxidierte Schicht, 3c: thermisch oxidierte Schicht, 3d: Leerraum, 4: Vorrichtungsschicht, 5: Zwischenisolierschicht, 6: Handhabungsschicht, 7 bis 8: befestigter Teil, 9 bis 10: gemeinsame Elektrode, 11 bis 12: befestigter Teil, 16: Blindstück, 21 bis 24: Trägerbalken, 25: Isolierschicht, 25a: Rille, 26 bis 29: Detektionsbalken, 50: integrierte Schaltung, 51: AFC, 52: AGC, 53: CV-Umwandlungseinheit, 54: Differenzdetektionseinheit, 55: AD-Umwandlungseinheit, 56: synchronisierte Detektionseinheit, 57: CV-Umwandlungseinheit, 58: Differenzdetektionseinheit, 59: AD-Umwandlungseinheit, 60: synchronisierte Detektionseinheit, 61: CV-Umwandlungseinheit, 62: Differenzdetektionseinheit, 63: AD-Umwandlungseinheit, 64: synchronisierte Detektionseinheit, 65: CV-Umwandlungseinheit, 66: Differenzdetektionseinheit, 67: AD-Umwandlungseinheit, 68: synchronisierte Detektionseinheit, 69: Verstärkungsabgleicheinheit, 70: Selbstdiagnoseeinheit, 71 bis 72: LPF (Tiefpassfilter), 73: DA-Umwandlungsteil, 74 bis 75: Verstärkungsabgleicheinheit, 100: Aufsatz, 100a: Siliciumsubstrat, 100b bis 100c: thermisch oxidierte Schicht, 100d: Leerraum, 100e: thermisch oxidierte Schicht, 150: Gehäuse, 151: Klebstoff, 152: Draht, 153: Abdeckung, 154: externer Input-/Output-Anschluss

Claims

Winkelgeschwindigkeitssensor, der Folgendes umfasst: eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten, die Winkelgeschwindigkeit feststellen; einen Steuerkreis, der die Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten mit einem Antriebssignal bei gleicher Frequenz antreibt; und einen Detektionsschaltkreis, der ein Detektionsergebnis von jeder der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten ausgibt, wobei jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten so konfiguriert ist, dass sie jeweils eine unterschiedliche Antriebsamplitude aufweist, wenn sie vom Antriebssignal angetrieben wird, und der Detektionsschaltkreis das Detektionsergebnis von jeder der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten ausgibt, die jeder der Antriebsamplituden entspricht.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, wobei jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten ein Antriebs-Schwingungssystem enthält, das mit der Antriebsamplitude vom Antriebssignal schwingt, und jedes der Antriebs-Schwingungssysteme, die in jedem der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten enthalten sind, so konfiguriert ist, dass es keine Schwingungsenergie von der Antriebsamplitude mit anderen des Antriebs-Schwingungssystems gemeinsam nutzt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, wobei wobei jedes der Antriebs-Schwingungssysteme, die in jeder der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten enthalten sind, eine unterschiedliche Eigenfrequenz aufweist, und somit jedes eine unterschiedliche Antriebsamplitude aufweist, wenn sie vom Antriebssignal angetrieben wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, wobei jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten einen unterschiedlichen Detektionsbereich aufweist, und der Steuerkreis veranlasst, dass die Antriebsfrequenz der Eigenfrequenz des in der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit enthalten Antriebs-Schwingungssystems folgt, das den engsten Detektionsbereich unter den Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten aufweist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3, wobei jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten einen unterschiedlichen Detektionsbereich aufweist und so konfiguriert ist, dass ihr Antriebs-Schwingungssystem eine Coriolis-Kraft erzeugt, die gleich der von anderen des Antriebs-Schwingungssystems ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 5, wobei die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten so konfiguriert sind, dass ein Verhältnis zwischen den Antriebsamplituden des Antriebs-Schwingungssystems ein Kehrwert eines Verhältnisses zwischen den Detektionsbereichen der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten ist, und das Antriebs-Schwingungssystem somit eine Coriolis-Kraft erzeugt, die gleich der von anderen des Antriebs-Schwingungssystems ist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, wobei jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten ein Detektions-Schwingungssystem enthält, das ein Detektionssignal ausgibt, das der festgestellten Winkelgeschwindigkeit entspricht, der Detektionsschaltkreis das Detektionssignal verarbeitet und das verarbeitete Signal als Detektionsergebnis ausgibt, und die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten den Detektionsschaltkreis durch Zeitteilung gemeinsam nutzen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, wobei der Steuerkreis die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit unter Verwendung des Antriebssignals bei einem unterschiedlichen Signalpegel für jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten antreibt und dabei eine Antriebsamplitude für jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten differenziert, wenn die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit vom Antriebssignal angetrieben wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 8, wobei jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten einen unterschiedlichen Detektionsbereich aufweist, und der Steuerkreis die Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheit mit dem engsten Detektionsbereich durch das Antriebssignal mit einem größten Signalpegel antreibt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, wobei jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten so konfiguriert ist, dass sie einen unterschiedlichen Kapazitätswert aufweist, der von einer vom Antriebssignal angetriebenen Antriebselektrode definiert wird, und somit eine unterschiedliche Antriebsamplitude aufweist, wenn sie vom Antriebssignal angetrieben wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 10, wobei jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten so konfiguriert ist, dass sie einen unterschiedlichen Bereich aufweist, wo der Kapazitätswert entgegengesetzt der Antriebselektrode definiert ist, und somit den unterschiedlichen Kapazitätswert aufweist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 10, wobei jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten so konfiguriert ist, dass sie einen Abstand zwischen dort, wo der Kapazitätswert entgegengesetzt der Antriebselektrode definiert ist, und der Antriebselektrode aufweist, wobei der Abstand von dem der anderen Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten unterschiedlich ist, und somit einen unterschiedlichen Kapazitätswert aufweist.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, wobei jede der Winkelgeschwindigkeits-Detektionseinheiten eine unterschiedliche Detektionsachse aufweist.