DE69831108T2

DE69831108T2 - Drehgeschwindigkeitsaufnehmer

Info

Publication number: DE69831108T2
Application number: DE69831108T
Authority: DE
Inventors: Shogo Nagaokakyo-shi Yoshino; Mamoru Nagaokakyo-shi Ishibe; Tomio Nagaokakyo-shi Shibano
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2018-02-27
Also published as: EP0862048A3; JPH10300478A; JP3702607B2; US6122962A; EP0862048A2; EP0862048B1; DE69831108D1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Winkelgeschwindigkeitserfassungselement und eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung, die beispielsweise zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit eines Drehbauglieds geeignet ist.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Ein Winkelgeschwindigkeitserfassungselement für eine Verwendung bei einer Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung erfasst allgemein eine Corioliskraft ansprechend auf eine Winkelgeschwindigkeit, die an das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement angelegt ist. Wenn beispielsweise eine externe Winkelgeschwindigkeit um die Z-Achse eines Winkelgeschwindigkeitserfassungselements unter der Bedingung angelegt ist, dass ein bewegbarer Körper des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements konstant in die X-Achse schwingt, wirkt eine Corioliskraft auf den bewegbaren Körper in die Y-Achse senkrecht zu der X-Achse. Die Verschiebung bzw. Verlagerung des bewegbaren Körpers, die durch die Corioliskraft bewirkt wird, wird in einer Veränderung bei einem piezoelektrischen Wiederstandswert oder einer Kapazität erfasst und somit wird der Betrag der Winkelgeschwindigkeit erfasst.
16 und 17 zeigen ein Beispiel eines herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitserfassungselements, das in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 6-123632 offenbart ist. Ein ähnliches Element ist in der EP0709653A gezeigt.
Hier sind die Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 1 der herkömmlichen Technik und ein quadratisches Substrat 2 gezeigt, das der Hauptkörper der Winkelgeschwindigkeitserfassungsvorrichtung 1 ist, und das Substrat 2 ist beispielsweise aus Silizium mit hohem Wiederstandswert hergestellt.
Ferner sind ein Paar von Schwingträgerkörpern 3, 3, die auf dem Substrat 2 angeordnet sind, um einen quadratischen bewegbaren Körper 7 zwischen der linken Seite und der rechten Seite des Substrats 2 anzuordnen, ein Paar von Erfassungsträgerkörpern 4, 4, die auf dem Substrat 2 angeordnet sind, um den bewegbaren Körper 7 zwischen der vorderen Seite und der hinteren Seite des Substrats 2 (zwischen der oberen Seite und der unteren Seite auf der Seite beider 16 und 17) anzuordnen, gezeigt.
Ein Paar von Trägerseitenschwingelektroden 5, 5 ist auf der linken Seite und der rechten Seite angeordnet, wie es gezeigt ist, und ist integriert mit den Trägerkörpern 3, 3 gebildet und angeordnet, um denselben zugewandt zu sein. Vier Elektrodenplatten 5A, 5A, ... stehen in einer kammförmigen Weise von den jeweiligen Trägerseitenschwingelektroden 5, 5 vor.
Trägerseitenerfassungselektroden 6, 6 sind an der oberen Seite und der unteren Seite angeordnet, wie es gezeigt ist, und sind mit den Trägerkörpern 4, 4 integriert gebildet und angeordnet, um denselben zugewandt zu sein. Vier Elektrodenplatten 6A, 6A, ... stehen von den jeweiligen Trägerseitenerfassungselektroden 6, 6 vor.
Der bewegbare Körper 7 ist aus Polysilizium mit niedrigem Widerstandswert oder Einkristallsilizium, das mit P, B, Sb oder dergleichen dotiert ist, hergestellt und der bewegbare Körper 7 ist an dem Substrat 2 mit einer Beabstandung, die zwischen dem bewegbaren Körper 7 und der oberen Oberfläche des Substrats 2 zugelassen ist, durch vier Trägerabschnitte 8 an dem Substrat 2 nahe den vier Ecken desselben und vier Trägerbalken 9 getragen, die jeweils in einer L-förmigen Konfiguration gebogen sind und einen Abschnitt, der sich parallel zu der X-Achse erstreckt, und einen Abschnitt aufweisen, der sich parallel zu der Y-Achse erstreckt.
Da der bewegbare Körper 7 durch die L-förmigen Trägerbalken 9 desselben getragen ist, wird der bewegbare Körper 7 in die Richtung der X-Achse verschoben, wenn der Abschnitt jedes Balkens 9 parallel zu der Y-Achse ausgelenkt wird, und der bewegbare Körper 7 wird in die Richtung der Y-Achse verschoben, wenn der Abschnitt jedes Balkens 9 parallel zu der X-Achse ausgelenkt wird, und der bewegbare Körper 7 ist somit in beide Richtungen der X-Achse und der Y-Achse verschiebbar. Ferner ist der bewegbare Körper 7 auf der linken und der rechten Seite desselben, wie gezeigt ist, integriert mit Schwingelektroden 10, 10 der bewegbaren Seite gebildet, die später beschrieben werden sollen und die mit den Trägerseiten-Schwingelektroden 5 interdigital in Eingriff gebracht sind, und der bewegbare Körper 7 ist an der oberen Seite und der unteren Seite desselben, wie gezeigt ist, integriert mit Erfassungselektroden 11, 11 der bewegbaren Seite gebildet, die mit den Trägerseiten-Erfassungselektroden 6 interdigital in Eingriff gebracht sind.
Jede der Schwingelektroden 10, 10 der bewegbaren Seite ist aus vier Elektrodenplatten 10A aufgebaut, die in einer kammartigen Weise an der linken und der rechten Seite des bewegbaren Körpers 7 in die Richtung der X-Achse angeordnet sind, wobei die vier Elektrodenplatten 10A mit den jeweiligen Elektrodenplatten 5A jeder der Trägerseiten-Schwingelektroden 5 mit einem Zwischenraum zwischen denselben interdigital in Eingriff gebracht sind.
Jede der Schwingelektroden 11, 11 der bewegbaren Seite ist aus vier Elektrodenplatten 11A aufgebaut, die in einer kammartigen Weise an der oberen und der unteren Seite des bewegbaren Körpers 7 in die Richtung der Y-Achse angeordnet sind, wobei die vier Elektrodenplatten 11A mit den jeweiligen Elektrodeplatten 6A jeder der Trägerseiten-Erfassungselektroden 6 mit einem Zwischenraum zwischen denselben interdigital in Eingriff gebracht sind.
Mit 12, 12 sind Schwingungsgeneratoren bezeichnet und jeder der Schwingungsgeneratoren 12 ist durch die Trägerseiten-Schwingelektrode 5 und die Schwingelektrode 10 der bewegbaren Seite gebildet und gleiche Zwischenräume sind zwischen jeder Elektrodenplatte 5A der Trägerseiten-Schwingelektrode 5 und jeder Elektrodenplatte 10A der Schwingelektrode 10 der bewegbaren Seite gebildet.
Wenn zwei Treibersignale, die eine Frequenz f und entgegengesetzte Phasen zueinander aufweisen und durch einen Oszillator (nicht gezeigt) erzeugt werden, an die Schwingungsgeneratoren 12 auf der linken bzw. der rechten Seite angelegt sind, findet eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Elektrodenplatten 5A, 10A in den Schwingungsgeneratoren 12 abwechselnd auf der linken Seite und der rechten Seite statt und somit wiederholt jeder der Schwingungsgeneratoren 12 Schließ- und Trennungshandlungen. Der bewegbare Körper 7 schwingt somit in die Richtung eines Pfeils a in Ausrichtung mit der X-Achse.
Mit 13, 13 sind Winkelgeschwindigkeitsdetektoren bezeichnet und jeder Winkelgeschwindigkeitsdetektor 13 ist durch die Trägerseiten-Erfassungselektrode 6 und die Erfassungselektrode 11 der bewegbaren Seite gebildet und gleiche Zwischenräume sind zwischen jeder Elektrodenplatte 6A der Trägerseiten-Erfassungselektrode 6 und jeder Elektrodenplatte 11A der Erfassungselektrode 11 der bewegbaren Seite gebildet. Die Trägerseiten-Erfassungselektroden 6, 11 sind als ein Planparallelkondensator aufgebaut und jeder Winkelgeschwindigkeitsdetektor 13 erfasst eine Veränderung bei einem wirksamen Bereich zwischen der Elektrodenplatten 6A und 11A als eine Kapazitätsveränderung.
Wenn die Treibersignale entgegengesetzter Phase der Frequenz f an die Schwingungsgeneratoren 12 in dem so aufgebauten Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 1 angelegt sind, findet eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Elektrodenplatten 5A und 10A abwechselnd zwischen dem linken Schwingungsgenerator 12 und dem rechten Schwingungsgenerator 12 statt und der bewegbare Körper 7 schwingt in die Richtung des Pfeils a in Ausrichtung mit der X-Achse aufgrund von wiederholten Elektrodenschließ- und Teilungshandlungen.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω auf das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 1 um die Z-Achse wirkt, wobei der bewegbare Körper 7 schwingt, wird eine Corioliskraft (Trägheit) in die Richtung der Y-Achse erzeugt und der bewegbare Körper 7 wird in die Richtung der Y-Achse unter einer Corioliskraft F verschoben, wie es in Gleichung 2 unten ausgedrückt ist.
Wenn der Schwingungsgenerator 12 den bewegbaren Körper 7 in die X-Achse verschiebt, sind eine Verschiebung x und eine Geschwindigkeit V wie in Gleichung 1 ausgedrückt.
[Gleichung 1]

x = A sin ω1 t V = A ω1 cos ω1 t wobei

A:

Amplitude des bewegbaren Körpers 7

ω₁:

Winkelfrequenz eines Treiber-Mode

t:

Zeit

Wenn eine Winkelgeschwindigkeit Ω um die Z-Achse angelegt ist, wobei der bewegbare Körper 7 durch eine Verschiebung x in die Richtung der X-Achse mit einer Geschwindigkeit V verschoben wird, findet eine Corioliskraft F in die Richtung der Y-Achse statt, wie es in Gleichung 2 ausgedrückt ist.
[Gleichung 2]

F = 2mΩV[Gleichung 2]wobei

m:

Masse des bewegbaren Körpers 7

Ω:

Winkelgeschwindigkeit

Der bewegbare Körper 7 schwingt unter der Corioliskraft F, die in Gleichung 2 ausgedrückt ist, in die Richtung der Y-Achse und der Winkelgeschwindigkeitsdetektor 13 erfasst die Verschiebung des bewegbaren Körpers 7 als eine Kapazitätsveränderung zwischen den Erfassungselektroden 11 der bewegbaren Seite und den Trägerseiten-Erfassungselektroden 6 und erfasst somit die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Z-Achse.
Da jeder Schwingungsgenerator 12 durch die Trägerseiten-Schwingelektrode 5, die die Elektrodenplatte 5A aufweist, und die Schwingelektrode 10 der bewegbaren Seite gebildet ist, die die Elektrode 10A aufweist, sind große, einander zugewandte wirksame Bereiche zwischen den Elektroden 5 und 10 sichergestellt. Wenn die Treibersignale den Schwingungsgeneratoren 12 zugeführt werden, wird die elektrostatische Anziehungskraft, die zwischen den Elektrodenplatten 5A und den entsprechenden Elektrodenplatten 10A stattfindet, groß genug, um den bewegbaren Körper 7 stark in die Richtung des Pfeils a zu schwingen.
Da zusätzlich jeder Winkelgeschwindigkeitsdetektor 13 ebenfalls durch die Trägerseiten-Erfassungselektrode 6, die die Elektrodenplatte 6A aufweist, und die Erfassungselektrode 11 der bewegbaren Seite gebildet ist, die die Elektrodenplatten 11A aufweist, sind große, einander zugewandte wirksame Bereiche zwischen den Erfassungselektroden 6 und 11 sichergestellt. Jeder Winkelgeschwindigkeitsdetektor 13 erfasst die Verschiebung des bewegbaren Körpers 7 in die Richtung der Y-Achse in der Form einer Kapazitätsveränderung, die aus einer Veränderung bei den wirksamen Bereichen zwischen den Elektrodenplatten 6A und den entsprechenden Elektrodenplatten 11A entsteht.
Wie es aus den Gleichungen 1 und 2 deutlich ist, ist die Corioliskraft F proportional zu der Geschwindigkeit V des bewegbaren Körpers 7 in dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 1 und die Geschwindigkeit V des bewegbaren Körpers 7 ist proportional zu der Amplitude des bewegbaren Körpers 7. Es ist ohne weiteres zu verstehen, dass die Erfassungsempfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1 erhöht ist, wenn die Amplitude einer Schwingung des bewegbaren Körpers 7 größer wird. Aus diesem Grund ist bei dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 1 der herkömmlichen Technik die Frequenz f des Treibersignals, das durch die Oszillatorschaltung ausgegeben wird, gesetzt, um mit der natürlichen Oszillationsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1 zusammenzufallen, so dass der bewegbare Körper 7 in Resonanz schwingt.
Da das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 1 der herkömmlichen Technik, wie es oben beschrieben ist, jedoch so kompliziert ist, weisen die natürlichen Oszillationsfrequenzen der Winkelgeschwindigkeitserfassungselemente 1, wie dieselben hergestellt sind, aufgrund von Herstellungsfehlern oder dergleichen keine gleichen Werte auf. Wenn aus diesem Grund das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 1 mit der Oszillatorschaltung verbunden ist, ist ein Einstellschritt auf einer individuellen Basis erforderlich, so dass die Frequenz des Treibersignals, das durch die Oszillatorschaltung ausgegeben wird, eingestellt wird, um mit der natürlichen Oszillationsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1 übereinzustimmen.
Bei dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement der herkömmlichen Technik ist ferner, selbst falls die Frequenz des Ausgangssignals von der Oszillationseinrichtung mit der natürlichen Oszillationsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1 übereinstimmt, die Erfassungsemp findlichkeit einer Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung wesentlich verschlechtert, wenn die natürliche Oszillationsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 1 sich aufgrund eines Alterns oder dergleichen verändert.
Die DE 19530007A offenbart einen Drehgeschwindigkeitssensor, der zumindest einen Oszillator aufweist, der angeregt ist, um in eine erste Richtung zu oszillieren, und mit einer Drehbewegung um die Z-Achse aufgrund von Corioliskräften definiert ist, die in die zweite Richtung auftreten. Der Oszillator ist mit einem Erfassungselement durch ein elastisches Element verbunden. Das elastische Element weist eine geringe Steifigkeit in die erst Richtung und eine große Steifigkeit in die zweite Richtung auf. Das Detektorelement erfasst Kräfte in die zweite Richtung. Ein Substrat ist vorgesehen und das Detektorelement mit Auslenkungsfedern ist in dem Substrat verankert. Die Auslenkungsfedern weisen eine geringe Steifigkeit in die erste Richtung und eine große Steifigkeit in die zweite Richtung auf.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung zu schaffen, die eine konstante Schwingung eines bewegbaren Körpers bei einer Resonanzfrequenz realisieren kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung vor, die ein Winkelgeschwindigkeitserfassungselement aufweist, die der zuvor erwähnten Forderung genügen. Das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement weist ein Substrat, ein Paar von beabstandeten Trägerkörpern, die auf dem Substrat angeordnet sind und zumindest ein Paar von Trägerseitenelektroden aufweisen, die einander zugewandt sind, einen bewegbaren Körper, der zwischen den Trägerkörpern angeordnet ist und zumindest ein Paar von Elektroden der bewegbaren Seite aufweist, die den Trägerseitenelektroden zugewandt sind, und einen Schwingungsgenerator zum Schwingen des bewegbaren Körpers in eine Richtung auf.
Das Paar von Trägerseitenelektroden, das an den Trägerkörpern befestigt ist, und das Paar von Elektroden der bewegbaren Seite, die an dem bewegbaren Körper befestigt sind, sind strukturiert und angeordnet, um ein Paar von Verschiebungsdetektoren zu bilden, die die Verschiebung des bewegbaren Körpers in eine Richtung erfassen, wenn der Schwingungsgenerator eine Schwingung in eine Richtung auf den bewegbaren Körper überträgt, und um ein Paar von Winkelgeschwindigkeitsdetektoren zum Erfassen einer Verschiebung senkrecht zu der einen Richtung, in die der bewegbare Körper schwingt, wenn eine Winkelgeschwindigkeit auf den bewegbaren Körper wirkt, als eine Winkelgeschwindigkeit zu bilden.
Bei dieser Anordnung schwingt der bewegbare Körper in eine Richtung, wenn ein externes Treibersignal an den Schwingungsgenerator angelegt ist, und wenn eine Winkelgeschwindigkeit unter dieser Bedingung wirkt, findet eine Corioliskraft statt, wobei der bewegbare Körper in eine Richtung senkrecht zu der Schwingungsrichtung verschoben wird.
Basierend auf einem Verschiebungssignal, das durch jeden Verschiebungsdetektor ausgegeben wird, wird die Verschiebung des bewegbaren Körpers, der in eine Richtung durch den Schwingungsgenerator geschwungen wird, erfasst. Basierend auf einem Winkelgeschwindigkeitssignal jedoch, das durch jeden Winkelgeschwindigkeitsdetektor ausgegeben wird, wird die Verschiebung des bewegbaren Körpers in die senkrechte Richtung erfasst, die durch eine Corioliskraft bewirkt wird. Da das durch den Winkelgeschwindigkeitsdetektor erfasste Signal das Verschiebungssignal und das Winkelgeschwindigkeitssignal umfasst, werden das Winkelgeschwindigkeitssignal und das Verschiebungssignal getrennt ausgegeben.
Der Verschiebungsdetektor kann die Verschiebung des bewegbaren Körpers basierend auf einer Kapazitätsveränderung zwischen den Trägerseitenelektroden und den Elektroden der bewegbaren Seite erfassen, wenn ein wirksamer Bereich zwischen den Trägerseitenelektroden und den Elektroden der bewegbaren Seite oder ein Zwischenraum zwischen den Trägerseitenelektroden und den Elektroden der bewegbaren Seite sich verändert, und der Winkelgeschwindigkeitsdetektor erfasst die Winkelgeschwindigkeit basierend auf einer Kapazitätsveränderung zwischen den Trägerseitenelektroden und den Elektroden der bewegbaren Seite, wenn ein wirksamer Bereich zwischen den Trägerseitenelektroden und den Elektroden der bewegbaren Seite oder ein Zwischenraum zwischen den Trägerseitenelektroden und den Elektroden der bewegbaren Seite sich verändert.
Bei der obigen Anordnung erfasst jeder Verschiebungsdetektor die Verschiebung des bewegbaren Körpers in eine Richtung als eine Kapazität, die aus einer Veränderung bei dem wirksamen Bereich zwischen den Elektroden oder des Zwischenraums zwischen den Elektroden entsteht, und jeder Winkelgeschwindigkeitsdetektor erfasst die Verschiebung des bewegbaren Körpers in die senkrechte Richtung als eine Kapazität, die aus einer Veränderung bei dem Zwischenraum zwischen den Elektroden oder dem wirksamen Bereich zwischen den Elektroden entsteht.
Wenn der bewegbare Körper in eine Richtung geschwungen wird, erhöht oder verringert sich das Verschiebungssignal, das durch jeden Verschiebungsdetektor ausgegeben wird, während das Winkelgeschwindigkeitssignal, das durch jeden Winkelgeschwindigkeitsdetektor ausgegeben wird, unverändert bleibt, und wenn der bewegbare Körper in eine senkrechte Richtung verschoben wird, erhöht oder verringert sich das Winkelgeschwindigkeitssignal, das durch jeden Winkelgeschwindigkeitsdetektor ausgegeben wird, gemäß dieser Verschiebung, während das Verschiebungssignal, das durch jeden Verschiebungsdetektor ausgegeben wird, unverändert bleibt.
Die Trägerseitenelektrode kann bei einer antennenähnlichen Konfiguration aus einer Mehrzahl von Stützen, die sich von dem Trägerkörper in eine Richtung senkrecht zu dem Trägerkörper erstrecken, und eine Mehrzahl von Elektrodenplatten aufgebaut sein, die sich jeweils in eine Richtung von beiden Seite jeder Stütze erstrecken, und die Elektrode der bewegbaren Seite ist bei einer antennenähnlichen Konfiguration aus einer Mehrzahl von Stützen, die sich in die Richtung der gleichen Achse wie die jeweiligen Stützen der Trägerseitenelektrode erstrecken, und eine Mehrzahl von Elektrodenplatten aufgebaut, die sich jeweils von beiden Seiten jeder Stütze erstrecken und den jeweiligen Elektrodenplatten der Trägerseitenelektrode mit einem Zwischenraum zwischen denselben zugewandt sind.
Bei dieser Anordnung erfasst der Verschiebungsdetektor die Verschiebung des bewegbaren Körpers in eine Richtung als das Verschiebungssignal basierend auf einer Kapazitätsveränderung des wirksamen Bereichs zwischen der Elektrode der bewegbaren Seite und der Trägerseitenelektrode, beide in einer antennenähnlichen Konfiguration, und der Winkelgeschwindigkeitsdetektor erfasst die Verschiebung des bewegbaren Körpers in die senkrechte Richtung basierend auf einer Kapazitätsveränderung, die aus dem Zwischenraum zwischen der Elektrode der bewegbaren Seite und der Trägerseitenelektrode entsteht, beide in einer antennenähnlichen Konfiguration, als das Winkelgeschwindigkeitssignal.
Beide Verschiebungsdetektoren sind mit Bezug auf den bewegbaren Körper gepaart und beide Winkelgeschwindigkeitsdetektoren sind mit Bezug auf den bewegbaren Körper gepaart und durch ein Ermöglichen, dass jeder Verschiebungsdetektor das Verschiebungssignal ausgibt, werden das Treibersignal und das Winkelgeschwindigkeitssignal, das in dem erfassten Signal enthalten ist, durch das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement getrennt ausgegeben.
Die Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Winkelgeschwindigkeitserfassungselement, das in der Form einer Kapazitätsveränderung eine Verschiebung in eine Richtung senkrecht zu einer Schwindungsrichtung eines bewegbaren Körpers erfasst, wenn eine externe Winkelgeschwindigkeit bei dem bewegbaren Körper wirkt, der in eine Richtung relativ zu einem Trägerkörper geschwungen wird; eine Oszillationseinrichtung zum Ausgeben eines Treibersignals, das eine Frequenz aufweist, die dem Steuersignal entspricht, um eine Schwingung in eine Richtung auf dem bewegbaren Körper des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements zu übertragen; eine Verschiebungsberechnungseinrichtung zum Berechnen der Verschiebung des bewegbaren Körpers basierend auf einer Veränderung bei einer Kapazität, die bei dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement stattfindet, wobei die Oszillationseinrichtung die Schwingung in eine Richtung auf den bewegbaren Körper der Winkelgeschwindigkeitserfassungseinrichtung überträgt; eine Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung zum Berechnen des Betrags einer Winkelgeschwindigkeit, die auf den bewegbaren Körper wirkt, basierend auf einer Veränderung bei einer Kapazität, die bei dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement stattfindet, wenn die Winkelgeschwindigkeit auf das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement wirkt; eine Multipliziereinrichtung zum Multiplizieren des Verschiebungssignals und des Treibersignals, um eine Phasendifferenz zwischen denselben zu berechnen, wobei das Verschiebungssignal durch die Verschiebungsberechnungseinrichtung ausgegeben wird und das Treibersignal durch die Oszillationseinrichtung ausgegeben wird; und eine Frequenzsteuereinrichtung zum Ausgeben des Steuersignals zum Steuern der Frequenz des Treibersignals ansprechend auf das Eingeben eines multiplizierten Signals von der Multipliziereinrichtung, so dass eine Phasendifferenz von 90 Grad zwischen dem Treibersignal, das durch die Oszillationseinrichtung ausgegeben wird, und dem Verschiebungssignal, das durch die Verschiebungsberechnungseinrichtung ausgegeben wird, stattfindet, aufweisen.
Bei dieser Anordnung schwingt der bewegbare Körper in dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement, der durch das Treibersignal getrieben ist, das durch die Oszillationseinrichtung ausgegeben wird, in die eine Richtung. Wenn dann eine Winkelgeschwindigkeit auf das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement wirkt, verschiebt eine Corioliskraft den bewegbaren Körper in die senkrechte Richtung. Die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung berechnet eine Veränderung bei einer Kapazität, die aus der Verschiebung des bewegbaren Körpers in die senkrechte Richtung entsteht, wie es durch das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement ausgegeben wird, um das Winkelgeschwindigkeitssignal zu erhalten.
Die Verschiebungsberechnungseinrichtung bestimmt eine Veränderung bei einer Kapazität, die aus der Verschiebung des bewegbaren Körpers aufgrund einer Schwingung entsteht, die in die eine Richtung in dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement stattfindet. Die Multipliziereinrichtung multipliziert das Verschiebungssignal, das durch die Verschiebungsberechnungseinrichtung ausgegeben wird, mit dem Treibersignal, das durch die Oszillationseinrichtung ausgegeben wird, um eine Phasendifferenz zwischen denselben als ein multipliziertes Signal zu berechnen. Ansprechend auf das multiplizierte Signal, das durch die Multipliziereinrichtung ausgegeben wird, veranlasst die Frequenzsteuereinrichtung das Verschiebungssignal, sich von dem Treibersignal in einer Phase um 90 Grad zu verschieben, um die Frequenz des Treibersignals zu steuern, das durch die Oszillationseinrichtung ausgegeben wird.
Auf diese Weise führt die Frequenzsteuereinrichtung eine Rückkopplungssteuerung durch, setzt die Phasendifferenz zwischen dem Treibersignal und dem Verschiebungssignal, um 90 Grad zu betragen, veranlasst die Frequenz des Treibersignals, das durch die Oszillationseinrichtung ausgegeben wird, mit der natürlichen Oszillationsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements übereinzustimmen, und schwingt den bewegbaren Körper des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements in Resonanz.
Die Oszillationseinrichtung kann eine spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung aufweisen, die die Frequenz des Treibersignals, das zu dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement ausgegeben wird, ansprechend auf das Steuersignal variiert, das durch die Frequenzsteuereinrichtung ausgegeben wird, und die Frequenzsteuereinrichtung weist eine Integrationsschaltung zum Integrieren des multiplizierten Signals, das durch die Multipliziereinrichtung ausgegeben wird, und eine Steuersignalsetzschaltung zum Bestimmen, ob ein integriertes Signal, das durch die Integrationsschaltung ausgegeben wird, Null ist, zum Setzen eines voreingestellten Referenzsignals, das eine Phasendifferenz von 90 Grad zwischen dem Treibersignal und dem Verschiebungssignal bewirkt, wenn das integrierte Signal Null ist, als das Steuersignal und zum Setzen eines Werts, der durch ein Durchführen einer Addition oder einer Subtraktion zwischen dem integrierten Signal und dem Referenzsignal erhalten wird, wenn das integrierte Signal nicht Null ist, als das Steuersignal auf.
Bei dieser Anordnung wandelt die Integrationsschaltung das multiplizierte Signal, das durch die Multipliziereinrichtung ausgegeben wird, in einen Gleichstrom um und das Steuersignal, das der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung zugeführt werden soll, wird durch die Steuersignalsetzschaltung gesetzt, um das voreingestellte Referenzsignal zu sein, das eine Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen dem Treibersignal und dem Verschiebungssignal bewirkt, wenn das integrierte Signal Null ist, und wird durch die Steuersignalsetzschaltung gesetzt, um der Wert zu sein, der durch ein Durchführen einer Addition oder einer Subtraktion zwischen dem integrierten Signal und dem Referenzsignal erhalten wird, wenn das integrierte Signal nicht Null ist. Auf diese Weise wird eine Rückkopplungssteuerung durchgeführt, so dass die Frequenz des Treibersignals, das durch die Oszillationseinrichtung ausgegeben wird, mit der natürlichen Oszillationsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements übereinstimmt, und damit der bewegbare Körper des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements in Resonanz schwingt.
Das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement kann ein Substrat, ein Paar von beabstandeten Trägerkörpern, die an dem Substrat angeordnet sind und Trägerseitenelektroden aufweisen, die einander zugewandt sind, einen bewegbaren Körper, der zwischen den Trägerkörpern angeordnet ist und ein Paar von Elektroden der bewegbaren Seite aufweist, die den Trägerseitenelektroden zugewandt sind, und einen Schwingungsgenerator zum Schwingen des bewegbaren Körpers in eine Richtung aufweisen.
Bei dieser Anordnung schwingt der bewegbare Körper in eine Richtung, wenn ein externes Treibersignal von der Oszillationseinrichtung an den Schwingungsgenerator angelegt ist und wenn eine Winkelgeschwindigkeit um die vertikale Achse unter dieser Bedingung wirkt, findet eine Corioliskraft statt, die den bewegbaren Körper in eine Richtung senkrecht zu der Schwingungsrichtung verschiebt. Die Verschiebung des bewegbaren Körpers in die Richtung senkrecht zu der einen Richtung wird basierend auf einer Veränderung bei einer Kapazität zwischen der Trägerseitenelektrode und der Elektrode der bewegbaren Seite erfasst.
Zum Zweck eines Darstellens der Erfindung sind in den Zeichnungen mehrere Formen gezeigt, die gegenwärtig bevorzugt sind, wobei jedoch klar ist, dass die Erfindung nicht auf die gezeigten präzisen Anordnungen und Instrumentalitäten begrenzt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Funktionsblockdiagramm, das allgemein eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockdiagramm, das die Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Draufsicht, die den Aufbau des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements zeigt.
4 ist eine vergrößerte Draufsicht, die den Winkelgeschwindigkeitsdetektor und den Verschiebungsdetektor des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements zeigt.
5 ist eine Draufsicht, die den Zustand zeigt, bei dem der bewegbare Körper in die Richtung des Pfeils a schwingt.
6 ist eine Draufsicht, die den Zustand zeigt, bei dem der bewegbare Körper in die Richtung des Pfeils F schwingt.
7 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die den Verschiebungsdetektor zeigt.
8 ist ein Signalverlaufsdiagramm, das die addierte Kapazität und die subtrahierte Kapazität zeigt, die durch den Verschiebungsdetektor erfasst werden, wenn der bewegbare Körper in die Richtung lediglich des Pfeils a schwingt.
9 ist ein Signalverlaufsdiagramm, das die addierte Kapazität, die subtrahierte Kapazität, ein Erfassungsreferenzsignal, eine Corioliskomponente zeigt, die durch den Verschiebungsdetektor erfasst werden, wenn der bewegbare Körper in die beiden Richtungen des Pfeils a und des Pfeils F schwingt.
10 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung zeigt.
11 ist ein Signalverlaufsdiagramm, das die Ausgangssignalverläufe von der Oszillatorschaltung, einer Addiererschaltung, einer Subtrahiererschaltung, einer Multipliziererschaltung, einer Integrationsschaltung und einer Steuersignalsetzschaltung zeigt, wenn der bewegbare Körper sich in Resonanz befindet.
12 ist ein Signalverlaufsdiagramm, das die Ausgangssignalverläufe von der Oszillatorschaltung, der Addiererschaltung, der Subtrahiererschaltung, der Multipliziererschaltung, der Integrationsschaltung und der Steuersignalsetzschaltung zeigt, wenn der bewegbare Körper außer Resonanz ist.
13 ist ein Signalverlaufsdiagramm, das die Ausgangssignalverläufe von der Oszillatorschaltung, der Addiererschaltung, der Subtrahiererschaltung, der Multipliziererschaltung, der Integrationsschaltung und der Steuersignalsetzschaltung zeigt, wenn der bewegbare Körper außer Resonanz ist.
14 ist eine Draufsicht, die die erste Modifikation des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements aus dem gleichen Winkel wie in 4 betrachtet zeigt.
15 ist eine Draufsicht, die die zweite Modifikation des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements aus dem gleichen Winkel wie in 4 betrachtet zeigt.
16 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements der herkömmlichen Technik zeigt.
17 ist eine Draufsicht, die das herkömmliche Winkelgeschwindigkeitserfassungselement von 16 zeigt.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Hierin sind im Folgenden die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Zuerst wird mit Bezug auf das Funktionsblockdiagramm, das in 1 gezeigt ist, die Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein beschrieben. Wie es in 1 gezeigt ist, weist die Winkelmessvorrichtung 4 ein Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 101, das in der Form einer Veränderung bei einer Kapazität eine Verschiebung in eine Richtung senkrecht zu einer Schwingungsrichtung eines bewegbaren Körpers erfasst, der in eine Richtung relativ zu einem Trägerkörper geschwungen wird; eine Oszillationseinrichtung 102 zum Ausgeben eines Treibersignals, das eine Frequenz aufweist, die einem Steuersignal entspricht, um eine Schwingung in eine Richtung auf den bewegbaren Körper des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 101 zu übertragen; eine Verschiebungsberechnungseinrichtung 103 zum Berechnen der Verschiebung des bewegbaren Körpers basierend auf der Veränderung bei einer Kapazität, die in dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 101 stattfindet, wobei die Oszillationseinrichtung 102 die Schwingung in eine Richtung auf den beweg baren Körper der Winkelgeschwindigkeitserfassungseinrichtung 101 überträgt; eine Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung 104 zum Berechnen des Betrags einer Winkelgeschwindigkeit, die auf den bewegbaren Körper wirkt, basierend auf der Veränderung bei einer Kapazität, die in dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 101 stattfindet, wenn die Winkelgeschwindigkeit auf das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 101 wirkt; eine Multipliziereinrichtung 105 zum Multiplizieren eines Verschiebungssignals und des Treibersignals, um eine Phasendifferenz zwischen denselben zu berechnen, wobei das Verschiebungssignal durch die Verschiebungsberechnungseinrichtung 103 ausgegeben wird und das Treibersignal durch die Oszillationseinrichtung 102 ausgegeben wird; und eine Frequenzsteuereinrichtung 106 zum Ausgeben des Steuersignals zum Steuern der Frequenz des Treibersignals ansprechend auf das Eingeben eines multiplizierten Signals der Multipliziereinrichtung 105 auf, so dass eine Phasendifferenz von 90 Grad zwischen dem Treibersignal, das durch die Oszillationseinrichtung 102 ausgegeben wird, und dem Verschiebungssignal, das durch die Verschiebungsberechnungseinrichtung 103 ausgegeben wird, stattfindet.
Bei dieser Anordnung schwingt der bewegbare Körper in dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 101, getrieben durch das Treibersignal, das durch die Oszillationseinrichtung 102 ausgegeben wird, in die eine Richtung. Wenn dann eine Winkelgeschwindigkeit auf das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 101 wirkt, verschiebt eine Corioliskraft den bewegbaren Körper in die senkrechte Richtung. Die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung 104 berechnet eine Veränderung bei einer Kapazität, die aus der Verschiebung des bewegbaren Körpers in die senkrechte Richtung entsteht, wie es durch das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 101 ausgegeben wird, um das Winkelgeschwindigkeitssignal zu erhalten.
Die Verschiebungsberechnungseinrichtung 103 bestimmt eine Veränderung bei einer Kapazität, die aus der Verschiebung des bewegbaren Körpers aufgrund eines Schwingens entsteht, das in die eine Richtung in dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 101 stattfindet. Die Multipliziereinrichtung 105 multipliziert das Verschiebungssignal, das durch die Verschiebungsberechnungseinrichtung 103 ausgegeben wird, mit dem Treibersignal, das durch die Oszillationseinrichtung 102 ausgegeben wird, um eine Phasendifferenz zwischen denselben zu berechnen, als ein multipliziertes Signal. Ansprechend auf das multiplizierte Signal, das durch die Multipliziereinrichtung 105 ausgegeben wird, veranlasst die Frequenzsteuereinrichtung 106 das Verschiebungssignal, sich von dem Treibersignal in einer Phase um 90 Grad zu verschieben, um die Frequenz des Treibersignals zu steuern, das durch die Oszillationseinrichtung 102 ausgegeben wird.
In dieser Weise führt die Frequenzsteuereinrichtung 106 eine Rückkopplungssteuerung durch, setzt die Phasendifferenz zwischen dem Treibersignal und dem Verschiebungssignal, um 90 Grad zu betragen, veranlasst die Frequenz des Treibersignals, das durch die Oszillationseinrichtung 102 ausgegeben wird, mit der natürlichen Oszillationsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 101 übereinzustimmen, und schwingt den bewegbaren Körper des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 101 in Resonanz.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun detaillierter mit Bezug auf 2 – 15 erörtert. Komponenten, die mit diesen, die in Verbindung mit der oben beschriebenen herkömmlichen Technik beschrieben sind, identisch sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die Beschreibung derselben wird nicht wiederholt.
Mit Bezug auf 2 weist die Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung 21 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung ein Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 und Komponenten einschließlich einer Oszillatorschaltung 41, die mit einer Frequenzsteuerschaltung 45 verbunden ist, die später beschrieben werden soll, zum Steuern des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 auf.
Mit Bezug auf 3 bis 6 wird das bei dem Ausführungsbeispiel verwendete Winkelgeschwindigkeitserfassungselement erörtert.
Es sind das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 und ein rechteckiges Substrat gezeigt, das ein Körper des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 ist, und das Substrat 23 ist aus Silizium mit hohem Widerstandswert hergestellt.
Ein Paar von Schwingträgerkörpern 24, 24 ist an dem Substrat 23 angeordnet, so dass ein bewegbarer Körper 28, der später beschrieben werden soll, zwischen beiden Körpern 24, 24 von links und rechts angeordnet ist. Ein Paar von Erfassungsträgerkörpern 25, 25 ist an dem Substrat 23 angeordnet, derart, dass der bewegbare Körper 28 zwischen beiden Trägerkörpern 25, 25 von vorne und hinten (von der oberen und der unteren Seite auf den Seiten von 3 bis 6) angeordnet ist. Jeder Trägerkörper 25 ist mit einem Basisabschnitt 25A versehen, der entlang der X-Achse erweitert ist. Eine kammförmige Trägerseitenelektrode 26, die später beschrieben werden soll, ist integriert mit jedem Trägerkörper 24 gebildet und eine antennenähnliche Trägerseitenelektrode 27 ist integriert mit dem Basisabschnitt 25A jedes Trägerkörpers 25 gebildet.
Die kammförmigen Trägerseitenelektroden 26, 26 sind aus einer Mehrzahl von Elektrodenplatten 26A aufgebaut, die von den Schwingträgerkörpern 24, 24 erweitert sind, die an dem Substrat 23 an sowohl der linken als auch der rechten Seite desselben angeordnet sind.
Die antennenähnlichen Trägerseitenelektroden 27, 27, ... bilden eine antennenähnliche Trägerseitenelektrodengruppe und sind bei regelmäßigen Intervallen entlang der Längsrichtung des Basisabschnitts 25A angeordnet und jede ist aus einer Stütze 27A, die sich in die Richtung der Y-Achse erstreckt, und einer Mehrzahl von Elektrodenplatten 27B aufgebaut, die sich jeweils von der Stütze 27A nach links und nach rechts erstrecken. Die antennenähnliche Trägerseitenelektrode 27, die ganz links von dem Basisabschnitt 25A angeordnet ist, weist Elektrodenplatten 27B an der rechten Seite derselben lediglich der Stütze 27A auf.
Der bewegbare Körper 28, der an dem Substrat 23 angeordnet ist, weist eine allgemein H-förmige Konfiguration auf, und ist aus Silizium mit niedrigem Widerstandswert, Einkristall-Silizium oder dergleichen hergestellt und ist durch vier Trageabschnitte 29 desselben, die starr an dem Substrat 23 bei den vier Ecken desselben angebracht sind, und durch vier horizontal ausgerichtete U-förmige Balken 30 desselben getragen, die mit den jeweiligen Trägerabschnitten 29 verbunden sind. Der bewegbare Körper 28 ist somit durch die Balken 30 in die eine Richtung in Ausrichtung mit der X-Achse und in die senkrechte Richtung in Ausrichtung mit der Y-Achse in einem Zustand verschiebbar getragen, der den bewegbaren Körper 28 von der oberen Oberfläche des Substrats 23 beabstandet hält.
Der bewegbare Körper 28 weist zwei stabähnliche Abschnitte 28A, 28A auf, die sich in die Richtung der Y-Achse erstrecken und deren Enden mit den jeweiligen Balken 30 verbunden sind, und der bewegbare Körper 28 weist ferner einen Verbindungsabschnitt 28B auf, der sich in die Richtung der X-Achse erstreckt, um beide stabähnliche Abschnitte 28A bei den mittleren Positionen derselben zu verbinden. Kammförmige Elektroden 31, 31, ..., die mit den kammförmigen Trägerseitenelektroden 26 interdigital in Eingriff gebracht sind, wie es später beschrieben wird, sind mit den stabähnlichen Abschnitten 28A des bewegbaren Körpers 28 an den externen Seiten derselben integriert gebildet und eine Mehrzahl von antennenartigen Elektroden 32, die mit den antennenähnlichen Trägerseitenelektroden 27 interdigital in Eingriff gebracht sind, sind mit dem Verbindungsabschnitt 28B an beiden Seiten desselben integriert gebildet.
Die kammförmigen Elektroden der bewegbaren Seite 31, 31 ... sind aus einer Mehrzahl von Elektrodenplatten 31A aufgebaut, die sich extern in die Richtung der X-Achse von den stabähnlichen Abschnitten 28A, 28A des bewegbaren Körpers 28 erstrecken, so dass die Elektrodenplatten 31A den Elektrodenplatten 26A der jeweiligen kammförmigen Trägerseitenelektroden 26 zugewandt sind.
Die antennenartigen Elektroden der bewegbaren Seite 32, 32, ... bilden die antennenähnliche Elektrodengruppe der bewegbaren Seite und weisen Stützen 32A, die sich in die Richtung der Y-Achse in regelmäßigen Intervallen von beiden Seiten des Verbindungsabschnitts 28B des bewegbaren Körpers 28 erstrecken, um den antennenähnlichen Trägerseiten-Elektrodenplatten 27 zugewandt zu sein, und eine Mehrzahl von Elektrodenplatten 32B auf, die an beiden Seiten jeder Stütze 32A angeordnet sind. Die antennenähnliche Elektrode der bewegbaren Seite 32, die ganz links von dem Verbindungsabschnitt 28B angeordnet ist, weist eine Stütze 32A auf, die mit lediglich rechten Elektroden 32B versehen ist.
Mit 33, 33 sind Schwingungsgeneratoren bezeichnet und jeder Schwingungsgenerator 33 ist aus einer kammförmigen Trägerseitenelektrode 26 und einer kammförmigen Elektrode 31 der bewegbaren Seite aufgebaut und gleiche Zwischenräume sind zwischen den Elektrodenplatten 26A der kammförmigen Trägerseitenelektrode 26 und den jeweiligen Elektrodenplatten 31A der kammförmigen Elektrode 31 der bewegbaren Seite gelassen, wie es in 3 gezeigt ist. Wenn eine Oszillatorschaltung 41 (2) ein Treibersignal VD einer Frequenz f einer Antiphase zwischen die kammförmige Trägerseitenelektrode 26 und die kammförmige Elektrode 31 der bewegbaren Seite anlegt, findet eine elektrostatische Anziehungskraft abwechselnd zwischen den Elektrodenplatten 26A und 31A statt, um den bewegbaren Körper 28 in die Richtung eines Pfeils a zu schwingen.
Mit 34, 34 sind Winkelgeschwindigkeitsdetektoren bezeichnet und jeder Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 ist in umgebenen Bereichen gebildet, die durch die stabähnlichen Abschnitte 28A und den Verbindungsabschnitt 28B des bewegbaren Körpers 28 definiert sind, und ist aus den antennenähnlichen Trägerseiten-Elektrodenplatten 27, die die antennenähnliche Trägerseitenelektrodengruppe bilden, und der Mehrzahl von antennenähnlichen Elektroden 32 der bewegbaren Seite gebildet, die die antennenähnliche Elektrodengruppe der bewegbaren Seite bilden.
Mit Bezug auf 4 ist, wenn die Elektrodenplatten 27B die die antennenähnlichen Trägerseitenelektroden 27 bilden, und die Elektrodenplatten 32B, die die antennenähnlichen Elektroden 32 der bewegbaren Seite bilden, interdigital in Eingriff gebracht sind, ein anfänglicher wirksamer Bereich zwischen benachbarten Elektrodenplatten 27B und 32B S0 und anfängliche Zwischenräume wechseln zwischen einem schmalen Zwischenraum d0 und einem breiten Zwischenraum d0' ab. In diesem Fall sind die Zwischenräume d0 und d0' bilateral symmetrisch um den Verbindungsabschnitt 28B zwischen über und unter demselben.
In dem anfänglichen Zustand ist die Beziehung zwischen einer Kapazität C0 eines Planparallelkondensators des schmalen Zwischenraums d0 und eine Kapazität C0' eines Planparallelkondensators des breiten Zwischenraums d0' in Gleichung 3 ausgedrückt.
[Gleichung 3]

C0 >> C0']

Wenn der Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 bei dem anfänglichen Zustand funktionsunfähig ist, ist der Planparallelekondensator lediglich durch den schmalen Zwischenraum d0 gebildet. Wenn folglich eine externe Kraft auf das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 wirkt, wird die Verschiebung des bewegbaren Körpers 28 in die Richtung der Y-Achse als eine Veränderung bei einer Kapazität erfasst, die durch den schmalen Zwischenraum d0 beigetragen wird.
Mit 35, 35 sind Verschiebungsdetektoren bezeichnet und jeder Verschiebungsdetektor 35 ist durch die antennenähnliche Trägerseitenelektrode 27 ganz links von dem Basisabschnitt 25A und die antennenähnliche Elektrode 32 der bewegbaren Seite ganz links von dem Verbindungsabschnitt 28B gebildet und erfasst die Verschiebung des bewegbaren Körpers 28 in die Richtung des Pfeils a (3) gemäß einer Erfassungsoperation, wie es später beschrieben wird, während derselbe ebenfalls als der Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 zum Erfassen der Verschiebung des bewegbaren Körpers 28 in die Richtung von F fungiert.
Mit Bezug auf 4 – 6 wird nun die Erfassungsoperation der Winkelgeschwindigkeitsdetektoren 34 und der Verschiebungsdetektoren 35 erörtert.
Wenn das Treibersignal VD in dem anfänglichen Zustand nicht an die Schwingungsgeneratoren 33 angelegt ist, beträgt der wirksame Bereich zwischen benachbarten Elektrodenplatten 27B und 32B bei jedem Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 S0 und die Zwischenräume zwischen den benachbarten Elektrodenplatten 27B und 32B wechseln zwischen dem schmalen Zwischenraum d0 und dem breiten Zwischenraum d0' ab, wie es in 4 gezeigt ist.
Wenn das Treibersignal VD an die Schwingungsgeneratoren 33 angelegt ist, schwingt der bewegbare Körper 28 in die Richtung des Pfeils a in Ausrichtung mit der X-Achse, wie es in 5 gezeigt ist. Die Zwischenräume d0 und d0' zwischen den benachbarten Elektrodenplatten 27B und 32B bei dem Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 bleiben unverändert, aber der wirksame Bereich S0 verändert sich.
Nun wird eine antennenähnliche Trägerseitenelektrode 27 des Winkelgeschwindigkeitsdetektors 34 betrachtet und in Verbindung mit den Elektrodenplatten 27B auf der linken Seite und der rechten Seite der Stütze 27A wird der wirksame Bereich S0 zwischen der antennenähnlichen Elektrode 32 der bewegbaren Seite durch eine Veränderung bei einem Bereich ΔS0 auf der rechten Seite der Stütze 27A verringert und wird durch eine Veränderung bei einem Bereich ΔS0 auf der linken Seite der Stütze 27A erhöht.
Eine Kapazität C auf der linken und der rechten Seite der Stütze 27A wird durch eine Veränderung bei einer Kapazität –ΔC1 verringert und durch eine Veränderung bei einer Kapazität +ΔC1 erhöht, wobei beide einander bei der einen antennenähnlichen Trägerseitenelektrode 27 aufheben. Folglich umfasst das Winkelgeschwindigkeitssignal, das durch den Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 zwischen den Trägerkörpern 25 und dem bewegbaren Körper 28 erfasst wird, keine Verschiebung, die aus der Schwingung des bewegbaren Körpers 28 in die Richtung des Pfeils a entsteht.
Der Verschiebungsdetektor 35 wird nun betrachtet und, da jeder Verschiebungsdetektor 35 durch die linkeste antennenähnliche Elektrode 27 und die linkeste antennenähnliche Elektrode 32 der bewegbaren Seite gebildet ist, werden beide Verschiebungssignale, die durch die Verschiebungsdetektoren 35 ausgegeben werden, eines über und das andere unter dem Verbindungsabschnitt 28B, als durch eine Veränderung bei einer Kapazität –ΔC2 verringert erfasst, wobei der wirksame Bereich S0 durch einen Dekrementbereich von ΔS0 bei allen Signalen reduziert ist, wenn der bewegbare Körper 28 in die Richtung von a verschoben wird, wie es in 5 gezeigt ist. Auf diese Weise wird die Verschiebung von (2x–ΔC2) durch ein Addieren der Verschiebungssignale, die durch den Verschiebungsdetektor 35 ausgegeben werden, durch eine Addiererschaltung 43 erfasst, die später beschrieben werden soll.
Wenn eine externe Kraft auf das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 wirkt, wird der bewegbare Körper 28 in die Richtung von F verschoben, wie es in 6 gezeigt ist, bleibt der wirksame Bereich S0 zwischen den Elektrodenplatten 27B und 32B in jedem Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 unverändert und wird die Erfassungsoperation lediglich unter Verwendung des schmalen Zwischenraums d0 durchgeführt.
Der obere und der untere Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 werden nun mit Bezug auf den Verbindungsabschnitt 28B betrachtet und bei dem oberen Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 wird der Zwischenraum d0 zwischen den Elektrodenplatten 27B und 32B durch eine Veränderung bei einem Zwischenraum Δd0 erhöht, was in einem Verschiebungssignal resultiert, das die Wirkung einer Veränderung bei einer Kapazität (–ΔC3) aufweist. Bei dem unteren Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 jedoch wird der Zwischenraum d0 zwischen den Elektrodenplatten 27B und 32B durch eine Veränderung bei einem Zwischenraum Δd0 verringert, was in einem Verschiebungssignal resultiert, das die Wirkung einer Veränderung bei einer Kapazität (+ΔC3) aufweist. Das Verschiebungssignal von (2x–ΔC3) wird durch ein Subtrahieren der Winkelgeschwindigkeitssignale, die durch die Winkelgeschwindigkeitsdetektoren 34 ausgegeben werden, durch eine Subtrahiererschaltung 42 erfasst. Jeder Verschiebungsdetektor 35 wirkt in der gleichen Weise wie der Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34.
Wie es oben beschrieben ist, erfasst das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 somit die Schwingung des bewegbaren Körpers 28 in die Richtung eines Pfeils a durch die Verschiebungsdetektoren 35 und die Verschiebung des bewegbaren Körpers 28 in die Richtung des Pfeils F durch die Winkelgeschwindigkeitsdetektoren 34. Neben diesen Signalen erfasst das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 eine Veränderung bei einer Kapazität zwischen dem oberen Trägerkörper 25 und dem bewegbaren Körper 28 als ein erfasstes Signal Vin für die obere Seite und erfasst eine Veränderung bei einer Kapazität zwischen dem unteren Trägerkörper 25 und dem bewegbaren Körper 28 als ein erfasstes Signal Vin für die untere Seite.
Die Erfassungsoperation durch den Verschiebungsdetektor 35 wird nun mit Bezug auf 7 – 9 spezifischer erörtert.
7 ist eine vergrößerte Ansicht des Verschiebungsdetektors 35 und der Zweckmäßigkeit halber stellt hier L0 die Länge dar, bei der sich die Elektrodenplatte 27B der antennenähnlichen Trägerseitenelektrode 27 und die Elektrodenplatte 32B der antennenähnlichen Elektrode 32 der bewegbaren Seite koextensiv erstrecken, stellt die Veränderung bei der Länge L0 ΔL0 dar, stellt ΔL eine Amplitude einer Verschiebung dar, stellt d0 den schmalen Zwischenraum zwischen den Elektrodenplatten 27B und den Elektrodenplatten 32B dar, stellt Δd0 eine Veränderung bei dem Zwischenraum d0 dar und stellt Δd eine Amplitude einer Verschiebung dar. Ferner stellt W die Höhe der Elektrodenplatte 32B der antennenähnlichen Elektrode 32 der bewegbaren Seite dar, stellt ω die Winkelgeschwindigkeit des Treibersignals VD dar, das an den bewegbaren Körper 28 angelegt ist, und stellt E die Dielektrizitätskonstante der Atmosphäre in dem bewegbaren Körper 28 dar.
Die Beziehung zwischen der Veränderung bei der Länge ΔL0 und der Amplitude einer Verschiebung ΔL und die Beziehung zwischen der Veränderung bei dem Zwischenraum Δd0 und der Amplitude einer Verschiebung Δd sind in Gleichung 4 ausgedrückt.
[Gleichung 4]
Die Beziehung zwischen dem wirksamen Bereich S0 und der Länge L0 und die Beziehung zwischen der Veränderung bei einem Bereich ΔS0 und der Veränderung bei einer Länge ΔL0 sind in Gleichung 5 ausgedrückt.
[Gleichung 5]
Eine Kapazität Cu des oberen Verschiebungsdetektors 35 über den Verbindungsabschnitt B wird berechnet, wie es in Gleichung 6 ausgedrückt ist.
[Gleichung 6]
Eine Kapazität Cd des unteren Verschiebungsdetektors 35 unter dem Verbindungsabschnitt 28B wird berechnet, wie es in Gleichung 7 ausgedrückt ist.
[Gleichung 7]
Die Nenner der Gleichungen 6 und 7 stellen Veränderungen bei dem Zwischenraum d0 dar, die aus der Schwingung des bewegbaren Körpers 28 in die Richtung des Pfeils F entstehen, und die Zähler stellen Veränderungen bei dem wirksamen Bereich S0 dar, die aus der Veränderung bei der Länge L entstehen, die durch die Schwingung des bewegbaren Körpers 28 in die Richtung des Pfeils a bewirkt wird. Aus den Gleichungen 6 und 7 bestimmt ein Addieren von Cu und Cd eine Kapazität, wenn der bewegbare Körper 28 in die Richtung des Pfeils a schwingt, und bestimmt ein Subtrahieren von Cd von Cu eine Kapazität, wenn der bewegbare Körper 28 in die Richtung des Pfeils F schwingt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ermöglicht eine Peripherschaltung, die später beschrieben werden soll, dass der bewegbare Körper 28 stark in Resonanz in die Richtung des Pfeils a schwingt und der bewegbare Körper 28 in die Richtung des Pfeils F 90 Grad weg von dem Treibersignal VD schwingt.
Eine addierte Kapazität CA, die durch ein Addieren der Kapazität Cu zu der Kapazität Cd erhalten wird, ist in Gleichung 8 ausgedrückt.
[Gleichung 8]
Die Amplitude der Verschiebung Δd, die durch eine Corioliskraft bewirkt wird, ist klein genug, so dass d0 >> Δd, und Δd ist somit vernachlässigbar. Gleichung 8 ist zu Gleichung 9 reduziert.
[Gleichung 9]
Eine subtrahierte Kapazität CS, die durch ein Subtrahieren von Cd von Cu erhalten wird, ist in Gleichung 10 ausgedrückt.
[Gleichung 10]
Die Amplitude einer Verschiebung Δd, die durch eine Corioliskraft bewirkt wird, ist klein genug, um d0 >> Δd zu sein, und Δd ist somit vernachlässigbar. Gleichung 10 ist zu Gleichung 11 reduziert.
[Gleichung 11]
Wenn z. B. eine Winkelgeschwindigkeit S nicht um die Z-Achse wirkt, beträt die Veränderung bei einem Zwischenraum Δd0 in die Richtung von F 0 und die addierte Kapazität CA, die durch ein Addieren von Cu und Cd erhalten wird, schwingt mit einer Amplitude von (2εWΔL/d0), die bei einer Kapazität 2C0 zentriert ist, wie es in Gleichung 9 ausgedrückt ist (siehe 8(a)).
Die subtrahierte Kapazität CS, die durch ein Subtrahieren von Cd von Cu erhalten wird, ist Null, wie es in Gleichung 11 ausgedrückt ist (siehe 8(b)).
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit S um die Z-Achse wirkt, schwingt der bewegbare Körper 28 bei einer Veränderung bei einem Zwischenraum Δd0 in die Richtung von F. Da die addierte Kapazität CA nicht die Amplitude einer Verschiebung Δd umfasst, wie es in 9 ausgedrückt ist, wird der gleiche Signalverlauf, der erhalten wird, wenn keine Winkelgeschwindigkeit S wirkt, ebenfalls erhalten (siehe 9(a)).
Die subtrahierte Kapazität CS, einschließlich der Amplitude einer Verschiebung Δd, wie es in 11 ausgedrückt ist, schwingt mit einer Amplitude von (2εWL0ΔL/d0²), die bei 0 zentriert ist (siehe 9(b)).
9 zeigt die Signalverläufe der addierten Kapazität CA, die in Gleichung 8 ausgedrückt ist, und der subtrahierten Kapazität CS, die in Gleichung 11 ausgedrückt ist, wobei der Signalverlauf der subtrahierten Kapazität CS von dem Signalverlauf der addierten Kapazität CA um 90 Grad weg verschoben ist. Durch ein Erfassen und anschließendes Integrieren der subtrahierten Kapazität CS mit einem Erfas sungsreferenzsignal (siehe 9(c)), das 90 Grad von der addierten Kapazität CA weg ist, wird somit lediglich eine Coriolis-Komponente, die proportional zu der Winkelgeschwindigkeit ist, aufgenommen. Wie es in 9(d) ausgedrückt ist, wird die Coriolis-Komponente ausgegeben, nachdem dieselbe durch eine Schaltung verstärkt wird.
Auf diese Weise erfasst das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 dieses Ausführungsbeispiels die Verschiebungen des bewegbaren Körpers 28 in die Richtung von a und in die Richtung von f getrennt unter Verwendung des oberen und des unteren Verschiebungsdetektors 35.
Mit Bezug auf 2 ist nun die Peripherieschaltung erörtert.
Mit 41 ist eine Oszillatorschaltung bezeichnet, die die Oszillationseinrichtung bildet, und die Oszillatorschaltung 41 ist durch einen spannungsgesteuerten Oszillator (einen sog. VCO) gebildet, der später beschrieben werden soll und der die Frequenz f des Treibersignals VD gemäß einem Steuersignal VC verändert. Die Oszillatorschaltung 41 gibt das Treibersignal VD zu jedem Schwingungsgenerator 33 in dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 aus.
Mit 42 ist die Subtrahiererschaltung bezeichnet und die Subtrahiererschaltung 42 gibt als ein subtrahiertes Signal VS das Winkelgeschwindigkeitssignal lediglich der Winkelgeschwindigkeitsdetektoren 34, die in erfassten Signalen Vin enthalten sind, durch ein Subtrahieren eines erfassten Signals Vin von einem anderen erfassten Signal Vin aus, das durch das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 ausgegeben wird. Das subtrahierte Signal VS ist wertmäßig zweimal so groß wie das Winkelgeschwindigkeitssignal, das durch jeden Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 ausgegeben wird.
Mit 43 ist die Addiererschaltung 43 bezeichnet und die Addiererschaltung 43 gibt als ein addiertes Signal VA das Verschiebungssignal lediglich der Verschiebungsdetektoren 35 durch ein Addieren der erfassten Signale Vin aus, die durch das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 ausgegeben werden. Das addierte Signal VA ist wertmäßig zweimal so groß wie das Verschiebungssignal das durch jeden Verschiebungsdetektor 35 ausgegeben wird.
Mit 44 ist eine Multipliziererschaltung bezeichnet und die Multipliziererschaltung 44 gibt ein multipliziertes Signal VM durch ein Multiplizieren des addierten Signals VA das durch die Addiererschaltung 43 ausgegeben wird, mit dem Treibersignal VD, das durch die Oszillatorschaltung 41 ausgegeben wird, aus und das multiplizierte Signal VM stellt eine Phasendifferenz zwischen dem addierten Signal VA und dem Treibersignal VD dar.
Eine C-V-Wandlerschaltung (nicht gezeigt), die aus Halbleiterelementen wie beispielsweise FETs aufgebaut ist, ist mit dem Ausgang des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 verbunden.
Mit 45 ist die Frequenzsteuerschaltung bezeichnet, die die Frequenzsteuereinrichtung bildet, und die Frequenzsteuerschaltung 45 weist eine Integrierschaltung 46 zum Integrieren des multiplizierten Signals VM das durch die Multipliziererschaltung 44 ausgegeben wird, und eine Steuersignalsetzschaltung 47 zum Setzen des Steuersignals VC ansprechend auf das integrierte Signal VI auf, das durch die Integrierschaltung 46 ausgegeben wird.
Die Steuersignalsetzschaltung 47 bestimmt, ob das integrierte Signal VI Null ist, setzt als das Steuersignal VC die voreingestellte Referenzspannung V0, die gesetzt ist, um den bewegbaren Körper 28 in Resonanz zu versetzen, wenn das integrierte Signal VI Null ist, und setzt als das Steuersignal VC den Wert, der durch ein Durchführen einer Addition oder einer Subtraktion an dem integrierten Signal VI und der Referenzspannung V0 erhalten wird, wenn das integrierte Signal VI ungleich Null ist (siehe Schritte 9 – 12 in 10).
Mit 48 ist eine Referenzspannungsversorgung bezeichnet und die Referenzspannungsversorgung 48 gibt die Referenzspannung V0 aus. Die Referenzspannung V0 ist durch eine Berechnung vorbestimmt und wenn die Referenzspannung V0 zu der Oszillatorschaltung 41 als das Steuersignal VC eingegeben wird, erzeugt die Oszillatorschaltung 41 das Treibersignal VD der Frequenz f. Wenn sich der bewegbare Körper 28 unter dem Treibersignal in Resonanz befindet, schwingt der bewegbare Körper 28 theoretisch 90 Grad weg von dem Treibersignal VD in Phase.
Es wird nun angenommen, dass das Treibersignal VD und das addierte Signal VA so sind, wie es in Gleichung 12 ausgedrückt ist. [Gleichung 12]
wobei Φ eine Phasendifferenz darstellt.
Das multiplizierte Signal VM das durch die Multipliziererschaltung 44 ausgegeben wird, ist in Gleichung 13 ausgedrückt. VM = VD × VA = sin θ × sin(θ + Φ) [Gleichung 13]
Um den bewegbaren Körper 28 in Resonanz zu versetzen, wie es bereits in Verbindung mit der herkömmlichen Technik beschrieben ist, ist das Verschiebungssignal (das addierte Signal VA) 90 Grad weg von dem Treibersignal VD in Phase und beträgt ϕ = –90 Grad und die Gleichung 13 ist zu Gleichung 14 wie folgt reduziert. VM = sin2θ [Gleichung 14]
Wenn die Phase um ρ phasenmäßig von ϕ (–90 Grad) weg ist, wird Gleichung 15 abgeleitet. [Gleichung 15]
wobei VDC eine Konstante ist.
Wenn der bewegbare Körper 28 des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 sich in Resonanz befindet, nämlich wenn die Phasendifferenz zwischen dem Treibersignal VD und dem Verschiebungssignal (dem addierten Signal VA) –90 Grad beträgt, findet keine Veränderung bei einer Gleichstromkomponente bei dem multiplizierten Signal VM statt, wie es aus Gleichung 14 ersichtlich ist. Wenn jedoch der Resonanzzustand zerstört ist, wird die Gleichstromkomponente der Konstante VDC bei dem multiplizierten Signal VM addiert oder subtrahiert, wie es aus Gleichung 15 ersichtlich ist.
Dieses Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung fokussiert auf dies und die Frequenz f des Treibersignals VD, das durch die Oszillatorschaltung 41 ausgegeben wird, ist eingestellt, derart, dass die Phasendifferenz zwischen dem Treibersignal VD und dem Verschiebungssignal (dem addierten Signal VA) 90 Grad beträgt, um den bewegbaren Körper 28 in Resonanz zum Schwingen zu bringen.
Die Winkelgeschwindigkeitsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist wie oben beschrieben aufgebaut und das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 weist bei dem grundlegenden Betrieb keinen speziellen Unterschied von der herkömmlichen Technik auf.
Der Betrieb der Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung 21 wird nun mit Bezug auf ein Betriebsflussdiagramm in 10 und Signalverlaufsdiagramme, die in 11–13 gezeigt sind, erörtert.
Bei einem Schritt 1 wird das Steuersignal VC zu der Referenzspannung V0 gesetzt, um die Frequenz f des Treibersignals VD zu setzen, das durch die Oszillatorschaltung 41 ausgegeben wird.
Bei einem Schritt 2 wird das Treibersignal VD der Frequenz f von der Oszillatorschaltung 41 zu den Schwingungsgeneratoren 33 des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 ausgegeben und bei einem Schritt 3 wird der bewegbare Körper 28 bei der Frequenz f in die Richtung des Pfeils a geschwungen.
Wenn eine Winkelgeschwindigkeit S auf das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 um die Z-Achse wirkt, wobei der bewegbare Körper 28 in die Richtung des Pfeils a schwingt, wird der bewegbare Körper 28, der einer Corioliskraft unterliegt, in die Richtung von F verschoben.
Bei einem Schritt 4 werden die erfassten Signale Vin, die durch die Winkelgeschwindigkeitsdetektoren 34 (Verschiebungsdetektoren 35) über und unter dem bewegbaren Körper 28 des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 ausgegeben werden, gelesen und bei einem Schritt 5 gibt, wenn die leseerfassten Signale Vin zu der Subtrahiererschaltung 42 eingegeben werden, die Subtrahiererschaltung 42 das subtrahierte Signal VS (Winkelgeschwindigkeitssignal) aus, das die Verschiebung des bewegbaren Körpers 28 lediglich in die Richtung von F angibt.
Das subtrahierte Signal VS gibt die Verschiebung des bewegbaren Körpers 28 in die Richtung von F durch eine Corioliskraft an und zeigt den Betrag der Winkelgeschwindigkeit S, die zu dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 hinzugefügt ist.
Bei einem Schritt 6 werden die erfassten Signale Vin zu der Addiererschaltung 43 eingegeben und die Addiererschaltung 43 gibt das addierte Signal VA (Verschiebungssignal) aus, das die Schwingung des bewegbaren Körpers 28 lediglich in die Richtung von a angibt.
Bei einem Schritt 7 wird das multiplizierte Signal VM durch ein Multiplizieren des addierten Signals VA und des Treibersignals VD durch die Multipliziererschaltung 44 berechnet und bei einem Schritt 8 integriert die Integrierschaltung 46 das multiplizierte Signal VM, um das integrierte Signal VI zu erhalten.
Bei einem Schritt 9 wird eine Bestimmung vorgenommen, ob das integrierte Signal VI Null ist, und wenn die Antwort „JA" lautet, beträgt die Phasendifferenz zwischen dem addierten Signal VA und dem Treibersignal VD –90 Grad und der bewegbare Körper 28 schwingt in Resonanz und die Sequenz kehrt zu dem Schritt 2 zurück, bei dem das Steuersignal VC zu der Referenzspannung V0 gesetzt wird.
Wenn bei Schritt 9 die Antwort „NEIN" lautet, ist die Phasendifferenz zwischen dem addierten Signal VA und dem Treibersignal VD von –90 Grad verändert und der bewegbare Körper 28 schwingt außer Resonanz und die Sequenz kehrt zu einem Schritt 10 zurück.
Bei dem Schritt 10 wird eine Bestimmung vorgenommen, ob das integrierte Signal VI größer Null ist, und wenn die Antwort „NEIN" lautet, gibt es eine Voreilung von –90 Grad bei einer Phasendifferenz, wird das Steuersignal VC bei einem Schritt 11 zu (V0 + V1) gesetzt und kehrt die Sequenz zu dem Schritt 2 zurück, bei dem der Prozess gestartet wird (siehe 12), wobei das Steuersignal VC zu (V0 + V1) gesetzt ist.
Wenn bei Schritt 10 die Antwort „JA" lautet, gibt es eine Nacheilung von –90 Grad bei einer Phasendifferenz, wird das Steuersignal VC bei einem Schritt 12 zu (V0 – V1) gesetzt und kehrt die Sequenz zu dem Schritt 2 zurück, bei dem der Prozess gestartet wird (siehe 13), wobei das Steuersignal VC zu (V0 – V1) gesetzt ist.
Bei der Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung 21 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das multiplizierte Signal VM entsprechend der Phasendifferenz zwischen dem Treibersignal VD und dem addierten Signal VA durch ein Multiplizieren des Treibersignals VD, das durch die Oszillatorschaltung 41 ausgegeben wird, und des addierten Signals VA (Verschiebungssignal), das durch die Addiererschaltung 43 ausgegeben wird, durch die Multipliziererschaltung 44 bestimmt. Die Frequenzsteuerschaltung 45 integriert das multiplizierte Signal VM durch die Integrierschaltung 46 und bestimmt durch die Steuersignalsetzschaltung 47, ob das integrierte Signal VI Null ist.
Auf diese Weise wird eine Bestimmung vorgenommen, ob die Phasendifferenz zwischen dem Treibersignal VD und dem addierten Signal VA –90 Grad beträgt, und somit wird eine Bestimmung vorgenommen, ob der bewegbare Körper 28 des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 in Resonanz schwingt. Wenn der bewegbare Körper 28 nicht in Resonanz schwingt, setzt die Steuersignalsetzschaltung 47 das Steuersignal VC, um zu bewirken, dass der bewegbare Körper 28 in Resonanz schwingt. Ansprechend auf das Steuersignal VC stellt die Oszillatorschaltung 41 die Frequenz f des Trei bersignals VD ein, so dass die Frequenz f mit der natürlichen Oszillationsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 übereinstimmt.
Das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement 22 ermöglicht somit, dass der bewegbare Körper 28 in Resonanz schwingt, wobei die Amplitude einer Schwingung des bewegbaren Körpers 28 in die Richtung a vergrößert wird und dadurch die Erfassungsempfindlichkeit der Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung 21 erhöht wird.
Selbst wenn die natürliche Oszillationsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 aufgrund eines Alterns oder dergleichen variiert, ist die Frequenz f des Treibersignals VD rückkopplungsgesteuert, so dass der bewegbare Körper 28 in Resonanz schwingt, und die Zuverlässigkeit der Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung 21 ist somit erhöht.
Da die Frequenzeinstellung der Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung 21 bei diesem Ausführungsbeispiel automatisch durchgeführt wird, wird auf den Frequenzeinstellungsschritt für die Oszillatorschaltung, der benötigt wird, um das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement mit der Peripherieschaltung desselben bei der herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung 21 zu verbinden, verzichtet und die Effizienz bei der Zusammenfügung der Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung 21 ist erhöht.
Selbst wenn die Peripherieschaltung einer Temperaturveränderung und einem Altern bei der Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung 21 dieses Ausführungsbeispiels unterliegt, sind die Frequenz und die Amplitude des Treibersignals VD oder die Frequenz oder die Amplitude des Treibersignals VD rückkopplungsgesteuert und die Zuverlässigkeit der Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung 21 ist somit erhöht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Frequenz f des Treibersignals VD, das durch die Oszillatorschaltung 41 zu den Schwingungsgeneratoren 33, 33 des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 ausgegeben wird, rückkopplungsgesteuert, wie es oben beschrieben ist, so dass die Frequenz f des Treibersignals VD gesetzt ist, um mit der natürlichen Oszillationsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 übereinzustimmen. Folglich schwingt der bewegbare Körper 28 des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 stark in Resonanz in die Richtung des Pfeils a und die Erfassungsempfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements 22 ist somit erhöht.
Der Verschiebungsdetektor 35 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in dem Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 enthalten, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf dies begrenzt und der Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34 und der Verschiebungsdetektor 32 können getrennt organisiert oder in eine unitäre Einheit integriert sein. Wie es beispielsweise bei einer in 14 gezeigten ersten Modifizierung gezeigt ist, weist ein Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34' (Verschiebungsdetektor 35') eine Stütze 32A' (27A') auf, die eine Mehrzahl von Elektrodenplatten 32B' (27B') aufweist, die lediglich an einer Seite in einer kammförmigen Weise angeordnet sind.
Mit Bezug auf eine in 15 gezeigte zweite Modifikation kann der Basisabschnitt 25A des Trägerkörpers 25 in Basisabschnitte 25A1 und 25A2 geteilt sein, die dem Winkelgeschwindigkeitsdetektor 34' und dem Verschiebungsdetektor 35' entsprechen, so dass Signalverarbeitungen in jeweiligen Peripherieschaltungen getrennt vorgenommen werden. In einem derartigen Fall sind die Peripherieschaltungen entworfen, um miteinander in Charakteristika übereinzustimmen.
Obwohl die Oszillatorschaltung 41 eine sinusförmige Welle als das Treibersignal VD ausgibt, kann dieselbe eine Recht eckwelle als die Treiberwelle VD oder irgendeinen anderen geeigneten Signalverlauf ausgeben. Vorzugsweise ist die Oszillatorschaltung 41 von dem spannungsgesteuerten Oszillatorschaltungstyp.
Wie es aus der zuvor erwähnten Erläuterung ersichtlich ist, weist das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement der vorliegenden Erfindung den Schwingungsgenerator zum Schwingen des bewegbaren Körpers in eine Richtung mittels der Trägerseitenelektroden und der Elektroden der bewegbaren Seite, das Paar von Verschiebungsdetektoren zum Erfassen der Verschiebung des bewegbaren Körpers in die eine Richtung, die durch den Schwingungsgenerator bewirkt wird, und das Paar von Winkelgeschwindigkeitsdetektoren zum Erfassen der Verschiebung des bewegbaren Körpers, die durch eine Corioliskraft in die senkrechte Richtung bewirkt wird, als eine Winkelgeschwindigkeit auf, wobei jeder Winkelgeschwindigkeitsdetektor die Verschiebung des bewegbaren Körpers in die senkrechte Richtung als den Betrag einer Winkelgeschwindigkeit erfasst und jeder Verschiebungsdetektor die Verschiebung des bewegbaren Körpers erfasst, der durch den Schwingungsgenerator in die eine Richtung geschwungen wird. Selbst falls ein Block gemeinschaftlich verwendet wird, werden bei der obigen Anordnung das Winkelgeschwindigkeitssignal und das Verschiebungssignal, die in den erfassten Signalen enthalten sind, die durch das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement ausgegeben werden, durch den Winkelgeschwindigkeitsdetektor und den Verschiebungsdetektor getrennt aufgenommen.
Jeder Verschiebungsdetektor erfasst die Verschiebung des bewegbaren Körpers in eine Richtung als eine Kapazität, die aus einer Veränderung bei dem wirksamen Bereich zwischen den Elektroden oder dem Zwischenraum zwischen den Elektroden entsteht, und jeder Winkelgeschwindigkeitsdetektor erfasst die Verschiebung des bewegbaren Körpers in die senkrechte Richtung als eine Kapazität, die aus einer Veränderung bei dem Zwischenraum zwischen den Elektroden oder dem wirksamen Bereich zwischen den Elektroden entsteht, und wenn die Verschiebungssignale, die durch die Verschiebungsdetektoren ausgegeben werden, sich ansprechend auf die Schwingung erhöhen oder verringern, bleiben die Winkelgeschwindigkeitssignale, die durch die Winkelgeschwindigkeitsdetektoren ausgegeben werden, unverändert, und wenn der bewegbare Körper in die senkrechte Richtung verschoben wird, erhöhen oder verringern sich die Winkelgeschwindigkeitssignale, die durch die Winkelgeschwindigkeitsdetektoren ausgegeben werden, ansprechend auf die Verschiebung und die Verschiebungssignale von den Detektoren bleiben unverändert. Selbst falls ein Block gemeinschaftlich verwendet wird, werden bei der obigen Anordnung das Winkelgeschwindigkeitssignal und das Verschiebungssignal, die in den erfassten Signalen enthalten sind, die durch das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement ausgegeben werden, durch den Winkelgeschwindigkeitsdetektor und den Verschiebungsdetektor getrennt aufgenommen.
Die Trägerseitenelektrode und die Elektrode der bewegbaren Seite können in einer antennenähnlichen Konfiguration gebildet sein, eine Veränderung bei einer Kapazität, die aus dem wirksamen Bereich zwischen den Elektroden entsteht, wird verwendet, um die Verschiebung des bewegbaren Körpers in die eine Richtung zu erfassen, und eine Veränderung bei einer Kapazität, die aus dem Zwischenraum zwischen den Elektroden entsteht, wird verwendet, um die Verschiebung des bewegbaren Körpers in die senkrechte Richtung durch eine Corioliskraft zu erfassen.
Die Verschiebungsberechnungseinrichtung erfasst die Verschiebung des bewegbaren Körpers des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements ansprechend auf die Schwingung und die Frequenz des Treibersignals, das durch die Oszillationseinrichtung ausgegeben wird, über die Multipliziereinrichtung und die Frequenzsteuereinrichtung basierend auf dem Verschiebungssignal und das Treibersignal ist rückkopplungsgesteuert und die Phasendifferenz zwischen dem Ver schiebungssignal, das durch die Verschiebungsberechnungseinrichtung ausgegeben wird, und dem Treibersignal, das durch die Oszillationseinrichtung ausgegeben wird, wird automatisch zu 90 Grad gesetzt, wodurch bewirkt wird, dass der bewegbare Körper in Resonanz schwingt. Auf diese Weise erreicht das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement eine Schwingung mit großer Amplitude bei dem bewegbaren Körper und erhöht die Erfassungsempfindlichkeit gegenüber einer an denselben angelegten Winkelgeschwindigkeit.
Selbst wenn das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement altert, wobei die natürliche Oszillationsfrequenz desselben variiert, ist die Frequenz des Treibersignals, das durch die Oszillationseinrichtung ausgegeben wird, gesetzt, um mit der natürlichen Oszillationsfrequenz übereinzustimmen, und die Zuverlässigkeit der Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung ist somit erhöht.
Wenn das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement während einer Zusammenfügungsstufe mit den Peripheriegeräten desselben verbunden ist, wird auf den Frequenzeinstellungsschritt für die Oszillationseinrichtung verzichtet und die Herstellungseffizienz ist erhöht.
Die Oszillationseinrichtung weist die spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung zum Variieren der Frequenz des Treibersignals entsprechend auf das Steuersignal auf. Die Frequenzsteuereinrichtung weist die Integrierschaltung zum Integrieren des multiplizierten Signals, das durch die Multiplizierschaltung ausgegeben wird, und die Steuersignalsetzschaltung zum Bestimmen auf, ob ein integriertes Signal, das durch die Integrierschaltung ausgegeben wird, Null ist, zum Setzen eines voreingestellten Referenzsignals, das eine Phasendifferenz von 90 Grad in dem Treibersignal und dem Verschiebungssignal bewirkt, wenn das integrierte Signal Null ist, als das Steuersignal und zum Setzen eines Werts, der durch ein Durchführen einer Addition und einer Subtraktion zwischen dem integrierten Signal und dem Referenzsignal erhalten wird, wenn das integrierte Signal nicht Null ist, als das Steuersignal. Die Frequenz des Treibersignals, das durch die Oszillationseinrichtung ausgegeben wird, ist gesetzt, derart, dass die Phasendifferenz zwischen dem Treibersignal und dem Verschiebungssignal 90 Grad beträgt, und die Frequenz des Treibersignals ist rückkopplungsgesteuert, um mit der natürlichen Oszillationsfrequenz des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements übereinzustimmen, was ermöglicht, dass der bewegbare Körper kontinuierlich in Resonanz schwingt.
Die Verschiebungsberechnungseinrichtung weist die Addiererschaltung auf. Die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung weist die Subtrahiererschaltung auf. Die Verschiebungsdetektoren sind mit Bezug auf den bewegbaren Körper gepaart. Die Winkelgeschwindigkeitsdetektoren sind mit Bezug auf den bewegbaren Körper gepaart. Die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung berechnet die Winkelgeschwindigkeitssignale lediglich der Verschiebungsdetektoren und die Verschiebungsberechnungseinrichtung berechnet die Verschiebungssignale lediglich der Verschiebungsdetektoren und die Winkelgeschwindigkeitssignale und die Verschiebungssignale werden getrennt aufgenommen.
Während bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart wurden, werden verschiedene Modi zum Ausführen der hierin offenbarten Prinzipien als innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche betrachtet. Deshalb ist klar, das der Schutzbereich der Erfindung nicht begrenzt sein soll, außer wenn es in den Ansprüchen anderweitig dargelegt ist.

Claims

Eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: ein Winkelgeschwindigkeitserfassungselement (22, 102), das angepasst ist, um in der Form einer Veränderung bei einer Kapazität eine Verschiebung in eine Richtung senkrecht zu einer Schwingungsrichtung eines bewegbaren Körpers (28) zu erfassen, wenn eine externe Winkelgeschwindigkeit wirkt, wobei der bewegbare Körper (28) in eine Richtung relativ zu einem Trägerkörper (25) geschwungen wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner folgende Merkmale aufweist: eine Oszillationseinrichtung (33, 41, 102) zum Ausgeben eines Treibersignals, das eine Frequenz aufweist, die einem Steuersignal entspricht, um eine Schwingung in eine Richtung auf den bewegbaren Körper (28) des Winkelgeschwindigkeitserfassungselements (22, 102) zu übertragen; eine Verschiebungsberechnungseinrichtung (103) zum Berechnen der Verschiebung des bewegbaren Körpers (28) basierend auf der Veränderung bei einer Kapazität, die bei dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement (22, 101) stattfindet, wobei die Oszillationseinrichtung (33, 41, 102) die Schwingung in eine Richtung auf den bewegbaren Körper (28) der Winkelgeschwindigkeitserfassungseinrichtung überträgt; eine Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung (104) zum Berechnen des Betrags einer Winkelgeschwin digkeit, die auf den bewegbaren Körper (28) wirkt, basierend auf der Veränderung bei einer Kapazität, die bei dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement (22, 101) stattfindet, wenn die Winkelgeschwindigkeit auf das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement (22, 101) wirkt; eine Multipliziereinrichtung (44, 105) zum Multiplizieren des Verschiebungssignals und des Treibersignals, um eine Phasendifferenz zwischen denselben zu berechnen, wobei das Verschiebungssignal durch die Verschiebungsberechnungseinrichtung (103) ausgegeben wird und das Treibersignal durch die Oszillationseinrichtung (33, 41, 102) ausgegeben wird; und eine Frequenzsteuereinrichtung (45, 106) zum Ausgeben des Steuersignals zum Steuern der Frequenz des Treibersignals ansprechend auf das Eingeben eines multiplizierten Signals von der Multipliziereinrichtung (44, 105), so dass eine Phasendifferenz von 90 Grad zwischen dem Treibersignal, das durch die Oszillationseinrichtung (33, 41, 102) ausgegeben wird, und dem Verschiebungssignal, das durch die Verschiebungsberechnungseinrichtung (103) ausgegeben wird, stattfindet.
Eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Oszillationseinrichtung (33, 41, 102) eine spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung aufweist, die angepasst ist, um die Frequenz des Treibersignals, das zu dem Winkelgeschwindigkeitserfassungselement (22, 101) ausgegeben wird, ansprechend auf das Steuersignal, das durch die Frequenzsteuereinrichtung (45, 106) ausgegeben wird, zu variieren, und wobei die Frequenzsteuereinrichtung (45, 106) eine Integrationsschaltung (46) zum Integrieren des multiplizierten Signals, das durch die Multipliziereinrichtung (103, 44) ausgegeben wird, und eine Steuersignalsetzschaltung (47) zum Bestimmen, ob ein integriertes Signal, das durch die Integrierschaltung (46) ausgegeben wird, Null ist, zum Setzen eines voreingestellten Referenzsignals, das eine Phasendifferenz von 90 Grad zwischen dem Treibersignal und dem Verschiebungssignal bewirkt, wenn das integrierte Signal Null ist, als das Steuersignal und zum Setzen eines Werts, der durch ein Durchführen einer Addition oder einer Subtraktion zwischen dem integrierten Signal und dem Referenzsignal erhalten wird, wenn das integrierte Signal nicht Null ist, als das Steuersignal.
Eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Winkelgeschwindigkeitserfassungselement (22) folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (23); ein Paar von beabstandeten Trägerkörpern (25), die an dem Substrat (23) angeordnet sind und zumindest ein Paar von Trägerseitenelektroden (27) aufweisen, die einander zugewandt sind; einen bewegbaren Körper (28), der zwischen den Trägerkörpern (25) angeordnet ist und zumindest ein Paar von Elektroden (32) der bewegbaren Seite aufweist, die den Trägerseitenelektroden (27) zugewandt sind; und einen Schwingungsgenerator (33) zum Schwingen des bewegbaren Körpers (28) in eine Richtung, wobei das Paar von Trägerseitenelektroden (27) und das Paar von Elektroden (32) der bewegbaren Seite strukturiert und angeordnet sind, um ein Paar von Verschiebungsdetektoren (35) zu bilden, das die Verschiebung des bewegbaren Körpers (28) in eine Richtung erfasst, wenn der Schwingungsgenerator (33) eine Schwingung in eine Richtung auf den bewegbaren Körper (28) überträgt, und um ein Paar von Winkelgeschwindigkeitsdetektoren (34) zum Erfassen einer Verschiebung senkrecht zu der einen Richtung, in die der bewegbare Körper (28) schwingt, als eine Winkelgeschwindigkeit, wenn eine Winkelgeschwindigkeit an dem bewegbaren Körper (28) wirkt, zu bilden.
Eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die Verschiebungsberechnungseinrichtung (103) eine Addiererschaltung (43) aufweist, die durch ein Addieren einer Kapazität zwischen einem des Paars von Trägerkörpern (25) und dem bewegbaren Körper (28) zu einer Kapazität zwischen dem anderen des Paars von Trägerkörpern (25) und dem bewegbaren Körper (28) ein Verschiebungssignal ausgibt, das lediglich durch das Paar von Verschiebungsdetektoren (35) ausgegeben wird, und wobei die Winkelgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung (104) eine Subtrahiererschaltung (42) aufweist, die durch ein Subtrahieren der Kapazität zwischen einem des Paars von Trägerkörpern (25) und dem bewegbaren Körper (28) von einer Kapazität zwischen dem anderen des Paars von Trägerkörpern (25) und dem bewegbaren Körper (28) ein Winkelgeschwindigkeitssignal ausgibt, das lediglich durch das Paar von Winkelgeschwindigkeitsdetektoren (34) ausgegeben wird.
Eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der der Verschiebungsdetektor (35) angepasst ist, um die Verschiebung des bewegbaren Körpers (28) basierend auf einer Veränderung bei einer Kapazität zwischen den Trägerseitenelektroden (27) und den Elektroden (32) der bewegbaren Seite zu erfassen, wenn sich ein wirksamer Bereich zwischen den Trägerseitenelektroden (27) und den Elektroden (32) der bewegbaren Seite oder ein Zwischenraum zwischen den Trä gerseitenelektroden (27) und den Elektroden (32) der bewegbaren Seite verändert, und wobei der Winkelgeschwindigkeitsdetektor (34) angepasst ist, um die Winkelgeschwindigkeit basierend auf einer Veränderung bei einer Kapazität zwischen den Trägerseitenelektroden (27) und den Elektroden (32) der bewegbaren Seite zu erfassen, wenn sich ein wirksamer Bereich zwischen den Trägerseitenelektroden (27) und den Elektroden (32) der bewegbaren Seite oder ein Zwischenraum zwischen den Trägerseitenelektroden (27) und den Elektroden (32) der bewegbaren Seite verändert.
Eine Winkelgeschwindigkeitsmessvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der jede Trägerseitenelektrode (27) in einer antennenähnlichen Konfiguration aufgebaut ist und eine Mehrzahl von Stützen (32A), die sich von dem Trägerkörper (25) in eine Richtung senkrecht zu dem Trägerkörper (25) erstrecken, und eine Mehrzahl von Elektrodenplatten (27B) aufweist, die sich jeweils in eine Richtung von beiden Seiten jeder Stütze erstrecken, and wobei jede Elektrode (32) der bewegbaren Seite in einer antennenähnlichen Konfiguration aufgebaut ist und eine Mehrzahl von Stützen (32A), die sich in die Richtung der gleichen Achse wie die jeweiligen Stützen (27A) der Trägerseitenelektroden (27) erstrecken, und eine Mehrzahl von Elektrodenplatten (32B) aufweist, die sich jeweils von beiden Seiten jeder Stütze (32A) erstrecken und den jeweiligen Elektrodenplatten (27B) der Trägerseitenelektrode (27) mit einem Zwischenraum zwischen denselben zugewandt sind.