DE102007002180A1

DE102007002180A1 - Winkelgeschwindigkeitssensor

Info

Publication number: DE102007002180A1
Application number: DE102007002180A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Uchiyama; Mitsuo Yarita; Akira Egawa
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2007-09-20
Also published as: JP2007240518A; US7444870B2; JP4874067B2; US20070180909A1

Abstract

Ein Winkelgeschwindigkeitssensor verstärkt eine Mehrzahl von Erfassungssignalen unter Verwendung einer Verstärkungsschaltung und trennt diese Erfassungssignale korrekt nach der Verstärkung. Der Winkelgeschwindigkeitssensor erfasst Verlagerungen von einer Masse in den jeweiligen axialen Richtungen, jeweils unter Verwendung von einer X-Achse Erfassungsschaltung, einer Y-Achse Erfassungsschaltung und einer Z-Achse Erfassungsschaltung. Eine Trägerwelle, welche eine Phase hat, welche von einer Phase von einer Trägerwelle von der Z-Achse Erfassungsschaltung um 90° verschoben ist, wird an die X-Achse Erfassungsschaltung und die Y-Achse Erfassungsschaltung angelegt, wobei das Anlegen der Trägerwelle an die X-Achse Erfassungsschaltung und die Y-Achse Erfassungsschaltung durch ein Umschalten, basierend auf Taktsignalen, durchgeführt wird. Ausgaben der jeweiligen Achsen-Erfassungsschaltungen werden gemeinsam einer Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung eingegeben. Ein Ausgangssignal der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung wird drei Synchron-Erfassungsschaltungen eingegeben, und eine X-Achse Erfassungssignal-Komponente, eine Y-Achse Erfassungssignal-Komponente und eine Z-Achse Erfassungssignal-Komponente werden in den jeweiligen Synchron-Erfassungsschaltungen getrennt. In den Synchron-Erfassungsschaltungen wird durch Anwenden einer Phasen-Aufteilungsverarbeitung auf das zusammengefasste Signal, die Z-Achse Erfassungssignal-Komponente von Kreuzachsen-Erfassungssignal-Komponenten ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor, welcher eine Winkelgeschwindigkeit erfasst, welche auf ein Objekt wirkt, und genauer auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor vom Typ einer elektrostatischen Kapazitätserfassung, welcher die auf das Objekt wirkende Winkelgeschwindigkeit basierend auf einer Änderung von einer elektrostatischen Kapazität erfasst.

2. Beschreibung zum Stand der Technik

In weiten Feldern, welche eine Kamera-Erschütterungskorrekturvorrichtung von einer Videokamera, eine Airbag-Vorrichtung für ein Fahrzeug und eine Positions-Steuervorrichtung von einem Roboter enthalten, wird ein mechanisch dynamischer Größensensor, wie beispielsweise ein Beschleunigungssensor oder ein Winkelgeschwindigkeitssensor, verwendet.

Als ein solcher mechanisch dynamischer Größensensor ist ein Sensor vom Typ einer elektrostatischen Kapazitätserfassung bekannt, welcher die Verlagerung einer Masse basierend auf einer Änderung einer elektrostatischen Kapazität zwischen einer Elektrode, welche auf einer Masse (ein Massenkörper) befestigt ist, welche einen bewegbaren Körper bildet, und einer festgelegten Elektrode erfasst, und eine mechanisch dynamische Größe, basierend auf dieser Verlagerung von der Masse, erfasst.

Bei einem solchen mechanisch dynamischen Größensensor vom Typ einer elektrostatischen Kapazitätserfassung wird zur Erfassung der Änderung von der elektrostatischen Kapazität zwischen den Elektroden eine C/V (elektrostatische Kapazität/Spannung) Umwandlungsvorrichtung verwendet, welche die elektrostatische Kapazität in eine Spannung umwandelt, welche der elektrostatischen Kapazität entspricht.

Die C/V-Umwandlungsvorrichtung enthält zur korrekten Erfassung von einer winzigen Änderung der elektrostatischen Kapazität einen Verstärker, welcher eine Amplitude eines Signals für jede Achse oder für jedes elektrostatische Kapazitätselement verstärkt, um eine mechanisch dynamische Größe zu erfassen, welche auf das Objekt wirkt.

Die Anzahl von Verstärkern für solche Signale nimmt mit der Zunahme der Anzahl von Erfassungsachsen der mechanisch dynamischen Größen zu, und somit wird eine Tendenz dahingehend beobachtet, dass eine Schaltung mit Bezug auf einen Sensor eines Typs zur Mehrfachachsen-Erfassung komplizierter und größer wird.

Demgemäß wurde herkömmlicherweise, wie im folgenden Patentdokument beschrieben, eine Technik vorgeschlagen, welche die Anzahl von Operationsverstärkern in der C/V-Umwandlungsvorrichtung reduziert.

Patentdokument 1: JP-A-2005-315824

Patentdokument 1 stellt eine Technik vor, welche die elektrostatischen Kapazitäten von einer Mehrzahl von unterschiedlichen elektrostatischen Kapazitätselementen unter Verwendung eines Operationsverstärkers misst.

Genauer gesagt werden Trägersignale, deren Phasen voneinander um 90° verschoben sind, an die elektrostatischen Kapazitätselemente angelegt, welche zu messende Objekte sind, und es werden alle Ausgänge des elektrostatischen Kapazitätselements dem Operationsverstärker eingegeben. Dann werden unter Durchführung einer Phasen-Aufteilungsverarbeitung mit Bezug auf die Ausgangssignale des Operationsverstärkers unter Verwendung einer Synchron-Erfassungsschaltung, Erfassungssignale der elektrostatischen Kapazitäten der jeweiligen elektrostatischen Kapazitätselemente voneinander getrennt.

Hierbei kann die oben erwähnte Technik, welche die Signale basierend auf der Phasen-Aufteilungsverarbeitung trennt, lediglich zwei Arten von Signalen trennen, und somit ist es notwendig, gleichzeitig die elektrostatischen Kapazitäten von drei oder mehreren elektrostatischen Kapazitätselementen zu messen (zu erfassen), wobei eine Frequenztrennungs-Verarbeitung, welche die Frequenzen der angelegten Trägerwellen ändert, dazu verwendet wird, um eine solche Messung zu bewältigen.

Jedoch, wenn die elektrostatischen Kapazitäten von drei oder mehreren elektrostatischen Kapazitätselementen gleichzeitig unter Verwendung der beispielsweise in Patentdokument 1 beschriebenen Technik gemessen (erfasst) werden, ist es, wenn die Verlagerung einer Masse in drei Achsen, welche eine X-Achse und eine Y-Achse, welche Erfassungsachsen bilden, und eine Z-Achse, welche eine Oszillationsachse bildet, enthalten, erfasst wird, wie im Falle eines 2-Achsen Winkelbeschleunigungssensors, notwendig, eine Mehrzahl von Signalquellen bereitzustellen, welche sich in der Frequenz unterscheiden.

Auf diese Weise ist es schwierig zu verhindern, dass die Schaltung mit der Bereitstellung von der Mehrzahl von Signalquellen kompliziert und groß wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Winkelgeschwindigkeitssensor bereitzustellen, welcher nach einem Verstärken von einer Mehrzahl von Erfassungssignalen unter Verwendung von einer Verstärkungsschaltung, diese Erfassungssignale ohne eine Bereitstellung einer Mehrzahl von Signalquellen korrekt trennen kann.

Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, ist gemäß eines ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung ein Winkelgeschwindigkeitssensor bereitgestellt mit einem Rahmen, welcher einen ausgehöhlten Abschnitt hat, einer Masse, welche auf dem Rahmen mittels elastischer Träger gehalten ist, welche in der X-Achse Richtung und der Y-Achse Richtung zueinander senkrecht ausgebildet sind, eine Dicke in der Z-Achse Richtung hat, welche jeweils senkrecht zur X-Achse und Y-Achse ist, wobei ein Oberflächenabschnitt der Masse als eine bewegbare Elektrode wirkt und Positionsänderungen derer einer externen Kraft entsprechen, einer Mehrzahl von festgelegten Elektroden, welche derart angeordnet sind, dass sie der Masse auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegen, einer ersten Erfassungsschaltung, welche eine Änderung einer elektrostatischen Kapazität zwischen der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode zusammen mit der Neigung der Masse in die Y-Achse Richtung erfasst, einer zweiten Erfassungsschaltung, welche eine Änderung einer elektrostatischen Kapazität zwischen der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode zusammen mit der Neigung der Masse in die X-Achse Richtung erfasst, einer dritten Erfassungsschaltung, welche eine Änderung einer elektrostatischen Kapazität zwischen der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode zusammen mit einer Verlagerung der Masse in die Z-Achse Richtung erfasst, einem Phasenschiebermittel, welches eine Phase einer Trägerwelle, welche an die dritte Erfassungsschaltung angelegt ist, um 90° von einer Phase einer Trägerwelle verschiebt, welche an die erste Erfassungsschaltung und die zweite Erfassungsschaltung angelegt ist, einem Umschaltmittel, welches abwechselnd das Anlegen der Trägerwelle an die erste Erfassungsschaltung und die zweite Erfassungsschaltung basierend auf einer Zeitvorgabe eines Steuertaktsignals durchführt, indem das Anlegen bei jedem festgelegten Zyklus umgeschaltet wird, einer Verstärkungsschaltung, welcher Ausgangssignale von der ersten Erfassungsschaltung, der zweiten Erfassungsschaltung und der dritten Erfassungsschaltung eingegeben sind, einem ersten Trennungsmittel, welches ein Winkelgeschwindigkeits-Komponente Signal, welches ein erstes Erfassungssignal, welches auf die Änderung der elektrostatischen Kapazität in der ersten Erfassungsschaltung hinweist, und ein zweites Erfassungssignal, welches auf die Änderung der elektrostatischen Kapazität in der zweiten Erfassungsschaltung hinweist, und ein drittes Erfassungssignal, welches auf die Änderung der elektrostatischen Kapazität in der dritten Erfassungsschaltung hinweist, enthält, voneinander trennt, indem eine Phasen-Aufteilungsverarbeitung basierend auf der Zeitvorgabe des Steuertaktsignals in Ansprechen auf die Ausgangssignale von der Verstärkungsschaltung durchgeführt wird, einem zweiten Trennungsmittel, welches das erste Erfassungssignal und das zweite Erfassungssignal voneinander trennt, indem eine Zeit-Aufteilungsverarbeitung basierend auf einem Umschalttakt der Trägerwelle durch das Umschaltmittel in Ansprechen auf das Winkelgeschwindigkeits-Komponente Signal durchgeführt wird, einem Winkelgeschwindigkeits-Ausgabemittel, welches eine Winkelgeschwindigkeit, welche um die X-Achse der Masse wirkt, in Ansprechen auf das erste Erfassungssignal ausgibt und eine Winkelgeschwindigkeit, welche um die Y-Achse der Masse wirkt, in Ansprechen auf das zweite Erfassungssignal ausgibt, und einem Antriebsmittel, welches die Masse in der Z-Achse Richtung oszilliert, während eine Positionssteuerung in Ansprechen auf das dritte Erfassungssignal durchgeführt wird.

Gemäß des zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung, im Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, enthält die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung, welche durch ein Verbinden von zwei elektrostatischen Kapazitätselementen in Serie, welche elektrostatische Kapazitäten symmetrisch zusammen mit der Neigung von der Masse in der Y-Achse Richtung ändern, aus elektrostatischen Kapazitätselementen ausgebildet ist, welche aus der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode gebildet sind, enthält die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung, welche durch ein Verbinden von zwei elektrostatischen Kapazitätselementen in Serie, welche elektrostatische Kapazitäten symmetrisch zusammen mit der Neigung von der Masse in der X-Achse Richtung ändern, aus elektrostatischen Kapazitätselementen ausgebildet ist, welche aus der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode gebildet sind, enthält die dritte Erfassungsschaltung eine Schaltung, welche durch ein Verbinden eines elektrostatischen Kapazitätselements, welches eine elektrostatische Kapazität zusammen mit der Verlagerung von der Masse in der Z-Achse Richtung ändert, und eines spezifischen elektrostatischen Kapazitätselements in Serie, aus elektrostatischen Kapazitätselementen ausgebildet ist, welche die festgelegte Elektrode und die bewegbare Elektrode enthalten, und enthält der Winkelgeschwindigkeitssensor ferner ein Trägerwellen-Anlegemittel, welches Trägerwellen, deren Phasen um 180° voneinander invertiert sind, an die jeweiligen elektrostatischen Kapazitätselemente anlegt, welche in der ersten Erfassungsschaltung, der zweiten Erfassungsschaltung und der dritten Erfassungsschaltung in Serie verbunden sind.

Gemäß des dritten Aspektes der vorliegenden Erfindung, im Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem ersten Aspekt oder dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, trennt das zweite Trennungsmittel, nach einem Verstreichen von einer vorbestimmten Zeit vom Zeitpunkt eines Umschaltens der Trägerwelle durch das Umschaltmittel, das erste Erfassungssignal oder das zweite Erfassungssignal.

Gemäß des vierten Aspektes der vorliegenden Erfindung, im Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, dem zweiten Aspekt oder dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, enthält die festgelegte Elektrode vier erste Elektroden, welche, unter Verwendung einer Mittenposition einer Masse als eine Referenzposition, abstandsgetreu um die Referenzposition auf der gleichen Ebene angeordnet sind, enthält die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung, in welcher eine Schaltung, welche durch ein paralleles Verbinden von einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche in einem ersten Quadranten auf einer X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus einer ersten Elektrode, welche in einem zweiten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode bebildet ist, ausgebildet ist, und eine Schaltung, welche durch ein paralleles Verbinden von einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche in einem vierten Quadranten auf einer X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus einer ersten Elektrode, welche in einem dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, ausgebildet ist, in Serie verbunden sind, und enthält die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung, in welcher eine Schaltung, welche durch ein paralleles Verbinden von dem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im ersten Quadranten auf einer X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im vierten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, ausgebildet ist, und eine Schaltung, welche durch ein paralleles Verbinden von dem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, dem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im zweiten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, ausgebildet ist, in Serie verbunden sind, und das Umschaltmittel Verdrahtungen der ersten Erfassungsschaltung und der zweiten Erfassungsschaltung umschaltet.

Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung, im Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung, enthält die festgelegte Elektrode ferner vier zweite Elektroden auf einer Ebene, welche den vier ersten Elektroden auf eine entgegengesetzte Weise mittels der Masse gegenüberliegen, enthält die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung, welche ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im vierten Quadranten auf einer X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, mit einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im ersten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, parallel verbindet, und welche ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im ersten Quadranten auf einer X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im zweiten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, mit einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, parallel verbindet, enthält die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung, welche ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im ersten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im vierten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, mit einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, parallel verbindet, und welche ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im zweiten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, mit einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im ersten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, parallel verbindet.

Gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung, im Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einem aus dem ersten Aspekt bis dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung, trennt das erste Trennungsmittel, nach einem Verstreichen von einer vorbestimmten Zeit von dem Zeitpunkt an, an welchem die Trägerwellen durch das Umschaltmittel umgeschaltet werden, das dritte Erfassungssignal.

Gemäß dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung, im Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem aus dem dritten Aspekt oder dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist die vorbestimmte Zeit auf einen Wert eingestellt, welcher innerhalb eines Bereiches von 3 bis 4τ von dem Zeitpunkt an fällt, bei welchem die Trägerwellen durch das Umschaltmittel umgeschaltet sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es durch die Verwendung aus der Kombination aus der Phasen-Aufteilungsverarbeitung und der Zeitteilungs-Verarbeitung möglich, die Trennungs-Verarbeitung der zusammengefassten Signale nach einer Verstärkung korrekt durchzuführen. Demgemäß ist es möglich, gleichzeitig die Verstärkungs-Verarbeitung von der Ausgabe von der ersten Erfassungsschaltung, der Ausgabe von der zweiten Erfassungsschaltung und der Ausgabe von der dritten Erfassungsschaltung unter Verwendung von einer Verstärkungsschaltung durchzuführen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche den schematischen Aufbau eines Sensorteils von einem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2A bis 2C sind Ansichten, welche einen Aufbaukörper eines bewegbaren Teils zeigen, wobei 2A eine Draufsicht ist, wie von der oberen Seite eines Glassubstrats aus gesehen, 2B eine Ansicht ist, welche eine Schnittsektion des Winkelgeschwindigkeitssensors, entlang einer Linie A-A' in 2A genommen, zeigt, und 2C eine Ansicht ist, welche einen Zustand zeigt, bei welchem eine Position von einer Masse verändert ist;
3 ist eine Ansicht, welche einen Anordnungszustand von festgelegten Elektroden und einer Antriebselektrode zeigt, welche auf dem Winkelgeschwindigkeitssensor befestigt sind;
4 ist ein Schaltplan, welcher den schematischen Aufbau eines Signalverarbeitungsteils (ein Steuerteil) des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches Signal-Wellenformen in jeweiligen Teilen einer C/V-Umwandlungsschaltung zeigt;
6 ist ein Schaltplan, welcher eine erste Modifikation von einer C/V-Umwandlungsschaltung zeigt;
7 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches Signal-Wellenformen in jeweiligen Teilen der C/V-Umwandlungsschaltung der ersten Modifikation zeigt;
8 ist ein Schaltplan, welcher eine C/V-Umwandlungsschaltung von einer zweiten Modifikation zeigt;
9A und 9B sind Ansichten zur Erläuterung eines Phasen-Aufteilungsverfahrens;
10 ist eine Ansicht, welche ein Abrunden von Signal-Wellenformen zeigt;
11 ist eine Ansicht, welche ein Abrunden von Signal-Wellenformen zeigt;
12 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Übersprechens auf ein Z-Achse Erfassungssignal;
13 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches Signal-Wellenformen in jeweiligen Teilen einer C/V-Umwandlungsschaltung von einer dritten Modifikation zeigt;
14 ist eine Ansicht, welche Sprungantwort-Charakteristiken in einer Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung zeigt;
15 ist eine Ansicht, welche die Beziehung zwischen einer Zeit von einem Zeitpunkt, bei welchem die Erfassung eines Z-Achse Signals oder eines Y-Achse Signals begonnen wird, zu einem Zeitpunkt, bei welchem eine Nicht-Erfassungszeit von einem Z-Achse Erfassungssignal beendet ist, und einem Übersprechen auf das Z-Achse Erfassungssignal zeigt; und
16 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches Signal-Wellenformen in jeweiligen Teilen von einer C/V-Umwandlungsschaltung einer vierten Modifikation zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert in Verbindung mit 1 bis 16 erläutert.
(1) Umriss der Ausführungsform
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor gerichtet, welcher die Verlagerung von einem Positionszustand einer Masse, welche unter Verwendung von elastischen Trägern auf einem Rahmen gehalten ist, basierend auf einer Änderungsgröße einer elektrostatischen Kapazität zwischen einer festgelegten Elektrode und einer bewegbaren Elektrode (Masse) erfasst, und eine Winkelgeschwindigkeit, welche auf die Masse wirkt, basierend auf einem Erfassungsergebnis von der Verlagerung des Positionszustandes der Masse misst.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform erfasst Neigungen in der X-Achse Richtung und der Y-Achse Richtung, wenn eine Corioliskraft, welche durch eine Winkelgeschwindigkeit erzeugt wird, welche auf die Masse angelegt wird, welche in der Z-Achse Richtung oszilliert, auf die Masse wirkt, unter Verwendung einer Y-Achse Erfassungsschaltung und einer X-Achse Erfassungsschaltung.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor enthält eine Antriebsschaltung zum Antreiben der Masse auf eine oszillierende Weise mit einer festgelegten Frequenz und enthält ebenfalls eine Z-Achse Erfassungsschaltung, welche die Verlagerung der Masse in der Z-Achse Richtung erfasst, welches zum Zeitpunkt einer Durchführung einer Positionssteuerung der Masse notwendig wird, um die Antriebsschaltung zu steuern.
Als eine Trägerwelle, welche auf die X-Achse Erfassungsschaltung und die Y-Achse Erfassungsschaltung angelegt wird, wird eine Trägerwelle verwendet, welche eine Phase hat, welche von einer Phase der Trägerwelle, welche an die Z-Achse Erfassungsschaltung angelegt wird, um 90° verschoben ist.
Ferner wird das Anlegen der Trägerwelle an die X-Achse Erfassungsschaltung und die Y-Achse Erfassungsschaltung abwechselnd durchgeführt, indem bei jedem festgelegten Zyklus gemäß dem Zeitpunkt umgeschaltet wird, bei welchem ein spezifisches Taktsignal eingegeben wird.
Ausgaben der X-Achse Erfassungsschaltung, der Y-Achse Erfassungsschaltung und der Z-Achse Erfassungsschaltung werden gemeinsam in eine Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung eingegeben, in welcher eine Verstärkungs- und Umwandlungsverarbeitung angewendet wird.
Ein Ausgangssignal (zusammengefasstes Signal) der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung wird den drei Synchron-Erfassungsschaltungen eingegeben, wobei in den jeweils Synchron-Erfassungsschaltungen eine X-Achse Erfassungssignal-Komponente (eine erste Erfassungssignal-Komponente), eine Y-Achse Erfassungssignal-Komponente (eine zweite Erfassungssignal-Komponente) und eine Z-Achse Erfassungssignal-Komponente (eine dritte Erfassungssignal-Komponente) getrennt und extrahiert werden.
In der Synchron-Erfassungsschaltung wird durch ein Anwenden einer spezifischen Phasen-Aufteilungsverarbeitung auf das zusammengefasste Signal die Z-Achse Erfassungssignal-Komponente von der X-Achse Erfassungssignal-Komponente und der Y-Achse Erfassungssignal-Komponente getrennt, und ferner werden durch Anwenden der Zeit-Aufteilungsverarbeitung auf die X-Achse Erfassungssignal-Komponente und der Y-Achse Erfassungssignal-Komponente gemäß dem Umschalttakt der Trägerwelle, das heißt in Ansprechen auf das Taktsignal, die X-Achse Erfassungssignal-Komponente und die Y-Achse Erfassungssignal-Komponente voneinander getrennt.
Die Winkelgeschwindigkeit, welche um die X-Achse wirkt, wird basierend auf der X-Achse Erfassungssignal-Komponente erfasst, welche in der Synchron-Erfassungsschaltung getrennt wird, während die Winkelgeschwindigkeit, welche um die Y-Achse wirkt, basierend auf der Y-Achse Erfassungssignal-Komponente erfasst wird, welche in der Synchron-Erfassungsschaltung getrennt wird.
Ferner wird die Verlagerung der Masse in der Z-Achse Richtung, basierend auf der Z-Achse Erfassungssignal-Komponente erfasst, und es wird eine primäre Oszillations-Antriebssteuerung der Masse, basierend auf dem Erfassungsergebnis von der Verlagerung der Masse, durchgeführt.
Auf diese Weise können gemäß der Ausführungsform die Erfassungssignal-Komponenten in den jeweiligen Achsen-Richtungen getrennt werden, indem die Phasen-Aufteilungsverarbeitung und die Zeit-Aufteilungsverarbeitung auf eine zusammengefasste Weise auf das zusammengefasste Signal nach der Verstärkung in den Synchron-Erfassungsschaltungen angelegt werden, und somit ist es möglich, gleichzeitig die Verstärkungsverarbeitung von der Ausgabe der X-Achse Erfassungsschaltung, von der Ausgabe der Y-Achse Erfassungsschaltung und von der Ausgabe der Z-Achse Erfassungsschaltung unter Verwendung von einer Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung gleichzeitig durchzuführen.
(2) Details der Ausführungsformen
Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform ist ein Halbleiter-Sensorelement, welches dazu vorbereitet ist, ein Halbleitersubstrat auszubilden. Hier kann das Halbleitersubstrat unter Verwendung einer MEMS (Mikro-Elektromechanisches-System)-Technik ausgebildet werden.
Hier ist die Richtung, welche gleich der Stapelrichtung der jeweiligen Schichten im Substrat ist, welches den Winkelgeschwindigkeitssensor bildet, als die vertikale Richtung, das heißt Z-Achse (Richtung), bestimmt. Ferner sind Achsen, welche rechtwinkelig zur Z-Achse sind und zueinander rechtwinkelig sind, als X-Achse (Richtung) und Y-Achse (Richtung) bestimmt. Das heißt, dass die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse drei Achsen bilden, welche zueinander rechtwinkelig sind.
Ferner enthält der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform ein Sensorteil, welches die Änderung von der Position der Masse als elektrische Signale erfasst, und ein Signalverarbeitungsteil (ein Steuerteil), welches die erfassten elektrischen Signale verarbeitet.
Hier wird die Erläuterung vorgenommen, indem der Winkelgeschwindigkeitssensor in den Sensorteil und den Signalverarbeitungsteil (der Steuerteil) aufgeteilt wird.
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche den schematischen Aufbau des Sensorteils im Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Hier werden in 1, um den Aufbau des Winkelgeschwindigkeitssensors auf eine einfach verständliche Weise auszudrücken, die Aufbauten der jeweiligen Schichten auf eine getrennte Weise ausgedrückt. Jedoch sind im tatsächlichen Winkelgeschwindigkeitssensor die jeweiligen Schichten in einem gestapelten Zustand gebildet.
Wie in 1 gezeigt, nimmt der Winkelgeschwindigkeitssensor den dreischichtigen Aufbau an, bei welchem ein Aufbaukörper eines bewegbaren Teils 1 durch ein oberes Glassubstrat 2 und das untere Glassubstrat 3 in der vertikalen Richtung zwischengelegt ist.
2A ist eine Draufsicht des Aufbaukörpers des bewegbaren Teils 1, wie von der Seite des oberen Glassubstrats 2 aus gesehen.
Wie in der Zeichnung gezeigt, ist der Aufbaukörper des bewegbaren Teils 1 aus einem Rahmen 11, aus Trägern 12 und aus einer Masse 13 gebildet, welche durch ein Ätzen eines Siliziumsubstrats ausgebildet sind.
Der Rahmen 11 ist ein festgelegtes Teil, welches auf einem peripheren Abschnitt des Aufbaukörpers des bewegbaren Teils 1 ausgebildet ist, sodass der Rahmen 11 die Masse 13 umgibt und einen Rahmenteil des Aufbaukörpers 1 des bewegbaren Teils 1 bildet.
Die Träger 12 sind aus vier streifenförmigen dünnen Teilen ausgebildet, welche sich in radialer Richtung (die Richtung zum Rahmen 11) und kreuzförmiger Richtung vom Zentrum der Masse 13 erstrecken und eine Elastizität haben.
Die Masse 13 ist aus einem prismaförmigen Massenabschnitt 130, welcher am Mittenabschnitt positioniert ist, und aus prismaförmigen Massenabschnitten 131 bis 134 gebildet, welche auf eine gut ausbalancierte Weise jeweils an vier Ecken des Massenabschnittes 130 angeordnet sind. Hier sind die Massenabschnitte 130 bis 134 als ein einstückig durchgängiger fester Körper ausgebildet.
Die Masse 13 ist ein Massenkörper, welcher unter Verwendung von vier Trägern 12 am Rahmen 11 fixiert ist. Die Masse 13 ist dazu in der Lage, durch eine Kraft, welche von der Außenseite aus angelegt wird, aufgrund von einer Wirkung der Träger 12 oszilliert oder gewendet zu werden. Die Masse 13 ist elektrisch leitfähig und Seitenoberflächen der Masse 13 wirken als bewegbare Elektroden.
2B ist eine Ansicht, welche eine Schnittansicht des Winkelgeschwindigkeitssensors zeigt, welche entlang einer Linie A-A' in 2A genommen ist.
Wie in der Zeichnung gezeigt, ist zwischen oberen Oberflächen der Träger 12 und der Masse 13 (Oberflächen, welche dem oberen Glassubstrat 2 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegen) und dem oberen Glassubstrat 2 ein Spalt 14, welcher eine Bewegung zulässt, ausgebildet, welcher die Bewegung der Masse 13 zulässt. Das obere Glassubstrat 2 ist am unteren Glassubstrat 3 befestigt, um den Spalt 14, welcher eine Bewegung zulässt, zu versiegeln.
Es ist ebenfalls zwischen einer unteren Oberfläche der Träger 12 (eine Oberfläche, welche dem unteren Glassubstrat 3 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt) und einer Bodenoberfläche, das heißt, eine untere Oberfläche der Masse 13 (eine Oberfläche, welche dem unteren Glassubstrat 3 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt) und dem unteren Glassubstrat 3, und ebenfalls auf einem peripheren Abschnitt der Masse 13, ein Spalt 15, welcher eine Bewegung zulässt, ausgebildet, welcher die Bewegung der Masse 13 zulässt. Das untere Glassubstrat 3 ist mit dem oberen Glassubstrat 2 verbunden, um den Spalt 15, welcher eine Bewegung zulässt, zu versiegeln. Hierbei ist es durch ein Evakuieren der Spalte 14, 15, welche eine Bewegung zulassen, in einen Vakuumzustand möglich, einen Luftwiderstand zu reduzieren, wenn auf die Masse 13 eingewirkt wird.
Hier können der Rahmen 11, die Träger 12 und die Masse 13 des Aufbaukörpers 1 des bewegbaren Teils ausgebildet werden, indem von einer D-RIE (tiefenreaktive Ionenätzung)-Technik Gebrauch gemacht wird, welche ein Tiefgraben-Ätzen auf ein Siliziumsubstrat unter Verwendung von Plasma anwendet.
Ferner wird der Aufbaukörper 1 des bewegbaren Teils im Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform unter Verwendung des Siliziumsubstrats ausgebildet.
Jedoch ist ein Teil zum Ausbilden des Aufbaukörpers 1 des bewegbaren Teils nicht auf ein solches Siliziumsubstrat beschränkt. Beispielsweise kann der Aufbaukörper 1 des bewegbaren Teils unter Verwendung eines SOI (ein Silizium-auf-Isolator)-Substrats ausgebildet werden, welches einen Oxidfilm in einer Zwischenschicht von einem Siliziumsubstrat einbettet.
In diesem Fall wirkt, beim Ausbilden der Träger 12 und der Masse 13 durch Ätzen, die mittlere Oxidfilmschicht als eine Ätz-Unterbrechungs-Schicht (Stopp-Schicht), und somit kann die Ausbildungsgenauigkeit in der Dickenrichtung verbessert werden.
Das obere Glassubstrat 2 und das untere Glassubstrat 3 sind festgelegte Substrate, welche verbunden werden, um den Aufbaukörper 1 des bewegbaren Teils dazwischen zu versiegeln. Das obere Glassubstrat 2 und das untere Glassubstrat 3 sind jeweils mit dem Rahmen 11 des Aufbaukörpers 1 des bewegbaren Teils durch eine anodische Verbindung verbunden.
Die anodische Verbindung ist ein Verbindungsverfahren, bei welchem eine Kathodenspannung auf die Glassubstrat (das obere Glassubstrat 2, das untere Glassubstrat 3)-Seite angelegt wird, und das obere Glassubstrat 2 und das untere Glassubstrat 3 werden mit dem Rahmen 11 verbunden, indem von einer elektrostatischen Anziehung zwischen Glas und Silizium Gebrauch gemacht wird.
Hier ist das Verbindungsverfahren der Glassubstrate und des Aufbaukörpers 1 des bewegbaren Teils nicht auf die anodische Verbindung beschränkt. Beispielsweise kann es möglich sein, eine eutektische Verbindung zu verwenden, welche eine Verbindung durch ein Laminieren von Metall auf einer Verbindungsoberfläche durchführt.
Auf dem oberen Glassubstrat 2 und dem unteren Glassubstrat 3 sind eine Antriebselektrode zum Antreiben der Masse 13 auf eine oszillierende Weise und eine Mehrzahl von festgelegten Elektroden zum Erfassen eines Positionszustandes der Masse 13 befestigt.
3 ist eine Ansicht, welche einen Anordnungszustand der festgelegten Elektroden und der Antriebselektrode zeigt, welche dem Winkelgeschwindigkeitssensor bereitgestellt sind.
Hier sind in 2 lediglich die Elektroden und die Masse 13 gezeigt, um die Anordnungsbeziehung zwischen den jeweiligen Elektroden und der Masse 13 klarzustellen.
Wie in 3 gezeigt, ist auf dem oberen Glassubstrat 2, an einem Abschnitt, welcher dem Massenabschnitt 130 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt, eine festgelegte Elektrode 20, welche sich in die Kreuzrichtung entlang der X-Achse Richtung und die Y-Achse Richtung um den Massenabschnitt 130 erstreckt, befestigt.
Ferner ist auf dem oberen Glassubstrat 2 eine festgelegte Elektrode 120, welche an einem Abschnitt befestigt ist, welcher dem Massenabschnitt 131 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt (ein erster Quadrant auf einer X-Y-Ebene), befestigt, ist eine festgelegte Elektrode 22 an einem Abschnitt, welcher dem Massenabschnitt 132 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt (ein vierter Quadrant auf der X-Y-Ebene) befestigt, ist eine festgelegte Elektrode 23 an einem Abschnitt, welcher dem Massenabschnitt 133 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt (ein dritter Quadrant auf der X-Y-Ebene) befestigt, und ist eine festgelegte Elektrode 24 an einem Abschnitt, welcher dem Massenabschnitt 134 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt (ein zweiter Quadrant auf der X-Y-Ebene) befestigt.
Auf die gleiche Weise ist auf dem unteren Glassubstrat 3, in einem Abschnitt, welcher dem Massenabschnitt 130 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt, eine Antriebselektrode 30, welche sich in die Kreuzrichtung entlang der X-Achse Richtung und der Y-Achse Richtung um den Massenabschnitt 130 erstreckt, befestigt.
Ferner ist auf dem unteren Glassubstrat 3 eine festgelegte Elektrode 31 an einem Abschnitt, welcher dem Massenabschnitt 131 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt, befestigt, ist eine festgelegte Elektrode 32 an einem Abschnitt, welcher dem Massenabschnitt 132 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt, befestigt, ist eine festgelegte Elektrode 33 an einem Abschnitt, welcher dem Massenabschnitt 133 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt, befestigt, und ist eine festgelegte Elektrode 34 an einem Abschnitt, welcher dem Massenabschnitt 134 auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegt, befestigt.
Die festgelegte Elektrode 20 ist eine Elektrode zum Erfassen der Verlagerung von der Masse 13 in Z-Achse Richtung, während die Antriebselektrode 30 eine Elektrode zum Antreiben der Masse 13 auf eine oszillierende Weise ist.
Ferner sind die festgelegten Elektroden 21 bis 24 und die festgelegten Elektroden 31 bis 34 Elektroden zum Erfassen von Winkelgeschwindigkeiten, welche um die erste Erfassungsachse (die X-Achse) oder die zweite Erfassungsachse (die Y-Achse) wirken.
Bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform ist ein Kondensator (ein elektrostatisches Kapazitätselement) 1A aus der festgelegten Elektrode 21 und der bewegbaren Elektrode (die Masse 13) gebildet, ist ein Kondensator 2A aus der festgelegten Elektrode 22 und der bewegbaren Elektrode ausgebildet, ist ein Kondensator 3A aus der festgelegten Elektrode 23 und der bewegbaren Elektrode gebildet, und ist ein Kondensator 4A aus der festgelegten Elektrode 24 und der bewegbaren Elektrode gebildet.
Auf die gleiche Weise ist ein Kondensator 1B aus der festgelegten Elektrode 31 und der bewegbaren Elektrode ausgebildet, ist ein Kondensator 2B aus der festgelegten Elektrode 32 und der bewegbaren Elektrode ausgebildet, ist ein Kondensator 3B aus der festgelegten Elektrode 33 und der bewegbaren Elektrode ausgebildet, und ist ein Kondensator 4B aus der festgelegten Elektrode 34 und der bewegbaren Elektrode ausgebildet.
Ferner ist ein Kondensator ZA aus der festgelegten Elektrode 20 und der bewegbaren Elektrode ausgebildet, während ein Kondensator ZE aus der Antriebselektrode und der bewegbaren Elektrode ausgebildet ist.
Hier sind auf dem oberen Glassubstrat 2 und dem unteren Glassubstrat 3, wie in 1 und 2B gezeigt, eine Mehrzahl von Elektroden-Pads 4 zum Leiten von Potenzialen der jeweiligen Elektroden und eines Potenzials von der Masse 13, das heißt, Signale, welche durch den Sensorteil erfasst werden, an die Außenseite des Sensorteils, befestigt.
Die Elektroden-Pads 4 sind mit den jeweiligen Elektroden über Führungsleitungen verbunden, welche auf inneren peripheren Wänden von Durchgangslöchern ausgebildet sind, welche die jeweiligen Glassubstrate in der Dickenrichtung durchdringen.
Ferner sind diese Elektroden-Pads 4 mit einer C/V-Umwandlungsschaltung im Inneren eines später beschriebenen Signalverarbeitungsteils (ein Steuerteil) verbunden.
Als Nächstes wird die Betriebsweise des Sensorteils des Winkelgeschwindigkeitssensors beschrieben, welcher einen solchen Aufbau hat.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform nimmt ein Verfahren an, bei welchem, wie in 1 gezeigt, die Masse 13 der primären Oszillation in der vertikalen Richtung (Z-Achse Richtung), wodurch in der Masse 13 eine Corioliskraft erzeugt wird, welche die Oszillationsbewegung durchführt, und den Winkelgeschwindigkeiten unterworfen ist, welche der Masse 13 um die erste Erfassungsachse (die X-Achse) und die zweite Erfassungsachse (die Y-Achse) angelegt werden.
Genauer gesagt wird eine AC-Spannung zwischen der Antriebselektrode 30 und der bewegbaren Elektrode (die Masse) 13 angelegt, das heißt, auf den Kondensator ZB, wodurch somit die Masse 13 in vertikaler Richtung (die Z-Achse Richtung) unter Verwendung einer Wirkung der elektrostatischen Kraft, welche zwischen diesen Elektroden wirkt, oszilliert wird.
Hier wird im Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform die Antriebsverarbeitung, welche die AC-Spannung an den Kondensator ZB anlegt, unter Verwendung einer Rückführsteuerung, basierend auf einem Erfassungsergebnis von einer Änderung einer Position der Masse 13 in Z-Achse Richtung, das heißt ein Erfassungsergebnis von einer Änderung der elektrostatischen Kapazität des Kondensators ZA, ausgeführt.
Die Frequenz der AC-Spannung, welche angelegt ist, damit die Masse 13 die vertikale Oszillation durchführt, das heißt die Oszillationsfrequenz von der Masse 13, ist auf eine Resonanzfrequenz f von beispielsweise ungefähr 3 KHz eingestellt, welches die Resonanzoszillation von der Masse 13 einleitet. Auf diese Weise ist es, indem die Masse 13 mit der Resonanzfrequenz f oszilliert wird, möglich, die hohe Verlagerungsgröße von der Masse 13 zu erlangen.
Wenn die Winkelgeschwindigkeit Ω auf die Peripherie von der Masse 13, welche eine Masse m hat, welche bei einer Geschwindigkeit v oszilliert wird, angelegt wird, wird eine Corioliskraft von „F = 2mvΩ" in der Richtung, welche rechtwinkelig zu der Bewegungsrichtung von der Masse 13 ist, um die Masse 13 erzeugt.
Wenn eine solche Corioliskraft F erzeugt wird, wird eine Verdrehung auf die Masse 13 angelegt, und somit wird die Position von der Masse 13 geändert. Das heißt, dass die Masse 13 mit Bezug auf eine Oberfläche, welche zur Richtung der Bewegung von der Oszillation der Masse 13 rechtwinkelig ist, geneigt wird. Die Richtung und die Stärke der Winkelgeschwindigkeit, welche auf die Masse 13 wirkt, kann erfasst werden, indem die Änderung (Neigung, Verdrehungsstärke) von der Position der Masse 13 erfasst wird.
2C ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, bei welchem die Position von der Masse 13 geändert ist.
Wenn beispielsweise die Winkelgeschwindigkeit um die zweite Erfassungsachse (Y-Achse) von der Masse 13 wirkt, wodurch somit eine Corioliskraft erzeugt wird, und, wie in 2C gezeigt, die Position der Masse 13 mit Bezug auf die X-Achse geneigt ist, wird die Distanz zwischen der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode (die Masse 13) geändert.
Genauer gesagt wird die Distanz zwischen der festgelegten Elektrode 22 und der bewegbaren Elektrode und die Distanz zwischen der festgelegten Elektrode 33 und der bewegbaren Elektrode verringert, währen die Distanz zwischen der festgelegten Elektrode 32 und der bewegbaren Elektrode und die Distanz zwischen der festgelegten Elektrode 23 und der bewegbaren Elektrode erhöht werden.
Eine solche Änderung der Distanz zwischen den Elektroden erscheint als eine Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen Elektroden, und somit ist es möglich, die Änderung der Position von der Masse 13, basierend auf der Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen den Kondensatoren 2A, 3A und zwischen den Kondensatoren 2B, 3B zu erfassen.
Die Änderung der Distanz zwischen den Elektroden, das heißt, die Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen den Elektroden, kann unter Verwendung der C/V-Umwandlungsschaltung im später erläuterten Signalverarbeitungsteil (der Steuerteil) elektrisch erfasst werden.
Basierend auf der erfassten Änderung von der Position (Neigungsrichtung, der Neigungsgrad oder dergleichen) von der Masse 13, wird die erzeugte Corioliskraft F erfasst. Dann wird, basierend auf der erfassten Corioliskraft F, die Winkelgeschwindigkeit Ω berechnet (induziert). Das heißt, dass im Signalverarbeitungsteil die Änderungsgröße der Position von der Masse 13 in die Winkelgeschwindigkeit umgewandelt wird.
Hier ist es, obwohl die Erläuterung mit Bezug auf den Fall vorgenommen wurde, bei welchem die Winkelgeschwindigkeit um die zweite Erfassungsachse (Y-Achse) von der Masse 13 wirkt, möglich, die wirkende Winkelgeschwindigkeit zu messen, indem die Änderung von der Position von der Masse 13, basierend auf der Änderung von der Distanz zwischen der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode auf die gleiche Weise erfasst wird, wie in dem Fall, bei welchem die Winkelgeschwindigkeit um die erste Erfassungsachse X-Achse) von der Masse 13 wirkt.
Als Nächstes wird ein Signalverarbeitungsteil (ein Steuerteil), welches Signale verarbeitet, welche durch den Sensorteil vom Winkelgeschwindigkeitssensor dieser Ausführungsform erfasst sind, erläutert.
4 ist ein Schaltplan, welcher den schematischen Aufbau des Signalverarbeitungsteils (der Steuerteil) des Winkelgeschwindigkeitssensors dieser Ausführungsform zeigt.
Wie in 4 gezeigt, enthält der Signalverarbeitungsteil eine C/V-Umwandlungsschaltung 100, eine X-Achse Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsschaltung 200 und eine Y-Achse Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsschaltung 300.
Im Signalverarbeitungsteil des Winkelgeschwindigkeitssensors werden die Erfassungssignale in den jeweiligen axialen Richtungen, welche in der C/V-Umwandlungsschaltung 100 verarbeitet werden, nachdem sie in der X-Achse Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsschaltung 200 und der Y-Achse Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsschaltung 300 verarbeitet sind, letztendlich vom Winkelgeschwindigkeitssensor als eine X-Achse Winkelgeschwindigkeits-Ausgabe und eine Y-Achse Winkelgeschwindigkeits-Ausgabe ausgegeben.
In der C/V-Umwandlungsschaltung 100 wird eine Änderung von einer Distanz zwischen der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode (die Masse 13) im Sensorteil, das heißt die Verlagerungen von der Masse 13 in den jeweiligen axialen Richtungen, basierend auf Änderungen von elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren erfasst und werden in Erfassungssignale umgewandelt, welche Spannungswerte (Größen) haben, welche jeweiligen axialen Komponenten entsprechen.
Eine erste Stufe der C/V-Umwandlungsschaltung 100 ist aus einer Strom/Spannung (I/V)-Umwandlungsschaltung 110 gebildet, welche ein Differenzial-Kapazitätserfassungsverfahren einsetzt.
Hier ist das Differenzial-Kapazitätserfassungsverfahren ein Verfahren, bei welchem die Trägerwellen, deren Phasen jeweils zueinander um 180° invertiert sind, an beide Seiten der Kondensatoren angelegt werden, welche in Serie verbunden sind, und ein Stromsignal, welches über ein Differenzial zwischen den elektrostatischen Kapazitäten von beiden Kondensatoren hinweist, wird aus einem Knoten der Kondensatoren entnommen und wird einer invertierenden Verstärkerschaltung eingegeben, wodurch ein Spannungssignal erlangt wird, welches zum Differenzial zwischen den elektrostatischen Kapazitäten proportional ist.
Wie in 4 gezeigt, enthält die C/V-Umwandlungsschaltung 100 eine AC-Spannungsquelle 101, welche Hochfrequenzsignale (Trägerwellensignale) erzeugt, wobei die AC-Spannungsquelle 101 jeweils mit einer Steuertakt-Erzeugungsschaltung 102, einem 90°-Phasenschieber 103, einem Ende des Kondensators ZA und dem invertierenden Verstärker 104 verbunden ist.
Ein weiteres Ende des 90°-Phasenschiebers 103 ist jeweils mit der Steuertakt-Erzeugungsschaltung 102, einer Umschaltschaltung 106 und dem invertierenden Verstärker 105 verbunden.
Die C/V-Umwandlungsschaltung 100 enthält eine X-Achse Erfassungsschaltung 107, welche die Verlagerung der Masse 13 um die X-Achse der Masse 13 erfasst, eine Y-Achse Erfassungsschaltung 108, welche die Verlagerung der Masse 13 um die Y-Achse der Masse 13 erfasst, und eine Z-Achse Erfassungsschaltung 109, welche die Verlagerung der Masse 13 um die Z-Achse der Masse 13 erfasst.
Die X-Achse Erfassungsschaltung 107 enthält Kondensatoren 1A bis 4A, welche aus den festgelegten Elektroden 21 bis 24 (3) gebildet sind, welche auf einem oberen Glassubstrat 2 und der bewegbaren Elektrode befestigt sind.
Genauer gesagt werden, unter Verwendung der X-Achse (eine erste Erfassungsachse) als eine Grenze, die Kondensatoren 1A bis 4A in zwei Gruppen geteilt, wobei eine Gruppe aus den Kondensatoren 1A und 4A gebildet ist, und eine weitere Gruppe aus Kondensatoren 2A und 3A gebildet ist. Hier sind die Kondensatoren in der gleichen Gruppe miteinander parallel verbunden. Dann werden die Kondensatoren in jeweiligen Gruppen seriell verbunden.
Die X-Achse Erfassungsschaltung 107 ist derart aufgebaut, dass die Trägerwellen, deren Phasen zueinander um 180° invertiert sind, an beide Enden der X-Achse Erfassungsschaltung 107, das heißt, beide Enden der Kondensatoren, welche seriell verbunden sind, angelegt werden.
Auf die gleiche Weise ist die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 aus Kondensatoren 1B bis 4B gebildet, welche aus den festgelegten Elektroden 31 bis 34 (3) gebildet sind, welche auf einem unteren Glassubstrat 3 und der bewegbaren Elektrode befestigt sind.
Genauer gesagt werden, unter Verwendung der Y-Achse (eine zweite Erfassungsachse) als eine Grenze, die Kondensatoren 1B bis 4B in zwei Gruppen geteilt, wobei eine Gruppe aus Kondensatoren 1B und 2B gebildet ist, und eine weitere Gruppe aus Kondensatoren 3B und 4B gebildet ist. Hier sind die Kondensatoren in der gleichen Gruppe parallel miteinander verbunden. Dann werden die Kondensatoren in jeweiligen Gruppen seriell verbunden.
Die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 ist derart aufgebaut, dass die Trägerwellen, deren Phasen zueinander um 180° verschoben sind, an beide Enden der X-Achse Erfassungsschaltung 107, das heißt, beide Enden der Kondensatoren, welche seriell verbunden sind, angelegt werden.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor dieser Ausführungsform ist derart aufgebaut, dass die Kondensatoren, bei welchen Änderungsrichtungen (Neigungen) der elektrostatischen Kapazität, wenn die Position von der Masse 13 geändert wird, zueinander gleich werden, parallel verbunden sind, und die Kondensatoren, bei welchen Änderungen (Neigungen) der elektrostatischen Kapazität, wenn die Position von der Masse 13 geändert wird, zueinander symmetrisch werden, seriell verbunden sind.
Ferner ist die Z-Achse Erfassungsschaltung 109 aus einer Schaltung gebildet, bei welcher der Kondensator ZA, welcher aus der festgelegten Elektrode 20, welche auf dem oberen Glassubstrat 2 (3) befestigt ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und ein vorgegebener Referenzkondensator Zr seriell verbunden sind.
Die Z-Achse Erfassungsschaltung 109 ist derart aufgebaut, dass Trägerwellen, deren Phasen zueinander um 180° verschoben sind, an beide Enden der Z-Achse Erfassungsschaltung 109, das heißt beide Enden der Kondensatoren, welche seriell verbunden sind, angelegt werden.
Hier wird die Phase der Trägerwelle, welche an die X-Achse Erfassungsschaltung 107 und die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt ist, von der Phase der Trägerwelle, welche durch die AC-Spannungsquelle 101 erzeugt wird, durch den 90°-Phasenschieber 103 erzwungenermaßen verschoben, und somit nimmt die Trägerwelle, welche an die X-Achse Erfassungsschaltung 107 und die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt ist, einen Zustand an, bei welchem die Phase von der Trägerwelle, welche an die Z-Achse Erfassungsschaltung 109 angelegt ist, um 90° verschoben ist.
Die Trägerwelle, welche an die X-Achse Erfassungsschaltung 107 und die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt ist, wird durch abwechselndes Umschalten von Schaltungs-Verzweigungspunkten in Umschaltschaltungen 106, basierend auf einem Takt angelegt, bei welchem ein spezifischer Steuertakt, welcher durch die Steuertakt-Erzeugungsschaltung 102 (Taktsignal C1') erzeugt wird, erzeugt wird.
Das heißt, dass durch Umschalten der Verbindungspunkte in den Umschaltschaltungen 106, die Trägerwelle abwechselnd auf die X-Achse Erfassungsschaltung 107 und die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt wird.
Während einer Zeitperiode, bei welcher die Trägerwelle auf die X-Achse Erfassungsschaltung 107 angelegt ist, sind beide Enden der Y-Achse Erfassungsschaltung 108 mit einem Erdungspotenzial verbunden, und auf die gleiche Weise sind während einer Zeitperiode, bei welcher die Trägerwelle auf die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt ist, beide Enden der X-Achse Erfassungsschaltung 107 mit dein Erdungspotenzial verbunden.
Auf diese Weise hat die Umschaltschaltung 106 eine Funktion zum Verteilen des Eingangssignals (Trägerwelle) in zwei Ausgaben, und ist beispielsweise aus einem analogen Schalter gebildet.
Der serielle Verbindungspunkt des Kondensators in jeder Erfassungsschaltung ist mit einer Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 verbunden.
Wenn die Trägerwelle auf die X-Achse Erfassungsschaltung 107, die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 und die Z-Achse Erfassungsschaltung 109 angelegt ist, wird ein Stromsignal, welches über ein Differenzial zwischen elektrostatischen Kapazitäten von beiden Kondensatoren hinweist, welche seriell verbunden sind, vom seriellen Verbindungspunkt der Kondensatoren in jeder Erfassungsschaltung der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 eingegeben. Die Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 enthält einen Operationsverstärker IC1 und einen Widerstand Rf.
Das von jeder Erfassungsschaltung ausgegebene Stromsignal wird an einen invertierenden Eingangsanschluss (-) des Operationsverstärkers IC1 verbunden. Ein nicht invertierender Anschluss (+) des Operationsverstärkers IC1 wird mit einem Erdungspotenzial verbunden (geerdet).
Ein Widerstand Rf, welcher als ein Rückführ-Widerstand wirkt, ist zwischen einem Ausgangsanschluss und dem invertierenden Eingangsanschluss (-) des Operationsverstärkers IC1 verbunden.
Hier ist der Operationsverstärker IC1 aus einem Operationsverstärker gebildet, welcher eine analoge integrierte Schaltung bildet.
Der invertierende Eingangsanschluss (-) des Operationsverstärkers IC1 ist ein Anschluss, welcher ein daran einzugebendes Signal invertiert, und das Signal nach einer Verstärkung ausgibt. Andererseits ist der nicht invertierende Anschluss (+) ein Anschluss, welcher nicht durch ein Signal invertiert wird, welches daran eingegeben wird, und das Signal mit einer Verstärkung ausgibt.
Eine Verstärkung des Operationsverstärkers ist sehr hoch, und der Operationsverstärker ist dazu in der Lage, innerhalb eines Bereichs einer Frequenzcharakteristik eines DC-Stroms von mehreren MHz zu verstärken.
Obwohl in der Zeichnung nicht gezeigt, enthält der Operationsverstärker IC1 einen Anschluss von einer Energiequelle, und eine Betriebsenergie wird von diesem Anschluss zugeführt.
Ein Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers IC1 ist mit einem HPF (Hochpassfilter) 111 verbunden. Der HPF 111 erlaubt es, aus den Ausgangssignalen des Operationsverstärkers IC1 einer Frequenzkomponente der durch die AC-Spannungsquelle 101 erzeugten Trägerwelle, hindurchzupassieren und schneidet Signale ab, welche eine Frequenzkomponente haben, welche niedriger als die Frequenzkomponente von der Trägerwelle ist.
Ein Ausgang des HPF 111 ist mit Synchron-Erfassungsschaltungen 112, 113, 114 verbunden, um es somit zu ermöglichen, dass die Signale jeweils den Synchron-Erfassungsschaltungen 112, 113, 114 eingegeben werden.
Die Synchron-Erfassungsschaltung 112 ist aus einer Verarbeitungsschaltung gebildet, welche das X-Achse Erfassungssignal (Vdx), basierend auf einer Signalkomponente extrahiert, welche durch die X-Achse Erfassungsschaltung 107 erfasst wird.
Die Synchron-Erfassungsschaltung 113 ist aus einer Verarbeitungsschaltung gebildet, welche das Y-Achse Erfassungssignal (Vdy), basierend auf einer Signalkomponente extrahiert, welche durch die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 erfasst wird.
Die Synchron-Erfassungsschaltung 114 ist aus einer Verarbeitungsschaltung gebildet, welche das Z-Achse Erfassungssignal (Vdz), basierend auf einer Signalkomponente extrahiert, welche durch die Z-Achse Erfassungsschaltung 109 erfasst wird.
Hier wirken die Synchron-Erfassungsschaltungen 112, 113, 114 jeweils als ein erstes Trennungsmittel, und ein zweites Trennungsmittel ist aus den Synchron-Erfassungsschaltungen 112 und 113 gebildet.
Jeweilige Ausgänge der Synchron-Erfassungsschaltungen 112 bis 114 sind mit LPFs (Tiefpassfiltern) 115 bis 117 verbunden. Die LPFs 115 bis 117 sind aus einer Glättungsschaltung gebildet, welche die Ausgangssignale der Synchron-Erfassungsschaltungen 112 bis 114 glättet.
Die C/V-Umwandlungsschaltung 100 ist derart konfiguriert, dass ein Signal (ein Vlpfx Signal), welches durch den LPF 115 geglättet ist, einer vorbestimmten Verstärkungsverarbeitung durch die Verstärkungsschaltung 118 unterworfen wird, und das Signal danach der X-Achse Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsschaltung 200 als das X-Achse CV-Ausgangssignal ausgegeben wird.
Auf die gleiche Weise ist die C/V-Umwandlungsschaltung 100 derart konfiguriert, dass ein Signal (ein Vlpfy Signal), welches durch den LPF 116 geglättet ist, einer vorbestimmten Verstärkungsverarbeitung durch die Verstärkungsschaltung 119 unterworfen wird, und das Signal danach der Y-Achse Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsschaltung 300 als das Y-Achse CV-Ausgangssignal ausgegeben wird.
Ferner ist die C/V-Umwandlungsschaltung 100 derart konfiguriert, dass ein Signal (ein Vlpfz Signal), welches durch den LPF 117 geglättet ist, einer vorbestimmten Verstärkungsverarbeitung durch die Verstärkungsschaltung 120 unterworfen wird, und das Signal danach einer AGC (automatische Verstärkungssteuerung)-Schaltung/Phaseneinstell-Schaltung 121 ausgegeben wird.
Dann wird das Signal, welches durch die AGC-Schaltung/Phaseneinstell-Schaltung 121 verarbeitet ist, an eine elektrostatische Antriebsschaltung 122 ausgegeben.
Die AGC-Schaltung/Phaseneinstell-Schaltung 121 und die elektrostatische Antriebsschaltung 122 sind Steuerschaltungen zur Durchführung eines selbstanregenden Antriebs der primären Oszillation der Z-Achse in der Masse 13, wobei in Ansprechen auf Signale, welche durch diese Schaltungen verarbeitet sind, eine Antriebssteuerspannung, welche an einen vorgegebenen Referenzkondensator Zd, welcher mit der elektrostatischen Antriebsschaltung 122 verbunden ist, und einen Kondensator ZB, welcher aus der Antriebselektrode 30 (3), welche auf dem unteren Glassubstrat 3 befestigt ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, angelegt wird, eingestellt wird.
Bei der X-Achse Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsschaltung 200 hat das Signal, welches von der Verstärkungsschaltung 118 als X-Achse CV-Ausgangssignal ausgegeben wird, eine davon durch den HPF 201 abgeschnittene Hochfrequenzkomponente, und danach wird eine spezifische Erfassungsverarbeitung auf ein Referenzsignal angewendet, welches von der AGC-Schaltung/Phaseneinstell-Schaltung 121 in der Synchron-Erfassungsschaltung 202 ausgegeben wird, basierend auf einem Signal, dessen Phase durch einen Phasenschieber 205 verschoben ist.
Dann wird nach einem Durchführen der Glättungsverarbeitung des Signals im LPF 203 die Verstärkungsverarbeitung auf das Signal in einem AMP (Verstärkungsschaltung) 204 angewendet, und das Signal wird an den Winkelgeschwindigkeitssensor als X-Achse Winkelgeschwindigkeitsausgabesignal ausgegeben.
Auf die gleiche Weise hat in der Y-Achse Winkelgeschwindigkeits-Erfassungsschaltung 300 das Signal, welches von der Verstärkungsschaltung 119 als Y-Achse CV-Ausgangssignal ausgegeben wird, eine davon durch den HPF 301 abgeschnittene Hochfrequenzkomponente, und danach wird eine spezifische Erfassungsverarbeitung auf ein Referenzsignal angewendet, welches von der AGC-Schaltung/Phaseneinstell-Schaltung 121 in der Synchron-Erfassungsschaltung 302 ausgegeben wird, basierend auf einem Signal, dessen Phase durch einen Phasenschieber 305 verschoben ist.
Dann wird nach Durchführung der Glättungsverarbeitung des Signals im LPF 303, die Verstärkungsverarbeitung auf das Signal in einem AMP (Verstärkungsschaltung) 304 angewendet, und das Signal wird vom Winkelgeschwindigkeitssensor als das Y-Achse Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignal ausgegeben.
Als Nächstes werden Schritte einer Signalverarbeitung erläutert, welche in der C/V-Umwandlungsschaltung 100 ausgeführt werden. 5 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches Signal-Wellenformen in jeweiligen Teilen in der C/V-Umwandlungsschaltung 100 zeigt.
Hier wird die Signalverarbeitung in der C/V-Umwandlungsschaltung 100, basierend auf einem Zyklus (Frequenz) von einem V0 Signal ausgeführt, welches in der AC-Spannungsquelle 101, welche in 5A gezeigt ist, erzeugt ist.
Das V0 Signal wird auf den Kondensator ZA angewendet, und ein Signal (V0-Inversionssignal), welches durch Invertieren einer Phase des V0 Signals um 180° erlangt wird, wird auf den Kondensator Zr angewendet, sodass ein in 5B gezeigter Strom Iz (Stromsignal) in die Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 von der Z-Achse Erfassungsschaltung 109 eingegeben wird.
Wenn das V0 Signal durch den Phasenschieber 103 passiert, wird eine Phase des V0 Signals um 90° verschoben, wodurch somit ein in 5D gezeigtes V1 Signal erzeugt wird.
In der X-Achse Erfassungsschaltung 107 wird, wenn ein Vx Signal, wie in 5(e) gezeigt, auf die Kondensatoren 1A, 4A angewendet wird, und ein Signal (Vx-Inversionssignal), welches durch ein Invertieren einer Phase des Vx Signals um 180° erlangt wird, auf die Kondensatoren 2A, 3A angewendet wird, indem ein Verbindungspunkt in einer Umschaltschaltung 106 bei jedem Zyklus des V0 Signals abwechselnd umgeschaltet wird, ein in 5(f) gezeigter Strom Ix (Stromsignal) in die Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 von der X-Achse Erfassungsschaltung 107 eingegeben.
Hier wird das Umschalten des Verbindungspunktes in der Umschaltschaltung 106, basierend auf einen Zeitpunkt ausgeführt, welchen ein Taktsignal C1', welches später beschrieben wird, eingibt.
Andererseits wird in der Y-Achse Erfassungsschaltung 108, wenn ein in 5(h) gezeigtes Vy Signal auf die Kondensatoren 1B, 2B angewendet wird, und ein Signal (Vy-Inversionssignal), welches durch ein Invertieren von einer Phase des Vy Signals um 180° erlangt wird, auf die Kondensatoren 3B, 4B angewendet wird, ein in 5(i) gezeigter Strom Iy (Stromsignal) in die Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 von der Y-Achse Erfassungsschaltung 108 eingegeben.
Wenn die Ströme Ix, Iy und Iz in einen IC1 eingegeben werden, führt die Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 eine Verarbeitung aus, welche die Ströme auf Spannungswerte proportional zu den Strömen umwandelt.
Ferner gibt die Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 ein zusammengefasstes Signal (Vaus Signal) aus, welches durch ein Zusammenfassen eines in 5(g) gezeigten Vxaus Signal, welches durch ein Umwandeln des Stroms Ix auf eine Spannung erlangt wird, eines in 5(j) gezeigten Vyaus Signals, welches durch ein Umwandeln des Stroms Iy auf eine Spannung erlangt wird, und eines in 5(c) gezeigten Vzaus Signals, welches durch ein Umwandeln des Stroms Iz in eine Spannung erlangt wird, erlangt wird.
Dann wird in den Synchron-Erfassungsschaltungen 112 bis 114 eine Verarbeitung zum Extrahieren und Trennen von Erfassungssignalen, welche auf jeweilige axiale Komponenten vom Vaus Signal hinweisen, in Ansprechen auf verschiedene Arten von Taktsignalen ausgeführt, welche durch die Steuertakt-Erzeugungsschaltung 102 erzeugt werden.
In der Steuertakt-Erzeugungsschaltung 102 werden Taktsignale C, C1, C0, C1', C0', Cx und Cy erzeugt.
Das Taktsignal C ist, wie in 5(k) gezeigt, ein Signal, welches einen Impuls innerhalb einer Zeitperiode ausgibt, in welcher das V0 Signal positiv (+) ist.
Das Taktsignal C1 ist, wie in 5(l) gezeigt, ein Signal, welches erlangt wird, indem eine Phase des Taktsignals C um 90° verschoben wird.
Das Taktsignal C0 ist, wie in 5(m) gezeigt, ein Signal, welches erlangt wird, indem eine Phase des Taktsignals C um 180° invertiert wird.
Das Taktsignal C1' ist, wie in 5(n) gezeigt, ein Signal, welches einen Zyklus hat, welcher doppelt so lang ist wie ein Zyklus des Taktsignals C1, das heißt, eine Frequenz hat, welche halb so groß ist wie die Frequenz des Taktsignals C1.
Das Taktsignal C0' ist, wie in 5(o) gezeigt, ein Signal, welches erlangt wird, indem eine Phase des Taktsignals C1' um 180° invertiert wird.
Das Taktsignal Cx ist ein Synchron-Erfassungssignal des Vxaus Signals. Das Taktsignal Cx ist, wie in 5(p) gezeigt, ein Signal, bei welchem eine EIN-Zeitperiode des Taktsignals C0 lediglich während einer EIN-Zeitperiode des Taktsignals C1' bereitgestellt wird.
Das Taktsignal Cy ist Synchron-Erfassungssignal des Vyaus Signals. Das Taktsignal Cy ist, wie in 5(q) gezeigt, ein Signal, bei welchem eine EIN-Zeitperiode des Taktsignals C0 lediglich während einer EIN-Zeitperiode des Taktsignals C0' bereitgestellt wird.
In den Synchron-Erfassungsschaltungen 112 bis 114 wird zunächst die Trennungs-Verarbeitung des Vzaus Signals durch ein Phasen-Aufteilungsverfahren mit Bezug auf das Vaus Signal durchgeführt.
Hier wird die Trennungs-Verarbeitung des Signals durch das Phasen-Aufteilungsverfahren erläutert.
9A und 9B sind Ansichten zum Erläutern des Phasen-Aufteilungsverfahrens.
Beispielsweise wird, wie in 9A gezeigt, unter Verwendung eines Taktsignals, welches einen Impuls während einer positiven (+) Zeitperiode des Sinuswellen-Signals (Signal a) erzeugt, welches ein zu verarbeitendes Objekt bildet, das Signal a lediglich während einer AUS-Zeitperiode (Low-Zeitperiode) des Taktsignals gleichgerichtet, um somit ein Signal a' zu erlangen.
Indem die Glättungsverarbeitung auf das Signal a' unter Verwendung des LPF angewendet wird, ist es möglich, eine DC-Ausgabe entsprechend der Amplitude (Größe) des Signals a zu erlangen.
Andererseits ist es, wie in 9B gezeigt, indem ein Sinussignal (Signal b) gleichgerichtet wird, dessen Phase vom Signal a um 90° verschoben ist, und zwar lediglich während der AUS-Zeitperiode (Low-Zeitperiode) des Taktsignals, unter Verwendung eines Taktsignals, welches gleich dem vorherigen Taktsignal ist, möglich, ein Signal b' zu erlangen.
Indem die Glättungsverarbeitung auf das Signal b' unter Verwendung des LPF angewendet wird, werden eine positive (+) Komponente und eine negative (-) Komponente des Signals B' voneinander versetzt, und somit wird die DC-Ausgabe gleich 0 (Null).
Das heißt, dass es durch Anwenden einer Gleichrichtungs-Verarbeitung auf ein zusammengefasstes Signal, welches das Signal a und das Signal b enthält, deren Phasen um 90° voneinander verschoben sind, unter Verwendung des gleichen Taktsignals und durch Glätten der Ausgabe, möglich ist, lediglich die DC-Ausgabe zu erlangen, welche der Größe von einem Signal (das Signal (a) in dieser Modifikation) entspricht. Ein solches Signal-Aufteilungs-(Trennungs-) Verfahren wird als ein Phasen-Aufteilungsverfahren bezeichnet.
In der Synchron-Erfassungsschaltung 112 wird durch die Verwendung des oben erwähnten Phasen-Aufteilungsverfahrens eine Gleichrichtungs-Verarbeitung des Vaus Signals unter Verwendung eines Taktsignals C durchgeführt, und danach wird eine Entfernungs-Verarbeitung zum Entfernen der Vzaus Signalkomponente vom Vaus Signal durchgeführt.
Hier wird in dieser Ausführungsform die Glättungs-Verarbeitung nach einem Gleichrichten durch die LPFs 115 bis 117 ausgeführt, welche auf einer Stufe bereitgestellt sind, welche den Synchron-Erfassungsschaltungen 112 bis 114 folgt. Um es jedoch zu vermeiden, dass die Erläuterung der Glättungs-Verarbeitung mit Bezug auf die Signalkomponente, welche schließlich nach einem Passieren der LPFs 115 bis 117 entfernt wird, schwerfällig wird, wird die Erläuterung im Folgenden bei einem Zustand vorgenommen, dass die Komponente vorausgehend entfernt ist.
Nachfolgend wird in der Synchron-Erfassungsschaltung 112 die Trennungs-Verarbeitung des Vxaus Signals und des Vyaus Signals durch das Zeit-Aufteilungsverfahren auf das Vaus' Signal nach einem Entfernen der Vzaus Signalkomponente angewendet.
Genauer gesagt wird während einer Synchronisation des Betriebstaktes von der Umschaltschaltung 106, die Verarbeitung zum Erfassen (Extrahieren) des Signals, lediglich am Takt (Zeitperiode), bei welchem die Trägerwelle auf die X-Achse Erfassungsschaltung 107 im Vaus' Signal angewendet wird, durchgeführt.
Aufgrund einer solchen Verarbeitung ist es möglich, die Vyaus Signalkomponente, welche aus der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 an dem Takt (Zeitperiode) ausgegeben wird, bei welchem die Trägerwelle auf die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angewendet wird, zu entfernen.
Auf diese Weise werden bei der Synchron-Erfassungsschaltung 112, die Vzaus Signalkomponente und die Vyaus Signalkomponente vom Vaus Signal entfernt, das heißt, dass lediglich die Vxaus Signalkomponente extrahiert wird.
Ein Vdx Signal, welches in 5(r) gezeigt ist, welches durch ein Gleichrichten des Vxaus Signals erlangt wird, wird von der Synchron-Erfassungsschaltung 112 ausgegeben.
Auf die gleiche Weise wird in der Synchron-Erfassungsschaltung 113 die Gleichrichtungs-Verarbeitung des Vaus Signals unter Verwendung des Taktsignals C durchgeführt, und danach wird die Entfernungs-Verarbeitung der Vzaus Signalkomponente vom Vaus Signal durchgeführt.
Nachfolgend wird in der Synchron-Erfassungsschaltung 113 die Trennungs-Verarbeitung des Vxaus Signals durch das Zeit-Aufteilungsverfahren auf das Vaus' Signal nach einem Entfernen der Vzaus Signalkomponente angewendet.
Genauer gesagt wird, während einer Synchronisierung des Betriebstaktes von der Umschaltschaltung 106, die Verarbeitung zum Erfassen (Extrahieren) des Signals lediglich am Takt (Zeitperiode), bei welchem die Trägerwelle auf die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 im Vaus' Signal angewendet wird, durchgeführt.
Aufgrund einer solchen Verarbeitung ist es möglich, die Vxaus Signalkomponente, welche von der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 ausgegeben wird, zu dem Zeitpunkt (Zeitperiode) auszugeben, bei welchem die Trägerwelle auf die X-Achse Erfassungsschaltung 107 angelegt wird.
Auf diese Weise werden in der Synchron-Erfassungsschaltung 113 die Vzaus Signalkomponente und die Vxaus Signalkomponente vom Vaus Signal entfernt, das heißt, dass lediglich die Vyaus Signalkomponente extrahiert wird.
Ein Vdy Signal, welches in 5(t) gezeigt ist, welches durch Gleichrichten des Vyaus Signals erlangt wird, wird von der Synchron-Erfassungsschaltung 113 ausgegeben.
In der Synchron-Erfassungsschaltung 114 wird durch die Verwendung des oben erwähnten Phasen-Aufteilungsverfahrens die Gleichrichtungs-Verarbeitung des Vaus Signals unter Verwendung eines Taktsignals C1 durchgeführt, und danach wird die Entfernungs-Verarbeitung der Vxaus Signalkomponente und der Vyaus Signalkomponente vom Vaus Signal durchgeführt.
In der Synchron-Erfassungsschaltung 114 ist es im Gegensatz zu den Synchron-Erfassungsschaltungen 112, 113, unter Verwendung des Taktsignals C1, dessen Phase von der Phase des Taktsignals C um 90° verschoben ist, möglich, die Vxaus Signalkomponente und die Vyaus Signalkomponente zu entfernen, welche die Ausgangssignale von der X-Achse Erfassungsschaltung 107 und der Y-Achse Erfassungsschaltung 108 bilden, an welche die Trägerwelle, deren Phase von der Trägerwelle, welche an die Z-Achse Erfassungsschaltung 109 angelegt wird, um 90° verschoben ist.
Das Vdx Signal, welches von der Synchron-Erfassungsschaltung 112 ausgegeben wird, wird der Glättungs-Verarbeitung im LPF 115 unterworfen und wird in das in 5(s) gezeigte Vlpfx Signal umgewandelt.
Auf die gleiche Weise wird das Vdy Signal, welches von der Synchron-Erfassungsschaltung 113 ausgegeben wird, der Glättungs-Verarbeitung im LPF 116 unterworfen und in das in 5(u) gezeigte Vlpfy Signal umgewandelt, während das Vdz Signal, welches von der Synchron-Erfassungsschaltung 114 ausgegeben wird, der Glättungs-Verarbeitung im LPF 117 unterworfen wird und in das in 5(w) gezeigte Vlpfz Signal umgewandelt wird.
Auf diese Weise können die Stromsignale (Ix, Iy, Iz) von der X-Achse Erfassungsschaltung 107, der Y-Achse Erfassungsschaltung 108 und der Z-Achse Erfassungsschaltung 109, welche gemeinsam in eine Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 eingegeben werden, das heißt, die Erfassungsspannungen (Vdx, Vdy, Vdz), welche den Erfassungssignalen entsprechen, für jeweilige Achsenkomponenten korrekt getrennt werden.
Auf diese Weise ist der Winkelgeschwindigkeitssensor dieser Ausführungsform derart aufgebaut, dass die Differenz (Phasendifferenz) zwischen der Phase von der Trägerwelle (Träger), welche der X-Achse Erfassungsschaltung 107 und der Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt wird, und der Phase von der Trägerwelle, welche der Z-Achse Erfassungsschaltung 109 angelegt wird, auf 90° eingestellt ist, und ferner wird die Trägerwelle abwechselnd der X-Achse Erfassungsschaltung 107 und der Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt.
Hier werden vom Vaus Signal, welches die Ausgabe der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 ist, welches die Erfassungskomponenten von allen Erfassungsachsen (X-Achse, Y-Achse, Z-Achse) enthält, die Z-Achse Erfassungskomponente, die X-Achse Erfassungskomponente und die Y-Achse Erfassungskomponente getrennt, indem das Zeit-Aufteilungsverfahren angewendet wird.
Demgemäß ist es durch die Verwendung der Kombination von dem Phasen-Aufteilungsverfahren und dem Zeit-Aufteilungsverfahren möglich, drei Signalkomponenten ohne Verwendung einer komplizierten Frequenzmodulationsschaltung oder dergleichen einfach zu trennen.
In dieser Ausführungsform werden die Erfassungskomponenten in den jeweiligen axialen Richtungen zum Erfassen der Änderung einer Position von der Masse 13, basierend auf der Änderung der elektrostatischen Kapazitäten zwischen den festgelegten Elektroden und der bewegbaren Elektrode (Masse 13) gemessen. Dann kann das Verlagerungs-Erfassungsergebnis, welches den Änderungen der elektrostatischen Kapazitäten in den jeweiligen axialen Richtungen entspricht, für jeweilige axiale Komponenten korrekt getrennt werden.
Demgemäß kann der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform gleichzeitig die Änderung von der Position der Masse 13 entlang der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse gleichzeitig erfassen.
Im Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform kann die Trennung des Vxaus Signals, welches letztendlich als das Erfassungssignal von der X-Achse Winkelgeschwindigkeit ausgegeben wird, und des Vyaus Signals, welches letztendlich als das Erfassungssignal von der Y-Achse Winkelgeschwindigkeit ausgegeben wird, unter Verwendung des Zeit-Aufteilungsverfahrens durchgeführt werden, und somit kann die Erzeugung eines Übersprechens (eine Interferenz mit einer Kreuzachse) durch die Erfassungskomponenten in jeweiligen axialen Richtungen unterdrückt werden.
Auf diese Weise ist es gemäß dieser Ausführungsform im Zwei-Achsen Erfassungstyp-Winkelgeschwindigkeitssensor möglich, die Schaltung bereitzustellen, welche die Erzeugung des Übersprechens (eine Interferenz mit einer Kreuzachse) zwischen zwei Achsen, welche die Winkelgeschwindigkeits-Abhängigkeiten hat, unterdrücken kann, und zur gleichen Zeit simultan die Verlagerung in der Oszillationsrichtung von der Masse 13 mit der geringen Anzahl von Teilen erfassen kann.
Ferner wird in dieser Ausführungsform die Trennung des Vzaus Signals, welches als das Erfassungssignal von der Änderung der Position in der Z-Achse Richtung von der Masse 13 ausgegeben wird, vom Vxaus Signal und Vyaus Signal unter Verwendung des Phasen-Aufteilungsverfahrens durchgeführt, und somit, wenn die Phasenverlagerung (Verzögerung oder Voreilung), welche auf einen Schaltungsfehler oder einen Genauigkeitsfehler zurückzuführen ist, erzeugt wird, können die Entfernung und Trennung des Vzaus Signals, welches ein zu entfernendes oder zu trennendes Objekt ist, nicht vollständig durchgeführt werden, welches somit zu einer Möglichkeit führt, dass die Vzaus Signalkomponente mit einer weiteren axialen Komponente überlappt werden kann.
Jedoch ist das Vzaus Signal zur Erfassung der Verschiebungsgröße (Verlagerungsgröße) von der Referenzposition bereitgestellt, wenn die Masse 13 auf eine oszillierende Weise angetrieben wird, und somit enthält das Vzaus Signal nicht die Winkelgeschwindigkeits-Abhängigkeit, welches sich vom Vxaus Signal und Vyaus Signal unterscheidet.
Demgemäß kann beispielsweise, sogar wenn die Komponente des Vzaus Signals sich mit einer weiteren axialen Komponente überlappt, der Einfluss, welcher auf ein solches Überlappen zurückzuführen ist, ausreichend gering erstellt werden (oder kann unterdrückt werden), und zwar verglichen mit dem Einfluss des Übersprechens (eine Interferenz mit einer Kreuzachse), welches erzeugt wird, wenn die axialen Komponenten der Signale, welche die Winkelgeschwindigkeits-Abhängigkeiten haben, unter Verwendung des Phasen-Aufteilungsverfahrens getrennt werden.
(Erste Modifikation)
Als Nächstes wird die erste Modifikation des oben erwähnten Winkelgeschwindigkeitssensors erläutert.
Die erste Modifikation ist durch eine C/V-Umwandlungsschaltung 100 gekennzeichnet, welche zur Unterdrückung der Erzeugung von Übersprechen (eine Interferenz mit einer Kreuzachse) bereitgestellt ist. Das heißt, dass die C/V-Umwandlungsschaltung 100 eine Verarbeitung durchführt, welche eine Nicht-Erfassungszeit in der Zeit-Aufteilung enthält, in welcher ein Vxaus Signal und ein Vyaus Signal, welche durch Aufteilung unter Verwendung eines Zeit-Aufteilungsverfahrens ausgebildet werden, nicht erfasst (extrahiert) werden.
Bei der oben erwähnten Zeit-Aufteilungsverarbeitung, welche in 5 gezeigt ist, wird das Vyaus Signal während einer AUS-Zeitperiode des Vxaus Signals ausgegeben, und wird das Vxaus Signal während einer AUS-Zeitperiode des Vyaus ausgegeben.
Wenn jedoch ein erwiderndes mögliches Band von einer Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 unzureichend ist, und zwar beispielsweise wenn ein Limit von einem Hochfrequenzband auf einen niedrigen Wert beschränkt ist, wie in 10 gezeigt, wird eine Signal-Wellenform abgerundet, welches somit zu einer Möglichkeit führt, dass ein Signal während der AUS-Zeitperiode erzeugt wird.
Ein solches Signal, welches während der AUS-Zeitperiode erzeugt wird, wird direkt eine Übersprech-(eine Interferenz mit einer Kreuzachse) Komponente, und somit wird eine Erfassungsgenauigkeit (Erfassungsempfindlichkeit) der Winkelgeschwindigkeit verringert.
Demgemäß ist die erste Modifikation auf das Verfahren gerichtet, welches das Übersprechen (eine Interferenz mit einer Kreuzachse) zwischen dem Vxaus Signal und dem Vyaus Signal, welches der Zeit-Aufteilungsverarbeitung unterworfen ist, unterdrücken kann.
6 ist ein Schaltplan, welcher die C/V-Umwandlungsschaltung 100 der ersten Modifikation zeigt.
Ferner ist 7 ein Zeitablaufdiagramm, welches Signal-Wellenformen in jeweiligen Abschnitten der C/V-Umwandlungsschaltung 100 von der ersten Modifikation zeigt.
Hier sind Teilen (und Signalen), welche mit der in 4 gezeigten C/V-Umwandlungsschaltung 100 identisch sind, die gleichen Symbole gegeben, und deren genaue Erläuterung wird ausgelassen. Das heißt, dass bei dieser Modifikation jene Teile, welche sich von den Teilen der in 4 gezeigten C/V-Umwandlungsschaltung 100 unterscheiden, erläutert werden.
Bei der ersten Modifikation sind anstelle des Paares aus einer Umschaltschaltung 106, welche in Synchronisation mit einem Taktsignal C1' in der in 4 gezeigten C/V-Umwandlungsschaltung 100 betrieben wird, eine Umschaltschaltung 124, welche in Synchronisation mit einem Taktsignal C1' betrieben wird, und eine Umschaltschaltung 125, welche in Synchronisation mit einem Taktsignal C0'' betrieben wird, bereitgestellt.
Die Umschaltschaltung 124 führt eine Umschaltung von einer Schaltung, welche die Trägerwelle an die X-Achse Erfassungsschaltung 107 anlegt, und einer Schaltung, welche die X-Achse Erfassungsschaltung 107 erzwungen mit einem Erdungspotenzial verbindet, durch.
Ein Zustand, bei welchem die Umschaltschaltung 124 mit der Schaltung verbunden ist, in welcher die Trägerwelle auf die X-Achse Erfassungsschaltung 107 angelegt wird, wird auf einen EIN-Zustand der Umschaltschaltung 124 eingestellt, während ein Zustand, bei welchem die Umschaltschaltung 124 mit der Schaltung verbunden ist, in welcher die X-Achse Erfassungsschaltung 107 mit dem Erdungspotenzial verbunden ist, als ein AUS-Zustand eingestellt wird.
Auf die gleiche Weise führt die Umschaltschaltung 125 eine Umschaltung von einer Schaltung, welche die Trägerwelle auf die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 anlegt, und einer Schaltung, welche die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 erzwungen mit einem Erdungspotenzial verbindet, durch.
Ein Zustand, bei welchem die Umschaltschaltung 125 mit der Schaltung verbunden ist, in welcher die Trägerwelle an die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt wird, wird als ein EIN-Zustand der Umschaltschaltung 125 eingestellt, während ein Zustand, bei welchem die Umschaltschaltung 125 mit der Schaltung verbunden ist, in welcher die X-Achse Erfassungsschaltung 108 mit dem Erdungspotenzial verbunden ist, als ein AUS-Zustand eingestellt wird.
Die in der ersten Modifikation gezeigte C/V-Umwandlungsschaltung 100, welche auf diese Weise aufgebaut ist, enthält, wie in 7(n) und 7(o) gezeigt, eine Nicht-Erfassung Zeitperiode (Todzeit) in der Zeitaufteilung, während einer Zeitperiode zwischen einem Zeitpunkt, bei welchem das Taktsignal C1'' einen AUS-Zustand annimmt, und einem Zeitpunkt, bei welchem das Taktsignal C0'' einen EIN-Zustand annimmt.
Die Nicht-Erfassung Zeitperiode in der Zeitaufteilung zeigt eine Zeitperiode von dem Zeitpunkt, bei welchem die Umschaltschaltung 124 einen AUS-Zustand annimmt, und dem Zeitpunkt, bei welchem die Umschaltschaltung 125 einen EIN-Zustand annimmt, an, in welcher sowohl die X-Achse Erfassungsschaltung 107 als auch die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 mit dem Erdungspotenzial verbunden sind.
Demgemäß werden während der Nicht-Erfassung Zeitperiode in der Zeitaufteilung, Stromsignale (Ix, Iy) nicht der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 von der X-Achse Erfassungsschaltung 107 und der Y-Achse Erfassungsschaltung 108 eingegeben.
Da die Erfassung des Vxaus Signals und des Vyaus Signals nicht während der Nicht-Erfassung Zeitperiode in der Zeitaufteilung durchgeführt wird, kann, sogar wenn die Signal-Wellenform, wie in 10 gezeigt, abgerundet ist, die Erzeugung von Übersprechen (eine Interferenz mit einer Kreuzachse) unterdrückt werden.
Auf diese Weise kann gemäß der in der ersten Modifikation gezeigten C/V-Umwandlungsschaltung 100, indem die Nicht-Erfassung Zeit in der Zeitaufteilung bereitgestellt wird, in welcher das Vxaus Signal und das Vyaus Signal nicht erfasst werden, das Übersprechen (eine Interferenz mit einer Kreuzachse) zwischen zwei Achsen, welche Winkelgeschwindigkeits-Abhängigkeiten haben, weiter unterdrückt werden.
(Zweite Modifikation)
Als Nächstes wird die zweite Modifikation des oben erwähnten Winkelgeschwindigkeitssensors erläutert.
8 ist ein Schaltplan, welcher eine C/V-Umwandlungsschaltung 100 der zweiten Modifikation zeigt.
Hier sind Teilen, welche mit dem Aufbau der Teile des oben erwähnten Winkelgeschwindigkeitssensors identisch sind, die gleichen Symbole gegeben, und deren genaue Erläuterung wird ausgelassen. Das heißt, dass bei dieser Modifikation jene Teile, welche sich von den Teilen des oben erwähnten Winkelgeschwindigkeitssensors unterscheiden, erläutert werden.
Bei dem Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der oben erwähnten Ausführungsform ist die X-Achse Erfassungsschaltung 107 unter Verwendung von Kondensatoren 1A bis 4A ausgebildet, und ist die Y-Erfassungsschaltung 108 unter Verwendung von Kondensatoren 1B bis 4B ausgebildet. Das heißt, dass die X-Achse Erfassungsschaltung 107 und die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 unter Verwendung von acht Kondensatoren ausgebildet sind.
Das heißt, dass der Winkelgeschwindigkeitssensor von der zweiten Modifikation dadurch gekennzeichnet ist, dass anstelle der X-Achse Erfassungsschaltung 107 und der Y-Achse Erfassungsschaltung 108 eine Zwei-Achsen Erfassungsschaltung 128 bereitgestellt ist, welche unter Verwendung der Kondensatoren 1A bis 4A ausgebildet ist, welche aus festgelegten Elektroden und einer bewegbaren Elektrode (Masse 13) gebildet sind, welche auf einem oberen Glassubstrat 2 befestigt sind.
Die Zwei-Achsen Erfassungsschaltung 128 ist eine Schaltung, welche eine Funktion der X-Achse Erfassungsschaltung 107 als auch eine Funktion der Y-Achse Erfassungsschaltung 108 des oben erwähnten Beschleunigungssensors durchführt.
Die wie in 8 gezeigte Zwei-Achsen Erfassungsschaltung 128 ist aus Kondensatoren 1A bis 4A ausgebildet, deren erste Enden davon mit dem gleichen Punkt (ein Eingangspunkt der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110) verbunden sind.
Der Punkt, mit welchem die ersten Enden der Kondensatoren 1A bis 4A vorläufig verbunden sind, wird als ein gemeinsamer Punkt bezeichnet.
Hier wird unter Verwendung eines Paars von Umschaltschaltungen 126, welche in Synchronisation mit einem Taktsignal C1' betrieben werden, ein Umschalten von Verbindungspunkten an weiteren Endseiten der Kondensatoren 1A bis 4A durchgeführt.
Die Verbindungspunkte an weiteren Enden der Kondensatoren 1A bis 4A werden als variable Enden bezeichnet.
Die Verbindungspunkte der Umschaltschaltung 126 werden derart umgeschaltet, dass die Umschaltschaltung 126 einen Verbindungszustand annimmt, bei welchem eine Erfassungsschaltung zum Erfassen der Verlagerung um die X-Achse während einer Zeitperiode ausgebildet wird, in welcher das Taktsignal C1' einen EIN-Zustand annimmt, während die Umschaltschaltung 126 einen Verbindungszustand annimmt, bei welchem eine Erfassungsschaltung zum Erfassen der Verlagerung um die Y-Achse während einer Zeitperiode ausgebildet wird, in welcher das Taktsignal C1' einen AUS-Zustand annimmt.
Genauer gesagt sind während der Zeitperiode, in welcher das Taktsignal C1' einen EIN-Zustand annimmt, die variablen Enden des Kondensators 1A und des Kondensators 4A miteinander verbunden, sind die variablen Enden des Kondensators 2A und des Kondensators 3A miteinander verbunden, und wird die Trägerwelle von den jeweiligen Verbindungsenden angelegt.
Dann wird vom gemeinsamen Punkt der Zwei-Achsen Erfassungsschaltung 128 ein Stromsignal, welches über ein Differenzial zwischen elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren, welche in Serie verbunden sind, hinweist, der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 eingegeben, wodurch ein Vxaus Signal erzeugt wird, welches ein Erfassungssignal der Winkelgeschwindigkeits-Abhängigkeit von der X-Achse bildet.
Andererseits sind während der Zeitperiode, in welcher das Taktsignal C1' einen AUS-Zustand annimmt, die variablen Enden des Kondensators 1A und des Kondensators 2A miteinander verbunden, sind die variablen Enden des Kondensators 4A und des Kondensators 3A miteinander verbunden, und wird eine Trägerwelle von den jeweiligen Verbindungsenden angelegt.
Dann wird vom gemeinsamen Punkt der Zwei-Achsen Erfassungsschaltung 128 aus ein Stromsignal, welches über ein Differenzial zwischen elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren, welche in Serie verbunden sind, hinweist, der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 eingegeben, wodurch ein Vyaus Signal erzeugt wird, welches ein Erfassungssignal von der Winkelgeschwindigkeits-Abhängigkeit von der Y-Achse bildet.
Auf diese Weise werden in dieser zweiten Modifikation vier Kondensatoren 1A bis 4A gemeinsam zur Erfassung der Verlagerung in der X-Achse Richtung als auch zur Erfassung der Verlagerung in der Y-Richtung verwendet. Demgemäß ist es möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zu bilden, welcher die im Wesentlichen gleiche Erfassungsempfindlichkeit besitzt wie die Erfassungsempfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors, welcher acht festgelegte Elektroden, wie in 4 gezeigt, verwendet, indem die halbe Anzahl von festgelegten Elektroden wie die Anzahl von festgelegten Elektroden verwendet wird, welche im Winkelgeschwindigkeitssensor, wie in 4 gezeigt, verwendet werden.
Wie oben beschrieben, ist die zweite Modifikation auf den Sensor gerichtet, bei welchem die Verlagerung von der Masse 13 in die X-Richtung unter Verwendung von allen festgelegten Elektroden 21 bis 24 erfasst wird, welche zum Erfassen der Änderung von der Position der Masse 13 angeordnet sind, das heißt, unter Verwendung von allen Kondensatoren 1A bis 4A, und die Verlagerung von der Masse 13 in die Y-Richtung wird auf die gleiche Weise unter Verwendung von allen Kondensatoren 1A bis 4A erfasst.
Hier ist es durch Anwenden des Verfahrens, wobei das Verfahren die Änderung von der Position der Masse 13 unter Verwendung von allen Elektroden-Abhängigkeiten der angeordneten festgelegten Elektroden zur Erfassung für den Winkelgeschwindigkeitssensor, welcher acht Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B, wie in 4 gezeigt, hat, wirksam erfasst, das heißt durch Bereitstellen des Aufbaus, welcher die Verlagerung von der Masse 13 in der X-Achse Richtung (und ebenfalls die Verlagerung in der Y-Achse Richtung) unter Verwendung von allen acht Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B erfasst, möglich, einen Winkelgeschwindigkeitssensor bereitzustellen, welcher die höhere Erfassungsempfindlichkeit (Erfassungsgenauigkeit) besitzt.
In diesem Fall sind erste Enden von acht Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B zuvor mit einem gleichen Punkt (ein Eingangspunkt der Strom/Spannung-Uwandlungsschaltung 110) verbunden, und ein Verbindungszustand von den variablen Enden wird unter Verwendung eines Paares von Umschaltschaltungen 126 umgeschaltet, welches in Synchronisation zu einem Taktsignal C1' betrieben wird.
Die Verbindungspunkte der Umschaltschaltung 126 werden derart umgeschaltet, dass die Umschaltschaltung 126 einen Verbindungszustand annimmt, bei welchem eine Erfassungsschaltung zum Erfassen der Verlagerung um die X-Achse während einer Zeitperiode ausgebildet wird, bei welcher das Taktsignal C1' einen EIN-Zustand annimmt, während die Umschaltschaltung 126 einen Verbindungszustand annimmt, bei welchem eine Erfassungsschaltung zum Erfassen der Verlagerung um die Y-Achse während einer Zeitperiode ausgebildet wird, bei welcher das Taktsignal C1' einen AUS-Zustand annimmt.
Genauer gesagt werden während einer Zeitperiode, in welcher das Taktsignal C1' einen EIN-Zustand annimmt, die variablen Enden des Kondensators 1A, des Kondensators 4A, des Kondensators 2B und des Kondensators 3B miteinander verbunden, werden die variablen Enden des Kondensators 2A, des Kondensators 3A, des Kondensators 1B und des Kondensators 4B miteinander verbunden, und wird eine Trägerwelle von den jeweiligen Verbindungsenden angelegt.
Dann wird vom gemeinsamen Punkt der Zwei-Achsen Erfassungsschaltung 128 ein Stromsignal, welches über ein Differenzial zwischen elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren, welche in Serie verbunden sind, hinweist, der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 eingegeben, wodurch das Vxaus Signal erzeugt wird, welches ein Erfassungssignal der Winkelgeschwindigkeits-Empfindlichkeit von der X-Achse bildet.
Andererseits werden während einer Zeitperiode, in welcher das Taktsignal C1' einen AUS-Zustand annimmt, die variablen Enden des Kondensators 1A, des Kondensators 2A, des Kondensators 3B und des Kondensators 4B miteinander verbunden, werden die variablen Enden des Kondensators 4A, des Kondensators 3A, des Kondensators 1B und des Kondensators 2B verbunden, und wird eine Trägerwelle von den jeweiligen Verbindungsenden angelegt.
Dann wird vom gemeinsamen Punkt der Zwei-Achsen Erfassungsschaltung 128 ein Stromsignal, welches über ein Differenzial zwischen elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren, welche in Serie verbunden sind, hinweist, der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 eingegeben, wodurch das Vyaus Signal erzeugt wird, welches ein Erfassungssignal der Winkelgeschwindigkeits-Empfindlichkeit der Y-Achse bildet.
Hier werden, wenn die Position von der Masse 13, wie in 2C gezeigt, geändert wird, ein Abstand (ein Spalt) zwischen der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode (die Masse 13), welche auf dem oberen Glassubstrat 2 befestigt sind, und ein Abstand (ein Spalt) zwischen der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode (Masse 13), welche auf dem unteren Glassubstrat 3 befestigt sind, auf eine entgegengesetzte Weise geändert.
Demgemäß werden während einer Zeitperiode, in welcher die Verlagerung von der Masse 13 in die X-Achse Richtung erfasst wird, aus acht Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B, jene Kondensatoren, welche auf Abschnitten (Positionen) ausgebildet sind, welche auf eine entgegengesetzte Weise in der vertikalen Richtung von der Masse 13 (Z-Achse Richtung) mit Bezug auf die X-Achse (die erste Erfassungsachse) als eine Grenze angeordnet sind, das heißt jene Kondensatoren, welche die gleiche Änderungsrichtung (Änderungsneigung) von elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren teilen, miteinander in Serie verbunden.
Auf diese Weise ist es, indem acht Kondensatoren 1A bis 4A, 1B bis 4B gemeinsam zur Erfassung der Verlagerung von der Masse 13 in der X-Achse Richtung als auch der Verlagerung von der Masse 13 in der Y-Richtung verwendet werden, möglich, den Winkelgeschwindigkeitssensor bereitzustellen, welcher die Erfassungsempfindlichkeit (Erfassungsgenauigkeit) hat, welche höher (zweimal höher) als die Erfassungsempfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors ist, welcher acht festgelegte Elektroden verwendet, wie in 4 gezeigt.
(Dritte Modifikation)
Als Nächstes wird eine dritte Modifikation des oben erwähnten Winkelgeschwindigkeitssensors erläutert.
Die dritte Modifikation ist durch eine C/V-Umwandlungsschaltung 100 gekennzeichnet, welche eine Verarbeitung durchführt, welche eine Nicht-Erfassungszeit bereitstellt, in welcher ein Vzaus Signal, welches durch Phasen-Aufteilungsverarbeitung getrennt ist, nicht erfasst wird, um die Erzeugung von Übersprechen (die Interferenz mit einer Kreuzachse) zwischen Erfassungssignalen von der X-Achse und der Y-Achse, das heißt die Erfassungssignale der Winkelgeschwindigkeiten und das Erfassungssignal der Z-Achse, zu unterdrücken.
Wie oben beschrieben, werden bei der oben erwähnten Zeit-Aufteilungsverarbeitung der in 5 und 7 gezeigten Winkelgeschwindigkeits-Bauteile, das Vxaus Signal und das Vyaus Signal abwechselnd ausgegeben.
Wenn jedoch ein Antwortmöglichkeitsbereich von einer Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 unzureichend ist, wenn beispielsweise eine Begrenzung eines Hochfrequenzbandes niedrig ist, und zwar zu Zeitpunkten eines Umschalten des Signals während einer Zeit-Aufteilungsverarbeitung, werden das Vxaus Signal und das Vyaus Signal gerundet.
Genauer gesagt wird, wenn das Signal ein- oder ausgeschaltet wird, das heißt, wenn das Vxaus Signal oder das Vyaus Signal ansteigt oder fällt, eine Verzögerung (eine Phasenverzögerung) erzeugt, wie in 11 durch eine gestrichelte Linie angezeigt.
Hier erscheint eine solche Übergangs-Abrundung von einer Signal-Wellenform, das heißt eine Übergangs-Phasenverzögerung, bemerkbar, wenn das Umschalten zwischen der X-Achse Erfassungsschaltung 107 und der Y-Achse Erfassungsschaltung 108 zu einem Zeitpunkt durchgeführt wird, bei welchem eine Phase eines Synchron-Erfassungswellentaktes (Zuführwelle) 90° oder 270° annimmt.
Wie in 12 gezeigt, wird, wenn eine Phasenverzögerung des Vxaus Signals oder des Vyaus Signals, das heißt Phasenverzögerungen von CV-Ausgaben von Kreuzachsen (X-Achse und Y-Achse), vorliegt, eine Phasenverzögerung von einer Synchron-Erfassungsausgabe von einer eigenen Achse (hier die Z-Achse) durch eine gestrichelte Linie angezeigt.
Demgemäß wird, wie in 12 gezeigt, als eine Komponente entsprechend der Verzögerung von der Phase (angezeigt durch α), ein Übersprechen im Erfassungssignal der Z-Achse erzeugt.
Im Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß dieser Ausführungsform wird basierend auf dem Erfassungssignal (das Z-Achse Signal) von der Z-Achse Erfassungsschaltung 109 ein Antriebssignal, welches es erlaubt, dass die Masse 13 die Resonanz-Primäroszillation durchführt, um die Corioliskraft zu erfassen, erzeugt. Ferner wird das Erfassungssignal (das Z-Achse Signal) der Z-Achse Erfassungsschaltung als ein Referenzsignal von einer Synchronerfassungsschaltung 114 verwendet.
Demgemäß, wenn die Wellenform-Abrundung des Vxaus Signals und des Vyaus Signals, wie oben beschrieben, das Übersprechen auf das Erfassungssignal von der Z-Achse Erfassungsschaltung 109 erzeugt, führt das Übersprechen direkt zu Rauschen (Rauschsignale), und somit werden die Oszillationsgenauigkeit und Stabilität von der Masse 13, und ferner die Erfassungsgenauigkeit von der Synchronerfassungsschaltung 114, verschlechtert, wodurch somit die Erfassungsgenauigkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors verringert wird.
Demgemäß, um zu verhindern, dass das Übersprechen auf das Z-Achse Erfassungssignal (Z-Achse Ausgabe) durch das Übersprechen beeinflusst wird, wird die Nicht-Erfassungszeit (Nicht-Erfassungsintervall) des Z-Achse Erfassungssignals während einer Zeitperiode bereitgestellt, in welcher eine Interferenz von einer Kreuzachse (X-Achse, Y-Achse) erwartet wird, das heißt während einer Zeitperiode, in welcher die Erzeugung des Übersprechens erwartet wird.
13 ist ein Zeitablauf-Diagramm, welches Signal-Wellenformen in jeweiligen Teilen der C/V-Umwandlungsschaltung 100 der dritten Modifikation zeigt.
Bei dem in 13 gezeigten Zeitablauf-Diagramm, wird, wie in der oben erwähnten ersten Modifikation beschrieben, die Erläuterung hinsichtlich eines Falles vorgenommen, bei welchem eine Nicht-Erfassungszeit, in welcher ein Vyaus Signal und ein Vyaus Signal nicht erfasst werden, in der Zeit-Aufteilung als ein Beispiel bereitgestellt ist.
Die Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals wird beispielsweise, wie in 13 gezeigt, entsprechend den Umschalt-Zeitpunkten der Zeitaufteilung in der X-Achse Erfassung und der Y-Achse Erfassung eingestellt.
Genauer gesagt wird die Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals als eine Zeit eingestellt, welche sich von einer Zeitperiode, in welcher die Wellenform von einem Signal, welches der Zeitaufteilung zur Zeit des Anstiegs zu unterwerfen ist, abgerundet wird (die Phase des Signals ist verzögert) bis zu einer Zeitperiode erstreckt, in welcher die Wellenform von einem weiteren Signal, welches der Zeitaufteilung zur Zeit des Anstiegs zu unterwerfen ist, abgerundet wird (die Phase des Signals ist verzögert).
Genauer gesagt wird die Zeit bei der im Zeitablauf-Diagramm von 13 gezeigten Modifikation, und zwar von einem Zeitpunkt eines Beginns der Nicht-Erfassungszeit in der Zeitaufteilung, in welcher das Vxaus Signal und das Vyaus Signal nicht erfasst werden, zu einem Zeitpunkt nach einem Verstreichen von einem halben Zyklus (1/2 Zyklus), und zwar gezählt von der Beendigung der Nicht-Erfassungszeit in der Zeitaufteilung, als die Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals eingestellt.
Indem die Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals auf diese Weise eingestellt wird, beginnt die Erfassungsperiode (Erfassungsintervall) der Z-Achse (Vzaus Signal) mit der Verzögerung von dem Beginn der Erfassung des X-Achse Signals (Vxaus Signal) oder des Y-Achse Signals (Vyaus Signal). Ferner wird, gleichzeitig oder früher als die Beendigung der Erfassung des X-Achse Signals (Vxaus Signal) oder des Y-Achse Signals (Vyaus Signal), die Erfassungsperiode (Erfassungsintervall) des Z-Achse Signals (Vzaus Signal) beendet.
Hier sind die jeweiligen Erfassungssignale des X-Achse Signals (Vxaus Signal), des Y-Achse Signals (Vyaus Signal) und des Z-Achse Signals (Vzaus Signal), das heißt die Ausgangssignale der Synchron-Erfassungsschaltungen 112, 113, 114, als X-Achse Erfassungssignal (Vdx), Y-Achse Erfassungssignal (Vdy) und Z-Achse Erfassungssignal (Vdz) angezeigt.
Hier wird das Einstellen der Beendigungszeiten der Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Signals erläutert.
Wenn die Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals anhält, werden die Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals verkürzt und die Empfindlichkeit der Z-Achse verringert. Demgemäß wird ein S/N-Verhältnis (ein Signal-zu-Rauschen Verhältnis) des erfassten Z-Achse Erfassungssignals verschlechtert, welches somit zu einer Wahrscheinlichkeit führt, dass die Erfassungsgenauigkeit verringert ist.
Demgemäß ist es wünschenswert, dass die Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals auf eine notwendige minimale Länge eingestellt wird.
Wie oben beschrieben, wird die Abrundung von Wellenformen des Vxaus Signals und des Vyaus Signals, welche von der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 ausgegeben werden, aufgrund der Beschränkung eines Bandes auf der Hochfrequenzseite in der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 erzeugt.
Hier wird angenommen, dass die Beziehung zwischen einer hochfrequenzseitigen Abschneide-Frequenz fc der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 und der Frequenz fo der Trägerwelle (das V0 Signal) wie folgt ist. fc = kfo (1)
Hier ist k eine proportionale Konstante und ist für gewöhnlich 1 oder höher.
In der Formel (1) gilt, dass, je größer die proportionale Konstante k wird, desto relativ kleiner wird der Grad der Abrundung von der Wellenform.
Beispielsweise unter der Annahme, dass die Frequenzcharakteristik im Hochfrequenzband der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 eine lineare Dämpfungscharakteristik hat, kann die hochfrequenzseitige Abschneide-Frequenz fc wie folgt ausgedrückt werden. fc = 1/2πτ (2)
Hier zeigt τ eine Zeitkonstante an.
14 ist eine Ansicht, welche Stufenantwort-Charakteristiken in der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 anzeigt.
Hier zeigt eine obere Stufe in 14 eine Eingangsspannung (eine Stufenfunktion) an, und eine untere Stufe zeigt eine Ausgangsspannung (eine Antwort-Wellenform) an.
Wie in 14 gezeigt, ist zu verstehen, dass bei einem Zeitpunkt, bei welchem eine Zeit von 3τ nach einem Zuführen der Eingangsspannung verstrichen ist, die Ausgangsspannung auf ungefähr 95 % der Eingangsspannung angestiegen ist, und dass bei einem Zeitpunkt, bei welchem eine Zeit von 4τ nach einem Zuführen der Eingangsspannung verstrichen ist, die Ausgangsspannung auf ungefähr 98 % der Eingangsspannung angestiegen ist.
Das heißt, dass die Zeit (Zeitperiode) von t = 0 (die Zuführung der Eingangsspannung) bis t = 4τ jene Zeitperiode wird, in welcher die Abrundung der Wellenform erzeugt wird.
15 ist eine Ansicht, welche die Beziehung zwischen einer Zeit von einem Zeitpunkt, bei welchem die Erfassung des X-Achse Signals (Vxaus Signal) oder des Y-Achse Signals (Vyaus Signal) begonnen wird, zu einem Zeitpunkt, bei welchem eine Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals beendet ist, und ein Übersprechen auf das Z-Achse Erfassungssignal anzeigt.
Hier zeigt das Übersprechen, welches auf einer Ordinatenachse angezeigt ist, eine Interferenz-Größe von einer Kreuzachse (die X-Achse, die Y-Achse) an, welche im Z-Achse Erfassungssignal enthalten ist.
Basierend auf dem in 15 gezeigten Beziehungs-Kurvenverlauf, ist die Beendigungszeit der Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals innerhalb eines Bereichs eingestellt, welcher die Spezifikation (ein erlaubbarer Genauigkeitsbereich) des Sensors erfüllt.
Indem beispielsweise die Beendigungszeit der Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals auf einen Zeitpunkt nach einem Verstreichen von 3τ bis 4τ eingestellt wird, und zwar von einem Zeitpunkt, bei welchem die Erfassung des X-Achse Signals (Vxaus Signal) oder des Y-Achse Signals (Vyaus Signal) begonnen wird, ist es möglich, die Reduktion des Übersprechens auf das Z-Achse Erfassungssignal größtenteils zu verbessern.
Hier wird die Zeitkonstante τ wie folgt, basierend auf der oben erwähnten Formel (1) und der Formel (2) ausgedrückt. τ = 1/2πfc = 1/2πkf0 = To/2πk (3)
Hier zeigt To einen Zyklus der Trägerwelle (V0 Signal) an.
Dann können 2τ, 3τ, 4τ jeweils unter Verwendung von T0 und k ausgedrückt werden. 2τ = 2/2πkfo = 2To/2πk (4) 3τ = 3/2πkfo = 3To/2πk (5) 4τ = 4/2πkfo = 4To/2πk (6)
Wie anhand der obigen Formel (3) bis Formel (6) zu verstehen, gilt, dass, je größer ein Wert von k wird, die Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals verkürzt wird.
Auf diese Weise ist es gemäß der in der dritten Modifikation gezeigten C/V-Umwandlungsschaltung 100, indem die Nicht-Erfassungszeit des Z-Achse Erfassungssignals bereitgestellt wird, möglich, den Einfluss des Übersprechens auf das Z-Achse Erfassungssignal vom X-Achse Erfassungssignal und Y-Achse Erfassungssignal zu unterdrücken (zu reduzieren). Demgemäß kann die Rauschgröße aufgrund des elektrostatischen Antriebssignals von der Masse 13 reduziert werden, und somit kann die Erfassungsgenauigkeit von der Winkelgeschwindigkeit verbessert werden.
(Vierte Modifikation)
Als Nächstes wird die Erläuterung mit Bezug auf die vierte Modifikation vorgenommen, welche ein weiteres Beispiel zeigt, welches eine Nicht-Erfassungszeit bereitstellt, um die Erzeugung von Übersprechen zu unterdrücken.
16 ist ein Zeitablauf-Diagramm, welches Signal-Wellenformen in jeweiligen Teilen der C/V-Umwandlungsschaltung 100 der vierten Modifikation zeigt.
Trägerwellen, welche auf eine X-Achse Erfassungsschaltung 107 und eine Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt werden, werden durch abwechselndes Umschalten eines Schaltungs-Verzweigungspunktes in einer Umschaltschaltung 106, basierend auf einem Zeitpunkt (Taktsignal CI') angelegt, welchen ein spezifischer Steuertakt, welcher durch eine Steuertakt-Erzeugungsschaltung erzeugt wird, eingibt.
Ferner ist beim Extrahieren (Trennen) eines X-Achse Erfassungssignals (Vdx) und eines Y-Achse Erfassungssignals (Vdy) von einem Ausgangssignal einer Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 eine Nicht-Erfassungszeit in einer Zeitaufteilung bereitgestellt, in welcher das Signal für eine festgelegte Zeit von einem Zeitpunkt, bei welchem die Trägerwellen an die X-Achse Erfassungsschaltung 107 und die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt werden, umgeschaltet werden, nicht erfasst (extrahiert) wird.
Auf die gleiche Weise ist beim Erfassen eines Z-Achse Erfassungssignals (Vdz) eine Nicht-Erfassungszeit bereitgestellt, in welcher das Z-Achse Erfassungssignal für eine festgelegte Zeit von einem Zeitpunkt, bei welchem die Trägerwellen, welche an die X-Achse Erfassungsschaltung 107 und die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt werden, umgeschaltet werden, nicht erfasst wird.
Das heißt, dass ein 1/2 Zyklus von einem Zeitpunkt, bei welchem das Anlegen der Trägerwelle an die X-Achse Erfassungsschaltung 107 oder die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 begonnen wird, als die Nicht-Erfassungszeit eingestellt wird, in welcher das Z-Achse Signal nicht erfasst wird.
Ferner wird ein 1/2 Zyklus von einem Zeitpunkt, bei welchem das Anlegen der Trägerwelle an die X-Achse Erfassungsschaltung 107 oder die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 beendet ist, als eine Nicht-Erfassungszeit eingestellt, in welcher ein Z-Achse Signal nicht erfasst wird.
Demgemäß, wie in 16 gezeigt, wird, wenn die Anlegezeit, in welcher die Trägerwelle an die X-Achse Erfassungsschaltung 107 angelegt wird, und die Anlegezeit, in welcher die Trägerwelle an die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt wird, kontinuierlich umgeschaltet werden, die Nicht-Erfassungszeit, in welcher das Z-Achse Signal nach einem Beginn des Anlegens der Trägerwellen nicht erfasst wird, mit einer solchen Nicht-Erfassungszeit nach Beendigung des Anlegens der Trägerwellen überlappt.
Demgemäß ist der 1/2 Zyklus als die Nicht-Erfassungszeit, in welcher das Z-Achse Signal nicht erfasst wird, ausreichend, und somit kann die Nicht-Erfassungszeit verkürzt werden, wodurch die Empfindlichkeit des Winkelgeschwindigkeitssensors verbessert werden kann.
Ferner ist beim Extrahieren (Trennen) des X-Achse Erfassungssignals (Vdx) und des Y-Achse Erfassungssignals (Vdy) von einem Ausgangssignal der Strom/Spannung-Umwandlungsschaltung 110 eine Nicht-Erfassungszeit in einer Zeitaufteilung bereitgestellt, in welcher das Signal für eine festgelegte Zeit von einem Zeitpunkt, bei welchem die Trägerwellen, welche an die X-Achse Erfassungsschaltung 107 und die Y-Achse Erfassungsschaltung 108 angelegt sind, umgeschaltet werden, nicht erfasst (extrahiert) wird.
Die Nicht-Erfassungszeit, in welcher das Z-Achse Signal nicht erfasst wird, und die Nicht-Erfassungszeit in der Zeitaufteilung teilen gemeinsam die gleiche Startzeit, und somit kann durch ein Einstellen der Beendigungszeit von beiden Nicht-Erfassungszeiten, das heißt, Längen von beiden Nicht-Erfassungszeiten, welche zueinander gleich (beispielsweise ein Zyklus) sind, eine Schaltung zum Erzeugen eines Signals zum Einstellen der Nicht-Erfassungszeit (eine Nicht-Erfassungszeitperiode) gemeinsam verwendet werden, wodurch die Sensorschaltung vereinfacht werden kann.
Ferner ist es durch Bereitstellen der Nicht-Erfassungszeit, in welcher das Z-Achse Erfassungssignal nicht erfasst wird, und der Nicht-Erfassungszeit in der Zeitaufteilung, möglich, die Erfassung eines Signals im Intervall korrekt zu umgehen, welches die Abrundung von der Wellenform (Störung der Wellenform) hat. Demgemäß ist es möglich, die Verschlechterung der Empfindlichkeit aufgrund des Einflusses des Übersprechens (die Interferenz von einer Kreuzachse) zu unterdrücken.
Hier kann die Technik, welche die Nicht-Erfassungszeit zum Reduzieren des Einflusses des Übersprechens bereitstellt, wie in der ersten, der dritten und der vierten Modifikation beschrieben, auf einen Sensor anwendbar sein, welcher als der Kondensator zum Erfassen der Verlagerung in der X-Achse Richtung und der Kondensator zum Erfassen der Verlagerung in der Y-Achse Richtung, wie in der zweiten Modifikation beschrieben, wirkt.

Claims

Winkelgeschwindigkeitssensor mit: einem Rahmen, welcher einen ausgehöhlten Abschnitt hat; einer Masse, welche auf dem Rahmen mittels elastischer Träger gehalten ist, welche in der X-Achse Richtung und der Y-Achse Richtung zueinander senkrecht ausgebildet sind, eine Dicke in der Z-Achse Richtung hat, welche jeweils senkrecht zur X-Achse und Y-Achse ist, wobei ein Oberflächenabschnitt der Masse als eine bewegbare Elektrode wirkt und Positionsänderungen derer einer externen Kraft entsprechen; einer Mehrzahl von festgelegten Elektroden, welche derart angeordnet sind, dass sie der Masse auf eine entgegengesetzte Weise gegenüberliegen; einer ersten Erfassungsschaltung, welche eine Änderung einer elektrostatischen Kapazität zwischen der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode zusammen mit der Neigung der Masse in die Y-Achse Richtung erfasst; einer zweiten Erfassungsschaltung, welche eine Änderung einer elektrostatischen Kapazität zwischen der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode zusammen mit der Neigung der Masse in die X-Achse Richtung erfasst; einer dritten Erfassungsschaltung, welche eine Änderung einer elektrostatischen Kapazität zwischen der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode zusammen mit einer Verlagerung der Masse in die Z-Achse Richtung erfasst; einem Phasenschiebermittel, welches eine Phase eines Trägers, welcher an die dritte Erfassungsschaltung angelegt ist, um 90° von einer Phase einer Trägerwelle verschiebt, welche an die erste Erfassungsschaltung und die zweite Erfassungsschaltung angelegt ist; einem Umschaltmittel, welches abwechselnd das Anlegen der Trägerwelle an die erste Erfassungsschaltung und die zweite Erfassungsschaltung basierend auf einer Zeitvorgabe eines Steuertaktsignals durchführt, indem das Anlegen bei jedem festgelegten Zyklus umgeschaltet wird; einer Verstärkungsschaltung, welcher Ausgangssignale von der ersten Erfassungsschaltung, der zweiten Erfassungsschaltung und der dritten Erfassungsschaltung eingegeben sind; einem ersten Trennungsmittel, welches ein Winkelgeschwindigkeits-Komponente Signal, welches ein erstes Erfassungssignal, welches auf die Änderung der elektrostatischen Kapazität in der ersten Erfassungsschaltung hinweist, und ein zweites Erfassungssignal, welches auf die Änderung der elektrostatischen Kapazität in der zweiten Erfassungsschaltung hinweist, und ein drittes Erfassungssignal, welches auf die Änderung der elektrostatischen Kapazität in der dritten Erfassungsschaltung hinweist, enthält, voneinander trennt, indem eine Phasen-Aufteilungsverarbeitung basierend auf der Zeitvorgabe des Steuertaktsignals in Ansprechen auf die Ausgangssignale von der Verstärkungsschaltung durchgeführt wird; einem zweiten Trennungsmittel, welches das erste Erfassungssignal und das zweite Erfassungssignal voneinander trennt, indem eine Zeit-Aufteilungsverarbeitung basierend auf einem Umschalttakt der Trägerwelle durch das Umschaltmittel in Ansprechen auf das Winkelgeschwindigkeits-Komponente Signal durchgeführt wird; einem Winkelgeschwindigkeits-Ausgabemittel, welches eine Winkelgeschwindigkeit, welche um die X-Achse der Masse wirkt, in Ansprechen auf das erste Erfassungssignal ausgibt und eine Winkelgeschwindigkeit, welche um die Y-Achse der Masse wirkt, in Ansprechen auf das zweite Erfassungssignal ausgibt; und einem Antriebsmittel, welches die Masse in der Z-Achse Richtung oszilliert, während eine Positionssteuerung in Ansprechen auf das dritte Erfassungssignal durchgeführt wird.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, bei welchem die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung enthält, welche durch ein Verbinden von zwei elektrostatischen Kapazitätselementen in Serie, welche elektrostatische Kapazitäten symmetrisch zusammen mit der Neigung von der Masse in der Y-Achse Richtung ändern, aus elektrostatischen Kapazitätselementen ausgebildet ist, welche aus der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode gebildet sind; die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung enthält, welche durch ein Verbinden von zwei elektrostatischen Kapazitätselementen in Serie, welche elektrostatische Kapazitäten symmetrisch zusammen mit der Neigung von der Masse in der X-Achse Richtung ändern, aus elektrostatischen Kapazitätselementen ausgebildet ist, welche aus der festgelegten Elektrode und der bewegbaren Elektrode gebildet sind; die dritte Erfassungsschaltung eine Schaltung enthält, welche durch ein Verbinden eines elektrostatischen Kapazitätselements, welches eine elektrostatische Kapazität zusammen mit der Verlagerung von der Masse in der Z-Achse Richtung ändert, und eines spezifischen elektrostatischen Kapazitätselements in Serie, aus elektrostatischen Kapazitätselementen ausgebildet ist, welche die festgelegte Elektrode und die bewegbare Elektrode enthalten; und der Winkelgeschwindigkeitssensor ferner ein Trägerwellen-Anlegemittel enthält, welches Trägerwellen, deren Phasen um 180° voneinander invertiert sind, an die jeweiligen elektrostatischen Kapazitätselemente anlegt, welche in der ersten Erfassungsschaltung, der zweiten Erfassungsschaltung und der dritten Erfassungsschaltung in Serie verbunden sind.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem das zweite Trennungsmittel, nach einem Verstreichen von einer vorbestimmten Zeit vom Zeitpunkt eines Umschaltens der Trägerwelle durch das Umschaltmittel, das erste Erfassungssignal oder das zweite Erfassungssignal trennt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei welchem die festgelegte Elektrode vier erste Elektroden enthält, welche, unter Verwendung einer Mittenposition einer Masse als eine Referenzposition, abstandsgetreu um die Referenzposition auf der gleichen Ebene angeordnet sind; die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung enthält, in welcher eine Schaltung, welche durch ein paralleles Verbinden von einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche in einem ersten Quadranten auf einer X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus einer ersten Elektrode, welche in einem zweiten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode bebildet ist, ausgebildet ist, und eine Schaltung, welche durch ein paralleles Verbinden von einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche in einem vierten Quadranten auf einer X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus einer ersten Elektrode, welche in einem dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, ausgebildet ist, in Serie verbunden sind; und die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung enthält, in welcher eine Schaltung, welche durch ein paralleles Verbinden von dem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im ersten Quadranten auf einer X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und dem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im vierten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier ersten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, ausgebildet ist, und eine Schaltung, welche durch ein paralleles Verbinden von dem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, dem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im zweiten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, ausgebildet ist, in Serie verbunden sind; und das Umschaltmittel Verdrahtungen der ersten Erfassungsschaltung und der zweiten Erfassungsschaltung umschaltet.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 4, bei welchem die festgelegte Elektrode ferner vier zweite Elektroden auf einer Ebene enthält, welche den vier ersten Elektroden auf eine entgegengesetzte Weise mittels der Masse gegenüberliegen; die erste Erfassungsschaltung eine Schaltung enthält, welche ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im vierten Quadranten auf einer X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, mit einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im ersten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, parallel verbindet, und welche ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im ersten Quadranten auf einer X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im zweiten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, mit einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, parallel verbindet; die zweite Erfassungsschaltung eine Schaltung enthält, welche ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im ersten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im vierten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, mit einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, parallel verbindet, und welche ein elektrostatisches Kapazitätselement, wel ches aus der zweiten Elektrode, welche im dritten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, und ein elektrostatisches Kapazitätselement, welches aus der zweiten Elektrode, welche im zweiten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, mit einem elektrostatischen Kapazitätselement, welches aus der ersten Elektrode, welche im ersten Quadranten auf der X-Y-Ebene, aus vier zweiten Elektroden, positioniert ist, und der bewegbaren Elektrode gebildet ist, parallel verbindet.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das erste Trennungsmittel nach einem Verstreichen von einer vorbestimmten Zeit, von dem Zeitpunkt an, bei welchem die Trägerwellen durch das Umschaltmittel umgeschaltet werden, das dritte Erfassungssignal trennt.
Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 3 oder Anspruch 6, bei welchem die vorbestimmte Zeit auf einen Wert eingestellt ist, welcher innerhalb eines Bereiches von 3 bis 4τ von dem Zeitpunkt an fällt, bei welchem die Trägerwellen durch das Umschaltmittel umgeschaltet sind.