DE19642893A1

DE19642893A1 - Schwingungskonstruktion

Info

Publication number: DE19642893A1
Application number: DE19642893A
Authority: DE
Inventors: Ki Bang Lee; Byung-Leul Lee; Young-Ho Cho; Ci-Moo Song
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1996-10-17
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2016-10-18
Also published as: KR100363246B1; JP3924026B2; DE19642893B4; KR970022627A; JPH09178493A; US5780740A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwingungskonstruktion, ein Verfahren zum Steuern der Eigenfrequenz einer Schwin gungskonstruktion sowie ein Stellglied, einen Sensor, einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop sowie ein Verfahren zum Steuern der Eigenfrequenz eines Gyroskops unter Verwendung einer Schwingungskonstruktion.

Eine Schwingungskonstruktion wird in der letzten Zeit für verschiedene Zwecke, beispielsweise in einem Gyroskop, einem Sensor, wie beispielsweise einem Beschleunigungsmes ser, oder einem Stellglied, verwandt. Ein Gyroskop ist der Kernteil einer Navigationsvorrichtung für Flugkörper, hoch seetüchtige Schiffe oder Flugzeuge. Ein Gyroskop für militä rische oder aeronautische Zwecke, das aus einer Vielzahl von Bauteilen in einem hochgenauen Arbeitsprozeß und mit genauer Montage hergestellt wird, arbeitet mit einer hohen Genau igkeit. Die hohen Herstellungskosten und die erhebliche Größe machen es jedoch für elektronische Geräte auf dem industriellen Gebiet oder für den Hausgebrauch ungeeignet. Ein Gyroskop für private Bedürfnisse kann in einer Naviga tionsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, um dessen Beschleu nigung und Winkelgeschwindigkeit zu erfassen, oder in einem Kamerarecorder, das heißt einem sogenannten Camcorder, mit hoher Vergrößerung zum Erfassen und Korrigieren des Zitterns der Hand des Benutzers verwandt werden. Ein Sensor, der mit einer Schwingungskonstruktion arbeitet, wird in medizini schen Anlagen und Geräten oder in industriellen Meßinstru menten benutzt.

Fig. 1A der zugehörigen Zeichnung zeigt eine herkömm liche Schwingungskonstruktion in vereinfachter Form. Die Schwingungskonstruktion 10 besteht aus einer Feder 12, die an einem Halteende 13 gehalten ist, und aus einem Trägheits gegenstand 11. Bei einer Schwingungskonstruktion mit mehre ren Freiheitsgraden kann ein äquivalentes Schwingungssystem aus mehreren miteinander verbundenen Schwin gungskonstruktionen der in Fig. 1A dargestellten Art gebil det werden. Die Schwingungskonstruktion 10 hat eine konstan te Eigenfrequenz bezüglich der Amplitude, wie es in Fig. 1B dargestellt ist, da die Masse m des Trägheitsgegenstandes 11 und die Federkonstante k der Feder 12 konstant sind.

Wenn ein Sensor oder ein Stellglied mit einer derarti gen Schwingungskonstruktion hergestellt wird, ist es somit schwierig, die Eigenfrequenz des Schwingungssystems frei zu ändern. Obwohl es möglich ist, ein Metall, wie beispiels weise Silber, bei der Herstellung der Schwingungskonstruk tion aufzubringen, um deren Eigenfrequenz zu steuern, wie es in der US-PS-4 107 349 beschrieben ist, ist das Aufbringen selbst schwierig und ist ein zusätzlicher Arbeitsvorgang zum Steuern der Eigenfrequenz nach der Herstellung der Schwin gungskonstruktion nötig.

Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, soll durch die Erfindung eine Schwingungskonstruktion geschaffen werden, die eine Steuerelektrode zum Steuern der effektiven Steifig keit der Schwingungskonstruktion aufweist.

Durch die Erfindung soll weiterhin ein Verfahren zum Steuern der Eigenfrequenz einer Schwingungskonstruktion unter Verwendung einer derartigen Steuerelektrode geschaffen werden.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Stellglied mit einer Steuerelektrode zum Steuern seiner effektiven Steifigkeit.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Sensor mit einer Steuerelektrode zum Steuern seiner effektive Stei figkeit.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Beschleunigungs messer mit einer Steuerelektrode zum Steuern der effektiven Steifigkeit seiner Schwingungskonstruktion.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Gyroskop mit einer Steuerelektrode zum Steuern der effektiven Steifigkeit seiner Schwingungskonstruktion.

Schließlich ist auch ein Verfahren zum Steuern der Eigenfrequenz eines Gyroskops unter Verwendung einer die effektive Steifigkeit steuernden Steuerelektrode Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Die erfindungsgemäße Schwingungskonstruktion umfaßt wenigstens ein elastisches Element, das von einem ersten Halteende gehalten ist, einen Trägheitsgegenstand, der durch die elastische Kraft des elastischen Elementes schwingt, eine sich bewegende Elektrode, die mit dem Trägheitsgegen stand verbunden ist, wenigstens eine die effektive Steifig keit steuernde Elektrode, die von einem zweiten Halteende gehalten ist, und eine Spannungsversorgung zum Anlegen einer Spannung, um eine elektrische Kraft zwischen der sich bewe genden Elektrode und der die effektive Steifigkeit steuern den Elektrode zu erzeugen.

Es ist bevorzugt, daß der Trägheitsgegenstand und die sich bewegende Elektrode in einem Stück ausgebildet sind.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß der Trägheitsgegenstand nur in Richtung einer Achse schwingt, und daß die die effek tive Steifigkeit steuernde Elektrode so angeordnet ist, daß sie dem Trägheitsgegenstand in der Richtung dieser Achse zugewandt ist.

Vorzugsweise schwingt der Trägheitsgegenstand in der Richtung einer Achse und sind zwei die effektive Steifigkeit steuernde Elektroden unter und über dem Trägheitsgegenstand angeordnet.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß die sich bewegende Elektrode wenigstens zwei Finger aufweist und die die effek tive Steifigkeit steuernde Elektrode wenigstens einen Finger aufweist, der zwischen die Finger der sich bewegenden Elek trode mit einem bestimmten Abstand dazu eingeführt werden kann.

Vorzugsweise ist das elastische Element eine Drehfeder mit einer Drehsteifigkeit und dreht sich der Trägheitsgegen stand.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß die elektrische Kraft zwischen der die effektive Steifigkeit steuerenden Elektrode und der sich bewegenden Elektrode gleich der elastischen Kraft des elastischen Elementes nach Maßgabe der Änderung der Spannung von der Spannungsversorgung ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern der Eigenfrequenz einer Schwingungskonstruktion, welche Schwin gungskonstruktion wenigstens ein elastisches Element, das von einem ersten Halteende gehalten ist, einen Trägheits gegenstand, der durch die elastische Kraft des elastischen Elementes schwingt, eine sich bewegende Elektrode, die mit dem Trägheitsgegenstand verbunden ist, wenigstens eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode, die von einem zweiten Halteende gehalten ist, und eine Spannungsversorgung zum Anlegen einer Spannung umfaßt, um eine elektrische Kraft zwischen der sich bewegenden Elektrode und der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode zu erzeugen, werden die effektive Steifigkeit und die Eigenfrequenz der Schwingungs konstruktion durch Einstellen der Spannung gesteuert.

Bei dem erfindungsgemäßen Stellglied, das wenigstens eine Schwingungskonstruktion enthält, welche Schwingungskon struktion wenigstens ein elastisches Element, das von einem ersten Halteende gehalten ist, einen Trägheitsgegenstand, der durch die elastische Kraft des elastischen Elementes schwingt, eine sich bewegende Elektrode, die mit dem Träg heitsgegenstand verbunden ist, wenigstens eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode, die von einem zweiten Hal teende gehalten ist, und eine Spannungsversorgung zum Anle gen einer Spannung umfaßt, um eine elektrische Kraft zwi schen der sich bewegenden Elektrode und der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode zu erzeugen, werden die effektive Steifigkeit und die Eigenfrequenz der Schwingungs konstruktion durch Einstellen der Spannung gesteuert.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor mit wenigstens einer Schwingungskonstruktion, welche Schwingungskonstruktion wenigstens ein elastisches Element, das von einem ersten Halteende gehalten ist, einen Trägheitsgegenstand, der durch die elastische Kraft des elastischen Elementes schwingt, eine sich bewegende Elektrode, die mit dem Trägheitsgegen stand verbunden ist, wenigstens eine die effektive Steifig keit steuernde Elektrode, die von einem zweiten Halteende gehalten ist, und eine Spannungsversorgung zum Anlegen einer Spannung umfaßt, um eine elektrische Kraft zwischen der sich bewegenden Elektrode und der die effektive Steifigkeit steu ernden Elektrode zu erzeugen, werden die effektive Steifig keit und die Eigenfrequenz der Schwingungskonstruktion durch Einstellen der Spannung gesteuert.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser umfaßt we nigstens ein elastisches Element, das von einem ersten Hal teende gehalten ist, einen Trägheitsgegenstand, der durch die elastische Kraft des elastischen Elementes schwingt, eine sich bewegende Elektrode, die mit dem Trägheitsgegen stand verbunden ist, einen Detektor zum Erfassen der Schwin gung des Trägheitsgegenstandes, wenigstens eine die effekti ve Steifigkeit steuernde Elektrode, die von einem zweiten Halteende gehalten ist, und eine Spannungsversorgung zum Anlegen einer Spannung, um eine elektrische Kraft zwischen der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode und der sich bewegenden Elektrode zu erzeugen.

Der erfindungsgemäße Resonanzbeschleunigungsmesser umfaßt wenigstens ein elastisches Element, das von einem ersten Halteende gehalten ist, einen Trägheitsgegenstand, der durch die elastische Kraft des elastischen Elementes schwingt, eine sich bewegende Elektrode, die mit dem Träg heitsgegenstand verbunden ist, einen Detektor zum Erfassen der Schwingung des Trägheitsgegenstandes, einen Anreger zum Versetzen des Trägheitsgegenstandes in eine Resonanzschwin gung, wenigstens eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode, die von einem zweiten Halteende gehalten ist, und eine Spannungsversorgung zum Anlegen einer Spannung, um eine elektrische Kraft zwischen der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode und der sich bewegenden Elektrode zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Gyroskop umfaßt ein Substrat mit einer durch eine erste Achse und eine zweite Achse aufge spannten Ebene, ein Halteende, das vom Substrat gehalten ist, eine elastische Baueinheit, die vom Halteende gehalten ist und in Richtung der ersten und der zweiten Achse ver läuft, eine Trägheitsbaueinheit zum Schwingen in der Rich tung der ersten Achse und in der Richtung einer dritten Achse, eine Fingerelektrode, die in einem Stück in der Träg heitsbaueinheit ausgebildet ist, eine Antriebseinheit mit einem Finger, der mit der Fingerelektrode der Trägheitsbau einheit in Eingriff kommen kann, um eine elektrische Kraft an die Trägheitsbaueinheit in Richtung der ersten Achse zu legen, einen Detektor zum Erfassen der Schwingungen der Trägheitsbaueinheit in Richtung der ersten und der dritten Achse, eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode, die so angeordnet ist, daß sie der Trägheitsbaueinheit auf dem Substrat zugewandt ist, um die Eigenfrequenz der Träg heitsbaueinheit in Richtung der dritten Achse zu steuern, und eine Spannungsversorgung zum Anlegen einer Spannung an die die effektive Steifigkeit steuerende Elektrode und an die Fingerelektrode der Trägheitsbaueinheit.

Vorzugsweise ist die die effektive Steifigkeit steuern de Elektrode durch einen Detektor zum Erfassen der Schwin gung in Richtung der dritten Achse ersetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern der Eigen frequenz eines Gyroskops, welches Gyroskop ein Substrat mit einer durch eine erste Achse und eine zweite Achse aufge spannten Ebene, ein Halteelement, das vom Substrat gehalten ist, eine elastische Baueinheit, die vom Halteende gehalten ist und in den Richtungen der ersten und der zweiten Achse verläuft, eine Trägheitsbaueinheit zum Schwingen in Richtung der ersten Achse und in Richtung einer dritten Achse, eine Fingerelektrode, die in einem Stück in der Trägheitsbauein heit ausgebildet ist, eine Antriebseinheit mit einem Finger, der mit der Fingerelektrode der Trägheitsbaueinheit in Ein griff kommt, um eine elektrische Kraft an die Trägheitsbau einheit in Richtung der ersten Achse zu legen, einen Detek tor zum Erfassen der Schwingungen der Trägheitsbaueinheit in Richtung der ersten und der dritten Achse, eine die effekti ve Steifigkeit steuernde Elektrode, die so angeordnet ist, daß sie der Trägheitsbaueinheit auf dem Substrat zugewandt ist, um die Eigenfrequenz der Trägheitsbaueinheit in Rich tung der dritten Achse zu steuern, und eine Spannungsver sorgung zum Anlegen einer Spannung an die die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode und die Fingerelektrode der Trägheitsbaueinheit umfaßt, besteht darin, daß die Eigen frequenz der Trägheitsbaueinheit in Richtung der dritten Achse dadurch gesteuert wird, daß, die an der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode und an der Fingerelektrode der Trägheitsbaueinheit liegende Spannung gesteuert wird.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1A eine herkömmliche Schwingungskonstruktion in einer schematischen Ansicht,

Fig. 1B die Schwingung der in Fig. 1A dargestellten Schwingungskonstruktion in einer graphischen Darstellung,

Fig. 2A in einer schematischen Ansicht ein erstes Aus führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schwingungskonstruk tion,

Fig. 2B in einer graphischen Darstellung die elastische Kraft und die elektrische Kraft, die an der Schwingungskon struktion von Fig. 2A liegen,

Fig. 2C eine vergrößerte Ansicht der graphischen Dar stellung von Fig. 2B,

Fig. 2D eine schematische Ansicht einer zur Konstruk tion von Fig. 2A äquivalenten Schwingungskonstruktion,

Fig. 2E in einer graphischen Darstellung die Schwingung der in Fig. 2E dargestellten Schwingungskonstruktion,

Fig. 3-5 in schematischen Ansichten ein zweites, ein drittes und ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen Schwingungskonstruktion jeweils,

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines ersten Ausfüh rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsmes sers,

Fig. 7A eine schematische Ansicht eines zweiten Aus führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmes sers,

Fig. 7B eine graphische Darstellung der anliegenden Beschleunigung,

Fig. 7C in einer graphischen Darstellung die elastische Kraft und die elektrische Kraft am Beschleunigungsmesser von Fig. 7A,

Fig. 7D in einer graphischen Darstellung ein Schwin gungssignal in Abhängigkeit von der anliegenden Beschleuni gung,

Fig. 8A in einer schematischen Ansicht eine Schwin gungskonstruktion in einem Gyroskop,

Fig. 8B in einer schematischen Ansicht eine die effek tive Steifigkeit steuernde Elektrode im Gyroskop und

Fig. 8C in einer graphischen Darstellung die Schwingung einer biaxialen Schwingungskonstruktion in dem Gyroskop in Richtung jeder Achse.

Fig. 2A zeigt eine Schwingungskonstruktion gemäß der Erfindung mit einer die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode. Die Schwingungskonstruktion weist eine Feder 22, die von einem ersten Halteende 23 gehalten ist, eine obere Elektrode und einen Trägheitsgegenstand 21, die in einem Stück ausgebildet sind und durch die elastische Kraft der Feder 22 auf und ab bewegt werden, eine untere Elektrode oder eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode 24, die von einem zweiten Halteende 23′ gehalten ist und dem Trägheitsgegenstand 21 zugewandt ist, und eine Spannungsver sorgung 25 zum Anlegen einer Spannung zwischen den Träg heitsgegenstand 21 und die die effektive Steifigkeit steu ernde Elektrode 24 auf. Mit m ist die Masse des Trägheits gegenstandes bezeichnet, und k bezeichnet die Steifigkeit oder die Federkonstante der Feder 22.

Bei einer Schwingungskonstruktion mit dem oben be schriebenen Aufbau liegen eine elastische Kraft der Feder 22 in Abhängigkeit von der Versetzung des Trägheitsgegenstandes 21 sowie eine elektrische Kraft, die durch Anlegen einer Spannung erzeugt wird, am Trägheitsgegenstand 21. Wenn an genommen wird, daß der Abstand zwischen dem Trägheitsgegen stand 21 und der die effektive Steifigkeit steuernden Elek trode 23 am Anfang ohne anliegende Spannung gleich h₀ ist, dann läßt sich die Eigenfrequenz f_n der Schwingungskonstruk tion ausdrücken als:

Fig. 2B zeigt die elastische Kraft und die elektrische Kraft, die am Trägheitsgegenstand 21 liegen, gegenüber des sen Versetzung. In Fig. 2B sind eine Kurve 26 für die ela stische Kraft, eine Kurve 27 für die elektrische Kraft bei relativ niedriger Spannung und eine Kurve 28 für die elek trische Kraft bei einer relativ hohen Spannung dargestellt. Die Kurve 26 für die elastische Kraft schneidet die Kurven 27 und 28 für die elektrischen Kräfte an zwei Punkten P1 und P3 bzw. P2 und P4. Der Trägheitsgegenstand 21 ist in einem stabilen Gleichgewicht an den Punkten P1 und P2 und in einem instabilen Gleichgewicht an den beiden anderen Punkten P3 und P4.

Fig. 2C zeigt den Teil um den Punkt P1 in Fig. 2B in einer vergrößerten Darstellung. In Fig. 2C ist die Verset zung des Trägheitsgegenstandes 21 am Punkt P1 gleich z₀. Dann gilt:

da die elektrische Kraft gleich der elastischen Kraft am Punkt P1 ist. Es ist somit:

In den obigen Gleichungen ist

wobei C die Kapazität bezeichnet, A den Flächenbereich einer Elek trode bezeichnet und ε die Dielektrizitätskonstante zwischen den Platten ist.

Wenn sich der Trägheitsgegenstand 21 aus der Gleichge wichtsposition z₀ um eine kleine Strecke z₁ verschiebt, dann wird eine Rückstellkraft F_r erzeugt, die durch folgende Glei chung gegeben ist:

Wenn der Abstand zwischen dem Trägheitsgegenstand 21 im Gleichgewicht und der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode mit h₁ gegeben ist, wobei h₁ = h₀ - z₀, läßt sich das in einer linearen Gleichung wie folgt ausdrücken:

wobei angenommen ist, daß

Da

läßt sich die Glei chung für die Rückstellkraft F_r reduzieren auf

Wenn sich nach Maßgabe der obigen Gleichung der Träg heitsgegenstand 21 aus dem Gleichgewichtspunkt P1 um die Strecke z₁ bewegt, die infinitesimal ist, während eine Span nung V anliegt, dann kann die Rückstellkraft durch die Fe derkonstante k, die Dielektrizitätskonstante ε, die Elekt rodenfläche A und den Abstand h₁ zwischen dem Trägheitsge genstand 21 und der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode 24 bestimmt werden. Aus der obigen Gleichung läßt sich die effektive Steifigkeit wie folgt definieren:

Wie es in Fig. 2C dargestellt ist, ist die effektive Steifigkeit ein Wert, der dadurch erhalten wird, daß die Steigung der Kurve 27 für die elektrische Kraft von der Steigung der Kurve 26 für die elastische Kraft (d. h. die Federkonstante) abgezogen wird. Die effektive Steifigkeit kann daher als der Unterschied zwischen den Steigungen der Kurve der elastischen Kraft und der Kurve der elektrischen Kraft am Gleichgewichtspunkt definiert werden.

Wenn gemäß Fig. 2B die Spannung V zunimmt, dann ver schiebt sich die elektrische Kraft von der Kurve 27 auf die Kurve 28. Es wird daher beobachtet, daß der Unterschied zwischen den Steigungen der Kurven der elastischen Kraft und der elektrischen Kraft, d. h. die effektive Steifigkeit, abnimmt. Das hat zur Folge, daß das Schwingungssystem von Fig. 2A als ein äquivalentes Schwingungssystem angesehen werden kann, das die Masse m und die Federkonstante k_eff hat, so daß sich die Eigenfrequenz der Schwingungskonstruktion berechnen läßt als:

Aus der obigen Gleichung ergibt sich, daß sich die Eigenfrequenz des Schwingungssystems von Fig. 2A mit stei gender Spannung V ändert. Wenn keine Spannung anliegt, ist die Eigenfrequenz gleich der des Schwingungssystems von Fig. 1A, und wenn eine Spannung anliegt, nimmt die Eigenfrequenz ab. Bei einem Sensor, der ein Polysiliziumschwingungssystem verwendet, kann die effektive Steifigkeit einer Feder auf etwa 1 V gesteuert werden. Die Eigenfrequenz der Schwin gungskonstruktion kann somit dadurch gesteuert werden, daß die an der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode liegende Spannung gesteuert wird.

Fig. 2D zeigt eine zur Schwingungskonstruktion von Fig. 2A äquivalente Schwingungskonstruktion, bei der die Steifig keit oder Federkonstante k einer Feder 22′ durch die effek tive Steifigkeit k_eff ersetzt ist. Fig. 2E zeigt, daß die Frequenz f_n vor dem Anlegen einer Spannung durch das Anlegen einer Spannung auf f_n(v) herabgesetzt wird.

Fig. 3 zeigt eine Schwingungskonstruktion 30 mit einer die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels. Bei dieser Schwingungskon struktion sind mehrere Federn 32 von einer Vielzahl von Halteenden 33 gehalten und ist ein Trägheitsgegenstand oder eine Mittelelektrode 31 durch Federn 32 gehalten. Die Mit telelektrode 31 ist zwischen einer oberen Elektrode 34 und einer unteren Elektrode 35 angeordnet. Die obere und die untere Elektrode 34 und 35 dienen dabei als die effektive Steifigkeit steuernde Elektroden. Eine Spannungsversorgung 36 legt eine Spannung zwischen die Elektroden 31 sowie 34 und 35.

Die elektrische Kraft, die bei der obigen Schwingungs konstruktion an der Mittelelektrode 31 liegt, ist nach oben und nach unten gleich und daher in der Mittelposition ausge glichen. Die effektive Steifigkeit der ausgeglichenen Posi tion läßt sich ausdrücken als:

wobei k die Federkonstante der Federn 32 bezeichnet, A der Flächen bereich der oberen und der unteren Elektrode 34 und 35 ist und h₁ den Abstand zwischen der Mittelelektrode 31 und der oberen und unteren Elektrode 34 und 35 jeweils bezeichnet. Die Eigenfrequenz des in Fig. 3 dargestellten Schwingungs systems kann durch Steuern der effektiven Steifigkeit ge steuert werden.

Fig. 4 zeigt eine Schwingungskonstruktion 40 mit einer die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels. Die Schwingungskonstruktion weist eine Vielzahl von Federn 42, die von einer Vielzahl von Halteenden 43 gehalten sind, und einen Trägheitsgegen stand 41 auf, der fingerartige Elektroden 44 hat. Die die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode 45 ist gleichfalls mit zwei Fingern ausgebildet und an Halteenden 43 ange bracht. Die Finger 46 der die effektive Steifigkeit steuern den Elektrode 45 stehen mit den Fingern 44 des Trägheits gegenstandes 41 in einem bestimmten Abstand voneinander in Eingriff. Eine Spannungsversorgung 48 legt eine Spannung über die Elektroden 44 und 46. Die Eigenfrequenz bezüglich einer Versetzung in Richtung der Z-Achse kann dadurch ge steuert werden, daß bei der Schwingungskonstruktion mit dem oben beschriebenen Aufbau die anliegende Spannung gesteuert wird.

Fig. 5 zeigt eine Schwingungskonstruktion 50 mit einem sich drehenden Trägheitsgegenstand gemäß eines fünften Aus führungsbeispiels. Ein Trägheitsgegenstand 51, der von einem ersten Halteende 53 über eine Feder 52 gehalten ist, dreht sich, wobei die Feder 52 eine Drehsteifigkeit hat. Eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode 54, die an einem zweiten Halteende 53′ angebracht ist, befindet sich in einem bestimmten Abstand unter dem Trägheitsgegenstand 51. Zwi schen den Trägheitsgegenstand 51 und die die effektive Stei figkeit steuernde Elektrode 54 wird durch eine Spannungsver sorgung 55 eine Spannung gelegt. In diesem Fall hat die effektive Drehsteifigkeit, die über eine anliegende Spannung erzeugt wird, einen konstanten Wert bezüglich einer infini tesimalen Drehung des Trägheitsgegenstandes 51. Die Eigen frequenz bezüglich der Drehung kann daher über die anliegen de Spannung gesteuert werden.

Fig. 6 zeigt einen Beschleunigungsmesser 60 mit einer die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode, wie es oben beschrieben wurde, gemäß eines weiteren Ausführungsbei spiels. Der Beschleunigungsmesser ist mit einem Trägheits gegenstand 61, der von einem Halteende 63 über eine Feder 62 gehalten ist, und einem Detektor 66 zum Erfassen der Schwin gung des Trägheitsgegenstandes 61 bei einer anliegenden Beschleunigung versehen. Der Detektor 66 kann von einem kapazitiven Typ zum Messen einer Kapazitätsänderung oder von einem Typ sein, der mit einem Laserstrahl arbeitet. Um die Eigenfrequenz des Beschleunigungsmessers 60 zu steuern, sind eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode 64, die von einem Halteende 63′ gehalten ist und dem Trägheitsgegen stand 61 zugewandt ist, sowie eine Spannungsversorgung 65 zum Anlegen einer Spannung vorgesehen.

Wenn bei einem Beschleunigungsmesser 60 mit dem oben beschriebenen Aufbau eine Spannung an der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode 64 liegt, ist seine effek tive Steifigkeit in einer Gleichgewichtsposition konstant. Die Eigenfrequenz kann daher über die anliegende Spannung gesteuert werden. Bei einer Masse m des Trägheitsgegenstan des und einer effektiven Steifigkeit k_eff kann die Versetzung z des Trägheitsgegenstandes 61 bezüglich einer anliegenden Beschleunigung a ausgedrückt werden als

was bedeutet, daß das Ansprechen auf die Versetzung des Trägheitsgegenstandes 61 dadurch gesteuert werden kann, daß die effektive Steifigkeit verändert wird. Das heißt, daß die Amplitude eines Beschleunigungsausgangssignals bezüglich der anliegenden Beschleunigung gesteuert werden kann, und daß die Arbeit des Beschleunigungsmessers dadurch verändert werden kann, daß die an der die effektive Steifigkeit steu ernden Elektrode liegende Spannung gesteuert wird.

Fig. 7A zeigt einen Resonanzbeschleunigungsmesser 70 mit einem Anregungsteil gemäß eines weiteren Ausführungsbei spiels. Der Resonanzbeschleunigungsmesser 70 weist einen Trägheitsgegenstand 71, der von einem Halteende 73 über eine Feder 72 gehalten ist, ein Anregungselement 77 zum Anregen des Trägheitsgegenstandes 71 und einen Detektor 76 zum Er fassen der Schwingung des Trägheitsgegenstandes 71 auf. Ein Signal des Trägheitsgegenstandes 71 wird im Detektor 76 erfaßt und zum Anregungsteil 78 über eine Rückkopplungsein heit 79 rückgekoppelt, um den Trägheitsgegenstand 71 in Resonanz zu versetzen. Eine die effektive Steifigkeit steu ernde Elektrode 74 und eine Spannungsversorgung 75 sind gleichfalls vorgesehen.

Wenn der Trägheitsgegenstand 71 durch das Anlegen einer Spannung an den Trägheitsgegenstand 71 und die die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode 74 angeregt wird, dann las sen sich die elektrische Kraft und die elastische Kraft am Trägheitsgegenstand durch die Kurven 81 und 82 jeweils in Fig. 7C darstellen. Wenn keine Beschleunigung anliegt, ist der Punkt P5, an dem sich die Kurven 81 und 82 treffen, ein Gleichgewichtspunkt und steht der Trägheitsgegenstand 71 auf der Eigenfrequenz des Schwingungssystems nach Maßgabe der effektiven Steifigkeit in Resonanz.

Wenn eine Beschleunigung, wie sie in Fig. 7B darge stellt ist, an dem obigen Resonanzbeschleunigungsmesser liegt, dann verschiebt sich der Gleichgewichtspunkt der Elektroden vom Anfangspunkt P5 um δ auf die Punkte P6 und P7. Die Versetzung ist gleich

Dabei ist die effektive Steifigkeit bei Anliegen einer Beschleunigung von der bei Fehlen einer anliegenden Beschleunigung am Resonanz beschleunigungsmesser verschieden. Die effektive Steifigkeit beim Anliegen einer Beschleunigung a läßt sich als Unter schied zwischen den Kurven 81 und 82 für die elastische Kraft und die elektrische Kraft an dem Punkt darstellen, der um 8 entfernt liegt, was bedeutet, daß die effektive Stei figkeit bei anliegender Beschleunigung kleiner als bei nicht anliegender Beschleunigung ist. Das Anlegen einer Beschleu nigung setzt daher die Eigenfrequenz herab. Das heißt, daß bei einer positiven Beschleunigung die Eigenfrequenz ab nimmt, während bei einer negativen Beschleunigung die Eigen frequenz zunimmt. Die Zunahme und Abnahme der Eigenfrequenz bezüglich der anliegenden Beschleunigung kann über die Span nung gesteuert werden, die von der Spannungsversorgung 75 anliegt.

Fig. 7D zeigt in einer graphischen Darstellung des Schwingungsausgangssignals bei anliegender Beschleunigung a, daß durch das Anlegen einer Beschleunigung die Eigenfrequenz abnimmt. Da vom Resonanzbeschleunigungsmesser ein frequenz moduliertes Signal erhalten wird, kann von einem in Fig. 7A dargestellten Demodulator 80 ein Beschleunigungssignal er halten werden.

Fig. 8 zeigt eine Schwingungskonstruktion 100 in einem Gyroskop mit einer die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode. Das Gyroskop beruht auf dem Prinzip, daß die Drehwinkelgeschwindigkeit dadurch berechnet werden kann, daß eine Coriolis-Kraft erfaßt wird, die in Richtung einer drit ten Achse senkrecht zur Richtung der ersten und zweiten Achse erzeugt wird, wenn eine Drehwinkelgeschwindigkeit um die Richtung der zweiten Achse, die senkrecht zur Richtung der ersten Achse ist, an einem Trägheitsgegenstand liegt, der mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Richtung der ersten Achse schwingt oder rotiert. Während die Schwingungs konstruktionen der Schwingungssysteme, die in den Fig. 1-7 dargestellt sind, einachsige Schwingungskonstruktionen oder Drehkonstruktionen sind, weist das Gyroskop eine biaxiale Schwingungskonstruktion auf einem Siliziumplättchensubstrat 101 auf. Die Schwingungskonstruktion kann aus irgendeinem Material gebildet sein, vorausgesetzt, daß dieses leitend ist. Die Schwingungskonstruktion ist von einem relativ dic ken Halter 102 auf dem Siliziumsubstrat 101 gehalten. Die anderen Teile, abgesehen vom Halter 102, sind dünn ausgebil det und vom Substrat 101 um eine bestimmte Strecke in Rich tung der Z-Achse abgesetzt. Die Schwingungskonstruktion ist mit Federn 103 und 104 und einem Trägheitsgegenstand 105 versehen. Treiber 109 sind auf beiden Seiten der Schwin gungskonstruktion vorgesehen, um diese in eine Schwingung in Richtung der X-Achse zu versetzen. Die Treiber 109 bestehen gleichfalls aus einem leitenden Material und dienen als Elektroden. Es wird eine elektrostatische Kraft an den Fin gern 110 der Treiber 109 erzeugt, was zu einer Schwingung der Finger 106 der Konstruktion führt, wenn durch die Trei ber 109 ein Strom fließt. Eine Detektorelektrode (nicht dargestellt) kann unter der Schwingungskonstruktion vorgese hen sein, um die Versetzung der Schwingungskonstruktion in Richtung der Z-Achse zu erfassen. Die Versetzung in Richtung der Z-Achse der Schwingungskonstruktion kann aus Änderungen in der Kapazität gemessen werden, die in der Detektorelek trode erzeugt wird. Finger 106 und 107 dienen dazu, den Trägheitsgegenstand in Richtung der X-Achse einzutreiben oder Versetzungen in Richtung der X-Achse des Trägheitsge genstandes 105 zu erfassen.

Um die Winkelgeschwindigkeit eines sich drehenden Träg heitsgegenstandes zu berechnen, der sich um die Richtung der Y-Achse in dem Gyroskop mit der oben beschrieben Schwin gungskonstruktion dreht, wird die Frequenz in Richtung der X-Achse durch eine mittlere Sensorelektrode 108 gemessen, die sich in der Mitte der Schwingungskonstruktion befindet, während die Schwingungskonstruktion in Richtung der X-Achse durch die elektrostatische Kraft der Finger 110 in Schwin gung versetzt wird, und wird die Frequenz in Richtung der Z-Achse durch eine Oberflächensensorelektrode (nicht darge stellt) gemessen, die unter der Schwingungskonstruktion angeordnet ist, um die entsprechenden Daten zu verarbeiten.

Wie es oben beschrieben wurde, wird der Trägheitsgegen stand 105 in Richtung der X- und der Z-Achse in Schwingung versetzt, da die Federn 103 und 104 mit dem Halter 102 ver bunden sind, der auf dem Substrat 101 im Gyroskop befestigt ist. Das Gyroskop hat für beide Achsen Eigenfrequenzen von f_x und f_z, was durch die Bezugszeichen 121 und 122 in Fig. 8C jeweils angegeben ist. Fehler in den Eigenfrequenzen für beide Achsen in der Schwingungskonstruktion sollten auf bestimmte Werte begrenzt sein, um die Leistung des Gyroskops zu sichern. Ein Prozeßfehler von 0,1-1 µm wird jedoch beim Ätzen oder chemischen Aufdampfen zur Herstellung der Schwin gungskonstruktion 100 mittels der herkömmlichen Halbleiter herstellungstechnik beobachtet. Dieser Fehler im Herstel lungsprozeß führt dazu, daß die Federkonstante der Schwin gungskonstruktion und die Masse des Trägheitsgegenstandes 105 von den gewünschten Werten in einem großen Maß abwei chen, was zur Folge hat, daß die gewünschten Eigenfrequenzen für beide Achsen nicht erzielt werden können. Daraus ergibt sich, daß die Leistungsfähigkeit des Gyroskops verschlech tert ist. Beim Stand der Technik wird eine Feder oder wird ein Trägheitsgegenstand geätzt oder aufgedampft, um diese Probleme zu überwinden.

Gemäß der Erfindung können die Eigenfrequenzen in bei den Achsenrichtungen des Gyroskops, das in Fig. 8A darge stellt ist, dadurch gesteuert werden, daß die die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode benutzt wird. Um die Fre quenz f_z in Richtung der Z-Achse zu steuern, ist die die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode in Richtung der Z-Achse angeordnet und wird eine Spannung zwischen den Träg heitsgegenstand, der schwingt, und die die effektive Stei figkeit steuernde Elektrode gelegt. Die Eigenfrequenz kann durch Einstellung der Stärke der Spannung erhöht oder her abgesetzt werden. Die Spannung wird daher solange geändert, bis die Frequenz in Z-Achsenrichtung im zulässigen Fehler bereich liegt, der für das Gyroskop vorgesehen ist. Dieses Verfahren kann auch dazu benutzt werden, die Frequenz f_x der X-Achsenrichtung zu steuern.

Fig. 8B zeigt ein Anwendungsbeispiel der oben beschrie benen, die effektive Steifigkeit, steuernden Elektrode. Um die Eigenfrequenz in Richtung einer Z-Achse zu steuern, ist eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode 111 zwi schen dem Trägheitsgegenstand 105 und dem Substrat 101 in Fig. 8A vorgesehen und wird eine Spannung durch eine Span nungsversorgung 112 an den Trägheitsgegenstand 105 gelegt. Die die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode 111 kann unabhängig von einer Detektorelektrode zum Erfassen der Schwingung in Richtung der Z-Achse angebracht oder durch diese ersetzt sein, wie es oben beschrieben wurde.

Die Schwingungskonstruktion mit einer die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode kann ihre Eigenfrequenz selbst dann in ausreichendem Maße steuern, wenn ihr Aufbau relative einfach ist. Dieser Vorteil trägt dazu bei, die Leistungsfähigkeit eines Sensor, eines Beschleunigungsmes sers, eines Stellgliedes oder eines Gyroskops mit einer derartigen Schwingungskonstruktion zu steuern und zu verbes sern. Insbesondere bei einer biaxialen Schwingungskonstruk tion, wie es beispielsweise bei einem Gyroskop der Fall ist, kann die Eigenfrequenz für eine Achse, die einen bezeichnen den Einfluß auf das Produkt hat, problemlos gesteuert wer den.

Claims

1. Schwingungskonstruktion mit
wenigstens einem elastischen Element, das von einem ersten Halteende gehalten ist, und
einem Trägheitsgegenstand, der durch die elastische Kraft des elastischen Elementes schwingt, gekennzeichnet durch
eine sich bewegende Elektrode, die mit dem Trägheits gegenstand (21, 31, 41, 51) verbunden ist,
wenigstens eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode (24, 34, 35, 45, 54), die von einem zweiten Hal teende gehalten ist, und
eine Spannungsversorgung (25, 36, 48, 55), die eine Spannung anlegt, um eine elektrische Kraft zwischen der sich bewegenden Elektrode und der die effektive Steifigkeit steu ernden Elektrode (24, 34, 35, 45, 54) zu erzeugen.

2. Schwingungskonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitsgegenstand (21, 31, 41, 51) und die sich bewegende Elektrode in einem Stück ausgebildet sind.

3. Schwingungskonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitsgegenstand (21) in Richtung einer Achse schwingt und die die effektive Steifigkeit steu ernde Elektrode (24) so angeordnet ist, daß sie längs dieser Achsenrichtung dem Trägheitsgegenstand (21) zugewandt ist.

4. Schwingungskonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitsgegenstand (31) in die Richtung einer Achse schwingt, und zwei die effektive Stei figkeit steuernde Elektroden (34, 35) unter und über dem Trägheitsgegenstand (31) angeordnet sind.

5. Schwingungskonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich bewegende Elektrode wenigstens zwei Finger (44) aufweist, und daß die die effektive Stei figkeit steuernde Elektrode (45) wenigstens einen Finger (46) aufweist, der zwischen die Finger (44) der sich bewe genden Elektrode in einem bestimmten Abstand eingeführt werden kann.

6. Schwingungskonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (52) eine Drehfe der mit einer Drehsteifigkeit ist, und daß sich der Träg heitsgegenstand (51) dreht.

7. Schwingungskonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kraft zwischen der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode (24, 34, 35, 45, 54) und der sich bewegenden Elektrode der von der Spannungs versorgung kommenden Spannung entsprechend gleich der ela stischen Kraft des elastischen Elementes ist.

8. Verfahren zum Steuern der Eigenfrequenz einer Schwingungskonstruktion, die wenigstens ein elastisches Element, das von einem ersten Halteende gehalten ist, einen Trägheitsgegenstand, der durch die elastische Kraft des elastischen Elementes schwingt, eine sich bewegende Elek trode, die mit dem Trägheitsgegenstand verbunden ist, wenig stens eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode, die von einem zweiten Halteende gehalten ist, und eine Span nungsversorgung zum Anlegen einer Spannung umfaßt, um eine elektrische Kraft zwischen der sich bewegenden Elektrode und der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode zu erzeu gen, wobei die effektive Steifigkeit und die Eigenfrequenz der Schwingungskonstruktion dadurch gesteuert werden, daß die Spannung eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägheitsgegenstand und die sich bewegende Elektrode in einem Stück ausgebildet sind.

10. Stellglied mit wenigstens einer Schwingungskon struktion, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungskon struktion wenigstens ein elastisches Element, das von einem ersten Halteende gehalten ist, einen Trägheitsgegenstand, der durch die elastische Kraft des elastischen Elementes schwingt, eine sich bewegende Elektrode, die mit dem Träg heitsgegenstand verbunden ist, wenigstens eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode, die von einem zweiten Hal teende gehalten ist, und eine Spannungsversorgung zum Anle gen einer Spannung umfaßt, um eine elektrische Kraft zwi schen der sich bewegenden Elektrode und der die effektive Steifigkeit steuernden Elektrode zu erzeugen, wobei die effektive Steifigkeit und die Eigenfrequenz der Schwingungs konstruktion dadurch gesteuert werden, daß die Spannung eingestellt wird.

11. Stellglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß der Trägheitsgegenstand und die sich bewegende Elektrode in einem Stück ausgebildet sind.

12. Gyroskop gekennzeichnet durch ein Substrat mit einer von einer ersten und einer zwei ten Achse aufgespannten Ebene,
ein Halteende, das vom Substrat gehalten ist,
eine elastische Baueinheit, die vom Halteende gehalten ist, und in Richtung der ersten und der zweiten Achse ver läuft,
eine Trägheitsbaueinheit zum Schwingen in Richtung der ersten Achse und in Richtung einer dritten Achse,
eine Fingerelektrode, die in einem Stück in der Träg heitsbaueinheit ausgebildet ist,
eine Antriebseinheit mit einem Finger, der mit der Fingerelektrode der Trägheitsbaueinheit in Eingriff kommt, um eine elektrische Kraft an den Trägheitsgegenstand in Richtung der ersten Achse zu legen,
einen Detektor zum Erfassen der Schwingungen der Träg heitsbaueinheit in Richtung der ersten und der dritten Ach se,
eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode, die so angeordnet ist, daß sie der Trägheitsbaueinheit auf dem Substrat zugewandt ist, um die Eigenfrequenz der Trägheits baueinheit in Richtung der dritten Achse zu steuern, und
eine Spannungsversorgung zum Anlegen einer Spannung an die die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode und die Fingerelektrode der Trägheitsbaueinheit.

13. Gyroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode ein Detektor ist, der die Schwingung in Richtung der dritten Achse erfaßt.

14. Verfahren zum Steuern der Eigenfrequenz eines Gyro skops, dadurch gekennzeichnet, daß das Gyroskop ein Substrat mit einer von einer ersten und einer zweiten Achse aufge spannten Ebene, ein Halteende, das vom Substrat gehalten ist, eine elastische Baueinheit, die vom Halteende gehalten ist und in Richtung der ersten und der zweiten Achse ver läuft, eine Trägheitsbaueinheit zum Schwingen in Richtung der ersten Achse und in Richtung einer dritten Achse, eine Fingerelektrode, die in einem Stück in der Trägheitsbauein heit ausgebildet ist, eine Antriebsbaueinheit mit einem Finger, der mit der Fingerelektrode der Trägheitsbaueinheit in Eingriff kommt, um an die Trägheitsbaueinheit in Richtung der ersten Achse eine elektrische Kraft zu legen, einen Detektor zum Erfassen der Schwingungen der Trägheitsbauein heit in Richtung der ersten und der dritten Achse, eine die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode, die so angeordnet ist, daß sie der Trägheitsbaueinheit auf dem Substrat zu gewandt ist, um die Eigenfrequenz der Trägheitsbaueinheit in Richtung der dritten Achse zu steuern, und eine Spannungs versorgung zum Anlegen einer Spannung an die die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode und die Fingerelektrode der Trägheitsbaueinheit umfaßt, wobei die Eigenfrequenz der Trägheitsbaueinheit in Richtung der dritten Achse dadurch gesteuert wird, daß die Spannung gesteuert wird, die an die die effektive Steifigkeit steuernde Elektrode und die Fin gerelektrode der Trägheitsbaueinheit gelegt wird.