DE19654303A1 - Mikrogyroskop - Google Patents
MikrogyroskopInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrogyroskop und ins
besondere betrifft sie ein Mikrogyroskop, bei dem eine Trei
berelektrode zur Kraftanwendung auf ein Schwingungsbauteil
senkrecht in bezug auf eine Ebene des Schwingungsbauteils un
ter diesem angeordnet ist und in dem eine Auslenkung des
Schwingungsbauteils in der Ebene der Richtung des Schwin
gungsbauteils durch eine Coriolis-Kraft auftritt.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor (Gyroskop) zum Detektieren
einer Winkelgeschwindigkeit eines Trägheitsobjekts ist als
ein Kernelement einer Navigationsvorrichtung für Lenkflugkör
per, Schiffe oder Flugzeuge verwendet worden. Bis heute wur
den die Anwendungsgebiete für den Sensors aufgeweitet auf ei
ne Navigationsvorrichtung für Kraftfahrzeuge oder eine Vor
richtung zum Detektieren und Korrigieren von Verwackeln in
einer Videokamera mit hoher Vergrößerung. Ein herkömmliches
Gyroskop kann genaue Winkelgeschwindigkeitsmessungen erzie
len. Aufgrund seines großen Aufbaus und seiner hohen Herstel
lungskosten, die mit der erforderlichen Präzisionsbearbeitung
und der Vielzahl von komplexen Teilen in Zusammenhang stehen,
ist es jedoch nicht für allgemeine industrielle Anwendungen
oder Heimelektronik geeignet.
Kürzlich wurde ein kleines Gyroskop mit an einem dreieckigen
prismatischen Balken angebrachten piezoelektrischen Elementen
entwickelt zur Verwendung als Verwacklungssensor in Videoka
meras. Zur Überwindung von Schwierigkeiten in der Herstellung
des Gyroskops mit piezoelektrischen Elementen wurde ein ande
res kleines Gyroskop mit einer zylindrischen Balkenstruktur
entwickelt.
Da jedoch beide der zuvor genannten zwei Arten von kleinen
Gyroskopen eine hohe Herstellungsgenauigkeit erfordern, ist
deren Fertigung schwierig und teuer. Es ist schwierig, von
der Herstellung integrierter Schaltungen bekannte Techniken
auf Gyroskope zu übertragen, da die Gyroskope aus einer Viel
zahl von mechanischen Teilen hergestellt sind.
Für Verbesserungen bei den oben erwähnten Gyroskopen ist ein
wirtschaftlicheres und genaueres Gyroskop in Entwicklung un
ter Verwendung mikromechanischer Herstellungsverfahren. Das
Prinzip hinter diesen Gyroskopen besteht darin, daß dann,
wenn ein Trägheitsobjekt, das in einer ersten Achsenrichtung
schwingt oder sich gleichmäßig dreht, eine Anwendung einer
Winkelgeschwindigkeit durch Drehung in einer zweiten Achsen
richtung senkrecht zu der ersten Achsenrichtung erfährt, eine
Coriolis-Kraft, die in einer dritten Achsenrichtung senkrecht
sowohl zur ersten als auch zur zweiten Achse erzeugt wird,
gemessen wird, um dadurch die Drehwinkelgeschwindigkeit fest
zustellen. Hier erhöht das Gleichgewicht der auf das Träg
heitsobjekt angewendeten Kräfte die Genauigkeit der Winkelge
schwindigkeitsdetektion. Insbesondere ist ein Aufbau unter
Verwendung des Gleichgewichts der Kräfte bevorzugt zur Ver
breiterung der Linearität und Bandbreite eines Signals.
In Fig. 1 ist der Aufbau eines Gyroskops eines Kamm-Motortyps
unter Verwendung eines Abstimmgabelmode, das durch das Char
les-Stark-Drapper-Laboratorium, Inc. entwickelt und in der
US-Patentanmeldung Nr. 5 349 855 offenbart wurde, darge
stellt. Das in Fig. 1 gezeigte Gyroskop, das durch Mikrobear
beitungsverfahren hergestellt wurde, umfaßt ein flaches
Schwingungsbauteil 11, Federn 12 und 13, die mit dem Schwin
gungsbauteil 11 verbunden sind, und einem Kamm 14 zur Anwen
dung einer elektrostatischen Kraft auf das Schwingungsbauteil
11. Das Schwingungsbauteil 11 steht im Abstand von einem
Substrat unter einem vorbestimmten Abstand und ist durch den
durch das Bezugszeichen 15 bezeichneten Teil gehaltert. Wie
durch die Legende links von der Zeichnung dargestellt ist,
kann das Gyroskop unterteilt werden in: eine an dem Substrat
angebrachte Oberflächenelektrode, eine von dem Substrat um
einen vorbestimmten Abstand im Abstand stehende hängend ge
halterte Elektrode, und einen Halterungsbereich zum Haltern
der hängenden Elektrode.
Das in Fig. 1 gezeigte Mikrogyroskop arbeitet durch Anwendung
einer elektrostatischen Kraft an dem Kamm 14, der zu beiden
Seiten des Schwingungsbauteils 11 ausgebildet ist, durch Ver
wendung linker und rechter Motoren 16 und 17, um dadurch eine
Schwingung einer Abstimmgabelmode in einer Richtung zu erzeu
gen. Die eindirektionale Bewegung des Schwingungsbauteils 11
wird aus der Veränderung der Kapazität des Kamms 20, der an
dessen Mitte angebracht ist, detektiert, und das detektierte
Signal wird zu den Motoren 16 und 17 zurückgekoppelt. Wenn
eine zum Induzieren einer Schwingung, die den instabilen Os
zillationssteuergrenzzyklus (unstable oscillation control
limit cycle) erfüllt, geeignete Spannung auf den linken und
rechten Motor 16 und 17 angewendet wird, schwingt das Bauteil
kontinuierlich bei seiner Eigenfrequenz. Wenn sich das Träg
heitsobjekt in einer Ebene in einer Richtung senkrecht in be
zug auf die Schwingungsrichtung von der elektrostatischen
Kraft der Motoren 16 und 17 erzeugten Schwingung dreht, wird
eine Coriolis-Kraft in einer Richtung senkrecht zu beiden
Richtungen erzeugt, d. h. in der senkrechten Richtung in bezug
auf die Ebene. Die Coriolis-Kraft lenkt das Schwingungsbau
teil 11 in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Fig. 1 aus.
Die Auslenkung schafft eine Torsionskraft auf das Schwin
gungsbauteil 11. Die Coriolis-Kraft wird detektiert durch die
Detektion eines Drehmoments in dem Schwingungsbauteil 11, das
detektiert wird aus der Veränderung in der Kapazität, die
durch an zwei Bereichen unterhalb des Schwingungsbauteils 11
angebrachte Elektroden 22 hervorgerufen wird. Das Schwin
gungsbauteil 11 wird in der Z-Richtung ausgelenkt, d. h. es
ist einer wie oben beschriebenen Torsion unterworfen, und ei
ne elektrostatische Kraft wird erzeugt durch eine Drehmomen
telektrode 23 für ein Kräftegleichgewichtsverfahren, das zum
Kompensieren der Torsion in der Lage ist. Die Drehmomentelek
trode 23 zum Schaffen eines Gleichgewichts in den Torsions
kräften ist jeweils an zwei Bereichen angeordnet, die diago
nal zueinander unter dem Schwingungsbauteil 11 gelegen sind.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 18 einen zentralen Mo
tordetektor, die Bezugszeichen 25 und 26 bezeichnen jeweils
linke und rechte Drehmomentdetektoren, die Bezugszeichen 27
und 28 bezeichnen jeweils linke und rechte Detektoren, und
das Bezugszeichen 29 bezeichnet einen Ausgabeteil.
Das Gyroskop gemäß der herkömmlichen Technologie, wie es in
Fig. 1 veranschaulicht ist, besitzt die folgenden Probleme.
Zunächst ist es sehr schwierig, die natürliche oder Eigenfre
quenz in bezug auf jede Schwingungsrichtung in dem Schwin
gungsbauteil 11 anzupassen. Das heißt, ein planares Schwin
gungsbauteil schwingt allgemein in einer Richtung parallel zu
der Ebene, wie in Fig. 2A gezeigt ist, oder in einer Richtung
senkrecht zur Ebene, wie in Fig. 2B gezeigt ist, und die Ei
genfrequenzen müssen in beiden Richtungen zueinander angepaßt
sein. Zur Anpassung wird die Dicke und Breite der Federn 12
und 13 zur Halterung des Schwingungsbauteils 11 innerhalb ei
nes Bereichs von vorbestimmten Fehlern bei der mechanischen
Herstellung hergestellt, die zwischen einigen und mehreren
zehn Angströms liegen. Da die Federn 12 und 13 getrennt von
einander hergestellt werden mit Unterschieden in der Dicke
und der Breite, ist die Aufgabe des Anpassens einer jeden Ei
genfrequenz in bezug auf beide Richtungen mühsam. Wenn die
Eigenfrequenzen nicht bei jedem Herstellungsverfahren ange
paßt werden, kann die Eigenfrequenz durch einen zusätzlichen
Prozeß während des Betriebs angepaßt werden. Dieser Prozeß
macht es jedoch schwierig, eine Normierung der Produkte und
eine Bewältigung der Toleranzen zu erzielen.
Zur Messung der Auslenkung des Schwingungsbauteils 11 gemäß
der Coriolis-Kraft in dem Mikrogyroskop der Fig. 1 muß zudem
ein vorbestimmter Abstand zwischen den Elektroden 22 und 23,
die an dem Substrat und an dem Schwingungsbauteil 11 ange
bracht sind, aufrechterhalten werden. Die Festlegung des Ab
stands führt folglich jedoch eine drastische Begrenzung der
Auflösung, der verwendeten Frequenz und der Linearität des
Gyroskops ein. Da die Empfindlichkeit des Gyroskops umgekehrt
proportional zum Quadrat des Abstands ist, muß der Abstand
klein sein, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Da jedoch ein
gleichförmiger Gleichstrom auf die Elektrode 22 angewendet
wird zum Ansteuern eines Sensors zum Messen der Auslenkung
des Schwingungsbauteils 11, berührt das Schwingungsbauteil 11
das Substrat, wenn der Abstand ziemlich eng ist. Da weiter
die Veränderung in der Kapazität zwischen den Oberflächene
lektroden des Substrats und dem Schwingungsbauteil 11 umge
kehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist, ist die Li
nearität der Winkelgeschwindigkeit in einem Ausgabewert
schlecht. Das Gyroskop muß geeignet entworfen sein, damit es
zur Erzeugung einer großen Auslenkung in der Meßrichtung in
bezug auf eine konstante Winkelgeschwindigkeit in der Lage
ist, um seine Empfindlichkeit zu verbessern. Es tritt jedoch
der Effekt auf, daß das Schwingungsbauteil 11 die Elektroden
22 berührt, wenn seine Auslenkung groß wird.
Die Drehmomentelektrode 23 ist an zwei diagonalen Positionen
unterhalb des Schwingungsbauteils 11 angebracht, um den Be
rührungseffekt zu verhindern. Da jedoch ein solches herkömm
liches Verfahren zu ihrer Positionierung eine Tendenz zeigt,
den Abstand zwischen dem Substrat und dem Schwingungsbauteil
11 an der Stelle zu verringern, wo die Drehmomentelektrode 23
nicht angebracht ist, wenn eine Spannung an die Drehmomente
lektrode 23 angelegt wird, kann die herkömmliche Positionie
rung nicht entsprechend durchgeführt werden. Wenn die Elasti
zität der Federn 12 und 13 verstärkt wird zum Kompensieren
der obigen Mängel, erhöht sich folglich die Eigenfrequenz des
Gyroskops, wodurch die Empfindlichkeitserhöhung in dem Gyro
skop negativ beeinflußt wird.
Zur Lösung der obigen Probleme ist es eine Aufgabe der vor
liegenden Erfindung, ein Mikrogyroskop zu schaffen mit einem
Schwingungsbauteil mit einer Vielzahl von Furchen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Mikrogyroskop zu schaffen mit einer Treiberelektrode und ei
ner Meßelektrode, in der Anoden- und Kathodenstreifen ange
ordnet sind.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Mikrogyroskop zu schaffen mit einer Treiberelektrode und
einer Meßelektrode, die senkrecht angeordnet sind unter der
Ebene des Schwingungsbauteils.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Mikrogyroskop zu schaffen zur Anwendung einer in horizon
taler und vertikaler Richtung erzeugten Antriebskraft an ei
nem Schwingungsbauteil.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Mikrogyroskop zu schaffen zur Erzeugung einer Auslenkung
eines Schwingungsbauteils aufgrund einer Coriolis-Kraft in
einer Richtung der Ebene des Schwingungsbauteils.
Zum Lösen der obigen Aufgaben wird dementsprechend ein Mikro
gyroskop geschaffen mit: einem Substrat; einem ersten Sensor
mittel, bei dem eine Vielzahl von streifenförmigen Anoden und
Kathoden abwechselnd feldförmig und parallel auf dem Substrat
angeordnet sind; einem Treibermittel, das so angeordnet ist,
daß es senkrecht zur Richtung der Streifenlänge des ersten
Sensormittels auf dem Substrat ist, und bei dem eine Vielzahl
von streifenförmigen Anoden und Kathoden abwechselnd und par
allel feldförmig angeordnet sind; einem Schwingungsbauteil
mit einer Vielzahl von ersten Furchen in Streifenform, die
senkrecht von einer Ebene des ersten Sensormittels und des
Treibermittels unter einer vorbestimmten Höhe im Abstand ste
hen und in einer Richtung übereinstimmend mit einer Richtung
der Streifenlänge des ersten Sensormittels ausgebildet sind,
und mit einer Vielzahl von zweiten Furchen in Streifenform,
die in einer Richtung in Übereinstimmung mit einer Richtung
der Streifenlänge des Treibermittels ausgebildet sind; einem
Halterungsteil, der auf dem Substrat ausgebildet ist, zum
Beibehalten des Schwingungsbauteils unter einer vorbestimmten
Höhe von dem Substrat; und elastischen Elementen zur elasti
schen Verbindung des Schwingungsbauteils und des Halterungs
teils.
Es ist in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß weiter
zweite Sensormittel vorgesehen sind, die zu beiden Seiten des
Treibermittels in der gleichen Form wie der der Streifenelek
troden des Treibermittels angeordnet sind, zum Detektieren
eines anfänglichen Schwingungszustands des Schwingungsbau
teils, das mit der Eigenfrequenz schwingt.
Es ist weiter in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß
das erste Sensormittel an zwei parallelen Positionen auf dem
Substrat angeordnet ist, und daß das Treibermittel innerhalb
des ersten Sensormittels angeordnet ist.
Es ist weiter in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß
die Streifenform des ersten Sensormittels so ausgebildet ist,
daß sie schmäler und länger ist als die des zweiten Sensor
mittels, und daß die Streifenform der ersten Furchen des
Schwingungsbauteils so ausgebildet ist, daß sie schmäler und
länger ist als die der zweiten Furchen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft an
hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Grundrißansicht, die ein herkömmliches Mikrogy
roskop veranschaulicht;
Fig. 2A und 2B perspektivische Ansichten, die Schwingungszu
stände des Schwingungsbauteils des Mikrogyroskops
nach Fig. 1 veranschaulichen;
Fig. 3A eine Grundrißansicht, die einen Elektrodenaufbau ei
nes erfindungsgemäßen Mikrogyroskops veranschaulicht;
Fig. 3B eine Grundrißansicht, die das Schwingungsbauteil des
erfindungsgemäßen Mikrogyroskops veranschaulicht;
Fig. 4 einen senkrechten Schnitt entlang der Linie A-A der
Fig. 3B in dem zusammengebauten Zustand des erfin
dungsgemäßen Mikrogyroskops;
Fig. 5 einen vertikalen Schnitt entlang der Linie B-B der
Fig. 3B in dem zusammengebauten Zustand des erfin
dungsgemäßen Mikrogyroskops;
Fig. 6A und 6B Ansichten, die Schwingungszustände des Schwin
gungsbauteils des erfindungsgemäßen Mikrogyroskops
veranschaulichen;
Fig. 7 eine Ansicht, die eine Anordnung eines allgemeinen
Schwingungssystems veranschaulicht; und
Fig. 8 eine Graphik, die die Beziehung zwischen einer Feder
kraft und einer elektrostatischen Kraft in bezug auf
einen Abstand zwischen dem Schwingungsbauteil und ei
ner Treiberelektrode anzeigt.
Nachfolgend wird die Erfindung ausführlich beschrieben.
Fig. 3A ist eine Grundrißansicht einer Treiberelektrode und
einer Sensorelektrode, die auf einem Scheiben- bzw. Wafer
substrat eines erfindungsgemäßen Mikrogyroskops ausgebildet
sind. Fig. 3B ist eine Grundrißansicht eines Schwingungsbau
teils.
Bezug nehmend auf Fig. 3A besitzt eine erste Sensorelektrode
31 Anoden- und Kathodenstreifen, die abwechselnd auf einem
Substrat nebeneinander liegen. Die ersten Sensorelektroden 31
sind zu beiden Seiten einer Treiberelektrode 32 angeordnet.
Die Treiberelektrode 32 ist durch abwechselnde und parallele,
in Feldform angeordnete Anoden- und Kathodenstreifen senk
recht zu der ersten Sensorelektrode 31 gebildet. Die Streifen
der Treiberelektrode 32 sind breiter und kürzer als jene der
ersten Sensorelektrode 31. Die erste Sensorelektrode 31
stellt eine Auslenkung des Schwingungsbauteils aufgrund einer
Coriolis-Kraft fest, und die Treiberelektrode 32 ist zum An
wenden von Kraft auf das Schwingungsbauteil vorgesehen.
Eine zweite Sensorelektrode 33 ist an jedem Ende der Treibe
relektrode 32 angeordnet und weist die gleiche Form auf wie
jene der Treiberelektrode 32. Die zweite Sensorelektrode 33
stellt die Schwingung des Schwingungsbauteils fest und wendet
eine Spannung an die Treiberelektrode 32 an, welche einen in
stabilen Oszillationssteuergrenzzyklus erfüllt, so daß ein
Schwingungsbauteil 34 kontinuierlich bei seiner Eigenfrequenz
schwingen kann. Die Richtungen der Streifen der Treiberelek
trode 32 und der zweiten Sensorelektrode 33 sind senkrecht zu
jenen der ersten Sensorelektrode 31.
In Fig. 3B ist ein Schwingungsbauteil 34 an einer vorbestimm
ten Position im Abstand von den Elektroden 31, 32 und 33 auf
dem Substrat, die in Fig. 3A gezeigt sind, angeordnet. Das
Schwingungsbauteil 34 ist aus einer Platte hergestellt, die
über den Sensorelektroden 31 und 33 und der Treiberelektrode
32 ausgebildet ist, auf welcher erste und zweite Furchen
(grooves) 35 und 36 ausgebildet sind. Die Richtungen der er
sten und zweiten Furchen 35 und 36 sind die gleichen wie jene
der einzelnen Elektrodenstreifen, die unter dem Schwingungs
bauteil 34 angeordnet sind. Das heißt, die Richtungen der er
sten Furchen 35 sind gleich zu jenen der Streifen der ersten
Sensorelektrode 31, und jene der zweiten Furchen 36 sind
gleich zu jenen der Streifen der Elektroden 32 und 33.
Eine Feder 38 ist mit dem Schwingungsbauteil 34 verbunden und
stellt auch eine Verbindung mit Halterungen 39 dar, die mit
einer vorbestimmten Höhe von dem Substrat ausgebildet sind.
Die Federn 38, die mit vier Eckpunkten des rechteckigen
Schwingungsbauteils 34 verbunden sind, sind mit den Halterun
gen 39, die zu beiden Seiten des Schwingungsbauteils 34 ange
ordnet sind, verbunden, so daß eine Schwingung auftritt, bis
das Schwingungsbauteil 34 eine Treiberkraft erhält.
Fig. 4 ist ein entlang der Linie A-A der Fig. 3B genommener
Schnitt, in dem die Elektroden des Substrats, die in Fig. 3A
gezeigt sind, an das in der Fig. 3B gezeigte Schwingungsbau
teil angebracht sind. Die Treiberelektrode 32 besitzt Anoden-
und Kathodenstreifen, die abwechselnd auf dem Substrat ange
ordnet sind. Das Schwingungsbauteil 34 mit seinen darin aus
gebildeten zweiten Furchen 36 ist an einer Position oberhalb
des Substrats unter einer vorbestimmten Höhe angeordnet.
Fig. 5 ist ein entlang der Linie B-B der Fig. 3B genommener
Schnitt, bei dem die Elektroden und das Schwingungsbauteil
zusammengefügt sind. Die Sensorelektrode 31, deren Anoden-
und Kathodenstreifen abwechselnd feldförmig ausgebildet sind,
sind auf dem Substrat angeordnet. Das Schwingungsbauteil 34
mit den ersten Furchen 35 ist oberhalb des Substrats unter
einer vorbestimmten Höhe positioniert.
Der Betrieb und der Aufbau des erfindungsgemäßen Gyroskops
wird nun beschrieben.
Fig. 7 veranschaulicht ein Modell eines Schwingungssystems,
wie eines Gyroskops, anhand eines idealisierten Models. Ein
Schwingungselement mit einer Masse m wird durch Federn in den
X- und Y-Richtungen gehaltert. Bei einem solchen Schwingungs
system kann eine externe Kraft f, die auf das Schwingungsele
ment angewendet wird, so daß es in der X-Achsenrichtung
schwingt, wie folgt ausgedrückt werden.
f = Fsin(ωt)
Hier bezeichnet F die maximale externe Kraft, die auf die
Schwingungsstruktur angewendet wird, und ωt stellt einen
Drehwinkel zu einer Zeit t bei einer Winkelgeschwindigkeit ω
dar.
In diesem Fall können die Auslenkungen (X) und die Geschwin
digkeit (V) des Schwingungselements, das sich in der X-
Richtung bewegt, wie folgt ausgedrückt werden.
Hier ist x die Auslenkung entlang der X-Achse, und Vx ist die
Geschwindigkeit des Schwingungselements entlang der X-Achse.
Zudem ist kx eine Federkonstante in der Richtung der X-Achse.
Die Auslenkung y, die entlang der Y-Achse aufgrund der in
Proportion zu einer angewendeten Winkelgeschwindigkeit er
zeugten Coriolis-Kraft auftritt, wird wie folgt berechnet.
Hier sind Qx und Qy jeweils Konstanten in bezug auf die X-
und Y-Achse, und Ω ist die angewendete Winkelgeschwindig
keit. K bezeichnet eine Federkonstante. Somit kann die Dreh
winkelgeschwindigkeit eines Trägheitsobjekts gemessen werden
durch Detektieren der Auslenkung y.
Bezug nehmend auf die Fig. 3 bis 6 entspricht in dem er
findungsgemäßen Mikrogyroskop die Masse m der Masse des
Schwingungsbauteils 34, und bei Anwendung einer der Eigenfre
quenz des Schwingungsbauteils 34 entsprechenden Wechselspan
nung an die Treiberelektrode 32 schwingt das Schwingungsbau
teil 34 in der Richtung der Ebene senkrecht zu den Streifen
der Treiberelektrode 32. Da die Längsrichtung der zweiten
Furchen 36, die auf dem Schwingungsbauteil 34 ausgebildet
sind, parallel zu jenen der Streifen der Treiberelektrode 32
ist, ist die Schwingungsrichtung des Schwingungsbauteils 34,
das durch die Treiberelektrode 32 angeregt wird, senkrecht
zur Längsrichtung der zweiten Furchen 36.
Da wie oben beschrieben die Anoden und die Kathoden der An
steurungselektrode 32 abwechselnd, parallel und in Feldform
ausgebildet sind, sind die Richtung der zwischen der Anode
und dem Schwingungsbauteil 34 erzeugten elektrostatischen
Kraft, wenn die Wechselspannung positiv ist, und die Richtung
der zwischen der Kathode und dem Schwingungsbauteil 34 er
zeugten elektrostatischen Kraft, wenn die Wechselspannung ne
gativ ist, zueinander entgegengesetzt. Somit kann das Schwin
gungsbauteil 34 gemäß der Anwendung der Wechselspannung
schwingen.
Da die Treiberelektrode 32 feldförmig und senkrecht in bezug
auf das Schwingungsbauteil 34 angeordnet ist, wird nun die
elektrostatische Kraft in der senkrechten Richtung gemäß der
an die Treiberelektrode 32 angelegten Spannung angewendet.
Dementsprechend wirkt die zusammengesetzte Kraft der Treiber
kräfte, die auf das Schwingungsbauteil 34 wirken, in einer
schiefen Richtung.
Die Treiberkraft f, die durch Anwenden einer Wechselspannung
an die Treiberelektrode 32 erzeugt wird, kann wie folgt aus
gedrückt werden.
Hier ist f die Treiberkraft; ε ist die dielektrische Konstan
te der Luft; Lx ist die Länge der Treiberelektrode 32; nx ist
die Anzahl von Paaren der Treiberelektrode 32; V ist die
Treiberspannung; und h ist der Abstand zwischen dem Schwin
gungsbauteil 34 und der Treiberelektrode 32.
Die durch die Treiberkraft der Treiberelektrode 32 hervorge
rufene anfängliche Schwingung wird aus der Veränderung in der
Kapazität zwischen dem äußersten Teil 37 des Schwingungsbau
teils 34 und der zweiten Sensorelektrode 33 festgestellt. Aus
dem festgestellten Signal wird eine Spannung, die den insta
bilen Oszillationssteuergrenzzyklus erfüllt, auf die Treibe
relektrode 32 angewendet, um dadurch eine kontinuierliche
Schwingung in dem Schwingungsbauteil 34 bei seiner Eigenfre
quenz zu erzeugen.
Wenn das Schwingungsbauteil 34 die Kraft einer Winkelge
schwindigkeit in einer senkrechten Richtung in bezug auf die
Substratebene in einem Zustand erfährt, bei dem das Schwin
gungsbauteil 34 eine solche Treiberkraft empfängt, wird das
Schwingungsbauteil 34 aufgrund einer Coriolis-Kraft ausge
lenkt. Die Richtung der Auslenkung durch die Coriolis-Kraft
ist senkrecht zur Kraftanwendungsrichtung von der Treibere
lektrode 32 in der Ebene des Schwingungsbauteils 34. Fig. 6A
zeigt die Treibermode der Treiberelektrode 32, und Fig. 6B
zeigt die Auslenkung des Schwingungsbauteils 34 aufgrund der
Coriolis-Kraft.
Die durch die Coriolis-Kraft induzierte Auslenkung des
Schwingungsbauteils 34 erzeugt eine Veränderung der Kapazität
zwischen der ersten Sensorelektrode 31 und dem Schwingungs
bauteil 34. Wie oben beschrieben, umfaßt die erste Sensore
lektrode 31 Kathoden- und Anodenstreifen, die abwechselnd,
parallel und in Feldform angeordnet sind. Da eine Vielzahl
von ersten Furchen 35 mit Streifenform an einem Teil des
Schwingungsbauteils 34 ausgebildet ist, der vertikal über der
ersten Sensorelektrode 31 angeordnet ist, verändert sich die
Kapazität zwischen dem Schwingungsbauteil 34 und der ersten
Sensorelektrode 31, wenn sich das Schwingungsbauteil 34 in
einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der ersten Senso
relektroden 31 oder der ersten Furchen 35 des Schwingungsbau
teils 34 aufgrund der Coriolis-Kraft bewegt. Dementsprechend
kann die Auslenkung des Schwingungsbauteils 34 aufgrund der
Coriolis-Kraft in der ersten Sensorelektrode 31 gemessen wer
den. Da wie oben beschrieben die Anode und die Kathode der
ersten Sensorelektrode 31 abwechselnd, parallel und in Feld
form angeordnet sind, kehren sich Veränderungen in der Kapa
zität in bezug auf die Anode und Kathode um. Die Auslenkung
durch die Coriolis-Kraft wird gemessen durch Berechnen des
Unterschieds in der durch die Anode und Kathode induzierten
Kapazität. Der Unterschied ΔC der Kapazität zwischen beiden
Elektroden kann wie folgt ausgedrückt werden.
Hier ist ny die Anzahl von Paaren von Anoden und Kathoden in
der Sensorelektrode 38; ε ist die dielektrische Konstante von
Luft; Ly ist die Länge der ersten Sensorelektroden 31; h ist
der Abstand zwischen den ersten Sensorelektroden 31 und dem
Schwingungsbauteil 34. Durch Verwenden einer allgemeinen
Schaltung zum Feststellen der Veränderung der Kapazität kann
ein Winkelgeschwindigkeitssignal detektiert werden.
Da das Schwingungsbauteil 34 durch die von den auf dem
Substrat angeordneten Treiberelektroden 32 erzeugte elektro
statische Kraft angetrieben wird, kann in der oben beschrie
benen vorliegenden Erfindung die Treiberkraft unterteilt wer
den in eine horizontale Komponente parallel zu einer Ebene
des Schwingungsbauteils 34 und eine vertikale Komponente
senkrecht zu der Ebene. Somit kann ein Effekt des Anhaftens
des Schwingungsbauteils 34 an dem Substrat aufgrund der elek
trostatischen Kraft in der vertikalen Komponente verhindert
werden. Wenn eine Treiberspannung auf die Treiberelektrode 32
angewendet wird und eine Vorspannung auf die erste Sensore
lektrode 31 angewendet wird, kann die elektrostatische Kraft
fb in der senkrechten Richtung wie folgt ausgedrückt werden.
Hier ist ε die dielektrische Konstante von Luft, Aa ist die
Fläche des Schwingungsbauteils 34, auf die die elektrostati
sche Kraft der Treiberspannung angewendet wird; Vp ist der
maximale Wert der Treiberspannung; As ist die Fläche des
Schwingungsbauteils 34, auf die die elektrostatische Kraft
durch die erste Sensorelektrode 31 angewendet wird; Vb ist
die auf die erste Sensorelektrode 31 angewendete Vorspannung;
und h ist der Abstand zwischen dem Schwingungsbauteil 34 und
der ersten Sensorelektrode 31.
Wenn eine bestimmte Deformation aufgrund der elektrostati
schen Kraft in dem Schwingungsbauteil 34 auftritt, wird eine
elastische rücktreibende Kraft durch die Feder 38 erzeugt.
Die Kraft fk der Feder 38 kann wie folgt ausgedrückt werden.
fk = kg (h₀ - h).
Hier ist kg die Federkonstante in bezug auf die Längsrichtung
eines Streifens der Treiberelektrode 32; h₀ ist ein Abstand
zwischen dem Schwingungsbauteil 34 und der Treiberelektrode
32 vor Erhalt der elektrostatischen Kraft; und h ist ein Ab
stand zwischen dem Schwingungsbauteil 34 und der Treiberelek
trode 33 nach der Deformation aufgrund der elektrostatischen
Kraft.
Das Schwingungsbauteil 34 schwingt zwischen den Positionen,
an denen die elastische Kraft der Feder 38 und die elektro
statische Kraft im Gleichgewicht sind. Die Beziehung zwischen
dem Abstand und der Kraft ist in einer Grafik in der Fig. 8
gezeigt. Die Federkraft, die durch eine gerade Linie ange
zeigt ist, und die elektrostatische Kraft, die durch eine
Kurve angezeigt ist, schneiden sich an den Punkten P und Q in
dem Graphen. Der Punkt P ist jedoch ein Gleichgewichtspunkt,
wo die Kräfte stabil werden, und somit erkennt man, daß die
Kräfte von beweglichen Teilen im Gleichgewicht sind, wenn die
maximale Spannung an die Treiberelektrode 32 angewendet wird.
Da der Abstand zwischen dem Schwingungsbauteil 34 und den
Elektroden groß genug ist, kann man erkennen, daß das Schwin
gungsbauteil 34 im Abstand von der Oberfläche der Elektroden
unter einem konstanten Abstandsintervall schwingt.
Wie oben beschrieben wurde, weist das erfindungsgemäße Mikro
gyroskop einen vereinfachten Aufbau auf, so daß seine Her
stellung einfach ist und es ein verbessertes Betriebsverhal
ten aufweist, ohne die Möglichkeit eines fehlerhaften Be
triebs. Da zudem der Anpassungsvorgang der Eigenfrequenzen in
bezug auf die beiden Achsen, der das Betriebsverhalten des
Mikrogyroskops unter Verwendung eines zweiachsigen Schwin
gungsbauteils bestimmt, aufgrund des Aufbaus des Schwingungs
bauteils in einem einzigen Prozeß ausgeführt werden kann,
kann der Prozeß vereinfacht werden und die Anpassungsgenauig
keit der Eigenfrequenzen kann verbessert werden. Weiter kön
nen die Funktionen des Gegenstands verwirklicht werden, ohne
daß das Schwingungsbauteil die Elektroden berührt, durch An
passung der elektrostatischen Kraft der Treiberelektrode und
der Kraft der Feder.
In der herkömmlichen Technologie wird die Auslenkung des
Schwingungsbauteils aufgrund der Coriolis-Kraft aus der Ver
änderung der Kapazität gemäß der Veränderung des Abstands
festgestellt, wenn das Schwingungsbauteil auf die Sensorelek
troden, die vertikal darunter angeordnet sind, zugeht oder
sich davon entfernt, und dementsprechend wird eine nichtli
neare Ausgabe, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Ab
stands ist, detektiert. Da sich jedoch in der vorliegenden
Erfindung das Schwingungsbauteil in einer Richtung parallel
zu der vertikal darunter angeordneten Sensorelektrode bewegt,
kann die Auslenkung aufgrund der Coriolis-Kraft aus der Ver
änderung der Kapazität in bezug auf die obige Auslenkung ge
messen werden. Somit wird die Linearität der Ausgabe verbes
sert.
Es sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die
oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform beschränkt ist,
und es ist offensichtlich, daß Abwandlungen und Veränderungen
durch den Fachmann durchführbar sind, ohne vom in den beilie
genden Ansprüchen bestimmten Bereich der Erfindung abzuwei
chen.
Claims (8)
1. Ein Mikrogyroskop mit:
einem Substrat;
einem ersten Sensormittel, bei dem eine Vielzahl von strei fenförmigen Anoden und Kathoden abwechselnd feldförmig und parallel auf dem Substrat angeordnet sind;
einem Treibermittel, das so angeordnet ist, daß es senkrecht zur Richtung der Streifenlänge des ersten Sensormittels auf dem Substrat ist, und bei dem eine Vielzahl von streifenför migen Anoden und Kathoden abwechselnd und parallel feldförmig angeordnet sind;
einem Schwingungsbauteil mit einer Vielzahl von ersten Fur chen in Streifenform, die senkrecht von einer Ebene des er sten Sensormittels und des Treibermittels unter einer vorbe stimmten Höhe im Abstand stehen und in einer Richtung über einstimmend mit einer Richtung der Streifenlänge des ersten Sensormittels ausgebildet sind, und mit einer Vielzahl von zweiten Furchen in Streifenform, die in einer Richtung in Übereinstimmung mit einer Richtung der Streifenlänge des Treibermittels ausgebildet sind;
einem Halterungsteil, der auf dem Substrat ausgebildet ist, zum Beibehalten des Schwingungsbauteils unter einer vorbe stimmten Höhe von dem Substrat; und
elastischen Elementen zur elastischen Verbindung des Schwin gungsbauteils und des Halterungsteils.
einem Substrat;
einem ersten Sensormittel, bei dem eine Vielzahl von strei fenförmigen Anoden und Kathoden abwechselnd feldförmig und parallel auf dem Substrat angeordnet sind;
einem Treibermittel, das so angeordnet ist, daß es senkrecht zur Richtung der Streifenlänge des ersten Sensormittels auf dem Substrat ist, und bei dem eine Vielzahl von streifenför migen Anoden und Kathoden abwechselnd und parallel feldförmig angeordnet sind;
einem Schwingungsbauteil mit einer Vielzahl von ersten Fur chen in Streifenform, die senkrecht von einer Ebene des er sten Sensormittels und des Treibermittels unter einer vorbe stimmten Höhe im Abstand stehen und in einer Richtung über einstimmend mit einer Richtung der Streifenlänge des ersten Sensormittels ausgebildet sind, und mit einer Vielzahl von zweiten Furchen in Streifenform, die in einer Richtung in Übereinstimmung mit einer Richtung der Streifenlänge des Treibermittels ausgebildet sind;
einem Halterungsteil, der auf dem Substrat ausgebildet ist, zum Beibehalten des Schwingungsbauteils unter einer vorbe stimmten Höhe von dem Substrat; und
elastischen Elementen zur elastischen Verbindung des Schwin gungsbauteils und des Halterungsteils.
2. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 1, das weiter ein zweites
Sensormittel umfaßt, das zu beiden Seiten des Treibermittels
in der gleichen Form wie die Elektrodenstreifen des Treiber
mittels angeordnet ist und einen anfänglichen Schwingungszu
stand des Schwingungsbauteils, das bei der Eigenfrequenz
schwingt, detektieren kann.
3. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 1, wobei das erste Sen
sormittel an zwei parallelen Positionen auf dem Substrat an
geordnet ist, und wobei das Treibermittel innerhalb des er
sten Sensormittels angeordnet ist.
4. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 2, wobei das erste Sen
sormittel an zwei parallelen Positionen auf dem Substrat an
geordnet ist, und wobei das Treibermittel innerhalb des er
sten Sensormittels angeordnet ist.
5. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 1, wobei die Streifenform
des ersten Sensormittels so ausgebildet ist, daß sie enger
und länger sind als jene des zweiten Sensormittels, und die
Streifenform der ersten Furchen des Schwingungsbauteils so
ausgebildet ist, daß sie enger und länger sind als jene der
zweiten Furchen.
6. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 2, wobei die Streifenform
des ersten Sensormittels so ausgebildet ist, daß sie enger
und länger sind als jene des zweiten Sensormittels, und die
Streifenform der ersten Furchen des Schwingungsbauteils so
ausgebildet ist, daß sie enger und länger sind als jene der
zweiten Furchen.
7. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 1, wobei ein Bereich des
Schwingungsbauteils, wo die ersten Furchen ausgebildet sind,
dem ersten Sensormittel, das vertikal darunter positioniert
ist, entspricht, und ein Teil des Schwingungsbauteils, wo die
zweiten Furchen ausgebildet sind, dem Treibermittel und dem
zweiten Sensormittel, die vertikal darunter positioniert
sind, entspricht.
8. Ein Mikrogyroskop gemäß Anspruch 2, wobei ein Teil des
Schwingungsbauteils, wo die ersten Furchen ausgebildet sind,
dem ersten Sensormittel, das vertikal darunter positioniert
ist, entspricht, und ein Teil des Schwingungsbauteils, wo die
zweiten Furchen ausgebildet sind, dem Treibermittel und dem
zweiten Sensormittel, die vertikal darunter positioniert
sind, entspricht.
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