DE19928759B4

DE19928759B4 - Winkelgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE19928759B4
Application number: DE19928759A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Ichinomiya Touge; Manabu Nagoya Katoh; Shinichi Toyota Harada
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2019-06-24
Also published as: DE19928759A1; JP2000009474A; US6134961A; JP4075022B2

Abstract

Winkelgeschwindigkeitssensor, mit:
einem Substrat (100);
einer Vielzahl von schwimmenden Stützelementen (b1–b8, c, 1, 2, 8, 18), die von dem Substrat (100) gestützt werden und in einer durch die Mitte (O) des Sensors gehenden x-Richtung (x) und/oder y-Richtung (y) flexibel sind;
einem Schleifenfederbalken (3), der in der x-Richtung (x) und y-Richtung (y) flexibel ist und von der Vielzahl von schwimmenden Stützelementen (b1–b8, c, 1, 2, 8, 18) gestützt wird, um bezüglich des Substrats (100) in sich entlang einer xy-Ebene erstreckenden Richtungen vibriert zu werden; und
einer Oszillationseinrichtung (4, 5, 6) zum Antreiben zumindest eines jener Punkte des Schleifenfederbalkens (3), die sich mit der x-Richtung (x) oder y-Richtung (y) kreuzen, um in einer sich in der x-Richtung (x) oder y-Richtung (y) erstreckenden Richtung zu vibrieren,
gekennzeichnet durch
einen ersten Antriebsrahmen (7) und einen zweiten Antriebsrahmen (17), die jeweils mit einem Kreuzungspunkt des Schleifenfederbalkens (3) mit der...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit Vibratoren, die so gegenüber einem Substrat abgestützt sind, dass sie bezüglich des Substrats schwimmend beweglich sind und in Vibration versetzt werden können.

Ein typischer Winkelgeschwindigkeitssensor der beschriebenen Art enthält als Vibrator eine dünne Schwimmfolie, die an ihrem linken und rechten Teil jeweils eine kammartige Schwimmelektrode mit einem Satz Kammfinger oder -segmenten hat. Der Winkelgeschwindigkeitssensor enthält außerdem eine linke und rechte kammartige feste Elektrode mit jeweils einem Satz Kammfinger, der mit dem jeweiligen Fingersatz der linken oder rechten Schwimmelektrode berührungslos und parallel dazu ineinander greift. Durch abwechselndes Aufbringen einer Spannung zwischen der linken Schwimmelektrode und der linken festen Elektrode und zwischen der rechten Schwimmelektrode und der rechten festen Elektrode, wird die dünne Schwimmfolie in x-Richtung in Vibration versetzt. Wenn nun durch die Drehung um eine z-Achse eine Winkelgeschwindigkeit auf die dünne Schwimmfolie wirkt, wird die dünne Schwimmfolie einer Coriolis-Kraft ausgesetzt und erfährt eine elliptische Vibration, bei der sie auch in y-Richtung zum Vibrieren gebracht wird. Wenn die dünne Schwimmfolie aus einem elektrischen Leiter hergestellt ist oder eine Elektrode daran angeschlossen ist und wenn vorher auf einem Substrat parallel zu der xz-Ebene der dünnen Schwimmfolie eine Erfassungselektrode angeordnet wurde, schwankt oder ändert sich die Kapazität zwischen der Erfassungselektrode und der dünnen Schwimmfolie in Übereinstimmung mit der y-Komponente (Winkelgeschwindig keitskomponente) der elliptischen Vibration. Durch Messen der Änderung (Amplitude) der Kapazität kann dann die Winkelgeschwindigkeit herausgefunden werden. Siehe hierzu beispielsweise die JP 5-248872 A von 1993, die JP 7-218268 A von 1995, die JP 8-152327 A von 1996, die JP 9-127148 A von 1997 und die JP 9-42973 A von 1997.

Bei diesem herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor wird der Vibrator an mehreren Punkten von separaten, voneinander beabstandeten Ankerabschnitten und Balkenfederabschnitten, die dazu dienen, den Vibrator eine einfache harmonische Bewegung vollziehen zu lassen, gestützt. Die Balkenfederabschnitte erfahren jeweils eine Druck- oder Zugbelastung, wenn sie einer externen Kraft ausgesetzt sind, die auf eine Temperaturänderung oder dergleichen zurückzuführen ist. Aufgrund dessen ändert sich die Resonanzfrequenz des Vibrators mit der Temperatur und zeigt Eigenschaften wie unstetige Hysteresepunkte. Das senkt die Genauigkeit des Sensors. Bei einem herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor, der an mehreren Punkten separate Ankerabschnitte hat, wie er beispielsweise in der JP 7-218268 A von 1995 offenbart ist, wird angenommen, dass die Vibration des Vibrators während seines Antriebs aufgrund der beabstandeten Ankerabschnitte in die Vibration der Erfassungsseite abgeleitet wird, so dass die Genauigkeit abnimmt. Bei einem herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor, bei dem wie bei der JP 7-218268 A von 1995 die unbeweglichen Punkte eines Antriebsvibrationsmodus und eines Erfassungsvibrationsmodus nicht übereinstimmen, wird davon ausgegangen, dass die Erfassungsgenauigkeit für die Winkelgeschwindigkeit unter dem Einfluss der äußeren Kraft und der Vibrationsableitung zwischen beiden Modi sinkt. Wenn darüber hinaus im Antriebsvibrationsmodus eine Vibrationskomponente enthalten ist, die die auf der Coriolis-Kraft beruhende Vibration schwächt, ist das Erfassungssignal für die Winkelgeschwin digkeit klein. Diesbezüglich besteht die Möglichkeit, dass die Vibration des Vibrators im Stand der Technik aufgrund unterschiedlicher Amplituden in der +x-Richtung und der –x-Richtung instabil wird, so dass der Sensor als ein solcher nicht hält.

Das US Patent US 5,635,638 A offenbart in 4 einen Winkelgeschwindigkeitssensor, in dem ein Paar Vibratoren mit einem Paar halbkreisartiger Balken gekoppelt ist und die beiden Vibratoren über die Balken, die in der Vibrationsrichtung x der jeweiligen Vibratoren sehr biegsam oder flexibel sind, von acht Anker gestützt werden, so dass sie schwimmend beweglich sind.

Beim dem in dem Patent US 5,635,638 A offenbarten Winkelgeschwindigkeitssensor sind die oszillierenden Federn nicht mit der Schwerpunktmitte der Vibratoren verbunden. Es wird deshalb vermutet, dass die Vibrationen der Vibratoren unausgeglichen sind, wenn die Antriebskräfte, die auf die oszillierenden Massen ausgeübt werden, aufgrund von herstellungsbedingten Abmessungsabweichungen ungleichförmig sind. Außerdem werden die Vibrationen nicht-linear. Durch das Ungleichgewicht der Verschiebeschwankungen der Resonanzfrequenzen der Vibratoren kommt es daher zu instabilen Schwankungen der Erfassungssignale, so dass das Signalrauschverhältnis des Winkelgeschwindigkeitssignals klein wird. Das Signalrauschverhältnis des Winkelgeschwindigkeitssignals wird auch deswegen geringer, weil sich das Vibrationsantriebssignal zu einer Erfassungskapazität bewegt. Des Weiteren wird bei diesem herkömmlichen Sensor die Antriebsoszillation als Ableitsignal zu den jeweiligen Erfassungsabschnitten abgeleitet. Da die elektrischen und geometrischen Abstände vom oszillierenden Abschnitt zum jeweiligen Erfassungsabschnitt nicht symmetrisch sind, kann die Beeinflussung selbst dann nicht beseitigt werden, wenn ein ausgeklügelter elektrischer Schaltkreisabschnitt erdacht wird, und kommt es zu einer Verschlechterung des Signalrauschverhältnisses.

Darüber hinaus wird auf die DE 195 00 800 A1 verwiesen. Aus 10 ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt, der einen Schleifenfederbalken hat, der in Richtung einer x-Achse und einer y-Achse, die durch die Sensormitte gehen, flexibel ist und der durch schwimmende Stützelemente gegenüber einem Substrat abgestützt wird. Der Schleifenfederbalken wird durch Oszillationseinrichtungen, die zumindest einen jener Punkte des Schleifenfederbalkens antreiben, die die x-Achse und die y-Achse kreuzen, in Erstreckungsrichtung der x-Achse in Vibration versetzt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem Winkelgeschwindigkeitssensor ein Absinken der Erfassungsgenauigkeit aufgrund physikalischer (elektrischer und mechanischer) Störungen zu verhindern und eine Verschlechterung des Signalrauschverhältnisses aufgrund der Ableitung eines Vibrationsantriebssignal zu unterdrücken, um so die Erfassungsgenauigkeit für die Winkelgeschwindigkeit zu erhöhen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1 gelöst.

Wenn bei dem erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensor zumindest einer der Kreuzungspunkte des Schleifenfederbalkens mit der x-Achse und der y-Achse, also beispielsweise die Kreuzungspunkte mit der y-Achse angetrieben werden, um durch die Oszillationseinrichtung eine Vibration in Richtung der y-Achse hervorzurufen, erscheinen an den Kreuzungspunkten des Schleifenfederbalkens mit der x-Achse Vibrationen in der x-Richtung, deren Phasen um 180° von jenen der auf dem Antrieb basierenden Vibrationen in y-Richtung verschoben sind, und vibrieren der erste Antriebsrahmen und der zweite Antriebsrahmen in x-Richtung mit entgegengesetzten Phasen. Auf ähnliche Weise wie der erste Antriebsrahmen und der zweite Antriebsrahmen vibrieren der erste Vibrator und der zweite Vibrator in der x-Richtung mit entgegengesetzten Phasen. Wenn nun um eine z-Achse herum eine Winkelgeschwindigkeit wirkt, werden die Vibrationen des ersten Vibrators und zweiten Vibrators zu elliptischen Vibrationen, wobei die Vibratoren aufgrund dessen, dass sie durch die in y-Richtung flexiblen Federbalken gestützt werden, auch in der y-Richtung vibrieren. Da die Vibrationen in der x-Richtung des ersten Vibrators und zweiten Vibrators zueinander in Gegenphase sind, sind auch die Vibrationen in der y-Richtung zueinander in Gegenphase. Die erste und zweite Versetzungserfassungseinrichtung erfassen die Vibrationen in der y-Richtung.

Wenn die Vibrationserfassungssignale der ersten und zweiten Versetzungserfassungseinrichtung differenzverstärkt werden, wird ein Vibrationserfassungssignal mit einer Höhe erhalten, das ungefähr doppelt so hoch ist wie die Höhe des Vibrationserfassungssignals von jeder Versetzungserfassungseinrichtung. Gleichzeitig wird das elektrische Rauschen reduziert und heben sich Signalkomponenten, die von anderen mechanischen Störungen als der Winkelgeschwindigkeit herrühren, gegenseitig auf. Wenn beispielsweise eine Beschleunigung oder eine Verzögerung in der y-Richtung wirkt, hat die resultierende Bewegung des ersten Vibrators und zweiten Vibrators denselben Sinn, und schwanken die Höhen der Versetzungserfassungssignale der ersten und zweiten Versetzungserfassungseinrichtung im gleichen Ausmaß mit demselben Sinn. Wenn die Versetzungserfassungssignale jedoch differenzverstärkt werden, heben sich die Schwankungen der Signalhöhen gegenseitig auf. Demnach wird das Signalrauschverhältnis des Winkelgeschwindigkeitssignals nicht durch Störungen wie etwa eine Beschleunigung verschlechtert.

Der Schleifenfederbalken wird durch die schwimmenden Stützelemente gestützt, um bezüglich des Substrats in der xy-Ebene vibrieren zu können. Darüber hinaus sind der erste Antriebsrahmen und der zweite Antriebsrahmen von den in Richtung der x-Achse flexiblen Stützelementen schwimmend gestützt, um sich bezüglich des Substrats bewegen zu können. Deshalb haben der erste Antriebsrahmen und der zweite Antriebsrahmen kaum Temperaturfehler und werden die Vibrationen der Rahmen und des ersten und zweiten Vibrators in y-Richtung stabilisiert. Außerdem werden der erste und zweite Vibrator von den in y-Richtung flexiblen Federbalken schwimmend gestützt. Deshalb haben der erste und zweite Vibrator noch weniger Temperaturfehler und werden ihre Vibrationen in der y-Richtung entsprechend der Winkelgeschwindigkeit stabilisiert. Demnach ist die Zuverlässigkeit (Stabilität) des Winkelgeschwindigkeitssignals hoch.

Bei der Ausgestaltung, bei der durch die Oszillationseinrichtung die Kreuzungspunkte des Schleifenfederbalkens mit der y-Achse angetrieben werden, damit er in Richtung der y-Achse vibriert, sind der erste und zweite Vibrator gleichmäßig von den entsprechenden Kreuzungspunkten beabstandet. Deshalb ist der Einfluss der oszillierenden Antriebssignale auf die erste und zweite Versetzungserfassungseinrichtung gleich und wird durch die vorstehend besprochene Differenzverstärkung gelöscht. Demnach ist es möglich, ein Winkelgeschwindigkeitserfassungssignal mit einem hohen Signalrauschverhältnis zu erzielen. Bei der Ausgestaltung, bei der durch die Oszillationseinrichtung die Kreuzungspunkte des Schleifenfederbalkens mit der x- Achse angetrieben werden, damit er in der x-Richtung vibriert, werden die beiden Kreuzungspunkte mit der x-Achse jeweils durch eine von zwei Oszillationseinrichtungen in Vibration versetzt, wodurch die Abstände zwischen den einzelnen Oszillationseinrichtungen und den entsprechenden Versetzungserfassungseinrichtungen ausgeglichen werden. Demnach ist es möglich, auf ähnliche Weise ein Winkelgeschwindigkeitserfassungssignal mit einem hohen Signalrauschverhältnis zu erzielen.

Der erfindungsgemäße Winkelgeschwindigkeitssegsor kann außerdem die Merkmale von Anspruch 2 aufweisen.

Bei dieser Bauweise werden durch die dritte und vierte Versetzungserfassungseinrichtung Signale erhalten, die den Versetzungserfassungssignalen der ersten und zweiten Versetzungserfassungseinrichtung ähneln. Die Signale der dritten und vierten Versetzungserfassungseinrichtung werden differenzverstärkt, und das resultierende Signal wird zu dem Differenzverstärkungssignal der ersten und zweiten Versetzungserfassungseinrichtung phasengesteuert hinzuaddiert, wodurch ein Winkelgeschwindigkeitssignal mit einem hohen Signalrauschverhältnis und mit einer großen Höhe erzielt wird. Davon abgesehen werden der erste bis vierte Antriebsrahmen und der erste bis vierte Vibrator in Sätzen kombiniert, die jeweils aus einem Antriebsrahmen und einem Vibrator bestehen, und befinden sich die jeweiligen Sätze in Abständen von 90° um die Mitte 0 herum, um bezüglich der x-Achse und y-Achse symmetrisch zu sein, wodurch ein Winkelgeschwindigkeitssignal mit einem hohen Signalrauschverhältnis und mit hoher Zuverlässigkeit (Stabilität) erhalten wird, das durch Temperaturänderungen, elektrisches Rauschen und eine störende Beschleunigung, Verzögerung oder Vibration wenig beeinflusst wird.

Die Unteransprüche 3 bis 6 befassen sich mit weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensors.

Bei der bevorzugten Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 sind die Elemente des Winkelgeschwindigkeitssensors bezüglich der Mitte O insgesamt in Punktsymmetrie aufgereiht. Bei dieser Gestaltung wird ungeachtet dessen, dass die Antriebsrahmen und die Vibratoren an mehreren Punkten verankert sind, verhindert, dass die Symmetrie bezüglich der Mitte O durch eine Freigabe einer thermischen Ausdehnung, von inneren Spannungen etc. zusammenbricht und ist die Zuverlässigkeit (Stabilität) des Winkelgeschwindigkeitssignals hoch.

Andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
1 zeigt eine Draufsicht mit einem Blockschaltbild des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Draufsicht mit einem Blockschaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine Draufsicht des dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt eine Draufsicht des vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt eine Draufsicht des fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt eine Draufsicht mit einem Blockschaltbild des sechsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
7 zeigt ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebs eines Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltkreises bei jedem der Ausführungsbeispiele, wobei die Teile (a) und (b) Antriebsspannungen darstellen, die jeweils durch Treiberschaltkreise an Antriebselektroden angelegt werden, die Teile (c) und (d) jeweils das Ausgangssignal eines Synchronerfassungsschaltkreises darstellen und die Teile (e) und (f) jeweils das Ausgangssignal eines Differenzverstärkers darstellen.
1 stellt die Bestandteile eines Winkelgeschwindigkeitssensors beim ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Mit einem Siliziumsubstrat, das mit einer Isolationslage ausgebildet ist, sind Anker verbunden. Die Anker sind aus polykristallinem Silizium hergestellt, das eine Verunreinigung zum Einrichten einer Leitfähigkeit enthält (nachfolgend als "leitendes polykristallines Silizium" bezeichnet). Sie umfassen Schwimmanker a1 bis a4, Anker für Antriebselektroden 5 und 6, Anker für Antriebserfassungselektroden 15 und 16, Anker für Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 12 und 13/22 und 23, Anker für Frequenzeinstellelektroden 25 und 26 und Anker für Attrappenelektroden 65 und 66, die sich jeweils an zu den Antriebserfassungselektroden 15 und 16 symmetrischen Positionen befinden. Außer den Ankern 65 und 66 sind diese Anker durch Verdrahtungsleitungen, die auf der auf das Siliziumsubstrat aufgeschichteten Isolationslage ausgebildet sind, mit nicht gezeigten Verbindungselektroden verbunden.
Unter Verwendung eines lithografischen Halbleiterprozesses werden aus leitendem polykristallinem Silizium Federbalken b1 bis b4 ausgebildet, die jeweils die Form eines flachen Rings haben, der einen Winkel von 45° zu einer x-Achse definiert, so dass er auf dem Siliziumsubstrat schwimmt und mit dem entsprechenden Schwimmanker a1 bis a4 verbunden ist. Auf ähnliche Weise wird ein Kopplungsrahmen c ausgebildet, der die Form einer rechtwinkligen Schleife hat, die mit den Federbalken b1 bis b4 verbunden ist. Der Kopplungsrahmen c ist bezüglich der x-Achse und einer y-Achse symmetrisch, die durch die Mitte O des Sensors gehen. Die Schwimmanker a1 bis a4 und die Federbalken b1 bis b4 sind bezüglich der x-Achse und der y-Achse symmetrisch verteilt.
Mit Mittelpunkten der beiden Seiten c1 und c3 des Kopplungsrahmens c, die parallel zu der x-Achse sind, sind jeweils Federbalken 1 und 2 verbunden, die jeweils die Form eines flachen Rings haben. Eine vierseitige Schleife 3 mit runden Ecken ist mit den beiden Federbalken 1 und 2 verbunden, und y-axiale Vibrationsrahmen 4 und 24 sind mit dem jeweiligen Federbalken 1 oder 2 verbunden. x-axiale Vibrationsrahmen 14 und 64 sind mit jenen Punkten der vierseitigen Schleife 3 verbunden, die die x-Achse schneiden, während ein erster Antriebsrahmen 7 und ein zweiter Antriebsrahmen 17 ebenfalls mit den Schnittpunkten verbunden sind. Der erste und zweite Antriebsrahmen 7 und 17 sind rechtwinklige Rahmen, deren andere Schnittpunkte mit der x-Achse jeweils über Federbalken mit einer flachen Ringform 8 und 18 mit den Mittelpunkten jener beiden Seiten c4 und c2 des Kopplungsrahmens c verbunden sind, die parallel zu der y-Achse sind. Ein erster Vibrator 11 und ein zweiter Vibrator 21 sind jeweils über Federbalken mit einer flachen Ringform 9 und 10/19 und 20 mit den Innenseiten des ersten Antriebsrahmens 7 und des zweiten Antriebsrahmens 17 verbunden. Diese Bestandteile schwimmen ebenfalls auf dem Siliziumsubstrat und sind aus leitendem polykristallinem Silizium hergestellt.
Der erste und zweite Antriebsrahmen 7 und 17 und der erste und zweite Vibrator 11 und 21 haben eine symmetrische Form und befinden sich bezüglich der x-Achse und y-Achse, die durch die Mitte O des Sensors gehen, an symmetrischen Positionen. Die Federbalken 1, 2, 8, 18, 9, 10, 19 und 20 sind bezüglich der x-Achse und y-Achse ebenfalls symmetrisch.
Jeder der y-axialen Vibrationsrahmen 4 und 24 umfasst eine kammartige bewegliche Elektrode, deren Finger oder Segmente in gleichmäßigen Abständen in Richtung der x-Achse verteilt sind und in Richtung der y-Achse vorstehen. Andererseits umfasst jede der Antriebselektroden 5 und 6 und Frequenzeinstellelektroden 25 und 26, die aus dem leitenden polykristallinen Silizium hergestellt sind und die mit den entsprechenden Elektrodenankern verbunden sind, eine kammartige feste Elektrode, deren Finger in die Zwischenräume der Verteilung der Finger der beweglichen Elektroden in der x-Richtung vorstehen und in der x-Richtung verteilt sind.
An die Antriebselektroden 5 und 6 werden abwechselnd Spannungen angelegt, die höher sind als das Potential des y-axialen Vibrationsrahmen 4 (das im Wesentlichen gleich der Massepotentialhöhe einer den Sensor enthaltenden Apparatur ist), wodurch eine Vibration des y-axialen Vibrationsrahmens 4 in der y-Richtung erzeugt wird. Aufgrund der y-axialen Vibration des Rahmens 4 wird eine Vibration der beiden zur x-Achse parallelen Seiten der vierseitigen Schleife 3 in der y-Richtung erzeugt, wobei der y-axiale Vibrationsrahmen 24, der sich teilweise zwischen den Frequenzeinstellelektroden 25 und 26 befindet, in der y-Richtung in Vibration versetzt wird. Des Weiteren werden die Antriebsrahmen 7 und 17 und die x-axialen Vibrationsrahmen 14 und 64 mit einem Phasenunterschied von 180° zur y-gerichteten Vibration des Rahmens 24 in der x-Richtung in Vibration versetzt. Die Vibrationen in der y-Richtung der y-axialen Vibrationsrahmen 4 und 24 sind gegenphasig. Die Vibrationen in der x-Richtung der x-axialen Vibrationsrahmen 14 und 64 sind ebenfalls gegenphasig, so dass der erste Antriebsrahmen 7 und der zweite Antriebsrahmen 17 Gabelschwingungen durchführen. Der erste Vibrator 11 und der zweite Vibrator 21, die jeweils durch den ersten Antriebsrahmen 7 und den zweiten Antriebsrahmen 17 gestützt sind, werden auf ähnliche Weise in der x-Richtung gegenphasig zum Vibrieren gebracht. Das heißt, dass sie Gabelschwingungen durchführen.
Ein erstes Vibrationssystem, das aus dem Antriebsrahmen 7 und dem Vibrator 11 besteht, und ein zweites Vibrationssystem, das aus dem Antriebsrahmen 17 und dem Vibrator 21 besteht, werden auf diese Weise veranlasst, die Gabelschwingungen durchzuführen, wodurch eine Oszillation in der x-Richtung mit hoher Energieeffizienz erzielt wird.
Da der x-axiale Vibrationsrahmen 14 (64) zusammen mit dem Antriebsrahmen 17 (7) in der x-Richtung zum Vibrieren gebracht wird, schwanken die Kapazitäten zwischen dem Antriebsrahmen 17 und den Antriebserfassungselektroden 15 und 16 und schwanken die Kapazitäten zwischen dem Antriebsrahmen 64 und den Antriebserfassungselektroden 65 und 66 gegenphasig zu jenen Kapazitäten zwischen dem Antriebsrahmen 17 und den Antriebserfassungselektroden 15 und 16.
Jeder der Vibratoren 11/21 hat im Wesentlichen die Form eines Rahmens, wobei eine Vielzahl von in x-Richtung verlaufender Querbalken in gleichen Abständen in der y-Richtung existieren. In dem Zwischenraum zwischen den zueinander in der y-Richtung benachbarten Querbalken existiert ein Paar fester Erfassungselektroden 12 und 13/22 und 23 aus leitendem polykristallinem Silizium. Diese Elektroden werden jeweils durch den entsprechenden Anker für die Erfassungselektroden auf dem Substrat gestützt und sind elektrisch mit den Ankern verbunden.
Obwohl die Erfassungselektrodenpaare 12 und 13 (22 und 23) jeweils voneinander isoliert sind, sind jene Erfassungselektroden der Erfassungselektrodenpaare 12 und 13 (22 und 23), die zum Erfassen der Vibration in der y-Richtung (Versetzung in der y-Richtung) des Vibrators 11 (21) zusammengehören, gemeinsam mit einer elektrischen Zuführung und dann mit Ladungsverstärkern 46 und 47 (56 und 57) verbunden.
Wenn während der Gabelschwingungen in der x-Richtung der Vibratoren 11 und 21 eine Winkelgeschwindigkeit um eine durch die Mitte O gehende z-Achse herum wirkt, werden die Vibratoren 11 und 21 dazu gebracht, elliptische Vibrationen durchzuführen, die auch eine y-axiale Komponente haben und zueinander gegenphasig sind. Somit erfahren die Elektroden 12 und 13/22 und 23 in Übereinstimmung mit der Vibration in y-Richtung eine Kapazitätsschwankung. Die Kapazitätsschwankungen der Elektroden 12 und 13 sind zueinander gegenphasig und auf ähnliche Weise auch jene der Elektroden 22 und 23. Da die y-gerichteten Vibrationen der Vibratoren 11 und 21 hier in Gegenphase sind, sind auch die Kapazitätsschwankungen der Elektroden 12 und 22 und auf ähnliche Weise auch jene der Elektroden 13 und 23 zueinander gegenphasig.
Die bewegliche Elektrode des y-axialen Vibrationsrahmens 24 und die festen Elektroden der Frequenzeinstellelektroden 25 und 26 dienen der Einstellung der Geschwindigkeiten (Federkräfte) der y-gerichteten Vibrationen der beiden zur x-Achse parallelen Seiten der vierseitigen Schleife 3 (und der x-gerichteten Vibrationen ihrer beiden zur y-Achse parallelen Seiten und der x-gerichteten Vibrationen der Antriebsrahmen 7 und 17, wobei alle Vibrationen durch die y-gerichteten Vibrationen der beiden Seiten der vierseitigen Schleife erzwungen werden), und dazu, die Vibrationsfrequenzen der Antriebsrahmen 7 und 17 auf Werte zu drücken, die um mehrere 100 Hz niedriger sind als die Resonanzfrequenzen der Vibratoren 11 und 21. Übrigens werden die Antriebsrahmen 7 und 17 in der x-Richtung beim Anlegen von Antriebsspannungen mit Frequenzen oszilliert, die ihren Eigenvibrationsfrequenzen entsprechen. Um die Empfindlichkeit beim Erfassen der Winkelgeschwindigkeit zu erhöhen, sind die Resonanzfrequenzen (Eigenvibrationsfrequenzen) der Vibratoren 11 und 21 so gestaltet, dass sie mehrere 100 Hz höher als die Resonanzfrequenzen (Eigenvibrationsfrequenzen) der Antriebsrahmen 7 und 17 sind, und werden an den Frequenzeinstellelektroden 25 und 26 Spannungen angelegt, die proportional zu den Versetzungen des x-axialen Vibrationsrahmens 14 sind (wobei die Versetzungen am Ruhepunkt des Rahmens 14 Null sind und in +x- und –x-Richtung genommen werden), um die Höhen der Spannungen einzustellen, wodurch die Resonanzfrequenzen der Antriebsrahmen 7 und 17 schließlich auf Werte nahe ihrer Auslegungswerte eingestellt werden.
Mit dem Winkelgeschwindigkeitssensor, der die vorstehend beschriebenen mechanischen Elemente enthält, wird ein Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltkreis verbunden, der, wie in 1 gezeigt ist, elektrische Elemente 41a bis 60, TSG und FCR enthält. Der Zeitgebungssignalgenerator TSG erzeugt ein Antriebssignal A und B zum Antreiben der Antriebsrahmen 7 und 17 mit den Resonanzfrequenzen in x-Richtung, um das erzeugte Signal an die Treiberschaltkreise 41a und 41b anzulegen. Er legt auch Synchronisationssignale für eine Synchronerfassung an die Synchronerfassungsschaltkreise 45 und 50 an. 7 stellt die Antriebssignale A und B dar, ein Antriebsrückführsignal sowie ein Winkelgeschwindigkeitssignal und x-gerichtete und y-gerichtete Vibrationen. Die Treiberschaltkreise 41a und 41b legen synchron mit den jeweiligen Antriebssignalen A und B Antriebsspannungen (Impulse) an die Antriebselektroden 5 und 6 an. Somit werden die Vibratoren 11 und 21 zusammen mit dem jeweils entsprechenden Antriebsrahmen 7 oder 17 über die vierseitige Schleife 3 in x-Richtung gegenphasig in Vibration versetzt. Aufgrund der Vibrationen schwanken die Kapazitäten der Antriebserfassungselektroden 15 und 16 gegenphasig. Die Ladungsverstärker 42 und 43 wandeln die Schwankungen der Kapazitäten in Spannungsschwankungen um (Kapazitätssignale).
Der Differenzverstärker 44 differenzverstärkt die (gegenphasigen) Kapazitätssignale der Verstärker 42 und 43. Er erzeugt ein Differenzsignal, bei dem die von einem Ladungsverstärker erzeugte Amplitude des Kapazitätssignals im Wesentlichen doppelt ist und in dem sich die Rauschkomponenten der Kapazitätssignale gegenseitig aufheben. Das erzeugte Differenzsignal wird an den Synchronerfassungsschaltkreis 45 und den Rückführverarbeitungsschaltkreis FCR angelegt. Der Synchronerfassungsschaltkreis 45 erfasst das von dem Differenzverstärker 44 angelegte Differenzsignal, nämlich eine x-gerichtete Vibrationserfassungsspannung, die die x-gerichtete Vibration ausdrückt, gleichzeitig mit einem zum Antriebssignal gleichphasigen Synchronisationssignal. Er erzeugt ein Rückführsignal, das die Phasendifferenz der x-gerichteten Vibration bezüglich des Antriebsimpulssignals ausdrückt. Das erzeugte Rückführsignal wird an den Rückführverarbeitungsschaltkreis FCR angelegt.
Der Rückführverarbeitungsschaltkreis FCR führt den Antriebsschaltkreisen 41a und 41b Phasenverschiebungssignale zu, um die Höhen der durch den Synchronerfassungsschaltkreis 45 angelegten Phasendifferenzsignale mit voreingestellten Werten in Übereinstimmung zu bringen. Die Antriebsschaltkreise 41a und 41b, die die Phasenverschiebungssignale aufgenommen haben, verschieben in Übereinstimmung mit den Phasenverschiebungssignalen die Phasen der Abgabeantriebsspannungen bezüglich der Antriebssignale. In einem Zustand, in dem die Phasendifferenzsignalhöhen des Synchronerfassungsschaltkreises 45 im Wesentlichen mit den voreingestellten Werten ausgeglichen sind, sind die x-gerichteten Vibrationen der Antriebsrahmen 7 und 17 stabilisiert. Die Frequenzeinstellschaltkreise 59 und 60 legen Gleichspannungen an die jeweiligen Frequenzeinstellelektroden 25 und 26 an. Die Gleichspannungen dienen der Senkung der Vibrationsfrequenzen der Antriebsrahmen 7 und 17 auf Werte, die um mehrere 100 Hz niedriger als die Resonanzfrequenzen (Auslegungswerte) der jeweiligen Vibratoren 11 und 21 sind.
Wenn während der stabilen Resonanzgabelschwingungen eine Winkelgeschwindigkeit um die durch die Mitte O gehende z-Achse herum wirkt, wirken Coriolis-Kräfte auf die Antriebsrahmen 7 und 17 und die Vibratoren 11 und 21, die sie dazu bringen, elliptische Vibrationen durchzuführen, die zusätzlich zu den x-gerichteten Vibrationen y-gerichtete Vibrationen enthalten. Dabei werden die Antriebsrahmen 7 und 17 von den jeweiligen Federbalken 8 und 18, die in der x-Richtung sehr flexibel, aber in der y-Richtung sehr starr sind, und den beiden zur y-Achse parallelen Seiten der vierseitigen Schleife 3 gestützt, so dass sie in der y-Richtung wenig vibrieren. Im Gegensatz dazu werden die Vibratoren 11 und 21 von den Federbalken 9 und 10/19 und 20 gestützt, die in der y-Richtung sehr flexibel sind, so dass sie in der y-Richtung stark vibrieren. Die y-gerichteten Vibrationen der Vibratoren 11 und 21 sind zueinander gegenphasig.
Die Kapazitäten der beiden Erfassungselektroden 12 und 13 zum Erfassen der y-gerichteten Vibration des Vibrators 11 schwanken gegenphasig, wobei die Ladungsverstärker 46 und 47 Kapazitätssignale erzeugen, die die Schwankungen ausdrücken. Der Differenzverstärker 48 erzeugt das Differenzsignal beider Kapazitätssignale, d.h. ein Differenzsignal, in dem die Amplitude des Kapazitätssignals, das durch einen Ladungsverstärker erzeugt wird, im Wesentlichen verdoppelt ist und in dem sich Rauschkomponenten der Kapazitätssignale gegenseitig aufheben. Das erzeugte Differenzsignal wird an den Differenzverstärker 49 angelegt. Andererseits schwanken die Kapazitäten der beiden Erfassungselektroden 22 und 23 zum Erfassen der y-gerichteten Vibration des Vibrators 21 gegenphasig, wobei die Ladungsverstärker 56 und 57 Kapazitätssignale erzeugen, die die Schwankungen ausdrücken. Der Differenzverstärker 58 erzeugt das Differenzsignal beider Kapazitätssignale, d.h. ein Differenzsignal, in dem die Amplitude des Kapazitätssignals, das durch einen Ladungsverstärker erzeugt wird, im Wesentlichen verdoppelt ist und in dem sich die Rauschkomponenten der Kapazitätssignale gegenseitig aufheben. Das erzeugte Differenzsignal wird ebenfalls an den Differenzverstärker 49 angelegt. Die Differenzverstärkungssignale der Differenzverstärker 48 und 58 sind zueinander gegenphasig. Demnach ist das Differenzausgangssignal des Differenzverstärkers 49 ein Erfassungssignal, in dem die durch die Winkelgeschwindigkeit erzeugte y-gerichtete Vibration verstärkt ist, indem Rauschkomponenten, die gleichzeitig auf die entsprechenden Signalverarbeitungsschaltkreise des ersten Vibrators 11 und zweiten Vibrators 21 wirken, im Wesentlichen mit denselben Höhen gelöscht werden und indem die y-gerichteten Versetzungskomponenten (die auch Rauschkomponenten sind) des ersten und zweiten Vibrators 11 und 21 gelöscht werden, die auf diese Vibratoren aufgrund von Störungen, wie beispielsweise einer Beschleunigung, Verzögerung oder Vibration, gleichzeitig in demselben Sinne wirken. Das Erfassungssignal bietet eine hohe Empfindlichkeit beim Erfassen der Winkelgeschwindigkeit und ein hohes Signalrauschverhältnis.
Das Differenzausgangssignal bzw. Erfassungssignal wird an den Synchronerfassungsschaltkreis 50 angelegt, der das Erfassungssignal gleichzeitig mit einem Synchronisationssignal erfasst, das mit dem Antriebssignal gleichphasig ist, und der ein Signal erzeugt, das die Winkelgeschwindigkeit ausdrückt. Die Polarität (±) des Winkelgeschwindigkeitssignals repräsentiert die Richtung, in der die Winkelgeschwindigkeit wirkt, während der Absolutwert der Höhe des Signals den Betrag der Winkelgeschwindigkeit repräsentiert.
Wie vorstehend angeführt ist, hat der Winkelgeschwindigkeitssensor des ersten Ausführungsbeispiels eine duale Resonanzgabelstruktur der Vibrationsart und ist dadurch gekennzeichnet, dass Verbesserungen der Temperatureigenschaften und Verbesserungen des Signalrauschverhältnisses verwirklicht werden. Um die Temperatureigenschaften zu verbessern, ist der Kopplungsrahmen c vorhanden, der auch ein Schutzrahmen ist, wobei die Erhöhung der Spannungen, die sich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des Substrats und der Vibratoren (3, 7, 17, 11, 21) zuschreiben lässt, durch den Kopplungsrahmen c und die Federbalken b1 bis b4 abgebaut wird. So wird insbesondere die Differenz der thermischen Ausdehnungen des Substrats und der Vibratoren (3, 7, 17, 11, 21, 14, 64) durch die Federform der Federbalken b1 bis b4 absorbiert. Da die Federform schleifenförmig ist, hat sie keine Hysterese, wenn die temperaturbedingte Ausdehnung durch die Ausdehnung und Kontraktion der Feder absorbiert wird. Deshalb werden die Temperatureigenschaften noch mehr verbessert.
Der Federbalken 3, der die beiden Vibratoren (7 und 11/17 und 21) verbindet, die sich innerhalb des Kopplungsrahmens c befinden, der der Schutzrahmen ist, hat nahezu die Form eines Kreises und ist in der Lage, linear in einer einfachen harmonischen Bewegung zu vibrieren. Außerdem verkörpern die x-gerichteten Vibrationen des Antriebsrahmens 7, Vibrators 11 und Antriebsrahmens 64 sowie des Antriebsrahmens 17, Vibrators 21 und Antriebsrahmens 14 aufgrund der Eigenschaften des Federbalkens 3 den gegenphasigen Antrieb. Diese Vibratoren sind zur Verbindung mit dem Schutzrahmen durch die vier Federbalken 1, 2, 8 und 18 verbunden, wodurch die Spannungen abgebaut wird. Deshalb wird die Antriebsvibration in der x-Richtung zu der linearen einfachen harmonischen Bewegung.
Der Antriebsbereichs ist derart konfiguriert, dass der oszillierende Abschnitt (Antriebsrahmen 14, Federbalken 3) von den Vibratoren (7, 17, 11, 21, 14, 64) getrennt ist, und dass er so angeordnet ist, dass er von den beiden Vibratoren (7, 11, 64) und (17, 21, 14) gleichmäßig beabstandet ist. Die Erfassungsbereiche (64 bis 66, 14 bis 16) für die Antriebsversetzungen sind mit den Schnittpunkten der Feder 3 mit der x-Achse und y-Achse verbunden. Das verkörpert eine Konfiguration, bei der die Ableitung der Antriebssignale auf die Antriebsversetzungserfassungsbereiche (64 bis 66, 14 bis 16) zum Rückführen der Antriebsversetzung der Vibratoren vermindert wird und bei der die Ableitsignale als gleichphasige Komponenten abgeleitet werden. Deshalb können die Signalrauschverhältnisse der Erfassungsbereiche verbessert werden.
Die Bereiche 9 bis 13/19 bis 23 zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit werden von den Vibratoren 11/21, die innerhalb der Antriebsrahmen 7/17 mit den schleifenförmigen Federbalken 9 und 10/19 und 20 verbunden sind, und den festen Elektroden 12 und 13/22 und 23 gebildet, die die y-gerichteten Versetzungen der Vibratoren erfassen. Aufgrund dieser Bauweise arbeiten die Antriebsrahmen 7 und 17 und die Vibratoren 11 und 21 bei der Vibrationsart der y-gerichteten Vibrationen in Übereinstimmung mit der Winkelgeschwindigkeit in Gegenphase, so dass ein Gleichgewicht gehalten ist. Bei dieser Bauweise ist deshalb die Ableitung der Vibrationen zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit fast vernachlässigbar und ist das Signalrauschverhältnis der Erfassung verbessert. Übrigens können die Vibrationen zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit gut gleichphasig sein.
2 stellt die Bestandteile des zweiten Ausführungsbeispiels dar. Um die y-gerichteten Vibrationen des ersten und zweiten Antriebsrahmens 7 und 17 besser zu unterdrücken, ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel jeder flache Schleifenfederbalken (8/18) in zwei Balken 8a und 8b/18a und 18b geteilt, die bezüglich der x-Achse an symmetrischen Positionen angeordnet sind. Um die x-gerichteten Vibrationen des ersten und zweiten Vibrators 11 und 22 besser zu unterdrücken, ist im Übrigen jeder der flachen Schleifenfederbalken (9 und 10/19 und 20) in zwei Balken 9a, 9b, 10a und 10b/19a, 19b, 20a und 20b geteilt, die bezüglich der zur y-Achse parallelen Mittellinie des entsprechenden Vibrators an symmetrischen Positionen angeordnet sind. Somit werden Antriebsvibrationen in der Richtung der x-Achse wirksam von Vibrationen in der Richtung der y-Achse getrennt, die zu erfassen sind, um eine Winkelgeschwindigkeit wahrzunehmen, und wird das Signalrauschverhältnis des Winkelgeschwindigkeitssignals weiter erhöht.
3 stellt das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Bei dem dritten Ausführungsbeispiel sind zusätzliche Antriebsrahmen- und Vibratorenpaare vorgesehen, um das Gleichgewicht der Vibrationen einzustellen, die durch eine Winkelgeschwindigkeit (y-gerichtete Vibrationen bei dem vorstehend angeführten ersten und zweiten Anführungsbeispiel) um die Mitte O eines Sensors verursacht werden. Genauer gesagt ist der Sensor mit einem dritten Antriebsrahmen 77, flachen Schleifenfederbalken 79 und 80, einem dritten Vibrator 81 und Vibrationserfassungselektroden 82 und 83, die dieselbe Konfiguration wie eine Konfiguration haben, die erhalten wird, wenn der erste Antriebsrahmen 7, die flachen Schleifenfederbalken 9 und 10, der erste Vibrator 11 und die Vibrationserfassungselektroden 12 und 13, die vorstehend beschrieben sind, um 90° im Uhrzeigersinn gedreht werden, und mit einem vierten Antriebsrahmen 87, flachen Schleifenfederbalken 89 und 90, einem vierten Vibrator 91 und Vibrationserfassungselektroden 92 und 93 ausgestattet, die dieselbe Konfiguration wie die Konfiguration haben, die erhalten wird, wenn der erste Antriebsrahmen 7 etc. um 270° im Uhrzeigersinn gedreht werden. Wie vorstehend erwähnt ist, sind dabei alle Elemente bezüglich der x-Achse und y-Achse symmetrisch verteilt.
Wenn an die angesprochenen Antriebselektroden 5 und 6 jeweils mit Antriebssignalen A und B synchronisierte Antriebsspannungen (Impulse) angelegt werden, werden in Richtung der x-Achse gegenphasige Vibrationen des ersten und zweiten Antriebsrahmens 7 und 17 und in Richtung der y-Achse gegenphasige Vibrationen des dritten und vierten Antriebsrahmens 77 und 87 erzeugt. Wenn die Winkelgeschwindigkeit um die vorstehend erwähnte z-Achse herum wirkt, werden in der y-Richtung gegenphasige Vibrationen des ersten und zweiten Vibrators 11 und 21 und in x-Richtung gegenphasige Vibrationen des dritten und vierten Vibrators 81 und 91 erzeugt.
Auch wenn dies nicht gezeigt ist, können ähnliche Schaltkreiselemente wie die Verstärker 46, 47, 5b und 57 und Differenzverstärker 48, 58 und 49, die wie in 1 dargestellt mit dem ersten und zweiten Satz Vibrationserfassungselektroden 12 und 13/22 und 23 verbunden sind, auch mit dem dritten und vierten Satz Vibrationserfassungselektroden 82 und 83/92 und 93 verbunden werden. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 49 in der Endstufe des ersten und zweiten Vibrationserfassungselektrodensystems und das des Differenzverstärkers in der Endstufe des dritten und vierten Vibrationserfassungselektrodensystems werden an einen zusätzlichen Differenzverstärker angelegt. Auf diese Weise ist es möglich, ein durch die Winkelgeschwindigkeit verursachtes Vibrationserfassungssignal zu erzeugen, in dem die Erfassungshöhen beider Systeme im Wesentlichen verdoppelt werden und in dem sich Rauschkomponenten gegenseitig aufheben. Das erzeugte Signal wird an den Synchronerfassungsschaltkreis 50 (in beispielsweise 1) angelegt, wodurch ein Winkelgeschwindigkeitssignal erhalten wird. Bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel werden die durch die Winkelgeschwindigkeit verursachten Vibrationen in der y-axialen Symmetrie erfasst. Hier beim dritten Ausführungsbeispiel werden die Vibrationen auch in der x-axialen Symmetrie erfasst. Deshalb werden die Vibrationen, die durch die Winkelgeschwindigkeit verursacht werden, besser ausgeglichen und kann ein Winkelgeschwindigkeitssignal mit einem höheren Signalrauschverhältnis erhalten werden.
4 stellt das vierte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Beim vierten Ausführungsbeispiel kommt des Weiteren eine Bauweise zum Einsatz, bei der die unbeweglichen Punkte des Antriebsfederrahmens 3 über schleifenförmige Federbalken b5 bis b8 starr von Ankern a5 bis a8 gestützt werden. Aufgrund dieser Bauweise ist der Antriebsfederbalken 3 mit der Masse GND eines Erfassungsschaltkreises verbunden. Demnach wird die Ableitung der Antriebssignale weiter vermindert und das Signalrauschverhältnis des Winkelgeschwindigkeitssignals weiter verbessert.
5 stellt das fünfte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Um die y-gerichteten Vibrationen des ersten und zweiten Antriebsrahmens 7 und 17 und die x-gerichteten Vibrationen des dritten und vierten Antriebsrahmens 81 und 91 besser zu unterdrücken, ist bei dem fünften Ausführungsbeispiel jeder flache Schleifenfederbalken wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel in ein Balkenpaar geteilt. Darüber hinaus werden die unbeweglichen Punkte des Antriebsfederbalkens 3 wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel über Schleifenfederbalken von Ankern gestützt. Somit werden Antriebsvibrationen in der x- und y-Richtung wirksam von Vibrationen in der x- und y-Richtung getrennt, die zu erfassen sind, um eine Winkelgeschwindigkeit wahrzunehmen, und wird das Signalrauschverhältnis des Winkelgeschwindigkeitssignals weiter erhöht.
6 stellt das sechste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Anker, die aus leitendem polykristallinem Silizium hergestellt sind, mit einem Siliziumsubstrat verbunden, das mit einer Isolationslage ausgebildet ist. Die Anker umfassen Schwimmanker a1 bis a4, Anker für Antriebselektroden 5a und 5b/6a und 6b, Anker für Antriebserfassungselektroden 15a und 15b/16a und 16b und Anker für Winkelgeschwindigkeitserfassungselektroden 12 und 13/22 und 23. Diese Anker sind durch Verdrahtungsleitungen, die auf der auf das Siliziumsubstrat aufgebrachten Isolationslage ausgebildet sind, mit nicht gezeigten Verbindungselektroden verbunden.
Unter Verwendung eines lithografischen Halbleiterprozesses werden Federbalken b1 bis b4 aus leitendem polykristallinem Silizium, die in Richtung einer x-Achse und einer y-Achse sehr flexibel sind, ausgebildet, so dass sie auf dem Siliziumsubstrat schwimmen und jeweils mit dem Schwimmanker a1 bis a4 verbunden sind. Auf ähnliche Weise werden Kopplungsbalken c1 und c2 ausgebildet, von denen jeder die Form einer Bandplatte hat und die mit den Federbalken b1 bis b4 verbunden sind. Die Kopplungsbalken c1 und c2 sind bezüglich der x-Achse und der y-Achse symmetrisch, die durch die Mitte O des Sensors gehen. Die Schwimmanker a1 bis a4 und die Federbalken b1 bis b4 sind bezüglich der x-Achse und der y-Achse symmetrisch verteilt.
Ein erster Antriebsrahmen 7 und ein zweiter Antriebsrahmen 17 werden jeweils von den Kopplungsbalken c1 und c2 über vier Federbalken 31 bis 34/35 bis 38 gestützt, die in der x-Richtung sehr flexibel sind und die mit den Kopplungsbalken und den Antriebsrahmen verbunden sind. Der erste und zweite Antriebsrahmen 7 und 17 sind rechtwinklige Rahmen, mit denen ein erster Vibrator 11 und ein zweiter Vibrator 21 als eine Einheit und inwärtig verbunden sind. Diese Bestandteile schwimmen ebenfalls auf dem Siliziumsubstrat und sind aus leitendem polykristallinem Silizium hergestellt.
Der erste und zweite Antriebsrahmen 7 und 17 und der erste und zweite Vibrator 11 und 21 haben symmetrische Formen und befinden sich bezüglich der x-Achse und y-Achse, die durch die Mitte O des Sensors gehen, an symmetrischen Positionen. Die Federbalken 31 bis 34/35 bis 38 sind ebenfalls bezüglich der x-Achse und der y-Achse symmetrisch.
Die beiden zur y-Achse parallelen Seiten von jedem der beiden Antriebsrahmen 7 und 17 umfassen kammartige bewegliche Elektroden, deren Finger oder Segmente in der y-Richtung in gleichen Abständen verteilt sind und in der x-Richtung vorstehen. Andererseits umfasst jede der Antriebselektroden 5a und 5b/6a und 6b und Antriebserfassungselektroden 15a und 15b/16a und 16b, die aus dem leitenden polykristallinen Silizium hergestellt sind und mit dem entsprechenden Elektrodenanker verbunden sind, eine kammartige feste Elektrode, deren Finger in die Zwischenräume der y-gerichteten Verteilung der Finger der beweglichen Elektrode vorstehen und in y-Richtung verteilt sind.
An die Antriebselektroden 5a und 5b und 6a und 6b werden abwechselnd Spannungen angelegt, die höher als das Potential der Antriebsrahmen 7 und 17 sind (das im Wesentlichen gleich der Massepotentialhöhe einer den Sensor enthaltenden Apparatur ist), wodurch eine Vibration der Antriebsrahmen 7 und 17 in x-Richtung erzeugt wird. Um die Antriebsrahmen 7 und 17 in eine Resonanzgabelschwingung zu versetzen, werden die x-gerichteten Vibrationen der Antriebsrahmen 7 und 17 in Gegenphase gebracht.
Ein erstes Vibrationssystem, das aus dem Antriebsrahmen 7 und dem Vibrator 11 besteht, und ein zweites Vibrationssystem, das aus dem Antriebsrahmen 17 und dem Vibrator 21 besteht, werden dazu gebracht, die Resonanzgabelschwingungen vorzunehmen, wodurch eine x-gerichtete Oszillation mit einer hohen Energieeffizienz erzielt wird. Die Resonanzfrequenzen der x-gerichteten Vibrationen des ersten und zweiten Antriebsrahmens 7 und 17 sind übrigens so gestaltet, dass sie gleich sind. Um die Empfindlichkeit bei der Erfassung einer Winkelgeschwindigkeit zu erhöhen, sind die Resonanzfrequenzen der y-gerichteten Vibration der Antriebsrahmen so gestaltet, dass sie um mehrere 100 Hz höher als die Resonanzfrequenzen der x-gerichteten Vibrationen sind.
Da die Antriebsrahmen 7 und 17 die Resonanzgabelschwingungen in der x-Richtung durchführen, schwanken die Kapazitäten zwischen dem Antriebsrahmen 7 und den Antriebserfassungselektroden 15a und 16a gegenphasig und schwanken die Kapazitäten zwischen dem Antriebsrahmen 17 und den Antriebserfassungselektroden 15b und 16b gegenphasig zu den Kapazitätsschwankungen zwischen dem Antriebsrahmen 7 und den Antriebserfassungselektroden 15a und 16a.
Jeder der Vibratoren 11 und 21, der mit dem entsprechenden Antriebsrahmen 7 oder 17 eine Einheit bildet, liegt im Wesentlichen in Form eines Rahmens vor, bei dem eine Vielzahl von in x-Richtung verlaufenden Querbalken in gleichen Abständen in der y-Richtung existieren. In dem Zwischenraum zwischen den in y-Richtung benachbarten Querbalken existiert ein Paar fester Erfassungselektroden 12 und 13/22 und 23 aus leitendem polykristallinem Silizium. Diese Elektroden werden auf dem Substrat jeweils vom entsprechenden Anker für die Erfassungselektroden gestützt und sind mit den Ankern elektrisch verbunden.
Obwohl die Erfassungselektrodenpaare 12 und 13 (22 und 23) voneinander isoliert sind, sind jene Erfassungselektroden der Erfassungselektrodenpaare 12 und 13 (22 und 23), die zum Erfassen der Vibration in der y-Richtung (y-gerichtete Versetzung) des Vibrators 11 (21) zusammengehören und die an entsprechenden Positionen zwischen den Paaren liegen, gemeinsam mit einer elektrischen Zuführung und dann mit Ladungsverstärkern 46 und 47 (56 und 57) verbunden.
Wenn während der x-gerichteten Gabelschwingung der Vibratoren 11 und 21 eine Winkelgeschwindigkeit um eine durch die Mitte O gehende z-Achse herum wirkt, führen diese Vibratoren 11 und 21 elliptische Vibrationen durch, die auch y-axiale Komponenten haben und die zueinander gegenphasig sind. Somit unterliegen die Elektroden 12 und 13/22 und 23 in Übereinstimmung mit den y-gerichteten Vibrationen Kapazitätsschwankungen. Die Kapazitätsschwankungen der Elektroden 12 und 13 und auf ähnliche Weise auch jene der Elektroden 22 und 23 sind zueinander gegenphasig. Da die y-gerichteten Vibrationen der Vibratoren 11 und 21 hier in Gegenphase sind, sind auch die Kapazitätsschwankungen der Elektroden 12 und 22 und auf ähnliche Weise jene der Elektroden 13 und 23 zueinander gegenphasig.
Ein Messregler TCR erzeugt Antriebssignale A und B zum Antreiben der Antriebsrahmen 7 und 17 mit den Resonanzfrequenzen in der x-Richtung, um die erzeugten Signale an die Treiberschaltkreise 41 und 51 anzulegen. Er legt auch Synchronisationssignale für eine Synchronerfassung an die Synchronerfassungsschaltkreise 45a, 45b, 50a und 50b an.
Die Treiberschaltkreise 41/51 legen gleichzeitig mit den jeweiligen Antriebssignalen A und B Antriebsspannungen (Impulse) an die Antriebselektroden 5a und 6a/5b und 6b an. Somit werden die Vibratoren 11 und 21 zusammen mit den jeweils entsprechenden Antriebsrahmen 7 und 17 in x-Richtung gegenphasig in Vibrationen versetzt. Aufgrund dieser Vibrationen schwanken die Kapazitäten der Antriebserfassungselektroden 15a und 16a/15b und 16b gegenphasig. Ladungsverstärker 42a und 43a/42b und 43b wandeln die Schwankungen der Kapazitäten in Spannungsschwankungen um (Kapazitätssignale). Ausgangssignaleinstellschaltkreise (variable Regelverstärker) stellen die Spitzenhöhen der Spannungsschwankungen ein, so dass sie im Wesentlichen gleich sind, und legen die eingestellten Höhen an Differenzverstärker 44a/44b an.
Die Differenzverstärker 44a/44b differenzverstärken die angelegten (gegenphasigen) Kapazitätssignale. Sie erzeugen Differenzsignale, in denen jeweils die Amplitude eines Kapazitätssignals im Wesentlichen verdoppelt ist und in denen sich die Rauschkomponenten der Kapazitätssignale aufheben, Die erzeugten Differenzsignale werden Ausgangssignaleinstellungen unterzogen (werden von variablen Regelverstärkern verstärkt), wobei die resultierenden Signale an den Messregler TCR und einen Differenzverstärker 61 angelegt werden. Der Differenzverstärker 61 differenzverstärkt die empfangenen Signale und legt das resultierende Signal an Synchronerfassungsschaltkreise 45a und 45b an. Der Synchronerfassungsschaltkreis 45a erfasst das Differenzsignal, das durch den Differenzverstärker 61 angelegt ist, also eine x-gerichtete Vibrationserfassungsspannung, die die x-gerichtete Vibration ausdrückt, gleichzeitig mit einem Synchronisationssignal, das mit dem Antriebssignal gleichphasig ist. Er erzeugt ein Phasensignal, das den Phasenunterschied der x-gerichteten Vibration bezüglich des Antriebsimpulssignals ausdrückt. Das erzeugte Phasensignal wird an den Messregler TCR angelegt. Andererseits erfasst der Synchronerfassungsschaltkreis 45b das Differenzsignal, das durch den Differenzverstärker 61 angelegt wird, also eine x-gerichtete Vibrationserfassungsspannung, die die x- gerichtete Vibration ausdrückt, gleichzeitig mit einem Synchronisationssignal, das mit dem Antriebssignal gleichphasig ist. Er erzeugt ein Amplitudensignal, das die Amplitude der x-gerichteten Vibration ausdrückt. Das erzeugte Amplitudensignal wird ebenfalls an den Messregler TCR angelegt.
Der Messregler TCR führt den Treiberschaltkreisen 41 und 51 Phasenverschiebungssignale und Spannungsanweisungssignale zu, um die durch die Phasensignale ausgedrückten Phasen und die durch die Amplitudensignale ausgedrückten Amplituden der x-gerichteten Vibrationen jeweils mit voreingestellten Werten in Übereinstimmung zu bringen. Die Treiberschaltkreise 41 und 51 verschieben nach dem Empfang der Phasenverschiebungssignale und der Spannungsanweisungssignale die Phasen der Ausgangsantriebsspannungen bezüglich der Antriebssignale in Übereinstimmung mit den Phasenverschiebungssignalen und auch die Höhen der Ausgangsspannungen in Übereinstimmung mit den Spannungsanweisungssignalen. In einem Zustand, in dem die Phasenverschiebungssignale und Amplitudensignale der Synchronerfassungsschaltkreise 45a und 45b im Wesentlichen an die voreingestellten Werte angeglichen sind, sind die x-gerichteten Vibrationen oder Resonanzgabelschwingungen der Antriebsrahmen 7 und 17 stabilisiert.
Wenn während der stabilen Resonanzgabelschwingungen eine Winkelgeschwindigkeit um die durch die Mitte O gehende z-Achse herum wirkt, wirken Coriolis-Kräfte auf die Antriebsrahmen 7 und 17, die sie dazu veranlassen, elliptische Vibrationen vorzunehmen, die zusätzlich zu den x-gerichteten Vibrationen y-gerichtete Vibrationen enthalten. Die Antriebsrahmen 7 und 17 werden dabei von den jeweiligen Federbalken 31 bis 34 und 35 bis 38 gestützt, die in der x-Richtung sehr flexibel, aber in der y-Richtung sehr starr sind, so dass die Kopplungsbalken c1 und c2 zusammen mit den Antriebsrahmen 7 und 17 in y-Richtung vibrieren. Da die y-gerichteten Vibrationen der Antriebsrahmen 7 und 17 zueinander gegenphasig sind, erfahren die Kopplungsbalken c1 und c2 eine Torsionsvibration (Drall) um die durch die Mitte O gehende z-Achse herum.
Die Kapazitäten der beiden Erfassungselektroden 12 und 13 zum Erfassen der y-gerichteten Vibration des mit dem Antriebsrahmen 7 einheitlichen Vibrators 11 schwanken gegenphasig und die Ladungsverstärker 46 und 47 erzeugen Kapazitätssignale, die die Schwankungen ausdrücken. Ausgangssignaleinstellschaltkreise (variable Regelverstärker) stellen die Spitzenhöhen der Spannungsschwankungen ein, so dass sie im Wesentlichen gleich sind, und legen die eingestellten Signale an einem Differenzverstärker 48 an. Der Differenzverstärker 48 erzeugt ein Differenzsignal beider Signale, d.h. ein Differenzsignal, in dem die Amplitude eines Kapazitätssignals im Wesentlichen verdoppelt ist und in dem sich die Rauschkomponenten der Kapazitätssignale aufheben. Das erzeugte Differenzsignal wird an einen Differenzverstärker 49 angelegt, nachdem seine Höhe durch einen Ausgangssignaleinstellschaltkreis (variabler Regelverstärker) eingestellt wurde. Ein ähnliches Differenzsignal, das auf den Kapazitäten der beiden Erfassungselektroden 22 und 23 zum Erfassen der y-gerichteten Vibration des mit dem Antriebsrahmen 17 einheitlichen Vibrators 21 beruht, wird ebenfalls an den Differenzverstärker 49 angelegt. Demnach ist das Differenzausgangssignal des Differenzverstärkers 49 ein Erfassungssignal, in dem die durch die Winkelgeschwindigkeit verursachte y-gerichtete Vibration verstärkt wird, indem Rauschkomponenten, die gleichzeitig auf die entsprechenden Signalverarbeitungsschaltkreise des ersten Vibrators 11 und zweiten Vibrators 21 wirken, mit im Wesentlichen denselben Höhen gelöscht werden und indem die y-gerichteten Versetzungskomponenten (die auch Rauschkomponenten sind) des ersten und zweiten Vibrators 11 und 21, die gleichzeitig auf diese Vibratoren wirken, unter Berücksichtigung von Störungen, wie beispielsweise Beschleunigung, Verzögerung oder Vibration, in demselben Sinn gelöscht werden. Das Erfassungssignal bietet eine hohe Empfindlichkeit beim Erfassen der Winkelgeschwindigkeit und ein hohes Signalrauschverhältnis.
Das Differenzausgangssignal bzw. Erfassungssignal wird an den Synchronerfassungsschaltkreis 50a und 50b angelegt. Der Synchronerfassungsschaltkreis 50a erfasst das Erfassungssignal gleichzeitig mit einem Synchronisationssignal, das mit dem Antriebssignal gleichphasig ist, und er erzeugt ein Phasensignal, das die Richtung der Winkelgeschwindigkeit ausdrückt. Der Synchronerfassungsschaltkreis 50b erzeugt ein Amplitudensignal, das den Absolutwert der Winkelgeschwindigkeit ausdrückt.
Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel sind die Ausgangssignaleinstellschaltkreise (Verstärker, deren Verstärkung einstellbar ist) enthalten. Selbst wenn sich bei der Differenzanordnung aufgrund verschiedener Gründe ein Ungleichgewicht der Signale entwickelt, werden deshalb an den Ausgangsstufen der Ladungsverstärker und, falls nötig, an den Eingangsstufen der Differenzverstärker die Antriebssignale eingestellt, wodurch die Rauschkomponenten der Signale für die Antriebserfassung und Winkelgeschwindigkeitserfassung reduziert werden können und nebenbei das Ungleichgewicht zwischen den Erfassungssignalen eingestellt werden kann. Deshalb können das Signalrauschverhältnis und die Winkelgeschwindigkeitserfassung verbessert werden und der verfügbare Prozentsatz der Sensorartikel kann erhöht werden, um Kosten sparen.

Claims

Winkelgeschwindigkeitssensor, mit: einem Substrat (100); einer Vielzahl von schwimmenden Stützelementen (b1–b8, c, 1, 2, 8, 18), die von dem Substrat (100) gestützt werden und in einer durch die Mitte (O) des Sensors gehenden x-Richtung (x) und/oder y-Richtung (y) flexibel sind; einem Schleifenfederbalken (3), der in der x-Richtung (x) und y-Richtung (y) flexibel ist und von der Vielzahl von schwimmenden Stützelementen (b1–b8, c, 1, 2, 8, 18) gestützt wird, um bezüglich des Substrats (100) in sich entlang einer xy-Ebene erstreckenden Richtungen vibriert zu werden; und einer Oszillationseinrichtung (4, 5, 6) zum Antreiben zumindest eines jener Punkte des Schleifenfederbalkens (3), die sich mit der x-Richtung (x) oder y-Richtung (y) kreuzen, um in einer sich in der x-Richtung (x) oder y-Richtung (y) erstreckenden Richtung zu vibrieren, gekennzeichnet durch einen ersten Antriebsrahmen (7) und einen zweiten Antriebsrahmen (17), die jeweils mit einem Kreuzungspunkt des Schleifenfederbalkens (3) mit der x-Richtung (x) verbunden sind, wobei der erste Antriebsrahmen (7) und der zweite Antriebsrahmen (17) an bezüglich der y-Richtung (y) symmetrischen Positionen liegen und von schwimmenden Stützelementen (8, 18) der Vielzahl von schwimmenden Stützelementen (b1–b8, c, 1, 2, 8, 18) gestützt werden, die in der x-Richtung (x) flexibel sind; einen ersten Vibrator (11), der in dem ersten Antriebsrahmen (7) angeordnet ist und mit ersten Federbalken (9, 10) verbunden ist, die in der y-Richtung (y) flexibel sind und mit dem ersten Antriebsrahmen (7) verbunden sind; einen zweiten Vibrator (21), der in dem zweiten Antriebsrahmen (17) angeordnet ist und mit zweiten Federbalken (19, 20) verbunden ist, die in der y-Richtung (y) flexibel sind und mit dem zweiten Antriebsrahmen (17) verbunden sind; eine erste Versetzungserfassungseinrichtung (12, 13) zum Erfassen einer y-gerichteten Vibration des ersten Vibrators (11); und eine zweite Versetzungserfassungseinrichtung (22, 23) zum Erfassen einer y-gerichteten Vibration des zweiten Vibrators (21).
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, mit: einem dritten Antriebsrahmen (77) und einem vierten Antriebsrahmen (87), die jeweils mit einem Kreuzungspunkt des Schleifenfederbalkens (3) mit der y-Richtung (y) verbunden sind, wobei der dritte Antriebsrahmen (77) und vierte Antriebsrahmen (87) an bezüglich der x-Richtung (x) symmetrischen Positionen liegen und durch schwimmende Stützelemente (1, 2) der Vielzahl von schwimmenden Stützelementen (b1–b8, c, 1, 2, 8, 18) gestützt werden, die in der y-Richtung (y) flexibel sind; einem dritten Vibrator (81), der in dem dritten Antriebsrahmen (77) angeordnet ist und mit dritten Federbalken (79, 80) verbunden ist, die in der x-Richtung (x) flexibel sind und mit dem dritten Antriebsrahmen (77) verbunden sind; einem vierten Vibrator (91), der in dem vierten Antriebsrahmen (87) angeordnet ist und mit vierten Federbalken (89, 90) verbunden ist, die in der x-Richtung (x) flexibel sind und mit dem vierten Antriebsrahmen (87) verbunden sind; einer dritten Versetzungserfassungseinrichtung (82, 83) zum Erfassen einer x-gerichteten Vibration des dritten Vibrators (81); und einer vierten Versetzungserfassungseinrichtung (92, 93) zum Erfassen einer x-gerichteten Vibration des vierten Vibrators (91).
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Vibratoren (11, 21, 81, 91) Elemente sind, die jeweils die Form eines Rahmens haben, und die Versetzungserfassungseinrichtungen (12, 13, 22, 23, 82, 83, 92, 93) innerhalb der jeweiligen Vibratoren (11, 21, 81, 91) liegen.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die schwimmenden Stützelemente (1, 2, 8, 18), die die Antriebsrahmen (7, 17, 77, 87) stützen, Federbalken sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 4, bei dem die Vielzahl von schwimmenden Stützelementen (b1–b8, c, 1, 2, 8, 18) außerdem ein Rahmenelement (c), das mit den die Antriebsrahmen (7, 17, 77, 87) stützenden Federbalken (1, 2, 8, 18) verbunden ist, und Federbalken (b1-b4) umfassen, die in der x-Richtung (x) und der y-Richtung (y) flexibel sind und jeweils an einem Ende mit dem Rahmenelement (c) verbunden sind und an dem anderen Ende an dem Substrat (100) fixiert sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die den Winkelgeschwindigkeitssensor bildenden Elemente bezüglich der Mitte (O) des Sensors gesamt in Punktsymmetrie aufgereiht sind.