HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen
auf einen schwingenden Winkelgeschwindigkeitssensor und
insbesondere auf eine verbesserte Struktur eines solchen
Winkelgeschwindigkeitssensors, welcher so ausgelegt ist,
daß ein Ausgangsfehler minimiert wird.
2. Stand der Technik
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Typische schwingende Winkelgeschwindigkeitssensoren
besitzen ein Sensorelement, welches mit einem Oszillator
ausgerüstet ist. Das Sensorelement beinhaltet ein
Substrat, auf welchem der Oszillator angeordnet ist,
einen eine Schwingung anregenden Mechanismus und einen eine
Winkelgeschwindigkeit sensierenden Mechanismus. Der
Oszillator ist durch Balken so unterstüzt, daß er sich
elastisch in einer ersten Richtung und einer zweiten
Richtung, welche senkrecht zueinander und parallel zu dem
Substrat ausgerichtet sind, bewegen kann. Der eine
Schwingung anregende Mechanismus regt den Oszillator so
an, daß er in der ersten Richtung schwingt. Der eine
Winkelgeschwindigkeit sensierende Mechanismus arbeitet so,
daß er eine Schwingbewegung des Oszillators in der
zweiten Richtung, welche von einer Winkelbewegung des Sensors
herrührt, erfaßt, um die Winkelgeschwindigkeit des
Sensors zu bestimmen.
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Wenn der gesamte Sensor während einer Schwingung des
Oszillators in der ersten Richtung parallel zu dem
Substrat eine Drehbewegung um eine Achse (wird
nachstehend als eine Winkelgeschwindigkeitssensorachse
bezeichnet werden), welche sich in einer dritten Richtung
senkrecht zu dem Substrat erstreckt, erfährt, wird dies
bewirken, daß die Coriolis-Kraft, welche den Oszillator in
der zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung
schwingt, erzeugt wird. Der eine Winkelgeschwindigkeit
sensierende Mechanismus sensiert den Grad einer solchen
Schwingung, um die Winkelgeschwindigkeit, welche der
Sensor erfährt, zu bestimmen.
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Die japanischen Patenterstveröffentlichungen
Nr. 2000-28365 und 5-312576 offenbaren beispielsweise
Winkelgeschwindigkeitssensoren der vorgenannten Art.
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Der vorstehend beschriebene
Winkelgeschwindigkeitssensor ist so ausgelegt, daß er dem Oszillator
ermöglicht, auch in der zweiten Richtung zu schwingen, wenn
die Beschleunigung in der zweiten Richtung extern auf den
Sensor aufgebracht wird. Der eine Winkelgeschwindigkeit
sensierende Mechanismus erfasst auch eine solche
Schwingung als durch die Drehbewegung des Sensors um die
Winkelgeschwindigkeitssensorachse verursacht. Insbesondere
erfasst der eine Winkelgeschwindigkeit sensierende
Mechanismus eine Schwingbewegung des Oszillators zum Bestimmen
der Winkelgeschwindigkeit des Sensors fehlerhaft, wenn
der Sensor nicht um die Winkelgeschwindigkeitssensorachse
gedreht wird, sondern eine Beschleunigung in der zweiten
Richtung erfährt.
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Herkömmliche Winkelgeschwindigkeitssensoren weisen
üblicherweise das Sensorelement auf einer Grundplatte
installiert auf. Die Verwendung einer Gummiplatte, welche
zwischen dem Sensorelement und dem Substrat angeordnet
ist, wird vorgeschlagen, um eine von einem Aufbringen
einer Beschleunigung herrührende, unerwünschte Schwingung
des Oszillators zu absorbieren. Diese Maßnahme reicht
jedoch noch nicht aus, um den vorgenannten Fehler beim
Bestimmen der Winkelgeschwindigkeit des Sensors zu
beseitigen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, die
Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.
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Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen
schwingenden Winkelgeschwindigkeitssensor zu schaffen,
welcher ausgelegt ist, um einen Ausgangsfehler, welcher
durch Aufbringen einer unerwünschten Beschleunigungskraft
auf den Sensor hervorgerufen wird, zu minimieren.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit geschaffen, welche
aufweist: (a) eine Grundplatte; und (b) ein
Sensorelement, welches auf der Grundplatte installiert ist. Das
Sensorelement beinhaltet im Allgemeinen ein Substrat,
einen Oszillator, einen eine Schwingung anregenden
Mechanismus und einen eine Winkelgeschwindigkeit sensierenden
Mechanismus. Der Oszillator wird durch das Substrat für
mittels eines ersten Stützelements, welches in einer
ersten Richtung elastisch verformbar ist, und eines zweiten
Stützelements, welches in einer zu der ersten Richtung
senkrechten zweiten Richtung verformbar ist, gehalten.
Der eine Schwingung anregende Mechanismus arbeitet so,
daß er den Oszillator anregt, in der ersten Richtung zu
schwingen. Der eine Winkelgeschwindigkeit sensierende
Mechanismus arbeitet so, daß er einen Sensorausgang erzeugt
als eine Funktion eines Schwingungsgrads des Oszillators
in der zweiten Richtung, welche von einer Drehbewegung
herrührt, welcher der Oszillator während einer Schwingung
des Oszillators in der ersten Richtung um eine Achse,
welche sich in einer zu der ersten und zweiten Richtung
senkrechten dritten Richtung erstreckt, erfährt. Eine
Resonanzfrequenz einer von der Grundplatte und dem
Sensorelement gebildeten Struktur in der zweiten Richtung ist
auf einen Wert kleiner oder gleich einem Kehrwert einer
Quadratwurzel von Zwei mal einer Differenz zwischen einer
Resonanzfrequenz des Oszillators in der ersten Richtung
und einer Resonanzfrequenz des Oszillators in der zweiten
Richtung festgelegt.
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Falls die Sensoreinheit eine Beschleunigung einer
Frequenz erfährt, welche mit der Differenz Δf zwischen
den Resonanzfrequenzen des Oszillators in der ersten und
zweiten Richtung identisch ist, wird dies zu einem
Ansteigen in einem Schwingungsgrad des Oszillators führen,
was einem Sensorausgang als Rauschen hinzugefügt wird. Um
diese Problem zu überwinden, wird die Resonanzfrequenz
der von der Grundplatte und dem Sensorelement gebildeten
Struktur in der zweiten Richtung auf kleiner als oder
gleich 1/21/2 × Δf festgelegt, wodurch die unerwünschte
Schwingung der Struktur in der zweiten Richtung in hohem
Maße gedämpft wird.
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In der bevorzugten Form der Erfindung ist die
Resonanzfrequenz der Struktur in der zweiten Richtung größer
oder gleich einer Grenzfrequenz in einem
Reaktionsverhalten bezüglich einer Drehbewegung des Sensorelements. Im
Allgemeinen darf eine Sensoreinheit der Art wie hierin
diskutiert nicht mitschwingen, wenn die Sensoreinheit mit
einer niedrigeren Geschwindigkeit gedreht wird, d. h.,
wenn die Winkelgeschwindigkeit kleiner als eine gegebene
Frequenz (d. h. die Grenzfrequenz) ist. Die
Resonanzfrequenz der Struktur in der zweiten Richtung ist daher
höher festgelegt als die Grenzfrequenz, wodurch ein
erwünschtes Ansprechen der Sensoreinheit auf eine
Drehbewegung erreicht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird aus der genauen
Beschreibung, welche nachstehend gegeben ist, und aus den
begleitenden Zeichnungen der bevorzugten
Ausführungsformen der Erfindung, welche jedoch nicht als die Erfindung
auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkend,
sondern nur zum Zweck der Erläuterung und des Verständnisses
genommen werden sollten, vollständiger verstanden werden.
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In den Zeichnungen:
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Fig. 1 eine Querschnittsansicht, welche eine
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit gemäß der Erfindung
zeigt;
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Fig. 2 eine Draufsicht, welche ein Sensorelement
der Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit von Fig. 1 zeigt;
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht, welche entlang
der Linie A-A in Fig. 2 genommen ist;
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Fig. 4 ein Graph, welcher eine Schwingung eines
einer Winkelgeschwindigkeit unterworfenen Oszillators
zeigt;
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Fig. 5 ein Graph, welcher eine typische Beziehung
zwischen Schwingungsbewegung einer physikalischen
Struktur und einer daran angelegten Spannungsfrequenz zeigt;
und
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Fig. 6, 7 und 8 Querschnittsansichten, welche
Modifizierungen der Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit
von Fig. 1 veranschaulichen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, in welchen sich
gleiche Bezugsziffern in mehreren Ansichten auf gleiche Teile
beziehen, insbesondere auf Fig. 1 ist eine
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 gemäß der Erfindung
gezeigt, welche im Wesentlichen aus einem
Winkelgeschwindigkeitssensorchip (d. h. einem Sensorelement) 100, einer
keramischen Grundplatte 200 und einer Kleberschicht 300,
welche den Winkelgeschwindigkeitssensorchip 100 auf der
Grundplatte 200 befestigt, besteht. Die Grundplatte 200
ist eine Unterseite eines Pakets, innerhalb dessen der
Sensorchip 100 installiert ist, und beispielsweise aus
einem Harz auf Siliziumbasis hergestellt. Das gesamte
Paket ist zur Vereinfachung der Darstellung in der
Zeichnung weggelassen.
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Der Sensorchip 100 ist durch Mikrobearbeitung eines
Halbleitersubstrats hergestellt und enthält, wie in
Fig. 2 und 3 gezeigt, ein rechtwinkliges
SOI-(siliconon-insulator)-Substrat 10. Das SOI-Substrat 10 ist, wie
in Fig. 3 deutlich gezeigt, aus einer Laminierung eines
ersten Siliziumsubstrats 11, eines zweiten
Siliziumsubstrats 12 und eines Oxidfilms 13, welcher als ein
Isolator arbeitet, hergestellt.
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Das zweite Siliziumsubstrat 12 besitzt durch Ätzen
ausgebildete Rillen, um einen rahmenähnlichen
Basisabschnitt 20 auf dem Rand hiervon zu definieren, und einen
beweglichen Masseabschnitt 30 innerhalb des
Basisabschnitts 20.
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Das erste Siliziumsubstrat 11 und der Oxidfilm 13
besitzen, wie in Fig. 3 deutlich gezeigt, eine rechteckige
Öffnung 14, welche in Öffnungen hiervon gegenüber dem
Masseabschnitt 30 des Siliziumsubstrats 12 ausgebildet
ist. Der Basisabschnitt 20 des zweiten Siliziumsubstrats
12 wird auf einem Umfangsabschnitt des ersten
Siliziumsubstrats 11 mittels des Oxidfilms 13 getragen. Das SOI-
Substrat 10 ist bei dem ersten Siliziumsubstrat 11
mittels der Kleberschicht 300 an der Grundplatte 200
befestigt.
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Der Masseabschnitt 30 enthält einen im Wesentlichen
rechteckigen Oszillator 31, welcher auf einem mittleren
Abschnitt des zweiten Siliziumsubstrats 12 ausgebildet
ist, und bewegliche Streifen 32, welche außerhalb des
Oszillators 31 mit einem gegebenen Abstand voneinander
entfernt in einer Breitenrichtung des Substrats 10 (wird
nachstehend als eine x-Achsenrichtung bezeichnet werden)
ausgebildet sind. Jeder der beweglichen Streifen 32 ist
durch einen C-förmigen Antriebsbalken 33 mit dem
Basisabschnitt 20 verbunden. Der Oszillator 31 ist mittels
Sensorbalken 34 mit den beweglichen Streifen 32 verbunden.
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Jeder der C-förmigen Antriebsbalken 33 ist so
geformt, daß er nur in der x-Achsenrichtung elastisch
verformt wird, wodurch ermöglicht wird, daß der gesamte
Masseabschnitt 30 einschließlich des Oszillators 31 in der
x-Achsenrichtung schwingt. Jeder der Sensorbalken 34 ist
so gestaltet, daß er nur in einer Richtung senkrecht zu
der x-Achsenrichtung (wird nachstehend als eine
y-Achsenrichtung bezeichnet werden) elastisch verformt wird,
wodurch ermöglicht wird, daß der Oszillator 31 des
Masseabschnitts 30 nur in der y-Achsenrichtung schwingt.
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Insbesondere ist der Oszillator 31 mittels der
beweglichen Streifen 32 durch das Substrat 10 unterstützt. Die
beweglichen Streifen 32 sind mittels der Antriebsbalken
33, welche in der x-Achsenrichtung elastisch verformbar
sind, mit dem Substrat 10 und mittels der Sensorbalken
34, welche in der y-Achsenrichtung elastisch verformbar
sind, auch mit dem Oszillator 31 so verbunden, daß der
Oszillator sowohl in der x- als auch der y-Achsenrichtung
beweglich ist.
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Das zweite Siliziumsubstrat 12 besitzt auch
kammähnliche Antriebselektroden 40, welche außerhalb der
Streifen 32 und innerhalb von Seitenrändern der Öffnung 14
ausgebildet sind. Jede der Antriebselektroden 40
erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu einem
entsprechenden der Streifen 32 und besitzt Zähne 41a, von denen
sich jeder zwischen benachbarten zwei von auf einer Seite
des Streifens 32 angeordneten Zähnen 35 erstreckt. Die
Antriebselektroden 40 führen jeweils zu aus Aluminium
hergestellten Anschlußflecken 41, welche durch Bonddrähte
elektrisch mit einer externen Steuerschaltung (nicht
gezeigt) gekoppelt sind. Wenn ein Antriebssignal durch die
Anschlußflecken 41 an die Antriebselektroden 40 angelegt
wird, wird dies bewirken, daß der gesamte Masseabschnitt
30 in der x-Achsenrichtung schwingt.
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Das zweite Siliziumsubstrat 12 besitzt auch
Sensorelektroden 50, welche außerhalb des Oszillators 31 und
innerhalb von Enden der Öffnung 14 in der
y-Achsenrichtung angeordnet sind. Jede der Sensorelektroden 50
besitzt wie die Antriebselektroden 40 Zähne, von denen sich
jeder zwischen benachbarten zwei von auf einem von
C-förmigen Endabschnitten des Oszillators 31 ausgebildeten
Zähnen 36 erstreckt. Die Sensorelektroden 50 führen
jeweils zu aus Aluminium hergestellten Anschlußflecken 51,
welche über Bonddrähte mit der zuvor beschriebenen
externen Steuerschaltung elektrisch gekoppelt sind. Wenn der
Oszillator 31 während einer Schwingung (wird nachstehend
als selbsterregte Schwingung bezeichnet werden), welche
durch Anlegen des Antriebssignals in der x-Achsenrichtung
erzeugt wird, mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω, wie in
einer rechten unteren Ecke von Fig. 2 dargestellt, um
eine zu sowohl der x- als auch der y-Achsenrichtung
senkrechten Richtung (wird nachstehend als eine
z-Achsenrichtung bezeichnet werden) bewegt oder gedreht wird, wird
dies bewirken, daß der Oszillator 31 in der
y-Achsenrichtung sich bewegt oder schwingt. Die Sensorelektroden 50
erfassen die Schwingungen des Oszillators 31 in der y-
Achsenrichtung mittels der auf dem Oszillator 31
ausgebildeten Zähne 36 zum Bestimmen der Winkelgeschwindigkeit
Ω.
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Das zweite Siliziumsubstrat 12 besitzt auch
Überwachungselektroden 60, welche außerhalb von Enden der
Streifen 32 ausgebildet sind, welche sich innerhalb der
Öffnung 14 erstrecken. Jede der Überwachungselektroden 60
besitzt Zähne, welche mit Zähnen 37, welche sich nach
außen von einer äußeren Seite eines entsprechenden der
Streifen 37 erstrecken, ineinandergreifen. Die
Überwachungselektroden 60 führen jeweils zu aus Aluminium
hergestellten Anschlußflecken 61, welche über Bonddrähte mit
der zuvor beschriebenen externen Steuerschaltung
elektrisch gekoppelt sind und so arbeiten, daß sie
Schwingungen des Masseabschnitts 30 einschließlich des Oszillators
31 in der x-Achsenrichtung überwachen, um ein
Überwachungssignal zu erzeugen.
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Der Basisabschnitt 20, der Masseabschnitt 30, die
Antriebselektroden 40, die Sensorelektroden 50 und die
Überwachungselektroden 60 sind durch die zuvor
beschriebenen, in dem zweiten Siliziumsubstrat 12 geätzten Rillen
voneinander elektrisch isoliert.
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Der Betrieb der Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1
wird nachstehend beschrieben werden.
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Die externe Steuerschaltung liefert Antriebssignale
an die Antriebselektroden 40 in der Form einer
Sinuswellenspannung durch die Anschlußflecken 41, um
elektrostatische Kräfte zwischen den Antriebselektroden 40 und den
Zähnen 35 der Streifen 32 zu erzeugen. Die Erzeugung der
elektrostatischen Kräfte wird bewirken, daß der gesamte
Masseabschnitt 30 (einschließlich des Oszillators 31)
durch die Elastizität der C-förmigen Antriebsbalken 33 in
der x-Achsenrichtung schwingt. Die Schwingung des
Masseabschnitts 30 wird zu einer Kapazitätsänderung zwischen
den Zähnen jeder der Überwachungselektroden 60 und den
Zähnen 37 des Oszillators 31 führen. Die
Überwachungselektroden 60 erzeugen somit Überwachungssignale, welche
eine solche Änderung anzeigen, und geben sie an die
externe Steuerschaltung aus. Die externe Steuerschaltung
erzeugt die Antriebssignale, welche an die
Antriebselektroden 40 anzulegen sind, als eine Funktion der hierin
eingegebenen Überwachungssignale in rückgekoppelter
Regelung.
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Wenn die Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 (d. h.
der Masseabschnitt 30) während der selbsterregten
Schwingung mit der Winkelgeschwindigkeit Ω um die
z-Achsenrichtung bewegt oder gedreht wird, wird dies bewirken,
daß die Coriolis-Kraft in der y-Achsenrichtung erzeugt
und auf den Masseabschnitt 30 so ausgeübt wird, daß der
Oszillator 31 wegen der Elastizität der Sensorbalken 34
in der y-Achsenrichtung schwingt. Diese Schwingungen
werden zu einer Kapazitätsänderung zwischen den Zähnen jeder
der Sensorelektroden 50 und den Zähnen 36 des Oszillators
31 führen. Die Sensorelektroden 50 erzeugen somit
Sensorsignale, welche den Grad einer solchen Änderung anzeigen,
und geben sie an die externe Steuerungsschaltung aus. Die
externe Steuerungsschaltung bestimmt die
Winkelgeschwindigkeit Ω als eine Funktion der hierin eingegebenen
Sensorsignale.
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Wenn z. B. der Oszillator 31 in einer von
entgegengesetzten Richtungen entlang der y-Achse in Fig. 2 bewegt
wird, wird das zu in entgegengesetzten Richtungen
orientierten Kapazitätsänderungen führen, welche in oberen und
unteren eine Winkelgeschwindigkeit sensierenden
Mechanismen zu erzeugen sind, wie in der Zeichnung gesehen, von
denen jede aus den Zähnen 36 des Oszillators 31 und der
Sensorelektrode 50 besteht. Die Bestimmung der
Winkelgeschwindigkeit Ω wird daher durch Umwandeln der in den
oberen und unteren eine Winkelgeschwindigkeit
sensierenden Mechanismen erzeugten Kapazitätsänderungen in
Spannungssignale und Verstärken einer Spannungsdifferenz
hierzwischen durch beispielsweise einen
Differentialverstärker erreicht.
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Falls eine Resonanzfrequenz von Schwingugen des
Oszillators 31 in der x-Achsenrichtung (wird nachstehend
auch als eine selbsterregte Oszillationsresonanzfrequenz
bezeichnet werden) als fd definiert ist und eine
Resonanzfrequenz von Schwingungen des Oszillators 31 in der
y-Achsenrichtung (wird nachstehend auch als eine
Oszillationsresonanzfrequenz aufgrund
Eingangswinkelgeschwindigkeit bezeichnet werden) als fs definiert ist, ist die
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 so ausgelegt, daß
sie die Oszillationsresonanzfrequenz fs aufgrund
Eingangswinkelgeschwindigkeit höher festlegt als die
selbsterregte Oszillationsresonanzfreguenz fd, um
erwünschte Frequenzcharakteristiken der
Winkelgeschwindigkeit sicherzustellen. Die Sensorsignale, wie durch die
Winkelgeschwindigkeitsfühlermechanismen erzeugt, werden
durch einen Synchrondetektor verarbeitet, welcher
synchron mit der selbsterregten Oszillationsresonanzfrequenz
fd arbeitet, um eine Frequenzkomponente hieraus zu
extrahieren, welche mit der selbsterregten
Oszillationsresonanzfrequenz fd identisch ist.
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Falls die Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 die
Winkelgeschwindigkeit Ω mit einer Rotationsfrequenz von
f0 während Schwingung des Oszillators 1 mit einer
Geschwindigkeit V und bei der selbsterregten
Oszillationsresonanzfrequenz fd in der x-Achsenrichtung erfährt, wird
eine resultierende Oszillationsgeschwindigkeit, welche
auf den Oszillator 31 wirkt (wird nachstehend als ein
Winkelgeschwindigkeitsausgang Vs bezeichnet werden), wie
in nachstehenden Gleichungen ausgedrückt, der Coriolis-
Kraft Fc proportional sein.
Vs α Fc = 2mvΩ (1)
wobei m die Masse des Oszillators 31 ist.
v = V0.sin(2π.fd.t) (2)
Ω = Ω0.sin(2π.f0.t) (3)
wobei V0 die Amplitude der Schwingungen des Oszillators
31 bei der Frequenz fd und Ω0 die auf den Oszillator 31
bei der Frequenz f0 aufgebrachte Winkelgeschwindigkeit
ist.
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Durch Substituieren von Gln. (2) und (3) in Gl. (1)
und Erweitern dieser erhalten wir
Vs α 2mV0Ω0.sin(2π.fd.t).sin(2π.f0.t)
= 2mV0Ω0.{sin2π(fd + f0)t + sin2π(fd - f0)t} (4)
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Aus Gl. (4) ergibt sich, daß, wenn der Oszillator 31
eine Drehbewegung mit der Winkelgeschwindigkeit Ω und
der Frequenz f0 während der selbsterregten Schwingung mit
der Geschwindigkeit v und mit der selbsterregten
Oszillationsresonanzfrequenz fd erfährt, die Summe von Coriolis-
Kräften von Frequenzen (fd + f0) und (fd - f0) dem
Oszillator 31 hinzugefügt wird.
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Fig. 4 veranschaulicht Schwingungen des Oszillators
31 in der y-Achsenrichtung, welche von einer Aufbringung
der Summe von Coriolis-Kräften von Frequenzen (fd + f0)
und (fd - f0) herrühren. Man beachte, daß, wenn die
Frequenz f0 von Schwingungen mit der Winkelgeschwindigkeit
Ω gleich einer Differenz Δf zwischen der selbst erregten
Oszillationsresonanzfrequenz fd und der
Oszillationsresonanzfrequenz aufgrund Eingangswinkelgeschwindigkeit fs
ist, der Winkelgeschwindigkeitsausgang Vs so festgelegt
ist, daß er einen maximalen Wert hat.
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Zusätzlich erzeugt der Oszillator 31 auch den
Winkelgeschwindigkeitsausgang Vs gemäß Gln. (1) bis (4), wie
zuvor beschrieben, wenn die
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 eine Beschleunigung einer Frequenz f0' in der
y-Achsenrichtung während Schwingungen des Oszillators 31
mit einer Geschwindigkeit v und mit der selbsterregten
Oszillationsresonanzfrequenz fd in der x-Achsenrichtung
erfährt. Insbesondere wenn die
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 eine beschleunigte Bewegung mit der Frequenz
f0' in der y-Achsenrichtung erfährt, schwingt sie in der
y-Achsenrichtung, wodurch bewirkt wird, daß die Summe von
Coriolis-Kräften von Frequenzen (fd + f0') und (fd - f0')
auf die Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 ausgeübt
wird. Falls f0' = fs - fd, d. h. falls die Frequenz f0'
der beschleunigten Bewegung des Oszillators 31 gleich der
zuvor beschriebenen Oszillator-Resonanzfrequenzdifferenz
Δf ist, wird die Coriolis-Kraft der
Eingangswinkeloszillationsresonanzfrequenz fs auf den Oszillator 31 so
ausgeübt, daß der Oszillator 31 eine große Schwingung
erfährt, was zu einer Addition unerwünschten Rauschens auf
den Winkelgeschwindigkeitsausgang Vs führt.
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Um ein solches Rauschen zu beseitigen, muss die
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 daher so ausgelegt
sein, daß sie eine Resonanzfrequenz fa (wird nachstehend
auch als eine Sensoreinheit-Resonanzfrequenz bezeichnet
werden) in der y-Achsenrichtung aufweist, welche so
arbeitet, daß Schwingungen des Oszillators 31, welche von
der beschleunigten Bewegung der
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 in dem Fall von f0' = fs - fd herrühren,
minimiert werden. In dieser Ausführungsform ist die
Sensoreinheit-Resonanzfrequenz fa kleiner als oder gleich
einem Kehrwert einer Quadratwurzel von Zwei mal der
Oszillatorresonanzfrequenzdifferenz Δf (d. h. 1/21/2 × Δf)
festgelegt. Der Grund hierfür wird nachstehend mit Bezug
auf Fig. 5 diskutiert werden.
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Fig. 5 zeigt eine typische
Schwingung-Zu-Frequenz-Beziehung einer physikalischen Struktur, wenn sie
physikalischen Vibrationen unterworfen wird, welche durch
Anlegen der Spannung auf die Struktur erzeugt werden. "DC" in
der Zeichnung bezeichnet, wenn die Spannung einer
Nullfrequenz an die Struktur angelegt wird, d. h. eine
Gleichspannung verwendet wird, um die Struktur in einer
Richtung vorzuspannen. Wenn die Frequenz der an die Struktur
angelegten Spannung allmählich von Null erhöht wird, wird
die Auslenkung der Stuktur (d. h. eine
Schwingungsamplitude der Struktur) bei einer Resonanzfrequenz fk maximiert.
Nach fk schwächt sich die Schwingung der Struktur ab.
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Wenn die Frequenz der Spannung, d. h. die
Schwingungsfrequenz der Struktur, bis auf ein 21/2-faches der
Resonanzfrequenz fk der Struktur erhöht wird, wird die
Schwingung der Struktur so abgedämpft, daß sie eine
Amplitude äquivalent zu der Verschiebung der Struktur, wenn
die Frequenz Null ist, d. h. wenn die Gleichspannung an
die Struktur angelegt wird, aufweist. Wenn die Frequenz
der Schwingung der Struktur weiter erhöht wird, wird dies
bewirken, daß die Schwingungssamplitude der Struktur
unter die Verschiebung der Struktur, wenn die Frequenz Null
ist, erniedrigt wird.
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Es ergibt sich daher, daß ein Erhöhen der
Schwingungsfrequenz der Struktur oberhalb des 21/2-fachen der
Resonanzfrequenz fk der Struktur bewirkt, daß die
Amplitude hiervon unter die Verschiebung der Struktur, wenn
sie mit der Gleichspannung versorgt wird, abgesenkt wird.
Insbesondere kann in dieser Ausführungsform, falls die
Frequenz f0' einer Schwingung der
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1, wenn sie eine beschleunigte Bewegung
erfährt, = der Oszillator-Resonanzfrequenzdifferenz Δf,
die Dämpfung der Schwingung des Oszillators 31, welche
von der beschleunigten Bewegung der
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 herrührt, durch Festlegen von Δf
auf höher als oder gleich dem 21/2-fachen der
Resonanzfrequenz fa der Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1
(d. h. einer Struktur, welche wenigstens aus dem
Sensorchip 100 und der Grundplatte 200 gebildet ist)
erreicht werden.
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Umgekehrt kann die Schwingung der
Winkelgeschwindigkeitsensoreinheit 1 in der y-Achsenrichtung, welche
erzeugt wird, wenn die gesamte
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 eine Beschleunigung mit einer Frequenz, welche
mit der Oszillator-Resonanzfrequenzdifferenz Δf in der
y-Achsenrichtung identisch ist, erfährt, durch Festlegen
der Sensoreinheit-Resonanzfrequenz fa auf niedriger als
oder gleich einem Kehrwert einer Quadratwurzel von Zwei
mal der Oszillator-Resonanzfrequenzdifferenz Δf (d. h.
1/21/2 × Δf) in hohem Maße gedämpft werden. Dies führt zu
einer starken Schwingungsdämpfung des Oszillators 31selbst in der y-Achsenrichtung, welche von der
beschleunigten Bewegung der Sensoreinheit 1 in der
y-Achsenrichtung herrührt.
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Aus Fig. 5 ist auch ersichtlich, daß die Schwingung
des Oszillators 31, welche erzeugt wird, wenn die
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1 eine Beschleunigung bei
einer Frequenz fd, fs oder fd + fs, was höher als die
Oszillator-Resonanzfrequenzdifferenz Δf = fs - fd ist,
stark gedämpft wird.
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Die Sensoreinheit-Resonanzfrequenz fa (d. h. die
Resonanzfrequenzsensoreinheit 1 in der y-Achsenrichtung) wird
durch
fa = 1/{2π.(k/M)1/2} (5)
ausgedrückt, wobei k die Federkonstante der Kleberschicht
300 in der y-Achsenrichtung ist, und M die Masse des
Sensorchips 100 ist.
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Die Federkonstante k ist proportional zu dem Young-
Modul der Kleberschicht 300. Ein Festlegen der
Sensoreinheit-Resonanzfrequenz fa auf einen Wert, welcher kleiner
als oder gleich einem Kehrwert einer Quadratwurzel von
Zwei mal der Oszillator-Resonanzfrequenzdifferenz Δf
(d. h. 1/21/2 × Δf) ist, wird somit durch Erhöhen des
Gewichts des Sensorchips 100, Erniedrigen des Young-Moduls
der Kleberschicht 300 oder Vergrößern der Dicke der
Kleberschicht 300, um die Federkonstante der Kleberschicht
300 zu erniedrigen, leicht erreicht.
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Die Sensoreinheit-Resonanzfrequenz fa ist auch höher
als eine Grenzfrequenz (z. B. 100 Hz) im
Reaktionsverhalten bezüglich einer Drehbewegung des Sensorchips 100
festgelegt.
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Im Allgemeinen muss ein
Schwingungs-Winkelgeschwindigkeitssensor eines Typs wie hierin diskutiert einen
Oszillator aufweisen, welcher sich einer Drehbewegung des
Sensors folgend bewegt, ohne mitzuschwingen, wenn der
Sensor sanft gedreht wird, d. h. wenn die
Winkelgeschwindigkeit des Sensors in einer Frequenz kleiner als eine
gegebene niedrigere Frequenz ist. Die Schwingung des
Sensors ist daher so ausgelegt, daß sie nicht mitschwingt,
wenn der Sensor eine Drehbewegung mit einer kleineren
Geschwindigkeit als der gegebenen tieferen Frequenz (d. h.
der Grenzfrequenz) erfährt. Der Oszillator 31 des
Sensorchips 100 in dieser Ausführungsform ist so ausgelegt,
daß er nicht mitschwingt, wenn die Winkelgeschwindigkeit
kleiner als etwa 100 Hz ist. Dies wird z. B. durch
Auswählen der Gestalt und/oder Dicke der Antriebsbalken 33 und
Sensorbalken 34 erreicht.
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Wenn z. B. die selbsterregte
Oszillations-Resonanzfrequenz fd 4000 Hz beträgt, die
Eingangswinkeloszillationsresonanzfrequenz fs 4400 Hz beträgt, die
Oszillator-Resonanzfrequenzdifferenz Δf des Oszillators 31 400 Hz
beträgt und die Grenzfrequenz fc 100 Hz beträgt, ist die
Sensoreinheit-Resonanzfrequenz fa auf 100 bis 282 Hz
festgelegt. Dies wird durch Einstellen des Young-Moduls der
Kleberschicht 300 auf 2000 bis 4900 Pa in einem Fall, in
welchem die Dicke der Kleberschicht 300 170 µm beträgt,
erreicht.
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Fig. 6 bis 8 veranschaulichen Modifizierungen der
Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit 1.
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In Fig. 6 ist der Sensorchip 1 an einem Abschnitt der
Unterseite hiervon auf der Grundplatte 200 mittels der
Kleberschicht 300 befestigt. Diese Struktur liefert die
Federkonstante an die Kleberschicht 300, welche kleiner
ist, als wenn die gesamte Bodenoberfläche des Sensorchips
1 durch die Kleberschicht 300 an der Grundplatte 200
befestigt ist.
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In Fig. 7 ist ein Schaltungschip 400 mittels der
Kleberschicht 300 auf der Grundplatte 200 befestigt. Der
Schaltungschip 400 arbeitet so, daß er die
Antriebssignale an die Elektroden 40 liefert, die selbsterregte
Schwingung des Oszillators 31 induziert, die als eine
Funktion der auf den Sensorchip 100 aufgebrachten
Winkelgeschwindigkeit erzeugte Kapazitätsänderung des
Sensorchips 100 in ein Spannungssignal umwandelt, und das
Spannungssignal mittels eines Synchrondetektors
verarbeitet, um einen Sensorausgang bereitzustellen. Auf dem
Schaltungschip 400 ist der Sensorchip 100 durch die
zweite Kleberschicht 300 befestigt.
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Die Sensoreinheit 1 wie in Fig. 8 dargestellt ist
eine Kombination derjenigen von Fig. 6 und 7. Insbesondere
ist der Schaltungschip 400 auf einem Teil der Unterseite
hiervon mittels der Kleberschicht 300 auf der Grundplatte
200 installiert. Dies führt, wie die erste Modifizierung
von Fig. 6, zu einer Abnahme der Federkonstannte der
Kleberschicht 300.
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Während die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die
bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um
ein besseres Verständnis hiervon zu erleichtern, sollte
verstanden werden, daß die Erfindung auf zahlreiche Weise
ausgeführt werden kann, ohne von dem Prinzip der
Erfindung abzuweichen. Daher sollte die Erfindung so
verstanden werden, daß sie alle möglichen Ausführungsformen und
Modifizierungen an den gezeigten Ausführungsformen
einschließt, welche ausgeführt werden können, ohne von dem
Prinzip der Erfindung, wie in den anliegenden Ansprüchen
ausgeführt, abzuweichen. Zum Beispiel können die
Antriebselektroden 40 und die Sensorelektroden 50
alternativ so ausgelegt sein, daß sie als der eine Schwingung
anregende Mechanismus bzw. der eine Winkelgeschwindigkeit
sensierende Mechanismus arbeiten, indem Intervalle
zwischen den Zähnen 36 und Zähnen der Antriebselektroden 50
und zwischen den Zähnen 35 und Zähnen der
Sensorelektroden 50 geändert werden. In diesem Fall wird der
Oszillator 31 durch die Elektroden 50 in der y-Achsenrichtung so
angetrieben, daß er beim Erfassen der
Winkelgeschwindigkeit der Sensoreinheit 1 in der x-Achsenrichtung
schwingt. Die Antriebsbalken 33 und die Sensorbalken 34
arbeiten auch in einer Beziehung, welche der in der
vorgenannten Ausführungsform umgekehrt ist.