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QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung basiert auf der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2012-261335 , angemeldet am 29. November 2012 und auf der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2013-182150 , angemeldet am 03. September 2013; auf die dortigen Offenbarungsgehalte wird hier vollinhaltlich Bezug genommen.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gyrosensor, der eine Winkelgeschwindigkeitserkennung durch Antreiben/Schwingenlassen von Erkennungsgewichten in einer Ebenenrichtung (xy-Ebenenrichtung) eines Substrats und durch Bewegen der Erkennungsgewichte in einer Richtung senkrecht zum Substrat (nachfolgend als z-Achsenrichtung bezeichnet) bei der Anlegung der Winkelgeschwindigkeit durchführt, sowie einen zusammengesetzten Sensor, der den Gyrosensor aufweist.
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STAND DER TECHNIK
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Als ein Sensor zur Erkennung einer Winkelgeschwindigkeit ist ein Gyrosensor bekannt, wie er beispielsweise in Patentliteratur 1 gezeigt ist. Der Gyrosensor dieses Typs hat ein Antriebsgewicht, welches innerhalb einer Ebenenrichtung eines Substrats in Schwingungen versetzt wird, und Erkennungsgewichte, welche jeweils mit dem Antriebsgewicht über eine Erkennungsfeder verbunden sind. Der Gyrosensor führt eine Winkelgeschwindigkeitserkennung auf der Grundlage eines Mechanismus derart durch, dass, während das Antriebsgewicht angetrieben/in Schwingungen versetzt wird, die Erkennungsgewichte in einer Richtung senkrecht zu dem Substrat durch Anlegung einer Winkelgeschwindigkeit schwingen. Der Gyrosensor gemäß Patentliteratur 1 hat einen Aufbau, bei dem das Antriebsgewicht und die Erkennungsgewichte in Form einer Scheibe angeordnet sind. Während der Erkennung der Winkelgeschwindigkeit wird das Antriebsgewicht in Schwingungen versetzt, um eine Schwingung um die Mitte der Scheibe herum zu verursachen, was ermöglicht, dass eine Winkelgeschwindigkeitserkennung durchgeführt wird. Das heißt, auf der Grundlage des Anlegens der Winkelgeschwindigkeit schwingen die Erkennungsgewichte, die einander an den linken und rechten Seiten des Scheibenmittelpunkts gegenüberliegen, vertikal zickzackartig in einer Richtung (z-Achsenrichtung) senkrecht zur Scheibenebene. Durch Erhalt eines Differenzialausgangs auf der Grundlage der vertikalen Schwingung auf den linken und rechten Seiten wird folglich eine Winkelgeschwindigkeitserkennung durchgeführt.
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DRUCKSCHRIFTLICHER STAND DER TECHNIK
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PATENTLITERATUR
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- Patentliteratur 1: JP 2001-255153 A
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem Gyrosensor gemäß Patentliteratur 1 ergibt sich jedoch ein Problem, dass, wenn der Gyrosensor einen Stoß in Richtung der z-Achse erhält, ein Ausgangsfehler auftritt. Insbesondere wenn der Gyrosensor einen Stoß in Richtung z-Achse erhält, werden die Erkennungsgewichte auf den linken und rechten Seiten bezüglich des Scheibenmittelpunkts in Richtung z-Achse bewegt. Wenn sich hierbei Erkennungsgewichte auf den linken und rechten Seiten synchron zueinander bewegen, heben die Stoßschwingungskomponenten an den jeweiligen Betriebsausgängen einander auf, wenn die Ausgänge zusammengefasst werden, was zu keinem Problem führt. Wenn sich jedoch die Erkennungsgewichte nicht synchron zueinander bewegen, treten die Stoßschwingungskomponenten als hoher Ausgangsfehler auf. Wenn ein derart großer Ausgangsfehler auftritt, kann eine präzise Winkelgeschwindigkeitserkennung nicht durchgeführt werden, was somit unerwünscht ist.
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Mit Blick auf den obigen Punkt ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gyrosensor bereitzustellen, der einen Ausgangsfehler bei Erhalt eines Stoßes unterdrücken kann und der so eine präzisere Winkelgeschwindigkeitserkennung durchführen kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Gyrosensor auf: ein Substrat, einen beweglichen Abschnitt, zwei Erkennungsgewichte, eine Verbindungsfeder und Erkennungselektroden. Das Substrat enthält einen unbeweglichen Abschnitt. Der bewegliche Abschnitt ist mit dem unbeweglichen Abschnitt über einen Tragausleger verbunden. Eine Ebene parallel zu einer Ebenenfläche des Substrats und eine x-Achse und eine y-Achse senkrecht zur x-Achse enthaltend ist als eine xy-Ebene bezeichnet. Eine Richtung entlang der x-Achse ist als eine x-Achsenrichtung bezeichnet. Eine Richtung entlang der y-Achse ist als eine y-Achsenrichtung bezeichnet. Der bewegliche Abschnitt enthält ein Antriebsgewicht mit einem Massenabschnitt. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit erkannt wird, wird der Massenabschnitt hin- und herschwingend entweder drehend in der xy-Ebene oder in der y-Achsenrichtung auf der Grundlage einer Verlagerung des Tragauslegers in Schwingung versetzt. Die Erkennungsgewichte sind mit dem Antriebsgewicht über entsprechende Erkennungsausleger verbunden. Die beiden Erkennungsgewichte sind in der x-Achsenrichtung angeordnet und von der Verbindungsfeder verbunden. Die Erkennungselektroden sind so angeordnet, dass sie von den beiden Erkennungsgewichten in Richtung der z-Achse entlang der z-Achse senkrecht zur xy-Ebene um bestimmte Beträge beabstandet sind.
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Bei dem Gyrosensor mit diesem Aufbau schwingen als Ergebnis des Aufbringens der Winkelgeschwindigkeit die beiden Erkennungsgewichte entgegengesetzt in Richtung z-Achse, um Änderungen in den jeweiligen Abständen zwischen den beiden Erkennungsgewichten und den Erkennungselektroden zu verursachen. Dies verursacht gegenphasige Änderungen in Kapazitätswerten von zwei Kondensatoren, welche zwischen den beiden Erkennungsgewichten und den Erkennungselektroden gebildet sind, und auf der Grundlage der gegenphasigen Änderungen der Kapazitätswerte wird die Winkelgeschwindigkeit unter Verwendung eines Differenzialausgangs von Signalen erkannt, welche die Änderungen der beiden Kapazitätswerte angeben.
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Da die beiden Erkennungsgewichte miteinander über die Verbindungsfeder verbunden sind, können sich die beiden Erkennungsgewichte synchron bewegen. Dies stellt mit Sicherheit zwei Bewegungsmuster in einem phasengleichen Modus und einem gegenphasigen Modus bereit. Da weiterhin die beiden Erkennungsgewichte sich synchron bewegen, können die beiden Erkennungsgewichte eine Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus und eine Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus haben. Die Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus und die Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus können auch voneinander auf der Grundlage der Einstellungen der jeweiligen Abschnitte getrennt werden. Im Ergebnis ist es möglich, einen Gyrosensor zu schaffen, bei dem ein Ausgangsfehler bei Empfang eines Stoßes unterdrückt ist und der eine genauere Winkelgeschwindigkeitserkennung durchführen kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Gyrosensor auf: ein Substrat, einen beweglichen Abschnitt, zwei Antriebsgewichte, eine Verbindungsfeder und Erkennungselektroden. Das Substrat enthält einen unbeweglichen Abschnitt. Der bewegliche Abschnitt ist mit dem unbeweglichen Abschnitt über Erkennungsausleger verbunden und enthält Erkennungsgewichte mit jeweils einem Massenabschnitt. Eine Ebene parallel zu einer Ebenenfläche des Substrats und eine x-Achse und eine y-Achse senkrecht zur x-Achse enthaltend ist als eine xy-Ebene bezeichnet. Eine Richtung entlang der x-Achse ist als eine x-Achsenrichtung bezeichnet. Eine Richtung entlang der y-Achse ist als eine y-Achsenrichtung bezeichnet. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit erkannt wird, wird der Massenabschnitt hin- und herschwingend entweder drehend in der xy-Ebene oder in der y-Achsenrichtung auf der Grundlage einer Verlagerung des Erkennungsauslegers in Schwingung versetzt. Die Antriebsgewichte sind einteilig mit den Erkennungsgewichten ausgebildet und in Richtung der x-Achse angeordnet. Die Verbindungsfeder verbindet die zwei Erkennungsgewichte miteinander. Die Erkennungselektroden sind von den zwei Erkennungsgewichten in Richtung der z-Achse entlang einer z-Achse senkrecht zur xy-Ebene von den beiden Erkennungsgewichten um einen bestimmten Betrag beabstandet. Das heißt, der Gyrosensor hat einen Aufbau, bei dem die zwei Erkennungsgewichte einteilig mit den Antriebsgewichten ausgebildet sind und in Richtung x-Achse angeordnet sind. Bei dem Gyrosensor mit einem derartigen Aufbau kann der gleiche Effekt wie bei dem Gyrosensor gemäß dem ersten Aspekt erhalten werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein zusammengesetzter Sensor den Gyrosensor gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt als einen ersten Gyrosensor auf; ein zweiter Gyrosensor ist auf dem Substrat ausgebildet, um eine Winkelgeschwindigkeit um die z-Achse in der xy-Ebene zu erkennen, und ein Beschleunigungssensor ist auf dem Substrat ausgebildet, um eine Beschleunigung in einer Richtung parallel zur xy-Ebene zu erkennen. Der erste Gyrosensor, der zweite Gyrosensor und der Beschleunigungssensor sind in einem Chip zusammengefasst.
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Unter Verwendung des Gyrosensors gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt als ersten Gyrosensor können der erste Gyrosensor, der zweite Gyrosensor und der Beschleunigungssensor in einem Chip zusammengefasst werden, um den zusammengesetzten Sensor zu bilden. Dies erlaubt, dass der zusammengesetzte Sensor gegenüber der Ausbildung individueller Sensoren in unterschiedlichen Chips vereinfacht werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die obigen und weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der:
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1 eine Draufsicht auf einen Gyrosensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine Schnittansicht entlang Linie II-II in 1 ist;
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3 schematisch den Zustand des Gyrosensors während eines Grundbetriebs zeigt;
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4A schematisch den Ruhezustand der Erkennungseinheit des Gyrosensors zeigt;
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4B schematisch den Zustand der Erkennungseinheit des Gyrosensors in einem phasengleichen Modus zeigt;
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4C schematisch den Zustand der Erkennungseinheit des Gyrosensors in einem gegenphasigen Modus zeigt;
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5 ein Diagramm ist, welches die Frequenzeigenschaft (Ansprechkurve) der Resonanzvergrößerung des Gyrosensors zeigt;
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6 eine grafische Darstellung ist, welche die Beziehung zwischen D. R. und einer Stoßfestigkeit zeigt;
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7 eine schematische Darstellung ist, welche die Konstanten der einzelnen Abschnitte des Gyrosensors zeigt;
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8 eine Darstellung ist, welche die Beziehung zwischen einem Sollwert von D. R. und erreichtem D. R. zeigt;
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9 eine Darstellung ist, welche Untersuchungsergebnisse von Änderungen der Stoßfestigkeit in Fällen zeigt, bei denen ein herkömmlicher Aufbau verwendet wird, bei denen eine Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus von einer Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus getrennt ist und wo ein Aufbau verwendet wird, bei dem wenig Wahrscheinlichkeit vorliegt, dass D. R. sich ändert.
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10 eine Draufsicht auf einen Gyrosensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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11 eine vergrößerte Draufsicht auf ein Beispiel von Antriebsverbindungsfedern 31e und von Federn 44ba in einem mittigen steifen Körper 44b zeigt;
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12 eine Draufsicht auf einen Gyrosensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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13A eine vergrößerte Draufsicht auf ein Beispiel von Antriebsfedern 42a und 43a in Erkennungsauslegern 42 und 43 zeigt;
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13B eine vergrößerte Draufsicht auf ein Beispiel von Federn 44bb in dem mittigen steifen Körper 44b zeigt; und
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14 eine Draufsicht auf einen zusammengesetzten Sensor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der Zeichnung beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen oder Zahlen gleiche oder einander äquivalente Teile.
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(Erste Ausführungsform)
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Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Ein Gyrosensor, der in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben wird, ist ein Sensor zur Erkennung einer Winkelgeschwindigkeit als physikalischer Größe. Der Gyrosensor wird verwendet, um zum Beispiel die Drehwinkelgeschwindigkeit um eine Mittelachse parallel zur Vertikalrichtung eines Fahrzeugs zu erkennen, kann jedoch ganz offensichtlich auch für andere Zwecke als in einem Fahrzeug geeignet verwendet werden.
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Der Gyrosensor ist in einem Fahrzeug so angeordnet, dass eine Richtung senkrecht zur Zeichenebene von 1 mit der Vertikalrichtung des Fahrzeugs zusammenfällt. Wie in 1 gezeigt, ist der Gyrosensor auf einer Oberfläche eines plattenartigen Substrats 10 ausgebildet. Wie beispielsweise in 2 gezeigt, ist das Substrat 10 als ein SOI-Substrat (Silicon-on-insulator) mit einem Aufbau, bei dem ein eingebetteter Oxidfilm 13, der als Opferschicht dient, zwischen einem Trägersubstrat 11 und einer Halbleiterschicht 12 liegt. Eine derartige Sensorstruktur wird gebildet, indem die Halbleiterschicht 12 im Muster einer Sensorstruktur geätzt wird, dann teilweise der eingebettete Oxidfilm 13 entfernt wird und ein Teil der Sensorstruktur freigegeben wird, um einen schwebenden Zustand zu bilden.
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Es sei festzuhalten, dass die nachfolgende Beschreibung auf der Annahme erfolgt, dass eine Richtung in einer Ebene parallel zur oberen Oberfläche der Halbleiterschicht 12, was eine seitliche Richtung entlang der Oberfläche der Zeichenebene ist, eine x-Achsenrichtung ist, eine vertikale Richtung entlang der Zeichenfläche des Papiers senkrecht zur x-Achsenrichtung eine y-Achsenrichtung ist und eine Richtung senkrecht zu einer Oberfläche der Halbleiterschicht 12 eine z-Achsenrichtung ist. Mit anderen Worten, es sei angenommen, dass eine Ebene parallel zu einer Ebenenfläche des Substrats 10, welche die x-Achse und die y-Achse enthält, die zueinander senkrecht sind, eine xy-Ebene ist, eine Richtung entlang der x-Achse die x-Achsenrichtung ist und eine Richtung entlang der y-Achse die y-Achsenrichtung ist. Es wird weiterhin angenommen, dass eine Achse senkrecht zur x-Achse und zur y-Achse, d. h. eine Achse senkrecht zur xy-Ebene, eine z-Achse ist und eine Richtung entlang der z-Achse die z-Achsenrichtung ist.
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Wie in 1 gezeigt, ist die Halbleiterschicht 12 in einen unbeweglichen Abschnitt 20, einen beweglichen Abschnitt 30 und einen Auslegerabschnitt 40 gemustert. Der unbewegliche Abschnitt 20 hat den eingebetteten Oxidfilm 13 an zumindest einem Teil der Rückfläche hiervon. Der unbewegliche Abschnitt 20 ist in einem Zustand, in welchem er über den eingebetteten Oxidfilm 13 mit dem Trägersubstrat 11 ohne Freigabe von dem Trägersubstrat 11 verbunden ist. Der bewegliche Abschnitt 30 und der Auslegerabschnitt 40 bilden einen Vibrator in dem Gyrosensor. Der eingebettete Oxidfilm 13 ist von der Rückfläche des beweglichen Abschnitts 30 entfernt worden. Der bewegliche Abschnitt 30 ist gegenüber dem Trägersubstrat 11 freigegeben und in einem schwebenden Zustand. Der Auslegerabschnitt 40 trägt den beweglichen Abschnitt 30. Um eine Winkelgeschwindigkeitserkennung durchzuführen, treibt/vibriert der Auslegerabschnitt 40 den beweglichen Abschnitt 30 in der xy-Ebene, während eines Teil des beweglichen Abschnitts 30 beim Anlegen der Winkelgeschwindigkeit in z-Achsenrichtung verschoben wird. Der konkrete Aufbau von unbeweglichem Abschnitt 20, beweglichem Abschnitt 30 und Auslegerabschnitt 40 wird beschrieben.
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Der unbewegliche Abschnitt 20 hat einen Aufbau mit unbeweglichen Tragabschnitten 21 zum Tragen des beweglichen Abschnitts 30 und unbeweglichen Antriebsabschnitten 22 und 23, an welche Treiberspannungen angelegt werden.
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Die unbeweglichen Tragabschnitte 21 sind von beispielsweise einem anderen Abschnitt des unbeweglichen Abschnitts 20 (den unbeweglichen Antriebsabschnitten 22 und 23) getrennt. Die unbeweglichen Tragabschnitte 21 liegen bezüglich des beweglichen Abschnitts 30 an symmetrischen Positionen, um den beweglichen Abschnitt 30 über Tragausleger 41 als Teile des Auslegerabschnitts 40 zu tragen. In der vorliegenden Ausführungsform liegen die unbeweglichen Tragabschnitte 21 an den beiden linken und rechten Seiten des beweglichen Abschnitts 30, um den beweglichen Abschnitt 30 an zwei Positionen zu lagern.
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An die unbeweglichen Antriebsabschnitte 22 und 23 werden die Treiberspannungen angelegt. Die unbeweglichen Antriebsabschnitte 22 und 23 sind voneinander getrennt und so ausgelegt, dass sie unterschiedliche Potenziale anlegen können. Die unbeweglichen Antriebsabschnitte 22 und 23 sind so gestaltet, dass sie Basisabschnitte 22a und 23a und kammzahnartige unbewegliche Antriebselektroden 22b und 23b haben.
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In der vorliegenden Ausführungsform liegen die Basisabschnitte 22a und 23a so, dass sie den Umfang der Sensorstruktur, also den beweglichen Abschnitt 30, umgeben. Die linke Hälfte des beweglichen Abschnitts 30 in 1 ist vom Basisabschnitt 22a eingefasst, wohingegen die rechte Hälfte des beweglichen Abschnitts 30 in 1 vom Basisabschnitt 23a eingefasst ist. Mit den Basisabschnitten 22a und 23a sind die unbeweglichen Antriebselektroden 22b und 23b verbunden. Die unbeweglichen Antriebselektroden 22b und 23b vermögen AC-Spannungen (Treiberspannungen) von außen her über Bonddrähte an die Basisabschnitte 22a und 23a anzulegen, welche mit Bondkissen verbunden sind, die sich an den Basisabschnitten 22a und 23a befinden (nicht dargestellt). Beim Anlegen bestimmter AC-Spannungen an die Basisabschnitte 22a und 23a können bestimmte AC-Spannungen auch an die individuellen unbeweglichen Antriebselektroden 22b und 23b angelegt werden.
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Die unbeweglichen Antriebselektroden 22b und 23b sind kammzahnartige Elektroden, die so angeordnet sind, dass sie zu den einzelnen kammzahnartigen Abschnitten von kammzahnartigen beweglichen Antriebselektroden 31b weisen, welche im beweglichen Abschnitt 30 angeordnet sind. Insbesondere enthalten die unbeweglichen Antriebselektroden 22b und 23b eine Mehrzahl von Tragabschnitten 22c und 23c, die sich in Richtung x-Achse erstreckend vorgesehen sind, und eine Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten kammzahnartigen Elektroden 22d und 23d, welche sich in Richtung y-Achse von den jeweiligen Tragabschnitten 22c und 23c aus erstrecken. Die unbeweglichen Antriebselektroden 22b und 23b haben einen Aufbau derart, dass sie mit den Basisabschnitten 22a und 23a verbunden sind, so dass gleichförmig AC-Spannungen an die Mehrzahl von kammzahnartigen Elektroden 22d und 23d angelegt werden.
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Der unbewegliche Abschnitt 20 hat den genannten Aufbau. Hierbei hat der unbewegliche Abschnitt 20 den Aufbau, bei dem die Basisabschnitte 22a und 23a den Umfang der Sensorstruktur einfassen, und die unbeweglichen Tragabschnitt 21 sind örtlich vorgesehen. Jedoch kann der unbewegliche Abschnitt 20 auch einen anderen Aufbau derart haben, dass die Basisabschnitte 22a und 23a örtlich vorhanden sind und die unbeweglichen Tragabschnitte 21 so ausgelegt sind, dass sie den Umfang der Sensorstruktur einfassen.
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Der bewegliche Abschnitt 30 ist ein Abschnitt, der bei der Erkennung einer Winkelgeschwindigkeit angetrieben/vibriert wird und bei Anlegung der Winkelgeschwindigkeit verschoben wird. Der bewegliche Abschnitt 30 ist mit einem äußeren Antriebsgewicht 31, Erkennungsgewichten 32 und 33 etc. ausgelegt. Der bewegliche Abschnitt 30 hat eine Gestaltung, bei der die Erkennungsgewichte 32 und 33 über Teile des Auslegerabschnitts 40 in das äußere Antriebsgewicht 31 eingebettet sind, welches eine im Wesentlichen ringförmig umlaufende Form hat.
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Das äußere Antriebsgewicht 31 ist ein Antriebsgewicht, welches außerhalb der Erkennungsgewichte 32 und 33 liegt. Das äußere Antriebsgewicht 31 hat einen Massenabschnitt 31a und bewegliche Antriebselektroden 31b.
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Der Massenabschnitt 31a ist ein Abschnitt, der die Außenform des äußeren Antriebsgewichts 31 bildet. Der Massenabschnitt 31a hat eine ringförmig umlaufende Form. Der Massenabschnitt 31a liegt entlang der Innenwandflächen der unbeweglichen Antriebsabschnitte 22 und 23. Der Massenabschnitt 31a dient als ein Gewicht, und das äußere Antriebsgewicht 31 ist so ausgelegt, dass es um die z-Achse um die Mitte des Massenabschnitts 31a als Drehmittelpunkt drehbar ist.
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Die beweglichen Antriebselektroden 31b sind kammzahnartige Elektroden, welche so liegen, dass sie zu den jeweiligen kammzahnartigen Abschnitten der kammzahnartigen unbeweglichen Antriebselektroden 22b und 23b weisen, die in den unbeweglichen Antriebsabschnitten 22 und 23 angeordnet sind. Genauer gesagt, die beweglichen Antriebselektroden 31b beinhalten eine Mehrzahl von Tragabschnitten 31c, die sich in x-Achsenrichtung erstreckend angeordnet sind, und eine Mehrzahl von gleichmäßig beabstandeten kammzahnartigen Elektroden 31d, die so angeordnet sind, dass sie sich von den jeweiligen Tragabschnitten 31c in y-Achsenrichtung erstrecken. An den Vorderenden der beweglichen Antriebselektroden 31b mit einem derartigen Aufbau sind die Tragausleger 41 angeschlossen. Die Tragausleger 41 sind mit den unbeweglichen Tragabschnitten 21 verbunden, damit der bewegliche Abschnitt 30 in einem schwebenden Zustand zwischen den unbeweglichen Tragabschnitten 21 aufgehängt ist
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Jedes der Erkennungsgewichte 32 und 33 hat eine flache Plattenform. Die Erkennungsgewichte 32 und 33 sind innerhalb des Massenabschnitts 31a über Erkennungsausleger 42 und 43 als Teile des Auslegerabschnitts 40 gelagert. Insbesondere sind die Erkennungsgewichte 32 und 33 bezüglich der Mitte des Massenabschnitts 31a an symmetrischen Positionen angeordnet, um ein Paar zu bilden. In der vorliegenden Ausführungsform sind die beiden Erkennungsgewichte so angeordnet, dass sie in Richtung x-Achse liegen. Die Erkennungsgewichte 32 und 33 sind jeweils durch zwei Erkennungsausleger 42 und 43 gelagert, die sich an beiden Seiten in Richtung der y-Achse erstrecken. Indem die Positionen, wo die Erkennungsausleger 42 und 43 verbunden sind, näher an die Endabschnitte der Erkennungsausleger 32 im Massenabschnitt 31a gebracht werden, bevorzugt zu den mittenseitigen Endabschnitten hiervon, werden Auslegerstrukturen gebildet. Das heißt, während die einzelnen Erkennungsgewichte 32 und 33 von den beiden Erkennungsauslegern 42 und 43 gelagert sind, ist der Erkennungsausleger 42 mit den Abschnitten des Erkennungsgewichts 32 verbunden, welche in Richtung x-Achse an einer Seite des Erkennungsgewichts 32 liegen (näher zur Mitte des Massenabschnitts 31a hin), und der Erkennungsausleger 43 ist mit den Abschnitten des Erkennungsgewichts 33 verbunden, welche in Richtung x-Achse an einer Seite des Erkennungsgewichts 33 liegen (näher zur Mitte des Massenabschnitts 31a hin). Folglich dienen während der Aufbringung einer Winkelgeschwindigkeit die jeweiligen Endabschnitte der Erkennungsgewichte 32 und 33, welche auf der Seite liegen, wo die Erkennungsgewichte 32 und 33 von den Erkennungsauslegern 42 und 43 gelagert sind (nachfolgend als Lagerseite bezeichnet), als Schwingungsknoten und werden kaum verschoben, wohingegen die jeweiligen Endabschnitte der Erkennungsgewichte 32 und 33, welche an der entgegengesetzten Seite liegen (nachfolgend als ungelagerte Seite bezeichnet), wesentlich verschoben werden können.
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Dann werden gemäß 2 an jeweiligen Positionen (strichpunktierte Linien in 1) in der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 gegenüberliegend der Halbleiterschicht 12 in Entsprechung zu den Erkennungsgewichten 32 und 33 Erkennungselektroden 14 gebildet. Während des Aufbringens einer Winkelgeschwindigkeit erfolgt die Erkennung der Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Änderung der Abstände zwischen den Erkennungselektroden 14 und den Gewichten 32 und 33.
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Es sei festzuhalten, dass bei der vorliegenden Ausführungsform jedes der Erkennungsgewichte 32 und 33 gemäß obiger Beschreibung von der Auslegerstruktur gelagert ist. Dies erlaubt eine Verbesserung des Signal/Rausch-Abstands. Das heißt, es ist auch möglich, eine doppelt gelagerte Struktur zu schaffen, bei der die Erkennungsausleger 42 und 43 auf beiden Seiten der Erkennungsgewichte 32 und 33 in Richtung x-Achse liegen und somit eine Struktur schaffen, bei der die Erkennungsgewichte 32 und 33 parallel zur xy-Ebene verschoben werden. Wenn jedoch die doppelt gelagerte Struktur angewendet wird, haben die Erkennungsausleger 42 und 43, welche als Federn wirken, eine größere Anzahl von Verbindungsabschnitten zur Erhöhung der Resonanzmodi, so dass unerwünschterweise unnötige Resonanzmodi erhöht werden. Daher ist es bevorzugt, die Erkennungsgewichte 32 und 33 mit einer Auslegerstruktur zu lagern, wie sie in der vorliegenden Ausführungsform angewendet wird.
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Der Auslegerabschnitt 40 ist mit einer Verbindungsfeder 44 zusätzlich zu den Tragauslegern 41 und Erkennungsauslegern 42 und 43 gemäß obiger Beschreibung versehen.
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Die Tragausleger 41 lagern den beweglichen Abschnitt 30 in einem schwebenden Zustand bezüglich des Substrats 10 und dienen auch als Federn, welche den beweglichen Abschnitt 30 so lagern, dass der bewegliche Abschnitt 30 in der xy-Ebene beweglich ist. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Tragausleger 41 so aufgebaut, dass sie als eine Verbindung zwischen den Vorderenden der Tragabschnitte 31c der beweglichen Antriebselektroden 31b und den unbeweglichen Tragabschnitten 21 dienen. Die Breiten der Tragausleger 41 werden verringert, damit sie kleiner als diejenigen der Tragabschnitte 31c sind, damit die Tragausleger 41 als Federn arbeiten können. Jedoch müssen die Tragausleger 41 nicht mit den beweglichen Antriebselektroden 31b verbunden sein. Die Tragausleger 41 können auch an Positionen angeordnet werden, die unterschiedlich zu denjenigen der beweglichen Antriebselektroden 31b sind.
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Die Erkennungsausleger 42 und 43 sind Erkennungsfedern, welche die Erkennungsgewichte 32 und 33 mit dem Massenabschnitt 31a verbinden und erlauben, dass sich die Erkennungsgewicht 32 und 33 zusammen mit dem äußeren Antriebsgewicht 31 in der xy-Ebene bewegen und sich unabhängig vom äußeren Antriebsgewicht 31 in Richtung z-Achse bewegen. In der vorliegenden Ausführungsform ist jeder der Erkennungsausleger 42 und 43 aus einem geraden Ausleger gebildet, der sich in Richtung y-Achse erstreckt. Die beiden Erkennungsausleger 42 und die beiden Erkennungsausleger 43 liegen individuell an beiden Seiten der Erkennungsgewichte 32 und 33 in einer vertikalen Richtung entlang der Zeichenebene. Die Erkennungsausleger 42 und 43 sind mit der inneren Umfangsfläche des Massenabschnitts 31a verbunden. Von den Erkennungsauslegern 42 und 43 sind die mit den Erkennungsgewichten 32 und 33 verbundenen Abschnitte teilweise verdreht, um als Torsionsfedern (Schraubenfedern) zu dienen. Dies erlaubt, das die Erkennungsgewichte 32 und 33 auf der Lagerseite gelagert werden, wohingegen die Erkennungsgewichte 32 und 33 an der nicht gelagerten Seite verschoben werden können.
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Die Verbindungsfeder 44 verbindet die beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 und ist gebildet aus Umfaltauslegern 44a und einem mittleren steifen Körper 44b. Indem die beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 über die Verbindungsfeder 44 verbunden werden, wird es den Erkennungsgewichten 32 und 33 möglich, sich synchron zu bewegen.
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Die Umfaltausleger 44a bilden die Torsionsfedern. Die Umfaltausleger 44a liegen näher an der Mitte des Massenabschnitts 31a als die Erkennungsausleger 42 und 43 auf der Lagerseite der beiden Erkennungsgewichte 32 und 33. Jeder der Umfaltausleger 44a ist aus einem Ausleger gebildet, der in einer rechteckigen Rahmenform zurückgefaltet ist. Die Umfaltausleger 44a sind mit den beiden lagerseitigen Eckabschnitten der Erkennungsgewichte 32 und 33 verbunden. Jeder der Umfaltausleger 44a enthält zwei Seiten parallel zur Richtung der y-Achse und eine Seite parallel zur x-Achse. Von den Umfaltauslegern 44a sind diejenigen Seiten, die parallel zur Richtung der y-Achse sind, verdreht, um als die Torsionsfedern zu dienen.
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Der mittlere steife Körper 44b verbindet die beiden Umfaltausleger 44a miteinander. In der vorliegenden Ausführungsform ist der mittlere steife Körper 44b als ein lineares Bauteil ausgebildet und mit den Mittelpunkten der Seiten der Umfaltausleger 44a parallel zur y-Achse verbunden. Die Dicke des mittleren steifen Körpers 44b in Richtung y-Achse wird so eingestellt, dass sie größer als die Dicke eines jeden der Umfaltausleger 44a in x-Richtung ist. Folglich werden bei einem Sensorbetrieb die Umfaltausleger 44a verschoben, und der mittlere steife Körper 44b verbindet die beiden Umfaltausleger 44a miteinander, wobei er einen Abstand zwischen ihnen aufrechterhält, ohne hierbei eine Torsionsverformung zu erfahren.
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Ein Aufbau gemäß obiger Beschreibung bildet den Gyrosensor mit einem Aufbau, bei dem das Paar von Erkennungsgewichten 32 und 33, gelagert von den Erkennungsauslegern 42 und 43, im Massenabschnitt 33a angeordnet ist, wobei es miteinander über die Verbindungsfeder 44 verbunden ist.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Gyrosensors mit diesem Aufbau anhand von 3 beschrieben. In 3 zeigt die Markierung mit dem mit dem Kreis eingefassten Punkt eine Vibration in Richtung der anderen Seite der vertikalen Richtung entlang der Oberfläche der Zeichenebene, und die Markierung mit dem mit dem Kreis eingefassten X zeigt eine Vibration in Richtung der einen Seite der vertikalen Richtung entlang der Oberfläche der Zeichenebene.
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Gemäß 3 führt während der Erkennung einer Winkelgeschwindigkeit der Gyrosensor als Grundbetrieb den Vorgang des Antreibens/Vibrierens des äußeren Antriebsgewichts 31 durch, was bei der vorliegenden Ausführungsform ein Vorgang einer hin- und hergehenden Drehvibration des äußeren Antriebsgewichts 31 um die Mitte des Massenabschnitts 31a als Drehmittelspunkt ist. Genauer gesagt, AC-Spannungen werden an die unbeweglichen Antriebsabschnitte 22 und 23 angelegt, um eine Potenzialdifferenz zwischen jedem der unbeweglichen Antriebsabschnitte 22 und 23 und dem äußeren Antriebsgewicht 31 zu erzeugen. Im Ergebnis werden auf der Grundlage der Potenzialdifferenz elektrostatische Kräfte in Richtung y-Achse zwischen den unbeweglichen Antriebsabschnitten 22b und 23b und den beweglichen Antriebselektroden 31b erzeugt. Auf der Grundlage der elektrostatischen Kräfte wird das äußere Antriebsgewicht 31 um die Mitte des Massenabschnitts 31a als Drehmittelpunkt in einer Drehschwingung hin- und herbewegt. Zusätzlich werden gemäß den Pfeilen in 3 die Erkennungsgewichte 32 und 33 in Richtungen entgegengesetzt zur Vibrationsrichtung des äußeren Antriebsgewichts 31 in Schwingungen versetzt. Der Gyrosensor überwacht die Vibration des äußeren Antriebsgewichts 31, wobei die Frequenzen der AC-Spannungen verändert werden, und stellt die Frequenzen der AC-Spannungen auf die beabsichtigten Antriebsresonanzfrequenzen ein.
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Während der Erkennung der Winkelgeschwindigkeit führt somit der Gyrosensor den Grundbetrieb durch, in welchem der bewegliche Abschnitt 30 angetrieben/in Schwingungen versetzt wird.
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Wenn eine Winkelgeschwindigkeit um die z-Achse auf den Gyrosensor einwirkt, während der Gyrosensor den Grundbetrieb gemäß 3 und obiger Beschreibung durchführt, werden aufgrund einer Corioliskraft die Erkennungsgewichte 32 und 33 entgegengesetzt in Richtung z-Achse verschoben. Die Verschiebung ändert die Abstände zwischen den Erkennungsgewichten 32 und 33 und den Erkennungselektroden 14 und ändert die Kapazitätswerte von Kondensatoren, welche von den Erkennungsgewichten 32 und 33 und den Erkennungselektroden 14 gebildet werden. Da die Abstände zwischen den Erkennungsgewichten 32 und 33 und den Erkennungselektroden 14 sich abhängig von der Größe der Winkelgeschwindigkeit ändern, ändern sich die Kapazitätswerte der Kondensatoren ebenfalls abhängig von der Größe der Winkelgeschwindigkeit.
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Folglich kann die Winkelgeschwindigkeit erkannt werden, indem die Änderungen der Kapazitätswerte der Kondensatoren auf der Grundlage von Signalen gelesen werden, welche über ein Verdrahtungsmuster erhalten werden, welches von den Erkennungselektroden 14 abgeführt wird, welche den jeweiligen Erkennungsgewichten 32 und 33 gegenüberliegen (nicht gezeigt). Im Fall der Verwendung einer Ausgestaltung wie bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Differenzialausgang von den Signalen erhalten, die von dem Paar von Winkelgeschwindigkeitserkennungsstrukturen unter Verwendung des Paars von Erkennungsgewichten 32 und 33 und der Erkennungselektroden 14 ermittelt werden. Dies erlaubt das Lesen von Änderungen der Kapazitätswerte der Kondensatoren. Im Ergebnis ist es möglich, die Winkelgeschwindigkeit und die Beschleunigung unterscheidbar zu erkennen.
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Hierbei erfolgt die Erkennung der Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage eines Erkennungsprinzips gemäß obiger Beschreibung. Da die beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 miteinander über die Verbindungsfeder 44 verbunden sind, bewegen sich die Erkennungsgewichte 32 und 33 synchron. Folglich bewegen sich die Erkennungsgewichte 32 und 33 in einem phasengleichen Modus, in welchem die Erkennungsgewichte 32 und 33 in einer Richtung in Richtung z-Achse schwingen, und in einem gegenphasigen Modus, in welchem die Erkennungsgewichte 32 und 33 einander entgegengesetzt in Richtung z-Achse schwingen. Im Ergebnis haben die Erkennungsgewichte 32 und 33 eine Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus und eine Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus, was anhand der 4A bis 4C beschrieben wird.
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Die 4A bis 4C zeigen schematische Darstellungen des Ruhezustands des Gyrosensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform und Zustände des Gyrosensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform im phasengleichen Modus und gegenphasigen Modus. Das heißt, die Erkennungsgewichte 32 und 33 werden an der Tragseite von den Erkennungsauslegern 42 und 43 getragen und sind mit den Umfaltauslegern 44a und dem mittleren steifen Körper 44b an der Tragseite verbunden, welche jeweils in der Verbindungsfeder 44 enthalten sind. Die Erkennungsausleger 42 und 43 und die Abschnitte der Rahmenausleger 44a, welche parallel zur y-Achse sind, dienen unter den Erkennungsgewichten 32 und 33, den Erkennungsauslegern 42 und 43, den Umfaltauslegern 44a und dem mittleren steifen Körper 44b als die Torsionsfedern. In den 4A bis 4C sind Abschnitte, welche als die Torsionsfedern dienen, mit kreisförmigen Markierungen versehen, und Abschnitte, welche als der steife Körper dienen, sind durch Rechtecke dargestellt. In der Zeichnung ist zwischen den Erkennungsgewichten 32 und 33 und dem mittleren steifen Körper 44b jeder der Rahmenausleger 44a durch zwei kreisförmige Markierungen und eine rechteckförmige Markierung dargestellt. Von jedem der Rahmenausleger 44a dienen die zweite Seiten parallel zur y-Achse als die Torsionsfeder und die eine Seite parallel zur x-Achse dient als steifer Körper.
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Im Ruhezustand gemäß 4A sind das Erkennungsgewicht 32, die Erkennungsausleger 42 und 43 und die Verbindungsfeder 44 parallel zur xy-Ebene. Im phasengleichen Modus gemäß 4B sind die Erkennungsgewichte 32 und 33, die auf der nicht gelagerten Seite liegen, jeweils in gleiche Richtung verschoben, wohingegen der mittlere steife Körper 44b in eine Richtung entgegengesetzt zur Verschiebungsrichtung der Erkennungsgewichte 32 und 33 verschoben ist. Im gegenphasigen Modus gemäß 4C sind die Erkennungsgewichte 32 und 33, die an der nicht gelagerten Seite liegen, in entgegengesetzte Richtungen verschoben.
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Wie oben beschrieben, werden im normalen Betriebszustand die Erkennungsgewichte 32 und 33 durch eine Corioliskraft einander entgegengesetzt in Richtung z-Achse verschoben. Folglich werden die Erkennungsgewichte 32 und 33 im gegenphasigen Modus vibriert. Wenn ein Stoß in Richtung z-Achse auf den Gyrosensor aufgebracht wird und sich in dem phasengleichen Modus Änderungen ergeben, werden die jeweiligen Signale, die von dem Paar von Winkelgeschwindigkeitserkennungsstrukturen erhalten werden, unterschiedlich verstärkt. Folglich heben sich die Signale aufgrund von Vibrationen basierend auf dem Stoß gegenseitig auf. Wenn jedoch der Stoß in dem phasengleichen Modus aufgebracht wird, aber die Resonanzfrequenz im gegenphasigen Modus, was bei einem Gyrosensor intrinsisch ist, nahe der Resonanzfrequenz im phasengleichen Modus liegt, induziert eine Erregung in dem phasengleichen Modus eine Vibration in dem gegenphasigen Modus, was als ein Ausgangsfehler auftritt.
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Wenn der Gyrosensor den Stoß in Richtung z-Achse erhält, ändert sich eine Resonanzvergrößerung (Ansprechintensität) abhängig von den verschiedenen Frequenzkomponenten, die in dem Stoß enthalten sind. Insbesondere wurde erkannt, dass die Frequenzcharakteristik (Ansprechkurve) der Resonanzvergrößerung wie in 5 gezeigt dargestellt werden kann, wenn der Gyrosensor im phasengleichen Modus betrieben wird. Die Resonanzvergrößerung ist bei der Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus maximal. Im verbleibenden Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus herum nimmt die Resonanzvergrößerung mit Abstand von der Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus rasch ab. Es sei festzuhalten, dass es neben der Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus eine Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus gibt. Bei der Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus nimmt die Resonanzvergrößerung auch um einen gewissen Betrag zu, obgleich die Resonanzvergrößerung bei der Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus hinreichend kleiner als die Resonanzvergrößerung ist, die bei der Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus erhöht wird. Eine Vibration im phasengleichen Modus, angeregt durch den Stoß, induziert eine Bewegung, welche die beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 in entgegengesetzte Richtungen in Schwingungen versetzt, d. h. in eine Schwingung im gegenphasigen Modus, was den Ausgangsfehler gemäß obiger Erläuterung bewirkt.
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Als Ergebnis intensiver Untersuchungen konnten die vorliegenden Erfinder bestätigen, dass, je näher die Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus an der Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus liegt, umso größer die Resonanzvergrößerung bei der Resonanzfrequenz fanti ist. Das heißt, gemäß 5 hat die Resonanzvergrößerung ihre Spitze bei der Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus und nimmt beidseits hiervon ab. Wenn jedoch die Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus außerordentlich nahe an der Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus ist, wird eine Vibration im gegenphasigen Modus induziert, während eine Vibation im phasengleichen Modus, angeregt durch den Stoß, nicht ausreichend gedämpft worden ist.
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Man kann somit sagen, dass, indem die Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus und die Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus voneinander weggebracht werden, es möglich ist, einen Bereich zu schaffen, wo die Vibration in dem phasengleichen Modus, angeregt durch den Stoß, nahe der Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus ausreichend gedämpft worden ist, und die Induktion einer Bewegung in dem gegenphasigen Modus zu unterdrücken. Zusätzlich kann die Frequenzeigenschaft der Resonanzvergrößerung auf der Grundlage der Einstellungen von nicht nur der Längen der Federn, welche eine Verschiebung in Richtung z-Achse etc. erlauben, d. h. der Erkennungsfedern 42 und 43 und der Umfaltausleger 44a gemäß der vorliegenden Ausführungsform, eingestellt werden, sondern auch über die Länge des mittleren steifen Körpers 44. Auf dieser Grundlage haben die vorliegenden Erfinder die Federn, welche eine Verschiebung in Richtung z-Achse etc. erlauben, eingestellt und die Frequenzeigenschaft der Resonanzvergrößerung untersucht. Im Ergebnis konnte die Resonanzvergrößerung bei der Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus verringert werden, indem die Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus von der Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus weggebracht wurde.
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Um die Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus weg von der Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus zu bringen, ist es notwendig, dass sich die Erkennungsgewichte 32 und 33 synchron bewegen, um Bewegungen im phasengleichen Modus und gegenphasigen Modus zu schaffen.
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Bei einem herkömmlichen Gyrosensor sind zwei Erkennungsgewichte, welche nicht miteinander über eine Verbindungsfeder verbunden sind und vollständig separat voneinander vorliegen, vorgesehen oder es ist ein vollständig einteiliges Erkennungsgewicht vorgesehen. Folglich bewegen sich die Erkennungsgewichte individuell und unabhängig voneinander und nicht synchron. Damit ist es unmöglich, Bewegungen in dem phasengleichen Modus und dem gegenphasigen Modus zu schaffen und die Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus von der Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus zu trennen.
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Im Gegensatz hierzu sind die beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 miteinander über die Verbindungsfeder 44 verbunden. Im Ergebnis ist es möglich, dass sich die Erkennungsgewichte 32 und 33 synchron bewegen, und es können mit Sicherheit zwei Bewegungsmuster in dem phasengleichen Modus und dem gegenphasigen Modus geschaffen werden. Da sich die Erkennungsgewichte 32 und 33 synchron bewegen, können die Erkennungsgewichte 32 und 33 die Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus und die Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus haben. Zusätzlich ist es möglich, die Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus von der Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus auf der Grundlage der Einstellung von nicht nur Längen der Erkennungsausleger 42 und 43 und der Umfaltausleger 44a zu trennen, sondern auch über die Länge des mittleren steifen Körpers 44b. Dies bringt die Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus weg von der Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus und verringert die Resonanzvergrößerung bei der Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus.
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Hierbei ist ein Wert (= (fanti – fin)/fanti)), erhalten durch Division der Differenz zwischen Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus und Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus durch die Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus, als Entkopplungsverhältnis definiert (nachfolgend als D. R. bezeichnet).
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Somit kann mit ansteigendem D. R. die Induktion einer Bewegung in dem gegenphasigen Modus zuverlässiger unterdrückt werden. Folglich ist es möglich, einen Ausgangsfehler des Gyrosensors zu unterdrücken, die Stoßfestigkeit zu verbessern und eine genauere Winkelgeschwindigkeitserkennung durchzuführen. Die Beziehung zwischen D. R. und der Stoßfestigkeit wurde speziell untersucht und das Ergebnis gemäß 6 wurde erhalten. Aus der grafischen Darstellung kann auch gesehen werden, dass, wenn der Absolutwert von D. R. zunimmt, sich die Stoßfestigkeit verbessert.
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Ein vergrößertes D. R. kann die Stoßfestigkeit verbessern, bringt jedoch auch eine Wechselwirkung mit einem Resonanzmodus bei einer anderen Frequenz oder eine Empfindlichkeitsverringerung mit sich. Daher ist es nicht vorteilhaft, alleine D. R. zu erhöhen. Folglich ist es vorteilhaft, D. R. in einem optimalen Bereich einzustellen, indem verhindert wird, dass D. R. auf einen zu hohen Wert ansteigt, während verhindert wird, dass D. R. auf einen kleineren Wert unter Annäherung an einen Bereich abnimmt, der empfindlich bezüglich der Stoßfestigkeit ist, d. h. einen Bereich, wo sich die Stoßfestigkeit abrupt verschlechtert.
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Die Einstellung von D. R. kann durchgeführt werden, indem nicht nur die Längen der Erkennungsausleger 42 und 43 und der Umfaltausleger 44a festgesetzt werden, sondern auch die Länge des mittleren steifen Körpers 44b, und zwar auf gleiche Weise bei einer anderen Resonanzfrequenz. Nachfolgend wird der Grund hierfür beschrieben.
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Gemäß
7 können die Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus und die Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus wie in den Gleichungen 1 und 2 angegeben angenähert werden, wenn ms das Gewicht eines jeden der Erkennungsgewichte
32 und
33 ist, k die Federkonstante eines jeden Erkennungsauslegers
42 und
43 ist, kc die Federkonstante eines jeden Umfaltauslegers
44a ist und L die Länge des mittleren steifen Körpers
44b ist. Es sei festzuhalten, dass in den Gleichungen 1 und 2a und b Konstanten sind, bei welchen b > a erfüllt ist. Gleichung 1
Gleichung 2
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Da D. R. = (fanti – fin)/fanti) erfüllt ist, kann Gleichung 3 erhalten werden, wenn die Resonanzfrequenz fanti für den gegenphasigen Modus und die Resonanzfrequenz fin für den phasengleichen Modus gemäß den Gleichungen 1 und 2 ersetzt werden. Die Gleichung zeigt, dass, wenn sowohl ks als auch L zunehmen, D. R. abnimmt und, wenn sowohl ks als auch L abnehmen, D. R. zunimmt. Die Gleichung zeigt auch, dass Änderungen im D. R. durch ks/kc beeinflusst werden. Wird angenommen, dass ks/kc = K erfüllt ist, kann Gleichung 3 in Gleichung 4 umgeschrieben werden. Gleichung 3
Gleichung 4
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Gleichung 4 zeigt, dass ein Bereich, wo D. R. kleiner ist, d. h. L und K größer sind, weniger durch a/LK und b/LK unter der Wurzel beeinflusst ist. Man kann damit erkennen, dass, auch wenn K sich ändert, D. R. sich wahrscheinlich nicht ändern wird.
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Folglich kann durch alleiniges Einstellen der Länge L des mittleren steifen Körpers 44b zusätzlich zur Einstellung der Längen der Erkennungsausleger 42 und 43 und des Umfaltauslegers 44a der Wert von D. R. eingestellt werden.
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Wenn der Gyrosensor hergestellt wird, ergeben sich, wenn der Gyrosensor in der Praxis hergestellt wird, aufgrund von Schwankungen bei der Bearbeitung der Erkennungsausleger 42 und 43 Schwankungen abweichend vom Sollwert von D. R. im erreichten Wert von D. R. Gemäß 8 wurde das Ergebnis erhalten, dass, wenn der Sollwert von D. R. kleiner ist, die Schwankungen kleiner sind. Daher ist es vorteilhaft, selektiv D. R. auf einen ziemlich großen Wert zu setzen, wenn die Stoßfestigkeit berücksichtig wird, und D. R. auf einen relativ kleinen Wert zu setzen, um damit Schwankungen im erreichten D. R. zu unterdrücken. Wenn Schwankungen im erreichten D. R. so unterdrückt werden können, kann, selbst wenn der Sollwert von D. R. nahe dem Bereich gesetzt wird, der empfindlich auf die Stoßfestigkeit ist, um die Stoßfestigkeit zu verbessern, D. R. im Wesentlichen auf den gleichen Wert wie der Sollwert gesetzt werden. Folglich ist es möglich, eine höhere Beständigkeit in einem Bereich zu schaffen, der empfindlicher in Punkto Stoßfestigkeit ist. Insbesondere ist es gemäß 9, wenn die Erkennungsgewichte 32 und 33 miteinander über die Verbindungsfeder 44 verbunden werden, um die Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus von der Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus zu trennen (E1), möglich, eine höhere Stoßfestigkeit zu schaffen und Schwankungen in der Stoßfestigkeit wirksamer als bei einem herkömmlichen Aufbau (Ec) zu unterdrücken, bei dem die Erkennungsgewichte nicht miteinander verbunden sind. Wenn die Erkennungsgewichte 32 und 33 miteinander über die Verbindungsfeder 44 verbunden sind, um die Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus von der Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus zu trennen und D. R. weiter eingestellt wird (E2), ist es möglich, Schwankungen in der Stoßfestigkeit noch wirksamer zu unterdrücken und höhere Robustheit zu erhalten.
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Wie oben beschrieben, sind bei dem Gyrosensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform die beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 miteinander über die Verbindungsfeder 44 verbunden. Dies kann die Resonanzfrequenz fin im phasengleichen Modus von der Resonanzfrequenz fanti im gegenphasigen Modus trennen. Im Ergebnis ist es möglich, einen Gyrosensor bereitzustellen, bei dem ein Ausgangsfehler bei Erhalt eines Stoßes unterdrückt ist und der eine genauere Winkelgeschwindigkeitserkennung durchführen kann
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Zusätzlich ist die Verbindungsfeder 44 in Form von Umfaltauslegern 44a ausgebildet, welche jeweils als Torsionsfeder dienen, sowie dem mittleren steifen Körper 44b. Im Ergebnis ist es möglich, D. R. durch reines Einstellen der Länge L des mittleren steifen Körpers 44b einzustellen und D. R. einfacher und sauberer einzustellen als durch Einstellen der Erkennungsausleger 42 und 43 und der Umfaltausleger 44a.
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(Zweite Ausführungsform)
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Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform wird erhalten, indem die Konfigurationen des beweglichen Abschnitts 30 und des Auslegerabschnitts 40 der ersten Ausführungsform sowie die Antriebsrichtungen hiervon geändert werden. Da die zweite Ausführungsform ansonsten gleich wie die erste Ausführungsform ist, werden nur Abschnitte beschrieben, welche unterschiedlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform sind.
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Wie in 10 gezeigt, ist das äußere Antriebsgewicht 31 in Rahmenform gebildet, welche hier eine Rechteckrahmenform ist, und in zwei Teile unterteilt, die in Richtung x-Achse angeordnet sind. Die beiden Teile des unterteilten äußeren Antriebsausrahmens 31 sind miteinander über Antriebsverbindungsfedern 31e verbunden. Das äußere Antriebsgewicht 31 wird von den unbeweglichen Tragabschnitten 21 über den Tragausleger 41 getragen und in Richtung x-Achse (Seitenrichtung entlang der Zeichenebene) durch Antriebsfedern 41a beweglich gemacht, die in dem Tragausleger 41 angeordnet sind. Da die beiden Teile des unterteilten äußeren Antriebsrahmens 31 durch die Antriebsverbindungsfedern 31e verbunden sind, arbeiten die Einzelteile des äußeren Antriebsrahmens 31 synchroner.
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Die Verbindungsfeder 44 hat im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie bei der ersten Ausführungsform. Da jedoch das äußere Antriebsgewicht 31 in die beiden Teile unterteilt ist, ist der mittlere steife Körper 44b so ausgebildet, dass er eine Feder 44ba enthält, um es den einzelnen Erkennungsgewichten 32 und 33 zu ermöglichen, sich in der xy-Ebene zu bewegen. Die Feder 44ba ist so gestaltet, dass sie als ein steifer Körper dient, der in Richtung der xy-Ebene flexibel und in Richtung der z-Achse steif ist, um in der Lage zu sein, einem jeden der Erkennungsgewichte 32 und 33 eine Bewegung in der xy-Ebene zu gestatten und eine Bewegung eines jeden der Erkennungsgewichte 32 und 33 in Richtung z-Achse zu unterbinden. Wie beispielsweise in 11 gezeigt, kann die Feder 44ba in Form eines Umfaltauslegers in Rahmenform gebildet sein. Indem in diesem Fall die Länge des Auslegers des Umfaltauslegers in einer Richtung parallel zur y-Achsenrichtung verringert ist, kann die Steifigkeit in der Verdrehrichtung verbessert werden. Wie oben beschrieben, ist es daher möglich, die Bewegung der Erkennungsgewichte 32 und 33 in Richtung z-Achse zu unterbinden.
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Es sei festzuhalten, dass in 10 die unbeweglichen Antriebsabschnitte 22 und 23 und die beweglichen Antriebselektroden 31b weggelassen sind. Die Konfiguration der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Konfiguration der ersten Konfiguration dahingehend, dass die Basisabschnitte 22a und 23a und die kammzahnartigen unbeweglichen Antriebselektroden 22b und 23b, welche in den unbeweglichen Antriebsabschnitten 22 und 23 angeordnet sind, separat von dem Tragausleger 41 gebildet sind; ansonsten ist die Ausgestaltung gleich wie bei der ersten Ausführungsform.
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Der Gyrosensor kann somit ebenfalls konfiguriert werden. Bei einem derartigen Gyrosensor werden gemäß den Pfeilen in 10 die Teile des unterteilten äußeren Antriebsauslegers 31 einander entgegengesetzt in Richtung x-Achse versetzt, um angetrieben/vibriert zu werden. Auf diese Weise kann eine Winkelgeschwindigkeitserkennung durchgeführt werden. Da ein derartiger Antriebsmodus verwendet wird, sind die Antriebsrichtungen unterschiedlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform, jedoch ist die Arbeitsweise ansonsten gleich wie bei der Ausführungsform. Bei dem so konfigurierten Gyrosensor kann somit durch Verbindung der beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 über die Verbindungsfeder 44 der gleiche Effekt wie bei der ersten Ausführungsform erhalten werden.
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(Dritte Ausführungsform)
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Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform wird ebenfalls erhalten durch Änderung der Ausgestaltungen des beweglichen Abschnitts 30 und des Auslegerabschnitts 40 der ersten Ausführungsform sowie durch deren Antriebsrichtungen. Da die dritte Ausführungsform ansonsten gleich wie die erste Ausführungsform ist, werden nur Abschnitte unterschiedlich zur ersten Ausführungsform beschrieben.
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Wie in 12 gezeigt, wird eine Ausgestaltung geschaffen, bei der die Erkennungsausleger 42 und 43 mit den unbeweglichen Tragabschnitten 21 verbunden sind und mit Antriebsfedern 42a und 43a versehen sind, die eine Bewegung in Richtung x-Achse (vertikale Richtung entlang der Zeichenebene) erlauben. Unter Verwendung der Antriebsfedern 42a und 43a werden die Erkennungsgewichte 32 und 33, die mit den Erkennungsauslegern 42 und 43 verbunden sind, in Richtung y-Achse angetrieben/vibriert, um als Antriebsgewichte zu dienen. Mit anderen Worten, ein Aufbau ist geschaffen, bei dem die Erkennungsgewichte 32 und 33 einteilig mit den Antriebsgewichten in Richtung x-Achse angeordnet ausgestaltet sind.
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Die Verbindungsfeder 44 hat im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie bei der ersten Ausführungsform. Da jedoch die Erkennungsgewichte 32 und 33 in Richtung y-Achse beweglich ausgelegt sind, ist der mittlere steife Körper 44b mit Federn 44bb versehen, um es jedem der Erkennungsgewichte 32 und 33 zu ermöglichen, sich in Richtung y-Achse zu bewegen. Jede der Federn 44bb ist so gestaltet, dass sie als steifer Körper dient, der in Richtung y-Achse flexibel und in Richtung z-Achse steif ist, um in der Lage zu sein, die Bewegung eines jeden der Erkennungsgewichte 32 und 33 in Richtung y-Achse zu ermöglichen und die Bewegung eines jeden Erkennungsgewichts 32 und 33 in Richtung z-Achse zu unterbinden.
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Beispielsweise kann gemäß 13A jede der Federn 44bb in Form eines Umfaltauslegers mit Rahmenform gebildet sein. Durch Verringerung der Länge des Auslegers in dem Umfaltausleger in einer Richtung parallel zur x-Achsenrichtung kann somit die Steifigkeit in Verdrehungsrichtung verbessert werden. Damit ist es, wie oben beschrieben, möglich, die Bewegung der Erkennungsgewichte 32 und 33 in Richtung z-Achse zu beschränken. Alternativ kann gemäß 13B jede der Federn 44bb in Form eines einfachen Auslegers gebildet werden, der erhalten wird durch teilweise Verringerung der Dicke des mittleren steifen Körpers 44b in Richtung y-Achse.
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Es sei festzuhalten, dass in 12 die unbeweglichen Antriebsabschnitte 22 und 23 und die beweglichen Antriebselektroden 41b weggelassen sind, jedoch die beweglichen Antriebselektroden 31b in den Erkennungsgewichten 32 und 33 angeordnet sind und die unbeweglichen Antriebselektroden 22b und 23b so angeordnet sind, dass sie den beweglichen Antriebselektroden 31b gegenüberliegen. In den beweglichen Antriebselektroden 31b sind die Tragabschnitte 31c so angeordnet, dass sie sich in Richtung y-Achse erstrecken, und die kammzahnartigen Elektroden 31d sind so angeordnet, dass sie sich in Richtung x-Achse erstrecken. Auch in den unbeweglichen Antriebselektroden 22b und 23b sind die Tragabschnitte 22c und 23c so angeordnet, dass sie sich in Richtung y-Achse erstrecken, und die kammzahnartigen Elektroden 22d und 23d sind so angeordnet, dass sie sich in Richtung x-Achse erstrecken. Somit können auf der Grundlage von elektrostatischen Kräften zwischen den einzelnen kammzahnartigen Elektroden 22d, 23d und 31d die Erkennungsgewichte 22 und 23 parallel zur y-Achsenrichtung angetrieben/vibriert werden.
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Der Gyrosensor kann damit ebenfalls konfiguriert werden. Bei einem solchen Gyrosensor werden die Erkennungsgewichte 32 und 33 einander entgegengesetzt in Richtung y-Achse versetzt, um angetrieben/vibriert zu werden. Folglich unterscheiden sich die Antriebsrichtungen von denjenigen der ersten Ausführungsform, jedoch ist der Betrieb ansonsten gleich wie bei der ersten Ausführungsform. Auch in dem so konfigurierten Gyrosensor kann durch Verbindung der beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 über die Verbindungsfeder 44 der gleiche Effekt wie bei der ersten Ausführungsform erreicht werden.
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(Vierte Ausführungsform)
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Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Gyrosensor gemäß einer der ersten bis dritten Ausführungsformen als einer von Sensoren in einem zusammengesetzten Sensor enthalten. Da der Grundaufbau des Gyrosensors gleich wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen ist, werden nur Abschnitte beschrieben, welche unterschiedlich zu denjenigen in jeder der obigen Ausführungsformen sind. Hierbei wird ein zusammengesetzter Sensor mit dem Gyrosensor gemäß der ersten Ausführungsform als ein Beispiel beschrieben. Jedoch kann anstelle hiervon auch ein Gyrosensor gemäß der zweiten oder der dritten Ausführungsform verwendet werden.
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Wie in 14 gezeigt, enthält ein zusammengesetzter Sensor S1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen zweiten Gyrosensor 200 und einen Beschleunigungssensor 400 zusätzlich zu dem Gyrosensor gemäß der ersten Ausführungsform als ersten Gyrosensor 100, welche auf dem Substrat 10 angeordnet und zu einem Chip zusammengefasst sind.
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Der zweite Gyrosensor 200 ist so ausgelegt, dass er erste und zweite Vibratoren 201 und 202 hat. Die Vibratoren 201 und 202 sind so gebildet, dass sie Erkennungsgewichte 210 und 220, unbewegliche Erkennungselektroden 230 und 240, Servoelektroden 231 und 241, Antriebsgewichte 250 und 260, unbewegliche Elektroden 270 und 280, unbewegliche Abschnitte 290 und 300 etc. enthalten.
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Jedes der Erkennungsgewichte 210 und 200 hat eine rechteckige Rahmenform. Die Erkennungsgewichte 210 und 200 haben äußere Umfangsabschnitte, welche mit beweglichen Erkennungselektroden 211 und 221 parallel zur x-Achse versehen sind. Zusätzlich sind die unbeweglichen Erkennungselektroden 230 und 240 und die Servoelektroden 231 und 241 um die Erkennungsgewichte 210 und 220 herum angeordnet, um zu den jeweiligen beweglichen Erkennungselektroden 211 und 221 zu weisen.
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Andererseits sind die Antriebsgewichte 250 und 260 in den jeweiligen Erkennungsgewichten 210 und 220 mit jeweils rechteckiger Rahmenform angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform hat jedes der Antriebsgewichte 250 und 260 eine blockartige Form. Die Antriebsgewichte 250 und 260 haben äußere Umfangsabschnitte, welche mit beweglichen Antriebselektroden 251 und 261 parallel zur x-Achse versehen sind. Zusätzlich sind die unbeweglichen Antriebselektroden 270 und 280 um die Antriebsgewichte 250 und 260 herum angeordnet, d. h. zwischen den Erkennungsgewichten 210 und 220 und den Antriebsgewichten 250 und 260, um zu den beweglichen Antriebselektroden 250 und 260 zu weisen.
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Zusätzlich sind die unbeweglichen Abschnitte 290 und 300 zwischen den Erkennungsgewichten 210 und 220 und den Antriebsgewichten 250 und 260 angeordnet, und Antriebsausleger 291 und 301 verbinden die unbeweglichen Abschnitte 290 und 300 mit den Antriebsgewichten 250 und 260. Tragausleger 292 und 302 sind zwischen den Erkennungsgewichten 210 und 220 und den Antriebsgewichten 250 und 260 angeordnet, um die Erkennungsgewichte 210 und 220 mit den Antriebsgewichten 250 und 260 zu verbinden. Damit sind die Erkennungsgewichte 210 und 220 und die Antriebsgewichte 250 und 260 von den unbeweglichen Abschnitten 290 und 300, den Antriebsauslegern 291 und 301 und den Tragauslegern 292 und 302 in einem schwebenden Zustand über dem Trägersubstrat 11 gelagert, wobei ein bestimmter Abstand gegenüber dem Trägersubstrat 11 beibehalten ist.
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In einem Aufbau wie oben beschrieben sind die Abschnitte der Erkennungsgewichte 210 und 220, welche aufeinander zuweisen, mit Öffnungen 214 und 224 versehen. Im Ergebnis weisen die Antriebsgewichte 250 und 260, welche innerhalb der jeweiligen Erkennungsgewichte 210 und 220 angeordnet sind, über die Öffnungen 214 und 224 aufeinander zu. Durch die Öffnungen 214 und 224 der Erkennungsgewichte 210 und 220 sind das Antriebsgewicht 250 des ersten Vibrators 201 und das Antriebsgewicht 260 des zweiten Vibrators 202 direkt miteinander über eine Antriebsverbindungsfeder 310 verbunden.
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In einem Aufbau des Antrieb innen/Erkennung außen-Typs, bei die Erkennungsgewichte 210 und 220 außerhalb der Antriebsgewichte 250 und 260 liegen, sind die Antriebsgewichte 250 und 260 von den Erkennungsgewichten 210 und 220 umgeben. Folglich ist es durch Ausbilden der Öffnungen 214 und 224 in den Erkennungsgewichten 210 und 220 möglich, die Antriebsgewichte 250 und 260 direkt miteinander über die Antriebsverbindungsfeder 310 zu verbinden.
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Zwischen dem Erkennungsgewicht 210 des ersten Vibrators 201 und dem Erkennungsgewicht 220 des zweiten Vibrators 202 ist die Erkennungsverbindungsfeder 320 angeordnet, um die Erkennungsgewichte 210 und 220 direkt miteinander zu verbinden. In den aufeinander zuweisenden Abschnitten der Erkennungsgewichte 210 und 220 sind ein Ende der Öffnung 214 und ein Ende der Öffnung 224 direkt miteinander über eine Erkennungsverbindungsfeder 320 verbunden. Andererseits ist das andere Ende der Öffnung 214 und das andere Ende der Öffnung 242 direkt miteinander über eine weitere Erkennungsverbindungsfeder 320 verbunden. Dies bringt die Antriebsverbindungsfeder 310 in einen Zustand, in welchem sie zwischen den Erkennungsverbindungsfedern 320 liegt.
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Der so ausgelegte zweite Gyrosensor 200 arbeitet wie folgt. Zunächst werden, wenn Potenzialdifferenzen zwischen den unbeweglichen Antriebselektroden 270 und 280 und den beweglichen Antriebselektroden 251 und 261 erzeugt werden, die Antriebsgewichte 250 und 260 in Richtung x-Achse verschoben. Wenn folglich AC-Spannungen mit bestimmten Frequenzen (typischerweise den Eigenfrequenzen der Vibratoren 201 und 202) an die unbeweglichen Antriebselektroden 270 und 280 angelegt werden, vibrieren die Antriebsgewichte 250 und 260 mit diesen Frequenzen.
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Zu diesem Zeitpunkt treiben die Antriebsgewichte 250 und 260 die jeweiligen Erkennungsgewichte 210 und 220 in Antriebsrichtung (Richtung x-Achse) derart, dass das Erkennungsgewicht 210 des ersten Vibrators 201 und das Erkennungsgewicht 220 des zweiten Vibrators 202 in einander entgegengesetzten Flächen (mit einer Phasendifferenz von 180°) sind. Damit vibrieren die Erkennungsgewichte 210 und 220 in Richtung x-Achse ähnlich wie die Antriebsgewichte 250 und 260.
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Wenn eine Winkelgeschwindigkeit um eine z-Achse senkrecht zu sowohl der x-Achse als auch der y-Achse angelegt wird, während die Erkennungsgewichte 210 und 220 derart in Richtung x-Achse vibrieren, wird eine Corioliskraft in Richtung y-Achse erzeugt. Die Kraft verschiebt die Erkennungsgewichte 210 und 220 in Richtung y-Achse relativ zu den Antriebsgewichten 250 und 260. Da die Erkennungsgewichte 210 und 220 in entgegengesetzten Phasen vibrieren, werden die beweglichen Erkennungselektroden 211 und 221 durch die Corioliskraft in einander entgegengesetzte Richtungen verschoben, wenn die Winkelgeschwindigkeit um die z-Achsenrichtung senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats 10 aufgebracht wird.
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Die jeweiligen Verschiebungsbeträge der Erkennungsgewichte 210 und 220 werden gemessen, indem Kapazitätsänderungen erkannt werden, die sich aus Abstandsänderungen zwischen den beweglichen Erkennungselektroden 211 und 221 und den unbeweglichen Erkennungselektroden 230 und 240 ergeben. Das heißt, die Kapazitätsänderungen zwischen den beweglichen Erkennungselektroden 211 und 221 und den unbeweglichen Erkennungselektroden 230 und 240 werden erfasst, und eine Spannung entsprechend einer Servokraft wird an jede der Servoelektroden 231 und 241 angelegt, um die Kapazitätsänderungen zu unterdrücken. Aus der Spannung entsprechend der Servokraft kann die Winkelgeschwindigkeit erhalten werden. Unter Verwendung des zweiten Gyrosensors 200 kann somit eine Beschleunigung um die z-Achse in der xy-Ebene erkannt werden.
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Demgegenüber hat der Beschleunigungssensor 400 einen beweglichen Abschnitt 410, unbewegliche Abschnitte 420 und Vibrationsfedern 430.
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Der bewegliche Abschnitt 410 hat ein bewegliches Gewicht 411 und bewegliche Elektroden 412. Das bewegliche rechteckförmige Gewicht 411 hat zwei Seiten, welche mit den jeweiligen kammzahnartigen beweglichen Elektroden 412 versehen sind.
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Die unbeweglichen Abschnitte 420 sind so ausgelegt, dass sie vom Trägersubstrat 11 getragen werden, und haben kammzahnartige unbewegliche Elektroden 421 entsprechend den beweglichen Elektroden 412. Die beweglichen Elektroden 412 und die unbeweglichen Elektroden 421 sind in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet, so dass sich Kapazitäten zwischen ihnen bilden. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform sind die beweglichen Elektroden 412 und die unbeweglichen Elektroden 421 so angeordnet, dass sie sich entlang der x-Achsenrichtung erstrecken.
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Die Vibrationsfedern 430 verbinden das bewegliche Gewicht 411 mit unbeweglichen Tragabschnitten 431 an beispielsweise den beiden Seiten des beweglichen Gewichts 411 unterschiedlich zu den beiden Seiten hiervon, wo die beweglichen Elektroden 412 ausgebildet sind. Dies erlaubt, dass der bewegliche Abschnitt 410 in Richtung y-Achse verschoben wird.
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Bei Anlegen einer Beschleunigung mit einer Komponente parallel zur x-Achsenrichtung an den Beschleunigungssensor 400 mit diesem Aufbau wird der bewegliche Abschnitt 410 verschoben, so dass die Abstände zwischen den beweglichen Elektroden 412 und den unbeweglichen Elektroden 421 geändert werden und sich die dazwischen gebildeten Kapazitäten ändern. Folglich werden Potenzialdifferenzen zwischen den unbeweglichen Abschnitten 420 und den unbeweglichen Tragabschnitten 431 erzeugt, um Potenzialdifferenzen zwischen den beweglichen Elektroden 412 und den unbeweglichen Elektroden 421 zu erzeugen. Indem die dazwischen erzeugten Kapazitätsänderungen ausgegeben werden, kann die Beschleunigung in Richtung y-Achse erkannt werden.
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Indem somit das Substrat 10 mit dem zweiten Gyrosensor 200 und dem Beschleunigungssensor 400 zusätzlich zum ersten Gyrosensor 100 versehen wird, kann eine Integration auf einem Chip erreicht werden. Im Fall des Erkennens einer Winkelgeschwindigkeit in Umfangsrichtung (z. B. einer Rollrichtung des Fahrzeugs) um eine Achse parallel zur xy-Ebene durch Verschieben der Erkennungsgewichte 32 und 33 in Richtung z-Achse wie beim ersten Gyrosensor 100 kann jeder Bestandteil des ersten Gyrosensors 100 in der xy-Ebene ausgebildet werden.
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Im Gegensatz hierzu sollte im Fall der Erkennung einer Winkelgeschwindigkeit in einer Umfangsrichtung um eine Achse parallel zur xy-Ebene unter der Annahme eines Aufbaus wie beim zweiten Gyrosensor 200 jeder der Bestandteile des Gyrosensors 200 in einer Ebene parallel zur z-Achse gebildet werden. Im Ergebnis muss ein Chip, in welchem der zweite Gyrosensor 200 gebildet ist, aufrecht zur xy-Ebene angeordnet werden. Folglich müssten im Fall der Erkennung zweier Winkelgeschwindigkeiten, welche eine Winkelgeschwindigkeit in einer Umfangsrichtung um eine Achse parallel zur xy-Ebene und eine Winkelgeschwindigkeit um die z-Achsenrichtung sind, wobei ein Aufbau wie derjenige des zweiten Gyrosensors 200 verwendet wird, die einzelnen Sensoren in unterschiedlichen Chips angeordnet werden und können nicht in einem Chip zusammengefasst werden.
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Durch Verwendung des Aufbaus des ersten Gyrosensors 100 wie bei der vorliegenden Ausführungsform ist es folglich möglich, einen zusammengesetzten Sensor bereitzustellen, der erlaubt, dass der erste Gyrosensor 100 mit dem zweiten Gyrosensor 200 und dem Beschleunigungssensor 400 auf einem Chip zusammengefasst wird. Dies erlaubt, dass der zusammengesetzte Sensor gegenüber dem Fall vereinfacht ist, wo die einzelnen Sensoren auf unterschiedlichen Chips ausgebildet sind.
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(Andere Ausführungsformen)
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Jede der oben beschriebenen Ausführungsformen hat den Fall beschrieben, wo als Substrat 10 das SOI-Substrat verwendet wird. Dies ist jedoch ein Beispiel für das Substrat 10, und ein Substrat anders als ein SOI-Substrat kann verwendet werden. Da das SOI-Substrat als Substrat 10 verwendet wird, sind die Erkennungselektroden 14 auf dem Trägersubstrat 11 angeordnet. Es ist jedoch ausreichend, wenn die Erkennungselektroden 14 an Positionen angeordnet sind, die in bestimmten Abständen zu den Erkennungsgewichten 32 und 33 in Richtung z-Achse liegen. Folglich können die Erkennungselektroden 14 auch an der Vorderseite der Erkennungsgewichte 32 und 33 angeordnet werden.
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Der Massenabschnitt 31a, der außerhalb der Erkennungsgewichte 32 und 33 liegt, hat eine Ringform, kann jedoch auch eine andere Rahmenform haben, z. B. eine viereckige Rahmenform. Wenn der Massenabschnitt 31a angetrieben/vibriert wird, wird der Massenabschnitt 31a in eine hin- und hergehende Drehvibration versetzt. Jedoch kann der Massenabschnitt 31a auch in Richtung y-Achse hin- und hervibriert werden.
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In jeder der obigen Ausführungsformen wurde als ein Beispiel ein Gyrosensor des Antrieb außen/Erkennung innen-Typs beschrieben, bei dem die Erkennungsgewichte 32 und 33 in dem äußeren Antriebsgewicht 31 liegen. Dies ist jedoch nur ein Beispiel, und die vorliegende Erfindung ist auch beispielsweise bei einem Aufbau anwendbar, wie er im zweiten Gyrosensor 200 der vierten Ausführungsform beschrieben worden ist, d. h. bei einem Gyrosensor des Antrieb innen/Erkennung außen-Typs, bei dem die Erkennungsgewichte außerhalb des Antriebsgewichts liegen.
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Der oben beschriebene Gyrosensor ist auch beispielsweise bei einem Gyrosensor anwendbar, der eine Winkelgeschwindigkeitserkennung in Rollrichtung eines Fahrzeugs oder dergleichen durchführt.
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Gemäß obiger Beschreibung enthält als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Gyrosensor das Substrat 10 mit dem unbeweglichen Abschnitt 20, dem beweglichen Abschnitt 30, den zwei Erkennungsgewichten 32 und 33, der Verbindungsfeder 44 und den Erkennungselektroden 44. Der bewegliche Abschnitt 30 ist mit dem unbeweglichen Abschnitt 20 über den Tragausleger 41 verbunden und enthält das Antriebsgewicht 31 mit dem Massenabschnitt 31a, der bei der Erkennung einer Winkelgeschwindigkeit hin- und hervibriert wird, und zwar entweder drehend in einer xy-Ebene als Ebene parallel zur Ebenenfläche des Substrats 10 mit einer x-Achse und einer y-Achse senkrecht zur x-Achse oder in einer y-Achsenrichtung als einer Richtung entlang der y-Achse, auf der Grundlage einer Verschiebung des Tragauslegers 41. Die beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 sind mit dem Antriebsgewicht 31 über die Erkennungsausleger 42 und 43 verbunden und in einer x-Achsenrichtung als einer Richtung entlang der x-Achse angeordnet. Die Verbindungsfeder 44 verbindet die beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 miteinander. Die Erkennungselektroden 14 sind so angeordnet, dass sie von den zwei Erkennungsgewichten 32 und 33 in Richtung z-Achse als einer Richtung entlang einer z-Achse senkrecht zur xy-Ebene um einen bestimmten Abstand beabstandet sind. Als Ergebnis der Aufbringung der Winkelgeschwindigkeit schwingen die beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 einander entgegengesetzt in Richtung z-Achse, um Änderungen in den jeweiligen Abständen zwischen den beiden Erkennungsgewichten 32 und 33 und den Erkennungselektroden 44 zu verursachen und um gegenphasige Änderungen in den Kapazitätswerten der beiden Kondensatoren zu verursachen, welche zwischen den zwei Erkennungsgewichten 32 und 33 und den Erkennungselektroden 44 gebildet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der Gyrosensor ein Substrat mit dem unbeweglichen Abschnitt 21, einem beweglichen Abschnitt, den beiden Antriebsgewichten 31, der Verbindungsfeder 44 und Erkennungselektroden. Der bewegliche Abschnitt ist mit dem unbeweglichen Abschnitt 21 über die Erkennungsausleger 42 und 43 verbunden und enthält die Erkennungsgewichte 32 und 33 mit jeweils einem Massenabschnitt, der bei der Erkennung einer Winkelgeschwindigkeit hin- und hervibriert wird, und zwar entweder drehend in einer xy-Ebene als einer Ebene parallel zur Ebenenfläche des Substrats mit einer x-Achse und einer y-Achse senkrecht zur x-Achse oder in einer y-Achsenrichtung als einer Richtung entlang der y-Achse, auf der Grundlage einer Verschiebung eines jeden der Erkennungsausleger. Die beiden Antriebsgewichte 31 sind einteilig mit den Erkennungsgewichten 32 und 33 ausgebildet und in Richtung x-Achse als einer Richtung entlang der x-Achse angeordnet. Die Verbindungsfeder 44 verbindet die beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 miteinander. Die Erkennungselektroden sind so angeordnet, dass sie um bestimmte Beträge von den beiden Erkennungsgewichten 32 und 33 in Richtung z-Achse als einer Richtung entlang einer z-Achse senkrecht zur xy-Ebene beabstandet sind. In dem Gyrosensor werden als Ergebnis des Aufbringens der Winkelgeschwindigkeit die beiden Erkennungsgewichte 32 und 33 einander entgegengesetzt in Richtung z-Achse vibriert, um Änderungen in den jeweiligen Abständen zwischen den zwei Erkennungsgewichten 32 und 33 und den Erkennungselektroden zu verursachen und um gegenphasige Änderungen in den Kapazitätswerten von zwei Kondensatoren zu verursachen, welche zwischen den zwei Erkennungsgewichten 32 und 33 und den Erkennungselektroden gebildet sind.
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Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsformen beschrieben wurde, jedoch die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen und deren Aufbauten beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung umfasst auch Abwandlungen im Äquivalenzbereich als verschiedene Modifikationen. Zusätzlich fallen Ausführungsformen und verschiedene Kombinationen und weiterhin nur ein Element hiervon, weniger oder mehrere sowie die Form und andere Kombinationen unter den Rahmen und Umfang der vorliegenden Erfindung.
