DE19654304A1 - Mikrogyroskop - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrogyroskop und ins­ besondere betrifft sie ein Mikrogyroskop mit einer neuen Art eines Schwingungsbauteils und einer Sensorelektrode, die in gleichen Ebene wie das Schwingungsbauteil angeordnet ist.

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor, das heißt ein Gyroskop, zum Detektieren einer Winkelgeschwindigkeit eines Trägheitsob­ jekts ist als ein Kernelement einer Navigationsvorrichtung für Lenkflugkörper, Schiffe oder Flugzeuge verwendet worden. Gegenwärtig werden für Gyroskope die Anwendungsgebiete aufge­ weitet auf eine Navigationsvorrichtung für Kraftfahrzeuge oder eine Vorrichtung zum Detektieren und Korrigieren von Verwackeln in einer Videokamera mit hoher Vergrößerung. Da ein Gyroskop für militärische und Luftfahrtzwecke mit einem mechanischen Präzisionsherstellungsverfahren und einem Zusammenbauprozeß mit einer Vielzahl von komplexen Teilen herge­ stellt wird, kann es in seinem Betriebsverhalten hochgenau sein. Aufgrund der hohen Herstellungskosten und seiner Größe ist es jedoch nicht für allgemeine industrielle Anwendungen oder Heimelektronikartikel geeignet.

Kürzlich wurde ein kleines Gyroskop, bei piezoelektrische Elemente an einem dreieckigen prismatischen Balken angebracht sind, von der japanischen Firma Murata entwickelt, das zur Verwendung als Verwacklungssensor in kleine Videokameras ver­ wendet wurde. Zur Überwindung von Schwierigkeiten in der Her­ stellung des Gyroskops mit piezoelektrischen Elementen wurde von einer anderen japanischen Firma Tokin ein anderes kleines Gyroskop mit einer zylindrischen Balkenstruktur entwickelt.

Da jedoch beide der zuvor genannten zwei Arten von kleinen Gyroskopen eine hohe Herstellungsgenauigkeit erfordern, ist deren Fertigung schwierig und teuer. Da die Gyroskope aus ei­ ner Vielzahl von mechanischen Teilen hergestellt sind, ist es schwierig, von der Herstellung integrierter Schaltungen be­ kannte Techniken auf Gyroskope zu übertragen.

Für Verbesserungen bei den oben erwähnten Gyroskopen ist mittlerweile ein wirtschaftlicheres und genaueres Gyroskop in Entwicklung unter Verwendung mikromechanischer Herstellungs­ verfahren.

Das Prinzip hinter diesen Gyroskopen besteht darin, daß dann, wenn ein Trägheitsobjekt, das in einer ersten Achsenrichtung schwingt oder sich gleichmäßig dreht, eine Anwendung einer Winkelgeschwindigkeit durch Drehung in einer zweiten Achsen­ richtung senkrecht zu der ersten Achsenrichtung erfährt, eine Coriolis-Kraft, die in einer dritten Achsenrichtung senkrecht sowohl zur ersten als auch zur zweiten Achse erzeugt wird, gemessen wird, um dadurch die Drehwinkelgeschwindigkeit fest­ zustellen. Wenn hier die auf das Trägheitsobjekt angewendeten Kräfte ins Gleichgewicht gebracht werden könnten, könnte die Genauigkeit der Winkelgeschwindigkeitsdetektion verbessert werden. Insbesondere ist es bevorzugt, vom Gleichgewicht der Kräfte gebrauch zu machen, um die Linearität zu verbessern und Bandbreite eines Signals zu erhöhen.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines Gyroskops eines Kamman­ triebstyps unter Verwendung eines Abstimmgabelmode, das durch das Charles-Stark-Drapper-Laboratorium, Inc. entwickelt und in der US-Patentanmeldung Nr. 5 349 855 offenbart wurde, dar­ gestellt. Das in Fig. 1 gezeigte Gyroskop, das durch Mikrobe­ arbeitungsverfahren hergestellt wurde, umfaßt ein flaches Schwingungsbauteil 11, Federn 12 und 13, die mit dem Schwin­ gungsbauteil 11 verbunden sind, und ein Kämme 14 zur Anwen­ dung einer elektrostatischen Kraft auf das Schwingungsbauteil 11. Das Schwingungsbauteil 11 steht nach oben im Abstand von einem Substrat (nicht gezeigt) unter einem vorbestimmten Ab­ stand und ist durch Halterungsteile 15 gehaltert. Wie links von der Zeichnung dargestellt ist, kann die Fläche des Gyro­ skops unterteilt werden in eine an dem Substrat angebrachte Oberflächenelektrode, eine von dem Substrat um einen vorbe­ stimmten Abstand im Abstand stehende hängend gehalterte Elek­ trode, und einen Halterungsbereich zum Haltern der hängenden Elektrode.

Das in Fig. 1 gezeigte Mikrogyroskop arbeitet durch Anwendung einer elektrostatischen Kraft unter Verwendung linker und rechter Motoren in Bezug auf die Kämme 14, der zu beiden Sei­ ten des Schwingungsbauteils 11 ausgebildet sind. Die elektro­ statische Kraft erzeugt eine Schwingung einer Abstimmgabelmo­ de in einer Richtung parallel zur Ebene der Fig. 1. Die Bewe­ gung des Schwingungsbauteils 11 wird aus der Veränderung der Kapazität des Kamms 20 detektiert. Wenn eine zum Induzieren einer Schwingung, die den Grenzzyklus (limit cycle) erfüllt, geeignete Spannung auf den linken und rechten Motor angewen­ det wird, schwingt das Schwingungsbauteil 11 kontinuierlich bei seiner Eigenfrequenz.

Wenn sich das Schwingungsbauteil 11 in einer Ebene in einer Richtung senkrecht der seiner Schwingung während der Schwin­ gungsbewegung aufgrund der elektrostatischen Kraft dreht, wird eine Coriolis-Kraft erzeugt. Eine solche Coriolis-Kraft lenkt das Schwingungsbauteil 11 in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Fig. 1 aus. Die Auslenkung schafft eine Torsi­ onskraft in bezug auf das Schwingungsbauteil 11. Die Torsion des Schwingungsbauteils 11 wird detektiert aus der Verände­ rung in der Kapazität durch die Elektroden 22, die an zwei Bereichen unterhalb des Schwingungsbauteils 11 angebracht sind, mit denen die Coriolis-Kraft gemessen werden kann. Wenn das Schwingungsbauteil 11 wird in der Richtung senkrecht zu der Ebene ausgelenkt wird, wird eine elektrostatische Kraft wird erzeugt durch Drehmomentelektroden 23 für ein Kräf­ tegleichgewichtsverfahren. Die Drehmomentelektroden 23 zum Schaffen eines Gleichgewichts in den Torsionskräften sind je­ weils an zwei Bereichen unter dem Schwingungsbauteil 11 in einer diagonalen angeordnet.

Das Gyroskop gemäß der herkömmlichen Technologie, wie es in Fig. 1 veranschaulicht ist, besitzt die folgenden Probleme.

Zunächst ist es sehr schwierig, die natürlichen oder Eigen­ frequenzen in bezug auf jede Schwingungsrichtung in dem Schwingungsbauteil 11 zusammenfallen zu lassen. Das heißt, das planare Schwingungsbauteil 11 schwingt allgemein in einer horizontalen Richtung, wie in Fig. 2A gezeigt ist, oder in einer vertikalen Richtung, wie in Fig. 2B gezeigt ist, und die Eigenfrequenzen sollten in beiden Richtungen in Überein­ stimmung gebracht werden. Um dies anzupassen, sollte die Dicke und Breite der Federn 12 und 13 (in Fig. 1) zur Halterung des Schwingungsbauteils 11 innerhalb eines Bereichs von vor­ bestimmten Fehlern bei der mechanischen Herstellung defi­ niert sein, die zwischen einigen und mehreren zehn Ångströms liegen. Da die Verfahren zur Herstellung der Federn 12 und 13 voneinander getrennt sind, ist es ziemlich mühsam, ein Zusam­ menfallen der Schwingungseigenfrequenzen in beiden Richtungen zu erreichen. Wenn die Eigenfrequenzen nicht bei jedem Her­ stellungsverfahren angepaßt werden, kann ein zusätzlicher Prozeß zur Anpassung der Eigenfrequenzen durchgeführt wer­ den. Dieser Prozeß ist jedoch sehr schwierig.

Zur Messung der Auslenkung des Schwingungsbauteils 11 auf­ grund der Coriolis-Kraft sollte der vorbestimmte Abstand zwi­ schen den Elektroden 22 und 23, die an dem Substrat und an dem Schwingungsbauteil 11 angebracht sind, aufrechterhalten werden. Da die Empfindlichkeit des Gyroskops umgekehrt pro­ portional zum Quadrat des Abstands ist, ist es vorteilhaft, den Abstand zu verkürzen, um die Empfindlichkeit des Gyro­ skops zu erhöhen. Da jedoch ein gleichförmiger Gleichstrom auf die Sensorelektroden 22 angewendet wird, kommt es vor, daß das Schwingungsbauteil 11 an den Oberflächen der Sensorelektroden 22 hängenbleibt, wenn der Abstand ziemlich eng ist. Da weiter die Veränderung der Kapazität zwischen den Oberflä­ chenelektroden 22 und 23 und dem Schwingungsbauteil 11 umge­ kehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist, ist die Li­ nearität einer Ausgabe in bezug auf die Winkelgeschwindigkeit verschlechtert. Zusätzlich sollte zur Verbesserung seiner Empfindlichkeit das Schwingungsbauteil 11 geeignet entworfen sein, damit es in der Richtung senkrecht zu der Ebene stark angeregt werden kann. Je größer jedoch die Auslenkung ist, umso stärker tritt der Effekt des Hängenbleibens des Schwin­ gungsbauteils 11 auf.

In dem Gyroskop der Fig. 1 sind die Drehmomentelektroden 23 an zwei diagonalen Positionen unterhalb des Schwingungsbauteils 11 angebracht, um den Effekt des Hängenbleibens des Schwin­ gungsbauteils 11 zu verhindern. Wenn jedoch eine Spannung auf eine der Drehmomentelektroden 23 angewendet wird, wird der Abstand zwischen dem Substrat und dem Schwingungsbauteil 11 über der anderen Drehmomentelektrode 23, die diagonal auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, kleiner. Wenn die Starrheit der Federn 12 und 13 erhöht wird zum Kompensieren dieser Art von Mängeln, erhöht sich folglich die Eigenfre­ quenz des Gyroskops, wodurch die Empfindlichkeit des Gyro­ skops negativ beeinflußt wird. Somit ist die Festlegung des Abstands von beträchtlichen Einschränkungen begleitet, was schließlich zu einer dramatischen Einschränkung in der Auflö­ sung, der benutzten Frequenz und der Linearität des Gyroskops führt.

Zur Lösung der obigen Probleme ist es eine Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung, ein Mikrogyroskop mit einem neuartigen Schwingungsbauteil zu schaffen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikrogyroskop zu schaffen, bei dem die Auslenkung des Schwin­ gungsbauteils durch ein Sensormittel festgestellt werden kann, das auf der gleichen Ebene wie das Schwingungsbauteil angeordnet ist.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikrogyroskop zu schaffen, bei dem die Positionssteuerung des Schwingungsbauteils durchgeführt wird durch ein Positi­ onssteuermittel, das auf der gleichen Ebene wie das Schwin­ gungsbauteil angeordnet ist.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikrogyroskop zu schaffen, das ein Mittel zur Verhinde­ rung übermäßiger Schwingungen aufweist.

Dementsprechend wird zur Lösung der obigen Aufgaben ein Mi­ krogyroskop geschaffen mit: einem Substrat; einem Schwin­ gungsbauteil mit parallel zueinander angeordneten ersten und zweiten Streifenbereichen, in denen erste und zweite Kämme an einer Seite jeweils des ersten und zweiten Streifenbereichs ausgebildet sind, und mit einer Vielzahl von Verbindungsbe­ reichen zum Verbinden der ersten und zweiten Streifenberei­ che; einem elastischen Mittel zum elastischen Haltern des Schwingungsbauteils derart, daß es von dem Substrat unter ei­ nem vorbestimmten Abstand im Abstand steht; einem Treibermit­ tel mit einem dritten Kamm, der zwischen den ersten Kamm des ersten Streifenbereichs eingefügt ist, zur Anwendung einer elektrostatischen Kraft auf das Schwingungsbauteil in einer Richtung; einem Sensormittel mit einem vierten Kamm, der zwi­ schen den zweiten Kamm des zweiten Streifenbereich eingefügt ist, zum Feststellen einer Bewegung des Schwingungsbauteils, das durch das Treibermittel angetrieben wird, über eine Ver­ änderung der Kapazität; und einer Vielzahl von Sensorelektro­ den, die zwischen den Verbindungsbereichen des Schwingungs­ bauteils auf der gleichen Ebene wie das Schwingungsbauteil so angeordnet sind, daß sie von dem Substrat unter einem vorbe­ stimmten Abstand im Abstand stehen, zum Feststellen einer Auslenkung des Schwingungsbauteils aufgrund einer Coriolis-Kraft über eine Veränderung der Kapazität.

Es ist in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß das Mi­ krogyroskop weiter Positionssteuerelektroden umfaßt, die in der gleichen Ebene wie das Schwingungsbauteil unter einem vorbestimmten Abstand von dem Substrat beabstandet und paral­ lel zu dem Verbindungsbereich des Schwingungsbauteils ange­ ordnet sind, um eine übermäßige Auslenkung des Schwingungs­ bauteils aufgrund der Coriolis-Kraft einzuschränken.

Es ist weiter in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß das Mikrogyroskop weiter ein Element zur Verhinderung einer übermäßigen Bewegung umfaßt, um zu verhindern, daß das durch die Coriolis-Kraft übermäßig deformierte Schwingungsbauteil die Sensorelektroden berührt.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die begleiten­ den Zeichnungen beispielhaft näher erläutert und beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht, die ein herkömmliches Mikrogyroskop veranschaulicht;

Fig. 2A und 2B perspektivische Ansichten, die einen Zustand veranschaulichen, in dem ein Schwingungsbauteil eines Mikrogyroskops schwingt;

Fig. 3 eine Draufsicht, die ein erfindungsgemäßes Mikrogyro­ skop veranschaulicht;

Fig. 4 und 5 teilweise vergrößerte Ansichten der Fig. 3;

Fig. 6 eine senkrechte Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in Fig. 5; und

Fig. 7 eine Ansicht, die ein Beispiel eines allgemeinen Schwingungssystems veranschaulicht.

Nachfolgend wird die Erfindung ausführlich beschrieben.

Fig. 3 ist eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsge­ mäßes Mikrogyroskop 30. Ein Schwingungsbauteil 50 des vorlie­ genden Mikrogyroskops 30 enthält zwei Streifenbereiche 35 und 35′, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Viel­ zahl von Verbindungsbereichen 36, die senkrecht zu den Strei­ fenbereichen 35 und 35′ angeordnet sind, um dazwischen eine Verbindung herzustellen. Das Schwingungsbauteil 50 nimmt als ganzes die Form einer-Leiter ein. Die Streifenbereiche 35 und 35′ des Schwingungsbauteils 50 sind durch Halterungsfedern 32 gehaltert, die sich in einer Längsrichtung der beiden Strei­ fenbereiche 35 und 35′ erstrecken, und durch Verbindungsfe­ dern 32′, die mit jedem Ende der Halterungsfedern 32 verbun­ den sind. Die Verbindungsfedern 32′ sind durch Halterungen 31 gehaltert. Die Halterungen 31 dienen zur Halterung des Schwingungsbauteils 50 unter einem vorbestimmten Abstand über die Federn 32 und 32′.

Kämme 40 und 42 sind an einer Seite der Streifenbereiche 35 und 35′ des Schwingungsbauteils 50 ausgebildet. Die Kämme 40 und 42 erstrecken sich in einer Breitenrichtung der Streifen­ bereiche 35 und 35′. Die Kämme 40 und 42 sind zwischen weite­ ren Kämmen 39 und 40 angeordnet, die jeweils an einer Seite eines Treibers 33 und eines Sensors 34 ausgebildet sind. Das Schwingungsbauteil 50 ist so ausgebildet, daß es schwingt aufgrund einer elektrostatischen Kraft, die zwischen den Käm­ men 39 und 40 auftritt, und ein Schwingungszustand des Schwingungsbauteils 50 kann aus der Veränderung der Kapazität detektiert werden, die zwischen den Kämmen 41 und 42 auf­ tritt.

Der Treiber 33 zur Schwingungserregung des Schwingungsbau­ teils 50 ist parallel zu dem Streifenbereich 35 angeordnet und besitzt den Kamm 39. Wie oben erläutert wurde, ist der Kamm 39 des Treibers 33 zwischen dem Kamm 40 des Streifenbe­ reichs 35 eingefügt. Da bei Anwendung einer Spannung an den Treiber 33 eine elektrostatische Kraft zwischen den Kämmen 39 und 40 erzeugt wird, kann das Schwingungsbauteil 50 in einer X-Achsen-Richtung in Schwingung versetzt werden.

Der Sensor 34 zum Feststellen der Schwingung des Schwingungs­ bauteils 50 ist parallel zu dem Streifenbereich 35′ angeord­ net. Der Kamm 41 ist an dem Sensor 34 ausgebildet, der zwi­ schen den Kamm 42 des Streifenbereichs 35′ eingefügt ist. Die Schwingung des Schwingungsbauteils 50, die durch den Sensor 34 festgestellt wird, wird an den Treiber 33 zurückgekoppelt und dann wird eine Spannung zur Erzeugung einer Schwingung, die einem Grenzzyklus genügt, an den Treiber 33 angewendet.

Wenn eine Winkelgeschwindigkeit in einer Z-Achsen-Richtung senkrecht zur Ebene der Fig. 3 angewendet wird, tritt eine Auslenkung der Schwingungselemente 35, 35′ und 36 aufgrund einer Coriolis-Kraft in einer Y-Achse, die zur Feststellung einer solchen Auslenkung angeordnet ist, auf. Wie man aus den Fig. 4 und 5 sehen kann, die jeweils eine teilweise ver­ größerte Ansicht der Fig. 3 darstellen, sind die Sensorelek­ troden 38 entlang der Längsrichtung zwischen den Verbindungs­ bereichen 36 zum Verbinden der Streifenbereiche 35 und 35′ angeordnet.

Bezug nehmend auf Fig. 6 kann man nun erkennen, daß die Sen­ sorelektroden 38 so vorgesehen sind, daß sie von einem Substrat 44 in der gleichen Höhe wie das Schwingungsbauteil 50 im Abstand stehen. Somit sind die Sensorelektroden 38 in der gleichen Ebene wie das Schwingungsbauteil 50 angeordnet. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist ein Satz von drei Sensorelek­ troden 38 ungefähr in der Nähe der entsprechenden Verbin­ dungsbereiche 36 und auf dem Substrat 44 an seinem mittleren Bereich gehaltert, wie durch Bezugszeichen 45 angezeigt ist. Die Länge der beiden verbleibenden Sensorelektroden ist nahe­ zu die Hälfte der Länge der anderen Sensorelektrode, und sie sind auf dem Substrat 44 an ihrem Endbereich gehaltert, wie durch Bezugszeichen 46 angezeigt ist. Die beiden Sensorelek­ troden, die in einer Längsrichtung ausgerichtet sind, sind in Feldform und parallel mit den längeren Sensorelektroden vor­ gesehen.

Elektroden 37 zur Steuerung einer Position des Schwingungs­ bauteils 50 sind parallel mit der Verbindungsstruktur 36 an­ geordnet. Die Positionssteuerelektrode 37 ist so angebracht, daß sie von dem Substrat 44 unter einer vorbestimmten Höhe im Abstand steht, wie in Fig. 6 gezeigt ist, und dementsprechend ist sie in der gleichen Ebene wie das Schwingungsbauteil 50 angeordnet. Die Positionssteuerelektrode 37 dient zur Steue­ rung der Bewegung des Schwingungsbauteils 50 in der Y-Achsen-Richtung aufgrund einer Coriolis-Kraft.

Es gibt zwei Gründe zum Durchführen der Positionssteuerung durch die Normalpositionssteuerelektrode 37.

Der erste besteht darin, eine Linearität des Gyroskops zu ga­ rantieren. Da der Sensor zum Feststellen der Auslenkung des Schwingungsbauteils eine Nichtlinearitätseigenschaft ab einem bestimmten Bereich aufweist, wird die Linearität einer Ausga­ be des Gyroskops schlechter, wenn die Auslenkung in der Y-Achse sehr groß wird. Dementsprechend kann durch Einschrän­ kung der Auslenkung in der Y-Achsen-Richtung zur Beschränkung der Bewegung des Sensors auf einem Bereich, wo eine Lineari­ tät gesichert ist, die Linearität des Gyroskops garantiert werden.

Der zweite Grund besteht darin, daß die Auflösung und der Meßbereich des Gyroskops verbessert werden. Zur Verbesserung der Auflösung des Gyroskops sollte eine große Auslenkung auf­ grund der Coriolis-Kraft erzeugt werden. Wenn jedoch eine übermäßige Auslenkung auftritt, kollidiert das Schwingungs­ bauteil mit der Sensorelektrode, so daß der Meßbereich be­ grenzt sein sollte. Dementsprechend ist es beim Entwurf des Schwingungsbauteils im Hinblick auf die Linearität und Auflö­ sung bei der Erfassung der Messung der Auslenkung vorteil­ haft, daß das Schwingungsbauteil selbst zur Erzeugung einer großen Auslenkung ausgelegt ist und statt dessen eine Normal­ positionssteuerung zur Einschränkung der Auslenkung durchge­ führt wird. Ein Element zur Verhinderung übermäßiger Bewe­ gung, das durch Bezugszeichen 43 in den Fig. 3 bis 5 ange­ zeigt ist, ist an beiden Enden der Positionssteuerelektrode 37 angeordnet. Das Element 43 zur Verhinderung übermäßiger Bewegung ist derart ausgebildet, daß die Verbindungsbereiche 36 in erster Linie das Element 43 zur Verhinderung übermäßi­ ger Bewegung berühren können vor einer Berührung der Sensore­ lektrode 38, wenn die Verbindungsbereiche 36 eine übermäßige Bewegung in der Y-Achsen-Richtung aufgrund einer Coriolis-Kraft aufweisen.

Der Betrieb und das Aufbauprinzip des erfindungsgemäßen Gyro­ skops wird nun beschrieben.

Fig. 7 stellt ein Schwingungssystem, z. B. eines Gyroskops, anhand eines Modells dar. Ein Schwingungselement 61 mit einer Masse m wird durch jede der Federn 62 in Richtungen der X-Achse und Y-Achse gehaltert. In einem solchen Schwingungssy­ stem kann eine externe Kraft (f) zur Erzeugung einer Schwin­ gung des Schwingungselements 61 in der X-Achsen-Richtung durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.

f = Fsin(ωt)

Nun kann die Auslenkung und die Geschwindigkeit des Schwin­ gungselements 61, das sich in der X-Achsen-Richtung bewegt, wie folgt ausgedrückt werden.

und

Hier stellt x die Auslenkung in der X-Achsen-Richtung dar, und V_x die Geschwindigkeit des Schwingungselements in der X-Achsen-Richtung. Die Auslenkung y, die aufgrund der in Pro­ portion mit einer Eingabewinkelgeschwindigkeit erzeugten Co­ riolis-Kraft in der Y-Achsen-Richtung auftritt, wird durch folgende Gleichung berechnet.

Hier sind Q_x und Q_y Konstanten Q jeweils in bezug auf die X- und Y-Achsen-Richtungen, und Ω ist eine Eingabewinkelge­ schwindigkeit. Somit kann die Drehwinkelgeschwindigkeit eines Trägheitsobjekts gemessen werden durch Detektion der Auslen­ kung von y.

In dem Gyroskop 30 (vgl. Fig. 3) nach der vorliegenden Erfin­ dung, bei dem die Masse des Schwingungsbauteils 50 m ist, wird bei Anlegung einer der Eigenfrequenz entsprechenden Wechselspannung an den Treiber 33 eine Schwingung in der X-Achsen-Richtung aufgrund einer elektrostatischen Kraft zwi­ schen den Kämmen 39 und 40 erzeugt. Die elektrostatische Kraft des Treibers 33 kann in der folgenden Gleichung ausge­ drückt werden.

Hier ist f_x die elektrostatische Kraft; ε ist die dielektri­ sche Konstante der Luft; t ist die Dicke der Kämme 39 und 40; n_x ist die Anzahl von Paaren der Kämme 39 und 40; V ist die Treiberspannung; und h ist der Abstand zwischen den Kämmen 39 und 40.

Das Schwingungsbauteil 50, das eine solche Treiberkraft er­ hält, schwingt mit der Eigenfrequenz. Zur Aufrechterhaltung der Schwingung bei der Eigenfrequenz stellt der Sensor 34 die Schwingung fest, eine den Grenzzyklus erfüllende Spannung wird in bezug auf die festgestellte Schwingung erzeugt und dann wird eine derartige Spannung zur Aktivierung des Trei­ bers 33 angewendet.

Wenn eine Drehwinkelgeschwindigkeit in das oszillierende Schwingungsbauteil 50 eingegeben wird, schwingt das Schwin­ gungsbauteil 50 in der X-Achsen-Richtung nach Fig. 3, während es zugleich in der Y-Achsen-Richtung ausgelenkt wird. Die Auslenkung des Schwingungsbauteils 50 kann durch die obige Gleichung in bezug auf y ausgedrückt werden. Eine derartige Auslenkung führt zu einer Veränderung der Kapazität, die zwi­ schen der Sensorelektrode 38 und den Streifenbereichen 36 ge­ bildet wird. Die Sensorelektrode 38 ist in zwei Linien ausge­ bildet, wo drei Sensorelektroden parallel in Gruppen vorgese­ hen sind, wie oben in bezug auf Fig. 5 beschrieben wurde, und die ein Paar mit einer Anode und einer Kathode bilden. Da die Veränderung der Kapazität der Anode und der Kathode jeweils umgekehrt auftritt, kann die Auslenkung des Schwingungsbau­ teils 50 in der Y-Achsen-Richtung detektiert werden durch Be­ rechnung des Unterschieds der Kapazität, der zwischen den beiden Elektroden auftritt. Der Unterschied AC der Kapazität zwischen den beiden Elektroden kann durch die folgende Glei­ chung ausgedrückt werden.

Hier ist n_s die Anzahl der Paare der Sensorelektroden 38; ε ist die dielektrische Konstante der Luft; l_s ist die Länge der Sensorelektrode 38; t ist die Dicke zwischen Verbindungs­ bereichen 36, die der Sensorelektrode 38 gegenüberliegen; und h_s ist der Abstand zwischen der Sensorelektrode 38 und den Verbindungsbereichen 36. Da ein zu der Kapazitätsveränderung proportionales Spannungssignal detektierbar ist durch Verwen­ dung einer allgemeinen Schaltung zur Detektion der Verände­ rung der Kapazität, kann folglich ein Winkelgeschwindigkeits­ signal detektiert werden.

Als üblicher Faktor zum Erhalt eines guten Betriebsverhaltens des Gyroskops ist nun die Übereinstimmung der Eigenfrequenzen in den X- und Y-Achsen notwendig zur Maximierung der Auslen­ kung in der Y-Achse aufgrund der Coriolis-Kraft. Da in der vorliegenden Erfindung die Steifigkeit des Schwingungsbau­ teils 50 in der Y-Achsen-Richtung durch eine durch die Senso­ relektrode 38 erzeugte elektrostatische Kraft beeinflußt wird, kann die Eigenfrequenz angepaßt werden unter Verwendung einer derartigen elektrostatischen Kraft. Die Eigenfrequenz f_n in der Y-Achsen-Richtung kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.

Hier ist k_b eine Federkonstante der Federn 32 und 32′ und k_n ist eine Federkonstante, die durch die elektrostatische Kraft zwischen der Sensorelektrode 38 und den Verbindungsbereichen 36 erzeugt wird. k_n kann durch die folgende Gleichung ausge­ drückt werden.

In der obigen Gleichung ist ε die elektrische Konstante der Luft; l_s ist die Länge der Sensorelektrode 38; h_s ist der Ab­ stand zwischen der Sensorelektrode 38 und den Verbindungsbe­ reichen 36; V_b ist eine Vorspannung, die auf die Sensorelek­ trode 38 angewendet wird. Die Übereinstimmung der natürlichen Frequenzen in der X-Achsen-Richtung und der Y-Achsen-Richtung kann durch Einstellung der Vorspannung erzielt werden. Da je­ doch die Veränderung einer Ausgabe in dem Mikrogyroskop her­ vorgerufen wird, wenn sich die Vorspannung der Sensorelektro­ de 38 in einem solchen Einstellbetrieb verändert, kann eine genauere Einstellung unter Verwendung eines anderen Verfah­ rens des Fixierens der Vorspannung der Sensorelektrode 38 und des Anbringens einer zusätzlichen Elektrode zur Einstellung der natürlichen Frequenz durchgeführt werden. Die Elektrode zur Einstellung der natürlichen Frequenz (nicht gezeigt) ist parallel zu den Verbindungsbereichen 36 des Schwingungsbau­ teils 50 auf eine zu der Sensorelektrode 38 ähnliche Art an­ geordnet.

Wie oben beschrieben wurde, weist das erfindungsgemäße Mikro­ gyroskop, das ein neues Schwingungsbauteil und die Sensore­ lektrode verwendet, Vorteile zum Lösen der Probleme bei der Herstellung des Schwingungsbauteils auf und verbessert gleichzeitig sein Betriebsverhalten. Im Gegensatz zur her­ kömmlichen Technologie, wo eine Einstellung der Eigenfrequenz des Schwingungsbauteils in zwei Richtungen schwierig ist, wird zudem jeder Faktor zur Bestimmung der Eigenfrequenz in einem einzigen Prozeß bestimmt und das Betriebsverhalten wird stabil. Insbesondere kann die Arbeit zum Abgleichen der Ei­ genfrequenzen wirkungsvoll gemacht werden, da die Arbeit durchführbar ist durch Anwenden der Vorspannung auf die Sen­ sorelektrode, anstatt eines physikalisch-mechanischen Bear­ beitens des Schwingungsbauteils. Da weiter die Positions­ steuerung wirkungsvoll durchführbar ist durch die Positions­ steuerelektrode, kann die Linearität und Auflösung und der Meßbereich verbessert werden.

Claims (7)

1. Ein Mikrogyroskop mit:
einem Substrat;
einem Schwingungsbauteil mit parallel zueinander angeordneten ersten und zweiten Streifenbereichen, in denen erste und zweite Kämme an einer Seite jeweils des ersten und zweiten Streifenbereichs ausgebildet sind, und mit einer Vielzahl von Verbindungsbereichen zum Verbinden der ersten und zweiten Streifenbereiche;
einem elastischen Mittel zum elastischen Haltern des Schwin­ gungsbauteils derart, daß es von dem Substrat unter einem vor­ bestimmten Abstand im Abstand steht;
einem Treibermittel mit einem dritten Kamm, der zwischen den ersten Kamm des ersten Streifenbereichs eingefügt ist, zur Anwendung einer elektrostatischen Kraft auf das Schwingungs­ bauteil in einer Richtung;
einem Sensormittel mit einem vierten Kamm, der zwischen den zweiten Kamm des zweiten Streifenbereich eingefügt ist, zum Feststellen einer Bewegung des Schwingungsbauteils, das durch das Treibermittel angetrieben wird, über eine Veränderung der Kapazität; und
einer Vielzahl von Sensorelektroden, die zwischen den Verbin­ dungsbereichen des Schwingungsbauteils auf der gleichen Ebene wie das Schwingungsbauteil so angeordnet sind, daß sie von dem Substrat unter einem vorbestimmten Abstand im Abstand stehen, zum Feststellen einer Auslenkung des Schwingungsbau­ teils aufgrund einer Coriolis-Kraft über eine Veränderung der Kapazität.

2. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 1, weiter mit Positions­ steuerelektroden, die in der gleichen Ebene wie das Schwin­ gungsbauteil unter einem vorbestimmten Abstand von dem Substrat beabstandet und parallel zu dem Verbindungsbereich des Schwingungsbauteils angeordnet sind, um eine übermäßige Auslenkung des Schwingungsbauteils aufgrund der Coriolis-Kraft einzuschränken.

3. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 1, weiter mit einem Ele­ ment zur Verhinderung einer übermäßigen Bewegung umfaßt, um zu verhindern, daß das durch die Coriolis-Kraft übermäßig de­ formierte Schwingungsbauteil die Sensorelektroden berührt.

4. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 1, wobei ein erster Be­ reich des elastischen Mittels sich in einer Längsrichtung des ersten und zweiten Streifenbereichs erstreckt, zweite Berei­ che des elastischen Mittels mit Enden des ersten Bereichs des elastischen Mittels verbunden ist, und eine Halterung an der Mitte des zweiten Bereichs des elastischen Mittels derart ausgebildet sind, daß das Schwingungsbauteil elastisch unter einem vorbestimmten Abstand von dem Substrat im Abstand ge­ halten wird.

5. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 1, wobei drei Bereiche der Sensorelektrode in zwei parallelen Reihen zwischen den Verbindungsbereichen des Schwingungsbauteils angeordnet sind, wobei eine längere Elektrode unter den drei Elektroden, deren mittlerer Bereich gehaltert ist, und zwei kürzere Elektroden unter den drei Elektroden, deren Endbereiche gehaltert sind, in einer Reihe als Gruppe angeordnet sind.

6. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 1, wobei die Eigenfre­ quenz des Schwingungsbauteils einstellbar ist durch Verändern einer auf die Sensorelektroden angewendete Spannung.

7. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 1, weiter mit einer par­ allel zu dem Verbindungsteil des Schwingungsbauteils angeord­ neten Elektrode zur Einstellung der Eigenfrequenz des Schwin­ gungsbauteils.