DE69930459T2

DE69930459T2 - Drehratensensor

Info

Publication number: DE69930459T2
Application number: DE69930459T
Authority: DE
Inventors: Eiichi Nagaokakyo-shi Takata; Yoshihiro Nagaokakyo-shi Konaka; Shinji Nagaokakyo-shi Kobayashi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-01-06
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2019-12-31
Also published as: JP2000199714A; EP1018635B1; DE69930459D1; EP1018635A1; US6378369B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor und insbesondere auf einen mikrobearbeiteten Winkelgeschwindigkeitssensor, der für eine Handschütteln verhindernde Kamera, eine Autonavigationsvorrichtung oder dergleichen verwendet werden kann.
Als ein herkömmlicher Winkelgeschwindigkeitssensor, der eine Mikrobearbeitungstechnik verwendet, ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor 80 mit Bezug auf 18 und 19 beschrieben, der in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 6-174739 offenbart ist. Ein Bezugszeichen 81 bezeichnet einen Rahmen, der durch ein Bearbeiten eines Siliziumsubstrats gebildet ist, und Träger 82a–82d, die sich jeweils orthogonal zu einer inneren Wand des Rahmens 81 erstrecken und miteinander bei einem zentralen Teil des Rahmen gekoppelt sind. Ein Schwinggewicht 83 ist an einem unteren Teil dieses zentralen Teils gebildet. Diese Träger 82a–82d und das Schwinggewicht 83 sind miteinander durch ein gleiches Siliziumsubstrat wie der Rahmen 81 unter Verwendung einer Halbleiter-Mikrobearbeitungstechnologie integriert gebildet, wie beispielsweise ein Photoätzen.
Piezoelektrische Elemente 84a, 84c für eine Ansteuerung sind an einer oberen Oberflächenseite der Träger 82a, 82c einander gegenüber gebildet, während piezoelektrische Elemente 84b, 84d für eine Erfassung an einer oberen Oberflächenseite der Träger 82b, 82d einander gegenüber gebildet sind. Die piezoelektrischen Elemente 84a, 84b für eine Ansteuerung und die piezoelektrischen Elemente 84b, 84d für eine Erfassung sind von der Struktur, bei der ein Zinkoxidfilm 87 zwischen einer oberen Elektrode 86a und einer unteren Elektrode 86b angeordnet ist.
Wenn Treibersignale, die sich um 180° in einer Phase unterscheiden, jeweils zu den piezoelektrischen Elementen 84a und 84c für eine Ansteuerung hinzugefügt sind, schwingen die Träger 82a und 82c in die vertikale Richtung mit einem Basispunkt 85 als einem Knoten, wie es durch die gestrichelte Linie und die Zweipunktstrichlinie dargestellt ist, auf Grund der umgekehrten Phase und die untere Spitze des Schwinggewichts 83 schwingt in die X-Achsenrichtung.
Wenn die Drehbewegung somit um die Z-Achse hinzugefügt ist, die das Zentrum des Schwinggewichts 83 durchläuft, wenn das Schwinggewicht 83 schwingt, wird die untere Spitze des Schwinggewichts 83 ebenfalls auf Grund der Corioliskraft in die Y-Achsenrichtung geschwungen. Diese Schwingung wird als die Spannung durch die piezoelektrischen Elemente 84b, 84d für eine Erfassung erfasst und die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung wird durch ein Erreichen der Differenzverstärkung derselben erhalten.
Bei diesem herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor 80 wird jedoch eine interne Belastung auf Grund einer Schrumpfung während der Kristallisierung von Zinkoxid, wenn der Zinkoxidfilm an Silizium gebildet wird, um die Träger 82a–82d zu bilden, bei den Trägern 82a–82d zurückgelassen. Wenn die Anregungsfrequenz verändert ist, zeigt die Anregungsamplitude eine Hysteresecharakteristik und wird die Anregungsschwingung instabil.
Ferner ist bei dem herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor 80 die Belastung bei den Trägern 82a–82d auf Grund der Differenz bei dem Koeffizienten einer thermischen Ausdehnung zwischen Silizium und Zinkoxid, die die Träger 82a–82d bilden, durch eine Temperatur verändert. Die Resonanzfrequenzen der Träger 82a, 82c für eine Ansteuerung und der Träger 82b, 82d für eine Erfassung sind getrennt verändert und die Temperaturdrift der Winkelgeschwindigkeitserfassungsempfindlichkeit ist dadurch erhöht.
Ferner kann bei dem herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensor 80 auf Grund des Fehlers bei einem Herstellen der Träger 82a–82d keine korrekte Symmetrie erhalten werden und die Schwingung in die X-Achsenrichtung entweicht in die Y-Achsenrichtung und die untere Spitze des Schwinggewichts 83 bewirkt, dass die elliptische Bewegung mit der Achse eine bestimmte Deklination relativ zu der Linie X2-X2 als der Hauptachse aufweist, wie es in 18 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Somit wird bei einer stationären Bedingung in den piezoelektrischen Elementen 84b, 84d eine Versatzspannung erzeugt und die Winkelgeschwindigkeitserfassungsempfindlichkeit und die Winkelgeschwindigkeitserfassungsauflösung sind verschlechtert.
Die EP 0 461 761 A1 offenbart einen planaren Vibrationsring oder eine reifähnliche Struktur, die in einem Raum durch eine geeignete Tragebefestigung zum Erfassen einer Drehrate, einer linearen Beschleunigung und einer Winkelbeschleunigung aufgehängt ist. Die Drehrate wird durch ein Erfassen von Schwingungen erfasst, die durch Corioliskräfte gekoppelt sind, während eine lineare Beschleunigung und eine Winkelbeschleunigung durch eine laterale, vertikale und schaukelnde Bewegung des gesamten Rings oder der reifähnlichen Struktur innerhalb der Befestigung derselben erfasst werden. Ein Resonator eines Kantenbefestigungstyps weist eine rechteckige Form auf und ist an einem Befestigungssubstrat unter Verwendung von „T"-Stab-Stützen mit geringer Steifheit angebracht. Der Resonator weist die Form eines rechteckigen Reifs auf und umfasst Trimmmassen, die bei einem Erreichen der erwünschten Anpassung Eigenmodenfrequenzen unterstützen. Der Ring oder die reifähnliche Struktur und die Trimmmassen sind planar.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu schaffen, bei dem die oben beschriebenen, herkömmlichen Nachteile gelöst sind, die Winkelgeschwindigkeitserfassungsempfindlichkeit stabilisiert ist und die Winkelgeschwindigkeitserfassungsauflösung verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Tragekörper, eine Mehrzahl von Trägern, die durch den Tragekörper einzeln getragen sind, und einen Kopplungsteil, mit dem eine Mehrzahl der Träger gemeinsam gekoppelt sind, und ein Schwinggewicht auf, das an dem Kopplungsteil gebildet ist, wobei jeder Träger einen breiten Trägerteil und einen schmalen Trägerteil aufweist, der schmaler als der breite Trägerteil ist.
Gemäß dieser Struktur kann, da ein Träger als ein Kopplungsteil von breiten Trägerteilen und schmalen Trägerteilen gebildet ist, die interne Belastung, die bei einem Herstellen der Träger, der Kopplungsteile und des Tragekörpers erzeugt wird, durch die schmalen Trägerteile absorbiert werden. Deshalb kann der Winkelgeschwindigkeitssensor bei einer Bedingung, bei der keine Belastung vorhanden ist, stabil betrieben werden und die Erfassungsempfindlichkeit kann stabil sein.
Wenn das Schwinggewicht in die Erstreckungsrichtung des Trägers oder die Richtung, um einen Raum zwischen Trägern durch ein Anregen des Trägers in zwei zu teilen, schwingt und die schmalen Trägerteile zwischen den breiten Trägerteilen und dem Kopplungsteil sind, wird die Schwingung des Schwinggewichts durch die schmalen Trägerteile des Trägers in die Richtung, in die die Corioliskraft erzeugt wird, absorbiert und nicht zu den breiten Trägerteilen des Trägers ausgebreitet und somit kann der Versatz oder das Rauschen, das durch das Entweichen der Anregungsschwingung, die in dem erfassten Signal enthalten ist, um die Corioliskraft zu erfassen, reduziert werden. Die Erfassungsauflösung des Winkelgeschwindigkeitssensors kann dadurch verbessert werden. Bei einem Erfassen der Corioliskraft werden die schmalen Trägerteile des Trägers, um das Schwinggewicht anregungsmäßig zu schwingen, verformt und unterdrücken die Schwingung des Trägers nicht, um die Corioliskraft zu erfassen, und die Erfassungsempfindlichkeit der Corioliskraft kann verbessert werden. Wenn die schmalen Trägerteile zwischen den breiten Trägerteilen und dem Tragekörper sind, ist der Kopplungskörper der breiten Trägerteile mit dem Kopplungsteil von dem Tragekörper gelöst, ist die Schwingungsenergie des Schwinggewichts in dem Kopplungskörper akkumuliert und kann der Kopplungskörper in einer Bedingung eines hohen mechanischen Q schwingen und kann somit die Erfassungsausgabe durch die Corioliskraft erhöht werden.
Der schmale Trägerteil jedes Trägers kann mit dem Kopplungsteil gekoppelt sein und der breite Trägerteil kann mit dem Tragekörper gekoppelt sein.
Gemäß dieser Struktur wird die interne Belastung bei dem Trägerteil zwischen den breiten Trägerteilen und dem Schwinggewicht absorbiert. Somit kann die Anregungsschwingung durch die breiten Trägerteile des spezifizierten Trägers ohne eine Unterdrückung durch andere Träger bewirkt werden, und wenn die Corioliskraft an das Schwinggewicht angelegt ist, kann die Schwingung des Trägers, um die Corioliskraft zu erfassen, ohne eine Unterdrückung des Trägers bewirkt werden, um anregungsmäßig geschwungen zu werden. Die Schwingung in die Anregungsrichtung und die Schwingung in die Richtung, in der die Corioliskraft erzeugt wird, werden in jedem Träger ohne eine gegenseitige Beeinflussung durchgeführt.
Alternativ ist der schmale Trägerteil jedes Trägers mit dem Tragekörper gekoppelt und ist der breite Trägerteil mit dem Kopplungsteil gekoppelt.
Gemäß dieser Struktur wird die interne Belastung in dem Trägerteil zwischen den breiten Trägerteilen und dem Tragekörper absorbiert. Folglich kann der Kopplungskörper der breiten Trägerteile mit dem Kopplungsteil wie ein freier Schwingkörper mit den schmalen Trägerteilen als Endteilen schwingen. Somit kann der Kopplungskörper in einer Bedingung schwingen, bei der ein hohes mechanisches Q durch ein Minimieren des Entweichens der Schwingungsenergie von dem Kopplungskörper zu dem Tragekörper beibehalten ist, und die Erfassungsempfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors kann verbessert werden.
Wenn der spezifizierte Träger angeregt ist, schwingen alle Träger miteinander mit der Schwingung des Schwinggewichts und die Belastung wird zusammen mit der Schwingung durch die schmalen Trägerteile absorbiert und die Anregungsschwingung wird durch den Tragekörper wenig unterdrückt. Dies gilt ebenfalls, wenn die Corioliskraft an das Schwinggewicht angelegt ist.
Vorzugsweise ist zumindest ein piezoelektrisches Element an einem breiten Trägerteil von zumindest einem Träger gebildet.
Gemäß dieser Struktur kann der Winkelgeschwindigkeitssensor bei einer Bedingung stabil betrieben werden, bei der keine anfängliche Belastung vorhanden ist, und die Empfindlichkeit der Winkelgeschwindigkeit kann durch ein Absorbieren der anfänglichen Belastung stabil sein, die den piezoelektrischen Elementen zuschreibbar ist, die an den breiten Trägerteilen gebildet sind. Insbesondere wird bei den breiten Trägerteilen, an denen die piezoelektrischen Elemente gebildet sind, die Hysteresecharakteristik der Anregungsamplitude zu der Anregungsfrequenz reduziert und kann die instabile Anregungsschwingung des Trägers auf Grund dieser Hysteresecharakteristik durch die schmalen Trägerteile reduziert werden.
Selbst wenn ferner die anfängliche Belastung bei den breiten Trägerteilen, an denen das piezoelektrische Element gebildet ist, auf Grund der Temperaturveränderung weitgehend verändert ist, wird die anfängliche Belastung durch die schmalen Trägerteile absorbiert, kann die Veränderung bei der Resonanzfrequenz des anregenden Trägers und die Veränderung bei der Resonanzfrequenz des Trägers, um die Corioliskraft zu erfassen, reduziert werden und ist die Temperaturabhängigkeit der Erfassungsempfindlichkeit verbessert, um die Erfassungsempfindlichkeit zu stabilisieren.
Gemäß einem anderen Aspekt weist der Winkelgeschwindigkeitssensor einen Tragekörper, vier Träger, die durch den Tragekörper einzeln getragen sind, ein Kopplungsteil, mit dem die vier Träger auf orthogonale Weise gekoppelt sind, und ein Schwinggewicht auf, das an dem Kopplungsteil gebildet ist, wobei jeder Träger einen breiten Trägerteil und einen schmalen Trägerteil aufweist, ein Ende des breiten Trägerteils mit dem Tragekörper gekoppelt ist, der schmale Trägerteil zwischen den breiten Trägerteil und den Kopplungsteil gekoppelt ist und zumindest ein piezoelektrisches Element an jedem breiten Trägerteil gebildet ist.
Gemäß dieser Struktur ist das piezoelektrische Element an jedem breiten Trägerteil gebildet, um das piezoelektrische Element, um den Träger anzuregen, von dem piezoelektrischen Element, um die Corioliskraft zu erfassen, zu trennen. Bei dieser Bedingung kann eine unnötige Schwingung, die an das piezoelektrische Element des Erfassungsträgers angelegt werden soll, durch die Handlung der schmalen Trägerteile reduziert werden.
Gemäß noch einem anderen Aspekt weist der Winkelgeschwindigkeitssensor einen Tragekörper, vier Träger, die durch den Tragekörper einzeln getragen sind, ein Kopplungsteil, mit dem die vier Träger auf orthogonale Weise gekoppelt sind, und ein Schwinggewicht auf, das an dem Kopplungsteil gebildet ist, wobei jeder Träger einen breiten Trägerteil und einen schmalen Trägerteil aufweist, ein Ende des breiten Trägerteils mit dem Kopplungsteil gekoppelt ist, um einen kreuzförmigen Kopplungskörper zu bilden, der schmale Trägerteil zwischen den breiten Trägerteil und den Trage körper gekoppelt ist und zumindest ein piezoelektrisches Element an jedem breiten Trägerteil gebildet ist.
Gemäß dieser Struktur sind die schmalen Trägerteile zwischen dem kreuzförmigen Kopplungskörper und dem Tragekörper vorgesehen, ist die Unterdrückung der Anregungsschwingung des Kopplungskörpers durch den Tragekörper reduziert und kann der Kopplungskörper durch das piezoelektrische Element effizient geschwungen werden.
Bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß irgendeinem Aspekt ist ein schmaler Trägerteil vorzugsweise ein Träger bildender Körper, bei dem die Torsion, Auslenkungsverlängerung und -Kompression des Trägers durch die Konstitution des Träger bildenden Körpers bewältigt werden kann. Somit können die interne Belastung und die anfängliche Belastung in dem Träger absorbiert werden und kann die Wechselwirkung mit anderen Trägern minimiert werden und ist genauer gesagt die mechanische Kopplung der breiten Trägerteile mit dem Kopplungsteil oder dem Tragekörper abgeschwächt und ist verhindert, dass die Schwingung eines breiten Trägerteils die Belastung in anderen breiten Trägerteilen erzeugt.
Jeder schmale Trägerteil weist vorzugsweise zumindest einen Träger bildenden Körper einer linearen Form, einer Y-Form, einer T-Form oder einer gekoppelten linearen Form mit einem Ring auf, der frei verformt ist und bei einem Reduzieren der Übertragung unnötiger Kräfte und bei einem Übertragen notwendiger Kräfte wirksam ist.
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 präzisen Anordnungen und Instrumentalitäten begrenzt ist, die gezeigt sind.
1A ist eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Winkelgeschwindig keitssensors der vorliegenden Erfindung und 1B ist eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Abschnitts des Winkelgeschwindigkeitssensors, der in 1A gezeigt ist.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht bei der Linie X1-X1 von 1.
3 ist ein Betriebsblockdiagramm des Winkelgeschwindigkeitssensors des ersten Ausführungsbeispiels.
4 ist ein anderes Betriebsblockdiagramm des Winkelgeschwindigkeitssensors des ersten Ausführungsbeispiels.
5 ist eine obere Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Winkelgeschwindigkeitssensors der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine obere Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels des Winkelgeschwindigkeitssensors der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine obere Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispiels des Winkelgeschwindigkeitssensors der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine obere Draufsicht eines fünften Ausführungsbeispiels des Winkelgeschwindigkeitssensors der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine obere Draufsicht eines sechsten Ausführungsbeispiels des Winkelgeschwindigkeitssensors der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine obere Draufsicht eines siebten Ausführungsbeispiels des Winkelgeschwindigkeitssensors der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine Prozessansicht eines Bildens eines Siliziumoxidfilms an einem SOI-Substrat.
12 ist eine Prozessansicht eines Bildens einer unteren Elektrode.
13 ist eine Prozessansicht eines Bildens eines Zinkoxidfilms.
14 ist eine Prozessansicht eines Bildens einer oberen Elektrode.
15 ist eine Prozessansicht eines Bildens eines Oxidzinkfilms
16 ist eine Prozessansicht eines Bildens eines Trägers oder dergleichen durch ein Bearbeiten einer aktiven Schicht in die vertikale Richtung.
17 ist eine Prozessansicht eines Bildens eines Schwinggewichts, eines Trägers und eines Rahmentragekörpers durch ein Bearbeiten eines Siliziumsubstrats in eine vertikale Richtung.
18 ist eine obere Draufsicht eines herkömmlichen Winkelgeschwindigkeitssensors.
19 ist eine Schwingmodenansicht bei der Linie X2-X2 von 18.
Hierin sind im Folgenden die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen detaillierter erläutert.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 10 eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist unten mit Bezug auf 1A, 1B und 2 beschrieben. 1 bezeichnet einen rechteckigen Rahmentragekörper, der durch ein Bearbeiten eines SOI-Substrats (SOI = Silicon on Insulator = Silizium auf Isolator) gebildet ist, das eine Dreischichtstruktur eines Siliziumsubstrats 1a, eines Siliziumoxidfilms 1b und einer aktiven Schicht 1c aufweist. 2–5 bezeichnen Träger, die rechteckige, breite Trägerteile 2a–5a und Y-förmige, schmale Trägerteile 2b–5b aufweisen. Eine Endfläche der breiten Trägerteile 2a–5a ist jeweils mit einer Innenseitenoberfläche des Rahmentragekörpers 1 gekoppelt und die andere Endfläche ist mit einem Ende eines Trägers b1 des schmalen Trägerteils 2b–5b gekoppelt. Das andere Ende des Trägers b1 ist mit einem zentralen Teil eines U-förmigen Trägers b2 gekoppelt und die schmalen Trägerteile sind als ein Ganzes Y-förmig. Zwei Vorwärtsenden des U-förmigen Trägers b2 sind jeweils mit einem Kopplungsteil 6 gekoppelt. Die schmalen Trägerteile 2b–5b arbeiten als eine Universalverbindung, um die breiten Trägerteile 2a–5a der Träger 2–5 mit dem Kopplungsteil 6 zu verbinden. Die Breite der jeweiligen Träger b1, b2 beträgt näherungsweise 1/3 bis 1/6 von dieser der breiten Trägerteile 2a–5a. Die Länge der schmalen Trägerteile 2b–5b ist gemäß der Struktur der Träger 2–5 unterschiedlich zueinander und beträgt näherungsweise 1/3 bis 1/5 von dieser der breiten Trägerteile 2a, 5a. Ein Schwinggewicht 6a ist an einem unteren Teil des Kopplungsteils 6 vorgesehen und die vier Träger 2–5 sind orthogonal zueinander um das Kopplungsteil 6 herum angeordnet.
Ein Siliziumoxidfilm 7 ist an einer oberen Oberfläche des Rahmentragekörpers 1, der Träger 2–5 und des Kopplungsteils 6 gebildet. Eine untere Elektrode 8 und der Leitungsanschluss derselben sind an dem Siliziumoxidfilm 7 der oberen Oberfläche der breiten Trägerteile 2a–5a und dem Rahmentragekörper 1 gebildet. Ein piezoelektrischer Film aus Zinkoxid, Bleizirkontitanat oder dergleichen ist an der unteren Oberfläche 8 an der oberen Oberfläche der breiten Trägerteile 2a–5a gebildet. Zwei geteilte obere Elektroden 2c(2d)–5c(5d) sind jeweils an dem piezoelektrischen Film 9 gebildet und der Leitungsanschluss ist jeweils von diesen oberen Elektroden 2c(2d)–5c(5d) auf den Siliziumoxidfilm 7 an der oberen Seite des Rahmentragekörpers 1 geführt.
Ein piezoelektrisches Element ist durch ein Anordnen des piezoelektrischen Films 9 zwischen den oberen Elektroden 2c(2d)–5c(5d) und der unteren Elektrode 8 gebildet und die Träger 2–5, die mit diesen piezoelektrischen Vorrichtungen versehen sind, bilden die piezoelektrischen Schwingungsträger 2–5. Diese piezoelektrischen Schwingungsträger 2–5 sind gemäß den Anwendungen auch als Treiberträger oder Erfassungsträger bezeichnet. Die oben beschriebenen Träger 2–5 und der Kopplungsteil 6 sind miteinander durch ein Bearbeiten der aktiven Siliziumschicht 1c des SOI-Substrats integriert gebildet.
Der Betrieb des Winkelgeschwindigkeitssensors 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist wie folgt. AC-Spannungen, die sich um 180° in einer Phase voneinander unterscheiden und denen eine DC-Spannung überlagert ist, werden jeweils an die oberen Elektroden 2c(2d)–4c(4d) der piezoelektrischen Schwingungsträger 2 und 4 gegenüber einander an der Y-Achse mit der unteren Elektrode 8 als eine gemeinsame Masse angelegt. Dann bewirken die piezoelektrischen Schwingungsträger 2 und 4 kontinuierlich eine Biegebewegung (Schwingung), bei der der piezoelektrische Schwingungsträger 2 aufwärts gebogen wird und der piezoelektrische Schwingungsträger 4 abwärts gebogen wird, oder die Biegebewegung (Schwingung) in die zu derselben entgegengesetzte Richtung, wie es beispielsweise in 19 durch eine gestrichelte Linie mit einem Basispunkt 6b des Kopplungsteils 6 als einem Knoten dargestellt ist. Ein unterer zentraler Punkt 6c eines Schwinggewichts 6a schwingt in die X-Achsenrichtung durch die Biegeschwingung in die vertikale Richtung.
Wenn das Schwinggewicht 6a schwingt und eine Drehbewegung um die Z-Achse angelegt ist, die das Zentrum des Basispunkts 6b (des Schwinggewichts 6a) des Kopplungsteils 6 durchläuft, wird der untere zentrale Punkt 6c des Schwinggewichts 6a durch die Corioliskraft ebenfalls in die Y-Achsenrichtung geschwungen. Durch diese Schwingung werden die piezoelektrischen Schwingungsträger 3 und 5 an einer Seite aufwärts gebogen, während die andere abwärts gebogen wird, wie es in 19 dargestellt ist. Die Spannung der umgekehrten Polarität, deren Phase umgekehrt ist, wird durch das Biegen in diesen piezoelektrischen Elementen erzeugt. Die erzeugte Spannung wird von den oberen Elektroden 3c(3d) und 5c(5d) erhalten und die Differenzverstärkung derselben wird erreicht, um die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung zu erhalten.
Bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind die Träger 2–5 aus der aktiven Siliziumschicht 1c wie oben beschrieben bearbeitet und weisen die breiten Trägerteile 2a–5a und die schmalen Trägerteile 2b–5b auf. Der piezoelektrische Film 5 ist an der aktiven Schicht 1c der breiten Trägerteile 2a–5a vorgesehen. Bei den breiten Trägerteilen 2a–5a wird die anfängliche Belastung bei einer normalen Temperatur auf Grund der Differenz bei dem Koeffizienten einer thermischen Ausdehnung zwischen dem piezoelektrischen Film 5 und der aktiven Schicht 1c zurückgelassen.
Bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels jedoch wird die Belastung, die in den breiten Trägerteilen 2a–5a der Träger 2–5 durch den piezoelektrischen Film 5 erzeugt wird, hauptsächlich durch die Torsion, Auslenkung und Verformung der Träger b1, b2 der schmalen Trägerteile 2b–5b, die weicher als die breiten Trägerteile 2a–5a sind, absorbiert und bewirkt eine Handlung, um die Übertragung der Belastung zu dem Schwinggewicht 6a zu verhindern. Die schmalen Trägerteile 2b–5b bewirken ferner die Handlung, um die interne Belastung zusammen mit der Bearbeitungsverformung der Träger 2–5 zu absorbieren.
Wenn das Schwinggewicht durch ein Treiben der piezoelektrischen Elemente der Träger 2 und 4 in die X-Achsenrichtung schwingt, werden die Träger 2, 4 bei den schmalen Trägerteilen 2b, 4b gebogen, um die Schwingung des Schwinggewichts zu erhöhen. Bei den Trägern 3, 5 in die Y-Achsenrichtung orthogonal zu den Trägern 2, 4 wird der Träger b1 der schmalen Trägerteile 3b, 5b hauptsächlich verdreht und die Schwinghandlung des Schwinggewichts wird nicht zu den breiten Trägerteilen 3a, 5a ausgebreitet. Das heißt, es wird keine gegenseitige Beeinflussung durch die Schwingungen in die X-Achsenrichtung und in die Y-Achsenrichtung erzeugt. Das Entweichen der Schwingung des Treiberträgers zu der Erfassungsträgerseite ist reduziert und die elliptische Bewegung des Schwinggewichts 6a ist auf Grund dieser Handlungen der schmalen Trägerteile 2b, 5b reduziert.
Wenn der Winkelgeschwindigkeitssensor um die Z-Achse gedreht wird, wird ein Teil, der äquivalent zu einem freien Ende der breiten Trägerteile 3a, 5a ist und der bei den schmalen Trägerteilen 3b, 5b der Träger 3, 5 gebogen wird, hauptsächlich durch die Corioliskraft bewegt, um die breiten Trägerteile 3a, 5a zu schwingen, und die elektrische Ausgabe wird von dem piezoelektrischen Element erhalten. Bei dieser Handlung werden die schmalen Trägerteile 3b, 5b der Träger 2, 4 hauptsächlich bei dem Träger b1 verdreht und unterdrücken die Schwingung durch die Corioliskraft nicht.
Die Anregungsschwingung, die durch die Hysteresecharakteristik der Anregungsamplitude zu der Anregungsfrequenz bewirkt wird, ist stabilisiert, die Drift der Ausgabe der Erfassung der Winkelgeschwindigkeit ist auf Grund der Temperaturcharakteristik des Treiberträgers und des Erfassungsträgers reduziert, ferner ist die Versatzspannung gesenkt und sind die Empfindlichkeit eines Erfassens der Winkelgeschwindigkeit und die Auflösung eines Erfassens der Winkelgeschwindigkeit verbessert.
Als nächstes ist eine Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 10a, die eine Selbstschwingungsschaltung einsetzt, die unter Verwendung des Winkelgeschwindigkeitssensors 10 gebildet ist, mit Bezug auf 3 beschrieben. Der piezoelektrische Schwingungsträger 2 wird für eine Ansteuerung verwendet, der piezoelektrische Schwingungsträger 4 wird für eine Rückkopplung verwendet und die piezoelektrischen Schwingungsträger 3, 5 werden für ein Erfassen der Winkelgeschwindigkeit verwendet. Ein Ausgangsanschluss des piezoelektrischen Schwingungsträgers 4 für eine Rückkopplung ist mit einem Phasenverschieber 11 verbunden und ein Ausgangsanschluss des Phasenverschiebers 11 ist mit einer AGC-Schaltung (AGC = Automatic Gain Control = automatische Verstärkungssteuerung) 12 verbunden und ein Ausgangsanschluss der AGC-Schaltung 12 ist mit dem piezoelektrischen Schwingungsträger 2 für eine Ansteuerung verbunden. Der piezoelektrische Schwingungsträger 2 für eine Ansteuerung ist mechanisch mit dem piezoelektrischen Schwingungsträger 4 für eine Rückkopplung durch den Kopplungsteil 6 (das Schwinggewicht 6a) gekoppelt. Eine geschlossene Schaltung mit dem piezoelektrischen Schwingungsträger 4 – dem Phasenverschieber – der AGC-Schaltung 12 – dem piezoelektrischen Schwingungsträger 4 als eine Schleife bildet die Selbstschwingungsschaltung. Ausgangsanschlüsse der piezoelektrischen Schwingungsträger 3, 5 für eine Erfassung sind jeweils mit einem Differenzverstärker 13 verbunden.
Der Betrieb der Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 10a, die in 3 dargestellt ist, ist wie folgt. Bei der Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 10a wird, wenn eine Leistungsquelle, die in der Figur nicht angegeben ist, eingeschaltet wird, die Schwingung der oben beschriebenen Selbstschwingungsschaltung begonnen und die Schwingung wird durch die mechanische Resonanzfrequenz fortgeführt, die durch die piezoelektrischen Schwingungsträger 2–5 und das Schwinggewicht 6a bestimmt sein soll. Hinsichtlich der Schwingungsmode wird die Ausgabe des piezoelektrischen Schwingungsträger 4 für eine Rückkopplung durch den Phasen verschieber 11 um 180° verschoben, weil der piezoelektrische Schwingungsträger 2 sich um 180° von dem piezoelektrischen Schwingungsträger 4 für eine Rückkopplung unterscheidet, und die Ausgabe wird durch die AGC-Schaltung 12 verstärkt und in den piezoelektrischen Schwingungsträger 2 für eine Ansteuerung eingegeben, um die Bedingung einer Schwingung der Phase und der Verstärkung zu erfüllen.
Falls die Drehbewegung um die Achse hinzugefügt wird, die das Zentrum des Schwinggewichts 6a senkrecht zu der Ebene der Zeichnung durchläuft, wenn das Schwinggewicht 6a durch die piezoelektrischen Schwingungsträger 2, 4 anregungsmäßig geschwungen wird, schwingt das Schwinggewicht 6a auf Grund der Corioliskraft in die Richtung orthogonal zu der Schwingrichtung, bevor die Drehbewegung hinzugefügt wird, bewirken die piezoelektrischen Schwingungsträger 3, 5 für eine Erfassung jeweils die Biegeschwingung in die vertikalen Richtungen entgegengesetzt zueinander und wird die Spannung der umgekehrten Polarität, deren Phase umgekehrt ist, erzeugt. Diese Spannung der umgekehrten Polarität wird durch den Differenzverstärker 13 differenzverstärkt, um die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung zu erhalten.
Eine andere Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 10b, die eine Selbstschwingungsschaltung einsetzt, die den Winkelgeschwindigkeitssensor 10 verwendet, ist mit Bezug auf 4 beschrieben. Bei dieser Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 10b sind benachbarte piezoelektrische Schwingungsträger 2, 3 für eine Ansteuerung und sind die piezoelektrischen Schwingungsträger 4, 5 für eine Erfassung und eine Rückkopplung. Die Selbstschwingungsschaltung weist eine geschlossene Schaltung auf, die aus den piezoelektrischen Schwingungsträgern 4, 5 für eine Erfassung, einem Addierer 14, dem Phasenverschieber 15, der AGC-Schaltung 16, den piezoelektrischen Schwingungsträgern 2, 3 für eine Ansteuerung, dem Kopplungsteil 6 (dem Schwinggewicht 6a) und den piezoelektrischen Schwingungsträgern 4, 5 besteht.
Ausgangsanschlüsse der piezoelektrischen Schwingungsträger 4, 5 sind mit einem Differenzverstärker 17 verbunden.
Der Betrieb der Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 10b, die in 4 dargestellt ist, ist wie folgt. Bei der Winkelgeschwindigkeitserfassungsschaltung 10b wird, wenn eine Leistungsquelle, die in der Figur nicht angegeben ist, eingeschaltet wird, die Schwingung der Selbstschwingungsschaltung begonnen und wird die Schwingung wird durch die mechanische Resonanzfrequenz fortgeführt, die durch die piezoelektrischen Schwingungsträger 2–5 und das Schwinggewicht 6a bestimmt sein soll. Die piezoelektrischen Schwingungsträger 2, 3 werden simultan angeregt, wenn die Spannung der gleichen Spannung angelegt ist. Folglich schwingt der untere zentrale Punkt des Schwinggewichts 6a in die Richtung eines Pfeils a, um einen Raum zwischen den piezoelektrischen Schwingungsträger 2 und 3 in zwei zu teilen.
Falls der Winkelgeschwindigkeitssensor 10 um die Achse gedreht wird, die das Zentrum des Schwinggewichts 6a senkrecht zu der Ebene der Zeichnung durchläuft, wenn das Schwinggewicht 6a somit in die Richtung des Pfeils a durch die piezoelektrischen Schwingungsträger 2, 4 anregungsmäßig geschwungen wird, wird die Schwingung basierend auf der Corioliskraft in die Richtung eines Pfeils b orthogonal zu der Richtung des Pfeils a erzeugt. Die erzeugte Spannung der piezoelektrischen Schwingungsträger 4, 5 durch die Schwingung in die Richtung dieses Pfeils b wird zu der Spannung der umgekehrten Polarität, deren Phase umgekehrt ist, und die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung kann durch die Differenzverstärkung durch den Differenzverstärker 17 erhalten werden. Weil die piezoelektrischen Schwingungsträger 4, 5 ferner die Spannung der gleichen Polarität in die Richtung des Pfeils a durch die Anregungsschwingung durch die piezoelektrischen Schwingungsträger 2, 3 erzeugen, wird die Spannung der umgekehrten Polarität, die in den piezoelektrischen Schwingungsträgern 4, 5 erzeugt wird, durch den Addierer 14 addiert, um aufgehoben zu werden, während die Spannung der gleichen Polarität durch den Addierer 14 addiert wird, um das Signal von näherungsweise der gleichen Phase wie dieser der Treiberspannung zu erzeugen, die an die piezoelektrischen Schwingungsträger 2, 3 angelegt werden soll. Die geschlossene Schaltung wird durch ein Erreichen der Rückkopplung dieses Signals durch den Phasenverschieber 15 zu der Selbstschwingungsschaltung.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 20 eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf 5 beschrieben. Rechteckige, breite Trägerteile 22a sind von vier Innenseitenoberflächen eines Rahmentragekörpers 21 erweitert. Piezoelektrische Elemente 22c sind an einer oberen Oberfläche dieser breiten Trägerteile ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel gebildet. Schmale Trägerteile 22b, die einen geraden Träger b3 aufweisen, sind an der Spitze der breiten Trägerteile 22a gebildet. Die Spitze des Träger bildenden Trägerteils 22b ist mit einem Kopplungsteil 26 gekoppelt. Ein Schwinggewicht 26a ist an einer unteren Seite des Kopplungsteils 26 gebildet. Der breite Trägerteil 22a und der schmale Trägerteil 22b bilden einen geraden piezoelektrischen Schwingungsträger 22.
Der Träger bildende Teil 22b führt die Handlungen einer Torsion und einer Auslenkung durch und koppelt die Träger 2–5 weich mit dem Kopplungsteil 26. Andere Handlungen und Wirkungen sind diesen der schmalen Trägerteile 2b–5b des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 30 eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf 6 beschrieben. Ein L-förmiger Träger 32 ist mit einem rechteckigen breiten Trägerteil 32a und einem schmalen Trägerteil 32b versehen, der von einem Eckteil einer Spitzenoberfläche dieses breiten Trägerteils 32a in die Richtung bei 90° relativ zu der longitudinalen Richtung des breiten Trägerteils 32a erweitert ist. Dieser L-förmige Träger 32 koppelt Wurzelteile der breiten Trägerteile 32a mit vier Innenseitenoberflächen eines Rahmentragekörpers 31 und koppelt die Spitze des schmalen Trägerteils 32b mit einem Eckteil eines Kopplungsteils 36, wobei als ein Ganzes eine Spiralform gebildet wird. Ein Schwinggewicht 36a ist an einem unteren Teil des Kopplungsteils 36 vorgesehen. Ein piezoelektrisches Element 32c ist an einer unteren Oberfläche des breiten Trägerteils 32a ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der schmale Trägerteil 32b mit der Ecke des breiten Trägerteils 32a und der Ecke des Kopplungsteils 36 gekoppelt, schwingt der breite Trägerteil 32a des Treiberträgers torsionsmäßig und schwingt der Kopplungsteil 36 (das Schwinggewicht 36a) so, um mit dem schmalen Trägerteil 32b des Erfassungsträgers als der Achse gedreht zu werden. Bei dieser Bedingung führt ein Träger b4 des schmalen Trägerteils 32b des Treiberträgers die Handlung einer Auslenkung durch, während der Träger b4 des Erfassungsträgers die Handlung einer Torsion durchführt. Andere Handlungen und Wirkungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind diesen der schmalen Trägerteile 2b–5b des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 40 eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf 7 beschrieben. Wurzelteile von rechteckigen breiten Trägerteilen 42a sind jeweils mit vier Innenseitenoberflächen eines Rahmentragekörpers 41 gekoppelt. Die Spitzen der breiten Trägerteile 42a sind mit einem Träger b5 von schmalen Trägerteilen 42b eines ringähnlichen Trägers b6, der einen trägerähnlichen Träger b6 und einen geraden Träger b5 an jeder Seite aufweist, gekoppelt und der andere Träger ist mit einem Kopplungsteil 46 gekoppelt. Ein Schwinggewicht 46a ist an einem unteren Teil des Kopplungsteils 46 vorgesehen. Ein piezoelektrisches Element 42c ist an dem breiten Trägerteil 42a ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die schmalen Trägerteile 42b durch die Verformung des Trägers 6, die zu der Torsion von zwei Trägern b5 addiert ist, ohne weiteres verdreht und durch die Auslenkung von hauptsächlich zwei Trägern b5 größtenteils ausgelenkt. Bei der Zugbelastung, die in den schmalen Trägerteilen 42b ausgeübt wird, wird ein Träger b6 verformt und verlängert, während bei der Kompressionsbelastung, die in den schmalen Trägerteilen 42b ausgeübt wird, der Träger b6 verformt wird und der Träger b5 ausgelenkt wird. Andere Handlungen und Wirkungen sind diesen der schmalen Trägerteile 2b–5b des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 50 eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf 8 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass ein schmaler Trägerteil 52b zwischen dem Trägerkörper 5 und einem breiten Trägerteil 52b vorgesehen ist. Ein Träger 52 weist einen rechteckigen, breiten Trägerteil 52a und einen T-förmigen, schmalen Trägerteil 52b auf. Beide Enden eines geraden Trägers b8 des schmalen Trägerteils 52b sind mit einem Rahmentragekörper 51 gekoppelt und ein gerader Träger ist zwischen einen zentralen Teil des Trägers b8 und den breiten Trägerteil 52a gekoppelt. Die andere Endfläche des breiten Trägerteils 52a ist mit einem Kopplungsteil 56 gekoppelt. Ein Schwinggewicht 56a ist an einem unteren Teil des Kopplungsteils 56 vorgesehen. Ein piezoelektrisches Element 52c ist an einer oberen Oberfläche des breiten Trägerteils 52a ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen.
Bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor 50 der des vorliegenden Ausführungsbeispiels bewirkt, wenn der piezoelektrische Schwingungsträger 52 in der sekundären Schwingungsmode schwingt, ein gekoppelter Körper, der vier breite Trägerteile 52a und den Kopplungsteil 56 aufweist, die Biegeschwingung mit gekoppelten Teilen der breiten Trägerteile 52a und der schmalen Trägerteile 52b des Treiberträges als Knoten n1, n2 und mit einem Zentrum des Kopplungsteils 56 als einem Knoten n3. Bei dieser Bedingung bewirkt ein Träger b8 der schmalen Trägerteile 52b des Treiberträgers die Torsion und bewirkt ein Träger b7 der schmalen Trägerteile 52b des Erfassungsträgers die Torsion, um den gekoppelten Körper in einer Freischwingungsmode zu schwingen. Andere Handlungen und Wirkungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind diesen der schmalen Trägerteile 2b–5b des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 60 eines sechsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf 9 beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass schmale Trägerteile 62b eines Trägers 62 zwischen breiten Trägerteilen 62a und einem Tragekörper 61 vorgesehen sind. Der Träger 62 weist rechteckige breite Trägerteile 62a bzw. schmale Trägerteile 62b auf, die sich von beiden Eckteilen einer Endfläche der breiten Trägerteile 62a in die Richtung orthogonal zu der longitudinalen Richtung erstrecken. Beide Enden der Träger bildenden Trägerteile 62b sind mit Innenseitenoberflächen eines Rahmentragekörpers 61 gekoppelt und eine andere Endfläche der breiten Trägerteile 62a ist mit einem Kopplungsteil 66 gekoppelt. Ein Schwinggewicht 66a ist an einem unteren Teil des Kopplungsteils 66 vorgesehen. Ein piezoelektrisches Element 62 ist an einer unteren Oberfläche der breiten Trägerteile 62a ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor 60 des vorliegenden Ausführungsbeispiels bewirkt die Biegeschwingung mit drei Knoten n1, n2, n3 als den Knoten ähnlich dem fünften Ausführungsbeispiel, wenn der piezoelektrische Schwingungsträger 62 in der Sekundärschwingungsmode schwingt. Wenn der piezoelektrische Schwingungsträger 62 in die X-Achsenrichtung die Biegeschwingung bewirkt, führt ein Träger b9 der schmalen Trägerteile 62b die Handlung einer Torsion durch und führt der Träger b9 der schmalen Träger teile 62b des Erfassungsträgers die Handlung einer Torsion für die Schwingung in die Y-Achsenrichtung auf Grund der Corioliskraft durch. Andere Handlungen und Wirkungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind diesen der schmalen Trägerteile 2b–5b des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 70 eines sechsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf 10 beschrieben. Dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 70 weist drei piezoelektrische Schwingungsträger 72 auf, während der Winkelgeschwindigkeitssensor 10, der in 1 dargestellt ist, vier piezoelektrische Schwingungsträger aufweist. Die Form der piezoelektrischen Schwingungsträger 72 ist näherungsweise gleich wie diese, die in 1 dargestellt ist. Das heißt, die piezoelektrischen Schwingungsträger 72 weisen rechteckige breite Trägerteile 72a und schmale Trägerteile 72b auf, wobei piezoelektrische Elemente 72c an denselben gebildet sind. Drei piezoelektrische Schwingungsträger 72, die voneinander mit Winkelintervallen von 120° auseinander sind, koppeln Wurzelteile der breiten Trägerteile 72a mit Innenseitenoberflächen eines Rahmentragekörpers 71 und koppeln zwei Spitzenteile der schmalen Trägerteile 72b mit einem Kopplungsteil 76. Ein Schwinggewicht 76a ist an einem unteren Teile dieses Kopplungsteils 76 gebildet.
Die Wirkungen der piezoelektrischen Schwingungsträger 72 der vorliegenden Erfindung sind die gleichen wie diese, die für den Winkelgeschwindigkeitssensor 10 beschrieben sind. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Winkelgeschwindigkeitssensor ferner durch ein Bezeichnen von beispielsweise zwei der Träger von den drei piezoelektrischen Schwingungsträgern 72 für ein Treiben und ein Erfassen und dem Rest für eine Rückkopplung betrieben werden.
Ein Herstellungsverfahren des in 1 dargestellten Winkelgeschwindigkeitssensors 10 ist wie folgt.
In 11 wird ein SOI-Substrat (Silizium-auf-Isolator-Substrat) 1d vorbereitet, das eine Dreischichtstruktur aus einem Siliziumsubstrat 1a und einen Siliziumoxidfilm 1b von 500 μm Dicke und eine aktive Schicht 1c von 20 μm Dicke aufweist. Ein Siliziumoxidfilm 7 ist an einer oberen Oberfläche der aktiven Schicht 1c dieses SOI-Substrats 1d durch ein Sputterverfahren, ein chemisches Dampfaufwachsverfahren, etc. gebildet.
In 12 wird ein metallischer Film, wie beispielsweise Gold (Au)/Chrom (Cr) und Aluminium (Al) von 0,1–0,3 μm Dicke an einer oberen Oberfläche des Siliziumoxidfilms 7 durch ein Dampfaufbringungsverfahren oder das Sputterverfahren gebildet. Dieser metallische Film wird unter Verwendung der Photoätztechnologie bearbeitet, um die untere Elektrode 8 zu bilden.
In 13 wird ein Zinkoxidfilm (ZnO-Film) 9a von 2–10 μm Dicke an dem Siliziumoxidfilm 7 einschließlich der unteren Elektrode 8 unter Verwendung eines HF-Magnetron-Sputterverfahrens, des chemischen Phasenaufwachsverfahrens oder dergleichen gebildet. Ein piezoelektrisches Element wird bei diesem Prozess abgeschlossen.
In 14 werden obere Elektroden 2c(2d)–5c(5d) von 0,1–0,3 μm Dicke aus einem metallischen Film, wie beispielsweise Gold (Au)/Chrom (Cr) und Aluminium (Al) unter Verwendung eines Abhebeverfahrens gebildet.
In 15 wird ein piezoelektrischer Film 9 durch ein Strukturieren des Zinkoxidfilms 9a durch ein Trockenätzen unter Verwendung einer Resistmaske gebildet.
In 16 wird eine Resistmaske ml an einer Flächenform des Winkelgeschwindigkeitssensors 10 gebildet, der in 1 dargestellt ist. Der Siliziumoxidfilm 7, die aktive Schicht 1c und der Siliziumoxidfilm 1a werden durch ein Trockenätzen unter Verwendung dieser Resistmaske ml durch ein Verändern jedes Ätzgases senkrecht bearbeitet.
In 17 wird eine Resistmaske m2 an einer hinteren Form des Rahmentragekörpers 1 und des Schwinggewichts 6a gebildet. Das Siliziumsubstrat 1a und der Siliziumoxidfilm 1a werden durch ein Trockenätzen unter Verwendung dieser Resistmaske m2 durch ein Verändern jedes Ätzgases senkrecht bearbeitet. Und das Schwinggewicht 6a, die piezoelektrischen Schwingungsträger 2–5 und der Rahmentragekörper 1 werden dadurch gebildet.
Die Resistmaske m2 wird durch Sauerstoffveraschung (O2-Veraschung) entfernt, um den Winkelgeschwindigkeitssensor 10 herzustellen, wie es in 2 dargestellt ist.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind Winkelgeschwindigkeitssensoren eines piezoelektrischen Treibertyps und des piezoelektrischen Erfassungstyps dargestellt, aber der Winkelgeschwindigkeitssensor, der einen Winkelgeschwindigkeitssensor eines elektrostatischen Treibertyps, einen Winkelgeschwindigkeitssensor eines elektrostatischen Erfassungstyps oder die Kombination derselben aufweist, kann gebildet werden. Bei dieser Struktur des elektrostatischen Treibertyps oder des elektrostatischen Erfassungstyps ist eine elektrostatische Elektrode an einem Tragekörper an einer unteren Seite des breiten Trägerteils vorgesehen, und ist die Spannung durch eine ähnliche Struktur an diese elektrostatische Elektrode und die breiten Trägerteile angelegt, um den Träger zu treiben und um den Träger zu erfassen.
Bei der oben beschriebenen Erläuterung ist ein Beispiel beschrieben, bei dem der schmale Trägerteil in einer Trägerbreite kleiner als der breite Trägerteil ist, aber es ist auch ein Fall annehmbar, bei dem die Trägerbreite des schmalen Trägerteils kleiner als diese des breiten Träger teils ist und die Dicke des schmalen Trägerteils kleiner als diese des breiten Trägerteils ist.
Durch ein Liefern des AC-Treibersignals zu dem piezoelektrischen Element bewirkt der breite Trägerteil die Biegeschwingung mit dem piezoelektrischen Element als eine Schwingungsquelle und das Schwinggewicht schwingt in die spezifizierte Richtung. Das heißt, wenn das piezoelektrische Element an einem Träger vorgesehen ist, schwingt das Schwinggewicht in die Erstreckungsrichtung des Trägers, und wenn das piezoelektrische Element an nicht weniger als zwei Trägern vorgesehen ist, schwingt das Schwinggewicht in die Schwingrichtung, in die die Schwingrichtung jedes Trägers aufgebaut ist. Außer wenn ein piezoelektrisches Element sowohl für eine Ansteuerung als auch für eine Erfassung verwendet wird, ist ferner das piezoelektrische Element für eine Ansteuerung von dem piezoelektrischen Element für eine Erfassung getrennt und dieselben sind an dem breiten Trägerteil eines gemeinsamen Trägers oder an den breiten Trägerteilen von getrennten Trägern vorgesehen.
Wenn der schmale Trägerteil zwischen dem breiten Trägerteil und dem Kopplungsteil gebildet ist und das Schwinggewicht durch die Ausdehnung/Zusammenziehung des piezoelektrischen Elements in die spezifizierte Richtung schwingt, wird die Schwingung, die die Komponente orthogonal zu derselben aufweist, durch den schmalen Trägerteil absorbiert und beeinflusst das piezoelektrische Element nicht. Wenn der schmale Trägerteil zwischen dem breiten Trägerteil und dem Tragekörper gebildet ist, ist die Belastung in dem Tragekörper des breiten Trägerteils reduziert und ist der Kopplungskörper durch den Tragekörper wenig eingeschränkt und kann die Biegeschwingung bewirken, selbst wenn der Kopplungskörper, der den breiten Trägerteil und den Kopplungsteil aufweist, durch das piezoelektrische Element schwingt.
Wenn ein piezoelektrisches Element an dem breiten Trägerteil jedes Trägers gebildet ist, ist jeder Träger in den Träger (anregender Träger), um das Schwinggewicht anzuregen, und den Träger (erfassender Träger), um die Schwingung des Schwinggewichts zu erfassen, klassifiziert. Wenn das AC-Treibersignal an das piezoelektrische Element des anregenden Trägers angelegt ist, um das Schwinggewicht in die Erstreckungsrichtung des anregenden Trägers zu schwingen, wird der schmale Trägerteil verdreht und keine Schwingung des Schwinggewichts wird zu dem erfassenden Träger orthogonal zu dem anregenden Träger ausgebreitet. Somit wird kein elektrisches Signal in dem piezoelektrischen Element des erfassenden Trägers erzeugt. Wenn die Corioliskraft während der Anregungsschwingung an das Schwinggewicht angelegt ist, schwingt der breite Trägerteil des erfassenden Trägers und gibt das piezoelektrische Element das elektrische Signal aus. Bei dieser Bedingung ist keine Corioliskraft durch die Torsion des schmalen Trägerteils an den anregenden Träger angelegt.
Während bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart wurden, werden verschiedene Modi zum Ausführen der hierin offenbarten Prinzipien als innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche befindlich betrachtet. Deshalb ist klar, dass der Schutzbereich der Erfindung nicht begrenzt sein soll, außer wenn es in den Ansprüchen anderweitig dargelegt ist.

Claims

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor, der folgende Merkmale aufweist: einen Tragekörper (1); eine Mehrzahl von Trägern (2–5; 22; 32; 42; 52; 62; 72), die durch den Tragekörper (1) einzeln getragen sind; und einen Kopplungsteil (6; 26; 36; 46; 56; 66; 76), mit dem eine Mehrzahl der Träger (2–5; 22–72) gemeinsam gekoppelt sind; dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwinggewicht (6a; 26a; 36a; 46a; 56a; 66a; 76a) an dem Kopplungsteil (6; 26–76) gebildet ist, wobei das Schwinggewicht sich von einer Oberfläche des Kopplungsteils erstreckt, derart, dass eine gemeinsame Dicke, in eine Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Kopplungsteil gemessen, des Kopplungsteils und des Schwinggewichts größer als eine Dicke der Träger ist, und dass jeder Träger (2–5; 22–72) einen breiten Trägerteil (2a–5a; 22a; 32a; 42a; 52a; 62a; 72a) und einen schmalen Trägerteil (2b–5b; 22b; 32b; 42b; 52b; 62b; 72b) aufweist, der schmaler als der breite Trägerteil (2a–5a; 22a–72a) ist.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1, bei dem der schmale Trägerteil (2b–5b; 22b; 32b; 42b; 72b) jedes Trägers mit dem Kopplungsteil (6; 26; 36; 46; 76) gekoppelt ist und der breite Trägerteil (2a–5a; 22a; 32a; 42a; 72a) mit dem Tragekörper (1) gekoppelt ist.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1, bei dem der schmale Trägerteil (52b; 62b) jedes Trägers (52; 62) mit dem Tragekörper (1) gekoppelt ist und der breite Trägerteil (52a; 62a) mit dem Kopplungsteil (56; 66) gekoppelt ist.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zumindest ein piezoelektrisches Element (9; 22c; 32c; 42c; 52c; 62c; 72c) an einem breiten Trägerteil (2a–5a; 22a–72a) zumindest eines Trägers (2–5; 22–72) gebildet ist.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 4, bei dem jeder schmale Trägerteil (2b–5b; 22b–72b) zumindest einen Trägerbildungskörper mit einer linearen Form, einer Y-Form, einer T-Form oder einer gekoppelten linearen Form mit einem Ring aufweist.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem piezoelektrische Elemente (9; 22c–72c) an den jeweiligen breiten Trägerteilen (2a–5a; 22a–72a) jedes der Träger (2–5; 22–72) gebildet sind.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 6, bei dem es vier Träger (2–5; 22–62) gibt, wobei einer der Träger ein Treiberträger ist, einer der Träger ein Rückkopplungsträger ist und zwei der Träger Erfassungsträger sind.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 7, der ferner eine Treiberschaltung, die mit dem Treiberträger verbunden ist, eine Rückkopplungsschaltung (11; 12; 14; 15; 16), die mit dem Rückkopplungsträger verbunden ist, und eine Erfassungsschaltung (13; 17) umfasst, die mit den Erfassungsträgern verbunden ist.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von Trägern vier Träger (2–5; 22; 32; 42) umfassen, wobei die vier Träger (2–5; 22–42) mit dem Kopplungsteil in einer orthogonalen Weise gekoppelt sind, wobei ein Ende des breiten Trägerteils (2a–5a; 22a–42a) mit dem Tragekörper (6; 26–46) gekoppelt ist und wobei der schmale Trägerteil (2b–5b; 22b–42b) zwischen den breiten Trägerteil (2a–5a; 22a–42a) und den Kopplungsteil (6; 26–46) gekoppelt ist, und wobei zumindest ein piezoelektrisches Element (9; 22c; 32c; 42c) an jedem breiten Trägerteil (2a–5a; 22a–42a) gebildet ist.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von Trägern vier Träger (52; 62) umfassen, wobei die vier Träger (52; 62) mit dem Kopplungsteil in einer orthogonalen Weise gekoppelt sind, wobei ein Ende des breiten Trägerteils (52a; 62a) jedes Trägers mit dem Kopplungsteil (56; 66) gekoppelt ist, um einen kreuzförmigen Kopplungskörper zu bilden, wobei der schmale Trägerteil (52b; 62b) zwischen den breiten Trägerteil (52a; 62a) und den Tragekörper (1) gekoppelt ist, und wobei zumindest ein piezoelektrisches Element (52c; 62c) an jedem breiten Trägerteil (52a; 62a) gebildet ist.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem jeder schmale Trägerteil (2b–5b; 22b–62b) zumindest einen Trägerbildungskörper einer linearen Form, einer Y-Form, einer T-Form oder einer gekoppelten linearen Form mit einem Ring aufweist.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 11, bei dem einer der Träger (2–5; 22–62) ein Treiberträger ist, einer der Träger ein Rückkopplungsträger ist und zwei der Träger Erfassungsträger sind.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 12, der ferner eine Treiberschaltung, die mit dem Treiberträger verbunden ist, eine Rückkopplungsschaltung (11; 12; 14; 15; 16), die mit dem Rückkopplungsträger verbunden ist, und eine Erfassungsschaltung (13; 17) umfasst, die mit den Erfassungsträgern verbunden ist.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 13, bei dem der Tragekörper (1), die vier Träger (2–5; 22–62), der Kopplungsteil (6; 26–66) und das Schwingge wicht (6a; 26a–66a) jeweils aus einem Silizium-auf-Isolator-Substrat gebildet sind.